JP2011519041A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

電気部品３，４を接触接続する導体トラック２を備える基板１を有する圧力センサが明示される。圧力センサは、機械的に測定された変数を電気信号に変換する測定素子３と、測定素子３からの電気信号をさらに処理する信号変換器４を有する。さらに、圧力センサは、基板１とともに、不活性な封入媒体を含む第１の閉鎖空洞６を形成する第１のダイアフラム５を有する。圧力センサの測定素子３の少なくとも一方の側には、アクティブ表面が備えられ、該第１の空洞６内で前記封入媒体と直に接触される。信号変換器４は、不被覆の集積回路（ｕｎｈｏｕｓｅｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）の形で、基板１上に配置される。さらに、圧力センサは、絶対圧、相対圧あるいは差圧を測定するのに適し得る。
【選択図】図１

Description

特許文献１および特許文献２に、圧力センサが開示されている。

米国特許第４２１８９２５号明細書 米国特許第４５４３８３２号明細書

本発明は、高密度に集積された圧力センサを明示することを目的とする。

前記目的は、本願の請求項１に係る圧力センサによって実現される。従属項は、前記圧力センサの改良品に関するものである。

圧力センサは、電気部品に接触接続される導体トラックを有する基板を備えることを特徴としている。該圧力センサは、機械的に測定された変数あるいは電気的な中間変数を記録し、該変数を電気信号に変換する測定素子を備える。該圧力センサは、前記測定素子から出力される電気信号をさらに処理する信号変換器を備える。該信号変換器は、例えば、温度補償を計算して、測定信号を標準化し、測定トランスデューサからの信号を増幅するために使用される。該圧力センサの基板と第１のダイアフラムは、第１の閉鎖空洞を形成し、この閉鎖空洞には、例えば、オイルなどの不活性な封入媒体が含まれる。

圧力センサの測定素子の少なくとも一方の側には、アクティブ表面があって、前記アクティブ表面を持つ側は、前記第１の空洞内において前記封入媒体と直に接触する。前記信号変換器は、集積回路を備える不被覆のチップ（ダイ）（ｕｎｈｏｕｓｅｄ ｃｈｉｐ（ｄｉｅ））の形で、圧力センサの基板上に配置されるのが好ましい。好適な一実施形態では、前記信号変換器の一方の側、つまり、集積回路あるいはスイッチ構造を有するシリコンチップが、圧力センサの基板と直に接触すると好ましい。そのため、前記信号変換器の寸法は、例えば、ＳＭＤ型をなす被覆されたチップよりも相当に小さい。ＳＭＤ型チップは、例えば、プラスチックあるいはセラミックのハウジングで囲まれており、集積型の導体トラックを備えるシリコンチップは、その内部において外部接点と結合されている。シリコンチップの寸法を小さくすれば、例えば、前記信号変換器を基板の窪み内に配置できる。

好適な実施形態の１つでは、前記信号変換器は、基板の窪み内に配置される。

集積回路を備えるシリコン材料を含む信号変換器を、機械的損傷や有害な環境影響あるいは腐食から保護するために、信号変換器の少なくとも一部は、弾性材あるいは、好ましくは軟弾性材によって覆われる。

別の実施形態では、信号変換器の少なくとも一部は、封入媒体と直に接触している。

好適な実施形態の１つでは、弾性材と封入媒体は、同一の物質からなる。

別の実施形態では、第１の圧力センサは、第１のダイアフラムと基板の間の部分に、中間層を備える。中間層は、ハンダ付けあるいは溶接によって、基板に接続されると好ましい。中間層の熱膨張係数は、基板の熱膨張係数と一致すると好ましい。好適な実施形態の１つでは、中間層はリング状をなしており、該中間層には、第１のダイアフラムが接触される。好適な実施形態の１つでは、中間層にコバール（Ｋｏｖａｒ）が含まれる。

ほとんどの金属の熱膨張係数よりも低い熱膨張係数を有する金属合金を、一般にコバールと呼ぶ。このようなコバール合金の熱膨張係数は、約５ｐｐｍ／Ｋである。この場合、基板、ダイアフラムおよび圧力センサの接続処理部の熱膨張係数の違いが、コバール製の中間層によって補償されるので、張力は可能な限り小さくなる。

好適な実施形態の１つでは、ダイアフラムは金属で構成されており、この場合、ステンレス鋼が、ダイアフラムの材料として特に適している。

好適な実施形態の１つでは、ダイアフラムは、例えば、同心円状に広がる波形の模様を表面に備えて構成されている。ダイアフラムは、例えば、ハンダ付けまたは溶接によって中間層に接続される。

別の実施形態では、媒体の周囲の雰囲気に対する相対的な圧力を測定するために、圧力センサの測定素子の背面側は、周囲の雰囲気と直に接触する。この目的のため、圧力センサの基板は、例えば、測定素子の背面側の領域で切り欠かれている。第１の空洞は、測定素子によって、周囲の雰囲気から隔離されていると好ましい。

別の実施形態では、相対的な媒体（ｒｅｌａｔｉｖｅ ｍｅｄｉｕｍ）の圧力、例えば空気の圧力を、第２の測定素子を用いて測定できる。

別の実施形態では、圧力センサが使用されて、圧力センサに接触する２つの媒体間の差圧が測定される。この場合、基板と第２の金属ダイアフラムによって、不活性な封入媒体を含む第２の閉鎖空洞が形成される。第１の空洞と第２の空洞は、互いに基板の反対側に配置されるのが好ましい。

差圧を測定する場合、測定素子の背面側は、第２の空洞内の封入媒体と直に接触する。測定素子のアクティブ側は、第１の空洞内の封入媒体と直に接触する。

好適な実施形態の１つでは、基板はセラミックで構成され、該セラミックは複数の層から構成されると好ましい。この場合、セラミックは、例えば、ＨＴＣＣ（高温同時焼成セラミック）、酸化アルミニウムセラミック、あるいはＬＴＣＣ（低温同時焼成セラミック）、酸化ケイ素、あるいは酸化リチウムセラミックであってもよい。

圧力センサの測定素子と信号変換器は、基板の導体トラックを介して接触接続されると好ましい。ボンディングワイヤを使用して、信号変換器が接触接続されると好ましい。

圧力センサを外部に接触接続するために、基板の導体トラックは、第１の空洞および／または第２の空洞の外部に配置され、外部から接触接続できる領域を少なくとも１つ有する。その結果、信号変換器モジュールからの信号を直に出力したり、あるいは、該信号に更なる処理を加えることができる。

その圧力を測定しようとする媒体を封入したチューブに、圧力センサを締結するために、圧力センサの少なくとも一方の側には、チューブ状の接続部が備えられる。圧力を測定される媒体は、チューブ状の接続部によって、圧力センサの第１あるいは第２のダイアフラムと直に接触する。一実施形態では、圧力センサによって、２つの媒体間の差圧が測定される。圧力センサには、空洞側に、各チューブに固定する接続部がそれぞれ備えられる。圧力センサは、例えば、圧力センサ接続部とチューブの間に接着体を用いて、測定される媒体を含むチューブに締結されてもよい。

圧力センサ接続部は、第１のダイアフラムおよび／または第２のダイアフラムの外部に配置されると好ましい。接続部と圧力センサの間を気密に接続するために、該接続部は、例えば、Ｏリングを用いて封止される。

一実施形態では、接続部は、チューブ状、ネジ接続、ハトメ形態であってもよく、あるいは、いわゆるホースコネクション形態であってもよい。

圧力センサは、媒体の絶対圧あるいは相対圧の測定、あるいは媒体間の差圧の測定に適していると好ましい。

上述の主題は、以下の図面と例示的な実施形態を用いて、さらに詳細に説明される。

以下で説明する図面は、実寸大であると解釈されるべきではない。むしろ、より分かり易く図示するために、各寸法は、拡大、縮小、あるいは歪められている。互いに類似する要素あるいは同じ機能を担う要素は、同一の参照符号を用いて表示される。

絶対圧を測定する圧力センサの第１の実施形態を示す図である。 図１の一部である、圧力センサの基板上の信号変換器モジュールを示す図である。 相対圧を測定する圧力センサの別の実施形態を示す図である。 差圧を測定する圧力センサの別の実施形態を示す図である。

図１は、セラミック基板１を有する圧力センサの第１の実施形態を示している。基板の第１の窪み１４には、測定素子３が配置される。測定素子３は、ボンディングワイヤを介して、あるいは基板１に取り付けられた導体トラック２を用いて、電気的に接触接続される。測定素子３のアクティブ側は、第１の空洞６と直に接触すると好ましい。第１の空洞６は、基板１、中間層８および第１のダイアフラム５によって形成される。中間層８の熱膨張係数が、基板１の熱膨張係数と一致すると好ましい。第１の空洞６は、例えば、オイルなどの不活性な封入媒体で満たされると好ましい。

信号変換器４は、基板１の第１の窪み６の反対側にあって、基板１の第２の窪み１５内に配置される。信号変換器４は、集積回路を備える不被覆のシリコンチップ（ｕｎｈｏｕｓｅｄ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃｈｉｐ）の形を取ると好ましい。信号変換器４は、ボンディングワイヤを用いて、基板１の導体トラック２に接触接続される。

圧力センサの周囲空気に起因する機械的損傷や有害な環境影響あるいは腐食から、信号変換器４を保護するために、信号変換器４は、例えば、軟弾性体７で覆われている。

圧力センサを、その圧力を測定しようとする媒体を封入したチューブに接続するために、圧力センサは、第１のダイアフラム５の上方に接続部１３を備える。接続部１３は、チューブ状、ネジ接続、ハトメあるいは、いわゆるホースコネクション形態であってもよい。このため、媒体の圧力は、第１のダイアフラム５と第１の空洞６内の不活性な封入媒体を介して、圧力センサの測定素子３と直に接触する。

別の可能な実施形態では、信号変換器４は、基板１の第１の空洞６が配置される側に配置されてもよい。この場合、信号変換器４は、第１の空洞６内で、不活性な封入媒体によって囲まれるので、腐食あるいは環境影響から保護される。このため、この実施形態では、信号変換器４を保護するために、更なる弾性材７を要しない。この場合、弾性材の機能は、第１の空洞６内の不活性な封入媒体によって既に担われている。

図２は、図１の一部を図示しており、基板１の第２の窪み１５内での信号変換器４の配置の態様を示している。信号変換器４は、不被覆のシリコンチップ（ｕｎｈｏｕｓｅｄ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃｈｉｐ）の形を取っており、ボンディングワイヤを用いて、基板１の導体トラック２に接触接続されている。信号変換器４のシリコンを、機械的損傷や腐食あるいは他の環境影響から保護するために、信号変換器４の少なくとも一部は、弾性材７で覆われている。信号変換器４は、基板１上に直に配置されると好ましい。図示される実施形態では、信号変換器４が、基板１の第２の窪み１５内に配置され、弾性材７が、基板１の第２の窪み１５内に嵌め込まれて、信号変換器４を完全に覆うと好ましい。その結果、信号変換器４は、例えば、腐食などの外部影響から保護される。弾性材７は、硬度が低いと好ましく、圧力センサが発熱するときに、信号変換器４は、信号変換器４の内部に有害な張力が作用しないように膨張できる。

図３は、媒体の相対圧を測定する圧力センサの別の実施形態を示している。周囲の雰囲気に対する媒体の相対圧力を測定するために、圧力センサの測定素子３の第２の側は、雰囲気と直に接触する。この目的のため、圧力センサの基板１には切欠部９が備えられるので、例えば、測定素子３と空気雰囲気の間は直に接触する。測定素子３の第１の側は、圧力センサの第１の空洞６と直に接触する。それゆえ、第１の空洞６は、第１のダイアフラム５を介して、測定される媒体と接触し、測定素子３によって、圧力センサ周りの雰囲気から隔離されているのが好ましい。この構成によって、圧力センサ周りの大気圧に対する、圧力センサの第１のダイアフラム５に作用する媒体の相対圧力を測定できる。

図４は、共に圧力センサに接触する２つの媒体間の差圧を測定するために使用される圧力センサの別の実施形態を図示している。この目的のため、圧力センサの基板１には、互いに分離された２つの空洞６，１１と、第１の空洞６と直に接触する測定素子３のアクティブ側と、基板１の切欠部９を介して、第２の空洞１１と直に接触する測定素子３の第２の側が備えられる。圧力センサの第１の空洞６と第２の空洞１１は、それぞれ不活性な封入媒体で満たされている。

図示される実施形態では、信号変換器４は、基板１の下側の第２の窪み１５内に配置される。信号変換器４の一部は、第２の空洞１１内で、封入媒体によって囲まれると好ましい。図４に図示される圧力センサの実施形態では、信号変換器は、環境影響から保護するための追加の、つまり好適な軟弾性材によって覆われていない。この場合、腐食あるいは環境影響から信号変換器４を保護する役割は、第２の空洞１１内の封入媒体によって担われている。

不被覆の信号変換器（ｕｎｈｏｕｓｅｄ ｓｉｇｎａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）を基板の窪み内あるいは基板上あるいは不活性な封入媒体で満たされた空洞内に集積することにより、圧力センサを可能な限り集積できる。このため、測定素子および信号変換器の機能を圧力センサ内に可能な限り集積することにより、圧力センサの寸法を最小にでき、センサを構築する際の特性変数として重要な温度および圧力ヒステリシスに関して、その材質を少なくとも従来の設計と同一にすることができる。信号ラインを最短経路にすることにより、導入圧による歪みが低減され、電気信号の干渉が低減される。この場合、全ての機能がセンサハウジング内に集積される結果、圧力センサの製造費用をかなり低減できる。

例示的な実施形態では、本発明の限られた数の開発可能な例のみを記載したが、本発明はこれらに限定される訳ではない。原理上、圧力センサの形状を所望の適用分野に適合させたり、測定素子あるいは信号変換器の形状および特性を選択することによって、圧力センサを所望の仕様に適合させたりできる。

本発明は、図示された数の構成要素に限定されない。

掲げられた主題についての記載は、特別な実施形態のそれぞれに限定されない。むしろ、各実施形態の特徴は、技術的に意義がある限り、必要に応じて互いに組み合わせることもできる。

１ 基板
２ 導体トラック
３ 測定素子
４ 信号変換器
５ 第１のダイアフラム
６ 第１の空洞
７ 弾性材
８ 中間層
９ 切欠部
１０ 第２のダイアフラム
１１ 第２の空洞
１２ 接触領域
１３ 接続部
１４ 第１の窪み
１５ 第２の窪み

Claims (15)

1. 電気部品（３，４）に接触接続される導体トラック（２）を有する基板（１）と、機械的に測定された変数を電気信号に変換する測定素子（３）と、前記測定素子（３）からの電気信号をさらに処理する信号変換器（４）と、前記基板（１）とともに、不活性な封入媒体を有する第１の閉鎖空洞（６）を形成する第１のダイアフラム（５）と、を備え、
   前記測定素子（３）の少なくとも一方の側は、アクティブ表面を有し、前記第１の空洞（６）内で封入媒体と直に接触し、
   前記信号変換器（４）が、不被覆の集積回路（ｕｎｈｏｕｓｅｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）の形態で、前記基板（１）上に配置される、
   ことを特徴とする圧力センサ。
2. 前記信号変換器（４）は、前記基板の第２の窪み（１５）内に配置される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記信号変換器（４）の少なくとも一部は、弾性材（７）で覆われている、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の圧力センサ。
4. 前記信号変換器（４）の少なくとも一部は、前記封入媒体と直に接触している、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧力センサ。
5. 中間層（８）は、前記第１のダイアフラム（５）と前記基板（１）の間の部分に配置され、
   前記中間層の熱膨張係数は、前記基板（１）の熱膨張係数と一致する、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧力センサ。
6. 前記中間層（８）は、リング状の形態を取る、
   ことを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ。
7. 前記測定素子（３）の背面側は、周囲の雰囲気と直に接触する、
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の圧力センサ。
8. 前記基板（１）と前記第２のダイアフラム（１０）は、不活性な封入媒体を含む第２の閉鎖空洞（１１）を形成し、
   前記第１の空洞（６）と前記第２の空洞（１１）は、互いに前記基板（１）の反対側に配置される、
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の圧力センサ。
9. 前記測定素子（３）の背面側は、前記第２の空洞（１１）の封入媒体と直に接触する、
   ことを特徴とする請求項８に記載の圧力センサ。
10. 前記基板（１）は、セラミックから構成される、
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の圧力センサ。
11. 前記測定素子（３）と前記信号変換器（４）は、前記基板（１）の前記導体トラック（２）を介して接触接続される、
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の圧力センサ。
12. 前記基板（１）の前記導体トラック（２）は、前記第１の空洞（６）および／または第２の空洞（１１）の外部に配置され、外部から接触接続できる少なくとも１つの領域（１２）を有する、
    ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の圧力センサ。
13. 前記圧力センサの少なくとも一方の側には、前記圧力センサをさらに締結するための円筒状の接続部（１３）が備えられる、
    ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の圧力センサ。
14. 前記接続部（１３）の少なくとも一部は、前記第１のダイアフラム（５）および／または第２のダイアフラム（１０）上に配置される、
    ことを特徴とする請求項１３に記載の圧力センサ。
15. 前記圧力センサは、絶対圧、相対圧あるいは差圧測定用の圧力センサである、
    ことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の圧力センサ。

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