JP2012083173A - センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ゴムプレートによりセンサチップの応力を緩和させるようにしたセンサ装置において、ボンディングワイヤを用いることなく、センサチップの電気信号を取り出せるようにする。
【解決手段】センサチップ１がゴムプレート２を介してケース３に固定されたセンサ装置において、ゴムプレート２におけるセンサチップ１側の面に金属膜５を形成し、センサチップ１と金属膜５をバンプ１３により電気的に接続する。これによると、センサチップ１からの電気信号を金属膜５を介してターミナル４に伝達するため、ボンディングワイヤを用いることなく、センサチップ１の電気信号を取り出すことができる。
【選択図】図７

Description

本発明は、物理量に応じた電気信号を出力するセンサチップを有するセンサ装置に関するものである。

従来のセンサ装置では、例えばターミナルとセンサチップとが、ボンディングワイヤにて電気的に接続される。このボンディングワイヤは、ターミナルやセンサチップに対して超音波溶着により接合される。

また、従来より、センサチップとケースの線膨張係数差に基づく熱応力により、センサチップの出力変動が生じることが知られている。そこで、センサチップとケースとの間に緩衝材としてのゴムプレートを配置することにより、センサチップの応力を緩和させるようにしたセンサ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平４−３３５５４０号公報

しかしながら、センサチップとケースとの間にゴムプレートを配置した従来のセンサ装置では、ボンディングワイヤを超音波溶着するために振動を与えても、その振動がゴムプレートに吸収されてしまうため、ボンディングワイヤをセンサチップに対して超音波溶着により接合することが困難であるという問題が発生する。

本発明は上記点に鑑みて、ゴムプレートによりセンサチップの応力を緩和させるようにしたセンサ装置において、ボンディングワイヤを用いることなく、センサチップの電気信号を取り出せるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、物理量に応じた電気信号を出力するセンサチップ（１）が、ゴムプレート（２）を介してケース（３）に固定されたセンサ装置であって、ゴムプレート（２）におけるセンサチップ（１）側の面に金属膜（５）が形成され、センサチップ（１）と金属膜（５）がバンプ（１３）により電気的に接続されてセンサチップの電気信号が外部に取り出されていることを特徴とする。

これによると、ゴムプレート（２）によりセンサチップ（１）の応力を緩和させるようにしたセンサ装置において、ボンディングワイヤを用いることなく、センサチップ（１）の電気信号を取り出すことができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のセンサ装置において、ゴムプレート（２）における金属膜（５）が形成された部位は表面が円弧状であり、金属膜の断面形状は該円弧状に沿った湾曲形状であることを特徴とする。

これによると、ゴムプレート（２）における金属膜（５）が形成された部位は表面が円弧状であるため、平坦な面と比較して、金属膜（５）の接合面積を大きくとることができる。したがって、ゴムプレート（２）と金属膜（５）の剥離を防止ないしは抑制することができる。

また、表面が角形である場合は、熱による膨張または収縮時に局所に応力が集中するのに対し、表面が円弧状である場合は、熱による膨張または収縮時に局所に応力が集中することがなく、しかもゴムプレート（２）における金属膜（５）が形成された部位の変形量が小さくなり、ゴムプレート（２）と金属膜（５）の接合部の応力が小さくなるため、ゴムプレート（２）と金属膜（５）の剥離をより確実に防止ないしは抑制することができる。

請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載のセンサ装置において、ケース（３）は、センサチップ（１）側に向かって延びる嵌合突起部（３１）を備え、ゴムプレート（２）は、嵌合突起部（３１）が嵌合される嵌合穴部（２５）を備え、嵌合突起部（３１）および嵌合穴部（２５）は、バンプ（１３）に対向して配置されていることを特徴とする。

これによると、嵌合穴部（２５）の底部、すなわち、ゴムプレート（２）のうちバンプ（１３）と金属膜（５）が接合される部位は、他の部位よりも肉厚が薄いため、熱による膨張または収縮時の変形が少ない。したがって、ゴムプレート（２）と金属膜（５）の剥離を防止ないしは抑制することができる。

また、嵌合穴部（２５）の底部は肉厚が薄く、しかも嵌合穴部（２５）の底部は嵌合突起部（３１）にて支持されるため、バンプ（１３）と金属膜（５）を超音波溶着する場合に振動が吸収されにくい。したがって、バンプ（１３）と金属膜（５）を超音波溶着により接合することができる。

請求項５に記載の発明では、請求項１ないし４のいずれか１つに記載のセンサ装置において、ゴムプレート（２）には、センサチップ（１）側に向かって延びる接合突起部（２３）がバンプ（１３）に対向して設けられ、金属膜（５）は、接合突起部（２３）の表面に形成された段差膜部（５１）を有することを特徴とする。

これによると、段差膜部（５１）とバンプ（１３）とを接合する際の位置合わせが容易であるとともに、バンプ（１３）とその周辺の配線との短絡が発生しにくい。

請求項７に記載の発明では、請求項４に記載のセンサ装置において、センサチップ（１）は略直方体であり、配線膜部（５２）はそれぞれセンサチップ（１）の異なる側面（１４〜１６）に向かって延びていることを特徴とする。

これによると、隣接する配線膜部（５２）間の間隔を確保しやすく、隣接する配線膜部（５２）間の短絡を回避しやすい。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の一実施形態に係るセンサ装置の断面図である。 図１のセンサチップ単体の断面図である。 図１のセンサ装置の平面図である。 図１のセンサ装置の斜視図である。 図１のセンサチップおよびゴムプレートの分解斜視図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う要部の断面図である。 図１のセンサ装置の製造方法を示す図である。 変形例を示す要部の分解斜視図である。

本発明の一実施形態について説明する。図１は一実施形態に係るセンサ装置の断面図、図２は図１のセンサチップ単体の断面図、図３は図１のセンサ装置の平面図、図４は図１のセンサ装置の斜視図、図５は図１のセンサチップおよびゴムプレートの分解斜視図、図６は図１のＡ−Ａ線に沿う要部の断面図である。

図１〜図６に示すように、センサ装置は、圧力に応じた電気信号を出力するセンサチップ１が、ゴムプレート２を介してケース３に固定された構成になっている。

センサチップ１は、シリコン基板にて構成されており、圧力を受けて変位するダイヤフラム１１が形成されるとともに、信号処理回路用ＩＣ（図示せず）が組み込まれている。ダイヤフラム１１の表面には、ダイヤフラム１１の変位に応じて抵抗値が変化する拡散ゲージ（図示せず）が形成されており、その拡散ゲージは、センサチップ１上に形成された図示しないＡｌ薄膜による配線パターン等により、信号処理回路用ＩＣに電気的に接続されている。

また、センサチップ１には、信号処理回路用ＩＣに電気的に接続される円柱状の複数の貫通電極１２が設けられている。この貫通電極１２におけるゴムプレート２側の端部には、ゴムプレート２側に向かって突出する半球状のバンプ１３が設けられている。貫通電極１２およびバンプ１３は、ＡｕやＡｌ等の導電性金属材料よりなる。

ゴムプレート２は、例えばフッ素ゴムまたはシリコンゴムよりなる。そして、ゴムプレート２には、例えば銅よりなる３つのターミナル４が挿入される挿入穴２１が形成されている。なお、図５では、理解を容易にするために、便宜的にターミナル４は１つだけ示している。ゴムプレート２におけるセンサチップ１側の面には、挿入穴２１に連通してターミナル４の一端側を露出させるための開放穴部２２が形成されている。

ゴムプレート２におけるセンサチップ１側の面のうち、貫通電極１２およびバンプ１３に対向する位置には、センサチップ１側に向かって突出する円柱状の接合突起部２３が形成されている。ゴムプレート２におけるセンサチップ１側の面には、開放穴部２２から接合突起部２３まで延びる連結部２４が形成されている。この連結部２４は、その表面が円弧状の凸部である（図５、図６参照）。

ゴムプレート２における反センサチップ側の面のうち、貫通電極１２およびバンプ１３に対向する位置には、センサチップ１側に向かって縮径する円錐台形状の嵌合穴部２５が形成されている。この嵌合穴部２５と接合突起部２３は同軸状に配置されており、嵌合穴部２５は接合突起部２３の近傍まで延びていて、嵌合穴部２５の底部２６、すなわち、嵌合穴部２５の底面と接合突起部２３の先端面との間は、他の部位よりも肉厚が薄くなっている。

さらに、ゴムプレート２には、流体の圧力をダイヤフラム１１側に導くためのゴムプレート導圧穴２７が形成されている。

接合突起部２３、連結部２４、およびターミナル４の表面には、ＡｕやＡｌ等の導電性金属材料よりなる金属膜５が形成されている。なお、図５に示す状態では、ゴムプレート２の挿入穴２１にターミナル４が挿入されるとともに、金属膜５が形成されている。そして、図５では、理解を容易にするために、金属膜５が形成された部位をハッチングで示している。

この金属膜５は、バンプ１３により貫通電極１２と電気的に接続されており、この金属膜５により、貫通電極１２とターミナル４との間が電気的に接続されている。より詳細には、金属膜５は、段差膜部５１、配線膜部５２、および接続膜部５３を連続的に有する。段差膜部５１は接合突起部２３上に形成され、配線膜部５２は連結部２４上に形成され、接続膜部５３は配線膜部５２から開放穴部２２に沿ってターミナル４上に形成されている。すなわち、金属膜５は三段形状となっている。そして、段差膜部５１がバンプ１３により貫通電極１２と電気的に接続されている。また、接続膜部５３は配線膜部５２から開放穴部２２の側面を伝ってターミナル４に接触する位置まで延びている。

ここで、段差膜部５１が接合突起部２３上に形成されているため、段差膜部５１とバンプ１３とを接合する際の位置合わせが容易であるとともに、バンプ１３とその周辺の配線との短絡が発生しにくい。

ターミナル４の他端は、ケース３を貫通してケース３の外に突出しており、その突出した部分にて外部との電気的な導通が取られる。なお、ターミナル４は、信号処理回路用ＩＣの電源端子、接地端子、およびセンサ信号出力端子を構成している。

図３に示すように、センサチップ１は略直方体であり、３つのターミナル４はセンサチップ１の１つの側面１４（図３における右側の側面。以下、センサチップ第１側面１４という）側に並べて配置されている。

そして、中央に位置するターミナル４（例えばセンサ信号出力端子）に接続される金属膜５の配線膜部５２、およびこの配線膜部５２が形成された連結部２４は、開放穴部２２からセンサチップ第１側面１４に向かって直線的に延びている。

また、図３の紙面上方側に位置するターミナル４（例えば接地端子）に接続される金属膜５の配線膜部５２、およびこの配線膜部５２が形成された連結部２４は、ゴムプレート導圧穴２７を迂回し且つセンサチップ１に重ならない位置に設けられている。

換言すると、図３の紙面上方側に位置するターミナル４に接続される金属膜５の配線膜部５２、およびこの配線膜部５２が形成された連結部２４は、開放穴部２２から、センサチップ第１側面１４に隣接する一方の側面（図３における上側の側面。以下、センサチップ第２側面１５という）に沿って平行に直線的に延びた後、一端屈曲して、センサチップ第２側面１５に向かって延びている。

さらに、図３の紙面下方側に位置するターミナル４（例えば電源端子）に接続される金属膜５の配線膜部５２、およびこの配線膜部５２が形成された連結部２４は、ゴムプレート導圧穴２７を迂回し且つセンサチップ１に重ならない位置に設けられている。

換言すると、図３の紙面下方側に位置するターミナル４に接続される金属膜５の配線膜部５２、およびこの配線膜部５２が形成された連結部２４は、開放穴部２２から、センサチップ第１側面１４に隣接する他方の側面（図３における下側の側面。以下、センサチップ第３側面１６という）に沿って平行に直線的に延びた後、一端屈曲して、センサチップ第３側面１６に向かって延びている。

そして、このように３つの配線膜部５２はそれぞれセンサチップ１の異なる側面１４〜１６に向かって延びているため、隣接する配線膜部５２間の間隔を確保しやすく、隣接する配線膜部５２間の短絡を回避しやすい。

ケース３は、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）等の樹脂よりなり、一面が開放された箱形状になっている。そして、センサチップ１やゴムプレート２等がケース３内に収容され、シール剤６にてセンサチップ１がケース３に固定されている。

ケース３の底部のうち、貫通電極１２およびバンプ１３に対向する位置には、センサチップ１側に向かって縮径する円錐台形状の嵌合突起部３１が形成されている。この嵌合突起部３１は、嵌合穴部２５に嵌合されている。また、ケース３には、流体の圧力をダイヤフラム１１側に導くためのケース導圧穴３２が形成されている。

次に、本実施形態のセンサ装置の製造方法について、図７を参照して説明する。まず、図７（ａ）に示すように、ゴムプレート２の挿入穴２１にターミナル４を挿入し、ターミナル４の一端側を開放穴部２２に露出させる。

続いて、図７（ｂ）に示すように、インサート成形によって、ケース３を形成するとともに、ゴムプレート２、ケース３、およびターミナル４を一体化する。

続いて、図７（ｃ）に示すように、接合突起部２３、連結部２４、およびターミナル４の表面に、金属膜５を形成する。この金属膜５は、例えば蒸着によって形成することができる。

続いて、図７（ｄ）に示すように、金属膜５と貫通電極１２とをバンプ１３により電気的に接続する。具体的には、超音波溶着により、金属膜５とバンプ１３とを接合する。

ここで、嵌合穴部２５の底部２６は肉厚が薄く、しかも嵌合穴部２５の底部２６は嵌合突起部３１にて支持されているため、超音波溶着する際に振動が吸収されにくい。したがって、センサチップ１がゴムプレート２を介してケース３に固定された構成であっても、バンプ１３と金属膜５を超音波溶着により接合することができる。

続いて、図７（ｅ）に示すように、シール剤６を注入して、ゴムプレート２におけるセンサチップ１側の面を覆うとともに、センサチップ１をケース３に固定する。以上により、センサ装置が完成する。

上記した構成になる本実施形態のセンサ装置は、ゴムプレート導圧穴２７およびケース導圧穴３２を介して、流体の圧力がセンサチップ１のダイヤフラム１１側に導かれ、ダイヤフラム１１に形成された拡散ゲージにて流体の圧力が感知される。そして、センサチップ１内の信号処理回路用ＩＣにて増幅された電気信号は、金属膜５を介してターミナル４に伝達され、ターミナル４から外部にセンサ信号として出力される。

このように、本実施形態のセンサ装置は、センサチップ１からの電気信号を金属膜５を介してターミナル４に伝達するため、ボンディングワイヤを用いることなく、センサチップ１の電気信号を取り出すことができる。

ここで、ゴムプレート２に金属膜５を形成した場合、熱による膨張または収縮時にゴムプレート２と金属膜５が剥離しやすいという問題が発生する。しかしながら、本実施形態のセンサ装置は、連結部２４の表面が円弧状であるため、平坦な面と比較して、金属膜５の接合面積を大きくとることができる。したがって、連結部２４と金属膜５の剥離が発生しにくい。

また、連結部２４の断面が角形である場合は、熱による膨張または収縮時に局所に応力が集中するのに対し、連結部２４の表面が円弧状である場合は、熱による膨張または収縮時に局所に応力が集中することがなく、しかも連結部２４の変形量が小さくなり、連結部２４と金属膜５の接合部の応力が小さくなるため、連結部２４と金属膜５の剥離がさらに発生しにくい。

さらに、嵌合穴部２５の底部２６は、他の部位よりも肉厚が薄いため、熱による膨張または収縮時の変形が少ない。したがって、接合突起部２３と金属膜５の剥離が発生しにくい。

なお、上記実施形態においては、ゴムプレート２における連結部２４を、表面が円弧状の凸部としたが、図８に示す変形例のように、ゴムプレート２における連結部２４は、その表面が円弧状の凹部としてもよい。

また、上記実施形態のセンサ装置は、圧力を検出するものであるが、本発明は、圧力以外の物理量（例えば温度）を検出するものにも適用することができる。

さらに、上記実施形態においては、金属膜５とバンプ１３とを超音波溶着により接合したが、金属膜５とバンプ１３とを他の接合手段（例えば導電性接着剤）により接合してもよい。

また、上記実施形態において、接合突起部２３は無くても良い。その場合、段差膜部５１と配線膜部５２とは面一となる。

さらに、上記実施形態において、連結部２４は無くても良い。その場合、平面上に配線膜部５２が形成される。

また、嵌合突起部３１および嵌合穴部２５はなくても良い。その場合、ケース３の底は平面になり、ゴムプレート１の底面も平面になる。

さらに、３つの配線膜部５２が全てセンサチップ第１側面１４に向かって延びるようにしてもよい。或いは、２つの配線膜部５２がセンサチップ第１側面１４に向かって延びるとともに、１つの配線膜部５２がセンサチップ第２側面１５またはセンサチップ第３側面１６に向かって延びるようにしてもよい。

１ センサチップ
２ ゴムプレート
３ ケース
５ 金属膜
１３ バンプ

Claims (7)

1. 物理量に応じた電気信号を出力するセンサチップ（１）が、ゴムプレート（２）を介してケース（３）に固定されたセンサ装置であって、
   前記ゴムプレート（２）における前記センサチップ（１）側の面に金属膜（５）が形成され、前記センサチップ（１）と前記金属膜（５）がバンプ（１３）により電気的に接続されて前記センサチップの電気信号が外部に取り出されていることを特徴とするセンサ装置。
2. 前記ゴムプレート（２）における前記金属膜（５）が形成された部位は表面が円弧状であり、前記金属膜の断面形状は該円弧状に沿った湾曲形状であることを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
3. 前記ケース（３）は、前記センサチップ（１）側に向かって延びる嵌合突起部（３１）を備え、
   前記ゴムプレート（２）は、前記嵌合突起部（３１）が嵌合される嵌合穴部（２５）を備え、
   前記嵌合突起部（３１）および前記嵌合穴部（２５）は、前記バンプ（１３）に対向して配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のセンサ装置。
4. 前記ケース（３）を貫通し、前記ゴムプレート（２）に挿入された複数のターミナル（４）を備え、
   前記ゴムプレート（２）の表面には、前記ターミナル（４）の先端を露出させる開放穴部（２２）が形成され、
   前記金属膜（５）は、前記センサチップ（１）と電気的に接続される配線膜部（５２）と、この配線膜部（５２）から前記開放穴部（２２）の側面を伝って延びて前記ターミナル（４）に接触し、前記配線膜部（５２）と前記ターミナル（４）を電気的に接続する接続膜部（５３）とを有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のセンサ装置。
5. 前記ゴムプレート（２）には、前記センサチップ（１）側に向かって延びる接合突起部（２３）が前記バンプ（１３）に対向して設けられ、
   前記金属膜（５）は、前記接合突起部（２３）の表面に形成された段差膜部（５１）を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載のセンサ装置。
6. 前記ゴムプレート（２）には、前記センサチップ（１）側に向かって延びる接合突起部（２３）が前記バンプ（１３）に対向して設けられ、
   前記金属膜（５）は、前記接合突起部（２３）の表面に形成された段差膜部（５１）を有し、
   前記接合突起部（２３）は、前記嵌合穴部（２５）の底部で構成されていることを特徴とする請求項３に記載のセンサ装置。
7. 前記センサチップ（１）は略直方体であり、前記配線膜部（５２）はそれぞれ前記センサチップ（１）の異なる側面（１４〜１６）に向かって延びていることを特徴とする請求項４に記載のセンサ装置。

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