JP2013024670A - センサチップおよび圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】検出精度を低下させることなく複数の圧力検出部からの信号に基づいて圧力媒体の圧力に応じた圧力信号を出力するセンサチップおよび圧力センサを提供する。
【解決手段】センサチップ４０の処理回路４３が設けられる基部４１とダイアフラム２４との間に介在する複数の脚部４２ａ〜４２ｄには、ダイアフラム側に配置されてダイアフラム２４の変形に応じた信号を出力するゲージ抵抗４４ａ〜４４ｄと、これらのゲージ抵抗４４ａ〜４４ｄからの信号を処理回路４３に出力するための貫通電極４５ａ〜４５ｄと、がそれぞれ設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧力媒体の圧力に応じた圧力信号を出力するセンサチップおよび圧力センサに関するものである。

従来、圧力媒体の圧力に応じた圧力信号を出力するセンサチップを備えた圧力センサとして、下記特許文献１に開示される圧力センサが知られている。この圧力センサでは、ハウジングの圧力導入孔の端部が薄肉化されることで、圧力導入孔を介して導入される被測定体の圧力に応じて変形するダイアフラムが構成されている。このダイアフラムの近傍には、ホイートストンブリッジ状の歪ゲージを有するセンサチップ（センサチップ）が低融点ガラスを介して接合されており、このセンサチップは、ダイアフラムの変形に応じた信号、すなわち、圧力導入孔を通じて導入された圧力に応じた信号を出力するように構成されている。

特に、センサチップをサイズが一辺３．０ｍｍの四角状で厚みが３０μｍ以下で構成し、測定対象となる圧力が導入される圧力導入孔が形成される金属製のハウジングに直接ダイアフラムを形成することで、ダイアフラムがハウジングに一部品として形成される構造とする。このように、センサチップのサイズと厚みの関係から、センサチップの熱膨張を小さく抑えることで応力の影響を抑制しつつ、センサチップの厚みを薄くすることで応力を小さくしている。

また、下記特許文献２に開示される圧力検出装置では、受圧用ダイアフラムの上に、（１００）面を有するシリコン基板とガラス台座とからなる歪ゲージ板（センサチップ）がガラス接合等されている。この歪ゲージ板には、シリコン基板にビーム構造にした薄肉部を設けるとともに、応力に対して正の方向に抵抗値が変化する第１の拡散ゲージと、応力に対して負の方向に抵抗値が変化する第２の拡散ゲージとが＜１１０＞軸方向に形成されている。そして、受圧用ダイアフラムに圧力が印加されると、シリコン基板上には、引っ張り応力が発生し、この応力に対して、第１、第２の拡散ゲージでは、正負の方向に抵抗値が変化するため、その変化の絶対値が等しくなり、検出出力の直線性が良好になる。

特開２００７−２４８２３２号公報 特開平０９−２３２５９５号公報

ところで、上記特許文献１，２に開示されるように、受圧部（ダイアフラム）の変形に応じた圧力を検出するセンサチップが当該受圧部に対して低融点ガラス等の接着剤を介して固着される構成では、センサチップと接着剤との線膨張係数の違いから熱応力が発生する場合がある。このように発生する熱応力が大きくなると、接着剤が破損してセンサチップが受圧部から剥がれてしまい、検出精度が低下するという問題があった。

特に、ゲージ抵抗のような圧力検出部を複数有し受圧部の変形を各圧力検出部にて検出する構成では、各圧力検出部を受圧部に近づけるように所定の位置に配置する必要がある。上述のように発生する熱応力を小さくするために各圧力検出部を接着剤を介して個々に受圧部に固着する方法もあるが、圧力検出部同士の位置関係がばらついてしまい、検出精度が低下するという問題がある。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、検出精度を低下させることなく複数の圧力検出部からの信号に基づいて圧力媒体の圧力に応じた圧力信号を出力するセンサチップおよび圧力センサを提供することにある。

上記目的を達成するため、特許請求の範囲に記載の請求項１のセンサチップでは、圧力媒体が作用する受圧部の変形に基づいて当該圧力媒体の圧力に応じた圧力信号を出力するセンサチップであって、前記圧力信号を出力するための出力部が設けられる基部と、前記基部と前記受圧部との間に介在する複数の脚部と、を備え、前記複数の脚部には、受圧部側に配置されて前記受圧部の変形に応じた信号を出力する圧力検出部と、この圧力検出部からの信号を前記出力部に出力するための導通部と、がそれぞれ設けられることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載のセンサチップにおいて、前記出力部は、複数の前記圧力検出部からの信号について所定の処理を施した信号を前記圧力信号として出力するように構成されることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または２に記載のセンサチップにおいて、前記基部および前記複数の脚部は一体的に成形されることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載のセンサチップにおいて、前記圧力検出部は、ブリッジ回路を構成する拡散抵抗であることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載のセンサチップにおいて、前記導通部は、前記脚部を貫くように形成される貫通電極であることを特徴とする。

特許請求の範囲に記載の請求項６の圧力センサは、請求項１〜５のいずれか一項に記載のセンサチップが前記脚部の受圧部側にて接着剤を介して前記受圧部に固着されることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項６に記載の圧力センサにおいて、前記接着剤は、低融点ガラスからなることを特徴とする。

請求項１の発明では、出力部が設けられる基部と受圧部との間に介在する複数の脚部には、受圧部側に配置されて受圧部の変形に応じた信号を出力する圧力検出部と、この圧力検出部からの信号を出力部に出力するための導通部と、がそれぞれ設けられている。

これにより、接着剤を介して固着される受圧部の変形を複数の圧力検出部にて検出する構成であっても、接着剤との接着面積が小さくなり、各圧力検出部を、互いの位置関係をばらつかせることなく、受圧部の近くに配置することができる。
したがって、接着剤との接着面積が小さくなることから熱応力の発生が抑制されるので、検出精度を低下させることなく複数の圧力検出部からの信号に基づいて圧力媒体の圧力に応じた圧力信号を出力することができる。

請求項２の発明では、出力部は、複数の圧力検出部からの信号について所定の処理を施した信号を上記圧力信号として出力するように構成されるため、各圧力検出部からの信号を処理することなくそのまま出力する場合と比較して、補正や増幅等適切な処理が施された圧力信号を出力することができる。

請求項３の発明では、基部および複数の脚部が一体的に成形されるので、基部と複数の脚部とが別体として構成される場合と比較して、各脚部にそれぞれ設けられる圧力検出部同士の相対位置精度が高まるので、これら各圧力検出部を利用した圧力検出精度を向上させることができる。

請求項４の発明のように、圧力検出部はブリッジ回路を構成する拡散抵抗であってもよい。

請求項５の発明では、導通部は、脚部を貫くように形成される貫通電極であるので、脚部の表面に電極等を形成する場合と比較して、当該導通部を容易に形成することができる。

請求項６の発明では、請求項１〜５のいずれか一項に記載のセンサチップが脚部の受圧部側にて接着剤を介して受圧部に固着される。これにより、複数の圧力検出部からの信号に基づいて圧力媒体の圧力に応じた圧力信号が出力されるセンサチップを採用する場合でも、センサチップと接着剤との間に生じる熱応力に起因する圧力検出精度の低下を抑制することができる。

請求項７の発明のように、接着剤は、低融点ガラスから構成されてもよい。

本実施形態に係る圧力センサの構成を概略的に示す断面図である。 図１のセンサチップ近傍を拡大して示す断面図である。 センサチップを脚部側から見た下面図である。

以下、本発明に係るセンサチップを有する圧力センサの一実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る圧力センサ１０の構成を概略的に示す断面図である。図２は、図１のセンサチップ４０近傍を拡大して示す断面図である。図３は、各脚部４２ａ〜４４ｄ側から見たセンサチップ４０の下面図である。

圧力センサ１０は、たとえば自動車に搭載され、燃料圧力、エンジンや駆動系の潤滑用オイル圧、あるいはエアコンの冷媒圧、さらには排気ガス圧等の圧力媒体の被測定圧力を検出する圧力センサ等に適用できる。

図１に示すように、圧力センサ１０は、主に、圧力媒体の圧力に応じた圧力信号を出力可能なセンサチップ４０と、このセンサチップ４０が取り付けられて当該センサチップ４０に圧力媒体の圧力を伝達するハウジング２０と、センサチップ４０からの圧力信号を取り出すための複数のリード３２を有するコネクタケース３０と、を備えている。

ハウジング２０は、中空状の段付き円柱部材であり、ステンレスや炭素鋼、アルミニウムなどの金属を、切削加工やプレス加工などにて成形することにより作られるものである。このハウジング２０の一端側の外周面には、燃料配管等の被測定体に締結させる締結部としてネジ部２１が形成されている。

図１に示されるように、このハウジング２０の一端側の端面中央には開口部２２が形成されるとともに、この開口部２２から他端側に延びる媒体導入通路２３が形成されている。この媒体導入通路２３は、被測定体から測定対象となる圧力媒体を、開口部２２を介してハウジング２０内すなわち圧力センサ１０内へ導入するための通路である。

また、ハウジング２０の媒体導入通路２３における他端側の先端位置において、ハウジング２０が薄肉化されており、この薄肉化された部分によって圧力により変形可能な受圧部としてダイアフラム２４が構成されている。そして、圧力媒体の圧力が開口部２２から媒体導入通路２３を通じてダイアフラム２４に伝えられるようになっている。

このように、本実施形態では、ハウジング２０は、媒体導入通路２３を中空部とし、一端側に開口部２２を有し、開口部２２とは反対側の他端部がダイアフラム２４により閉塞された閉塞部となっている有底筒状をなすものである。

また、ハウジング２０における表面のうちダイアフラム２４の位置には、媒体導入通路２３を介して導入されてダイアフラム２４を変形させる圧力媒体の圧力に応じた圧力信号を出力するセンサチップ４０が、設けられている。

センサチップ４０は、例えばシリコン基板を用いて形成されており、図２および図３に示すように、上記圧力信号を処理して出力するための処理回路４３が設けられる平板状の基部４１と、この基部４１とダイアフラム２４との間に介在する４つの脚部４２ａ〜４４ｄと、が一体的に成形されている。各脚部４２ａ〜４４ｄは、基部４１の下面の外縁近傍から下方に延出するように、略角柱状であってそれぞれ対称に形成されている。なお、各脚部４２ａ〜４４ｄは、略角柱状に形成されることに限らず、例えば、円形状に形成されてもよい。

各脚部４２ａ〜４４ｄには、当該ダイアフラム２４の変形に応じた信号を出力する圧力検出部として、不純物をドーピングして形成した各ゲージ抵抗（拡散抵抗）４４ａ〜４４ｄが、ダイアフラム２４側にそれぞれ配置されている。また、各脚部４２ａ〜４４ｄには、各ゲージ抵抗４４ａ〜４４ｄからの信号を処理回路４３に出力するための貫通電極４５ａ〜４５ｄが当該脚部を貫くようにそれぞれ形成されており、各ゲージ抵抗４４ａ〜４４ｄおよび貫通電極４５ａ〜４５ｄを含めてホイートストンブリッジ回路が構成される。処理回路４３は、ホイートストンブリッジ回路から得られるダイアフラム２４の変形に応じた信号について補正および増幅等の処理を施し、このように所定の処理を施した圧力信号を出力する。

センサチップ４０は、各脚部４２ａ〜４４ｄのダイアフラム２４側にて、低融点ガラス等の非導電性の接着剤５０を介して、ダイアフラム２４に固着（接合）されている。このため、基部４１と接着剤５０との間には空房Ｓが形成され、接着剤５０からの熱応力が基部４１に直接作用することもない。また、センサチップ４０は、各脚部４２ａ〜４４ｄにて接着剤５０を介して固着されているので、ダイアフラム２４に対する面方向（図２の左右方向）の熱変形が、センサチップ４０の下面（基部４１の下面）の全面が接着剤５０に接着される場合と比較して、容易になる。このため、上記面方向に熱変形するセンサチップ４０に対して、接着剤５０との線膨張係数の違いから熱応力が作用する場合でも、この熱応力を小さくすることができる。

そして、ダイアフラム２４が変形することで各ゲージ抵抗４４ａ〜４４ｄがそれぞれ変形すると、各ゲージ抵抗４４ａ〜４４ｄの抵抗値がそれぞれ変化する。処理回路４３により制御されてこれら各ゲージ抵抗４４ａ〜４４ｄの抵抗値の変化に応じた電気信号を当該処理回路４３に出力させることで、処理回路４３は、各ゲージ抵抗４４ａ〜４４ｄに加えられた応力、すなわちダイアフラム２４を変形させる圧力媒体の圧力を検出することができる。なお、処理回路４３は、特許請求の範囲に記載の「出力部」の一例に相当し、各ゲージ抵抗４４ａ〜４４ｄは、特許請求の範囲に記載の「圧力検出部」の一例に相当し、貫通電極４５ａ〜４５ｄは、特許請求の範囲に記載の「導通部」の一例に相当し得る。

コネクタケース３０は、当該コネクタケース３０の外郭を構成するコネクタ本体３１を備えており、このコネクタ本体３１は、ＰＰＳ（ポリプロピレンサルファイド）などの樹脂を成形してなるものである。当該コネクタ本体３１には、金属などよりなる導電性の複数のリード３２や当該コネクタケース３０をハウジング２０に溶接固定するための円筒部３３が、インサート成形などにより一体に成形されている。各リード３２の上端部は、コネクタ本体３１の上側凹部３１ａ内にそれぞれ露出し、各リード３２の下端部は、ハウジング２０との組み付け時にセンサチップ４０に近接するように、コネクタ本体３１の下側凹部３１ｂ内にそれぞれ露出している。

このように形成されるコネクタケース３０は、円筒部３３の下端部がハウジング２０の外周に設けられる円柱状の段部２５に溶接接合等されることで、ダイアフラム２４を取り囲むようにしてハウジング２０と一体化される。このとき、コネクタ本体３１の下側凹部３１ｂ内に露出する各リード３２の下端部は、センサチップ４０の処理回路４３の対応するパッド等にそれぞれワイヤ等を介して接続される。

そして、各リード３２の上端部が、図示しない外部コネクタなどに接続されることにより、圧力センサ１０の外部にある相手側回路等へ配線部材を介して信号のやりとりが可能となるように電気的に接続されることとなる。

上述のように構成される圧力センサ１０では、圧力媒体が媒体導入通路２３を介してハウジング２０内に導入されると、この圧力媒体の圧力に応じてダイアフラム２４が変形する。この変形に応じて各ゲージ抵抗４４ａ〜４４ｄがそれぞれ変形し、それぞれの抵抗値の変化に応じた電気信号が処理回路４３に出力されると、処理回路４３によりダイアフラム２４に応じた圧力媒体の圧力が検出されて、この圧力に応じた圧力信号が各リード３２を介して外部に出力されることとなる。

以上説明したように、本実施形態に係るセンサチップ４０では、処理回路４３が設けられる基部４１とダイアフラム２４との間に介在する４つの脚部４２ａ〜４２ｄには、ダイアフラム部側に配置されてダイアフラム２４の変形に応じた信号を出力するゲージ抵抗４４ａ〜４４ｄと、これらのゲージ抵抗４４ａ〜４４ｄからの信号を処理回路４３に出力するための貫通電極４５ａ〜４５ｄと、がそれぞれ設けられている。

これにより、接着剤５０を介して固着されるダイアフラム２４の変形を各ゲージ抵抗４４ａ〜４４ｄにて検出する構成であっても、接着剤５０との接着面積が小さくなり、各ゲージ抵抗４４ａ〜４４ｄを、互いの位置関係をばらつかせることなく、ダイアフラム２４の近くに配置することができる。
したがって、接着剤５０との接着面積が小さくなることから熱応力の発生が抑制されるので、検出精度を低下させることなく各ゲージ抵抗４４ａ〜４４ｄからの信号に基づいて圧力媒体の圧力に応じた圧力信号を出力することができる。

また、処理回路４３は、各ゲージ抵抗４４ａ〜４４ｄからの信号について所定の処理を施した信号を上記圧力信号として出力するように構成されるため、処理回路４３を設けることなく各ゲージ抵抗４４ａ〜４４ｄからの信号を処理することなくそのまま出力する場合と比較して、補正や増幅等適切な処理が施された圧力信号を出力することができる。

また、処理回路４３に相当する処理回路を別のセンサチップ等に設ける必要もないので、圧力センサ１０の小型化を図ることができる。特に、基部４１と接着剤５０との間には空房Ｓが形成されることから、接着剤５０からの熱応力が処理回路４３に直接作用することを防止することができる。

さらに、基部４１および各脚部４２ａ〜４４ｄが一体的に成形されるため、基部４１と複数の脚部４２ａ〜４４ｄとが別体として構成される場合と比較して、各脚部４２ａ〜４４ｄにそれぞれ設けられるゲージ抵抗４４ａ〜４４ｄ同士の相対位置精度が高まるので、これら各ゲージ抵抗４４ａ〜４４ｄを利用した圧力検出精度を向上させることができる。

また、各ゲージ抵抗４４ａ〜４４ｄからの信号を処理回路４３に出力するための導通部として貫通電極４５ａ〜４５ｄが当該脚部を貫くようにそれぞれ形成されているため、各脚部の表面に電極等を形成する場合と比較して、上記導通部を容易に形成することができる。

また、本実施形態に係る圧力センサ１０では、上述したセンサチップ４０が各脚部４２ａ〜４２ｄのダイアフラム側にて接着剤５０を介してダイアフラム２４に固着される。これにより、各ゲージ抵抗４４ａ〜４４ｄからの信号に基づいて圧力媒体の圧力に応じた圧力信号が出力されるセンサチップ４０を採用する場合でも、センサチップ４０と接着剤５０との間に生じる熱応力に起因する圧力検出精度の低下を抑制することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、以下のように具体化してもよい。
（１）センサチップ４０は、図１に示すように構成される圧力センサ１０に採用されることに限らず、接着剤を介して受圧部（ダイアフラム）に固着される他の圧力センサに採用されてもよい。また、圧力センサ１０は、自動車用として採用されることに限らず、他の圧力媒体の圧力を測定する圧力センサに適用されてもよい。

（２）センサチップ４０は、処理回路４３を設けることなく各ゲージ抵抗４４ａ〜４４ｄからの信号を処理することなくそのままパッドなどを介して出力するように構成されてもよい。この場合、上記パッドなどが特許請求の範囲に記載の「出力部」の一例に相当し得る。

（３）各ゲージ抵抗４４ａ〜４４ｄは、各貫通電極４５ａ〜４５ｄとによりホイートストンブリッジ回路を構成することに限らず、例えば、各貫通電極４５ａ〜４５ｄの少なくともいずれかをセンサ表面に設けられる配線に代えて、ホイートストンブリッジ回路を構成してもよい。

１０…圧力センサ
２０…ハウジング
２４…ダイアフラム（受圧部）
３０…コネクタケース
４０…センサチップ
４１…基部
４２ａ〜４２ｄ…脚部
４３…処理回路（出力部）
４４ａ〜４４ｄ…ゲージ抵抗（圧力検出部）
４５ａ〜４５ｄ…貫通電極（導通部）
５０…接着剤

Claims (7)

1. 圧力媒体が作用する受圧部の変形に基づいて当該圧力媒体の圧力に応じた圧力信号を出力するセンサチップであって、
   前記圧力信号を出力するための出力部が設けられる基部と、
   前記基部と前記受圧部との間に介在する複数の脚部と、を備え、
   前記複数の脚部には、受圧部側に配置されて前記受圧部の変形に応じた信号を出力する圧力検出部と、この圧力検出部からの信号を前記出力部に出力するための導通部と、がそれぞれ設けられることを特徴とするセンサチップ。
2. 前記出力部は、複数の前記圧力検出部からの信号について所定の処理を施した信号を前記圧力信号として出力するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のセンサチップ。
3. 前記基部および前記複数の脚部は一体的に成形され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. 前記圧力検出部は、ブリッジ回路を構成する拡散抵抗であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧力センサ。
5. 前記導通部は、前記脚部を貫くように形成される貫通電極であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧力センサ。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のセンサチップが前記脚部の受圧部側にて接着剤を介して前記受圧部に固着されることを特徴とする圧力センサ。
7. 前記接着剤は、低融点ガラスからなることを特徴とする請求項６に記載の圧力センサ。

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