JP2015219037A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】検出精度が低下することを抑制する。
【解決手段】第１基板１０の他面１０ｂ側から視たとき、凹部１５を第１基板１０の相対する側面１０ｃ、１０ｄと繋がる２つの連結部１５ａを有する側面のみを有する形状とする。そして、この側面を、２つの連結部１５ａを結ぶ直線状の仮想線Ｌと一致する形状、もしくは、ダイヤフラム部１７側に突出する部分を有すると共に仮想線Ｌとの距離が順に長くなる部分と順に短くなる部分とを１つのみ有する形状とする。これによれば、凹部１５は相対する側面を有していないため、異物が挟まることがない。このため、検出精度が低下することを抑制できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダイヤフラム部の変形に基づいて測定媒体の圧力を検出する圧力センサに関するものである。

従来より、この種の圧力センサとして、ダイヤフラム部が形成された基板にキャップを配置した圧力センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

具体的には、この圧力センサでは、一面および他面を有する基板の他面から凹部が形成され、凹部の底面と基板の一面との間の部分にてダイヤフラム部が構成されている。なお、凹部は、基板の他面側から視たとき、矩形状とされている。つまり、相対する側面を有する形状とされている。

そして、ダイヤフラム部のうちの一面側には、ブリッジ回路を構成するように複数のゲージ抵抗が形成されている。また、キャップは、ゲージ抵抗が封止されると共に基板の一面との間に基準圧力室が構成されるように、基板の一面に配置されている。

このような圧力センサは、例えば、オイルポンプから排出されたオイルの圧力を検出するものとして用いられる。そして、測定媒体が基板に形成された凹部内に導入されると、測定媒体の圧力と基準圧力室との差圧に応じてダイヤフラム部が変形する。このため、ダイヤフラム部に形成されたゲージ抵抗が変形することにより、ブリッジ回路の出力電圧が変化して差圧に応じたセンサ信号が出力される。

特開２０１１−１９１２７３号公報

しかしながら、上記圧力センサでは、オイルの圧力を検出するものとして用いられた場合、凹部は相対する側面を有しているため、測定媒体中に含まれるオイル劣化物等の異物が凹部に挟まることがある。言い換えると、測定媒体中に含まれる異物が相対する側面によって保持されることがある。この場合、異物と基板との線膨張係数の差によって応力が発生し、当該応力がダイヤフラム部に伝達されることによって検出精度が低下するという問題がある。

なお、ここでは、異物としてオイル劣化物を例に説明したが、異物の線膨張係数が基板の線膨張係数と異なる場合には同様の問題が発生する。

本発明は上記点に鑑みて、検出精度が低下することを抑制できる圧力センサを提供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、一面（１０ａ）、一面と反対側の他面（１０ｂ）、および一面と他面とを繋ぐ相対する側面（１０ｃ、１０ｄ）を有し、他面に凹部（１５）が形成されることによって一面側にダイヤフラム部（１７）が構成された第１基板（１０）と、第１基板の一面側に配置され、ダイヤフラム部のうちの一面側の部分に基準圧力を印加する基準圧力室（４０）を第１基板との間に構成する第２基板（３０）と、を備え、ダイヤフラム部のうちの他面側に印加される測定媒体の圧力と、ダイヤフラム部のうちの一面側に印加される基準圧力との差圧に応じて圧力を検出する圧力センサにおいて、以下の点を特徴としている。

すなわち、第１基板の他面側から視たとき、凹部は、第１基板の相対する側面と繋がる２つの連結部（１５ａ）を有する側面のみを有し、側面は、２つの連結部を結ぶ直線状の仮想線（Ｌ）と一致する形状、もしくは、仮想線からダイヤフラム部側に突出する部分を有すると共に仮想線との距離が順に長くなる部分と順に短くなる部分とを１つのみ有する形状とされていることを特徴としている。

これによれば、凹部は相対する側面を有しておらず、凹部に異物が挟まることがない。このため、検出精度が低下することを抑制できる。

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。

本発明の第１実施形態における圧力センサの断面図である。 図１に示す第１基板の一面側の平面図である。 図１に示す第１基板の他面側の平面図である。 本発明の第２実施形態における圧力センサの断面図である。 本発明の第３実施形態における第１基板の他面側の平面図である。 本発明の他の実施形態における第１基板の他面側の平面図である。 本発明の他の実施形態における第１基板の他面側の平面図である。 本発明の他の実施形態における第１基板の他面側の平面図である。 本発明の他の実施形態における第１基板の他面側の平面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。なお、本実施形態の圧力センサは、例えば、自動車に搭載され、オイルポンプから排出されたオイルの圧力を検出する圧力センサとして適用されると好適である。

図１および図２に示されるように、圧力センサは、一面１０ａ、一面１０ａと反対側の他面１０ｂ、および一面１０ａと他面１０ｂとを繋ぐ相対する側面１０ｃ、１０ｄを有する第１基板１０を備えている。本実施形態では、第１基板１０は、支持基板１１、絶縁膜１２、半導体層１３が順に積層され、一方向を長手方向（図１中紙面左右方向）とする平面矩形状のＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板（半導体基板）で構成されている。そして、半導体層１３のうちの絶縁膜１２と反対側の一面が第１基板１０の一面１０ａを構成し、支持基板１１のうちの絶縁膜１２と反対側の一面が第１基板１０の他面１０ｂを構成している。また、相対する側面１０ｃ、１０ｄは、第１基板１０の長手方向に沿った側面である。

なお、本実施形態では、半導体層１３はＰ型のシリコン基板等で構成されている。また、図１中の第１基板１０は図２中のI−I断面に相当している。

第１基板１０には、半導体層１３の表層部にＮ型層１４が形成されている。また、第１基板１０には、長手方向の一端部側（図１および図２中の紙面右側）に、他面１０ｂから凹部１５が形成されることで薄膜部１６（ダイヤフラム部１７）が形成されている。なお、具体的には後述するが、薄膜部１６のうちの基板３１に形成された窪み部３１ａで囲まれる部分にて、圧力に応じて変形するダイヤフラム部１７が構成される。

凹部１５は、第１基板１０の他面１０ｂから絶縁膜１２に達するように形成されている。つまり、凹部１５は支持基板１１に形成されている。そして、凹部１５の底面と第１基板１０の一面１０ａとの間に位置する絶縁膜１２および半導体層１３にてダイヤフラム部１７（薄膜部１６）が構成されている。

また、凹部１５は、相対する側面を有しない形状とされている。具体的には、凹部１５は、図１および図３に示されるように、支持基板１１の一端部側を全て除去するように形成されている。そして、第１基板１０の他面１０ｂ側から視たとき、側面１０ｃ、１０ｄと繋がる２つの連結部１５ａを有する側面のみを有している。また、この側面は、一面１０ａおよび他面１０ｂと垂直とされ、２つの連結部１５ａを結ぶ直線状の仮想線Ｌと一致する形状とされている。本実施形態では、凹部１５の側面（仮想線Ｌ）は、第１基板１０の長手方向と直交する方向（図３中紙面上下方向）と平行とされている。

ダイヤフラム部１７（薄膜部１６）には、図１および図２に示されるように、抵抗値が変化するゲージ抵抗１８が形成されている。本実施形態では、ゲージ抵抗１８は、４つ形成されており、ブリッジ回路を構成するように接続配線層１９によって適宜接続されている。

また、半導体層１３には、ゲージ抵抗１８と電気的に接続される引き出し配線層２０が形成されている。この引き出し配線層２０は、ゲージ抵抗１８と接側される部分から第１基板１０の他端部側（図１および図２中の紙面左側）まで引き出されている。

なお、本実施形態では、引き出し配線層２０は４つ形成されており、それぞれ電源電圧を印加する１つの配線層、グランド電位と接続される１つの配線層、ブリッジ回路の中点電圧を出力する２つの配線層とされている。

そして、引き出し配線層２０のうちのゲージ抵抗１８と接続される部分と反対側の端部には、引き出し配線層２０と接続された接続部２１が形成されている。接続部２１は、後述する貫通電極３６と電気的に接続される部分であり、本実施形態では、平面円形状とされている。

なお、ゲージ抵抗１８、接続配線層１９、引き出し配線層２０、接続部２１は、それぞれＰ型の不純物を拡散させた拡散層等で構成され、Ｎ型層１４内に形成されている。

また、半導体層１３のうちのＮ型層１４内には、接続部２１よりも他端部側に、Ｎ型層１４よりも高不純物濃度とされたＮ^＋型のコンタクト層２２が形成されている。このコンタクト層２２は、Ｎ型層１４を所定電位に維持するために後述する貫通電極３６と接続される部分である。

さらに、半導体層１３のうちのＮ型層１４の外側には、半導体層１３よりも高不純物濃度とされたＰ^＋型のコンタクト層２３が形成されている。このコンタクト層２３は、半導体層１３を所定電位に維持するために後述する貫通電極３６と接続される部分である。

また、図１に示されるように、上記第１基板１０の一面１０ａには、第２基板３０が配置されている。第２基板３０は、シリコン等の基板３１のうちの第１基板１０と対向する一面側に絶縁膜３２が形成されていると共に、この一面と反対側の他面に絶縁膜３３が形成された構成とされている。

そして、第２基板３０は、絶縁膜３２が第１基板１０（半導体層１３）と接合されている。本実施形態では、絶縁膜３２と第１基板１０（半導体層１３）とは、絶縁膜３２および半導体層１３のうちの接合面を活性化させて接合するいわゆる直接接合等で接合されている。

基板３１には、薄膜部１６のうちのゲージ抵抗１８が形成されている内縁部と対向する部分に窪み部３１ａが形成されている。このため、薄膜部１６のうちの窪み部３１ａで囲まれる部分（薄膜部１６のうちの内縁部）が圧力に応じて変形するダイヤフラム部１７となる。そして、第１基板１０と第２基板３０との間には、この窪み部３１ａによって構成される基準圧力室４０が形成され、ダイヤフラム部１７のうちの一面１０ａ側には基準圧力室４０から基準圧力が印加される。なお、本実施形態では、基準圧力室４０は、真空圧とされている。

また、第２基板３０のうちの他端部側（図１中紙面左側）には、当該第２基板３０を第１基板１０と第２基板３０との積層方向に貫通する６つの貫通孔３４（図１中では４つのみ図示）が形成されている。具体的には、この貫通孔３４は、各接続部２１およびコンタクト層２２、２３をそれぞれ露出させるように形成されている。そして、貫通孔３４の壁面には、ＴＥＯＳ（Tetra ethyl ortho silicate）等で構成される絶縁膜３５が成膜され、絶縁膜３５上にはＡｌ等で構成される貫通電極３６が適宜接続部２１およびコンタクト層２２、２３と電気的に接続されるように形成されている。また、絶縁膜３３上には、貫通電極３６と電気的に接続されると共に外部回路と接続されるパッド部３７が形成されている。

なお、図１では、最も紙面左側に位置する貫通電極３６と電気的に接続されるパッド部３７のみを図示しているが、他の貫通電極３６も図１とは別断面に形成されたパッド部３７と電気的に接続されている。

また、第１基板１０の他面１０ｂの他端部側には、第１、第２基板１０、３０を搭載して支持する支持部材５０が接着剤等の接合部材６０を介して配置されている。この支持部材５０は、銅や４２アロイ等で構成されるリードフレームで構成される。

そして、第１、第２基板１０、３０のうちの他端部側および支持部材５０等は、モールド樹脂７０によって封止されて固定されている。つまり、ダイヤフラム部１７が露出するようにモールド樹脂７０が配置されている。

以上が本実施形態における圧力センサの構成である。このような圧力センサでは、Ｎ型層１４（コンタクト層２２）が、Ｐ型のゲージ抵抗１８、接続配線層１９、引き出し配線層２０、接続部２１より高電位とされた状態で圧力の検出を行う。つまり、Ｎ型層１４と、Ｐ型のゲージ抵抗１８、接続配線層１９、引き出し配線層２０、接続部２１とで構成されるダイオードに逆バイアスが印加される状態で圧力の検出を行う。

そして、ダイヤフラム部１７のうちの他面１０ｂ側に測定媒体の圧力が印加されると、この圧力と一面１０ａ側に印加される基準圧力との差圧に応じてダイヤフラム部１７が変形し、当該変形に応じたセンサ信号が出力される。このため、このセンサ信号に基づいて測定媒体の圧力が検出される。

以上説明したように、本実施形態では、第１基板１０の他面１０ｂ側から視たとき、凹部１５は、相対する側面１０ｃ、１０ｄと繋がる２つの連結部１５ａを有する側面のみを有している。そして、この側面は、２つの連結部１５ａを結ぶ直線状の仮想線Ｌと一致する形状とされている。つまり、凹部１５は、相対する側面を有していない。このため、凹部１５に測定媒体中に含まれる異物が挟まることがなく、検出精度が低下することを抑制できる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して凹部１５の側面をテーパ状としたものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

本実施形態では、図４に示されるように、凹部１５は、側面が他面１０ｂに対して傾いており、他面１０ｂとの成す角度θが９０°より大きくされている。これによれば、凹部１５の側面が他面１０ｂと垂直とされている場合と比較して、測定媒体が凹部１５の側面に沿って滑らかに流れる。このため、測定媒体が凹部１５の側面に衝突することによる応力によってダイヤフラム部１７が変形することを抑制でき、さらに検出精度が低下することを抑制できる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して凹部１５の側面と第１基板１０の側面との連結部１５ａを丸めたものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

本実施形態では、図５に示されるように、凹部１５の側面と第１基板１０の側面との連結部１５ａが丸められている。言い換えると、凹部１５の側面と第１基板１０の側面との連結部１５ａが面取りされており、曲率を有する形状とされている。

これによれば、圧力センサを搬送する際等において、凹部１５の側面と第１基板の側面との連結部１５ａが治具等と衝突して欠けることを抑制できる。

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、上記各実施形態において、第１基板１０としてＳＯＩ基板ではなく、シリコン基板等を用いることもできる。

また、上記各実施形態において、ダイヤフラム部１７（薄膜部１６）は、半導体層１３のみで構成されていてもよい。つまり、凹部１５によって絶縁膜１２が除去されていてもよい。

そして、上記各実施形態において、Ｎ型のシリコン基板を用いて半導体層１３を構成することもできる。この場合は、Ｎ型層１４の代わりにＰ型層を形成し、コンタクト層２２をＰ^＋型とすると共にコンタクト層２３をＮ^＋型とし、ゲージ抵抗１８、接続配線層１９、引き出し配線層２０、接続部２１をＮ型とすればよい。そして、圧力を検出する際には、ゲージ抵抗１８、接続配線層１９、引き出し配線層２０、接続部２１がＰ型層より高電位となるようにすればよい。

また、上記各実施形態において、窪み部３１ａの側面に絶縁膜３２が形成されていてもよい。

さらに、上記各実施形態において、凹部１５の側面の形状を変更してもよい。

例えば、図６Ａに示されるように、第１基板１０の他面１０ｂ側から視たとき、凹部１５の側面は、第１基板１０の長手方向と直交する方向に対して傾いていてもよい。

また、図６Ｂ〜図６Ｄに示されるように、凹部１５は、第１基板１０の他面１０ｂ側から視たとき、側面が仮想線Ｌからダイヤフラム部１７（薄膜部１６）側に突出する部分を有すると共に仮想線Ｌとの距離が順に長くなる部分と順に短くなる部分とを１つのみ有する形状とされていてもよい。

すなわち、図６Ｂに示されるように、第１基板１０の他面１０ｂ側から視たとき、凹部１５の側面は、各連結部１５ａからダイヤフラム部１７（薄膜部１６）側に延びる２つの面を有する形状とされていてもよい。この場合、図６Ｂ中の紙面上側の面が仮想線Ｌとの距離が順に長くなる部分となり、紙面下側の面が仮想線Ｌとの距離が順に短くなる部分となる。

そして、図６Ｂの変形例として、図６Ｃに示されるように、第１基板１０の他面１０ｂ側から視たとき、凹部１５の側面は、ダイヤフラム部１７（薄膜部１６）側に延びる２つの面の間に、仮想線Ｌと平行となる面を有する形状とされていてもよい。

また、図６Ｄに示されるように、第１基板１０の他面１０ｂ側から視たとき、凹部１５の側面は、各連結部１５ａからダイヤフラム部１７（薄膜部１６）側に突出する円弧状とされていてもよい。この場合、図６Ｄ中の紙面上側の部分が仮想線Ｌとの距離が順に長くなる部分となり、紙面下側の部分が仮想線Ｌとの距離が順に短くなる部分となる。

１０ 第１基板
１０ａ 一面
１０ｂ 他面
１０ｃ、１０ｄ 側面
１５ 凹部
１５ａ 連結部
１７ ダイヤフラム部
３０ 第２基板
４０ 基準圧力室
Ｌ 仮想線

Claims (5)

1. 一面（１０ａ）、前記一面と反対側の他面（１０ｂ）、および前記一面と前記他面とを繋ぐ相対する側面（１０ｃ、１０ｄ）を有し、前記他面に凹部（１５）が形成されることによって前記一面側にダイヤフラム部（１７）が構成された第１基板（１０）と、
   前記第１基板の一面側に配置され、前記ダイヤフラム部のうちの前記一面側の部分に基準圧力を印加する基準圧力室（４０）を前記第１基板との間に構成する第２基板（３０）と、を備え、
   前記ダイヤフラム部のうちの前記他面側に印加される測定媒体の圧力と、前記ダイヤフラム部のうちの前記一面側に印加される前記基準圧力との差圧に応じて圧力を検出する圧力センサにおいて、
   前記第１基板の他面側から視たとき、前記凹部は、前記第１基板の相対する側面と繋がる２つの連結部（１５ａ）を有する側面のみを有し、前記側面は、前記２つの連結部を結ぶ直線状の仮想線（Ｌ）と一致する形状、もしくは、前記仮想線から前記ダイヤフラム部側に突出する部分を有すると共に前記仮想線との距離が順に長くなる部分と順に短くなる部分とを１つのみ有する形状とされていることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記凹部の側面は、当該側面と前記第１基板の他面との成す角度（θ）が９０°より大きくされることでテーパ状とされていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記連結部は、丸めら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. 前記第１、第２基板は、前記ダイヤフラム部が露出するように、モールド樹脂（７０）で封止されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の圧力センサ。
5. 前記第１基板は、支持基板（１１）、絶縁膜（１２）、半導体層（１３）が順に積層された半導体基板であり、前記一面が前記半導体層で構成されていると共に前記他面が前記支持基板で構成され、
   前記凹部は、前記支持基板に形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の圧力センサ。
   
   
   

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