JP2016024033A - 半導体圧力センサ及び半導体圧力センサ取付構造体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】圧力センサ素子と、圧力センサ素子と電気的に接続される配線構成体と、圧力センサ素子及び配線構成体を支持する基体と、基体に一体的に設けられたシール体と、を有し、基体は、上面と、下面と、上面及び下面の間に位置する外周側面とを備え、シール体は、外周側面より外側に延出する鍔部を備える半導体圧力センサ。
【選択図】図2
Description
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴部分を強調する目的で、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、同様の目的で、特徴とならない部分を省略して図示している場合がある。また、各図にはX−Y−Z座標系を示した。以下の説明において、必要に応じてこの座標系に基づいて各方向の説明を行う。
図1は、第1実施形態の圧力センサ(半導体圧力センサ)1の平面図である。また、図2は、図1の圧力センサ1におけるII−II線に沿う断面図である。本実施形態の圧力センサ1の説明において、「上」とは+Z方向を意味し、「下」とは−Z方向を意味する。また、「平面視」とは、圧力センサ1を上下方向から見ることを意味する。
図2に示すように、リードフレーム40は、導電体からなる板状体であり、屈曲されて外部に露出する部分を除き、主にX−Y平面に平行に配置されている。
リードフレーム40の下面41には、制御素子30が設置されている。また、リードフレーム40の下面41とは、反対側の上面42側には、基体10の一部である搭載部17を介し圧力センサ素子20が配置されている。
このような材料として、リードフレーム40は、銅(Cu)、鉄(Fe)等の金属から形成することが好ましい。
センサリード部44は、制御素子30と圧力センサ素子20の間の信号のやり取りを行う中継端子として設けられている。
ターミナル端子45は、接続部45bにおいて、ボンディングワイヤ51を介し制御素子30と電気的に接続される。また、ターミナル端子45は、端子部45cにおいて、外部から延びる端子(図示略)と電気的に接続され入出力を行う。各ターミナル端子45は、圧力センサ1と外部との信号及び電源のやり取りに用いられる端子であり、例えば、電源端子、接地端子、信号入力端子、信号出力端子等に対応して設けられる。
図2に示すように、基体10は、リードフレーム40、制御素子30、並びにボンディングワイヤ51を基体10の樹脂で埋設させ一体とし支持する。リードフレーム40と、制御素子30、ボンディングワイヤ51を支持するとともに、外気や水分から遮断し保護できる。また、基体10は、圧力センサ素子20が搭載される搭載部17を含み、搭載部17において、圧力センサ素子20を支持する。
基体10は、例えば、エポキシ、PPS(ポリフェニレンサルファイド樹脂)、PBT(ポリブチレンテレフタレート)等のエンジニアリングプラスチックなどの樹脂からなる。
基体10の構成樹脂のヤング率は、例えば1GPa〜50GPa(好ましくは10GPa〜30GPa)である。
基体10の本体部16、及び環状壁部12は、平面視円形であるであるがこれに限らず、矩形その他の多角形など、任意の形状とすることができる。
収容部19の底面の一部には、基体10の一部として延出する搭載部17が形成されている。搭載部17は、リードフレーム40の上面42側に形成され、圧力センサ素子20を搭載する搭載面17aが設けられている。
収容部19の底面であって、搭載部17が形成されない部分は、リードフレーム40の一部(センサリード部44)が露出している。圧力センサ素子20は、ボンディングワイヤ50によって、露出したリードフレーム40と電気的に接続される。
図2に示すように、シール体80は、基体10の上面10bに接着剤85を介して接着固定されており、断面が矩形状の均一な厚みA(例えば、0.1〜1mm)に形成されたパッキンである。シール体80は、基体10の上面10bに重ねられ基体10と固着する重ね部82と、重ね部82と一体的に形成され重ね部82の外側に配置される鍔部81とを有する。
シール体80は、アクリレート系の樹脂、シリコーン樹脂、ゴム等からなるものを採用することができる。シール体80は、弾性を有し、挟圧されることで止水部材(シール部材)として機能する。
止水部材として機能させるためにシール体80のヤング率は、基体10の構成樹脂のヤング率の1/10以下とすることが好ましい。例えばシール体80のヤング率は、10MPa程度が好ましい。
シール体80は、基体10に一体的に固着させることで、シール体80と基体10との間を止水できる。なお、ここで「一体的」とは、シール体80と基体10とが互いに隙間なく固着した状態であることを意味する。
圧力センサ素子20は、例えば、シリコン等からなる半導体基板の一面側に、ダイアフラム部と、基準圧力室としての密閉空間と、圧力によるダイアフラム部の歪抵抗の変化を測定するための複数の歪ゲージとを有する。各歪ゲージは、ボンディングワイヤ50を介し異なるセンサリード部44にそれぞれ電気的に接続されている。
この圧力センサ素子20は、MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems)技術を利用した圧力センサ素子である。
圧力センサ素子20は、リードフレーム40の上面42側に設けられている。また、圧力センサ素子20は、平面視において、一部領域または全部領域がリードフレーム40から外れた位置に配置されていても良い。
圧力センサ素子20は、搭載部17と反対側の面に接続されたボンディングワイヤ50を介して、リードフレーム40のセンサリード部44に接続されている。
図2に示すように、保護剤60は、収容部19内に充填されて圧力センサ素子20を覆い、圧力センサ素子20を外気や水分から遮断し保護する。
保護剤60としては、例えば、シリコーン樹脂やフッ素系の樹脂が使用できる。保護剤60は液状やゲル状とすることができる。保護剤60は高い粘性を持つことが好ましい。
保護剤60としては、例えば、硬さ1未満(タイプA硬さ。JIS K 6253に準拠)の柔らかいゲル剤を用いることが望ましい。これによって、測定対象から加えられる圧力をそのまま圧力センサ素子20に伝達できるため、圧力センサ素子20による圧力検出の精度を低下させることはない。また、基体10の変形の影響が保護剤を通して圧力センサ素子20に伝わることも抑制できる。
保護剤60によって、水や外気の浸入を防ぎ、圧力センサ素子20への悪影響を防ぐことができる。
制御素子30は、例えば集積回路(integrated circuit、IC)である。制御素子30は、平面視で矩形状を有する。制御素子30は、リードフレーム40の下面41であって、台座部46に配置される。制御素子30は、平面視において少なくとも一部が圧力センサ素子20に重なる位置にある。このように制御素子30と圧力センサ素子20とが平面視で重なるように配置されることで、圧力センサ1を小型化することができる。
制御素子30は、圧力センサ素子20からのセンサ信号が、入力されるとこれを処理して圧力検出信号として出力する。圧力センサ素子20からのセンサ信号は、ボンディングワイヤ50、センサリード部44、ボンディングワイヤ51を介して、制御素子30に入力される。
次に、上述の圧力センサ1が組み込まれた圧力センサモジュールの一部である半導体圧力センサ取付構造体(取付構造体)100について説明を行う。
図3は、取付構造体100の断面模式図である。取付構造体100は、上述の圧力センサ1と、圧力センサ1が収容される収容部115を備えた筐体110と、圧力センサ1の上方から収容部115を覆う蓋体120と、を有する。また、取付構造体100は、筐体110と蓋体120とを固定する複数の固定ボルト130を有する。
取付構造体100は、圧力センサ1の保護剤60の表面に形成された被圧面60aに測定媒体(水、又は空気等)を導入しつつ、筐体内部110cに水が浸入させない構造とされている。
図3に示すように、筐体110は、圧力センサ1が組み込まれる圧力センサモジュールの外形をなし、筐体内部110cを防水、保護する為に設けられている。筐体110は、ステンレス合金、アルミニウム合金、樹脂などからなる。
筐体110は、外形をなす複数の面の一つとして取付面110aを有している。取付面110aには、圧力センサ1を収容するための収容部115と、固定ボルト130をねじ込むためのネジ穴110bが設けられている。
凹部116の底面116aから段差部117までの高さJ1は、圧力センサ1の基体10の高さJ2より大きく形成されている。したがって、凹部116に収容された基体10の上面10bは、段差部117の対向面117aより下方に位置している。また、凹部116に収容された基体10の上面10bから蓋体120の下面120aまでの高さ(上下方向の距離)H2は、段差部117の高さH1より大きくなっている。
図3に示すように、蓋体120は、筐体110の取付面110aに対向して配置される平板である。蓋体120には、圧力センサ1に測定媒体(水、又は空気等)を導入するための圧力導入孔121と、固定ボルト130が挿通する挿通孔120bと、が設けられている。また、蓋体120は、筐体110に対向する平坦な下面120aを有している。下面120aは、筐体110の取付面110aと当接する。
蓋体120は、例えばステンレス合金、アルミニウム合金、樹脂などから形成されている。
図3に示すように、固定ボルト130は、蓋体120の挿通孔120bを挿通し、筐体110のネジ穴110bにねじ込まれることで、蓋体120を筐体110に押し付けて固定する。固定ボルト130は、筐体110の収容部115の周囲に対称に配置することが好ましい。これにより、蓋体120と筐体110の間で、圧力センサ1を挟み込み、シール体80を均一に加圧することができる。
取付構造体100は、圧力センサ1が筐体110の収容部115に収容され、上方から蓋体120に覆われ、さらに固定ボルト130によってシール体80が圧縮されることで、圧力導入孔121や、蓋体120の下面120aと筐体110との間から筐体内部110cに水が浸入しない防水構造を実現する。
鍔部81の圧縮後の厚みa1(即ち高さH1)は、圧縮率P1が蓋体120の下面120aと段差部117の対向面117aとの間の防水を確保する圧縮率となるように設定される。
なお、ここで圧縮率とは、所謂つぶし率であり、圧縮前のシール体(パッキン)の厚みに対する圧縮方向の変形量(つぶし代)の比率を意味する。
したがって、取付構造体100によれば、蓋体120の圧力導入孔121から浸入する水分、並びに蓋体120の下面120aと筐体110との間から浸入する水分が、筐体内部110cに浸入することを防止できる。
なお、基体10の上面10bから蓋体120の下面120aの高さを十分な大きさとし、重ね部82を圧縮しない構成としても良い。
次に第2実施形態について説明する。
図4は、第2実施形態の圧力センサ(半導体圧力センサ)2の断面模式図であり、第1実施形態の図2に対応する図である。
第2実施形態の圧力センサ2は、第1実施形態の圧力センサ1と比較し、シール体80に代えて、凹溝183を備えたシール体180を採用した点が異なる。なお、上述の第1実施形態と同一態様の構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略する。
シール体180は、重ね部182及び鍔部181において、共に同じ厚みAである。
シール体180の鍔部181において、凹溝183の外側部分が収容部115の段差部117の対向面117aと、蓋体120の下面120aとの間で挟み込まれて、厚みa1に圧縮される。鍔部181において、凹溝183の外側部分は、蓋体120の下面120aと段差部117の対向面117aとの間の防水を確保する圧縮率となるように圧縮される。
図6は、第2実施形態の変形例である圧力センサ2Aのシール体184を示す図である。
シール体184は、基体10と一体成型されているパッキンである。シール体184は、基体10の上面10bに固着している。シール体184は、基体10の上面10bに重ねられ基体10と固着する重ね部186と、重ね部186と一体的に形成され重ね部186の外側に配置される鍔部185と、を有する。
また、重ね部186、第1領域185a、並びに第2領域185bの間には、それぞれ凹溝188、189が設けられていることによって鍔部185に加わる圧縮力は、重ね部186側に伝達しにくくなる。これにより、基体10の変形を抑制でき、圧力センサ2Aの測定信頼性をさらに高めることができる。
次に第3実施形態について説明する。
図7は、第3実施形態の圧力センサ(半導体圧力センサ)3の断面模式図であり、第1実施形態の図2に対応する図である。
第3実施形態の圧力センサ3は、第1実施形態の圧力センサ1と比較し、シール体80に代えて、鍔部281と重ね部282とで厚みの異なるシール体280を採用した点が異なる。なお、上述の第1実施形態と同一態様の構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略する。
取付構造体300は、上述の圧力センサ3と、圧力センサ3が収容される収容部315を備えた筐体310と、圧力センサ3の上方から収容部315を覆う蓋体320と、を有する。また、取付構造体300は、筐体310と蓋体320とを固定する図示略の固定ボルトを有する。
段差部317において、蓋体320に対向する側には平坦な面である対向面317aが設けられている。
なお、シール体280と基体10の上面10bとを接着する接着剤85は、シール体280に対して十分に薄いため厚みを無視しても差しさわりない。
また、シール体280の重ね部282及び基体10は、凹部316の底面316aと、蓋体320の下面320aとの間で挟み込まれ圧縮される。
上述したように、凹部316に収容された基体10の上面10bから蓋体320の下面320aまでの高さH2は、段差部317の高さH1と略同じである。したがって、圧縮後のシール体280は、鍔部281と重ね部282とが同じ厚みaとなる。
鍔部281の圧縮前の厚みA1は、重ね部282の圧縮前の厚みA2より大きいため、圧縮後は鍔部281の圧縮率が、重ね部282の圧縮率よりおおきくなる。
なお、重ね部282の圧縮率P2は、必ずしも防水に必要な圧縮率となっている必要はない。
<第3実施形態の変形例>
図9は、第3実施形態の変形例である圧力センサ3Aのシール体284を示す図である。
シール体284は、基体10の上面10bに接着剤85を介して接着固定されているパッキンである。シール体284は、基体10の上面10bに重ねられ基体10と固着する重ね部286と、重ね部286と一体的に形成され重ね部286の外側に配置される鍔部285と、を有する。
次に第4実施形態について説明する。
図10は、第4実施形態の圧力センサ(半導体圧力センサ)4の断面模式図であり、第1実施形態の図2に対応する図である。
第4実施形態の圧力センサ4は、第1実施形態の圧力センサ1と比較し、シール体380が、基体350の下面350aに設けられている点が主に異なる。なお、上述の第1実施形態と同一態様の構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略する。
基体350は、第1実施形態の基体10と比較して、シール体380を下面350aに接着させる面積を確保する為に、外形が大きく形成されている。
取付構造体400は、上述の圧力センサ4と、圧力センサ4が収容される収容部415を備えた筐体410と、圧力センサ4の上方から収容部415を覆う蓋体420と、を有する。また、取付構造体400は、筐体410と蓋体420とを固定する図示略の固定ボルトを有する。
また、蓋体420は、下面420aが形成された平板部423と、下面420aから下方に延びる延出部422と、を有している。延出部422は、基体350の外周側面350cに沿って、外周側面350cを覆うように、基体350と凹部416の間に挿入される。また、延出部422の先端は、鍔部381の上面381bに当接する。
したがって、取付構造体400によれば、蓋体420の圧力導入孔421から浸入する水分、並びに蓋体420と筐体410の間から浸入する水分が、筐体内部410cに浸入することを防止できる。
Claims (14)
- 圧力センサ素子と、
前記圧力センサ素子と電気的に接続される配線構成体と、
前記圧力センサ素子及び前記配線構成体を支持する基体と、
前記基体に一体的に設けられたシール体と、を有し、
前記基体は、上面と、下面と、前記上面及び前記下面の間に位置する外周側面とを備え、
前記シール体は、前記基体の前記外周側面より外側に延出する鍔部を備える半導体圧力センサ。 - 前記シール体が、前記基体の上面又は下面に重ねられ前記基体と固着する重ね部を有する請求項1に記載の半導体圧力センサ。
- 前記シール体は、前記重ね部とその外側に配置される鍔部とが一体的に形成され、前記重ね部に対し前記鍔部が肉厚である請求項2に記載の半導体圧力センサ。
- 前記鍔部は、上面又は下面に前記基体の前記外周側面に沿って延びる凹溝を有する請求項1〜3の何れか一項に記載の半導体圧力センサ。
- 前記シール体が、前記基体と接着固定されている請求項1〜4の何れか一項に記載の半導体圧力センサ。
- 前記シール体が、前記基体と一体成型されている請求項1〜4の何れか一項に記載の半導体圧力センサ。
- 半導体圧力センサと、
前記半導体圧力センサが収容される収容部を備えた筐体と、
前記半導体圧力センサの上方から前記収容部を覆う蓋体と、
を有し、
前記半導体圧力センサは、
圧力センサ素子と、
前記圧力センサ素子と電気的に接続される配線構成体と、
前記圧力センサ素子及び前記配線構成体を支持する基体と、
前記基体に一体的に設けられたシール体と、を有し、
前記基体は、上面と、下面と、前記上面及び前記下面の間に位置する外周側面とを備え、
前記シール体は、前記基体の前記外周側面より外側に延出する鍔部を備え、
前記鍔部が、前記収容部と前記蓋体との間に挟み込まれる半導体圧力センサ取付構造体。 - 前記シール体が、前記基体の上面又は下面に重ねられ前記基体と固着する重ね部を有し、
前記重ね部及び前記基体が、前記収容部と前記蓋体との間に挟み込まれ、
前記シール体において、前記鍔部の圧縮率が前記重ね部の圧縮率より大きい請求項7に記載の半導体圧力センサ取付構造体。 - 前記収容部は、前記基体を収容し底面が形成された凹部と、前記凹部の開口周縁において前記蓋体と対向する対向面と、を有し、
前記シール体は、前記基体の上面側に配置され、
前記対向面と前記蓋体の間には、前記鍔部が挟み込まれ、
前記凹部の底面と蓋体の間には、前記基体及び前記重ね部が挟み込まれる請求項8に記載の半導体圧力センサ取付構造体。 - 前記対向面と前記蓋体との上下方向の距離は、前記基体の上面と前記蓋体との上下方向の距離より短い請求項9に記載の半導体圧力センサ取付構造体。
- 前記収容部は、前記基体を収容し底面が形成された凹部を有し、
前記蓋体は、平板部と前記平板部から前記基体の前記外周側面に沿って下方に延びる延出部と、を有し、
前記シール体は、前記基体の下面側に配置され、
前記延出部と前記凹部の前記底面の間には、前記鍔部が挟み込まれ、
前記平板部と前記凹部の前記底面の間には、前記基体及び前記重ね部が挟み込まれる請求項8に記載の半導体圧力センサ取付構造体。 - 前記延出部と前記凹部の底面との上下方向距離は、前記基体の下面と前記凹部の前記底面との距離より短い請求項11に記載の半導体圧力センサ取付構造体。
- 前記シール体は、前記重ね部とその外側に配置される鍔部とが一体的に形成され、前記重ね部に対し前記鍔部が肉厚であることにより、前記鍔部の圧縮率を前記重ね部の圧縮率より大きくする請求項8〜12の何れか一項に記載の半導体圧力センサ取付構造体。
- 前記鍔部は、上面又は下面に前記基体の前記外周側面に沿って延びる凹溝を有し、
前記筐体と前記蓋体とは、前記凹溝の外側を挟み込む請求項7〜13の何れか一項に記載の半導体圧力センサ取付構造体。
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