JP2016205871A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】組立作業を簡素化し、製品精度を向上できる圧力センサを提供する。
【解決手段】流体の圧力を受圧するダイアフラムと、前記ダイアフラムとの間でオイル等の絶縁性媒質が封入された受圧空間が形成されるベースと、前記受圧空間内に設けられるとともにアースパッドを含む複数のボンディングパッドを備えた圧力検出素子と、前記ベースを貫通するとともに前記圧力検出素子と電気的に接続される複数の端子ピン及び１つのアース端子ピンと、を具備した圧力センサであって、前記ベースと前記圧力検出素子との間に除電板が配置されており、前記除電板は、前記圧力検出素子側の表面に導電層が形成されているとともに、前記導電層が前記アースパッド及び前記アース端子ピンとそれぞれ電気的に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力センサに関し、特に、半導体型圧力検出装置を収容した液封入式の圧力センサに関する。

従来、ダイアフラムで区画されてオイルが封入された受圧室内に半導体型圧力検出装置を収容した液封入式の圧力センサは、冷凍冷蔵装置や空調装置に装備されて冷媒圧力を検知したり、産業用機器に装備されて各種の流体圧力の検知に使用されている。
半導体型圧力検出装置は、上記受圧室内に配置され、受圧空間内の圧力変化を電気信号に変換して外部に出力する機能を有している。
受圧空間内に配置されるダイアフラムは、可撓性の金属板であって、半導体からなる圧力検出素子との間で電位差が発生し、封入されたオイルが静電気を帯びると、圧力検出素子あるいはその出力信号に不具合が生ずる場合がある。

そこで、上記圧力検出素子が収容されている受圧空間内に導電性部材をさらに配置し、この導電性部材を検出装置における電気回路のゼロ電位に接続することにより、上記不具合の解消を図る圧力センサが下記の特許文献１に開示されている。

特開２０１５−４５９１号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている圧力センサにおいては、上記圧力検出素子と導電性部材とが別々に構成されているため、その製造時に、上記受圧空間を形成する上側部材（ベース）に上記圧力検出素子を取り付けた後に上記導電性部材を取り付けるか、あるいは上記上側部材に上記導電性部材を取り付けた後に上記圧力検出素子を取り付けることとなる。
したがって、これらの取り付けの際には、上記圧力検出素子又は導電性部材を上記上側部材に対してそれぞれ位置決めする必要があるため、取り付け作業が煩雑となり、組立効率が低下するとともに、複数回の位置決めに関わる製品精度が低下する懸念がある。

そこで、本発明の目的は、組立作業を簡素化し、製品精度を向上できる圧力センサを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の圧力センサは、流体の圧力を受圧するダイアフラムと、前記ダイアフラムとの間でオイル等の絶縁性媒質が封入された受圧空間が形成されるベースと、前記受圧空間内に設けられるとともにアースパッドを含む複数のボンディングパッドを備えた圧力検出素子と、前記ベースを貫通するとともに前記圧力検出素子と電気的に接続される複数の端子ピン及び１つのアース端子ピンと、を具備し、前記ベースと前記圧力検出素子との間に除電板が配置されており、前記除電板は、前記圧力検出素子側の表面に導電層が形成されているとともに、前記導電層が前記アースパッド及び前記アース端子ピンとそれぞれ電気的に接続されていることを特徴とする。

また、本発明の圧力センサの一の実施例において、前記圧力検出素子が、支持基板上に形成されており、前記支持基板が、前記除電板と接合されている。
さらに、本発明の圧力センサの別の実施例において、前記圧力検出素子は、前記除電板上に直接形成されている。

本発明の圧力センサによれば、組立作業を簡素化し、製品精度を向上できる圧力センサを提供することができる。

本発明の実施例１による圧力センサの縦断面図である。 本発明の実施例１による圧力センサの圧力検出素子を取り付けた部分の近傍を受圧空間側から見た概略図であり、図１のＡ−Ａ断面図よりカバーを取り除いた図である。 本発明の実施例２による圧力センサの縦断面図である。

＜実施例１＞
図１は、本発明の実施例１による圧力センサの縦断面図である。また、図２は、本発明の実施例１による圧力センサの圧力検出素子を取り付けた部分の近傍を受圧空間側から見た概略図であり、図１のＡ−Ａ断面図よりカバーを取り除いた図である。
図１に示すように、圧力センサ１は、段付の円筒形状のカバー１０を有し、カバー１０の大径の開口部１０ａには、後述する半導体型圧力検出装置６０が搭載されたベース４０、図示されない流体流入管が接続される接続ナット２０を支持する取付部材３０、ベース４０及び取付部材３０によりその外周部が挟持されたダイアフラム５０等より成る圧力検出ユニット２が挿入される。

皿状のベース４０とダイアフラム５０で区画される受圧空間５２にはオイル等の絶縁性の液状媒質が充填される。ボール９９は、ベース４０に形成された孔９９ａ（図２参照）を介して受圧空間５２内に液状媒質を充填した後に該孔を封止する為のものであり、ベース４０に溶接等の手段で固着される。
実施例１による圧力センサ１において、ベース４０の受圧空間５２側の中央部には、例えばガラス等の絶縁体からなる除電板６２を介して半導体型圧力検出装置６０が取り付けられている。

半導体型圧力検出装置６０は、例えばセラミックス等の絶縁体からなる支持基板６３とその表面に形成された圧力検出素子（半導体層）６４とで構成されている。圧力検出素子６４は、この例においては８つのボンディングパッド（電極）を備え、そのうちの３つは出力信号用の電源入力パッド、アースパッド（ゼロ電位）及び信号出力パッドであり、残る５つは信号調整用パッドである。
そして、半導体型圧力検出装置６０と除電板６２、及び除電板６２とベース４０は、いずれも接着や拡散接合、あるいは常温接合等の任意の接合方法で取り付けられる。

除電板６２は、例えば、セラミックス、ガラス等の無機材料、又はポリアミド、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ＰＰＳ等の耐熱性に富んだ絶縁体からなり、その片側の面に導電層を形成した構造を有している。このとき、導電層は金属の板状で構成したり、あるいは印刷や焼成で形成してもよい。
また、導電層の材料としては、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル等が代表的であるが、高電圧耐久性を得るためにタングステンやモリブデン等が高融点材料を用いることもできる。

ベース４０において、半導体型圧力検出装置６０が取り付けられた除電板６２の周囲には、当該ベース４０を貫通する複数本（例えば８本）の端子ピン７０，７２が、ハーメチックシール７４により絶縁封止されて設けられる。
図２に示すように、複数の端子ピンのうちの１つはアース端子ピン７２として機能する。そして、当該アース端子ピン７２とそれ以外の７本の端子ピン７０とは、中継基板９０に接続される。

半導体型圧力検出装置６０（圧力検出素子６４）に形成されている電源入力パッド及び信号出力パッドは上記複数本の端子ピン７０のうちの２本と接続され、アースパッドはアース端子ピン７２と接続される。そして、これら３つの端子ピン７０，７２は、中継基板９０に設けられた金属配線パターン及び該中継基板９０に取り付けられたコネクタ９２を介してリード線９４のそれぞれに連結される。
また、リード線９４は、当該圧力センサ１が設置された冷凍冷蔵装置や空調装置等の制御盤内に設けられた図示されない電気回路に接続される。これにより、アース端子ピン７２は、リード線９４を介して外部アースに接続される。

なお、中継基板９０に接続される複数本の端子ピン７０，７２は、出力信号を出力する上記３つのパッドに接続された出力用端子ピンのみでも良く、またそれらに加えて圧力検出素子６４に形成されている信号調整用パッドに接続された５つの端子ピン７０のうちの少なくとも１つをさらに接続しても良い。
このような構成により、中継基板９０は、コネクタ９２を挟んで両側の位置に端子ピン７０，７２との接続点を備える構造となっているため、リード線９４に引張力等が加えられた場合であっても、端子ピン７０，７２に横方向の応力が加わることがなく、結果として端子ピン７０，７２とベース４０とを固定するハーメチックシール７４が破損するのを防止できる。

図２に示すように、半導体型圧力検出装置６０の圧力検出素子６４に設けられた各ボンディングパッドのうち、アースパッドを除く７つのボンディングパッドは、７本の端子ピン７０とボンディングワイヤ８０でそれぞれ電気的に接続（結線）される。また、アースパッド及びアース端子ピン７２は、それぞれボンディングワイヤ８１で除電板６２と電気的に接続（結線）される。
そして、上述の圧力検出ユニット２がカバー１０内に配置された後、カバー１０の大径の開口部１０ａ側及び小径の開口部１０ｂ側（リード線９４が導出される側）からカバー１０の内部に樹脂Ｐ（図１においては、ハッチングによる図示を省略している）が充填、固化され、これによりカバー１０内に圧力検出ユニット２が固定される。

接続ナット２０に導入される流体は流体導入室３２内に入り、その圧力をダイアフラム５０で受圧し、受圧空間５２内の媒質を加圧する。
圧力検出素子６４はこの圧力変動を検知して電気信号に変換し、ボンディングワイヤ８０、端子ピン７０を介して電気信号を外部に出力する。

本発明による圧力センサ１において、除電板６２の半導体型圧力検出装置６０の取り付け面には、導電層６２ａが形成されている。そして、導電層６２ａは、上記圧力検出素子６４のアースパッド及びアース端子ピン７２とボンディングワイヤ８１で電気的に接続（結線）される。
このとき、導電層６２ａは、上記除電板６２における半導体型圧力検出装置６０の取り付け面の全面に形成されても良いが、上記半導体型圧力検出装置６０の取り付け部分を除く部分、あるいは上記取り付け部分以外の一部のみに形成されても良い。

アース端子ピン７２は、上記のとおり、リード線９４を介して本発明の圧力センサ１が設置された冷凍冷蔵装置や空調装置等の制御盤内に設けられた電気回路のゼロ電位（外部アース）に接続されている。
このような構成により、圧力検出ユニット２の内部に帯電する電荷を効率的に外部に逃がすことができるため、半導体型圧力検出装置６０の周囲あるいは受圧空間５２内に充填された液状媒質に電荷が帯電するのを抑制することができ、結果として、半導体型圧力検出装置６０の帯電に起因する作動不良が防止される。

本発明の実施例１による圧力センサによれば、ベース４０と半導体型圧力検出装置６０との間に除電板６２を介在させて取り付ける構造を採用しているため、その取り付け作業の際に、ベース４０と半導体型圧力検出装置６０との間の位置決めを行う必要がなく、ベース４０と除電板６２との位置決めのみを考慮すればよい。
したがって、圧力検出ユニットを組み立てる際の取り付け作業を簡素化できるため、組立効率が低下することがなく、結果として位置決めに関わる製品精度の低下を抑制することができる。

また、実施例１による圧力センサにおいて、半導体型圧力検出装置６０を予め別の組立ラインで除電板６２に取り付けたものとして形成し、そのまま除電板６２をベース４０に取り付けることで圧力検出ユニットの組み立てを行うようにしてもよい。
このような構成によれば、圧力検出ユニットの組立ラインにおける半導体型圧力検出装置６０と除電板６２との位置決め作業を省略できるため、組立効率及び製品精度をさらに向上させることができる。

＜実施例２＞
図３は、本発明の実施例２による圧力センサの縦断面図である。
なお、本発明の実施例２による圧力センサ１は、その主要な構成部分が図１に示した実施例１による圧力センサ１と共通するため、図３においては、実施例１の場合と異なる部分を含む要部にのみ符号を付して説明する。

実施例２による圧力センサ１において、ベース４０の受圧空間５２側の中央部には、実施例１の場合と同様に、絶縁体からなる除電板１６２が取り付けられている。
そして、上記除電板１６２の表面には、導電層１６２ａと圧力検出素子（半導体層）１６４とが隣接して直接形成されている。すなわち、実施例２による圧力センサ１においては、実施例１の除電板１６２と支持基板１６３とを共通化することにより、除電機能を併せ持つ半導体型圧力検出装置１６０を構成している。
このとき、除電板１６２の表面に導電層１６２ａと圧力検出素子１６４とを形成する方法としては、例えばフォトリソグラフィ等の従来公知の手法を適用することができる。

実施例２による圧力センサ１においても、圧力検出素子１６４は、この例においては８つのボンディングパッド（電極）を備え、そのうちの３つは出力信号用の電源入力パッド、信号出力パッド及びアースパッドであり、残る５つは信号調整用パッドである。
そして、除電板１６２とベース４０は、実施例１の場合と同様に、接着や拡散接合、あるいは常温接合等の任意の接合方法で取り付けられる。

本発明の実施例２による圧力センサ１によれば、除電板１６２の表面に圧力検出素子１６４を直接形成する構造を採用しているため、上記実施例１の場合と同様に、ベース４０と除電板１６２との取り付け作業の際に、ベース４０と圧力検出素子１６４との間の位置決めを行う必要がなく、ベース４０と除電板１６２との位置決めのみを考慮すればよい。
したがって、圧力検出ユニット２を組み立てる際の取り付け作業を簡素化できるため、組立効率が低下することがなく、結果として位置決めに関わる製品精度の低下を抑制することができる。

また、実施例２による圧力センサ１においては、上記のとおり、除電板１６２に導電層１６２ａ及び圧力検出素子１６４を形成する作業を一連の工程（例えばフォトリソグラフィ技術等）で実施できるため、圧力検出ユニット２の製造工程全体をさらに簡素化することができる。
また、圧力検出素子１６４の支持基板を省略できるため、圧力検出ユニット２全体の軽量化を行うこともできる。

なお、本発明は上記の各実施例に限定されるものではなく、種々の改変を施すことがで
きる。
例えば、上記実施例１及び２において、除電板６２，１６２のダイアフラム５０と対向する面（表面）に導電層を形成する場合を例示したが、当該導電層を除電板６２，１６２の側面に形成するように構成してもよい。
また、図２には、除電板６２が四角形である場合を例示したが、除電板６２の機能を損なわない範囲で、円形やその他の多角形（例えば五角形や六角形、あるいは八角形）等の形状を採用することも可能である。

１ 圧力センサ １０ カバー
２０ 接続ナット ３０ 取付部材
３２ 流体導入室 ４０ ベース
５０ ダイアフラム ５２ 受圧空間
６０、１６０ 半導体型圧力検出装置 ６２、１６２ 除電板
６３、１６３ 支持基板 ６４、１６４ 圧力検出素子
７０ 端子ピン ７４ ハーメチックシール
８０ ボンディングワイヤ ８１ アース用ボンディングワイヤ
９０ 中継基板 ９２ コネクタ
９４ リード線

Claims (3)

1. 流体の圧力を受圧するダイアフラムと、
   前記ダイアフラムとの間でオイル等の絶縁性媒質が封入された受圧空間が形成されるベースと、
   前記受圧空間内に設けられるとともにアースパッドを含む複数のボンディングパッドを備えた圧力検出素子と、
   前記ベースを貫通するとともに前記圧力検出素子と電気的に接続される複数の端子ピン及び１つのアース端子ピンと、を具備した圧力センサであって、
   前記ベースと前記圧力検出素子との間に除電板が配置されており、
   前記除電板は、前記圧力検出素子側の表面に導電層が形成されているとともに、前記導電層が前記アースパッド及び前記アース端子ピンとそれぞれ電気的に接続されていることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記圧力検出素子は、支持基板上に形成されており、
   前記支持基板が、前記除電板と接合されていることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
3. 前記圧力検出素子は、前記除電板上に直接形成されていることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。

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