JP2017062193A - 圧力センサ - Google Patents

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由香利 白旗
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Abstract

【課題】ダイアフラムを有するセンサチップを配線基板に接合してなり、導入された圧力によるダイアフラムの歪みをピエゾ抵抗効果による信号として出力するようにした圧力センサにおいて、配線基板からセンサチップへ伝わる応力を緩和して、当該応力によるセンサ出力の変動を極力防止する。
【解決手段】配線基板20は、センサチップ10の裏面12におけるダイアフラム14周囲の厚肉部15に、接着剤30を介して接合されており、センサチップ10の裏面12の厚肉部15に位置する四隅部には、ダイアフラム14を構成する凹部13よりも開口面積の小さい窪み18が設けられており、窪み18は、センサチップ10の裏面12における配線基板20との接合領域R1の内側に位置しており、窪み18によって、配線基板20からセンサチップ10へ伝わる応力が緩和されるようになっている。
【選択図】図2

Description

本発明は、ダイアフラムを有するセンサチップを配線基板等の接合部材に接合してなり、導入された圧力によるダイアフラムの歪みをピエゾ抵抗効果による信号として出力するようにした圧力センサに関する。
従来、この種の圧力センサとしては、たとえば特許文献1に記載のものが提案されている。この圧力センサにおけるセンサチップは、矩形板状をなす半導体よりなるチップであって、裏面の中央側に凹部が形成され凹部に対応した表面側の薄肉部がダイアフラムとして構成され、且つ凹部の周囲が厚肉部とされている。それとともに、センサチップの表面にはピエゾ抵抗が設けられている。
また、接合部材は、配線基板や台座等よりなり、センサチップの裏面の厚肉部に対して、接着剤を介するか、もしくは、直接接合等により接合される。そして、ダイアフラムに圧力が導入されたときに、センサチップからは、ピエゾ抵抗効果によって印加された圧力に応じた信号が出力されるようになっている。
特開2007−003449号公報
ところで、上記のように、センサチップは、裏面の厚肉部にて、配線基板や台座等の接合部材に接合される。
しかし、センサチップと接合部材との材質の違いにより、これら両者の線膨張係数差によって、温度変化による応力(つまり熱応力)がセンサチップに加わる。つまり、本来の検出対象である圧力以外の接合部材からの応力が、ダイアフラムに加わることで、センサ出力が変動してしまう。
特に、接合部材が樹脂やセラミック等の場合、上記の線膨張係数差が大きくなる。また、接合部材が樹脂の場合、樹脂クリープによる応力等もセンサチップに伝達されることになる。このように、接合部材が樹脂やセラミック等、半導体よりなるセンサチップと線膨張係数差が大きい場合には、上記したセンサ出力変動の問題が顕著になりやすい。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、ダイアフラムを有するセンサチップを配線基板等の接合部材に接合してなり、導入された圧力によるダイアフラムの歪みをピエゾ抵抗効果による信号として出力するようにした圧力センサにおいて、接合部材からセンサチップへ伝わる応力を緩和して、当該応力によるセンサ出力の変動を極力防止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、矩形板状をなす半導体よりなるチップであって、裏面(12)の中央側に凹部(13)が形成され凹部に対応した表面(11)側の薄肉部がダイアフラム(14)として構成され、且つ凹部の周囲が厚肉部(15)とされているとともに、表面にピエゾ抵抗(16)を有するセンサチップ(10)と、センサチップの裏面の厚肉部に接合される接合部材(20、60)と、を備え、ダイアフラムに圧力が導入され、センサチップからはピエゾ抵抗効果によって印加された圧力に応じた信号が出力されるようになっている圧力センサであって、
センサチップの裏面の厚肉部に位置する四隅部のうち少なくとも対角の位置にある2個の隅部には、凹部よりも開口面積の小さい窪み(18)が設けられており、窪みは、センサチップの裏面における接合部材との接合領域(R1)もしくは当該接合領域の内側に位置しており、窪みによって、前記接合部材から前記センサチップへ伝わる応力が緩和されるようになっていることを特徴とする。
センサチップにおいて対角方向の隅部同士をつなぐ部位は、最も平面方向の寸法が大きく、応力も最大になりやすい部位である。そして、本発明によれば、この対角の位置にある2個の隅部に窪みを設けているので、接合部材による応力がセンサチップに加わったとき、当該対角方向に発生する応力が窪みによって吸収されるから、チップ中央側のダイアフラムには応力が伝達されにくくなる。
よって、本発明によれば、接合部材からセンサチップへ伝わる応力を緩和して、当該応力によるセンサ出力の変動を極力防止することができる。
なお、特許請求の範囲およびこの欄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一例である。
本発明の第1実施形態にかかる圧力センサにおけるセンサチップを示す図であり、(a)は概略断面図、(b)は(a)中のA矢視概略平面図である。 上記第1実施形態にかかる圧力センサの全体構成としてセンサチップを接合部材としての配線基板に接合した状態を示す図であり、(a)は概略断面図、(b)は(a)中のB矢視概略平面図である。 上記第1実施形態にかかる圧力センサにおけるピエゾ抵抗により構成されるブリッジ回路の結線図である。 本発明の第2実施形態にかかる圧力センサの全体構成を示す概略断面図である。 本発明の他の実施形態にかかる圧力センサの要部を示す概略平面図である。
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、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態にかかる圧力センサS1について、図1〜図3を参照して述べる。なお、図1(b)および後述の図5では、識別のため、接着剤30の表面すなわち接合領域R1に、便宜上、斜線ハッチングを施してある。また、図2(b)では、接着剤30、31および樹脂ケース40は、省略してある。
この圧力センサS1は、たとえば、腐食性を有する液体やガスなどの圧力媒体の圧力を測定する場合に適用され、具体的には、ディーゼルエンジン車両の排気管内の排気ガスを測定したり、当該排気管内に設けられた排気清浄フィルタとしてのDPF(ディーゼルパティキュレートフィルタ)の前後の差圧を測定したり、EGR雰囲気中の圧力などを測定するセンサなどに適用されるものである。
本実施形態の圧力センサS1は、大きくは、図1、図2に示されるように、半導体ダイアフラム式のセンサチップ10と、このセンサチップ10に接合された接合部材としての配線基板20とを備えて構成されている。
センサチップ10は、矩形板状をなすSi(シリコン)等の半導体よりなるチップである。センサチップ10においては、表裏の板面のうちの裏面12の中央側に凹部13が形成され、この凹部13に対応した表面11側の薄肉部がダイアフラム14として構成されている。
ここで、凹部13は、化学的エッチング等により形成されるものであり、センサチップ10においては凹部13の周囲が、薄肉部である凹部13よりも厚い厚肉部15とされている。
また、センサチップ10の表面11において、ダイアフラム14の部分には、拡散抵抗などからなるピエゾ抵抗16が設けられている。このピエゾ抵抗16は複数個設けられており、後述する図3に示されるように、ブリッジ回路を構成している。
また、センサチップ10の表面11は、保護膜17により被覆され保護されている。この保護膜17は、ポリイミド樹脂やシリコン窒化膜(SiN)等の電気絶縁性を有する絶縁膜よりなる。このように、本実施形態のセンサチップ10は、半導体ダイアフラム式のセンサチップとして構成されている。
そして、センサチップ10においては、ピエゾ抵抗効果によって印加された圧力に応じた信号が出力されるようになっている。具体的には、ダイアフラム14にて圧力を受け、その圧力によってダイアフラム14が歪み、ダイアフラム14に形成された上記ブリッジ回路によって、このダイアフラム14の歪みに基づく信号、すなわち、印加された圧力値に応じたレベルの信号が出力されるようになっている。
また、本実施形態では、センサチップ10は、その裏面12側において、厚肉部15にて配線基板20に接合されている。ここでは、センサチップ10の裏面12の厚肉部15は、接合部材である配線基板20に対して接着剤30を介して接合されている。この接着剤30としては、たとえばシリコーン樹脂やエポキシ樹脂等よりなるものが挙げられ、更に言えば、低弾性のものが望ましい。
この配線基板20は、たとえばアルミナ等のセラミックよりなるセラミック基板や、プリント基板などの樹脂基板等よりなるものである。そして、センサチップ10と配線基板20とは、この種の典型的な圧力センサと同様、図示しないボンディングワイヤ等により電気的に接続されている。
また、配線基板20におけるセンサチップ10とは反対側の面、すなわち図2における配線基板20の下には、樹脂ケース40が設けられ、この樹脂ケース40と配線基板20とは、接着剤31を介して接合され、固定されている。ここで、接着剤31は上記接着剤30と同様のものを採用できる。この樹脂ケース40は、たとえば排気管のホース等に取り付けられるもので、測定される圧力を導入する圧力導入通路41を有している。
また、配線基板20には、センサチップ10の裏面12側からダイアフラム14に圧力を導入するための孔21が設けられている。この配線基板20の孔21は、樹脂ケース40の圧力導入通路41に通じており、これにより、図2に示されるように、センサチップ10の裏面12側からダイアフラム14に、測定される圧力Pが導入されるようになっている。
ここで、たとえばセンサチップ10の表面11側は、たとえば大気圧であり、上記したように、ダイアフラム14の裏面12側に印加される測定される圧力Pはたとえば排気ガスである。
そして、圧力Pがダイアフラム14に導入されたとき、ダイアフラム14の表面11と裏面12との差圧によりダイアフラム14が歪む。すると、センサチップ10からはダイアフラム14の歪みに基づくピエゾ抵抗効果によって、印加された圧力Pに応じた信号が出力されるようになっている。
つまり、図2に示される圧力センサS1は、センサチップ10の表面11側からダイアフラム14に印加される圧力と、センサチップ10の裏面12側からダイアフラム14に印加される圧力との差圧により、ダイアフラム14が歪み、この歪みに基づいて圧力検出を行う相対圧型の圧力センサとすることができる。
この圧力センサS1におけるより具体的な検出動作について、図3を参照して述べることにする。ピエゾ抵抗16により構成される上記ブリッジ回路としては、典型的には、図3に示されるように、4個のピエゾ抵抗16(16a、16b、16c、16d)によりホイートストンブリッジが構成されたものとされる。
ここにおいて、上記圧力Pの印加によりダイアフラム14が歪み変形するが、このとき、図3に示されるホイートストンブリッジの入力端子IaとIbとの間に直流定電圧Vを与えた状態では、このダイアフラム14の変形がピエゾ抵抗16a〜16dの抵抗値変化として現れ、出力端子PaとPbとの間から被検出圧力に応じたレベルの電圧(センサ信号)Voutが出力される。
そして、このセンサ信号Voutが、ピエゾ抵抗効果に基づくセンサチップ10からの信号として外部に出力される。このようにして、圧力センサS1において、圧力検出がなされる。
ところで、このような本実施形態の圧力センサS1においては、図1、図2に示されるように、センサチップ10の裏面12の厚肉部15に位置する四隅部のすべてに窪み18が設けられている。
この窪み18は、それぞれ凹部13(つまりダイアフラム14)よりも開口面積が小さいものである。なお、窪み18の深さについては、凹部13よりも浅いものでもよいが、深いものでもよい。さらに言えば、窪み18は厚肉部15を貫通する貫通孔であってもよい。このような窪み18は、センサチップ10の裏面12側における半導体部分や図示しない膜をエッチング等により除去することで容易に形成される。
ここでは、四隅部の窪み18は、すべて開口形状が三角形である(図1参照)。また、ここでは、四隅部に位置する窪み18は、すべて開口形状が同一で、開口サイズが同一の三角形とされている。また、ここでは、図1に示されるように、四隅部のすべて位置する窪み18は、センサチップ10の平面中心10aについて点対称の配置とされている。
また、図1、図2に示されるように、それぞれの窪み18は、センサチップ10の裏面12における配線基板20との接合領域R1の内側に位置している。このセンサチップ10の裏面12における接合領域R1は、本実施形態においては、接着剤30の配置領域である。
ここでは、図1に示されるように、接着剤30はセンサチップ10の裏面12の端部に沿った矩形額縁状をなしているから、接合領域R1も同じ矩形額縁形状となる。そして、窪み18は、センサチップ10の裏面12の四隅部のすべてに1個ずつ設けられており、この裏面12において接合領域R1よりも内側に位置している。
そして、本実施形態の圧力センサS1においては、窪み18によって、配線基板20からセンサチップ10へ伝わる応力が緩和されるようになっている。この応力は、上記したように、接合部材である配線基板20とセンサチップ10との線膨張係数差等に起因してセンサチップ10に発生する応力である。
本実施形態のような矩形板状のセンサチップ10において、対角方向の隅部同士をつなぐ部位は、最も平面方向の寸法が大きく、応力も最大になりやすい部位である。そして、本実施形態によれば、この対角の位置にある各隅部に窪み18を設けているので、配線基板20による応力がセンサチップ10に加わったとき、当該対角方向に発生する応力が窪み18によって吸収されるから、チップ中央側のダイアフラム14には応力が伝達されにくくなる。
よって、本実施形態の圧力センサS1によれば、接合部材である配線基板20からセンサチップ10へ伝わる応力を緩和して、当該応力によるセンサ出力の変動を極力防止することができる。
特に、本実施形態では、窪み18を、センサチップ10の裏面12の四隅部のすべてに設けており、それによれば、センサチップ10において、2つの対角方向で窪み18による応力緩和が行えるから、好ましい。
また、本実施形態では、四隅部のすべて位置する窪み18は、センサチップ10の平面中心10aについて点対称の配置とされている。それによれば、センサチップ10の2つの対角方向において、四隅部の窪み18による応力緩和が均一に行いやすくなり、好ましい。
また、本実施形態では、四隅部のすべてに位置する窪み18を、開口形状が同一で、開口サイズが同一であるものとしている。それによれば、それぞれの隅部における窪み18の形状およびサイズが同一であることから、それぞれの窪み18による応力吸収作用が同じものとなりやすく、センサチップ10の2つの対角方向において、それぞれの窪み18による応力緩和が均一に行いやすい。
また、本実施形態では、センサチップ10の裏面12は、接合部材である配線基板20に対して接着剤30を介して接合されており、配線基板20には、センサチップ10の裏面12側からダイアフラム14に圧力Pを導入するための孔21が設けられていた。そして、これにより、裏面受圧型の圧力センサS1を実現できる。
なお、このような本実施形態の圧力センサS1は、たとえば樹脂ケース40上に、配線基板20、センサチップ10を順次、接着剤30、31を介して積層して接合するとともに、センサチップ10と配線基板20とをワイヤボンディング等で電気的に接続することにより、製造される。ただし、各部材の積層、接合の順序は、適宜変更してよいことはもちろんである。
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態にかかる圧力センサS2について、図4を参照して、上記第1実施形態との相違点を中心に述べることとする。本実施形態では、接合部材を変形したものである。
上記第1実施形態では、接合部材は配線基板20であったが、本実施形態の接合部材は、図4に示されるように、ガラスもしくはシリコンよりなる台座50と、この台座50に接着剤31を介して固定された樹脂ケース40とよりなる複合部材60である。
そして、センサチップ10の裏面12の厚肉部15全体が、台座50に対して直接接合により接合されている。つまり、本実施形態では、センサチップ10の裏面12の厚肉部15全体が接合部材との接合領域R1とされている。
また、この図4の例の場合、センサチップ10と台座50との間にて、凹部13は気密に封止されて圧力基準室を構成し、圧力Pはセンサチップ10の表面11側からダイアフラム14に導入され、いわゆる表面受圧型の圧力センサS2とされている。
そして、この場合、センサチップ10の裏面12の厚肉部15全体が接合領域R1とされているから、四隅部に位置する窪み18は、接合領域R1に位置したものとなる。この構成によっても、上記第1実施形態と同様、複合部材60による応力がセンサチップ10に加わったとき、センサチップ10の対角方向に発生する応力が窪み18によって吸収されるから、チップ中央側のダイアフラム14には応力が伝達されにくくなる。
よって、本実施形態の圧力センサS2によっても、接合部材である複合部材60からセンサチップ10へ伝わる応力を緩和して、当該応力によるセンサ出力の変動を極力防止することができる。
なお、本実施形態の他の例としては、図4中の破線に示されるように、複合部材60において、台座50および樹脂ケース40を貫通する貫通孔61、すなわち複合部材60を貫通する貫通孔61を設けてもよい。
この場合には、貫通孔61は、複合部材60において、センサチップ10の裏面12側からダイアフラム14に圧力を導入するための孔として構成される。そして、この場合、圧力センサS2は、上記第1実施形態と同様、裏面受圧型のものとして適用することが可能となる。
(他の実施形態)
なお、上記第1実施形態では、図1に示したように、センサチップ10の裏面12における接合部材である配線基板20との接合領域R1は、接着剤30の配置領域であり、それぞれの窪み18は、センサチップ10の裏面12において接合領域R1よりも内側に位置していたものであった。
しかし、図5に示されるように、センサチップ10の裏面12において接着剤30と窪み18とが重なった位置とされることにより、窪み18が接合領域R1に位置したものであってもよい。つまり、接合部材が配線基板20である場合においても、窪み18は、センサチップ10の裏面12における接合領域R1に位置するか、もしくは、接合領域R1の内側に位置しているものであればよい。
また、窪み18の開口形状は、上記各実施形態では三角形であったが、図5に示されるように、四角形であってもよい。また、それぞれの窪み18がすべて三角形でなくともよく、三角形と四角形とが混在したものでもよい。さらには、窪み18の開口形状は、これら三角形、四角形に限定するものではなく、上記応力緩和の効果を発揮できる範囲で、種々の形状が可能であり、たとえば円形等でもよい。さらには、隣り合う窪み18同士がつながったものであってもよい。
また、上記各実施形態では、窪み18は、センサチップ10の裏面12の厚肉部15に位置する四隅部のすべてに設けられていたが、窪み18としては、この四隅部のうち少なくとも対角の位置にある2個の隅部に設けられていればよい。
つまり、窪み18は、四隅部のうち1つの対角方向において、対角位置にある2個の隅部のみに設けられていてもよい。この場合でも、この窪み18が存在する1つの対角方向において応力緩和がなされる。さらには、四隅部のうちの任意の3個の隅部のみに、窪み18が設けられていてもよい。
また、上記各実施形態では、四隅部のすべてに窪み18が位置する場合、これら4個の窪み18は、センサチップ10の平面中心10aについて点対称の配置とされていた。しかし、上記した窪み18による応力緩和の効果を発揮できるものであるならば、点対称配置から多少ずれた配置であってもよい。
また、上記第1実施形態では、四隅部のすべてに位置する窪み18は、開口形状が同一で、開口サイズが同一のものであった。しかし、上記した窪み18による応力緩和の効果を発揮できるものであるならば、上記図5の三角形の窪み18を参照して述べたように、各隅部における窪み18の形状およびサイズが異なるものであってもよい。また、このことは、窪み18が四隅部のすべてに位置する場合以外にも、上記したような四隅部のうちの2個または3個の隅部のみに位置する場合でも、適用される。
また、上記第1実施形態では、配線基板20に孔21を設けることにより、裏面受圧型の圧力センサS1を実現したが、配線基板20に孔21が無いものであってもよい。この場合、たとえばセンサチップ10の表面11から測定圧力をダイアフラム14が受圧するもの、いわゆる表面受圧型として適用されることとなる。
また、上記第1実施形態および上記第2実施形態の他の例において、センサチップ10の裏面12側の凹部13に、図示しないゲル部材を充填した構成としてもよい。この場合、当該ゲル部材によって、センサチップ10特にダイアフラム14の裏面部分が封止され保護される。
このゲル部材としては、たとえばシリコーン系ゲル、フッ素系ゲル、フロロシリコーン系ゲルなどのゲル材料を用いることができ、このようなゲル材料を凹部13に注入し硬化させることで、ゲル部材の充填がなされる。
また、センサチップ10の裏面12側が接合される接合部材としては、上記した配線基板20や複合部材60に限定されるものではなく、たとえばリードフレームや樹脂部材等、種々の部材が可能である。
また、圧力センサとしては、上述した排気圧力を検出するセンサに、その用途を限定されるものではなく、上記各実施形態の圧力センサは、たとえば、大気圧、エンジンの吸気圧をはじめとして、各種機器や容器の圧力など、いろいろな用途に用いることができることはもちろんである。
また、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。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能であり、また、上記各実施形態は、上記の図示例に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。
10 センサチップ
11 センサチップの表面
12 センサチップの裏面
13 センサチップの凹部
14 ダイアフラム
15 センサチップの厚肉部
16 ピエゾ抵抗
18 窪み
20 接合部材としての配線基板
60 接合部材としての複合部材
R1 接合領域

Claims (8)

  1. 矩形板状をなす半導体よりなるチップであって、裏面(12)の中央側に凹部(13)が形成され前記凹部に対応した表面(11)側の薄肉部がダイアフラム(14)として構成され、且つ前記凹部の周囲が厚肉部(15)とされているとともに、前記表面にピエゾ抵抗(16)を有するセンサチップ(10)と、
    前記センサチップの裏面の前記厚肉部に接合される接合部材(20、60)と、を備え、
    前記ダイアフラムに圧力が導入され、前記センサチップからはピエゾ抵抗効果によって印加された圧力に応じた信号が出力されるようになっている圧力センサであって、
    前記センサチップの裏面の前記厚肉部に位置する四隅部のうち少なくとも対角の位置にある2個の隅部には、前記凹部よりも開口面積の小さい窪み(18)が設けられており、
    前記窪みは、前記センサチップの裏面における前記接合部材との接合領域(R1)もしくは当該接合領域の内側に位置しており、
    前記窪みによって、前記接合部材から前記センサチップへ伝わる応力が緩和されるようになっていることを特徴とする圧力センサ。
  2. 前記窪みは、前記センサチップの裏面の四隅部のすべてに設けら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. 前記四隅部のすべて位置する前記窪みは、前記センサチップの平面中心(10a)について点対称の配置とされていることを特徴とする請求項2に記載の圧力センサ。
  4. 前記四隅部のすべてに位置する前記窪みは、開口形状が同一で、開口サイズが同一であることを特徴とする請求項2または3に記載の圧力センサ。
  5. 前記窪みの開口形状は、四角形もしくは三角形であ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。
  6. 前記接合部材は、配線基板(20)であり、
    前記センサチップの裏面の前記厚肉部は、前記配線基板に対して接着剤(30)を介して接合されており、
    前記センサチップの裏面における前記接合部材との接合領域は、前記接着剤の配置領域であることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1つに記載の圧力センサ。
  7. 前記配線基板には、前記センサチップの裏面側から前記ダイアフラムに圧力を導入するための孔(21)が設けられていることを特徴とする請求項6に記載の圧力センサ。
  8. 前記接合部材は、ガラスもしくはシリコンよりなる台座(50)と、前記台座に接着剤(31)を介して固定された樹脂ケース(40)とよりなる複合部材(60)であり、
    前記センサチップの裏面の前記厚肉部全体が、前記台座に対して直接接合により接合されて、前記センサチップの裏面の前記厚肉部全体が前記接合部材との接合領域とされていることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1つに記載の圧力センサ。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2021051004A (ja) * 2019-09-25 2021-04-01 愛知時計電機株式会社 圧力センサ

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