JP2018025394A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本開示は、低コストで検出精度を向上させた圧力センサを提供することを目的とする。
【解決手段】この目的を達成するために本開示は、非検出流体を導入する第１の孔１２と空気を導入する第２の孔１６と底面を有したケース３と、ケース３内に設けられたセンサチップ４と、ケース３に挿入された複数の端子５と、を備え、端子５は、ケース３の内外に延在した第１の端子部２５と一端が第１の端子部２５と接続され他端がケース３の底面と平行なＸＹ平面方向とは異なる方向に延在した第２の端子部２６を有し、端子５はセンサチップ４を囲んでいる構成とした。
【選択図】図４

Description

本開示は、気体などの流体の圧力を検知する圧力センサに関する。

従来、シリコンの優れた弾性体としての性質を利用して、マイクロマシニング技術によりダイヤフラムと呼ばれる薄膜部をシリコン基板に形成して圧力変化を電気信号に変換するようにした圧力センサが提供されている。

従来の圧力センサは、ケースと、ケース内部に設けられたセンサチップを有し、リード端子がケースから突出して設けられている。（特許文献１、２）

特開平１１−３２６０８９号公報 特許第５８５３１７１号公報

しかしながら、従来の圧力センサは、リードフレームのプリヒート時にセンサチップが十分に温まらないため、ワイヤボンディング性が悪化してしまうため、プリヒート温度を高くしなければならなかった。

本開示は上記課題を解決し、ワイヤボンディング時のプリヒート温度を低減できる、又は、プリヒート時間を短縮できる圧力センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本開示は、非検出流体を導入する第１の孔と空気を導入する第２の孔と底面を有したケースと、前記ケース内に設けられたセンサチップと、ケースに挿入された複数の端子と、を備え、端子は、ケースの内外に延在した第１の端子部と一端が第１の端子部と接続され他端がケースの底面と平行なＸＹ平面方向とは異なる方向に延在した第２の端子部を有し、端子はセンサチップを囲んでいる構造としている。

上記構成により本開示は、プリヒート温度を低減することによりセンサチップに生じる熱歪の影響を低減する、又は、プリヒート時間を短縮することにより生産性を向上させることができる。

実施の形態１の圧力センサの側面図 同圧力センサの上面図 同圧力センサのＡＡ線断面図 同圧力センサの端子とセンサチップの関係を示す図 同圧力センサの製造方法を示す図 同圧力センサの製造方法を示す図 同圧力センサの製造方法を示す図 同圧力センサの製造方法を示す図 同圧力センサと従来の圧力センサのセンサチップの温度を比較する図

（実施の形態１）
以下に、実施の形態１の圧力センサについて図面を用いながら説明する。

図１は実施の形態１の圧力センサの側面図、図２は同圧力センサの上面図、図３は同圧力センサのＡＡ線断面図、図４は同圧力センサの端子とセンサチップの関係を示す図である。図４は端子を強調して示している。図２における平ＸＹ平面方向をＸ軸方向、Ｙ軸方向として説明する。また、図１における紙面上のＺ軸の上側を上方向、Ｚ軸の下側を下方向として説明する。

図１〜図４に示すように、圧力センサ１は第１の底面２を有したケース３と、ケース３内に設けられたセンサチップ４と、処理回路（図示せず）と、ケース３に挿入された８本の端子５とを有している。８本の端子５はケース３のＹ軸方向の第１の側面６からケース３の内部に４本挿入され、第１の側面６と対向した位置の第２の側面７からケース３の内部に４本挿入されている。

ケース３は、第１の上面８を有した本体部９と、第１の上面８に一端が接続されＺ軸方向に延在した管部１０と、カバー１１を有している。カバー１１は本体部９の下側に設けられる。ケース３は、本体部９と管部１０が樹脂で一体に形成されている。管部１０の他端は自由端になっている。管部１０には、管部１０の一端と他端の間を貫通した第１の孔１２が設けられている。管部１０の一端側には第１の孔１２の第１の開口部１３が設けられ、他端側には第２の開口部１４が設けられている。第１の孔１２から被検出流体をケース３内に導入する。第１の底面２が設けられた面方向（以下、ＸＹ平面方向）の第１の開口部１３の直径Ｒ１は、第２の開口部１４のＸＹ平面方向での直径Ｒ２よりも小さい。第２の開口部１４の直径Ｒ２が第１の開口部１３の直径Ｒ１よりも大きいことで、第１の孔１２を形成する際に第２の開口部１４側から第１の孔１２を設けやすくなり、成形性が向上する。また、第１の孔１２は管部１０内で上面視での位置がずれるように形成されており、第１の開口部１３と第２の開口部１４は上面視で中心が異なる位置に形成されている。これにより、第１の孔１２から被検出流体がケース３内に流入したときに、非検出流体内の異物がケース３内部に流入することを防止する。第１の孔１２の第２の開口部１４側にはテーパ面１５が設けられている。これにより、第１の孔１２の成形性が向上する。本体部９の上面には管部１０を挟んで、Ｘ軸方向に対称になるように１対の第２の孔１６が設けられており、また、Ｙ軸方向に対象になるように１対の第２の孔１６が設けられている。合計で４つの第２の孔１６が管部１０を囲むように設けられている。第２の孔１６からは空気がケース３内に導入される。４つの第２の孔１６が管部１０を挟んでＸ軸方向とＹ軸方向に対称になるように設けられていることで、ケース３に熱が対称に伝わるようになり、センサチップ４への熱歪の影響を低減している。第２の孔１６の数は４つに限定されるものではないが、実施の形態１の様に管部１０に対してＸ軸方向とＹ軸方向に対称になるように設けることでセンサチップ４への熱歪の影響を低減することができる。４つの第２の孔１６の夫々の周囲には第１の凹部１７が設けられている。第１の凹部１７が設けられていることによって管部１０にチューブ等を被せた場合でも空気をケース３内に導入することができる。本体部９の底面にはカバー１１が設けられている。本体部９は内部に第２の凹部１８が設けられた内周面１９を有し、上面視で管部１０が設けられた位置に第２の凹部１８は設けられている。

センサチップ４は、シリコン単結晶基板をエッチングなどにより薄肉化して形成したダイヤフラム上に拡散やイオン打ち込みで形成したゲージ抵抗のピエゾ抵抗効果を、電極を介して取り出すことで圧力を検出する。ピエゾ抵抗効果は、応力によって起こる分極現象であるピエゾ効果とは異なり抵抗に加わった応力によって抵抗率が変化する現象である。
この現象は印加された応力により結晶格子に歪が生じ、半導体中のキャリアの数や移動度が変化するために起こる。センサチップ４は第２の上面２０と第２の底面２１を有し、センサチップ４の第２の底面２１が管部１０側になるように設けられている。本体部９の内側の内周面１９の第１の孔１２の周囲には第２の凹部１８が設けられている。センサチップ４は第１の孔１２を覆うように第２の凹部１８に設けられている。センサチップ４は内周面１９よりもＺ軸方向の下方向に突出している。すなわち、センサチップ４の第２の上面２０から第１の底面２までの距離Ｒ３は内周面１９から第１の底面２までの距離Ｒ４よりも短くなっている。このようにすることで、センサチップ４を第２の凹部１８に実装する際の接着剤２２の量が一定でなくても常に距離Ｒ４よりも距離Ｒ３が常に短いようにすることができ、センサチップ４にワイヤボンディングするときに、ワイヤボンディングの精度を向上させることができる。また、センサチップ４を第２の凹部１８に設けることにより、接着剤２２が第２の凹部１８からはみ出て内周面１９に付着することを防止することができる。

センサチップ４は、ダイヤフラムの第１の面２３側の圧力と第２の面２４側の圧力との圧力差により変位する。従って、第１の面２３側が非検出流体の流体圧を受けるようにし、第２の面２４側が大気圧を受けるようにしている。これにより、大気圧に対する非検出流体の圧力を検出することができる。実施の形態１の圧力センサ１では、ケース３内空間に第１の孔１２を介してケース３内部に供給される被検出流体の圧力が、センサチップ４のダイヤフラムの第１の面２３にかかる。一方、第２の孔１６を介して大気圧がセンサチップ４のダイヤフラムの第２の面２４にかかる。

端子５は、第１の端子部２５と第２の端子部２６と第３の端子部２７を有している。第１の端子部２５は第１の底面２があるＸＹ平面方向と略平行に設けられている。第１の端子部２５はケース３の内外に延在している。ケース３内部の第１の端子部２５の端部に第２の端子部２６の一端が接続されている。第２の端子部２６はＸＹ平面方向とは異なる第１の底面２から離間する方向に延在している。第２の端子部２６の他端には第３の端子部２７が設けられている。第３の端子部２７とＸＹ平面方向とのなす角度は第２の端子部２６とＸＹ平面方向とのなす角度よりも小さい。第３の端子部２７の第２の端子部２６に接続されていない側の先端はセンサチップ４の方に延びており、第３の端子部２７の一部が上面視でセンサチップ４に重なるようにしても良い。このようにする事で、センサチップ４へ熱が伝わりやすくなる。第２の端子部２６の他端から第１の底面２までの距離Ｒ５は内周面１９から第１の底面２までの距離Ｒ４よりも長い。センサチップ４は４つの側面を有し、第２の端子部２６はセンサチップ４の各側面の外側に位置しており、第２の端子部２６がセンサチップ４を囲むように配置されている。これにより、これにより、ワイヤボンディング時にセンサチップ４へ熱が伝わりやすくなる。

次に、圧力センサ１の組み立て方法について説明する。図５ａ〜図５ｄは実施の形態１の圧力センサ１の製造方法を示す図である。

まず、端子板２８に対し、成形樹脂をアウトサート成形して設けたケース３を準備する。ここでは、８本の端子５を折り曲げ加工して第１の端子部２５、第２の端子部２６、第３の端子部２７を形成して設置し、８本の端子５の第１の端子部２５がケース３の内外に延在するようにケース３を射出成型により形成されている。このように形成されたケース３は、本体部９の内周面１９に第２の凹部１８が設けられている。第２の凹部１８は本体部のＺ軸方向の下側に設けられている。このように本体部９の第１の上面８から離れた位置にセンサチップ４を設けることで、ケース３の強度を向上させ、また、筒部１０にチューブ等を取り付けたときにセンサチップ４に歪が生じ難くなる。ケース３の筒部には上面視での第１の開口部１３の中心と第２の開口部１４の中心の位置が異なるように第１の孔１２が形成されている。本体部９に第２の孔１６が４つ形成されている。第２の端子部２
６は端子板２８の中心部分を囲むように設けられている。

次に、本体部９に設けられた第２の凹部１８に接着剤２２が塗布される。この接着剤２２の上にセンサチップ４が実装し、接着剤２２を硬化させる。これにより、センサチップ４を第２の凹部１８に実装することができる。このとき、センサチップ４と端子５は離間している。

次に、ワイヤボンディングにより、端子５の第１の端子部２５とセンサチップ４とを接続する。ワイヤボンディングにおいて、プリヒート時にセンサチップ４に熱が加わるが、第２の端子部２６がセンサチップ４を囲むように配置されていることにより、センサチップ４に熱が伝わりやすくなっている。図６にセンサチップ４が端子５に囲まれていない従来の圧力センサ１のプリヒート時のセンサチップ４の温度と、実施の形態１の圧力センサ１のセンサチップ４の温度とを示す。図６は、同じ温度でプリヒートした場合のセンサチップ４の温度を示している。図６は、センサチップ４のＸ軸方向の中心を０として、Ｘ軸方向の位置ごとのワイヤボンディング時のセンサチップ４の温度を示している。図の様に、端子５に第２の端子部２６を設けてセンサチップ４を端子５が囲むようにすることで、センサチップ４の実装面の温度が約１０度向上している。このように、従来と同じ温度でプリヒートした場合、センサチップ４に熱が伝わりやすくなるため、ワイヤボンディング時のプリヒート時間を短縮することができる。これにより生産性を向上させることができる。また、センサチップ４の四方を端子５が囲んでいるため、熱歪により発生する歪をセンサチップ４に対して点対称にすることができ、センサチップ４にかかる熱歪の影響を低減することができる。また、第２の端子部２６、第３の端子部２７はセンサチップ４に近づければ近づけた方がセンサチップ４に熱が伝達しやすくなるため、実施の形態１の効果をより効率良く得ることが出来る。また、第２の端子部２６は他端に近づくに連れて幅が狭くなり、第３の端子部２７も第２の端子部２６との接続部分から離れるほど幅が狭くなる。このようにすることで、端子５を折り曲げ加工して第２の端子部２６と第３の端子部２７を形成する際に、よりセンサチップ４に近い位置に第２の端子部２６と第３の端子部２７を形成することができる。なお、実施の形態１は従来と同じ温度でプリヒートを行い、プリヒートの時間を短縮しているが、従来よりも低い温度でプリヒートを行っても良い。低温でプリヒートをすることで、センサチップ４にかかる熱歪の影響を低減することができる。なお、実施の形態１では第３の端子部２７が設けられているが、第３の端子部２７がなくても第２の端子部２６がセンサチップ４を囲んでいるため実施の形態１の圧力センサ１の効果を得ることが出来る。

次に、本体部９にカバー１１を取り付ける。本体部９には段差部２９が設けられており、この段差部２９に接着剤（図示せず）を塗布し、接着剤２２の上にカバー１１を実装する。カバー１１を接着剤２２の上に実装した後、１２０度で加熱することにより、接着剤２２を硬化させる。

このようにして形成された圧力センサ１は、センサチップ４への熱歪の影響を低減することができているので、高精度に被検出流体の圧力を検出することができる。

本開示の圧力センサは、圧力センサの生産性を向上し、また、検出精度が向上しているため、様々な種類のガス等の流体を検出するセンサに有用である。

１ 圧力センサ
２ 第１の底面
３ ケース
４ センサチップ
５ 端子
６ 第１の側面
７ 第２の側面
８ 第１の上面
９ 本体部
１０ 管部
１１ カバー
１２ 第１の孔
１３ 第１の開口部
１４ 第２の開口部
１５ テーパ面
１６ 第２の孔
１７ 第１の凹部
１８ 第２の凹部
１９ 内周面
２０ 第２の上面
２１ 第２の底面
２２ 接着剤
２３ 第１の面
２４ 第２の面
２５ 第１の端子部
２６ 第２の端子部
２７ 第３の端子部
２８ 端子板
２９ 段差部

Claims (15)

1. 非検出流体を導入する第１の孔と空気を導入する第２の孔と底面を有したケースと、
   前記ケース内に設けられたセンサチップと、
   前記ケースに挿入された複数の端子と、を備え、
   前記端子は、前記ケースの内外に延在した第１の端子部と一端が前記第１の端子部と接続され他端が前記ケースの底面と平行なＸＹ平面方向とは異なる方向に延在した第２の端子部を有し、
   前記端子は前記センサチップを囲んでいる圧力センサ。
2. 前記第２の端子部は、前記センサチップに対して点対象に配置されている請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記センサチップは前記ケースと接続される底面を有し、
   前記第２の端子部の他端から前記ケースの底面までの距離は前記センサチップの底面から前記ケースの底面までの距離よりも長い請求項１または２に記載の圧力センサ。
4. 前記センサチップは４つの側面を有し、
   前記第２の端子部は４つの前記側面の外側に少なくとも一つずつ配置されている請求項１〜３に記載の圧力センサ。
5. 前記第２の端子部の他端には第３の端子部が接続され、
   前記第３の端子部と前記ＸＹ平面方向とのなす角度は前記第２の端子部と前記ＸＹ平面方向とのなす角度よりも小さい請求項１〜４に記載の圧力センサ。
6. 前記第３の端子部は上面視で少なくとも一部が前記センサチップと重なっている請求項５に記載の圧力センサ。
7. 前記センサチップは前記第１の端子部よりも前記ケースの底面側に突出している請求項１〜６に記載の圧力センサ。
8. 前記端子は前記センサチップと離間している請求項１〜７に記載の圧力センサ。
9. 前記ケースは上面を有した本体部と前記本体部の上面から延出した管部を有しており、
   前記第１の孔は前記管部に設けられている請求項１〜８に記載の圧力センサ。
10. 前記本体部の内部には前記センサチップを配置する凹部が設けられた内周面を有し、
    前記センサチップは前記内周面によりも前記ケースの底面側に突出している請求項９に記載の圧力センサ。
11. 前記第１の孔の中心は、上面視で前記センサチップの中心と異なっている請求項９または１０に記載の圧力センサ。
12. 前記第２の孔は前記管部を囲むように前記本体部の上面に複数設けられている請求項９〜１１に記載の圧力センサ。
13. 前記管部は一端で前記本体部と接続されており、
    前記管部の一端には前記第１の孔の第１の開口部を有し、
    前記管部の他端には前記第１の孔の第２の開口部を有し、
    前記第１の開口部の中心と前記第２の開口部の中心は上面視で異なる位置にある請求項９
    〜１２に記載の圧力センサ。
14. 前記第１の孔は前記第２の開口部側にテーパ面が設けられている請求項１３に記載の圧力センサ。
15. 前記第１の開口部の前記ＸＹ平面方向の断面積は前記第２の開口部の前記ＸＹ平面方向の断面積よりも小さい請求項１３または１４に記載の圧力センサ。