JP2018031692A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】ダイアフラムを形成するための凹部の表面における付着物の付着を良好に抑制する。【解決手段】圧力センサ１は、受圧凹部２１３と保護膜２３０とを有している。受圧凹部２１３は、厚さ方向に沿った検出方向に向かって開口することで検出空間Ｓを構成する凹部であり、面内方向と平行な平面であって外縁部が面内方向についてダイアフラムの外側に設けられた底面２１４と、底面２１４の外縁部から検出方向に向かって突設された側壁面２１５とを有している。底面２１４と側壁面２１５とを被覆する保護膜２３０は、受圧凹部２１３における底面２１４と側壁面２１５との接続部である入隅部２１６に形成された隅肉部２３２を有している。隅肉部２３２は、面内方向についてダイアフラム２１８の外側に設けられている。【選択図】図３

Description

本発明は、圧力センサに関する。

薄肉部であるダイアフラムを検出部に有する圧力センサが知られている。この種の圧力センサにおいて、ダイアフラムを形成するための凹部の表面に、異物等の付着物が付着すると、圧力検出精度が低下し得る。このため、特許文献１に開示された圧力センサにおいては、凹部の表面に、保護膜が設けられている。保護膜は、例えば、合成樹脂膜によって構成されている。

特開２０１５−１９７３６７号公報

特許文献１に開示された圧力センサにおいて、凹部の表面に保護膜を設ける場合、凹部における入隅部とそれ以外の部分とでは、成膜状態が大きく異なり得る。具体的には、例えば、合成樹脂膜によって保護膜を形成する場合、入隅部に隅肉部が形成され得る。このような、凹部における入隅部とそれ以外の部分との成膜状態の相違は、受圧によるダイアフラムの撓み特性に影響を与え得る。本発明は、上記に例示した課題に鑑みてなされたものである。

請求項１に記載の圧力センサ（１）は、薄板状のダイアフラム（２１８）を備えている。前記ダイアフラムは、基板（２０）の厚さ方向における一部に設けられている。また、前記ダイアフラムは、基板（２０）の面内方向における一部に設けられている。前記面内方向は、前記厚さ方向と直交する方向である。前記ダイアフラムは、前記厚さ方向に沿って撓み変形可能に構成されている。即ち、前記圧力センサは、前記厚さ方向について前記ダイアフラムと隣接する検出空間（Ｓ）内の流体圧力が、前記ダイアフラムに作用することで、前記流体圧力に応じた電気出力を発生するように構成されている。

前記圧力センサは、受圧凹部（２１３）と保護膜（２３０）とを有している。前記受圧凹部は、前記厚さ方向に沿った検出方向に向かって開口することで前記検出空間を構成するように、前記基板に形成された凹部である。前記受圧凹部は、前記面内方向と平行な平面であって外縁部が前記面内方向について前記ダイアフラムの外側に設けられた底面（２１４）と、前記底面の前記外縁部から前記検出方向に向かって突設された側壁面（２１５）とを有している。前記保護膜は、前記底面と前記側壁面とを被覆するように設けられている。具体的には、前記保護膜は、前記受圧凹部における前記底面と前記側壁面との接続部である入隅部（２１６）に形成された隅肉部（２３２）を有している。前記隅肉部は、前記面内方向について、前記ダイアフラムの外側に設けられている。

上記構成において、前記受圧凹部における前記底面及び前記側壁面は、前記保護膜によって被覆される。これにより、前記底面及び前記側壁面への付着物の付着が抑制され得る。ところで、前記保護膜における前記隅肉部は、前記受圧凹部における前記入隅部に形成される。但し、上記構成においては、前記隅肉部は、前記面内方向について前記ダイアフラムの外側に設けられる。このため、前記隅肉部が前記ダイアフラムの撓み特性に与える影響が、可及的に抑制され得る。したがって、上記構成によれば、前記ダイアフラムを形成するための前記受圧凹部の表面（即ち前記底面及び前記側壁面）における付着物の付着を、良好に抑制することが可能になる。

なお、上記各手段、及び特許請求の範囲に記載した各手段における、括弧内の符号は、同手段と後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

実施形態に係る圧力センサの概略構成を示す側断面図である。 図１に示された検出部の平面図である。 図２のIII−III断面図である。 図３に示された検出部の構成の一変形例を示す側断面図である。 図３に示された検出部の構成の他の一変形例を示す側断面図である。 図３に示された検出部の構成のさらに他の一変形例を示す側断面図である。 図３に示された検出部の構成のさらに他の一変形例を示す側断面図である。

以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。なお、実施形態と後述の変形例とにおいて、互いに同一又は均等である部分には同一符号が付されているものとする。

（構成）
図１を参照すると、本実施形態の圧力センサ１は、エンジン油圧センサであって、図示しないエンジンにおける作動油循環経路に対して装着可能に構成されている。具体的には、圧力センサ１は、センサチップ２を備えている。センサチップ２の先端部２ａ側には、検出部２ｂが形成されている。検出部２ｂは、圧力センサ１が上述の作動油循環経路に装着された場合に、作動油内に浸漬されることで、作動油圧に応じた電気出力（例えば電圧）を発生するように構成されている。

センサチップ２の基端部２ｃと回路チップ３とは、ボンディングワイヤ４を介して電気的に接続されている。回路チップ３は、検出部２ｂにて発生した電気出力を処理するためのＩＣチップである。回路チップ３は、リードフレーム５に固定されているとともに、リードフレーム５と電気的に接続されている。センサチップ２の基端部２ｃと、回路チップ３と、ボンディングワイヤ４と、リードフレーム５における基端部５ａ以外の部分とは、モールド樹脂６によって被覆されている。即ち、リードフレーム５における基端部５ａは、モールド樹脂６の外部に露出するように設けられている。

センサチップ２は、シリコン等の半導体によって形成された板状の基板２０によって構成されている。図１においては、圧力センサ１は、基板２０の厚さ方向が図中上下方向となるように図示されている。以下、基板２０の厚さ方向を「基板厚方向」と称することがある。また、基板厚方向と平行な一方向（即ち図１における下方向）を「検出方向」と称し、図中矢印Ｄ１にて示す。検出方向と反対の方向を「受圧方向」と称し、図中矢印Ｄ２にて示す。また、基板厚方向と直交する任意の方向（即ち図１における左右方向）を「面内方向」と称し、図中矢印Ｄ３にて示す。さらに、検出方向を視線として対象物を見ることを「平面視」と称し、基板厚方向と平行な平面による断面視を「側断面視」と称する。

図１〜図３を参照しつつ、センサチップ２及びその主要部である検出部２ｂの構成の詳細について説明する。本実施形態においては、基板２０は、第一基板２１と第二基板２２とを基板厚方向に積層して接合することによって形成されている。即ち、第一基板２１は、その一対の主面のうちの一方である内側主面２１１にて、第二基板２２と接合されている。「一対の主面」とは、平面視にて略矩形状に形成された平板状の第一基板２１が有する三対の外表面のうち、面積が最大となる一対の面である。即ち、内側主面２１１は、第一基板２１の厚さ方向（即ち基板厚方向）を法線方向とする平面である。第一基板２１は、第二基板２２よりも検出方向側に配置されている。

第一基板２１における上述の一対の主面のうちの他方である外側主面２１２は、検出方向に向かって露出する面であって、内側主面２１１と平行に設けられている。第一基板２１における外側主面２１２側には、受圧凹部２１３が形成されている。受圧凹部２１３は、検出方向に向かって開口することで検出空間Ｓを構成するように設けられている。検出空間Ｓは、圧力センサ１が上述の作動油循環経路に装着された場合に、作動油を導入可能に形成されている。

受圧凹部２１３は、底面２１４と側壁面２１５とを有している。底面２１４は、面内方向と平行な平面であって、本実施形態においては平面視にて正八角形状に形成されている。側壁面２１５は、底面２１４の外縁部から検出方向に向かって突設されている。具体的には、本実施形態においては、側壁面２１５は、正八角形状の底面２１４と直交する八角柱面状に形成されている。受圧凹部２１３における入隅部２１６は、平面状の底面２１４と平面状の側壁面２１５とが互いに向き合いつつ垂直に接続する部分であって、側断面視にて直角をなす角部として形成されている。

第一基板２１における、受圧凹部２１３よりも受圧方向側には、薄肉部２１７が形成されている。薄肉部２１７は、第一基板２１の厚さ方向における一部に設けられた、薄肉状の部分である。具体的には、薄肉部２１７は、第一基板２１に対して、外側主面２１２側から、受圧凹部２１３に対応する非貫通穴を形成することによって設けられている。薄肉部２１７の外縁部は、受圧凹部２１３における入隅部２１６によって形成されている。

ダイアフラム２１８は、基板２０の、基板厚方向及び面内方向における一部に設けられている。具体的には、ダイアフラム２１８は、薄肉部２１７における、外縁部よりも若干内側の部分によって形成されている。即ち、薄肉部２１７の外縁部を構成する、受圧凹部２１３における入隅部２１６は、面内方向について、ダイアフラム２１８の外縁２１８ａよりも外側に設けられている。薄板状のダイアフラム２１８は、その厚さ方向（即ち基板厚方向）に沿って撓み変形可能に構成されている。

ダイアフラム２１８には、複数のゲージ部２１９が設けられている。ゲージ部２１９は、第一基板２１に対して内側主面２１１側からイオン注入することによって形成された拡散抵抗部であって、ダイアフラム２１８の撓み変形状態に応じて抵抗値が変化するように構成されている。本実施形態においては、ゲージ部２１９は、ダイアフラム２１８における、外縁２１８ａの近傍に配置されている。また、本実施形態においては、４個のゲージ部２１９が設けられていて、これらはホイートストンブリッジを構成するように互いに電気的に接続されている。このように、圧力センサ１は、基板厚方向についてダイアフラム２１８と隣接する検出空間Ｓ内の作動油圧がダイアフラム２１８に作用することで、作動油圧に応じた電気出力を発生するように構成されている。

第二基板２２は、その一対の主面のうちの一方である内側主面２２１にて、第一基板２１と接合されている。第二基板２２における上述の一対の主面のうちの他方である外側主面２２２は、内側主面２２１と平行に設けられている。

第二基板２２は、内側主面２２１側にて、背面凹部２２３を有している。背面凹部２２３は、検出方向に向かって開口するように第二基板２２に形成された凹部であって、内側主面２２１から外側主面２２２に向かって非貫通穴を形成することによって設けられている。背面凹部２２３の頂面２２４は、平面視にて、第一基板２１における受圧凹部２１３の底面２１４よりも小さな正八角形状に形成されている。即ち、背面凹部２２３の頂面２２４は、平面視にて、第一基板２１における受圧凹部２１３の底面２１４と同心状に設けられている。

背面凹部２２３の側壁面２２５は、頂面２２４の外縁部から検出方向に向かって突設されている。具体的には、本実施形態においては、側壁面２２５は、正八角形状の頂面２２４と直交する八角柱面状に形成されている。背面凹部２２３の側壁面２２５は、平面視にて、受圧凹部２１３の側壁面２１５よりも面内方向における内側に設けられている。

第一基板２１と第二基板２２とが接合されることで、背面凹部２２３は、第一基板２１に設けられた薄肉部２１７によって閉塞されている。即ち、ダイアフラム２１８よりも受圧方向側には、背面凹部２２３によって形成された空洞部２２６が配置されている。空洞部２２６は、ダイアフラム２１８を挟んで検出空間Ｓと対向するように設けられている。

上記の通り、センサチップ２における基板２０は、受圧凹部２１３とダイアフラム２１８とを有する第一基板２１と、空洞部２２６を構成する凹部であって検出方向に向かって開口する背面凹部２２３を有する第二基板２２とを、接合することによって形成されている。また、検出部２ｂは、複数のゲージ部２１９を有するダイアフラム２１８と、基板厚方向についてダイアフラム２１８の両側に設けられた受圧凹部２１３及び空洞部２２６と、を有している。

ダイアフラム２１８は、薄肉部２１７における、空洞部２２６に対応する部分によって構成されている。上記記載から明らかなように、空洞部２２６は、平面視にて、薄肉部２１７よりも小さく形成されている。即ち、受圧凹部２１３における底面２１４の外縁部を構成する入隅部２１６は、面内方向について、空洞部２２６及びこれに対応するダイアフラム２１８よりも外側に設けられている。より詳細には、図３に示されているように、受圧凹部２１３及び空洞部２２６は、ＷＤ＜ＷＣとなるように形成されている。ＷＣは、側断面視における、受圧凹部２１３の面内方向についての幅寸法である。ＷＤは、側断面視における、空洞部２２６の面内方向についての幅寸法である。

さらに、検出部２ｂは、保護膜２３０を有している。保護膜２３０は、受圧凹部２１３の底面２１４に対する付着物の付着を抑制するための、コーティング膜である。ここにいう「付着物」は、固形異物のみならず、油脂汚れ等の液状異物をも含む。本実施形態においては、保護膜２３０は、合成樹脂製の撥油膜（例えばフッ素系合成樹脂コーティング膜）によって形成されている。

以下、図３を参照しつつ、保護膜２３０の構成の詳細について説明する。保護膜２３０は、受圧凹部２１３における底面２１４と側壁面２１５とを被覆するように、底面２１４と側壁面２１５とに跨って設けられている。具体的には、保護膜２３０は、薄膜部２３１と隅肉部２３２とを有している。

薄膜部２３１は、均一な厚さに形成された薄膜状の部分であって、底面２１４の大部分（即ち少なくともダイアフラム２１８に相当する部分）を被覆するように設けられている。具体的には、薄膜部２３１は、平面視にて、空洞部２２６よりも広く（即ち面内方向についてダイアフラム２１８の外縁２１８ａよりも外側の位置まで）形成されている。隅肉部２３２は、平面視にて薄膜部２３１の外縁に接続された隅肉状の部分であって、入隅部２１６に対応する位置に形成されている。即ち、隅肉部２３２は、面内方向についてダイアフラム２１８の外側に設けられている。換言すれば、基板厚方向と平行な視線で見た場合に、隅肉部２３２は、ダイアフラム２１８と重ならない位置に形成されている。

以下、隅肉部２３２のダイアフラム２１８に対する位置関係について、図３を参照しつつ、より詳細に説明する。保護膜２３０の外表面（即ち検出方向に向けて露出する表面）である膜表面２３３は、平坦面２３４と凹面２３５とを有している。平坦面２３４は、薄膜部２３１に対応する部分に設けられている。凹面２３５は、隅肉部２３２に対応する部分に設けられている。

側断面視にて、受圧凹部２１３における底面２１４の延長線ＬＡと側壁面２１５の延長線ＬＢとの交点を、第一交点Ｐ１とする。底面２１４とのなす角度が４５度となるように、第一交点Ｐ１を起点として検出空間Ｓに向かって引いた直線を、第一直線Ｌ１とする。第一直線Ｌ１と凹面２３５との交点を、第二交点Ｐ２とする。第一直線Ｌ１と直交し且つ底面２１４とのなす角度が４５度となる、第二交点Ｐ２を通る直線を、第二直線Ｌ２とする。第二直線Ｌ２と底面２１４との交点を、第三交点Ｐ３とする。ダイアフラム２１８の面内方向における外縁２１８ａを通り、基板厚方向と平行な直線を、第三直線Ｌ３とする。第三直線Ｌ３と底面２１４との交点を、第四交点Ｐ４とする。この場合、検出部２ｂは、第一交点Ｐ１と第三交点Ｐ３との距離が第一交点Ｐ１と第四交点Ｐ４との距離よりも短くなるように構成されている。即ち、隅肉部２３２は、側断面視にて、側壁面２１５の延長線ＬＢと第三直線Ｌ３との間に設けられている。

（効果）
上記の通り、本実施形態の構成においては、受圧凹部２１３における底面２１４及び側壁面２１５は、保護膜２３０によって被覆される。これにより、底面２１４及び側壁面２１５への付着物の付着が抑制され得る。

ところで、保護膜２３０は、多くの場合、合成樹脂ペーストを受圧凹部２１３における底面２１４及び側壁面２１５に塗布し、塗布膜を乾燥することによって形成される。故に、保護膜２３０には、受圧凹部２１３における入隅部２１６に対応する位置にて、隅肉部２３２が形成される。但し、本実施形態の構成においては、隅肉部２３２は、面内方向についてダイアフラム２１８の外側に設けられる。このため、隅肉部２３２がダイアフラム２１８の撓み特性に与える影響が、可及的に抑制され得る。したがって、本実施形態の構成によれば、ダイアフラム２１８を形成するための受圧凹部２１３の表面（即ち底面２１４及び側壁面２１５）における付着物の付着を、良好に抑制することが可能になる。

（変形例）
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、上記実施形態に対しては適宜変更が可能である。以下、代表的な変形例について説明する。以下の変形例の説明においては、上記実施形態と異なる部分についてのみ説明する。したがって、以下の変形例の説明において、上記実施形態と同一の符号を有する構成要素に関しては、技術的に矛盾しない限り、上記実施形態における説明が適宜援用され得る。

本発明は、上記実施形態にて示された具体的な装置構成に限定されない。例えば、圧力センサ１は、エンジン油圧センサに限定されない。即ち、例えば、圧力センサ１は、ブレーキ油圧センサ、変速機油圧センサ、サスペンション油圧センサ、燃料圧センサ、等の車載油圧センサであってもよい。或いは、圧力センサ１は、吸気圧センサ、排気圧センサ、等の車載ガス圧センサであってもよい。また、圧力センサ１は、車載センサに限定されない。即ち、例えば、圧力センサ１は、プラント設備における油圧経路、水圧経路又はガス圧経路に装着される流体圧センサであってもよい。

上記のような、圧力センサ１の用途（即ち圧力検出対象である流体の種類）に応じて、保護膜２３０の材質及び性質は、適宜変更され得る。したがって、例えば、保護膜２３０は、撥水膜である場合がある。

第一基板２１と第二基板２２とは、同一材料によって形成されていてもよいし、それぞれ異なる材料によって形成されていてもよい。第二基板２２は、半導体以外の材料によって形成されていてもよい。

基板２０は、第一基板２１と第二基板２２とを基板厚方向に積層して接合した構成に限定されない。即ち、基板２０は、基板厚方向について継目無く一体に形成されていてもよい。

受圧凹部２１３及び空洞部２２６の平面形状も、上記実施形態のような正八角形状に限定されない。即ち、例えば受圧凹部２１３及び空洞部２２６の平面形状は、円形状でもよいし、正方形を含む矩形状でもよいし、五角形以上の多角形状であってもよい。

図４に示されているように、側壁面２１５は、検出方向に向かうにしたがって拡がるテーパ面状に形成されてもよい。或いは、図５に示されているように、側壁面２１５は、検出方向に向かうにしたがって収束する逆テーパ面状に形成されてもよい。

入隅部２１６の表面は、凹面状に形成されていてもよい。この場合、図６に示されているように、第一交点Ｐ１は、第一基板２１の内部に設定される。側壁面２１５がテーパ面状（図４参照）又は逆テーパ面状（図５参照）であっても同様である。

空洞部２２６の内部は、真空であってもよいし、気体又は液体が充填されていてもよい。

空洞部２２６は、基板２０の外部と連通していてもよい。例えば、背面凹部２２３は、第二基板２２をその厚さ方向に貫通する貫通孔によって形成されてもよい。或いは、例えば、図７に示されているように、第二基板２２には、空洞部２２６と連通する貫通孔２４０が形成されていてもよい。この貫通孔２４０は、基板厚方向における一端が外側主面２２２にて開口し、他端が空洞部２２６にて開口するように設けられている。

変形例も、上記の例示に限定されない。また、複数の変形例が、互いに組み合わされ得る。更に、上記実施形態の全部又は一部と、変形例の全部又は一部とが、互いに組み合わされ得る。

１ 圧力センサ
２０ 基板
２１３ 受圧凹部
２１４ 底面
２１５ 側壁面
２１６ 入隅部
２１８ ダイアフラム
２３０ 保護膜
２３２ 隅肉部
Ｓ 検出空間

Claims (6)

1. 基板（２０）の厚さ方向（Ｄ１，Ｄ２）及び前記厚さ方向と直交する面内方向（Ｄ３）における一部に設けられていて前記厚さ方向に沿って撓み変形可能な薄板状のダイアフラム（２１８）に、前記厚さ方向について前記ダイアフラムと隣接する検出空間（Ｓ）内の流体圧力が作用することで、前記流体圧力に応じた電気出力を発生するように構成された、圧力センサ（１）において、
   前記厚さ方向に沿った検出方向（Ｄ１）に向かって開口することで前記検出空間を構成するように前記基板に形成された凹部であって、前記面内方向と平行な平面であって外縁部が前記面内方向について前記ダイアフラムの外側に設けられた底面（２１４）と、前記底面の前記外縁部から前記検出方向に向かって突設された側壁面（２１５）とを有する受圧凹部（２１３）と、
   前記底面と前記側壁面とを被覆するように設けられた保護膜（２３０）と、
   を有し、
   前記保護膜は、前記受圧凹部における前記底面と前記側壁面との接続部である入隅部（２１６）に形成された隅肉部（２３２）を有し、
   前記隅肉部は、前記面内方向について前記ダイアフラムの外側に設けられた、
   圧力センサ。
2. 前記厚さ方向と平行な視線で見た場合に、前記隅肉部は、前記ダイアフラムと重ならない位置に設けられた、請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記厚さ方向と平行な平面による断面視にて、前記底面の延長線（ＬＡ）と前記側壁面の延長線（ＬＢ）との交点を第一交点（Ｐ１）とし、前記第一交点を起点とし前記底面とのなす角度が４５度となる第一直線（Ｌ１）を前記検出空間に向かって引いた場合の前記隅肉部における前記検出空間側の表面（２３５）と前記第一直線との交点を第二交点（Ｐ２）とし、前記第二交点を通り前記第一直線と直交する直線であって前記底面とのなす角度が４５度となる第二直線（Ｌ２）を引いた場合の前記第二直線と前記底面との交点を第三交点（Ｐ３）とし、前記ダイアフラムの前記面内方向における外縁（２１８ａ）を通り前記厚さ方向と平行な第三直線（Ｌ３）と前記底面との交点を第四交点（Ｐ４）とした場合に、前記第一交点と前記第三交点との距離は、前記第一交点と前記第四交点との距離よりも短くなるように構成された、請求項１又は２に記載の圧力センサ。
4. 前記ダイアフラムよりも前記検出方向とは反対方向である受圧方向（Ｄ２）側にて、前記基板に形成された空洞部（２２６）をさらに有し、
   前記底面の前記外縁部は、前記面内方向について前記空洞部の外側に設けられた、請求項１〜３のいずれか１つに記載の圧力センサ。
5. 前記基板は、前記受圧凹部と前記ダイアフラムとを有する第一基板（２１）と、前記空洞部を構成する凹部であって前記検出方向に向かって開口する背面凹部（２２３）を有する第二基板（２２）とを接合することによって形成された、請求項４に記載の圧力センサ。
6. 前記保護膜は合成樹脂膜である、請求項１〜５のいずれか１つに記載の圧力センサ。

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