JP2018040726A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】センサ構成の大型化を可及的に回避しつつ、圧力センサの高機能化を図る。
【解決手段】圧力センサ１は、ダイアフラム２０とセンサ体３とを備える。ダイアフラム２０は、一対の主面のうちの一方であって圧力測定対象の流体を導入可能な空間である測定空間Ｃに面するように設けられた受圧面２１と、一対の主面のうちの他方であって受圧面２１と平行に設けられた接合面２２とを有し、流体の圧力により厚さ方向に撓み変形するように形成されている。センサ体３は、ダイアフラム２０の撓み変形に応じた電気出力を発生するように、ダイアフラム２０における接合面２２に支持されている。センサ体３は、電気出力を発生する素子部３０を半導体基板に設けることによって形成されたセンサチップ３１と、センサチップ３１に直接接合された剛体板３２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力センサに関する。

流体（例えば気体又は液体）の圧力を検出する圧力センサは、当該流体を用いたシステム（例えば車両のブレーキシステム等）の動作を制御するために、当該システムに搭載される。この種の圧力センサにおいて、信頼性向上等の、さらなる高機能化が求められている。例えば、特許文献１は、センサ構成を多重化した例を開示する。

特開２００９−１６８６１６号公報

この種の圧力センサにおいて、多重化等の高機能化を図るに際し、センサ構成の大型化を可及的に回避する必要がある。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、ダイアフラム（２０）とセンサ体（３）とを備えている。前記ダイアフラムは、厚さ方向と直交する一対の主面のうちの一方であって圧力測定対象の流体を導入可能な空間である測定空間（Ｃ）に面するように設けられた受圧面（２１）と、前記一対の前記主面のうちの他方であって前記受圧面と平行に設けられた接合面（２２）とを有し、前記流体の圧力により前記厚さ方向に撓み変形するように形成されている。前記センサ体は、前記ダイアフラムの撓み変形に応じた電気出力を発生するように、前記ダイアフラムにおける前記接合面に支持されている。前記センサ体は、前記電気出力を発生する素子部（３０）を設けた半導体基板であるセンサチップ（３１）と、前記センサチップに直接接合された剛体板（３２〜３４）とを備えている。

上記構成において、前記受圧面にて前記流体の圧力を受けた前記ダイアフラムは、前記厚さ方向に撓み変形する。すると、前記受圧面とは反対側の前記接合面に固定された前記センサ体に、応力が印加される。この応力により、前記センサチップにおける前記素子部にて、前記電気出力が発生する。

前記ダイアフラムにおける前記接合面に支持された前記センサ体は、前記剛体板と前記センサチップとを直接接合することによって形成されている。例えば、前記素子部を設けた半導体基板である追加センサチップ（３２，３３）を有する前記剛体板を用いることで、前記圧力センサの構成の大型化を可及的に抑制しつつ、センサ構成の多重化が可能となる。あるいは、例えば、前記剛体板としてガラス板を用いることで、前記センサ体の感度を調整したり、前記ダイアフラムと前記センサ体との接合性を向上したりすることが可能となる。このように、上記構成によれば、センサ構成の大型化を可及的に回避しつつ、前記圧力センサの高機能化を図ることが可能となる。

なお、上記及び特許請求の範囲欄における各手段に付された括弧付きの参照符号は、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。

第１実施形態の圧力センサの概略構成を示す側断面図である。 第２実施形態の圧力センサの概略構成を示す側断面図である。 第３実施形態の圧力センサの概略構成を示す側断面図である。 第４実施形態の圧力センサの概略構成を示す側断面図である。 第５実施形態の圧力センサの概略構成を示す側断面図である。 第５実施形態の圧力センサの概略構成を示す側断面図である。 変形例の圧力センサの概略構成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、各実施形態間において、及び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を付す。

（第１実施形態）
図１を参照すると、第１実施形態に係る圧力センサ１は、車両に搭載される流体圧センサであって、測定空間Ｃを内部に有している。測定空間Ｃは、車両内の流体（即ち車両内を通流する流体又は車両内にて貯留された流体）を導入可能な空間である。即ち、圧力センサ１は、測定空間Ｃ内に導入された圧力測定対象の流体の圧力（例えば、過給圧、燃料圧、ブレーキ油圧、水素ガス圧力、等。）に応じた電気信号（例えば電圧）を出力するように構成されている。具体的には、圧力センサ１は、ステム２と、センサ体３と、ガラス接合層４とを備えている。

本実施形態においては、ステム２は、金属（例えばステンレス鋼）によって形成されている。ステム２は、円筒又は角筒の軸方向における一端を閉塞した形状を有している。測定空間Ｃは、一端閉塞筒状のステム２の内部に設けられた円柱状又は角柱状の空間であって、ステム２の軸方向における他端にて開口するように形成されている。

ステム２における上述の一端側には、ダイアフラム２０が設けられている。即ち、ダイアフラム２０は、ステム２における上述の一端側に設けられた薄肉部であって、略平板状に形成されている。ダイアフラム２０は、厚さ方向（即ち図中上下方向）と直交する一対の主面である、受圧面２１と接合面２２とを有している。受圧面２１は、測定空間Ｃに面するように設けられている。接合面２２は、センサ体３と対向する面であって、受圧面２１と平行に設けられている。ダイアフラム２０は、測定空間Ｃ内に導入された流体の圧力により、厚さ方向に撓み変形するように形成されている。

センサ体３は、ダイアフラム２０の撓み変形に応じた電気出力を発生するように、接合面２２にてダイアフラム２０に支持されている。具体的には、本実施形態においては、接合面２２とセンサ体３との間に介在するように、ガラス接合層４が設けられている。即ち、センサ体３は、ガラス接合層４を介して接合面２２に接合されている。ガラス接合層４は、ガラスペースト又はガラスフリットを熱処理（即ち焼結）することによって形成されている。

センサ体３は、複数の素子部３０を有している。素子部３０は、いわゆるゲージ抵抗であって、シリコン系の半導体基板に所定の不純物を添加することによって形成されている。即ち、素子部３０は、ダイアフラム２０の撓み変形に応じて抵抗値が変化することで、ダイアフラム２０の撓み変形に応じた電気出力を発生するように構成されている。

本実施形態においては、センサ体３は、センサチップ３１と、追加センサチップ３２とを備えている。センサチップ３１は、平板状の部材であって、素子部３０を半導体基板に設けることによって形成されている。本発明の剛性板に相当する追加センサチップ３２は、平板状の部材であって、素子部３０を半導体基板に設けることによって形成されている。追加センサチップ３２は、接着層を介さずに、周知のシリコンウエハ直接接合技術を用いてセンサチップ３１に直接接合されている。追加センサチップ３２は、センサチップ３１よりも接合面２２側に配置されている。

本実施形態においては、センサチップ３１と、追加センサチップ３２とは、互いに同じ材質で形成され、且つ同じ外形形状（即ち同じ厚さ及び平面形状）に形成されている。また、センサチップ３１と、追加センサチップ３２とは、素子部３０の配置（即ち平面視における位置）が互いに同一となるように形成されている。具体的には、センサチップ３１における素子部３０と、追加センサチップ３２における素子部３０とは、平面視にて互いに重なるように配置されている。

なお、センサチップ３１と追加センサチップ３２とが同じ平面形状であることは、必ずしも、センサチップ３１の平面形状と追加センサチップ３２の平面形状とが完全に一致することを意味しない。よって、例えば、追加センサチップ３２の表面に設けられたワイヤボンディング用ランドを、外部に露出するために、上層側のセンサチップ３１における当該ランドに対応する部分に切欠部が形成され得る。この場合、センサチップ３１と追加センサチップ３２とで、厳密には、切欠部の有無に対応する形状差が生じても、両者の平面形状は略同一と言い得る。

本実施形態の構成によれば、受圧面２１にて流体圧力を受けたダイアフラム２０は、厚さ方向に撓み変形する。すると、受圧面２１とは反対側の接合面２２にてダイアフラム２０に固定されたセンサ体３に、応力が印加される。この応力により、センサチップ３１における素子部３０にて、電気出力が発生する。同様に、この応力により、追加センサチップ３２における素子部３０にて、電気出力が発生する。

上述の通り、センサチップ３１と追加センサチップ３２とは、接着層を介さずに、互いに直接接合されている。故に、ダイアフラム２０の撓み変形に伴い、センサチップ３１と追加センサチップ３２との双方にて、良好に曲げ応力が印加される。したがって、センサチップ３１と追加センサチップ３２との双方の素子部３０にて、ダイアフラム２０の撓み変形に応じた電気出力が、良好に発生する。

本実施形態においては、センサチップ３１と追加センサチップ３２とは、互いに同じ材質で同じ外形形状に形成され、且つ互いに同じ素子部３０の配置を有している。このため、センサチップ３１と追加センサチップ３２とは、測定範囲（即ちダイナミックレンジ）及び感度が略同一である。即ち、本実施形態においては、圧力センサ１は、センサチップ３１と追加センサチップ３２とに二系統化（即ち二重化）されたセンサ構成を有している。したがって、本実施形態によれば、センサ構成の大型化を可及的に回避しつつ、高機能化（例えば冗長化による信頼性向上等）が可能となる。特に、センサチップ３１と追加センサチップ３２とを積層してなるセンサ体３全体の厚さを、従来のセンサチップと同等とすることで、高機能化に伴うセンサ構成の大型化が、最大限抑制され得る。

（第２実施形態）
以下、第２実施形態について、図２を参照しつつ説明する。以下の第２実施形態の説明においては、上記の第１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、以下の第２実施形態の説明において、第１実施形態と同一の符号を有する構成要素に関しては、特段の説明がない限り、あるいは技術的に矛盾しない限り、第１実施形態における説明が適宜援用され得る。第３以降の実施形態においても同様である。

図２を参照すると、本実施形態に係る圧力センサ１においては、センサチップ３１と追加センサチップ３２とは、互いに同じ材質で同じ外形形状に形成されている。但し、本実施形態においては、追加センサチップ３２における素子部３０の配置は、センサチップ３１における素子部３０の配置と異なる。これにより、センサチップ３１と追加センサチップ３２とで、センサ特性（即ち感度及び／又は測定範囲）を異ならせることが可能となる。

例えば、図２に示されているように、追加センサチップ３２における素子部３０は、センサチップ３１における素子部３０よりも、径方向（即ち図中左右方向）における外側に配置され得る。これにより、追加センサチップ３２は、センサチップ３１よりも高感度化され得る。一方、センサチップ３１においては、比較的高感度な追加センサチップ３２よりも、若干高圧側に測定範囲がシフトし得る。

（第３実施形態）
以下、第３実施形態について、図３を参照しつつ説明する。本実施形態に係る圧力センサ１においては、センサチップ３１と追加センサチップ３２とは、材質及び平面形状は同じである一方で、異なる厚さを有している。かかる構成によっても、良好な冗長化が可能となる。

（第４実施形態）
以下、第４実施形態について、図４を参照しつつ説明する。本実施形態においては、センサ体３は、センサチップ３１と、追加センサチップ３２と、追加センサチップ３３とを備えている。即ち、本実施形態においては、圧力センサ１は、三系統化（即ち三重化）されたセンサ構成を有している。センサチップ３１と、追加センサチップ３２と、追加センサチップ３３とは、同一の材質により形成されている。追加センサチップ３２は、センサチップ３１と追加センサチップ３３との間に介在するように設けられている。追加センサチップ３２と追加センサチップ３３とは、互いに直接接合されている。

センサチップ３１と、追加センサチップ３２と、追加センサチップ３３とで、厚さは同一であってもよいし、３つのうちの少なくともいずれか１つは異なる厚さを有していてもよい。また、センサチップ３１と、追加センサチップ３２と、追加センサチップ３３とで、素子部３０の配置は同じであってもよいし、３つのうちの少なくともいずれか１つは異なる配置を有していてもよい。

かかる構成によっても、更なる高機能化が可能となる。具体的には、例えば、センサチップ３１と、追加センサチップ３２と、追加センサチップ３３とは、厚さ、材質及び外形形状が同一となるように形成され得る。この場合、センサチップ３１と、追加センサチップ３２と、追加センサチップ３３との三系統による冗長化が良好に達成され得る。即ち、例えば、センサチップ３１と、追加センサチップ３２と、追加センサチップ３３とのうちのいずれか一つにて異常が発生しても、他の二つが正常に動作することで、圧力測定結果に基づく流体システムの制御が良好に行われ得る。

（第５実施形態）
以下、第５実施形態について、図５及び図６を参照しつつ説明する。本実施形態においては、センサ体３は、センサチップ３１と、剛性板としてのガラス板３４とを備えている。ガラス板３４は、センサチップ３１とガラス接合層４との間に介在するように設けられている。ガラス板３４は、陽極接合法等を用いて、センサチップ３１と直接接合されている。

本実施形態においては、図５及び図６に示されているように、センサ体３全体の厚さを同一にしつつ、センサチップ３１の厚さとガラス板３４の厚さとの比を適宜変更することで、センサ特性（即ち感度及び／又は測定範囲）を調整することが可能である。また、ガラス接合層４とガラス板３４とは、同種の材質であるために、熱膨張率が互いに近似し、且つ濡れ性も良好である。したがって、センサチップ３１とガラス接合層４との間にガラス板３４を設けることで、ダイアフラム２０に対するセンサ体３の接合性が向上する。

（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、ゲージ抵抗タイプ（即ち圧電タイプ）の圧力センサに限定されない。即ち、本発明は、ゲージ抵抗タイプとは異なるタイプの圧力センサに対しても好適に適用可能である。また、測定対象は、燃料圧、ブレーキ油圧、水素ガス圧力、等のような、高圧流体の圧力に限定されない。

本発明の適用対象は、車載センサに限定されない。即ち、本発明は、測定空間Ｃ内の流体特性（例えば温度）に応じた電気信号を出力するように構成された流体特性センサに対して、好適に適用され得る。

センサ体３における、追加センサチップ３２等の数は、１又は２に限定されない。即ち、センサ体３は、複数の追加センサチップ３２，３３…を備えていてもよい。

センサチップ３１と追加センサチップ３２とで、半導体基板の材質は同じであってもよいし、異なっていてもよい。但し、接合性の観点からすれば、センサチップ３１を構成する半導体基板と、追加センサチップ３２を構成する半導体基板とは、互いに同じ又は類似した材質であることが好ましい。材質が類似するとは、例えば、半導体基板のベースとなる材質（例えばＳｉ）が同一であって、添加物種及び／又は添加物量が異なることをいうものとする。

同様に、図４を参照すると、センサチップ３１と、追加センサチップ３２と、追加センサチップ３３とで、半導体基板の材質は同じであってもよいし、３つのうちの少なくともいずれか１つは異なる材質であってもよい。但し、接合性の観点からすれば、センサチップ３１を構成する半導体基板と、追加センサチップ３２を構成する半導体基板と、追加センサチップ３３を構成する半導体基板とは、互いに同じ又は類似した材質であることが好ましい。

ステム２即ちダイアフラム２０の材質によっては、ガラス接合層４は、省略され得る。

図７を参照すると、追加センサチップ３２の表面（即ち図中上側表面）に設けられた不図示のワイヤボンディング用ランドを外部（即ち上方）に露出するために、上層側のセンサチップ３１の平面形状は、下層側の追加センサチップ３２の平面形状よりも小さく形成されていてもよい。これにより、上層側のセンサチップ３１に対して上記のような切欠部の形成を行う必要がなくなる。この場合、センサチップ３１と追加センサチップ３２との平面形状（即ち大きさ）の差は、上記のランドを外部に露出させてワイヤボンディングを良好に行える程度に、最小限に設定され得る。図４に示されている三層構造における二層目と三層目との関係についても同様に、上層側の追加センサチップ３２の平面形状は、下層側の追加センサチップ３３の平面形状よりも小さく形成されていてもよい。

変形例も、上記の例示に限定されない。即ち、複数の変形例が、互いに組み合わされ得る。また、複数の実施形態が、互いに組み合わされ得る。更に、複数の実施形態の組み合わせに対して、上述の変形例の全部又は一部が、適宜組み合わされ得る。

１ 圧力センサ
２０ ダイアフラム
２１ 受圧面
２２ 接合面
３ センサ体
３０ 素子部
３１ センサチップ
３２ 追加センサチップ
３４ ガラス板
Ｃ 測定空間

Claims (7)

1. 圧力センサ（１）であって、
   厚さ方向と直交する一対の主面のうちの一方であって圧力測定対象の流体を導入可能な空間である測定空間（Ｃ）に面するように設けられた受圧面（２１）と、前記一対の前記主面のうちの他方であって前記受圧面と平行に設けられた接合面（２２）とを有し、前記流体の圧力により前記厚さ方向に撓み変形するように形成されたダイアフラム（２０）と、
   前記ダイアフラムの撓み変形に応じた電気出力を発生するように、前記ダイアフラムにおける前記接合面に支持されたセンサ体（３）と、
   を備え、
   前記センサ体は、
   前記電気出力を発生する素子部（３０）を設けた半導体基板であるセンサチップ（３１）と、
   前記センサチップに直接接合された剛体板（３２〜３４）と、
   を備えた圧力センサ。
2. 前記剛体板は、前記素子部を設けた半導体基板である追加センサチップ（３２，３３）を含む、請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記追加センサチップにおける前記素子部の配置は、前記センサチップにおける前記素子部の配置と同一である、請求項２に記載の圧力センサ。
4. 前記追加センサチップにおける前記素子部の配置は、前記センサチップにおける前記素子部の配置と異なる、請求項２に記載の圧力センサ。
5. 前記剛体板は、互いに直接接合された複数の前記追加センサチップを含む、請求項２〜４のいずれか１つに記載の圧力センサ。
6. 前記剛体板はガラス板（３４）を含む、請求項１に記載の圧力センサ。
7. 前記接合面と前記センサ体との間に介在するように設けられたガラス接合層（４）をさらに備え、
   前記センサ体は、前記ガラス接合層を介して前記接合面に接合された、請求項１〜６のいずれか１つに記載の圧力センサ。

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