JP2018096756A - 温度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】温度検出機能の自己診断が可能な温度センサを提供する。【解決手段】測定媒体の中に置かれる基板１０と、基板１０の一部を内側に含む樹脂封止体８０と、基板１０のうち樹脂封止体８０の外側の部分に配置され、測定媒体の温度に応じた信号を出力する第１温度検出部１６と、樹脂封止体８０の内側に配置され、樹脂封止体８０の温度に応じた信号を出力する第２温度検出部６０と、を備え、第１温度検出部１６および第２温度検出部６０が出力する信号に基づいて、第１温度検出部１６の異常を検出する。【選択図】図１

Description

本発明は、温度センサに関するものである。

従来、測定媒体の中に温度検出部を配置し、温度検出部の出力信号に基づいて測定媒体の温度を検出する温度センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第５９４３７７３号公報

測定媒体の中に複数の温度センサを設置し、各温度センサの出力を比較することによって、温度検出機能の異常の有無を調べることができる。しかしながら、複数の温度センサを設置する場合には、温度センサを１つのみ設置する場合よりも広い場所が必要となる。したがって、温度検出機能の異常の有無を１つの温度センサにおいて検出する自己診断が可能であることが望ましい。

本発明は上記点に鑑みて、温度検出機能の自己診断が可能な温度センサを提供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、測定媒体の中に置かれる基板（１０）と、基板の一部を内側に含む樹脂封止体（８０）と、基板のうち樹脂封止体の外側の部分に配置され、測定媒体の温度に応じた信号を出力する第１温度検出部（１６）と、樹脂封止体の内側に配置され、樹脂封止体の温度に応じた信号を出力する第２温度検出部（６０）と、を備え、第１温度検出部および第２温度検出部が出力する信号に基づいて、第１温度検出部の異常を検出する。

樹脂封止体の内部の温度は基板の温度とほぼ等しい。したがって、第１温度検出部の出力信号と第２温度検出部の出力信号を比較することにより、第１温度検出部の異常の有無を判定し、温度検出機能の自己診断をすることが可能となる。

なお、上記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の一例を示すものである。

第１実施形態における温度センサの断面図である。 温度センサの回路図である。 測定媒体の温度と温度検出部の出力電圧との関係を示すグラフである。 第２実施形態における温度センサの断面図である。

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、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
第１実施形態について説明する。本実施形態の温度センサは、温度検出機能および圧力検出機能を備えるＷＬＰ（ウェハレベルパッケージ）である。図１に示すように、本実施形態の温度センサは、センサ基板１０と、キャップ基板２０と、接合部材３０と、支持部材４０と、回路基板５０と、ゲージ抵抗６０と、ワイヤ７０と、樹脂封止体８０とを備える。

センサ基板１０は、支持層１１、犠牲層１２、活性層１３が順に積層された構成のＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板で構成されている。活性層１３のうちの犠牲層１２と反対側の面をセンサ基板１０の一面１０ａとし、支持層１１のうちの犠牲層１２と反対側の面をセンサ基板１０の他面１０ｂとする。

センサ基板１０の一部は、モールド樹脂によって封止され、樹脂封止体８０の内側に含まれている。具体的には、センサ基板１０は、矩形板状とされており、長手方向の一端が樹脂封止体８０の内側に位置し、他端が樹脂封止体８０の外側に位置している。センサ基板１０は、第１基板に相当する。

センサ基板１０のうち樹脂封止体８０の外側に位置する部分においては、他面１０ｂから凹部１４が形成されており、これにより、ダイヤフラム１５が形成されている。

凹部１４は、センサ基板１０の他面１０ｂから犠牲層１２に達するように形成されている。つまり、凹部１４は支持層１１に形成されている。そして、凹部１４の底面とセンサ基板１０の一面１０ａとの間に位置する犠牲層１２および活性層１３にてダイヤフラム１５が構成されている。

ダイヤフラム１５には、ダイヤフラム１５の変形に応じて抵抗値が変化するゲージ抵抗１６が形成されている。具体的には、活性層１３の表層部には、Ｐ型の不純物を拡散させた拡散層１７が形成されており、ゲージ抵抗１６は、拡散層１７の一部によって構成されている。

また、ゲージ抵抗１６は、温度によっても抵抗値が変化し、測定媒体の温度に応じた信号を出力する。ゲージ抵抗１６は、第１温度検出部に相当する。

本実施形態では、ゲージ抵抗１６は、４つ形成されており、ブリッジ回路を構成するように図示しない接続配線層によって適宜接続されている。これにより、このブリッジ回路から、ダイヤフラム１５の変形、および、測定媒体の温度に応じたセンサ信号が出力される。なお、図１では、ゲージ抵抗１６を２つのみ図示している。

また、活性層１３には、ゲージ抵抗１６と電気的に接続される引き出し配線層１８が形成されている。引き出し配線層１８は、ゲージ抵抗１６と接続される部分から、活性層１３のうち樹脂封止体８０の内側に位置する部分まで引き出されている。

本実施形態では、引き出し配線層１８は、４本形成されており、それぞれ、後述する定電流源回路５５と接続される１つの配線層、グランド電位と接続される１つの配線層、ブリッジ回路の中点電圧を出力する２つの配線層とされている。なお、図１では、引き出し配線層１８を１つのみ図示している。

そして、各引き出し配線層１８のうちのゲージ抵抗１６と接続される部分と反対側の端部は、後述する配線層２８と電気的に接続されている。また、活性層１３には、活性層１３を所定電位に維持するために配線層２８と接続される接続部１９が形成されている。ブリッジ回路を構成する図示しない接続配線層、引き出し配線層１８、接続部１９は、ゲージ抵抗１６と同様に、拡散層１７の一部で構成されている。

図１に示すように、センサ基板１０の一面１０ａには、キャップ基板２０が積層されている。キャップ基板２０は、シリコン等の基板２１と、基板２１のうちのセンサ基板１０と対向する一面側に形成された絶縁膜２２と、基板２１のうちの絶縁膜２２側の一面と反対側の他面に形成された絶縁膜２３とを有している。

キャップ基板２０は、絶縁膜２２がセンサ基板１０における活性層１３と接合されている。キャップ基板２０とセンサ基板１０とは、絶縁膜２２および活性層１３のうちの接合面を活性化させて接合するいわゆる直接接合等で接合されている。絶縁膜２２のうちの基板２１と反対側の一面をキャップ基板２０の一面２０ａとし、絶縁膜２３のうちの基板２１と反対側の一面をキャップ基板２０の他面２０ｂとする。

キャップ基板２０の一面２０ａ側には、ダイヤフラム１５と対向する部分に凹部２４が形成されている。そして、センサ基板１０とキャップ基板２０との間に、凹部２４によって基準圧力室２５が構成され、ダイヤフラム１５のうちの一面１０ａ側に基準圧力室２５から基準圧力が印加される。なお、本実施形態では、基準圧力室２５は、真空圧とされている。

キャップ基板２０は、センサ基板１０と共に一部がモールド樹脂によって封止され、樹脂封止体８０の内側に位置している。具体的には、キャップ基板２０は、センサ基板１０に対応した矩形板状とされており、長手方向の一端が樹脂封止体８０の内側に位置し、他端が樹脂封止体８０の外側に位置している。

キャップ基板２０のうち樹脂封止体８０の内側に位置する部分には、キャップ基板２０をセンサ基板１０とキャップ基板２０との積層方向に貫通する貫通孔２６が形成されている。具体的には、キャップ基板２０には、引き出し配線層１８、接続部１９を露出させる複数の貫通孔２６が形成されている。なお、図１中では、引き出し配線層１８を露出させる貫通孔２６を１つのみ図示している。

各貫通孔２６の壁面には、ＴＥＯＳ（Tetra ethyl ortho silicate）等で構成される絶縁膜２７が配置されている。また、絶縁膜２７上には、引き出し配線層１８または接続部１９と電気的に接続されるように配線層２８が形成されている。配線層２８はキャップ基板２０の他面２０ｂまで延設されており、他面２０ｂおよび配線層２８を覆うように、ＴＥＯＳ等で構成される保護膜２９が形成されている。

保護膜２９には、配線層２８の一部を露出させるコンタクトホール２９ａが形成されている。配線層２８のうちのコンタクトホール２９ａから露出する部分は、外部回路との電気的な接続を図るためパッド部として機能する。

図１に示すように、センサ基板１０のうち樹脂封止体８０の内側に位置する端部は、他面１０ｂにおいて、接合部材３０を介して支持部材４０に固定されている。支持部材４０は、銅や４２アロイ等で構成されるリードフレームの一部である。接合部材３０、支持部材４０は、樹脂封止体８０によって封止されている。

支持部材４０は矩形板状とされており、センサ基板１０は、支持部材４０の長手方向の一方の端部に固定されている。そして、支持部材４０の他方の端部には、接合部材３０を介して回路基板５０が固定されている。

回路基板５０は、一面５０ａおよび他面５０ｂを有する矩形板状のシリコン基板で構成されており、回路基板５０のうち長手方向の一方の端部が、他面５０ｂにおいて支持部材４０に固定されている。また、回路基板５０は、樹脂封止体８０の内側に配置されている。回路基板５０は、第２基板に相当する。

本実施形態では、回路基板５０に、ゲージ抵抗６０が配置されている。具体的には、一面５０ａにＰ型の不純物の拡散層５１が形成されており、ゲージ抵抗６０は、拡散層５１の一部で構成されている。ゲージ抵抗６０は、温度によって抵抗値が変化し、樹脂封止体８０の温度に応じた信号を出力する。ゲージ抵抗６０は、第２温度検出部に相当する。

拡散層５１は、ゲージ抵抗６０の他に、ゲージ抵抗６０を外部の回路に接続するための図示しない配線層、および、センサ基板１０の拡散層１７に接続される接続部５２を構成している。

回路基板５０の一面５０ａには配線層５３が形成されており、接続部５２は、配線層５３に接続されている。また、回路基板５０には、回路基板５０の一面５０ａ、および、配線層５３を覆うように、ＴＥＯＳ等で構成される保護膜５４が形成されている。

保護膜５４には、配線層５３の一部を露出させるコンタクトホール５４ａが形成されており、配線層５３は、コンタクトホール５４ａから露出した部分において、ワイヤ７０に接続されている。ワイヤ７０は、配線層５３とは反対側の端部において、キャップ基板２０の配線層２８のうち、コンタクトホール２９ａから露出した部分に接続されている。接続部５２は、配線層５３およびワイヤ７０を介して、配線層２８に接続されている。

樹脂封止体８０は、センサ基板１０の一部と、キャップ基板２０の一部と、接合部材３０と、支持部材４０と、回路基板５０と、ワイヤ７０とを封止している。また、回路基板５０の拡散層５１は図示しないリードに接続されており、このリードのうち拡散層５１と接続された一方の端部は樹脂封止体８０の内側に位置し、他方の端部は樹脂封止体８０の外側に延設されている。

センサ基板１０および樹脂封止体８０は測定媒体の中に置かれ、測定媒体の温度とほぼ等しくなる。また、樹脂封止体８０を介して熱が伝わることにより、回路基板５０の温度は、センサ基板１０の温度とほぼ等しくなる。

拡散層５１が接続されたリードは、樹脂封止体８０の外側において図示しない電源および図示しないＥＣＵ（Electronic Control Unit）等の制御部に接続されている。温度センサは、ゲージ抵抗１６の異常を検出するための回路を備えており、測定媒体の温度および圧力を示す信号と、ゲージ抵抗１６の異常の有無に関する信号とが、温度センサから図示しない制御部へ出力される。

ゲージ抵抗１６の異常を検出するための回路について説明する。前述したように、センサ基板１０では、４つのゲージ抵抗１６と図示しない接続配線層とによってブリッジ回路が構成されている。そして、回路基板５０には、ゲージ抵抗１６およびゲージ抵抗６０の出力信号に基づいてゲージ抵抗１６の異常を検出するための回路が形成されている。

具体的には、図２に示すように、回路基板５０には、ゲージ抵抗６０の他に、定電流源回路５５、定電流源回路５６、抵抗５７、増幅器５８、異常検出回路５９が形成されており、これらは拡散層５１で構成される配線によって接続されている。

定電流源回路５５は、４つのゲージ抵抗１６で構成されるブリッジ回路に定電流を供給するものであり、定電流源回路５５の一端は図示しない電源に接続され、他端は、ワイヤ７０、引き出し配線層１８等を介して、このブリッジ回路に接続されている。また、ブリッジ回路は、引き出し配線層１８を介して、グランド電位、および、図示しない制御部に接続されている。

定電流源回路５６は、ゲージ抵抗６０および抵抗５７に定電流を供給するものであり、図示しない電源には、定電流源回路５６、ゲージ抵抗６０、抵抗５７が直列に接続されている。

増幅器５８は、２つの入力端子と、１つの出力端子とを備えている。増幅器５８が備える２つの入力端子の一方は、定電流源回路５６とゲージ抵抗６０との接続点に接続されており、他方は、ゲージ抵抗６０と抵抗５７との接続点に接続されている。

そして、増幅器５８は、ゲージ抵抗６０の両端の電位差に応じた信号を出力する。具体的には、センサ基板１０の温度と回路基板５０の温度が等しく、ゲージ抵抗１６に異常が発生していない場合に、ブリッジ回路から異常検出回路５９へ出力される電圧と、増幅器５８の出力電圧とが等しくなるように、入力電圧が増幅されて出力される。

異常検出回路５９は、ゲージ抵抗１６から入力される信号、および、ゲージ抵抗６０から増幅器５８を介して入力される信号に応じて、ゲージ抵抗１６の異常の有無に関する信号を出力するものであり、２つの入力端子と、１つの出力端子とを備えている。異常検出回路５９が備える２つの入力端子の一方は、増幅器５８の出力端子に接続されており、他方は、定電流源回路５５とブリッジ回路との接続点に接続されている。

異常検出回路５９は、２つの入力信号の差が所定の値以下であればハイレベルの信号を出力し、これらの差が所定の値よりも大きければ、ゲージ抵抗１６に異常が発生していることを示すローレベルの信号を出力する。この所定の値は、抵抗５７の抵抗値によって設定される。異常検出回路５９は、異常検出部に相当する。

以上が本実施形態における温度センサの構成である。次に、本実施形態の温度センサの製造方法について簡単に説明する。

まず、支持層１１、犠牲層１２、活性層１３が順に積層されたセンサ基板１０を用意する。そして、図示しないマスクを用いてセンサ基板１０の一面１０ａ側に不純物をイオン注入すると共に加熱処理して不純物を熱拡散させることにより、ゲージ抵抗１６、引き出し配線層１８、接続部１９を含む拡散層１７を形成する。

次に、センサ基板１０を用意する工程とは別工程において、基板２１にＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等で絶縁膜２２を形成し、ドライエッチング等で凹部２４を形成する。

続いて、センサ基板１０と基板２１とを直接接合によって接合する。これにより、センサ基板１０と、基板２１の凹部２４との間に基準圧力室２５が構成され、基準圧力室２５にゲージ抵抗１６等が封止される。

続いて、引き出し配線層１８、接続部１９が露出するように、ドライエッチング等で基板２１および絶縁膜２２を貫通する貫通孔２６を形成する。そして、各貫通孔２６の壁面にＴＥＯＳ等の絶縁膜２７を成膜する。このとき、基板２１のうちのセンサ基板１０側と反対側の一面に形成された絶縁膜にて絶縁膜２３が構成される。つまり、基板２１、絶縁膜２２、および絶縁膜２３を有するキャップ基板２０が構成される。

次に、各貫通孔２６の底部に形成された絶縁膜２７を除去する。そして、スパッタ法や蒸着法等により、各貫通孔２６に、引き出し配線層１８、接続部１９と電気的に接続される配線層２８を形成すると共に、絶縁膜２３上に金属膜を成膜する。その後、絶縁膜２３上に形成された金属膜をパターニングする。続いて、絶縁膜２３および配線層２８が覆われるように、ＴＥＯＳ等の保護膜２９を成膜する。

次に、保護膜２９上にフォトレジストを配置し、当該フォトレジストをパターニングした後、フォトレジストをマスクとして保護膜２９にコンタクトホール２９ａを形成する。これにより、キャップ基板２０が製造される。

次に、センサ基板１０およびキャップ基板２０を製造する工程とは別工程において、回路基板５０の一面５０ａ側に不純物をイオン注入すると共に加熱処理して不純物を熱拡散させることにより、ゲージ抵抗６０を含む拡散層５１を形成する。

その後、接合部材３０を介して支持部材４０にセンサ基板１０および回路基板５０を固定し、ワイヤ７０によってキャップ基板２０と回路基板５０とを接続する。そして、センサ基板１０の一部と、キャップ基板２０の一部と、接合部材３０と、支持部材４０と、回路基板５０と、ワイヤ７０と、図示しないリードの一部とをモールド樹脂によって封止し、樹脂封止体８０を形成することにより、温度センサが製造される。

温度センサの動作について説明する。本実施形態の温度センサでは、ダイヤフラム１５のうちの他面１０ｂ側に測定媒体の圧力が印加されると、この圧力と一面１０ａ側に印加される基準圧力との差圧に応じてダイヤフラム１５が変形し、当該変形に応じて４つのゲージ抵抗１６の抵抗値が変化する。これによりブリッジ回路の２つの中点の電圧が変化するため、中点の電圧に基づいて測定媒体の圧力を検出することができる。

また、ゲージ抵抗１６の抵抗値は、測定媒体の温度によっても変化する。具体的には、測定媒体の温度が高くなるほど、ブリッジ回路から出力される電圧が大きくなる。したがって、ゲージ抵抗１６の出力電圧に基づいて、測定媒体の温度を検出することができる。

しかしながら、ゲージ抵抗１６はセンサ基板１０のうち樹脂封止体８０から露出した部分に配置されているため、樹脂封止体８０の内部に配置され、モールド樹脂によって保護されているゲージ抵抗６０に比べて、破壊等の異常が発生しやすい。

そこで本実施形態では、温度検出機能の自己診断を行っている。前述したように、回路基板５０の温度は、センサ基板１０の温度とほぼ等しいため、ゲージ抵抗１６の温度は、ゲージ抵抗６０の温度とほぼ等しくなる。したがって、ゲージ抵抗１６に異常が発生していなければ、増幅器５８の出力電圧とブリッジ回路の出力電圧がほぼ等しくなり、異常検出回路５９は、ハイレベルの信号を出力する。

一方、ゲージ抵抗１６に異常が発生した場合には、図３に示すように、増幅器５８の出力電圧とブリッジ回路の出力電圧との差が所定の値よりも大きくなり、異常検出回路５９は、ローレベルの信号を出力する。なお、図３において、実線はブリッジ回路の出力電圧を示し、破線は増幅器５８の出力電圧を示す。

異常検出回路５９の出力信号は図示しない制御部に入力され、この制御部は、異常検出回路５９からの入力信号に基づいて温度センサの温度検出機能に異常が発生しているか否かを判定する。

このように、本実施形態では、ゲージ抵抗１６の温度とゲージ抵抗６０の温度がほぼ等しくなることを利用して、ゲージ抵抗６０の出力信号を処理することで異常判定の規格値を設定している。そして、ゲージ抵抗１６の出力信号をこの規格値と比較して、ゲージ抵抗１６における温度検出機能の異常をリアルタイムで検出することを可能としている。

なお、正確な自己診断を行うためには、２つの温度検出部の距離を短くして、温度を近付けることが好ましい。これについて、本実施形態では、２つの温度検出部をそれぞれ半導体抵抗で構成しているため、２つの温度検出部の距離を短くすることが容易である。また、例えば２つの温度検出部をそれぞれサーミスタで構成した場合に比べて、体格を小さくすることができる。

また、本実施形態では、第２温度検出部として、回路基板５０に形成された拡散層５１の一部で構成されるゲージ抵抗６０を用いているため、ウェハプロセス内で容易に第２温度検出部を作ることができる。したがって、温度センサの設計の自由度が高くなる。

（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してゲージ抵抗６０の位置を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図４に示すように、本実施形態では、ゲージ抵抗６０がセンサ基板１０のうち樹脂封止体８０の内側に位置する部分に配置されている。そして、ゲージ抵抗６０は、センサ基板１０の拡散層１７の一部で構成されており、ゲージ抵抗１６、引き出し配線層１８、接続部１９と共に、不純物の拡散により形成される。

ゲージ抵抗６０をセンサ基板１０に配置した本実施形態においても、第１実施形態と同様に、温度検出機能の自己診断が可能である。

（他の実施形態）
なお、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。

例えば、温度を検出するためのゲージ抵抗１６が、圧力を検出するためのゲージ抵抗とは別に配置されていてもよい。また、センサ基板１０にブリッジ回路が形成されていなくてもよい。また、温度センサが圧力検出機能を備えていなくてもよい。また、温度検出機能の異常を検出するための回路を図２に示す回路とは異なる構成としてもよい。また、第１温度検出部、第２温度検出部をゲージ抵抗以外の温度センサで構成してもよい。

１０ センサ基板
１６ ゲージ抵抗
６０ ゲージ抵抗
８０ 樹脂封止体

Claims (5)

1. 測定媒体の中に置かれる基板（１０）と、
   前記基板の一部を内側に含む樹脂封止体（８０）と、
   前記基板のうち前記樹脂封止体から露出した部分に配置され、前記測定媒体の温度に応じた信号を出力する第１温度検出部（１６）と、
   前記樹脂封止体の内側に配置され、前記樹脂封止体の温度に応じた信号を出力する第２温度検出部（６０）と、を備え、
   前記第１温度検出部および前記第２温度検出部が出力する信号に基づいて、前記第１温度検出部の異常を検出する温度センサ。
2. 前記第１温度検出部から入力される信号と前記第２温度検出部から入力される信号との差が所定の値よりも大きいとき、前記第１温度検出部に異常が発生していることを示す信号を出力する異常検出部（５９）を備える請求項１に記載の温度センサ。
3. 前記基板を第１基板として、
   前記樹脂封止体の内側に配置された第２基板（５０）を備え、
   前記第２温度検出部は、前記第２基板に配置されている請求項１または２に記載の温度センサ。
4. 前記第２基板に形成された拡散層（５１）、を備え、
   前記第２温度検出部は、前記拡散層の一部で構成されている請求項３に記載の温度センサ。
5. 前記第２温度検出部は、前記基板のうち前記樹脂封止体の内側の部分に配置されている請求項１または２に記載の温度センサ。

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