JP2018169331A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】圧力及び温度の両方が検出可能であると共にウェハレベルパッケージとして構成されたセンサチップを備えた圧力センサにおいて、圧力測定精度と温度応答性とを両立させること。
【解決手段】モールド樹脂部１４０は、柱状の中間部１４１と、中間部１４１の一端側の一端部１４２と、中間部１４１において一端部１４２とは反対側の他端部１４３と、を有している。また、モールド樹脂部１４０は、センサチップ１５０のうちダイヤフラム１５７が露出するように、一端部１４２にセンサチップ１５０を封止している。一端部１４２は、中間部１４１の延設方向に沿った軸１４４に対して傾斜した状態で中間部１４１に接続されている。センサチップ１５０は、受圧面１６０がポッティング樹脂部１３０側に向けられていると共に、受圧面１６０が軸１４４に対して垂直に配置された状態で一端部１４２に封止されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定対象の圧力及び温度を検出可能に構成された圧力センサに関する。

従来より、温度センサと圧力センサとを備えた複合センサが、例えば特許文献１で提案されている。具体的には、圧力センサは本体部に設けられ、温度センサは本体部から突出した温度アームの先端部に設けられた構成が提案されている。本体部は、圧力センサに通じる圧力導入通路を有している。

特開２０１４−１０９５７１号公報

上記従来の技術では、圧力センサと温度センサとが別体の構成になっている。そこで、圧力センサと温度センサとをウェハレベルパッケージとして一体的に構成することが考えられる。この場合、圧力センサ及び温度センサは平面構造を持つ１つのセンサチップとして構成される。したがって、複合センサは１つのセンサチップを備えた構成となる。また、センサチップは、例えば平面部分である表面が配管の肉厚部に差し込まれる方向に平行になるように複合センサに組み付けられる。

ここで、複合センサが配管に固定される場合、センサチップの一部が配管の中空部に突き出すように構成される。しかし、センサチップは平面構造を持つため、配管内に配置される向きによっては、配管に流れる流体からセンサチップが動圧の影響を受け、圧力測定精度が低下してしまうという問題がある。

これに対し、センサチップが配管内の肉厚部側に位置するように複合センサを構成することが考えられる。これにより、センサチップが流体の動圧の影響を受けにくくなり、流体の静圧を測定できるようになると考えられる。しかし、センサチップが流体の流れの中心から外れた位置に配置されるので、流体の流れが淀む場合や、流体が液体の場合に流体に気泡が含まれる場合では、流体の温度がセンサチップに伝わりにくくなり、温度応答性が低下しまうという問題がある。

本発明は上記点に鑑み、圧力及び温度の両方が検出可能であると共にウェハレベルパッケージとして構成されたセンサチップを備えた圧力センサにおいて、圧力測定精度と温度応答性とを両立させ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、圧力センサは、ウェハレベルパッケージとして複数の層（１５１〜１５５）が積層されて構成された板状の積層基板（１５６）と、複数の層のうちの一つに形成されていると共に測定対象の圧力が印加されるダイヤフラム（１５７）と、ダイヤフラムに設けられた圧力検出部（１５８）と積層基板に設けられた温度検出部（１５８）と、を有し、ダイヤフラムの歪みに応じた圧力信号を圧力検出部から出力する一方、積層基板が測定対象から受ける熱に応じた温度信号を温度検出部から出力するセンサチップ（１５０）と、
圧力センサは柱状の中間部（１４１）と、中間部の一端側の一端部（１４２）と、中間部において一端部とは反対側の他端部（１４３）と、を有し、センサチップのうち圧力検出部及び温度検出部に対応する部分が露出するように、一端部にセンサチップを封止したモールド樹脂部（１４０）を備えている。

圧力センサは、モールド樹脂部の他端部を保持し、取付対象である配管（２００）の肉厚部（２１０）に固定されることでモールド樹脂部の一端部を配管の内部に位置させる保持部（１１０、１２０、１３０）を備えている。

そして、センサチップは、ダイヤフラムの受圧面（１６０）が、中間部の延設方向に沿った軸（１４４）に対して傾斜した状態で一端部に固定されている。

これによると、センサチップが配管の内部に配置されたとき、受圧面が配管内の流体の流れに対して傾斜しているので、受圧面が流体から受ける動圧の影響を低減することができる。したがって、センサチップの圧力測定精度を確保することができる。

また、複数のゲージ抵抗が配置されたダイヤフラムが配管の中央部に配置されるので、流体の熱が複数のゲージ抵抗に伝わりやすくなる。したがって、センサチップの温度応答性を確保することができる。

以上により、ウェハレベルパッケージとして構成されたセンサチップを備えた圧力センサにおいて、圧力測定精度と温度応答性とを両立させることができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲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ものである。

本発明の第１実施形態に係る圧力センサの断面図である。 センサチップの一部断面図である。 モールド樹脂部の断面図である。 モールド樹脂部の変形例を示した断面図である。 モールド樹脂部の変形例を示した断面図である。 第２実施形態に係るモールド樹脂部の断面図である。

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、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。本実施形態に係る圧力センサは、測定対象の圧力及び温度の両方を検出可能に構成されたものである。圧力センサは配管に固定され、配管内の測定対象の圧力及び温度を検出する。測定対象は、例えばオイルである。

図１に示されるように、圧力センサ１００は、ハウジング１１０、成形樹脂部１２０、ポッティング樹脂部１３０、モールド樹脂部１４０、及びセンサチップ１５０を備えている。

ハウジング１１０は、ＳＵＳ等の金属材料が切削等により加工された中空形状のケースである。ハウジング１１０の一端側の外周面には、取付対象である配管２００にネジ結合可能な雄ネジ部１１１が形成されている。ハウジング１１０の一端側には貫通孔１１２が形成され、この貫通孔１１２はハウジング１１０の他端側に形成された開口部１１３に連通している。ハウジング１１０の開口部１１３は周壁１１４に囲まれることで構成されている。ハウジング１１０は、配管２００の肉厚部２１０に設けられた貫通ネジ穴２２０に固定される。

成形樹脂部１２０は、圧力センサ１００と外部装置とを電気的に接続するためのコネクタを構成する部分である。成形樹脂部１２０は、例えばＰＰＳ等の樹脂材料で形成されており、一端側がハウジング１１０の開口部１１３に固定される固定部１２１として形成され、他端側がコネクタ部１２２として形成されている。

また、成形樹脂部１２０は、ピン状のターミナル１２３がインサート成形により一体成形されている。ターミナル１２３の一端側は固定部１２１に封止され、他端側はコネクタ部１２２の内側に露出するように成形樹脂部１２０にインサート成形されている。さらに、成形樹脂部１２０は、モールド樹脂部１４０の他端部１４３を封止してモールド樹脂部１４０の他端部１４３を保持している。

そして、成形樹脂部１２０は、固定部１２１がＯリング１２４を介してハウジング１１０の開口部１１３に嵌め込まれた状態で、ハウジング１１０の周壁１１４の端部が当該固定部１２１を押さえるようかしめ固定されている。

ポッティング樹脂部１３０は、例えばエポキシ樹脂等の樹脂材料で形成されており、成形樹脂部１２０の固定部１２１に設けられた凹部１２５に充填されている。ポッティング樹脂部１３０は、測定対象であるオイルからモールド樹脂部１４０の他端部１４３やターミナル１２３の接合部等をシール・保護する役割を果たす。

モールド樹脂部１４０は、センサチップ１５０を保持する部品である。モールド樹脂部１４０は、柱状の中間部１４１と、中間部１４１の一端側の一端部１４２と、中間部１４１において一端部１４２とは反対側の他端部１４３と、を有している。モールド樹脂部１４０は、一端部１４２にセンサチップ１５０を封止している。

中間部１４１と他端部１４３とは一直線状に連結されている。一方、一端部１４２は、中間部１４１の延設方向に沿った軸１４４に対して傾斜した状態で中間部１４１に接続されている。本実施形態では、中間部１４１と一端部１４２とは直角に連結されている。

また、モールド樹脂部１４０は、リードフレーム１４５の一部、回路チップ１４６、及びチップコンデンサ１４７を封止している。

リードフレーム１４５は、センサチップ１５０、回路チップ１４６、及びチップコンデンサ１４７が実装されるベースとなる部品である。リードフレーム１４５の一端側はＬ字状に折り曲げられていると共にモールド樹脂部１４０の一端部１４２に封止されている。リードフレーム１４５の中間部分は中間部１４１に封止され、他端側の一部は他端部１４３に封止されている。

また、リードフレーム１４５の他端側の先端部分は、モールド樹脂部１４０の他端部１４３から突出していると共に、ターミナル１２３の一端側に接続されている。なお、リードフレーム１４５は、複数に分割されていても良い。この場合、ボンディングワイヤによって電気的接続を行えば良い。

回路チップ１４６は、メモリ等の半導体集積回路が形成されたＩＣチップである。回路チップ１４６は、半導体基板等を用いて形成されている。回路チップ１４６は、センサチップ１５０への電源（定電流）の供給、センサチップ１５０から圧力信号及び温度信号を入力し、予め設定された信号処理値に基づいて各信号の信号処理を行う。信号処理値とは、各信号の信号値を増幅や演算等するための調整値である。回路チップ１４６は、図示しないボンディングワイヤによってリードフレーム１４５を介してセンサチップ１５０やチップコンデンサ１４７等と電気的に接続されている。

チップコンデンサ１４７は、例えば、ターミナル１２３を介して圧力センサ１００の内部に侵入するノイズを除去するための電子部品である。

センサチップ１５０は、測定対象の圧力及び温度を検出する電子部品である。センサチップ１５０は、例えば銀ペースト等でリードフレーム１４５に実装されている。

図２に示されるように、センサチップ１５０は、複数の層１５１〜１５５が積層されて構成された板状の積層基板１５６を有して構成されている。複数の層１５１〜１５５は、ウェハレベルパッケージとして複数のウェハが積層され、半導体プロセス等で加工された後、センサチップ１５０毎にダイシングカットされる。

複数の層１５１〜１５５は、第１層１５１、第２層１５２、第３層１５３、第４層１５４、及び第５層１５５が積層されて構成されている。例えば、第１層１５１、第２層１５２、及び第３層１５３によってＳＯＩ基板が構成され、第４層１５４及び第５層１５５によってキャップ基板が構成されている。

第２層１５２及び第３層１５３は、薄肉状のダイヤフラム１５７として構成されている。第３層１５３は例えばシリコン等の半導体層であり、複数のゲージ抵抗１５８が形成されている。各ゲージ抵抗１５８は、第３層１５３に対するイオン注入により形成された拡散抵抗である。各ゲージ抵抗１５８はダイヤフラム１５７の上に形成された薄膜抵抗として構成されていても良い。なお、第３層１５３には、各ゲージ抵抗１５８に接続された図示しない配線部やパッド等も形成されている。

各ゲージ抵抗１５８は、ダイヤフラム１５７の歪みに応じて抵抗値が変化する抵抗素子である。また、各ゲージ抵抗１５８は温度に応じて抵抗値が変化する素子である。各ゲージ抵抗１５８は、ホイートストンブリッジ回路を構成するように電気的に接続されている。ホイートストンブリッジ回路は、回路チップ１４６から定電流の電源が供給される。これにより、各ゲージ抵抗１５８のピエゾ抵抗効果を利用して、ダイヤフラム１５７の歪みや温度に応じた電圧をセンサ信号として検出することができる。

具体的には、センサチップ１５０は、ダイヤフラム１５７の歪みに応じた複数のゲージ抵抗１５８の抵抗変化をホイートストンブリッジ回路の中点電圧の変化として検出し、当該中点電圧を圧力信号として出力する。一方、センサチップ１５０は、積層基板１５６が測定対象から受ける熱に応じた複数のゲージ抵抗１５８の抵抗変化をホイートストンブリッジ回路のブリッジ電圧として検出し、当該ブリッジ電圧を温度信号として出力する。

したがって、本実施形態では、各ゲージ抵抗１５８は、圧力検出部及び温度検出部の両方の機能を有すると言える。なお、センサチップ１５０は、圧力検出部及び温度検出部に対応した部分が露出するように、モールド樹脂部１４０に封止されている。

また、第１層１５１は、ダイヤフラム１５７のうち各ゲージ抵抗１５８が設けられたセンシング領域に対応する開口部１５９を有する。これにより、ダイヤフラム１５７のセンシング領域が第１層１５１の開口部１５９に露出する。測定対象の圧力は、この開口部１５９に露出するダイヤフラム１５７の受圧面１６０に印加される。

一方、第４層１５４及び第５層１５５は、ダイヤフラム１５７のセンシング領域に対応した部分が凹んだ凹部１６１を有する。この凹部１６１は、第３層１５３、第４層１５４、及び第５層１５５が積層されることで密閉された空間部１６２を構成している。空間部１６２は、例えば真空室になっている。したがって、センサチップ１５０によって測定される圧力は絶対圧である。

なお、第１層１５１は例えば半導体基板であり、第２層１５２及び第４層１５４は例えば絶縁層である。第５層１５５は、半導体基板やガラス基板等で構成されている。

図３に示されるように、センサチップ１５０は、ダイヤフラム１５７が露出するようにモールド樹脂部１４０の一端部１４２に封止されている。本実施形態では、一端部１４２に受圧面１６０を露出させる開口部１４２ａと第５層１５５のうちダイヤフラム１５７に対応する部分を露出させる開口部１４２ｂとが設けられている。これにより、測定対象の圧力は開口部１４２ａを介してダイヤフラム１５７の受圧面１６０に印加される。また、各開口部１４２ａ、１４２ｂを介して測定対象の温度が各ゲージ抵抗１５８に伝わる。

ここで、センサチップ１５０は、ダイヤフラム１５７の受圧面１６０が、中間部１４１の延設方向に沿った軸１４４に対して傾斜した状態で一端部１４２に固定されている。本実施形態では、受圧面１６０は、軸１４４に対して垂直に配置されている。これによると、ハウジング１１０が配管２００の貫通ネジ穴２２０に固定されることで、モールド樹脂部１４０の一端部１４２を配管２００の内部に位置する際に、受圧面１６０が測定対象の流れに対して常に平行に配置される。このため、受圧面１６０が測定対象から受ける動圧の影響を最小限にすることができる。

また、ハウジング１１０は配管２００の貫通ネジ穴２２０に固定されるが、ハウジング１１０の回転停止位置にかかわらず、受圧面１６０は測定対象の流れに常に平行に配置される。このため、配管２００に対して圧力センサ１００の取付方法や取付構造が限定されることはない。センサチップ１５０が配管２００内の中央部に突き出して配置されるので、ディフューザー等の構造が不要であり、センサチップ１５０への気泡の噛みこみ等の懸念も無い。

さらに、センサチップ１５０は、受圧面１６０がポッティング樹脂部１３０側に向けられた状態で一端部１４２に封止されている。これにより、モールド樹脂部１４０を成形樹脂部１２０やハウジング１１０に組み付ける際や圧力センサ１００の運搬時に、ダイヤフラム１５７を保護することができる。したがって、ダイヤフラム１５７の破損を防止することができる。

圧力センサ１００の製造方法としては、まず、モールド樹脂部１４０を製造し、モールド樹脂部１４０及びターミナル１２３を接合した後、成形金型で成形樹脂部１２０を樹脂成型する。さらに、成形樹脂部１２０の凹部１２５にポッティング樹脂部１３０を充填する。続いて、ハウジング１１０を用意し、モールド樹脂部１４０をハウジング１１０の貫通孔１１２に通し、Ｏリング１２４を咬ませて成形樹脂部１２０の固定部１２１をハウジング１１０の開口部１５９に配置する。そして、ハウジング１１０の周壁１１４の端部で固定部１２１をかしめ固定する。こうして、圧力センサ１００が完成する。

以上説明したように、本実施形態では、センサチップ１５０が配管２００の内部に配置されたとき、受圧面１６０が配管２００内の流体の流れに対して傾斜して配置される。このため、センサチップ１５０の受圧面１６０が流体から受ける動圧の影響を低減させることができる。また、圧力センサ１００が配管２００に固定された際に、センサチップ１５０を配管２００の中央部に配置される。このため、流体の熱をセンサチップ１５０の各ゲージ抵抗１５８に伝えやすくすることができる。したがって、以上により、センサチップ１５０がウェハレベルパッケージとして形成された構成において、圧力測定精度と温度応答性とを両立させることができる。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、ハウジング１１０、成形樹脂部１２０、及びポッティング樹脂部１３０が特許請求の範囲の「保持部」に対応する。また、複数のゲージ抵抗１５８が特許請求の範囲の「圧力検出部」及び「温度検出部」に対応する。

変形例として、図４に示されるように、モールド樹脂部１４０の一端部１４２は軸１４４に対して鈍角をなすように中間部１４１に接続されていても良い。一方、図５に示されるように、モールド樹脂部１４０の一端部１４２は軸１４４に対して鋭角をなすように中間部１４１に接続されていても良い。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。図６に示されるように、モールド樹脂部１４０は、一端部１４２、中間部１４１、及び他端部１４３が柱状に一体的に構成されている。

また、センサチップ１５０は、受圧面１６０が一端部１４２において中間部１４１とは反対側の端面１４８に露出するように、一端部１４２に封止されている。本実施形態では、一端部１４２に開口部１４２ｃが設けられ、この開口部１４２ｃを介してセンサチップ１５０の受圧面１６０が一端部１４２の端面１４８に露出している。このように、モールド樹脂部１４０は、断面Ｌ字状の形状ではなく、棒状の形状に構成されていても良い。

変形例として、センサチップ１５０の受圧面１６０は軸１４４に対して垂直ではなく、図４や図５と同様に傾斜した状態で一端部１４２に封止されていても良い。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された圧力センサ１００の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、センサチップ１５０の構成は５つの層１５１〜１５５に限られず、ウェハレベルパッケージとして構成されていれば層の数は適宜変更しても構わない。

また、上記各実施形態では、複数のゲージ抵抗１５８が圧力と温度の両方を検出するように構成されているが、圧力を検出する素子と温度を検出する素子とは別々に構成されていても良い。つまり、圧力検出部と温度検出部とがセンサチップ１５０に別々に設けられていても良い。

さらに、図４及び図５に示されたモールド樹脂部１４０の一端部１４２の形状は一例であり、センサチップ１５０の傾きを維持できれば外形は他の形状でも良い。

１００ 圧力センサ、１１０ ハウジング、１２０ 成形樹脂部、１３０ ポッティング樹脂部、１４０ モールド樹脂部、１４１ 中間部、１４２ 一端部、１４３ 他端部、１４４ 軸、１５０ センサチップ、１５１〜１５５ 層、１５６ 積層基板、１５７ ダイヤフラム、１５８ ゲージ抵抗、１６０ 受圧面、２００ 配管、２１０ 肉厚部

Claims (4)

1. ウェハレベルパッケージとして複数の層（１５１〜１５５）が積層されて構成された板状の積層基板（１５６）と、前記複数の層のうちの一つに形成されていると共に測定対象の圧力が印加されるダイヤフラム（１５７）と、前記ダイヤフラムに設けられた圧力検出部（１５８）と前記積層基板に設けられた温度検出部（１５８）と、を有し、前記ダイヤフラムの歪みに応じた圧力信号を前記圧力検出部から出力する一方、前記積層基板が測定対象から受ける熱に応じた温度信号を前記温度検出部から出力するセンサチップ（１５０）と、
   柱状の中間部（１４１）と、前記中間部の一端側の一端部（１４２）と、前記中間部において前記一端部とは反対側の他端部（１４３）と、を有し、前記センサチップのうち前記圧力検出部及び前記温度検出部に対応する部分が露出するように、前記一端部に前記センサチップを封止したモールド樹脂部（１４０）と、
   前記モールド樹脂部の前記他端部を保持し、取付対象である配管（２００）の肉厚部（２１０）に固定されることで前記モールド樹脂部の前記一端部を前記配管の内部に位置させる保持部（１１０、１２０、１３０）と、
   を備え、
   前記センサチップは、前記ダイヤフラムの受圧面（１６０）が、前記中間部の延設方向に沿った軸（１４４）に対して傾斜した状態で前記一端部に固定されている圧力センサ。
2. 前記受圧面は、前記軸に対して垂直に配置されている請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記一端部は、前記軸に対して傾斜した状態で前記中間部に接続されており、
   前記センサチップは、前記受圧面が前記保持部側に向けられた状態で前記一端部に封止されている請求項１または２に記載の圧力センサ。
4. 前記一端部、前記中間部、及び前記他端部は、柱状に一体的に構成されており、
   前記センサチップは、前記受圧面が前記一端部において前記中間部とは反対側の端面（１４８）に露出するように、前記一端部に封止されている請求項１または２に記載の圧力センサ。

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