JP2018185214A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂と異種材料との間のずれを抑制し、圧力リークを防止することが可能な圧力センサを提供する。
【解決手段】圧力センサ素子１１と、圧力センサ素子１１を収容する樹脂パッケージ１４と、樹脂パッケージ１４に固定されたリード１３と、樹脂パッケージ１４の圧力センサ素子１１が実装される箇所に設けられた台座１２とを備え、樹脂パッケージ１４は、樹脂パッケージ１４の外部から圧力センサ素子１１の内部に向けて圧力が導入される圧力導入孔１８を有し、台座１２の周囲は、少なくとも圧力導入孔１８に面する側から圧力センサ素子１１の内部に向けて樹脂パッケージ１４で覆われている。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力センサに関する。

従来、圧力センサとしては、ダイアフラム等の機械的感圧素子により検知されたひずみを、ピエゾ抵抗等により電気信号に変換することで圧力を検知する方式が開発されている。特許文献１には、ダイアフラム等及びピエゾ抵抗等を有する圧力センサ素子が、リードフレームを有する樹脂パッケージ内に設けられた圧力センサが記載されている。

特開平１１−３２６０８９号公報

測定可能な圧力領域がより小さくなり、より微圧の測定が求められるにつれて、樹脂パッケージの変形による外部応力の影響が無視できなくなる。これにより、センサ出力のオフセット電圧の変動が大きくなる。また、リードフレーム等の金属部を樹脂パッケージに一体化すると、樹脂と金属等の異種材料との間で圧力リークが発生する懸念がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、樹脂と異種材料との間のずれを抑制し、圧力リークを防止することが可能な圧力センサを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、圧力センサ素子と、前記圧力センサ素子を収容する樹脂パッケージと、前記樹脂パッケージに固定されたリードと、前記樹脂パッケージの前記圧力センサ素子が実装される箇所に設けられた台座とを備え、前記樹脂パッケージは、前記樹脂パッケージの外部から前記圧力センサ素子の内部に向けて圧力が導入される圧力導入孔を有し、前記台座の周囲は、少なくとも前記圧力導入孔に面する側から前記圧力センサ素子の内部に向けて前記樹脂パッケージで覆われていることを特徴とする圧力センサを提供する。

前記台座の周囲がすべて前記樹脂パッケージで覆われていてもよい。
前記台座は、少なくとも２０〜２００℃の間においてガラス転移点及び融点を持たない物質で形成されていてもよい。
前記台座は、前記樹脂パッケージの線膨張係数の０．５倍〜１．５倍の線膨張係数を有する物質で形成されていてもよい。

本発明によれば、樹脂パッケージと台座との間のずれを抑制し、圧力リークを防止することが可能になる。

第１実施形態の圧力センサを示す断面図である。 第２実施形態の圧力センサを示す断面図である。 対比例の圧力センサを示す断面図である。 台座の横断面形状を（ａ）〜（ｃ）に例示する部分拡大断面図である。 圧力センサの製造工程の一部を（ａ）〜（ｃ）の順に示す断面図である。 図５に続く製造工程を（ａ）〜（ｃ）の順に示す断面図である。

以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１に、第１実施形態の圧力センサを示す。本実施形態の圧力センサ１０は、概略として、圧力センサ素子１１と、台座１２と、リード１３と、樹脂パッケージ１４を備える。

圧力センサ素子１１は、基板１１ｂに形成された検知部１１ａを有する。検知部１１ａとしては、例えばダイアフラムが挙げられる。検知部１１ａの厚さ、大きさ等により、圧力に対する感度を調整することができる。圧力センサ素子１１の内部には、圧力導入孔１８を介して圧力センサ１０の外部に通じる凹部１１ｃが設けられている。圧力導入孔１８を通じ、樹脂パッケージ１４の外部から圧力センサ素子１１の内部の凹部１１ｃに向けて、圧力が導入される。

検知部１１ａは、凹部１１ｃ内の圧力の変化に応じて変形が可能である。圧力が変化すると、検知部１１ａに歪みが生じる。検知部１１ａに生じた歪みは、ピエゾ抵抗等により、電圧等の電気信号に変換することが可能である。電気信号は、導電性のリード１３を通じて圧力センサ１０の外部に取り出される。

圧力センサ素子１１は、台座１２の上方に配置されている。台座１２は、樹脂パッケージ１４に圧力センサ素子１１が実装される箇所に設けられている。台座１２の材質は、例えば金属である。リード１３は、樹脂パッケージ１４に固定された固定端部１３ａと、樹脂パッケージ１４の外部に突出した接続端部１３ｂとを有する。リード１３の材質は、例えば金属である。圧力センサ１０を外部の基板等に実装する際は、リード１３に半田を付与し、リフローする工程を有することが、生産性の観点から好ましい。

樹脂パッケージ１４には、圧力センサ素子１１が収容されている。樹脂パッケージ１４は、圧力センサ素子１１が実装される本体部１４ａと、圧力センサ素子１１の周囲を囲む外郭部１４ｂと、圧力導入孔１８を囲む圧力導入部１４ｃを有する。本体部１４ａの上面には、接着部１５を介して圧力センサ素子１１が固定されている。外郭部１４ｂに蓋部１６を取り付けると、圧力センサ素子１１の周囲に空間部１７が構成される。空間部１７を圧力センサ１０の外部から気密に封止すると、空間部１７を圧力の基準として用いることができる。なお、樹脂パッケージ１４の形状、材質などにより、差圧、ゲージ圧、絶対圧など様々な圧力センサを構成することができる。

樹脂パッケージ１４を構成する樹脂は、金属等の異種材料に比べて線膨張係数が大きい。このため、圧力センサ素子１１を樹脂パッケージ１４上に実装すると、樹脂と金属等との界面には、線膨張係数の差などの影響により剥離や空隙ができやすくなる。

本実施形態では、台座１２の周囲がすべて樹脂パッケージ１４で覆われている。すなわち、台座１２と圧力センサ素子１１との間には、台座１２の上を覆う第１被覆部１４ｄが、樹脂パッケージ１４の樹脂から形成されている。また、台座１２と圧力導入孔１８との間には、台座１２の外周を覆う第２被覆部１４ｅが、樹脂パッケージ１４の樹脂から形成されている。これにより、台座１２と樹脂パッケージ１４との界面が空間部１７及び圧力導入孔１８に露出せず、圧力リークを防止することができる。

本実施形態では、圧力センサ素子１１が樹脂パッケージ１４の第１被覆部１４ｄを介して台座１２上に実装されている。この場合、台座１２は、樹脂パッケージ１４を構成する樹脂に比べて、リフロー等の温度変化に対する耐久性が高い。圧力センサ素子１１と台座１２の線膨張係数が異なるので、リフロー工程により圧力センサ１０全体の温度が上昇すると、圧力センサ素子１１が応力を受ける。しかし、圧力センサ１０全体の温度が常温に戻る際、圧力センサ素子１１及び台座１２は、それぞれ温度上昇時の熱膨張に応じて温度下降時に熱収縮するため、圧力センサ素子１１の応力は緩和される。温度変化による圧力センサ素子１１のひずみを抑制するためには、第１被覆部１４ｄの厚さが薄いことが好ましい。例えば第１被覆部１４ｄの厚さとして５〜５００μｍ程度が挙げられる。

台座１２は、圧力センサ１０の実装時又は使用時における外部環境の温度範囲で非流動的な弾性を保つ材料から構成されることが好ましい。例えば、少なくとも２０〜２００℃の間において相転移点を持たない物質が好ましく、少なくとも２０〜３００℃の間において相転移点を持たない物質がより好ましい。ここで、相転移点としては、例えば弾性体から粘性体に転移する温度、ガラス転移点及び融点等が挙げられる。
また、台座１２が、樹脂パッケージ１４の線膨張係数に近い線膨張係数を有する材料から構成されることが好ましい。例えば、樹脂パッケージ１４の線膨張係数の０．５倍〜１．５倍の線膨張係数を有する物質が好ましく、０．７倍〜１．３倍の線膨張係数を有する物質がより好ましい。
これにより、リフロー等の高温環境において、樹脂パッケージ１４が粘性を獲得し、圧力センサ素子１１の応力が緩和されても、台座１２の変形が圧力センサ素子１１に与える影響を抑制することができる。高温環境から室温に冷却される際、樹脂パッケージ１４が圧力センサ素子１１より大きく収縮しても、圧力センサ素子１１における応力の発生を低減することができる。

図２に、第２実施形態の圧力センサ２０を示す。本実施形態の圧力センサ２０は、第１被覆部１４ｄの一部において台座１２が露出され、この露出部において台座１２上に接着部１５を介して圧力センサ素子１１が固定されていること以外は、第１実施形態の圧力センサ１０と同様である。これらの圧力センサ１０，２０は、台座１２の周囲において、少なくとも圧力導入孔１８に面する側で、樹脂パッケージ１４が台座１２を被覆する第２被覆部１４ｅを有する。これにより、樹脂パッケージ１４の本体部１４ａと台座１２の下面との界面が圧力導入孔１８に接しないので、圧力リークを効果的に防止することができる。本体部１４ａと被覆部１４ｄ，１４ｅにより台座１２がほぼ囲まれると、台座１２の剥離を抑制することができる。

図３に、対比例の圧力センサ１００を示す。圧力センサ１００は、第１被覆部１４ｄ及び第２被覆部１４ｅを有しないので、本体部１４ａと台座１２との界面が圧力導入孔１８及び空間部１７に接している。このため、本体部１４ａと台座１２との界面に剥離や空隙ができると、この界面を通じて圧力導入孔１８と空間部１７との間で圧力媒体が移動可能となり、圧力リークとなる。その結果、空間部１７の内部の気密が維持できなくなり、耐圧性能及びセンサ感度が損なわれる。

第２実施形態の圧力センサ２０では、第１実施形態の圧力センサ１０と同様に、圧力導入孔１８から圧力センサ素子１１の凹部１１ｃ内に向けて台座１２の周囲が樹脂パッケージ１４の被覆部１４ｄ，１４ｅにより覆われている。これにより、圧力導入孔１８又は空間部１７に通じた剥離や空隙が樹脂パッケージ１４と台座１２との界面にできにくいので、圧力リークを効果的に防止することができる。

台座１２の形状は、圧力センサ素子１１が樹脂パッケージ１４側に固着される箇所をすべて含むことが好ましい。図４（ａ）及び図４（ｂ）には、台座１２の横断面形状を例示する。台座１２の外周形状としては、例えば図４（ａ）に示す四角形、図４（ｂ）に示す円形等が挙げられる。台座１２の中央部には、圧力導入孔１８が通る貫通穴が形成されている。図４（ｃ）に示すように、台座１２が圧力センサ素子１１の基板１１ｂが固着される実装部のみに設けられ、第２被覆部１４ｅが凹部１１ｃに接する領域全体に拡大されてもよい。

台座１２とリード１３は、樹脂パッケージ１４の成形時に、同時に形成されてもよい。図５〜６は、圧力センサ１０の製造方法の一例を工程順に示す。
まず、図５（ａ）では、台座１２とリード１３を含むリードフレームが準備される。

次に、図５（ａ）では、台座１２とリード１３を含めた状態で金型３０により樹脂をモールドし、樹脂パッケージ１４を形成する。金型３０は、外郭部１４ｂ側を成形する第１金型３１と、本体部１４ａ側を成形する第２金型３２を備えている。リード１３は、第１金型３１と第２金型３２との間に挟み込まれている。第１金型３１は、外郭部１４ｂの内面を成形するためのコア部３３を有する。第２金型３２は、圧力導入孔１８を成形するためのピン部３４を有する。台座１２とコア部３３及びピン部３４との間隙を調整することにより、台座１２の周囲に樹脂を導入して、被覆部１４ｄ，１４ｅを形成することができる。

図５（ｃ）では、樹脂パッケージ１４の外部に露出された接続端部１３ｂが所望の形状に曲げ加工される。
図６（ａ）では、台座１２上の実装部に接着部１５を介して圧力センサ素子１１が固定される。
図６（ｂ）では、圧力センサ素子１１が、ワイヤ１９を介してリード１３の固定端部１３ａに接続される。
図６（ｃ）では、樹脂パッケージ１４に蓋部１６を設けて、圧力センサが完成する。

以上、本発明を好適な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

上述の圧力センサは、水深計、高度計等のように、周囲の水圧又は気圧に基づいて、圧力以外の物理量を計測する機器に利用することもできる。

１０，２０…圧力センサ、１１…圧力センサ素子、１２…台座、１３…リード、１４…樹脂パッケージ、１４ｃ…圧力導入部、１４ｄ…第１被覆部、１４ｅ…第２被覆部、１５…接着部、１６…蓋部、１７…空間部、１８…圧力導入孔、１９…ワイヤ、３０…金型、３１…第１金型、３２…第２金型。

Claims (4)

1. 圧力センサ素子と、前記圧力センサ素子を収容する樹脂パッケージと、前記樹脂パッケージに固定されたリードと、前記樹脂パッケージの前記圧力センサ素子が実装される箇所に設けられた台座とを備え、
   前記樹脂パッケージは、前記樹脂パッケージの外部から前記圧力センサ素子の内部に向けて圧力が導入される圧力導入孔を有し、前記台座の周囲は、少なくとも前記圧力導入孔に面する側から前記圧力センサ素子の内部に向けて前記樹脂パッケージで覆われていることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記台座の周囲がすべて前記樹脂パッケージで覆われていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記台座は、少なくとも２０〜２００℃の間においてガラス転移点及び融点を持たない物質で形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力センサ。
4. 前記台座は、前記樹脂パッケージの線膨張係数の０．５倍〜１．５倍の線膨張係数を有する物質で形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧力センサ。

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