JP2019132687A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ピエゾ抵抗効果方式のような半導体圧力センサチップを使用した圧力センサにおいて、部品の形状、加工精度を管理することにより一様な接着剤層の厚さを得ることができ、従来の温度変化による半導体圧力センサチップ、支持部材、接着剤等の線膨張係数の差異により生じる半導体圧力センサチップの歪を低減し、センサ出力の精度の向上を図ることを目的とする。【解決手段】本発明の圧力センサ１００は、支柱１２５の半導体圧力センサチップ１２６に相対する面には、中央に形成された平坦な突起部である溝内凸部１２５ａと、溝内凸部１２５ａから溝１２５ｂを隔てて、支柱１２５の周囲に形成された円環形状の突起部であるセンサチップ支持部１２５ｃとが形成される。接着剤層１２５Ａの厚さは、溝内凸部１２５ａと、半導体圧力センサチップ１２６に当接するセンサチップ支持部１２５ｃとの間のギャップΔｇにより決定される。【選択図】図３

Description

本発明は、圧力センサに関し、特にピエゾ抵抗効果方式のように半導体圧力センサチップを使用した圧力センサに関する。

従来から流体の圧力を検出する圧力センサとして、例えば、ピエゾ抵抗効果方式や、その他、静電容量検出方式、または、シリコンレゾナント方式のような半導体圧力センサチップを使用した圧力センサが知られている。

このうち最も一般的なピエゾ抵抗効果方式の半導体圧力センサチップでは、ピエゾ抵抗効果を有する材料（例えば、単結晶シリコン）にダイヤフラム部が形成され、このダイヤフラム部の表面に複数の半導体歪みゲージが形成され、これらの半導体歪みゲージがブリッジ接続され、ブリッジ回路が形成される。そして、検出されるべき流体の圧力の変動により、ダイヤフラム部が変形し、これに応じて半導体歪みゲージのゲージ抵抗が変化し、この変化がブリッジ回路を介して電気信号として取り出され、これにより流体の圧力が検出される。

特許第５０４４８９６号公報 特許第３９８７３８６号公報

上述のような半導体圧力センサチップを使用した圧力センサでは、周囲温度が変化すると、半導体圧力センサチップ、これを支持する支持部材、及び、接着剤の線膨張係数の差異により熱応力が発生する。つまり、例えば周囲温度が低下した場合には半導体圧力センサチップと比較して線膨張係数の大きい接着剤が収縮し、逆に周囲温度が上昇した場合には半導体圧力センサチップと比較して接着剤が膨張する。この場合に半導体センサチップは、接着剤で拘束されているため、半導体センサチップと接着剤の間には熱応力が発生する。また、接着剤と支持部材の間にも同様の理由で熱応力が発生する。

このような熱応力の発生により半導体圧力センサが歪み、半導体圧力センサチップの出力特性が変化し、センサ出力の精度が低下するという問題が従来から知られている。これは、半導体圧力センサチップでは、上述のように内部に形成されたダイヤフラム部に流体を導入して圧力を検出するため、半導体センサチップが歪むと、内部のダイヤフラム部も歪み、正確に圧力を検出することができないことが原因となっている。また、接着剤の粘弾性の性質により、圧力センサの温度応答性の遅れにより精度が悪化するという問題も従来から知られている。

特許文献１では、このような従来の問題に対して、引張り伸び率４００％以上で接続する接続部と、素子格納部の底面の圧力検出素子の底面の外周部に対応する位置に設けられた突起部とを備えることにより、良好な伸び特性によって応力を緩衝し熱応答性が極めて良い圧力検出装置の発明が開示されている。しかしながら、特許文献１では、圧力検出素子が装置基体部に設けられた矩形穴である素子格納部に配置されるため、素子格納部が圧力検出素子の側壁を拘束するおそれがあり、さらに、矩形穴内部の突起部の寸法精度の維持管理が難しいという問題があった。また、接着剤の粘度により接着剤塗布量が安定せず、矩形穴より溢れた接着剤がセンサチップを拘束し、又は、矩形穴底部に設けられた突起高さよりも接着剤層厚さが低くなりセンサチップが接着されない等、接着状態にばらつきが生じ、センサ出力の温度応答性、センサ出力の精度が不安定となるといった問題もあった。

従って、本発明の目的は、ピエゾ抵抗効果方式のような半導体圧力センサチップを使用した圧力センサにおいて、部品の形状、加工精度を管理することにより一様な接着剤層の厚さを得ることができ、従来の温度変化による半導体圧力センサチップ、支持部材、接着剤等の線膨張係数の差異により生じる半導体圧力センサチップの歪を低減し、センサ出力の精度の向上を図ることができる圧力センサを提供することである。

前記課題を解決するために、本発明の圧力センサは、内部にダイヤフラム部を有する半導体圧力センサチップと、前記半導体圧力センサチップを支持する支持部材と、前記半導体圧力センサチップと前記支持部材を接着して固定する接着剤層とを備える圧力センサにおいて、前記支持部材には、前記半導体圧力センサチップに当接しない突起部と、前記半導体圧力センサチップに当接するセンサチップ支持部とが形成され、前記接着剤層は、前記突起部に形成され、前記接着剤層の厚さは、前記突起部と、前記センサチップ支持部との間のギャップにより決定されることを特徴とする。

また、前記センサチップ支持部は、前記突起部と前記センサチップ支持部との間に形成された溝を介して、前記突起部の周囲に形成されるものとしてもよい。

また、前記支持部材に形成された前記突起部の接着領域は、前記半導体圧力センサチップの前記ダイヤフラム部の支持部材に対する投影箇所の内側となるものとしてもよい。

また、前記支持部材は、外部に対して絶縁して固定される金属製の支柱であるものとしてもよい。

また、前記支持部材は、前記圧力センサの筐体を構成するベースであるものとしてもよい。

また、前記ベースは、導電性の材質で形成されるものとしてもよい。

また、前記ベースは、絶縁性の材質で形成されるものとしてもよい。

また、前記支持部材には、さらに、前記液封室に配置され、前記半導体圧力センサチップが支持される取付基板が含まれるものとしてもよい。

また、前記取付基板は、絶縁性の材料で形成されるものとしてもよい。

また、前記取付基板の前記半導体圧力センサチップが固定される一方の面に、導電性の材料が接合されるものとしてもよい。

また、前記支持部材には、前記接着剤層が形成される突起部が、前記半導体センサチップに当接するセンサチップ支持部の周囲に形成されるものとしてもよい。

本発明の圧力センサによれば、ピエゾ抵抗効果方式のような半導体圧力センサチップを使用した圧力センサにおいて、部品の形状、加工精度を管理することにより一様な接着剤層の厚さを得ることができ、従来の温度変化による半導体圧力センサチップ、支持部材、接着剤等の線膨張係数の差異により生じる半導体圧力センサチップの歪を低減し、センサ出力の精度の向上を図ることができる。

本発明に係る圧力センサの第１の実施形態である液封形の圧力センサの全体を示す縦断面図である。 従来の圧力センサの半導体圧力センサチップの取り付け構造を示す縦断面図である。 図１に示す圧力センサの半導体圧力センサチップの取り付け構造を示す縦断面図である。 本発明に係る圧力センサの第２の実施形態の半導体圧力センサチップの取り付け構造を示す縦断面図である。 本発明に係る圧力センサの第３の実施形態の半導体圧力センサチップの取り付け構造を示す縦断面図である。 本発明に係る圧力センサの第４の実施形態の半導体圧力センサチップの取り付け構造を示す縦断面図である。 本発明に係る圧力センサの第５の実施形態の半導体圧力センサチップの取り付け構造を示す縦断面図である。 本発明に係る圧力センサの第６の実施形態の半導体圧力センサチップの取り付け構造を示す縦断面図である。 接着剤層の厚さと温度応答性の相関を示す図である。 本発明に係る圧力センサの第１の実施形態の半導体圧力センサチップの取り付け構造の変形例を示す縦断面図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

尚、以下の説明における上下方向、又は、左右方向の概念は、添付の図面における上下左右に対応しており、各部材の相対的な位置関係を示すものであって、絶対的な位置関係を示すものではない。

まず、本発明の第１の実施形態について説明する。

図１は、本発明に係る圧力センサの第１の実施形態である液封形の圧力センサ１００の全体を示す縦断面図である。

図１において、液封型の圧力センサ１００は、圧力検出される流体を後述する圧力室１１２Ａに導入する流体導入部１１０と、圧力室１１２Ａの流体の圧力を検出する圧力検出部１２０と、圧力検出部１２０で検出された圧力信号を外部に送出する信号送出部１３０と、流体導入部１１０、圧力検出部１２０、及び、信号送出部１３０を覆うカバー部材１４０とを備える。

流体導入部１１０は、圧力検出される流体が導かれる配管に接続される金属製の継手部材１１１と、継手部材１１１の配管に接続される端部と別の端部に溶接等により接続されるお椀形状を有する金属製のベースプレート１１２とを備える。

継手部材１１１には、配管の接続部の雄ねじ部にねじ込まれる雌ねじ部１１１ａと、配管から導入された流体を圧力室１１２Ａに導くポート１１１ｂとが形成される。ポート１１１ｂの開口端は、ベースプレート１１２の中央に設けられた開口部に溶接等により接続される。なお、ここでは、継手部材１１１に雌ねじ部１１１ａが設けられるものとしたが、雄ねじが設けられるものとしてもよく、または、継手部材１１１の代わりに、銅製の接続パイプが接続されるものとしてもよい。ベースプレート１１２は、継手部材１１１と対向する側に向かい広がるお椀形状を有し、後述するダイヤフラム１２２との間に圧力室１１２Ａを形成する。

圧力検出部１２０は、貫通孔を有するハウジング１２１と、上述の圧力室１１２Ａと後述する液封室１２４Ａとを隔絶するダイヤフラム１２２と、ダイヤフラム１２２の圧力室１１２Ａ側に配置されるダイヤフラム保護カバー１２３と、ハウジング１２１の貫通孔内部にはめ込まれるハーメチックガラス１２４と、ハーメチックガラス１２４の圧力室１１２Ａ側の凹部とダイヤフラム１２２との間にシリコーンオイル、または、フッ素系不活性液体等の圧力伝達媒体１２４ＰＭが充填される液封室１２４Ａと、ハーメチックガラス１２４の中央の貫通孔に配置される支柱１２５と、支柱１２５に固定され液封室１２４Ａ内部に配置される半導体圧力センサチップ１２６と、液封室１２４Ａの周囲に配置される電位調整部材１２７と、ハーメチックガラス１２４に固定される複数のリードピン１２８と、ハーメチックガラス１２４に固定されるオイル充填用パイプ１２９とを備える。

ハウジング１２１は、例えばＦｅ・Ｎｉ系合金やステンレス等の金属材料により形成される。ダイヤフラム１２２と、ダイヤフラム保護カバー１２３は、共に金属材料で形成され、共にハウジング１２１の圧力室１１２Ａ側の貫通孔の外周縁部において溶接される。ダイヤフラム保護カバー１２３は、ダイヤフラム１２２を保護するために圧力室１１２Ａ内部に設けられ、流体導入部１１０から導入された流体が通過するための複数の連通孔１２３ａが設けられる。ハウジング１２１は、圧力検出部１２０が組み立てられた後、流体導入部１１０のベースプレート１１２の外周縁部において、溶接等により接続される。

支柱１２５は、液封室１２４Ａ側に、半導体圧力センサチップ１２６が接着剤層１２５Ａにより接着して固定されるものである。半導体圧力センサチップ１２６は、上述のように流体導入部１１０から圧力室１１２Ａに導入された流体の圧力を、ダイヤフラム１２２を介して液封室１２４Ａ内の圧力伝達媒体１２４ＰＭの圧力変動として検出するものである。半導体圧力センサチップ１２６の取り付け構造については、後述する図３を使用して詳細に説明される。

電位調整部材１２７は、特許文献２に記載されているように、半導体圧力センサチップ１２６を無電界（ゼロ電位）内に置き、フレームアースと２次電源との間に生じる電位の影響でチップ内の回路などが悪影響を受けないようにするために設けられる。電位調整部材１２７は、液封室１２４Ａ内の半導体圧力センサチップ１２６とダイヤフラム１２２との間に配置され、金属等の導電性の材料で形成され、半導体圧力センサチップ１２６のゼロ電位に接続される端子に接続される。

ハーメチックガラス１２４には、複数のリードピン１２８と、オイル充填用パイプ１２９が貫通状態でハーメチック処理により固定される。本実施形態では、リードピン１２８として、全部で８本のリードピン１２８が設けられている。すなわち、外部入出力用（Ｖｏｕｔ）、駆動電圧供給用（Ｖｃｃ）、接地用（ＧＮＤ）の３本のリードピン１２８と、半導体圧力センサチップ１２６の調整用の端子として５本のリードピン１２８が設けられている。なお、図１においては、８本のリードピン１２８のうち４本が示されている。複数のリードピン１２８は、例えば、金またはアルミニウム製のボンディングワイヤ１２６Ａにより半導体圧力センサチップ１２６に接続され、半導体圧力センサチップ１２６の外部入出力端子を構成している。

オイル充填用パイプ１２９は、液封室１２４Ａの内部に圧力伝達媒体１２４ＰＭを充填するために設けられる。なお、オイル充填用パイプ１２９の一方の端部は、オイル充填後、図１の点線で示されるように、押し潰されて閉塞される。

信号送出部１３０は、圧力検出部１２０の圧力室１１２Ａに対向する側に設けられ、複数のリードピン１２８を配列する端子台１３１と、端子台１３１に接着剤１３２ａにより固定され、複数のリードピン１２８に接続される複数の接続端子１３２と、複数の接続端子１３２の外端部に半田付け等により電気的に接続される複数の電線１３３と、ハウジング１２１の上端部と端子台１３１の間にシリコーン系接着剤で形成される静電気保護層１３４とを備える。なお、静電気保護層１３４は、エポキシ樹脂などの接着剤でも良い。

端子台１３１は、略円柱形状であって、当該円柱の中段付近に、上述の複数のリードピン１２８をガイドするためのガイド壁を有する形状に形成され、樹脂材料、例えば、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）により形成される。端子台１３１は、例えば、静電気保護層１３４に使用されている接着剤により、圧力検出部１２０のハウジング１２１の上部に固定される。

接続端子１３２は、金属材料で形成され、端子台１３１の上述の固定壁より上段の円柱側壁に垂直に接着剤１３２ａにより固定される。なお、本実施形態では、外部入出力用（Ｖｏｕｔ）、駆動電圧供給用（Ｖｃｃ）、接地用（ＧＮＤ）の３本の接続端子１３２が設けられる。３本の接続端子１３２の内端部は、それぞれ対応するリードピン１２８に溶接等により電気的に接続されるが、この接続方法には限定されず、その他の方法で接続してもよい。

また、本実施形態では、３本の接続端子１３２に接続するために３本の電線１３３が設けられる。電線１３３は、電線１３３のポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）等で形成された被覆をはがした芯線１３３ａに予め予備半田を行い、その撚り線を束ねたものを、上述の接続端子１３２に半田付けや溶接等により接続端子１３２に電気的に接続されるが、この接続方法には限定されず、その他の方法で接続してもよい。また、３本の電線１３３は、圧力センサ１００の周囲を覆うカバー部材１４０から引き出された後、３本束ねた状態にしてポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）等で形成された保護チューブ（図示を省略する）で覆われる。

静電気保護層１３４は、ＥＳＤ保護回路の有無に影響されることなく、圧力検出部１２０の静電気耐力を向上させるために設けられるものである。静電気保護層１３４は、主に、ハーメチックガラス１２４の上端面を覆うようにハウジング１２１の上端面に塗布され、シリコーン系接着剤により形成される所定の厚さを有する環状の接着層１３４ａと、複数のリードピン１２８が突出するハーメチックガラス１２４の上端面全体に塗布され、シリコーン系接着剤からなる被覆層１３４ｂとから構成される。端子台１３１の空洞部を形成する内周面であって、ハーメチックガラス１２４の上端面に向き合う内周面には、ハーメチックガラス１２４に向けて突出する環状突起部１３１ａが形成されている。環状突起部１３１ａの突出長さは、被覆層１３４ｂの粘性等に応じて設定される。このように環状突起部１３１ａが形成されることにより、塗布された被覆層１３４ｂの一部が、表面張力により環状突起部１３１ａと、端子台１３１の空洞部を形成する内周面のうちハーメチックガラス１２４の上端面に略直交する部分との間の狭い空間内に引っ張られて保持されるので、被覆層１３４ｂが端子台１３１の空洞部内における一方側に偏ることなく塗布されることとなる。また、被覆層１３４ｂは、ハーメチックガラス１２４の上端面に所定の厚さで形成されるが、図１の部分１３４ｃに示すように、ハーメチックガラス１２４の上端面から突出する複数のリードピン１２８の一部分をさらに覆うように形成されてもよい。

カバー部材１４０は、略円筒形状で圧力検出部１２０及び信号送出部１３０の周囲を覆う防水ケース１４１と、端子台１３１の上部に被される端子台キャップ１４２と、防水ケース１４１の内周面とハウジング１２１の外周面及び端子台１３１の外周面との間を充填する封止剤１４３とを備える。

端子台キャップ１４２は、例えば樹脂材料により形成される。端子台キャップ１４２は、本実施形態では、上述の円柱形状の端子台１３１の上部を塞ぐ形状に形成され、ウレタン系樹脂等の封止剤１４３が充填される前に端子台１３１の上部に被される。しかしながら、端子台キャップ１４２はこの形状には限定されず、端子台１３１の上部及び防水ケース１４１の上部を一体として塞ぐ形状に形成され、封止剤１４３が充填された後に被されるものとしても、または、端子台キャップ１４２とは別に新たな蓋部材が設けられ、端子台キャップ１４２及び封止剤１４３が配置された後に、防水ケース１４１の上部に新たな蓋部材が被されるものとしてもよい。

防水ケース１４１は、樹脂材料、例えばポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）により略円筒形状に形成され、円筒形状の下端部には、内側に向かうフランジ部が設けられている。このフランジ部には、防水ケース１４１の上部の開口部から挿入された信号送出部１３０及び圧力検出部１２０が接続された流体導入部１１０のベースプレート１１２の外周部が当接する。この状態で封止剤１４３を充填することにより圧力検出部１２０等の内部の部品が固定される。

次に、半導体圧力センサチップ１２６の取り付け構造の詳細について説明する。まず、従来の半導体圧力センサチップ１２６の取り付け構造について、図２を使用して説明する。

図２は、従来の圧力センサ２００の半導体圧力センサチップ１２６の取り付け構造を示す縦断面図である。

図２において、従来の圧力センサ２００の半導体圧力センサチップ１２６は、支柱１２５の全面に塗布された接着剤層２２５Ａにより固定される。このように半導体圧力センサチップ１２６が接着剤層２２５Ａにより固定された後、半導体圧力センサチップ１２６のリード端子（図示を省略する）と、複数のリードピン１２８は、ワイヤボンディング工程により、金またはアルミニウム製のボンディングワイヤ１２６Ａにより接続される。

図２に示すように、従来の圧力センサ２００では、接着剤層２２５Ａが支柱２２５の全面に形成されているため、半導体圧力センサチップ１２６に対する、接着剤層２２５Ａ及び支柱２２５の拘束力が強くなっている。このため、これらの線膨張係数の差異により発生する熱応力の影響により、半導体圧力センサチップ１２６が歪む場合があった。つまり、例えば周囲温度が低下した場合には半導体圧力センサチップ１２６と比較して線膨張係数の大きい接着剤層２２５Ａが収縮し、逆に周囲温度が上昇した場合には半導体圧力センサチップ１２６と比較して接着剤層２２５Ａが膨張する。この場合に、半導体圧力センサチップ１２６と接着剤層２２５Ａとの間には熱応力が発生し、更に接着剤層２２５Ａと支柱２２５との間にも同様の理由で熱応力が発生する。このように発生した熱応力により、半導体圧力センサチップ１２６が歪む場合があった。

このように半導体圧力センサチップ１２６が歪んだ場合には、半導体圧力センサチップ１２６の出力特性が変化し、半導体圧力センサチップ１２６のセンサ出力の精度が低下するという問題があった。また、接着剤層２２５Ａの粘弾性の性質により、熱応力が変化した際に応力が平衡状態になるまでに時間がかかるため、圧力センサ２００の温度応答性が悪化することも知られているが、上述のように拘束力が強いため、この影響も考慮すべきという問題もあった。

このような従来の問題に対して対策を行った本発明に係る圧力センサの半導体圧力センサチップ１２６の取り付け構造の詳細について、図３を使用して説明する。

図３は、図１に示す圧力センサ１００の半導体圧力センサチップ１２６の取り付け構造を示す縦断面図である。

図１及び図３に示す圧力センサ１００において、半導体圧力センサチップ１２６は、接着剤層１２５Ａを介して、支持部材である支柱１２５に固定される。

半導体圧力センサチップ１２６としては、ここではピエゾ抵抗効果方式のように内部にダイヤフラム部が形成されるものが使用される。ピエゾ抵抗効果を利用した半導体圧力センサチップ１２６は、ピエゾ抵抗効果を有する材料（例えば、単結晶シリコン）からなるダイヤフラム部１２６ａ１を有する半導体基板部１２６ａと、ガラス等からなる台座部１２６ｂとから主に構成される。半導体基板部１２６ａと、台座部１２６ｂは、陽極接合法などにより接合され、半導体基板部１２６ａのダイヤフラム部１２６ａ１と、台座部１２６ｂとの間の空間は、基準圧力チャンバとなる。半導体基板部１２６ａのダイヤフラム部１２６ａ１には、複数の半導体歪みゲージが形成され、これらの半導体歪みゲージをブリッジ接続したブリッジ回路が構成される。このブリッジ回路により、外気圧と基準圧力チャンバとの圧力差により生じたダイヤフラム部１２６ａ１の変形を、半導体歪みゲージのゲージ抵抗の変化として、電気信号を取り出し、流体の圧力が検出される。

接着剤層１２５Ａとしては、シリコーン系、ウレタン系、フッ素系の接着剤、ゲル、ゴム、エラストマーが使用されるものとしてもよい。

支柱１２５は、ここではＦｅ・Ｎｉ系合金やステンレス等の金属材料で形成される。支柱１２５の半導体圧力センサチップ１２６に相対する面には、中央に形成された平坦な突起部である溝内凸部１２５ａと、溝内凸部１２５ａから溝１２５ｂを隔てて、支柱１２５の周囲に形成された円環形状の突起部であるセンサチップ支持部１２５ｃとが形成される。ここで、半導体圧力センサチップ１２６は、支柱１２５のセンサチップ支持部１２５ｃには密着するが、溝内凸部１２５ａには接触しない。なお、ここではセンサチップ支持部１２５ｃを円環形状としたが、これには限定されず、多角形状としても、複数に途切れた環状突起部としても構わない。

接着剤層１２５Ａは、支柱１２５に形成された溝内凸部１２５ａに形成され、センサチップ支持部１２５ｃには形成されない。このため、接着剤層１２５Ａの厚さは、溝内凸部１２５ａと、半導体圧力センサチップ１２６に当接するセンサチップ支持部１２５ｃとの間のギャップΔｇにより決定される。

図９は、接着剤層１２５Ａの厚さと温度応答性の相関を示す図である。

図９において、縦軸は高温から低温への温度変化後の半導体圧力センサチップ１２６の出力精度を示し、横軸は、接着剤層１２５Ａの厚さを示している。その結果、接着剤層１２５Ａの厚さが５μｍより厚いと温度応答遅れによる半導体圧力センサチップ１２６の出力精度の悪化が解消されることがわかった。これは、接着剤層１２５Ａの厚さが所定の厚さより薄いと、半導体圧力センサチップ１２６、支柱１２５、及び、接着剤層１２５Ａの線膨張係数の差異による熱応力により半導体圧力センサチップ１２６に歪みが発生し、半導体圧力センサチップ１２６の出力精度が悪化するが、接着剤層１２５Ａの厚さが所定の厚さより厚いと、接着剤層１２５Ａの弾性により生じる線膨張係数の差異による熱応力が吸収され、半導体圧力センサチップ１２６の歪が抑制されると考えられる。

このように、接着剤層１２５Ａの厚さを溝内凸部１２５ａとセンサチップ支持部１２５ｃとの間のギャップΔｇにより決定することにより、接着剤層１２５Ａを安定した厚さで容易に形成することができる。また、切削、エッチング、レーザー照射、プレス等で支柱１２５の表面を加工して、溝内凸部１２５ａとセンサチップ支持部１２５ｃを形成できるため、製造工程が容易となり、これらの高さ寸法を管理するのも容易となり、製造工数を抑制することができる。また、溝内凸部１２５ａとセンサチップ支持部１２５ｃとの間に、溝１２５ｂが設けられているため、余った接着剤が溝１２５ｂに流れ込み、接着剤層１２５Ａの接着領域が大きくなることもなく、接着剤層１２５Ａの厚さを一定に保つことができる。

また、本実施形態では、平坦な突起部である溝内凸部１２５ａに形成された接着剤層１２５Ａの接着領域が、半導体圧力センサチップ１２６の内部のダイヤフラム部１２６ａ１の支柱１２５に対する投影面積よりも小さくなっている。このように接着剤層１２５Ａの接着領域を小さくすることにより、半導体圧力センサチップ１２６に対する拘束力が弱くなり、互いの線膨張係数の差異による熱応力を抑制でき、半導体圧力センサチップ１２６の歪を防止できる。

つまり、検出されるべき流体が導入され変形を繰り返しているダイヤフラム部１２６ａ１のような変形部分に対応する部分のみを接着領域とした場合には、歪が生じにくいが、変形していないダイヤフラム部１２６ａ１の周囲の部分を接着領域とした場合には、半導体圧力センサチップ１２６はより強固に拘束され熱応力による歪が生じ易くなり、検出精度が悪化する。このため、接着剤層１２５Ａの接着領域を、半導体圧力センサチップ１２６の内部のダイヤフラム部１２６ａ１の支柱１２５に対する投影面積よりも小さくすることにより、センサ出力の精度が向上する。

また、本実施形態では、支柱１２５の中央に溝内凸部１２５ａが形成され、溝内凸部１２５ａから溝１２５ｂを隔てて、支柱１２５の周囲に形成された円環形状の突起部であるセンサチップ支持部１２５ｃが形成されるものとしたが、これには限定されない。つまり、図１０に示す本実施形態の変形例１０００に示すように、支柱１０２５の中央に、半導体圧力センサチップ１２６に当接するセンサチップ支持部１０２５ｃが設けられ、その周囲に溝１０２５ｂを介して、半導体圧力センサチップ１２６に接触せず、接着剤層１０２５Ａが形成される突起部１０２５ａが設けられるものとしてもよい。また、センサチップ支持部１０２５ｃは、半導体圧力センサチップ１２６を安定した傾きで保持できる程度の平坦面を有するものとしてもよく、さらに、突起部１０２５ａは、半導体圧力センサチップ１２６との間に、一定の厚さの接着剤層１０２５Ａが形成される高さに形成されるものとしてもよい。

以上のように、本発明の第１の実施形態によれば、接着剤層が支持部材に形成された突起部に形成され、この接着剤層の厚さが突起部と、センサチップ支持部との間のギャップΔｇにより決定される。このギャップΔｇと突起部の大きさは支柱１２５に加工された突起形状で形成されるため、接着剤層の厚さ及び接着領域の大きさを容易に管理することができる。これによりピエゾ抵抗効果方式のような半導体圧力センサチップを使用した圧力センサにおいて、従来の温度変化による半導体圧力センサチップ、支持部材、接着剤等の線膨張係数の差異により生じる半導体圧力センサチップの歪を低減し、センサ出力の精度の向上を図ることができる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。

図４は、本発明に係る圧力センサの第２の実施形態の半導体圧力センサチップ１２６の取り付け構造を示す縦断面図である。

図４において、圧力センサ４００は、図１及び図３に示す圧力センサ１００と比較して、支柱４２５と、半導体圧力センサチップ１２６との間に取付基板４２５Ｂが配置されることが異なり、その他の点は圧力センサ１００と同じである。同様の構成要素には、同様の符号を付し、説明を省略する。

取付基板４２５Ｂは、例えば、樹脂、ガラス、セラミックなどの絶縁材料で形成され、支柱４２５に接着剤等で固定される。

ここで、取付基板４２５Ｂの半導体圧力センサチップ１２６が固定される一方の面に、貼着、蒸着、めっき、フォトリソグラフィ等により、導電層が形成されるものとしてもよい。この導電層は、金、銀、銅、アルミニウム等のうちのいずれかの金属および合金膜により形成されるものとしてもよい。導電層は半導体圧力センサチップ１２６のゼロ電位に接続される端子に接続されている。このように、取付基板４２５Ｂに導電層を設け、ゼロ電位に接続されることにより、半導体圧力センサチップ１２６は制御回路側のゼロ電位に配置されるため、半導体圧力センサチップ１２６の電位が不安定な状態に配置されることを解消できる。

本実施形態でも、支持部材となる取付基板４２５Ｂには、半導体圧力センサチップ１２６に相対する面に、中央に形成された平坦な突起部である溝内凸部４２５Ｂａと、溝内凸部４２５Ｂａから溝４２５Ｂｂを隔てて、周囲に形成された円環形状の突起部であるセンサチップ支持部４２５Ｂｃとが形成される。接着剤層４２５Ａは、取付基板４２５Ｂに形成された溝内凸部４２５Ｂａに形成され、センサチップ支持部４２５Ｂｃには形成されない。このため、接着剤層４２５Ａの厚さは、溝内凸部４２５Ｂａと、半導体圧力センサチップ１２６に当接するセンサチップ支持部４２５Ｂｃとの間のギャップΔｇにより決定される。なお、センサチップ支持部４２５Ｂｃを円環形状の突起部としたが、これには限定されず、溝内凸部４２５Ｂａとの間に、溝４２５Ｂｂを介してギャップΔｇが形成できればよく、突起部である必要はない。

以上のように、本発明の第２の実施形態の圧力センサ４００によっても、第１の実施形態の圧力センサ１００と同様の作用効果を奏することができる。さらに、支柱４２５に取り付けられる取付基板４２５Ｂを加工すればよいため、加工がさらに容易となり、製造工数を抑制することができる。

次に、本発明の第３の実施形態について説明する。

図５は、本発明の係る圧力センサの第３の実施形態の半導体圧力センサチップ１２６の取り付け構造を示す縦断面図である。

図５において、圧力センサ５００は、図１及び図３に示す圧力センサ１００と比較して、支持部材として、支柱１２５の代わりに、圧力センサ５００の筐体を構成するベース５２５が設けられ、半導体圧力センサチップ１２６がこのベース５２５に接着剤層５２５Ａを介して固定される点が異なる。

なお、本実施形態において、ベース５２５は、ステンレスを含む金属のような導電性の材料で形成される。このため、ボンディングワイヤ１２６Ａにより半導体圧力センサチップ１２６に接続された複数のリードピン５２８のそれぞれは、絶縁性のハーメチックガラス５２４を介して、ベース５２５に貫通して固定される。

本実施形態でも、支持部材となるベース５２５には、半導体圧力センサチップ１２６に相対する面に、中央に形成された平坦な突起部である溝内凸部５２５ａと、溝内凸部５２５ａから溝５２５ｂを隔てて、周囲に形成された円環形状の突起部であるセンサチップ支持部５２５ｃとが形成される。接着剤層５２５Ａは、ベース５２５に形成された溝内凸部５２５ａに形成され、センサチップ支持部５２５ｃには形成されない。このため、接着剤層５２５Ａの厚さは、溝内凸部５２５ａと、半導体圧力センサチップ１２６に当接するセンサチップ支持部５２５ｃとの間のギャップΔｇにより決定される。なお、センサチップ支持部５２５ｃを円環形状の突起部としたが、これには限定されず、溝内凸部５２５ａとの間に、溝５２５ｂを介してギャップΔｇが形成できればよく、突起部である必要はない。

以上のように、本発明の第３の実施形態の圧力センサ５００によっても、第１の実施形態の圧力センサ１００と同様の作用効果を奏することができる。

次に、本発明の第４の実施形態について説明する。

図６は、本発明に係る圧力センサの第４の実施形態の半導体圧力センサチップ１２６の取り付け構造を示す縦断面図である。

図６において、圧力センサ６００は、図５に示す圧力センサ５００と比較して、ステンレス製のような導電性の材料により形成されたベース６２５と、半導体圧力センサチップ１２６との間に取付基板６２５Ｂが配置されることが異なり、その他の点は圧力センサ５００と同じである。同様の構成要素には、同様の符号を付し、説明を省略する。

本実施形態でも、支持部材となる取付基板６２５Ｂには、半導体圧力センサチップ１２６に相対する面に、中央に形成された平坦な突起部である溝内凸部６２５Ｂａと、溝内凸部６２５Ｂａから溝６２５Ｂｂを隔てて、周囲に形成された円環形状の突起部であるセンサチップ支持部６２５Ｂｃとが形成される。接着剤層６２５Ａは、取付基板６２５Ｂに形成された溝内凸部６２５Ｂａに形成され、センサチップ支持部６２５Ｂｃには形成されない。このため、接着剤層６２５Ａの厚さは、溝内凸部６２５Ｂａと、半導体圧力センサチップ１２６に当接するセンサチップ支持部６２５Ｂｃとの間のギャップΔｇにより決定される。

以上のように、本発明の第４の実施形態の圧力センサ６００によっても、第３の実施形態の圧力センサ５００と同様の作用効果を奏することができる。さらに、ベース６２５に取り付けられる取付基板６２５Ｂを加工すればよいため、加工がさらに容易となり、製造工数を抑制することができる。

次に、本発明の第５の実施形態について説明する。

図７は、本発明に係る圧力センサの第５の実施形態の半導体圧力センサチップ１２６の取り付け構造を示す縦断面図である。

図７において、圧力センサ７００は、図５に示す圧力センサ５００と比較して、支持部材として、金属のような導電性の材料で形成されたベース５２５の代わりに、樹脂、セラミック等の絶縁性の材料で形成されたベース７２５が設けられ、半導体圧力センサチップ１２６がこのベース７２５に接着剤層７２５Ａを介して固定される点が異なる。

なお、本実施形態において、ベース７２５として、樹脂、セラミック等の絶縁材を使用することにより、材料の加工性が向上し工数が削減でき、さらに、導電性の複数のリードピン７２８を固定するために、絶縁性のハーメチックガラスを使用する必要もなくなり、製造原価も低廉に抑制できる。

本実施形態でも、支持部材となるベース７２５には、半導体圧力センサチップ１２６に相対する面に、中央に形成された平坦な突起部である溝内凸部７２５ａと、溝内凸部７２５ａから溝７２５ｂを隔てて、周囲に形成された円環形状の突起部であるセンサチップ支持部７２５ｃとが形成される。接着剤層７２５Ａは、ベース７２５に形成された溝内凸部７２５ａに形成され、センサチップ支持部７２５ｃには形成されない。このため、接着剤層７２５Ａの厚さは、溝内凸部７２５ａと、半導体圧力センサチップ１２６に当接するセンサチップ支持部７２５ｃとの間のギャップΔｇにより決定される。なお、センサチップ支持部７２５ｃを円環形状の突起部としたが、これには限定されず、溝内凸部７２５ａとの間に、溝７２５ｂを介してギャップΔｇが形成できればよく、突起部である必要はない。

以上のように、本発明の第５の実施形態の圧力センサ７００によっても、第３の実施形態の圧力センサ５００と同様の作用効果を奏することができ、さらに、樹脂、セラミック等の絶縁性の材料で形成されたベース７２５を加工すればよいため、材料の加工性が向上し工数が削減できる。

次に、本発明の第６の実施形態について説明する。

図８は、本発明に係る圧力センサの第６の実施形態の半導体圧力センサチップ１２６の取り付け構造を示す縦断面図である。

図８において、圧力センサ８００は、図７に示す圧力センサ７００と比較して、樹脂、セラミック等の絶縁性の材料により形成されたベース８２５と、半導体圧力センサチップ１２６との間に取付基板８２５Ｂが配置されることが異なり、その他の点は圧力センサ７００と同じである。同様の構成要素には、同様の符号を付し、説明を省略する。

本実施形態でも、支持部材となる取付基板８２５Ｂには、半導体圧力センサチップ１２６に相対する面に、中央に形成された平坦な突起部である溝内凸部８２５Ｂａと、溝内凸部８２５Ｂａから溝８２５Ｂｂを隔てて、周囲に形成された円環形状の突起部であるセンサチップ支持部８２５Ｂｃとが形成される。接着剤層８２５Ａは、取付基板８２５Ｂに形成された溝内凸部８２５Ｂａに形成され、センサチップ支持部８２５Ｂｃには形成されない。このため、接着剤層８２５Ａの厚さは、溝内凸部８２５Ｂａと、半導体圧力センサチップ１２６に当接するセンサチップ支持部８２５Ｂｃとの間のギャップΔｇにより決定される。

以上のように、本発明の第６の実施形態の圧力センサ８００によっても、第５の実施形態の圧力センサ７００と同様の作用効果を奏することができる。さらに、ベース８２５に取り付けられる取付基板８２５Ｂを加工すればよいため、加工がさらに容易となり、製造工数を抑制することができる。

なお、本発明の圧力センサについて、第１乃至第６の実施形態の液封型の圧力センサを例にとり説明してきたが、これには限定されず、ピエゾ抵抗効果方式のような半導体圧力センサチップを使用する他の圧力センサに適用することもできる。

以上のように、本発明の圧力センサによれば、接着剤層が支持部材に形成された突起部に形成され、この接着剤層の厚さが突起部と、センサチップ支持部との間のギャップΔｇにより決定される。このギャップΔｇと突起部の大きさは支持部材に加工された形状で形成されるため、接着剤層の厚さ及び接着領域の大きさを容易に管理することができる。これによりピエゾ抵抗効果方式のような半導体圧力センサチップを使用した圧力センサにおいて、従来の温度変化による半導体圧力センサチップ、支持部材、接着剤等の線膨張係数の差異により生じる半導体圧力センサチップの歪を低減し、センサ出力の精度の向上を図ることができる。

１００、４００、５００、６００、７００、８００、１０００ 圧力センサ
１１０ 流体導入部
１１１ 継手部材
１１１ａ 雌ねじ部
１１１ｂ ポート
１１２ ベースプレート
１１２Ａ 圧力室
１２０ 圧力検出部
１２１ ハウジング
１２２ ダイヤフラム
１２３ ダイヤフラム保護カバー
１２３ａ 連通孔
１２４、５２４ ハーメチックガラス
１２４Ａ 液封室
１２５、４２５ 支柱
１２５ａ、４２５Ｂａ、５２５ａ、６２５Ｂａ、７２５ａ、８２５Ｂａ 溝内凸部
１２５ｂ、４２５Ｂｂ、５２５ｂ、６２５Ｂｂ、７２５ｂ、８２５Ｂｂ、１０２５ｂ 溝
１２５ｃ、４２５Ｂｃ、５２５ｃ、６２５Ｂｃ、７２５ｃ、８２５Ｂｃ、１０２５ｃ センサチップ支持部
１２５Ａ、４２５Ａ、５２５Ａ、６２５Ａ、７２５Ａ、８２５Ａ、１０２５Ａ 接着剤層
１２６ 半導体圧力センサチップ
１２６ａ 半導体基板部
１２６ａ１ ダイヤフラム部
１２６ｂ 台座部
１２６Ａ ボンディングワイヤ
１２７ 電位調整部材
１２８、５２８、７２８ リードピン
１２９ オイル充填用パイプ
１３０ 信号送出部
１３１ 端子台
１３２ 接続端子
１３２ａ 接着剤
１３３ 電線
１３３ａ 芯線
１３４ 静電気保護層
１３４ａ 接着層
１３４ｂ 被覆層
１３４ｃ 部分
１４０ カバー部材
１４１ 防水ケース
１４２ 端子台キャップ
１４３ 封止剤
５２５、６２５、７２５、８２５ ベース
４２５Ｂ、６２５Ｂ、８２５Ｂ 取付基板
１０２５ａ 突起部

Claims (11)

1. 内部にダイヤフラム部を有する半導体圧力センサチップと、
   前記半導体圧力センサチップを支持する支持部材と、
   前記半導体圧力センサチップと前記支持部材を接着して固定する接着剤層と
   を備える圧力センサにおいて、
   前記支持部材には、前記半導体圧力センサチップに当接しない突起部と、前記半導体圧力センサチップに当接するセンサチップ支持部とが形成され、
   前記接着剤層は、前記突起部に形成され、
   前記接着剤層の厚さは、前記突起部と、前記センサチップ支持部との間のギャップにより決定されることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記センサチップ支持部は、前記突起部と前記センサチップ支持部との間に形成された溝を介して、前記突起部の周囲に形成されることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記支持部材に形成された前記突起部の接着領域は、前記半導体圧力センサチップの前記ダイヤフラム部の支持部材に対する投影箇所の内側となることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
4. 前記支持部材は、外部に対して絶縁して固定される金属製の支柱であることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
5. 前記支持部材は、前記圧力センサの筐体を構成するベースであることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
6. 前記ベースは、導電性の材質で形成されることを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ。
7. 前記ベースは、絶縁性の材質で形成されることを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ。
8. 前記支持部材には、さらに、前記液封室に配置され、前記半導体圧力センサチップが支持される取付基板が含まれることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
9. 前記取付基板は、絶縁性の材料で形成されることを特徴とする請求項８に記載の圧力センサ。
10. 前記取付基板の前記半導体圧力センサチップが固定される一方の面に、導電性の材料が接合されることを特徴とする請求項９に記載の圧力センサ。
11. 前記支持部材には、前記接着剤層が形成される突起部が、前記半導体センサチップに当接するセンサチップ支持部の周囲に形成されることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。

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