JP3578865B2 - 気体用圧力センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定圧力を受けるダイアフラムの変位を静電容量の変化として検出する静電容量式の気体用圧力センサに関する。
【０００２】
【背景技術】
従来より、測定圧力を受けて変位するダイアフラムと、このダイアフラムの変位を静電容量に変換するための電極を有し、これにより、測定圧力の検出を可能とした静電容量式の圧力センサが利用されている。
この静電容量式の圧力センサの一例としては、特開平７−２８６９２５号公報に示されるものが知られている。
この圧力センサは、比較的底の深い容器状のベースの内部に、ダイアフラム、電極、および、信号処理回路等の構成要素を積み重ねることにより、全体の小型化を図ったものである。
このような静電容量式の圧力センサは、外部電界等のノイズによる影響が大きいので、圧力センサ全体あるいは電極のみをシールド板で覆うなどにより、外部ノイズの影響を受け難くしている。
一方、特開平２−２９０５２４号公報に示されるように、ダイアフラムおよび電極の両方を小型の半導体チップに組み込んだ圧力センサチップが、半導体製造プロセスを利用して製造されている。
このような圧力センサチップは、特開平７−２９４３５２号公報に示されるように、信号処理回路等も内部に組み込めるため、圧力センサの小型化に大いに貢献できる。
また、特開平７−２９４３５２号公報の圧力センサチップは、歪みゲージ式のもので、そのままでは個々の温度特性等にばらつきがあるので、外部に突出する調整用の端子が設けられている。この端子を利用してその特性を測定しながら、圧力センサチップ内部の信号処理回路に設けられた温度補償調整用抵抗等をトリミングし、所定の特性が得られるように調整を行った後、調整用の端子を切り離している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
特開平７−２８６９２５号公報に示されるような圧力センサでは、その構成要素を下から積み重ねる構造となっているので、組立手順が限られることから、組立工数の削減が困難なうえ、べースの高さ寸法が嵩み、高さ寸法を小さくすることが困難となるという問題がある。
また、外部電界の影響を受け難くするために、圧力センサ全体を覆う大型のシールド部材や、電極を挟んで配置される一対の大きなシールド板等が必要となり、部品点数および組立工数が増加し、生産性を阻害するという問題がある。
ここで、圧力センサのベースやケースを金属製にしたり、ベースやケース内面を金属メッキ等でメタライズするなどにより、ベースやケースそのものにシールド効果を付与することが考えられるが、金属製のベースやケースでは、合成樹脂製のものよりも量産性や生産性の点で劣り、メタライズされたベースやケースでは、製作に工数がかかり、やはり量産性・生産性の点で問題がある。
また、圧力センサチップの静電容量変化は、個々のチップによりばらつきがあり、このばらつきを是正するために、信号処理回路を個々に調整しているが、この調整は、浮遊容量の変動を防ぐために、圧力センサチップをシールド効果のあるケース等の内部に封止した状態で行わなければならない。このため、ケース等の外部に突出する調整用の端子を設ける必要があり、部品点数が増えるうえ、調整用の端子は、調整後、ケース等から切り離す、あるいは、合成樹脂等で覆う必要があるので、完成までの工数が増え、この点からも、生産性を阻害するという問題が生じる。
【０００４】
本発明の目的は、生産性が向上するうえ、周囲温度の変化および外部ノイズに対して影響を受けにくく、安定した測定が行える静電容量式の気体用圧力センサを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体および金属のいずれか一方からなるダイアフラムの中央部分が変位可能となるように空隙を形成した状態で、当該ダイアフラムの周縁部分を両側から狭持する一対の絶縁物が設けられ、前記一対の絶縁物の一方には、測定圧を導入する測定圧導入孔が形成され、前記一対の絶縁物の他方には、基準圧を導入する基準圧導入孔が形成され、かつ、これらの一対の絶縁物の少なくとも一方の絶縁物には、前記ダイアフラムとの対向面に電極が形成され、前記測定圧による前記ダイアフラムの変位を、当該ダイアフラムと前記電極との間の静電容量の変化から検出するための圧力センサチップと、この圧力センサチップを収納するとともに、当該ケースの内部に前記測定圧を導入するための圧力導入孔が設けられたケースと、前記圧力センサチップの静電容量を所定の電気信号に変換する信号処理回路とを備えた気体用圧力センサであって、前記圧力センサチップは、前記ケースの前記圧力導入孔の位置から外れた位置に配置され、前記ケースの残りの部分には、前記信号処理回路を構成する回路部品が配置され、かつ、前記ケースには、前記圧力導入孔から前記圧力センサチップにまで延びる圧力導入路が設けられ、この圧力導入路は、前記ケースの前記圧力センサチップが配置された面に形成された溝と、この溝を覆う蓋部とに囲まれた空間であることを特徴とする。
【０００６】
以上において、前記蓋部は、前記信号処理回路を形成するプリント基板の一部とすることができる。
また、前記圧力センサチップは、その電極を覆うように配置された一対のシールド材の間に配置されているとともに、前記蓋部は、前記シールド材の一方を構成していることが好ましい。
さらに、前記一対のシールド材の少なくとも一方は、前記ケースとは別体となっていることが好ましい。
また、前記信号処理回路が形成されるプリント基板上には、前記気体用圧力センサの出力調整端子が設けられていることが望ましい。
さらに、前記蓋部は、前記圧力センサチップが接合されるとともに、当該圧力センサチップとほぼ同程度の熱膨張温度特性を有する材質からなることが好ましい。
また、前記蓋部の少なくとも前記センサチップとの接合部分の材質は、コバールおよびガラスのいずれか一方であることが望ましい。
【０００７】
このような本発明では、圧力センサチップがケースに設けられる圧力導入孔の位置から外れた位置に配置され、ケースの残りの部分に信号処理回路を構成する回路部品が配置されることから、圧力センサチップと信号処理回路とがケース内に並設されるようになるので、積み重ね構造となった従来の圧力センサと異なり、組立手順に自由度が生じ、組立工数の削減が可能となって組立が容易となり、その生産性が向上するうえ、ケースの高さ寸法が小さくなる。
しかも、圧力センサチップをケースに設けられた圧力導入孔の位置から外れた位置に配置しても、圧力導入路により、圧力導入孔から圧力センサチップまで測定圧力が伝達されるようになるので、圧力の測定が可能である。
この際、圧力センサチップ側の面に形成された溝と、この溝を覆う蓋部とに囲まれた空間で圧力導入路を形成すれば、圧力センサの組立容易性が阻害されず、良好な生産性が維持される。
また、信号処理回路を形成するプリント基板の一部を蓋部として利用すれば、部品点数が増えないので、良好な組立容易性が確保され、ひいては、良好な生産性が維持される。
さらに、圧力センサチップの電極を覆うように配置された一対のシールド材の間に圧力センサチップを配置するとともに、前記蓋部によって前記シールド材の一方を構成すれば、簡単な構造で圧力センサチップが完全にシールドされるようになり、外部ノイズに対して影響を受けにくく、安定した測定が行えるうえ、合成樹脂製等のケースの採用が可能となり、合成樹脂製のケースの採用により、量産性および生産性がさらに向上される。
また、一対のシールド材の少なくとも一方を、ケースと別体とすれば、ケースの加工が容易となり、この点からも良好な生産性が維持される。
ここで、信号処理回路が形成されるプリント基板上に圧力センサの出力調整端子を設ければ、ケースで封止しなくとも、圧力センサチップがシールド材で完全にシールドされた状態となり、ケースを開けた状態で、出力調整端子を用いて調整が可能となり、ケースの外部に突出する調整用の端子、および、調整後の端子の切り離し作業も不要となり、完成までの工数が減り、この点からも、生産性が向上される。
また、圧力センサチップとほぼ同程度の熱膨張温度特性を有する材質、例えば、コバールまたはガラスで蓋部を形成すれば、蓋部との熱膨張差による圧力センサチップの歪みが防止され、温度の変化に影響を受けない良好な出力特性が確保されるようになる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の一形態を図面に基づいて説明する。
図１および図２には、本発明の第１実施形態に係る気体用の圧力センサ１が示されている。圧力センサ１は、ケース１０の内部に信号処理回路を構成する回路部品であるＩＣチップ２０と、静電容量式の圧力センサチップ３０とを設けたものである。
ケース１０は、合成樹脂製のボトムケース１０Ａ と、合成樹脂製のアッパーケース１０Ｂ とに分割されたものである。
【０００９】
ボトムケース１０Ａ は、周縁に設けられた立ち上がり部１１Ａ に囲まれた凹部１２を有する容器状のものである。
一方、アッパーケース１０Ｂ は、ボトムケース１０Ａ の立ち上がり部１１Ａ と嵌合する垂れ下がり部１１Ｂ が周縁に設けられた蓋状のものである。
ボトムケース１０Ａ の図１中下方の面１０Ｃ の中心位置近傍には、被測定流体が流通する配管等に接続するための継手部１３が突設されている。この継手部１３の中心には、被測定流体の圧力である測定圧力を圧力センサ１の内部に導入するための圧力導入孔１４が設けられている。
ボトムケース１０Ａ の凹部１２の内部には、ケース１０Ａ の中心から周縁方向へ片寄った位置に圧力センサチップ３０が配置され、ボトムケース１０Ａ の凹部１２の残りの部分には、ＩＣチップ２０を実装したプリント基板２１が配置されている。
【００１０】
ボトムケース１０Ａ の圧力センサチップ３０が配置された面には、溝１５が設けられいる。この溝１５は、圧力導入孔１４から圧力センサチップ３０の直下にまで延び、図中上方に配置された蓋部１６に覆われている。これらの溝１５および蓋部１６とに囲まれた空間は、圧力導入孔１４から圧力センサチップ３０にまで延びる圧力導入路となっている。
ここで、蓋部１６およびボトムケース１０Ａ は、溝１５に導かれる圧力に耐えうるように接着剤等で相互に接合されている。また、蓋部１６には、圧力センサチップ３０の直下となる位置に連通孔１７が設けられている。
一方、プリント基板２１には、圧力センサ１の出力調整端子２２が複数設けられている。これらの出力調整端子２２は、プリント基板２１の図２中上方の端縁に沿って配列されている。プリント基板２１の図２中左側の端縁には、圧力センサ１の外部へ出力信号を送出するとともに外部からの電源電圧を受けるために、複数の電線２３が接続されている。
【００１１】
圧力センサチップ３０は、図３に示されるように、中央部分が表裏とも凹んだダイアフラム３１を含んで構成されたものであり、柔らかいシリコーン樹脂１６Ａ で蓋部１６に接着されている。
ダイアフラム３１は、半導体から形成されたものある。ダイアフラム３１の両側には、当該ダイアフラム３１の周縁部分を狭持するように面状の絶縁物３２， ３３が一対設けられている。
ここで、ダイアフラム３１の中央部分は、その凹みにより、絶縁物３２， ３３との間に空隙が設けられ、図中上下方向に変位可能となっている。
絶縁物３２， ３３の各々は、耐熱ガラス等のガラスで形成されたものである。絶縁物３２， ３３の各々には、ダイアフラム３１との対向面に図示しない電極が形成されている。なお、これらの電極は、ボンディングワイヤ１６Ｂ によりプリント基板２１と電気的に接続されている。
【００１２】
絶縁物３２， ３３のうち、図中下方の絶縁物３２には、測定圧を導入するための測定圧導入孔３４が形成され、図中上方の絶縁物３３には、基準圧を導入するための基準圧導入孔３５が形成されている。
ここで、圧力センサチップ３０を蓋部１６に接着するシリコーン樹脂１６Ａ は、蓋部１６および絶縁物３２の間の空間を、蓋部１６の連通孔１７および絶縁物３２の測定圧導入孔３４の全周に渡って完全に密閉するものとなっている。
これにより、圧力導入孔１４から導入される測定圧がダイアフラム３１まで確実に伝達され、測定圧による変位でダイアフラム３１と絶縁物３２， ３３の電極との間の静電容量が変化し、測定圧が正確に検出可能となっている。
【００１３】
プリント基板２１の圧力センサチップ３０側の端縁近傍には、棒状の支持部材３６， ３７が立設されている。これらの支持部材３６， ３７と、ボトムケース１０Ａ の立ち上がり部１１Ａ との間には、シールド材３８が架け渡されている。
シールド材３８は、金属等の電気抵抗の小さい導体板からなり、ボトムケース１０Ａ とは別体となっている。
蓋部１６は、圧力センサチップ３０の絶縁物３２， ３３と線膨張係数が近似するニッケル合金であるコバールから構成され、シールド材の機能を有している。
これらの蓋部１６およびシールド材３８は、圧力センサチップ３０の両側に配置されるとともに、電気的に相互に接続されている。これにより、圧力センサチップ３０は、静電遮蔽された状態となっている。
【００１４】
前述のような本実施形態によれば、次のような効果が得られる。
すなわち、圧力センサチップ３０をケース１０の中央部分から周縁方向へ片寄った位置に配置し、ケース１０の残りの部分に信号処理回路を構成するＩＣチップ２０を配置し、圧力センサチップ３０とＩＣチップ２０とをケース１０内に並設するようにしたので、積み重ね構造となった従来の圧力センサと異なり、圧力センサ１の組立手順に自由度が生じ、組立工数の削減が可能となって組立が容易となり、その生産性を向上できるうえ、ケース１０の高さ寸法を小さくできる。
【００１５】
しかも、圧力センサチップ３０を圧力導入孔１４から離して配置しても、溝１５を含んで構成された圧力導入路により、圧力導入孔１４から圧力センサチップ３０まで測定圧力が伝達されるようになるので、圧力の測定が可能であるうえ、溝１５の加工が容易であるとともに、溝１５を蓋部１６で覆うだけで圧力導入路が形成されることから、圧力センサ１の組立容易性が阻害されず、生産性を向上できる。
【００１６】
また、圧力センサチップ３０の電極を覆うように配置された一対のシールド材として、蓋部１６およびシールド材３８を設け、これらの蓋部１６およびシールド材３８の間に圧力センサチップ３０を配置するようにしたので、簡単な構造で圧力センサチップ３０をシールドできるようになり、外部ノイズに対して影響を受けにくく、安定した測定を行うことができる。
【００１７】
さらに、一対のシールド材としての蓋部１６およびシールド材３８をケース１０と別体としたので、合成樹脂製のケース１０を採用でき、この点からも良好な生産性を確保できる。
しかも、金属製のケース１０、または、メタライズ処理したケース１０で封止しなくとも、圧力センサチップ３０が蓋部１６およびシールド材３８でシールドされた状態となり、ケース１０を開けた状態で、プリント基板２１に設けた出力調整端子２２を用いて調整が可能となり、ケース１０の外部に突出する調整用の端子、および、調整後の端子の切り離し作業が不要となり、完成までの工数が減り、この点からも、生産性を向上できる。
【００１８】
また、圧力センサチップ３０の絶縁物３２， ３３とほぼ同程度の線膨張計数を有する材質であるコバールで蓋部１６を形成したので、蓋部１６との熱膨張差による圧力センサチップ３０の歪みが防止され、温度の変化に影響を受けない良好な出力特性を確保することができる。
しかも、圧力センサチップ３０を柔らかいシリコーン樹脂１６Ａ で蓋部１６に接着したので、シリコーン樹脂１６Ａ で熱膨張差以外の外的ストレスをも吸収できるため、この点からも、圧力センサチップ３０の歪みが防止され、温度等の測定環境の変化による影響を受けない良好な出力特性を確保することができる。
【００１９】
図４および図５には、本発明の第２実施形態が示されている。なお、以下の説明では、既に説明した部位・部材と同一の部位・部材には、同一の符号を付し、その説明を省略もしくは簡略にする。
本実施形態は、前記第１実施形態における蓋部１６とは別個に設けられたプリント基板２１を、蓋部を兼用するプリント基板２１Ａ としたものである。
すなわち、プリント基板２１Ａ は、凹部１２とほぼ同じ程度の面積を有したものであり、図中右側の部分が溝１５を覆う蓋部となっている。このプリント基板２１Ａ には、図６に示されるように、圧力センサチップ３０の直下となる位置に連通孔１７が設けられている。
連通孔１７は、内側全面が銅箔や金メッキ等で覆われたスルーホールとなっている。
プリント基板２１Ａ の表面および裏面の少なくとも一方の面には、圧力センサチップ３０の面積および位置に応じて、プリント基板２１Ａ の銅箔をそのまま残した、いわゆるベタパターン２４が形成されている。このベタパターン２４は、シールド機能を有し、圧力センサチップ３０直上のシールド板３８と電気的に接続することで、圧力センサチップ３０を静電遮蔽している。
このような本実施形態においても、前記第１実施形態と同様の作用、効果を得ることができる他、プリント基板２１Ａ が蓋部を兼用するので、部品点数がさらに低減され、良好な組立容易性を確保でき、ひいては、生産性をさらに向上できるという効果を付加することができる。
【００２０】
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は、この実施形態に限られるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の改良並びに設計の変更が可能である。
例えば、圧力センサチップのダイアフラムとしては、半導体からなるものに限らず、金属製のものでもよい。
また、圧力センサチップの絶縁物としては、耐熱ガラスからなるものに限らず、他のガラスやセラミックス製のものでもよい。
さらに、圧力センサチップとしては、ダイアフラムを挟む両方の絶縁物に電極を設けたものに限らず、ダイアフラムを挟む一対の絶縁物のうちの一方のみに電極を設けたものでもよい。
【００２１】
また、蓋部としては、ニッケル合金であるコバール製のものに限らず、他の金属製のものや、ガラス等の電気絶縁材料からなるものでもよく、圧力センサチップの絶縁物と線膨張係数が近似していれば、熱歪みにより影響を低減できる。
ここで、蓋部の材質として、電気絶縁材料を採用する場合には、表面をメッキや蒸着、塗装でメタライズすれば、シールド機能を付与することができる。
【００２２】
【発明の効果】
前述のように本発明によれば、生産性を向上でき、周囲温度の変化および外部ノイズに対して影響を受けにくくなり、安定した圧力測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の気体用圧力センサの全体を示す縦断面図である。
【図２】前記実施形態の気体用圧力センサの全体を示す平断面図である。
【図３】前記実施形態の気体用圧力センサの要部を示す拡大断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態の気体用圧力センサの全体を示す縦断面図である。
【図５】前記実施形態の気体用圧力センサの全体を示す平断面図である。
【図６】前記実施形態の気体用圧力センサの要部を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
１ 気体用圧力センサ
１０ ケース
１４ 圧力導入孔
１５ 圧力導入路を構成する溝
１６ 圧力導入路を構成するとともに、シールド材を兼用する蓋部
２０ 信号処理回路を構成するＩＣチップ
２１Ａ 一部が蓋部となったプリント基板
２２ 出力調整端子
３０ 圧力センサチップ
３１ ダイアフラム
３２， ３３ 絶縁物
３４ 測定圧導入孔
３５ 基準圧導入孔
３８ シールド材

Claims (6)

1. 半導体および金属のいずれか一方からなるダイアフラムの中央部分が変位可能となるように空隙を形成した状態で、当該ダイアフラムの周縁部分を両側から狭持する一対の絶縁物が設けられ、前記一対の絶縁物の一方には、測定圧を導入する測定圧導入孔が形成され、前記一対の絶縁物の他方には、基準圧を導入する基準圧導入孔が形成され、かつ、これらの一対の絶縁物の少なくとも一方の絶縁物には、前記ダイアフラムとの対向面に電極が形成され、前記測定圧による前記ダイアフラムの変位を、当該ダイアフラムと前記電極との間の静電容量の変化から検出するための圧力センサチップと、
   この圧力センサチップを収納するとともに、当該ケースの内部に前記測定圧を導入するための圧力導入孔が設けられたケースと、
   前記圧力センサチップの静電容量を所定の電気信号に変換する信号処理回路とを備えた気体用圧力センサであって、
   前記圧力センサチップは、前記ケースの前記圧力導入孔の位置から外れた位置に配置され、前記ケースの残りの部分には、前記信号処理回路を構成する回路部品が配置され、かつ、前記ケースには、前記圧力導入孔から前記圧力センサチップにまで延びる圧力導入路が設けられ、この圧力導入路は、前記ケースの前記圧力センサチップが配置された面に形成された溝と、この溝を覆う蓋部とに囲まれた空間であることを特徴とする気体用圧力センサ。
2. 請求項１に記載の気体用圧力センサにおいて、前記蓋部は、前記信号処理回路を形成するプリント基板の一部であることを特徴とする気体用圧力センサ。
3. 請求項１または請求項２に記載の気体用圧力センサにおいて、前記圧力センサチップは、その電極を覆うように配置された一対のシールド材の間に配置されているとともに、前記蓋部は、前記シールド材の一方を構成し、前記一対のシールド材の少なくとも一方は、前記ケースとは別体となっていることを特徴とする気体用圧力センサ。
4. 請求項３に記載の気体用圧力センサにおいて、前記信号処理回路が形成されるプリント基板上には、前記気体用圧力センサの出力調整端子が設けられていることを特徴とする気体用圧力センサ。
5. 請求項１に記載の気体用圧力センサにおいて、前記蓋部は、前記圧力センサチップが接合されるとともに、当該圧力センサチップとほぼ同程度の熱膨張温度特性を有する材質からなることを特徴とする気体用圧力センサ。
6. 請求項５に記載の気体用圧力センサにおいて、前記蓋部の少なくとも前記センサチップとの接合部分の材質は、コバールおよびガラスのいずれか一方であることを特徴とする気体用圧力センサ。

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