JP4044307B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力センサに係り、特に差圧測定用の差圧センサチップと静圧測定用の静圧センサチップとを同一のパッケージ内に収納した圧力センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、流体の流量を測定する方法として、流路に絞りを設け、絞りの上流と下流の圧力差が流速に比例することを利用して、絞りの上流と下流の圧力差を測定して流量に変換する方法がある。また、液位計では、タンク上下の圧力差を測り、この圧力差より液体密度を勘案した液位を測定することも行われる。このような場合、通常は差圧センサが用いられる。差圧センサは、２種類の被測定圧力をセンサチップに同時に受け、その差圧を検出するセンサである。一方、以上のような差圧測定がなされるとき、静圧、すなわち大気圧を基準としたゲージ圧、又は真空状態を基準とした絶対圧を測定し、監視や制御を同時に行うことがある。前述のとおり、差圧センサは、２点間の圧力差を測るものなので、静圧自体を測ることはできない。
【０００３】
そこで、差圧測定用のセンサチップと静圧測定用のセンサチップとを組み合わせた圧力センサが提案されている（例えば、特開昭６３−８５２４号公報）。特開昭６３−８５２４号公報に開示された圧力センサでは、差圧測定用のセンサチップを内蔵したセンサ用ハウジングと、静圧測定用のセンサチップを内蔵したセンサ用ハウジングと、一対のバリアダイアフラムで封止され、内部に封入液が注入されたボディ本体とを別個に製作して、これらを接合するようにしている。
【０００４】
この圧力センサでは、一対のバリアダイアフラムに対応してボディ本体内を少なくとも２つの内室に仕切り、各内室にそれぞれ封入液を注入して、一方のバリアダイアフラムに加えられた高圧の被測定用圧力と他方のバリアダイアフラムに加えられた低圧の被測定用圧力とをそれぞれ対応する封入液を介して差圧測定用のセンサチップに伝達すると共に、高圧あるいは低圧のいずれか一方の被測定用圧力を対応する封入液を介して静圧測定用のセンサチップに伝達していた。よって、特開昭６３−８５２４号公報に開示された圧力センサでは、構造が複雑となり、パッケージが大型になるという問題点があった。
【０００５】
また、各センサ用ハウジングとボディ本体が別個に製作されているので、バリアダイアフラムと２つのセンサチップとの間の距離が遠くなり、２つのセンサチップ間の距離も遠くなる。したがって、特開昭６３−８５２４号公報に開示された圧力センサでは、封入液の量が多くなるため、測定可能な圧力範囲が狭くなり、温度特性が悪化するという問題点があった。
【０００６】
このような問題点を解決する方法として、差圧センサと静圧センサを同一チップ上に集積化する方法が考えられる。この圧力センサを製作するには、同一の半導体基板をエッチングして差圧測定用のダイアフラムと静圧測定用のダイアフラムとを形成し、それぞれのダイアフラム上に歪ゲージ（ピエゾ式圧力センサの場合）又は電極（静電容量式圧力センサの場合）を形成すればよい。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、差圧センサと静圧センサを同一チップ上に集積化すると、製造が困難となって、コストが高くなり、これらの問題を解決しようすると、圧力センサとしての性能が低下するという問題点があった。何故ならば、差圧センサと静圧センサでは測定レンジが異なるため、静圧測定用のダイアフラムは、大きな圧力に耐えられるように、差圧測定用のダイアフラムと比べて肉厚を厚くし、外径を小さくする必要がある。同一半導体基板上で差圧センサと静圧センサのダイアフラムの厚さを変えることは、製造工程が複雑になることを意味し、ダイアフラムの外径が小さくなると、ダイアフラム上に歪ゲージや電極を形成する工程が難しくなる。また、ダイアフラムを同一の厚さにし、静圧測定用ダイアフラムの外径を大きくすると、製造工程を容易にできるが、差圧測定用ダイアフラムの外径も大きくしないと差圧センサの感度が低下し、大きくするとチップサイズが大きくなり、コストが高くなる。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、製造が容易となり、良好な温度特性と広い測定圧力範囲が得られ、パッケージを小型化することができる圧力センサを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧力センサは、差圧測定用ダイアフラムとこの差圧測定用ダイアフラムで受けた圧力を電気信号に変換する検出部とを備えた差圧センサチップ（４）と、前記差圧センサチップと別個の、静圧測定用ダイアフラムとこの静圧測定用ダイアフラムで受けた圧力を電気信号に変換する検出部とを備えた静圧センサチップ（５）と、前記差圧センサチップと前記静圧センサチップとを搭載する基台（１，２，３）とを有し、前記基台は、一方の端面に前記差圧センサチップが接合された第１の台座と、一方の端面に前記静圧センサチップが接合された第２の台座と、前記第１の台座の他方の端面及び前記第２の台座の他方の端面と接合され、前記第１の台座内に形成された圧力導入路を経由して前記差圧センサチップの一面に第１の圧力を導く第１の圧力導入路と前記第２の台座内に形成された圧力導入路を経由して前記静圧センサチップの一面に第２の圧力を導く第２の圧力導入路とが配設されたヘッダとからなり、前記ヘッダは、前記差圧センサチップと前記静圧センサチップと前記第１、第２の台座とを収容し、前記差圧センサチップの他面及び前記静圧センサチップの他面に第３の圧力を導く圧力導入室を備えることを特徴とするものである。前記検出部は、ピエゾ式圧力センサの場合は歪みゲージ、静電容量式圧力センサの場合は電極である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１（ａ）は本発明の実施の形態となる圧力センサの断面図、図１（ｂ）はこの圧力センサの下面図である。この圧力センサは、基台となるヘッダ１と、ヘッダ１上に接合された第１、第２の台座２，３と、第１の台座２上に接合された、差圧測定用の差圧センサチップ４と、第２の台座３上に接合された、静圧測定用の静圧センサチップ５と、センサチップ４，５からの電気信号を外部に導くためのセンサ出力ピン６と、センサチップ４，５とセンサ出力ピン６とを電気的に接続するための配線パターン９が形成されたセラミックボード７と、センサチップ４，５とセンサ出力ピン６との間、あるいはセンサチップ４，５と配線パターン９との間を接続するワイヤ８とを有している。
【００１０】
図２はセンサチップ４，５の１例を示す拡大断面図である。センサチップ４，５としては、従来よりピエゾ式の圧力センサチップが知られている。ピエゾ式圧力センサチップは、半導体ダイアフラム４１上にピエゾ抵抗効果を有する歪ゲージ４２を形成して、ダイアフラム４１に加わる圧力によって歪ゲージ４２を変形させ、ピエゾ抵抗効果による歪ゲージ４２の抵抗値の変化を検出して圧力を測定するものである。
【００１１】
その他の圧力センサチップとしては、静電容量式の圧力センサチップがある。この静電容量式圧力センサチップは、所定の空間（容量室）を備えた基板と、その基板の空間上に配置されたダイアフラムと、基板に形成された固定電極と、ダイアフラムに形成された可動電極とを備えている。ダイアフラムが圧力を受けて変形することで、可動電極と固定電極の間隔が変化してその間の静電容量が変化する。この静電容量の変化に基づき、ダイアフラムの受けた圧力を測定する。
【００１２】
また、静電容量式の圧力センサチップとしては、その他にダイアフラムの変位ではなく、容量室の構成材料の圧縮による変化を検出するタイプもある。
さらに、その他の圧力センサチップとして、ダイアフラムの変位を光信号に変調して圧力を測定するタイプが知られている。なお、差圧センサチップ４と静圧センサチップ５では、差圧センサチップ４の方がダイアフラムに印加される圧力が小さいので、感度を上げるために、差圧センサチップ４の方が静圧センサチップ５よりもダイアフラム径が大きくなっている。
【００１３】
以上のような構造を有するセンサチップ４，５は、台座２，３の一方の端面に静電接合（陽極接合）されている。台座２，３としては、センサチップ４，５を接合するときの熱歪みがセンサチップ４，５に伝わるとセンサチップ４，５の温度特性が低下して零点シフトの原因となるため、センサチップ４，５の熱膨張係数に近似した熱膨張係数を有する材料、例えばパイレックス（登録商標）ガラス、窒化珪素などのセラミックス等によって形成されている。
【００１４】
円柱状のヘッダ１は、耐食性と溶接性のよい材料、例えばステンレス、コバール等によって形成される。ヘッダ１の下面中央部には凹陥部が形成されており、この凹陥部に台座２，３、センサチップ４，５、セラミックボード７等が収められるようになっている。台座２，３のセンサチップ４，５と反対側の端面は、ろう材によってヘッダ１に接合される。
【００１５】
セラミックボード７には、台座２，３とセンサ出力ピン６とが貫通する挿通孔が設けられており、さらにセンサチップ側の表面に、センサチップ４，５とセンサ出力ピン６とを電気的に接続するための配線パターン９が形成されている。このセラミックボード７は、ろう材によってヘッダ１に接合される。
【００１６】
センサチップ４，５の電源、接地及び検出部（ピエゾ式圧力センサの場合は歪みゲージ、静電容量式圧力センサの場合は電極）用の各端子とセラミックボード７上に形成された配線パターン９との間、あるいはセンサチップ４，５とセンサ出力ピン６との間は、Ａｕ等からなるワイヤ８によって電気的に接続される。さらに、配線パターン９とセンサ出力ピン６との間もワイヤ８によって電気的に接続される。
【００１７】
ヘッダ１を貫通して圧力センサの外部に引き出されるセンサ出力ピン６は、ヘッダ１とセンサ出力ピン６との電気的絶縁を図り、かつ後述する封入液の漏洩を防止するためにガラスによりハーメチックシールされている。
【００１８】
ヘッダ１の凹陥部には、センサチップ４，５の下面に被測定圧力Ｐ１を導くための圧力導入室１７が形成されている。ヘッダ１及び台座２には、差圧センサチップ４の上面に被測定圧力Ｐ２を導くための圧力導入路１８が形成されている。そして、ヘッダ１及び台座３には、静圧センサチップ５の上面に被測定圧力Ｐ３を導くための圧力導入路１９が形成されている。
【００１９】
被測定圧力Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３としては、気体あるいは液体の圧力を直接印加してもよいが、通常は、圧力導入室１７、圧力導入路１８，１９を覆うようにそれぞれバリアダイアフラム（不図示）を設け、各バリアダイアフラムによって封止された圧力導入室１７、圧力導入路１８、圧力導入路１９内にシリコーンオイル等の封入液をそれぞれ注入する。これにより、各バリアダイアフラムに加わる被測定圧力Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を封入液を介してセンサチップ４，５に伝達することができる。
【００２０】
以上のような圧力センサにおいて、高圧の被測定圧力Ｐ１を差圧センサチップ４の下面に導き、低圧の被測定圧力Ｐ２を差圧センサチップ４の上面に導くことにより、差圧Ｐ１−Ｐ２に応じて差圧センサチップ４の差圧測定用ダイアフラムが変位するので、このときの差圧センサチップ４の出力電圧をセンサ出力ピン６を介して取り出すことにより、差圧Ｐ１−Ｐ２を測定することができる。
【００２１】
また、被測定圧力Ｐ１を静圧センサチップ５の下面に導き、大気圧Ｐ３を静圧センサチップ５の上面に導くことにより、差圧Ｐ１−Ｐ３に応じて静圧センサチップ５内の静圧測定用ダイアフラムが変位するので、このときの静圧センサチップ５の出力電圧をセンサ出力ピン６を介して取り出すことにより、差圧Ｐ１−Ｐ３、すなわちゲージ圧を測定することができる。また、圧力導入路１８内を真空状態にすれば、真空状態を基準とする被測定圧力Ｐ１、すなわち絶対圧を測定することができる。
【００２２】
なお、本実施の形態の圧力センサでは、台座２，３とセラミックボード７との間に隙間があるので、セラミックボード７上の空間にも封入液が入って圧力導入室１７となる。ただし、通常は、セラミックボード７上の空間には封入液の量を少なくするためにスペーサが配置される。スペーサは、温度変化による体積変化を極力防ぐために、通常、アルミナ等のセラミックスによって形成される。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、差圧センサチップ及び静圧センサチップの他面が共通の圧力導入室内に露出するよう、差圧センサチップと静圧センサチップとを同一の基台に搭載したので、差圧センサチップと静圧センサチップとを近接して配置することが可能となり、差圧センサチップ用のハウジングと静圧センサチップ用のハウジングとボディ本体とを別個に製作して接合する従来の圧力センサよりも封入液の量を減らすことができる。その結果、良好な温度特性と広い測定圧力範囲が得られる。また、差圧センサチップと静圧センサチップとを近接して配置でき、圧力センサの構造が簡単になることから、パッケージの小型化が可能となる。また、圧力センサの製造工程を簡略化でき、製造コストの低減が可能となる。さらに、差圧センサチップと静圧センサチップとをそれぞれ別個の製造工程で製作し、それぞれの用途にあった最適なダイアフラムをチップ内に形成することができるので、差圧センサと静圧センサを同一チップ上に集積化する場合に比べて、製造が容易となり、コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態となる圧力センサの断面図及び下面図である。
【図２】 センサチップの１例を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
１…ヘッダ、２、３…台座、４…差圧センサチップ、５…静圧センサチップ、６…センサ出力ピン、７…セラミックボード、８…ワイヤ、９…配線パターン。

Claims (1)

1. 差圧測定用ダイアフラムとこの差圧測定用ダイアフラムで受けた圧力を電気信号に変換する検出部とを備えた差圧センサチップと、
   前記差圧センサチップと別個の、静圧測定用ダイアフラムとこの静圧測定用ダイアフラムで受けた圧力を電気信号に変換する検出部とを備えた静圧センサチップと、
   前記差圧センサチップと前記静圧センサチップとを搭載する基台とを有し、
   前記基台は、一方の端面に前記差圧センサチップが接合された第１の台座と、一方の端面に前記静圧センサチップが接合された第２の台座と、前記第１の台座の他方の端面及び前記第２の台座の他方の端面と接合され、前記第１の台座内に形成された圧力導入路を経由して前記差圧センサチップの一面に第１の圧力を導く第１の圧力導入路と前記第２の台座内に形成された圧力導入路を経由して前記静圧センサチップの一面に第２の圧力を導く第２の圧力導入路とが配設されたヘッダとからなり、
   前記ヘッダは、前記差圧センサチップと前記静圧センサチップと前記第１、第２の台座とを収容し、前記差圧センサチップの他面及び前記静圧センサチップの他面に第３の圧力を導く圧力導入室を備えることを特徴とする圧力センサ。

Images