JP4218558B2

JP4218558B2 - 圧力センサ

Info

Publication number: JP4218558B2
Application number: JP2004077130A
Authority: JP
Inventors: 稲男豊田; 宏明田中; 市治近藤; 眞戸谷
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-03-17
Filing date: 2004-03-17
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2024-03-17
Also published as: JP2005265554A

Description

本発明は、圧力センサに関するものである。

腐食性の強い流体の圧力を検出する圧力センサの構造として、特許文献１においては、圧力センサチップをワイヤボンディングでターミナルピンに接続し、センサチップ、ワイヤおよびターミナルピンをオイル中に入れ、耐食性のあるメタルダイアフラムで封止した構造を採用している。
特許第３１９８７７９号公報

しかしながら、この構造では、メタルダイアフラムやオイル、シールのためのＯリングといった部材が必要となり、小型化できないという課題がある。
本発明は、上記課題に着目してなされたものであり、その目的は、耐食性に優れるとともに小型で高精度な圧力センサを提供することにある。

請求項１に記載の圧力センサによれば、配線基板における配線および接合部（電気的接続部）が熱可塑性樹脂製シートに封止され、これにより環境（雰囲気）からの腐食を防止することができる。また、配線基板において配線が配置されているので、ボンディングワイヤを用いなくてもよく小型化できる。さらに、圧力センサチップにおいてパッドがダイアフラムに対し対称となる位置に配置されており、これにより、熱応力のアンバランスを低減することができる。詳しくは、センサチップの材料と配線基板の配線の熱膨張係数差による熱応力がセンサチップのダイアフラムに不均一に印加されることを防ぐことができる。これによって、高精度に圧力を検出することができる。

請求項２に記載のように、請求項１に記載の圧力センサにおいて四角板状をなす圧力センサチップの中央部にダイアフラムを形成するとともに、パッドを圧力センサチップにおける少なくとも対角での角部に配置すると、対称性という観点から好ましい。

請求項３に記載のように、請求項２に記載の圧力センサにおいてパッドを、四角板状をなす圧力センサチップにおける四隅に配置すると、対称性という観点からより好ましい。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１には、本実施形態における圧力センサの平面図を示す。図２は、図１におけるＡ−Ａ線での縦断面図である。本圧力センサは車載エンジンの排気系部品に設けられ、排気ガスの圧力を検出するセンサである。つまり、圧力検出対象の流体（圧力媒体）がエンジンの排気ガスである。より具体的には、例えば、排気ガス再循環装置（ＥＧＲ）における排気ガス再循環経路での圧力測定のために用いられる。

図２において、ベース部材としての樹脂製ベースプレート１０の凹部１１内に圧力センサチップ２１が収納され、圧力センサチップ２１およびベースプレート１０の上面には、熱可塑性樹脂シート内に配線を施した配線基板３０が接着されている。

図３（ａ）には配線基板３０の平面図を示すとともに、図３（ｂ）には図３（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面を示す。図４には、図２において配線基板３０の下側に配置されるベースプレート１０等の部品の平面図を示し、図４におけるＡ−Ａ線での縦断面を図５に示す。

図４，５において、ベースプレート１０は四角板状をなしている。ベースプレート１０の上面での中央部分には凹部１１が形成されている。凹部１１内において、圧力センサチップ２１がガラス台座２０の上面に接合された状態で収容されている。圧力センサチップ２１としてシリコンチップを用いている。圧力センサチップ２１の中央部には下面に開口する凹部２２が形成され、この凹部２２により薄肉部、即ち、ダイアフラム２３が形成されている。このダイアフラム２３は平面形状が図４に示すように八角形をなしている。図５においてガラス台座２０と圧力センサチップ２１とが接合されている状態で圧力センサチップ２１の凹部２２内が基準圧力室（例えば真空室）となっている。ダイアフラム２３には４つのゲージ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄが形成されている。このゲージ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄは不純物拡散層よりなる（詳しくはｎ型シリコン基板の表面に形成したｐ型不純物拡散層よりなる）。圧力センサチップ２１内において、４つのゲージ（不純物拡散層）２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄを用いたフルブリッジ回路が構成されるように結線されている。そして、ダイアフラム２３の両面に加わる圧力の差によりダイアフラム２３での応力が変化し、この応力の変化に伴ないピエゾ抵抗効果により各ゲージ（不純物拡散層）２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄの抵抗が変化し、これがブリッジ回路により検出される。

また、図４，５において、四角板状の圧力センサチップ２１にはその上面での四隅にアルミパッド２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄが形成されている。アルミパッド２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄはアルミ薄膜よりなる。これらのパッド２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄを介して前記ブリッジ回路に定電流を流すとともに圧力センサチップ２１の圧力検出信号を外部に取り出せるようになっている。アルミパッド２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ上にはニッケル（Ｎｉ）メッキ膜と金（Ａｕ）メッキ膜が順に形成され、この積層体２６によりアルミパッド２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄに半田接合することができる。

このようにして、圧力センサチップ２１には、感圧部であるダイアフラム２３の周辺に複数のパッド２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄがダイアフラム２３に対し平面的に対称となる位置に配置されている。具体的には、パッド２５ａとパッド２５ｄとが対称となる位置に配置されているとともに、パッド２５ｂとパッド２５ｃとが対称となる位置に配置されている。よって、パッドの数が「２」の場合には図４でのパッド２５ａとパッド２５ｄの位置に配置するか、パッド２５ｂとパッド２５ｃの位置に配置すればよい。つまり、四角板状をなす圧力センサチップ２１の中央部に形成されたダイアフラム２３に対し、二つのパッドを、圧力センサチップ２１における対角での角部に設ければよい。

また、図４，５において、ベースプレート１０の上面において、外部接続端子（ターミナル）１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄが埋設され、各外部接続端子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄは帯板状をなしている。より詳しくは、長方形状をなすベースプレート１０の上面においてその四隅に外部接続端子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄが位置し、各外部接続端子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄはベースプレート１０の長辺に沿って延びている。図５に示すように、圧力センサチップ２１の上面とベースプレート１０の上面と外部接続端子１２ａ〜１２ｄの上面とは同じ高さとなっている（同一面を構成している）。

一方、図３（ａ），（ｂ）において、配線基板３０は四角板状をなしている。配線基板３０は熱可塑性樹脂製シート３１と配線（導体パターン）３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄからなり、熱可塑性樹脂製シート３１にて配線３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄがモールドされている。熱可塑性樹脂製シート３１の材料として、例えばＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、またはそれらの混合物を挙げることができる。熱可塑性樹脂製シート３１は電気絶縁性を有する。配線３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄの材料として銅を挙げることができる。また、四角板状をなす配線基板３０（熱可塑性樹脂製シート３１）の中央部には円形の貫通孔３３が形成されている。貫通孔３３は圧力センサチップ２１のダイアフラム２３を露出（開口）させるためのものである。図３（ａ），（ｂ）において４つの配線３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄは熱可塑性樹脂製シート３１における貫通孔３３の周囲において貫通孔３３から離れる方向に延設されている。

また、図３（ａ），（ｂ）に示すように熱可塑性樹脂製シート３１における配線３２ａ〜３２ｄの内方側端部において透孔（ビアホール）３４ａ〜３４ｄが形成され、透孔３４ａ〜３４ｄにより配線３２ａ〜３２ｄの内方側端部が露出している。また、配線３２ａ〜３２ｄの外方側端部も熱可塑性樹脂製シート３１から露出している。

このように、配線基板３０は、熱可塑性樹脂製シート３１で、パターニングした複数の配線３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄを封止した構成となっている。
図３（ａ），（ｂ）に示す配線基板３０が、図４，５に示す圧力センサチップ２１上、ベースプレート１０上および外部接続端子１２ａ〜１２ｄ上に配置され、これらの部材に熱可塑性樹脂製シート３１が熱圧着されて図１，２の構造となっている。

図１，２において、配線基板３０の配線３２ａ〜３２ｄは、上記圧力センサチップ２１の各パッド２５ａ〜２５ｄおよび外部接続端子１２ａ〜１２ｄに半田によって接合されている。詳しくは、図３（ａ），（ｂ）での透孔３４ａ〜３４ｄによる配線３２ａ〜３２ｄの露出部に半田ペーストを塗布するとともに配線３２ａ〜３２ｄの外方側露出部に半田ペーストを塗布する。そして、この配線基板３０を圧力センサチップ２１、ベースプレート１０および外部接続端子１２ａ〜１２ｄ上に配置して熱可塑性樹脂製シート３１を圧力センサチップ２１、ベースプレート１０および外部接続端子１２ａ〜１２ｄに熱圧着する。この熱圧着時において、配線基板３０の配線３２ａ〜３２ｄの一端と圧力センサチップ２１のアルミパッド２５ａ〜２５ｄとが半田付けされるとともに配線基板３０の配線３２ａ〜３２ｄの他端と外部接続端子１２ａ〜１２ｄとが半田付けされる。これらの半田接合部は配線基板３０の熱可塑性樹脂製シート３１によって封止されている。また、配線基板３０の貫通孔３３により、圧力センサチップ２１のダイアフラム２３が露出（開口）している。つまり、上記圧力センサチップ２１およびベースプレート１０の上面は、圧力センサチップ２１のダイアフラム２３を除く領域が配線基板３０により覆われている。さらに、外部接続端子１２ａ〜１２ｄにおける排気ガスが接する部位も配線基板３０で覆われている。ただし、外部接続端子１２ａ〜１２ｄにおけるベースプレート１０から突出する部分は接続のために配線基板３０は無く露出している。

このようにして、配線基板３０の熱可塑性樹脂製シート３１を圧力センサチップ２１に熱圧着するとともに、配線基板３０の各配線３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄと圧力センサチップ２１の各パッド２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄとを半田接合し、かつ、これら各接合部を熱可塑性樹脂製シート３１で封止している。これにより、配線基板３０における配線３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄおよび接合部（電気的接続部）が熱可塑性樹脂製シート３１に封止され、これにより環境（雰囲気）からの腐食を防止することができる。また、配線基板３０において配線３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄが配置されているので、ボンディングワイヤを用いなくてもよく小型化できる。さらに、圧力センサチップ２１でのパッド２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄがダイアフラム２３に対し対称となる位置に配置されており、これにより、熱応力のアンバランスを低減することができる。詳しくは、センサチップ２１の材料（シリコン基板）と配線基板３０の配線（例えば銅）３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄの熱膨張係数差による熱応力がセンサチップ２１のダイアフラム２３に不均一に印加されることを防ぐことができる。即ち、配線基板３０の熱膨張による圧力センサチップ２１に与える歪みを均一にすることができる。これによって、高精度に圧力を検出することができる。また、熱応力自体、センサ出力にとっての誤差成分であるため好ましくないものであるが、熱による影響が安定していれば、簡単な温度補正回路によってその影響を受けないようにすることが可能となる。

このように、耐食性に優れるとともに小型で高精度な圧力センサを提供することができる。さらに、前述の特許文献１においてはメタルダイアフラム、オイル、シール用Ｏリングといった部品が必要となり組み立てが複雑であったが、本実施形態においては熱圧着にて簡単に組み立てることができる。

また、四角板状をなす圧力センサチップ２１の中央部にダイアフラム２３を形成するとともに、パッド２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄを圧力センサチップ２１における少なくとも対角での角部に配置したので、対称性という観点から好ましい。特に、パッド２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄを、四角板状をなす圧力センサチップ２１における四隅に配置したので、対称性という観点からより好ましい。

また、配線基板３０の熱可塑性樹脂製シート３１を、複数の外部接続端子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄにおける圧力検出対象の流体が接する部位に熱圧着するとともに、各外部接続端子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄと各配線３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄとを接合し、かつ、これら各接合部を熱可塑性樹脂製シート３１で封止した。よって、各外部接続端子１２ａ〜１２ｄについても環境（雰囲気）からの腐食を防止することができる。

また、圧力検出対象の流体はエンジンの排気ガスであるので、実用上より好ましい仕様形態となる。
なお、圧力検出対象の流体はエンジンの排気ガスであったが、他にも例えば車両のタイヤ空気であってもよい。

実施形態における圧力センサの平面図。図１のＡ−Ａ線での縦断面図。（ａ）は配線基板の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面図。ベースプレート側の部品を示す平面図。図４のＡ−Ａ線での縦断面図。

符号の説明

１０…ベースプレート、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ…外部接続端子、２１…圧力センサチップ、２３…ダイアフラム、２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ…パッド、３０…配線基板、３１…熱可塑性樹脂製シート、３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ…配線。

Claims

ベース部材（１０）に収納されて、ダイアフラム（２３）の周辺に複数のパッド（２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ）を前記ダイアフラム（２３）に対し対称となる位置に配置した圧力センサチップ（２１）と、
同じくベース部材（１０）の前記圧力センサチップ（２１）の周囲に、同圧力センサチップ（２１）のダイアフラム（２３）と面一となるように、かつ、前記複数のパッド（２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ）と同一の数だけそれぞれ一部が埋設されて、それら各パッド（２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ）との外部接続を図る複数の外部接続端子（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ）と、
熱可塑性樹脂製シート（３１）からなって、前記圧力センサチップ（２１）の各パッド（２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ）および前記外部接続端子（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ）の各々とを電気的に接続すべくパターニングした複数の配線（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ）を封止するとともに、前記圧力センサチップ（２１）の前記ダイアフラム（２３）に対向する部位に貫通孔（３３）を有した配線基板（３０）と、
を備え、
前記配線基板（３０）である熱可塑性樹脂製シート（３１）を前記圧力センサチップ（２１）および前記外部接続端子（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ）の前記ベース部材（１０）に埋設された部分に熱圧着するとともに、前記配線基板（３０）の各配線（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ）と前記圧力センサチップ（２１）の各パッド（２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ）および前記外部接続端子（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ）の前記ベース部材（１０）に埋設された部分の各々とを接合し、かつ、これら各接合部を前記熱可塑性樹脂製シート（３１）で封止した状態で前記ダイアフラム（２３）が前記熱可塑性樹脂製シート（３０）の貫通孔（３３）を介して圧力検出対象の流体であるエンジンの排気ガスに曝されることを特徴とする圧力センサ。
四角板状をなす前記圧力センサチップ（２１）の中央部に前記ダイアフラム（２３）を形成するとともに、前記パッド（２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ）を前記圧力センサチップ（２１）における少なくとも対角での角部に配置したことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
前記パッド（２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ）を、四角板状をなす前記圧力センサチップ（２１）における四隅に配置したことを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。