JP4304482B2 - 圧力センサ - Google Patents

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化できる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は、ベース部材と、同ベース部材に設けられた凹部内に収納されるとともにダイアフラムおよびパッドを有する圧力センサチップと、ベース部材に設けられた凹部内に収納されるとともにパッドを有する回路チップと、熱可塑性樹脂製シートからなって配線となる導体パターンおよびループ状をなすアンテナとなる導体パターンを封止するとともに圧力センサチップのダイアフラムを露出させる貫通孔が設けられた配線アンテナ基板と、を備えるとともに、ベース部材における上記凹部が開口する側の面と、圧力センサチップにおける同圧力センサチップを収納する凹部が開口する側の面と、回路チップにおける同回路チップを収納する凹部が開口する側の面とが同一面を構成するものである。そして、こうした圧力センサにおいて、配線アンテナ基板の熱可塑性樹脂製シートを少なくとも圧力センサチップおよび回路チップに同熱可塑性樹脂製シートの備える貫通孔から圧力センサチップのダイアフラムが露出するように熱圧着するとともにループ状をなすアンテナとなる導体パターンがダイアフラムを囲むように、配線アンテナ基板の配線となる導体パターンと圧力センサチップのパッドとを、また、配線アンテナ基板の配線となる導体パターンと回路チップのパッドとを、そして、アンテナとなる導体パターンと回路チップのパッドとを、それぞれ接合しつつこれら各接合部を熱可塑性樹脂製シートで封止するようにしている。
上記構成によれば、配線アンテナ基板における配線となる導体パターン、ループ状をなすアンテナとなる導体パターン、およびこれら導体パターンと圧力センサチップのパッドあるいは回路チップのパッドとが接合する上記各接合部（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、配線アンテナ基板において配線およびループ状をなすアンテナとなる導体パターンが配置されているので、ボンディングワイヤや大型なアンテナ専用部材を用いなくてもよく小型化できる。

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回路チップは、少なくとも、圧力センサチップからの信号を処理する回路と、アンテナを用いて無線通信を行う回路とを具備するものであると、アンテナを用いて無線通信を行うことができる。

請求項３に記載のように、請求項１に記載の圧力センサにおいて回路チップは、少なくとも、圧力センサチップからの信号を処理する回路と、アンテナを用いて無線通信を行う回路と、アンテナを用いて外部からの誘導を受けて電力を発生する回路とを具備するものであると、無線通信を行うことができるとともにバッテリレスの小型な圧力センサを実現することができる。

請求項４に記載のように、請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて圧力検出対象は車両のタイヤ空気圧であるとよい。具体的には、請求項５に記載のように、請求項４に記載の圧力センサにおいて車両のタイヤまたはタイヤホイールに装着され、車体との間で通信を行う、即ち、タイヤ空気圧モニターシステム用の圧力センサとして用いると、小型化されており好ましいものとなる。

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。本圧力センサは車両におけるタイヤ空気圧モニターシステムに用いられるものである。より詳しくは、直接式タイヤ空気圧モニターシステムおける圧力センサであって、直接、タイヤ空気圧を測定する空気圧測定部と、空気圧測定値を送信する送信部とからなる。同圧力センサは車両のタイヤまたはタイヤホイールに装着され、車体との間で通信を行う。そして、受信機側（車体側）においてタイヤ圧測定値が規定値以下の場合にはタイヤ空気圧の低下が運転者に警告される。

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１１，１２内に圧力センサチップ２１、回路チップ３０が収納され、ベースプレート１０、圧力センサチップ２１および回路チップ３０の上面には、熱可塑性樹脂シート内に導体をパターニングした配線アンテナ基板４０が接着されている。

図３（ａ）には配線アンテナ基板４０の平面図を示す。図３（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面を図３（ｂ）に示す。図４には、図２において配線アンテナ基板４０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の上面における中央部分には凹部１１，１２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にはその上面での一つの辺の部分に４つのアルミパッド２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄが並設されている。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は、ベース部材としてのベースプレート１０に搭載され、感圧部であるダイアフラム２３およびパッド２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄを有している。

また、図４，５において、ベースプレート１０の凹部１２内において、回路チップ３０が配置されている。回路チップ３０には各種のデバイスが形成され、これらのデバイスにより、少なくとも、圧力センサチップ２１からの信号を処理（増幅等）する回路と、アンテナを用いて外部との無線通信を行う回路と、アンテナを用いて外部からの誘導を受けて電力（作動用電力）を発生する回路とが形成されている。

なお、一つのチップ内に、圧力センサチップ２１からの信号を処理する回路と、アンテナを用いて外部との無線通信を行う回路と、アンテナを用いて外部からの誘導を受けて電力を発生する回路とを作り込んだが、１つチップに１つの回路（ＩＣ）を作り込んで各チップを電気的に接続してもよい。

四角板状の回路チップ３０にはその上面での一つの辺（詳しくは圧力センサチップ２１に近い側の辺）の部分に４つのアルミパッド３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄが並設されている。また、四角板状の回路チップ３０にはその上面での一つの辺（詳しくは圧力センサチップ２１から遠い側の辺）の部分に２つのアルミパッド３２ａ，３２ｂが並設されている。これらの各アルミパッド３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３２ａ，３２ｂはアルミ薄膜よりなる。アルミパッド３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３２ａ，３２ｂ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３３によりアルミパッド３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３２ａ，３２ｂに半田接合することができる。

このように、回路チップ３０はベース部材としてのベースプレート１０に搭載され、パッド３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３２ａ，３２ｂを有している。そして、回路チップ３０は、アルミパッド３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄを介して圧力センサチップ２１への定電流の印加を行うとともに同チップ２１からの圧力検出信号を入力し、また、アルミパッド３２ａ，３２ｂを介して外部との信号等の授受を行うようになっている。

図５に示すように、圧力センサチップ２１の上面と回路チップ３０の上面とベースプレート１０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、配線アンテナ基板４０は四角板状をなしている。配線アンテナ基板４０は、熱可塑性樹脂製シート４１と、配線となる導体パターン４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄと、アンテナとなる導体パターン４３からなり、熱可塑性樹脂製シート４１にて配線となる導体パターン４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄとアンテナとなる導体パターン４３がモールドされている。熱可塑性樹脂製シート４１は電気絶縁性を有する。熱可塑性樹脂製シート４１内に、４つの配線となる導体パターン４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄが並設されるとともに、アンテナとなる導体パターン４３がループ状に形成されている。つまり、熱可塑性樹脂製シート４１内の導体の一部によりアンテナを形成し、このアンテナにより外部からの誘導を受けるとともに外部との無線通信を行うことが可能となる。熱可塑性樹脂製シート４１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。導体パターン４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ，４３の材料として銅を挙げることができる。また、配線アンテナ基板４０（熱可塑性樹脂製シート４１）には円形の貫通孔４４が形成されている。貫通孔４４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。また、熱可塑性樹脂製シート４１の下面において導体パターン４２ａ〜４２ｄ，４３が露出している。

このようにして、配線アンテナ基板４０は、熱可塑性樹脂製シート４１で配線となる導体パターン４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄおよびアンテナとなる導体パターン４３を封止した構成となっている。

図３（ａ），（ｂ）に示す配線アンテナ基板４０が、図４，５に示す圧力センサチップ２１上、回路チップ３０上およびベースプレート１０上に配置され、これらの部材に熱可塑性樹脂製シート４１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、配線アンテナ基板４０における配線用導体パターン４２ａ〜４２ｄおよびアンテナ用導体パターン４３が、上記圧力センサチップ２１および回路チップ３０の各パッド２５ａ〜２５ｄ，３１ａ〜３１ｄ，３２ａ，３２ｂ（図４参照）に半田によって接合されている。詳しくは、図３（ａ），（ｂ）での導体パターン４２ａ〜４２ｄ，４３の両端の露出部に半田ペーストを塗布する。そして、この配線アンテナ基板４０を圧力センサチップ２１、回路チップ３０およびベースプレート１０上に配置して熱可塑性樹脂製シート４１を圧力センサチップ２１、回路チップ３０およびベースプレート１０に熱圧着する。この熱圧着時において、配線アンテナ基板４０の配線用導体パターン４２ａ〜４２ｄの一端と圧力センサチップ２１のアルミパッド２５ａ〜２５ｄ（図４参照）とが半田付けされるとともに配線アンテナ基板４０の配線用導体パターン４２ａ〜４２ｄの他端と回路チップ３０のアルミパッド３１ａ〜３１ｄ（図４参照）とが半田付けされる。また、回路チップ３０のアルミパッド３２ａ（図４参照）とアンテナ用導体パターン４３の一端が半田付けされるとともに回路チップ３０のアルミパッド３２ｂ（図４参照）とアンテナ用導体パターン４３の他端が半田付けされる。これらの半田接合部は配線アンテナ基板４０の熱可塑性樹脂製シート４１によって封止され、腐食の可能性があるアルミパッドを用いた接合部（電極部分）が外部に露出していない。また、配線アンテナ基板４０の貫通孔４４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、回路チップ３０、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を除く領域が配線アンテナ基板４０（熱可塑性樹脂製シート４１）により覆われている。

このようにして、配線アンテナ基板４０の熱可塑性樹脂製シート４１を圧力センサチップ２１の上面、回路チップ３０の上面、およびベースプレート１０の上面に熱圧着している（広義には少なくとも圧力センサチップ２１および回路チップ３０に熱圧着する）。また、配線アンテナ基板４０の配線となる導体パターン４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄと圧力センサチップ２１のパッド２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ、配線アンテナ基板４０の配線となる導体パターン４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄと回路チップ３０のパッド３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ、アンテナとなる導体パターン４３と回路チップ３０のパッド３２ａ，３２ｂを、それぞれ接合し、かつ、これら各接合部を熱可塑性樹脂製シート４１で封止している。よって、配線アンテナ基板４０における配線・アンテナとなる導体パターン４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ，４３および接合部（電気的接続部）が熱可塑性樹脂製シート４１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、配線アンテナ基板４０において配線およびアンテナとなる導体パターン４２ａ〜４２ｄ，４３が配置されているので、ボンディングワイヤや大型なアンテナ専用部材を用いなくてもよく小型化できる。

このように、耐食性に優れるとともに小型化できる圧力センサを提供することができる。即ち、圧力センサチップと通信用の回路チップとアンテナが一体化された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、回路チップ３０は、少なくとも、圧力センサチップ２１からの信号を処理する回路と、アンテナを用いて無線通信を行う回路と、アンテナを用いて外部からの誘導を受けて電力を発生する回路とを具備するものであるので、アンテナを用いて無線通信を行うことができるとともにバッテリレスの小型な圧力センサを実現することができる。より詳しくは、特許文献１等の従来センサにおいては、外部からの電源供給のための端子や外部への信号取り出し端子が必要であったが、本実施形態においては外部からの電源供給のための端子や外部への信号取り出し端子を不要にできる。

また、アンテナとなる導体パターン４３はループ状をなすものであるので、実用上好ましい。
また、圧力検出対象は車両のタイヤ空気圧であるので、タイヤ空気圧モニターシステム用の圧力センサとして小型化されており好ましいものとなる。つまり、車両のタイヤまたはタイヤホイールに装着され、車体との間で通信を行う、即ち、タイヤ空気圧モニターシステム用の圧力センサとして用いると、小型化されており好ましいものとなる。

なお、回路チップ３０は、圧力センサチップ２１からの信号を処理する回路と、アンテナを用いて無線通信を行う回路と、アンテナを用いて外部からの誘導を受けて電力を発生する回路とを具備するものであったが、圧力センサチップ２１からの信号を処理する回路と、アンテナを用いて無線通信を行う回路を具備し、アンテナを用いて外部からの誘導を受けて電力を発生する回路は無い形態で実施してもよい。この場合、回路チップ３０は、少なくとも、圧力センサチップ２１からの信号を処理する回路と、アンテナを用いて無線通信を行う回路とを具備するものであるので、アンテナを用いて無線通信を行うことができる。よって、特許文献１等の従来センサにおいては、外部への信号取り出し端子が必要であったが、外部への信号取り出し端子を不要にできる。

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）は配線アンテナ基板を示す平面図、（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、２１…圧力センサチップ、２３…ダイアフラム、２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ…パッド、３０…回路チップ、３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３２ａ，３２ｂ…パッド、４０…配線アンテナ基板、４１…熱可塑性樹脂製シート、４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ…配線となる導体パターン、４３…アンテナとなる導体パターン。

Claims (5)

1. ベース部材（１０）と、
   前記ベース部材（１０）に設けられた凹部（１１）内に収納され、ダイアフラム（２３）およびパッド（２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ）を有する圧力センサチップ（２１）と、
   前記ベース部材（１０）に設けられた凹部（１２）内に収納され、パッド（３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３２ａ，３２ｂ）を有する回路チップ（３０）と、
   熱可塑性樹脂製シート（４１）からなって配線となる導体パターン（４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ）およびループ状をなすアンテナとなる導体パターン（４３）を封止するとともに、前記圧力センサチップ（２１）のダイアフラム（２３）を露出させる貫通孔（４４）が設けられた配線アンテナ基板（４０）と、
   を備えるとともに、前記ベース部材（１０）における前記凹部（１１，１２）が開口する側の面と、前記圧力センサチップ（２１）における該圧力センサチップ（２１）を収納する凹部（１１）が開口する側の面と、前記回路チップ（３０）における該回路チップ（３０）を収納する凹部（１２）が開口する側の面とが同一面を構成しており、
   前記配線アンテナ基板（４０）の熱可塑性樹脂製シート（４１）を少なくとも前記圧力センサチップ（２１）および回路チップ（３０）に前記貫通孔（４４）から前記圧力センサチップ（２１）のダイアフラム（２３）が露出するように熱圧着するとともに、前記ループ状をなすアンテナとなる導体パターン（４３）が前記ダイアフラム（２３）を囲む態様にて、前記配線アンテナ基板（４０）の配線となる導体パターン（４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ）と前記圧力センサチップ（２１）のパッド（２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ）、前記配線アンテナ基板（４０）の配線となる導体パターン（４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ）と前記回路チップ（３０）のパッド（３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ）、前記アンテナとなる導体パターン（４３）と回路チップ（３０）のパッド（３２ａ，３２ｂ）を、それぞれ接合し、かつ、これら各接合部を前記熱可塑性樹脂製シート（４１）で封止したことを特徴とする圧力センサ。
2. 前記回路チップ（３０）は、少なくとも、圧力センサチップ（２１）からの信号を処理する回路と、前記アンテナを用いて無線通信を行う回路とを具備するものであることを特徴
   とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記回路チップ（３０）は、少なくとも、圧力センサチップ（２１）からの信号を処理する回路と、前記アンテナを用いて無線通信を行う回路と、前記アンテナを用いて外部からの誘導を受けて電力を発生する回路とを具備するものであることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
4. 圧力検出対象は車両のタイヤ空気圧であ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。
5. 車両のタイヤまたはタイヤホイールに装着され、車体との間で通信を行うことを特徴とする請求項４に記載の圧力センサ。

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