JP4444424B2 - 半導体圧力センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体圧力センサに関し、特に、半導体材料で形成したダイヤフラム等の構造体の歪みを検出することによって圧力を検出するタイプの半導体圧力センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン等の半導体材料からなるダイヤフラム等の構造体を備え、圧力を受けた際に生じる構造体の歪みから圧力の大きさを検出する半導体センサが従来から知られている。この種の半導体センサは、シリコン構造体の歪みに伴う電気抵抗の変化を電気信号として取り出すものであり、半導体圧力センサとして自動車や家電製品等に応用されている。
【０００３】
図２１は、従来の半導体圧力センサの一例の要部を示す図である。一般に、この種の半導体圧力センサは、センサ素子が例えばＰＰＳ（Poly-Phenylene Sulfide）等の樹脂からなるパッケージ内に収容されて使用されることが多い。センサ素子１０１はダイヤフラム１０２、抵抗体（図示せず）を有するＳｉ（シリコン）センサチップ１０３がガラス台座１０４に接合された構成となっており、シリコーンゴム、エポキシ樹脂等からなる接着剤１０５によってパッケージ１０６の底面１０６ａに固定されている。また、パッケージ１０６には電気信号を取り出すための複数のリード１０７が設けられ、Ｓｉセンサチップ１０３上のパッド（図示せず）とリード１０７とが金ワイヤー１０８によって接続されている。
【０００４】
この半導体圧力センサにおいては、パッケージ１０６の底面にセンサ外部と連通する圧力導入孔１０９が設けられており、センサが設置された環境の圧力はこの圧力導入孔１０９を通じてセンサ内部に導入され、Ｓｉセンサチップ１０３に加わる。そして、その圧力に応じてダイヤフラム１０２が歪み、歪みによって生じるＳｉセンサチップ１０３上の抵抗体の抵抗変化をリード１０７を通じて電気信号として取り出す構成となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成の従来の半導体圧力センサには、以下のような問題点があった。
この半導体圧力センサを他の回路基板等に実装して使用する際に、例えば何らかの外力により回路基板が歪んだ場合などにパッケージ自体に過大な曲げ応力が発生することがある。また、リードを通じてパッケージに曲げ応力が発生する場合もある。その場合、この応力がＳｉセンサチップに加わると、圧力変動以外の要因によりダイヤフラムが歪むことになるので、この歪みがノイズとなってセンサの出力信号が変動してしまい、検出精度が低下するという問題が生じていた。
【０００６】
この対策として、パッケージとセンサ素子との間に介在している接着剤の厚みを厚くし、接着剤によって応力を吸収することも検討された。ところが、一般に使用されている接着剤では、粘度等の物性の関係からむやみに厚くしても圧力導入孔に流れ出してしまったり、センサ素子が自重で接着剤に沈み込んだりするため、ある程度の厚み以上にすることはできなかった。さらに、応力吸収に最適な接着剤の厚みを見いだしたとしても、そのような厚みに制御することが困難であった。
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、センサ素子を固定する接着剤によりパッケージから伝わる外部応力を充分に吸収でき、ノイズの発生を防止することで高い検出精度を有する半導体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】
上記の目的を達成するために、本発明の半導体圧力センサは、センサ素子と、該センサ素子を収容する内部空間を有し、その底面にセンサ外部と連通する圧力導入孔が設けられたパッケージとを備え、前記圧力導入孔の縁部に沿って前記内部空間に向けて環状に突出する第１の凸部が設けられたことにより接着剤溜めが形成され、前記第１の凸部上に前記センサ素子が配置され前記接着剤溜めに接着剤が充填された状態で前記センサ素子が前記パッケージ内に固定され、さらに、前記センサ素子を裏面側から支持する第２の凸部が前記パッケージ内部の底面上にて前記第１の凸部の周囲に設けられ、前記第２の凸部は前記第１の凸部の周囲の複数箇所に前記第１の凸部から放射状に張り出すように設けられていることを特徴とする。
【０００９】
本発明の半導体圧力センサにおいては、パッケージの底面に第１の凸部を設け、その上にセンサ素子を配置する構成としたことにより、第１の凸部に対して凹んだ部分が接着剤溜めとなり、この中に接着剤を充填することができる。よって、パッケージを製作する際に第１の凸部の高さ（換言すると、凹部（接着剤溜め）の深さ）を所望の寸法に設定することによって、接着剤の厚みを任意に設定することができる。これにより、パッケージに加わる外部応力を充分に吸収することができ、圧力変動以外の要因によるダイヤフラムの歪みが抑制されるので、従来に比べて検出精度を向上させることができる。さらに、第１の凸部は圧力導入孔の縁部に内部空間に向けて突出するように形成されており、第１の凸部が圧力導入孔の延長のような形状となっている。よって、第１の凸部が圧力変動に対して抵抗となるようなこともなく、センサ外部の圧力がセンサ内部に円滑に導入される。
【００１０】
さらに、この構成によれば、センサ素子を第１の凸部の上に載置するだけでは不安定な場合であっても、第１の凸部と第２の凸部が協働してセンサ素子を安定して支持することができる。
【００１１】
請求項２に係る発明は、前記第２の凸部の上部がＲ加工されていることを特徴とする請求項１記載の半導体圧力センサを提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
［参考例］
以下、本発明の参考例を図１〜図３を参照して説明する。図１は本参考例の半導体圧力センサの全体形状を示す平面図、図２は図１のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。本参考例の半導体圧力センサは、圧力導入パイプを有するセンサの例である。
【００１４】
図１および図２は半導体圧力センサ１の全体形状を示しているが、蓋（図示略）を取った状態のパッケージ２の部分のみを示している。ＰＰＳ等の樹脂からなるパッケージ本体３の下方に突出する圧力導入パイプ４がパッケージ本体３と一体に形成されている。パッケージ本体３には段状に掘り込まれた内部空間５が形成されており、この内部空間５の最下部のセンサ素子実装部５ａに後述するセンサ素子６が収容される。本参考例の半導体圧力センサ１の場合、外部回路との間で信号のやり取りを行うためのリード７を６本有しており、６本のリード７はパッケージ本体３下部の第１の段部５ｂ上に片側３本ずつ取り付けられている。なお、パッケージ本体３上部の第２の段部５ｃは、蓋を落とし込むための段部である。
【００１５】
図３（ａ）はセンサ素子６が収容されたパッケージ本体３の最下部を拡大した断面図、図３（ｂ）は平面図である。センサ素子６はダイヤフラム７、抵抗体（図示せず）を有するＳｉセンサチップ８がガラス台座９に接合されてなるものである。これらの図に示すように、パッケージ本体３の底面３ａの中央には圧力導入パイプ４の中心を長手方向に貫通する圧力導入孔１０が設けられ、圧力導入孔１０を通じてセンサの内部と外部とが連通している。圧力導入孔１０の縁に沿って上方（センサの内部空間）に向けて突出する環状の第１の凸部１１が設けられており、第１の凸部１１の周囲の、第１の凸部１１の上面に対して凹んだ部分が接着剤溜め１２となっている。そして、接着剤溜め１２の内部に接着剤１３が充填された状態でガラス台座９とパッケージ本体３の底面３ａとが接着されたことにより、センサ素子６がパッケージ２に固定されている。
【００１６】
本例の場合、例えば、接着剤１３に熱硬化性のシリコーン系接着剤を用いるものとして、第１の凸部１１の高さｈ（接着剤溜め１２の深さ）は５０μｍ程度に設定されている。これにより、センサ素子６とパッケージ本体３との間に介在する接着剤１３の厚みをほぼ５０μｍ程度にすることができる（実際には、第１の凸部１１の上面上にも若干の接着剤１３が載るため、接着剤１３の厚みは厳密には第１の凸部１１の高さより大きくなる）。また、平面視した際の第１の凸部１１の面積は極力小さい方が望ましい。なぜならば、この部分は応力の吸収にはほとんど寄与しないからである。
【００１７】
本例の半導体圧力センサ１においては、パッケージ本体３の底面に第１の凸部１１を設けたことにより、第１の凸部１１に対して凹んだ部分が接着剤溜め１２となり、この中に接着剤１３を充填することができる。よって、パッケージ製作時に第１の凸部１１の高さを所望の寸法に設定することによって接着剤１３の厚みを任意に設定することが可能になり、接着剤１３自体の粘度等により自然に保持される厚み以上に厚くすることができる。このため、パッケージ２に加わる外部応力を充分に吸収することができ、圧力変動以外の要因によるダイヤフラム７の歪みが抑制されるので、従来に比べて圧力の検出精度を向上させることができる。また、第１の凸部１１は圧力導入孔１０の縁部に内部空間５に向けて突出するように形成されており、第１の凸部１１が圧力導入孔１０の延長のような形状となっている。よって、第１の凸部１１が圧力変動に対して抵抗となるようなこともなく、センサ外部の圧力がセンサ内部に円滑に導入される。
【００１８】
［本発明の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態を図４〜図１３を参照して説明する。本実施の形態の半導体圧力センサの基本構成は上述の参考例と全く同様であり、異なる点は、パッケージ内に第１の凸部に加えて第２の凸部を設けた点である。よって、以下の例ではセンサ全体の図示は省略し、センサ素子が実装されるパッケージの下部のみを図示する。以下の図面は全て（ａ）が平面図、（ｂ）が断面図である。また、図１〜図３に示した参考例と共通の構成要素には同一の符号を付す。
【００１９】
本実施の形態の半導体圧力センサは、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、圧力導入孔１０の縁部に設けた環状の第１の凸部１１に加えて、矩形状のセンサ素子実装部５ａの対角線上にあたる圧力導入孔１０の周囲の４箇所に円柱状の第２の凸部１６が設けられている。第２の凸部１６は第１の凸部１１と同じ高さに形成されている。
【００２０】
本発明の半導体圧力センサでは第１の凸部の上にセンサ素子を配置する形となるため、参考例のような構成では、センサ素子６を第１の凸部１１の上に載置した際にセンサ素子６が若干不安定になり、センサ素子６が傾いて固定される恐れがある。これに対して、本実施の形態の場合、センサ素子６は第１の凸部１１と第２の凸部１６の双方に支持されるため、センサ素子６が傾いて固定されたりすることがない。
【００２１】
本実施の形態における第２の凸部の形状は、図４（ａ）、（ｂ）に示したもの以外にも様々なものが考えられる。
例えば、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、図４に示す第２の凸部１６の上部をＲ加工して丸め、センサ素子６との接触面積を最小にした第２の凸部１７を有するもの、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、センサ素子実装部５ａの４つの角に３角形状の第２の凸部１８を設けたもの、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、センサ素子実装部５ａ内の第１の凸部１１から縦横４方向に張り出す第２の凸部１９を設けたもの、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、図７に示す第２の凸部１９をパッケージの内壁部まで延在させた第２の凸部２０を有するもの、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、第１の凸部１１の外側に環状の第２の凸部２１を設けたもの、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、センサ素子実装部５ａ内の第１の凸部１１から対角線に沿う４方向に張り出す第２の凸部２２を設けたもの、図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、センサ素子実装部５ａの縁に沿って第２の凸部２３を設けたもの、図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、図１０に示す第２の凸部２２と図１１に示す第２の凸部２３とを組み合わせた形状の第２の凸部２４を設けたもの、図１３（ａ）、（ｂ）に示すように、センサ素子実装部５ａ内の第１の凸部１１の周囲に矩形状の第２の凸部２５を設けたもの、等が挙げられる。いずれの形状のものも、センサ素子６を安定して支持できる、という図４のセンサと同様の効果を得ることができる。
【００２２】
［他の参考例］
以下、本発明の他の参考例を図１４〜図２０を参照して説明する。図１〜図３に示した参考例、本発明の実施の形態では圧力導入パイプを有するセンサの例を挙げたが、本参考例では表面加圧型の半導体圧力センサの例を挙げる。このセンサにおいても基本構成は大きく変わらないため、以下ではセンサ素子実装部の平面図のみを図示する。
【００２３】
本参考例の半導体圧力センサにおいては、図１４に示すように、センサ素子実装部５ａの４つの角に３角形状の第１の凸部３１が設けられている。本例の場合、これら第１の凸部３１は、その形状もしくは形成位置がセンサ素子の中心（重心）に対して点対称とされている。そして、第１の凸部３１により接着剤溜めが形成され、第１の凸部３１上にセンサ素子が支持されて接着剤溜めに接着剤が充填された状態でセンサ素子がパッケージ内に固定されている。
【００２４】
本参考例の半導体圧力センサの場合、第１の凸部３１は接着剤溜めを形成すると同時にセンサ素子を支持する役目を果たすものである。この場合も、第１の凸部３１の高さを制御することにより接着剤の厚みを任意に設定でき、接着剤により外部応力を充分に吸収できるので、検出精度の向上を図ることができる。さらに、第１の凸部３１の形状もしくは形成位置がセンサ素子の中心に対して点対称とされているので、第１の凸部３１の上にセンサ素子を載置した際にセンサ素子を安定して支持することができる。
【００２５】
本参考例における第１の凸部の形状は、図１４に示したもの以外にも様々なものが考えられる。例えば、図１５に示すように、センサ素子実装部５ａの対角線上に４つの円形の第１の凸部３２を設けたもの、図１６に示すように、センサ素子実装部５ａを縦横に４等分する線分上に４つの円形の第１の凸部３３を設けたもの、図１７に示すように、センサ素子実装部５ａの中心を中心とした環状の第１の凸部３４を設けたもの、図１８に示すように、センサ素子実装部５ａの縁に沿って第１の凸部３５を設けたもの、図１９に示すように、センサ素子実装部５ａを縦横に４等分する線分に沿って延びる第１の凸部３６を設けたもの、図２０に示すように、センサ素子実装部５ａの中心から対角線に沿って延びる第１の凸部３７を設けたもの、等が挙げられる。いずれの形状のものも、第１の凸部の存在によりセンサ素子を安定して支持できるとともに外部応力を吸収して検出精度を向上できる、という図１４のセンサと同様の効果を得ることができる。
【００２６】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば第１の凸部、第２の凸部、パッケージ、センサ素子の材料、形状、寸法等の具体的な記載に関しては、上記実施の形態に限ることなく、適宜変更が可能なことは勿論である。また、第１の凸部、第２の凸部に関しては、パッケージと一体成形したものでも良いし、別体で形成したものを取り付けても良い。
【００２７】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明の半導体圧力センサによれば、パッケージの底面に第１の凸部を設けたことにより接着剤溜めを形成でき、パッケージ製作時に第１の凸部の高さを適宜設定することにより接着剤の厚みを任意に設定できるため、接着剤の厚みを厚くすることができる。このため、パッケージに加わる外部応力を充分に吸収することができ、圧力変動以外の要因によるダイヤフラムの歪みが抑制されるので、従来に比べて圧力の検出精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の参考例の半導体圧力センサを示す平面図である。
【図２】 同、センサの断面構造を示す図であって、図１のII−II線に沿う断面図である。
【図３】 図３（ａ）はセンサ素子が収容されたパッケージ本体の最下部を拡大した断面図、図３（ｂ）は平面図である。
【図４】 本発明の実施の形態の半導体圧力センサのセンサ実装部を示す（ａ）平面図、（ｂ）（ａ）のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。
【図５】 同、センサの第２の凸部の他の例を示す図であって、（ａ）平面図、（ｂ）（ａ）のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。
【図６】 同、第２の凸部の他の例を示す図である。
【図７】 同、第２の凸部の他の例を示す図である。
【図８】 同、第２の凸部の他の例を示す図である。
【図９】 同、第２の凸部の他の例を示す図である。
【図１０】 同、第２の凸部の他の例を示す図である。
【図１１】 同、第２の凸部の他の例を示す図である。
【図１２】 同、第２の凸部の他の例を示す図である。
【図１３】 同、第２の凸部の他の例を示す図である。
【図１４】 他の参考例の半導体圧力センサのセンサ実装部を示す平面図である。
【図１５】 同、センサの第２の凸部の他の例を示す平面図である。
【図１６】 同、第１の凸部の他の例を示す図である。
【図１７】 同、第１の凸部の他の例を示す図である。
【図１８】 同、第１の凸部の他の例を示す図である。
【図１９】 同、第１の凸部の他の例を示す図である。
【図２０】 同、第１の凸部の他の例を示す図である。
【図２１】 従来の半導体圧力センサの一例の要部を示す図である。
【符号の説明】
１…半導体圧力センサ、２…パッケージ、５…内部空間、６…センサ素子、１０…圧力導入孔、１１，３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７…第１の凸部、１２…接着剤溜め、１３…接着剤、１６，１７，１８，１９，２０，２１，２２，２３，２４，２５…第２の凸部。

Claims (2)

1. センサ素子（６）と、該センサ素子を収容する内部空間（５）を有し、その底面にセンサ外部と連通する圧力導入孔（１０）が設けられたパッケージ（２）とを備え、前記圧力導入孔の縁部に沿って前記内部空間に向けて環状に突出する第１の凸部（１１）が設けられたことにより接着剤溜め（１２）が形成され、前記第１の凸部上に前記センサ素子が配置され前記接着剤溜めに接着剤（１３）が充填された状態で前記センサ素子が前記パッケージ内に固定され、さらに、前記センサ素子（６）を裏面側から支持する第２の凸部（１６〜２５）が前記パッケージ内部の底面上にて前記第１の凸部の周囲に設けられ、
   前記第２の凸部は前記第１の凸部の周囲の複数箇所に前記第１の凸部から放射状に張り出すように設けられていることを特徴とする半導体圧力センサ。
2. 前記第２の凸部の上部がＲ加工されていることを特徴とする請求項１記載の半導体圧力センサ。

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