JP4458135B2 - 液体性状センサ - Google Patents

Description

本発明は、液体や気体の混合比率等として、例えばガソリンなどの液体燃料の中に含まれるアルコールの混合比率等を検出する液体性状センサに関する。

アルコール含有量を検出するセンサの一例として、特許文献１に記載された構成が知られている。この構成は、液体燃料が流通する通路が形成されたケーシングと、このケーシング内に混合気に曝されるように設けられたセンサ素子とから構成されている。しかし、上記構成のセンサは、全体の構成が大きいため、取付け場所が制限されると共に、取り付け構造が複雑になるという問題点があった。

このような問題点を解消する構成の一例として、特許文献２に記載された半導体センサ（湿度センサ）が知られている。この湿度センサは、半導体基板の上に絶縁膜、感湿膜を形成し、その上にアルミや銅などの櫛歯状の金属電極を形成し、この金属電極の上に腐食防止用の保護膜（シリコン窒化膜等）を形成して構成されている。そして、このような構成の半導体センサを、液体燃料の中に含まれるアルコールの混合率を検出するセンサとして用いれば、小形の液体性状センサを構成することができる。
特表平５−５０７５６１号公報 特開２００３−２７０１８９号公報

上記したように、液体性状センサを半導体センサで構成した場合、ガソリンなどの液体燃料は、金属に対する腐食性が強いため、半導体基板の上に形成した櫛歯状の金属電極の上に、腐食防止用の保護膜（シリコン窒化膜等）を形成する必要がある。しかし、保護膜と検出する液体の誘電率の差が大きくなると、櫛歯状の金属電極間の静電容量の変化が小さくなるという問題があった。

このため、車両の液体燃料（ガソリン）のアルコール含有量を検出する構成に用いる場合には、アルコール含有量によって比誘電率が大きく変化するので、検出精度を高くする（即ち、電極間の静電容量の変化を大きくする）ためには、異なる比誘電率を有する複数の保護膜を設ける必要がある。しかし、このように構成すると、信号処理回路が複雑になると共に、半導体製造プロセスが複雑になるという問題点が発生する。

そこで、本発明の目的は、液体性状センサの櫛歯状電極を液体に直接曝すように構成しながら、十分な耐食性を得ることができる液体性状センサを提供することにある。

請求項１の発明によれば、半導体基板の表面に拡散層からなる櫛歯状電極を設け、半導体基板の裏面の中の少なくとも櫛歯状電極に対応する部分に拡散層を設け、半導体基板の裏面の拡散層の上に金属膜を設け、この金属膜にリードフレームを接合し、このリードフレームと前記半導体基板の表面に設けられたグランド電極をワイヤボンディングするように構成したので、櫛歯状電極を液体に直接曝すように構成しながら、すなわち、保護膜が不要な構成としながら、液体に対して十分な耐食性を得ることができる。また、保護膜が存在しないから、液体の比誘電率に関係なく、液体性状を検出することができ、また、電磁ノイズ等の悪影響を受け難い構成とすることができ、また、検出誤差を低減することができる。

上記構成の場合、請求項２の発明のように、前記櫛歯状電極は、一対の共通部と、これら共通部から突設された多数の櫛歯部とを有し、各櫛歯部を所定間隔をあけて互い違いに嵌合させていることが好ましい。

また、請求項３の発明のように、前記半導体基板の表面の中の前記櫛歯状電極の周囲部に設けられた拡散層を備えることがより一層好ましい。

請求項４の発明によれば、半導体基板に信号処理回路を設けたので、液体性状センサと信号処理回路を１チップ化することができ、全体の構成を一層小形化できる。

また、請求項５の発明のように、前記半導体基板の形状を、細長いチップ形状とすることがより一層良い構成である。

以下、本発明の第１の実施例について、図１ないし図３を参照して説明する。まず、図１は、本実施例の液体性状センサ１の全体構成を概略的に示す縦断面図である。本実施例の液体性状センサ１は、車両の液体燃料例えばガソリンに含まれるアルコールの混合比率を検出するものであり、半導体センサで構成されている。

上記液体性状センサ１は、図１に示すように、例えばＳｉ基板からなる半導体基板２と、この半導体基板２の表面における図１中の右部に設けられた拡散層からなるセンサ部３とを備えている。センサ部３は、半導体基板２の表面に形成されたＰ層４と、このＰ層４の表面に形成されたＮ層からなる櫛歯状電極５、６とから構成されている。櫛歯状電極５、６は、図２に示すような櫛歯状に形成されており、一対の共通部５ａ、６ａと、これら共通部５ａ、６ａから突設された多数の櫛歯部５ｂ、６ｂとを有しており、各櫛歯部５ｂ、６ｂを所定間隔をあけて互い違いに嵌合させている。

そして、半導体基板２のうちの上記センサ部３だけが、測定したい液体燃料の中に浸漬されて直接曝されるように構成されている。この場合、櫛歯部５ｂ、６ｂの間に対象物である液体燃料の誘電率に準じた静電容量が蓄積される。

また、半導体基板２の裏面全体には、Ｐ層からなる拡散層７が形成されている。尚、この拡散層７は、必ずしも半導体基板２の裏面全体に形成する必要はなく、半導体基板２の裏面のうちのセンサ部３（櫛歯状電極５、６）に対応する部分、即ち、図１中の右部に形成するだけでも良い。

また、半導体基板２の表面における図２中の下部（図１中の左部）には、信号処理回路８と、例えば３個のパッド９が形成されている。信号処理回路８には、上記櫛歯状電極５、６が接続されていると共に、３個のパッド９が接続されている。信号処理回路８は、例えばＣＭＯＳトランジスタやコンデンサなどの素子を有する。そして、それらの素子によって、静電容量値を電圧値に変換するＣ・Ｖ変換回路、ノイズ成分を除去するフィルタ回路、電圧値を所定の周期でサンプルホールドするサンプルホールド回路、及びサンプルホールド回路から出力された電圧値を増幅する増幅回路などで構成されている。また、液体燃料の温度を検出し、その温度に応じて混合比率と静電容量値との間の関係を補正する処理回路を備えている。信号処理回路８の出力信号は、３個のパッド９のうちの１つのパッド９を介して外部へ出力される。残り２個のパッド９のうちの１つがグランド用パッドであり、他の１つが電源用パッドである。尚、図１に示すように、信号処理回路８は、層間絶縁膜１０、配線層１１、グランド電極１２、保護膜１３等を有している。

更に、グランド電極１２と半導体基板２の裏面の拡散層７を接続する貫通電極１４が、半導体基板２を貫通するように設けられている。この貫通電極１４は、例えば拡散層で形成されている。

上記した構成の液体性状センサ１を用いて車両の液体燃料（ガソリン）に含まれるアルコールの混合比率を検出する場合、上記液体性状センサ１を専用のセンサケース内に収容し、液体性状センサ１のセンサ部３だけをセンサケースから外部へ突出させておく。これにより、センサ部３だけが測定したい液体燃料の中に浸漬されて直接曝され、液体性状センサ１の他の部分は液体燃料と接触しないようになっている。

そして、センサ部３の櫛歯状電極５、６の櫛歯部５ｂ、６ｂの間の静電容量値（液体燃料の誘電率に準じた静電容量値）から、液体燃料に含まれるアルコールの混合比率を検出するに当たっては、予め、図３に示すような液体燃料（ガソリンとアルコール）の混合比率と静電容量値との間の関係を示すグラフ（データ）を求めて記憶しておく。このグラフに基づいて測定（検出）した静電容量値に対応する混合比率を求めることができる。ただし、液体燃料（ガソリンとアルコール）の比誘電率は温度に応じて変化するので、液体燃料の温度を検出し、その温度に基づいて補正を加えるのが好ましい。上記構成の液体性状センサ１によれば、半導体基板２の表面に拡散層からなる櫛歯状電極５、６を設けたので、拡散層は液体燃料に対して耐蝕性があることから、櫛歯状電極５、６を液体燃料に直接曝すように構成しながら、即ち、保護膜が不要な構成としながら、十分な耐蝕性を得ることができる。そして、上記構成の液体性状センサ１には、従来構成（特許文献２）とは異なり、保護膜が存在しないから、液体燃料の比誘電率に関係なく、混合比率（液体性状）を高感度で検出することができる。更に、保護膜を形成しないので、製造工程数を削減することができ、それだけ製造コストを低減することができる。

また、上記実施例においては、半導体基板２の裏面全体に拡散層７を設けたので、電磁ノイズ等の悪影響を受け難い構成とすることができる。更に、半導体基板２を貫通するように設けた貫通電極１４により、半導体基板２の表面のグランド電極１２と半導体基板２の裏面の拡散層７を接続するように構成したので、液体燃料が配管内を流動するときに液体燃料自体に帯電した静電気を、裏面の拡散層７及び貫通電極１４を通してグランド電極１２へ放電することができる。これにより、櫛歯状電極５、６による混合比率の検出誤差を低減することができる。また、異物付着防止や、信号処理回路８の静電破壊を防止することができる。

更にまた、上記実施例においては、半導体基板２に液体性状センサ１と信号処理回路８を一体的に設けたので、液体性状センサ１と信号処理回路８をいわゆる１チップで構成することができ、センサ全体の構成を一層小形化できる。

尚、上記実施例においては、櫛歯状電極５、６間に直流電圧を印加する、即ち、直流駆動方式で駆動するように構成したが、これに代えて、交流駆動方式で駆動するように構成しても良い。このように構成すると、液体燃料等の測定対象物に含まれているイオンが櫛歯状電極５、６の表面に付着もしくは表面近傍に集積して、該イオンを通じて櫛歯状電極５、６間に電流が流れ、ショートして信号処理回路８が破壊されるのを防止できる。

また、上記実施例において、櫛歯状電極５、６のうちのＮ層に順バイアス電圧を印加すると共に、Ｐ層に逆バイアス電圧を印加するように構成することが好ましい。このように構成すると、内部電位を高くすることができ、特に、高温時のＰＮ接合界面の電流リークを防止することができる。

第１の実施例においては、静電容量だけでなく、導電率や誘電損失などを含めたインピーダンスの形で計測しても良い。複数の物理量を同時に計測することで、測定精度の向上や異物混入の判定、また誤差補正等が可能となる。

図４は、本発明の第２の実施例を示すものである。尚、第１の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第２の実施例においては、拡散層７を半導体基板２の裏面だけでなく、半導体基板２の表面、特には、櫛歯状電極５、６の周囲部にも拡散層１５を形成した。これ以外の第２の実施例の構成は、第１の実施例と同じ構成となっている。

従って、上記第２の実施例においても、第１の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。特に、第２の実施例によれば、拡散層１５がガードリングの働きをすることで、静電気や電磁ノイズの悪影響をより一層低減することができる。尚、上記第２の実施例において、半導体基板２の裏面の拡散層７を形成しないように、即ち、半導体基板２の表面側だけに拡散層１５を形成するように構成しても良い。

図５は、本発明の第３の実施例を示すものである。尚、第１の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第３の実施例においては、半導体基板２の裏面の拡散層７の上に例えばアルミや銅等の金属膜１６を形成すると共に、この金属膜１６にリードフレーム１７を半田付けや導電性接着剤等により接合し、更に、リードフレーム１７と半導体基板２の表面に設けられたグランド用のパッド９とをワイヤ１８を介してワイヤボンディングしている。

そして、上述した以外の第３の実施例の構成は、第１の実施例と同じ構成となっている。従って、上記第３の実施例においても、第１の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。特に、第３の実施例によれば、グランドの接地面積を広く取ることができるので、静電気や電磁ノイズの悪影響を一層低減することができる。また、ワイヤボンディングすることで、貫通電極と比較してプロセス工程を簡便化できる。

図６は、本発明の第４の実施例を示すものである。尚、第１の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第４の実施例においては、センサ部３を耐蝕性のあるポリシリコンからなる櫛歯状電極１９、２０で構成した。即ち、半導体基板２の表面にポリシリコンからなる櫛歯状電極１９、２０を形成した。これら櫛歯状電極１９、２０の形状は、第１の実施例の櫛歯状電極５、６の形状と同じである。

尚、上述した以外の第４の実施例の構成は、第１の実施例と同じ構成となっている。従って、上記第４の実施例においても、第１の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。

また、図７に示す本発明の第５の実施例のように、前記ポリシリコンからなる櫛歯状電極１９、２０をＣＭＰ技術などで前記半導体基板２に埋め込む構成とすることで、検出部の凹凸が無くなり、混合燃料の異物（コンタミ成分）付着を防止することができる。このため、検出感度低下を防止できる。尚、上述した以外の第５の実施例の構成は、第４の実施例と同じ構成となっている。

図８は、本発明の第６の実施例を示すものである。尚、第１の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第６の実施例においては、半導体基板２の裏面に拡散層７を形成することを止めると共に、貫通電極１４を形成することを止めるように構成した。上述した以外の第５の実施例の構成は、第１の実施例と同じ構成となっている。従って、上記第６の実施例においても、第１の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。

図９は、本発明の第７の実施例を示すものである。尚、第１の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第７の実施例においては、半導体基板２１の形状を、細長いチップ形状とした。尚、半導体基板２１の横断面形状は、ほぼ正方形または長方形であることが好ましい。上述した以外の第７の実施例の構成は、第１の実施例と同じ構成となっている。

従って、上記第７の実施例においても、第１の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。特に、第７の実施例では、半導体基板２１の形状を、細長いチップ形状としたので、センサ部３だけを液体の中に曝し易い構成となる。

図１０は、本発明の第８の実施例を示すものである。尚、第１の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第８の実施例においては、信号処理回路８を、半導体基板２の裏面（下面）に設けた。そして、半導体基板２の表面のパッド９と、信号処理回路８のグランド電極１２とを貫通電極１４で接続するように構成した。また、信号処理回路８の下面（半導体基板２の裏面）は、保護膜１３で覆われている。

尚、上述した以外の第８の実施例の構成は、第１の実施例と同じ構成となっている。従って、上記第８の実施例においても、第１の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。そして、第８の実施例では、図１０に示すような構成にすることで、センサチップ全体をより小型化することができる。また、センサ部３だけを液体燃料に曝し、信号処理回路８を直接燃料に曝さないように設置することで、回路部の腐食を防止でき、信頼性を向上することができる。

図１１は、本発明の第９の実施例を示すものである。尚、第１の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第９の実施例においては、信号処理回路８を、櫛歯状電極５、６を設けた半導体基板２と異なる半導体基板３１に設け、櫛歯状電極５、６と信号処理回路８との間をワイヤ３２を介してワイヤボンディングするように構成した。そして、上記２つの半導体基板２、３１は、リードフレーム３３上に例えば半田付け等により固着されている。尚、半導体基板２、３１の各裏面には、金属膜１６が形成されている。

また、上述した以外の第９の実施例の構成は、第１の実施例と同じ構成となっている。従って、上記第９の実施例においても、第１の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。そして、第９の実施例では、図１１に示すような構成にすることで、センサ部３と信号処理回路８をそれぞれ別工程で製造することができるので、歩留まり向上や品質保証が容易になる。

図１２及び図１３は、本発明の第１０の実施例を示すものである。尚、第９の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第１０の実施例においては、信号処理回路８を設けた半導体基板３１と、前記櫛歯状電極５、６を設けた半導体基板２とをリードフレーム３３上に固着したものを樹脂（例えばエポキシ樹脂）３４でモールドしている。但し、櫛歯状電極５、６部分は、露出させるようにしてモールドしている。上述した以外の第１０の実施例の構成は、第９の実施例とほぼ同じ構成となっている。従って、上記第１０の実施例においても、第９の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。そして、第１０の実施例では、図１２及び図１３に示すような構成にすることで、センサ部３のみが液体燃料に曝されるので、信号処理回路８が液体燃料に曝されることはない。このようなモールド構造とすることで、耐蝕性や耐久性を向上させることができ、長期信頼性を一層向上させることができる。

図１４は、本発明の第１１の実施例を示すものである。尚、第９の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第１１の実施例においては、信号処理回路８を設けた半導体基板３１の上に、櫛歯状電極５、６を設けた半導体基板２を載置し、櫛歯状電極５、６と信号処理回路８との間を貫通電極３５及びバンプ３６を介して接続している。そして、２つの半導体基板２、３１を樹脂等からなる被覆用部材３７を介して接着するように構成している。

尚、上述した以外の第１１の実施例の構成は、第９の実施例と同じ構成となっている。従って、上記第１１の実施例においても、第９の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。特に、第１１の実施例によれば、信号処理回路８を半導体基板２で覆ってしまう構成となるので、スタック構造による小型化や回路保護、別チップ化することによる歩留まりを向上させることができる。

図１５及び１６は、本発明の第１２の実施例を示すものである。尚、第１の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第１２の実施例においては、櫛歯状電極４１、４２を反応性イオンエッチング等のＭＥＭＳ技術で形成することにより、櫛歯状電極４１、４２の上下方向（即ち、図１５中の上下方向）の寸法を大きくし、前記櫛歯状電極４１、４２の対向面積を大きくするように構成した。

具体的には、半導体基板（Ｓｉ基板）２の上面に絶縁膜３８を形成し、この絶縁膜３８の上面にＳｉ層３９を形成し、絶縁膜３８及びＳｉ層３９に形成した開口部４０内に、櫛歯状電極４１、４２を張り出すように設けている。この場合、開口部４０の縦・横の各寸法は、それぞれ数百μｍ〜数ｍｍ程度であり、櫛歯状電極４１、４２の図１５中の上下方向の寸法は１０μｍ程度であり、櫛歯状電極４１、４２の幅寸法（図１５中の左右方向の寸法）は３μｍ程度であり、櫛歯状電極４１、４２の間隔の寸法は、５μｍ程度である。これにより、櫛歯状電極４１、４２の櫛歯部４１ｂ、４２ｂの対向する対を、ＭＥＭＳ技術により、数十〜数百対程度形成することができる。

尚、上述した以外の第１２の実施例の構成は、第１の実施例と同じ構成となっている。
従って、上記第１２の実施例においても、第１の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。特に、第１２の実施例によれば、櫛歯状電極４１、４２の配設面積を大幅に小さくすることができ、全体の構成をより一層小型化することができる。

図１７ないし図２１は、それぞれ本発明の第１３ないし第１７の実施例を示すものである。これら第１３ないし第１７の実施例は、第６の実施例（図８参照）、第８の実施例（図１０参照）、第９の実施例（図１１参照）、第１０の実施例（図１２参照）、第１１の実施例（図１４参照）において、第４の実施例に示すように、センサ部３を、耐蝕性のあるポリシリコンからなる櫛歯状電極１９、２０で構成したものである。

このように、センサ部３を耐蝕性のあるポリシリコンからなる櫛歯状電極１９、２０で構成したので、ポリシリコンは液体燃料に対して耐蝕性があることから、櫛歯状電極１９、２０を液体燃料に直接曝すように構成しながら、即ち、保護膜が不要な構成としながら、十分な耐蝕性を得ることができる。また、一般的な半導体製造プロセスを用いて容易に作成できることから、製造コストをより一層削減することができる。

また、上記した各実施例においては、液体燃料（ガソリン及びアルコール）の混合比率を検出する液体性状センサ１に適用したが、これに限られるものではなく、他の液体の性状を検出する液体性状センサ（インピーダンスセンサ）に適用しても良いし、更にまた、気体の混合比率（例えば湿度やガスの濃度等）を検出するインピーダンスセンサ（湿度センサやガスセンサ等）に適用しても良い。

本発明の第１の実施例を示す液体性状センサの縦断面図 液体性状センサの上面図 液体の混合比率と静電容量値との関係を示すグラフ 本発明の第２の実施例を示す液体性状センサの部分上面図 本発明の第３の実施例を示す図１相当図 本発明の第４の実施例を示す図１相当図 本発明の第５の実施例を示す図６相当図 本発明の第６の実施例を示す図１相当図 本発明の第７の実施例を示す液体性状センサの斜視図 本発明の第８の実施例を示す図１相当図 本発明の第９の実施例を示す図１相当図 本発明の第１０の実施例を示す図１１相当図 図２相当図 本発明の第１１の実施例を示す図１１相当図 本発明の第１２の実施例を示す液体性状センサの部分上面図 液体性状センサの縦断面図 本発明の第１３の実施例を示す図８相当図 本発明の第１４の実施例を示す図１０相当図 本発明の第１５の実施例を示す図１１相当図 本発明の第１６の実施例を示す図１２相当図 本発明の第１７の実施例を示す図１４相当図

符号の説明

図面中、１は液体性状センサ、２は半導体基板、３はセンサ部、５、６は櫛歯状電極、７は拡散層、８は信号処理回路、１２はグランド電極、１３は保護膜、１４は貫通電極、１５は拡散層、１６は金属膜、１７はリードフレーム、１８はワイヤ、１９、２０は櫛歯状電極、２１は半導体基板、３１は半導体基板、３５は貫通電極、４１、４２は櫛歯状電極を示す。

Claims (5)

1. 液体の中に浸漬させて前記液体の混合比率等の液体性状を検出する液体性状センサにおいて、
   半導体基板と、
   前記半導体基板の表面に設けられ、拡散層からなる櫛歯状電極と、
   前記半導体基板の裏面の中の少なくとも前記櫛歯状電極に対応する部分に設けられた拡散層と、
   前記半導体基板の裏面の前記拡散層の上に設けられた金属膜と、
   前記金属膜に接合されたリードフレームとを備え、
   前記リードフレームと前記半導体基板の表面に設けられたグランド電極をワイヤボンディングしたことを特徴とする液体性状センサ。
2. 前記櫛歯状電極は、一対の共通部と、これら共通部から突設された多数の櫛歯部とを有し、各櫛歯部を設定間隔をあけて互い違いに嵌合させていることを特徴とする請求項１記載の液体性状センサ。
3. 前記半導体基板の表面の中の前記櫛歯状電極の周囲部に設けられた拡散層を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の液体性状センサ。
4. 前記半導体基板に信号処理回路を設けたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の液体性状センサ。
5. 前記半導体基板の形状を、細長いチップ形状としたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の液体性状センサ。

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