JP4882682B2 - 圧力センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧力検出用のダイアフラムを有するセンサチップと回路チップを備えたセンサ装置に関する。

従来、圧力センサ装置には、圧力を検出するためのセンシング部を有するセンサチップと、このセンサチップから出力される信号を処理する回路チップと、これらのチップを収納する樹脂製のケースを備えた構成となったものがある。

センサチップはシリコンなどの半導体からなり、樹脂製のケースとは線膨張係数が大きく異なるため、例えば、センサチップをケースに直接搭載した場合、周囲温度が変化すると線膨張係数差による応力（歪み）が発生し、センサチップが湾曲してしまう。このような湾曲が発生した場合、センサチップのセンシング部が変形することになり、センサ装置の温度特性の悪化につながる。

したがって、従来の圧力センサ装置は、図４に示すように、センサチップ２０とケース１０との間にガラス台座９０が設けられ、ガラス台座９０が図示しない接着剤（例えば、ビーズ入り接着剤）によってケース１０に接着される構造となっている（例えば、特許文献１参照）。このような構造により、線膨張係数差による応力（歪み）が緩和されるようになっている。

なお、ケース１０には、外部と接続されるターミナル１１がインサート成形されており、このターミナル１１とセンサチップ２０との間、センサチップ２０と回路チップとの間、およびターミナル１１と回路チップとの間は、それぞれワイヤボンディング９１を介して電気的に接続される。
特開２００５−２２１４５３号公報

上記したように、図４に示したような圧力センサ装置は、センサチップ２０とこのセンサチップ２０を搭載するケース１０との線膨張係数差が大きいため、線膨張係数差による応力（歪み）を緩和するためのガラス台座２１を設ける必要があった。

本発明は上記点に鑑みたもので、ガラス台座を設けることなく温度変化によるセンサチップへの応力を低減することを目的とする。

本発明の第１の特徴は、薄肉部（２０ａ）としての圧力検出用のダイアフラムおよびダイアフラムの周囲に位置する厚肉部（２０ｂ）を有するセンサチップ（２０）と、センサチップと同程度の線膨張係数を有する回路チップ（２１）と、を備え、回路チップの一面上にセンサチップの厚肉部が接合されており、回路チップ（２１）は、外部と接続するためのターミナル（１１）上に搭載されており、回路チップ（２１）と前記ターミナル（１１）の間は、導電パターン（２３ａ）が形成された第１の接着フィルム（２３）を用いて接着されていることである。

このような構成では、センサチップと同程度の線膨張係数を有する回路チップの一面上にセンサチップの厚肉部が接合されているので、ガラス台座を設けることなく温度変化によるセンサチップへの応力を低減することができる。また、回路チップ（２１）とターミナル（１１）の間は、導電パターン（２３ａ）が形成された第１の接着フィルム（２３）を用いて接着することができる。

また、本発明の第２の特徴は、センサチップ（２０）と回路チップ（２１）は、同一材料により構成されていることである。

このように、センサチップと回路チップを、同一材料により構成することにより、センサチップと回路チップの線膨張係数を同程度とすることができる。

また、本発明の第３の特徴は、センサチップ（２０）と回路チップ（２１）は、それぞれシリコン半導体チップとして構成されていることである。

このように、センサチップと回路チップを、それぞれシリコン半導体チップとして構成することにより、センサチップと回路チップの線膨張係数を同程度とすることができる。

また、本発明の第４の特徴は、回路チップとセンサチップの厚肉部は、導電パターン（２２ａ）が形成された第２の接着フィルム（２２）を介して接着されていることである。

このような構成では、第２の接着フィルムの導電パターンによって、回路チップとセンサチップの厚肉部との間が電気的に接続されるので、回路チップとセンサチップ間を電気的に接続するためのワイヤボンディングを不要とすることができる。

また、本発明の第５の特徴は、第２の接着フィルム（２２）の導電パターン（２２ａ）の周囲は、非導電性の絶縁部（２２ｂ）となっていることである。

このように、第２の接着フィルムの導電パターンの周囲は、非導電性の絶縁部となっているので、この絶縁部により絶縁性を確保することができる。

また、本発明の第６の特徴は、第２の接着フィルム（２２）の絶縁部（２２ｂ）は、非導電性の樹脂フィルムによって構成されていることである。

このように、第２の接着フィルムの絶縁部は、非導電性の樹脂フィルムによって構成することができる。

また、本発明の第７の特徴は、回路チップ（２１）のセンサチップ（２０）側の面およびセンサチップ（２０）の厚肉部（２０ｂ）の回路チップ側の面には、それぞれパッドが形成されており、第２の接着フィルム（２２）の導電パターン（２２ａ）によって、回路チップおよびセンサチップに形成されたパッド間が電気的に接続されていることである。

このように、第２の接着フィルムの導電パターンによって、回路チップおよびセンサチップに形成されたパッド間が電気的に接続されるので、回路チップおよびセンサチップに形成されたパッド間を電気的に接続するためのワイヤボンディングを不要とすることができる。

また、本発明の第８の特徴は、センサチップ（２０）は、厚肉部を貫通する貫通電極（２０ｃ）を備え、センサチップ（２０）の厚肉部の回路チップ側の面に形成されたパッドと、センサチップの反対側の面に形成されたパッドとの間は、貫通電極を介して電気的に接続されていることである。

このように、センサチップの厚肉部の回路チップ側の面に形成されたパッドと、センサチップの反対側の面に形成されたパッドとの間は、センサチップの厚肉部を貫通する貫通電極を介して電気的に接続することができる。

また、本発明の第９の特徴は、第１の接着フィルム（２３）の導電パターン（２３ａ）の周囲は、非導電性の絶縁部（２３ｂ）となっていることである。

このように、第１の接着フィルムの導電パターンの周囲は、非導電性の絶縁部となっているので、この絶縁部により絶縁性を確保することができる。

また、本発明の第１０の特徴は、第１の接着フィルム（２３）の絶縁部（２３ｂ）は、非導電性の樹脂フィルムによって構成されていることである。

このように、第１の接着フィルムの導電パターンの周囲は、非導電性の絶縁部となっているので、この絶縁部により絶縁性を確保することができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の一実施形態に係る圧力センサ装置１００の全体概略断面構成を図１に示す。本実施形態における圧力センサ装置１００は、自動車のインテークマニホールドに取り付けられ、このインテークマニホールドの圧力を検出するセンサとして用いられる。

この圧力センサ装置１００は、大きくは、外部と接続されるターミナル１１がインサート成形されたケース１０と、圧力検出用のセンサチップ２０と、このセンサチップ２０から出力される信号の増幅等の処理を行う回路チップ２１と、センサチップ２０へ圧力媒体を導入する圧力導入孔３１を有するポート部３０とを備えている。

ケース１０は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）やエポキシ樹脂等の樹脂材料を、金型を用いて成形してなるものである。このケース１０の上端面には、圧力検出用のセンサチップ２０を搭載するための凹部１２が形成されている。

また、ケース１０には、外部と接続する複数本のターミナル１１がインサート成形により一体的に設けられている。また、ターミナル１１の一部は、上記ケース１０の凹部１２にて露出した状態となるように配置されている。また、ターミナル１１のうちケース１０の開口部１３において露出する端部は、図示しない外部機器に接続可能となっている。

ポート部３０は、ＰＰＳ、ＰＢＴやエポキシ樹脂等の樹脂材料を成形してなるものであり、ハードエポキシ樹脂等の接着剤１７によってケース１０に接着されている。また、ポート部３０の外周部には、Ｏリング３３が設けられ、本圧力センサ装置１００は、当該Ｏリング３３を介してセンサ取付部（図示せず）に対して気密に取り付け可能になっている。例えば、センサ取付部としては、上記インテークマニホールドの吸気管が挙げられ、この吸気管に設けられた開口部にポート部３０が挿入され、Ｏリング３３により取付部がシールされるようになっている。

図２に、図１の丸で囲まれたＡ部分の拡大図を示す。また、図３に、図２のＢ方向から見た図を示す。

センサチップ２０は、シリコン半導体チップからなるピエゾ抵抗効果を利用した周知のもので、ケース１０の凹部１２に搭載されている。このセンサチップ２０は、薄肉部２０ａとしての圧力検出用のダイアフラム２０ｄおよびこのダイアフラム２０ｄの周囲に位置する厚肉部２０ｂを有しており、ダイアフラム２０ｄへの圧力を検出してその検出値に応じたレベルの電気信号を回路チップ２１へ出力する。

回路チップ２１は、センサチップ２０から出力される電気信号を処理するための検出回路などが形成されたものである。回路チップ２１は、ＭＯＳトランジスタ素子などが形成されたシリコン半導体チップとして構成されている。

本実施形態において、回路チップ２１の一面は、接着フィルム２３を介してターミナル１１の一面に接着され、回路チップ２１の他面は、接着フィルム２２を介してセンサチップ２０の厚肉部２０ｂに接着されている。

接着フィルム２３は、導電性の金属材料を用いて形成された導電パターン２３ａを有し、この導電パターン２３ａの周囲は、非導電性の絶縁部２３ｂとなっている。同様に、接着フィルム２２は、導電性の金属材料を用いて形成された導電パターン２２ａを有し、この導電パターン２２ａの周囲は、非導電性の絶縁部２２ｂとなっている。

なお、絶縁部２２ｂ、２３ｂは、非導電性の樹脂フィルムであり、一般にＮＣＦ（Ｎｏｎ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｆｉｌｍ）といわれるものを用いて構成されている。

図３に示したように、センサチップ２０の表面には、ダイアフラム２０ｄとアルミ配線によって電気的に接続されたパッド２０ｅが形成され、センサチップ２０の回路チップ２１側の面にも、パッド（図示せず）が形成されており、これらのパッド間は、厚肉部２０ｂを貫通する貫通電極２０ｃを介して電気的に接続されている。

また、回路チップ２１のセンサチップ２０側の面および反対側の面には、それぞれパッド（図示せず）が形成されており、これらのパッド間は、回路チップ２１を貫通する貫通電極２１ｃを介して電気的に接続されている。

そして、回路チップ２１のセンサチップ２０側の面に形成されたパッドと、センサチップ２０の厚肉部２０ｂの回路チップ２１側の面に形成されたパッド間は、接着フィルム２２の導電パターン２２ａによって電気的に接続されている。

また、回路チップ２１のターミナル１１側の面に形成されたパッドとターミナル１１間は、接着フィルム２３の導電パターン２３ａによって電気的に接続されている。

なお、本圧力センサ装置１００は、センサチップ２０における薄肉部２０ａの回路チップ２１側が真空などの基準圧となっており、薄肉部２０ａの反対側に保護部材１５を介して被測定圧力を受ける絶対圧型の圧力センサとなっている。

また、本圧力センサ装置１００のケース１０の凹部１２内には、電気絶縁性および耐薬品性に優れたフッ素ゲルやフッ素ゴムなどからなる保護部材１５が充填されており、この保護部材１５によって、ターミナル１１、センサチップ２０、回路チップ２１および接着フィルム２２、２３が被覆され、薬品からの保護、電気的な絶縁性の確保、並びに防食などが図られている。

ここでは、この保護部材１５として、２層保護構造を採用している。例えば、下層に位置する保護部材としてフッ素系のゴム材料を採用することができ、上層に位置する保護部材としてフッ素系のゲル材料やフロロシリコーンゲルなどを採用することができる。

上記したセンサチップ２０と回路チップ２１は、それぞれシリコン半導体チップとして構成されているため、各チップの線膨張係数は同程度となっている。なお、シリコン半導体チップの線膨張係数は、３〜４ｐｐｍ／℃程度である。

したがって、温度変化に伴って回路チップ２１が膨張または収縮しても、センサチップ２０も同様に膨張または収縮するため、温度変化に伴うセンサチップ２０の湾曲を低減することができる。

また、シリコン半導体チップと接着フィルム２２、２３の線膨張係数が異なる場合、シリコン半導体チップと接着フィルム２２、２３の線膨張係数差によりセンサチップ２０に応力が加わることが考えられるため、接着フィルム２２、２３としては、シリコン半導体チップと同程度の線膨張係数となるように加工されたものが用いられている。

上記した構成によれば、センサチップと同程度の線膨張係数を有する回路チップの一面上にセンサチップの厚肉部が接合されているので、ガラス台座を設けることなく温度変化によるセンサチップへの応力を低減することができる。

なお、センサチップと同程度の線膨張係数とは、センサチップの線膨張係数に対して１０％以内が好ましい。このレベルであれば、実用上問題なく、その応力低減効果を発揮することが可能である。

また、センサチップと回路チップを、同一材料により構成することにより、センサチップと回路チップの線膨張係数を同程度とすることができる。

また、センサチップと回路チップを、それぞれシリコン半導体チップとして構成することにより、センサチップと回路チップの線膨張係数を同程度とすることができる。

また、接着フィルム２２の導電パターンによって、回路チップとセンサチップの厚肉部との間が電気的に接続されるので、回路チップとセンサチップ間を電気的に接続するためのワイヤボンディングを不要とすることができ、耐久性を向上することができる。

また、接着フィルム２２の導電パターンの周囲は、非導電性の絶縁部となっているので、この絶縁部により絶縁性を確保することができる。

また、接着フィルム２２の絶縁部は、非導電性の樹脂フィルムによって構成することができる。

また、接着フィルム２２の導電パターンによって、回路チップおよびセンサチップに形成されたパッド間が電気的に接続されるので、回路チップおよびセンサチップに形成されたパッド間を電気的に接続するためのワイヤボンディングを不要とすることができ、耐久性を向上することができる。

また、センサチップの厚肉部の回路チップ側の面に形成されたパッドと、センサチップの反対側の面に形成されたパッドとの間は、センサチップの厚肉部を貫通する貫通電極を介して電気的に接続することができる。

また、回路チップとターミナルの間は、導電パターンが形成された接着フィルム２３を用いて接着することができる。

また、接着フィルム２３の導電パターンの周囲は、非導電性の絶縁部となっているので、この絶縁部により絶縁性を確保することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々なる形態で実施することができる。

例えば、上記実施形態に係る圧力センサ装置１００は、自動車のインテークマニホールドの圧力を検出するセンサであったが、このような用途に限定されるものではなく、他の用途に用いられる圧力センサに適用してもよい。

また、上記実施形態に係る圧力センサ装置１００は、センサチップ２０における薄肉部２０ａの回路チップ２１側が真空などの基準圧となっており、薄肉部２０ａの反対側に保護部材１５を介して被測定圧力を受ける絶対圧型の圧力センサであったが、差圧検出タイプすなわち相対圧検出タイプの圧力センサに適用してもよい。

また、上記実施形態では、導電パターンを有する接着フィルムによって、回路チップとセンサチップの厚肉部の接着を行うとともに、導電パターンが形成された接着フィルムと回路チップ間を電気的に接続する例を示したが、必ずしも回路チップとセンサチップの間に導電パターンが形成された接着フィルムを設ける必要はなく、例えば、回路チップの一面上にこの回路チップよりも面積の小さなセンサチップを積み重ねた構成とし、回路チップとセンサチップのそれぞれに形成されたパッド間をワイヤボンディングによって電気的に接続し、回路チップとセンサチップ間を接着剤によって接着するようにしてもよい。

本発明の一実施形態に係る圧力センサ装置１００の全体概略断面構成を示す図である。 図１の丸で囲まれたＡ部分の拡大図である。 図２のＢ方向から見た図である。 従来の圧力センサ装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

１００…圧力センサ装置、１０…ケース、１１…ターミナル、１５…保護部材、
２０…センサチップ、２１…回路チップ、３０…ポート部、２０ａ…薄肉部、
２０ｂ…厚肉部、２０ｃ、２１ｃ…貫通電極、２０ｄ…ダイアフラム、
２２、２３…接着フィルム、２２ａ、２３ａ…導電パターン、
２２ｂ、２３ｂ…絶縁部。

Claims (10)

1. 薄肉部（２０ａ）としての圧力検出用のダイアフラムおよび前記ダイアフラムの周囲に位置する厚肉部（２０ｂ）を有するセンサチップ（２０）と、
   前記センサチップと同程度の線膨張係数を有する回路チップ（２１）と、を備え、
   前記回路チップの一面上に前記センサチップの厚肉部が接合されており、
   前記回路チップ（２１）は、外部と接続するためのターミナル（１１）上に搭載されており、
   前記回路チップ（２１）と前記ターミナル（１１）の間は、導電パターン（２３ａ）が形成された第１の接着フィルム（２３）を用いて接着されていることを特徴とする圧力センサ装置。
2. 前記センサチップ（２０）と前記回路チップ（２１）は、同一材料により構成された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装置。
3. 前記センサチップ（２０）と前記回路チップ（２１）は、それぞれシリコン半導体チップとして構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力センサ装置。
4. 前記回路チップと前記センサチップの厚肉部は、導電パターン（２２ａ）が形成された第２の接着フィルム（２２）を介して接着されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の圧力センサ装置。
5. 前記第２の接着フィルム（２２）の前記導電パターン（２２ａ）の周囲は、非導電性の絶縁部（２２ｂ）となっていることを特徴とする請求項４に記載の圧力センサ装置。
6. 前記第２の接着フィルム（２２）の前記絶縁部（２２ｂ）は、非導電性の樹脂フィルムによって構成されていることを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ装置。
7. 前記回路チップ（２１）の前記センサチップ（２０）側の面および前記センサチップ（２０）の厚肉部（２０ｂ）の前記回路チップ側の面には、それぞれパッドが形成されており、
   前記第２の接着フィルム（２２）の前記導電パターン（２２ａ）によって、前記回路チップおよび前記センサチップに形成された前記パッド間が電気的に接続されていることを特徴とする請求項４ないし６のいずれか１つに記載の圧力センサ装置。
8. 前記センサチップ（２０）は、前記厚肉部を貫通する貫通電極（２０ｃ）を備え、
   前記センサチップ（２０）の前記厚肉部の前記回路チップ側の面に形成された前記パッドと、前記センサチップの反対側の面に形成されたパッドとの間は、前記貫通電極を介して電気的に接続されていることを特徴とする請求項７に記載の圧力センサ装置。
9. 前記第１の接着フィルム（２３）の前記導電パターン（２３ａ）の周囲は、非導電性の絶縁部（２３ｂ）となっていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の圧力センサ装置。
10. 前記第１の接着フィルム（２３）の前記絶縁部（２３ｂ）は、非導電性の樹脂フィルムによって構成されていることを特徴とする請求項９に記載の圧力センサ装置。

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