JP5010395B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、気体などの流体の圧力を検知する圧力センサに関する。

従来から、シリコンの優れた弾性体としての性質を利用し、マイクロマシニング技術によりダイアフラム部と呼ばれる薄膜部をシリコン基板に形成して圧力変化を電気信号に変換するようにした圧力センサ（半導体圧力センサ）が提供されている（例えば、特許文献
１参照）。この種の半導体圧力センサの一例を図１０に示す。この従来例は、半導体基板（シリコン基板）を加工して薄膜のダイアフラム部１ａ及びダイアフラム部１ａの圧力による撓みを検出する検出素子であるピエゾ抵抗（図示せず）が形成されたセンサチップ１と、センサチップ１を収納するパッケージ１０とを備えている。パッケージ１０は、合成樹脂材料の成型品であって、一面が開口する略函形に形成されたボディ１１と、このボディ１１の底面中央より外向きに突出する筒状の導入管１２とが一体に形成されたものである。センサチップ１は、ガラス製の台座（ガラス台座）９を介してボディ１１の底面に取り付けられる。このガラス台座９には表裏両面に開口する貫通孔９ａが設けられており、貫通孔９ａの表側の開口を塞ぐ形でセンサチップ１がガラス台座９の表面に接合され、導入管１２の開口（導入口）１２ａと貫通孔９ａとを連通させるようにガラス台座９の裏面がボディ１１の底面に接着される。また、ボディ１１には複数の端子５がインサートされており、これら複数の端子５とセンサチップ１のピエゾ抵抗とがボンディングワイヤ８で電気的に接続されている。ここで、センサチップ１とガラス台座９とは陽極接合によって接合されており、また、ガラス台座９とボディ１１とはシリコーン系の接着剤（ダイボンド剤）によって接着されている。
特開平９−２５０９６４号公報

しかしながら、上記従来例では、ボディ１１と導入管１２が一体に形成されているために、導入管１２の形状のみを変更したいという要望に対して、ボディ１１と導入管１２が一体となった新規の金型を必要とするため、コストが増大するという問題があった。

本発明は、上記の点に鑑みて為されたもので、コストを増大することなく導入管の形状を容易に変更することができる圧力センサを提供することを目的とする。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、半導体基板を加工して薄膜のダイアフラム部及び該ダイアフラム部の圧力による撓みを検出する検出素子が形成されたセンサチップと、センサチップを収納する一面を開口した略箱形のボディ並びにボディに取り付けられて被圧力検出流体をボディ内部に導入する導入口を有する導入管から成るパッケージとを備え、前記導入管には、その一端部の周方向に沿って外側に向けて突出する鍔部が一体に設けられ、該鍔部は、ボディ内側に配設され且つボディの前記開口を塞ぐとともに、封止材で封止されることでボディに取り付けられ、ボディには、一端が外部に露出するとともに他端がボディ内部に配設され、外部の基板に設けられた回路パターンと電気的に接続するための複数の長尺の端子と、端子及び検出素子と各々電気的に接続されて検出素子からの信号を処理する信号処理部とが設けられ、少なくとも１つの端子に信号処理部の少なくとも一部が固定され、ボディには、一端部がボディの外側に貫通するとともに、他端部が端子の配設方向において各端子を互いに隔離する形状から成る凹所が設けられたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、センサチップは、ボディの内底部に接着剤により接着固定され、ボディの内底部のセンサチップと対向する部位には、外気をボディ底部及びセンサチップの間に導入する外気導入口が貫設され、外気導入口の周縁には、センサチップに向かう方向に突出した突台部が外気導入口の周方向に亘って設けられたことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、突台部は、センサチップの厚み方向から見た形状がセンサチップの形状と略相似形状に形成されたことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１乃至３の何れか１項の発明において、凹所は、端子のボディ内部における先端側に設けられたことを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１乃至４の何れか１項の発明において、凹所は、端子の長手方向に沿って複数設けられ、一端部が端子の厚み方向における一方の方向に貫通するものと、一端部が端子の厚み方向における他方の方向に貫通するものとで互い違いに設けられることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１乃至５の何れか１項の発明において、鍔部は、略円形状に形成されたことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、導入管の鍔部をボディ内側に配設するとともに、該鍔部を封止材で封止することでボディに取り付けるようにしたことで、導入管をボディに着脱自在に取り付けることができるので、導入管の形状のみを変更したい場合には共通のボディを利用して導入管のみを取り替えればよいので、ボディと導入管が一体となった新規の金型を必要とせず、したがってコストを増大することなく導入管の形状を容易に変更することができる。また、少なくとも１つの端子に信号処理部の少なくとも一部が固定されるので、信号処理部と端子との間での電気的接続を安定化させることができる。更に、各端子の気密性を確保しつつ各端子間を互いに隔離させることができるので、ボディの樹脂成形時にかかる圧力によって端子同士が接触するのを防ぐことができる。

請求項２の発明によれば、外気導入口の周縁にセンサチップに向かう方向に突出した突台部を外気導入口の周方向に亘って設けたので、センサチップをボディに接着固定するための接着剤が外気導入口から外部に流出するのを突台部によって防ぐことができる。

請求項３の発明によれば、突台部の形状をセンサチップの厚み方向から見てセンサチップの形状と略相似形状に形成したので、センサチップをボディの内底部に接着固定するための接着剤の塗布位置をより精密に定めることができる。

請求項４の発明によれば、ボディの樹脂成形時に、ボディ内部において端子の位置がずれるのを好適に修正することができる。

請求項５の発明によれば、ボディの樹脂成形時に、端子をその厚み方向の両方向から金型で押さえつけることができるので、端子の位置をより安定させることができる。

請求項６の発明によれば、導入管をボディに封止材で封止する際に、封止材を注入するためのノズルの位置を一点に固定し、導入管を回動させながら封止材を注入することができるので、封止材の注入作業が容易になる。

以下、本発明に係る圧力センサの実施形態について図面を用いて説明する。但し、従来例と共通する部位については同じ番号を付す。また、以下の説明では、特に断りの無い限り図１（ｅ）における上下左右を上下左右方向と定めるものとする。本実施形態は、図１（ａ）〜（ｅ）に示すように、半導体基板（シリコン基板）を加工して薄膜のダイアフラム部１ａ及びダイアフラム部１ａの圧力による撓みを検出する検出素子である複数のピエゾ抵抗（図示せず）が形成されたセンサチップ１と、センサチップ１を収納するパッケージ１０とを備える。

パッケージ１０は、合成樹脂材料の成型品であって、図１（ｅ）に示すように、上面が開口する略箱形に形成されたボディ１１と、ボディ１１の開口を塞いで上向きに突出する略円筒状の導入管１２とから成る。ボディ１１には、下方向に所定の深さだけ窪んだ略直方体状に形成されてセンサチップ１及び後述する信号処理部３が収納される収納部１１ａと、収納部１１ａの内壁から内側に向かって突設される段部１１ｂとが設けられている。導入管１２には、上下方向に貫通して圧力検出対象の流体を外部からボディ１１内部に導く導入口１２ａが設けられ、導入管１２の下端部周縁には、外側に向けて突出する略矩形状の鍔部１２ｂが全周に亘って一体に形成されている。

ボディ１１の段部１１ｂと導入管１２の鍔部１２ｂとの間には、図１（ｅ）に示すように、略矩形平板状の金属製の補助板４が配設されている。補助板４は、その下面の周縁部が段部１１ｂの上面に載置されるとともに、その上面に鍔部１２ｂの下面が載置される。この時、鍔部１２ｂはボディ１１の内側で且つボディ１１の開口を塞ぐように配設される。この状態で、ボディ１１の開口周縁から例えばエポキシ樹脂等の封止材６を注入することで、段部１１ｂ及び鍔部１２ｂ及び補助板４が一体に接着固定される。また、補助板４の略中央には略円形状の連通孔４ａが貫設されており、該連通孔４ａを介して外部から圧力検出対象の流体が収納部１１ａに流入するようになっている。

上記のように、補助板４を段部１１ｂと鍔部１２ｂとの間に配設することで、段部１１ｂと鍔部１２ｂとの接触面積を拡げることができ、導入管１２をボディ１１に接着固定する際に接着強度を高めるとともに封止材６がボディ１１内部に流れ込むのを防止することができる。

図２（ａ）に示すように、収納部１１ａの同図における下側にはセンサチップ１が、同図における上側には信号処理部３が配設され、センサチップ１は、収納部１１ａの底面にダイボンド剤２を塗布することによって接着固定されている。ダイボンド剤２は、例えば高い柔軟性を有するシリコーン系樹脂にフィラーを混入させて成り、上記のようにセンサチップ１と収納部１１ａの底面とを該ダイボンド剤２で接着固定することにより、パッケージ１０の外部から加わる力の応力がセンサチップ１に伝わるのを緩和することができる。

収納部１１ａの底面においてダイアフラム部１ａと対向する部位には、外部から大気をボディ１１内部に流入させるための外気導入口１１ｃが上下方向に貫設されている。而して、ダイアフラム部１ａの下部には、外部から外気導入口１１ｃを介して大気が流入するため、ダイアフラム部１ａの下部は導入口１２ａから流入する圧力検出対象の流体の圧力と大気圧とを比較するための圧力基準室となる。

ここで、本実施形態では、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、収納部１１ａの底面における外気導入口１１ｃの周縁には、上方向に突出する上下方向から見て略正方形状の突台部１１ｄが外気導入口１１ａの周方向に亘ってボディ１１と一体に設けられている。硬化する前のダイボンド剤２は柔軟性を有するので、外気導入口１１ｃから外部に流出する虞があるが、上記のように突台部１１ｄを設けることで、ダイボンド剤２が外気導入口１１ｃを介して外部に流出するのを防ぐことができる。

ところで、センサチップ１への応力の緩和を考慮すると、ダイボンド剤２の厚み寸法は大きい方が好ましいが、ダイボンド剤２の厚み寸法が十分に大きいかどうかを確認することは困難である。そこで、本実施形態では、上記突台部１１ｄをダイボンド剤２の厚み寸法を確認する手段として用いている。即ち、センサチップ１の厚み寸法とダイボンド剤２の厚み寸法の和が突台部１１ｄの厚み寸法よりも小さければ、突台部１１ｄがダイアフラム部１ａと接触することを利用して、突台部１１ｄの厚み寸法を適当な大きさに設定すれば、ダイボンド剤２の厚み寸法が適切な寸法であるかどうかを容易に確認することができる。尚、突台部１１ｄがダイアフラム部１ａと接触している場合には、ダイアフラム部１ａが撓み難くなるために正常な検出出力を得られないことから、試験的に圧力検出対象の流体を導入し、その検出出力が正常であるかどうかを確認することで、突台部１１ｄがダイアフラム部１ａと接触しているかどうかを確認することができる。

また、突台部１１ｄの形状は、上記のように上下方向から見て略正方形状に限定されるものではなく、例えば図３（ａ），（ｂ）に示すように、上下方向から見て左右方向に幅広の略矩形状、即ちセンサチップ１の形状と略相似形状に構成しても構わない。この場合、センサチップ１と収納部１１ａの底面との接触面積が狭くなることから、より精密にダイボンド剤２の塗布位置を定めることができるとともに、必要なダイボンド剤２の塗布量を少なくすることができる。もちろん、ダイボンド剤２の塗布量に問題が無ければ、突台部１１ｄの形状を略円形状にしても構わない。

信号処理部３は、略矩形状のＩＣチップから成り、センサチップ１のピエゾ抵抗から成る回路の出力信号を増幅する増幅回路及び該増幅回路の出力を調整する調整抵抗等により構成される信号処理回路を形成している。この信号処理回路において、センサチップ１からの出力信号に適宜処理を施して後述する外部の基板（図示せず）へ出力する。

ボディ１１には、図２（ａ）に示すように、同図における上下の外壁に各々複数（図示では４つずつ）の長尺の端子５が一端をボディ１１の外側に露出させる形でインサート成形されており、これらの端子５は外部の基板にセンサを実装する際に外部の基板に設けられた回路パターンと物理的且つ電気的に接続される。これら複数の端子５と信号処理部３に設けられた複数の金属製のパッド３ａとが金属製の極細線から成るボンディングワイヤ８で電気的に接続されており、また、センサチップ１に設けられてピエゾ抵抗と接続される複数の金属製のパッド１ｂと信号処理部３の複数のパッド３ａとがボンディングワイヤ８で接続されている。

而して、導入口１２ａからボディ１１内部に流入する外部からの流体の圧力によってダイアフラム部１ａが撓むと、ピエゾ抵抗の抵抗値が変化し、この抵抗値の変化に応じたピエゾ抵抗からの出力信号が信号処理部３で処理され、処理された電気信号が端子５を介して外部の基板に設けられた回路に出力することで、圧力検出対象の流体の圧力と大気圧との差分を検出するようになっている。

尚、図１（ｅ），図２（ｃ）に示すように、ボンディングワイヤ８により信号処理部３がグランドに接続されている状況で、信号処理部３をセンサのグランドに接続された端子５の上面に直接搭載するように構成することで、センサのグランドと信号処理部３のグランドを共通にすることができ、電気的特性を一層安定化させることができる。

収納部１１ａには、図１（ｅ）に示すように、センサチップ１及び信号処理部３を覆うように樹脂材料から成るＪＣＲ（ジャンクションコーティングレジン）７が充填されている。このようにＪＣＲ７を充填することで、センサチップ１や信号処理部３を保護するとともに、端子５がインサート成形される部位の隙間を埋めることができ、隙間から圧力検出対象の流体が外部に漏れるのを防ぐことができる。

ボディ１１の下面には、図１（ｄ）に示すように、ボディ１１内部と連通する凹所１１ｅが設けられている。凹所１１ｅは、図２（ｃ）に示すように、その下端部がボディ１１の外側に貫通するとともに、上端部が端子５の配設方向において各端子５を互いに隔離するように櫛歯状に形成されている。この凹所１１ｅは、ボディ１１の樹脂成形時に端子５が移動しないように端子５を押さえる櫛歯状の金型（図示せず）によって形成される。

従来では、図９に示すように、ボディ１１を樹脂成形する時には、先端部が略円錐状の棒状の金型（図示せず）で各端子５の厚み方向両側を押さえることで、端子５が成形時の圧力によって移動するのを防いでいた。このような金型を用いた場合、端子５とボディ１１との間に隙間が生じて気密性を保つことができない虞があるため、金型によって形成された凹所１１ｆを樹脂等によって封止することで気密性を確保していた。しかしながら、各端子５がボディ１１の中央部から離れた位置に配設されることから、樹脂等を凹所１１ｆに充填する作業が困難であるという問題があった。

これに対して、本実施形態では、上記のように櫛歯状の金型を用いて各端子５を押さえているので、各端子５がボディ１１を成す樹脂材料で覆われるために気密性を確保することができ、また、各端子５を互いに隔離することができるので、端子５の移動を防ぐとともに端子５同士が接触するのを防ぐことができる。尚、凹所１１ｅは、図４に示すように、端子５のボディ１１内部における先端側に配置されるのが好ましい。このように凹所１１ｅを配置することで、ボディ１１の樹脂成形時にぶれが生じ易い端子５の先端側を押さえることができるので、端子５の位置がずれるのを好適に修正することができる。

また、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、凹所１１ｅを端子５の長手方向に沿って複数（図示では２つ）設け、一端部がボディ１１の下面側に貫通するものと、一端部がボディ１１内部の底面側に貫通するものとで互い違いに形成されるようにしても構わない。このように凹所１１ｅを形成する、即ち、複数の櫛歯状の金型で各端子５の上側及び下側から互い違いに押さえつけるようにすることで、端子５の厚み方向におけるずれを修正できるため、端子５の位置をより安定させることができる。

上述のように、本実施形態のパッケージ１０は、鍔部１２ｂをボディ１１の開口を塞ぐようにボディ１１の内側に配設するとともに、該鍔部１２ｂを封止材６で封止することで導入管１２がボディ１１に取り付けられる構成となっているので、ボディ１１の仕様を変更することなく導入管１２のみを着脱自在に取り付けることができる。このため、例えば図６（ａ）に示すような高さ寸法の小さい導入管１２から、図６（ｂ）に示すような高さ寸法の大きい導入管１２に取り替えることも可能である。したがって、導入管１２の形状のみを変更したい場合にボディ１１と導入管１２が一体となった新規の金型を必要とせず、コストを増大することなく導入管１２の形状を容易に変更することができる。

ところで、パッケージ１０の他の構成としては、図８に示すように、導入管１２の鍔部１２ｂの径寸法をボディ１１の径寸法よりも大きくするとともに、鍔部１２ｂの外周縁から下方に突出する係止部１２ｃを一体に形成することで、鍔部１２ｂをボディ１１の上端外周縁に係止させる構成も考えられる。しかしながら、この構成では係止部１２ｃとボディ１１との間に封止材６を注入して鍔部１２ｂをボディ１１に接着固定するため、封止材６の注入状態を確認することができず、したがって導入管１２とボディ１１との間で気密不良を起こす虞がある。更に、導入管１２に外部から力が加わると、封止材６の注入量のばらつきによっては導入管１２がボディ１１から外れる虞がある。以上のことから、パッケージ１０の構成としては、鍔部１２ｂをボディ１１の内側に配設する本実施形態の構成が好ましい。

尚、本実施形態では、導入管１２の鍔部１２ｂの形状が略矩形状であるが、この形状に限定される必要は無く、例えば図７（ａ）に示すように略円形状に形成されても構わない。この場合、鍔部１２ｂをボディ１１に封止材６で封止する際に、図７（ｂ）に示すように、封止材６を注入するためのノズルの位置を一点に固定し、導入管１２を回動させながら封止材６を注入することができるので、封止材６の注入作業が容易になるという利点がある。

また、本実施形態では、センサチップ１を収納部１１ａの底面にダイボンド剤２を塗布することによって接着固定しているが、従来例と同様に、センサチップ１をガラス製の台座（ガラス台座）を介して収納部１１ａの底面に取り付けるようにしても構わない。この場合でも、上記と同様に、コストを増大することなく導入管１２の形状を容易に変更するという効果を奏することができる。

本発明の実施形態の圧力センサを示す図で、（ａ）は上面図で、（ｂ）は側面図で、（ｃ）は他方向から見た側面図で、（ｄ）は下面図で、（ｅ）は導入管及びボディを分離したＸ−Ｘ’線断面矢視図である。 同上の内部構造を示す図で、（ａ）は導入管を省略した上面図で、（ｂ）は導入管及びセンサチップ及び信号処理部等を省略した上面図で、（ｃ）は要部断面図である。 同上の突台部の他の構成を示す図で、（ａ）は導入管及びセンサチップ及び信号処理部等を省略した上面図で、（ｂ）はＡ−Ａ’線断面矢視図である。 同上の凹所の他の配置を示す導入管及びセンサチップ及び信号処理部等を省略した上面図である。 同上の凹所の他の構成を示す図で、（ａ）は導入管及びセンサチップ及び信号処理部等を省略した上面図で、（ｂ）はＢ−Ｂ’線断面矢視図で、（ｃ）はＣ−Ｃ’線断面矢視図である。 同上の要旨説明図で、（ａ）は高さ寸法の小さい導入管を用いる場合の導入管及びボディを分離した要部断面図で、（ｂ）は高さ寸法の大きい導入管を用いる場合の導入管及びボディを分離した要部断面図である。 同上の鍔部の他の形状を示す図で、（ａ）は上面図で、（ｂ）は封入材注入時の側面図である。 同上のパッケージの他の構成を示す要部断面図である。 従来の凹所を示す断面図である。 従来の圧力センサを示す断面図である。

符号の説明

１ センサチップ
１ａ ダイアフラム部
１０ パッケージ
１１ ボディ
１２ 導入管
１２ａ 導入口
１２ｂ 鍔部
６ 封止材

Claims (6)

1. 半導体基板を加工して薄膜のダイアフラム部及び該ダイアフラム部の圧力による撓みを検出する検出素子が形成されたセンサチップと、センサチップを収納する一面を開口した略箱形のボディ並びにボディに取り付けられて被圧力検出流体をボディ内部に導入する導入口を有する導入管から成るパッケージとを備え、前記導入管には、その一端部の周方向に沿って外側に向けて突出する鍔部が一体に設けられ、該鍔部は、ボディ内側に配設され且つボディの前記開口を塞ぐとともに、封止材で封止されることでボディに取り付けられ、ボディには、一端が外部に露出するとともに他端がボディ内部に配設され、外部の基板に設けられた回路パターンと電気的に接続するための複数の長尺の端子と、端子及び検出素子と各々電気的に接続されて検出素子からの信号を処理する信号処理部とが設けられ、少なくとも１つの端子に信号処理部の少なくとも一部が固定され、ボディには、一端部がボディの外側に貫通するとともに、他端部が端子の配設方向において各端子を互いに隔離する形状から成る凹所が設けられたことを特徴とする圧力センサ。
2. 前記センサチップは、ボディの内底部に接着剤により接着固定され、ボディの内底部のセンサチップと対向する部位には、外気をボディ底部及びセンサチップの間に導入する外気導入口が貫設され、外気導入口の周縁には、センサチップに向かう方向に突出した突台部が外気導入口の周方向に亘って設けられたことを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
3. 前記突台部は、センサチップの厚み方向から見た形状がセンサチップの形状と略相似形状に形成されたことを特徴とする請求項２記載の圧力センサ。
4. 前記凹所は、端子のボディ内部における先端側に設けられたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の圧力センサ。
5. 前記凹所は、端子の長手方向に沿って複数設けられ、一端部が端子の厚み方向における一方の方向に貫通するものと、一端部が端子の厚み方向における他方の方向に貫通するものとで互い違いに設けられることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の圧力センサ。
6. 前記鍔部は、略円形状に形成されたことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の圧力センサ。

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