JP5929631B2 - 物理量センサおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、物理量に応じたセンサ信号を出力するセンサ部を被搭載部材に接合し、センサ部から出力されるセンサ信号をボンディングワイヤを介して出力する物理量センサおよびその製造方法に関するものである。

従来より、例えば、特許文献１には、物理量に応じたセンサ信号を出力するセンサ部を搭載したコネクタケースにハウジングがかしめ固定によって一体に組みつけられて成る圧力センサが提案されている。

具体的には、この圧力センサは、コネクタケースのうちハウジング側に凹部が形成されており、この凹部の底面にセンサ部の裏面における全面がシリコーン接着剤等の柔らかい接着剤を介して接合されている。また、コネクタケースには、凹部内に露出するようにターミナルが保持されている。そして、センサ部とターミナルとがボンディングワイヤを介して電気的に接続されており、センサ信号がボンディングワイヤおよびターミナルを介して外部回路に出力されるようになっている。

このような圧力センサでは、センサ部が柔らかい接着剤を介して凹部の底面に接合されているため、センサ部とコネクタケースとの線膨張係数の違いによる熱応力等の応力を接着剤で緩和することができる。したがって、応力によって検出精度が低下することを抑制することができる。

上記圧力センサは、例えば、次のように製造される。すなわち、まず、ターミナルがインサート成形されたコネクタケースを用意し、コネクタケースに形成された凹部に柔らかい接着剤を介してセンサ部を接合する。次に、ワイヤボンディングを行い、センサ部とターミナルとをボンディングワイヤを介して電気的に接続する。その後、コネクタケースにハウジングを組み付けることにより、製造される。

特開２０１０−８５３０７号公報

しかしながら、上記圧力センサでは、センサ部が柔らかい接着剤を介して凹部の底面に接合されているため、ワイヤボンディングを行う際にセンサ部がぐらついてしまい、ボンディング工程が困難であるという問題がある。

なお、ここでは圧力センサを例に挙げて説明したが、このような問題はセンサ部が被搭載部材に固定され、センサ信号がボンディングワイヤを介して出力される加速度センサや角速度センサ等においても同様に発生する問題である。

本発明は上記点に鑑みて、被搭載部材からセンサ部に応力が印加され難く、かつ、ボンディングを容易に行うことのできる物理量センサおよびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、台座のうちセンサチップと接合される表面と反対側の裏面に枠状の溝（３１）を形成し、溝の内側に構成される中央突出部（３２）と、溝の外側に構成される外縁突出部（３３）とを備える台座にセンサチップが接合されたセンサ部を用意する工程と、センサ部が搭載される一面に窪み部（１１ａ）が形成された被搭載部材を用意する工程と、窪み部に接合部材を配置する工程と、台座におけるセンサチップ側と反対側において、外縁突出部におけるセンサチップ側と反対側の一面を除いた部分であって、中央突出部を含む部分を接合部材を介して被搭載部材の一面に接合する工程と、外縁突出部を被搭載部材の一面に当接させつつ、パッドに対してワイヤボンディングを行う工程と、を含むことを特徴としている。

これによれば、外縁突出部におけるセンサチップ側と反対側の一面を被搭載部材の一面に接合しないため、被搭載部材からセンサ部に印加される応力を低減した物理量センサを得ることができる。

また、ワイヤボンディングは、外縁突出部を被搭載部材の一面に当接させつつ行うため、センサ部がぐらつくことを抑制することができる。このため、ワイヤボンディングを容易に行うことができる。

さらに、被搭載部材には一面に窪み部を形成し、この窪み部に接合部材を配置している。このため、センサ部を被搭載部材の一面と接合する際に、外縁突出部を一面に近接させることができ、当接させることもできる。したがって、外縁突出部を被搭載部材の一面に近接させた状態でセンサ部を接合する場合、ワイヤボンディングを行う際に外縁突出部を被搭載部材の一面に当接させることになるが、この際のセンサ部の傾きが小さくなるように外縁突出部におけるセンサチップ側と反対側の一面と被搭載部材の一面との間隔を適宜調整することができる。このため、ワイヤボンディングを行う際に、センサ部が傾くことを抑制することができる。

また、請求項２に記載の発明のように、センサ部を用意する工程では、センサ部の重心を台座の裏面に投影した点を投影重心点（６１）としたとき、中央突出部におけるセンサチップ側と反対側の一面に投影重心点が含まれるものを用意することができる。

これによれば、製造時や搬送時等において、センサ部に接合部材から剥離させるような曲げモーメントが印加されることを抑制することができる。

この場合、請求項３に記載の発明のように、センサ部を用意する工程では、中央突出部におけるセンサチップ側と反対側の一面の中心と、投影重心点とが一致するものを用意することが好ましい。

そして、請求項４に記載の発明のように、センサ部を用意する工程では、パッドを台座の裏面に投影した領域を投影パッド領域（６２）としたとき、外縁突出部におけるセンサチップ側と反対側の一面に投影パッド領域が含まれるものを用意することができる。

これによれば、ワイヤボンディングを行う際にパッドに印加される荷重の方向と、パッドと外縁突出部のうち被搭載部材の一面と接触する部分とを結ぶ方向とが同じ軸上に存在することになるため、センサ部に接合部材から剥離させるような曲げモーメントが印加されることを抑制することができる。

また、請求項７に記載の発明では、被搭載部材には、一面に窪み部（１１ａ）が形成されており、センサ部は、台座のうちセンサチップと接合される表面と反対側の裏面に枠状の溝（３１）が形成されており、溝の内側に構成される中央突出部（３２）と、溝の外側に構成される外縁突出部（３３）とを有し、台座におけるセンサチップ側と反対側において、外縁突出部におけるセンサチップ側と反対側の一面を除いた部分であって、中央突出部を含む部分が接合部材（７０）を介して被搭載部材の一面に接合されていることを特徴としている。

これによれば、外縁突出部におけるセンサチップ側と反対側の一面が被搭載部材の一面に接合されていないため、被搭載部材からセンサ部に印加される応力を低減することができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した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。

本発明の第１実施形態における圧力センサの断面図である。 図１に示すセンサ部の断面図である。 図２に示すセンサ部の表面図である。 図２に示すセンサ部の裏面図である。 図１に示すセンサ部近傍の拡大図である。 センサ部を凹部の底面に接合する工程を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態では、本発明の物理量センサを圧力センサに適用した例を説明するが、この圧力センサは、例えば、エアコン冷媒の圧力を検出するのに用いられると好適である。

図１に示されるように、圧力センサには、本発明の被搭載部材に相当するコネクタケース１０が備えられている。このコネクタケース１０は、例えば、耐熱樹脂材料であるＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等の樹脂を型成形することにより作られ、本実施形態では円柱状とされている。そして、このコネクタケース１０には、一端部に凹部１１が形成されていると共に、他端部に開口部１２が形成されており、凹部１１には、センサチップ２０および台座３０から成るセンサ部４０が搭載されている。

センサチップ２０は、図２および図３に示されるように、裏面から凹部２１が形成されることによって構成されるダイヤフラム２２を有し、ダイヤフラム２２にブリッジ回路を構成するように４個のゲージ抵抗２３が形成されたものである。すなわち、本実施形態のセンサチップ２０は、ダイヤフラム２２に圧力が印加されるとゲージ抵抗２３の抵抗値が変化してブリッジ回路の電圧が変化し、この電圧の変化に応じてセンサ信号を出力する半導体ダイヤフラム式のものである。

また、センサチップ２０には、ダイヤフラム２２の外縁部に４個のパッド２４が形成されている。そして、各パッド２４は図示しない配線を介して各ゲージ抵抗２３同士の接続点と適宜電気的に接続されている。

台座３０は、シリコンやガラス等からなるものであり、図２に示されるように、センサチップ２０と接合されることによってダイヤフラム２２との間に基準室５０を構成している。本実施形態では、この基準室５０は真空圧とされているが、大気圧とされていてもよい。

そして、台座３０は、図２および図４に示されるように、センサチップ２０と接合される表面と反対側の裏面に枠状の溝３１が形成されており、この溝３１により、溝３１の内側に中央突出部３２が構成され、溝３１の外側に外縁突出部３３が構成されている。言い換えると、台座３０の裏面には、中央突出部３２と外縁突出部３３とを区画する溝３１が形成されているとも言える。

また、図４に示されるように、センサ部４０の重心を台座３０の裏面に投影した点を投影重心点６１とすると、中央突出部３２は、突出方向の先端面に投影重心点６１を含んでおり、この先端面の中心と投影重心点６１とが一致する形状とされている。さらに、パッド２４を台座３０の裏面に投影した領域を投影パッド領域６２とすると、外縁突出部３３は、突出方向の先端面に投影パッド領域６２を含んでいる。

なお、本実施形態では、中央突出部３２における先端面が本発明の中央突出部におけるセンサチップ側と反対側の一面に相当し、外縁突出部３３における先端面が本発明の外縁突出部におけるセンサチップ側と反対側の一面に相当している。また、中央突出部３２および外縁突出部３３は、台座３０の裏面に形成された溝３１により構成されるため、センサチップ２０からの高さが同じである。

そして、このようなセンサ部４０が本発明の被搭載部材の一面に相当する凹部１１の底面に接合部材を介して接合されている。具体的には、図５に示されるように、凹部１１の底面には、センサ部４０の中央突出部３２と対向する部分に窪み部１１ａが形成されており、窪み部１１ａに本発明の接合部材に相当する接着剤７０が配置されている。そして、センサ部４０は、台座３０の裏面側において、外縁突出部３３の先端面を除いた部分であって、中央突出部３２を含む部分が接着剤７０を介して凹部１１の底面と接合されている。特に限定されるものではないが、本実施形態では、接着剤７０としては、ヤング率が１００Ｍｐａ以上である硬いエポキシ樹脂等が用いられている。

なお、外縁突出部３３の先端面は凹部１１の底面と当接されていてもよいが、外縁突出部３３と凹部１１の底面との間には０．００１ｍｍ以下の隙間が形成されていることが好ましい。そして、台座３０の裏面側において、外縁突出部３３の先端面を除いた部分であって、中央突出部３２を含む部分とは、言い換えると、中央突出部３２のみ、または、中央突出部３２および溝３１の底面に接着剤７０が接合されていることである。

また、図１に示されるように、コネクタケース１０には、センサチップ２０と外部回路等とを電気的に接続するための複数の金属製棒状のターミナル８０（図１中では１本のみ図示）が備えられており、各ターミナル８０はインサートモールドによりコネクタケース１０と一体に成形されることによってコネクタケース１０内に保持されている。

具体的には、各ターミナル８０はコネクタケース１０を貫通しており、各ターミナル８０の一端部はコネクタケース１０から凹部１１内に突出し、他端部はコネクタケース１０から開口部１２内に突出している。

凹部１１内に突出する各ターミナル８０の一端部は、ボンディングワイヤ９０を介してセンサチップ２０に形成されたパッド２４と電気的に接続されている。そして、凹部１１には、凹部１１に突出するターミナル８０とコネクタケース１０との隙間を封止するシール材１００が配置されている。

また、開口部１２内に突出している各ターミナル８０の他端部は、図示しないワイヤハーネス等の外部配線部材を介して外部回路と電気的に接続されるようになっている。

そして、このようなコネクタケース１０にはハウジング１１０が組みつけられている。具体的には、ハウジング１１０には収容凹部１１１が形成されており、この収容凹部１１１内にコネクタケース１０のうち凹部１１が形成されている一端部側が挿入され、ハウジング１１０の端部１１２がコネクタケース１０にかしめられることでコネクタケース１０とハウジング１１０とが組みつけられている。

ハウジング１１０は、例えば、ＳＵＳ等の金属材料より成るものである。そして、測定媒体を導入するための圧力導入孔１１３が形成されていると共に、圧力センサを測定対象物に固定するためのネジ部１１４が圧力導入孔１１３の外周壁面に形成されている。

また、コネクタケース１０の一端部と、ハウジング１１０の収容凹部１１１の底面との間には、ＳＵＳ等から成る円形のメタルダイヤフラム１２０とメタルダイヤフラム１２０の外縁部分に配置されるＳＵＳ等から成る環状のリングウェルド１２１とが備えられている。

具体的には、メタルダイヤフラム１２０およびリングウェルド１２１は、ハウジング１１０に対してレーザ溶接等されて固定されている。そして、ハウジング１１０には、ハウジング１１０、メタルダイヤフラム１２０およびリングウェルド１２１が溶け合った溶接部１２２が形成されている。

なお、メタルダイヤフラム１２０のうち外縁部分はリングウェルド１２１と共にハウジング１１０に対して固定される部分であり、メタルダイヤフラム１２０のうち凹部１１を閉塞する部分は測定媒体の圧力に応じて変位するダイヤフラム部として機能する部分である。

そして、このようにコネクタケース１０にハウジング１１０が組み付けられることにより、凹部１１、メタルダイヤフラム１２０、リングウェルド１２１にて囲まれる空間にて圧力検出室１３０が構成されている。この圧力検出室１３０には、フッ素オイル等の圧力伝達媒体１４０が充填されており、メタルダイヤフラム１２０に圧力が印加されると圧力伝達媒体１４０を介してセンサ部４０に圧力が印加されるようになっている。

また、コネクタケース１０のうち凹部１１が形成される一端部には、凹部１１を囲むように環状の溝１３が形成されており、この環状の溝１３には、例えば、シリコーンゴム等から成るＯリング１５０が備えられている。このＯリング１５０は、コネクタケース１０とハウジング１１０とのかしめによるかしめ圧で押し潰されることで圧力検出室１３０を封止するものである。

以上が本実施形態における圧力センサの構成である。次に上記圧力センサの製造方法について図６を参照しつつ説明する。

まず、ターミナル８０がインサート成形されると共に凹部１１の底面に窪み部１１ａが形成されたコネクタケース１０を用意すると共に、中央突出部３２および外縁突出部３３を有するセンサ部４０を用意する。

なお、センサ部４０を用意する際には、中央突出部３２および外縁突出部３３を区画する溝３１を、例えば、エッチングで形成することができる。溝３１をエッチングで形成する場合には、台座３０をシリコン基板で構成することにより、台座３０をガラスで構成する場合と比較して、高精度に溝３１を形成することができる。

そして、図６（ａ）に示されるように、窪み部１１ａに当該窪み部１１ａから盛り上がるように接着剤７０を塗布した後、中央突出部３２が窪み部１１ａと対向するようにセンサ部４０を配置する。なお、本実施形態では、接着剤７０として、ヤング率が１００ＭＰａ以上である硬いエポキシ樹脂等を用いている。

その後、図６（ｂ）に示されるように、中央突出部３２を接着剤７０に押し付けて中央突出部３２を凹部１１の底面に固定する。このとき、接着剤７０は溝３１内に留まるため、外縁突出部３３の先端面と凹部１１の底面との間には接着剤７０が入り込まず、外縁突出部３３の先端面と凹部１１の底面とは接合されない。

また、凹部１１には窪み部１１ａが形成されており、この窪み部１１ａに接着剤７０が配置されているため、外縁突出部３３の先端面と凹部１１の底面との間隔を適宜設定することができ、外縁突出部３３の先端面と凹部１１の底面とを当接させることもできる。したがって、本実施形態では、外縁突出部３３の先端面と凹部１１の底面との間隔が０．００１ｍｍ以下となる略当接状態となるように、センサ部４０を凹部１１の底面に接合する。

次に、コネクタケース１０のうち凹部１１が形成された一端部側を上方に向けた状態で凹部１１内へシール材１００を注入し、シール材１００を凹部１１の底面まで行き渡らせた後に硬化する。なお、この工程では、センサチップ２０の表面にシール材１００が付着しないように注入量を適宜調整することが好ましい。

続いて、ワイヤボンディングを行い、センサ部４０（センサチップ２０）と各ターミナル８０の一端部とをボンディングワイヤ９０を介して電気的に接続する。具体的には、一般的なワイヤボンディング装置を用い、センサ部４０の外縁突出部３３を凹部１１の底面に当接させつつ、一定の周波数の超音波振動を付与してワイヤボンディングを行う。

次に、メタルダイヤフラム１２０およびリングウェルド１２１をハウジング１１０における収容凹部１１１の底面に配置する。そして、リングウェルド１２１の上方から溶接等を行うことにより、ハウジング１１０、メタルダイヤフラム１２０、リングウェルド１２１を接合して溶接部１２２を形成する。

続いて、フッ素オイル等の圧力伝達媒体１４０をディスペンサ等によって凹部１１内へ注入した後、この状態のものを真空室にいれて凹部１１内の余分な空気を除去する。その後、真空室内でハウジング１１０を上から水平に保ったままハウジング１１０の収容凹部１１１にコネクタケース１０の一端部が嵌合するように降ろす。このとき、コネクタケース１０の一端部とリングウェルド１２１とが十分接するまで押さえる。これにより、凹部１１、メタルダイヤフラム１２０、リングウェルド１２１にて圧力検出室１３０が構成され、圧力検出室１３０に圧力伝達媒体１４０が充填された構造となる。

その後、ハウジング１１０の端部１１２をコネクタケース１０にかしめ、ハウジング１１０とコネクタケース１０とを一体化することにより、上記図１に示す圧力センサが製造される。

以上説明したように、本実施形態では、台座３０のうちセンサチップ２０側と反対側において、外縁突出部３３の先端面を除いた部分であって、中央突出部３２を含む部分を接着剤７０を介して凹部１１の底面に接合している。つまり、外縁突出部３３の先端面は凹部１１の底面と接合されていない。このため、凹部１１の底面（コネクタケース１０）からセンサ部４０に印加される応力を低減することができる。

また、センサ部４０は、外縁突出部３３の先端面が凹部１１の底面と接合されていないため、仮にコネクタケース１０（凹部１１）が変形してもセンサ部４０の外縁部を引っ張るような応力が印加され難い。このため、センサ部４０が変形することを抑制することができ、特性が変化することを抑制することができる。

そして、上記のようにセンサ部４０に印加される応力を低減することができるため、従来の圧力センサと比較して、接着剤７０の選択性を向上させることができる。つまり、安価なエポキシ樹脂等からなる硬い接着剤を用いることもでき、コストの低減を図ることもできる。

また、ワイヤボンディングを行う際には、外縁突出部３３を凹部１１の底面に当接させつつ行っているため、センサ部４０がぐらつくことを抑制することができる。このため、ワイヤボンディングを容易に行うことができる。

そして、上記のように、接着剤７０としてエポキシ樹脂のような硬いものを用いることもでき、このような硬い接着剤７０を用いた場合には、ワイヤボンディングを行う際にセンサ部４０がぐらつくことをさらに抑制することができる。

さらに、凹部１１の底面に窪み部１１ａを形成し、この窪み部１１ａに接着剤７０を配置している。このため、センサ部４０を凹部１１の底面と接合する際に、外縁突出部３３を凹部１１の底面に近接させることができ、当接させることもできる。したがって、外縁突出部３３を凹部１１の底面に近接させた状態でセンサ部４０を接合した場合、ワイヤボンディングを行う際に外縁突出部３３を凹部１１の底面に当接させることになるが、この際のセンサ部４０の傾きが小さくなるように外縁突出部３３の先端面と凹部１１の底面との間隔を適宜調整することができる。このため、ワイヤボンディングを行う際に、センサ部４０が傾くことを抑制することができる。

さらに、本実施形態では、中央突出部３２の先端面の中心と投影重心点６１とを一致させている。このため、搬送時や製造時等において、センサ部４０に接着剤７０から剥離させるような曲げモーメントが印加されることを抑制することができる。

また、本実施形態では、外縁突出部３３は、突出方向の先端面に投影パッド領域６２を含んでいる。このため、ワイヤボンディングを行う際にパッド２４に印加される荷重の方向と、パッド２４と外縁突出部３３のうち凹部１１の底面と接触する部分とを結ぶ方向とが同じ軸上に存在することになるため、センサ部４０に接着剤７０から剥離させるような曲げモーメントが印加されることを抑制することができる。

（他の実施形態）
上記第１実施形態では、本発明の物理量センサを圧力センサに適用した例を説明したが、本発明を加速度センサや角速度センサ等に適用することも可能である。

また、上記第１実施形態において、中央突出部３２は、先端面にセンサ部４０の重心を投影した投影重心点６１を含んでいなくてもよい。同様に、外縁突出部３３は、先端面にパッド２４を投影した投影パッド領域６２を含んでいなくてもよい。

１０ コネクタケース
１１ 凹部
１１ａ 窪み部
２０ センサチップ
２４ パッド
３０ 台座
３１ 溝
３２ 中央突出部
３３ 外縁突出部
４０ センサ部
７０ 接着剤
８０ ハウジング

Claims (8)

1. 物理量に応じたセンサ信号をパッド（２４）を介して出力するセンサチップ（２０）が台座（３０）と接合されてなるセンサ部（４０）と、
   前記センサ部が搭載される一面を有する被搭載部材（１０）と、
   前記パッドに接続されたボンディングワイヤ（９０）と、を備える物理量センサの製造方法において、
   前記台座のうち前記センサチップと接合される表面と反対側の裏面に枠状の溝（３１）を形成し、前記溝の内側に構成される中央突出部（３２）と、前記溝の外側に構成される外縁突出部（３３）とを備える前記台座に前記センサチップが接合された前記センサ部を用意する工程と、
   前記センサ部が搭載される一面に窪み部（１１ａ）が形成された前記被搭載部材を用意する工程と、
   前記窪み部に接合部材（７０）を配置する工程と、
   前記台座における前記センサチップ側と反対側において、前記外縁突出部における前記センサチップ側と反対側の一面を除いた部分であって、前記中央突出部を含む部分を接合部材を介して前記被搭載部材の一面に接合する工程と、
   前記外縁突出部を前記被搭載部材の一面に当接させつつ、前記パッドに対してワイヤボンディングを行う工程と、を含むことを特徴とする物理量センサの製造方法。
2. 前記センサ部を用意する工程では、前記センサ部の重心を前記台座の裏面に投影した点を投影重心点（６１）としたとき、前記中央突出部における前記センサチップ側と反対側の一面に前記投影重心点が含まれるものを用意することを特徴とする請求項１に記載の物理量センサの製造方法。
3. 前記センサ部を用意する工程では、前記中央突出部における前記センサチップ側と反対側の一面の中心と、前記投影重心点とが一致するものを用意することを特徴とする請求項２に記載の物理量センサの製造方法。
4. 前記センサ部を用意する工程では、前記パッドを前記台座の裏面に投影した領域を投影パッド領域（６２）としたとき、前記外縁突出部における前記センサチップ側と反対側の一面に前記投影パッド領域が含まれるものを用意することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の物理量センサの製造方法。
5. 前記センサ部を用意する工程では、前記台座がシリコン基板で構成されるものを用意し、前記台座の裏面にエッチングを行うことによって前記溝を形成することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の物理量センサの製造方法。
6. 前記センサ部を用意する工程では、前記センサチップとして圧力に応じた前記センサ信号を出力するものを用いることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の物理量センサの製造方法。
7. 物理量に応じたセンサ信号をパッド（２４）を介して出力するセンサチップ（２０）が台座（３０）と接合されてなるセンサ部（４０）と、
   前記センサ部が搭載される一面を有する被搭載部材（１０）と、
   前記パッドに接続されたボンディングワイヤ（９０）と、を備え、
   前記被搭載部材には、前記一面に窪み部（１１ａ）が形成されており、
   前記センサ部は、前記台座のうち前記センサチップと接合される表面と反対側の裏面に枠状の溝（３１）が形成されており、前記溝の内側に構成される中央突出部（３２）と、前記溝の外側に構成される外縁突出部（３３）と、を有し、前記台座における前記センサチップ側と反対側において、前記外縁突出部における前記センサチップ側と反対側の一面を除いた部分であって、前記中央突出部を含む部分が接合部材（７０）を介して前記被搭載部材の一面に接合されていることを特徴とする物理量センサ。
8. 前記センサ部は、前記センサ部の重心を前記台座の裏面に投影した点を投影重心点（６１）としたとき、前記中央突出部における前記センサチップ側と反対側の一面に前記投影重心点が含まれていることを特徴とする請求項７に記載の物理量センサ。
   

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