JP6051975B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

この発明は、印加される圧力に応じた信号を出力するセンサチップを備えた圧力センサに関する。

従来、特許文献１のような圧力センサが知られている。この圧力センサは、印加される圧力を検出するセンサチップと、センサチップを収容する凹部が設けられたケースとを備えている。センサチップは、圧力を検知するメンブレンが上面に設けられている。このセンサチップは、上面の反対側にある下面とケースの凹部の底面とが対向するように、ケースの凹部の底面に接着固定されている。ケースの凹部の底面には、リードが設けられており、このリードは、ワイヤを介してセンサチップと電気的に接続されている。このワイヤはセンサチップの上面に接続されている。ワイヤは山の形状を描いており、このワイヤがなす山の最高点は、センサチップの上面よりも上方に位置して配置されている。ケースの凹部には、被覆部材が充填されており、この被覆部材によって、センサチップ及びワイヤは被覆され、保護されている。被覆部材の上面は、平坦な面になっている。

特開２００４−２５１７４１号公報

しかし、特許文献１のような圧力センサでは、被覆部材は、被覆部材の上面がワイヤのなす山の最高点よりも、凹部の上方に開口する開口部側となるまで充填されている。そして、その被覆部材の上面は平坦な面である。その結果、この圧力センサは、センサチップの上面上に被覆部材からなる厚膜が形成される構造となっている。したがって、この圧力センサは、圧力センサに衝撃等が加わった場合において、厚膜が質量となってメンブレンに荷重し、そのメンブレンの加速度成分を大きく検出してしまい、その結果、圧力検出の精度が低下する虞がある。

そこで本発明は、上記問題点を鑑み、センサチップ及びワイヤが被覆部材で被覆されることにより保護されつつ、高精度の圧力検出ができる圧力センサ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、上面にメンブレンが形成されたセンサチップと、センサチップを内部に収容するケースと、ケースに固定されたリードと、センサチップの上面とリードとに電気的に接続されたワイヤと、ケース内に充填され、センサチップの上面およびワイヤを被覆するゲル状の被覆部材と、を備える圧力センサにおいて、ケースは、ワイヤの最頂部に向かって突出する突出部を有し、突出部の上端部が、センサチップの上面よりも上側に位置し、被覆部材の上面は、最頂部上で凸形状となり、かつ、メンブレン上で凹形状となっていることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、被覆部材はワイヤ及びセンサチップの上面を被覆しつつ、被覆部材の上面がワイヤの最頂部上で凸形状となり、かつ、センサチップのメンブレン上で凹形状となっている。つまり、ワイヤの最頂部を被覆する部分の被覆部材が、他の部分の液面から突出している。したがって、請求項１の発明によれば、メンブレン上の被覆部材の上面をワイヤの最頂部よりも低くできるので、従来の圧力センサのように平坦な面に比べて、メンブレン上にある被覆部材の膜の厚さが薄い。

これにより、圧力センサに衝撃等が加わった場合において、メンブレン上にある被覆部材の膜が質量となってメンブレンに荷重したとしても、この被覆部材の膜が薄いのでメンブレンへの荷重も小さい。よって、請求項１に係る圧力センサでは、従来のように、衝撃等によって、被覆部材からメンブレンへ荷重が発生し、そのメンブレンの加速度成分を大きく検出してしまい、圧力検出の精度が低下することが抑制される。したがって、この圧力センサによれば、圧力センサに衝撃等が加わった場合においても、精度良く圧力を検出することができる。

第１実施形態に係る圧力センサの上面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 第２実施形態に係る圧力センサの上面図である。 図３のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 第３実施形態に係る圧力センサの突出部の側面を示すようにケースを切断した断面図である。

（第１実施形態）
図１、２に示されているように、本実施形態における圧力センサ１００は、印加される圧力に応じた信号を出力するセンサチップ２０と、このセンサチップ２０を収容する凹部１１が設けられたケース１０とを備えている。センサチップ２０は台座７０を介して凹部１１に接着固定されている。この凹部１１には、リード３０が固定されており、このリード３０はワイヤ４０を介してセンサチップ２０と電気的に接続されている。このワイヤ４０はセンサチップ上面２１に接続されている。

さらに、凹部１１には、被覆部材５０が充填されており、この被覆部材５０は、センサチップ上面２１及びワイヤ４０を被覆している。なお、この被覆部材５０は、図１では省略されている。

ケース１０は、上方に開口する凹部１１を有しており、例えば、ポリブチレンテレフタレート等の樹脂やセラミックよりなる。凹部１１の底面は平坦な面であり、開口面積と同じ面積を有する。つまり、凹部１１の側面は底面と垂直方向の上方へ伸びる内壁面を構成している。凹部１１の底面は矩形状であり、当該矩形状のまま上方へ開口する形状を有する。

センサチップ２０は、例えば、半導体よりなり、センサチップ上面２１に薄膜であるメンブレン２１ａが形成されている。メンブレン２１ａは、センサチップ上面２１と平行に形成されており、すなわち、凹部１１の底面と略平行に配設されている。このセンサチップ２０は、例えば、ピエゾ抵抗効果や静電容量を利用したのもので、メンブレン２１ａにセンサチップ２０の厚さ方向に加わる応力に基づいて信号が出力されるようになっている。

このセンサチップ２０は、ケース１０の凹部１１に収容されており、凹部１１の一面であるチップ支持面１１ａに台座７０を介して、例えば、フロロシリコーン系の接着剤等により接着固定されている。具体的には、センサチップ２０は、凹部１１の底面の略中央に位置している。また、センサチップ２０は、センサチップ下面２２がチップ支持面１１ａと対向するように、チップ支持面１１ａに固定されている。台座７０は、例えば、ガラス等からなり、センサチップ２０よりも厚い。センサチップ上面２１には、電極パッド２１ｂが設けられている。本実施例では、センサチップ２０の中央部にメンブレン２１ａが設けられ、外周部に電極パッド２１ｂが設けられている。

リード３０は、ケース１０の凹部１１に固定されており、具体的には、例えば、凹部１１のチップ支持面１１ａに固定されている。このリード３０は、銅等の導電材料よりなる。リード３０は、センサチップ２０の電極パッド２１ｂと、ワイヤ４０を介して電気的に接続されている。リード３０は複数設けられており、複数のリード３０は、矩形のチップ支持面１１ａの一辺側および当該一辺に対向する他辺側に、並列に並んで設けられている。

ワイヤ４０は、リード３０とセンサチップ２０の電極パッド２１ｂとを結線している。ワイヤ４０は、ワイヤ４０の最頂部４１ａが、センサチップ上面２１よりも上側に設けられている。また、最頂部４１ａは、ケース１０の上方から見てセンサチップ側面２３とこのセンサチップ側面２３に対向する凹部１１との間の領域に位置するように設けられている。ワイヤ４０は、最頂部４１ａを頂点とする山の形状を描いている。つまり、最頂部４１ａは、ワイヤ４０が描く山の形状の最高点である。ワイヤ４０の材質は、例えば、金やアルミ等が用いられる。

被覆部材５０は、ゲル状であって、凹部１１に充填されており、センサチップ上面２１、リード３０及びワイヤ４０を被覆している。被覆部材５０の上面５１は、ワイヤ４０の最頂部４１ａ上で凸形状となっており、かつ、センサチップ上面２１、特にメンブレン２１ａ上で凹形状となっている。被覆部材５０の材質は、例えば、フッ素ゲルやシリコンゲルなどが採用される。

さらに、本実施形態における圧力センサ１００では、凹部１１のうちセンサチップ２０が固定されている面、つまり、チップ支持面１１ａに、ワイヤ４０の最頂部４１ａに向かって突出する突出部６０が設けられている。突出部６０は、ケース１０と一体的に設けられており、チップ支持面１１ａからワイヤ４０の最頂部４１ａに向かって突出する形状を有する。この突出部６０は、ケース１０と同一材料で構成されており、例えば、ケース１０と一体的に成形されている。

具体的には、例えば、突出部６０は、センサチップ２０とリード３０との間を区画しながら、ワイヤ４０の最頂部４１ａに向かって突出する壁の形状を有する。つまり、突出部６０は、複数のリード３０の並設方向に沿ってチップ支持面１１ａを分断するように、凹部１１の一方の内側面から当該内側面と対向する他方の内側面に連続する壁の形状を有している。突出部６０は、その上端部６１がセンサチップ上面２１よりも上側に位置している。この上端部６１は、ワイヤ４０と接触していてもよいし、離間していてもよい。突出部６０の上端部６１の形状は、ワイヤ４０に沿った滑らかな曲面を有する形状である。突出部６０は、チップ側面の両側に対となるように位置しており、本実施形態では２本設けられている。

次に、本実施形態に係る圧力センサ１００の作動について述べる。

圧力センサ１００では、被検出対象となる媒体の圧力が被覆部材５０の上面５１から印加され、この圧力は被覆部材５０を介してセンサチップ上面２１のメンブレン２１ａに印加される。詳述すると、メンブレン２１ａには、被覆部材５０に印加された被検出対象の圧力、及び、メンブレン２１ａの上にある被覆部材５０の質量に起因するメンブレンへの荷重によって発生する圧力が印加される。

そして、センサチップ２０は、メンブレン２１ａに印加される圧力に応じて信号を出力する。この信号は、電極パッド２１ｂから、ワイヤ４０、リード３０を介して外部へ取り出される。この信号によって、被検出対象である媒体の圧力の検出が可能となっている。

次に、本実施形態に係る圧力センサ１００の製造方法について述べる。

まず、突出部６０を有するケース１０の凹部１１にセンサチップ２０、リード３０を固定する。そして、センサチップ２０及びリード３０をワイヤ４０によって結線する。このとき、ワイヤ４０は、突出部６０の上端部６１上を通過するように設ける。

そして、被覆部材５０を凹部１１内に充填する。このとき、凹部１１には既に突出部６０が設けられている。凹部１１に被覆部材５０を充填すると、まず、突出部６０の上端部６１よりも低いセンサチップ上面２１が被覆される。そして、被覆部材５０の上面５１が突出部６０の上端部６１に到達する前に、被覆部材５０の表面張力及び被覆部材５０と突出部６０との間の濡れやすさによって、被覆部材５０は突出部６０を這い上がる。そして、被覆部材５０は突出部６０の上端部６１に到達し、突出部６０は被覆される。被覆部材５０の上面５１は、突出部６０を被覆している部分の液面が、他の部分の液面から突出している。

さらに、この圧力センサ１００では、突出部６０の上端部６１はワイヤ４０の最頂部４１ａに向かって突出し、その上端部６１がセンサチップ上面２１よりも上側に位置している、すなわち、上端部６１はワイヤ４０に近接しているので、突出部６０の上端部６１に到達した被覆部材５０は、ワイヤ４０に接触し、ワイヤ４０も被覆される。このとき、ワイヤ４０の最頂部４１ａは突出部６０の上端部６１上にあるので、ワイヤ４０は最頂部４１ａも含めて被覆部材５０によって被覆される。

よって、凹部１１に突出部６０を設けることにより、突出部６０及びワイヤ４０を被覆する部分の被覆部材５０は、他の部分の液面から突出され、突出部６０及びワイヤ４０を被覆している。

次に、本実施形態に係る圧力センサ１００の効果について述べる。従来の圧力センサでは、被覆部材５０の上面５１が平面であったため、ワイヤ４０を最頂部４１ａまで被覆するために、被覆部材５０が、その上面５１がワイヤ４０の最頂部４１ａに到達するまで充填されている。その結果、メンブレン２１ａ上には、ワイヤ４０の最頂部４１ａの高さ以上の被覆部材５０が充填されている。一方、本実施形態の圧力センサ１００は、メンブレン２１ａ上の被覆部材５０の上面５１がワイヤ４０の最頂部４１ａよりも低いので、従来の圧力センサに比べて、メンブレン２１ａ上にある被覆部材５０の膜の厚さが薄い。

これにより、圧力センサ１００に衝撃等が加わった場合において、メンブレン２１ａ上にある被覆部材５０の膜が質量となってメンブレンに荷重したとしても、この被覆部材５０の膜が薄いのでメンブレンへの荷重も小さい。よって、この圧力センサ１００では、従来のように、衝撃等によって、被覆部材５０からメンブレン６０へ荷重が発生し、そのメンブレン６０の加速度成分を大きく検出してしまい、圧力検出の精度が低下することが抑制される。したがって、この圧力センサ１００によれば、圧力センサ１００に衝撃等が加わった場合においても、精度良く圧力を検出することができる。

また、この圧力センサ１００では、被覆部材５０は、突出部６０及びワイヤ４０を被覆する部分の液面が、他の部分の液面から突出され、突出部６０及びワイヤ４０を被覆している。一方、従来では、被覆部材５０の上面５１が平面であって、その上面５１がワイヤ４０の最頂部４１ａに到達するまで充填することでワイヤ４０及びセンサチップ上面２１を被覆している。よって、圧力センサ１００によれば、少ない被覆部材５０でワイヤ４０及びセンサチップ上面２１を被覆できる。

また、この圧力センサ１００では、被覆部材５０が一体的となって、センサチップ上面２１、ワイヤ４０及びリード３０を被覆している。よって、この圧力センサ１００によれば、簡易な構成でセンサチップ上面２１、ワイヤ４０及びリード３０を被覆できる。さらに、上端部６１がワイヤ４０に沿った形状を有しているので、上端部６１に這い上がった被覆部材５０はワイヤ４０に接触しやすくなっている。

また、この圧力センサ１００では、突出部６０がケース１０と一体的に設けられているので、簡素な構成で、圧力センサ１００を製造できる。

（第２実施形態）
第２実施形態に係る圧力センサ２００を、第１実施形態と異なる部分を中心に、図３、４を用いて説明する。なお、図３では、被覆部材５０が省略されている。図３、４のように、第２実施形態の圧力センサ２００は、第１実施形態における突出部６０の上端部６１と異なり、突出部２６０の上端部２６１に第１の溝６２が設けられている。この第１の溝６２の内側には、ワイヤ４０が通過している。つまり、ワイヤ４０のうち、第１の溝６２を通過している部分は、第１の溝６２に囲まれている。第１実施形態と同様に、突出部２６０はワイヤ４０の最頂部４１ａに向かって突出しているので、この最頂部４１ａは第１の溝６２に囲まれている。

この圧力センサ２００によれば、突出部２６０の上端部２６１に第１の溝６２が設けられており、上端部２６１の第１の溝６２はワイヤ４０を囲んでいるので、上端部２６１の第１の溝６２を這い上がった被覆部材５０は、ワイヤ４０を囲むように這い上がる。よって、この圧力センサ２００によれば、被覆部材５０はワイヤ４０を囲むように這い上がるので、第１実施形態のようにワイヤ４０を下方から接近して被覆するだけでなく、側方から接近して被覆することもできるので、ワイヤ４０をより被覆しやすく、より確実にワイヤ４０を被覆することができる。

（第３実施形態）
第３実施形態の圧力センサ３００は、第１実施形態における突出部６０の側面とは異なり、図５のように、突出部３６０の側面に、第２の溝６３が突出部３６０の突出する方向に設けられている。なお、この図５は、突出部３６０の側面を示すように、圧力センサ３００のケース１０を凹部１１のチップ支持面１１ａに垂直な方向で切断した断面図である。この図５では、ワイヤ４０及び被覆部材５０は省略されている。この第２の溝６３により、被覆部材５０は、表面張力の作用による毛細管現象によって、第２の溝６３に引き込まれ、第２の溝６３を這い上がる。したがって、被覆部材５０は、突出部３６０を這い上がり易くなるので、ワイヤ４０を被覆し易くなり、より確実にワイヤ４０を被覆することができる。

（他の実施形態）
また、第１実施形態では、突出部６０はケース１０と一体的に設けられていたが、突出部６０は、ケース１０とは別に設けられていてもよい。つまり、別材料から成る突出部６０をケース１０に固定する形態でも良い。突出部６０に、被覆部材５０との濡れ性が良い材質を用いれば、被覆部材５０に加わる吸い上げ力が増加する。その結果、被覆部材５０は、突出部６０を這い上がり易くなるので、ワイヤ４０を被覆し易くなり、より確実にワイヤ４０を被覆することができる。

また、第１実施形態では、被覆部材５０は、リード３０を被覆していたが、本発明はこれに限定されるものではなく、被覆していなくてもよい。つまり、リード３０は露出されていてもよい。ただし、リード３０も被覆材料５０で被覆された方がリード３０の保護が可能であるため、被覆されたほうが好ましい。

また、第１実施形態は、圧力センサを対象としていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、ワイヤボンディングをゲルで保護する構造に適用できる。たとえば、センサ構造の無い回路チップに適用しても良い。

また、第３実施形態は、突出部６０の側面に第２の溝６３を備えていたが、この突出部６０にさらに第２実施形態における第１の溝６２を設け、第１の溝６２及び第２の溝６３を繋げてもよい。これにより、被覆部材５０は、凹部１１に充填される際において、第２の溝６３を這い上がった後、スムーズに第１の溝６２を這い上がり、ワイヤ４０を囲むように這い上がる。したがって、被覆部材５０は、第３実施形態よりも、ワイヤ４０を被覆しやすく、より確実にワイヤ４０を被覆することができる。

１０・・・ケース、２０・・・センサチップ、２１・・・センサチップ上面、２１ａ・・・メンブレン、３０・・・リード、４０・・・ワイヤ、４１ａ・・・最頂部、５０・・・被覆部材、５１・・・上面、６０・・・突出部。

Claims (7)

1. 上面（２１）にメンブレン（２１ａ）が形成されたセンサチップ（２０）と、
   前記センサチップを内部に収容するケース（１０）と、
   前記ケースに固定されたリード（３０）と、
   前記センサチップの上面と前記リードとに電気的に接続されたワイヤ（４０）と、
   前記ケース内に充填され、前記センサチップの上面および前記ワイヤを被覆するゲル状の被覆部材（５０）と、を備える圧力センサにおいて、
   前記ケースは、前記ワイヤの最頂部（４１ａ）に向かって突出する突出部（６０）を有し、
   前記突出部の上端部（６１）が、前記センサチップの上面よりも上側に位置し、
   前記被覆部材の上面（５１）は、前記最頂部上で凸形状となり、かつ、前記メンブレン上で凹形状となっていることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記最頂部は、前記センサチップの上面よりも上側に位置し、かつ、前記センサチップの側面（２３）と当該センサチップの側面に対向する前記ケースの一面との間の領域に位置していることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記ワイヤは、前記最頂部を頂点とする山の形状を描い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。
4. 前記突出部には、上端部（６１）に第１の溝（６２）が設けられており、
   前記ワイヤは前記第１の溝の内部を通過していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の圧力センサ。
5. 前記突出部には、前記突出部の突出する方向に沿って第２の溝（６３）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の圧力センサ。
6. 前記突出部は、前記ケースと一体になっていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の圧力センサ。
7. 前記被覆部材は、さらに前記リードを被覆していることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の圧力センサ。

Images