JP6131819B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、圧力に応じたセンサ信号を出力するセンサ部が被搭載部材に接合部材を介して搭載された圧力センサに関するものである。

従来より、この種の圧力センサとして、次のものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

すなわち、この圧力センサでは、センサ部は、圧力に応じたセンサ信号を出力するセンサチップと、台座とが接合されて構成されている。そして、台座のうちセンサチップ側と反対側の面が接合部材を介して被搭載部材に搭載されている。また、接合部材は、接着剤に当該接着剤の厚さを確保するための球状のビーズが混入されている。なお、接合部材は、接着剤の厚さが４０μｍ以上となるように、ビーズの直径が適宜規定されている。

これによれば、接着剤が厚くされているため、被搭載部材から印加される応力を接着剤にて緩和でき、検出精度が低下することを抑制できる。

特開平１０−１７０３６７号公報

しかしながら、上記特許文献１では、接着剤の厚さについては規定されているが、接着剤のヤング率（弾性率）については１ＭＰａ以下と記載されているのみである。このため、接着剤の選択性が低く、ひいてはコストの増加に繋がる。

本発明は上記点に鑑みて、検出精度の低下を抑制しつつ、接着剤の選択性を高く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、一面（２０ａ）側に薄肉のダイヤフラム（２２）が形成されていると共にダイヤフラムにゲージ抵抗（２３）が形成されたセンサ部（１０）と、一面（４０ａ）にセンサ部を搭載する被搭載部材（４０）と、センサ部と被搭載部材との間に配置され、センサ部と被搭載部材とを接合する接合部材（５０）とを備え、センサ部は、一面にゲージ抵抗と電気的に接続されるパッド（２４）が形成されていると共にパッドにボンディングワイヤ（７０）が接続されており、センサ部における一面と反対側の他面（３０ｂ）のうちパッドと対向する部分および被搭載部材の一面のうちパッドと対向する部分の少なくとも一方には、押し潰し手段（３１、３３）が形成されており、接合部材は、接着剤（５１）に球状のビーズ（５２）が複数混入されて構成され、接着剤は、厚さが２０．７［μｍ／ＭＰａ］×接着剤のヤング率［ＭＰａ］より厚くされていると共に、厚さが５５．６［μｍ／ＭＰａ］×接着剤のヤング率［ＭＰａ］より薄くされており、複数のビーズは、弾性を有する材料で構成され、一部が押し潰し手段によって弾性変形した状態で配置されていることを特徴としている。

このように、接着剤は、厚さが２０．７［μｍ／ＭＰａ］×接着剤のヤング率［ＭＰａ］より厚くなるのであれば、ヤング率が１ＭＰａより高いものでも選択できるため、検出精度が低下することを抑制しつつ、接着剤の選択性を高くできる（図３参照）。また、ワイヤボンディングを行う際にセンサ部が過大変位することを抑制できる（図３参照）。

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に示すセンサチップの表面図である。 接着剤のヤング率と厚さとの関係を示す図である。 本発明の第２実施形態における圧力センサの断面図である。 図１に示す台座の裏面図である。 本発明の第３実施形態における圧力センサの断面図である。

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、本実施形態の圧力センサは、自動車用のエアコン冷媒圧センサや吸気圧センサ等に用いられると好適である。

図１に示されるように、圧力センサは、センサ部１０がケース４０に接合部材５０を介して搭載されて構成されている。

センサ部１０は、圧力に応じたセンサ信号を出力するセンサチップ２０に台座３０が接合された構成とされている。

センサチップ２０は、図１および図２に示されるように、矩形板状であり、表面２０ａが（１００）面であるシリコン基板を用いて構成されている。そして、表面２０ａと反対側の裏面２０ｂに断面矩形状の窪み部２１が形成されることで構成される薄肉のダイヤフラム２２を有し、このダイヤフラム２２にブリッジ回路を構成するようにゲージ抵抗２３が形成されている。

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。

なお、窪み部２１は、断面矩形状でなくてもよく、例えば、断面台形状とされていてもよい。また、図１中におけるセンサチップ２０は、図２中のI−I断面に相当している。

また、センサチップ２０の表面２０ａには、ダイヤフラム２２の外側の領域に図示しない拡散抵抗等を介してゲージ抵抗２３と電気的に接続される４個のパッド２４が形成されている。本実施形態では、各パッド２４は、センサ部１０の表面２０ａの中心に対して点対称となるように形成されている。

台座３０は、センサチップ２０と同じ大きさの矩形板状のシリコン基板等で構成され、図１に示されるように、センサチップ２０との間に基準圧力室６０が構成されるように、表面３０ａがセンサチップ２０の裏面２０ｂと接合されて一体化されている。本実施形態では、基準圧力室６０が真空圧となるように、センサチップ２０と台座３０とが接合されている。

なお、特に図示していないが、センサチップ２０と台座３０との間には絶縁膜が配置され、センサチップ２０と台座３０とは電気的に分離されている。また、本実施形態では、センサチップ２０の表面２０ａが本発明のセンサ部の一面に相当し、台座３０の裏面３０ｂが本発明のセンサ部の他面に相当している。

そして、このようなセンサ部１０は、台座３０の裏面３０ｂがケース４０の一面４０ａと対向するように、ケース４０の一面４０ａに接合部材５０を介して搭載されている。そして、センサ部１０は、パッド２４がケース４０の一面４０ａに形成された配線パターン等とボンディングワイヤ７０を介して電気的に接続されている。

なお、ケース４０は、例えば、樹脂が型成形されて構成されたものであり、本実施形態では本発明の被搭載部材に相当している。また、本実施形態の接合部材は、シリコーン系接着剤等の接着剤５１に樹脂等の弾性を有する材料で構成された球状のビーズ５２が混入されて構成されている。

以上が本実施形態における圧力センサの基本的な構成である。次に、本実施形態の特徴点である接合部材５０の具体的な構成について、図３を参照しつつ説明する。

このような圧力センサでは、ケース４０の影響によるセンサ信号の出力誤差は、接着剤５１のヤング率が高くなるほど大きくなると共に接着剤５１の厚さが薄くなるほど大きくなる。そして、センサ信号の出力誤差を現状求められる２．５％ＦＳ以下にするためには、実験的に次の数式１を満たせばよいことを本発明者らは見出した。

（数１）接着剤の厚さ［μｍ］＞２０．７［μｍ／ＭＰａ］×接着剤のヤング率［ＭＰａ］
なお、出力誤差の単位である％ＦＳとは、センサ部１０の出力電圧誤差を出力電圧のフルスケールにて除算した値である。また、図３は、センサチップ２０として、１辺が３．０ｍｍである正方形状であって厚さが０．３ｍｍであり、表面２０ａが（１００）面であるシリコン基板を用い、台座３０として、１辺が３．０ｍｍである正方形状であって厚さが０．７ｍｍであるシリコン基板を用いた結果である。

また、このような圧力センサは、センサ部１０をケース４０の一面４０ａに接合部材５０を介して搭載した後、センサ部１０にワイヤボンディングを行ってボンディングワイヤ７０を形成することにより、製造される。

ここで、センサ部１０にワイヤボンディングを行う際には、ボンディング時にセンサ部１０が過大変位を起こさないことが好ましい。そして、ワイヤボンディング性は、接着剤５１のヤング率が高くなるほど高くなると共に接着剤５１の厚さが薄くなるほど高くなる。このため、センサ部１０の過大変位を起こさずにワイヤボンディングを行うためには、実験的に次の数式２を満たせばよいことを本発明者らは見出した。

（数２）接着剤の厚さ［μｍ］＜５５．６［μｍ／ＭＰａ］×接着剤のヤング率［ＭＰａ］
なお、過大変位とは、ワイヤボンディングを行うことができないほどセンサ部１０が変位することである。また、図３は、周波数を１２０ｋＨｚとしてワイヤボンディングを行ったときの結果である。

つまり、図３中のハッチングを施した部分では、２．５％ＦＳを満たしつつ、ワイヤボンディングを行う際にセンサ部１０が過大変位を起こすことを抑制できる。このため、本実施形態の接着剤５１の厚さは、２０．７［μｍ／ＭＰａ］×接着剤のヤング率［ＭＰａ］より厚く、５５．６［μｍ／ＭＰａ］×接着剤のヤング率［ＭＰａ］より薄くされている。

以上説明したように、本実施形態では、接着剤５１の厚さは、２０．７［μｍ／ＭＰａ］×接着剤のヤング率［ＭＰａ］より厚くされている。つまり、接着剤５１は、厚さが２０．７［μｍ／ＭＰａ］×接着剤のヤング率［ＭＰａ］より厚くなるのであれば、ヤング率が１ＭＰａより高いものでも選択できる。このため、検出精度が低下することを抑制しつつ、接着剤５１の選択性を高くできる。

また、接着剤５１の厚さは、５５．６［μｍ／ＭＰａ］×接着剤のヤング率［ＭＰａ］より薄くされている。このため、ワイヤボンディングを行う際にセンサ部１０が過大変位することを抑制できる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して台座３０の裏面３０ｂに凸部を形成したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

図４に示されるように、本実施形態では、台座３０の裏面３０ｂに凸部３１が形成されている。具体的には凸部３１は、図４および図５に示されるように、台座３０の裏面３０ｂのうちの各パッド２４と対向する部分において、裏面３０ｂの中心に対して点対称となるように形成されている。言い換えると、凸部３１は、センサ部１０の中心を通り、センサチップ２０と台座３０との積層方向に延びる軸に対して点対称となるように形成されている。

なお、凸部３１は、本実施形態では突出方向先端面に向かって先細り形状となるテーパ状とされており、パッド２４と対向する部分と異なる部分をエッチングして凹部３２を形成することによって構成される。また、本実施形態では、凸部３１が本発明の押し潰し手段に相当している。

そして、接合部材５０に含まれるビーズ５２の一部は、凸部３１とケース４０の一面４０ａとの間で押し潰されて弾性変形した状態で配置されている。なお、接合部材５０に含まれるビーズ５２の残部は、接着剤５１の厚さが上記数式１を満たすように、台座３０の裏面３０ｂとケース４０の一面４０ａとの間で押し潰されることなく配置されている。つまり、本実施形態では、台座３０のうちの凸部３１が形成されている部分と異なる部分と、ケース４０の一面４０ａとの間隔が接着剤５１の厚さとなる。

これによれば、パッド２４の下方に位置するビーズ５２は、凸部３１とケース４０の一面４０ａとの間で押し潰されて弾性変形した状態で配置されている。このため、接合部材５０におけるこの部分の見かけ上のヤング率を高くできる。したがって、ワイヤボンディングを行う際、センサ部１０が過大変位することをさらに抑制できる。

また、本実施形態では、凸部３１は、台座３０の裏面３０ｂの中心に対して点対称に形成されている。このため、センサ部１０がケース４０の一面４０ａに対して傾いて搭載されることを抑制できる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して台座３０に第１、第２窪み部を形成したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

図６に示されるように、本実施形態では、台座３０の裏面３０ｂに第１、第２窪み部３３、３４が形成されている。具体的には、第１窪み部３３は、台座３０の裏面３０ｂのうちの各パッド２４と対向する部分において、裏面３０ｂの中心に対して点対称となるように形成されている。第２窪み部３４は、台座３０の裏面３０ｂのうちのパッド２４と対向する部分と異なる部分に形成され、第１窪み部３３より深さが深くされている。

そして、接合部材５０に含まれるビーズ５２は、第１、第２窪み部３３、３４にはめ込まれた状態で配置されている。具体的には、第１窪み部３３には、ビーズ５２がケース４０の一面４０ａとの間で押し潰されて弾性変形した状態で配置されている。また、第２窪み部３４には、ビーズ５２がケース４０の一面４０ａとの間で押し潰されないように配置されている。つまり、本実施形態では、台座３０のうちの第１、第２窪み部３３、３４が形成されている部分と異なる部分と、ケース４０の一面４０ａとの間隔が接着剤５１の厚さとなる。なお、本実施形態では、第１窪み部３３が本発明の押し潰し手段に相当している。

これによれば、ビーズ５２が第１、第２窪み部３３、３４にはめ込まれて配置されているため、ビーズ５２の分布がばらつくことを抑制できる。このため、センサ部１０がケース４０の一面４０ａに対して傾くことを抑制できる。

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、上記各実施形態において、センサチップ２０は表面２０ａが（１００）面であるシリコン基板を用いて構成されているため、回路部が集積されていてもよい。

また、上記第２実施形態では、台座３０の裏面３０ｂに凸部３１を形成する例を説明したが、ケース４０の一面４０ａに凸部を形成し、この凸部と台座３０の裏面３０ｂとの間でビーズ５２が押し潰されて弾性変形するようにしてもよい。この場合は、ケース４０の一面４０ａに形成された凸部が本発明の押し潰し手段に相当する。また、台座３０の裏面３０ｂおよびケース４０の一面４０ａに凸部を形成するようにしてもよい。

さらに、上記各実施形態を組み合わせてもよい。例えば、上記第３実施形態を上記第２実施形態に組み合わせ、第１窪み部３３を形成する代わりに凸部３１を形成してもよい。また、ケース４０の一面４０ａに窪み部を形成してビーズ５２の分布がばらつくことを抑制してもよい。

１０ センサ部
２０ａ 一面
２２ ダイヤフラム
２３ ゲージ抵抗
４０ ケース（被搭載部材）
５０ 接合部材
５１ 接着剤
５２ ビーズ

Claims (6)

1. 一面（２０ａ）側に薄肉のダイヤフラム（２２）が形成されていると共に前記ダイヤフラムにゲージ抵抗（２３）が形成されたセンサ部（１０）と、
   一面（４０ａ）に前記センサ部を搭載する被搭載部材（４０）と、
   前記センサ部と被搭載部材との間に配置され、前記センサ部と被搭載部材とを接合する接合部材（５０）と、を備え、
   前記センサ部は、前記一面に前記ゲージ抵抗と電気的に接続されるパッド（２４）が形成されていると共に前記パッドにボンディングワイヤ（７０）が接続されており、
   前記センサ部における一面と反対側の他面（３０ｂ）のうち前記パッドと対向する部分および前記被搭載部材の一面のうち前記パッドと対向する部分の少なくとも一方には、押し潰し手段（３１、３３）が形成されており、
   前記接合部材は、接着剤（５１）に球状のビーズ（５２）が複数混入されて構成され、
   前記接着剤は、厚さが２０．７［μｍ／ＭＰａ］×接着剤のヤング率［ＭＰａ］より厚くされていると共に、厚さが５５．６［μｍ／ＭＰａ］×接着剤のヤング率［ＭＰａ］より薄くされており、
   複数の前記ビーズは、弾性を有する材料で構成され、一部が前記押し潰し手段によって弾性変形した状態で配置されていることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記センサ部の他面には、前記押し潰し手段（３１）としての前記被搭載部材側に突出する凸部が形成され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. 前記センサ部の他面には、前記押し潰し手段（３３）としての第１窪み部が形成されていると共に、前記パッドと対向する部分と異なる部分に前記第１窪み部よりも深さが深くされた第２窪み部（３４）が形成され、
   複数の前記ビーズは、前記第１、第２窪み部にそれぞれはめ込まれていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
4. 前記押し潰し手段は、前記センサ部の一面における中心を通る軸に対して点対称に形成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。
5. 前記センサ部は、前記一面が（１００）面であるシリコン基板を用いて構成さ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１つに記載の圧力センサ。
6. 前記センサ部は、回路部が集積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。

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