JP6458044B2 - 差圧センサおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
基準圧力は、圧力検知デバイス100の反対側に圧力を及ぼす試験下で、流体の圧力を測定する際に使用され得る。圧力検知ダイ100は、支持構造207を介して、基部プレート201に開口部203を覆うように取り付けられる。支持構造207を、基部プレート201を構成するステンレス鋼の熱膨張係数と比較したときに、シリコン圧力検知ダイ100の熱膨張係数により近い熱膨張係数を有する、ガラスまたは類似の材料から形成することができる。この熱膨張係数の適合により、圧力に関連しておらずむしろダイ100と基部プレート201との間の同様でない膨張率に関連するひずみによって引き起こされる、ダイ100に対する力の作用が防止される。拘束要素207が、当技術分野で知られている適切な接着剤205によって、基部プレート201に取り付けられる。たとえば、接合を、シリコーン接着剤、エポキシ、はんだ付け、ろう付け、または他の一般に知られている技法によって行うことができる。
したがって、試験中の流体からダイ100を隔離するよう、注意を払わねばならない。可撓性の波形隔壁221によって、隔離が達成される。基部プレート201を通して、オイル充填ポート215が設けられる。オイル充填ポートにより、ダイ100と隔壁221との間の容積219を、シリコーンオイルなどの非腐食性の流体で充填することが可能となる。容積219を画定する空洞が充填されると、オイル充填ポート215が、たとえば球体217をオイル充填ポート215の開口部にわたって溶接することによって、封止される。容積219中のオイルはこうして、完全に閉じ込められ、かつダイ100の上側表面と流体連通している。
コンタクトパッドおよび他の電気構成要素を、2つの封止された容積の外側の区域においてダイ上に画定し、結果としてそれぞれの流体から隔離することができる。ダイの隔壁におけるピエゾ抵抗素子は、隔壁の偏向およびひずみに応じることができ、また電気回路パッケージと連絡しており、それぞれの外部隔壁に対して及ぼされる圧力の差を示す信号を出力する。
圧力センサは、前記第1の開口と流体連通する上側内部容積を画定し、かつ上側内部容積の壁を画定する上側可撓性隔壁を有する、上側ハウジングと、前記第2の開口および前記第3の開口と流体連通する下側内部容積を画定し、かつ下側内部容積の壁を画定する第2の可撓性隔壁を有する、下側ハウジングと、をさらに含む。圧力センサは、差圧検知ダイの隔壁に加えられる差圧を決定するための、差圧検知ダイのピエゾ抵抗素子に結合される第1の電気回路、および、差圧検知ダイの隔壁に加えられる絶対圧を決定するための、絶対圧検知ダイのピエゾ抵抗素子に結合される第2の電気回路をさらに含む。
隔壁上にまたは隔壁に、ピエゾ抵抗素子が画定される。ピエゾ抵抗素子は、素子上のひずみに応じて変動する電気抵抗を呈する。圧力に応じた隔壁の偏向により、ピエゾ抵抗素子にひずみが加えられる。こうして、ピエゾ抵抗素子を組み込んだ回路は、流体によってダイの隔壁に対して加えられる力に応じた電気信号を提供し得る。好適な較正構成要素および処理構成要素により、流体圧を示す出力信号が提供される。電気信号によって示される圧力測定値を、表示、制御信号、診断目的、または他の目的などの目的で、他の処理構成要素に提供することができる。
たとえば、シリコンベースのダイでは、シリコーンオイルを使用できる。閉じ込められた容積は、測定されるべき流体と接触している外側隔壁によって部分的に画定される。外側隔壁を、ステンレス鋼またはチタンなどの耐腐食性金属から形成することができ、これらは作用の強い媒体と接触しても損なわれることがない。測定中の流体の圧力は、外側隔壁上に力を及ぼす。外側隔壁は、圧力に応じて偏向し、この偏向により、閉じ込められた容積内のオイルに力が伝達される。オイルは隔壁に力を伝達する。このようにして、測定中の流体が及ぼす圧力が、測定中の流体がダイまたはダイ上の電気構成要素と接触することなく、ダイに移される。
開口307が、第1の支持構造301の上側表面と第1の支持構造301の下側表面との間に、一続きの開いた通路を提供する。開口307は、示すように、円筒形の断面を有し得る。開口307を、隔壁313と位置合わせすることができる。開口307を、隔壁313の直径に対応するかまたはこれを僅かに上回る直径を有するように、構成することができる。開口307の内部はこうして、隔壁313の上側表面と連通する。第1の支持構造301と半導体ダイ310の上側表面との間の接合箇所は、流体によって浸透されない。
導電領域373は、ピエゾ抵抗素子365とコンタクトパッド355との間の電気的な連絡をもたらす。ピエゾ抵抗素子365は、複数のピエゾ抵抗素子を表し得る。また、導電領域373は、ピエゾ抵抗素子365および複数のコンタクトパッド355を含む回路を完成させるための、半導体材料における導電経路を表し得る。酸化物層362を、半導体隔壁363の上側表面および構造375を含む、ダイ360の上側表面を覆って配設することができる。コンタクトパッド355を、酸化物層362上に配設することができる。酸化物層362を通して、コンタクトパッド355と導電線または導電領域373との間に電気接続をもたらすための、金属化されたビアを設けることができる。
開口307、309は、隔壁313の周縁寸法と等しいかまたはこれよりも僅かに大きい内側寸法を有するように創出される。上側支持構造301は、その下側表面に、上側支持構造301の下側表面に開口部を画定する凹部を含み得る。この凹部により、半導体隔壁313のどの部分も上側支持構造301によって覆われないことが保証される。このことにより、流体が開口307、309を通過し、隔壁363の表面全体と流体連通することが可能になる。支持構造を、任意の好適な接着剤を使用して、半導体ダイ310に接合することができる。例として、第1の支持構造301を、半導体ダイ310の上側表面上のポリシリコン層367に陽極接合することができる。第2の支持構造303は、半導体ダイ310の下面上に露出された半導体材料に陽極接合することができる。ダイおよび支持構造のそれぞれの材料に応じて、陽極接合、シリコン溶融接合、ガラスフリット接合、または他の技法などの、他の接合工程を使用して、支持構造を半導体ダイ310に接合することができる。
隔壁313は、屈曲してひずみを受け、この結果、ピエゾ抵抗素子315の抵抗が変化する。ピエゾ抵抗素子365の抵抗を、したがって第1の流体および第2の流体のそれぞれによって隔壁313に対して加えられる差圧を示す信号を処理することによって、差圧を決定することができる。コンタクトパッド305と電気的に連絡する処理デバイスは、ピエゾ抵抗素子315からのデータに基づいて、差圧値を決定し得る。酸化物層362は、第1の流体からの、隔壁313の上側表面上の金属構成要素の保護を提供する。第2の流体は、開口およびダイの下面におけるシリコンおよびガラスに接触する。
第1の容積は、オイルなどの、作用の比較的強くない流体で充填される。測定中の流体の圧力により隔壁が偏向し、このことにより、圧力を、開口307を介して隔壁に達する第1の容積内のオイルに伝える。第2の、下側可撓性隔壁は、オイルで充填され開口309を充填し隔壁313の下面に達する第2の容積の壁を、同様に画定する。下側可撓性隔壁は、測定されるべき第2の流体と接触し、第2の流体の圧力を、第2の容積内のオイルを介して隔壁の下面に同様に伝えることができる。したがって、オイルの2つの封止された容積を有する隔壁300のこの配置構成により、腐食性の流体の差圧測定が可能となる。このようにして、差圧検知ダイ300は、ダイ上の敏感な電気構成要素を保護するために、測定中の流体から隔離される。
第1の支持構造301は、半導体圧力ダイ310の半導体隔壁313の頂部表面へのアクセスを提供する上側ポートを形成する、開口(307、図3Aに示す)を有する。図4Aの差圧センサ400の実施形態では、上側ハウジング401は、可撓性隔壁403を含む。可撓性隔壁403は、差圧検知ダイ300に接合される上側ハウジング401の中実体の下側壁の反対側にある。可撓性隔壁403は、センサ400が配備されると、作用の強い媒体であり得る測定されるべき流体と、流体連通する。可撓性隔壁403は、作用の強い媒体との接触に起因する腐食に対して、耐性のある金属から成るものとすることができる。非限定的な例として、可撓性隔壁403は、ステンレス鋼またはチタンとすることができ、これらはいずれも、ほとんどの作用の強い媒体に対する耐腐食性を実現する。
その理由は、この管407がこの空洞を流体で充填するためにしか使用されないからである。容積が充填されると、充填管に球体418で栓をすることができ、この球体418は、中実体に溶接することができる。他の実施形態では、圧着すること、縁部を1つに溶接すること、充填管内にピンを押し込むこと、またはこれら以外の方法により、充填管を閉じることができる。管404は一般に、一方の端部において開いており、可撓性隔壁403に隣接する容積に開口し、他方の端部において開いており、差圧検知ダイ300の第1の支持構造301の開口と封止されて接触するポートを画定する、管である。容積を充填するために採用されるオイルまたは他の流体は、これが半導体圧力ダイ310と適合するように選択される。1つの実施形態では、シリコーンオイルが使用される。他の実施形態では、上側ハウジング401は、周縁の壁を有することができ、また流体で完全に充填することができる。そのような実施形態では、側壁および低壁は、隔壁403の外面に適用される圧力が、半導体ダイの隔壁に伝えられ、上側ハウジングの壁を変形させる役割を果たさないように、剛性となるのに十分な厚さでなければならない。
内部容積415を、可撓性隔壁403によって加えられる力を受けるように、オイルで完全に充填することができる。別法として、より小さい容積408を画定することができる。オイルは、管416を介して、可撓性隔壁413と流体連通する容積408内に導入される。第2の支持構造303の開口はしたがって、管の一方の端部と封止されて連連する。管416の反対側の端部は、実施形態では、下側隔壁413によって閉じられるか、または、隔壁413と接触する容積と連通する。オイル充填管417は、管416または隔壁413とダイ300との間の任意の容積と、および下側ハウジングの外部と、連通する。オイル充填管407は、図4Bに示す球体418によってなどで、閉じられてもよい。隔壁413は、ダイ300の反対側の下側ハウジング411の下側壁およびシールを形成する。可撓性隔壁413は、隔壁403と同様に、作用の強い媒体と接触することができ、また、作用の強い媒体との接触による腐食に対して耐性のある金属から成る。下側ハウジングのオイルが充填される容積内に置かれるオイルは、これがシリコン圧力ダイ100と適合するように選択される。ある実施形態では、シリコーンオイルを使用することができる。
第1の流体の圧力は、(図4に示す配向において)下向きの圧力を及ぼし、一方、第2の流体の圧力は、シリコン隔壁313の下面上に、対向する上向きの圧力をもたらす。隔壁に加えられる圧力の差により、隔壁313の偏向および/またはひずみが生じる。これらは、差圧検知ダイ300のピエゾ抵抗素子および関連する回路機構の抵抗の変化を検出することによって、測定することができる。電気信号は、回路機構419にさらに電気的に接続される導電性コンタクトパッド305を通る、差圧検知ダイ300からの出力として提供される。回路機構419は、センサの較正を行い、センサが一般に使用するデジタルまたはアナログ電気出力を提供するための、特定用途向け集積回路(ASIC)または他の回路機構を含み得る。導電性コンタクトパッドは、上側支持構造301の外部にあるので、ダイの隔壁に力を伝達するために使用される流体によって接触されない。ワイヤ、ピン、またはコネクタなどの好適なコンタクトが回路機構419に接続されて、データ信号の出力を提供するとともに、差圧センサ400において、入力電力接続コンタクトを設けることができる。
土および沈殿物がオイルからフィルタ処理される際、これらはフィルタ用エレメントを詰まらせ、フィルタを通るオイルの流れを制限する。流れの制限が少ないときは、交換可能なオイルフィルタの入口と出口とで比較したオイル圧力の差は小さい。流れが制限されるようになるにつれ、有限の容積内でのオイルの蓄積に起因して、オイルフィルタの入口において圧力が高まることになり、一方、オイルフィルタの出口におけるオイル圧力は、低減されたオイルの流れに起因して降下することになる。この結果、流れがさらに制限されるようになるにつれ、入口と出口との間の差圧が高まる。
電気信号から導出されるデータを、たとえばコンピュータメモリに保存し、将来の分析のために使用することができる。たとえば、エンジン不具合の場合には、オイルフィルタの動作状態をエンジンの寿命にわたって履歴的に見たものを分析して、オイルフィルタがエンジン不具合に寄与する要因であったかを判定することができる。オイルフィルタの動作状態の履歴記録を使用して、エンジンオイルおよび/またはオイルフィルタの交換が、製造者推奨の整備および保守スケジュールに従って行われたかを判定することもできる。
力は、ピエゾ抵抗素子の1つまたは複数の抵抗値に変換され、これらは次いで、回路419に連絡され処理され得る。回路419の出力は、検出された差圧を示すデータを含む。回路419へのコネクタは、差圧センサパッケージ600の外部でアクセス可能である。第1の流体および第2の流体と差圧検知ダイ300との間の流体連通を確立するために、圧力チャンバ604、606を、これらのそれぞれの流体ポート601、603に対して垂直となるように適合することができる。
ポートは、耐腐食性材料から形成される側壁709、711を有する。ポート705、707の外壁上に、測定中の流体を搬送するための管路に接続するためのねじ山付き継手の取り付けを可能にする、外部ねじ山703が画定される。第1のポート705および第2のポート707の側壁709、711は、Oリング701を受容するための溝路をさらに画定する。Oリング701は、ポート705、707とポート705、707上にねじ切りされる受容継手との間に、液密シールを形成する。
例示した実施形態では、これらのポートは、上側部材801および下側部材803の基部を通してそれぞれ画定されるが、ハウジングの他の部分を通して画定してもよい。ポート809は、その内側開口部が、差圧検知ダイ300の開口309などの差圧検知ダイの開口との位置合わせ、およびこの開口との流体不浸透性の封止にとって好適となるように、位置付けられる。同様に、ポート807は、その内側開口部が、差圧検知ダイ300の開口307などの差圧検知ダイの他の開口との位置合わせ、およびこの開口との流体不浸透性の封止にとって好適となるように、位置付けられる。こうして、ポート807、809を介して、差圧検知ダイ300の隔壁の対向する両面への流体連通が確立される。差圧センサパッケージ800は非腐食性または半腐食性の流体の差圧を測定するように設計されるので、半導体圧力ダイ310および支持構造301、303は、試験中の流体から隔離されない。しかしながら、ポート807、809と開口307、309との間のそれぞれのシールの結果として、ハウジング802の内部容積は、試験中の流体から隔離される。ハウジング802は、内部容積を外部環境からさらに隔離する。
これらは、第1の流体と第2の流体との間で測定された差圧に関連する電気信号を、外部システムに搬送する。図8Aに示すように、電気接続ピン813を、コンタクトピンの単一の列を有する単一のシングルインラインパッケージ(SIP)として、配置構成することができる。この構成は例としてのみ提供されており、他の構成が使用可能である。たとえば、デュアルインラインパッケージ(DIP)を使用することができるか、または、差圧センサパッケージ800を、配線ハウジングに接続されたアダプタを受容するためのポートを有する、表面実装型ハウジングとして構成することができる。外部システムは、差圧測定値を使用して異常な状況を判定し警告信号を送ることのできる、制御装置または表示器システムに関連し得る。または、外部システムは、例として、弁から上流の箇所と下流の箇所との間で測定される差圧に基づいて弁を動作させる、弁制御装置とすることができる。
差圧センサパッケージ800の実施形態を使用する例示の適用例では、第1の流体は、車両のエンジン内の、その車両のオイルフィルタの中に入る前のオイルである。第2の流体は、オイルがオイルフィルタを通過した後の、車両のエンジンオイルである。フィルタの中に入る前とフィルタを離れた後の、エンジンオイルの差圧は、オイルフィルタの状況を示すことができる。オイルフィルタ内の流れが制限されていると判定される場合、保守が必要であることまたはオイルフィルタを交換すべきであることを示す警告を、車両操縦者に提供することができる。
このプラスチックのパッケージを、ハウジング部材801、803とダイの支持構造301、303との間に液密シール821を提供する適切な接着剤によって、差圧検知ダイに取り付けることができる。別法として、内部の壁またはリブによってなどで画定される、差圧検知ダイ300の外形に対応する外形を有する内部容積を有するプラスチックのパッケージを、成形することができる。たとえば、パッケージの下側ハウジング部材803に、内部容積を画定することができる。ダイは、ダイにおける開口307、309がパッケージにおけるポート807、809と位置合わせされた状態で、内部容積内に置かれる。上側ハウジング部材801が下側ハウジング部材803に合体されて、液密なパッケージを画定する。
このようにして、センサ900の可撓性の金属隔壁913と流体的に接触する流体は、その圧力が、オイルが充填される容積を通して、絶対圧検知ダイ350の下面に伝達されることになる。したがって、検知される圧力は、真空などの基準圧力と比較した場合の、下側隔壁913から及ぼされる圧力のみの因子である。図9における圧力センサ900はしたがって、差圧センサもしくは絶対圧センサのいずれか、または両方として、使用可能である。信号が生み出される元となった圧力検知ダイ300、350を識別することによって、差圧信号を絶対圧信号から区別することができる。
Claims (9)
- 差圧検知ダイ(300)と、上側ハウジング(401)と、下側ハウジング(411)と、電気回路(419)と、を備える、差圧センサ(400)であって、
前記差圧検知ダイ(300)は、一体型検知隔壁(313)を含む半導体ダイ(310)と、前記検知隔壁(313)上に画定されるピエゾ抵抗素子(365)と、前記半導体ダイ(310)の表面に接合される第1の支持構造(301)と、前記半導体ダイ(310)の反対側の表面に接合される第2の支持構造(303)と、を備えており、
前記第1の支持構造(301)は、前記第1の支持構造(301)を通して画定される第1の開口(307)を有し、前記第1の開口(307)を通して前記検知隔壁(313)が露出するとともに、
前記第2の支持構造(303)は、前記第2の支持構造(303)を通して画定される第2の開口(309)を有し、前記第2の開口(309)を通して前記検知隔壁(313)が露出し、
前記上側ハウジング(401)は、前記第1の開口(307)と流体連通する上側内部容積(405、406)を画定するとともに、前記上側内部容積(405、406)の壁を画定する上側可撓性隔壁(403)を有し、
前記下側ハウジング(411)は、前記第2の開口(309)と流体連通する下側内部容積(408、415)を画定するとともに、前記下側内部容積(408、415)の壁を画定する下側可撓性隔壁(413)を有し、
前記電気回路(419)は、前記検知隔壁(313)に加えられる差圧を決定するために、前記ピエゾ抵抗素子(365)に結合されており、
前記上側内部容積(405)および前記下側内部容積(415)が流体としてのオイル(717、727)で充填され、
前記上側可撓性隔壁(403)および前記下側可撓性隔壁(413)に加えられる圧力が、前記オイル(717、727)によって前記検知隔壁(313)に伝達されるとともに、
前記電気回路(419)は、前記第1の支持構造(301)、前記第2の支持構造(303)、前記上側内部容積(405、406)、および前記下側内部容積(408、415)からは離れて、前記半導体ダイ(310)に接触する、
差圧センサ(400)。 - 前記上側可撓性隔壁(403)および前記下側可撓性隔壁(413)がステンレス鋼から成る、
請求項1に記載の差圧センサ。 - 前記第1の支持構造(301)と前記半導体ダイ(310)との間の接合箇所が、前記第1の支持構造(301)の前記第1の開口(307)内の流体によって浸透されず、前記第2の支持構造(303)と前記半導体ダイ(310)との間の接合箇所が、前記第2の支持構造(303)の前記第2の開口(309)内の流体によって浸透されない、
請求項1または2に記載の差圧センサ。 - 前記第1の支持構造(301)と前記上側ハウジング(401)との間の接合箇所、および前記第2の支持構造(303)と前記下側ハウジング(411)との間の接合箇所が、前記第1の支持構造における前記第1の開口(307)内の流体、および前記第2の支持構造(303)における前記第2の開口(309)内の流体によって浸透されない、
請求項3に記載の差圧センサ。 - 差圧センサを作製する方法であって、
前記方法は、
半導体ダイ(310)と第1の支持構造(301)と第2の支持構造(303)から差圧ダイ(300)を提供するステップと、
前記差圧ダイ(300)の上側表面において上側ハウジング(401)を提供するステップと、
前記差圧ダイ(300)の下側表面において下側ハウジング(411)を提供するステップと、
前記上側ハウジング(401)の上側内部容積(405)および前記下側ハウジング(411)の下側内部容積(415)を流体としてのオイル(717、727)で充填するステップと、を含み、
前記半導体ダイ(310)はピエゾ抵抗素子(365)を含む一体型検知隔壁(313)を有し、前記ピエゾ抵抗素子(365)は前記一体型検知隔壁(313)上に配設されており、
前記差圧ダイ(300)の上側表面に接合される前記第1の支持構造(301)は、前記第1の支持構造(301)を通して画定される第1の開口(307)を有し、
前記第1の支持構造(301)の前記第1の開口(307)が、前記検知隔壁(313)の上側表面と位置合わせされており、
前記差圧ダイ(300)の下側表面に接合される第2の支持構造(303)は、前記第2の支持構造(303)を通して画定される第2の開口(309)を有し、
前記第2の支持構造(303)の前記第2の開口(309)が、前記検知隔壁(313)の下側表面と位置合わせされており、
前記上側ハウジング(401)が前記第1の支持構造(301)の前記第1の開口(307)と流体連通する上側内部容積(405)を画定し、前記上側ハウジング(401)の上側壁が第1の可撓性隔壁(403)によって画定され、
前記下側ハウジング(411)が前記第2の支持構造(303)の前記第2の開口(309)と流体連通する下側内部容積(408)を画定し、前記下側ハウジング(411)の下側壁が第2の可撓性隔壁(413)によって画定されるとともに、
前記差圧センサは、前記第1の可撓性隔壁(403)および前記第2の可撓性隔壁(413)に加えられる圧力が、前記オイル(717、727)を通して前記検知隔壁(313)に加えられるように構成されている、
差圧センサを作製する方法。 - 前記第1の可撓性隔壁(403)および前記第2の可撓性隔壁(413)が、ステンレス鋼から構成される、
請求項5に記載の方法。 - 前記第1の支持構造(301)と前記半導体ダイ(310)との間の接合箇所が、前記第1の支持構造(301)の前記第1の開口(307)に導入される流体によって浸透されず、
前記第2の支持構造(303)と前記半導体ダイとの間の接合箇所が、前記第2の支持構造(303)の前記第2の開口(309)に導入される流体によって浸透されない、
請求項5または6に記載の方法。 - 前記第1の開口(307)および前記第2の開口(309)は、前記検知隔壁(313)の直径に対応するか、または前記検知隔壁(313)の前記直径を上回るように構成されている、
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の差圧センサ。 - 前記第1の開口(307)および前記第2の開口(309)は、前記検知隔壁(313)の直径に対応するか、または前記検知隔壁(313)の前記直径を上回るように構成されている、
請求項5から請求項7のいずれか一項に記載の方法。
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