JP6718855B2 - 圧力センサのシールド構造、および、それを備える圧力センサ - Google Patents
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Description
本発明は、圧力センサのシールド構造、および、それを備える圧力センサに関する。
液封型の半導体圧力センサに内蔵されるセンサユニットは、例えば、特許文献１に示されるように、継手部内に支持され圧力検出室と後述する液封室とを隔絶する金属ダイヤフラムと、金属ダイヤフラムの上方に形成され圧力伝達媒体としてのシリコーンオイルを貯留する液封室と、液封室内に配され金属ダイヤフラムを介しシリコーンオイルの圧力変動を検出するセンサチップと、センサチップを支持するセンサチップマウント部材と、ハウジングの貫通孔におけるセンサチップマウント部材の周囲を密封するハーメチックガラスと、センサチップからの出力信号の送出およびセンサチップへの電力供給を行う端子群（リードピン）とを主な要素として含んで構成されている。
上述のような構成において、ダイヤフラム、ベースプレート、継手部材、継手とは、同一電位で接続されており、またこれらの部位とセンサチップとは絶縁されている。動力源である一次側電源と、センサの出力信号を処理する制御回路である二次側電源との絶縁が不十分である場合、センサ側のインピーダンスが高い為、相対して配置されている金属ダイヤフラムとセンサチップ間に電位差が生じる。この金属ダイヤフラムおよびセンサチップ相互間に生じる電位に起因したセンサチップ内の電子回路および不揮発性メモリーへの影響（圧力センサの出力変動）を防止すべく、例えば、特許文献１に示されるように、センサチップを取り囲み円筒状の空間を形成するように金属製の下板および金属部材をハーメチックガラスの端面に設けるものが提案されている。そのセンサチップは、押さえ板を介してセンサチップに集積されている電子回路のゼロ電位に接続されたリードピンおよび金属部材に電気的に接続されている。これにより、下板および金属部材の電位は、下板と金属部材とにより囲まれた空間内にあるセンサチップの電子回路と同一のゼロ電位となるので金属ダイヤフラムとセンサチップとの間の電位差がなく、従って、センサチップの電子回路に影響を及ぼす電界が生じる虞がない。
しかしながら、上述の下板および金属部材により覆われていないセンサチップの裏面とセンサチップマウント部材の支持面との間にも、センサチップの電子回路に影響を及ぼす電界が生じる虞がある。このような場合、上述の電位に起因した圧力センサの出力変動が生じることが懸念される。従って、圧力センサにおけるセンサチップとダイヤフラムとの間に生じる電界に対する耐性をさらに向上させることが要望される。
以上の問題点を考慮し、本発明は、圧力センサのシールド構造、および、それを備える圧力センサであって、圧力センサにおけるセンサチップとダイヤフラムとの間に生じる電界に対する耐性を向上させることができる圧力センサのシールド構造、および、それを備える圧力センサを提供することを目的とする。
上述の目的を達成するために、本発明に係る圧力センサのシールド構造は、圧力を検出し検出出力信号を送出するセンサチップと、センサチップを支持する支持部材と、センサチップおよび支持部材が配される液封室と液封室に向き合う圧力室とを仕切るダイヤフラムと、センサチップおよび支持部材に電気的に接続される入出力端子群とを含んでなるセンサユニットと、支持部材により支持されることにより、液封室内におけるセンサチップの一方の端面とダイヤフラムとの間に配され、センサチップの信号処理電子回路部に作用する電界を遮断する電界遮断部材と、を備え、支持部材におけるセンサチップを支持する箇所の電位と電界遮断部材の電位とが、センサチップの信号処理電子回路部の電位と同一電位であることを特徴とする。
支持部材は、絶縁物を介してセンサハウジングに支持されてもよい。支持部材は、チップマウント部材、または、センサハウジングに接合される導電板であってもよい。
本発明に係る圧力センサは、圧力を検出し検出出力信号を送出するセンサチップと、センサチップを支持する支持部材と、センサチップおよび支持部材が配される液封室と液封室に向き合う圧力室とを仕切るダイヤフラムと、センサチップおよび支持部材に電気的に接続される入出力端子群とを含んでなるセンサユニットと、支持部材により支持されることにより、液封室内におけるセンサチップの一方の端面とダイヤフラムとの間に配され、センサチップの信号処理電子回路部に作用する電界を遮断する電界遮断部材と、センサユニットおよび電界遮断部材を収容するセンサユニット収容部と、を備え、支持部材におけるセンサチップを支持する箇所の電位と電界遮断部材の電位とが、センサチップの信号処理電子回路部の電位と同一電位であることを特徴とする。支持部材は、絶縁物を介してセンサハウジングに支持されてもよい。
本発明に係る圧力センサのシールド構造、および、それを備える圧力センサによれば、支持部材におけるセンサチップを支持する箇所の電位と電界遮断部材の電位とが、信号処理電子回路部の電位と同一の電位とされるので圧力センサにおけるセンサチップとダイヤフラムとの間に生じる電界に対する耐性を向上させることができる。
図２は、本発明に係る圧力センサのシールド構造の一例が適用された圧力センサの構成を概略的に示す。
図２において、圧力センサは、圧力が検出されるべき流体が導かれる配管に接続される継手部材３０と、継手部材３０のベースプレート２８に連結され後述するセンサユニットを収容しセンサチップからの検出出力信号を所定の圧力測定装置に供給するセンサユニット収容部と、を含んで構成されている。
金属製の継手部材３０は、上述の配管の接続部の雄ねじ部にねじ込まれる雌ねじ部３０ｆｓを内側に有している。雌ねじ部３０ｆｓは、矢印Ｐの示す方向から供給される流体を後述する圧力室２８Ａに導く継手部材３０のポート３０ａに連通している。ポート３０ａの一方の開口端は、継手部材３０のベースプレート２８とセンサユニットのダイヤフラム３２との間に形成される圧力室２８Ａに向けて開口している。
センサユニット収容部の外郭部は、カバー部材としての円筒状の防水ケース２０により形成されている。樹脂製の防水ケース２０の下端部には、開口部２０ｂが形成されている。内側となる開口部２０ｂの周縁の段差部には、継手部材３０のベースプレート２８の周縁部が係合されている。
圧力室２８Ａ内には、継手部材３０のポート３０ａを通じて流体の圧力が導入される。センサユニットのハウジング１２の下端面は、ベースプレート２８の周縁部に溶接されている。
圧力室２８Ａ内の圧力を検出し検出出力信号を送出するセンサユニットは、金属製の円筒状のハウジング１２と、圧力室２８Ａとハウジング１２の内周部とを隔絶する金属製のダイヤフラム３２と、複数の圧力検出素子、および、圧力検出素子からの信号を処理する信号処理電子回路部を有するセンサチップ１６と、接着剤層５０を介してセンサチップ１６を一端部で支持する金属製のチップマウント部材１８と、センサチップ１６に電気的に接続される入出力端子群４０ａｉ（ｉ＝１〜８）と、入出力端子群４０ａｉおよびオイル充填用パイプ４４をチップマウント部材１８の外周面とハウジング１２の内周面との間に固定するハーメチックガラス１４と、を主な要素として含んで構成されている。
ダイヤフラム３２は、上述の圧力室２８Ａに向き合うハウジング１２の一方の下端面に支持されている。圧力室２８Ａに配されるダイヤフラム３２を保護するダイヤフラム保護カバー３４は、複数の連通孔３４ａを有している。ダイヤフラム保護カバー３４の周縁は、ダイヤフラム３２の周縁とともに溶接によりハウジング１２の下端面に接合されている。ハウジング１２、ダイヤフラム３２、ベースプレート２８、および、継手部材３０の電位は、互いに導通接続されている為同一の電位である。また、チップマウント部材１８は、ハーメチックガラス１４のような絶縁物を介してハウジング１２と絶縁されて保持されている。
金属製のダイヤフラム３２と向かい合うセンサチップ１６およびハーメチックガラス１４の端面との間に形成される液封室１３には、例えば、所定量のシリコーンオイル、または、フッ素系不活性液体のような圧力伝達媒体ＰＭが、オイル充填用パイプ４４を介して充填されている。なお、オイル充填用パイプ４４の一方の端部は、オイル充填後、二点鎖線で示されるように、押し潰され閉塞される。
入出力端子群４０ａｉ（ｉ＝１〜８）は、２本の電源用端子と、１本の出力用端子と、５本の調整用端子とから構成されている。各端子の両端部は、それぞれ、上述のハーメチックガラス１４の端部から液封室１３に向けて突出し、または、後述する端子台２４の孔に向けて突出している。２本の電源用端子と、１本の出力用端子とは、接続端子３６を介して各リード線３８の芯線３８ａに接続されている。各リード線３８は、例えば、所定の圧力測定装置に接続される。なお、図２においては、８本の端子うちの４本の端子だけが示されている。入出力端子群４０ａｉと後述するセンサチップ１６との間は、ボンディングワイヤＷｉで接続されている。
出力端子群４０ａｉを整列させる端子台２４は、樹脂材料、例えば、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）を主な成分として成形されている。端子台２４は、入出力端子群４０ａｉが挿入される複数個の孔２４ｂとともに、内側に所定の容積の空洞部２４Ａを有している。端子整列部２４Ｔは、互いに離隔した複数個の孔２４ｂを有し上述の基端部と直交するように一体に成形されている。接着面としての端子台２４の基端部の下端面は、ハウジング１２の上端面に、シリコーン系接着剤により接着されている。これにより、所定の厚さを有する環状の接着層１０ａが、ハウジング１２の上端面に形成されることとなる。また、入出力端子群４０ａｉが突出するハーメチックガラス１４の上端面全体には、シリコーン系接着剤からなる被覆層１０ｂが所定の厚さで形成されている。
端子整列部材としての端子台２４の外周面、および、端子台２４に連結され上述の端子整列部２４Ｔの孔２４ｂおよび端子台２４の上部の開口端を覆うエンドキャップ２２の外周面と防水ケース２０の内周面との間、また、防水ケース２０の内周面とハウジング１２の外周面との間には、封止材２６が、所定量、充填されている。端子台２４およびエンドキャップ２２は、上述のセンサユニットを挟んで継手部材３０のベースプレート２８と向き合って防水ケース２０内に配置されている。
エンドキャップ２２の上端面は、防水ケース２０の開口端から上方に向けて突出している。即ち、エンドキャップ２２の上端面の位置は、防水ケース２０の開口端面の位置よりも高い位置となる。
センサチップ１６は、例えば、液封室１３の内側となるチップマウント部材１８の一端部に接着剤層５０を介して接着されている。略矩形状のセンサチップ１６の外寸は、図４に示されるように、チップマウント部材１８の直径よりも小に設定されている。チップマウント部材１８は、入出力端子群４０ａｉのうちのいずれか一本以上と例えば、ゼロ（Ｖ）の端子とボンディングワイヤＷｉとを介して導通接続されている。従って、チップマウント部材１８の電位は、センサチップ１６内に搭載されている電子回路の電位と同一の電位となっている。
液封室１３内におけるセンサチップ１６の一方の端面とダイヤフラム３２との間には、電界遮断部材としてのシールド板１７が設けられている。シールド板１７は、センサチップ１６の信号処理電子回路部に対する不所望な電界を遮断するものとされる。シールド板１７は、例えば、ステンレス鋼、銅、アルミニウム等のような導電性の金属材料で作られてもよいし、樹脂、ガラス、セラミック等のうちのいずれかの絶縁材料で作られ、導電性の金属からなる導電層が、その表面に、接着、蒸着、スパッタリング、めっき等により形成されてもよい。帯状のシールド板１７の固定端部は、チップマウント部材１８の一端部におけるセンサチップ１６の外周部に近接してチップマウント部材１８の一端部の電位と同一電位となるように接合されている。
シールド板１７におけるセンサチップ１６の一方の端面に向き合う部分は、センサチップ１６の一方の端面との間に所定の間隔をもってセンサチップ１６の一部を覆っている。
なお、シールド板１７の外寸、および、幅の寸法は、センサチップ１６の信号処理電子回路部に対する不所望な電界を遮断するように、センサチップ１６の信号処理電子回路部全体を覆う大きさで適宜、設定されてもよい。
なお、シールド板１７の外寸、および、幅の寸法は、センサチップ１６の信号処理電子回路部に対する不所望な電界を遮断するように、センサチップ１６の信号処理電子回路部全体を覆う大きさで適宜、設定されてもよい。
従って、ダイヤフラム３２とセンサチップ１６との間に、センサチップ１６の信号処理電子回路部と同一電位となるシールド板１７を配置することにより、取り付けられているユニットの一次側電源（不図示）と同一電位であるダイヤフラム３２と、制御回路（不図示）側との電位差によって生じるセンサチップ１６の一方の端面に作用する電界が、シールド板１７により遮断されるとともに、シールド板１７およびチップマウント部材１８の電位は、同一電位である為、これら相互間に電界が発生しない。そのため、センサチップ１６およびダイヤフラム３２相互間に生じる電位差は、センサチップ１６に作用しないのでセンサチップ１６への影響を防止することができる。
図５は、本発明に係る圧力センサのシールド構造の他の一例が適用された圧力センサの構成を部分的に示す。
図５に示される圧力センサは、圧力が検出されるべき流体が導かれる配管に接続される継手部材６０と、継手部材６０のベースプレート５８に溶接により連結され後述するセンサユニットを収容する金属製のセンサハウジング５６と、を含んで構成されている。
継手部材６０のポート６０ａの一方の開口端は、継手部材６０のベースプレート５８とセンサユニットのダイヤフラム７０との間に形成される圧力室５８Ａに向けて開口している。
圧力室５８Ａ内の圧力を検出し検出出力信号を送出するセンサユニットは、圧力室５８Ａとセンサハウジング５６の内周部とを隔絶する金属製のダイヤフラム７０と、複数の圧力検出素子、および、圧力検出素子からの信号を処理する信号処理電子回路部を有するセンサチップ６６と、接着剤層を介してセンサチップ６６を一方の端面で支持する導電板６２と、センサチップ６６に電気的に接続される入出力端子群５４ａｉ（ｉ＝１〜８）と、を主な要素として含んで構成されている。
導電板６２は、例えば、樹脂、ガラス、セラミックなどの絶縁材料で形成されており、導電板６２におけるセンサチップ６６を支持する一方の端面が、貼着、蒸着、めっき等により形成される導電層である金、銀、銅、アルミニウム等のうちのいずれかの金属および合金膜により形成されている。センサチップ６６の他方の端面が、上述の導電板６２の一方の端面に接合され、導電板６２の他方の端面は、センサハウジング５６の液封室６８側の内周面に接合されている。金属製のダイヤフラム７０は、上述の圧力室５８Ａに向き合うセンサハウジング５６の接合端とベースプレート５８の接合端との間で溶接されている。従って、センサハウジング５６は、ダイヤフラム７０、ベースプレート５８、継手部材６０とは接続され導通しており、その電位が同一の電位となっている。また、センサチップ６６とセンサハウジング５６とは、導電板６２により絶縁されている。ダイヤフラム７０とセンサハウジング５６の内周面で形成された密封空間である液封室６８には、例えば、所定量のシリコーンオイル又はフッ素系不活性液体等の圧力伝達媒体ＰＭが充填されている。圧力伝達媒体ＰＭは、センサハウジング５６の孔５６ａを通じて充填された後、栓部材５２により孔５６ａが閉塞される。入出力端子群５４ａｉは、ハーメチックガラス６５を介してセンサハウジング５６から絶縁されて支持されている。ハーメチックガラスを介してセンサハウジング５６に支持される入出力端子群５４ａｉとセンサチップ６６との間は、ボンディングワイヤＷｉで接続されている。
液封室６８内におけるセンサチップ６６の一方の端面とダイヤフラム７０との間には、電界遮断部材としてのシールド部材６４が設けられている。シールド部材６４は、例えば、ステンレス鋼、銅、アルミニウムのうちのいずれかの導電性の金属材料で作られてもよいし、または、シールド部材６４が、例えば、樹脂、ガラス、セラミックのうちのいずれかの絶縁材料で作られ、接着、蒸着、スパッタリング、めっき等により表面に形成される導電層が、導電性の金属で形成されてもよい。
シールド部材６４は、センサチップ６６の一方の端面全体を所定の間隔をもって覆い、センサチップ６６の信号処理電子回路部に対する不所望な電界を遮断するものとされる。シールド部材６４の固定端部と、導電板６２の一方の端面とは、互いに導体面で導通されながら接合されている。従って、シールド部材６４の電位と導電板６２の一方の端面の電位とは、同一電位となる。導電板６２の一方の端面は、入出力端子群５４ａｉのうちのいずれも一本以上、例えば、ゼロ（Ｖ）の端子とボンディングワイヤＷｉを介して接続され、導通している。従って、導電板６２の一方の端面の電位は、センサチップ６６の信号処理電子回路部と同一の電位となっている。
導電板６２の他端面は、金属製のセンサハウジング５６の内周面に接合されている。なお、導電板６２は、斯かる例に限られることなく、例えば、導電性樹脂で成形され、センサハウジング５６と絶縁物を介して接合されてもよい。
従って、ダイヤフラム７０とセンサチップ６６との間に、センサチップ６６の信号処理電子回路部の電位と同一電位となるシールド部材６４を配置することにより、取り付けられているユニットの一次側電源（不図示）と同一電位であるダイヤフラム７０と、制御回路（不図示）側との間の電位差によって生じるセンサチップ６６の一方の端面に作用する電界が、シールド部材６４により遮断されるとともに、シールド部材６４の電位と導電板６２の電位は、同一電位であるので電界がこれら相互間に発生しない。そのため、センサチップ６６およびダイヤフラム７０相互間に生じる電位差は、センサチップ６６に作用しない為、センサチップ６６への影響を防止することができる。
以上の説明から明らかなように、本発明に係る圧力センサのシールド構造の一例によれば、圧力センサにおいて、センサチップ１６および６６とダイヤフラム３２および７０との相互間に生じる電位に起因したセンサチップ内の電子回路への影響（圧力センサの出力変動）が、シールド板１７またはシールド部材６４により回避されるのでダイヤフラムとセンサチップとの間に生じる電界に対する耐性が向上することとなる。
１２ ハウジング
１４、６５ ハーメチックガラス
１６、６６ センサチップ
１７ シールド板
１８ チップマウント部材
３２、７０ ダイヤフラム
４０ａｉ、５２ａｉ 入出力端子群
５６ センサハウジング
６２ 導電板
６４ シールド部材
１４、６５ ハーメチックガラス
１６、６６ センサチップ
１７ シールド板
１８ チップマウント部材
３２、７０ ダイヤフラム
４０ａｉ、５２ａｉ 入出力端子群
５６ センサハウジング
６２ 導電板
６４ シールド部材
Claims (6)
- 圧力を検出し検出出力信号を送出するセンサチップと、該センサチップを支持する支持部材と、該センサチップおよび支持部材が配される液封室と該液封室に向き合う圧力室とを仕切るダイヤフラムと、該センサチップおよび支持部材に電気的に接続される入出力端子群とを含んでなるセンサユニットと、
前記支持部材により支持されることにより、前記液封室内における前記センサチップの一方の端面と前記ダイヤフラムとの間に配され、該センサチップの信号処理電子回路部に作用する電界を遮断する電界遮断部材と、を備え、
前記支持部材におけるセンサチップを支持する箇所の電位と前記電界遮断部材の電位とが、前記センサチップの前記信号処理電子回路部の電位と同一電位であることを特徴とする圧力センサのシールド構造。 - 前記支持部材は、絶縁物を介してセンサハウジングに支持されていることを特徴とする請求項１記載の圧力センサのシールド構造。
- 前記支持部材は、チップマウント部材であることを特徴とする請求項１記載の圧力センサのシールド構造。
- 前記支持部材は、センサハウジングに接合される導電板であることを特徴とする請求項１記載の圧力センサのシールド構造。
- 圧力を検出し検出出力信号を送出するセンサチップと、該センサチップを支持する支持部材と、該センサチップおよび支持部材が配される液封室と該液封室に向き合う圧力室とを仕切るダイヤフラムと、該センサチップおよび支持部材に電気的に接続される入出力端子群とを含んでなるセンサユニットと、
前記支持部材により支持されることにより、前記液封室内における前記センサチップの一方の端面と前記ダイヤフラムとの間に配され、該センサチップの信号処理電子回路部に作用する電界を遮断する電界遮断部材と、
前記センサユニットおよび前記電界遮断部材を収容するセンサユニット収容部と、を備え、
前記支持部材におけるセンサチップを支持する箇所の電位と前記電界遮断部材の電位とが、前記センサチップの前記信号処理電子回路部の電位と同一電位であることを特徴とする圧力センサ。 - 前記支持部材は、絶縁物を介してセンサハウジングに支持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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