JPH10503021A - シリコン圧力センサのための保護ダイヤフラム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、シリコン圧力センサのための保護ダイヤフラムに関する。この保護ダイヤフラムによって、シリコンチップとその電気的な接続構造とを環境の有害な影響に対してシールドすることができる。この保護ダイヤフラムはその外周領域にエンボス加工部を有している。このエンボス加工部により、温度応力および圧縮応力を補償することができ、しかも保護ダイヤフラムの慣性に影響を与えることができる。

Description

【発明の詳細な説明】 シリコン圧力センサのための保護ダイヤフラム 本発明は、請求項１の上位概念に記載された形式の、シリコン圧力センサのた めの保護ダイヤフラムに関する。 特に、例えばボンディングワイヤのようなシリコン圧力センサの接続ワイヤ、 ならびに、例えばボンディングパッドのような接続面は、シリコン圧力センサの 機能能力を長時間にわたって保証するために、環境からの影響を防止されなけれ ばならない。 欧州特許出願公開第５９４８８号明細書には、容量型シリコン圧力センサの上 方に所定の間隔を置いて配置された特殊鋼ダイヤフラムが示されている。シリコ ン圧力センサとこの保護ダイヤフラムとの間の中空室はシリコーンオイルを充填 されている。 米国特許第４８４３４５４号明細書はアルミニウムまたはゴムから成る保護ダ イヤフラムを開示している。この保護ダイヤフラムは、ピエゾ抵抗型のシリコン 圧力変換器に載置されている。 米国特許第３０８８３２３号明細書は、シリコーンゲル層でカバーされたシリ コン圧力センサを開示している。 シリコンチップに被着されたゲル、シリコンチップ と保護ダイヤフラムとの間の伝達媒体としてのオイル、または、シリコンチップ に直接的に載置された保護ダイヤフラムによって、圧力センサダイヤフラムとし て作用するシリコンチップの質量が高められる。これにより圧力センサダイヤフ ラムの慣性が大きくなる。これに基づき、圧力センサはもはや圧力だけではなく 加速度をも検出する。圧力センサが例えば車両に使用される場合、この圧力セン サは加速度に晒され、このような加速度は圧力センサの出力信号に干渉する。 本発明の課題は、特に加速度に対する感度が小さく、かつ圧力に対する感度が 高いような、環境からの影響を防止された低廉な圧力センサを提供することであ る。 この課題は請求項１に記載された特徴により解決される。 シリコンチップを取り囲むカバーに結合された保護ダイヤフラムは、弱通気性 と非透水性とを有する材料から製造されており、圧力を検出するシリコンチップ の上方に所定の間隔を置いて配置されている。ダイヤフラムとカバーとシリコン チップとによって形成された閉じられた中空室は空気を充填されている。 保護ダイヤフラムは圧力センサとその接続面と接続ワイヤとが環境からの影響 を受けるのを防止し、これらの構成部分の腐食を阻止する。圧力センサダイヤフ ラムの質量は、本発明による保護ダイヤフラムにより 、またこの保護ダイヤフラムが空気を充填された中空室の上方に配置されている ことにより、僅かしか高められないので、この圧力センサは極めて反応が早く、 ほぼ圧力変動だけしか検出せず、加速度変化を検出することはない。 保護ダイヤフラムは弱通気性を有している。これにより、例えば温度上昇によ り中空室内の圧力が高まると、保護ダイヤフラムを介して周囲との圧力補償が行 われる。この圧力補償は例えば分範囲の大きな時間間隔で、検出される有効な圧 力信号の持続時間と比較して行われる。これにより、検出される圧力信号が減衰 したり誤められたりすることはない。 本発明の有利な構成は請求項２以下に記載されている。 以下に本発明による実施例を図面につき詳しく説明する。 第１図は、保護ダイヤフラムと一体的に形成されたカバーを備えた圧力センサ を示す縦断面図である。 第２図は、保護ダイヤフラムと一体的に形成されたカバーを上から見た状態で 示す斜視図である。 第３図は、第２図のカバーを下から見た状態で示す図である。 第４図は、保護ダイヤフラムと２つの部分で形成されたカバーを示す縦断面図 である。 第５図は、ケーシング内に組み付けられた、カバー と保護ダイヤフラムとを備えた圧力センサを示す縦断面図である。 第１図は、シリコンチップ２として形成され、かつベースプレート１に配置さ れた圧力センサを示している。この圧力センサは、ピエゾ抵抗型、ピエゾ圧電型 、容量型または他の原理に基づき働くことができる。シリコンチップ２は、ベー スプレート１を通って下方に向かって引き出される接続ワイヤ３を介して、評価 制御回路に接続されている。これらの接続ワイヤ３は公知の形式で、図示してい ないガラス管を介してベースプレートを貫通するように案内されている。この場 合このような貫通案内は周囲に対して密に行われている。接続ワイヤ３は、シリ コンチップ２の上方で、概略的に示されたボンディングワイヤ４を介して、シリ コンチップ２の表面に設けられたボンディングパッド５に接続されている。 ボンディングワイヤ４、ボンディングパッド５、および特にボンディングワイ ヤ４とボンディングパッド５との間の接続個所は腐食するおそれがある。さらに 、特にセンサが例えば塩霧を含有する大気のような、化学的に腐食性の周囲内で 使用される場合、シリコンチップ２の表面全体が腐食するおそれがある。したが って、接続構造（４，５）を有するシリコンチップ２の表面は、周囲に対してシ ールドされる。 第１図に示したように、カバー７がシリコンチップ ２に装着されており、シリコンチップ２を取り囲んでいる。弱通気性かつ非透水 性の材料、有利にはプラスチックから成る保護ダイヤフラム８がカバー７に結合 されている。カバー７もやはりプラスチックから成っていると有利である。 カバー７と保護ダイヤフラム８とシリコンチップ２とは中空室６を形成する。 この中空室は空気を充填されていて、保護ダイヤフラム８とシリコンチップ２と の間の圧力伝達媒体として役立つ。温度上昇により中空室６内の圧力が上昇する と、弱通気性の保護ダイヤフラム８を介して周囲との圧力補償が行われる。保護 ダイヤフラムを介した中空室と周囲との圧力補償は、異なる周囲圧力において圧 力センサが作動させられるときにも必要となることがある。例えば車両内に配置 された圧力センサにおいては、車両が運転される、海面高さを上回る高さに応じ て、異なる周囲空気圧が車両に作用する。従って、例えばオイルのように温度に ほぼ無関係な膨張率を有する圧力伝達媒体で中空室を充填することは不要である 。 保護ダイヤフラムを介した圧力補償は、例えば分範囲の大きな時間間隔で、検 出される有効な圧力信号の持続時間と比較されて行われる。これにより、検出さ れる圧力信号が減衰したり誤められたりすることはない。弾性的なプラスチック 、有利にはシリコーンゴムから成る保護ダイヤフラムは、このような特性を有す ると同時に耐水性をも特に有している。好適なシリコーンゴムは例えば、バイエ ル社（ドイツ連邦共和国レーバクーゼン在）から商品名「ＬＳＲ」で販売されて いる。しかしながらこの保護ダイヤフラム８は、天然ゴム、または前記特性を有 する他のエラストマから製造されていてもよい。 第１図に示したように、カバー７と保護ダイヤフラム８とは同一の材料、つま りプラスチック、弾性的なプラスチック、エラストマ、シリコーンゴムから例え ば射出成形法により一体的に製造されるか、または第４図に示したように、２つ の材料構成部分を有していてよい。カバー７が保護ダイヤフラム８とは別の材料 から製造されている場合、カバー７と保護ダイヤフラム８とは互いに密に結合さ れる。カバー７の閉鎖部には、有利にはシールリップ９が加工成形されている。 第５図に示したように、これらのシールリップは、圧力センサを備えた電子構成 群を取り囲むケーシングに対してカバー７をシールする。 保護ダイヤフラム８の外周部分は、有利にはエンボス加工部１０を有している 。圧力センサが温度変化または周囲圧力変化に晒されている場合、保護ダイヤフ ラム８はエンボス加工部１０によって所定の範囲内で伸長または収縮することが できる。これにより、圧力センサの感度に影響を与えるような、保護ダイヤフラ ム８の応力が回避される。さらに、保護ダイヤフラム の製造時に発生する、保護ダイヤフラム８の応力が補償される。 エンボス加工部１０により、保護ダイヤフラム８の運動性にも影響が与えられ る。保護ダイヤフラム８が例えば厚く形成されている場合、この保護ダイヤフラ ム８は薄いエンボス加工領域を有していることに基づき、なおも良好に運動する ことができる。保護ダイヤフラム８がエンボス加工部を有していると、保護ダイ ヤフラム８には一定の戻し力が変位領域全体にわたって作用する。 保護ダイヤフラム８の慣性および減衰特性、ひいては圧力センサの感度には、 保護ダイヤフラム８の厚さとその材料特性、ならびにエンボス加工部１０の形成 により影響を与えることができる。保護ダイヤフラム８が硬質であればあるほど 、かつ厚ければ厚いほど、この保護ダイヤフラムは強力に減衰される。厚さが厚 くなるにつれて保護ダイヤフラム８はより大きな慣性を有する。保護ダイヤフラ ム８が過度に厚く形成されていると、この保護ダイヤフラムは圧力変化に反応す るだけでなく、加速度変化にも反応する。 保護ダイヤフラム８は極めて軟質に形成されていると有利である。これにより 、検出しようとする圧力波を出来る限り損失なしに圧力センサにさらに導くこと ができる。カバー７も極めて軟質の材料から製造されると、組み付け時における その取り扱いが困難になる 。従って第４図に示したように、カバー７が取り扱い易い比較的硬質の材料から 製造される一方、保護ダイヤフラム８は比較的軟質の材料から製造されている。 第２図はカバー７と保護ダイヤフラム８との一体的な構成を示す斜視図である 。圧力センサに被せ嵌められるカバー７の内周面は、一様に丸く、または第３図 に示したように波状に形成されていてよい。第３図は、保護ダイヤフラム８と一 体的に形成されたカバー７を下方から示している。カバー７の内周面１２の波状 部分１１は、圧力センサにカバー７が被せ嵌められると、小さな半円筒状の中空 室を形成する。これらの中空室を通って、圧力センサへのカバー７の被せ嵌め時 に生じる余分の空気が、保護ダイヤフラム８と圧力センサとの間の中空室６から 下方に向かって導出される。中空室６は、圧力センサにカバー７が完全に被せ嵌 められると、保護ダイヤフラム８、カバー７およびシリコンチップ２の他に、さ らに、シリコンチップ２を支持するプリント配線板１３によって閉鎖される。 第５図は、保護ダイヤフラム８を備えたカバー７によって取り囲まれた圧力セ ンサを示している。この圧力センサの接続ワイヤ３はプリント配線板１３に組み 付けられている。上壁１４と下壁１５とを有するケーシングがこのような装置を 取り囲んでいる。上壁１４には、切欠き１６が位置している。この切欠きは通路 １７を介して圧力センサと周囲とを接続しているので 、測定しようとする圧力変動が通路１７と保護ダイヤフラム８とを介して、圧力 センサに導かれる。通路１７は、ケーシングの上壁１４に対してほぼ平行に延び ている。これにより、外方から保護ダイヤフラム８に手で接触することが阻止さ れる。カバー７は上壁１４とプリント配線板１３との間に嵌入されて、このカバ ーがシリコンチップ２を密にカバーすると同時に、カバーのシールリップ９が切 欠き１６を取り囲んで、切欠き１６が残りのケーシング内部に対して完全にシー ルされるようになっている。 本発明による保護ダイヤフラムを備えた圧力センサは、車両のサイド部分にお ける側面衝突を認識するために使用されると有利である。 シリコーンゴムの上記特性は、一連の実験で証明された。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９６年４月２５日 【補正内容】 請求の範囲 １．圧力センサであって、圧力を検出するシリコンチップ（２）と、保護ダイヤ フラム（８）とが設けられており、該保護ダイヤフラムが、シリコンチップ（２ ）の上方に所定の間隔を置いて配置されていて、シリコンチップ（２）を取り囲 むカバー（７）に結合されている形式のものにおいて、 保護ダイヤフラム（８）が、弱通気性かつ非透水性の材料から製造されてお り、保護ダイヤフラム（８）とカバー（７）とシリコンチップ（２）とにより、 閉じられた中空室（６）が形成されており、該中空室が空気を充填されているこ とを特徴とする、圧力センサ。 ２．保護ダイヤフラム（８）がプラスチックから製造されている、請求項１記載 の圧力センサ。 ３．保護ダイヤフラム（８）がエラストマから製造されている、請求項１記載の 圧力センサ。 ４．保護ダイヤフラム（８）がシリコーンゴムから製造されている、請求項１記 載の圧力センサ。 ５．保護ダイヤフラム（８）とカバー（７）とが、同一材料から製造されていて 、一体的に形成されている、請求項１記載の圧力センサ。 ６．カバー（７）が、保護ダイヤフラム（８）よりも硬質の材料から製造されて いる、請求項１記載の圧 力センサ。 ７．保護ダイヤフラム（８）がその外周領域にエンボス加工部（１０）を有して いる、請求項１記載の圧力センサ。 ８．保護ダイヤフラム（８）がエンボス加工部（１０）の領域で、他の領域にお けるよりも薄く形成されている、請求項７記載の圧力センサ。 ９．カバー（７）の内周面（１２）が波状構造（１１）を有しており、中空室（ ６）が、保護ダイヤフラム（８）と、カバー（７）と、シリコンチップ（２）と 、該シリコンチップ（２）を支持するプリント配線板（１３）とによって形成さ れている、請求項１記載の圧力センサ。 10．請求項１記載の圧力センサを備えた電子構成ユニットであって、該電子構成 ユニットがプリント配線板（１３）に組み付けられており、該プリント配線板が 、２つの壁（１４，１５）によって取り囲まれたケーシング内に配置されている 形式のものにおいて、 カバー（７）が、壁（１４）とプリント配線板（１３）との間で密に緊定さ れており、カバー（７）の閉鎖部に配置されたシールリップ（９）が、壁（１４ ）に設けられた切欠き（１６）を取り囲んでおり、該切欠き（１６）から通路（ １７）が外方に向かって通じており、該通路が壁（１４）に対してほ ぼ平行に延びていることを特徴とする、圧力センサを備えた電子構成ユニット。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヨーゼフ ディルマイアー ドイツ連邦共和国 Ｄ−92439 ボーデン ヴェール ヴァルトシュトラーセ ９ (72)発明者 ギュンター エールラー ドイツ連邦共和国 Ｄ−83607 ホルツキ ルヒェン アルブレヒト−デューラー−リ ング 62

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．シリコン圧力センサのための保護ダイヤフラムであって、該保護ダイヤフラ ムが、圧力を検出するシリコンチップ（２）の上方に所定の間隔を置いて配置さ れていて、シリコンチップ（２）を取り囲むカバー（７）に結合されている形式 のものにおいて、 保護ダイヤフラム（８）が、弱通気性かつ非透水性の材料から製造されてお り、保護ダイヤフラム（８）とカバー（７）とシリコンチップ（２）とにより、 閉じられた中空室（６）が形成されており、該中空室が空気を充填されているこ とを特徴とする、シリコン圧力センサのための保護ダイヤフラム。 ２．保護ダイヤフラム（８）がプラスチックから製造されている、請求項１記載 の保護ダイヤフラム。 ３．保護ダイヤフラム（８）がエラストマから製造されている、請求項１記載の 保護ダイヤフラム。 ４．保護ダイヤフラム（８）がシリコーンゴムから製造されている、請求項１記 載の保護ダイヤフラム。 ５．保護ダイヤフラム（８）とカバー（７）とが、同一材料から製造されていて 、一体的に形成されている、請求項１記載の保護ダイヤフラム。 ６．カバー（７）が、保護ダイヤフラム（８）よりも硬質の材料から製造されて いる、請求項１記載の保護ダイヤフラム。 ７．保護ダイヤフラム（８）がその外周領域にエンボス加工部（１０）を有して いる、請求項１記載の保護ダイヤフラム。 ８．保護ダイヤフラム（８）がエンボス加工部（１０）の領域で、他の領域にお けるよりも薄く形成されている、請求項７記載の保護ダイヤフラム。 ９．カバー（７）の内周面（１２）が波状構造（１１）を有しており、中空室（ ６）が、保護ダイヤフラム（８）と、カバー（７）と、シリコンチップ（２）と 、該シリコンチップ（２）を支持するプリント配線板（１３）とによって形成さ れている、請求項１記載の保護ダイヤフラム。 10．請求項１記載の圧力センサを備えた電子構成ユニットであって、該電子構成 ユニットがプリント配線板（１３）に組み付けられており、該プリント配線板が 、２つの壁（１４，１５）によって取り囲まれたケーシング内に配置されている 形式のものにおいて、 カバー（７）が、壁（１４）とプリント配線板（１３）との間で密に緊定さ れており、カバー（７）の閉鎖部に配置されたシールリップ（９）が、壁（１４ ）に設けられた切欠き（１６）を取り囲んでおり、該切欠き（１６）から通路（ １７）が外方に向かって通じており、該通路が壁（１４）に対してほぼ平行に延 びていることを特徴とする、圧力センサ を備えた電子構成ユニット。