JPS62194431A - 圧力センサユニツト - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体拡散抵抗のピエゾ抵抗効果を利用して
圧力を電気信号に変換する圧力センサユニットの構造に
関するものである。

〔従来の技術〕

近年、ＩＣ製造技術の発達とあいまって、単結晶シリコ
ンチップの表面に半導体拡散抵抗を形成し、該半導体拡
散抵抗をひずみゲージとして利用するダイヤフラム塑半
導体圧力センサチップを有する圧力センサユニットが作
られる様になった。

前記圧力センサユニットは、導体又は半導体に加えられ
た外力の応力によって電気抵抗が変化するというピエゾ
抵抗効果を利用したもので、前記ひずみゲージをブリッ
ジ型回路に構成することにより圧力変化を電気抵抗変化
に変換し、さらにこれをブリッジ型回路の電圧変化とし
てとらえようとするもので、その性能が従来の圧力計あ
るいは圧力電気変換器に比べ、非常にすぐれているため
に、工業計測用、民生用と需要が増えてきている。

第５図は、従来の半導体圧力センサテップを有する圧力
センサユニットの断面図である。

５１は半導体拡散抵抗のピエゾ抵抗効果を利用して圧力
を電気信号に変換するダイヤフラム塑半導体圧力センサ
チップ、５２は台座であり、例えば＃７７４０ホウ硅酸
塩ガラスで、ダイヤフラム塑半導体圧力センサチップ５
１と台座５２は気密に固着されている。５４は気密端子
体、５５は前記ダイヤフラム塑半導体圧力センサチップ
５１の電源端子および出力端子となるステムで、ステム
５５は封止ガラス５６を使って気密端子体５４に気密に
固着されている。

以上の様なステム５５が固着された気密端子体５４と、
ダイヤフラム塑半導体圧力センサチップ５１が固着され
た台座５２は気密に固着され、さらにダイヤフラム塑半
導体圧力センサチップ５１とステム５５間はワイヤボン
ドにより電気的に接続されている。

５７は硬化後ゲルの状態となるボッティング樹脂で、ダ
イヤフラム塑半導体圧力センサチソブ５１上で硬化され
てゲル状となり、ダイヤフラム塑半導体圧力センサチッ
プ５１の電気的、機械的保護を行なっている。

５６はダイヤフラム塑半導体圧力センサチップ５１や内
部実装部分を機械的に保護するための、圧力導入パイプ
５３ａ付きのキャップで、ダイヤフラム塑半導体圧力セ
ンサチップ５１とステム５５間がワイヤボンドにより電
気的に接続され、さらにゲル状のポツティング樹脂５７
でダイヤフラム塑半導体圧力センサチップ５１を覆った
後、気密端子体５４に気密に固着され、こうして相対圧
（差圧〕型の圧力センサユニット５０が構成されている
。

５８は図示されていない圧力測定装置の回路基板、５９
はハンダであり、圧力センサユニット５０は一般にハン
ダ５９を使って回路基板５８に固着され、図示されてい
ない圧力測定装置の回路と電気的に接続さハる。６０は
チーープであって、ダイヤフラム塑半導体圧力センサチ
ップ５１を有する一般的な圧力センサユニット５０は通
常チューブ６０を使って圧力が印加される様になってい
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、従来の圧力センサユニソト５０の構造の
場合、ダイヤフラム塑半導体圧力センサチップ５１の拡
散抵抗形成面５１ａは前記圧力導入パイプ５３ａの開口
部５３ｂを介して測定圧力媒体となる雰囲気に常にさら
され、しかもダイヤフラム塑半導体圧力センサチップ５
１の拡散抵抗形成面５１ａを覆っているゲル状のポツテ
ィング樹脂５７は粘着性があってゴミ等の不純物が付着
しやすいので、測定圧力媒体は、清浄な空気、又は清浄
な非腐蝕性の気体に限られるという欠点があった。

本発明の目的は、以上の様な問題点を解消させ、圧力媒
体と使用環境の限定されることのない圧力センサユニソ
トを提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成させるために、本発明は次の様な構成
としている。すなわち、半導体拡散抵抗のピエゾ抵抗効
果を利用して圧力を電気信号に変換するダイヤフラム塑
半導体圧力センサチップと、該圧力センサチップの片方
の面を測定圧力媒体にさらすための開口部を設けたパッ
ケージを有する圧力センサユニットにおいて、前記圧力
センサチップの表面をゲル状の樹脂で覆うと共に、通気
性と撥水性を有する隔膜を前記開口部前面に配設し、前
記開口部が前記隔膜に覆われる構成となっている。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例を示す圧力センサユニットの
断面図であって、圧力測定装置の外装への装着状態を示
しており、第２図は第１図の圧力センサユニットを気圧
計として利用した応用例を示す気圧計付腕時計の斜視図
である。

１は半導体拡散抵抗のピエゾ抵抗効果を利用して圧力を
電気信号に変換するダイヤフラム塑半導体圧力センサチ
ップ、２は台座であり、例えば＃７７４０ホウ硅酸塩ガ
ラスで、ダイヤフラム塑半導体圧力センサチップ１は台
座２の上に気密に固着されている。６ａはステム６ｃが
固着された基台であって、例えばセラミックスから形成
されており、前記台座２は基台６ａに固着されている。

なお、台座２と基台６ａの固着に当っては、ゴム系の接
着剤、特にシリコーンゴムを使用すると、耐熱性、耐寒
性にすぐれた材料であり、適度な伸びを有し、かつ歪復
元性にすぐれており、振動や衝撃を吸収してしまう性質
があるため、基台６ａからの熱ひずみ、あるいは基台６
ａの取り付けや外力等に起因する基台６ａそのものの機
械的ひずみといった様なダイヤフラム塑半導体圧力セン
サチップ１に対する圧力変位以外の応力をシリコーンゴ
ムで吸収することが可能となるため、本発明の実施例で
はシリコーンゴムを使用しており、台座２の厚さを第５
図の台座５２の厚さに比べ非常に薄くすることが可能と
なっている。

前記基台６ａには、図示されていないが基台６ａの下面
６ｄにはパターンが形成されており、前記ステム６Ｃと
下面６ｄのパターンとはハンダ等を利用して電気的に接
続されており、ステム６Ｃとダイヤフラム塑半導体圧力
センサチップ１のパッド部とをワイヤボンドすることに
より、ダイヤフラム塑半導体圧力センサチップ１との電
気信号の授受を基台６ａの下面６ｄから行なう構造とな
っている。

６ｂは前記ダイヤフラム塑半導体圧力センサチップ１０
片方の面、すなわち拡散抵抗形成面１ａを測定圧力媒体
にさらすための開口部６ｅが設けられたキャンプで、キ
ャップ６ｂはダイヤフラム塑半導体圧力センサチップ１
とステム６ｃとがワイヤボンドされて電気的に接続され
た後、基台３ａと接着剤等を使って固着され、基台６ａ
とキャップ６ｂとでダイヤフラム塑半導体圧力センサチ
ップ１を実装するためのパッケージ６が形成されている
。

４はゲル状の樹脂、例えば硬化後にゲルの状態となるゲ
ル状のシリコーンゴムである。一般に、ゲルはその物性
から圧力損失は零となるため、基台３ａとキャップ６ｂ
とが固着された後ダイヤフラム塑半導体圧力センサチッ
プ１の拡散抵抗形成面１ａを覆う様にゲル状の樹脂を充
填させ、ダイヤフラム塑半導体圧力センサチップ１の表
面の電気的、機械的な保護を行なわせている。

５は通気性を有し、かつ撥水性を有する隔膜で、本実施
例では四弗化エチレン樹脂多孔質材料膜であって、パッ
ケージ乙の開ロ部６ｅ前面に配設されている。

６は圧力導入パイプ、７はＯＩＪング、８はネジであっ
て、圧力導入バイブロはＯリング７を圧縮しながらネジ
８を使ってパッケージ乙に固着される。この時同時に前
記隔膜５はパッケージ３と圧力導入バイブロによっては
さまれ、圧縮固定され、開口部６ｅは隔膜５に覆われる
様に構成されており、こうして圧力センサユニッ）１０
が構成されている。

１１はバネ、１２は回路基板であって、圧力センサユニ
ット１０のパッケージ６の下面６ｄのパターンと回路基
板１２とはバネ１１を介して電気的に接続され、図示さ
れていない圧力測定装置の電気回路と′電気的に接続さ
れる。

９はＱ　ＩＪング、２１は圧力測定装置の外装、例えば
第２図に示した気圧計付腕時計の外装で、圧力センサユ
ニット１０の圧力導入バイブロを圧力測定装置の外装２
１に押し込むことによりＯリング９を圧縮し、防水機能
が確保されている。

以上の様な圧力センサユニット１０の応用例が第２図の
気圧計付腕時計２０であって、小型携帯機器への応用を
示す一実施例である。

２２は液晶セルで、液晶セル２２は検出された気圧例え
ばｒｌｏ１３ｍｂＪといった気圧を表示できる様に構成
されている。

第３図は本発明の他の実施例を示す圧力センサユニット
の断面図であって、圧力測定装置の外装への装着状態を
示している。

３１は半導体拡散抵抗のピエゾ抵抗効果を利用して圧力
を電気信号に変換するダイヤフラム塑半導体圧力センサ
チップ、３２は台座であり、例えば＃７７４０ホウ硅酸
塩ガラスで、ダイヤフラム塑半導体圧力センサチップ６
１は台座６２の上に気密に固着されている。６６はダイ
ヤフラム塑半導体圧力センサチップ６１０片方の面、す
なわち拡散抵抗形成面５１ａを測定圧力媒体にさらすた
めの開口部６６ｅが設けられたパッケージで、例えばセ
ラミックスからできており、台座３２はパッケージ６３
の底部３３ａに固着されている。なお、本実施例ではシ
リコーンゴムを使用することによって台座６２を薄くし
た例を示した。

前記パッケージ６６には図示されていないが、段部３３
ｂと下面３３Ｃにはパターンが形成されており、かつ段
部６６ｂと下面６６Ｃとは埋め込み型のスルーホールで
電気的に接続されており、段部３３ｂのパターンとダイ
ヤフラム塑半導体圧力センサチップ６１のバンド部とを
ワイヤボンドすることによりパッケージ６６内のダイヤ
フラム塑半導体圧力センサチップ６１との電気的信号の
授受をパッケージ３６の下面６６Ｃから行なう構造とな
っている。

３４はゲル状の樹脂で、本実施例ではゲル状のシリコー
ンゴムからできており、前記ダイヤフラム塑半導体圧力
センサチップ６１とパッケージ６６とがワイヤボンドす
ることによって電気的に接続された後、ダイヤフラム塑
半導体圧力センサチップ６１の拡散抵抗形成面３１ａを
ゲル状の樹脂６４で覆い、ダイヤフラム塑半導体圧力セ
ンサチップ３１の表面の電気的、機械的保護を行なって
いる。

３５は通気性を有し、かつ撥水性を有する隔膜で、本実
施例では四弗化エチレン樹脂多孔質材料膜であって、パ
ッケージ６３の開口部３３ｅの前面３３ｆに配設され、
接着剤等によってパッケージ６６に固着される。こうし
て圧力センサユニット６０が構成されている。

６７は樹脂リング、例えばデルリン、テフロン等から構
成されている。６８は圧力測定装置の外装で、外装６８
には凹型状の段部３８ａが設けられている。前記樹脂リ
ング６７は前記外装６８の段部３８ａの内周部３８ｂに
配設され、さらに、圧力センサユニット６０はパッケー
ジ６３の外周部３３ｄが樹脂リング３７を圧縮する様に
、樹脂リング６７の内周部３７ａに押し込まれ、外装６
８に固定されている。すなわち、外装３８の段部３８ａ
の内周部３８ｂとパッケージ６６の外周部６３ｄによっ
て樹脂リング６７が圧縮されるため、こうして圧力セン
サユニット３０は外装６８に固定されると共に、防水機
能が確保される様になっている。

６６は穴３６ａを有する保護板で、隔膜３５が直接棒等
で突つかれたり、又何らかの物体が隔膜３５にぶつから
ない様にするためのもので、以上の様な危険のない時は
省略しても良い。

２８はバネ、２９は回路基板であって、圧カセ７ｆユニ
ット６０のパッケージ６６０下面６６Ｃのパターンと回
路基板２９とはバネ２８を介して電気的に接続され、図
示されていない圧力測定装置の電気回路と電気的に接続
される。

第４図は、通気性を有し、かつ撥水性を有する隔膜の一
つとして第１図および第３図に示した四弗化エチレン樹
脂多孔質材料膜５．６５の撥水性領域を示す特性図であ
って、本発明の圧力センサユニット１０．６０の特徴を
説明するために示したものである。

四弗化エチレン樹脂多孔質材料膜の孔径を横軸にとり、
前記四弗化エチレン樹脂多孔質材料膜に加えられる圧力
を縦軸にとって、撥水領域と浸透領域の変移点４１を結
んでゆくと、第３図の様に変移点４１は、双曲関数的に
変化する性質があることがわかる。従って、もし変移点
４１の左側、すなわち撥水領域で四弗化エチレン樹脂多
孔質材料膜を使用すれば、通気性がすぐれしかも撥水性
を有する呼吸弁を構成できることになる。

以上の様な通気性のすぐれた撥水性を有する呼吸弁とし
て選択されたものが第１図および第３図の圧力センサユ
ニット１０．６０の四弗化エチレン樹脂多孔質材料膜５
．６５であって、ダイヤフラム塑半導体圧力センサチッ
プ１．６１の測定圧力範囲に応じて孔径が選択されるこ
とになる。

〔発明の効果〕

以上の様に、本発明の圧力センサユニット１０．６０は
、通気性と撥水性を有する隔膜、すなわち四弗化エチレ
ン樹脂多孔質材料膜５．６５を有しているため、測定圧
力媒体として水蒸気等の水分を有する空気も使用可能と
なる。

さらに隔膜、すなわち四弗化エチレン樹脂多孔質材料膜
５．３５は穴径が数μｍと小さいため、塵埃の侵入を防
止するフィルターの働きをさせることができるから、塵
埃の付着しやすいゲル状の樹脂に塵埃が付着して特性変
化することもな（なるため、塵埃を多く含んだ雰囲気中
でも使用可能となり、圧力センサユニソト１０．６０と
しての大幅な利用の拡大を図ることができる。

特に、第２図の気圧計付腕時計２０の様に、圧力センサ
ユニノト１０．３０を小型の携帯機器に組み込んだ時、
汗・雨等の水分の侵入と塵埃の侵入をいかに防止するか
が問題となるが、本発明によれば圧力センサユニット１
０．３０自体に通気性と撥水性を有する隔膜として四弗
化エチレン樹脂多孔質材料膜５．６５が組み込まれてい
るため、特に時計の側や小型携帯機器の外ケースに対策
を施さなくてもダイヤフラム塑半導体圧力センサチップ
１．６１を簡単に保護できる様になっている。

もちろん小型の携帯機器にとられれず、一般の計測機器
に組み込んでもその効果は明らかである。

又、もし仮に間違って隔膜５．６５の浸透領域の圧力が
加わって、隔膜５．３５の内側に水分が入ったとしても
、本発明によればダイヤフラム塑半導体圧力センサチッ
プ１．６１はゲル状の樹脂４．６４で完全に覆っである
ので全く影響を受けない二重の安全構造となっている。

以上の様に本発明は、測定圧力媒体である雰囲気の条件
、使用環境条件を大幅に緩和し、圧力センサユニットの
利用範囲を大幅に拡大できるという多大な効果をもって
いる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す圧力センサユニットの
断面図、第２図は第１図の圧力センサユニットを気圧計
として利用した応用例を示す気圧計付腕時計の斜視図、
第３図は本発明の他の実施例を示す圧力センサユニノト
の断面図、第４図は四弗化エチレン樹脂多孔質材料膜の
撥水性領域を示す特性図、第５図は従来の圧力センサユ
ニントの断面図である。 １．６１．５１・・・・・・ダイヤフラム塑半導体圧力
センサチップ、 ６．６３・・・・・・パッケージ、 ３ｅ、３３ｅ・・・・・・開口部、 ４．６４．５７・・・・・・ゲル状の樹脂、５．６５・
・・・・・隔膜、 １０．３０・・・・・・圧力センサユニット。 第２図 第３図 第４図 、ａ＜ 第５図 孔　香（ｐｍ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　半導体拡散抵抗のピエゾ抵抗効果を利用して圧
   力を電気信号に変換するダイヤフラム塑半導体圧力セン
   サチップと、該圧力センサチップの片方の面を測定圧力
   媒体にさらすための開口部を設けたパッケージを有する
   圧力センサユニットにおいて、前記圧力センサチップの
   表面をゲル状の樹脂で覆うと共に、通気性と撥水性を有
   する隔膜を前記開口部前面に配設し、前記開口部が前記
   隔膜に覆われる様に構成したことを特徴とする圧力セン
   サユニット。
2. （２）　隔膜が四弗化エチレン樹脂多孔質材料膜である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の圧力セン
   サユニット。