KR20190032602A

KR20190032602A - 압력센서

Info

Publication number: KR20190032602A
Application number: KR1020197007092A
Authority: KR
Inventors: 카즈야 타키모토; 마사히로 모리타; 리히토 사카이; 타츠야 타나카
Original assignee: 가부시키가이샤 사기노미야세이사쿠쇼
Priority date: 2016-09-23
Filing date: 2017-08-14
Publication date: 2019-03-27
Also published as: US20190195718A1; WO2018055952A1; EP3517919A4; EP3517919A1; CN109716088A; JP2018048964A

Abstract

본 발명의 목적은, 피에조 저항 효과 등을 이용한 압력검출소자를 사용한 압력센서에 있어서, 온도 변화에 따른 압력검출소자의 변형을 저감하고, 정밀도의 향상, 및 온도 응답성의 개선을 도모할 수 있는 압력센서를 제공하는 것이다. 본 발명의 압력센서(100)는, 유체의 압력을 검출하는 압력검출소자(126)와, 압력검출소자(126)를 지지하는 지지부재(125)와, 압력검출소자(126)와 지지부재(125)를 접착하여 고정하는 접착제를 도포하여 형성되는 접착제층(125A)을 구비하는 압력센서에 있어서, 접착제층(125A)은, 초기 경화층(125A1)과, 칩마운트 경화층(125A2)의 2층으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

압력센서

본 발명은, 압력센서에 관한 것으로, 특히 피에조 저항 효과 등을 이용한 압력검출소자를 사용한 압력센서에 관한 것이다.

종래부터 유체의 압력을 검출하는 압력센서로서, 예를 들어 특허문헌 1에 개시되는 바와 같은 피에조 저항 효과 등을 이용한 반도체 압력 센서칩 등의 압력검출소자를 사용한 압력센서가 알려져 있다.

피에조 저항 방식의 압력검출소자는, 피에조 저항 효과를 가지는 재료(예를 들어, 단결정 실리콘)로 이루어지는 다이어프램과, 다이어프램 상에 복수의 반도체 변형 게이지를 형성하고, 이들 반도체 변형 게이지를 브리지 접속한 브리지 회로를 구비하는 구조를 가진다. 그리고, 다이어프램의 변형에 따른 반도체 변형 게이지의 게이지 저항의 변화를 브리지 회로로부터 전기신호로서 취출함으로써, 유체의 압력을 검출할 수 있다.

특허문헌 1: 일본특허공보 제5044896호 특허문헌 2: 일본특허공보 제3987386호

상술한 바와 같은 압력검출소자를 사용한 압력센서에서는, 압력검출소자는, 예를 들어 Fe·Ni계 합금이나 스테인리스 등의 금속재료로 형성된 지주나 하우징 등의 지지부재에 접착제로 고정되어 있다. 여기에서, 주위온도가 변화하면, 압력검출소자, 지주부재, 및 접착제의 선팽창계수의 차이에 의하여 열응력이 발생한다. 즉, 예를 들어 주위온도가 저하한 경우에는 압력검촐소자와 비교하여 접착제가 수축하고, 주위온도가 상승한 경우에는 압력검출소자와 비교하여 접착제가 팽창한다. 이러한 열응력이 발생하면, 압력검출소자가 변형되어, 압력검출소자의 출력 특성이 변화하고, 센서출력의 정밀도가 저하한다는 문제가 있었다. 또한, 접착제의 점탄성의 성질에 의하여, 열응력이 변화하였을 때에 응력이 평형 상태가 될 때까지 시간이 걸리기 때문에, 온도응답성이 악화한다는 문제도 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은, 피에조 저항 효과 등을 이용한 압력검출소자를 사용한 압력센서에 있어서, 온도 변화에 따른 압력검출소자의 변형을 저감하고, 정밀도의 향상, 및 온도응답성의 개선을 도모할 수 있는 압력센서를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 압력센서는, 유체의 압력을 검출하는 압력검출소자와, 상기 압력검출소자를 지지하는 지지부재와, 상기 압력검출소자와 상기 지지부재를 접착하여 고정하는 접착제를 도포하여 형성되는 접착제층을 구비하는 압력센서에 있어서, 상기 접착제층은, 초기 경화층과, 칩마운트 경화층의 2층으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 초기 경화층은, 상기 지지부재의 표면 전체에 평탄하게 형성되는 것으로 하여도 좋다.

그리고, 상기 초기 경화층은, 상기 지지부재의 표면 중앙에 돌기부분을 가지는 형상으로 형성되는 것으로 하여도 좋다.

또한, 상기 지지부재의 선팽창계수는, 2~22[10^-6/℃]인 것으로 하여도 좋다.

그리고, 상기 지지부재의 선팽창계수는, 2.6~8.5[10^-6/℃]인 것으로 하여도 좋다.

또한, 상기 초기 경화층, 및 상기 칩마운트 경화층을 포함하는 상기 접착제층의 두께는, 5㎛ 이상인 것으로 하여도 좋다.

본 발명의 압력센서에 따르면, 피에조 저항 효과 등을 이용한 압력검출소자를 사용한 압력센서에 있어서, 온도 변화에 따른 압력검출소자의 변형을 저감하고, 정밀도의 향상, 및 온도응답성의 개선을 도모할 수 있다.

도 1은 본 발명의 압력센서의 압력검출소자의 설치 구조를 나타내는 종단면도이다.
도 2는 본 발명의 압력센서의 일례로서 액봉형 압력센서의 전체를 나타내는 종단면도이다.
도 3은 종래의 압력센서의 압력검출소자의 설치 구조를 나타내는 종단면도이다.
도 4a는 온도응답 지연이 없는 경우의 압력검출소자의 출력 특성을 나타내는 도면이다.
도 4b는 온도응답 지연이 있는 경우의 압력검출소자의 출력 특성을 나타내는 도면이다.
도 5a는 접착제층의 유무에 따른 압력검출소자의 출력 정밀도를 비교하여 나타내는 도면이다.
도 5b는 하중에 따른 변위를 나타내는 도면이다.
도 6은 접착제층의 두께와 온도응답성의 상관을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 압력센서의 압력검출소자의 설치 구조의 다른 예를 나타내는 종단면도이다.

이하, 본 발명의 실시형태를 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은, 본 발명의 압력센서(100)의 압력검출소자(126)의 설치 구조를 나타내는 종단면도이다.

도 1에 있어서, 압력검출소자(126)는, 접착제를 도포하여 형성되는 접착제층(125A)을 통하여 지주(126) 등의 지지부재에 설치된다. 그 후, 압력검출소자(126)의 리드단자(도시를 생략함)와, 복수의 리드핀(128)은, 와이어본딩 공정에 의하여, 금 또는 알루미늄제 본딩와이어(126a)에 의하여 접속된다.

압력검출소자(126)로서, 여기에서는 피에조 저항 효과 등을 이용한 반도체 압력센서칩을 사용한다. 피에조 저항 효과를 이용한 압력검출소자(126)는, 피에조 저항 효과를 가지는 재료(예를 들어, 단결정 실리콘)로 이루어지는 다이아프램을 가지는 반도체 기판부와, 글라스 등으로 이루어지는 시트부로 주로 구성된다. 반도체 기판부와, 시트부는, 양극접합법 등에 의하여 접합되고, 반도체 기판부의 다이어프램과, 시트부 사이의 공간은, 기준압력챔버가 된다. 반도체 기판부의 다이어프램에는, 복수의 반도체 변형 게이지가 형성되고, 이들 반도체 변형 게이지를 브리지 접속한 브리지 회로가 구성된다. 이러한 브리지 회로에 의하여, 외기압과 기준압력챔버의 압력차이에 의하여 발생한 다이어프램의 변형을, 반도체 변형 게이지의 게이지 저항의 변화로서, 전기신호로서 취출하여, 유체의 압력이 검출된다.

지주(125)는, 여기에서는, Fe·Ni계 합금으로 형성되는 것으로 하였는데, 이것으로 한정되지 않으며, 스테인리스 등 그 밖의 금속재료로 형성되는 것으로 하여도 좋다. 또한, 지주(125)를 설치하지 않고, 헤르메틱 글라스(124)의 오목부를 형성하는 평탄면에 직접적으로 고정되도록 구성되어도 좋다.

접착제층(125A)으로는, 실리콘계 접착제를 사용하는 것으로 하여도 좋다. 예를 들어, 유연성이 있는 부가형의 일성분계인 것이 바람직한데, 겔상의 접착제이어도 좋다. 실리콘계 접착제는, 예를 들어 저분자실록산 결합을 가지는 접착제가 있다.

또한, 실리콘계 접착제는, 예를 들어 베이스폴리머의 폴리실록산의 규소원자 상의 치환기가 메틸기, 페닐기, 트리플루오로프로필기 등의 불소화탄화수소기 등이어도 좋다. 그리고, 하기 구조식을 가지는 축합형 실리콘고무를 주성분으로 하는 것이어도 좋다.

[화학식 1]

실리콘계 접착제는, 예를 들어 하기 구조식을 가지는 부가형 실리콘고무를 주성분으로 하는 것이어도 좋다.

[화학식 2]

한편, 실리콘계 접착제는, 2성분계이어도 좋고, 축합형, UV경화형이어도 좋다. 실리콘계 접착제 대신에, 이성분계의 우레탄계 접착제가 사용되어도 좋다. 또한, 불소계 접착제가 사용되어도 좋고, 불소계 접착제는, 자기접착성을 가지는 액상 불소 엘라스토머가 있는데, 겔상의 접착제이어도 좋다.

더욱이, 불소계 접착제 대신에, 예를 들어 충전재료로서 불소화 폴리에테르 골격과 말단의 실리콘 가교반응기를 포함하는 하기의 구조식을 가지는 엘라스토머이어도 좋다.

[화학식 3]

더욱이, 불소계 접착제 대신에, 예를 들어 하기 구조식을 가지는 퍼플루오로엘라스토머이어도 좋다.

[화학식 4]

더욱이, 불소계 접착제 대신에, 예를 들어 하기 구조식을 가지는 불소고무이어도 좋다.

[화학식 5]

도 1에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 압력센서(100)에서는, 접착제층(125A)은 초기 경화층(125A1)과, 칩마운트 경화층(125A2)의 2층으로 구성된다. 초기 경화층(215A1)은, 압력검출소자(126)를 접착하기 전에, 접착제층(125A)을 소정의 두께로 유지하기 위하여, 사전에 도포하여 경화시켜 두는 것이다. 초기 경화층(125A1)은, 여기에서는, 전체적으로 평탄하게 형성된다. 칩마운트 경화층(125A2)은, 초기 경화층(125A1)이 도포, 경화된 후에, 실제로 압력검출소자(126)를 마운트할 때에 도포되는 것이다. 한편, 여기에서는, 초기 경화층(125A1), 및 칩마운트 경화층(125A2)의 재질은, 상술한 접착제층(125A)의 재질 중의 같은 1종류의 재질을 사용하는데, 상응성이 좋은 재질이라면, 다른 재질이어도 좋다. 이와 같이, 접착제층(125A)이 초기 경화층(125A1)과, 칩마운트 경화층(125A2)의 2층으로 구성됨으로써, 후술하는 바와 같이, 접착제층(125A)의 두께를 소정 두께로 유지할 수 있고, 온도 변화에 따른 압력검출소자(126)의 변형을 저감할 수 있어, 정밀도 향상 및 온도 응답성의 개선을 도모할 수 있다.

여기에서, 이와 같은 압력검출소자(126)의 설치 구조를 가지는 본 발명의 압력센서의 일례로서, 액봉형 압력센서(100)의 전체 구조를 설명한다.

도 2는, 본 발명의 압력센서의 일례로서 액봉형 압력센서(100)의 전체를 나타내는 종단면도이다.

도 2에 있어서, 액봉형 압력센서(100)는, 압력검출되는 유체를 후술하는 압력실(112A)에 도입하는 유체도입부(110)와, 압력실(112A)의 유체의 압력을 검출하는 압력검출부(120)와, 압력검출부(120)에서 검출된 압력신호를 외부로 송출하는 신호송출부(130)와, 유체도입부(110), 압력검출부(120), 및 신호송출부(130)를 덮는 커버부재(140)를 구비한다.

유체도입부(110)는, 압력검출되는 유체가 안내되는 배관에 접속되는 금속제 이음매부재(111)와, 이음매부재(111)의 배관에 접속되는 단부와 다른 단부에 용접 등에 의하여 접속되는 그릇 형상을 가지는 금속제의 베이스 플레이트(112)를 구비한다.

이음매부재(111)에는, 배관의 접속부의 수나사부에 나사 결합되는 암나사부(111a)와, 배관으로부터 도입된 유체를 압력실(112A)로 안내하는 포트(111b)가 형성된다. 포트(111b)의 개구단은, 베이스 플레이트(112)의 중앙에 설치된 개구부에 용접 등에 의하여 접속된다. 한편, 여기에서는, 이음매부재(111)에 암나사부(111a)가 설치되는 것으로 하였는데, 수나사가 설치되는 것으로 하여도 좋고, 또는 이음매부재(111) 대신에, 동제의 접속파이프가 접속되는 것으로 하여도 좋다. 베이스 플레이트(112)는, 이음매부재(111)와 대향하는 측으로 향하여 확산되는 그릇 형상을 가지고, 후술하는 다이어프램(122)과의 사이에 압력실(112A)을 형성한다.

압력검출부(120)는, 관통구멍을 가지는 하우징(121)과, 상술한 압력실(112A)과 후술하는 액봉실(124A)을 격절하는 다이어프램(122)과, 다이어프램(122)의 압력실(112A)측에 배치되는 다이어프램 보호커버(123)와, 하우징(121)의 관통구멍 내부에 끼워지는 헤르메틱 글라스(124)와, 헤르메틱 글라스(124)의 압력실(112A)측의 오목부와 다이어프램(122) 사이에 실리콘오일, 또는 불소계 불활성 액체 등의 압력전달매체가 충전되는 액봉실(124A)과, 헤르메틱 글라스(124)의 중앙의 관통구멍에 배치되는 지주(125)와, 지주(125)에 고정되어 액봉실(124A) 내부에 배치되는 압력검출소자(126)와, 액봉실(124A)의 주위에 배치되는 전위조정부재(127)와, 헤르메틱 글라스(124)에 고정되는 복수의 리드핀(128)과, 헤르메틱 글라스(124)에 고정되는 오일 충전용 파이프(129)를 구비한다.

하우징(121)은, 예를 들어 Fe·Ni계 합금이나 스테인리스 등의 금속재료에 의하여 형성된다. 다이어프램(122)과, 다이어프램 보호커버(123)는, 모두 금속재료로 형성되고, 모두 하우징(121)의 압력실(112A)측의 관통구멍의 바깥둘레부에 있어서 용접된다. 다이어프램 보호커버(123)는, 다이어프램(122)를 보호하기 위하여 압력실(112A) 내부에 설치되고, 유체도입부(110)로부터 도입된 유체가 통과하기 위한 복수의 연통구멍(123a)이 설치된다. 하우징(121)은, 압력검출부(120)가 조립된 후, 유체도입부(110)의 베이스 플레이트(112)의 바깥둘레부에 있어서, 용접 등에 의하여 접속된다.

지주(125)는, 액봉실(124A)측에, 압력검출소자(126)가 접착제층(125A)에 의하여 접착되어 고정되는 것이다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 압력센서(100)에서는, 접착제층(125A)은, 초기 경화층(125A1)과, 칩마운트 경화층(125A)의 2층으로 구성된다. 압력검출소자(126)는, 유체도입부(110)로부터 압력실(112A)에 도입된 유체의 압력을, 다이어프램(122)을 통하여 액봉실(124A) 내의 실리콘오일 등의 압력 변동으로서 검출하는 것이다.

전위조정부재(127)는, 특허문헌 2에 기재되어 있는 바와 같이, 압력검출소자(126)를 무전계(제로 전위) 내에 두고, 프레임 어스와 2차 전원 사이에 발생하는 전위의 영향으로 칩 내의 회로 등이 악영향을 받지 않도록 하기 위하여 설치된다. 전위조정부재(127)는, 액봉실(124A) 내의 압력검출소자(126)와 다이어프램(122) 사이에 배치되고, 금속 등의 도전성의 재료로 형성되며, 압력검출소자(126)의 제로 전위에 접속되는 단자에 접속된다.

헤르메틱 글라스(124)에는, 복수의 리드핀(128)과, 오일충전용 파이프(129)가 관통 상태로 헤르메틱 처리에 의하여 고정된다. 본 실시형태에서는, 리드핀(128)으로서, 총 8개의 리드핀(128)이 설치되어 있다. 즉, 외부입출력용(Vout), 구동전압공급용(Vcc), 접지용(GND)의 3개의 리드핀(128)과, 압력검출소자(126)의 조정용 단자로서 5개의 리드핀(128)이 설치되어 있다. 한편, 도 2에 있어서는, 8개의 리드핀(128) 중 4개가 나타나 있다. 복수의 리드핀(128)은, 예를 들어 금 또는 알루미늄제의 본딩와이어(126a)에 의하여 압력검출소자(126)에 접속되어, 압력검출소자(126)의 외부입출력 단자를 구성하고 있다.

오일충전용 파이프(129)는, 액봉실(124A)의 내부에 압력전달매체로서, 예를 들어 실리콘오일, 또는 불소계 불활성 액체 등을 충전하기 위하여 설치된다. 한편, 오일충전용 파이프(129)의 한쪽 단부는, 오일충전 후, 도 2의 점선으로 나타나는 바와 같이, 눌려서 폐색된다.

신호송출부(130)는, 압력검출부(120)의 압력실(112A)에 대향하는 측에 설치되고, 복수의 리드핀(128)을 배열하는 단자대(131)와, 단자대(131)에 접착제(132a)에 의하여 고정되고, 복수의 리드핀(128)에 접속되는 복수의 접속단자(132)와, 복수의 접속단자(132)의 외단부에 납땜 등에 의하여 전기적으로 접속되는 복수의 전선(133)과, 하우징(121)의 상단부와 단자대(131) 사이에 실리콘계 접착제로 형성되는 정전기 보호층(134)을 구비한다. 한편, 정전기 보호층(134)은, 에폭시 수지 등의 접착제이어도 좋다.

단자대(131)는, 대략 원주 형상으로, 그 원주의 중간단 부근에, 상술한 복수의 리드핀(128)을 가이드하기 위한 가이드벽을 가지는 형상으로 형성되며, 수지재료, 예를 들어 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT)에 의하여 형성된다. 단자대(131)는, 예를 들어 정전기 보호층(134)에 사용되고 있는 접착제에 의하여, 압력검출부(120)의 하우징(121)의 상부에 고정된다.

접속단자(132)는, 금속재료로 형성되고, 단자대(131)의 상술한 고정벽보다 상단의 원주측벽에 수직으로 접착제(132a)에 의하여 고정된다. 한편, 본 실시형태에서는, 외부입출력용(Vout), 구동전압공급용(Vcc), 접지용(GND)의 3개의 접속단자(132)가 설치된다. 3개의 접속단자(132)의 내단부는, 각각 대응하는 리드핀(128)에 용접 등에 의하여 전기적으로 접속되는데, 이러한 접속방법으로 한정되지 않으며, 그 밖의 방법으로 접속하여도 좋다.

또한, 본 실시형태에서는, 3개의 접속단자(132)에 접속하기 위하여 3개의 전선(133)이 설치된다. 전선(133)은, 전선(133)의 폴리염화비닐(PVC) 등으로 형성된 피복을 벗긴 심선(133a)에 미리 예비 납땜을 행하고, 그 연선을 묶은 것을 상술한 접속단자(132)에 납땜이나 용접 등에 의하여 접속단자(132)에 전기적으로 접속되는데, 이러한 접속방법으로 한정되지 않으며, 그 밖의 방법으로 접속하여도 좋다. 그리고, 3개의 전선(133)은, 압력센서(100)의 주위를 덮는 커버부재(140)로부터 인출된 후, 3개 묶은 상태로 하여서 폴리염화비닐(PVC) 등으로 형성된 보호튜브(도시를 생략)로 덮인다.

정전기 보호층(134)은, ESD 보호회로의 유무에 영향을 받지 않고, 압력검출부(120)의 정전기 내력을 향상시키기 위하여 설치되는 것이다. 정전기 보호층(134)은, 주로 헤르메틱 글라스(124)의 상단면을 덮도록 하우징(121)의 상단면에 도포되고, 실리콘계 접착제에 의하여 형성되는 소정의 두께를 가지는 환형상의 접착층(134a)과, 복수의 리드핀(128)이 돌출되는 헤르메틱 글라스(124)의 상단면 전체에 도포되고, 실리콘계 접착제로 이루어지는 피복층(134b)으로 구성된다. 단자대(131)의 공동부를 형성하는 내주면으로서, 헤르메틱 글라스(124)의 상단면을 마주보는 내주면에는, 헤르메틱 글라스(124)를 향하여 돌출되는 환형상 돌기부(131a)가 형성되어 있다. 환형상 돌기부(131a)의 돌출 길이는, 피복층(134b)의 점성 등에 따라서 설정된다. 이와 같이 환형상 돌기부(131a)가 형성되는 것에 의하여, 도포된 피복층(134b)의 일부가, 표면장력에 의하여 환형상 돌기부(131a)와, 단자대(131)의 공동부를 형성하는 내주면 중 헤르메틱 글라스(124)의 상단면에 대략 직교하는 부분과의 사이의 좁은 공간 내에 인장되어 유지되므로, 피복층(134b)이 단자대(131)의 공동부 내에 있어서의 일방측으로 치우치지 않고 도포되게 된다. 또한, 피복층(134b)은, 헤르메틱 글라스(124)의 상단면에 소정의 두께로 형성되는데, 도 2의 부분(134c)에 나타내는 바와 같이, 헤르메틱 글라스(124)의 상단면으로부터 돌출되는 복수의 리드핀(128)의 일부분을 더 덮도록 형성되어도 좋다.

커버부재(140)는, 대략 원통 형상으로 압력검출부(120) 및 신호송출부(130)의 주위를 덮는 방수케이스(141)와, 단자대(131)의 상부에 씌워지는 단자대캡(142)과, 방수케이스(141)의 내주면과 하우징(121)의 외주면 및 단자대(131)의 외주면 사이를 충전하는 밀봉제(143)를 구비한다.

단자대캡(142)은, 예를 들어 수지재료에 의하여 형성된다. 단자대캡(142)은, 본 실시형태에서는, 상술한 원주 형상의 단자대(131)의 상부를 막는 형상으로 형성되고, 우레탄계 수지 등의 밀봉제(143)가 충전되기 전에 단자대(131)의 상부에 씌워진다. 하지만, 단자대캡(142)은 이러한 형상으로는 한정되지 않으며, 단자대(131)의 상부 및 방수케이스(141)의 상부를 일체적으로 막는 형상으로 형성되어, 밀봉제(143)가 충전된 후에 씌워지는 것으로 하여도 좋고, 또는 단자대캡(142)과는 별도로 새로운 덮개부재가 설치되고, 단자대캡(142) 및 밀봉제(143)가 배치된 후, 방수케이스(141)의 상부에 새로운 덮개부재가 씌워지는 것으로 하여도 좋다.

방수케이스(141)는, 수지재료, 예를 들어 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT)에 의하여 대략 원통 형상으로 형성되고, 원통 형상의 하단부에는, 내측을 향하여 플랜지부가 설치되어 있다. 이러한 플랜지부에는, 방수케이스(141)의 상부 개구부로부터 삽입된 신호송출부(130) 및 압력검출부(120)가 접속된 유체도입부(110)의 베이스플레이트(112)의 외주부가 맞닿는다. 이러한 상태에서 밀봉제(143)를 충전함으로써 압력검출부(120) 등의 내부의 부품이 고정된다.

한편, 본 실시형태에서는, 본 발명의 압력센서의 일례로서, 액봉형 압력센서(100)를 예로 들어 설명하였는데, 이것으로는 한정되지 않으며, 본 발명은, 피에조 저항 효과 등을 이용한 압력검출소자를 사용하는 모든 압력센서에 적용 가능하다.

다음으로, 종래의 압력검출소자의 설치구조를 설명한다.

도 3은, 종래의 압력센서(300)의 압력검출소자(326)의 설치 구조를 나타내는 종단면도이다.

도 3에 있어서, 종래의 압력센서(300)의 압력검출소자(326)는, 접착제를 도포하여 형성되는 접착제층(325A)을 통하여 지주(325)에 설치된다. 그 후, 압력검출소자(326)의 리드단자(도시를 생략함)와, 복수의 리드핀(128)은, 와이어본딩 공정에 의하여, 금 또는 알루미늄제의 본딩와이어(126a)에 의하여 접속된다. 종래의 압력센서(300)에서는, 접착제층(325A)이 2층으로 구성되지 않고, 1층으로 구성되어 있다.

도 3에 나타내는 종래의 압력센서(300)의 압력검출소자(326)의 설치구조에서는, 압력검출소자(326), 지주(325), 및 접착제층(325A)의 선팽창계수의 차이에 의하여, 압력검출소자(326)에 변형이 발생하여, 측정 정밀도, 및 온도응답성이 악화된다는 문제가 발생하였다. 즉, 예를 들어 주위온도가 저하된 경우에는 압력검출소자(326)와 비교하여 접착제층(325A)이 수축하고, 주위온도가 상승한 경우에는 압력검출소자(326)와 비교하여 접착제층(325A)이 팽창한다. 이 때문에, 압력검출소자(326), 지주(325), 및 접착제층(325A)의 선팽창계수의 차이에 의하여 열응력이 발생한다. 이러한 열응력이 발생하면, 압력검출소자(326)가 변형되어, 압력검출소자의 출력특성이 변화하고, 압력검출소자(326)의 출력 정밀도가 저하된다. 또한, 접착제층(325A)의 점탄성의 성질에 의하여, 열응력이 변화하였을 때에 응력이 평형상태가 될 때까지 시간이 걸리므로, 온도응답성이 악화된다. 이하에, 이러한 점에 대하여 설명한다.

도 4a는, 온도응답 지연이 없는 경우의 압력검출소자(326)의 출력 특성을 나타내는 도면이고, 도 4b는 온도응답 지연이 있는 경우의 압력검출소자(326)의 출력 특성을 나타내는 도면이다.

도 4a 및 도 4b에 나타내는 어떤 그래프도, 소정 시간의 고온상태에서 소정 시간의 저온상태로 변화시키는 온도사이클 조건에 있어서의 압력검출소자(326)의 출력 정밀도를 나타내고 있다. 도 4a 및 도 4b에 나타내는 어떤 그래프도, 고온상태에서 압력검출소자(326)의 출력 정밀도가 악화하고 있는 것을 알 수 있다. 이에 더하여, 도 4b에 나타내는 그래프에서는, 온도응답 지연이 발생하고 있는 부분에서, 압력검출소자(326)의 출력 정밀도가 더욱 악화하고 있는 것을 알 수 있다.

일반적으로, 도 4a 및 도 4b에 나타내는 고온(또는 저온) 상태의 압력검출소자(326)의 출력 정밀도의 악화는, 선형적으로 변화하므로, 압력검출소자(326)의 내부, 또는 외부회로에서 보정이 가능하다. 이에 대하여, 온도응답 지연에 따른 압력검출소자(326)의 출력 정밀도의 악화는, 비선형적으로 변화하므로 보정이 어렵다는 문제가 있다. 그래서, 이하에서 온도응답 지연의 원인에 대하여 검토한다.

도 5a는, 접착제층(325A)의 유무에 따른 압력검출소자(326)의 출력 정밀도를 비교하여 나타내는 도면이고, 도 5b는, 하중에 따른 변위를 나타내는 도면이다.

도 5a에 나타내는 그래프는, 고온에서 저온으로의 온도변화 후의 압력검출소자(326)의 출력 정밀도를 나타내고 있다. 상술한 바와 같이, 압력검출소자(326)는, 접착제층(325A)을 통하여 지주(325)에 설치되어 있다. 여기에서는, 측정시에 접착제층(325A)을 설치한 상태인 경우와, 접착제층(325A)을 제거한 경우의 비교를 하고 있다. 그 결과, 접착제층(325A)을 제거한 경우에는, 압력센서(300)의 출력 정밀도의 온도응답 지연이 없어져 있는 것을 알 수 있다.

도 5b에 나타내는 그래프는, 하중이 걸린 경우의 위에서부터 탄성, 점성, 소성의 변위를 나타내고 있다. 이 중, 탄성에 대하여는, 응답 지연이 없고, 한번 변위한 후 원래대로 돌아가며, 소성에 대하여는 응답 지연이 없고, 변위한 후에 원래대로 돌아가지 않는다. 이에 대하여, 점성에 대하여는, 응답 지연이 발생하면서 변위하고, 원래대로 돌아가지 않는 것을 알 수 있다. 즉, 온도응답 지연은, 점탄성을 가지는 접착제층(325A)이 원인인 것을 알 수 있다. 다음으로, 이러한 대책에 대하여 검토한다.

도 6은, 접착제층(325A)의 두께와 온도응답성의 상관을 나타내는 도면이다.

도 6에 있어서, 세로축은, 고온에서 저온으로의 온도변화 후의 압력검출소자(326)의 출력 정밀도를 나타내고, 가로축은, 접착제층(325A)의 두께를 나타내고 있다. 여기에서는, 지주(325)에 레이저 조사로 복수 곳에 돌기부를 형성하고, 접착제층(325A)의 두께를 조정하여, 측정을 행하였다. 그 결과, 접착제층(325A)의 두께가 5㎛보다 두꺼우면 온도응답 지연에 따른 압력검출소자(326)의 출력 정밀도의 악화가 해소되는 것을 알 수 있었다. 이것은, 접착제층(325A)의 두께가 소정 두께보다 얇으면, 압력검출소자(326), 지주(325), 및 접착제층(325A)의 선팽창계수의 차이에 따른 열응력에 의하여 압력검출소자(326)에 변형이 발생하고, 압력검출소자(326)의 출력 정밀도가 악화하는데, 접착제층(3235A)의 두께가 소정 두께보다 두꺼우면, 접착제층(325A)의 탄성에 의하여 발생하는 선팽창계수의 차이에 따른 열응력이 흡수되어, 압력검출소자(326)의 변형이 억제되기 때문이라고 생각된다.

한편, 본 발명의 압력센서(100)에서 사용되는 각 부재의 상온에서의 선팽창계수로서는, 압력검출소자(126)의 시트부로서 사용되는 글라스의 선팽창계수가 9.0[10^-6/℃]이고, 접착제층(125A)의 선팽창계수가 약 300[10^-6/℃]이다. 또한, 지주(125)로서 사용되는 재료의 상온에서의 선팽창계수로서는, Fe·Ni계 합금의 선팽창계수가 5.0[10^-6/℃]이고, 스테인리스강의 선팽창계수가 17.3[10^-6/℃]이며, 황동의 선팽창계수가 20.8[10^-6/℃]이고, 규소의 선팽창계수가 2.6[10^-6/℃]이다. 따라서, 지주(125)의 선팽창계수가 2~22[10^-6/℃]이면 좋고, 바람직하게는 2.6~8.5[10^-6/℃]인 것이 바람직하다. 이것은, 헤르메틱 글라스(124)의 선팽창계수가 8.5(8~10)[10^-6/℃]이고, 지주(125)의 선팽창계수는 그보다 작은 편이 바람직하기 때문이다.

다음으로, 본 발명의 압력센서의 설치구조의 다른 형태를 설명한다.

도 7은, 본 발명의 압력센서의 압력검출소자(726)의 설치구조의 다른 예(700)를 나타내는 종단면도이다.

도 7에 있어서, 도 1에 나타내는 압력센서(100)와 마찬가지로, 압력검출소자(726)는, 접착제를 도포하여 형성되는 접착제층(725A)을 통하여 지주(725)에 설치된다. 그 후, 압력검출소자(726)의 리드단자(도시를 생략함)와, 복수의 리드핀(128)은, 와이어본딩 공정에 의하여, 금 또는 알루미늄제의 본딩와이어(126a)에 의하여 접속된다. 같은 부재에는 같은 부호를 붙이고 설명을 생략한다.

압력센서(700)에서는, 도 1에 나타내는 압력센서(100)와 달리, 초기 경화층(725A1)과, 칩마운트 경화층(725A2)의 2층으로 구성되는 접착제층(725A) 중, 초기 경화층(725A1)이 중앙에 돌기부분을 가지는 형상으로 형성된다. 이와 같이 초기 경화층(725A1)의 형상을 중앙에 돌기부분을 가지는 형상으로 함으로써, 접착제층(725A)의 두께를 소정의 두께로 쉽게 확보할 수 있어, 온도변화에 따른 압력검출소자(726)의 변형을 저감할 수 있고, 정밀도 향상 및 온도응답성의 개선을 도모할 수 있다.

한편, 지금까지 도 1, 도 7을 참조하여, 2층으로 구성되는 접착제층(125A, 725A)을 설명하였는데, 초기 경화층(125A1, 725A1)의 형상은 상술한 형상으로 한정되는 것이 아니며, 그 밖의 형상으로 형성하는 것이어도 좋다.

이상과 같이, 본 발명의 압력센서에 따르면, 피에조 저항 효과 등을 이용한 압력검출소자를 사용한 압력센서에 있어서, 온도변화에 따른 압력검출소자의 변형을 저감하여, 정밀도의 향상, 온도응답성의 개선을 도모할 수 있다.

100, 300, 700: 압력센서
110: 유체도입부
111: 이음매 부재
111a: 암나사부
111b: 포트
112: 베이스플레이트
112A: 압력실
120: 압력검출부
121: 하우징
122: 다이어프램
123: 다이어프램 보호커버
123a: 연통구멍
124: 헤르메틱 글라스
124A: 액봉실
125, 325, 725: 지주
125A, 325A, 725A: 접착제층
125A1, 725A1: 초기 경화층
125A2, 725A2: 칩마운트 경화층
126, 326, 726: 압력검출소자
126a: 본딩와이어
127: 전위조정부재
128: 리드핀
129: 오일충전용 파이프
130: 신호송출부
131: 단자대
132: 접속단자
132a: 접착제
133: 전선
133a: 심선
134: 정전기 보호층
134a: 접착층
134b: 피복층
134c: 부분
140: 커버부재
141: 방수케이스
142: 단자대캡
143: 밀봉제

Claims

유체의 압력을 검출하는 압력검출소자와,
상기 압력검출소자를 지지하는 지지부재와,
상기 압력검출소자와 상기 지지부재를 접착하여 고정하는 접착제를 도포하여 형성되는 접착제층을 구비하는 압력센서에 있어서,
상기 접착제층은, 초기 경화층과, 칩마운트 경화층의 2층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 압력센서.
제 1 항에 있어서,
상기 초기 경화층은, 상기 지지부재의 표면 전체에 평탄하게 형성되는 것을 특징으로 하는 압력센서.
제 1 항에 있어서,
상기 초기 경화층은, 상기 지지부재의 표면 중앙에 돌기부분을 가지는 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 압력센서.
제 1 항에 있어서,
상기 지지부재의 선팽창계수는, 2~22[10^-6/℃]인 것을 특징으로 하는 압력센서.
제 1 항에 있어서,
상기 지지부재의 선팽창계수는, 2.6~8.5[10^-6/℃]인 것을 특징으로 하는 압력센서.
제 1 항에 있어서,
상기 초기 경화층, 및 상기 칩마운트 경화층을 포함하는 상기 접착제층의 두께는, 5㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 압력센서.