WO2011104860A1 - 圧力センサモジュールおよび圧力検出装置 - Google Patents

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WO2011104860A1
WO2011104860A1 PCT/JP2010/053078 JP2010053078W WO2011104860A1 WO 2011104860 A1 WO2011104860 A1 WO 2011104860A1 JP 2010053078 W JP2010053078 W JP 2010053078W WO 2011104860 A1 WO2011104860 A1 WO 2011104860A1
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pressure sensor
sensor module
pressure
ceramic substrate
sensor chip
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PCT/JP2010/053078
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恵則 大沼
卓也 白田
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ナブテスコ株式会社
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    • G01L19/0084—Electrical connection means to the outside of the housing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • H01L2224/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
    • H01L2224/732—Location after the connecting process
    • H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
    • H01L2224/73265—Layer and wire connectors

Definitions

  • the present invention relates to a pressure detection device for detecting pressure, and a pressure sensor module used in the pressure detection device.
  • the present invention relates to a pressure sensor module that operates even at an environmental temperature of ⁇ 40 ° C. or lower.
  • FIG. 1 shows a conventional pressure detection device used for controlling an air brake of a railway vehicle or the like.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an external appearance of a package 10 of a pressure detection device.
  • a pressure sensor module including one pressure sensor chip and one signal processing circuit for processing a pressure detection signal of the pressure sensor chip is housed in a package 10.
  • a cable 12 is connected to one end of the package 10 for the purpose of supplying power to the pressure detection device and taking out an electrical signal from the pressure detection device.
  • the other end of the package 10 is provided with an attachment portion 14 for attaching to the inspection object.
  • the attachment portion 14 has a taper screw structure, and a pressure introducing hole is formed at the center of the taper screw. The pressure to be measured is introduced into the pressure detection device through the pressure introduction hole.
  • the brake force of the vehicle is read by the pressure detection device as the pressure in the brake pipe and is taken into the control device.
  • a control device including a computer having a CPU and a memory creates a brake signal and outputs it to the brake device.
  • a brake device including a brake pad and a brake cylinder generates a corresponding braking force to brake the vehicle.
  • Patent Document 1 discloses a pressure detection device used for engine control of an automobile, and includes two pressure sensor chips (for intake pressure detection and for atmospheric pressure detection) having the same characteristics in one package.
  • a structure in which a common signal processing circuit board is disposed on the same surface side, a common signal processing circuit board is disposed on the opposite surface side, and a protrusion is provided on the intake pressure introduction pipe is disclosed.
  • pressure sensor modules used in various fields such as measuring instruments, automobiles, railways, aircraft, medical equipment, and home appliances are required to operate at a low ambient temperature.
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2007-3449
  • FIG. 10 shows a cross-sectional view of a conventional pressure sensor module 10.
  • the pressure sensor chip 112 is installed on the glass substrate 14.
  • the glass substrate 114 is fixed to the case 118 with an adhesive 116.
  • the gel sensor 120 is filled in the pressure sensor chip 112, the glass substrate 114, and the case 118.
  • pressure is applied to the gel substance 120, the pressure transmitted through the gel substance is transmitted to the pressure sensor chip 112, and the pressure is detected by a strain gauge formed on the pressure sensor chip.
  • the conventional pressure detection device shown in FIG. 1 extends so that the direction of the pressure introduction hole and the direction of drawing out the cable are aligned, so that the height of the pressure detection device cannot be reduced, so-called low profile cannot be achieved. There's a problem.
  • the pressure detection device of Patent Document 1 one common signal processing circuit board is arranged on two sensor chip cases, and there is a space above the signal processing circuit board. Low profile is not considered. Further, this pressure detection device is not of a type in which a cable is directly connected.
  • An object of the present invention is to provide a pressure sensor module capable of reducing the height of a pressure detection device of a type to which a cable is directly connected.
  • Another object of the present invention is to provide one or a plurality of such pressure sensor modules, to realize a low profile by reducing the number of components in the pressure detection device, and to reduce the number of assembly steps. To provide an apparatus.
  • Patent Document 2 has the following problems.
  • the part that receives pressure directly is a gel-like substance, and when the ambient temperature becomes ⁇ 40 ° C. or lower, the gel-like substance is deformed, and stress other than pressure is applied to the pressure sensor chip. There was a problem that accuracy deteriorated.
  • Patent Document 1 does not give any consideration to normal operation at low temperatures for electronic circuits.
  • a further object of the present invention is to provide a pressure sensor module that operates normally and has good accuracy even at ambient temperatures of ⁇ 40 ° C. or lower, preferably ⁇ 40 ° C. or lower, ⁇ 50 ° C. or higher, more preferably ⁇ 50 ° C. There is.
  • the pressure sensor module of the present invention is connected to a shielded cable to increase noise characteristics.
  • One or a plurality of pressure sensor modules connected to the cable are provided in the pressure detection device.
  • the pressure sensor module of the present invention is provided with a pressure introduction hole, a ceramic wiring board in which the wiring is patterned, and an inspection object that is mounted at a location where the pressure introduction hole of the ceramic substrate is opened and introduced from the pressure introduction hole.
  • the pressure detection device of the present invention includes at least one pressure sensor module as described above, and realizes a low profile.
  • the pressure detection device of the present invention includes at least one pressure sensor module, a shielded cable connected to the signal processing IC, a rectangular box-shaped package base having one open surface, and one surface facing the package base. And a metal lid for housing the pressure sensor module.
  • the package base has a pressure introduction hole formed at the bottom, and the pressure introduction hole An O-ring made of an elastic body is fitted into a recess formed in the opened portion, and the pressure sensor module is placed on the O-ring so that the pressure introduction hole of the pressure sensor module faces the O-ring. Is pressed by the ceramic substrate of the pressure sensor module when the package lid is fixed to the package base. , In a compressed state, the gap is formed between the lower surface of the package base in the inner bottom surface and the ceramic substrate, shielded cable is characterized in that the package base and package lid is withdrawn from the portion abutting.
  • the ceramic substrate of the pressure sensor module is susceptible to cracking due to impact when high-pressure fluid is introduced or external impact.
  • the O-ring is used as an original seal, and the O-ring functions as a damper for the pressure sensor module. That is, the pressure sensor module is placed on the O-ring. Since the O-ring is made of an elastic body, it functions as a damper for the pressure sensor module.
  • the presence of the O-ring forms a gap between the lower surface of the pressure sensor module and the inner bottom surface of the package base.
  • the O-ring seals (air-tightly seals) the space between the pressure introduction hole of the pressure sensor module and the pressure introduction hole of the package base.
  • this gap also serves to prevent the ceramic substrate from being destroyed by absorbing the dimensional change due to the coefficient of thermal expansion of each component when the temperature changes.
  • the dimension of this gap is determined from the viewpoint of both the function as an O-ring seal and the function as an O-ring damper.
  • the cable is in a direction orthogonal to the direction in which the pressure introduction hole extends, that is, the package base. And the package lid are pulled out from the contact portion. At this time, the netting shield of the shielded cable needs to be electrically connected to the metal package, and the outer covering of the shielded cable needs to be firmly fixed to the metal package.
  • each of the package base and the package lid has a clamp mechanism that clamps the mesh shield and the outer sheath of the shield cable.
  • the clamp mechanism includes a plate-shaped clamp portion having a semi-arc-shaped cutout portion formed in the package base and a plate-shaped clamp portion having a semi-arc-shaped cutout portion formed in the package lid.
  • the package base and the package lid are inserted into the holes formed in the package base and tightened into the screw holes formed in the package lid. It is fixed by.
  • the pressure sensor module of the present invention is mounted on a ceramic substrate provided with a pressure introducing hole, a semiconductor pressure sensor chip bonded with an adhesive on the ceramic substrate having the pressure introducing hole, and mounted on the ceramic substrate.
  • An electronic circuit that amplifies the output voltage of the pressure sensor chip, a wiring pattern formed on the ceramic substrate, a capacitor for noise removal provided on the wiring pattern, and a resin case that covers the ceramic substrate Yes.
  • the semiconductor pressure sensor chip is connected to the wiring pattern with gold wires, and the electronic circuit and the capacitor are joined to the wiring pattern with solder.
  • the space inside the resin case is filled with an insulating gel substance.
  • the resin case is provided with at least two holes for filling the gel substance.
  • the sensor chip and the signal processing IC are mounted on a single ceramic substrate and modularized, an electronic circuit board for signal processing becomes unnecessary. Further, since the O-ring serves as a damper, there is no need to fix the pressure sensor module with elastic parts such as leaf springs, so the number of parts can be reduced. Furthermore, the shielded cable extends in a direction orthogonal to the direction in which the pressure introducing hole extends. From these facts, it is possible to realize a reduction in the height of the pressure detection device.
  • the pressure sensor module of the present invention is provided with the cable guide at the top, when a plurality of pressure sensor modules are accommodated in the package, the cable guide is insulated on the cable guide in the pressure sensor module having the same structure. By guiding the conducting wire, the cable drawing direction can be reversed.
  • two or more pressure sensor modules are accommodated in the pressure detection device, it is extremely suitable when it is desired to arrange the cable drawer in the opposite direction in relation to the inspection object.
  • the pressure detection device of the present invention since the pressure sensor module is placed on the O-ring, a gap is formed between the inner bottom surface of the package base and the bottom surface of the pressure sensor module by the O-ring. Serves as a damper for the pressure sensor module. For this reason, it is possible to prevent the ceramic substrate of the pressure sensor module from being broken by an impact when a high-pressure fluid is introduced or an external impact.
  • the gap can absorb a change in thermal expansion due to a temperature difference.
  • the pressure detecting device of the present invention has a clamp mechanism for clamping the mesh shield and the outer sheath of the shielded cable, the mesh shield can be electrically connected to the metal package, and the outer sheath of the cable can be electrically connected. Can be firmly fixed to the metal package.
  • the pressure detection device of the present invention is assembled by simply sandwiching the pressure sensor module to which the shielded cable is connected between the package base and the package lid and fixing them with the package base, the package lid and the bolts, the number of parts is small. Less assembly man-hours.
  • the pressure sensor module of the present invention it is possible to realize a pressure sensor module that operates normally even at ⁇ 40 ° C. or lower, preferably ⁇ 40 ° C. or lower ⁇ 50 ° C. or higher, more preferably ⁇ 50 ° C.
  • FIG. 1 shows the conventional pressure detection apparatus. It is a disassembled perspective view of the pressure sensor module of this invention. It is a longitudinal cross-sectional view of the pressure sensor module of this invention. It is a figure which shows the state which turned up the cable of FIG. 2 to the opposite direction. It is a disassembled perspective view of the pressure detection apparatus of this invention which accommodated two pressure sensor modules. It is an upper surface perspective view of the pressure detection apparatus after an assembly. It is a bottom perspective view of the pressure detection device after assembly. It is a fragmentary sectional view of the pressure detection apparatus after an assembly. It is sectional drawing of a clamp mechanism. It is a step view which shows the conventional pressure sensor module. It is a top view of the Example of the pressure sensor module of this invention. FIG.
  • FIG. 12 is a sectional view taken along line AA in FIG. 11. It is an equivalent circuit schematic of the electric system of the pressure sensor module of FIG. 6 is a graph showing the results of measuring the relationship between pressure and output voltage at each environmental temperature when the environmental temperature is changed to 25 ° C., ⁇ 40 ° C., and ⁇ 50 ° C. in an example of the pressure sensor module. 6 is a graph showing the results of measuring the relationship between the pressure at each environmental temperature and the overall accuracy when the environmental temperature is changed to 25 ° C., ⁇ 40 ° C., and ⁇ 50 ° C. in an example of the pressure sensor module.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the pressure sensor module 16
  • FIG. 3 is a longitudinal sectional view of the pressure sensor module 16.
  • the pressure sensor module 16 includes a ceramic substrate 18 on which wiring is patterned.
  • a ceramic substrate 18 on which wiring is patterned.
  • alumina, sapphire, glass, quartz or the like can be used.
  • the wiring material a sintered body of silver-palladium mixed powder, a deposited film of titanium-palladium-gold, or the like can be used.
  • a pressure introducing hole 20 is formed in the ceramic substrate 18.
  • a pressure sensor chip 22 is mounted on the ceramic substrate 18 above the pressure introducing hole 20 by being bonded and fixed.
  • the pressure sensor chip 22 has a configuration in which, for example, a diaphragm portion is formed on a single crystal silicon substrate, and a piezoresistive element is formed on the upper surface portion of the diaphragm portion.
  • An ASIC Application Specific Integrated Circuit
  • An IC for signal processing, is soldered and mounted on the ceramic substrate 18.
  • the output signal of the pressure sensor chip 22 is connected to a wiring pattern (not shown) on the ceramic substrate 18 by a bonding wire 26 and input to the ASIC 24.
  • the pressure sensor chip 22 and the signal processing ASIC 24 are covered with, for example, a resin box-shaped cover 28.
  • a guide wall 30a that constitutes a cable guide 30 that guides the insulation-coated conductor of the shield cable when the shield cable drawing direction is reversed as will be described later is provided on the longitudinal side of the cover 28. It is provided along.
  • the upper surface of each guide wall 30a is flat.
  • the height of the guide wall is set so as to slightly exceed the outer diameter of the insulation coating conductor of the shielded cable. This is because, as will be described later, when the direction in which the shield cable is taken out is changed, the insulating coated conductor is accommodated in the guide.
  • Such a cover 28 is bonded and fixed to the ceramic substrate 18.
  • a silicone gel 32 is formed on the cover 28 in order to protect the piezoresistive element of the pressure sensor chip 22, the wiring on the ceramic substrate 18, and the bonding wire 26 from contaminants. It is injected from the gel injection hole 34.
  • the hole 36 formed in the cover 28 is a hole for venting air at the time of gel injection.
  • a plurality of (three pads 38 in the embodiment) are provided on the ceramic substrate portion that is not covered with the cover 28, and the conductors 44 of the insulation coated conductors 42 of the shield cable 40 are connected to the pads 38 by soldering.
  • FIG. 4 shows a state where the cable of FIG. 2 is folded back in the opposite direction. At this time, the three insulation-coated conductive wires 42 are arranged on the guide 30 constituted by the guide wall 30a.
  • FIG. 5 shows an exploded perspective view of each component of the embodiment of the pressure detection device containing two pressure sensor modules.
  • 6 is a top perspective view of the pressure detection device after assembly
  • FIG. 7 is a bottom perspective view of the pressure detection device after assembly.
  • FIG. 8 is a partial cross-sectional view (a portion including the pressure sensor module 50a) of the pressure detection device after assembly.
  • the pressure sensor module 50a shown in FIG. 2 and the pressure sensor module 50b shown in FIG. 4 are juxtaposed and accommodated in a package.
  • the package includes a package base 52 and a package lid 54.
  • the package base 52 and the package lid 54 are made of metal, for example, an aluminum alloy, and are manufactured by cutting after molding.
  • the package base 52 has a rectangular box shape opened on the upper surface side to accommodate the pressure sensor modules 50a and 50b, and pressure introduction holes (in FIG. 8) formed in the ceramic substrates of the pressure sensor modules 50a and 50b.
  • the pressure introduction holes 56a and 56b are formed corresponding to the pressure introduction holes 20a of the pressure sensor module 50a.
  • a circular O-ring fixing recess (indicated by 58a in FIG. 8) is formed at the bottom of the package base where the pressure introduction holes 56a and 56b of the package base 52 are opened.
  • the depth of each recess is set to be smaller than the height when the O-ring is compressed and crushed, and a gap is formed between the lower surface of the pressure sensor module and the inner bottom surface of the package base.
  • 19a indicates the lower surface of the ceramic substrate 18a
  • 53 indicates the inner bottom surface of the package base 52
  • 57 indicates a gap.
  • O-rings 60a and 60b made of an elastic material such as low-temperature nitrile are fitted into each ring fixing recess.
  • the pressure sensor modules 50a, 50b are placed so that their ceramic substrates (indicated by 18a in FIG. 8) are in contact with each O-ring.
  • the pressure sensor modules 50 a and 50 b are arranged such that their pressure introduction holes 20 a and 20 b face the pressure introduction holes 56 a and 56 b of the package base 52.
  • the O-ring When the fluid pressure is further applied, the O-ring is greatly deformed, the repulsive force is added, and the sealing force is increased.
  • the O-ring functions as a seal in a compressed and crushed state, but the crushing rate defined by (thickness reduced by compression / O-ring wire diameter) x 100 (%) should be large due to tolerances of the mounting part, etc. However, it is preferably set to 8 to 30% in consideration of permanent deformation and the like.
  • Each pressure sensor module 50a, 50b is housed in a package, and the O-rings 60a, 60b are crushed, and a predetermined dimension d is provided between the lower surface of the ceramic substrate of the pressure sensor module and the inner bottom surface of the package base 52.
  • the gap 57 is provided (in FIG. 8, the lower surface of the ceramic substrate 18a is indicated by 19a).
  • the dimension d of the gap 57 is determined by the hardness of the O-ring and the fluid pressure.
  • the hardness of the low-temperature nitrile O-ring is Shore A hardness 70 degrees, and when the pressure detection device is used for an air brake of a railway vehicle, the air pressure is 0 to 2 MPa.
  • the gap dimension d is preferably 0.4 mm at the maximum.
  • the gap d needs to be at least 0.05 mm and can be used even at extremely low temperatures ( ⁇ 50 ° C.). did. This is because when the temperature is extremely low, the hardness of the O-ring increases and the components shrink, so that the dimension d of the gap does not exceed the above-mentioned maximum 0.4 mm in the extremely low temperature state.
  • the height direction dimension of each part of the package base 52, the height direction dimension of each part of the package lid 54, and the height direction of the pressure sensor module 50 The dimensions are adjusted.
  • the O-ring functions as a damper for the pressure sensor module. . For this reason, it is possible to prevent the ceramic substrate of the pressure sensor module from being broken by an impact when a high-pressure fluid is introduced or an external impact.
  • the gap can absorb the thermal expansion change due to the temperature difference of the component parts, it is possible to prevent the ceramic substrate from being damaged due to the thermal expansion change.
  • FIG. 9 shows a cross section of the clamping mechanism of the package base 52 and the package lid 54 for clamping the shielded cable fixed by soldering to the pressure sensor module.
  • the package base 52 and the package lid 54 are opposed to each other to clamp the mesh shield 70 and the outer sheath 72 of each cable 40a, 40b, respectively.
  • a thin plate-like clamp portion provided with a semi-arc cutout is provided.
  • plate-like clamp portions 74a and 76a for the cable 40a and plate-like clamp portions 74b and 76b for the cable 40b are formed at the cable outlet of the package base 52.
  • a plate-like clamp portion is formed at the cable outlet of the package lid 54 so as to face the plate-like clamp portion of the package base 52.
  • FIG. 9 shows plate-shaped clamp portions 78a and 80a formed on the package lid 54 for the cable 40a.
  • the netting shield 70 of the cable 40a is clamped from above and below by the plate-like clamp portion 74a of the package base 52 and the plate-like clamp portion 78a of the package lid 54. Further, the outer sheath 72 of the cable 40a is clamped from above and below by the plate-like clamp portion 76a of the package base 52 and the plate-like clamp portion 80a of the package lid 54. The same applies to the cable 40b.
  • each plate-like clamp portion is as thin as 1.5 ⁇ 0.5 mm, the clamp portion is in a state of biting into the netting shield 70 and the outer sheath 72, and the shield cable can be firmly held.
  • the netting shield 70 can easily make an electrical connection to the metal package through the clamp portion.
  • FIG. 5 showing a top perspective view of the pressure detection apparatus after assembly shows the positions of screw holes 66 formed in the package lid 54.
  • two mounting holes 68 are formed in the package base 52 in order to mount the assembled pressure detection device to the pressure detection target.
  • the mounting hole 68 is formed on a straight line connecting the pressure introduction holes 56a and 56b, thereby providing an O-ring provided on the pressure detection target. It is possible to compress and reliably crush. For this reason, it is possible to prevent leakage at the interface between the pressure detection device and the pressure detection target.
  • the pressure from the pressure detection target is introduced into the pressure sensor chip through the pressure introduction hole and the O-ring formed in the package base, and through the pressure introduction hole formed in the ceramic substrate of the pressure sensor module. Can be output to the ASIC 24.
  • the pressure sensor module having the same characteristics is used to detect two kinds of pressures.
  • the pressure sensor module is used as a differential pressure sensor, or a pressure sensor module having different characteristics is used.
  • Various uses are conceivable, such as use as a pressure sensor having a backup function when one of the pressure sensor modules fails.
  • FIG. 11 is a top view of the pressure sensor module of the present embodiment
  • FIG. 12 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG.
  • the pressure sensor module 122 includes a ceramic substrate 124.
  • a wiring pattern 126 is formed on the ceramic substrate, and a semiconductor pressure sensor chip 128, an electronic circuit (IC) 130, and two capacitors 132a and 132b are mounted.
  • IC electronic circuit
  • the semiconductor pressure sensor chip 128 and the wiring pattern 126 are electrically connected by a gold wire 134.
  • the electronic circuit 130 and the capacitors 132a and 132b are electrically connected to the wiring pattern 126 by solder.
  • the semiconductor pressure sensor chip 128 is fixed to the ceramic substrate 124 with an adhesive 133.
  • the ceramic substrate is provided with a pressure introduction hole 136 for introducing pressure into the semiconductor pressure sensor chip.
  • the ceramic substrate 124 may be made of a material that hardly changes in shape when the environmental temperature is ⁇ 40 ° C. or lower, such as alumina, sapphire, Pyrex (registered trademark) glass, quartz, or the like. In this example, an alumina substrate having a thermal expansion coefficient of 10 ⁇ 10 ⁇ 6 or less was used.
  • the semiconductor pressure sensor chip 1208 As the semiconductor pressure sensor chip 128, a silicon diaphragm type semiconductor pressure sensor chip that can operate normally even at an ambient temperature of ⁇ 40 ° C. or lower was used.
  • the wiring pattern 126 may be made of a material that hardly changes in electrical characteristics even when the environmental temperature is -40 ° C. or lower, such as a sintered body of a silver-palladium mixture, a deposited film of titanium-palladium-gold, or the like. In this example, a silver-palladium mixture was printed and fired on a ceramic substrate.
  • an IC that can operate normally even at an ambient temperature of ⁇ 40 ° C. or lower for example, an IC manufactured by ZMD (product number ZMD31010) was used.
  • capacitors 132a and 132b capacitors that can operate normally even at an environmental temperature of ⁇ 40 ° C. or lower, for example, chip multilayer ceramic capacitors manufactured by Murata Manufacturing Co., Ltd. were used.
  • an adhesive that does not deteriorate the adhesive force and can maintain elasticity even at an environmental temperature of ⁇ 40 ° C. or lower for example, a silicone adhesive manufactured by Dow Corning Co., Ltd. was used. Such an adhesive can absorb the thermal expansion difference between the semiconductor pressure sensor chip and the ceramic substrate.
  • the semiconductor pressure sensor chip 28 and the electronic circuit 130 are covered with a resin case 135.
  • the resin case 135 is bonded and fixed to the ceramic substrate 124.
  • the resin case is provided with two holes 137 and 139. An insulating gel-like substance is injected from one hole 137, and the space in the resin case is filled with the insulating gel-like substance.
  • the other hole 139 of the resin case is for releasing air when injecting the insulating gel-like substance.
  • the reason for covering the semiconductor pressure sensor chip 128 and the electronic circuit 130 with the insulating gel-like substance is to prevent water and ice from adhering to the semiconductor pressure sensor chip and the electronic circuit in an environment of ⁇ 40 ° C. or lower. is there. If water adheres to the electrically exposed portions of the semiconductor pressure sensor chip and the electronic circuit, a leak current is generated and the accuracy of the sensor output is deteriorated.
  • FIG. 13 shows an equivalent circuit of the electrical system of the pressure sensor module 122 shown in FIGS.
  • the semiconductor pressure sensor chip 128 has four piezo elements 140a, 140b, 140c, and 140d connected in a bridge shape.
  • the resistance value of the piezo element changes when the diaphragm of the semiconductor pressure sensor chip is displaced.
  • the output voltage value of the bridge circuit made of the piezo element changes minutely. This minute change in the output voltage value is amplified by the electronic circuit 130.
  • the amplified signal is output as a voltage to the output terminal 142a.
  • the capacitors 132a and 132b are connected between the power supply terminal 142b and the ground terminal 142c, and are for eliminating noise mixed in the power supply terminal 142b.
  • FIG. 14 shows the results of measuring the relationship between the pressure and the output voltage at each environmental temperature when the environmental temperature was changed to 25 ° C., ⁇ 40 ° C., and ⁇ 50 ° C. in the pressure sensor module according to this example. .
  • the relationship between the pressure at ⁇ 40 ° C. and the output voltage and the relationship between the pressure at ⁇ 50 ° C. and the output voltage agree with the relationship between the pressure at 25 ° C. and the output voltage. That is, when the environmental temperature is changed to 25 ° C., ⁇ 40 ° C., and ⁇ 50 ° C., the output voltage linearly changes from 0.5 to 4.5 V over the applied pressure of 0 to 1 MPa at any environmental temperature. Yes. As a result, it can be seen that the pressure sensor module of the present example was able to measure pressure normally even at an ambient temperature of ⁇ 40 ° C. or lower.
  • FIG. 15 shows the results of measuring the relationship between the pressure at each environmental temperature and the overall accuracy when the environmental temperature is changed to 25 ° C., ⁇ 40 ° C., and ⁇ 50 ° C. in the pressure sensor module according to this example.
  • the relationship between the pressure at each environmental temperature and the overall accuracy is such that the overall accuracy is between -1.0 and 1.0% FS at a pressure of 0 to 1 MPa.
  • the pressure sensor module of the present embodiment can perform pressure measurement with good overall accuracy even when the environmental temperature is ⁇ 40 ° C. or lower.
  • the pressure sensor module according to this example is the same as that at 25 ° C. in FIGS. Output voltage and total accuracy were obtained.
  • the pressure sensor module of this example operates normally over a wide temperature range of 60 ° C. or lower and ⁇ 50 ° C. or higher.
  • Pressure sensor module 18 Ceramic substrate 19a Lower surface of ceramic substrate 20 Pressure introducing hole 22 Pressure sensor chip 24 ASIC 26 Bonding wire 28 Box-shaped cover 30 Cable guide 30a Guide wall 32 Silicone gel 34 Gel injection hole 38 Pad 40 Shielded cable 42 Insulated coated conductor 44 Conductor 50a, 50b Pressure sensor module 52 Package base 53 Inner bottom surface 54 Package lid 55 Package lid Inner surface 56a, 56b Pressure introduction hole 57 Clearance 58a, 58b O-ring fixing recess 60a, 60b O-ring 64 Hole 66 Screw hole 68 Mounting hole 70 Netting shield 72 Outer coating 74a, 76a Plate-shaped clamp portion 74b, 76b Plate-shaped Clamp part 78a, 80a Plate-like clamp part 122 Pressure sensor module 124 Ceramic substrate 126 Wiring pattern 128 Semiconductor pressure sensor chip 130 Electronic circuit (IC) 132a, 132b Capacitor 133 Adhesive 134 Gold wire 136 Pressure introduction hole 140a, 140b, 140c, 140d Piezo element 142a Output

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Abstract

　部品の数を少なくして低背化を実現し、かつ組立て工数を少なくした圧力検出装置を提供する。さらに、６０℃以下－５０℃以上の温度範囲にわたって正常に動作し精度が良好である圧力センサモジュールを提供する。圧力導入孔が設けられ、熱膨張係数が１０×１０－６以下であるセラミック基板と、圧力導入孔が開いたセラミック基板上に、－４０℃以下においても弾性を保持する接着剤で接合された－４０℃以下においても正常に動作する半導体圧力センサチップと、セラミック基板上に搭載され、半導体圧力センサチップの出力電圧を増幅する電子回路と、セラミック基板上に、－４０℃以下においても電気的特性の変化の少ない材料で配線パターンが形成され、配線パターンに、－４０℃以下においても正常に動作する雑音除去のためのコンデンサが接合されている。

Description

圧力センサモジュールおよび圧力検出装置
　本発明は、本発明は、圧力を検出する圧力検出装置、および圧力検出装置に用いられる圧力センサモジュールに関する。特に－４０℃以下の環境温度においても動作する圧力センサモジュールに関する。
　鉄道車両等の空気ブレーキの制御等に使用される従来の圧力検出装置を、図１に示す。図１は、圧力検出装置のパッケージ１０の外観を示す斜視図である。この圧力検出装置は、パッケージ１０の内部に、１個の圧力センサチップと、圧力センサチップの圧力検出信号を処理する１個の信号処理回路とからなる圧力センサモジュールが収納されている。
　パッケージ１０の一端には、圧力検出装置への電源供給と、圧力検出装置からの電気信号の外部への取り出しとを目的として、ケーブル１２が接続されている。パッケージ１０の他端には、検査対象物に取り付けるための取付け部１４が設けられている。取付け部１４は、テーパネジ構造になっており、テーパネジの中心には圧力導入孔が形成されている。この圧力導入孔を介して、被測定圧力が圧力検出装置内に導入される。
　例えば、鉄道車両のブレーキ制御を行う場合、車両のブレーキ力は、ブレーキ管内圧力として圧力検出装置で読み取られ、制御装置に取り込まれる。ＣＰＵやメモリを有するコンピュータからなる制御装置は、ブレーキ信号を作成し、ブレーキ装置に出力する。ブレーキパッドとブレーキシリンダからなるブレーキ装置は、対応するブレーキ力を発生させて、車両を制動する。
　例えば１台の車両に複数本の車輪軸が設けられている場合、それぞれの車輪軸に対応したブレーキ管内圧力を読み取る必要があるため、複数個の図１に示した圧力検出装置が装着される。この場合、使用される圧力検出装置の個数が多いためセンサコストが高くなる、また装着容積が大きくなるという問題がある。
　一方、特許文献１には、自動車のエンジン制御に用いられる圧力検出装置であって、１個のパッケージ内に、同じ特性を有する圧力センサチップ２個（吸気圧検出用と大気圧検出用）を同じ面側に収納し、反対面側に共通の信号処理回路基板を配置し、吸気圧導入管に突起を設けた構造のものが、開示されている。
　また、計測器，自動車，鉄道，航空機，医療機器，家電製品などの各種分野で用いられる圧力センサモジュールにおいて、低温の環境温度で動作するものが求められている。
　従来、低温において動作する圧力センサモジュールとしては、特許文献２（特開２００７－３４４９号公報）に示すような圧力センサモジュールが知られている。
　図１０に、従来の圧力センサモジュール１０の断面図を示す。図１０に示すように、圧力センサチップ１１２が、ガラス基板１４の上に設置されている。ガラス基板１１４は、接着剤１１６によってケース１１８に固定されている。圧力センサチップ１１２，ガラス基板１１４，ケース１１８の内部には、ゲル状物質１２０が充填されている。
　実際の圧力測定では、ゲル状物質１２０に圧力が加わり、ゲル状物質を伝わった圧力が圧力センサチップ１１２に伝わり、圧力センサチップに形成された歪ゲージにより圧力が検出される。
特開２０００－２８４５８号公報 特開２００７－３４４９号公報
　図１に示した従来の圧力検出装置は、圧力導入孔の方向とケーブルの引出し方向とが一直線に並ぶように延びているので、圧力検出装置の高さを低くする、いわゆる低背化できないという問題がある。
　さらに、それぞれの車輪軸に対応したブレーキ管内圧力を読み取るために、複数個の圧力検出装置が装着される場合には、コストが高くなる、装着容積が大きくなるという問題がある。
　一方、上記特許文献１の圧力検出装置では、２個のセンサチップケースの上に１個の共通の信号処理回路基板が配置され、信号処理回路基板の上方には空間があり、圧力検出装置の低背化には考慮が払われていない。また、この圧力検出装置は、ケーブルを直接接続するタイプのものではない。　
　本発明の目的は、ケーブルが直接接続されるタイプの圧力検出装置の低背化を可能とする圧力センサモジュールを提供することにある。
　本発明の他の目的は、このような圧力センサモジュールを１個または複数個収納でき、圧力検出装置内の部品の数を少なくして低背化を実現し、かつ組み立て工数を少なくした圧力検出装置を提供することにある。
　また、特許文献２に開示されている従来の圧力センサモジュールには、次のような問題がある。
　従来の圧力センサモジュールでは、圧力を直接受ける部分はゲル状物質であり、環境温度が－４０℃以下になると、ゲル状物質が変形し、圧力センサチップに圧力以外の応力が加わり、圧力センサの精度が悪くなるという問題があった。
　また、圧力センサチップのみでは出力する圧力信号が微弱なため、環境温度が－４０℃以下でも正常動作する電子回路を使用して、圧力信号を増幅する必要がある。しかし、上記特許文献１には、電子回路に関し、低温での正常動作について全く考慮が払われていない。
　本発明のさらなる目的は、－４０℃以下、好ましくは－４０℃以下－５０℃以上、より好ましくは－５０℃の環境温度においても、正常に動作し精度が良好である圧力センサモジュールを提供することにある。
　本発明の圧力センサモジュールは、ノイズ性を高めるためにシールドケーブルに接続される。ケーブルが接続された圧力センサモジュールは、１個または複数個が圧力検出装置に備えられる。複数個の圧力センサモジュールが備えられる場合、一般的には、各ケーブルの取り出し方向を一方向に揃えたいという要求がある。このような場合に、検査対象物の構造にもよるが、ケーブルが異なる方向に接続された２種類の構造の圧力センサモジュールを用意することは、部品点数が増えるので好ましくない。
　そこで本発明の圧力センサモジュールは、圧力導入孔が設けられ、配線がパターニングされたセラミック配線基板と、セラミック基板の圧力導入孔が開いた箇所に実装され、圧力導入孔から導入された検査対象物からの圧力を検出する圧力センサチップと、セラミック基板に実装され、圧力センサチップからの出力信号を処理して、検出された圧力に対応する電気信号を出力する信号処理ＩＣと、圧力センサチップおよび信号処理ＩＣをカバーする矩形箱状のセンサカバーとを備え、センサカバーの上部には、平行に延びる２つのガイド壁よりなるケーブルガイドが設けられていることを特徴とする。
　接続されたケーブルの方向を変えたい場合には、ケーブルの絶縁被覆導線をケーブルガイドに案内して、ケーブルを反対方向へ折り返すことで実現できる。
　他方、本発明の圧力検出装置は、上記のような圧力センサモジュールを少なくとも１個備え、低背化を実現するものである。
　このため、本発明の圧力検出装置は、少なくとも１個の圧力センサモジュールと、信号処理ＩＣに接続されたシールドケーブルと、一面が開口された矩形箱状のパッケージベースと、パッケージベースに対向する一面が開口され、パッケージベースに当接されて固定されるパッケージ蓋とからなり、圧力センサモジュールを収容する金属パッケージとを備え、パッケージベースは、底部に圧力導入孔が形成され、この圧力導入孔が開いた箇所に形成された凹部に弾性体よりなるＯリングがはめ込まれ、圧力センサモジュールは、圧力センサモジュールの圧力導入孔がＯリングに対向するように、Ｏリング上に載置され、Ｏリングは、パッケージベースにパッケージ蓋を固定したときに、圧力センサモジュールのセラミック基板により押圧され、圧縮された状態で、パッケージベースの内側底面とセラミック基板の下面との間に隙間が形成され、シールドケーブルは、パッケージベースとパッケージ蓋とが当接する部分から引き出されることを特徴とする。
　圧力センサモジュールのセラミック基板は、高圧の流体が導入されたときの衝撃や、外部からの衝撃によって、割れやすい。これを防止するために、本発明の圧力検出装置では、Ｏリングを本来のシールとして用いると共に、Ｏリングを圧力センサモジュールに対するダンパーとして機能させている。すなわち、圧力センサモジュールをＯリング上に載置している。Ｏリングは弾性体よりなるので、圧力センサモジュールに対するダンパーとして働く。
　Ｏリングの存在によって、圧力センサモジュールの下面とパッケージベースの内側底面との間に隙間が形成される。Ｏリングは、圧力センサモジュールの圧力導入孔とパッケージベースの圧力導入孔とをつなぐ隙間の空間をシール（気密封止）する。
　さらに、この隙間は、温度が変化したときに、各部品の熱膨脹率による寸法変化を吸収し、セラミック基板が破壊するのを防止する役目も果たしている。
　この隙間の寸法は、Ｏリングのシールとしての機能、およびＯリングのダンパーとしての機能の両方の観点から定められる。
　さらに、本発明の圧力検出装置では、図１に示した従来の圧力検出装置とは異なり、本発明の圧力検出装置では、ケーブルは、圧力導入孔の伸びる方向とは直交する方向、すなわちパッケージベースとパッケージ蓋とが当接する部分から引き出される。このとき、シールドケーブルの網組シールドは、金属パッケージに電気的に接続され、かつ、シールドケーブルの外部被覆は、金属パッケージに強固に固定される必要がある。このためには、本発明の圧力検出装置では、パッケージベースおよびパッケージ蓋の各々が、シールドケーブルの網組シールドおよび外部被覆をそれぞれクランプするクランプ機構を有している。
　クランプ機構は、パッケージベースに形成された半弧状の切欠き部を有する板状クランプ部と、パッケージ蓋に形成された半弧状の切欠き部を有する板状クランプ部とから構成される。
　さらに、本発明の圧力検出装置では、組立てを容易にするために、パッケージベースとパッケージ蓋とを、ボルトをパッケージベースに形成された穴に挿通し、パッケージ蓋に形成されたネジ穴に締め付けることにより固定している。
　本発明の圧力センサモジュールは、圧力導入孔が設けられたセラミック基板と、圧力導入孔が開いたセラミック基板上に、接着剤で接合された半導体圧力センサチップと、セラミック基板上に搭載され、半導体圧力センサチップの出力電圧を増幅する電子回路と、セラミック基板上に形成された配線パターンと、配線パターン上に設けられた雑音除去のためのコンデンサと、セラミック基板をカバーする樹脂ケースとを備えている。
　半導体圧力センサチップは、金ワイヤで配線パターンに接続され、電子回路およびコンデンサは、ハンダで配線パターンに接合されている。樹脂ケースの内部の空間は、絶縁性のゲル状物質が充填されている。樹脂ケースには、ゲル状物質を充填するための少なくとも２個の孔が設けられている。
　本発明の圧力センサモジュールでは、低温に耐え、かつ低温においても正常に動作する部材および材料が選択される。
　本発明の圧力センサモジュールによれば、１枚のセラミック基板上にセンサチップと信号処理ＩＣを実装してモジュール化したので、信号処理用の電子回路基板が不要になる。また、Ｏリングがダンパーの役目を果たすので、板バネ等の弾性のある部品で圧力センサモジュールを固定する必要が無いため、部品点数を少なくすることができる。さらに、シールドケーブルは、圧力導入孔の延びる方向と直交する方向に延びている。これらのことから、圧力検出装置の低背化を実現することができる。
　また、本発明の圧力センサモジュールは、上部にケーブルガイドが設けられているので、複数個の圧力センサモジュールをパッケージ内に収容する場合、同一構造の圧力センサモジュールにおいて、ケーブルガイドにケーブルの絶縁被覆導線を案内することによって、ケーブルの引出し方向を反転させることができる。２個以上の圧力センサモジュールを圧力検出装置に収容するときに、検査対象物との関係で、ケーブルの引出しを反対方向に折り返して配置したい場合には、極めて好適である。
　また、本発明の圧力検出装置によれば、圧力センサモジュールをＯリング上に載置するので、Ｏリングによってパッケージベースの内側底面と圧力センサモジュールの底面との間に隙間が形成され、Ｏリングは圧力センサモジュールに対するダンパーの役目を果たす。このため、高圧の流体が導入されたときの衝撃や、外部からの衝撃によって圧力センサモジュールのセラミック基板が割れることを防止することができる。
　また、圧力センサモジュールの下面とパッケージベースの内側底面との間に隙間が存在することによって、温度差による熱膨張変化を隙間が吸収することができる。
　また、本発明の圧力検出装置は、シールドケーブルの網組シールドおよび外部被覆をそれぞれクランプするクランプ機構を有しているので、網組シールドを金属パッケージに電気的に接続でき、またケーブルの外部被覆を金属パッケージに強固に固定することが可能となる。
　さらに、本発明の圧力検出装置は、シールドケーブルが接続された圧力センサモジュールを、パッケージベースとパッケージ蓋とで挟み込み、パッケージベースとパッケージ蓋とボルトで固定するだけで組立てられるので、部品点数が少なく、組立て工数が少なくて済む。
　本発明の圧力センサモジュールによれば、－４０℃以下においても、好ましくは－４０℃以下－５０℃以上においても、より好ましくは－５０℃においても正常に動作する圧力センサモジュールを実現できる。
従来の圧力検出装置を示す図である。 本発明の圧力センサモジュールの分解斜視図である。 本発明の圧力センサモジュールの縦断面図である。 図２のケーブルを反対方向へ折り返した状態を示す図である。 ２個の圧力センサモジュールを収容した本発明の圧力検出装置の分解斜視図である。 組立て後の圧力検出装置の上面斜視図である。 組立て後の圧力検出装置の底面斜視図である。 組立て後の圧力検出装置の部分断面図である。 クランプ機構の断面図である。 従来の圧力センサモジュールを示す段面図である。 本発明の圧力センサモジュールの実施例の上面図である。 図１１のＡ－Ａ線断面図である。 図１０の圧力センサモジュールの電気系統の等価回路図である。 圧力センサモジュールの実施例において、環境温度を２５℃，－４０℃，－５０℃に変化させたときの、各環境温度における圧力と出力電圧との関係を測定した結果を示すグラフである。 圧力センサモジュールの実施例において、環境温度を２５℃，－４０℃，－５０℃に変化させたときの、各環境温度における圧力と総合精度との関係を測定した結果を示すグラフである。
　本発明の圧力センサモジュールおよび圧力検出装置の実施例を、図面を参照して説明する。まず、圧力センサモジュールの実施例を説明する。
　（圧力センサモジュールの実施例）
　図２は圧力センサモジュール１６の分解斜視図、図３は圧力センサモジュール１６の縦断面図である。
　圧力センサモジュール１６は、配線がパターニングされたセラミック基板１８を備えている。セラミックとしては、アルミナ，サファイア，ガラス，石英などを用いることができる。配線の材料としては、銀－パラジウム混合粉の焼結体，チタン－パラジウム－金の蒸着膜などを用いることができる。
　セラミック基板１８には、圧力導入孔２０が形成されている。圧力導入孔２０の上部のセラミック基板１８の上には圧力センサチップ２２が、接着固定されて実装されている。圧力センサチップ２２は、例えば単結晶シリコン基板にダイアフラム部が形成され、ダイアフラム部の上面部にピエゾ抵抗素子が形成された構成である。
　また、セラミック基板１８の上には、信号処理用のＩＣであるＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit ）２４が、ハンダ付けされて実装されている。
　圧力センサチップ２２の出力信号は、ボンディングワイヤ２６により、セラミック基板１８上の配線パターン（図示せず）に接続され、ＡＳＩＣ２４に入力される。
　圧力センサチップ２２および信号処理用ＡＳＩＣ２４は、例えば樹脂製の箱状カバー２８で覆われる。カバー２８の上面には、後述するようにシールドケーブルの引出し方向を反転させる場合に、シールドケーブルの絶縁被覆導線を案内するケーブルガイド３０を構成するガイド壁３０ａが、カバー２８の長手方向側部に沿って設けられている。なお、各ガイド壁３０ａの上面は、平坦である。ガイド壁の高さは、シールドケーブルの絶縁被覆導線の被覆外径を少し超えるように設定される。これは、後述するように、シールドケーブルの取り出し方向の向きを変えるときに、ガイド内に絶縁被覆導線が収まるようにするためである。
　このようなカバー２８は、セラミック基板１８に接着固定される。カバー２８内の空間には、圧力センサチップ２２のピエゾ抵抗素子や、セラミック基板１８上の配線や、ボンディングワイヤ２６を汚染物質から保護するために、例えばシリコーンゲル３２が、カバー２８に形成されたゲル注入孔３４から注入される。また、カバー２８に形成された孔３６は、ゲル注入時の空気抜きのための孔である。
　カバー２８で覆われないセラミック基板部分には複数個（実施例では３個のパッド３８が設けられ、パッド３８にはシールドケーブル４０の絶縁被覆導線４２の導体４４がハンダ付けによって接続される。
　シールドケーブルが接続された圧力センサモジュールを、圧力検出装置のパッケージに収容する場合、前述したように、ケーブルの引出し方向を、反対方向へ折り返すことが要求されることがある。
　このような要求に対処するためには、上記のガイド３０が役立つ。図４に、図２のケーブルを反対方向へ折り返した状態を示す。このとき、３本の絶縁被覆導線４２は、ガイド壁３０ａで構成されるガイド３０に配置される。
　以下に、図２の圧力センサモジュールと、ケーブルが折り返された図４の圧力センサモジュールとの２個を備える圧力検出装置の実施例を説明する。
　（圧力検出装置の実施例）
　図５に、２個の圧力センサモジュールを収容した圧力検出装置の実施例の各構成部品の分解斜視図を示す。図６は組立て後の圧力検出装置の上面斜視図を、図７は組立て後の圧力検出装置の底面斜視図を示す。図８は、組立て後の圧力検出装置の部分断面図（圧力センサモジュール５０ａを含む部分）を示す。
　図２で示された圧力センサモジュール５０ａと、図４で示された圧力センサモジュール５０ｂとが並置されて、パッケージ内に収容される。パッケージは、パッケージベース５２とパッケージ蓋５４とから構成されている。パッケージベース５２およびパッケージ蓋５４は、金属、例えばアルミ合金からなり、成型後、切削加工されて製造される。
　パッケージベース５２は、圧力センサモジュール５０ａ，５０ｂを収容するため、上面側に開口した矩形箱状をなしており、各圧力センサモジュール５０ａ，５０ｂのセラミック基板に形成された圧力導入孔（図８において、圧力センサモジュール５０ａの圧力導入孔を２０ａで示す）に対応して圧力導入孔５６ａ，５６ｂが形成されている。パッケージベース５２の圧力導入孔５６ａ，５６ｂが開くパッケージベースの底部には、円形状のＯリング固定用凹部（図８において、５８ａで示す）が形成されている。各凹部の深さは、Ｏリングが圧縮され、潰されたときの高さよりも小さくなり、圧力センサモジュールの下面とパッケージベースの内側底面との間に隙間ができるように設定されている。図８において、１９ａはセラミック基板１８ａの下面を示し、５３はパッケージベース５２の内側底面を示し、５７は隙間を示している。
　各リング固定用凹部には、低温ニトリルのような弾性体よりなるＯリング６０ａ，６０ｂがはめ込まれる。各Ｏリング６０ａ，６０ｂ上には、圧力センサモジュール５０ａ，５０ｂが、それらのセラミック基板（図８において、１８ａで示す）が各Ｏリングに接触するように、載置される。このとき、各圧力センサモジュール５０ａ，５０ｂは、それらの圧力導入孔２０ａ，２０ｂが、パッケージベース５２の各圧力導入孔５６ａ，５６ｂに対向するように、配置される。
　図８に示すように、後述する方法でパッケージ蓋５４がパッケージベース５２に固定されたときには、パッケージ蓋５４の平坦な内側面５５が各圧力センサモジュール５０ａ，５０ｂのガイド壁の平坦な上面に当接し（図８には、ガイド壁３０ａが、パッケージ蓋５４の内側面５５に当接した状態を示している）、各圧力センサモジュールを下方に押圧し、その結果、Ｏリング６０ａ，６０ｂは圧縮され潰される。
　Ｏリングは、一定量の圧縮を与えて組み付けると、圧縮を復元しようとする反発力で密閉封止（シール）する働きをする。さらに流体の圧力が加わると、Ｏリングが大きく変形し、その反発力が加算され、密封力が増加する。
　Ｏリングは圧縮され潰された状態でシールとして機能するが、（圧縮により減少した厚み／Ｏリング線径）×１００（％）で定義される潰し率は、装着部の公差等から大きくとることが多いが、永久変形等を考慮すると８～３０パーセントに設定するのが好ましい。
　各圧力センサモジュール５０ａ，５０ｂが、パッケージの中に収容され、Ｏリング６０ａ，６０ｂが潰された状態で、圧力センサモジュールのセラミック基板の下面とパッケージベース５２の内側底面との間に所定寸法ｄの隙間５７が設けられる (図８にはセラミック基板１８ａの下面を１９ａで示す)。
　検査対象物から圧力検出装置に与えられる流体の圧力（被測定圧力）が、６．８６Ｍｐａを超えると、Ｏリングの一部が隙間へはみ出していき、永久変形や破損を起こす恐れがある。したがって、隙間へのＯリングのはみ出し現象がないように、隙間５７の寸法ｄを設定する必要がある。
　このような隙間５７の寸法ｄは、Ｏリングの硬度と流体圧力とによって、決定される。本実施例の場合、低温ニトリル製のＯリングの硬度は、ショアＡ硬度７０度であり、圧力検出装置が鉄道車両の空気ブレーキに用いる場合には、空気の圧力は０～２Ｍｐａであるので、隙間の寸法ｄは最大０．４ｍｍとするのが好ましい。
　本実施例では、セラミック基板の割れを防止するという観点からは、隙間の寸法ｄは最低０．０５ｍｍ必要であり、極低温（－５０℃）でも使用できることを考慮して、最大０．２ｍｍとした。これは、極低温になると、Ｏリングの硬度が増大すること、および構成部品が収縮するので、極低温状態で隙間の寸法ｄが上記の最大０．４ｍｍを超えないようにするためである。
　以上のようなＯリングの潰し率および隙間の寸法を実現するためには、パッケージベース５２の各部の高さ方向寸法、パッケージ蓋５４の各部の高さ方向寸法、圧力センサモジュール５０の高さ方向寸法が調整される。
　上記のように、セラミック基板１８の下面（図８に１９ａで示す）とパッケージベース５２の内側底面５３との間には隙間が設けられているので、Ｏリングは圧力センサモジュールに対するダンパーとして機能する。このため、高圧の流体が導入されたときの衝撃や、外部からの衝撃によって、圧力センサモジュールのセラミック基板が割れることを防止することができる。
　また、構成部品の温度差による熱膨張変化を隙間が吸収することができるので、熱膨張変化によるセラミック基板の破損を防止することができる。
　図９は、圧力センサモジュールにハンダ付け固定されたシールドケーブルをクランプする、パッケージベース５２およびパッケージ蓋５４のクランプ機構の断面を示す。図９の断面図および図５の分解斜視図から分かるように、各ケーブル４０ａ，４０ｂの網組シールド７０と外部被覆７２とをそれぞれクランプするために、パッケージベース５２およびパッケージ蓋５４には、対向するように配置された、半弧状の切欠きが設けられた肉薄の板状クランプ部が設けられている。
　図５には、パッケージベース５２のケーブル取り出し口に、ケーブル４０ａに対する板状クランプ部７４ａ，７６ａが、ケーブル４０ｂに対する板状クランプ部７４ｂ，７６ｂが形成されている。同様に、パッケージ蓋５４のケーブル取り出し口には、パッケージベース５２の板状クランプ部に対向して板状クランプ部が形成されている。図９には、パッケージ蓋５４に形成された、ケーブル４０ａに対する板状クランプ部７８ａ，８０ａが示されている。
　ケーブル４０ａの網組シールド７０は、パッケージベース５２の板状クランプ部７４ａとパッケージ蓋５４の板状クランプ部７８ａとで上下からクランプされる。また、ケーブル４０ａの外部被覆７２は、パッケージベース５２の板状クランプ部７６ａとパッケージ蓋５４の板状クランプ部８０ａとで上下からクランプされる。ケーブル４０ｂについても、同様である。
　各板状クランプ部の厚さは、１．５±０．５ｍｍと薄くしているので、クランプ部が網組シールド７０および外部被覆７２に食い込んだ状態になり、強固にシールドケーブルを保持できる。
　また、網組シールド７０は、クランプ部を介して金属パッケージへの電気的接続を容易に行うことができる。
　次に、パッケージ蓋５４を、パッケージベース５２に固定する方法について説明する。
　図５に示すように、緩み止め材を塗布した固定用ボルト６２を、パッケージベース５２に形成された穴６４を挿通し、パッケージ蓋５４に形成されたネジ穴６６に締め付ける。本実施例では、穴６４およびネジ穴６６は、それぞれ３個ずつ形成されている。組立て後の圧力検出装置の上面斜視図を示す第６図には、パッケージ蓋５４に形成されたネジ穴６６の位置を示している。
　また、組立てられた圧力検出装置を圧力検出対象への取り付けるために、パッケージベース５２には、２個の取付け穴６８が形成されている。図７の組立て後の圧力検出装置の底面斜視図から分かるように、取付け穴６８を、圧力導入孔５６ａ，５６ｂを結んだ直線上に形成することにより、圧力検出対象に設けられたＯリングを圧縮して確実に潰すことが可能となる。このため、圧力検出装置と圧力検出対象との界面でのリークを防止できる。
　圧力検出対象からの圧力は、パッケージベースに形成された圧力導入孔とＯリングを介して、および圧力センサモジュールのセラミック基板に形成された圧力導入孔を介して、圧力センサチップに導入され、圧力に対する所定の電圧を、ＡＳＩＣ２４に出力することができる。
　なお、上記実施例では、同じ特性の圧力センサモジュールを用いて、２種類の圧力を検出するものに適用したが、例えば差圧センサとして利用したり、異なる特性を有する圧力センサモジュールを用いたり、一方の圧力センサモジュールが故障した場合のバックアップ機能を持つ圧力センサとして用いる等、その用途としては様々なものが考えられる。
　本発明の圧力センサモジュールの第二の実施例を、図面を参照して説明する。
　図１１は、本実施例の圧力センサモジュールの上面図、図１２は、図１１のＡ－Ａ線断面図である。
　圧力センサモジュール１２２は、セラミック基板１２４を備えている。セラミック基板上には、配線パターン１２６が形成され、半導体圧力センサチップ１２８，電子回路（ＩＣ）１３０，２個のコンデンサ１３２ａ，１３２ｂが搭載されている。
　半導体圧力センサチップ１２８と配線パターン１２６とは、金ワイヤ１３４により電気的に接続されている。電子回路１３０およびコンデンサ１３２ａ，１３２ｂは、ハンダにより配線パターン１２６に電気的に接続されている。
　半導体圧力センサチップ１２８は、接着剤１３３によってセラミック基板１２４に固定されている。セラミック基板には、半導体圧力センサチップに圧力を導入する圧力導入孔１３６が設けられている。
　セラミック基板１２４は、環境温度が－４０℃以下において形状変化が少ない材質、例えばアルミナ，サファイア，パイレックス（登録商標）ガラス，石英などを用いることができる。本実施例では、熱膨張係数が１０×１０－６以下であるアルミナ基板を用いた。
　半導体圧力センサチップ１２８は、環境温度が－４０℃以下においても正常に動作可能なシリコン隔膜型半導体圧力センサチップを用いた。
　配線パターン１２６は、環境温度が－４０℃以下においても電気的特性の変化が少ない材質、例えば銀－パラジウム混合物の焼結体，チタン－パラジウム－金の蒸着膜などを用いることができる。本実施例では、銀－パラジウム混合物を、セラミック基板上に印刷焼成した。
　電子回路１３０は、環境温度が－４０℃以下においても正常に動作可能なＩＣ、例えばＺＭＤ社製のＩＣ（製品番号ＺＭＤ３１０１０）を用いた。
　コンデンサ１３２ａ，１３２ｂは、環境温度が－４０℃以下においても正常に動作可能なコンデンサ、例えば村田製作所製のチップ積層セラミックコンデンサを用いた。
　接着剤１３３は、環境温度が－４０℃以下においても、接着力が劣化せず、弾性を維持可能な接着剤、例えばダウコーニング社製のシリコーン接着剤を用いた。このような接着剤では、半導体圧力センサチップとセラミック基板との間の熱膨張差を吸収することができる。
　半導体圧力センサチップ２８および電子回路１３０は、樹脂ケース１３５によって覆われる。樹脂ケース１３５は、セラミック基板１２４に接着固定される。樹脂ケースには、２個の孔１３７，１３９が設けられている。一方の孔１３７から絶縁性のゲル状物質が注入されて、樹脂ケース内の空間は絶縁性ゲル状物質で充填される。樹脂ケースの他方の孔１３９は、絶縁性ゲル状物質を注入する際に空気を逃がすためのものである。
　絶縁性ゲル状物質で半導体圧力センサチップ１２８および電子回路１３０を覆うのは、－４０℃以下の環境下において、水や氷が、半導体圧力センサチップおよび電子回路に付着することを、防ぐためである。半導体圧力センサチップおよび電子回路の電気的に露出している部分に水が付着すると、リーク電流が生じて、センサ出力の精度が悪くなる。
　図１３に、図１１，図１２に示した圧力センサモジュール１２２の電気系統の等価回路を示す。半導体圧力センサチップ１２８は、ブリッジ状に接続された４個のピエゾ素子１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄを有している。ピエゾ素子の抵抗値は、半導体圧力センサチップのダイアフラムが変位すると、変化する。抵抗値が変化することにより、ピエゾ素子よりなるブリッジ回路の出力電圧値が微小に変化する。この出力電圧値の微小な変化を、電子回路１３０により増幅する。増幅された信号は、出力端子１４２ａに電圧として出力される。
　コンデンサ１３２ａ，１３２ｂは、電源端子１４２ｂとグランド端子１４２ｃとの間に接続され、電源端子１４２ｂに混入する雑音を排除するためのものである。
　図１４に、本実施例による圧力センサモジュールにおいて、環境温度を２５℃，－４０℃，－５０℃に変化させたときの、各環境温度における圧力と出力電圧との関係を測定した結果を示す。－４０℃における圧力と出力電圧との関係も、－５０℃における圧力と出力電圧との関係も、２５℃における圧力と出力電圧との関係に一致している。すなわち、環境温度を２５℃，－４０℃，－５０℃に変えたとき、いずれの環境温度においても、印加圧力０～１ＭＰａにわたって出力電圧が０．５～４．５Ｖと直線的に変化している。これにより、本実施例の圧力センサモジュールでは、環境温度が－４０℃以下においても正常に圧力測定をできていることが分かる。
　図１５に、本実施例による圧力センサモジュールにおいて、環境温度を２５℃，－４０℃，－５０℃に変化させたときの、各環境温度における圧力と総合精度との関係を測定した結果を示す。各環境温度での圧力と総合精度との関係は、圧力０～１ＭＰａにおいて総合精度が－１．０～１．０％ＦＳの間に収まっている。これにより、本実施例の圧力センサモジュールでは、環境温度が－４０℃以下においても総合精度が良好な圧力測定をできることが分かる。
　さらに、本実施例による圧力センサモジュールを、環境温度６０℃において、圧力と出力電圧との関係、および圧力と総合精度との関係を測定した結果、図１４および図１５における２５℃の場合と同じ出力電圧および総合精度が得られた。
　以上の測定結果から、本実施例の圧力センサモジュールは、６０℃以下－５０℃以上の広温度範囲にわたって正常に動作していることが分かる。
　１６　圧力センサモジュール
　１８　セラミック基板
　１９ａ　セラミック基板の下面
　２０　圧力導入孔
　２２　圧力センサチップ
　２４　ＡＳＩＣ
　２６　ボンディングワイヤ
　２８　箱状カバー
　３０　ケーブルガイド
　３０ａ　ガイド壁
　３２　シリコーンゲル
　３４　ゲル注入孔
　３８　パッド
　４０　シールドケーブル
　４２　絶縁被覆導線
　４４　導体
　５０ａ，５０ｂ　圧力センサモジュール
　５２　パッケージベース
　５３　内側底面
　５４　パッケージ蓋
　５５　パッケージ蓋の内側面
　５６ａ，５６ｂ　圧力導入孔
　５７　隙間
　５８ａ，５８ｂ　Ｏリング固定用凹部
　６０ａ，６０ｂ　Ｏリング
　６４　穴
　６６　ネジ穴
　６８　取付け穴
　７０　網組シールド
　７２　外部被覆
　７４ａ，７６ａ　板状クランプ部
　７４ｂ，７６ｂ　板状クランプ部
　７８ａ，８０ａ　板状クランプ部
　１２２　圧力センサモジュール
　１２４　セラミック基板
　１２６　配線パターン
　１２８　半導体圧力センサチップ
　１３０　電子回路（ＩＣ）
　１３２ａ，１３２ｂ　コンデンサ
　１３３　接着剤
　１３４　金ワイヤ
　１３６　圧力導入孔
　１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ　ピエゾ素子
　１４２ａ　出力端子
　１４２ｂ　電源端子
　１４２ｃ　グランド端子

Claims (19)

  1. 　圧力導入孔が設けられ、配線がパターニングされたセラミック配線基板と、前記セラミック基板の圧力導入孔が開いた箇所に実装され、前記圧力導入孔から導入された検査対象物からの圧力を検出する圧力センサチップと、前記セラミック基板に実装され、前記圧力センサチップからの出力信号を処理して、検出された圧力に対応する電気信号を出力する信号処理ＩＣと、前記圧力センサチップおよび前記信号処理ＩＣをカバーする矩形箱状のセンサカバーとを備え、前記センサカバーの上部には、平行に延びる２つのガイド壁よりなるケーブルガイドが設けられている、圧力センサモジュール。
  2. 　請求項１に記載の少なくとも１個の圧力センサモジュールと、前記信号処理ＩＣに接続されたシールドケーブルと、一面が開口された矩形箱状のパッケージベースと、前記パッケージベースに対向する一面が開口され、前記パッケージベースに当接されて固定されるパッケージ蓋とからなり、前記圧力センサモジュールを収容する金属パッケージとを備え、前記パッケージベースは、底部に圧力導入孔が形成され、前記圧力導入孔が開いた箇所に形成された凹部に弾性体よりなるＯリングがはめ込まれ、前記圧力センサモジュールは、前記圧力センサモジュールの圧力導入孔が前記Ｏリングに対向するように、前記Ｏリング上に載置され、前記Ｏリングは、前記パッケージベースに前記パッケージ蓋を固定したときに、前記圧力センサモジュールのセラミック基板により押圧され、圧縮された状態で、前記パッケージベースの内側底面と前記セラミック基板の下面との間に隙間が形成され、前記シールドケーブルは、前記パッケージベースと前記パッケージ蓋とが当接する部分から引き出される、圧力検出装置。
  3. 　前記パッケージベースおよび前記パッケージ蓋の各々は、前記シールドケーブルの網組シールドおよび外部被覆をそれぞれクランプするクランプ機構を有する、請求項２に記載の圧力検出装置。
  4. 　前記クランプ機構は、前記パッケージベースに形成された半弧状の切欠き部を有する板状クランプ部と、前記パッケージ蓋に形成された半弧状の切欠き部を有する板状クランプ部とからなる、請求項３に記載の圧力検出装置。
  5. 　前記パッケージベースと前記パッケージ蓋とは、ボルトを前記パッケージベースに形成された穴に挿通し、前記パッケージ蓋に形成されたネジ穴に締め付けることにより固定される、請求項２～４のいずれかに記載の圧力検出装置。
  6. 　６０℃以下－５０℃以上の温度範囲にわたって正常に動作する圧力センサモジュールであって、圧力導入孔が設けられ、熱膨張係数が１０×１０－６以下であるセラミック基板と、前記圧力導入孔が開いた前記セラミック基板上に、－４０℃以下においても弾性を保持する接着剤で接合された－４０℃以下においても正常に動作する半導体圧力センサチップと、前記セラミック基板上に搭載され、前記半導体圧力センサチップの出力電圧を増幅する、－４０℃以下においても正常に動作する電子回路とを備える、圧力センサモジュール。
  7. 　前記セラミック基板上に、－４０℃以下においても電気的特性の変化の少ない材料で配線パターンが形成され、前記半導体圧力センサチップは、金ワイヤで前記配線パターンに接続され、前記電子回路は、ハンダで前記配線パターンに接合されている、請求項６に記載の圧力センサモジュール。
  8. 　前記配線パターンに、－４０℃以下においても正常に動作する雑音除去のためのコンデンサがハンダで接合されている、請求項７に記載の圧力センサモジュール。
  9. 　６０℃以下－５０℃以上の温度範囲にわたって正常に動作する圧力センサモジュールであって、圧力導入孔が設けられ、熱膨張係数が１０×１０－６以下であるセラミック基板と、前記圧力導入孔が開いた前記セラミック基板上に、－４０℃以下－５０℃以上においても弾性を保持する接着剤で接合された－４０℃以下－５０℃以上においても正常に動作する半導体圧力センサチップと、前記セラミック基板上に搭載され、前記半導体圧力センサチップの出力電圧を増幅する、－４０℃以下－５０℃以上においても正常に動作する電子回路とを備える、圧力センサモジュール。
  10. 　前記セラミック基板上に、－４０℃以下－５０℃以上においても電気的特性の変化の少ない材料で配線パターンが形成され、前記半導体圧力センサチップは、金ワイヤで前記配線パターンに接続され、前記電子回路は、ハンダで前記配線パターンに接合されている、請求項９に記載の圧力センサモジュール。
  11. 　前記配線パターンに、－４０℃以下－５０℃以上においても正常に動作する雑音除去のためのコンデンサがハンダで接合されている、請求項１０に記載の圧力センサモジュール。
  12. 　６０℃以下－５０℃以上の温度範囲にわたって正常に動作する圧力センサモジュールであって、圧力導入孔が設けられ、熱膨張係数が１０×１０－６以下であるセラミック基板と、前記圧力導入孔が開いた前記セラミック基板上に、－５０℃においても弾性を保持する接着剤で接合された－５０℃においても正常に動作する半導体圧力センサチップと、前記セラミック基板上に搭載され、前記半導体圧力センサチップの出力電圧を増幅する、－５０℃においても正常に動作する電子回路とを備える、圧力センサモジュール。
  13. 　前記セラミック基板上に、－５０℃においても電気的特性の変化の少ない材料で配線パターンが形成され、前記半導体圧力センサチップは、金ワイヤで前記配線パターンに接続され、前記電子回路は、ハンダで前記配線パターンに接合されている、請求項１２に記載の圧力センサモジュール。
  14. 　前記配線パターンに、－５０℃においても正常に動作する雑音除去のためのコンデンサがハンダで接合されている、請求項１３に記載の圧力センサモジュール。　
  15. 　前記セラミック基板は、樹脂ケースによってカバーされ、前記樹脂ケースの内部の空間は、絶縁性のゲル状物質が充填されている、請求項６～１４のいずれかに記載の圧力センサモジュール。
  16. 　前記樹脂ケースには、前記ゲル状物質を充填するための少なくとも２個の孔が設けられている、請求項１５に記載の圧力センサモジュール。
  17. 　前記セラミック基板は、アルミナ基板よりなり、前記半導体圧力センサチップは、シリコン隔膜型半導体圧力センサチップよりなり、前記接着剤は、シリコーン接着剤よりなる、請求項６，９または１２に記載の圧力センサモジュール。
  18. 　前記セラミック基板は、アルミナ基板よりなり、前記半導体圧力センサチップは、シリコン隔膜型半導体圧力センサチップよりなり、前記接着剤は、シリコーン接着剤よりなり、前記配線パターンは、銀－パラジウム混合物の焼結体よりなる、請求項７，１０または１３に記載の圧力センサモジュール。
  19. 　前記セラミック基板は、アルミナ基板よりなり、前記半導体圧力センサチップは、シリコン隔膜型半導体圧力センサチップよりなり、前記接着剤は、シリコーン接着剤よりなり、前記配線パターンは、銀－パラジウム混合物の焼結体よりなり、前記コンデンサは、チップ積層セラミックコンデンサよりなる、請求項８，１１または１４に記載の圧力センサモジュール。
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