JP2008082969A

JP2008082969A - 圧力センサ

Info

Publication number: JP2008082969A
Application number: JP2006265658A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Niimura; 雄一新村; Tsutomu Shimomura; 勉下村
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2008-04-10

Abstract

【課題】外部から加わる力の応力がかかっても圧力変化の検出精度に影響を与えることのない圧力センサを提供する。
【解決手段】半導体基板を加工して薄膜のダイアフラム部１ａ及び該ダイアフラム部１ａの圧力による撓みを検出するピエゾ抵抗が形成されたセンサチップ１と、センサチップ１を収納するボディ１１並びにボディ１１に取り付けられて被圧力検出流体をボディ１１内部に導入する導入口１２ａを有する導入管１２から成るパッケージ１０と、上面にセンサチップ１が固定されて下面がボディ１１に固定されるガラス台座２とを備え、センサチップ１とガラス台座２、並びにガラス台座２とボディ１１とを微細な固形物が混入されたシリコーン系樹脂から成る固定部材でそれぞれ接着固定した。
【選択図】図１

Description

本発明は、気体などの流体の圧力を検知する圧力センサに関する。

従来から、シリコンの優れた弾性体としての性質を利用し、マイクロマシニング技術によりダイアフラム部と呼ばれる薄膜部をシリコン基板に形成して圧力変化を電気信号に変換するようにした圧力センサ（半導体圧力センサ）が提供されている（例えば特許文献１参照）。この種の半導体圧力センサの一例を図３に示す。この従来例は、半導体基板（シリコン基板）を加工して薄膜のダイアフラム部１ａ及びダイアフラム部１ａの圧力による撓みを検出する検出素子であるピエゾ抵抗（図示せず）が形成されたセンサチップ１と、センサチップ１を収納するパッケージ１０とを備えている。パッケージ１０は、合成樹脂材料の成型品であって、一面が開口する略函形に形成されたボディ１１と、このボディ１１の底面中央より外向き（図３における下向き）に突出する筒状の導入管１２とが一体に形成されたものである。センサチップ１は、ガラス製の台座（ガラス台座）２を介してボディ１１の底面に取り付けられる。このガラス台座２には表裏両面に開口する貫通孔２ａが設けられており、貫通孔２ａの表側の開口を塞ぐ形でセンサチップ１がガラス台座２の表面（図３における上面）に接合され、導入管１２の開口（導入口）と貫通孔２ａとを連通させるようにガラス台座２の裏面（図３における下面）がボディ１１の底面に接着される。また、ボディ１１には複数の端子５がインサートされており、これら複数の端子５とセンサチップ１のピエゾ抵抗とがボンディングワイヤ１４で電気的に接続されている。ここで、センサチップ１とガラス台座２とは陽極接合によって接合されており、また、ガラス台座２とパッケージ１０とはシリコーン系の接着剤（ダイボンド剤）１３によって接着されている。
特開平９−２５０９６４号公報

ところで、上記のような圧力センサでは、検出しようとする圧力が低くなる程センサチップ１の感度を上げる必要があるが、センサチップ１の感度を上げると外部から加わる力の応力によってセンサチップ１における検出精度が低下してしまうので、かかる外部応力の影響を低減しなければならないという問題があった。

本発明は、上記の点に鑑みて為されたもので、外部から加わる力の応力がかかっても圧力変化の検出精度に影響を与えることのない圧力センサを提供することを目的とする。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、半導体基板を加工して薄膜のダイアフラム部及び該ダイアフラム部の圧力による撓みを検出する検出素子が形成されたセンサチップと、センサチップを収納するボディ並びにボディに取り付けられて被圧力検出流体をボディ内部に導入する導入口を有する導入管から成るパッケージとを備え、パッケージにかかる外部から加わる力の応力がセンサチップに伝わるのを緩和する緩和手段を設けたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、一面にセンサチップが固定されて他面がボディに固定される台座を備え、前記緩和手段は、台座とセンサチップとの間及び台座とボディとの間に介在して台座とセンサチップ、並びに台座とボディとをそれぞれ接着固定する固定部材であって、固定部材は微細な固形物が混入された樹脂から成ることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、緩和手段は、センサチップとボディとの間に介在してセンサチップとボディとを接着固定する固定部材であって、固定部材は柔軟性を有する接着剤から成ることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１乃至３の何れか１項の発明において、ボディは、センサチップが収納される収納部と、収納部の内壁から突設されて導入管の先端面が載置される段部とを有し、導入管と段部との間に導入管と段部との接触面積よりも広い面積を有する補助板を介在させたことを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項４の発明において、段部は、導入管及び補助板に向かう方向に突出する突部を有し、補助板は、該突部を挿通するための挿通孔を具備し、導入管は、該突部が嵌合する嵌合凹部を備えたことを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１乃至５の何れか１項の発明において、ボディは、外部に導出されてセンサチップの検出素子と電気的に接続される端子を備え、ボディ内部において端子及びセンサチップを樹脂材料で封止したことを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項６の発明において、端子は、ボディ外部に複数個導出されて、何れかの端子はボディ外部に突出する部位に目印を有することを特徴とする。

請求項１の発明によれば、パッケージにかかる外部から加わる力の応力がセンサチップに伝わるのを緩和する緩和手段を設けることで、外部から加わる力の応力がかかってもセンサチップにおける圧力変化の検出精度に影響を与えないようにすることができる。

請求項２の発明によれば、台座を設けることでパッケージにかかる外部から加わる力の応力がセンサチップに伝わるのを緩和することができる。また微細な固形物が混入された樹脂から成る固定部材で台座とセンサチップ、並びに台座とボディとをそれぞれ接着固定することで、固定部材の厚みを均一化することができ、周囲の温度変化に対して固定部材が均一に変形するために固定部材が偏ることによるセンサチップへの応力を低減することができる。更に、微細な固形物が混入された樹脂は樹脂単体よりも線膨張係数が小さいため、固定部材の変形量を減らすことができる。

請求項３の発明によれば、柔軟性を有する接着剤でセンサチップとボディとを固定するので、パッケージにかかる外部から加わる力の応力がセンサチップに伝わるのを緩和することができる。

請求項４の発明によれば、導入管と段部との間に導入管と段部との接触面積よりも広い面積を有する補助板を介在させることで、導入管とボディとの接触面積を広げることができ、導入管をボディに接着する際に接着強度を高めるとともに接着剤がボディ内部に流れ込むのを防止することができる。

請求項５の発明によれば、段部の突部を補助板の挿通孔に挿通し且つ導入管の嵌合凹部に嵌合させることでボディと導入管の位置決めを容易に行うことができる。また、導入管をボディに接着する際に接着剤が挿通孔及び嵌合凹部に流入するために接着効果を高めることができる。

請求項６の発明によれば、ボディ内部において端子及びセンサチップを樹脂材料で封止することで、ボディにおける端子を外部に導出する部位から流体が漏れるのを防ぐことができる。

請求項７の発明によれば、何れかの端子に目印を設けることで、圧力センサを基板等に実装する際に各端子と基板との接続箇所を容易に判別することができる。

（実施形態１）
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。但し、従来例と共通する部位については同じ符号を付す。また、以下の説明では、特に断りの無い限り図１（ａ）における上下左右を上下左右方向と定める。本実施形態は、図１（ａ）に示すように、半導体基板（シリコン基板）を加工して薄膜のダイアフラム部１ａ及びダイアフラム部１ａの圧力による撓みを検出する検出素子である複数のピエゾ抵抗（図示せず）が形成されたセンサチップ１と、センサチップ１を収納するパッケージ１０とを備えている。

パッケージ１０は、合成樹脂材料の成型品であって、一面が開口する略函形に形成されたボディ１１と、このボディ１１の開口を塞いで上向きに突出する筒状の導入管１２とから成る。ボディ１１は、下方向に所定の深さだけ窪んだ略直方体状に形成されてセンサチップ１及び後述する信号処理部３が収納される収納部１１ａと、収納部１１ａの内壁から内側に向かって突設される段部１１ｂとが設けられ、収納部１１ａの右側においては、更に所定の深さだけ下方向に窪んだ凹部１１ｄが形成され、該凹部１１ｄの底面にガラス製の台座（ガラス台座）２が配設される。導入管１２には、上下方向に貫通して圧力検出対象の流体を外部からボディ１１内部に導く導入口１２ａが設けられ、導入管１２の下端部周縁には、外側に向けて突出する略矩形状の鍔部１２ｂが全周に亘って一体に形成されている。

ボディ１１の段部１１ｂと導入管１２の鍔部１２ｂとの間には、略矩形平板状の金属製の補助板４が配設されている。補助板４は、下面の周縁部がボディ１１の段部１１ｂの上面に載置され、補助板４の上面に導入管１２の鍔部１２ｂの下面が載置される。この状態で、ボディ１１の開口周縁から接着剤６を注入することで、ボディ１１の段部１１ｂ及び導入管１２の鍔部１２ｂ及び補助板４が一体に接着固定される。また、補助板４の略中央には略円形状の連通孔４ａが貫設されており、該連通孔４ａを介して外部から圧力検出対象の流体がボディ１１の収納部１１ａに流入するようになっている。また、図１（ｂ）に示すように、補助板４の同図における左右両辺には各々２つずつ、計４ヶ所（図示では２ヶ所）の切り欠き４ｂが設けられている。これら切り欠き４ｂは、ボディ１１の段部１１ｂ上面に設けられた突部１１ｃに嵌合し、導入管１２の鍔部１２ｂ下面において突部１１ｃに対応する部位に設けられた嵌合凹部（図示せず）を補助板４の上方に突出する突部１１ｃと嵌合させることでボディ１１と導入管１２の位置決めを容易に行うことができる。

上記のように補助板４をボディ１１の段部１１ｂと導入管１２の鍔部１２ｂとの間に配設することで、導入管１２の鍔部１２ｂとボディ１１の段部１１ｂとの接触面積を広げることができ、導入管１２をボディ１１に接着する際に接着強度を高めるとともに接着剤６がボディ１１内部に流れ込むのを防止することができる。

ガラス台座２は、略直方体状に形成され、その略中央には上下両面に開口する貫通孔２ａが設けられており、貫通孔２ａの上側の開口を塞ぐ形でセンサチップ１がガラス台座２の上面に後述する固定部材（図示せず）によって接着固定され、凹部１１ｄの底面に貫設された外気導入口１１ｅと貫通孔２ａとを連通させるようにガラス台座２の下面が凹部１１ｄの底面に固定部材によって接着固定される。したがって、ダイアフラム部１ａの下部には外部から外気導入口１１ｅ及び貫通孔２ａを介して大気が流入するため、ダイアフラム部１ａの下部は導入口１２ａから流入する圧力検出対象の流体の圧力と大気圧とを比較するための圧力基準室となる。

信号処理部３は、略矩形状のＩＣチップから成り、センサチップ１のピエゾ抵抗から成る回路の出力信号を増幅する増幅回路及び該増幅回路の出力を調整する調整抵抗等により構成される信号処理回路を形成している。この信号処理回路において、センサチップ１からの出力信号に適宜処理を施して後述する外部の基板へ出力する。

ボディ１１には、図１（ｂ）に示すように、左右の外壁に各々複数（図示では４つずつ）の端子５がインサートされており、これらの端子５は外部の基板（図示せず）にセンサを実装する際に外部の基板に設けられた回路パターンと物理的且つ電気的に接続される。これら複数の端子５と信号処理部３とがボンディングワイヤ（図示せず）で電気的に接続されており、また、センサチップ１のピエゾ抵抗と信号処理部３とがボンディングワイヤで電気的に接続されている。したがって、導入口１２ａからボディ１１内部に流入する外部からの流体の圧力によってダイアフラム部１ａが撓むとピエゾ抵抗の抵抗値が変化し、この抵抗値の変化に応じたピエゾ抵抗からの出力信号が信号処理部３で処理され、処理された電気信号が端子５を介して外部の基板に設けられた回路に出力することで、圧力検出対象の流体の圧力と大気圧との差分を検出するようになっている。尚、信号処理部３は、端子５とボンディングワイヤで接続せずにボディ１１内部において端子５に直接実装しても構わない。

また、図１（ｂ）に示すように、同図における左上の端子５には下方向に突出した略矩形状の突起５ａが一体に形成されている。このような突起５ａを設けることで、本実施形態を外部の基板に実装する際に、該突起５ａが目印となって各端子５と外部の基板の接続箇所（図示せず）との対応を容易に判別することができる。尚、突起５ａの形状及び配置は本実施形態に限定されるものではなく、他の形状及び配置であっても構わない。

ボディ１１の収納部１１ａには、図１（ａ）に示すように、センサチップ１及びガラス台座２及び信号処理部３を覆うように樹脂材料から成るＪＣＲ（ジャンクションコーティングレジン）７が充填されている。このようにＪＣＲ７を充填することで、センサチップ１や信号処理部３を保護するとともにボディ１１の端子５がインサートされる部位の隙間を埋めることができ、隙間から圧力検出対象の流体が外部に漏れるのを防ぐことができる。

本実施形態では、センサチップ１とガラス台座２、並びにガラス台座２とボディ１１の凹部１１ｄとをそれぞれ接着固定する固定部材に特徴があり、固定部材は、シリコーン系樹脂のダイボンド剤の中にシリカやアルミナ等の微細な固形物を混入させて成る。このように微細な固形物をダイボンド剤の中に混入させることで、混入させない場合と比較して固定部材の厚みを均一にすることができる。したがって、周囲の温度が変化して固定部材が変形する等の場合に固定部材が均一に変形するためにダイボンド剤が不規則に歪むことが無いため、センサチップ１に加わる応力を低減することができる。また、上記のように固定部材に微細な固形物を混入した場合、シリコーン系樹脂単体で固定部材を構成する場合と比べて線膨張係数を小さくすることができるため、固定部材の変形量を低減することができ、したがってパッケージ１０の外部から加わる力の応力がセンサチップ１に伝わるのを緩和することができる。

上述のように、センサチップ１とガラス台座２、並びにガラス台座２とボディ１１とをそれぞれ接着固定する固定部材をシリコーン系樹脂の中に微細な固形物を混入させて構成することで、外部から加わる力によってセンサチップ１に伝わる応力を緩和することができ、センサチップ１における圧力変化の検出精度に影響を与えないようにすることができる。

（実施形態２）
以下、本発明の実施形態２について図面を用いて説明する。但し、実施形態１と共通する部位については同じ符号を付して説明を省略する。本実施形態は、図２に示すように、ガラス台座２を設けずにセンサチップ１とボディ１１の凹部１１ｄとを固定部材であるダイボンド剤８で接着固定している。ダイボンド剤８は、例えば高い柔軟性を有するシリコーン系樹脂にフィラーを混入させて成り、上記のようにセンサチップ１とボディ１１の凹部１１ｄとを該ダイボンド剤８で接着固定することにより、パッケージ１０の外部から加わる力の応力がセンサチップ１に伝わるのを緩和することができる。

本発明の実施形態１の圧力センサを示す図で、（ａ）は断面図で、（ｂ）は上側から見た一部透視図である。本発明の実施形態２の圧力センサの一部を示す断面図である。従来の圧力センサを示す断面図である。

符号の説明

１センサチップ
１ａダイアフラム部
２ガラス台座
１０パッケージ
１１ボディ
１２導入管
１２ａ導入口

Claims

半導体基板を加工して薄膜のダイアフラム部及び該ダイアフラム部の圧力による撓みを検出する検出素子が形成されたセンサチップと、センサチップを収納するボディ並びにボディに取り付けられて被圧力検出流体をボディ内部に導入する導入口を有する導入管から成るパッケージとを備え、パッケージにかかる外部から加わる力の応力がセンサチップに伝わるのを緩和する緩和手段を設けたことを特徴とする圧力センサ。
一面にセンサチップが固定されて他面がボディに固定される台座を備え、前記緩和手段は、台座とセンサチップとの間及び台座とボディとの間に介在して台座とセンサチップ、並びに台座とボディとをそれぞれ接着固定する固定部材であって、固定部材は微細な固形物が混入された樹脂から成ることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
前記緩和手段は、センサチップとボディとの間に介在してセンサチップとボディとを接着固定する固定部材であって、固定部材は柔軟性を有する接着剤から成ることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
前記ボディは、センサチップが収納される収納部と、収納部の内壁から突設されて導入管の先端面が載置される段部とを有し、導入管と段部との間に導入管と段部との接触面積よりも広い面積を有する補助板を介在させたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の圧力センサ。
前記段部は、導入管及び補助板に向かう方向に突出する突部を有し、補助板は、該突部を挿通するための挿通孔を具備し、導入管は、該突部が嵌合する嵌合凹部を備えたことを特徴とする請求項４記載の圧力センサ。
前記ボディは、外部に導出されてセンサチップの検出素子と電気的に接続される端子を備え、ボディ内部において端子及びセンサチップを樹脂材料で封止したことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の圧力センサ。
前記端子は、ボディ外部に複数個導出されて、何れかの端子はボディ外部に突出する部位に目印を有することを特徴とする請求項６記載の圧力センサ。