(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定媒体の圧力を導入する圧力導入孔を圧力導入部材に設け、半導体を備え、前記半導体を直接的あるいは間接的に備えたベース板を設け、前記圧力導入孔から導入される前記被測定媒体の圧力を受けて、前記半導体により前記被測定媒体の圧力を検出する半導体圧力センサであって、前記半導体と電気的に接続する導電体を直接的あるいは間接的に前記ベース板に設け、前記ベース板に前記半導体からの出力を伝える導電部材を設け、前記導電体と前記導電部材とを電気的に接続する導線を設け、少なくとも前記半導体，前記導電体，前記導線を覆う軟質部材を備え、前記ベース板に、前記ベース板とは別体の型体により前記軟質部材を収納する収納部を設け、少なくとも前記半導体を保護するプロテクタ部を前記圧力導入孔と前記半導体との間に位置するように前記型体に一体に設け、前記軟質部材を介して、前記半導体で、前記被測定媒体の圧力を受けるとともに、前記半導体が前記圧力導入孔に臨むように、前記ベース板を前記圧力導入部材に気密に接続することを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項２】
前記ベース板と前記圧力導入部材を金属により形成し、前記型体を合成樹脂により形成したことを特徴とする請求項１に記載の半導体圧力センサ。
【請求項３】
前記プロテクタ部と前記型体とを脚部によって接続したことを特徴とする請求項１に記載の半導体圧力センサ。
【請求項４】
圧力を伝える連通部を前記プロテクタ部に設けたことを特徴とする請求項１に記載の半導体圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定媒体の圧力を半導体を用いて検出する半導体圧力センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液体や気体等からなる被測定媒体の圧力を検出する半導体圧力センサとしては、例えば特開平３−２７３３３２号公報に開示されるものがある。この半導体圧力センサは、被測定媒体の圧力を導入する圧力導入孔を有する金属製のハウジングと、このハウジングの内部に圧力導入孔と対向するようガラス台座上に配設した半導体チップと、この半導体チップの周囲に設けられ、前記半導体チップとワイヤボンディングによって電気的に接続されてなる回路基板とを設けている。
【０００３】
この回路基板には半導体チップによって検出された信号を増幅するための増幅回路が形成されており、この回路基板の上部には、前記半導体チップや回路基板へのノイズを除去するための貫通コンデンサが設けられていて、回路基板により増幅された検出信号が端子を介して外部に出力されるようになっている。
【０００４】
そして、半導体チップや回路基板は前記ハウジングの上部に取付けられる金属からなる電磁波侵入防止用の蓋材であるシールプレートにより覆われ、さらに上ハウジングにより収納され、前記上ハウジングには前記端子を支持するグロメットが設けられ、前記上ハウジングとグロメットとは前記ハウジングの上端部全周を折り曲げて加締めることで閉塞されるようになっている。
【０００５】
また、ハウジングの下部にはネジ部が形成されており、測定対象である例えば車両用エンジンの一部に対しこのネジ部を直接ねじ込むことにより半導体圧力センサが固定されることになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来構造における半導体圧力センサにあっては、エンジンオイルの圧力検出やターボエンジンのブースト圧の検出に用いられていた。これらの圧力は、最大でも１ＭＰａ（メガパスカル）までであり、これより、高圧の圧力（例えば、エアブレーキの空気圧の３ＭＰａ）を検出するものに用いる場合には、チップサイズを大きくし、センサチップ８と台座７との接触面積を大きくし、強度を上げることにより、高圧に耐えるものを作成することもできるが、チップサイズを大きくすることにより、コストの増大を招くことになる。
【０００７】
そこで本発明は、高圧の圧力も検出することが可能な半導体圧力センサを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、被測定媒体の圧力を導入する圧力導入孔を圧力導入部材に設け、半導体を備え、前記半導体を直接的あるいは間接的に備えたベース板を設け、前記圧力導入孔から導入される前記被測定媒体の圧力を受けて、前記半導体により前記被測定媒体の圧力を検出する半導体圧力センサであって、前記半導体と電気的に接続する導電体を直接的あるいは間接的に前記ベース板に設け、前記ベース板に前記半導体からの出力を伝える導電部材を設け、前記導電体と前記導電部材とを電気的に接続する導線を設け、少なくとも前記半導体，前記導電体，前記導線を覆う軟質部材を備え、前記ベース板に、前記ベース板とは別体の型体により前記軟質部材を収納する収納部を設け、少なくとも前記半導体を保護するプロテクタ部を前記圧力導入孔と前記半導体との間に位置するように前記型体に一体に設け、前記軟質部材を介して、前記半導体で、前記被測定媒体の圧力を受けるとともに、前記半導体が前記圧力導入孔に臨むように、前記ベース板を前記圧力導入部材に気密に接続するものである。
【０００９】
また、前記ベース板と前記圧力導入部材を金属により形成し、前記型体を合成樹脂により形成したものである。
【００１１】
また、前記プロテクタ部と前記型体とを脚部によって接続したものである。
【００１２】
また、圧力を伝える連通部を前記プロテクタ部に設けたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体圧力センサは、被測定媒体の圧力を導入する圧力導入孔２を圧力導入部材３に設け、半導体４０を備え、半導体４０を直接的あるいは間接的に備えたベース板６を設け、圧力導入孔２から導入される前記被測定媒体の圧力を受けて、半導体４０により前記被測定媒体の圧力を検出する半導体圧力センサであって、半導体４０と電気的に接続する導電体４１を直接的あるいは間接的にベース板６に設け、ベース板６に半導体４０からの出力を伝える導電部材であるリードピン２３を設け、導電体４１とリードピン２３とを電気的に接続する導線２４を設け、少なくとも半導体４０，導電体４１，導線２４を覆う軟質部材２１を備え、ベース板６に、ベース板６とは別体の型体である筒状部材２０により軟質部材２１を収納する収納部３８を設け、少なくとも半導体４０を保護するプロテクタ部３６を圧力導入孔２と半導体４０との間に位置するように筒状部材２０に一体に設け、軟質部材２１を介して、半導体４０で、前記被測定媒体の圧力を受けるとともに、半導体４０が圧力導入孔２に臨むように、ベース板６を圧力導入部材３に気密に接続した。以上の構成により、被測定媒体の高圧の圧力を検出することができるとともに、筒状部材２０をベース板６に取り付ける前に、リードピン２３に導線２４を接続する作業を行うことができるので、作業性が向上する。加えて、少なくとも半導体４０を保護するプロテクタ部３６を圧力導入孔２と半導体４０との間に位置するように筒状部材２０に一体に設けたことにより、半導体４０を保護することができる。
【００１４】
ベース板６と圧力導入部材３を金属により形成し、筒状部材２０を合成樹脂により形成したことにより、圧力導入部材３とベース板６とを電気溶接により接合する場合に、圧力導入部材３の近くに位置する筒状部材２０に電流が流れることがないので、良好な溶接を行うことができる。
【００１６】
また、プロテクタ部３６と筒状部材２０とを脚部３７によって接続したことにより、筒状部材２０が脱落した際に、プロテクタ部３６が圧力導入孔２に接触しても、連通部４４により圧力が伝わるように構成したものであり、圧力導入孔２をプロテクタ部３６が塞いでしまい、圧力が伝わらなくなることを防止することができる。
【００１７】
また、圧力を伝える連通部を前記プロテクタ部に設けたことにより、センサチップ８や導線２４をより確実に保護することができるとともに、筒状部材２０が脱落した際に、圧力導入孔２をプロテクタ部３６が塞いでしまい、圧力が伝わらなくなることを防止することができる。
【００１８】
【実施例】
以下本発明の第１実施例を添付図面に基づいて説明する。図１から図４は本発明の第１実施例を示すものである。本実施例における半導体圧力センサは水やオイルやガス等の流体である被測定媒体の圧力を検出するものであり、下部に取付用のネジ部１を有し圧力導入孔２を備えた金属製の圧力導入部材３と、この圧力導入部材３をインサート成形してなる合成樹脂製の収納体４を備えた下部ハウジング５と、圧力導入孔２の上端部に配設される金属製のベース板６と、ベース板６にガラス製の台座７を介して配設される半導体を備えたシリコンチップからなるセンサチップ８と、センサチップ８と電気的に接続されるガラスエポキシ樹脂からなる回路基板９と、この回路基板９を覆う金属からなる電磁波侵入防止用のシールドケース１０と、回路基板９の端部に設けられ外部に出力信号を供給するリードピン１１と、このリードピン１１に接続されたコネクタ端子１２と、このコネクタ端子１２の一部が臨むコネクタ部１３を備えた合成樹脂製の上部ハウジング１４とから構成されるものである。
【００１９】
センサチップ８は、被測定媒体の圧力を電気信号に変換するものであり、このセンサチップ８は、シリコンチップ３９の表面に半導体歪みゲージ等の半導体４０とこの半導体４０に接続する導電体４１が形成され薄肉のダイアフラム４２を備えたものであり、ガラス製の台座７上に、陽極結合によって気密的に接合してなるものであり、センサチップ８の裏面には凹部２２が形成されている。
【００２０】
センサチップ８と台座７とは、真空中で接合されるので、凹部２２によって形成される空間は真空である。この凹部２２を真空にすることにより絶対圧の検出を可能としている。一方、台座７とベース板６の中心部に図示しない通気孔を設け、また、上部ハウジング１４の任意の場所に通気孔を形成して外部とつなげることにより、容易に相対圧を検出することも可能となる。
【００２１】
また、センサチップ８の台座７と接触している側ではなく、半導体４０を設けた側で被測定媒体の圧力を受けることで、従来と同じサイズで、高圧に耐え得ることが可能な半導体圧力センサを安価に提供することができる。
【００２２】
この台座７は、ベース板６との対向面にメタライズ層が形成され、後述するベース板６上に半田付けすることにより載置される。
【００２３】
下部ハウジング５は、耐熱性及び耐クリープ性の合成樹脂材料である例えばポリファニレンサルファイド（ＰＰＳ）からなる収納体４を、圧力導入部材３に一体にインサート成型するとともにセンサチップ８，台座７，ベース板６を収納する機能をなすものである。
【００２４】
下部ハウジング５内にインサート成型された圧力導入部材３はその圧力導入孔２の入口側を開口し、被測定媒体の圧力を圧力導入孔２を介してセンサチップ８に伝達する役目をなす。下部ハウジング５の下部にはこの下部ハウジング５と一体にネジ部１が形成され、このネジ部１により車両などの測定対象に直接ねじ込まれて固定されるものである。
【００２５】
本実施例では圧力導入部材３の収納体４との接触部に凹凸部１４を設けることにより、この凹凸部１４に収納体４となる樹脂が入り込み気密性及び強度が向上することになる。
【００２６】
圧力導入部材３は、例えばステンレス鋼からなる金属材料によって筒状に形成されるものであり、圧力導入孔２の一端部を開放し圧力を導入する入口とし、他端部にはベース板６を配設するための載置部１６を設けている。圧力導入孔２の載置部１６を設けた側には、センサチップ８等が収納される収納凹部１７が形成されている。
【００２７】
ベース板６は、略円形部材からなり、台座７の熱膨張係数に近似した熱膨張係数を有するコバール等の金属材料からなり、このベース板６には、圧力導入部材３の載置部１５に配設するためのフランジ部１８と、台座７と接続する盛り上がった段差部１９とを備えている。
【００２８】
また、ベース板６には、ベース板６を貫通する導電部材であるリードピン２３が設けられており、このリードピン２３は、センサチップ８の導電体４１と電気的に接続し、半導体４０からの出力を伝える金などの導線２４が接続されている。
【００２９】
ベース板６は、フランジ部１６と圧力導入部材３の載置部１５とを溶接することによって、圧力導入部材３上に気密に接合される。ベース板６を圧力導入部材３に気密に接続したことにより、被測定媒体の高圧の圧力を漏らすことなく正確に検出することができる。
【００３０】
このベース板６に台座７が設けられており、台座７と圧力導入部材３との間に介在して両者の熱膨張係数の違いによる変形量の違いを吸収する中間部材としての役割をなしている。
【００３１】
また、ベース板６の段差部１９の周囲には、合成樹脂からなる型体である筒状部材２０が設けられており、この筒状部材２０に段差部１９が接合で取り付けられている。
【００３２】
このベース板６と筒状部材２０とで囲まれる収納部３８に台座７とセンサチップ８とが収納されており、さらにこの空間は軟質部材２１で満たされて封止されている。この軟質部材２１の表面は、凹んでいる。なお、この軟質部材２１はフロロシリコーンゲルであり、被測定媒体の圧力はこの軟質部材２１を介してセンサチップ８に伝えられる。これにより、半導体４０，導電体４１，導線２４を保護することができる。
【００３３】
また、筒状部材２０を別体にすることにより、筒状部材２０をベース板６に取り付ける前に、リードピン２３に導線２４を接続する作業を行うことができるので、作業性がよい。
【００３４】
収納部３８を形成したことにより、この収納部３８に軟質部材２１を充填するときに、半導体チップ８や後述するリードピン２３や導線２４を覆うことができる。特に軟質部材２１が低粘度の場合でも、半導体４０，導電体４１，導線２４等を確実に覆い保護することができる。
【００３５】
また、収納部３８は、導線２４の高さより高い位置まで、その壁が形成されていれば、半導体４０，導電体４１，導線２４等を確実に覆い保護することができる。また、この収納部３８に軟質部材２１を充填したときに、軟質部材２１内に気体が含まれているか否かを容易に目視などで判断することができ、軟質部材２１内に気体が侵入したまま次の製造工程に行くことがなく、品質の安定した半導体圧力センサを提供することができる。
【００３７】
なお、本実施例では、圧力導入部材３とベース板６とを電気溶接により接合するため、筒状部材２０は合成樹脂により形成されている。合成樹脂により形成することで、電気溶接を行う際に、圧力導入部材３の近くに位置する筒状部材２０に電流が流れることがないので、良好な溶接を行うことができる。
【００３８】
回路基板９は、図３に示すように、下部ハウジング５の収納体４の開口部４ａを覆うものであり、ベース板６を貫通する複数のリードピン２３及び金などの導線２４により、電気的に接続されるものである。この回路基板９には、センサチップ８からの電気信号を増幅する増幅回路を構成する電子部品４３と、前記増幅回路により増幅された電気信号を外部に供給するためのリードピン１１とを備えている。
【００３９】
回路基板９を覆うように、シールドケース１０が設けられている。このシールドケース１０は下側に開口を備えており、下部ハウジング５の全周に設けた鍔部２５に当接し、シールドケース１０と下部ハウジング５とでベース板６，センサチップ８，回路基板９などを収納している。回路基板６に設けたリードピン１１は貫通コンデンサ２６を介して、このシールドケース１０を貫通している。
【００４０】
また、シールドケース１０，回路基板９，ベース板６は、リードピン２７によって電気的に接続されており、シールドケース１０，回路基板９に生じたノイズは、ベース板６を介して、さらに、圧力導入部３を介して、図示しない車両に接地される。本実施例では、このリードピン２７は、ベース板６に銀あるいは銅による蝋付けにより接続されているが、溶接などによって接続してもよい。このように、ベース板６を圧力導入部材３に溶接などの手段により接触させ、さらに、シールドケース１０、回路基板９とを電気的に接続することにより、簡素な構成で、シールドケース１０及び回路基板９で発生するノイズが前記車両に接地され、ノイズの影響を受けにくい半導体圧力センサを提供することができる。また、３５は、孔部であり、リードピン２３を回路基板９に半田付け作業を行えるように設けたものである。
【００４１】
リードピン１１は、回路基板９に設けられており、センサチップ８により検出され前記増幅回路によって増幅された信号を外部に供給するコネクタ端子１２と半田付けされるものである。
【００４２】
このコネクタ端子１２は、下部ハウジング５と組み合わされてセンサチップ８や回路基板９や増幅回路部７を収納する上部ハウジング１１のコネクタ部１３により、弾性部材からなる支持部材２８を介して案内支持され、上部ハウジング１１の外部に導き出される。支持部材２８は、シールドケース１０に設けた図示しない貫通孔にその一部を挿入すると共に、上部ハウジング１４に設けた凹部２９に圧入状態ではめ込まれて固定されている。
【００４３】
上部ハウジング１１は、例えばポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）からなる樹脂材料により形成され、上部には凹部３０を備えたコネクタ部１３が形成され、上部ハウジング１１の内部からこのコネクタ部１３に向けてコネクタ端子１２が引き出されるようになっている。
【００４４】
また、上部ハウジング１１は、下部ハウジング５と組み合わされた時、上部ハウジング１１の内面全周に設けた段差部３１と下部ハウジング５の鍔部２５とで、シールドケース１０の開口全周に設けたフランジ３２をはさみ付ける。また、下部ハウジング５の側面全周に溝部３３を設け、この溝部３３にＯリング３４を設け、上部ハウジング１４を設けることにより、Ｏリング３４を設けた部分で機密状態で取り付けることができる。さらに、上部ハウジング１１の下側端部全周を内側に折り曲げるように熱加締めを行うことにより下部ハウジング５と固定される。
【００４５】
図５，６は、本発明の第２実施例を示すものであり、筒状部材２０にセンサチップ８を保護するプロテクタ部３６が設けられており、このプロテクタ部３６は３つの脚部３７を備えている。
【００４６】
このプロテクタ部３６は、圧力導入孔２と半導体４０を備えたセンサチップ８との間に位置しており、圧力導入孔２から侵入する異物によって、軟質部材２１に突き刺さり、センサチップ８や導線２４等が破損しないように保護するものである。
【００４７】
なお、本実施例では、圧力導入孔２側からプロテクタ部３６を見た場合に、センサチップ８を覆い隠し、一部導線２４が露出する部分がある。この露出した部分は連通部４４であり、例えば、図７で示すように、筒状部材２０が脱落した際に、プロテクタ部３６が圧力導入孔２に接触しても、連通部４４により圧力が伝わるように構成したものであり、圧力導入孔２をプロテクタ部３６が塞いでしまい、圧力が伝わらなくなることを防止するためである。
【００４８】
また、例えば、圧力導入孔２側からプロテクタ部３６を見た時に、センサチップ８のみならず導線２４などすべてを覆うようにプロテクタ部３６を形成したものでもよい。この場合には、プロテクタ部３６の圧力導入孔２に向かう面に圧力を伝える連通部４４として、切り欠き部を形成してもよい。このように構成することにより、センサチップ８や導線２４をより確実に保護することができるとともに、筒状部材２０が脱落した際に、圧力導入孔２をプロテクタ部３６が塞いでしまい、圧力が伝わらなくなることを防止することができる。
【００４９】
また、圧力導入孔２の入り口の径と、センサチップ８側の径との大きさが異なる場合は、入り口側の径ではなく、センサチップ８側の径より大きいものであればよい。
【００５０】
また、このプロテクタ部３６を筒状部材２０と一体に形成したことにより、筒状部材２０とは別体にプロテクタ部３６を設けた場合に比べて、筒状部材２０と一体に形成したプロテクタ部３６が圧力導入孔２より脱落する虞がない。
【００５１】
なお、前記各実施例では、センサチップ８はシリコンのピエゾ抵抗効果を利用したもので、シリコンチップ４０上に半導体プレーナ技術によって拡散抵抗を作成し、その裏面をエッチングして圧力に感応する薄いダイアフラム４２としたものであり、この半導体４０，導電体４１をシリコンチップ３９、台座７を介して間接的にベース板６に設けたものであるが、前記実施例に限定されるものではなく、半導体，導電体を用いるものであれば、例えば、ベース板６上に図示しない絶縁層を介して直接半導体，導電体を蒸着により設け、さらにこのベース板６に薄いダイアフラムを設けたものを用いてよい。この場合、前記実施例に比べて、台座７及びシリコンチップが不要となる。
【００５２】
なお、前記各実施例は、高圧の圧力を検出する半導体圧力センサであったが、低圧を検出する半導体圧力センサに本発明の構造を適用してもなんら問題はない。
【００５３】
【発明の効果】
以上本発明によれば、所期の目的を達成することができる半導体圧力センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す上面図である。
【図２】同実施例の側面図である。
【図３】図１中のＡ−Ａ線の断面図である。
【図４】同実施例の要部拡大断面図である。
【図５】本発明の第２実施例の要部を示す断面図である。
【図６】同実施例の圧力導入孔側から見た正面図である。
【図７】同実施例の要部断面図である。
【符号の説明】
１          ネジ部
２          圧力導入孔
３          圧力導入部材
４          収納体
４ａ        開口部
５          下部ハウジング
６          ベース板（金属板）
７          台座（ガラス）
８          センサチップ
９          回路基板
１０          シールドケース
１１          リードピン
１２          コネクタ端子
１３          コネクタ部
１４          上部ハウジング
１５          凹凸部
１６          載置部
１７          収納凹部
１８          フランジ部
１９          段差部
２０          筒状部材（型体）
２１          軟質部材
２２          凹部
２３          リードピン
２４          導線
２５          鍔部
２６          貫通コンデンサ
２７          リードピン
２８          支持部材
２９          凹部
３０          凹部
３１          段差部
３２          フランジ
３３          溝部
３４          Ｏリング
３５          孔部
３６          プロテクタ
３７          脚部
３８          収納部
３９          シリコンチップ
４０          半導体
４１          導電体
４２          ダイヤフラム
４３          電子部品
４４          連通部
【図１】
0003722191.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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