(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力を検出してその検出値に応じたレベルの電気信号を発生する検出部（２０）を、耐薬品性を有する保護部材（５１、５２）で被覆して保護するようにした圧力センサにおいて、
前記保護部材は、耐薬品性を有する母材に対しこの母材よりもガラス転移温度の低い材料を混合させることにより、前記保護部材全体のガラス転移温度が前記母材のガラス転移温度よりも低下させられたものより構成されており、
前記母材は、フッ素系のゲル材料もしくはフッ素系のゴム材料であり、前記母材よりもガラス転移温度の低い材料は、フッ素系のオイルであることを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
前記保護部材全体のガラス転移温度は、−３０℃以下になっていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力を検出してその検出値に応じたレベルの電気信号を発生する検出部を、耐薬品性を有する保護部材で被覆して保護するようにした圧力センサに関し、特に低温での耐薬品性向上に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の圧力センサとしては、特開平１１−３０４６１９号公報に記載のものが提案されている。このものは、圧力を検出してその検出値に応じたレベルの電気信号を発生する検出部としての半導体圧力センサチップを、樹脂パッケージに搭載し、耐薬品性を有するフッ素系のゲル材料もしくはゴム材料よりなる保護部材で被覆保護したものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した従来の圧力センサにおいては、自動車のインテークマニホールドの吸気圧センサのようにガソリン等の薬品に曝される環境で使用する場合、保護部材に対して、次のようなことに留意する必要がある。即ち、保護部材中に侵入したガソリンが高温で膨張して保護部材中に気泡が発生し、結果的に保護部材の耐薬品性が悪化するのを防止するために、保護部材のフッ素化率を高くしたり、硬さを硬くして、高温でのガソリンによる膨潤を抑えることが重要である。
【０００４】
しかしながら、圧力センサをより低温（例えば−３０℃）の環境で使用可能としたいという要望があり、この要望を実現するためには、保護材料のガラス転移温度を今以上に低くする必要が生じる。例えば、フッ素化率の高いフッ素ゲルやフッ素ゴムは、ガラス転移温度が約−２０℃であり、これよりも低い温度とした場合、例えば、−２０℃から−４０℃とした場合では、フッ素ゲルの弾性率（ヤング率）は０．３ＭＰａから５ＭＰａ、フッ素ゴムの弾性率は２ＭＰａから１００ＭＰａと急激に大きくなる。
【０００５】
これに伴い、フッ素化率を高めた保護材料において大きな応力が発生し、この応力がセンサの検出部に加わるため、センサ特性が悪化する。また、この大きな応力によって保護部材が、樹脂パッケージから剥離し、結果的に耐薬品性が悪化するといった問題も生じる。また、ガソリンによる保護部材の膨潤を抑えるために保護部材を硬くした場合には、この応力は更に大きくなり、上記の諸問題がより顕著なものになってしまう。
【０００６】
そこで、本発明は上記事情に鑑み、圧力を検出してその検出値に応じたレベルの電気信号を発生する検出部を、耐薬品性を有する保護部材で被覆して保護するようにした圧力センサにおいて、低温環境にて、センサ特性の悪化を招くことなく、耐薬品性を向上させることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、保護部材の弾性率を実用レベルに維持しつつ、そのガラス転移温度をより低温側へ移動させるために、種々実験検討した結果に基づいてなされたものである。
【０００８】
即ち、請求項１の発明においては、検出部（２０）を保護する保護部材（５１、５２）を、耐薬品性を有する母材に対しこの母材よりもガラス転移温度の低い材料を混合させることにより、保護部材全体のガラス転移温度が母材のガラス転移温度よりも低下させられたものより構成したことを特徴としている。
【０００９】
本発明によれば、保護部材の弾性率を、高温でのガソリンの膨張にて発生する気泡を抑制するに十分なレベルに維持しつつ、そのガラス転移温度を従来よりも低温側へ移動させることができ、上記した低温にて発生する応力を極力低減させることができる。そのため、低温環境にて、センサ特性の悪化を招くことなく、耐薬品性を向上させることができる。
【００１０】
ここで、本発明では、保護部材の母材としてはフッ素系のゲル材料もしくはフッ素系のゴム材料を採用し、母材よりもガラス転移温度の低い材料としてはフッ素系のオイルを採用している。これらの材料を使用すれば、保護部材全体のガラス転移温度を、容易に−３０℃以下の低いものとできる。なお、ガラス転移温度が母材よりも低い材料は、フッ素系のゲル、フッ素系のゴムのうち、少なくともフッ素系のゴム材料の方に混入されていると良い。
【００１１】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図１は本実施形態に係る圧力センサ１００の概略断面図である。限定するものではないが、この圧力センサ１００を、自動車のインテークマニホールドに取り付けられガソリン等の薬品に曝される環境で使用される吸気圧センサに適用した例について説明する。
【００１３】
樹脂パッケージ１０は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）やエポキシ樹脂等の樹脂材料を型成形してなる。樹脂パッケージ１０の上面には、後述する検出部２０を搭載するための開口した凹部１１が形成されている。
【００１４】
樹脂パッケージ１０には、銅などの導電材料よりなる複数本のピン（導体部）３０がインサート成形により一体的に設けられている。これらピン３０の一部は、上記凹部１１の底面にて露出した状態となるように配置されており、該露出部分は金メッキが施されることにより、ボンディングパッドとして機能するように構成されている。また、ピン３０は、ボンディングパッド以外の図示しない部位にて、図示しない外部機器（外部の配線部材等）に接続可能となっている。
【００１５】
樹脂パッケージ１０の凹部１１に搭載された検出部２０は、圧力を検出してその検出値に応じたレベルの電気信号を発生する半導体よりなるセンサチップ２１と、このセンサチップ２１を保持するガラス台座２２とにより、構成されている。センサチップ２１は、ピエゾ抵抗効果を利用した周知構成のもので、その上面にセンシング部としてのダイヤフラム２１ａ及び図示しない拡散抵抗などを備えた構成となっている。
【００１６】
このセンサチップ２１は、上記凹部１１の底面にガラス台座２２を介して、例えばシリコーンゴム等の接着剤２３によりダイボンディングされている。また、センサチップ２１の各入出力端子（図示せず）は、ピン３０のボンディングパッドに対し金やアルミニウム等のワイヤ４０を介して電気的に接続されている。こうして、検出部２０は、樹脂パッケージ１０の凹部１１に搭載された状態でピン３０と電気的に接続されている。
【００１７】
また、上記凹部１１内には、耐薬品性を有する電気絶縁材料製の保護部材５１、５２が、検出部２０及びワイヤ４０を埋めるように充填されている。この保護部材５１、５２により、検出部２０、ピン３０、ワイヤ４０、センサチップ２１とワイヤ４０との接続部、及び、ピン３０とワイヤ４０との接続部が被覆され、ガソリン等の薬品からの保護、電気的な絶縁性の確保、並びに防食などが図られている。
【００１８】
ここで、保護部材５１、５２は、第１の保護部材５１の上に、この第１の保護部材５１よりも低弾性である第２の保護部材５２を積層した２層構造より構成されている。下層の第１の保護部材５１は、センサチップ２１のセンシング部及びワイヤ４０の上部を露出させた状態で、検出部２０、ワイヤ４０とピン３０との接続部、ピン３０及びその周辺部を覆うように設けられている。上層の第２の保護部材５２は、第１の保護部材５１から露出する検出部２０及びワイヤ４０を被覆している。
【００１９】
これら第１及び第２の保護部材５１、５２はそれぞれ、耐薬品性を有する母材に対しこの母材よりもガラス転移温度の低い材料を混合させることにより、保護部材５１、５２全体のガラス転移温度が母材のガラス転移温度よりも低下させられたものより構成している。これら両保護部材５１、５２は、共に、（−ＣＦ２Ｃ２Ｆ４−Ｏ−）ｎ等のベースポリマーと架橋剤とからなるフッ素系材料を母材として熱硬化させたものである。
【００２０】
ここで、第１の保護部材５１の母材は、ピン３０と樹脂パッケージ１０との隙間等からの気泡の発生を抑制するために高弾性率を持ち且つ耐薬品性を有するフッ素系のゴム材料であり、第２の保護部材５２の母材は、検出部２０及びワイヤ４０へ応力を与えないような低弾性率を持ち且つ耐薬品性を有するフッ素系のゲル材料である。
【００２１】
本例における各保護部材５１、５２の母材について、母材単独の熱硬化後における物性を挙げると、次のようである。まず、第１の保護部材５１の母材は、ガラス転移温度が約−２０℃、飽和膨潤率が７％以下、ヤング率が室温で０．１ＭＰａ以上のフッ素ゲルである。また、第２の保護部材５２の母材は、ガラス転移温度が約−２０℃、飽和膨潤率が７％以下、ＪＩＳ  Ｋ２２２０  １／４コーンで規定される針入度が１０以上３０以下のフッ素ゴムである。
【００２２】
ここで、飽和膨潤率は、耐薬品性を示すもので、使用環境中の薬品や水分のうち最も保護部材へ溶解しやすい成分であるガソリンを基準とした。飽和膨潤率は、次のようにして測定されたものである。例えばシャーレ等に２０℃の無鉛レギュラーガソリンを満たし、このガソリン中に、予め重量（これを初期重量とする）を測定しておいた保護部材単体（例えばフッ素ゲルを熱硬化させたもの）を浸漬させる。
【００２３】
しかる後、保護部材へのガソリンの溶解が飽和状態となったところで引き上げ、ガソリンによって膨潤し重くなった保護部材の重量（これを飽和重量とする）を測定する。そして、求められた初期重量と飽和重量との差分を初期重量で除して１００を乗じたものを飽和膨潤率（重量％）とし、この値は小さいほど良い。そして、本発明者等の検討によれば、保護部材の飽和膨潤率が７％以下であれば、高温でのガソリンの膨潤による気泡発生を実用レベルにて抑制できることを確認している。
【００２４】
一方、本例における母材よりもガラス転移温度の低い材料としては、ガラス転移温度が約−１１０℃のフッ素系オイルを採用している。このフッ素系オイルを、各保護部材５１、５２毎に母材に対して混合させることにより、両保護部材５１、５２全体のガラス転移温度を、母材のガラス転移温度（約−２０℃）よりも低下させ、約−５５℃としている。ここで、母材に対する上記フッ素系オイルの混合比率は、例えば、第１の保護部材５１では、４０重量％、第２の保護部材５２では、４０重量％である。
【００２５】
かかる圧力センサ１００は、検出部２０を樹脂パッケージ１０へ搭載し、センサチップ２１とピン３０とをワイヤボンディングにより結線した後、フッ素系オイルが混合されたフッ素ゴム及びフッ素系オイルが混合されたフッ素ゲルを順次、真空中にて凹部１１内へ充填し、熱硬化処理（例えば１５０℃）を行い、保護部材５１、５２を形成することにより、作成される。そして、圧力センサ１００は、その凹部１１が自動車におけるエンジン吸気路と連通した状態で配置されるものであり、これにより、検出部２０によって吸気圧（負圧）を検出できるように構成される。
【００２６】
ここで、本例における保護部材５１、５２の弾性率（熱硬化後のヤング率）の温度依存性を図２に示す。図２において、（ａ）はフッ素ゴムを母材とした第１の保護部材５１、（ｂ）はフッ素ゲルを母材とした第２の保護部材５２を示す。図２（ａ）及び（ｂ）共、オイル有り（実線）がフッ素系オイルを混合した本例の保護部材であり、オイル無し（破線）はフッ素系オイルを含まずに母材のみとした従来構成の保護部材である。
【００２７】
図２から、従来の保護部材であるフッ素ゲルやフッ素ゴム（ガラス転移温度：約−２０℃）については、例えば、−２０℃から−４０℃とした場合、フッ素ゲルの弾性率（ヤング率）は０．３ＭＰａから５ＭＰａ、フッ素ゴムの弾性率は２ＭＰａから１００ＭＰａと急激に大きくなる。
【００２８】
それに対して、本例の第１及び第２の保護部材５１、５２共に、ガラス転移温度が母材のそれよりも低下している（−２０℃→−５５℃）ため、母材の有する室温及び高温での弾性率特性を維持しつつ、従来の保護部材である母材（オイル無し）に比べて、低温（零下）での弾性率の増大が大幅に抑制されている。
【００２９】
また、図３は、本例の第１の保護部材５１（黒丸マーク：フッ素ゴム・オイル有り）及び第２の保護部材５２（黒四角マーク：フッ素ゲル・オイル有り）を用いた圧力センサ、及び、図２中の従来の保護部材（白丸マーク：フッ素ゴム・オイル無し、白四角マーク：フッ素ゲル・オイル無し）を用いて上記２層構造の保護部材構成とした圧力センサにおいて、−４０℃における保護部材の弾性率と発生応力との関係を示す図である。
【００３０】
ここで、横軸に、保護部材と樹脂パッケージ１０を構成するＰＰＳとの接着力（Ｎ／ｍｍ２）を示し、縦軸に、弾性率（Ｐａ）及び発生応力（Ｎ／ｍｍ２）を示してある。そして、ＰＰＳとの接着力と発生応力との関係において、一点鎖線Ｋよりも弾性率の大きい保護部材については、樹脂パッケージ１０との剥離が発生することを示している。
【００３１】
図３では、従来の保護部材のうちフッ素ゴム・オイル無しが剥離する。しかし、本発明の保護部材５１、５２は、フッ素ゴム及びフッ素ゲルともに、従来の保護部材（オイル無しのもの）に比べて、−４０℃での弾性率を小さくして発生応力を低減できていることがわかる。
【００３２】
このように、本実施形態によれば、保護部材５１、５２の弾性率を、高温でのガソリンの膨張により発生する気泡を抑制するに十分なレベルに維持しつつ、そのガラス転移温度を従来よりも低温側へ移動させることができ、低温にて発生する応力を極力低減させることができる。そのため、高温でのガソリンの膨張により発生する気泡、低温での検出部２０への過大な応力印加及びパッケージ１０からの剥離といった諸問題を解決できる。
【００３３】
従って、本実施形態によれば、低温環境にて、センサ特性の悪化を招くことなく、耐薬品性を向上させた圧力センサ１００を提供することができる。特に、上記例の保護部材５１、５２ではガラス転移温度が約−５５℃であり、車載用の圧力センサの使用範囲の下限である−３０℃よりも低くなっているため、自動車の吸気圧センサとして十分に有用である。
【００３４】
また、図３から少なくとも保護部材５１（フッ素系ゴム）にフッ素系オイルを混入すれば、樹脂パッケージ１０からの剥離を防止することができる。保護部材５１へオイルを混入させることにより、剥離防止の効果を高めることができると言える。
【００３５】
（他の実施形態）
なお、本発明の圧力センサは、自動車の吸気圧センサ以外にも、使用温度範囲が広く耐薬品性が必要な圧力センサにも適用可能であることは勿論である。例えば、吸気圧のような負圧を検出するものでない場合には、保護部材内の気泡発生を防止するために高弾性のフッ素ゴムを保護部材として用いる必要がなくなる。その場合、圧力センサは図４に示すような断面構成とすることができる。
【００３６】
図４に示す圧力センサ２００は、上記第１及び第２の保護部材５１、５２のうち、比較的低弾性のフッ素ゲルにフッ素系オイルを混合させたものを熱硬化してなる第２の保護部材５２のみにより、保護部材を形成したものである。この圧力センサ２００によっても、負圧を検出するものに適用しない場合には、上記実施形態の圧力センサ１００と同様の硬化が得られる。
【００３７】
また、保護部材の母材としては、フッ素系のゴム材料及びフッ素系のゲル材料以外にも、耐薬品性のあるものであれば適宜代用可能であり、また、母材よりもガラス転移温度の低い材料としても、上記フッ素系オイル以外に適宜代用してよい。
【００３８】
また、本発明の圧力センサは、上記実施形態のような検出部が半導体ダイヤフラム式のものに限定されるものではなく、例えば、検出部が容量式のもの、圧電素子を用いたもの等にも、適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る圧力センサの概略断面図である。
【図２】本発明及び従来の保護部材の弾性率の温度依存性を示すグラフである。
【図３】本発明及び従来の保護部材の−４０℃における弾性率と発生応力との関係を示す図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る圧力センサの概略断面図である。
【符号の説明】
２０…検出部、５１…第１の保護部材、５２…第２の保護部材。
【図１】
0003591425.tif 000002
【図２】
0003591425.tif 000003
【図３】
0003591425.tif 000004
【図４】
0003591425.tif 000005