(57)【要約】【課題】圧力および異常燃焼の発生を検出できる片持ち構造の圧力センサを実現する。【解決手段】ダイヤフラム１４ａと内部空間３０とを備えるセンサチップ４０が封止樹脂５０により片持ち構造となるように封止された圧力センサにて、該センサチップのうち封止樹脂から露出する部位を露出部４１とし、厚さ方向と直交しつつ、該露出部が封止樹脂から突き出る方向に平行な方向を突出方向とし、突出方向における該露出部の長さをＬ、該センサチップの材質のヤング率をＥ、該材質の密度をρ、該露出部を突出方向から見た場合の該露出部の断面積をＡ、該露出部の断面二次モーメントをＩ、該露出部の固有振動数をｆｎとした場合、ｆｎ＝１．７６／（π×Ｌ２）×（ＥＩ／ρＡ）１／２を満たし、かつ、ｆｎを４ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの範囲内とする。これにより、共振作用を利用してノッキング周波数の振動を増幅させた信号を出力でき、異常燃焼の発生を検出できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体圧に応じた電気出力を発生するように構成され、エンジンが搭載された車両に取り付けられる圧力センサであって、
薄板形状を有し前記流体圧によって前記薄板形状における板厚を規定する厚さ方向に撓むダイヤフラム（１４ａ）と、前記厚さ方向に前記ダイヤフラムと隣接する空間である内部空間（３０）と、を有するセンサチップ（４０）と、
前記センサチップのうち前記ダイヤフラムが形成された一端側と反対の他端側を封止すると共に、前記センサチップを片持ち状態で支持する封止樹脂（５０）と、を備え、
前記センサチップのうち前記封止樹脂から露出している部位を露出部（４１）とし、前記厚さ方向と直交しつつ、前記露出部が前記封止樹脂から突き出る方向に平行な方向を突出方向として、
前記突出方向における前記露出部の長さをＬとし、前記センサチップの材質のヤング率をＥとし、前記センサチップの材質の密度をρとし、
前記露出部を前記突出方向から見た場合における前記露出部の断面積をＡとし、前記露出部の断面二次モーメントをＩとし、前記露出部の固有振動数をｆｎとした場合、
ｆｎ＝１．７６／（π×Ｌ２）×（ＥＩ／ρＡ）１／２
を満たしつつ、ｆｎが４ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの範囲内である圧力センサ。
【請求項２】
前記封止樹脂を第１樹脂として、前記厚さ方向から見て前記露出部の端部が第２樹脂（５１）により覆われている請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
ｆｎがエンジンにおいてノッキングが生じた際の周波数帯と一致している請求項１または２に記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサウェハとパッケージウェハとが接合されてなり、センサ部の気密状態が保たれた圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、自動車のエンジンオイルにおける油圧を測定できる圧力センサとして例えば特許文献１に記載のものが知られている。
【０００３】
特許文献１に記載の圧力センサは、センサ部を有するセンサ本体が複数形成されたセンサウェハと、センサ部を気密封止する空間を形成するための凹部が形成されたパッケージウェハと、を有し、センサウェハとパッケージウェハとが接合されてなる。このような構成において、センサウェハとパッケージウェハとの接合面が環状に形成され、その環状の接合面における外周側の端部が、センサウェハとパッケージウェハそれぞれの外表面に形成された第１蒸着膜によって閉塞されている。
【０００４】
このような構成とされた特許文献１に記載の圧力センサは、センサウェハと凹部とによって構成される空間、すなわちセンサ空間における気密状態が保たれており、センサ部をエンジンオイルに直接曝して油圧を測定することができる。そのため、特許文献１に記載の圧力センサを用いることで、高精度にエンジンオイルの油圧等を測定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１９１２７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、自動車のエンジンで異常燃焼が発生した場合などに、エンジンから振動や衝撃波が生じるノッキングと呼ばれる現象が発生することが知られている。
【０００７】
特許文献１に記載の圧力センサを用いて油圧を測定している際にエンジンで異常燃焼が発生すると、ノッキングによる振動や衝撃波による影響によって圧力センサが振動し、当該振動により圧力センサのセンサ部に変位が生じる。その結果、圧力センサに意図しない圧力信号が検出されてしまう。つまり、ノッキングによる振動等により検出された意図しない信号と油圧により検出された信号とが混合してしまい、信号の出力が過大な変動を起こしてしまう。そのため、特許文献１に記載の圧力センサは、高精度に油圧等を測定できる一方で、異常燃焼に起因するノッキングによる振動等によって、油圧等による信号の出力が過大に変動してしまうという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、高精度にエンジンオイル等の圧力を検出すると共に、異常燃焼も検出することができる圧力センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の圧力センサは、流体圧に応じた電気出力を発生するように構成され、エンジンが搭載された車両に取り付けられる圧力センサであって、薄板形状を有し流体圧によって薄板形状における板厚を規定する厚さ方向に撓むダイヤフラム（１４ａ）と、厚さ方向にダイヤフラムと隣接する空間である内部空間（３０）と、を有するセンサチップ（４０）と、センサチップのうちダイヤフラムが形成された一端側と反対の他端側を封止すると共に、センサチップを片持ち状態で支持する封止樹脂（５０）と、を備える。このような構成において、センサチップのうち封止樹脂から露出している部位を露出部（４１）とし、厚さ方向と直交しつつ、露出部が封止樹脂から突き出る方向に平行な方向を突出方向として、突出方向における露出部の長さをＬとし、センサチップの材質のヤング率をＥとし、センサチップの材質の密度をρとし、露出部を突出方向から見た場合における露出部の断面積をＡとし、露出部の断面二次モーメントをＩとし、露出部の固有振動数をｆｎとした場合、ｆｎ＝１．７６／（π×Ｌ２）×（ＥＩ／ρＡ）１／２を満たしつつ、ｆｎが４ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの範囲内である。
【００１０】
これにより、露出部の長さが所定の周波数帯の振動を受けた際に共振作用を示すように調整された構造とすることで、ノッキング特有の振動を検出することができ、圧力のみならず、異常燃焼の発生も検出することができる圧力センサとなる。
【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の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態の圧力センサを示す断面図である。
【図２】第１実施形態の圧力センサのうち露出部の突出量について示す断面図である。
【図３】ノッキングが発生した際におけるノックセンサの出力変位量の経時変化と第１実施形態の圧力センサの出力変位量の経時変化とを示す図である。
【図４】第２実施形態の圧力センサの一部を示す上面レイアウト図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
【００１４】
（第１実施形態）
第１実施形態の圧力センサについて、図１、図２を参照して述べる。本実施形態の圧力センサは、例えばエンジンが搭載された車両等に取り付けられ、エンジンオイルの油圧を検出するための圧力センサとして適用される。
【００１５】
図１、図２では、本実施形態の圧力センサの構成を分かりやすくするため簡略化して示しており、電極に接続された配線等や他の部品等については省略している。
【００１６】
本実施形態の圧力センサは、図１に示されるように、センサウェハとしての第１基板１０と、パッケージウェハとしての第２基板２０とが接合されたセンサチップ４０と、センサチップ４０の一部を封止する封止樹脂５０とを備えた構成とされている。このような構成において、図１に示されるように、センサチップ４０のうち後述するダイヤフラム１４ａを備えるセンサ部が形成された一端側が封止樹脂５０から露出している。そして、本実施形態の圧力センサでは、センサチップ４０のうち一端側の反対の他端側が封止樹脂５０に封止されており、センサチップ４０がいわば片持ち構造とされている。
【００１７】
なお、本実施形態の圧力センサが形成されたセンサチップ４０には、上記の圧力センサと共に、図示しない温度センサなどの他のセンサ部品やその回路配線などが設けられていてもよい。
【００１８】
第１基板１０は、支持基板１１、絶縁膜１２、半導体層１３がこの順に積層されたＳＯＩ（Silicon On Insulatorの略）基板により構成されている。第１基板１０は、半導体層１３のうち絶縁膜１２側と反対側の面である一面１０ａと、支持基板１１のうち絶縁膜１２側と反対側の面である他面１０ｂとを有する。一面１０ａと他面１０ｂは、図１に示すように、表裏の関係にある。
【００１９】
第１基板１０には、図１に示すように、センサチップ４０の一端側であって、他面１０ｂ側にエッチング等により凹部１４が形成されている。また、第１基板１０には、凹部１４が形成されることにより生じる薄肉部にダイヤフラム１４ａが構成されている。
【００２０】
支持基板１１は、例えばシリコンなどの半導体材料により構成されている。支持基板１１には、図１に示すように、例えば一端側に絶縁膜１２に達する断面矩形状の凹部１４が形成されている。
【００２１】
絶縁膜１２は、支持基板１１と半導体層１３とを電気的に絶縁するために支持基板１１上に形成され、例えばＳｉＯ２などの絶縁性材料等により構成されている。
【００２２】
半導体層１３は、絶縁膜１２上に形成されている。本実施形態のように第１基板１０をＳＯＩ基板により構成する場合、半導体層１３は、例えばシリコンなどの半導体材料により構成される。半導体層１３の一面１０ａ側には、センサチップ４０の一端側にダイヤフラム１４ａが形成され、ダイヤフラム１４ａよりも他端側に配線層１６が形成されている。
【００２３】
ダイヤフラム１４ａは、圧力を受けるとその圧力に応じて変位する部位であり、凹部１４の底面となる絶縁膜１２の一部と絶縁膜１２の当該一部上に配置された半導体層１３の一部とにより構成されている。ダイヤフラム１４ａは、第１基板１０の一面１０ａから他面１０ｂへ向かう方向、すなわち、基板法線方向から見た平面形状が例えば矩形状とされている。半導体層１３のうちダイヤフラム１４ａを構成する領域には、図１に示すように、センシングを行うセンシング素子として、圧力によって抵抗値が変化するゲージ抵抗１５が形成されている。このゲージ抵抗１５は、拡散抵抗等によりなる。
【００２４】
配線層１６は、半導体層１３内を適宜引き回されることにより、図１とは異なる別断面において、各ゲージ抵抗１５の接続点と電気的に接続されており、例えばＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕなどの導電性材料等により構成されている。
【００２５】
なお、配線層１６は、便宜上、図１等において半導体層１３に埋め込まれるように表記されているが、半導体層１３上に形成されていてもよい。
【００２６】
第２基板２０は、表裏の関係にある表面２１ａおよび裏面２１ｂを有するシリコン基板２１と、シリコン基板２１の表面２１ａ上に形成された絶縁膜２２と、シリコン基板２１の裏面２１ｂ上に形成された絶縁膜２３とを有している。第２基板２０は、絶縁膜２２を介して、第１基板１０の一面１０ａを構成する半導体層１３と接合されている。絶縁膜２２および絶縁膜２３は、例えばＳｉＯ２等の絶縁性材料等により構成されている。
【００２７】
なお、本実施形態では、絶縁膜２２のうちシリコン基板２１側と反対側の面が、第２基板２０の一面２０ａとされている。また、絶縁膜２３のうちシリコン基板２１側と反対側の面が、第２基板２０の他面２０ｂとされており、一面２０ａと他面２０ｂとは、図１に示すように、表裏の関係にある。
【００２８】
第２基板２０の一面２０ａ側には、第１基板１０のダイヤフラム１４ａと対向する部分に、窪み部２０ｃが形成されている。この窪み部２０ｃは、例えば第２基板２０の一面２０ａ側からエッチング等をすることにより形成される。
【００２９】
第２基板２０には、図１に示すように、第２基板２０の他面２０ｂから一面２０ａへ向う方向、すなわち、第２基板２０の厚さ方向に貫通する複数の貫通電極部２４が形成されている。
【００３０】
具体的には、各貫通電極部２４は、シリコン基板２１および絶縁膜２２、２３を貫通して配線層１６を露出させる貫通孔２４ａを備えている。各貫通電極部２４は、この貫通孔２４ａと、貫通孔２４ａの壁面に形成された絶縁膜２４ｂと、この絶縁膜２４ｂ上に形成され且つ配線層１６と電気的に接続された貫通電極２４ｃと、貫通電極２４ｃと接続され、絶縁膜２３上に配置されたパッド部２４ｄと、を備える。
【００３１】
貫通電極部２４は、図１に示されるように、第２基板２０のうちセンサチップ４０の他端側に設けられ、第２基板２０の他面２０ｂから一面２０ａまで貫通して配線層１６と電気的に接続されている。貫通電極部２４は、本実施形態では、図１に示すように、例えば第２基板２０の他面２０ｂから一面２０ａに向かって径が小さくなる円錐形状とされている。
【００３２】
なお、貫通電極部２４のうちパッド部２４ｄは、図示しないワイヤ等を介して外部回路と電気的に接続されている。また、例えば、貫通電極部２４において、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）等の絶縁性材料が絶縁膜２４ｂとして用いられ、Ａｌ等の導電性材料が貫通電極２４ｃおよびパッド部２４ｄとして用いられる。さらに、貫通電極部２４およびこれに接続される図示しないワイヤ等は、図１に示すように、封止樹脂５０により封止されている。
【００３３】
センサチップ４０には、第１基板１０と窪み部２０ｃを備える第２基板２０とが接合されることより、第１基板１０と第２基板２０との間に、内部空間３０が形成されている。内部空間３０は、第１基板１０と窪み部２０ｃとの間の空間によってゲージ抵抗１５を封止する封止空間に相当する。内部空間３０の圧力は、第１基板１０と第２基板２０との接合条件により決まり、例えば、第１基板１０と第２基板２０とが真空条件下で接合される場合には、真空圧とされる。なお、内部空間３０は、圧力センサにおいて基準となる圧力の封止空間であり、基準圧室と呼ばれる。
【００３４】
センサチップ４０は、図２に示すように、他端側を封止樹脂５０により封止されており、封止樹脂５０から突き出るように伸び、封止樹脂５０から露出する露出部４１を備えている。
【００３５】
ここで、露出部４１が封止樹脂５０から突き出た方向を突出方向とし、突出方向における露出部４１の長さ、すなわち突出量をＬ（単位：ｍ）とし、露出部４１の断面二次モーメントをＩ（単位：ｍ４）とし、露出部４１の固有振動数をｆｎ（単位：Ｈｚ）とする。また、露出部４１を突出方向から見たときの断面積をＡ（単位：ｍ２）とする。さらに、センサチップ４０として用いた材質、例えば、本実施形態ではＳｉのヤング率をＥ（単位：Ｐａ）とし、その密度をρ（単位：ｋｇ／ｍ３）とし、円周率をπとする。このとき、Ｌは下記の式（１）を満たすものとされている。
【００３６】
ｆｎ＝１．７６／（π×Ｌ２）×（ＥＩ／ρＡ）１／２・・・（１）
式（１）は、片持ち構造の梁における梁の固有振動数を求める式から算出することができる。また、露出部４１が長方形状とされた場合において、突出方向から見たときにおける露出部の断面における幅をｂとし、厚みをｈとする。このとき、断面積Ａについては、Ａ＝ｂｈで表され、断面二次モーメントＩについては、Ｉ＝ｂｈ３／１２で表される。
【００３７】
ここで、式（１）におけるｆｎは、４ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの範囲内、より好ましくは７ｋＨｚ〜１２ｋＨｚの範囲内とされる。言い換えると、本実施形態の圧力センサの固有振動数ｆｎが、４ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの範囲内、すなわち一般的なエンジンでノッキングが発生した際の周波数帯（以下「ノッキング周波数帯」という）の振動数と一致するように、突出量Ｌが調整されている。すなわち、本実施形態の圧力センサがノッキング周波数帯の振動を受けた場合に、共振作用を起こすように露出部４１の突出量Ｌの値が調整されている。つまり、突出量Ｌが４ｋＨｚ≦式（１）のｆｎ≦２０ｋＨｚを満たすように調整されることで、エンジンにおけるノッキング周波数帯の振動が露出部４１に伝わった場合、共振作用によりこの振動が増幅される。その結果、エンジンでノッキングが発生していない通常の状態には、エンジンオイル等の油圧による信号を出力し、エンジンでノッキングが発生している異常燃焼時には、増幅された振動による信号を出力することとなる。すなわち、圧力のみならず、異常燃焼の発生も検出することが可能な圧力センサとなる。
【００３８】
具体的には、例えば、ノッキングが起きた際にエンジンから発生する振動の周波数（以下「ノッキング周波数」という）が１０ｋＨｚのエンジンを搭載した車両に、本実施形態の圧力センサを取り付ける場合について検討する。この場合、本実施形態の圧力センサにおける露出部４１の突出量Ｌは、式（１）にて算出される当該圧力センサの固有振動数ｆｎが１０ｋＨｚとなるように調整すればよい。
【００３９】
より具体的には、例えば、センサチップ４０の材質がシリコンである場合には、ｆｎとして１０ｋＨｚを、ヤング率Ｅとしてシリコンのヤング率１３０×１０９（Ｐａ）を、密度ρとしてシリコンの密度２３３２ｋｇ／ｍ３を式（１）に代入する。また、露出部４１が長方形状とされ、突出方向から見たときにおける露出部の断面における幅ｂが１.３×１０−３（ｍ）であり、厚みｈが４×１０−４（ｍ）であるとする。そして、これにより得られる断面二次モーメントＩ＝６．９３×１０−１５（ｍ４）を式（１）に代入する。その結果、式（１）により得られるＬ＝６．９５×１０−３ｍとなるように、露出部４１の突出量Ｌが調整された圧力センサとする。これにより、ノッキング振動数が１０ｋＨｚであるエンジンにおいて、本実施形態の圧力センサは、ノッキング周波数１０ｋＨｚの振動を増幅した信号を出力でき、当該エンジンにて異常燃焼が発生したことを検出することができる。
【００４０】
なお、上記ではノッキング周波数が１０ｋＨｚである場合における本実施形態の圧力センサの突出量Ｌの調整について説明したが、エンジンの種類等によりそのノッキング振動数が異なり、エンジンごとにそのエンジン固有のノッキング周波数を有する。そのため、圧力センサを取り付ける車両等に搭載されたエンジン固有のノッキング周波数に合わせて、本実施形態の圧力センサの突出量Ｌを調整すればよい。また、本実施形態の圧力センサがノッキングによる振動を受けた際における異常燃焼の検出結果については、圧力センサのセンサ出力の説明にて後述する。
【００４１】
また、ノッキングが発生した際に共振作用を起こすように露出部４１の突出量Ｌが調整されていることから、ノッキングによる振動を受けた際の露出部４１の揺れが、従来の圧力センサよりも大きくなることが懸念される。しかし、図１に示すように、センサチップ４０のうち露出部４１と封止樹脂５０に封止された部位との境界を根元部４０ａとして、根元部４０ａにおける最大応力を考慮した設計とすることで、これを解消できる。
【００４２】
具体的には、片持ち構造のセンサチップ４０に等分布荷重Ｐがかかった際における根元部４０ａでの最大応力σmaxは、下記の式（２）により求めることができる。
【００４３】
σmax ＝ Ｐ×Ｌ２／２Ｚ・・・（２）
なお、式（２）におけるＺは断面係数であり、上記と同様に、露出部４１を突出方向から見た場合の断面が長方形状とされ、その幅と厚みをそれぞれｂ、ｈとすると、Ｚ＝ｂｈ２／６となる。この最大応力σmaxを考慮した設計とすれば、共振作用により根元部４０ａに応力がかかってもこれによる破損等を抑制することができる。
【００４４】
封止樹脂５０は、図１に示すように、センサチップ４０のうちダイヤフラム１４ａが形成された一端側とし、その反対の他端側に形成された貫通電極部２４を含む部位を覆うように形成されている。封止樹脂５０は、例えばエポキシ樹脂などの樹脂材料により構成されている。
【００４５】
次に、本実施形態の圧力センサの製造方法について説明する。なお、このような圧力センサは、上記特許文献１等に示される従来のものと同様にして製造されるため、ここでは簡単に説明する。
【００４６】
まず、例えば、シリコン基板を支持基板１１として用意し、熱酸化等により支持基板１１上にＳｉＯ２等の絶縁膜１２を形成する。そして、別のシリコン基板を用意して、当該別のシリコン基板と絶縁膜１２が形成された支持基板１１とを例えば熱処理を用いて貼り合わせて半導体層１３を形成することにより、ＳＯＩ基板を形成し、これを第１基板１０とする。
【００４７】
次に、第１基板１０のうち支持基板１１に例えばドライエッチング等により凹部１４を形成すると共に、第１基板１０のうち半導体層１３にスパッタや蒸着等によりゲージ抵抗１５や配線層１６等を形成する。
【００４８】
一方で、シリコン基板２１を用意し、例えば熱酸化等によりシリコン基板２１の表面２１ａ上に絶縁膜２２を形成し、シリコン基板２１の裏面２１ａ上に絶縁膜２３を形成して、これを第２基板２０とする。そして、例えば、第２基板２０の一面２０ａ側からドライエッチングなどにより窪み部２０ｃを形成する。続けて、例えば、第２基板２０の他面２０ｂ側からドライエッチング等により貫通孔２４ａを形成し、スパッタや蒸着などにより絶縁膜２４ｂ、貫通電極２４ｃ、パッド２４ｄを形成して貫通電極部２４を形成する。その後、第１基板１０と第２基板２０とを例えば熱処理を用いて貼り合わせる。これにより、センサチップ４０が製造される。
【００４９】
次に、図示しない樹脂封止用の金型を用意し、センサチップ４０をこの金型にセットする。そして、封止樹脂５０となる樹脂材料を金型内に流し込み、加熱処理を行うことでセンサチップ４０のうち貫通電極部２４を含む端部側を封止する封止樹脂を形成する。このとき、例えば、金型に対するセンサチップの固定位置を調整することにより、センサチップ４０のうち封止樹脂５０から露出する露出部４１の突出量Ｌを適宜調整することができる。このようにして、本実施形態の圧力センサを製造することができる。
【００５０】
次に、自動車のエンジンにおける異常燃焼の検出において、従来のノックセンサによる検出と本実施形態の圧力センサによる検出とについて、図３を参照して説明する。
【００５１】
エンジンにおいて異常燃焼が発生した際において、図３（ａ）では、ノッキングが発生した際における従来のノックセンサによる出力変化を示し、図３（ｂ）では、本実施形態の圧力センサにおける圧力変化を示している。図３（ａ）の縦軸については、ノックセンサの出力変位量（単位：Ｇ）を示し、横軸については時間（単位：ｍｓｅｃ）を示している。図３（ｂ）の縦軸については、本実施形態の圧力センサにおける圧力（単位：ｋＰａ）を示し、横軸については、時間（単位：ｍｓｅｃ）を示している。また、図３（ａ）、図３（ｂ）におけるＸは、ノッキングが発生したタイミングを示している。
【００５２】
まず、従来のノックセンサによる異常燃焼の検出について簡単に説明する。ノックセンサは、例えば自動車のエンジンの外壁面に取り付けられ、異常燃焼が生じた際に発生する振動や衝撃波を受けて出力を発生する。この異常燃焼に起因してエンジンで生じる振動や衝撃波によってノックセンサから発生する出力を検出することで、ノッキングが生じたと判定し、エンジンでの異常燃焼の発生を検出できる。
【００５３】
具体的には、エンジンでのノッキングが生じた際のノックセンサでの出力を確認したところ、図３（ａ）に示すように、ノッキング発生時点から０．０４６ｍｓｅｃ、０．１２４ｍｓｅｃ、０．２３４ｍｓｅｃで出力が３５０Ｇを超える出力が検出された。このようにノックセンサにより生じる信号を利用して、ノッキングが生じた、すなわちエンジンでの異常燃焼が生じたと判定することができる。
【００５４】
これに対して、圧力センサは、本来、測定媒体の圧力を検出するためのものであり、上記のようにエンジンでの異常燃焼を検出するためのものではない。そのため、従来の圧力センサでは、エンジンでの異常燃焼を検出することができない。その一方で、例えば自動車等に取り付けられる圧力センサでは、エンジンでの異常燃焼が発生すると、エンジンでの異常燃焼により生じる振動等の影響を受けてしまう。その結果、圧力センサは、異常燃焼の影響を受け、異常燃焼が生じた際における圧力に関する出力が変動してしまうこととなる。
【００５５】
ここで、圧力センサの動作原理について簡単に説明する。本実施形態の圧力センサにおいては、第１基板１０におけるダイヤフラム１４ａが、圧力に応じて変位し、その変位に応じた信号が出力される構成とされている。具体的には、第１基板１０の他面１０ｂ側から、このダイヤフラム１４ａに圧力が印加されると、ダイヤフラム１４ａが変位してゲージ抵抗１５の抵抗値が変化するため、抵抗値に応じた電気信号がセンサ信号として出力される。
【００５６】
また、例えば、特許文献１等の従来の圧力センサをエンジンオイルの油圧を検出するために使用している場合について検討する。従来の圧力センサは、センサ部をエンジンオイルに直接曝してエンジンオイルからの圧力によるゲージ抵抗の抵抗値の変化を検出しているため、高精度でエンジンオイルの油圧を測定できる。一方、エンジンでの異常燃焼によりノッキングが発生すると、エンジンから振動や衝撃波が生じ、この振動や衝撃波が従来の圧力センサに伝わることとなる。
【００５７】
従来の圧力センサは、センシング部品の一端側が封止樹脂から露出した構造、いわば片持ち構造とされている。そのため、このような片持ち構造とされた圧力センサは、振動や衝撃波を受けると、封止樹脂から露出した露出部がこの振動等により揺れやすい。センサ部を有する露出部が揺れてしまうと、揺れによりセンサ部であるダイヤフラムは、この揺れにより変位してしまう。これにより、圧力センサは、エンジンオイルによる油圧による信号に加えて、この揺れによる変位に基づく信号も出力してしまう。そのため、従来の圧力センサは、ノッキングによる振動を受けると、その信号の出力が変動してしまう。
【００５８】
本発明者らは、ノッキング周波数帯については、エンジンによって固有ではあるものの、およそ４〜２０ｋＨｚ程度、さらにいうと７〜１２ｋＨｚ程度の周波数帯であることに着目した。具体的には、本発明者らは、圧力センサがノッキング周波数帯における特定のノッキング周波数の振動を受けた場合に、共振作用を利用して、この振動を増幅することにより、圧力のみならず異常燃焼をも検出できると考えた。そこで、圧力センサによる異常燃焼の発生の検出について鋭意検討をした結果、露出部４１の突出量Ｌをエンジン固有のノッキング周波数帯に応じて所定の範囲内とした圧力センサとすることで、圧力および異常燃焼を検出できる圧力センサとなることを見出した。
【００５９】
つまり、エンジンにノッキングが発生していない通常の状態においては、エンジンオイルによる圧力を検出し、エンジンにノッキングが発生した異常燃焼の状態においては、ノッキング周波数の振動を増幅させつつ、これを検出する。そして、例えば回路チップで通常時の圧力信号についてはローパスフィルタを通過させることで、オイル等の油圧の出力を主に検出し、異常燃焼時の圧力信号についてはバンドパスフィルタを通過させることで、ノッキング周波数帯の出力を主に検出できる。このとき、ノッキング周波数帯の出力が一定の閾値を超えた場合に、例えば、圧力センサに接続された図示しないＥＣＵ（Electronic Driving Unitの略）でノッキングの発生を検出することで、異常燃焼を判定することが可能となる。そして、当該圧力センサにより検出した異常燃焼判定に基づいて、点火プラグにおける点火時期を遅らせる遅角制御を実施することができる。
【００６０】
なお、ＥＣＵとは、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータを備え、マイクロコンピュータに記憶したプログラムに従って演算処理を行うものである。また、本実施形態の圧力センサでは、上記のようにローパスフィルタやバンドパスフィルタを介して圧力センサから生じた信号をそれぞれ検出することにより、異常燃焼が生じた際における圧力の測定をも行うことができる。
【００６１】
具体的には、エンジンでのノッキングが生じた際の本実施形態の圧力センサでの出力を確認したところ、図３（ｂ）に示すように、ノッキング発生時点から０．２０７ｍｓｅｃ、０．２８５ｍｓｅｃで圧力が１０００ｋＰａを超える信号が検出された。この圧力が過大となった出力信号を例えばバンドパスフィルタを通して一定の閾値以上のものを検出することにより、ノッキングが生じた、すなわち異常燃焼が生じたと判定することができる。この結果は、本実施形態の圧力センサが、圧力のみならずエンジンの異常燃焼をも検出することができることを示している。
【００６２】
また、エンジンの種類によって、ノッキング周波数が異なるが、このノッキング周波数は、通常、４ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの周波数帯の範囲内である。そこで、組み合わせるエンジンのノッキング周波数に合わせて露出部４１の突出量Ｌを調整することで、本実施形態の圧力センサは、様々なエンジンのノッキング周波数の振動を増幅させ、これを出力することで異常燃焼の発生を検出することができる。
【００６３】
このように、露出部の突出量Ｌをノッキング周波数帯の特定の周波数において固有振動数ｆｎを有するように調整された構造の圧力センサとすることで、圧力のみならず異常燃焼の発生についても検出することができる圧力センサとなる。また、ウェハレベルパッケージ（ＷＬＰ）構造の本実施形態の圧力センサにより、ノックセンサがなくてもエンジンの異常燃焼の発生を検出することができるため、部品点数の削減による低コスト化が期待される。
【００６４】
（第２実施形態）
第２実施形態の圧力センサについて、図４を参照して述べる。本実施形態の圧力センサは、封止樹脂５０を第１樹脂として、図４に示すように、露出部４１の端部のうち根元部４０ａ付近の領域と異なる領域に第２樹脂５１が形成されている点が上記第１実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点を主に説明する。
【００６５】
第２樹脂５１は、本実施形態では、露出部４１の端部に一定の厚みで形成され、主に露出部４１におけるヤング率を高めるために形成される部材であり、例えば封止樹脂５０と同じ樹脂材料によりなる。具体的には、第２樹脂５１は、上記第１実施形態での式（１）を満たす本実施形態の圧力センサにおいて、露出部４１の突出量Ｌと異なるパラメータであるヤング率Ｅを調整するために形成される。つまり、第２樹脂５１は、露出部４１の突出量Ｌやセンサチップ４０の材質のヤング率Ｅにより式（１）を満たすようにする調整が難しい場合などに形成すると特に好適であり、その厚みや形成される面積等については適宜変更されてもよい。
【００６６】
第２樹脂５１は、図４に示すように、露出部４１の端部のうち根元部４０ａ付近の領域と異なる領域に形成されることが好ましい。これは、露出部４１にノッキング周波数の振動が伝わっても共振作用を起こしにくくなることを防ぐためである。具体的には、露出部４１の根元部４０ａを含む領域に第２樹脂５１が形成された場合、露出部４１が第２樹脂５１に拘束されることで振動しにくくなってしまい、ノッキング周波数の振動が伝わっても増幅された振動による信号が小さくなってしまう。その結果、ノッキング周波数の振動による信号が出力されても、エンジンオイル等の油圧に起因する信号と区別しにくくなり、異常燃焼を検出しにくくなることが懸念される。
【００６７】
第２樹脂５１は、例えば、封止樹脂５０の形成と同時に形成され、その後、レーザー加工を施すことにより、所望の面積とされる。第２樹脂５１の厚み方向における厚みについては、例えば、封止樹脂５０を形成する際に用いる図示しない金型などにより調整することができる。
【００６８】
なお、第２樹脂５１が例えば図４に示すように露出部４１の端部を部分的に覆うように形成されることで、内部空間３０の気密性を上げる効果も期待される。また、第２樹脂５１は、露出部４１のうち第２基板２０の他面２０ｂ上にのみに形成されていてもよく、第１基板１０および第２基板１０の断面が露出した面である側面にのみ形成されていてもよい。また、第２樹脂５１は、第１基板１０の他面１０ｂ上にのみ形成されていてもよく、他面１０ｂ上、他面２０ｂ上、側面上のいずれか２つもしくはそのすべてに形成されていてもよい。
【００６９】
本実施形態によれば、上記第１実施形態と同様に、圧力のみならず異常燃焼の発生についても検出することができる圧力センサとなる。また、上記第１実施形態では、主に露出部４１の突出量Ｌの調整により、ノッキング周波数での共振作用が生じるよう調整していたが、これに加えてヤング率Ｅによる調整も可能となる。さらに、ウェハレベルパッケージ（ＷＬＰ）構造の本実施形態の圧力センサにより、ノックセンサがなくてもエンジンの異常燃焼の発生を検出することができるため、部品点数の削減による低コスト化が期待される。
【００７０】
（他の実施形態）
なお、上記した各実施形態に示した圧力センサは、本発明の圧力センサの一例を示したものであり、上記の各実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
【００７１】
例えば、上記第２実施形態では、第２樹脂５１が一定の厚みで形成される場合について説明したが、これに限らず、必要に応じて部位によりその厚みが異なっていてもよい。
【符号の説明】
【００７２】
１０    第１基板
１４ａ  ダイヤフラム
１６    配線層
２０    第２基板
３０    内部空間
４０    センサチップ
４０ａ  根元部
４１    露出部
５０    封止樹脂
【図１】
2018119835.tif 000003
【図２】
2018119835.tif 000004
【図３】
2018119835.tif 000005
【図４】
2018119835.tif 000006