(57)【要約】【課題】圧力センサー、及び温度補償型圧力センサーを提供する。【解決手段】パッケージ１２と、前記パッケージ１２の一面１２ａに形成され圧力を受けて撓み変形するダイアフラム３８と、長手方向の両端が前記ダイアフラム３８に接続され前記ダイアフラム３８の撓み変形により力を受けて圧力を検出する感圧素子２２と、前記一面１２ａの反対側の実装面１２ｂに配設され、前記パッケージ１２を実装側に固定する固定部５４と、を有する圧力センサー１０であって、前記固定部５４は、前記長手方向に垂直な方向から前記実装面１２ｂを２等分する線上に配設されたことを特徴とする。【選択図】図１
2011107055.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パッケージと、
前記パッケージの一面に形成され圧力を受けて撓み変形するダイアフラムと、
長手方向の両端が前記ダイアフラムに接続され前記ダイアフラムの撓み変形により力を受けて圧力を検出する感圧素子と、
前記一面の反対側の実装面に配設され、前記パッケージを実装側に固定する固定部と、を有する圧力センサーであって、
前記固定部は、前記長手方向に垂直な方向から前記実装面を２等分する線上に配設されたことを特徴とする圧力センサー。
【請求項２】
パッケージと、
前記パッケージの一面に形成され圧力を受けて撓み変形するダイアフラムと、
長手方向の両端が前記ダイアフラムに接続され前記ダイアフラムの撓み変形により力を受けて圧力を検出する感圧素子と、
前記一面の反対側の実装面に配設され、前記パッケージを実装側に固定する固定部と、を有する圧力センサーであって、
前記固定部は、前記長手方向に垂直な方向から前記実装面を２等分する線を中心として前記実装面の前記長手方向の幅の３０パーセント以内に収まる位置に配設されたことを特徴とする圧力センサー。
【請求項３】
前記固定部は、複数個配設されたことを特徴とする請求項１または２に記載の圧力センサー。
【請求項４】
前記固定部は、導電性接着剤により形成され、前記感圧素子は前記パッケージを介して前記導電性接着剤に電気的に接続可能であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧力センサー。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧力センサーに温度補償回路を接続して形成したことを特徴とする温度補償型圧力センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力センサー及び温度補償型圧力センサーについて、特にダイアフラムを有する圧力センサー、及び温度補償型圧力センサーの実装部材への実装に伴うダイアフラムへの歪みを軽減した圧力センサー及び温度補償型圧力センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、図６に示すように、第１の従来技術として特許文献１には、パッケージ２０２と、前記パッケージ２０２の一面に形成され被検出圧力を受けて変位するダイアフラム２１６と、前記ダイアフラム２１６の前記パッケージ２０２内部側に形成された一対の支持部２１８と、感圧部２１０と前記感圧部２１０の両端に形成された一対の基部２１２とを備え前記一対の基部２１２がそれぞれ前記一対の支持部２１８に接続され前記変位により前記被検出圧力を検知する感圧素子２０８と、を有し、パッケージ２０２の下部を形成する第１層２０４、パッケージ２０２の上部とダイアフラム２１６等を形成する第２層２１４の積層構造により形成された圧力センサー素子２００が開示されている。この圧力センサー素子２００は被検出圧力を受圧したダイアフラム２１６が撓み変位すると、その変位を支持部２１８を介して双音叉振動子等の感圧素子２０８に伝える構造を有している。
【０００３】
また図７に示すように、第２の従来技術として特許文献２には、ダイアフラム３１１にピエゾ抵抗が形成された半導体素子３０１ａ、３０１ｂを圧力導入孔３７１を有するパッケージ３０７に組み込んで形成され、圧力導入孔３７１から導入された圧力によるダイアフラム３１１の歪みに応じたピエゾ抵抗の抵抗値の変化を検出する半導体圧力センサー３００において、半導体素子３０１ａ、３０１ｂを設け、パッケージ３０７の内面に取り付け部３７２を突設し、取り付け部３７２の上下両方向から２つの半導体素子３０１ａ、３０１ｂを互いのダイアフラム３１１面を対向させてフェイスダウンボンディングすることにより半導体素子３０１ａ、３０１ｂの電極と外部端子３０４とを接続するとともに、半導体素子３０１ａ、３０１ｂを取り付け部３７２に密着固定し、一方の半導体素子３０１ａのダイアフラム３１１には圧力導入孔３７１からの圧力が直接印加され、他方の半導体素子３０１ｂのダイアフラムには取り付け部３７２に形成された空気孔３７３を介して圧力が印加される半導体圧力センサー３００が開示されている。２つの半導体素子の圧力に対応した出力電圧を直列に接続して出力されるようにしておけば、同じ圧力に対して、１つの半導体素子の場合に比べて２倍の出力が得られることになり、小さな圧力変化の検出を可能にした半導体圧力センサーを実現できるとされる。
【０００４】
ところで、特許文献１に開示されたような双音叉振動子を感圧素子に用いた圧力センサー素子２００の実装に特許文献２に開示されたパッケージ構造を適用しようとすると、圧力センサー素子２００の両端を実装（接合）することにより生じる応力や熱応力（リードフレームと圧力センサー素子との熱膨張係数の差）が双音叉振動子の周波数特性に悪影響を与える、すなわち、被測定圧力を受圧したダイアフラムに撓み変形し、その変形が支持部を介して双音叉振動子に伝達されるとき、振動部に生じる引張応力や圧縮応力に余計な成分の応力が印加されることによって、感圧素子の周波数特性に悪影響を与えることになる。
【０００５】
そこで、図８に示すように第３の従来技術として、特許文献３には、半導体チップ配置構造４００において、ダイアフラム領域４５５と周辺領域とを有する表面を備えた半導体チップ４０５が設けられており、周辺領域が実装領域ＭＢを有しており、切欠き４１１を有する表面を備えた基板４１０が設けられており、半導体チップ４０５の実装領域ＭＢがフリップチップ技術で基板４１０の表面に実装されており、切欠き４１１のエッジＫが実装領域ＭＢとダイアフラム領域４５５との間に位置するようになっており、実装領域ＭＢがアンダフィル４２８で充填されており、その際、切欠き４１１のエッジＫがアンダフィル４２８のための断絶領域として役立つので、アンダフィル４２８がダイアフラム領域４５５内に存在しないようになっており、半導体チップ４０５が実装領域ＭＢにおいて半田ボール４２６により片持ち支持状態で支持された構造が開示されている。このように半導体チップ４０５を片持ち支持することにより、半導体チップ４０５には自由端が形成されるため、半田ボール４２６側からの応力等を軽減することができる。よって特許文献１に記載の圧力センサー素子２００を特許文献３に記載されたように実装することによって実装部材側からの応力等を軽減できるとも思われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−３２７９２２号公報
【特許文献２】特開平１０−１８５７１９号公報
【特許文献３】特開２００５−２４９７９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上述の積層構造を有する圧力センサー素子において、圧力センサー素子、圧力センサー素子を実装する実装基板、圧力センサー素子の実装に用いる接着剤の熱膨張係数の違い、及び実装状態により、ダイアフラムに歪みが発生し、これが感圧素子の支持部を経て感圧部に作用し、上記歪みにより生じた内部応力が感圧素子に掛かるので、それによって共振周波数に変動が生じる。その結果、圧力センサー素子に検出される圧力値に、熱膨張係数の違い及び実装状態に起因した共振周波数の変動が重畳されることになるので、圧力検出値に誤差が生じることになる。このように誤差が生じた場合でも、圧力センサー素子を温度補償回路に接続すれば、温度補償を行うことは可能であるが、温度補償量が個々の実装状態によりバラつきが生じ作業が煩雑になるといった問題がある。またこの場合の温度補償量も大きくなるので、温度補償に必要な発振周波数の温度特性を示す周波数温度情報の情報量も大きくなり、温度補償回路内のメモリ負担が大きくなるためコスト高となるといった問題がある。
そこで、本発明は上記問題点に着目し、実装基板への実装時の素子への応力のばらつきを抑制した圧力センサー及び温度補償型圧力センサー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】
【０００８】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。
［適用例１］パッケージと、前記パッケージの一面に形成され圧力を受けて撓み変形するダイアフラムと、長手方向の両端が前記ダイアフラムに接続され前記ダイアフラムの撓み変形により力を受けて圧力を検出する感圧素子と、前記一面の反対側の実装面に配設され、前記パッケージを実装側に固定する固定部と、を有する圧力センサーであって、前記固定部は、前記長手方向に垂直な方向から前記実装面を２等分する線上に配設されたことを特徴とする圧力センサー。
【０００９】
上記構成において、パッケージ、固定部、実装先の熱膨張係数の違いによりダイアフラムには熱応力が生じ、これにより感圧素子にも熱応力が掛かることになり、共振周波数に変化が生じる。また熱応力の特性は固定部の接合位置を変化させることにより変化する。しかし上記構成とすることにより、実装面に対する固定部の接合位置の対称性から、パッケージ及び感圧素子に与える熱応力の特性が極値となるため、パッケージに対する固定部の接合位置に若干の誤差があったとしても、それによる熱応力の変化量は極めて小さくなるので、温度補償の情報量を小さくするとともに、温度補償を高精度に行うことが可能な圧力センサーとなる。
【００１０】
［適用例２］パッケージと、前記パッケージの一面に形成され圧力を受けて撓み変形するダイアフラムと、長手方向の両端が前記ダイアフラムに接続され前記ダイアフラムの撓み変形により力を受けて圧力を検出する感圧素子と、前記一面の反対側の実装面に配設され、前記パッケージを実装側に固定する固定部と、を有する圧力センサーであって、前記固定部は、前記長手方向に垂直な方向から前記実装面を２等分する線を中心として前記実装面の前記長手方向の幅の３０パーセント以内に収まる位置に配設されたことを特徴とする圧力センサー。
【００１１】
実装面の長手方向の幅の３０パーセント以内に収まる位置に固定部を置く限り、熱応力の変化は小さいとの知見を本願発明者は見出している。したがって上記構成により、固定部の実装位置にバラつきがあったとしても温度補償を効率的かつ高精度に行うことが可能な圧力センサーとなる。
【００１２】
［適用例３］前記固定部は、複数個配設されたことを特徴とする適用例１または２に記載の圧力センサー。
上記構成により、圧力センサーを少なくとも２点以上の固定部により実装先に接続するので、固定部の圧力センサーの接合面積を減らしつつ圧力センサーの実装の安定度を高めることができるとともに、接合面積を小さく抑えることにより圧力センサーに与える熱応力を小さくすることができる。
【００１３】
［適用例４］前記固定部は、導電性接着剤により形成され、前記感圧素子は前記パッケージを介して前記導電性接着剤に電気的に接続可能であることを特徴とする適用例１乃至３のいずれか１例に記載の圧力センサー。
上記構成により、圧力センサーを実装先に電気的に接続するためのワイヤー線用の空間を省略することができるので、他の素子との干渉を防止することができる。
【００１４】
［適用例５］適用例１乃至４のいずれか１例に記載の圧力センサーに温度補償回路を接続して形成したことを特徴とする温度補償型圧力センサー。
温度補償回路は温度補償量を算出するための情報をメモリに格納しているが、温度補償量が大きいほどその情報量も大きくなるとともに温度補償の精度が低下する。一方、上述の圧力センサーは熱応力のバラつきが抑制されている。したがって上記構成とすることにより、温度補償量を示す情報の量を小さくすることができるため、前記情報を格納するメモリ負担を軽減しコストを抑制することが可能な温度補償型圧力センサーとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態に係る圧力センサーの模式図であり、図１（ａ）は実装基板を含む正面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、図１（ｃ）は実装基板を含む側面図、図１（ｄ）は圧力センサーの底面図である。
【図２】第１実施形態に係る圧力センサーの変形例の模式図であり、図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）は平面図、図２（ｃ）は右側面図である。
【図３】第２実施形態に係る圧力センサーの模式図であり、図３（ａ）は正面図、図３（ｂ）は平面図、図３（ｃ）は右側面図である。
【図４】圧力センサーを構成するパッケージと、圧力センサーを実装する実装基板と、を接合する固定部の位置を変化させたときの感圧素子に生じる熱応力の変化を示す図である。
【図５】圧力センサーを構成するパッケージと、圧力センサーを実装する実装基板と、を接合する固定部の位置を変化させたときの感圧素子に生じる熱応力の変化を示す図である。
【図６】第１の従来技術に係る圧力センサーの模式図である。
【図７】第２の従来技術に係る圧力センサーの模式図である。
【図８】第３の従来技術に係る圧力センサーの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００１７】
図１に第１実施形態に掛かる圧力センサーを示す。図１（ａ）は実装基板を含む正面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、図１（ｃ）は実装基板を含む側面図、図１（ｄ）は圧力センサーの底面図である。第１実施形態に係る圧力センサー１０は、パッケージ１２と、前記パッケージ１２の一面１２ａに形成され圧力を受けて撓み変形するダイアフラム３８と、長手方向の両端が前記ダイアフラム３８に接続され前記ダイアフラム３８の撓み変形により力を受けて圧力を検出する感圧素子２２と、前記一面１２ａの反対側の実装面１２ｂに配設され、前記パッケージを実装側（実装基板４８）に固定する固定部５４と、を有する圧力センサー１０であって、前記固定部５４は、前記長手方向に垂直な方向から前記実装面１２ｂを２等分する線（中心線Ｃ）上に配設されたものである。
【００１８】
なお本実施形態の圧力センサー１０の外形は中心線Ｃを中心として線対称な形状を有している。また圧力センサー１０は温度補償回路（不図示）に接続されている。温度補償回路（不図示）は圧力センサー１０の周囲温度と、圧力センサー１０の無負荷時（真空時）における感圧素子２２の発振周波数の温度特性を示す近似曲線に基づいて温度補償量を算出し、圧力センサー１０から出力される発振信号に対して温度補償を行うものとする。
【００１９】
圧力センサー１０は、パッケージ１２の下部を形成するベース層１４、感圧素子２２を形成する感圧素子層２０、パッケージ１２の上部及びダイアフラム３８を形成するダイアフラム層３４からなる積層構造を有している。また各層は水晶等の圧電材料を用い、エッチング工程、またはサンドブラスト工程により外形が形成され、各層の平面視した外形はほぼ同一の寸法となるように設計されている。
【００２０】
ベース層１４は、感圧素子層２０の感圧素子２２等に干渉しないように形成された凹部１６と、凹部１６の周縁にある周縁部１８を有する。
感圧素子層２０は、感圧素子２２、連結部２８、支持枠３０とから形成されている。感圧素子２２は、振動腕２４と、振動腕２４の長手方向（Ｘ軸方向）の両端に形成された一対の基部２６とから形成される。振動腕２４はシングルビームまたは双音叉型の振動子である。振動腕２４には振動腕２４を所定の共振周波数で振動させる励振電極（不図示）がスパッタ等により形成され、さらに励振電極（不図示）に接続する引出し電極３２が基部２６および連結部２８、支持枠３０の所定位置にまで延びて形成されている。
【００２１】
ダイアフラム層３４は、感圧素子層２０の感圧素子２２等に干渉しないように形成された凹部３６と、凹部３６の形成により薄肉に形成されたダイアフラム３８と、ダイアフラム３８に形成された一対の支持部４０と、凹部３６の周縁に形成された厚肉の周縁部４２と、を有する。さらにダイアフラム層３４の周縁部４２の所定位置にはダイアフラム層３４の上面と下面（感圧素子層２０の引出し電極３２）とを電気的に接続する貫通電極４４が形成され、周縁部４２の上面の貫通電極４４が露出する位置に外部電極４６が形成されている。
【００２２】
そして積層時には、ベース層１４の周縁部１８の上面と感圧素子層２０の支持枠３０の下面とを接着し、感圧素子層２０の支持枠３０の上面（引出し電極３２が形成された面）とダイアフラム層３４の周縁部４２の下面とを接着する。また感圧素子層２０の一対の基部２６の上面とダイアフラム層３４の一対の支持部４０の下面とを接着する。層間の接着は、各層を真空チャンバ等に導入し真空下で低融点ガラス等を用いて接着している。このため、積層により形成されるパッケージ１２は、内部を真空封止することになる。さらにこの積層により、引出し電極３２と貫通電極４４とが電気的に接続される。よって外部電極４６に感圧素子２２を駆動する駆動回路（不図示）を接続することにより感圧素子２２は所定の共振周波数で振動することができる。
【００２３】
一方、ダイアフラム３８は薄肉に形成されているため、外部から印加される圧力に応じてパッケージ１２の内側に変位する。このとき支持部４０間の距離はダイアフラム３８の変位に対応して互いに離れることになる。
【００２４】
したがって一対の支持部４０に接続された感圧素子２２の基部２６間の距離もダイアフラム３８の変位に対応して互いに離れることになる。よって振動腕２４にはダイアフラム３８の変位に対応した引張応力が印加され、この引張応力により共振周波数が高くなる。したがってこの共振周波数の変化によりダイアフラム３８に印加される圧力を検出することができる。もちろん圧力センサー１０の外部が真空である場合は、ダイアフラム３８の変位はない。したがって圧力センサー１０は真空を基準とした絶対圧を測定するものとなる。
【００２５】
なお連結部２８は、積層前の感圧素子２２を支持するものであるが、細身に形成されているため、支持枠３０との接続位置を中心として支持枠３０の長辺方向（Ｘ軸方向）に湾曲可能となっている。よって積層後において感圧素子２２の基部２６の動きに対して干渉することはなく、感圧素子２２の感度劣化を抑制している。
【００２６】
実装先となる実装基板４８は、圧力センサー１０が実装される基板であって、プラスティック、セラミック、ポリイミド等の絶縁体によって形成されている。実装基板４８の上面の所定位置には感圧素子２２を駆動する駆動回路（不図示）に接続された接続電極５０が形成されている。また圧力センサー１０の外部電極４６と接続電極５０とはＡｕ等のワイヤー線５２により接続されている。よって外部電極４６が接続電極５０に接続されることにより、励振電極（不図示）は、引出し電極３２、貫通電極４４、外部電極４６、ワイヤー線５２、接続電極５０を介して駆動回路（不図示）に接続され、所定の共振周波数で振動する。
【００２７】
固定部５４は、本実施形態においては、常温で液体の熱硬化性樹脂や常温で固体の熱可塑性樹脂の接着剤等を用いる。熱硬化性樹脂の場合、圧力センサー１０と実装基板４８との間の所定位置に接着剤を塗布し、圧力センサー１０、実装基板４８、固定部５４を固定部５４の接合に必要な温度に上昇させて固定部５４を硬化させることにより圧力センサー１０と実装基板４８との接合を行う。熱可塑性樹脂の場合、圧力センサー１０と実装基板との間の所定位置に固定部５４を載置し、圧力センサー１０、実装基板４８、固定部５４を固定部５４が溶解する温度に上昇させて固定部５４を溶解させ、その後圧力センサー１０、実装基板４８、固定部５４の温度を下降させることにより圧力センサー１０と実装基板４８との接合を行う。
【００２８】
上記構成における圧力センサー１０の作用効果について説明する。上述の固定部５４により圧力センサー１０と実装基板４８を接合した場合、いずれの場合においても接合時の温度は常温よりも高い温度となっているので、常温に戻したときに、圧力センサー１０、実装基板４８、固定部５４の熱膨張係数の違いにより圧力センサー１０のパッケージ１２及びダイアフラム３８に熱応力が掛かることになる。
【００２９】
ここで、圧力センサー１０のパッケージ１２の材料（水晶）の熱膨張係数よりも固定部５４の熱膨張係数が大きい場合は、常温への冷却時の熱収縮がパッケージ１２よりも大きくなるので、パッケージ１２には固定部５４との接合箇所を中心として全体的に収縮させる熱応力が掛かることになる。よって感圧素子２２の振動腕には圧縮応力が掛かり共振周波数は低くなることになる。
【００３０】
逆に、圧力センサー１０のパッケージ１２の材料（水晶）の熱膨張係数よりも固定部５４の熱膨張係数が小さい場合は、常温への冷却時の熱収縮がパッケージ１２よりも小さくなるので、パッケージ１２には固定部５４との接合箇所を中心として全体的に膨張させる熱応力が掛かることになる。よって感圧素子２２の振動腕には引張応力が掛かり共振周波数は高くなることになる。なおいずれの場合も、熱応力の大きさは固定部５４のパッケージ１２に対する接合面積の大きさに比例するものと考えられる。
【００３１】
しかし固定部５４を上記配置にすることにより固定部５４からパッケージ１２及びダイアフラム３８を経由して感圧素子２２の基部２６の接続位置までの熱応力の伝達経路が最も長くなり、さらに後述の知見により熱応力の特性が極値（図４参照）となる。よって、固定部５４のパッケージ１２に対する接合位置にバラつきがあっても熱応力のばらつきが最も小さいものとなる。したがって温度補償の情報量が小さくなるので高精度な温度補償が可能となるとともに、情報量が小さくなるので温度補償回路（不図示）のメモリ負担を軽減することができる。
【００３２】
図２に第１実施形態の変形例を示す。図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）は平面図、図２（ｃ）は右側面図である。変形例に係る圧力センサー１０においては導電性接着剤を用いた固定部５４ａを用い、この固定部５４ａに感圧素子２２が電気的に接続可能な構成を有していることである。ここで固定部５４ａは一箇所のみであるので引出し電極３２の一方を貫通電極４４ａを介して固定部５４ａに接続し、他方を外部電極４６に接続している。また実装基板４８においては、固定部５４ａに対応する位置に接続電極５０ａを形成し、固定部５４ａと接続電極５０ａを接続している。固定部５４ａも上述の熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂と同様に常温より高温の状態で接合を行うので上述の熱応力の問題が発生するが、作用効果は第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００３３】
第２実施形態に係る圧力センサーを図３に示す。図３（ａ）は正面図、図３（ｂ）は平面図、図３（ｃ）は右側面図である。第２実施形態に係る圧力センサー６０は、基本的構成は第１実施形態と共通するが、固定部５４ｂが複数個配設されていることである。さらに固定部５４ｂは固定部５４ａと同様に導電性接着剤により形成され、感圧素子２２は前記固定部５４ｂに電気的に接続可能な構成を有していることである。感圧素子２２の振動腕２４に接続した引出し電極３２は、貫通電極４４ｂ、４４ｃを介して固定部５４ｂに接続される。一方実装基板４８においても、固定部５４ｂに対応する位置に接続電極５０ｂを形成する。
【００３４】
このような構成にすることにより、圧力センサー６０を少なくとも２点以上で実装基板４８に接続するので、固定部５４ｂの圧力センサー６０の接合面積を減らしつつ圧力センサー６０の実装の安定度を高めることができるとともに、接合面積を小さく抑えることにより圧力センサー６０に与える熱応力を小さくすることができる。また圧力センサー６０を実装基板４８に電気的に接続するためのワイヤー線用の空間を省略することができるので、他の素子との干渉を防止することができる。
【００３５】
なお、第２実施形態においては、固定部５４ｂはＹ軸方向に並んで配設されているため、パッケージ１２と実装基板４８との熱膨張係数の違いによりＹ軸方向に沿った熱応力が加わる。この熱応力の大きさは固定部５４ｂの間隔に比例して大きくなると考えられ、パッケージ１２全体を収縮または膨張させる応力は第１実施形態の場合と比較して相当増大するものと考えられる。しかし本実施形態においても固定部５４ｂは中心線Ｃ上を狙って配設するので、固定部５４ｂのパッケージ１２に対する接合位置にバラつきがあっても、熱応力のバラつきは小さな範囲に抑えることができる。
【００３６】
図４、図５に圧力センサーを構成するパッケージと、圧力センサーを実装する実装基板と、を接合する固定部の位置を変化させたときのパッケージに生じる熱応力の変化を示す。
【００３７】
本願発明者は、パッケージ１２と実装基板４８とを接合する固定部５４（５４ａ、５４ｂ）の大きさと位置による感圧素子２２に対する熱応力（熱歪み）の特性について調査した。まず図４（ａ）は、パッケージ１２の実装面を長辺４．２ｍｍ、短辺２．４ｍｍ、固定部５４の直径を５００μｍとし、固定部５４をＹ軸方向で線対称となるように２つ配置し、固定部５４の間隔を互いに１．３ｍｍ離れた状態で接続し、中心線Ｃから図中の矢印の方向に向かって固定部５４の接続位置を平行移動させた場合の熱応力の特性を調査したものである。ここで熱応力の特性とは感圧素子２２に対する圧縮応力と引張応力とを含む概念である。
【００３８】
図４（ｂ）は図４（ａ）の仕様において、固定部５４の間隔を１．３ｍｍとした状態で、固定部５４の直径を２５０μｍにしたものである。図４（ｃ）は図４（ａ）の仕様において固定部５４の直径を５００μｍとした状態で、パッケージ１２の外形を長辺５．２ｍｍ、短辺３．２ｍｍとし、固定部５４の間隔を２．１ｍｍとしたものである。図５（ａ）は図４（ａ）の仕様において固定部５４の直径を５００μｍとした状態で、固定部５４の一方をパッケージ１２の実装面１２ｂの中心に接続し、固定部５４の間隔を０．６５ｍｍとしたものである。図５（ｂ）は図５（ａ）の仕様における固定部５４のうちパッケージ１２の実装面１２ｂの中心にはない方を取り外し、中心にある方の残したものである。図５（ｃ）は図４（ａ）の仕様において固定部の直径を５００μｍ、固定部５４の間隔を１．３ｍｍとした状態でパッケージ１２の外形を円形とし直径を４．２ｍｍとしたものである。また、比較のため図４（ｂ）、図４（ｃ）、図５（ａ）〜図５（ｃ）には図４（ａ）のグラフを重ねて表示した。
【００３９】
図４、図５において、感圧素子２２及びダイアフラム３８の記載は省略されているが、感圧素子２２は図１と同様にＸ軸方向に平行に配置され、両端の基部２６がダイアフラム３８に接続されているものとする。また熱応力の値は、所定の温度に設定した固定部５４による接合前の感圧素子２２の共振周波数と、接合後に接合前の温度と同一温度に設定したときの感圧素子２２の共振周波数との差分により算出している。よって熱応力の値がマイナスの場合は感圧素子２２に圧縮応力が掛かり、逆にプラスの場合は感圧素子２２に引張応力が掛かることを意味する。
【００４０】
図４（ａ）〜図４（ｃ）、図５（ａ）に示すように、固定部４５を中心線ＣからＸ軸方向に平行移動させることにより、熱応力の特性曲線は単調増加する。すなわち、固定部５４が中心線Ｃ上にある場合には感圧素子２２には圧縮応力が掛かっているが、固定部５４の接続位置をＸ軸方向に平行移動させるにつれて感圧素子２２に引張応力が多く掛かっていくことが分かる。
【００４１】
また図４（ａ）、図４（ｂ）から分かるように、固定部５４の面積を小さくすることにより熱応力の変化の割合（グラフの傾き）は小さくなる。これは面積を小さくすることによりパッケージ１２が実装基板４８から受けるトータルの熱応力が小さくなるからと考えられる。
【００４２】
図４（ａ）、図４（ｃ）から分かるように、パッケージ１２の寸法を大きくすると熱応力の変化の割合は小さくなる。これは固定部５４から感圧素子２２の基部２６に至る熱応力の経路が長くなり、その分熱応力が緩和されたためと考えられる。
【００４３】
図４（ａ）、図５（ａ）から分かるように、固定部５４の間隔を短くすると熱応力の変化の割合は小さくなる。これはパッケージ１２と実装基板４８との間の熱収縮により生じるＹ軸方向の長さの変化量の差が小さくなるからと考えられる。
【００４４】
よって図５（ｂ）においては、固定部５４が１点支持の状態となっているため上述の変化量の差が生じることはなく、もっぱらパッケージ１２と固定部５４との間に生じる熱応力が表れるため、固定部５４の位置を変えても熱応力の変化の割合は極めて小さなものとなっていると考えられる。
【００４５】
また図５（ｃ）においては、固定部５４の位置をパッケージ１２の中心線Ｃ上においても、強い引張応力を受けているが、固定部５４をＸ軸方向に移動させても熱応力の変化の割合は小さなものとなっている。このように熱応力は固定部５４の位置関係のみならずパッケージ１２の大きさや形状にも依存するものと考えられる。
【００４６】
ところで、パッケージ１２の実装基板４８への実装において、固定部５４（５４ａ、５４ｂ）の配置にはバラつきが生じる。このバラつきによりパッケージ１２に掛かる熱応力にもバラつきが生じるため、パッケージ１２のダイアフラム３８に接続する感圧素子２２の共振周波数にバラつきが生じることになる。よって、圧力センサー１０、６０に接続された温度補償回路（不図示）により個別に温度補償することになるが、温度補償の量は個別に設定する必要がある。しかし熱応力の特性の変化の割合が大きい場合は、それに対応して温度補償量のバラつきが大きくなるため温度補償の精度が低下することになる。さらに温度補償を行うためには温度補償量を形成する情報の設定範囲を広くしなければならず、これにより温度補償量を形成する情報の桁数が増加しメモリ負担となり、システム全体の小型化に不利となる。
【００４７】
図４、図５においては＋Ｘ軸方向にのみ固定部５４の接合位置を変化させて熱応力の様子を調査したが、パッケージ１２の形状の対称性により−Ｘ軸方向に固定部５４の接合位置を移動させても熱応力の特性の変化は同様となると考えられる。よって、熱応力の特性曲線は固定部５４を中心線Ｃ上に置いた場合を中心として下に凸の形状を有し、中心線Ｃ上において熱応力の特性は極値となる。したがってこの固定部５４を中心線Ｃ上を狙って配設した場合、中心線ＣからＸ軸方向にずれるようなバラつきがあったとしてもそれに起因する熱応力の特性変化は極めて小さいものとなるため、温度補償を形成する情報の設定範囲を小さくすることが可能であり、温度補償回路のメモリ負担を軽減することができる。
【００４８】
また、図４、図５に示すように、いずれの場合も、固定部５４を、長手方向に垂直な方向（Ｙ軸方向）から実装面を２等分する線（中心線Ｃ）を中心として実装面の長手方向の幅の３０パーセント以内に収まる位置に配設した場合は、その熱応力の変化の割合は小さく抑えられているため、この範囲であれば、温度補償の精度の劣化を防止し温度補償回路（不図示）のメモリへの負担を軽減することができると考えられる。
【００４９】
いずれの実施形態においても、感圧素子２２に圧電振動子を適用し、ダイアフラム３８から受ける力による圧電振動子の発振周波数の変化から圧力を検知する圧力センサー１０、６０を前提に述べてきたがこれに限定されない。すなわちダイアフラム３８を用いた圧力センサー１０、６０であれば、感圧素子２２として上述の周波数変化型のみならず、容量変化型、ピエゾ抵抗変化型等広く適用できることはいうまでもない。
【００５０】
またいずれの実施形態に係る圧力センサー１０、６０においても、温度補償回路（不図示）に接続することにより、温度補償回路（不図示）のメモリ負担を軽減した温度補償型圧力センサーを構築できることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００５１】
１０………圧力センサー、１２………パッケージ、１２ａ………一面、１２ｂ………実装面、１４………ベース層、１６………凹部、１８………周縁部、２０………感圧素子層、２２………感圧素子、２４………振動腕、２６………基部、２８………連結部、３０………支持枠、３２………引出し電極、３４………ダイアフラム層、３６………凹部、３８………ダイアフラム、４０………支持部、４２………周縁部、４４………貫通電極、４４ａ………貫通電極、４４ｂ………貫通電極、４４ｃ………貫通電極、４６………外部電極、４８………実装基板、５０………接続電極、５０ａ………接続電極、５０ｂ………接続電極、５０ｃ………接続電極、５２………ワイヤー線、５４………固定部、５４ａ………固定部、５４ｂ………固定部、６０………圧力センサー、２００………圧力センサー素子、２０２………パッケージ、２０４………第１層、２０８………感圧素子、２１０………感圧部、２１２………基部、２１４………第２層、２１６………ダイアフラム、２１８………支持部、３００………半導体圧力センサー、３０１ａ………半導体素子、３０１ｂ………半導体素子、３０４………外部端子、３０７………パッケージ、３１１………ダイアフラム、３７１………圧力導入孔、３７２………取り付け部、４００………半導体チップ配置構造、４０５………半導体チップ、４１０………基板、４１１………切欠き、４２８………アンダフィル、４２６………半田ボール、４５５………ダイアフラム領域。
【図４】
2011107055.tif 000003
【図５】
2011107055.tif 000004
【図６】
2011107055.tif 000005
【図７】
2011107055.tif 000006
【図８】
2011107055.tif 000007
【図１】
2011107055.tif 000008
【図２】
2011107055.tif 000009
【図３】
2011107055.tif 000010