(57)【要約】      （修正有）【課題】小型化の要請を満たしつつ複数の特性値を得ることができ、ダイヤフラムへの異物の付着を抑制できる多機能統合センサを提供する。【解決手段】リードフレーム１０端部の第１主面１０ａに片持ち固定され、リードフレーム１０に固定されない一端側に、センシング部としてのダイヤフラム２１ｂを有する圧力センサチップ２０と、リードフレーム１０端部の第２主面１０ｂに片持ち固定され、リードフレーム１０に固定されない一端側にセンシング部が形成され、リードフレーム１０に固定されない一端側が圧力センサチップ２０のダイヤフラム２１ｂに対向して配置される性状センサチップ３０と、圧力センサチップ２０および性状センサチップ３０のセンシング部が外部に露出するように、リードフレーム１０、圧力センサチップ２０および性状センサチップ３０を封止する封止樹脂体４０とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１主面（１０ａ）と前記第１主面の裏面である第２主面（１０ｂ）とを有する板状のリードフレーム（１０）と、
前記リードフレームの端部において前記第１主面に片持ち固定され、前記リードフレームに固定されない一端側に、センシング部としてのダイヤフラム（２１ｂ）を有する圧力センサチップ（２０）と、
前記リードフレームの端部において前記第２主面に片持ち固定され、前記リードフレームに固定されない一端側にセンシング部が形成され、前記リードフレームに固定されない一端側が前記圧力センサチップの前記ダイヤフラムに対向して配置される性状センサチップ（３０）と、
前記圧力センサチップおよび前記性状センサチップのセンシング部が外部に露出するように、前記リードフレーム、前記圧力センサチップおよび前記性状センサチップを封止する封止樹脂体（４０）と、を備える多機能統合センサ。
【請求項２】
前記性状センサチップは、基部（３１）と、腕部とを有する音叉型振動素子であり、前記腕部は、前記基部から延びた第１振動腕（３２）と、前記基部から前記第１振動腕と平行に延びた第２振動腕（３３）と、を有し、
前記基部が前記第２主面に固定され、前記腕部において前記第１振動腕と前記第２振動腕とが並ぶ面が前記圧力センサチップにおける前記ダイヤフラムに対向する、請求項１に記載の多機能統合センサ。
【請求項３】
前記音叉型振動素子の前記腕部の振動の温度特性に基づいて推定された前記腕部に接触する媒体の温度を、前記圧力センサチップにより検出される圧力の補正に用いる、請求項２に記載の多機能統合センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この明細書の開示は、メンブレン方式の圧力センサを備えた多機能統合センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載のように、センサチップの一端側をモールド樹脂で封止してモールド樹脂で片持ち支持するようにしたモールドパッケージが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１６６８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、例えば車両などにおける内燃機関の制御に際して、オイル等の流体の圧力や温度の情報を利用している。これに加えて、近年では、更なる燃費向上や環境への負荷軽減を目的に、より高精度な制御が要求され、流体の粘性や劣化度といった性状の検出が求められつつある。
【０００５】
例えば、内燃機関の制御において重要な特性値として圧力および温度がある。特許文献１に記載のようなウェハレベルパッケージ（ＷＬＰ）として圧力センサを構成することで、圧力と温度とを検出することができるが、粘性などの性状は推定された特性値に依っており、ＷＬＰ方式の圧力センサのみでは十分な制御性を得られているとは言い難い。
【０００６】
そこで、粘性などの性状を検出する性状センサを、圧力センサとは別の箇所に設けることが考えられるが、システムの小型化や軽量化が要求される現在において新たなセンサを別途設けることは、これらの要求に対して逆行してしまう。
【０００７】
また、別の課題として、殊にダイヤフラム方式の圧力センサに関して、ＷＬＰにより構成されることによってダイレクトセンシングが実現され、良好な特性が得られる一方、流体に露出されるダイヤフラム部に異物が付着し、検出される特性値に変動を生じる虞がある。
【０００８】
そこで、この明細書の開示は、小型化の要請を満たしつつ複数の特性値を得ることができ、ダイヤフラムへの異物の付着を抑制できる多機能統合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】
この明細書の開示は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として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ものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００１０】
上記目的を達成するために、この明細書に開示される多機能統合センサは、第１主面（１０ａ）と第１主面の裏面である第２主面（１０ｂ）とを有する板状のリードフレーム（１０）と、リードフレームの端部において第１主面に片持ち固定され、リードフレームに固定されない一端側に、センシング部としてのダイヤフラム（２１ｂ）を有する圧力センサチップ（２０）と、リードフレームの端部において第２主面に片持ち固定され、リードフレームに固定されない一端側にセンシング部が形成され、リードフレームに固定されない一端側が圧力センサチップのダイヤフラムに対向して配置される性状センサチップ（３０）と、圧力センサチップおよび性状センサチップのセンシング部が外部に露出するように、リードフレーム、圧力センサチップおよび性状センサチップを封止する封止樹脂体（４０）と、を備える。
【００１１】
これによれば、圧力センサチップと性状センサチップとが封止樹脂体によって一体的に形成されるので、それぞれが別体として配置される態様に較べて、その配置スペースを省スペース化することができる。
【００１２】
また、圧力センサチップにおけるセンシング部のダイヤフラムが、性状センサチップと対向して配置される。このため、被検出対象である媒体中に存在する異物が、ダイヤフラムに付着する前に、性状センサチップに進路を妨害される。すなわち、ダイヤフラムへの異物の浸入を抑制し、ダイヤフラムやその近傍に異物が固着してしまうことを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】多機能統合センサの概略構成を示す三面図である。
【図２】リードフレームを準備する工程を示す断面図である。
【図３】圧力センサチップを載置する工程を示す断面図である。
【図４】性状センサチップを載置する工程を示す断面図である。
【図５】ワイヤボンディングの工程を示す断面図である。
【図６】金型を設置する工程を示す断面図である。
【図７】封止樹脂体を注入する工程を示す断面図である。
【図８】金型を除去する工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、図面を参照しながら本開示を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各形態で具体的に組み合わせが可能であることを明示している部分同士の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
【００１５】
（第１実施形態）
最初に、図１を参照して、本実施形態に係る多機能統合センサの概略構成について説明する。
【００１６】
多機能統合センサ１００は、例えば車両における内燃機関を構成する要素のうち、オイルが循環する流路に配置され、オイルの圧力および温度を検出するセンサである。
【００１７】
図１に示すように、多機能統合センサ１００は、リードフレーム１０と、圧力センサチップ２０と、性状センサチップ３０と、封止樹脂体４０と、を備えている。なお、図１における上面図では、封止樹脂体４０の図示を省略している。
【００１８】
リードフレーム１０は、金属製の板状の部材であり、後述する圧力センサチップ２０および性状センサチップ３０のほか、図示しない制御用回路チップやチップコンデンサが載置される基板となる。リードフレーム１０は、第１主面１０ａと、第２主面１０ｂとを有している。リードフレーム１０の外縁において、第１主面１０ａ側に圧力センサチップ２０が固定されるとともに、第２主面１０ｂ側における、圧力センサチップ２０の固定面の反対側の面に性状センサチップ３０が固定されている。
【００１９】
圧力センサチップ２０は、ダイヤフラム方式の圧力センサである。圧力センサチップ２０は、第１半導体板材２１と第２半導体板材２２とを積層するように接合して形成されている。第１半導体板材２１はリードフレーム１０に接合される側の部材であり、第２半導体板材２２は後述のボンディングワイヤ２９が接続される側である。
【００２０】
第１半導体板材２１におけるリードフレーム１０と接合される側の面には板厚方向に貫通しない程度に孔部２１ａが形成されている。孔部２１ａの底部は第１半導体板材２１が特に薄くされた部分であり、この部位がダイヤフラム２１ｂとなる。ダイヤフラム２１ｂには、例えばブリッジ接続された抵抗器が形成され、ダイヤフラム２１ｂの板厚方向への変位によって変化する各抵抗器の抵抗値に基づいて、流体（オイル）の圧力および温度が検出されるようになっている。図１に示すように、ダイヤフラム２１ａは、第１半導体板材２１における端部に近い位置に形成されている。ダイヤフラム２１ｂは後述の封止樹脂体４０により封止されない位置に形成されているため流体に直接触れるようになっており、いわゆる圧力のダイレクトセンシングが可能になっている。一方、流体中に含まれる異物が孔部２１ａに浸入して付着し、ダイヤフラム２１ｂの変形を妨げる可能性もある。なお、第１半導体板材２１におけるダイヤフラム２１ｂの形成位置と反対側の一端は、接着材２８を介してリードフレーム１０に接合されている。第１半導体板材２１におけるリードフレーム１０との接合部分は封止樹脂体４０により封止されている。
【００２１】
第２半導体板材２２における、ダイヤフラム２１ｂと対応する部分には、第１半導体板材２１側に開口する孔部２２ａが形成されている。孔部２２ａは、第２半導体板材２２が第１半導体板材２１と接合されることで開口部が閉塞して密閉空間が形成される。ダイヤフラム２１ｂはこの密閉空間と外部とを隔てている。密閉空間は圧力基準室として機能する。つまり、圧力基準室内の基準圧と外部に存在する流体（オイル）との圧力差に基づいてダイヤフラム２１ｂが変形して、ブリッジ回路を構成する抵抗器の抵抗値が変化する。なお、第２半導体板材２２における圧力基準室の形成位置と反対側の一端には、ボンディングワイヤ２９が接続されている。ボンディングワイヤ２９は図示しない制御用回路チップと圧力センサチップ２０とを電気的に中継している。図示しないが、ダイヤフラム２１ｂ上に形成されたブリッジ回路とボンディングワイヤ２９とを電気的に接続する中継回路が、第１半導体板材２１と第２半導体板材２２との間に形成されている。ボンディングワイヤ２９は、その中継回路と制御用回路チップとの間を電気的に接続している。
【００２２】
上記したように、圧力センサチップ２０は、リードフレーム１０に接着固定される部分が封止樹脂体４０によって封止される一方で、ダイヤフラム２１ｂが形成される部分では封止樹脂体４０から外に突出した片持ち構造となっている。
【００２３】
本実施形態における性状センサチップ３０は、例えば音叉型振動素子である。音叉型振動素子は、ＳｉＯ２を主成分とする結晶体から成る振動子であり、所定の電圧を印加することにより音叉を構成する腕部が振動する。そして、その振動数は、腕部の接触している媒体の粘性に応じて変化する。音叉型振動素子はこの振動数の変化に基づいて媒体の粘性および温度を検出することができる。性状センサチップ３０は、基部３１と、腕部とを有し、腕部は、第１振動腕３２と、第２振動腕３３とを有している。
【００２４】
基部３１は、第１振動腕３２および第２振動腕３３の支持部であるとともに、図示しない回路部を有している。基部３１は、接着材３８を介してリードフレーム１０の第２主面１０ｂに接着固定されている。接着材３８の形成位置は、圧力センサチップ２０を固定する接着材２８に対して、リードフレーム１０を挟んで反対側である。基部３１に形成された回路部は、ボンディングワイヤ３９を介して制御用回路チップに接続されている。回路部は制御用回路チップから出力される振動用の電圧が入力されるとともに、腕部の振動に係る粘性に関する情報を制御用回路チップに出力する。基部３１は、第１振動腕３２および第２振動腕３３の付け根を除く大部分が封止樹脂体４０に封止されている。
【００２５】
第１振動腕３２および第２振動腕３３は、同一方向、且つ、平行に、基部３１から突出して形成されている。第１振動腕３２および第２振動腕３３の突出方向は、圧力センサチップ２０の封止樹脂体４０からの突出方向と同一である。また、第１振動腕３２および第２振動腕３３の突出長さは、圧力センサチップ２０の突出長さとほぼ同一であり、少なくとも、第１振動腕３２および第２振動腕３３がダイヤフラム２１ｂの形成位置を超える程度の長さとされている。第１振動腕３２と第２振動腕３３の並び方向はダイヤフラム２１ｂが張る平面に沿う方向である。つまり、性状センサチップ３０のセンシング部たる第１振動腕３２および第２振動腕３３が、圧力センサチップ２０のセンシング部たるダイヤフラム２１ｂに対向して配置されている。
【００２６】
封止樹脂体４０は、例えばエポキシ樹脂であり、リードフレーム１０、圧力センサチップ２０の一部、性状センサチップ３０の一部を封止して外部からの異物の浸入や振動、衝撃等から保護している。封止樹脂体４０は、リードフレーム１０上に配置された図示しない制御用回路チップやチップコンデンサも封止している。また、制御用回路チップやチップコンデンサと接続され、外部接続用に設けられたコネクタの一部も封止しており、多機能統合センサ１００は、外観上、封止樹脂体４０から圧力センサチップ２０の一部、性状センサチップ３０の一部が突出しているとともに、外部接続用のコネクタの一部が露出したモジュールとして形成されている。
【００２７】
次に、図２〜図８を参照して、多機能統合センサ１００の製造方法を簡単に説明する。なお、図２〜図８は、図１におけるＡ−Ａ断面図に相当する断面図として図示している。また、圧力センサチップ２０および性状センサチップ３０は、別の工程を経てそれぞれ製造されたものを準備して、多機能統合センサ１００に組み入れるものである。
【００２８】
まず、図２に示すように、リードフレーム１０を準備する。リードフレーム１０は、メインフレーム１１とサブフレーム１２とを有している。メインフレーム１１とサブフレーム１２は、図２における紙面奥行き方向における図示しない部分で連結しており、図２に示す時点では一体的に形成されている。この連結部分は後の工程でカットされてメインフレーム１１とサブフレーム１２とは分離する。
【００２９】
次いで、図３に示すように、メインフレーム１１における第１主面１０ａに接着材２８を塗布するとともに、サブフレーム１２における第１主面にスペーサ５０を配置する。そして、メインフレーム１１とサブフレーム１２とを架橋するように、圧力センサチップ２０を、接着材２８およびスペーサ５０を介して、リードフレーム１０上に載置する。これにより、圧力センサチップ２０の一端は、接着材２８を介してメインフレーム１１に固定される。一方、圧力センサチップ２０におけるダイヤフラム２１ｂが形成された一端は、スペーサ５０を介してサブフレーム１２に支えられた状態となる。
【００３０】
なお、図示しないが、圧力センサチップ２０を載置する工程の前あるいは後に、制御用回路チップやチップコンデンサをメインフレーム１１上に実装する工程を実施する。
【００３１】
次いで、図４に示すように、メインフレーム１１における第２主面１０ｂに接着材３８を塗布するとともに、サブフレーム１２における第２主面にスペーサ５１を配置する。そして、メインフレーム１１とサブフレーム１２とを架橋するように、性状センサチップ３０を、接着材３８およびスペーサ５１を介して、リードフレーム１０上に載置する。これにより、性状センサチップ３０の基部３１は、接着材３８を介してメインフレーム１１に固定される。一方、圧力センサチップ２０における第１振動腕３２および第２振動腕３３は、スペーサ５１を介してサブフレーム１２に支えられた状態となる。
【００３２】
次いで、図５に示すように、ボンディングワイヤ２９，３９を接続する。ボンディング圧力センサチップ２０と制御用回路チップとをボンディングワイヤ２９で電気的に接続し、性状センサチップ３０と制御用回路チップとをボンディングワイヤ３９で電気的に接続する。
【００３３】
次いで、図６に示すように、ボンディングワイヤ２９，３９の接続を終えたものを金型６０，６１で挟持する。金型は、第１金型６０と第２金型６１から成る。第１金型６０は、圧力センサチップ２０側から対象を挟み込む金型であり、その内壁面は圧力センサチップ２０、スペーサ５０、サブフレーム１２の形状に沿った形状に成形されている。第１金型６０の内壁面には第１フィルム７０が貼り付けられている。第１フィルム７０は、圧力センサチップ２０、スペーサ５０、サブフレーム１２の製造および組み付けに係る交差に起因して生じる第１金型６０との間の隙間を補間するための部材である。第１金型６０は、サブフレーム１２にオーバーラップする部分では圧力センサチップ２０との間で隙間ができないように成形されている。
【００３４】
第２金型６１は、性状センサチップ３０側から対象を挟み込む金型であり、その内壁面は性状センサチップ３０、スペーサ５１、サブフレーム１２の形状に沿った形状に成形されている。第２金型６１の内壁面には第２フィルム７１が貼り付けられている。第２フィルム７１は、性状センサチップ３０、スペーサ５１、サブフレーム１２の製造および組み付けに係る交差に起因して生じる第２金型６１との間の隙間を補間するための部材である。第２金型６１は、サブフレーム１２にオーバーラップする部分では性状センサチップ３０との間で隙間ができないように成形されている。
【００３５】
次いで、図７に示すように、半液状の封止樹脂体４０を金型６０，６１により形成された空間に注入する。これにより、メインフレーム１１が封止樹脂体４０に埋没するとともに、圧力センサチップ２０および性状センサチップ３０におけるメインフレーム１１に接着固定されている一端側が封止樹脂体４０により封止される。また、ボンディングワイヤ２９，３９、制御用回路チップ、チップコンデンサ、およびコネクタの一部も封止される。
【００３６】
次いで、図８に示すように、金型６０，６１およびフィルム７０，７１を除去する。これにより、圧力センサチップ２０および性状センサチップ３０が、スペーサ５０，５１およびサブフレーム１２を挟んだ状態で封止樹脂体４０に片持ちされた状態となる。
【００３７】
この後、リードフレーム１０をダイカットしてメインフレーム１１とサブフレーム１２とを分離する。そして、分離されたサブフレーム１２と、サブフレーム１２に仮止めされたスペーサ５０，５１を除去することで、図１に示す多機能統合センサ１００を製造することができる。
【００３８】
次に、本実施形態に係る多機能統合センサ１００を採用することによる作用効果について説明する。
【００３９】
多機能統合センサ１００は、圧力センサチップ２０により流体の圧力を検出することができるとともに、性状センサチップ３０たる音叉型振動素子によって流体の粘性を検出することができる。これらのセンサチップ２０，３０は、封止樹脂体４０により一体的に形成され、制御系も制御用回路チップによって共通化できるので、センサチップを配置する際の省スペース化に貢献することができる。
【００４０】
また、圧力センサチップ２０におけるセンシング部であるダイヤフラム２１ｂに対向して、性状センサチップ３０が配置されているため、ダイヤフラム２１ｂに向かって流体内を移動する異物に対して性状センサチップ３０が障害となり、ダイヤフラム２１ｂに異物が付着することを抑制することができる。
【００４１】
とくに、本実施形態における性状センサチップ３０は音叉型振動素子であり、ダイヤフラム２１ｂに対向する部分が第１振動腕３２および第２振動腕３３である。これらの腕部３２，３３は、通電によって意図的に振動するようになっており、主の目的は流体の粘性を検出するものである。この効果に加えて、振動する腕部３２，３３は、流体内に浮遊する異物をダイヤフラム２１ｂ近傍に滞留することを抑制する。すなわち、ダイヤフラム２１ｂに異物が付着する確率を低下させることができる。
【００４２】
さらに、性状センサチップ３０が第１振動腕３２および第２振動腕３３を有することにより、腕部３２，３３の周辺において流体を撹拌する効果を奏する。例えば、低温下等において粘性が高い状態の流体は、流れてくる過程でダイヤフラム２１ｂに接触せずに通過してしまう虞があるが、第１振動腕３２および第２振動腕３３が振動によって流体が撹拌され、ダイヤフラム２１ｂに接触させることができる。
【００４３】
また、第１振動腕３２および第２振動腕３３による流体の撹拌により、多機能統合センサ１００周辺の流体の温度ムラをより均一にすることができる。すなわち、圧力センサチップ２０、または性状センサチップ３０による温度検出において、温度応答性を向上することができる。とくに、極低温下の温度検出に際しては、流体の粘性が比較的高くなっており、流体がダイヤフラム２１ｂに接触しにくい状態であることを考慮し、性状センサチップ３０側で温度の検出を行うことが好ましい。
【００４４】
（その他の実施形態）
以上、好ましい実施形態について説明したが、上記した実施形態になんら制限されることなく、この明細書に開示する主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
【００４５】
上記した実施形態では、性状センサチップ３０として音叉型振動素子を採用する例について説明したが、他の性状検出用のチップを採用しても良い。例えば、応力検出用の表面弾性波素子（ＳＡＷ素子）を採用しても良い。この態様でも、ＳＡＷ素子を圧力センサチップ２０におけるダイヤフラム２１ｂに対向するように配置することで、ダイヤフラム２１ｂへの異物の付着を抑制することができる。ただし、振動による撹拌効果を得るためには、音叉型振動素子の採用が好ましい。
【００４６】
ところで、圧力センサチップ２０において圧力を検出する際に、温度による抵抗値の変化を補正して圧力の検出精度を向上させることがある。ダイヤフラム方式の圧力センサチップ２０においては、封止樹脂体４０からの伝熱によって補正値に誤差を生じる虞がある。一方で、性状センサチップ３０に音叉型振動素子を採用すれば、腕部３２，３３の振動は、圧力センサチップ２０による抵抗値による温度検出に較べて、伝熱の影響を小さくすることができる。このため、圧力の検出時において、性状センサチップ３０が検出する流体の温度を、圧力の補正に用いることにより、圧力センサチップ単体で温度による補正を行う場合に較べて高精度に圧力の補正を行うことができる。なお、性状対象は例えば気体および液体である。
【符号の説明】
【００４７】
１０…リードフレーム，２０…圧力センサチップ，２１ｂ…ダイヤフラム，３０…性状センサチップ，３２…第１振動腕，３３…第２振動腕，４０…封止樹脂体
【図１】
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【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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【図８】
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