(57)【要約】【課題】本発明は、耐環境性の高い熱硬化性樹脂を用い、かつ、検出精度を向上させ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。【解決手段】この目的を達成するために本発明は、ダイヤフラム４３と、ダイヤフラム４３上に形成された検出素子４４とを有したセンサチップ４５と、センサチップ４５を収納し、被検出流体を導入する圧力導入管５０を有したパッケージ４６とを備え、センサチップ４５がパッケージ４６に複数のボスで接続されている構成とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤフラムと、
前記ダイヤフラム上に形成された検出素子を有したセンサチップと、
前記センサチップを収納し、被検出流体を導入する圧力導入管を有したパッケージとを備え、
前記センサチップが前記パッケージに複数のボスで接続されている圧力センサ。
【請求項２】
前記ボスは第１のボス、第２のボス、第３のボスで構成されている請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記センサチップはワイヤボンドするためのパッドを有し、
前記パッドは前記ボスの上に設けられている請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記ボスは錐形状である請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項５】
前記ボスは前記センサチップと一体に形成されている請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項６】
前記センサチップは、
前記パッケージと熱硬化性樹脂により接着されている請求項１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、気体などの流体の圧力を検知する圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、シリコンの優れた弾性体としての性質を利用して、マイクロマシニング技術によりダイヤフラムと呼ばれる薄膜部をシリコン基板に形成して圧力変化を電気信号に変換するようにした圧力センサが提供されている。
【０００３】
従来の圧力センサの構成を図５に示す。
【０００４】
図５に示すように、従来の圧力センサ１は、半導体基板を加工して薄膜のダイヤフラム２及びダイヤフラム２の圧力による歪みを検出する検出素子たるピエゾ抵抗（図示せず）が形成されたセンサチップ３と、腐食性ガスや水などの被圧力検出流体Ｐの圧力をダイヤフラム２に伝達する液状の導圧媒体たるシリコンオイル４が充填された器体５と、器体５より突出した圧力導入管６の先端部（受圧部）に配設されてシリコンオイル４と被圧力検出流体Ｐを隔離する磁性流体層７と、磁気力により磁性流体層７を所定位置に保持する永久磁石８とを備えている。
【０００５】
器体５は、略函形に形成された主部８と、主部８の底面より外側へ突設された筒状の圧力導入管６とから成り、主部８の底面に形成された圧力導入管６の開口を塞ぐように、センサチップ３を取着したガラス台座９が固定され、圧力導入管６の内部の導入路１０とガラス台座９の内部の通路１１とが連通している。圧力導入管６の先端部にはポールピース１２が接着固定するなどして取り付けられている。ポールピース１２は、一対の円板状の平板部１３を支柱部１４の両端に有する構造を有し、支柱部１４には対向する一対の平板部１３にそれぞれ貫通する圧力導入孔１５が、支柱部１４の中心軸の周囲に複数設けてある。さらに、ポールピース１２の内側には平板状の永久磁石８が挿入され、且つ３つの圧力導入孔１５の内部に磁性流体が注入されて磁性流体層７が形成されている。そして、孔１６の内部に圧力導入管６が挿入され、孔１６の内壁との間にＯリング１７が配設されて気密に保持されている。（特許文献１）。
【０００６】
また、別の従来の圧力センサを図６に示す。別の形態の従来の圧力センサ２１は、図６に示すように、半導体基板（シリコン基板）を加工して薄膜のダイヤフラム２２及びダイヤフラム２２の圧力による撓みを検出する検出素子である複数のピエゾ抵抗（図示せず）が形成されたセンサチップ２３と、センサチップ２３を収納するパッケージとを備えている。
【０００７】
パッケージは、合成樹脂材料の成型品であって、上面が開口する略箱形に形成されたボディ２４と、ボディ２４の開口を塞いで上向きに突出する略円筒状の導入管（図示せず）とから成る。ボディ２４には、下方向に所定の深さだけ窪んだ略直方体状に形成されてセンサチップ２３及び後述する信号処理部（図示せず）が収納される収納部２５と、収納部２５の内壁から内側に向かって突設される段部２６とが設けられている。収納部２５の底面においてダイヤフラム２２と対向する部位には、外部から大気をボディ２３内部に流入させるための外気導入口２７が上下方向に貫設されている。収納部２５の底面における外気導入口２７の周縁には、上方向に突出する上下方向から見て略正方形状の突台部２８が外気導入口２７の周方向に亘ってボディ２４と一体に設けられている。センサチップ２３は、収納部２５の底面にダイボンド剤２９を塗布することによって接着固定されている。
【０００８】
また、ボディ２４には、上下の外壁に各々複数の長尺の端子３０が一端をボディ２４の外側に露出させる形でインサート成形されており、これらの端子３０は外部の基板にセンサを実装する際に外部の基板に設けられた回路パターンと物理的且つ電気的に接続される。
【０００９】
また、ボディ２４の下面には、ボディ２４内部と連通する凹所３１が設けられている。凹所３１は、その下端部がボディ２４の外側に貫通するとともに、上端部が端子３０の配設方向において各端子３０を互いに隔離するように櫛歯状に形成されている。この凹所３１は、ボディ２４の樹脂成形時に端子５が移動しないように端子３０を押さえる櫛歯状の金型（図示せず）によって形成される。（特許文献２）
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平９−２５０９６４号公報
【特許文献２】特開２０１２−１５０１２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１、２に示す圧力センサでは、耐環境性に優れた熱硬化性樹脂を用いた場合、図７に示すように、熱硬化時に接着剤がダイヤフラムの裏面に付着して検出精度が低下してしまう課題があった。また、熱硬化性樹脂は柔らかいため、ワイヤボンド時に適切に超音波を印加することができず、ワイヤ付着となる課題があった。
【００１２】
本発明は、上記課題を解決し、耐環境性の高い熱硬化型の接着剤を使用可能な構造とすることにより様々な種類の物質の圧力を測定可能で、かつ、検出精度を向上させた圧力センサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために本発明は、ダイヤフラムと、前記ダイヤフラム上に形成された検出素子と有したセンサチップと、前記センサチップを収納し、被検出流体を導入する圧力導入管を有したパッケージとを備え、前記センサチップが前記パッケージに少なくとも複数のボスで接続されている構造としている。
【発明の効果】
【００１４】
上記構成により本発明は、熱硬化性樹脂を用いても、熱硬化時に接着剤がダイヤフラムに付着することがなく、また、ワイヤボンド時にワイヤ不着となることがない。このため、検出精度を必要とする圧力センサに熱硬化性樹脂を用いることができるため、接着剤の選択の幅を広げることができ、様々な種類の物質の圧力を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施の形態の圧力センサの側断面図
【図２】同圧力センサのセンサチップの上面図
【図３】同圧力センサのブリッジ回路を示す図
【図４】（ａ）同圧力センサの上面斜視図、（ｂ）同圧力センサチップの上面図、（ｃ）同圧力センサのＡＡ方向の側面図
【図５】従来の圧力センサを示す図
【図６】従来の別の圧力センサを示す図
【図７】接着剤に沈み込んだ従来の圧力センサを示す図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（実施の形態１）
以下に、本発明の一実施の形態の圧力センサ４１について図面を用いながら説明する。
【００１７】
図１は本発明の一実施の形態の圧力センサ４１の側断面図である。
【００１８】
図１に示すように本発明の一実施の形態の圧力センサ４１は、センサチップ４５と、センサチップ４５を収納するパッケージ４６を備えている。パッケージ４６にはリードフレーム４７が設けられ、センサチップ４５はシリコンからなる半導体基板を加工して形成されており、リードフレーム４７とワイヤボンドされてワイヤ４８で接続されている。
【００１９】
パッケージ４６は、合成樹脂材料により箱型に形成されたハウジング４９と、ハウジング４９の底部から延出し被検出流体を取り込む円筒形状の圧力導入管５０が設けられ、圧力導入管５０が設けられたハウジング４９の底部には所定の高さだけ窪んだセンサチップ４５を収納する収納部５１が設けられている。収納部５１には、第１のボス５２、第２のボス５３、第３のボス５４からなる３つのボスが設けられており、第１のボス５２、第２のボス５３、第３のボス５４上にセンサチップ４５が取り付けられ、フロロシリコーン系樹脂等の接着剤５５によりセンサチップ４５が収納部５１に接着されている。
【００２０】
図２に、センサチップ４５の上面図を示す。
【００２１】
センサチップ４５は、支持部４２と、支持部４２に支持されたダイヤフラム４３と、ダイヤフラム４３上に設けられダイヤフラム４３に生じた歪みを検出する検出素子４４とを有している。
【００２２】
センサチップ４５は、シリコンからなる半導体基板の一方側から異方性エッチングを施すことにより、半導体基板の中央部に薄板状のダイヤフラム４３を形成している。
【００２３】
ダイヤフラム４３は、アルカリ性湿式異方性エッチング液（例えば、ＫＯＨ（水酸化カリウム水溶液）、ＴＭＡＨ（テトラメチル水酸化アンモニウム水溶液）等）を用いたシリコン異方性エッチングにより半導体基板の一部を除去することで形成している。
【００２４】
このようにして形成されたセンサチップ４５には、ピエゾ抵抗素子が所定部位に配置される。ピエゾ抵抗素子は、第１のピエゾ抵抗素子５６、第２のピエゾ抵抗素子５７、第３のピエゾ抵抗素子５８、第４のピエゾ抵抗素子５９で構成されている。センサチップ４５のダイヤフラム４３を支持する支持部４２側の対向した位置に第１のピエゾ抵抗素子５６と、第２のピエゾ抵抗素子５７が配置され、ダイヤフラム４３の中央側に、所定の間隔をあけて第３のピエゾ抵抗素子５８と第４のピエゾ抵抗素子５９が第１のピエゾ抵抗素子５６と第２のピエゾ抵抗素子５７を結ぶ方向と直交する方向に配置されている。
【００２５】
次に、このように形成されたセンサチップ４５における被検出流体から印加される流体圧の検出について説明する。
【００２６】
第１のピエゾ抵抗素子５６、第２のピエゾ抵抗素子５７、第３のピエゾ抵抗素子５８、第４のピエゾ抵抗素子５９を配置することにより、図３に示すブリッジ回路を構成する第１のピエゾ抵抗素子５６、第２のピエゾ抵抗素子５７、第３のピエゾ抵抗素子５８、第４のピエゾ抵抗素子５９の夫々の抵抗値Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の増減に応じてブリッジ回路のＡ−Ｂ間に発生する電位差を電気信号として取り出し、その電気信号から流体の基準値からの変化を測定することが可能となる。
【００２７】
圧力導入管５０から取り込まれた被検出流体によってダイヤフラム４３に圧力が印加されると、ダイヤフラム４３が撓み変形する。被検出流体によってダイヤフラム４３に圧力が印加されると、第１のピエゾ抵抗素子５６と第２のピエゾ抵抗素子５７に圧縮応力が印加され、中央部側に設けられている第３のピエゾ抵抗素子５８と第４のピエゾ抵抗素子５９に引張応力が印加される。これにより、圧縮応力が印加された第１のピエゾ抵抗素子５６の抵抗値Ｒ１と第２のピエゾ抵抗素子５７の抵抗値Ｒ２はΔＲだけ増加し、引張応力が印加された第３のピエゾ抵抗素子５８の抵抗値Ｒ３と第４のピエゾ抵抗素子５９の抵抗値Ｒ４がΔＲだけ減少する。このときの抵抗値Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の変化に基づいてダイヤフラム４３の撓み量が計測される。
【００２８】
このため、ダイヤフラム４３を薄肉化することによって、被検出流体から第１のピエゾ抵抗素子５６、第２のピエゾ抵抗素子５７、第３のピエゾ抵抗素子５８、第４のピエゾ抵抗素子５９に伝達される圧力を大きくすると、被検出流体から印加される流体圧に対する撓み変形量が増大する。これにより、流体圧によるダイヤフラム４３の撓み変形量が増大し、第１のピエゾ抵抗素子５６、第２のピエゾ抵抗素子５７、第３のピエゾ抵抗素子５８、第４のピエゾ抵抗素子５９で検出される抵抗値Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の増減幅も大きくなってセンサ感度を高めることができる。
【００２９】
図４（ａ）にセンサチップ４５の上面斜視図、（ｂ）にセンサチップ４５の上面図、（ｃ）センサチップ４５のＡＡ方向の側面図を示す。なお、検出素子４４は省略している。被検出流体の流体圧を検出するセンサチップ４５は、支持部材として、複数のボスを介して接続されており、これにより、収納部５１に対してセンサチップ４５を水平に支持することができている。ここでボスは本発明の位置実施の形態では円柱形状であり、ハウジング４９と同じ材料で、ハウジング４９と一体に形成、または、収納部５１を形成後、収納部５１に円柱状のボスを貼り付けることにより、形成している。特に、本発明の一実施の形態においては、ボスは第１のボス５２、第２のボス５３、第３のボス５４を介してハウジング４９の収納部５１に取り付けられている。ここで、第１のボス５２は支持部４２の一辺の真ん中に、第２のボス５３、第３のボス５４は第１のボス５２と接続された辺と対向する辺の両端と夫々接続されている。
【００３０】
ハウジング４９の収納部５１に第１のボス５２、第２のボス５３、第３のボス５４を介さずに熱硬化性樹脂を用いてセンサチップ４５を取り付けた場合、図７に示すように、熱硬化時に熱硬化性樹脂の粘度が低下し、センサチップ４５が熱硬化性樹脂に沈み込む。これにより、ダイヤフラム４３の裏面に接着剤５５が付着してしまう。また、接着剤５５が軟らかいため、センサチップ４５にワイヤボンドするときに、超音波が適切に印加されず、ワイヤ不着となってしまう。このため、従来の圧力センサ４１では、センサチップ４５とハウジング４９との接着に用いる接着剤５５が限られていた。
【００３１】
一方で、本発明の一実施の形態における圧力センサ４１は、センサチップ４５を収納部５１に接着する接着領域に第１のボス５２、第２のボス５３、第３のボス５４を設けていることによって、熱硬化時にセンサチップ４５が図のように熱硬化性樹脂に沈み込むことがなくなる。これにより、熱硬化時にダイヤフラム４３の裏面に接着剤５５を付着させずにセンサチップ４５を収納部５１に接着することが可能になり、センサチップ４５の圧力の検出精度を向上させることができる。
【００３２】
また、熱硬化性樹脂を用いることにより、空気以外の流体と接することによる接着剤５５の劣化を抑制することができるため、空気だけでなく、湿度の高い空気や、プロパンガス等のガスに対しても圧力を検出することができるようになる。この様に、圧力センサ４１を本発明の一実施の形態の構造にすることにより、耐環境性の高い接着剤５５を選択できるようになり、検出精度を向上させることができる。
【００３３】
また、センサチップ４５の第２のボス５３と第３のボス５４上にワイヤボンドを行うパッド（図示せず）を設け、第２のボス５３と第３のボス５４上にワイヤボンドをすることにより、ワイヤボンド時に適切な荷重を印加することができるようになる。これにより、軟らかい接着剤５５を用いることが可能になり、様々な種類の接着剤５５を選択することができる。また、これにより、熱硬化性樹脂を用いた場合でも、ワイヤ不着とならずに圧力センサ４１を形成することができるため、耐環境性を向上させ、検出精度を向上させることができる。
【００３４】
また、本発明の一実施の形態の圧力センサ４１は、第１のボス５２、第２のボス５３、第３のボス５４を備えているように、ボスを３点だけ設けていると効果的である。このように構成することにより、ボスにハウジング４９から外力が加わった場合でも、センサチップ４５の外力が加えられたボスが設けられていない側が、ハウジング４９から大きな反力を受けることなく、センサチップ４５の下方に沈みこむことができるようになる。これにより、ハウジング４９からセンサチップ４５に伝達される外力の影響を低減することができ、圧力センサ４１の検出精度を向上させることができる。
【００３５】
この、ハウジング４９からセンサチップ４５に伝達される外力について説明する。例えば、第２のボス５３を介して、センサチップ４５上方に向かってハウジング４９から外力が加わったとき、図４（ｂ）に示すセンサチップ４５の第２のボス５３と対角線上にある点Ｐに対して、センサチップ４５の下方向に沈むように力が加わる。このとき、センサチップ４５の点Ｐの下側にはボスよりも軟らかい接着剤５５のみがあるため、センサチップ４５は、第２のボス５３がセンサチップ４５上方に持ち上げられ、点Ｐがセンサチップ４５下方に沈み込む。
【００３６】
また、第１のボス５２に外力が加えられた場合でも、第１のボス５２が、第２のボス５３と第３のボス５４を結ぶ線分を軸として持ち上げられるように傾き、このとき、センサチップ４５に外力により撓みが生じなくなる。このように、センサチップ４５全体が傾くため、ハウジング４９からセンサチップ４５に対して外力が加わっても、外力による影響を低減することができる。
【００３７】
すなわち、ボスを３点設けることによって、ハウジング４９から外力が加えられたときに、センサチップ４５がボスの設けられていない点Ｐが接着剤５５に沈むように傾くため、センサチップ４５がハウジング４９から受ける外力の影響で撓むことがなくなる。このため、ハウジング４９からセンサチップ４５に外力が加えられても、外力による撓みが生じなく、圧力センサ４１の検出精度を向上させることができる。
【００３８】
なお、本発明の一実施の形態において、第１のボス５２、第２のボス５３、第３のボス５４は、円柱構造として形成しているが、図に示すように、第１のボス５２、第２のボス５３、第３のボス５４を円錐や三角錐等の錐形状として、センサチップ４５との接触部分が先端となるようにしても良い。このような形状とすることで、ハウジング４９から外力がセンサチップ４５に加えられたときにボスからセンサチップ４５に伝達される外力を低減することができる。これにより、圧力センサ４１を更に高精度化することができる。また、ボスを円柱状に形成したときよりも、センサチップ４５側の端部を頂点とした推形状とすることにより、収納部５１の平坦面からボスに対して接着剤５５を滑らかに塗布できるため、生産性を向上させることができる。
【００３９】
なお、本発明の一実施の形態において、第１のボス５２、第２のボス５３、第３のボス５４は、収納部５１に予め設けておき、第１のボス５２、第２のボス５３、第３のボス５４の上にセンサチップ４５を設けることで圧力センサ４１を形成しているが、第１のボス５２、第２のボス５３、第３のボス５４はセンサチップ４５に設けておいても良い。センサチップ４５に第１のボス５２、第２のボス５３、第３のボス５４を設けることにより、接着剤５５を収納部５１に塗布する際に、平坦面に接着剤５５を塗布することによって圧力センサ４１を形成するため、接着剤５５の塗布が容易になり、生産性を向上させることができる。
【００４０】
また、第１のボス５２、第２のボス５３、第３のボス５４をセンサチップ４５に設ける場合に、センサチップ４５形成後に第１のボス５２、第２のボス５３、第３のボス５４を貼り付けて形成しても良いが、センサチップ４５を形成するときに、半導体基板をエッチングして形成すると良い。このように、センサチップ４５と第１のボス５２、第２のボス５３、第３のボス５４を一体に形成することにより、工程を簡略化し、生産性をさらに向上させることができる。
【００４１】
なお、本発明の一実施の形態において、検出素子４４として第１のピエゾ抵抗素子５６、第２のピエゾ抵抗素子５７、第３のピエゾ抵抗素子５８、第４のピエゾ抵抗素子５９でブリッジ回路を形成しているがこの限りではなく、ダイヤフラム４３の撓みを検出できればよい。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明の圧力センサは、耐環境性に優れて、かつ、検出精度を向上させているため、様々な種類のガスを検出するガスセンサに有用である。
【符号の説明】
【００４３】
４１  圧力センサ
４２  支持部
４３  ダイヤフラム
４４  検出素子
４５  センサチップ
４６  パッケージ
４７  リードフレーム
４８  ワイヤ
４９  ハウジング
５０  圧力導入管
５１  収納部
５２  第１のボス
５３  第２のボス
５４  第３のボス
５５  接着剤
５６  第１のピエゾ抵抗素子
５７  第２のピエゾ抵抗素子
５８  第３のピエゾ抵抗素子
５９  第４のピエゾ抵抗素子
【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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