(57)【要約】【課題】外部からの衝撃などによって半導体で構成されたダイアフラムが破損することを抑制できる圧力センサを提供する。【解決手段】センサ素子２０の裏面側においてシリコンダイアフラム２２を形成するための凹部２１を充填するように第１オイル７０ａを備え、かつ、その第１オイル７０ａが第２のダイアフラム８２から離れるように第１オイル７０ａを覆う第２オイル７０ｂを備える。そして、これら第１オイル７０ａと第２オイル７０ｂが音響インピーダンス密度の異なる物質で構成されるようにする。これにより、第１オイル７０ａと第２オイル７０ｂの界面を音響インピーダンス密度の異なる物質による反射面７１とすることができ、音波（振動エネルギー）が伝わってきたときに、この反射面７１により音波を反射させることが可能となる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の裏面側に凹部（２１）が設けられることで薄肉な半導体ダイアフラム（２２）が形成されてなる圧力検出用のセンサ素子（２０）を有し、該センサ素子（２０）がダイアフラム（８２）で覆われていると共に、該ダイアフラム（８２）内に媒体（７０）が充填されており、測定媒体の圧力を前記ダイアフラム（８２）で受圧し、前記媒体（７０）を介して前記センサ素子（２０）に伝えることで圧力検出を行うように構成された圧力センサにおいて、
前記媒体（７０）は、互いに音響インピーダンスの異なる材質で構成された第１、第２媒体（７０ａ、７０ｂ）を有し、前記第１媒体（７０ａ）にて前記センサ素子（２０）に設けられた前記凹部（２１）内が充填されていると共に、前記第２媒体（７０ｂ）にて前記ダイアフラム（８２）の内側の残部が充填されており、前記第１、第２媒体（７０ａ、７０ｂ）の界面により反射面（７１）が構成されていることを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
前記第１媒体（７０a）、第２媒体(７０ｂ)は互いに針入度が異なる性質で構成することを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記第１媒体（７０a）、第２媒体(７０ｂ)は互いに粘度が異なる性質で構成することを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記第１媒体（７０a）、第２媒体(７０ｂ)は互いに密度が異なる性質で構成することを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項５】
前記第１媒体（７０a）、第２媒体(７０ｂ)は互いに流動点が異なる性質で構成することを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項６】
前記第１媒体（７０a）、第２媒体(７０ｂ)は互いにちょう度が異なる性質で構成することを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項７】
前記第１媒体（７０a）、第２媒体(７０ｂ)は互いに化学的に反応しない性質で構成することを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項８】
前記第１媒体（７０a）、第２媒体(７０ｂ)は、第１媒体（７０a）が半固体、第２媒体(７０ｂ)が油脂で構成することを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項９】
一面側に第１の凹部（１１ａ）、前記一面と反対の面側に前記第１の凹部（１１ａ）と連通する第２の凹部（１１ｂ）を有するケース（１０）と、
前記第１の凹部（１１ａ）と前記第２の凹部（１１ｂ）との連通部を遮断するように前記第１の凹部（１１ａ）内に設けられ、半導体基板の裏面側に凹部（２１）が設けられることで薄肉な半導体ダイアフラム（２２）が形成されてなる圧力検出用のセンサ素子（２０）と、
前記第１の凹部（１１ａ）および前記第２の凹部（１１ｂ）の内部に充填されることで、前記センサ素子（２０）に形成された前記半導体ダイアフラム（２２）の両面を覆うように配置されたオイル（７０）と、
前記第１の凹部（１１ａ）を覆うように前記ケース（１０）に固定され前記オイル（７０）を封止する第１のダイアフラム（８１）と、
前記第２の凹部（１１ｂ）を覆うように前記ケース（１０）に固定され前記オイル（７０）を封止する第２のダイアフラム（８２）とを備え、
前記第１および第２のダイアフラム（８１、８２）に印加された圧力が前記オイル（７０）を介して前記センサ素子（２０）に受圧されるようになっており、
前記第１のダイアフラム（８１）側から受圧された圧力と前記第２のダイアフラム（８２）側から受圧された圧力との差圧を前記センサ素子（８２）により検出するように構成され、
前記オイル（７０）のうち前記第２のダイアフラム（８２）によって封止された部分は、互いに音響インピーダンスの異なる材質で構成された第１、第２オイル（７０ａ、７０ｂ）を有して構成され、前記第１オイル（７０ａ）にて前記センサ素子（２０）に設けられた前記凹部（２１）内が充填されていると共に、前記第２オイル（７０ｂ）にて前記第２のダイアフラム（８２）の内側の残部が充填されており、前記第１、第２オイル（７０ａ、７０ｂ）の界面により反射面（７１）が構成されていることを特徴とする圧力センサ。
【請求項１０】
前記第２オイル（７０ｂ）は、前記第１オイル（７０ａ）が前記メタルダイアフラム（８２）から離間するように前記第１オイル（７０ａ）を覆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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定媒体の圧力をオイルを介してセンサ素子に印加することで、圧力検出を行うように構成された圧力センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、歪ゲージが形成された半導体で構成されたダイアフラム、例えばシリコンダイアフラムが備えられたセンサ素子（センサチップ）の裏面側にオイルを封止し、このオイルを介して測定媒体の圧力をセンサ素子に印加することで、圧力検出を行うように構成された圧力センサがある（例えば、特許文献１参照）。この圧力センサでは、腐食の防止等を目的として、メタルダイアフラムにてオイルを封止し、センサ素子が直接測定媒体と接触しないような構造とされている。
【特許文献１】特開２００３−３１５１９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記のような圧力センサにおいては、センサ素子の裏面側が質量の重いオイルと接触した構造となっているため、圧力センサ自体を落下させた時等のように外部より衝撃が加えられた場合に、その衝撃により、封止されたオイルが振動して部分的な高圧が発生し、シリコンダイアフラムが破損するという問題がある。特に、シリコンダイアフラムはセンサ素子の裏面側からエッチングすることによって形成されるため、他の部位よりも耐圧が低く、上述した衝撃によってオイルに発生した部分的な高圧がシリコンダイアフラムの耐圧を超えてしまい、シリコンダイアフラムが割れることがある。
【０００４】
本発明は上記点に鑑みて、外部からの衝撃などによって半導体で構成されたダイアフラムが破損することを抑制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】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明では、測定媒体の圧力をメタルダイアフラム（８２）で受圧し、オイル（７０）を介してセンサ素子（２０）に伝えることで圧力検出を行うように構成された圧力センサにおいて、オイル（７０）は、互いに音響インピーダンスの異なる材質で構成された第１、第２オイル（７０ａ、７０ｂ）を有し、第１オイル（７０ａ）にてセンサ素子（２０）に設けられた凹部（２１）内が充填されていると共に、第２オイル（７０ｂ）にてメタルダイアフラム（８２）の内側の残部が充填されており、第１、第２オイル（７０ａ、７０ｂ）の界面により反射面（７１）が構成されていることを特徴としている。
【０００６】
このように、センサ素子（２０）の裏面側において半導体ダイアフラム（２２）を形成するための凹部（２１）を充填する第１オイル（７０ａ）と、第１オイル（７０ａ）を覆うように充填された第２オイル（７０ｂ）という複数のオイルを用いている。そして、これら第１オイル（７０ａ）と第２オイル（７０ｂ）が音響インピーダンス密度の異なる物質で構成されるようにしている。このため、第１オイル（７０ａ）と第２オイル（７０ｂ）の界面を反射面（７１）とすることができ、音波（振動エネルギー）が伝わってきたときに、この反射面（７１）により音波を反射させることが可能となる。したがって、外部からの衝撃などを受けたとしても、半導体ダイアフラム（２２）が破損することを抑制することが可能となる。
【０００７】
この場合、第２オイル（７０ｂ）により、第１オイル（７０ａ）がメタルダイアフラム（８２）から離間するように第１オイル（７０ａ）を覆った構成にすると好ましい。このようにすれば、メタルダイアフラム（８２）から直接第１オイル（７０ａ）に音波が伝わることを防止することもできる。
【０００８】
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ものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る差圧検出型の圧力センサＳ１の概略断面構成を示す図である。この圧力センサＳ１は、例えば自動車のディーゼルエンジンの排気管に設けられたＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）の圧力損失を検出するために排気管に取り付けられ、該ＤＰＦの前後の排気管の差圧を検出する差圧検出型の圧力センサとして用いられる。
【００１１】
図１において、ケース１０は圧力センサＳ１の本体を区画するもので、例えばＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）やＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等の樹脂材料等よりなる。このケース１０は、ターミナル１０ａがインサート成形されたコネクタケース部（センサ素子設置部）１１と、このコネクタケース部１１に組み付けられた第１のポート部１２および第２のポート部１３とよりなる。ケース１０におけるこれら各部１１〜１３は、樹脂成形等にて作られる。
【００１２】
ケース１０のうちコネクタケース部１１においては、一面側（図１中の上面側）に第１の凹部１１ａが形成され、当該一面と反対の面側（図１中の下面側）に第１の凹部１１ａと連通する第２の凹部１１ｂが形成されている。第１の凹部１１ａ内には、第１の凹部１１ａと第２の凹部１１ｂとの連通部を遮断するように圧力検出用のセンサ素子２０が設けられている。
【００１３】
センサ素子２０は、印加された圧力値に応じたレベルの電気信号を発生するものである。本例のセンサ素子２０は、シリコン基板等の半導体基板を裏面側からエッチングして凹部２１を形成することで薄肉化したシリコンダイアフラム２２を有すると共に、このシリコンダイアフラム２２の変位を検出するための歪ゲージを備えた半導体ダイアフラム式のセンサチップである。このセンサ素子２０には、ガラス等よりなる台座３０が接合されセンサ素子２０と一体化されている。そして、センサ素子２０は、この台座３０を介して、コネクタケース部１１の第１の凹部１１ａの底面に、図示しないシリコーン系接着剤等の接着剤により接着され、第１の凹部１１ａ内に収納固定されている。
【００１４】
台座３０には、第２の凹部１１ｂと連通する貫通孔３１が形成されている。つまり、第２の凹部１１ｂは台座３０の貫通孔３１まで通じているが、その先はセンサ素子２０により遮断されており、このセンサ素子２０を境として、第１の凹部１１ａと第２の凹部１１ｂとは遮断されている。
【００１５】
また、コネクタケース部１１にインサート成形されたターミナル１０ａは、センサ素子２０からの信号を取り出すためのものであり、銅等の導電性金属よりなる。ターミナル１０ａの一端側はセンサ素子２０の近傍において第１の凹部１１ａに露出しており、センサ素子２０とアルミや金等のワイヤ４０により結線され電気的に接続されている。
【００１６】
なお、第１の凹部１１ａ内に露出しているターミナル１０ａの一端部の周囲には、ターミナル１０ａとコネクタケース部１１との隙間をシールするためのシール材５０が設けられている。このシール材５０は、樹脂等からなるものである。
【００１７】
ターミナル１０ａは、センサ素子２０からケース１０におけるセンサ素子２０の搭載面すなわちコネクタケース部１１の第１の凹部１１ａの底面と平行な方向に延びるように配置されており、ワイヤ４０との接続部とは反対側の端部が、ケース１０（コネクタケース部１１）の外部に露出している。そして、このターミナル１０ａの露出端部は、コネクタケース部１１とともに、図示しない外部配線部材に接続可能となっており、それによって、センサ素子２０は、ワイヤ４０、ターミナル１０ａを介して外部回路（車両のＥＣＵ等）に対して信号のやり取りが可能となっている。
【００１８】
このようにケース１０のうちコネクタケース部１１は、センサ素子２０が設置されたセンサ素子設置部として構成されている。また、第１のポート部１２、第２のポート部１３はそれぞれ、図１中、２点鎖線にて示す圧力導入ポート１２ａ、１３ａが設けられている。
【００１９】
また、コネクタケース部１１とポート部１２、１３とは、ネジ部材としてのネジ６０およびナット６１、６２を用いて接合されている。ナット６１はコネクタケース部１１にインサート成形されたもので、コネクタケース部１１と第１および第２のポート部１２、１３とをネジ６０およびナット６１によりネジ結合した後、ナット６２を用いて締結している。なお、ネジ部材６０〜６２に代えてリベットを用いても良い。
【００２０】
また、ケース１０のうちコネクタケース部１１における第１の凹部１１ａおよび第２の凹部１１ｂには、フッ素系オイルやシリコーン系オイル等からなるオイル７０が充填されている。このオイル７０が本発明の媒体に相当し、本発明の特徴部分となるものであり、これに関しては後で詳細に説明する。
【００２１】
そして、ケース１０において、コネクタケース部１１と第１のポート部１２との間には第１のダイアフラム８１が固定され、コネクタケース部１１と第２のポート部１３との間には第２のダイアフラム８２が固定されている。これら第１および第２のダイアフラム８１、８２は、メタルダイアフラムにより構成されている。
【００２２】
図１に示すように、第１のダイアフラム８１は、第１の凹部１１ａを覆うように配置され、第１の凹部１１ａ内のオイル７０を封止している。一方、第２のダイアフラム８２は、第２の凹部１１ｂを覆うように配置され、第２の凹部１１ｂ内のオイル７０を封止している。なお、図１では示さないが、第１のダイアフラム８１、第２のダイアフラム８２はそれぞれ、第１のポート部１２、第２のポート部１３に対して、フロロシリコーン系樹脂あるいはフッ素系樹脂等の樹脂からなる接着剤を介して接着されている。
【００２３】
また、コネクタケース部１１において、第１および第２のダイアフラム８１、８２が押しつけられる部位には、Ｏリング９０が設けられており、第１および第２のダイアフラム８１、８２によるオイル７０の封止をより確実なものとしている。
【００２４】
なお、本実施形態の構造の圧力センサＳ１では、センサ素子２０を境にして、第１のダイアフラム８１側に配置されるオイル７０の量と第２のダイアフラム８２側に配置されるオイル７０の量とが等しいものにすることが好ましい。これは、第１の凹部１１ａの容積や第２の凹部１１ｂの容積、センサ素子２０や台座３０の体積等を考慮して設計することで実現可能である。
【００２５】
このように構成された圧力センサＳ１は、図示しないが、例えば、第１のポート部１２の圧力導入ポート１２ａが上記排気管におけるＤＰＦの上流側、第２のポート部１３の圧力導入ポート１３ａが上記排気管におけるＤＰＦの下流側にゴムホース等により接続される。このため、ケース１０内においては、第１のダイアフラム８１にＤＰＦの上流側圧力（前圧）が導入されると同時に、第２のダイアフラム８２にＤＰＦの下流側圧力（後圧）が導入される。
【００２６】
これにより、第１および第２のダイアフラム８１、８２に印加された圧力がそれぞれオイル７０を介してセンサ素子２０に受圧される。そして、第１のダイアフラム８１側から受圧された圧力と第２のダイアフラム８２側から受圧された圧力との差圧をセンサ素子２０により検出する。
【００２７】
具体的には、センサ素子２０に形成されている後述するシリコンダイアフラム２２の表面に第１のダイアフラム８１側からＤＰＦの上流側圧力が受圧され、裏面に第２のダイアフラム８２側からＤＰＦの下流側圧力が受圧される。このとき、センサ素子２０のダイアフラムが両圧力の差圧により歪み、この歪みに基づく信号がセンサ素子２０からワイヤ４０を介してターミナル１０ａから外部に出力される。こうして、圧力検出がなされる。
【００２８】
次に、本発明の特徴部分となるオイル７０について説明する。図２は、図１に示す圧力センサＳ１のうちのセンサ素子２０の裏面側に配置されるオイル７０の周辺の部分拡大図である。
【００２９】
図２に示すように、オイル７０は、センサ素子２０の裏面側の凹部２１内を充填する第１オイル（第１媒体）７０ａと、その第１オイル７０ａを第２のダイアフラム８２から離すように第１オイル７０ａを覆った第２オイル（第２媒体）７０ｂという複数のオイルにより構成されている。
【００３０】
第１オイル７０ａと第２オイル７０ｂは、同質もしくは異質の材料のオイルにより構成されたものであるが、音響インピーダンス密度が異なる値の物質とされている。すなわち、第１オイル７０ａと第２オイル７０ｂの界面が、音響インピーダンス密度の異なる物質による界面が構成されるため、音波（振動エネルギー）が伝わってきたときに、この界面を反射面７１として音波を反射できるようになっている。
【００３１】
このときの反射面７１での音波の反射率は、第１オイル７０ａを構成する物質の音響インピーダンスをＺ１、第２オイル７０ｂを構成する物質の音響インピーダンスをＺ２とした場合に、次式で表すことができる。
【００３２】
（数１）
音波の反射率＝｜（Ｚ２−Ｚ１）／（Ｚ２＋Ｚ１）｜
このため、第１オイル７０ａを構成する物質の音響インピーダンスＺ１と、第２オイル７０ｂを構成する物質の音響インピーダンスをＺ２が異なる値となっていれば音波を反射することが可能であり、これらの差が大きいほど反射面７１で音波の反射を大きくすることができ、反射率が１に近づく程、音波がシリコンダイアフラム２２に伝わらないようにできる。
【００３３】
このような第１オイル７０ａ、第２オイル７０ｂの組み合わせとしては、互いに針入度、粘度、密度、流動点、ちょう度が異なる性質もの、科学的に反応しない性質のもの、半固体と油脂の組み合わせなどが考えられ、例えば、シリコーンオイルとフッ素ゲルなどを挙げることができる。また、オイルの音響インピーダンスは約１．５×10６Ｎ・Ｓ・Ｍ−３で、ゲルの音響インピーダンスは約２×10６Ｎ・Ｓ・Ｍ−３である。
【００３４】
このような構成により、本実施形態の圧力センサＳ１が構成されている。このような圧力センサＳ１は、特許文献１に記載されている従来の製造方法に対して、オイル７０の充填工程を第１オイル７０ａ、第２オイル７０ｂの二段階に分けて行うだけでよく、その他の製造工程に関しては従来と同様の手法により製造される。
【００３５】
以上説明した本実施形態の圧力センサＳ１においては、センサ素子２０の裏面側においてシリコンダイアフラム２２を形成するための凹部２１を充填するように第１オイル７０ａを備えると共に、その第１オイル７０ａが第２のダイアフラム８２から離れるように第１オイル７０ａを覆った第２オイル７０ｂを備えている。そして、これら第１オイル７０ａと第２オイル７０ｂが音響インピーダンス密度の異なる物質で構成されるようにしている。
【００３６】
このため、第１オイル７０ａと第２オイル７０ｂの界面を音響インピーダンス密度の異なる物質による反射面７１とすることができ、音波（振動エネルギー）が伝わってきたときに、この反射面７１により音波を反射させることが可能となる。したがって、外部からの衝撃などを受けたとしても、シリコンダイアフラム２２が破損することを抑制することが可能となる。
【００３７】
（他の実施形態）
上記実施形態で示した圧力センサＳ１は、差圧検出型の圧力センサを例に挙げて説明した。しかしながら、少なくともメタルダイアフラムの内側にセンサ素子２０を配置すると共に、センサ素子２０の裏面側の凹部２１内を含めてメタルダイアフラム（上記実施形態の場合、第２のダイアフラム８２が該当）内をオイル７０で充填するように構成した圧力センサ、つまり、メタルダイアフラムにて測定媒体の圧力を受圧し、メタルダイアフラム内に充填したオイル７０を介してシリコンダイアフラム２２に圧力を加えるような圧力センサであれば、どのような構造のものであっても構わない。
【００３８】
また、上記実施形態では、センサ素子２０をシリコン基板を用いて形成し、シリコンダイアフラム２２により薄肉な半導体ダイアフラムを構成した場合について説明したが、他の半導体材料を用いて形成しても構わない。
【００３９】
さらに、上記実施形態では、第２オイル７０ｂにより、第１オイル７０ａが第２のダイアフラム８２から離間するように第１オイル７０ａを覆った構成としている。このようにすれば、第２のダイアフラム８２から直接第１オイル７０ａに音波が伝わることを防止することができるため好ましいが、第１オイル７０ａが完全に第２のダイアフラム８２から離間した構成でなくても、少量のみ接触した構成であれば、上記効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る圧力センサＳ１の概略断面図である。
【図２】図１に示す圧力センサの分解図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０…ケース、１０ａ…ターミナル、１１…コネクタケース部、１２、１３…第１、第２のポート部、１２ａ、１３ａ…圧力導入ポート、２０…センサ素子、２１…凹部、２２…シリコンダイアフラム、３０…台座、３１…貫通孔、７０…オイル、７０ａ…第１オイル（第１媒体）、７０ｂ…第２オイル（第２媒体）、８１、８２…第１、第２のダイアフラム（メタルダイアフラム）、Ｓ１…圧力センサ。
【図１】
2008076154.tif 000003
【図２】
2008076154.tif 000004