(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ回路が形成されるダイアフラム部を備えた半導体圧力センサ素子と、
前記ダイアフラム部の外周部を支持する筒状の台座と、
流体導入路を通して前記台座の内部通路に導入された流体の圧力が前記ダイアフラム部に作用するように前記半導体圧力センサ素子が取り付けられる被取付壁部を有する電気絶縁性を有するケースを備えた圧力センサ装置であって、
前記台座は前記半導体圧力センサ素子の周囲に取付部を備えた形状を有しており、
前記台座の前記取付部が前記ケースの前記被取付壁部に接着剤で接合されており、
前記ケースは、前記台座の前記内部通路の入口部を囲む環状の下面との間にＯ−リングを挟む第１の環状面と、前記第１の環状面よりも前記台座側に位置して前記台座の前記下面の外周部と対向する第２の環状面とを備えており、
前記第１の環状面と前記第２の環状面との間に前記Ｏ−リングが圧縮された状態で配置されており、
圧縮された前記Ｏ−リングの反発力が、前記台座の前記取付部を前記ケースの前記被取付壁部に押し付けるように、前記台座の前記下面の前記外周部と前記第２の環状面との間に隙間が形成されていることを特徴とする半導体圧力センサ装置。
【請求項２】
前記流体導入路を内部に有する第１のケース部と、
前記半導体圧力センサ素子と回路基板を収納し且つ前記被取付壁部を備え、前記第１のケース部との間に前記半導体圧力センサ素子を収納する収納空間を形成する第２のケース部と、
前記第１のケース部の本体と前記第２のケース部を収納する第３のケース部から構成されるハウジングを有し、
前記第１のケース部には、前記流体導入路と同心的に形成され、前記Ｏ−リングを収納し、底部に前記第１の環状面を備えた環状の凹部が形成され、前記環状の凹部の開口部の径方向外側に前記第２の環状面が形成されている請求項１に記載の半導体圧力センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイアフラムにより流体の圧力を感知する圧力センサ装置に関し、特に、ダイアフラムとともに半導体圧力センサ素子を構成する台座を圧力センサ装置のハウジング又はケースに固定するための接着剤層が剥がれることのない圧力センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５は、特許第４２８１１７８号公報（特許文献１）の図１に示された従来の半導体圧力センサ装置の分解斜視図である。また図６は、特許第４２８１１７８号公報（特許文献１）の図２に示された従来の半導体圧力センサ装置の断面図である。この従来の半導体圧力センサ装置は、半導体圧力センサ素子が配設され樹脂成形されたセンサケース２０と、このセンサケース２０から一部が露出するように該センサケース２０にインサート成形されるとともにセンサ素子と電気的に接続されたリード３０と、センサケース２０に組み付けられてセンサ素子を覆う外側ケース４０と、外側ケース４０に形成されリード３０の露出部を囲う囲い部４２とを備えている。そして、リード３０の露出部と囲い部４２とにより、リード３０の露出部を外部端子に接続可能なコネクタ部を構成している。センサケース２０と外側ケース４０は、スライド動作により嵌合されており、センサケース２０と外側ケース４０との間に設けた係合構造（２５，４７）により抜け止めが図られている。またセンサケース２０には、被測定流体が流入する圧力導入ポート２１が一体に設けられている。
【０００３】
図６に示すように、センサケース２０は、その一側にセンサ素子１０等が配設された開口部２０ａを有し、この開口部２０ａの底面より反対側に突出した圧力導入ポート２１を有する。この圧力導入ポート２１の先端部は、例えば給湯器の流路の適所にＯリング等を介して取付け可能となっている。圧力導入ポート２１の内部には、上記流路からの圧力を導入するための導入孔２２が設けられている。
【０００４】
センサケース２０における開口部２０ａの底面には、その平坦部から凹んだ凹部２３が形成され、この凹部２３内に、センサ素子１０の台座１１が固定されている。センサ素子１０は、図示しないが、ピエゾ抵抗効果を有した半導体材料（例えば単結晶シリコン）よりなるダイアフラム上に複数個の拡散抵抗を形成して、これら拡散抵抗をブリッジ接続した構成となっており、このダイアフラムの変形に応じた拡散抵抗の抵抗値変化をブリッジ回路から電気信号として取り出すようになっている。
【０００５】
センサ素子１０のダイアフラムは台座１１にガラス接合等にて接着されており、この台座１１の内部には、導入孔２２と連通する貫通孔が形成されている。流路からの圧力は導入孔２２から台座１１の貫通孔を経て、センサ素子１０のダイアフラムに伝達される。台座１１は、凹部２３の底面に接着剤層を介して接合されている。また、凹部２３内にはガラスよりなる台座１１の貫通孔と導入孔２２との気密性を高めるために、封止剤２４が充填されている。
【０００６】
センサケース２０の開口部２０ａ内には、センサ素子１０からの出力信号を増幅する増幅回路としてのバイポーラトランジスタ素子１２、これらセンサ素子１０からの出力信号やバイポーラトランジスタ素子１２の信号等を調整する調整回路としてのＭＯＳトランジスタ素子１３が、接着剤により固定されている。
【０００７】
センサ素子１０、バイポーラトランジスタ素子１２、ＭＯＳトランジスタ素子１３、及び、リード３０は、ワイヤボンディングにより形成されたワイヤ１４により、適宜互いに電気的に接続されている。センサ素子１０からの電気信号（出力）は、これらワイヤ１４を通して、各素子１２、１３及びリード３０、リードの露出部から外部へ取り出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第４２８１１７８号公報  図１，図２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１の半導体圧力センサ装置では、台座１１が凹部２３の底面に接着剤層を介して接合されているが、台座の貫通孔に進入する流体の圧力で、接着剤の層が剥がれる可能性がある。
【００１０】
なおセンサ回路が形成されるダイアフラム部を備えた半導体圧力センサ素子と、該ダイアフラム部の外周部を支持する筒状の台座と、流体導入路を通して台座の内部通路に導入された流体の圧力が作用するように半導体圧力センサ素子が取り付けられる被取付壁部を有する電気絶縁性を有するケースを備えた圧力センサ装置において、台座として、半導体圧力センサ素子の周囲に取付部を備えた形状とし、台座の取付部をケースの被取付壁部に接着剤で接合すると、接着剤層が剥がれることを阻止することができる。しかしながら、このような構成を実現するためには、不要な応力が半導体圧力センサ素子に加わることを防止するために、各部品の加工精度を高める必要がある。
【００１１】
本発明の目的は、各部品の加工精度を高めることなく、台座を固定するための接着剤の層が剥がれることを阻止することができ、且つ不要な応力が半導体圧力センサ素子に加わることのない圧力センサ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、センサ回路が形成されるダイアフラム部を備えた半導体圧力センサ素子と、該ダイアフラム部の外周部を支持する筒状の台座と、流体導入路を通して台座の内部通路に導入された流体の圧力が作用するように半導体圧力センサ素子が取り付けられる被取付壁部を有する電気絶縁性を有するケースを備えた圧力センサ装置を改良の対象とする。
【００１３】
本発明においては、台座は半導体圧力センサ素子の周囲に取付部を備えた形状を有している。そして台座の取付部がケースの被取付壁部に、接着剤で接合されている。その上、ケースは、台座の内部通路の入口部を囲む環状の下面との間にＯ−リングを挟む第１の環状面と、第１の環状面よりも台座側に位置して台座の下面の外周部と対向する第２の環状面とを備えている。第１の環状面と第２の環状面との間には、Ｏ−リングが圧縮された状態で配置されている。そして圧縮されたＯ−リングの反発力が、台座の取付部をケースの被取付壁部に押し付ける方向に作用するように、台座の下面の外周部と第２の環状面との間に隙間が形成されている。
【００１４】
本発明の構造によれば、ダイアフラムに流体から加わる圧力が、台座の取付部をケースの被取付壁部に押し付ける方向に作用する。その結果、本発明によれば、流体の圧力と無関係に、Ｏ−リングの反発力が、台座の取付部をケースの被取付壁部に押し付ける方向に積極的に作用しているので、接着剤の層が剥がれることを防止できる。なお台座の下面の外周部と第２の環状面との間に隙間を生じさせない構造を採用すると、各部品の加工精度が低い場合には、加工精度の誤差に、半導体圧力センサに不要な応力が加わって、検出精度が悪くなる問題が生じる。このような場合でも、本発明によれば、台座の下面の外周部と第２の環状面との間に隙間が形成されているので、この隙間とＯ−リングの変形が加工精度による誤差を吸収し、不要な応力の発生を防止できる。
【００１５】
具体的な構造では、半導体基板の中央部に半導体圧力センサ素子が形成されてなる加工済み半導体基板が、台座の上面に接合されている。そして流体導入路を内部に有する第１のケース部と、半導体圧力センサ素子と回路基板を収納し且つ被取付壁部を備え、第１のケース部との間に半導体圧力センサ素子を収納する収納空間を形成する第２のケース部と、第１のケース部の本体と第２のケース部を収納する第３のケース部からハウジングを構成してもよい。このハウジングを採用した場合、第１のケース部には、流体導入路と同心的に形成され、Ｏ−リングを収納し且つ底部に第１の環状面を備えた環状の凹部が形成され、環状の凹部の開口部の径方向外側に第２の環状面が形成されているのが好ましい。この構造によれば、Ｏ−リングの位置決めを簡単に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】（Ａ）乃至（Ｄ）は、本発明の第１の実施の形態に係る圧力センサ装置を示す平面図、右側面図、底面図及び正面図である。
【図２】図１に示した圧力センサ装置の分解組立図である。
【図３】図１（Ｃ）のIII−III線断面図である。
【図４】図３の要部の拡大断面図である。
【図５】従来の圧力センサ装置の構成を示す分解斜視図である。
【図６】従来の圧力センサ装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下図面を参照して、本発明の圧力センサ装置の実施の形態について説明する。図１（Ａ）乃至（Ｄ）は、本実施の形態の半導体圧力センサ装置の平面図、右側面図、底面図及び正面図であり、図２は図１の圧力センサ装置の分解組立図であり、図３は図１（Ｃ）のIII−III線断面図であり、図４は図３の要部の断面図である。
【００１８】
本実施の形態の圧力センサ装置は、第１のケース１と、リード端子３と、第２のケース５（図２、図３）と、第３のケース７とを備えている。なお従来の構造と同様の部分には、図５及び図６に付した符号と同じ符号を付してある。第１のケース１は、図２に示すように外形が平板な直方体状本体１Ａの上面中央に環状凹部９が設けられ、下面からは下方に向けて圧力導入ポート２１が突出している。圧力導入ポート２１内部の導入孔２２は環状凹部９の底部中央に貫通している。
【００１９】
第２のケース５は直方体状の外形を有し、リード端子３が埋め込まれて前面から露出している。第２のケース５の上下の面にはそれぞれ上面凹陥部１５と下面凹陥部１６が設けられている。下面凹陥部１６の中には半導体圧力センサ素子１７が収納され、上面凹陥部１５の中には半導体圧力センサ素子１７の出力信号を処理する集積回路２と、電源回路及び調製回路を含み、リード端子３を通じて外部に圧力値に応じた電気信号を出力する回路基板１８が収納される。上面凹陥部１５と下面凹陥部１６との間は一部が貫通しており、下面凹陥部１６の上面の一部が被取付壁部１９を構成する。
【００２０】
第１のケース１、第２のケース５、第３のケース７及びコネクタカバー４はいずれも電気絶縁性及び可撓性を有する合成樹脂製であり、相互に係合して固定される係合構造が相応する位置に形成されている。第３のケース７は前面が開放した直方体形状であり、その中に相互に係合された第１のケース１の本体と第２のケース５を収納することができる。リード端子３にはコネクタカバー４が被せられてコネクタを形成する。
【００２１】
図３に示すように、本実施の形態における半導体圧力センサ素子１７は、センサ回路が形成されるダイアフラム２６を備えている。半導体圧力センサ素子１７は、ダイアフラム２６の外周部を支持する筒状の台座２８に固定されている。第２のケース５は、第１のケース１の内部の流体導入路である導入孔２２及び環状の凹部９を通して台座２８の内部通路３２に導入された流体の圧力が作用するように半導体圧力センサ素子１７が取り付けられる被取付壁部１９を有する。台座２８は半導体圧力センサ素子１７の周囲に取付部２９を備えた形状を有している。後述するように、本実施の形態の取付部２９は、半導体圧力センサ素子１７を形成するために用いられた加工済み半導体基板ＳＳの一部によって構成されている。
【００２２】
台座２８の取付部２９が第２のケース５の被取付壁部１９に、接着剤で接合されている。被取付壁部１９と取付部２９との間の接着剤層（厚みが薄いため図示していない）は、ダイアフラム２６が受ける圧力の方向に対しほぼ直角に延びている。すなわち、ダイアフラム２６と接着剤層とは、ほぼ面一又は平行な位置と姿勢の関係にある。また台座２８は十分な剛性と流体に対する耐腐食性等を有する材料、例えばガラス製である。
【００２３】
さらに具体的な構造では、半導体基板の中央部に半導体圧力センサ素子１７が形成されてなる加工済み半導体基板ＳＳが、台座２８の上面に接合されている。そして台座２８に接合された状態の加工済み半導体基板ＳＳには、半導体圧力センサ素子１７とその周囲部分とを分離する溝部３３が形成されている。すなわち溝部３３は、中央のダイアフラム２６を周囲部分と分離する。さらにこの周囲部分が台座２８の取付部２９を構成している。なお溝部３３は台座２８の内部まで入り込んでいる。このようにするとより台座側２８からダイアフラム２６への応力の伝達を阻止することができる。
【００２４】
図４に示すように、第１のケース１は、台座２８の内部通路３２の入口部を囲む環状の下面２８Ａとの間にＯ−リングを挟む第１の環状面Ｓ１と、第１の環状面Ｓ１よりも台座２８側に位置して台座２８の下面２８Ａの外周部と対向する第２の環状面Ｓ２とを備えている。第１の環状面Ｓ１と第２の環状面Ｓ２との間に、Ｏ−リング２７が圧縮された状態で配置されている。そして圧縮されたＯ−リング２７の反発力が、台座２８の取付部２９を第２のケース５の被取付壁部１９に押し付ける方向に作用するように、台座２８の下面２８Ａの外周部２８Ａaと第２の環状面Ｓ２との間に隙間ｇが形成されている。
【００２５】
Ｏ−リング２７の存在によって、流体が台座２８の表面側に侵入することを阻止することができる。Ｏ−リング２７の材料も取り扱う流体に対する耐性を有するものが選ばれ、汎用性のある材料としては例えばシリコーンゴムが挙げられる。
【００２６】
本実施の形態によれば、流体の圧力と無関係に、Ｏ−リング２７の反発力が、台座２８の取付部２９を第２のケースの被取付壁部１９に押し付ける方向に積極的に作用しているので、接着剤の層が剥がれることを防止できる。なお台座２８の下面２８Ａの外周部２８Ａaと第２の環状面Ｓ２との間に隙間ｇを生じさせない構造を採用すると、各部品の加工精度が低い場合には、加工精度の誤差により、半導体圧力センサ１７に不要な応力が加わって、検出精度が悪くなる問題が生じる。このような場合でも、本実施の形態によれば、Ｏ−リング２７の変形が加工精度による誤差を吸収するため、液漏れや不要な応力の発生を防止できる。
【００２７】
なお本実施の形態は、導入孔２２と環状凹部９とから構成される流体導入路を内部に有する第１のケース１と、半導体圧力センサ素子１７と回路基板１８を収納し且つ被取付壁部１９を備え、第１のケース１との間に半導体圧力センサ素子１７を収納する収納空間を形成する第２のケース５と、第１のケース１の本体と第２のケース５を収納する第３のケース７からハウジングが構成されている。このようなハウジングを採用したので、第１のケース１には、流体導入路２２と同心的に形成され、Ｏ−リング２７を収納し且つ底部に環状面３４を備えた環状の凹部９が形成されており、Ｏ−リング２７の位置決めを簡単に実現できる。
【００２８】
次に本実施の形態の製造方法及び作用について説明する。図２に示すように、第１の実施の形態に係る圧力センサ装置は、第１のケース１の環状の凹部９内の第１の環状面Ｓ１上にＯ−リング２７を載置し、さらにその上に半導体圧力センサ素子１７を載置する。次に半導体圧力センサ素子１７の台座２８の取付部２９に接着剤を塗布し、続いて第２のケース５の被取付壁部１９がその上に載るように、第２のケース２の下面凹陥部１６内に半導体圧力センサ素子１７を収納するために、第１のケース１と第２のケース５とを相互に近づけていき、嵌合構造により嵌合する。なお事前に、台座２８の取付部２９に接着剤を塗布し、その接着剤で第２のケース５の被取付壁部１９に台座２８の取付部２９を接着しておいてもよい。弾性を有するＯ−リング２７は、第１の環状面Ｓ１と台座２８の下面２８Ａとの間で圧縮されて変形し、第１の環状面３４と台座２８の底面２８Ａに密着して流体が漏れないように密封するとともに、台座２８を上方に付勢して台座２８の取付部２９を第２のケース５の被取付壁部１９に向かう方向に押し付けて、接着剤による接着を確実なものにする。また本実施の形態では、台座２８の下面２８Ａの外周部２８Ａaと第２の環状面Ｓ２との間に積極的に隙間ｇを形成するように、第１のケース１，台座２８及び第２のケース５の形状寸法を定めているので、Ｏ−リング２７の変形が加工精度による誤差を吸収し、液漏れや不要な応力の発生を防止する。
【００２９】
次に第２のケース５の上面凹陥部１５内に配置した集積回路２と回路基板１８、及び半導体圧力センサ素子１７とリード端子３それぞれの間で必要な配線が行われたら、第１のケース１の本体と第２のケース５を第３のケース７内に収納し、リード端子３を覆うようにコネクタカバー４が嵌合されて、圧力センサ装置が組み立てられる。
【００３０】
以上のような圧力センサ装置において、半導体圧力センサ素子１７は、ダイアフラム２６に導入孔２２、環状の凹部９及び内部通路３２を通じて外部の圧力が作用すると、ダイアフラム２６が変形して抵抗素子の抵抗値が変化し、抵抗値の変化を抵抗ブリッジ回路（図示していない）により検知して、圧力に比例した信号を出力する。信号は集積回路２により処理され、回路基板１８を経てリード端子３から外部に出力される。
【００３１】
計測される流体の圧力は、ダイアフラム２６に作用するが、ダイアフラム２６に流体を介して加わる圧力が、台座２８の取付部２９を第２のケース５の被取付壁部１９に押し付ける方向に作用する。その結果、流体の圧力で接着剤の層が剥がれることを阻止することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明によれば、ダイアフラムに流体から加わる圧力が、台座の取付部をケースの被取付壁部に押し付ける方向に作用するので、流体の圧力で接着剤の層が剥がれることを阻止できる。特に、本発明によれば、台座の下面の外周部と第２の環状面との間に隙間が形成されているので、各部品の加工精度を高めることなく、この隙間とＯ−リングの変形が加工精度による誤差を吸収し、不要な応力が半導体圧力センサ素子１７に加わるのを防止できる。
【符号の説明】
【００３３】
１  第１のケース
２  集積回路
３  リード端子
４  コネクタカバー
５  第２のケース
７  第３のケース
９  環状の凹部
１５  上面凹陥部
１６  下面凹陥部
１７  半導体圧力センサ素子
１８  回路基板
１９  被取付壁部
２１  圧力導入ポート
２２  導入孔
２６  ダイアフラム部
２７  Ｏ−リング
２８  台座
２９  取付部
３２  内部通路
３３  溝部
Ｓ１  第１の環状面
Ｓ２  第２の環状面
ｇ    隙間
【要約】
各部品の加工精度を高めることなく、台座を固定するための接着剤の層が剥がれることを阻止することができ、且つ不要な応力が半導体圧力センサ素子に加わることのない圧力センサ装置を提供する。ダイアフラム２６と台座２８を備えた半導体圧力センサ素子１７は、台座２８のダイアフラム２６の周囲に備えられた取付部２９を、第２のケース５の被取付壁部１９に、接着剤で接合する。台座２８の下面２８Ａの外周部２８Ａaと第２の環状面Ｓ２との間に積極的に隙間ｇを形成する。【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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