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JP2004361308A - 物理量検出装置および物理量検出手段格納ケース - Google Patents

物理量検出装置および物理量検出手段格納ケース Download PDF

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JP2004361308A JP2003161853A JP2003161853A JP2004361308A JP 2004361308 A JP2004361308 A JP 2004361308A JP 2003161853 A JP2003161853 A JP 2003161853A JP 2003161853 A JP2003161853 A JP 2003161853A JP 2004361308 A JP2004361308 A JP 2004361308A
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Kazunori Saito
和典 斉藤
Kimiyasu Ashino
仁泰 芦野
Katsumichi Kamiyanagi
勝道 上▲柳▼
Shigeru Shinoda
茂 篠田
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Fuji Electric Device Technology Co Ltd
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Abstract

【課題】物理量を電気信号に変換して出力を発生する物理量検出手段を備えた物理量検出装置において、外部の応力やケースの変形による応力の影響を低減することができる物理量検出装置を提供すること。
【解決手段】センサ素子１を格納するケース２の凹部の形状を、センサ素子１の角部１４が対向する箇所に逃げ部３２を形成し、該逃げ部３２の近傍に位置決め部３１を形成し、前記逃げ部３２の底に凹部底面より低い凹み部３３を形成する。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体素子が収納されるケースを用いた物理量検出装置に係り、特に圧力や加速度を電気信号に変換して出力を発生する半導体センサ素子を用いた場合のケースの形状に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、一般に、自動車用に用いられるエンジン吸気圧測定用の圧力検出装置では、ピエゾ抵抗効果を利用した半導体圧力センサチップを用いることが一般的となっている。かかる半導体圧力センサの動作原理は周知であり、ピエゾ抵抗効果を有した材料（例えば単結晶シリコン）より成るダイヤフラム上に複数個の半導体歪ゲージを形成して、これらの半導体歪ゲージをブリッジ接続した構成となっており、ダイヤフラムの変形に応じた半導体歪ゲージのゲージ抵抗の変化を上記ブリッジ回路から電圧信号として取り出される。
【０００３】
図１０は、上記圧力検出装置を示す外観図であり、図１１は、図１０のＥ−Ｅ線に沿う断面図である。この圧力検出装置１００は、ガラスまたはシリコンなどからなる台座１１と台座１１に搭載されたダイヤフラム１３を備えた半導体圧力センサチップ１２とからなるセンサ素子１を、エポキシ樹脂やＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド樹脂などの熱硬化性樹脂あるいは熱可塑性樹脂を射出成型した樹脂ケース２の凹部３にマウントする構成となっている。従来では、例えば、センサ素子１の台座１１を樹脂ケース２に形成された凹部３に滴下された接着剤４の上に押圧することによりダイボンディングし、その後、樹脂ケース２を貫通して一体にインサート成型された外部導出用のリード端子（リードフレーム）５と、当該半導体圧力センサチップ１２間をボンディングワイヤ６によって電気的に接続することが行われている。
【０００４】
半導体圧力センサチップ１２は、樹脂ケース２からの応力を低減させる目的から、台座１１と接合されている。
また、上記構成において、半導体圧力センサチップ１２表面と、ボンディングワイヤ６を、被測定圧力媒体に含まれる汚染物質などから保護しつつ、被測定圧力を半導体圧力センサチップ１２に伝達させるための保護部材として、ゲル状保護部材７を用いている。
さらに、被測定空間と連結される圧力導入管８１を有する樹脂ケース２と同様の材料で射出成型した樹脂キャップ８を樹脂ケース２に接着して、圧力検出室９を形成する。該圧力導入管８１から導入される被測定媒体からの圧力を、圧力検出室９へ導入し、物理量検出室９内の圧力変化をセンサ素子１からの信号出力として検出する（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平２００２−３１０８３６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図１２〜１５は、図１０に示した圧力検出装置１００のセンサ素子１が収納される樹脂ケース２の凹部３の拡大図であり、図１２は、平面図、図１３（ａ）は、図１２（ａ）のＦ−Ｆ線に沿う断面図、同図（ｂ）は図１２のＧ−Ｇに沿う断面図であり、便宜上ボンディングワイヤ６も記載している。図１４は、図１３の丸印の拡大図である。
上記のような圧力検出装置１００では、上記センサ素子１の特性の高精度要求および高信頼性要求を満たした形で、小型化要求に対応するようにセンサ素子１に対して最適な凹部３の開口寸法が選ばれるが、開口寸法が小さくなると、樹脂キャップ８１からの外部応力や、厳しい温度環境に起因する熱応力により樹脂ケース２の変形が生じた場合、センサ素子１の特性に影響を及ぼし、センサ素子１の特性が変化してしまうという問題が生じる。
【０００７】
特に、センサ素子１のθ方向の位置ずれを防止するために、センサ素子１の角部１４に対応する位置に樹脂ケース２から突出した位置決め部３１を有するものにおいては、角部１４と位置決め部３１との距離が短く接触する可能性もあるので、上記の問題が顕著に生じる。
また、図１２，１３に示すような角部１４を含めた位置決め部３１では、センサ素子１を凹部３内に接着する際、入れ難いという問題もある。
また、センサ素子１と樹脂ケース２とを接着剤４を用いて接着する際、接着剤４の量が多い場合、センサ素子１の底面からはみ出した接着剤４が樹脂ケース２とセンサ素子１の台座１１の隙間部分に這い上がり部４１が形成される。このような場合、樹脂ケース２が変形するとセンサ素子１の特性に影響を及ぼし易く、センサ素子１の特性が変化してしまうという問題が生じる。
【０００８】
図１５は、図１３（ｂ）と同様の断面図である。図１５のように、射出成型により形成される樹脂ケース２の凹部３の底面の形状が、ひけ４２が形成されることによりお椀形状になることがある。このように底面の高さに寸法差が生じる場合、センサ素子１の角部１４の底面が樹脂ケース２と接触に近い状態となり、樹脂ケース２の変形がセンサチップ特性に影響を及ぼし、半導体圧力センサの特性が変化してしまうという問題が生じる。特に寸法差が１０μｍを超えると問題が顕著になる。
このような問題は、上記に示した圧力検出装置の他に加速度検出装置など物理量を電気信号に変換して出力する装置共通に有する課題である。
【０００９】
この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、外部からの応力やケースの変形による応力などの影響を受け難い、物理量を電気信号に変換して出力する物理量検出装置を得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明では、かかる問題点を解決する手段として、以下の構成によって実現する。
凹部を有するケースと、該凹部に格納され物理量を電気信号に変換して出力を発生するほぼ直方体の物理量検出手段と、該物理量検出手段からの信号を取り出す手段と、前記物理量検出手段と前記凹部とを接着する手段を備えた物理量検出装置において、前記凹部が物理量検出手段の８つの角と接触しないで底面によって前記接着手段により支持し、前記凹部の内壁に前記物理量検出手段を位置決めする位置決め手段を備えたものとする。
【００１１】
また、凹部を有するケースと、該凹部に格納され物理量を電気信号に変換して出力を発生するほぼ直方体の物理量検出手段と、該物理量検出手段からの信号を取り出す手段と、前記物理量検出手段と前記凹部とを接着する手段を備えた物理量検出装置において、前記凹部の内壁に前記物理量検出手段を位置決めする位置決め手段を備え、前記物理量検出手段の角と対向する前記凹部に前記位置決め手段から前記物理量検出手段の距離より大きくなるような逃げ部と、該逃げ部の底に前記凹部の底面より低い凹み部とを備えたものとする。
または、凹部を有するケースと、該凹部に格納され物理量を電気信号に変換して出力を発生するほぼ直方体の物理量検出手段と、該物理量検出手段からの信号を取り出す手段と、前記物理量検出手段と前記凹部とを接着する手段を備えた物理量検出装置において、前記凹部の内壁に前記物理量検出手段を位置決めする位置決め手段を備え、前記物理量検出手段の角と対向する前記凹部に前記位置決め手段から前記物理量検出手段の距離より大きくなるような逃げ部を備えたものとする。
【００１２】
そして、前記位置決め手段が、前記逃げ部に隣接する２つの内壁に前記逃げ部に隣接して形成されたものとすることが好ましい。
また、前記位置決め手段が、前記逃げ部に隣接する２つの内壁であるものとしてもよい。
また、前記逃げ部が円弧状に形成するものとする。
さらに、前記位置決め手段は、前記ケースと一体成型されたものとする。
さらに、上記物理量検出手段が、ピエゾ抵抗効果を利用した半導体式圧力センサであることとする
物理量検出手段格納ケースとしては、物理量を電気信号に変換して出力を発生するほぼ直方体の物理量検出手段を格納する凹部を備え、前記凹部の内壁に前記物理量検出手段を位置決めする位置決め手段を備え、前記物理量検出手段を収納した際に、その角と対向する前記凹部に前記位置決め手段から前記物理量検出手段の距離より大きくなるような逃げ部と、該逃げ部の底に前記凹部の底面より低い凹み部とを備えたものとする。
【００１３】
この発明によれば、凹部３の４隅に逃げ部および凹み部を有して、センサ素子ダイボンディング時の位置ずれを許容できる位置決め部を有する構成としたため、樹脂ケースからセンサ素子への応力の影響を受けにくく、初期特性も、信頼性性能も十分に要求精度を満足できる物理量検出装置を提供することができる。
また、凹み部を設けることにより、樹脂ケースの凹部の底面にひけが形成されてもセンサ素子の角部底面が樹脂ケースに接触または近接することがなくなり、センサ素子特性に影響を及ぼしにくくすることができる。
過剰な接着剤は樹脂ケース深さ方向に設けられた部位に溜まり、樹脂ケースとセンサチップの接着面積は確保しつつ、センサチップ底面からはみ出した接着剤が樹脂ケースとセンサ素子との間部分に這い上がることを防ぎ、樹脂ケースの変形がセンサチップ特性に影響を及ぼしにくくすることができる。
【００１４】
その効果として、初期特性的にも、信頼性性能的にも十分に要求精度を満足できる物理量検出装置を大量および均一な形状で提供することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下この発明の実施の形態について圧力検出装置を例に説明するが、この発明は、これに限られるものではなく、物理量を電気信号に変換して出力する物理量検出装置に適用できるものである。
［第１の実施の形態］
以下この発明の第１の実施の形態を図１〜図３を参照して説明する。図１は、第１の実施の形態の圧力検出装置の要部平面図、図２（ａ）は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図で、同図（ｂ）が図１のＢ−Ｂ線に沿う断面図であり、便宜上ボンディングワイヤ６も記載したものである。図３は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【００１６】
図１は、図１０に示した圧力検出装置１００の凹部３を主にリード端子５およびワイヤボンディング６から下の部分の平面図を示している。図１２に示した従来の圧力検出装置１００からの変更点は、センサ素子１の角部１４に対応する凹部３の４隅に逃げ部３２を設け、さらに、樹脂ケース２の底面の逃げ部３２の底部に凹み部３３を設けたものである。よって、該逃げ部３２の近傍に位置決め部３１が位置する構成となっている。
センサ素子１と凹部３の底面との接着は、樹脂ケース２からセンサ素子１への応力緩和機能を持たせるようなものを用い、ヤング率２〜５０（ｋｇｆ／ｃｍ２）程度のものであればよい。具体的にはシリコーンゴム接着剤など。
【００１７】
逃げ部３２は、センサ素子１の側面部１５から凹部３までの最短距離よりもセンサ素子１の角部１４から凹部３までの距離の方が大きくなるように形成する。センサ素子１の側面部１５から凹部３（ここでは位置決め部３１）までの最短距離は、０．０ｍｍ〜０．４ｍｍの範囲がセンサ素子１の位置ずれを抑制するために望ましく、角部１４から凹部３までの距離は、センサ素子１の側面部１５から凹部３までの最短距離より大きければよいが、樹脂ケース２の強度および寸法の許す限り大きい方が応力を緩和するためには望ましい。また、逃げ部３２は、センサ素子１が所望の位置に配置された場合においてその角部１４中心とする円弧状とすることが、角部から凹部３までの距離が均一化され応力を緩和する上で望ましい。
【００１８】
また、逃げ部３２の底面に形成された凹み部３３は、深さが、０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍ程度が望ましい。０．０５ｍｍより浅いと接着剤の滴下量のばらつきによって、接着剤の這い上がりを防ぐことが不可能であり、０．２ｍｍを超えて深くなると樹脂ケース２の剛性が低下してしまい望ましくない。
逃げ部３２の形成は、樹脂ケース２の成型金型の形状を逃げ部３２も含めた形にすることで、樹脂ケース２を形成する際に形成することができる。
このような逃げ部３２を設けたことにより、センサ素子１が特に樹脂ケース２からの応力の影響をもっとも受けやすいセンサ素子１の角部１４に樹脂ケース２との間隔に余裕ができるため、センサ特性を安定させることができる。
【００１９】
位置決め部３１は、樹脂ケース２と同一の材質からなり、樹脂ケース２の成型金型を位置決め部３１の形状を含めた形にすることで、樹脂ケース２を形成する際に同時に形成することができる。また、凹部３の開口部の縁に向かって傾斜３４を有する形状とすると、センサ素子１の凹部３内へのマウントを容易に行うことができる。
また、図３に示すように、樹脂ケース２の成型後、凹部３の底面の樹脂ひけ４２による微小な寸法変化があった場合でも、凹み部３３を形成したことにより、センサ素子１の角部１４の底面が樹脂ケース２と接触に近い状態となることを防ぎ、樹脂ケース２の変形がセンサ素子１の特性に影響を及ぼすことを低減することができる。
【００２０】
また、センサ素子１と樹脂ケース２とを接着剤４を用いて接着する際、接着剤４の量が多くなっても、凹部３底面に対する凹み部３３の効果により、センサ素子１の底面からはみ出した接着剤４が、樹脂ケース２とセンサ素子１の台座部１１の間に這い上がり、樹脂ケース２の変形がセンサ素子１の特性に影響を及ぼし、センサ素子１の特性が変化してしまうという問題を防ぐことができる。
また、凹み部３３も外部からの応力および樹脂ケース２の変形による応力の緩和に作用し、センサ素子１が特性変化を低減することができる。
［第２の実施の形態］
以下この発明の第２の実施の形態を図４を参照して説明する。図４は、第２の実施の形態の圧力検出装置の要部平面図であり、図１の平面図と同様の箇所の平面図の他の実施形態を示す。
【００２１】
図４は、図１と同様に、センサ素子１の角部１４に対応する凹部３の４隅に逃げ部３２を設けたものである。図４のＣ−Ｃ線に沿う断面図およびＤ−Ｄ線に沿う断面図はそれぞれ図２（ａ）、図２（ｂ）と同じである。また、凹部３の側面部１５がセンサ素子１の位置決め部となっている。凹部３の側面部１５とセンサ素子１との距離は第１の実施の形態と同様に０．０ｍｍ〜０．４ｍｍの範囲とすることが望ましい。
本実施の形態においても図１と同様の効果を得ることができる。
［第３の実施の形態］
以下この発明の第３の実施の形態を図５を参照して説明する。図５（ａ）は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図であり、同図（ｂ）は、図１のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【００２２】
第１の実施の形態と異なる点は、凹み部３２を備えていない点である。第１の実施の形態と同様に、センサ素子１の角部１４に対応する凹部３の４隅に逃げ部３２を設けたものである。第１の実施の形態と同様に、センサ素子１が特に樹脂ケース２からの応力の影響を受けやすいセンサ素子１の角部１４において樹脂ケース２との距離に余裕ができるため、センサ特性を安定させることができる。
また、第２の実施の形態で示した図３の平面図であっても構わない。
［第４の実施の形態］
以下この発明の第４の実施の形態を図６を参照して説明する。図６は、第４の実施の形態の圧力検出装置の要部平面図である。
【００２３】
第１の実施の形態と異なる点は、凹部３の側面部１５に複数の逃げ部３２を設けた構成である点である。凹部３に複数の逃げ部３２を形成することにより、樹脂ケース２からの応力の影響をもっとも受けやすいセンサ素子１の角部１４と側面部１５の４辺方向に樹脂ケース２との間隔に余裕ができて、センサ特性を安定させることができる。
この凹部３の側面部１５に設ける逃げ部３２は、一辺に複数個設けてもよい。
［第５の実施の形態］
以下この発明の第５の実施の形態を図７を参照して説明する。図７は、第５の実施の形態の圧力検出装置の要部斜視図である。
【００２４】
５は、樹脂ケース２にインサート成型されたリード端子であり、３１は図示しないセンサ素子１を位置決めする位置決め部であり、その両側に逃げ部３２を備えている。図示されていないが凹み部３３も備えている。３５は、ワイヤボンディングの際のリード端子５などの高さを認識する認識面である。
以上の実施の形態では、逃げ部３２が、円弧状の場合を示したが、これに限られるものではない、また、センサ素子１は、台座１１に半導体圧力センサチップ１２を接続した構成について述べたが、センサ素子１が半導体圧力センサチップ１２のみからなる構成であっても、この発明の効果は同様に得られる。
【００２５】
また、前記センサ素子が収納されるケースに、エポキシ樹脂やＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂等の熱硬化性樹脂あるいは熱可塑性樹脂を用いて、トランスファ成型あるいは射出成型により大量生産を可能とできる。
［実施例］
実施例１として、図１に示した圧力検出装置を作成した、センサ素子１は、ガラスからなる台座１１を半導体センサチップ１２と陽極接合技術で接合した構成とし、直方体であり一辺が４．１ｍｍであり、対向する位置決め部３１の間隔は４．２５ｍｍとした。逃げ部３２は、センサ素子１が所望の位置に配置された場合の角部１４からの距離が０．２ｍｍとなるように形成した。また、凹み部３３は凹部３の底面から０．１ｍｍの深さとした。接着剤４は、ヤング率３．９ｋｇｆ／ｃｍ２のシリコーン接着剤を用いた。
【００２６】
このように作成した圧力検出装置では、位置決め部３１とセンサ素子１との距離が０．０ｍｍであっても、角部１４は凹部３に接触しない。比較例として、逃げ部３２を形成しない以外は実施例１と同様の圧力検出装置を形成した。
図８は、実施例の荷重印加方向を示す図であり、図９は、図８のように出力検出装置に側面から荷重を印加した際の圧力検出装置の出力電圧偏差を示す図であり、実施例１の圧力検出装置３つと比較例の圧力検出装置３つについて実験した結果を示している。実施例１の圧力検出装置は、側面荷重８ｋｇ／ｃｍ２まではセンサ出力にほとんど変化がないことが確認された。
【００２７】
【発明の効果】
この発明により、位置決めをしつつ樹脂ケースからセンサチップへの応力の影響を受けにくくするような工夫を施したことにより、初期特性も、信頼性性能も十分に要求精度を満足できる物理量検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施の形態の要部平面図
【図２】図１の断面図であり、（ａ）は、Ａ−Ａ線に沿う断面図、（ｂ）は、Ｂ−Ｂに沿う断面図
【図３】図１のＡ−Ａに沿う断面図
【図４】この発明の第２の実施の形態の要部平面図
【図５】この発明の第３の実施の形態の要部断面図であり、（ａ）は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図、（ｂ）は、図１のＢ−Ｂ線に沿う断面図
【図６】この発明の第４の実施の形態の要部平面図
【図７】第５の実施の形態の要部斜視図
【図８】実施例の荷重印加方向を示す図
【図９】出力検出装置の出力電圧偏差を示す図
【図１０】従来の出力検出装置の平面図
【図１１】図１０のＥ−Ｅ線に沿う断面図
【図１２】従来の出力検出装置の要部平面図
【図１３】図１２の断面図であり、（ａ）は、Ｆ−Ｆ線に沿う断面図、（ｂ）は、Ｇ−Ｇ線に沿う断面図
【図１４】図１３の丸の部分の拡大図
【図１５】図１２のＦ−Ｆ線に沿う断面図
【符号の説明】
１ センサ素子
２ 樹脂ケース
３ 凹部
４ 接着剤
３１ 位置決め部
３２ 逃げ部
３３ 凹み部

Claims (9)

  1. 凹部を有するケースと、該凹部に格納され物理量を電気信号に変換して出力を発生するほぼ直方体の物理量検出手段と、該物理量検出手段からの信号を取り出す手段と、前記物理量検出手段と前記凹部とを接着する手段を備えた物理量検出装置において、
    前記凹部が物理量検出手段の８つの角と接触しないで底面によって前記接着手段により支持し、前記凹部の内壁に前記物理量検出手段を位置決めする位置決め手段を備えたことを特徴とした物理量検出装置。
  2. 凹部を有するケースと、該凹部に格納され物理量を電気信号に変換して出力を発生するほぼ直方体の物理量検出手段と、該物理量検出手段からの信号を取り出す手段と、前記物理量検出手段と前記凹部とを接着する手段を備えた物理量検出装置において、
    前記凹部の内壁に前記物理量検出手段を位置決めする位置決め手段を備え、前記物理量検出手段の角と対向する前記凹部に前記位置決め手段から前記物理量検出手段の距離より大きくなるような逃げ部と、該逃げ部の底に前記凹部の底面より低い凹み部とを備えたことを特徴とする物理量検出装置。
  3. 凹部を有するケースと、該凹部に格納され物理量を電気信号に変換して出力を発生するほぼ直方体の物理量検出手段と、該物理量検出手段からの信号を取り出す手段と、前記物理量検出手段と前記凹部とを接着する手段を備えた物理量検出装置において、
    前記凹部の内壁に前記物理量検出手段を位置決めする位置決め手段を備え、前記物理量検出手段の角と対向する前記凹部に前記位置決め手段から前記物理量検出手段の距離より大きくなるような逃げ部を備えたことを特徴とする物理量検出装置。
  4. 前記位置決め手段が、前記逃げ部に隣接する２つの内壁に前記逃げ部に隣接して形成されたことを特徴とする請求項２または３のいずれかに記載の物理量検出装置。
  5. 前記位置決め手段が、前記逃げ部に隣接する２つの内壁であることを特徴とする請求項２または３のいずれかに記載の物理量検出装置。
  6. 前記逃げ部が円弧状であることを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の物理量検出装置。
  7. 前記位置決め手段は、前記ケースと一体成型されたことを特徴とする請求項２ないし６のいずれかに記載の物理量検出装置。
  8. 上記物理量検出手段が、ピエゾ抵抗効果を利用した半導体式センサであることを特徴とした請求項１ないし７のいずれかに記載の物理量検出装置。
  9. 物理量を電気信号に変換して出力を発生するほぼ直方体の物理量検出手段を格納する凹部を備え、前記凹部の内壁に位置決め手段を備え、前記物理量検出手段を収納した際に、その角と対向する前記凹部に前記位置決め手段から前記物理量検出手段の距離より大きくなるような逃げ部と、該逃げ部の底に前記凹部の底面より低い凹み部とを備えたことを特徴とする物理量検出手段格納ケース。
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