JP2010145341A - 圧力センサモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】６０℃以下−５０℃以上の温度範囲にわたって正常に動作し精度が良好である圧力センサモジュールを提供する。
【解決手段】圧力導入孔３６が設けられ、熱膨張係数が１０×１０^−６以下であるセラミック基板２４と、圧力導入孔が開いたセラミック基板上に、−４０℃以下においても弾性を保持する接着剤３４で接合された−４０℃以下においても正常に動作する半導体圧力センサチップ２８と、セラミック基板上に搭載され、半導体圧力センサチップの出力電圧を増幅する電子回路３０と、セラミック基板上に、−４０℃以下においても電気的特性の変化の少ない材料で配線パターンが形成され、配線パターンに、−４０℃以下においても正常に動作する雑音除去のためのコンデンサ３２ａ，３２ｂが接合されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、圧力センサモジュール、特に−４０℃以下の環境温度においても動作する圧力センサモジュールに関する。

計測器，自動車，鉄道，航空機，医療機器，家電製品などの各種分野で用いられる圧力センサモジュールにおいて、低温の環境温度で動作するものが求められている。

従来、低温において動作する圧力センサモジュールとしては、特許文献１（特開２００７−３４４９号公報）に示すような圧力センサモジュールが知られている。

図１に、従来の圧力センサモジュール１０の断面図を示す。図１に示すように、圧力センサチップ１２が、ガラス基板１４の上に設置されている。ガラス基板１４は、接着剤１６によってケース１８に固定されている。圧力センサチップ１２，ガラス基板１４，ケース１８の内部には、ゲル状物質２０が充填されている。

実際の圧力測定では、ゲル状物質２０に圧力が加わり、ゲル状物質を伝わった圧力が圧力センサチップ１２に伝わり、圧力センサチップに形成された歪ゲージにより圧力が検出される。
特開２００７−３４４９号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている従来の圧力センサモジュールには、次のような問題がある。

従来の圧力センサモジュールでは、圧力を直接受ける部分はゲル状物質であり、環境温度が−４０℃以下になると、ゲル状物質が変形し、圧力センサチップに圧力以外の応力が加わり、圧力センサの精度が悪くなるという問題があった。

また、圧力センサチップのみでは出力する圧力信号が微弱なため、環境温度が−４０℃以下でも正常動作する電子回路を使用して、圧力信号を増幅する必要がある。しかし、上記特許文献１には、電子回路に関し、低温での正常動作について全く考慮が払われていない。

本発明の目的は、−４０℃以下、好ましくは−４０℃以下−５０℃以上、より好ましくは−５０℃の環境温度においても、正常に動作し精度が良好である圧力センサモジュールを提供することにある。

本発明の圧力センサモジュールは、圧力導入孔が設けられたセラミック基板と、圧力導入孔が開いたセラミック基板上に、接着剤で接合された半導体圧力センサチップと、セラミック基板上に搭載され、半導体圧力センサチップの出力電圧を増幅する電子回路と、セラミック基板上に形成された配線パターンと、配線パターン上に設けられた雑音除去のためのコンデンサと、セラミック基板をカバーする樹脂ケースとを備えている。

半導体圧力センサチップは、金ワイヤで配線パターンに接続され、電子回路およびコンデンサは、ハンダで配線パターンに接合されている。樹脂ケースの内部の空間は、絶縁性のゲル状物質が充填されている。樹脂ケースには、ゲル状物質を充填するための少なくとも２個の孔が設けられている。

本発明の圧力センサモジュールでは、低温に耐え、かつ低温においても正常に動作する部材および材料が選択される。

本発明の圧力センサモジュールによれば、−４０℃以下においても、好ましくは−４０℃以下−５０℃以上においても、より好ましくは−５０℃においても正常に動作する圧力センサモジュールを実現できる。

本発明の圧力センサモジュールの実施例を、図面を参照して説明する。

図２は、本実施例の圧力センサモジュールの上面図、図３は、図２のＡ−Ａ線断面図である。

圧力センサモジュール２２は、セラミック基板２４を備えている。セラミック基板上には、配線パターン２６が形成され、半導体圧力センサチップ２８，電子回路（ＩＣ）３０，２個のコンデンサ３２ａ，３２ｂが搭載されている。

半導体圧力センサチップ２８と配線パターン２６とは、金ワイヤ３４により電気的に接続されている。電子回路３０およびコンデンサ３２ａ，３２ｂは、ハンダにより配線パターン２６に電気的に接続されている。

半導体圧力センサチップ２８は、接着剤３３によってセラミック基板２４に固定されている。セラミック基板には、半導体圧力センサチップに圧力を導入する圧力導入孔３６が設けられている。

セラミック基板２４は、環境温度が−４０℃以下において形状変化が少ない材質、例えばアルミナ，サファイア，パイレックス（登録商標）ガラス，石英などを用いることができる。本実施例では、熱膨張係数が１０×１０^−６以下であるアルミナ基板を用いた。

半導体圧力センサチップ２８は、環境温度が−４０℃以下においても正常に動作可能なシリコン隔膜型半導体圧力センサチップを用いた。

配線パターン２６は、環境温度が−４０℃以下においても電気的特性の変化が少ない材質、例えば銀−パラジウム混合物の焼結体，チタン−パラジウム−金の蒸着膜などを用いることができる。本実施例では、銀−パラジウム混合物を、セラミック基板上に印刷焼成した。

電子回路３０は、環境温度が−４０℃以下においても正常に動作可能なＩＣ、例えばＺＭＤ社製のＩＣ（製品番号ＺＭＤ３１０１０）を用いた。

コンデンサ３２ａ，３２ｂは、環境温度が−４０℃以下においても正常に動作可能なコンデンサ、例えば村田製作所製のチップ積層セラミックコンデンサを用いた。

接着剤３３は、環境温度が−４０℃以下においても、接着力が劣化せず、弾性を維持可能な接着剤、例えばダウコーニング社製のシリコーン接着剤を用いた。このような接着剤では、半導体圧力センサチップとセラミック基板との間の熱膨張差を吸収することができる。

半導体圧力センサチップ２８および電子回路３０は、樹脂ケース３５によって覆われる。樹脂ケース３５は、セラミック基板２４に接着固定される。樹脂ケースには、２個の孔３７，３９が設けられている。一方の孔３７から絶縁性のゲル状物質が注入されて、樹脂ケース内の空間は絶縁性ゲル状物質で充填される。樹脂ケースの他方の孔３９は、絶縁性ゲル状物質を注入する際に空気を逃がすためのものである。

絶縁性ゲル状物質で半導体圧力センサチップ２８および電子回路３０を覆うのは、−４０℃以下の環境下において、水や氷が、半導体圧力センサチップおよび電子回路に付着することを、防ぐためである。半導体圧力センサチップおよび電子回路の電気的に露出している部分に水が付着すると、リーク電流が生じて、センサ出力の精度が悪くなる。

図４に、図２，図３に示した圧力センサモジュール２２の電気系統の等価回路を示す。半導体圧力センサチップ２８は、ブリッジ状に接続された４個のピエゾ素子４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄを有している。ピエゾ素子の抵抗値は、半導体圧力センサチップのダイアフラムが変位すると、変化する。抵抗値が変化することにより、ピエゾ素子よりなるブリッジ回路の出力電圧値が微小に変化する。この出力電圧値の微小な変化を、電子回路３０により増幅する。増幅された信号は、出力端子４２ａに電圧として出力される。

コンデンサ３２ａ，３２ｂは、電源端子４２ｂとグランド端子４２ｃとの間に接続され、電源端子４２ｂに混入する雑音を排除するためのものである。

図５に、本実施例による圧力センサモジュールにおいて、環境温度を２５℃，−４０℃，−５０℃に変化させたときの、各環境温度における圧力と出力電圧との関係を測定した結果を示す。−４０℃における圧力と出力電圧との関係も、−５０℃における圧力と出力電圧との関係も、２５℃における圧力と出力電圧との関係に一致している。すなわち、環境温度を２５℃，−４０℃，−５０℃に変えたとき、いずれの環境温度においても、印加圧力０〜１ＭＰａにわたって出力電圧が０．５〜４．５Ｖと直線的に変化している。これにより、本実施例の圧力センサモジュールでは、環境温度が−４０℃以下においても正常に圧力測定をできていることが分かる。

図６に、本実施例による圧力センサモジュールにおいて、環境温度を２５℃，−４０℃，−５０℃に変化させたときの、各環境温度における圧力と総合精度との関係を測定した結果を示す。各環境温度での圧力と総合精度との関係は、圧力０〜１ＭＰａにおいて総合精度が−１．０〜１．０％ＦＳの間に収まっている。これにより、本実施例の圧力センサモジュールでは、環境温度が−４０℃以下においても総合精度が良好な圧力測定をできることが分かる。

さらに、本実施例による圧力センサモジュールを、環境温度６０℃において、圧力と出力電圧との関係、および圧力と総合精度との関係を測定した結果、図５および図６における２５℃の場合と同じ出力電圧および総合精度が得られた。

以上の測定結果から、本実施例の圧力センサモジュールは、６０℃以下−５０℃以上の広温度範囲にわたって正常に動作していることが分かる。

従来の圧力センサモジュールを示す段面図である。 本発明の圧力センサモジュールの実施例の上面図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 図１の圧力センサモジュールの電気系統の等価回路図である。 圧力センサモジュールの実施例において、環境温度を２５℃，−４０℃，−５０℃に変化させたときの、各環境温度における圧力と出力電圧との関係を測定した結果を示すグラフである。 圧力センサモジュールの実施例において、環境温度を２５℃，−４０℃，−５０℃に変化させたときの、各環境温度における圧力と総合精度との関係を測定した結果を示すグラフである。

符号の説明

２２ 圧力センサモジュール
２４ セラミック基板
２６ 配線パターン
２８ 半導体圧力センサチップ
３０ 電子回路（ＩＣ）
３２ａ，３２ｂ コンデンサ
３３ 接着剤
３４ 金ワイヤ
３６ 圧力導入孔
４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ ピエゾ素子
４２ａ 出力端子
４２ｂ 電源端子
４２ｃ グランド端子

Claims (14)

1. ６０℃以下−５０℃以上の温度範囲にわたって正常に動作する圧力センサモジュールであって、
   圧力導入孔が設けられ、熱膨張係数が１０×１０^−６以下であるセラミック基板と、
   前記圧力導入孔が開いた前記セラミック基板上に、−４０℃以下においても弾性を保持する接着剤で接合された−４０℃以下においても正常に動作する半導体圧力センサチップと、
   前記セラミック基板上に搭載され、前記半導体圧力センサチップの出力電圧を増幅する、−４０℃以下においても正常に動作する電子回路とを備える、圧力センサモジュール。
2. 前記セラミック基板上に、−４０℃以下においても電気的特性の変化の少ない材料で配線パターンが形成され、
   前記半導体圧力センサチップは、金ワイヤで前記配線パターンに接続され、
   前記電子回路は、ハンダで前記配線パターンに接合されている、請求項１に記載の圧力センサモジュール。
3. 前記配線パターンに、−４０℃以下においても正常に動作する雑音除去のためのコンデンサがハンダで接合されている、請求項２に記載の圧力センサモジュール。
4. ６０℃以下−５０℃以上の温度範囲にわたって正常に動作する圧力センサモジュールであって、
   圧力導入孔が設けられ、熱膨張係数が１０×１０^−６以下であるセラミック基板と、
   前記圧力導入孔が開いた前記セラミック基板上に、−４０℃以下−５０℃以上においても弾性を保持する接着剤で接合された−４０℃以下−５０℃以上においても正常に動作する半導体圧力センサチップと、
   前記セラミック基板上に搭載され、前記半導体圧力センサチップの出力電圧を増幅する、−４０℃以下−５０℃以上においても正常に動作する電子回路とを備える、圧力センサモジュール。
5. 前記セラミック基板上に、−４０℃以下−５０℃以上においても電気的特性の変化の少ない材料で配線パターンが形成され、
   前記半導体圧力センサチップは、金ワイヤで前記配線パターンに接続され、
   前記電子回路は、ハンダで前記配線パターンに接合されている、請求項４に記載の圧力センサモジュール。
6. 前記配線パターンに、−４０℃以下−５０℃以上においても正常に動作する雑音除去のためのコンデンサがハンダで接合されている、請求項５に記載の圧力センサモジュール。
7. ６０℃以下−５０℃以上の温度範囲にわたって正常に動作する圧力センサモジュールであって、
   圧力導入孔が設けられ、熱膨張係数が１０×１０^−６以下であるセラミック基板と、
   前記圧力導入孔が開いた前記セラミック基板上に、−５０℃においても弾性を保持する接着剤で接合された−５０℃においても正常に動作する半導体圧力センサチップと、
   前記セラミック基板上に搭載され、前記半導体圧力センサチップの出力電圧を増幅する、−５０℃においても正常に動作する電子回路とを備える、圧力センサモジュール。
8. 前記セラミック基板上に、−５０℃においても電気的特性の変化の少ない材料で配線パターンが形成され、
   前記半導体圧力センサチップは、金ワイヤで前記配線パターンに接続され、
   前記電子回路は、ハンダで前記配線パターンに接合されている、請求項７に記載の圧力センサモジュール。
9. 前記配線パターンに、−５０℃においても正常に動作する雑音除去のためのコンデンサがハンダで接合されている、請求項８に記載の圧力センサモジュール。
10. 前記セラミック基板は、樹脂ケースによってカバーされ、前記樹脂ケースの内部の空間は、絶縁性のゲル状物質が充填されている、請求項１〜９のいずれかに記載の圧力センサモジュール。
11. 前記樹脂ケースには、前記ゲル状物質を充填するための少なくとも２個の孔が設けられている、請求項１０に記載の圧力センサモジュール。
12. 前記セラミック基板は、アルミナ基板よりなり、
    前記半導体圧力センサチップは、シリコン隔膜型半導体圧力センサチップよりなり、
    前記接着剤は、シリコーン接着剤よりなる、請求項１，４または７に記載の圧力センサモジュール。
13. 前記セラミック基板は、アルミナ基板よりなり、
    前記半導体圧力センサチップは、シリコン隔膜型半導体圧力センサチップよりなり、
    前記接着剤は、シリコーン接着剤よりなり、
    前記配線パターンは、銀−パラジウム混合物の焼結体よりなる、請求項２，５または８に記載の圧力センサモジュール。
14. 前記セラミック基板は、アルミナ基板よりなり、
    前記半導体圧力センサチップは、シリコン隔膜型半導体圧力センサチップよりなり、
    前記接着剤は、シリコーン接着剤よりなり、
    前記配線パターンは、銀−パラジウム混合物の焼結体よりなり、
    前記コンデンサは、チップ積層セラミックコンデンサよりなる、請求項３，６または９に記載の圧力センサモジュール。

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