JP2018146318A - 半導体差圧センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】圧力検出素子の位置精度と保持力が高く、樹脂パッケージの圧力導入路の閉塞を防止することができると共に樹脂パッケージの熱変形による圧力検出特性への影響を抑制することができ、安価且つ高歩留まりで製造可能な半導体差圧センサを得る。【解決手段】半導体差圧センサの圧力検出素子2は、開口部4に第2凸部22が嵌め込まれた状態で、主面2bが接着剤5により第1凸部21の頂部21aに固定されている。これにより、圧力検出素子2の強固な保持力と高い位置精度が実現する。また、第1圧力導入路23への接着剤5の流入を防ぐことができ、第1圧力導入路34の閉塞を防止することができる。さらに、第1凸部21の周りに凹部21bを設けることにより、樹脂パッケージ20の熱変形による圧力検出特性への影響を低減することができる。【選択図】図2
Description
本発明は、大気圧と測定媒体の圧力との差を検出する半導体差圧センサに関する。
従来、大気圧を基準とし、測定媒体の圧力との差を検出する圧力検出素子を備えた半導体差圧センサが知られている。半導体差圧センサは、例えば自動車のガソリンタンクに取り付けられ、燃料タンクシステムにおけるガソリン蒸気の圧力変化を検出するために用いられる。
半導体差圧センサに搭載される圧力検出素子は、例えば単結晶シリコン基板の表面側に半導体ピエゾ抵抗、配線、及び電極等が配置され、その中央部に薄膜のダイヤフラムを有している。ダイヤフラムは、基板を裏面側からエッチングで開口することにより形成され、圧力検出素子の裏面側は、圧力導入孔を有する樹脂パッケージに、低剛性なシリコ−ン樹脂等の接着剤により接着固定される。このように構成された圧力検出素子は、表面側で例えば大気圧を検出し、開口した裏面側で測定媒体の圧力を検出することが可能である。
半導体差圧センサにおいて所期の機能を発現するためには、ダイヤフラムの表面と裏面に圧力が印加されても、その差圧によって圧力検出素子が樹脂パッケージから剥離することなく保持されていなければならない。一方、従来の半導体差圧センサにおいては、樹脂パッケージが環境の温度変化によって膨張または収縮した場合、その熱歪みが圧力検出素子に直接伝播し、圧力検出特性に影響を与えるという課題があった。
このような課題に対し、例えば特許文献1では、樹脂パッケージと圧力検出素子の間に、圧力検出素子の材料であるシリコンの熱膨張係数に近いセラミックス基板を介在させている。このような構成により、樹脂パッケージが熱変形した際、セラミックス基板により樹脂パッケージの熱応力が緩和され、圧力検出素子のダイヤフラムの歪みが抑えられる。
上述のように、半導体差圧センサのアセンブリ構造には、圧力検出素子を樹脂パッケージに強固に接着固定することが要求されると共に、樹脂パッケージの熱変形によるダイヤフラムの歪みを抑制することが求められる。特に、圧力検出素子の裏面側は開口しているため、樹脂パッケージとの接着面積が小さく、圧力導入路から高い圧力を受けると圧力検出素子が剥がれるという課題があった。
また、圧力検出素子を樹脂パッケージにダイボンディングする際に、樹脂パッケージに塗布した接着剤が圧力導入路に流入して圧力導入路を閉塞させることがあり、圧力検出の信頼性が確保できないという課題があった。さらに、接着剤を硬化させる際に高温に曝すことで接着剤の粘性が低下し流動性が高くなるため、圧力検出素子が本来のダイボンディング位置からずれてしまい、圧力検出素子に接続されたワイヤに負荷がかかるという課題があった。
上記特許文献1では、樹脂パッケージと圧力検出素子の間にセラミック基板を介在させ
ることにより、樹脂パッケージの熱変形による圧力検出特性への影響を低減させているが、部品コストおよび製造コストが上昇するという課題があった。
ることにより、樹脂パッケージの熱変形による圧力検出特性への影響を低減させているが、部品コストおよび製造コストが上昇するという課題があった。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、圧力検出素子の位置精度と保持力が高く、樹脂パッケージの圧力導入路の閉塞を防止することができると共に樹脂パッケージの熱変形による圧力検出特性への影響を抑制することが可能であり、さらに安価且つ高歩留まりで製造することが可能な半導体差圧センサを得ることを目的とする。
本発明に係る半導体差圧センサは、一方の主面に大気圧が導入され他方の主面に設けられた開口部に測定媒体の圧力が導入される圧力検出素子と、圧力検出素子が設置された圧力基準室を有する樹脂パッケージとを含む圧力センサモジュールを備え、樹脂パッケージは、圧力検出素子の他方の主面より面積が大きい平らな頂部を有する第1凸部と、頂部の中心部に第1凸部と同軸且つ同方向に設けられた第2凸部とを有し、第1凸部及び第2凸部の内部には、開口部に連通する第1圧力導入路が軸方向に貫通しており、圧力検出素子は、開口部に第2凸部が嵌め込まれた状態で、他方の主面が接着剤により第1凸部の頂部に固定されているものである。
本発明に係る半導体差圧センサよれば、圧力検出素子は、開口部に第2凸部が嵌め込まれた状態で、他方の主面が接着剤により第1凸部の頂部に固定されているため、圧力検出素子の強固な保持力と高い位置精度が実現すると共に、第1圧力導入路への接着剤の流入を防ぐことができ、第1圧力導入路の閉塞を防止することができる。また、圧力検出素子を第1凸部の頂部に固定することにより、従来のセラミック基板を用いずに樹脂パッケージの熱変形時の撓みが圧力検出素子へ伝達するのを抑制しているので、樹脂パッケージの熱変形による圧力検出特性への影響を低減することができ、安価且つ高歩留まりで製造することが可能である。
実施の形態1.
以下に、本発明の実施の形態1に係る半導体差圧センサについて、図面に基づいて説明する。図1及び図2は、本実施の形態1に係る半導体差圧センサを示す断面図及び部分断面図である。なお、各図において、図中、同一、相当部分には同一符号を付している。
以下に、本発明の実施の形態1に係る半導体差圧センサについて、図面に基づいて説明する。図1及び図2は、本実施の形態1に係る半導体差圧センサを示す断面図及び部分断面図である。なお、各図において、図中、同一、相当部分には同一符号を付している。
本実施の形態1に係る半導体差圧センサは、自動車の燃料タンクシステムにおけるガソリン蒸気の圧力変化を検出するものであり、図1に示すように、ガソリンタンク50に設けられた貫通孔51に取り付けられる。なお、以下の説明において、半導体圧力センサが貫通孔51に挿入される方向を、軸方向と称す。
圧力センサモジュール1は、相対向する主面2a、2bを有する圧力検出素子2と、圧力検出素子2が設置される圧力基準室24を有する樹脂パッケージ20を備えている。圧力検出素子2は、図2に示すように、圧力素子2Aと台座2Bを含み、シリコン基板で構成された圧力素子2Aは、その中央部に配置された薄膜のダイヤフラム3と、ダイヤフラム3に発生する歪みを検出するピエゾ抵抗を含む電気回路(図示省略)を有している。また、開口部4を有する台座2Bは、ガラスまたはシリコン基板等で構成され、陽極接合によって圧力素子2Aと接合されている。
圧力検出素子2は、その主面2aに大気圧が導入され、他方の主面2bに設けられた開口部4に測定媒体の圧力が導入され、それらの差圧によりダイヤフラム3が変形するものであり、この変形量に応じてピエゾ抵抗の抵抗値が変化することを利用して差圧を検出する。なお、圧力検出素子2は、ピエゾ抵抗から構成された電気回路に限らず、例えば静電容量で構成された電気回路を備えていてもよい。
圧力検出素子2は、低剛性なシリコーン樹脂等の接着剤5により樹脂パッケージ20に固定されている。また、増幅調整回路6は、接着剤7により樹脂パッケージ20に固定されている。増幅調整回路6は、圧力検出素子2によって検出された圧力を電気信号に変換しその信号を増幅する増幅回路、所定の出力電圧特性へ調整を行う調整回路、及び調整データを格納するROM(Read Only Memory)等で構成される。
圧力検出素子2及び増幅調整回路6は、金またはアルミニウムで構成されたワイヤ8によりリードフレーム10と接続され、リードフレーム10は外部接続用ターミナル11と溶接またははんだ付けによって接続される。これにより、増幅調整回路6で増幅及び調整された電気信号は、外部接続用ターミナル11を介して外部に出力される。圧力検出素子2、増幅調整回路6、及びワイヤ8は、フロロシリコーンゲルやフッ素ゲル等の保護部材9によって覆われている。
また、圧力センサモジュール1の樹脂パッケージ20は、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂等で構成される。樹脂パッケージ20は、圧力検出素子2が設置される圧力基準室24を有し、圧力基準室24の一端は熱可塑性樹脂で構成された第1のカバー25で塞がれている。第1のカバー25は、圧力基準室24に大気圧を導入するための第1大気導入孔26を有している。なお、第1大気導入孔26は複数設けられても良い。
さらに、樹脂パッケージ20は、圧力基準室24の対面側に円柱部27を有し、円柱部27の先端部には、Oリング28を装着するための円柱状の突起部29を有している。突起部29の先端部は面取り形状である。円柱部27及び突起部29の内部には、圧力検出素子2の開口部4に連通する第1圧力導入路23が設けられている。
圧力センサモジュール1は、樹脂製のハウジング30に収納され、ハウジング30は、その外周部35において、溶着または接着等によりケース40と接合されている。ハウジング30、ケース40、及び第1のカバー25は、熱可塑性樹脂であるポリブチレンテレフタレート樹脂(Polybutyleneterephthalate:以下、PBT樹脂と称す)またはポリフェニレンスルファイド樹脂(Polyphenylenesulfide:以下PPS樹脂と称す)等で構成される。
ハウジング30は、圧力センサモジュール1を収納する格納部31と、格納部31に連通する大気導入路32と、格納部31の一端を塞ぐ第2のカバー33と、外部接続用ターミナル11が設けられたコネクタ34を有している。第2のカバー33は、溶着または接着等によりハウジング30に接合されている。コネクタ34は、凹形状であり、その内側
には外部接続用ターミナル11の端部が露出している。コネクタ34は、車両コントロールユニットに接続された雌側コネクタ(図示省略)に装着される。
には外部接続用ターミナル11の端部が露出している。コネクタ34は、車両コントロールユニットに接続された雌側コネクタ(図示省略)に装着される。
ハウジング30は、リードフレーム10を介して外部接続用ターミナル11と接続された圧力センサモジュール1を、第1のカバー25が接着または圧入された状態で、PBT樹脂またはPPS樹脂等によるインサート成形により一体化したものである。すなわち、圧力センサモジュール1は、接着剤を使用することなくハウジング30と一体化されている。
ケース40は、ガソリンタンク50の貫通孔51に挿入された状態で固定される円柱部41と、円柱部41の周面にOリング42を装着するための溝部43を有している。Oリング42は、貫通孔51の内壁と円柱部41との隙間を通ってガソリン蒸気およびガソリン蒸気圧が外部へ漏れることを防止している。
円柱部41の内部には、圧力検出素子2の開口部4及び第1圧力導入路23に連通する第2圧力導入路44が設けられている。さらに、Oリング28により第2圧力導入路44との気密性が確保された凹形状のシール室45が、ケース40とハウジング30で構成されている。シール室45には、大気圧を導入するための第2大気導入孔46が設けられている。なお、第2大気導入孔46は、複数設けられても良い。第2大気導入孔46には、外部からの粉塵や水等がハウジング30の内部へ浸入するのを防ぐフィルタ47が設けられている。
図3及び図4は、本実施の形態1に係る半導体差圧センサの上面図であり、図3は、第2のカバーを外した状態を示し、図4はさらに第1のカバーを外した状態を示している。また、図5は、本実施の形態1に係る半導体差圧センサの下面図である。図3に示すように、ハウジング30から第2のカバー33を外すと、第1大気導入孔26を有する第1のカバー25が、圧力センサモジュール1の圧力基準室24を覆っている。この第1のカバー25を外すと、図4に示すように、保護部材9で覆われた圧力検出素子2、増幅調整回路6、及びワイヤ8等が現れる。
一方、半導体差圧センサの下面には、測定媒体の圧力が導入される第2圧力導入路44と、大気圧が導入される第2大気導入孔46が開口している。測定基準圧力となる大気圧は、ケース40に設けられた第2大気導入孔46からフィルタ47を介してハウジング30の内部に導かれ、ハウジング30に形成された大気導入路32、さらに第1のカバー25に設けられた第1大気導入孔26を介して圧力基準室24に導入される。
本実施の形態1に係る半導体差圧センサにおいて、圧力検出素子2を樹脂パッケージ20に強固に固定する方法について、図2を用いて説明する。圧力検出素子2の開口部4は、測定媒体の圧力が導入される主面2bの側に設けられた第1開口部4aと、第1開口部4aよりも主面2aの側に設けられ第1開口部4aより外形が大きい第2開口部4bと、第1開口部4aと第2開口部4bの間に設けられた段差部4cを有している。
樹脂パッケージ20は、軸方向に突出した第1凸部21と第2凸部22を有すると共に、第1凸部21を囲むリング状の凹部21bを有している。第1凸部21は、圧力検出素子2の主面2bより面積が大きい平らな頂部21aを有し、この頂部21aの中心部に、第1凸部21と同軸且つ同方向に第2凸部22が設けられている。第2凸部22は、軸方向に平行な周面22bと、この周面22bに直交する第2頂部22aを有している。第2凸部22の先端部には面取り部22cが形成され、軸方向から見た第2頂部22aの外形は、周面22bの外形よりも小さい。
第1凸部21及び第2凸部22の内部には、圧力検出素子2の開口部4に連通する第1圧力導入路23が軸方向に貫通している。圧力検出素子2は、開口部4に第2凸部22が嵌め込まれた状態で、主面2bが接着剤5により第1凸部21の頂部21aに固定されている。なお、本実施の形態1では、第1開口部4aの内周面と第2凸部22の周面22bは、隙間なく嵌合されている。
本実施の形態1では、圧力検出素子2の開口部4の軸方向に直交する断面形状は円形であり、第1凸部21及び第2凸部22は中空の円柱状である。ただし、圧力検出素子2の開口部4の断面形状は四角形であっても良く、その場合は第1凸部21及び第2凸部22を四角柱とする。
本実施の形態1によれば、圧力検出素子2は、開口部4に第2凸部22が嵌め込まれた状態で、主面2bが接着剤5により第1凸部21の頂部21aに固定されているため、強固な保持力を実現することが可能であり、第1圧力導入路23から開口部4の内部に高い圧力が導入された場合でも、圧力検出素子2の剥がれを防止することができる。また、圧力検出素子2が位置ずれすることなく、高い位置精度で固定されると共に、第1圧力導入路23への接着剤5の流入を防ぐことができ、第1圧力導入路23の閉塞を防止することができる。
また、圧力検出素子2を第1凸部21の頂部21aに固定し、第1凸部21の周りにリング状の凹部21bを設けることにより、樹脂パッケージ20の熱変形時の撓みを吸収することができ、圧力検出素子2への撓み伝達が抑制される。これにより、先行技術において樹脂パッケージと圧力検出素子の間に配置していたセラミック基板を用いることなく、樹脂パッケージ20の熱変形による圧力検出特性への影響を低減することができる。さらに、圧力センサモジュール1は、接着剤を使用することなくハウジング30と一体化されているため、装置の小型化に加え、製造の効率化及び製造コストの低減が図られる。
これらのことから、本実施の形態1によれば、圧力検出素子2の位置精度と保持力が高く、樹脂パッケージ20の第1圧力導入路23の閉塞を防止することができると共に樹脂パッケージ20の熱変形による圧力検出特性への影響を抑制することが可能であり、さらに安価且つ高歩留まりで製造することが可能な半導体差圧センサが得られる。
実施の形態2.
図6は、本発明の実施の形態2に係る半導体差圧センサを示す部分断面図である。本実施の形態2に係る半導体差圧センサの全体構成は、上記実施の形態1と同様であるので図1を流用し、詳細な説明は省略する。
図6は、本発明の実施の形態2に係る半導体差圧センサを示す部分断面図である。本実施の形態2に係る半導体差圧センサの全体構成は、上記実施の形態1と同様であるので図1を流用し、詳細な説明は省略する。
上記実施の形態1では、樹脂パッケージ20に設けられた第2凸部22は、軸方向に平行な周面22bが圧力検出素子2の開口部4の内周面と隙間なく嵌合されていた(図2参照)。これに対し、本実施の形態2では、第2凸部22の周面22bの外形寸法は、圧力検出素子2の開口部4より僅かに小さく形成されており、開口部4との間に隙間を有した状態でダイボンディングされる。この隙間に接着剤5が流入し、第2凸部22の周面22bは、開口部4の内周面と接着剤5により固定される。また、第2凸部22の先端部は面取り形状であるため、接着剤5の這い上がりは面取り部22cの起点で阻止することができる。なお、その他の構成については上記実施の形態1と同様である。
本実施の形態2によれば、上記実施の形態1と同様の効果に加え、上記実施の形態1よりも圧力検出素子2と樹脂パッケージ20との接着面積が大きくとれるため、圧力検出素子2の保持力がさらに向上する。
実施の形態3.
図7は、本発明の実施の形態3に係る半導体差圧センサを示す部分断面図である。本実施の形態3に係る半導体差圧センサの全体構成は、上記実施の形態1と同様であるので図1を流用し、詳細な説明は省略する。
図7は、本発明の実施の形態3に係る半導体差圧センサを示す部分断面図である。本実施の形態3に係る半導体差圧センサの全体構成は、上記実施の形態1と同様であるので図1を流用し、詳細な説明は省略する。
本実施の形態3においても、上記実施の形態2と同様に、第2凸部22の周面22bの外形寸法は、圧力検出素子2の開口部4より僅かに小さく形成されており、開口部4との間に隙間を有した状態でダイボンディングされる。これにより、第2凸部22の周面22bは、開口部4の内周面と接着剤5により固定される。
さらに、第2凸部22は、軸方向に平行な周面22bの先端部が外側に曲げられた爪部22dを有し、爪部22dが開口部4の段差部4cに嵌め込まれた状態で、第1開口部4aに嵌合される。なお、図7に示す例では、爪部22dは周面22bと直交しており、その断面形状はL字形である。また、爪部22dの先端部は面取り形状であり、鋭角を有していない。ただし、爪部22dの形状はこれに限定されるものではない。なお、その他の構成については上記実施の形態1と同様である。
本実施の形態3によれば、上記実施の形態1及び実施の形態2と同様の効果に加え、上記実施の形態2よりも圧力検出素子2と樹脂パッケージ20の接着面積が大きくとれるため、圧力検出素子2の保持力がさらに向上する。また、第1圧力導入路23から開口部4の内部に高い圧力が導入された場合でも、圧力検出素子2を剥がす方向に働く力を爪部22dが打ち消すことにより、圧力検出素子2の剥がれを防止することが可能となる。
さらに、爪部22dにより接着剤5の這い上がりを阻止することができるため、第1圧力導入路23の閉塞を防止する効果がより高くなる。また、第2凸部22に爪部22dを設けることにより、圧力検出素子2の軸方向の位置ずれを規制することが可能となり、位置精度がさらに高くなる。なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
本発明は、大気圧と測定媒体の圧力との差を検出する半導体差圧センサとして利用することができる。
1 圧力センサモジュール、2 圧力検出素子、2A 圧力素子、2B 台座、2a、2b 主面、3 ダイヤフラム、4 開口部、4a 第1開口部、4b 第2開口部、4c 段差部、5 接着剤、6 増幅調整回路、7 接着剤、8 ワイヤ、9 保護部材、10 リードフレーム、11 外部接続用ターミナル、20 樹脂パッケージ、21 第1凸部、21a 頂部、21b 凹部、22 第2凸部、22a 第2頂部、22b 周面、22c 面取り部、22d 爪部、23 第1圧力導入路、24 圧力基準室、25
第1のカバー、26 第1大気導入孔、27 円柱部、28 Oリング、29 突起部、30 ハウジング、31 格納部、32 大気導入路、33 第2のカバー、34 コネクタ、35 外周部、40 ケース、41 円柱部、42 Oリング、43 溝部、44 第2圧力導入路、45 シール室、46 第2大気導入孔、47 フィルタ、50 ガソリンタンク、51 貫通孔
第1のカバー、26 第1大気導入孔、27 円柱部、28 Oリング、29 突起部、30 ハウジング、31 格納部、32 大気導入路、33 第2のカバー、34 コネクタ、35 外周部、40 ケース、41 円柱部、42 Oリング、43 溝部、44 第2圧力導入路、45 シール室、46 第2大気導入孔、47 フィルタ、50 ガソリンタンク、51 貫通孔
Claims (12)
- 一方の主面に大気圧が導入され他方の主面に設けられた開口部に測定媒体の圧力が導入される圧力検出素子と、前記圧力検出素子が設置された圧力基準室を有する樹脂パッケージとを含む圧力センサモジュールを備え、
前記樹脂パッケージは、前記圧力検出素子の前記他方の主面より面積が大きい平らな頂部を有する第1凸部と、前記頂部の中心部に前記第1凸部と同軸且つ同方向に設けられた第2凸部とを有し、前記第1凸部及び前記第2凸部の内部には、前記開口部に連通する第1圧力導入路が軸方向に貫通しており、
前記圧力検出素子は、前記開口部に前記第2凸部が嵌め込まれた状態で、前記他方の主面が接着剤により前記第1凸部の前記頂部に固定されていることを特徴とする半導体差圧センサ。 - 前記第2凸部は、軸方向に平行な周面を有し、前記周面は、前記圧力検出素子の前記開口部の内周面と隙間なく嵌合されていることを特徴とする請求項1記載の半導体差圧センサ。
- 前記第2凸部は、軸方向に平行な周面を有し、前記周面は、前記圧力検出素子の前記開口部の内周面と前記接着剤により固定されていることを特徴とする請求項1記載の半導体差圧センサ。
- 前記第1凸部及び前記第2凸部は、中空の円柱状であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の半導体差圧センサ。
- 前記樹脂パッケージは、前記第1凸部を囲む凹部を有することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の半導体差圧センサ。
- 前記第2凸部は、軸方向に平行な周面と、この周面に直交する第2頂部を有し、軸方向から見た前記第2頂部の外形は、前記周面の外形よりも小さいことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の半導体差圧センサ。
- 前記開口部は、前記他方の主面の側に設けられた第1開口部と、前記第1開口部よりも前記一方の主面の側に設けられ前記第1開口部より外形が大きい第2開口部と、前記第1開口部と前記第2開口部の間に設けられた段差部を含み、
前記第2凸部は、軸方向に平行な周面の先端部が外側に曲げられた爪部を有し、前記爪部が前記段差部に嵌め込まれた状態で前記第1開口部に嵌合されていることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の半導体差圧センサ。 - 前記爪部は、前記周面に直交していることを特徴とする請求項7記載の半導体差圧センサ。
- 第1大気導入孔を有し前記圧力基準室の一端を塞ぐカバー、及び互いに接合された樹脂製のハウジングとケースを備え、
前記ハウジングは、前記圧力センサモジュールを収納する格納部と、前記格納部に連通する大気導入路と、外部接続用ターミナルが設けられたコネクタとを有し、
前記ケースは、前記開口部及び前記第1圧力導入路に連通する第2圧力導入路と、前記大気導入路に大気を導入する第2大気導入孔とを有し、
前記第2大気導入孔、前記大気導入路、及び前記第1大気導入孔を介して前記圧力基準室に大気圧が導入されることを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の半導体差圧センサ。 - 前記圧力センサモジュールは、リードフレームを介して前記外部接続用ターミナルと接合された状態で、前記カバーと共に前記ハウジングと一体化されていることを特徴とする請求項9記載の半導体差圧センサ。
- 前記ハウジング、前記ケース、及び前記カバーは、熱可塑性樹脂からなることを特徴とする請求項9または請求項10に記載の半導体差圧センサ。
- 前記樹脂パッケージは、熱硬化性樹脂からなることを特徴とする請求項1から請求項11のいずれか一項に記載の半導体差圧センサ。
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