JP3593397B2 - 半導体圧力センサ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、流体圧力を半導体のダイヤフラムにより受けて、圧力を電気信号に変換して出力する半導体圧力センサに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、流体の圧力を精度良く測ることのできる小型圧力センサとして半導体圧力センサが提供されている。特に、センサ素子とそれを取り付ける基台との間の熱膨張係数の差等で生じるノイズを解消した半導体圧力センサが、特開昭59−102131号公報等に開示されている。この半導体圧力センサは、センサ素子と基台との間にゲル状シリコン樹脂を接着剤として介在させ、センサ素子と基台との間に熱膨張係数の違いによって発生する伸び縮みの差を吸収させることにより温度変化に伴うノイズを解消するものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の半導体圧力センサは、キシレンガス、LPG、ガソリンなどの有機溶媒ガスの圧力測定に使用すると、有機溶媒ガスがシリコン樹脂に浸透してシリコン樹脂を膨潤させるという問題があった。このメカニズムは、図8〜図10に示すように、有機溶媒ガスを導入し始めると、その圧力で先ずセンサ素子20のダイヤフラムが歪み、時間の経過とともに有機溶媒ガスと接する内側から次第に接合層28が膨潤し、センサ素子20のダイヤフラムに圧力がかかっている方向とは逆方向の歪みを生じさせ、図7(B)に示すように、圧力導入当初の出力信号にノイズが発生する。この歪みは、図9に示すように、センサ素子20の角部が支点Dとなって生じる。そして、図10のように膨潤が接合層28全体に行き渡るにしたがい、図7(B)のグラフに示すようにセンサ素子20のひずみは解消され出力信号は安定する。このように出力信号が安定するまでにはかなりの時間がかかり、また有機溶媒ガスを空気に切り替えると、再び出力信号は上記とは逆の工程を経るため、不安定になるという問題があった。従って、シリコン樹脂は、有機溶媒ガスの測定に使用するには問題が多いものであった。
【0004】
一方、有機溶媒ガスの測定に使用可能な半導体圧力センサのセンサ素子と基台との接着剤としては、金属ロウ等の無機系接合剤や、耐溶剤性合成ゴム等の一部の有機系接合剤に限られていた。しかしこのような接着剤も、半導体圧力センサの要求接合条件に必ずしもマッチせず、精度、直線性、温度特性などのセンサ素子特性を犠牲にしているものであった。
【0005】
この発明は、上記従来の技術の問題点に鑑みてなされたもので、温度の変化等外部からの影響によるノイズが少なく、かつ有機溶媒ガスの圧力測定に精度良く使用することができる半導体圧力センサを提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この発明は、半導体の圧力センサ素子と、この圧力センサ素子が載置され被測定圧を導入する圧力導入部とが気密状態に接合された半導体圧力センサであって、上記圧力センサ素子の底面が載置される上記圧力導入部の面、または上記センサ素子の底面に、複数個の突起が設けられ、上記圧力センサ素子を上記圧力導入部に載置した状態で形成される間隙に接着剤が充填され接合された半導体圧力センサである。上記接着剤は、シリコン樹脂系のフロロシリコン樹脂の接着剤である。
【0007】
またこの発明は、半導体の圧力センサ素子と、この圧力センサ素子が載置され被測定圧を導入する圧力導入部とが気密状態に接合された半導体圧力センサであって、上記圧力センサ素子の底面が載置される上記圧力導入部の面に、各々頂点を有する複数個の突起が設けられ、上記圧力センサ素子を上記突起の各頂点を支点として上記圧力導入部に載置し、この状態で形成される間隙に接着剤を充填して接合した半導体圧力センサである。または、上記圧力センサ素子の底面に、各々頂点を有する複数個の突起が設けられ、上記突起の各頂点を支点として上記圧力センサ素子を上記圧力導入部に載置し、この状態で形成される間隙に接着剤を充填して接合した半導体圧力センサである。
【0008】
この発明の半導体圧力センサは、被測定圧媒体である有機溶媒ガス等が圧力導入部を経て、半導体の圧力センサ素子側に直接侵入し、圧力センサ素子と圧力導入部の間隙の接着剤に有機溶媒ガスが接触し膨潤し始める。これにより、圧力センサ素子のダイヤフラムが変位しようとするが、圧力センサ素子の突起あるいは圧力導入部の突起が、ダイヤフラムの変位の支点となり、従来の図9に示すように印加圧力を打ち消すようには作用しないものである。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の第一実施形態について、図面に基づいて説明する。図1〜図3はこの発明の圧力センサを示すものであり、矩形のSi半導体の圧力センサ素子20がセンサケース21内に設けられ、圧力センサ素子20とリードフレーム端子22の基端部22aとが、金線23によりワイヤボンディングされている。センサケース21は、リードフレーム端子22と、圧力導入部である圧力導入筒25がインサート成型されている。圧力導入筒25は、基端部にセンサ取り付け用のフランジ部26が形成され、フランジ部26の上面に圧力センサ素子20が取り付けられている。
【0010】
フランジ部26には、直経50μm程度の突起52が、圧力センサ素子20の四隅で圧力センサ素子20の外壁より少し内側の部分に当接するように、各1個計4個設けられている。突起52の上に圧力センサ素子20が当接し、さらに突起52を包むように圧力センサ素子20とフランジ部26の間隙に、フロロシリコン樹脂による接着剤32が塗布されて接合層28が形成され、圧力センサ素子20の周囲が気密状態に接合されている。接合する方法は、接合面にフロロシリコン樹脂の接着剤32を塗布し、その上から圧力センサ素子20を載せ、十分に接合させるように圧力センサ素子20を水平にわずかに振動させながら押圧し、接着剤32を接合面に馴染ませて硬化させる。このとき突起52がスペーサの役割を果たし接合層28は一定の厚みを保つことができる。
【0011】
そしてリードフレーム端子22は、図4に示すように基板40にハンダ付けされ、さらに基板40に取り付けられた外部接続端子42に接続される。ここで図4において中心線の右側がリードフレーム端子22の長手方向の縦断面図であり、中心線の左側は、上記リードフレーム端子22の長手方向と直交する方向の縦断面図である。基板40が固定されたセンサケース21は、外装ケース本体41に取り付けられ、圧力導入筒25と外装ケース本体41の内壁面との間には、耐有機溶媒性ゴム等のOリング46が緊密にはめ込まれている。また、外装ケース本体41には蓋部材48が取り付けられ、蓋部材48には大気圧側に接続される大気圧導入口49が形成されている。
【0012】
この実施形態の圧力センサの使用方法は、まず圧力導入部45を被測定圧力側に接続し、大気圧導入口49を大気圧側に開放する。圧力測定を行なう有機溶媒ガス等は、圧力導入部45を通り、圧力導入筒25を経て、圧力センサ素子20の裏面側に直接接触し、圧力センサ素子20はこの圧力により歪みが生じ、それに伴い変化する圧力センサ素子20の抵抗値を検出し有機溶媒ガス等の圧力を測定する。
【0013】
この実施形態の圧力センサは、有機溶媒ガスの測定に使用した場合、接合層28に使用されている接着剤32が、少々であるが図8〜10に示すように有機溶媒ガスに接触して圧力センサ素子20の内壁側から膨潤を生ずる。そして応力がかかる際に、圧力センサ素子20の変位は、突起52の頂点を支点とする。この部分は、圧力センサ素子20の四隅であり、強度が最も高く応力による変化が最も小さい部分であるため、変位が少なく圧力センサ素子20の歪みを最少に抑えることができる。また、一定の厚みを有するフロロシリコン樹脂32が膨潤を互いに吸収し、圧力センサ素子20の歪みを抑えることができる。また、圧力センサ素子20をフランジ部26に取り付ける際に、図2の二点鎖線に示すように、従来の圧力センサに生じていた、はみ出した接着剤32が圧力センサ素子20の側面へ這い上がるということがないため、圧力センサ素子20の側面に応力が生じることが無く、圧力センサ素子20に余分な歪みが発生しないものである。
【0014】
また、気温の変化などで圧力センサ素子20とフランジ部26の間で、熱膨張の差によって応力が生じる場合も、圧力センサ素子20と突起52は点で接しているため、面で接するよりも応力が伝わりにくい。さらに、一定の厚みを有するフロロシリコン樹脂の接着剤32によっても、熱膨張の差によって生ずる応力が吸収される。
【0015】
この圧力センサは、有機溶媒ガスや温度変化などによる圧力センサ素子20の歪みを解消し、出力信号を安定させ、流体圧力の測定を正確に行なうものである。また、作業性を犠牲にすることなく均一の厚みを有する接合層28を形成することができるので、均一の商品を安定して製造することができる。
【0016】
次にこの発明の第二実施形態について図5、図6にもとづいて説明する。ここで、上記の実施形態と同様の部材は同一符号を付して説明を省略する。この実施形態の圧力センサは、圧力センサ素子20の底面の四隅で外壁から少し内側の位置に各一個適当な大きさの半球状の突起54が設けられている。突起54はフランジ部26に当接し、突起54を包むように圧力センサ素子20とフランジ部26の間隙にフロロシリコン樹脂の接着剤32が充填され、接合層28が形成されている。この実施形態によっても上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【0017】
なお、この発明の圧力センサは、上記各実施形態に限定されるものではなく、各部材の形状や位置、また素材など変更可能なものである。突起の形状や位置も適宜変更可能であり、圧力センサ素子や、圧力導入部と一体にまたは別体に形成可能なものである。
【0018】
【実施例】
図7は、この発明の一実施例の圧力センサをLPGガスに使用したときの出力信号の変化を、従来品の測定結果と比較したチャートである。縦軸は出力信号の電圧を示し、横軸は時間を示す。このチャートによると、LPG導入直後に、従来品の場合、出力信号に大きな振幅が生じ、時間の経過にともなって出力が減衰し、かなりの時間をかけて安定な出力となる。それに比べ、この実施例では、LPG導入時に圧力がかかることによる波形の変化を生ずるが、直後から安定な出力波形となる。
【0019】
【発明の効果】
この発明の圧力センサは、キシレンガスやLPGガスなどの有機物溶解能の大きなガスに使用しても、出力に初期ドリフトが発生せず、安定した出力信号が得られるもので、使用当初より正確な測定が可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第一実施形態の圧力センサ装置の縦断面図である。
【図2】この第一実施形態の半導体圧力センサの圧力センサ素子とフランジ部の接合層の拡大縦断面図である。
【図3】この第一実施形態の半導体圧力センサのフランジ部とセンサケースの正面図である。
【図4】この第一実施形態の半導体圧力センサを外装ケースに取り付けた状態の縦断面図である。
【図5】この発明の第二実施形態の半導体圧力センサの部分拡大縦断面図である。
【図6】この第二実施例の半導体圧力センサの圧力センサ素子の正面図である。
【図7】この発明の一実施例の半導体圧力センサに有機溶媒ガスを導入したときの出力信号(A)と従来品の出力信号(B)とを比較したチャートである。
【図8】有機溶媒ガス導入前の半導体圧力センサのシリコン樹脂接着剤を示す模式図である。
【図9】有機溶媒ガス導入時の半導体圧力センサのシリコン樹脂接着剤の挙動を示す模式図である。
【図10】有機溶媒ガス導入後の半導体圧力センサのシリコン樹脂接着剤を示す模式図である。
20 圧力センサ素子
25 圧力導入筒
28 接合層
32 接着剤
52,54 突起
Claims (4)
- 半導体の圧力センサ素子と、この圧力センサ素子が載置され被測定圧を導入する圧力導入部とが気密状態に接合された半導体圧力センサにおいて、上記圧力センサ素子の底面が載置される上記圧力導入部の面に、複数個の突起が設けられ、上記圧力センサ素子を上記圧力導入部に載置した状態で形成される間隙に、フロロシリコン樹脂からなる接着剤が充填され接合されたことを特徴とする半導体圧力センサ。
- 半導体の圧力センサ素子と、この圧力センサ素子が載置され被測定圧を導入する圧力導入部とが気密状態に接合された半導体圧力センサにおいて、上記圧力センサ素子の底面に複数個の突起が設けられ、上記圧力センサ素子を上記圧力導入部に載置した状態で形成される間隙に、フロロシリコン樹脂からなる接着剤が充填され接合されたことを特徴とする半導体圧力センサ。
- 半導体の圧力センサ素子と、この圧力センサ素子が載置され被測定圧を導入する圧力導入部とが気密状態に接合された半導体圧力センサにおいて、上記圧力センサ素子の底面が載置される上記圧力導入部の面に、各々頂点を有する複数個の突起が設けられ、上記圧力センサ素子を上記突起の各頂点を支点として上記圧力導入部に載置し、この状態で形成される間隙に接着剤を充填して接合したことを特徴とする半導体圧力センサ。
- 半導体の圧力センサ素子と、この圧力センサ素子が載置され被測定圧を導入する圧力導入部とが気密状態に接合された半導体圧力センサにおいて、上記圧力センサ素子の底面に、各々頂点を有する複数個の突起が設けられ、上記突起の各頂点を支点として上記圧力センサ素子を上記圧力導入部に載置し、この状態で形成される間隙に接着剤を充填して接合したことを特徴とする半導体圧力センサ。
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