JPH08240498A - 半導体圧力センサ及びそれを用いたガスメータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 腐食性ガス雰囲気中においても高い信頼性
と、長期安定性を有する半導体圧力センサを提供するこ
と 【構成】 薄肉のダイアフラム１ａが一体に形成された
センサチップ１を、ステム２に形成した凹所２ａ内に実
装する。凹所の底面には測定圧力をダイアフラムへ供給
するための圧力導入孔２ｂが形成されている。凹所の底
面所定位置には耐薬品性、耐ガス性の大きなエポキシ系
のゲル３を設け、そのゲル上にセンサチップを配置す
る。ゲルはガスによって浸蝕されず、ガスを圧力室４内
に閉塞する。センサチップと凹所の内壁面との間の空間
内には、シリコーン樹脂からなる接着剤５が充填され
る。すなわち、係る接着剤５によりセンサチップのステ
ムに対する固定を行い、圧力室４の密閉・気密性はゲル
により発揮させている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体圧力センサに関
し、より具体的には、都市ガスやプロパンガス（ＬＰ
Ｇ）等の腐食性ガスの圧力検知に適した半導体圧力セン
サおよびそれを用いたガスメータに関する。

【０００２】

【従来の技術】圧力により撓むシリコンダイアフラムを
有するセンサチップを実装する構造の一つとして、セン
サチップを実装基板（例えば金属、または樹脂ステム）
上に直接接着剤を用いて固定する方法がある。そして、
その場合に使用する接着剤としては、従来比較的柔らか
いシリコーン樹脂が用いられている。これは、ダイアフ
ラムが非常に薄いため、実装基板とセンサチップの熱膨
張係数の差に基づいてダイアフラムに応力が加わること
がないように、接着剤の部分で実装基板側の温度変化に
伴う膨脹・収縮を吸収するためである。これによりセン
サの温度特性の改善を図っている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで最近、家庭用
ＬＰＧガスメータ、または家庭用都市ガスメータに搭載
される圧力センサの小型化、薄型化が要求され、従来の
金属ダイヤフラムを用いたいわゆる機械式圧力センサか
ら、半導体圧力センサへの切り替えが検討されてきた。

【０００４】ところが、従来のようにシリコーン樹脂を
用いて接着・固定を行っている構造では、シリコーン樹
脂がＬＰＧガス等の腐食性ガスに浸食されやすいため、
それらの圧力計測の用途には使用できないという問題が
あった。

【０００５】また、センサチップの実装構造としては、
上記したものの他に、センサチップとガラス台座を陽極
接合して一体化し、そのガラス台座を実装基板に半田付
けなどにより固定するものもある。係る場合には、上記
のようなシリコーン樹脂が介在しないので、上記した腐
食といった問題はない。しかし以下の理由によってやは
りガスメータ用の圧力センサとしては使用できない。す
なわち、台座に固定するまでの工程が複雑であるばかり
でなく、温度特性が樹脂を用いて直接接着する構造のも
のに比べて劣る。さらに温度特性を改善するためには、
かなり厚いガラスを必要とするので、広い温度範囲での
安定した出力と薄型化という要求を満足できない。

【０００６】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、上記した問題を解決
し、都市ガスやプロパンガス（ＬＰＧ）等の腐食性ガス
雰囲気中においても高い信頼性と、長期安定性を有する
半導体圧力センサ及びそれを用いたガスメータを提供す
ることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明に係る半導体圧力センサダイアフラム付
きのセンサチップを接着剤を介して実装基板上に固定さ
れるとともに、前記ダイアフラムに対して測定ガス圧力
を印加可能としてなる半導体圧力センサにおいて、前記
センサチップと前記実装基板との境界部分のうち、前記
測定対象のガスと接触する部分に、前記ガスによって浸
蝕されない所定の樹脂を設けるようにした。そして、係
る所定の樹脂としてはエポキシ系樹脂（硬化物，ゲル状
物）やＵＶ硬化樹脂等がある。

【０００８】そして、具体的には、前記実装基板に凹所
を設け、その凹所内に前記センサチップを配置するよう
にし、前記センサチップの底面と前記凹所の底面との間
には、ゲル状のエポキシ系樹脂を介在させ、前記センサ
チップの側面と前記凹所の内周面との間に接着剤を充填
し前記センサチップと前記実装基板との固定を行うよう
にすることができる。

【０００９】また、別の構成としては、前記実装基板に
凹所を設け、その凹所内に前記センサチップを配置する
ようにし、前記センサチップの側面と前記凹所の内周面
との間にゲル状のエポキシ系樹脂を充填し、前記センサ
チップの底面と前記凹所の底面との間に接着剤を介在さ
せて前記センサチップと前記実装基板との固定を行うよ
うにしてもよい。

【００１０】さらに別の構成としては、前記センサチッ
プと前記実装基板とを固定する接着剤自体に、エポキシ
系樹脂またはＵＶ硬化樹脂を用い、耐ガス性をもたせた
ものを用いるようにしてもよい。

【００１１】そして、上記した各接着剤としては、低弾
性率を有するものにするのが好ましい。ここで低弾性率
とは、文字通り弾性率が低いことを意味し、具体的には
実装基板とセンサチップの熱膨張率の差に基づき発生す
る応力を吸収できる（完全に吸収できなくても、測定に
支障がない程度に吸収できていればよい）程度に弾性を
有しておれば足り、使用する実装基板の材質との相関に
よって具体的な数値の限界は決定される。

【００１２】また、本発明に係るガスメータでは、少な
くともガス流量とガス圧を検出可能としたガスメータに
おいて、前記ガス圧の検出用センサとして、上記した各
構成の半導体圧力センサを用いるようにした。

【００１３】

【作用】測定対象のガスがダイアフラムの片面側に供給
される。すると、ダイアフラムは撓み、その撓みに応じ
た出力がセンサチップから出力される。この時、上記片
面側を含むセンサチップ表面は上記ガスが接触するの
で、センサチップと実装基板との接続境界にも係るガス
が触れる。ところで、本発明では、係るガスが触れる側
の境界部分には、係るガスによって浸蝕されない樹脂が
配置されているので、そのガスは当該樹脂を通って内部
に侵入することはない。したがって、センサチップと実
装基板とを固定する接着剤として、従来から用いられて
いるシリコーン樹脂等の耐ガス性が低いものを用いたと
しても、その接着剤が上記所定の樹脂により覆われてい
れば、接着剤もガスによって浸蝕されず、長期にわたっ
て安定性を失うことがない。

【００１４】また、接着剤自体をエポキシ系接着剤、ま
たは変性アクリレート系のＵＶ硬化接着剤を用いて直接
ステム等の実装部に実装することにより、従来の構造と
同一構成をとりつつ、ＬＰＧ等の腐食性ガスにも浸食さ
れることなく、長期信頼性を確保できる。

【００１５】そして、係る半導体圧力センサを用いて構
成されるガスメータにおいても、センサの検出感度は機
械式のものに比べて高く、しかも上記のように長期にわ
たって安定した出力が得られるためそれを用いたガスメ
ータも長期間高信頼性を維持する。

【００１６】

【実施例】以下、本発明に係る半導体圧力センサ及びそ
れを用いたガスメータの好適な実施例を添付図面を参照
にして詳述する。図１は、本発明に係る半導体圧力セン
サの第１実施例を示している。同図に示すように、セン
サチップ１は、シリコンなどの半導体基板の中央部分を
エッチングにより除去することにより薄肉のダイアフラ
ム１ａが一体に形成されている。なお、図示省略する
が、このダイアフラム１ａには、電極（静電容量式）或
いは歪み抵抗（ピエゾ抵抗効果式）等の各種の撓み量を
検出する部材が実装され、撓みに応じた出力信号を出力
可能としているが、係る構成は従来と同様であるのでそ
の詳細な説明を省略する。そして、係るセンサチップ１
が、ステム２上に実装される。

【００１７】ステム２は、センサチップ１の平面形状よ
りも一回り大きな平面形状を有する凹所２ａが形成さ
れ、その凹所２ａの底面には測定圧力をダイアフラム１
ａへ供給するための圧力導入孔２ｂが形成されている。
そして、この凹所２ａの底面所定位置には耐薬品性、耐
ガス性の大きなエポキシ系のゲル３をディスペンス、ま
たはスタンピング等の方法で形成し、そのゲル３上にセ
ンサチップ１を配置している。そしてエポキシ系のゲル
３としては、たとえば「ＣＧＬ７０１５」（ＡＩテクノ
ロジー社製：商品名）を用いることができる。

【００１８】なお、ゲル３の設置部分はセンサチップ１
の底面１ｂに対向する位置に行い、圧力導入孔２ｂを閉
塞しないようにする。これにより、センサチップ１の底
面１ｂと、凹所２ａの底面との間にはゲル３が介在して
密着され、ダイアフラム１ａの下面側に圧力室４を形成
する。

【００１９】また、センサチップ１と凹所２ａの内壁面
との間に形成される隙間（空間）内には、ヤング率が約
０．７ＭＰａのＵＶ硬化樹脂、または同程度のシリコー
ン樹脂からなる接着剤５が充填されている。この接着剤
５はＵＶ光照射、または熱硬化により硬化されている。
すなわち、本実施例では係る接着剤５によりセンサチッ
プ１のステム２に対する固定を行い、圧力室４の密閉・
気密性はゲル３により発揮させている。

【００２０】上記構成のセンサでは、圧力導入孔２ｂよ
り侵入したプロパンガス等の腐食性ガスが、圧力室４に
いたり、その圧力に応じてダイアフラム１ａを上方に撓
ませるが、この時、センサチップ１とステム２の界面は
エポキシ系ゲル３により完全にシールされているので、
圧力室４から外部に漏れ出ることはない。

【００２１】したがってセンサチップ１の周辺部に注入
したＵＶ硬化樹脂またはシリコーン樹脂が、腐食性ガス
に暴露されることはなく、たとえＵＶ硬化樹脂またはシ
リコーン樹脂が腐食性ガスに対して耐性が小さくとも長
期信頼性は確保できる。さらに接着剤５のヤング率を約
２０Ｋｇｆ／ｃｍ² 以下にすると、たとえステム２とセ
ンサチップ１の熱膨脹率が異なっていたとしても、ステ
ム２の熱変形を接着剤５で吸収でき、温度特性に優れた
半導体圧力センサを得ることができる。

【００２２】図２は、本発明に係る半導体圧力センサの
第２実装例を示している。同図に示すように、本実施例
では、測定圧力である腐食性ガスがセンサチップ１の上
方から流入する場合の例である。

【００２３】センサチップ１は、接着剤５′を用いて直
接ステム２の凹所２ａの底面所定位置に接合される。こ
の時使用する接着剤５′としては、従来と同様にシリコ
ーン樹脂を使用することができる。ここで本発明では、
センサチップ１と凹所２ａの内壁面との間に形成される
隙間（空間）内に、耐薬品性、耐ガス性に優れたエポキ
シ系のゲル３を充填している。

【００２４】係る構成にすることにより、測定対象のプ
ロパンガス等の腐食性ガスをセンサチップ１の上方より
導入しダイアフラム１ａに印加するとその圧力に応じて
下方に撓む。この時、腐食性ガスに対向するセンサチッ
プ１とステム２との境界面（隙間）にはエポキシ系ゲル
３が介在しているので、当該ゲル３が腐食することがな
く、また、隙間はゲル３により充填され密封されている
ので、腐食性ガスがセンサチップ１とステム２とを接着
するシリコーン樹脂からなる接着剤５′に触れることが
なく、やはり浸蝕されない。なお、本例の場合にステム
２の凹所２ａの底面に形成された孔２ｂは、ダイアフラ
ム１ａの下側を大気開放するための経路である。その他
の構成並びに作用効果は上記した第１実施例と同様であ
るのでその説明を省略する。

【００２５】図３は本発明の第３実施例を示している。
同図に示すように本実施例では、上記した各実施例と相
違して、平面上のステム２の上にセンサチップ１を実装
している。そして、両者を接着剤６を介して接着一体化
している。ここで本発明では、使用する接着剤６とし
て、耐ＬＰＧ性等に優れたＵＶ硬化樹脂、またはエポキ
シ樹脂を用いる。そして、この接着剤６のヤング率は、
約２０Ｋｇｆ／ｃｍ² 以下のものを用いた。これにより
ステムとセンサチップとの熱膨張係数の差によって生じ
る応力を緩和でき、温度特性に優れた半導体圧力センサ
チップを得ることができる。そしてこのＵＶ硬化樹脂に
あっては、できれば熱硬化性、またはプライマ硬化性、
または２液混合による硬化特性を付与したタイプのもの
が望ましい。その他の構成並びに作用効果は上記した第
１，第２実施例と同様であるのでその説明を省略する。

【００２６】図４は本発明に係るガスメータの一実施例
を示している。同図に示すように、ガスメータ１０には
流れたガス量（ガス総量）を測定する計量部１２やガス
管１１内を流れるガスの流量（単位時間当たりのガス流
量）を測定する流量センサ１３、ガス管１１内のガス圧
を測定する本発明による圧力センサ１４、及び地震を検
知する地震計１５などから構成されている。

【００２７】ガス管１１内を流れるガスの総量は計量部
１２によって測定されてメータなどの表示部（図示せ
ず）に表示される。また、ガス管１１内のガス流量及び
ガス圧は流量センサ１３及び圧力センサ１４によりそれ
ぞれ測定され、コントローラ１８により常時監視されて
いる。万が一、ガス漏れが発生した場合にはガス管１１
を流れるガス流量が異常に増加する。また、ガス器具等
の消し忘れなどの場合には異常な時間ガスが流れ続け
る。さらに、ガス漏れやガス管工事復旧前後などにはガ
ス管１１を流れるガス圧が低下する。

【００２８】このガスメータ１０においては、コントロ
ーラ１６がこれらガス流量の異常やガス圧の低下を検知
すると、警告ランプ１８を点灯させて警報を知らせると
ともに、遮断弁１７を閉成する。また、地震計１５によ
って地震が検知された場合にも、警告ランプ１８を点灯
させて警報を知らせるとともに、遮断弁１７を閉成す
る。このようにして、ガス流量やガス圧に異常を生じた
場合などには、自動的にガス管１１を閉じて爆発等の危
険を防止することができる。

【００２９】特に、本発明の圧力センサ１４を用いた場
合には、センサ特性に優れているためわずかの圧力低下
を検知することができ、測定誤差も少ないので誤動作が
少なく、安全性を配慮した信頼性の高いガスメータＬを
提供することができる。また、図４に示すように、室内
に取り付けたガス警報器やガス器具に取り付けた不完全
燃焼警報器などから外部信号１９を検知することによっ
て遮断弁１７を閉成したり、警告ランプ１８を点灯する
こととしてもよい。

【００３０】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る半導体圧力
センサ及びそれを用いたガスメータでは、都市ガスやプ
ロパンガス（ＬＰＧ）等の腐食性ガスに対しての耐性を
有する樹脂を用いてセンサチップと実装基板を接着固定
したり、あるいは、固定は係る耐性のない（少ない）接
着剤で確実に行いつつ、その表面（ガス側）を上記所定
の樹脂で覆い、シールすることで浸蝕を確実に防止す
る。これにより、長期にわたって安定した検出が行え
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る半導体圧力センサの第１実施例を
示す図である。

【図２】本発明に係る半導体圧力センサの第２実施例を
示す図である。

【図３】本発明に係る半導体圧力センサの第３実施例を
示す図である。

【図４】本発明に係るガスメータの一実施例を示す図で
ある。

【符号の説明】 １ センサチップ １ａ ダイアフラム ２ ステム（実装基板） ３ エポキシ系ゲル ４ 圧力室 ５，５′ 接着剤 ６ 接着剤（エポキシ系）

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ダイアフラム付きのセンサチップを接着
   剤を介して実装基板上に固定するとともに、前記ダイア
   フラムに対して測定ガス圧力を印加可能としてなる半導
   体圧力センサにおいて、 前記センサチップと前記実装基板との境界部分のうち、
   測定対象のガスと接触する部分に、前記ガスによって浸
   蝕されない所定の樹脂を設けてなることを特徴とする半
   導体圧力センサ。
2. 【請求項２】 前記所定の樹脂が、エポキシ系樹脂また
   はＵＶ硬化樹脂であることを特徴する請求項１に記載の
   半導体圧力センサ。
3. 【請求項３】 前記実装基板に凹所を設け、その凹所内
   に前記センサチップを配置するようにし、 前記センサチップの底面と前記凹所の底面との間には、
   ゲル状のエポキシ系樹脂を介在させ、 前記センサチップの側面と前記凹所の内周面との間に接
   着剤を充填し前記センサチップと前記実装基板との固定
   を行うようにした請求項１に記載の半導体圧力センサ。
4. 【請求項４】 前記実装基板に凹所を設け、その凹所内
   に前記センサチップを配置するようにし、 前記センサチップの側面と前記凹所の内周面との間にゲ
   ル状のエポキシ系樹脂を充填し、 前記センサチップの底面と前記凹所の底面との間に接着
   剤を介在させて前記センサチップと前記実装基板との固
   定を行うようにした請求項１に記載の半導体圧力セン
   サ。
5. 【請求項５】 前記センサチップと前記実装基板とを固
   定する接着剤として、エポキシ系樹脂，ＵＶ硬化樹脂ま
   たはシリコーン樹脂を用いたことを特徴とする請求項１
   に記載の半導体圧力センサ。
6. 【請求項６】 前記接着剤が、低弾性率を有するもので
   ある請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体圧力セ
   ンサ。
7. 【請求項７】 少なくともガス流量とガス圧を検出可能
   としたガスメータにおいて、 前記ガス圧の検出用センサとして、請求項１〜６のいず
   れか１項に記載の半導体圧力センサを用いたことを特徴
   とするガスメータ。