JP2006023191A - 圧力センサ - Google Patents

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Toshiya Ikezawa
敏哉 池沢
Hiroshi Tsuda
浩志 津田
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Abstract

【課題】 ターミナルを有するケースに圧力検出素子を設け、ターミナルと圧力検出素子とを電気的に接続してなる圧力センサにおいて、圧力検出素子に圧力媒体が直接導入されるようにした場合に、圧力検出素子のパッドや電位接続部を構成するボンディングワイヤの腐食を極力回避できるようにする。
【解決手段】 ケース10の一端側に設けられた圧力検出素子20と、ケース10に設けられ一端部がケース10の一端側に突出するターミナル12と、圧力検出素子20のパッド23とターミナル12の一端部とを電気的に接続するボンディングワイヤ13とを備える圧力センサにおいて、圧力検出素子20に圧力媒体が直接導入されるようになっており、圧力検出素子20のパッド23はコーティング部材24により被覆保護され、ボンディングワイヤ13はAuからなる。
【選択図】 図2

Description

本発明は、ターミナルを有するケースに圧力検出素子を設け、ターミナルと圧力検出素子とを電気的に接続するとともに、圧力検出素子に圧力媒体が直接導入されるようになっている圧力センサに関する。
従来より、ケースと、ケースの一端側に設けられた圧力検出素子と、ケースに設けられ、一端部がケースの一端側に突出するターミナルと、圧力検出素子のパッドとターミナルの一端部とを電気的に接続するボンディングワイヤとを備える圧力センサが提案されている(たとえば、特許文献1、特許文献2参照)
このような圧力センサにおいては、圧力検出素子をメタルダイアフラムで覆い、メタルダイアフラム内にオイル等の圧力伝達媒体を封止することで、圧力検出素子を圧力媒体から保護するとともに、メタルダイアフラムにて圧力媒体の圧力を受圧し、圧力伝達媒体を介して圧力検出素子へ伝達していた。
図4は、このようなメタルダイアフラムを有する従来の圧力センサの一般的な構成を示す概略断面図である。
この圧力センサにおいては、ケースとしてのコネクタケース10と圧力導入部材としてのハウジング30とが組み合わされている。コネクタケース10の一端側の表面(図4中、下方側の端面)には凹部11が形成されている。
この凹部11には、圧力検出素子20が、図示しない接着剤を介して配設されている。ここでは、圧力検出素子20は、台座21に一体化されて、コネクタケース10に搭載されている。また、コネクタケース10には、複数個の金属製棒状のターミナル12が設けられている。
各ターミナル12の一端側(図4中、下方端側)の端部は、圧力検出素子20の搭載領域の周囲において凹部11の底面から突出している。そして、各ターミナル12の突出部の先端面と圧力検出素子20とは、ワイヤボンディングにより形成されたアルミニウムからなるワイヤ13を介して結線され電気的に接続されている。
そして、凹部11内には、圧力検出素子20、ターミナル12、ワイヤ13を覆うように液体としてのオイル15が充填されている。このオイル15は、フッ素オイル等よりなり、主として圧力伝達媒体として機能するものである。
次に、ハウジング30は、たとえばステンレス(SUS)等の金属材料よりなる。このハウジング30は、一端側(図4中の上方端側)に開口部31を有するとともに、他端側(図4中の下方端側)に外部から圧力媒体が導入される圧力導入孔32を有する。この圧力媒体は、たとえば上記したエアコンの冷媒や自動車の燃料、エンジンオイル等である。
そして、ハウジング30には、その開口部31にコネクタケース10の一端側(図4中の下端側)が挿入された状態で、凹部11を覆うようにコネクタケース10に、かしめなどにより組み付けられている。
さらに、ハウジング30の一端側には、メタルダイアフラム34が設けられ、金属製の押さえ部材(リングウェルド)35を介して溶接などにより、ハウジング30に対して固定されている。それにより、メタルダイアフラム34はその周辺部がハウジング30に固定された状態となり、オイル15を封止しつつ凹部11と圧力導入孔32とを区画している。
こうして組み合わせられたケース10とハウジング30において、コネクタケース10の凹部11とメタルダイアフラム34との間で、オイル15が封入されている。そして、このオイル15が封入された室が、圧力検出室40として構成されている。
また、圧力検出室40の外周囲には、環状の溝(Oリング溝)41が形成され、この溝41内には、圧力検出室40を気密封止するためのOリング42が配設されている。そして、Oリング42は、コネクタケース10と押さえ部材35とにより挟まれて押圧されており、これによって、Oリング42はメタルダイアフラム34とともに圧力検出室40を封止する役割を果たしている。
かかる圧力センサ100は、たとえば、ハウジング30のネジ部33を介して、車両の適所に取り付けられる。そして、外部からの圧力媒体が、ハウジング30の圧力導入孔32を介して圧力センサ内に導入される。
すると、導入された圧力がメタルダイアフラム34に印加され、メタルダイアフラム34には応力が発生する。この応力は、圧力検出室40内のオイル15を介して、センサチップ20へ伝達され、センサチップ20の受圧面に印加される。
そして、印加された圧力に応じた電気信号がセンサ信号として、センサチップ20から出力される。このセンサ信号は、センサチップ20からワイヤ13、ターミナル12を介して、外部回路などへ伝達される。
特開平7−209115号公報 特開平7−243926号公報
ところで、上記したような従来の圧力センサは、たとえば自動車に搭載され、エアコンの冷媒圧や自動車の燃料噴射系の燃料圧を検出する圧力センサ等に適用できる。
ここにおいて、本発明者らは、コストダウンを目的として、この種の圧力センサにおいてメタルダイアフラムを廃止した構造を検討している。しかしながら、メタルダイアフラムを廃止した場合、エアコンの冷媒や自動車の燃料、エンジンオイルなどの圧力媒体が直接、圧力検出素子に導入される。
圧力媒体中には、たとえば酸化性のガスや液体などが含有されており、圧力検出素子に直接圧力媒体が接触した場合、圧力検出素子のパッドや当該パッドとターミナルとを接続するAlワイヤが腐食する懸念がある。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、ターミナルを有するケースに圧力検出素子を設け、ターミナルと圧力検出素子とを電気的に接続してなる圧力センサにおいて、圧力検出素子に圧力媒体が直接導入されるようにした場合に、圧力検出素子のパッドや電位接続部を構成するボンディングワイヤの腐食を極力回避できるようにすることを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、ケース(10)と、ケース(10)の一端側に設けられた圧力検出素子(20)と、ケース(10)に設けられ一端部がケース(10)の一端側に突出するターミナル(12)と、圧力検出素子(20)のパッド(23)とターミナル(12)の一端部とを電気的に接続するボンディングワイヤ(13)とを備える圧力センサにおいて、圧力検出素子(20)に圧力媒体が直接導入されるようになっており、圧力検出素子(20)のパッド(23)はコーティング部材(24)により被覆され保護されており、ボンディングワイヤ(13)はAuからなることを特徴としている。
それによれば、圧力検出素子(20)のパッド(23)はコーティング部材(24)により被覆され保護されており、圧力媒体にさらされることはない。また、ボンディングワイヤ(13)は従来のAlよりも耐食性に優れたAuからなるものとしている。
そのため、本発明によれば、ターミナル(12)を有するケース(10)に圧力検出素子(20)を設け、ターミナル(12)と圧力検出素子(20)とをボンディングワイヤ(13)にて電気的に接続してなる圧力センサにおいて、圧力検出素子(20)に圧力媒体が直接導入されるようにした場合でも、圧力検出素子(20)のパッド(23)やボンディングワイヤ(13)の腐食を極力回避することができる。
請求項2に記載の発明では、ケース(10)と、ケース(10)の一端側に設けられた圧力検出素子(20)と、ケース(10)に設けられ一端部がケース(10)の一端側に突出するターミナル(12)とを備える圧力センサにおいて、圧力検出素子(20)に圧力媒体が直接導入されるようになっており、圧力検出素子(20)は、そのパッド(23)が設けられている面をケース(10)側へ対向させて配置され、パッド(23)とターミナル(12)の一端部とがバンプ(25)を介して電気的に接続されていることを特徴としている。
それによれば、圧力検出素子(20)のパッド(23)が設けられている面をケース(10)側へ対向させて配置しているから、圧力媒体が向かってくる方向に対して、圧力検出素子(20)のパッド設置面が直接正対しない形となる。
また、本発明では、パッド(23)とターミナル(12)との電気的接続は、ボンディングワイヤではなくバンプ(25)にて行っているため、ボンディングワイヤの腐食という問題は回避される。
そのため、本発明によれば、ターミナル(12)を有するケース(10)に圧力検出素子(20)を設け、ターミナル(12)と圧力検出素子(20)とを電気的に接続してなる圧力センサにおいて、圧力検出素子(20)に圧力媒体が直接導入されるようにした場合でも、圧力検出素子(20)のパッド(23)やボンディングワイヤの腐食という問題を極力回避することができる。
ここで、請求項3に記載の発明のように、請求項2に記載の圧力センサにおいては、バンプ(25)は、はんだまたはAuめっきからなるものにできる。
また、請求項4に記載の発明では、請求項1〜請求項3に記載の圧力センサにおいて、圧力検出素子(20)のパッド(23)は、Alからなるものであることを特徴としている。
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態に係る圧力センサ100の全体概略断面構成を示す図であり、図2は、図1中の圧力センサ100における圧力検出素子20の近傍部の拡大図である。
この圧力センサ100は、たとえば自動車に搭載され、エアコンの冷媒圧や自動車の燃料噴射系の燃料圧を検出する圧力センサ等に適用できる。
本圧力センサ100においては、ケースとしてのコネクタケース10と圧力導入部材としてのハウジング30とが組み合わされている。
コネクタケース10は、本例では、PPS(ポリフェニレンサルファイド)やPBT(ポリブチレンテレフタレート)等の樹脂を型成形することにより作られ、略円柱状をなしている。このコネクタケース10の一端側の表面(図1中、下方側の端面)には凹部11が形成されている。
この凹部11には、圧力検出素子としてのセンサチップ20が接着剤22aを介して配設されている。本例のセンサチップ20は、受圧面としてのダイヤフラム21(図2参照)を有し、このダイヤフラム21が受けた圧力を電気信号に変換し、この電気信号をセンサ信号として出力する半導体ダイヤフラム式のものである。
より具体的には、図2に示されるように、センサチップ20は、表面(図2中の下面)がダイヤフラム21の受圧面となっている。そして、このダイヤフラム21は、センサチップ20の裏面(図2中の上面)の一部をエッチングなどにより除去することで凹部を形成し、この凹部の底部として形成されるものである。
そして、センサチップ20は、ガラス等よりなる台座22に陽極接合等により一体化されている。ここで、センサチップ20の裏面の凹部は、センサチップ20と台座22との間で気密に封止され、たとえば真空などの基準圧力室として構成されている。
そして、台座22と一体化されたセンサチップ20は、この台座22を凹部11の底面に接着剤22aで接着することで、コネクタケース10に搭載されている。
また、図1、図2に示されるように、コネクタケース10には、センサチップ20と外部の回路等とを電気的に接続するための複数個の金属製棒状のターミナル(コネクタピン)12が設けられている。
本例では、ターミナル12は黄銅にNiメッキ、Auメッキ等のメッキ処理を施した材料よりなり、インサートモールドによりコネクタケース10と一体に成形されることによりコネクタケース10内にて保持されている。
各ターミナル12の一端側(図1中、下方端側)の端部は、センサチップ20の搭載領域の周囲において凹部11の底面から突出している。
そして、図2に示されるように、各ターミナル12の突出部の先端面とセンサチップ20のパッド23とは、ワイヤボンディングにより形成されたボンディングワイヤ13を介して結線され電気的に接続されている。
ここで、センサチップ20のパッド23は、センサチップ20の表面に設けられたものであり、たとえばAl(アルミニウム)をスパッタリング法や蒸着法などにて成膜してなるものである。本例ではパッド23はAlからなる。また、ボンディングワイヤ13はAu(金)からなるものである。
図2に示されるように、このセンサチップ20の表面においてパッド23とボンディングワイヤ13との接続部は、コーティング部材24により被覆され保護されている。つまり、圧力検出素子であるセンサチップ20のパッド23はコーティング部材24により被覆され保護されている。
このコーティング部材24は、たとえば、ポリアミドやポリイミド等の樹脂をディッピングしたり、パリレン等を蒸着したりすることにより形成されたものであり、その厚さは、たとえば10μm以下とできる。このコーティング部材24の配設は、センサチップ20のパッド23とボンディングワイヤ13とを接続した後に行うものである。
また、図1に示されるように、各ターミナル12の突出部の周囲には、コネクタケース10とターミナル12との隙間を封止するためのシール剤14が設けられている。このシール剤14は、たとえばシリコン系樹脂よりなるもので、このシール剤14により、もし、ターミナル12が突出する凹部11の底面部分に隙間があっても、その隙間は封止される。
一方、コネクタケース10の他端側(図1中、上方端側)は、ターミナル12における上記突出部とは反対側の他端側を、例えばワイヤハーネス等の外部配線部材(図示せず)を介して上記外部回路(車両のECU等)に電気的に接続するための接続部16となっている。こうして、センサチップ20と外部との間の信号の伝達は、ワイヤ13およびターミナル12を介して行われるようになっている。
次に、ハウジング30は、たとえばステンレス(SUS)等の金属材料よりなる。このハウジング30は、一端側(図1中の上方端側)に開口部31を有するとともに、他端側(図1中の下方端側)に外部から圧力媒体が導入される圧力導入孔32を有する。この圧力媒体は、たとえば上記したエアコンの冷媒や自動車の燃料、エンジンオイル等である。
また、ハウジング30の他端側の外面には、圧力センサ100を自動車の適所、たとえば、エアコンの冷媒配管や自動車の燃料配管、エンジンブロック等の箇所に固定するためのネジ部33が形成されている。
そして、ハウジング30には、その開口部31にコネクタケース10の一端側(図1中の下端側)が挿入された状態で、凹部11を覆うようにコネクタケース10に組み付けられている。ここで、ハウジング30の一端側の端部30aがコネクタケース10にかしめ固定されている。
さらに、ハウジング30の一端側には、環状の溝(Oリング溝)40が形成され、この溝40内には、ハウジング30とコネクタケース10との間を気密に封止するためのOリング41が配設されている。このOリング41は、たとえばシリコンゴム等の弾性材料よりなる。
次に、上記圧力センサ100の製造方法について述べる。ターミナル12がインサート成形されたコネクタケース10を用意する。シリコン系樹脂等よりなる接着剤を用いて、コネクタケース10の凹部11内へ、センサチップ20を台座22を介して接着し固定する。
そして、凹部11内へシール剤14を注入し、シール剤14を各ターミナル12の周囲へ行き渡らせた後、硬化させる。次に、Auのワイヤボンディングを行って、各ターミナル12の突出部の先端面とセンサチップ20とをワイヤ13で結線する。
このように、センサチップ20のパッド23とボンディングワイヤ23とを接続した後、センサチップ20の表面においてパッド23とボンディングワイヤ13との接続部を、コーティング部材24により被覆する。具体的には、上述したが、ポリアミドやポリイミド等の樹脂のディッピングや、パリレン等の蒸着によりコーティング部材24を形成することができる。
続いて、ハウジング30を用意し、Oリング41を介してハウジング30の開口部31をコネクタケース10の一端部に嵌合させる。次に、ハウジング30の端部30aをコネクタケース10にかしめることにより、ハウジング30とコネクタケース10と一体化する。
こうして、コネクタケース10とハウジング30との組合せ固定がなされ、図1に示される圧力センサ100が完成する。
かかる圧力センサ100の基本的な圧力検出動作について述べる。圧力センサ100は、たとえば、ハウジング30のネジ部33を介して、車両の適所に取り付けられる。そして、外部からの圧力媒体(上記したエアコンの冷媒や自動車の燃料、エンジンオイル等)が、ハウジング30の圧力導入孔32を介して圧力センサ100内に導入される。
すると、導入された圧力が、センサチップ20の受圧面であるダイヤフラム21に印加される。そして、印加された圧力に応じた電気信号がセンサ信号として、センサチップ20から出力される。このセンサ信号は、センサチップ20からボンディングワイヤ13、ターミナル12を介して、上記外部回路へ伝達される。以上が、圧力センサ100における基本的な圧力検出動作である。
ところで、本実施形態によれば、ケース10と、ケース10の一端側に設けられた圧力検出素子としてのセンサチップ20と、ケース10に設けられ一端部がケース10の一端側に突出するターミナル12と、圧力検出素子20のパッド23とターミナル12の一端部とを電気的に接続するボンディングワイヤ13とを備える圧力センサにおいて、圧力検出素子20に圧力媒体が直接導入されるようになっており、圧力検出素子20のパッド23はコーティング部材24により被覆され保護されており、ボンディングワイヤ13はAuからなることを特徴とする圧力センサ100が提供される。
それによれば、圧力検出素子20のパッド23はコーティング部材24により被覆され保護されており、圧力媒体にさらされることはない。また、ボンディングワイヤ13は従来のAlよりも耐食性に優れたAuからなるものとしている。
そのため、本実施形態によれば、ターミナル12を有するケース10に圧力検出素子20を設け、ターミナル12と圧力検出素子20とをボンディングワイヤ13にて電気的に接続してなる圧力センサにおいて、圧力検出素子20に圧力媒体が直接導入されるようにした場合でも、圧力検出素子20のパッド23やボンディングワイヤ13の腐食を極力回避することができる。
(第2実施形態)
図3は、本発明の第2実施形態に係る圧力センサの要部概略断面構成を示す図である。本実施形態は、上記図1に示される圧力センサにおいて、圧力検出素子20の配置形態、電気接続形態を変形したものである。上記実施形態との相違点を中心に述べる。
上記実施形態では、圧力検出素子であるセンサチップ20の受圧面すなわち表面を圧力媒体が向かってくる方向に正対して配置させていた。
それに対して、本実施形態では、図3に示されるように、センサチップ20の受圧面すなわち表面をケース10の凹部11の底面に向け、センサチップ20の裏面および台座22を圧力媒体が向かってくる方向に正対して配置させている。
それにより、センサチップ20のパッド23が設けられている面すなわちパッド設置面をケース10側へ対向させて配置した形になる。そして、パッド23とターミナル12の一端部とがバンプ25を介して電気的に接続されている。
ここで、バンプ25は、はんだや金メッキなどの耐食性に優れた導電性接続材料からなる。また、シール剤14から突出するターミナル12の部分とバンプ25とを足し合わせた高さは、センサチップ20の表面に圧力媒体が入り込んで充分に圧力検出が可能な程度の高さとする。
本実施形態の圧力センサは、たとえば次のようにして製造できる。パッド設置面をケース10に向け且つパッド23とターミナル12との間にバンプ25を介在させた状態で、台座22と一体化したセンサチップ20を、凹部11に挿入する。そして、バンプ25のリフローを行うなどにより、パッド23とターミナル12とをバンプ25を介して接合する。
その後は、凹部11内へのシール剤14の注入および硬化、コネクタケース10とハウジング30とのOリング41を介した組み付けを行うことにより、本実施形態の圧力センサを完成させることができる。
かかる本実施形態の圧力センサにおいても、外部からの圧力媒体が、ハウジング30の圧力導入孔32を介して圧力センサ100内に導入されると、導入された圧力が、センサチップ20の受圧面であるダイヤフラム21に印加される。
そして、印加された圧力に応じた電気信号がセンサ信号として、センサチップ20から出力される。このセンサ信号は、センサチップ20からバンプ25、ターミナル12を介して、上記外部回路へ伝達される。これが、本実施形態の圧力センサにおける基本的な圧力検出動作である。
ところで、本実施形態によれば、ケース10と、ケース10の一端側に設けられた圧力検出素子としてのセンサチップ20と、ケース10に設けられ一端部がケース10の一端側に突出するターミナル12とを備える圧力センサにおいて、圧力検出素子20に圧力媒体が直接導入されるようになっており、圧力検出素子20は、そのパッド23が設けられている面をケース10側へ対向させて配置されており、パッド23とターミナル12の一端部とがバンプ25を介して電気的に接続されていることを特徴とする圧力センサが提供される。
それによれば、圧力検出素子20のパッド23が設けられている面をケース10側へ対向させて配置しているから、圧力媒体が向かってくる方向に対して、圧力検出素子20のパッド設置面が直接正対しない形となる。
たとえば、上記図4に示される従来の圧力センサでは、メタルダイヤフラム34を廃止した場合、圧力検出素子20のパッド設置面が、圧力媒体が向かってくる方向に正対する形となる。その場合、次々と流れてくる圧力媒体によってパッドの腐食が促進される懸念がある。それに比べて、本実施形態では、パッドの腐食は抑制できる。
また、本実施形態では、パッド23とターミナル12との電気的接続は、ボンディングワイヤではなくバンプ25にて行っているため、ボンディングワイヤの腐食という問題は回避される。
そのため、本実施形態によれば、ターミナル12を有するケース10に圧力検出素子20を設け、ターミナル12と圧力検出素子20とを電気的に接続してなる圧力センサにおいて、圧力検出素子20に圧力媒体が直接導入されるようにした場合であっても、圧力検出素子20のパッド23やボンディングワイヤの腐食という問題を極力回避することができる。
(他の実施形態)
なお、ケースは、一端側に圧力検出素子を設置できるとともにターミナルを有し、さらに一端側にターミナルの一端部が突出しているものであればよく、上記コネクタケースに限定されるものではない。
また、圧力検出素子は、上記半導体ダイヤフラム式のものに限定されるものではなく、受けた圧力を電気信号に変換し、この電気信号をセンサ信号として出力できるものであればよい。
本発明の第1実施形態に係る圧力センサの全体概略断面図である。 図1中の圧力センサにおける圧力検出素子の近傍部の拡大図である。 本発明の第2実施形態に係る圧力センサの要部概略断面図である。 メタルダイヤフラムを有する従来の圧力センサの一般的な構成を示す概略断面図である。
符号の説明
10…ケースとしてのコネクタケース、12…ターミナル、
13…ボンディングワイヤ、20…圧力検出素子としてのセンサチップ、
23…センサチップのパッド、24…コーティング部材、25…バンプ。

Claims (4)

  1. ケース(10)と、
    前記ケース(10)の一端側に設けられた圧力検出素子(20)と、
    前記ケース(10)に設けられ、一端部が前記ケース(10)の一端側に突出するターミナル(12)と、
    前記圧力検出素子(20)のパッド(23)と前記ターミナル(12)の一端部とを電気的に接続するボンディングワイヤ(13)とを備える圧力センサにおいて、
    前記圧力検出素子(20)に圧力媒体が直接導入されるようになっており、
    前記圧力検出素子(20)のパッド(23)はコーティング部材(24)により被覆され保護されており、
    前記ボンディングワイヤ(13)はAuからなることを特徴とする圧力センサ。
  2. ケース(10)と、
    前記ケース(10)の一端側に設けられた圧力検出素子(20)と、
    前記ケース(10)に設けられ、一端部が前記ケース(10)の一端側に突出するターミナル(12)とを備える圧力センサにおいて、
    前記圧力検出素子(20)に圧力媒体が直接導入されるようになっており、
    前記圧力検出素子(20)は、そのパッド(23)が設けられている面を前記ケース(10)側へ対向させて配置され、前記パッド(23)と前記ターミナル(12)の一端部とがバンプ(25)を介して電気的に接続されていることを特徴とする圧力センサ。
  3. 前記バンプ(25)は、はんだまたはAuめっきからなるものであることを特徴とする請求項2に記載の圧力センサ。
  4. 前記パッド(23)は、Alからなるものであることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の圧力センサ。
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