JP2009533660A - センサ装置 - Google Patents
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Abstract
本発明によって、圧力もしくは力を検出するためのセンサ装置の特に廉価な変化形が提案される。このセンサ装置は、極めて単純で、頑丈でかつ簡単に使用され得る構造の点で優れていると同時に、大衆消費電子装置における使用のために必要となる精度を持って測定値検出を可能にしている。このためにはセンサ装置は、半導体基板から形成された、曲げに対して敏感な少なくとも1つのセンサエレメント(3)を有していて、該センサエレメント(3)は、ハウジング(1)内に十分にモールディング封止されている。ハウジング(1)が、少なくとも1つの目標曲げ箇所(4)を有しており、該目標曲げ個所(4)に、検出したい圧力もしくは検出したい力が作用するようになっている。センサエレメント(3)は、目標曲げ箇所(4)の領域に配置されていて、ハウジング(1)と一緒に曲げられるようになっており、センサエレメント(3)が、曲げの発生時に、相応する出力信号を供給するようになっている。
Description
背景技術
本発明は、圧力もしくは力を検出するためのセンサ装置であって、半導体基板から製造された、曲げに対して敏感な少なくとも1つのセンサエレメントが設けられており、該センサエレメントが、ハウジング内に十分にモールディング封止されている形式のものに関する。
本発明は、圧力もしくは力を検出するためのセンサ装置であって、半導体基板から製造された、曲げに対して敏感な少なくとも1つのセンサエレメントが設けられており、該センサエレメントが、ハウジング内に十分にモールディング封止されている形式のものに関する。
このような形式のセンサ装置は、大衆消費電子装置の様々な分野で、たとえばPDA(Personal Digital Assistant)およびスマートフォンの触感性のディスプレイ、またはマウスの代わりとして触感性の面を備えているラップトップ型コンピュータにおいて使用される。
このような触感性のパネルの表面を剛性的なプレートとして形成することが知られている。このプレートは複数の点で力感知性のエレメント上に支承されている。てこの原理を用いて、個々の測定点で検出された力の割合から力作用の位置、すなわちペンもしくは指の位置を推定することができる。しかしこのためには力を約1%の精度で測定することができなければならない。押圧力は、検出された力の総和から得られ、かつ場合によっては線幅として表示され得る。
この場合に測定値検出のために使用される力/圧力センサは、さらに極めて頑丈でなければならない。なぜならば、前に述べた触感性パネルの典型的な用途、すなわちいわゆるタッチパッドの場合には、最大約5Nまでの力が生じるからである。さらに、この場合に使用される力/圧力センサは、破損等を防止するために最大約50Nまでの過負荷に対して耐性を有しなければならない。
ドイツ連邦共和国特許出願第102005036955号明細書には、冒頭で述べた形式のセンサ装置が記載されている。このセンサ装置は、測定精度に課せられる上述の要求を満たすと同時に、十分に頑丈に形成されている。この公知のセンサ装置は圧力センサチップを有している。この圧力センサチップは、表面マイクロマシニング技術の方法を用いて半導体基板から製造されていて、ハウジング内に十分にモールディング封止されている。圧力センサチップのマイクロマシニング構造体はダイヤフラムを有している。このダイヤフラムは、空洞を跨ぐように張設されて、この空洞を閉じている。公知のセンサ装置の、ダイヤフラムの上方に形成されたハウジング上側部分は、少なくともある程度の範囲内で可動であって、ダイヤフラムへの二次的な力伝達経路(Kraftnebenschluss)を有していて、これによってハウジング上側部分に作用する力が、少なくとも部分的にダイヤフラムに伝達されることが望まれる。
この場合に使用されている圧力センサチップは、比較的製造に手間のかかるマイクロマシニング式の構成素子である。圧力センサチップのハウジング、特にハウジング上側部分に課せられた製造技術的な要求も比較的高いので、公知のセンサ装置は、全体的に大衆消費電子装置の分野からの製品の価格低下傾向を考慮すると比較的高価である。
発明の利点
本発明の課題は、公知のセンサ装置を改良して、極めて単純で、頑丈でかつ簡単に使用され得る構造の点で優れていると同時に、大衆消費電子装置における使用のために必要となる精度を持って測定値検出を可能にするような特に廉価なセンサ装置を提供することである。
本発明の課題は、公知のセンサ装置を改良して、極めて単純で、頑丈でかつ簡単に使用され得る構造の点で優れていると同時に、大衆消費電子装置における使用のために必要となる精度を持って測定値検出を可能にするような特に廉価なセンサ装置を提供することである。
このことは本発明によれば、ハウジングが少なくとも1つの目標曲げ箇所を有していることによって達成される。この目標曲げ箇所には検出したい圧力もしくは検出したい力が作用する。センサエレメントは、この目標曲げ箇所の領域内に配置されている。これによって、センサエレメントはハウジングと一緒に曲げられるようになっており、このセンサエレメントが、曲げの発生時に、曲げを生ぜしめた力に相応する出力信号を供給する。
まず、検出したい力が、一般的に公知のセンサ装置のハウジングに曲げを生じさせることが認識された。ここで本発明によって、ハウジングの曲げを間接的または直接的に検出すると、公知のセンサ装置の構造を著しく簡略化できることが認識された。つまりこの場合、比較的複雑なマイクロマシニング構造を有する圧力センサチップを、たとえば抵抗線歪ゲージのような、極めて単純かつ曲げに対して敏感な1つまたは複数のセンサエレメントに代替することができる。これを補うように、ハウジングに少なくとも1つの目標曲げ箇所を設けることが本発明によって提案される。この手段によって、本発明によるセンサ装置の測定精度もしくは測定感度が支援される。なぜならば、ハウジングが、力作用時に目標曲げ箇所の領域で顕著かつ規定された曲げを生ぜしめられるからである。センサエレメントがハウジングと一緒に曲げられるので、センサエレメントは、相応する個別化された出力信号を供給する。
基本的に、本発明によるセンサ装置、特にセンサエレメントおよびハウジングの実現のためには種々多様な可能性がある。
センサエレメントとしては、原則的に、曲げに対して敏感な全てのセンサエレメントが挙げられ、つまりは圧力センサチップも挙げられる。特に単純かつ廉価な変化形のためには、ピエゾ抵抗を有するシリコンストリップをセンサエレメントとして使用することが提案される。
単純で廉価な製造に関しては、ハウジングを熱硬化性樹脂、特にエキポシ樹脂から形成すると有利であることが判っている。
たとえばパネルに対して垂直方向に作用する力部分のみがその都度評価される触感性のパネルの場合など、検出したい力の方向が予め規定されていると、本発明によるセンサ装置を、評価ユニットに接続するためにプリント配線板に組み付けることができる。プリント配線板は一般的に、力方向に対して垂直に配向されているので、プリント配線板は検出したい力を少なくとも部分的に吸収することができる。この場合、本発明によるセンサ装置のハウジングが、以下のようにプリント配線板に組み付けられていると有利である。すなわちハウジングが、目標曲げ箇所外の少なくとも1つの領域で支持されかつ目標曲げ箇所を介してプリント配線板に向かって曲げ可能なようにされる。この場合、センサ装置とプリント配線板との間の機械的な結合部・電気的な結合部になるべく応力がかからないようにするべきである。このことは、ハウジングを少なくとも2つの領域で支持することによって達成され得る。この場合、これら領域は、目標曲げ箇所における力作用が、組み付けられたハウジングにトルクを生ぜしめないように選択されている。
図面
すでに上記で論じてきたように、本発明の理論を有利な形式で実施し、改良するためには種々異なる可能性がある。このために、一方で請求項2以下に記載し、他方で本発明の2つの実施例を図面につき説明する。図1aは、本発明によるセンサ装置10の第1実施例を示す断面図であり、図1bは、第1実施例によるセンサ装置10の平面図であり、図2aは、本発明によるセンサ装置20の第2実施例を示す断面図であり、図2bは、第2実施例によるセンサ装置20の平面図である。
すでに上記で論じてきたように、本発明の理論を有利な形式で実施し、改良するためには種々異なる可能性がある。このために、一方で請求項2以下に記載し、他方で本発明の2つの実施例を図面につき説明する。図1aは、本発明によるセンサ装置10の第1実施例を示す断面図であり、図1bは、第1実施例によるセンサ装置10の平面図であり、図2aは、本発明によるセンサ装置20の第2実施例を示す断面図であり、図2bは、第2実施例によるセンサ装置20の平面図である。
実施例の説明
図1aおよび図1bに示されているセンサ装置10は、ほぼ鉛直方向で上方からハウジング1に作用する圧力もしくは力(図1aに矢印2で示す)を検出するために役立つ。センサ装置10は、曲げに対して敏感なセンサエレメント3を有している。このセンサエレメント3は半導体基板から製造されている。ここで説明する実施例では、センサエレメント3が、ピエゾ抵抗を有する単純なシリコンストリップである。シリコンストリップ、ひいてはこのシリコンストリップに設けられたピエゾ抵抗は、力2の方向で曲げが生じるとその抵抗値が変化するように配置されている。センサエレメント3はハウジング1内にモールディング封止されている。封止コンパウンドとしては、たとえば熱硬化性樹脂またはエキポシ樹脂が適当である。しかし用途に応じて、その他の材料を封止コンパウンドとして使用することもできる。
図1aおよび図1bに示されているセンサ装置10は、ほぼ鉛直方向で上方からハウジング1に作用する圧力もしくは力(図1aに矢印2で示す)を検出するために役立つ。センサ装置10は、曲げに対して敏感なセンサエレメント3を有している。このセンサエレメント3は半導体基板から製造されている。ここで説明する実施例では、センサエレメント3が、ピエゾ抵抗を有する単純なシリコンストリップである。シリコンストリップ、ひいてはこのシリコンストリップに設けられたピエゾ抵抗は、力2の方向で曲げが生じるとその抵抗値が変化するように配置されている。センサエレメント3はハウジング1内にモールディング封止されている。封止コンパウンドとしては、たとえば熱硬化性樹脂またはエキポシ樹脂が適当である。しかし用途に応じて、その他の材料を封止コンパウンドとして使用することもできる。
本発明によれば、ハウジング1は目標曲げ箇所4を有している。ハウジング1は、この目標曲げ箇所4の領域で意図的に弱化されており、この場合たとえば壁厚さが薄く形成されているか、または壁に切欠きが設けられている。いずれの場合でも目標曲げ箇所4は、この目標曲げ箇所4が検出したい力を受け止められるように配置され位置調整されていなければならない。
センサエレメント3は、目標曲げ箇所4の領域を超えるまで延びていて、したがって、矢印2で示した力がセンサ装置10に作用するとハウジング1と一緒に曲げられる。
図示のセンサ装置10は、さらにASIC(application specific integrated circuits)5を有している。ASIC5は、ボンディングワイヤ6を介してセンサエレメント3に接続されていて、このセンサエレメント3と一緒にリードフレーム7上に配置されている。ASIC5は同じくハウジング1内にモールディング封止されているが、しかしハウジング1に作用する力に基づいた変形が十分に阻止されるように位置決めされている。特にセンサ装置10がプリント配線板に組み付けられていると、このような変形を排除することができる。なぜならば、その場合にはハウジング1がASIC5の領域でプリント配線板に載置されているので、この領域内でセンサ装置10に作用する力はプリント配線板によって吸収されるからである。センサ装置10は脚8を有している。これらの脚8を介して、プリント配線板上への機械的な組付けが行われると同時に、電気的な接続もが形成され得る。
図面で見てハウジング1の、ASIC5が配置されている左側とは異なり、図面で見てハウジング1の、目標曲げ箇所4が位置している右側の端部は支持されないので、この端部は、相応する力作用時にプリント配線板に向かって曲げられる。本実施例では、この右側のハウジング端部に、検出したい力のための有利な力作用点としてノーズ状の突出部9も形成されている。
図1aおよび図1bに示した本発明によるセンサ装置10の実施例を用いると、いわゆる「2点曲げ」が実現される。したがって、この実施例ではセンサ装置10とプリント配線板との間の機械的な結合部も電気的な結合部も、矢印2で示した力作用により生ぜしめられるトルクに耐えなければならない。
図2aおよび図2bは、別のセンサ装置20を示している。このセンサ装置20では、いわゆる「3点曲げ」が実現されているので、上述の問題は生じない。
このためには、ハウジング21に2つの目標曲げ箇所24が形成されている。センサエレメント23は、両目標曲げ箇所24にわたって延在している。センサエレメント23は、センサ装置10の場合と同様に、ASIC25と一緒にリードフレーム27に配置されていて、ハウジング21内にモールディング封止されている。ASIC25は、図面で見てハウジング21の左側の半部に位置している。この左側の半部は、組み付けられた状態ではプリント配線板に直接に載置される。ハウジング21の右側の半部は、その端部側でしかプリント配線板に固定されていない。センサ装置20の特殊なハウジング形状に基づいて、組み付けられた状態においても、プリント配線板と、右側のハウジング半部の、両目標曲げ箇所24が配置されている中央の領域30との間に中間室が残る。ハウジング21に、両目標曲げ箇所24の間の真ん中に形成されているノーズ状の突出部29は、測定値検出のための有利な力作用点を成している。矢印22の方向から相応する力作用が加えられると、ハウジング21の中央の領域30、ひいてはセンサエレメント23が、プリント配線板の方向に曲げられる。しかしハウジング21は中央の領域30の両側でプリント配線板に載置されているので、作用する力はプリント配線板によって均一に吸収される。これによってセンサ装置20とプリント配線板との間の、いずれの結合箇所もトルクを受けなくなる。
念のために付言しておくと、本発明は、たとえば「4点曲げ」が実現される変化形をも包含している。当然ながら、本発明によるセンサ装置の全ての変化形は、検出したい力のための作用点の特殊な加工成形部を持って形成され得るか、またはこのような加工成形部なしに形成され得る。さらに本発明によるセンサ装置のためには、脚を有する図示のSOIC(Small Outline IC)ハウジング形状の他に、別のハウジング形状、たとえばQFN(Quad Flat Non-leaded Package)ハウジングも挙げられる。
Claims (9)
- 圧力もしくは力を検出するためのセンサ装置であって、半導体基板から製造された、曲げに対して敏感な少なくとも1つのセンサエレメント(3)が設けられており、該センサエレメント(3)が、ハウジング(1)内に十分にモールディング封止されている形式のものにおいて、ハウジング(1)が、少なくとも1つの目標曲げ箇所(4)を有しており、該目標曲げ個所(4)に、検出したい圧力もしくは検出したい力が作用するようになっており、センサエレメント(3)が、目標曲げ箇所(4)の領域に配置されていて、ハウジング(1)と一緒に曲げられるようになっており、センサエレメント(3)が、曲げの発生時に、相応する出力信号を供給することを特徴とする、圧力もしくは力を検出するためのセンサ装置。
- ピエゾ抵抗を有するシリコンストリップが、センサエレメント(3)として働く、請求項1記載のセンサ装置。
- ハウジング(1)が、熱硬化性樹脂、特にエキポシ樹脂から製作されている、請求項1または2記載のセンサ装置。
- ハウジング(1)が、プリント配線板に組み付けられていて、ハウジング(1)が、目標曲げ箇所(4)外の少なくとも1つの領域で支持されかつ目標曲げ箇所(4)を介してプリント配線板に向かって曲げ可能である、請求項1から3までのいずれか1項記載のセンサ装置。
- ハウジング(1)が、少なくとも2つの領域で支持されていて、目標曲げ箇所(4)における力作用が、組み付けられたハウジング(1)にトルクを生ぜしめないようになっている、請求項4記載のセンサ装置。
- ハウジングが、第1の領域および第2の領域を有しており、第1の領域がASIC(5)を有しており、第2の領域がセンサエレメント(3)を有しており、力作用が、ほぼ第2の領域内のみで検出可能である、請求項1記載のセンサ装置。
- 第2の領域が、有利な力作用点として、ノーズ状の突出部(9)を有している、請求項6記載のセンサ装置。
- ハウジングの第1の領域に接続脚(8)が設けられている、請求項6または7記載のセンサ装置。
- 接続脚(8)が、ハウジングをプリント配線板に機械的および電気的に組み付けるために設けられている、請求項8記載のセンサ装置。
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