JP2009533660A - センサ装置 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。

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る。 第１実施例によるセンサ装置１０の平面図である。 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る。 第２実施例によるセンサ装置２０の平面図である。

Claims (9)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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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