JP2010256187A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】圧力センサチップの製造コスト上昇や大型化を抑えつつ、集積回路チップによる
安定した温度補正を行うことができること。
【解決手段】圧力センサ１は、圧力センサチップ２と集積回路チップ３とパッケージ４と
圧力伝達媒体たるオイル５とを備える。圧力センサチップ２は流体１４の圧力を検出し、
集積回路チップ３は圧力センサチップ２で検出される検出値に温度補正を行う。パッケー
ジ４は箱状に形成され各チップ２，３を内部に収納する。パッケージ４の圧力センサチッ
プ２と対向する内面には圧力導入孔４ｃが貫設される。オイル５は圧力導入孔４ｃに充填
されて流体１４の圧力を圧力センサチップ２に伝達する。パッケージ４材料の比熱とオイ
ル５の比熱は互いに略等しいので、流体１４の温度が周囲の雰囲気温度と大きく異なって
いても、圧力センサチップ２の製造コスト上昇や大型化を抑えつつ、集積回路チップ３に
よる安定した温度補正を行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体の圧力を測定するための圧力センサに関するものである。

従来より、流体の圧力を測定するための種々の圧力センサが提供されている（例えば、
特許文献１，２参照）。この種の圧力センサは、半導体基板（シリコン基板）を加工して
薄膜状に形成されるダイヤフラム及びそのダイヤフラム上にブリッジ回路を構成する複数
のピエゾ抵抗素子からなる圧力センサチップを備える。例えば、水などの流体によって圧
力センサチップに圧力が印加されると、ダイヤフラムに歪みが生じて前記抵抗素子の抵抗
値が変化し、その変化に応じて検出される検出値を取り出すことで流体の圧力が測定され
る。また、上述の様な圧力センサは、圧力センサチップ以外に圧力センサチップからの検
出値を信号処理する集積回路チップや、箱状に形成されて圧力センサチップ及び集積回路
チップを内部に収納し圧力センサチップと対向する内面に圧力導入孔が貫設されるパッケ
ージ、圧力導入孔に充填されて流体からの圧力を圧力センサチップに伝達する圧力伝達媒
体（例えば、オイル）を備える。

ところで、圧力センサチップは、圧力センサ外部の雰囲気温度の影響を受け易い。即ち
前記抵抗素子の抵抗値が雰囲気温度により変化を起こし、ダイヤフラムの歪みによる抵抗
値の変化を正しく検出することができない恐れがあった。この様な圧力センサチップの温
度特性に対して、従来から、集積回路チップにて圧力センサチップの検出値に対して温度
補正を行う圧力センサが提供されている（例えば、特許文献３参照）。この種の圧力セン
サの集積回路チップには、温度検出用のブリッジ回路が構成されており、集積回路チップ
周囲の温度を検出して圧力センサチップの温度特性を補正する。但し、この温度補正は、
圧力センサチップと集積回路チップとが同じ温度であることを前提として行われている。

特開２００７−８５８７２号公報 特開２００５−１６４２７０号公報 特許第４０４５９７９号公報

しかしながら、従来の集積回路チップにて温度補正を行う圧力センサは、圧力を測定す
る流体の温度が周囲の雰囲気温度と大きく異なる場合、圧力センサチップと集積回路チッ
プとの間に温度差が生じることで、集積回路チップの温度補正に誤差が発生するという問
題があった。これは圧力センサチップが圧力導入孔と対向して配置され、且つパッケージ
を形成している合成樹脂材料の比熱よりも圧力導入孔に充填される圧力伝達媒体の比熱の
方が小さいためである。

尚、圧力センサチップにも温度検出用の回路を設けて、圧力センサチップの温度も検出
することで前記温度差を解消させることも考えられるが、逆に圧力センサチップの製造コ
ストが上昇し、圧力センサチップの外形寸法が従来より大きくなるという問題が生じてし
まう。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、圧力センサチップの製造
コスト上昇や大型化を抑えつつ、集積回路チップによる安定した温度補正を行うことがで
きる圧力センサを提供することにある。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、流体の圧力を検出する圧力センサチッ
プと、少なくとも前記圧力センサチップで検出される検出値に対して温度補正を行う集積
回路チップと、箱状に形成されて前記圧力センサチップ及び前記集積回路チップを内部に
収納し前記圧力センサチップと対向する内面に圧力導入孔が貫設されるパッケージと、前
記圧力導入孔に充填されて前記流体からの圧力を前記圧力センサチップに伝達する圧力伝
達媒体と、を備え、前記パッケージを形成する材料の比熱と前記圧力伝達媒体の比熱は互
いに略等しいことを特徴とする。

この発明によれば、前記パッケージを形成する材料の比熱と前記圧力伝達媒体の比熱は
互いに略等しいので、前記流体の温度が周囲の雰囲気温度と大きく異なっていても、前記
圧力伝達媒体を通じた圧力センサチップの温度変化量も前記パッケージを通じた前記集積
回路チップの温度変化量も略同じとなり、前記圧力センサチップと前記集積回路チップと
の間に生じる温度差を抑えることができる。従って、前記圧力センサチップの製造コスト
上昇や大型化を抑えつつ、前記集積回路チップによる安定した温度補正を行うことができ
る。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記パッケージの外面には、略筒状に突
出する導入管が配設され、前記圧力導入孔は、前記パッケージの内面から前記導入管を通
じて外部に貫通し、前記圧力センサチップ及び前記集積回路チップは、前記導入管と対向
する前記パッケージの内面に前記導入管の軸心を中心として互いに対称に配置されること
を特徴とする。

この発明によれば、前記圧力センサチップ及び前記集積回路チップは、前記導入管と対
向する前記パッケージの内面に前記導入管の軸心を中心として互いに対称に配置されるの
で、前記流体の温度が周囲の雰囲気温度と大きく異なっていても、前記流体から前記圧力
センサチップまでの距離と前記流体から前記集積回路チップまでの距離とが略等しくなり
、より前記圧力センサチップと前記集積回路チップとの間に生じる温度差を抑えることが
できる。

請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、前記圧力導入孔は、少なくとも
一部が曲折して貫設されていることを特徴とする。

この発明によれば、前記圧力導入孔は、少なくとも一部が曲折して貫設されているので
、所謂、ウォーターハンマー現象等の急激な衝撃が印加されても前記曲折する箇所で衝撃
が緩和されて、圧力センサチップの耐久性を向上させることができる。

本発明では、圧力センサチップの製造コスト上昇や大型化を抑えつつ、集積回路チップ
による安定した温度補正を行うことができるという効果がある。

本発明の実施形態の断面図である。 同上における要部断面図である。 同上における要部断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。尚、以下の説明で
は、図１において上下左右方向を規定している。

本実施形態の圧力センサ１は、流体の圧力を測定するためのもので、図１に示すように
、圧力センサチップ２と、集積回路チップ３と、パッケージ４と、オイル５と、封止
材６と、ハウジング７とから構成される。そして、圧力センサ１は、例えば浴槽の給湯器
における水（または温水）の流路に取り付けられて、前記流路内の圧力によって浴槽の水
位を検出する水位センサ等に適応可能である。

圧力センサチップ２は、従来技術で述べた通り、ダイヤフラムと複数のピエゾ抵抗素子
（図示せず）とからなり、図１に示すように、シリコン基板が凹状に窪んでなる凹部２ａ
を有している。集積回路チップ３もまた従来技術で述べた通り、圧力センサチップ２から
検出される検出値を信号処理する以外に、集積回路チップ３周囲の温度を検出して前記検
出値に対して温度補正を行う。

パッケージ４は、図１に示すように、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）によって
一面（図中の上面）が開口する扁平な略矩形箱状に形成される本体部４ａと、本体部４ａ
下端部の外面より円筒状に突出する導入管４ｂとから構成される。パッケージ４の開口内
は、下方へ向かって段部状に窪んでなり、その内底面の中心部には、圧力センサチップ２
が凹部２ａを下方に向けながら固着されている。圧力センサチップ２と対向するパッケー
ジ４の内底面には、導入管４ｂの軸心を通って外部へ真直ぐ貫通する圧力導入孔４ｃが配
設されている。そして、圧力導入孔４ｃと凹部２ａとは連通しており、その孔内に流体１
４からの圧力を圧力センサチップ２に伝達する圧力伝達媒体たるオイル５が充填される。
尚、本実施形態ではオイル５としてフッ素を含んだ粘性を有する液状のフッ素オイルが充
填されている。また、フッ素オイルは非腐食性を有しており、流体１４が腐食性を有する
ものであっても、流体１４と圧力センサチップ２との間にオイル５が介在することで圧力
センサチップ２の腐食を防ぐことができる。

パッケージ４の内底面の圧力センサチップ２が配置される右側近傍には、上方に突出す
る段部４ｄが形成され、この段部４ｄ上には集積回路チップ３が固着されている。そして
、圧力センサチップ２のピエゾ抵抗素子と集積回路チップ３とがボンディングワイヤ（図
示せず）を通じて電気的に接続され、更に集積回路チップ３はパッケージ内底面並びに内
周面に形成されている導電パターン（図示せず）を通じてパッケージ４の左右側壁部から
外部に導出される導電性材料により形成された端子板８と電気的に接続される。

上述の様にパッケージ４内に固着される圧力センサチップ２及び集積回路チップ３は、
図１に示すように、パッケージ４の開口から充填される封止材６によって封止され、更に
パッケージ４の開口を塞ぐように矩形板状のカバー９が取り付けられている。尚、封止材
６は、各チップ２，３を酸化から保護するためのものであり、本実施形態ではシリコン基
板との密着力が高いＪＣＲ（Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｃｏａｔｉｎｇ Ｒｅｓｉｎ）が封止材
６として充填されている。

ハウジング７は、図１に示すように、一面が開口する扁平な矩形箱状に形成された第１
及び第２のケース１０，１１が互いの開口面同士を付き合わせることで結合されてなる。
第１のケース１０の下端部には下方へ円筒状に突出するポート部１０ｄが配設される。第
１のケース１０の内底面には下方へ窪んでなる段部１０ａが形成され、更にその底面に穴
部１０ｂが穿設される。そして、パッケージ４は、導入管４ｂを穴部１０ｂに挿入させな
がら本体部４ａの下端部と段部１０ａとの接着によってハウジング７に固定される。

また、パッケージ４から導出される端子板８は、ハウジング７の左壁部７ａに形成され
る導出口７ｂを通じて外部に導出される。ハウジング７の左壁部７ａの周縁には、左方向
から見たときに端子板８の先端部を囲むように略口字形状に突出してなるオス型のコネク
タ７ｃが形成される。従って、コネクタ７ｃと抜差自在に接続されるメス型のコネクタ（
図示せず）を通じて圧力センサチップ２で検出される検出値が圧力センサ１外部へ取り出
し可能となっている。

穴部１０ｂの内底面には、図１に示すように、パッケージ４の圧力導入孔４ｃと対向す
る位置に圧力導入孔４ｃの内径よりも十分に大きい内径を有する貫通孔１０ｃがポート部
１０ｄを通じて下方へ向かって貫設される。また、穴部１０ｂの内周面には、図１に示す
ように、弾性材料から環状に形成されて導入管４ｂの外径と略等しくした内径を有するＯ
リング１２が嵌着される。Ｏリング１２は、その上に配設されているワッシャ１３により
上方向の移動が規制されている。そして、導入管４ｂが穴部１０ｂに挿入されるとともに
Ｏリング１２に挿通されることで、パッケージ４とハウジング７との隙間が封止される。

水などの流体１４がポート部１０ｄ下面の開口部１０ｅより貫通孔１０ｃ内へ流入する
と、オイル５を介して圧力センサチップ２のダイヤフラムに歪みが生じてピエゾ抵抗素子
の抵抗値が変化し、その変化に応じて検出される検出値を取り出すことで流体１４の圧力
が測定される。

そして、本実施形態の圧力センサ１は、パッケージ４を形成する材料の比熱と圧力伝達
媒体たるオイル５の比熱とが互いに略等しい点に特徴がある。尚、本実施形態では、互い
の比熱が略等しい組合せの一例として、パッケージ４の材料にはポリフェニレンスルファ
イド（ＰＰＳ）を採用し、オイル５にはフッ素オイルを採用している。この様に互いの比
熱が略等しいものを用いることで、流体１４の温度が周囲の雰囲気温度と大きく異なって
いても、オイル５を通じた圧力センサチップ２の温度変化量もパッケージ４を通じた集積
回路チップ３の温度変化量も略同じとなり、圧力センサチップ２と集積回路チップ３との
間に生じる温度差を抑えることができる。因って、圧力センサチップ２の製造コスト上昇
や大型化を抑えつつ、集積回路チップ３による安定した温度補正を行うことができる。

ところで、上述の圧力センサチップ２は、図１に示すように、導入管４ｂの軸心上に配
置され、集積回路チップ３は、圧力センサチップ２の右側近傍に配置されているが、図２
に示すように、これらのチップ２，３を導入管４ｂの軸心（図２中の破線参照）を中心と
して互いに対称に配置させることで、流体１４から各チップ２，３までの距離が互いに略
等しくなり、よりチップ２，３間に生じる温度差を抑えることができる。

また、図２の圧力導入孔４ｃは、導入管４ｂの軸心よりやや左側に配置されて、上下方
向に真直ぐ貫通しているが、図３に示すように、上方部で右側へ曲折させて更に下方へ曲
折させて、その後導入管４ｂの軸心（図３中の破線参照）近傍を真直ぐ貫通させることで
、所謂、ウォーターハンマー現象等の急激な衝撃が印加されても前記曲折箇所で衝撃が緩
和されて、圧力センサチップ２の耐久性を向上させることができる。尚、この様に圧力導
入孔４ｃを曲折させることで、圧力センサチップ２の耐久性の向上以外にも、導入管４ｂ
の外径を図２に図示される導入管４ｂの外径よりも小さくすることができ、その結果、導
入管４ｂの下端部の流体１４から圧力を受ける面積が小さくなるのでパッケージ４の耐久
性も向上させることができる。

１ 圧力センサ
２ 圧力センサチップ
３ 集積回路チップ
４ パッケージ
４ｃ 圧力導入孔
５ オイル
１４ 流体

Claims (3)

1. 流体の圧力を検出する圧力センサチップと、少なくとも前記圧力センサチップで検出さ
   れる検出値に対して温度補正を行う集積回路チップと、箱状に形成されて前記圧力センサ
   チップ及び前記集積回路チップを内部に収納し前記圧力センサチップと対向する内面に圧
   力導入孔が貫設されるパッケージと、前記圧力導入孔に充填されて前記流体からの圧力を
   前記圧力センサチップに伝達する圧力伝達媒体と、を備え、
   前記パッケージを形成する材料の比熱と前記圧力伝達媒体の比熱は互いに略等しいこと
   を特徴とする圧力センサ。
2. 前記パッケージの外面には、略筒状に突出する導入管が配設され、前記圧力導入孔は、
   前記パッケージの内面から前記導入管を通じて外部に貫通し、前記圧力センサチップ及び
   前記集積回路チップは、前記導入管と対向する前記パッケージの内面に前記導入管の軸心
   を中心として互いに対称に配置されることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
3. 前記圧力導入孔は、少なくとも一部が曲折して貫設されていることを特徴とする請求項
   １または２記載の圧力センサ。
   
   
   

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