JP3983606B2

JP3983606B2 - 圧力センサ

Info

Publication number: JP3983606B2
Application number: JP2002169611A
Authority: JP
Inventors: 政義村上; 裕次木村; 孝東條
Original assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Current assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Priority date: 2002-06-11
Filing date: 2002-06-11
Publication date: 2007-09-26
Anticipated expiration: 2022-06-11
Also published as: JP2004012406A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液封型の半導体圧力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
流体圧検出用の圧力センサは、家電あるいは自動車用の冷凍・冷房装置、自動車用油圧装置など多くの分野において用いられている。
このような圧力センサとして、液封型の圧力センサが知られている。これは、ピエゾ抵抗素子などの圧力検出素子が形成されたセンサチップ（シリコンダイアフラム）を覆うように、金属ダイアフラムにより区切られた液封室を設け、そこにオイル等の非圧縮性流体を封入して、被測定流体の流体圧を金属ダイアフラム、液封室の非圧縮性流体を介して圧力検出素子に伝え、流体圧を検出するようにしたものである（特公平６−６５９７４号公報）。このタイプの圧力センサによれば、二重ダイアフラムとされているために、センサチップを被測定流体から完全にシールすることができ、各種の流体に適用することが可能となる。
【０００３】
また、近年では、半導体技術の進歩に伴い、センサチップ上に、圧力検出素子とともに、増幅回路、温度補償回路、不揮発性メモリなどの電子回路を集積化したワンチップ半導体圧力センサが開発されている（特開２００１−１１６６４３号公報）。
このようなワンチップ半導体圧力センサを使用する場合には、該圧力センサが取り付けられる装置の２次電圧（例えば、DC ５Ｖ）が前記センサチップ上の電子回路に供給され、エレメントハウジングは装置のフレームアースが接続される。ここで、センサチップ上の電子回路とエレメントハウジングとは高絶縁状態とされる。２次電源は１次電源とトランスなどで絶縁されているが、センサの方のインピーダンスが高いので、エレメントハウジングに溶接されている金属ダイアフラムとセンサチップ間に電位を生じる。そして、そのことにより、センサチップ内の電子回路や不揮発性メモリーなどに悪影響を及ぼすことがある。
そこで、本発明者らは、装置フレームアースと２次電源との間に電位が生じた場合であっても、それによる悪影響の発生を防止することのできる圧力センサを提案している（特開２００３−３０２３００号公報）。
【０００４】
この提案されている圧力センサについて、図３と図４を参照して説明する。図３は、この提案されている液封型ワンチップ半導体圧力センサの一構成例を示す断面図である。この図に示すように、この圧力センサは、大きく分けて、圧力検出エレメント１０と、継手部３０と、コネクタ部４０とにより構成されている。
図４に拡大して示すように、圧力検出エレメント１０は、金属製のエレメントハウジング１１と、エレメントハウジング１１の中央開口部１２にハーメチック固着されたハーメチックガラス１３と、該ハーメチックガラス１３に貫通状態でハーメチック装着された複数のリードピン１４、オイル充填用パイプ１５、センサチップマウント部材１６および金属製の支持リング１９と、前記センサチップマウント部材１６の上端面にガラス１７を介して固着された圧力検出用センサチップ１８と、前記支持リング１９に接合された金属板２４とからなっている。
センサチップ１８はシリコン基板の裏面中央部をエッチングしてダイアフラム（シリコンダイアフラム）を形成したものであり、シリコンダイアフラム部の上部にはブリッジ回路を形成する複数の圧力検出素子（ピエゾ抵抗素子）が形成され、その周囲に該ブリッジ回路の出力信号を処理する増幅回路、直線補正回路、温度補正回路及び補正データ保持回路（不揮発性メモリ）などの電子回路が半導体回路集積化技術により集積化されており、さらにその表面側に酸化膜が形成されている。
圧力検出用センサチップ１８と前記リードピン１４とは、ワイヤにより接続されており、センサチップ１８からの電気信号はリードピン１４を介して外部に導出される。
【０００５】
また、前記エレメントハウジング１１の中央開口部１２の上側開口縁部には、金属ダイアフラム２０と、これを覆う連通孔２１を有するダイアフラム保護カバー２２とが、それらの外周縁部を溶接することで気密に固着されている。エレメントハウジング１１の中央開口部１２、ハーメチックガラス１３および金属ダイアフラム２０とにより、シリコンオイルなどの絶縁オイルが封入される液封室２３が形成される。
例えばステンレス製とされるオイル充填用パイプ１５は、液封室２３にオイルを充填する充填口として使用され、オイル充填完了後に外側のパイプ先端をつぶして密着され、その部分を溶接される。これにより、オイルが液封室２３に封止される。
【０００６】
また、前記支持リング１９の上端部には、連通孔２５を有する金属板２４が接合されており、前記金属製の支持リング１９の下端部は、前記リードピン１４のうちの電子回路のゼロ電位と接続されているリードピン１４−１とワイヤ２６で接続されており、これにより、センサチップ１８は、ゼロ電位に接続された前記支持リング１９と前記金属板２４により取り囲まれた状態とされている。
このように、前記センサチップ１８を、その電子回路のゼロ電位と等しい電位とされた前記支持リング１９および前記金属板２４とで取り囲むようにしているため、前記金属ダイアフラム２０と前記センサチップ１８上の電子回路との間に電位差が発生した場合であっても、センサチップ１８上に集積された電子回路に対する悪影響が生じるのを防止することができる。
【０００７】
図３に示すように、圧力検出エレメント１０は、Ｏリング３６と共に、継手部３０のエレメント収納孔３１内に嵌め込まれ、リードピン１４に結線材３５が導通接続されて、結線材３５とコネクタ部４０の端子４１とが導通接続される。コネクタ部４０はＯリング３７とともに継手部３０のエレメント収納孔３１内に嵌め込まれ、エレメント収納孔３１の開口縁部３２がかしめられることにより、圧力検出エレメント１０を挟んだ状態で継手部３０と固定結合される。
継手部３０は、センサ取り付け用ねじ部３３により被測定部に取り付けられるようになされており、被測定流体圧通路３４を介して、流体の圧力が前記金属ダイアフラム２０に伝達される。金属ダイアフラム２０は極めて薄いため圧力が低下されることなくオイルに伝達され、この圧力により、センサチップ１８のシリコンダイアフラムが変形し、これをピエゾ抵抗素子で検出した電気信号が電子回路で処理され、前記リードピン１４、端子４１を介して外部に取り出されることとなる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような液封型の圧力センサにおいては、オイルの封入量（すなわち、液封室の内容積）が多いと、温度によるオイルの熱膨張によりセンサの出力特性が大きく変化する。この温度特性を小さくするためには、オイル量を少なく、すなわち、液封室の内容積を小さくしなければならない。
その一つの方策として、金属板とダイアフラムの隙間を狭くすることが考えられる。通常、金属板とダイアフラムの間には、絶縁オイルが満たされており耐電圧が十分確保されている。しかし、この隙間をできるだけ狭くした場合、オイル中にある僅かな異物で耐電圧性能を落とす場合がある。
図５は、この様子を説明するための図であり、（ａ）は、液封室の内容積が大きく、金属板とダイアフラムとの隙間が大きい場合、（ｂ）は内容積が小さく、隙間が狭い場合を示している。（ａ）に示すように、隙間が大きい場合には、異物Ａが混入していたときであっても、金属板とダイアフラムとの間の耐電圧は十分確保することができるが、（ｂ）のように狭い場合には、異物Ａが混入したときに金属板とダイアフラムとの耐電圧性能が劣化することが考えられる。
【０００９】
そこで本発明は、電子回路の誤動作を防止するために、センサチップを電子回路のゼロ電位に等しい電位とされた金属板で覆うようにした液封型半導体圧力センサにおいて、封入するオイル量を少なくするために金属板とダイアフラムの隙間を狭くした場合であっても、耐電圧性能を確保することが可能な圧力センサを提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の圧力センサは、金属製のハウジングと、該ハウジングの中央開口部に固着され、センサチップを支持するセンサチップマウント部材、センサチップとの電気的接続を行うリードピン及びオイル充填用パイプを支持するハーメチックガラスと、圧力検出素子及び該圧力検出素子の出力信号を処理する集積化された電子回路が一体に形成されたセンサチップと、前記ハウジングの一方の端面に接合された金属ダイアフラムとを有し、前記ハウジング、前記ハーメチックガラス及び前記金属ダイアフラムで形成された液封室に絶縁オイルが封入された液封型の圧力センサであって、前記液封室における前記センサチップと前記金属ダイアフラムとの間に、前記センサチップの電子回路のゼロ電位に接続された金属板が配置されており、前記金属板と前記金属ダイアフラムとの間に、前記金属板を覆う大きさの絶縁フィルムが配置されているものである。
また、前記絶縁フィルムは、フッ素樹脂フィルムあるいはポリイミドフィルムとされているものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１を参照して、本発明の圧力センサの一実施の形態について説明する。なお、前述した図３及び図４と同一の構成要素には同一の番号を付して説明の重複を避けることとする。
図１は、本発明の圧力センサの一実施の形態における圧力検出エレメント１０の構成を示す図である。
この図に示すように、本発明の圧力センサにおいては、前記金属板２４と前記金属ダイアフラム２０との間に、前記金属板２４を覆う大きさの絶縁フィルム５１を配置している。そして、この絶縁フィルム５１により、金属板２４に設けられた連通孔２５が塞がれることを防止するために、前記金属板２４に複数個の突起部５２を設けている。
これにより、本発明の圧力センサにおける前記金属板２４と前記金属ダイアフラム２０との隙間は、前記図５の（ｂ）に示した場合と同様に狭く、封入される絶縁オイルの量が少ないものとすることができ、オイルの熱膨張による温度特性を小さくすることが可能となる。
【００１２】
図２は、このように構成された本発明の圧力センサにおいて、前記液封室２３内に異物Ａが混入した場合の様子を示す図である。本発明においては、前記金属板２４を覆うように絶縁フィルム５１が配置されているため、異物Ａが前記金属板２４と前記絶縁フィルム５１との間（図２の（ａ））、あるいは、前記絶縁フィルム５１と前記金属ダイアフラム２０との間（図２の（ｂ））に位置することとなるため、異物Ａが存在しても金属板２４と金属ダイアフラム２０との間の空間距離を確保することができ、前記金属板２４と前記金属ダイヤフラム２０との間の耐電圧の劣化を防止することが可能となる。
なお、前記絶縁フィルム５１としては、各種の高分子絶縁材料を用いることができるが、耐熱性などを考慮すると、ポリイミドやフッ素樹脂を用いるのが望ましい。
【００１３】
なお、上述した実施の形態においては、金属板２４が金属リング１９により支持されている構成を前提として説明したが、これに限られることはなく、センサチップを電子回路のゼロ電位で覆うように金属板を設けるようにした液封型圧力センサであれば、同様に本発明を適用することができる。例えば、本発明者らによる前述した特許出願には、金属リングではなく、複数のピンにより金属板を支持する構成、金属板をオイル封入パイプを介して電子回路のゼロ電位に接続する構成、金属リングの上面だけではなく、下面側にも金属板を設ける構成など、金属板の支持方法や金属板を電子回路のゼロ電位に接続するための構成などに各種の態様が提示されているが、いずれの場合であっても、金属板２４と金属ダイアフラム２０との間に金属板２４を覆う大きさの絶縁フィルム５１を配置することができる。
【００１４】
また、上述の実施の形態においては、前記金属板２４に設けられた連通孔２５を前記絶縁フィルム５１によりふさいでしまうことを防止するために、金属板２４に複数個の突起部５２を設けるようにしていたが、絶縁フィルム５１の側に突起部を設けるなど他の手段を採用することもできる。ただし、絶縁フィルム５１に孔を設けることは好ましくない。
【００１５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の圧力センサによれば、絶縁フィルムを組み込むことによりハウジングの内容積を小さくすることができるため、センサの温度特性をよくすることができる。
また、ハウジング内部に異物があっても、耐電圧性能を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧力センサの一実施の形態の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の圧力センサにおいて、絶縁フィルムと金属板との間に異物が付着した場合の様子を示す一部拡大断面図である。
【図３】提案されている圧力センサの構成を示す断面図である。
【図４】提案されている圧力センサにおける圧力検出エレメント部の構成を示す図である。
【図５】提案されている圧力センサにおいて、異物が金属板とダイアフラムとの間に付着した様子を示す一部拡大断面図であり、（ａ）は金属板とダイアフラムと間隙が大きい場合、（ｂ）は金属板とダイアフラムとの間隙が狭い場合を示している。
【符号の説明】
１０圧力検出エレメント
１１エレメントハウジング
１２エレメントハウジングの中央開口部
１３ハーメチックガラス
１４，１４−１リードピン
１５オイル充填用パイプ
１６センサチップマウント部材
１７ガラス
１８センサチップ
１９金属製支持リング
２０金属ダイアフラム
２１連通孔
２２ダイアフラム保護カバー
２３液封室（オイル）
２４金属板
２５金属板の連通孔
２６ワイヤ
５１絶縁フィルム
５２金属板２４に設けられた突起部

Claims

金属製のハウジングと、
該ハウジングの中央開口部に固着され、センサチップを支持するセンサチップマウント部材、センサチップとの電気的接続を行うリードピン及びオイル充填用パイプを支持するハーメチックガラスと、
圧力検出素子及び該圧力検出素子の出力信号を処理する集積化された電子回路が一体に形成されたセンサチップと、
前記ハウジングの一方の端面に接合された金属ダイアフラムとを有し、
前記ハウジング、前記ハーメチックガラス及び前記金属ダイアフラムで形成された液封室に絶縁オイルが封入された液封型の圧力センサであって、
前記液封室における前記センサチップと前記金属ダイアフラムとの間に、前記センサチップの電子回路のゼロ電位に接続された金属板が配置されており、
前記金属板と前記金属ダイアフラムとの間に、前記金属板を覆う大きさの絶縁フィルムが配置されている
ことを特徴とする圧力センサ。
前記絶縁フィルムは、フッ素樹脂フィルムあるいはポリイミドフィルムであることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。