JP4118729B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液封型ワンチップ半導体圧力センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧力センサは、冷凍、冷蔵、空調機器用の冷媒圧力センサ、給水、産業用ポンプなどの水圧センサ、蒸気ボイラの蒸気圧センサ、空／油圧産業機器の空／油圧センサ、自動車などの圧力センサなど、各種の用途に使用されている。
このような流体圧検出用の圧力センサとして、ダイヤフラムにより非測定流体エリアと区切られ、オイルなどの非圧縮性流体が封入されている密閉室（液封室）内にピエゾ抵抗素子などの圧力検出素子を配置し、ダイヤフラムに作用する非測定流体の流体圧を液封室内の非圧縮性流体を介して圧力検出素子に伝えるようにした液封型の圧力センサが知られている（特許文献１）。
また、近年では、半導体技術の進歩に伴い、圧力検出素子と信号処理回路を同一のシリコンチップ上に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。
【０００３】
図２は、このような従来の液封型ワンチップ半導体圧力センサの構成を示す図であり、（ａ）は液封型ワンチップ半導体圧力センサの構成を示す断面図、（ｂ）は半導体センサチップの部分を拡大して示す断面図である。
この図に示すように液封型圧力センサは、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。
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およびセンサチップマウント部材１６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とからなっている。
図２の（ｂ）に拡大して示すように、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ヤフラム（シリコンダイヤフラム）を形成したものであり、シリコンダイヤ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）１８−１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などの電子回路１８−２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１８−３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、図示しないワイヤなどにより接続されている。
【０００４】
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、金属ダイヤフラム２０と、これを覆う連通孔２１を有するダイヤフラム保護カバー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および金属ダイヤフラム２０とにより、シリコンオイルなどの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。
【０００５】
圧力検出エレメント１０は、Ｏリング２４と共に、継手部３０のエレメント収納孔３１内に嵌め込まれる。また、コネクタ部４０はＯリング２５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。
【０００６】
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ヤフラム２０に伝達される。金属ダイヤフラム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のシリコンダイヤフラムが変形し、これをピエゾ抵抗素子１８−１で検出した電気信号が電子回路１８−２で処理され、リードピン１４に出力される。リードピン１４とコネクタ部４０の端子４１とを電気的に接続するフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）などの外部出力用基板３５が設けられており、センサチップ１８からの電気信号はリードピン１４、端子４１を介して外部に取り出されることとなる。
なお、前記リードピン１４として、前記センサチップ１８の電源電位、ゼロ電位、出力端子及び１又は複数のテストポイントにそれぞれ接続される複数のリードピンが設けられており、前記端子４１としては、前記リードピン１４のうちの前記電源電位、ゼロ電位及び出力端子のピンにそれぞれ接続される電源端子、接地端子及び出力端子の３つの端子が設けられている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−３５８５０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
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１８上の電子回路に供給され、前記エレメントハウジング１１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１８上の電子回路とエレメントハウジング１１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、センサー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１１に溶接されている金属ダイヤフラム２０とセンサーチップ１８間に電位を生じる。そして、そのことにより、センサチップ１８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。
【０００９】
そこで、本出願人は、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（特願２００２−１９２２０７号）。
図３は、本出願人が提案している圧力センサにおける圧力検出エレメント１０の一形態を示す図である。なお、前記図２と同一の構成要素には同一の番号を付し、説明を省略する。また、前記センサチップ１８を簡略に示すとともに、ガラス１７の図示を省略する。
この図に示すように、この圧力検出エレメント１０においては、前記ハーメチックガラス１３の外周部の高さを中心部よりも高く形成し、該外周部の内側に、リング状の金属部材５１を嵌め込むようにしている。そして、該金属部材５１に前記電子回路のゼロ電位に接続されたリードピン１４−１が挿入される孔を空け、該孔にリードピン１４−１を挿入して、前記金属部材５１をつぶしてかしめることにより、金属部材５１と前記リードピン１４−１とを機械的かつ電気的に接続するようにしている。また、該金属部材５１の上面には、金属板５２が溶接により電気的かつ機械的に接続するようにしている。なお、金属板５２には開口部５３が設けられている。
【００１０】
これにより、前記センサチップ１８と前記金属ダイヤフラム２０との間に、前記センサチップ１８上に集積された電子回路のゼロ電位と同電位とされる金属板５２及び金属部材５１を配置することができ、前記金属ダイヤフラム２０と前記センサチップ１８上の電子回路のゼロ電位との間に電位差があるときでも、前記センサチップ１８上の電子回路のゼロ電位と前記金属板５２との間には電位差が生じないため、センサチップ１８に集積された電子回路に対する悪影響を防止することができる。
【００１１】
しかしながら、図３に示した構成においては、金属部材５１とゼロ電位用リードピン１４−１とをかしめた部品をガラスハーメチック処理しているため、構造が複雑になり、ガラスハーメチック製作上非常に制作しにくいという問題があった。
またリードピン１４−１と金属部材５１とをかしめ接続するかしめ工程では非常に小さい部品を取り扱っているため、金型の管理などに問題を抱えていた。
【００１２】
そこで本発明は、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機能を維持しつつ、部品構成を簡素化した圧力センサを提供することを目的としている。
【００１３】
【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、該金属製のハウジングに設けられた中央開口部に固着され、圧力センサチップを支持するセンサチップマウント部材、オイル充填用パイプ及び前記圧力センサチップからの電気信号を外部に導出するためのリードピンが設けられたハーメチックガラスと、前記ハウジングの一方の端面に接合された金属ダイヤフラムとを有する圧力検出エレメントを備えた液封型の圧力センサであって、前記圧力センサチップと前記金属ダイヤフラムとの間に配置される導電性部材と、前記ハーメチックガラスに設けられ、前記導電性部材と電気的かつ機械的に接続された導電性部材支持ピンと、前記導電性部材支持ピンと前記圧力センサチップに搭載されている電子回路のゼロ電位に接続されたリードピンとを電気的に接続する手段とを有するものである。
また、前記導電性部材支持ピンと前記圧力センサチップに搭載されている電子回路のゼロ電位に接続されたリードピンとを電気的に接続する手段は、前記圧力センサチップからの電気信号を外部に導出するためのリードピンと出力端子とを接続する外部出力用基板に設けられた配線パターンとされているものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
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り、（ａ）は圧力検出エレメント１０の構成を示す断面図、（ｂ）は圧力検出エレメント１０と該圧力検出エレメントの端子に接続されるフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）などからなる外部出力用基板３５を図（ａ）の下方向からみた様子を示す図である。なお、この図において、前記図２及び図３と同一の構成要素には同一の番号を付し、説明を省略する。
【００１５】
図１の（ａ）において、１は、前記金属ダイヤフラム２０と前記センサチップ１８との間に配置される導電性部材である。この導電性部材１は例えば円板状など任意の形状のものとすることができるが、この実施の形態においては、図示するように、周縁部が図中下方向（センサチップ１８の方向）に屈曲された形状とされている。このような形状とすることにより、センサチップ１８の周囲を取り囲むことができるようになる。
また、１４−２は、前記導電性部材１を支持するために少なくとも３本以上設けられている導電性部材固定用リードピンであり、他のリードピン１４、オイル充填用パイプ１５及びセンサチップマウント部材１６などと同様に前記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ている。この導電性部材固定用リードピン１４−２は、金属製であり、図示するように、図中上側（センサチップ１８側）の端部が前記導電性部材１に当接しており、スポット溶接などにより導電性部材１と電気的かつ機械的に接続されている。
【００１６】
図１の（ｂ）において、３５は、前記図２に関して説明した前記リードピン１４と前記コネクタ部４０の端子４１（図２）とを接続する外部出力用基板であり、この外部出力用基板３５上に、前記導電性部材固定用リードピン１４−２のうちの少なくとも一本と、前記リードピン１４のうちの前記センサチップ１８上の電子回路のゼロ電位に接続されたリードピン（ゼロ電位用リードピン）１４−１とを電気的に接続する配線パターン２が設けられている。前記ゼロ電位用リードピン１４−１と前記導電性部材固定用リードピン１４−２をこの配線パターン２に半田付けあるいはレーザースポット溶接することなどにより、ゼロ電位用リードピン１４−１と導電性部材固定用リードピン１４−２を電気的に接続することができる。
これにより、ゼロ電位用リードピン１４−１、配線パターン２、導電性部材固定用リードピン１４−２により、前記導電性部材１は、前記センサチップ１８上の電子回路のゼロ電位と同電位とされる。したがって、前記センサチップ１８と前記金属ダイヤフラム２０との間に、前記センサチップ１８上に集積された電子回路のゼロ電位と同電位とされる導電性部材１を配置することができ、前記金属ダイヤフラム２０と前記センサチップ１８上の電子回路のゼロ電位との間に電位差があるときでも、センサチップ１８に集積された電子回路に対する悪影響を防止することができる。
【００１７】
このような圧力検出エレメント１０を製造するときには、前記導電性部材固定用リードピン１４−２（例えば、３本）を他のリードピン１４，１４−１、オイル充填用パイプ１５及びセンサチップマウント部材１６とともにハーメチックガラス１３に挿入して、ガラスハーメチック処理を行なったのちに、センサチップマウント部材１６の上端面にセンサチップ１８を固着し、ワイヤボンディングを行なう。その後、前記導電性部材１と前記導電性部材固定用リードピン１４−２とをスポット溶接などにより一体化する。このとき、前記図３におけるハーメチックガラス１３と図１におけるハーメチックガラス１３の形状を比較しても分かるように、ガラス部分の形状がシンプルとなっているため、微小クラックがなくなるなどガラスハーメチックの信頼性の向上や、ガラス流れ性の向上が図られ、部品良品率を大幅に向上させることができる。
【００１８】
このように、本発明の圧力センサにおいては、導電性部材固定用リードピン（３本）１４−２を前記図３に示した構成における金属部材５１の代わりとして用い、導電性部材固定用リードピン１４−２と導電性部材１を溶接して機械的かつ電気的接続を行ない、外部出力用基板３５などのパターンにて、ゼロ電位用リードピン１４−１と導電性部材固定用リードピン１４−２の電気的接続を行なうことにより、前記図３の場合と同様の機能を果たすようにしている。
従って、かしめ工程を省略することができ、部品費、部品製作工数を削減することができる。
【００１９】
なお、前記導電性部材１の形状は、図１に示した形状に限られることはなく、円板状など任意の形状とすることができる。
また、上述した実施の形態においては、導電性部材固定用リードピン１４−２と前記導電性部材１とを溶接により電気的かつ機械的に接続するようにしていたが、導電性接着剤を使用するなど他の接続方法を採用してもよい。
さらに、導電性部材１の材質も、金属に限られることはなく、前記導電性部材固定用リードピン１４−２と電気的かつ機械的に接続することができるものであれば、導電性樹脂なども用いることができる。
さらにまた、上述した実施の形態においては、前記ゼロ電位用リードピン１４−１と前記導電性部材固定用リードピン１４−２のうちの少なくとも１本とを電気的に接続するために、外部出力用基板３５上に設けた配線パターン２を用いていたが、これに限られることはなく、前記ゼロ電位用リードピン１４−１と前記導電性部材固定用リードピン１４−２の両者に係合する導電性部品を挿入あるいは嵌入するようにしてもよい。
【００２０】
【発明の効果】
以上のように、本発明の圧力センサによれば、センサーチップを無電界（ゼロ電位）内に置くことができ、装置フレームアースと２次電源との間に生じる電位の影響でチップ内の回路及び不揮発性メモリーなどが悪影響を受けないようにすることができる。
そして、金属部材５１の代わりに導電性部材固定用リードピン１４−２を設けて、外部出力用基板３５などにより導電性部材１との電気的接続を行なうようにしているので、かしめ工程の省略、部品費、部品製作工数の削減などの効果を奏することができる。
また、ガラスハーメチックの信頼性の向上やガラス流れ性の向上を図ることができ、部品良品率を大幅に向上させることができる。
【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における圧力検出エレメントの構成を示す図であり、（ａ）は圧力検出エレメントの断面図、（ｂ）は圧力検出エレメントと該圧力検出エレメントの端子に接続されるフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）などからなる外部出力用基板を（ａ）図における下方向からみた様子を示す図である。
【図２】 従来の液封型ワンチップ半導体圧力センサを示す図であり、（ａ）は液封型ワンチップ半導体圧力センサの構成を示す断面図、（ｂ）は半導体センサチップの部分を拡大して示す断面図である。
【図３】 提案している圧力センサにおける圧力検出エレメントの一構成例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 導電性部材
２ 配線パターン
１０ 圧力検出エレメント
１１ エレメントハウジング
１２ 中央開口部
１３ ハーメチックガラス
１４ リードピン
１４−１ ゼロ電位用リードピン
１４−２ 導電性部材固定用リードピン
１５ オイル充填用パイプ
１６ センサチップマウント部材
１８ 圧力検出用センサチップ
２０ 金属ダイヤフラム
３５ 外部出力用基板

Claims (2)

1. 金属製のハウジングと、該金属製のハウジングに設けられた中央開口部に固着され、圧力センサチップを支持するセンサチップマウント部材、オイル充填用パイプ及び前記圧力センサチップからの電気信号を外部に導出するためのリードピンが設けられたハーメチックガラスと、前記ハウジングの一方の端面に接合された金属ダイヤフラムとを有する圧力検出エレメントを備えた液封型の圧力センサであって、
   前記圧力センサチップと前記金属ダイヤフラムとの間に配置される導電性部材と、
   前記ハーメチックガラスに設けられ、前記導電性部材と電気的かつ機械的に接続された導電性部材支持ピンと、
   前記導電性部材支持ピンと前記圧力センサチップに搭載されている電子回路のゼロ電位に接続されたリードピンとを電気的に接続する手段と
   を有することを特徴とする圧力センサ。
2. 前記導電性部材支持ピンと前記圧力センサチップに搭載されている電子回路のゼロ電位に接続されたリードピンとを電気的に接続する手段は、前記圧力センサチップからの電気信号を外部に導出するためのリードピンと出力端子とを接続する外部出力用基板に設けられた配線パターンであることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。

Images