JP4556784B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、半導体ダイアフラム式のセンサチップに圧力導入孔を有する台座を接合してなる圧力センサに関し、特に、圧力導入孔が保護用のゲル部材により封止されてなる圧力センサに関する。

従来より、この種の圧力センサとしては、たとえば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４などに記載のものが提案されている。

このものは、裏面に凹部が形成されこの凹部に対応した表面側の薄肉部がダイアフラムとして構成されるとともに、表面にピエゾ抵抗を有する半導体ダイアフラム式のセンサチップと、このセンサチップの裏面に接合され凹部からダイアフラムへ通じる貫通穴を有するガラスなどからなる台座とを備えている。

ここで、半導体ダイアフラム式センサチップは台座に対して陽極接合などにより接合されており、さらに、台座の貫通穴およびセンサチップの凹部には、センサチップ、特にセンサチップのダイアフラム裏面を保護するゲル部材が充填されている。

このような圧力センサは、いわゆる「ダイアフラム裏面封止型の圧力センサ」として構成されており、この圧力センサにおいては、台座の貫通穴からゲル部材を介してダイアフラムに圧力が導入され、センサチップからはピエゾ抵抗効果によって印加された圧力に応じた信号が出力されるようになっている。

ここで、この種の圧力センサは、たとえば、腐食性を有する液体やガスなどの圧力媒体の圧力を測定する場合に適用され、そのような腐食性の圧力媒体からセンサチップを保護するために、上記のようにゲル部材による保護がなされている。

また、台座の貫通穴からのセンサチップのダイアフラムへの水分の侵入、および、侵入した水分が低温時に凍結して体積膨張したときのダイアフラムの破壊などを、防止するためにも、ゲル部材が注入されている。

具体的には、このような圧力センサは、ディーゼルエンジン車両の排気管内に設けられた排気清浄フィルタとしてのＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）の前後の差圧を測定したり、ＥＧＲ雰囲気中の圧力などを測定するセンサなどに適用されるものである。
特開平４−３７０７２６号公報 特開平５−１３３８２７号公報 特開平１１−２０１８４５号公報 特開２００２−２２１４６２号公報

ところで、近年、自動車用センサなど、０℃以下の低温から１００℃以上の高温まで幅広い温度範囲で作動可能な圧力センサが要望されている。

本発明者の検討によれば、この種の圧力センサにおいては、低温、たとえば−３０℃以下においてゲル部材が固くなり、その変形応力によって、ダイアフラム裏面からゲージ部であるピエゾ抵抗の歪が変化するため、当該低温におけるセンサ出力特性が変動してしまうことがわかった。

しかしながら、従来では、このようなゲル部材の変形による低温におけるセンサ特性の変動については、対策が採られていなかった。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、ダイアフラム裏面封止型の圧力センサにおいて、ダイアフラム裏面を封止するゲル部材の変形による低温でのセンサ特性の変動を抑制することを目的とする。

ここで、本発明者は、台座の貫通穴に充填されたゲル部材の低温での挙動について鋭意検討を行った結果、次のようなメカニズムを考えるに至った。

台座における貫通穴の径Ｌが大きければ、低温時にゲル部材が固く変形したとしても、ゲル部材は広い貫通穴内部をダイアフラムとは反対方向へ移動することでき、ゲル部材の応力を緩和できるため、ダイアフラム裏面での変位は抑えられる。

しかし、貫通穴の径Ｌが小さく、貫通穴の長さすなわち台座の厚さＴが大きい場合には、貫通穴が細長いものとなり、ゲル部材の上記方向への変位は限定される。そのため、上記したゲル部材の応力緩和が不十分となり、逆に、ゲル部材の変形応力がダイアフラム裏面に印加され、ダイアフラム裏面を変位させる。本発明者は、このようにして、ゲル部材は自己の形状安定性を確保するものと考えた。

そこで、本発明者は、台座における貫通穴の径Ｌと台座の厚さＴとの関係について改良
を加えれば、よいのではないかと考え、本発明を見出した。

上記目的を達成するため、本発明は、半導体ダイアフラム式のセンサチップ（１０）をそのダイアフラム（１４）裏面側に通じる貫通穴（２１）を有する台座（２０）に接合し、当該貫通穴（２１）をゲル部材（３０）にて封止してなり、台座（２０）の貫通穴（２１）におけるセンサチップ（１０）側の開口部（２１ａ）の径は、センサチップ（１０）における凹部（１３）の径よりも小さいものとしたダイアフラム裏面封止型の圧力センサにおいて、台座（２０）におけるセンサチップ（１０）とは反対側の部位は、ケース（４０）に支持されており、ケース（４０）には、貫通穴（２１）と連通するとともに圧力を導入するための穴部（４１）が設けられており、穴部（４１）には、貫通穴（２１）から連続してゲル部材（３０）が充填されており、台座（２０）の貫通穴（２１）の径Ｌよりも、ケース（４０）の穴部（４１）における貫通穴（２１）側の径Ｌ１が大きく、且つ、ケース（４０）の穴部（４１）における貫通穴（２１）側の径Ｌ１よりも、ケース（４０）の穴部（４１）における圧力導入側の径Ｌ２の方が大きいものとされており、さらに、台座（２０）の厚さＴは、台座（２０）の貫通穴（２１）の径Ｌよりも小さいことを特徴とする。

それによれば、ダイアフラム裏面を封止するゲル部材の変形による低温でのセンサ特性の変動を抑制することができる。

また、本発明では、貫通穴（２１）におけるセンサチップ（１０）側の開口部（２１ａ）の径を、センサチップ（１０）における凹部（１３）の径よりも小さいものとしている。

それによれば、台座（２０）のセンサチップ（２１）側の面における貫通穴（２１）を除いた領域を広く採ることができるため、圧力センサの小型化を考慮し限られたサイズの中で、台座（２０）とセンサチップ（１０）との接合面積を十分確保することができ、接合構造体の強度を充分に確保できる。

また、本発明では、台座（２０）におけるセンサチップ（１０）とは反対側の部位は、ケース（４０）に支持されており、ケース（４０）には、貫通穴（２１）と連通するとともに前記圧力を導入するための穴部（４１）が設けられており、穴部（４１）には、貫通穴（２１）から連続してゲル部材（３０）が充填されており、穴部（４１）は、穴部（４１）における貫通穴（２１）側の径Ｌ１が貫通穴（２１）の径Ｌよりも大きい穴として構成されたものとしている。

このように、台座（２０）をケース（４０）に支持した場合、このケース（４０）に穴部（４１）を設けることにより、当該穴部（４１）から台座（２０）の貫通穴（２１）を介してセンサチップ（１０）へ圧力を導入できる。

また、ケース（４０）の穴部（４１）にゲル部材（３０）を充填することにより、この部分においてもセンサチップ（１０）の保護がなされるが、ケース（４０）の穴部（４１）を、この穴部（４１）における貫通穴（２１）側の径Ｌ１が貫通穴（２１）の径Ｌよりも大きい穴として構成しているため、低温時におけるゲル部材（３０）の応力緩和をより適切に行うことができる。

また、本発明では、穴部（４１）は、穴部（４１）における貫通穴（２１）側の径Ｌ１よりも圧力導入側の径Ｌ２の方が大きい穴として構成されている。

それによれば、ケース（４０）の穴部（４１）をダイアフラム（１４）とは反対側へ拡径した穴形状とできるため、この穴部（４１）に充填されたゲル部材（３０）が、当該穴部（４１）内をダイアフラム（１４）とは反対方向へ移動しやすくでき、ケース（４０）の穴部（４１）において、低温時におけるゲル部材（３０）の応力を緩和することができる。

また、ケース（４０）の穴部（４１）において、圧力導入側については、より大きな容量のゲル部材（３０）によって水分の侵入を抑制することができるため、低温でのセンサ特性変動を、より確実に抑えることができる。

ここで、本発明の圧力センサにおける台座（２０）としては、ガラスにより構成されているものにでき、また、ゲル部材（３０）は、フッ素系ゲル、シリコーン系ゲル、フロロシリコーン系ゲルにより構成されているものにできる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本実施形態に係る圧力センサは、たとえば、腐食性を有する液体やガスなどの圧力媒体の圧力を測定する場合に適用され、具体的には、ディーゼルエンジン車両の排気管内の排気ガスを測定したり、当該排気管内に設けられた排気清浄フィルタとしてのＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）の前後の差圧を測定したり、ＥＧＲ雰囲気中の圧力などを測定するセンサなどに適用されるものである。

図１は、本発明の実施形態に係るピエゾ式圧力センサデバイスとしてのダイアフラム裏面封止型の圧力センサ１００の概略断面構成を示す図である。

図１に示されるように、本実施形態の圧力センサ１００は、大きくは、半導体ダイアフラム式のセンサチップ１０と、このセンサチップ１０に接合された圧力導入孔としての貫通穴２１を有する台座２０と、貫通穴２１に充填されたゲル部材３０とを備えて構成されている。

センサチップ１０は、シリコン半導体基板などの半導体基板からなるものであり、その裏面１２に化学的エッチングなどにより作成された凹部１３が形成されている。そして、センサチップ１０においては、凹部１３に対応した表面１１側の薄肉部がダイアフラム１４として構成されている。

また、センサチップ１０の表面１１において、ダイアフラム１４の部分には、拡散抵抗などからなるピエゾ抵抗１５が設けられている。このピエゾ抵抗１５は複数個設けられており、後述する図４に示されるように、ブリッジ回路を構成している。このように、本実施形態のセンサチップ１０は、半導体ダイアフラム式のセンサチップとして構成されている。

そして、センサチップ１０においては、ピエゾ抵抗効果によって印加された圧力に応じた信号が出力されるようになっている。

具体的には、ダイアフラム１４にて圧力を受け、その圧力によってダイアフラム１４が歪み、ダイアフラム１４に形成された上記ブリッジ回路によって、このダイアフラム１４の歪みに基づく信号、すなわち、印加された圧力値に応じたレベルの信号が出力されるようになっている。

また、本実施形態では、センサチップ１０は、その裏面１２側において、薄肉部であるダイアフラム１４の周囲部すなわち厚肉部１６にて、台座２０に対して固定されている。本例では、台座２０はガラスからなり、シリコン半導体からなるセンサチップ１０とは、陽極接合により接合されている。

ここで、センサチップ１０の裏面１２に接合されている台座２０において、圧力導入孔としての貫通穴２１は、センサチップ１０側の面からその反対側の面へ貫通する穴として構成されている。この貫通穴２１は一般的なものと同じく、ストレートな丸穴形状を有するものである。

そして、センサチップ２０は、その裏面１２側にてダイアフラム１４を台座２０の貫通穴２１対向した状態で配置されている。つまり、台座２０の貫通穴２１は、センサチップ１０の凹部１３からダイアフラム１４へ通じている。

ここで、本実施形態の圧力センサ１００においては、台座２０における貫通穴２１の径Ｌと台座２０の厚さＴとの比Ｌ／Ｔは、１＜Ｌ／Ｔ＜３である。このように、本実施形態にて、比Ｌ／Ｔを１よりも大きく３未満の範囲とした構成を採用している根拠については、後述する。

さらに、本実施形態では、台座２０の貫通穴２１におけるセンサチップ１０側の開口部２１ａの径は、センサチップ１０における凹部１３の径よりも小さいものとなっている。そのため、図１に示されるように、台座２０においては、センサチップ１０の凹部１３の内側に張り出している肩部２２が存在する。

このような台座２０の貫通穴２１は、たとえば超音波振動を用いた切削やサンドブラストなどの加工方法を採用することにより、作成することができる。

なお、台座２０は、たとえば通常矩形板状のセンサチップ１０に対応した平面矩形の台座であり、上記比Ｌ／Ｔの範囲を満足した上で、貫通穴２１の径Ｌはたとえば０．８ｍｍ〜２．１ｍｍ程度、台座２０の厚さＴはたとえば０．７ｍｍ〜２．１ｍｍ程度にすることができる。

ここで、図１に示されるように、センサチップ１０のピエゾ抵抗１５は、感度を大きくするために、ダイアフラム１４の歪みの大きい部位、図示例ではダイアフラム１４の周辺部に設けられている。さらに、ピエゾ抵抗１５は、台座２０の貫通穴２１におけるセンサチップ１０側の開口部２１ａの径の内側に位置している。

また、台座２０の貫通穴２１およびセンサチップ１０の凹部１３には、ゲル部材３０が充填されており、このゲル部材３０によって、センサチップ１０特にダイアフラム１４の裏面部分が封止され保護されている。

このゲル部材３０としては、たとえばシリコーン系ゲル、フッ素系ゲル、フロロシリコーン系ゲルなどのゲル材料を用いることができ、このようなゲル材料を貫通穴２１に注入・硬化させることで、ゲル部材３０の充填がなされる。

上述したように、本圧力センサ１００は、ディーゼルエンジンの排気ガス圧など、腐食性を有する液体やガスなどの圧力媒体の圧力を測定する場合に適用されるものであり、そのような腐食性の圧力媒体からセンサチップ１０特にダイアフラム１４の裏面を保護するために、ゲル部材３０による保護がなされている。

また、本実施形態の圧力センサ１００は、図１に示されるように、車両の排気系の適所に取り付けられるケース４０を有している。このケース４０は、外部と電気的に接続可能な図示しない端子を有するものである。

たとえば、ケース４０としては、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）やＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）などの樹脂にて成形されたものからなり、さらに、Ｃｕや４２アロイなどからなるターミナルなどの端子がインサート成形されたものを採用することができる。

そして、センサチップ１０は、これに一体化された台座２０を介して接着剤５０により、ケース４０に接合され固定されている。このような接着剤５０としては、たとえば、塗布して硬化させることで接着機能を発揮する樹脂などからなる接着剤、具体的にはシリコーン系接着剤やフロロシリコーン系接着剤などを採用することができる。

また、上記したケース４０の端子とセンサチップ１０とは、図示しない金やアルミニウムなどからなるボンディングワイヤなどにより電気的に接続されている。それにより、センサチップ１０と外部との電気的なやり取りが可能となる。

ここで、台座２０におけるセンサチップ１０とは反対側の部位は、ケース４０に支持されているが、ケース４０には、台座２０の貫通穴２１と連通するとともに圧力を導入するための穴部４１が設けられている。そして、この穴部４１には、貫通穴２１から連続して上記ゲル部材３０が充填されている。

また、このケース４０の穴部４１は、たとえば丸穴であるが、本実施形態では、穴部４１は、この穴部４１における貫通穴２１側の径Ｌ１が貫通穴２１の径Ｌよりも大きい穴として構成されている。

さらに、穴部４１は、この穴部４１における貫通穴２１側の径Ｌ１よりも圧力導入側の径Ｌ２の方が大きい穴として構成されている。本例では、穴部４１は、ダイアフラム１４とは反対側すなわち圧力導入側へテーパ状に拡径した穴形状となっている。

そして、この圧力センサ１００においては、ケース４０の穴部４１および台座２０の貫通穴２１からゲル部材３０を介してセンサチップ１０の裏面１２すなわちダイアフラム１４の裏面１２に圧力が導入され、センサチップ１０からは、上記したピエゾ抵抗効果によって、印加された圧力に応じた信号が出力されるようになっている。なお、具体的な検出方法については、後述する。

次に、本実施形態の圧力センサ１００の製造方法について、図２および図３を参照して述べる。これら図２（ａ）〜（ｄ）および図３（ａ）〜（ｄ）は、本製造方法をワークの概略断面にて示す工程図であり、主としてセンサチップ１０の製造方法を示すものである。

本圧力センサ１００におけるセンサチップ１０についての、より具体的な断面構成の一例は、図３（ｃ）、（ｄ）に示される。

図３（ｃ）および（ｄ）に示される例では、センサチップ１０は、裏面１２側から表面１１側に向かって、Ｐ型のシリコン基板としてのＰ型層（ＰＳｕｂ層）２０１、Ｎ^-層（Ｎ型エピタキシャル層）２０３が積層されたシリコン半導体基板２００よりなり、Ｎ^-層２０３は、上記Ｐ型層２０１とは異なる不純物濃度を持つＰ型領域を介して、ピエゾ抵抗１５の形成領域とその周囲領域とに分離されており、アイソレーション２０４を確保している。

ピエゾ抵抗１５は、Ｐ型領域としてＮ^-層内に形成されている。このピエゾ抵抗１５は、実際には、少なくとも４個形成されており、後述するブリッジ回路（図４参照）を構成している。

また、シリコン半導体基板２００の上面すなわちセンサチップ本体の表面１１側は、酸化膜１７にて被覆され、この酸化膜１７の上にはＡｌ薄膜よりなる配線１８が形成されている。そして、この配線１８および酸化膜１７に形成されたコンタクトホールを介して、ピエゾ抵抗１５同士の接続等がなされている。

そして、配線１８を除く酸化膜１７の上には、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等よりなる保護膜１９が形成され、センサチップ１０の保護が図られている。このセンサチップ１０は、周知の半導体製造技術を用いて製造することができる。次に、その製造方法の一例について、図２、図３を参照して説明する。

まず、図２（ａ）に示されるように、Ｐ型のシリコン基板２０１の一面側の所定領域にイオン注入等により、不純物濃度の異なるＰ型層２０２を形成するとともに、当該シリコン基板２０１の一面側に、リン（Ｐ）等の不純物雰囲気にて、Ｎ^-層２０３を成長させ形成する。

次に、図２（ｂ）に示されるように、Ｎ^-層２０３の表面からホウ素（Ｂ）イオン等を注入し、拡散させるとともに、上記不純物濃度の異なるＰ型層２０２をＮ^-層２０３の表面側へ拡散させることにより、上記Ｐ型のシリコン基板としてのＰ型層２０１、Ｎ^-層２０３が積層され且つアイソレーション２０４が形成されたシリコン半導体基板２００を形成する。

次に、図２（ｃ）に示されるように、シリコン半導体基板２００の上面に、スパッタや蒸着法、加熱処理などの方法により、酸化膜１７を形成し、この酸化膜１７により上記Ｎ^-層２０３およびアイソレーション２０４上を被覆する。

次に、図２（ｄ）に示されるように、酸化膜１７を介してホウ素（Ｂ）イオン等によるイオン注入や拡散法により、シリコン半導体基板２００の表面に、ピエゾ抵抗１５を形成する。

次に、図３（ａ）に示されるように、フォトリソグラフ法等を用いて、酸化膜１７の所望の部位にコンタクトホールを形成し、その上に蒸着法などによりＡｌ薄膜よりなる配線１８を形成し、配線１８とピエゾ抵抗１５とを導通させる。

次に図３（ｂ）に示されるように、ＣＶＤ法等により、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等よりなる保護膜１９を形成する。

しかる後、シリコン半導体基板２００の上面側をマスクした状態で、ＫＯＨなどのエッチング液を用いて、シリコン半導体基板２００の下面側の一部を異方性エッチングにより除去する。それにより、図３（ｃ）に示されるように、上記凹部１３が形成されるのに伴いダイアフラム１４が形成され、上記センサチップ１０ができあがる。

そして、上述したように、超音波振動を用いた切削やサンドブラストなどの加工方法によりテーパ形状の貫通穴２１が設けられた台座２０を用意し、この台座２０とセンサチップ１０とを陽極接合する。

それにより、図３（ｄ）に示されるように、センサチップ１０と台座２０とが一体化する。続いて、さらに、ケース４０と台座２０とを接着剤５０を介して接合する。そして、ケース４０の穴部４１および台座４０の貫通穴２１へゲル部材３０を注入し、加熱などによりこれを硬化させる。

また、センサチップ１０と上記したケース４０の図示しない端子とをワイヤボンディングなどにより電気的に接続する工程などを経ることにより、実際の圧力測定に供することの可能な圧力センサとして、本実施形態のダイアフラム裏面封止型の圧力センサ１００が完成する。

このような圧力センサ１００は、たとえば、センサチップ１０の表面１１側からダイアフラム１４に印加される圧力と、センサチップ１０の裏面１２側からダイアフラム１４に印加される圧力との差圧により、ダイアフラム１４が歪み、このダイアフラム１４の歪みに基づいて圧力検出を行う相対圧型の圧力センサとすることができる。

限定するものではないが、具体的には、このような相対圧検出型の圧力センサ１００は、たとえば、ケース４０を介して上述したディーゼルエンジンの排気系に取り付けられ、その排気ガス圧を測定するものとして適用することができる。

この場合、本圧力センサ１００においては、たとえば、基準圧となる大気圧がセンサチップ１０の表面１１側へ導入され、排気ガス圧が、センサチップ１０の裏面１２側にてゲル部材３０を介してダイアフラム１４へ導入される。

このとき、センサチップ１０のダイアフラム１４の表面と裏面とで各圧力が受圧され、ダイアフラム１４の歪みに基づいて、これら両面の差圧が検出され、ピエゾ抵抗効果に基づくセンサチップ１０からの信号が、上記ボンディングワイヤ等から上記端子を経て、外部に出力されるようになっている。

この圧力センサ１００におけるより具体的な検出動作について、図４を参照して述べることにする。図４は、ピエゾ抵抗１５により構成される上記ブリッジ回路の結線図を示すものである。４個のピエゾ抵抗１５（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ）によりホイートストンブリッジが構成されている。

上記圧力の印加によりダイアフラム１４が歪み変形するが、このとき、図４に示されるホイートストンブリッジの入力端子ＩａとＩｂとの間に直流定電圧Ｖを与えた状態では、このダイアフラム１４の変形がピエゾ抵抗１５ａ〜１５ｄの抵抗値変化として現れ、出力端子ＰａとＰｂとの間から被検出圧力に応じたレベルの電圧（センサ信号）Ｖｏｕｔが出力される。

そして、このセンサ信号Ｖｏｕｔが、ピエゾ抵抗効果に基づくセンサチップ１０からの信号として外部に出力される。このようにして、圧力センサ１００において圧力検出がなされる。

ところで、本実施形態によれば、裏面１２に凹部１３が形成され凹部１３に対応した表面１１側の薄肉部がダイアフラム１４として構成されるとともに、表面１１にピエゾ抵抗１５を有するセンサチップ１０と、センサチップ１０の裏面１２に接合され凹部１３からダイアフラム１４へ通じる貫通穴２１を有する台座２０と、貫通穴２１および凹部１３に充填されてセンサチップ１０を保護するゲル部材３０とを備え、貫通穴２１からゲル部材３０を介してダイアフラム１４に圧力が導入され、センサチップ１０からはピエゾ抵抗効果によって印加された圧力に応じた信号が出力されるようになっている圧力センサにおいて、台座２０における貫通穴２１の径Ｌと台座２０の厚さＴとの比Ｌ／Ｔは、１＜Ｌ／Ｔ＜３であることを特徴とする圧力センサ１００が提供される。

このような本実施形態の圧力センサ１００は、０℃以下の低温から１００℃以上の高温まで幅広い温度範囲で作動可能な圧力センサとして適用可能なものであり、特に、上記比Ｌ／Ｔを１よりも大きく３未満の範囲とすることで、−３０℃程度の極低温においても、センサ特性の変動を抑制可能としている。

この極低温におけるセンサ特性の変動抑制の具体的な様子は、図５に示される。図５は、台座における貫通穴の径Ｌと台座の厚さＴとの関係について、比Ｌ／Ｔに着目し、本発明者が実験調査した結果を示す図であり、比Ｌ／Ｔと低温におけるセンサ特性の変動との関係を示す図である。

図５に示されるように、本発明者は、台座２０の貫通穴２１の径（図中、穴径と図示）をφ０．８ｍｍ〜φ２．０ｍｍと変えることで比Ｌ／Ｔを変えた圧力センサをサンプルとして作成し、これら各サンプルについて、注入前後のＴＣＯ変動（単位：％ＦＳ）を調べた。

ここで、「注入前後のＴＣＯ変動」とは、上記各サンプルにおいて、ゲル部材３０を注入する前のものと注入した後のものとについて、低温におけるセンサ特性の変動の大きさを示すものである。

具体的には、ゲル部材３０を注入する前の各サンプルについて室温および−３０℃にて上記センサ信号Ｖｏｕｔを測定し、室温の測定値に対する−３０℃の測定値の変動分を求め、次に、ゲル部材３０を注入した後の各サンプルについて室温および−３０℃にて上記センサ信号Ｖｏｕｔを測定し、同じく変動分を求める。

たとえば、各サンプルについて、ゲル部材注入前の変動分がａ％であり、注入後の変動分が（ａ＋ｂ）％であったとすると、これらの差分ｂ％がゲル部材３０による低温での特性変動に相当する。そして、この差分ｂ％が、図４中に示される「注入前後のＴＣＯ変動」である。

図５に示されるように、比Ｌ／Ｔが大きくなるにつれてＴＣＯ変動が小さくなっている。比Ｌ／Ｔが１以下では、ＴＣＯ変動は、実用レベルである１．５％ＦＳを超えているが、比Ｌ／Ｔが１よりも大きく比Ｌ／Ｔが３未満程度まで、実用レベルである１．５％ＦＳ以下を満足することが確認された。

比Ｌ／Ｔが１以下であると、台座２０の貫通穴２１がゲル部材３０の応力緩和を行うには不十分な細長形状となるため、低温でのセンサ特性の変動が実用レベルとしては不適切な大きさとなってしまう。

一方、台座２０の厚さＴについては、台座２０の安定性およびセンサチップ１０の接合時の反りなどを考慮すると、０．７ｍｍ程度が下限であり、貫通穴２１の径Ｌについては、センサチップ１０との接合面積の確保や台座２０自体の機械的強度の確保の点から２．１ｍｍ程度が上限である。

これらのことや、上記図５に示される実験データを考慮して、本実施形態では、比Ｌ／Ｔの上限については、２．１／０．３＝３、すなわち３未満とした。

そして、このように、比Ｌ／Ｔを１よりも大きく３未満の範囲とすることにより、ダイアフラム裏面を封止するゲル部材３０の変形による低温でのセンサ特性の変動を抑制することができる。

また、本実施形態の圧力センサ１００においては、貫通穴２１におけるセンサチップ１０側の開口部２１ａの径は、センサチップ１０における凹部１３の径よりも小さいものであることも特徴のひとつである。

このようにすれば、図１に示されるように、センサチップ１０における凹部１３以外の厚肉部１６が、貫通穴２１に重なることなく、すべて台座２０に接して接合されるため、台座２０とセンサチップ１０との接合面積を十分確保することができ、センサチップ１０および台座２０の接合構造体における剛体特性が適切に保持される。

なお、このような点を除けば、本実施形態においては、参考図ではあるが、図６に第１の変形例として示されるように、台座２０の貫通穴２１におけるセンサチップ１０側の開口部２１ａの径は、センサチップ１０における凹部１３の径よりも大きいものであってもよい。

また、本実施形態の圧力センサ１００においては、台座２０におけるセンサチップ１０とは反対側の部位は、ケース４０に支持されており、ケース４０には、貫通穴２１と連通するとともに圧力を導入するための穴部４１が設けられており、穴部４１には、貫通穴２１から連続してゲル部材３０が充填されており、穴部４１は、穴部４１における貫通穴２１側の径Ｌ１が貫通穴２１の径Ｌよりも大きい穴として構成されていることも、特徴のひとつである。

このように、台座２０の貫通穴２１に連通し圧力導入可能な穴部４１をケース４０に設け、この穴部４１に、貫通穴２１から連続してゲル部材３０を充填することにより、センサチップ１０を保護しつつ、当該穴部４１および台座２０の貫通穴２１内のゲル部材３０を介してセンサチップ１０へ圧力を導入できる。

また、ケース４０の穴部４１における貫通穴２１側の径Ｌ１を貫通穴２１の径Ｌよりも大きいものとして構成しているため、低温時にゲル部材３０が固く変形したとしても、ゲル部材３０は比較的広いケース４０側の穴部４１内をダイアフラム１４とは反対方向へ移動しやすくできる。

つまり、このようにすることで、台座２０の貫通穴２１からケース４０の穴部４１に渡る領域において、低温時におけるゲル部材３０の応力を緩和できるため、ダイアフラム１４裏面での変位を抑えやすくできる。

また、本実施形態の圧力センサにおいては、穴部４１は、穴部４１における貫通穴２１側の径Ｌ１よりも圧力導入側の径Ｌ２の方が大きい穴として構成されていることも、特徴のひとつである。

ケース４０は、台座２０に比べて比較的加工しやすいものであり、成形や切削加工などにより、このような圧力導入側へ拡径した穴形状とした穴部４１をケース４０に形成することは、容易である。

それによれば、上述したように、ケース４０の穴部４１において、低温時におけるゲル部材３０の応力を緩和できるとともに、圧力導入側にて、より広い面積かつ大容量のゲル部材３０によって水分を遮断することができるため、低温でのセンサ特性変動を、より確実に抑えることができる。

ここで、図７は、本実施形態の第２の変形例としての圧力センサ１１０を示す概略断面図であり、圧力導入側へ拡径した穴形状としたケース４０の穴部４１を一部変形したものである。

上記図１に示される例では、貫通穴２１側の径Ｌ１よりも圧力導入側の径Ｌ２の方が大きい穴部４１としては、圧力導入側へテーパ状に拡径した穴形状が示されていたが、図７に示される圧力センサ１１０では、穴部４１を段付き内孔とすることにより、段差を有して拡径した穴形状としている。この場合も、図１に示されるものと同様の効果を奏するものである。

また、上記図１に示される例では、ケース４０は樹脂成形されたものであったが、この図７に示される例のように、ケース４０を、樹脂部４０ａとこの樹脂部４０ａとは別体の部材であって穴部４１の少なくとも一部を構成するパイプ４０ｂとにより構成されたものとしてもよい。

このパイプ４０ｂは、たとえばムライト、アルミナなどのセラミックや、４２アロイなどの金属などにより構成されたものであり、樹脂部４０ａに対してインサート成形や圧入などにより一体的に固定されている。

ここでは、パイプ４０ｂは、穴部４１における貫通穴２１側の開口部に挿入固定されており、このパイプ４０ｂの内径が穴部４１における貫通穴２１側の径Ｌ１に相当するものとなっている。

また、本実施形態の圧力センサ１００においては、上記図１、図７に示したように、ピエゾ抵抗１５は、ガラス台座２０の貫通穴２１におけるセンサチップ１０側の開口部２１ａの径の内側に位置していることも、有利な点である。

それによれば、ピエゾ抵抗１５は、センサチップ１０の凹部１３において台座２０の肩部２２よりも、さらに内側に位置することになる。そのため、肩部２２に覆われた凹部１３の空間、すなわち凹部１３において肩部２２上の空間にはゲル部材３０が入り込んで、熱などにより膨張するが、その膨張時の応力を、ピエゾ抵抗１５が受けにくくなるという利点がある。

（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、台座２０はガラスにより構成されていたが、台座２０の材料としては、ガラス以外にも、たとえばＳｉ、セラミックなどを用いることができる。

これは、排気ガス影響下における圧力センサの使用を鑑みた制限であり、センサチップや台座の形状を保持できるならば、シリコンに線膨張係数が合う金属類（４２アロイなど）も使用することができる。

また、ゲル部材３０としては、上記したフッ素系ゲル、シリコーン系ゲル、フロロシリコーン系ゲル以外にも、センサチップの保護部材や圧力伝達部材として十分機能するものであるならば、使用可能である。

また、上記実施形態では、ケース４０の穴部４１は、圧力導入側の方が拡径した穴形状となっているが、このような穴部４１の形状は、上記したテーパ状の拡径形状あるいは段差を有した拡径形状に限らず、たとえば、穴の側面が湾曲した形となることで拡径した穴となっていてもよい。さらには、ケース４０の穴部４１はストレートな穴形状であってもよい。

また、上記実施形態では、圧力センサ１００はケース４０を有し、このケース４０を介して被測定部材に取り付けられ、測定動作に供されるものとしたが、これに限定されるものではなく、たとえば、ケース４０を持たずに台座２０を直接被測定部材に取り付けて測定するものとしてもよい。

また、上記実施形態の圧力センサにおいては、ディーゼルエンジン車両の排気管内に設けられた排気清浄フィルタとしてのＤＰＦの前後の差圧を測定する場合、たとえばＤＰＦ上流側の排気ガス圧がセンサチップ１０の表面１１側へ導入され、下流側の排気ガス圧が、センサチップ１０の裏面１２側に導入されるが、このような場合には、センサチップ１０の表面１１側は図示しないゲル部材などにより被覆保護されてよい。

また、上記実施形態では、差圧検出タイプすなわち相対圧検出タイプの圧力センサであったが、センサチップにおけるダイアフラムの表面側が真空などの基準圧となっており、ダイアフラムの裏面側にゲル部材を介して被測定圧力を受ける絶対圧型の圧力センサに対しても、本発明は適用することが可能である。

また、本発明の圧力センサは、上述した排気圧力を検出するセンサに、その用途を限定されるものではないことは上述した通りである。たとえば、本発明の圧力センサは大気圧、エンジンの吸気圧をはじめとして、各種機器や容器の圧力など、いろいろな用途に用いることができる。

本発明の実施形態に係る圧力センサの概略断面図である。 上記実施形態に係る圧力センサにおけるセンサチップの製造方法を示す工程図である。 図２に続くセンサチップの製造方法を示す工程図である。 上記実施形態に係る圧力センサにおけるピエゾ抵抗により構成されるブリッジ回路の結線図である。 比Ｌ／Ｔと低温におけるセンサ特性の変動との関係を示す図である。 上記実施形態の参考図としての第１の変形例を示す概略断面図である。 上記実施形態の第２の変形例を示す概略断面図である。

符号の説明

１０…センサチップ、１１…センサチップの表面、１２…センサチップの裏面、
１３…センサチップの凹部、１４…ダイアフラム、１５…ピエゾ抵抗、
２０…ガラス台座、２１…ガラス台座の貫通穴、
２１ａ…貫通穴のセンサチップ側の開口部、３０…ゲル部材、４０…ケース、
４１…ケースの穴部。

Claims (1)

1. 裏面（１２）に凹部（１３）が形成され前記凹部（１３）に対応した表面（１１）側の薄肉部がダイアフラム（１４）として構成されるとともに、前記表面（１１）にピエゾ抵抗（１５）を有するセンサチップ（１０）と、
   前記センサチップ（１０）の裏面（１２）に接合され前記凹部（１３）から前記ダイアフラム（１４）へ通じる貫通穴（２１）を有する台座（２０）と、
   前記貫通穴（２１）および前記凹部（１３）に充填されて前記センサチップ（１０）を保護するゲル部材（３０）とを備え、
   前記台座（２０）の前記貫通穴（２１）における前記センサチップ（１０）側の開口部（２１ａ）の径は、前記センサチップ（１０）における前記凹部（１３）の径よりも小さいものであり
   前記貫通穴（２１）から前記ゲル部材（３０）を介して前記ダイアフラム（１４）に圧力が導入され、前記センサチップ（１０）からはピエゾ抵抗効果によって印加された圧力に応じた信号が出力されるようになっている圧力センサにおいて、
   前記台座（２０）における前記センサチップ（１０）とは反対側の部位は、ケース（４０）に支持されており、
   前記ケース（４０）には、前記貫通穴（２１）と連通するとともに前記圧力を導入するための穴部（４１）が設けられており、
   前記穴部（４１）には、前記貫通穴（２１）から連続して前記ゲル部材（３０）が充填されており、
   前記台座（２０）の前記貫通穴（２１）の径Ｌよりも、前記ケース（４０）の前記穴部（４１）における前記貫通穴（２１）側の径Ｌ１が大きく、且つ、前記ケース（４０）の前記穴部（４１）における前記貫通穴（２１）側の径Ｌ１よりも、前記ケース（４０）の前記穴部（４１）における前記圧力導入側の径Ｌ２の方が大きいものとされており、
   さらに、前記台座（２０）の厚さＴは、前記台座（２０）の前記貫通穴（２１）の径Ｌよりも小さいことを特徴とする圧力センサ。

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