JP5044896B2 - 圧力検出装置 - Google Patents

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Description

本発明は、圧力を電気信号に変換して出力する圧力検出装置に関し、特に熱応答性の良好な圧力検出装置に関する。
従来より、たとえば自動車などに用いられる電子制御式燃料噴射装置におけるエンジン吸気側の吸気圧測定用の圧力検出装置では、いわゆるピエゾ抵抗効果を利用した半導体圧力センサチップを用いることが一般的となっている。このような半導体圧力センサチップを用いた圧力検出装置の動作原理は周知であり、ここでは説明を省略するが、このような圧力検出装置は、たとえばピエゾ抵抗効果を有した材料(たとえば、単結晶シリコン)からなるダイヤフラム上に複数の半導体歪みゲージを形成し、これらの半導体歪みゲージをブリッジ接続したブリッジ回路を備える構造からなる。そして、ダイヤフラムの変形に応じた半導体歪みゲージのゲージ抵抗の変化を、ブリッジ回路から電気信号として取り出すことにより圧力を検出する。
ここで、上記従来の圧力検出装置について簡単に説明する。図5は、従来の圧力検出装置の構造を示す概略断面図である。また、図6は、図5の一部拡大断面図である。図5および図6に示すように、圧力検出装置500は、半導体圧力センサチップである圧力検出素子501を、圧力検出装置500のパッケージ筐体である樹脂成型部材の装置基体部502に取り付けて構成されている。装置基体部502には、たとえば圧力検出素子501を格納するための凹状断面を有する素子格納部503が形成されている。
このような従来の圧力検出装置500では、圧力検出素子501は、装置基体部502に形成された素子格納部503に対して、たとえば接着剤504などによってダイボンディングされた状態で装置基体部502に取り付けられている。そして、圧力検出素子501は、たとえばインサート成型などによって、装置基体部502を貫通した状態で、かつ装置基体部502に対して一体的に設けられた外部導出用のリード端子(リードフレーム)505と、ボンディングワイヤ506を介して電気的に接続されている。
この場合、圧力検出素子501は、装置基体部502からの応力を低減させるため、たとえばガラスからなる台座部507に公知の陽極接合法などによって圧力検出素子501と台座部507との間に真空基準室が形成されるように接合されている。また、このような構成の圧力検出装置500においては、圧力検出素子501の表面501aと、ボンディングワイヤ506とを覆い内包する状態で、たとえばゲル状の保護部材508によって装置基体部502に被着している。この保護部材508は、圧力検出素子501などを、圧力検出装置500を用いて圧力測定をおこなう被圧力測定媒体(図示せず)に含まれる汚染物質などから保護するとともに、この被圧力測定媒体から検出された測定圧力を圧力検出素子501に伝達させるものである。なお、この保護部材508は、圧力検出素子501の側面と素子格納部503の側面との間にも設けられている。
また、このような構成の圧力検出装置500では、たとえば内周面509aを有する孔状の圧力導入部509が形成された樹脂成型部材からなる装置蓋部510(図5を参照)を、装置基体部502の素子格納部503の開口側端部に対して、たとえば接着などによって取付固定することで、圧力導入部509と連通する空間部からなる圧力検出室511(図5を参照)を形成している。そして、圧力検出装置500は、装置蓋部510の圧力導入部509を通じて圧力検出室511に導入される被圧力測定媒体からの圧力と真空基準室との圧力差を圧力変化として検出し、検出した圧力変化を圧力検出素子501を介して電気信号に変換して出力することにより、絶対圧の圧力測定をおこなう。
なお、このような圧力検出装置500では、装置全体としての小型化や、高精度な検出特性および高い信頼性の実現などの市場における各種の要求を満たすように、装置基体部502からの応力の影響を極力低減すべく、圧力検出素子501のサイズに対して最適なクリアランスをもたせるように素子格納部503の開口寸法が決定される(たとえば、特許文献1を参照。)。
特開2003−247903号公報
しかしながら、上述した従来の圧力検出装置500では、たとえば装置蓋部510からの外部応力や、激しい温度変化を伴う厳しい測定環境に起因した熱応力による装置基体部502の変形などが圧力検出素子501の検出特性に影響を及ぼし、圧力検出装置500の熱応答性が悪化してしまうという問題がある。
ここで、熱応答性とは、たとえば高温環境から低温環境に環境温度が変化する際に、検出特性がこの温度変化に追随する状態で変化することを示す特性試験における評価項目の一つであり、熱応答性の悪い圧力検出装置では、検出初期特性に対して温度変化後の特性が変動してしまうという問題がある。
すなわち、従来の圧力検出装置500では、圧力検出素子501を装置基体部502に対して接着剤504を用いて取り付ける際に、接着剤504の充填量が多い場合は、図6に示すように、素子格納部503の底面503aと台座部507の底面507aとの間からはみ出した接着剤504が、圧力検出素子501と装置基体部502とのクリアランス部分(すなわち、台座部507の側面507bと素子格納部503の側面503bとの間の部分)に這い上がってしまう。このため、たとえば図6中白抜き矢印で示すような方向への装置基体部502の変形による応力が圧力検出素子501の検出特性に直接影響を及ぼし、圧力検出装置500の熱応答性が悪化してしまうのである。
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたもので、熱応力による検出特性への影響を極力低減し、熱応答性の良好な圧力検出装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項1の発明にかかる圧力検出装置は、圧力を受けて発生した歪みを電気信号に変換して出力する圧力検出素子と、前記圧力検出素子を格納する素子格納部を有する装置基体部と、前記圧力検出素子および前記素子格納部間に介在し、両者を引張り伸び率400%以上で接続する接続部と、を備え、前記素子格納部の底面の、前記圧力検出素子の底面の外周部に対応する位置に、突起部が設けられていることを特徴とする。
また、請求項2の発明にかかる圧力検出装置は、請求項1に記載の発明において、前記圧力検出素子は、半導体からなることを特徴とする。
また、請求項3の発明にかかる圧力検出装置は、請求項1または2に記載の発明において、前記装置基体部は、樹脂成形部材からなることを特徴とする。
また、請求項4の発明にかかる圧力検出装置は、請求項1〜3のいずれか一つに記載の発明において、前記接続部は、シリコーン系樹脂接着剤からなることを特徴とする。
また、請求項5の発明にかかる圧力検出装置は、請求項1〜4のいずれか一つに記載の
発明において、前記接続部は、前記圧力検出素子と前記素子格納部との接合面間距離が3
0μm〜100μmとなるように形成されていることを特徴とする。また、請求項の発明にかかる圧力検出装置は、請求項1〜のいずれか一つに記載の発明において、前記引張り伸び率が500%であることを特徴とする。
以上述べた発明によれば、圧力検出素子を素子格納部に固定する接続部の引張り伸び率が略400%以上に設定されているため、良好な伸び特性によって応力を緩衝し熱応答性の極めて良い圧力検出装置を実現することができる。
本発明にかかる圧力検出装置によれば、熱応答性が極めて良好で測定環境の温度変化に影響を受けにくい構造を実現し、再現性の高い測定結果を得ることができるという効果を奏する。
以下に添付図面を参照して、本発明にかかる圧力検出装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を附し、重複する説明は省略する。
(実施の形態)
図1は、本発明の実施の形態にかかる圧力検出装置を示す概略平面図である。また、図2は、図1に示す圧力検出装置のA−A’断面図である。また、図3−1は、図2の一部拡大断面図である。また、図3−2は、図3−1の変形例を示す断面図である。なお、以降においては、特に明示しない限り図1〜図3−2までを参照して説明するとともに、図面上にあらわせない構成部分の符号は省略する。図1〜図3−1に示すように、圧力検出装置100は、圧力検出素子110と、この圧力検出素子110を内部に備える装置基体部120と、この装置基体部120に取り付けられる装置蓋部130とから構成されている。なお、これら圧力検出素子110、装置基体部120および装置蓋部130は、それぞれの中心部が中心軸Cに合わせて同軸配置されている。
圧力検出素子110は、たとえばシリコン基板などからなる半導体基板111と、この半導体基板111と接合されるガラスなどからなる台座部112とを備えて構成され、装置基体部120からの応力の低減を図るため、半導体基板111と台座部112とを公知の陽極接合法などを用いて接合した構造からなる。半導体基板111は、台座部112の表面112aとの接合側の底面111bに凹部111cを備え、圧力検出素子110は、半導体基板111の凹部111cと台座部112の表面112aとで囲まれた空間部に基準圧力チャンバ113を形成してなる。なお、台座部112は、具体的にはパイレックス(登録商標)などの耐熱ガラスによって構成され、矩形断面を有する6面体からなるものである。
この圧力検出素子110では、半導体基板111の基準圧力チャンバ113と対応した部分にダイヤフラム114が形成されており、このダイヤフラム114上には、たとえば複数の図示しない歪みゲージが形成され、これら複数の歪みゲージをブリッジ接続したブリッジ回路(図示せず)が備えられている。また、半導体基板111には、このブリッジ回路と電気的に接続された増幅回路(図示せず)が形成されている。
このため、圧力検出素子110は、半導体基板111のダイヤフラム114が印加された圧力を受けた際に歪み、その歪みによってブリッジ回路から電圧としての電気信号が出力され、出力された電気信号を増幅回路によって増幅して外部に出力する構造からなる歪みゲージ式圧力検出素子によって構成された絶対圧型の圧力検出素子である。なお、圧力検出素子110は、この他にも、たとえば静電容量式圧力検出素子によって構成されても良い。
一方、装置基体部120は、たとえばPPS(ポリフェニレンサルファイド)などの熱可塑性樹脂材料からなる樹脂成型部材であり、圧力検出素子110を格納する凹状の素子格納部121を備えるとともに、この素子格納部121の開口側に、後述する圧力検出チャンバの一部を構成する空間部を備えて構成されている。なお、装置基体部120は、上記PPSの他にも、耐熱性を備えた熱可塑性樹脂材料によって構成されても良い。
この装置基体部120の素子格納部121には、上記圧力検出素子110が、接続部129を介して直接接続され固定されたうえで格納されている。具体的には、圧力検出素子110と装置基体部120とは、素子格納部121の底面121aと圧力検出素子110の台座部112の底面112bとの間に接続部129が介在する状態で接続固定されている。これにより、圧力検出素子110は、装置基体部120に固定支持される。
なお、接続部129は、樹脂部材からなり、たとえばシリコーン系樹脂などからなるシリコーン系樹脂接着剤によって構成されている。具体的には、接続部129は、たとえば信越化学工業株式会社製のX32−2170AB(商品名)などのシリコーン系樹脂接着剤によって構成することができる。この接続部129は、たとえば引張り伸び率が400%以上の特性を備えており、その厚さ(素子格納部121の底面121aおよび台座部112の底面112b間距離)が30μm〜100μmとなるように形成されている。
ここで、図3−2に示すように、素子格納部121の底面121aには、たとえば接続部129の厚さを調整するために、突起部150が設けられていても良い。この突起部150は、その突起先端部が、たとえば圧力検出素子110の台座部112の底面112bの四隅近傍に当接するように、素子格納部121の底面121aに設けられていると良い。また、突起部150は、たとえば突条からなるものでも良い。なお、突起部150は、接続部129の厚さと同様に、その高さが30μm〜100μmで形成される。また、突起部150の突起先端部と台座部112の底面112bとは、必ずしも接触するものではなく、圧力検出装置100は、これらの間に接続部129が介在した構成であっても良い。接続部129がこのように構成されていることにより、熱応力が装置基体部120から接続部129を介して圧力検出素子110に伝わらないように緩衝することができ、圧力検出装置100の熱応答遅れの発生を効果的に防止することができる。
また、装置基体部120には、たとえば素子格納部121の開口部周辺から中心軸Cと直交する方向に延出する状態で、複数のリード端子122がインサート成型などによって一体的に備えられており、これら複数のリード端子122は、装置基体部120の外部に引き出されている。リード端子122は、たとえばニッケル(Ni)と鉄(Fe)との合金からなる金属母材を、打抜き加工などによって板状に成形した構造からなり、素子格納部121の開口部周辺に配設されるランド部123と、このランド部123から装置基体部120の外部に引き出されたリード部124とを備えて構成されている。なお、この圧力検出装置100においては、リード部124は、図1に示すように、たとえば8つ設けられている。
各リード端子122のランド部123は、装置基体部120に接続固定された圧力検出素子110の半導体基板111の表面111aと、たとえばアルミニウム(Al)や金(Au)などからなるボンディングワイヤ125を介して電気的に接続されている。また、各リード端子122のリード部124は、外部配線部材(図示せず)と装置基体部120の外部において接続されている。なお、図示は省略するが、装置基体部120には、たとえば圧力検出素子110やリード端子122のランド部123とボンディングワイヤ125を介して電気的に接続された回路部が備えられていても良い。この回路部は、圧力検出素子110によって出力された電気信号を調整して圧力検出装置100の外部に出力するものである。
この装置基体部120の素子格納部121の開口側に形成された空間部には、たとえば圧力検出素子110の半導体基板111の表面111a側を、ボンディングワイヤ125およびリード端子122のランド部123とともに被覆して封止するような状態で形成された保護部126が配設されている。この保護部126は、たとえばゲル状樹脂部材からなり、圧力検出素子110やボンディングワイヤ125などを、汚染物質などから保護するとともに測定圧力を圧力検出素子110に確実に伝達するものである。なお、保護部126は、素子格納部121の側面と圧力検出素子110の側面との間にも形成されていると良い。
また、この装置基体部120の空間部の開口側周縁には、凹状に形成された溝からなる嵌合溝部127が形成され、この嵌合溝部127に装置蓋部130の嵌合凸部137が嵌合することにより、装置蓋部130が装置基体部120に取り付けられる。なお、装置蓋部130と装置基体部120とは、たとえば嵌合溝部127に充填された図示しない接着剤などによって接着固定されている。そして、この装置蓋部130により、装置基体部120に備えられた圧力検出素子110などは、圧力検出装置100に封止固定されている。
装置蓋部130は、上記装置基体部120と同様に、たとえばPPSなどからなる樹脂成型部材であり、平板状の蓋基体部131と、この蓋基体部131の主面131aから立設するような状態で形成された円筒状の圧力導入部132とを備えて構成され、凸状断面を有する構造からなる。圧力導入部132には、中心軸Cと同軸の圧力導入孔133が形成され、装置蓋部130が装置基体部120に接着固定された場合、この圧力導入孔133は、装置基体部120の空間部と連通する構造からなる。この装置蓋部130は、上記PPSの他にも、耐熱性を備えた樹脂部材によって構成されてもよい。なお、圧力検出チャンバ128は、装置蓋部130の蓋基体部131で区切られた装置基体部120の空間部によって構成される。
このように構成された圧力検出装置100では、たとえば測定環境である大気中の圧力が、装置蓋部130の圧力導入部132に設けられた圧力導入孔133を通じて圧力検出チャンバ128に導入される。そして、圧力検出チャンバ128に導入された大気圧と、装置基体部120に備えられた圧力検出素子110の基準圧力チャンバ113の内圧との差によって、ダイヤフラム114が変形し、この変形による歪みに基づく電気信号が圧力検出素子110から出力される。圧力検出素子110から出力された電気信号は、ボンディングワイヤ125、回路部およびリード端子122などを介して圧力検出装置100の外部に出力され、図示しない外部の測定装置などによって圧力測定がおこなわれる。
この圧力検出装置100では、圧力検出素子110と装置基体部120とが、上述したように引張り伸び率が略400%以上の特性を備える接続部129によって接続固定されているため、装置基体部120からの熱応力が圧力検出素子110に伝わりにくい構造を実現し、熱応答遅れの発生を効果的に防止して、再現性の高い圧力測定結果を得ることが可能となる。
なお、上記圧力検出装置100は、たとえばつぎのように製造することができる。すなわち、装置基体部120および装置蓋部130の形状に合わせて型が形成された金型などに、装置基体部120の場合はリード端子122を配設位置に対応付けて固定した後、PPSなどの樹脂材料を充填し、冷却・固化して装置基体部120および装置蓋部130をそれぞれ成形する。ここで、装置基体部120および装置蓋部130の樹脂材料としてPPSを用いた場合は、たとえば成形時にガスが発生し易く、また成型品にバリが発生し易いので、ガス抜きやバリ除去をおこなうと製造精度が向上する。
こうして装置基体部120および装置蓋部130を成形した後、装置基体部120の素子格納部121に接続部129を介して圧力検出素子110を接続固定するとともに、回路部を搭載し、ワイヤボンディングなどによってこれらとリード端子122とをボンディングワイヤ125により結線接続する。そして、素子格納部121の開口側の空間部および圧力検出素子110と素子格納部121との間の空間部をゲル状樹脂部材からなる保護部126で被覆し、装置蓋部130を装置基体部120に取付固定する。このようにして圧力検出装置100を製造することができる。
本実施の形態の圧力検出装置100によれば、上述したように引張り伸び率が略400%以上の特性を備える接続部129によって、圧力検出素子110と装置基体部120とが接続固定される構造のため、たとえば装置基体部120からの熱応力が圧力検出素子110に伝わりにくい構造を実現している。つぎに、接続部129の引張り伸び率をこのように規定した理由について述べる。
図4は、接続部129の引張り伸び率(%)と熱応答シフトによる出力変動量(%F.S.×10)との相関関係を示す図である。本出願人は、接続部129の引張り伸び率を規定するため以下のような試験をおこなった。すなわち、引張り伸び率測定装置として株式会社島津製作所製の強度特性計測装置である「EZ Test(商品名)」を使用し、被試験材料として、圧力検出装置100の接続部129に用いられる信越化学工業株式会社製のシリコーン系樹脂接着剤「X32−2170AB(商品名)」(以下、「試料1」とする)と、比較例で用いられるGE東芝シリコーン株式会社製のシリコーン系樹脂接着剤「TSE322(商品名)」(以下、「試料2」とする)とを使用して、引張り伸び率測定試験をおこなった。
なお、この試験における各試料1,2の形状は、幅8mm、高さ(厚さ)1.5mmおよび長さ50mmとし、測定装置への固定治具間距離を10mmとするとともに、引張り速度を60mm/minとして引張り試験をおこなった。また、図4における熱応答シフトによる出力変動量とは、圧力検出装置100を、たとえば130℃雰囲気中に1時間放置した後、室温(たとえば、20℃〜25℃)に戻した際の圧力検出装置からの出力値のシフト量(検出出力変動量)のことをいう。この熱応答シフトによる出力変動量の単位は、圧力検出装置100の出力電圧のフルスケール(Full Scale:F.S.)に対するパーセンテージであり、ここでは、得られる出力電圧の値が非常に小さいため10倍に補正して表示している。
本実施の形態の圧力検出装置100のように、いわゆる車載用部品では、高精度である必要があるため、目標とする熱応答シフトによる出力変動量が0.125(%F.S.)(たとえば、10倍表示であれば、1.25(%F.S.×10))以下であることが好ましく、この試験においては、熱応答シフトによる出力変動量の判定閾値を1.25(%F.S.×10)と設定して実施した。また、シリコーン系樹脂接着剤などからなる接続部129の「伸び」とは、引張り伸び率測定試験実施前の試料1,2に対し標点(たとえば、固定治具による固定点)を2つ定め、これら2標点間の距離(固定治具間距離)L0を計測し、試験実施後に再度2標点間の距離L1を計測したときの差分量をいい、この場合、「伸び率(単位は%)」は次式(1)によって算出することができる。
100×(L1−L0)/L0・・・(1)
このような条件の下で実施された引張り伸び率測定試験では、図4に示すように、試料1,2の測定結果相関曲線401によってあらわされるような明確な相違点が判明した。なお、測定結果相関曲線401は、試料1,2の測定結果における出力変動量と伸び率との相関関係を示し、伸び率が大きくなれば出力変動量が小さくなり、熱応答性が良好になることをあらわすものである。また、測定結果相関曲線401の右下側の端点402は、試料1の測定結果を示し、測定結果相関曲線401の左上側の端点403は、試料2の測定結果を示すものである。
すなわち、試料1においては、測定結果相関曲線401からも明らかなように、たとえば引張り伸び率が略500%のときに熱応答シフトによる出力変動量は約0.77(%F.S)であるが、試料2においては、引張り伸び率が略200%のときに熱応答シフトによる出力変動量は約3.6(%F.S.)である。なお、この場合、たとえば試料1の硬度(JIS A)を20、試料2の硬度を17と設定して試験をおこなったが、硬度20程度の材料で接続部129を形成すれば、熱応答シフトによる出力変動量と硬度との相関はほとんど無いことが判明したため、接続部129の伸び特性との相関は大きくなる(すなわち、伸び率と硬度とはあまり関係がない)といえる。
したがって、接続部129の伸び率を、図4中黒塗り矢印で示す領域の範囲(出力変動量1.25(%F.S.×10)以下伸び率略400%以上の範囲)に収まるように設定すれば、良好な伸び特性によって装置基体部120からの応力を圧力検出素子110に対して緩衝し、熱応答性の極めて良い圧力検出装置100を実現することが可能となる。
以上のことから、本実施の形態の構成により、装置基体部120の熱応力による変形に対して、接続部129によって良好な伸び特性で装置基体部120からの応力を圧力検出素子110に伝播させないように緩衝することができ、初期検出特性的にも、性能信頼性的にも十分な精度を担保することができる圧力検出装置100を実現することができる。なお、本実施の形態では、装置基体部120や装置蓋部130の材料や形状、圧力検出装置100に備えられる各部の構成などを、数値などを用いて具体例を挙げて説明したが、これらはあくまで一例であって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
以上説明したように、本発明では、伸び率略400%以上の特性を備える接続部129によって、圧力検出素子110と装置基体部120とを接続固定することで、良好な伸び特性によって応力を緩衝し熱応答性の極めて良い圧力検出装置100を実現することができる。また、この圧力検出装置100によれば、熱応答性が極めて良好なため、測定環境の温度変化に影響を受けにくい構造を実現することができ、再現性の極めて高い測定結果を得ることができる。
以上のように、本発明にかかる圧力検出装置は、圧力の検出や測定をおこなう各種の用途に利用できる。
実施の形態にかかる圧力検出装置を示す概略平面図である。 図1に示す圧力検出装置のA−A’断面図である。 図2の一部拡大断面図である。 図3−1の変形例を示す断面図である。 引張り伸び率と熱応答シフトによる出力変動量との相関関係を示す図である。 従来の圧力検出装置の構造を示す概略断面図である。 図5の一部拡大断面図である。
符号の説明
100 圧力検出装置
110 圧力検出素子
111 半導体基板
112 台座部
113 基準圧力チャンバ
114 ダイヤフラム
120 装置基体部
121 素子格納部
122 リード端子
126 保護部
128 圧力検出チャンバ
129 接続部
130 装置蓋部
132 圧力導入部
133 圧力導入孔
150 突起部

Claims (6)

  1. 圧力を受けて発生した歪みを電気信号に変換して出力する圧力検出素子と、
    前記圧力検出素子を格納する素子格納部を有する装置基体部と、
    前記圧力検出素子および前記素子格納部間に介在し、両者を引張り伸び率400%以上で接続する接続部と、
    を備え
    前記素子格納部の底面の、前記圧力検出素子の底面の外周部に対応する位置に、突起部が設けられていることを特徴とする圧力検出装置。
  2. 前記圧力検出素子は、半導体からなることを特徴とする請求項1に記載の圧力検出装置。
  3. 前記装置基体部は、樹脂成形部材からなることを特徴とする請求項1または2に記載の圧力検出装置。
  4. 前記接続部は、シリコーン系樹脂接着剤からなることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の圧力検出装置。
  5. 前記接続部は、前記圧力検出素子と前記素子格納部との接合面間距離が30μm〜100μmとなるように形成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載の圧力検出装置。
  6. 前記引張り伸び率が500%であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一つに記載の圧力検出装置。
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