JP6156233B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、センサチップの一端側がモールド樹脂で封止され、他端側が外部に露出した構成とされた圧力センサおよびその製造方法に関する。

従来、センサチップの一端側がモールド樹脂で封止され、他端側が外部に露出した構成とされた圧力センサが知られている。この種の圧力センサとしては、特許文献１に記載の圧力センサが知られている。この圧力センサは、一端側においてセンシング部を備えたセンサチップとセンサの制御などを行う回路チップとがリードフレームの上面に積載されると共に、センサチップの他端側がモールド樹脂で封止された構成とされている。この圧力センサにおけるセンサチップは、圧力検出を行うセンシング部として機能するダイヤフラムとしての薄肉部を有すると共に、この薄肉部を形成するための凹部が形成された構成とされている。このように、この圧力センサでは、薄肉部を有する構成のセンシング部がセンサチップのうち外部に露出した一端側に設けられており、薄肉部を形成するための凹部の表面への圧力媒体（空気などの気体、オイルなどの液体、など）による圧力によって生じる薄肉部の歪みに基づいて圧力を検出する。

特開２０１２−１５４８０１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の圧力センサにおいて、圧力媒体に含まれる水や異物など（以下、これらを総称して「圧力検出の障害となる物」という）が薄肉部を形成するための凹部の表面に付着してしまう場合がある。この場合、圧力媒体の圧力による薄肉部の歪みやすさに誤差が生じることがある。これによって、特許文献１に記載の圧力センサでは、圧力の検出精度が低下してしまうことが問題となっていた。

本発明は上記点に鑑みて、センサチップの一端側がモールド樹脂で封止されると共に他端側が外部に露出した圧力センサにおいて、センシング部の薄肉部を形成するための凹部の表面に圧力検出の障害となる物が付着し難くなる構成を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１または２に記載の発明では、圧力センサにおいて、一端（２ｃ）および一端とは反対側の他端（２ｄ）を有すると共に一面（２ａ）を有し、一端側において、圧力検出を行うセンシング部として機能するダイヤフラムとしての薄肉部（２１ａ）を有すると共に、一端側における一面において、薄肉部を形成するための凹部（２１ｂ）が形成された構成のセンサチップ（２）と、凹部の表面に圧力検出の障害となる物が付着することを防止するために、少なくとも凹部の表面に設けられた保護部（３）と、センサチップの他端側の部分を封止するモールド樹脂（７）と、センサチップのうち一面および他面に挟まれた側面（２ｅ）に対して間隔を空けつつ対向するようにセンサチップの周囲に位置する構成とされ、モールド樹脂に固定された枠（９）とを有し、保護部が、ゲル材料によりなる保護部材で構成されると共に、センサチップの側面と枠の間にも設けられていることを特徴とする。

このため、薄肉部を形成するための凹部の表面に圧力検出の障害となる物が付着し難くなり、圧力媒体の圧力による薄肉部の歪みやすさに誤差が生じて圧力の検出精度が低下してしまうことが生じ難くなる。

また、請求項３に記載の発明では、センサチップのうち一面および他面に挟まれた側面（２ｅ）に対して間隔を空けつつ対向するようにセンサチップの周囲に位置する構成とされ、モールド樹脂に固定された枠（９）を有し、保護部が、ゲル材料よりなる保護部材で構成されると共に、センサチップの側面と枠の間にも設けられている圧力センサの製造方法であって、センサチップの側面に対して間隔を空けつつ対向してセンサチップの周囲に位置するように枠を配置して、センサチップの側面と枠の間に、ゲル状の保護部を垂らし込むことで、センサチップの側面に保護部を設けることを特徴とする。

圧力検出の障害となる物が、センサチップの側面に付着した後に側面から一面へと伝って薄肉部を形成するための凹部に付着する、という事態も生じ難くなる。

なお、この欄および特許請求の範囲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ものである。

本発明の第１実施形態における圧力センサの断面構成を示す図である。 本発明の第２実施形態における圧力センサの平面構成を示す図である。 図２に示す圧力センサのIII-III断面を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図１〜図３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、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る圧力センサ１について図１を参照して説明する。この圧力センサ１は、センサチップ２と、保護部３と、回路チップ４と、ボンディングワイヤ５と、リードフレーム６と、モールド樹脂７とを有する。この圧力センサ１は、例えば、エンジン内へ取り入れられる吸入空気の圧力の検出やＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation：排気再循環）システムなどの排気ガス圧を検出して更にエンジン各部を潤滑にするオイルの圧力を検出する用途などで使用される。

図１に示すように、センサチップ２は、シリコン半導体、ガラスなどを用いて平板状に形成された２枚の基板（以下、それぞれの基板を第１基板２１、第２基板２２という）が張り合わされて平板状とされ、センサ素子等が形成されたＩＣチップである。センサチップ２は、典型的には図１の左右方向を長手方向とする長方形板状を成すものである。センサチップ２は、一面２ａおよび一面２ａと反対側の他面２ｂを有する構成とされている。ここでは、図１に示すように、第１基板２１において一面２ａを有し、第２基板２２において他面を有する構成とされている。

センサチップ２の一面２ａのうち一端２ｃ側には、センシング部が備えられている。センシング部は、圧力検出を行う素子であり、圧力検出を行うセンシング部として機能するダイヤフラムとしての薄肉部２１ａを有し、薄肉部２１ａにおいて図示しない抵抗が形成された構成とされている。この薄肉部２１ａは、例えば、厚さが１０μｍ程度のものとされる。

このセンシング部は、薄肉部２１ａに圧力媒体（空気などの気体、オイルなどの液体、など）によって外圧が加えられると、ピエゾ抵抗効果により抵抗の内部抵抗が変化することを利用して、圧力に対応する電気信号を出力する。センサ素子から出力された電気信号は、回路チップ４、後述するリードフレーム６のリード部６２へと順に伝えられ、最終的には圧力センサ１の外部に伝えられる。

センシング部は、センサチップ２の一面２ａに対して凹んだ形状である凹部（以下、第１凹部という）２１ｂを有する構成とされている。ここでは、第１凹部２１ｂは、圧力検出に使用されるダイヤフラムのうち拡散抵抗を備える部分を薄肉部２１ａとするために形成された凹部として構成されている。なお、第１凹部２１ｂは、例えば、深さが２５０μｍ程度のものとされる。

また、図１に示すように、第２基板２２のうちセンサチップ２の他面２ｂとされている面と反対側の面２２ａにおける第１凹部２１ｂに対向する領域において、凹部（以下、第２凹部という）２２ｂが形成されている。そして、この第２凹部２２ｂと第１基板２１との間の空間によって圧力基準室８が形成されている。本実施形態では、この圧力基準室８が真空圧とされているが、例えば、大気圧とされてもよい。

また、センサチップ２の他面２ｂのうち他端２ｄ側には、電気接続部としてのパッド２３が設けられている。パッド２３は、蒸着やスパッタにより形成されたアルミなどにより構成されている。

保護部３は、圧力検出の障害となる物が第１凹部２１ｂの表面に付着することを防止するための部材であり、図１に示すように、第１凹部２１ｂの表面に設けられている。なお、ここでは、一例として、保護部３は、センサチップ２のうちの第１凹部２１ｂの表面の全面のみに設けられている。

ここで、保護部３を構成する材料は、圧力媒体の種類に応じて設定される必要がある。すなわち、例えば、圧力媒体が空気などの気体である場合には、保護部３は、撥水性の高い材料、例えば、水との接触角が９０度以上であり、かつ、センサチップ２（第１基板２１）を構成する材料に比べて水との接触角が大きい材料で構成される。圧力媒体が空気などの気体である場合には、圧力媒体に含まれる水蒸気が第１凹部２１ｂに付着し易い。このため、この水蒸気に混入した異物が第１凹部２１ｂに付着し易い。しかしながら、本実施形態では、上記の撥水性の高い保護部３を設けられたことで、水蒸気が第１凹部２１ｂ（保護部３）に付着し難くなり、ひいては水蒸気に混入した異物が第１凹部２１ｂに付着し難くなる。この場合、保護部３は、フッ素系樹脂の膜、フッ素系樹脂のシート、もしくはフッ素系ゲルなどによって構成される。ここでは、保護部３は、一例として、フッ素系樹脂の膜で構成されている。

なお、第１凹部２１ｂが水にさらされる環境下で圧力センサ１が使用される場合には、保護部３は、親水性の高い材料、例えば、水との接触角が９０度以下であり、かつ、センサチップ２（第１基板２１）を構成する材料に比べて水との接触角が小さい材料で構成されることが好ましい。保護部３が親水性の高い材料で構成された場合には、水が保護部３において留まり易くなり、圧力検出の障害となる物は、保護部３に留まった水の表面に付着することとなる。その後、その水が圧力検出の障害となる物と共に洗い流されることによって、圧力検出の障害となる物は除去され易くなるからである。

また、保護部３は、薄肉部（ダイヤフラム）２１ａの歪みを阻害し難い材料で構成されることが好ましい。すなわち、弾性率が低く、厚さが薄く、また車載環境下における耐熱性および耐薬品性を有する材料で構成されることが好ましい。この観点から、保護部３は、上記したように、フッ素系樹脂の膜、フッ素系樹脂のシート、もしくはフッ素系ゲルなどによって構成されることが特に好ましい。なお、保護部３は、厚さが数ｎｍの薄い膜とされることが特に好ましい。このように薄い膜は、ウェットプロセスなどで生成することができる。

回路チップ４は、シリコン半導体などを用いて平板状に形成され、半導体集積回路が形成されたＩＣチップである。回路チップ４は、センサチップ２と電気的に接続されてセンサチップ２による圧力検出の制御を行うものである。図１に示すように、回路チップ４は、センサチップ２の他端２ｄに対向するように配置されている。

図１に示すように、リードフレーム６は、センサチップ２および回路チップ４を支持するためのアイランド部、および、回路チップ４に電気的に接続されたリード部６２を有する。

モールド樹脂７は、センサチップ２の他端２ｄ側の部分、回路チップ４、ボンディングワイヤ５、アイランド部６１、およびリード部６２の一部を封止する部材である。モールド樹脂７は、一般的なエポキシ樹脂などで構成され、金型を用いたトランスファーモールド法などにより成形される。

以上が、本実施形態に係る圧力センサ１の全体構成である。このような構成の圧力センサ１により、圧力媒体が第１凹部２１ｂ内を通ってセンシング部（薄肉部２１ａ）に圧力を加えたときに、センシング部（薄肉部２１ａ）によって圧力媒体の圧力測定を行うことができる。

上記で説明したように、本実施形態に係る圧力センサ１は、第１凹部２１ｂの表面に圧力検出の障害となる物が付着することを防止するために、第１凹部２１ｂの表面に設けられた保護部３を有する。

このため、第１凹部２１ｂの表面に圧力検出の障害となる物が付着し難くなり、圧力媒体の圧力による薄肉部の歪みやすさに誤差が生じて圧力の検出精度が低下してしまうことが生じ難くなる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について図２、図３を参照して説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して、保護部３の構成を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

図２、図３に示すように、本実施形態では、センサチップ２のうち一面２ａおよび一面２ａと反対側の他面２ｂによって挟まれた側面２ｅに対して間隔を空けつつ対向するようにセンサチップ２の周囲に位置する構成とされた枠９を設けている。この枠９は、例えば樹脂などによって構成されるものであり、モールド樹脂７に固定されている。なお、枠９は、モールド樹脂７と一体成形されたものであってもよい。

また、保護部３は、ゲル材料よりなる保護部材で構成されている。図２、図３に示すように、保護部３は、第１凹部２１ｂの表面のみならず、センサチップ２の側面２ｅと枠９の間にも設けられている。なお、ここでは、一例として、保護部３は、センサチップ２の側面２ｅと枠９の間のうち全域に設けられている。

このため、本実施形態に係る圧力センサ１では、圧力検出の障害となる物が、センサチップ２の側面２ｅに付着した後に側面２ｅから一面２ａへと伝って第１凹部２１ｂに付着する、という事態も生じ難くなる。

ここで、本実施形態に係る圧力センサ１は以下の製造方法によって製造される。なお、ここでは、本製造方法の特徴部分である、枠９の配置および保護部３の作製の部分のみについて説明する。

まず、センサチップ２の側面２ｅに対して間隔を空けつつ対向してセンサチップ２の周囲に位置するように枠９を配置する。次に、センサチップ２の一面２ａに対してゲル状の保護部３を垂らし込むことで、センサチップ２の第１凹部２１ｂおよびセンサチップ２の側面２ｅと枠９の間に、保護部３に設ける。このとき、ゲル材料で構成された保護部３は、流動性を有するが、ゲルの表面張力によって、センサチップ２の側面２ｅと枠９の間に落ちずに留まる。こうして、センサチップ２の第１凹部２１ｂおよび側面２ｅに、ゲル材料よりなる保護部材で構成された保護部３が設けられる。

このように、本製造方法では、簡素な構造の枠９によって、流動性を有する保護部３を容易に設けることができる。

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、第１実施形態では、保護部３を、第１凹部２１ｂの表面の全面のみに設け、第２実施形態では、保護部３を、第１凹部２１ｂの表面の全面およびセンサチップ２の側面の全面のみに設けていた。しかしながら、第１、２実施形態において、保護部３を、センサチップ２の露出部分（一面２ａ、側面２ｅ、および他面２ｂ）の全面に設けてもよい。この場合、圧力検出の障害となる物が、センサチップ２の露出部分のうち第１凹部２１ｂ以外の部分に付着した後にセンサチップ２の表面を伝って第１凹部２１ｂに付着する、という事態も生じ難くなる。また、膜やシートで構成された保護部３を、センサチップ２とモールド樹脂７との境界部分を覆うように設けてもよい。この場合には、センサチップ２とモールド樹脂７との境界において、モールド樹脂７がセンサチップ２から剥離し難くなる。

また、第１、２実施形態では、保護部３を、フッ素系樹脂の膜、フッ素系樹脂のシート、もしくはフッ素系ゲルなどによって構成していた。しかしながら、保護部３の構成はこの構成に限られるものでない。例えば、第１実施形態において、保護部３を、センサチップ２の一面２ａ（第１基板２１の表面）においてエッチング技術や析出技術などの加工技術によって撥水性もしくは親水性の高い面が形成された部分によって構成してもよい。

２ センサチップ
２１ａ 薄肉部
２１ｂ 第１凹部２
３ 保護部
４ 回路チップ
５ ボンディングワイヤ
６ リードフレーム
７ モールド樹脂
９ 枠

Claims (3)

1. 一端（２ｃ）および前記一端とは反対側の他端（２ｄ）を有すると共に一面（２ａ）を有し、前記一端側において、圧力検出を行うセンシング部として機能するダイヤフラムとしての薄肉部（２１ａ）を有すると共に、前記一端側における前記一面において、前記薄肉部を形成するための凹部（２１ｂ）が形成された構成のセンサチップ（２）と、
   前記凹部の表面に圧力検出の障害となる物が付着することを防止するために、少なくとも前記凹部の表面に設けられた保護部（３）と、
   前記センサチップの他端側の部分を封止するモールド樹脂（７）と、
   前記センサチップのうち一面および他面に挟まれた側面（２ｅ）に対して間隔を空けつつ対向するように前記センサチップの周囲に位置する構成とされ、前記モールド樹脂に固定された枠（９）と、を有し、
   前記保護部が、ゲル材料よりなる保護部材で構成されると共に、前記センサチップの側面と前記枠の間にも設けられていることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記センサチップの他端に対向するように配置され、前記センサチップによる圧力検出の制御を行う回路チップ（４）と、
   前記センサチップと前記回路チップとを電気的に接続するためのボンディングワイヤ（５）と、
   前記センサチップおよび前記回路チップを支持するためのアイランド部（６１）、および、前記回路チップに電気的に接続されたリード部（６２）を有するリードフレーム（６）と、を有し、
   前記モールド樹脂が、前記センサチップの他端側の部分に加えて、前記回路チップ、前記ボンディングワイヤ、前記アイランド部、および前記リード部の一部を封止する構成とされていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 請求項１または２に記載の圧力センサの製造方法であって、
   前記センサチップの側面に対して間隔を空けつつ対向して前記センサチップの周囲に位置するように前記枠を配置して、前記センサチップの側面と前記枠の間に、ゲル状の前記保護部を垂らし込むことで、前記センサチップの側面に前記保護部を設けることを特徴とする圧力センサの製造方法。

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