JP6696449B2

JP6696449B2 - Pressure sensor

Info

Publication number: JP6696449B2
Application number: JP2017010487A
Authority: JP
Inventors: 征司増田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2017-01-24
Filing date: 2017-01-24
Publication date: 2020-05-20
Anticipated expiration: 2037-01-24
Also published as: JP2018119835A

Description

本発明は、センサウェハとパッケージウェハとが接合されてなり、センサ部の気密状態が保たれた圧力センサに関する。 The present invention relates to a pressure sensor in which a sensor wafer and a package wafer are bonded to each other, and an airtight state of a sensor unit is maintained.

従来より、自動車のエンジンオイルにおける油圧を測定できる圧力センサとして例えば特許文献１に記載のものが知られている。 BACKGROUND ART Conventionally, as a pressure sensor capable of measuring the oil pressure in engine oil of an automobile, for example, one disclosed in Patent Document 1 is known.

特許文献１に記載の圧力センサは、センサ部を有するセンサ本体が複数形成されたセンサウェハと、センサ部を気密封止する空間を形成するための凹部が形成されたパッケージウェハと、を有し、センサウェハとパッケージウェハとが接合されてなる。このような構成において、センサウェハとパッケージウェハとの接合面が環状に形成され、その環状の接合面における外周側の端部が、センサウェハとパッケージウェハそれぞれの外表面に形成された第１蒸着膜によって閉塞されている。 The pressure sensor described in Patent Document 1 includes a sensor wafer in which a plurality of sensor bodies having a sensor unit are formed, and a package wafer in which a recessed portion for forming a space for hermetically sealing the sensor unit is formed. The sensor wafer and the package wafer are bonded together. In such a configuration, the bonding surface between the sensor wafer and the package wafer is formed in an annular shape, and the outer peripheral end portion of the annular bonding surface is formed by the first vapor deposition film formed on the outer surface of each of the sensor wafer and the package wafer. It is blocked.

このような構成とされた特許文献１に記載の圧力センサは、センサウェハと凹部とによって構成される空間、すなわちセンサ空間における気密状態が保たれており、センサ部をエンジンオイルに直接曝して油圧を測定することができる。そのため、特許文献１に記載の圧力センサを用いることで、高精度にエンジンオイルの油圧等を測定することができる。 The pressure sensor described in Patent Document 1 having such a configuration maintains an airtight state in the space formed by the sensor wafer and the recess, that is, the sensor space, and directly exposes the sensor unit to the engine oil to apply the hydraulic pressure. Can be measured. Therefore, by using the pressure sensor described in Patent Document 1, it is possible to measure the oil pressure of engine oil and the like with high accuracy.

特開２０１１−１９１２７３号公報JP, 2011-191273, A

ここで、自動車のエンジンで異常燃焼が発生した場合などに、エンジンから振動や衝撃波が生じるノッキングと呼ばれる現象が発生することが知られている。 Here, it is known that when abnormal combustion occurs in an engine of an automobile, a phenomenon called knocking occurs in which vibration or shock wave is generated from the engine.

特許文献１に記載の圧力センサを用いて油圧を測定している際にエンジンで異常燃焼が発生すると、ノッキングによる振動や衝撃波による影響によって圧力センサが振動し、当該振動により圧力センサのセンサ部に変位が生じる。その結果、圧力センサに意図しない圧力信号が検出されてしまう。つまり、ノッキングによる振動等により検出された意図しない信号と油圧により検出された信号とが混合してしまい、信号の出力が過大な変動を起こしてしまう。そのため、特許文献１に記載の圧力センサは、高精度に油圧等を測定できる一方で、異常燃焼に起因するノッキングによる振動等によって、油圧等による信号の出力が過大に変動してしまうという問題があった。 When abnormal combustion occurs in the engine while measuring the hydraulic pressure using the pressure sensor described in Patent Document 1, the pressure sensor vibrates due to the vibration due to knocking or the influence of the shock wave, and the vibration causes the sensor portion of the pressure sensor to move. Displacement occurs. As a result, an unintended pressure signal is detected by the pressure sensor. That is, an unintended signal detected by vibration or the like due to knocking mixes with a signal detected by hydraulic pressure, resulting in excessive fluctuation in signal output. Therefore, while the pressure sensor described in Patent Document 1 can measure the hydraulic pressure and the like with high accuracy, there is a problem in that the signal output due to the hydraulic pressure and the like fluctuates excessively due to vibration and the like due to knocking resulting from abnormal combustion. there were.

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、高精度にエンジンオイル等の圧力を検出すると共に、異常燃焼も検出することができる圧力センサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a pressure sensor that can detect the pressure of engine oil or the like with high accuracy and also detect abnormal combustion.

上記目的を達成するため、請求項１に記載の圧力センサは、流体圧に応じた電気出力を発生するように構成され、エンジンが搭載された車両に取り付けられる圧力センサであって、薄板形状を有し流体圧によって薄板形状における板厚を規定する厚さ方向に撓むダイヤフラム（１４ａ）と、厚さ方向にダイヤフラムと隣接する空間である内部空間（３０）と、を有するセンサチップ（４０）と、センサチップのうちダイヤフラムが形成された一端側と反対の他端側を封止すると共に、センサチップを片持ち状態で支持する封止樹脂（５０）と、を備える。このような構成において、センサチップのうち封止樹脂から露出している部位を露出部（４１）とし、厚さ方向と直交しつつ、露出部が封止樹脂から突き出る方向に平行な方向を突出方向として、突出方向における露出部の長さをＬとし、センサチップの材質のヤング率をＥとし、センサチップの材質の密度をρとし、露出部を突出方向から見た場合における露出部の断面積をＡとし、露出部の断面二次モーメントをＩとし、露出部の固有振動数をｆ_ｎとした場合、ｆ_ｎ＝１．７６／（π×Ｌ^２）×（ＥＩ／ρＡ）^１／２を満たしつつ、ｆ_ｎが４ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの範囲内である。 In order to achieve the above object, the pressure sensor according to claim 1 is a pressure sensor that is configured to generate an electric output according to a fluid pressure and is attached to a vehicle on which an engine is mounted, and has a thin plate shape. A sensor chip (40) having a diaphragm (14a) that flexes in the thickness direction that defines the plate thickness in a thin plate shape by fluid pressure and an internal space (30) that is a space adjacent to the diaphragm in the thickness direction. And a sealing resin (50) that seals the other end of the sensor chip opposite to the one where the diaphragm is formed and that supports the sensor chip in a cantilevered state. In such a configuration, a portion of the sensor chip exposed from the sealing resin is defined as an exposed portion (41), and a portion parallel to the direction in which the exposed portion protrudes from the sealing resin is orthogonal to the thickness direction. As a direction, the length of the exposed portion in the protruding direction is L, the Young's modulus of the material of the sensor chip is E, the density of the material of the sensor chip is ρ, and the exposed portion is cut off when viewed from the protruding direction. When the area is A, the second moment of area of the exposed portion is I, and the natural frequency of the exposed portion is f _n , f _n = 1.76 / (π × L ² ) × (EI / ρA) ^{1 /} while satisfying the ^2, _{f n} is in the range of 4KHz～20kHz.

これにより、露出部の長さが所定の周波数帯の振動を受けた際に共振作用を示すように調整された構造とすることで、ノッキング特有の振動を検出することができ、圧力のみならず、異常燃焼の発生も検出することができる圧力センサとなる。 As a result, by adopting a structure in which the length of the exposed portion is adjusted so as to exhibit a resonance action when subjected to vibration in a predetermined frequency band, vibration unique to knocking can be detected, and not only pressure but also pressure can be detected. The pressure sensor can also detect the occurrence of abnormal combustion.

なお、上記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の一例を示すものである。 In addition, the reference numerals in parentheses of the respective means described above indicate an example of the correspondence relationship with the specific means described in the embodiments described later.

第１実施形態の圧力センサを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the pressure sensor of 1st Embodiment. 第１実施形態の圧力センサのうち露出部の突出量について示す断面図である。It is sectional drawing shown about the protrusion amount of the exposed part among the pressure sensors of 1st Embodiment. ノッキングが発生した際におけるノックセンサの出力変位量の経時変化と第１実施形態の圧力センサの出力変位量の経時変化とを示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a change over time in the output displacement amount of the knock sensor and a change over time in the output displacement amount of the pressure sensor according to the first embodiment when knocking occurs. 第２実施形態の圧力センサの一部を示す上面レイアウト図である。It is an upper surface layout figure showing a part of pressure sensor of a 2nd embodiment.

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、同一符号を付して説明を行う。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each of the following embodiments, the same or equivalent portions will be denoted by the same reference numerals for description.

（第１実施形態）
第１実施形態の圧力センサについて、図１、図２を参照して述べる。本実施形態の圧力センサは、例えばエンジンが搭載された車両等に取り付けられ、エンジンオイルの油圧を検出するための圧力センサとして適用される。 (First embodiment)
The pressure sensor of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2. The pressure sensor of this embodiment is attached to, for example, a vehicle equipped with an engine, and is applied as a pressure sensor for detecting the oil pressure of engine oil.

図１、図２では、本実施形態の圧力センサの構成を分かりやすくするため簡略化して示しており、電極に接続された配線等や他の部品等については省略している。 1 and 2, the structure of the pressure sensor of the present embodiment is simplified for easy understanding, and wirings connected to the electrodes and other parts are omitted.

本実施形態の圧力センサは、図１に示されるように、センサウェハとしての第１基板１０と、パッケージウェハとしての第２基板２０とが接合されたセンサチップ４０と、センサチップ４０の一部を封止する封止樹脂５０とを備えた構成とされている。このような構成において、図１に示されるように、センサチップ４０のうち後述するダイヤフラム１４ａを備えるセンサ部が形成された一端側が封止樹脂５０から露出している。そして、本実施形態の圧力センサでは、センサチップ４０のうち一端側の反対の他端側が封止樹脂５０に封止されており、センサチップ４０がいわば片持ち構造とされている。 As shown in FIG. 1, the pressure sensor of the present embodiment includes a sensor chip 40 in which a first substrate 10 as a sensor wafer and a second substrate 20 as a package wafer are bonded, and a part of the sensor chip 40. And a sealing resin 50 for sealing. In such a configuration, as shown in FIG. 1, one end side of the sensor chip 40 where the sensor portion including the diaphragm 14a described later is formed is exposed from the sealing resin 50. In the pressure sensor of the present embodiment, the other end side of the sensor chip 40 opposite to the one end side is sealed with the sealing resin 50, and the sensor chip 40 has a so-called cantilever structure.

なお、本実施形態の圧力センサが形成されたセンサチップ４０には、上記の圧力センサと共に、図示しない温度センサなどの他のセンサ部品やその回路配線などが設けられていてもよい。 In addition to the above-mentioned pressure sensor, other sensor components such as a temperature sensor (not shown) and circuit wiring thereof may be provided in the sensor chip 40 in which the pressure sensor of the present embodiment is formed.

第１基板１０は、支持基板１１、絶縁膜１２、半導体層１３がこの順に積層されたＳＯＩ（Silicon On Insulatorの略）基板により構成されている。第１基板１０は、半導体層１３のうち絶縁膜１２側と反対側の面である一面１０ａと、支持基板１１のうち絶縁膜１２側と反対側の面である他面１０ｂとを有する。一面１０ａと他面１０ｂは、図１に示すように、表裏の関係にある。 The first substrate 10 is composed of an SOI (abbreviation of Silicon On Insulator) substrate in which a supporting substrate 11, an insulating film 12, and a semiconductor layer 13 are laminated in this order. The first substrate 10 has one surface 10a which is a surface of the semiconductor layer 13 opposite to the insulating film 12 side, and another surface 10b which is a surface of the supporting substrate 11 opposite to the insulating film 12 side. The one surface 10a and the other surface 10b have a front-back relationship as shown in FIG.

第１基板１０には、図１に示すように、センサチップ４０の一端側であって、他面１０ｂ側にエッチング等により凹部１４が形成されている。また、第１基板１０には、凹部１４が形成されることにより生じる薄肉部にダイヤフラム１４ａが構成されている。 As shown in FIG. 1, the first substrate 10 has a recess 14 formed on one end side of the sensor chip 40 and on the other surface 10b side by etching or the like. Further, the first substrate 10 has a diaphragm 14a formed in a thin portion formed by forming the recess 14.

支持基板１１は、例えばシリコンなどの半導体材料により構成されている。支持基板１１には、図１に示すように、例えば一端側に絶縁膜１２に達する断面矩形状の凹部１４が形成されている。 The support substrate 11 is made of a semiconductor material such as silicon. As shown in FIG. 1, the support substrate 11 has, for example, a recess 14 having a rectangular cross section that reaches the insulating film 12 on one end side.

絶縁膜１２は、支持基板１１と半導体層１３とを電気的に絶縁するために支持基板１１上に形成され、例えばＳｉＯ_２などの絶縁性材料等により構成されている。 The insulating film 12 is formed on the support substrate 11 in order to electrically insulate the support substrate 11 and the semiconductor layer 13, and is made of, for example, an insulating material such as SiO ₂ .

半導体層１３は、絶縁膜１２上に形成されている。本実施形態のように第１基板１０をＳＯＩ基板により構成する場合、半導体層１３は、例えばシリコンなどの半導体材料により構成される。半導体層１３の一面１０ａ側には、センサチップ４０の一端側にダイヤフラム１４ａが形成され、ダイヤフラム１４ａよりも他端側に配線層１６が形成されている。 The semiconductor layer 13 is formed on the insulating film 12. When the first substrate 10 is composed of an SOI substrate as in this embodiment, the semiconductor layer 13 is composed of a semiconductor material such as silicon. On one surface 10a side of the semiconductor layer 13, a diaphragm 14a is formed on one end side of the sensor chip 40, and a wiring layer 16 is formed on the other end side of the diaphragm 14a.

ダイヤフラム１４ａは、圧力を受けるとその圧力に応じて変位する部位であり、凹部１４の底面となる絶縁膜１２の一部と絶縁膜１２の当該一部上に配置された半導体層１３の一部とにより構成されている。ダイヤフラム１４ａは、第１基板１０の一面１０ａから他面１０ｂへ向かう方向、すなわち、基板法線方向から見た平面形状が例えば矩形状とされている。半導体層１３のうちダイヤフラム１４ａを構成する領域には、図１に示すように、センシングを行うセンシング素子として、圧力によって抵抗値が変化するゲージ抵抗１５が形成されている。このゲージ抵抗１５は、拡散抵抗等によりなる。 The diaphragm 14a is a portion that is displaced according to the pressure when it receives pressure, and is a part of the insulating film 12 that becomes the bottom surface of the recess 14 and a part of the semiconductor layer 13 disposed on the part of the insulating film 12. It is composed of and. The diaphragm 14a has, for example, a rectangular planar shape in a direction from the one surface 10a of the first substrate 10 to the other surface 10b, that is, when viewed from the substrate normal direction. As shown in FIG. 1, a gauge resistor 15 whose resistance value changes with pressure is formed as a sensing element for sensing in a region of the semiconductor layer 13 that constitutes the diaphragm 14a. The gauge resistor 15 is a diffusion resistor or the like.

配線層１６は、半導体層１３内を適宜引き回されることにより、図１とは異なる別断面において、各ゲージ抵抗１５の接続点と電気的に接続されており、例えばＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕなどの導電性材料等により構成されている。 The wiring layer 16 is electrically connected to the connection point of each gauge resistor 15 in another cross section different from FIG. 1 by being appropriately routed inside the semiconductor layer 13, and, for example, Al, Cu, Ag, It is made of a conductive material such as Au.

なお、配線層１６は、便宜上、図１等において半導体層１３に埋め込まれるように表記されているが、半導体層１３上に形成されていてもよい。 Although the wiring layer 16 is illustrated as being embedded in the semiconductor layer 13 in FIG. 1 and the like for convenience, it may be formed on the semiconductor layer 13.

第２基板２０は、表裏の関係にある表面２１ａおよび裏面２１ｂを有するシリコン基板２１と、シリコン基板２１の表面２１ａ上に形成された絶縁膜２２と、シリコン基板２１の裏面２１ｂ上に形成された絶縁膜２３とを有している。第２基板２０は、絶縁膜２２を介して、第１基板１０の一面１０ａを構成する半導体層１３と接合されている。絶縁膜２２および絶縁膜２３は、例えばＳｉＯ_２等の絶縁性材料等により構成されている。 The second substrate 20 is formed on a silicon substrate 21 having a front surface 21a and a back surface 21b that are in a front-back relationship, an insulating film 22 formed on the front surface 21a of the silicon substrate 21, and a back surface 21b of the silicon substrate 21. It has an insulating film 23. The second substrate 20 is bonded to the semiconductor layer 13 forming the one surface 10 a of the first substrate 10 via the insulating film 22. The insulating film 22 and the insulating film 23 are made of, for example, an insulating material such as SiO ₂ .

なお、本実施形態では、絶縁膜２２のうちシリコン基板２１側と反対側の面が、第２基板２０の一面２０ａとされている。また、絶縁膜２３のうちシリコン基板２１側と反対側の面が、第２基板２０の他面２０ｂとされており、一面２０ａと他面２０ｂとは、図１に示すように、表裏の関係にある。 In this embodiment, the surface of the insulating film 22 opposite to the silicon substrate 21 side is the one surface 20a of the second substrate 20. Further, the surface of the insulating film 23 opposite to the silicon substrate 21 side is the other surface 20b of the second substrate 20, and the one surface 20a and the other surface 20b have a front-back relationship as shown in FIG. It is in.

第２基板２０の一面２０ａ側には、第１基板１０のダイヤフラム１４ａと対向する部分に、窪み部２０ｃが形成されている。この窪み部２０ｃは、例えば第２基板２０の一面２０ａ側からエッチング等をすることにより形成される。 On the one surface 20a side of the second substrate 20, a recess 20c is formed in a portion of the first substrate 10 facing the diaphragm 14a. The recess 20c is formed, for example, by etching the one surface 20a side of the second substrate 20.

第２基板２０には、図１に示すように、第２基板２０の他面２０ｂから一面２０ａへ向う方向、すなわち、第２基板２０の厚さ方向に貫通する複数の貫通電極部２４が形成されている。 As shown in FIG. 1, the second substrate 20 has a plurality of penetrating electrode portions 24 penetrating in a direction from the other surface 20b of the second substrate 20 to the one surface 20a, that is, in the thickness direction of the second substrate 20. Has been done.

具体的には、各貫通電極部２４は、シリコン基板２１および絶縁膜２２、２３を貫通して配線層１６を露出させる貫通孔２４ａを備えている。各貫通電極部２４は、この貫通孔２４ａと、貫通孔２４ａの壁面に形成された絶縁膜２４ｂと、この絶縁膜２４ｂ上に形成され且つ配線層１６と電気的に接続された貫通電極２４ｃと、貫通電極２４ｃと接続され、絶縁膜２３上に配置されたパッド部２４ｄと、を備える。 Specifically, each through electrode portion 24 has a through hole 24 a that penetrates the silicon substrate 21 and the insulating films 22 and 23 to expose the wiring layer 16. Each through electrode portion 24 includes the through hole 24a, an insulating film 24b formed on the wall surface of the through hole 24a, and a through electrode 24c formed on the insulating film 24b and electrically connected to the wiring layer 16. , A pad portion 24d connected to the through electrode 24c and arranged on the insulating film 23.

貫通電極部２４は、図１に示されるように、第２基板２０のうちセンサチップ４０の他端側に設けられ、第２基板２０の他面２０ｂから一面２０ａまで貫通して配線層１６と電気的に接続されている。貫通電極部２４は、本実施形態では、図１に示すように、例えば第２基板２０の他面２０ｂから一面２０ａに向かって径が小さくなる円錐形状とされている。 As shown in FIG. 1, the penetrating electrode portion 24 is provided on the other end side of the sensor chip 40 in the second substrate 20, penetrates from the other surface 20b of the second substrate 20 to the one surface 20a, and forms the wiring layer 16. It is electrically connected. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the through electrode portion 24 has, for example, a conical shape whose diameter decreases from the other surface 20b of the second substrate 20 toward the one surface 20a.

なお、貫通電極部２４のうちパッド部２４ｄは、図示しないワイヤ等を介して外部回路と電気的に接続されている。また、例えば、貫通電極部２４において、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）等の絶縁性材料が絶縁膜２４ｂとして用いられ、Ａｌ等の導電性材料が貫通電極２４ｃおよびパッド部２４ｄとして用いられる。さらに、貫通電極部２４およびこれに接続される図示しないワイヤ等は、図１に示すように、封止樹脂５０により封止されている。 The pad portion 24d of the through electrode portion 24 is electrically connected to an external circuit via a wire (not shown) or the like. Further, for example, in the through electrode portion 24, an insulating material such as tetraethyl orthosilicate (TEOS) is used as the insulating film 24b, and a conductive material such as Al is used as the through electrode 24c and the pad portion 24d. Further, the penetrating electrode portion 24 and wires (not shown) connected to the penetrating electrode portion 24 are sealed with a sealing resin 50 as shown in FIG.

センサチップ４０には、第１基板１０と窪み部２０ｃを備える第２基板２０とが接合されることより、第１基板１０と第２基板２０との間に、内部空間３０が形成されている。内部空間３０は、第１基板１０と窪み部２０ｃとの間の空間によってゲージ抵抗１５を封止する封止空間に相当する。内部空間３０の圧力は、第１基板１０と第２基板２０との接合条件により決まり、例えば、第１基板１０と第２基板２０とが真空条件下で接合される場合には、真空圧とされる。なお、内部空間３０は、圧力センサにおいて基準となる圧力の封止空間であり、基準圧室と呼ばれる。 The internal space 30 is formed between the first substrate 10 and the second substrate 20 by joining the first substrate 10 and the second substrate 20 having the recess 20 c to the sensor chip 40. .. The internal space 30 corresponds to a sealing space that seals the gauge resistor 15 with the space between the first substrate 10 and the recess 20c. The pressure of the internal space 30 is determined by the bonding condition between the first substrate 10 and the second substrate 20, and, for example, when the first substrate 10 and the second substrate 20 are bonded under a vacuum condition, a vacuum pressure To be done. The internal space 30 is a sealed space for a reference pressure in the pressure sensor and is called a reference pressure chamber.

センサチップ４０は、図２に示すように、他端側を封止樹脂５０により封止されており、封止樹脂５０から突き出るように伸び、封止樹脂５０から露出する露出部４１を備えている。 As shown in FIG. 2, the sensor chip 40 has the other end side sealed with a sealing resin 50, and has an exposed portion 41 that extends so as to protrude from the sealing resin 50 and is exposed from the sealing resin 50. There is.

ここで、露出部４１が封止樹脂５０から突き出た方向を突出方向とし、突出方向における露出部４１の長さ、すなわち突出量をＬ（単位：ｍ）とし、露出部４１の断面二次モーメントをＩ（単位：ｍ^４）とし、露出部４１の固有振動数をｆ_ｎ（単位：Ｈｚ）とする。また、露出部４１を突出方向から見たときの断面積をＡ（単位：ｍ^２）とする。さらに、センサチップ４０として用いた材質、例えば、本実施形態ではＳｉのヤング率をＥ（単位：Ｐａ）とし、その密度をρ（単位：ｋｇ／ｍ^３）とし、円周率をπとする。このとき、Ｌは下記の式（１）を満たすものとされている。 Here, the direction in which the exposed portion 41 protrudes from the sealing resin 50 is the protruding direction, the length of the exposed portion 41 in the protruding direction, that is, the amount of protrusion is L (unit: m), and the second moment of area of the exposed portion 41 is Is I (unit: m ⁴ ), and the natural frequency of the exposed portion 41 is f _n (unit: Hz). The cross-sectional area of the exposed portion 41 when viewed from the protruding direction is A (unit: m ² ). Furthermore, the material used for the sensor chip 40, for example, in the present embodiment, the Young's modulus of Si is E (unit: Pa), its density is ρ (unit: kg / m ³ ) and the circular constant is π. .. At this time, L is supposed to satisfy the following formula (1).

ｆ_ｎ＝１．７６／（π×Ｌ^２）×（ＥＩ／ρＡ）^１／２・・・（１）
式（１）は、片持ち構造の梁における梁の固有振動数を求める式から算出することができる。また、露出部４１が長方形状とされた場合において、突出方向から見たときにおける露出部の断面における幅をｂとし、厚みをｈとする。このとき、断面積Ａについては、Ａ＝ｂｈで表され、断面二次モーメントＩについては、Ｉ＝ｂｈ^３／１２で表される。 f _n = 1.76 / (π × L ² ) × (EI / ρA) ^1/2 (1)
The formula (1) can be calculated from a formula for obtaining the natural frequency of the beam in the cantilever structure beam. When the exposed portion 41 has a rectangular shape, the width in the cross section of the exposed portion when viewed from the protruding direction is b and the thickness is h. At this time, the cross-sectional area A, is represented by A = bh, for the second moment I, represented by I = ^bh 3/12.

ここで、式（１）におけるｆ_ｎは、４ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの範囲内、より好ましくは７ｋＨｚ〜１２ｋＨｚの範囲内とされる。言い換えると、本実施形態の圧力センサの固有振動数ｆ_ｎが、４ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの範囲内、すなわち一般的なエンジンでノッキングが発生した際の周波数帯（以下「ノッキング周波数帯」という）の振動数と一致するように、突出量Ｌが調整されている。すなわち、本実施形態の圧力センサがノッキング周波数帯の振動を受けた場合に、共振作用を起こすように露出部４１の突出量Ｌの値が調整されている。つまり、突出量Ｌが４ｋＨｚ≦式（１）のｆ_ｎ≦２０ｋＨｚを満たすように調整されることで、エンジンにおけるノッキング周波数帯の振動が露出部４１に伝わった場合、共振作用によりこの振動が増幅される。その結果、エンジンでノッキングが発生していない通常の状態には、エンジンオイル等の油圧による信号を出力し、エンジンでノッキングが発生している異常燃焼時には、増幅された振動による信号を出力することとなる。すなわち、圧力のみならず、異常燃焼の発生も検出することが可能な圧力センサとなる。 Here, f _n in the formula (1) is set within a range of 4 kHz to 20 kHz, and more preferably within a range of 7 kHz to 12 kHz. In other words, the natural frequency f _n of the pressure sensor of the present embodiment is within the range of 4 kHz to 20 kHz, that is, the frequency of the frequency band when knocking occurs in a general engine (hereinafter referred to as “knocking frequency band”). The protrusion amount L is adjusted so as to match with. That is, the value of the protrusion amount L of the exposed portion 41 is adjusted so as to cause a resonance action when the pressure sensor of the present embodiment receives vibration in the knocking frequency band. That is, when the protrusion amount L is adjusted so as to satisfy 4 kHz ≦ f _n ≦ 20 kHz in Expression (1), when vibration in the knocking frequency band of the engine is transmitted to the exposed portion 41, this vibration is amplified by the resonance action. To be done. As a result, a signal due to the oil pressure such as engine oil should be output in the normal state where the engine is not knocking, and an amplified vibration signal should be output during abnormal combustion where the engine is knocking. Becomes That is, the pressure sensor can detect not only the pressure but also the occurrence of abnormal combustion.

具体的には、例えば、ノッキングが起きた際にエンジンから発生する振動の周波数（以下「ノッキング周波数」という）が１０ｋＨｚのエンジンを搭載した車両に、本実施形態の圧力センサを取り付ける場合について検討する。この場合、本実施形態の圧力センサにおける露出部４１の突出量Ｌは、式（１）にて算出される当該圧力センサの固有振動数ｆ_ｎが１０ｋＨｚとなるように調整すればよい。 Specifically, for example, a case where the pressure sensor of the present embodiment is attached to a vehicle equipped with an engine in which the frequency of vibration generated from the engine when knocking occurs (hereinafter referred to as “knocking frequency”) is 10 kHz will be considered. .. In this case, the protrusion amount L of the exposed portion 41 in the pressure sensor of the present embodiment, the natural frequency f _n of the pressure sensor is calculated by a formula (1) may be adjusted so that the 10 kHz.

より具体的には、例えば、センサチップ４０の材質がシリコンである場合には、ｆ_ｎとして１０ｋＨｚを、ヤング率Ｅとしてシリコンのヤング率１３０×１０^９（Ｐａ）を、密度ρとしてシリコンの密度２３３２ｋｇ／ｍ^３を式（１）に代入する。また、露出部４１が長方形状とされ、突出方向から見たときにおける露出部の断面における幅ｂが１.３×１０^−３（ｍ）であり、厚みｈが４×１０^−４（ｍ）であるとする。そして、これにより得られる断面二次モーメントＩ＝６．９３×１０^−１５（ｍ^４）を式（１）に代入する。その結果、式（１）により得られるＬ＝６．９５×１０^−３ｍとなるように、露出部４１の突出量Ｌが調整された圧力センサとする。これにより、ノッキング振動数が１０ｋＨｚであるエンジンにおいて、本実施形態の圧力センサは、ノッキング周波数１０ｋＨｚの振動を増幅した信号を出力でき、当該エンジンにて異常燃焼が発生したことを検出することができる。 More specifically, for example, when the material of the sensor chip 40 is silicon, f _n is 10 kHz, Young's modulus E is Young's modulus 130 × 10 ⁹ (Pa), and density ρ is silicon's density. Substitute 2332 kg / m ³ into equation (1). Further, the exposed portion 41 has a rectangular shape, the width b in the cross section of the exposed portion when viewed from the protruding direction is 1.3 × 10 ⁻³ (m), and the thickness h is 4 × 10 ⁻⁴ (m). Suppose Then, the second moment of area I = 6.93 × 10 ⁻¹⁵ (m ⁴ ) obtained by this is substituted into the equation (1). As a result, the pressure sensor is adjusted such that the protrusion amount L of the exposed portion 41 is adjusted so that L = 6.95 × 10 ⁻³ m obtained by the equation (1). As a result, in an engine with a knocking frequency of 10 kHz, the pressure sensor of the present embodiment can output a signal that amplifies the vibration with a knocking frequency of 10 kHz, and can detect that abnormal combustion has occurred in the engine. ..

なお、上記ではノッキング周波数が１０ｋＨｚである場合における本実施形態の圧力センサの突出量Ｌの調整について説明したが、エンジンの種類等によりそのノッキング振動数が異なり、エンジンごとにそのエンジン固有のノッキング周波数を有する。そのため、圧力センサを取り付ける車両等に搭載されたエンジン固有のノッキング周波数に合わせて、本実施形態の圧力センサの突出量Ｌを調整すればよい。また、本実施形態の圧力センサがノッキングによる振動を受けた際における異常燃焼の検出結果については、圧力センサのセンサ出力の説明にて後述する。 In the above description, the adjustment of the protrusion amount L of the pressure sensor of the present embodiment when the knocking frequency is 10 kHz has been described. However, the knocking frequency differs depending on the type of the engine, and the knocking frequency peculiar to the engine is different for each engine. Have. Therefore, the protrusion amount L of the pressure sensor of the present embodiment may be adjusted according to the knocking frequency peculiar to the engine mounted on the vehicle or the like to which the pressure sensor is attached. The detection result of abnormal combustion when the pressure sensor of this embodiment receives vibration due to knocking will be described later in the description of the sensor output of the pressure sensor.

また、ノッキングが発生した際に共振作用を起こすように露出部４１の突出量Ｌが調整されていることから、ノッキングによる振動を受けた際の露出部４１の揺れが、従来の圧力センサよりも大きくなることが懸念される。しかし、図１に示すように、センサチップ４０のうち露出部４１と封止樹脂５０に封止された部位との境界を根元部４０ａとして、根元部４０ａにおける最大応力を考慮した設計とすることで、これを解消できる。 Further, since the protrusion amount L of the exposed portion 41 is adjusted so as to cause a resonance action when knocking occurs, the shake of the exposed portion 41 when it is subjected to vibration due to knocking is larger than that of the conventional pressure sensor. There is a concern that it will grow. However, as shown in FIG. 1, the boundary between the exposed portion 41 of the sensor chip 40 and the portion sealed with the sealing resin 50 is set as the root portion 40a, and the maximum stress in the root portion 40a is considered in the design. Then, this can be solved.

具体的には、片持ち構造のセンサチップ４０に等分布荷重Ｐがかかった際における根元部４０ａでの最大応力σ_maxは、下記の式（２）により求めることができる。 Specifically, the maximum stress σ _max at the root portion 40a when a uniformly distributed load P is applied to the sensor chip 40 having a cantilever structure can be obtained by the following formula (2).

σ_max ＝Ｐ×Ｌ^２／２Ｚ・・・（２）
なお、式（２）におけるＺは断面係数であり、上記と同様に、露出部４１を突出方向から見た場合の断面が長方形状とされ、その幅と厚みをそれぞれｂ、ｈとすると、Ｚ＝ｂｈ^２／６となる。この最大応力σ_maxを考慮した設計とすれば、共振作用により根元部４０ａに応力がかかってもこれによる破損等を抑制することができる。 σ _max = P × L ² / 2Z ... (2)
Note that Z in the equation (2) is a section modulus, and similarly to the above, when the exposed section 41 is viewed in the protruding direction and its section is rectangular, and its width and thickness are b and h, respectively, Z = the ^bh 2/6. By designing in consideration of the maximum stress σ _max , even if stress is applied to the root portion 40a due to the resonance action, damage or the like due to this can be suppressed.

封止樹脂５０は、図１に示すように、センサチップ４０のうちダイヤフラム１４ａが形成された一端側とし、その反対の他端側に形成された貫通電極部２４を含む部位を覆うように形成されている。封止樹脂５０は、例えばエポキシ樹脂などの樹脂材料により構成されている。 As shown in FIG. 1, the sealing resin 50 is formed so as to cover one side of the sensor chip 40 on which the diaphragm 14a is formed and a portion including the through electrode portion 24 formed on the other end side opposite to the one side. Has been done. The sealing resin 50 is made of a resin material such as an epoxy resin.

次に、本実施形態の圧力センサの製造方法について説明する。なお、このような圧力センサは、上記特許文献１等に示される従来のものと同様にして製造されるため、ここでは簡単に説明する。 Next, a method for manufacturing the pressure sensor of this embodiment will be described. Since such a pressure sensor is manufactured in the same manner as the conventional one shown in Patent Document 1 and the like, it will be briefly described here.

まず、例えば、シリコン基板を支持基板１１として用意し、熱酸化等により支持基板１１上にＳｉＯ_２等の絶縁膜１２を形成する。そして、別のシリコン基板を用意して、当該別のシリコン基板と絶縁膜１２が形成された支持基板１１とを例えば熱処理を用いて貼り合わせて半導体層１３を形成することにより、ＳＯＩ基板を形成し、これを第１基板１０とする。 First, for example, a silicon substrate is prepared as the support substrate 11, and the insulating film 12 such as SiO ₂ is formed on the support substrate 11 by thermal oxidation or the like. Then, another silicon substrate is prepared, and the another silicon substrate and the support substrate 11 on which the insulating film 12 is formed are bonded to each other by, for example, heat treatment to form the semiconductor layer 13, thereby forming the SOI substrate. Then, this is used as the first substrate 10.

次に、第１基板１０のうち支持基板１１に例えばドライエッチング等により凹部１４を形成すると共に、第１基板１０のうち半導体層１３にスパッタや蒸着等によりゲージ抵抗１５や配線層１６等を形成する。 Next, the recess 14 is formed in the support substrate 11 of the first substrate 10 by, for example, dry etching, and the gauge resistor 15 and the wiring layer 16 are formed in the semiconductor layer 13 of the first substrate 10 by sputtering or vapor deposition. To do.

一方で、シリコン基板２１を用意し、例えば熱酸化等によりシリコン基板２１の表面２１ａ上に絶縁膜２２を形成し、シリコン基板２１の裏面２１ａ上に絶縁膜２３を形成して、これを第２基板２０とする。そして、例えば、第２基板２０の一面２０ａ側からドライエッチングなどにより窪み部２０ｃを形成する。続けて、例えば、第２基板２０の他面２０ｂ側からドライエッチング等により貫通孔２４ａを形成し、スパッタや蒸着などにより絶縁膜２４ｂ、貫通電極２４ｃ、パッド２４ｄを形成して貫通電極部２４を形成する。その後、第１基板１０と第２基板２０とを例えば熱処理を用いて貼り合わせる。これにより、センサチップ４０が製造される。 On the other hand, the silicon substrate 21 is prepared, the insulating film 22 is formed on the front surface 21a of the silicon substrate 21, and the insulating film 23 is formed on the back surface 21a of the silicon substrate 21 by, for example, thermal oxidation. The substrate 20 is used. Then, for example, the recess 20c is formed from the one surface 20a side of the second substrate 20 by dry etching or the like. Then, for example, the through hole 24a is formed from the other surface 20b side of the second substrate 20 by dry etching or the like, and the insulating film 24b, the through electrode 24c, and the pad 24d are formed by sputtering or vapor deposition to form the through electrode portion 24. Form. Then, the 1st board | substrate 10 and the 2nd board | substrate 20 are bonded together using heat processing, for example. As a result, the sensor chip 40 is manufactured.

次に、図示しない樹脂封止用の金型を用意し、センサチップ４０をこの金型にセットする。そして、封止樹脂５０となる樹脂材料を金型内に流し込み、加熱処理を行うことでセンサチップ４０のうち貫通電極部２４を含む端部側を封止する封止樹脂を形成する。このとき、例えば、金型に対するセンサチップの固定位置を調整することにより、センサチップ４０のうち封止樹脂５０から露出する露出部４１の突出量Ｌを適宜調整することができる。このようにして、本実施形態の圧力センサを製造することができる。 Next, a resin sealing mold (not shown) is prepared, and the sensor chip 40 is set in this mold. Then, a resin material to be the sealing resin 50 is poured into the mold and heat treatment is performed to form a sealing resin for sealing the end portion side including the through electrode portion 24 of the sensor chip 40. At this time, for example, by adjusting the fixing position of the sensor chip with respect to the mold, the protrusion amount L of the exposed portion 41 of the sensor chip 40 exposed from the sealing resin 50 can be appropriately adjusted. In this way, the pressure sensor of this embodiment can be manufactured.

次に、自動車のエンジンにおける異常燃焼の検出において、従来のノックセンサによる検出と本実施形態の圧力センサによる検出とについて、図３を参照して説明する。 Next, in the detection of abnormal combustion in the engine of the automobile, the detection by the conventional knock sensor and the detection by the pressure sensor of the present embodiment will be described with reference to FIG.

エンジンにおいて異常燃焼が発生した際において、図３（ａ）では、ノッキングが発生した際における従来のノックセンサによる出力変化を示し、図３（ｂ）では、本実施形態の圧力センサにおける圧力変化を示している。図３（ａ）の縦軸については、ノックセンサの出力変位量（単位：Ｇ）を示し、横軸については時間（単位：ｍｓｅｃ）を示している。図３（ｂ）の縦軸については、本実施形態の圧力センサにおける圧力（単位：ｋＰａ）を示し、横軸については、時間（単位：ｍｓｅｃ）を示している。また、図３（ａ）、図３（ｂ）におけるＸは、ノッキングが発生したタイミングを示している。 When abnormal combustion occurs in the engine, FIG. 3 (a) shows the output change by the conventional knock sensor when knocking occurs, and FIG. 3 (b) shows the pressure change in the pressure sensor of the present embodiment. Shows. The vertical axis of FIG. 3A represents the output displacement amount (unit: G) of the knock sensor, and the horizontal axis represents time (unit: msec). The vertical axis of FIG. 3B shows the pressure (unit: kPa) in the pressure sensor of the present embodiment, and the horizontal axis shows time (unit: msec). In addition, X in FIGS. 3A and 3B indicates the timing at which knocking occurs.

まず、従来のノックセンサによる異常燃焼の検出について簡単に説明する。ノックセンサは、例えば自動車のエンジンの外壁面に取り付けられ、異常燃焼が生じた際に発生する振動や衝撃波を受けて出力を発生する。この異常燃焼に起因してエンジンで生じる振動や衝撃波によってノックセンサから発生する出力を検出することで、ノッキングが生じたと判定し、エンジンでの異常燃焼の発生を検出できる。 First, the detection of abnormal combustion by the conventional knock sensor will be briefly described. The knock sensor is attached to, for example, an outer wall surface of an automobile engine and generates an output in response to a vibration or a shock wave generated when abnormal combustion occurs. By detecting the output generated from the knock sensor due to the vibration or shock wave generated in the engine due to this abnormal combustion, it is possible to determine that knocking has occurred and to detect the occurrence of abnormal combustion in the engine.

具体的には、エンジンでのノッキングが生じた際のノックセンサでの出力を確認したところ、図３（ａ）に示すように、ノッキング発生時点から０．０４６ｍｓｅｃ、０．１２４ｍｓｅｃ、０．２３４ｍｓｅｃで出力が３５０Ｇを超える出力が検出された。このようにノックセンサにより生じる信号を利用して、ノッキングが生じた、すなわちエンジンでの異常燃焼が生じたと判定することができる。 Specifically, when the output of the knock sensor when the engine knocked occurs, as shown in FIG. 3A, 0.046 msec, 0.124 msec, and 0.234 msec from the knocking occurrence time. An output exceeding 350 G was detected. In this way, by using the signal generated by the knock sensor, it is possible to determine that knocking has occurred, that is, abnormal combustion in the engine has occurred.

これに対して、圧力センサは、本来、測定媒体の圧力を検出するためのものであり、上記のようにエンジンでの異常燃焼を検出するためのものではない。そのため、従来の圧力センサでは、エンジンでの異常燃焼を検出することができない。その一方で、例えば自動車等に取り付けられる圧力センサでは、エンジンでの異常燃焼が発生すると、エンジンでの異常燃焼により生じる振動等の影響を受けてしまう。その結果、圧力センサは、異常燃焼の影響を受け、異常燃焼が生じた際における圧力に関する出力が変動してしまうこととなる。 On the other hand, the pressure sensor is originally for detecting the pressure of the measurement medium, and is not for detecting abnormal combustion in the engine as described above. Therefore, the conventional pressure sensor cannot detect abnormal combustion in the engine. On the other hand, for example, in a pressure sensor attached to an automobile or the like, when abnormal combustion occurs in the engine, it is affected by vibrations and the like caused by the abnormal combustion in the engine. As a result, the pressure sensor is affected by the abnormal combustion, and the output related to the pressure when the abnormal combustion occurs changes.

ここで、圧力センサの動作原理について簡単に説明する。本実施形態の圧力センサにおいては、第１基板１０におけるダイヤフラム１４ａが、圧力に応じて変位し、その変位に応じた信号が出力される構成とされている。具体的には、第１基板１０の他面１０ｂ側から、このダイヤフラム１４ａに圧力が印加されると、ダイヤフラム１４ａが変位してゲージ抵抗１５の抵抗値が変化するため、抵抗値に応じた電気信号がセンサ信号として出力される。 Here, the operating principle of the pressure sensor will be briefly described. In the pressure sensor of the present embodiment, the diaphragm 14a on the first substrate 10 is displaced according to the pressure, and a signal according to the displacement is output. Specifically, when pressure is applied to the diaphragm 14a from the side of the other surface 10b of the first substrate 10, the diaphragm 14a is displaced and the resistance value of the gauge resistor 15 changes, so that the electrical resistance corresponding to the resistance value is changed. The signal is output as a sensor signal.

また、例えば、特許文献１等の従来の圧力センサをエンジンオイルの油圧を検出するために使用している場合について検討する。従来の圧力センサは、センサ部をエンジンオイルに直接曝してエンジンオイルからの圧力によるゲージ抵抗の抵抗値の変化を検出しているため、高精度でエンジンオイルの油圧を測定できる。一方、エンジンでの異常燃焼によりノッキングが発生すると、エンジンから振動や衝撃波が生じ、この振動や衝撃波が従来の圧力センサに伝わることとなる。 Further, for example, a case where a conventional pressure sensor disclosed in Patent Document 1 or the like is used to detect the oil pressure of engine oil will be considered. Since the conventional pressure sensor detects the change in the resistance value of the gauge resistance due to the pressure from the engine oil by directly exposing the sensor unit to the engine oil, the oil pressure of the engine oil can be measured with high accuracy. On the other hand, when knocking occurs due to abnormal combustion in the engine, vibration and shock waves are generated from the engine, and these vibrations and shock waves are transmitted to the conventional pressure sensor.

従来の圧力センサは、センシング部品の一端側が封止樹脂から露出した構造、いわば片持ち構造とされている。そのため、このような片持ち構造とされた圧力センサは、振動や衝撃波を受けると、封止樹脂から露出した露出部がこの振動等により揺れやすい。センサ部を有する露出部が揺れてしまうと、揺れによりセンサ部であるダイヤフラムは、この揺れにより変位してしまう。これにより、圧力センサは、エンジンオイルによる油圧による信号に加えて、この揺れによる変位に基づく信号も出力してしまう。そのため、従来の圧力センサは、ノッキングによる振動を受けると、その信号の出力が変動してしまう。 The conventional pressure sensor has a structure in which one end side of the sensing component is exposed from the sealing resin, that is, a cantilever structure. Therefore, when the pressure sensor having such a cantilever structure receives a vibration or a shock wave, the exposed portion exposed from the sealing resin is easily shaken by the vibration or the like. When the exposed portion having the sensor unit shakes, the shake causes the diaphragm, which is the sensor unit, to be displaced due to the shake. As a result, the pressure sensor outputs a signal based on the displacement due to this shaking in addition to the signal based on the oil pressure due to the engine oil. Therefore, when the conventional pressure sensor receives vibration due to knocking, the output of the signal fluctuates.

本発明者らは、ノッキング周波数帯については、エンジンによって固有ではあるものの、およそ４〜２０ｋＨｚ程度、さらにいうと７〜１２ｋＨｚ程度の周波数帯であることに着目した。具体的には、本発明者らは、圧力センサがノッキング周波数帯における特定のノッキング周波数の振動を受けた場合に、共振作用を利用して、この振動を増幅することにより、圧力のみならず異常燃焼をも検出できると考えた。そこで、圧力センサによる異常燃焼の発生の検出について鋭意検討をした結果、露出部４１の突出量Ｌをエンジン固有のノッキング周波数帯に応じて所定の範囲内とした圧力センサとすることで、圧力および異常燃焼を検出できる圧力センサとなることを見出した。 The present inventors have noticed that the knocking frequency band is about 4 to 20 kHz, more specifically about 7 to 12 kHz, although it is unique to each engine. Specifically, when the pressure sensor receives a vibration of a specific knocking frequency in the knocking frequency band, the present inventors utilize the resonance action to amplify this vibration, so that not only pressure but abnormal I thought that combustion could be detected. Then, as a result of earnestly studying the detection of the abnormal combustion occurrence by the pressure sensor, as a result of the pressure sensor having the protrusion amount L of the exposed portion 41 within a predetermined range according to the knocking frequency band peculiar to the engine, the pressure and It has been found that the pressure sensor can detect abnormal combustion.

つまり、エンジンにノッキングが発生していない通常の状態においては、エンジンオイルによる圧力を検出し、エンジンにノッキングが発生した異常燃焼の状態においては、ノッキング周波数の振動を増幅させつつ、これを検出する。そして、例えば回路チップで通常時の圧力信号についてはローパスフィルタを通過させることで、オイル等の油圧の出力を主に検出し、異常燃焼時の圧力信号についてはバンドパスフィルタを通過させることで、ノッキング周波数帯の出力を主に検出できる。このとき、ノッキング周波数帯の出力が一定の閾値を超えた場合に、例えば、圧力センサに接続された図示しないＥＣＵ（Electronic Driving Unitの略）でノッキングの発生を検出することで、異常燃焼を判定することが可能となる。そして、当該圧力センサにより検出した異常燃焼判定に基づいて、点火プラグにおける点火時期を遅らせる遅角制御を実施することができる。 That is, in a normal state where the engine is not knocked, the pressure due to the engine oil is detected, and in an abnormal combustion state where the engine is knocked, this is detected while amplifying the vibration of the knocking frequency. .. Then, for example, by passing a low-pass filter for a pressure signal at a normal time in a circuit chip, the output of hydraulic pressure such as oil is mainly detected, and a pressure signal at abnormal combustion is passed through a band-pass filter, The output of the knocking frequency band can be mainly detected. At this time, when the output of the knocking frequency band exceeds a certain threshold value, for example, an ECU (abbreviation of Electronic Driving Unit) (not shown) connected to the pressure sensor detects occurrence of knocking to determine abnormal combustion. It becomes possible to do. Then, based on the abnormal combustion determination detected by the pressure sensor, it is possible to perform the retard control for delaying the ignition timing in the spark plug.

なお、ＥＣＵとは、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータを備え、マイクロコンピュータに記憶したプログラムに従って演算処理を行うものである。また、本実施形態の圧力センサでは、上記のようにローパスフィルタやバンドパスフィルタを介して圧力センサから生じた信号をそれぞれ検出することにより、異常燃焼が生じた際における圧力の測定をも行うことができる。 The ECU includes a well-known microcomputer including, for example, a CPU, a ROM, an EEPROM, a RAM, etc., and performs arithmetic processing according to a program stored in the microcomputer. Further, in the pressure sensor of the present embodiment, by measuring the signals generated from the pressure sensor via the low-pass filter and the band-pass filter as described above, the pressure when abnormal combustion occurs can also be measured. You can

具体的には、エンジンでのノッキングが生じた際の本実施形態の圧力センサでの出力を確認したところ、図３（ｂ）に示すように、ノッキング発生時点から０．２０７ｍｓｅｃ、０．２８５ｍｓｅｃで圧力が１０００ｋＰａを超える信号が検出された。この圧力が過大となった出力信号を例えばバンドパスフィルタを通して一定の閾値以上のものを検出することにより、ノッキングが生じた、すなわち異常燃焼が生じたと判定することができる。この結果は、本実施形態の圧力センサが、圧力のみならずエンジンの異常燃焼をも検出することができることを示している。 Specifically, when the output of the pressure sensor of this embodiment when knocking in the engine occurred was confirmed, as shown in FIG. 3B, at 0.207 msec and 0.285 msec from the time when knocking occurred. A signal with a pressure above 1000 kPa was detected. It is possible to determine that knocking has occurred, that is, abnormal combustion has occurred, by detecting an output signal of which the pressure is excessively high, for example, through a bandpass filter and detecting a value equal to or higher than a certain threshold. This result shows that the pressure sensor of the present embodiment can detect not only the pressure but also the abnormal combustion of the engine.

また、エンジンの種類によって、ノッキング周波数が異なるが、このノッキング周波数は、通常、４ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの周波数帯の範囲内である。そこで、組み合わせるエンジンのノッキング周波数に合わせて露出部４１の突出量Ｌを調整することで、本実施形態の圧力センサは、様々なエンジンのノッキング周波数の振動を増幅させ、これを出力することで異常燃焼の発生を検出することができる。 Although the knocking frequency varies depending on the type of engine, the knocking frequency is usually within the frequency band of 4 kHz to 20 kHz. Therefore, by adjusting the protrusion amount L of the exposed portion 41 in accordance with the knocking frequency of the engine to be combined, the pressure sensor of the present embodiment amplifies the vibrations of various engine knocking frequencies, and outputs the amplified vibrations. The occurrence of combustion can be detected.

このように、露出部の突出量Ｌをノッキング周波数帯の特定の周波数において固有振動数ｆ_ｎを有するように調整された構造の圧力センサとすることで、圧力のみならず異常燃焼の発生についても検出することができる圧力センサとなる。また、ウェハレベルパッケージ（ＷＬＰ）構造の本実施形態の圧力センサにより、ノックセンサがなくてもエンジンの異常燃焼の発生を検出することができるため、部品点数の削減による低コスト化が期待される。 As described above, by using the pressure sensor having a structure in which the protrusion amount L of the exposed portion is adjusted to have the natural frequency f _n at a specific frequency in the knocking frequency band, not only the pressure but also the occurrence of abnormal combustion It becomes a pressure sensor that can detect. Further, the pressure sensor of the present embodiment having the wafer level package (WLP) structure can detect the occurrence of abnormal combustion of the engine without a knock sensor, so that cost reduction due to the reduction of the number of parts is expected. ..

（第２実施形態）
第２実施形態の圧力センサについて、図４を参照して述べる。本実施形態の圧力センサは、封止樹脂５０を第１樹脂として、図４に示すように、露出部４１の端部のうち根元部４０ａ付近の領域と異なる領域に第２樹脂５１が形成されている点が上記第１実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点を主に説明する。 (Second embodiment)
The pressure sensor of the second embodiment will be described with reference to FIG. In the pressure sensor of the present embodiment, the sealing resin 50 is used as the first resin, and as shown in FIG. 4, the second resin 51 is formed in a region different from the region near the root portion 40a in the end portion of the exposed portion 41. This is different from the first embodiment. In the present embodiment, this difference will be mainly described.

第２樹脂５１は、本実施形態では、露出部４１の端部に一定の厚みで形成され、主に露出部４１におけるヤング率を高めるために形成される部材であり、例えば封止樹脂５０と同じ樹脂材料によりなる。具体的には、第２樹脂５１は、上記第１実施形態での式（１）を満たす本実施形態の圧力センサにおいて、露出部４１の突出量Ｌと異なるパラメータであるヤング率Ｅを調整するために形成される。つまり、第２樹脂５１は、露出部４１の突出量Ｌやセンサチップ４０の材質のヤング率Ｅにより式（１）を満たすようにする調整が難しい場合などに形成すると特に好適であり、その厚みや形成される面積等については適宜変更されてもよい。 In the present embodiment, the second resin 51 is a member that is formed at the end of the exposed portion 41 with a certain thickness and is mainly formed to increase the Young's modulus in the exposed portion 41, and for example, the sealing resin 50 and Made of the same resin material. Specifically, the second resin 51 adjusts the Young's modulus E, which is a parameter different from the protrusion amount L of the exposed portion 41 in the pressure sensor of the present embodiment that satisfies the equation (1) in the first embodiment. Is formed for. That is, it is particularly preferable to form the second resin 51 when it is difficult to adjust the protrusion amount L of the exposed portion 41 and the Young's modulus E of the material of the sensor chip 40 so as to satisfy the formula (1). The area to be formed and the like may be changed as appropriate.

第２樹脂５１は、図４に示すように、露出部４１の端部のうち根元部４０ａ付近の領域と異なる領域に形成されることが好ましい。これは、露出部４１にノッキング周波数の振動が伝わっても共振作用を起こしにくくなることを防ぐためである。具体的には、露出部４１の根元部４０ａを含む領域に第２樹脂５１が形成された場合、露出部４１が第２樹脂５１に拘束されることで振動しにくくなってしまい、ノッキング周波数の振動が伝わっても増幅された振動による信号が小さくなってしまう。その結果、ノッキング周波数の振動による信号が出力されても、エンジンオイル等の油圧に起因する信号と区別しにくくなり、異常燃焼を検出しにくくなることが懸念される。 As shown in FIG. 4, it is preferable that the second resin 51 be formed in a region different from the region near the root portion 40a in the end portion of the exposed portion 41. This is to prevent the resonance action from becoming difficult to occur even when the vibration of the knocking frequency is transmitted to the exposed portion 41. Specifically, when the second resin 51 is formed in a region including the root portion 40a of the exposed portion 41, the exposed portion 41 is restrained by the second resin 51, which makes it difficult to vibrate and the knocking frequency Even if the vibration is transmitted, the signal due to the amplified vibration becomes small. As a result, even if a signal due to vibration of the knocking frequency is output, it is difficult to distinguish it from a signal resulting from oil pressure such as engine oil, and it may be difficult to detect abnormal combustion.

第２樹脂５１は、例えば、封止樹脂５０の形成と同時に形成され、その後、レーザー加工を施すことにより、所望の面積とされる。第２樹脂５１の厚み方向における厚みについては、例えば、封止樹脂５０を形成する際に用いる図示しない金型などにより調整することができる。 The second resin 51 is formed, for example, simultaneously with the formation of the sealing resin 50, and then subjected to laser processing to have a desired area. The thickness of the second resin 51 in the thickness direction can be adjusted by, for example, a mold (not shown) used when forming the sealing resin 50.

なお、第２樹脂５１が例えば図４に示すように露出部４１の端部を部分的に覆うように形成されることで、内部空間３０の気密性を上げる効果も期待される。また、第２樹脂５１は、露出部４１のうち第２基板２０の他面２０ｂ上にのみに形成されていてもよく、第１基板１０および第２基板１０の断面が露出した面である側面にのみ形成されていてもよい。また、第２樹脂５１は、第１基板１０の他面１０ｂ上にのみ形成されていてもよく、他面１０ｂ上、他面２０ｂ上、側面上のいずれか２つもしくはそのすべてに形成されていてもよい。 Note that the second resin 51 is formed so as to partially cover the end of the exposed portion 41 as shown in FIG. 4, for example, so that the effect of increasing the airtightness of the internal space 30 is also expected. The second resin 51 may be formed only on the other surface 20b of the second substrate 20 of the exposed portion 41, and is a side surface where the cross sections of the first substrate 10 and the second substrate 10 are exposed. It may be formed only in the. The second resin 51 may be formed only on the other surface 10b of the first substrate 10, and may be formed on any two or all of the other surface 10b, the other surface 20b, and the side surface. May be.

本実施形態によれば、上記第１実施形態と同様に、圧力のみならず異常燃焼の発生についても検出することができる圧力センサとなる。また、上記第１実施形態では、主に露出部４１の突出量Ｌの調整により、ノッキング周波数での共振作用が生じるよう調整していたが、これに加えてヤング率Ｅによる調整も可能となる。さらに、ウェハレベルパッケージ（ＷＬＰ）構造の本実施形態の圧力センサにより、ノックセンサがなくてもエンジンの異常燃焼の発生を検出することができるため、部品点数の削減による低コスト化が期待される。 According to this embodiment, similarly to the first embodiment, the pressure sensor can detect not only the pressure but also the occurrence of abnormal combustion. Further, in the above-described first embodiment, the amount of protrusion L of the exposed portion 41 is mainly adjusted to cause a resonance action at the knocking frequency. However, in addition to this, adjustment by the Young's modulus E is also possible. .. Further, the pressure sensor according to the present embodiment having the wafer level package (WLP) structure can detect the occurrence of abnormal combustion of the engine without the knock sensor, so that the cost can be reduced by reducing the number of parts. ..

（他の実施形態）
なお、上記した各実施形態に示した圧力センサは、本発明の圧力センサの一例を示したものであり、上記の各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。 (Other embodiments)
It should be noted that the pressure sensor shown in each of the above-described embodiments is an example of the pressure sensor of the present invention, and is not limited to each of the above-described embodiments, but within the scope described in the claims. Can be changed appropriately.

例えば、上記第２実施形態では、第２樹脂５１が一定の厚みで形成される場合について説明したが、これに限らず、必要に応じて部位によりその厚みが異なっていてもよい。 For example, in the second embodiment described above, the case where the second resin 51 is formed with a constant thickness has been described, but the present invention is not limited to this, and the thickness may be different depending on the portion as necessary.

１０第１基板
１４ａダイヤフラム
１６配線層
２０第２基板
３０内部空間
４０センサチップ
４０ａ根元部
４１露出部
５０封止樹脂 10 1st board | substrate 14a diaphragm 16 wiring layer 20 2nd board | substrate 30 internal space 40 sensor chip 40a root part 41 exposed part 50 sealing resin

Claims

流体圧に応じた電気出力を発生するように構成され、エンジンが搭載された車両に取り付けられる圧力センサであって、
薄板形状を有し前記流体圧によって前記薄板形状における板厚を規定する厚さ方向に撓むダイヤフラム（１４ａ）と、前記厚さ方向に前記ダイヤフラムと隣接する空間である内部空間（３０）と、を有するセンサチップ（４０）と、
前記センサチップのうち前記ダイヤフラムが形成された一端側と反対の他端側を封止すると共に、前記センサチップを片持ち状態で支持する封止樹脂（５０）と、を備え、
前記センサチップのうち前記封止樹脂から露出している部位を露出部（４１）とし、前記厚さ方向と直交しつつ、前記露出部が前記封止樹脂から突き出る方向に平行な方向を突出方向として、
前記突出方向における前記露出部の長さをＬとし、前記センサチップの材質のヤング率をＥとし、前記センサチップの材質の密度をρとし、
前記露出部を前記突出方向から見た場合における前記露出部の断面積をＡとし、前記露出部の断面二次モーメントをＩとし、前記露出部の固有振動数をｆ_ｎとした場合、
ｆ_ｎ＝１．７６／（π×Ｌ^２）×（ＥＩ／ρＡ）^１／２
を満たしつつ、ｆ_ｎが４ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの範囲内である圧力センサ。 A pressure sensor configured to generate an electric output according to a fluid pressure, the pressure sensor being attached to a vehicle equipped with an engine,
A diaphragm (14a) that has a thin plate shape and is bent in the thickness direction that defines the plate thickness in the thin plate shape by the fluid pressure; and an internal space (30) that is a space adjacent to the diaphragm in the thickness direction, A sensor chip (40) having
A sealing resin (50) that seals the other end side of the sensor chip opposite to the one end side on which the diaphragm is formed, and that supports the sensor chip in a cantilever state,
A portion of the sensor chip exposed from the sealing resin is defined as an exposed portion (41), and a direction parallel to a direction in which the exposed portion protrudes from the sealing resin is a protrusion direction while being orthogonal to the thickness direction. As
The length of the exposed portion in the protruding direction is L, the Young's modulus of the material of the sensor chip is E, the density of the material of the sensor chip is ρ,
When the sectional area of the exposed portion when the exposed portion is viewed from the protruding direction is A, the second moment of area of the exposed portion is I, and the natural frequency of the exposed portion is f _n ,
f _n = 1.76 / (π × L ² ) × (EI / ρA) ^1/2
While satisfying the condition, f _n is within the range of 4 kHz to 20 kHz.

前記封止樹脂を第１樹脂として、前記厚さ方向から見て前記露出部の端部が第２樹脂（５１）により覆われている請求項１に記載の圧力センサ。 The pressure sensor according to claim 1, wherein the sealing resin is a first resin, and an end portion of the exposed portion is covered with a second resin (51) when viewed from the thickness direction.

ｆ_ｎがエンジンにおいてノッキングが生じた際の周波数帯と一致している請求項１または２に記載の圧力センサ。 The pressure sensor according to claim 1, wherein f _n matches a frequency band when knocking occurs in the engine.