JP3349489B2

JP3349489B2 - 圧力センサとその製造方法

Info

Publication number: JP3349489B2
Application number: JP2000029266A
Authority: JP
Inventors: 佳幸中溝; 清之田中; 孝治福久
Original assignee: Hokuriku Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Hokuriku Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1993-03-16
Filing date: 2000-02-07
Publication date: 2002-11-25
Anticipated expiration: 2017-11-25
Also published as: JP2000171319A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、流体の圧力を検
出する圧力センサであって、特に半導体素子により流体
圧力を受けて電気的に圧力を検出する圧力センサとその
製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、流体の圧力を精度良く測ることの
できる小型圧力センサとして、半導体式圧力センサが提
供されている。この半導体式圧力センサは、図５の縦断
面図に示すように、金属製の本体１に、ガラス台座２を
介してセンサ素子３が固定されている。本体１は、カバ
ー４で覆われ、カバー４内は大気圧に開放されている。
本体１のセンサ素子３の取付部には、透孔５が形成さ
れ、圧力導入筒６がこの透孔５に取り付けられている、
センサ素子３とガラス台座２は、陽極接合により気密状
態に接合され、ガラス台座２と本体１とは、ハンダ付け
により密閉状態にされている。従って、圧力導入筒６か
ら導入された圧力はセンサ素子３にかかり、大気圧には
抜けないように形成されている。さらにセンサ素子３の
電極部と本体１に取りつけられた端子７とが金線８によ
りワイヤボンディングされている。

【０００３】この半導体式圧力センサの測定方法は、ま
ず、圧力導入筒６から被測定圧がかかると、大気圧と被
測定圧との差により、センサ素子３に物理的な歪が生じ
る。この歪は、被測定圧と大気圧との差に比例する。そ
して、センサ素子３の圧力検出面に歪が生じると、セン
サ素子３に形成された抵抗の値が、歪の大きさに比例し
て変化する。この抵抗値の変化を検出し、増幅して出力
することにより被測定圧と大気圧の差圧を測定すること
ができる。

【０００４】また、本願出願人による特開平４−１５５
９７０号公報に開示するように、半導体圧力センサにお
いて、樹脂ケースにリードフレーム端子をインサート成
形し、このケース内の端子の基端部に、センサ素子を固
定した圧力センサも提案されている。この場合、センサ
素子は、端子の基端部に連接した接続片に、気密状態で
固定されているものである

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の前者の場合、センサ素子３をガラス台座２に密着さ
せ、このガラス台座２と本体部１とをハンダ付けするも
のであり、組み立て工数がかかり、部品のコストも高い
ものである。さらに、センサ素子と他の部材との接合箇
所が多く、導入した圧力が大気側に漏れやすく、正確に
測定できなかったり、有毒なガスが外部に漏れたりする
恐れがあった。また、上記従来の技術の後者の場合も、
インサート成形したリードフレームの接続片と樹脂との
間の気密性がなく、この接続片と樹脂との間から被測定
圧が漏れ、上記と同様の問題が生じるものであった。

【０００６】この発明は上記従来の技術の問題点に鑑み
て成されたもので、センサの気密性が高く、被測定圧力
媒体が外部に漏れることがなく安全で、構造も簡単な圧
力センサとその製造方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明は、半導体の圧
力センサ素子と、上記センサ素子の熱膨張率と近い熱膨
張率の金属製の管であって被測定圧を導入する圧力導入
筒と、このセンサ素子を収容する樹脂製のセンサケース
と、表面実装型のリードフレーム端子とを設け、上記セ
ンサケースは上記センサ素子を収容する収容凹部を有
し、この収容凹部の開口部内側壁には段差部が形成され
開口部側が広くなっており、上記センサケースと一体に
上記リードフレーム端子と上記圧力導入筒とをインサー
ト成形し、上記圧力導入筒の上記センサケース内の基端
部にはフランジ部が形成され、このフランジ部端面には
上記センサケースの樹脂が被らない露出部が形成され、
この露出部に上記センサ素子を気密状態に接合した圧力
センサである。そして、上記センサケースと一体の上記
リードフレームを、電気的接続用の基板に表面実装し、
上記センサケースと上記基板をさらに外装ケース内に収
容し、この外装ケースの圧力導入部に連通した取付部に
上記圧力導入筒が嵌合し、この取付部に対して上記圧力
導入筒の外側面がＯリングを介して気密状態に取り付け
られている圧力センサである。また、上記フランジ部の
側周面には段差部が形成され、この段差部が上記センサ
ケース内にインサート成型されている。

【０００８】またこの発明は、被測定圧を導入する金属
製の圧力導入筒と、複数のセンサ素子が各々接続される
リードフレーム端子を有したリードフレームとを設け、
上記圧力導入筒の上記センサケース内に位置する基端部
にはフランジ部を形成し、上記センサ素子を収容する複
数の樹脂製のセンサケースと複数の上記圧力導入筒とを
上記リードフレームとともに一体的にインサート成形
し、その際上記フランジ部端面には上記センサケースの
樹脂が被らない露出部を形成し、この後各圧力導入筒の
上記各露出部に上記センサ素子を各々気密状態に接合
し、この後リードフレーム端子を、上記リードフレーム
の保持部から個々のセンサ素子毎に切り離す圧力センサ
の製造方法である。

【０００９】さらに、上記リードフレーム端子を個々の
センサ素子毎に切り離した状態でも、各圧力センサは保
持片によりリードフレームの保持部に連結されており、
後に上記圧力センサを実装する際に、上記保持片を切断
するものである。

【００１０】この発明の圧力センサは、圧力導入筒に直
接センサ素子が密着接合されているので、被測定圧力媒
体が圧力導入筒を経て、半導体の圧力センサ素子の裏面
側に直接侵入し、圧力センサの圧力導入筒とセンサ素子
以外の構成要素には被測定圧がかからないようにしたも
のである。

【００１１】

【実施の形態】以下この発明の一実施の形態について図
面に基づいて説明する。この実施形態の圧力センサは、
Ｓｉ半導体のセンサ素子２０がセンサケース２１内に設
けられ、センサ素子２０とリードフレーム端子２２の基
端部２２ａとが、金線２３によりワイヤボンディングさ
れている。センサケース２１は、ＰＰＳ樹脂等の耐熱性
のある樹脂であり、リードフレーム端子２２と、圧力導
入筒２５とがインサート成形により一体に設けられてい
る。この樹脂製のセンサケース２１は、センサ素子２０
を収容する収容凹部２１ａを有し、この収容凹部２１ａ
の内側壁には段差部２１ｂが形成され、開口部側が広く
なっている。

【００１２】この圧力導入筒２５は、シリコンの熱膨張
率（３．２×１０^−６）に近い熱膨張率の鉄−ニッケル
系合金であり、さらにクロムやアルミ又は銅を含有する
ものでも良い。この圧力導入筒２５は、鍛造により形成
された円筒状の管であり、基端部にはセンサ取付用のフ
ランジ部２６が形成され、センサ素子２０が、シリコン
系や金属接着用の接着剤２７により気密状態に接着され
ている。そして、この圧力導入筒２５は、センサケース
２１の中央部から下方に突出して形成されている。ま
た、圧力導入筒２５のフランジ部２６は側周面に段差部
２６ａが形成され、この段差部２６ａもセンサケース２
１内に位置している。

【００１３】この実施形態の圧力センサの製造方法は、
先ず、図４に示すリードフレーム３０を形成し、このリ
ードフレーム３０の各リードフレーム端子２２の基端部
２２ａと圧力導入筒２５のフランジ部２６が対面するよ
うに設置して、これらを囲むように、センサケース２１
をインサート成型する。この時、フランジ部２６の端面
は矩形状に樹脂が被らない露出部分を形成するととも
に、リードフレーム端子２２の基端部２２ａの表面も樹
脂が被らないように露出させる。その後、センサケース
２１の内部に位置した圧力導入筒２５のフランジ部２６
に、センサ素子２０を、接着剤２７で接着し、センサ素
子２０の周囲を密閉し、センサ素子２０の表裏の間で気
体が漏れないようにする。そして、リードフレーム端子
２２の基端部２２ａとセンサ素子２０の電極との間を、
金線２３でワイヤボンディングする。さらにセンサ素子
２０の表面側に樹脂被覆等を施し、リードフレーム端子
２２を折り曲げて所定の形状に成形し、この実施形態の
圧力センサの組立が終了する。

【００１４】ここで、この圧力センサは、リードフレー
ム３０に多数同時に形成された後、個々の基板に取り付
けられるものである。従って、リードフレーム３０に
は、リードフレーム端子２２が、リードフレーム３０の
両側部の保持部３２から切り離されても、リードフレー
ム３０の保持部３２からセンサケース２１及び圧力導入
筒２５が脱落しないように、ケースとともにインサート
成形される保持片３４が四方に形成されている。この保
持片３４は、保持部３２に連結し、リードフレーム端子
２２が切断されて、所定形状に形成された後、基板にこ
の圧力センサを組み込む際に切断される。

【００１５】以上のように構成された圧力センサは、図
３に示すように、リードフレーム端子２２が、基板４０
にハンダ付けられ、基板４０に取り付けられた外部接続
端子４２に電気的に接続される。ここで、図３におい
て、中心線の右側がリードフレーム端子２２の延出方向
の縦断面であり、中心線の左側は上記リードフレーム端
子２２の延出方向と直交する方向の縦断面である。基板
４０が固定されたセンサケース２１は、外装ケース本体
４１に取りつけられ、圧力導入筒２５が、この外装ケー
ス本体４１の取付部４４に嵌め込まれる。取付部４４
は、外装ケース本体４１と一体に成形され、被測定圧力
媒体が導かれる圧力導入部４５に同軸的に連通してい
る。外装ケース本体４１は、ＰＰＳ樹脂等の耐薬品性及
び耐蝕性に優れた樹脂により形成されている。そして、
取付部４４に嵌入された圧力導入筒２５の外側面と、取
付部４４の内壁面との間には、Ｏリング４６が緊密に嵌
め込まれている。Ｏリング４６は、両側が圧力導入筒２
５と取付部４４とによって弾性的に気密状態に圧接され
ているとともに、取付部４４の下面には接触せず、ま
た、取付部４４の上面に固定されたストッパ板４７にも
接触しない状態に固定されている。

【００１６】センサケース２１内は、センサ素子２０の
表面側に、柔軟なポリウレタンゲルやシリコンゲル等の
充填材が充填され、センサ素子２０等が完全に密閉され
ている。また、外装ケース本体４１には、蓋部材４８が
取り付けられている。蓋部材４８は、その内面に形成さ
れた取付部５０が、センサケース２１の開口部の段差部
２１ｂに嵌合し、センサケース２１を確実に保持すると
ともに、圧力導入筒２５が取付部４４から抜けないよう
に、センサケース２１の上端面を保持している。また、
蓋部材４８には、大気圧側に接続される大気圧導入口４
９が形成され、大気圧がセンサ素子２０の表側に確実に
かかるように形成されている。

【００１７】この実施形態の圧力センサの使用法方は、
圧力導入部４５を被測定圧力側に接続し、大気圧圧力導
入口４９を大気圧側に開放する。被測定圧力媒体は、例
えば、ＬＰガス等の可燃性ガス、その他の有毒ガスや高
圧ガス等に使用することができる。

【００１８】この実施形態の圧力センサによれば、圧力
測定するガス等は、圧力導入部４５を通り、圧力導入筒
２５を経てセンサ素子２０の裏面側に直接接触し圧力が
センサ素子２０に直接かかるものである。従って、感度
がきわめて高く、装置も小型化でき、低い圧力の検出に
際してもきわめて正確な測定が可能である。さらに、セ
ンサ素子２０は、これと熱膨張率の近い圧力導入筒２５
に直接接合されているので、熱歪による応力がセンサ素
子２０にはほとんど伝わらず、しかも気密性がきわめて
高く、信頼性も高いものにすることができる。さらに、
腐食性ガス等に対する耐久性も高いものである。また、
この圧力センサを組み込んだ外装ケース本体４１のセン
サ装置においても、圧力を測定するガスは、圧力導入部
４５、Ｏリング４６、圧力導入筒２５及びセンサ素子２
０にのみ接触するものであり、他の構成要素や接合部に
は触れず、上記各部材は、対腐食性、耐久性等に対する
信頼性はきわめて高いものが選択できる。従って、有毒
ガスや可燃性ガスの測定に際しても十分な安全性を確保
することができるものである。

【００１９】尚、この発明の圧力センサは、上記の実施
形態に限定されるものではなく、センサ素子と圧力導入
筒との接合方法は接着剤以外の接合方法でも良いもので
ある。また、センサ素子をインサート成形前に圧力導入
筒に接合しても良いものである。圧力導入筒の材質は適
宜変更可能であり、センサ素子の熱膨張率と近いもので
あれば良い。

【００２０】

【発明の効果】この発明の圧力センサは、上記センサ素
子と圧力導入筒を互いに直接接合したので、気密性に対
する信頼性をきわめて高いものにすることができる。さ
らに、この圧力センサは、センサ素子の熱膨張率と近い
熱膨張率の圧力導入筒にセンサ素子を取り付けたので、
センサ素子に熱歪が伝わらず、正確な測定が可能であ
る。また、この圧力センサの製造も、インサート成形に
より簡単に行うことができ、センサ素子と圧力導入筒と
の接合も容易に可能であり、製造コストも安価なものに
することができるものである。さらに、圧力センサを小
型化することができ、組み立ても効率よく可能なもので
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態の圧力センサの縦断面図
である。

【図２】この実施形態の圧力センサの平面図である。

【図３】この実施形態の圧力センサを外装ケースに取り
付けた状態の縦断面図でる。

【図４】この実施形態の圧力センサに用いられるリード
フレームの平面図である。

【図５】従来の技術の圧力センサの縦断面図である。

【符号の説明】

２０センサ素子２１センサケース２２リードフレーム端子２５圧力導入筒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平４−155970（ＪＰ，Ａ) 特開平３−37536（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−238535（ＪＰ，Ａ) 特開平６−50834（ＪＰ，Ａ) 実開平４−88837（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 9/04 101 G01L 19/00 H01L 29/84

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体の圧力センサ素子と、上記センサ
素子の熱膨張率と近い熱膨張率の金属製の管であって被
測定圧を導入する圧力導入筒と、このセンサ素子を収容
する樹脂製のセンサケースと、表面実装型のリードフレ
ーム端子とを設け、上記センサケースは上記センサ素子
を収容する収容凹部を有し、この収容凹部の開口部内側
壁には段差部が形成され開口部側が広くなっており、上
記センサケースと一体に上記リードフレーム端子と上記
圧力導入筒とをインサート成形し、上記圧力導入筒の上
記センサケース内の基端部にはフランジ部が形成され、
上記フランジ部は上記圧力導入筒の形成部材から一体に
形成され、上記フランジ部端面には上記センサケースの
樹脂が被らない露出部が形成され、この露出部に上記セ
ンサ素子を気密状態に接合し、上記センサケースと一体
の上記リードフレームを、電気的接続用の基板に表面実
装し、上記センサケースと上記基板をさらに外装ケース
内に収容し、この外装ケースの圧力導入部に連通した取
付部に上記圧力導入筒が嵌合し、この取付部に対して上
記圧力導入筒の外側面がＯリングを介して気密状態に取
り付けられていることを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】上記フランジ部の側周面には段差部が形
成され、上記センサケース内にインサート成型されてい
ることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【請求項３】被測定圧を導入する金属製の圧力導入筒
と、複数のセンサ素子が各々接続されるリードフレーム
端子を有したリードフレームとを設け、上記圧力導入筒
の上記センサケース内に位置する基端部にはフランジ部
を形成し、上記センサ素子を収容する複数の樹脂製のセ
ンサケースと複数の上記圧力導入筒とを上記リードフレ
ームとともに一体的にインサート成形し、その際上記フ
ランジ部端面には上記センサケースの樹脂が被らない露
出部を形成し、この後各圧力導入筒の上記各露出部に上
記センサ素子を各々気密状態に接合し、この後上記複数
のセンサ素子が各々接続されたリードフレーム端子を、
上記リードフレームの保持部から個々のセンサ素子毎に
切り離すことを特徴とする圧力センサの製造方法。
【請求項４】上記リードフレーム端子を個々のセンサ
素子毎に切り離した状態でも、各圧力センサは保持片に
よりリードフレームの保持部に連結されており、後に上
記圧力センサを実装する際に、上記保持片を切断するこ
とを特徴とする請求項３記載の圧力センサの製造方法。