富士時報 Vol.77 No.5 2004 ワンチップ技術による高圧センサ 特 集 1 上柳 勝道（うえやなぎ かつみち） 篠田 茂（しのだ しげる） 芦野 仁泰（あしの きみひろ） まえがき が多く故障確率が高いなどの問題点があげられる。 今回開発した高圧センサは，従来のワンチップ技術での 制御システムの電子化が進む中，環境対応のため高効率 メリットを最大限に生かして「小型・高信頼性の製品」を を目指したシステムが要求され，高い圧力を測定する圧力 ターゲットとし，以下の基本コンセプトを基に開発した。 センサの需要が拡大している。 （1） “All in one chip”によるワンチップ構成 民生用や自動車用のエアコンにおいて，脱フロン化によ る圧力媒体の制御性を高度化するために，これまで圧力ス （2 ） 受圧面積最小構造による小型パッケージ ， を最大限に生かした世界最小製品を実現 （2 ） （3）（1） イッチが使われているが，アナログ信号を制御するため 1 （4 ） 独自のダイアフラム加工による高耐圧性 ∼ 5 MPa の圧力体を検出する高圧センサへ切り替わりつ （5） 相対圧またはゲージ圧で最大 5 MPa の用途 つある。 製品構成 また，自動車用ではサスペンションの姿勢制御やトラン スミッションの潤滑油圧力制御，さらにブレーキに必要な 油圧制御などのアプリケーションの普及に伴い，圧力の高 図１に今回開発した高圧センサの検出体ユニットの概要 い油圧を検出するための高圧センサのニーズが拡大してい を示す。ダイアフラム上に IC プロセスと同時に拡散配線 る。 からなるピエゾ抵抗を形成し，四つのピエゾ抵抗でホイー 富士電機はこれらの市場ニーズに対応するため，2002 トストンブリッジを構成している。 年 か ら CMOS（ Complementary Metal-Oxide-Semicon- また，ダイアフラムは富士電機独自の三次元エッチング ductor）プロセスによるディジタルトリミング型自動車用 技術により高精度かつ丸みのあるダイアフラムが形成され 圧力センサの技術を用いて，世界最小の高圧センサを開発 ており，過大耐圧性を確保している。 した。 信号処理回路は 2002 年度に開発し量産化されている低 （1）∼（3） 本稿では今回開発した高圧センサ（相対圧用途，ゲージ 圧センサ（100 ∼ 400 kPa）の技術を高圧用にチューニン グしたもので，ホイートストンブリッジから出力される電 圧用途）を紹介し，今後の展開について述べる。 圧信号を増幅する高精度増幅器と，センサ特性を校正する 富士電機の高圧センサの特徴 調整回路を形成している。また，自動車のエンジン制御系 から発生するサージ波形やアセンブリ工程内での静電気， 従来の高圧センサには，セラミック電極板を重ねた静電 容量タイプや金属ダイアフラム上にひずみゲージを蒸着し 図１ 高圧検出体ユニット たものを検出素子として利用しているものがある。これら の高圧センサは受圧面積が大きいため，検出圧力に対する ピエゾ抵抗 （ダイアフラム） シリコンチップ ダイアフラム 反力を確保する堅ろうなパッケージ構造を設計することが 必要で，最終的な製品寸法が大きくなってしまうというデ メリットがあった。また，これらのセンサは，検出素子の 特性を調整する回路，EMC（Electromagnetic Compatibility）対策としての SMD（Surface Mounted Device）部 品（チップコンデンサやチップ抵抗など）を搭載するため 信号処理回路/ EMC保護素子 台座ガラス 圧力導入口 の回路基板などの部品が多い。さらには，電気的接続部分 上柳 勝道 330（24） 篠田 茂 芦野 仁泰 圧力センサの研究開発に従事。現 圧力センサの研究開発に従事。現 圧力センサの研究開発に従事。現 在，富士電機デバイステクノロ 在，富士電機デバイステクノロ 在，富士電機デバイステクノロ ジー （株） 半導体事業本部半導体工 ジー （株） 半導体事業本部半導体工 ジー （株） 半導体事業本部半導体工 場自動車電装開発部マネージャー。 場自動車電装開発部。 場自動車電装開発部。 富士時報 ワンチップ技術による高圧センサ Vol.77 No.5 2004 さらには外部からの電磁波などから，CMOS で形成され Pin ×（Ao ＋ Ad）＝ Pr × Af ………………………………（1） た内部回路を保護するための保護素子もすべてワンチップ Pin ：印加圧力， 上に備えている。 Ao ：O リング内部面積，Ad ：ダイアフラム面積， また，相対的な圧力または大気圧力に対するゲージ圧力 Pr ：固定圧力，Af ：固定圧力面積 を測定するために，シリコンチップの裏面には貫通穴を形 （1） 式 から固定圧力 Pr ＝ Pin ×（Ao ＋ Ad）/Af と置き換え 成し，下部の金属ベースおよび接合層からの応力を緩和さ られ，実際の構造において（Ao ＋ Ad）/Af が非常に小さい せるための台座ガラスを静電接合プロセスによって接合し， ため，固定圧力 Pr を小さくすることができ，固定圧力を 信頼性の高い気密性を確保した。 発生させるアプリケーション側の構造を小型化することが 図２に今回開発した高圧センサセルの概要を示す。高圧 可能となる。 また，印加圧力が発生した際に各部材（センサユニット 検出体ユニットと金属ベースは高温時の強度を確保した接 合構造を用いており，自動車用途における厳しい環境にお と金属ベースとの接合部材，金属ベース）に要求される機 いても高い信頼性を実現している。図３に高圧センサセル 械的強度はそれぞれ応力バランスを考慮した以下の式に の外形を示す。検出機能と処理回路をワンチップで構成し よって表すことができる。 た世界最小の高圧センサセルを実現した。 （2 ） 印加圧力に対する構造設計 Pin ×（Ao ＋ Ad）＜σm × Af ……………………………（2 ） 耐圧設計と評価結果 σm ：金属ベース弾性限界応力 Pin × Ad ＜σs × As ………………………………………（3） σs ：接合材破断応力，As ：ユニット接着面積 ４.１ 耐圧設計 高圧センサの耐圧設計について述べる。図４に示すのは また，自動車アプリケーションで使用される温度環境 高圧センサセルを模式化したもので，圧力を印加した際の， は−40 ∼＋130 ℃と広いため，熱膨張係数の違いによって 印加圧力受圧面積とそれに対する反力の面積を表したもの 発生する熱応力を考慮した設計が必要となる。特にセンサ である。ここで示す筐体（きょうたい）とは，高圧センサ ユニット−金属ベース間に発生する熱応力に関しては，接 セルを取り付ける側を表しており，後述のアプリケーショ 合材料，金属ベース材料の選定が重要なポイントとなる。 図５に高圧センサの FEM（有限要素法）解析モデル図 ン例で詳細に述べる。 この高圧センサセルは固定部から反力を支持して固定す を示す。このモデルを用いて圧力 Pin を印加したときの変 るため，印加圧力と固定荷重との関係は以下のように表す 形・発生応力分布，温度を変化させた場合の熱応力変形・ ことができる。 応力分布を図６に示す。この計算結果を考慮して，各部材 （1） 印加圧力と固定荷重 図４ 受圧面・反力面の関係 図２ 高圧センサセルの概要 検出体ユニット A S（ユニット接着面積） センサユニット 金属ベース 固定圧力 Oリング リード端子 A f（固定圧力面積） 筐体 A d（ダイアフラム面積） 金属ベース A O（Oリング内部面積） 圧力 P 図３ 高圧センサセルの外形 4.45 8.50 11 固定部 Oリング Oリング シーリング部 331（25） 特 集 1 富士時報 ワンチップ技術による高圧センサ Vol.77 No.5 2004 および構造寸法を設計した。 ４.３ 圧力−出力特性 図８ に 5 MPa をフルスケールとした高圧センサセルの， ４.２ 圧力限界試験結果 図７に各温度における圧力限界試験の結果を示す。いず 圧力−出力特性，圧力−出力誤差特性の一例を示す。ここ れの破壊モードも，シリコンでの破壊であり，ここでの実 で圧力−出力特性はダイアフラムの厚さおよび回路の調整 験ではシリコンの感度を 5 MPa に適した厚さに設定した によって，1 ∼ 5 MPa の特性までの広いレンジに対応する ものである。したがって，5 MPa の使用圧力に対して破壊 限界圧力が 20 MPa 以上あることが確認された。 図７ 圧力限界試験結果 シリコン 台座ガラス 圧力限界（MPa） 図５ FEM 解析モデル図 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 min typ max 圧力限界 0 50 100 150 温度（℃） 接合部材 図８ 圧力ー出力特性 金属ベース 5,000 4,500 シリコン 4,000 ガラス 固定荷重領域 3,500 接合部材 出力（mV） 金属ベース 3,000 2,500 2,000 印加圧力領域 1,500 1,000 500 図６ FEM 解析結果 0 シリコン 0 1 ガラス 接合部材 金属ベース 2 3 圧力（MPa） 4 5 4 5 （a）出力電圧 100 80 60 40 （a）圧力印加時の応力分布 応力 小 シリコン ガラス 熱応力による 最大応力発生箇所 出力誤差（mV） 特 集 1 20 0 −20 −40 −60 −80 金属ベース 大 （b）熱応力 332（26） −100 0 1 2 3 圧力（MPa） （b）圧力誤差 富士時報 ワンチップ技術による高圧センサ Vol.77 No.5 2004 表１ 高圧センサセルの基本仕様 ことが可能である。 項 目 単 位 仕 様 備 考 絶対最大電圧 V 16.5 V ＜1 min 絶対最大圧力 MPa 10 保 存 温 度 ℃ −30∼＋125 ℃ 使 用 圧 力 MPa（gauge） 1∼5 出 力 範 囲 V 0.5∼4.5 インタフェース kΩ PU300 PD100 ダイアグ領域 V ＜0.2/＞4.8 ４.４ 信頼性評価 信頼性試験として以下の項目について検証済みである。 （1） 高温放置試験：130 ℃/2,000 h ＊1 （2 ） 低温放置試験：−40 ℃/2,000 h （3） 液層熱衝撃試験：40 ∼ 150 ℃/1,000 サイクル （4 ） 圧力サイクル試験：1,000 万サイクル（0 ∼ 1 0MPa） ＊2 （5） サージ試験：ISO7637 LEVEL-Ⅳ （6 ） EMI 試験：GTEMcell 100 V/m ＊1：0∼1 MPa，0∼5 MPaまで任意設定可能 ＊2：配線断線時の出力範囲 ４.５ 基本仕様 図９ 高圧センサアプリケーション例 今回開発した高圧センサの基本仕様は表１に示すとおり である。 あとがき 今回開発した高圧センサセルのアプリケーションは，セ ル単体での実装のほか，図９に示すような外装パッケージ ねじ込みタイプ ねじ止めタイプ 内部（ねじ込みタイプ，樹脂ねじ止めタイプ）へ組み込ん で使うことが可能で，お客様の使い方に合わせた工夫を盛 外装パッケージへの 組込みアプリケーション り込んでいる。富士電機では今後ともお客様に喜ばれる製 品開発を目指す所存である。 参考文献 （1） 上柳勝道ほか．ディジタルトリミング型自動車用圧力セン 高圧センサセル サ．富士時報．vol.74, no.10, 2001, p.581- 583. （2 ） 上柳勝道ほか．自動車用圧力センサ．富士時報．vol.76, no.10, 2003, p.616- 618. （3） 上柳勝道ほか．自動車用圧力センサの要素技術．富士時報． vol.76, no.10, 2003, p.619- 621. 333（27） 特 集 1 ＊本誌に記載されている会社名および製品名は，それぞれの会社が所有する 商標または登録商標である場合があります。