液体性状センサ及びインピーダンスセンサ
【課題】液体性状センサの櫛歯状電極を液体に直接曝すように構成しながら、十分な耐食性を得る。
【解決手段】本発明の液体性状センサ1は、ガソリン等の液体燃料の中に浸漬させて液体燃料の混合比率等を検出するセンサにおいて、半導体基板2と、半導体基板2の表面に設けられ拡散層からなる櫛歯状電極5、6とを備えるように構成した。この構成によれば、櫛歯状電極5、6を液体燃料に直接曝すように構成しながら、すなわち、保護膜が不要な構成としながら、液体燃料に対して十分な耐食性を得ることができる。
【解決手段】本発明の液体性状センサ1は、ガソリン等の液体燃料の中に浸漬させて液体燃料の混合比率等を検出するセンサにおいて、半導体基板2と、半導体基板2の表面に設けられ拡散層からなる櫛歯状電極5、6とを備えるように構成した。この構成によれば、櫛歯状電極5、6を液体燃料に直接曝すように構成しながら、すなわち、保護膜が不要な構成としながら、液体燃料に対して十分な耐食性を得ることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、液体や気体の混合比率等として、例えばガソリンなどの液体燃料の中に含まれるアルコールの混合比率等を検出する液体性状センサ及びインピーダンスセンサに関する。
【背景技術】
【0002】
アルコール含有量を検出するセンサの一例として、特許文献1に記載された構成が知られている。この構成は、液体燃料が流通する通路が形成されたケーシングと、このケーシング内に混合気に曝されるように設けられたセンサ素子とから構成されている。しかし、上記構成のセンサは、全体の構成が大きいため、取付け場所が制限されると共に、取り付け構造が複雑になるという問題点があった。
【0003】
このような問題点を解消する構成の一例として、特許文献2に記載された半導体センサ(湿度センサ)が知られている。この湿度センサは、半導体基板の上に絶縁膜、感湿膜を形成し、その上にアルミや銅などの櫛歯状の金属電極を形成し、この金属電極の上に腐食防止用の保護膜(シリコン窒化膜等)を形成して構成されている。そして、このような構成の半導体センサを、液体燃料の中に含まれるアルコールの混合率を検出するセンサとして用いれば、小形の液体性状センサを構成することができる。
【特許文献1】特表平5−507561号公報
【特許文献2】特開2003−270189号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上記したように、液体性状センサを半導体センサで構成した場合、ガソリンなどの液体燃料は、金属に対する腐食性が強いため、半導体基板の上に形成した櫛歯状の金属電極の上に、腐食防止用の保護膜(シリコン窒化膜等)を形成する必要がある。しかし、保護膜と検出する液体の誘電率の差が大きくなると、櫛歯状の金属電極間の静電容量の変化が小さくなるという問題があった。
【0005】
このため、車両の液体燃料(ガソリン)のアルコール含有量を検出する構成に用いる場合には、アルコール含有量によって比誘電率が大きく変化するので、検出精度を高くする(即ち、電極間の静電容量の変化を大きくする)ためには、異なる比誘電率を有する複数の保護膜を設ける必要がある。しかし、このように構成すると、信号処理回路が複雑になると共に、半導体製造プロセスが複雑になるという問題点が発生する。
【0006】
そこで、本発明の目的は、液体性状センサの櫛歯状電極を液体に直接曝すように構成しながら、十分な耐食性を得ることができる液体性状センサ及びインピーダンスセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
請求項1の発明によれば、半導体基板の表面に拡散層からなる櫛歯状電極を設ける構成としたので、櫛歯状電極を液体に直接曝すように構成しながら、すなわち、保護膜が不要な構成としながら、液体に対して十分な耐食性を得ることができる。また、保護膜が存在しないから、液体の比誘電率に関係なく、液体性状を検出することができる。
【0008】
上記構成の場合、請求項2の発明のように、前記櫛歯状電極は、一対の共通部と、これら共通部から突設された多数の櫛歯部とを有し、各櫛歯部を所定間隔をあけて互い違いに嵌合させていることが好ましい。
【0009】
請求項3の発明によれば、半導体基板の裏面の中の少なくとも櫛歯状電極に対応する部分に拡散層を設けたので、電磁ノイズ等の悪影響を受け難い構成とすることができる。
また、請求項4の発明のように、前記半導体基板の表面の中の前記櫛歯状電極の周囲部に設けられた拡散層を備えることがより一層好ましい。
【0010】
請求項5の発明によれば、半導体基板を貫通するように設けられ、前記半導体基板の表面に設けられたグランド電極と前記半導体基板の裏面の拡散層を接続する貫通電極を備えたので、液体が配管内を流動するときに液体自体に帯電した静電気を、裏面の拡散層及び貫通電極を通してグランド電極へ放電することができる。これにより、検出誤差を低減することができる。
【0011】
請求項6の発明によれば、半導体基板の裏面の拡散層の上に金属膜を設け、この金属膜にリードフレームを接合し、このリードフレームと前記半導体基板の表面に設けられたグランド電極をワイヤボンディングするように構成したので、請求項5の発明とほぼ同じ作用効果を得ることができる。
【0012】
請求項7の発明によれば、半導体基板に信号処理回路を設けたので、液体性状センサと信号処理回路を1チップ化することができ、全体の構成を一層小形化できる。
請求項8の発明によれば、半導体基板の表面にポリシリコンからなる櫛歯状電極を設けたので、請求項1の発明とほぼ同じ作用効果を得ることができる。
【0013】
また、請求項9の発明のように、前記半導体基板の形状を、細長いチップ形状とすることがより一層良い構成である。
一方、請求項10の発明によれば、液体や気体の中に入れて前記液体や前記気体の混合比率等を誘電率や導電率等から検出するインピーダンスセンサにおいて、半導体基板と、前記半導体基板の表面に設けられ、拡散層からなる櫛歯状電極とを備える構成としたので、請求項1の発明とほぼ同じ作用効果を得ることができる。
【0014】
上記構成の場合、請求項11の発明のように、前記櫛歯状電極は、一対の共通部と、これら共通部から突設された多数の櫛歯部とを有し、各櫛歯部を所定間隔をあけて互い違いに嵌合させていることが好ましい。
【0015】
請求項12の発明によれば、前記櫛歯状電極に、交流電圧を印加するように構成したので、測定対象物に含まれているイオンが櫛歯状電極の表面に付着、もしくは表面近傍に集積して、該イオンを通じて櫛歯状電極間に電流が流れることを防止できる。
【0016】
請求項13の発明によれば、前記櫛歯状電極のうちのN層に順バイアス電圧を印加すると共に、P層に逆バイアス電圧を印加するように構成したので、内部電位を高くすることができ、特に、高温時のPN接合界面における電流リークを防止することができる。
【0017】
請求項14の発明によれば、半導体基板の裏面の中の少なくとも櫛歯状電極に対応する部分に拡散層を設けたので、電磁ノイズ等の悪影響を受け難い構成とすることができる。
また、請求項15の発明のように、前記半導体基板の表面の中の前記櫛歯状電極の周囲部に設けられた拡散層を備えることがより一層好ましい。
【0018】
請求項16の発明によれば、半導体基板を貫通するように設けられ、前記半導体基板の表面に設けられたグランド電極と前記半導体基板の裏面の拡散層を接続する貫通電極を備えたので、液体や気体が配管内を流動するときに液体や気体自体に帯電した静電気を、裏面の拡散層及び貫通電極を通してグランド電極へ放電することができる。これにより、検出誤差を低減することができる。また、異物付着防止や、信号処理回路の静電破壊を防止することができる。
【0019】
請求項17の発明によれば、半導体基板の裏面の拡散層の上に金属膜を設け、この金属膜にリードフレームを接合し、このリードフレームと前記半導体基板の表面に設けられたグランド電極をワイヤボンディングするように構成したので、請求項5の発明とほぼ同じ作用効果を得ることができる。
【0020】
請求項18の発明によれば、半導体基板に信号処理回路を設けたので、液体性状センサと信号処理回路を1チップ化することができ、全体の構成を一層小形化できる。また、1チップ化することで、配線長を短くすることができるので、寄生容量の影響を低減できる。
【0021】
また、請求項19の発明のように、前記信号処理回路を、前記半導体基板の裏面に設けることが小型化や回路保護の観点で好ましい。更に、請求項20の発明のように、前記信号処理回路を、前記半導体基板と異なる半導体基板に設け、前記櫛歯状電極と前記信号処理回路との間をワイヤボンディングで接続するように構成することが良い。別チップ化することで、歩留りを向上することができる。更にまた、請求項21の発明のように、前記信号処理回路を設けた半導体基板と、前記櫛歯状電極を設けた半導体基板とを、前記櫛歯状電極部分を露出させるようにして樹脂でモールドすることがより耐久性向上の観点で一層好ましい。
【0022】
また、請求項22の発明のように、前記信号処理回路を、前記半導体基板と異なる半導体基板に設け、前記櫛歯状電極と前記信号処理回路との間を貫通電極及びバンプで接続し、前記2つの半導体基板を樹脂で接着するように構成することが、スタック構造による小型化や回路保護、別チップ化することによる歩留り向上の観点で良い構成である。
【0023】
請求項23の発明によれば、前記櫛歯状電極をMEMS技術で形成することにより、前記櫛歯状電極の上下方向の寸法を大きくし、前記櫛歯状電極の対向面積を大きくするように構成したので、櫛歯状電極の配設面積を大幅に小さくすることができ、感度向上と全体の構成も小型化を両立することができる。
【0024】
請求項24の発明によれば、半導体基板の表面に耐蝕性の良好なポリシリコンからなる櫛歯状電極を設けたので、請求項1の発明とほぼ同じ作用効果を得ることができる。
上記構成の場合、請求項25の発明のように、前記ポリシリコンからなる櫛歯状電極を前記半導体基板内に埋め込むように構成することが好ましい。また、請求項26〜37の発明によれば、請求項11〜23の発明とほぼ同様な作用効果を得ることができる。
【0025】
また、請求項38の発明のように、前記半導体基板の形状を、細長いチップ形状とすることがよりセンサ小型化の観点で一層好ましい構成である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0026】
以下、本発明の第1の実施例について、図1ないし図3を参照して説明する。まず、図1は、本実施例の液体性状センサ1の全体構成を概略的に示す縦断面図である。本実施例の液体性状センサ1は、車両の液体燃料例えばガソリンに含まれるアルコールの混合比率を検出するものであり、半導体センサで構成されている。
【0027】
上記液体性状センサ1は、図1に示すように、例えばSi基板からなる半導体基板2と、この半導体基板2の表面における図1中の右部に設けられた拡散層からなるセンサ部3とを備えている。センサ部3は、半導体基板2の表面に形成されたP層4と、このP層4の表面に形成されたN層からなる櫛歯状電極5、6とから構成されている。櫛歯状電極5、6は、図2に示すような櫛歯状に形成されており、一対の共通部5a、6aと、これら共通部5a、6aから突設された多数の櫛歯部5b、6bとを有しており、各櫛歯部5b、6bを所定間隔をあけて互い違いに嵌合させている。
【0028】
そして、半導体基板2のうちの上記センサ部3だけが、測定したい液体燃料の中に浸漬されて直接曝されるように構成されている。この場合、櫛歯部5b、6bの間に対象物である液体燃料の誘電率に準じた静電容量が蓄積される。
【0029】
また、半導体基板2の裏面全体には、P層からなる拡散層7が形成されている。尚、この拡散層7は、必ずしも半導体基板2の裏面全体に形成する必要はなく、半導体基板2の裏面のうちのセンサ部3(櫛歯状電極5、6)に対応する部分、即ち、図1中の右部に形成するだけでも良い。
【0030】
また、半導体基板2の表面における図2中の下部(図1中の左部)には、信号処理回路8と、例えば3個のパッド9が形成されている。信号処理回路8には、上記櫛歯状電極5、6が接続されていると共に、3個のパッド9が接続されている。信号処理回路8は、例えばCMOSトランジスタやコンデンサなどの素子を有する。そして、それらの素子によって、静電容量値を電圧値に変換するC・V変換回路、ノイズ成分を除去するフィルタ回路、電圧値を所定の周期でサンプルホールドするサンプルホールド回路、及びサンプルホールド回路から出力された電圧値を増幅する増幅回路などで構成されている。また、液体燃料の温度を検出し、その温度に応じて混合比率と静電容量値との間の関係を補正する処理回路を備えている。信号処理回路8の出力信号は、3個のパッド9のうちの1つのパッド9を介して外部へ出力される。残り2個のパッド9のうちの1つがグランド用パッドであり、他の1つが電源用パッドである。尚、図1に示すように、信号処理回路8は、層間絶縁膜10、配線層11、グランド電極12、保護膜13等を有している。
【0031】
更に、グランド電極12と半導体基板2の裏面の拡散層7を接続する貫通電極14が、半導体基板2を貫通するように設けられている。この貫通電極14は、例えば拡散層で形成されている。
【0032】
上記した構成の液体性状センサ1を用いて車両の液体燃料(ガソリン)に含まれるアルコールの混合比率を検出する場合、上記液体性状センサ1を専用のセンサケース内に収容し、液体性状センサ1のセンサ部3だけをセンサケースから外部へ突出させておく。これにより、センサ部3だけが測定したい液体燃料の中に浸漬されて直接曝され、液体性状センサ1の他の部分は液体燃料と接触しないようになっている。
【0033】
そして、センサ部3の櫛歯状電極5、6の櫛歯部5b、6bの間の静電容量値(液体燃料の誘電率に準じた静電容量値)から、液体燃料に含まれるアルコールの混合比率を検出するに当たっては、予め、図3に示すような液体燃料(ガソリンとアルコール)の混合比率と静電容量値との間の関係を示すグラフ(データ)を求めて記憶しておく。このグラフに基づいて測定(検出)した静電容量値に対応する混合比率を求めることができる。ただし、液体燃料(ガソリンとアルコール)の比誘電率は温度に応じて変化するので、液体燃料の温度を検出し、その温度に基づいて補正を加えるのが好ましい。上記構成の液体性状センサ1によれば、半導体基板2の表面に拡散層からなる櫛歯状電極5、6を設けたので、拡散層は液体燃料に対して耐蝕性があることから、櫛歯状電極5、6を液体燃料に直接曝すように構成しながら、即ち、保護膜が不要な構成としながら、十分な耐蝕性を得ることができる。そして、上記構成の液体性状センサ1には、従来構成(特許文献2)とは異なり、保護膜が存在しないから、液体燃料の比誘電率に関係なく、混合比率(液体性状)を高感度で検出することができる。更に、保護膜を形成しないので、製造工程数を削減することができ、それだけ製造コストを低減することができる。
【0034】
また、上記実施例においては、半導体基板2の裏面全体に拡散層7を設けたので、電磁ノイズ等の悪影響を受け難い構成とすることができる。更に、半導体基板2を貫通するように設けた貫通電極14により、半導体基板2の表面のグランド電極12と半導体基板2の裏面の拡散層7を接続するように構成したので、液体燃料が配管内を流動するときに液体燃料自体に帯電した静電気を、裏面の拡散層7及び貫通電極14を通してグランド電極12へ放電することができる。これにより、櫛歯状電極5、6による混合比率の検出誤差を低減することができる。また、異物付着防止や、信号処理回路8の静電破壊を防止することができる。
【0035】
更にまた、上記実施例においては、半導体基板2に液体性状センサ1と信号処理回路8を一体的に設けたので、液体性状センサ1と信号処理回路8をいわゆる1チップで構成することができ、センサ全体の構成を一層小形化できる。
【0036】
尚、上記実施例においては、櫛歯状電極5、6間に直流電圧を印加する、即ち、直流駆動方式で駆動するように構成したが、これに代えて、交流駆動方式で駆動するように構成しても良い。このように構成すると、液体燃料等の測定対象物に含まれているイオンが櫛歯状電極5、6の表面に付着もしくは表面近傍に集積して、該イオンを通じて櫛歯状電極5、6間に電流が流れ、ショートして信号処理回路8が破壊されるのを防止できる。
【0037】
また、上記実施例において、櫛歯状電極5、6のうちのN層に順バイアス電圧を印加すると共に、P層に逆バイアス電圧を印加するように構成することが好ましい。このように構成すると、内部電位を高くすることができ、特に、高温時のPN接合界面の電流リークを防止することができる。
【0038】
第1の実施例においては、静電容量だけでなく、導電率や誘電損失などを含めたインピーダンスの形で計測しても良い。複数の物理量を同時に計測することで、測定精度の向上や異物混入の判定、また誤差補正等が可能となる。
【0039】
図4は、本発明の第2の実施例を示すものである。尚、第1の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第2の実施例においては、拡散層7を半導体基板2の裏面だけでなく、半導体基板2の表面、特には、櫛歯状電極5、6の周囲部にも拡散層15を形成した。これ以外の第2の実施例の構成は、第1の実施例と同じ構成となっている。
【0040】
従って、上記第2の実施例においても、第1の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。特に、第2の実施例によれば、拡散層15がガードリングの働きをすることで、静電気や電磁ノイズの悪影響をより一層低減することができる。尚、上記第2の実施例において、半導体基板2の裏面の拡散層7を形成しないように、即ち、半導体基板2の表面側だけに拡散層15を形成するように構成しても良い。
【0041】
図5は、本発明の第3の実施例を示すものである。尚、第1の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第3の実施例においては、半導体基板2の裏面の拡散層7の上に例えばアルミや銅等の金属膜16を形成すると共に、この金属膜16にリードフレーム17を半田付けや導電性接着剤等により接合し、更に、リードフレーム17と半導体基板2の表面に設けられたグランド用のパッド9とをワイヤ18を介してワイヤボンディングしている。
【0042】
そして、上述した以外の第3の実施例の構成は、第1の実施例と同じ構成となっている。従って、上記第3の実施例においても、第1の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。特に、第3の実施例によれば、グランドの接地面積を広く取ることができるので、静電気や電磁ノイズの悪影響を一層低減することができる。また、ワイヤボンディングすることで、貫通電極と比較してプロセス工程を簡便化できる。
【0043】
図6は、本発明の第4の実施例を示すものである。尚、第1の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第4の実施例においては、センサ部3を耐蝕性のあるポリシリコンからなる櫛歯状電極19、20で構成した。即ち、半導体基板2の表面にポリシリコンからなる櫛歯状電極19、20を形成した。これら櫛歯状電極19、20の形状は、第1の実施例の櫛歯状電極5、6の形状と同じである。
【0044】
尚、上述した以外の第4の実施例の構成は、第1の実施例と同じ構成となっている。従って、上記第4の実施例においても、第1の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。
【0045】
また、図7に示す本発明の第5の実施例のように、前記ポリシリコンからなる櫛歯状電極19、20をCMP技術などで前記半導体基板2に埋め込む構成とすることで、検出部の凹凸が無くなり、混合燃料の異物(コンタミ成分)付着を防止することができる。このため、検出感度低下を防止できる。尚、上述した以外の第5の実施例の構成は、第4の実施例と同じ構成となっている。
【0046】
図8は、本発明の第6の実施例を示すものである。尚、第1の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第6の実施例においては、半導体基板2の裏面に拡散層7を形成することを止めると共に、貫通電極14を形成することを止めるように構成した。上述した以外の第5の実施例の構成は、第1の実施例と同じ構成となっている。従って、上記第6の実施例においても、第1の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。
【0047】
図9は、本発明の第7の実施例を示すものである。尚、第1の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第7の実施例においては、半導体基板21の形状を、細長いチップ形状とした。尚、半導体基板21の横断面形状は、ほぼ正方形または長方形であることが好ましい。上述した以外の第7の実施例の構成は、第1の実施例と同じ構成となっている。
【0048】
従って、上記第7の実施例においても、第1の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。特に、第7の実施例では、半導体基板21の形状を、細長いチップ形状としたので、センサ部3だけを液体の中に曝し易い構成となる。
【0049】
図10は、本発明の第8の実施例を示すものである。尚、第1の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第8の実施例においては、信号処理回路8を、半導体基板2の裏面(下面)に設けた。そして、半導体基板2の表面のパッド9と、信号処理回路8のグランド電極12とを貫通電極14で接続するように構成した。また、信号処理回路8の下面(半導体基板2の裏面)は、保護膜13で覆われている。
【0050】
尚、上述した以外の第8の実施例の構成は、第1の実施例と同じ構成となっている。従って、上記第8の実施例においても、第1の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。そして、第8の実施例では、図10に示すような構成にすることで、センサチップ全体をより小型化することができる。また、センサ部3だけを液体燃料に曝し、信号処理回路8を直接燃料に曝さないように設置することで、回路部の腐食を防止でき、信頼性を向上することができる。
【0051】
図11は、本発明の第9の実施例を示すものである。尚、第1の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第9の実施例においては、信号処理回路8を、櫛歯状電極5、6を設けた半導体基板2と異なる半導体基板31に設け、櫛歯状電極5、6と信号処理回路8との間をワイヤ32を介してワイヤボンディングするように構成した。そして、上記2つの半導体基板2、31は、リードフレーム33上に例えば半田付け等により固着されている。尚、半導体基板2、31の各裏面には、金属膜16が形成されている。
【0052】
また、上述した以外の第9の実施例の構成は、第1の実施例と同じ構成となっている。従って、上記第9の実施例においても、第1の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。そして、第9の実施例では、図11に示すような構成にすることで、センサ部3と信号処理回路8をそれぞれ別工程で製造することができるので、歩留まり向上や品質保証が容易になる。
【0053】
図12及び図13は、本発明の第10の実施例を示すものである。尚、第9の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第10の実施例においては、信号処理回路8を設けた半導体基板31と、前記櫛歯状電極5、6を設けた半導体基板2とをリードフレーム33上に固着したものを樹脂(例えばエポキシ樹脂)34でモールドしている。但し、櫛歯状電極5、6部分は、露出させるようにしてモールドしている。上述した以外の第10の実施例の構成は、第9の実施例とほぼ同じ構成となっている。従って、上記第10の実施例においても、第9の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。そして、第10の実施例では、図12及び図13に示すような構成にすることで、センサ部3のみが液体燃料に曝されるので、信号処理回路8が液体燃料に曝されることはない。このようなモールド構造とすることで、耐蝕性や耐久性を向上させることができ、長期信頼性を一層向上させることができる。
【0054】
図14は、本発明の第11の実施例を示すものである。尚、第9の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第11の実施例においては、信号処理回路8を設けた半導体基板31の上に、櫛歯状電極5、6を設けた半導体基板2を載置し、櫛歯状電極5、6と信号処理回路8との間を貫通電極35及びバンプ36を介して接続している。そして、2つの半導体基板2、31を樹脂等からなる被覆用部材37を介して接着するように構成している。
【0055】
尚、上述した以外の第11の実施例の構成は、第9の実施例と同じ構成となっている。従って、上記第11の実施例においても、第9の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。特に、第11の実施例によれば、信号処理回路8を半導体基板2で覆ってしまう構成となるので、スタック構造による小型化や回路保護、別チップ化することによる歩留まりを向上させることができる。
【0056】
図15及び16は、本発明の第12の実施例を示すものである。尚、第1の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第12の実施例においては、櫛歯状電極41、42を反応性イオンエッチング等のMEMS技術で形成することにより、櫛歯状電極41、42の上下方向(即ち、図15中の上下方向)の寸法を大きくし、前記櫛歯状電極41、42の対向面積を大きくするように構成した。
【0057】
具体的には、半導体基板(Si基板)2の上面に絶縁膜38を形成し、この絶縁膜38の上面にSi層39を形成し、絶縁膜38及びSi層39に形成した開口部40内に、櫛歯状電極41、42を張り出すように設けている。この場合、開口部40の縦・横の各寸法は、それぞれ数百μm〜数mm程度であり、櫛歯状電極41、42の図15中の上下方向の寸法は10μm程度であり、櫛歯状電極41、42の幅寸法(図15中の左右方向の寸法)は3μm程度であり、櫛歯状電極41、42の間隔の寸法は、5μm程度である。これにより、櫛歯状電極41、42の櫛歯部41b、42bの対向する対を、MEMS技術により、数十〜数百対程度形成することができる。
【0058】
尚、上述した以外の第12の実施例の構成は、第1の実施例と同じ構成となっている。
従って、上記第12の実施例においても、第1の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。特に、第12の実施例によれば、櫛歯状電極41、42の配設面積を大幅に小さくすることができ、全体の構成をより一層小型化することができる。
【0059】
図17ないし図21は、それぞれ本発明の第13ないし第17の実施例を示すものである。これら第13ないし第17の実施例は、第6の実施例(図8参照)、第8の実施例(図10参照)、第9の実施例(図11参照)、第10の実施例(図12参照)、第11の実施例(図14参照)において、第4の実施例に示すように、センサ部3を、耐蝕性のあるポリシリコンからなる櫛歯状電極19、20で構成したものである。
【0060】
このように、センサ部3を耐蝕性のあるポリシリコンからなる櫛歯状電極19、20で構成したので、ポリシリコンは液体燃料に対して耐蝕性があることから、櫛歯状電極19、20を液体燃料に直接曝すように構成しながら、即ち、保護膜が不要な構成としながら、十分な耐蝕性を得ることができる。また、一般的な半導体製造プロセスを用いて容易に作成できることから、製造コストをより一層削減することができる。
【0061】
また、上記した各実施例においては、液体燃料(ガソリン及びアルコール)の混合比率を検出する液体性状センサ1に適用したが、これに限られるものではなく、他の液体の性状を検出する液体性状センサ(インピーダンスセンサ)に適用しても良いし、更にまた、気体の混合比率(例えば湿度やガスの濃度等)を検出するインピーダンスセンサ(湿度センサやガスセンサ等)に適用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【0062】
【図1】本発明の第1の実施例を示す液体性状センサの縦断面図
【図2】液体性状センサの上面図
【図3】液体の混合比率と静電容量値との関係を示すグラフ
【図4】本発明の第2の実施例を示す液体性状センサの部分上面図
【図5】本発明の第3の実施例を示す図1相当図
【図6】本発明の第4の実施例を示す図1相当図
【図7】本発明の第5の実施例を示す図6相当図
【図8】本発明の第6の実施例を示す図1相当図
【図9】本発明の第7の実施例を示す液体性状センサの斜視図
【図10】本発明の第8の実施例を示す図1相当図
【図11】本発明の第9の実施例を示す図1相当図
【図12】本発明の第10の実施例を示す図11相当図
【図13】図2相当図
【図14】本発明の第11の実施例を示す図11相当図
【図15】本発明の第12の実施例を示す液体性状センサの部分上面図
【図16】液体性状センサの縦断面図
【図17】本発明の第13の実施例を示す図8相当図
【図18】本発明の第14の実施例を示す図10相当図
【図19】本発明の第15の実施例を示す図11相当図
【図20】本発明の第16の実施例を示す図12相当図
【図21】本発明の第17の実施例を示す図14相当図
【符号の説明】
【0063】
図面中、1は液体性状センサ、2は半導体基板、3はセンサ部、5、6は櫛歯状電極、7は拡散層、8は信号処理回路、12はグランド電極、13は保護膜、14は貫通電極、15は拡散層、16は金属膜、17はリードフレーム、18はワイヤ、19、20は櫛歯状電極、21は半導体基板、31は半導体基板、35は貫通電極、41、42は櫛歯状電極を示す。
【技術分野】
【0001】
本発明は、液体や気体の混合比率等として、例えばガソリンなどの液体燃料の中に含まれるアルコールの混合比率等を検出する液体性状センサ及びインピーダンスセンサに関する。
【背景技術】
【0002】
アルコール含有量を検出するセンサの一例として、特許文献1に記載された構成が知られている。この構成は、液体燃料が流通する通路が形成されたケーシングと、このケーシング内に混合気に曝されるように設けられたセンサ素子とから構成されている。しかし、上記構成のセンサは、全体の構成が大きいため、取付け場所が制限されると共に、取り付け構造が複雑になるという問題点があった。
【0003】
このような問題点を解消する構成の一例として、特許文献2に記載された半導体センサ(湿度センサ)が知られている。この湿度センサは、半導体基板の上に絶縁膜、感湿膜を形成し、その上にアルミや銅などの櫛歯状の金属電極を形成し、この金属電極の上に腐食防止用の保護膜(シリコン窒化膜等)を形成して構成されている。そして、このような構成の半導体センサを、液体燃料の中に含まれるアルコールの混合率を検出するセンサとして用いれば、小形の液体性状センサを構成することができる。
【特許文献1】特表平5−507561号公報
【特許文献2】特開2003−270189号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上記したように、液体性状センサを半導体センサで構成した場合、ガソリンなどの液体燃料は、金属に対する腐食性が強いため、半導体基板の上に形成した櫛歯状の金属電極の上に、腐食防止用の保護膜(シリコン窒化膜等)を形成する必要がある。しかし、保護膜と検出する液体の誘電率の差が大きくなると、櫛歯状の金属電極間の静電容量の変化が小さくなるという問題があった。
【0005】
このため、車両の液体燃料(ガソリン)のアルコール含有量を検出する構成に用いる場合には、アルコール含有量によって比誘電率が大きく変化するので、検出精度を高くする(即ち、電極間の静電容量の変化を大きくする)ためには、異なる比誘電率を有する複数の保護膜を設ける必要がある。しかし、このように構成すると、信号処理回路が複雑になると共に、半導体製造プロセスが複雑になるという問題点が発生する。
【0006】
そこで、本発明の目的は、液体性状センサの櫛歯状電極を液体に直接曝すように構成しながら、十分な耐食性を得ることができる液体性状センサ及びインピーダンスセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
請求項1の発明によれば、半導体基板の表面に拡散層からなる櫛歯状電極を設ける構成としたので、櫛歯状電極を液体に直接曝すように構成しながら、すなわち、保護膜が不要な構成としながら、液体に対して十分な耐食性を得ることができる。また、保護膜が存在しないから、液体の比誘電率に関係なく、液体性状を検出することができる。
【0008】
上記構成の場合、請求項2の発明のように、前記櫛歯状電極は、一対の共通部と、これら共通部から突設された多数の櫛歯部とを有し、各櫛歯部を所定間隔をあけて互い違いに嵌合させていることが好ましい。
【0009】
請求項3の発明によれば、半導体基板の裏面の中の少なくとも櫛歯状電極に対応する部分に拡散層を設けたので、電磁ノイズ等の悪影響を受け難い構成とすることができる。
また、請求項4の発明のように、前記半導体基板の表面の中の前記櫛歯状電極の周囲部に設けられた拡散層を備えることがより一層好ましい。
【0010】
請求項5の発明によれば、半導体基板を貫通するように設けられ、前記半導体基板の表面に設けられたグランド電極と前記半導体基板の裏面の拡散層を接続する貫通電極を備えたので、液体が配管内を流動するときに液体自体に帯電した静電気を、裏面の拡散層及び貫通電極を通してグランド電極へ放電することができる。これにより、検出誤差を低減することができる。
【0011】
請求項6の発明によれば、半導体基板の裏面の拡散層の上に金属膜を設け、この金属膜にリードフレームを接合し、このリードフレームと前記半導体基板の表面に設けられたグランド電極をワイヤボンディングするように構成したので、請求項5の発明とほぼ同じ作用効果を得ることができる。
【0012】
請求項7の発明によれば、半導体基板に信号処理回路を設けたので、液体性状センサと信号処理回路を1チップ化することができ、全体の構成を一層小形化できる。
請求項8の発明によれば、半導体基板の表面にポリシリコンからなる櫛歯状電極を設けたので、請求項1の発明とほぼ同じ作用効果を得ることができる。
【0013】
また、請求項9の発明のように、前記半導体基板の形状を、細長いチップ形状とすることがより一層良い構成である。
一方、請求項10の発明によれば、液体や気体の中に入れて前記液体や前記気体の混合比率等を誘電率や導電率等から検出するインピーダンスセンサにおいて、半導体基板と、前記半導体基板の表面に設けられ、拡散層からなる櫛歯状電極とを備える構成としたので、請求項1の発明とほぼ同じ作用効果を得ることができる。
【0014】
上記構成の場合、請求項11の発明のように、前記櫛歯状電極は、一対の共通部と、これら共通部から突設された多数の櫛歯部とを有し、各櫛歯部を所定間隔をあけて互い違いに嵌合させていることが好ましい。
【0015】
請求項12の発明によれば、前記櫛歯状電極に、交流電圧を印加するように構成したので、測定対象物に含まれているイオンが櫛歯状電極の表面に付着、もしくは表面近傍に集積して、該イオンを通じて櫛歯状電極間に電流が流れることを防止できる。
【0016】
請求項13の発明によれば、前記櫛歯状電極のうちのN層に順バイアス電圧を印加すると共に、P層に逆バイアス電圧を印加するように構成したので、内部電位を高くすることができ、特に、高温時のPN接合界面における電流リークを防止することができる。
【0017】
請求項14の発明によれば、半導体基板の裏面の中の少なくとも櫛歯状電極に対応する部分に拡散層を設けたので、電磁ノイズ等の悪影響を受け難い構成とすることができる。
また、請求項15の発明のように、前記半導体基板の表面の中の前記櫛歯状電極の周囲部に設けられた拡散層を備えることがより一層好ましい。
【0018】
請求項16の発明によれば、半導体基板を貫通するように設けられ、前記半導体基板の表面に設けられたグランド電極と前記半導体基板の裏面の拡散層を接続する貫通電極を備えたので、液体や気体が配管内を流動するときに液体や気体自体に帯電した静電気を、裏面の拡散層及び貫通電極を通してグランド電極へ放電することができる。これにより、検出誤差を低減することができる。また、異物付着防止や、信号処理回路の静電破壊を防止することができる。
【0019】
請求項17の発明によれば、半導体基板の裏面の拡散層の上に金属膜を設け、この金属膜にリードフレームを接合し、このリードフレームと前記半導体基板の表面に設けられたグランド電極をワイヤボンディングするように構成したので、請求項5の発明とほぼ同じ作用効果を得ることができる。
【0020】
請求項18の発明によれば、半導体基板に信号処理回路を設けたので、液体性状センサと信号処理回路を1チップ化することができ、全体の構成を一層小形化できる。また、1チップ化することで、配線長を短くすることができるので、寄生容量の影響を低減できる。
【0021】
また、請求項19の発明のように、前記信号処理回路を、前記半導体基板の裏面に設けることが小型化や回路保護の観点で好ましい。更に、請求項20の発明のように、前記信号処理回路を、前記半導体基板と異なる半導体基板に設け、前記櫛歯状電極と前記信号処理回路との間をワイヤボンディングで接続するように構成することが良い。別チップ化することで、歩留りを向上することができる。更にまた、請求項21の発明のように、前記信号処理回路を設けた半導体基板と、前記櫛歯状電極を設けた半導体基板とを、前記櫛歯状電極部分を露出させるようにして樹脂でモールドすることがより耐久性向上の観点で一層好ましい。
【0022】
また、請求項22の発明のように、前記信号処理回路を、前記半導体基板と異なる半導体基板に設け、前記櫛歯状電極と前記信号処理回路との間を貫通電極及びバンプで接続し、前記2つの半導体基板を樹脂で接着するように構成することが、スタック構造による小型化や回路保護、別チップ化することによる歩留り向上の観点で良い構成である。
【0023】
請求項23の発明によれば、前記櫛歯状電極をMEMS技術で形成することにより、前記櫛歯状電極の上下方向の寸法を大きくし、前記櫛歯状電極の対向面積を大きくするように構成したので、櫛歯状電極の配設面積を大幅に小さくすることができ、感度向上と全体の構成も小型化を両立することができる。
【0024】
請求項24の発明によれば、半導体基板の表面に耐蝕性の良好なポリシリコンからなる櫛歯状電極を設けたので、請求項1の発明とほぼ同じ作用効果を得ることができる。
上記構成の場合、請求項25の発明のように、前記ポリシリコンからなる櫛歯状電極を前記半導体基板内に埋め込むように構成することが好ましい。また、請求項26〜37の発明によれば、請求項11〜23の発明とほぼ同様な作用効果を得ることができる。
【0025】
また、請求項38の発明のように、前記半導体基板の形状を、細長いチップ形状とすることがよりセンサ小型化の観点で一層好ましい構成である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0026】
以下、本発明の第1の実施例について、図1ないし図3を参照して説明する。まず、図1は、本実施例の液体性状センサ1の全体構成を概略的に示す縦断面図である。本実施例の液体性状センサ1は、車両の液体燃料例えばガソリンに含まれるアルコールの混合比率を検出するものであり、半導体センサで構成されている。
【0027】
上記液体性状センサ1は、図1に示すように、例えばSi基板からなる半導体基板2と、この半導体基板2の表面における図1中の右部に設けられた拡散層からなるセンサ部3とを備えている。センサ部3は、半導体基板2の表面に形成されたP層4と、このP層4の表面に形成されたN層からなる櫛歯状電極5、6とから構成されている。櫛歯状電極5、6は、図2に示すような櫛歯状に形成されており、一対の共通部5a、6aと、これら共通部5a、6aから突設された多数の櫛歯部5b、6bとを有しており、各櫛歯部5b、6bを所定間隔をあけて互い違いに嵌合させている。
【0028】
そして、半導体基板2のうちの上記センサ部3だけが、測定したい液体燃料の中に浸漬されて直接曝されるように構成されている。この場合、櫛歯部5b、6bの間に対象物である液体燃料の誘電率に準じた静電容量が蓄積される。
【0029】
また、半導体基板2の裏面全体には、P層からなる拡散層7が形成されている。尚、この拡散層7は、必ずしも半導体基板2の裏面全体に形成する必要はなく、半導体基板2の裏面のうちのセンサ部3(櫛歯状電極5、6)に対応する部分、即ち、図1中の右部に形成するだけでも良い。
【0030】
また、半導体基板2の表面における図2中の下部(図1中の左部)には、信号処理回路8と、例えば3個のパッド9が形成されている。信号処理回路8には、上記櫛歯状電極5、6が接続されていると共に、3個のパッド9が接続されている。信号処理回路8は、例えばCMOSトランジスタやコンデンサなどの素子を有する。そして、それらの素子によって、静電容量値を電圧値に変換するC・V変換回路、ノイズ成分を除去するフィルタ回路、電圧値を所定の周期でサンプルホールドするサンプルホールド回路、及びサンプルホールド回路から出力された電圧値を増幅する増幅回路などで構成されている。また、液体燃料の温度を検出し、その温度に応じて混合比率と静電容量値との間の関係を補正する処理回路を備えている。信号処理回路8の出力信号は、3個のパッド9のうちの1つのパッド9を介して外部へ出力される。残り2個のパッド9のうちの1つがグランド用パッドであり、他の1つが電源用パッドである。尚、図1に示すように、信号処理回路8は、層間絶縁膜10、配線層11、グランド電極12、保護膜13等を有している。
【0031】
更に、グランド電極12と半導体基板2の裏面の拡散層7を接続する貫通電極14が、半導体基板2を貫通するように設けられている。この貫通電極14は、例えば拡散層で形成されている。
【0032】
上記した構成の液体性状センサ1を用いて車両の液体燃料(ガソリン)に含まれるアルコールの混合比率を検出する場合、上記液体性状センサ1を専用のセンサケース内に収容し、液体性状センサ1のセンサ部3だけをセンサケースから外部へ突出させておく。これにより、センサ部3だけが測定したい液体燃料の中に浸漬されて直接曝され、液体性状センサ1の他の部分は液体燃料と接触しないようになっている。
【0033】
そして、センサ部3の櫛歯状電極5、6の櫛歯部5b、6bの間の静電容量値(液体燃料の誘電率に準じた静電容量値)から、液体燃料に含まれるアルコールの混合比率を検出するに当たっては、予め、図3に示すような液体燃料(ガソリンとアルコール)の混合比率と静電容量値との間の関係を示すグラフ(データ)を求めて記憶しておく。このグラフに基づいて測定(検出)した静電容量値に対応する混合比率を求めることができる。ただし、液体燃料(ガソリンとアルコール)の比誘電率は温度に応じて変化するので、液体燃料の温度を検出し、その温度に基づいて補正を加えるのが好ましい。上記構成の液体性状センサ1によれば、半導体基板2の表面に拡散層からなる櫛歯状電極5、6を設けたので、拡散層は液体燃料に対して耐蝕性があることから、櫛歯状電極5、6を液体燃料に直接曝すように構成しながら、即ち、保護膜が不要な構成としながら、十分な耐蝕性を得ることができる。そして、上記構成の液体性状センサ1には、従来構成(特許文献2)とは異なり、保護膜が存在しないから、液体燃料の比誘電率に関係なく、混合比率(液体性状)を高感度で検出することができる。更に、保護膜を形成しないので、製造工程数を削減することができ、それだけ製造コストを低減することができる。
【0034】
また、上記実施例においては、半導体基板2の裏面全体に拡散層7を設けたので、電磁ノイズ等の悪影響を受け難い構成とすることができる。更に、半導体基板2を貫通するように設けた貫通電極14により、半導体基板2の表面のグランド電極12と半導体基板2の裏面の拡散層7を接続するように構成したので、液体燃料が配管内を流動するときに液体燃料自体に帯電した静電気を、裏面の拡散層7及び貫通電極14を通してグランド電極12へ放電することができる。これにより、櫛歯状電極5、6による混合比率の検出誤差を低減することができる。また、異物付着防止や、信号処理回路8の静電破壊を防止することができる。
【0035】
更にまた、上記実施例においては、半導体基板2に液体性状センサ1と信号処理回路8を一体的に設けたので、液体性状センサ1と信号処理回路8をいわゆる1チップで構成することができ、センサ全体の構成を一層小形化できる。
【0036】
尚、上記実施例においては、櫛歯状電極5、6間に直流電圧を印加する、即ち、直流駆動方式で駆動するように構成したが、これに代えて、交流駆動方式で駆動するように構成しても良い。このように構成すると、液体燃料等の測定対象物に含まれているイオンが櫛歯状電極5、6の表面に付着もしくは表面近傍に集積して、該イオンを通じて櫛歯状電極5、6間に電流が流れ、ショートして信号処理回路8が破壊されるのを防止できる。
【0037】
また、上記実施例において、櫛歯状電極5、6のうちのN層に順バイアス電圧を印加すると共に、P層に逆バイアス電圧を印加するように構成することが好ましい。このように構成すると、内部電位を高くすることができ、特に、高温時のPN接合界面の電流リークを防止することができる。
【0038】
第1の実施例においては、静電容量だけでなく、導電率や誘電損失などを含めたインピーダンスの形で計測しても良い。複数の物理量を同時に計測することで、測定精度の向上や異物混入の判定、また誤差補正等が可能となる。
【0039】
図4は、本発明の第2の実施例を示すものである。尚、第1の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第2の実施例においては、拡散層7を半導体基板2の裏面だけでなく、半導体基板2の表面、特には、櫛歯状電極5、6の周囲部にも拡散層15を形成した。これ以外の第2の実施例の構成は、第1の実施例と同じ構成となっている。
【0040】
従って、上記第2の実施例においても、第1の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。特に、第2の実施例によれば、拡散層15がガードリングの働きをすることで、静電気や電磁ノイズの悪影響をより一層低減することができる。尚、上記第2の実施例において、半導体基板2の裏面の拡散層7を形成しないように、即ち、半導体基板2の表面側だけに拡散層15を形成するように構成しても良い。
【0041】
図5は、本発明の第3の実施例を示すものである。尚、第1の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第3の実施例においては、半導体基板2の裏面の拡散層7の上に例えばアルミや銅等の金属膜16を形成すると共に、この金属膜16にリードフレーム17を半田付けや導電性接着剤等により接合し、更に、リードフレーム17と半導体基板2の表面に設けられたグランド用のパッド9とをワイヤ18を介してワイヤボンディングしている。
【0042】
そして、上述した以外の第3の実施例の構成は、第1の実施例と同じ構成となっている。従って、上記第3の実施例においても、第1の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。特に、第3の実施例によれば、グランドの接地面積を広く取ることができるので、静電気や電磁ノイズの悪影響を一層低減することができる。また、ワイヤボンディングすることで、貫通電極と比較してプロセス工程を簡便化できる。
【0043】
図6は、本発明の第4の実施例を示すものである。尚、第1の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第4の実施例においては、センサ部3を耐蝕性のあるポリシリコンからなる櫛歯状電極19、20で構成した。即ち、半導体基板2の表面にポリシリコンからなる櫛歯状電極19、20を形成した。これら櫛歯状電極19、20の形状は、第1の実施例の櫛歯状電極5、6の形状と同じである。
【0044】
尚、上述した以外の第4の実施例の構成は、第1の実施例と同じ構成となっている。従って、上記第4の実施例においても、第1の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。
【0045】
また、図7に示す本発明の第5の実施例のように、前記ポリシリコンからなる櫛歯状電極19、20をCMP技術などで前記半導体基板2に埋め込む構成とすることで、検出部の凹凸が無くなり、混合燃料の異物(コンタミ成分)付着を防止することができる。このため、検出感度低下を防止できる。尚、上述した以外の第5の実施例の構成は、第4の実施例と同じ構成となっている。
【0046】
図8は、本発明の第6の実施例を示すものである。尚、第1の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第6の実施例においては、半導体基板2の裏面に拡散層7を形成することを止めると共に、貫通電極14を形成することを止めるように構成した。上述した以外の第5の実施例の構成は、第1の実施例と同じ構成となっている。従って、上記第6の実施例においても、第1の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。
【0047】
図9は、本発明の第7の実施例を示すものである。尚、第1の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第7の実施例においては、半導体基板21の形状を、細長いチップ形状とした。尚、半導体基板21の横断面形状は、ほぼ正方形または長方形であることが好ましい。上述した以外の第7の実施例の構成は、第1の実施例と同じ構成となっている。
【0048】
従って、上記第7の実施例においても、第1の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。特に、第7の実施例では、半導体基板21の形状を、細長いチップ形状としたので、センサ部3だけを液体の中に曝し易い構成となる。
【0049】
図10は、本発明の第8の実施例を示すものである。尚、第1の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第8の実施例においては、信号処理回路8を、半導体基板2の裏面(下面)に設けた。そして、半導体基板2の表面のパッド9と、信号処理回路8のグランド電極12とを貫通電極14で接続するように構成した。また、信号処理回路8の下面(半導体基板2の裏面)は、保護膜13で覆われている。
【0050】
尚、上述した以外の第8の実施例の構成は、第1の実施例と同じ構成となっている。従って、上記第8の実施例においても、第1の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。そして、第8の実施例では、図10に示すような構成にすることで、センサチップ全体をより小型化することができる。また、センサ部3だけを液体燃料に曝し、信号処理回路8を直接燃料に曝さないように設置することで、回路部の腐食を防止でき、信頼性を向上することができる。
【0051】
図11は、本発明の第9の実施例を示すものである。尚、第1の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第9の実施例においては、信号処理回路8を、櫛歯状電極5、6を設けた半導体基板2と異なる半導体基板31に設け、櫛歯状電極5、6と信号処理回路8との間をワイヤ32を介してワイヤボンディングするように構成した。そして、上記2つの半導体基板2、31は、リードフレーム33上に例えば半田付け等により固着されている。尚、半導体基板2、31の各裏面には、金属膜16が形成されている。
【0052】
また、上述した以外の第9の実施例の構成は、第1の実施例と同じ構成となっている。従って、上記第9の実施例においても、第1の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。そして、第9の実施例では、図11に示すような構成にすることで、センサ部3と信号処理回路8をそれぞれ別工程で製造することができるので、歩留まり向上や品質保証が容易になる。
【0053】
図12及び図13は、本発明の第10の実施例を示すものである。尚、第9の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第10の実施例においては、信号処理回路8を設けた半導体基板31と、前記櫛歯状電極5、6を設けた半導体基板2とをリードフレーム33上に固着したものを樹脂(例えばエポキシ樹脂)34でモールドしている。但し、櫛歯状電極5、6部分は、露出させるようにしてモールドしている。上述した以外の第10の実施例の構成は、第9の実施例とほぼ同じ構成となっている。従って、上記第10の実施例においても、第9の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。そして、第10の実施例では、図12及び図13に示すような構成にすることで、センサ部3のみが液体燃料に曝されるので、信号処理回路8が液体燃料に曝されることはない。このようなモールド構造とすることで、耐蝕性や耐久性を向上させることができ、長期信頼性を一層向上させることができる。
【0054】
図14は、本発明の第11の実施例を示すものである。尚、第9の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第11の実施例においては、信号処理回路8を設けた半導体基板31の上に、櫛歯状電極5、6を設けた半導体基板2を載置し、櫛歯状電極5、6と信号処理回路8との間を貫通電極35及びバンプ36を介して接続している。そして、2つの半導体基板2、31を樹脂等からなる被覆用部材37を介して接着するように構成している。
【0055】
尚、上述した以外の第11の実施例の構成は、第9の実施例と同じ構成となっている。従って、上記第11の実施例においても、第9の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。特に、第11の実施例によれば、信号処理回路8を半導体基板2で覆ってしまう構成となるので、スタック構造による小型化や回路保護、別チップ化することによる歩留まりを向上させることができる。
【0056】
図15及び16は、本発明の第12の実施例を示すものである。尚、第1の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第12の実施例においては、櫛歯状電極41、42を反応性イオンエッチング等のMEMS技術で形成することにより、櫛歯状電極41、42の上下方向(即ち、図15中の上下方向)の寸法を大きくし、前記櫛歯状電極41、42の対向面積を大きくするように構成した。
【0057】
具体的には、半導体基板(Si基板)2の上面に絶縁膜38を形成し、この絶縁膜38の上面にSi層39を形成し、絶縁膜38及びSi層39に形成した開口部40内に、櫛歯状電極41、42を張り出すように設けている。この場合、開口部40の縦・横の各寸法は、それぞれ数百μm〜数mm程度であり、櫛歯状電極41、42の図15中の上下方向の寸法は10μm程度であり、櫛歯状電極41、42の幅寸法(図15中の左右方向の寸法)は3μm程度であり、櫛歯状電極41、42の間隔の寸法は、5μm程度である。これにより、櫛歯状電極41、42の櫛歯部41b、42bの対向する対を、MEMS技術により、数十〜数百対程度形成することができる。
【0058】
尚、上述した以外の第12の実施例の構成は、第1の実施例と同じ構成となっている。
従って、上記第12の実施例においても、第1の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。特に、第12の実施例によれば、櫛歯状電極41、42の配設面積を大幅に小さくすることができ、全体の構成をより一層小型化することができる。
【0059】
図17ないし図21は、それぞれ本発明の第13ないし第17の実施例を示すものである。これら第13ないし第17の実施例は、第6の実施例(図8参照)、第8の実施例(図10参照)、第9の実施例(図11参照)、第10の実施例(図12参照)、第11の実施例(図14参照)において、第4の実施例に示すように、センサ部3を、耐蝕性のあるポリシリコンからなる櫛歯状電極19、20で構成したものである。
【0060】
このように、センサ部3を耐蝕性のあるポリシリコンからなる櫛歯状電極19、20で構成したので、ポリシリコンは液体燃料に対して耐蝕性があることから、櫛歯状電極19、20を液体燃料に直接曝すように構成しながら、即ち、保護膜が不要な構成としながら、十分な耐蝕性を得ることができる。また、一般的な半導体製造プロセスを用いて容易に作成できることから、製造コストをより一層削減することができる。
【0061】
また、上記した各実施例においては、液体燃料(ガソリン及びアルコール)の混合比率を検出する液体性状センサ1に適用したが、これに限られるものではなく、他の液体の性状を検出する液体性状センサ(インピーダンスセンサ)に適用しても良いし、更にまた、気体の混合比率(例えば湿度やガスの濃度等)を検出するインピーダンスセンサ(湿度センサやガスセンサ等)に適用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【0062】
【図1】本発明の第1の実施例を示す液体性状センサの縦断面図
【図2】液体性状センサの上面図
【図3】液体の混合比率と静電容量値との関係を示すグラフ
【図4】本発明の第2の実施例を示す液体性状センサの部分上面図
【図5】本発明の第3の実施例を示す図1相当図
【図6】本発明の第4の実施例を示す図1相当図
【図7】本発明の第5の実施例を示す図6相当図
【図8】本発明の第6の実施例を示す図1相当図
【図9】本発明の第7の実施例を示す液体性状センサの斜視図
【図10】本発明の第8の実施例を示す図1相当図
【図11】本発明の第9の実施例を示す図1相当図
【図12】本発明の第10の実施例を示す図11相当図
【図13】図2相当図
【図14】本発明の第11の実施例を示す図11相当図
【図15】本発明の第12の実施例を示す液体性状センサの部分上面図
【図16】液体性状センサの縦断面図
【図17】本発明の第13の実施例を示す図8相当図
【図18】本発明の第14の実施例を示す図10相当図
【図19】本発明の第15の実施例を示す図11相当図
【図20】本発明の第16の実施例を示す図12相当図
【図21】本発明の第17の実施例を示す図14相当図
【符号の説明】
【0063】
図面中、1は液体性状センサ、2は半導体基板、3はセンサ部、5、6は櫛歯状電極、7は拡散層、8は信号処理回路、12はグランド電極、13は保護膜、14は貫通電極、15は拡散層、16は金属膜、17はリードフレーム、18はワイヤ、19、20は櫛歯状電極、21は半導体基板、31は半導体基板、35は貫通電極、41、42は櫛歯状電極を示す。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
液体の中に浸漬させて前記液体の混合比率等の液体性状を検出する液体性状センサにおいて、
半導体基板と、
前記半導体基板の表面に設けられ、拡散層からなる櫛歯状電極とを備えたことを特徴とする液体性状センサ。
【請求項2】
前記櫛歯状電極は、一対の共通部と、これら共通部から突設された多数の櫛歯部とを有し、各櫛歯部を設定間隔をあけて互い違いに嵌合させていることを特徴とする請求項1記載の液体性状センサ。
【請求項3】
前記半導体基板の裏面の中の少なくとも前記櫛歯状電極に対応する部分に設けられた拡散層を備えたことを特徴とする請求項1または2記載の液体性状センサ。
【請求項4】
前記半導体基板の表面の中の前記櫛歯状電極の周囲部に設けられた拡散層を備えたことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の液体性状センサ。
【請求項5】
前記半導体基板を貫通するように設けられ、前記半導体基板の表面に設けられたグランド電極と前記半導体基板の裏面の前記拡散層を接続する貫通電極を備えたことを特徴とする請求項3または4記載の液体性状センサ。
【請求項6】
前記半導体基板の裏面の前記拡散層の上に設けられた金属膜と、
前記金属膜に接合されたリードフレームとを備え、
前記リードフレームと前記半導体基板の表面に設けられたグランド電極をワイヤボンディングしたことを特徴とする請求項3または4記載の液体性状センサ。
【請求項7】
前記半導体基板に信号処理回路を設けたことを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の液体性状センサ。
【請求項8】
液体の中に浸漬させて前記液体の混合比率等の液体性状を検出する液体性状センサにおいて、
半導体基板と、
前記半導体基板の表面に設けられ、ポリシリコンからなる櫛歯状電極とを備えたことを特徴とする液体性状センサ。
【請求項9】
前記半導体基板の形状を、細長いチップ形状としたことを特徴とする請求項1ないし8のいずれかに記載の液体性状センサ。
【請求項10】
液体や気体の中に入れて前記液体や前記気体の混合比率等を検出するインピーダンスセンサにおいて、
半導体基板と、
前記半導体基板の表面に設けられ、拡散層からなる櫛歯状電極とを備えたことを特徴とするインピーダンスセンサ。
【請求項11】
前記櫛歯状電極は、一対の共通部と、これら共通部から突設された多数の櫛歯部とを有し、各櫛歯部を設定間隔をあけて互い違いに嵌合させていることを特徴とする請求項10記載のインピーダンスセンサ。
【請求項12】
前記櫛歯状電極に、交流電圧を印加するように構成されていることを特徴とする請求項11記載のインピーダンスセンサ。
【請求項13】
前記櫛歯状電極のうちのN層に順バイアス電圧を印加すると共に、P層に逆バイアス電圧を印加するように構成されていることを特徴とする請求項11記載のインピーダンスセンサ。
【請求項14】
前記半導体基板の裏面の中の少なくとも前記櫛歯状電極に対応する部分に設けられた拡散層を備えたことを特徴とする請求項10ないし13のいずれかに記載のインピーダンスセンサ。
【請求項15】
前記半導体基板の表面の中の前記櫛歯状電極の周囲部に設けられた拡散層を備えたことを特徴とする請求項10ないし14のいずれかに記載のインピーダンスセンサ。
【請求項16】
前記半導体基板を貫通するように設けられ、前記半導体基板の表面に設けられたグランド電極と前記半導体基板の裏面の前記拡散層を接続する貫通電極を備えたことを特徴とする請求項14または15記載のインピーダンスセンサ。
【請求項17】
前記半導体基板の裏面の前記拡散層の上に設けられた金属膜と、
前記金属膜に接合されたリードフレームとを備え、
前記リードフレームと前記半導体基板の表面に設けられたグランド電極をワイヤボンディングしたことを特徴とする請求項14または15記載のインピーダンスセンサ。
【請求項18】
前記半導体基板に信号処理回路を設けたことを特徴とする請求項10ないし17のいずれかに記載のインピーダンスセンサ。
【請求項19】
前記信号処理回路は、前記半導体基板の裏面に設けられていることを特徴とする請求項18記載のインピーダンスセンサ。
【請求項20】
前記信号処理回路を、前記半導体基板と異なる半導体基板に設け、前記櫛歯状電極と前記信号処理回路との間をワイヤボンディングで接続するように構成したことを特徴とする請求項10ないし17のいずれかに記載のインピーダンスセンサ。
【請求項21】
前記信号処理回路を設けた半導体基板と、前記櫛歯状電極を設けた半導体基板とを、前記櫛歯状電極部分を露出させるようにして樹脂でモールドしたことを特徴とする請求項20記載のインピーダンスセンサ。
【請求項22】
前記信号処理回路を、前記半導体基板と異なる半導体基板に設け、前記櫛歯状電極と前記信号処理回路との間を貫通電極及びバンプで接続し、前記2つの半導体基板を樹脂で接着するように構成したことを特徴とする請求項10ないし17のいずれかに記載のインピーダンスセンサ。
【請求項23】
前記櫛歯状電極をMEMS技術で形成することにより、前記櫛歯状電極の上下方向の寸法を大きくし、前記櫛歯状電極の対向面積を大きくするように構成したことを特徴とする請求項10ないし22のいずれかに記載のインピーダンスセンサ。
【請求項24】
液体や気体の中に入れて前記液体や前記気体の混合比率等を検出するインピーダンスセンサにおいて、
半導体基板と、
前記半導体基板の表面に設けられ、ポリシリコンからなる櫛歯状電極とを備えたことを特徴とするインピーダンスセンサ。
【請求項25】
前記ポリシリコンからなる櫛歯状電極を前記半導体基板内に埋め込むように構成したことを特徴とする請求項24記載のインピーダンスセンサ。
【請求項26】
前記櫛歯状電極は、一対の共通部と、これら共通部から突設された多数の櫛歯部とを有し、各櫛歯部を設定間隔をあけて互い違いに嵌合させていることを特徴とする請求項24記載のインピーダンスセンサ。
【請求項27】
前記櫛歯状電極に、交流電圧を印加するように構成されていることを特徴とする請求項24記載のインピーダンスセンサ。
【請求項28】
前記半導体基板の裏面の中の少なくとも前記櫛歯状電極に対応する部分に設けられた拡散層を備えたことを特徴とする請求項24ないし27のいずれかに記載のインピーダンスセンサ。
【請求項29】
前記半導体基板の表面の中の前記櫛歯状電極の周囲部に設けられた拡散層を備えたことを特徴とする請求項24ないし28のいずれかに記載のインピーダンスセンサ。
【請求項30】
前記半導体基板を貫通するように設けられ、前記半導体基板の表面に設けられたグランド電極と前記半導体基板の裏面の前記拡散層を接続する貫通電極を備えたことを特徴とする請求項28または29記載のインピーダンスセンサ。
【請求項31】
前記半導体基板の裏面の前記拡散層の上に設けられた金属膜と、
前記金属膜に接合されたリードフレームとを備え、
前記リードフレームと前記半導体基板の表面に設けられたグランド電極をワイヤボンディングしたことを特徴とする請求項28または29記載のインピーダンスセンサ。
【請求項32】
前記半導体基板に信号処理回路を設けたことを特徴とする請求項24ないし31のいずれかに記載のインピーダンスセンサ。
【請求項33】
前記信号処理回路は、前記半導体基板の裏面に設けられていることを特徴とする請求項32記載のインピーダンスセンサ。
【請求項34】
前記信号処理回路を、前記半導体基板と異なる半導体基板に設け、前記櫛歯状電極と前記信号処理回路との間をワイヤボンディングで接続するように構成したことを特徴とする請求項24ないし31のいずれかに記載のインピーダンスセンサ。
【請求項35】
前記信号処理回路を設けた半導体基板と、前記櫛歯状電極を設けた半導体基板とを、前記櫛歯状電極部分を露出させるようにして樹脂でモールドしたことを特徴とする請求項34記載のインピーダンスセンサ。
【請求項36】
前記信号処理回路を、前記半導体基板と異なる半導体基板に設け、前記櫛歯状電極と前記信号処理回路との間を貫通電極及びバンプで接続し、前記2つの半導体基板を樹脂で接着するように構成したことを特徴とする請求項24ないし31のいずれかに記載のインピーダンスセンサ。
【請求項37】
前記櫛歯状電極をMEMS技術で形成することにより、前記櫛歯状電極の上下方向の寸法を大きくし、前記櫛歯状電極の対向面積を大きくするように構成したことを特徴とする請求項24ないし36のいずれかに記載のインピーダンスセンサ。
【請求項38】
前記半導体基板の形状を、細長いチップ形状としたことを特徴とする請求項10ないし37のいずれかに記載のインピーダンスセンサ。
【請求項1】
液体の中に浸漬させて前記液体の混合比率等の液体性状を検出する液体性状センサにおいて、
半導体基板と、
前記半導体基板の表面に設けられ、拡散層からなる櫛歯状電極とを備えたことを特徴とする液体性状センサ。
【請求項2】
前記櫛歯状電極は、一対の共通部と、これら共通部から突設された多数の櫛歯部とを有し、各櫛歯部を設定間隔をあけて互い違いに嵌合させていることを特徴とする請求項1記載の液体性状センサ。
【請求項3】
前記半導体基板の裏面の中の少なくとも前記櫛歯状電極に対応する部分に設けられた拡散層を備えたことを特徴とする請求項1または2記載の液体性状センサ。
【請求項4】
前記半導体基板の表面の中の前記櫛歯状電極の周囲部に設けられた拡散層を備えたことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の液体性状センサ。
【請求項5】
前記半導体基板を貫通するように設けられ、前記半導体基板の表面に設けられたグランド電極と前記半導体基板の裏面の前記拡散層を接続する貫通電極を備えたことを特徴とする請求項3または4記載の液体性状センサ。
【請求項6】
前記半導体基板の裏面の前記拡散層の上に設けられた金属膜と、
前記金属膜に接合されたリードフレームとを備え、
前記リードフレームと前記半導体基板の表面に設けられたグランド電極をワイヤボンディングしたことを特徴とする請求項3または4記載の液体性状センサ。
【請求項7】
前記半導体基板に信号処理回路を設けたことを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の液体性状センサ。
【請求項8】
液体の中に浸漬させて前記液体の混合比率等の液体性状を検出する液体性状センサにおいて、
半導体基板と、
前記半導体基板の表面に設けられ、ポリシリコンからなる櫛歯状電極とを備えたことを特徴とする液体性状センサ。
【請求項9】
前記半導体基板の形状を、細長いチップ形状としたことを特徴とする請求項1ないし8のいずれかに記載の液体性状センサ。
【請求項10】
液体や気体の中に入れて前記液体や前記気体の混合比率等を検出するインピーダンスセンサにおいて、
半導体基板と、
前記半導体基板の表面に設けられ、拡散層からなる櫛歯状電極とを備えたことを特徴とするインピーダンスセンサ。
【請求項11】
前記櫛歯状電極は、一対の共通部と、これら共通部から突設された多数の櫛歯部とを有し、各櫛歯部を設定間隔をあけて互い違いに嵌合させていることを特徴とする請求項10記載のインピーダンスセンサ。
【請求項12】
前記櫛歯状電極に、交流電圧を印加するように構成されていることを特徴とする請求項11記載のインピーダンスセンサ。
【請求項13】
前記櫛歯状電極のうちのN層に順バイアス電圧を印加すると共に、P層に逆バイアス電圧を印加するように構成されていることを特徴とする請求項11記載のインピーダンスセンサ。
【請求項14】
前記半導体基板の裏面の中の少なくとも前記櫛歯状電極に対応する部分に設けられた拡散層を備えたことを特徴とする請求項10ないし13のいずれかに記載のインピーダンスセンサ。
【請求項15】
前記半導体基板の表面の中の前記櫛歯状電極の周囲部に設けられた拡散層を備えたことを特徴とする請求項10ないし14のいずれかに記載のインピーダンスセンサ。
【請求項16】
前記半導体基板を貫通するように設けられ、前記半導体基板の表面に設けられたグランド電極と前記半導体基板の裏面の前記拡散層を接続する貫通電極を備えたことを特徴とする請求項14または15記載のインピーダンスセンサ。
【請求項17】
前記半導体基板の裏面の前記拡散層の上に設けられた金属膜と、
前記金属膜に接合されたリードフレームとを備え、
前記リードフレームと前記半導体基板の表面に設けられたグランド電極をワイヤボンディングしたことを特徴とする請求項14または15記載のインピーダンスセンサ。
【請求項18】
前記半導体基板に信号処理回路を設けたことを特徴とする請求項10ないし17のいずれかに記載のインピーダンスセンサ。
【請求項19】
前記信号処理回路は、前記半導体基板の裏面に設けられていることを特徴とする請求項18記載のインピーダンスセンサ。
【請求項20】
前記信号処理回路を、前記半導体基板と異なる半導体基板に設け、前記櫛歯状電極と前記信号処理回路との間をワイヤボンディングで接続するように構成したことを特徴とする請求項10ないし17のいずれかに記載のインピーダンスセンサ。
【請求項21】
前記信号処理回路を設けた半導体基板と、前記櫛歯状電極を設けた半導体基板とを、前記櫛歯状電極部分を露出させるようにして樹脂でモールドしたことを特徴とする請求項20記載のインピーダンスセンサ。
【請求項22】
前記信号処理回路を、前記半導体基板と異なる半導体基板に設け、前記櫛歯状電極と前記信号処理回路との間を貫通電極及びバンプで接続し、前記2つの半導体基板を樹脂で接着するように構成したことを特徴とする請求項10ないし17のいずれかに記載のインピーダンスセンサ。
【請求項23】
前記櫛歯状電極をMEMS技術で形成することにより、前記櫛歯状電極の上下方向の寸法を大きくし、前記櫛歯状電極の対向面積を大きくするように構成したことを特徴とする請求項10ないし22のいずれかに記載のインピーダンスセンサ。
【請求項24】
液体や気体の中に入れて前記液体や前記気体の混合比率等を検出するインピーダンスセンサにおいて、
半導体基板と、
前記半導体基板の表面に設けられ、ポリシリコンからなる櫛歯状電極とを備えたことを特徴とするインピーダンスセンサ。
【請求項25】
前記ポリシリコンからなる櫛歯状電極を前記半導体基板内に埋め込むように構成したことを特徴とする請求項24記載のインピーダンスセンサ。
【請求項26】
前記櫛歯状電極は、一対の共通部と、これら共通部から突設された多数の櫛歯部とを有し、各櫛歯部を設定間隔をあけて互い違いに嵌合させていることを特徴とする請求項24記載のインピーダンスセンサ。
【請求項27】
前記櫛歯状電極に、交流電圧を印加するように構成されていることを特徴とする請求項24記載のインピーダンスセンサ。
【請求項28】
前記半導体基板の裏面の中の少なくとも前記櫛歯状電極に対応する部分に設けられた拡散層を備えたことを特徴とする請求項24ないし27のいずれかに記載のインピーダンスセンサ。
【請求項29】
前記半導体基板の表面の中の前記櫛歯状電極の周囲部に設けられた拡散層を備えたことを特徴とする請求項24ないし28のいずれかに記載のインピーダンスセンサ。
【請求項30】
前記半導体基板を貫通するように設けられ、前記半導体基板の表面に設けられたグランド電極と前記半導体基板の裏面の前記拡散層を接続する貫通電極を備えたことを特徴とする請求項28または29記載のインピーダンスセンサ。
【請求項31】
前記半導体基板の裏面の前記拡散層の上に設けられた金属膜と、
前記金属膜に接合されたリードフレームとを備え、
前記リードフレームと前記半導体基板の表面に設けられたグランド電極をワイヤボンディングしたことを特徴とする請求項28または29記載のインピーダンスセンサ。
【請求項32】
前記半導体基板に信号処理回路を設けたことを特徴とする請求項24ないし31のいずれかに記載のインピーダンスセンサ。
【請求項33】
前記信号処理回路は、前記半導体基板の裏面に設けられていることを特徴とする請求項32記載のインピーダンスセンサ。
【請求項34】
前記信号処理回路を、前記半導体基板と異なる半導体基板に設け、前記櫛歯状電極と前記信号処理回路との間をワイヤボンディングで接続するように構成したことを特徴とする請求項24ないし31のいずれかに記載のインピーダンスセンサ。
【請求項35】
前記信号処理回路を設けた半導体基板と、前記櫛歯状電極を設けた半導体基板とを、前記櫛歯状電極部分を露出させるようにして樹脂でモールドしたことを特徴とする請求項34記載のインピーダンスセンサ。
【請求項36】
前記信号処理回路を、前記半導体基板と異なる半導体基板に設け、前記櫛歯状電極と前記信号処理回路との間を貫通電極及びバンプで接続し、前記2つの半導体基板を樹脂で接着するように構成したことを特徴とする請求項24ないし31のいずれかに記載のインピーダンスセンサ。
【請求項37】
前記櫛歯状電極をMEMS技術で形成することにより、前記櫛歯状電極の上下方向の寸法を大きくし、前記櫛歯状電極の対向面積を大きくするように構成したことを特徴とする請求項24ないし36のいずれかに記載のインピーダンスセンサ。
【請求項38】
前記半導体基板の形状を、細長いチップ形状としたことを特徴とする請求項10ないし37のいずれかに記載のインピーダンスセンサ。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【公開番号】特開2008−268169(P2008−268169A)
【公開日】平成20年11月6日(2008.11.6)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−229131(P2007−229131)
【出願日】平成19年9月4日(2007.9.4)
【出願人】(000004260)株式会社デンソー (27,639)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成20年11月6日(2008.11.6)
【国際特許分類】
【出願日】平成19年9月4日(2007.9.4)
【出願人】(000004260)株式会社デンソー (27,639)
【Fターム(参考)】
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