ダイからシステムまでのソリューション

可能な限り高精度での圧力測定は、多くの産業プロセスのオートメーション化の必要条件であり、インダストリー4.0の概念の導入で、ますます重要な役割を演じています。同時に、特に自動車産業において、圧力センサの需要は増加の一途をたどっています。燃料消費を最小にしながら厳しくなる一方の排ガス規制を満たすために、内燃機関と排気システムを含むドライブトレインだけで20台もの圧力センサが使用されています。

TDKは圧力センサソリューションの優れた供給元でもあります。小型化されたセンサダイ（エレメント）の開発や製造から、用途やお客様のご要望に特化し、ケースに収められた圧力トランスミッタ（システム）まで、TDKの圧力センサ素子はピエゾ抵抗効果に基づいています。ピエゾ抵抗素子（シリコン）に圧力が加えられると電気抵抗の変化が広い範囲でリニアに生じるという物理現象を利用しており、精度の高さを特徴としています。

この目的のため、小型化されたセンサダイの場合は歪んだプレートに4個のピエゾ抵抗素子が組み込まれています。それらはホイートストンブリッジとして接続され、圧力に正比例するアナログ電圧を出力します。TDKではわずか0.65×0.65mmのサイズの小型エレメントや、さらに極端に小さい0.24mmのエレメントも製造できます。

図 1:

最新世代のEPCOS圧力センサエレメントのサイズはわずか0.65×0.65mmで、絶対気圧0から10バールまで測定できます。

最大の機械的安定性を実現するために、ダイはガラス基板に取り付けられています。これは、デザインに応じて絶対気圧あるいは相対気圧の測定が可能であることを意味しています。エレメントデザインの追加オプションには、基盤との接続性向上のためガラス体裏側をはんだ付けできるように金属化すること、またはエレメントの裏側の不活性化などがあります。加えて、一層の腐食保護のためにボンディングパッドにも金メッキを施すことができます。

車載用途に理想的

センサエレメント（ダイ）に基づき、較正やシグナルコンディショニングを行う特定用途向け集積回路（ASIC）を組み込んで圧力トランスミッタ（システム）を製造します。これにより、産業用途の典型的な出力である出力電圧0.5V～4.5V、出力電流4mA～20mAを実現します。同様に、車載用途のために組み込まれることもあるSENT（Single Edge Nibble Transmission）デジタルインターフェースが、TDKの圧力トランスミッタ、MiniCell®シリーズに組み込まれています。特に車載用途の場合、圧力センサは排気ガスや燃料などの高腐食性の媒体に対して高度な耐性を持っている必要があります。そのため、MiniCell®シリーズは電子機器と敏感なセンサエレメントを保護するステンレス鋼膜を使用しています。圧力は、膜とダイの間の充填オイルによって伝達されます。金属で覆われているおかげで、これらのMiniCell®トランスミッタはEMIに対する優れた遮断性を有しています。

図 2:

MiniCell® は差圧測定用圧力センサーです。このシリーズは極めて堅牢で、腐食性のある媒体の圧力測定にも適しています。

TDKはアプリケーションやお客様のご要望に特化したセンサシステムも製造しています。それらは特別に設計された樹脂ケースに収められ、例えばディーゼル粒子フィルタをモニタするための圧力ラインやデータラインなど特別に設計されたターミナル構成で製造されます。動作中、これらのフィルタは煤の粒子でいっぱいに詰まります。圧力センサは結果として生じる排気ガス圧の増大を感知します。そして、フィルタの再生を開始します。温度を一時的に上昇させ酸素を供給することで、粒子フィルタはきれいに燃やされます。TDKは、燃料タンクの圧力モニタリングと制御のために特別な燃料耐性圧力センサも開発しました。それらは燃料ラインの圧力を測定し、燃料ポンプを最適かつ省エネルギーで制御します。