JP2005172483A

JP2005172483A - 圧力センサ

Info

Publication number: JP2005172483A
Application number: JP2003409797A
Authority: JP
Inventors: Jun Watanabe; 潤渡辺
Original assignee: Toyo Communication Equipment Co Ltd
Current assignee: Toyo Communication Equipment Co Ltd
Priority date: 2003-12-09
Filing date: 2003-12-09
Publication date: 2005-06-30

Abstract

【課題】
小型化、且つ低価格化に対応したダイアフラム型圧力センサを提供する。
【解決手段】
絶縁基板、ダイアフラム及びプリント配線基板を順次積層した構造であって、前記ダイアフラムの上面には可動電極とリード電極パターンとを、前記絶縁基板の下面には固定電極と第１及び第２の配線パターンとを有しており、前記可動電極が前記固定電極と所定の間隔を隔てて対向し、且つ前記リード電極パターンと前記第２の配線パターンとが当接するように前記絶縁基板と前記ダイアフラムの厚肉部とを陽極接合したものであり、前記絶縁基板の下面に形成する前記第１及び前記第２の配線パターンを前記プリント配線基板の上面に設けた電極パッドにそれぞれ導電性接着剤にて導通固定したことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力センサに関し、特にダイアフラムと絶縁基板とを接続する手段として陽極接合を用いた場合に発生する種々の不具合を解決したダイアフラム型圧力センサに関するものである。

半導体技術を利用した圧力センサは、その構造上小型化に適しているが、使用目的に合わせて感圧素子をプリント基板に実装する際、ダイヤフラムの応力歪みを残留させないようにする工夫が重要である。さらに、自動車を中心に用途を広げている半導体ダイヤフラム型圧力センサは、産業用から民生用に移るにしたがい、メンテナンスフリー且つ低価格化が要求されている。

従来のダイアフラム型圧力センサ（以下「圧力センサ」と示す。）としては、例えば特開２００２−２４３５６４号公報で開示されたようなものがあり、図３はそのパッケージの構成を示す縦断面図である。
従来の圧力センサ１００は、略矩形状のガラス基板の略中央を貫設する圧力排出口を備える上部絶縁基板１０１と、略矩形状のガラス基板の略中央を貫設する圧力導入口を備える下部絶縁基板１０２と、導電性を有するシリコン基板の両主面を凹陥することにより形成した薄肉の膜部及び該膜部を囲繞する厚肉の支持部１０３ａを一体的に形成するダイヤフラム１０３と、上面に電極１０５を形成した環状の圧電部材１０４と、を備えており、下から前記下部絶縁基板１０２、前記ダイヤフラム１０３、前記圧電部材１０４及び前記上部絶縁基板１０１を重層した上で陽極接合する構造となっている。

前記圧電部材１０４を介して前記上部絶縁基板１０１の下面及び前記ダイヤフラム１０３（前記支持部１０３ａ）の上面間、即ち金属膜（前記電極１０５）を介してガラス基板（上部絶縁基板１０１）と圧電基板（圧電部材１０４）との、及び該圧電基板とシリコン基板（ダイヤフラム１０３）との互いに異なる材料からなる３種類の部材の陽極接合方法として、例えば特開２０００−２８１４６３号公報で開示されたようなものがあり、図４に示すように、第１のガラス部材２０１及びシリコン基材２０２間、さらに該シリコン基材２０２及び第２のガラス部材２０３間、即ち互いに熱膨張率が大きく異なる部材間に金属層２０４を形成し該金属層２０４を（所定の温度で加熱すると共に所定の電圧を印加することによって発生する）熱歪みに対する緩衝材とすることで接合することができる。
特開２００２−２４３５６４号公報特開２０００−２８１４６３号公報

しかしながら、前記陽極接合方法では各部材同士の間隙にまんべんなく（緩衝材としての）前記金属層２０４が必要なことから、前記圧力センサ１００の前記金属層２０４（に相当する金属膜）が介在しない前記圧電部材１０４の下面及び前記ダイヤフラム１０３の上面間を陽極接合することができない。そこで前記圧電部材１０４の下面に接合用金属膜を被着させる方法が考えられるが、圧電部材１０４を挟んで形成された前記電極１０５及び前記接合用金属膜が電気的短絡し圧力センサとして機能しないという問題が発生する虞があった。

解決しようとする問題点は、陽極接合を用いて小型化、且つ低価格化に対応したダイアフラム型圧力センサを提供することができない点である。

上記課題を解決するために本発明に係わる請求項１記載の発明は、絶縁基板と、薄肉部と該薄肉部の周縁の厚肉部とを一体的に形成したダイアフラムと、所定の配線が施されたプリント配線基板とを順次積層した構造を備えた圧力センサであって、前記ダイアフラムの上面には前記薄肉部に配設した可動電極と該可動電極からダイアフラムの周縁近傍まで延びるリード電極パターンとを有しており、前記絶縁基板の下面には固定電極と該固定電極から絶縁基板の周縁近傍まで延びる第１の配線パターンと前記リード電極パターンに対応する位置から絶縁基板の周縁近傍まで延びる第２の配線パターンとを有しており、前記可動電極が前記固定電極と所定の間隔を隔てて対向し、且つ前記リード電極パターンと前記第２の配線パターンとが当接するように前記絶縁基板と前記ダイアフラムの厚肉部とを陽極接合したものであり、前記絶縁基板の下面に形成する前記第１の配線パターン及び前記第２の配線パターンを前記プリント配線基板の上面に設けた２個の電極パッドにそれぞれ導電性接着剤にて導通固定したことを特徴とする。

本発明に係わる請求項２記載の発明は、絶縁基板と、薄肉部と該薄肉部の周縁の厚肉部とを一体的に形成したダイアフラムと、所定の配線が施されたプリント配線基板とを順次積層した構造を備えた圧力センサであって、前記絶縁基板の上面には固定電極と該固定電極から絶縁基板の周縁近傍まで延びる配線パターンとを有しており、前記ダイアフラムの下面には前記薄肉部に配設した可動電極と該可動電極からダイアフラムの周縁近傍まで延びる第１のリード電極パターンと前記配線パターンに対応する位置からダイヤフラムの周縁近傍まで延びる第２のリード電極パターンとを有しており、前記可動電極が前記固定電極と所定の間隔を隔てて対向し、且つ前記配線パターンと前記第２のリード電極パターンとが当接するように前記絶縁基板と前記ダイアフラムの厚肉部とを陽極接合したものであり、前記ダイヤフラムの下面に形成する前記第１のリード電極パターン及び前記第２のリード電極パターンを前記プリント配線基板の上面に設けた２個の電極パッドにそれぞれ導電性接着剤にて導通固定したことを特徴とする。

本発明に係わる請求項３記載の発明は、請求項１又は２において、前記ダイヤフラムが水晶であることを特徴とする。

本発明に係わる請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記絶縁基板が含アルカリガラスであることを特徴とする。

本発明に係わる請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかにおいて、前記導電性接着剤がエポキシ系若しくはポリイミド系導電性接着剤であることを特徴とする。

本発明の圧力センサは、絶縁基板、ダイアフラム及びプリント配線基板の３部材から構成され該３部材同士の機械的な接続に、且つ前記固定電極及び前記可動電極と該各電極に対応する前記内部接続端子との電気的な接続に陽極接合及び導電性接着材の併用により小型化且つ低価格化に対応できるという利点がある。

以下、図示した本発明の実施の形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
本発明の圧力センサは、圧力検出素子として（良好な機械的弾性的性質を有する）圧電材料からなるダイヤフラムと該ダイヤフラムの熱膨張率に近似する熱膨張率を有するガラスからなる絶縁基板との間隙の静電容量変化で圧力検知を行う静電容量型圧力センサであって、例えば該圧力センサ、静電容量変化出力を圧力に変換する電子回路部及び該電子回路部の出力を外部に送信する送信部を一体化し、自動車のタイヤ用ディスクホイール内に（タイヤに空気を注入するための）タイヤバルブと共に前記ディスクホイールに固着してなるタイヤ空気圧センサとして用いられる。

図１（ａ）は本発明の実施形態のダイアフラム型圧力センサの構成を示す縦断面図、図（ｂ）は直線Ｌを基準とした（後述する）圧力検出部の展開図である。
本発明実施形態の圧力センサは、図１に示すように、下面の略中央が凹陥した略矩形状のダイアフラム１と、下面の略中央が凹陥すると共に少なくとも前記ダイアフラム１の平面外形より大きい平面外形を有する略矩形状の絶縁基板２と、上面に内部接続端子（電極パッド）３ａを備えると共に前記絶縁基板２の平面外形と同一若しくは僅かに大きい平面外形を有する平板状のプリント配線基板３と、を備えている。

前記ダイアフラム１は、図１（ｂ）中下側の（展開後の）上面図に示すように、圧電基板、例えば水晶基板の一方主面（下面に相当する。）の略中央を化学エッチング加工によって凹陥せしめ、該凹陥部の薄肉部分を変位部１ａとすると共に該変位部１ａの周囲を支持する厚肉の環状囲繞部１ｂを一体的に形成する。さらに前記ダイアフラム１の平坦な他方主面（上面に相当する。）の前記変位部１ａを挟んで前記凹陥部に対向する箇所に可動電極１１と該可動電極１１より所定の端辺部に延出するリード電極（リード電極パターン）１２とを形成したものである。
前記絶縁基板２は、図１（ｂ）中上側の（展開後の）下面図に示すように、ガラス基板、例えば含アルカリガラス基板の一方主面（下面に相当する。）の略中央を凹設し該凹設部の底部２ａ及び該底部２ａを囲繞する環状支持部２ｂを一体的に形成する。さらに前記底部２ａの略中央に固定電極２１と該固定電極２１より環状支持部２ｂの上面（即ち絶縁基板２の最下面）の所定の端辺部まで延出する引き出し電極（第１の配線パターン）２２と前記固定電極２１を挟んで該引き出し電極２２の終端部の配設する位置に対向する環状支持部２ｂの上面にダミー電極（第２の配線パターン）２３を形成したものである。また前記固定電極２１の表面にはＳｉＯ_２等の絶縁膜２４（図１（ｂ）では不図示）が被着している。

前記可動電極１１及び前記固定電極２１を（前記絶縁膜２４を介して）対向させ前記リード電極１２及び前記引き出し電極２２を互いに対向する方向に向けると共に前記凹陥部及び前記凹設部の開口を下方に向け前記ダイアフラム１の上面に前記絶縁基板２を載置し、凹設部の開口周縁及び該開口周縁に当接するダイアフラム１の上面の周縁を陽極接合する。一体化した前記ダイアフラム１及び前記絶縁基板２（以下「圧力検出部」と示す。）を前記凹陥部の開口を下方に向けて前記プリント配線基板３の上面に載置し該圧力検出部の下面（即ち前記ダイアフラム１を配設する面側）に露出する前記引き出し電極２２及び前記リード電極１２と電気的に接続する前記ダミー電極２３と該各電極に対応する前記内部接続端子３ａとの間に形成される間隙にエポキシ系若しくはポリイミド系導電性接着剤２５を埋設することによって電気的に接続すると共に、該導電性接着剤２５を前記間隙内に位置する前記ダイアフラム１の側面にも配設することによりダイアフラム１、前記絶縁基板２及び前記プリント配線基板３の機械的な接続を実現する。

前記導電性接着剤２５は、前記リード電極１２及び前記ダミー電極２３（金属膜形成部分）と前記ダイアフラム１（水晶基板）若しくは前記絶縁基板２（含アルカリガラス基板）との、及び前記ダイアフラム１（水晶基板）と前記絶縁基板２（含アルカリガラス基板）との陽極接合部分が混在する、即ち前記圧力検出部にとって最適な陽極接合条件で接合していない（できない）ことによる前記圧力検出部の接合強度のバラツキを補強するという補完的機能も有する。なお、図１に示す実施例では対向し対をなす一方の辺部のみ（計２箇所）に前記導電性接着剤２５を配設するが、それでは機械的な接続強度が不足する場合には、対策として他方の辺部にも前記導電性接着剤２５を配設しても構わない。この他方の辺部では電気的な接続に関しては不問に付すことから絶縁性接着剤であっても構わない。

最適条件での陽極接合を実施することができないことにより前記リード電極１２及び前記ダミー電極２３の電気的な接続が不安定になった場合には、リード電極１２を該リード電極１２が延出する前記ダイアフラム１の端辺部に隣接するダイアフラム１の側端面にも配設することにより前記導電性接着剤２５を介してリード電極１２及び該リード電極１２に対応する前記内部接続端子３ｂを電気的且つ機械的に接続することが可能となる。または前記リード電極１２及び前記ダミー電極２３の電気的な接続が無い、即ち電気的不通の場合であれば、前記ダミー電極２３を削除し前記ダイアフラム１の側端面に配設する前記リード電極及び前記内部接続端子を電気的且つ機械的に接続しても構わない。

本発明の圧力センサは、前記可動電極１１及び前記固定電極２１を対向させコンデンサを構成し該可動電極１１に加わる応力によって前記電極間距離が変化し、コンデンサの容量値が変動することを利用していることから、前記ダイアフラム１が有する前記変位部１ａの厚さ及び前記絶縁基板２が有する前記凹設部の深さ、即ち前記可動電極１１と前記固定電極２１との間隙の大きさは、（本発明の）圧力センサとしての仕様、例えばセンサ感度や圧力検出範囲（低圧乃至微圧領域）等によって決まる。即ち所定の前記間隙の大きさを得る（圧力センサとしての仕様を満足する）ことが可能であれば、本発明の変形実施例として、図２に示すように、下面に固定電極４３を備える絶縁基板４１と、上面に凹陥部及び該凹陥部の内底面に配設する可動電極４４を有するダイヤフラム４２と、上面に凹部を有するプリント配線基板４５とを順次積層し一体化する構造や、または図１に示す構造を踏襲しつつ、図１の２を（絶縁基板から）ダイアフラム（即ち図１の２１が可動電極となる。）に、及び図１の１を（ダイヤフラムから）絶縁基板（即ち図１の１１が固定電極となる。）に置換した圧力センサであっても構わない（ただし前記絶縁膜は固定電極の表面に被着させるのが望ましい。）。さらに、前記ダイアフラムの両主面に凹陥部を形成し該ダイアフラムを平板状の前記絶縁基板及び前記プリント配線基板で挟んだ構造であっても構わない。

本発明は、水晶（前記ダイヤフラム）のみに限定するものではなくランガサイト、四ホウ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等のその他の圧電材料に適用できることは云うまでもない。
また、前記プリント配線基板は（前記圧力検出部を）外部装置に接続するためのものであることから、セラミック配線基板のみならずガラスエポキシ、シリコン等の樹脂基板などでも構わない。

本発明の第１の実施形態のダイアフラム型圧力センサの構造を示した概略構成図であって、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は第１の実施実施形態における圧力検出部の展開図である。本発明の変形実施形態のダイアフラム型圧力センサの構造を示した縦脱面図である。従来のダイアフラム型圧力センサの縦断面図である。本発明に係わる陽極接合を説明するための模式図である。

符号の説明

１・・ダイアフラム２・・絶縁基板３・・プリント配線基板１ａ・・変位部
１ｂ・・環状囲繞部２ａ・・底部２ｂ・・環状支持部３ａ・・内部接続端子
１１・・可動電極１２・・リード電極２１・・固定電極
２２・・引き出し電極２３・・ダミー電極２４・・絶縁膜
２５・・導電性接着剤４１・・絶縁基板４２・・ダイヤフラム
４３・・固定電極４４・・可動電極４５・・プリント配線基板
１００・・圧力センサ１０１・・上部絶縁基板１０２・・下部絶縁基板
１０３・・ダイヤフラム１０３ａ・・支持部１０４・・圧電部材
１０５・・電極２０１・・第１のガラス部材２０２・・シリコン基材
２０３・・第２のガラス部材２０４・・金属層

Claims

絶縁基板と、薄肉部と該薄肉部の周縁の厚肉部とを一体的に形成したダイアフラムと、所定の配線が施されたプリント配線基板とを順次積層した構造を備えた圧力センサであって、
前記ダイアフラムの上面には前記薄肉部に配設した可動電極と該可動電極からダイアフラムの周縁近傍まで延びるリード電極パターンとを有しており、
前記絶縁基板の下面には固定電極と該固定電極から絶縁基板の周縁近傍まで延びる第１の配線パターンと前記リード電極パターンに対応する位置から絶縁基板の周縁近傍まで延びる第２の配線パターンとを有しており、
前記可動電極が前記固定電極と所定の間隔を隔てて対向し、且つ前記リード電極パターンと前記第２の配線パターンとが当接するように前記絶縁基板と前記ダイアフラムの厚肉部とを陽極接合したものであり、
前記絶縁基板の下面に形成する前記第１の配線パターン及び前記第２の配線パターンを前記プリント配線基板の上面に設けた２個の電極パッドにそれぞれ導電性接着剤にて導通固定したことを特徴とする圧力センサ。
絶縁基板と、薄肉部と該薄肉部の周縁の厚肉部とを一体的に形成したダイアフラムと、所定の配線が施されたプリント配線基板とを順次積層した構造を備えた圧力センサであって、
前記絶縁基板の上面には固定電極と該固定電極から絶縁基板の周縁近傍まで延びる配線パターンとを有しており、
前記ダイアフラムの下面には前記薄肉部に配設した可動電極と該可動電極からダイアフラムの周縁近傍まで延びる第１のリード電極パターンと前記配線パターンに対応する位置からダイヤフラムの周縁近傍まで延びる第２のリード電極パターンとを有しており、
前記可動電極が前記固定電極と所定の間隔を隔てて対向し、且つ前記配線パターンと前記第２のリード電極パターンとが当接するように前記絶縁基板と前記ダイアフラムの厚肉部とを陽極接合したものであり、
前記ダイヤフラムの下面に形成する前記第１のリード電極パターン及び前記第２のリード電極パターンを前記プリント配線基板の上面に設けた２個の電極パッドにそれぞれ導電性接着剤にて導通固定したことを特徴とする圧力センサ。
前記ダイヤフラムが水晶であることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力センサ。
前記絶縁基板が含アルカリガラスであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の圧力センサ。
前記導電性接着剤がエポキシ系若しくはポリイミド系導電性接着剤であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の圧力センサ。