JP2017146163A - Pressure sensor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧力検出用のダイヤフラムを有する金属ステムにセンサチップを接合してなる圧力センサおよびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a pressure sensor formed by joining a sensor chip to a metal stem having a pressure detection diaphragm and a method for manufacturing the same.
従来より、ダイヤフラムが形成された有底円筒状の金属ステムと、ダイヤフラムの歪検出を行う歪検出素子が形成されたセンサチップとを備え、接合ガラスを介してセンサチップをダイヤフラム上に接合した圧力センサがある（例えば、特許文献１参照）。この圧力センサは、圧力印加に伴ってダイヤフラムが変形することでセンサチップ上に歪み分布が発生し、発生した歪みに対応して歪検出素子を構成するゲージ抵抗の抵抗値が変化することに基づいて圧力検出を行う。具体的には、ゲージ抵抗をホイートストンブリッジ回路接続することで歪検出素子を構成しており、印加される圧力の大きさに応じてホイートストンブリッジ回路の中間電圧が変化することから、その中間電圧に基づいて圧力検出を行っている。すなわち、圧力を電気信号に変換することで圧力検出を行っている。 Conventionally, a pressure having a bottomed cylindrical metal stem with a diaphragm and a sensor chip with a strain detection element for detecting the strain of the diaphragm, which is bonded to the diaphragm via a bonding glass. There exists a sensor (for example, refer patent document 1). This pressure sensor is based on the fact that a strain distribution is generated on the sensor chip due to the deformation of the diaphragm with the application of pressure, and the resistance value of the gauge resistor constituting the strain detecting element changes corresponding to the generated strain. To detect pressure. Specifically, a strain detection element is configured by connecting a gauge resistor to a Wheatstone bridge circuit, and the intermediate voltage of the Wheatstone bridge circuit changes according to the magnitude of the applied pressure. Based on the pressure detection. That is, pressure is detected by converting pressure into an electrical signal.
しかしながら、金属ステムに接合ガラスを介してセンサチップを接合する際に発生するセンサチップの実装ズレにより、センサ感度や温度特性がずれるという問題が発生する。接合ガラスによる接合を行う際には、焼成装置にて４００℃以上に加熱することで接合ガラスを溶融させ、その後、液体化した接合ガラスを冷却して硬化させるという工程が行われる。このとき、接合ガラスの溶融中にはセンサチップが固定されないため、溶融した接合ガラスの上にセンサチップが浮いた状態となる。このため、金属ステムの微妙な傾きや焼成装置の振動、接合ガラスの厚みの不均一性などの様々な要因により、センサチップに実装ズレが発生し得る。したがって、ダイヤフラムの変位に基づいて発生するセンサチップ上の歪み分布に対してゲージ抵抗の配置場所にズレが生じ、センサ感度や温度特性がずれてしまう。 However, there is a problem that sensor sensitivity and temperature characteristics are shifted due to mounting displacement of the sensor chip that occurs when the sensor chip is bonded to the metal stem via the bonding glass. When joining with joining glass, the process of melting joining glass by heating to 400 degreeC or more with a baking apparatus, and cooling and hardening the liquefied joining glass after that is performed. At this time, since the sensor chip is not fixed during the melting of the bonding glass, the sensor chip floats on the molten bonding glass. For this reason, mounting displacement may occur in the sensor chip due to various factors such as a slight inclination of the metal stem, vibration of the baking apparatus, and unevenness of the thickness of the bonding glass. Therefore, the gauge resistance is displaced from the strain distribution on the sensor chip that is generated based on the displacement of the diaphragm, and sensor sensitivity and temperature characteristics are shifted.
なお、ここではセンサチップと金属ステムとの接合材として接合ガラスを例に挙げたが、液体化させたのち硬化させることでセンサチップを金属ステムに接合する材料であれば、他の材料、例えば液体系の接着剤等を接合材として用いても上記と同様のことが言える。 In this example, the bonding glass is exemplified as the bonding material between the sensor chip and the metal stem, but other materials, for example, as long as it is a material for bonding the sensor chip to the metal stem by being liquefied and then cured. The same applies to the case where a liquid adhesive or the like is used as the bonding material.
本発明は上記点に鑑みて、金属ステムに対するセンサチップの実装ズレを抑制し、センサ感度や温度特性のズレを抑制できる圧力センサおよびその製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above-described points, an object of the present invention is to provide a pressure sensor that can suppress mounting deviation of a sensor chip with respect to a metal stem and suppress deviation of sensor sensitivity and temperature characteristics, and a manufacturing method thereof.
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、 圧力検出用のダイヤフラム（１１）を有する金属ステム（１０）と、ダイヤフラム上に配置された接合材（５０）と、ダイヤフラム上に接合材を介して接合され、ダイヤフラムの歪みに応じた電気出力を発生する歪検出素子（４１）が形成されたセンサチップ（４０）と、を備え、金属ステムにおけるダイヤフラムを構成する一面をダイヤフラム面（１０ａ）として、該ダイヤフラム面のうちセンサチップが配置される位置は接合材が濡れる親液性領域（１０ｂ）とされており、センサチップが配置される位置よりも外側は親液性領域よりも接合材が濡れにくい撥液性領域（１０ｃ）とされている。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a metal stem (10) having a pressure detection diaphragm (11), a bonding material (50) disposed on the diaphragm, and a bonding on the diaphragm. A sensor chip (40) formed with a strain detection element (41) that is joined via a material and generates an electrical output according to the strain of the diaphragm, and the diaphragm surface ( 10a), the position where the sensor chip is arranged on the diaphragm surface is a lyophilic region (10b) where the bonding material gets wet, and the outside of the position where the sensor chip is arranged is more than the lyophilic region. The liquid repellent region (10c) is difficult to wet the bonding material.
このように、金属ステムにおけるダイヤフラム面を親液性領域と撥液性領域とに区画している。このため、液体化した接合材は親液性領域にのみ濡れ、撥液性領域には殆ど濡れ広がらない状態となる。したがって、ダイヤフラムの上における所望位置に、実装ズレすることなく的確にセンサチップが接合された構造となる。これにより、高いセンサ感度を得ることができると共に温度特性のズレも抑制することが可能となる。 Thus, the diaphragm surface in the metal stem is partitioned into a lyophilic region and a liquid repellent region. For this reason, the liquefied bonding material becomes wet only in the lyophilic region and hardly wets and spreads in the liquid repellent region. Therefore, the sensor chip is accurately bonded to a desired position on the diaphragm without being displaced. Thereby, it is possible to obtain high sensor sensitivity and to suppress temperature characteristic deviation.
請求項４に記載の発明では、金属ステム（１０）を用意し、該金属ステムのうちダイヤフラム（１１）が構成される一面をダイヤフラム面（１０ａ）として、該ダイヤフラム面のうちセンサチップ（４０）が配置される位置は接合材が濡れる親液性領域（１０ｂ）とされ、センサチップが配置される位置よりも外側は親液性領域よりも接合材（５０）が濡れにくい撥液性領域（１０ｃ）とされるように、ダイヤフラム面の表面に対して表面加工を施すことと、表面加工を施したのちに、ダイヤフラム面のうちの親液性領域の上に接合材の材料を配置することと、接合材の材料の上にセンサチップを配置し、加熱溶融によって接合材の材料を液体化させたのち冷却して硬化させ、接合材を介してセンサチップをダイヤフラム面の上に接合することと、を含んでいる。 In a fourth aspect of the present invention, a metal stem (10) is prepared, one surface of the metal stem on which the diaphragm (11) is configured is defined as a diaphragm surface (10a), and a sensor chip (40) of the diaphragm surface. Is disposed as a lyophilic region (10b) where the bonding material gets wet, and outside the position where the sensor chip is disposed, the bonding material (50) is less liable to wet than the lyophilic region ( 10c), the surface of the diaphragm surface is subjected to surface processing, and after the surface processing is performed, the bonding material is disposed on the lyophilic region of the diaphragm surface. Then, the sensor chip is placed on the bonding material, and the bonding material is liquefied by heating and melting, and then cooled and cured, and the sensor chip is bonded onto the diaphragm surface via the bonding material. And, it includes a.
このように、ダイヤフラム面に対して表面加工を施すことで、親液性領域と撥液性領域とに区画することができる。このため、加熱溶融によって接合材の材料を液体化させたときに、液体化した接合材は親液性領域にのみ濡れ、撥液性領域には殆ど濡れ広がらない状態となる。したがって、ダイヤフラムの上における所望位置に、実装ズレすることなく的確にセンサチップを接合できる。これにより、高いセンサ感度を得ることができると共に温度特性のズレも抑制することが可能な圧力センサを製造することができる。 In this way, the diaphragm surface can be divided into a lyophilic region and a lyophobic region by performing surface processing. For this reason, when the material of the bonding material is liquefied by heat melting, the liquefied bonding material wets only in the lyophilic region and hardly wets and spreads in the liquid repellent region. Therefore, the sensor chip can be accurately bonded to a desired position on the diaphragm without being displaced. Thereby, it is possible to manufacture a pressure sensor that can obtain high sensor sensitivity and also can suppress a deviation in temperature characteristics.
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows an example of a corresponding relationship with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, parts that are the same or equivalent to each other will be described with the same reference numerals.
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態の圧力センサは、例えば、自動車における燃料やブレーキ油の圧力を検出するためなどに用いられ、高精度が要求される製品に適用されると好適である。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the pressure sensor of the present embodiment is used, for example, to detect the pressure of fuel or brake oil in an automobile, and is preferably applied to a product that requires high accuracy.
図１に示されるように、金属ステム１０は、ＳＵＳ４３０のようなステンレス鋼等の金属によって構成され、有底筒状部材とされている。金属ステム１０の底面にて薄肉のダイヤフラム１１が構成されており、金属ステム１０のうちダイヤフラム１１と反対側の他端部が中空の開口部１２とされている。開口部１２から形成された中空部は円柱形状とされており、ダイヤフラム１１の上面形状が円形状となっている。また、金属ステム１０のうちの開口部１２側には、ダイヤフラム１１側に比べて外周径が大きい段付部１３が形成されている。そして、この金属ステム１０は、具体的には後述するが、ネジ部材２０がハウジング３０とネジ結合されることによって固定されている。
As shown in FIG. 1, the
金属ステム１０におけるダイヤフラム１１を構成する一面（以下、ダイヤフラム面という）１０ａの表面には、半導体基板を用いて構成されるセンサチップ４０が接合ガラス５０を介して接合されている。接合ガラス５０は、例えばタブレット状のガラス材を材料として用いて、これを加熱溶融によって液体化させたのち冷却によって硬化させたものである。詳細については後述するが、ダイヤフラム面１０ａは、接合ガラス５０の実装位置が所定位置となるように表面加工がなされている。
A
センサチップ４０は、開口部１２から金属ステム１０の内部に導入された圧力媒体の圧力によってダイヤフラム１１が変形したときに発生する歪みを検出するものである。具体的には、センサチップ４０には、図２に示すように、ダイヤフラム１１の歪みに応じた電気出力をセンサ信号として出力する歪検出素子としての歪ゲージ４１が形成されている。
The
本実施形態の場合、センサチップ４０は四角形状で構成され、面方位が＜１１０＞のシリコン基板によって構成されている。歪ゲージ４１は、例えばセンサチップ４０に形成した拡散抵抗によって構成され、４つのゲージ抵抗４１ａ〜４１ｂを備えた構成とされている。センサチップ４０の所定位置、例えば中心位置を中心として、センサチップ４０の表面上における一方向の両側に１つずつゲージ抵抗４１ａ、４１ｂが対向配置されている。また、一方向に対する垂直方向となる他方向の両側にも１つずつゲージ抵抗４１ｃ、４１ｄが対向配置されている。これら合計４つのゲージ抵抗４１ａ〜４１ｄによってホイートストンブリッジ回路が構成されている。そして、一方向の両側に対向配置された２つのゲージ抵抗４１ａ、４１ｂがダイヤフラム１１の外周側に配置されており、他方向の両側に対向配置された２つのゲージ抵抗４１ｃ、４１ｄがゲージ抵抗４１ａ、４１ｂよりもダイヤフラム１１の内周側に配置されている。
In the case of the present embodiment, the
このような配置とされているため、本実施形態の構造のセンサチップ４０においては、圧力印加に伴ってダイヤフラム１１が変形すると、それに基づく歪みにより、ゲージ抵抗４１ａ、４１ｂには圧縮応力が加わり、ゲージ抵抗４１ｃ、４１ｄには引張応力が加わる。そして、ゲージ抵抗４１ａ〜４１ｄが構成するホイートストンブリッジ回路の中点電圧が変化することで、印加された圧力を電気信号に変換して出力することが可能となっている。
Since the
ハウジング３０は、例えば図示しない燃料パイプなどの被取付対象に直接取り付けられるもので、外周面に取付用のネジ３１が形成されている。また、ハウジング３０の内部には、金属ステム１０の開口部１２と連通する圧力導入通路３２が形成されている。この圧力導入通路３２により、ハウジング３０が上記燃料パイプに取り付けられたときに上記燃料パイプ内と連通して、金属ステム１０内へ圧力媒体が導入できるようになっている。
The
ネジ部材２０は、金属ステム１０の外周を覆う円筒形状とされ、その外周面に雄ネジ部２１が形成されている。また、ハウジング３０のうち雄ネジ部２１と対応する部位には、雄ネジ部２１に対応した形状の雌ネジ部３３が形成されている。そして、これら両ネジ部２１、３３がネジ結合されている。
The
これにより、金属ステム１０の段付部１３には、ネジ部材２０からの押圧力が印加され、金属ステム１０がハウジング３０に押圧固定される。また、この押圧力により、開口部１２と圧力導入通路３２との連通部、即ち、金属ステム１０の開口部１２側とハウジング３０の圧力導入通路３２側との境界部がシールされる。
Thereby, the pressing force from the
また、ネジ部材２０には、ハウジング３０内におけるセンサチップ４０を囲むように、回路基板であるセラミック基板６０が接着、固定されている。そして、このセラミック基板６０上には信号処理回路等が形成されたＩＣチップ６１等が配置され、セラミック基板６０とＩＣチップ６１とがボンディングワイヤ６３を介して電気的に接続されている。
Further, a
また、セラミック基板６０とセンサチップ４０とは、ボンディングワイヤ６４によって電気的に接続されている。そして、コネクタターミナル７０へ電気的接続するためのピン６５が、銀ろう等にてセラミック基板６０に接合されている。
Further, the
コネクタターミナル７０は、ターミナル７１が樹脂７２にインサート成形された部材である。そして、ターミナル７１とセラミック基板６０とはピン６５を介して電気的に接続されている。これにより、センサチップ４０からの出力は、ボンディングワイヤ６４からピン６５を介してターミナル７１へ伝達され、ターミナル７１を介して自動車のＥＣＵ等に配線部材を介して伝達される。
The
また、コネクタターミナル７０は、コネクタケース８０の下面に押圧されることでネジ部材２０に押し付けられて固定保持されている。なお、ターミナル７１は、図１では１本示されているが、実際には、入力用、出力用等の複数本が備えられている。
In addition, the
コネクタケース８０は、コネクタターミナル７０の外形を成すもので、Ｏリング９０を介してハウジング３０の一端側、つまり圧力導入通路３２の他端側の開口部に挿入され、ハウジング３０の開口端をかしめることで一体化される。つまり、コネクタケース８０は、ハウジング３０に組みつけられるパッケージを構成するものであり、パッケージ内部のセンサチップ４０や電気的接続部等を湿気や機械的外力より保護する機能を果たすものである。なお、コネクタケース８０は、加水分解性の高いＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイドの略）等が用いられる。
The
以上が本実施形態における圧力センサの基本的な構成である。次に、ダイヤフラム面１０ａの構造について説明する。
The above is the basic configuration of the pressure sensor in the present embodiment. Next, the structure of the
ダイヤフラム面１０ａは、センサチップ４０の実装ズレを抑制すべく、表面加工がなされている。本実施形態の場合、図３、図４Ａに示すように、ダイヤフラム１１のうちセンサチップ４０の搭載場所が親液性となり、搭載場所よりも外側の領域が搭載場所よりも相対的に撥液性となるように表面加工がなされている。以下、ダイヤフラムのうち親液性とされている領域を親液性領域１０ｂといい、撥液性とされている領域を撥液性領域１０ｃという。また、図３、図４Ａは断面図ではないが、図を見やすくするために親液性領域１０ｂについてはハッチングを示してある。
The
親液性領域１０ｂの外形はセンサチップ４０と同じ四角形かつ同じ寸法とされるのが好ましいが、許容できる感度ズレの範囲内において、センサチップ４０よりも大きな外形寸法とされていても良い。図２に示した各ゲージ抵抗４１ａ〜４１ｄは、実際には例えば蛇行状に折り返した形状などとされ、ゲージ抵抗４１ａ〜４１ｄとされた部分の外周を囲んだ領域、例えば四角形状の領域がゲージ形成領域とされる。このゲージ形成領域の全領域がダイヤフラム１１のうち特に圧力に基づいて大きく歪む位置からずれると感度低下が生じる。このため、ゲージ形成領域の外郭の寸法分の実装ズレが、ゲージ抵抗４１ａ〜４１ｄの少なくとも一部に対して大きな歪みを加えることができる許容実装ズレの最大値となる。このため、図５に示すように、センサチップ４０を中心に配置してゲージ形成領域の寸法分以内であれば、親液性領域１０ｂの外周端がセンサチップ４０の外周端からはみ出していても良い。
The outer shape of the
また、本実施形態の場合、ダイヤフラム面１０ａのうちセンサチップ４０の搭載場所に対して表面加工を施すことで親液性領域１０ｂを構成しているが、搭載場所よりも外側の領域に対して表面加工を施すことで撥液性領域１０ｃを構成するようにしても良い。
In the case of the present embodiment, the
例えば、上記したように、ＳＵＳ４３０などのようなステンレス鋼等の金属によって金属ステム１０を構成する場合には、冷鍛加工によって金属ステム１０の外形を形成したのち、表面を切削加工することで金属ステム１０を製造することができる。または、すべて切削加工によって金属ステム１０を製造することもできる。さらに、金属粉とバインダを金型に射出して焼結を行うメタルインジェクションによって金属ステム１０を製造することもできる。このように、様々な手法によって金属ステム１０を製造することができるが、製造方法によってダイヤフラム面１０ａの表面状態が異なる。このため、金属ステム１０の製造後のダイヤフラム面１０ａの表面状態が親液性となっている状態であれば、センサチップ４０の実装場所よりも外側に対して表面加工を行って撥液性の表面状態となるようにしている。逆に、金属ステム１０の製造後のダイヤフラム面１０ａの表面状態が撥液性となっている状態であれば、センサチップ４０の実装場所に対して表面加工を行って親液性の表面状態となるようにしている。
For example, as described above, when the
表面加工の手法についても様々な手法を適用することができ、例えばショットブラスト、レーザ加工、フッ素プラズマ加工などを適用できる。表面状態が親液性になるか撥液性になるかは、例えば表面加工による表面粗さ（つまり凹凸による高さの差）や表面の凹凸形状等によって決まるが、接合ガラス５０や金属ステム１０の材質などに応じて親液性や撥液性になる表面状態での表面粗さや凹凸形状は異なる。このため、接合ガラス５０や金属ステム１０の材質などに基づいて、例えば表面加工による表面粗さや凹凸形状等を決めるようにしている。
Various methods can be applied to the surface processing method, for example, shot blasting, laser processing, fluorine plasma processing, and the like. Whether the surface state becomes lyophilic or lyophobic depends on, for example, the surface roughness (ie, the height difference due to the unevenness) by the surface processing, the uneven shape of the surface, etc., but the
なお、上記したように、ダイヤフラム面１０ａの表面状態が親液性か撥液性のいずれになるかについては、例えば表面粗さの大きさに応じて決まるが、必ずしも表面粗さが大きければ親液性になり、小さければ撥液性になる訳ではない。すなわち、接合ガラス５０や金属ステム１０の材質などに応じて表面状態が決まることから、親液性領域１０ｂの方が撥液性領域１０ｃよりも表面粗さが小さい場合も有り得る。親液性になるか撥液性になるかは、実験などによって金属ステム１０の構成材料の表面に表面加工を施し、液体化させた接合ガラス５０の構成材料を塗布することによって容易に確認できる。したがって、ダイヤフラム面１０ａに対して表面加工を施すことで、親液性領域１０ｂと撥液性領域１０ｃとに区画できれば、加工される側が親液性領域１０ｂと撥液性領域１０ｃのいずれとされる場合であっても良い。
As described above, whether the surface state of the
続いて、本実施形態にかかる圧力センサの製造方法について説明する。ただし、本実施形態の圧力センサの製造方法のうち、金属ステム１０へのセンサチップ４０の接合工程以外については従来と同様であるため、ここでは金属ステム１０へのセンサチップ４０の接合工程についてのみ説明する。
Then, the manufacturing method of the pressure sensor concerning this embodiment is demonstrated. However, since the manufacturing method of the pressure sensor of the present embodiment is the same as the conventional method except for the process of joining the
まず、金属ステム１０へのセンサチップ４０の接合工程では、表面加工によってダイヤフラム面１０ａの表面を親液性領域１０ｂと撥液性領域１０ｃとに区画した金属ステム１０を用意し、図６（ａ）に示すように、ダイヤフラム１１の上に接合ガラス５０を設置する。接合ガラス５０については、例えばタブレット状のものを用いることができるが、その他の状態のものであっても良い。接合ガラス５０の量については任意であるが、最終的に親液性領域１０ｂの上に接合ガラス５０が所定厚みで形成される程度としている。そして、センサチップ４０をコレット１００にて吸引保持し、ダイヤフラム１１の上における接合ガラス５０の上に配置する。
First, in the process of joining the
続いて、図示しない焼成装置内において４００℃以上に加熱することで接合ガラス５０を溶融させる。これにより、図６（ｂ）に示すように、接合ガラス５０が液体化する。このとき、液体化した接合ガラス５０の上において、センサチップ４０が浮いた状態になる。そして、接合ガラス５０の表面張力によってセンサチップ４０が接合ガラス５０の中央位置に配置された状態になる。この後、液体化した接合ガラス５０を冷却して硬化させることで、図６（ｃ）に示すように、接合ガラス５０を介してセンサチップ４０をダイヤフラム１１に接合することができる。
Subsequently, the
このとき、本実施形態では、金属ステム１０におけるダイヤフラム面１０ａを親液性領域１０ｂと撥液性領域１０ｃとに区画している。このため、図６（ｂ）に示されるように、液体化した接合ガラス５０は親液性領域１０ｂにのみ濡れ、撥液性領域１０ｃには殆ど濡れ広がらない状態となる。したがって、ダイヤフラム１１の上における所望位置に、実装ズレすることなく的確にセンサチップ４０が接合される。
At this time, in this embodiment, the
これに対して、従来の場合も、図７（ａ）に示すようにダイヤフラムＪ１１上の所定位置に接合ガラスＪ５０を配置し、その上にコレットＪ１００を用いてセンサチップＪ４０を配置している。しかしながら、従来では、ダイヤフラム面の表面を親液性領域と撥液性領域とに区画していない構造であるため、焼成装置にて接合ガラスＪ５０を溶融して液体化したときに、図７（ｂ）に示すようにダイヤフラムＪ１１上において濡れ拡がってしまう。理想的には、図７（ｃ）に示すように、設計通りに、ダイヤフラムＪ１１の中央位置にセンサチップＪ４０の中央位置が位置するように実装されるのが良い。しかしながら、金属ステムＪ１０の微妙な傾きや焼成装置の振動、接合ガラスＪ５０の厚みの不均一性などにより、図７（ｄ）に示すように実装ズレが発生し、ダイヤフラムＪ１１の中央位置からセンサチップＪ４０の中央位置がずれて配置され得る。 On the other hand, also in the conventional case, as shown in FIG. 7A, the bonding glass J50 is disposed at a predetermined position on the diaphragm J11, and the sensor chip J40 is disposed thereon using the collet J100. However, conventionally, since the surface of the diaphragm surface is not divided into a lyophilic region and a liquid-repellent region, when the bonding glass J50 is melted and liquefied by a baking apparatus, FIG. As shown in b), it spreads out on the diaphragm J11. Ideally, as shown in FIG. 7C, the sensor chip J40 may be mounted such that the center position of the sensor chip J40 is positioned at the center position of the diaphragm J11 as designed. However, due to the slight inclination of the metal stem J10, the vibration of the baking apparatus, the non-uniformity of the thickness of the bonding glass J50, etc., mounting displacement occurs as shown in FIG. The central position of J40 can be shifted.
圧力印加に伴ってダイヤフラム１１に歪みが発生した場合、その歪みによる応力がダイヤフラム１１の中央位置では圧縮応力、外周位置では引張応力となる。例えば、図２中の一点鎖線で示した方向をＸ軸とした場合において、圧力印加に伴うダイヤフラム１１の歪みは、図８Ａおよび図８Ｂに示す波形となる。
When the
設計通りに、ダイヤフラム１１の中央位置にセンサチップ４０が配置された場合には、図８Ａに示されるように、ゲージ抵抗４１ａ、４１ｂに対して圧縮応力のピーク近傍の応力が作用し、ゲージ抵抗４１ｃ、４１ｄに対して引張応力のピーク近傍の応力が作用する。このため、図中ハッチングで示した大きな応力が各ゲージ抵抗４１ａ〜４１ｄに加えられることとなる。
When the
しかしながら、実装ズレが発生すると、各ゲージ抵抗４１ａ〜４１ｄに加わる応力が変化し、図８Ｂに示すように、ゲージ抵抗４１ａ、４１ｂにはピークからずれた圧縮応力が作用することになる。また、ゲージ抵抗４１ｃにはピーク近傍の引張応力が作用したとしても、ゲージ抵抗４１ｄにはピークからずれた引張応力が作用することになる。このように、ダイヤフラム１１の変位に基づいて発生するセンサチップ４０上の歪み分布に対してゲージ抵抗４１ａ〜４１ｄの配置場所にズレが生じ、センサ感度や温度特性がずれてしまう。
However, when mounting misalignment occurs, the stress applied to each of the
したがって、本実施形態のように、実装ズレなく接合ガラス５０を用いてセンサチップ４０をダイヤフラム１１に接合できることで、図８Ａに示されるようにピーク近傍の応力が各ゲージ抵抗４１ａ〜４１ｄに作用するようにできる。これにより、高いセンサ感度を得ることができると共に温度特性のズレも抑制することが可能となる。
Therefore, as in this embodiment, the
なお、図８Ａおよび図８Ｂ中では、理解を容易にするために、ゲージ抵抗４１ｃ、４１ｄの形成位置をＸ軸方向においてずらして記載してあるが、図２に示したようにＸ軸方向において同じ位置とされていても良い。
In FIG. 8A and FIG. 8B, the formation positions of the
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してセンサチップ４０の構成を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, the configuration of the
第１実施形態では、センサチップ４０を面方位が＜１１０＞のシリコン基板を用いて形成する場合について説明したが、本実施形態では、＜１００＞のシリコン基板を用いて形成する場合について説明する。
In the first embodiment, the case where the
上記したように、本実施形態では、面方位が＜１００＞のシリコン基板を用いてセンサチップ４０を構成している。図９に示すように、本実施形態でも、センサチップ４０に形成される歪ゲージ４１は、４つのゲージ抵抗４１ａ〜４１ｂによって構成され、４つのゲージ抵抗４１ａ〜４１ｄによってホイートストンブリッジ回路が構成されている。そして、一方向の両側に対向配置された２つのゲージ抵抗４１ａ、４１ｂと他方向の両側に対向配置された２つのゲージ抵抗４１ｃ、４１ｄがすべてダイヤフラム１１の外周側に配置されている。
As described above, in this embodiment, the
このように、センサチップ４０を構成する半導体基板の面方位に応じて、ゲージ抵抗４１ａ〜４１ｄの形成場所を変えても良い。その場合であっても、実装ズレを抑制することにより、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
Thus, the formation locations of the
（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the embodiment described above, and can be appropriately changed within the scope described in the claims.
例えば、圧力センサの構造の一例として、図１に示す形状のものを例に挙げて説明したが、金属ステム１０に形成されたダイヤフラム１１の上にセンサチップ４０を接合するものであれば、他の形状であっても良い。
For example, as an example of the structure of the pressure sensor, the shape shown in FIG. 1 has been described as an example. However, as long as the
また、上記各実施形態では、センサチップ４０を四角形状、より詳しくは正方形状で構成する場合を例に挙げて説明したが、センサチップ４０の形状は正方形状に限るものではない。例えば、図１０Ａに示すようにセンサチップ４０を長方形状としても良いし、四角形以外の多角形状としても良い。また、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systemsの略）工程のようにエッチングによってセンサチップ４０を所望の形状にしたものであっても良い。
In each of the above embodiments, the case where the
同様に、上記実施形態において説明した親液性は、四角形状としたセンサチップ４０の形状に合わせて四角形状とされていたが、センサチップ４０の外形に沿った形状であれば良いし、必ずしも１つのみで構成されている必要もない。例えば、センサチップ４０を四角形状で構成する場合であれば、その四隅に対応する部分を親液性領域１０ｂとしても良いし、四辺と対応する部分を親液性領域１０ｂとしても良い。ただし、ダイヤフラム１１からの応力が的確に伝わるように親液性領域１０ｂとする範囲を決めることが好ましい。
Similarly, the lyophilicity described in the above embodiment is a square shape in accordance with the shape of the
また、上記各実施形態の圧力センサでは、センサチップ４０を１つのみ備える構造としたが、センサチップ４０が複数個備えられる構造であっても良い。その場合、図１０Ｂに示すように、歪ゲージが備えられるセンサチップ４０がダイヤフラム面１０ａの複数場所において接合ガラス５０を介して接合されることになる。このため、各センサチップ４０が配置される場所それぞれに対応して親液性領域１０ｂを備えるようにすることで、上記各実施形態と同様の効果を得ることができる。
Further, although the pressure sensor of each of the above embodiments has a structure including only one
１０ 金属ステム
１０ａ ダイヤフラム面
１０ｂ 親液性領域
１０ｃ 撥液性領域
１１ ダイヤフラム
４０ センサチップ
４１ 歪ゲージ
４１ａ〜４１ｄ ゲージ抵抗
５０ 接合ガラス
DESCRIPTION OF
Claims (5)
圧力検出用のダイヤフラム（１１）を有する金属ステム（１０）と、
前記ダイヤフラム上に配置された接合材（５０）と、
前記ダイヤフラム上に前記接合材を介して接合され、前記ダイヤフラムの歪みに応じた電気出力を発生する歪検出素子（４１）が形成されたセンサチップ（４０）と、を備え、
前記金属ステムにおける前記ダイヤフラムを構成する一面をダイヤフラム面（１０ａ）として、該ダイヤフラム面のうち前記センサチップが配置される位置は前記接合材が濡れる親液性領域（１０ｂ）とされており、前記センサチップが配置される位置よりも外側は前記親液性領域よりも前記接合材が濡れにくい撥液性領域（１０ｃ）とされている圧力センサ。 A pressure sensor that generates an electrical output according to an applied pressure,
A metal stem (10) having a diaphragm (11) for pressure detection;
A bonding material (50) disposed on the diaphragm;
A sensor chip (40) formed on the diaphragm via the bonding material, and formed with a strain detection element (41) that generates an electrical output corresponding to the distortion of the diaphragm;
One surface constituting the diaphragm in the metal stem is a diaphragm surface (10a), and the position where the sensor chip is arranged on the diaphragm surface is a lyophilic region (10b) where the bonding material gets wet, The pressure sensor, wherein the outside of the position where the sensor chip is disposed is a liquid repellent region (10c) where the bonding material is less likely to wet than the lyophilic region.
前記親液性領域の外周端は、前記センサチップの外周端から前記ゲージ抵抗の外周を囲んだ外郭の寸法分以内の寸法はみ出している請求項１に記載の圧力センサ。 In the sensor chip, a strain gauge (41) including a gauge resistor (41a to 41d) is formed as the strain detection element,
2. The pressure sensor according to claim 1, wherein an outer peripheral end of the lyophilic region protrudes from an outer peripheral end of the sensor chip within a dimension of an outer shell surrounding the outer periphery of the gauge resistor.
前記親液性領域は、複数の前記センサチップそれぞれに対応して形成されている請求項１または２に記載の圧力センサ。 A plurality of the sensor chips are provided, and a plurality of the sensor chips are bonded to the diaphragm surface via the bonding material, respectively.
The pressure sensor according to claim 1, wherein the lyophilic region is formed corresponding to each of the plurality of sensor chips.
前記ダイヤフラム上に配置された接合材（５０）と、
前記ダイヤフラム上に前記接合材を介して接合され、前記ダイヤフラムの歪みに応じた電気出力を発生する歪検出素子（４１）が形成されたセンサチップ（４０）と、を備えた圧力センサの製造方法であって、
前記金属ステムを用意し、該金属ステムのうち前記ダイヤフラムが構成される一面をダイヤフラム面（１０ａ）として、該ダイヤフラム面のうち前記センサチップが配置される位置が前記接合材が濡れる親液性領域（１０ｂ）とされ、前記センサチップが配置される位置よりも外側が前記親液性領域よりも前記接合材が濡れにくい撥液性領域（１０ｃ）とされるように、前記ダイヤフラム面の表面に対して表面加工を施すことと、
前記表面加工を施したのちに、前記ダイヤフラム面のうちの前記親液性領域の上に前記接合材の材料を配置することと、
前記接合材の材料の上に前記センサチップを配置し、加熱溶融によって前記接合材の材料を液体化させたのち冷却して硬化させ、前記接合材を介して前記センサチップを前記ダイヤフラム面の上に接合することと、を含む圧力センサの製造方法。 A metal stem (10) having a diaphragm (11) for pressure detection;
A bonding material (50) disposed on the diaphragm;
A pressure sensor manufacturing method comprising: a sensor chip (40) on which a strain detection element (41) is formed which is bonded onto the diaphragm via the bonding material and generates an electrical output corresponding to the distortion of the diaphragm. Because
A lyophilic region in which the metal stem is prepared, and one surface of the metal stem on which the diaphragm is formed is a diaphragm surface (10a), and the position where the sensor chip is disposed on the diaphragm surface is wetted by the bonding material (10b) on the surface of the diaphragm surface so that the outside of the position where the sensor chip is disposed is a liquid repellent region (10c) where the bonding material is less likely to wet than the lyophilic region. For surface treatment,
After performing the surface treatment, disposing the material of the bonding material on the lyophilic region of the diaphragm surface;
The sensor chip is disposed on the material of the bonding material, and the material of the bonding material is liquefied by heating and melting, and then cooled and cured, and the sensor chip is placed on the diaphragm surface via the bonding material. Bonding to the pressure sensor.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112236658A (en) * | 2018-06-14 | 2021-01-15 | 新东工业株式会社 | Strain body, method for manufacturing strain body, and physical quantity measuring sensor |
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2016
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Cited By (2)
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| CN112236658A (en) * | 2018-06-14 | 2021-01-15 | 新东工业株式会社 | Strain body, method for manufacturing strain body, and physical quantity measuring sensor |
| US11733113B2 (en) | 2018-06-14 | 2023-08-22 | Sintokogio, Ltd. | Strain element, strain element manufacturing method, and physical quantity measuring sensor |
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