JP2019007815A - センサチップの接合構造、および、圧力センサ - Google Patents

センサチップの接合構造、および、圧力センサ Download PDF

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Abstract

【課題】センサチップの接合構造において、センサユニット単体でセンサチップの圧力検出精度（出力特性）の誤差が所定の範囲内にあるとともに、圧力センサの生産効率を高めることができること。【解決手段】押圧治具５６の先端の移動距離が例えば、５０μｍ、および、３０μｍである場合、厚みｘが、０．３ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲に設定されたガラス台座に形成された接着剤層５０に作用した荷重（剪断力）（Ｎ）の特性線が、特性線Ｌｔ１（ｙ＝１．３８８９ｘ3）および、特性線Ｌｔ２（ｙ＝０．４６３ｘ3）上、または、零を超え特性線Ｌｔ１または特性線Ｌｔ２以下の領域内にあるもの。【選択図】図１

Description

本発明は、センサチップの接合構造、および、圧力センサに関する。
液封型の半導体圧力センサの一部を構成するセンサユニットは、例えば、特許文献１に示されるように、ベースとダイアフラムとの間に形成される液封室（受圧空間）内に配されている。そのようなセンサユニットは、例えば、ベースと受け部材との間に挟み込まれたダイアフラムと、ダイアフラムの上方に形成され圧力伝達媒体としてのオイルを貯留する液封室としての受圧空間と、受圧空間内に配されダイアフラムを介しオイルの圧力変動を検出するセンサチップ（特許文献１においては、半導体圧力検出素子と呼称される）と、センサチップを支持するベースと、センサチップからの出力信号の送出およびセンサチップへの電力供給を行う複数のリードピンとを主な要素として含んで構成されている。
そのようなセンサチップは、例えば、特許文献２に示されるように、パッケージ部材に形成された凹部の底部を形成する底壁部（チップマウント部材）にシリコーン系接着剤からなる接着剤層を介して接着される場合がある。その接着剤層は、所定のヤング率を有し、接着剤層の厚さが、所定の厚さ以上に設定されている。このように接着剤層の厚さが設定されるのは、接着剤層の厚さが大であるほど、パッケージ部材からセンサ素子に加わる力が接着剤層によって緩和されやすく、しかも、温度変化によるセンサ特性の変動を極力抑制できるからである。
特開２０１６−４５１７２号公報 特開２００３−２４７９０３号公報
上述のような圧力センサに用いられるセンサチップは、圧力センサの周囲の温度が変化した場合、センサチップの線膨張係数、および、接着剤層の線膨張係数と、底壁部（チップマウント部材）の線膨張係数との差に基づいて熱応力が、センサチップおよび底壁部相互間に生じる。これにより、センサチップが歪むのでセンサチップの出力特性がその歪み分だけ変化し、その結果、圧力検出精度に誤差が生じる場合がある。例えば、図５に示されるように、圧力検出総合精度（％ＦＳ）が圧力センサの周囲温度の変化に伴い変化する場合がある。図５は、縦軸に圧力検出総合精度（％ＦＳ）をとり、横軸に温度（℃）をとり、圧力検出総合精度の温度の変化に伴う変動をあらわす特性線Ｌａ１およびＬａ２を示す。特性線Ｌａ１は、周囲温度変化に伴う圧力検出総合精度の誤差が比較的大であるセンサチップの特性を示し、特性線Ｌａ２は、周囲温度変化に伴う圧力検出総合精度の誤差が比較的小であるセンサチップの特性を示す。
また、接着剤層の粘弾性の性質により、上述の熱応力が変化した場合、その熱応力が平衡状態となるまで所定の時間が必要とされるので温度応答による検出精度ズレの悪化による圧力検出精度（％ＦＳ）の誤差も生じる場合がある。図６は、縦軸に圧力検出精度（％ＦＳ）をとり、横軸に時間（ｔ）をとり、温度応答遅れのあるセンサチップの出力特性をあらわす特性線Ｌｂ２と、温度応答遅れのないセンサチップの出力特性をあらわす特性線Ｌｂ１を示す。なお、図６において、特性線Ｌｔは、試験装置の恒温槽内の所定の高温Ｔａから所定の低温Ｔｂまで変化する温度サイクルを示す。図６における特性線Ｌｂ２は、温度変化に遅れて出力が変動し、特性線Ｌｂ１は、温度変化に追従して出力が変動している。これにより、所定の時点ｔ１で精度のずれΔＤは、特性線Ｌｂ１において比較的小であり、特性線Ｌｂ２において比較的大となっている。このような温度変化に遅れて出力が変動する応答遅れの要因の１つは、接着剤層の特性である。
従来、上述のようなセンサチップの圧力検出精度（出力特性）の誤差が、所定の範囲内にあるような良品のセンサチップであるか否かは、センサチップが組み込まれた圧力センサが製作された後、その圧力センサ（以下、ワークともいう）の出力特性が恒温層内で所定の温度サイクルに従い測定されることにより行われる。
しかしながら、製作された圧力センサの温度特性を確認するためには恒温槽内でワークを馴染ませるのに時間が掛かり、作業効率が悪化していた。
以上の問題点を考慮し、本発明は、センサチップの接合構造、および、圧力センサであって、センサユニット単体でセンサチップの圧力検出精度（出力特性）の誤差が所定の範囲内にあるとともに、圧力センサの生産効率を高めることができるセンサチップの接合構造、および、圧力センサを提供することを目的とする。
上述の目的を達成するために、本発明に係るセンサチップの接合構造は、接着層と、端面に塗布された接着層を介してガラス台座を含むセンサチップを接着し支持する支持部材と、を備え、センサチップを接着した接着層は、センサチップが支持部材の端面に対し略平行に５０μｍ移動せしめられるとき、センサチップのガラス台座の厚みをx（ｍｍ）、剪断力をy（N）と定義するとき、関係式（１）（０＜ｙ≦１．３８８９ｘ3）を満たす剪断力y（N）が作用される特性を有することを特徴とする。
また、本発明に係るセンサチップの接合構造は、接着層と、端面に塗布された接着層を介してガラス台座を含むセンサチップを接着し支持する支持部材と、を備え、センサチップを接着した接着層は、センサチップが支持部材の端面に対し略平行に３０μｍ移動せしめられるとき、センサチップのガラス台座の厚みをx（ｍｍ）、剪断力をy（N）と定義するとき、以下の関係式（２）（０＜ｙ≦０．４６３ｘ3）を満たす剪断力y（N）が作用される特性を有することを特徴とする。
さらに、本発明に係る圧力センサは、上述のセンサチップの接合構造を備える。
さらにまた、本発明に係る圧力センサは、金属製のダイヤフラムにより隔絶され圧力伝達媒体が充填される液封室と、液封室内におけるダイヤフラムに向き合う支持部材の端面に配され、液封室内の圧力を検出する圧力検出素子および圧力検出素子の出力信号を処理する集積化された電子回路とが一体に形成されたセンサチップと、センサチップからの出力信号を外部に導出するためのリードピンとを備える圧力センサであって、上述のセンサチップの接合構造を備える。
上述の圧力センサにおいて、センサチップのサイズは、□２．５ｍｍ以上□４．０ｍｍ以下であってもよい。
上述の圧力センサにおいて、センサチップのガラス台座の厚さは、０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下、０．５ｍｍ以上０．７ｍｍ以下、０．７ｍｍ以上０．９ｍｍ以下、０．９ｍｍ以上１．１ｍｍ以下、または、１．１ｍｍ以上１．５ｍｍ以下、１．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下、および、２．０ｍｍ以上２．５ｍｍ以下のうちのいずれかの範囲であってもよい。
接着層は、シリコーン系ゲル、フッ素系ゲル、シリコーン系接着剤、および、フッ素系接着剤のうちのいずれかで形成され、接着層の厚みは、０．５μｍ以上１００μｍ以下、好ましくは、５μｍ以上１００μｍ以下であってもよい。
本発明に係るセンサチップの接合構造、および、圧力センサによれば、センサチップを接着した接着層は、センサチップが支持部材の端面に対し略平行に５０μｍ移動せしめられるとき、センサチップのガラス台座の厚みをx（ｍｍ）、剪断力をy（N）と定義するとき、関係式（１）（０＜ｙ≦１．３８８９ｘ3）を満たす剪断力y（N）が作用される特性を有するのでセンサユニット単体でセンサチップの圧力検出精度（出力特性）の誤差が所定の範囲内にあるとともに、圧力センサの生産効率を高めることができる。
本発明に係るセンサチップの接合構造の一例における製造の検査工程に用いられる測定装置の一例の構成を概略的に示す図である。 （Ａ）は、図１に示される測定装置を示す正面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）におけるＩＩＢ部を拡大して示す拡大図であり、（Ｃ）は、（Ｂ）におけるＩＩＣ矢視図であり、（Ｄ）は、（Ｂ）における部分拡大図であり、（Ｅ）は、（Ｄ）におけるＩＩＥ矢視図であり、（Ｆ）は、（Ｄ）におけるＩＩＦ矢視図である。 （Ａ）は、本発明に係るセンサチップの接合構造の一例に用いられる代表的なガラス台座およびセンサチップの撓みの説明に供される図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に示されるガラス台座およびセンサチップの側面図であり、（Ｃ）は、本発明に係るセンサチップの接合構造の一例に用いられる接着剤層の説明に供される図であり、（Ｄ）は、円形の接着剤層をあらわす図であり、（Ｅ）は、図１に示される測定装置によって得られたセンサユニットにおける各ガラス台座の厚みに応じた接着剤層の特性をあらわす特性図であり、（Ｆ）は、（Ｅ）に示される特性図の一部を部分的に拡大した特性図であり、（Ｇ）は、図１に示される測定装置によって得られたセンサユニットにおける接着剤層の特性をあらわす特性図である。 （Ａ）は、本発明に係るセンサチップの接合構造の一例を備えるセンサユニットを備える圧力センサの構成を示す断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）における要部を部分的に拡大して示す部分断面図である。 圧力検出総合精度の温度の変化に伴う変動をあらわす特性線を示す図である。 温度応答遅れのあるセンサチップおよび温度応答遅れのないセンサチップの出力特性をあらわす特性線を示す図である。
図４（Ａ）は、本発明に係るセンサチップの接合構造の一例を有するセンサユニットを備える圧力センサの構成を概略的に示す。
図４（Ａ）において、圧力センサは、圧力が検出されるべき流体が導かれる配管に接続される継手部材３０と、継手部材３０のベースプレート２８に連結され後述するセンサユニットを収容しセンサチップからの検出出力信号を所定の圧力測定装置に供給するセンサユニット収容部と、を含んで構成されている。
金属製の継手部材３０は、上述の配管の接続部の雄ねじ部にねじ込まれる雌ねじ部３０ｆｓを内側に有している。雌ねじ部３０ｆｓは、矢印Ｐの示す方向から供給される流体を後述する圧力室２８Ａに導く継手部材３０のポート３０ａに連通している。ポート３０ａの一方の開口端は、継手部材３０のベースプレート２８とセンサユニットのダイヤフラム３２との間に形成される圧力室２８Ａに向けて開口している。
センサユニット収容部の外郭部は、カバー部材としての円筒状の防水ケース２０により形成されている。樹脂製の防水ケース２０の下端部には、開口部２０ｂが形成されている。内側となる開口部２０ｂの周縁の段差部には、継手部材３０のベースプレート２８の周縁が係合されている。
圧力室２８Ａ内には、継手部材３０のポート３０ａを通じて流体としての空気または液体が供給される。センサユニットのハウジング１２の下端面は、ベースプレート２８に溶着されている。
圧力室２８Ａ内の圧力を検出し検出出力信号を送出するセンサユニットは、円筒状のハウジング１２と、圧力室２８Ａとハウジング１２の内周部とを隔絶する金属製のダイヤフラム３２と、複数の圧力検出素子を有するセンサチップ１６と、接着剤層５０を介してセンサチップ１６を一端部で支持する金属製のチップマウント部材１８と、センサチップ１６に電気的に接続される入出力端子群４０ａｉ（ｉ＝１〜８）と、入出力端子群４０ａｉおよびオイル充填用パイプ４４をチップマウント部材１８の外周面とハウジング１２の内周面との間に固定するハーメチックガラス１４と、を主な要素として含んで構成されている。
ダイヤフラム３２は、上述の圧力室２８Ａに向き合うハウジング１２の一方の下端面に支持されている。圧力室２８Ａに配されるダイヤフラム３２を保護するダイヤフラム保護カバー３４は、複数の連通孔３４ａを有している。ダイヤフラム保護カバー３４の周縁は、ダイヤフラム３２の周縁とともに溶接によりステンレス鋼製のハウジング１２の下端面に接合されている。
金属製のダイヤフラム３２と向かい合うセンサチップ１６およびハーメチックガラス１４の端面との間に形成される液封室１３には、例えば、圧力伝達媒体として所定量のシリコーンオイルＰＭ、または、フッ素系不活性液体がオイル充填用パイプ４４を介して充填されている。なお、オイル充填用パイプ４４の一方の端部は、オイル充填後、二点鎖線で示されるように、押し潰され閉塞される。
シリコーンオイルは、例えば、シロキサン結合と有機質のメチル基とからなるジメチルポリシロキサン構造を持つシリコーンオイルとされる。フッ素系不活性液体は、例えば、パーフルオロカーボン構造をもつ液体、および、ハイドロフルオロエーテル構造をもつ液体、または、三フッ化塩化エチレンの低重合物であって、主鎖にフッ素および塩素が結合し、両端がフッ素、塩素の構造を有するものでもよい。
ハーメチックガラス１４の端部に形成される凹部に配されるセンサチップ１６とダイヤフラム３２との間には、さらに、金属製の電位調整部材１７がハーメチックガラス１４の下端面に支持されている。電位調整部材１７は、例えば、特許第３９８７３８６号公報にも示されるような、連通孔を有しセンサチップ１６の回路のゼロ電位に接続される端子に接続されている。
入出力端子群４０ａｉ（ｉ＝１〜８）は、２本の電源用端子と、１本の出力用端子と、５本の調整用端子とから構成されている。各端子の両端部は、それぞれ、上述のハーメチックガラス１４の端部に形成される凹部と後述する端子台２４の孔とに向けて突出している。２本の電源用端子と、１本の出力用端子とは、接続端子３６を介して各リード線３８の芯線３８ａに接続されている。各リード線３８は、所定の圧力測定装置に接続される。なお、図４（Ａ）においては、８本の端子うちの４本の端子だけが示されている。
センサチップ１６は、ブリッジ回路を形成する複数の圧力検出素子をシリコンダイヤフラム部の上部に有し、例えば、シリコンで略矩形状に形成されている本体部と、本体部の上端面における圧力検出素子の周囲に形成され上述のブリッジ回路の出力信号を処理する増幅回路、直線補正回路、温度補正回路、および、補正データ保持回路を集積化し形成する電子回路層と、第１の層としての電子回路層の上面に積層される第２の層としての絶縁膜層を形成する酸化膜と、を含んで構成されている。
なお、本発明に係るセンサチップの接合構造の他の一例においては、センサチップ１６は、ダイヤフラム部を伴って所定の厚さのガラス台座上に形成されてもよい。そのガラス台座と一体化されたセンサチップ１６は、後述するように、チップマウント部材１８の一端部に接着剤層５０を介して接着されている。その際、本願の試験データを取得するために、センサチップ１６のガラス台座厚みは、例えば、０．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下、好ましくは、０．３ｍｍ以上１．２ｍｍ以下、センサチップのサイズは、例えば、□０．８ｍｍ以上□５．０ｍｍ以下、好ましくは、□２．５ｍｍ以上□４．０ｍｍ以下のものを使用して検証を行った。
ダイヤフラム部の変位に伴うチップ曲げに起因したセンサチップ１６の検出精度のズレの原因は、一体化されたガラス台座およびセンサチップのたわみ（δ）易さもひとつの要因となっている。例えば、図３（Ａ）および（Ｂ）に示されるように、ガラス台座およびセンサチップのたわみに関し、仮に片持ち梁の自由端に集中荷重が作用する簡易モデル（たわみ角ｄδ／ｄｘが１より小さいものとする）を利用して検討した場合、一体化されたガラス台座およびセンサチップに相当する片持ち梁１６´（以下、梁１６´ともいう）が想定される。梁１６´は、幅ｂ、厚みｔからなる長方形断面、および、長さｌを有し、一端が支持されている。
たわみδの大きさ［＝Ｐｌ3／（３ＥＩ）］は、曲げ剛性（ＥＩ）（Ｅ：ヤング率、Ｉ：断面二次モーメント）に反比例し、梁１６´の長さｌの３乗に比例する。また、たわみδの大きさは、断面二次モーメントＩ（＝ｂｔ3／１２）に基づき厚みｔの３乗に反比例することとなる。従って、たわみδの大きさは、断面二次モーメントＩを小さくするように梁１６´（ガラス台座）の厚さｔをより薄く、梁１６´の長さｌをより大きく設定することにより、大となる傾向にある。即ち、センサチップのサイズが、例えば、□４．０ｍｍ近傍に設定され、ガラス台座の厚さが０．３ｍｍ近傍に設定されることにより、一体化されたガラス台座およびセンサチップがたわみ易くなるのでダイヤフラム部の変位に伴うチップ曲げに起因したセンサチップ１６の検出精度のズレが低減されることが推測される。
但し、センサチップ１６のガラス台座厚み及びセンサチップ１６のサイズについてはこれに限定されるものではなく、あくまでも後述する荷重の適応範囲を決めるものに過ぎない。
本発明に係るセンサチップの接合構造の一例において、センサチップ１６は、チップマウント部材１８の一端部に接着層としての接着剤層５０を介して接着されている。接着剤層５０の材質としては、ヤング率が一般的に高い（固いことと同義）順に、例えば、エポキシ系接着剤、ウレタン系接着剤、シリコーン系接着剤、フッ素系接着材やシリコーン系ゲル、フッ素系ゲルといったものの群から適宜選択できる。本願の試験データを得るために、今回は、接着剤層の材質としてシリコーン系ゲルやフッ素系ゲルが、使用された。この時、使用された接着剤層の厚みは、０．５μｍ以上１００μｍ以下、好ましくは、５μｍ以上１００μｍ以下の厚みである。
本願の発明者によれば、センサチップ１６のチップマウント部材１８の一端部に対する固定が弱い（緩い）場合、センサチップ１６における温度応答による精度ずれ、低温時の精度が良くなることが検証されている。その一つの理由としては、センサチップ１６のチップマウント部材１８の一端部に対する固定が弱い場合、熱応力が小さいので温度応答による精度ずれが改善するからである。センサチップ１６のチップマウント部材１８の一端部に対する固定の度合い（強いまたは弱いなど）は、例えば、後述する測定装置における押圧治具５６により剪断力（荷重）が接着剤層５０に作用されるとき、押圧治具５６の所定の移動量に応じた荷重の変化で表される（図３（Ｆ）参照）。
例えば、図３（Ｃ）および（Ｄ）に示されるように、センサチップ１６が、所定の厚みｌ、ヤング率Ｅ、断面二次モーメントＩ、円形の接着面積πｒ2を有する接着剤層５０によりチップマウント部材１８の一端部に接着されている場合、押圧治具５６により所定のストロークδだけ一方向にチップマウント部材１８の一端部に対し略平行に移動せしめられるとき、作用される荷重Ｐ（＝３ＥＩδ／ｌ3）は、接着剤層の接着面積および接着剤層の材質が同一の場合、曲げ剛性（ＥＩ）が一定となるので接着剤層５０の厚みｌ3に反比例するのでセンサチップ１６のチップマウント部材１８の一端部に対する固定の度合いは、接着剤層５０の厚みｌが厚くなるほど弱い傾向にあり、接着剤層５０の厚みｌが薄くなるほど強い傾向がある（その為、接着剤層５０が厚ければセンサチップの固定度合いが緩く感じ、接着剤層５０が薄ければ、硬く感じられる）。
従って、接着剤層の接着面積および接着剤層の材質が同一の場合、接着剤層の厚み（接着剤層の断面積）がより厚ければ、接着剤層が軟らかく、低温時の接着剤の線膨張係数との差による歪みが小さいので接着剤層に作用される熱応力が小となる。従って、熱応力が小となることにより、センサチップ１６が受ける粘弾性の性質による影響が小となるので温度応答による精度ずれの影響が小さくなる。また、熱応力が小となることにより、センサチップ１６が受ける変形の影響が小さいので低温精度が良くなる。
なお、選択する接着剤層の材質が変われば、接着剤層の厚みについても適宜所定の値が選択されることになる。また、接着剤層は、斯かる例に限られることなく、接着層として例えば、薄い粘着性フィルムであってもよい。
また、センサチップ１６を支持する支持部材としてのチップマウント部材１８の材質は、例えば、鉄ニッケル系合金、または、ステンレス鋼等の金属とされる。その結果として、温度変化によるセンサチップ１６の歪を低減でき、しかも、センサチップ１６の検出精度向上及び温度応答による検出精度のズレの改善を図ることができる。
なお、上述の例において、センサユニットにおけるセンサチップ１６は、ハーメチックガラス１４内に保持されるチップマウント部材１８の一端部で支持されているが、斯かる例に限られることなく、本発明に係るセンサチップの接合構造のさらなる他の一例において、例えば、センサチップ１６が、チップマウント部材１８を用いることなく、上述のハーメチックガラス１４の凹部を形成する平坦面に直接的に固定されるように構成されてもよい。
入出力端子群４０ａｉを整列させる端子台２４は、樹脂材料、例えば、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）で成形されている。端子台２４は、入出力端子群４０ａｉが挿入される複数個の孔とともに、内側に所定の容積の空洞部を有している。端子台２４の下端面は、ハーメチックガラス１４の上端面を覆うようにハウジング１２の上端面に、シリコーン系接着剤により接着されている。これにより、所定の厚さを有する環状の接着層１０ａがハウジング１２の上端面に形成されることとなる。また、入出力端子群４０ａｉが突出するハーメチックガラス１４の上端面全体には、シリコーン系接着剤からなる被覆層１０ｂが所定の厚さで形成されている。
端子台２４の空洞部を形成する内周面であって、ハーメチックガラス１４の上端面に向き合う内周面には、ハーメチックガラス１４に向けて突出する環状突起部２４Ｐが形成されている。環状突起部２４Ｐの突出長さは、被覆層１０ｂの粘性等に応じて設定される。このように環状突起部２４Ｐが形成されることにより、塗布された被覆層１０ｂの一部が、表面張力により環状突起部２４Ｐと、端子台２４の空洞部を形成する内周面のうちハーメチックガラス１４の上端面に略直交する部分との間の狭い空間内に引っ張られて保持されるので、被覆層１０ｂが端子台２４の空洞部内における一方側に偏ることなく塗布されることとなる。これにより、ハウジング１２の上端面およびハーメチックガラス１４の上端面全体には、被覆層１０ａ、被覆層１０ｂからなるシリコーン系接着層１０が静電気保護層として形成されることとなる。従って、このようにシリコーン系接着剤により静電気保護層が形成されることにより、ＥＳＤ保護回路の有無に影響されることなく、センサユニットの静電気耐力が、向上することとなる。
上述のシリコーン系接着剤は、例えば、柔軟性のある付加型の一成分系であるものが好ましい。シリコーン系接着剤は、例えば、低分子シロキサン結合を有する接着剤とされる。なお、エポキシ系接着剤を使用しても良い。
端子台２４の外周面、および、端子台２４に連結され上述の孔を覆うエンドキャップ２２の外周面と防水ケース２０の内周面との間、また、防水ケース２０の内周面とハウジング１２の外周面との間には、封止材２６が、所定量、充填されている。端子台２４およびエンドキャップ２２は、上述のセンサユニットを挟んで継手部材３０のベースプレート２８と向き合って防水ケース２０内に配置されている。
エンドキャップ２２の上端面は、防水ケース２０の開口端から上方に向けて突出している。即ち、エンドキャップ２２の上端面の位置は、防水ケース２０の開口端面の位置よりも高い位置となる。
上述の圧力センサを組み立てるにあたり、圧力センサに組み込まれるセンサユニットサブアセンブリ（以下、ワークともいう）ＳＡは、予め、接着剤の特性の測定方法により、ワークＳＡにおける接着剤層５０の特性について測定される。ワークＳＡは、円筒状のハウジング１２と、複数の圧力検出素子を有するセンサチップ１６と、接着剤層５０を介してセンサチップ１６を一端部で支持する金属製のチップマウント部材１８と、入出力端子群４０ａｉ（ｉ＝１〜８）と、ハーメチックガラス１４と、を主な要素として含んで構成される。
上述の接着剤の特性の測定方法の一例は、図１に示される測定装置が用いられて行われる。測定装置は、例えば、室温２０℃〜３０℃、湿度１０〜８０％ＲＨの雰囲気中に配置される。
測定装置は、例えば、図１および図２（Ａ）に示されるように、ＸＹ軸ステージと、Ｚ軸ステージ５８と、ＸＹ軸ステージにおける固定テーブル５３に配され後述するワークに加えられる荷重を検出し検出信号ＳＬを出力するプッシュプルゲージ５２と、プッシュプルゲージ５２からの検出信号ＳＬおよびＸＹ軸ステージにおけるアッパステージ６４およびロアステージ６６の移動テーブルの移動量をあらわす検出信号ＳＳに基づいて特性曲線（図３参照）を形成する信号処理部としてのパーソナルコンピュータ（不図示）とを含んで構成されている。パーソナルコンピュータは、後述するシグマ光機（株）社製（型式ＳＧＳＰ２０−８５）のステージを制御するプログラムデータ、および、荷重記録ソフトウェアデータ（（株）イマダ製ＺＰ Ｒｅｃｏｒｄｅｒ）を格納する記憶部を備えている。
Ｚ軸ステージ５８には、ワークＳＡを支持するワーク支持台６２が移動可能に設けられている。図２（Ｂ）に示されるように、ワークＳＡは、ハウジング１２の端面がワーク支持台６２の載置面に当接するように、ワーク支持台６２に取付け用小ネジで取り外し可能に固定される。
ＸＹ軸ステージは、図２（Ａ）に示されるように、所定の基台６０上に配置されている。ＸＹ軸ステージは、基台６０に固定される固定テーブルおよび移動テーブルからなるロアステージ６６と、ロアステージ６６の移動テーブルに連結される固定テーブル５３のアッパステージ６４と、アッパステージ６４に対し移動可能に配される移動テーブルに連結される固定テーブル５３と、を含んで構成されている。なお、ロアステージ６６とアッパステージ６４は、ボールネジを介して駆動する駆動用モータ（不図示）を備えている。
ＸＹ軸ステージと、Ｚ軸ステージ５８は、例えば、シグマ光機（株）社製（型式ＳＧＳＰ２０−８５）のステージが使用されている。
ロアステージ６６の移動テーブルは、図１および図２（Ａ）に示される直交座標におけるＹ座標軸に沿って移動可能とされる。また、アッパステージ６４の移動テーブルは、Ｘ座標軸に沿って移動可能とされる。駆動用モータは、例えば、ステッピングモータまたはサーボモータとされ、アッパステージ６４およびロアステージ６６の移動テーブルの移動量をあらわす検出信号ＳＳをパーソナルコンピュータに供給するものとされる。
固定テーブル５３における所定の位置には、プッシュプルゲージ５２が固定されている。プッシュプルゲージ５２は、例えば、（株）イマダ社製（型式ＺＰ−５０Ｎ）のプッシュプルゲージが使用されている。プッシュプルゲージ５２は、図２（Ｂ）に示される押圧治具５６を一端に有するプッシュロッド５４を備えている。押圧治具５６は、図２（Ｄ）、（Ｅ）、および、（Ｆ）に部分的に拡大されて示されるように、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０３）で作られ、押圧子５６Ｐを先端に有している。押圧治具５６の首部の幅Ｄ５は、例えば、２．５ｍｍに設定されている。押圧治具５６の首部における移動方向に沿った長さＤ２は、例えば、１．７ｍｍに設定されている。押圧治具５６の首部の下端面から本体部までの距離Ｄ３は、例えば、２．５ｍｍに設定されている。押圧治具５６の首部から本体部に連なる部分には、１ｍｍの面取りＣＡおよび０．５ｍｍの面取りＣＢが施されている。なお、押圧治具５６の首部における他の部分には、所定の糸面取りが施されている。
押圧子５６Ｐは、略三角柱に形成されている。押圧子５６Ｐの高さＤ４は、例えば、１ｍｍに設定されている。押圧子５６Ｐの三角形の頂点までの高さＤ１は、例えば、０．７ｍｍに設定されている。押圧子５６Ｐの三角形の挟角αは、９０°に設定されている。
測定開始前においては、押圧治具５６の先端の押圧子５６Ｐは、ワーク支持台６２に支持されるワークＳＡのセンサチップ１６の側面に対し所定距離、例えば、約０．００１ｍｍ、離隔した位置、で対向するように配置されている。押圧子５６Ｐにおける押圧治具５６の中心軸線ＣＬ上にある三角形の頂点の位置は、例えば、センサチップ１６の中心線に対し±０．１ｍｍ内の所定の範囲ΔＤａ内にあるように設定されている。その際、押圧子５６Ｐの下端面からセンサチップ１６の上面までの距離ΔＤｂは、例えば、０．３ｍｍ±０．２ｍｍの範囲内に設定されている。押圧治具５６の押圧子５６ＰがワークＳＡのセンサチップ１６の側面に当接した後、プッシュプルゲージ５２は、押圧治具５６の先端に作用する荷重（センサチップ１６からの反作用力）を検出し、検出信号ＳＬをパーソナルコンピュータに供給するものとされる。その際、１Ｈｚ以上の荷重サンプリング周波数で供給される。固定テーブル５３および押圧治具５６の押圧子５６Ｐは、センサチップ１６の側面に当接後、例えば、移動速度１μｍ／ｓで所定のストロークだけ移動せしめられる。これにより、図２（Ｂ）に矢印で示される押圧治具５６の先端の移動方向（Ｙ座標軸方向）に沿った剪断力が、接着剤層５０に作用することとなる。
パーソナルコンピュータは、検出信号ＳＳおよび検出信号ＳＬに基づいてセンサユニットにおける接着剤層５０の特性をあらわす特性線を形成し、それを表示部に表示する。表示部には、例えば、図３（Ｆ）に示されるような、特性線Ｌｃ、Ｌｃ´、Ｌｄ１、および、Ｌｄ２が表示される。図３（Ｆ）は、縦軸に押圧治具５６の先端により加えられた荷重（Ｎ）をとり、横軸に押圧治具５６の先端の移動距離（μｍ）をとり、剪断力が加えられた接着剤層の弾性変位から塑性変位までをあらわす特性線を示す。なお、押圧冶具５６の先端の移動距離（μｍ）は、その先端をセンサチップ１６に押し込んでいき、先端がセンサチップ１６の外周面に当接した位置を０（μｍ）として定義される。荷重の測定に関しては、押圧冶具５６の先端をセンサチップ１６に押し込む際にワークＳＡが回転しない状態で測定することが好ましい。
図３（Ｆ）は、センサユニットにおける接着剤層５０の特性をあらわす特性線Ｌｄ１、Ｌｄ２、および、比較例における接着層の特性をあらわす特性線Ｌｃ、Ｌｃ´を示す。
特性線Ｌｄ１、Ｌｄ２は、それぞれ、厚みが５μｍ、２０μｍに設定された接着剤層の特性をあらわす。その接着剤層の材質は、例えば、シリコーン系ゲルとされる。特性線Ｌｃ、Ｌｃ´は、厚みが１μｍに設定された接着剤層の特性をあらわす。その接着剤層の材質は、例えば、シリコーン系ゲルとされる。
特性線Ｌｄ１は、移動距離が大になるにつれて荷重が徐々に増大し、移動距離が４０μｍ以上６０μｍ以下の領域において、荷重が０．１（Ｎ）以上０．３（Ｎ）以下の値をとる。特性線Ｌｄ２は、移動距離が大になるにつれて荷重が徐々に増大し、移動距離が４０μｍ以上６０μｍ以下の領域において、荷重が０．０３（Ｎ）以上０．０５（Ｎ）以下の値をとる。一方、比較例の特性をあらわす特性線Ｌｃにおいては、移動距離が大になるにつれて荷重が急峻に増大し、移動距離が４０μｍ以上６０μｍ以下の領域において、荷重が０．７５（Ｎ）以上１．０５（Ｎ）以下の値をとる。特性線Ｌｃ´においては、移動距離が大になるにつれて特性線Ｌｃの勾配よりも比較的小さい勾配で増大し、移動距離が２０μｍのとき、荷重が０．１（Ｎ）をとり、移動距離が４０μｍのとき、荷重が０．６（Ｎ）をとり、移動距離が４０μｍ以上６０μｍ以下の領域において、０．６（Ｎ）以上０．９５（Ｎ）以下の値をとる。
本願の発明者により、上述の例のようなワークＳＡを組み込んだ圧力センサ、ならびに、比較例のようなセンサユニットを組み込んだ圧力センサを製作し、恒温層内で所定の温度サイクルに従い、各圧力センサにおける周囲温度変化に伴う圧力検出総合精度の誤差について検証された。その結果、特性線Ｌｄ１およびＬｄ２に従う特性を有する接着剤層５０により接着されたセンサチップ１６により、周囲温度変化に伴う圧力検出総合精度の誤差が比較的小であるセンサチップの特性が得られた。また、特性線Ｌｃ´に従う特性を有する接着剤層により接着されたセンサチップ１６により、周囲温度変化に伴う圧力検出総合精度の誤差が比較的小であるセンサチップの特性が得られた。一方、特性線Ｌｃに従う特性を有する接着層により接着されたセンサチップにより、周囲温度変化に伴う圧力検出総合精度の誤差が比較的大であるセンサチップの特性が得られた。
従って、得られた特性線が、移動距離が２０μｍ以上６０μｍ以下のとき、荷重（剪断力）が零を超え０．６（Ｎ）以下の領域ＣＯＩ（図３における斜線領域を参照）を横切る特性線である場合、その特性線に従う特性を有する接着剤層により接着されたセンサチップにより、周囲温度変化に伴う圧力検出総合精度の誤差が比較的小である高精度のセンサチップの特性が得られることとなる。領域ＣＯＩは、移動距離が２０μｍ以上６０μｍ以下の範囲において、荷重が０．６（Ｎ）以下の領域であって、点Ｐ１（移動距離、荷重：２０μｍ、０．１（Ｎ））と点Ｐ２（移動距離、荷重：４０μｍ、０．６（Ｎ））とを結ぶ直線で囲まれる領域である。換言すれば、領域ＣＯＩは、接着剤層が比較的軟らかい領域であるとも言える。さらに、領域ＣＯＩにおいて、特性線が、荷重が０．３（Ｎ）以下の領域であって、点Ｐ３（移動距離、荷重：５０μｍ、０．３（Ｎ））と点Ｐ０（移動距離、荷重：２０μｍ、０（Ｎ））とを結ぶ直線で囲まれる領域を横切ることが好ましい。このような領域の場合、接着層の厚みは、例えば、０．５μｍ以上１．０μｍ以下の範囲、または、１．０μｍ以上１００μｍ以下の範囲に設定されることが好ましいことが、本願の発明者による検証結果に基づいて確認されている。
図３（Ｅ）および（Ｆ）は、上述の測定装置における押圧治具５６の先端の移動距離が例えば、３０μｍ、および、５０μｍである場合、センサユニットにおける接着剤層５０に作用した荷重（ｙ）の変化を、上述したセンサチップ１６（□２．５ｍｍ以上□４．０ｍｍ以下のサイズ）のガラス台座の各厚みｘ（ｍｍ）に応じて示す。特性線Ｌｔ１、Ｌｔ２は、それぞれ、押圧治具５６の先端の移動距離が例えば、５０μｍ、および、３０μｍである場合、厚みｘが０．３ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲に設定されたガラス台座に形成された接着剤層に作用した荷重（剪断力）（Ｎ）の特性を示す。但し、特性線Ｌｔ１の曲線（ｙ＝１．３８８９ｘ3）および、特性線Ｌｔ２の曲線（ｙ＝０．４６３ｘ3）は、それぞれ、各測定値を用いて最小二乗法の近似曲線で近似した３次曲線である。但し、ｙは、荷重（Ｎ）、ｘは、ガラス台座の厚みである。接着剤層５０の厚みは、例えば、０．５μｍ以上１００μｍ、好ましくは、５μｍ以上１００μｍ以下である。
接着剤層５０を評価する範囲の一例として押圧治具５６の先端の移動距離が３０μｍ、および、５０μｍに設定された理由は、上述した移動距離が２０μｍ以上６０μｍ以下の範囲であり、移動距離が３０μｍのとき、変化した荷重を正確に検出でき、移動距離が５０μｍのとき、変化した荷重をよりさらに正確に検出でき、しかも、接着剤層５０自体が塑性変形し破壊しない範囲とするためである。
本願の発明者の検証結果によれば、特性線Ｌｔ１および特性線Ｌｔ２に従う特性を有する接着剤層５０により接着されたセンサチップ１６により、周囲温度変化に伴う圧力検出総合精度の誤差が比較的小であるセンサチップの特性が得られることが検証されている。また、荷重が零を越え特性線Ｌｔ１以下の範囲、および、荷重が零を越え特性線Ｌｔ２以下の範囲内にあるいずれかの特性線上にあるセンサチップ１６においても、周囲温度変化に伴う圧力検出総合精度の誤差が比較的小であるセンサチップの特性が得られることが検証された。
以上の説明から明らかなように、恒温層内で所定の温度サイクルに従い、圧力センサにおける周囲温度変化に伴う圧力検出総合精度の誤差について試験を要することなく、このような特性線に基づいてそのようなセンサユニットが組み込まれた良品の圧力センサを得られることが推測される。なお、周囲温度変化に伴う圧力検出総合精度の誤差が比較的小である高精度のセンサチップの特性が得られる上述の図３（Ｆ）に示される特性線は、好ましくは、移動距離が４０μｍ以上６０μｍ以下のとき、荷重（剪断力）が０．０１（Ｎ）以上０．６（Ｎ）以下の領域を横切る特性線であってもよい。なお、以上の特性を有する接着構造を構成するためには、接着剤のセンサチップへの塗布面積や厚みを適宜選択することができ、その他粘着テープ等を用いることができるなど、その接着構造については自由に選択することが可能である。以上の説明から明らかなように、センサユニット単体（ワークＳＡ）でセンサチップの圧力検出精度（出力特性）の誤差が、所定の範囲内にあるとともに、圧力センサの生産効率を高めることができることがわかる。
１２ ハウジング
１４ ハーメチックガラス
１６ センサチップ
１８ チップマウント部材
５０ 接着剤層
５２ プッシュプルゲージ
５６ 押圧治具
ＳＡ センサユニットサブアセンブリ（ワーク）

Claims (14)

  1. 接着層と、端面に塗布された該接着層を介してガラス台座を含むセンサチップを接着し支持する支持部材と、を備え、
    前記センサチップを接着した接着層は、該センサチップが前記支持部材の端面に対し略平行に５０μｍ移動せしめられるとき、前記センサチップのガラス台座の厚みをx（ｍｍ）、剪断力をy（N）と定義するとき、以下の関係式（１）を満たす剪断力y（N）が作用される特性を有することを特徴とするセンサチップの接合構造。
    ０＜ｙ≦１．３８８９ｘ3・・・（１）
  2. 接着層と、端面に塗布された該接着層を介してガラス台座を含むセンサチップを接着し支持する支持部材と、を備え、
    前記センサチップを接着した接着層は、該センサチップが前記支持部材の端面に対し略平行に３０μｍ移動せしめられるとき、前記センサチップのガラス台座の厚みをx（ｍｍ）、剪断力をy（N）と定義するとき、以下の関係式（２）を満たす剪断力y（N）が作用される特性を有することを特徴とするセンサチップの接合構造。
    ０＜ｙ≦０．４６３ｘ3・・・（２）
  3. 請求項１または請求項２に記載のセンサチップの接合構造を備える圧力センサ。
  4. 金属製のダイヤフラムにより隔絶され圧力伝達媒体が充填される液封室と、該液封室内における前記ダイヤフラムに向き合う支持部材の端面に配され、前記液封室内の圧力を検出する圧力検出素子および該圧力検出素子の出力信号を処理する集積化された電子回路とが一体に形成されたセンサチップと、該センサチップからの出力信号を外部に導出するためのリードピンとを備える圧力センサであって、請求項３記載のセンサチップの接合構造を備える圧力センサ。
  5. 前記センサチップのサイズは、□２．５ｍｍ以上□４．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の圧力センサ。
  6. 前記センサチップのガラス台座の厚さは、０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ。
  7. 前記センサチップのガラス台座の厚さは、０．５ｍｍ以上０．７ｍｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ。
  8. 前記センサチップのガラス台座の厚さは、０．７ｍｍ以上０．９ｍｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ。
  9. 前記センサチップのガラス台座の厚さは、０．９ｍｍ以上１．１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ。
  10. 前記センサチップのガラス台座の厚さは、１．１ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ。
  11. 前記センサチップのガラス台座の厚さは、１．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ。
  12. 前記センサチップのガラス台座の厚さは、２．０ｍｍ以上２．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ。
  13. 前記接着層は、シリコーン系ゲル、フッ素系ゲル、シリコーン系接着剤、および、フッ素系接着剤のうちのいずれかで形成され、該接着層の厚みは、０．５μｍ以上１００μｍ以下、好ましくは、５μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセンサチップの接合構造を備える圧力センサ。
  14. 前記接着層は、シリコーン系ゲル、フッ素系ゲル、シリコーン系接着剤、および、フッ素系接着剤のうちのいずれかで形成され、該接着層の厚みは、０．５μｍ以上１００μｍ以下、好ましくは、５μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする請求項３乃至請求項１２のうちのいずれかに記載の圧力センサ。
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