JP3619065B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電容量式あるいはピエゾ式の圧力センサに係り、特にセンサチップの電極を裏側から取り出す場合におけるセンサチップとセンサパッケージの接合構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、静電容量式の圧力センサが知られている。この静電容量式圧力センサは、所定の空間を備えた基板と、その基板の空間上に配置されたダイアフラムと、基板に形成された固定電極と、ダイアフラムに形成された可動電極とを備えている。ダイアフラムが圧力を受けて変形することで、可動電極と固定電極の間隔が変化してその間の静電容量が変化する。この静電容量の変化に基づき、ダイアフラムの受けた圧力を測定するものである。
【０００３】
また、その他の圧力センサとして、ピエゾ式の圧力センサが知られている。ピエゾ式圧力センサでは、半導体ダイアフラム上にピエゾ抵抗効果を有する歪ゲージを形成し、ダイアフラムに加わる圧力によって歪ゲージを変形させ、ピエゾ抵抗効果による歪ゲージの抵抗値の変化を検出して圧力を測定している。
【０００４】
以上のような圧力センサでは、図６に示すように、金属からなる円筒状のパッケージ２１内に筒状のガラス台座２２を介してセンサチップ２３を搭載すると共に、耐腐食性のダイアフラム２４によって封止し、その内部にシリコンオイル等の封入液２５を封入することにより、センサチップ２３への圧力伝達を行っていた。センサチップ２３と外部との電気的接続は、ガラスによってハーメチックシールされた電極取り出しピン２６とセンサチップ上面に形成された電極との間をワイヤ２７で接続することにより実現していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図６のような構成の圧力センサでは封入液２５を用いているため、温度変化によって封入液の体積が変化し、圧力の伝達に誤差を与える可能性があり、高精度の圧力測定が難しいという問題がある。また、ダイアフラム２４が破れて封入液２５が漏れる可能性があり、封入液２５が漏れると被測定液体（気体）を汚染してしまうため、サニタリー用途への利用が難しいという問題点があった。
【０００６】
このような問題を解決するために封入液をなくそうとすると、センサチップが直接、被測定流体と接することになるので、センサチップの腐食やセンサチップに加えられる物理的衝撃が問題になる。したがって、電極やワイヤをチップ上面に設けることはできなくなり、センサチップの裏側から電極を取り出すことになる。しかし、従来の圧力センサでは、センサチップの固定と同時に電極の取り出しを裏側で行う適切な構造がないという問題点があった（センサチップを金属パッケージの裏面まで貫通させて裏側で電極を取り出すという方法もあるが、センサチップとパッケージのシール面との接合部で応力が発生する可能性が高いため、センサチップのダイアフラムをシール面から遠くに離す必要があり、センサの大きさが大きくなるという欠点があった）。
【０００７】
また、圧力センサでは、金属製のパッケージからの熱応力をセンサチップに極力伝えないようにする必要があり、図６の圧力センサでは、センサチップ２３をガラス台座２２上に搭載し、ガラス台座２２をパッケージ２１に接合することで実現していた。しかし、このような方法では、製造工程が多くなり、また接合面が多くなることにより、歩留まりが悪くなるという問題点があった。
また、図６の圧力センサでは、図７に示すように、金属製のセンサパッケージ２１に電極取り出しピン２６をガラスハーメチックシールで固定しているので、穴の加工上、電極取り出しピン間の距離ｄ１，ｄ２を小さくすることができず、また絶縁距離（ガラスの寸法）ｄ３を小さくすることができないという問題点があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、電極を裏側から取り出す構造においてセンサチップの固定と電極の取り出しを同時に実現することができ、歩留りを向上させることができる圧力センサを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧力センサは、筒状のセンサパッケージ（１）と、このセンサパッケージの内側に挿入され、前記センサパッケージの内壁とシール接合されたガラス台座（２）と、このガラス台座上に搭載され、前記ガラス台座と対向する面に電極（１８，１９）および金属からなる接合部（１６）が形成されたセンサチップ（３）と、上記電極と対向する前記ガラス台座の表面に前記ガラス台座を貫通するように埋め込まれた電極取り出しピン（４）とからなり、上記電極取り出しピンと前記電極とを電気的に接合すると共に、前記接合部と前記ガラス台座表面とをダイボンディングしたものである。
また、上述の圧力センサの１構成例は、上記接合部と対向する前記ガラス台座表面に金属板（５）を埋め込んだものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１（ａａ）は、本発明の実施の形態となる圧力センサの断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の圧力センサの平面図である。
図１において、１はステンレス等の耐腐食性の金属からなる円筒状のセンサパッケージ、２はガラス台座、３はガラス台座２上に搭載されたセンサチップ、４はガラス台座２に埋め込まれた電極取り出しピン、５はガラス台座２に埋め込まれた、Ｆｅ−Ｃｒ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｎｉ基合金等からなる金属板、６はガラス台座２に埋め込まれた大気圧導入パイプである。
【００１０】
以下、本実施の形態の圧力センサの製造方法について説明する。図２、図３、図４は図１の圧力センサの製造方法を示す工程断面図である。まず、センサチップ３を搭載するパッケージの製造方法について説明する。
最初に、図２（ａ）のような形状にガラス台座２を成形すると同時に、この成形時に電極取り出しピン４、金属板５、大気圧導入パイプ６をガラス台座２に埋め込む。なお、大気圧導入パイプ６を用いず、穴の無い絶対圧タイプの構造であっても、本発明の効果は全く同様である。
【００１１】
次に、図２（ｂ）に示すように、ガラス台座２をセンサパッケージ１内に挿入し、これらを加熱してガラス台座２を溶融させることにより、ガラス台座２とセンサパッケージ１とをハーメチック接合する。
そして、図２（ｄ）に示すように、ソルダコーティングを行い、電極ピン４及び金属板５上にハンダ７を形成する。こうして、パッケージの作製が終了する。
【００１２】
次に、センサチップ３の製造方法について説明する。まず、図３（ａ）に示すように、センサチップ３のダイアフラムとなる、サファイアからなる第１の基板１０の下面に導電性薄膜を成膜、パターニングし、所定形状の可動電極１１を形成する。
【００１３】
一方、図３（ｂ）に示すように、サファイアからなる第２の基板１２の上面中央にウエットエッチングあるいはドライエッチング等の方法により凹陥部１３を形成すると共に、電極リード用の貫通孔１４を形成する。続いて、凹陥部１３の底面中央に導電性薄膜を成膜、パターニングし、所定形状の固定電極１５を形成する。なお、基板１０，１２上に形成する導電性薄膜は、ＣＶＤ、真空蒸着、スパッタリング法などにより形成することができる。
【００１４】
次に、図３（ｃ）に示すように、第１の基板１０と第２の基板１２とを重ね合わせて密接させた後、これらを真空炉内に入れ、真空中で加熱することにより、密着接合させる。
続いて、図３（ｄ）に示すように、第１の基板１０の表面を所定の厚さに研磨し、ダイアフラムを形成する。このダイアフラム面は、ウエットエッチングあるいはドライエッチング等の方法で薄くすることにより形成してもよい。
【００１５】
次いで、図３（ｅ）に示すように、第２の基板１２の下面の周辺部に蒸着法により金属からなる接合部１６を形成する。
そして、図３（ｆ）に示すように、ソルダコーティングを行う。これにより、接合部１６上にハンダ１７が形成されると共に、可動電極１１と接続されたハンダからなる電極１８、固定電極１５と接続されたハンダからなる電極１９が形成される。なお、センサチップ３に電極１８，１９を形成するときのハンダ盛りの方法は、ハンダ炉内での置きロウ付けである。こうして、センサチップ３の作製が終了する。
【００１６】
最後に、図４に示すように、センサチップ３の接合部１６とガラス台座２の金属板５、センサチップ３の電極１８，１９とガラス台座２の電極取り出しピン４が略対向するように位置合わせして、センサチップ３をガラス台座２上に載せ、これらを加熱してハンダを溶融させ、ハンダ付けを行う。こうして、圧力センサの作製が終了する。
【００１７】
以上のように、本発明では、金属製のセンサパッケージ１の内側にガラス台座２を一面に構成し、パッケージ１からの熱応力をガラス台座全体でキャンセルするようにし、その上に直接センサチップ３を固定している。そして、ガラス台座２を作る過程で裏側に電極を取り出すための電極取り出しピン４を同時に埋め込み、センサチップ３をガラス台座２に固定すると同時に電極のコンタクトも一度の行程で完了するようにしている。
【００１８】
また、本発明では、ガラス台座作製の際に、電極取り出しピン４と同時に金属板５をガラス台座２に埋め込み、これにセンサチップ３の接合部１６をハンダ接合している。ガラス台座上に金属層をメタライズ等で形成すると、製造工程が１工程増えるが、本発明によれば、新たな工程が増えることはない。
【００１９】
また、本発明によれば、図６の圧力センサに比べて小型化が可能である。すなわち、図６の圧力センサでは、電極取り出しピン間の距離ｄ１，ｄ２、絶縁距離ｄ３を小さくすることができないという問題点があったが、本発明では、ガラス台座２に電極取り出しピン４を埋め込んでいるので、このような問題は根本的に存在せず、小型化が可能となる。
【００２０】
また、本発明では、図５に示すように、電極取り出しピン４に中つばピンを使用することができるので、ピンの長手方向の圧倒的な耐圧が確保でき、パッケージの耐圧の増大に大きく寄与できる。図６の圧力センサでは、中つばピンを使用すると絶縁距離を稼げなくなり、これをクリアしようとすると非常に大きなものとなり、ボンディング距離が大きくなるという問題もあり、製品として実質的に不可能であった。
【００２１】
なお、以上の実施の形態では、電極取り出しピン４と電極１８，１９との電気的接合に、ハンダ付けを用いているが、ロウ付けあるいは導電性ガラス接合でもよい。また、接合部１６とガラス台座表面のダイボンディングに、ハンダ付けを用いているが、ロウ付けあるいはガラス封着でもよい。ただし、センサチップの固定と電極の取り出しを同時に行うには、上記電気的接合とダイボンディングに同じ接合法を選ぶ必要がある。
また、接合部１６に対向するガラス台座表面に金属板５を埋め込む場合には、上記接合法のうちハンダ付けとロウ付けのみが対象となる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、電極取り出しピンと電極とをハンダ接合すると共に、接合部とガラス台座表面とをハンダ接合することにより、センサチップの固定と電極の取り出しを同時に実現することができる。また、センサチップをガラス台座に直接接合するので、製造行程が簡単になり、歩留まりを向上させることができる。また、ガラス台座に電極取り出しピンを埋め込んだので、金属製のセンサパッケージに電極取り出しピンをガラスハーメチックシールで固定した従来の圧力センサに比べて小型化が可能となる。また、電極取り出しピンに中つばピンを使用することができるので、ピンの長手方向の耐圧を確保でき、パッケージの耐圧の増大に大きく寄与することができる。
【００２３】
また、ガラス台座成型時に電極取り出しピンと同時に金属板を埋め込むことができるので、ガラス台座上にハンダ用メタライズを形成する必要がなく、製造工程が増えることがない。また、メタライズより強い固定力が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態となる圧力センサの断面図及び平面図である。
【図２】図１の圧力センサの製造方法を示す工程断面図である。
【図３】図１の圧力センサの製造方法を示す工程断面図である。
【図４】図１の圧力センサの製造方法を示す工程断面図である。
【図５】電極取り出しピンに中つばピンを使用した場合のガラス台座の断面図である。
【図６】従来の圧力センサの断面図である。
【図７】図６の圧力センサにおける電極部の平面図である。
【符号の説明】
１…センサパッケージ、２…ガラス台座、３…センサチップ、４…電極取り出しピン、５…金属板、６…大気圧導入パイプ、７…ハンダ、１６…接合部、１８、１９…電極。

Claims (2)

1. 筒状のセンサパッケージと、
   このセンサパッケージの内側に挿入され、前記センサパッケージの内壁とシール接合されたガラス台座と、
   このガラス台座上に搭載され、前記ガラス台座と対向する面に電極および金属からなる接合部が形成されたセンサチップと、
   前記電極と対向する前記ガラス台座の表面に前記ガラス台座を貫通するように埋め込まれた電極取り出しピンとからなり、
   前記電極取り出しピンと前記電極とを電気的に接合すると共に、前記接合部と前記ガラス台座表面とをダイボンディングしたことを特徴とする圧力センサ。
2. 請求項１記載の圧力センサにおいて、
   前記接合部と対向する前記ガラス台座表面に金属板を埋め込んだことを特徴とする圧力センサ。

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