JP4911702B2 - Pressure sensor - Google Patents
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Description
本発明は、圧力センサに関し、特にサニタリ用オイルレス圧力センサに関するものである。 The present invention relates to a pressure sensor, and more particularly to a sanitary oilless pressure sensor.
図６に示すサニタリ用オイルレス圧力センサは、一面が測定流体に接する金属製測定ダイアフラム１を有する。さらに、測定ダイアフラム１の他面に絶縁薄膜２、薄膜歪ゲージ３および電極パッド薄膜４が順次積層蒸着され、中継リード線５が電極パッド薄膜４に接続され、中継リード線５によって薄膜歪ゲージ３の電気信号が取り出される（たとえば、特許文献１参照）。
この場合、中継リード線５を電極パッド薄膜４に直接溶接すると、溶接熱によって絶縁薄膜２が破壊され、絶縁不良が生じる。溶接条件を変更し、溶接熱を低減させ、絶縁薄膜２が破壊されないようにすることはできるが、溶接熱を低減させると、電極パッド薄膜４と中継リード線５の引っ張り剥離強度が低下し、実用に耐える品質を得ることができない。
In this case, when the
したがって、中継リード線５を電極パッド薄膜４に直接溶接することができず、はんだ付け部６によって中継リード線５と電極パッド薄膜４がはんだ付けされることが多い。中継リード線５には銅単線、錫またははんだメッキした被覆単線が使用され、はんだには融点が１８０〜２３０℃の錫−鉛系はんだまたは錫−銀を主体とした融点１７０〜２１０℃の鉛レスはんだが使用される。
Therefore, the
ところで、この圧力センサは食品産業に使用されることが多い。しかしながら、測定される洗浄液、殺菌用高温スチーム、冷却炭酸ガスなどの液体または気体が頻繁に導入され、その圧力が測定ダイアフラム１に作用し、高温スチームや冷却ガスによる冷熱サイクルによってはんだ付け部６の機械的脆化およびはんだクラックが生じ、通常、半年から一年で電極パッド薄膜４と中継リード線５が剥離し、断線状態となるという問題があった。
By the way, this pressure sensor is often used in the food industry. However, a liquid or gas such as cleaning liquid to be measured, high temperature steam for sterilization, or cooled carbon dioxide gas is frequently introduced, and the pressure acts on the
図７に示すように、金層が積層蒸着された電極パッド薄膜４に金細線７がボンディングされることもある。金細線７の直径は０．０２〜０．０５μｍである。さらに、中継端子台８に積層蒸着された電極パッド薄膜９に金層が積層蒸着され、その電極パッド薄膜９に金細線７がボンディングされ、はんだ付け部６によって中継リード線５と電極パッド薄膜９がはんだ付けされ、電極パッド薄膜９によって金細線７と中継リード線５が接続される。
As shown in FIG. 7, a
しかしながら、図７の構成は、金細線７、中継端子台８および電極パッド薄膜９が必要となり、構造が複雑であり、小型化が困難であるだけではなく、工数が増加し、高価な材料を使用せねばならず、コストが高く、実用的ではないという問題があった。
However, the configuration of FIG. 7 requires the
上記課題を鑑みて、本発明は、冷熱サイクル耐用性に優れ、実用的であるサニタリ用オイルレス圧力センサを提供することを目的としてなされたものである。 In view of the above-described problems, the present invention has been made for the purpose of providing a sanitary oilless pressure sensor that has excellent thermal cycle durability and is practical.
本発明者は、圧力センサの小型化および経済性の両面から改良に取り組み、中継リード線５を電極パッド薄膜４に直接溶接することについて研究し、一定の条件下であれば、直接溶接しても、問題はないことを見出した。
すなわち、本発明は、一面が測定流体に接する金属製測定ダイアフラムと、前記測定ダイアフラムの他面に順次積層蒸着された絶縁薄膜、薄膜歪ゲージおよび電極パッド薄膜と、前記電極パッド薄膜に接続され、前記薄膜歪ゲージの電気信号を取り出す中継リード線とを備えた圧力センサにおいて、前記電極パッド薄膜にニッケルを使用し、前記電極パッド薄膜の膜厚を２．０〜６．０μｍに選定し、前記中継リード線を前記電極パッド薄膜に直接溶接し、前記中継リード線は銀メッキした銅単線であり、その直径は０．１０〜０．１６ｍｍであり、銀メッキ厚さは１．０〜２．０μｍであることを特徴とするものである。
The present inventor has made efforts to improve the pressure sensor in terms of both miniaturization and economy, and has studied the direct welding of the
That is, the present invention is connected to the metal measurement diaphragm whose one surface is in contact with the measurement fluid, the insulating thin film sequentially deposited on the other surface of the measurement diaphragm, the thin film strain gauge and the electrode pad thin film, and the electrode pad thin film, In a pressure sensor including a relay lead for taking out an electric signal of the thin film strain gauge , nickel is used for the electrode pad thin film, and a film thickness of the electrode pad thin film is selected to be 2.0 to 6.0 μm, A relay lead wire is directly welded to the electrode pad thin film, and the relay lead wire is a silver-plated copper single wire having a diameter of 0.10 to 0.16 mm and a silver plating thickness of 1.0 to 2. It is 0 μm .
そして、上記中継リード線を押圧して偏平形状となし、その偏平厚さを、押圧前のリード線径の６０〜７０％とし、偏平面をフラットとすることが好ましい。 Then, it is preferable that the relay lead wire is pressed into a flat shape, the flat thickness is 60 to 70% of the lead wire diameter before pressing , and the flat surface is flat.
本発明の圧力センサは、中継リード線５と電極パッド薄膜４とをはんだ付けする必要がなく、中継リード線５を電極パッド薄膜４に直接溶接することができ、食品産業などの高頻度の冷熱サイクルを受けるサニタリ用途において、長寿命の圧力センサを得ることができる。
また、測定ダイアフラムと受圧支持部とを溶接するとき、溶接熱によってはんだ付け部６が再溶融するという問題もなく、作業が容易であり、品質が安定する。そして、はんだ付けにともなうフラックス残渣を洗浄する必要もなく、工程が短縮化され、環境問題に貢献することができる。
さらに、金細線７、中継端子台８および電極パッド薄膜９は使用しないため、コストは低く、実用的である。
The pressure sensor of the present invention does not require soldering of the
Moreover, when welding a measurement diaphragm and a pressure receiving support part, there is no problem that the soldering
Further, since the
以下、この発明の実施例を説明する。
図１は本発明に係る圧力センサを示す。この圧力センサはサニタリ用オイルレス圧力センサであり、一面が測定流体ＦＬに接する金属製測定ダイアフラム１を有する。測定ダイアフラム１はオーステナイト系ステンレスまたはコバルト−ニッケル合金などの金属製であり、感圧部１０に形成される。
Examples of the present invention will be described below.
FIG. 1 shows a pressure sensor according to the present invention. This pressure sensor is a sanitary oilless pressure sensor, and has a
この圧力センサは２つの薄膜歪ゲージ３を有する。一方の歪ゲージ３は圧縮歪ゲージであり、他方の歪ゲージ３は引っ張り歪ゲージである。その歪ゲージ３はスパッタされた酸化クロム薄膜ゲージ、炭化ケイ素クロム薄膜ゲージまたはその他のスパッタ薄膜ゲージからなる。そして、図２に示すように、測定ダイアフラム１の他面に絶縁薄膜２、薄膜歪ゲージ３および電極パッド薄膜４が順次積層蒸着されている。絶縁薄膜２は酸化ケイ素薄膜からなる。電極パッド薄膜４は薄膜歪ゲージ３にスパッタ蒸着したもので、ニッケル、クロムまたは銀薄膜からなるが、その薄膜に銀薄膜を積層蒸着したものであってもよい。
This pressure sensor has two thin
さらに、測定ダイアフラム１の他面側において、感圧部１０と支持部１１によって基準圧力室１２が形成されており、基準圧力Ｐ０が測定ダイアフラム１に導かれる。したがって、基準圧力Ｐ０と測定流体ＦＬの圧力の差によって測定ダイアフラム１が変形し、薄膜歪ゲージ３によって測定流体ＦＬの圧力が検出される。さらに、中継リード線５が電極パッド薄膜４に接続され、増幅回路基板１３に接続されており、中継リード線５によって薄膜歪ゲージ３の電気信号が取り出されるものであり、これは図６の圧力センサと同様である。
Furthermore, a
さらに、この圧力センサでは、電極パッド薄膜４にニッケル、クロムまたは銀薄膜が使用されるが、その膜厚が２．０〜６．0μｍに設定され、中継リード線５が電極パッド薄膜４に直接溶接されている。溶接は抵抗溶接であってもよく、超音波溶接であってもよく、スポット溶接であってもよい。
Further, in this pressure sensor, a nickel, chromium or silver thin film is used for the electrode pad
電極パッド薄膜厚さと引っ張り強度および耐電圧の関係を試験するため、下記の試料を作製した。
測定ダイアフラムの他面側に、絶縁薄膜２を厚さ５．０μｍとなるように酸化ケイ素を蒸着し、次に薄膜歪みゲージ３を線幅４０μｍ、厚さ０．１μｍとなるように酸化クロムを蒸着し、さらにニッケルを蒸着して電極パッド薄膜４とした。電極パッド薄膜厚さは１．０μｍ、２．０μｍ、６．０μｍ、１０．０μｍの４種類を作製した。
電極パッド薄膜４に溶接する中継リード線５は、銀メッキした銅線であり、０．１ｍｍφと０．１６ｍｍφの２種類使用し、銅線の表面に厚さ１．０μｍの銀メッキを施したものである。
銀メッキ厚さは、１．０μｍ未満になると、溶接時にメッキの銀が溶融して、リード線に残らず溶接強度が低下し、また強度のバラツキが大きくなる。
銀メッキ厚さが２．０μｍを超えると、溶接電流が低抵抗の銀に流れ、電流を大きくしないと、ニッケル電極パッドに溶接できない。
よって、銀メッキ厚さは１．０〜２．０μｍが好適である。
In order to test the relationship between the electrode pad thin film thickness, the tensile strength, and the withstand voltage, the following samples were prepared.
On the other side of the measurement diaphragm, silicon oxide is deposited so that the insulating
The
If the silver plating thickness is less than 1.0 μm, the plated silver melts at the time of welding, so that the welding strength does not remain on the lead wire and the variation in strength increases.
If the silver plating thickness exceeds 2.0 μm, the welding current flows through the low-resistance silver, and if the current is not increased, it cannot be welded to the nickel electrode pad.
Accordingly, the silver plating thickness is preferably 1.0 to 2.0 μm.
本試料では中継リード線の金属メッキに銀を使用したが、金、銅、ニッケル、錫でもよい。電極パッドのニッケルより融点が低くはんだより融点が高いこと、電極パッドのニッケルと相性（相溶性）がよいこと、銅線にメッキが工業的に可能なこと、表面酸化腐食が起こりにくいことなどから、銀メッキが好適である。 In this sample, silver was used for metal plating of the relay lead wire, but gold, copper, nickel, and tin may be used. Because melting point is lower than nickel of electrode pad, melting point is higher than solder, good compatibility (compatibility) with nickel of electrode pad, copper wire can be plated industrially, surface oxidation corrosion hardly occurs Silver plating is preferred.
中継リード線を溶接前に、鏡面加工面を有するバイスで、中継リード線をスペーサではさみ、押圧前の中継リード線径の６５％の偏平厚さになるように圧力を加えた。
偏平厚さが６０％未満になると、断線するトラブルが発生しやすく、溶接後の引張り強度が著しく低下する。
また、偏平厚さが７０％を超えると、溶接面積が小さくなり溶接強度が低下する。よって扁平厚さは６０〜７０％が好適である。
偏平面は、鏡面加工面を持つバイスで、フラットになるように加工した。
Before welding the relay lead wire, a vice having a mirror-finished surface was used to sandwich the relay lead wire with a spacer, and pressure was applied so that the flat thickness was 65% of the relay lead wire diameter before pressing .
When the flat thickness is less than 60%, a trouble of disconnection is likely to occur, and the tensile strength after welding is significantly reduced.
On the other hand, if the flat thickness exceeds 70%, the welding area is reduced and the welding strength is lowered. Therefore, the flat thickness is preferably 60 to 70%.
The eccentric plane was a vise with a mirror-finished surface and was processed to be flat.
リード線の溶接条件は、０．１６ｍｍφの中継リード線を用いたものは、加圧力：２．０ｋｇ、電圧：２．０Ｖ、電流：１２０Ａ、時間：４．０ｍｓｅｃ、また、０．１０ｍｍφ中継リード線を用いたものは、加圧力：２．０ｋｇ、電圧：０．６Ｖ、電流：１００Ａ、時間：３．５ｍｓｅｃとした。
中継リード線径と電極パッド厚さの組合せ毎に各３００個の試料を作製し、以下の各試験でそれぞれ１００個使用した。測定データは平均値と測定範囲を示した。
The welding conditions for the lead wires were those using a 0.16 mmφ relay lead wire: Pressurizing force: 2.0 kg, voltage: 2.0 V, current: 120 A, time: 4.0 msec, and 0.10 mmφ relay lead In the case of using the wire, the applied pressure was 2.0 kg, the voltage was 0.6 V, the current was 100 A, and the time was 3.5 msec.
300 samples were prepared for each combination of relay lead wire diameter and electrode pad thickness, and 100 samples were used in each of the following tests. The measurement data showed the average value and the measurement range.
図３はニッケル電極厚さ（ニッケル薄膜からなる電極パッド薄膜の厚さ）と中継リード線の引っ張り破壊強度の試験結果を示す。
ニッケル電極厚さ１.０μｍの場合、中継リード線の引張破壊強度は著しく低下し、バラツキも大きくなる傾向が認められた。引っ張り破壊箇所はニッケル電極と歪ゲージ薄膜の界面での剥離が主で、溶接時の熱影響で、ニッケル層が破壊され、下地歪ゲージとの接着強度を低下させたものと思われる。２．０μｍ以上では比較的溶接強度が高く、バラツキも少ない。これは２．０μｍ以上になれば、ニッケル層が破壊されず、良好な接着強度を保持していることを示している。
FIG. 3 shows the test results of the nickel electrode thickness (thickness of the electrode pad thin film made of a nickel thin film) and the tensile breaking strength of the relay lead wire.
When the thickness of the nickel electrode was 1.0 μm, the tensile fracture strength of the relay lead wire was remarkably lowered, and the variation tended to increase. The tensile fracture location is mainly due to peeling at the interface between the nickel electrode and the strain gauge thin film, and the nickel layer is destroyed due to the thermal effect during welding, and the adhesive strength with the underlying strain gauge is reduced. When the thickness is 2.0 μm or more, the welding strength is relatively high and there is little variation. This indicates that when the thickness is 2.0 μm or more, the nickel layer is not broken and maintains good adhesive strength.
図４は、作製した試料に金属ダイアフラムと溶接電極間での直流耐電圧試験を実施したものである。本テストは初期耐圧試験として実施されているものであり、４００ＶＤＣ１分間の電圧を印加する。ニッケル電極厚１．０μｍの試料は著しく耐電圧が低下していることがわかる。他の水準の試料は全て、４００ＶＤＣ以上を保持している。通常金属ダイアフラム上の絶縁体薄膜の破壊電圧は５００ＶＤＣ以上あるので、耐電圧の低下は溶接時の熱で絶縁体薄膜が何らかのダメージを受け、クラック等が発生し、耐電圧が低下したものと考えられる。 FIG. 4 is a diagram in which a DC withstand voltage test between a metal diaphragm and a welding electrode was performed on the manufactured sample. This test is performed as an initial withstand voltage test, and a voltage of 400 VDC for 1 minute is applied. It can be seen that the withstand voltage of the sample having a nickel electrode thickness of 1.0 μm is significantly reduced. All other levels of samples retain 400 VDC or higher. Usually, the breakdown voltage of the insulator thin film on the metal diaphragm is 500 VDC or more. Therefore, the breakdown voltage is considered to have been reduced due to some damage to the insulator thin film caused by heat during welding, causing cracks, etc. It is done.
図５は、作製した試料の熱サイクル試験（１５０℃２０秒―５℃２０秒のサイクル）を1万回実施した後、中継リード線の引っ張り破壊試験を上記と同様に実施したものである。ニッケル厚１０．０μｍの試料のみリード線引っ張り破壊強度のバラツキが大きくなり、平均強度も著しく低下している。本試料を分析した結果、破壊点はニッケル電極パッドと歪ゲージの界面の剥離が認められた。
これはニッケル電極が厚くなることにより、下地絶縁薄膜や歪ゲージとの熱膨張係数の違いにより冷熱サイクル時、剥離ストレスが上記界面で発生し、１万回の冷熱サイクルにより、電極剥れが一部発生したものと思われる。したがってニッケル電極厚みは総合的に判断すれば、２．０〜６．０μｍが安定溶接および製品の熱ショック対策またコスト面においても、有効な範囲であることがわかった。
FIG. 5 shows a case where a thermal break test (a cycle of 150 ° C. for 20 seconds—5 ° C. for 20 seconds) of the prepared sample was performed 10,000 times, and then a tensile break test of the relay lead wire was performed in the same manner as described above. Only in the sample having a nickel thickness of 10.0 μm, the variation in the tensile strength of the lead wire is increased, and the average strength is significantly reduced. As a result of analyzing this sample, peeling at the interface between the nickel electrode pad and the strain gauge was observed at the fracture point.
This is because when the nickel electrode becomes thicker, peeling stress occurs at the interface during the cooling cycle due to the difference in thermal expansion coefficient between the underlying insulating thin film and the strain gauge, and the peeling of the electrode becomes uniform after 10,000 cooling cycles. It seems that part was generated. Therefore, if the thickness of the nickel electrode is judged comprehensively, it was found that 2.0 to 6.0 μm is an effective range in terms of stable welding, measures against heat shock of products, and cost.
以下、実施例１、２、比較例、従来例に基づいて、さらに本発明を具体的に説明する。まず、表１に示す構成で圧力センサを各３台作製した。そして、冷熱ヒートショック繰返し寿命試験を実施し、その測定結果を表２に示す。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on Examples 1 and 2, Comparative Examples, and Conventional Examples. First, three pressure sensors with the configuration shown in Table 1 were produced. And the heat / heat shock repeated life test was implemented, and the measurement result is shown in Table 2.
冷熱ショック繰返し寿命試験は上記と同様の条件（１５０℃２０秒−５℃２０秒のサイクル）で実施し、１．０ＭＰａで加圧した。 判定基準は、装置の出力値の異常変動でもって寿命とし、サイクル数を測定した。 The thermal shock repeated life test was performed under the same conditions as described above (cycle at 150 ° C. for 20 seconds−5 ° C. for 20 seconds) and pressurized at 1.0 MPa. Judgment criteria were the life due to abnormal fluctuations in the output value of the apparatus, and the number of cycles was measured.
上記結果、実施例１、２は従来例に比べ１２倍以上の長期寿命が得られた。また、比較例はバラツキが大きいことが確認された。
As a result, Examples 1 and 2 were 12 times longer than the conventional example. Moreover, it was confirmed that the comparative example has a large variation.
１ 測定ダイアフラム
２ 絶縁薄膜
３ 薄膜歪ゲージ
４ 電極パッド薄膜
５ 中継リード線
６ はんだ付け部
７ 金細線
８ 中継端子台
９ 電極パッド薄膜
１０ 感圧部
１１ 支持部
１２ 基準圧力室
１３ 増幅回路基板
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記電極パッド薄膜にニッケルを使用し、
前記電極パッド薄膜の膜厚を２．０〜６．０μｍに選定し、前記中継リード線を前記電極パッド薄膜に直接溶接し、
前記中継リード線は銀メッキした銅単線であり、その直径は０．１０〜０．１６ｍｍであり、銀メッキ厚さは１．０〜２．０μｍであることを特徴とする圧力センサ。 A metal measurement diaphragm having one surface in contact with a measurement fluid, an insulating thin film, a thin film strain gauge and an electrode pad thin film sequentially deposited on the other surface of the measurement diaphragm, and an electrode pad thin film connected to the electrode pad thin film. In a pressure sensor equipped with a relay lead for taking out a signal,
Using nickel for the electrode pad thin film,
The thickness of the electrode pad thin film is selected to be 2.0 to 6.0 μm, and the relay lead wire is directly welded to the electrode pad thin film ,
The relay lead wire is a silver-plated copper single wire, the diameter is 0.10 to 0.16 mm, and the silver plating thickness is 1.0 to 2.0 μm .
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