JP6036218B2

JP6036218B2 - 圧力センサ

Info

Publication number: JP6036218B2
Application number: JP2012258831A
Authority: JP
Inventors: 緒方　逸平; 逸平緒方; 光浩今野; 敏哉池沢; 寛内ヶ島; 江崎　隆博; 隆博江崎
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2012-11-27
Filing date: 2012-11-27
Publication date: 2016-11-30
Anticipated expiration: 2032-11-27
Also published as: JP2014106095A

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に関し、特に、２０〜３００ＭＰａ程度の高圧を検出する高圧センサに適用されると好適である。

従来より、この種の圧力センサとしては、圧力検出用のダイヤフラムを有する金属ステムと、ダイヤフラム上に設けられた接合ガラスと、ダイヤフラムの歪みを検出する素子であって、接合ガラスを介してダイヤフラムに接合されたセンサチップとを備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このような圧力センサは、ダイヤフラム上にタブレット状の接合ガラスを介してセンサチップを配置し、接合ガラスを焼成することにより、接合ガラスを介してダイヤフラムにセンサチップを接合することで製造される。

特開２００３−３０２２９９号公報

しかしながら、上記圧力センサでは、接合ガラスを焼成することでダイヤフラムとセンサチップとが接合されるため、接合ガラス内にボイド（気泡）が形成される。この場合、接合ガラス内に形成されたボイドが大きいと、外部環境が変化したときに金属ステムから接合ガラスに印加される熱応力により、ボイドを起点として接合ガラスやセンサチップに亀裂が発生したり、接合ガラスやセンサチップが破壊されたりするという問題がある。

本発明は上記点に鑑みて、接合ガラスおよびセンサチップに亀裂が発生したり、接合ガラスおよびセンサチップが破壊されたりすることを抑制できる圧力センサを提供することを目的とする。

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、ダイヤフラム上に設けられた接合ガラス（５０）と、ダイヤフラムに接合ガラスを介して接合され、ダイヤフラムの歪みに応じたセンサ信号を出力するセンサチップ（４０）と、を備え、以下の点を特徴としている。

すなわち、センサチップの厚さは５０μｍ以上とされており、接合ガラスの厚さをＴ［μｍ］、接合ガラスの内部に存在するボイド（５１）の最大直径をＲ［μｍ］としたとき、１≦Ｔ／Ｒであることを特徴としている。

これによれば、接合ガラスおよびセンサチップに亀裂が発生したり、接合ガラスおよびセンサチップが破壊されたりすることを抑制できる（図３参照）。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した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を示すものである。

本発明の第１実施形態における圧力センサの断面図である。図１に示すダイヤフラム、センサチップ、接合ガラスの拡大図である。接合ガラス厚さ、ボイドの最大直径、接合状況、サイクル数の関係を示す図表である。接合ガラス厚さ、センサチップ厚さ、接合状況の関係を示す図表である。

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。

（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、自動車において燃料やブレーキ油の圧力を検出するために搭載され、２０〜３００ＭＰａ程度の高圧を検出する高圧センサとして用いられると好適である。

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で構成される有底筒状とされ、底面にて薄肉のダイヤフラム１１が構成されていると共に、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。また、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。

金属ステム１０のダイヤフラム１１の表面には、図１および図２に示されるように、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。この接合ガラス５０は、ガラスとフィラーの混合粒子からなるタブレット状のガラスが焼成されて構成されるものであり、内部にボイド（気泡）５１が存在している。

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、ダイヤフラム１１の歪みに応じたセンサ信号を出力する歪ゲージ４１が形成されている。

ハウジング３０は、図１に示されるように、被取付対象となる燃料パイプ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が形成されており、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。

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。

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。

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。

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。

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アッシー（ＡＳＳＹ）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。

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。

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（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）等が用いられる。

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、接合ガラス５０の詳細な構成について図３を参照しつつ説明する。

なお、図３では、接合ガラス５０の厚さをＴ、接合ガラス５０内のボイド５１の最大直径をＲとしている（図２参照）。サイクル数は、圧力センサの外部環境を−４０℃から２５０℃に変化させた後に−４０℃に戻したときを１サイクルとしている。また、図３では、センサチップ４０として１００μｍの厚さのものを用い、接合ガラス５０として、ガラス粒子にフィラー粒子が混入され、ガラスとフィラーの混合粒子の平均粒度（Ｄ５０）が１〜５μｍ、最大粒度（Ｄ９９）が２０μｍ以下のものを用いている。

図３に示されるように、Ｔ／Ｒが１．０より大きい場合（実施例１〜１３）には、外部環境を２００サイクル変化させても、接合ガラス５０およびセンサチップ４０に亀裂が発生しておらず、また接合ガラス５０およびセンサチップ４０が破壊されていないことが確認される。しかしながら、Ｔ／Ｒが０．９の場合（比較例１）には、外部環境を４０サイクル変化させたときにセンサチップ４０に亀裂が発生し、Ｔ／Ｒが０．７の場合（比較例２）には、外部環境を１０サイクル変化させたときにセンサチップ４０に亀裂が発生すると共に接合ガラス５０の一部が破壊されたことが確認される。そして、Ｔ／Ｒが小さくなるにつれて（比較例３〜５）、少ないサイクル数でセンサチップ４０や接合ガラス５０が破壊されることが確認される。

このため、本実施形態では、Ｔ／Ｒが１以上とされている。また、接合ガラス５０は、ダイヤフラム１１とセンサチップ４０との間に配置されており、厚すぎるとダイヤフラム１１に印加された圧力がセンサチップ４０に伝達され難くなる。言い換えると、接合ガラス５０が厚すぎると感度が悪くなる。このため、接合ガラス５０の厚さは３００μｍ以下であることが好ましい。

さらに、図４に示されるように、センサチップ４０は、厚さが４０μｍの場合には破壊されるが、５０μｍの場合には破壊されないことが確認される。これは、センサチップ４０が薄すぎると金属ステム１０から印加される応力に耐えることができないためである。

したがって、センサチップ４０は厚さが５０μｍ以上であることが好ましい。なお、図４は、外部環境を最大で２００サイクル変化させたときの結果である。

以上より、本実施形態では、１≦Ｔ／Ｒであり、かつ接合ガラス５０の厚さが５０μｍ以上であって３００μｍ以下とされている。

なお、このような圧力センサは、ダイヤフラム１１上にタブレット状の接合ガラス５０を介してセンサチップ４０を配置し、Ｔ／Ｒが１以上となるように適宜焼成温度を調整する以外は、従来と同様の製造方法により製造される。

以上説明したように、本実施形態では、接合ガラス５０の厚さをＴとし、ボイド５１の最大直径をＲとしたとき、Ｔ／Ｒを１以上としている。これにより、接合ガラス５０およびセンサチップ４０に亀裂が発生したり、接合ガラス５０およびセンサチップ４０が破壊されたりすることを抑制できる（図３参照）。

（他の実施形態）
上記第１実施形態において、金属ステム１０とネジ部材２０とを一体化してもよいし、金属ステム１０、ネジ部材２０、ハウジング３０とを一体化してもよい。

なお、上記第１実施形態では、金属ステム１０としてＳＵＳ４３０のようなステンレス鋼等を用い、接合ガラス５０としてガラス粒子にフィラー粒子が混入され、ガラスとフィラーの混合粒子の平均粒度（Ｄ５０）が１〜５μｍ、最大粒度（Ｄ９９）が２０μｍ以下のものを用いた例について説明した。しかしながら、金属ステム１０としてＳ４５Ｃのような炭素鋼、モリブデン鋼のような特殊鋼、コバール（商品名）のようなニッケルコバルト合金等を用い、接合ガラス５０としてフィラー粒子を有さないものを用いても、Ｔ／Ｒを１以上とすることにより同様の効果を得ることができる。また、ガラスとフィラーの混合粒子の平均粒度（Ｄ５０）が５μｍ、最大粒度（Ｄ９９）が２０μｍより大きいものを用いても、Ｔ／Ｒを１以上とすることにより同様の効果を得ることができる。つまり、本発明は、金属ステム１０を構成する材料や接合ガラス５０を構成する材料によらず、Ｔ／Ｒを１以上とすることにより、接合ガラス５０およびセンサチップ４０に亀裂が発生したり、接合ガラス５０およびセンサチップ４０が破壊されたりすることを抑制できる。

１０金属ステム
１１ダイヤフラム
４０センサチップ
５０接合ガラス
５１ボイド

Claims

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設けられた接合ガラス（５０）と、
前記ダイヤフラムに前記接合ガラスを介して接合され、前記ダイヤフラムの歪みに応じたセンサ信号を出力するセンサチップ（４０）と、を備え、
前記センサチップの厚さは５０μｍ以上とされており、
前記接合ガラスの厚さをＴ［μｍ］、前記接合ガラスの内部に存在するボイド（５１）の最大直径をＲ［μｍ］としたとき、１≦Ｔ／Ｒであることを特徴とする圧力センサ。
前記接合ガラスの厚さは、３００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
前記接合ガラスは、ガラス粒子にフィラー粒子が混入されたものであり、ガラスとフィラーの混合粒子の平均粒度［Ｄ５０］が１〜５μｍとされ、最大粒度［Ｄ９９］が２０μｍ以下とされていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力センサ。