JP2004045216A

JP2004045216A - Pressure sensor

Info

Publication number: JP2004045216A
Application number: JP2002203041A
Authority: JP
Inventors: Tomoya Yamakawa; 山川　知也
Original assignee: Toyoda Koki KK
Current assignee: Toyoda Koki KK
Priority date: 2002-07-11
Filing date: 2002-07-11
Publication date: 2004-02-12

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a pressure sensor with high pressure resistance and sealing performance. <P>SOLUTION: The pressure sensor 1 includes an element holder part 30 provided with a plurality of terminal pins 10, and a pressure sensitive element 20 connected electrically with the terminal pins 10. The element holder part 30 has a multilayer board 80 between the pressure sensitive element 20 and the terminal pins 10. In the multilayer board 80, a plurality of electric pathways 83 for electrically connecting the pressure sensitive element 20 with the terminal pins 10 are formed. The multilayer board 80 is constituted by laminating a plurality of ceramic layers 85, and provided with an electrode layer 87 including each electrode pattern constituting a part of each of the electric pathways 83. A plurality of conductors 82 connected electrically with the electrode pattern are formed by penetrating the ceramic layers 85. The conductor 82 formed in the ceramic layer 85 facing the pressure sensitive element 20, and the conductor 82 formed at least in another ceramic layer 85 are so shifted and arranged that a fluoroscopy section in the penetration direction may not lap. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は，感圧素子により圧力を計測する圧力センサに関する。
【０００２】
【従来技術】
圧力センサは，シリコン基板上に形成した歪ゲージと，シリコン基板を精密にエッチングして形成した圧力検知用のダイヤフラムとを有する感圧素子を利用したセンサである。そして，この圧力センサは，上記歪ゲージにより，圧力によるダイヤフラムのひずみ量を計測することにより圧力を測定する。
【０００３】
この圧力センサは，感圧素子を配置する受圧面を，圧力計測対象である流体が流入する又は圧力伝達媒体が充填されている圧力室に対面させて圧力を計測するように構成されている。そして，上記圧力室は，圧力センサの圧力計測範囲に対応できるように耐圧性が十分に高く，かつ，シール性が十分であることが必要である。
【０００４】
【解決しようとする課題】
しかしながら，上記従来の圧力センサにあっては，次のような問題がある。
即ち，圧力を検知する感圧素子を配置する上記受圧面には，該感圧素子と電気的に接続されるターミナルピンを露出させる必要がある。
さらに，このターミナルピンは，外部機器等と電気的に接続する必要があるため，圧力室と圧力センサの外部との間を電気的に貫通している必要がある。そのため，このターミナルピンと圧力センサ本体との境界部の隙間等により機密性が低下し，上記受圧面の耐圧性及びシール性を十分高くできない場合があった。
【０００５】
本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，耐圧性及びシール性に優れた圧力センサを提供しようとするものである。
【０００６】
【課題の解決手段】
本発明は，複数のターミナルピンと該ターミナルピンに電気的に接続された感圧素子とを有する素子ホルダー部を含む圧力センサにおいて，
上記素子ホルダー部は，上記感圧素子と上記ターミナルピンとの間に，これらを電気的に接続する複数の電気経路を形成する多層基板を有しており，
該多層基板は，複数のセラミック層を積層してなると共に隣接するセラミック層の間に上記各電気経路の一部を構成する各電極パターンを含む電極層を有し，上記各セラミック層には上記電極パターンに電気的に接続される複数の導電体を貫通して設けてあり，
かつ，上記感圧素子と対向する上記セラミック層に設けた上記導電体と，他の少なくとも１層の上記セラミック層に設けた上記導電体とは，貫通方向における透視断面が重ならないようにずらして配置してあることを特徴とする圧力センサにある（請求項１）。
【０００７】
本発明の上記圧力センサにおいて，上記感圧素子と上記ターミナルピンとは，上記素子ホルダー部における上記多層基板に形成された電気経路を介して，相互に電気的に接続されている。さらに，この電気経路は，上記多層基板をなす各セラミック層を貫通するよう設けてある導電体と，隣接するセラミック層の間の電極層に配設した電極パターンとにより形成されている。
【０００８】
そして，上記電気経路において，上記感圧素子と対向する上記セラミック層に設けた上記導電体と，他の少なくとも１層の上記セラミック層に設けた上記導電体とは，貫通方向における透視断面が重ならないようにずらして配置してある。すなわち，上記多層基板においては，各セラミック層に配設した各導電体が，その貫通方向に一直線上に並らばないよう，その断面位置をずらして配置してあり，上記電気経路をいわばジグザグ形状の経路にしてある。
【０００９】
そのため，上記多層基板に高い圧力が作用した場合であっても，上記導電体がその圧力によって吹き抜けるようなおそれがない。また，たとえ導電体の一部のシール性が低下したとしても，上記のごとくジグザグ形状の電気経路全体のシール性が低下しない限り，優れたシール性を維持することができる。
したがって，上記圧力センサは，耐圧性が高く，その優れたシール性を長期間に渡って発揮することができる。
【００１０】
このように，本発明においては，耐圧性及びシール性に優れた圧力センサを提供することができる。
さらに，上記セラミック層を複数積層した上記多層基板は，たわみ強度に優れ，圧力が作用したときに生じるたわみが少ない。上記多層基板のたわみを抑制できれば，たわみに起因した上記感圧素子と上記ターミナルピンとの位置関係の変動を抑制できる。そして，両者を電気的に接続するためのボンディングワイヤやバンプ材等に生じ得る断線，クラック等のトラブルを未然に防止できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明において，上記素子ホルダー部の上記多層基板及び上記ターミナルピンの少なくとも一部は，コネクタハウジングにより覆われていることが好ましい（請求項２）。
この場合には，上記コネクタハウジングを介在して，上記ターミナルピンと，電源，測定器等，外部機器の外部コネクタとの接続を容易かつ確実に実施することができる。
【００１２】
また，上記圧力センサは，上記素子ホルダー部を収納するセンサハウジングを有しており，上記素子ホルダー部と上記センサハウジングとの間に圧力室が形成されており，該圧力室に上記感圧素子が収容してあることが好ましい（請求項３）。
この場合には，上記センサハウジングと上記素子ホルダー部との間に形成される上記圧力室に，圧力計測対象としての流体等を導入してその圧力を計測する。そのため，上記流体の流れによる測定圧力への影響を抑制して，精度良くその圧力を計測することができる。
【００１３】
また，上記圧力室は，上記素子ホルダー部における上記多層基板の外周面と，上記センサハウジングの内周面との間に配置されたシール材によりシールされていることが好ましい（請求項４）。
この場合には，上記多層基板の外周面と上記センサハウジングの内周面との間に配置したシール材により，上記圧力室を確実にシールすることができる。
上記シール材としては，シリコーン系，ニトリル系，アクリル系，ＥＰＤＭ系，フッ素系のシール材等の様々なシール材を適用することができる。
【００１４】
特に，上記シール材は，Ｏリングであることが好ましい。Ｏリングであれば，高いシール性を長期間に渡って発揮することができると共に，上記センサハウジングと上記素子ホルダー部との組み付け性も良好である。また，上記シール材としては，上記多層基板の外周面に配設したメタライズ処理によるＭｏ−Ｍｎよりなる被膜を介在して，上記多層基板の外周面と上記センサハウジングの内周面をろう付け接合するろう材であっても良い。
【００１５】
また，上記センサハウジングは，シールダイヤフラムを有しており，上記圧力室は，上記シールダイヤフラムにより密閉されていると共に，該圧力室の中には，圧力伝達媒体が充填されていることが好ましい（請求項５）。
この場合には，上記圧力室は，上記圧力伝達媒体を封入して密閉される。該圧力室には，安定したシール性等，高度な信頼性が要求されるため，本発明による効果が特に有効である。
【００１６】
また，上記多層基板は，３層のセラミック層より構成されていることが好ましい（請求項６）。
この場合には，上記各ターミナルと電気的に接続される上記電気経路について，上記電極層における上記電極パターンの取り回しが容易となる。そのため，上記各電気経路相互の電気的な干渉を抑制して，上記圧力センサによる圧力計測誤差を抑制することができる。
【００１７】
また，隣接するセラミック層の間における電極層のうち，少なくとも１層の電極層には，少なくとも上記感圧素子に対面する領域を含むグランド電極が配置されていることが好ましい（請求項７）。
この場合には，上記感圧素子に対面するよう配置される上記グランド電極により，上記感圧素子に影響を与えるおそれのある外部ノイズの影響を抑制して，上記圧力センサによる圧力計測誤差を抑制することができる。
【００１８】
また，上記感圧素子は，バンプ材により上記多層基板にバンプ接合されていると共に，上記バンプ材を介して上記ターミナルと電気的に接続されていることが好ましい（請求項８）。
この場合には，バンプ接合により上記感圧素子を接合することにより，上記ターミナルピンに対する電気的な接合と，上記多層基板に対する物理的な接合とを同時に実現でき，効率的である。
上記バンプ材としては，例えばＡｕ，Ｃｕ，Ａｕ−Ｓｎ，ハンダ等がある。
【００１９】
【実施例】
（実施例１）
本発明の実施例にかかる圧力センサ１について，図１〜図３を用いて説明する。
本例の圧力センサ１は，図１，図２に示すごとく，複数のターミナルピン１０と該ターミナルピン１０に電気的に接続された感圧素子２０とを有する素子ホルダー部３０を含んでいる。
素子ホルダー部３０は，感圧素子２０とターミナルピン１０との間に，これらを電気的に接続する複数の電気経路８３を形成する多層基板８０を有している。
【００２０】
この多層基板８０は，複数のセラミック層８５を積層してなると共に隣接するセラミック層８５の間に上記各電気経路８３の一部を構成する各電極パターン（図示略）を含む電極層８７を有している。そして，各セラミック層８５には，上記電極パターンに電気的に接続される複数の導電体８２を貫通して設けてあり，かつ，感圧素子２０と対向するセラミック層８５に設けた導電体８２と，他の少なくとも１層のセラミック層８５に設けた導電体８２とは，貫通方向における透視断面が重ならないようにずらして配置してある。
【００２１】
図１に示すごとく，本例の素子ホルダー部３０の多層基板８０及びターミナルピン１０の一部は，コネクタハウジング３１０により覆われている。
また，上記圧力センサ１は，素子ホルダー部３０を収納するセンサハウジング４０を有しており，素子ホルダー部３０とセンサハウジング４０との間に圧力室４２が形成されており，この圧力室に感圧素子２０が収容してある。
以下にこの内容について詳しく説明する。
【００２２】
素子ホルダー部３０は，図１に示すごとく，略円柱形状の多層基板８０とターミナルピン１０とよりなる。そして，素子ホルダー部３０は，ＰＰＳ樹脂よりなるコネクタハウジング３１０にインサート成形されている。コネクタハウジング３１０は，センサハウジング４０に挿入する挿入部３５と，該挿入部３５より大径のツバ部３５１とを有している。さらに，挿入部３５とは反対側の端部には，外部機器のコネクタ（図示略）を電気的に接続するためのソケット部３００を有している。そして，上記挿入部３５の先端に，上記素子ホルダー部３０の多層基板８０が配置されている。
【００２３】
多層基板８０は，図１，図２に示すごとく，３層のセラミック層８５と電極層８７とを交互に積層した３層基板である。そして，この多層基板８０には，電源用，グランド用及び信号出力用の３系統の電気経路８３を配設してある。各電気経路８３は，各セラミック層８５を貫通する，導電性のＡｕ系合金よりなる導電体８２と，隣接するセラミック層８５を貫通するそれぞれの導電体８２を，相互に電気的に接続する電極層８７における電極パターンとにより構成されている。
【００２４】
各電気経路８３は，図２，図３に示すごとく，少なくとも１層のセラミック層８５を貫通する導電体８２と，他のセラミック層８５を貫通する導電体８２とは，その貫通方向において断面が重複しないように配置してある。さらに，各電気経路８３は，多層基板８０における圧力室４２側の表面である受圧面３２に露出して，後述するごとく感圧素子２０に電気的に接続されており，一方，その反対側の表面にも露出してターミナルピン１０と電気的に接続されている。
【００２５】
上記受圧面３２への上記導電体８２の露出面８３０には，バンプ材２２によるバンプ接合により感圧素子２０が接合されている。すなわち，感圧素子２０は，バンプ接合により，各電気経路８３に電気的に接続されると共に，多層基板８０に物理的にも接合されている。
【００２６】
ここで，バンプ接合とは，回路基板等の表面に露出する電極と，感圧素子等の半導体チップの外部電極との間に半田ボール等のバンプ材を配置し，このバンプ材を溶融等させることにより，半導体チップを回路基板上に接合する接合技術である。
また，多層基板８０における反対側の面でのターミナルピン１０と電気経路８３との接合は，導電性接着剤による接着により行われている。
【００２７】
また，本例では，上記多層基板８０の受圧面３２を構成するセラミック層８５の表面に，同じセラミックスよりなるリング状部材８５２が，上記感圧素子２０を囲うように配設されている。
なお，上記リング状部材８５２を有する多層基板８０は，焼成前のセラミック層８５，電極層８７及びリング状部材８５２を積層した積層体を形成し，これを一体的に焼成することにより作製してある。
【００２８】
次に，上記センサハウジング４０は，ステンレススチールよりなると共に，図１，図２に示すごとく，上記シールダイヤフラム４３の素子ホルダー部３０側に，上記挿入部３５を収納する凹部４５と，上記ツバ部３５１を収納する大径部４５１と，該大径部４５１に収納したツバ部３５１と係合するカシメ部４１とを有している。
【００２９】
センサハウジング４０におけるシールダイヤフラム４３は，図２に示すごとく，その外周部をシールリング４３１により保持された状態で，凹部４５における底面に配置されている。そして，シールダイヤフラム４３は，シールリング４３１と共にレーザ溶接され，溶接部４３５をセンサハウジング４０に達するように設けることにより，センサハウジング４０に強固に固定してある。
さらに，センサハウジング４０は，被測定対象である流体を導入する圧力導入孔４４１と，取り付け用のネジ部４４２とを有している。
【００３０】
そして，上記素子ホルダー部３０及びこれを覆うコネクタハウジング３１０と上記センサハウジング４０とは，挿入部３５における多層基板８０及びリング状部材８５２の外周面にバックアップリング５１とＯリング５０を配設した状態で，上記挿入部３５をセンサハウジング４０の凹部４５に収納し，かしめ部４１をツバ部３５１に係合させることにより組み付けられている。
【００３１】
そして，素子ホルダー部３０とセンサハウジング４０との間に形成される上記圧力室４２は，多層基板８０の外周面と，センサハウジング４０の内周面との間に配置されたシール材であるＯリング５０によりシールされた状態となる。
また上記素子ホルダー部３０とセンサハウジング４０との組み付け時には，圧力室４２内にシリコーン系オイルよりなる圧力伝達媒体が充填される。
【００３２】
また，図２に示すごとく，コネクタハウジング３１０とセンサハウジング４０との組み付け状態においては，ツバ部３５１と大径部４５１の底面部とを当接させて位置決めすると共に，この当接部に上記カシメ部４１をカシメることにより生ずる荷重を受け止める構造としてある。そのため，コネクタハウジング３１０の先端に配設されている多層基板８０とシールダイヤフラム４３との間には所定の隙間が設けられている。
【００３３】
このような構成の圧力センサ１は，シールダイヤフラム４３に作用する圧力計測対象としての流体等（以下，適宜外部流体という）の圧力を，圧力室４２に封入した圧力伝達媒体を介して，感圧素子２０により検知することができる。
なお，感圧素子２０は，シリコン層を加工して歪ゲージを形成するとともに，シリコン基板を精密にエッチングしてセンサダイヤフラムを形成したものである。
【００３４】
次に，本例の作用効果につき説明する。
本例の圧力センサ１において，感圧素子２０とターミナルピン１０とは，上記のごとく，素子ホルダー部３０における多層基板８０に形成された電気経路８３を介して，相互に電気的に接続されている。さらに，この電気経路８３は，上記多層基板８０をなす各セラミック層８５を貫通するよう設けてある導電体８２と，隣接するセラミック層８５の間の電極層８７に配設した電極パターンとにより形成されている。
【００３５】
そして，上記電気経路８３において，感圧素子２０と対向するセラミック層８５に設けた導電体８２と，他の少なくとも１層のセラミック層８５に設けた導電体８２とは，貫通方向における透視断面が重ならないようにずらして配置してある。
すなわち，多層基板８０においては，各セラミック層８５に配設した各導電体８２が，その貫通方向に一直線上に並らばないよう，その断面位置をずらして配置してあり，上記電気経路８３をジグザグ形状の経路にしてある。
【００３６】
そのため，上記多層基板８０に高い圧力が作用した場合であっても，導電体８２が貫通方向に吹き抜けるおそれがない。また，たとえ導電体８２の一部のシール性が低下したとしても，上記のごとくジグザグ形状の電気経路８３全体のシール性が低下しない限り，優れたシール性を維持することができる。
【００３７】
また，上記圧力室４２は，図１，図２に示すごとく，多層基板８０の外周面とセンサハウジング４０の内周面との間に配置したＯリング５０により確実にシールされている。
すなわち，本例の圧力センサ１は，感圧素子２０とターミナルピン１０とを電気的に接続する電気経路８３を伝って圧力伝達媒体の漏れ等，シール欠陥を生じるおそれがなく，かつ，素子ホルダー部３０とセンサハウジング４０との間のシール性の低下もほとんどない。
【００３８】
このように本例の圧力センサ１は，従来よりも耐圧性及びシール性に優れたものとなり，その特性を長期間に渡って維持することができる。
【００３９】
なお，本例の圧力センサ１における外部と隔離された圧力室４２に代えて，上記シールダイヤフラム４３を廃し，外部流体が直接流入する圧力室４２を有する構造としてもよい。この場合には，外部流体が，感圧素子２０のセンサダイヤフラムに直接作用することとなる。
【００４０】
また，本例では，感圧素子２０と電気経路８３とをバンプ材を用いてバンプ接合したが，この構造に代えて，ボンディングワイヤを用いて両者を接合する構造をとることもできる。。
【００４１】
（実施例２）
本例は，図４に示すごとく，コネクタハウジングにより覆われていない素子ホルダー部３０を採用した圧力センサ１０２の例である。
本例の素子ホルダー部３０は，同図に示すごとく，感圧素子２０とターミナルピン１０との間に，これらを電気的に接続する複数の電気経路８３を形成する多層基板８０を有している。
【００４２】
本例の多層基板８０は，同図に示すごとく，２枚のセラミック層８５とこれらの間に配された電極層８７とを有している。そして，感圧素子２０を接続する側のセラミック層８５には，実施例１と同様の導電体８２を貫通して設けてある。もう一方のセラミック層８５には，貫通穴８２５を設け，その内周面にメタライズ処理をした後，ターミナルピン１０を直接挿入してろう付けしてある。従って，本例では，ターミナルピン１０の一部が導電体としての役割を果たしている。
【００４３】
そして，本例の多層基板８０においても，感圧素子２０を接合したセラミック層８５に設けた導電体８２と，上記ターミナルピン１０を挿設したセラミック層８５におけるターミナルピン１０よりなる導電体とが，貫通方向における透視断面が重ならないようにずらして配置されている。
【００４４】
また，本例の多層基板８０は，その先端に，セラミック層８５に一体的に接合されたセラミック製のリング状部材８５２を有している。このリング状部材８５２は，セラミック層８５の外径よりも若干小さい外径を有し，その外周面にＯリング５０を配置できるようにしてある。
【００４５】
また，感圧素子２０は，多層基板８０の電気経路８３に対してバンプ材２２を介してバンプ接合されている。本例では，最先端のセラミック層８５の受圧面側の表面に導電体８２と繋がる電極層（図示略）を配設し，これにバンプ材２２を接合してある。
【００４６】
一方，本例のセンサハウジング４０は，ステンレススチールよりなると共に，図４に示すごとく，上記素子ホルダー部３０を挿入するための凹部４５を有すると共に，その底部にシールダイヤフラム４３を有している。また，凹部４５の開口側には，かしめ部４１が設けられている。また，センサハウジング４０は，被測定対象である流体を導入する圧力導入孔４４１と，取り付け用のネジ部４４２とを有している。
【００４７】
そして，上記素子ホルダー部３０と上記センサハウジング４０とは，多層基板８０のリング状部材８５２の外周面にＯリング５０を配設した状態で，多層基板８０をセンサハウジング４０の凹部４５に収納し，かしめ部４１を多層基板８０に係合させることにより組み付けられている。
【００４８】
本例の場合には，実施例１と異なり，コネクタハウジング３１０を設けていないので，非常にコンパクトな圧力センサ１０２を得ることができる。
その他は実施例１と同様の作用効果が得られる。
【００４９】
なお，本例の圧力センサ１０２における感圧素子２０の接合方法であるバンプ接合に替えて，図５に示すごとく，多層基板８０上に感圧素子２０を接着し，この感圧素子２０と，多層基板８０上に配置したターミナルピン８４とを，ボンディングワイヤ３４により電気的に接続することもできる。この場合には，ターミナルピン８４が上記導電体となる。
【００５０】
（実施例３）
本例は，図６に示すごとく，コネクタハウジングとセンサハウジングとを有していない圧力センサ１０３の例である。
本例の多層基板８０は，基本的な構造は実施例１と同様であるが，図６に示すごとく，その外周面に，Ｍｏ−Ｍｎによるメタライズ処理を施し，被膜８８を形成してある。
【００５１】
本例の圧力センサ１０３を用いて圧力計測を実施するに当たっては，メタライズ処理による被膜８８を介在させて，ＳＵＳ（ステンレス鋼），炭素鋼等よりなる金属製の相手部材に対して直接ろう付け接合することができる。そして，上記相手部材の内部に密閉された，あるいは相手部材の内部に導かれた媒体について，圧力計測を実施する。
【００５２】
なお，その他の構成及び作用効果については実施例１と同様である。
また，図７に示すごとく，上述した図５における素子ホルダー部３０の多層基板８０及びターミナルピン１０のみを取り出し，その多層基板８０の外周面にメタライズ処理による被膜８８を形成してなる圧力センサを構成することもできる。
上記メタライズ処理としては，本例による処理のほか，Ｍｏ酸化物，Ｍｏ−Ｗ，Ｍｏ−Ｍｎ−Ｔｉ，Ｃｕ，Ａｇ等を用いた処理により形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における，圧力センサの構造を示す断面図。
【図２】実施例１における，圧力センサの圧力室近傍を示す拡大説明図。
【図３】実施例１における，多層基板の先端面を示す説明図。
【図４】実施例２における，圧力センサの構造を示す断面図。
【図５】実施例２における，その他の圧力センサの構造を示す断面図。
【図６】実施例３における，圧力センサの構造を示す断面図。
【図７】実施例３における，その他の圧力センサの構造を示す断面図。
【符号の説明】
１，１０２，１０３．．．圧力センサ，
１０．．．コネクタピン，
２０．．．感圧素子，
３０．．．素子ホルダー部，
３１０．．．コネクタハウジング，
３２．．．受圧面，
３５．．．挿入部，
４０．．．センサハウジング，
４２．．．圧力室，
４３．．．シールダイヤフラム，
４５．．．凹部，
５０．．．Ｏリング，
８０．．．多層基板，
８２．．．導電体，
８３．．．電気経路，
８５．．．セラミック層，
８７．．．電極層，
８８．．．被膜，[0001]
【Technical field】
The present invention relates to a pressure sensor that measures pressure using a pressure-sensitive element.
[0002]
[Prior art]
The pressure sensor is a sensor using a pressure-sensitive element having a strain gauge formed on a silicon substrate and a diaphragm for pressure detection formed by precisely etching the silicon substrate. The pressure sensor measures the pressure by measuring the amount of strain of the diaphragm caused by the pressure using the strain gauge.
[0003]
This pressure sensor is configured to measure a pressure by making a pressure receiving surface on which a pressure-sensitive element is disposed face a pressure chamber into which a fluid to be measured or a pressure transmission medium is filled. The pressure chamber needs to have a sufficiently high pressure resistance and a sufficient sealing property so as to correspond to the pressure measurement range of the pressure sensor.
[0004]
[Problem to be solved]
However, the conventional pressure sensor has the following problems.
That is, it is necessary to expose a terminal pin electrically connected to the pressure-sensitive element on the pressure-receiving surface on which the pressure-sensitive element for detecting pressure is disposed.
Further, since the terminal pins need to be electrically connected to an external device or the like, they need to electrically penetrate between the pressure chamber and the outside of the pressure sensor. Therefore, the confidentiality is reduced due to a gap at the boundary between the terminal pin and the pressure sensor main body, and the pressure resistance and the sealing property of the pressure receiving surface cannot be sufficiently increased in some cases.
[0005]
The present invention has been made in view of such conventional problems, and has as its object to provide a pressure sensor having excellent pressure resistance and sealing properties.
[0006]
[Means for solving the problem]
The present invention relates to a pressure sensor including an element holder having a plurality of terminal pins and a pressure-sensitive element electrically connected to the terminal pins.
The element holder has a multilayer substrate that forms a plurality of electric paths between the pressure-sensitive element and the terminal pins for electrically connecting them.
The multi-layer substrate has a plurality of ceramic layers stacked, and has between adjacent ceramic layers an electrode layer including an electrode pattern constituting a part of each of the electric paths. Penetrating a plurality of conductors electrically connected to the electrode pattern,
In addition, the conductor provided on the ceramic layer facing the pressure-sensitive element and the conductor provided on at least one other ceramic layer are shifted so that the transparent cross sections in the penetrating direction do not overlap. The pressure sensor is disposed (claim 1).
[0007]
In the pressure sensor according to the present invention, the pressure-sensitive element and the terminal pin are electrically connected to each other via an electric path formed on the multilayer substrate in the element holder. Further, the electric path is formed by a conductor provided to penetrate each ceramic layer forming the multilayer substrate and an electrode pattern provided on an electrode layer between adjacent ceramic layers.
[0008]
In the electric path, the conductor provided on the ceramic layer facing the pressure-sensitive element and the conductor provided on at least one other ceramic layer have a transparent cross section in the penetrating direction. It is staggered so that it does not become. That is, in the above-mentioned multilayer substrate, the conductors arranged in the respective ceramic layers are arranged so that their cross-sectional positions are shifted so as not to be arranged in a straight line in the penetrating direction. It is a shape path.
[0009]
Therefore, even when a high pressure is applied to the multilayer substrate, there is no possibility that the conductor will blow out by the pressure. Further, even if the sealing property of a part of the conductor is reduced, the excellent sealing property can be maintained as long as the sealing property of the zigzag-shaped electric path is not reduced as described above.
Therefore, the pressure sensor has high pressure resistance, and can exhibit excellent sealing performance over a long period of time.
[0010]
As described above, the present invention can provide a pressure sensor excellent in pressure resistance and sealability.
Further, the multilayer substrate in which a plurality of the ceramic layers are stacked has excellent flexural strength and has little flexure when pressure is applied. If the deflection of the multilayer substrate can be suppressed, a change in the positional relationship between the pressure-sensitive element and the terminal pin due to the deflection can be suppressed. In addition, it is possible to prevent troubles such as disconnection and cracks that may occur in a bonding wire, a bump material, and the like for electrically connecting the two to each other.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the present invention, it is preferable that at least a part of the multilayer board and the terminal pins of the element holder portion are covered by a connector housing.
In this case, the connection between the terminal pin and an external connector of an external device such as a power supply and a measuring instrument can be easily and reliably performed via the connector housing.
[0012]
The pressure sensor has a sensor housing for accommodating the element holder, and a pressure chamber is formed between the element holder and the sensor housing. Is preferably accommodated (claim 3).
In this case, a fluid or the like as a pressure measurement target is introduced into the pressure chamber formed between the sensor housing and the element holder, and the pressure is measured. Therefore, the influence of the flow of the fluid on the measurement pressure can be suppressed, and the pressure can be accurately measured.
[0013]
Further, it is preferable that the pressure chamber is sealed by a seal material disposed between an outer peripheral surface of the multilayer substrate in the element holder and an inner peripheral surface of the sensor housing.
In this case, the pressure chamber can be reliably sealed by the sealing material disposed between the outer peripheral surface of the multilayer substrate and the inner peripheral surface of the sensor housing.
Various sealing materials such as silicone-based, nitrile-based, acrylic-based, EPDM-based, and fluorine-based sealing materials can be used as the sealing material.
[0014]
In particular, the sealing material is preferably an O-ring. With the O-ring, high sealing performance can be exhibited over a long period of time, and the assemblability between the sensor housing and the element holder is also good. The outer peripheral surface of the multi-layer substrate and the inner peripheral surface of the sensor housing are brazed by interposing a coating made of Mo-Mn by metallization disposed on the outer peripheral surface of the multilayer substrate. It may be a brazing filler metal.
[0015]
Further, it is preferable that the sensor housing has a seal diaphragm, the pressure chamber is sealed by the seal diaphragm, and the pressure chamber is filled with a pressure transmitting medium ( Claim 5).
In this case, the pressure chamber is sealed by enclosing the pressure transmission medium. Since the pressure chamber is required to have high reliability such as stable sealing properties, the effect of the present invention is particularly effective.
[0016]
Further, it is preferable that the multilayer substrate is constituted by three ceramic layers.
In this case, the arrangement of the electrode pattern on the electrode layer with respect to the electric path electrically connected to each terminal is facilitated. Therefore, it is possible to suppress electric interference between the respective electric paths and suppress a pressure measurement error by the pressure sensor.
[0017]
It is preferable that at least one of the electrode layers between the adjacent ceramic layers is provided with a ground electrode including at least a region facing the pressure-sensitive element.
In this case, the influence of external noise that may affect the pressure-sensitive element is suppressed by the ground electrode arranged to face the pressure-sensitive element, and a pressure measurement error by the pressure sensor is suppressed. can do.
[0018]
Preferably, the pressure-sensitive element is bump-bonded to the multilayer substrate by a bump material, and is electrically connected to the terminal via the bump material.
In this case, by joining the pressure-sensitive elements by bump joining, electrical joining to the terminal pins and physical joining to the multilayer substrate can be realized simultaneously, which is efficient.
Examples of the bump material include Au, Cu, Au-Sn, and solder.
[0019]
【Example】
(Example 1)
A pressure sensor 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIGS. 1 and 2, the pressure sensor 1 of the present embodiment includes an element holder 30 having a plurality of terminal pins 10 and a pressure-sensitive element 20 electrically connected to the terminal pins 10.
The element holder section 30 has a multilayer substrate 80 that forms a plurality of electric paths 83 between the pressure-sensitive element 20 and the terminal pins 10 for electrically connecting them.
[0020]
The multilayer substrate 80 has an electrode layer 87 formed by laminating a plurality of ceramic layers 85 and including electrode patterns (not shown) constituting a part of each of the electric paths 83 between adjacent ceramic layers 85. are doing. Each ceramic layer 85 is provided with a plurality of conductors 82 electrically connected to the above-mentioned electrode pattern, and is provided on the ceramic layer 85 facing the pressure-sensitive element 20. The conductor 82 provided on the at least one other ceramic layer 85 is displaced so that the transparent cross sections in the penetrating direction do not overlap.
[0021]
As shown in FIG. 1, a part of the multilayer substrate 80 and the terminal pins 10 of the element holder section 30 of the present example is covered with a connector housing 310.
Further, the pressure sensor 1 has a sensor housing 40 for accommodating the element holder 30, and a pressure chamber 42 is formed between the element holder 30 and the sensor housing 40. A pressure element 20 is housed.
The details will be described below.
[0022]
As shown in FIG. 1, the element holder 30 includes a substantially cylindrical multilayer substrate 80 and terminal pins 10. The element holder 30 is insert-molded in a connector housing 310 made of PPS resin. The connector housing 310 has an insertion portion 35 to be inserted into the sensor housing 40 and a flange portion 351 having a diameter larger than that of the insertion portion 35. Further, a socket 300 for electrically connecting a connector (not shown) of an external device is provided at an end opposite to the insertion section 35. The multilayer board 80 of the element holder 30 is arranged at the tip of the insertion section 35.
[0023]
The multilayer substrate 80 is a three-layer substrate in which three ceramic layers 85 and electrode layers 87 are alternately stacked as shown in FIGS. The multilayer board 80 is provided with three electrical paths 83 for power, ground, and signal output. Each of the electrical paths 83 is an electrode for electrically connecting the conductor 82 penetrating each ceramic layer 85 and made of a conductive Au-based alloy to each conductor 82 penetrating the adjacent ceramic layer 85. And the electrode pattern in the layer 87.
[0024]
As shown in FIGS. 2 and 3, each electric path 83 has a cross section in the penetrating direction of the conductor 82 penetrating at least one ceramic layer 85 and the conductor 82 penetrating the other ceramic layer 85. They are arranged so that they do not overlap. Further, each electric path 83 is exposed on the pressure receiving surface 32 which is a surface on the pressure chamber 42 side of the multilayer substrate 80, and is electrically connected to the pressure-sensitive element 20 as described later. It is also exposed on the surface and is electrically connected to the terminal pin 10.
[0025]
The pressure-sensitive element 20 is bonded to the exposed surface 830 of the conductor 82 on the pressure receiving surface 32 by bump bonding with the bump material 22. That is, the pressure-sensitive elements 20 are electrically connected to the respective electric paths 83 by bump bonding, and are also physically bonded to the multilayer substrate 80.
[0026]
Here, the bump bonding means that a bump material such as a solder ball is arranged between an electrode exposed on the surface of a circuit board or the like and an external electrode of a semiconductor chip such as a pressure-sensitive element, and the bump material is melted or the like. This is a joining technique for joining a semiconductor chip onto a circuit board.
The connection between the terminal pin 10 and the electric path 83 on the opposite surface of the multilayer substrate 80 is performed by bonding with a conductive adhesive.
[0027]
Further, in this example, a ring-shaped member 852 made of the same ceramic is disposed on the surface of the ceramic layer 85 constituting the pressure receiving surface 32 of the multilayer substrate 80 so as to surround the pressure-sensitive element 20.
The multilayer substrate 80 having the ring-shaped member 852 is manufactured by forming a laminated body in which the ceramic layer 85, the electrode layer 87, and the ring-shaped member 852 before firing are stacked, and firing this integrally. is there.
[0028]
Next, the sensor housing 40 is made of stainless steel and, as shown in FIGS. 1 and 2, a concave portion 45 for accommodating the insertion portion 35 on the element holder portion 30 side of the seal diaphragm 43, and a flange portion. The large-diameter portion 451 for accommodating the 351 and the caulking portion 41 engaged with the brim portion 351 accommodated in the large-diameter portion 451 are provided.
[0029]
As shown in FIG. 2, the seal diaphragm 43 in the sensor housing 40 is disposed on the bottom surface of the recess 45 with its outer peripheral portion held by a seal ring 431. Then, the seal diaphragm 43 is laser-welded together with the seal ring 431, and is fixed to the sensor housing 40 by providing a welded portion 435 so as to reach the sensor housing 40.
Further, the sensor housing 40 has a pressure introducing hole 441 for introducing a fluid to be measured and a screw portion 442 for attachment.
[0030]
The element holder 30, the connector housing 310 that covers the element holder 30, and the sensor housing 40 are in a state where the backup ring 51 and the O-ring 50 are disposed on the outer peripheral surfaces of the multilayer board 80 and the ring-shaped member 852 in the insertion section 35. The insertion portion 35 is housed in the concave portion 45 of the sensor housing 40, and the caulking portion 41 is engaged with the flange portion 351 to be assembled.
[0031]
The pressure chamber 42 formed between the element holder 30 and the sensor housing 40 is a sealing material O disposed between the outer peripheral surface of the multilayer substrate 80 and the inner peripheral surface of the sensor housing 40. The state is sealed by the ring 50.
When the element holder 30 and the sensor housing 40 are assembled, the pressure chamber 42 is filled with a pressure transmission medium made of silicone oil.
[0032]
As shown in FIG. 2, when the connector housing 310 and the sensor housing 40 are assembled, the flange portion 351 and the bottom surface of the large-diameter portion 451 are brought into contact with each other and positioned. It has a structure for receiving a load generated by caulking the portion 41. Therefore, a predetermined gap is provided between the multilayer board 80 provided at the tip of the connector housing 310 and the seal diaphragm 43.
[0033]
The pressure sensor 1 having such a configuration is configured to transmit a pressure of a fluid or the like (hereinafter, appropriately referred to as an external fluid) acting as a pressure measurement target acting on the seal diaphragm 43 via a pressure transmitting medium sealed in the pressure chamber 42 to pressure-sensitive. It can be detected by the element 20.
The pressure-sensitive element 20 is formed by processing a silicon layer to form a strain gauge and by precisely etching a silicon substrate to form a sensor diaphragm.
[0034]
Next, the operation and effect of this embodiment will be described.
In the pressure sensor 1 of the present embodiment, the pressure-sensitive element 20 and the terminal pin 10 are electrically connected to each other via the electric path 83 formed on the multilayer substrate 80 in the element holder 30 as described above. I have. Further, the electric path 83 is formed by a conductor 82 provided to penetrate each ceramic layer 85 forming the multilayer substrate 80 and an electrode pattern provided on an electrode layer 87 between the adjacent ceramic layers 85. Have been.
[0035]
In the electric path 83, the conductor 82 provided on the ceramic layer 85 facing the pressure-sensitive element 20 and the conductor 82 provided on at least one other ceramic layer 85 have a transparent cross section in the penetrating direction. They are staggered so that they do not overlap.
That is, in the multilayer substrate 80, the conductors 82 disposed on the ceramic layers 85 are arranged so that their cross-sectional positions are shifted so as not to be aligned on a straight line in the penetrating direction. Is a zigzag path.
[0036]
Therefore, even when a high pressure acts on the multilayer substrate 80, there is no possibility that the conductor 82 blows through in the penetrating direction. Further, even if the sealing property of a part of the conductor 82 is reduced, the excellent sealing property can be maintained as long as the sealing property of the zigzag-shaped electric path 83 is not reduced as described above.
[0037]
The pressure chamber 42 is securely sealed by an O-ring 50 disposed between the outer peripheral surface of the multilayer substrate 80 and the inner peripheral surface of the sensor housing 40, as shown in FIGS.
That is, the pressure sensor 1 of the present embodiment is free from the risk of causing a seal defect such as leakage of the pressure transmitting medium through the electric path 83 that electrically connects the pressure-sensitive element 20 and the terminal pin 10 and has the element holder. There is almost no reduction in the sealing performance between the part 30 and the sensor housing 40.
[0038]
As described above, the pressure sensor 1 of the present embodiment has better pressure resistance and sealability than the conventional one, and can maintain its characteristics for a long period of time.
[0039]
Note that, instead of the pressure chamber 42 isolated from the outside in the pressure sensor 1 of the present embodiment, the seal diaphragm 43 may be omitted and a structure having the pressure chamber 42 into which the external fluid flows directly may be adopted. In this case, the external fluid directly acts on the sensor diaphragm of the pressure-sensitive element 20.
[0040]
Further, in the present embodiment, the pressure-sensitive element 20 and the electric path 83 are bump-bonded by using a bump material. However, instead of this structure, a structure in which both are bonded by using a bonding wire can be adopted. .
[0041]
(Example 2)
This example is an example of a pressure sensor 102 employing an element holder 30 not covered by a connector housing, as shown in FIG.
As shown in the figure, the element holder section 30 of this example has a multilayer substrate 80 between the pressure-sensitive element 20 and the terminal pin 10 for forming a plurality of electric paths 83 for electrically connecting them. I have.
[0042]
As shown in the figure, the multilayer substrate 80 of the present embodiment has two ceramic layers 85 and an electrode layer 87 disposed between them. The ceramic layer 85 on the side to which the pressure-sensitive element 20 is connected is provided so as to penetrate the same conductor 82 as in the first embodiment. The other ceramic layer 85 is provided with a through hole 825, metallized on the inner peripheral surface thereof, and then the terminal pin 10 is directly inserted and brazed. Therefore, in this example, a part of the terminal pin 10 plays a role as a conductor.
[0043]
Also in the multilayer substrate 80 of the present embodiment, the conductor 82 provided on the ceramic layer 85 to which the pressure-sensitive element 20 is bonded and the conductor composed of the terminal pins 10 in the ceramic layer 85 in which the terminal pins 10 are inserted are formed. , Are arranged so that the see-through sections in the penetration direction do not overlap.
[0044]
Further, the multilayer substrate 80 of the present example has a ceramic ring-shaped member 852 integrally joined to the ceramic layer 85 at the tip thereof. The ring-shaped member 852 has an outer diameter slightly smaller than the outer diameter of the ceramic layer 85 so that the O-ring 50 can be arranged on the outer peripheral surface thereof.
[0045]
Further, the pressure-sensitive element 20 is bump-bonded to the electric path 83 of the multilayer substrate 80 via the bump material 22. In this example, an electrode layer (not shown) connected to the conductor 82 is provided on the surface on the pressure receiving surface side of the most advanced ceramic layer 85, and the bump material 22 is bonded to this.
[0046]
On the other hand, the sensor housing 40 of the present embodiment is made of stainless steel, has a concave portion 45 for inserting the element holder portion 30 as shown in FIG. 4, and has a seal diaphragm 43 at the bottom thereof. A caulking portion 41 is provided on the opening side of the concave portion 45. The sensor housing 40 has a pressure introduction hole 441 for introducing a fluid to be measured and a screw portion 442 for attachment.
[0047]
The element holder 30 and the sensor housing 40 are housed in the concave portion 45 of the sensor housing 40 with the O-ring 50 disposed on the outer peripheral surface of the ring-shaped member 852 of the multilayer substrate 80. The caulking part 41 is assembled by engaging the multilayer board 80.
[0048]
In this embodiment, unlike the first embodiment, the connector housing 310 is not provided, so that a very compact pressure sensor 102 can be obtained.
Otherwise, the same operation and effect as in the first embodiment can be obtained.
[0049]
Note that, instead of bump bonding, which is a method of joining the pressure-sensitive elements 20 in the pressure sensor 102 of the present embodiment, as shown in FIG. The terminal pins 84 arranged on the multilayer substrate 80 can also be electrically connected by the bonding wires 34. In this case, the terminal pin 84 is the conductor.
[0050]
(Example 3)
This example is an example of a pressure sensor 103 having no connector housing and no sensor housing as shown in FIG.
The basic structure of the multilayer substrate 80 of the present embodiment is the same as that of the first embodiment. However, as shown in FIG. 6, the outer peripheral surface of the multilayer substrate 80 is subjected to a metallization process using Mo-Mn to form a coating 88.
[0051]
In performing pressure measurement using the pressure sensor 103 of the present embodiment, a brazing joint is directly performed to a metal counterpart made of SUS (stainless steel), carbon steel, or the like with a coating 88 formed by metallization interposed therebetween. can do. Then, pressure measurement is performed on the medium sealed inside the above-mentioned counterpart member or guided inside the counterpart member.
[0052]
The other configuration and operation and effect are the same as in the first embodiment.
As shown in FIG. 7, a pressure sensor is formed by taking out only the multilayer substrate 80 and the terminal pins 10 of the element holder 30 shown in FIG. 5 and forming a coating 88 on the outer peripheral surface of the multilayer substrate 80 by metallization. It can also be configured.
The metallization process can be formed by a process using Mo oxide, Mo-W, Mo-Mn-Ti, Cu, Ag, or the like, in addition to the process according to the present embodiment.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a structure of a pressure sensor according to a first embodiment.
FIG. 2 is an enlarged explanatory view showing the vicinity of a pressure chamber of a pressure sensor in the first embodiment.
FIG. 3 is an explanatory view showing a front end surface of the multilayer substrate in the first embodiment.
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a structure of a pressure sensor according to a second embodiment.
FIG. 5 is a sectional view showing the structure of another pressure sensor according to the second embodiment.
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a structure of a pressure sensor according to a third embodiment.
FIG. 7 is a sectional view showing the structure of another pressure sensor according to the third embodiment.
[Explanation of symbols]
1,102,103. . . Pressure sensor,
10. . . Connector pins,
20. . . Pressure sensitive element,
30. . . Element holder,
310. . . Connector housing,
32. . . Pressure receiving surface,
35. . . Insertion section,
40. . . Sensor housing,
42. . . Pressure chamber,
43. . . Seal diaphragm,
45. . . Recess,
50. . . O-ring,
80. . . Multilayer board,
82. . . conductor,
83. . . Electrical pathways,
85. . . Ceramic layer,
87. . . Electrode layer,
88. . . Coating,

Claims

In a pressure sensor including an element holder having a plurality of terminal pins and a pressure-sensitive element electrically connected to the terminal pins,
The element holder has a multilayer substrate that forms a plurality of electric paths between the pressure-sensitive element and the terminal pins for electrically connecting them.
The multi-layer substrate has a plurality of ceramic layers stacked, and has between adjacent ceramic layers an electrode layer including an electrode pattern constituting a part of each of the electric paths. Penetrating a plurality of conductors electrically connected to the electrode pattern,
In addition, the conductor provided on the ceramic layer facing the pressure-sensitive element and the conductor provided on at least one other ceramic layer are shifted so that the see-through cross sections in the penetration direction do not overlap. A pressure sensor, wherein the pressure sensor is arranged.

2. The pressure sensor according to claim 1, wherein at least a part of the multi-layer substrate and the terminal pins of the element holder are covered by a connector housing.

3. The pressure sensor according to claim 1, wherein the pressure sensor has a sensor housing that houses the element holder, and a pressure chamber is formed between the element holder and the sensor housing. 4. A pressure sensor, wherein the pressure-sensitive element is accommodated in the pressure sensor.

The pressure chamber according to claim 3, wherein the pressure chamber is sealed by a seal material disposed between an outer peripheral surface of the multilayer substrate in the element holder and an inner peripheral surface of the sensor housing. Sensors.

The sensor housing according to claim 3 or 4, wherein the sensor housing has a seal diaphragm, the pressure chamber is sealed by the seal diaphragm, and the pressure chamber is filled with a pressure transmitting medium. Pressure sensor.

The pressure sensor according to any one of claims 1 to 5, wherein the multilayer substrate is formed of three ceramic layers.

7. The pressure sensor according to claim 6, wherein at least one of the electrode layers between the adjacent ceramic layers has a ground electrode including at least a region facing the pressure-sensitive element. Sensors.

8. The device according to claim 1, wherein the pressure-sensitive element is bump-bonded to the multilayer substrate by a bump material, and is electrically connected to the terminal via the bump material. Features pressure sensor.