JP2005172483A - Pressure sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧力センサに関し、特にダイアフラムと絶縁基板とを接続する手段として陽極接合を用いた場合に発生する種々の不具合を解決したダイアフラム型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 diaphragm type pressure sensor that solves various problems that occur when anodic bonding is used as a means for connecting a diaphragm and an insulating substrate.
半導体技術を利用した圧力センサは、その構造上小型化に適しているが、使用目的に合わせて感圧素子をプリント基板に実装する際、ダイヤフラムの応力歪みを残留させないようにする工夫が重要である。さらに、自動車を中心に用途を広げている半導体ダイヤフラム型圧力センサは、産業用から民生用に移るにしたがい、メンテナンスフリー且つ低価格化が要求されている。 A pressure sensor using semiconductor technology is suitable for miniaturization because of its structure, but when mounting a pressure sensitive element on a printed circuit board according to the purpose of use, it is important to devise a technique to prevent the stress strain of the diaphragm from remaining. is there. Furthermore, semiconductor diaphragm type pressure sensors that are widely used mainly in automobiles are required to be maintenance-free and cost-effective as they move from industrial use to consumer use.
従来のダイアフラム型圧力センサ(以下「圧力センサ」と示す。)としては、例えば特開2002−243564号公報で開示されたようなものがあり、図3はそのパッケージの構成を示す縦断面図である。
従来の圧力センサ100は、略矩形状のガラス基板の略中央を貫設する圧力排出口を備える上部絶縁基板101と、略矩形状のガラス基板の略中央を貫設する圧力導入口を備える下部絶縁基板102と、導電性を有するシリコン基板の両主面を凹陥することにより形成した薄肉の膜部及び該膜部を囲繞する厚肉の支持部103aを一体的に形成するダイヤフラム103と、上面に電極105を形成した環状の圧電部材104と、を備えており、下から前記下部絶縁基板102、前記ダイヤフラム103、前記圧電部材104及び前記上部絶縁基板101を重層した上で陽極接合する構造となっている。
As a conventional diaphragm type pressure sensor (hereinafter referred to as “pressure sensor”), for example, there is one disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-243564, and FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing the configuration of the package. is there.
A
前記圧電部材104を介して前記上部絶縁基板101の下面及び前記ダイヤフラム103(前記支持部103a)の上面間、即ち金属膜(前記電極105)を介してガラス基板(上部絶縁基板101)と圧電基板(圧電部材104)との、及び該圧電基板とシリコン基板(ダイヤフラム103)との互いに異なる材料からなる3種類の部材の陽極接合方法として、例えば特開2000−281463号公報で開示されたようなものがあり、図4に示すように、第1のガラス部材201及びシリコン基材202間、さらに該シリコン基材202及び第2のガラス部材203間、即ち互いに熱膨張率が大きく異なる部材間に金属層204を形成し該金属層204を(所定の温度で加熱すると共に所定の電圧を印加することによって発生する)熱歪みに対する緩衝材とすることで接合することができる。
しかしながら、前記陽極接合方法では各部材同士の間隙にまんべんなく(緩衝材としての)前記金属層204が必要なことから、前記圧力センサ100の前記金属層204(に相当する金属膜)が介在しない前記圧電部材104の下面及び前記ダイヤフラム103の上面間を陽極接合することができない。そこで前記圧電部材104の下面に接合用金属膜を被着させる方法が考えられるが、圧電部材104を挟んで形成された前記電極105及び前記接合用金属膜が電気的短絡し圧力センサとして機能しないという問題が発生する虞があった。
However, in the anodic bonding method, the metal layer 204 (as a buffer material) is required evenly in the gaps between the members, and therefore the metal layer 204 (corresponding metal film) of the
解決しようとする問題点は、陽極接合を用いて小型化、且つ低価格化に対応したダイアフラム型圧力センサを提供することができない点である。 The problem to be solved is that it is impossible to provide a diaphragm type pressure sensor that can be reduced in size and reduced in price by using anodic bonding.
上記課題を解決するために本発明に係わる請求項1記載の発明は、絶縁基板と、薄肉部と該薄肉部の周縁の厚肉部とを一体的に形成したダイアフラムと、所定の配線が施されたプリント配線基板とを順次積層した構造を備えた圧力センサであって、前記ダイアフラムの上面には前記薄肉部に配設した可動電極と該可動電極からダイアフラムの周縁近傍まで延びるリード電極パターンとを有しており、前記絶縁基板の下面には固定電極と該固定電極から絶縁基板の周縁近傍まで延びる第1の配線パターンと前記リード電極パターンに対応する位置から絶縁基板の周縁近傍まで延びる第2の配線パターンとを有しており、前記可動電極が前記固定電極と所定の間隔を隔てて対向し、且つ前記リード電極パターンと前記第2の配線パターンとが当接するように前記絶縁基板と前記ダイアフラムの厚肉部とを陽極接合したものであり、前記絶縁基板の下面に形成する前記第1の配線パターン及び前記第2の配線パターンを前記プリント配線基板の上面に設けた2個の電極パッドにそれぞれ導電性接着剤にて導通固定したことを特徴とする。
In order to solve the above problems, the invention according to
本発明に係わる請求項2記載の発明は、絶縁基板と、薄肉部と該薄肉部の周縁の厚肉部とを一体的に形成したダイアフラムと、所定の配線が施されたプリント配線基板とを順次積層した構造を備えた圧力センサであって、前記絶縁基板の上面には固定電極と該固定電極から絶縁基板の周縁近傍まで延びる配線パターンとを有しており、前記ダイアフラムの下面には前記薄肉部に配設した可動電極と該可動電極からダイアフラムの周縁近傍まで延びる第1のリード電極パターンと前記配線パターンに対応する位置からダイヤフラムの周縁近傍まで延びる第2のリード電極パターンとを有しており、前記可動電極が前記固定電極と所定の間隔を隔てて対向し、且つ前記配線パターンと前記第2のリード電極パターンとが当接するように前記絶縁基板と前記ダイアフラムの厚肉部とを陽極接合したものであり、前記ダイヤフラムの下面に形成する前記第1のリード電極パターン及び前記第2のリード電極パターンを前記プリント配線基板の上面に設けた2個の電極パッドにそれぞれ導電性接着剤にて導通固定したことを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, there is provided an insulating substrate, a diaphragm in which a thin portion and a thick portion at the periphery of the thin portion are integrally formed, and a printed wiring board provided with a predetermined wiring. A pressure sensor having a structure in which layers are sequentially laminated, the upper surface of the insulating substrate having a fixed electrode and a wiring pattern extending from the fixed electrode to the vicinity of the periphery of the insulating substrate, and the lower surface of the diaphragm A movable electrode disposed in the thin wall portion; a first lead electrode pattern extending from the movable electrode to the vicinity of the periphery of the diaphragm; and a second lead electrode pattern extending from a position corresponding to the wiring pattern to the vicinity of the periphery of the diaphragm. The insulating substrate so that the movable electrode is opposed to the fixed electrode at a predetermined interval, and the wiring pattern and the second lead electrode pattern are in contact with each other. And the thick part of the diaphragm are anodically bonded, and the first lead electrode pattern and the second lead electrode pattern formed on the lower surface of the diaphragm are provided on the upper surface of the printed wiring board. Each electrode pad is conductively fixed with a conductive adhesive.
本発明に係わる請求項3記載の発明は、請求項1又は2において、前記ダイヤフラムが水晶であることを特徴とする。 A third aspect of the present invention according to the present invention is characterized in that, in the first or second aspect, the diaphragm is a quartz crystal.
本発明に係わる請求項4記載の発明は、請求項1乃至3のいずれかにおいて、前記絶縁基板が含アルカリガラスであることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention related to the present invention, in any one of the first to third aspects, the insulating substrate is an alkali-containing glass.
本発明に係わる請求項5記載の発明は、請求項1乃至4のいずれかにおいて、前記導電性接着剤がエポキシ系若しくはポリイミド系導電性接着剤であることを特徴とする。 A fifth aspect of the present invention according to the present invention is characterized in that, in any one of the first to fourth aspects, the conductive adhesive is an epoxy-based or polyimide-based conductive adhesive.
本発明の圧力センサは、絶縁基板、ダイアフラム及びプリント配線基板の3部材から構成され該3部材同士の機械的な接続に、且つ前記固定電極及び前記可動電極と該各電極に対応する前記内部接続端子との電気的な接続に陽極接合及び導電性接着材の併用により小型化且つ低価格化に対応できるという利点がある。 The pressure sensor according to the present invention includes three members, an insulating substrate, a diaphragm, and a printed wiring board, and mechanical connection between the three members, and the internal connection corresponding to the fixed electrode, the movable electrode, and the electrodes. There is an advantage that it is possible to reduce the size and cost by using anodic bonding and a conductive adhesive together for electrical connection with the terminal.
以下、図示した本発明の実施の形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
本発明の圧力センサは、圧力検出素子として(良好な機械的弾性的性質を有する)圧電材料からなるダイヤフラムと該ダイヤフラムの熱膨張率に近似する熱膨張率を有するガラスからなる絶縁基板との間隙の静電容量変化で圧力検知を行う静電容量型圧力センサであって、例えば該圧力センサ、静電容量変化出力を圧力に変換する電子回路部及び該電子回路部の出力を外部に送信する送信部を一体化し、自動車のタイヤ用ディスクホイール内に(タイヤに空気を注入するための)タイヤバルブと共に前記ディスクホイールに固着してなるタイヤ空気圧センサとして用いられる。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on the illustrated embodiment of the present invention.
The pressure sensor of the present invention has a gap between a diaphragm made of a piezoelectric material (having good mechanical and elastic properties) as a pressure detecting element and an insulating substrate made of glass having a thermal expansion coefficient approximate to the thermal expansion coefficient of the diaphragm. Capacitance type pressure sensor for detecting pressure by changing the capacitance of, for example, the pressure sensor, an electronic circuit unit for converting the capacitance change output to pressure, and the output of the electronic circuit unit to the outside The transmitter is integrated and used as a tire pressure sensor fixed to the disc wheel together with a tire valve (for injecting air into the tire) in a tire disc wheel of an automobile.
図1(a)は本発明の実施形態のダイアフラム型圧力センサの構成を示す縦断面図、図(b)は直線Lを基準とした(後述する)圧力検出部の展開図である。
本発明実施形態の圧力センサは、図1に示すように、下面の略中央が凹陥した略矩形状のダイアフラム1と、下面の略中央が凹陥すると共に少なくとも前記ダイアフラム1の平面外形より大きい平面外形を有する略矩形状の絶縁基板2と、上面に内部接続端子(電極パッド)3aを備えると共に前記絶縁基板2の平面外形と同一若しくは僅かに大きい平面外形を有する平板状のプリント配線基板3と、を備えている。
FIG. 1A is a longitudinal sectional view showing a configuration of a diaphragm type pressure sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a development view of a pressure detection unit (described later) based on a straight line L.
As shown in FIG. 1, the pressure sensor according to the embodiment of the present invention includes a substantially
前記ダイアフラム1は、図1(b)中下側の(展開後の)上面図に示すように、圧電基板、例えば水晶基板の一方主面(下面に相当する。)の略中央を化学エッチング加工によって凹陥せしめ、該凹陥部の薄肉部分を変位部1aとすると共に該変位部1aの周囲を支持する厚肉の環状囲繞部1bを一体的に形成する。さらに前記ダイアフラム1の平坦な他方主面(上面に相当する。)の前記変位部1aを挟んで前記凹陥部に対向する箇所に可動電極11と該可動電極11より所定の端辺部に延出するリード電極(リード電極パターン)12とを形成したものである。
前記絶縁基板2は、図1(b)中上側の(展開後の)下面図に示すように、ガラス基板、例えば含アルカリガラス基板の一方主面(下面に相当する。)の略中央を凹設し該凹設部の底部2a及び該底部2aを囲繞する環状支持部2bを一体的に形成する。さらに前記底部2aの略中央に固定電極21と該固定電極21より環状支持部2bの上面(即ち絶縁基板2の最下面)の所定の端辺部まで延出する引き出し電極(第1の配線パターン)22と前記固定電極21を挟んで該引き出し電極22の終端部の配設する位置に対向する環状支持部2bの上面にダミー電極(第2の配線パターン)23を形成したものである。また前記固定電極21の表面にはSiO2等の絶縁膜24(図1(b)では不図示)が被着している。
The
As shown in the bottom view (after development) in FIG. 1B, the
前記可動電極11及び前記固定電極21を(前記絶縁膜24を介して)対向させ前記リード電極12及び前記引き出し電極22を互いに対向する方向に向けると共に前記凹陥部及び前記凹設部の開口を下方に向け前記ダイアフラム1の上面に前記絶縁基板2を載置し、凹設部の開口周縁及び該開口周縁に当接するダイアフラム1の上面の周縁を陽極接合する。一体化した前記ダイアフラム1及び前記絶縁基板2(以下「圧力検出部」と示す。)を前記凹陥部の開口を下方に向けて前記プリント配線基板3の上面に載置し該圧力検出部の下面(即ち前記ダイアフラム1を配設する面側)に露出する前記引き出し電極22及び前記リード電極12と電気的に接続する前記ダミー電極23と該各電極に対応する前記内部接続端子3aとの間に形成される間隙にエポキシ系若しくはポリイミド系導電性接着剤25を埋設することによって電気的に接続すると共に、該導電性接着剤25を前記間隙内に位置する前記ダイアフラム1の側面にも配設することによりダイアフラム1、前記絶縁基板2及び前記プリント配線基板3の機械的な接続を実現する。
The
前記導電性接着剤25は、前記リード電極12及び前記ダミー電極23(金属膜形成部分)と前記ダイアフラム1(水晶基板)若しくは前記絶縁基板2(含アルカリガラス基板)との、及び前記ダイアフラム1(水晶基板)と前記絶縁基板2(含アルカリガラス基板)との陽極接合部分が混在する、即ち前記圧力検出部にとって最適な陽極接合条件で接合していない(できない)ことによる前記圧力検出部の接合強度のバラツキを補強するという補完的機能も有する。なお、図1に示す実施例では対向し対をなす一方の辺部のみ(計2箇所)に前記導電性接着剤25を配設するが、それでは機械的な接続強度が不足する場合には、対策として他方の辺部にも前記導電性接着剤25を配設しても構わない。この他方の辺部では電気的な接続に関しては不問に付すことから絶縁性接着剤であっても構わない。
The conductive adhesive 25 includes the
最適条件での陽極接合を実施することができないことにより前記リード電極12及び前記ダミー電極23の電気的な接続が不安定になった場合には、リード電極12を該リード電極12が延出する前記ダイアフラム1の端辺部に隣接するダイアフラム1の側端面にも配設することにより前記導電性接着剤25を介してリード電極12及び該リード電極12に対応する前記内部接続端子3bを電気的且つ機械的に接続することが可能となる。または前記リード電極12及び前記ダミー電極23の電気的な接続が無い、即ち電気的不通の場合であれば、前記ダミー電極23を削除し前記ダイアフラム1の側端面に配設する前記リード電極及び前記内部接続端子を電気的且つ機械的に接続しても構わない。
When the electrical connection between the
本発明の圧力センサは、前記可動電極11及び前記固定電極21を対向させコンデンサを構成し該可動電極11に加わる応力によって前記電極間距離が変化し、コンデンサの容量値が変動することを利用していることから、前記ダイアフラム1が有する前記変位部1aの厚さ及び前記絶縁基板2が有する前記凹設部の深さ、即ち前記可動電極11と前記固定電極21との間隙の大きさは、(本発明の)圧力センサとしての仕様、例えばセンサ感度や圧力検出範囲(低圧乃至微圧領域)等によって決まる。即ち所定の前記間隙の大きさを得る(圧力センサとしての仕様を満足する)ことが可能であれば、本発明の変形実施例として、図2に示すように、下面に固定電極43を備える絶縁基板41と、上面に凹陥部及び該凹陥部の内底面に配設する可動電極44を有するダイヤフラム42と、上面に凹部を有するプリント配線基板45とを順次積層し一体化する構造や、または図1に示す構造を踏襲しつつ、図1の2を(絶縁基板から)ダイアフラム(即ち図1の21が可動電極となる。)に、及び図1の1を(ダイヤフラムから)絶縁基板(即ち図1の11が固定電極となる。)に置換した圧力センサであっても構わない(ただし前記絶縁膜は固定電極の表面に被着させるのが望ましい。)。さらに、前記ダイアフラムの両主面に凹陥部を形成し該ダイアフラムを平板状の前記絶縁基板及び前記プリント配線基板で挟んだ構造であっても構わない。
The pressure sensor of the present invention utilizes the fact that the
本発明は、水晶(前記ダイヤフラム)のみに限定するものではなくランガサイト、四ホウ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等のその他の圧電材料に適用できることは云うまでもない。
また、前記プリント配線基板は(前記圧力検出部を)外部装置に接続するためのものであることから、セラミック配線基板のみならずガラスエポキシ、シリコン等の樹脂基板などでも構わない。
It goes without saying that the present invention is not limited to quartz (said diaphragm) but can be applied to other piezoelectric materials such as langasite, lithium tetraborate, lithium tantalate, lithium niobate and the like.
Further, since the printed wiring board is for connecting to the external device (the pressure detection unit), not only the ceramic wiring board but also a resin board such as glass epoxy or silicon may be used.
1・・ダイアフラム 2・・絶縁基板 3・・プリント配線基板 1a・・変位部
1b・・環状囲繞部 2a・・底部 2b・・環状支持部 3a・・内部接続端子
11・・可動電極 12・・リード電極 21・・固定電極
22・・引き出し電極 23・・ダミー電極 24・・絶縁膜
25・・導電性接着剤 41・・絶縁基板 42・・ダイヤフラム
43・・固定電極 44・・可動電極 45・・プリント配線基板
100・・圧力センサ 101・・上部絶縁基板 102・・下部絶縁基板
103・・ダイヤフラム 103a・・支持部 104・・圧電部材
105・・電極 201・・第1のガラス部材 202・・シリコン基材
203・・第2のガラス部材 204・・金属層
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記ダイアフラムの上面には前記薄肉部に配設した可動電極と該可動電極からダイアフラムの周縁近傍まで延びるリード電極パターンとを有しており、
前記絶縁基板の下面には固定電極と該固定電極から絶縁基板の周縁近傍まで延びる第1の配線パターンと前記リード電極パターンに対応する位置から絶縁基板の周縁近傍まで延びる第2の配線パターンとを有しており、
前記可動電極が前記固定電極と所定の間隔を隔てて対向し、且つ前記リード電極パターンと前記第2の配線パターンとが当接するように前記絶縁基板と前記ダイアフラムの厚肉部とを陽極接合したものであり、
前記絶縁基板の下面に形成する前記第1の配線パターン及び前記第2の配線パターンを前記プリント配線基板の上面に設けた2個の電極パッドにそれぞれ導電性接着剤にて導通固定したことを特徴とする圧力センサ。 A pressure sensor having a structure in which an insulating substrate, a diaphragm in which a thin portion and a thick portion at the periphery of the thin portion are integrally formed, and a printed wiring board on which predetermined wiring is provided are sequentially laminated. ,
The upper surface of the diaphragm has a movable electrode disposed in the thin portion and a lead electrode pattern extending from the movable electrode to the vicinity of the periphery of the diaphragm,
A fixed electrode, a first wiring pattern extending from the fixed electrode to the vicinity of the periphery of the insulating substrate, and a second wiring pattern extending from a position corresponding to the lead electrode pattern to the vicinity of the periphery of the insulating substrate are provided on the lower surface of the insulating substrate. Have
The insulating substrate and the thick part of the diaphragm are anodically bonded so that the movable electrode faces the fixed electrode at a predetermined interval and the lead electrode pattern and the second wiring pattern are in contact with each other. Is,
The first wiring pattern and the second wiring pattern formed on the lower surface of the insulating substrate are conductively fixed to the two electrode pads provided on the upper surface of the printed wiring substrate, respectively, with a conductive adhesive. Pressure sensor.
前記絶縁基板の上面には固定電極と該固定電極から絶縁基板の周縁近傍まで延びる配線パターンとを有しており、
前記ダイアフラムの下面には前記薄肉部に配設した可動電極と該可動電極からダイアフラムの周縁近傍まで延びる第1のリード電極パターンと前記配線パターンに対応する位置からダイヤフラムの周縁近傍まで延びる第2のリード電極パターンとを有しており、
前記可動電極が前記固定電極と所定の間隔を隔てて対向し、且つ前記配線パターンと前記第2のリード電極パターンとが当接するように前記絶縁基板と前記ダイアフラムの厚肉部とを陽極接合したものであり、
前記ダイヤフラムの下面に形成する前記第1のリード電極パターン及び前記第2のリード電極パターンを前記プリント配線基板の上面に設けた2個の電極パッドにそれぞれ導電性接着剤にて導通固定したことを特徴とする圧力センサ。 A pressure sensor having a structure in which an insulating substrate, a diaphragm in which a thin portion and a thick portion at the periphery of the thin portion are integrally formed, and a printed wiring board on which predetermined wiring is provided are sequentially laminated. ,
The upper surface of the insulating substrate has a fixed electrode and a wiring pattern extending from the fixed electrode to the vicinity of the periphery of the insulating substrate,
The lower surface of the diaphragm has a movable electrode disposed in the thin portion, a first lead electrode pattern extending from the movable electrode to the vicinity of the periphery of the diaphragm, and a second extending from the position corresponding to the wiring pattern to the vicinity of the periphery of the diaphragm. A lead electrode pattern,
The insulating substrate and the thick part of the diaphragm are anodically bonded so that the movable electrode faces the fixed electrode at a predetermined interval and the wiring pattern and the second lead electrode pattern are in contact with each other. Is,
Conductive fixing of the first lead electrode pattern and the second lead electrode pattern formed on the lower surface of the diaphragm to each of two electrode pads provided on the upper surface of the printed wiring board with a conductive adhesive. A featured pressure sensor.
The pressure sensor according to claim 1, wherein the conductive adhesive is an epoxy-based or polyimide-based conductive adhesive.
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