JP2006177919A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 ヒステリシスが低減された圧力検出精度のよい高性能で安価な圧力センサを提供すること。
【解決手段】 圧力センサは、絶縁基体８の上面に枠体２を介して可撓性基板１を載置させ、枠体２の内側に位置する絶縁基体８の上面と可撓性基板１の下面に、絶縁基体８−可撓性基板１間の間隙を介して対向する一対の容量形成電極３，７を形成してなる圧力センサであって、絶縁基体８及び可撓性基板１の外周部を枠体２の外周面よりも外方に延出させるとともに、延出部同士をその全周にわたって環状の接合材５で接合した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、対向電極間の静電容量の変化を利用して圧力を検出する圧力センサに関する。

近年、タイヤの空気圧を自動的に検出して運転席において空気圧の検出結果を監視できる空気圧監視装置が車両走行の安全性を高めるために一般に普及しつつある。この種の装置は、タイヤホイール内の空気送出入バルブに圧力センサが設置され、タイヤ内の圧力変化に応じて生じる静電容量の変化をこの圧力センサ内に搭載された半導体素子で電気信号として検出し、その後、この圧力センサによって検出した圧力データを送信機によって電波等用いて送信し、この電波を監視装置において受信して運転席表示板に状況を表示するものである。

従来より、対向電極間の静電容量の変化を利用して圧力を検出するタイプの圧力センサでは精度向上のため、ヒステリシスを低減する方法が種々提案されている。

このような従来の圧力センサの基本構成を図３に示す。この圧力センサは、セラミックス製の絶縁基体２８と、この絶縁基体２８に対向配置されたセラミックス製の可撓性基板２１とで構成されている。絶縁基体２８及び可撓性基板２１の互いに対向する面には、それぞれ電極２７，２３が形成されている。絶縁基体２８には、これら電極２７，２３に電気的に接続されたＩＣチップ２９が取り付けられている。

そして、電極２７，２３の間に一定のクリアランスを設けるため、可撓性基板２１の下面には、リング形状のセラミックス製の枠体２２が設けられている。枠体２２と絶縁基体２８との間には、Ａｇ−Ｃｕ共晶合金等からなる接合部材２５が設けられている。絶縁基体２８、可撓性基板２１、接合部材２５及び枠体２２によって囲まれた空間は、密閉空間となる。そして、外界の空気の圧力変化により可撓性基板２１が変形すると、対向する電極２７，２３間の容量が変化し、この容量の変化がＩＣチップ２９により検出される。

しかし、圧力変化により可撓性基板２１が変形する際、特にリング形状の枠体２２の内側部分に応力集中が生じる。このような応力集中によって接合部材２５に塑性変形が生じると、圧力検出にヒステリシスが発生する。そのために、圧力検出精度が低下するという問題があった。

そこで、このようなヒステリシスを低減するために、可撓性基板２１と枠体２２とを分離し、これらを接合部材で接合する方法がある。この構成では、セラミックス製の枠体２２と可撓性基板２１と、および枠体２２と可撓性基板２１とを接合させることで、可撓性基板２１の変形の際に接合部材２５に加わる応力が緩和され、塑性変形が生じ難くなるので、ヒステリシスを低減させることができる。

また、可撓性基板２１と枠体２２と絶縁基体２８を一体に焼結することによって、接合部材２５を使用しないことでヒステリシスを低減することも可能である。
特開２００３−２０７４０７号公報

しかしながら、従来の圧力センサにおいては、枠体２２を可撓性基板２１から分離し、枠体２２の下面と絶縁基体２８との間や、枠体２２の上面と可撓性基板２１の下面との間に接合材を介することにより、ある程度ヒステリシスを低減することができるものの、外界の圧力の変化に伴い可撓性基板２１が変形する際接合材２５に塑性変形が生じ、ヒステリシスが発生する。従来は、圧力センサに要求される検出精度が低かったため、ヒステリシスは問題にならなかった。しかし、近年要求されている自動車の安全向上のためのタイヤの空気圧監視装置等においては、例えば対向電極間の静電容量範囲が３０００ｆＦ（フェムト ファラッド）から４０００ｆＦの場合において、ヒステリシスは±２ｆＦ以下であることが要求されてきている。

また、従来のセラミックス製の圧力センサにおいては、接合材を使用せずに接合する場合には、可撓性基板２１、枠体２２および絶縁基体２８を一体に焼成することによって接合するものであり、セラミックスの焼成温度は一般に１０００℃〜１６００℃程度と高温であることにより、可撓性基板２１に反りやうねりが発生する。その結果、可撓性基板２１の反りやうねりにより、第一電極２７と第二電極２３との密閉空間の静電容量にばらつきが生じることから、高精度の圧力検出ができないという問題点があった。

従って、本発明は、上記問題点を鑑みて完成されたものであり、その目的は、ヒステリシスを低減し、精度良く圧力を検出できる高性能で安価な圧力センサを提供することである。

本発明の圧力センサは、絶縁基体の上面に枠体を介して可撓性基板を載置させ、前記枠体の内側に位置する前記絶縁基体の上面と前記可撓性基板の下面に、絶縁基体−可撓性基板間の間隙を介して対向する一対の容量形成電極を形成してなる圧力センサであって、前記絶縁基体及び前記可撓性基板の外周部を前記枠体の外周面よりも外方に延出させるとともに、該延出部同士をその全周にわたって環状の接合材で接合したことを特徴とする。

本発明の圧力センサにおいて、好ましくは、前記枠体と前記可撓性基板とを一体で形成し、前記枠体の下面を前記絶縁基体上に直接接触させたことを特徴とする。

本発明の圧力センサにおいて、好ましくは、前記枠体の内周面と外周面との間の間隔を前記可撓性基板に向かうに伴って漸次大きくしたことを特徴とする。

本発明の圧力センサにおいて、好ましくは、前記絶縁基体の下面に、前記絶縁基体内の配線導体を介して前記一対の容量形成電極に電気的に接続される半導体素子が搭載されていることを特徴とする。

本発明の圧力センサにおいて、好ましくは、前記絶縁基体の下面に凹部が形成されており、該凹部内に、前記絶縁基体内の配線導体を介して前記一対の容量形成電極に電気的に接続される半導体素子が収容されていることを特徴とする。

本発明の圧力センサにおいて、好ましくは、前記半導体素子が封止樹脂で被覆されていることを特徴とする。

本発明の圧力センサにおいて、好ましくは、前記絶縁基体の下面に、前記凹部の開口部を塞ぐ蓋体が取着されていることを特徴とする。

本発明の圧力センサにおいて、好ましくは、前記枠体が、前記絶縁基体の上面もしくは前記可撓性基板の下面に対し薄膜手法にて形成された被膜から成ることを特徴とする。

本発明の圧力センサは、絶縁基体及び可撓性基板の外周部を枠体の外周面よりも外方に延出させるとともに、延出部同士をその全周にわたって環状の接合材で接合したことから、可撓性基板が圧力を受けて変形した場合に、応力の集中する枠体の部分よりも外側に接合材が位置しているので、従来の枠体の上下面がそれぞれ絶縁基体および枠体に接合されていた場合に比べ、枠体に加わる応力はてこの原理で小さくなるため、接合材が塑性変形し難くなり、その結果ヒステリシスを低減することができる。

本発明の圧力センサは、好ましくは、枠体と可撓性基板とを一体で形成し、枠体の下面を絶縁基体上に直接接触させたことから、可撓性基板が圧力を受けて変形したときにもっとも応力を受けやすい可撓性基板と枠体との接触界面を無くして応力を分散することができる。さらに、枠体の下面を絶縁基体上に直接接触させることによって、枠体と絶縁基体との間に他の部材を介す必要がない。つまり、従来のように可撓性基板と絶縁基体とを接合するためにそれらの間に接合材や接合用の電極を設ける必要がなく、接合材や接合用の電極等のヒステリシスが生じる因子を減少させてヒステリシスの低減をより効果的に行なうことができる。

本発明の圧力センサは、好ましくは、枠体の内周面と外周面との間の間隔を可撓性基板に向かうに伴って漸次大きくしたことから、可撓性基板が圧力を受けて変形したときにもっとも応力を受けやすい可撓性基板と枠体との取着部の応力をより分散することができ、応力によってヒステリシスが生じるのをより低減できる。

本発明の圧力センサは、好ましくは、絶縁基体の下面に、絶縁基体内の配線導体を介して一対の容量形成電極に電気的に接続される半導体素子が搭載されていることから、一対の容量形成電極で検出した電気信号を、容量形成電極が形成されているのと同じ絶縁基体に半導体素子を搭載することにより、別途半導体素子を搭載した回路基板を用意する必要はなく、圧力センサを搭載した装置の小型化が可能となる。

本発明の圧力センサは、好ましくは、絶縁基体の下面に凹部が形成されており、凹部内に、絶縁基体内の配線導体を介して一対の容量形成電極に電気的に接続される半導体素子が収容されていることから、絶縁基体の下面の凹部の周囲に外部接続用電極を形成することができ、外部電気回路基板に対して圧力センサを搭載するためのスペースを小さくすることができ、圧力センサを搭載した装置の小型化が可能となる。

本発明の圧力センサは、好ましくは、半導体素子が封止樹脂で被覆されていることから、半導体素子の封止性を良好にでき、圧力に対する半導体素子と配線導体との電気的接続を良好に維持できる。

本発明の圧力センサは、好ましくは、絶縁基体の下面に、凹部の開口部を塞ぐ蓋体が取着されていることから、半導体素子の封止を容易に行なうことができるとともに、凹部内への外部圧力による影響を良好に抑制できる。

本発明の圧力センサは、好ましくは、枠体が、絶縁基体の上面もしくは可撓性基板の下面に対し薄膜手法にて形成された被膜から成ることから、枠体の形成温度を５００度以下の温度で加工できるため可撓性基板が変形しにくく、高精度の圧力センサとすることができる。

図１は、本発明である圧力センサの実施形態の一例の断面図である。図1に示すように１は可撓性基板、２は枠体、３は一対の容量形成電極のうちの一方である第二電極、４は接合用シールリング、５は接合材、６は接合用電極、７は一対の容量形成電極のうちの他方である第一電極、８は絶縁基体、９は半導体素子、１０は封止樹脂、１１は配線導体である。

可撓性基板１は例えばアルミナセラミックス等の絶縁物から成り、アルミナセラミックスの場合は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）やシリカ（ＳｉＯ_２）、カルシア（ＣａＯ）、マグネシア（ＭｇＯ）等の原料粉末に適当な有機溶剤、溶媒を添加混合して泥状と成し、これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等によりシート状に形成してセラミックグリーンシートを得る。その後、セラミックグリーンシートを必要に応じて複数枚積層し、約１６００℃の温度で焼成する。そして、研削加工法にて表面加工を施し、基板厚みと表面粗さを所定寸法に制御した可撓性基板１を得る。

枠体２は、例えばアルミナセラミックス等の絶縁物から成り、アルミナセラミックスの場合は可撓性基板１の一方主面にスクリーン印刷法、真空蒸着法、スパッタリング法等の技術を用いて形成される。材質としては、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）セラミックスのようなセラミック材質が一般的にヒステリシスが発生し難いので好ましい。

また、可撓性基板１の一方主面に感光性のフィルムレジストをコートし、第二電極３、接合用シールリング４を形成する部分に高精度ブラスト加工を施して可撓性基板１の一部を除去し、可撓性基板１に一体化した枠体２を形成してもよい。

好ましくは、枠体２の内周面と外周面との間の間隔を可撓性基板１に向かうに伴って漸次大きくするのがよい。これにより、可撓性基板１が圧力を受けて変形したときにもっとも応力を受けやすい可撓性基板１と枠体２との取着部の応力をより分散することができ、応力によってヒステリシスが生じるのをより低減できる。

第二電極３は、可撓性基板１として例えばセラミック基板を用いる場合、セラミック基板との密着がよいチタン（Ｔｉ）等の密着金属層、白金（Ｐｔ）等の拡散防止層、金（Ａｕ）等の主導体層の順番で蒸着して形成する。なお、第二電極３は、拡散防止層や主導体層を形成せず、ＴｉのみもしくはＴｉ−Ｐｔ合金のみで形成しても良い。

ここで、各金属層の総膜厚、つまり第二電極３の厚みは、膜の応力を低減するために、１ｕｍ以下が望ましい。その加工方法は真空蒸着法、スパッタリング法等の薄膜形成技術を用いて形成するのが、加工温度による可撓性基板１の変形等が発生しないので好ましい。また、第二電極３は、後述する第一電極７とともに静電容量を形成するためのものであり、例えば略円形パターンに形成されている。

この第二電極３は、枠体２と可撓性基板１との間に形成された薄膜配線によって可撓性基板１の外周部に引き出される。そしてこの薄膜配線に、絶縁基体１と可撓性基板１とを接合材５を介して気密に接合するための接合用シールリング４が接合され、このシールリング４が絶縁基体８の上面に形成された配線導体１１の一部から成る接合用電極６に、ろう材などの導電性の接合材５を介して接合される。これにより、第二電極３は接合用電極６および配線導体１１によって半導体素子９と電気的に接合される。

なお、シールリング４は絶縁基体８の上面に形成されていてもよく、またはシールリング４を用いなくてもよい。また、第ニ電極３と接続用電極６との電気的な接続は、枠体２の側面に側面導体を形成したり、溝の内面に導体を形成してなるキャスタレーション導体を形成したりすることによって、この側面導体やキャスタレーション導体を介して行なうこともできる。この場合、接合材５は導電性のものでなくてもよい。

絶縁基体８は、下面中央部に半導体素子９を収容するための凹部を有する酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、ガラス‐セラミック等のセラミックス材料から成る略四角形状の積層体であり、タングステンやモリブデン、銅、銀等の金属粉末から成り、タングステン等の金属粉末に適当な有機バインダ、溶剤、可塑剤、分散材を添加混合して得たメタライズペーストを従来周知のスクリーン印刷法を採用して複数のセラミックグリーンシートに印刷塗布し、それを積層するとともに約１６００℃で焼成することによって形成される。

絶縁基体８の上面には第一電極７が形成されている。第一電極７は、絶縁基体８として例えばセラミック基体を用いる場合、セラミック基体との密着がよいチタン（Ｔｉ）等のを密着金属層、白金（Ｐｔ）等の拡散防止層、金（Ａｕ）等の主導体層の順番で蒸着して形成する。なお、第一電極７は、拡散防止層や主導体層を形成せず、ＴｉのみもしくはＴｉ−Ｐｔ合金のみで形成しても良い。

ここで、各金属層の総膜厚、つまり第一電極７の厚みは、膜の応力を低減するために、１ｕｍ以下が望ましい。その加工方法は真空蒸着法、スパッタリング法等の薄膜形成技術を用いて形成するのが、加工温度による絶縁基体８の変形等が発生しないので好ましい。

可撓性基板１上に第２電極３および枠体２を形成後、絶縁基体８と半田等の接合材５を用いて接合することで、本発明の圧力センサとなる。接合材５は例えば、ＡｕＳｎ合金のプリホームを用いて絶縁基体８の接合用電極６と可撓性基板１の接合用シールリング４とを所定の温度加熱を行い接合する。接合材５は、第二電極３の薄膜金属に悪影響を与えない５００度以下で溶融する材料が好ましい。

また、枠体２は、アルミナセラミックス等のセラミックスからなり、可撓性基板１に接合するか、または可撓性基板１と一体に形成してもよい。好ましくは、可撓性基板１の一主面に真空蒸着法、スパッタリング法等の薄膜形成技術を用いて枠体２を形成するのがよい。これにより、形成温度を５００度以下の温度で加工できるため可撓性基板１が変形しにくく、高精度の圧力センサとすることができる。

さらに好ましくは、枠体２の厚みは５〜１０μｍがよい。厚みが、５μｍ未満となると導電性異物による電極間短絡が発生する傾向がある。厚みが、１０μｍ以上となると枠体２を形成した残留応力で可撓性基板１が変形しやすい傾向がある。

さらに好ましくは、図２のように接合用電極６のすべてを枠体２の外側に形成するのが良い。これにより、枠体２の下面を絶縁基体８上に直接接触させることができ、接合用電極６の金属膜によるヒステリシスの影響を受けなくなるので、よりヒステリシスの影響の小さい高精度の圧力センサとすることができる。

さらに好ましくは、枠体２と可撓性基板１とを一体で形成し、枠体２の下面を絶縁基体８上に直接接触させたことから、可撓性基板１が圧力を受けて変形したときにもっとも応力を受けやすい可撓性基板１と枠体２との接触界面を無くして応力を分散することができる。さらに、枠体２の下面を絶縁基体８上に直接接触させることによって、枠体２と絶縁基体８との間に他の部材を介す必要がない。つまり、従来のように可撓性基板１と絶縁基体８とを接合するためにそれらの間に接合材や接合用の電極を設ける必要がなく、接合材や接合用の電極等のヒステリシスが生じる因子を減少させてヒステリシスの低減をより効果的に行なうことができる。

また、可撓性基板１を接合した絶縁基体８に、その下面中央部に形成された凹部の底面中央に半導体素子９を搭載し電気的に接続した後、凹部を例えばエポキシ樹脂等の封止樹脂１０を充填して半導体素子９を封止することで、ヒステリシスを低減した高精度の圧力センサとなる。

以上のように本発明の圧力センサによれば、可撓性基板１は、セラミックからなる枠体２から外側に突出した外周部で全周にわたって絶縁基体８の上面に接合材５を介して接合していることから、ヒステリシスが低減された圧力センサを提供することができる。

また、研磨した可撓性基板１の一方主面に薄膜形成技術を用いて枠体２を形成し、絶縁板の一方主面に薄膜形成技術を用いて第二電極３を形成することにより製造工程中での高温による熱変形や熱衝撃を受けることがなくなることから、静電容量のばらつきが低減するのでヒステリシスのばらつきが低減された圧力センサを提供することができる。

また、本発明の圧力センサは、枠体２を絶縁基体８の上面に接合または一体化し、枠体２の上面が可撓性基板１の下面と接触するようにしてもよい。

さらには、枠体２の上下面ともに、それぞれ絶縁基体８および可撓性基板１と接触するようにしてもよい。

なお、本発明は上記最良の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことは何等差し支えない。例えば、可撓性基板１や枠体２はアルミナセラミックでなくても窒化アルミニウム、ムライト、ガラス‐セラミックス等のセラミック材料でも何等差し支えない。

本発明の圧力センサの実施形態の一例を示す断面図である。 本発明の圧力センサの実施形態の他の一例を示す断面図である。 従来の圧力センサの実施形態の一例を示す断面図である。

符号の説明

１：可撓性基板
２：枠体
３：第二電極
５：接合材
７：第一電極
８：絶縁基体
９：半導体素子
１１：配線導体

Claims (9)

1. 絶縁基体の上面に枠体を介して可撓性基板を載置させ、前記枠体の内側に位置する前記絶縁基体の上面と前記可撓性基板の下面に、絶縁基体−可撓性基板間の間隙を介して対向する一対の容量形成電極を形成してなる圧力センサであって、前記絶縁基体及び前記可撓性基板の外周部を前記枠体の外周面よりも外方に延出させるとともに、該延出部同士をその全周にわたって環状の接合材で接合したことを特徴とする圧力センサ。
2. 前記枠体と前記可撓性基板とを一体で形成し、前記枠体の下面を前記絶縁基体上に直接接触させたことを特徴とする請求項1に記載の圧力センサ。
3. 前記枠体の内周面と外周面との間の間隔を前記可撓性基板に向かうに伴って漸次大きくしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧力センサ。
4. 前記絶縁基体の下面に、前記絶縁基体内の配線導体を介して前記一対の容量形成電極に電気的に接続される半導体素子が搭載されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の圧力センサ。
5. 前記絶縁基体の下面に凹部が形成されており、該凹部内に、前記絶縁基体内の配線導体を介して前記一対の容量形成電極に電気的に接続される半導体素子が収容されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の圧力センサ。
6. 前記半導体素子が封止樹脂で被覆されていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の圧力センサ。
7. 前記絶縁基体の下面に、前記凹部の開口部を塞ぐ蓋体が取着されていることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の圧力センサ。
8. 前記枠体が、前記絶縁基体の上面もしくは前記可撓性基板の下面に対し薄膜手法にて形成された被膜から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項７に記載の圧力センサ。
9. 前記接合材がろう材から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の圧力センサ。

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