JP2007518108A - セラミック・オン・メタル圧力変換器 - Google Patents

Abstract

変換器装置を、変換器装置を形成するその方法も含めて開示する。金属ダイヤフラムがセラミック材料に分子的に接合可能とされ、金属ダイヤフラムのセラミック表面を形成する。ブリッジ回路が金属ダイヤフラムのセラミック表面に接続される。金属ダイヤフラムの圧力検出のためのインプット圧力ポートを設けることが可能とされ、これにおいてインプット圧力ポートは、金属ダイヤフラムに接続され、それによって金属ダイヤフラムと、ブリッジ回路と、インプット圧力ポートとを備える変換器装置を形成する。金属ダイヤフラムは、インプット圧力に溶接されるのが好ましい。金属ダイヤフラムと、そのセラミック表面は、変換器と同様、少なくとも４０℃から１５０℃の温度範囲で作動することが好ましい。変換器装置は、腐食性媒質および高温用途で使用可能な圧力変換器として機能する。

Description

本発明の実施形態は、概ね検出デバイスおよびその方法に関する。実施形態はまた、圧力変換器に関する。実施形態はさらに、圧力センサに関する。実施形態はまたさらに、セラミック・オン・メタルプロセスおよびＡＴＦ（先進厚膜）プロセスおよび技術に関する。

様々なセンサが圧力検出分野で知られている。圧力変換器は、当分野でよく知られている。圧力変換器の一例は、シリコン基板と同基板上に成長させたエピタキシャル層により形成されたデバイスとされる。次いで、基板の一部が除去され、薄い柔軟なダイヤフラム部分が残る。検出部品は、ダイヤフラム部分に置くことが可能とされ、圧力変換器を形成する。作動時には、ダイヤフラムの少なくとも１つの表面にプロセス圧力を掛けることが可能とされる。ダイヤフラムは、圧力の大きさに従って屈折し、その屈折によって付属の検出部品が屈曲する。ダイヤフラムの屈曲によって検出部品の抵抗値に変化が生じ、その変化は、検出部品によって少なくとも部分的に形成された抵抗ブリッジの出力電圧信号の変化として反映される。

圧力変換器もしくは同様のデバイス用の複合ダイヤフラムを形成する技術には、基板層に第１表面を含む第１導電率タイプを有する基板層を構成することに関わる技術がある。次いで正のインプラントを基板層の第１表面に堆積させ、エピタキシャル層を基板層の第１表面で成長させることが可能とされ、それによって、正のインプラントが正の拡散部をエピタキシャル層に形成する。次いで、酸化物パターンをエピタキシャル層に形成し、最上層をエピタキシャル層と酸化物パターンの上に堆積させることが可能とされる。基板層とエピタキシャル層の正の拡散部は、次いで食刻により、複合ダイヤフラムを形成することが可能とされる。そのような複合ダイヤフラムは、したがって、圧力センサもしくは同様デバイスにおいて使用することが可能とされる。このダイヤフラムは、窒化珪素の第１層と、窒化珪素層に付属し、シリコン材料による圧力センサパターンを備える第２層とを有する。

シリコンもしくはセラミック等の適切な材料による、薄く、比較的に柔軟なダイヤフラム部分を備え、そのダイヤフラム部分上に、選択された抵抗素子もしくは容量性プレートがプリントされ、圧力源に晒されることによってダイヤフラムが屈折され、抵抗素子の抵抗値または容量性プレートと相手方容量性プレートの間隔に変化が生じ、且つ同時に容量の変化が生じるタイプの圧力変換器は、したがって当分野ではよく知られている。

低圧力センサとして使用される場合には、安価なパッケージングにより変換器をハウジングに入れても有効なシールは得られるが、一方同時に、変換器の取付およびシーリングに関する応力の出力への影響を防止することが問題となる。その影響は、少なくとも一部には、シリコン、セラミック等、変換器の形成に使用される材料と、プラスチック等によるハウジングの間に著しい熱膨張の差があることによって生じる。従来のシーリング構成では、環状のシーリング材をハウジングの入口圧力孔周囲に置き、変換器を取り付けることによって、感圧ダイヤフラムを正確に圧力ポートに整合させる。この従来の構成は、応力絶縁問題を抱えるのみならず、パッケージ内の変換器の位置を画定する設計選択の柔軟性を制限する。

ダイヤフラムもしくはダイヤフラム部分を使用する変換器を含めて、そのような圧力変換器デバイスに関する主な問題の１つは、そのようなデバイスの腐食性および高温の用途における信頼性が無いこととされる。

したがって、腐食性媒質および高温用途で使用可能な、低コスト高精度の圧力変換器に対する需要が存在する。

本発明の以下の概要は、本発明の独自の進歩性ある特徴の一部を理解し易くするためのもので、全てを説明するものではない。本発明の様々な態様は、全明細書、特許請求の範囲、図面、および要約書を全体として把握することによって、十分な理解が達成可能とされよう。

したがって、本発明の１つの態様は、上述した従来技術の制約を克服する装置および方法を提供することである。

本発明の別の態様は、改良されたセンサ装置および方法を提供することである。

本発明のさらに別の態様は、改良された変換器装置を提供することである。

本発明のさらにまた別の態様は、セラミック・オン・メタルプロセスおよびＡＴＦ（先進厚膜）プロセスおよび技法を使用して形成可能な改良された変換器装置を提供することである。

本発明のさらに別の態様は、フレキシブル回路をブリッジ回路に接続するための改良された方法を提供することである。

本発明の上述の態様、他の目的および長所は、本明細書に記載のように達成することが可能とされる。１つの変換器装置が、同変換器装置を形成する本発明の方法を含めて開示される。金属ダイヤフラムがセラミック材料に分子的に接合されて、そのセラミック表面を形成する。ブリッジ回路が金属ダイヤフラムのセラミック表面に接続される。金属ダイヤフラムの圧力検出のためのインプット圧力ポートを次いで設けることが可能とされ、インプット圧力ポートは、金属ダイヤフラムに接続され、それによって、金属ダイヤフラム、ブリッジ回路およびインプット圧力ポートを備える変換器装置を形成する。

金属ダイヤフラムは、インプット圧力ポートに溶接とするのが好ましい。金属ダイヤフラムとそのセラミック表面は、変換器装置と同様に、少なくとも約−４０℃から１５０℃の範囲の温度で作動することが好ましい。セラミック材料は、金属ダイヤフラムに分子的に接合されて、金属ダイヤフラムのセラミック表面を形成する。金属ダイヤフラムに接合されたセラミック表面は、セラミック基板として構成されることも可能とされる。セラミック表面は、金属ダイヤフラムの防食保護材となる。ブリッジ回路は、一般に抵抗器回路網を備え、加えられた力に比例する出力を与える。ＡＳＩＣ（アプリケーションスペシフィック集積回路）、関係する回路およびＥＭＩ防護材を備えるフレキシブル回路は、信号処理、較正および補償を与える。リードフレームにプラスチックスナップを備えるスナップ・オン・コネクタ・システムおよびＺ軸導体材料は、フレキシブル回路をダイヤフラム上に位置するブリッジネットワークに接続するために利用することが可能とされる。

添付の図面において、類似の符号は各図を通して同一もしくは同様機能の要素を指し、明細書にも取り入れてその一部とする。さらに図面は、本発明を図解し、本発明の詳細な説明と相俟って、本発明の原理を説明するのに役立つ。

以下に論述する実施例における特定の数値および構成は、制限的なものではなく様々に変形可能であり、本発明の少なくとも１つの実施形態を示すために挙げるにすぎず、本発明の範囲を制限するものではない。

図１は、本発明の好適な実施形態に従って実施可能な変換器装置１００の側部断面を示す。変換器装置は、セラミック材もしくはセラミック基板１１８に分子的に接合された金属ダイヤフラム１１９を一般に含む。抵抗回路網を備えるブリッジ回路１１５を、金属ダイヤフラム１１９上に形成されたセラミック基板１１８に接合させることが可能とされる。フレキシブル回路１１２は、ＡＳＩＣ、ＥＭＩ防護材、および関係する回路構成品を備える。セラミック基板１１８は、金属ダイヤフラムに接合され、金属ダイヤフラム１１９の防食保護材となる。

フレックスストリップ１１２は、ブリッジ回路１１５をケースもしくはハウジング１０８（カバー等）およびコネクタ部１０６に接続する。フレキシブル回路は、フレキシブル回路１１２およびｚ軸導体１２８をプラスチックリードフレーム１２７で捕捉することによって電気的且つ機械的にブリッジ回路に取付け可能とされ、プラスチックリードフレーム１２７は、ｚ軸導体に嵌合し、ｚ軸導体１２８およびフレキシブル回路を所定位置に保持する。前記構成品は、導体パスがブリッジ回路からｚ軸導体を経てフレキシブル回路内に到るように整合することが可能とされる。したがって、そのような組立方法および構成によって、半田付けおよびワイヤボンディングを不要とすることができる。

金属ダイヤフラムの圧力検出のためのインプット圧力ポート１２２を設け、インプット圧力ポートを金属ダイヤフラム１１９に溶接することによって、金属ダイヤフラム、セラミック基板ブリッジ回路およびインプット圧力ポートを有する変換器装置１００が形成される。図１はさらに、圧力ポート１２２とダイヤフラム１１９の間の溶接継合を示す。また、図１にはねじ部１２３を、クリンプエッジ１２６、およびコネクタ部１０６とともに示す。ケースもしくはハウジング１０８は、前述の変換器装置１００の内部構成品を囲繞する。ハウジング１０８は、プラスチック、軽量且つ非導電性の材料等、適切な材料から形成することが可能とされる。複数の圧力ポート１２２あるいはコネクタ１０６を変換器装置１００に実装することも可能なことに留意されたい。

変換器装置１００は、低コスト且つ腐食性媒質および高温用途で使用可能な高精度の圧力変換器に対する需要を解決する。変換装置１００は、低コストで製作可能な圧力センサ設計として使用するのに適合したセラミック・オン・メタル技法によって形成可能とされる。変換器装置１００の形成に使用されるプロセスには、例えば金属ダイヤフラム１１９等の金属ダイヤフラムへのセラミック材の分子的接合と、それに次ぐ金属ダイヤフラム（即ち金属ダイヤフラムセンサ）のインプット圧力ポートへの溶接を含む。セラミック・オン・メタル設計により、高精度および作動温度範囲を約４０℃から１５０℃とする安定性が与えられる。

セラミック材は、ＡＴＦ（先進厚膜）プロセスを使用して金属ダイヤフラムに分子的に接合することが可能とされる。金属ダイヤフラムは、したがって、金属コア（即ち、金属ダイヤフラムの金属）を有し且つ該金属コア表面の少なくとも一部の上にセラミックのコーティングを有するセラミック被覆品として形成される。セラミック材は、例えば、ガラスセラミックとすることが可能とされるが、ガラスセラミックの使用は、本発明を限定する特徴とは見なされない。ガラスセラミックは、ＡＴＦプロセスによる本発明の実施が可能な一実施例として本明細書で提示するにすぎない。

ガラスセラミックコーティングは、その酸化物含有分に基づき、且つ、コーティングの総重量に、例えば、（ａ）重量比約８％から約２６％の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、（ｂ）重量比約１０％から約４９％の酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、および（ｃ）重量比約４２％から約６８％の酸化珪素（ＳｉＯ_２）を有するコーティングに基づくことが可能とされる。本明細書に記載の変換器装置１００に使用するのに適合したセラミック／ガラスは、概ね高温再焼成能力（例えば、８５０℃）を有し、且つ大気中焼成可能とされる。さらに、セラミック被覆品は、電子デバイスにおける使用に最適な熱膨張率と、高周波回路を伴う使用を可能とし且つ電子的用途における応用を拡張可能とする低誘電率とを併せて示すことが可能とされる。

さらにまた、ＡＴＦプロセスで使用されるセラミック／ガラスは、焼成後に金属基板に対して強い密着性を示し、熱応力に対する耐性がきわめて高い。それによって、本発明のセラミック被覆品から形成されたデバイスは、セラミック被覆品が電子デバイスの作動中に通常遭遇する高温に晒されたときに、デバイスのブレークダウンを回避する。この熱応力に対する耐性は、金属表面およびセラミックガラスの比較的に大きな熱膨張率と、良好な密着性を生成するためには金属およびコーティングの熱膨張率を合わせなければならないとする従来の教示に鑑みて、実に驚異的である。

このようにガラス／セラミック被覆品は、概ね金属コアを備え、該金属コア表面の少なくとも一部の上にガラスセラミックのコーティングを有する。一般的な例としてのＡＴＦは、（ａ）金属基板を酸素の存在において第１の温度で該基板表面上に幾らかの酸化物層を形成するのに十分な時間加熱するステップと、（ｂ）前記基板表面の全面または一部に、１つまたは複数の有機溶媒と、１つまたは複数の熱劣化性重合体バインダと、（ｉ）重量比約８％から約２６％のＭｇＯ、（ｉｉ）重量比約１０％から約４９％のＡｌ_２Ｏ_３、および（ｉｉｉ）重量比約４２％から約６８％のＳｉＯ_２を有する細分化された非導電性材料の仮焼された混合物とを有する懸濁液を塗布するステップとを含む。

そのようなＡＴＦプロセスには、さらに、（ｃ）ステップ（ｂ）の被覆／金属基板複合材を第２の温度で前記塗布された懸濁液から前記溶剤をほぼすべて除去するのに十分な時間加熱するステップと、（ｄ）ステップ（ｃ）の被覆／金属基板複合材を第３の温度で前記塗布された懸濁液中の前記バインダをほぼすべて劣化させるのに十分な時間加熱するステップと、（ｃ）ステップ（ｄ）の被覆／金属基板複合材を第４の温度で前記非導電性材料を焼結して金属基板の１つまたは複数の表面に接合された所定のパターンのガラス／セラミック材料を有する金属基板を備えるデバイスを形成するのに十分な時間加熱するステップとを含むことが可能とされる。

前記材料は、（酸化物ベースで）（ｉ）重量比約８％から約２６％のＭｇＯと、（ｉｉ）重量比約１０％から約４９％のＡｌ_２Ｏ_３と、（ｉｉｉ）重量比約４２％から約６８％のＳｉＯ_２と、（ｆ）前記デバイスを第５の温度で前記材料中に幾ばくか含まれる残留ガラスが再結晶するのに十分な時間加熱するステップとを概ね有することが可能とされる。

前記ＡＴＦプロセスによって、ガラス／セラミック材料を基板上の特定部位に適用する上で選択性が一層広がり、それによって変換器１００のようなデバイスの製造における自由度が一段と大きくなる。工程処理後、本明細書に開示の実施形態により、前記コーティングには、金属コアに強力に付着し且つプロセスド・インデュースド・コンポーネンツ（ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ ｉｎｄｕｃｅｄ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）の基板として適切な結晶化ガラス／セラミックを含むことが可能とされる。ＡＴＦプロセスの一例は、Ｏｂｏｏｄｉ外に１９８８年１２月２８日付交付の米国特許第４７９４０４８号「Ｃｅｒａｍｉｃ Ｃｏａｔｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」に開示されており、これを本明細書に参照により援用する。ＡＴＦプロセスの別の例は、Ｏｂｏｏｄｉ外に１９９１年３月５日付交付の米国特許第４９９７６９８号「Ｃｅｒａｍｉｃ Ｃｏａｔｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」に開示されており、これを本明細書に参照により援用する。

本明細書で発表した実施形態および実施例は、本発明とその応用を最も良く説明し、且つそれによって当業者による本発明の実施および利用を可能とするために提示したものである。しかし、当業者は、以上の記述および実施例は説明と例示のために提示されたにすぎないと認識するであろう。他にも本発明の変形および変更があることは当業者には明らかであり、付属の特許請求の範囲は、そのような変形および変更も有するものである。

ここに発表した記述は、本発明を網羅するものでも本発明の権利範囲を制限するものでもない。上述の教示に照らして、多くの変更および変形があり得るが、それらも特許請求の範囲の権利範囲から外れることはない。本発明の使用には、特性の異なる構成部品が関わり得るものと想定される。本発明の権利範囲は、付属の特許請求の範囲に定義し、あらゆる点で均等物を十分に認識したものである。本発明の、排他的所有権または権利を主張する実施形態は特許請求の範囲に定義の通りである。

本発明の好適な実施形態によって実施可能な変換器装置の平面図および側部断面図である。

Claims (20)

1. 金属ダイヤフラムであって、セラミック材料に分子的に接合されることによってセラミック表面を形成する金属ダイヤフラムと、
   前記金属ダイヤフラムの前記セラミック表面に接続されたブリッジ回路と、
   金属ダイヤフラムの圧力検出のためのインプット圧力ポートであって、前記インプット圧力ポートは、前記金属ダイヤフラムに接続され、それによって前記金属ダイヤフラムと、前記ブリッジ回路と、前記インプット圧力ポートとを備える変換器装置を形成するインプット圧力ポートとを有する変換器装置。
2. 前記金属ダイヤフラムは、前記インプット圧力ポートに溶接される請求項１に記載の装置。
3. 前記金属ダイヤフラムおよびその前記セラミック表面は、少なくとも４０℃から１５０℃の範囲の温度で作動する請求項１に記載の装置。
4. 前記セラミック材料は、前記金属ダイヤフラムに分子的に接合されて、前記金属ダイヤフラムの前記セラミック表面を形成する請求項１に記載の装置。
5. 前記金属ダイヤフラムに接合された前記セラミック表面は、セラミック基板を有する請求項１に記載の装置。
6. 前記金属ダイヤフラムに接合された前記セラミック基板は、前記金属ダイヤフラムの防食保護材となる請求項５に記載の装置。
7. 前記ブリッジ回路は、抵抗器回路網を有する請求項１に記載の装置。
8. 電気回路がＡＳＩＣおよびその関係する回路を備えるフレキシブル回路板から形成される請求項１に記載の装置。
9. 前記フレキシブル回路の一部を形成するＥＭＩ回路をさらに有する請求項８に記載の装置。
10. セラミック基板に分子的に接合された金属ダイヤフラムであって、前記金属ダイヤフラムおよび前記セラミック基板は、少なくとも４０℃から１５０℃の範囲の温度で作動する金属ダイヤフラムと、
    前記金属ダイヤフラムの前記セラミック基板に接合されて前記金属ダイヤフラムの防食保護材となるブリッジ回路と、
    前記フレキシブル回路上に構成されたＥＭＩ回路と、
    金属ダイヤフラムの圧力検出のためのインプット圧力ポートであって、前記インプット圧力ポートは、前記金属ダイヤフラムに溶接され、それによって前記金属ダイヤフラムと、前記セラミック基板ブリッジ回路と、前記インプット圧力ポートとを備える変換器装置を形成するインプット圧力ポートとを有する変換器装置。
11. 金属ダイヤフラムをセラミック材料に分子的に接合することによって金属ダイヤフラムのセラミック表面を形成するステップと、
    ブリッジ回路を前記金属ダイヤフラムの前記セラミック表面に接続するステップと、
    金属ダイヤフラムの圧力検出のためのインプット圧力ポートを設け、前記インプット圧力ポートは、前記金属ダイヤフラムに接続され、それによって前記金属ダイヤフラムと、前記ブリッジ回路と、前記インプット圧力ポートとを備える変換器装置を形成するステップとを有する変換器の形成方法。
12. ブリッジ回路を前記金属ダイヤフラムの前記セラミック表面に接続するステップは、さらに、
    前記金属ダイヤフラムを前記インプット圧力ポートに溶接するステップを有する請求項１１に記載の方法。
13. 前記金属ダイヤフラムおよびその前記セラミック表面は、少なくとも４０℃から１５０℃の範囲の温度で作動する請求項１１に記載の方法。
14. ブリッジ回路を前記金属ダイヤフラムの前記セラミック表面に接続するステップは、さらに、
    前記セラミック材料を前記金属ダイヤフラムに分子的に接合して前記金属ダイヤフラムの前記セラミック表面を形成するステップを有する請求項１１に記載の方法。
15. 前記金属ダイヤフラムに接合された前記セラミック表面は、セラミック基板を有する請求項１１に記載の方法。
16. 前記金属ダイヤフラムに接合された前記セラミック基板は、前記金属ダイヤフラムの防食保護材となる請求項１５に記載の方法。
17. 前記フレキシブル回路は、ＡＳＩＣ（アプリケーションスペシフィック集積回路）を有する請求項１１に記載の方法。
18. フレキシブル回路から前記ＡＳＩＣを形成するステップをさらに有する請求項１７に記載の方法。
19. Ｚ軸導体を設けるステップと、
    前記ブリッジ回路から、前記ｚ軸導体を経て、前記フレキシブル回路に到る導体パスを形成するステップとをさらに有する請求項１８に記載の方法。
20. 前記ブリッジ回路と、前記金属ダイヤフラムと、前記セラミック表面と、前記インプット圧力ポートとを含む、前記変換器装置が位置するハウジングを設けるステップをさらに有する請求項１１に記載の方法。

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