JP2008128679A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数を削減することで小型化および低コスト化を図った圧力センサを提供する。
【解決手段】圧力センサＡは、弾性を有する材料により３次元立体配線基板の製造技術を用いて形成されたセンサ本体１を備える。センサ本体１は、下面の中央部に凹部２ａが形成されたボディ２と、ボディ２の上面に突設された圧力導入管３とを一体に備えている。圧力導入管３の中心の圧力導入用孔４は凹部２ａの天井部付近まで形成され、その底部には薄膜部５が形成されている。薄膜部５の表面（下面）には、金属めっき層からなる櫛歯状の第１電極パターン７ａと第２電極パターン７ｂとが形成されており、両電極パターン７ａ，７ｂは互いに隙間を空けた状態で対向配置されている。流体の圧力変化に応じて薄膜部５が変形すると、両電極パターン７ａ，７ｂ間の隙間が変化するので、両電極パターン７ａ，７ｂ間の静電容量の変化から圧力変化を検出することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力センサに関するものである。

従来、圧力に応じて変形するダイアフラムが形成されたシリコン基板とガラス基板とを接合し、両基板に電極を設け、電極間の静電容量の変化から、ダイアフラムの変形量（すなわち圧力）を検出するようにした静電容量型の圧力センサが提供されている。

また従来、圧力の検出部にピエゾ抵抗素子を用いた圧力センサも提供されており、図５にピエゾ抵抗素子を用いた圧力センサの概略断面図を示す。

この圧力センサは、リード３２がインサート成形された樹脂成型品からなる本体３１を備えている。この本体３１は、後述するセンサチップ３３を収納する収納室３１ａを下面に備えるともに、圧力導入管３５が上面に突設されており、圧力導入管３５には収納室３１ａに連通する圧力導入用孔３６が貫設されている。

センサチップ３３は、例えばｎ型（またはｐ型）のシリコン基板の一面をエッチングして凹所３３ａを設けることによりダイアフラム３４を形成してあり、このダイアフラム３４にｐ型（またはｎ型）の拡散層を形成することによって、ピエゾ抵抗効果を有する拡散抵抗を形成し、この拡散型ゲージにより圧力の検出部を構成している。そして、このセンサチップ３３は、圧力導入用孔３６を塞ぐようにして収納室３１ａ内に固着されており、センサチップ３３の電極（図示せず）と、収納室３１ａ内に延長形成されたリード３２とが図示しないボンディングワイヤを介して電気的に接続されている。

また圧力導入管３５は、圧力センサに流体を導く検出用配管４０内に挿入されて、圧力導入用孔３６内に流体が導入されるようになっており、圧力導入管３５と検出用配管４０との間の隙間は、圧力導入管３５の外周面のＯリング溝３７内に嵌め込まれたＯリング３８によってシールされている。
特開平８−９４４６８号公報（段落番号［００１１］、及び、第１図）

上述の圧力センサでは、リード３２がインサート成形された樹脂成型品からなる本体３１に、センサチップ３３を固定するとともに、流体をシールするＯリング３８を圧力導入管３５に取り付けており、部品点数が多いために、圧力センサのコスト高や大型化を招くという問題があった。

本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、部品点数を削減することで小型化および低コスト化を図った圧力センサを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、弾性を有する材料により３次元立体配線基板の製造技術を用いて形成され、検出対象の流体が導入される圧力導入用孔が形成されるとともに、当該圧力導入用孔の底部に薄膜部が形成されたセンサ本体と、当該センサ本体の表面に形成され圧力変化に応じて発生する薄膜部の変形を電気信号に変換する圧力検出部とを備えて成ることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、圧力検出部は、薄膜部における圧力導入用孔と反対側の面に、互いに隙間を空けた状態で対向するように形成された第１電極パターンおよび第２電極パターンを有し、圧力変化を両電極パターン間の静電容量変化として検出することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、センサ本体において両電極パターンが形成された一面に、両電極パターンにそれぞれ電気的に接続される回路パターンを形成したことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１乃至３の何れか１つの発明において、圧力導入用孔を有する圧力導入管をセンサ本体に設けるとともに、圧力導入管の外表面に、当該圧力導入管が挿入される検出用配管の内面と弾接することによって検出用配管の内面との隙間をシールする突出部を設けたことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、センサ本体が、弾性を有する材料により３次元立体配線基板の製造技術を用いて形成されており、このセンサ本体には、圧力導入用孔の底部に薄膜部が一体に形成されるとともに、薄膜部の変形を電気信号に変換する圧力検出部が設けられているので、圧力センサの部品点数を少なくでき、小型で低コストの圧力センサを実現できるという効果がある。

請求項２の発明によれば、流体の圧力変化に応じて薄膜部が変形すると、第１電極パターンと第２電極パターンとの隙間が変化して、両電極パターン間の静電容量が変化するので、この静電容量値の変化から流体の圧力変化を検出することができる。またセンサ本体の材料に導電性を有する材料、例えばシリコンを使用する場合は、両電極パターンとセンサ本体との間に絶縁層を形成する必要があるため、センサ本体の材料には絶縁性の材料を使用することが好ましく、その場合、圧力検出部としてピエゾ抵抗を使用することができないが、請求項２の発明によれば、両電極パターン間の静電容量の変化から流体の圧力変化を検出することができる。しかも、静電容量型の圧力検出部はゲージ抵抗を用いる場合に比べて高感度であり、流体の圧力を精度良く検出できるという効果もある。

請求項３の発明によれば、センサ本体において両電極パターンが形成された面に回路パターンを形成しており、両電極パターンを形成する工程で回路パターンの形成が行えるので、製造工程を減らして、製造コストの低減を図ることができるという効果がある。

請求項４の発明によれば、圧力導入管の外表面に設けた突出部が、圧力導入管と検出用配管との間の隙間をシールする機能を有しているので、シール部材を別途設ける必要が無く、部品点数をさらに削減できるという効果がある。

以下に本発明に係る圧力センサの一実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。

図１（ａ）は圧力センサＡの要部断面図であり、この圧力センサＡは弾性及び絶縁性を有する材料（例えばポリイミドのような樹脂材料）により、後述する３次元立体配線基板の製造技術を用いて形成されたセンサ本体１を備えている。

このセンサ本体１は、下面の中央部に凹部２ａが形成された直方体状のボディ２と、ボディ２の上面に突設された圧力導入管３とを一体に備えている。圧力導入管３は中空円筒状であって、中心に圧力導入用孔４が形成されている。この圧力導入用孔４は凹部２ａの天井部付近まで形成されており、圧力導入用孔４の底部には薄膜部（ダイアフラム）５が形成されている。

図１（ｂ）は、同図（ａ）のＢ部を下側から見た要部拡大図であり、薄膜部５の表面（圧力導入用孔４と反対側の面）には櫛歯状の第１電極パターン７ａと第２電極パターン７ｂとが形成されている。両電極パターン７ａ，７ｂは薄膜部５の表面に形成された金属めっき層からなり、互いに隙間を空けた状態で対向するように配置されている。また、センサ本体１において両電極パターン７ａ，７ｂが形成された面には、両電極パターン７ａ，７ｂにそれぞれ電気的に接続される金属めっき層からなる回路パターン８ａ，８ｂが形成されている。各回路パターン８ａ，８ｂは、凹部２ａの両側の段部２ｂ，２ｂを通って左右の両側面までそれぞれ形成されており、回路パターン８ａ，８ｂにおいて段部２ｂ，２ｂに形成された部位が実装基板（図示せず）に半田付けするための端子部となっている。

また圧力導入管３は、外部から検出対象の流体を圧力導入管３に導入するための検出用配管４０の内部に挿入されるようになっており、圧力導入管３の外周面には検出用配管４０の内面に弾接して、検出用配管４０との間の隙間をシールする突出部６が圧力導入管３と一体に形成されている。

本実施形態の圧力センサＡは以上のような構成を有しており、圧力導入用孔４内に導入された流体の圧力が変化すると、圧力変化に応じて薄膜部５が変形し、それに応じて第１電極パターン７ａと第２電極パターン７ｂの間隔が変化するので、両電極パターン７ａ，７ｂ間の静電容量の変化から流体の圧力変化を検出することができる。なお、センサ本体１の材料に導電性を有する材料、例えばシリコンを使用する場合は、両電極パターン７ａ，７ｂとセンサ本体１との間に絶縁層を形成する必要があるため、センサ本体１の材料には絶縁性の材料を使用することが好ましく、その場合、圧力検出部としてピエゾ抵抗を使用することができないが、本実施形態では第１電極パターン７ａと第２電極パターン７ｂとで構成される静電容量型の圧力検出部を用いているので、両電極パターン７ａ，７ｂ間の静電容量の変化から流体の圧力変化を検出することができる。しかも、静電容量型の圧力検出部はゲージ抵抗を用いる場合に比べて高感度であり、流体の圧力を精度良く検出することができる。

また、圧力センサＡのセンサ本体１は、弾性を有する材料により３次元立体配線基板の製造技術を用いて形成されており、このセンサ本体１には、圧力導入用孔４の底部に薄膜部５が一体に形成されるとともに、薄膜部５の変形を電気信号に変換する圧力検出部として第１電極パターン７ａ及び第２電極パターン７ｂが形成されているので、圧力センサＡの部品点数を少なくでき、小型で低コストの圧力センサＡを実現することができる。しかも、圧力導入管３の外表面に設けた突出部６が、圧力導入管３と検出用配管４０との間の隙間をシールする機能を有しているので、Ｏリングなどのシール部材を別途設ける必要が無く、部品点数をさらに削減できる。なお突出部６によるシール性を高めるためには、センサ本体１の材料に弾性係数の大きいゴムなどの材料を用いることも好ましい。

また更に、センサ本体１において両電極パターン７ａ，７ｂが形成された面に回路パターン８ａ，８ｂを形成しており、両回路パターン８ａ，８ｂを形成する工程で回路パターン８ａ，８ｂを同時に形成することができるので、製造工程を減らして、製造コストの低減を図ることができる。

なお本実施形態の圧力センサＡでは、センサ本体１を弾性および絶縁性を有する材料から形成しているが、センサ本体１を弾性および導電性を有する金属材料により形成しても良く、その場合にはセンサ本体１と、導体パターン７ａ，７ｂおよび回路パターン８ａ，８ｂの間にポリイミドなどからなる絶縁層を形成する必要があり、このような絶縁層はセンサ本体１の表面に蒸着あるいは塗布などの方法で形成することができる。

ところで、上述のセンサ本体１は３次元立体回路基板の製造技術を用いて形成されるのであるが、その製造技術について図２〜図４を参照して説明する。尚、以下の説明ではセンサ本体１を弾性および導電性を有する金属材料により形成する場合について説明を行う。

図２は３次元立体回路基板の製造方法の概要を示すフローである。３次元立体回路基板は、窒化アルミニウム粉体材料を成形して焼結する窒化アルミニウム基板２１の準備工程（Ｓ１）、窒化アルミニウム基板２１を加熱してその表面を酸化処理して酸化層２２（絶縁層）を形成する酸化層形成工程（Ｓ２）、酸化層２２の上にスパッタリング、蒸着、イオンプレーティングなどの物理蒸着法による導電性薄膜２３の成膜を行うメタライズ処理工程（Ｓ３）、高エネルギービーム（本実施形態ではレーザビーム）による回路部／非回路部の分離を行うレーザ処理工程（Ｓ４）、回路部のめっきによる厚膜化を行ってめっき層２４を形成するめっき処理工程（Ｓ５）、非回路部のエッチング処理工程（Ｓ６）の各工程を順次実施することで製造される。

図３（ａ）〜（ｄ）および図４（ａ）（ｂ）は、上記各工程における３次元立体回路基板Ｃの表面処理の様子を示している。まず図３（ａ）は窒化アルミニウム基板２１の準備工程（Ｓ１）であり、窒化アルミニウム基板２１が粉末成形、焼結により形成される。窒化アルミニウム基板材の形成に用いる原料である窒化アルミニウム粉は、還元窒化法、直接窒化法、気相合成法などの方法を用いて製造される。ここにおいて基板材原料の製造方法は特に限定されない。また、窒化アルミニウムは難焼結材料であるため、イットリア（Ｙ２Ｏ３）やカルシア（ＣａＯ）などを焼結助剤として原料に添加してもよい。

そして、窒化アルミニウム粉を３次元形状に成形する方法は、通常セラミックスの成形で用いられる圧縮成形、押出成形、射出成形、テープ成形などの方法を適用することができ、所望の三次元形状のセンサ本体１を得ることができる。特に三次元形状を得るためには、射出成形が好適に用いられる。また、成形方法によっては、原料に流動性や可塑性を付与するために、有機溶剤や樹脂などの有機物を添加することもできる。

上述により原材料を成形後、必要に応じて、成形品に含まれる有機物を除去するために脱脂が行われる。この脱脂工程では、室温から６００℃程度まで徐々に温度を上げていき、成形品に含まれる有機物を溶出させる。脱脂時の雰囲気は、大気下でも窒素などの不活性ガス下でもよい。

その後、成形品を焼結することで緻密化された焼結体として３次元形状の窒化アルミニウム基板２１が得られる。この焼結工程は、雰囲気を窒素などの不活性ガスに置換し、１８００℃程度まで徐々に温度を上げて行われる。大気中などで焼結を行うと、窒化アルミニウムの粒界にアルミナが析出してしまう。そのため、焼結速度が低下するばかりではなく、窒化アルミニウム以外の成分が混入し、焼結体の熱伝導率も低下する。そこで、窒化アルミニウムの焼結は、窒素などの不活性雰囲気下で行う必要がある。なお基板２１の製造方法を上記の方法に限定する趣旨のものではなく、絶縁性を有する合成樹脂を成型して形成しても良い。

次に、図３（ｂ）は酸化層形成工程（Ｓ２）であり、上記工程（Ｓ１）で得られた窒化アルミニウム基板２１は、レーザ処理工程（Ｓ４）での高エネルギービーム照射後において高い絶縁性を維持するため、窒化アルミニウム基板２１の表面を酸化処理して酸化層２２が形成される。このとき、本発明では、後述する導電性薄膜２３における回路部２３ａおよび回路部２３ａ近傍に対応する領域、具体的には回路部２３ａに対向し且つ回路部２３ａより所定幅だけ大きい領域に酸化層２２が形成される。

酸化層２２を形成する酸化処理の方法として、例えば大気中での加熱処理が行われる。この方法では、窒化アルミニウム基板材は、室温から１０００℃まで毎時１００℃程度で昇温させた後、１０００℃で数時間〜数十時間保持され、その表面に薄膜絶縁層をなす酸化層２２が形成される。また、大気中ではなく加圧した水蒸気中で処理を行うことによって、大気中の場合と比較してより低温かつ短時間で酸化処理を行うこともできる。また、酸化層２２の形成は、加熱による酸化処理に限定されず、他の成膜方法、例えば、化学蒸着法（ＣＶＤ法）や、スパッタリング法で行ってもよい。そして、これらの方法を比較すると、膜厚管理が最も容易であるのは、大気中での加熱処理である。

次に、図３（ｃ）はメタライズ処理工程（Ｓ３）であり、例えば銅をターゲットとするスパッタリング、真空蒸着、イオンプレーティングなどの物理蒸着法（ＰＶＤ法）によって、上述の窒化アルミニウム基板２１および酸化層２２の上に導電性薄膜２３が形成される。しかし、物理蒸着法に限定されることなく化学蒸着法などの他の方法で行ってもよい。導電性薄膜２３は、銅以外に、ニッケル、金、アルミニウム、チタン、モリブデン、クロム、タングステン、スズ、鉛などの単体金属、又は黄銅、ＮｉＣｒなどの合金を用いてもよい。

図３（ｄ）はレーザ処理工程（Ｓ４）であり、導電性薄膜２３における回路部２３ａと非回路部２３ｂとの境界部分に高エネルギービーム、例えば電磁波ビームであるレーザビームが照射され、その部分の導電性薄膜２３が蒸発除去されて、その除去部２３ｃによって回路部２３ａと非回路部２３ｂとが分離され、所定の回路パターンが形成される。このとき、酸化層２２の幅は、回路部２３ａと除去部２３ｃとを併せた幅より広く、導電性薄膜２３を通過したレーザビームは必ず酸化層２２に衝突して、窒化アルミニウム基板２１の表面に直接衝突することはない。

次に、図４（ａ）はめっき処理工程（Ｓ５）であり、回路部２３ａに給電されて電流が流れ、回路部２３ａの部分が例えば電解銅めっきにより厚膜化されて、めっき層２４が形成される。このとき、非回路部２３ｂには電流が流れず、非回路部２３ｂの部分はめっきされないので、その膜厚はもとのままの薄膜の状態にある。

また、図４（ｂ）はエッチング処理工程（Ｓ６）であり、回路パターン形成面全体をエッチングすることにより、下地の酸化層２２が現れるように、非回路部２３ｂが除去されて、回路パターン（すなわち両電極パターン７ａ，７ｂと回路パターン８ａ，８ｂ）が形成された３次元回路基板が完成するのであり、このような製造技術を用いて、上述のセンサ本体１を形成することができるのである。

なお、本発明の精神と範囲に反することなしに、広範に異なる実施形態を構成することができることは明白なので、この発明は、特定の実施形態に制約されるものではない。

本実施形態の圧力センサを示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）はＢ部を下側から見た要部拡大図である。 同上の製造方法の概要を示すフロー図である。 （ａ）〜（ｄ）は同上の各工程における表面処理の様子を示す斜視図である。 （ａ）（ｂ）は同上の各工程における表面処理の様子を示す斜視図である。 従来の圧力センサの概略断面図である。

符号の説明

Ａ 圧力センサ
１ センサ本体
２ ボディ
２ａ 凹部
３ 圧力導入管
４ 圧力導入用孔
５ 薄膜部
６ 突出部
７ａ 第１電極パターン（圧力検出部）
７ｂ 第２電極パターン（圧力検出部）
８ａ，８ｂ 回路パターン

Claims (4)

1. 弾性を有する材料により３次元立体配線基板の製造技術を用いて形成され、検出対象の流体が導入される圧力導入用孔が形成されるとともに、当該圧力導入用孔の底部に薄膜部が形成されたセンサ本体と、当該センサ本体の表面に形成され圧力変化に応じて発生する前記薄膜部の変形を電気信号に変換する圧力検出部とを備えて成ることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記圧力検出部は、前記薄膜部における圧力導入用孔と反対側の面に、互いに隙間を空けた状態で対向するように形成された第１電極パターンおよび第２電極パターンを有し、圧力変化を前記両電極パターン間の静電容量変化として検出することを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
3. 前記センサ本体において前記両電極パターンが形成された一面に、前記両電極パターンにそれぞれ電気的に接続される回路パターンを形成したことを特徴とする請求項１又は２の何れか１項に記載の圧力センサ。
4. 前記圧力導入用孔を有する圧力導入管をセンサ本体に設けるとともに、圧力導入管の外表面に、当該圧力導入管が挿入される検出用配管の内面と弾接することによって検出用配管の内面との隙間をシールする突出部を設けたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の圧力センサ。

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