JP2014106095A - Pressure sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧力検出用のダイヤフラムを有する金属ステムにセンサチップを接合してなる圧力センサに関し、特に、20〜300MPa程度の高圧を検出する高圧センサに適用されると好適である。 The present invention relates to a pressure sensor formed by joining a sensor chip to a metal stem having a pressure detection diaphragm, and is particularly suitable when applied to a high pressure sensor that detects a high pressure of about 20 to 300 MPa.
従来より、この種の圧力センサとしては、圧力検出用のダイヤフラムを有する金属ステムと、ダイヤフラム上に設けられた接合ガラスと、ダイヤフラムの歪みを検出する素子であって、接合ガラスを介してダイヤフラムに接合されたセンサチップとを備えるものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, this type of pressure sensor includes a metal stem having a pressure detection diaphragm, a bonding glass provided on the diaphragm, and an element for detecting distortion of the diaphragm. One having a bonded sensor chip has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
このような圧力センサは、ダイヤフラム上にタブレット状の接合ガラスを介してセンサチップを配置し、接合ガラスを焼成することにより、接合ガラスを介してダイヤフラムにセンサチップを接合することで製造される。 Such a pressure sensor is manufactured by arranging a sensor chip on a diaphragm via a tablet-like bonding glass and firing the bonding glass to bond the sensor chip to the diaphragm via the bonding glass.
しかしながら、上記圧力センサでは、接合ガラスを焼成することでダイヤフラムとセンサチップとが接合されるため、接合ガラス内にボイド(気泡)が形成される。この場合、接合ガラス内に形成されたボイドが大きいと、外部環境が変化したときに金属ステムから接合ガラスに印加される熱応力により、ボイドを起点として接合ガラスやセンサチップに亀裂が発生したり、接合ガラスやセンサチップが破壊されたりするという問題がある。 However, in the pressure sensor, since the diaphragm and the sensor chip are bonded by baking the bonding glass, voids (bubbles) are formed in the bonding glass. In this case, if the voids formed in the bonded glass are large, cracks may occur in the bonded glass or sensor chip starting from the voids due to the thermal stress applied to the bonded glass from the metal stem when the external environment changes. There is a problem that the bonding glass and the sensor chip are destroyed.
本発明は上記点に鑑みて、接合ガラスおよびセンサチップに亀裂が発生したり、接合ガラスおよびセンサチップが破壊されたりすることを抑制できる圧力センサを提供することを目的とする。 In view of the above points, an object of the present invention is to provide a pressure sensor that can suppress cracks in the bonded glass and the sensor chip, or breakage of the bonded glass and the sensor chip.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、圧力検出用のダイヤフラム(11)を有する金属ステム(10)と、ダイヤフラム上に設けられた接合ガラス(50)と、ダイヤフラムに接合ガラスを介して接合され、ダイヤフラムの歪みに応じたセンサ信号を出力するセンサチップ(40)と、を備え、以下の点を特徴としている。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a metal stem (10) having a pressure detection diaphragm (11), a bonding glass (50) provided on the diaphragm, and a bonding glass on the diaphragm. And a sensor chip (40) that outputs a sensor signal corresponding to the distortion of the diaphragm, and has the following features.
すなわち、センサチップの厚さは50μm以上とされており、接合ガラスの厚さをT[μm]、接合ガラス中に存在するボイド(51)の最大直径をR[μm]としたとき、1≦T/Rであることを特徴としている。 That is, when the thickness of the sensor chip is 50 μm or more, the thickness of the bonding glass is T [μm], and the maximum diameter of the void (51) existing in the bonding glass is R [μm], 1 ≦ It is characterized by T / R.
これによれば、接合ガラスおよびセンサチップに亀裂が発生したり、接合ガラスおよびセンサチップが破壊されたりすることを抑制できる(図3参照)。 According to this, it can suppress that a crack generate | occur | produces in joining glass and a sensor chip, or destruction of joining glass and a sensor chip (refer FIG. 3).
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each means described in this column and the claim shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, parts that are the same or equivalent to each other will be described with the same reference numerals.
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態の圧力センサは、例えば、自動車において燃料やブレーキ油の圧力を検出するために搭載され、20〜300MPa程度の高圧を検出する高圧センサとして用いられると好適である。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the pressure sensor of the present embodiment is preferably used, for example, as a high-pressure sensor that is mounted to detect the pressure of fuel or brake oil in an automobile and detects a high pressure of about 20 to 300 MPa.
図1に示されるように、金属ステム10は、SUS430のようなステンレス鋼等で構成される有底筒状とされ、底面にて薄肉のダイヤフラム11が構成されていると共に、ダイヤフラム11と反対側の他端部が中空の開口部12とされている。また、開口部12側には、ダイヤフラム11側に比べて外周径が大きい段付部13が形成されている。そして、この金属ステム10は、具体的には後述するが、ネジ部材20がハウジング30とネジ結合されることによって固定されている。
As shown in FIG. 1, the
金属ステム10のダイヤフラム11の表面には、図1および図2に示されるように、半導体基板を用いて構成されるセンサチップ40が接合ガラス50を介して接合されている。この接合ガラス50は、ガラスとフィラーの混合粒子からなるタブレット状のガラスが焼成されて構成されるものであり、内部にボイド(気泡)51が存在している。
As shown in FIGS. 1 and 2, a
センサチップ40は、開口部12から金属ステム10の内部に導入された圧力媒体の圧力によってダイヤフラム11が変形したときに発生する歪みを検出するものである。具体的には、センサチップ40には、ダイヤフラム11の歪みに応じたセンサ信号を出力する歪ゲージ41が形成されている。
The
ハウジング30は、図1に示されるように、被取付対象となる燃料パイプに直接取り付けられるもので、外周面に取付用のネジ31が形成されている。また、ハウジング30の内部には、金属ステム10の開口部12と連通する圧力導入通路32が形成されており、この圧力導入通路32により、ハウジング30が上記燃料パイプに取り付けられたときに上記燃料パイプ内と連通して、金属ステム10内へ圧力媒体が導入できるようになっている。
As shown in FIG. 1, the
ネジ部材20は、金属ステム10の外周を覆う円筒形状とされ、その外周面に雄ネジ部21が形成されている。また、ハウジング30のうち雄ネジ部21と対応する部位には、雄ネジ部21に対応した形状の雌ネジ部33が形成されている。そして、これら両ネジ部21、33がネジ結合されている。
The
これにより、金属ステム10の段付部13には、ネジ部材20からの押圧力が印加され、金属ステム10がハウジング30に押圧固定される。また、この押圧力により、開口部12と圧力導入通路32との連通部、即ち、金属ステム10の開口部12側とハウジング30の圧力導入通路32側との境界部がシールされる。
Thereby, the pressing force from the
また、ネジ部材20には、ハウジング30内におけるセンサチップ40を囲むように、回路基板であるセラミック基板60が接着、固定されている。そして、このセラミック基板60上には信号処理回路等が形成されたICチップ61等が配置され、セラミック基板60とICチップ61とがボンディングワイヤ63を介して電気的に接続されている。
Further, a
また、セラミック基板60とセンサチップ40とは、ボンディングワイヤ64によって電気的に接続されている。そして、コネクタターミナル70へ電気的接続するためのピン65が、銀ろう等にてセラミック基板60に接合されている。
Further, the
コネクタターミナル70は、ターミナル71が樹脂72にインサート成形されたアッシー(ASSY)である。そして、ターミナル71とセラミック基板60とはピン65を介して電気的に接続されている。これにより、センサチップ40からの出力は、ボンディングワイヤ64からピン65を介してターミナル71へ伝達され、ターミナル71を介して自動車のECU等に配線部材を介して伝達される。
The
また、コネクタターミナル70は、コネクタケース80の下面に押圧されることでネジ部材20に押し付けられて固定保持されている。なお、ターミナル71は、図1では1本示されているが、実際には、入力用、出力用等の複数本が備えられている。
In addition, the
コネクタケース80は、コネクタターミナル70の外形を成すもので、Oリング90を介してハウジング30の一端側(圧力導入通路32の他端側)の開口部に挿入され、ハウジング30の開口端をかしめることで一体化される。つまり、コネクタケース80は、ハウジング30に組みつけられるパッケージを構成するものであり、パッケージ内部のセンサチップ40や電気的接続部等を湿気や機械的外力より保護する機能を果たすものである。なお、コネクタケース80は、加水分解性の高いPPS(ポリフェニレンサルファイド)等が用いられる。
The
以上が本実施形態における圧力センサの基本的な構成である。次に、接合ガラス50の詳細な構成について図3を参照しつつ説明する。
The above is the basic configuration of the pressure sensor in the present embodiment. Next, a detailed configuration of the
なお、図3では、接合ガラス50の厚さをT、接合ガラス50内のボイド51の最大直径をRとしている(図2参照)。サイクル数は、圧力センサの外部環境を−40℃から250℃に変化させた後に−40℃に戻したときを1サイクルとしている。また、図3では、センサチップ40として100μmの厚さのものを用い、接合ガラス50として、ガラス粒子にフィラー粒子が混入され、ガラスとフィラーの混合粒子の平均粒度(D50)が1〜5μm、最大粒度(D99)が20μm以下のものを用いている。
In FIG. 3, the thickness of the
図3に示されるように、T/Rが1.0より大きい場合(実施例1〜13)には、外部環境を200サイクル変化させても、接合ガラス50およびセンサチップ40に亀裂が発生しておらず、また接合ガラス50およびセンサチップ40が破壊されていないことが確認される。しかしながら、T/Rが0.9の場合(比較例1)には、外部環境を40サイクル変化させたときにセンサチップ40に亀裂が発生し、T/Rが0.7の場合(比較例2)には、外部環境を10サイクル変化させたときにセンサチップ40に亀裂が発生すると共に接合ガラス50の一部が破壊されたことが確認される。そして、T/Rが小さくなるにつれて(比較例3〜5)、少ないサイクル数でセンサチップ40や接合ガラス50が破壊されることが確認される。
As shown in FIG. 3, when T / R is larger than 1.0 (Examples 1 to 13), cracks occur in the
このため、本実施形態では、T/Rが1以上とされている。また、接合ガラス50は、ダイヤフラム11とセンサチップ40との間に配置されており、厚すぎるとダイヤフラム11に印加された圧力がセンサチップ40に伝達され難くなる。言い換えると、接合ガラス50が厚すぎると感度が悪くなる。このため、接合ガラス50の厚さは300μm以下であることが好ましい。
For this reason, in this embodiment, T / R is set to 1 or more. Further, the
さらに、図4に示されるように、センサチップ40は、厚さが40μmの場合には破壊されるが、50μmの場合には破壊されないことが確認される。これは、センサチップ40が薄すぎると金属ステム10から印加される応力に耐えることができないためである。
Furthermore, as shown in FIG. 4, it is confirmed that the
したがって、センサチップ40は厚さが50μm以上であることが好ましい。なお、図4は、外部環境を最大で200サイクル変化させたときの結果である。
Therefore, the
以上より、本実施形態では、1≦T/Rであり、かつ接合ガラス50の厚さが50μm以上であって300μm以下とされている。
From the above, in this embodiment, 1 ≦ T / R, and the thickness of the
なお、このような圧力センサは、ダイヤフラム11上にタブレット状の接合ガラス50を介してセンサチップ40を配置し、T/Rが1以上となるように適宜焼成温度を調整する以外は、従来と同様の製造方法により製造される。
Such a pressure sensor is different from the conventional one except that the
以上説明したように、本実施形態では、接合ガラス50の厚さをTとし、ボイド51の最大直径をRとしたとき、T/Rを1以上としている。これにより、接合ガラス50およびセンサチップ40に亀裂が発生したり、接合ガラス50およびセンサチップ40が破壊されたりすることを抑制できる(図3参照)。
As described above, in this embodiment, when the thickness of the
(他の実施形態)
上記第1実施形態において、金属ステム10とネジ部材20とを一体化してもよいし、金属ステム10、ネジ部材20、ハウジング30とを一体化してもよい。
(Other embodiments)
In the first embodiment, the
なお、上記第1実施形態では、金属ステム10としてSUS430のようなステンレス鋼等を用い、接合ガラス50としてガラス粒子にフィラー粒子が混入され、ガラスとフィラーの混合粒子の平均粒度(D50)が1〜5μm、最大粒度(D99)が20μm以下のものを用いた例について説明した。しかしながら、金属ステム10としてS45Cのような炭素鋼、モリブデン鋼のような特殊鋼、コバール(商品名)のようなニッケルコバルト合金等を用い、接合ガラス50としてフィラー粒子を有さないものを用いても、T/Rを1以上とすることにより同様の効果を得ることができる。また、ガラスとフィラーの混合粒子の平均粒度(D50)が5μm、最大粒度(D99)が20μmより大きいものを用いても、T/Rを1以上とすることにより同様の効果を得ることができる。つまり、本発明は、金属ステム10を構成する材料や接合ガラス50を構成する材料によらず、T/Rを1以上とすることにより、接合ガラス50およびセンサチップ40に亀裂が発生したり、接合ガラス50およびセンサチップ40が破壊されたりすることを抑制できる。
In the first embodiment, stainless steel such as SUS430 is used as the
10 金属ステム
11 ダイヤフラム
40 センサチップ
50 接合ガラス
51 ボイド
10
Claims (3)
前記ダイヤフラム上に設けられた接合ガラス(50)と、
前記ダイヤフラムに前記接合ガラスを介して接合され、前記ダイヤフラムの歪みに応じたセンサ信号を出力するセンサチップ(40)と、を備え、
前記センサチップの厚さは50μm以上とされており、
前記接合ガラスの厚さをT[μm]、前記接合ガラス中に存在するボイド(51)の最大直径をR[μm]としたとき、1≦T/Rであることを特徴とする圧力センサ。 A metal stem (10) having a diaphragm (11) for pressure detection;
Bonded glass (50) provided on the diaphragm;
A sensor chip (40) that is bonded to the diaphragm via the bonding glass and outputs a sensor signal corresponding to the distortion of the diaphragm;
The thickness of the sensor chip is 50 μm or more,
A pressure sensor, wherein 1 ≦ T / R, where T is a thickness of the bonding glass and R is a maximum diameter of a void (51) existing in the bonding glass.
The bonding glass is obtained by mixing filler particles into glass particles, the average particle size [D50] of the mixed particles of glass and filler is 1 to 5 μm, and the maximum particle size [D99] is 20 μm or less. The pressure sensor according to claim 1 or 2.
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