JP2014517923A - 圧力センサおよび圧力センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

ハウジング（２）と、当該ハウジングと共に外側に対し閉じた小室（４）を形成する膜（３）と、当該小室（４）に液状媒体（５）を充填するための注入開口部（６）とを備える圧力センサが提示される。当該注入開口部６は、はんだ封止（７）または溶接封止（８）を用いて封止されている。さらに、膜（３）と共に小室（４）を形成するハウジング（２）を準備され、当該小室に注入開口部（６）を通って液状媒体（５）を充填され、続いて当該注入開口部（６）がはんだ付けまたは溶接を用いて封止される圧力センサ（１）の製造方法を提示する。
【選択図】図１

Description

本発明は、液状媒体が満たされたハウジングを有する圧力センサに関する。さらに本発明は圧力センサの製造方法に関する。

圧力センサは、特許文献１に公開されている。

伝達媒体で満たされた公知の圧力センサは、伝達媒体を注入する注入開口部の封止を必要とする。この封止は稼働に際し長期間安定した気密シーリングを備える必要があり、通常は金属球または金属棒を嵌め合いに押し込むことによって行われる。

米国特許第３５５９４８８号

本発明のいくつかの実施形態での解決すべき課題は、圧力センサを提供することである。さらに本発明のいくつかの実施形態での解決すべき課題は、圧力センサを製造する方法を提供することである。

これらの課題は従属請求項に記載の発明で解決される。本発明の有利な実施形態および改善発明は、以下の記載と図から示される。

少なくとも１つの実施形態による圧力センサは、ハウジングを備える。さらに、この圧力センサは、好ましくはこのハウジングに固定された膜を備える。この膜は、たとえば溶接あるいははんだ付けによってハウジングに接続されてよい。好ましくは、この膜は金属を含むかまたは金属から構成されている。この膜はたとえばステンレス鋼から成っていてよい。代替として、この膜はプラスチックあるいはガラスであってもよい。この場合、この膜は、たとえばハウジングに接着されてもよい。

さらにもう１つの実施形態によれば、この膜はハウジングと共に外側に対し閉じた小室すなわち外側に対し閉じた空洞を形成している。この小室は好ましくは液状媒体で満たされている。この液状媒体には、不活性な、電導性のない液体を用いる。この液状媒体は、たとえば油であり、たとえばシリコン油またはアーモンド油であってよい。ここで、および以降では、この液状媒体は伝達媒体としても、充填媒体あるいは移動媒体すなわち移動液体とも呼称される。

さらにもう１つの実施形態によれば、この小室にはセンサ素子が配設される。このセンサ素子は、機械的測定値を取得して電気信号に変換するように機能する。たとえば、このセンサ素子はシリコン膜を有する圧電抵抗シリコンチップを備え、このシリコン膜に抵抗素子が拡散すなわちドープにより設けられている。このシリコンチップは、たとえばガラス基体またはシリコン基体の上に取り付けられてよい。圧力に依存したシリコン膜の変形と、このシリコン膜に取り付けられた変形に依存した抵抗素子によって、電圧が生成され、この電圧によって圧力測定を行うことができる。

好ましくは、このセンサ素子は、小室においてハウジングの凹部に配設される。このセンサ素子は好ましくはボンディングワイヤを用いて接続されてよく、このボンディングワイヤはハウジングに設けられた導電パターンに電気的に導通して接続されている。

ここに記載する圧力センサは、とりわけ媒体の絶対圧の測定または相対圧すなわち２つの媒体の差圧の測定に適している。

もう１つの他の実施形態によれば、ハウジングは注入開口部を備える。この注入開口部は、小室を液状媒体で充填するのに用いられる。たとえば、通路が注入開口部と小室を接続しており、この通路を介して小室が液状媒体で充填される。このハウジングは、小室を液状媒体で充填するための、１つ以上の注入開口部および１つ以上の通路を備える。これらの通路はハウジング内で任意に配設されてよい。

さらにもう１つの実施形態によれば、これらの注入開口部は、はんだ封止によって封止される。このはんだ封止は、たとえば金属はんだを含んでよい。はんだ封止を用いて、これら注入開口部あるいは圧力センサのハウジングは、気密シールされて封止することができる。

さらにもう１つの実施形態では、これらの注入開口部は、溶接封止によって封止される。この溶接封止は、たとえば抵抗溶接、たとえば抵抗プロジェクション溶接を用いて実現される。注入開口部の封止に溶接処理を利用することにより、はんだ封止を用いた封止と同様な結果を得られる。

はんだ封止もしくは溶接封止を用いた注入開口部の封止は、とりわけ長期間安定した気密封止を特徴とする。さらに加えて、圧入を用いた封止に対して、はんだ付けまたは溶接を用いた注入開口部の封止では、圧力センサのハウジング内の液状媒体の体積が変化しない。このように、媒体全体の追加の押圧なしに、媒体が充填された圧力センサの気密シールの封止が可能となる。この媒体全体の追加の押圧は圧力センサのハウジングの圧力環境を乱す変化を生じかねない。

さらに、ここで記載する圧力センサのはんだ付けまたは溶接を用いた注入開口部の封止では、たとえば圧入または摩擦接続（Kraftschluss）に基づく他の方法を用いた封止の際のような、嵌め合いの狭い許容誤差を維持する必要はない。これにより、ここで記載する圧力センサの製造においては、コストのかかる隙間にぴったり合った金属球や金属棒などが不要となる。

さらにもう１つの実施形態によれば、このハウジングは、セラミックおよび／またはガラス、および／またはプラスチック、および／または金属を含み、あるいはこれらの材質の１つから構成される。さらにもう１つの実施形態によれば、このハウジングではＦＲ４ハウジングが用いられる。とりわけここで記載される圧力センサのハウジングは、注入開口部の領域に上記の材質の１つ以上を含んでいる。

種々の材質や材料で、媒体が充填される圧力センサのハウジングを作製されているが、これらは材料の特性から圧入には適していない。このため、圧入を用いた従来の封止技術は、多くのハウジング材質で使用することができない。これはとりわけ、プラスチック、セラミックまたはガラスを含んだハウジングに関係している。

１つのここで記載する圧力センサでは、とりわけ圧入に用いられることができない材料の公知の圧力センサに対して、ハウジングに用いることができる材質の数が増加している。はんだ付けまたは溶接を用いた注入開口部の封止によって、セラミック、プラスチックまたはＦＲ４のハウジングを有する、媒体が充填された圧力センサであっても気密シールで封止することができる。

さらにもう１つの実施形態によれば、ハウジングは注入開口部を周回する領域に金属層を備える。この金属層は、たとえばシルクスクリーン印刷方法を用いて金属ペーストが付着され、続いてたとえば８００〜９００℃でベーキングされることによって製造することができる。好ましくは、この注入開口部は金属層で縁取りされ、この金属層では封止されていない。注入開口部の長期に安定した気密性の溶接封止やはんだ封止のために、ハウジング材質によっては、たとえば金属はんだを用いたはんだ封止においては、この金属層は有利である。

さらにもう１つの実施形態によれば、この注入開口部は、はんだによって直接封止される。この際、このはんだは、追加の封止部材を用いることなしに、ハウジングの注入開口部を封止する。このはんだは、たとえば注入開口部の領域でハウジングに、または金属層の上に付着されてよい。

さらにもう１つの実施形態によれば、このはんだと液状媒体はそれぞれ表面張力を有し、このはんだの表面張力は、液状媒体の表面張力より大きい。好ましくは、このはんだの表面張力は、液状媒体の表面張力より少なくとも１０倍大きい。とりわけ好ましい実施形態では、このはんだの表面張力は、液状媒体の表面張力より１０倍以上で５０倍以下の大きさである。たとえば、鉛フリーの錫はんだをはんだとして用い、液状媒体としてシリコン油を用いた場合、この錫はんだの表面張力はシリコン油の２５倍となる。

これにより、このはんだの表面張力が液状媒体の表面張力より大きいという有利さは、余分な液状媒体がはんだ付けの際に注入開口部から除去され、固化したはんだがハウジングを封止することによって達成される。

さらにもう１つの実施形態によれば、圧力センサは封止部材を備える。この封止部材は、好ましくは注入開口部の周りの領域でハウジングと溶接またははんだ付けされている。とりわけこの封止部材は金属層に溶接またははんだ付けすることができる。この封止部材は、たとえば金属板であってよい。とりわけ溶接封止に関連した好ましい実施形態では、この封止部材は金属層との溶接の前に、いわゆる溶接突起と称する１つ以上の突部を有する。ここでは、たとえば封止部材の一方の側に配設された円環状の突部が用いられる。この封止部材は、このような１つの突部あるいは複数の突部を用いた、注入開口部の封止のために、ハウジングに、またはハウジングの金属層の上に配設される。溶接工程では、この突部が少なくとも部分的に融解し、ハウジングと、あるいはハウジングに設けられた金属層と安定した接合とすることができる。

さらに本発明は圧力センサの製造方法に関する。この製造方法で製造された圧力センサは、上述の実施形態の１つ以上の特徴を備えることができる。以下に記載する実施形態は、圧力センサおよびこの圧力センサの製造方法に同様に有効である。

さらにもう１つの実施形態によれば、ハウジングは真空にされる。たとえば小室とハウジング内の全ての隙間空間や中空空間から空気が排気される。続いて、ハウジングの注入開口部を通って、たとえばこの注入開口部と小室とを接続する通路を介して、小室に液状媒体が充填される。この後小室は封止されるが、この際注入開口部ははんだ付けまたは溶接によって気密シールで封止される。上述したように、注入開口部は、はんだ付けによって、または封止部材のハウジングあるいはハウジングに設けられた金属層への溶接またははんだ付けによって封止される。

さらにもう１つの実施形態によれば、小室の封止の際、少なくとも注入開口部は液状媒体で覆われる。たとえばハウジングはさらに、少なくとも注入開口部が液状媒体に浸漬されてよい。さらにもう１つの実施形態によれば、小室の封止の際、圧力センサは全体が液状媒体に浸漬される。たとえば液状媒体を充填するために、圧力センサは、たとえばシリコン油のような液状媒体で満たされたシャーレの中に置かれてよい。このようにして、圧力センサは、少なくとも注入開口部または好ましくは全体が液状媒体に浸漬され、このシリコン油は少なくとも部分的または圧力センサのハウジングの全体およびとりわけ注入開口部を覆う。続いてシリコン油を利用して、すなわちいわゆる油浴において、注入開口部あるいは溶接またははんだ付けされるハウジングの表面を事前にクリーニングすることなく、すなわち油をを除去する必要なく、注入開口部ははんだ付けまたは溶接によって封止されることができる。

このようにして、注入開口部の封止工程で小室に空気が全く入らないという有利さが保証される。このようにして、封止工程での小室の体積変化を避けることができる。

注入開口部の封止においては、圧力センサに液状媒体を充填する前に、はんだ付けによって、直接はんだはハウジングの注入開口部の領域あるいは金属層の上に取り付けることができる。続いて、上述したように、ハウジングを液状媒体に浸漬することによって、圧力センサはこの液状媒体で充填される。液状媒体を利用した状態で、はんだは、たとえばレーザーを用いて加熱され、このはんだが注入開口部を封止する。代替として、圧力センサは、まず液状媒体で充填される。はんだは、加熱工程の際に、場合によっては液状媒体に浸された注入開口部の領域でハウジングに取り付けることができる。

好ましくは不活性な充填媒体で、封止する注入開口部を浸すことによって、はんだ付けに必要な金属表面、たとえば金属層の酸化を避けることができるという有利さがある。

本圧力センサのさらなる有利点および有利な実施形態を、図１〜４に記載した実施形態を参照して、以下に示す。
１つの実施形態例による、媒体を充填した圧力センサの断面概略図である。 さらにもう１つの実施形態例による圧力センサの製造方法の概略図である。 さらに１つの実施形態例による、媒体を充填した圧力センサの断面概略図である。 さらに１つの実施形態例による、媒体を充填した圧力センサの断面概略図である。

これらの実施形態例および図では、同等もしくは同等の機能の部分はそれぞれ同じ参照番号が付けられている。図示された要素およびこれらの大きさの関係はそれぞれ、正確な寸法を示すものでなく、むしろたとえば層、部品および領域などの個々の要素をより見易くするため、および／またはより理解し易くするために誇張した厚さまたは大きさの寸法で示してある。

図１は、圧力センサ１の実施形態例を断面概略図で示したものである。圧力センサ１は、セラミックハウジングとして作製されたハウジング２を備える。代替として、このハウジング２は、金属ハウジング、ガラスハウジング、プラスチックハウジング、またはＦＲ４ハウジングとして作製されてよく、あるいはこれらの材質の組み合わせを備えてよい。

圧力センサ１は、さらに膜３を備える。この膜はハウジング２と接続されており、このハウジングと共に外側に対し閉じた小室４を形成する。この小室４は、液状媒体５で満たされている。液状媒体５には、シリコン油を用いる。代替として、この液状媒体５はアーモンド油であってもよく、または他の電導性のない、圧力測定に適した液体であってもよい。

ハウジング２は、センサ素子９が配設される凹部を備える。センサ素子９は、電気抵抗が組み込まれた圧電抵抗シリコン膜を備える。このシリコン膜に力が作用すると変形し、これによりたとえばホイートストンブリッジの中に接続された抵抗が変化し、圧力測定が可能となる。このセンサ素子９のシリコン膜は、たとえばシリコン基板から材質を除去することによって、たとえばエッチングを用いて作製される。

センサ素子９は、ボンディングワイヤ１４を用いて、ハウジング２に配設された導電パターン（不図示）に電気的に導通して接続されている。これにより、圧力センサ１の外部電気接続が可能となる。

さらに、圧力センサ１は、通路１３を介して小室４と接続された注入開口部６を備える。この注入開口部６は、図示した実施形態例では、膜３に対向した側でハウジング２に配設されている。圧力センサ１は、とりわけ注入開口部６の領域に、セラミック材質を有する。この注入開口部６は、はんだ封止７を用いて封止されている。代替として、この注入開口部６は、溶接封止８を用いて封止されてよい。

はんだ封止７または溶接封止８の形態での注入開口部６の封止によって、セラミックを備えたハウジング２は、気密シールで封止される。このセラミックを備えたハウジングは、圧入に対する材料特性のために、たとえば金属球または金属棒の隙間への圧入に適していない。

さらに、はんだ封止７または溶接封止８の形態での注入開口部６の封止は、ハウジング２のコストのかかる加工が全く必要としないという有利さがあり、これはとりわけ嵌め合いを用いたハウジングと比較してコスト削減をもたらす。

図２は、さらにもう１つの実施形態による、圧力センサの製造方法の工程ブロック図を示す。たとえば、ここで示す方法を用いて、図１の実施形態例による圧力センサを製造することができる。したがって、圧力センサの特徴に関する以下の記述は、単に例として図１に記載された参照番号の要素に基づくものである。

方法ステップ２０では、膜３と共に小室４を形成するハウジング２が準備される。好ましくは、ハウジング２内は真空とされ、たとえばハウジング２の小室４および／または通路１３にある空気が排気される。

続いて、さらなる方法ステップ２１では、この小室４に注入開口部６を通って液状媒体５、たとえばシリコン油が気体抜きで充填される。さらにハウジングを液状媒体で溢れさせる。たとえばハウジング２は、シリコン油に浸される。これにより、圧力センサ１の全内容積は液状媒体５で充填され、以降の圧力センサの稼働において、膜３に印加された圧力を可能な限りそのまま膜３から、移動液体である液状媒体５を介して、センサ素子９に伝達することができる。

これに続くさらなる方法ステップ２２では、注入開口部６は、はんだ付け処理または溶接処理を用いて封止される。この封止工程では、好ましくは少なくとも注入開口部６は液状媒体５、すなわちたとえばシリコン油で覆われ、気体の入り込み無しに封止することができる。この封止は好ましくは、いわゆる油浴での油まみれの状態でのはんだ付け処理または溶接処理によって行われる。封止される注入開口部６の封止前のクリーニングは、ここで記載した方法では全く必要でなく、有利である。この封止は、油浴での封止の後であっても気密シールされている。

はんだ付け処理を用いる際には、封止は封止部材の接合によってもあるいは直接はんだによっても可能である。この際、はんだの表面張力による形状に合わせた構造のハウジングの封止が可能となる。

はんだ処理による封止では、はんだ付けは、好ましくははんだ付け可能な金属層あるいはメタライゼーション、たとえばベーキングされた厚いペースト層で、場合によってはさらにはんだ処理したもので行われる。この際、追加のはんだ無しまたは有りの種々のはんだ処理の使用が可能である。とりわけ、はんだは、ハウジングに液状媒体を充填する前に注入開口部に設けられていてよく、ハウジングの充填後加熱されてよい。代替として、はんだは、加熱工程の際に、ハウジングの充填の後に、注入開口部の領域でハウジングに設けられてよい。

液状のはんだの表面張力は、好ましくは液状媒体５の表面張力より大きく、過剰な液状媒体５がはんだによって注入開口部から押しのけられ、固化したはんだがハウジングを封止する。たとえば、金属はんだおよび充填媒体として有機液状媒体を用いる場合、はんだの表面張力はこの液状媒体の表面張力の何倍にもなる。こうして、たとえば鉛フリーの錫はんだおよび液状媒体としてシリコン油を用いる場合は、はんだの表面張力は油のおよそ２５倍となる。

注入開口部の封止の際、代替として溶接処理によって、金属層が好適に接合処理に適合して用いられる。融解は、たとえば抵抗溶接処理での封止部材の環状突部の融解によって起こる。

溶接およびはんだ付けの短い加熱印加時間によって、充填媒体の膨張は無視することができる。

ここで記載した圧力センサの製造方法は、とりわけ、媒体が充填された圧力センサのシステムの体積変化が極小とされ、またこれにより充填工程が単純化されることを特徴とする。

図３は、さらにもう１つの実施形態例による圧力センサ１の断面図を示す。ここで注入開口部６は、溶接封止８を用いて封止されている。図３の圧力センサ１は、図１に記載されているようなハウジング２、膜３および媒体が充填された小室４を備える。注入開口部６は、単なる例であるが、図１の圧力センサとは逆に、ハウジング２に固定されている膜３と同じ側の、ハウジング２の側に配設されている。さらに、注入開口部６を小室４と接続する通路１３はU形状に形成されている。

ハウジング２には金属層１０が配設されている。この金属層１０は、たとえばシルクスクリーン印刷を用いてハウジング２に付着され、たとえば８００〜９００℃でベーキングされる。この金属層１０は、ハウジングにおいて、とりわけ注入開口部６を周回する領域に設けられるが、これはしかし封止するものではない。たとえば金属板から作製された封止部材１１は、金属層１０と溶接される。

この封止部材１１は、金属層１０と溶接する前は、突部１２を有する。この突部で封止部材は、溶接を用いて金属層１０と接続される前に、金属層１０の上に配置される。見易くするために、図３では、この突部１２は、溶接前の状態で示してある。たとえば突部１２が環状の溶接突起として形成されていると、溶接工程でこの溶接突起は、少なくとも部分的に融解して金属層１０と安定した接合を行う。

図４には、さらにもう１つの実施形態例による圧力センサ１の断面図が示されている。この圧力センサ１の基本構造は、図３の圧力センサに対応している。図３に示す実施形態例に対して、図4の実施形態例における注入開口部６は、はんだ封止を用いて封止されている。ここで、はんだ７０が金属層１０の上に設けられ、圧力センサ１の注入開口部６を直接封止している。はんだ７０の表面張力は、好ましくは上述のように、液状媒体５の表面張力より大きく、たとえば少なくとも１０倍大きく、上述のように、余分な液状媒体５が取り除かれ、固化したはんだ７０がハウジングを封止することができる。

本発明は、これらの実施形態例を参照した記載によって、これらに限定されず、あらゆる新たな特徴およびこれらの特徴のあらゆる組み合わせを包含するものである。これはとりわけ請求項における特徴のあらゆる組み合わせを含んでいる。また、特徴またはこれらの組み合わせ自体が請求項または実施形態例に顕わに示されていない場合も含んでいる。

１ 圧力センサ
２ ハウジング
３ 膜
４ 小室
５ 液状媒体
６ 注入開口部
７ はんだ封止
７０ はんだ
８ 溶接封止
９ センサ素子
１０ 金属層
１１ 封止部材
１２ 突部
１３ 通路
１４ ボンディングワイヤ
２０，２１，２２ 方法ステップ

Claims (15)

1. ハウジング（２）と、
   前記ハウジング（２）と共に、液状媒体（５）が充填され、外側に対し閉じた小室（４）を形成する膜（３）と、
   前記液状媒体（５）で前記小室（４）を充填するための、前記ハウジング（２）の注入開口部（６）と、を備えた圧力センサ（１）であって、
   前記注入開口部（６）は、はんだ封止（７）または溶接封止（８）を用いて封止されている圧力センサ。
2. 請求項１に記載の圧力センサにおいて、
   前記小室（４）にはセンサ素子（９）が配設されている圧力センサ。
3. 請求項１または２に記載の圧力センサにおいて、
   前記ハウジング（２）は、セラミック、ガラス、プラスチック、金属の内１つ以上の材質を含む圧力センサ。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて、
   前記ハウジング（２）は、前記注入開口部（６）を周回する領域に金属層（１０）を備える圧力センサ。
5. 請求項４に記載の圧力センサにおいて、
   封止部材（１１）が前記金属層（１０）と溶接またははんだ付けされている圧力センサ。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて、
   前記注入開口部（６）は、直接はんだ（７０）で封止されている圧力センサ。
7. 請求項６に記載の圧力センサにおいて、
   前記はんだ（７０）および前記液状媒体（５）は、それぞれ表面張力を有し、前記はんだ（７０）の表面張力は前記液状媒体（５）の表面張力より大きい圧力センサ。
8. 圧力センサ（１）の製造方法であって、
   以下のステップ：
   Ａ）膜（３）と共に小室（４）を形成するハウジング（２）を準備するステップと、
   Ｂ）前記ハウジング（２）の注入開口部（６）を通って液状媒体（５）を充填するステップと、
   Ｃ）はんだ付けまたは溶接を用いて前記注入開口部（６）を封止するステップと、を備える圧力センサの製造方法。
9. 請求項８に記載の圧力センサの製造方法において、
   前記注入開口部（６）は、前記小室（４）の封止の際に、前記液状媒体（５）で覆われている圧力センサの製造方法。
10. 請求項８または９に記載の圧力センサの製造方法において、
    前記圧力センサ（１）は、前記小室（４）の封止の際に、前記液状媒体（５）に全体が浸漬されている圧力センサの製造方法。
11. 請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の圧力センサの製造方法において、
    前記注入開口部（６）の封止は、抵抗溶接を用いて行われる圧力センサの製造方法。
12. 請求項１１に記載の圧力センサの製造方法において、
    前記ハウジング（２）は、前記注入開口部（６）を周回する領域に金属層（１０）を備え、
    このような１つの突部あるいは複数の突部（１２）を備えた、前記注入開口部（６）の封止のための封止部材（１１）が、１つ以上の前記突部（１２）で前記金属層（１０）に配設され、前記金属層（１０）と接続される、圧力センサの製造方法。
13. 請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の圧力センサの製造方法において、
    前記注入開口部（６）の封止で、封止部材（１１）がはんだ付けされる圧力センサの製造方法。
14. 請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の圧力センサの製造方法において、
    前記注入開口部（６）の封止は、直接はんだ（７０）によって行われる圧力センサの製造方法。
15. 請求項１３または１４に記載の圧力センサの製造方法において、
    前記はんだ（７０）および前記液状媒体（５）は、それぞれ表面張力を有し、前記はんだ（７０）の表面張力は前記液状媒体（５）の表面張力より大きい圧力センサの製造方法。

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