JP2016535846A - 温度変化に対して耐性を示す接着剤層を制御するための構造を含む圧力センサ - Google Patents
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Abstract
Description
感知素子1は、金属製のハウジング2に組み付けられる。実装基板は、例えばシリコーンベースの接着剤層3の媒介によってハウジングに接続され、この接着剤は、温度変化を受けたときにフレキシブルな特性を有する(RTVシリコーン接着剤)を用いる。
実際には、センサの精度は、熱サイクルに敏感であり、温度変化によって、感知素子とハウジングとの間に制約(2つの材料の熱膨張係数の差に起因する制約)が誘起される。この制約は、実装基板11によって伝達され、機械的な応力を形成し、従って変形可能なダイヤフラム10の機械的な変形を形成する。その変形は、圧力を測定するための素子に伝達され、感知素子から入来する信号の残留オフセットを生成する。温度変化に比例する非ゼロの残留オフセットは、熱力学的制約によって誘起される応力に加えられる。
ただし、接着剤層の厚さが薄過ぎる場合には、その制約は、感知素子に部分的に伝達され、この感知素子に変形を与える。その変形によって、圧力を測定する素子に、測定された信号に残留オフセットが生成され、加えられた温度変化に比例し且つ熱機械的制約によって誘起される応力に比例する非ゼロの残留オフセットが生成される。圧力とは無関係のこの残留オフセットは、温度ヒステリシスと呼ばれる測定誤差を生じさせる。
本発明は、この欠点を克服することを提案する。
実装基板を含む感知素子であって、実装基板は、上面及び底面を含み、感知素子は、実装基板の上面に接続される変形可能なダイヤフラムをさらに含む、感知素子と;
感知素子が配置されるハウジングであって、ハウジングは、基部を含む、ハウジングと;
ハウジングの基部と実装基板との間に配置される中間構造体であって、中間構造体は、基部を含み、この基部は、上面と、ハウジングの基部に接続される底面とを含み、中間構造体は、実装基板を、中間構造体の基部の上面から所定の距離に保持するように構成された複数の楔部をさらに含む、中間構造体と;
中間構造体の基部の上面上であって楔部同士の間に延びる接着剤層であって、接着層の厚さは、実装基板を中間構造体の基部の上面から所定の距離に保持するように制御される、接着剤層と;を有する。
−中間構造体は、実装基板の底面と中間構造体の上面との間に空間を規定するようにさらに構成される;
−中間構造体は、矩形であり且つ4つの楔部を含み、各楔部は、中間構造体のコーナー部に配置され、楔部によって、中間構造体の上面から所定の距離に実装基板を保持する;
−中間構造体は、変形可能である;
−中間構造体は、薄肉部と厚肉部とを含み、薄肉部によって、接着剤層を支持する;
−中間構造体は、中間構造体の薄肉部の中央に配置された当接部をさらに含む;
−中間構造体は、シリコン、ガラス、石英、パイレックス(登録商標)、アルミナ、サファイア、Sicのグループから選択される材料から作製される基板である;
−接着剤層は、温度変化を受けたときにフレキシブルな特性を有するシリコーンベースの材料を含む;
−中間構造体の底面は、バインダー層の媒介によってハウジングの基部に接続される;
−バインダー層は、例えばエポキシ樹脂の層である;
−接着剤層の厚さは、感知素子を中間構造体の上面から所定の距離に保持するのに等しい厚さを有する;
−圧力センサは、差圧を測定するように構成される中央の凹部を含む;の特性を有する。
実装基板を含む感知素子を提供するステップであって、実装基板は、上面と底面とを含み、感知素子は、実装基板の上面に接続される変形可能なダイヤフラムをさらに含む、提供するステップと;
基部を含むハウジングを提供するステップと;
基部を含む中間構造体を提供するステップであって、中間構造体の基部は、上面を含み、中間構造体は、中間構造体の上面から所定の距離に実装基板を保持するように構成される、提供するステップと;
中間構造体の上面に接着剤層を堆積させるステップであって、接着剤層の厚さは、中間構造体の上面から所定の距離に実装基板を保持するように制御される厚さである、堆積させるステップと;
中間構造体を実装基板に接続するステップと;
中間構造体をハウジングの基部に接続するステップと;を含む。
全ての図に亘って、同様の要素は、同一の参照を受け持つ。
このようなセンサは:
−感知素子1と;
−感知素子が配置されるハウジング2であって、ハウジングは、基部21を含むハウジング2と;
−厚さeを有する接着剤層3と;
−中間構造体4と;を有する。
感知素子は、上面11a及び底面11bを含む実装基板11を有しており、感知素子1は、実装基板11の上面11aに接続される変形可能なダイヤフラム10をさらに有する。
変形可能なダイヤフラム10は、陽極シール(anodic sealing)により、中間層を用いる又は用いない分子又は原子結合によって、焼結によって、又はろう付けによって実装基板11に接続される。
変形可能なダイヤフラム10は、典型的には、SOI(シリコンオンインシュレータ)等の単結晶シリコン及びPSOI(ポリシリコンオンインシュレータ)、SOS(シリコンオンサファイア)等のサファイア、又は、SiCOI(Sicオンインシュレータ)又はSic等の他の材料から構成される例えば基板を用いて形成される。
ハウジング2は、より好ましくは、金属材料で作製される。
中間構造体4は、基部41を含み、基部41は、接着剤層3がその上に延びる上面41aと、ハウジングの基部に接続される底面41bとを含む。
具体的には、中間構造体4の構成によって、実装基板11の底面11bと基部41の上面41aとの間に自由空間40を規定することができる。
なお、特にこの空間40には、接着剤層3が堆積される。
このようにして、中間構造体4によって、接着剤層3の厚さeを正確にすることが可能になる。
実際には、楔部42、43によって、中間構造体4の上面41aと実装基板11の下面11bとの間に自由空間40を規定することが可能になり、接着剤層は、楔部42、43の間でこの自由空間40内に配置される。また、いくつかの楔部を接着層の周囲に配置する際に、空間が、また、楔部42、43の間に規定される。楔部の各ペアの間のこの空間によって、水平面、すなわち上面41aに平行な平面に従って接着剤層を広げることができ、接着剤の蓄積のリスクは、中間構造体4と変形可能なダイヤフラム10との間となる、より正確には、各楔部の上面と変形可能なダイヤフラムの底面との間となる。
接着剤層3は、シリコーンベースの接着剤、又は温度変化を受けたときにフレキシブルな特性を有する任意の接着剤製品であることがより好ましい。例えば、このような接着剤層100μm以上の厚さeによって、温度サイクルによるエラーを最小化することが可能になり、(数ミリバール(mbar)から数バール(bar)の圧力範囲、及び−55℃〜+150℃の間の温度範囲のセンサについて0.05%未満のフルスケールで)温度のヒステリシスを無視することが可能になる。
接着剤層3の存在によって、従来技術の場合のように特定の接合剤の他の作用なしに、圧力センサの精度に関与することができる。
この第2の実施形態は、第1の実施形態と同様であるが、中間構造体4が、この第2の実施形態では変形可能であることが異なる。
次に、接着剤層は、2つの変形可能な要素、つまりダイヤフラム10と中間構造体4との間に閉じ込められ、2つの変形可能な要素は、楔部によって接触している。
接着剤層3は、温度の影響により伸縮することができる。その伸縮は、楔部の媒介により感知素子1に伝達される応力を誘起する。しかしながら、中間構造体の変形可能な性質によって、この応力の全て又は一部を吸収して、その応力が素子1に伝達されないようにすることが可能になる。これは、センサの使用中に、特に異なる温度での動作中に重要となる。
接着剤層3は、好ましくは、薄肉部41cに載置される。厚肉部41dは、薄肉部41cよりも大きな厚さである。この厚さの差によって、薄肉部41cの変形が可能になり、こうして、減衰機能を提供する。
当然ながら、この第2の実施形態では、中間構造体4は、実装基板11と接触する少なくとも1つの楔部42、43を含む。
この第3の実施形態は、第1の実施形態と同様であるが、圧力センサが差圧を測定するように構成されるような、中央の凹部50をさらに含む(上述した図2のセンサによって、圧力の絶対値の測定が可能になる)。当然ながら、図3に示されるように、変形可能なダイヤフラム10は、凹部50によって貫通されていない。
この第4の実施形態は、第2の実施形態と同様であるが、圧力センサが差圧を測定するように構成されるように中央部に凹部50をさらに含む。この図では、これは断面図であるので、当接部4eを視認することはできない。しかしながら、凹部が、当接部の中間に形成されていることが理解される。
相補的な方法で、中間構造体4の底面41bは、バインダー層5の媒介によって、ハウジング2の基部に接続される。このバインダー層5は、好ましくは、エポキシ樹脂の層である。
このような製造方法は:
−感知素子1を提供するステップS1と;
−ハウジング2を提供するステップS2と;
−中間構造体を提供するステップS3と;を含む。
−中間構造体4の上面に接着剤層3を堆積させるステップS4であって、接着剤層3の厚さは、基部41、41dの上面から所定の距離dに実装基板11を保持するように制御される、堆積させるステップと;
−少なくとも1つの楔部42、43、44、45が設けられた中間構造体を実装基板11に接続するステップS5と;
−中間構造体4をハウジングの基部21に接続するステップS6と;を含む。
実装基板11を中間構造体に配置するときに、接着剤層の厚さの制御は、ステップS5において行われる。
Claims (13)
- 圧力センサであって、当該圧力センサは、
実装基板を含む感知素子であって、前記実装基板は、上面(11a)及び底面(11b)を含み、前記感知素子は、前記実装基板の上面(11a)に接続される変形可能なダイヤフラムをさらに含む、感知素子と、
前記感知素子が配置されるハウジングであって、該ハウジングは、基部(21)を含む、ハウジングと、
前記ハウジングの基部(21)と前記実装基板との間に配置される中間構造体であって、該中間構造体は、基部(41,41d)を含み、該基部(41,41d)は、上面(41a)と、前記ハウジングの基部(21)に接続される底面(41b)とを含み、前記中間構造体は、前記基部(41,41d)の上面(41a)から所定の距離(d)に前記実装基板を保持するように配置された複数の楔部(42,43,44,45)をさらに含む、中間構造体と、
前記基部(41,41d)の上面上であって前記楔部同士の間に延びる接着剤層であって、該接着剤層の厚さ(e)は、前記実装基板を前記基部(41,41d)の上面から所定の距離(d)に保持されるように制御される、接着剤層と、を有する、
圧力センサ。 - 前記中間構造体は、前記実装基板の底面(11b)と前記中間構造体の上面(41a)との間に空間(40)を規定するようにさらに構成される、
請求項1に記載の圧力センサ。 - 前記中間構造体は、矩形であり且つ4つの楔部(42,43,44,45)を含み、各楔部は、前記中間構造体のコーナー部に配置される、
請求項の1又は2に記載の圧力センサ。 - 前記中間構造体は、変形可能である、
請求項1乃至3のいずれか一項に記載の圧力センサ。 - 前記中間構造体は、薄肉部(41c)と厚肉部(41d)とをさらに含み、前記薄肉部(41c)によって、前記接着剤層を支持する、
請求項4に記載の圧力センサ。 - 前記中間構造体は、前記中間構造体の薄肉部(41c)の中央に配置された当接部(41e)をさらに含む、
請求項5に記載の圧力センサ。 - 前記中間構造体は、シリコン、ガラス、石英、パイレックス(登録商標)アルミナ、サファイア、Sicのグループから選択される材料から作製される基板である、
請求項1乃至6のいずれか一項に記載の圧力センサ。 - 接着剤層は、温度変化を受けたときにフレキシブルな特性を有するシリコーンベースの材料を含む、
請求項1乃至7のいずれか一項に記載の圧力センサ。 - 前記中間構造体の底面(41b)は、バインダー層の媒介によって前記ハウジングの基部に接続される、
請求項1乃至8のいずれか一項に記載の圧力センサ。 - 前記バインダー層は、エポキシ樹脂の層である、
請求項9に記載の圧力センサ。 - 前記接着剤層の厚みは、前記感知素子を前記中間構造体の上面から所定の距離(d)に保持するのに等しい厚さ(e)を有する、
請求項1乃至10のいずれか一項に記載の圧力センサ。 - 前記圧力センサは、差圧を測定するように構成される中央の凹部(50)を含む、
請求項1乃至11のいずれか一項に記載の圧力センサ。 - 請求項1乃至12のいずれか一項に記載の圧力センサの製造方法であって、当該製造方法は、
実装基板を含む感知素子を提供するステップ(S1)であって、前記実装基板は、上面(11a)と底面(11b)を含み、前記感知素子は、前記実装基板の上面(11a)に接続される変形可能なダイヤフラムをさらに含む、提供するステップ(S1)と、
基部を含む(21)ハウジングを提供するステップ(S2)と、
基部(41)を含む中間構造体を提供するステップ(S3)であって、前記中間構造体の基部(41,41d)は、上面(41a)を含み、前記中間構造体は、前記中間構造体の基部(41,41d)の上面(41a)から所定の距離(d)に前記実装基板を保持するように配置された複数の楔部(42,43,44,45)をさらに含む、提供するステップ(S3)と、
前記中間構造体の上面であって前記楔部同士の間に接着剤層を堆積させるステップ(S4)であって、前記接着剤層の厚さ(e)は、前記基部(41,41d)の上面(41a)から所定の距離(d)に前記実装基板を保持するように制御される、堆積させるステップ(S4)と、
前記中間構造体を前記実装基板に接続するステップ(S5)と、
前記中間構造体を前記ハウジングの基部(21)に接続するステップ(S6)と、を含む、
製造方法。
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