JP2020176856A - 圧力センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】センサチップの位置ずれに伴う圧力センサの精度低下を防止する。【解決手段】本開示の圧力センサ１０の製造方法は、センサチップ５０がダイアフラム４１にガラス５１を介して接合された圧力センサ１０の製造方法であって、ダイアフラム４１の表面４４にガラスペースト５３を印刷する印刷工程と、ガラスペースト５３を加熱してガラス５１を形成する加熱工程と、ガラス転移点よりも低い温度で分解消失する介在物５２をガラス５１の上に配置する介在物配置工程と、センサチップ５０を介在物５２の上に配置してガラス５１に固定するセンサチップ配置工程と、ガラス５１を焼成し、介在物５２を分解消失させてセンサチップ５０をガラス５１に埋設するガラス焼成工程と、を備えた。【選択図】図３

Description

本開示は、圧力センサの製造方法に関する。

圧力検出用の圧力センサとして、例えば特開２０００−２７５１２８号公報（下記特許文献１）に記載の圧力センサが知られている。この圧力センサは、ダイアフラムを有する金属ステムと、ダイアフラムの変形に基づく信号を検出するセンサチップと、を備えている。センサチップは、ダイアフラムの表面にガラスを介して接合されている。具体的には、ガラスペーストがダイアフラムの表面に印刷され、ガラスペーストが仮焼成されることでダイアフラムの表面にガラスが接合される。次に、センサチップがガラスの表面に配置され、ガラスが焼成されることでセンサチップがガラスに接合される。

特開２０００−２７５１２８号公報

しかしながら、焼成前のセンサチップはガラスの表面にそのまま配置されているだけであり、ガラス表面にセンサチップを配置した後に焼成工程への移動の際に振動や衝撃によりセンサチップの位置ずれが発生し、圧力感度のずれや振動ノイズの増大により圧力センサの精度が悪化する。

本開示の圧力センサの製造方法は、センサチップがダイアフラムにガラスを介して接合された圧力センサの製造方法であって、前記ダイアフラムの表面にガラスペーストを印刷する印刷工程と、前記ガラスペーストを加熱してガラスを形成する加熱工程と、ガラス転移点よりも低い温度で分解消失する介在物を前記ガラスの上に配置する介在物配置工程と、前記センサチップを前記介在物の上に配置して前記ガラスに固定するセンサチップ配置工程と、前記ガラスを焼成し、前記介在物を分解消失させて前記センサチップを前記ガラスに埋設するガラス焼成工程と、を備えたものとした。

本開示によれば、センサチップの位置ずれに伴う圧力センサの精度低下を防止できる。

図１は実施形態１の圧力センサの全体構成を示す断面図である。 図２は図１の一部を拡大して示す一部拡大断面図である。 図３は圧力センサの製造方法を示す断面図である。 図４は実施形態２の圧力センサにおけるセンサチップの配置を示す平面図である。 図５は図４のＡ−Ａ断面図である。 図６は金属筒状体の斜視断面図である。

［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施形態を列記して説明する。
（１）本開示の圧力センサの製造方法は、センサチップがダイアフラムにガラスを介して接合された圧力センサの製造方法であって、前記ダイアフラムの表面にガラスペーストを印刷する印刷工程と、前記ガラスペーストを加熱してガラスを形成する加熱工程と、ガラス転移点よりも低い温度で分解消失する介在物を前記ガラスの上に配置する介在物配置工程と、前記センサチップを前記介在物の上に配置して前記ガラスに固定するセンサチップ配置工程と、前記ガラスを焼成し、前記介在物を分解消失させて前記センサチップを前記ガラスに埋設するガラス焼成工程と、を備えた、圧力センサの製造方法である。

介在物配置工程でガラスの上に介在物を配置しておき、センサチップ配置工程でセンサチップを介在物の上に配置してガラスに固定しているから、ガラス焼成工程への移動の際に振動や衝撃によりセンサチップが位置ずれすることを防止できる。したがって、センサチップの位置ずれに伴う圧力センサの精度低下を防止できる。

（２）前記圧力センサは、前記ダイアフラムの表面上の点対称となる位置を含むように配置された一対の前記センサチップを備えた。
圧力センサとして、一対のセンサチップを用いてホイートストンブリッジ回路を構成するように接続した圧力センサが知られている。この場合、両方のセンサチップがダイアフラムの表面上の点対称となる位置を含むように配置することに加えて、両方のセンサチップの互いの位置の関係性、つまりは両方のセンサチップの位置精度が求められることになる。これに対し、今回の製造方法を採用することで、両方のセンサチップの位置ずれに伴う圧力センサの精度低下を防止できる。

（３）前記介在物は液状である。
液状の場合、介在物の表面張力によってセンサチップを固定できる。

（４）前記介在物はペースト状である。
ペースト状の場合、介在物の粘着力によってセンサチップを固定できる。

（５）前記介在物は溶剤と樹脂バインダーとを混合させたものであり、前記介在物配置工程は、前記介在物を前記ガラスの上に塗布する工程と、塗布後に前記溶剤を蒸発させて樹脂の膜を形成する工程と、を備える。
樹脂の膜が有する粘着力によってセンサチップを固定できる。

［本開示の実施形態１の詳細］
本開示の実施形態１の圧力センサ１０の具体例を、図面を参照しつつ説明する。なお、本開示はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

［圧力センサの全体構造］
圧力センサ１０は、例えば自動車の燃料噴射装置における燃料パイプ（コモンレール等）に取り付けられ、この燃料パイプ内の圧力媒体としての気体または気液混合気の圧力を検出するものである。圧力センサ１０は、ネジ部材２０と、ハウジング３０と、金属筒状体４０と、センサチップ５０と、セラミック基板６０と、コネクタターミナル７０と、コネクタケース８０と、を備えて構成されている。

［金属筒状体］
金属筒状体４０は、ＳＵＳ４３０のようなステンレス鋼等の金属によって構成されている。金属筒状体４０は有底の筒状をなし、金属筒状体４０の底面部分がダイアフラム４１とされている。金属筒状体４０のうちダイアフラム４１と反対側の他端部が開口部４２とされている。開口部４２からダイアフラム４１に向けて形成された中空部分は丸孔形状とされており、ダイアフラム４１の上面形状は円形状となっている。金属筒状体４０のうちの開口部４２側には、ダイアフラム４１側に比べて外周径が大きい段付部４３が形成されている。金属筒状体４０は、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ハウジング３０に固定されている。

［センサチップ］
金属筒状体４０におけるダイアフラム４１の表面４４には、半導体基板を用いて構成されるセンサチップ５０がガラス５１を介して接合されている。センサチップ５０は、ダイアフラム４１の表面４４上の中心を挟んで点対称となる位置に一対配置されている。センサチップ５０は、ダイアフラム４１の表面４４上の点対称となる位置を含むように少なくとも一対配置されていればよく、３つ以上配置されているもの、二対以上配置されているものとしてもよい。ガラス５１は、例えばガラス粉末を含んだガラスペーストを加熱、溶融した後、冷却することによって硬化させたものである。

センサチップ５０は、開口部４２から金属筒状体４０の内部に導入された圧力媒体の圧力によってダイアフラム４１が変形したときに発生する歪みを検出するものである。センサチップ５０には、ダイアフラム４１の歪みに応じた電気出力をセンサ信号として出力する歪検出素子としての歪ゲージ（図示せず）が形成されている。歪ゲージは４つのゲージ抵抗を備えて構成され、４つのゲージ抵抗によってホイートストンブリッジ回路が構成されている。

［ハウジング］
ハウジング３０は、例えば燃料パイプなどの被取付対象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、金属筒状体４０の開口部４２と連通する圧力導入通路３２が形成されている。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、金属筒状体４０内に圧力媒体が導入されるようになっている。

［ネジ部材］
ネジ部材２０は、金属筒状体４０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。

雄ネジ部２１と雌ネジ部３３がネジ結合されることにより、金属筒状体４０の段付部４３がネジ部材２０に押圧され、金属筒状体４０がハウジング３０に押圧されて固定される。この押圧力により、開口部４２と圧力導入通路３２との連通部、すなわち金属筒状体４０の開口部４２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。

［セラミック基板］
ネジ部材２０には、ハウジング３０内におけるセンサチップ５０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、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。

セラミック基板６０とセンサチップ５０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。セラミック基板６０をコネクタターミナル７０に電気的に接続するためのピン６２が、銀ろう等にてセラミック基板６０上に接合されている。

［コネクタターミナル］
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部材である。ターミナル７１とセラミック基板６０とはピン６２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５０からの出力は、ボンディングワイヤ６４からピン６２を介してターミナル７１に伝達され、ターミナル７１からワイヤハーネス（図示せず）を介して自動車のＥＣＵ等に伝達される。

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に押圧されて固定されている。ターミナル７１は、図１では１本のみ示されているが、実際には、入力用、出力用等の複数本が備えられている。

［コネクタケース］
コネクタケース８０は、コネクタターミナル７０を外部の衝撃から保護する保護壁として機能している。コネクタケース８０は、耐加水分解性に優れたＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等によって構成されている。ハウジング３０における圧力導入通路３２と反対側の端部には開口部３４が設けられており、開口部３４にコネクタケース８０が挿入されている。ハウジング３０の開口部３４の端縁は内側にかしめられており、これによりコネクタケース８０がハウジング３０に固定されている。

コネクタケース８０の下端部の外周面とハウジング３０の開口部３４の内周面との間にはＯリング９０が挟持されている。Ｏリング９０によってハウジング３０とコネクタケース８０との境界部がシールされ、ハウジング３０の内部に収容されたセンサチップ５０等の電気部品が湿気や外力等から保護されている。

［圧力センサの製造方法］
圧力センサ１０の製造方法においてセンサチップ５０をダイアフラム４１の表面４４に固定する方法は図３に示す工程によって行われる。まず、ダイアフラム４１の表面４４にガラスペースト５３が印刷される（印刷工程）。次に、ガラスペースト５３が加熱されることでガラス５１が形成される（加熱工程）。

次に、ガラス５１の上に介在物５２が塗布される。介在物５２は、ガラス転移点よりも低い温度で分解する物質とされ、ガラスペースト５３からガラス粉末を除去した液状成分である。本実施形態では、溶剤と有機バインダーとを混合させた液状の介在物５２を例示しているものの、ペースト状の介在物としてもよい。介在物５２がガラス５１の上に塗布され、塗布後に溶剤が蒸発されることで樹脂の膜が介在物５２の表面に形成される（介在物配置工程）。

次に、センサチップ５０は部品実装機等によって介在物５２の上に高い位置精度で配置されてガラス５１に仮固定される（センサチップ配置工程）。ここで、センサチップ５０は介在物５２が有する樹脂の膜の粘着力によってガラス５１に仮固定される。一方、介在物５２が液状の場合、センサチップ５０は介在物５２の表面張力によってガラス５１に仮固定され、介在物５２がペースト状の場合、センサチップ５０は介在物５２の粘着力によってガラス５１に仮固定される。これにより、センサチップ５０の配置後のガラス焼成工程への移動の際にセンサチップ５０が例えば振動によって位置ずれすることを抑制できる。

次に、ガラス５１は焼成炉等の加熱装置によって高温で焼成され、焼成時の熱によって介在物５２が分解消失されてセンサチップ５０の下端部がガラス５１に埋設され、本固定される（ガラス焼成工程）。このようにすれば、センサチップ５０の位置ずれに伴う圧力センサ１０の精度低下を防止できる。特に、ホイートストンブリッジ回路による測定では一対のセンサチップ５０の高い位置精度が求められるところ、介在物５２による仮固定によって高い位置精度を実現可能であるから、好適である。

［本開示の実施形態２の詳細］
本開示の実施形態２の圧力センサ１１０は、例えばディーゼルエンジンの燃焼室内を加熱（予熱）するグロープラグ内に取り付けられ、燃焼室内の圧力媒体としての気体または気液混合気の圧力を検出するものである。圧力センサ１１０は、図５および図６に示すように、金属筒状体１４０を備えている。金属筒状体１４０は、ＳＵＳ４３０のようなステンレス鋼等の金属によって構成されている。図４に示すように、金属筒状体１４０は平面視において円環状をなし、軸線方向に貫通する貫通孔１４２と、貫通孔１４２の周囲に設けられたダイアフラム１４１と、を有している。軸線方向とは、図５に示す軸線ＡＸが延びる方向のことである。貫通孔１４２には発熱体（図示せず）が収容された軸状部材１００が挿通されており、燃焼室内の圧力変化に伴って軸状部材１００が軸線方向に変位することでダイアフラム１４１が変形する。

ダイアフラム１４１の表面１４４には、センサチップ１５０が搭載されている。センサチップ１５０の固定方法については実施形態１と同じであるため、その説明を省略する。詳細には図４に示すように、センサチップ１５０はダイアフラム１４１の軸線ＡＸに関して対称な位置に一対設けられている。一対のセンサチップ１５０は、耐熱性を有するガラス１５１を介してダイアフラム１４１の表面１４４に接合されている。センサチップ１５０は、ダイアフラム１４１が変形したときに発生する歪みを検出する。

＜他の実施形態＞
（１）上記実施形態では圧力センサが一対のセンサチップを備えているものの、圧力センサが１つのセンサチップを備えたものでもよい。

（２）上記実施形態では介在物が液状であるものを例示したが、介在物はペースト状であってもよい。

（３）上記実施形態では介在物をガラスの上に塗布した後、溶剤を蒸発させて樹脂の膜を形成しているものの、樹脂の膜を形成することなく介在物の上にセンサチップを配置してもよい。

１０…圧力センサ
２０…ネジ部材
２１…雄ネジ部
３０…ハウジング
３１…ネジ
３２…圧力導入通路
３３…雌ネジ部
３４…開口部
４０…金属筒状体
４１…ダイアフラム
４２…開口部
４３…段付部
４４…表面
５０…センサチップ
５１…ガラス
５２…介在物
５３…ガラスペースト
６０…セラミック基板
６１…ＩＣチップ
６２…ピン
６３…ボンディングワイヤ
６４…ボンディングワイヤ
７０…コネクタターミナル
７１…ターミナル
７２…樹脂
８０…コネクタケース
９０…Ｏリング
１００…軸状部材
１１０…圧力センサ
１４０…金属筒状体
１４１…ダイアフラム
１４２…貫通孔
１４４…表面
１５０…センサチップ
１５１…ガラス
ＡＸ…軸線

Claims (5)

1. センサチップがダイアフラムにガラスを介して接合された圧力センサの製造方法であって、
   前記ダイアフラムの表面にガラスペーストを印刷する印刷工程と、
   前記ガラスペーストを加熱してガラスを形成する加熱工程と、
   ガラス転移点よりも低い温度で分解消失する介在物を前記ガラスの上に配置する介在物配置工程と、
   前記センサチップを前記介在物の上に配置して前記ガラスに固定するセンサチップ配置工程と、
   前記ガラスを焼成し、前記介在物を分解消失させて前記センサチップを前記ガラスに埋設するガラス焼成工程と、を備えた、圧力センサの製造方法。
2. 前記圧力センサは、前記ダイアフラムの表面上の点対称となる位置を含むように配置された一対の前記センサチップを備えた、請求項１に記載の圧力センサの製造方法。
3. 前記介在物は液状である、請求項１又は２に記載の圧力センサの製造方法。
4. 前記介在物はペースト状である、請求項１又は２に記載の圧力センサの製造方法。
5. 前記介在物は溶剤と樹脂バインダーとを混合させたものであり、
   前記介在物配置工程は、前記介在物を前記ガラスの上に塗布する工程と、塗布後に前記溶剤を蒸発させて樹脂の膜を形成する工程と、を備える、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の圧力センサの製造方法。

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