JP5100283B2 - センサ用パッケージ及びセンサ、並びにセンサ用パッケージの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、センサ用パッケージ及びセンサ、並びにセンサ用パッケージの製造方法に関する。

従来の圧力センサに用いられるダイアフラム１２として、図４に示す板状のダイアフラム本体１３とダイアフラム本体１３を支持する環状支持部１４とから成り、内面の上面部１１が凹形状であるセラミックス製のものがある。このようなダイアフラム１２は、セラミック原料粉末をプレス装置にて押し固めて所定の形状に成型され、次いで、焼成されることによって作製されている（下記の特許文献１参照）。
特開２００５−３７３８３号公報

しかしながら、図３に示した上記従来のダイアフラム１２においては、セラミック原料粉末をプレス成型する方法でしか作製できず、高圧下雰囲気では測定精度にバラつきが生じるといった問題点があった。

本発明は上記問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、ダイアフラムを高圧雰囲気においても長期間にわたって正常かつ安定に作動させることが可能なセンサ用パッケージ及びセンサ、並びにセンサ用パッケージの製造方法を提供することにある。

本発明のセンサ用パッケージは、基板と、前記基板上に配置されるダイアフラムと、前記基板と前記ダイアフラムとの間に介在し、両者の間隔を規定するセラミック製スペーサ
と、を備えたセンサ用パッケージであって、前記スペーサは、前記ダイアフラム側の方が前記基板側よりも横幅の広いセラミック層の積層体により形成されてなるとともに、前記スペーサは、前記基板から前記ダイアフラムにかけて、連続して横幅が広くなるようにセラミック層が積層されてなることを特徴とするものである。

また、前記基板上面に設けられた第１電極と、該第１電極と対向するとともに前記ダイアフラムの下面に設けられた第２電極と、を備えてなることが好ましい。

また、前記セラミック表面に、前記第２電極と電気的に接続された第３電極をさらに有してなることが好ましい。

本発明に係るセンサは、請求項３又は請求項４に記載のセンサ用パッケージと、前記第１電極及び前記第２電極と電気的に接続された電子部品と、を有することを特徴とするものである。

また、請求項５に記載のセンサであって、前記電子部品は、前記基板の下面に載置されてなることが好ましい。

また、請求項６に記載のセンサであって、前記ダイアフラムの厚みは、前記基板の厚みよりも薄いことが好ましい。

本発明に係るセンサ用パッケージの製造方法は、板状の第１のセラミックグリーンシートを準備する工程と、前記第１のセラミックグリーンシート上に、枠状の第２のセラミックグリーンシートを積層する工程と、前記第２のセラミックグリーンシート上に、該第２のセラミックグリーンシートよりも横幅の狭い枠状の第３のセラミックグリーンシートを積層する工程と、前記第３のセラミックグリーンシート上に、該第３のセラミックグリーンシートを覆うように板状の第４のセラミックグリーンシートを積層する工程と、その後、前記各セラミックグリーンシートを積層した状態で焼成する工程と、を順次経てなることを特徴とするものである。

本発明に係るセンサ用パッケージによれば、ダイアフラムに高い圧力が加わった場合であっても、スペーサは、ダイアフラム側の方が基板側よりも横幅の広いセラミック層の積層体により形成されてなることから、ダイアフラム側の横幅の広いセラミックにより、圧力を分散させることができる。それゆえ、局所的にスペーサに応力が加わることを抑制することができる。その上、従来周知のセラミック原料粉体をプレス成型した場合と比較して、セラミック原料粉体の密度を均一にすることができ、ダイアフラムの剛性を所定の値に維持することができる。それゆえ、ダイアフラム及びスペーサの変形ばらつきを抑制し、従来よりも精度の高いセンサ用パッケージを提供することができる。

また、前記スペーサは、前記基板から前記ダイアフラムにかけて、連続して横幅が広くなるようにセラミックが積層されてなることが好ましく、例えば、セラミックグリーンシート積層法により、連続して横幅の広いセラミック製スペーサを容易に形成することができる。また、セラミックグリーンシートを積層する際に、ダイアフラム上にセラミックグリーンシートを積層すれば、セラミックグリーンシート積層時の応力を分散させることができ、セラミックグリーンシート焼成後のクラックの発生や、変形等を抑制することができる。

また、前記基板上面に設けられた第１電極と、該第１電極と対向するとともに前記ダイアフラムの下面に設けられた第２電極と、を備えてなることが好ましく、ダイアフラム及びスペーサが変形する際のバラつきを抑制できるため、特に高度な検出精度が要求される静電容量型のセンサ用パッケージとすることができる。

また、前記セラミック表面に、前記第２電極と電気的に接続された第３電極をさらに有してなることが好ましく、センサ用パッケージの電極面積が従来よりも増加するため、静電容量の変化を精度良く検出し、さらに高度な検出精度を有する静電容量型のセンサ用パッケージを提供することができる。

本発明に係るセンサは、前記センサ用パッケージを用いたセンサであって、前記第１電極及び前記第２電極と電気的に接続された電子部品と、を有するものである。

このような構成とすることにより、例えば圧力センサの場合、その測定上限を高めることができるとともに、ダイアフラム及びスペーサの変形ばらつきを抑制した従来よりも精度の高いセンサを提供することができる。

また、前記電子部品は、前記基板の下面に載置されてなることが好ましく、センサの小型化が可能になるとともに、例え電子部品が発熱した場合であっても、電子部品の熱を基板に伝熱させることができる。

また、前記センサにおいて、前記ダイアフラムの厚みは、前記基板の厚みよりも薄いことが好ましく、ダイアフラム側で受ける応力を好適に分散させることにより、基板の変形を抑制できるため、電子部品が基板から剥離することを抑制できる。その上、ダイアフラムの厚みは、基板の厚みよりも薄いため、ダイアフラムの変形量を増加させることができる。

本発明に係るセンサ用パッケージの製造方法は、板状の第１のセラミックグリーンシートを準備する工程と、前記第１のセラミックグリーンシート上に、枠状の第２のセラミックグリーンシートを積層する工程と、前記第２のセラミックグリーンシート上に、該第２のセラミックグリーンシートよりも横幅の狭い枠状の第３のセラミックグリーンシートを積層する工程と、前記第３のセラミックグリーンシート上に、該第３のセラミックグリーンシートを覆うように板状の第４のセラミックグリーンシートを積層する工程と、その後、前記各セラミックグリーンシートを積層した状態で焼成する工程と、を順次経てなることを特徴とするものである。

このような方法によれば、ダイアフラム、スペーサ、及び基板を一体成形できるため、各部材を接合するためのロウ材等の形成工程を省略できるだけではなく、製造コストの低減に繋げることもできる。また、ダイアフラム、スペーサ、及び基板がセラミックスで一体成形されることから、例えば静電容量型センサとした場合に、電荷の漏れを抑制した気密性の高いセンサ用パッケージを提供することができる。

本発明のセンサ用パッケージ（以下、単にパッケージともいう）およびこれを用いたセンサについて以下に詳細に説明する。図１は本発明のセンサの実施の形態の一例を示す断面図であり、図２は本発明のセンサの実施の形態の他の例を示す断面図である。

図中、１は基板、２はスペーサ、３はキャビティ、４は電子部品、９はダイアフラムであり、基板１とスペーサ２とでキャビティ３を有する本発明のセンサ用パッケージが構成され、このセンサ用パッケージに電子部品４を実装することによって本発明のセンサが構成される。

本発明のセンサ用パッケージは、図１，図２に示すように、基板１と、基板１上に配置されるダイアフラム９と、基板１とダイアフラム９との間に介在し、両者の間隔を規定するセラミック製スペーサ２と、を備えたセンサ用パッケージであって、スペーサ２は、ダイアフラム９側の方が基板１側よりも横幅の広いセラミック層の積層体により形成されてなることを特徴とするものである。

このような構成とすることにより、ダイアフラム９に高い圧力が加わった場合であっても、スペーサ２は、ダイアフラム９側の方が基板１側よりも横幅の広いセラミック層の積層体により形成されてなることから、ダイアフラム９側の横幅の広いセラミックにより、圧力を分散させることができる。それゆえ、局所的にスペーサ２に応力が加わることを抑制することができる。その上、従来周知のセラミック原料粉体をプレス成型した場合と比較して、セラミック原料粉体の密度を均一にすることができ、ダイアフラム９の剛性を所定の値に維持することができる。それゆえ、ダイアフラム９及びスペーサ２の変形ばらつきを抑制し、従来よりも精度の高いセンサ用パッケージを提供することができる。

以下、本発明にかかる各部材について説明する。

＜センサ用パッケージ＞
（基板）
基板１は、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）質焼結体，ジルコニア（ＺｒＯ_２）質焼結体，窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体等のセラミックスやガラス，樹脂等の誘電体を用いることができる。

（スペーサ）
スペーサ２は、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）質焼結体，ジルコニア（ＺｒＯ_２）質焼結体，窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体等のセラミックスからなるものである。また、スペーサ２は、後述するダイアフラム側の方が基板１側よりも横幅の広いセラミックス層の積層体から形成されてなるものである。

スペーサ２の製造方法としては、例えばセラミックグリーンシート積層法等が挙げられる。ここで、スペーサ２の形状は、基板１からダイアフラム９にかけて、連続して横幅が広くなるようにセラミックが積層してなることが好ましいが、上述したセラミックグリーンシート積層法によれば、連続して横幅の広いセラミック製スペーサ２を容易に形成することができる。

また、セラミックグリーンシートを積層する際に、ダイアフラム９上にセラミックグリーンシートを積層すれば、セラミックグリーンシート積層時の応力を分散させることができ、セラミックグリーンシート焼成後に、スペーサ２にクラックが発生や、スペーサ２の変形等を抑制することができるため好ましい。

基板１とスペーサ２との接合方法は、金（Ａｕ）−錫（Ｓｎ）ロウ等の封着材を介して気密に接合されたり、基板１とスペーサ２とが一体に形成されることによって、基板１とスペーサ２とでキャビティ３が形成される。

基板１とスペーサ２とをロウ等の封着材を介して接合する場合は、基板１とスペーサ２との接合部に、基板１側とスペーサ２側のそれぞれに接合用導体２ｃを形成しておくとよい。この構成により、基板１とスペーサ２との接合部における封着材の濡れ性を良好なものとし、両者の接合強度を強固なものとすることができる。また、基板１とスペーサ２とが一体に形成される場合は、接合用導体２ｃの形成を省略できるため、製造コストの低減に繋げることができる。

スペーサ２の形状は、平面視における外形形状が多角形であり、キャビティ３を平面視したときに円形または楕円形の枠状部材であることが好ましい。この構成によれば、圧力がキャビティ３の円または楕円の周方向に分散されるので、スペーサ２が圧力によって破損しにくくなる。これにより、後述したセンサ用パッケージとした際に、耐圧性に優れたものと成すことができ、センサを高圧雰囲気内、例えば、センサ用パッケージ内外の圧力差が５０ＭＰａ以上となっても好適に用いることができる。

（ダイアフラム）
ダイアフラム９は、基板１は、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）質焼結体，ジルコニア（ＺｒＯ_２）質焼結体，窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体等のセラミックスやガラス，樹脂等の誘電体を用いることができる。

また、スペーサ２とダイアフラム９との接合方法は、金（Ａｕ）−錫（Ｓｎ）ロウ等の封着材を介して気密に接合されたり、スペーサ２とダイアフラム９とが一体に形成することができる。

スペーサ２とダイアフラム９とをロウ等の封着材を介して接合する場合は、スペーサ２とダイアフラム９との接合部に、スペーサ２側とダイアフラム９側のそれぞれに接合用導体２ｃを形成しておくとよい。この構成により、スペーサ２とダイアフラム９との接合部における封着材の濡れ性を良好なものとし、両者の接合強度を強固なものとすることができる。また、スペーサ２とダイアフラム９とが一体に形成される場合は、接合用導体２ｃの形成を省略できるため、製造コストの低減に繋げることができる。

上述した各部材を組み立てることにより、本発明にかかるセンサ用パッケージを作製することができる。

以下、静電容量型センサ用パッケージについて説明する。

静電容量型センサ用パッケージとは、上述したキャビティ３内部に電荷が配され、所定間隔離間させた極性の異なる電極を有している。例えば、パッケージに応力が加わり、パッケージが変形すれば、電極間距離も変化する。このときに生じる電極間での電荷割合の変化を検知することによって、上記応力値を測定するものである。

（電極）
本発明のセンサ用パッケージによれば、基板１上面に設けられた第１電極１ａと、該第１電極１ａと対向するとともにダイアフラム９の下面に設けたれた第２電極２ａと、を備えてなることが好ましく、ダイアフラム９及びスペーサ２が変形する際のバラつきを抑制できるため、特に高度な検出精度が要求される静電容量型のセンサ用パッケージとすることができる。

また、図２に示すように、セラミックグリーンシート表面に、前記第２電極２ａと電気的に接続された第３電極３ａをさらに有してなることが好ましく、センサ用パッケージの電極面積が従来よりも増加し、第１電極１ａと第２電極２ａとの間に蓄えられる電荷の量を多くすることができるため、静電容量の変化を精度良く検出でき、高度な検出精度を有する静電容量型のセンサ用パッケージを提供することができる。

なお、第１電極１ａ、第２電極２ａ、及び第３電極３ａは、タングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），マンガン（Ｍｎ）等の高融点金属から成るメタライズ層によって形成される。メタライズ層はＷ，Ｍｏ，Ｍｎ等から成る金属ペーストを基板１およびスペーサ２となるセラミックグリーンシート表面に帯状に塗布し高温で焼成することによって形成される。

また、図１、図２に示すように、後述する電子部品４の電極に、第１電極１ａ、第２電極２ａ、及び第３電極３ａを電気的に接続することによって、センサとして機能させることができる。

例えば、基板１は、その下側主面に電子部品４の電極と接続される第１の接続導体１ｄおよび電子部品４の電極と接続される第２の接続導体１ｅが形成されている。また、第１の電極１ａと第１の接続導体１ｄとを電気的に接続するための第１の基板内導体１ｂが形成されている。さらに、キャビティ３の内側の上面には第２の電極２ａが形成されており、スペーサ２内部には第２の電極２ａを外部と接続するための内部導体２ｂが設けられ、この内部導体２ｂがスペーサ２の下側主面（基板１との接合面）の接合用導体２ｃに電気的に接続されている。さらに、接合用導体２ｃは基板１内の第２の基板内導体１ｃを介して、基板１の下側主面に形成された第２の接続導体１ｅに導通されている。

これら第１の基板内導体１ｂや、内部導体２ｂは、従来周知のキャスタレーション処理やビアホール導体などで形成することができる。

ここで、図１に示すように、第２の基板内導体１ｃは下部貫通導体２１ｃと上部貫通導体３１ｃと内層導体層４１ｃとから成り、上部貫通導体３１ｃと下部貫通導体２１ｃとは互いに中心軸が一致しないように位置を前後左右にずらして設けることが好ましい。当該構成によれば、接合力の弱い接合部（第２の基板内導体１ｃと基板１との間の第２の基板内導体１ｃと基板１とが接合されている部位）を通じて外部の高圧ガスが内部に侵入しようとしても、互いに中心軸が一致しない位置に設けられた上部貫通導体３１ｃおよび下部貫通導体２１ｃと内層導体層４１ｃとの接続部によって遮断され、接合部を介して基板１内部に高圧ガスが侵入しにくくすることができる。また、図示しないが、第１の基板内導体１ｂにおいても同様に、下部貫通導体と上部貫通導体と内層導体層とから成り、上部貫通導体と下部貫通導体とは互いに中心軸が一致しないように位置を前後左右にずらして設けてもよい。この構成により、より高圧雰囲気下においても高圧雰囲気下においても信頼性の高いものとすることができる。

第１の基板内導体１ｂ，第２の基板内導体１ｃ，内部導体２ｂ等の導体は、タングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），マンガン（Ｍｎ）等の高融点金属から成るメタライズ層によって形成される。

ここで、電子部品４は、基板１の下面に載置されることが好ましく、センサの小型化が可能になるとともに、例え電子部品が発熱した場合であっても、電子部品の熱を基板に伝熱させることができる。

＜センサ＞
第１の接続導体１ｄおよび第２の接続導体１ｅのそれぞれが電子部品４の電極にボンディングワイヤ等の電気的接続手段６を介して接続され、第１の電極１ａと第２の電極２ａとの間に蓄えられる電荷の変化を電子部品４で読み取ることができるようになる。そして、電子部品４が読み取った電荷の変化を演算処理したものを、電子部品４からボンディングワイヤ等の電気的接続手段６を介して第１の表面導体１ｆおよび第２の表面導体１ｇに取り出して、外部電気回路基板７に伝えることで静電容量型圧力センサとして機能させることができる。

なお、電子部品４と第１の表面導体１ｆおよび第２の表面導体１ｇとをボンディングワイヤ等の電気的接続手段６を介して接続した後、電子部品４をエポキシ樹脂等の封止樹脂５を用いて封止するのがよく、電子部品４に腐食等が生じるのを防止することができる。

また、ダイアフラム９の厚みが基板１の厚みよりも薄いことが好ましく、センサ用パッケージに圧力が加わった際に、ダイアフラム９側で受ける応力を好適に分散させることにより、基板１の変形を抑制できるため、電子部品４が基板１から剥離することを抑制できる。その上、ダイアフラム９の厚みは、基板１の厚みよりも薄いため、ダイアフラム９の変形量を増加させることができる。

＜センサ用パッケージの製造方法＞
以下、本発明にかかるセンサ用パッケージの製造方法について添付図面に基づき詳細に説明する。

図３は、本発明にかかるセンサ用パッケージの製造方法を示す図である。

図中、１０９は第１のセラミックグリーンシート（焼成後、ダイアフラム９）、１１２は第２のセラミックグリーンシート（焼成後、スペーサ２）、１０２は第３のセラミックグリーンシート（焼成後、スペーサ２）、１０１は第４のセラミックグリーンシート（焼成後、基板１）である。

まず、Ａｌ_２Ｏ_３質焼結体から成る場合、まず、Ａｌ_２Ｏ_３，ＳｉＯ_２，ＭｇＯ，ＣａＯ等の原料粉末に適当な有機バインダ，溶剤等を添加混合してスラリーと成す。このスラリーをドクターブレード法やカレンダーロール法によってセラミックグリーンシートと成し、打ち抜き等により所要の大きさに切断することによって上述したセラミックグリーンシートを作製することができる。セラミックグリーンシートの形状は、第１のセラミックグリーンシート１０９及び第４のセラミックグリーンシート１０１が外側平面視形状が円形，楕円形や多角形の板状、第２のセラミックグリーンシート１１２及び第３のセラミックグリーンシート１０２が外側平面視形状が円形，楕円形や多角形であって、中央部に平面視において円形，楕円形や多角形のキャビティ３を有する柱状のものである。ここで、第２のセラミックグリーンシート１１２は、第３のセラミックグリーンシート１０２よりも横幅が広いものとする。

次に、第１のセラミックグリーンシート１０１上に、第２のセラミックグリーンシート１１２、第３のセラミックグリーンシート１０２、第４のセラミックグリーンシート１０１を順次積層する。

最後に、第１のセラミックグリーンシート１０９、第２のセラミックグリーンシート１１２、第３のセラミックグリーンシート１０２、及び第４のセラミックグリーンシート１０１を積層した状態で焼成（約１６００℃程度）し、本発明にかかるセンサ用パッケージを作製することができる。

上述したセンサ用パッケージの製造方法によれば、第２のセラミックグリーンシート１１２によって、第３のセラミックグリーンシート１０２及び第４のセラミックグリーンシート１０１を積層時に加わる応力を分散させることができるため、焼成後において、スペーサ２に変形やクラック等の破損が発生することを抑制することができる。

また、図３に示すようにセラミックグリーンシートを積層してセンサ用パッケージを作製することにより、ダイアフラム９、スペーサ２、及び基板１を一体成形できるため、ロウ材等の形成工程を省略でき、製造コストの低減に繋げることができる。加えて、セラミックスでパッケージが一体成形されることから、例えば静電容量型センサとした場合に、電荷の漏れを抑制した気密性の高いセンサ用パッケージを提供することができる。

さらに、上述したセラミックグリーンシートに第２電極２ａと成るメタライズ配線をスクリーン印刷法によって印刷すれば、所定の位置に所定の寸法で第２電極２ａ、第３電極３ａを精度良く形成することができる。それゆえ、静電容量の自由度を高めた静電容量型のセンサ用パッケージを提供することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更は何等差し支えない。

例えば、上述ではセンサ用パッケージとして静電容量型センサを示したが、これに限定されるものではなく、厚膜抵抗体型センサにも適用できる。

本発明のセンサ用パッケージおよびセンサの実施の形態の一例を示す断面図である。 本発明のセンサ用パッケージおよびセンサの実施の形態の他の例を示す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明のセンサ用パッケージの製造方法の一例を示す図である。 従来の圧力センサに用いられるスペーサの例を示す断面図である。

符号の説明

１：基板
１ａ：第１電極
１ｂ：第１の基板内導体
１ｃ：第２の基板内導体
１ｄ：第１の接続導体
１ｅ：第２の接続導体
１ｆ：第１の表面導体
１ｇ：第２の表面導体
２：スペーサ
２ａ：第２電極
２ｂ：内部導体
２ｃ：接合用導体
３：キャビティ
３ａ：第３電極
４：電子部品
５：封止樹脂
６：電気的接続手段（ボンディングワイヤ）
７：外部電気回路基板
２１ｃ：下部貫通導体
３１ｃ：上部貫通導体
４１ｃ：内層導体層
１０９：第１のセラミックグリーンシート
１１２：第２のセラミックグリーンシート
１０２：第３のセラミックグリーンシート
１０１：第４のセラミックグリーンシート

Claims (6)

1. 基板と、
   前記基板上に配置されるダイアフラムと、
   前記基板と前記ダイアフラムとの間に介在し、両者の間隔を規定するセラミック製スペーサと、
   を備えたセンサ用パッケージであって、
   前記スペーサは、前記基板から前記ダイアフラムにかけて、連続して横幅が広くなるようにセラミック層が積層されてなることを特徴とするセンサ用パッケージ。
2. 前記基板上面に設けられた第１電極と、該第１電極と対向するとともに前記ダイアフラムの下面に設けられた第２電極と、を備えてなることを特徴とする請求項１に記載のセンサ用パッケージ。
3. 前記セラミック表面に、前記第２電極と電気的に接続された第３電極をさらに有してなることを特徴とする請求項２に記載のセンサ用パッケージ。
4. 請求項３に記載のセンサ用パッケージと、前記第１電極及び前記第２電極と電気的に接続された電子部品と、を有することを特徴とするセンサ。
5. 請求項４に記載のセンサであって、前記電子部品は、前記基板の下面に載置されてなることを特徴とするセンサ。
6. 請求項５に記載のセンサであって、前記ダイアフラムの厚みは、前記基板の厚みよりも薄いことを特徴とするセンサ。
   

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