JP5590822B2 - 圧力センサ装置 - Google Patents

Description

本出願は、２００８年６月２日に提出された米国仮出願番号ＵＳ６１／０５７，８９８号を基礎とする優先権を主張する。本発明は、センサに関し、特に、自動車産業において利用される圧力センサに関する。

自動車分野において圧力を感知するためにセンサを用いることが知られている。一般的にこれらのセンサは、スナップ動作ディスク技術、容量技術、及び歪みゲージ技術（ＭＥＭＳをベースとする、もしくはデポジットされた薄膜による）を利用する。このようなセンサの例は、特許文献１、特許文献２、特許文献３、および特許文献４で説明されており、これらは全て本発明の所有者により所有される。

米国特許第４，９８２，３５１号 米国特許第５，８１４，７７９号 米国特許第６，７８２，７５８号 米国特許出願番号１２／０６９，５２２号

これらのセンサは、自動車の圧力分野に幅広く利用されかつ受け入れられている。しかしながら、未だ、特に高さと直径のサイズを縮小した高精度の圧力センサが必要とされている。

本発明の目的は、乗り物のＥＣＵに接続するため、外部のＯリングおよび外部の端子を除き、直径が１８ｍｍであって、高さが１２ｍｍであるかそれよりも小さな乗り物用の圧力センサを提供することである。本発明のもう一つの目的は、特定の品質と性能の基準を満たしつつ、コストを削減し、サイズを縮小することである。さらなる本発明の目的は、センサの感知部材へ伝達される応力を最小限にするよう改良された構造を有する小型の圧力センサを提供することである。

簡潔に述べれば、本発明の好ましい実施例により作られたセンサは、基板上に搭載されるカップ形状のハウジングを有し、ドープされた単結晶シリコンダイを、ボロシリケイトガラス台部材に接着された感知部材として組み入れるものであり、そのボロシリケイトガラス台部材は次に、基板の金属台部分に取り付けられ、すべては、熱膨張係数（以下、ＣＴＥと言う）がほぼ一致するよう選択され、そして搭載および温度の応力が感知部材へ伝達されるのを最小限にするよう構成される。ガラス台部材は、例えば、１０００psiもしくはそれ以上に至る高圧力の測定を必要とする使用のために、ほぼＣＴＥの一致を有する鉛ガラス(はんだガラス)を用いて金属台に取り付けられる。その他のより低い圧力の適用には、わずかに高いＣＴＥを有するビスマレイミド(ＢＭＩ)のような樹脂が、ガラス台部材を金属台部分に取り付けるために使用することができる。本発明の好ましい実施例に従って製造されたセンサは、ハウジングと基板との分離を可能にするスリットテールのフレキシブル回路を有し、基板は、センサのアッセンブリ中にはんだごてのアクセスを提供するハウジングの開口を閉じるように使用される。

金属台が形成された基板には、好ましくは、センサの搭載を容易にするためにセンサから半径方向に外側へと延在する一対のフランジが設けられ、フランジは、搭載応力荷重が基板の台への伝達を最小限にするように働く。２つのフランジは、好ましくは、製造のためのキーを提供するために異なるサイズである。好ましい実施例では、基板の底面に凹部または窪みが形成され、流体通路の周辺に弾性部材収容シートを形成し、流体通路は、台部分を含む基板およびガラス台部材を介して感知部材まで延在する。変更された好ましい実施例では、弾性部材収容シートは、分離したリングを基板の裏面に溶接することによって形成され、基板は、ハウジングとリング間を外側へ延在するフランジを有する。

本発明の好ましい実施例を例示する明細書に含まれまたはその一部を構成する添付の図面は、説明と共に、本発明の目的、利点および原理を説明するのに役立つものである。
図１は本発明に従って製造されたセンサの正面の斜視図であり、センサ上部が切り取られている。 図２は、図１のセンサの頂部の平面図である。 図３は、図１のセンサの底部の底面図である。 図４は、図２の４−４線で切り取られた断面図である。 図５は、センサ上部が切り取られた図１のセンサが部分的に組み立てられた斜視図である。 図６は、図５で示された構造の側面図である。 図7は、図１のセンサにおいて使用されるフレキシブル回路の平面図である。 図８は、変更された好ましい実施例の平面図である。 図９は、図８の９−９線で切り取られた断面図である。

好ましい実施例の詳細な説明
図面を参照すると、圧力センサ１０は、ほぼカップ形状のハウジング１２を含み、ハウジング１２は、炭素鋼のような適切な金属素材から形成され、さらにハウジング１２は、側壁１２ａと、端壁１２ｂと、チャンバ１２ｄを規定する側壁１２ａの自由端によって形成された円形の開放端とを有する。

金属製の基板１４は、ほぼ円形状を有し、基板１４には、上部外周の周りにハウジング壁を受け取る環状フランジ１４ａが形成される（図４および図５参照）。凹部または窪み１４ｂは、後述される気体通路１６の周囲に延在するＯリングシートを形成する基板の底部に形成される。適切な弾性素材のＯリング１５は、凹部１４ｂに締まりばめ（interference fit）を形成するよう選択されたサイズを有し、凹部１４ｂ上に配置される。凹部およびＯリングの具体的な幾何学的な形状は、最も劣悪な公差が蓄積された状態でも膨張することができ、他方、同時に、基板の側壁が係合する相手方装置（mating customer equipment）と接触するのを防ぐことで搭載感度の影響を減少させるように選択される。基板と前記係合する相手方装置との間隔は、０．０５ｍｍから０．４０ｍｍの間で変動することができ、１５％から４０％の弾性部材の圧縮を保つ。このサイズのパッケージには非常に大きい、２．６２ｍｍの断面の弾性部材（エラストマ）が使用される。このサイズのＯリングを使用する利点は、製品寿命の間、−４０℃から１５０℃の温度範囲で、圧力キャビティへ正しく圧力媒体を収容させるための弾性部材の能力に関する圧縮と公差のセットの影響を最小化することである。

本実施例においてＯリングが説明されているが、例えば正方形にカットされたガスケットのようなその他の弾性部材の構造を使用することも本発明の範囲内である。さらに、搭載応力（mounting stress）は、基板１４のフランジ１４ｆに形成された離間された停止面バンプ１４ｇの使用によっても制限することができる。この例では、基板バンプは、相手の係合面と係合し、弾性部材は、その範囲で圧縮される。４つの停止面バンプが図に示されているが、必要に応じて、３つの停止面バンプを使用することができる。

ハウジングの端壁１２ｂには、端子２４ａ、２４ｂおよび２４ｃの各々を貫通して収容するための端子収容開口１２ｅが形成される。それらの端子は、ガラスシール１２ｆによって端壁１２ｂから絶縁されている。端壁１２ｂの厚さは、端子にとって頑丈な搭載面を提供するように選択される。端子は、後述されるフレキシブル回路３０と電気的接続をするためにチャンバ１２ｄ内に延在する。例示の図を簡単にするため、ワイヤーボンドは、図に示されていない。

基板１４には、好ましくは中心に形成された、高く持ち上げられた応力隔離台部分１４ｄを持つ平らな頂面１４ｃが形成され、応力隔離台部分１４ｄには、後述する適切な接着剤２０を用いてそこに取り付けられたガラス応力隔離台部材１８を受け取るための平坦な頂面が形成される。次に、ガラス台部材１８は、後述される感知部材２２に接合される。

基板１４の材料は、搭載感度を制限するため、ガラス台部材１８のＣＴＥにほぼ一致するように選択される。１８ｍｍかそれより小さい外径と１２ｍｍかそれより小さい高さを有するセンサでは、金属台部分１４ｄの高さは、好ましくは０．３５ｍｍないし２．５ｍｍの間である。金属台部分１４ｄは、ガラス台部材１８および感知部材２２とともに、上方からから見た平面図において、ほぼ四角形である。ガラス台部材１８の高さは、０．２ｍｍから２．５ｍｍの範囲内であることができる。台部分１４ｄの幅は、基準となる縁を提供して設置を容易にするために、感知部材２２の幅よりもわずかに大きい。

本発明の好ましい実施例においては、感知アッセンブリは、感知部材２２を含み、感知部材２２は、２−３のＣＴＥを有するドープされた単結晶シリコンＡＳＩＣを有し；ガラス台部材１８は、３のＣＴＥを有するボロシリケイトガラスもしくはパイレックス（登録商標）を有し；接着剤２０は、約６のＣＴＥを有する低温燃焼温度（low firing temperature）の鉛ガラス、すなわち、はんだガラスを有し；そして、基板の台部分１４ｄは、５−６のＣＴＥを有するＡＳＴＭ Ｆ−１５から形成される。

シリコンダイ、すなわち調整する電子部品を有する感知部材２２とガラス台部材１８は、２つの金属電極間にある感知部材とガラス台部材をクランプし、かつ、部材を貫通する電界を創りだすことによって、上昇された温度で接合される。ガラス部材は、ナトリウムイオンを含んでおり、そのナトリウムイオンは、上昇された温度で、電界によってガラスの接合面から移動させられる。ガラスの表面付近のナトリウムイオンの空乏により、ガラスがシリコン感知部材と非常に反応し、化学的な接合を形成する。

上記のように、感知部材アッセンブリは、基板の金属製の台部分に取り付けられ、次いでガラス台に接着された感知部材を含んでいる。ガラス台部材１８に接着された感知部材（ＡＳＩＣ）２２の、ＡＳＴＭ Ｆ−１５から形成される金属台部分１４ｄの取り付けは、例えば、ビスマレイミド（ＢＭＩ）のような樹脂、鉛ガラスやその他のガラス、はんだ、ポリイミド、もしくは共晶の使用によって影響され得る。一般に、理想的なＡＳＩＣの取付け特性は、低弾性率、高接着強度、および一致したＣＴＥを含む。もし、ＣＴＥの不一致が大きいならば、低い弾性率が求められる。もし、不一致が小さいならば、高い弾性率の材料が耐えられ得る。高い圧力の測定（例えば、１０００psiもしくはそれ以上）が要求されるアプリケーションでは、鉛ガラスが効果的であった。

ガラス応力隔離台部材１８と結合された金属応力隔離台部分１４ｄの上記感知部材アッセンブリは、応力の緩和、つまり、搭載および温度から引き起こされる圧力が感知部材へ伝達されることを隔離する。

基板１４にはまた、基板１４の２つの対向する側面から半径方向に外側へ延在する搭載フランジ１４ｆが設けられる。搭載フランジ１４ｆは、監視されるべき流体システムでの使用のために所望の位置にセンサをクランプする便利な方法を提供するだけでなく、締め付ける力は、ハウジング１２の外側であり、かつ台から離れており、それによって台領域への搭載応力の伝達を最小限にする。好ましくは、フランジは、製造のキーを提供するため、種々のサイズで形成される。

図５ないし図７を参照すると、フレキシブル回路３０は、従来の材料から形成され、第１および第２の隔離されたほぼ円形のローブ３０ａ、３０ｂを有し、第１および第２のローブ３０ａ、３０ｂは、ブリッジ部分３０ｃによって接続され、ローブ３０ａが基板１４の平らな表面１４ｃ上に受け取られ、ローブ３０ｂがハウジング１２の端壁１２ｂの内側にある。ローブ３０ａは、整合するが台部分１４ｄの周辺形状よりもわずかに大きな中央に位置した開口を有する。ブリッジ部分３０ｃは、３０ｆと３０ｇにおいて、ローブ３０ａ、３０ｂに細い切り込み（スリット）がそれぞれ形成され、ブリッジ部分３０ｃは、その先端の円形の応力緩和孔３０ｄの間を延在する。ローブ３０ｂにはまた、端子収容孔３０ｅが設けられ、端子収容孔３０ｅは、ガラスシール１２ｆによってハウジングから絶縁された貫通孔１２ｅを延在する端子部材２４ａ、２４ｂ、２４ｃに整合される。端子リードの配置は、選択的な事項であることが認識されよう。例えば、端子リードは、要望があれば側壁１２ａを貫通して延在することができるが、図１の実施例において端壁１２ｂは、側壁１２ａと比べて比較的厚く形成され、端子の頑丈な搭載のために適した面を提供し、一方で、より薄い側壁の使用によって、ハウジングに必要な材料を少なくし、その直径を最小化することができる。

図に示されていないが、回路は、フレキシブル回路上に形成され、従来技術で公知のように、ＥＭＣやＥＳＤの事象から調整用電子部品２２ａの優れた保護を提供する。

図７のフレキシブル回路は、ローブ内に延在するスリットテールもしくはブリッジ部分を有しており、このフレキシブル回路は、金属シールのためにガラスを有する一体のハウジングの使用を可能にする。すなわち、製造は、基板の位置にハウジングを位置することが可能になることによって非常に簡素化されるが、ブリッジ部分３０ｃによってそこに接続され、これにより、ハウジング内部および基板でのはんだ付けを容易にする。フレキシブル回路にスリットがなければ、フレキシブル回路をはんだ付けすることはできないであろう。なぜなら、センサは、はんだごてのためのアクセスを提供するのに十分に開口していないためである。ハウジングの壁の高さおよび直径に対するスリットの長さと基板の直径は、この特徴を提供するにあたりすべて重要である。次の方程式は、ハウジングの壁の高さ、ハウジングの直径、および基板の直径に対するスリットテールもしくはブリッジ部分の長さを表している（本発明の好ましい実施例に従って製造されたセンサのハウジング壁の厚さは、０．８５ｍｍに維持される）。

スリットテールの長さ（Ｌ）＝０．２４２×（ハウジングの壁の高さ）＋０．５１８×（基板ＯＤ）＋０．４１４×（ハウジングＯＤ）

ハウジングＯＤを表すＡ、ハウジングの壁の高さを表すＢ、および基板ＯＤを表すＣの参照が図４に示され、ブリッジの長さを表すＬが図７に参照される。全ての寸法は、ミリメートルである。本方程式の結果、＋／−０．４ｍｍ以内のスリットテールの長さ（ブリッジ部分３０ｃ）は、適切に動作し得る。

はんだ付け操作の完了後に、ハウジングは、フランジ１４ａにセットされ、ハウジングと基板は、ともに溶接され、液体のしっかりとした密封を形成する。

図８および図９は、本発明の変更された好ましい実施例を示し、センサ１０’は、ハウジング部材１２’を含み、ハウジング部材１２’は、図９に示されるように端子リードが図１のように三角形の構成ではなく一直線に整合されていることを除けば、図１のハウジング１２と同一のものである。基板１４’には、図１のセンサと同様に、搭載フランジ１４ｆが設けられるが、分離したリング１７が、ハウジング１２の側壁１２ａに整合された基板の底面に溶接され、そのハウジング１２は、基板の上面に溶接される。こうして、リング１７は、Ｏリングシートのための窪みを形成する。そうでなければ、基板は第１の実施例と同様である。ハウジング１２とリング１７は、炭素鋼から形成することができ、それによって基板１４’に必要とされるより高価なＡＳＴＭ Ｆ−１５の材料の量を低減することができる。さらに、この構成は、搭載応力を隔離すること、およびそのような応力の感知アッセンブリへの伝達を制限することにおいて、より効果的であり得る。

例示によって、上記で説明された好ましい実施例により製造された圧力センサは、端子およびＯリングを除いて、１３．０ｍｍの外径と１１ｍｍの高さを有して作られる。

本発明は、その特定の好ましい実施例について説明されているが、変更および修正が通常の当業者に明らかとなり得る。例えば、単結晶シリコン感知部材が同じ単結晶シリコンＡＳＩＣ上に調整電子部品を有することが説明されたが、所望であれば、ＡＳＩＣは、一方は調整電子部品を含み、もう一方は感知部材として利用される、シリコンが２つの部分に分割され得ることが理解される。それゆえ、添付された請求の範囲は、先行技術の観点から可能な限り幅広く解釈され、すべてのそのような変更および修正を含むことを意図している。

Claims (12)

1. 高圧力、液体密閉、小型圧力センサであって、
   基板と、
   前記基板によって閉じられる自由端を有し、チャンバを形成するカップ形状のハウジングであって、前記基板には、中央の位置に高く持ち上げられた応力隔離台部分が形成された、前記ハウジングと、
   前記基板の前記応力隔離台部分に接着された応力隔離ガラス台部材と、
   前記応力隔離ガラス台部材に固定された圧力応答感知部材と、
   前記圧力応答感知部材に連通する前記応力隔離ガラス台部材および前記応力隔離台部分を含む前記基板を貫通して延在する流体通路と、
   包囲体内に配置された調整電子部品と、
   前記調整電子部品および前記圧力応答感知部材に接続するために前記ハウジングの外部位置から前記ハウジング内に延在する端子とを有し、
   前記圧力応答感知部材、前記応力隔離ガラス台部材および前記基板は、前記感知部材へ伝達される応力荷重を最小限にするため、ほぼ一致する熱膨張係数を有し、
   前記ハウジングは、円筒状の側壁を有し、前記ハウジングはさらに、前記円筒状の側壁に適合し、整合されかつ前記基板の底面に取り付けられる弾性部材シートを含み、前記弾性部材シートは、前記流体通路の周囲の前記基板の底面に配置される、圧力センサ。
2. 前記基板は、ＡＳＴＭ Ｆ−１５から形成される、請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記ガラス台部材は、樹脂によって前記基板の台部分に接着される、請求項２に記載の圧力センサ。
4. 前記樹脂は、ビスマレイミド（ＢＭＩ）である、請求項３に記載の圧力センサ。
5. 前記ガラス台部材は、鉛ガラスによって前記基板の台部分に接着される、請求項２に記載の圧力センサ。
6. 搭載フランジは、前記基板から半径方向に外側へ延在し、それによって、前記基板の台部分への搭載荷重の伝達を最小限にする、請求項１に記載の圧力センサ。
7. 前記弾性部材シートは、前記基板の底面に形成された窪みを含む、請求項１に記載の圧力センサ。
8. 前記ハウジングはリングを含み、リングは、弾性部材シートとして機能する窪みを形成する、請求項１に記載の圧力センサ。
9. 圧力センサはさらに、前記基板から半径方向に外側へ延在する搭載フランジを有し、これにより前記基板の台部分への搭載荷重の伝達を最小限にする、請求項８に記載の圧力センサ。
10. 圧力センサはさらに、前記弾性部材シート内に配置された弾性部材を含み、前記弾性部材は、前記窪みの深さよりも十分に大きな厚さを有し前記基板と前記センサを受容する相手方の装置との間の直接的な係合を防止する、請求項７に記載の圧力センサ。
11. 基板と、
    前記基板によって閉じられる自由端を有し、チャンバを形成するカップ形状のハウジングであって、前記基板には、中央の位置に高く持ち上げられた応力隔離台部分が形成された、前記ハウジングと、
    前記基板の前記応力隔離台部分に接着された応力隔離ガラス台部材と、
    前記応力隔離ガラス台部材に固定された圧力応答感知部材と、
    前記圧力応答感知部材に連通する前記応力隔離ガラス台部材および前記応力隔離台部分を含む前記基板を貫通して延在する流体通路と、
    包囲体内に配置された調整電子部品と、
    前記調整電子部品および前記圧力応答感知部材に接続するために前記ハウジングの外部位置から前記ハウジング内に延在する端子とを有し、
    前記圧力応答感知部材、前記応力隔離ガラス台部材および前記基板は、前記感知部材へ伝達される応力荷重を最小限にするため、ほぼ一致する熱膨張係数を有し、
    前記基板およびハウジングは、ほぼ円筒状であり、前記ハウジング内のチャンバは頂面を有し、前記基板は、前記台部分と隣接する平らな表面を有し、
    圧力センサはさらに、ブリッジ部分により離間された２つの円筒状のローブを有するフレキシブル回路を含み、一方のローブは、前記チャンバの前記頂面に受け取られ、他方のローブには切り抜きが形成されかつ前記基板の前記平らな表面に受け取られ、前記台部分が前記切り抜きを介して前記他方のローブ内に延在し、
    センサのアッセンブリ中にはんだ付けを容易にするため、前記フレキシブル回路の前記ハウジングおよび前記基板への取り付け後に、前記ハウジングと前記基板の分離を可能にするように前記ブリッジの選択された長さを提供するように前記ブリッジ部分が前記ローブに細長く切り込まれている、圧力センサ。
12. 前記ブリッジ部分の前記長さＬは、すべての寸法がミリメートルである次式によって決定される、請求項１１に記載の圧力センサ。
    Ｌ＝０．２４２×（ハウジングの壁の高さ）＋０．５１８×（基板ＯＤ）＋０．４１４×（ハウジングＯＤ）。