JP6122354B2

JP6122354B2 - 圧力検出装置用基体および圧力検出装置

Info

Publication number: JP6122354B2
Application number: JP2013132812A
Authority: JP
Inventors: 橋口　功; 功橋口
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2013-06-25
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2017-04-26
Anticipated expiration: 2033-06-25
Also published as: JP2015007573A

Description

本発明は、圧力を検出するための静電容量型の圧力検出装置用基体および圧力検出装置に関するものである。

従来、圧力を検出するための圧力検出装置として静電容量型の圧力検出装置が用いられている。この静電容量型の圧力検出装置に用いられる圧力検出装置用基体として、表面に静電容量形成用の第１の電極を有している絶縁基板と、絶縁基板との間に所定の空間を設けて絶縁基板の表面に可撓な状態で接合され、第１の電極に対向している静電容量形成用の第２の電極を有しているダイアフラムと、絶縁基体とダイアフラムとの間に設けられたスペーサとを有しているものが知られている。このような圧力検出装置用基体は、絶縁基板とダイアフラムとスペーサとが一体的に形成されて、これらによって絶縁基体に密閉された内部空間が形成されたものとなっている。このような圧力検出装置は、外部の圧力変動に伴ってダイアフラムが撓むと、第１の電極と第２の電極との間隔が変化してその間の静電容量が変化するので、その静電容量の変化によって圧力変動を検知することができるというものである。

このような圧力検出装置においては、圧力検出装置用基体の絶縁基体の内部空間の周囲に、静電容量の変化を演算処理するための電子部品を搭載していることがある（例えば、特許文献１を参照。）。

特開2005−214736号公報

しかしながら、電子部品から生じた熱がダイアフラムに伝わって、ダイアフラムが凹形状または凸形状に変形すると、絶縁基板とダイアフラムとの距離が変わってしまい、第１の電極と第２の電極との間隔との間で形成される静電容量が変化してしまうので、外部の圧力を精度良く検出することができなくなることが懸念される。

本発明の一つの態様による圧力検出装置用基体は、内部空間と、平面視において前記内部空間に並んで設けられた電子部品実装部と、前記内部空間の上に隣接して設けられた可撓部とを有する絶縁基体と、前記内部空間を挟むように前記内部空間の内面または前記絶縁基体の内部に設けられた複数の電極と、前記絶縁基体の下面に設けられた外部端子とを有しており、前記電子部品実装部の高さが前記内部空間の下端の高さ以下に位置する。

本発明の他の態様による圧力検出装置は、圧力検出装置用基体と、圧力検出装置用基体の前記電子部品実装部上に実装された電子部品とを有する。

本発明の一つの態様による圧力検出装置用基体は、内部空間と、平面視において内部空間に並んで設けられた電子部品実装部と、内部空間の上に隣接して設けられた可撓部とを有する絶縁基体と、内部空間を挟むように内部空間の内面または絶縁基体の内部に設けられた複数の電極と、絶縁基体の下面に設けられた外部端子とを有しており、電子部品実装部の高さが内部空間の下端の高さ以下に位置することから、電子部品実装部上に実装された電子部品から生じた熱を、可撓部へ伝わりにくいものとすることができ、熱応力による可撓部の変形を低減して静電容量の変化を抑制することで、外部の圧力を精度良く検出することができる。

本発明の他の態様による圧力検出装置は、圧力検出装置用基体と、圧力検出装置用基体の電子部品実装部上に実装された電子部品とを有することから、外部の圧力を精度良く検出することができる圧力検出装置とすることができる。

（ａ）は、本発明の第１の実施形態における圧力検出装置における上面図であり、（ｂ）は、（ａ）の下面図である。図１（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。（ａ）は、本発明の第２の実施形態における圧力検出装置における上面図であり、（ｂ）は、（ａ）の下面図である。（ａ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ線における断面図であり、（ｂ）は、図３（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。本発明の第３の実施形態における圧力検出装置における断面図である。（ａ）は、本発明の第１の実施形態の他の例における圧力検出装置における上面図であり、（ｂ）は（ａ）の下面図である。図６（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。

本発明のいくつかの例示的な実施形態について、添付の図面を参照しつつ説明する。

（第１の実施形態）
図１および図２に示された例のように、本発明の第１の実施形態における圧力検出装置において、絶縁基体１は、基体部11と基体部11上に設けられた枠部12と、基体部11の上方であって枠部12の内側に設けられた可撓部13とを有している。絶縁基体１は、基体部11と枠部12と可撓部13とに囲まれた内部空間14を有している。可撓部13は内部空間14の上に隣接して設けられている。内部空間14を挟むように複数の電極２が設けられている。絶縁基体１の表面および内部には配線導体３が設けられており、絶縁基体１の下面に外部端子４が設けられている。絶縁基体１の上面には、内部空間14に並んで設けられ、電子部品実装部が設けられた凹部15が形成されており、電子部品実装部の高さは、内部空間14の下端の高さ以下に位置している。なお、図１および図２において、電子装置は、仮想のｘｙｚ空間内に設けられており、以下便宜的に「上方」とは仮想のｚ軸の正方向のことをいう。

絶縁基体１は、平面視で四角形状に、枠部12の内径および可撓部13、ならびに内部空間14は、平面視で円形状に形成されている。

絶縁基体１は、酸化アルミニウム質焼結体，窒化アルミニウム質焼結体，ムライト質焼結体，炭化珪素質焼結体，窒化珪素質焼結体，ガラスセラミックス等の電気絶縁性の焼結体から成り、例えば、図１に示された例のように、複数の絶縁層が積層することにより内部空間14が形成されている。

絶縁基体１は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、次のようにして製作される。まず、酸化アルミニウム，酸化珪素，酸化マグネシウム，酸化カルシウム等のセラミック原料粉末に、適当な有機バインダ，溶剤，可塑剤，分散剤を添加混合して泥漿状となすとともに、これをドクターブレード法によりシート状に成形して複数枚のセラミックグリーンシートを得る。これらのセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工，切断加工を施すことにより、絶縁基体１用のセラミックグリーンシートを得る。このとき、枠部12用のセラミックグリーンシートのいくつかには、金型やパンチングによる打ち抜き加工またはレーザ加工等の孔加工方法により、内部空間14となる貫通孔を形成しておく。これらのセラミックグリーンシートを積層することにより、内部空間14を有する
絶縁基体１用のセラミックグリーンシート積層体を形成する。そして、このセラミックグリーンシート積層体を約1600℃の温度で焼成することにより、基体部11と枠部12と可撓部13とに囲まれた内部空間14を有する絶縁基体１が製作される。

また、図１に示す例においては、内部空間14に並んで設けられた凹部15の底面に、電子部品５が実装される電子部品実装部が設けられている。電子部品実装部が設けられた凹部15の底面の高さは、内部空間14の下端の高さ以下に位置している。なお、図１に示す例では、凹部15の底面は、内部空間14の下側端と同じ高さであるが、後述する図７に示す例のように、内部空間14の下端よりも下方に位置させておくと、電子部品実装部上に実装された電子部品５から生じた熱を、より下方へ伝わりやすくするので、可撓部へより伝わりにくいものとすることができ、好ましい。このような凹部15は、金型やパンチングによる打ち抜き加工またはレーザ加工等の孔加工方法により、絶縁基体１用のセラミックグリーンシートのいくつかに、凹部15となる貫通孔を形成しておくことにより形成される。

内部空間14を挟んで対向する可撓部13の下面および基体部11の上面に、互いに対向する電極２が形成されている。電極２は、静電容量形成用の電極である。互いに対向している電極２同士の間には、対向している電極２同士の対向面積および間隔に応じた静電容量が形成される。例えば、図１に示された例においては、絶縁基体１に外部から圧力が加えられると、その圧力に応じて可撓部13が内部空間14側に撓んで対向する電極２同士の間隔が、圧力が加えられる前に比べて小さくなって、電極２同士の間の静電容量が大きくなる。圧力検出装置は、このような静電容量の変化を検出することによって、外部の圧力の変化を静電容量の変化として検出できる。なお、圧力が大きく減少した場合は、その圧力に応じて可撓部13が内部空間14と反対側に撓んで対向する電極２の間隔が大きくなって、電極２同士の間の静電容量が小さくなることとなる。

平面視において、基体部11に設けられた電極２は、可撓部13に設けられた電極２よりも面積が小さく、可撓部13側の電極２からはみ出さないように配置されていることが好ましい。平面視において互いに対向する電極２の大きさがそれぞれ異なる場合は、小さい電極２の全体が大きい電極２の全体と重なるように配置することが好ましい。このような構成とすることによって、絶縁基体１を作製する際に互いに対向する電極２の対向する位置がずれても、電極２同士の対向する面積が少なくなることを低減できる。また、可撓部13の外部の圧力の変化による電極２同士の間の距離の変化率は、可撓部13の中央において大きく、可撓部13の外周において小さい。したがって、基体部11に設けられた電極２の面積が可撓部13に設けられた電極２の面積よりも小さいと、電極２同士の間の距離の変化率の大きい可撓部13の中央において電極２同士の対向している面積の割合を向上できるので、外部の圧力の変化による静電容量の変化率が大きくなり、圧力検出装置の感度を高めることができる。

配線導体３は、絶縁基体１の表面および内部に形成されており、互いに対向する電極２にそれぞれ電気的に接続されており、電極２間の静電容量の変化を電気的な信号として、電子部品５へ伝えるための配線、および電子部品５にて演算処理した電気的な信号を外部端子４を介して外部回路基板へ伝えるための配線として機能するものである。

外部端子４は、絶縁基体１の下面に形成されており、配線導体３からの電気的な信号を外部回路基板へ伝えるための配線、および外部回路基板との接合部として機能するものである。

電極２および配線導体３、ならびに外部端子４は、タングステン，モリブデン，銅，銀等の金属粉末を用いたメタライズ導体から成る。例えば、絶縁基体１が酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、タングステン等の金属粉末に適当な有機バインダ，溶剤
，可塑剤，分散剤等を添加混合して得たメタライズペーストをスクリーン印刷法によって絶縁基体１用のセラミックグリーンシートに所定のパターンに印刷塗布し、これを絶縁基体１用のセラミックグリーンシート積層体とともに焼成することによって、絶縁基体１の内部および表面に所定のパターンに形成される。絶縁基体１内で上下方向に延びる配線導体３は、セラミックグリーンシートに貫通孔を形成しておき、この貫通孔にメタライズペーストを充填することによって形成される。

配線導体３および外部端子４の露出部の表面には、ニッケル、金等の耐蝕性に優れる金属めっき層が被着される。配線導体３および外部端子４が腐食することを低減できるとともに、電子部品５の電極と配線導体３との接続および外部回路基板と外部端子４とを強固に接合できる。例えば、露出部の表面には、厚さ１〜10μm程度のニッケルめっき層と厚
さ0.1〜３μm程度の金めっき層とが順次被着される。

枠部12は、互いに対向する電極２間に所定の間隔を設けるためのものである。内部空間14を囲んでいる貫通孔を有する枠形状を有している。枠部12の厚みが0.01ｍｍ未満であると、電極２間の間隔が比較的小さいことから、可撓部13の可撓範囲が小さいものとなるので、検出できる圧力の値の範囲が比較的小さくなる。また、枠部12の厚みが５ｍｍを超えると、電極２同士の間の間隔が比較的大きいことから、電極２同士の距離の変化率が小さくなり静電容量の変化率が小さくなって、圧力検出装置の感度が低くなる。従って、枠部12は、内部空間14を形成する部分の厚みが0.01ｍｍ〜５ｍｍの範囲であることが好ましい。

可撓部13は、外部の圧力に応じて内部空間14側または、内部空間14の反対側に撓んで、圧力検出用のダイアフラムとして機能する。図１に示された例では、可撓部13は内部空間14の上部において枠部12の貫通孔と重なっている。可撓部13の厚みが0.01ｍｍ未満であると、機械的強度が小さく、セラミックグリーンシートを用いて作製すると破損する可能性が高い。また、可撓部13の厚みが１ｍｍを超えると、撓みにくくなるので、圧力検出装置用のダイアフラムとして機能しにくくなる。したがって、可撓部13の厚みは0.01〜１ｍｍの範囲であることが好ましい。このような厚みの可撓部13を有する圧力検出装置用基体を用いた圧力検出装置は、例えば80ｋＰａ（低圧用圧力検出装置）〜2000ｋＰａ（高圧用圧力検出装置）の圧力の下で感度良く機能する。

内部空間14は、平面視において円形状を有する円柱形状であることが好ましい。内部空間14が平面視において円形状である場合、すなわち枠部12の貫通孔およびの可撓部13が円形状であることによって、外部の圧力が加わった際に、可撓部13を均等に撓ませやすい。したがって、厚みの比較的薄い可撓部13の一部が大きく変形することを低減でき、外部の圧力を感度良く検出できる。また、このような場合には、電極２は、平面視において内部空間14の形状と同様に、円形状であることが好ましい。このような電極形状とすることで、可撓部13を均等に撓ませることができる。

電子部品５は、電極２から配線導体３を介して伝達された電気的な信号を演算処理し、外部の圧力の大きさおよび変化を検知するものとして機能する。なお、図１に示す例では、上述した演算処理を行うための演算処理装置としての半導体素子であるが、これ以外にチップコンデンサやチップ抵抗等の受動素子や加速度センサ等の電子部品を実装していても構わない。

また、図１に示す例では、ワイヤボンディング型の電子部品５が、凹部15の底面にガラス、樹脂またはろう材等の接合材（図示せず）により固定した後、ボンディングワイヤ等の導電性接合材６を介して電子部品５と配線導体３とが接続されている。これにより、電子部品５と配線導体３とが電気的に接続されるとともに、電子部品５が絶縁基体１に固定
される。

また、電子部品５がフリップチップ型のものである場合には、凹部15内の配線導体３上に導電性接合材６を介して接合される。この場合の導電性接合材６としては、はんだバンプや金バンプ、または導電性樹脂（異方性導電性樹脂等）が用いられる。

凹部15の底面に実装された電子部品５は、例えば、エポキシ樹脂等の封止樹脂により覆われることによって、凹部15内に封止される。あるいは、凹部15内に実装された電子部品５を覆うようにして凹部15を塞ぐように、金属やセラミックスからなる蓋体を絶縁基体１に接合することによって封止してもよい。

本実施形態の圧力検出装置用基体は、電子部品実装部の高さが内部空間14の下端の高さ以下に位置することから、電子部品実装部上に実装された電子部品５から生じた熱を、可撓部13よりも絶縁基体１の下面側および外部端子４側へと伝わりやすくして、可撓部13へ伝わりにくいものとすることができるので、熱応力による可撓部13の変形を低減して静電容量の変化を抑制することで、外部の圧力を精度良く検出することができる。

また、本実施形態の圧力検出装置は、圧力検出装置用基体と、圧力検出装置用基体の電子部品実装部上に実装された電子部品５とを有することから、外部の圧力を精度良く検出することができる圧力検出装置とすることができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態による圧力検出装置について、図３および図４を参照しつつ説明する。

本実施形態における圧力検出装置において、上述の実施形態の圧力検出装置と異なる点は、平面視において、内部空間14の幅Ｗ１が、凹部15の幅Ｗ２よりも小さい点である。また、絶縁基体１の上面に内部空間14とつながる通路16を有している点、および電極２の一方が基体部11の内部に設けられている点である。

ここで、内部空間14の幅Ｗ１とは、内部空間14と凹部15とが配置された方向に対して直交する方向における最大幅（直径）であり、凹部15の幅Ｗ２とは、内部空間14と凹部15とが配置された方向に対して直交する方向における幅である。

本実施形態の圧力検出装置用基体は、平面視において、内部空間14の幅Ｗ１が、凹部15の幅Ｗ２よりも小さいと、内部空間14の周辺の枠部12の幅が大きいものとなるため、圧力検出装置に外部からの応力が加わったとしても、枠部12で外部からの応力を分散し、外部からの応力によって可撓部13が変形しにくいものとなって、外部の圧力をより精度良く検出することができる。

また、通路16は、絶縁基体１の焼成時に発生するガスを内部空間14から外部に排出するための通路として用いられる。圧力検出装置用基体は、通路16を有することによって、圧力検出装置用基体の製作時における可撓部13の変形を低減できる。通路16は、図３および図４に示された例のように、絶縁基体１の焼成後に封止材７によって封止される。封止材７としてAgろう材を用いる場合には、通路16の開口部に、金属からなる接合層を設けておき、Agろう材を接合層に接合することによって封止される。

基体部11に設けられた電極２が基体部11の内部に埋設されているもしくは可撓部13に設けられた電極２が可撓部13の内部に埋設されている場合には、外部から大きな圧力が印加された際に、可撓部13が大きく撓んで電極２同士が短絡してしまうことを低減できる。ま
た、基体部11に設けられた電極２が可撓部13に設けられた電極２に比べて小さい場合に、圧力検出装置用基体をめっき液に浸漬した際に、通路16から内部空間14にめっき液が入り込んで、電極２の表面にめっきが被着されて、電極２の面積が大きくなってしまうことを低減できる。

基体部11の内部に埋設されている電極２は、電極２用のメタライズペーストが印刷されたセラミックグリーンシート上に他のセラミックグリーンシートを積層することによって作製できる。または、電極２用のメタライズペーストが印刷されたセラミックグリーンシート上に、セラミックグリーンシートと実質的に同質のセラミックペーストを、電極２用のメタライズペーストを印刷塗布しておくことにより製作される。セラミックペーストは、主成分のセラミック粉末に有機バインダおよび有機溶剤を、また必要に応じて分散剤等を加えて、ボールミル，三本ロールミルまたはプラネタリーミキサー等の混練手段によって混合および混練して製作される。また、絶縁層をセラミックグリーンシートにより形成する場合は、セラミックペーストを印刷して形成する場合と比較して、電極２上の絶縁層の厚みばらつきを低減できるので、電極２間の比誘電率のばらつきの小さい圧力検出装置用基体を得ることができる。なお、電極２から内部空間14に接する基体部11の上面までの距離は15μｍ以上としておくことが好ましい。

このような通路16は、図３に示される例のように、絶縁基体１の上面において、凹部15が設けられた領域とは反対側の領域に設けておくと、内部空間14と凹部15との間の絶縁基体１の幅が大きくなるので、圧力検出装置用基体の内部空間14の気密性や圧力検出装置の小型化の点で好ましい。

また、図４に示されるように、可撓部13よりも上方に、可撓部13を囲むように配置された第２枠部17を形成しておいても構わない。第２枠部17は、可撓部13が外部に直接接触して、可撓部13が破損する可能性を抑制するためのものである。このような第２枠部17は、基体部11、枠部12、可撓部13と同様に製作される。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態による圧力検出装置について、図５を参照しつつ説明する。

本実施形態における圧力検出装置において、上述の実施形態の検出装置と異なる点は、縦断面視において、絶縁基体１の下面と凹部15の底面との間に金属層８を有している点である。

上述のような金属層８を設けておくと、電子部品５で発生した熱は、凹部15の底面すなわち電子部品実装部から絶縁基体１よりも熱伝導性に優れた金属層８へ伝熱しやすいので絶縁基体１の下面へ伝わりやすくなり、電子部品５の熱を絶縁基体１の下面から外部に放出させやすくすることができる。すなわち、可撓部13への伝熱が抑えられて熱応力による可撓部13の変形をより低減して静電容量の変化を抑制することで、外部の圧力をより精度良く検出することができる。このような金属層８は、上述の電極２、配線導体３、外部端子４と同様の材料および方法により製作することができる。

また、図５に示された例では、金属層８が内部空間14の下方まで延在している。金属層８の延在部分がシールド層として機能し、絶縁基体１の下面の下側外部から電極２へのノイズを抑制することができ、外部の圧力を精度良く検出することができる。なお、金属層８を延在させずに、内部空間14の下方に金属層８から独立してシールド層を設けてもよい。

また、図５に示される例のように、凹部15の底面から絶縁基体１の下面の外部端子４との間に配置される配線導体３は、金属層８よりも絶縁基体１の下面側に配置しておくと、電極２と配線導体３との間に不要な容量が発生することを抑制することができるので、好ましい。

なお、可撓部13上面に絶縁基体１の上面方向から電極２方向へのノイズを抑制可能とするための金属層を設けていても構わない。

また、凹部15の底面と金属層８との間、あるいは金属層８と絶縁基体１の下面との間に、絶縁基体１の厚み方向に絶縁基体１よりも熱伝導性に優れた金属導体を設けておいたり、平面透視で凹部15の底面と重なる絶縁基体１の下面に絶縁基体１よりも熱伝導性に優れた放熱層を設けておき、電子部品５から生じた熱が絶縁基体１の下面側に伝わりやすくしても構わない。

なお、本発明は、上記の実施の形態の例に限定されるものではなく、種々の変更は可能である。例えば、図１に示す例では、電子部品５は、絶縁基体１に設けられた凹部15の底面上に実装されているが、図６および図７に示された例のように、絶縁基体１の上面に電子部品実装部を有した段差18上に実装されるものであっても構わない。

また、外部端子４は、図６および図７に示された例のように、下面視において、内部空間14側よりも電子部品５側に多く配置しても構わない。

また、外部端子４は、図３〜図６に示された例のように、外部端子４を、絶縁基体１の下面から外側面にかけて複数設けている。すなわち、絶縁基体１の側面に切り欠き部を形成し、この切り欠き部の内面に端子電極として機能する外部端子４を、いわゆるキャスタレーション導体として設けている。

１・・・・絶縁基体
11・・・・基体部
12・・・・枠部
13・・・・可撓部
14・・・・内部空間
15・・・・凹部
16・・・・通路
17・・・・第２枠部
18・・・・段差
２・・・・電極
３・・・・配線導体
４・・・・外部端子
５・・・・電子部品
６・・・・導電性接合材
７・・・・封止材
８・・・・金属層

Claims

内部空間と、平面視において前記内部空間に並んで設けられた電子部品実装部と、前記内部空間の上に隣接して設けられた可撓部とを有する絶縁基体と、
前記内部空間を挟むように前記内部空間の内面または前記絶縁基体の内部に設けられた複数の電極と、
前記絶縁基体の下面に設けられた外部端子とを備えており、
前記電子部品実装部の高さが前記内部空間の下端の高さ以下に位置することを特徴とする圧力検出装置用基体。
前記絶縁基体の下面と前記電子部品実装部との間に金属層を有していることを特徴とする請求項１に記載の圧力検出装置用基体。
請求項１に記載の圧力検出装置用基体と、
前記圧力検出装置用基体の前記電子部品実装部上に実装された電子部品とを有することを特徴とする圧力検出装置。