JP6457109B2 - 圧力検出装置 - Google Patents
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Description
本発明は、圧力検出装置に関する。
例えば、自動車などのブレーキやサスペンション、燃料等の油圧を制御する圧力センサは、圧力媒体を金属ダイアフラムで受圧し、その歪み量を歪みゲージや歪みセンサチップで検出する圧力センサが主流となっている。このうち、歪みゲージを半導体技術によりSiチップに形成した歪みセンサチップは接合材により金属ダイアフラムに接合されるが、接合材には金属はんだやガラスが用いられている。このうち接合材は、低クリープ特性に有利なガラスが主流である。また金属ダイアフラムは高耐力、耐腐食性が求められるため、SUS630が主流となっている。
圧力検出装置において、歪みを検出するSiチップの接合材は低クリープ特性に優れているガラスによって金属ダイアフラムに接合される構造であり、金属ダイアフラムは一般的にSUS630が用いられ、SUS630はCu析出型ステンレスである。Siチップと直接接合する接合ガラスが結晶化ガラスの場合、ガラスが結晶化する前の流動性が十分に確保された温度域にて接合を行うのが一般的であるが、接合ガラスが金属ダイアフラムのSUS630から析出したCuと反応することにより結晶化温度が低温化し、流動性が失われ、接合が取れなくなってしまう。
本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、接合ガラスがCuと接して結晶化するのを防止してSiチップと金属ダイアフラムを接合することが可能な圧力検出装置を提供することを目的とする。
前記目的を達成すべく、本発明の圧力検出装置は、圧力導入部と該圧力導入部の圧力により変形するダイアフラムとを有する金属筐体と、前記ダイアフラムの歪みを検出するSiチップから成るセンサ素子とを備える圧力検出装置において、前記ダイアフラムと前記センサ素子とは、該センサ素子に直接接合される接合ガラス層と、該接合ガラス層と前記ダイアフラムとの間に積層された下地ガラス層とを介して接合され、前記接合ガラス層は、結晶化ガラス層であり、前記下地ガラス層は、少なくとも一つの結晶化ガラス層と、該結晶化ガラス層を間に挟んで積層された複数のガラス層とで形成される多層構造を有することを特徴とする。
上記の構成により、接合ガラス層が、例えばSUS630等のダイアフラムの素材から析出したCuと直接接しないことから、接合ガラス層が結晶化せず、安定してSiチップから成るセンサ素子とダイアフラムとを接合することが出来る。また下地ガラス層が少なくとも一つの緻密な結晶化ガラス層を含むことから、下地ガラス層の剛性を高めることが出来るため、接合時の熱応力を緩和し、接合歩留りを向上することが可能である。
以下、本発明の圧力検出装置の実施形態について、図面を参照して説明する。
[実施形態１]
図１は、本発明の実施形態１に係る圧力検出装置１００の断面図である。本実施形態の圧力検出装置１００は、例えば自動車用のブレーキオイル等の圧力を検出する圧力検出装置であり、特に、歪みを検出するSiチップを実装した圧力検出装置である。本実施形態の圧力検出装置１００は、例えば、以下の構成を備えることを特徴としている。
図１は、本発明の実施形態１に係る圧力検出装置１００の断面図である。本実施形態の圧力検出装置１００は、例えば自動車用のブレーキオイル等の圧力を検出する圧力検出装置であり、特に、歪みを検出するSiチップを実装した圧力検出装置である。本実施形態の圧力検出装置１００は、例えば、以下の構成を備えることを特徴としている。
すなわち、圧力検出装置１００は、圧力導入部と該圧力導入部の圧力により変形するダイアフラム１ａとを有する金属筐体である圧力ポート１と、ダイアフラム１ａの歪みを検出するSiチップから成るセンサ素子４とを備える。上記のダイアフラム１ａとセンサ素子４とは、センサ素子４に直接接合される接合ガラス層１０ａと、接合ガラス層１０ａとダイアフラム１ａとの間に積層された下地ガラス層１０ｂとを介して接合されている（図２参照）。さらに、接合ガラス層１０ａは、結晶化ガラス層であり、下地ガラス層１０ｂは、少なくとも一つの結晶化ガラス層を含む。
以下、本実施形態の圧力検出装置１００の全体構成について説明する。
圧力検出装置１００は、圧力ポート１と、ベース２と、カバー３と、センサ素子４と、ハウジング５と、コネクタターミナル６と、端子台７と、ターミナル８と、シリコーンゲル９と、接合材１０と、ワイヤ１１とを備えている。筒状の金属筐体である圧力ポート１は、内側に圧力媒体を導入する圧力導入部を有するとともに、圧力導入部の圧力により変形する受圧面となるダイアフラム１ａを有している。圧力ポート１及びその受圧面となるダイアフラム１ａの素材は、例えばSUS630である。
センサ素子４は、歪み検出素子と処理回路とがシリコン基板上に形成された１チップ型の素子であり、処理回路部のみをレイアウトする回路基板は不要である。すなわち、センサ素子４は、Siチップから成るセンサ素子であり、圧力ポート１の受圧面であるダイアフラム１ａの圧力導入部と反対側に位置する台座面１ｂ上に接合材１０を介して接合される。センサ素子４は、圧力媒体から圧力を受けて変形するダイアフラム１ａの歪みを歪み検出素子によって検出し、処理回路によって圧力信号を出力する。
ベース２は、溶接等により圧力ポート１に接合される。端子台７は、凹形状を有するターミナル８と一体に形成され、例えば接着剤１２によって、ベース２上に固定される。ターミナル８は、ワイヤボンディングによって形成されたワイヤ１１によって、センサ素子４に接続される。ワイヤ１１の素材としては、例えばＡｌ又はＡｕを用いることができる。
シリコーンゲル９は、ワイヤ１１によってターミナル８に接続されたセンサ素子４を異物等から保護するために、ポッティング等によって形成されている。ハウジング５は、例えばインサート成形によって、六角形状を有するカバー３及びコネクタターミナル６と一体に形成されている。コネクタターミナル６は、ターミナル８の凹形状部に挿入されてターミナル８に接続される。カバー３は、溶接等によりベース２に接合されて固定され、ベース２と一体化される。
以上の構成により、圧力検出装置１００は、圧力媒体から圧力を受けて変形したダイアフラム１ａの歪みを、センサ素子４の歪み検出素子によって検出し、センサ素子４の処理回路で圧力信号に変換する。センサ素子４によって生成された圧力信号は、ワイヤ１１、ターミナル８、コネクタターミナル６を介して、外部に出力される。
図２は、図１に示す圧力検出装置１００の拡大図である。なお、図２では、シリコーンゲル９及びワイヤ１１等の図示を省略している。前述のように、圧力ポート１のダイアフラム１ａとセンサ素子４とは、接合材１０を介して接合されている。接合材１０は、センサ素子４に直接接合される接合ガラス層１０ａと、接合ガラス層１０ａとダイアフラム１ａとの間に積層され、接合ガラス層１０ａよりも下層となる下地ガラス層１０ｂを有している。換言すると、ダイアフラム１ａとセンサ素子４とは、センサ素子４に直接接合される接合ガラス層１０ａと、接合ガラス層１０ａとダイアフラム１ａとの間に積層された下地ガラス層１０ｂとを介して接合されている。
接合ガラス層１０ａは、結晶化ガラスによって形成された結晶化ガラス層であり、好ましくは、低融点結晶化ガラスによって形成された低融点結晶化ガラス層である。下地ガラス層１０ｂは、少なくとも一つの結晶化ガラス層を含む。より具体的には、本実施形態の圧力検出装置１００において、単層の下地ガラス層１０ｂは、結晶化ガラスによって形成された結晶化ガラス層である。なお、下地ガラス層１０ｂに含まれる少なくとも一つの結晶化ガラス層の融点は、800℃以上であることが好ましい。より具体的には、結晶化ガラス層である下地ガラス層１０ｂは、好ましくは、セルシアン系ガラスやβスポジュメン系ガラス等の高融点結晶化ガラスによって形成された高融点結晶化ガラス層である。
以上のように、本実施形態の圧力検出装置１００では、ダイアフラム１ａとセンサ素子４とは、該センサ素子４に直接接合される接合ガラス層１０ａと、該接合ガラス層１０ａとダイアフラム１ａとの間に積層された下地ガラス層１０ｂとを介して接合されている。そのため、接合ガラス層１０ａが、例えばSUS630等のダイアフラム１ａの素材から析出したCuと直接接しない。これにより、接合ガラス層１０ａの結晶化が抑制され、安定してSiチップから成るセンサ素子４とダイアフラム１ａとを接合することが出来る。また、下地ガラス層１０ｂが少なくとも一つの緻密な結晶化ガラス層を含むことから、下地ガラス層１０ｂの剛性を高めることが出来る。したがって、ダイアフラム１ａとセンサ素子４との接合時の熱応力を緩和し、接合歩留りを向上することが可能である。
[実施形態２]
以下、本発明の実施形態２について、図１を援用し、図３を用いて説明する。図３は、本発明の実施形態２に係る圧力検出装置の図２に相当する拡大図である。
以下、本発明の実施形態２について、図１を援用し、図３を用いて説明する。図３は、本発明の実施形態２に係る圧力検出装置の図２に相当する拡大図である。
本実施形態の圧力検出装置は、下地ガラス層１０ｃが、複数のガラス層を積層した多層構造を有する点で、前述の実施形態１の圧力検出装置１００と異なっている。本実施形態の圧力検出装置のその他の点は、前述の実施形態１の圧力検出装置１００と同一であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態の圧力検出装置において、接合材１０は、センサ素子４に直接接合される接合ガラス層１０ａと、接合ガラス層１０ａよりも下層で、接合ガラス層１０ａとダイアフラム１ａとの間に積層された下地ガラス層１０ｃから成る。換言すると、ダイアフラム１ａとセンサ素子４とは、センサ素子４に直接接合される接合ガラス層１０ａと、該接合ガラス層１０ａとダイアフラム１ａとの間に積層された下地ガラス層１０ｃとを介して接合されている。
接合ガラス層１０ａは、前述の実施形態１の圧力検出装置１００と同様の結晶化ガラス層である。また、複数のガラス層からなる下地ガラス層１０ｃは、少なくとも一つの結晶化ガラス層１０ｂを含む。下地ガラス層１０ｃに含まれる少なくとも一つの結晶化ガラス層１０ｂは、前述の実施形態１の圧力検出装置１００と同様に、例えばセルシアン系ガラスやβスポジュメン系ガラス等によって形成された高融点結晶化ガラス層であることが好ましい。
本実施形態の圧力検出装置によれば、前述の実施形態１の圧力検出装置１００と同様の効果を得ることができる。さらに、下地ガラス層１０ｃが、複数のガラス層を積層した多層構造を有することで、接合ガラス層１０ａの結晶化がより効果的に抑制され、より安定してSiチップから成るセンサ素子４とダイアフラム１ａとを接合することが出来る。
以下、前述の実施形態１に係る圧力検出装置１００及び実施形態２に係る圧力検出装置の製造工程に含まれるセンサ素子４の接合工程の実施形態について説明する。図４は、図２及び図３に示すセンサ素子４の接合工程の一例を示す工程図である。
センサ素子４の接合工程においては、まず、下地ガラス層１０ｂ，１０ｃの材料を圧力ポート１のダイアフラム１ａに印刷又は塗布する（工程Ｓ１）。次に、下地ガラス層１０ｂ又は下地ガラス層１０ｃに含まれる結晶化ガラス層１０ｂの材料を十分な焼成温度で焼成して結晶化させ、下地ガラス層１０ｂ，１０ｃを形成する（工程Ｓ２）。次に、接合ガラス層１０ａの材料を、下地ガラス層１０ｂ，１０ｃ上に印刷又は塗布する（工程Ｓ３）。次に、接合ガラス層１０ａの材料を仮焼成する（工程Ｓ４）。なお、工程Ｓ４は、接合ガラス層１０ａの材料が有機材を含まない場合には省略してもよい。
次に、接合ガラス層１０ａの材料上又は仮焼成した接合ガラス層１０ａの材料上にセンサ素子４のＳｉチップを搭載する（工程Ｓ５）。そして、センサ素子４を搭載した接合ガラス層１０ａの材料又は仮焼成した接合ガラス層１０ａの材料を十分な温度で焼成して結晶化させる（工程Ｓ６）。以上により、ダイアフラム１ａとセンサ素子４とは、該センサ素子４に直接接合される接合ガラス層１０ａと、該接合ガラス層１０ａとダイアフラム１ａとの間に積層された下地ガラス層１０ｂ，１０ｃとを介して接合される。なお、センサ素子４の接合工程は、図４に示す工程に限定されない。
図５は、図４に示すセンサ素子４の接合工程の変形例を示す工程図である。
本変形例では、図４に示す工程Ｓ１と工程Ｓ３との間の工程Ｓ２を省略し、工程Ｓ４の代わりに、接合ガラス層１０ａの材料と下地ガラス層１０ｂ，１０ｃの材料の仮焼成を一括して行っている（工程Ｓ７）。なお、工程Ｓ７は、接合ガラス層１０ａの材料と下地ガラス層１０ｂ，１０ｃの材料が有機材を含まない場合には省略することができる。その後、前述の接合工程と同様に、センサ素子４のＳｉチップを搭載する（工程Ｓ５）。
最後に、センサ素子４を搭載した接合ガラス層１０ａの材料と下地ガラス層１０ｂ，１０ｃの材料又は仮焼成したこれらの材料を十分な温度で焼成して結晶化させる（工程Ｓ８）。以上により、ダイアフラム１ａとセンサ素子４とは、該センサ素子４に直接接合される接合ガラス層１０ａと、該接合ガラス層１０ａとダイアフラム１ａとの間に積層された下地ガラス層１０ｂ，１０ｃとを介して接合される。
以上、図面を用いて本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施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における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。例えば、前述の実施形態において説明した圧力検出装置は、車輌での圧力検出が主な使用用途であるが、他の産業用途においても同様に利用が可能である。
１ 圧力ポート（金属筐体）
１ａ ダイアフラム
１ｂ 台座面
２ ベース
３ カバー
４ センサ素子
５ ハウジング
６ コネクタターミナル
７ 端子台
８ ターミナル
９ シリコーンゲル
１０ 接合材
１０ａ 接合ガラス層（結晶化ガラス層）
１０ｂ 下地ガラス層（結晶化ガラス層）
１０ｃ 下地ガラス層
１１ ワイヤ
１２ 接着剤
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Claims (5)
- 圧力導入部と該圧力導入部の圧力により変形するダイアフラムとを有する金属筐体と、前記ダイアフラムの歪みを検出するSiチップから成るセンサ素子とを備える圧力検出装置において、
前記ダイアフラムと前記センサ素子とは、該センサ素子に直接接合される接合ガラス層と、該接合ガラス層と前記ダイアフラムとの間に積層された下地ガラス層とを介して接合され、
前記接合ガラス層は、結晶化ガラス層であり、
前記下地ガラス層は、少なくとも一つの結晶化ガラス層と、該結晶化ガラス層を間に挟んで積層された複数のガラス層とで形成される多層構造を有することを特徴とする圧力検出装置。 - 請求項１に記載の圧力検出装置において、前記下地ガラス層に含まれる少なくとも一つの前記結晶化ガラス層の融点は、800℃以上であることを特徴とする圧力検出装置。
- 請求項１に記載の圧力検出装置において、前記下地ガラス層に含まれる少なくとも一つの前記結晶化ガラス層は、セルシアン系ガラスであることを特徴とする圧力検出装置。
- 請求項１に記載の圧力検出装置において、前記下地ガラス層に含まれる少なくとも一つの前記結晶化ガラス層は、βスポジュメン系ガラスであることを特徴とする圧力検出装置。
- 請求項１に記載の圧力検出装置において、前記ダイアフラムの素材は、SUS630であることを特徴とする圧力検出装置。
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| JPWO2017073274A1 (ja) | 2018-08-09 |
| WO2017073274A1 (ja) | 2017-05-04 |
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