JP6462682B2

JP6462682B2 - 温度変化に対して耐性を示す接着剤層を制御するための構造を含む圧力センサ

Info

Publication number: JP6462682B2
Application number: JP2016525900A
Authority: JP
Inventors: ブリダ，セバスティアーノ; セヤール，ダヴィド
Original assignee: オキシトロルエス．アー．
Priority date: 2013-10-25
Filing date: 2014-10-24
Publication date: 2019-01-30
Anticipated expiration: 2034-10-24
Also published as: US20160273989A1; JP2016535846A; CN105705926A; EP3060895B1; CA2928563A1; CA2928563C; CN105705926B; FR3012604B1; US10006825B2; BR112016009045B1; EP3060895A1; FR3012604A1; WO2015059301A1

Description

本発明は、実装基板と、この実装基板に配置された変形可能なダイヤフラムとを有する圧力センサに関する。

図１に関連して、圧力センサは、変形可能なダイヤフラム１０を含む感知素子１を有しており、その変形は、そのダイヤフラムに加えられた圧力を表す。ダイヤフラムは、典型的には、ガラスベースの材料から作製された実装基板１１に配置される。ダイヤフラム１０は、圧力を測定するための素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃをさらに支持する。
感知素子１は、金属製のハウジング２に組み付けられる。実装基板は、例えばシリコーンベースの接着剤層３の媒介によってハウジングに接続され、この接着剤は、温度変化を受けたときにフレキシブルな特性を有する（ＲＴＶシリコーン接着剤）を用いる。

この接着剤層３の使用は、センサの精度に関与する。
実際には、センサの精度は、熱サイクルに敏感であり、温度変化によって、感知素子とハウジングとの間に制約（２つの材料の熱膨張係数の差に起因する制約）が誘起される。この制約は、実装基板１１によって伝達され、機械的な応力を形成し、従って変形可能なダイヤフラム１０の機械的な変形を形成する。その変形は、圧力を測定するための素子に伝達され、感知素子から入来する信号の残留オフセットを生成する。温度変化に比例する非ゼロの残留オフセットは、熱力学的制約によって誘起される応力に加えられる。

しかしながら、この制約は、多少なりとも接着剤層３により吸収することができる。
ただし、接着剤層の厚さが薄過ぎる場合には、その制約は、感知素子に部分的に伝達され、この感知素子に変形を与える。その変形によって、圧力を測定する素子に、測定された信号に残留オフセットが生成され、加えられた温度変化に比例し且つ熱機械的制約によって誘起される応力に比例する非ゼロの残留オフセットが生成される。圧力とは無関係のこの残留オフセットは、温度ヒステリシスと呼ばれる測定誤差を生じさせる。

そのため、前述したタイプの圧力センサの組立に使用される接着剤層の厚さを制御できるようにする必要がある。
本発明は、この欠点を克服することを提案する。

この趣旨で、本発明は、圧力センサ提案する。この圧力センサは：
実装基板を含む感知素子であって、実装基板は、上面及び底面を含み、感知素子は、実装基板の上面に接続される変形可能なダイヤフラムをさらに含む、感知素子と；
感知素子が配置されるハウジングであって、ハウジングは、基部を含む、ハウジングと；
ハウジングの基部と実装基板との間に配置される中間構造体であって、中間構造体は、基部を含み、この基部は、上面と、ハウジングの基部に接続される底面とを含み、中間構造体は、実装基板を、中間構造体の基部の上面から所定の距離に保持するように構成された複数の楔部をさらに含む、中間構造体と；
中間構造体の基部の上面上であって楔部同士の間に延びる接着剤層であって、接着層の厚さは、実装基板を中間構造体の基部の上面から所定の距離に保持するように制御される、接着剤層と；を有する。

本発明は、個別に又は技術的に許容可能な組合せに含まれる次の特性によって有利に補完される：
−中間構造体は、実装基板の底面と中間構造体の上面との間に空間を規定するようにさらに構成される；
−中間構造体は、矩形であり且つ４つの楔部を含み、各楔部は、中間構造体のコーナー部に配置され、楔部によって、中間構造体の上面から所定の距離に実装基板を保持する；
−中間構造体は、変形可能である；
−中間構造体は、薄肉部と厚肉部とを含み、薄肉部によって、接着剤層を支持する；
−中間構造体は、中間構造体の薄肉部の中央に配置された当接部をさらに含む；
−中間構造体は、シリコン、ガラス、石英、パイレックス（登録商標）、アルミナ、サファイア、Ｓｉｃのグループから選択される材料から作製される基板である；
−接着剤層は、温度変化を受けたときにフレキシブルな特性を有するシリコーンベースの材料を含む；
−中間構造体の底面は、バインダー層の媒介によってハウジングの基部に接続される；
−バインダー層は、例えばエポキシ樹脂の層である；
−接着剤層の厚さは、感知素子を中間構造体の上面から所定の距離に保持するのに等しい厚さを有する；
−圧力センサは、差圧を測定するように構成される中央の凹部を含む；の特性を有する。

本発明は、前述した発明のいずれか１つに記載の圧力センサの製造方法に関し、当該製造方法は：
実装基板を含む感知素子を提供するステップであって、実装基板は、上面と底面とを含み、感知素子は、実装基板の上面に接続される変形可能なダイヤフラムをさらに含む、提供するステップと；
基部を含むハウジングを提供するステップと；
基部を含む中間構造体を提供するステップであって、中間構造体の基部は、上面を含み、中間構造体は、中間構造体の上面から所定の距離に実装基板を保持するように構成される、提供するステップと；
中間構造体の上面に接着剤層を堆積させるステップであって、接着剤層の厚さは、中間構造体の上面から所定の距離に実装基板を保持するように制御される厚さである、堆積させるステップと；
中間構造体を実装基板に接続するステップと；
中間構造体をハウジングの基部に接続するステップと；を含む。

変形可能なダイヤフラムを含む感知素子を有する圧力センサを示す図である。本発明の第１の実施形態に係る圧力センサを示す図である。本発明の第２の実施形態に係る圧力センサを示す図である。本発明の第３の実施形態に係る圧力センサを示す図である。本発明の第４の実施形態に係る圧力センサを示す図である。本発明の第１の実施形態に係る圧力センサの中間構造体の斜視図である。本発明の第２の実施形態に係る圧力センサの中間構造体の上面斜視図である。本発明の第２の実施形態に係る圧力センサの中間構造体の底面斜視図である。本発明に係る圧力センサの製造方法のステップを模式的に示す図である。２つの変形した状態にある、本発明の第３の実施形態に係る圧力センサだけでなく、第４の実施形態に係る圧力センサをそれぞれ比較的して示す図である。

本発明の他の特徴、目的、及び利点は、純粋に説明の目的のためであり且つ非制限的である以下の詳細な説明によってもたらされ、既に議論した図１の構成に加えて、添付の図面に関して理解する必要がある。
全ての図に亘って、同様の要素は、同一の参照を受け持つ。

図２は、本発明の第１の実施形態に係る圧力センサを示す。
このようなセンサは：
−感知素子１と；
−感知素子が配置されるハウジング２であって、ハウジングは、基部２１を含むハウジング２と；
−厚さｅを有する接着剤層３と；
−中間構造体４と；を有する。
感知素子は、上面１１ａ及び底面１１ｂを含む実装基板１１を有しており、感知素子１は、実装基板１１の上面１１ａに接続される変形可能なダイヤフラム１０をさらに有する。

実装基板１１は、ガラス、シリコン、石英、パイレックス（登録商標）、サファイア、アルミナ、Ｓｉｃベースの材料から作製することができる。
変形可能なダイヤフラム１０は、陽極シール(anodic sealing)により、中間層を用いる又は用いない分子又は原子結合によって、焼結によって、又はろう付けによって実装基板１１に接続される。
変形可能なダイヤフラム１０は、典型的には、ＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）等の単結晶シリコン及びＰＳＯＩ（ポリシリコンオンインシュレータ）、ＳＯＳ（シリコンオンサファイア）等のサファイア、又は、ＳｉＣＯＩ（Ｓｉｃオンインシュレータ）又はＳｉｃ等の他の材料から構成される例えば基板を用いて形成される。

さらに、電気絶縁層１３が、変形可能なダイヤフラム１０の上方に配置される。このような層は、ＳＯＩ又はＰＳＯＩダイヤフラムの場合に例えばＳｉＯ_２から形成される。この絶縁層１３上で、窒化物、酸化物、金属層、単結晶シリコン及び多結晶シリコン等の異なる材料が、圧力を測定するための素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃを形成するような方法で配置される（圧力測定用の４つの素子が現実に存在するが、図２では、圧力測定用の３つの素子だけが表されている）。
ハウジング２は、より好ましくは、金属材料で作製される。
中間構造体４は、基部４１を含み、基部４１は、接着剤層３がその上に延びる上面４１ａと、ハウジングの基部に接続される底面４１ｂとを含む。

接着剤層の厚さｅを制御するために、中間構造体４は、中間構造体４の上面４１ａから所定の距離ｄに実装基板１１を保持するように構成される。
具体的には、中間構造体４の構成によって、実装基板１１の底面１１ｂと基部４１の上面４１ａとの間に自由空間４０を規定することができる。
なお、特にこの空間４０には、接着剤層３が堆積される。
このようにして、中間構造体４によって、接着剤層３の厚さｅを正確にすることが可能になる。

好ましくは、中間構造体４は、実装基板１１に接触する少なくとも２つの楔部４２、４３を有する。従って、少なくとも２つの楔部４２、４３によって、実装基板１１と中間構造体４の上面４１ａとの間に所定の距離ｄが得られ、その距離によって、基部４１の上面４１ａと実装基板１１の底面１１ｂとの間に配置される接着剤層３の厚さｅを制御することが可能になる。
実際には、楔部４２、４３によって、中間構造体４の上面４１ａと実装基板１１の下面１１ｂとの間に自由空間４０を規定することが可能になり、接着剤層は、楔部４２、４３の間でこの自由空間４０内に配置される。また、いくつかの楔部を接着層の周囲に配置する際に、空間が、また、楔部４２、４３の間に規定される。楔部の各ペアの間のこの空間によって、水平面、すなわち上面４１ａに平行な平面に従って接着剤層を広げることができ、接着剤の蓄積のリスクは、中間構造体４と変形可能なダイヤフラム１０との間となる、より正確には、各楔部の上面と変形可能なダイヤフラムの底面との間となる。

いくつかの楔部を含むこの構成では、それ自体で閉じた状態の単一の楔部を含む構成に対して一定の利点を提供する。実際には、このような単一の環状楔部によって取り囲まれた接着剤層を広げる及び／又は延ばしたときに、接着剤層は、それ自体で閉じた状態の楔部の環状上面の間でスライドするしか他に選択肢はなく、結果として接着剤層の厚さに望ましくない変動を有し、従って、センサによって取得された測定値に誤差が含まれる。
接着剤層３は、シリコーンベースの接着剤、又は温度変化を受けたときにフレキシブルな特性を有する任意の接着剤製品であることがより好ましい。例えば、このような接着剤層１００μｍ以上の厚さｅによって、温度サイクルによるエラーを最小化することが可能になり、（数ミリバール（mbar）から数バール（bar)の圧力範囲、及び−５５℃〜＋１５０℃の間の温度範囲のセンサについて０．０５％未満のフルスケールで）温度のヒステリシスを無視することが可能になる。
接着剤層３の存在によって、従来技術の場合のように特定の接合剤の他の作用なしに、圧力センサの精度に関与することができる。

図３は、本発明の第２の実施形態に係る圧力センサを示す。
この第２の実施形態は、第１の実施形態と同様であるが、中間構造体４が、この第２の実施形態では変形可能であることが異なる。
次に、接着剤層は、２つの変形可能な要素、つまりダイヤフラム１０と中間構造体４との間に閉じ込められ、２つの変形可能な要素は、楔部によって接触している。
接着剤層３は、温度の影響により伸縮することができる。その伸縮は、楔部の媒介により感知素子１に伝達される応力を誘起する。しかしながら、中間構造体の変形可能な性質によって、この応力の全て又は一部を吸収して、その応力が素子１に伝達されないようにすることが可能になる。これは、センサの使用中に、特に異なる温度での動作中に重要となる。

この実施形態によれば、中間構造体４は、上面４１ａ及び底面４１ｂに加えて、薄肉部４１ｃと、中間構造体４の厚肉部４１ｄを形成する基部４１ｄとを有する。
接着剤層３は、好ましくは、薄肉部４１ｃに載置される。厚肉部４１ｄは、薄肉部４１ｃよりも大きな厚さである。この厚さの差によって、薄肉部４１ｃの変形が可能になり、こうして、減衰機能を提供する。

図８は、（右側に）第２の実施形態に係るセンサと、薄肉部４１ｃのない別の実施形態のセンサとを比較して示し、両者は、ダイヤフラムに向けてドーム形状に屈曲されるタイプの変形（図面の上部）、及びハウジングに向けてドーム形状に屈曲されるタイプの変形（図面の下部）を施した場合を示している。減衰機能を提供する薄肉部４１ｃによって、第２の実施形態に係るセンサの変形可能なダイヤフラム１０は、中央の薄肉部を欠いている左側に示された実施形態のダイヤフラムより少ない割合で変形する。これにより、低温時のようなヒステリシスを有することに寄与し、従って、圧力センサの性能を向上させる。

薄肉部４１ｃに加えられた過剰な圧力からここでは変形可能な中間構造体４を保護するために、中間構造体４は、その中央部に当接部４１ｅを含む。こうして、過剰圧力が生じる場合には、当接部４１ｅは、ハウジング２の基部２１と接触することになる。当接部４１ｅは、中間構造体の残りの部分と一緒に単一部品として形成する又は追加することのいずれかができ、次に、中間構造体４の薄肉部４１ｃに接続される。
当然ながら、この第２の実施形態では、中間構造体４は、実装基板１１と接触する少なくとも１つの楔部４２、４３を含む。

図４は、本発明の第３の実施形態に係る圧力センサを示す。
この第３の実施形態は、第１の実施形態と同様であるが、圧力センサが差圧を測定するように構成されるような、中央の凹部５０をさらに含む（上述した図２のセンサによって、圧力の絶対値の測定が可能になる）。当然ながら、図３に示されるように、変形可能なダイヤフラム１０は、凹部５０によって貫通されていない。

図５は、本発明の第４の実施形態に係る圧力センサを示す。
この第４の実施形態は、第２の実施形態と同様であるが、圧力センサが差圧を測定するように構成されるように中央部に凹部５０をさらに含む。この図では、これは断面図であるので、当接部４ｅを視認することはできない。しかしながら、凹部が、当接部の中間に形成されていることが理解される。

図６、図６ａ、及び図６ｂに示されるように、有利には、中間構造体４は、矩形であり、或いは実装基板１１を支持するのに適した形状及び寸法である。有利には、中間構造体４は、いくつかの楔（例では、４つ）、より正確には中間構造体４から突出した４つの隆起部４２、４３、４４、４５を含む。各楔部は、中間構造体のそれぞれのコーナー部に配置される。この実施形態では、通路が、楔部の各ペアの間に規定され、従って、接着剤層は、隣接する楔部の各ペアの間に残された４つの自由通路を介して、４つの異なる方向に従って横方向に広がり且つ拡張することができる。

中間構造体４は、ガラス、シリコン、石英、パイレックス（登録商標）、サファイア、アルミナ、Ｓｉｃのベースの材料から作製することができる。
相補的な方法で、中間構造体４の底面４１ｂは、バインダー層５の媒介によって、ハウジング２の基部に接続される。このバインダー層５は、好ましくは、エポキシ樹脂の層である。

本発明はまた、図７に関連する、上述したような圧力センサの製造方法に関する。
このような製造方法は：
−感知素子１を提供するステップＳ１と；
−ハウジング２を提供するステップＳ２と；
−中間構造体を提供するステップＳ３と；を含む。

センサの主要な要素が提供されると、本方法は：
−中間構造体４の上面に接着剤層３を堆積させるステップＳ４であって、接着剤層３の厚さは、基部４１、４１ｄの上面から所定の距離ｄに実装基板１１を保持するように制御される、堆積させるステップと；
−少なくとも１つの楔部４２、４３、４４、４５が設けられた中間構造体を実装基板１１に接続するステップＳ５と；
−中間構造体４をハウジングの基部２１に接続するステップＳ６と；を含む。

上述した方法のステップの順序は、限定されるものではない。具体的には、接着剤層を堆積させるステップＳ４、中間構造体４を接続するステップＳ５、及び中間構造体を基部に接続するステップＳ６の順序は、最終的に得られる構造に影響を与えることなく変更することができる。
実装基板１１を中間構造体に配置するときに、接着剤層の厚さの制御は、ステップＳ５において行われる。

本明細書で示されるように、複数の楔部４２、４３によって、接着剤３の厚さの制御が可能になり、接着剤の広がりを許容される。この接着剤の厚さ及び広がりの制御によって、特に、センサの様々な部品の組立中に接着剤が楔部４２、４３と実装基板１１との間にたまるのを防止することができる。

Claims

圧力センサであって、当該圧力センサは、
実装基板を含む感知素子であって、前記実装基板は、上面（１１ａ）及び底面（１１ｂ）を含み、前記感知素子は、前記実装基板の上面（１１ａ）に接続される変形可能なダイヤフラムをさらに含む、感知素子と、
前記感知素子が配置されるハウジングであって、該ハウジングは、基部（２１）を含む、ハウジングと、
前記ハウジングの基部（２１）と前記実装基板との間に配置される中間構造体であって、該中間構造体は、基部（４１，４１ｄ）を含み、該基部（４１，４１ｄ）は、上面（４１ａ）と、前記ハウジングの基部（２１）に接続される底面（４１ｂ）とを含み、前記中間構造体は、前記基部（４１，４１ｄ）の上面（４１ａ）から所定の距離（ｄ）に前記実装基板を保持するように配置された複数の楔部（４２，４３，４４，４５）をさらに含む、中間構造体と、
前記基部（４１，４１ｄ）の上面上であって前記楔部同士の間に延びる接着剤層であって、該接着剤層の厚さ（ｅ）は、前記実装基板を前記基部（４１，４１ｄ）の上面から所定の距離（ｄ）に保持されるように制御される、接着剤層と、を有し、
前記中間構造体は、薄肉部（４１ｃ）と厚肉部（４１ｄ）とをさらに含み、前記薄肉部（４１ｃ）と前記厚肉部（４１ｄ）との厚さの差によって、前記薄肉部（４１ｃ）の変形が可能になる、
圧力センサ。
前記中間構造体は、前記実装基板の底面（１１ｂ）と前記中間構造体の上面（４１ａ）との間に空間（４０）を規定するようにさらに構成される、
請求項１に記載の圧力センサ。
前記中間構造体は、矩形であり且つ４つの楔部（４２，４３，４４，４５）を含み、各楔部は、前記中間構造体のコーナー部に配置される、
請求項１又は２に記載の圧力センサ。
前記薄肉部（４１ｃ）によって、前記接着剤層を支持する、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の圧力センサ。
前記中間構造体は、前記中間構造体の薄肉部（４１ｃ）の中央に配置された当接部（４１ｅ）をさらに含む、
請求項４に記載の圧力センサ。
前記中間構造体は、シリコン、ガラス、石英、パイレックス（登録商標）、アルミナ、サファイア、Ｓｉｃのグループから選択される材料から作製される基板である、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の圧力センサ。
接着剤層は、シリコーンベースの材料を含む、
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の圧力センサ。
前記中間構造体の底面（４１ｂ）は、バインダー層の媒介によって前記ハウジングの基部に接続される、
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の圧力センサ。
前記バインダー層は、エポキシ樹脂の層である、
請求項８に記載の圧力センサ。
前記接着剤層の厚みは、前記感知素子を前記中間構造体の上面から所定の距離（ｄ）に保持するのに等しい厚さ（ｅ）を有する、
請求項１乃至９のいずれか一項に記載の圧力センサ。
前記圧力センサは、差圧を測定するように構成される中央の凹部（５０）を含む、
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の圧力センサ。
請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の圧力センサの製造方法であって、当該製造方法は、
実装基板を含む感知素子を提供するステップ（Ｓ１）であって、前記実装基板は、上面（１１ａ）と底面（１１ｂ）を含み、前記感知素子は、前記実装基板の上面（１１ａ）に接続される変形可能なダイヤフラムをさらに含む、提供するステップ（Ｓ１）と、
基部を含む（２１）ハウジングを提供するステップ（Ｓ２）と、
基部（４１）を含む中間構造体を提供するステップ（Ｓ３）であって、前記中間構造体の基部（４１，４１ｄ）は、上面（４１ａ）を含み、前記中間構造体は、前記中間構造体の基部（４１，４１ｄ）の上面（４１ａ）から所定の距離（ｄ）に前記実装基板を保持するように配置された複数の楔部（４２，４３，４４，４５）をさらに含む、提供するステップ（Ｓ３）と、
前記中間構造体の上面であって前記楔部同士の間に接着剤層を堆積させるステップ（Ｓ４）であって、前記接着剤層の厚さ（ｅ）は、前記基部（４１，４１ｄ）の上面（４１ａ）から所定の距離（ｄ）に前記実装基板を保持するように制御される、堆積させるステップ（Ｓ４）と、
前記中間構造体を前記実装基板に接続するステップ（Ｓ５）と、
前記中間構造体を前記ハウジングの基部（２１）に接続するステップ（Ｓ６）と、を含み、
前記中間構造体を提供するステップは、該中間構造体に薄肉部（４１ｃ）及び厚肉部（４１ｄ）を形成するステップをさらに含み、前記薄肉部（４１ｃ）と前記厚肉部（４１ｄ）との差によって、前記薄肉部（４１ｃ）の変形が可能になる、
製造方法。