JP6607816B2 - Pressure measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、測定対象の各種機器に装着されて圧力を検出する圧力測定装置に関する。 The present invention relates to a pressure measuring device that is mounted on various devices to be measured and detects pressure.
圧力測定装置は、例えば車両に搭載される高圧センサとして構成され、エンジンの燃料圧、ブレーキ油圧、各種ガス圧等の測定に用いられる。 The pressure measuring device is configured as, for example, a high pressure sensor mounted on a vehicle, and is used to measure engine fuel pressure, brake oil pressure, various gas pressures, and the like.
特許文献１に記載の圧力測定装置は、シリコンからなる歪検出素子は低融点ガラスを介してダイアフラムに接合されているが、接合の冷却工程で発生する応力により歪検出素子や接合層が破損するのを防ぐため、ダイアフラムの材質には、シリコンやガラスの熱膨張率に比較的近い熱膨張率を有するＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金を使用していた。しかし、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金は、耐力が比較的低いために高圧測定には不向きであることや、高湿環境下では腐食するという課題がある。
In the pressure measuring device described in
そのため、耐力と耐食性で優位なステンレスで、ダイアフラムを形成することが考えられる。しかしながら、ステンレスと歪検出素子であるシリコンとは、熱膨張率が大きく異なるため、接合の冷却工程で接合層に大きな応力が発生し、それによって歪検出素子や接合層が破損する可能性がある。 Therefore, it is conceivable that the diaphragm is formed of stainless steel that has superior strength and corrosion resistance. However, since the thermal expansion coefficient differs greatly between stainless steel and silicon, which is a strain detection element, a large stress is generated in the bonding layer during the bonding cooling process, which may damage the strain detection element and the bonding layer. .
特許文献２には、複数の接合材料を混合し、熱膨張率が連続的に変化するように形成された接合部材についての記載があるが、一般的に接合部材は、融点付近で急激に熱膨張率が変化するため、熱膨張率を制御するのは難しい。また混合の制御が不十分な場合においても、混合が不均一になれば熱膨張率も不均一になり接合状態がばらつく可能性があり、接合の安定性に課題がある。 Patent Document 2 describes a bonding member formed by mixing a plurality of bonding materials so that the coefficient of thermal expansion changes continuously. Generally, a bonding member is heated rapidly near the melting point. Since the expansion coefficient changes, it is difficult to control the thermal expansion coefficient. Even when the mixing control is insufficient, if the mixing is not uniform, the coefficient of thermal expansion is not uniform, and the joining state may vary, and there is a problem in the stability of the joining.
そこで本発明の目的は、シリコンやガラスの熱膨張率と比べて熱膨張率が大きい金属材料からなるダイアフラムと歪検出素子との接合信頼性の高い圧力測定装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a pressure measuring device having high bonding reliability between a diaphragm made of a metal material having a thermal expansion coefficient larger than that of silicon or glass and a strain detection element.
上記課題を解決する手段としては例えば以下である。
圧力により変形するダイアフラムと、前記ダイアフラムの変形を検出する歪検出素子と、前記ダイアフラム上に設けられた基台と、前記基台と前記歪検出素子との間に設けられた接合層を有し、前記接合層の線熱膨張係数が３２×１０−７／℃〜６０×１０−７／℃の範囲である圧力検出装置。
Examples of means for solving the above-described problems are as follows.
A diaphragm that is deformed by pressure; a strain detection element that detects deformation of the diaphragm; a base provided on the diaphragm; and a bonding layer provided between the base and the strain detection element. The pressure detection device wherein the linear thermal expansion coefficient of the bonding layer is in the range of 32 × 10 −7 / ° C. to 60 × 10 −7 / ° C.
本発明によれば、シリコンやガラスの熱膨張率と比べて熱膨張率が大きい金属材料からなるダイアフラムと歪検出素子との接合信頼性の高い圧力測定装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the pressure measuring apparatus with high joining reliability of the diaphragm which consists of a metal material with a large thermal expansion coefficient compared with the thermal expansion coefficient of silicon | silicone or glass, and a strain detection element can be provided.
以下、本発明の実施形態について図１から図３を用いて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 3.
（圧力測定装置）
図１は、圧力測定装置１００の概念図である。
(Pressure measuring device)
FIG. 1 is a conceptual diagram of the
圧力測定装置１００は、圧力ポート１１とダイアフラム１４とフランジ１３とが形成される金属筐体１０と、圧力ポート１１内の圧力を測定する歪検出素子１５と、歪検出素子１５と電気的に接続される基板１６と、カバー１８と、外部と電気的に接続するためのコネクタ１９とを備える。
The
圧力ポート１１は、軸方向の一端側（下側）に圧力導入口１２ａが形成された中空筒状の圧力導入部１２ｈａと、圧力導入部１２ｈａの軸方向の他端側（上側）に形成された円筒状のフランジ１３とを備えている。フランジ１３の中央部位には、圧力によって変形し歪を生じるダイアフラム１４が立設されている。
The
ダイアフラム１４は、圧力導入口１２ａから導入された圧力を受ける受圧面と、受圧面とは反対の面のセンサ搭載面とを有する。
The
圧力ポート１１の圧力導入部１２ｈａの、ダイアフラム１４側の歪検出素子１５に対向する先端部１２ｈａｔは矩形形状になっており、フランジ１３の中央部とダイアフラム１４の上部表面より若干低い高さの部位まで連続して穿設されている。この先端部１２ｈａｔの矩形形状によって、ダイアフラム１４にはｘ方向−ｙ方向の歪差が生じる。
The tip portion 12hat of the pressure introducing portion 12ha of the
歪検出素子１５は、ダイアフラム１４のセンサ搭載面のほぼ中央部に接合されている。歪検出素子１５は、シリコンチップ上にダイアフラム１４の変形（歪）に応じた電気信号を出力する１つ以上の歪抵抗ブリッジ３０ａ〜ｃを備える半導体チップとして構成される。
The
基板１６は、歪検出素子１５から出力された各検出信号を増幅するアンプ、そのアンプのアナログ出力信号をデジタル信号に変換するＡ−Ｄ変換器、そのデジタル信号に基づいて後述する補正演算を行うデジタル信号演算処理回路、各種データが格納されたメモリおよびコンデンサ１７等が搭載されている。
The
カバー１８の軸方向他端を閉塞する閉塞板１８ａの、中央よりの所定径範囲は切り欠かれており、その切欠部には例えば樹脂等により形成され、圧力測定装置１００で検出された検出圧力値を外部に出力するためのコネクタ１９が挿入されている。
A predetermined diameter range from the center of the
コネクタ１９の一端はカバー１８内においてカバー１８に固定され、コネクタ１９の他端はカバー１８から外部へ露出している。
One end of the
このコネクタ１９の内部には、例えばインサート成型により挿入された棒状のターミナル２０を有している。このターミナル２０は、例えば電源用、接地用、信号出力用の３本で構成され、各ターミナル２０の一端は前記基板１６に接続されており、他端が図示省略の外部コネクタに接続されることによって、自動車のＥＣＵ等へ配線部材を介して電気的に接続される。
The
図２は歪検出素子１５の複数の歪抵抗ブリッジと基板１６に搭載された各回路部品の回路図である。
FIG. 2 is a circuit diagram of a plurality of strain resistance bridges of the
歪抵抗ブリッジ３０ａ〜ｃは、それぞれダイアフラム１４の変形に応じて歪むことで抵抗値が変化する抵抗ゲージをブリッジ接続して構成されている。
Each of the
歪抵抗ブリッジ３０ａ〜３０ｃの出力信号（圧力に相当するブリッジ信号）は、アンプ３１ａ〜３１ｃによって増幅され、その増幅出力信号はＡ−Ｄ（アナログ−デジタル）変換器３２ａ〜３２ｃによってデジタル信号に変換される。
The output signals (bridge signals corresponding to pressure) of the
デジタル信号演算処理回路３３は、Ａ−Ｄ変換器３２ａ〜３２ｃの出力信号に基づいて、例えば１つの歪抵抗ブリッジ３０ａで検出された圧力値をその他の歪抵抗ブリッジ３０ｂ，３０ｃの検出圧力値によって補正する演算処理を行って、その補正した圧力値を圧力測定装置の検出値として出力する。
Based on the output signals of the A / D converters 32a to 32c, the digital signal
このデジタル信号演算処理回路３３は、補正演算処理に限らず、複数の歪抵抗ブリッジの検出圧力値同士の比較や、歪抵抗ブリッジの検出圧力値と予め不揮発メモリ３４に記憶しておいた規定圧力値との比較を行って、測定対象機器の劣化や歪検出素子１６の劣化を判定し、その判定時に故障信号を出力する等の処理も行う。
The digital signal
尚、電圧源３５から歪抵抗ブリッジ３０ａ〜３０ｃへの電力の供給およびデジタル信号演算処理回路３３からの各信号の出力は、図１、図２のターミナル２１を介して行われる。
The power supply from the
不揮発性メモリ３４は、その他の回路部品とは異なる回路チップに搭載されていてもよい。また、デジタル信号演算処理回路３３の代わりに前記補正演算をアナログ回路で行うように構成してもよい。
The
（歪検出素子とダイアフラムとの接合部）
図３は、歪検出素子１５とダイアフラム１４との接合部を示す図である。
(Junction between strain detection element and diaphragm)
FIG. 3 is a diagram illustrating a joint portion between the
ダイアフラム１４と歪検出素子１５とは、基台２１と接合層２２を介して接合されている。
The
ダイアフラム１４の材質には、耐食性を有することと、高圧にも対応できるように高耐力であることが求められる。そのため、クロムを含有した耐食性を有する材質に、析出硬化を行なうことで高耐力とした材質が用いられる。例えば、ＳＵＳ６３０が採用される。
The material of the
このとき、歪検出素子１５の材料としてはシリコン（熱膨張係数：３７×１０−７／℃）が用いられるため、被接合材であるダイアフラム１４のＳＵＳ６３０（熱膨張係数：１１０×１０−７／℃）との熱膨張係数の違いによって接合不良となりやすい。そのため、これら熱膨張係数の異なる部材を接合するために基台２１と接合層２２を介して接合することで接合の信頼性や安定性を向上させている。ここで、本発明における熱膨張係数とは、５０〜２５０℃の温度範囲での測定した値のことを指す。
At this time, since silicon (thermal expansion coefficient: 37 × 10 −7 / ° C.) is used as the material of the
基台２１および接合層２２は、環境への配慮から無鉛の材料で構成されることが望ましい。本発明でいう無鉛とは、ＲｏＨＳ指令（Ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｈａｚａｒｄｏｕｓ Ｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ ： ２００６年７月１日施行）における禁止物質を指定値以下の範囲で含有することを容認するものとする。また、基台２１および接合層２２の少なくともいずれか一方は、絶縁性であることが好ましい。これは、絶縁性とすることで自動車等へ実装時にダイアフラム１４から歪検出素子１５へかかるノイズを抑制することができるためである。本発明でいう絶縁性とは、体積抵抗率で１０６Ωｍ以上のことを指す。
The
基台２１は、ガラス、セラミックなどの基材をダイアフラム１４のセンサ搭載面に搭載することで形成される。基台２１の形成方法としては、ガラスペーストを用いて焼成することが望ましい。ガラスペーストの焼成温度としては特に制限はなく、通常の市販のガラスペーストを用いることができる。基台２１の熱膨張係数の範囲としては、１１×１０−７／℃〜１１９×１０−７／℃まで幅広く使用することができる。ただし、より好ましくは３７×１０−７／℃〜１１０×１０−７／℃であり、歪検出素子１５とダイアフラム１４の間であることが望ましい。さらに好ましくは、接合層２２とダイアフラム１４の間の熱膨張係数をとることである。つまり、歪検出素子１５の熱膨張係数をα１、接合層２２の熱膨張係数をα２、基台２１の熱膨張係数をα３、ダイアフラム１４の熱膨張係数をα４としたとき、α１ ＜ α２ ＜ α３ ＜ α４の関係を満たすことが好ましい。この熱膨張係数の構成にすることによって、接合時に発生する熱応力を効率よく緩和することができるため、接合の安定性を向上させることができる。また、基台２１は一層である必要はなく、上述の構成となるような範囲で二層以上とすることも可能である。
The
基台２１のガラス系としては、例えば、ＳｉＯ２、ＳｎＯ−Ｐ２Ｏ５、Ｂｉ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３、ＷＯ３−Ｐ２Ｏ５、ＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３の少なくともいずれか含むガラスなどを用いることができる。これらはいずれも絶縁性であるため、接合時にダイアフラム１４から歪検出素子１５へかかるノイズを抑制することが可能となる。
Examples of the glass system of the base 21 include at least one of SiO 2 , SnO—P 2 O 5 , Bi 2 O 3 —B 2 O 3 , WO 3 —P 2 O 5 , and ZnO—B 2 O 3. Glass or the like can be used. Since these are all insulative, it is possible to suppress noise applied from the
接合層２２は、ガラス相とガラス相に分散されたフィラーを有することで接合層の線熱膨張係数を最適な範囲にすることができる。
The
基台２１同様にガラスペーストを用いて形成することができる。接合層２２において、歪検出素子１５の接合温度は４００℃以下とすることが特に望まれる。これにより、歪検出素子１５の端子や配線の劣化を抑制することが可能となる。したがって、接合層に用いるガラス材料の軟化点（Ｔｓ）は、４００℃以下が良い。軟化点を４００℃以下とすることで、接合温度を４００℃以下とすることが可能となる。ここで、作製したガラスの特性温度は、示差熱分析（ＤＴＡ）から定めた。
Similarly to the
図４にガラスの代表的なＤＴＡ曲線を示す。図４に示すように、第二吸熱ピークを軟化点（Ｔｓ）とした。接合層２２の熱膨張係数としては、３２×１０−７／℃以上６０×１０−７／℃以下が良い。この熱膨張係数の範囲にすることで、接合状態、信頼性とも優れた接合体が形成できるため、精度のよい圧力検出装置を提供することができる。接合状態や信頼性の観点からより好ましくは、４２×１０−７／℃以上５４×１０−７／℃以下の範囲である。フィラー含有量を調整することで、これらの熱膨張係数を調整することができる。ただし、フィラー含有量が増加する場合には、接合材の軟化流動性が失われていくために接合性が悪くなるため、フィラーの含有量は最大でも４７．５体積％以下とすることが好ましい。また、より良好な軟化流動性を得るためのフィラーの含有量としては、４０体積％以下である。
FIG. 4 shows a typical DTA curve of glass. As shown in FIG. 4, the second endothermic peak was defined as the softening point (Ts). The thermal expansion coefficient of the
上述の熱膨張係数と接合温度を達成するためのガラス組成としては、Ｖ２Ｏ５を主成分とするガラス組成であることが望ましい。Ｖ２Ｏ５を主成分とするガラス組成とすることで、４００℃以下の接合温度を達成することが可能となる。ここで、主成分とはガラス組成を酸化物換算した場合に、最も含有量の多いものを指す。また、ガラス組成としては、さらに酸化物換算でＦｅ２Ｏ３が１０重量％以上含むことが望ましい。なお、ここで酸化物換算とはガラス中の酸化物にて計算した重量％である。Ｆｅ２Ｏ３を１０重量％以上含むことで、Ｖ２Ｏ５を主成分としたガラス組成の熱膨張係数を低下させつつ、ガラスの軟化点を低温化することが可能となる。良好な接合体を形成することができるガラス組成の範囲としては、酸化換算でＶ２Ｏ５が４５〜５０重量％、ＴｅＯ２が２０〜３０重量％、Ｆｅ２Ｏ３が１０〜１５重量％、Ｐ２Ｏ５が５〜１６重量％、ＷＯ３が０〜１０重量％である。Ｆｅ２Ｏ３が１０重量％以上含むことで、ガラス組成は結晶化しやすくなるが、ＷＯ３を０〜１０重量％の範囲で含有することで、この結晶化を抑制することができる。 The glass composition for achieving the above-described thermal expansion coefficient and bonding temperature is preferably a glass composition containing V 2 O 5 as a main component. With glass composition composed mainly of V 2 O 5, it is possible to achieve the bonding temperature of 400 ° C. or less. Here, the main component refers to the one having the highest content when the glass composition is converted into an oxide. Further, as a glass composition further Fe 2 O 3 in terms of oxides it may be desirable to include 10 wt% or more. In addition, oxide conversion is weight% computed with the oxide in glass here. By including 10% by weight or more of Fe 2 O 3 , it becomes possible to lower the softening point of the glass while reducing the thermal expansion coefficient of the glass composition containing V 2 O 5 as a main component. As a range of the glass composition capable of forming a good bonded body, V 2 O 5 is 45 to 50% by weight in terms of oxidation, TeO 2 is 20 to 30% by weight, and Fe 2 O 3 is 10 to 15% by weight. , P 2 O 5 is 5 to 16% by weight, and WO 3 is 0 to 10% by weight. When the Fe 2 O 3 content is 10% by weight or more, the glass composition is easily crystallized, but by containing WO 3 in the range of 0 to 10% by weight, this crystallization can be suppressed.
接合層２２の接合材に添加するフィラーとしては、例えばジルコン、ジルコニア、石英ガラス、β―スポンジュメン、コーディエライト、ムライト、β―ユークリプタイト、β―石英、リン酸ジルコニウム、リン酸タングステン酸ジルコニウム（ＺＷＰ）、タングステン酸ジルコニウム及びこれらの固溶体などを用いることができる。これらを１種類もしくは２種類以上を組み合わせて使用することができる。
Examples of the filler added to the bonding material of the
接合層２２と歪検出素子１５の接合性や密着性を向上するためには、歪検出素子１５の接合層面側にメタライズ処理を施すことが好ましい。また、このメタライズ処理に用いる金属元素としては、Ａｌ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｍｏから選ばれる内の少なくとも１種以上を含むことが良い。メタライズ処理により歪検出素子の接合層側の面にこれらの元素を含むメタライズ層が形成される。これらの金属元素を含有することで、接合層２２のガラスとメタライズ層との間にさらに化合物が形成され、良好な接合面を形成することが可能となり、接合の安定性を向上することができる。メタライズの手法としては、特に限定されるところではないが、例えばめっき法やスパッタ法、蒸着法などにより形成することができる。
In order to improve the bondability and adhesion between the
（接合材の製造方法）
接合層２２を形成する接合材は、例えば以下の方法により製造できる。接合層形成ペーストは、接着成分であるガラス等の粉末と、熱膨張係数を調整するためのフィラー材と、溶剤と、バインダーと、を混練することで作製できる。作製した接合層形成ペーストを基材に塗布した後、脱バインダー、焼成することで接合材を形成することができる。
(Method of manufacturing joining material)
The bonding material for forming the
接合層形成ペーストに用いるガラスの作製法としては、特に限定されるところではないが、原料となる各酸化物を配合・混合した原料を白金ルツボに入れ、電気炉で５〜１０℃／分の昇温速度で８００〜１１００℃まで加熱し、数時間保持することで作製することができる。保持中は均一なガラスとするために攪拌することが望ましい。ルツボを電気炉から取り出す際には、ガラス表面への水分吸着を防止するために予め１００〜１５０℃程度に加熱しておいた黒鉛鋳型やステンレス板上に流し込むことが望ましい。 The method for producing the glass used for the bonding layer forming paste is not particularly limited, but a raw material in which each oxide as a raw material is blended and mixed is placed in a platinum crucible, and 5-10 ° C./min in an electric furnace. It can be manufactured by heating up to 800-1100 ° C. at a rate of temperature rise and holding for several hours. During holding, it is desirable to stir in order to obtain a uniform glass. When taking out the crucible from the electric furnace, it is desirable to pour it onto a graphite mold or a stainless steel plate heated to about 100 to 150 ° C. in advance in order to prevent moisture adsorption on the glass surface.
接合層形成ペーストに用いる溶剤としては、特に限定されるところではないが、ブチルカルビトールアセテートやα―テルピネオールを用いることができる。 The solvent used in the bonding layer forming paste is not particularly limited, but butyl carbitol acetate or α-terpineol can be used.
接合層形成ペーストに用いるバインダーとしては、特に限定されるところではないが、エチルセルロースやニトロセルロースなどを用いることができる。 The binder used in the bonding layer forming paste is not particularly limited, but ethyl cellulose, nitrocellulose, and the like can be used.
また、接合材としてペーストの他に、ガラスの成型体を用いることも可能である。成形体の作製方法としては、特に限定されるところではないが、例えばガラス粉末とフィラー粉末を混合して一軸加圧成形したものを、スライサーなどによって１００μｍ以下の厚みに切り出したものを用いることも可能である。 In addition to the paste, a glass molded body can be used as the bonding material. The method for producing the molded body is not particularly limited, but for example, a glass powder and filler powder mixed and uniaxially pressed and cut into a thickness of 100 μm or less with a slicer or the like may be used. Is possible.
以下、実施例を用いて更に詳細に説明する。ただし、本発明は、ここで取り上げた実施例の記載に限定されることはなく、適宜組み合わせてもよい。 Hereinafter, it demonstrates in detail using an Example. However, the present invention is not limited to the description of the embodiments taken up here, and may be combined as appropriate.
（実施例１〜８、比較例１〜７）
＜ガラスの作製＞
表１のＧ１〜Ｇ１５は、作製・検討したガラス組成を示したものである。いずれの成分も酸化物換算の質量％（質量パーセント）で表示した。これらの低融点ガラス組成物には、環境・安全に配慮し、実質的に鉛を含有させなかった。各成分の原料は、五酸化バナジウム、酸化テルル、酸化第二鉄、五酸化リン、酸化タングステン、炭酸バリウム、リン酸バリウム、酸化セシウム、酸化ニオブ、炭酸カリウム、酸化ビスマス、酸化ホウ素、酸化亜鉛、酸化銅を用いた。
(Examples 1-8, Comparative Examples 1-7)
<Production of glass>
G1 to G15 in Table 1 show the glass compositions produced and studied. All the components were expressed in mass% (mass percent) in terms of oxide. In consideration of the environment and safety, these low-melting glass compositions did not substantially contain lead. The raw materials of each component are vanadium pentoxide, tellurium oxide, ferric oxide, phosphorus pentoxide, tungsten oxide, barium carbonate, barium phosphate, cesium oxide, niobium oxide, potassium carbonate, bismuth oxide, boron oxide, zinc oxide, Copper oxide was used.
ガラスの作製は、以下の手順で行った。原料化合物を表１の組成となるように配合・混合した混合粉末１ｋｇを白金ルツボに入れ、電気炉を用いて５〜１０℃／ｍｉｎ（℃／分）の昇温速度で１０００℃〜１２００℃の加熱温度まで加熱して２時間保持した。保持中は均一なガラスとするために攪拌した。次に、白金ルツボを電気炉から取り出し、予め１００℃に加熱しておいたステンレス板上に流し込みガラスを得た。 Glass was produced according to the following procedure. 1 kg of a mixed powder obtained by blending and mixing the raw material compounds so as to have the composition shown in Table 1 is placed in a platinum crucible and heated at a rate of 5 to 10 ° C./min (° C./min) using an electric furnace at 1000 to 1200 ° C. And heated for 2 hours. During holding, stirring was performed to obtain a uniform glass. Next, the platinum crucible was taken out from the electric furnace and poured onto a stainless steel plate heated in advance to 100 ° C. to obtain glass.
＜ガラスの評価＞
ステンレス板上に流し込んだガラスを平均粒子径（Ｄ５０）が２０μｍ未満になるまで粉砕し、５℃／分の昇温速度で示差熱分析（ＤＴＡ）を行うことによって、軟化点（Ｔｓ）を測定した。なお、標準サンプルとしてアルミナ粉末を用いた。ＤＴＡカーブにおいて、軟化点は第二吸熱ピーク温度とした。
<Evaluation of glass>
Measure the softening point (Ts) by pulverizing the glass poured on the stainless steel plate until the average particle size (D50) is less than 20 μm and performing differential thermal analysis (DTA) at a heating rate of 5 ° C./min. did. Alumina powder was used as a standard sample. In the DTA curve, the softening point was the second endothermic peak temperature.
＜接合層形成ペーストの作製＞
接合層を作製するに当たり接合層形成ペーストを作製した。接合層形成ペーストは、表１で作製したガラスを平均粒径（Ｄ５０）が約３μｍになるまでジェットミルを用いて粉砕したのち、同じく約３μｍ程度のフィラーとして、Ｚｒ２（ＷＯ４）（ＰＯ４）２（ＺＷＰ）を所定量加えた。この混合物に対し、バインダー樹脂としてエチルセルロースを、溶剤としてブチルカルビトールアセテートを加えて混錬し、接合層形成ペーストを作製した。接合層の熱膨張係数の評価には、バインダー樹脂や溶剤を含まない混合粉末だけで一軸加圧成型した後、電気炉にて緻密に焼き固めたものを用いた。その後、４ｍｍ×４ｍｍ×１５ｍｍの試験片を切り出し、押し棒式熱機械分析装置を用いて５０〜２５０℃の範囲の熱膨張係数を測定した。その結果を表２に記載する。
<Preparation of bonding layer forming paste>
In preparing the bonding layer, a bonding layer forming paste was prepared. The bonding layer forming paste was prepared by pulverizing the glass prepared in Table 1 using a jet mill until the average particle size (D50) reached about 3 μm, and then using Zr 2 (WO 4 ) (PO 4 ) as a filler of about 3 μm. 4 ) 2 (ZWP) was added in a predetermined amount. To this mixture, ethyl cellulose as a binder resin and butyl carbitol acetate as a solvent were added and kneaded to prepare a bonding layer forming paste. For the evaluation of the thermal expansion coefficient of the bonding layer, a uniaxial press molding was performed only with a mixed powder not containing a binder resin or a solvent, and then the powder was densely baked and hardened in an electric furnace. Thereafter, a test piece of 4 mm × 4 mm × 15 mm was cut out, and the thermal expansion coefficient in the range of 50 to 250 ° C. was measured using a push rod thermomechanical analyzer. The results are listed in Table 2.
また、ボタンフロー試験により加熱時の軟化流動性を評価した。サンプルには、上記同様にバインダー樹脂や溶剤を含まない混合粉末を、直径１０ｍｍ、厚さ５ｍｍになるように一軸加圧成型したものを用いた。この成形体をアルミナ基板上に置き、５℃／ｍｉｎの昇温速度で４００℃まで加熱して、１０分間保持し、軟化流動性を○，△，×で評価した。○は良好な流動性が得られた場合、△は良好な流動性が得られなかったが、軟化していた場合、×は軟化しない場合或いは結晶化した場合とした。なお、ボタンフロー試験の温度は接合材に用いるシリコン基板の耐熱温度を考慮して決定した。 Moreover, the softening fluidity at the time of a heating was evaluated by the button flow test. As the sample, a mixed powder containing no binder resin or solvent as described above was uniaxially pressed so as to have a diameter of 10 mm and a thickness of 5 mm. This molded body was placed on an alumina substrate, heated to 400 ° C. at a temperature rising rate of 5 ° C./min, held for 10 minutes, and the softening fluidity was evaluated by ○, Δ, ×. ○ indicates that good fluidity is obtained, Δ indicates that good fluidity is not obtained, but when softened, × indicates that softening is not achieved or crystallization occurs. The temperature of the button flow test was determined in consideration of the heat resistant temperature of the silicon substrate used for the bonding material.
＜接合体の作製＞
被接合材として、Ａｌメタライズ処理が施されたシリコン基板（４ｍｍ×４ｍｍ、熱膨張係数：３７×１０−７／℃）とＳＵＳ６３０基板（１２ｍｍφ、熱膨張係数：１１０×１０−７／℃）を用いた。まず、接合準備としてＳＵＳ６３０基板上に基台を形成した。
<Preparation of joined body>
As the materials to be joined, an Al metallized silicon substrate (4 mm × 4 mm, thermal expansion coefficient: 37 × 10 −7 / ° C.) and an SUS630 substrate (12 mmφ, thermal expansion coefficient: 110 × 10 −7 / ° C.) are used. Using. First, a base was formed on a SUS630 substrate as preparation for bonding.
基台の材料には、市販のＳｉＯ２系ガラスペースト１（ＤｕＰｏｎｔ社製 ＱＭ４４、熱膨張係数：７１×１０−７／℃）を用いた。基台の形成は、スクリーン印刷を用いてＳＵＳ６３０基板にＱＭ４４ペーストを印刷後、１５０℃で３０ｍｉｎ乾燥後、８５０℃にて１０ｍｉｎ焼成することで基台を２０μｍ厚みで形成した。この基台の上面に、表２に示す接合材を同様にスクリーン印刷にて塗布・乾燥し、昇温速度５℃／ｍｉｎで軟化点＋５０℃の温度まで加熱し、３０ｍｉｎ保持することで仮焼成を実施して接合層を２０μｍ程度形成した。その後、この接合層の上面にシリコン基板を設置してシリコン基板の上面から荷重を付加し、昇温速度５℃／ｍｉｎで４００℃まで加熱し、１０ｍｉｎ保持することで接合体を試作した。 A commercially available SiO 2 glass paste 1 (DuPont QM44, thermal expansion coefficient: 71 × 10 −7 / ° C.) was used as the base material. The base was formed by printing QM44 paste on a SUS630 substrate using screen printing, drying at 150 ° C. for 30 min, and baking at 850 ° C. for 10 min to form a base with a thickness of 20 μm. On the upper surface of this base, the bonding materials shown in Table 2 are similarly applied by screen printing and dried, heated to a temperature of the softening point + 50 ° C. at a temperature rising rate of 5 ° C./min, and held for 30 minutes for temporary firing. To form a bonding layer of about 20 μm. Thereafter, a silicon substrate was placed on the upper surface of the bonding layer, a load was applied from the upper surface of the silicon substrate, the sample was heated to 400 ° C. at a temperature rising rate of 5 ° C./min, and held for 10 minutes to make a prototype.
実施例においては、上記シリコン基板は図２における歪検出素子１５、基板上に形成された基台ＳｉＯ２系ガラスは基台２１として評価することができる。
In the embodiment, the silicon substrate can be evaluated as the
試作後の接合体の接合状態を密着性、接着性、残留気泡の観点より評価した。密着性、接着性、残留気泡ともに優れていた場合には◎、多少気泡は残留するものの良好な密着性、接着性が得られた場合には○、密着性や残留気泡が十分ではないが、問題なく接着できた場合には△、接着性が不十分な場合には×とした。また、接合体の信頼性を−４０℃〜１５０℃の温度サイクル試験により評価した。このとき、１００サイクル後に剥離が見られなかったものを○、サンプルによっては剥離がみられたものを△、１００サイクル以内にすべてのサンプルで剥離したもの、もしくは接合できていないものを×とした。これらの評価結果を表２に併記する。 The joined state of the joined body after the trial production was evaluated from the viewpoints of adhesion, adhesion, and residual bubbles. ◎ if the adhesion, adhesiveness and residual bubbles are both excellent, ◎, even if some of the bubbles remain, but if good adhesion and adhesion are obtained, ○, adhesion and residual bubbles are not sufficient, When the adhesive was successful, Δ was given, and when the adhesiveness was insufficient, X was given. Moreover, the reliability of the joined body was evaluated by a temperature cycle test of −40 ° C. to 150 ° C. At this time, the case where peeling was not observed after 100 cycles was indicated as “◯”, the case where peeling was observed depending on the sample was indicated as “Δ”, the case where peeling was observed in all samples within 100 cycles, or the case where bonding was not possible was indicated as “X”. . These evaluation results are also shown in Table 2.
以上より、接合材の熱膨張係数としては、６０×１０−７／℃以下であるときに接合状態、信頼性ともに優れ、これよりも大きくなる場合には信頼性試験において接合体が剥離することが分かった。また、信頼性としてより優れるのは、熱膨張係数が５４×１０−７／℃の時であった。また、接合体が良好であったとき（実施例１〜８）のガラス組成の特徴としては、Ｖ２Ｏ５が４５〜５０重量％、Ｆｅ２Ｏ３を１０重量％以上含むことであった。これは、Ｆｅ２Ｏ３にはガラスを低熱膨張化する効果が考えられる。また、ＢａＯは含まないことが好ましく、ＢａＯには逆にガラスを高熱膨張化する効果があるためであると考えられる。ガラス組成の範囲としては、酸化換算でＶ２Ｏ５が４５−５０重量％、ＴｅＯ２が２０−３０重量％、Ｆｅ２Ｏ３が１０−１５重量％、Ｐ２Ｏ５が５−１６重量％、ＷＯ３が０−１０重量％であった。 From the above, the thermal expansion coefficient of the bonding material is excellent in the bonding state and reliability when it is 60 × 10 −7 / ° C. or less, and when it is larger than this, the bonded body peels off in the reliability test. I understood. Further, the reliability was more excellent when the thermal expansion coefficient was 54 × 10 −7 / ° C. Moreover, as a characteristic of the glass composition when the joined body was good (Examples 1 to 8), V 2 O 5 was 45 to 50% by weight and Fe 2 O 3 was contained by 10% by weight or more. . This is because Fe 2 O 3 has an effect of reducing the thermal expansion of the glass. Moreover, it is preferable not to contain BaO, and it is considered that BaO has an effect of increasing the thermal expansion of the glass. The range of the glass composition, V 2 O 5 is 45-50 wt% oxide terms, TeO 2 is 20-30 wt%, Fe 2 O 3 is 10-15 wt%, P 2 O 5 is 5-16 wt %, WO 3 was 0-10% by weight.
（実施例９〜２２、比較例８〜９）
接合材として、表３に示す接合層形成ペーストの構成からなる材料を用い、実施例１〜８、比較例１〜７同様に接合体を形成した。このとき、接合層形成ペーストの構成以外は実施例１〜８、比較例１〜７と同様である。接合層形成ペーストには、良好であった実施例３のＧ３及び実施例８のＧ８のガラスを用い、フィラー材の含有量を変化させることで熱膨張係数を調節した。また、試作した接合体の接合状態および信頼性を実施例１〜８、比較例１〜７同様に評価した。
(Examples 9-22, Comparative Examples 8-9)
As a bonding material, a material having the structure of the bonding layer forming paste shown in Table 3 was used, and bonded bodies were formed in the same manner as in Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 7. At this time, it is the same as that of Examples 1-8 and Comparative Examples 1-7 except the structure of joining layer formation paste. As the bonding layer forming paste, the glass of G3 of Example 3 and G8 of Example 8 which were good were used, and the thermal expansion coefficient was adjusted by changing the content of the filler material. Moreover, the joining state and reliability of the trial joined body were evaluated similarly to Examples 1-8 and Comparative Examples 1-7.
以上より、接合材の熱膨張係数としては、３２×１０−７／℃以上６０×１０−７／℃以下のときに接合状態、信頼性とも優れた接合体が形成できることが分かった。より好ましくは、４２×１０−７／℃以上５４×１０−７／℃以下の時であった。この結果からＶ２Ｏ５が４５〜４７重量％、Ｆｅ２Ｏ３が１０〜１５重量％、フィラーが３５〜４０体積％付近とすることで特に良好な結果が得られることが分かった。 From the above, it has been found that when the thermal expansion coefficient of the bonding material is 32 × 10 −7 / ° C. or more and 60 × 10 −7 / ° C. or less, a bonded body excellent in bonding state and reliability can be formed. More preferably, the time was 42 × 10 −7 / ° C. or more and 54 × 10 −7 / ° C. or less. From this result, it was found that V 2 O 5 was 45 to 47% by weight, Fe 2 O 3 was 10 to 15% by weight, and filler was 35 to 40% by volume, and particularly good results were obtained.
また、フィラー含有量が４７．５体積％以上となると、接合材の軟化流動性が低くなるため、フィラーの含有量としてはこれ以下とすることが好ましい。良好な軟化流動性を得るためのフィラーの含有量としては、４０体積％以下であった。 Moreover, since the softening fluidity | liquidity of a joining material will become low when filler content will be 47.5 volume% or more, it is preferable to set it as this or less as content of a filler. The filler content for obtaining good softening fluidity was 40% by volume or less.
（実施例２２〜２７）
ＳＵＳ６３０基板上に形成する基台として、市販のガラスペースト２（岡本硝子社製 ＮＡＴ１１、熱膨張係数：１１×１０−７／℃）もしくはガラスペースト３（旭ガラス社製ＡＳＦ１７０２、熱膨張係数：１１９×１０−７／℃）を用いたものを作成した。接合材としては良好であった接合材Ｂ２、Ｂ３、Ｂ１２を用い、実施例９〜２２、比較例８〜９と同様に接合体を試作した。接合体の構成および評価結果を表４に示す。
(Examples 22 to 27)
As a base to be formed on the SUS630 substrate, commercially available glass paste 2 (NAT11 manufactured by Okamoto Glass Co., Ltd., thermal expansion coefficient: 11 × 10 −7 / ° C.) or glass paste 3 (ASF 1702, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., thermal expansion coefficient: 119) × 10 −7 / ° C.) was prepared. Using the bonding materials B2, B3, and B12 that were good as the bonding material, a bonded body was manufactured in the same manner as in Examples 9 to 22 and Comparative Examples 8 to 9. Table 4 shows the structure and evaluation results of the joined body.
（比較例１０〜１２）
実施例２２〜２７において、基台を形成しない場合において接合体の試作を実施した。基台を形成しなかったこと以外は実施例２２〜２７と同様に接合体を試作、評価を行った。
(Comparative Examples 10-12)
In Examples 22 to 27, trial manufacture of a joined body was performed in the case where the base was not formed. A joined body was prototyped and evaluated in the same manner as in Examples 22 to 27 except that the base was not formed.
以上より、基台の熱膨張係数としては１１×１０−７／℃〜１１９×１０−７／℃まで幅広く使用することができるが、基台のないものは良好な接合体を形成することができないことが分かった。 From the above, the thermal expansion coefficient of the base can be widely used from 11 × 10 −7 / ° C. to 119 × 10 −7 / ° C., but those without the base can form a good joined body. I found it impossible.
（実施例１３〜２７）
接合体の試作において、シリコン基板にＡｌメタライズ処理を実施せずに接合体の試作を実施した。このとき、メタライズ処理を実施しないこと以外は実施例１〜８、比較例１〜７同様に接合体を試作した。この結果、接合材Ａ１〜Ａ１５のいずれの場合にも接合することは可能であったが、密着性はメタライズ処理をしたものと比較して良好でないことがわかった。
この接合界面を透過型電子顕微鏡にて評価したところ、メタライズ処理を実施したものは、接合界面にＡｌとＶを有する化合物層が形成されていることが判明した。そのため、メタライズ処理によって密着性が向上したと考えられる。
(Examples 13 to 27)
In the trial manufacture of the joined body, the joined body was prototyped without performing the Al metallization treatment on the silicon substrate. At this time, a joined body was prototyped in the same manner as in Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 7, except that the metallization treatment was not performed. As a result, although it was possible to join in any case of joining material A1-A15, it turned out that adhesiveness is not favorable compared with what performed the metallization process.
When this bonding interface was evaluated with a transmission electron microscope, it was found that a compound layer having Al and V was formed at the bonding interface in the case where the metallization treatment was performed. Therefore, it is considered that the adhesion is improved by the metallization process.
（圧力測定装置の作製）
接合材Ｂ１０〜Ｂ１５を用いて、圧力検出素子とダイアフラムを実施例２同様の条件にて接合した。その後、図１に示すような圧力測定装置を作製した。圧力測定装置の試験としては、−４０℃から１３０℃を各３０ｍｉｎごとに２０００サイクル実施する熱衝撃試験と、１３０℃で５Ｖ印加を２０００時間実施する高温通電試験、−４０℃で５Ｖ印加を２０００時間実施する低温通電試験を実施してセンサ特性の変化を観測した。その結果、いずれの試験でも初期特性とほとんど圧力誤差のない良好なセンサ特性を得ることができた。
(Production of pressure measuring device)
The pressure detection element and the diaphragm were bonded under the same conditions as in Example 2 using the bonding materials B10 to B15. Thereafter, a pressure measuring device as shown in FIG. 1 was produced. As a test of the pressure measuring device, a thermal shock test in which 2000 cycles from −40 ° C. to 130 ° C. are performed every 30 min for 2000 cycles, a high-temperature energization test in which 5 V is applied at 130 ° C. for 2000 hours, and 5 V at −40 ° C. is applied in 2000 A low-temperature energization test was conducted over time to observe changes in sensor characteristics. As a result, it was possible to obtain good sensor characteristics with little initial error and pressure error in any test.
１０…金属筐体
１１…圧力ポート
１２…圧力導入部
１２ａ…圧力導入口
１２ｈａ…圧力導入孔
１２ｈａｔ…先端部
１３…フランジ
１４…ダイアフラム
１５…歪検出素子
１６…基板
１７…コンデンサ
１８…カバー
１８ａ…閉塞板
１９…コネクタ
２０…ターミナル
２１…基台
２２…接合層
３０ａ〜３０ｃ…歪抵抗ブリッジ
３１ａ〜３１ｃ…アンプ
３２ａ〜３２ｃ…Ａ−Ｄ変換器
３３…デジタル信号演算処理回路
３４…不揮発メモリ
３５…電圧源
１００…圧力測定装置
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記ダイアフラムの変形を検出する歪検出素子と、
前記ダイアフラム上に設けられた基台と、
前記基台と前記歪検出素子との間に設けられた接合層を有し、
前記基台は、複数のガラスペーストを積層することで形成され、前記複数のガラスペーストの内少なくとも１つ以上は絶縁性であり、
前記接合層の線熱膨張係数が３２×１０−７／℃〜６０×１０−７／℃の範囲であり、
前記歪検出素子の線熱膨張係数をα１、前記接合層の線熱膨張係数をα２、前記基台の熱膨張係数をα３、前記ダイアフラムの線熱膨張係数をα４としたとき、α１＜α２＜α３＜α４の関係を満たすことを特徴とする圧力検出装置。 A diaphragm deformed by pressure,
A strain detecting element for detecting deformation of the diaphragm;
A base provided on the diaphragm;
Having a bonding layer provided between the base and the strain sensing element;
The base is formed by laminating a plurality of glass pastes , and at least one of the plurality of glass pastes is insulative,
The linear thermal expansion coefficient of the bonding layer is in the range of 32 × 10 −7 / ° C. to 60 × 10 −7 / ° C.,
When the linear thermal expansion coefficient of the strain detecting element is α1, the linear thermal expansion coefficient of the bonding layer is α2, the thermal expansion coefficient of the base is α3, and the linear thermal expansion coefficient of the diaphragm is α4, α1 <α2 < A pressure detection device satisfying a relationship of α3 <α4.
前記接合層は、ガラス相と前記ガラス相に分散されたフィラーを有する圧力検出装置。 In claim 1,
The bonding layer is a pressure detection device having a glass phase and a filler dispersed in the glass phase.
前記ガラス相のガラス組成は、酸化換算でＶ２Ｏ５を主成分として含み、Ｆｅ２Ｏ３を１０重量％以上含む圧力検出装置。 In claim 2,
The glass composition of the glass phase is a pressure detection device containing V2O5 as a main component in terms of oxidation and containing 10 wt% or more of Fe2O3.
前記ガラス相の組成は、酸化換算でＶ２Ｏ５が４５〜５０重量％、Ｆｅ２Ｏ３が１０〜１５重量％、含まれる圧力検出装置。 In claim 3,
The composition of the glass phase is a pressure detection device in which V2O5 is contained in an amount of 45 to 50 wt% and Fe2O3 is contained in an amount of 10 to 15 wt% in terms of oxidation.
前記フィラーは、ジルコン、ジルコニア、石英ガラス、β―スポンジュメン、コーディエライト、ムライト、β―ユークリプタイト、β―石英、リン酸ジルコニウム、リン酸タングステン酸ジルコニウム（ＺＷＰ）、タングステン酸ジルコニウムのいずれかである圧力検出装置。 In claim 4,
The filler is any one of zircon, zirconia, quartz glass, β-spongumene, cordierite, mullite, β-eucryptite, β-quartz, zirconium phosphate, zirconium tungstate phosphate (ZWP), and zirconium tungstate. Is a pressure sensing device.
前記ガラス相は、さらに酸化換算でＴｅＯ２が２０〜３０重量％、Ｐ２Ｏ５が５〜１６重量％、ＷＯ３が０〜１０重量％含む圧力検出装置。 In claim 5,
The glass phase is a pressure detection device further comprising 20 to 30% by weight of TeO2 in terms of oxidation, 5 to 16% by weight of P2O5, and 0 to 10% by weight of WO3.
前記歪検出素子の前記接合層側の面は、メタライズ処理されている圧力検出素子。 In claim 6,
The surface of the strain detecting element on the side of the bonding layer is a pressure detecting element that is metallized.
前記歪検出素子の前記接合層側の面には、メタライズ層を有し、前記メタライズ層はＡｌ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｍｏから選ばれる少なくとも１種類以上を有する圧力検出素子。 In claim 7,
A pressure detecting element having a metallized layer on a surface of the strain detecting element on the bonding layer side, wherein the metallized layer includes at least one selected from Al, Ni, Ti, and Mo.
前記歪検出素子にメタライズ処理した層と接合層との間には化合物層が存在することを特徴とする圧力検出素子。 In claim 8,
A pressure detection element, wherein a compound layer exists between a layer metallized on the strain detection element and a bonding layer.
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