JP6769359B2 - 圧力センサおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧力検出用のダイヤフラムを有する金属ステムにセンサチップを接合してなる圧力センサおよびその製造方法に関する。

従来より、この種の圧力センサとして、例えば特許文献１に記載のものが知られている。特許文献１に記載の圧力センサは、圧力検出用のダイヤフラムを有する金属ステムとダイヤフラムの歪みを検出するセンサチップとが、ダイヤフラム上に設けられた接合ガラスを介してダイヤフラムに接合された構成とされている。

また、上記の圧力センサでは、接合ガラスにフィラーが添加された構成とされ、接合ガラスの線膨張係数が調整されている。これにより、線膨張係数の異なる金属ステムとセンサチップとが安定的に接合された圧力センサとなる。

特開２０１４−２３５１０６号公報

近年、この種の圧力センサでは、高感度化、小型化、軽量化のため、接合ガラスやセンサチップの薄肉化の検討が進められている。

そこで、本発明者らは、ミクロンオーダーのフィラーを含む接合ガラスやセンサチップについて薄肉化した圧力センサについて検討を行った。その結果、単に接合ガラスやセンサチップを薄肉化しただけでは、例えば冷熱サイクル試験などの信頼性試験においてセンサチップの亀裂等が生じ、金属ステムとセンサチップとの接合の信頼性（以下「接合信頼性」という）が確保できないことが判明した。

本発明者らは、この接合信頼性が低下した原因について、接合ガラス内におけるフィラーの凝集が原因であると考えた。具体的には、ミクロンオーダーのフィラーは凝集が起きやすく、フィラーを含有する接合ガラスにおいてフィラーが凝集物を形成すると、接合ガラスのうち接合ガラスとセンサチップとの界面付近に当該凝集物に起因する凹凸形状が生じ得る。このような凹凸形状が接合ガラスに生じると、接合ガラスとセンサチップとの界面に隙間が生じ、これが空気層、すなわちボイドとなる。このようなボイドが形成されると、ボイドが欠陥部位となって、センサチップと接合ガラスとの接合性が低下してしまい、信頼性の低い圧力センサとなってしまうと考えられる。

特許文献１に記載の圧力センサは、接合ガラスがミクロンオーダーのフィラーを含有する場合においては、フィラーが凝集してしまい得るため、このような点に対応できていない。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、ミクロンオーダーのフィラーが含有されると共に、薄肉化された接合ガラスを用いつつも、接合信頼性の低下が抑制された圧力センサおよびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の圧力センサは、印加される圧力に応じて電気出力を発生させる圧力センサであって、圧力検出用のダイヤフラム（１１）が形成された一面（１０ａ）を有する金属ステム（１０）と、一面のうちダイヤフラム上に配置され、フィラー（３１）を有してなる接合ガラス（３０）と、ダイヤフラム上に接合ガラスを介して接合され、ダイヤフラムの歪みに応じた電気出力を発生する歪検出部（４１）を備えるセンサチップ（４０）と、を備える。このような構成において、フィラーは、体積基準での積算粒度分布における存在率が５０％となるときの粒径が２μｍ〜２０μｍの範囲内であると共に、ガラス質の材料により覆われたコーティングフィラー（３３）とされている。

これにより、接合ガラス内におけるフィラーに起因するボイドの発生や凝集物の発生が抑制されると共に、接合ガラス内における内部応力の偏りが低減され、金属ステムおよびセンサチップと接合ガラスとの接合信頼性の高い圧力センサとなる。

請求項７に記載の圧力センサの製造方法は、印加される圧力に応じて電気出力を発生させる請求項１ないし６のいずれか１つに記載の圧力センサの製造方法であって、一面（１０ａ）を有する金属ステム（１０）およびセンサチップ（４０）を用意することと、ガラス質の材料とフィラー（３１）とを混合して加熱することで、フィラーをガラス質の材料によりその表面がコーティングされたコーティングフィラー（３３）を得ることと、ガラス質の材料とコーティングフィラーとを混合し、有機溶剤および有機物によりなるバインダーを添加してペーストガラスを得ることと、ペーストガラスを一面に塗布し、この上にセンサチップを配置して加熱することで金属ステムとセンサチップとを接合することと、を含む。このような製造方法において、ペーストガラスを得ることにおいては、体積基準での積算粒度分布における存在率が５０％となるときのフィラーの粒径が２μｍ〜２０μｍの範囲内とする。

これにより、フィラーをあらかじめガラス質の材料でコーティングすることにより、フィラーがペーストガラスのうちセンサチップ側の表層に剥き出しで露出することを防ぐと共に、フィラー同士が衝突することによる凝集物の発生を抑制できる。その結果、接合ガラス内におけるフィラーに起因するボイドの発生や凝集物の発生が抑制されると共に、接合ガラス内における内部応力の偏りが低減され、金属ステムおよびセンサチップと接合ガラスとの接合信頼性の高い圧力センサを製造することができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態の圧力センサを示す断面図である。 図１中の破線で囲む領域IIの部分拡大図である。 コーティングをしないフィラーを含有する接合ガラスを用いた従来の圧力センサとコーティングフィラーを含有する接合ガラスを用いた第１実施形態の圧力センサにおけるそれぞれのボイドの発生について示す図である。 接合ガラスに含まれるフィラーの積算粒径分布が所定の範囲とされた複数の実施例とフィラーの積算粒径分布が所定の範囲内とされていない複数の比較例について、信頼性試験を行った結果を示す図である。 第２実施形態の圧力センサのうち接合ガラスを介した金属ステムとセンサチップとの接合断面を示す拡大断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
第１実施形態にかかる圧力センサについて説明する。なお、本実施形態の圧力センサは、例えば、自動車における燃料噴射用の燃料パイプの燃料圧やブレーキ液圧の検出用のように、高圧、例えば１００〜３００ＭＰａ程度の圧力検出を行う製品に適用されると好適である。

図１に示されるように、圧力センサは、金属ステム１０、ハウジング２０、接合ガラス３０、センサチップ４０、回路基板５０、リード６０、６１、コネクタ７０およびターミナル７１などによって構成されている。

金属ステム１０は、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ６３０、ＳＵＳ３０４のようなステンレス鋼等の金属によって構成され、有底筒状部材とされている。金属ステム１０の底面にて薄肉のダイヤフラム１１が構成されており、金属ステム１０のうちダイヤフラム１１と反対側の他端部が中空の開口部１２とされている。開口部１２から形成された中空の内部空間１３は円柱形状とされており、ダイヤフラム１１の上面形状が円形状となっている。

また、金属ステム１０は、ダイヤフラム１１側の方が開口部１２側に比べて外周径が大きくなるようにフランジ形状とされた底部１４が形成されている。この底部１４のうち開口部１２と反対側の面を一面１０ａとして、一面１０ａの上に、接合ガラス３０を介してセンサチップ４０が配置されると共に、接合ガラス３０およびセンサチップ４０の周囲に回路基板５０が配置されている。より詳しくは、底部１４のうちダイヤフラム１１と対応する位置に接合ガラス３０を介してセンサチップ４０が接合され、ダイヤフラム１１の周囲の部分に回路基板５０が固定されている。そして、開口部１２を通じて導入される圧力媒体の圧力がダイヤフラム１１における受圧面に印加され、その圧力に応じた歪みが接合ガラス３０を介してセンサチップ４０に伝えられるようになっている。

さらに、底部１４のうち回路基板５０と対応する位置には凹部１５が形成されており、当該凹部１５内に、回路基板５０を貫通するように設けられたリード６０の先端が入り込んでいる。この凹部１５内には図示しない接着剤等が充填されており、この接着剤を介して回路基板５０が底部１４に貼り付けられている。

ハウジング２０は、例えば図示しない燃料パイプなどの被取付対象に直接取り付けられるもので、外周面に取付用のネジ２１が形成されている。このネジ２１の部分を例えば燃料パイプに螺合することによって開口部１２が燃料パイプ内と連通して、金属ステム１０への圧力媒体の導入が可能となる。

ハウジング２０の内部には、金属ステム１０の一部が嵌め込まれる中空部２２と、センサチップ４０などが収容される収容空間２３とが形成されている。収容空間２３の径は、中空部２２の径よりも大きくされている。そして、上記した金属ステム１０は、底部１４よりも開口部１２側の部分が中空部２２に嵌め込まれることでハウジング２０に固定されている。収容空間２３には、底部１４に加えて、接合ガラス３０やセンサチップ４０および回路基板５０などが収容されている。

また、ハウジング２０のうちネジ２１と反対側には、ハウジング２０の内径が拡大されることで構成された第１段付部２４と、更にハウジング２０の内径が拡大されることで構成された第２段付部２５が形成されている。第１段付部２４に当接するようにシール部材２６が配置され、シール部材２６に当接するようにコネクタ７０が配置されている。シール部材２６は、ゴムで構成されたＯリング２６ａと樹脂もしくは金属で構成された環状部２６ｂとを有した構成とされている。そして、コネクタ７０がＯリング２６ａを押圧するようにしてハウジング２０に固定されることで、ハウジング２０とコネクタ７０との間のシール性が確保されている。

さらに、ハウジング２０のうちネジ２１の反対側の先端部２７が径方向内方にかしめられていることで、このかしめによってコネクタ７０が先端部２７に固定されている。

なお、本実施形態では、ハウジング２０を金属ステム１０と別体のもので構成した場合を示してあるが、金属ステム１０とハウジング２０とを１部材で構成することもできる。例えば、１本の金属材料を用意し、切削加工を行うことによって、金属ステム１０とハウジング２０とを一体構造としたものを作製することも可能である。

接合ガラス３０は、センサチップ４０を金属ステム１０に対して接合するための接合材に相当する。接合ガラス３０は、例えば酸化物からなるガラス質を母材として構成されている。このような材料としては、酸化鉛（ＰｂＯ）、酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリカ（ＳｉＯ_２）などが挙げられる。これらの中でも、鉛を含むガラス質である酸化鉛については、流動性があり、金属ステム１０とセンサチップ４０との線膨張係数差に基づく熱膨張の制御を行うのに適していることから、接合ガラス３０に好適な材料である。

接合ガラス３０は、ガラス質のガラス転位温度でも形状変化が無い材料で構成されたフィラー３１を含有している。フィラー３１としては、例えばチタン酸鉛、ジルコン酸鉛、ジルコン、ジルコニア、アルミナ、シリカ、コーディエライト、ウイレマイト、リン酸ジルコニウムからなる群のうち少なくとも１つを含む金属酸化物を粒子状としたものを用いることができる。

なお、上記のようなフィラー３１を無機ガラスに所定濃度で含有させることにより、接合ガラス３０の熱膨張係数を任意の値に調整することができる。また、フィラー３１は、上記の材料群のうち１つの材料だけで構成されてもよいし、上記の材料群のうち２つ以上の材料の混合物で構成されてもよい。フィラー３１は、上記の材料群のうち少なくとも１つを含んで構成されていればよく、他の金属酸化物を含んでいてもよい。フィラー３１が上記のような混合物で構成される場合、それらの混合比については、熱膨張係数の調整の観点から、適宜調整することができる。

フィラー３１は、後述する接合ガラス３０の形成工程において、センサチップ４０を金属ステム１０に接合する際、あらかじめ接合ガラス３０を構成するガラス質の材料によりコーティングされたコーティングフィラー３３とされている。これにより、フィラー３１を覆うガラス質の材料が、フィラー３１同士の衝突による凝集物の形成を阻害し、ボイド発生の原因となる凝集物が接合ガラス３０内に形成されにくくなる。また、センサチップ４０のガラス接合の際、後述するペーストガラス３０２のうちセンサチップ４０側の表層からフィラー３１が露出することがなくなり、接合ガラス３０とセンサチップ４０との界面に露出したフィラー３１によるボイドが生じにくくなる。その結果、接合ガラス３０を介した金属ステム１０とセンサチップ４０との接合が安定し、その接合の信頼性が高くなるためである。この詳細については、後ほど詳しく説明する。

接合ガラス３０は、例えば上記のガラス質の材料とコーティングフィラー３３とを混合したものに有機溶媒および有機物によりなるバインダーを加えてなるペーストガラス３０２（以下、単に「ペーストガラス３０２」という）を素材とし、これを固化させてなる。具体的には、例えば、ＰｂＯを含むガラス質とチタン酸鉛によりなるフィラー３１とを混合し、該ガラス質材料のガラス転移温度以上かつ融点以下の温度で加熱することで、フィラー３１が該ガラス質材料によりコーティングされたコーティングフィラー３３となる。

そして、例えば、ダイヤフラム１１が形成された金属ステム１０の一面１０ａ上にコーティングフィラー３３、該ガラス質材料、バインダーに溶媒を加えてペースト状にしたペーストガラスをディスペンサーで略円形状となるように塗布する。続けて、例えば四角形板状とされたセンサチップ４０を接合ガラス３０となるペーストガラス上に配置する。その後、例えば、加熱炉にて４４０℃で１０分間の加熱を行い、接合ガラス３０のうちガラス質の材料を加熱溶融し、その後自然冷却して固化する。このようにして、図２に示すように、センサチップ４０を金属ステム１０に接合することができる。

なお、ペーストガラス３０２を調製する際には、例えば、有機溶媒としてはブチルカルビレートアセテートなどを、バインダーとしてはエチルセルロースなどを用いることができる。また、コーティングフィラー３３を調製するために用いるガラス質の材料については、接合ガラス３０を構成し得る上記のガラス質の材料であって、接合ガラス３０の材料と同じものが用いられてもよいし、これと異なるガラス質の材料が用いられてもよい。

また、上記ではハウジング２０に固定される前の金属ステム１０にペーストガラス３０２を塗布する例を説明したが、ハウジング２０に固定された後の金属ステム１０やハウジング２０と一体化された金属ステム１０にペーストガラス３０２を塗布してもよい。

センサチップ４０は、開口部１２から金属ステム１０の内部に導入された圧力媒体の圧力によってダイヤフラム１１が変形したときに発生する歪みを検出するものである。具体的には、センサチップ４０には、図２に示すように、ダイヤフラム１１の歪みに応じた電気出力をセンサ信号として出力する歪検出素子としての歪検出部４１が形成されている。例えば、センサチップ４０は、本実施形態では、四角形板状とされたシリコン基板によって構成されている。歪検出部４１は、例えばセンサチップ４０に形成された拡散抵抗によって構成され、４つのゲージ抵抗でホイートストンブリッジ回路が形成されたものとされている。

このような構成とされたセンサチップ４０において、圧力印加に伴ってダイヤフラム１１が変形すると、それに基づく歪みにより、ホイートストンブリッジ回路を構成する４つのゲージ抵抗のうち一方の対向する１組については圧縮応力が加わる。そして、残る他方の対向する１組については引張応力が加わる。これにより、ゲージ抵抗が構成するホイートストンブリッジ回路の中点電圧が変化するため、歪検出部４１では、印加された圧力を電気信号に変換した電気出力をすることが可能となっている。

なお、センサチップ４０の所望箇所と回路基板５０の所望箇所とがボンディングワイヤ４２を介して電気的に接続されており、例えば歪検出部４１の電気出力が回路基板５０に伝えられる。また、センサチップ４０に、歪検出部４１の電気出力を信号処理する信号処理回路を備えることもできる。その場合、回路基板５０には、歪検出部４１の電気出力が信号処理回路で処理されてから回路基板５０に対して出力される。

回路基板５０は、接着剤などを介して金属ステム１０の底部１４に固定されている。例えば、回路基板５０は、ダイヤフラム１１と対応する部分が開口させられた円環板状もしくはＣ字形板状などによって構成されている。そして、回路基板５０には、ボンディングワイヤ４２と電気的に接続される図示しない複数のパッドが形成されている。また、回路基板５０には複数本のリード６０が実装されており、複数のパッドのそれぞれに各リード６０が電気的に接続されている。

なお、この回路基板５０に対して、歪検出部４１の電気出力を信号処理する信号処理回路等が形成されたＩＣチップ等を配置することもできる。この場合、歪検出部４１の電気出力がＩＣチップ内の信号処理回路で信号処理されたのち、リード６０などを通じて外部に出力されることになる。

リード６０は、回路基板５０を通じてセンサチップ４０との電気的接続を行うための導体部材であり、例えば銅などの金属によって構成されている。リード６０は、複数本備えられ、それぞれ回路基板５０に対して立設されており、その一端が回路基板５０の各パッドに対して電気的に接続され、他端がリード６１に電気的に接続されている。

リード６１は、リード６０とターミナル７１とを物理的および電気的に接続する導体部材であり、例えば銅などの金属によって構成されている。リード６１は、リード６０と対応して複数本備えられており、それぞれが各リード６０に対して例えば溶接などによって接続されている。

コネクタ７０は、ターミナル７１がコネクタケース７２にインサート成形された部材である。ターミナル７１は、リード６０、６１を介して回路基板５０やセンサチップ４０に電気的に接続されている。これにより、センサチップ４０からの電気出力は、必要に応じて信号処理回路で信号処理されたのち、ボンディングワイヤ４２から回路基板５０に伝えられ、リード６０、６１およびターミナル７１に伝えられるようになっている。

また、コネクタ７０は、コネクタケース７２のうちターミナル７１の他端が突き出した側の面を下面として、当該下面をシール部材２６側に押圧した状態でハウジング２０の先端部２７がかしめられることで、ハウジング２０に固定保持されている。なお、ターミナル７１は、図１では２本示されているが、実際には、電源印加用、ＧＮＤ接続用、出力用、検査用等のために必要な本数が備えられている。そして、コネクタ７０に対して、自動車のＥＣＵなどに繋がる配線に接続された図示しない外部コネクタを接続することで、圧力センサの検出信号がＥＣＵなどに伝達されるようになっている。

コネクタケース７２は、コネクタ７０の外形を成すものであり、例えばＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート樹脂の略）等によって構成されている。コネクタケース７２は、下面がフランジ形状を成しており、このフランジ形状とされた部分がシール部材２６と当接するようにしてハウジング２０の先端部２７の内側に挿入され、かしめられた先端部２７によってハウジング２０に固定保持される。つまり、コネクタケース７２は、ハウジング２０に組み付けられるパッケージを構成するものであり、ハウジング２０に収容されたセンサチップ４０や電気的接続箇所等を湿気や機械的外力より保護する機能を果たす。

以上が本実施形態における圧力センサの基本的な構成である。次に、フィラー３１をそのまま使用せずに、コーティングフィラー３３とした上でこれを用いる理由について、図３を参照して述べる。なお、図３では、工程を分かりやすくするために、センサチップ４０のうち歪検出部４１や接合部分以外の領域については省略している。

まず、従来の接合ガラス３００（以下、単に「接合ガラス３００」という）の材料、すなわちフィラー３１とガラス質の材料とが混合されたペーストガラス３０１（以下、単に「ペーストガラス３０１」という）について検討する。

このとき、ペーストガラス３０１では、図３（ａ）に示すように、ペーストガラス３０１のうちセンサチップ４０側の表層３０１ａからフィラー３１が露出し得る。このような状態のまま、金属ステム１０とセンサチップ４０とを接合すると、図３（ｂ）に示すように、表層３０１ａからフィラー３１が露出することで凹凸形状が生じ、これらを起点とするボイド３２が発生し得る。具体的には、センサチップ４０とフィラー３１とが接触すると、硬い金属酸化物によりなるフィラー３１が、変形することなくセンサチップ４０によりペーストガラス３０１内に押し込まれ、接合ガラス３００とセンサチップ４０との界面にボイド３２が発生し得る。このようなボイド３２が生じ、かつそのサイズが大きいと、接合ガラス３００によるセンサチップ４０を拘束する力が弱まってしまう。

また、コーティング等がなされていないフィラー３１は、いわば剥き出しの状態であるため、ペーストガラス３０１内の他のフィラー３１と衝突することにより、凝集物３１１が発生する。その後、ペーストガラス３０１を硬化させて得た接合ガラス３００内では、凝集物３１１が存在すると共に、フィラー３１が接合ガラス３００内で偏在することとなる。接合ガラス３００内のガラス質の材料とフィラー３１とでは、その線膨張係数が異なるため、このような接合ガラス３００は、その内部における線膨張係数の偏り、すなわち内部応力の偏りが生じる。

したがって、このようなボイド３２や凝集物３１１が発生すると、金属ステム１０とセンサチップ４０との接合信頼性が低下し得る。また、ペーストガラス３０１内におけるフィラー３１の偏在が生じると、ペーストガラス３０１での材料の流動にも偏りが生じ、接合ガラス３００内に生じるボイド３２の径Ｒも大きくなりやすいと考えられる。

これに対して、本実施形態の接合ガラス３０の材料、すなわちコーティングフィラー３３とガラス質の材料とを混合して得られるペーストガラス３０２について検討する。ペーストガラス３０２では、図３（ｃ）に示すように、コーティングフィラー３３がセンサチップ４０側の表層３０２ａから露出したとしても、フィラー３１自体については、表層３０２ａから露出することはない。センサチップ４０とコーティングフィラー３３とが接合工程で接触しても、コーティングフィラー３３のうちセンサチップ４０に押された部分のガラス質の材料が、センサチップ４０に追従するように変形する。その結果、図３（ｂ）で見られたようなフィラー３１とセンサチップ４０との接触によるボイド３２の発生が抑制される。

また、コーティングフィラー３３は、ペーストガラス３０２内で流動して他のコーティングフィラー３３と接触しても、フィラー３１を覆うガラス質の材料により、フィラー３１同士が衝突することが抑制されるため、凝集物３１１が発生しにくい。その結果、コーティングフィラー３３は、図３（ｄ）に示すように、接合ガラス３００におけるフィラー３１に比べて接合ガラス３０内での配置の偏りが少ない。したがって、接合ガラス３０内におけるフィラー３１の偏在が抑制され、接合ガラス３０内における線膨張係数の偏り、すなわち内部応力の偏りが少なくなると考えられる。また、ペーストガラス３０２内におけるフィラー３１の偏りが低減されることで、ペーストガラス３０２内での材料の流動の偏りも低減され、接合ガラス３０内におけるボイド３２の径Ｒは、接合ガラス３００内におけるボイド径と比べて小さくなると考えられる。

上記のように、コーティングフィラー３３を用いることで、接合ガラス３０内におけるボイド３２の発生が抑制されると共に、接合ガラス３０内での内部応力が低減され、金属ステム１０とセンサチップ４０との接合信頼性が向上する。

なお、ここでいうボイド３２の径Ｒとは、図３（ｂ）もしくは図３（ｄ）に示すように、ボイド３２の内壁面同士の距離が最大となる寸法、すなわち最大直径を指す。

次に、フィラー３１の好ましい粒度分布およびこれによる接合ガラス３０内における気泡、すなわちボイドの成長抑制の効果について説明する。

フィラー３１は、体積基準での積算粒度分布が所定の範囲内となるように調整されている。ここでいう「体積基準での積算粒度分布」とは、フィラー３１の粒度分布であって、フィラー３１における各粒径の粒子体積のフィラー３１全体の体積に対する存在率を、粒径の小さい順に順次積算して得られる分布を意味する。具体的には、フィラー３１の積算粒度分布において、積算された存在率の合計が５０％となるときの粒径（以下「平均粒径」という）が２〜２０μｍの範囲内とされている。また、フィラー３１は、積算粒度分布における積算された存在率が９５％となる粒径（以下「９５％粒径」という）が２８μｍ〜７８μｍの範囲内とされることが好ましい。

つまり、ペーストガラス３０２内においては、フィラー３１がコーティングフィラー３３とされた上で分散しており、凝集物３１１が形成されにくいため、上記の積算粒度分布にある個々のフィラー３１がその粒径のまま点在している状態となる。その結果、ペーストガラス３０２内の材料の流動の偏りも低減されることで、最終的に得られる接合ガラス３０内における大きなボイド３２の発生が抑制されると共に、その内部応力の偏りも抑制されると考えられる。

よって、フィラー３１の積算粒度分布を上記の範囲内とすることで、フィラー３１の凝集物３１１の発生が抑制されると共に、接合ガラス３０内における内部応力の偏りが低減され、金属ステム１０とセンサチップ４０との接合信頼性が向上すると考えられる。

次に、本実施形態の圧力センサにおける接合の信頼性評価の結果について、図４に示す各実施例および各比較例を参照して述べる。

図４は、接合ガラス３０内のフィラー３１の粒径が所定の範囲に制御された複数の実施例とこのような制御がなされていない複数の比較例について、信頼性試験を行った結果を示している。信頼性試験としては冷熱サイクル試験を行った後、接合ガラス３０やセンサチップ４０に剥離や割れ亀裂が生じていないか目視で確認を行った。冷熱サイクル試験については、２５０℃に加熱して５分間保持した後、−４０℃に冷却して５分間保持する冷熱工程を２００サイクル繰り返している。

なお、図４中における「接合ガラスの厚み」とは、接合ガラス３０の一面法線方向における厚みをいう。図４中におけるフィラー３１の積算粒度分布における粒径の欄における「５０％」の欄に示された値については、平均粒径を意味し、「９５％」の欄に示された値については、９５％粒径を意味する。また、フィラー３１の積算粒度分布については、各実施例及び各比較例で用いたフィラー３１をレーザー回折法により測定して得られたものである。

図４中のボイドの粒径の欄における「平均」とは、接合ガラス３０内で検出されたすべてのボイド径Ｒの平均値を意味し、「最大」とは、接合ガラス３０内で検出されたボイド径Ｒのうち最大値を意味する。また、図４中の接合ガラス中のボイド径Ｒの測定については、Ｘ線ＣＴにより行った。

また、図４中の信頼性試験評価結果の欄には、接合ガラス３０やセンサチップ４０の剥離・亀裂等の有無について示してある。ここで、「変化なし」とは、信頼性試験後における目視確認において剥離や亀裂等が確認できないことを意味しており、信頼性に影響を与えない程度の小さな亀裂まで完全に存在していないことを意味しているのではない。

さらに、図４に示した各実施例および各比較例では、平面寸法が４．２ｍｍ角サイズであって、厚みが９０μｍとされたセンサチップ４０を用いた。図４に示した各実施例および各比較例は、金属ステム１０、接合ガラス３０およびセンサチップ４０が図２に示す配置とされている。具体的には、各実施例および各比較例では、正方形板状とされたセンサチップ４０が、一面法線方向から見て金属ステム１０の一面１０ａ上に設けられ、略円形とされた接合ガラス３０にすべて収まるように配置されている。また、各実施例および各比較例では、接合ガラス３０の材料についてはＰｂＯを主材料とする鉛ガラスを用い、フィラー３１の材料についてはチタン酸鉛、ジルコンおよびアルミナの混合物を用いた。そして、各実施例では、フィラー３１の平均粒径および９５％粒径が後述する所定の範囲内とされると共に、フィラー３１をガラス質の材料でコーティングしたコーティングフィラー３３とした上で、接合ガラス３０を形成した。一方、各比較例では、フィラー３１の積算粒度分布が各実施例での所定の範囲内となるように制御されておらず、フィラー３１をそのまま使用して接合ガラスを形成した。

図４に示すように、フィラー３１が予め接合ガラス３０を構成するガラス質の材料でコーティングされると共に、接合ガラス３０にフィラー３１の積算粒径分布が所定の範囲内とされた実施例１〜１６では、接合ガラス３０の亀裂等が発生しなかった。

具体的には、実施例１〜４では、接合ガラス３０の厚みについては３００μｍとされ、フィラー３１の平均粒径については２０μｍから２μｍまで段階的に小さくされている。その結果、実施例１〜４では、９５％粒径については６４〜７８μｍの範囲内であり、接合ガラス３０中で検出されたボイドの径Ｒの平均値については７１〜７６μｍの範囲内であり、ボイド径Ｒの最大値については８７〜９２μｍの範囲内であった。そして、冷熱サイクル試験の結果、接合ガラス３０の亀裂、破壊およびセンサチップ４０の亀裂、剥離等が見られなかった。

実施例５〜８では、接合ガラス３０の厚みについては２００μｍと薄くされ、フィラー３１の平均粒径については２０μｍから２μｍまで段階的に小さくされている。その結果、実施例５〜８では、９５％粒径については３０〜５５μｍの範囲内であり、接合ガラス３０中で検出されたボイドの径Ｒの平均値については５８〜６１μｍの範囲内であり、ボイド径Ｒの最大値については７９〜８５μｍの範囲内であった。そして、冷熱サイクル試験の結果、接合ガラス３０の亀裂、破壊およびセンサチップ４０の亀裂、剥離等が見られなかった。

実施例９〜１２では、接合ガラス３０の厚みについては１００μｍとより薄くされ、フィラー３１の平均粒径については２０μｍから２μｍまで段階的に小さくされている。その結果、実施例９〜１２では、９５％粒径については２８〜５０μｍの範囲内であり、接合ガラス３０中で検出されたボイドの径Ｒの平均値については４８〜５４μｍの範囲内であり、ボイド径Ｒの最大値については６２〜７０μｍの範囲内であった。そして、冷熱サイクル試験の結果、接合ガラス３０の亀裂、破壊およびセンサチップ４０の亀裂、剥離等が見られなかった。

実施例１３〜１６では、接合ガラス３０の厚みについては５０μｍとさらに薄くされ、フィラー３１の平均粒径については２０μｍから２μｍまで段階的に小さくされている。その結果、実施例１３〜１６では、９５％粒径については１０〜４０μｍの範囲内であり、接合ガラス３０中で検出されたボイドの径Ｒの平均値については２０〜４０μｍの範囲内であり、ボイド径Ｒの最大値については５０〜６０μｍの範囲内であった。そして、冷熱サイクル試験の結果、接合ガラス３０の亀裂、破壊およびセンサチップ４０の亀裂、剥離等が見られなかった。

これらの結果は、コーティングフィラー３３を含む接合ガラス３０により金属ステム１０とセンサチップ４０とが接合され、フィラー３１の平均粒径が２μｍ〜２０μｍの範囲内とされた構成とすることで、接合信頼性の高い圧力センサとなることを示している。また、フィラー３１の平均粒径を所定の範囲となるように調整することにより、接合ガラス３０の厚みを５０μｍまで薄肉化しつつも、接合安定性の高い圧力センサとなることが判明した。

これに対して、平均粒径が２５μｍもしくは５０μｍとされたフィラーを含有する接合ガラスを用いて構成された比較例１〜８については、いずれも接合ガラス３０での破壊等やセンサチップ４０の剥離等が発生した。

具体的には、比較例１、２では、共に接合ガラス３０の厚みについては３００μｍとされ、フィラー３１の平均粒径については、比較例１では５０μｍ、比較例２では２５μｍとされている。その結果、比較例１の９５％粒径については６０５μｍであり、接合ガラス３０中で検出されたボイドの径Ｒの平均値については６１５μｍであり、ボイド径Ｒの最大値については９２０μｍであった。また、比較例２の９５％粒径については３０５μｍであり、接合ガラス３０中で検出されたボイドの径Ｒの平均値については２９５μｍであり、ボイド径Ｒの最大値については６５２μｍであった。そして、信頼性試験の結果、比較例１、２では、いずれも接合ガラスの破壊およびセンサチップの剥離が発生した。

これは、実施例１〜４においては、接合ガラス中のボイド径の最大値がいずれも接合ガラス３０の厚み以下である一方、比較例１、２では、接合ガラス中のボイド径の最大値がいずれも接合ガラス３０の厚みの２倍以上であることに起因すると考えられる。つまり、比較例１、２におけるボイド径が、実施例１〜４におけるボイド径に比べて大きいこと、すなわち比較例１、２における接合ガラスがセンサチップを拘束する力が実施例１〜４におけるそれに比べて弱いことにより、接合信頼性が低かったと考えられる。

比較例３、４では、共に接合ガラス３０の厚みについては２００μｍと薄くされ、フィラー３１の平均粒径については、比較例３では５０μｍ、比較例４では２５μｍとされている。その結果、比較例３の９５％粒径については４３０μｍであり、接合ガラス３０中で検出されたボイドの径Ｒの平均値については４２０μｍであり、ボイド径Ｒの最大値については８５６μｍであった。また、比較例４の９５％粒径については２００μｍであり、接合ガラス３０中で検出されたボイドの径Ｒの平均値については１８５μｍであり、ボイド径Ｒの最大値については４２０μｍであった。そして、信頼性試験の結果、比較例３、４では、いずれも接合ガラスの破壊、およびセンサチップの剥離もしくは一部欠損が発生した。この原因については、比較例１、２と同様の理由であると考えられる。

比較例５、６では、共に接合ガラス３０の厚みについては１００μｍとより薄くされ、フィラー３１の平均粒径については、比較例５では５０μｍ、比較例６では２５μｍとされている。その結果、比較例５の９５％粒径については３１１μｍであり、接合ガラス３０中で検出されたボイドの径Ｒの平均値については３０５μｍであり、ボイド径Ｒの最大値については７０５μｍであった。また、比較例６の９５％粒径については１２５μｍであり、接合ガラス３０中で検出されたボイドの径Ｒの平均値については１２０μｍであり、ボイド径Ｒの最大値については３８５μｍであった。そして、信頼性試験の結果、比較例５では、接合ガラスの破壊およびセンサチップの剥離が発生し、比較例６では、接合ガラスの亀裂およびセンサチップの一部欠損が発生した。この原因については、比較例１、２と同様の理由であると考えられる。

比較例７、８では、共に接合ガラス３０の厚みについては５０μｍとさらに薄くされ、フィラー３１の平均粒径については、比較例７では５０μｍ、比較例８では２５μｍとされている。その結果、比較例７の９５％粒径については２０３μｍであり、接合ガラス３０中で検出されたボイドの径Ｒの平均値については１９８μｍであり、ボイド径Ｒの最大値については５２６μｍであった。また、比較例８の９５％粒径については８０μｍであり、接合ガラス３０中で検出されたボイドの径Ｒの平均値については８５μｍであり、ボイド径Ｒの最大値については２４５μｍであった。そして、信頼性試験の結果、比較例７、８では、いずれも接合ガラスの破壊、およびセンサチップの剥離もしくは一部欠損が発生した。この原因については、比較例１、２と同様の理由であると考えられる。

このように第１実施形態によれば、コーティングフィラー３３を含む接合ガラス３０としつつ、フィラー３１の積算粒度分布が所定の範囲内の構成とされることで、フィラー３１の露出による凹凸形成や凝集等による接合信頼性の低下を抑えた圧力センサとなる。

また、フィラー３１の凝集が抑制されるため、接合ガラス３０をより薄肉化することが可能となり、金属ステム１０に形成されたダイヤフラム１１の歪みを精度良く検出でき、高感度の圧力センサとなる。加えて、接合ガラス３０の薄肉化により、高感度の圧力センサとなることで、センサチップ４０の必要なサイズおよびこれに付随する接合ガラス３０のサイズをさらに小さくでき、小型化、軽量化された圧力センサとなる。そして、高感度化、小型化、軽量化されることで製造コストの少ない圧力センサとなる。

（第２実施形態）
第２実施形態にかかる圧力センサについて、図５を参照して説明する。本実施形態の圧力センサは、接合ガラス３０に添加されたコーティングフィラー３３が熱処理フィラー３４とされている点で上記第１実施形態と相違する。本実施形態では、当該相違点について主に説明する。

熱処理フィラー３４は、図５に示すように、本実施形態では、接合ガラス３０内に含まれている。熱処理フィラー３４は、コーティングフィラー３３をガラス質の材料のガラス転移温度以上であって、加熱溶融の処理温度未満の温度、例えば３００℃〜４００℃で１０分程度加熱して得られるものである。これにより、熱処理フィラー３４におけるフィラー３１とこれを覆うガラス質の材料との結合は、コーティングフィラー３３におけるそれよりもさらに強くされている。そのため、本実施形態の圧力センサでは、上記第１実施形態にて説明した接合ガラス３０内におけるボイド３２や凝集物３１１の発生をさらに低減し、金属ステム１０とセンサチップ４０との接合信頼性が高い圧力センサとなる。

また、上記第１実施形態の圧力センサと同様に、接合ガラス３０をより薄肉化することが可能となり、金属ステム１０に形成されたダイヤフラム１１の歪みを精度良く検出でき、高感度の圧力センサとなる。加えて、接合ガラス３０の薄肉化により、高感度の圧力センサとなることで、センサチップ４０の必要なサイズおよびこれに付随する接合ガラス３０のサイズをさらに小さくでき、小型化、軽量化された圧力センサとなる。そして、高感度化、小型化、軽量化されることで製造コストの少ない圧力センサとなる。

（他の実施形態）
なお、上記した各実施形態に示した圧力センサおよびその製造方法は、本発明の圧力センサの一例を示したものであり、上記の各実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、上記各実施形態では、センサチップ４０が四角形板状とされた例について説明したが、これに限られず、円形板状、楕円形板状とされてもよいし、他の形状とされてもよい。

また、フィラー３１として２以上の金属酸化物を用いる場合、これらの混合割合については、任意であり、熱膨張係数等の観点で適宜調整可能である。

１０ 金属ステム
１１ ダイヤフラム
２０ ハウジング
３０ 接合ガラス
３１ フィラー
３２ ボイド
４０ センサチップ
４１ 歪検出部
７０ コネクタ

Claims (8)

1. 印加される圧力に応じて電気出力を発生させる圧力センサであって、
   圧力検出用のダイヤフラム（１１）が形成された一面（１０ａ）を有する金属ステム（１０）と、
   前記一面のうち前記ダイヤフラム上に配置され、フィラー（３１）を有してなる接合ガラス（３０）と、
   前記ダイヤフラム上に前記接合ガラスを介して接合され、前記ダイヤフラムの歪みに応じた電気出力を発生する歪検出部（４１）を備えるセンサチップ（４０）と、を備え、
   前記フィラーは、体積基準での積算粒度分布における存在率が５０％となるときの粒径が２μｍ〜２０μｍの範囲内であると共に、ガラス質の材料により覆われたコーティングフィラー（３３）とされている圧力センサ。
2. 前記フィラーは、体積基準での積算粒度分布における存在率が９５％となるときの粒径が２８μｍ〜７８μｍの範囲内である請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記フィラーは、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛、ジルコン、ジルコニア、アルミナ、シリカ、コーディエライト、ウイレマイト、リン酸ジルコニウムからなる群のうち少なくも１つを有してなる請求項１または２に記載の圧力センサ。
4. 前記接合ガラスは、鉛を含有するガラスにより構成されている請求項１ないし３のいずれか１つに記載の圧力センサ。
5. 前記金属ステムは、ステンレス鋼により構成されている請求項１ないし４のいずれか１つに記載の圧力センサ。
6. 前記金属ステムは、ＳＵＳ４３０もしくはＳＵＳ６３０により構成されている請求項１ないし５のいずれか１つに記載の圧力センサ。
7. 印加される圧力に応じて電気出力を発生させる請求項１ないし６のいずれか１つに記載の圧力センサの製造方法であって、
   一面（１０ａ）を有する金属ステム（１０）およびセンサチップ（４０）を用意することと、
   ガラス質の材料とフィラー（３１）とを混合して加熱することで、前記フィラーを前記ガラス質の材料によりその表面がコーティングされたコーティングフィラー（３３）を得ることと、
   前記ガラス質の材料と前記コーティングフィラーとを混合し、有機溶剤および有機物によりなるバインダーを添加してペーストガラスを得ることと、
   前記ペーストガラスを前記一面に塗布し、この上に前記センサチップを配置して加熱することで前記金属ステムと前記センサチップとを接合することと、を含み、
   前記ペーストガラスを得ることにおいては、体積基準での積算粒度分布における存在率が５０％となるときの前記フィラーの粒径が２μｍ〜２０μｍの範囲内とする圧力センサの製造方法。
8. 前記ペーストガラスを得ることにおいては、予め前記コーティングフィラーを加熱することで、熱処理フィラー（３４）を得ると共に、前記熱処理フィラーを前記コーティングフィラーとして用いる請求項７に記載の圧力センサの製造方法。

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