JPH0389131A - 圧覚センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は圧覚センサ及びその製造方法に関し、特に加圧
ピンにより加圧される単結晶基板のダイアフラム部の機
械的変位を電気信号に変換することにより、加圧ピンに
与えられた外部圧力を検出する圧覚センサ及びその製造
方法に関する。

〔従来の技術〕

従来の圧覚センサを第２図によって説明する。

第２図は従来の圧覚センサの一例を示す断面図である。

シリコンダイアフラム型センサ素子（以下センサ素子と
記す）１は台座２に接合されている。この台座２は複数
本のリードピン４ａ及び４ｂを有するステム３に接着さ
れ、センサ素子１と複数本のリードピン４ａ及び４ｂは
ボンディングワイヤ５ａ及び５ｂによって結線されてい
る。ステム３は導圧パイプ付きキャップ６と接合され、
−像化して圧覚センサを構成している。

次に、この圧覚センサの製作プロセスを説明する。

センサ素子１の上面はイオン注入等によりゲージ抵抗が
形式され、このゲージ抵抗によりブリツ′：；′回路が
構成されている。このセンサ素子１の下山１は、等方性
エツチングなどによりダイアフラム形状に加工されてい
る。ダイアフラム形状を有したセンサ素子１は、中央部
に微小穴が加工された台座２と静電接合などにより一体
化され、最適な形状に加工されてチップ化している。さ
らに、このチップ化された台座２は、ステム３の中央部
に精度よく位置決めされて接合され、センサ素子１とリ
ードピン４ａ及び４ｂはボンディングワイヤ５ａ及び５
ｂを用いてワイヤボンディングなどにより結線されてい
る。

その後、ステム３と導圧パイプ付きキャップ６を精度よ
く位置決めし、ハーメチックシール等をして一体化すれ
ば圧覚センサが完成する。

次に、この圧覚センサの動作原理を説明する。

センサ素子１はダイアフラム構造であり、このダイアプ
ラム部に圧力が加わった場合には、ダイアフラム部にた
わみが生じ、ダイアフラム上面のブリッジ回路を構成し
ているゲージ抵抗の平衡が崩れ、入力電圧に対する出力
電圧が変化して圧覚センサとしての出力が得られる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、センサ素子１はダイアフラム構造であり
、このダイアフラム部に大きな圧力が加わった場合には
、ダイアフラム部のたわみ限界を越え、破損が生じると
いう欠点があった。

また、センサ素子１とリードピン４ａ及び４１〕を結線
し、ているボンディングワイヤ５ａ及び５　ｂにもセン
サ素子１の上面と同様に外部からの圧力の影響で応力が
発生し、断線などの原因となり、センサとしての信頼性
が欠けるという欠点もあった。

さらに、センサ素子１やボンディングワイヤ５ａ及び５
ｂに気体が直接触れるため、腐食等の影響で使用が制限
されるという欠点もあった。

本発明の目的は、センサ素子の破壊やセンサ素子とリー
ドピンの接続の断線を防止し、出力感度が高く、不活性
ガスなどの各種ガスに使用でき、しかも構造の剛性が高
く組立て性が容易な圧覚センサとその製造方法を提供す
ることにある。

〔ｎ題を解決するための手段〕

本発明の圧覚センサは、センサ素子とこのセンサ素子が
接合された台座と複数本のり−ドピンを有するステムと
このステムの前記リードピンと前記センサ素子を結ぶボ
ンディングワイヤとを備えたセンサ支持部と、このセン
サ支持部の前記ステムを内部に固定し、しかも、一端面
に穴を有するケースとこのケースの一端面の周縁部に設
けられたリング状のスペーサとこのスペーサを介し、か
つ、中央部に穴を有する板ばねと前記ケースの−へ端面
の中央部及び前記板ばねに設けられた穴を挿通し、かつ
一端にフランジ部を有する加圧ピンと前記板ばねの上面
に設けられた導圧パイプ付きキャップとを備えた外筒部
から構成されている。

本発明の圧覚センサの製造方法は、センサ素子２台座、
リードピン、ボンディングワイヤ、及びステムを備えた
センサ支持部を接合する工程と、ケース、スペーサ、板
ばね、加圧ピン及び導圧パイプ付きキャップを備えた外
筒部を接合する工程と、この−像化された外筒部と前記
センサ素子が支持されたセンサ支持部を接合して一体化
する工程とを含んで構成される。

〔作用〕

シリコンダイアフラム型のセンサ素子を用いた圧覚セン
サにおいて、外部からの圧力が増大した場合には、従来
のセンサ素子上面に等分布な圧力が直接加わる圧覚セン
サでは、センサ素子のダイアプラム部に破損が生じたり
、センサ素子とり一ドピンを結ぶボンディングワイヤが
断線するなどの原因となっていた。また、センサ素子の
ダイアプラム部をたわませる方法が等分布荷重を用いて
いるため、センサ出力が低く低感度であった。

本発明の圧覚センサ及びその製造方法では、センサ素子
上部に破損防止機構を設けるとともに、センサ素子のダ
イアフラム部上面に集中荷重を加える方式を用い、拡散
接合により一体化した。その結果、センサとしての信頼
性を向上し、出力感度を上昇させて高出力で高感度の圧
覚センサが得られた。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例について図面を参照して詳細に説
明する。

第１図は本発明の一実施例を示す圧覚センサの断面図で
ある。

第１図において、センサ素子１１は、ガラス材料から戒
る台座１２に接合されている。この台座１２は複数本の
リードピン４ａ及び４ｂを有するステム１３に位置決め
精度よく接合されている。

また、センサ素子１１とリードピン４ａ及び４ｂはワイ
ヤボンディング等によりボンディングワイヤ５ａ及び５
ｂで結線され、センサ支持部を形成している。

ケース７は、一端にステム１３を挿入するはめあい穴を
有し、このはめあい穴の中央部には穴部を有している。

スペーサ８は、ケース７と同等の外径を有したリング形
状である。板ばね９は、ケース７とスペーサ８と同一の
外径形状を有しており、ケース７の中央部の穴より小さ
い穴を有している。加圧ピン１０は中央部が板ばね９の
中心部の穴と同一形状を成す円柱形状であり、一端が針
先形状を戒し、他端はフランジ部を有している。

導圧パイプ付きキャップ１６は、ケース７、スペーサ８
及び板ばね９と同一の外径形状を有し、先端中央部には
導圧パイプを有しており、金属材料から戒るケース７、
スペーサ８．板ばね９．加圧ピン１０及び導圧パイプ付
きキャップ１６は、それぞれ−像化されて圧覚センサの
外筒部を形成している。

スペーサ８は、板ばね９の変形と、加圧ピン１０の移動
距離を制限するためのものであり、同時にダイアフラム
部のたわみ量を制限し、ダイアフラム部の破損を保護す
るためのストッパーでもある。本発明の実施例では、ス
ペーサ８の厚さを１０μｍに限定している。

次に、第１図を参照して圧覚センサの製造プロセスにつ
いて説明する。

本発明の実施例である圧覚センサは、センサ支持部と外
筒部に大別することができる。

まず、センサ支持部の核となるセンサ素子１１の上面は
、通常の集積回路の製造プロセスのイオン注入等により
ゲージ抵抗が形成され、このゲージ抵抗によりブリッジ
回路が構成されている。このセンサ素子１１の下面は、
異方性エツチングを用いてダイアフラム形状に加工され
ている。この異方性エツチングは、等方性エツチングに
比べて加工精度が良く、サイドエッチが無いなどの有益
な特徴がある。ダイアプラム形状を有したセンサ素子１
１は、中央部に微小穴が加工された台座１２と静電接合
により一体化され、最適な形状に加工されてチップ化し
ている。さらにこのチップ化された台座１２は、ステム
１３の中央部に精度良く位置決めされて接合され、セン
サ素子１１とリードピン４ａ及び４ｂはボンディングワ
イヤ５ａ及び５ｂを用いてワイヤボンディングにより結
線されている。

次に、圧覚センサの外筒部は、ケース７、スペーサ８．
板ばね９．加圧ピン１０及び導圧パイプ付きキャップ１
６の金属材料から構成されている。この外筒部の一体化
は、それぞれの部品を順次積層し、拡散接合、電子ビー
ム及びレーザ溶接等により一体化されている。この中で
、接合の際の熱変形が少ない拡散接合が最も有効である
。この拡散接合の場合を例にすると、まず最初に板ばね
９と加圧ピン１０を拡散接合し、−像化する。

次に、接合治具（図示せず）にケース７、スペーサ８．
−像化した板ばね９と加圧ピン１０及び導圧パイプ付き
キャップ１６を順次積層し、一定の締め付はトルクを加
えて真空雰囲気中で加熱する。すると、接触部である圧
覚センサの外筒部のり１周縁部のみが接合され、圧覚セ
ンサの外筒部が完成する。

その後、ケース７のはめあい穴にステム１３を挿入して
この状態で、電子ビーム、レーザ溶接または接着剤を用
いてステム１３とケース７を接合すればセンサ支持部と
外筒部は一体化され、本発明の圧覚センサは完成し、圧
覚センサの製造プロセスは完了する。尚、この圧覚セン
サは、常に加圧ピン１０の先端とセンサ素子１１の表面
が接触した構造になっている。

次に、第１図をもとに圧覚センサの動作状態を説明する
０通常、センサ素子１１と加圧ピン１０が接触しており
、センサ素子１１に定電圧を供給した場合、ゲージ抵抗
（図示せず）により形成されたブリッジ回路は平衡が保
たれている。しかし、導圧パイプ付きキャップ１６をと
おして加圧ピン１０に外部からの圧力が加わると、セン
サ素子１１にはたわみが生じ、ゲージ抵抗の平衡が崩れ
出力電圧が変化する。さらに、この圧力が増加すると、
センサ素子１１のたわみ量も増加し、ついには板ばね９
がケース７の上面に接触して最大出力が得られる。従っ
て、これ以上の圧力が加わった場合でも出力電圧は増加
しないため、センサ素子の破損防止が可能な構造になっ
ている。

以上が圧力の増加時であり、減少時は上記の逆となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、拡散接合を用いて
板ばね等の部品を一体化することにより、外部からの圧
力を板ばねの変位に変換し、ざらにこの変位をセンサ素
子のダイアフラムの変位に変換することが可能な圧力−
変位変換機構が確立できた。この機構を用いることによ
り、圧覚センサの出力となるセンサ素子のたわみ量は、
外部からの圧力が直接ではなく、加圧ピンを介して間接
的に作用する構造であるため、センサ素子の破損やボン
ディングワイヤの断線を防止することができ、センサと
しての信頼性が向上する。

従来の圧覚センサはセンサ素子の表面に等分布な圧力が
加わる構造であるが、本圧覚センサは加圧ピンがたえず
センサ素子中央部の上面に接触した集中荷重方式の構造
であるため、出力特性が上昇し、高出力で高感度の圧覚
センサが得られ、センサとしての構造がシンプルで、小
型化が可能である。

また、スペーサ上部に接合される板ばねの厚さを交換す
ることにより、微小荷重用、あるいは高荷重用などの広
範囲な用途に使用が可能である。

さらに、センサ素子やボンディングワイヤの接合部が完
全にシールドされているため、蒸気、圧縮空気、不活性
ガスや各種ガス等の気体、水、潤滑油９作動液、化学薬
品等の液体などの圧力測定に使用できるなどの効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す圧覚センサの断面図、
第２図は従来の圧覚センサの一例を示す断面図である。 １．１１．・・・センサ素子、２，１２・・・台座、３
゜１３・・・ステム、４ａ、４ｂ・・・リードピン、５
ａ。 ５ｂ・・・ボンディングワイヤ、６，１６・・・導圧パ
イプ付きキャップ、７・・・ケース、８・・・スペーサ
、９・・・板ばね、１０・・・加圧ピン。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）センサ素子とこのセンサ素子が接合された台座と
   複数本のリードピンを有するステムとこのステムの前記
   リードピンと前記センサ素子を結ぶボンディングワイヤ
   とを備えたセンサ支持部と、このセンサ支持部の前記ス
   テムを内部に固定し、しかも、一端面に穴を有するケー
   スとこのケースの一端面の周縁部に設けられたリング状
   のスペーサとこのスペーサを介し、かつ、中央部に穴を
   有する板ばねと前記ケースの一端面の中央部及び前記板
   ばねに設けられた穴を挿通し、かつ一端にフランジ部を
   有する加圧ピンと前記板ばねの上面に設けられた導圧パ
   イプ付きキャップとを備えた外筒部から構成されること
   を特徴とする圧覚センサ。
2. （２）センサ素子、台座、リードピン、ボンディングワ
   イヤ、及びステムを備えたセンサ支持部を接合する工程
   と、ケース、スペーサ、板ばね、加圧ピン及び導圧パイ
   プ付きキャップを備えた外筒部を接合する工程と、この
   一体化された外筒部と前記センサ素子が支持されたセン
   サ支持部を接合して一体化する工程とを含むことを特徴
   とする圧覚センサの製造方法。