JPH11118653A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】圧力変化に対して連続出力を出力し、小型で低
価格で高精度であり、更に、火災時等の高温でも気密不
良を発生しない圧力センサを提供する。 【解決手段】Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金板からなる金属ベー
ス11の導圧孔115 の上面を覆って、台座７付きセンサチ
ップ６が多成分系の可溶性ポリイミドブロックポリマー
で接着され、下面を覆って、鉄板の絞り加工による導圧
口12c 付き導圧部材12が抵抗溶接されている。金属ベー
ス11上には樹脂ケース13が固定され、樹脂ケース13には
回路部品を搭載したプリント基板５が内包され、樹脂ケ
ース13上にはキャップ３がはめ込まれ、キャップ３には
銘板４が張られている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ガスなどの流体
の圧力を検出し、圧力に応じた信号を出力する圧力セン
サで、例えばガスメータに搭載され、ガス配管内の圧力
を常時監視してガス漏れ等を検出する圧力センサに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ガス配管内の圧力は通常数百mmH₂O と低
く、ガス漏れが発生したことを検出する第１の基準値と
復帰が完了したことを検出する第２の基準値（正常と見
なされる値）との差は数十mmH₂O しかない。このような
微圧領域で微小差圧を識別するために、従来は、座屈式
の金属ダイアフラムを用いた圧力センサが使われてい
た。この種のセンサは、例えば実開昭63-102137 号公報
に見られるような構造であり、ダイアフラム中心部の変
位を機械的接点に連動させて遮断弁操作用の電気信号に
変えるものである。

【０００３】一方では、特開平8-15066 号公報や特開平
7-286925号公報に開示されているように、圧力変化によ
るダイアフラムの微小な変形や変位を定量的に測定し、
ガスの圧力に比例した連続的な信号をマイコンコントロ
ーラなどに送り出すことができる圧力センサも発表され
てきている。特開平8-15066 号公報の場合は半導体の圧
力センサ素子を使用しており、この素子はストレンゲー
ジ方式である。特開平7-286925号公報の場合は、可動電
極としてのダイアフラムを挟んで両側に固定電極を絶縁
して配置し、ケース内に一体に収容した差動式の静電容
量型圧力センサである。

【０００４】この他にも連続出力型の圧力センサとして
は、例えば実公平6-35156 号公報に開示されているよう
な、金属ダイアフラムを固定電極に対向させてハウジン
グに溶接するシール構造の機械式圧力センサも製品化さ
れている。しかし、ガスメータ用としては、微細加工技
術（マイクロマシニング）を利用した半導体圧力センサ
が用いられ始めており、小型で高精度で安価であること
が期待されている。半導体圧力センサに用いられる圧力
センサチップは、前出の特開平8-15066 号公報における
圧力センサ素子などがその例であり、微圧を検出するた
めに、検出部には数μm から十数μm の極薄ダイアフラ
ムが用いられている。また、微細加工技術を利用した静
電容量型圧力センサチップを用いた圧力センサの開発製
品化も進んでいる。図８は静電容量型圧力センサチップ
の例を示す断面図であり、この発明の出願人が出願して
いる特願平8-20838 号にも同様の図が示されている。以
下では、半導体圧力センサに用いられる圧力センサチッ
プあるいは静電容量型圧力センサチップを略称してセン
サチップという。

【０００５】図８において、ガラス61の下面の中央部に
固定電極61c としてのメタライズ層が形成されており、
中央に開けられたスルーホール61a に形成されたメタラ
イズ層61e によってガラス61の上面に配線が引き出され
ている。ガラス61の下面にはシリコン62が静電接合で接
合されている。このシリコン62には、固定電極61c と一
定の間隔をおいて対向する可動電極62c が中央に形成さ
れ、この可動電極62cがその下面に受けた圧力によって
上方に変位できるようにリング状の溝62b が形成されて
いる。可動電極62c と固定電極61c との間に一定の間隔
をもたせるために、浅彫りの凹部62a が形成されてお
り、前記溝62b も凹部62a も上面から形成されている。
シリコン62の下面にはガラス台座63が静電接合で接合さ
れている。このガラス台座63は、センサチップをケース
に取り付けた際や圧力センサを他の部材に取り付けた際
にケース等から受ける応力による歪みを緩和するための
部材であり、状況に応じて省略することができる。
（ａ）及び（ｂ）の静電容量を形成する部分は同じであ
るが、可動電極であるシリコン側の配線の形成状態が異
なっており、（ａ）はガラス61の１つのコーナを切り落
としてシリコン62の面を露出させ、その部分にメタライ
ズ層を形成したものであり、（ｂ）はガラス61の周辺部
にスルーホール61d を形成し、そのスルーホール61d の
内面にメタライズ層61f を形成し、ガラス61の上面に配
線したものである。

【０００６】以上のような微細加工技術によるセンサチ
ップを用いた圧力センサの一例を図５及び図６に示す。
図５はその外観であり、（ａ）は上側（銘板４側）の外
観を示す斜視図、（ｂ）は下側（導圧パイプ1b側）の外
観を示す斜視図であり、図６は内部構造を示す断面図で
ある。導圧パイプ1bをもつプラスチック製のケース１の
中央部に、導圧パイプ1bの導圧孔を覆って、センサチッ
プ６が台座７を介して気密に接着されており、センサチ
ップ６の周辺部には、演算回路5bなどを搭載したプリン
ト基板５がセンサチップ６とほぼ同じ高さになるように
接着され、ワイヤ８でセンサチップ６とプリント基板５
とが接続されている。プリント基板５にはリード線２が
接続されており、ケース１の上面にはキャップ３が被せ
てあり、キャップ３の表面には銘板４が貼り付けてあ
る。

【０００７】このような圧力センサがプラスチック製の
ケース１を用いて構成されているのは、圧力センサを非
常に安価に提供するためである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上に説明した従来技
術による圧力センサには、次のような問題点がある。ま
ず、座屈式の圧力センサは金属ダイアフラムを溶接する
シール方式であるので、火災などの際に高温にさらされ
てもガス漏れを発生させないという利点をもっている。
しかし、その検出圧力がプレス加工によるダイアフラム
形状に依存しており、加工後あるいは組立後の歪みなど
による誤差の微調整ができないため、良品率が非常に低
く、その簡単な構造の割りにはコスト高となる。更に、
座屈式ダイアフラムと機械接点との組み合わせのため、
単なるスイッチとしての機能しか備えておらず、圧力変
化に対する連続的な出力が得られない。

【０００９】微細加工技術を利用したストレンゲージ式
のセンサチップや静電容量型のセンサチップには、微圧
を検出するために検出部に数μm から十数μm の極薄部
が形成されているので、検出部がケースから受ける歪み
（応力）に敏感に反応し、誤差を生ずる。検出部がケー
スから受ける歪みには、検出部をケースに取り付ける際
に、検出部の材料とケースの材料及び接着用材料との熱
膨張係数の差などによって発生する歪みと、圧力センサ
をセンサ取り付け部に取り付ける際に発生する歪みとが
ある。前者の歪みは圧力センサとして内在するものであ
り、予め調整できるし、適当な応力緩和部材を併用する
ことでその影響を十分に小さくすることができる。しか
し、後者の歪みは、圧力センサのケースの底面の形状
と、圧力センサを取り付ける面の状態によって変化し、
ケースの取付け孔によりねじ止めするとケースを大きく
変形させることもある。図３はその一例を示す説明図で
ある。ケース１の底面と被取付け面10との間に図３のよ
うな間隙30が存在すると、取付け孔1aにネジ20を通して
ネジ20を締めつけることによってケース１が変形し、セ
ンサチップに変形の影響が及ぶ。

【００１０】従来技術においては、後者の歪みを低減す
るために、ケースと検出部との間にＯリングを介在させ
る柔構造を採用したり、例えば前出の特開平8-15066 号
公報に見られるような、Ｏリングと二重パッケージ構造
で緩和したり、センサチップとケースとの間に、図６に
台座７として示したような、非常に厚い応力緩和部材を
取り付けたりしている。Ｏリングを用いるものは構造が
複雑となりコストが高くなる。非常に厚い応力緩和部材
を用いる場合は、センサチップと一体でウェハ状態で接
合するとダイシングが難しいため、チップ化した後に個
々にセンサチップと接合しなければならないので、やは
りコストが高くなる。

【００１１】このように、微細加工技術によるセンサチ
ップを用いた従来の圧力センサにおいては、構造が複雑
となり、コストが高くなる。更に、プラスチック製のケ
ースを使用しているために、火災などの高温時にケース
が変形し、気密を必要とする部分が変形してガス漏れを
起こし易いという問題点もある。この変形の様子を図７
に示した。測定圧を受けている導圧パイプ1bが押しつぶ
され、Ｏリング９でシールしている部分に間隙が生じ、
ここからガスが漏れる。

【００１２】また、火災時のガス漏れに関しては、セン
サチップと台座との接合部、あるいは台座とケースとの
接合部等の気密性の維持も問題である。この接合部が、
例えば、半田付けや接着剤によって接合されている場合
には、火災時の高温によってこの部分の接合状態が不十
分となり、ガス漏れを生じることが予想される。気密性
は、 350℃以下では３cc／ｈ以下、 350〜400 ℃では2
0,000cc／ｈ以下であることが必要であると言われてい
る。この気密性は、従来から用いられている金属ダイア
フラムによる圧力センサの気密性と同等の気密性を確保
するための要求から決められたものである。

【００１３】この発明は、以上の問題点を解決し、圧力
変化に対して連続出力を出力することができ、小型で低
価格で高精度であり、更に、火災などの際の高温におい
ても気密不良を発生しない圧力センサを提供することを
課題とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この発明の第１の発明に
おいては、センサチップと、その出力を演算処理する演
算回路や特性を調整する調整用抵抗などを搭載した回路
部材と、内面の一部にセンサチップを搭載し、内面の他
の部分に回路部材を搭載し、センサチップを搭載した部
分の外側に測定圧力を導入する導圧部材を有するケース
とを備えた圧力センサにおいて、センサチップは、金属
板からなり導圧孔を有する金属ベースに搭載され、この
金属ベースのセンサチップ搭載面とは反対側の面に、導
圧孔を覆って、金属板の絞り加工によって形成された導
圧部材が溶接されており、圧力センサチップと金属ベー
スとが、少なくとも350 ℃までは気密性を維持できる接
合手段によって接合されている。

【００１５】センサチップの搭載部が、導圧孔を有する
金属板に金属板の絞り加工による導圧部材を溶接した、
量産性のよい金属のみからなる部材となっており、この
部材とセンサチップとは、少なくとも350 ℃までは気密
性を維持できる接合手段によって接合されており、 350
℃までは確実に所望の気密性を維持することができる。

【００１６】第２の発明においては、接合手段が多成分
系の可溶性ポリイミドブロックポリマーによる接着であ
る。多成分系の可溶性ポリイミドブロックポリマーによ
る接着であるので、ポリイミドの耐熱性を維持しなが
ら、接着性及び機械強度の優れたポリマーを得ることが
でき、350 ℃においても十分な接着強度と気密性を維持
することができる。

【００１７】第３の発明においては、金属ベースはその
両端部に取付け孔を有し、取付け孔の周辺部が金属ベー
スの他の部分より導圧部材側に出っ張っている。金属ベ
ースの取付け孔の周辺部が導圧部材側に出っ張っている
ので、圧力センサを被取付け面に取り付ける際に、金属
ベースの反りや被取付け面の平坦度の悪さによって金属
ベースが変形させられることが軽減され、センサチップ
に及ぶ歪みが低減する。

【００１８】

【発明の実施の形態】この発明による圧力センサの実施
の形態について実施例を用いて説明する。従来技術の圧
力センサと同じ機能をもつ部分には同じ符号を付けてい
る。 〔第１の実施例〕図１はこの発明による圧力センサの第
１の実施例を示す断面図であり、図４はその構成を示す
分解斜視図である。この実施例の外観は従来技術による
圧力センサの外観とほぼ同じで、図５と同じような外観
をしている。また、このセンサは、導圧口12c が受ける
圧力と大気圧とを比較するゲージ圧センサである。

【００１９】この実施例の構成は以下の通りである。ま
ず、鉄−ニッケル−コバルト合金板からなる金属ベース
11の導圧孔115 を覆って、その下面に鉄板の絞り加工に
よる導圧部材12が抵抗溶接されている。金属ベース11に
は４か所の熱かしめ用穴114 と両端部の取付け孔113 と
がプレス加工によって形成されており、熱かしめ用穴11
4 に位置合わせされて、普通の熱可塑性樹脂、例えばポ
リブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）など、からなる樹
脂ケース13の熱かしめ用ボス131 がはめ込まれ、熱かし
めによって固定されている。この樹脂ケース13の中央の
空間部内に、台座７付きのセンサチップ６が金属ベース
11の導圧孔115 を覆って金属ベース11に接合されてい
る。この接合は、耐熱温度の極めて高い多成分系の可溶
性ポリイミドブロックポリマー〔ピーアイ材料研究所
製、キューピロン（登録商標）、以下ではキューピロン
という〕による接着であり、キューピロン塗布後の 150
℃で10分の予備乾燥と 280℃で30分の熱処理とによって
接着される。次に、演算回路部品等の搭載済のプリント
基板５が樹脂ケース13の所定位置に接着され、センサチ
ップ６とプリント基板５とがアルミワイアによるワイア
ボンディングによって接続される。続いて、キャップ３
が樹脂ケース13にはめ込まれ、テスト端子用孔32にプロ
ーブが挿入され、ＶＲ調整用孔31を通して感度とオフセ
ットが調整され、最後に、誘電率が低い絶縁材料からな
り、ロット番号等が記載された銘板４が、テスト端子用
孔32及びＶＲ調整用孔31を覆って張り付けられ、圧力セ
ンサが完成する。

【００２０】上記において、樹脂ケース13が普通の熱可
塑性樹脂で形成されているのは、樹脂ケース13は気密性
に関係しないので100 ℃程度の耐熱性でよいからであ
る。勿論、樹脂ケース13を通常の耐熱樹脂、例えば液晶
ポリマー、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）で
作製してもよい。金属ベース11として鉄−ニッケル−コ
バルト合金板を使用しているのは、その線膨張係数がセ
ンサチップ６の主材料であるシリコンの線膨張係数に近
い値をもっているからであり、板をプレス加工した部品
は安価であるからである。なお、導圧部材12は金属ベー
ス11に比べて薄肉であるため、線膨張係数差の問題は小
さくなる。したがって、その材料にはより安価な材料を
選択することができる。また、センサチップ６の台座７
が厚肉であるのは、金属ベース11との電気的な絶縁を確
保するため、及び金属ベース11とシリコンとの線膨張係
数差によってセンサチップ６に及ぼされる応力を低減す
るためである。

【００２１】また、金属ベース11と台座７付きセンサチ
ップ６とをキューピロンを用いて上記の条件で接着する
と、その接着強度と気密性は 400℃近い温度まで確保さ
れる。上記においては、台座７付きのセンサチップ６を
金属ベース11に接合する方法としてキューピロンによる
接着を用いたが、亜鉛−銀系の高温はんだによる鑞付け
や低融点ガラス等による接合法も採用することは可能で
ある。しかし、これらの方法の場合には、接合温度が高
く、 450℃前後あるいはそれ以上となることが多く、そ
の結果として、金属ベース11からの応力がより大きくな
り、接合部にクラックを生じることもある。したがっ
て、これらの接合方法を採用する場合には、金属ベース
11とセンサチップ６との熱膨張係数をできる限り近づけ
ることが必要であり、また、この応力を緩和するための
対策、例えばより厚い台座７の採用、が必要となる。

【００２２】なお、気密性が確保できる最高温度は、亜
鉛−銀系の高温はんだによる鑞付けの場合には400 〜45
0 ℃程度であり、低融点ガラスによる接合の場合にはガ
ラスの種類によって異なるが、350 ℃以上であり、静電
接合の場合には400 ℃以上である。また、上記の実施例
において、金属ベース11と台座７付きセンサチップ６と
の接合部の耐熱性は 350℃以上にしているのに対して、
樹脂ケース13の耐熱性はそれ以下に止めているのは、火
災時においても従来の金属ダイアフラム式の圧力センサ
と同等の気密性を確保するためであり、圧力センサとし
ての機能は、その温度まで保証する必要がないからであ
る。そのため、樹脂ケース13としては安価な普通の熱可
塑性樹脂を採用しているのである。

【００２３】〔第２の実施例〕この実施例は、圧力セン
サを測定対象にねじ止め等の方法で取り付ける際に、圧
力センサ自体の取り付け面や相手側の被取付け面が反っ
ていることによって、圧力センサのセンサチップ６の接
合部に歪みが発生し、圧力センサの特性に影響すること
を軽減するためのものである。

【００２４】図２が第２の実施例の構造と効果を説明す
るための説明図である。この実施例の特徴は、圧力セン
サとしての本体部にはなく、金属ベース11a の形状にあ
るので、本体部の説明は省略する。この実施例に用いら
れている金属ベース11a は、その両端にある取付け孔11
3の周辺部が、プレス加工によって押出し部111 として
導圧部材12側へ押し出されている。この押出し部111 の
形成によって、圧力センサ自体の取り付け面や相手側の
被取付け面10が反っていることに伴って発生する間隙30
a が、この押出し部111 を形成していない場合の間隙30
（図３参照）に比べて大幅に小さくなり、しかも、梃子
の支点が押出し部111 の端になるので、金属ベース11a
の中央部に及ぼされる応力が大幅に低減される。この効
果は、図２と図３とを比較することで一目瞭然であろ
う。したがって、押出し部111 の面積はねじ止めに必要
な最少限度の大きさにすることが最も有効である。ま
た、押出し部111 の剛性を必要最少限度に小さくするこ
とによって、金属ベース11a の中央部に及ぼす応力をよ
り小さくすることができる。しかも、この押出し部111
はプレス加工で容易に形成できるので、加工の費用が安
くて済む。

【００２５】以上の実施例においては、金属ベース11及
び11a として、鉄−ニッケル−コバルト合金板をプレス
加工して作製したものを説明してきたが、亜鉛のダイカ
ストで製作することもできる。しかし、亜鉛のダイカス
ト品は鉄−ニッケル−コバルト合金板のプレス加工品よ
りも高価であり、熱膨張係数もシリコンに比べて大き
く、最高使用温度も370 ℃である。

【００２６】

【発明の効果】この発明の第１の発明によれば、センサ
チップと、その出力を演算処理する演算回路や特性を調
整する調整用抵抗などを搭載した回路部材と、内面の一
部にセンサチップを搭載し、内面の他の部分に回路部材
を搭載し、センサチップを搭載した部分の外側に測定圧
力を導入する導圧部材を有するケースとを備えた圧力セ
ンサにおいて、センサチップは、金属板からなり導圧孔
を有する金属ベースに搭載され、この金属ベースのセン
サチップ搭載面とは反対側の面に、導圧孔を覆って、金
属板の絞り加工によって形成された導圧部材が溶接され
ており、センサチップと金属ベースとが 350℃まで気密
性を維持できる接合手段によって接合されているので、
センサチップの搭載部が量産性のよい金属のみからなる
部材となっており、この部材とセンサチップとは、少な
くとも350 ℃までは気密性を維持できる接合手段によっ
て接合されており、 350℃までは確実に所望の気密性を
維持することができる。

【００２７】したがって、圧力変化に対して連続出力を
出力することができ、小型で低価格で高精度で、更に、
火災などの際の高温においても気密不良を発生しない圧
力センサを提供することができる。第２の発明によれ
ば、接合手段が多成分系の可溶性ポリイミドブロックポ
リマーによる接着であるので、ポリイミドの耐熱性を維
持しながら、接着性及び機械強度の優れたポリマーを得
ることができ、350 ℃においても十分な接着強度と気密
性を維持することができる。

【００２８】したがって、接着に伴う熱応力が他の接合
手段に比べて小さく、かつ信頼性の高い圧力センサを提
供することができる。第３の発明によれば、金属ベース
はその両端部に取付け孔を有し、取付け孔の周辺部が金
属ベースの他の部分より導圧部材側に出っ張っているの
で、圧力センサを被取付け面に取り付ける際に、金属ベ
ースの反りや被取付け面の平坦度の悪さによって金属ベ
ースを変形させることが軽減し、センサチップに及ぶ歪
みが低減する。

【００２９】したがって、被取付け面への取り付け等の
影響の少ない、特性が安定している圧力センサを提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による圧力センサの第１の実施例の構
造を示す断面図

【図２】第２の実施例の構造と効果を説明するための説
明図

【図３】従来技術による圧力センサの問題点を説明する
ための説明図

【図４】第１の実施例の構成を示す分解斜視図

【図５】従来技術による圧力センサの一例の外観を示
し、（ａ）は表側からの斜視図、（ｂ）は裏側からの斜
視図

【図６】圧力センサの従来例の構造を示す断面図

【図７】従来例の問題点を説明するための断面図

【図８】静電容量型圧力センサチップの例を示す断面図

【符号の説明】

１ ケース 1a, 113 取付け孔 1b 導圧パイプ 1c, 12c 導圧口 111 押出し部 11, 11a 金属ベース 112 溶接位置 114 熱かしめ用穴 115 導圧孔 12 導圧部材 13 樹脂ケース 131 熱かしめ用ボス ２ リード線 ３ キャップ 3a, 31 ＶＲ調整孔 3b, 32 テスト端子用孔 ４ 銘板 ５ プリント板 5a 調整用抵抗 5b 演算回路 ６ センサチップ 61 ガラス 61a, 61d スルーホール 61c 固定電極 61e, 61f メタライズ層 62 シリコン 62a 凹部 62b 溝 62c 可動電極 63 ガラス台座 63a 導圧孔 ７ 台座 ８ ワイヤ ９ Ｏリング 10 被取付け面 20 ねじ 30, 30a 間隙

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧力センサチップと、その出力を演算処理
   する演算回路や特性を調整する調整用抵抗などを搭載し
   た回路部材と、内面の一部に圧力センサチップを搭載
   し、内面の他の部分に回路部材を搭載し、圧力センサチ
   ップを搭載した部分の外側に測定圧力を導入する導圧部
   材を有するケースとを備えた圧力センサにおいて、圧力
   センサチップは、金属板からなり導圧孔を有する金属ベ
   ースに搭載され、この金属ベースの圧力センサチップ搭
   載面とは反対側の面に、導圧孔を覆って、金属板の絞り
   加工によって形成された導圧部材が溶接されており、圧
   力センサチップと金属ベースとが、少なくとも350 ℃ま
   では気密性を維持できる接合手段によって接合されてい
   ることを特徴とする圧力センサ。
2. 【請求項２】前記接合手段が多成分系の可溶性ポリイミ
   ドブロックポリマーによる接着であることを特徴とする
   請求項１に記載の圧力センサ。
3. 【請求項３】前記金属ベースはその両端部に取付け孔を
   有し、取付け孔の周辺部が金属ベースの他の部分より導
   圧部材側に出っ張っていることを特徴とする請求項１又
   は請求項２に記載の圧力センサ。