JPH11281508A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 流体がガラス台座から、又は圧力導入管とガ
ラス台座との半田接合部から漏れることなく、１５０℃
以上の高温で使用できる圧力センサを提供する。 【解決手段】 測定対象である流体を圧力を持って導入
する貫通孔１１が設けられて、その貫通孔１１の軸に対
する一方直交面１２を有する金属製の圧力導入管１と、
軸孔２３を設けその軸孔２３の軸と直交した一面２１が
メタライズ層２４でメタライズされて圧力導入管１の一
方直交面１２に互いの軸を合わせて半田でもって半田接
合されるガラス台座２２と、ガラス台座２２の他面２２
に接合されて圧力を電気信号に変換する圧力センサチッ
プ３とを備えた圧力センサにおいて、前記ガラス台座２
２は、微細結晶を均一に析出させた結晶性ガラスでもっ
て形成されるとともに、金錫合金系半田でもって前記圧
力導入管１の一方直交面１２に接合された構成にしてあ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧力による抵抗変
化を電気信号に変換して、気体又は液体からなる流体の
圧力を１５０℃以上の高温で測定する圧力センサに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の圧力センサとして、図３
及び図４に示す構成のものが存在する。このものは、測
定対象である流体を圧力を持って導入する貫通孔Ａ1が
設けられて、その貫通孔Ａ1の軸に対する一方直交面Ａ2
を有する金属製の圧力導入管Ａと、軸孔Ｂ1を設けその
軸孔Ｂ1の軸と直交した一面Ｂ2がメタライズ層Ｂ3でメ
タライズされて圧力導入管Ａの一方直交面Ａ2に互いの
軸を合わせて半田でもって接合されるガラス台座Ｂと、
ガラス台座Ｂの他面Ｂ4に接合されるとともにアルミニ
ウムパッドを設けそのアルミニウムパッドに圧力を変換
した電気信号を出力する圧力センサチップＣとを備えて
いる。

【０００３】さらに詳しくは、リード端子Ｄが設けら
れ、隣接した圧力導入管Ａと共にガラス封止材Ｅで気密
封止されて、圧力センサチップＣのアルミニウムパッド
と金ワイヤＦでもって、ワイヤボンディングされて圧力
センサチップＣと電気的に接続される。

【０００４】また、ガラス台座Ｂはパイレックスガラス
でもって形成されて、図４に示すように、チタン層Ｂ3
1、白金層Ｂ32、及び金層Ｂ33が一面Ｂ2側から順次積層
されたメタライズ層Ｂ3でメタライズされるとともに、
錫アンチモン合金系半田でもって圧力導入管Ａの一方直
交面Ａ2に接合される。そして、リード端子Ｄは下地の
ニッケル層メッキ層、及び２乃至３マイクロメートル
（μｍ）の金メッキ層が順次積層される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来の圧力セ
ンサでは、ガラス台座Ｂを圧力導入管Ａの一方直交面Ａ
2に錫アンチモン合金系半田でもって接合して、流体の
圧力を測定できる。

【０００６】しかしながら、自動車等に搭載されて１５
０℃以上の高温で使用されるとき、錫アンチモン合金系
半田が１５０℃以上になると強度特性を劣化しクリープ
を生じて、長時間使用するとガラス台座Ｂが一方直交面
Ａ2から外れる場合があった。

【０００７】また、錫アンチモン合金系半田と比較して
１５０℃以上で高強度特性を有する金錫合金系半田を使
用すると、強度特性に問題はないものの、その金錫合金
系半田は接合温度が約３００℃であるので半田固化時に
応力をガラス台座Ｂに負荷して、そのガラス台座Ｂにク
ラックを発生させる。したがって、流体がガラス台座Ｂ
から、又は圧力導入管Ａとガラス台座Ｂとの半田接合部
から漏れて、１５０℃以上の高温で使用できないという
問題があった。

【０００８】また、１５０℃以上の高温で使用されたと
き、金ワイヤＦが圧力センサチップＣのアルミニウムパ
ッドとワイヤボンディングされて、金及びアルミニウム
からなり脆弱な金属間化合物をボンディング部に形成し
て、ワイヤ切れを発生するという別の問題があった。

【０００９】本発明は、上記問題点に鑑みてなしたもの
で、その目的とするところは、流体がガラス台座から、
又は圧力導入管とガラス台座との半田接合部から漏れる
ことなく、１５０℃以上の高温で使用できる圧力センサ
を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記した課題を解決する
ために、請求項１記載のものは、測定対象である流体を
圧力を持って導入する貫通孔が設けられて、その貫通孔
の軸に対する一方直交面を有する金属製の圧力導入管
と、軸孔を設けその軸孔の軸と直交した一面がメタライ
ズ層でメタライズされて圧力導入管の一方直交面に互い
の軸を合わせて半田でもって半田接合されるガラス台座
と、ガラス台座の他面に接合されて圧力を電気信号に変
換する圧力センサチップとを備えた圧力センサにおい
て、前記ガラス台座は、微細結晶を均一に析出させた結
晶性ガラスでもって形成されるとともに、金錫合金系半
田でもって前記圧力導入管の一方直交面に接合された構
成にしてある。

【００１１】請求項２記載のものは、請求項１記載のも
のにおいて、前記メタライズ層は、前記ガラス台座の一
面側から順次積層したクロム層、白金層、及び金層で形
成された構成にしてある。

【００１２】請求項３記載のものは、請求項１記載のも
のにおいて、前記メタライズ層は、前記ガラス台座の一
面側から順次積層したチタン層、白金層、及び金層で形
成された構成にしてある。

【００１３】請求項４記載のものは、請求項１記載のも
のにおいて、前記メタライズ層は、前記ガラス台座の一
面側から順次積層したチタン層、ニッケル層、及び金層
で形成された構成にしてある。

【００１４】請求項５記載のものは、請求項１乃至請求
項４のいづれかに記載のものにおいて、前記圧力導入
管、及び前記圧力センサチップに設けられたアルミニウ
ムパッドとワイヤでもってワイヤボンディングされたリ
ード端子は、互いに隣接した状態でガラス封止材で気密
封止されたものであって、アルミニウムワイヤでもって
ワイヤボンディングされるリード端子は、下地のニッケ
ル層及び薄膜状の金フラッシュ層が順次積層された構成
にしてある。

【００１５】請求項６記載のものは、請求項５記載のも
のにおいて、前記金フラッシュ層の層厚は、０．０２乃
至０．１５マイクロメートルの範囲に形成された構成に
してある。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の第１実施形態を図１及び
図２に基づいて以下に説明する。

【００１７】１は圧力導入管で、コバール又はＦｅＮｉ
合金等の金属により、円筒状に形成され、測定対象であ
る流体を圧力を持って導入する貫通孔１１が設けられ、
その貫通孔１１の軸に対する一方直交面１２を有して、
一方直交面１２及び外周面が下地を形成するニッケルめ
っき層、及びそのニッケルめっき層に積層された２乃至
３マイクロメートル（μｍ）の金めっき層によってめっ
きされている。

【００１８】２はガラス台座で、Ｓｉ−Ｌｉ系の結晶性
ガラスにより、一面２１及び他面２２を有した略四角形
に形成され、軸孔２３が設けられ、その軸孔２３の軸と
直交した一面２１が蒸着又はスパッタ等でもって、クロ
ム層（Ｃｒ）２４ａ、白金層（Ｐｔ）２４ｂ、及び金層
（Ａｕ）２４ｃを一面２１側から順次積層したメタライ
ズ層２４でメタライズされている。

【００１９】ここで、結晶性ガラスが石塚硝子株式会社
製で、商品名をデビトロンガラスとするガラスであっ
て、ガラスを溶融した後、結晶化熱処理を行い微細結晶
を均一に析出させることによって、パイレックスガラス
と比較して高強度特性を有する。また、金錫合金系半田
が、Ｓｎを２０％含有する金錫合金により、接合温度を
約３００℃とし、錫アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金系半
田と比較して１５０℃以上で高強度特性を有する。

【００２０】３は圧力センサチップで、シリコン半導体
により、シリコンダイヤフラム３１上にピエゾ抵抗（図
示せず）を配することによって歪みゲージが形成され、
ガラス台座２の軸孔２３がシリコンダイヤフラム３１に
位置するよう、ガラス台座２の他面２２に陽極接合され
ている。ここで、陽極接合とは、約４００℃で直流の高
電圧を印加して接合する方法である。さらに、アルミニ
ウムからなるアルミニウムパッド（図示せず）が薄膜状
に形成されて、流体の圧力を変換した電気信号をアルミ
ニウムパッドに出力する。

【００２１】４はリード端子で、コバール又はＦｅＮｉ
合金等の金属により、長尺状に形成され、複数が圧力導
入管１に隣接して配置されて、外周面４１及び端面が下
地のニッケルめっき層、及び２乃至３マイクロメートル
（μｍ）の金めっき層によってめっきされている。

【００２２】５はガラス封止材で、圧力導入管１及びリ
ード端子４が互いに隣接した状態で、圧力導入管１の一
方直交面１２側の外周面と、リード端子４の略中央部に
おける外周面４１とを固着し気密封止している。

【００２３】ここで、ガラス台座２は一面２１が圧力導
入管１の貫通孔１１の軸と、軸孔２３の軸との互いの軸
を合わせて、圧力導入管１の一方直交面１２に金錫（Ａ
ｕ−Ｓｎ）合金系半田でもって半田接合される。このと
きガラス台座２は、微細結晶を均一に析出させた結晶性
ガラスでもって形成されて高強度特性を有するので、金
錫合金系半田の接合温度である約３００℃に高温化され
ても、半田固化時に応力を負荷されてクラックを発生す
ることがない。

【００２４】６はアルミニウムワイヤで、アルミニウム
により、線状に形成され、一端末が圧力センサチップ３
のアルミニウムパッドと、他端末がリード端子４の端面
にそれぞれワイヤボンディングされ電気的に接続され
て、圧力を変換した電気信号を圧力センサチップ３から
リード端子４に伝達する。

【００２５】ここで、アルミニウムパッドにワイヤボン
ディングされた時、材質が金ではなくアルミニウムであ
るので同材質のアルミニウム同志の接合になって、従来
のように脆い金属間化合物を形成することがない。

【００２６】７は金属キャンで、金属により、箱形内部
７１を有した有底箱形に形成され、圧力導入管１とリー
ド端子４とを箱形内部７１に配し、開口端部がガラス封
止材５の外周部に固着された金属ベース７２に抵抗溶接
されて、箱形内部７１を気密封止する。そして、箱形内
部７１が空気を排気され真空にされて、シリコンダイヤ
フラム３１の一面を真空側に配置する。

【００２７】このものの動作を説明する。ガラス台座２
は軸孔２３が圧力導入管１の貫通孔１１と互いの軸を合
わせて、一面２１を圧力導入管１の一方直交面１２に接
合されているので貫通孔１１と連通する。また、他面２
２が軸孔２３を遮蔽するよう圧力センサチップ３に接合
されている。したがって、気体又は液体の流体は、圧力
を持って圧力導入管１の貫通孔１１に導入された時、漏
れることなくその圧力を圧力センサチップ３に負荷す
る。

【００２８】圧力が圧力センサチップ３に負荷される
と、圧力センサチップ３に形成されたシリコンダイヤフ
ラム３１が、流体の圧力と真空との差に比例して撓む。
そして、シリコンダイヤフラム３１上に形成されたピエ
ゾ抵抗の抵抗値が撓みの大きさに比例して変化し、この
抵抗値を電気信号としてリード端子４に出力する。そし
て、シリコンダイヤフラム３１の一面側の雰囲気が真空
であるので、流体の圧力を絶対圧力として測定する。

【００２９】かかる第１実施形態の圧力センサにあって
は、上記したように、ガラス台座２が結晶性ガラスでも
って形成されるとともに、金錫合金系半田でもって圧力
導入管１の一方直交面１２に接合されたから、金錫合金
系半田が従来の錫アンチモン合金系半田と比較して高強
度特性を有してクリープを発生しないので、１５０℃以
上で使用されてもガラス台座２が一方直交面１２から外
れることがなく、かつ結晶性ガラスが従来のパイレック
スガラスと比較して高強度特性を有するので、ガラス台
座２が金錫合金系半田の接合温度である約３００℃に高
温化されてもクラックを発生することなく、流体の圧力
を１５０℃以上の高温で精度よく測定することができ
る。

【００３０】また、ガラス台座２がクロム層２４ａ、白
金層２４ｂ、及び金層２４ｃを一面２１側から順次積層
したメタライズ層２４でメタライズされたから、ガラス
台座２が圧力導入管１の一方直交面１２に金錫合金系半
田で接合された時、クロム層２４ａがガラス台座２の一
面２１に密着性よく接触するとともに、白金層２４ｂが
金層２４ｃの一面２１側への拡散を防止して、ガラス台
座２を圧力導入管１の一方直交面１２に強固に接合する
ことができる。

【００３１】また、ワイヤボンディングされるワイヤが
アルミニウムワイヤ６であるから、アルミニウムパッド
とワイヤボンディングされた時、アルミニウムワイヤ６
が同材質のアルミニウム同志の接合になって、金属間化
合物を形成せずワイヤ切れを防止することができるな
お、第１実施形態では、メタライズ層２４をガラス台座
２の一面２１側から順次積層したクロム層２４ａ、白金
層２４ｂ、及び金層２４ｃで形成したが、チタン層、白
金層、及び金層で形成してもよく限定されない。

【００３２】また、第１実施形態では、メタライズ層２
４をガラス台座２の一面側から順次積層したクロム層２
４ａ、白金層２４ｂ、及び金層２４ｃで形成したが、チ
タン層、ニッケル層、及び金層で形成してもよく限定さ
れない。

【００３３】また、第１実施形態では、リード端子４を
設け、そのリード端子４及び隣接した圧力導入管１がガ
ラス封止材５で気密封止されたものとしたが、ガラス封
止材５、及びそのガラス封止材５で気密封止されたリー
ド端子４を設けなくてもよく、限定されない。

【００３４】本発明の第２実施形態を以下に説明する。
なお、第２実施形態では第１実施形態と異なる機能につ
いて述べることとし、第１実施形態と実質的に同一機能
を有する部材については、同一符号を付して説明を省略
する。

【００３５】圧力導入管１は、一方直交面１２及び外周
面が下地のニッケルめっき層、及び０．０５乃至０．１
マイクロメートル（μｍ）に形成された薄膜状の金フラ
ッシュめっき層によってめっきされている。

【００３６】リード端子４は、外周面４１及び端面が下
地のニッケルめっき層、及びそのニッケルめっき層に積
層されて０．０５乃至０．１マイクロメートル（μｍ）
に形成された金フラッシュめっき層によって被覆され
て、すなわちニッケルめっき層及び薄膜状の金フラッシ
ュめっき層が順次積層される。

【００３７】ここで、金フラッシュめっき層の層厚範囲
は、０．０２乃至０．１５マイクロメートル（μｍ）が
好ましく、さらには０．０５乃至０．１マイクロメート
ル（μｍ）がより好ましい。層厚が０．０２マイクロメ
ートル（μｍ）以下になると、ユーザによってプリント
基板（図示せず）に半田付けされて実装されるとき、半
田濡れを劣化させて半田付けを困難にする。また、０．
１５マイクロメートル（μｍ）以上になると、アルミニ
ウムワイヤ６でもってワイヤボンディングされた時、金
層及びアルミニウムからなり脆弱な金属間化合物を形成
して、１５０℃以上の高温で保持されたときワイヤ切れ
を発生する。

【００３８】かかる第２実施形態の圧力センサにあって
は、上記したように、リード端子４が下地のニッケルめ
っき層、及び薄膜状の金フラッシュめっき層を外周面に
順次積層されたから、アルミニウムワイヤ６がリード端
子４にワイヤボンディングされた時、金フラッシュめっ
き層を突き破ってニッケルめっき層と接合して、金属間
化合物の形成を抑制して、１５０℃以上の高温で使用し
てもワイヤ切れの発生を防止することができる。

【００３９】また、金フラッシュめっき層の層厚が０．
０２乃至０．１５マイクロメートルの範囲に形成された
から、アルミニウムワイヤ６が金属間化合物の形成を阻
止されて、ワイヤ切れの発生を確実に防止できるととも
に、従来と比較して薄膜であるので高価な金の使用量を
減少してコストダウンを図ることができる。

【００４０】なお、第２実施形態では、リード端子４が
下地のニッケルめっき層及び薄膜状の金フラッシュめっ
き層を順次積層したものとしたが、ニッケル層及び金フ
ラッシュ層がめっきによって形成されなくてもよく、例
えばスパッタ又は蒸着によって形成されてもよく限定さ
れない。

【００４１】

【発明の効果】請求項１記載のものは、ガラス台座が結
晶性ガラスでもって形成されるとともに、金錫合金系半
田でもって圧力導入管の一方直交面に接合されたから、
金錫合金系半田が従来の錫アンチモン合金系半田と比較
して高強度特性を有してクリープを発生しないので、１
５０℃以上で使用されてもガラス台座が一方直交面から
外れることがなく、かつ結晶性ガラスが従来のパイレッ
クスガラスと比較して高強度特性を有するので、ガラス
台座が金錫合金系半田の接合温度である約３００℃に高
温化されてもクラックを発生することなく、流体の圧力
を１５０℃以上の高温で精度よく測定することができ
る。

【００４２】請求項２記載のものは、請求項１記載のも
のの効果に加えて、ガラス台座がクロム層、白金層、及
び金層を一面側から順次積層したメタライズ層でメタラ
イズされたから、ガラス台座が圧力導入管の一方直交面
に金錫合金系半田で接合された時、クロム層がガラス台
座の一面に密着性よく接触するとともに、白金層が金層
の一面側への拡散を防止して、ガラス台座を圧力導入管
の一方直交面に強固に接合することができる。

【００４３】請求項３記載のものは、請求項１記載のも
のの効果に加えて、ガラス台座がチタン層、白金層、及
び金層を一面側から順次積層したメタライズ層でメタラ
イズされたから、ガラス台座が圧力導入管の一方直交面
に金錫合金系半田で接合された時、チタン層がガラス台
座の一面に密着性よく接触するとともに、白金層が金層
の一面側への拡散を防止して、ガラス台座を圧力導入管
の一方直交面に強固に接合することができる。

【００４４】請求項４記載のものは、請求項１記載のも
のの効果に加えて、ガラス台座は、チタン層、ニッケル
層、及び金層が一面側から順次積層されたメタライズ層
でメタライズされたから、ガラス台座が圧力導入管の一
方直交面に金錫合金系半田で接合された時、チタン層が
ガラス台座の一面に密着性よく接触して、ガラス台座を
圧力導入管の一方直交面に強固に接合することができ
る。

【００４５】請求項５記載のものは、請求項１乃至請求
項４のいづれかに記載のものの効果に加えて、圧力導入
管及びリード端子がガラス封止材で気密封止されたもの
であれば、ワイヤボンディングされるワイヤがアルミニ
ウムワイヤでもって形成されたから、アルミニウムワイ
ヤがアルミニウムパッドとワイヤボンディングされた
時、同材質のアルミニウム同志の接合になって金属間化
合物を形成せずワイヤ切れを防止できるとともに、リー
ド端子が下地のニッケル層、及び薄膜状の金フラッシュ
層を順次積層したから、アルミニウムワイヤがリード端
子にワイヤボンディングされたとき、金フラッシュ層を
突き破ってニッケル層と接合して、金属間化合物の形成
を抑制するので、１５０℃以上の高温で使用してもワイ
ヤ切れの発生を防止することができる。

【００４６】請求項６記載のものは、請求項５記載のも
のの効果に加えて、金フラッシュ層の層厚は０．０２乃
至０．１５マイクロメートルの範囲に形成されたから、
アルミニウムワイヤが金属間化合物の形成を阻止され
て、ワイヤ切れの発生を確実に防止できるとともに、従
来と比較して薄膜であるので高価な金の使用量を減少し
てコストダウンを図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態を示す正断面図である。

【図２】同上のガラス台座の正断面図である。

【図３】従来例を示す正断面図である。

【図４】同上のガラス台座の正断面図である。

【符号の説明】

１ 圧力導入管 １１ 貫通孔 １２ 一方直交面 ２ ガラス台座 ２１ 一面 ２２ 他面 ２３ 軸孔 ２４ メタライズ層 ２４ａ クロム層 ２４ｂ 白金層 ２４ｃ 金層 ３ 圧力センサチップ ４ リード端子 ４１ 外周面 ５ ガラス封止材 ６ アルミニウムワイヤ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 葛原 一功 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 (72)発明者 吉岡 浩一 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定対象である流体を圧力を持って導入
   する貫通孔が設けられて、その貫通孔の軸に対する一方
   直交面を有する金属製の圧力導入管と、軸孔を設けその
   軸孔の軸と直交した一面がメタライズ層でメタライズさ
   れて圧力導入管の一方直交面に互いの軸を合わせて半田
   でもって半田接合されるガラス台座と、ガラス台座の他
   面に接合されて圧力を電気信号に変換する圧力センサチ
   ップとを備えた圧力センサにおいて、 前記ガラス台座は、微細結晶を均一に析出させた結晶性
   ガラスでもって形成されるとともに、金錫合金系半田で
   もって前記圧力導入管の一方直交面に接合されたことを
   特徴とする圧力センサ。
2. 【請求項２】 前記メタライズ層は、前記ガラス台座の
   一面側から順次積層したクロム層、白金層、及び金層で
   形成されたことを特徴とする請求項１記載の圧力セン
   サ。
3. 【請求項３】 前記メタライズ層は、前記ガラス台座の
   一面側から順次積層したチタン層、白金層、及び金層で
   形成されたことを特徴とする請求項１記載の圧力セン
   サ。
4. 【請求項４】 前記メタライズ層は、前記ガラス台座の
   一面側から順次積層したチタン層、ニッケル層、及び金
   層で形成されたことを特徴とする請求項１記載の圧力セ
   ンサ。
5. 【請求項５】 前記圧力導入管、及び前記圧力センサチ
   ップに設けられたアルミニウムパッドとワイヤでもって
   ワイヤボンディングされたリード端子は、互いに隣接し
   た状態でガラス封止材で気密封止されたものであって、
   アルミニウムワイヤでもってワイヤボンディングされる
   リード端子は、下地のニッケル層及び薄膜状の金フラッ
   シュ層が順次積層されたことを特徴とする請求項１乃至
   請求項４のいづれかに記載の圧力センサ。
6. 【請求項６】 前記金フラッシュ層の層厚は、０．０２
   乃至０．１５マイクロメートルの範囲に形成されたこと
   を特徴とする請求項５記載の圧力センサ。