(57)【要約】【課題】金属ステムおよびセンサチップと接合ガラス等の接合材との接合の信頼性を向上した圧力センサを提供する。【解決手段】金属ステム１０の一面１０ａ上に、第１接合ガラス３１と第２接合ガラス３２とによりなる接合ガラス３０を介してセンサチップ４０を接合する。具体的には、第１接合ガラス３１によりセンサチップ４０を接合しつつ、第１接合ガラス３１と熱膨張係数の異なる第２接合ガラス３２により第１接合ガラス３１を囲む。これにより、接合ガラス３０の薄肉化による接合ガラス３０と金属ステム１０およびセンサチップ４０との間のせん断応力が低減され、接合ガラス３０の亀裂や剥離の発生を抑制できる。このため、金属ステム１０およびセンサチップ４０と接合ガラス３０との接合の信頼性の高い圧力センサとなる。【選択図】図１
2018096910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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た第１接合ガラス（３１）と第２接合ガラス（３２）と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第１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、
前記一面に対する法線方向から見て、前記センサチップは、前記第１接合ガラスの外郭領域内に収まるように設けられると共に、前記センサチップの外縁部の一部または全部が前記第１接合ガラスと前記第２接合ガラスとが接合された接合界面（３３）と重なるように配置され、
前記第１接合ガラスの熱膨張係数は、前記第２接合ガラスの熱膨張係数より大きく、かつ前記金属ステムの熱膨張係数より小さく、
前記第２接合ガラスは、前記法線方向から見て、前記第１接合ガラスの外郭領域のうち前記センサチップの外縁部と重なる領域の外側に配置され、前記第１接合ガラスを囲むように形成されており、
前記第２接合ガラスの熱膨張係数は、前記センサチップの熱膨張係数以上である圧力センサ。
【請求項２】
前記センサチップは、多角形板状とされると共に、前記法線方向から見て、前記センサチップの外縁部のうち隣り合う一辺と他辺との交点である角部がすべて前記接合界面と重なるように配置されている請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記センサチップは、前記ダイヤフラム上に複数個配置されると共に、前記第１接合ガラスおよび前記第２接合ガラスが各前記センサチップに対応して複数個形成されている請求項１または２に記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記金属ステムは、ステンレス鋼にて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。
【請求項５】
前記ステンレス鋼は、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ６３０もしくはＳＵＳ３０４のいずれか１つによって構成されている請求項４に記載の圧力センサ。
【請求項６】
前記接合ガラスは、酸化物を有してなる請求項１ないし５のいずれか１つに記載の圧力センサ。
【請求項７】
前記接合ガラスは、ガラス質からなる請求項１ないし６のいずれか１つに記載の圧力センサ。
【請求項８】
前記接合ガラスは、鉛を含む材料を有してなる請求項１ないし７のいずれか１つに記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、高圧を検出できる圧力センサとして、ダイヤフラムが形成された有底円筒状の金属ステムと、ダイヤフラムの歪検出を行う歪検出素子が形成されたセンサチップとを備え、接合ガラスを介してセンサチップがダイヤフラム上に接合されたものが知られている。
【０００３】
例えば、センサチップについては、シリコンからなる半導体基板に半導体素子が形成されたもので構成され、金属ステムについては、ＳＵＳ４３０などの金属材料で構成されている。そして、センサチップは、ペースト状もしくはタブレット状の接合ガラスを介して金属ステムの上に配置されている。具体的には、センサチップは、例えば、ペースト状もしくはタブレット状の接合ガラス上に配置され、接合ガラスを熱処理によって焼成もしくは溶融した後に、冷却により固化することで、金属ステムの上に接合ガラスを介して接合されている。
【０００４】
上記のように金属ステムや半導体素子のように熱膨張係数の異なる部材間を安定的にガラス接合するためには、接合ガラスの熱膨張係数を２つの部材の熱膨張係数を考慮した上で所定の範囲に調整する必要がある。このような接合ガラスとしては、例えば特許文献１に記載の接合材が挙げられる。
【０００５】
特許文献１に記載の接合材は、３層以上のガラスが積層されて構成されると共に、該ガラスの積層方向に沿って３０℃〜５００℃の熱膨張係数が各層ごとに段階的に増大するように構成されている。また、このような構成において、当該接合材においては、いずれのガラス層にもアルカリ成分が含まれておらず、隣り合う各層の３０℃〜５００℃における熱膨張係数の差については、１．５ｐｐｍ／Ｋ以下とされている。
【０００６】
このように熱膨張係数の勾配を有する構成とされた接合材を用いることにより、熱膨張係数の異なる部材間における熱膨張係数の差を緩和でき、これらの部材間を強固に接合することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１６−３７４２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載の接合材では、３層以上の熱膨張係数の異なるガラスを面方向に積み重ねて一体化した構成としており、その厚みが厚く、薄肉化された圧力センサには適用され難い。すなわち、近年、圧力センサでは、小型化、軽量化、高感度化が進み、接合ガラスの厚みを薄くすることが検討されており、接合ガラスの厚みが厚くなることは好ましくない。
【０００９】
そこで、本発明者らが、接合ガラスおよびセンサチップが薄肉化された圧力センサについて検討したところ、単に接合ガラスやセンサチップを薄くしただけでは、接合ガラスおよびセンサチップに剥離や亀裂が発生することが判明した。
【００１０】
具体的には、接合ガラスが薄肉化されるとその強度が低くなるため、センサチップを金属ステムにガラス接合した後の冷却プロセスにおいて、接合ガラスがこの接合ガラス内部に発生するせん断応力に耐え切れず、破壊され得る。また、冷熱サイクル等の信頼性試験においては、せん断応力が高い部位を起点にして接合ガラスとセンサチップとの間での剥離発生やセンサチップの亀裂発生が生じ得る。
【００１１】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、薄肉化された接合ガラスを介してセンサチップを接合しつつ、薄肉化された構成でありながらも信頼性の高い圧力センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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た第１接合ガラス（３１）と第２接合ガラス（３２）とを有してなる接合ガラス（３０）と、ダイヤフラム上に第１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、一面に対する法線方向から見て、センサチップは、第１接合ガラスの外郭領域内に収まるように設けられると共に、センサチップの外縁部の一部または全部が第１接合ガラスと第２接合ガラスとが接合された接合界面（３３）と重なるように配置され、第１接合ガラスの熱膨張係数は、第２接合ガラスの熱膨張係数より大きく、かつ金属ステムの熱膨張係数より小さく、第２接合ガラスは、法線方向から見て、第１接合ガラスの外郭領域のうちセンサチップの外縁部と重なる領域の外側に配置され、第１接合ガラスを囲むように形成されており、第２接合ガラスの熱膨張係数は、センサチップの熱膨張係数以上である。
【００１３】
これにより、センサチップおよび接合ガラスを薄肉化しつつも、接合ガラスに発生するせん断応力が緩和されることで、センサチップや接合ガラスの剥離や割れ亀裂を抑制でき、接合の信頼性の高い圧力センサとなる。
【００１４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態の圧力センサを示す断面図である。
【図２】図１中の破線で囲む領域IIの部分拡大図である。
【図３】二点鎖線で示したセンサチップを金属ステムに接合する接合ガラスであって、これを構成する熱膨張係数の異なる第１接合ガラスおよび第２接合ガラスの配置例を示す上面レイアウト図である。
【図４】接合ガラスが熱膨張係数の異なる２つの材料により構成された複数の実施例と接合ガラスが１つの材料により構成された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。
【図５】第２実施形態の圧力センサにおける第１接合ガラス、第２接合ガラスおよびセンサチップの配置例を示す上面レイアウト図である。
【図６】図５に示す一点鎖線ＶＩ−ＶＩ間の断面構成を示す断面図である。
【図７】他の実施形態の圧力センサにおける第１接合ガラス、第２接合ガラスおよびセンサチップ配置例を示す上面レイアウト図である。
【図８】他の実施形態の圧力センサにおける第１接合ガラス、第２接合ガラスおよびセンサチップ配置例を示す上面レイアウト図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
（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２００〜３００ＭＰａ程度の圧力検出を行う製品に適用されると好適である。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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（Ｂ２Ｏ３）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリカ（ＳｉＯ２）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。
【００２８】
また、接合ガラス３０は、フィラーを含有していても良い。フィラーとしては、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、例えば鉛、チタン、カルシウム、ジルコニウムおよびシリコンのうちの１種もしくは複数種の元素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。フィラーの粒径については任意であるが、２０μｍ以下のものであると好ましい。なお、上記のようなフィラーを無機ガラスに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もできる。
【００２９】
接合ガラス３０は、熱膨張係数が異なる第１接合ガラス３１と第２接合ガラス３２とを有してなる。具体的には、第１接合ガラス３１は、例えば図２に示すようにセンサチップ４０の下部に配置され、センサチップ４０を金属ステム１０に対して接合させるための接合材である。第２接合ガラス３２は、図３に示すように、金属ステム１０の一面１０ａに対する法線方向（以下「一面法線方向」という）から見て、第１接合ガラス３１を囲むようにこれに接して配置され、第１接合ガラス３１の応力を緩和するためのものである。これらの具体的な配置や熱膨張係数等については、後ほど詳しく説明する。
【００３０】
第１接合ガラス３１および第２接合ガラス３２は、例えば上記のようなガラス質に溶媒を加えてなるペースト状ガラスを素材とし、このペーストを固化させてなる。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上に第１接合ガラス３１の材料に溶媒を加えてペースト状にしたペースト状ガラスをディスペンサーで略四角形状となるように塗布する。続けて、第２接合ガラス３２の材料に溶媒を加えてペースト状にしたペースト状ガラスを、例えば第１接合ガラス３１となるペースト状ガラスを囲みつつ、全体で一つの円となるように金属ステム１０の一面１０ａ上にディスペンサーで塗布する。
【００３１】
そして、例えば四角形状とされたセンサチップ４０をその外郭と略四角形状とされた第１接合ガラス３１となるペースト状ガラスの外郭とが重なるように配置する。その後、例えば、加熱炉にて４４０℃で１０分間の加熱を行い、第１接合ガラス３１および第２接合ガラス３２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３に示すようにセンサチップ４０を接合することができる。
【００３２】
なお、上記ではハウジング２０に固定される前の金属ステム１０に接合ガラス３０の材料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に接合ガラス３０の材料を塗布してもよい。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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、圧力センサにおける金属ステム１０、第１接合ガラス３１、第２接合ガラス３２およびセンサチップ４０の熱膨張係数について、具体的に述べる。
【００４４】
例えば、ＳＵＳ４３０により構成された金属ステム１０の熱膨張係数は、２０℃〜３００℃の範囲内において１１０×１０−７／℃程度である。また、例えば、主にシリコンからなるセンサチップ４０の熱膨張係数は、２０℃〜３００℃の範囲内において３０×１０−７／℃程度である。
【００４５】
また、本実施形態では、第１接合ガラス３１および第２接合ガラス３２の熱膨張係数は、センサチップ４０の熱膨張係数以上、かつ金属ステム１０の熱膨張係数以下とされている。より具体的には、第１接合ガラス３１の熱膨張係数については、第２接合ガラス３２の熱膨張係数よりも大きく、第２接合ガラス３２に比べて金属ステム１０の熱膨張係数に近い数値とされていることが好ましい。このような第１接合ガラス３１の熱膨張係数としては、例えば２０℃〜３００℃の範囲内において５５×１０−７〜６５×１０−７／℃程度が挙げられる。また、第２接合ガラス３２の熱膨張係数については、第１接合ガラス３１に比べてセンサチップ４０の熱膨張係数に近い数値、例えば２０℃〜３００℃の範囲内において３０×１０−７〜４０×１０−７／℃程度とされることが好ましい。
【００４６】
なお、第１接合ガラス３１および第２接合ガラス３２の熱膨張係数については、上記のような大小関係とされていればよく、上記の具体的な数値範囲に限定されるものではない。また、第１接合ガラス３１および第２接合ガラス３２の厚みをセンサチップ４０の厚みに対応して変更した場合であっても、２つの接合ガラスの熱膨張係数を上記の大小関係となるように適宜調整すればよい。また、第１接合ガラス３１および第２接合ガラス３２を上記のように調整する理由については、次に説明する第１接合ガラス３１、第２接合ガラス３２およびセンサチップ４０の配置関係にて述べる。
【００４７】
次に、圧力センサにおける第１接合ガラス３１、第２接合ガラス３２およびセンサチップ４０の配置関係およびこれによる効果について、図２、図３を参照して具体的に述べる。
【００４８】
本実施形態では、図２もしくは図３に示すように、金属ステム１０の一面１０ａ上のうち図３に二点鎖線で示したセンサチップ４０の下部領域に、一面法線方向から見てセンサチップ４０と同じ面積とされた第１接合ガラス３１が配置されている。第２接合ガラス３２は、一面法線方向から見て、四角形状とされた第１接合ガラス３１の四辺に接して配置されている。具体的には、４つの円弧形状とされた第２接合ガラス３２は、図３に示すように、四角形状とされた第１接合ガラス３１の四辺に接して１つずつ配置されている。つまり、第２接合ガラス３２は、４つの第２接合ガラス３２の円弧部分を繋ぐと、四角形状とされたセンサチップ４０の角部すべてを通る外接円となるように配置されている。
【００４９】
言い換えると、センサチップ４０は、本実施形態では、一面法線方向から見て、センサチップ４０の外縁部が、第１接合ガラス３１と第２接合ガラス３２とが接合された界面である接合界面３３とすべて重なるように配置されている。
【００５０】
なお、ここでいう「センサチップ４０の外縁部が接合界面３３と重なっている」とは、一面法線方向から見て、これらが完全に重なっている状態のみを意味するのではない。すなわち、部材の加工等による寸法誤差や工程による誤差などの不可避の誤差要因によって、センサチップ４０の外縁部と接合界面３３との間に位置ズレが生じている状態をも含む意味である。
【００５１】
次に、上記のような熱膨張係数とされた第１接合ガラス３１、第２接合ガラス３２およびセンサチップ４０をこのような配置関係とする理由について説明する。
【００５２】
従来より、金属ステム上に１つの接合ガラスを介して１つのセンサチップが接合された圧力センサが知られており、当該１つの接合ガラスの熱膨張係数を所定の範囲内に制御することにより接合の信頼性を高めていた。具体的には、例えばＳＵＳ４３０からなる金属ステムと主にシリコンからなるセンサチップとを接合ガラスにより接合すると共に、接合ガラスの熱膨張係数を両者の熱膨張係数の間となるように調整していた。これにより、例えば冷熱サイクルにおける金属ステムとセンサチップとの熱膨張・収縮における応力を接合ガラスにより緩和することができ、接合ガラスやセンサチップの割れ亀裂の発生などを抑制でき、接合の信頼性の高い圧力センサとなる。
【００５３】
ここで、近年、圧力センサの高感度化、軽量化、小型化などの要求が高まっており、接合ガラスやセンサチップの薄肉化が検討されている。しかし、本発明者らが、金属ステム上に薄肉化した接合ガラスを介して加工限界近くまで薄肉化したセンサチップの接合を試みたところ、ガラス接合時に発生する熱応力にセンサチップが耐えられず、センサチップに割れ亀裂が発生することが判明した。また、特許文献１の接合ガラスを用いると、少なくとも３つの熱膨張係数の異なるガラスを積層方向にて一体化する必要がある。そのため、接合ガラスの厚みが厚くなってしまい、金属ステムに形成されたダイヤフラムの歪みの伝達効率が下がってしまうため、高感度化が難しい。
【００５４】
そこで、本発明者らは、鋭意検討の結果、１つの接合ガラスを用いてセンサチップを金属ステムに接合しつつ、これと異なる熱膨張係数を有する他の接合ガラスを当該１つの接合ガラスを囲む配置とすることで、薄肉化と接合信頼性とを両立できることを見出した。
【００５５】
具体的には、１つの接合ガラスでセンサチップを金属ステムに接合する場合、当該接合ガラスによるセンサチップの接合工程において当該接合ガラスに熱応力が生じる。このとき、接合ガラスの熱応力は、動きシロの少ない中心部分よりも動きシロの多い外郭領域のほうが大きくなる。そこで、センサチップ４０を金属ステム１０上に接合する第１接合ガラス３１よりも熱膨張係数の小さい第２接合ガラス３２を第１接合ガラス３１に接しつつ、これを囲むように配置する。これにより、第１接合ガラス３１のうち外郭領域が第２接合ガラス３２によりその動きが制限されるため、第１接合ガラス３１のうち外郭領域における熱応力を緩和でき、センサチップ４０にかかるせん断応力を緩和できると考えられる。また、第１接合ガラス３１の熱膨張係数を第２接合ガラス３２よりも金属ステム１０寄りの値に調整することにより、第１接合ガラス３１と金属ステム１０との間の剥離を抑制できる。そのため、センサチップ４０を加工限界近くまで薄肉化しつつも、第１接合ガラス３１による応力によるセンサチップ４０の割れ亀裂を抑制でき、接合の信頼性の高い圧力センサとなる。
【００５６】
このような理由により、本実施形態では、第１接合ガラス３１、第２接合ガラス３２およびセンサチップ４０の配置関係は、上記のようなものとされている。また、第１接合ガラス３１の一面法線方向から見た面積（以下単に「面積」という）については、第１接合ガラス３１の外郭領域がセンサチップ４０の外縁部とすべて重なるように配置されているため、本実施形態では、センサチップ４０の面積と同じになっている。また、第２接合ガラス３２の面積については、第１接合ガラス３１の熱応力を緩和することができればよいため、任意である。
【実施例】
【００５７】
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。
【００５８】
図４は、熱膨張係数の異なる第１接合ガラス３１と第２接合ガラス３２とにより接合ガラス３０が構成とされた複数の実施例と１つの熱膨張係数の材料により接合ガラス３０が構成された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、第１接合ガラス３１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、１６０℃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。
【００５９】
なお、図４中に接合ガラス３０やセンサチップ４０の剥離・割れ亀裂の有無について示してある。ここで、割れ亀裂が「なし」とは、目視確認において割れや亀裂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。「部材の厚さ」とは、センサチップ４０、第１接合ガラス３１もしくは第２接合ガラス３２の一面法線方向における厚みをいう。比較例１〜６における第２接合ガラスの熱膨張係数の欄における「−」とは、各比較例では全体で１つの同一の熱膨張係数のガラスにより接合ガラス３０を構成し、その熱膨張係数を第１接合ガラスの欄に記載したため、数値を省略したものである。また、第１接合ガラス３１および第２接合ガラス３２の熱膨張係数は、２０℃〜３００℃の範囲内における数値を示している。
【００６０】
また、図４に示した各実施例および各比較例では、４．２ｍｍ角サイズとしたセンサチップ４０を用いた。図４に示した各実施例では、金属ステム１０、第１接合ガラス３１、第２接合ガラス３２およびセンサチップ４０を図２もしくは図３に示す配置とした。すなわち、各実施例では、第１接合ガラス３１が、センサチップ４０と同じく４．２ｍｍ角サイズとされ、一面法線方向から見て、第１接合ガラス３１の外郭線がセンサチップ４０の外縁部とすべて重なるように配置されている。また、各実施例では、第２接合ガラス３２が、一面法線方向から見て、第１接合ガラス３１を囲みつつ、第１接合ガラス３１と第２接合ガラス３２とでセンサチップ４０の４つの角すべてを通る一つの外接円となるように配置されている。一方、各比較例では、センサチップ４０がこれと同じ面積の第１接合ガラス３１で接合しただけのものとされており、各実施例のように第２接合ガラス３２が形成されていない。
【００６１】
図４に示すように、熱膨張係数の異なる第１接合ガラス３１と第２接合ガラス３２とにより接合ガラス３０が構成された実施例１〜２１では、接合ガラス３０での割れ亀裂や接合ガラス３０と金属ステム１０もしくはセンサチップ４０との間の剥離が発生しなかった。
【００６２】
具体的には、実施例１〜９では、センサチップ４０の厚みが９０μｍとされている。そして、実施例１〜９では、第１接合ガラス３１の熱膨張係数については金属ステム１０寄りの５５×１０−７〜６５×１０−７／℃とされ、第２接合ガラス３２の熱膨張係数についてセンサチップ４０寄りの３０×１０−７〜４０×１０−７／℃とされている。また、実施例１〜９では、第１接合ガラス３１および第２接合ガラス３２の厚みが３００μｍから２００μｍまで段階的に薄くされている。このような実施例１〜９については、冷熱サイクル試験後であっても金属ステム１０からセンサチップ４０までの間での剥離や割れ亀裂が発生しなかった。
【００６３】
また、実施例１０〜２１では、センサチップ４０の厚みが５０μｍへとさらに薄くされている。そして、実施例１０〜２１では、第１接合ガラス３１の熱膨張係数については金属ステム１０寄りの５５×１０−７〜６５×１０−７／℃とされ、第２接合ガラス３２の熱膨張係数についてはセンサチップ４０寄りの３０×１０−７〜４０×１０−７／℃とされている。また、実施例１０〜２１では、第１接合ガラス３１および第２接合ガラス３２の厚みが１５０μｍから５０μｍまで段階的に薄くされている。このような実施例１０〜２１についても、冷熱サイクル試験後であっても金属ステム１０からセンサチップ４０までの間での剥離や割れ亀裂が発生しなかった。
【００６４】
これらの結果は、センサチップ４０を金属ステム１０寄りの熱膨張係数を有する第１接合ガラス３１で接合しつつ、第１接合ガラス３１をセンサチップ４０寄りの熱膨張係数を有する第２接合ガラス３２で囲むことで、接合の信頼性が高くなることを示している。
【００６５】
これに対して、１つの熱膨張係数の材料により接合ガラス３０が構成された比較例１〜６については、いずれも接合ガラス３０での割れ亀裂または接合ガラス３０と金属ステム１０もしくはセンサチップ４０との間で剥離が発生した。
【００６６】
具体的には、比較例１、２のように接合ガラス３０の熱膨張係数をセンサチップ４０寄りの３０×１０−７／℃に調整した場合、金属ステム１０と接合ガラス３０との間で剥離が発生した。これは、金属ステム１０とセンサチップ４０に接合されている接合ガラス３０との間の熱膨張係数差が大きく、当該界面に生じる熱応力に接合ガラス３０が追従できなかったためであると考えられる。
【００６７】
比較例３、４のように接合ガラス３０の熱膨張係数をセンサチップ４０からやや金属ステム１０寄りの５０×１０−７／℃に調整した場合、接合ガラス３０に亀裂が生じた。これは、接合ガラス３０と金属ステム１０もしくはセンサチップ４０との間の熱膨張係数差が緩和され、これらの界面における剥離が抑制されるものの、接合ガラス３０が熱応力により自身に生じるせん断応力に耐えきれなかったためであると考えられる。
【００６８】
比較例５、６のように接合ガラス３０の熱膨張係数を金属ステム１０寄りの６５×１０−７／℃に調整した場合、接合ガラス３０とセンサチップ４０との間で剥離が発生した。これは、センサチップ４０と金属ステム１０に接合されている接合ガラス３０との間の熱膨張係数差が大きく、当該界面に生じる熱応力に接合ガラスが追従できなかったためであると考えられる。
【００６９】
すなわち、図４に示した各比較例の結果は、薄肉化したセンサチップを１つの接合ガラスで接合しただけの場合、接合ガラスと金属ステムもしくはセンサチップとの界面または接合ガラスの層内に生じる熱応力の制御による信頼性確保が困難であることを示している。
【００７０】
このようにセンサチップ４０を金属ステム１０寄りの熱膨張係数を有する第１接合ガラス３１で接合しつつ、第１接合ガラス３１をセンサチップ４０寄りの熱膨張係数を有する第２接合ガラス３２で囲む構造を備える圧力センサとする。これにより、薄肉化された接合ガラス３０およびセンサチップ４０を用いた場合であっても、金属ステム１０からセンサチップ４０までの間の接合の信頼性の高い圧力センサとなる。
【００７１】
また、接合ガラス３０が薄肉化されることにより、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ことが可能となるため、高感度の圧力センサとなる。加えて、接合ガラス３０およびセンサチップ４０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。
【００７２】
（第２実施形態）
第２実施形態の圧力センサについて、図５、図６を参照して説明する。本実施形態の圧力センサは、図５に示すように、第１接合ガラス３１、第２接合ガラス３２およびセンサチップ４０の配置を変更した点で、上記第１実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点を主に説明する。
【００７３】
第１接合ガラス３１は、本実施形態では、一面法線方向から見て、図５に示すように四角形状とされたセンサチップ４０の外縁部のうち角部のすべてを通る外接円の形状とされている。そして、第２接合ガラス３２は、本実施形態では、一面法線方向から見て、図５に示すように第１接合ガラス３１の外郭領域すべてに接しつつ、これを囲む枠体円形状とされている。
【００７４】
すなわち、センサチップ４０は、図５に示すように、一面法線方向から見て、二点鎖線で示したセンサチップ４０の外縁部のうち角部のすべてが接合界面３３と重なるように配置されている。そのため、センサチップ４０の対角線上における断面構成については、上記第１実施形態の図２と同じとなるが、図５の一点鎖線ＶＩ−ＶＩ間の断面構成については図６に示すように、第１接合ガラス３１がセンサチップ４０の外縁部から外側にはみ出すこととなる。
【００７５】
なお、センサチップ４０は、一面法線方向から見て、その角部のすべてが接合界面３３と重なるように配置されることが好ましく、上記第１実施形態のように、その外縁部がすべて接合界面３３と重なるように配置されることがより好ましい。上記第１実施形態で説明したのと同様に、第１接合ガラス３１の外郭領域においてセンサチップ４０にかかるせん断応力を緩和できるためである。
【００７６】
また、センサチップ４０は、一面法線方向から見て、第１接合ガラス３１の外郭領域内に収まるように配置されることが好ましい。センサチップ４０が第２接合ガラス３２上にはみ出すように配置されると、センサチップ４０のうち接合界面３３上の領域にて第１接合ガラス３１と第２接合ガラス３２との熱膨張係数差による熱応力差が生じ、割れ亀裂等の不具合が生じ得るためである。
【００７７】
このようにセンサチップ４０が例えば四角形状とされている場合において、その角部のすべてを第１接合ガラス３１と第２接合ガラス３２との接合界面３３上に配置する。これにより、センサチップ４０の割れ亀裂が発生しやすいと思われる角部が、第２接合ガラス３２により第１接合ガラス３１の熱応力が緩和された外郭領域に配置されることとなる。その結果、センサチップ４０にかかる第１接合ガラス３１による熱応力やせん断応力が緩和され、金属ステム１０からセンサチップ４０までの間における接合の信頼性の高い圧力センサとなる。また、上記第１実施形態と同様の理由により第１接合ガラス３１、第２接合ガラス３２およびセンサチップ４０を薄肉化できるため、高感度化、小型化、軽量化された圧力センサとなる。
【００７８】
（他の実施形態）
なお、上記した第１実施形態に示した圧力センサは、本発明の圧力センサの一例を示したものであり、上記の第１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。
【００７９】
例えば、上記各実施形態では、センサチップ４０を四角形状とした例について述べたが、センサチップ４０は、四角形状に限らず、多角形状や円形状、楕円形状にされていてもよく、他の形状とされていてもよい。
【００８０】
この場合、第１接合ガラス３１については、一面法線方向から見てセンサチップ４０と同じ形状とされていてもよく、センサチップ４０の外接円形状、外接楕円形状などの形状とされていてもよい。第２接合ガラス３２については、第１接合ガラス３１およびセンサチップ４０の形状に合わせて任意の形状とされる。例えば、センサチップ４０が正方形状とされ、第１接合ガラス３１がこれと同じ面積の正方形状とされている場合には、図７に示すように第１接合ガラス３１を囲む枠体正方形状とされていてもよい。また、センサチップ４０が長方形状とされ、第１接合ガラス３１がこれと同じ面積の長方形状とされている場合には、図８に示すように第１接合ガラス３１を囲む枠体長方形状とされていてもよい。
【００８１】
また、第２接合ガラス３２は、第１接合ガラス３１の外郭領域を囲むように配置されていればよいため、第２接合ガラス３２の外郭領域のうち第１接合ガラス３１の反対側の外郭については、任意の形状とされていてよい。すなわち、第２接合ガラス３２は、枠体矩形状、枠体円形状や枠体楕円状などに限られず、その他の形状にされていてもよい。
【符号の説明】
【００８２】
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  第１接合ガラス
３２  第２接合ガラス
３３  接合界面
４０  センサチップ
４１  歪検出部
７０  コネクタ
【図１】
2018096910.tif 000003
【図２】
2018096910.tif 000004
【図３】
2018096910.tif 000005
【図４】
2018096910.tif 000006
【図５】
2018096910.tif 000007
【図６】
2018096910.tif 000008
【図７】
2018096910.tif 000009
【図８】
2018096910.tif 000010