(57)【要約】 【課題】  ダイアフラムの変形を防止することが可能な圧力センサとその製造方法を提供する。【解決手段】  ベース材１１には、センサ素子が設けられる。前記ベース材に設けられ、ハウジング１５は、開口部１５aを有する。ダイアフラム１６は、ハウジング１５の開口部１５aを覆う。絶縁性の液体１８は、ハウジング１５の内部に充填される。ダイアフラム１６は、ハウジング１５に接合される接合部１６aと、接合部１６aの内側で、接合部１６aの厚みより薄い本体部１６ｂを具備する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ素子が設けられるベース材と、
前記ベース材に設けられ、開口部を有するハウジングと、
前記ハウジングの前記開口部を覆うダイアフラムと、
前記ハウジングの内部に充填された絶縁性の液体と、
を具備し、
前記ダイアフラムは、前記ハウジングに接合される接合部と、前記接合部の内側で、前記接合部の厚みより薄い本体部と、
を具備する圧力センサ。
【請求項２】
前記本体部の厚みは、２０〜３０μｍである請求項１記載の圧力センサ。
【請求項３】
センサ素子が配置されたベース材、接合部と前記接合部の内側で、前記接合部の厚みより薄い本体部とを有するダイアフラム、及び開口部を有するハウジングを準備し、
前記ハウジングに前記ダイアフラムの前記接合部を載置し、前記ダイアフラムにより前記開口部を覆い、
前記ダイアフラムの前記接合部を前記ハウジングに溶接すること、
を具備する圧力センサの製造方法。
【請求項４】
前記ダイアフラムの前記接合部を前記ハウジングに溶接した後、前記ベース材に前記ハウジングを設け、
前記ハウジングの内部に絶縁性の液体を充填すること、
をさらに具備する請求項３記載の圧力センサの製造方法。
【請求項５】
前記ダイアフラムにより前記開口部を覆う前に、前記ベース材に前記ハウジングを設け、
前記ダイアフラムの前記接合部を前記ハウジングに溶接した後、前記ハウジングの内部に絶縁性の液体を充填すること、
をさらに具備する請求項３記載の圧力センサの製造方法。
【請求項６】
前記ダイアフラムの前記本体部は、エッチングにより形成される請求項４又は５記載の圧力センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、例えば気体や液体の圧力を検出する圧力センサとその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧力センサは、例えばダイアフラムを有するハウジングがセンサチップを有するベース材に接合され、ハウジングの内部が絶縁性の液体で充填される（例えば特許文献１、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１２２９９７号公報
【特許文献２】特許第３３７０５９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記圧力センサにおいて、ダイアフラムはハウジングに固定される。固定方法としては、例えば溶接が用いられる。一般に、ダイアフラムは、極薄い金属材料により形成されるため、溶接の熱によりダイアフラムが変形する可能性がある。ダイアフラムが変形した場合、圧力センサの感度が低下する。このため、ダイアフラムの変形を防止することが望まれている。
【０００５】
本発明の実施形態は、ダイアフラムの変形を防止することが可能な圧力センサとその製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本実施形態の圧力センサは、センサ素子が設けられるベース材と、前記ベース材に設けられ、開口部を有するハウジングと、前記ハウジングの前記開口部を覆うダイアフラムと、前記ハウジングの内部に充填された絶縁性の液体と、を具備し、前記ダイアフラムは、前記ハウジングに接合される接合部と、前記接合部の内側で、前記接合部の厚みより薄い本体部と、を具備する。
【０００７】
本実施形態の圧力センサの製造方法は、センサ素子が配置されたベース材、接合部と前記接合部の内側で、前記接合部の厚みより薄い本体部とを有するダイアフラム、及び開口部を有するハウジングを準備し、前記ハウジングに前記ダイアフラムの前記接合部を載置し、前記ダイアフラムにより前記開口部を覆い、前記ダイアフラムの前記接合部を前記ハウジングに溶接すること、を具備する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施形態に係る圧力センサを示す平面図。
【図２】図１に示す圧力センサを示す底面図。
【図３】図１に示す圧力センサを示す分解斜視図。
【図４】図１のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図。
【図５】図１のＶ−Ｖ線に沿った断面図。
【図６】本実施形態に適用されるセンサ素子の一例を示す回路図。
【図７】本実施形態の製造方法の一例を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。図面において、同一部分には同一符号を付している。
【００１０】
図１乃至図５は本実施形態に係る圧力センサ１０を示している。
【００１１】
図１乃至図３に示すように、圧力センサ１０は、ヘッダーと称するベース材１１、センサチップ１２、複数の端子１３ａ−１３ｆ、調整部材１４、ハウジング１５、ダイアフラム１６などを具備している。
【００１２】
センサチップ１２、複数の端子１３ａ−１３ｆ及び調整部材１４は、ベース材１１に設けられ、ハウジング１５は、ベース材１１に取着される。ダイアフラム１６は、ハウジング１５に取着される。
【００１３】
ベース材１１は、金属材料、例えば鉄、ニッケル、コバルト等の合金により構成され、例えば導電性を高めるため、金メッキが施されている。しかし、これに限らず、ステンレススチールなどにより構成することも可能である。
【００１４】
図３、図４に示すように、ベース材１１は、第１の直径Ｄ１を有する円形の保持部１１ａと、保持部１１ａの周囲に設けられ、第１の直径Ｄ１より大きな第２の直径Ｄ２を有する円形の第１のフランジ１１ｂを具備している。
【００１５】
ベース材１１は、保持部１１ａの表面から裏面に貫通する第１の開口部１１ｃと注入口１１ｄを有している。第１の開口部１１ｃは、保持部１１ａのほぼ中央部に設けられ、注入口１１ｄは、第１の開口部１１ｃの近傍に設けられている。
【００１６】
ベース材１１の底部には、第１の開口部１１ｃに連通したパイプ１７が設けられ、パイプ１７、第１の開口部１１ｃを介して大気が保持部１１ａの表面に導入される。
【００１７】
注入口１１ｄは、圧力センサ１０の内部に絶縁性の液体、例えばシリコンオイル１８を充填するために用いられる。シリコンオイル１８を充填した後、注入口１１ｄは、金属製の球１９により封止される。球１９は、例えばベース材１１と同一の金属材料により形成され、溶接によりベース材１１の底面に接合される。
【００１８】
図２、図５に示すように、第１の開口部１１ｃの周囲のベース材１１には、導電性金属により構成された複数の端子１３ａ−１３ｆが保持される。端子１３ａ−１３ｆの一端は保持部１１ａの表面より上方の位置されている。
【００１９】
端子１３ａ−１３ｆとベース材１１との間には、絶縁材としての例えばガラス２０が充填されている。端子１３ａ−１３ｆは、ガラス２０によりベース材１１から絶縁されるとともに、ガラス２０によりベース材１１と端子１３ａ−１３ｆとの間の隙間が密閉される。
【００２０】
図３乃至図５に示すように、ベース材１１の第１のフランジ１１ｂの表面上には、プロジェクション溶接に使用される突起１１ｅが第１のフランジ１１ｂと一体的に設けられている。突起１１ｅは、断面が例えば三角形であり、保持部１１ａの周囲から所定間隔離間され、第１のフランジ１１ｂの全周囲に亘って設けられている。
【００２１】
突起１１ｅは、必ずしも第１のフランジ１１ｂに設けられる必要はなく、後述するハウジング１５の第２のフランジ１５ｂに設けられていてもよい。
【００２２】
図４、図５に示すように、保持部１１ａの中央部には、例えばガラス製の台座２１が設けられている。台座２１には、第１の開口部１１ｃと連通する透孔２１ａが設けられ、透孔２１ａを介して大気が導入される。
【００２３】
台座２１の上には、センサチップ１２が設けられ、台座２１の透孔２１ａ（第１の開口部１１ｃ）がセンサチップ１２により封止される。センサチップ１２は、例えばシリコン基板により構成され、図３に示すように、裏面に凹部１２ａが設けられている。このため、センサチップ１２は、凹部１２ａに対応する部分が薄くされ、薄い領域は、ダイアフラムとして機能する。センサチップ１２の表面、すなわち、ダイアフラムの表面には、複数のセンサ素子により構成されたブリッジ回路、例えばホイートストンブリッジ回路が設けられている。
【００２４】
図６は、本実施形態に適用されるホイートストンブリッジ回路の一例を示している。
【００２５】
センサ素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、例えばピエゾ抵抗であり、シリコン基板上に、例えば熱拡散により形成される。温度補償抵抗ＲＴ１、ＲＴ２は、シリコン基板上に形成された例えば厚膜抵抗である。
【００２６】
ブリッジ回路の構成は、これに限定されるものではなく、変形可能である。
【００２７】
また、センサ素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、シリコン基板上に熱拡散により形成されたピエゾ抵抗に限定されるものではなく、シリコン基板上に形成された例えばクロム（Ｃｒ）および窒素（Ｎ）を含む薄膜抵抗であってもよい。
【００２８】
図４、図５に示すように、センサチップ１２上のセンサ素子としてのピエゾ抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４や温度補償抵抗ＲＴ１、ＲＴ２は、ボンディングワイヤ２２により、端子１３ａ−１３ｆに接続される。
【００２９】
図３乃至図５に示すように、保持部１１ａの上には、調整部材１４が設けられる。調整部材１４は、絶縁体、例えばセラミックにより形成されている。調整部材１４は、圧力センサ１０の内部に収容されるシリコンオイル１８の量を調整する機能を有している。このため、調整部材１４は、センサチップ１２や端子１３ａ−１３ｆの間の空間を可能な限り埋めるような形状の開口部１４ａを有するとともに、圧力センサ１０の内部において、可能な限り大きな体積を有するように、その厚みが定められている。
【００３０】
さらに、調整部材１４は、ベース材１１の中心とハウジング１５の中心とを一致させる機能と、後述するハウジング１５の第２の開口部１５ａの内面を保持部１１ａの周囲から分離させる機能を有している。このため、調整部材１４の第３の直径Ｄ３は、図４に示すように、保持部１１ａの第１の直径Ｄ１より大きく、第１のフランジ１１ｂの第２の直径Ｄ２より小さい。
【００３１】
調整部材１４は、図示せぬ冶具を用いてベース材１１に装着される。このため、調整部材１４の中心は、ベース材１１の中心に一致される。調整部材１４は、例えば接着剤を用いて保持部１１ａに固定される。調整部材１４の固定方法は、接着に限定されるものではない。
【００３２】
ハウジング１５は、ほぼ筒状であり、第２の開口部１５ａ、及び第２のフランジ１５ｂを有している。ハウジング１５は、例えばベース材１１と同一の金属材料により形成されるが、別の金属材料により形成してもよい。
【００３３】
図４に示すように、第２の開口部１５ａの内径は、調整部材１４の直径（第３の直径）Ｄ３とほぼ等しくされている。
【００３４】
第２のフランジ１５ｂは、筒状のハウジング１５の長手方向の一端部（下部）に設けられ、ベース材１１の第１のフランジ１１ｂと平行に設けられている。
【００３５】
ハウジング１５をベース材１１に装着した状態において、ハウジング１５の第２の開口部１５ａの内面は、調整部材１４の周囲に接触する。このため、ハウジング１５の中心は、ベース材１１、及び調整部材１４の中心と一致され、ハウジング１５の長手方向の一端部は、ベース材１１の保持部１１ａの周囲から距離（Ｄ３−Ｄ１）／２だけ離れている。
【００３６】
ハウジング１５は、ベース材１１に装着された状態において、第２のフランジ１５ｂの図示する下面が、ベース材１１の第１のフランジ１１ｂの上に設けられた突起１１ｅの先端に接触される。この状態において、ベース材１１とハウジング１５とが、例えばプロジェクション溶接により接合される。
【００３７】
ハウジング１５の第２の開口部１５ａは、ダイアフラム１６により密閉される。ダイアフラム１６は、例えば金属材料、例えばステンレススチールにより構成されている。
【００３８】
ダイアフラム１６は、ハウジング１５の長手方向の他端部（上部）に接合される接合部１６aを有し、接合部１６aより内側に、本体部１６ｂを有している。本体部１６ｂは、同心円状の蛇腹構造１６ｃを有している。しかし、蛇腹構造１６ｃは、必ずしも必要ではなく、本体部１６ｂは、扁平な形状であってもよい。
【００３９】
本体部１６ｂは、金属材料をエッチングすることにより形成される。図５の拡大部に示すように、金属材料の厚み、すなわち、接合部１６aの厚みＴ１は、例えば５０μｍであり、本体部１６ｂの厚みＴ２は、２０〜３０μｍとされている。
【００４０】
具体的には、先ず、金属材料の接合部１６aに対応する部分がマスク材料によりマスクされる。蛇腹構造１６ｃを形成する場合、例えば金属材料の本体部１６ｂに対応する部分に蛇腹構造１６ｃに対応するマスクが形成される。この後、これらマスクを用いて、本体部１６ｂが薬液により、ウェットエッチングされる。
【００４１】
蛇腹構造１６ｃの形成方法は、これに限定されるものではなく、扁平な本体部１６ｂをエッチングより形成した後、プレス加工により蛇腹構造１６ｃを形成することも可能である。
【００４２】
このようにして形成されたダイアフラム１６は、例えばレーザ光を用いたシーム溶接により、接合部１６aの周囲がハウジング１５の上面に接合される。図５の拡大部に示す矢印Ａは、溶接位置を示している。このように、接合部１６aとハウジング１５の境界部が溶接される。
【００４３】
図７は、本実施形態に係る圧力センサの製造方法の一例を示している。
【００４４】
先ず、上述した構成のベース材１１、センサチップ１２、調整部材１４、ハウジング１５、ダイアフラム１６を準備する（Ｓ１１）。ベース材１１は、複数の端子１３ａ−１３ｆ、パイプ１７、ガラス２０、台座２１を具備していてもよい。
【００４５】
次に、センサチップ１２が保持部１１ａ上の台座２１に取着され、第１の開口部１１ｃがセンサチップ１２により密閉される（Ｓ１２）。
【００４６】
センサチップ１２は、台座２１に予め配置されていてもよく、センサチップ１２が配置された台座２１を保持部１１ａ上に取着してもよい。
【００４７】
この後、保持部１１ａ上に調整部材１４が設けられる（Ｓ１３）。調整部材１４は、図示せぬ冶具を用いて、調整部材１４の中心とベース材１１の中心とが一致され、調整部材１４の周囲が保持部１１ａの周囲と第１のフランジ１１ｂの周囲との間に位置される。この状態において、センサチップ１２上のセンサ素子は、ボンディングワイヤ２２により端子１３ａ−１３ｆに接続される。
【００４８】
この後、ハウジング１５にダイアフラム１６が取着され、例えばレーザ光を用いたシーム溶接により、ダイアフラム１６の接合部１６aとハウジング１５が溶接され、ダイアフラム１６の全周がハウジング１５に接合される。これにより、ハウジング１５の第２の開口部１５ａがダイアフラム１６により密閉される（Ｓ１４）。
【００４９】
次いで、ハウジング１５の第２の開口部１５ａの内面を調整部材１４の周面に接触させて、ハウジング１５をベース材１１に装着する（Ｓ１５）。ハウジング１５は、ベース材１１に装着された状態において、第２のフランジ１５ｂの図示する下面が、ベース材１１の第１のフランジ１１ｂの上に設けられた突起１１ｅの先端に接触される。
【００５０】
この状態において、ベース材１１とハウジング１５との間に電圧を印加すると、突起１１ｅと第２のフランジ１５ｂ間に電流が流れてジュール熱が発生し、突起１１ｅが溶融することにより、ベース材１１とハウジング１５とが接合される（Ｓ１６）。すなわち、ベース材１１とハウジング１５の全周が接合される。
【００５１】
次いで、ベース材１１の注入口１１ｄから、ハウジング１５の内部にシリコンオイル１８が充填され（Ｓ１７）、注入口１１ｄに金属製の球１９が溶接されることにより、注入口１１ｄが球１９により封止される（Ｓ１８）。
【００５２】
尚、上記工程において、ダイアフラム１６をハウジング１５に溶接した後、ハウジング１５をベース材１１に溶接した。しかし、これに限らず、ハウジング１５をベース材１１に溶接した後、ダイアフラム１６をハウジング１５に溶接してもよい。
（実施形態の効果）
上記実施形態によれば、ベース材１１の保持部１１ａの上に調整部材１４を設け、調整部材１４の周囲は、保持部１１ａの周囲と第１のフランジ１１ｂの周囲との間に位置され、ハウジング１５をベース材１１に装着するとき、金属製のハウジング１５の第２の開口部１５ａの内面が絶縁性の調整部材１４の周面に接触されている。このため、ハウジング１５の第２の開口部１５ａの内面は、金属製の保持部１１ａの周囲から一定の間隔だけ隔てられ、接触していない。したがって、ハウジング１５とベース材１１との間に電圧を印加した場合、第１のフランジ１１ｂに設けられた突起１１ｅの先端とハウジング１５の第２のフランジ１５ｂとの間に電流が集中し、他の部分には電流が流れないため、ハウジング１５とベース材１１を突起１１ｅの位置で確実に溶接することができる。よって、溶接の信頼性を向上することができ、ハウジング１５内のシリコンオイル１８がハウジング１５の外部に漏れることを防止できる。
【００５３】
尚、ベース材１１とハウジング１５の接合は、突起１１ｅを用いたプロジェクション溶接に限定されるものではなく、例えばレーザ光を用いたシーム溶接を適用することも可能である。シーム溶接を行う場合においても、ベース材１１とハウジング１５の中心が一致していることにより、ベース材１１とハウジング１５を確実に接合でき、液漏れを防止することが可能である。
【００５４】
さらに、ダイアフラム１６の本体部１６ｂは、金属材料をエッチングすることにより形成されている。このため、ダイアフラム１６の厚みを２０〜３０μｍまで薄くすることができ、圧力センサの感度を向上させることが可能である。
【００５５】
しかも、ダイアフラム１６は、本体部１６ｂの周囲に接合部１６aを有し、接合部１６aの厚みは本体部１６ｂの厚みより厚くされ、接合部１６aが溶接によりハウジング１５に接合される。したがって、溶接時に発生する熱は、熱容量が本体部１６ｂより大きい接合部１６aにより殆んど吸収されるため、極薄い本体部１６ｂが変形することを防止することができ、圧力センサ１０の感度が低下することを防止できる。
【００５６】
尚、上記実施形態において、ベース材１１、調整部材１４、ハウジング１５、ダイアフラム１６は、円形に限定されるものではなく、四角形であってもよい。これらの形状が四角形であっても、円形の場合のように、調整部材１４を用いてベース材１１とハウジング１５の中心位置を一致させることが可能である。
【００５７】
さらに、調整部材１４の外周とハウジング１５の第２の開口部１５ａの内面の形状は、心出しができる形状であればよく、調整部材１４の外周とハウジング１５の第２の開口部１５ａの内面が全て接触する必要はない。例えば調整部材１４の外周とハウジング１５の第２の開口部１５ａの内面の一部が接触していればよい。この場合、点接触であっても、面接触であってもよい。但し、調整部材１４はシリコンオイルの量を減らすことを目的とした部材であるため、調整部材１４の全周がハウジング１５の第２の開口部１５ａの内面に接触する方がより体積を大きく取れるため有利である。
【００５８】
また、上記実施形態は、ゲージ圧(測定対象と大気圧の差圧)を測定する圧力センサについて説明した。しかし、絶対圧を測定する圧力センサである場合、ベース材１１の第１の開口部１１ｃ、パイプ１７、台座２１の透孔２１ａは、省略可能である。
【００５９】
その他、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００６０】
１０…圧力センサ、１１…ベース材、１１ａ…保持部、１１ｂ…第１のフランジ、１１ｃ…第１の開口部、１１ｄ…注入口、１２…センサチップ、１３ａ−１３ｆ…端子、１４…調整部材、１５…ハウジング、１５ａ…第２の開口部、１５ｂ…第２のフランジ、１６…ダイアフラム、１６ａ…接合部、１６ｂ…本体部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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