(57)【要約】【課題】圧力検出器の製造の簡略化を図りつつ圧力の検出精度を向上させる。【解決手段】本発明の圧力検出器１のセンサ部３は、第１の圧力検出用電極８が設けられた基板１５と、この基板１５上の第１の圧力検出用電極８との間でギャップ７を挟んで対向して配置される第２の圧力検出用電極９を備えたダイアフラム２と、基板１５とダイアフラム２との間に介在されているとともに、第１及び第２の圧力検出用電極８、９が互いに対向する領域部分に、内壁面２５ａが膨出した曲率面からなる開口部３７を有する絶縁性セラミックペーストの固化体で構成されたスペーサ層２５とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の圧力検出用電極が設けられた基板と、
前記基板上の前記第１の圧力検出用電極との間に所定の間隙を空けて対向して配置される第２の圧力検出用電極を備えたダイアフラムと、
前記基板と前記ダイアフラムとの間に介在されているとともに、前記第１及び第２の圧力検出用電極が互いに対向する領域部分に、内壁面が膨出した曲率面からなる開口部を有するスペーサ層と、
を具備することを特徴とする圧力検出器。
【請求項２】
請求項１記載の圧力検出器を製造するための製造方法であって、
前記第１の圧力検出用電極の設けられた部位を避けて未焼成の前記基板上に印刷法により前記スペーサ層を形成する工程と、
前記スペーサ層の積層された前記未焼成の基板上の前記第１の圧力検出用電極と前記第２の圧力検出用電極が対向して配置されるように前記スペーサ層上に前記ダイアフラムを積層する工程と、
を有することを特徴とする圧力検出器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力検出器及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
抵抗体を設けたダイアフラムの変形に対応する抵抗値の変化に基づいて、圧力の検出を行う抵抗変化型の圧力検出器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、この他、所定のギャップを挟んで各々対向する一方の電極とダイアフラム上の他方の電極との間の静電容量の変化に基づいて、圧力を検出する静電容量型の圧力検出器なども知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
ここで、後者の静電容量型の圧力検出器における従来の製造方法について図７ａ〜図７ｃに基づき説明する。
図７ａに示すように、例えばグリーンシート６５上において層間接続部（ビア）６１を介して端子部６６と接続された一方の圧力検出用電極５８を備える未焼成の基板（基材）９７に対し、この圧力検出用電極５８を含むその周辺部分を加圧して平坦化するとともに、この平坦化された部位の上に前記グリーンシート６５の焼成温度以下で昇華する昇華材７４を印刷する。
【０００４】
一方、同図７ａに示すように、例えば厚さが２５μｍ程度のグリーンシート９１上において層間接続部（ビア）９２を介して接続される端子部９３側に、シートの亀裂発生防止用の保護テープ９４が貼り付けられ、かつ上記のギャップに対応する矩形状の貫通穴９６を有するシート状部材９０を用意し、このシート状部材９０を基板９７側に重ね合わせる。
【０００５】
次に、図７ｂに示すように、シート状部材９０から保護テープ９４を剥がした後、他方の圧力検出用電極５９が印刷されたグリーンシート６２を、基板９７の上部のシート状部材９０上に位置合せしつつ、それぞれを加圧部材７５、７２を用いて圧着する。
【０００６】
次いで、図７ｃに示すように、互いに圧着された積層体に対しグリーンシートの焼成温度よりも比較的低温の熱処理で昇華材７４を昇華させた後、さらに、各層のグリーンシート６５、６２、９１を焼結させたセラミック層９７、９８、９９を形成するための焼成処理を行う。これにより、ギャップ９５を挟んで各々対向する一方の圧力検出用電極５８とダイアフラム５２が備える他方の圧力検出用電極５９との間の静電容量の変化を検出する静電容量型の圧力検出器（センサ部５３）が製造される。
【特許文献１】特開昭６３−２９２０３２号公報
【特許文献２】特開昭５７−４５３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、このような従来の圧力検出器の製造方法では、次のような課題を抱えている。
すなわち、ギャップ形成のために基板９７上に積層されるグリーンシート９１は、中央部に貫通孔を備え、しかも上述したように厚さが２５μｍ程度の薄い部品となるため、基板側に組み込む際の取り扱いが困難である。
【０００８】
また、従来の製法では、電極間に形成されるギャップの量が、上記したグリーンシート９１の厚さによって設定されることになるため、このシート９１を薄く形成してギャップを狭めることにおのずと限界がある。つまり、貫通孔を備えたシート９１を積層してギャップを形成する従来の製法では、ギャップをより狭まく設定して静電容量の変化量を大きくする、ひいては圧力の検出精度を高めることが難しくなっている。
【０００９】
そこで本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、製造の簡略化を図りつつ圧力の検出精度を向上させることができる圧力検出器及びその製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明に係る圧力検出器は、第１の圧力検出用電極が設けられた基板と、前記基板上の前記第１の圧力検出用電極との間に所定の間隙を空けて対向して配置される第２の圧力検出用電極を備えたダイアフラムと、前記基板と前記ダイアフラムとの間に介在されているとともに、前記第１及び第２の圧力検出用電極が互いに対向する領域部分に、内壁面が膨出した曲率面からなる開口部を有するスペーサ層と、を具備することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の圧力検出器の製造方法は、上述した発明の圧力検出器を製造するための製造方法であって、前記第１の圧力検出用電極の設けられた部位を避けて未焼成の前記基板上に前記スペーサ層を印刷法により形成する工程と、前記スペーサ層の積層された前記未焼成の基板上の前記第１の圧力検出用電極と前記第２の圧力検出用電極が対向して配置されるように前記スペーサ層上に前記ダイアフラムを積層する工程と、を有することを特徴とする。
【００１２】
すなわち、本発明によれば、例えば貫通孔を備えたシートの積層などによらず、印刷法などを用いて形成されるスペーサ層によって、圧力検出のための電極間の間隙（ギャップ）を形成できるので、これにより、ギャップをより狭まく形成して静電容量の変化率を大きくとることが可能となり、圧力の検出感度を高めることができる。また、本発明では、ギャップ形成のための薄いシートを取り扱うことなどが不要なので、製造工程の簡易化を図ることが可能である。
【発明の効果】
【００１３】
したがって、本発明によれば、製造の簡略化を図りつつ圧力の検出精度を向上させることが可能な圧力検出器及びその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づき説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る圧力検出器の構造を示す断面図、図２は、図１の圧力検出器が備えるギャップ部及びその周辺の構造を詳細に示す図である。
図１、図２に示すように、この実施形態の圧力検出器１は、圧力を感知するダイアフラム２を有するセンサ部３と、機器類のメイン基板（マザーボードなど）側に取り付けられるパッケージ部５とから主に構成される分離構造型の圧力センサである。
【００１５】
また、この実施形態の圧力検出器１は、層間接続部（ビア）１１を介して端子部１０及び後述する第１の圧力検出用電極８に接続されたセンサ部３側の端子部１６と、パッケージ部５側の端子部１７とが、錫−アンチモン合金半田からなる接合材１８を介して互いに接合されている。また、接合材１８には、銀エポキシなどの導電性樹脂、鉛−錫合金半田、錫−銀−銅合金半田、Ａｇ−Ｃｕ合金からなるロー材、金−錫合金からなるロー材、又は金−ゲルマニュウム合金からなるロー材を適用してもよい。センサ部３は、第１の圧力検出用（静電容量検出用）電極８が設けられた例えば厚さ０．５ｍｍのセラミック製の基板１５と、基板１５上の第１の圧力検出用電極８との間に所定の間隙を空けて、ギャップ７を挟んで対向して配置される第２の圧力検出用電極９を備えた例えば厚さ４０μｍのダイアフラム２と、基板１５とダイアフラム２との間に介在されているとともに、第１及び第２の圧力検出用電極８、９が互いに対向する領域部分に、内壁面（側壁面）２５ａが膨出した曲率面からなる開口部（空間部）３７を有するスペーサ層２５とを備える。スペーサ層２５が有する開口部３７は、その開口の断面が矩形状であって、基板１５側とダイアフラム２側との両方に開口する貫通穴（当該スペーサ層２５自体をその厚さ方向に貫通する貫通穴）である。
【００１６】
このように構成される本実施形態の圧力検出器１は、基板１５とダイアフラム２との間に密閉空間として形成されたギャップ７を挟んで各々対向する第１の圧力検出用電極８と、圧力が加わった場合に弾性変形するダイアフラム２上の第２の圧力検出用電極９と、の間の静電容量の変化に基づいて、圧力を検出する静電容量型の圧力検出器である。
【００１７】
また、このような圧力検出器１が備える上記基板１５及びダイアフラム２を構成する絶縁層は、アルミナグリーンシート３２、３４を焼成したセラミック層１２、１４によりそれぞれ形成されている。このセラミック層１２、１４の構成材料としては、窒化アルミニウム、窒化ほう素、炭化珪素、窒化珪素、ホウケイ酸系ガラスやホウケイ酸鉛系ガラスにアルミナなどの無機セラミックフィラーを添加したガラスセラミックのような低温焼成セラミックなどを用いることも可能である。なお、パッケージ部５の本体部分もアルミナセラミック材料により形成されている。このパッケージ部５の本体部分の構成材料としては、窒化アルミニウム、窒化ほう素、炭化珪素、窒化珪素、ホウケイ酸系ガラスやホウケイ酸鉛系ガラスにアルミナなどの無機セラミックフィラーを添加したガラスセラミックのような低温焼成セラミック、有機樹脂などを適用することも可能である。
【００１８】
また、上記した第１及び第２の圧力検出用電極８、９は、タングステン、モリブデンとの合金で構成されている。また、本実施形態の圧力検出器１では、ダイアフラム２が過度に変形した場合に、第１及び第２の圧力検出用電極８、９どうしが接触して短絡してしまうことを防止するために、電気絶縁性を有する材料であるアルミナセラミックで構成されるショート防止膜２０が第１の圧力検出用電極８の上部に被覆されている。なお、第１及び第２の圧力検出用電極８、９は、銅、銀、ニッケルやこれらの合金で構成されていてもよい。また、シート防止膜２０は、上記したアルミナグリーンシート３２、３４の焼成温度に耐え得る電気絶縁性材料であれば、アルミナセラミック以外の材料を用いて構成することが可能である。
【００１９】
ここで、第１及び第２の圧力検出用電極８、９間のギャップ（間隙）７を構成するスペーサ層２５について説明する。
すなわち、この（焼成後の）スペーサ層２５は、上記したグリーンシート３２、３４と同質の材料に有機系バインダを添加して得られたセラミックペーストの焼結体（セラミック層）で形成されており、例えば５μｍ〜５０μｍ程度の厚さを有する。詳細には、スペーサ層２５は、図２に示すように、第１の圧力検出用電極８の設けられた部位を避けて未焼成の基板３５上にスクリーン印刷法を用いて印刷されたペーストの焼結体であり、非印刷領域が開口部３７となる。したがって、開口部３７は、その縁がペーストの流動性により変形し、変形した後に焼結されるので、上述したように、当該開口部３７の内壁面２５ａは、膨出した曲率面となる。
【００２０】
また、このようにペースト印刷の厚さによって、ギャップ７の量を調整できる本実施形態の圧力検出器１では、例えばグリーンシートでスペーサ層を形成する場合などと異なり、ペースト印刷可能な厚さに対応してギャップ７の量を例えば５μｍ〜２０μｍ程度の量まで狭めることが可能である。
【００２１】
ここで、ギャップ７内の空隙の誘電率をε（Ｆ／ｍ）、第１、第２の圧力検出用電極８、９の個々の表面積をＳ（ｍ2）、ギャップ７の量をｄ（ｍ）とした場合、電極間の静電容量Ｃ（Ｆ）は、下記の式（１）で表される。
Ｃ＝εＳ／ｄ  …式（１）
【００２２】
したがって、ギャップ７をより狭くする形成できる本実施形態の圧力検出器１では、上記式（１）の関係から明らかなように、ギャップ７を狭めて静電容量の絶対値を、大きな値として得ることでき、これにより、圧力検出の精度（感度）を高めることができるとともに、圧力検出器本体の小型化及び薄型化を図ることができる。
【００２３】
次に、このように構成された本実施形態の圧力検出器１の製造方法について、上記した図１、図２に加え、図３ａ〜図３ｉに基づきその説明を行う。
図３ａに示すように、厚さ０．５ｍｍのグリーンシート３４に対し、穿孔、タングステンとモリブデンとの合金からなる導電材料による孔埋め、導電ペーストの印刷を行って、このグリーンシート３４上において層間接続部１１を介して端子部１６と層間接続された第１の圧力検出用電極８を備える未焼成の基板（基板１５の母材となる基材）３５を作製した。さらに、この基板３５上の第１の圧力検出用電極８の表面をアルミナセラミックのペーストを印刷してショート防止膜２０で被覆した。
【００２４】
次いで、図３ｂに示すように、第１の圧力検出用電極８及びその周辺部の平坦化処理（フラッタニング処理）を行った。平坦化処理の後、図３ｃに示すように、スクリーン印刷法によりアルミナセラミックのペーストを、第１の圧力検出用電極８の設けられた部位及び層間接続部１１の基板３５上に露出する部位）を避けて、未焼成の基板３５上に例えば５μｍ〜２０μｍ程度の厚さで印刷し、これにより未焼成のスペーサ層４５を形成した。
【００２５】
続いて、図３ｄに示すように、層間接続部（ビア）１１の基板３５上に露出する部位の表面及びその近傍に例えば導電ペーストを印刷して端子部１０を形成した。その後、図３ｅに示すように、所定の加熱温度（約２５０℃）で昇華するテオブロミンなどの昇華材２４を印刷によって基板３５上に形成されたスペーサ層４５の開口部３７内に充填した。
【００２６】
さらに、図３ｆに示すように、スペーサ層４５の開口部３７内に充填された昇華材２４（及びショート防止膜２０）を挟んで第１の圧力検出用電極８と第２の圧力検出用電極９とが対向して配置されるように、第２の圧力検出用電極９が印刷によって形成された３ｍｍ角で厚さ４０μｍのグリーンシート３２をスペーサ層２５が積層された上記基板３５上に積層した後、図３ｇに示すように、これらを加圧部材２５、２２を用いて圧着した。
【００２７】
次に、図３ｈに示すように、第２の圧力検出用電極９を備えるグリーンシート３２を積層した未焼成の基板（基材）３５に対し、昇華材２４を昇華させるため加熱温度２５０℃で加熱処理を行った。次いで、グリーンシート３４、３２及び絶縁性セラミックペースト４５が例えばアルミナを主成分とする材料である場合、加熱温度を１６００℃〜１８００℃程度に設定し、未焼成の基板３５とスペーサ層２５と第２の圧力検出用電極９を備えるグリーンシート３２とが互いに積層された積層体に対し還元雰囲気中で焼成を行った。これにより、アルミナセラミックペーストからセラミック層として焼結されたスペーサ層２５とセラミック層１２、１４とが形成されるとともに各層が焼成一体化した。
【００２８】
さらに、図４ｈに示すように、このような焼成処理を経て作製されたダイアフラム２を備えるセンサ部３と、別途作製しておいたパッケージ部５とを半田付けによって互いの端子部１６、１７どうしを接合することで、図１に示した静電容量型の圧力検出器１を得ることができた。
【００２９】
既述したように、本実施形態の圧力検出器１及びその製造方法によれば、例えば貫通穴を備えたシートの積層などによらず、スクリーン印刷法を用いて形成されるスペーサ層２５によってギャップ７を構成できるので、ギャップをより狭まく形成して静電容量の変化率を大きくとることが可能となり、圧力の検出感度を高めることができる。また、本実施形態の圧力検出器１の製造方法では、ギャップ形成のための薄いシートを取り扱うことなどが不要なので、製造工程の簡易化を図ることができた。
【００３０】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態を図４及び図５に基づきその説明を行う。なお、図４及び図５において、第１の実施形態で説明した構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与してその説明を省略する。
この実施形態に係る圧力検出装置の製造方法では、図３ａ〜図３ｉに示した第１の実施形態の圧力検出器１の各製造工程のうちの、図３ｃに示した工程と図３ｄに示した工程との間に図４に示す製造工程が追加される。
【００３１】
すなわち、この実施形態では、図３ｃに示したように、第１の圧力検出用電極８の設けられた部位（及び層間接続部１１の基板３５上に露出する部位）を避けて、絶縁性セラミックペーストを、未焼成の基板３５上に例えば２０μｍ程度の厚さでスクリーン印刷して（未焼成の）スペーサ層４５を形成した後、このスペーサ層４５のさらに上に、図４に示すように、上記絶縁性セラミックペーストと同一のペースト材料を例えば１０μｍ程度の厚さでスクリーン印刷して（未焼成の）スペーサ層４６を形成する工程を追加した。
【００３２】
これにより、焼成後、図５に示すように、アルミナセラミックのペーストがセラミック層として焼結されたスペーサ層２５とスペーサ層２６とが二段に積層された積層構造のスペーサ層２７が得られた。
【００３３】
ここで、図５に示すように、二層構造のスペーサ層２７により形成されるギャップ４８内においては、ダイアフラム２が比較的大きく弾性変形した場合でも、その変形したダイアフラム２の外形部分（仮想線８ａで示す部分）が、下段のスペーサ層２５における膨出した曲率面からなる内壁面（側壁面）２５ａと接触することになる。
【００３４】
したがって、本実施形態の圧力検出器によれば、弾性変形したダイアフラムの外形部分が、エッジ部などと接触する他の構造のものなどと比べ、ダイアフラムに加わり得るダメージが軽減され、これにより圧力検出器本体の耐久性を向上させることができた。
【００３５】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態を図６ａ及び図６ｂに基づき説明する。なお、図６ａ及び図６ｂにおいて、第１及び２の実施形態で説明した構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与してその説明を省略する。
この実施形態に係る圧力検出装置の製造方法は、図３ａ〜図３ｉに示した第１の実施形態の圧力検出装置の製造工程に対し図４に示す製造工程を追加した第２の実施形態の圧力検出装置の製造方法において、図３ｆ及び図３ｇに示した未焼成の基板３５と、第２の圧力検出用電極９が積層されたグリーンシート３２とを位置合せしつつ互いを圧着する製造工程に代えて、図６ａ及び図６ｂに示す製造工程が適用される。
【００３６】
すなわち、図６ａに示すように、二層構造の（未焼成の）スペーサ層４８により形成される矩形状の開口部４１内に昇華材２４が充填された未焼成の基板３５上に、タングステン、モリブデンによって構成される導電性ペースト４９をスクリーン印刷法により印刷（メタライズ印刷）した。さらに、図６ｂに示すように、未焼成の基板３５の表面に印刷された導電性ペースト４９の上に、さらに、第１、第２の実施形態のスペーサ層の形成に用いられたものと同一材料のセラミックペースト４２を、スクリーン印刷法を用いて２０μｍの厚さで印刷した。
【００３７】
この後、第１の実施形態とほぼ同様に、昇華材２４を昇華させる加熱処理と、ペースト印刷された未焼成のスペーサ層４４、導電性ペースト４９及び絶縁性セラミックペースト４２を焼結させるための焼成処理とを行うことで、圧力検出器を作製した。
【００３８】
したがって、本実施形態に係る圧力検出器の製造方法によれば、ペースト印刷を利用してダイアフラムが得られるので、グリーンシートを積層する製法などと比べてダイアフラムの厚みを薄く形成することができる。これにより、圧力に対するダイアフラムの応答性（変形性）が高まり、圧力（静電容量）の検出感度のさらなる向上を図ることができた。
【００３９】
以上、本発明を各実施の形態により具体的に説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上述した実施形態では、ダイアフラムを有するセンサ部と機器類のメイン基板側に取り付けられるパッケージ部とを個別に作製して、最終的にそれぞれをロー付けや半田付けなどにより接合する分離構造型の圧力検出器について説明したが、これに代えて、ロー付けや半田付けなどが不要となるように、センサ部分とパッケージ部分とが製造過程の初期段階で予め一体化されている一体構造型の圧力検出器などに対しても本発明を適用することができる。また、第３の実施形態では、第２の実施形態で製造される圧力検出器において、そのダイアフラムをペースト印刷により製造する形態について説明したが、これに代えて、第１の実施形態で製造される圧力検出器において、このダイアフラムをペースト印刷で形成した圧力検出器を構成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る圧力検出器の構造を示す断面図。
【図２】図１の圧力検出器が備えるギャップ及びその周辺の構造を詳細に示す図。
【図３ａ】本発明の第１の実施形態に係る圧力検出器の製造方法において、未焼成の基板上に導電性ペーストを印刷した状態を示す断面図。
【図３ｂ】未焼成の基板上の第１の圧力検出用電極及びその周辺部に平坦化処理が行われた状態を示す断面図。
【図３ｃ】平坦化処理後、絶縁性セラミックペーストを未焼成の基板上にスクリーン印刷してスペーサ層を形成した状態を示す断面図。
【図３ｄ】未焼成の基板上において層間接続部と接続される導電ペーストを印刷して端子部を形成した状態を示す断面図。
【図３ｅ】未焼成の基板上のスペーサ層の開口部内に昇華材を充填した状態を示す断面図。
【図３ｆ】スペーサ層の開口部内に昇華材が充填された未焼成の基板と、第２の圧力検出用電極が積層されたグリーンシートとが位置合せされた状態を示す断面図。
【図３ｇ】第２の圧力検出用電極が積層されたグリーンシートと未焼成の基板とが加圧部材を用いて圧着されている状態を示す断面図。
【図３ｈ】未焼成の基板における昇華材の昇華のための加熱処理、及び焼成処理について説明するための断面図。
【図３ｉ】焼成処理を経て作製されたセンサ部と、別途作製しておいたパッケージ部とが接合される直前の状態を示す断面図。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る圧力検出器の製造方法において、第１の実施形態の製造工程の途中に追加される製造工程を示す断面図。
【図５】図４に示す製造工程を追加することで得られた圧力検出器において、そのギャップの周辺構造を示す断面図。
【図６ａ】本発明の第３の実施形態に係る圧力検出器の製造方法において、未焼成の基板上に導電性ペーストを印刷した状態を示す断面図。
【図６ｂ】図６ａに示す基板上の導電性ペーストの上に、さらに絶縁性セラミックペーストを印刷した状態を示す断面図。
【図７ａ】従来の圧力検出器の製造方法において、矩形状の貫通穴を有するシート状部材を基材側に貼り付ける直前の状態を示す断面図。
【図７ｂ】シート状部材を重ね合わせた基材と、他方の圧力検出用電極が積層されたグリーンシートとを加圧部材を用いて圧着する直前の状態を示す断面図。
【図７ｃ】焼成処理後に得られた圧力検出器のセンサ部を示す断面図。
【符号の説明】
【００４１】
１…圧力検出器、２…ダイアフラム、３…センサ部、５…パッケージ部、７，４８…ギャップ、８…第１の圧力検出用電極、９…第２の圧力検出用電極、１２，１４…セラミック層、１５…焼成後の基板、２５，２６，２７…焼成後のスペーサ層、２５ａ…内壁面、３２，３４…グリーンシート、３５…未焼成の基板（基材）、３７，４１…開口部、４２…絶縁性セラミックペースト、４５，４４，４６…未焼成のスペーサ層、４９…導電性ペースト。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図３ｄ】
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【図３ｅ】
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【図３ｆ】
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【図３ｇ】
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【図３ｈ】
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【図３ｉ】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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