(57)【要約】【課題】圧力検出器において、応力の集中し得る構造部分をなくし耐久性の向上を図る。【解決手段】本発明のセンサ部３を備えた圧力検出器１の製造方法では、第１及び第２の基板１２、１４の構成材料として互いに焼成収縮率の等しい材料を適用するとともに、これらの基板間のギャップの非形成部分に選択的に有機溶剤３７を塗布して焼成処理を行うことで、焼成後、第１及び第２の基板１２、１４がそれぞれ個別に焼成収縮して有機溶剤３７の非塗布部分にギャップ７を形成することができる。すなわち、この製法によれば、焼成後、第１及び第２の基板１２、１４が各々ほぼ均一に焼成収縮によって変形することになるので、これらの基板間の接着部分に残留応力が生じることなどが抑制され、圧力検出器１の耐久性の向上を図ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の窪み部を有する第１の基板と、
前記第１の基板上に積層され、かつ前記第１の窪み部と対向して配置されるこの第１の窪み部と相異なる方向に窪む第２の窪み部を有する第２の基板と、
前記第１及び第２の窪み部により形成される間隙を挟んで各々対向する当該各窪み部の底部にそれぞれ設けられた一対の圧力検出用電極と、
を具備することを特徴とする圧力検出器。
【請求項２】
前記第１及び第２の基板は、それぞれがダイアフラムとして機能することを特徴とする請求項１記載の圧力検出器。
【請求項３】
請求項１又は２記載の圧力検出器を製造するための製造方法であって、
未焼成の前記第１の基板、及びこの第１の基板の材料と焼成収縮率の等しい材料で構成された未焼成の前記第２の基板に未焼成の圧力検出用電極をそれぞれ形成する工程と、
未焼成の前記第１の基板上における未焼成の一方の前記圧力検出用電極の形成された領域を含むその周辺領域を避けた領域に溶剤を塗布する工程と、
前記溶剤の塗布された未焼成の前記第１の基板上の未焼成の一方の前記圧力検出用電極と未焼成の前記第２の基板上の未焼成の他方の前記圧力検出用電極とを各々対向させるようにこれら第１及び第２の基板を互いに積層した積層体を形成する工程と、
前記積層体を焼成して、前記第１の基板と前記第２の基板との間の前記溶剤の非塗布部分に前記第１及び第２の窪み部からなる前記間隙を形成する工程と、
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】
図６に例示するように、従来の静電容量型の圧力検出器５１は、一方の電極５８を備える基板５４と、この一方の電極５８とギャップ５７を挟んで対向するダイアフラム５２上の他方の電極５９との間の静電容量の変化に基づいて、圧力を検出することが可能となっている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記文献の圧力検出器５１の製法は、まず、ダイアフラム５２を形成するための未焼成のセラミック材料からなる基材と、この基材よりも焼成収縮率の大きい未焼成のセラミック材料を適用した基板５４形成用の基材とのそれぞれの周辺部どうしを溶剤を用いて接着する。この後、接着したこれらの基材を一体焼成することで、ダイアフラム側の基材の非接着部分が焼成収縮によって膨出し、電極５８、５９間に所要のギャップ５７が形成される。
【特許文献１】特開平４−１０４０２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した製法によって作製した圧力検出器５１では、図６に示すように、ダイアフラム５２及び基板５４間の接着部分と非接着部分との界面５３に、焼成収縮後、残留応力が集中して生じることになる。したがって、このようにして製造される圧力検出器５１は、長期間にわたって使用された場合、上記した界面５３にクラックが発生するおそれなどがあり、耐久性の面での改善が求められている。
【０００５】
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、応力の集中し得る構造部分をなくすことにより耐久性の向上を図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】
【０００６】
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の窪み部を有する第１の基板と、前記第１の基板上に積層され、かつ前記第１の窪み部と対向して配置されるこの第１の窪み部と相異なる方向に窪む第２の窪み部を有する第２の基板と、前記第１及び第２の窪み部により形成される間隙を挟んで各々対向する当該各窪み部の底部にそれぞれ設けられた一対の圧力検出用電極と、を具備することを特徴とする。
【０００７】
すなわち、本発明の圧力検出器は、静電容量の検出に用いる一対の圧力検出用電極に挟まれる間隙部分が、第１及び第２の基板を各々対称的に窪ませた一対の窪み部により構成される。したがって、本発明では、電極間の間隙部分を構成する各窪み部が圧力を感知して弾性変形する場合、これらの窪み部の周辺に生じ得る応力が第１の基板側と第２の基板側とにほぼ均等に分散されることになる。これにより、局部的に応力が集中してしまうことなどが回避され、良好な耐久性を得ることができる。また、本発明の圧力検出器は、このように対称的に構成される第１及び第２の基板のそれぞれをダイアフラムとして機能させることが可能である。
【０００８】
さらに、本発明の圧力検出器の製造方法は、上述した圧力検出器を製造するための製造方法であって、未焼成の前記第１の基板、及びこの第１の基板の材料と焼成収縮率の等しい材料で構成された未焼成の前記第２の基板に未焼成の圧力検出用電極をそれぞれ形成する工程と、未焼成の前記第１の基板上における未焼成の一方の前記圧力検出用電極の形成された領域を含むその周辺の領域を避けた領域に溶剤を塗布する工程と、前記溶剤の塗布された未焼成の前記第１の基板上の未焼成の一方の前記圧力検出用電極と未焼成の前記第２の基板上の未焼成の他方の前記圧力検出用電極とを各々対向させるようにこれら第１及び第２の基板を互いに積層した積層体を形成する工程と、前記積層体を焼成して、前記第１の基板と前記第２の基板との間の前記溶剤の非塗布部分に前記第１及び第２の窪み部からなる前記間隙を形成する工程と、を有する。
【０００９】
つまり、本発明の圧力検出器の製造方法では、焼成後、積層体を構成している第１及び第２の基板がそれぞれ焼成収縮によって変形することによって、第１及び第２の基板上の溶剤の非塗布部分が互いに逆方向に窪み、静電容量を検出するための間隙が電極間に形成される。ここで、この製法では、第１及び第２の基板の構成材料として互いに焼成収縮率の等しい材料を適用していることで、焼成後、第１及び第２の基板が各々ほぼ均一に焼成収縮することになり、これらの基板間の接着部分に残留応力が生じることなどが抑制される。したがって、この製法によれば、圧力検出器の耐久性を向上させることができる。
【００１０】
ここで、焼成収縮率とは、未焼成のテストピースの長手方向の長さをＬ１とし、焼成後テストピースの長手方向の長さをＬ２とした場合に、下記式〔１〕で示される割合Ｓ（％）を焼成収縮率とする。
Ｓ（％）＝（Ｌ１−Ｌ２）／Ｌ１×１００  ………〔１〕
【発明の効果】
【００１１】
このように本発明によれば、応力の集中し得る構造部分をなくすことにより耐久性の向上を図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】
【００１２】
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の構造を詳細に示す図、図３は、図２に示すギャップの形成方法を説明するための平面図である。
【００１３】
図１及び図２に示すように、この実施形態の圧力検出器１は、相異なる二方向（矢印Ｚ１、Ｚ２方向）から圧力を感知する一対のダイアフラム２ａ、２ｂ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。
【００１４】
この実施形態の圧力検出器１は、配線パターン８ｂ、９ｂ及び層間接続部（ビア）８ａ、９ａを介して、後述する第１、第２の圧力検出用電極８、９に各々接続されたセンサ部３側の端子部１６、１９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。この接合材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。
【００１５】
上述したセンサ部３は、第１の窪み部７ａを有する第１の基板１２と、第２の窪み部７ｂを有し第１の基板１２上に積層された第２の基板１４と、一対の圧力検出用電極８、９とを有する。第２の基板１４における第２の窪み部７ｂは、第１の基板１２上の第１の窪み部７ａと相異なる方向に窪み、第１の窪み部７ａと対向して配置されている。さらに、一対の圧力検出用電極８、９は、第１及び第２の窪み部７ａ、７ｂの底部にそれぞれ設けられており、これら窪み部７ａ、７ｂにより形成されるギャップ（間隙）７を挟んで各々対向するように配置されている。
【００１６】
このギャップ７は、図３に示すように、第１及び第２の基板１２、１４間の後述する有機溶剤の塗布領域２９以外の領域に設けられている。詳述すると、ギャップ７は、一対の圧力検出用電極８、９の形成された領域２８を含むその周辺領域３０、すなわち一対の圧力検出用電極８、９の形成された領域２８を例えば０．５ｍｍ〜２．０ｍｍ拡張した領域に設けられている。ここで、領域の拡張量を０．５ｍｍ〜２．０ｍｍとして例示したが、この領域の拡張量は、圧力の検出感度や初期容量値など、圧力検出器１の仕様に応じて適宜変更することが可能である。つまり、この拡張量は、一対の圧力検出用電極８、９のサイズ、ギャップ７全体の空間サイズ、ダイアフラム２ａ、２ｂの厚さ、ギャップ７の厚さなどを考慮して設定されることが望ましい。また、ギャップ７は、図２に示すように、その空間部分の形状が、相異なる方向に各々膨出する二つの曲率面を持つ、いわゆる凸レンズ形状に形成されている。
【００１７】
このように第１及び第２の基板１２、１４間に密閉空間として形成されたギャップ７は、一対の圧力検出用電極８、９間の静電容量の検出に利用される。すなわち、本実施形態の圧力検出器１は、静電容量型の圧力検出器であって、図２に示すように、矢印Ｚ１方向から圧力が加わった場合に弾性変形するダイアフラム２ａ上の一方の圧力検出用電極８と、矢印Ｚ２方向から圧力が加わった場合に弾性変形するダイアフラム２ｂ上の他方の圧力検出用電極９と、の間の静電容量の変化に基づいて圧力を検出する。
【００１８】
また、このような圧力検出器１が備える一対のダイアフラム２ａ、２ｂを構成する絶縁層（第１、第２の基板１２、１４）は、いわゆるアルミナグリーンシートを焼成したセラミック層によりそれぞれ形成されている。また、上記のセラミック層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を用いることも可能である。ここで、本実施形態に係る圧力検出器１の上記した第１及び第２の基板１２、１４の構成材料は、後に詳述するように、互いに焼成収縮率の等しい例えば同一の材料が適用されている。また、パッケージ部５の本体部分もアルミナより構成される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。
【００１９】
また、上記した一対の圧力検出用電極８、９は、タングステン、モリブデンとの合金をペースト状に構成した導電ペーストを焼成することによって形成されている。なお、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たペーストを焼成することによって形成されてもよい。また、本実施形態の圧力検出器１では、ダイアフラム２ａ、２ｂが過度に変形した場合、圧力検出用電極８、９どうしが接触（短絡）してしまうことを防止するために、電気絶縁性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（図示せず）が、少なくとも一方の圧力検出用電極の表面に被覆されている。なお、このショート防止膜は、第１及び第２の基板１２、１４の構成材料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適用することも可能である。
【００２０】
ここで、本実施形態の圧力検出器１が備えるセンサ部３の特徴的な構造について説明する。
上記したセンサ部３は、静電容量の検出に用いる一対の圧力検出用電極８、９に挟まれるギャップ７が、第１及び第２の基板１２、１４を各々対称的に窪ませた一対の窪み部７ａ、７ｂにより構成される。すなわち、電極間のギャップ７を構成する各窪み部７ａ、７ｂが圧力を感知して弾性変形する場合、これらの窪み部７ａ、７ｂの周辺に生じ得る応力が第１の基板１２側と第２の基板１４側とにほぼ均等に分散される。したがって、このような構成のセンサ部３によれば、応力が局部的に集中してしまうことなどが回避され、これにより優れた耐久性を得ることができる。
【００２１】
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３に加え、図４ａ〜図４ｉに基づき説明する。
まず、図４ａに示すように、未焼成の第１の基板３２（第１の基板１２の母材となる基材）として例えば厚さ４０μｍのグリーンシートを用意し、このグリーンシートに対し、穿孔、タングステン、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い、端子部１６、１９、配線パターン８ｂ、層間接続部８ａ、９ａ及び未焼成の一方の圧力検出用電極３８を形成した。さらに、アルミナセラミックで構成されるアルミナペーストを印刷して得られるショート防止膜（図示せず）によって、未焼成の第１の圧力検出用電極３８の表面を被覆した。
【００２２】
次に、図４ｂに示すように、未焼成の第１の圧力検出用電極３８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。この際、未焼成の第１の基板３２の表面から、未焼成の第１の圧力検出用電極３８の表面が突出している状態が確保されるように平坦化処理を行った。
【００２３】
一方、図４ｃに示すように、未焼成の第１の基板３２の材料と焼成収縮率の等しい材料で構成された未焼成の第２の基板３４（第２の基板１４の母材となる基材）として例えば厚さ４０μｍのグリーンシートを用意し、さらに、このグリーンシートに対し導電ペーストの印刷などを行い、配線パターン９ｂ及び未焼成の他方の圧力検出用電極３９を形成した。次いで、同図４ｃに示すように、未焼成の第２の基板３４の表面から、未焼成の第２の圧力検出用電極３９の表面が突出している状態が確保されるように、この電極及びその周辺部の平坦化処理を行った。
【００２４】
この後、図３及び図４ｄに示すように、未焼成の第１の基板３２上における未焼成の一方の圧力検出用電極３８の形成された領域２８を含むその周辺領域３０を避けた領域２９に有機溶剤３７を塗布した。この際、有機溶剤としては、フタル酸ブチル、ひまし油、ｎ−ブチルアルコールからなる有機溶剤を使用した。
【００２５】
次に、図４ｅに示すように、有機溶剤３７の塗布された未焼成の第１の基板３２上の未焼成の一方の圧力検出用電極３８と未焼成の第２の基板３４上の未焼成の他方の圧力検出用電極９とを各々対向させた後、これらを、図４ｆに示すように、加圧部材２５、２２を用いて圧着し第１及び第２の基板を互いに積層した積層体を形成した。さらに、この積層体を、加熱温度が１６００℃〜１８００℃程度に設定された還元雰囲気中で焼成しセラミック層を形成した。
【００２６】
ここで、焼成中に上記の積層体に生じる焼成収縮による変形の作用について主に図３、図４ｇ及び図４ｈを参照しつつ説明を行う。なお、図４ｇは、焼成収縮作用が起こる直前の積層体２７の状態を模式的に示す断面図である。
すなわち、焼成中の第１の基板１２と第２の基板１４とからなる積層体２７には、図４ｇに示すように、第１及び第２の基板１２、１４のそれぞれが単独で収縮しようとする収縮力が作用する。この場合、図３及び図４ｇに示すように、各基板間の有機溶剤３７の塗布部分（領域２９）では、互いに接着された状態が維持されるものの、有機溶剤３７の非塗布部分（領域３０）においては、第１及び第２の基板１２、１４の表面（内側面）から各々突出する一対の圧力検出用電極８、９の外縁部と、第１及び第２の基板１２、１４の内側面との間の空間部分４５を起点として、この空間部分４５を積層体２７の内側から外側に向かって焼成収縮によって、広げようとする変形の作用が生じることになる。
【００２７】
これにより、図４ｈに示すように、第１の基板１２と第２の基板１４との間の有機溶剤３７の非塗布部分（領域３０）が窪み、これらの基板間の一対の圧力検出用電極８、９どうしの間に第１及び第２の窪み部７ａ、７ｂからなるギャップ７を形成した。ここで、ギャップ７を所望のギャップ幅で形成できるように、焼成収縮によって変形する積層体２７の外形部分と所定の位置で接触するストッパを追加してもよい。
【００２８】
この後、図４ｉに示すように、各基板の焼成収縮を経て得られた一対のダイアフラム２ａ、２ｂ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とを端子部１６、１９、１７を介して半田付けにより接合することで、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の製造方法では、第１及び第２の基板１２、１４の構成材料として互いに焼成収縮率の等しい材料を適用するとともに、これらの基板間のギャップの非形成部分（領域２９）に選択的に有機溶剤３７を塗布して焼成処理を行うことで、焼成後、第１及び第２の基板１２、１４が個別に焼成収縮によって変形し、これにより有機溶剤３７の非塗布部分（領域３０）にギャップ７を形成することができた。すなわち、この製法によれば、焼成後、第１及び第２の基板１２、１４が各々ほぼ均一に焼成収縮によって変形することになるので、これらの基板間の接着部分に残留応力が生じることなどが抑制され、圧力検出器１の耐久性の向上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５ａ及び図５ｂに基づき説明する。なお、図５ａ及び図５ｂ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。
【００３１】
すなわち、この実施形態に係るセンサ部４９を備えた圧力検出器の製造方法では、図５ａに示すように、未焼成の一方の圧力検出用電極３８を形成する工程と同一工程において、未焼成の第１の基板３２上における上記未焼成の圧力検出用電極３８の形成された領域を外側から包囲する領域部分に例えばタングステンとモリブデン合金からなる導電性ペースト４２をスクリーン印刷法により印刷（メタライズ印刷）した。また、未焼成の第１の圧力検出用電極３８及びその周辺部の平坦化処理（フラッタニング処理）の際に、未焼成の第１の基板３２の表面から、未焼成の第１の圧力検出用電極３８及び上記の導電性ペースト４２の表面が突出している状態が確保されるように平坦化処理を行った。
【００３２】
さらに、同図５ａに示すように、未焼成の圧力検出用電極３８の形成された領域及び導電性ペースト４２を印刷した領域を含むその周辺領域を避けた領域に有機溶剤３７をスクリーン印刷法により塗布した。この後、第１の実施形態と同様に、加圧部材２５、２２を用いて第１及び第２の基板を互いに積層した積層体を形成し、さらに、この積層体に焼成処理を施した。
【００３３】
焼成中、積層体には、第１の実施形態と同様に、第１及び第２の基板１２、１４がそれぞれ単独で収縮しようとする収縮力が作用する。ここで、図５ｂに示すように、導電性ペースト４２が焼結して得られたメタライズ部４３が、一対の圧力検出用電極８、９の外側に配置されていることで、第１及び第２の基板１２、１４の表面（内側面）から各々突出する一対の圧力検出用電極８、９の外縁部と、第１及び第２の基板１２、１４の内側面との間に形成される空間部分４７を好適に確保することができ、これにより、この空間部分４７を起点とした焼成収縮による変形の作用によってギャップ７を確実に形成することができた。
【００３４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【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の構造を詳細に示す図。
【図３】図２に示すギャップの形成方法を説明するための平面図。
【図４ａ】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４ｂ】未焼成の第１の基板上における未焼成の第１の圧力検出用電極及びその周辺部分に対し平坦化処理が行われた状態を示す断面図。
【図４ｃ】未焼成の第２の圧力検出用電極及びその周辺部分に対し平坦化処理が行われた未焼成の第２の基板を示す断面図。
【図４ｄ】図４ｂの未焼成の第１の基板上に有機溶剤が塗布された状態を示す断面図。
【図４ｅ】後に積層される図４ｄの未焼成の第１の基板と図４ｃの未焼成の第２の基板とが位置合せされた状態を示す断面図。
【図４ｆ】図４ｅの互いに位置合せされた未焼成の第１及び第２の基板が加圧部材を用いて圧着される直前の状態を示す断面図。
【図４ｇ】図４ｆの互いに圧着された積層体に対し焼成収縮による変形の作用が起こる直前の状態を模式的に示す断面図。
【図４ｈ】図４ｇの焼成を経て得られた一対のダイアフラムを備えるセンサ部を示す断面図。
【図４ｉ】図４ｈのセンサ部と、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５ａ】本発明の第２の実施形態に係る圧力検出器の製造方法を説明するための断面図。
【図５ｂ】図５ａに示す製造方法により製造された圧力検出器のセンサ部を示す断面図。
【図６】従来の圧力検出器の製造方法を説明するための断面図。
【符号の説明】
【００３６】
１…圧力検出器、２ａ，２ｂ…ダイアフラム、３，４９…センサ部、７…ギャップ、７ａ，７ｂ…窪み部、８…焼成後の一方の圧力検出用電極、９…焼成後の他方の圧力検出用電極、１２…焼成後の第１の基板、１４…焼成後の第２の基板、２７…積層体、２９…有機溶剤の塗布領域、３２…未焼成の第１の基板、３４…未焼成の第２の基板、３７…有機溶剤、３８…未焼成の一方の圧力検出用電極、３９…未焼成の他方の圧力検出用電極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図４ｄ】
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【図４ｅ】
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【図４ｆ】
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【図４ｇ】
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【図４ｈ】
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【図４ｉ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６】
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