(57)【要約】【課題】熱膨張係数が大きく異なるセンサ素子と金属ステムとを接合部材を介して接合し得る圧力センサおよびその製造方法を提供する。【解決手段】センサチップ５０と金属ステム４０に形成されるダイアフラム４３とを接合する接合層６０は、第１接合面６１の熱膨張係数がセンサチップ５０の熱膨張係数に等しく、第２接合面６２の熱膨張係数が金属ステム４０の熱膨張係数に等しく、第１接合面６１から第２接合面６２にかけて熱膨張係数が連続的に変化するように形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ素子に第１接合面にて接合され金属ステムに形成されるダイアフラムに第２接合面にて接合される接合部材により前記センサ素子が前記ダイアフラムに接合される圧力センサであって、
前記接合部材は、前記第１接合面の熱膨張係数が前記金属ステムの熱膨張係数よりも前記センサ素子の熱膨張係数に近く、前記第２接合面の熱膨張係数が前記センサ素子の熱膨張係数よりも前記金属ステムの熱膨張係数に近く、前記第１接合面から前記第２接合面にかけて熱膨張係数が連続的に変化するように形成されることを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
前記接合部材は、前記第１接合面の熱膨張係数が前記センサ素子の熱膨張係数に等しくなるように形成されることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記接合部材は、前記第２接合面の熱膨張係数が前記金属ステムの熱膨張係数に等しくなるように形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記接合部材は、前記第１接合面側ほど熱膨張係数の変化度合いが大きくなるように、熱膨張係数が連続的に変化して形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧力センサ。
【請求項５】
前記接合部材は、前記第２接合面側ほど熱膨張係数の変化度合いが大きくなるように、熱膨張係数が連続的に変化して形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧力センサ。
【請求項６】
前記接合部材は、その主成分が酸化物からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧力センサ。
【請求項７】
前記接合部材は、その主成分がガラス質からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧力センサ。
【請求項８】
センサ素子に第１接合面にて接合され金属ステムに形成されるダイアフラムに第２接合面にて接合される接合部材により前記センサ素子が前記ダイアフラムに接合される圧力センサの製造方法であって、
前記金属ステムの熱膨張係数よりも前記センサ素子の熱膨張係数に近い熱膨張係数の第１接合材料と、前記センサ素子の熱膨張係数よりも前記金属ステムの熱膨張係数に近い熱膨張係数の第２接合材料との２つの接合材料を用意する第１工程と、
前記第２接合面が接合される前記ダイアフラム上に、前記第１接合材料および前記第２接合材料を混合した混合材料をその混合比が連続的に変化するように塗布することで前記接合部材を形成する工程であって、前記第２接合面側ほど前記第２接合材料の混合比が高くなりこの第２接合面から離れるほど前記第１接合材料の混合比が高くなるように前記混合材料を塗布する第２工程と、
前記第２工程により前記ダイアフラム上に形成された前記接合部材の前記第１接合面に前記センサ素子を接合することで、当該接合部材を介して前記センサ素子および前記ダイアフラムを接合する第３工程と、
を備えることを特徴とする圧力センサの製造方法。
【請求項９】
前記第２工程は、前記第１接合面を構成する前記混合材料の熱膨張係数が前記センサ素子の熱膨張係数に等しくなるように、前記混合比を調整して前記接合部材を形成することを特徴とする請求項８に記載の圧力センサの製造方法。
【請求項１０】
前記第２工程は、前記第２接合面を構成する前記混合材料の熱膨張係数が前記金属ステムの熱膨張係数に等しくなるように、前記混合比を調整して前記接合部材を形成することを特徴とする請求項８または９に記載の圧力センサの製造方法。
【請求項１１】
前記第２工程は、前記第１接合面側ほど前記混合比の変化度合いが大きく、かつ、当該混合比が連続的に変化するように前記混合材料を塗布することで、前記接合部材を形成することを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載の圧力センサの製造方法。
【請求項１２】
前記第２工程は、前記第２接合面側ほど前記混合比の変化度合いが大きく、かつ、当該混合比が連続的に変化するように前記混合材料を塗布することで、前記接合部材を形成することを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載の圧力センサの製造方法。
【請求項１３】
前記第１接合材料および前記第２接合材料は、その主成分が酸化物からなることを特徴とする請求項８〜１２のいずれか一項に記載の圧力センサの製造方法。
【請求項１４】
前記第１接合材料および前記第２接合材料は、その主成分がガラス質からなることを特徴とする請求項８〜１２のいずれか一項に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】
本発明は、圧力検出用のダイアフラムを有する金属ステムに対してそのダイアフラム上に接合部材を介してセンサ素子が配置される圧力センサおよびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の圧力センサは、ダイアフラムを有する中空筒状の金属ステムと、このダイアフラムにガラス接合によって配設されダイアフラムの変形に基づく信号を検出するセンサ素子（センサチップ）とを備え、金属ステム内部へ圧力媒体が導入されたときに、ダイアフラムの変形に基づくセンサチップからの信号によって圧力検出を行うように構成されている。
【０００３】
ここで、従来の金属ステムの材料は、Ｓｉ（シリコン）からなるセンサチップを低融点ガラスを介して金属ステムに接合させるため、Ｓｉやガラスの熱膨張係数に近い低熱膨張係数を有する金属としてＦｅ−Ｎｉ系合金（コバール）を使用していた。しかしながら、従来のＦｅ−Ｎｉ系合金を用いた金属ステムの疲労強度は１００ＭＰａ程度の検出であるため、ディーゼルに用いる燃圧センサ（例えばコモンレールのポンプ圧センサ）等のように、検出圧２００ＭＰａ程度の高い検出圧が求められるセンサには使用できないという問題がある。
【０００４】
そこで、下記特許文献１に開示される圧力センサの製造方法では、Ｔｉ、Ａｌ及びＮｂ等の析出強化元素が混合されたＦｅ−Ｎｉ系合金等よりなる金属材料の固溶体に対して熱処理を加え時効処理を行うことにより、金属ステムの形状を有する金属体を形成し、続いて、上記時効処理の際の熱処理温度よりも低い温度にて、当該金属体におけるダイアフラムに相当する部位にセンサチップをガラス接合する。これにより、従来よりも高圧に耐えうる金属ステムを有する圧力センサを製造することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２７５１２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に開示される圧力センサのように高圧に耐えうるＦｅ−Ｎｉ系合金を採用しても、このＦｅ−Ｎｉ系合金は耐食性に課題があり、高湿雰囲気等で腐食するという問題がある。さらには、上述のようなＦｅ−Ｎｉ系合金を用いて形成される金属ステムは、高コストとなるため、圧力センサの低コスト化の阻害要因となってしまう。
【０００７】
このため、強度、耐食性、コストに関して優位性を有するＳＵＳ４３０材等の金属材料を金属ステムに適用することが考えられる。しかしながら、ＳＵＳ４３０材等の金属材料からなる金属ステム上にセンサ素子を低融点ガラスによりガラス接合して圧力センサを作製すると、センサ素子が金属ステムから剥離したりセンサ素子自体が破壊する場合がある。これはセンサ素子とＳＵＳ４３０材等の金属材料との熱膨張係数が大きく異なるだけでなく、接合部材として機能する低融点ガラスを４００℃以上の高温で焼成する必要があり、接合後の冷却過程で熱膨張の差が大きく影響するからである。
【０００８】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、熱膨張係数が大きく異なるセンサ素子と金属ステムとを接合部材を介して好適に接合し得る圧力センサおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、センサ素子（５０）に第１接合面（６１）にて接合され金属ステム（４０）に形成されるダイアフラム（４３）に第２接合面（６２）にて接合される接合部材（６０）により前記センサ素子が前記ダイアフラムに接合される圧力センサ（１０）であって、前記接合部材は、前記第１接合面の熱膨張係数が前記金属ステムの熱膨張係数よりも前記センサ素子の熱膨張係数に近く、前記第２接合面の熱膨張係数が前記センサ素子の熱膨張係数よりも前記金属ステムの熱膨張係数に近く、前記第１接合面から前記第２接合面にかけて熱膨張係数が連続的に変化するように形成されることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の圧力センサにおいて、前記接合部材は、前記第１接合面の熱膨張係数が前記センサ素子の熱膨張係数に等しくなるように形成されることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の圧力センサにおいて、前記接合部材は、前記第２接合面の熱膨張係数が前記金属ステムの熱膨張係数に等しくなるように形成されることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧力センサにおいて、前記接合部材は、前記第１接合面側ほど熱膨張係数の変化度合いが大きくなるように、熱膨張係数が連続的に変化して形成されることを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧力センサにおいて、前記接合部材は、前記第２接合面側ほど熱膨張係数の変化度合いが大きくなるように、熱膨張係数が連続的に変化して形成されることを特徴とする。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧力センサにおいて、前記接合部材は、その主成分が酸化物からなることを特徴とする。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧力センサにおいて、前記接合部材は、その主成分がガラス質からなることを特徴とする。
【００１６】
請求項８に記載の圧力センサの製造方法は、センサ素子（５０）に第１接合面（６１）にて接合され金属ステム（４０）に形成されるダイアフラム（４３）に第２接合面（６２）にて接合される接合部材（６０）により前記センサ素子が前記ダイアフラムに接合される圧力センサ（１０）の製造方法であって、前記金属ステムの熱膨張係数よりも前記センサ素子の熱膨張係数に近い熱膨張係数の第１接合材料（６０ａ）と、前記センサ素子の熱膨張係数よりも前記金属ステムの熱膨張係数に近い熱膨張係数の第２接合材料（６０ｂ）との２つの接合材料を用意する第１工程と、前記第２接合面が接合される前記ダイアフラム上に、前記第１接合材料および前記第２接合材料を混合した混合材料（６０ｃ）をその混合比が連続的に変化するように塗布することで前記接合部材を形成する工程であって、前記第２接合面側ほど前記第２接合材料の混合比が高くなりこの第２接合面から離れるほど前記第１接合材料の混合比が高くなるように前記混合材料を塗布する第２工程と、前記第２工程により前記ダイアフラム上に形成された前記接合部材の前記第１接合面に前記センサ素子を接合することで、当該接合部材を介して前記センサ素子および前記ダイアフラムを接合する第３工程と、を備えることを特徴とする。
【００１７】
請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の圧力センサの製造方法において、前記第２工程は、前記第１接合面を構成する前記混合材料の熱膨張係数が前記センサ素子の熱膨張係数に等しくなるように、前記混合比を調整して前記接合部材を形成することを特徴とする。
【００１８】
請求項１０に記載の発明は、請求項８または９に記載の圧力センサの製造方法において、前記第２工程は、前記第２接合面を構成する前記混合材料の熱膨張係数が前記金属ステムの熱膨張係数に等しくなるように、前記混合比を調整して前記接合部材を形成することを特徴とする。
【００１９】
請求項１１に記載の発明は、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の圧力センサの製造方法において、前記第２工程は、前記第１接合面側ほど前記混合比の変化度合いが大きく、かつ、当該混合比が連続的に変化するように前記混合材料を塗布することで、前記接合部材を形成することを特徴とする。
【００２０】
請求項１２に記載の発明は、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の圧力センサの製造方法において、前記第２工程は、前記第２接合面側ほど前記混合比の変化度合いが大きく、かつ、当該混合比が連続的に変化するように前記混合材料を塗布することで、前記接合部材を形成することを特徴とする。
【００２１】
請求項１３に記載の発明は、請求項８〜１２のいずれか一項に記載の圧力センサの製造方法において、前記第１接合材料および前記第２接合材料は、その主成分が酸化物からなることを特徴とする。
【００２２】
請求項１４に記載の発明は、請求項８〜１２のいずれか一項に記載の圧力センサの製造方法において、前記第１接合材料および前記第２接合材料は、その主成分がガラス質からなることを特徴とする。
なお、上記各括弧内の符号は、後述する各実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明の効果】
【００２３】
請求項１の発明では、センサ素子と金属ステムに形成されるダイアフラムとを接合する接合部材は、第１接合面の熱膨張係数が金属ステムの熱膨張係数よりもセンサ素子の熱膨張係数に近く、第２接合面の熱膨張係数がセンサ素子の熱膨張係数よりも金属ステムの熱膨張係数に近く、第１接合面から第２接合面にかけて熱膨張係数が連続的に変化するように形成される。
【００２４】
また、請求項８の発明では、第１工程により、金属ステムの熱膨張係数よりもセンサ素子の熱膨張係数に近い熱膨張係数の第１接合材料と、センサ素子の熱膨張係数よりも金属ステムの熱膨張係数に近い熱膨張係数の第２接合材料との２つの接合材料が用意される。そして、第２工程により、第２接合面が接合されるダイアフラム上に、第１接合材料および第２接合材料を混合した混合材料をその混合比が連続的に変化するように塗布することで接合部材が形成される。この第２工程では、第２接合面側ほど第２接合材料の混合比が高くなりこの第２接合面から離れるほど第１接合材料の混合比が高くなるように混合材料が塗布される。そして、第３工程により、ダイアフラム上に形成された接合部材の第１接合面にセンサ素子を接合することで、当該接合部材を介してセンサ素子およびダイアフラムが接合される。
【００２５】
これにより、接合部材における第１接合面の熱膨張係数が、金属ステムの熱膨張係数よりもセンサ素子の熱膨張係数に近く形成されるため、第１接合面とセンサ素子との熱膨張係数の差を小さくすることができる。このため、第１接合面とセンサ素子との熱膨張係数の差に起因してこの接合界面にて生じる熱応力が緩和されて、当該接合界面での剥離等を抑制することができる。また、接合部材における第２接合面の熱膨張係数が、センサ素子の熱膨張係数よりも金属ステムの熱膨張係数に近く形成されるため、第２接合面と金属ステムとの熱膨張係数の差を小さくすることができる。このため、第２接合面と金属ステムとの熱膨張係数の差に起因してこの接合界面にて生じる熱応力が緩和されて、当該接合界面での剥離等を抑制することができる。
【００２６】
さらに、１つの接合部材における第１接合面と第２接合面との熱膨張係数を大きく異ならせることができるので、センサ素子に対して熱膨張係数が大きく異なる金属ステムを採用しても、センサ素子および金属ステムの双方に対して上記接合界面にて生じる熱応力をそれぞれ緩和することができる。
【００２７】
特に、接合部材は、その熱膨張係数が第１接合面から第２接合面にかけて連続的に変化するように形成されるため、両接合面の熱膨張係数を大きく異ならせた接合部材であっても、その内部に生じる熱応力が緩和されるので、当該接合部材の熱応力に起因する破損等を抑制することができる。
したがって、熱膨張係数が大きく異なるセンサ素子と金属ステムとを接合部材を介して好適に接合することができる。
【００２８】
請求項２の発明では、接合部材は、第１接合面の熱膨張係数がセンサ素子の熱膨張係数に等しくなるように形成されるため、この第１接合面とセンサ素子との接合界面にて生じる熱応力を確実に緩和することができる。
【００２９】
請求項３の発明では、接合部材は、第２接合面の熱膨張係数が金属ステムの熱膨張係数に等しくなるように形成されるため、この第２接合面とダイアフラムとの接合界面にて生じる熱応力を確実に緩和することができる。
【００３０】
請求項４の発明では、接合部材は、第１接合面側ほど熱膨張係数の変化度合いが大きくなるように、熱膨張係数が連続的に変化して形成されるので、第１接合面とセンサ素子との接合界面にて生じる熱応力をより緩和することができる。
【００３１】
請求項５の発明では、接合部材は、第２接合面側ほど熱膨張係数の変化度合いが大きくなるように、熱膨張係数が連続的に変化して形成されるので、第２接合面と金属ステムとの接合界面にて生じる熱応力をより緩和することができる。
【００３２】
請求項６の発明では、接合部材は、その主成分が酸化物からなるため、耐食性等を高く維持できるだけでなく、金属ステムからの圧力をセンサ素子に適切に伝達し得る強度を確保することができる。
【００３３】
請求項７の発明では、接合部材は、その主成分がガラス質からなるため、この接合部材は、非晶質物質で主成分ガラスは軟化点温度以上で液相を形成することから、液相となった主成分ガラスが接合界面のミクロの凹凸部位に浸透・貫入するので、ポア・亀裂等のような未接合部の少ない接合界面を形成することができる。
【００３４】
請求項９の発明では、第２工程により、第１接合面を構成する混合材料の熱膨張係数がセンサ素子の熱膨張係数に等しくなるように、混合比を調整して接合部材が形成されるため、この第１接合面とセンサ素子との接合界面にて生じる熱応力を確実に緩和することができる。
【００３５】
請求項１０の発明では、第２工程により、第２接合面を構成する混合材料の熱膨張係数が金属ステムの熱膨張係数に等しくなるように、混合比を調整して接合部材が形成されるため、この第２接合面とダイアフラムとの接合界面にて生じる熱応力を確実に緩和することができる。
【００３６】
請求項１１の発明では、第２工程により、第１接合面側ほど混合比の変化度合いが大きく、かつ、当該混合比が連続的に変化するように混合材料を塗布することで、接合部材が形成されるので、第１接合面とセンサ素子との接合界面にて生じる熱応力をより緩和することができる。
【００３７】
請求項１２の発明では、第２工程により、第２接合面側ほど混合比の変化度合いが大きく、かつ、当該混合比が連続的に変化するように混合材料を塗布することで、接合部材が形成されるので、第２接合面と金属ステムとの接合界面にて生じる熱応力をより緩和することができる。
【００３８】
請求項１３の発明では、第１接合材料および第２接合材料は、その主成分が酸化物からなるため、これら両接合材料を混合して形成される接合部材は、耐食性等を高く維持できるだけでなく、金属ステムからの圧力をセンサ素子に適切に伝達し得る強度を確保することができる。
【００３９】
請求項１４の発明では、第１接合材料および第２接合材料は、その主成分がガラス質からなるため、これら両接合材料を混合して形成される接合部材は、非晶質物質で主成分ガラスは軟化点温度以上で液相を形成することから、液相となった主成分ガラスが接合界面のミクロの凹凸部位に浸透・貫入するので、ポア・亀裂等のような未接合部の少ない接合界面を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本実施形態に係る圧力センサの構成を概略的に示す断面図である。
【図２】図１の接合層近傍を拡大して示す断面図である。
【図３】接合層における熱膨張係数と第２接合面からの距離との関係を示すグラフである。
【図４】ダイアフラム上に接合部材を塗布するディスペンサー装置の概略を示す説明図である。
【図５】冷熱試験結果を示すグラフである。
【図６】高温サイクル試験結果を示すグラフである。
【図７】本実施形態の第１変形例に係る接合層における熱膨張係数と第２接合面からの距離との関係を示すグラフである。
【図８】本実施形態の第２変形例に係る接合層における熱膨張係数と第２接合面からの距離との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、本発明の圧力センサを具現化した一実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る圧力センサの構成を概略的に示す断面図である。
この圧力センサ１０は、自動車の燃料噴射系（例えばコモンレ−ル）における燃料パイプ（図示せず）に取り付けられ、この燃料パイプ内の圧力媒体としての気体または気液混合気の圧力を検出するものである。図１に示すように、圧力センサ１０は、被取付部材としての測定用配管に取付可能なハウジング２０と、ピン状のターミナル３１がインサート成形等により一体成形されたコネクタケース３０とを備えている。
【００４２】
ハウジング２０は、例えば、ステンレス等の金属により中空形状に形成されており、その下部の外周面には、測定用配管に締結可能な雄ねじ部２１が形成されている。このハウジング２０の上部には、周壁２２に囲まれた開口部２３が形成されている。また、ハウジング２０の下面には、開口部２３に連通する貫通孔２４が形成されている。
【００４３】
ハウジング２０内には、略有底筒状に加工された金属製の金属ステム４０が固定されている。この金属ステム４０には、その一端側の端面中央に開口部４１が形成されるとともに、この開口部４１から他端側に延びる媒体導入通路４２が形成されている。また、金属ステム４０の媒体導入通路４２における他端側の先端位置において、金属ステム４０が薄肉化されており、この薄肉化された部分によって圧力により変形可能な受圧部としてダイアフラム４３が構成されている。また、金属ステム４０の他端側（ダイアフラム４３側）には、一端側（開口部４１側）に比べて外周径が大きい段部４４が形成されている。
【００４４】
このように形成される金属ステム４０が、その段部４４にて開口部２３の底面に環状に接触するとともに開口部４１が貫通孔２４から露出するように、ハウジング２０に取り付けられることで、ハウジング２０が取り付けられた測定用配管を流れる被検出媒体が、開口部４１および媒体導入通路４２を介してダイアフラム４３に導入されることとなる。
【００４５】
金属ステム４０の材料には、超高圧（例えば、２００ＭＰａ）を受けることから高強度であること、及び、耐食性を有すること、が求められ、本実施形態では、具体的には、比較的高い熱膨張係数のＳＵＳ４３０が採用されている。
【００４６】
また、金属ステム４０のダイアフラム４３上には、当該ダイアフラム４３の変形に応じた電気信号を出力する歪ゲージ等を有するセンサチップ（センサ素子）５０が後述する接合層６０を介して設けられている。このセンサチップ５０は、シリコン製であって、媒体導入通路４２を介して導入された被検出媒体の圧力によってダイアフラム４３が変位したとき、この変位に応じた歪ゲージの抵抗値の変化を電気信号に変換して出力する検出部として機能するものである。
【００４７】
また、金属ステム４０の段部４４上には、センサチップ５０からの電気信号に応じた出力信号を作成する環状基板５１が配置されている。この環状基板５１は、具体的には、信号変換機能などを有するＩＣチップや、センサチップ５０から入力される電気信号の処理を行うと共にそれに応じた出力信号を発生させる信号処理回路、配線パターンなどを備えた回路素子としての機能を有するものである。センサチップ５０と環状基板５１とは、ボンディングワイヤ５２で結線されて電気的に接続されており、センサチップ５０の信号が、環状基板５１に配置された回路およびＩＣチップに入力されるようになっている。
【００４８】
コネクタケース３０は、合成樹脂等、ハウジング２０よりも比熱が小さな材料により形成されている。コネクタケース３０の上部には、周壁３２に囲まれた開口部３３が形成されている。この開口部３３内には、各ターミナル３１の一側端部がそれぞれ突出している。コネクタケース３０の下端部３４には、周壁３２に対して外周径が大きい段部３５が形成されて、当該下端部３４の中央には、各ターミナル３１の他側端部がそれぞれ露出している。
【００４９】
次に、センサチップ５０とダイアフラム４３とを接合する接合層６０について、図２および図３を用いて説明する。図２は、図１の接合層近傍を拡大して示す断面図である。図３は、接合層６０における熱膨張係数と第２接合面６２からの距離（界面厚さ）との関係を示すグラフである。なお、図２では、接合層６０について、説明の便宜上、黒色が濃くなるほど熱膨張係数が高くなるように図示されている。
【００５０】
図２および図３からわかるように、接合層６０は、その厚さが１００μｍであって、センサチップ５０に接合される第１接合面６１からダイアフラム４３に接合される第２接合面６２にかけて、熱膨張係数が厚さ方向に連続的に変化しその変化度合いがほぼ一定となるように形成されている。特に、接合層６０は、第１接合面６１の熱膨張係数がセンサチップ５０の熱膨張係数に等しくなるように形成され、第２接合面６２の熱膨張係数が金属ステム４０の熱膨張係数に近くなるように形成されている。なお、本実施形態にて採用されるシリコン製のセンサチップ５０の熱膨張係数は、例えば、３０×１０−７／℃（２０℃〜３００℃）であり、ＳＵＳ４３０製の金属ステム４０の熱膨張係数は、例えば、１２０×１０−７／℃（２０℃〜３００℃）である。
【００５１】
このように、接合層６０における第１接合面６１の熱膨張係数が、センサチップ５０の熱膨張係数に等しくなるように形成されるため、第１接合面６１とセンサチップ５０との熱膨張係数の差に起因してこの接合界面にて生じる熱応力を緩和することができる。また、接合層６０における第２接合面６２の熱膨張係数が、センサチップ５０の熱膨張係数よりも金属ステム４０の熱膨張係数に近くなるように形成されるため、第２接合面６２とダイアフラム４３との熱膨張係数の差に起因してこの接合界面にて生じる熱応力を緩和することができる。
【００５２】
次に、接合層６０をダイアフラム４３上に設ける工程を含めた圧力センサ１０の製造工程について、図４を用いて説明する。図４は、ダイアフラム４３上に接合層６０を形成するディスペンサー装置７０の概略を示す説明図である。なお、図４では、説明の便宜上、金属ステム４０の一部（ダイアフラム４３等）のみ図示している。
図４に示すディスペンサー装置７０は、２つの異なる接合材料（第１接合材料６０ａおよび第２接合材料６０ｂ）を所定の混合比で混合した混合材料をダイアフラム４３上に塗布することで、接合層６０を形成する装置である。このディスペンサー装置７０は、主に、第１接合材料６０ａが収容される第１タンク７１と、第２接合材料６０ｂが収容される第２タンク７２と、両タンク７１，７２からそれぞれ供給される接合材料を所定の混合比で調整して混合する混合手段７３と、混合手段７３から供給される混合材料６０ｃをダイアフラム４３上に塗布するノズル７４を備えている。このノズル７４は、塗布すべき接合層６０の形状等に応じて、混合材料６０ｃの塗布時に平面方向（Ｘ軸，Ｙ軸方向）および垂直方向（Ｚ軸方向）に移動可能に制御される。
【００５３】
本実施形態では、第１接合材料６０ａとして、主成分が酸化物からなる接着剤、例えば、シリケート系アルミナにシリカフィラー含有させそのフィラー粒度と組成を制御（調製）した熱膨張係数５〜２０×１０−７／℃（２０℃〜３００℃）の接着剤が採用されている。また、第２接合材料６０ｂとして、主成分が酸化物からなる接着剤、例えば、シリケート系アルミナにシリカフィラーを含有させそのフィラー粒度と組成を制御（調製）した熱膨張係数７０〜１００×１０−７／℃（２０℃〜３００℃）の接着剤が採用されている。
【００５４】
そして、第１タンク７１から供給される第１接合材料６０ａの供給量と、第２タンク７２から供給される第２接合材料６０ｂの供給量とをそれぞれ制御することで、混合手段７３にて混合される混合比、すなわち、混合材料６０ｃの熱膨張係数が制御される。具体的には、接合層６０のうち第２接合面６２近傍に相当する部位を形成する場合には、第２接合材料６０ｂの供給量を比較的多くするように制御する。これにより、ノズル７４から塗布される混合材料６０ｃの熱膨張係数を金属ステム４０の熱膨張係数に近付けることができ、所定の混合比（以下、第２混合比という）で混合することで、混合材料６０ｃの熱膨張係数を金属ステム４０の熱膨張係数に近づけることができる。
【００５５】
また、接合層６０のうち第１接合面６１近傍に相当する部位を形成する場合には、第１接合材料６０ａの供給量を比較的多くするように制御する。これにより、ノズル７４から塗布される混合材料６０ｃの熱膨張係数をセンサチップ５０の熱膨張係数に近付けることができ、所定の混合比（以下、第１混合比という）で混合することで、混合材料６０ｃの熱膨張係数をセンサチップ５０の熱膨張係数に等しくすることができる。
【００５６】
特に、第１タンク７１から供給される第１接合材料６０ａの供給量と、第２タンク７２から供給される第２接合材料６０ｂの供給量とを徐々に変化させてその混合比を連続的に変化させることで、ノズル７４から塗布される混合材料６０ｃの熱膨張係数が連続的に変化することとなる。これにより、接合層６０を、その熱膨張係数が第１接合面６１から第２接合面６２にかけて連続的に変化するように形成することができる。
【００５７】
次に、具体的な圧力センサ１０の製造工程について説明する。
まず、上述のように熱膨張係数が制御された第１接合材料６０ａおよび第２接合材料６０ｂを用意する。この工程は、特許請求の範囲に記載の「第１工程」の一例に相当し得る。
【００５８】
次に、第２接合面６２が接合されるダイアフラム４３上に、第１接合材料６０ａおよび第２接合材料６０ｂを混合手段７３にて混合した混合材料６０ｃをノズル７４を介して塗布する。このとき、混合手段７３からノズル７４に供給される混合材料６０ｃを、第２接合材料６０ｂの混合比が高い上記第２混合比の混合状態から第１接合材料６０ａの混合比が高い上記第１混合比の混合状態へ徐々に変化させる。これにより、第１接合面６１の熱膨張係数がセンサチップ５０の熱膨張係数に等しく、第２接合面６２の熱膨張係数がセンサチップ５０の熱膨張係数よりも金属ステム４０の熱膨張係数に近く、第１接合面６１から第２接合面６２にかけて熱膨張係数が連続的に変化する接合層６０を、ダイアフラム４３上に形成することができる。この工程は、特許請求の範囲に記載の「第２工程」の一例に相当し得る。
【００５９】
このように接合層６０が形成されると、この接合層６０の第１接合面６１にセンサチップ５０を接合することで、当該接合層６０を介してセンサチップ５０およびダイアフラム４３が接合される。この工程は、特許請求の範囲に記載の「第３工程」の一例に相当し得る。
【００６０】
続いて、接合層６０を介してセンサチップ５０がダイアフラム４３に接合された金属ステム４０に対して、その段部４４上に環状基板５１を取り付けるとともに、センサチップ５０と環状基板５１とをボンディングワイヤ５２により電気的に接続する。
このように金属ステム４０にセンサチップ５０および環状基板５１とが取り付けられると、この金属ステム４０を、その段部４４にて開口部２３の底面に環状に接触するとともに開口部４１が貫通孔２４から露出するように、ハウジング２０に取り付ける。
【００６１】
そして、コネクタケース３０の段部３５等にハウジング２０の周壁２２の先端部をかしめることにより、ハウジング２０とコネクタケース３０とが一体化される。その際、環状基板５１上の回路の端子と、対応するターミナル３１の他側端部をターミナル５４等を介して電気的に接続する。また、コネクタケース３０の下端部３４の下端面とハウジング２０の周壁２２の内周面との間にはＯリング５５が配置され、これらの間の気密性が確保される。
これにより、図１に示す圧力センサ１０が完成する。
【００６２】
次に、上述のように形成される接合層６０の効果について、図５および図６を参照し比較例とともに説明する。図５は、冷熱試験結果を示すグラフである。図６は、高温サイクル試験結果を示すグラフである。なお、図５および図６において、符号Ｓ１は、本発明に係る接合層６０の試験結果を示し、符号Ｓ２は、比較例に係る接合層の試験結果を示している。
【００６３】
上述のように熱膨張係数が制御された接合層６０と、比較例として熱膨張係数が変化しない接合層とを、センサチップ５０とダイアフラム４３とを接合する接合部材として採用したときの、冷熱試験と高温サイクル試験とをそれぞれ実施して、図５および図６に試験結果としてまとめた。なお、比較例に係る接合層は、その厚さが接合層６０と同じく１００μｍであって、その熱膨張係数が連続的に変化することなく、５５×１０−７／℃（２０℃〜３００℃）程度でほぼ一定となるように形成されている。
【００６４】
まず、冷熱試験結果について説明する。この冷熱試験では、本発明に係る接合層６０と比較例に係る接合層とのいずれかの接合層を介して接合されたセンサチップ５０および金属ステム４０を、−１９２℃の液体窒素中に３０秒間浸漬させる試験工程を複数回繰り返して、剥離状況を確認する。
図５からわかるように、本発明に係る接合層６０（図５のＳ１参照）では、１０回繰り返しても剥離状態になっておらず、比較例に係る接合層（図５のＳ２参照）では、３回目に剥離状態になっている。この試験結果から、上述のように構成される接合層６０を用いて接合することで、接合界面にて生じる熱応力が緩和されて、接合界面での剥離が生じにくくなっていることが分かる。
【００６５】
次に、高温サイクル試験結果について説明する。この高温サイクル試験では、本発明に係る接合層６０と比較例に係る接合層とのいずれかの接合層を介して接合されたセンサチップ５０および金属ステム４０を、１５０℃の温度環境に３０分さらした後に２３℃の温度環境に１５分さらす試験工程を１サイクルとして、複数サイクル繰り返して、剥離状況を確認する。
図６からわかるように、本発明に係る接合層６０（図６のＳ１参照）では、１０００サイクル後でも剥離状態になっておらず、比較例に係る接合層（図６のＳ２参照）では、１０サイクルで剥離状態になっている。この試験結果から、上述のように構成される接合層６０を用いて接合することで、接合界面にて生じる熱応力が緩和されて、接合界面での剥離が生じにくくなっていることが分かる。
【００６６】
以上説明したように、本実施形態に係る圧力センサ１０では、センサチップ５０と金属ステム４０に形成されるダイアフラム４３とを接合する接合層６０は、第１接合面６１の熱膨張係数がセンサチップ５０の熱膨張係数に等しく、第２接合面６２の熱膨張係数が金属ステム４０の熱膨張係数に近く、第１接合面６１から第２接合面６２にかけて熱膨張係数が連続的に変化するように形成されている。
【００６７】
また、本実施形態に係る圧力センサ１０の製造方法としては、第１工程により、金属ステム４０の熱膨張係数よりもセンサチップ５０の熱膨張係数に近い熱膨張係数の第１接合材料６０ａと、センサチップ５０の熱膨張係数よりも金属ステム４０の熱膨張係数に近い熱膨張係数の第２接合材料６０ｂとの２つの接合材料が用意される。そして、第２工程により、第２接合面６２が接合されるダイアフラム４３上に、第１接合材料６０ａおよび第２接合材料６０ｂを混合した混合材料６０ｃをその混合比が連続的に変化するように塗布することで接合層６０が形成される。この第２工程では、第２接合面６２側ほど第２接合材料６０ｂの混合比が高くなりこの第２接合面６２から離れるほど第１接合材料６０ａの混合比が高くなるように混合材料６０ｃが塗布される。そして、第３工程により、ダイアフラム４３上に形成された接合層６０の第１接合面６１にセンサチップ５０を接合することで、当該接合層６０を介してセンサチップ５０およびダイアフラム４３が接合される。
【００６８】
これにより、接合層６０における第１接合面６１の熱膨張係数がセンサチップ５０の熱膨張係数に等しく形成されるため、第１接合面６１とセンサチップ５０との熱膨張係数の差に起因してこの接合界面にて生じる熱応力が緩和されて、当該接合界面での剥離等を抑制することができる。また、接合層６０における第２接合面６２の熱膨張係数がセンサチップ５０の熱膨張係数よりも金属ステム４０の熱膨張係数に近く形成されるため、第２接合面６２と金属ステム４０のダイアフラム４３との熱膨張係数の差に起因してこの接合界面にて生じる熱応力が緩和されて、当該接合界面での剥離等を抑制することができる。
【００６９】
さらに、１つの接合層６０における第１接合面６１と第２接合面６２との熱膨張係数を大きく異ならせることができるので、センサチップ５０に対して熱膨張係数が大きく異なる金属ステム４０を採用しても、センサチップ５０および金属ステム４０の双方に対して上記接合界面にて生じる熱応力をそれぞれ緩和することができる。
【００７０】
特に、接合層６０は、その熱膨張係数が第１接合面６１から第２接合面６２にかけて連続的に変化するように形成されるため、両接合面６１，６２の熱膨張係数を大きく異ならせた接合層であっても、その内部に生じる熱応力が緩和されるので、当該接合層６０の熱応力に起因する破損等を抑制することができる。
したがって、熱膨張係数が大きく異なるセンサチップ５０と金属ステム４０とを接合層６０を介して好適に接合することができる。
【００７１】
また、接合層６０は、その主成分が酸化物からなるため、耐食性等を高く維持できるだけでなく、金属ステム４０からの圧力をセンサチップ５０に適切に伝達し得る強度を確保することができる。
【００７２】
ここで、本実施形態の第１変形例に係る接合層６０について、図７を用いて説明する。図７は、本実施形態の第１変形例に係る接合層６０における熱膨張係数と第２接合面６２からの距離（界面厚さ）との関係を示すグラフである。なお、本第１変形例に係る接合層６０の厚さは、上記実施形態の接合層の厚さと同じく１００μｍである。
図７に示すように、接合層６０は、第１接合面６１側（センサチップ５０側）ほど熱膨張係数の変化度合いが大きくなるように、熱膨張係数が連続的に変化して形成されてもよい。これにより、第１接合面６１とセンサチップ５０との接合界面にて生じる熱応力をより緩和することができる。
【００７３】
次に、本実施形態の第２変形例に係る接合層６０について、図８を用いて説明する。図８は、本実施形態の第２変形例に係る接合層６０における熱膨張係数と第２接合面６２からの距離（界面厚さ）との関係を示すグラフである。なお、本第２変形例に係る接合層６０の厚さは、上記実施形態の接合層の厚さと同じく１００μｍである。
図８に示すように、接合層６０は、第２接合面６２側（ダイアフラム４３側）ほど熱膨張係数の変化度合いが大きくなるように、熱膨張係数が連続的に変化して形成されてもよい。これにより、第２接合面６２と金属ステム４０のダイアフラム４３との接合界面にて生じる熱応力をより緩和することができる。
【００７４】
次に、本実施形態の第３変形例に係る接合層６０について説明する。
接合層６０は、その主成分が酸化物から構成されることに限らず、例えば、その主成分がガラス質から構成されてもよい。具体的には、主成分ガラスとして、バリウム（Ｂａ）、ビスマス（Ｂｉ）、ホウ素（Ｂ）、シリコン（Ｓｉ）アルミニウム（Ａｌ）、スズ（Ｓｎ）、バナジウム（Ｖ）、りん（Ｐ）等成分を含有する無鉛ガラスや、鉛（Ｐｂ）を含有する鉛ガラスに、熱膨張係数を制御する粒子であるコージェライトやリン酸ジルコン酸タングステン、アルミナ、シリカや鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、タングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、銀（Ａｇ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、セリウム（Ｃｅ）、ガリウム（Ｇａ）、アンチモン（Ｓｂ）、テルル（Ｔｅ）の酸化物を含有したガラスペーストを使用することができる。なお、ガラスペースト中のフィラー粒度は、０．１μｍから５０μｍまで選択でき、主に接合層６０の厚みや被接合体（金属ステム４０及びセンサチップ５０）の表面粗さ（ラフネス）により選択される。
【００７５】
例えば、接合層６０は、第１接合材料６０ａとして、粒度約１〜３μｍに制御した熱膨張係数５〜２０×１０−７／℃（２０℃〜３００℃）の接着材であるガラスペーストと、第２接合材料６０ｂとして、粒度約１〜３μｍに制御した熱膨張係数７０〜１００×１０−７／℃（２０℃〜３００℃）の接着材であるガラスペーストとを、ディスペンサー装置７０を用いて徐々にその混合比を変化させるように混合してダイアフラム４３上に塗布することで、形成することができる。
【００７６】
このように、接合層６０の主成分をガラス質から構成することで、この接合層６０は、非晶質物質で主成分ガラスは軟化点温度以上で液相を形成することから、液相となった主成分ガラスが接合界面のミクロの凹凸部位に浸透・貫入するので、ポア・亀裂等のような未接合部の少ない接合界面を形成することができる。
【００７７】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、以下のように具体化してもよい。
（１）接合層６０は、第１接合面６１の熱膨張係数が、センサチップ５０の熱膨張係数に等しくなるように形成されることに限らず、第１接合面６１の熱膨張係数を金属ステム４０の熱膨張係数よりもセンサチップ５０の熱膨張係数に近くすることで、第１接合面６１とセンサチップ５０との熱膨張係数の差を小さくするように形成されてもよい。
【００７８】
（２）接合層６０は、第２接合面６２の熱膨張係数が、センサチップ５０の熱膨張係数よりも金属ステム４０の熱膨張係数に近くなるように形成されることに限らず、第２接合面６２の熱膨張係数を金属ステム４０の熱膨張係数に等しくすることで、第２接合面６２と金属ステム４０との熱膨張係数の差をより小さくするように形成されてもよい。
【００７９】
（３）金属ステム４０は、ＳＵＳ４３０から構成されることに限らず、例えば、ＳＵＳ６３０等、強度、耐食性、コストに関して優位性を有し高い熱膨張係数の金属材料から構成されてもよい。この場合、金属ステム４０として採用された金属材料に応じて、第１接合材料６０ａおよび第２接合材料６０ｂの熱膨張係数やその混合比が調製されてもよい。
【００８０】
（４）センサチップ５０は、シリコンから構成されることに限らず、例えば、他の材料から構成されてもよい。この場合、センサチップ５０として採用された材料に応じて、第１接合材料６０ａおよび第２接合材料６０ｂの熱膨張係数やその混合比が調製されてもよい。
【００８１】
（５）接合層６０は、ディスペンサー装置７０を用いることでダイアフラム４３上に形成されることに限らず、例えば、予めシート状に形成されて、シート状の接合層をダイアフラム４３上に配置するように形成されてもよい。
【符号の説明】
【００８２】
１０…圧力センサ
２０…ハウジング
３０…コネクタケース
４０…金属ステム
４２…媒体導入通路
４３…ダイアフラム
５０…センサチップ（センサ素子）
６０…接合層（接合部材）
６０ａ…第１接合材料
６０ｂ…第２接合材料
６０ｃ…混合材料
６１…第１接合面
６２…第２接合面
７０…ディスペンサー装置
【図１】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図２】
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【図４】
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