(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガソリンエンジンの燃料系統に設けられ、ガソリン蒸気圧を検出するセンサ装置であって、
センサ素子をガラス製の台座に結合してなるセンサチップと、
該センサチップが固定されたステムと、
該センサチップを前記ステムを介して自身の内部に形成された凹部内に固着するハウジングと
を備え、前記センサチップ及び前記ステムが、前記ハウジングに対し、前記センサチップと前記ステムとの間及び前記ステムと前記凹部の底面との間にそれぞれ塗布されたフッ素系接着剤と、前記凹部内において前記センサチップの周囲に前記ステム及び前記台座を埋め込むように注入されたフッ素系接着剤とにより接着されることで、ガソリン蒸気に対する気密を確保したことを特徴とするセンサ装置。
【請求項２】
前記センサ素子は感圧素子からなり、その感圧素子により前記ハウジング内に導入されるガソリン蒸気圧を検出することを特徴とする請求項１記載のセンサ装置。
【請求項３】
ガソリンエンジンの燃料系統においてガソリン蒸気圧を検出するセンサ装置を形成するに当たり、センサ素子をガラス製の台座に接合してなるセンサチップを、ハウジング内に固着する方法において、
ステムの表面と前記センサチップのガラス製の台座とをフッ素系接着剤により固着する工程と、前記ハウジングのステム配置面と前記ステムとをフッ素系接着剤により固着する工程とを有し、
前記ステムと前記台座、前記ステムと前記ハウジングをそれぞれフッ素系接着剤で固着する前に、前記台座を除く少なくとも前記ステム及び前記ハウジングの前記フッ素系接着剤を塗布する面にプライマを塗布することを特徴とするセンサチップの固着方法。
【請求項４】
前記ステム配置面は、前記ハウジング内に形成された凹部の底面であり、その凹部の底面に前記ステムを固着した後、前記凹部にフッ素系接着剤を注入することを特徴とする請求項３記載のセンサチップの固着方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハウジングと、センサ素子をガラス製の台座に結合してなるセンサチップとを備えたセンサ装置に係わり、特にハウジングへのセンサチップの固着構成を改良したセンサ装置及びそのセンサチップの固着方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、自動車のガソリンエンジンの燃料系統において、フューエルタンクとキャニスタとを接続する管路の損傷を、その管路を流れるガソリン蒸気の圧力変化によって検出するために、上記管路のガソリン蒸気圧を相対圧圧力センサ装置によって検出するようにしたものがある。
【０００３】
この相対圧圧力センサ装置は、図７に示すように、ハウジング１の内部に大気圧が導入される基準圧力室２と、ガソリン等の測定対象圧力が導入される測定圧室３とが形成され、それら両室２及び３間を密閉するようにセンサチップ４が固着されている。そして、センサチップ４の感圧素子５の両面に大気圧と測定圧とが作用するようになっており、感圧素子５は、ガソリンの蒸気圧を、大気圧を基準とする圧力（相対圧）として検出する。
【０００４】
上記センサチップ４は、感圧素子５をガラス製の台座６に結合してなるものであるが、このセンサチップ４は、ウェハ状態にある感圧素子５にガラス板を接合し、この状態で感圧素子５の特性調整を行った後、ダイシングして得る。このようにして得たセンサチップ４のガラス製台座６を、ハンダ７により金属製のステム８に固着し、その後、ステム８を同じくハンダ９によってハウジング１に固着することにより、上述したようにセンサチップ４を大気圧室２と測定圧室３との間に固着するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、センサチップ４をステム８にハンダ７により固着する際、センサチップ４がハンダ７の溶融熱により加熱される。ハンダ（錫と鉛の合金）の溶融温度は、約３２０℃と比較的高いため、センサチップ４がその熱的影響を受けて高温度になり、熱歪みを発生する。この熱歪みは、ハンダ７による固着後もセンサチップ４に残り、この残留歪みにより感圧素子５の特性が変動して検出圧力に誤差を生ずる。
【０００６】
一般にセンサ装置は、或る物理量を検出し、その検出結果を基にしてシステムの制御を行ったりするために用いられるため、検出精度の高いことが要求されるが、上述のようにセンサチップをハンダによりハウジングに固着する従来のセンサ装置では、熱歪みの影響でセンサ素子の特性が変動するというセンサ装置にとって致命的ともいうべき問題を生ずるものである。
【０００７】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、センサ素子の特性変動を防止しながらセンサチップをハウジングに固着することができるセンサ装置及びセンサチップの固着方法を提供するにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明は、ガソリンエンジンの燃料系統に設けられ、ガソリン蒸気圧を検出するセンサ装置であって、センサ素子をガラス製の台座に結合してなるセンサチップと、該センサチップが固定されたステムと、該センサチップを前記ステムを介して自身の内部に形成された凹部内に固着するハウジングとを備え、前記センサチップ及び前記ステムが、前記ハウジングに対し、前記センサチップと前記ステムとの間及び前記ステムと前記凹部の底面との間にそれぞれ塗布されたフッ素系接着剤と、前記凹部内において前記センサチップの周囲に前記ステム及び前記台座を埋め込むように注入されたフッ素系接着剤とにより接着されることで、ガソリン蒸気に対する気密を確保したことを特徴とするものである。
【０００９】
この発明によれば、センサチップをフッ素系接着剤によりハウジングに固着するので、センサチップが高温度に加熱されることがない。しかも、フッ素系接着剤は、膨潤性が低いので、ガソリン蒸気圧を検出する形態で長期間使用しても劣化し難い。
【００１１】
また、本発明は、ガソリンエンジンの燃料系統においてガソリン蒸気圧を検出するセンサ装置を形成するに当たり、センサ素子をガラス製の台座に接合してなるセンサチップを、ハウジング内に固着する方法において、ステムの表面と前記センサチップのガラス製の台座とをフッ素系接着剤により固着する工程と、前記ハウジングのステム配置面と前記ステムとをフッ素系接着剤により固着する工程とを有し、前記ステムと前記台座、前記ステムと前記ハウジングをそれぞれフッ素系接着剤で固着する前に、前記台座を除く少なくとも前記ステム及び前記ハウジングの前記フッ素系接着剤を塗布する面にプライマを塗布することを特徴とするものである。
上記のセンサチップの固着方法において、前記ステム配置面は、前記ハウジング内に形成された凹部の底面であり、この凹部の底面に前記ステムを固着した後、前記凹部にフッ素系接着剤を注入することができる。
【００１２】
上記プライマは、接着剤の接着強度を高めるために用いられるものであるが、上記の発明によれば、プライマをガラス製の台座に塗布せず、ステムやハウジングにだけ塗布するので、台座に孔が明けられていたような場合でも、プライマが孔内に浸入してセンサ素子に付着することがない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を自動車の燃料系統に設けられる相対圧圧力センサ装置に適用した一実施例につき図１〜図６を参照しながら説明する。
相対圧圧力センサ装置の全体を示す図１において、ハウジング１１は、樹脂、例えばＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）製のもので、その中央部に基準圧室１２と測定圧室１３とが上下に隣接して形成されている。このハウジング１１には、複数本のターミナル１４（１本のみ図示）がインサート成形により一体化して設けられている。このターミナル１４の一端側は基準圧室１２内に一面が露出するように配置され、他端側はハウジング１１の右側に横向きに開口するよう形成されたコネクタシェル１５内に突出されてコネクタとして構成されている。そして、相対圧圧力センサ装置は、このコネクタを介して外部に接続される。
【００１４】
ここで、基準圧室１２内のコネクタシェル１５側には、隔壁１１ａにより区画された副室１６が形成されていると共に、ターミナル１４には、副室１６内に連通する空気逃げ孔１４ａが形成されており、コネクタシェル１５への相手側コネクタの差し込み時に、コネクタシェル１５内の空気が圧力上昇してターミナル１４のインサート部を通りハウジング１１内に侵入しようとするような事態が生じた場合、その空気が途中で副室１６内に逃げ出るようにして直接的に基準圧室１２内に漏れ出ることのないようにしている。
【００１５】
上記基準圧室１２の上面はプラスチック製のリッド１７により閉鎖されている。このリッド１７は、周囲部が基準圧室１２の周りに形成された溝１１ｂに挿入されて接着剤１８により気密に固着されている。そして、基準圧室１２は、ハウジング１１に形成された大気圧導入路１９により大気中に開放されている。この大気圧導入路１９の奥方には、撥水フィルタ２０を備えた筒状のプラグ２１が固着されている。撥水フィルタ２０は、周知の多孔質フィルタからなるもので、液体の付着を防止するための撥水処理がなされており、この撥水フィルタ２０により空気の流通を許容しつつ塵埃や水滴などの通過を阻止するようにしている。
また、ハウジング１１には、測定圧室１３に連通する管状の測定圧導入ポート２２が下方に突出して形成され、この測定圧導入ポート２２に導圧管（図示せず）が接続されるようになっている。
【００１６】
測定圧室１３の相対圧力（大気圧を基準とした圧力）は、センサチップ２３により検出されるようになっている。このセンサチップ２３は、センサ素子としての感圧素子２４を、この感圧素子２４と熱膨張係数が近似した例えばガラス製の台座２５に陽極接合などにより気密に固着してなり、台座２５には、感圧素子２４の裏面側に測定圧を導入するために貫通孔２６が形成されている。
【００１７】
ここで、感圧素子２４は、例えば単結晶シリコンから形成され、図２に示すように、中央部に薄肉な圧力応動部２４ａを有している。そして、圧力応動部２４ａには、例えばエピタキシャル手段により４個の抵抗からなるブリッジ回路が形成されている。また、感圧素子２４の表面には、耐湿性の向上を図るために例えばＳｉＮからなる保護膜２７が形成されている。なお、前記圧力応動部２４ａは、エピタキシャル層でエッチングが終了するように電気ストップエッチング手段により、高い寸法精度に仕上げられている。
【００１８】
かかるセンサチップ２３は、ステム２８にフッ素系接着剤２９により接着されている。このステム２８は、ガラス製の台座２５と熱膨張係数が近似する材料、例えば金属、具体的には４２アロイ（鉄：５８％、ニッケル：４２％の合金）により形成されている。そして、このステム２８は、凹部３０の底面に同じくフッ素系接着剤３１により固着されており、このステム２８の接着により、センサチップ２３がステム２８を介して基準圧室１２と測定圧室１３との間に気密に固着された状態となる。
【００１９】
上記ステム２８には、センサチップ２３の台座２５の貫通孔２６を測定圧室１３に連通させる透孔３２が形成されている。従って、感圧素子２４の圧力応動部２４ａは、表面側に基準圧室１２に導入された大気圧を受けると共に、裏面側に測定圧室１３に導入された測定対象圧を受け、その圧力差に応じた量だけ変形してその変形量に応じた電圧を圧力検出信号として出力する。感圧素子２４の出力端子は、ターミナル１４にボンディングワイヤ３３を介して接続されており、感圧素子２４の検出信号をターミナル１４から外部に取り出すことができるようになっている。
【００２０】
このようなセンサチップ２３の台座２５の下半部及びステム２８は、気密性及び接着強度をより一層高めるために、凹部３０に注入されたフッ素系接着剤３４内に埋め込まれている。更に、耐湿性の向上のために、フッ素系接着剤３４に重ねて、例えばシリコンゲル３５が充填されている。このシリコンゲル３５は、センサチップ２３の台座２５の上半部を埋め込むと共に、感圧素子２４の表面を薄く覆っている。更に、シリコンゲル３５は、ボンディングワイヤ３３及び基準圧室１２に露呈するターミナル１４の表面を覆っていると共に、副室１６内にも注入されて副室１６内に露呈するターミナル１４の表面を覆っている。
なお、上記したフッ素系接着剤２９，３１，３４は、具体的にはＳＩＦＥＬ２１０（商品名：信越化学工業株式会社）である。
【００２１】
ここで、センサチップ２３をハウジング１１に固着する手順を説明する。
先ず、図２に単体で示す感圧素子２４は、ウェハ状態において台座２５と陽極結合により固着され、この状態で圧力応動部２４ａに４個の抵抗を形成することに併せて、それら抵抗の抵抗値を調整する特性調整が行われる。この後、ダイシングしてセンサチップ２３として形成される。
【００２２】
さて、第１工程では、図３（ａ）に示すように、ステム２８の表裏両面にプライマ３６が塗布される。次の第２工程では、図３（ｂ）に示すように、ステム２８の表面のうち、透孔３２の周囲部分に前記フッ素系接着剤２９を薄く塗布する。そして、センサチップ２３の台座２５をステム２８の接着剤２９塗布部分に載せて接着し、フッ素系接着剤２９を加熱硬化させる。このフッ素系接着剤２９の加熱硬化は、約１５０℃にて行われる。以上によりセンサチップ２３がステム２８にフッ素系接着剤２９により固着される。
【００２３】
ここで、前記プライマ３６とは、粘性の非常に低い物質、例えばヘプタン（第１石油類）をいい、接着剤２９とステム２８との接着強度を上げるために塗布されるものである。そして、このプライマ３６をステム２８にだけ塗布し、センサチップ２３の台座２５に塗布しない理由は、第１に、プライマ３６が台座２５の貫通孔２７内に浸入して感圧素子２４の裏面に達すると、その特性が変動するおそれがあるから、これを避けるためである。
【００２４】
このようにしてセンサチップ２３をステム２８に接着した後の第３工程では、図３（ｃ）に示すように、ハウジング１１のステム配置面である凹部３０の底面にプライマ３７を塗布する。次に、図３（ｄ）に示す第４工程でプライマ３７に重ねて前記フッ素系接着剤３１を薄く塗布し、その接着剤３１にセンサチップ２３を接着したステム２８を載せて接着する。そして、フッ素系接着剤３１を加熱硬化させる。これにて、センサチップ２３がステム２８を介してハウジング１１に固着されたこととなる。この場合、先の第１工程でステム２８の裏面にもプライマ３６が塗布され入るので、フッ素系接着剤３１はステム２８及び凹部３０の底面に対する接着強度がプライマ３６，３７により高められるものである。
【００２５】
この後、感圧素子２４とターミナル１４とをボンディングワイヤ３３により接続し、次の図３（ｅ）に示す第５工程で台座２５、ステム２８、凹部３０内面にプライマ３８を塗布する。そして、最後の図３（ｆ）に示す第６工程で凹部３０内に前記フッ素系接着剤３４を注入し、フッ素系接着剤３４を加熱硬化させる。これにより、フッ素系接着剤３４中にステム２８及び台座２５が埋め込まれるので、センサチップ２３がより強固にハウジング１１に接着されると共に、基準圧室１２と測定圧室１３との間の気密性がより向上する。
【００２６】
ここで、凹部３０の底面に薄く塗布したフッ素系接着剤３１によりステム２８を固着した後、接着剤３４を注入する理由は、先にフッ素系接着剤３１によりステム２８と凹部３０の内底面との間をシールしておき、フッ素系接着剤３４を凹部３０内に注入したとき、接着剤３４が測定圧室１３内に漏れ出ないようにするところにある。以上のようにしてセンサチップ２３をハウジング１１に固着した後、フッ素系接着剤３４に重ねて前記シリコンゲル３５を注入し、最後にリッド１７をハウジング１１に固着するものである。
【００２７】
さて、本実施例では、センサチップ２３の台座２５をフッ素系接着剤２９によりステム２８に固着し、そのステム２８を同じくフッ素系接着剤３１によりハウジング１１に固着している。フッ素系接着剤の加熱硬化温度は、１５０℃程度であるため、従来のハンダで固着する場合とは異なり、センサチップ２３が高温度に加熱されるおそれがない。従って、センサチップ２３が固着後も残留する程大きな熱歪みを生じることがなく、特性変動の発生を防止できる。
【００２８】
図４は、従来のセンサチップ４をハンダ７，９によりステム８を介してハウジング１に固着した相対圧圧力センサ装置と、本発明のセンサチップ２３をフッ素系接着剤２９，３１，３４によりステム２８を介して固着した相対圧圧力センサ装置との検出誤差を比較試験した結果を示す。この図４から理解されるように、従来のものは、検出誤差が大きく、且つ個々のセンサ装置間のばらつきも大きい。これに対し、本発明のものは、検出誤差が小さく、且つセンサ装置間のばらつきも小さく、本発明が特性変動の発生防止に優れていることが理解される。
【００２９】
ところで、接着剤２９，３１，３４は、センサチップ２３とステム２８とハウジング１１を相互に固着すると共に、基準圧室１２と測定圧室１３との間をシールする機能を長期間保持できるものでなければならない。それらの機能は、接着剤２９，３１，３４の劣化に伴い低下するが、その接着剤２９，３１，３４の劣化は、耐薬品性、換言すれば膨潤性と密接な関係がある。特に、本実施例では、測定圧室１３内にガソリンが浸入する環境下で使用されるので、接着剤２９，３１，３４がガソリンを含んで膨潤するものであってはならない。
【００３０】
一方、相対圧圧力センサ装置が高温雰囲気で使用された場合（８０℃程度までを想定）、ハウジング１１が高温になって熱歪みを生ずると、その歪みがセンサチップ２３に伝わるおそれがある。接着剤２９，３１，３４は、ハウジング１１とセンサチップ２３及びステム２８との間、センサチップ２３とステム２８との間に存在しているため、それら接着剤２９，３１，３４が弾性に富んでいれば、そのハウジング１１の歪みを接着剤２９，３１，３４で吸収してセンサチップ２３に伝わらないようにすることができる。
【００３１】
このように接着剤２９，３１，３４は、接着強度が大きく、センサチップ２３を強固に固着できることの他、膨潤性が低く、長期にわたり劣化しないこと、及び弾性が大きく、ハウジング１１の歪みを吸収できることが好ましいが、本発明者は、好ましい接着剤の接着強度、膨潤性、及び弾性を定量的に把握すべく、種々の実験を行った。この結果、接着強度と直接的に関係する引張強度は０．１３ＭＰａ以上、劣化に関係する膨潤性（膨潤度）は２０％以下、弾性に関係するヤング率は５ＭＰａ以下であると良いことが判明した。
【００３２】
以上のような事情に鑑み、本発明では、接着剤２９，３１，３４を膨潤性の低い（耐薬品性の高い）、ヤング率の小さい（弾性の大きい）フッ素系接着剤としたものであるが、図５にフッ素系接着剤とエポキシ系接着剤、シリコン系接着剤、フロロシリコン系接着剤の特性を示す。同図から明らかなように、エポキシ系接着剤は、ヤング率、膨潤度が共に大き過ぎ、シリコン系接着剤とフロロシリコン系接着剤は、引張強度及びヤング率については良いが、膨潤度が大き過ぎるため、いずれも不適格である。これに対し、フッ素系接着剤は、引張強度、ヤング率、膨潤度のいずれも好ましい数値範囲内にあり、他のエポキシ系、シリコン系、フロロシリコン系の各接着剤に比べて優れている。
【００３３】
従って、接着剤２９，３１，３４にフッ素系を使用した本実施例では、その接着剤２９，３１，３４によりセンサチップ２３をハウジング１１に強固に固着でき、しかも接着剤２９，３１，３４は、基準圧室１２と測定圧室１３との圧力差に十分に耐えて両室１２，１３間のシールを良好に行い得ると共に、温度変化に伴うハウジング１１の歪みを吸収してセンサチップ２３に伝えないようにすることができ、且つ劣化することなく大きな接着強度、弾性を長期にわたり維持できるものである。
【００３４】
なお、フッ素系接着剤は本実施例で用いた材料に限定されるものではなく、上記した引張強度、ヤング率、膨潤度を満たすものであれば、他のものでも良いことはいうまでもない。
【００３５】
一方、本実施例では、センサチップ２３をステム２８に固着してハウジング１１に固着するようにした。このようにステム２８を用いると、ハウジング１１の歪み吸収がより良好に行われる。
すなわち、図６は、センサチップ２３をステム２８に接着し、それらセンサチップ２３及びステム２８を接着剤によりハウジング１１に固着した本実施例構造の相対圧圧力センサ装置（図６にチップ−ステム接着と表示）と、センサチップ２３を接着剤により直接ハウジング１１に固着した相対圧圧力センサ装置（同チップ−ハウジング接着と表示）とについて、ハウジング１１の雰囲気温度を種々変化させた場合の検出圧力誤差を測定した結果を示すものである。なお、測定圧力は、−７．５ｍｍＨｇと一定に保持した。
【００３６】
この図６から明らかなように、検出誤差の許容範囲±１．５ｍｍＨｇに対し、ステム２８を用いないものでは、雰囲気温度８０℃で検出誤差が＋３ｍｍＨｇに達するのに対し、ステム２８を用いるものでは、検出誤差は最大＋１ｍｍＨｇ程度であり、ステム２８を用いると、ハウジング１１の熱歪みがセンサチップ２３（感圧素子２４）に伝わり難く、検出誤差が小さくなることが理解される。
【００３７】
なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施例に限定されるものではなく、以下のような拡張或いは変更が可能である。
センサ装置としては、相対圧圧力センサに限られず、絶対圧を測定する圧力センサであっても、加速度センサ装置その他のセンサ装置であっても良く、要はセンサチップをハウジング内に固着するセンサ装置に広く適用できるものである。
ハウジング１１は、樹脂製のものに限られない。
ステム２８の裏面に塗布するプライマ３６は、センサチップ２３の台座２５をステム２８に接着した後であっても良い。
ステム２８は金属製に限られず、樹脂製であっても良い。
フッ素系接着剤３４はセンサチップ２３の接着強度、基準圧室１２と測定圧室１３との間のシールを一層確実にするためのものであるが、これは基準圧室１２と測定圧室１３との圧力差等を考慮して適宜設ければ良いものである。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のセンサ装置及びセンサチップの固着方法では、センサチップをフッ素系接着剤によりハウジングに固着するので、その固着に起因するセンサチップの歪みを極力防止でき、センサ素子の特性変動を防止できる。
【００３９】
更に、本発明のセンサチップの固着方法では、センサチップをステムに接着する際、プライマを先に塗布するので、フッ素系接着剤の接着強度が高まる。しかも、プライマはセンサチップ側には塗布しないので、プライマがセンサ素子に付着するおそれがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す縦断側面図
【図２】感圧素子の縦断側面図
【図３】センサチップの固着のため工程を順に示す縦断面図
【図４】センサチップの固着による特性変動の実験結果を示す図
【図５】各種接着剤の特性図
【図６】ステムの有無による特性変動の実験結果を示す図
【図７】従来のセンサチップの固着構成を示す縦断面図
【符号の説明】
図中、１１はハウジング、１２は基準圧室、１３は測定圧室、１４はターミナル、１９は大気圧導入路、２２は測定圧導入ポート、２３はセンサチップ、２４は感圧素子（センサ素子）、２５は台座、２８はステム、２９，３１，３４はフッ素系接着剤、３６，３７はプライマである。
【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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