(57)【要約】【課題】金属ステムと接合ガラスとの接合性を向上した圧力センサを提供する。【解決手段】接合ガラス３０と金属ステム１０との間に中間接合層３１を備え、中間接合層３１がフィラー３０ａを添加していないもの、もしくは含有量が少ないもので構成されるようにする。このような中間接合層３１を備えることで、中間接合層３１が濡れ性良く接合面１０ａに濡れ、金属ステム１０との接合について高い接合強度を得ることが可能となる。さらに、フィラー３０ａは気泡を含みやすくボイド等の欠陥が形成されやすくなるが、中間接合層３１がフィラー３０ａを添加していないもの、もしくは含有量が少ないもので構成されていることから、気泡の侵入を防いで欠陥形成を抑制できる。このため、金属ステム１０との界面において、高い接合強度を得ることが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
印加される圧力に応じた電気出力を発生させる圧力センサであって、
圧力検出用のダイヤフラム（１１）を有する金属ステム（１０）と、
前記ダイヤフラム上に配置され、金属酸化物を粒子状にしたフィラー（３０ａ）を含有する接合ガラス（３０）と、
前記金属ステムと前記接合ガラスとの間に配置された中間接合層（３１）と、
前記ダイヤフラム上に前記接合ガラスおよび前記中間接合層を介して接合され、前記ダイヤフラムの歪みに応じた電気出力を発生する歪検出素子（４１）が形成されたセンサチップ（４０）と、を備え、
前記中間接合層は、前記接合ガラスよりも前記フィラーの含有量少ないガラス質によって構成されている圧力センサ。
【請求項２】
前記中間接合層は、前記フィラーが含有されないガラス質のみで構成されている請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記中間接合層の熱膨張係数は、前記センサチップの熱膨張係数以下、かつ、前記金属ステムの熱膨張係数以上である請求項１または２に記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記フィラーは、鉛、チタン、カルシウム、ジルコニウムおよびシリコンのうちの１種もしくは複数種の元素を含む請求項１ないし３のいずれか１つに記載の圧力センサ。
【請求項５】
前記接合ガラスは、鉛を含む材料によって構成されている請求項１ないし４のいずれか１つに記載の圧力センサ。
【請求項６】
前記金属ステムは、ステンレス鋼にて構成されている請求項１ないし５のいずれか１つに記載の圧力センサ。
【請求項７】
前記ステンレス鋼は、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ６３０もしくはＳＵＳ３０４のいずれかによって構成されている請求項６に記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力検出用のダイヤフラムを有する金属ステムにセンサチップを接合してなる圧力センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、高圧を検出できる圧力センサとして、例えば特許文献１に示されるものがある。この圧力センサは、ダイヤフラムが形成された有底円筒状の金属ステムと、ダイヤフラムの歪検出を行う歪検出素子が形成されたセンサチップとを備え、接合ガラスを介してセンサチップをダイヤフラム上に接合している。例えば、センサチップはシリコンからなる半導体基板に対して半導体素子を形成したもので構成され、金属ステムはＳＵＳ４３０などの金属材料で構成されている。そして、ペースト状もしくはタブレット状の接合ガラスを介して金属ステムの上にセンサチップを配置し、熱処理によってペースト状の接合ガラスを焼成することや、タブレット状の接合ガラスを溶融させることで、センサチップを金属ステムに対して接合している。
【０００３】
また、金属ステムとセンサチップとの熱膨張係数差による熱応力を軽減するために、接合ガラスの熱膨張係数を調整すべく接合ガラスにフィラーを添加している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−２３５１０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、接合ガラスにフィラーを添加する場合、フィラー表面が空気を含み易く、フィラー表面の空気が金属ステムとの界面における気泡の発生原因となる。このような気泡が発生すると、気泡の部位では接合ガラスが金属ステムに濡れないため、ボイド等の欠陥を発生させ、接合ガラスと金属ステムとの間の接合不良を引き起こす。その結果、冷熱サイクル等の信頼性試験で評価すると、接合ガラスが金属ステムの膨張や収縮からの熱応力を受ける際に、接合ガラスと金属ステムとの接合不良に起因する熱応力作用で、接合ガラスの亀裂や剥離もしくはセンサチップの亀裂や破壊が生じる。このように、接合ガラスと金属ステムとの間の接合不良が発生すると、信頼性のある圧力センサを得ることができない。特に、圧力センサを高圧測定に適用する場合には、上記問題が発生し易い。
【０００６】
本発明は上記点に鑑みて、金属ステムと接合ガラスとの接合性を向上した圧力センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、印加される圧力に応じた電気出力を発生させる圧力センサであって、圧力検出用のダイヤフラム（１１）を有する金属ステム（１０）と、ダイヤフラム上に配置され、金属酸化物を粒子状にしたフィラー（３０ａ）を含有する接合ガラス（３０）と、金属ステムと接合ガラスとの間に配置された中間接合層（３１）と、ダイヤフラム上に接合ガラスおよび中間接合層を介して接合され、ダイヤフラムの歪みに応じた電気出力を発生する歪検出素子（４１）が形成されたセンサチップ（４０）と、を備え、中間接合層は、接合ガラスよりもフィラーの含有量少ないガラス質によって構成されている。
【０００８】
このように、接合ガラスと金属ステムとの間に中間接合層を備え、中間接合層がフィラーを添加していないもの、もしくは含有量が少ないもので構成されるようにしている。このような中間接合層を備えているため、中間接合層が濡れ性良く接合面に濡れ、金属ステムとの接合について高い接合強度を得ることが可能となる。さらに、フィラーは気泡を含みやすくボイド等の欠陥が形成されやすくなるが、中間接合層がフィラーを添加していないもの、もしくは含有量が少ないもので構成されていることから、気泡の侵入を防いで欠陥形成を抑制できる。このため、金属ステムとの界面において、高い接合強度を得ることが可能となる。したがって、欠陥気泡を起点として亀裂や破壊が生じることを抑制でき、金属ステムと接合ガラスとの接合性を向上した信頼性の高い圧力センサにできる。
【０００９】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態にかかる圧力センサの断面図である。
【図２】図１中の破線で囲む領域IIの部分拡大図である。
【図３】中間接合層がフィラーを添加していないもの等で構成された複数の実施例と中間接合層を備えない場合の比較例について、信頼性試験を行った結果を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
【００１２】
（第１実施形態）
第１実施形態にかかる圧力センサについて説明する。なお、本実施形態の圧力センサは、例えば、自動車における燃料噴射用の燃料パイプの燃料圧やブレーキ液圧の検出用のように、高圧検出を行う製品に適用されると好適である。
【００１３】
図１に示されるように、圧力センサは、金属ステム１０、ハウジング２０、接合ガラス３０、中間接合層３１、センサチップ４０、回路基板５０、リード６０、６１、コネクタ７０およびターミナル７１などによって構成されている。
【００１４】
金属ステム１０は、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ６３０、ＳＵＳ３０４のようなステンレス鋼等の金属によって構成され、有底筒状部材とされている。金属ステム１０の底面にて薄肉のダイヤフラム１１が構成されており、金属ステム１０のうちダイヤフラム１１と反対側の他端部が中空の開口部１２とされている。開口部１２から形成された中空の内部空間１３は円柱形状とされており、ダイヤフラム１１の上面形状が円形状となっている。
【００１５】
また、金属ステム１０は、ダイヤフラム１１側の方が開口部１２側に比べて外周径が大きくなるようにフランジ形状とされた底部１４が形成されている。この底部１４のうち開口部１２と反対側の一面を接合面１０ａとして、接合面１０ａの上に、接合ガラス３０および中間接合層３１を介してセンサチップ４０が配置されると共に、接合ガラス３０や中間接合層３１およびセンサチップ４０の周囲に回路基板５０が配置されている。より詳しくは、底部１４のうちダイヤフラム１１と対応する位置に接合ガラス３０および中間接合層３１を介してセンサチップ４０が接合され、ダイヤフラム１１の周囲の部分に回路基板５０が固定されている。そして、開口部１２を通じて導入される圧力媒体の圧力がダイヤフラム１１における受圧面に印加され、その圧力に応じた歪みが接合ガラス３０および中間接合層３１を介してセンサチップ４０に伝えられるようになっている。
【００１６】
さらに、底部１４のうち回路基板５０と対応する位置には凹部１５が形成されており、当該凹部１５内に、回路基板５０を貫通するように設けられたリード６０の先端が入り込んでいる。この凹部１５内には図示しない接着剤等が充填されており、この接着剤を介して回路基板５０が底部１４に貼り付けられている。
【００１７】
ハウジング２０は、例えば図示しない燃料パイプなどの被取付対象に直接取り付けられるもので、外周面に取付用のネジ２１が形成されている。このネジ２１の部分を例えば燃料パイプに螺合することによって開口部１２が燃料パイプ内と連通して、金属ステム１０への圧力媒体の導入が可能となる。
【００１８】
ハウジング２０の内部には、金属ステム１０の一部が嵌め込まれる中空部２２と、センサチップ４０などが収容される収容空間２３が構成されている。収容空間２３の径は中空部２２の径よりも大きくされており、上記した金属ステム１０は、底部１４よりも開口部１２側の部分が中空部２２に嵌め込まれることでハウジング２０に固定されている。収容空間２３には、底部１４に加えて、接合ガラス３０やセンサチップ４０および回路基板５０などが収容されている。
【００１９】
また、ハウジング２０のうちネジ２１と反対側において、ハウジング２０の内径が拡大されることで構成された第１段付部２４と、更にハウジング２０の内径が拡大されることで構成された第２段付部２５が形成されている。第１段付部２４に当接するようにシール部材２６が配置され、シール部材２６に当接するようにコネクタ７０が配置されている。シール部材２６は、ゴムで構成されたＯリング２６ａと樹脂もしくは金属で構成された環状部２６ｂとを有した構成とされ、コネクタ７０がＯリング２６ａを押圧するようにしてハウジング２０に固定されることで、ハウジング２０とコネクタ７０との間のシール性が確保されている。
【００２０】
さらに、ハウジング２０のうちネジ２１と反対側の先端部２７は、径方向内方にかしめられており、このかしめによってコネクタ７０が固定されている。
【００２１】
なお、本実施形態では、ハウジング２０を金属ステム１０と別体のもので構成した場合を示してあるが、金属ステム１０とハウジング２０とを１部材で構成することもできる。例えば、１本の金属材料を用意し、切削加工を行うことによって、金属ステム１０とハウジング２０とを一体構造としたものを作製することも可能である。
【００２２】
接合ガラス３０は、センサチップ４０を金属ステム１０に対して接合するための接合材に相当する。接合ガラス３０は、例えば酸化物からなるガラス質を母材として構成されている。このような材料としては、酸化鉛（ＰｂＯ）、酸化ホウ素（Ｂ2Ｏ3）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、シリカ（ＳｉＯ2）などが挙げられる。これらの中でも、鉛を含むガラス質である酸化鉛については、流動性があり、金属ステム１０とセンサチップ４０との線膨張係数差に基づく熱膨張の制御を行うのに適していることから、接合ガラス３０に好適な材料である。また、接合ガラス３０については、図２に示すように、フィラー３０ａが添加されている。フィラー３０ａとしては、母材となるガラス質のガラス転位温度でも形状変化が無い材料で構成され、例えば鉛、チタン、カルシウム、ジルコニウムおよびシリコンのうちの１種もしくは複数種の元素を含む金属酸化物を粒子状としたものを用いることができる。フィラー３０ａの粒径については任意であるが、２０μｍ以下のものであると好ましい。また、接合ガラス３０におけるフィラー３０ａの含有率については、例えば０．０１〜５０重量％とされており、中間接合層３１よりも含有率が大きくされている。接合ガラス３０の厚みについては任意であるが、中間接合層３１よりも厚くされており、よりセンサチップ４０と金属ステム１０との間の熱膨張係数差に起因する熱応力を緩和できる厚みに設定される。例えば、接合ガラス３０は、２５０μｍ程度とされる。
【００２３】
中間接合層３１は、接合ガラス３０と金属ステム１０との間に配置され、接合ガラス３０と金属ステム１０との接合性を高めるために備えられている。中間接合層３１は、例えば酸化物からなるガラス質によって構成されており、接合ガラス３０を構成するガラス質と同じ材料、つまり同一組成で構成されている。中間接合層３１は、フィラー３０ａが添加されていないガラス質のみで構成されるか、少なくとも接合ガラス３０よりもフィラー３０ａの含有量が少なくされることで、金属ステム１０への濡れ性が接合ガラス３０よりも高くされている。すなわち、フィラー３０ａの存在により、接合ガラス３０の金属ステム１０への濡れ性が不十分となり、接合強度を損なうことになる。このため、フィラー３０ａを無くすこともしくは低減することによって、中間接合層３１の金属ステム１０への濡れ性が向上するようにしている。中間接合層３１の厚みについても任意であるが、よりセンサチップ４０と金属ステム１０との間の熱膨張係数差に起因する熱応力を緩和できる厚みに設定され、熱膨張係数がセンサチップ４０の熱膨張係数以下、かつ、接合ガラス３０の熱膨張係数以上に設定される。中間接合層３１の厚みは、１０〜１００μｍ、例えば９０μｍ程度とされる。
【００２４】
接合ガラス３０および中間接合層３１については、例えばタブレット状とされたものを溶融し、固化することで構成している。例えば、接合ガラス３０と中間接合層３１とが二層構造のタブレット状となったもの、または、タブレット状の接合ガラス３０に対してフィラー３０ａが添加されていないガラス質を塗布することで中間接合層３１を形成したものを用意する。これを金属ステム１０の接合面１０ａに配置すると共に、接合ガラス３０および中間接合層３１の上にセンサチップ４０を配置する。そして、加熱炉などによって熱処理を行うこと、例えば４４０℃で１０分間の加熱を行うことで接合ガラス３０および中間接合層３１を溶融させたのち、例えば自然冷却などの冷却によって接合ガラス３０および中間接合層３１を固化する。このように、接合ガラス３０および中間接合層３１を溶融させることで接合面１０ａに中間接合層３１が濡れると共に、中間接合層３１と接合ガラス３０とが接合される。
【００２５】
このとき、中間接合層３１がフィラー３０ａを添加していないもの、もしくは含有量が少ないもので構成されていることから、中間接合層３１が濡れ性良く接合面１０ａに濡れ、金属ステム１０との接合について高い接合強度を得ることが可能となる。さらに、フィラー３０ａは気泡を含みやすくボイド等の欠陥が形成されやすくなるが、中間接合層３１がフィラー３０ａを添加していないもの、もしくは含有量が少ないもので構成されていることから、気泡の侵入を防いで欠陥形成を抑制できる。また、接合ガラス３０と中間接合層３１とに関しては、ガラス質のガラス転位温度以上で溶融することで、ガラス成分が互いに化学反応を伴った化学結合で界面を構成することになり、ボイドなどの欠陥が生成されないようにできる。すなわち、接合ガラス３０と中間接合層３１とが界面において一体化し、ボイドなどが発生しないようにできる。
【００２６】
センサチップ４０は、開口部１２から金属ステム１０の内部に導入された圧力媒体の圧力によってダイヤフラム１１が変形したときに発生する歪みを検出するものである。具体的には、センサチップ４０には、図２に示すように、ダイヤフラム１１の歪みに応じた電気出力をセンサ信号として出力する歪検出素子としての歪ゲージ４１が形成されている。例えば、センサチップ４０は四角形状で構成され、シリコン基板によって構成されている。歪ゲージ４１は、例えばセンサチップ４０に形成した拡散抵抗によって構成され、４つのゲージ抵抗でホイートストンブリッジ回路を形成したものとされている。
【００２７】
このような構成とされたセンサチップ４０においては、圧力印加に伴ってダイヤフラム１１が変形すると、それに基づく歪みにより、ホイートストンブリッジ回路を構成するゲージ抵抗のうち対向する１組には圧縮応力が加わり、もう一方の対向する１組には引張応力が加わる。これにより、ゲージ抵抗が構成するホイートストンブリッジ回路の中点電圧が変化することで、印加された圧力を電気信号に変換して出力することが可能となっている。
【００２８】
なお、センサチップ４０の所望箇所と回路基板５０の所望箇所とがボンディングワイヤ４２を介して電気的に接続されており、例えば歪ゲージ４１の電気出力が回路基板５０に伝えられる。また、センサチップ４０に、歪ゲージ４１の電気出力を信号処理する信号処理回路を備えることもできる。その場合、回路基板５０には、歪ゲージ４１の電気出力が信号処理回路で処理されてから回路基板５０に対して出力される。
【００２９】
回路基板５０は、接着剤などを介して金属ステム１０の底部１４に固定されている。例えば、回路基板５０は、ダイヤフラム１１と対応する部分が開口させられた円環板状もしくはＣ字形板状などによって構成されており、ボンディングワイヤ４２と電気的に接続される図示しない複数のパッドが形成されている。また、回路基板５０には複数本のリード６０が実装されており、複数のパッドのそれぞれに各リード６０が電気的に接続されている。
【００３０】
なお、この回路基板５０に対して、歪ゲージ４１の電気出力を信号処理する信号処理回路等が形成されたＩＣチップ等を配置することもできる。この場合、歪ゲージ４１の電気出力がＩＣチップ内の信号処理回路で信号処理されたのち、リード６０などを通じて外部に出力されることになる。
【００３１】
リード６０は、回路基板５０を通じてセンサチップ４０との電気的接続を行うための導体部材であり、例えば銅などの金属によって構成されている。リード６０は、複数本備えられており、それぞれ回路基板５０に対して立設されていて、一端が回路基板５０の各パッドに対して電気的に接続され、他端がリード６１に電気的に接続されている。
【００３２】
リード６１は、リード６０とターミナル７１とを物理的および電気的に接続する導体部材であり、例えば銅などの金属によって構成されている。リード６１は、リード６０と対応して複数本備えられており、それぞれが各リード６０に対して溶接などによって接続されている。
【００３３】
コネクタ７０は、ターミナル７１がコネクタケース７２にインサート成形された部材である。ターミナル７１は、リード６０、６１を介して回路基板５０やセンサチップ４０に電気的に接続されている。これにより、センサチップ４０からの電気出力は、必要に応じて信号処理回路で信号処理されたのち、ボンディングワイヤ４２から回路基板５０に伝えられ、リード６０、６１およびターミナル７１に伝えられるようになっている。
【００３４】
また、コネクタ７０は、コネクタケース７２の下面をシール部材２６側に押圧した状態でハウジング２０の先端部２７がかしめられることで、ハウジング２０に固定保持されている。なお、ターミナル７１は、図１では２本示されているが、実際には、電源印加用、ＧＮＤ接続用、出力用、検査用等のために必要な本数が備えられている。そして、コネクタ７０に対して、自動車のＥＣＵなどに繋がる配線に接続された図示しない外部コネクタを接続することで、圧力センサの検出信号がＥＣＵなどに伝達されるようになっている。
【００３５】
コネクタケース７２は、コネクタ７０の外形を成すものであり、例えばＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート樹脂の略）等によって構成されている。コネクタケース７２は、下面がフランジ形状を成しており、このフランジ形状とされた部分がシール部材２６と当接するようにしてハウジング２０の先端部２７の内側に挿入され、かしめられた先端部２７によってハウジング２０に固定保持される。つまり、コネクタケース７２は、ハウジング２０に組みつけられるパッケージを構成するものであり、ハウジング２０に収容されたセンサチップ４０や電気的接続箇所等を湿気や機械的外力より保護する機能を果たす。
【００３６】
以上のような構造により、本実施形態にかかる圧力センサが構成されている。このように、本実施形態の圧力センサでは、接合ガラス３０と金属ステム１０との間に中間接合層３１を備え、中間接合層３１がフィラー３０ａを添加していないもの、もしくは含有量が少ないもので構成されるようにしている。このような中間接合層３１を備えているため、中間接合層３１が濡れ性良く接合面１０ａに濡れ、金属ステム１０との接合について高い接合強度を得ることが可能となる。さらに、フィラー３０ａは気泡を含みやすくボイド等の欠陥が形成されやすくなるが、中間接合層３１がフィラー３０ａを添加していないもの、もしくは含有量が少ないもので構成されていることから、気泡の侵入を防いで欠陥形成を抑制できる。このため、金属ステム１０との界面において、高い接合強度を得ることが可能となる。したがって、欠陥気泡を起点として亀裂や破壊が生じることを抑制でき、金属ステム１０と接合ガラス３０との接合性を向上した信頼性の高い圧力センサにできる。
【００３７】
ここで、上記したように、中間接合層３１がフィラー３０ａを添加していないもの、もしくは含有量が少ないもので構成されるようにしている。これについて、図３を参照して説明する。
【００３８】
図３は、本実施形態に示したように中間接合層３１がフィラー３０ａを添加していないもの、もしくは含有量が少ないもので構成された複数の実施例と中間接合層３１を備えない場合の比較例について、信頼性試験を行った結果を示している。信頼性試験としては冷熱サイクル試験を行っている。冷熱サイクル試験については、２５０℃に加熱して５分間保持したのち、−４０℃に冷却して５分間保持する冷熱工程を２００サイクル施している。中間接合層３１の厚みについては、１０〜１００μｍ、具体的には１０、２０、５０、１００μｍについて調べた。中間接合層３１の厚みは、センサチップ４０と金属ステム１０との熱膨張係数差に起因する熱応力を抑制できるように設定され、基本的にはセンサチップ４０の厚みに応じて決まる。例えば、中間接合層３１の厚みは９０μｍとされる。
【００３９】
なお、図中に接合ガラス３０および中間接合層３１やセンサチップ４０の亀裂・破壊の有無やボイド発生の有無および発生していたボイドのサイズについて示してある。また、ボイドが「なし」とは、信頼性に影響を与え得る外径が１００μｍを超えるボイドが存在していないことを意味しており、信頼性に影響を与えない程度の小さなボイドまで完全に存在していないことを意味しているのではない。
【００４０】
図３中の実施例１〜２６に示すように、中間接合層３１がフィラー３０ａを添加していないもの、もしくは含有量が少ないもので構成されている場合には、接合ガラス３０および中間接合層３１やセンサチップ４０に剥離・亀裂が発生しておらず、ボイドも発生していなかった。これに対して、中間接合層３１が形成されていない比較例１〜３については、接合ガラス３０および中間接合層３１もしくはセンサチップ４０に亀裂が発生しており、ボイドについても外径が４６８〜５００μｍという大きなものが発生していた。
【００４１】
このように、中間接合層３１を形成しつつ、中間接合層３１がフィラー３０ａを添加していないもの、もしくは含有量が少ないもので構成されるようにすることで、金属ステム１０と接合ガラス３０との接合性を向上した信頼性の高い圧力センサにできる。
【００４２】
（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
【００４３】
例えば、上記実施形態で説明した構成要素等の形状、位置関係等については一例を示したに過ぎず、上記実施形態で説明した以外の形状、位置関係等であっても構わない。
【符号の説明】
【００４４】
１０        金属ステム
１１        ダイヤフラム
２０        ハウジング
３０        接合ガラス
３０ａ      フィラー
４０        センサチップ
６０、６１  リード
７０        コネクタ
７１        ターミナル
７２        コネクタケース
【図１】
2017215169.tif 000003
【図２】
2017215169.tif 000004
【図３】
2017215169.tif 000005