WO2008041607A1

WO2008041607A1 - Capteur de pression

Info

Publication number: WO2008041607A1
Application number: PCT/JP2007/068837
Authority: WO
Inventors: Mitsuru Kobayashi; Hiroshi Inoue; Hitoshi Makinaga; Junji Imai; Yasufumi Masaki; Naoto Ikegawa; Youichiro Nakahara
Original assignee: Panasonic Electric Works Co., Ltd.
Priority date: 2006-10-02
Filing date: 2007-09-27
Publication date: 2008-04-10
Also published as: EP2056087A4; KR20090053825A; EP2056087A1; US7992445B2; KR101050334B1; US20090266173A1

Description

明細書

圧力センサ

技術分野

[0001] 本発明は、流体の圧力を検出する圧力センサに関する。

背景技術

[0002] 従来、パッケージ本体に形成された圧力導入孔としての貫通孔の一端を塞ぐようにセンサチップを取り付けた圧力センサが知られている（例えば、特許文献 1)。

[0003] 特許文献 1に開示される圧力センサでは、樹脂材料からなるパッケージ本体にガラス台座を介してセンサチップがワイヤボンディングによって実装されて!/、る。このガラス台座は、所要の検出精度を確保すベぐノッケージ本体を補強して、センサチップの所要の検出精度を確保する機能を有してレ、る。

[0004] しかしながら、上記従来の圧力センサでは、ガラス台座を備える分だけ、大型化する上、重量も増大してしまうという問題があった。

[0005] また、ワイヤボンディングによってセンサチップを実装していたため、実装作業が繁雑になる上、ワイヤボンディングを行うためのスペースを確保する必要が生じる分、圧力センサが大型化してしまうという問題があった。

[0006] そこで、本発明は、より小さな圧力センサを得ることを目的とする。

特許文献 1 :特開平 10— 300604号公報

発明の開示

[0007] 本発明にあっては、本体部に形成された貫通孔を塞ぐように配置された圧力検出素子を有する圧力センサにおいて、上記本体部を、セラミックを所定形状に成形するとともに表面に導体パターンを形成した立体回路基板として構成したものである。

[0008] また、本発明では、上記圧力検出素子を本体部にフリップチップ実装してもよい。

[0009] また、本発明では、本体部に形成された貫通孔を塞ぐように配置された圧力検出素子を有する圧力センサにおいて、上記本体部を、絶縁性の樹脂材料を所定形状に成形するとともにその表面に導体パターンを形成した立体回路基板として構成し、上記圧力検出素子を上記本体部にフリップチップ実装してもよい。 [0010] また、本発明では、上記本体部に、上記圧力検出素子および当該圧力検出素子とは別の素子を、略平行に離間配置させて実装してもよレ、。

[0011] また、本発明では、上記本体部に底面と段差面とを有する凹部を形成するとともに

、上記貫通孔を当該底面に開口するように形成し、上記底面に上記圧力検出素子を実装するとともに、上記段差面に上記別の素子を実装してもよい。

[0012] また、本発明では、上記本体部に凹部を形成するとともに、上記貫通孔を当該凹部の底面に開口するように形成し、上記底面に圧力検出素子を実装し、上記導体バターンを、上記凹部の開口縁部を跨いで凹部の内面と本体部の側壁面とを接続するように形成してもよい。

[0013] また、本発明では、上記凹部を真空封止してもよい。

[0014] また、本発明では、上記本体部に、上記貫通孔の内周面から当該貫通孔の軸心側に張り出すフランジ部を形成し、上記フランジ部の上記貫通孔の圧力導入開口側の表面に上記圧力検出素子を実装する一方、当該フランジ部の圧力導入開口と反対側の表面に上記別の素子を実装してもよい。

[0015] また、本発明にあっては、弾性を有する材料により立体回路基板の製造技術を用いて形成され、検出対象の流体が導入される圧力導入用孔が形成されるとともに、当該圧力導入用孔の底部に薄膜部が形成された本体部と、当該本体部の表面に形成され圧力変化に応じて発生する上記薄膜部の変形を電気信号に変換する圧力検出部とを備えて成るものである。

[0016] また、本発明にあっては、上記圧力検出部は、上記薄膜部における圧力導入用孔と反対側の面に、互いに隙間を空けた状態で対向するように形成された第 1電極バターンおよび第 2電極パターンを有し、圧力変化を上記両電極パターン間の静電容量変ィ匕として検出するようにしてあよ!/、。

[0017] また、本発明にあっては、上記本体部において上記両電極パターンが形成された一面に、上記両電極パターンにそれぞれ電気的に接続される回路パターンを形成してもよい。

[0018] また、本発明にあっては、上記圧力導入用孔を有する圧力導入管を本体部に設けるとともに、圧力導入管の外表面に、当該圧力導入管が挿入される検出用配管の内面と弹接することによって検出用配管の内面との隙間をシールする突出部を設けてあよい。

[0019] また、本発明にあっては、立体回路基板からなり流体の圧力を受けて橈む薄肉のダイァフラムが設けられた本体部と、ダイアフラム表面であって流体が接触しな!/、側の面に形成されダイァフラムに生じる橈みを電気信号に変換する圧力検出部と、本体部に実装され本体部に形成されている導体パターンを介して圧力検出部と接続されるとともに圧力検出部から導体パターンを介して取り込む電気信号を信号処理する信号処理回路部とを備えたものである。

[0020] また、本発明にあっては、圧力検出部は、ダイアフラム表面に形成される誘電体膜と、該誘電体膜上に形成される電極とからなるようにしてもよい。

[0021] また、本発明にあっては、誘電体膜を圧電体で形成してもよい。

[0022] また、本発明にあっては、本体部は、流体が接触するダイアフラム表面を囲む筒状であって内部に流体が存在する管と嵌合する嵌合部を有するようにしてもよい。

[0023] また、本発明にあっては、嵌合部は、円筒形状であって外周面にねじ山が刻まれてなるものとしてもよい。

図面の簡単な説明

[0024] [図 1]図 1は、本発明の実施形態にかかる圧力センサの斜視図である。

[図 2]図 2は、本発明の第 1実施形態にかかる圧力センサを裏面側 (圧力検出素子による検出側の反対側）から見た平面図である。

[図 3]図 3は、図 2の III III断面図である。

[図 4]図 4は、図 2の IV— IV断面図である。

[図 5]図 5は、本発明の第 1実施形態にかかる圧力センサを裏面側から見た平面図であって、封止剤による圧力検出素子の封止領域を示す図である。

[図 6]図 6は、本発明の第 1実施形態にかかる圧力センサを実装した状態を示す側面図（一部断面図）である。

[図 7]図 7は、本発明の第 2実施形態に力、かる圧力センサの縦断面図である。

[図 8]図 8は、本発明の第 3実施形態に力、かる圧力センサの縦断面図である。

[図 9]図 9は、本発明の第 4実施形態の圧力センサを示し、（a)は概略断面図、（b)は B部を下側から見た要部拡大図である。

[図 10]図 10は、本発明の第 4実施形態の製造方法の概要を示すフロー図である。

[図 11]図 11は、（a)〜（d)は本発明の第 4実施形態の各工程における表面処理の様子を示す斜視図である。

[図 12]図 12は、（a)および (b)は本発明の第 4実施形態の各工程における表面処理の様子を示す斜視図である。

[図 13]図 13は、本発明の第 5実施形態を示し、（a)は正面断面図、（b)は上面図、（c )は（&)における XIII— XIII線断面矢視図、（d)は下面図、（e)は信号処理回路部を除いた下面図である。

[図 14]図 14は、本発明の第 5実施形態における圧力検出部を含む要部断面図であ

[図 15]図 15は、本発明の第 6実施形態を示し、（a)は正面断面図、（b)は上面図、（c )は（&)における XV— XV線線断面矢視図、（d)は下面図、（e)は信号処理回路部を除いた下面図である。

[図 16]図 16は、本発明の第 6実施形態における圧力検出部を含む要部断面図であ

[図 17]図 17は、本発明の第 6実施形態において他の構成の圧力検出部を具備したものの信号処理回路部を除!/、た下面図である。

発明を実施するための最良の形態

[0025] (第 1実施形態）図 1は、本発明の第 1実施形態にかかる圧力センサの斜視図、図 2 は、圧力センサを裏面側 (圧力検出素子による検出側の反対側）から見た平面図、図 3は、図 2の III III断面図、図 4は、図 2の IV— IV断面図、図 5は、圧力センサを裏面側から見た平面図であって、封止剤による圧力検出素子の封止領域を示す図、図

6は、圧力センサを実装した状態を示す側面図である。

[0026] 本実施形態にかかる圧力センサ 1は、略直方体状の外観を呈する基体部 2の一平面（シール面） 2e上に略円柱状の突起部 3を設けた構成を備えている。本実施形態では、これら基体部 2および突起部 3が本体部に相当する。

[0027] 本体部（基体部 2および突起部 3)は、立体回路部品（立体回路基板； MID : Molde d Interconnect Device)として構成される。本実施形態では、本体部は、セラミック材料を例えば射出成形等によって所定形状に成形し、表面に導体パターン 6を形成して得ること力 Sでき、 MIDの公知の各種手法（例えば、 UV露光法（サブトラクティブ法、セミアディティブ法、アディティブ法等）、レーザーイメージング法、 IVOND法等の 1 回成形法や、 SKW法等の 2回成形法等）によって得ることが可能である。

[0028] この本体部は、セラミック射出成形 (セラミックスの粉体を原料とする粉体射出成形法； CIM)によって成形することができ、具体的には、セラミックスの粉体にバインダ（金型への充填流動性および賦形性を役目とし、ワックス等の低分子量成分、熱可塑性合成樹脂等の高分子量成分、その他を適宜の割合で配合したもの）を混合し、金型を搭載した射出成型機にて所謂グリーン体を成形し、その後、前記バインダを除去する脱脂と粉末を融点以下の温度で熱処理して粉末粒子の間に結合が生じる焼結にて所定形状の製品を得る手法である。この場合、バインダとしては、成形材料を成形可能とし、過熱脱脂により分解揮発するものであれば良いが、一例としては、ポリスチレン 60% (質量⁰ /₀)、パラフィンワックス 20%、ステアリン酸 20%の組成を有するものを用いること力 Sできる。また、バインダの使用量は、例えば、セラミックス粉末 100% に対してバインダを 15〜25% (質量％)程度とするのが好適である。なお、セラミックス粉末に、シリカやジルコユアを混入することで靭性を高めることが可能となる。

[0029] また、本体部は、セラミックの圧縮成形 (プレス成形）によって成形することも可能である。この場合のバインダは、例えばアクリル系ポリマー 100% (質量⁰ /₀)や、 PVA (ポリビュルアルコール） 100%の組成を有するものを用いることができ、バインダの使用量としては、セラミクス粉末 100%に対してバインダを 4〜6% (質量⁰ /₀)程度とするのが好適である。

[0030] また、本体部は、基材としての絶縁性の樹脂材料 (例えば、ポリアミドやポリフタルァミド等の各種エンジニアリングプラスチック材料)を例えば射出成形等によって所定形状に成形し、その表面に導体パターン 6を形成して得ることができ、 MIDの公知の各種手法 (例えば、 UV露光法（サブトラクティブ法、セミアディティブ法、アディティブ法等）、レーザーイメージング法、 IVOND法等の 1回成形法や、 SKW法等の 2回成形法等）によって得ることが可能である。 [0031] そして、図 3に示すように、突起部 3の中心部には当該突起部 3の軸方向に貫通する貫通孔 5が形成されるとともに、その外周部には取付用の雄ねじ 3aが形成されてい

[0032] 一方、図 3および図 4に示すように、基体部 2の突起部 3が設けられる側の反対側となる部分には、平面視で略矩形状の凹部 2aが形成されている。また、突起部 3に形成した貫通孔 5が、この凹部 2aの底面 2bのほぼ中央部に開口している。

[0033] そして、図 3〜図 5に示すように、貫通孔 5の底面 2bでの開口端（貫通孔 5の延伸方向の一端)を閉蓋する状態で圧力検出素子 4が実装されている。この圧力検出素子 4は、単結晶シリコン基板の片面に受圧面を形成したもので、ダイアフラムゃ、歪みゲージ、電極等（いずれも図示せず)を備え、ピエゾ抵抗効果によって圧力を電気抵抗に変換するものである。貫通孔 5は、圧力導入孔に相当する。

[0034] 本実施形態では、この圧力検出素子 4は、図 4に示すように、底面 2b上に形成された導体パターン 6に対してフリップチップ実装されている。なお、図中、 8は導電性接着剤、 9はアンダーフィル (樹脂製の絶縁性接着剤）、 10は圧力検出素子 4の各電極のバンプである。

[0035] このとき、アンダーフィル 9は、図 5中の Aに示すように、圧力検出素子 4の外縁に沿つて略矩形環状に配置されており、このアンダーフィル 9と圧力検出素子 4とによって、貫通孔 5から凹部 2a内への検出対象流体 (液体または気体）の進入 (漏出）が抑制されている。すなわち、アンダーフィル 9は、シール部材としても機能している。また、アンダーフィル 9として放熱性の高!/、材料 (例えばシリコン系の樹脂材料)を用レ、ることで、圧力センサ 1の耐熱性を高めるとともに、圧力検出素子 4の温度による検出誤差を抑制することができる。

[0036] 導体パターン 6は、物理蒸着、レーザ等の電磁波の照射による不要部の除去、電解メツキ処理による圧膜化等、各種の処理を用いて適宜に形成することができる。

[0037] ここで、導体パターン 6は、図 2〜図 5に示すように、凹部 2aの開口縁部 2cを跨いで凹部 2aの内面と本体部（基体部 2)の側壁面 2dとを接続するように形成されている。したがって、圧力検出素子 4の検出結果を、側壁面 2d上に露出した導体パターン 6との導通を確立することで容易に取得すること力 Sできる。 [0038] そして、凹部 2aは、平板状の蓋体 7によって、突起部 3の反対側で閉塞されている。上述したようにアンダーフィル 9によるシールを確保しながら圧力検出素子 4を実装した後、この蓋体 7による閉塞作業を真空チャンバ内で行うことで、凹部 2aを真空封止すること力 Sでき、この場合には、圧力検出素子 4によって絶対圧力を検出することが可能となる。なお、真空封止しない場合には、大気圧に対する相対的な圧力（グージ圧）力 S検出されることになる。

[0039] 上記構成の圧力センサ 1は、例えば図 6に示すような状態で装備することができる。

すなわち、この例では、検出対象となる流体の存在領域 21の隔壁 20 (例えば管壁）に、突起部 3の雄ねじ部 3aに対応する雌ねじ孔 20aが形成されており、この雌ねじ孔 20aに突起部 3を螺結することで、隔壁 20の表面 20bと基体部 2の突起部 3が形成される側の平面 2eとで環状のシール部材 12 (ヮッシャ、ガスケット、 Oリング等）が挟持され、当該シール部材 12によって流体のシールが確保されるようになっている。

[0040] 以上の本実施形態によれば、本体部（基体部 2および突起部 3)をセラミックによつて形成したため、ガラス台座を設けずとも本体部自体で剛性および強度を確保して、圧力検出素子 4の所要の検出精度を確保することが容易になる。

[0041] また、本実施形態によれば、圧力検出素子 4を本体部にフリップチップ実装したため、圧力検出素子 4をワイヤボンディングによって実装する場合に比べて製造の手間を省くことができ、製造タクトタイムを短縮することができる上、製造コストを低減すること力 Sできる。

[0042] また、本実施形態によれば、凹部 2aの開口縁部 2cを跨ぐ導体パターン 6により、圧力検出素子 4の各電極の電位を本体部の側壁面 2dから容易に取り出せるようになる

[0043] また、本実施形態にお!/、て、圧力検出素子 4の検出側の反対側（背面側）となる凹部 2aを真空封止すれば、絶対圧を計測することができるようになる。

[0044] また、本体部を樹脂製の立体回路部品として構成した場合には、微細な導体バターン 6が得やすくなる。

[0045] (第 2実施形態）図 7は、本発明の第 2実施形態にかかる圧力センサの縦断面図（図 3に相当する断面図）である。なお、本実施形態にかかる圧力センサ 1Aは、上記第 1 実施形態に力、かる圧力センサ 1と同様の構成要素を備えている。よって、以下では、それら同様の構成要素については共通の符号を付すとともに、重複する説明を省略する。

[0046] 本実施形態では、基体部 2Aに、底面 2bと深さ方向の略中央部に形成された段差面 2fとを有する段差付きの凹部 2aを形成し、底面 2bに圧力検出素子 4を実装するとともに、段差面 2fに圧力検出素子 4とは別の素子（例えば、圧力検出素子 4からの出力信号を処理 (例えばフィルタリング、補正、演算、温度補償等)する回路を含む素子等）を実装したものであり、この点以外は、上記第 1実施形態にかかる圧力センサ 1 と同様の構成を備えている。なお、図 7中では省略している力この凹部 2aの表面にも、図 2〜図 5に示す導体パターン 6と同様の導体パターンが形成されている。

[0047] かかる構成によれば、段差付きの凹部 2aの底面 2bと段差面 2fを利用して、基体部 2Aに圧力検出素子 4および別の素子 4Aを略平行に離間させて実装することで、一つの圧力センサ 1A内に複数の素子 4, 4Aを効率よく集約させることができるので、それら複数の素子 4, 4Aを含む回路をよりコンパクトに構成することができる。

[0048] また、圧力検出素子 4と当該別の素子 4Aとを多段に実装することができ、当該別の素子 4Aを備える圧力センサ 1Aを、よりコンパクトな構成として得ること力 Sできる。

[0049] なお、上記第 1 ,第 2実施形態では、突起部に取付用の雄ねじを形成した場合を例示したが、これに替えて、貫通孔の内周面に取付用の雌ねじを形成してもよい。また、突起部を先細のテーパ状としてもよい。

[0050] また、本体部の外表面等に、磁性材料によるコーティングや、導電性材料によるコ一ティング (例えばカーボンナノチューブとニッケルの複合メツキ等）を施すことにより、外来電磁波による影響 (検出誤差の発生やノイズ混入等）を抑制することができる。

[0051] (第 3実施形態）図 8は、本発明の第 3実施形態にかかる圧力センサの縦断面図（図 3に相当する断面図）である。なお、本実施形態に力、かる圧力センサ 1Bは、上記第 1 または第 2実施形態に力、かる圧力センサ 1 , 1Aと同様の構成要素を備えている。よつて、以下では、それら同様の構成要素については共通の符号を付すとともに、重複する説明を省略する。

[0052] 本実施形態では、基体部 2Bの貫通孔 5の内周面から当該貫通孔 5の軸心側に張り出す環状のフランジ部 13を形成し、当該フランジ部 13の貫通孔 5の圧力導入開口 5 b側の表面 5aに圧力検出素子 4をフリップチップ実装する一方、フランジ部 13の圧力導入開口 5bと反対側の表面（底面 2b)には圧力検出素子 4とは別の素子 4B (例えば、圧力検出素子 4からの出力信号を処理 (例えばフィルタリング、補正、演算等）する回路を含む素子等）を実装して!/、る。

[0053] なお、フランジ部 13の内側端縁（内周面） 14には、圧力検出素子 4に導通する導体パターン（図 8中では図示せず）が形成され、当該導体パターンは、凹部 2a内の導体パターン（図 2〜図 5に示す導体パターン 6と同様のもの）に接続されている。

[0054] さらに本実施形態では、上記第 2実施形態とほぼ同様に、基体部 2Bに、底面 2bと深さ方向の略中央部に形成された段差面 2fとを有する段差付きの凹部 2aが形成されており、段差面 2fに圧力検出素子 4および素子 4Bとは別の素子 4Aが実装されている。

[0055] 力、かる構成によれば、基体部 2Bに圧力検出素子 4および別の素子 4A, 4Bを略平行に離間配置させて実装することで、一つの圧力センサ 1A内に複数の素子 4, 4A, 4Bを効率よく集約させることができるので、それら複数の素子 4, 4A, 4Bを含む回路をよりコンノタトに構成することができる。

[0056] 特に貫通孔 5に設けたフランジ部 13を利用して、圧力検出素子 4と別の素子 4Bとを効率よく多段に実装することができ、それら複数の素子 4, 4Bを備える圧力センサ 1Bを、よりコンノク卜な構成として得ること力 Sできる。

[0057] (第 4実施形態）図 9〜図 12に基づいて本発明に係る圧力センサの第 4実施形態を説明する。図 9 (a)は圧力センサ 100の要部断面図であり、この圧力センサ 100は弾性及び絶縁性を有する材料 (例えばポリイミドのような樹脂材料）により、後述する立体回路基板の製造技術を用レ、て形成された本体部 101を備えている。

[0058] この本体部 101は、下面の中央部に凹部 102aが形成された直方体状のボディ 10 2と、ボディ 102の上面に突設された圧力導入管 103とを一体に備えている。圧力導入管 103は中空円筒状であって、中心に圧力導入用孔 104が形成されている。この圧力導入用孔 104は凹部 102aの天井部付近まで形成されており、圧力導入用孔 1 04の底部には薄膜部（ダイァフラム） 105が形成されている。 [0059] 図 9 (b)は、同図（a)の B部を下側から見た要部拡大図であり、薄膜部 105の表面（圧力導入用孔 104と反対側の面）には櫛歯状の第 1電極パターン 107aと第 2電極パターン 107bとが形成されている。両電極パターン 107a, 107bは薄膜部 105の表面に形成された金属めつき層からなり、互いに隙間を空けた状態で対向するように配置されている。また、本体部 101において両電極パターン 107a, 107bが形成された面には、両電極パターン 107a, 107bにそれぞれ電気的に接続される金属めつき層からなる回路パターン 108a, 108bが形成されている。各回路パターン 108a, 108bは、凹部 102aの両側の段部 102b, 102bを通って左右の両側面までそれぞれ形成されており、回路パターン 108a, 108bにおいて段部 102b, 102bに形成された部位が実装基板（図示せず）に半田付けするための端子部となっている。

[0060] また圧力導入管 103は、外部から検出対象の流体を圧力導入管 103に導入するための検出用配管 140の内部に揷入されるようになっており、圧力導入管 103の外周面には検出用配管 140の内面に弾接して、検出用配管 140との間の隙間をシールする突出部 106が圧力導入管 103と一体に形成されている。

[0061] 本実施形態の圧力センサ 100は以上のような構成を有しており、圧力導入用孔 10 4内に導入された流体の圧力が変化すると、圧力変化に応じて薄膜部 105が変形し、それに応じて第 1電極パターン 107aと第 2電極パターン 107bの間隔が変化するので、両電極パターン 107a, 107b間の静電容量の変化から流体の圧力変化を検出すること力 Sできる。なお、本体部 101の材料に導電性を有する材料、例えばシリコンを使用する場合は、両電極パターン 107a, 107bと本体部 101との間に絶縁層を形成する必要があるため、本体部 101の材料には絶縁性の材料を使用することが好ましく、その場合、圧力検出部としてピエゾ抵抗を使用することができないが、本実施形態では第 1電極パターン 107aと第 2電極パターン 107bとで構成される静電容量型の圧力検出部を用いているので、両電極パターン 107a, 107b間の静電容量の変化力、ら流体の圧力変化を検出することができる。しかも、静電容量型の圧力検出部はゲージ抵抗を用いる場合に比べて高感度であり、流体の圧力を精度良く検出することができる。

[0062] また、圧力センサ 100の本体部 101は、弾性を有する材料により立体回路基板の製造技術を用いて形成されており、この本体部 101には、圧力導入用孔 104の底部に薄膜部 105がー体に形成されるとともに、薄膜部 105の変形を電気信号に変換する圧力検出部として第 1電極パターン 107a及び第 2電極パターン 107bが形成されているので、圧力センサ 100の部品点数を少なくでき、小型で低コストの圧力センサ 100を実現すること力 Sできる。しかも、圧力導入管 103の外表面に設けた突出部 106 力、圧力導入管 103と検出用配管 140との間の隙間をシールする機能を有しているので、 Oリングなどのシール部材を別途設ける必要が無ぐ部品点数をさらに削減できる。なお突出部 106によるシール性を高めるためには、本体部 101の材料に弾性係数の大きレ、ゴムなどの材料を用いることも好ましレ、。

[0063] また更に、本体部 101において両電極パターン 107a, 107bが形成された面に回路パターン 108a, 108bを形成しており、両回路パターン 108a, 108bを形成するェ程で回路パターン 108a, 108bを同時に形成することができるので、製造工程を減らして、製造コストの低減を図ることができる。

[0064] なお本実施形態の圧力センサ 100では、本体部 101を弾性および絶縁性を有する材料から形成している力、本体部 101を弾性および導電性を有する金属材料により形成しても良ぐその場合には本体部 101と、導体パターン 7a, 7bおよび回路パターン 108a, 108bの間にポリイミドなどからなる絶縁層を形成する必要があり、このような絶縁層は本体部 101の表面に蒸着あるいは塗布などの方法で形成することができる

[0065] ところで、上述の本体部 101は立体回路基板の製造技術を用いて形成されるのである力その製造技術について図 10〜図 12を参照して説明する。尚、以下の説明では本体部 101を弾性および導電性を有する金属材料により形成する場合について説明を行う。

[0066] 図 10は立体回路基板の製造方法の概要を示すフローである。立体回路基板は、窒化アルミニウム粉体材料を成形して焼結する窒化アルミニウム基板 121の準備ェ程（S 1)、窒化アルミニウム基板 121を加熱してその表面を酸化処理して酸化層 122 (絶縁層）を形成する酸化層形成工程（S2)、酸化層 122の上にスパッタリング、蒸着、イオンプレーティングなどの物理蒸着法による導電性薄膜 123の成膜を行うメタライズ処理工程（S3)、高エネルギービーム（本実施形態ではレーザビーム）による回路部/非回路部の分離を行うレーザ処理工程（S4)、回路部のめっきによる厚膜化を行ってめっき層 124を形成するめつき処理工程（S5)、非回路部のエッチング処理工程（S 6)の各工程を順次実施することで製造される。

[0067] 図 l l (a)〜（d)および図 12 (a) (b)は、上記各工程における立体回路基板 Cの表面処理の様子を示している。まず図 11 (a)は窒化アルミニウム基板 121の準備工程（ S 1)であり、窒化アルミニウム基板 121が粉末成形、焼結により形成される。窒化アルミニゥム基板材の形成に用いる原料である窒化アルミニウム粉は、還元窒化法、直接窒化法、気相合成法などの方法を用いて製造される。ここにおいて基板材原料の製造方法は特に限定されない。また、窒化アルミニウムは難焼結材料であるため、イットリア (Y203)や力ルシア（CaO)などを焼結助剤として原料に添加してもよレ、。

[0068] そして、窒化アルミニウム粉を 3次元形状に成形する方法は、通常セラミックスの成形で用いられる圧縮成形、押出成形、射出成形、テープ成形などの方法を適用することができ、所望の三次元形状の本体部 101を得ることができる。特に三次元形状を得るためには、射出成形が好適に用いられる。また、成形方法によっては、原料に流動性や可塑性を付与するために、有機溶剤や樹脂などの有機物を添加することもできる。

[0069] 上述により原材料を成形後、必要に応じて、成形品に含まれる有機物を除去するために脱脂が行われる。この脱脂工程では、室温から 600°C程度まで徐々に温度を上げていき、成形品に含まれる有機物を溶出させる。脱脂時の雰囲気は、大気下でも窒素などの不活性ガス下でもよ!/、。

[0070] その後、成形品を焼結することで緻密化された焼結体として 3次元形状の窒化アルミニゥム基板 121が得られる。この焼結工程は、雰囲気を窒素などの不活性ガスに置換し、 1800°C程度まで徐々に温度を上げて行われる。大気中などで焼結を行うと、窒化アルミニウムの粒界にアルミナが析出してしまう。そのため、焼結速度が低下するばかりではなぐ窒化アルミニウム以外の成分が混入し、焼結体の熱伝導率も低下する。そこで、窒化アルミニウムの焼結は、窒素などの不活性雰囲気下で行う必要がある。なお基板 121の製造方法を上記の方法に限定する趣旨のものではなぐ絶縁性を有する合成樹脂を成型して形成しても良い。

[0071] 次に、図 11 (b)は酸化層形成工程（S2)であり、上記工程（S 1)で得られた窒化ァノレミニゥム基板 121は、レーザ処理工程（S4)での高エネルギービーム照射後において高い絶縁性を維持するため、窒化アルミニウム基板 121の表面を酸化処理して酸化層 122が形成される。このとき、本発明では、後述する導電性薄膜 123における回路部 123aおよび回路部 123a近傍に対応する領域、具体的には回路部 123aに対向し且つ回路部 123aより所定幅だけ大きい領域に酸化層 122が形成される。

[0072] 酸化層 122を形成する酸化処理の方法として、例えば大気中での加熱処理が行われる。この方法では、窒化アルミニウム基板材は、室温から 1000°Cまで毎時 100°C 程度で昇温させた後、 iooo°cで数時間〜数十時間保持され、その表面に薄膜絶縁層をなす酸化層 122が形成される。また、大気中ではなく加圧した水蒸気中で処理を行うことによって、大気中の場合と比較してより低温かつ短時間で酸化処理を行うこともできる。また、酸化層 122の形成は、加熱による酸化処理に限定されず、他の成膜方法、例えば、化学蒸着法（CVD法)や、スパッタリング法で行ってもよい。そして、これらの方法を比較すると、膜厚管理が最も容易であるのは、大気中での加熱処理である。

[0073] 次に、図 11 (c)はメタライズ処理工程（S3)であり、例えば銅をターゲットとするスパッタリング、真空蒸着、イオンプレーティングなどの物理蒸着法（PVD法）によって、上述の窒化アルミニウム基板 121および酸化層 122の上に導電性薄膜 123が形成される。しかし、物理蒸着法に限定されることなく化学蒸着法などの他の方法で行つてもよい。導電性薄膜 123は、銅以外に、ニッケル、金、アルミニウム、チタン、モリブデン、クロム、タングステン、スズ、鉛などの単体金属、又は黄銅、 NiCrなどの合金を用いてもよい。

[0074] 図 11 (d)はレーザ処理工程（S4)であり、導電性薄膜 123における回路部 123aと非回路部 123bとの境界部分に高エネルギービーム、例えば電磁波ビームであるレ一ザビームが照射され、その部分の導電性薄膜 123が蒸発除去されて、その除去部 123cによって回路部 123aと非回路部 123bとが分離され、所定の回路パターンが形成される。このとき、酸化層 122の幅は、回路部 123aと除去部 123cとを併せた幅より広く、導電性薄膜 123を通過したレーザビームは必ず酸化層 122に衝突して、窒化アルミニウム基板 121の表面に直接衝突することはない。

[0075] 次に、図 12 (a)はめつき処理工程（S 5)であり、回路部 123aに給電されて電流が流れ、回路部 123aの部分が例えば電解銅めつきにより厚膜化されて、めっき層 124 が形成される。このとき、非回路部 123bには電流が流れず、非回路部 123bの部分はめつきされないので、その膜厚はもとのままの薄膜の状態にある。

[0076] また、図 12 (b)はエッチング処理工程（S6)であり、回路パターン形成面全体をエツチングすることにより、下地の酸化層 122が現れるように、非回路部 123bが除去されて、回路パターン（すなわち両電極パターン 107a, 107bと回路ノターン 108a, 108 b)が形成された立体回路基板が完成するのであり、このような製造技術を用いて、上述の本体部 101を形成することができるのである。

[0077] 従来の、リードがインサート成形された樹脂成型品からなる本体に、センサチップを固定するとともに、流体をシールする Oリングを圧力導入管に取り付けた圧力センサでは（例えば特開平 8— 94468号公報等参照）、部品点数が多いために、圧力センサのコスト高や大型化を招くという問題があった力第 4実施形態にかかる圧力センサによれば、部品点数を削減することで小型化および低コスト化を図った圧力センサを得ること力 Sできる。そして、本実施形態によっても、ガラス台座が不要となる上、ワイャボンディング実装も不要となる。

[0078] (第 5実施形態）図 13,図 14を参照して本発明の第 5実施形態を説明する。本実施形態の圧力センサは、立体回路基板からなり流体の圧力を受けて橈む薄肉のダイァフラム 210が設けられた本体部 201と、ダイアフラム 210表面であって流体が接触しなレ、側の面（図 13 (a)における下面）に形成されダイアフラム 210に生じる橈みを電気信号に変換する圧力検出部 202と、本体部 201に実装され本体部 201に形成されている導体パターン 203を介して圧力検出部 202と接続されるとともに圧力検出部 202から導体パターン 203を介して取り込む電気信号を信号処理する信号処理回路部 204とを備えている。但し、以下の説明では、図 13 (a)を基準として上下左右の方向を規定する。

[0079] 本体部 201は、弾性を有する合成樹脂材料によって扁平な矩形箱状に形成され、その中央に薄肉のダイアフラム 210が設けられている。本体部 201の上面には円筒形状の嵌合部 212が上方へ向けて突設され、嵌合部 212内を通してダイアフラム 21 0に流体が接触することになる。但し、嵌合部 212の外周面にはねじ山 213が刻まれている。

[0080] 圧力検出部 202は、図 13 (e)に示すように櫛歯状の導体パターンが互いの歯の部分を対向させるように形成された一対の電極 220, 220力、らなり、ダイアフラム 210の橈みを電極 220, 220間の静電容量変化に変換し、その変化量に応じたレベルの電気信号を出力する。なお、電極 220, 220を構成する導体パターンは、図 14に示すように合成樹脂材料からなるダイアフラム 210上に銅をスパッタリングすることで下地層 220aが形成され、さらに下地層 220a上に銅をめつきすることで導電層 220bが形成されてなる。

[0081] 信号処理回路部 204は、圧力検出部 202から出力される電気信号を取り込み、増幅や波形整形等の信号処理を行うことで流体の圧力に対応したレベルを有する圧力検出信号を出力する。この信号処理回路部 204は集積回路 (IC)からなり、本体部 2 01の下面側に設けられた段部 211に実装され、本体部 201に形成された導体バターン 203を介して圧力検出部 202並びに外部の電気配線と接続される（図 13 (e)参昭）

[0082] 而して、測定対象の流体を嵌合部 212内に導入してダイアフラム 210に接触させれば、流体の圧力によってダイアフラム 210が橈み、ダイアフラム 210の橈みが圧力検出部 202によって電気信号に変換されて信号処理回路部 204に取り込まれ、信号処理回路部 204で信号処理された圧力検出信号が外部に出力されて流体の圧力が検出できる。このように本実施形態では、流体の圧力を受けて橈むダイアフラム 210が立体回路基板からなる本体部 201に一体に設けられているので、従来例のようにセンサチップと台座の接合箇所あるいは台座と本体部との接着箇所から流体が漏れるというようなことがなぐ流体の漏れによって圧力検出に支障を来すことがない。

[0083] また、流体を導入するための管（図示せず）に嵌合部 212を嵌合することで本体部

201を管に保持させること力 Sできる。さらに、嵌合部 212外周面のねじ山 213を管の内周面に形成されたねじ山と螺合させて嵌合部 212を管と強固に結合すれば、本体部 201におけるダイアフラム 210以外の部位に歪みが生じなくなって流体の圧力検出感度が向上するという利点がある。

[0084] (第 6実施形態）図 15,図 16を参照して本発明の第 6実施形態を説明する。但し、本実施形態は圧力検出部 202の構成に特徴があり、その他の構成については第 5 実施形態と共通である。従って、第 5実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

[0085] 本実施形態における圧力検出部 202は、図 16に示すようにダイアフラム 210表面に誘電体膜 221が形成され、その誘電体膜 221上に電極 220, 220が形成されてなる。但し、誘電体膜 221と電極 220, 220との間にはスパッタリングによってクロム層 2

22が形成される。

[0086] 而して本実施形態では、圧力検出部 202が、ダイアフラム 210表面に形成される誘電体膜 221と、誘電体膜 221上に形成される櫛歯状の電極 220, 220とからなるので、誘電体膜 221を持たない第 5実施形態に比較して、ダイアフラム 210の同程度の橈みに対する電極 220, 220間の静電容量変化が大幅に増加し、その結果、圧力検出部 202の感度が向上する。

[0087] なお、強誘電性を有する物質 (例えば、チタン酸ジルコン酸鉛 (PZT)などの圧電体 )で誘電体膜 (圧電体膜） 221を形成してもよい。この圧電体膜 221は、圧電体の微粉末をエアロゾルデポジション法でダイアフラム 210表面に成膜し、電場を加えて配向させることで形成される。このように圧電体膜 221を具備する構成においては、流体の圧力によってダイアフラム 210が橈むことでダイアフラム 210表面に形成されている圧電体膜 221に橈み量 (圧力の大きさ）に応じた電圧が発生し、この電圧を櫛歯状の電極 220, 220を介して取り出すことで流体の圧力を電気信号に変換することができる。

[0088] また、ダイアフラム 210表面に形成される電極 220を感歪材料（歪みが生じると抵抗が変化する材料。例えば、に Ni— Cu (ニッケル—銅）、 Ni— Cr (クロム窒化物）など）で形成することにより、ダイアフラム 210の橈み量を電極 220の電気抵抗の変化量として取り出すこともできる。この場合の電極 220は、図 17に示すように一端から他端にかけて蛇行する形状に形成され、当該蛇行して!/、る部分が感歪材料で形成された歪ゲージとなる。

[0089] 従来構成（例えば、特開 2003— 133453号公報、特開平 10— 300604号公報等 )ではセンサチップと台座の接合箇所や台座と本体部の接着箇所から流体が漏れる虞があり、もしも流体が漏れた場合には圧力検出に支障 (検出不能）を来すという問題があつたが、上記第 5,第 6実施形態によれば、流体の漏れによって圧力検出に支障を来すことのない圧力センサを得ることができる。そして、これら第 5,第 6実施形態によっても、ガラス台座が不要となる上、ワイヤボンディング実装も不要となる。

[0090] 以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず、種々の変形が可能である。

産業上の利用可能性

[0091] 本発明は、流体の圧力を検出する圧力センサとして利用することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 本体部に形成された貫通孔を塞ぐように配置された圧力検出素子を有する圧力センサにおいて、

前記本体部を、セラミックを所定形状に成形するとともに表面に導体パターンを形成した立体回路基板として構成したことを特徴とする圧力センサ。

[2] 前記圧力検出素子を本体部にフリップチップ実装したことを特徴とする請求項 1に記載の圧力センサ。

[3] 本体部に形成された貫通孔を塞ぐように配置された圧力検出素子を有する圧力センサにおいて、

前記本体部を、絶縁性の樹脂材料を所定形状に成形するとともにその表面に導体パターンを形成した立体回路基板として構成し、

前記圧力検出素子を前記本体部にフリップチップ実装したことを特徴とする圧力センサ。

[4] 前記本体部に、前記圧力検出素子および当該圧力検出素子とは別の素子を、略平行に離間配置させて実装したことを特徴とする請求項 1に記載の圧力センサ。

[5] 前記本体部に底面と段差面とを有する凹部を形成するとともに、前記貫通孔を当該底面に開口するように形成し、

前記底面に前記圧力検出素子を実装するとともに、前記段差面に前記別の素子を実装したことを特徴とする請求項 4に記載の圧力センサ。

[6] 前記本体部に凹部を形成するとともに、前記貫通孔を当該凹部の底面に開口するように形成し、

前記底面に圧力検出素子を実装し、

前記導体パターンを、前記凹部の開口縁部を跨いで凹部の内面と本体部の側壁面とを接続するように形成したことを特徴とする請求項 1に記載の圧力センサ。

[7] 前記凹部を真空封止したことを特徴とする請求項 5に記載の圧力センサ。

[8] 前記本体部に、前記貫通孔の内周面から当該貫通孔の軸心側に張り出すフランジ部を形成し、

前記フランジ部の前記貫通孔の圧力導入開口側の表面に前記圧力検出素子を実装する一方、当該フランジ部の圧力導入開口と反対側の表面に前記別の素子を実装したことを特徴とする請求項 4に記載の圧力センサ。

[9] 弾性を有する材料により立体回路基板の製造技術を用いて形成され、検出対象の流体が導入される圧力導入用孔が形成されるとともに、当該圧力導入用孔の底部に薄膜部が形成された本体部と、当該本体部の表面に形成され圧力変化に応じて発生する前記薄膜部の変形を電気信号に変換する圧力検出部とを備えて成ることを特徴とする圧力センサ。

[10] 前記圧力検出部は、前記薄膜部における圧力導入用孔と反対側の面に、互いに隙間を空けた状態で対向するように形成された第 1電極パターンおよび第 2電極バターンを有し、圧力変化を前記両電極パターン間の静電容量変化として検出することを特徴とする請求項 9に記載の圧力センサ。

[11] 前記本体部において前記両電極パターンが形成された一面に、前記両電極バターンにそれぞれ電気的に接続される回路パターンを形成したことを特徴とする請求項 9に記載の圧力センサ。

[12] 前記圧力導入用孔を有する圧力導入管を本体部に設けるとともに、圧力導入管の外表面に、当該圧力導入管が挿入される検出用配管の内面と弾接することによって検出用配管の内面との隙間をシールする突出部を設けたことを特徴とする請求項 9 に記載の圧力センサ。

[13] 立体回路基板からなり流体の圧力を受けて橈む薄肉のダイァフラムが設けられた本体部と、ダイアフラム表面であって流体が接触しな!/、側の面に形成されダイアフラムに生じる橈みを電気信号に変換する圧力検出部と、本体部に実装され本体部に形成されている導体パターンを介して圧力検出部と接続されるとともに圧力検出部から導体パターンを介して取り込む電気信号を信号処理する信号処理回路部とを備えたことを特徴とする圧力センサ。

[14] 圧力検出部は、ダイアフラム表面に形成される誘電体膜と、該誘電体膜上に形成される電極とからなることを特徴とする請求項 13に記載の圧力センサ。

[15] 誘電体膜が圧電体で形成されることを特徴とする請求項 14に記載の圧力センサ。

[16] 本体部は、流体が接触するダイアフラム表面を囲む筒状であって内部に流体が存在する管と嵌合する嵌合部を有することを特徴とする請求項 13に記載の圧力センサ嵌合部は、円筒形状であって外周面にねじ山が刻まれてなることを特徴とする請求項 16に記載の圧力センサ。