圧力検出装置用パッケージおよび圧力検出装置
【課題】 圧力検出装置用パッケージの圧力の測定範囲を拡げる。
【解決手段】 基部１１および基部１１の上部に位置する枠状部１２を有する絶縁基体１と、枠状部１２の内側であって、基部１１の上面に設けられた第１電極層３と、第１電極層３の上面との間に気密封止された空間を形成するように枠状部１２上に接合された、内面が上方に反っているダイヤフラム２と、ダイヤフラム２の内面であって平面視して第１電極層３と重なる領域に設けられた第２電極層４とを備えている圧力検出装置用パッケージ１０である。撓むことのできる範囲を拡げることが可能になるので、圧力の測定範囲を拡げることができる。
【解決手段】 基部１１および基部１１の上部に位置する枠状部１２を有する絶縁基体１と、枠状部１２の内側であって、基部１１の上面に設けられた第１電極層３と、第１電極層３の上面との間に気密封止された空間を形成するように枠状部１２上に接合された、内面が上方に反っているダイヤフラム２と、ダイヤフラム２の内面であって平面視して第１電極層３と重なる領域に設けられた第２電極層４とを備えている圧力検出装置用パッケージ１０である。撓むことのできる範囲を拡げることが可能になるので、圧力の測定範囲を拡げることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力検出装置用パッケージおよびこれを用いた圧力検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧力を検出するための圧力検出装置用パッケージとして、静電容量型の圧力検出装置用パッケージが知られている。静電容量型の圧力検出装置用パッケージとしては、例えば、特許文献１に記載の静電容量型圧力センサが挙げられる。
【０００３】
特許文献１に記載の静電容量型圧力センサは、固定電極が設けられたガラス基板と、ガラス基板と対向して配置され、可動電極を有する平板状のシリコン基板とが、枠形状のスペーサを挟んで設けられている。特許文献１に記載の静電容量型圧力センサでは、シリコン基板に圧力がかかったときに、シリコン基板が撓むことによって生じる可動電極の変位を固定電極と可動電極との間の静電容量の変化から測定することにより、シリコン基板にかかる圧力の大きさを検知している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１３９５５９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、特許文献１に記載の静電容量型圧力センサは、シリコン基板が平板状であることから、シリコン基板はスペーサの厚み以上に撓むことができない。その結果、圧力の測定範囲がスペーサの厚みによって制限されてしまうことから、圧力の測定範囲を拡げることが困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態に係る圧力検出装置用パッケージは、基部および基部の上部に位置する枠状部を有する絶縁基体と、枠状部の内側であって、基部の上面に設けられた第１電極層と、第１電極層の上面との間に気密封止された空間を形成するように枠状部上に接合された、内面が上方に反っているダイヤフラムと、ダイヤフラムの内面であって平面視して第１電極層と重なる領域に設けられた第２電極層とを備えている。
【０００７】
本発明の一実施形態に係る圧力検出装置は、圧力検出装置用パッケージと、第１電極層および第２電極層に電気的に接続された半導体素子とを備えている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の圧力検出装置用パッケージによれば、ダイヤフラムの内面が上方に反っていることから、ダイヤフラムの内面と絶縁基体の上面との間隔を大きくすることができる。これにより、ダイヤフラムの撓むことのできる範囲を拡げることが可能になるから、圧力の測定範囲を拡げることができる。
【０００９】
本発明の圧力検出装置によれば、ダイヤフラムの撓むことのできる範囲が拡げられている圧力検出装置用パッケージを備えていることから、圧力の測定範囲を拡げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態の圧力検出装置用パッケージおよびこれを用いた圧力検出装置を示す断面図である。
【図２】図１に示す圧力検出装置用パッケージおよびこれを用いた圧力検出装置をＡ−Ａ’線で切って上方向から見た断面図である。
【図３】図１に示す圧力検出装置用パッケージおよびこれを用いた圧力検出装置をＢ−Ｂ’線で切って下方向から見た断面図である。
【図４】変形例１に係る圧力検出装置用パッケージおよびこれを用いた圧力検出装置を示す断面図である。
【図５】変形例２に係る圧力検出装置用パッケージおよびこれを用いた圧力検出装置を示す断面図である。
【図６】変形例３に係る圧力検出装置用パッケージおよびこれを用いた圧力検出装置を示す断面図である。
【図７】変形例４に係る圧力検出装置用パッケージおよびこれを用いた圧力検出装置を示す断面図である。
【図８】変形例５に係る圧力検出装置用パッケージおよびこれを用いた圧力検出装置を示す断面図である。
【図９】変形例６に係る圧力検出装置用パッケージおよびこれを用いた圧力検出装置を示す断面図である。
【図１０】変形例７に係る圧力検出装置用パッケージおよびこれを用いた圧力検出装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態に係る圧力検出装置および圧力検出装置用パッケージについて図面を参照して説明する。
【００１２】
＜圧力検出装置の構成＞
図１〜３に示すように、本発明の一実施形態の圧力検出装置１００は、圧力検出装置用パッケージ１０と、圧力検出装置用パッケージ１０に設置された半導体素子５とを備えている。圧力検出装置１００は、気体の圧力を検出するのに用いることができる。圧力検出装置１００は、例えば、乗用自動車のタイヤの空気圧を検出するために、タイヤの内部に設けることができる。また、圧力検出装置１００は、エンジン等の燃焼機の内圧を検出するために燃焼機の内部に設けることができる。
【００１３】
＜圧力検出装置用パッケージの構成＞
本発明の一実施形態の圧力検出装置用パッケージ１０は、絶縁基体１と、絶縁基体１の上面に設けられた第１電極層３と、絶縁基体１上に接合されたダイヤフラム２と、ダイヤフラム２の内面に設けられた第２電極層４とを備えている。絶縁基体１は、基部１１と基部１１の上部に位置する枠状部１２とによって構成される。
【００１４】
基部１１は、板状の部材であって、平面視したときの形状が円形状である。基部１１は、枠状部１２を介してダイヤフラム２を支持するために設けられている。また、基部１１の下面には、半導体素子５を収納するための第１凹部１１１が形成されている。第１凹部は、平面視したときの形状が四角形状である。
【００１５】
基部１１は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化珪素質焼結体またはガラスセラミックスのような絶縁材料を用いることができる。
【００１６】
枠状部１２は、基部１１の上部に位置している。このように、絶縁基体１が枠状部１２を有していることによって、基部１１とダイヤフラム２との間に所定の間隔を確保することができる。これにより、ダイヤフラム２に外部の圧力が加わったときに、ダイヤフラム２をダイヤフラム２と絶縁基体１との接合部よりも低い位置まで撓ませることが可能になる。
【００１７】
枠状部１２は、平面視したときの内周の形状が円形状である。このように、平面視したときの枠状部１２の内周の形状が円形状であることから、ダイヤフラム２に外部からの圧力が加わった際に枠状部１２に伝わる力を分散させて基部１１に伝えることができる。その結果、基部１１に部分的に圧力が集中する可能性を低減することができるので、圧力検出装置用パッケージ１０の信頼性を向上させることができる。
【００１８】
枠状部１２は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化珪素質焼結体またはガラスセラミックスのような絶縁材料を用いることができる。
【００１９】
第１電極層３は、基部１１の上面に設けられている。第１電極層３は枠状部１２の内側に位置している。第１電極層３と後述する第２電極層４との間には静電容量が形成される。ダイヤフラム２が外部から圧力を受けたときに、その圧力に応じてダイヤフラム２が撓んで、第１電極層３と第２電極層４との間隔が変化する。これにより、第１電極層３と第２電極層４との間の静電容量が変化する。この静電容量の変化を測定し、演算を行なうことによって圧力の大きさを求めることができる。圧力の大きさを求めるための演算は、基部１１の下面の第１凹部１１１に半導体素子５を設け、この半導体素子５を用いて行なうことができる。図１に示す圧力検出装置１００では、第１凹部１１１に設けた半導体素子５を第１凹部１１１に充填した樹脂９で気密封止した状態を示している。また、圧力検出装置用パッケージ１０の外部に別途装置を設け、この装置を用いて同様の演算を行なうこともできる。
【００２０】
第１電極層３は、平面透視したときの形状が円形状である。第１電極層３の外周の形状が、枠状部１２の内周の形状と相似であることにより、第１電極層３を広い範囲に形成することができる。そのため、第２電極層４との間に形成される静電容量を大きくすることができ、圧力検出装置用パッケージ１０の外部からの圧力に対する感度を向上させることができる。
【００２１】
第１電極層３としては、導電性の良好な材料を用いることが望ましい。具体的には、例えば、タングステン、モリブデン、銅または銀等の金属材料またはそれらを用いた合金を用いることができる。
【００２２】
ダイヤフラム２は、絶縁基体１との間に気密封止された空間１３を形成するように絶縁基体１上に接合されている。ダイヤフラム２は、内面が上方に反っている。このため、ダイヤフラム２の内面と絶縁基体１の上面との間隔を大きくすることができる。これにより、圧力検出装置用パッケージ１０のダイヤフラム２の撓むことのできる範囲を拡げることができる。その結果、圧力検出装置１００における圧力の測定範囲を拡げることができる。なお、ここでいう「反っている」とは、ダイヤフラム２を１気圧の雰囲気中に配置したときに、絶縁基体１とは反対側（図１における上方）に反っていることを示している。
【００２３】
また、ダイヤフラム２の内面が上方に反っていることによって、ただ単にダイヤフラム２の内面に段差が設けられている場合と比較して、ダイヤフラム２が撓んだときに、部分的に圧力が集中する可能性を低減することができる。そのため、ダイヤフラム２の信頼性を向上させることができる。
【００２４】
ダイヤフラム２の内面のうち、空間１３に露出している領域が、上方に反っているとともに、絶縁基体１と接合されている領域が平面状である。これにより、ダイヤフラム２の撓むことのできる範囲を拡げつつ、絶縁基体１とダイヤフラム２との接合性を向上させることができる。
【００２５】
また、ダイヤフラム２は、内面が上方に反るとともに、外面も上方に反っている。このとき、内面の曲率半径よりも外面の曲率半径の方が大きい。このように、ダイヤフラム２の内面と外面を同じ方向に反らせていることから、ダイヤフラム２のうち空間１３に露出している部分の厚みを薄くすることができる。これにより、ダイヤフラム２を撓みやすくすることができつつ、ダイヤフラム２に局所的に過度に大きな応力が集中することを抑制できる。
【００２６】
ダイヤフラム２は、絶縁材料によって形成される。具体的には、酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化珪素質焼結体またはガラスセラミックスのような絶縁材料を用いることができる。さらに、ダイヤフラム２は、枠状部１２と同じ材料を用いて形成されることが好ましい。これによりダイヤフラム２と枠状部１２との熱膨張率差を低減することができることから、燃焼機等のダイヤフラム２が高温下に晒される環境に設置した場合の圧力検出装置用パッケージ１０の信頼性を向上させることができる。
【００２７】
ダイヤフラム２は、枠状部１２と気密に接合されている。接合には、ガラス質成分を用いることができる。ダイヤフラム２と枠状部１２との接合にガラス質成分を用いることによって、接合部材としてろう材等の金属材料が用いられた場合と比較して、接合部材に塑性変形が生じる可能性が低減されている。これにより、圧力検出装置用パッケージ１０の長期信頼性を向上させることができる。
【００２８】
また、ダイヤフラム２と絶縁基体１との間に気密封止された空間１３が形成されていることにより、第１電極層３および第２電極層４が外気の影響を受けることによって変質する可能性を抑制できる。その結果、圧力検出装置用パッケージ１０の信頼性を向上させることができる。空間１３の内部には、不活性気体を充填することができる。不活性気体としては、窒素またはアルゴンを用いることができる。これにより、第１電極層３および第２電極層４が変質する可能性をさらに抑制することができる。
【００２９】
圧力検出装置用パッケージ１０における第２電極層４は、ダイヤフラム２の内面に設けられている。第２電極層４は、平面透視したときに第１電極層３と重なる領域に位置している。第２電極層４と第１電極層３との間に静電容量が形成される。
【００３０】
第２電極層４は、平面透視したときの形状が円形状である。第２電極層４の外周の形状が、枠状部１２の内周の形状と相似であることにより、第２電極層４を広い領域に形成することができる。そのため、第１電極層３との間に形成される静電容量を大きくすることができ、圧力検出装置用パッケージ１０の外部からの圧力に対する感度を向上させることができる。
【００３１】
第２電極層４としては、導電性の良好な材料を用いることが望ましい。具体的には、例えば、タングステン、モリブデン、銅または銀等の金属材料またはそれらを用いた合金を用いることができる。
【００３２】
圧力検出装置用パッケージ１０は、さらに第１接続導体６、第２接続導体７および外部接続導体８を備えている。第１接続導体６は、第１電極層３および基部１１の第１凹部１１１に設けられる半導体素子５を電気的に接続するために設けられている。また、第２接続導体７は第２電極層４および半導体素子５を電気的に接続するために設けられている。また、外部接続導体８は、半導体素子５および外部回路を電気的に接続するために設けられている。第１接続導体６は、基部１１の内部に設けられており、基部１１の上面と基部１１の第１凹部１１１に引き出されている。
【００３３】
第２接続導体７は、枠状部１２および基部１１の内部に設けられており、枠状部１２の上面および基部１１の第１凹部１１１に引き出されている。外部接続導体８は、第１凹部１１１から基部１１の下面のうち第１凹部１１１以外の領域に引き出されている。第１接続導体６、第２接続導体７および外部接続導体８は、短絡することがないようにそれぞれ離間して設けられている。
【００３４】
第１接続導体６、第２接続導体７および外部接続導体８としては、例えば、タングステン、モリブデン、銅または銀等の金属材料またはそれらを用いた合金を用いることができる。
【００３５】
ここで、圧力検出装置用パッケージ１０の寸法の一例を示すと、基部１１および枠状部１２の外径は７ｍｍ、枠状部１２の内径は４ｍｍ、ダイヤフラム２の肉厚は０．２ｍｍ、ダイヤフラム２の内面における反りの大きさは０．２ｍｍ、第１電極層３および第２電極層４の直径はそれぞれ３ｍｍとして作製することができる。
【００３６】
なお、ここでいう「反りの大きさ」とは、ダイヤフラム２の内面のうち最も上方に位置している箇所と最も下方に位置している箇所との高低差を反りの大きさと見なしている。
【００３７】
本発明の一実施形態の圧力検出装置用パッケージ１０は、ダイヤフラム２の内面が上方に反っていることから、ダイヤフラム２の内面と絶縁基体１との間隔を大きくすることができる。これにより、ダイヤフラム２の撓むことのできる範囲を拡げることができる。
【００３８】
＜半導体素子の構成＞
半導体素子５は、第１接続導体６、第２接続導体７および外部接続導体８に接続されている。半導体素子５は、第１接続導体６および第２接続導体７を介して伝達された第１電極層３と第２電極層４との間の静電容量の変化から、ダイヤフラム２に加えられた圧力を演算し、その結果を外部接続導体８に出力する機能を備えている。具体的には、まず、ダイヤフラム２に加えられた圧力の大きさと圧力が加えられたときの静電容量の大きさとの関係のデータを半導体素子５にあらかじめ記録させておく。そして、このデータと検出された静電容量の大きさとを照合することによって、ダイヤフラム２に加えられた圧力の大きさを求めることができる。このように、圧力の大きさと静電容量の大きさとの関係のデータを半導体素子５にあらかじめ記録させておくことから、ダイヤフラム２に加えられた圧力の大きさの変化と静電容量の大きさの変化が正比例の関係でなくても、正確に圧力の測定を行なうことができる。
【００３９】
半導体素子５は、絶縁基体１の下面の第１凹部１１１に設けられており、樹脂９によって気密封止されている。半導体素子５が絶縁基体１の下面に設けられていることにより、別部材に半導体素子５が設けられている場合と比較して、第１電極層３および第２電極層４と半導体素子５との間の配線長さを短くすることができる。これにより、第１接続導体６および第２接続導体７の間で形成される不要な静電容量を小さく抑えることができる。その結果、圧力検出装置１００は、ダイヤフラム２に加えられた外部からの圧力を精度よく検知することができる。また、半導体素子５は、樹脂９によって気密封止されていることにより、耐久性が向上されている。
【００４０】
第１接続導体６、第２接続導体７、および外部接続導体８と半導体素子５との接続方法としては、例えば、はんだバンプ、金バンプ、導電性樹脂またはボンディングワイヤを用いることができる。
【００４１】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。例えば、本実施形態においては、基部１１を平面視したときの形状が円形状であるが、四角形状、楕円形状または多角形状であってもよい。また、本実施形態においては、枠状部１２の内周は円形状であるが、四角形状、楕円形状または多角形状であってもよい。
【００４２】
本実施形態においては、枠状部１２と基部１１が一体的に形成されているが、枠状部１２は基部１１と別々に形成されていてもよく、また枠状部１２と基部１１とが異なる材料によって形成されていてもよい。本実施形態においては、第１電極層３は平面視したときの形状が円形状であるが、四角形状、楕円形状または多角形状であってもよい。本実施形態においては、第２電極層４は平面視したときの形状が円形状であるが、四角形状、楕円形状または多角形状であってもよい。
【００４３】
＜変形例１＞
圧力検出装置１００の変形例１について説明する。なお、本変形例１の各構成において、前述の圧力検出装置１００と同様の構成および機能を有する部材については、同じ参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００４４】
上述した実施形態に係る圧力検出装置１００は、基体１１の上面を平面状としたが、これに限られない。例えば、図４に示すように、基体１１が、上面における枠状部１２に囲まれた領域に凹部を有する形状であってもよい。
【００４５】
本変形例１では、絶縁基体１の基部１１が、上面における枠状部１２に囲まれた領域に第２凹部１１２を有しており、この第２凹部１１２の表面に第１電極層３が形成されている。これにより、ダイヤフラム２の内面と絶縁基体１の上面との間隔をさらに大きくすることができる。したがって、ダイヤフラム２の撓むことのできる範囲をさらに拡げることができる。その結果、圧力検出装置用パッケージ１０の圧力の測定範囲を拡げることができる。
【００４６】
第２凹部１１２の形状は、下方向に反っている形状であることが好ましい。これにより、枠状部１２近傍の基部１１の厚みを確保しつつ、ダイヤフラム２の撓むことのできる範囲を拡げることができる。したがって、圧力検出装置用パッケージ１０の強度を確保しつつ、圧力の測定範囲を拡げることができる。さらに、基部１１の厚みが連続的に変化することから、基部１１に伝わった圧力が部分的に集中する可能性を低減することができる。
【００４７】
また、枠状部１２の側面のうち空間１３に露出している側面と、第２凹部１１２とが連続的に形成されていることが好ましい。これにより、枠状部１２から基部１１へ圧力が伝わる際に、圧力が部分的に集中する可能性を低減することができる。
【００４８】
これにより、圧力検出装置用パッケージ１０は、ダイヤフラム２に加えられる圧力に対する強度が向上している。詳しくは、想定している圧力の測定範囲を超えるような強い圧力がダイヤフラム２に加えられた場合に、ダイヤフラム２の内面または第２電極層４が、基部１１の上面または第１電極層３と接触する可能性がある。この場合は、ダイヤフラム２は内面が下方に反った形状になるように撓んでいることが考えられる。
【００４９】
このとき、ダイヤフラム２の内面の形状と第２凹部１１２の形状が、どちらも下方に反っている形状であることから、ダイヤフラム２の内面または第２電極層４と基部１１の上面または第１電極層３とが接触する領域を、第２凹部１１２の形状が平面状である場合と比較して、広くすることができる。したがって、これらの接触による衝撃をダイヤフラム２に部分的に集中させることなく、ダイヤフラム２の広範囲にわたって分散させることができる。このため、圧力検出装置用パッケージ１０は、ダイヤフラム２に加えられる圧力に対する強度が向上している。
【００５０】
＜変形例２＞
圧力検出装置１００の変形例２について説明する。なお、本変形例２の各構成において、前述の圧力検出装置１００と同様の構成および機能を有する部材については、同じ参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００５１】
上述した実施形態に係る圧力検出装置１００は、ダイヤフラム２の外面全体を反っている形状としたが、これに限られない。例えば、図５に示すように、ダイヤフラム２の外面の一部が平面状に形成されていてもよい。
【００５２】
本変形例２では、ダイヤフラム２の外面の一部のうち、空間１３と上下に重なり合う領域の中央部が平面状に形成されている。このように、ダイヤフラム２の内面が上方に反っているとともに外面の一部を平面状にすることによって、ダイヤフラム２のうち外面が平面状になっている領域を、外面における空間１３と上下に重なり合う領域全体が反っている場合と比較して、薄くすることができる。これにより、ダイヤフラム２を撓みやすくすることができ、ダイヤフラム２にかかる圧力の測定範囲を効果的に大きくすることができる。なお、平面視で、枠状部１２の内周が円形状であり、ダイヤフラム２の外面の平面状に形成された領域が、円形状であることが好ましい。
【００５３】
＜変形例３＞
圧力検出装置１００の変形例３について説明する。なお、本変形例３の各構成において、前述の圧力検出装置１００と同様の構成および機能を有する部材については、同じ参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００５４】
上述した実施形態に係る圧力検出装置１００は、ダイヤフラム２の内面全体を反っている形状としたが、これに限られない。例えば、図６に示すように、ダイヤフラム２の内面の一部が平面状に形成されていてもよい。
【００５５】
本変形例３では、ダイヤフラム２の内面のうち、空間１３に露出している領域の中央部が平面状に形成されており、この中央部を囲む周辺部に反りが設けられている。すなわち、第２電極層４の一部をダイヤフラム２の内面のうち、ダイヤフラム２が最も撓む部分である中央部が平面状に形成され、この部分に第２電極層４の少なくとも一部が配設されている。そのため、圧力測定前の基準となる外気圧（例えば、１気圧の雰囲気中）において、第１電極層３と第２電極層４とが平行に配置される。従って、初期状態における第１電極層３と第２電極層４との間に形成される静電容量を大きくするとともに、ばらつきを低減することができる。結果として、圧力検出装置用パッケージ１０の外部からの圧力に対する精度を向上させることができる。
【００５６】
＜変形例４＞
圧力検出装置１００の変形例４について説明する。なお、本変形例４の各構成において、前述の圧力検出装置１００と同様の構成および機能を有する部材については、同じ参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００５７】
上述した実施形態に係る圧力検出装置１００は、第１凹部１１１の内径が枠状部１２の内径よりも小さい構成であったが、これに限られない。例えば図７に示すように、第１凹部１１１の内径が枠状部１２の内径よりも大きい構成であってもよい。
【００５８】
本変形例４では、第１凹部１１１の内径が枠状部１２の内径よりも大きい。これにより、基部１１となるセラミックグリーンシートを製造時に凹部形状に反らせることによって、基部１１の上面における枠状部１２に囲まれた領域を凹部形状としたときに、これに連動して基部１１の下面、つまり第１凹部１１１の底面の一部が凸部形状になった場合であっても、図７に示すように凸部形状になった領域の周囲に平坦部１１３を形成することができる。この平坦部１１３に半導体素子５を実装することによって、半導体素子５の実装信頼性を向上させることができる。
【００５９】
＜変形例５＞
圧力検出装置１００の変形例５について説明する。なお、本変形例５の各構成において、前述の圧力検出装置１００と同様の構成および機能を有する部材については、同じ参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００６０】
上述した実施形態に係る圧力検出装置１００は、第２凹部１１２の表面の形状が弧状であったがこれに限られない。例えば、図８に示すように、第２凹部１１２の表面にさらに第３凹部１１４が設けられていてもよい。
【００６１】
本変形例５では、第２凹部１１２の表面に第３凹部１１４が形成されている。これにより、ダイヤフラム２のうち撓み量が大きい領域の直下において、ダイヤフラム２の内面と絶縁基体１の上面との間隔を重点的に大きくすることができる。したがって、ダイヤフラム２の撓むことのできる範囲をさらに拡げることができる。その結果、圧力検出装置用パッケージ１０の圧力の測定範囲を拡げることができる。
【００６２】
＜変形例６＞
圧力検出装置１００の変形例６について説明する。なお、本変形例６の各構成において、前述の圧力検出装置１００と同様の構成および機能を有する部材については、同じ参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００６３】
上述した実施形態に係る圧力検出装置１００は、ダイヤフラム２の上面の全体が外部に露出した構成であったがこれに限られない。例えば、図９に示すようにダイヤフラム２の上面に、第２電極層４よりも大きいメタライズ層２１が設けられていてもよい。このメタライズ層２１は外部からの電磁波に対するシールドとして機能させることができ、外部の圧力を精度良く検出することができる圧力検出装置用パッケージとなる。その結果、圧力検出装置１００は、外部からの電磁波による影響が低減されている。メタライズ層２１としては、例えば、タングステンまたはモリブデン等の材料を用いることができる。
【００６４】
＜変形例７＞
圧力検出装置１００の変形例７について説明する。なお、本変形例７の各構成において、前述の圧力検出装置１００と同様の構成および機能を有する部材については、同じ参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００６５】
変形例６に係る圧力検出装置１００は、ダイヤフラム２の上面に、第２電極層４よりも大きいメタライズ層２１が設けられており、メタライズ層２１の上面の全面が外部に露出していたが、これに限られない。例えば、図１０に示すように、メタライズ層２１の上面全面がセラミック層２２によって被われていてもよい。これにより、例えば、ガス雰囲気中においてメタライズ層２１が変質する可能性を抑制でき、圧力検出装置１００のガス雰囲気中における信頼性を向上させることができる。セラミック層２２としては、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化珪素質焼結体またはガラスセラミックスのような絶縁材料を用いることができる。
【００６６】
＜圧力検出装置の製造方法１＞
まず、圧力検出装置用パッケージ１０の製造方法１について説明する。初めに、絶縁基体１の製造方法を説明する。圧力検出装置用パッケージ１０において、例えば、絶縁基体１が酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウムまたは酸化カルシウム等のセラミック原料粉末に適当な有機バインダ、溶剤、可塑剤および分散剤を添加混合してペースト状とし、これをドクタブレード法によってシート状に成形することで、セラミックグリーンシートが形成される。このセラミックグリーンシートを所定形状で打ち抜いて積層し、焼成することによって絶縁基体１を作製することができる。
【００６７】
次に、ダイヤフラム２の製造方法を説明する。セラミックグリーンシートを積層するまでの工程は、絶縁基体１の場合と同様の工程を用いることができる。ダイヤフラム２を作製するためのセラミックグリーンシートを焼成する際には、ダイヤフラム２の内面のうち反りが形成される領域の下にダミー部材を配置し、セラミックグリーンシートおよびダミー部材を上下方向から加圧しながら焼成を行なう。これにより、ダイヤフラム２の内面のうち任意の領域に反りを形成することができる。ダミー部材としては、ダイヤフラム２の焼結温度においてもダイヤフラム２と接合一体化しない材料を用いることが望ましい。これにより、焼成後のダイヤフラム２からダミー部材を容易に取り除くことができる。ダイヤフラム２と接合一体化しない材料としては、例えばモリブデンやタングステンのような高融点金属製の成形体の表面に電融アルミナの微粉をコーテングしたものを用いることができる。
【００６８】
ダミー部材の形状は、所望するダイヤフラム２の内面の反りの形状に対応する形状を用いることができる。具体的には、図１に示すように、ダイヤフラム２の内面のうち空間１３に露出している領域の全体に反りが設けられている場合には、上面の形状が断面視したときに円弧状であるダミー部材を用いる。また、図５および図６に示すように、ダイヤフラム２の内面のうち空間１３に露出している領域の中央部が平面状であって、この中央部を囲む周辺部に反りが設けられている場合には、上面の形状が断面視したときに平面状の領域とこの領域を囲む円弧状の領域とによって構成される形状であるダミー部材を用いる。
【００６９】
第１電極層３、第２電極層４、第１接続導体６、第２接続導体７および外部接続導体８は、タングステン等の金属粉末に適当な有機バインダ、溶剤、可塑剤および分散剤等を添加混合して得たメタライズペーストをスクリーン印刷法によって絶縁基体１用またはダイヤフラム２用のセラミックグリーンシートに所定のパターンに印刷塗布し、これを絶縁基体１用またはダイヤフラム２用のセラミックグリーンシートとともに焼成することによって所定のパターンに形成される。
【００７０】
次に、絶縁基体１とダイヤフラム２との接合方法について説明する。ここで、絶縁基体１およびダイヤフラム２が、酸化アルミニウム質焼結体からなる場合であれば、絶縁基体１およびダイヤフラム２用のセラミックグリーンシートは、原料粉末に酸化アルミニウム等とともに酸化珪素等のガラス質成分を含むので、焼結体となった際に、焼結体にガラス質成分が含まれることになる。まず、絶縁基体１の上面およびダイヤフラム２の内面の少なくとも一方の面を研磨し、絶縁基体１の上面にダイヤフラム２を設置した状態で、絶縁基体１とダイヤフラム２とをどちらかの部材に含まれる焼結助剤である非結晶化ガラス質成分が溶出する温度で加熱する。これにより、絶縁基体１およびダイヤフラム２の少なくとも一方から溶出されたガラス質成分によって、気密に接合することができる。このようにして、圧力検出装置用パッケージ１０を製造することができる。
【００７１】
本実施形態において、絶縁基体１とダイヤフラム２とは、同じ材料によって形成されているが、異なる材料で形成されていてもよい。また、ダイヤフラム２の材料の焼成温度が絶縁基体１の材料の焼成温度よりも高くなるようにすることが好ましい。具体的には、例えば、ダイヤフラム２の材料として、１５５０℃〜１６００℃にて焼結する高温焼成の酸化アルミニウム質焼結体のセラミックスを使用し、絶縁基体１の材料として、１３５０℃〜１４００℃にて焼結する低温焼成の酸化アルミニウム質焼結体のセラミックスを使用することができる。また、ダイヤフラム２の材料として、１５５０℃〜１６００℃にて焼結する酸化アルミニウム質焼結体を用い、絶縁基体１の材料として、９００℃〜１０００℃にて焼結するガラスセラミックスを用いてもよい。これにより、異なる焼成温度の材料からなる絶縁基体１とダイヤフラム２とを上述の溶出したガラス質によって接合する際に、ダイヤフラム２の変形を低減することができる。これにより、圧力検出装置用パッケージ１０の信頼性を向上させることができる。
【００７２】
圧力検出装置用パッケージ１０に半導体素子５を搭載することで圧力検出装置１００とすることができる。
【００７３】
＜圧力検出装置の製造方法２＞
圧力検出装置１００の製造方法２について説明する。なお、本例の製造方法において、前述の圧力検出装置１００の製造方法１と同様の工程については、その詳細な説明を省略する。
【００７４】
上述した圧力検出装置１００の製造方法１では、ダミー部材を用いてダイヤフラム２に反りを形成したが、これに限られない。例えば、ダイヤフラム２を作製するためのセラミックグリーンシートの上面に焼成時の収縮率の相違する別のセラミックグリーンシート薄層をさらに設けることによって、ダイヤフラム２に反りを形成してもよい。
【００７５】
具体的には、セラミックグリーンシートの一方の主面に収縮率の相違する別のセラミックグリーンシート薄層を設けることによって、焼成後のダイヤフラム２に反りを生じさせることができる。本発明におけるダイヤフラム２のように、ダイヤフラム２の下面を上方向に反った形状にするためには、例えば、ダイヤフラム２の上面に、ダイヤフラム２用のセラミックグリーンシートよりも相対的に焼成時の収縮率が大きい（収縮代の小さい）セラミックグリーンシート薄層を設ければよい。これにより、ダイヤフラム２用のセラミックグリーンシートは、セラミックグリーンシート薄層よりも焼成時に大きく収縮しやすくなり、ダイヤフラム２の下面を上方向に反った形状となる。
【００７６】
セラミックグリーンシートの焼成時の収縮率が８３．５％および厚みが１００μｍの場合には、例えば収縮率が８５．５％および厚みが２５μｍのセラミックグリーンシート薄層を用いることができる。また、収縮率の調整は、例えばセラミックグリーンシートに含有するバインダー量を変更することによって行なうことができる。
【符号の説明】
【００７７】
１：絶縁基体
１１：基部
１１１：第１凹部
１１２：第２凹部
１１３：平坦部
１１４：第３凹部
１２：枠状部
１３：空間
２：ダイヤフラム
２１：メタライズ層
２２：セラミック層
３：第１電極層
４：第２電極層
５：半導体素子
６：第１接続導体
７：第２接続導体
８：外部接続導体
９：樹脂
１０：圧力検出装置用パッケージ
１００：圧力検出装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力検出装置用パッケージおよびこれを用いた圧力検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧力を検出するための圧力検出装置用パッケージとして、静電容量型の圧力検出装置用パッケージが知られている。静電容量型の圧力検出装置用パッケージとしては、例えば、特許文献１に記載の静電容量型圧力センサが挙げられる。
【０００３】
特許文献１に記載の静電容量型圧力センサは、固定電極が設けられたガラス基板と、ガラス基板と対向して配置され、可動電極を有する平板状のシリコン基板とが、枠形状のスペーサを挟んで設けられている。特許文献１に記載の静電容量型圧力センサでは、シリコン基板に圧力がかかったときに、シリコン基板が撓むことによって生じる可動電極の変位を固定電極と可動電極との間の静電容量の変化から測定することにより、シリコン基板にかかる圧力の大きさを検知している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１３９５５９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、特許文献１に記載の静電容量型圧力センサは、シリコン基板が平板状であることから、シリコン基板はスペーサの厚み以上に撓むことができない。その結果、圧力の測定範囲がスペーサの厚みによって制限されてしまうことから、圧力の測定範囲を拡げることが困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態に係る圧力検出装置用パッケージは、基部および基部の上部に位置する枠状部を有する絶縁基体と、枠状部の内側であって、基部の上面に設けられた第１電極層と、第１電極層の上面との間に気密封止された空間を形成するように枠状部上に接合された、内面が上方に反っているダイヤフラムと、ダイヤフラムの内面であって平面視して第１電極層と重なる領域に設けられた第２電極層とを備えている。
【０００７】
本発明の一実施形態に係る圧力検出装置は、圧力検出装置用パッケージと、第１電極層および第２電極層に電気的に接続された半導体素子とを備えている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の圧力検出装置用パッケージによれば、ダイヤフラムの内面が上方に反っていることから、ダイヤフラムの内面と絶縁基体の上面との間隔を大きくすることができる。これにより、ダイヤフラムの撓むことのできる範囲を拡げることが可能になるから、圧力の測定範囲を拡げることができる。
【０００９】
本発明の圧力検出装置によれば、ダイヤフラムの撓むことのできる範囲が拡げられている圧力検出装置用パッケージを備えていることから、圧力の測定範囲を拡げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態の圧力検出装置用パッケージおよびこれを用いた圧力検出装置を示す断面図である。
【図２】図１に示す圧力検出装置用パッケージおよびこれを用いた圧力検出装置をＡ−Ａ’線で切って上方向から見た断面図である。
【図３】図１に示す圧力検出装置用パッケージおよびこれを用いた圧力検出装置をＢ−Ｂ’線で切って下方向から見た断面図である。
【図４】変形例１に係る圧力検出装置用パッケージおよびこれを用いた圧力検出装置を示す断面図である。
【図５】変形例２に係る圧力検出装置用パッケージおよびこれを用いた圧力検出装置を示す断面図である。
【図６】変形例３に係る圧力検出装置用パッケージおよびこれを用いた圧力検出装置を示す断面図である。
【図７】変形例４に係る圧力検出装置用パッケージおよびこれを用いた圧力検出装置を示す断面図である。
【図８】変形例５に係る圧力検出装置用パッケージおよびこれを用いた圧力検出装置を示す断面図である。
【図９】変形例６に係る圧力検出装置用パッケージおよびこれを用いた圧力検出装置を示す断面図である。
【図１０】変形例７に係る圧力検出装置用パッケージおよびこれを用いた圧力検出装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態に係る圧力検出装置および圧力検出装置用パッケージについて図面を参照して説明する。
【００１２】
＜圧力検出装置の構成＞
図１〜３に示すように、本発明の一実施形態の圧力検出装置１００は、圧力検出装置用パッケージ１０と、圧力検出装置用パッケージ１０に設置された半導体素子５とを備えている。圧力検出装置１００は、気体の圧力を検出するのに用いることができる。圧力検出装置１００は、例えば、乗用自動車のタイヤの空気圧を検出するために、タイヤの内部に設けることができる。また、圧力検出装置１００は、エンジン等の燃焼機の内圧を検出するために燃焼機の内部に設けることができる。
【００１３】
＜圧力検出装置用パッケージの構成＞
本発明の一実施形態の圧力検出装置用パッケージ１０は、絶縁基体１と、絶縁基体１の上面に設けられた第１電極層３と、絶縁基体１上に接合されたダイヤフラム２と、ダイヤフラム２の内面に設けられた第２電極層４とを備えている。絶縁基体１は、基部１１と基部１１の上部に位置する枠状部１２とによって構成される。
【００１４】
基部１１は、板状の部材であって、平面視したときの形状が円形状である。基部１１は、枠状部１２を介してダイヤフラム２を支持するために設けられている。また、基部１１の下面には、半導体素子５を収納するための第１凹部１１１が形成されている。第１凹部は、平面視したときの形状が四角形状である。
【００１５】
基部１１は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化珪素質焼結体またはガラスセラミックスのような絶縁材料を用いることができる。
【００１６】
枠状部１２は、基部１１の上部に位置している。このように、絶縁基体１が枠状部１２を有していることによって、基部１１とダイヤフラム２との間に所定の間隔を確保することができる。これにより、ダイヤフラム２に外部の圧力が加わったときに、ダイヤフラム２をダイヤフラム２と絶縁基体１との接合部よりも低い位置まで撓ませることが可能になる。
【００１７】
枠状部１２は、平面視したときの内周の形状が円形状である。このように、平面視したときの枠状部１２の内周の形状が円形状であることから、ダイヤフラム２に外部からの圧力が加わった際に枠状部１２に伝わる力を分散させて基部１１に伝えることができる。その結果、基部１１に部分的に圧力が集中する可能性を低減することができるので、圧力検出装置用パッケージ１０の信頼性を向上させることができる。
【００１８】
枠状部１２は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化珪素質焼結体またはガラスセラミックスのような絶縁材料を用いることができる。
【００１９】
第１電極層３は、基部１１の上面に設けられている。第１電極層３は枠状部１２の内側に位置している。第１電極層３と後述する第２電極層４との間には静電容量が形成される。ダイヤフラム２が外部から圧力を受けたときに、その圧力に応じてダイヤフラム２が撓んで、第１電極層３と第２電極層４との間隔が変化する。これにより、第１電極層３と第２電極層４との間の静電容量が変化する。この静電容量の変化を測定し、演算を行なうことによって圧力の大きさを求めることができる。圧力の大きさを求めるための演算は、基部１１の下面の第１凹部１１１に半導体素子５を設け、この半導体素子５を用いて行なうことができる。図１に示す圧力検出装置１００では、第１凹部１１１に設けた半導体素子５を第１凹部１１１に充填した樹脂９で気密封止した状態を示している。また、圧力検出装置用パッケージ１０の外部に別途装置を設け、この装置を用いて同様の演算を行なうこともできる。
【００２０】
第１電極層３は、平面透視したときの形状が円形状である。第１電極層３の外周の形状が、枠状部１２の内周の形状と相似であることにより、第１電極層３を広い範囲に形成することができる。そのため、第２電極層４との間に形成される静電容量を大きくすることができ、圧力検出装置用パッケージ１０の外部からの圧力に対する感度を向上させることができる。
【００２１】
第１電極層３としては、導電性の良好な材料を用いることが望ましい。具体的には、例えば、タングステン、モリブデン、銅または銀等の金属材料またはそれらを用いた合金を用いることができる。
【００２２】
ダイヤフラム２は、絶縁基体１との間に気密封止された空間１３を形成するように絶縁基体１上に接合されている。ダイヤフラム２は、内面が上方に反っている。このため、ダイヤフラム２の内面と絶縁基体１の上面との間隔を大きくすることができる。これにより、圧力検出装置用パッケージ１０のダイヤフラム２の撓むことのできる範囲を拡げることができる。その結果、圧力検出装置１００における圧力の測定範囲を拡げることができる。なお、ここでいう「反っている」とは、ダイヤフラム２を１気圧の雰囲気中に配置したときに、絶縁基体１とは反対側（図１における上方）に反っていることを示している。
【００２３】
また、ダイヤフラム２の内面が上方に反っていることによって、ただ単にダイヤフラム２の内面に段差が設けられている場合と比較して、ダイヤフラム２が撓んだときに、部分的に圧力が集中する可能性を低減することができる。そのため、ダイヤフラム２の信頼性を向上させることができる。
【００２４】
ダイヤフラム２の内面のうち、空間１３に露出している領域が、上方に反っているとともに、絶縁基体１と接合されている領域が平面状である。これにより、ダイヤフラム２の撓むことのできる範囲を拡げつつ、絶縁基体１とダイヤフラム２との接合性を向上させることができる。
【００２５】
また、ダイヤフラム２は、内面が上方に反るとともに、外面も上方に反っている。このとき、内面の曲率半径よりも外面の曲率半径の方が大きい。このように、ダイヤフラム２の内面と外面を同じ方向に反らせていることから、ダイヤフラム２のうち空間１３に露出している部分の厚みを薄くすることができる。これにより、ダイヤフラム２を撓みやすくすることができつつ、ダイヤフラム２に局所的に過度に大きな応力が集中することを抑制できる。
【００２６】
ダイヤフラム２は、絶縁材料によって形成される。具体的には、酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化珪素質焼結体またはガラスセラミックスのような絶縁材料を用いることができる。さらに、ダイヤフラム２は、枠状部１２と同じ材料を用いて形成されることが好ましい。これによりダイヤフラム２と枠状部１２との熱膨張率差を低減することができることから、燃焼機等のダイヤフラム２が高温下に晒される環境に設置した場合の圧力検出装置用パッケージ１０の信頼性を向上させることができる。
【００２７】
ダイヤフラム２は、枠状部１２と気密に接合されている。接合には、ガラス質成分を用いることができる。ダイヤフラム２と枠状部１２との接合にガラス質成分を用いることによって、接合部材としてろう材等の金属材料が用いられた場合と比較して、接合部材に塑性変形が生じる可能性が低減されている。これにより、圧力検出装置用パッケージ１０の長期信頼性を向上させることができる。
【００２８】
また、ダイヤフラム２と絶縁基体１との間に気密封止された空間１３が形成されていることにより、第１電極層３および第２電極層４が外気の影響を受けることによって変質する可能性を抑制できる。その結果、圧力検出装置用パッケージ１０の信頼性を向上させることができる。空間１３の内部には、不活性気体を充填することができる。不活性気体としては、窒素またはアルゴンを用いることができる。これにより、第１電極層３および第２電極層４が変質する可能性をさらに抑制することができる。
【００２９】
圧力検出装置用パッケージ１０における第２電極層４は、ダイヤフラム２の内面に設けられている。第２電極層４は、平面透視したときに第１電極層３と重なる領域に位置している。第２電極層４と第１電極層３との間に静電容量が形成される。
【００３０】
第２電極層４は、平面透視したときの形状が円形状である。第２電極層４の外周の形状が、枠状部１２の内周の形状と相似であることにより、第２電極層４を広い領域に形成することができる。そのため、第１電極層３との間に形成される静電容量を大きくすることができ、圧力検出装置用パッケージ１０の外部からの圧力に対する感度を向上させることができる。
【００３１】
第２電極層４としては、導電性の良好な材料を用いることが望ましい。具体的には、例えば、タングステン、モリブデン、銅または銀等の金属材料またはそれらを用いた合金を用いることができる。
【００３２】
圧力検出装置用パッケージ１０は、さらに第１接続導体６、第２接続導体７および外部接続導体８を備えている。第１接続導体６は、第１電極層３および基部１１の第１凹部１１１に設けられる半導体素子５を電気的に接続するために設けられている。また、第２接続導体７は第２電極層４および半導体素子５を電気的に接続するために設けられている。また、外部接続導体８は、半導体素子５および外部回路を電気的に接続するために設けられている。第１接続導体６は、基部１１の内部に設けられており、基部１１の上面と基部１１の第１凹部１１１に引き出されている。
【００３３】
第２接続導体７は、枠状部１２および基部１１の内部に設けられており、枠状部１２の上面および基部１１の第１凹部１１１に引き出されている。外部接続導体８は、第１凹部１１１から基部１１の下面のうち第１凹部１１１以外の領域に引き出されている。第１接続導体６、第２接続導体７および外部接続導体８は、短絡することがないようにそれぞれ離間して設けられている。
【００３４】
第１接続導体６、第２接続導体７および外部接続導体８としては、例えば、タングステン、モリブデン、銅または銀等の金属材料またはそれらを用いた合金を用いることができる。
【００３５】
ここで、圧力検出装置用パッケージ１０の寸法の一例を示すと、基部１１および枠状部１２の外径は７ｍｍ、枠状部１２の内径は４ｍｍ、ダイヤフラム２の肉厚は０．２ｍｍ、ダイヤフラム２の内面における反りの大きさは０．２ｍｍ、第１電極層３および第２電極層４の直径はそれぞれ３ｍｍとして作製することができる。
【００３６】
なお、ここでいう「反りの大きさ」とは、ダイヤフラム２の内面のうち最も上方に位置している箇所と最も下方に位置している箇所との高低差を反りの大きさと見なしている。
【００３７】
本発明の一実施形態の圧力検出装置用パッケージ１０は、ダイヤフラム２の内面が上方に反っていることから、ダイヤフラム２の内面と絶縁基体１との間隔を大きくすることができる。これにより、ダイヤフラム２の撓むことのできる範囲を拡げることができる。
【００３８】
＜半導体素子の構成＞
半導体素子５は、第１接続導体６、第２接続導体７および外部接続導体８に接続されている。半導体素子５は、第１接続導体６および第２接続導体７を介して伝達された第１電極層３と第２電極層４との間の静電容量の変化から、ダイヤフラム２に加えられた圧力を演算し、その結果を外部接続導体８に出力する機能を備えている。具体的には、まず、ダイヤフラム２に加えられた圧力の大きさと圧力が加えられたときの静電容量の大きさとの関係のデータを半導体素子５にあらかじめ記録させておく。そして、このデータと検出された静電容量の大きさとを照合することによって、ダイヤフラム２に加えられた圧力の大きさを求めることができる。このように、圧力の大きさと静電容量の大きさとの関係のデータを半導体素子５にあらかじめ記録させておくことから、ダイヤフラム２に加えられた圧力の大きさの変化と静電容量の大きさの変化が正比例の関係でなくても、正確に圧力の測定を行なうことができる。
【００３９】
半導体素子５は、絶縁基体１の下面の第１凹部１１１に設けられており、樹脂９によって気密封止されている。半導体素子５が絶縁基体１の下面に設けられていることにより、別部材に半導体素子５が設けられている場合と比較して、第１電極層３および第２電極層４と半導体素子５との間の配線長さを短くすることができる。これにより、第１接続導体６および第２接続導体７の間で形成される不要な静電容量を小さく抑えることができる。その結果、圧力検出装置１００は、ダイヤフラム２に加えられた外部からの圧力を精度よく検知することができる。また、半導体素子５は、樹脂９によって気密封止されていることにより、耐久性が向上されている。
【００４０】
第１接続導体６、第２接続導体７、および外部接続導体８と半導体素子５との接続方法としては、例えば、はんだバンプ、金バンプ、導電性樹脂またはボンディングワイヤを用いることができる。
【００４１】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。例えば、本実施形態においては、基部１１を平面視したときの形状が円形状であるが、四角形状、楕円形状または多角形状であってもよい。また、本実施形態においては、枠状部１２の内周は円形状であるが、四角形状、楕円形状または多角形状であってもよい。
【００４２】
本実施形態においては、枠状部１２と基部１１が一体的に形成されているが、枠状部１２は基部１１と別々に形成されていてもよく、また枠状部１２と基部１１とが異なる材料によって形成されていてもよい。本実施形態においては、第１電極層３は平面視したときの形状が円形状であるが、四角形状、楕円形状または多角形状であってもよい。本実施形態においては、第２電極層４は平面視したときの形状が円形状であるが、四角形状、楕円形状または多角形状であってもよい。
【００４３】
＜変形例１＞
圧力検出装置１００の変形例１について説明する。なお、本変形例１の各構成において、前述の圧力検出装置１００と同様の構成および機能を有する部材については、同じ参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００４４】
上述した実施形態に係る圧力検出装置１００は、基体１１の上面を平面状としたが、これに限られない。例えば、図４に示すように、基体１１が、上面における枠状部１２に囲まれた領域に凹部を有する形状であってもよい。
【００４５】
本変形例１では、絶縁基体１の基部１１が、上面における枠状部１２に囲まれた領域に第２凹部１１２を有しており、この第２凹部１１２の表面に第１電極層３が形成されている。これにより、ダイヤフラム２の内面と絶縁基体１の上面との間隔をさらに大きくすることができる。したがって、ダイヤフラム２の撓むことのできる範囲をさらに拡げることができる。その結果、圧力検出装置用パッケージ１０の圧力の測定範囲を拡げることができる。
【００４６】
第２凹部１１２の形状は、下方向に反っている形状であることが好ましい。これにより、枠状部１２近傍の基部１１の厚みを確保しつつ、ダイヤフラム２の撓むことのできる範囲を拡げることができる。したがって、圧力検出装置用パッケージ１０の強度を確保しつつ、圧力の測定範囲を拡げることができる。さらに、基部１１の厚みが連続的に変化することから、基部１１に伝わった圧力が部分的に集中する可能性を低減することができる。
【００４７】
また、枠状部１２の側面のうち空間１３に露出している側面と、第２凹部１１２とが連続的に形成されていることが好ましい。これにより、枠状部１２から基部１１へ圧力が伝わる際に、圧力が部分的に集中する可能性を低減することができる。
【００４８】
これにより、圧力検出装置用パッケージ１０は、ダイヤフラム２に加えられる圧力に対する強度が向上している。詳しくは、想定している圧力の測定範囲を超えるような強い圧力がダイヤフラム２に加えられた場合に、ダイヤフラム２の内面または第２電極層４が、基部１１の上面または第１電極層３と接触する可能性がある。この場合は、ダイヤフラム２は内面が下方に反った形状になるように撓んでいることが考えられる。
【００４９】
このとき、ダイヤフラム２の内面の形状と第２凹部１１２の形状が、どちらも下方に反っている形状であることから、ダイヤフラム２の内面または第２電極層４と基部１１の上面または第１電極層３とが接触する領域を、第２凹部１１２の形状が平面状である場合と比較して、広くすることができる。したがって、これらの接触による衝撃をダイヤフラム２に部分的に集中させることなく、ダイヤフラム２の広範囲にわたって分散させることができる。このため、圧力検出装置用パッケージ１０は、ダイヤフラム２に加えられる圧力に対する強度が向上している。
【００５０】
＜変形例２＞
圧力検出装置１００の変形例２について説明する。なお、本変形例２の各構成において、前述の圧力検出装置１００と同様の構成および機能を有する部材については、同じ参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００５１】
上述した実施形態に係る圧力検出装置１００は、ダイヤフラム２の外面全体を反っている形状としたが、これに限られない。例えば、図５に示すように、ダイヤフラム２の外面の一部が平面状に形成されていてもよい。
【００５２】
本変形例２では、ダイヤフラム２の外面の一部のうち、空間１３と上下に重なり合う領域の中央部が平面状に形成されている。このように、ダイヤフラム２の内面が上方に反っているとともに外面の一部を平面状にすることによって、ダイヤフラム２のうち外面が平面状になっている領域を、外面における空間１３と上下に重なり合う領域全体が反っている場合と比較して、薄くすることができる。これにより、ダイヤフラム２を撓みやすくすることができ、ダイヤフラム２にかかる圧力の測定範囲を効果的に大きくすることができる。なお、平面視で、枠状部１２の内周が円形状であり、ダイヤフラム２の外面の平面状に形成された領域が、円形状であることが好ましい。
【００５３】
＜変形例３＞
圧力検出装置１００の変形例３について説明する。なお、本変形例３の各構成において、前述の圧力検出装置１００と同様の構成および機能を有する部材については、同じ参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００５４】
上述した実施形態に係る圧力検出装置１００は、ダイヤフラム２の内面全体を反っている形状としたが、これに限られない。例えば、図６に示すように、ダイヤフラム２の内面の一部が平面状に形成されていてもよい。
【００５５】
本変形例３では、ダイヤフラム２の内面のうち、空間１３に露出している領域の中央部が平面状に形成されており、この中央部を囲む周辺部に反りが設けられている。すなわち、第２電極層４の一部をダイヤフラム２の内面のうち、ダイヤフラム２が最も撓む部分である中央部が平面状に形成され、この部分に第２電極層４の少なくとも一部が配設されている。そのため、圧力測定前の基準となる外気圧（例えば、１気圧の雰囲気中）において、第１電極層３と第２電極層４とが平行に配置される。従って、初期状態における第１電極層３と第２電極層４との間に形成される静電容量を大きくするとともに、ばらつきを低減することができる。結果として、圧力検出装置用パッケージ１０の外部からの圧力に対する精度を向上させることができる。
【００５６】
＜変形例４＞
圧力検出装置１００の変形例４について説明する。なお、本変形例４の各構成において、前述の圧力検出装置１００と同様の構成および機能を有する部材については、同じ参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００５７】
上述した実施形態に係る圧力検出装置１００は、第１凹部１１１の内径が枠状部１２の内径よりも小さい構成であったが、これに限られない。例えば図７に示すように、第１凹部１１１の内径が枠状部１２の内径よりも大きい構成であってもよい。
【００５８】
本変形例４では、第１凹部１１１の内径が枠状部１２の内径よりも大きい。これにより、基部１１となるセラミックグリーンシートを製造時に凹部形状に反らせることによって、基部１１の上面における枠状部１２に囲まれた領域を凹部形状としたときに、これに連動して基部１１の下面、つまり第１凹部１１１の底面の一部が凸部形状になった場合であっても、図７に示すように凸部形状になった領域の周囲に平坦部１１３を形成することができる。この平坦部１１３に半導体素子５を実装することによって、半導体素子５の実装信頼性を向上させることができる。
【００５９】
＜変形例５＞
圧力検出装置１００の変形例５について説明する。なお、本変形例５の各構成において、前述の圧力検出装置１００と同様の構成および機能を有する部材については、同じ参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００６０】
上述した実施形態に係る圧力検出装置１００は、第２凹部１１２の表面の形状が弧状であったがこれに限られない。例えば、図８に示すように、第２凹部１１２の表面にさらに第３凹部１１４が設けられていてもよい。
【００６１】
本変形例５では、第２凹部１１２の表面に第３凹部１１４が形成されている。これにより、ダイヤフラム２のうち撓み量が大きい領域の直下において、ダイヤフラム２の内面と絶縁基体１の上面との間隔を重点的に大きくすることができる。したがって、ダイヤフラム２の撓むことのできる範囲をさらに拡げることができる。その結果、圧力検出装置用パッケージ１０の圧力の測定範囲を拡げることができる。
【００６２】
＜変形例６＞
圧力検出装置１００の変形例６について説明する。なお、本変形例６の各構成において、前述の圧力検出装置１００と同様の構成および機能を有する部材については、同じ参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００６３】
上述した実施形態に係る圧力検出装置１００は、ダイヤフラム２の上面の全体が外部に露出した構成であったがこれに限られない。例えば、図９に示すようにダイヤフラム２の上面に、第２電極層４よりも大きいメタライズ層２１が設けられていてもよい。このメタライズ層２１は外部からの電磁波に対するシールドとして機能させることができ、外部の圧力を精度良く検出することができる圧力検出装置用パッケージとなる。その結果、圧力検出装置１００は、外部からの電磁波による影響が低減されている。メタライズ層２１としては、例えば、タングステンまたはモリブデン等の材料を用いることができる。
【００６４】
＜変形例７＞
圧力検出装置１００の変形例７について説明する。なお、本変形例７の各構成において、前述の圧力検出装置１００と同様の構成および機能を有する部材については、同じ参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００６５】
変形例６に係る圧力検出装置１００は、ダイヤフラム２の上面に、第２電極層４よりも大きいメタライズ層２１が設けられており、メタライズ層２１の上面の全面が外部に露出していたが、これに限られない。例えば、図１０に示すように、メタライズ層２１の上面全面がセラミック層２２によって被われていてもよい。これにより、例えば、ガス雰囲気中においてメタライズ層２１が変質する可能性を抑制でき、圧力検出装置１００のガス雰囲気中における信頼性を向上させることができる。セラミック層２２としては、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化珪素質焼結体またはガラスセラミックスのような絶縁材料を用いることができる。
【００６６】
＜圧力検出装置の製造方法１＞
まず、圧力検出装置用パッケージ１０の製造方法１について説明する。初めに、絶縁基体１の製造方法を説明する。圧力検出装置用パッケージ１０において、例えば、絶縁基体１が酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウムまたは酸化カルシウム等のセラミック原料粉末に適当な有機バインダ、溶剤、可塑剤および分散剤を添加混合してペースト状とし、これをドクタブレード法によってシート状に成形することで、セラミックグリーンシートが形成される。このセラミックグリーンシートを所定形状で打ち抜いて積層し、焼成することによって絶縁基体１を作製することができる。
【００６７】
次に、ダイヤフラム２の製造方法を説明する。セラミックグリーンシートを積層するまでの工程は、絶縁基体１の場合と同様の工程を用いることができる。ダイヤフラム２を作製するためのセラミックグリーンシートを焼成する際には、ダイヤフラム２の内面のうち反りが形成される領域の下にダミー部材を配置し、セラミックグリーンシートおよびダミー部材を上下方向から加圧しながら焼成を行なう。これにより、ダイヤフラム２の内面のうち任意の領域に反りを形成することができる。ダミー部材としては、ダイヤフラム２の焼結温度においてもダイヤフラム２と接合一体化しない材料を用いることが望ましい。これにより、焼成後のダイヤフラム２からダミー部材を容易に取り除くことができる。ダイヤフラム２と接合一体化しない材料としては、例えばモリブデンやタングステンのような高融点金属製の成形体の表面に電融アルミナの微粉をコーテングしたものを用いることができる。
【００６８】
ダミー部材の形状は、所望するダイヤフラム２の内面の反りの形状に対応する形状を用いることができる。具体的には、図１に示すように、ダイヤフラム２の内面のうち空間１３に露出している領域の全体に反りが設けられている場合には、上面の形状が断面視したときに円弧状であるダミー部材を用いる。また、図５および図６に示すように、ダイヤフラム２の内面のうち空間１３に露出している領域の中央部が平面状であって、この中央部を囲む周辺部に反りが設けられている場合には、上面の形状が断面視したときに平面状の領域とこの領域を囲む円弧状の領域とによって構成される形状であるダミー部材を用いる。
【００６９】
第１電極層３、第２電極層４、第１接続導体６、第２接続導体７および外部接続導体８は、タングステン等の金属粉末に適当な有機バインダ、溶剤、可塑剤および分散剤等を添加混合して得たメタライズペーストをスクリーン印刷法によって絶縁基体１用またはダイヤフラム２用のセラミックグリーンシートに所定のパターンに印刷塗布し、これを絶縁基体１用またはダイヤフラム２用のセラミックグリーンシートとともに焼成することによって所定のパターンに形成される。
【００７０】
次に、絶縁基体１とダイヤフラム２との接合方法について説明する。ここで、絶縁基体１およびダイヤフラム２が、酸化アルミニウム質焼結体からなる場合であれば、絶縁基体１およびダイヤフラム２用のセラミックグリーンシートは、原料粉末に酸化アルミニウム等とともに酸化珪素等のガラス質成分を含むので、焼結体となった際に、焼結体にガラス質成分が含まれることになる。まず、絶縁基体１の上面およびダイヤフラム２の内面の少なくとも一方の面を研磨し、絶縁基体１の上面にダイヤフラム２を設置した状態で、絶縁基体１とダイヤフラム２とをどちらかの部材に含まれる焼結助剤である非結晶化ガラス質成分が溶出する温度で加熱する。これにより、絶縁基体１およびダイヤフラム２の少なくとも一方から溶出されたガラス質成分によって、気密に接合することができる。このようにして、圧力検出装置用パッケージ１０を製造することができる。
【００７１】
本実施形態において、絶縁基体１とダイヤフラム２とは、同じ材料によって形成されているが、異なる材料で形成されていてもよい。また、ダイヤフラム２の材料の焼成温度が絶縁基体１の材料の焼成温度よりも高くなるようにすることが好ましい。具体的には、例えば、ダイヤフラム２の材料として、１５５０℃〜１６００℃にて焼結する高温焼成の酸化アルミニウム質焼結体のセラミックスを使用し、絶縁基体１の材料として、１３５０℃〜１４００℃にて焼結する低温焼成の酸化アルミニウム質焼結体のセラミックスを使用することができる。また、ダイヤフラム２の材料として、１５５０℃〜１６００℃にて焼結する酸化アルミニウム質焼結体を用い、絶縁基体１の材料として、９００℃〜１０００℃にて焼結するガラスセラミックスを用いてもよい。これにより、異なる焼成温度の材料からなる絶縁基体１とダイヤフラム２とを上述の溶出したガラス質によって接合する際に、ダイヤフラム２の変形を低減することができる。これにより、圧力検出装置用パッケージ１０の信頼性を向上させることができる。
【００７２】
圧力検出装置用パッケージ１０に半導体素子５を搭載することで圧力検出装置１００とすることができる。
【００７３】
＜圧力検出装置の製造方法２＞
圧力検出装置１００の製造方法２について説明する。なお、本例の製造方法において、前述の圧力検出装置１００の製造方法１と同様の工程については、その詳細な説明を省略する。
【００７４】
上述した圧力検出装置１００の製造方法１では、ダミー部材を用いてダイヤフラム２に反りを形成したが、これに限られない。例えば、ダイヤフラム２を作製するためのセラミックグリーンシートの上面に焼成時の収縮率の相違する別のセラミックグリーンシート薄層をさらに設けることによって、ダイヤフラム２に反りを形成してもよい。
【００７５】
具体的には、セラミックグリーンシートの一方の主面に収縮率の相違する別のセラミックグリーンシート薄層を設けることによって、焼成後のダイヤフラム２に反りを生じさせることができる。本発明におけるダイヤフラム２のように、ダイヤフラム２の下面を上方向に反った形状にするためには、例えば、ダイヤフラム２の上面に、ダイヤフラム２用のセラミックグリーンシートよりも相対的に焼成時の収縮率が大きい（収縮代の小さい）セラミックグリーンシート薄層を設ければよい。これにより、ダイヤフラム２用のセラミックグリーンシートは、セラミックグリーンシート薄層よりも焼成時に大きく収縮しやすくなり、ダイヤフラム２の下面を上方向に反った形状となる。
【００７６】
セラミックグリーンシートの焼成時の収縮率が８３．５％および厚みが１００μｍの場合には、例えば収縮率が８５．５％および厚みが２５μｍのセラミックグリーンシート薄層を用いることができる。また、収縮率の調整は、例えばセラミックグリーンシートに含有するバインダー量を変更することによって行なうことができる。
【符号の説明】
【００７７】
１：絶縁基体
１１：基部
１１１：第１凹部
１１２：第２凹部
１１３：平坦部
１１４：第３凹部
１２：枠状部
１３：空間
２：ダイヤフラム
２１：メタライズ層
２２：セラミック層
３：第１電極層
４：第２電極層
５：半導体素子
６：第１接続導体
７：第２接続導体
８：外部接続導体
９：樹脂
１０：圧力検出装置用パッケージ
１００：圧力検出装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部および該基部の上部に位置する枠状部を有する絶縁基体と、
前記枠状部の内側であって、前記基部の上面に設けられた第１電極層と、
該第１電極層の上面との間に気密封止された空間を形成するように前記枠状部上に接合された、内面が上方に反っているダイヤフラムと、
該ダイヤフラムの前記内面であって平面視して前記第１電極層と重なる領域に設けられた第２電極層とを備えた、圧力検出装置用パッケージ。
【請求項２】
前記基部の上面は、前記枠状部に囲まれた領域に凹部を有しており、該凹部内に前記第１電極層が存在している、請求項１に記載の圧力検出装置用パッケージ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の圧力検出装置用パッケージと、前記第１電極層および前記第２電極層に電気的に接続された半導体素子とを備えた、圧力検出装置。
【請求項４】
前記半導体素子は、前記絶縁基体の下面に設置されている、請求項３に記載の圧力検出装置。
【請求項１】
基部および該基部の上部に位置する枠状部を有する絶縁基体と、
前記枠状部の内側であって、前記基部の上面に設けられた第１電極層と、
該第１電極層の上面との間に気密封止された空間を形成するように前記枠状部上に接合された、内面が上方に反っているダイヤフラムと、
該ダイヤフラムの前記内面であって平面視して前記第１電極層と重なる領域に設けられた第２電極層とを備えた、圧力検出装置用パッケージ。
【請求項２】
前記基部の上面は、前記枠状部に囲まれた領域に凹部を有しており、該凹部内に前記第１電極層が存在している、請求項１に記載の圧力検出装置用パッケージ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の圧力検出装置用パッケージと、前記第１電極層および前記第２電極層に電気的に接続された半導体素子とを備えた、圧力検出装置。
【請求項４】
前記半導体素子は、前記絶縁基体の下面に設置されている、請求項３に記載の圧力検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１６８１６３（Ｐ２０１２−１６８１６３Ａ）
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３９３１６（Ｐ２０１１−２３９３１６）
【出願日】平成２３年１０月３１日（２０１１．１０．３１）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月３１日（２０１１．１０．３１）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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