圧力センサの製造方法

【課題】金属ダイヤフラムの表面にシリコンチップをガラス層を介して接合してなる圧力センサにおいて、ガラス層に生じる気泡によってセンサ出力が影響を受けないようにする。
【解決手段】金属製のセンシングボディ２におけるダイヤフラム２ａの表面にシリコンチップ４をガラス層５を介して接合し、この接合後に、ガラス層５の気泡を検査する検査工程を設け、その検査結果が良好とされたセンシングボディ２についてハウジングへの組付けを行う。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧力を検出する圧力センサの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】特公平７－１１４６１号公報には、受圧用の金属ダイヤフラムの表面にガラス層を介してシリコンチップが接合されたセンシングボディを、ハウジング内に組付けた構造の圧力センサが開示されている。具体的には、図４（ａ）に示すように、金属製のセンシングボディ２のダイヤフラム２ａの表面に、拡散ゲージ３を有するシリコンチップ４がガラス層５を介して接合されており、圧力によるダイヤフラム２ａのたわみがガラス層５を介してシリコンチップ４に伝達され、拡散ゲージ３の抵抗値が変化する。拡散ゲージ３は、ブリッジ回路を構成するように結線されており、そのブリッジ回路から圧力に応じた電気信号が出力される。このように構成された圧力センサは、ダイヤフラムに金属を使っており、高圧条件下でも信頼性が高く燃料圧センサ等の高圧センサに用いることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、上記した圧力センサについて検討を行ったところ、ガラス層に気泡が発生していると、その気泡によってセンサ特性に影響が生じていることを見出した。すなわち、上記した圧力センサを製造する場合、ダイヤフラム２ａの表面にガラスペーストを印刷し、その上にシリコンチップ４を載せて、その後焼成するようにしているが、例えばダイヤフラム２ａの平坦度が悪かったりすると、図４（ｂ）に示すように、ガラス層５に気泡６をかみこむことになる。ガラス層５の中に気泡６が発生していると、ガラス層５はダイヤフラム２ａのたわみを正確にシリコンチップ４に伝達することができなかったり、気泡６が温度変化によって膨張、収縮するため、センサの温度特性を悪化させる要因となる。
【０００４】本発明は上記問題を解決することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記した気泡の影響について以下に示す検討を行った。図５に、シリコンチップ４を上面から見た図を示す。シリコンチップ４は、面方位が（１１０）のものであって、拡散ゲージ３は、圧力によって変位する変位領域（下側にダイヤフラム２ａが存在する領域）の中央に配置されたセンターゲージ３ａ、３ｂと、周辺に配置されたサイドゲージ３ｃ、３ｄから構成されている。そして、ガラス層５に発生した気泡６のうち、センターゲージの下の位置をＡ、その横の位置をＢ、サイドゲージの下の位置をＣ、さらにその横の位置をＤとし、気泡径を５００μｍとしたときの気泡発生位置Ａ～Ｄにおけるセンサの感度、およびその温度特性について、気泡６が発生していないものと比較した結果を図６に示す。
【０００６】この図６に示す結果から、感度およびその温度特性が気泡６の存在によって影響を受けていることがわかる。特に、センターゲージの下の気泡位置Ａに気泡６がある場合には、気泡による影響が非常に大きい。また、サイドゲージの下の気泡位置Ｃに気泡がある場合にもそれによる影響を受けているが、気泡位置Ａの場合のような大きな影響は受けていない。これは、サイドゲージの形成位置ではセンターゲージの形成位置より発生応力が小さいためである。
【０００７】なお、上記したセンサの感度は、ダイヤフラム２ａに２０ＭＰａの圧力を印加したときのセンサ出力電圧ＶｓからＶｓ／２０で求め、感度の温度特性は、２５℃のときの感度Ｓ₂₅と１２０℃のときの感度Ｓ₁₂₀から（Ｓ₁₂₀－Ｓ₂₅）／Ｓ₂₅／（１２０－２５）で求めている。また、気泡位置Ａに気泡６がある場合において、その気泡サイズ( 気泡径）に対する感度およびその温度特性について検討を行った。図７、図８にその結果を示す。これらの図から、気泡サイズが２００μｍ以下であれば、感度およびその感度に対する温度特性が、気泡の影響を実質的に受けていないことがわかる。
【０００８】本発明は上記検討を基になされたもので、請求項１に記載の発明においては、センシングボディにおける金属ダイヤフラムの表面にシリコンチップをガラス層を介して接合し、この接合後に、ガラス層の気泡を検査する検査工程を設け、その検査結果が良好とされたセンシングボディについてハウジングへの組付けを行うことを特徴としている。
【０００９】従って、ガラス層の気泡によってセンサ出力の影響を受けない圧力センサを製造することができる。請求項２に記載の発明では、検査工程において拡散ゲージの下のガラス層の気泡を検査することを特徴としている。拡散ゲージの下のガラス層に気泡が存在する場合には拡散ゲージに気泡による影響が直接でるため、その部分の検査を行うことによって気泡の検査を効率よく行うことができる。
【００１０】特に、請求項３に記載の発明のように、拡散ゲージがセンターゲージとサイドゲージによって構成されている場合には、上記したようにセンターゲージの下のガラス層の気泡の影響が特に大きいため、その部分の検査を行うようにするのが好ましい。また、この場合、請求項４に記載の発明のように、気泡が２００μｍ以下である場合に検査結果を良好とすれば、上記したように気泡による影響をほとんど受けないようにすることができる。
【００１１】なお、上記した気泡の検査は、後述するように、赤外線顕微鏡を用いて、あるいは超音波探傷法により行うことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図１に、本発明の一実施形態を示す圧力センサの断面構造を示す。この圧力センサは、車両における燃料噴射装置の燃料圧やブレーキ装置のブレーキオイル圧等の高圧（例えば２０ＭＰａ）の流体の圧力を測定するものである。
【００１３】図において、ハウジング１は、耐食性が良好で溶接可能な金属（例えばＳＵＳ４３０）で構成されており、ねじ１ａを有し、図示しない被検出体（例えば、燃料配管）にねじ締めで固定されるようになっている。センシングボディ２は、熱膨張率が小さい低熱膨張率金属（例えばコバール等の線熱膨張係数がシリコンに近い材質のもの）で構成され、内側に圧力導入孔２ｂを有し、その終端に肉薄のダイヤフラム２ａが形成されている。このセンシングボディ２は、ハウジング１の内側空洞部に圧入されて、ハウジング１に組付けられる。
【００１４】センシングボディ２におけるダイヤフラム２ａの上面、すなわち圧力導入側と反対側の面には、シリコンチップ（センサチップ）４が低融点ガラスによるガラス層５を介して接合されている。また、センシングボディ２の先端部の周囲には、図１に示すように、シリコンチップ４からの電気信号を処理する信号処理回路基板７が配置されている。そして、シリコンチップ４と信号処理回路基板７の間はワイヤ８により電気的に接続されている。なお、信号処理回路基板７は、積層セラミック基板７ａ、回路チップ７ｂ、およびポスト７ｃから構成されている。
【００１５】信号処理回路基板７におけるポスト７ｃは、ターミナルアッセンブリ１０のコネクタターミナル１０ａと電気溶接等で接続されており、ターミナルアッセンブリ１０とコネクタケース１１は、Ｏリング１２を介しハウジング１のかしめ部１ｂによってハウジング１にかしめ固定されている。また、センシングボディ２および積層セラミック基板７の上面には、コーティング材（例えばシリコーンゲル）９によりコーティングが施されている。
【００１６】図２に、センシングボディ２の先端部分の拡大断面斜視図を示す。図に示すように、センシングボディ２におけるダイヤフラム２ａの上に、拡散ゲージ３が形成されたシリコンチップ４がガラス層５を介して接合されている。シリコンチップ４は、面方位が（１１０）のＮ型単結晶のシリコン基板を用いて構成されている。また、拡散ゲージ３は、図２中に明確に図示されていないが、図５に示すものと同様、センターゲージ３ａ、３ｂとサイドゲージ３ｃ、３ｄによって構成されている。拡散ゲージ３ａ～３ｄは、ブリッジ回路を構成するように図示しないアルミ配線によって結線されており、さらにワイヤ８によって信号処理回路基板７と電気接続され、ダイヤフラム２ａの変位に応じた電気信号を信号処理回路基板７に出力する。
【００１７】次に、上記した圧力センサの製造方法について説明する。図３にその製造工程を示す。まず、圧力導入孔２ｂおよびダイヤフラム２ａが形成されたセンシングボディを用意し、その表面の酸洗浄と脱炭処理を行い、この後、酸化処理を行う。これらの処理は、特公平７－１１４６１号公報に示されるものと同じである。
【００１８】次に、ダイヤフラム２ａの表面にガラスペーストを印刷し、これを約４００℃で仮焼してガラス層５を形成する。そして、仮焼したガラス層５にシリコンチップ４を載せ、約５００℃で本焼成して、シリコンチップ４の接合を行う。この後、ガラス層５の気泡検査を行う。赤外線はシリコンをある程度透過するため、赤外線顕微鏡でシリコンチップ４上から観察することにより、気泡を見ることができる。この実施形態においては、センターゲージ３ａ、３ｂの下のガラス層５に２００μｍより大きい気泡があるか否かを検査する。２００μｍより大きい気泡がある場合は、そのセンシングボディ２を後工程に流さないようにし、気泡があってもそれが２００μｍ以下の場合はそのセンシングボディ２を後工程に流すようにする。
【００１９】そして、検査工程で検査結果が良好とされたセンシングボディ２を用いてアッセンブリ組付工程を行う。すなわち、センシングボディ２をハウジング１に組付け、ワイヤボンディングなどを行って、図１に示す圧力センサを完成させる。なお、上記した実施形態においては、赤外線顕微鏡を用いて気泡検査を行うものを示したが、超音波探傷法を用いて気泡検査を行うようにしてもよい。この超音波探傷法は、サンプルを水中におき、超音波を加えてその反射波から内部構造を観察する方法である。
【００２０】また、上記実施形態では、センターゲージ３ａ、３ｂの下のガラス層５において気泡検査を行うものを示したが、サイドゲージ３ｃ、３ｄの下のガラス層５においても同様の気泡検査を行うようにしてもよい。また、シリコンチップ４として面方位が（１００）のものを用いた場合には、センターゲージ、サイドゲージという配置関係ではなくなるため、この場合には各ゲージの下のガラス層の気泡検査を行う。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る圧力センサの断面構造を示す図である。
【図２】図１中のセンシングボディ２の先端部分の拡大断面斜視図を示す図である。
【図３】図１に示す圧力センサの製造方法を示す工程図である。
【図４】金属ダイヤフラムを用いた圧力センサの動作を説明するための図である。
【図５】本発明者らが検討を行った気泡発生位置Ａ～Ｄを説明するための図である。
【図６】気泡発生位置Ａ～Ｄに気泡がある場合のセンサ感度、およびその温度特性を、気泡が発生していないものと比較した結果を示す図である。
【図７】気泡位置Ａに気泡がある場合の気泡サイズに対するセンサ感度の関係を示す図である。
【図８】気泡位置Ａに気泡がある場合の気泡サイズに対するセンサ感度の温度特性の関係を示す図である。
【符号の説明】
１…ハウジング、２…センシングボディ、２ａ…ダイヤフラム、３…拡散ゲージ、４…シリコンチップ、５…ガラス層、６…気泡。

【特許請求の範囲】
【請求項１】金属ダイヤフラムを有するセンシングボディの前記金属ダイヤフラムの上に、拡散ゲージが形成されたシリコンチップをガラス層を介して接合し、この接合後に、前記センシングボディをハウジングに組付けてなる圧力センサの製造方法において、前記接合後に前記ガラス層の気泡を検査する検査工程を設け、その検査結果が良好とされたセンシングボディについて前記ハウジングへの組付けを行うことを特徴とする圧力センサの製造方法。
【請求項２】前記検査工程は、前記拡散ゲージの下の前記ガラス層の気泡を検査するものであることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサの製造方法。
【請求項３】前記シリコンチップは面方位が（１１０）のものであって、前記拡散ゲージはセンターゲージとサイドゲージで構成されており、前記検査工程は、前記センターゲージの下の前記ガラス層の気泡を検査するものであることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサの製造方法。
【請求項４】前記検査工程は、前記気泡が２００μｍ以下である場合に検査結果を良好とするものであることを特徴とする請求項３に記載の圧力センサの製造方法。

【図１】

【図２】

【図５】

【図３】

【図４】

【図６】

【図７】

【図８】

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