JPH03501063A - 容量式圧力センサーおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 容量式圧力センサーおよびその製造方法本発明は請求項１の字句に従えば、密に 閉じられた室を形成しつつ周縁帯域において一定の距離で互に平行に組合された 酸化アルミニウムーセラミックからなる２枚の平板を有する容量式圧力センサー であって、そのうちの少なくともｌは弾性の皮膜として構成され、そのうちの少 なくとも他の１は該室の内部において他の平板に向う平板上に１以上のコンデン サー電極を支持し、その表面上にそれぞれ固着して、化学的無電流で水溶液から 析出した純ニッケル層が施されていて、そこに構造を与えることによりコンデン サー電極が構成され、該２平板は周縁帯域においてニッケル層を結合する金属ろ うにより互に結合されそれを通してｌ平板はニッケル層で同様に金属化された貫 通孔の少なくと喝２個寺・接続、伝５４３体として貫通導出され、該伝導体は該 宣の外部に配置された電子回路と該コンデンサー電極とを結合して構成される容 量式圧力センサーである。

さらになお本発明は請求項４により１種の圧力センサーの製造方法であって、そ こでは２平板は酸化アルミニウムーセラミックから製造し、そのうちの少なくと もｌ平板は弾性の皮膜として構成し、両平板の少なくとも他の１１には貫通孔を 形成し、各平板の表面および貫通孔の周縁面上には固着性の純ニッケル層を化学 的電流で水溶液から施し、該ニッケル層をコンデンサー電極および／まＩ；は伝 導帯の形成に構成し、両平板をニッケル層の周囲帯域にある部分の間に金属ろう からの形成部材を挿入して互に重ねて該配置物を金属ろうの溶融まで加熱する圧 力センサーの製造方法であるアメリカ特許第４１７７４９６号同第４３８８６８ ８号および同第４４２６６７３号に相応する西ドイツ特許公開第２７０９９４５ 号明細書には酸化アルミニウムーセラミックからなる２平板を有する容量式圧力 センサーが記載されている。該２平板は密に閉じられた室を形成しつつ周縁帯域 で一定の距離で互に平行に組立られていて、その際両平板の少なくともｌは弾性 の皮膜で構成されかつその際両板の少なくともｌは該室の内部で他の平板に向う 面上に１以上のコンデンサ電極を支持し、該電極は接続導体により該室の外部に 配置されている電子回路と結合されている。

さらに当該前述の圧力センサーの場合には両平板の互に向い合っている面上中央 に円形状の金属層をコンデンサー電極として析出せしめ、そこから金属からなる 伝導帯を出して、これが接続導体として使用され平板の外縁を介して電気的接続 導体に移行する。両平板は周辺帯域で溶融したガラスフリットによりつなぎ合せ 、それを通して接続導体を気密に貫通させている。

これと類似の法で西ドイツ特許公開第２２２１０６２号明細書に記載の圧力セン サーは構成されているが、これは一方でガラスまたは石英で構成し、他方でその 構成部材はシャーレ状に構成し縁で直接互に融合される、この際接続導体は同様 に結合位置を貫通して導出される。この圧力センサーの際には両シャーレ状部材 の外面上には付加的に金属状薄フイルム上張が施されていて、これが静電気的遮 蔽として役立つ。

これら前述の圧力センサーの製造は費用が多くかかる。さらに該圧力センサーは 機械的におよび熱学的に敏感である。何となればガラスフリットまたはガラス− または石英部材の直接溶融による結合は限ぎられた機械的強度および耐熱衝撃性 を持つにすぎないからである。また圧力センサーのためにガラスフリットを用い る結合は、その平板が高純度酸化アルミニウムーセラミックからなっているから 不十分であることが判明した。要するに周縁帯域を通して外部へ通じる接続導体 をそれに属する電子回路と結合することもわづられしいことである。

平板がガラス、セラミックまたはこのようなものからなる西ドイツ特許公開第３ １３７２１９号明細書に記載の圧力センサーでは平板の間の一定距離をその間に 挿入したガラスリングにより達成されるが、−男子板間の結合は該ガラスリング を包囲する密封リングにより作り出される。該密封リングはろうペースト、エポ キシ樹脂または溶着フィルムから構成することができる。該電極はガラスリング の内部にある平板の平面帯域のみを覆うにすぎず、その結果密封リングの物質は 平板の物質と直接接触する。従ってこのように製造された結合部の強度は、この 種圧力センサーに有利な物質である高純度酸化アルミニウムーセラミックからな る平板のときは特に不十分であることが証明される。結局、本印刷物でｊ；だ図 式に示されるだけの接続導体の導出の問題が残る。

ヨーロッパ特許公開第９７３３９号明細書には平板の１を貫通する金属化しＩ； 孔により接続導体を構成する圧力センサーが記載されている。該圧力センサーは ２コの固い、ホウ素シリケートガラスからなる平板からなり、この間にケイ素か らの円板が挿入され、これはうすい厚さの多数の断面を持ち、これが圧力センサ ーの皮膜を構成する。該ケイ素円盤は同時にケイホウ酸ガラス平板の間のスペー サーとして役立ち、これと直接接触するが、それでもケイホウ酸ガラスおよびケ イ素の間の結合の種類については何も記載していない。

アメリカ特許出願第３９５２２３４号明細書に記載の圧力センサーはセラミック からの剛性の平板を有し、一方において弾性の皮膜として構成された他の平板は 金属ケースの正面壁で、これは剛性の平板に向い合う面上に酸化アルミニウムー セラミックで被覆されている。コンデンサー電極は互に向い合うセラミック平面 上にスクリーン印刷技術を用いてまたは電析により施し金または銀から構成する 。両平板を結合する問題はこの公知の圧力センサーでは生じない、というのは剛 性の平板は該金属ケースに組込まれていて型締め装置の密封リングにより金属ケ ースのリング状肩に保持され、これがスベサーとして役立つ。

本発明の課題は冒頭に挙げＩ；、簡単で格安に製造されかつ非常に良好な機械的 、熱学的ならびに電気的特性を有する種類の圧力センサーを開発することである 本発明による圧力センサーにおいては、酸化アルミニウムーセラミック部材の表 面に化学的析出により非常に固着性のニッケル層を、従って特に大量生産に適し た非常に簡単かつ経済的に施すことができる方法は公知であるという事実を利用 する。

本発明による圧力センサーではただ一つの作業工程で施こすニッケル層は一方で は圧力センサーの非常に良好な機械的、熱学的および電気的特性を与え他方では 圧力センサーの簡単かつ経済的製造を可能にする一連の機能を満している。室の 内部にあるコンデンサー電極は、例えばマイクロエレクトロニクス回路の種類に よりホトリソグラフィー法による構成により同じニッケル層から形成される。特 に有利であるのは、コンデンサー電極の接続導体をコンデンサー電極を支持する 平板を貫通する貫通孔をニッケル層生成の際に金属化する、すなわちニッケルメ ッキすることで構成することである。最後に該ニッケル層は酸化アルミニウムー セラミックにそのすぐれた固着の結果または両平板の機械的および熱学的に特に 良好および固い結合も同時にスペサーとして役立つ金属ろうを用いるろう付によ り生み出す。

それ以上に該ニッケル層はなおほかの目的に有利に利用することができる。それ で平板の外平面に施したニッケル層は直接静電気的遮蔽として作用することがで きる。さらにまＩ；ニッケル層を構成することにより当該電子回路の伝導帯を直 接圧力センサーの外平面に形成することができる。

本発明による圧力センサーのおよびその製造方法の有利な態様および構成は請求 諸項にあきらかである。

さらに本発明の特徴および有利な点は図に基づ〈実施例の次の記述から明らかと なる。図において第１図は本発明による圧力センサーの長さ方向の断面を、 第２図は第１図の線■−■に沿った圧力センサーの横断面を、 第３図から第６図はその製造の異なる段階における第１および２図の圧力センサ ーの部品を示す。

第１および２図に示されｔ；圧力センサー１０はセラミックからなる２の平板１ １および１２を有し、該平板はその周囲を囲んで走る結合材１３により一定の距 離で組合され、その結果互に平行に向い合う両平板の平面は室１４を形成する。

平板１２は比較的厚く、その結果それは一種の固い基体を形成し、−男子板１１ は比較的薄く弾性である結果それは皮膜として作用し、該皮膜は外圧の作用で変 形することができる。平板１１および１２は酸化アルミニウムーセラミック（Ａ ｌ２Ｏ２）から構成する。

平板１１の室１４に向っている平面１５は薄い、固着性の、純ニッケル層１６で 完全に被覆されていて、該層はコンデンサー電極１７を形成する。同様に平板１ ２のすべての平面に薄い、固着性の、純ニッケル層１８を施す。室１４に向って いる平面１９にニッケル層１８を、それが１つの中央に円形のコンデンサー電極 ２０．１つののこれと距離をおいて包む円形リング状のコンデンサー電極２１お よびリング状の周縁帯域２２に分ｔ；れるように構成する。これらの領域は互に 電気的に絶縁されている。

平板１２の室１４に背を向けている平面２３にニッケル層１８を伝導帯２４の形 成に同じく構成する。該伝導帯２４は圧力センサーｌＯおよび電子回路間の必要 な電気的結合の製造に使用することができる、またはそれは、第１図に大略を示 されているように、部品２５を伝導帯２４にのせである電子回路の導体を形成す ることができる。

ニッケル層１８の平板１２の周縁平面２６に施した部分は静電気的遮蔽として役 立ち圧力センサーの作動中は適当な電圧に、通常アースに連結しておく。このた め望まざる電気的結合を遮断するためニッケル層１８のこの部分もまた構成され る。

平板１１および１２が酸化アルミニウムから記載の圧力センサーではニッケル層 １６および１８を公知の方法により化学的金属析出によって平板１１および１２ の表面上に施こす。両平板１１および１２の結合すべき周縁帯域は金属化されて いるから、結合物質は金属ろうで、これはできるだけ固くかつ密なろう結合が行 われるように選定する。もちろん金属ろう１３の融点はニッケル層の溶融点の下 になければならない。たとえば銀−銅一硬ろうが適している。

伝導帯２４でコンデンサー電極１７．２０３よび２１を電気的に結合するために 平板１２に貫通孔３０゜３１および３′２を数置し、そ・の・周縁平面はニッケ ル層１８を施こす際に同様にニッケルメッキする。貫通孔３０および３１の周縁 平面に施こすニッケル層はコンデンサー電極２０．２１および平面２３上で貫通 孔３０．３１の出口に生成された伝導帯２４との間に関連する、導電性の結合を 作り出す。貫通孔３２のニッケル層は相応する法でニッケルメッキされた周縁帯 域２２を伝導帯２４の１と結合する。これは金属ろう１３によって導電的にニッ ケル層１６と結合されるから、こんなふうにコンデンサー電極１７はニッケルメ ッキされた貫通孔３２を介して伝導帯２４の１と結合される。

圧力センサーＩＯの機能法はそれ自体公知である。

皮膜として作用する平板１１は外圧の作用で多少強くたわめられ、その結果中央 のコンデンサー電極２０のその中央帯域の距離は圧力によって変化する。またそ ノ結果中央コンデンサー電極２０およびそれに対向するコンデンサー電極１７と の間の容量も圧力に依存する。この容量は、コンデンサー電極２０および１７を ニッケル層を介して貫通孔３０ないし３２に結合する電子回路により容量を表わ す電気的信号に変換されるそれに反して平板１１の周縁帯域およびこの周縁帯域 に対向するリング状のコンデンサー電極２１との間の距離は圧力に依存する変形 の際にきわめて僅か変化するにすぎないから、リング状コンデンサー電極２１お よびそれに対向するコンデンサー電極１７との間の容量は圧力に無関係に主とし て一定にとどまる。従ってこの容量は、リング状の電極２１がニッケル層を介し て導入孔３１で結合される電子回路で基準量として使用することができる。

第１図に示した圧力センサーｌＯにおいては室１４は周縁リング状に金属ろう１ ３により形成されるろう付結合により外部に密に閉じられてはいるが貫通孔３０ および３１を介して下界と結ばれているので、これは大気圧に耐えられる。従っ て圧力センサーｌＯは相対圧力センサーとして作動する。圧力センサー１ｏを絶 対圧の測定に使用せんとするときは、室１４を真空にし気密に閉じなければなら ない。このことは簡単に、図示した圧力センサーを真空に入れ貫通孔３０および ３１をその中でろう付けで封じるこで行うことができる。

第３から６図に基づき第１および２図に示した圧力センサーの製造方法の実施例 を記載する。

まず両平板１１および１２を、第３図に示されたように、純度約９６％の酸化ア ルミニウムＡ　Ｉ２０３から製造した。平板１２は必要な位置に貫通孔３０．３ １８よび３２を設ける。貫通孔３０，３１．３２のアスペクト比、すなわち、そ の長さのその直径に対する割合は十分小さくなくてはならない、それによって引 き続いてのニッケル析出の際に貫通面の周囲面をその全長にわたって均一に被覆 することが保証される。平板１２の厚さ従って貫通孔３０．３１．３２の長さ約 ６ｍ１ｍでは該貫通孔は直径約０．５ｍｍから１ｍｍあるべきである。この直径 は図では明瞭のため過大に示しである。

固着性ニッケル層をセラミック部分の表面に施こすことができる色々な方法は公 知である。記載の例では平板１１および１２は酸化アルミニウムから構成されて いるから、純二ンケル層を化学的金属析出により酸化アルミニウムからの加工物 の表面に直接装着できる方法を金属化のために適用する。このような方法は例え ばＢ　ｈａｔｇａｄｄｅおよびＭａｈａｐａｔｒａの論文“アルミナ上の純無電 界二ソケルコーティング”Ｚ　ｅｉＬｓａｈｒｉｆｔ″Ｍｅ−ｔａｌ　Ｆｉｍｉ ｓｈｉｎｇ”　、Ｖｏｌ、　８６　Ｎｒ、　３、Ｍａｅｒｚ１９８８１、頁３１ ／３２に記載されている。

金属化層１６および１８のｔ：めに純ニッケルの使用は化学的金属析出による被 覆のために他の常法で使用する金属および合金に比較してかなり有利である。す なわち、 １、純ニッケルは高溶融点１４５０″で従って、例えばリン成分１０％の際は溶 融魚釣７００℃である、常法で析出されたニッケルーリン一層より基本的に高い 温度での硬ろう付ができる。

２、該ニッケル層は硬ろう付けの後温度約８００℃〜１０００℃でも、例えば約 ４００℃以上に加熱しｔ；後酸化アルミニウムーセラミックに対する固着性を失 う銅層に比較して酸化アルミニウムーセラミックに対しなお非常に良好な固着性 をもっている。

３、液状ろうでのニッケルの溶解度は非常に僅かである。

４、　純ニッケルはホトリトグラフィーで非常に良好に構成できる。

第４図はニッケル析出後の両平板１１および１２を示す。ニッケル層１６および １８の厚さは、ほかの形でも同様に、明瞭のため過大に示しである。これは支隊 には約５μ宵〜２０μ袋である。該ニッケル層は両平板１１および１２の全表面 ならびに貫通孔３０．３１８よび３２の壁面を被覆する。注目すべきことは、所 定のアスペクト比の際貫通孔の内部に均一の被覆をすることはｔ；だ化学的金属 析出によってのみ可能であることで、電気化学的な被覆では貫通孔の内部で少し も均一な電圧分布を達成できないからである。引き続いてニッケル層１６および １８を構成する。該構成は有利にはマイクロエレクトロニクス回路の製造に一般 に公知のホトリソグラフィー法に従って行う。その場合にニッケル層１６および １８の表面を感光性防食剤（“フォトレジスト″）で被覆し、続いてこれをマス クを通して露光しそれから現像する。該現像によって防食層の露光した部分は硬 化し、防食層の露光しなかった部分は引き続いて除去することができる。第５図 は露光されなかりた部分を除去した後の、露光されかつ現像された防食層４０を 有する平板１１および１２を示す。認められるように、取得されてとどまるべき ニッケル層１６および１８のすべての部分は防食層４０で被覆され、一方除去す べきすべての部分は、取り去られ露出している。

ニッケル層１６および１８の露出部分の除去は腐食によって行う。ニッケルには 腐食剤としては塩化第二鉄（Ｆ　ｅＣＩ３）または硝酸が適している。ニッケル 層の露出部分を腐食除去した後に防食層４０を除去する。

両平板１１および１２をろう付する前にニッケル層１６を、ろう付すべきリング 状の周縁帯域４２のみを露出させてソルダーレジストレイヤー４１で被覆する。

該ソルダーレジストレイヤー４１は例えば二酸化ケイ素（Ｓｉ０２）をスパッタ ーすることにより厚さ０．５μ鶏で構成する。

今度は両平板１１および１２を互に重ね、その際ニッケル層１８および１６のろ う付けすべき周縁帯域２２および４２の間に金属ろうからなるリング状形部材４ ３を挿入する（第６図）。両平板１１および１２をその間に配置した金属ろうか らなる形部材４３と共に高真空または保護ガス中に持ち込みその中で金属ろうの 溶融温度以上まで加熱する。その際ソルダーレジストレイヤー４１はニッケル層 １６の面上の金属ろうの流れを防止する。冷却後そのとき圧力センサーの両平板 は互に固く結合される。該固い結合は酸化アルミニウムーセラミック上のニッケ ル層の特に高い固着性によって限られ、酸化アルミニウムーセラミック自身の温 度よりも大である。それによって皮膜張力の高い引張−および剪断強さおよびき わめて僅かのクリープ傾向が生じる。さらに該結合は高い耐熱衝撃性を有し、こ れは実用上ヒステリシスがない。

圧力センサーの特性についてみると皮膜電極を形成する層１６に対して純ニッケ ルを使用することはさら１、残留応力がないかまたはきわめて僅かである、２、 僅かの曲げ強さおよび ３、高い弾性ないしは延性 を持つという利点を与える。特に二つの初めの特性に基づきニッケル層１６が皮 膜１１に及ぼす反作用は無視できる。

見わけられるように、ソルダーレジストレイヤー４１は完成圧力センサーに残っ ている。それによって本圧力センサーの特性はいささかもそこなわれない。むし ろ成る場合にはろうソルダーレジストレイヤー４１は付加的な利点がある。例え ば圧力センサーを相対圧力センサーとして構成したとき、その除重１４は外部ガ ス雰囲気と連結されるから、湿度は室１４に達しそこで凝縮物として沈降するこ とがあり得る。そのときソルダーレジストレイヤー４１は腐食防止層として役立 ち、ニッケル層１６の破壊を防止する。

ＦＩＧ、Ｉ ＦＩＧ、２ 国際調査報告 ＳＡ　３５４３５

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．酸化アルミニウムーセラミックからなる２平板（１１，１２）を有する容量 式圧力センサー（１０）において、 該平板は密に閉じられた室（１４）を形成しつつ周縁帯域において一定の距離で 互に平行に組合せられてあり、 そのうちの少なくとも１（１１）は弾性の膜として構成されていて、 そのうちの少なくとも１（１２）は該室（１４）の内部で他の平板（１１）に向 い合う面に１以上のコンデンサー電極（１７，２０，２１）を支持し、該表面に それぞれ固着性、水溶液から化学的無電流で析出した、構造を争えることでコン デンサー電極（１７，２０，２１）を形成してあるニッケル層（１６，１８）が 装着されてあり、 該平板は該ニッケル層（１６，１８）を結合する金属ろう（１３）により周縁帯 域で互に結合され、該ニッケル層を通して平板（１２）はニッケル層と共に同様 に金属化された貫通孔（３０，３１，３２）の少なくとも２を接続導体として導 出され、該貫通孔は該コンデンサー電極を室の外部に配置された電子回路と結合 している容量式圧力センサー。
2. ２．ニッケルメッキされた孔の少なくとも１（３２）が金属ろう（１３）を介し て他の平板に支持されたコンデンサー電極（１６）と導電性結合にある請求項１ 記載の圧力センサー。
3. ３．両平板の１（１２）の室（１４）に背向した面に伝導帯（２４）をニッケル 層（１８）を構成することにより形成されている請求項１または２記戴の圧力セ ンサー。
4. ４．圧力センサーを製造する方法において、２平板（１１，１２）を酸化アルミ ニウムーセラミックから製造し、そのうちの少なくとも１平板を弾性皮膜として 形成し、 岡平板の少なくとも１に貫通孔（３０，３１，３２）を形成し、 各平板（１１，１２）の表面におよび貫通孔の周縁面に固着性純ニッケル層（１ ６，１８）を化学的無電流で水溶液から施し、 該ニッケル層をコンデンサー電極（１７，２０，２１）および／または伝導帯（ ２４）の形成のため構成し、 両平板（１１，１２）をニッケル層（１６，１８）の周縁帯域にある部分の間に 金属ろう（１３）からなる形部材を挿入して互に重ね合せおよび、該配置物を金 属ろうの溶融まで加熱する容量式圧力センサーの製造方法。
5. ５．ろう付すべき周縁と関連するが、ろう付すべきでないニッケル層の表面帯域 をろう付前にソルダーレジストレイヤー（４１）で被覆する請求項４記載の方法 。
6. ６．該ソルダーレジストレイヤー（４１）が二酸化ケイ素から形成する請求項５ 記載の方法。
7. ７．ニッケル層の構成のため構成された防食層を施こし、 該ニッケル層の防食層で被覆されてない部分は腐食除去しそれから、 防食層を除去する請求項４から６までのいずれか１項記載の方法。
8. ８．該防食層をホトリソグラフィーにより形成する請求項７記載の方法。