JP2008008694A - Strain measuring apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は物体のひずみを計測することが可能である装置に関する。 The present invention relates to an apparatus capable of measuring strain of an object.
測定対象の変形(ひずみ)を測定する技術として、金属箔の抵抗値がひずみによって変化することを利用した金属箔ひずみゲージを用いる技術が知られている。このひずみゲージを測定対象に接着することで測定対象のひずみに追従して金属箔の長さを変化させ、その結果変化する金属箔の抵抗値を検出することで測定対象のひずみ測定を可能にする技術である。 As a technique for measuring the deformation (strain) of a measurement object, a technique using a metal foil strain gauge utilizing the fact that the resistance value of the metal foil changes due to the strain is known. By attaching this strain gauge to the object to be measured, the length of the metal foil is changed following the strain of the object to be measured, and the resistance value of the metal foil that changes as a result can be detected to enable strain measurement of the object to be measured. Technology.
しかしながら、これらを電池駆動しようとすると、消費電力が大きいために電池がすぐに消費してしまうという問題があった。そこで、発明者らは、ひずみ感応抵抗体を低消費電力化するために、ひずみ感応抵抗体として単結晶シリコンに不純物を導入した不純物拡散抵抗(以下、拡散抵抗)を用いた半導体力学量測定装置を考案した(例えば、特許文献1参照)。 However, when trying to drive these batteries, there is a problem that the batteries are consumed quickly because of the large power consumption. In view of this, the inventors of the present invention have proposed a semiconductor mechanical quantity measuring apparatus using an impurity diffusion resistance (hereinafter referred to as diffusion resistance) in which impurities are introduced into single crystal silicon as a strain sensitive resistor in order to reduce power consumption of the strain sensitive resistor. (For example, refer to Patent Document 1).
しかしながら、シリコン基板からなるひずみ測定装置によりひずみを測定する場合、シリコン基板の剛性が大きいため、ひずみ検出部のひずみ感度のばらつきが大きくなってしまうことが懸念される。特許文献1に記載のひずみ測定装置では、シリコン基板の拡散抵抗を形成した主面の反対面側を被測定物に取り付けているため、シリコン基板の剛性がひずみ検出の感度に大きく影響を与えてしまう。
However, when strain is measured by a strain measuring device made of a silicon substrate, there is a concern that the variation in strain sensitivity of the strain detector becomes large because the rigidity of the silicon substrate is large. In the strain measuring apparatus described in
本発明の目的は、低い消費電力で駆動し、かつ高精度な測定が可能であり、ひずみ感度のばらつきが小さく、かつ信頼性の高いひずみ測定装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a strain measuring apparatus that can be driven with low power consumption, can perform highly accurate measurement, has little variation in strain sensitivity, and has high reliability.
上記の目的は、被測定物に取り付けてひずみを測定するひずみ測定装置において、半導体基板と、前記半導体基板の一主面に設けられた不純物拡散層を有するひずみ検出部と、前記一主面上に設けられ、樹脂材料からなる保護層と、前記保護層内に設けられ、前記ひずみ検出部と電気的に接続された配線とを備え、前記保護層は、前記半導体基板と反対側に、被測定物または実装部材に取り付ける実装面を有することを特徴とするひずみ測定装置により達成される。 The above object is to provide a strain measuring apparatus for measuring strain by attaching to an object to be measured, a semiconductor substrate, a strain detector having an impurity diffusion layer provided on one principal surface of the semiconductor substrate, and the one principal surface. A protective layer made of a resin material, and a wiring provided in the protective layer and electrically connected to the strain detector, the protective layer being on the opposite side of the semiconductor substrate, This is achieved by a strain measuring device having a mounting surface to be attached to a measurement object or a mounting member.
本発明によれば、剛性が大きいシリコン基板を介すことなくひずみ検出部を被測定物に近づけられるため、ひずみ追従性が安定する領域が拡大され、ひずみ感度のばらつきが低減され、信頼性の高いひずみ測定装置を提供される。 According to the present invention, since the strain detection unit can be brought close to the object to be measured without using a silicon substrate having high rigidity, the region in which the strain followability is stabilized is expanded, variation in strain sensitivity is reduced, and reliability is improved. Provided with high strain measurement device.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
まず、本発明における第1の実施形態を図1,図2により説明する。 First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
本実施形態によるひずみ測定装置の主要部平面構造を図1に、図1のA−Aの断面構造を図2に示す。 FIG. 1 shows a plan structure of a main part of the strain measuring apparatus according to the present embodiment, and FIG. 2 shows a cross-sectional structure taken along line AA of FIG.
図1,図2に示す本実施形態のひずみ測定装置100においては、単結晶の半導体基板である半導体基板1の主面1aに少なくともひずみ検出部2が設けられ、ひずみ検出部2は、主として不純物拡散抵抗から形成されている。さらに、ひずみ検出部2は4つの不純物拡散抵抗からなるホイートストンブリッジ回路から形成されることにより、温度ドリフトによる出力変動を除去することができ、ひずみを高精度に検出することが可能である。
In the
また、ひずみ検出部2上には、絶縁膜8が設けられている。なお、図示していないが、ひずみ検出部2と絶縁膜8の間には、必要に応じて電気信号を取り出すための配線、これらを絶縁するための絶縁材料などの薄膜群が形成される。本実施例においては、半導体基板1と、半導体基板1の主面1a上に形成されたひずみ検出部2,絶縁膜8、その他の薄膜群を総称してセンサチップ200と呼ぶ。なお、センサチップ200表面には基板パッド9が設けられており、ひずみ検出部2と電気的に接続されている。
An
絶縁膜8に接するように有機フィルムからなる保護層3が設けられており、保護層3の内部には配線4が設けられている(配線4はA−A断面上に存在するものではないが、説明の便宜上そのA−A断面への投影を図2に示す)。この配線4は基板パッド9と保護層パッド10を電気的に接続する。保護層パッド10からリード線などを引き出し、データロガーなどの外部の測定装置本体に接続してひずみを測定する。保護層3内に配線4を備えることで、配線4の断線や配線4同士の接触を防止することが出来る。保護層3は、その上部にひずみ検出部が取り付けられ配線4を有さない中心部(第一の領域)3aと、中心部3aの周囲で配線を内包し、半導体基板を有する面に保護パッドを備えている周辺部(第二の領域)3bとを有している。配線4はひずみ検出部2が取り付けられる中心部
3aを避けてその周辺部3bに配置することで、配線4によるひずみ感度のばらつきを低減できる。保護層3の半導体基板1と反対側の表面には実装面11が設けられており、被測定物6または実装板(図示せず)等の実装部材にこの実装面11を向けて取り付けられる。実装面11は平坦であることが望ましい。
A
本実施例においては、センサチップ200と配線4が設けられた保護層3を総称してひずみ測定装置100と呼ぶ。
In this embodiment, the
第1の実施形態によるひずみ測定装置を被測定物に設けた場合の主要部断面図を図3に示す。ひずみ測定装置100の実装面11が、接着層5を介して被測定物6の表面が接着されている。これにより、被測定物6のひずみ変化によりひずみ測定装置100にもひずみが生じ、ひずみ検出部2の出力変化からひずみ量を換算することができる。例えば接着層5は、エポキシ系接着材やフェノール系の接着剤とすることができる。
FIG. 3 shows a cross-sectional view of the main part when the strain measuring device according to the first embodiment is provided on a device under test. The
次に、本実施形態による作用,効果を説明する。 Next, the operation and effect of this embodiment will be described.
半導体基板1表面に形成した不純物拡散層をひずみ感応抵抗体とし、不純物拡散層のピエゾ抵抗効果を利用してひずみ計測するひずみ測定装置の場合、半導体基板1の剛性が大きいため、ひずみ検出部2のひずみ感度のばらつきが大きくなってしまうことが懸念される。本発明によるひずみ測定装置においては、半導体基板1の主面にひずみ検出部2を形成し、主面1a上に配線4を保護するための保護層3が設けられ、保護層3の実装面11を被測定物に貼り付けることにより、剛性が大きい半導体基板1を介すことなくひずみ検出部2を被測定物6に近づけられるため、ひずみ追従性が安定する領域が拡大され、ひずみ感度のばらつきを低減することが可能である。
In the case of a strain measuring device that uses the impurity diffusion layer formed on the surface of the
なお、保護層3のヤング率が高い場合はひずみ追従性が上がり、ヤング率が低い場合はひずみ感度のバラつきが低減される。また、実装面11が平坦であることにより、ひずみ感度のばらつきが低減される。また、ひずみ検出部2が半導体基板1の中央付近に配置されていることにより、ひずみ感度のばらつきが低減される。また、保護層3に樹脂材料を用いることにより、保護層界面と接着剤における接着強度が向上する。さらに、図4のように、センサチップ200全体が樹脂などの被覆材12で覆われていることにより、対候性が向上する。
In addition, when the Young's modulus of the
以上のように、半導体基板1の主面にひずみ検出部2を形成し、主面上に配線を保護するための保護層3が設けられ、保護層3を被測定物に貼り付けることにより、信頼性の高いひずみ測定装置が提供される。
As described above, the
また、これらのひずみ測定装置100は半導体基板である半導体基板1を基に形成するため、半導体プロセスを用いて作製することができる。半導体プロセスにおいては、通常、半導体基板1の一主面のみに素子等が形成される。本発明のひずみ検出装置では、ひずみ検出部2及びひずみ検出部2から信号を取り出すための基板パッド9を同じ主面に形成しているので、製造工程が簡略化され、低価格・大量供給に適したセンサチップ200となる。この場合において、信号を取り出す基板パッド9は、被測定物6を向いた主面に存在することとなるが、保護層3内に配線4を設けることにより、センサチップ200の被測定物6側の主面から信号を取り出すことが可能になる。仮に、信号を取り出すパッドを半導体基板1の側面やひずみ検出部2と反対の主面に形成する場合には、製造工程を複雑化し、製造コストが増大する。
Further, since these
また、センサチップ200は半導体他のCPU等のデジタル回路やメモリ回路,通信回路等と混載することが可能である。また、半導体製造設備を用いて高精度且つ低価格・大量供給を行うことができるという効果もある。
The
なお、図3においてはひずみ測定装置100を被測定物6表面に設けた場合を示したが、ひずみ測定装置の一部または全体を埋め込むように設けても同様の効果が得られる。
Although FIG. 3 shows the case where the
次に、本発明における第2の実施形態を図5により説明する。図5は、第2の本実施形態によるひずみ測定装置の主要部断面構造と平面構造を示しており、第1の実施形態と共通の部分には同一の符号を付している。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 shows the cross-sectional structure and the planar structure of the main part of the strain measuring device according to the second embodiment, and the same reference numerals are given to the common parts with the first embodiment.
第1の実施形態による図1のひずみ測定装置100においては、接着材10を設ける接着領域が保護層3の下面全体に亘っているのに対し、図5においては、接着領域はひずみ検出部2を有する保護層中心部3aのみで、配線を有する周辺部3bは貼り付けない構造となっている。本実施形態では、第1の実施形態と同様の効果が得られ、周辺部3bを被測定物6に取り付けなく、被測定物6に対して滑ることが可能とすることにより、保護層周辺部3bに伝わるひずみ及び配線4に加わるひずみが軽減され、配線4の断線を防止することができる。なお、周辺部3bと被測定物6の間は、間隙を有していても接していてもいずれでもよい。
In the
本発明における第3の実施形態を図6により説明する。図6は、第3の本実施形態によるひずみ測定装置の主要部断面構造と平面構造を示しており、第1の実施形態と共通の部分には同一の符号を付している。 A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 shows the cross-sectional structure and the planar structure of the principal part of the strain measuring device according to the third embodiment, and the same reference numerals are given to the parts common to the first embodiment.
第1の実施形態による図1のひずみ測定装置100においては、半導体基板1の保護層3は一体となっているのに対し、図6に示す本実施形態のひずみ測定装置101においては、ひずみ検出部2の下に保護層3の中心部(第一の領域)3aとして別体で緩衝層7が設けられている。緩衝層7はセンサチップのひずみ検出部2下部全体を覆い、配線4及び基板パッド9にはかからないようにする。本実施形態では、第1の実施形態と同様の効果が得られ、さらに、緩衝層7を保護層3の周辺部3bよりもヤング率の小さいものにすることにより、保護層3の周辺部3b及び配線4に加わるひずみが軽減され、配線4の断線を防止することができる。この緩衝層7の部分を空洞にして、そこに接着剤を充填し被測定物に貼り付ける構造としてもよい。また、緩衝層7が別体でありかつ緩衝層7が周辺部
3bと独立して変形可能にすれば、周辺部3b及び配線4に伝わるひずみが極めて小さくなり、配線4が保護される。
In the
緩衝層7の構造としては、図7のようにひずみ検出部2下部のみを覆う方法と、図8のようにひずみ検出部2の下部を覆いながら、保護層全体を横切るように設ける方法がある。図7の構造は、半導体プロセスを用いて作製することができるので、作製方法が簡便という利点があり、図8の構造は、保護層3に加わるひずみをより軽減することができるという利点がある。
As the structure of the
次に、本発明における第4の実施形態を図9により説明する。図9は、第4の本実施形態によるひずみ測定装置の主要部断面構造を示しており、第3の実施形態と共通の部分には同一の符号を付している。 Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 9 shows the cross-sectional structure of the main part of the strain measuring device according to the fourth embodiment, and the same reference numerals are given to the common parts with the third embodiment.
第3の実施形態による図6のひずみ測定装置101においては、保護層3と緩衝層7の下面は同一平面上にあるのに対し、図9に示す本実施形態のひずみ測定装置102においては、保護層3の下面は緩衝層7の下面よりも上にある形態となっている。緩衝層7が周辺部3bに対して突出して緩衝層7のみが被測定物に接着されることにより、保護層3にはひずみが加わらず、配線の断線を防止することができる。
In the
なお、この実施例では、保護層中心部3aである緩衝層7と保護層周辺部3bを別部材としているが、同部材として保護層の中心部3aと周辺部3bとを一体形成し、中心部
3aの実装面11側を周辺部3bよりも突出させる形態としてもよい。
In this embodiment, the
1…半導体基板、1a…主面、2…ひずみ検出部、3…保護層、3a…中心部(第一の領域)、3b…周辺部(第二の領域)、4…配線、5…接着層、6…被測定物、7…緩衝層、8…絶縁膜、9…基板パッド、10…保護層パッド、11…実装面、12…被覆材、100,101,102…ひずみ測定装置、200…センサチップ。
DESCRIPTION OF
Claims (12)
半導体基板と、
前記半導体基板の一主面に設けられた不純物拡散層を有するひずみ検出部とを備え、
前記不純物拡散層を設けた一主面側を被測定物または実装部材に向けて取り付ける実装面側としたことを特徴とするひずみ測定装置。 In a strain measuring device that is attached to the object to be measured and measures strain,
A semiconductor substrate;
A strain detector having an impurity diffusion layer provided on one main surface of the semiconductor substrate;
A strain measuring apparatus characterized in that one main surface side provided with the impurity diffusion layer is a mounting surface side attached to a measured object or a mounting member.
前記一主面上に設けられた樹脂材料からなる保護層を備え、
前記保護層は、被測定物または実装部材に取り付ける実装面を有することを特徴とするひずみ測定装置。 In claim 1,
A protective layer made of a resin material provided on the one main surface;
The strain measuring apparatus, wherein the protective layer has a mounting surface to be attached to an object to be measured or a mounting member.
半導体基板と、
前記半導体基板の一主面に設けられた不純物拡散層を有するひずみ検出部と、
前記一主面上に設けられた樹脂材料からなる保護層と、
前記保護層内に設けられ、前記ひずみ検出部と電気的に接続された配線とを備え、
前記保護層は、前記半導体基板と反対側に、被測定物または実装部材に取り付ける実装面を有することを特徴とするひずみ測定装置。 In a strain measuring device that is attached to the object to be measured and measures strain,
A semiconductor substrate;
A strain detector having an impurity diffusion layer provided on one main surface of the semiconductor substrate;
A protective layer made of a resin material provided on the one main surface;
A wiring provided in the protective layer and electrically connected to the strain detector;
The said protective layer has a mounting surface attached to a to-be-measured object or a mounting member on the opposite side to the said semiconductor substrate, The strain measuring apparatus characterized by the above-mentioned.
前記半導体基板は、前記一主面に、前記ひずみ検出部と電気的に接続される基板パッドを有し、
前記保護層は、前記半導体基板よりも面積が大きく、前記半導体素子を設けた面に、外部に電気的に接続するための保護層パッドを有し、
前記配線は、前記基板パッドから前記保護層パッドに電気的に接続されていることを特徴とするひずみ測定装置。 In claim 3,
The semiconductor substrate has a substrate pad electrically connected to the strain detector on the one main surface,
The protective layer has a larger area than the semiconductor substrate, and has a protective layer pad for electrical connection to the outside on the surface provided with the semiconductor element,
The strain measurement apparatus, wherein the wiring is electrically connected from the substrate pad to the protective layer pad.
前記保護層は、
その上部に前記半導体基板の前記ひずみ検出部が取り付けられる第一の領域と、
その上部に前記半導体基板の前記基板パッドが存在し、前記保護層パッドと前記配線を有する第二の領域とを備えたことを特徴とするひずみ測定装置。 In claim 4,
The protective layer is
A first region on which the strain detection unit of the semiconductor substrate is attached;
The strain measuring apparatus, wherein the substrate pad of the semiconductor substrate is present on the upper portion and includes the protective layer pad and a second region having the wiring.
前記保護層は、
その上部に前記半導体基板の前記ひずみ検出部が取り付けられる第一の領域と、
その内部に前記配線を有する第二の領域とを備えたことを特徴とするひずみ測定装置。 In claim 3,
The protective layer is
A first region on which the strain detection unit of the semiconductor substrate is attached;
A strain measuring apparatus comprising a second region having the wiring therein.
前記第一の領域は、前記被測定物または前記実装部材に取り付けられ、
前記第二の領域は、前記被測定物または前記実装部材との間に間隙を有していることを特徴とするひずみ測定装置。 In claim 6,
The first region is attached to the object to be measured or the mounting member,
The strain measuring apparatus, wherein the second region has a gap between the object to be measured or the mounting member.
前記第一の領域は、前記実装面側が前記第二の領域よりも突出していることを特徴とするひずみ測定装置。 In claim 6,
In the first area, the mounting surface side protrudes more than the second area.
前記第一の領域は、前記被測定物に取り付けられ、前記第二の領域は、前記被測定物に対して滑動可能であることを特徴とするひずみ測定装置。 In claim 6,
The first area is attached to the object to be measured, and the second area is slidable with respect to the object to be measured.
前記第一の領域の材料は、前記第二の領域の材料よりもヤング率が小さいことを特徴とするひずみ測定装置。 In claim 6,
The strain measuring apparatus, wherein the material of the first region has a Young's modulus smaller than that of the material of the second region.
前記第一の領域は、前記第二の領域よりも薄い、または前記第一の領域は空洞であることを特徴とするひずみ検出装置。 In claim 6,
The strain detection apparatus, wherein the first region is thinner than the second region, or the first region is a cavity.
前記第一の領域と前記被測定物または前記実装部材との間に接着材を充填して、前記被測定物または前記実装部材に取り付けることを特徴とするひずみ測定装置。
In claim 6,
A strain measuring apparatus, wherein an adhesive is filled between the first region and the object to be measured or the mounting member and is attached to the object to be measured or the mounting member.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2006177486A JP2008008694A (en) | 2006-06-28 | 2006-06-28 | Strain measuring apparatus |
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