CN101802541A - 半导体应变传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半导体应变传感器，具有作为应变检测部件由具有压电电阻元件的半导体衬底构成的应变传感器芯片，其特性长期稳定，与测量对象物的应变对应地在应变传感器芯片中产生的应变的变换系数在所测量的大小的应变范围内是稳定的。用金属接合材料接合了应变传感器芯片的金属基底板具有用于从应变传感器芯片的侧边突出而安装到测量对象物上的2个或4个外伸构件。理想的是，在与将应变传感器芯片接合到金属基底板上的接合区域对应的金属基底板下表面区域与外伸构件下表面之间设置有沟，在金属基底板下表面设置有被沟夹着的突出部。

Description

半导体应变传感器

技术领域

本发明涉及能够用于结构物的应变和应力的测量的应变传感器，特别地涉及使用了半导体应变计的半导体应变传感器。

背景技术

在结构物的应变或应力的测量中使用的应变计具有以下这样的结构：用有挠性的聚酰亚胺或环氧树脂膜覆盖由Cu-Ni系合金或Ni-Cr系合金的金属薄膜形成的布线图形。用粘接剂将该应变计粘接到被测量物上使用。如果金属薄膜的布线图形受到应变而变形，则产生电阻变化，能够测量应变量。

也有代替金属薄膜而利用向硅等半导体掺杂了杂质而形成的半导体压电电阻元件作为应变检测部件的半导体应变计。半导体应变计的因应变产生的电阻变化率为使用了金属薄膜的应变计的几十倍大，能够测量微小的应变。另外，在金属薄膜的应变计中，由于电阻变化小，所以需要对所得到的电信号进行放大，为此需要放大器。半导体应变计由于电阻变化大，所以能够不使用放大器而原样地使用所得到的电信号。或者，由于可以在半导体应变计的芯片内嵌入放大器电路，所以可以期待大大提高应变传感器的用途和使用上的方便性。在本说明书中，同义地使用应变传感器和应变计。

在使用半导体制造技术在硅晶片上进行杂质掺杂，然后形成布线后，进行芯片化能够得到半导体应变计。在该芯片(以下称为“应变传感器芯片”)中，重要的是正确地传递测量对象物的应变，其要点是应变传感器芯片的模块化和在测量对象物上的安装。

在专利文献1中，公开了将半导体应变计做成实用的模块的结构。图16A用立体图表示该半导体应变计。在硅晶片表面形成了半导体应变计后，在将硅晶片蚀刻到几μm厚为止后，进行芯片化而得到应变传感器芯片52。形成布线53并用聚酰亚胺膜54夹住而得到半导体应变计51。由于对应变传感器芯片52和布线53进行模块化，因此能够与以往的应变计同样地使用半导体应变计。

在专利文献2中，公开了使用低熔点玻璃58将应变传感器芯片52粘接到玻璃制的基座57上的应变检测传感器56。图16B用侧面图表示该应变检测传感器56。通过螺钉固定件等将玻璃制的基座57固定在测量对象物上。由于不在应变传感器芯片52与玻璃制基座57之间和玻璃制基座57与测量对象物之间加入树脂粘接剂，因此能够避免由于粘接树脂和应变检测传感器之间的热膨胀系数的不同而产生的温度漂移。

专利文献1：日本特开2001-264188号公报

专利文献2：日本特开2001-272287号公报

与以往的使用了金属薄膜的应变计同样，能够用树脂粘接剂将专利文献1的半导体应变计粘贴在测量对象物上而使用。由于使用树脂粘接剂，所以有由于树脂粘接剂变质或劣化而应变检测灵敏度和零点变动的问题。从特性的稳定性的观点出发，长期使用时成为问题。由于使用高灵敏度的半导体应变计，所以特性变动的影响更显著地出现。

由于在专利文献2的应变检测传感器中没有使用树脂粘接剂，所以可以认为与专利文献1的半导体应变计相比，长期稳定性好。但是，将测量对象物所产生的应变传递到应变传感器芯片的方法有问题。如果考虑到安装时的处理，则专利文献2的应变传感器芯片需要某种程度的厚度，由于该厚度，所以应变传感器芯片自身具有无法忽视的程度的刚性。因此，接合了应变传感器芯片52的基座57的刚性在整体上不均匀。如图17A所示，在用螺钉24安装在测量对象物6上的应变检测传感器56中，例如在箭头所示的方向上对测量对象物6施加了拉伸的应变的情况下，伴随着螺钉间的变位，从螺钉24向基座57传递力。由此，在基座整体上所产生的应变由于应变传感器芯片52所具有的刚性的影响而不均匀，在应变检测部件59的某应变传感器芯片表面上产生的应变成为与测量对象物6的应变不同的应变。

与测量对象物6的应变对应的应变传感器芯片52的应变如图17B所示，如果在必要的测量范围内具有正比的关系，则能够使用表示应变的变换系数的曲线的斜率，从应变传感器芯片的检测值求出测量对象物的应变。实际上，能够利用因压电电阻变化造成的电压的输出变化得到应变传感器输出，能够通过将其乘以应变的变换系数求出测量对象物6的应变。

在专利文献2中，如图18所示，用低熔点玻璃58将应变传感器芯片52粘接到单纯板状的基座57上，在粘接了应变传感器芯片52的区域中，刚性偏向粘接了应变传感器芯片的面侧。因此，例如在跟随在测量对象物6上产生的箭头所示的方向的变位而拉伸基座57时，在基座57上产生弯曲变形。如果产生了弯曲变形，则在应变传感器芯片52的厚度方向上产生应变的梯度，应变传感器芯片表面的应变检测部件59的应变与测量对象物6的应变显著地不同。在极端的情况下，如果拉伸基座57，则在应变检测部件59中产生压缩应变。这是将测量对象物6的平面应变变换为应变传感器芯片52的弯曲而检测出的，如果应变的变换系数小，则灵敏度低下。如果应变传感器芯片52产生弯曲变形，则对于基座57与测量对象物6的接触状态的变化表示出非线性的举动，难以在测量范围内将应变的变换系数保持一定，并且与应变传感器之间的变换系数的变动变大。如果相对于应变传感器芯片52的厚度使基座57的厚度充分厚，则这样的问题降低，但包含基座的传感器模块整体的刚性变高，对测量对象物的变形自身的影响变大。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种半导体应变传感器，是使用了高灵敏度的半导体应变计的应变传感器，其特性长期稳定，并且防止应变传感器芯片的弯曲变形，与测量对象物的应变对应地在应变传感器芯片上产生的应变的变换系数在应变测量范围内稳定。

本发明的半导体应变传感器具有：

应变传感器芯片，该应变传感器芯片由半导体衬底构成，且具有在其上表面形成的压电电阻元件；

金属基底板，该金属基底板设置有用金属接合材料接合了应变传感器芯片的下表面的接合区域，且具有在与接合区域相对的金属基底板的下表面具有用于从接合区域的侧边突出而与测量对象物的表面连接的连接区域的至少2个外伸构件；以及

布线构件，该布线构件与应变传感器芯片所具有的压电电阻元件的电极连接并引出到外部。

用金属材料将应变传感器芯片接合到金属基底板上。应变传感器芯片产生的热从传感器芯片背面传导到金属基底板而散热。金属基底板是平板，面积比应变传感器芯片大，高效地进行散热。由于散热良好，所以能够防止应变传感器芯片的温度上升，容易将金属基底板和应变传感器芯片的温度保持均匀。由于能够使半导体应变传感器的温度均匀，所以能够避免因温度变化造成的压电电阻系数的变动、以及因应变传感器芯片和金属基底板的温度不均匀造成的热变形而施加到压电电阻元件上的应力的变动从而产生的特性变化。另外，由于对应变传感器芯片和金属基底板之间进行金属接合，因此难以在接合部引起蠕变(creep)、变质或劣化，特性的长期稳定性优越。

由于将应变传感器芯片安装到测量对象物上的基底板是用导电性材料构成的，所以对电噪声的抗性强。如果在应变传感器芯片与测量对象物之间隔着绝缘性的材料，则在测量对象物中流过电流而电位变动时，应变传感器芯片的各部位与测量对象物之间产生寄生电容。如果产生寄生电容，则电位也变动，容易产生噪声。在本发明的半导体应变传感器中，由于将应变传感器芯片的接地从应变传感器芯片背面电连接到测量对象物上，因此应变传感器芯片的接地与测量对象物的电位一致，难以产生噪声。

能够使用镍、铁、铜等金属或不锈钢等合金作为金属基底板。如果使用如铁-镍系合金或铁-镍-钴系合金那样热膨胀系数与硅接近的材料，则能够减小因温度变化造成的特性变化。由于用金属接合材料将应变传感器芯片下表面接合到金属基底板表面，所以必须具有比金属接合材料的熔点充分高的熔点以使得在接合时金属基底板不会熔化变形。

由于通过金属接合将应变传感器芯片接合到更大面积的金属基底板上，所以金属基底板从应变传感器芯片的侧边突出而形成外伸构件。2个或4个外伸构件夹着应变传感器芯片。在金属基底板的下表面外伸构件具有连接区域，半导体应变传感器隔着连接区域被固定在测量对象物上。金属基底板具有2个或4个外伸构件，各外伸构件具有1个连接区域。在金属基底板具有2个外伸构件时，夹着与将应变传感器芯片接合到金属基底板的接合区域对应的金属基底板的下表面的区域而具有2个连接区域。另外，1个连接区域、与接合区域对应的金属基底板下表面的区域和其他连接区域处于直线上。在金属基底板具有4个外伸构件时，外伸构件从将应变传感器芯片接合到金属基底板的接合区域的4个侧边分别突出。位于与接合区域对应的金属基底板的下表面的区域的4个侧边各自的外侧具有连接区域。4个连接区域中的各2个与接合区域处于直线上。

将4个连接区域中的夹着接合区域处于直线上的2个连接区域分别作为第一和第二连接区域，将在与该直线垂直的直线上夹着接合区域而设置的2个连接区域分别作为第三和第四连接区域。从测量对象物所产生的第一连接区域连接到第二连接区域的方向(称为X方向)的应变通过第一和第二连接区域传递到金属基底板和应变传感器芯片，能够通过半导体压电电阻元件的电阻变化而检测出应变。从第三连接区域连接到第四连接区域的方向(称为Y方向)的应变通过第三和第四连接区域传递到金属基底板和应变传感器芯片，能够根据半导体压电电阻元件的电阻变化检测出应变。在具有2个连接区域的半导体应变传感器中，只测量X方向或Y方向的应变，但在具有4个连接区域的半导体应变传感器中，能够测量X方向和Y方向的应变。通过使用具有4个连接区域的半导体应变传感器，检测出相对于X方向和Y方向成45度的方向的应变，从而能够用作转矩检测传感器。

理想的是，在本发明的上述半导体应变传感器中，金属基底板具有在金属基底板的下表面沿着与接合区域的侧边对应的线形成且具有其侧边的长度的或比它长的沟，该沟在金属基底板的下表面将与接合区域对应的区域和外伸构件的连接区域分离。

由于在金属基底板的下表面与接合区域对应的区域与2个外伸构件的连接区域之间设置有沟，所以与位于金属基底板的下表面的接合区域对应的区域向下方突出，突出的区域与应变传感器芯片具有大致对称的结构。由于它们在半导体应变传感器的正面和背面对称，所以半导体应变传感器的刚性接近对称，在应变从连接区域传导到金属基底板时，应变传感器芯片难以发生弯曲的变形，应变变换系数难以变动。

另外，理想的是，在本发明的半导体应变传感器中，在金属基底板的下表面沿着与接合区域的侧边对应的线形成的沟与应变传感器芯片的应变检测方向垂直地延伸。另外，理想的是，在与应变传感器芯片的两个侧边对应的金属基底板的下表面的位置分别设置有这些沟。另外，理想的是，在金属基底板下表面与接合区域的侧边对应地设置有这些沟的侧壁中的更靠近接合区域的侧壁。

这样，如果在金属基底板的下表面夹着与接合区域对应的区域，2个沟的长度为接合区域的侧边的长度或更长，则在测量对象物上所产生的弯曲变形通过半导体应变传感器的连接区域传递到金属基底板的情况下，通过设置在金属基底板上的沟来阻止弯曲变形的传递。由此，防止了应变传感器芯片产生弯曲变形。因此，理想的是，外伸构件在金属基底板上从位于应变传感器芯片的周围的4个侧边分别突出，在金属基底板的下表面与4个侧边对应的线上分别以围住与接合区域对应的区域的方式形成沟。

理想的是，在本发明的半导体应变传感器中，在设金属基底板的杨氏模量为Es，应变传感器芯片的杨氏模量为Ed，应变传感器芯片的厚度为td，沟的深度为ts时，满足公式ts×Es ＝td×Ed。

不需要完全满足该公式，只要满足金属基底板的正面和背面的刚性为对称的程度就可以。因此，上式也可以表示为ts×Es≈td×Ed。通过满足这些关系，金属基底板的沟所夹着的突出部分的刚性与应变传感器芯片的刚性大致一致，因此能够提高半导体应变传感器的正面和背面的刚性的对称性。即，在从测量对象物拉伸而受到压缩时，在接合了传感器芯片的金属基底部分的厚度中央的平面上，传感器芯片接合侧与相反的金属基底侧的刚性大致对称，因此能够抑制传感器芯片接合部分的翘曲。其结果，能够高精度地测量测量对象物的拉伸、压缩。

理想的是，在本发明的半导体应变传感器中，对于金属基底板，在金属基底板的上表面具有相对于其厚度中央的平面与位于金属基底板的下表面的上述沟对称地形成的沟，接合区域在形成在上表面的沟之间比金属基底板的上表面低出与该沟的深度对应的高度。即，理想的是，在金属基底板上表面形成凹槽，在其中设置应变传感器芯片。

通过在金属基底板的正面和背面对称地形成沟，将半导体应变传感器芯片放入设置在金属基底板上的凹槽，从而使金属基底板的表面和背面中的刚性的对称性更好，能够进一步避免金属基底板弯曲变形。

理想的是，在本发明的半导体应变传感器中，在将2个连接区域和应变传感器芯片接合区域连接起来的方向上的断面中，在设应变传感器芯片的接合区域中的应变传感器芯片、金属基底板、以及金属接合材料的总厚度为ta，沟的底部中的金属基底板的厚度为tb，连接区域中的金属基底板厚度为tc，应变传感器芯片的一半的长度为la时，沟的宽度lb是la×[tb×(ta-tc)]/[ta×(tc-tb)]。

不需要完全满足公式lb ＝la×[tb×(ta-tc)]/[ta×(tc-tb)]，只要是满足能够防止应变的变换系数的变动的程度就可以。因此，上式可以表示为lb≈la×[tb×(ta-tc)]/[ta×(tc-tb)]。通过满足该式，从沟到应变传感器芯片接合区域的金属基底板和应变传感器芯片的总刚性与连接区域中的金属基底板的刚性大致一致，因此，应变在两者上的分配相等。因此，即使连接区域的位置变化，也能够减小应变的变换系数的变化。即使半导体应变传感器在测量对象物上的安装位置变动，也能够防止应变的变换系数变动。

以下，进行详细说明。如果由于焊接点的位置不同而检测出的应变量变化，则测量精度显著降低。作为安装结构，需要设法避免该现象。因此，使传感器芯片连接区域由于测量对象物的变形而受到的应变ea与处于从沟到焊接点为止的连接区域的应变ec之比ea/ec不依存于从沟到焊接点为止的长度lc而始终一定即可。如果设沟区域的应变为eb，则要达成的关系能够表示为(la×ea+lb×eb)/(la+lb)＝ec。另一方面，传感器芯片接合区域、沟区域、连接区域是串联连接，因此所传递的力是均匀的。即，(ts×Es+td×Ed)×ea＝Es×tb×eb＝Es×tc×ec。由于设定为ts×Es≈td×Ed，所以上式大致成为Es×ta×ea＝Es×tb×eb＝Es×tc×ec。如果使用该式对要达成的关系进行变形，则成为lb×[ta×(tc-tb)]＝la×[tb×(ta-tc)]。当然，该关系并不需要是严谨的，只要是满足能够防止应变的变换系数变动的程度就可以。

本发明的半导体应变传感器的布线构件能够由一端用树脂粘接在金属基底板上的挠性布线板、将在挠性布线板的布线与应变传感器芯片所具有的压电电阻元件的电极之间电连接起来的金属线、以及覆盖压电电阻元件的电极和金属线的树脂构成。

在挠性布线板和应变传感器芯片之间，能够通过对没有被覆盖的金属线进行超声波焊接或焊锡焊接得到导通。金属线可以使用直径为10μm到200μm的裸金线。可以用树脂覆盖金属线及其连接部和电极，而可靠地进行电绝缘和与外部空气的截断。不仅是布线构件，也可以用树脂覆盖应变传感器芯片整体。如果挠性布线板和与其粘接的粘接剂的刚性大，则有挠性布线板和粘接剂的蠕变、劣化和变质对半导体应变传感器整体的刚性产生影响的危险性。理想的是，尽量减小挠性布线板和粘接剂的弹性率，减小体积。

本发明的半导体应变传感器的布线构件能够由设置在应变传感器芯片所具有的压电电阻元件的电极上的金属凸块、具有与金属凸块电连接的布线的挠性布线板、以及填充在应变传感器芯片和挠性布线板之间的树脂构成。

通过在设置在应变传感器芯片上的压电电阻元件的电极上设置金属凸块，可以使挠性布线板直接与应变传感器芯片的表面连接，不需要将挠性布线板与金属基底板粘接起来。因此，能够提高配置在应变传感器芯片侧部的外伸构件的设计自由度。理想的是，尽量减薄挠性布线板，使得不对半导体应变传感器的刚性产生影响。

本发明的半导体应变传感器的布线构件能够由隔着绝缘膜形成在金属基底板上的基底板电极、将基底板电极和应变传感器芯片所具有的压电电阻元件的电极之间电连接起来的金属线、以及覆盖压电电阻元件的电极和金属线和基底板电极的树脂构成。

通过使用基底板电极，能够不用挠性布线板。能够用金属线将基底板电极和应变传感器芯片的电极之间电连接起来，通过覆盖线将应变传感器芯片的电信号从基底板电极取出到芯片外。由于挠性布线板不会粘接在金属基底板上，所以能够提高配置在应变传感器芯片侧部的外伸构件的设计自由度。能够用树脂覆盖金属线及其连接部和电极，确保电绝缘和与外部空气的截断。

理想的是，在本发明的半导体应变传感器中，半导体应变传感器的金属基底板的下表面与测量对象物相对，并且将金属基底板的连接区域的至少一部分安装成与测量对象物紧密接合。

金属基底板的连接区域的至少一部分必须与测量对象物紧密接合。由于测量对象物的应变通过连接着的部分传递到金属基底板，所以如果连接面积小，则应变集中在连接部，连接部有可能塑性变形。如果能够得到在要测量的大小的应变下不产生塑性变形的连接面积，则不需要使连接区域整体与测量对象物紧密接合。不需要将金属基底板的连接区域以外的部分与测量对象物紧密接合。

在本发明的半导体应变传感器中，能够用至少2个以上的连接区域将半导体应变传感器和测量对象物连接起来，用1个位置以上的焊接部对各连接区域进行固定。

作为焊接，能够使用激光焊接、电阻点焊接。由于在焊接部难以产生蠕变、劣化、变质，因此焊接的长期稳定性优越。能够借助于钎焊料等的金属将连接区域和测量对象物之间焊接。如果使用便携式的点焊接机，则即使对已经设置的装置和结构物，也能够容易地在现场安装本发明的半导体应变传感器。另外，由于没有在安装时向应变传感器芯片直接施加力的可能，因此能够降低破坏应变传感器芯片、施加不必要的应变而使应变传感器芯片特性变化的危险。

在本发明的半导体应变传感器中，能够用至少2个以上的连接区域将半导体应变传感器和测量对象物连接起来，且在1个位置以上用螺钉将各连接区域连接起来。

能够通过螺钉连接将本发明的半导体应变传感器安装到用无法焊接的材质制成的测量对象物上。另外，由于通过螺钉连接安装半导体应变传感器时不需要激光焊接机或点焊接机等装置，所以容易在狭小的地方或高的地方等进行安装。

能够提供一种半导体应变传感器，该半导体应变传感器使用了高灵敏度的半导体应变计，该半导体应变传感器的特性长期稳定，即使是应变传感器芯片的发热也难以改变其特性。

附图说明

图1是表示安装在测量对象物上的本发明的实施例1的半导体应变传感器的平面图。

图2是图1的II-II线截面图。

图3A表示用导电材料将应变传感器芯片和测量对象物连接起来的本发明的情况的等价电路。

图3B表示在两者之间隔着绝缘材料的情况的等价电路。

图4是表示安装在测量对象物上的本发明的实施例2的半导体应变传感器的平面图。

图5是图4的V-V线截面图。

图6是表示安装在测量对象物上的本发明的实施例3的半导体应变传感器的平面图。

图7是图6的VII-VII线截面图。

图8是将实施例3的半导体应变传感器应用到转矩检测中的模式立体图。

图9是表示本发明的实施例4的半导体应变传感器的平面图。

图10是表示安装在测量对象物上的本发明的实施例5的半导体应变传感器的平面图。

图11是图10的XI-XI线截面图。

图12是从底部看到的用于实施例5的半导体应变传感器中的金属基底板的立体图。

图13是从底部看到的能够用于实施例5的半导体应变传感器中的金属基底板的变形例子的立体图。

图14是表示本发明的实施例6的半导体应变传感器的平面图。

图15A是表示安装在测量对象物上的本发明的实施例7的半导体应变传感器的平面图。

图15B是图15A的XVB-XVB线截面图。

图15C是从底部看到的用于实施例7的半导体应变传感器中的金属基底板的立体图。

图15D是从上方看到的该金属基底板的立体图。

图16A是表示记载在文献中的半导体应变计的立体图。

图16B是表示记载在另一文献中的应变检测传感器的立体图。

图17A是用螺钉安装在测量对象物上的应变检测传感器的截面图。

图17B是说明测量对象物的应变与检测出的应变的关系的图。

图18是表示基座上所产生的弯曲变形的模式说明图。

符号说明

1：半导体应变传感器；2：应变传感器芯片；3：金属基底板；4：金属接合材料(金属焊锡)；5：挠性布线板；11、12：外伸构件；11’、12’：连接区域；15：接合区域；16：电极；17：金属线；18：树脂；26：金属凸块；30、30’、30a、30a’：沟

具体实施方式

以下，一边参照附图，一边基于实施例详细说明本发明。为了容易理解说明，对同一部件、部位使用相同的符号。

实施例1

以下，使用图1和图2说明本发明的实施例1的半导体应变传感器的结构。图1是安装在测量对象物上的实施例1的半导体应变传感器的平面图，图2是图1的II-II线截面图。用金属接合材料4的金属焊锡将由作为形成了压电电阻元件(未图示)的应变传感器而发挥功能的硅半导体衬底构成的应变传感器芯片2接合到金属基底板3的中央。金属基底板3是在图1的X方向延伸的长方形，在夹着接合应变传感器芯片2的接合区域15的两侧具有外伸构件11、12，在与接合区域15相对的金属基底板3的下表面具有各外伸构件11、12与测量对象物6连接的连接区域11’、12’。应变传感器芯片2通常具有与接合区域15相同或更小的面积，并被粘接到接合区域15的中央。金属基底板3可以用热膨胀系数与硅接近的铁58-镍42合金制作，可以做成14mm长×6mm宽×0.3mm厚。可以使应变传感器芯片2的大小为2.5mm长×2.5mm宽×0.16mm厚。

应变传感器芯片2通过金属焊锡4接合到金属基底板3。在应变传感器芯片2的与金属基底板3相对的面上通过溅镀形成由Cr、Ni和Au的3层构成的金属溅镀层(metallizing layer)，在其上蒸镀Sn系的金属焊锡材料。在金属基底板3的与应变传感器芯片2相对的面上，也形成有由Cr、Ni和Au的3层构成的金属溅镀层。使应变传感器芯片2位于金属基底板3的中央，加热熔化金属焊锡4，将应变传感器芯片2接合到金属基底板3。可以在金属基底板整面上形成3层的金属溅镀层。

在从应变传感器芯片2所具有的压电电阻元件的电极16引出布线时，使用挠性布线板5。使用环氧系树脂粘接剂，将挠性布线板5的与露出了前端的布线的一侧相反的面，在金属基底板上，与接合了应变传感器芯片的位置相邻地粘接。通过超声波焊接将直径20μm的裸金线17连接在挠性布线板5的布线和应变传感器芯片2的电极16之间。以覆盖应变传感器芯片2的电极16、金线17和挠性布线板5的布线的方式涂敷覆盖树脂18。使用了弹性率小的热硬化树脂作为覆盖树脂18。能够以覆盖应变传感器芯片整体的方式涂敷树脂。由于应变传感器芯片的压电电阻元件会受到光的影响，所以理想的是，用有色的树脂覆盖应变传感器芯片整体而抑制光的影响。

将在金属基底板3上用金属焊锡4接合了应变传感器芯片2并进行了布线的半导体应变传感器1安装在测量对象物6上。将半导体应变传感器1设置在测量对象物6的希望的位置上，对测量对象物6进行各10点的点焊接，固定位于金属基底板3的外伸构件11、12上的2个连接区域11’、12’。10点的点焊接是以2列5行，在Y方向上等间隔地配置5点的焊接点19，将第3点的焊接点设置在金属基底板3的宽度中心线上。

在应变传感器芯片2中，形成有多个压电电阻元件，使得能够检测出X方向和Y方向的应变。用各方向多个的压电电阻元件构成桥电路，使得能够得到与X方向和Y方向的应变成正比的输出。在本实施例中，只使用测量X方向的应变的压电电阻元件。如果测量对象物6在X方向上被拉伸而产生了应变，则该应变经由位于连接区域11’、12’中的点焊接点19传递到半导体应变传感器1的金属基底板3，在金属基底板3和应变传感器芯片2上产生应变，通过压电电阻元件的电阻变化，得到与测量对象物6的应变对应的电信号的输出。由于金属基底板3和应变传感器芯片2的刚性，应变传感器芯片2上所产生的应变与测量对象物6的应变不一致，但通过预先求出变换系数，能够用作实用的应变传感器。

本实施例的半导体应变传感器1使用金属材料将应变传感器芯片2接合到金属基底板3，因此应变传感器芯片2所产生的热传导到金属基底板3而散热。压电电阻元件由于电阻高，所以容易发热，另外在应变传感器芯片内形成了CMOS的放大器电路的情况下，从放大器电路也会发热。在半导体应变传感器1中，容易向金属基底板3传导热而散热，因此能够将应变传感器芯片2的温度上升抑制为最小限，并且能够将金属基底板3和应变传感器芯片2的温度保持均匀。由此，能够避免因温度变化产生的压电电阻系数的变化、因应变传感器芯片2和金属基底板3的温度不均匀而产生的热变形而造成压电电阻元件的应力变化等所引起的特性变化。在应变传感器芯片和金属基底板之间或金属基底板和测量对象物之间隔着树脂粘接剂等有机材料的情况下，如果长时间施加应变，则有机材料发生蠕变，有应变检测的零点变化的问题。另外，由于有机材料的劣化和变质阻碍了应变的传递，有时应变检测灵敏度变化。在本发明的半导体应变传感器1中，在应变传感器芯片2和金属基底板3的接合中使用金属焊锡4，在金属基底板3和测量对象物6的安装中使用焊接，因此能够避免因有机材料产生的上述那样的特性变化，是传感器特性的长期稳定性优越的应变传感器。虽然在接合中使用的金属材料也有可能产生微小的蠕变，但与使用了树脂粘接剂的情况相比蠕变是极小的，因此对长期稳定性有充分的效果。

本发明的半导体应变传感器由于用导电材料将应变传感器芯片连接到测量对象物，所以对噪声抗性强。图3A表示用导电材料将应变传感器芯片和测量对象物连接起来的情况的等价电路，图3B表示在两者之间隔着绝缘材料的情况的等价电路。如图3A所示，本发明的半导体应变传感器能够将应变传感器芯片的接地与测量对象物6电连接，因此应变传感器芯片的接地与测量对象物6的电位一起变动，因此在传感器芯片电路21中难以产生噪声。如果如以往的半导体应变传感器那样，在应变传感器芯片2和测量对象物6之间隔着绝缘材料，则在测量对象物6上流过电流等而电位变动的情况下，如图3B所示那样，在传感器芯片电路21内的各位置与测量对象物6之间具有寄生电容22，因此传感器芯片电路21内的电位也产生各种变动，因此容易产生噪声。

本发明的半导体应变传感器可以做成预先通过金属接合将应变传感器芯片接合到金属基底板且连接了挠性电路板布线的模块。在本发明的半导体应变传感器中，将外伸构件的连接区域焊接到测量对象物上，由此能够测量应变。即使对于不能移动的测量对象物，也可以将点电阻焊接机带入现场进行安装。另外，并不只限于点电阻焊接，也可以使用激光焊接、缝焊接等。由于隔着金属基底板将应变传感器芯片安装到测量对象物上，所以降低了在安装作业时破坏应变传感器芯片、或施加不必要的应变而使特性变化那样的危险性。

实施例2

说明本发明的实施例2的半导体应变传感器。图4是表示安装在测量对象物上的实施例2的半导体应变传感器1的平面图，图5是图4的V-V线截面图。在金属基底板3的2个外伸构件11、12上分别形成螺钉孔23，用螺钉24将半导体应变传感器1固定在测量对象物6上。如果能够形成螺钉孔，则能够将螺钉接合也适用于无法进行焊接的陶瓷等。

实施例3

说明本发明的实施例3的半导体应变传感器。图6是表示安装在测量对象物上的实施例3的半导体应变传感器1的平面图，图7是图6的VII-VII线截面图。如图6所示，除了在X方向上夹着传感器芯片接合区域15的2个外伸构件11、12以外，还设置有在Y方向上夹着传感器芯片接合区域15的2个外伸构件13、14。通过点电阻焊接将X方向的2个外伸构件11、12的连接区域11’、12’与测量对象物6连接，并且通过点电阻焊接将在Y方向上设置的2个外伸构件13、14的连接区域13’、14’与测量对象物6连接。在图6、图7中，19是焊接点。对于在测量对象物6的X方向上施加的应变，应变经由2个连接区域11’、12’传递到应变传感器芯片2，对于在Y方向上施加的应变，应变经由2个连接区域13’、14’传递到应变传感器芯片2，能够检测出施加到测量对象物6上的应变。

由于以围住应变传感器芯片2的接合区域15的方式设置有连接区域11’、12’、13’、14’，因此在应变传感器芯片2上设置有挠性布线板5。在应变传感器芯片2的电极上形成金属凸块26，连接挠性布线板5。为了避免挠性布线板5的应力的方向性，而以覆盖应变传感器芯片2的方式设置挠性布线板5。在挠性布线板5和应变传感器芯片2之间的间隙中涂敷覆盖树脂18。覆盖树脂18使用环氧树脂。覆盖树脂18进行布线构件的电绝缘和截断外部空气，并且还有增加挠性布线板和应变传感器芯片之间的接合力的作用。由于将挠性布线板配置在应变传感器芯片上，所以在对连接区域和测量对象物进行焊接时，挠性布线板不对焊接作业产生障碍。

本实施例的半导体应变传感器也适用于转矩检测。图8表示转矩检测的一个例子。将施加转矩的圆柱构件27作为测量对象物，在圆柱构件的圆柱侧面形成缺口沟28，将半导体应变传感器1安装在平坦的沟底。本实施例的半导体应变传感器在应变传感器芯片的周围的4个位置的连接区域中，通过焊接固定在测量对象物的圆柱构件27上。由于应变从测量对象物向X方向和Y方向传递，所以因测量对象物的扭转产生的剪切应变传递到应变传感器芯片2，能够通过计算求出与转矩成正比的剪切应变。在本实施例中，具有配置在X方向上的压电电阻元件和配置在Y方向上的压电电阻元件。但是，能够使用在相对于X方向和Y方向成45度的方向上设置了压电电阻元件的应变传感器芯片，能够利用该应变传感器芯片直接测量剪切方向的应变。

实施例4

说明本发明的实施例4的半导体应变传感器1。图9是实施例4的半导体应变传感器的平面图。在金属基底板3上隔着绝缘膜31形成基底板电极32。用金线17将基底板电极32和应变传感器芯片2的电极16之间连接起来，并且将覆盖布线33的剥掉了覆盖物的前端部分焊接在基底板电极32上。涂敷覆盖树脂18，使得包含布线构件地覆盖应变传感器芯片2。在由树脂产生的应力大的情况下，对于覆盖树脂的涂敷，能够只对布线构件、或者对布线构件和与布线构件对称的位置涂敷树脂。根据本实施例，通过使用预先形成了基底板电极32的金属基底板3，不需要挠性布线板，能够省略将挠性布线板粘接在金属基底板上等安装工序，是适合于引出布线数少的情况的布线引出结构。

实施例5

以下，使用图10和图11说明本发明的实施例5的半导体应变传感器。图10是安装在测量对象物上的实施例5的半导体应变传感器1的平面图，图11是图10的XI-XI线截面图。用金属接合材料的金属焊锡4将作为形成有压电电阻元件(未图示)的半导体应变传感器芯片发挥功能的由硅半导体衬底构成的应变传感器芯片2接合到金属基底板3的中央。与在实施例1中说明了的同样，使用挠性布线板从应变传感器芯片2的压电电阻元件的电极引出布线。金属基底板3是在图10的X方向上延伸的长方形，在夹着接合了应变传感器芯片2的接合区域15的两侧具有外伸构件11、12，在与接合区域15相对的金属基底板3的下表面具有将各外伸构件11、12连接到测量对象物6的连接区域11’、12’。沿着将应变传感器芯片2接合到金属基底板3上的接合区域15的侧边所对应的金属基底板下表面的线，在金属基底板下表面分别形成沟30。在此，与和接合区域15的侧边对应的金属基底板下表面的线一致地设置沟30的侧壁中的更靠近接合区域的侧壁。沟30比半导体应变传感器芯片2的宽度(Y方向的长度)长，是与金属基底板3的宽度相同的长度。在金属基底板3的下表面，顺序地排列外伸构件11的连接区域11’、沟30、被2个沟夹着的突出部分35、沟30、以及外伸构件12的连接区域12’。

由于使沟30的靠近应变传感器芯片2的侧壁与应变传感器芯片的侧边的位置大致一致，因此突出部分35的X方向的长度和应变传感器芯片2的接合区域15的X方向的长度大致相同。金属基底板3用铁58-镍42合金制作，能够做成14mm长×6mm宽×0.3mm厚的尺寸。能够将应变传感器芯片2的大小做成2.5mm长×2.5mm宽×0.16mm厚。沟30的宽度lb是0.3mm，深度ts是0.18mm。2个接合区域11’、12’是5.45mm长×6mm宽，突出部分35是2.5mm长×6mm宽。

用金属焊锡4将应变传感器芯片2接合到金属基底板3。应变传感器芯片2的与金属基底板相对的面通过溅镀形成由Ti、Pt和Au的3层构成的金属溅镀层，在其上蒸镀有Sn系的金属焊锡材料。在金属基底板3的与应变传感器芯片相对的面上也形成由Ti、Pt和Au的3层构成的金属溅镀层。使应变传感器芯片2位于应变传感器芯片2的接合区域15的中央，对金属焊锡4进行加热熔融而将应变传感器芯片2与金属基底板3接合起来。能够在金属基底板整面上形成3层的金属溅镀层。

在实施例5的半导体应变传感器1中，由于在金属基底板3上形成沟30，所以半导体应变传感器的正面和背面的刚性的对称性好。另外，在测量对象物6在XY平面上变形时，能够通过沟防止金属基底板3的接合了应变传感器芯片2的区域15变形。因此，与测量对象物的应变对应地在应变传感器芯片中产生的应变的变换系数在应变测量范围内是稳定的。

将由于形成在金属基底板3上的沟30而使金属基底板3减薄了的部分作为连接部37。由于在将应变传感器芯片2接合到金属基底板3上的接合区域15的下侧配置有突出部35，因此在半导体应变传感器1的正面和背面提高了刚性的对称性。例如，在对测量对象物6进行拉伸而产生了应变时，力经由焊接点19传递到金属基底板3，进而经由连接部37传递到应变传感器芯片2的接合区域15。在金属基底板3上具有半导体应变传感器芯片2和位于更下方的突出部35，它们是对称的，因此抑制了由于通过连接部37传递的力而使接合区域15和连接区域11’、12’向上或向下弯曲。因此，金属基底板3与测量对象物6的接触、金属基底板3与应变传感器芯片2的接触不变化，在测量范围内维持了测量对象物6的应变与应变传感器芯片2的应变的关系，它们之间的变换系数成为一定。

由于应变传感器芯片2和突出部35具有刚性的对称性，所以理想的是突出部35具有与应变传感器芯片2同样的长度。因此，在本实施例的半导体应变传感器1中，沿着与应变传感器芯片2的两侧边对应的金属基底板的下表面的线设置有沟，沿着该线设置有沟的侧壁中的靠近接合区域15的侧壁。

另外，理想的是应变传感器芯片2与金属基底板3的突出部35的刚性相等，因此，使它们的杨氏模量与厚度的积大致一致。在设应变传感器芯片2的杨氏模量为Ed，厚度为td，金属基底板3的杨氏模量为Es，突出部35的高度(沟30的深度)为ts时，满足公式Ed×td＝Es×ts。用硅制作的应变传感器芯片2的杨氏模量Ed是169Gpa，用铁-镍合金制作的金属基底板3的杨氏模量Es是150Gpa，应变传感器芯片2的厚度td是0.16mm，突出部35的厚度ts是0.18mm，因此满足上述关系。在使用该半导体应变传感器1测量应变的变换系数时，应变的变换系数是约0.63，在应变测量范围±500×10^-4％内，应变的变换系数大致一定。

在本实施例中，也与实施例1同样，通过点电阻焊接将金属基底板3焊接到测量对象物6。理想的是，连接区域中的焊接点靠近应变传感器芯片2。如图11所示那样，将连接区域11’的最靠近应变传感器芯片2的焊接点19作为第一焊接点19a，连接区域12’的最靠近应变传感器芯片2的焊接点19作为第二焊接点19b。由于测量对象物6上产生的应变，位于金属基底板3的第一焊接点19a和第二焊接点19b之间的区域受到力，产生应变。越是使第一焊接点19a和第二焊接点19b靠近应变传感器芯片2，则越能够缩短受力的金属基底板3的区域，因此能够使金属基底板难以发生弯曲变形。

另外，由于在第一焊接点19a和第二焊接点19b之间，连接区域11’、12’、沟30、应变传感器芯片的接合区域15的各个部位的截面的刚性不同，因此所产生的应变也不同。在制作了多个半导体应变传感器时，如果在这些多个半导体应变传感器之间，第一和第二焊接点19a和19b的位置不同，则由于连接区域11’、12’的面积变化，所以应变的分配变化，应变传感器芯片上所产生的应变也变化。如果第一焊接点19a和第二焊接点19b的位置变化，则在这些多个半导体应变传感器之间，应变的变换系数有可能变化。如果使应变传感器芯片2、被2个沟30夹着的金属基底板部分、以及金属基底板的2个连接部37的总刚性与各外伸构件11、12的刚性相等，则能够使应变的分配相对于受力的连接区域的长度的变化而一定。由此，无论焊接点的位置如何，都能够使应变的变换系数一定。

如图11所示，在设金属基底板3的接合区域15中的半导体应变传感器1的厚度为ta，连接部37的厚度为tb，外伸构件11、12的厚度为tc，应变传感器芯片2的长度为la×2时，用下式表示理想的沟30的宽度lb。

lb＝la×[tb×(ta-tc)]/[ta ×(tc-tb)]

在此，由于应变传感器芯片2和金属基底板3的杨氏模量不同，所以需要预先修正应变传感器芯片2的厚度。在此，将应变传感器芯片2换算为金属基底板的厚度td是0.18mm。使用半导体应变传感器1的厚度ta是0.48mm，连接部37的厚度tb是0.12mm，外伸构件11、12的厚度tc是0.3mm，应变传感器芯片2的长度(la×2)是2.5mm，根据上式，理想的沟30的宽度lb为0.3mm。

在图12中，用从与接合应变传感器芯片的面相反的方向看到的立体图表示金属基底板3。2个沟30被形成为横切金属基底板3的宽度方向。通过化学蚀刻来进行沟30的形成。也可以使用金属的机械切削加工或冲压加工来进行形成。

在图13中，用从下方看到的立体图表示能够在本发明的半导体应变传感器1中使用的在上面说明了的金属基底板的变形例子。在该金属基底板3中，形成有在宽度方向上延伸的2个沟30、和与这些沟30正交的2个沟30a。沟30a的靠近应变传感器芯片一侧的侧壁被设置为与应变传感器芯片的Y方向的侧边一致。也可以在实施例3中说明了的半导体应变传感器中使用图13的金属基底板3。

实施例6

一边参照图14，一边说明本发明的实施例6的半导体应变传感器1。如图14的平面图所示那样，除了在X方向上夹着应变传感器芯片2的连接区域15的2个外伸构件11、12以外，还配置有在Y方向上夹着应变传感器芯片2的接合区域15的2个外伸构件13、14。各外伸构件11、12、13、14在金属基底板3的下表面具有连接区域11’、12’、13’、14’。在位于接合区域15所对应的金属基底板3的下表面的区域与各连接区域11’、12’、13’、14’之间，形成有沟30、30a。将4个沟30、30a的靠近应变传感器芯片2的侧壁所围住的突出部35的外形设置为与应变传感器芯片2的外形相同，将应变传感器芯片2接合到与突出部35对应的金属基底板上的位置。将各连接区域11’、12’、13’、14’通过点电阻焊接而被固定在测量对象物6上。施加到测量对象物6的X方向的应变经由外伸构件11和外伸构件12传递到应变传感器芯片2，施加到Y方向的应变经由外伸构件13和外伸构件14传递到应变传感器芯片2，能够检测出施加到测量对象物上的应变量。

实施例7

一边参照图15A～图15D，一边说明本发明的实施例7的半导体应变传感器1。进一步提高了表面和背面的刚性平衡的金属基底板的结构与实施例1不同。图15A是安装在测量对象物6上的本实施例的半导体应变传感器1的平面图，图15B是图15A的XVB-XVB线截面图，图15C是从背面侧看到的用于本实施例的半导体应变传感器1的金属基底板3的立体图，图15D是从正面看到的该金属基底板3的立体图。连接区域15位于金属基底板3的中央，在其上通过金属焊锡4安装有应变传感器芯片2，金属基底板3具有从应变传感器芯片2的左右突出的外伸构件11、12，在外伸构件11、12的下表面具有用于与测量对象物6连接的连接区域11’、12’。在金属基底板3的下表面，将与接合区域15对应的下表面上的区域和外伸构件11、12的连接区域11’、12’分开的2个沟30形成在金属基底板3的Y方向侧面间。另外，2个沟30a(参照图15C)沿着与接合区域15的Y方向的侧边对应的下表面上的线而设置在金属基底板3的下表面，沟30a与沟30成直角，并从一方的沟30延伸到另一方的沟30。在金属基底板3的下表面形成有被2个沟30和2个沟30a围住的突出部35。

在金属基底板3的上表面，相对于金属基底板的厚度中央的平面，与设置在金属基底板3的下表面的2个沟30和2个沟30a对称地，形成有2个沟30’和2个沟30a’。位于金属基底板3的下表面的沟30、30a的深度与位于上表面的沟30’、30a’的深度相同。被位于上表面的4个沟30’、30a’围住的部分成为具有与沟的深度相同的深度的凹槽39，凹槽39的底成为接合应变传感器芯片2的接合区域15。用金属焊锡4将应变传感器芯片2接合到接合区域15。

由于应变传感器芯片2被装入到凹槽39中，所以应变传感器芯片2和位于下表面的突出部35是对称的，改善了刚性的对称性。

Claims (8)

1.一种半导体应变传感器，其特征在于包括：

应变传感器芯片，该应变传感器芯片由半导体衬底构成，且具有在其上表面形成的压电电阻元件；

金属基底板，该金属基底板设置有用金属接合材料接合应变传感器芯片的下表面的接合区域，具有在与接合区域相对的金属基底板的下表面具有用于从接合区域的侧边突出而与测量对象物的表面连接的连接区域的至少2个外伸构件；以及

布线构件，该布线构件与应变传感器芯片所具有的压电电阻元件的电极连接并引出到外部。

2.根据权利要求1所述的半导体应变传感器，其特征在于：

金属基底板具有：在金属基底板的下表面沿着与接合区域的侧边对应的线形成且具有其侧边的长度的或更长的沟，该沟在金属基底板的下表面将与接合区域对应的区域和外伸构件的连接区域分离。

3.根据权利要求2所述的半导体应变传感器，其特征在于：

上述沟与应变传感器芯片的应变检测方向垂直地延伸。

4.根据权利要求2所述的半导体应变传感器，其特征在于：

在金属基底板的下表面沿着与接合区域的侧边对应的上述线设置上述沟的侧壁中的更靠近接合区域的侧壁。

5.根据权利要求2所述的半导体应变传感器，其特征在于：

金属基底板相对于其厚度中央的平面，在金属基底板的上表面具有与位于金属基底板的下表面的上述沟对称地形成的沟，

在形成在上表面的沟之间，上述接合区域比其上表面低出与该沟的深度对应的高度。

6.根据权利要求1所述的半导体应变传感器，其特征在于：

上述布线构件由以下部分构成：

一端用树脂粘接在金属基底板上的挠性布线板；

将挠性布线板的布线与应变传感器芯片所具有的压电电阻元件的电极之间电连接起来的金属线；以及

覆盖压电电阻元件的电极和金属线的树脂。

7.根据权利要求1所述的半导体应变传感器，其特征在于：

上述布线构件由以下部分构成：

设置在应变传感器芯片所具有的压电电阻元件的电极上的金属凸块；

具有与金属凸块电连接的布线的挠性布线板；以及

填充在应变传感器芯片和挠性布线板之间的树脂。

8.根据权利要求1所述的半导体应变传感器，其特征在于：

上述布线构件由以下部分构成：

隔着绝缘膜形成在金属基底板上的基底板电极；

将基底板电极和应变传感器芯片所具有的压电电阻元件的电极之间电连接起来的金属线；以及

覆盖压电电阻元件的电极和金属线和基底板电极的树脂。

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