CN108027290B - 力学量测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种应变传感器模块构造，抑制由于在应变传感器模块的电气配线用部件等中使用的树脂部件的吸湿引起的传感器输出变动，应变测量精度优异。力学量测定装置的特征在于，具有：应变传感器，其在半导体基板的表面形成有多个压电电阻元件和电极垫；电气配线用树脂部件，其具备与多个所述电极垫电连接的多个配线；变形体，其与所述应变传感器的背面接合；以及粘接部，其将所述电气配线用树脂部件和所述变形体粘合，在所述电气配线用树脂部件的应变传感器附近区域设置有槽。

Description

力学量测定装置

技术领域

本发明涉及使用了能够测定构造部件的应变或应力的半导体应变传感器的力学量测定装置。

背景技术

作为检测各种构造部件产生的应变的传感器，例如已知有专利文献1记载的半导体应变传感器(以下称为应变传感器)。应变传感器是利用在硅(Si)等半导体上掺加杂质而形成的半导体压电电阻的器件。应变传感器的对应变的电阻变化率大到使用了金属薄膜的应变计的数十倍，能够测定微小的应变。

另外，在金属薄膜的应变计中，电阻变化小，因此需要用于放大所得到的电气信号的外部的放大器。在应变传感器中，由于电阻变化大，因此也可以在不使用外部的放大器的情况下使用所得到的电气信号，并且也能够在应变传感器的半导体芯片上建立放大器电路，因此期待应用用途和使用上的便利性大大地扩展。

另外，作为使用该应变传感器的模块，例如如专利文献2所记载的那样，有将应变传感器贴附于金属板等部件上的应变传感器模块。通过改变安装应变传感器的部件的构造，能够实现适于想要测量的应变状态的模块。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利文献特开2005-114443号公报

专利文献2：日本专利文献国际公开第2009/028283号

发明内容

发明所要解决的问题

图1和图2表示现有的应变传感器模块4的示意图。图1是本模块的俯视图，图2示出图1中的AA剖面图。本模块具有应变传感器1、与应变传感器1电连接的配线部8、经由接合材料2搭载有应变传感器1的变形体3、以及密封应变传感器1的密封树脂10。配线部8经由粘接部9贴附于变形体3。配线部8是用于向应变传感器1提供电力并输出测量应变值的部件，一般来说使用挠性配线板或玻璃环氧基板等。这是为了能够容易且廉价制造复杂的配线图案。这样，在应变传感器模块上一般使用电气配线用树脂部件。

接着，示出现有的应变传感器模块的课题。配线部8和粘接部9一般由树脂材料构成，但是树脂材料具有吸入水分而膨胀的特征。在本模块的情况下，由树脂材料构成的配线部和粘接部吸湿而膨胀。由于该膨胀，如图3和图4所示，相对于应变传感器在平行方向即Y方向上产生拉伸应变12(粗箭头)。其结果是，贴附有配线部8的变形体3也会产生拉伸应变，因此在应变传感器1上也会产生拉伸应变，从而传感器输出值发生变动。

这样，如果长时间使用本模块，则传感器输出由于配线部8和粘接部9的吸湿而发生变动，所以产生应变传感器模块的测量精度低下的问题。

因此，本发明的目的在于提供一种模块构造，能够抑制由于应变传感器模块构造的电气配线用部件等所使用的树脂部件的吸湿引起的传感器输出变动，提高了应变测量精度。

用于解决问题的手段

作为本发明的一个方式的力学量测定装置的特征在于，具有：应变传感器，其在半导体基板的表面形成有多个压电电阻元件和多个电极垫；电气配线用树脂部件，其具备与多个所述电极垫电连接的多个配线；变形体，其与所述应变传感器的背面接合；以及粘接部，其将所述电气配线用树脂部件和所述变形体粘合，在所述电气配线用树脂部件的芯片附近区域设置有槽。

发明的效果

根据本发明，能够提供如下应变传感器模块，即使电气配线用树脂部件吸湿，传感器输出值也难以变动，因此应变测量精度优异。

附图说明

图1是现有的应变传感器模块的平面示意图。

图2是沿图1的AA线的剖面图。

图3是由于吸湿引起的应变传感器模块的变形示意图。

图4是沿图3的AA线的剖面变形图。

图5是本发明的实施方式1涉及的应变传感器模块的俯视图。

图6A是沿图5的AA线的剖面图。

图6B是沿图5的BB线的剖面图。

图7A是应变传感器的俯视图。

图7B是应变传感器的俯视图。

图7C是应变传感器的侧视图。

图8是示出使用了应变传感器模块的载荷测量用负荷传感器的侧视图。

图9是使用了本发明的实施方式2涉及的应变传感器的压力传感器的剖面图。

图10是使用了本发明的实施方式2涉及的应变传感器的压力传感器的俯视图。

图11是本发明的实施方式3涉及的应变传感器模块的俯视图。

图12是本发明的实施方式4涉及的应变传感器模块的剖面图。

图13是本发明的实施方式5涉及的应变传感器模块的俯视图。

具体实施方式

以下，基于附图来详细说明本发明的实施方式。另外，在用于说明实施方式的全部附图中，对具有同一功能的部件标注同一符号，省略其重复说明。

[实施方式1]

首先，说明本实施方式的力学量测定装置的基本构成。图5是本实施方式的应变传感器模块的透视俯视图。另外，图6A和图6B分别是沿图5的AA线和BB线的剖面图。另外，在图5中，为了示出密封树脂10的内部构造，用点划线表示密封树脂10的轮廓，并示出透过密封树脂10的内部构造。如图5、图6A以及图6B所示，本实施方式的应变传感器模块具有应变传感器1、与应变传感器1电连接的配线部8(挠性配线板或玻璃环氧基板等)、经由接合材料2搭载有应变传感器1的变形体3、以及密封应变传感器1的密封树脂10。

图7A和图7B是示意性地表示图5、图6A和图6B所示的应变传感器1的表面侧和背面侧的构成的俯视图。如图7A和图7B所示，应变传感器1具备表面(主面)1a和位于表面1a的相反侧的背面(主面)1b。在传感器芯片1的背面1b形成有金属膜，背面1b由金属膜覆盖。该金属膜由例如从半导体基板侧依次层积有钛、镍、金(Ti、Ni、Au)的层积膜(金属层积膜)构成，例如可以通过溅射法形成。通过这样由金属膜覆盖应变传感器1的背面1b，能够提高与焊锡等金属制造的接合材料2的接合强度。另外，表面1a和背面1b分别形成四边形，在图7A和图7B所示的例子中，例如形成一边的长度为2mm～5mm左右的正方形。另外，应变传感器1具备形成在位于表面1a侧的中央部的传感器区域14的多个电阻元件15(压电电阻元件)。

另外，应变传感器1具备形成在相比表面1a侧的传感器区域14位于周缘部侧的输入输出电路区域的多个电极(垫、电极垫5)。多个电极(垫、电极垫5)与多个电阻元件15(压电电阻元件)电连接。多个电阻元件15由例如在具有(100)面的硅基板的元件形成面掺杂杂质并使其扩散的杂质扩散区域构成。传感器芯片1具备检测电路(应变检测电路)，该检测电路是例如电连接4个电阻元件15形成惠斯登电桥电路，并测量由压电电阻效应引起的电阻元件15的电阻变化来检测应变的电路。

另外，检测电路经由多个配线与多个电极垫5连接。多个电极垫5为传感器芯片1的输入输出端子，例如包含向应变传感器1供应电源电位(第一电源电位)的端子Vcc、供应基准电位(第二电源电位)的端子GND、以及输出检测信号的端子SIG。另外，构成检测电路的多个电阻元件15的布置不限于图7A至图7C所示的方式，但是在本实施方式中成为以下的构成。即，在应变传感器1具备的半导体基板(例如由硅(Si)构成的硅基板)为单结晶(单晶硅)的情况下，构成检测电路的多个电阻元件15的延伸方向(长度方向)分别与具有(100)面的半导体基板的<110>方向或<100>方向一致。例如，在图7A所示的例子中，在应变传感器1具备的半导体基板(硅基板)上形成有4个p型扩散区域(掺杂导电型为p型的杂质的区域)，以使电流沿单晶硅的<110>方向(在图7A中为X方向和与X方向正交的Y方向)的结晶方位流动。换言之，在传感器芯片1中，以沿硅基板的单晶硅的<110>方向的结晶方位延伸的方式在四处掺杂p型的杂质，形成4个电阻元件15。

另外，在图7B所示的例子中，在应变传感器1具备的半导体基板(硅基板)上形成有4个n型扩散区域(掺杂导电型为n型的杂质的区域)，以使电流沿单晶硅的<100>方向(在图7B中为X方向和与X方向正交的Y方向)的结晶方位流动。换言之，在应变传感器1中，以沿硅基板的单晶硅的<100>方向的结晶方位延伸的方式在4处掺杂n型的杂质，形成4个电阻元件15。

如图7A和图7B所示，构成检测电路的多个电阻元件15的延伸方向与分别具有(100)面的半导体基板的<110>方向或<100>方向一致的应变传感器1能够输出例如图7A和图7B所示的X方向的应变和Y方向的应变之差。具体地说，能够从图7A和图7B所示的端子SIG输出X方向的应变与Y方向的应变之差作为电位差。这样，输出X方向的应变与Y方向的应变之差的测量方式从降低施加给传感器芯片1的热应变的影响的观点来看是有利的。

即，如图5所示，应变传感器1与多个部件(在图5的情况下为变形体3、接合材料2)接合，因此一旦测定环境温度变化，则会产生由于各部件的线膨胀系数的差异引起的热应变。该热应变是与作为测定对象的应变不同的噪声成分，因此优选降低热应变的影响。

这里，如图7A和图7B所示，在应变传感器1的平面形状为正方形的情况下，热应变的影响在X方向和Y方向上成为相同程度。因此，例如，在检测X方向上产生的应变的情况下，如果输出X方向的应变与Y方向的应变之差，则解除由于热应变引起的应变量，能够选择性地检测出作为测定对象的应变。

即，如果使用应变传感器1，则能够降低由于热应变产生的影响，因此能够降低由于环境温度的变化而产生的应变值的离散。另外，构成应变传感器1的电阻元件15或电极垫5等各部件能够应用公知的半导体装置的制造技术来形成，因此容易进行元件或配线的微细化。另外，能够提高制造效率，能够降低制造成本。

接着，对接合材料2进行说明。接合材料2被设置为覆盖应变传感器1的背面全体和应变传感器1的侧面的一部分。换言之，接合材料2的周缘部也有时扩展到应变传感器1的侧面的外侧形成轮缘。从固定应变传感器1和变形体3的观点来看，接合材料2不限于金属材料，例如也能够使用热固化性树脂等树脂制粘接材料。

接着，如图5所示，在变形体3上固定有配线部8，所述配线部8具备与应变传感器1的多个电极垫5电连接的多个配线。配线部8是作为多个金属图案的配线部密封在树脂膜内的构成，在设置于树脂膜的一部分的开口部中，多个配线的一部分露出，该露出部分构成多个端子6。配线部8是用于向应变传感器1供应电力并输出测量应变值所需的部件，一般来说是由挠性配线板或玻璃环氧基板等树脂材料构成的电气配线用树脂部件。使用这样的部件的理由是为了能够廉价且容易制造复杂的配线图案。另外，该配线部8经由粘接部9与变形体3连接。

在本实施方式中，在配线部8的应变传感器附近区域设置有狭缝13。这里，所谓配线部8的应变传感器附近区域例如包含从配线部8的与应变传感器1邻接的端部到配线部8的中央部的区域。狭缝13被形成在完全贯穿配线部8的表背面，狭缝的长度方向相对于应变传感器1成为垂直方向(图中的X方向)。另外，狭缝13被制造成不会切断形成于配线部8的金属配线部(未图示)。这里，粘接部9可以设置与设置于配线部8的狭缝13同样的狭缝。

如果这样设置狭缝13，则能够大幅度地降低相对于配线部8的应变传感器1平行方向(图中的Y方向)的部件的刚度。因此，即使在配线部8吸湿而膨胀的情况下，给予连接有配线部8的变形体3的力也会很小，因此成为变形体3的Y方向的应变几乎不会产生，传感器输出值也几乎不会变动(即，应变传感器模块的测量精度不会降低)的结果。狭缝13的数量没有特别限制，但是如上所述，在不切断金属配线部的条件之下，优选形成尽量多的数量。这是因为，形成较多的数量能够降低部件的刚度。

另外，在图5所示的例子中，应变传感器1的多个电极垫5和配线部的多个端子6经由多个Au线7(导电性部件)电气连接。线7例如是线径为10μm～200μm左右的金线(Au线)，通过密封树脂10密封。通过由密封树脂10覆盖线7，能够防止相邻的线彼此的短路。另外，配线部8的一个端部如图5所示被固定在变形体3，在另一个端部例如形成有未图示的连接器，例如与控制应变测定的控制电路(省略图示)等电连接。另外，配线部8能够在应变传感器1与未图示的外部设备之间传送输入输出电流即可，不限于图5所示的方式。

接着，对变形体3进行说明。变形体3的形状设定为考虑了想要测量的应变成分或应变传感器模块的安装性等的构造即可。在本实施方式中，示出了平板形状的部件。在这样的形状的情况下，如图8所示，考虑设定为将变形体3的一端由粘接剂等固定在基座16的悬臂梁。在此情况下，通过施加给另一端的顶端的垂直方向的载荷，在变形体3上产生弯曲应变。通过测量该弯曲应变，能够估算垂直载荷值。变形体的构成材料未特别限定，可考虑金属材料、陶瓷材料等。但是，优选在将变形体3的底面全体由粘接剂固定到其他部件的情况下或将变形体3的两端通过螺合固定或电焊固定在其他部件的情况下，变形体3的材质优选与安装的其他部件的材质相同。这是因为，抑制当环境温度变动时，由于与变形体3不同的部件的线膨胀系数差引起热应变的产生。

[实施方式2]

在本实施方式中，作为应变传感器模块的变形体的形状不同的例子，示出压力传感器构造。

图9表示本实施方式的压力传感器模块的剖面图。基本上与实施方式1相同，但是变形体的形状差异较大。压力传感器模块20具有变形体3，该变形体3包括在内侧设置中空孔21的筒部22、以及封闭该筒部22中的中空孔21的上部的盖部分23。在中空孔21的上部的盖部分23的上表面经由接合材料2搭载有应变传感器1，在盖部分23的下表面形成有槽24。另外，为了从应变传感器1输出应变检测量，而经由线7安装有配线部8。并且，为了保护这些应变传感器1的周边部、且输出测量值，未图示的连接器安装在壳体26的周围。另外，壳体26应用树脂等。在该压力传感器模块20中，向图9中记载的箭头25的方向施加压力，槽24的某部分优先变形，由应变传感器1测量该变形，由此成为能够测量压力的构造。该压力传感器模块20例如在汽车的液压系的配管等连接有接头部26。与配管等连接，测量配管内部的压力等。

图10示出本实施方式的压力传感器模块的俯视图。但是，壳体26未图示。除了变形体3的形状不同以外，是与图5所示的应变传感器模块相同的构造。由于在配线部8设置有狭缝13，因此即使在配线部8吸湿而膨胀的情况下，对连接有配线部8的变形体3施加的力也小。因此，变形体3几乎没有变形，传感器输出值几乎没有变动。即，成为压力传感器模块的压力测量精度不会降低的结果。这样，在本压力传感器模块中，由于吸湿产生的零点变动小，因此即使在车载用途的高温高湿环境下使用的情况下，也能够高精度且长时间稳定地测量压力变化。

[实施方式3]

图11表示本实施方式的应变传感器模块的俯视图。基本上与实施方式1相同，但是设置于配线部8的狭缝13的形状不同。实施方式1中的狭缝13设置在配线部的端子6的位置的外侧(即离开应变传感器1的位置)。另一方面，在本实施方式中，特征在于，狭缝的端部扩大至配线部8的端部，配线部8的端部的形状为梳齿形状。与实施方式1相比，应变传感器1的附近区域中的配线部8的刚度更低，因此能够进一步抑制吸湿时的传感器输出变动。另外，狭缝13被制造成不会切断形成于配线部8的金属配线部(未图示)和配线部的端子6。

这里，粘接部9可以设置与设置在配线部8的狭缝13同样的形状的狭缝。但是，必须在配线部8的端子6的正下方设置粘接部9。这是因为，由于成为没有粘接部9的状态和配线部8的端子6从变形体3浮起的状态，因此不会在配线部8的端子6上采取引线接合。

[实施方式4]

应用图3使用图12来说明本实施方式的构造。图12表示沿图3中的CC线的剖面图。基本构造与图3所示的构造相同，但是配线部8的剖面构造不同。如图12所示，配线部8存在在厚度方向(图中的X方向)上部分地变薄的槽27。在实施方式1中，该槽27成为达到配线部8的上表面而完全贯通的状态，但是在本实施方式中，没有成为完全贯通的状态。与实施方式1和实施方式3相比，由于配线部8的刚度大，因此由于吸湿引起的传感器输出变动的抑制效果小，但是具有当将配线部8粘贴于变形体3时容易处理配线部8的优点。

[实施方式5]

图13示出了本实施方式的应变传感器模块的俯视图。基本上与实施方式1相同，但是配线部8的形状不同。

在实施方式1中，由于变形体3的尺寸较小，因此仅将设置配线部8的区域作为应变传感器1的一边侧。本实施方式假定变形体3的尺寸较大的情况。在这样的情况下，可考虑将配线部8设置在应变传感器1的四边。如在实施方式1中所记载的那样，本应变传感器的输出值输出图中的X方向和Y方向的差值。因此，如果将配线部8设置在应变传感器1的四边而成为对称构造，如果四边的各区域中的配线部8相同程度地吸湿膨胀，则由于膨胀引起的X方向和Y方向的应变量为相同程度，因此成为传感器输出值不变动的结果。但是，在考虑实际使用状态的情况下，考虑由于粘贴位置的离散和粘接部9的厚度离散，导致对称性恶化，由于吸湿产生膨胀，从而传感器输出发生变动。因此，如本实施方式所示的那样，如果在配线部8的四边的各区域中设置狭缝13，则能够抑制由于吸湿引起的传感器输出变动。

符号说明

1…应变传感器

1a…表面

1b…背面

2…接合材

3…变形体

4…应变传感器模块

5…芯片侧电极垫

6…配线部的端子

7…Au线

8…配线部

9…粘接部

10…密封树脂

11…端子部

12…Y方向拉伸应变

13…狭缝

14…传感器区域

15…电阻元件

16…基座

20…压力传感器模块

21…中空孔

22…筒部

23…盖部分

24…槽

25…压力负荷

26…壳体

27…槽

Claims (7)

1.一种力学量测定装置，其特征在于，具有：

应变传感器，其在半导体基板的表面形成有多个压电电阻元件和多个电极垫；

电气配线用树脂部件，其具备与多个所述电极垫电连接的多个配线；

变形体，其与所述应变传感器的背面接合；以及

粘接部，其将所述电气配线用树脂部件和所述变形体粘合，

在所述电气配线用树脂部件的应变传感器附近区域设置有槽，

设置于所述电气配线用树脂部件的槽成为完全贯通树脂部件的狭缝形状。

2.如权利要求1所述的力学量测定装置，其特征在于，

设置于所述电气配线用树脂部件的槽的长度方向，相对于所述应变传感器形成在垂直方向。

3.如权利要求1或2所述的力学量测定装置，其特征在于，

在所述粘接部的应变传感器附近区域也设置有槽。

4.如权利要求3所述的力学量测定装置，其特征在于，

设置于所述粘接部的槽的长度方向，相对于所述应变传感器形成在垂直方向。

5.如权利要求1或2所述的力学量测定装置，其特征在于，

设置于所述粘接部的槽成为完全贯通所述粘接部的狭缝形状。

6.如权利要求1或2所述的力学量测定装置，其特征在于，

设置于所述电气配线用树脂部件的槽达到所述电气配线用树脂部件的靠近应变传感器的一侧的端部，所述电气配线用树脂部件的端部成为梳齿形状。

7.如权利要求1所述的力学量测定装置，其特征在于，

所述电气配线用树脂部件形成在所述应变传感器的四边的附近区域，在所述四边的各附近区域中设置有槽。

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