JP2006250550A - Sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、センサに関し、特に熱応力の影響を小さくできる構造を有するセンサに関する。 The present invention relates to a sensor, and more particularly to a sensor having a structure that can reduce the influence of thermal stress.
図24は、従来の加速度センサ11の概略断面図である。この加速度センサ11は、センサチップ12、基板13、カバー14によって構成されており、カバー14は、センサチップ12を覆うようにして基板13に固定されており、センサチップ12を外部と隔離している。センサチップ12は、錘17の周囲にフレーム15が設置され、錘17とフレーム15を繋ぐようにして複数のビーム16が設けられている。またビーム16には半導体抵抗素子からなるピエゾ抵抗18などが設けられており、加速度によって錘17が変位してビーム16が撓むと、ピエゾ抵抗18に応力が作用して抵抗値が変化する。従って、その抵抗値の変化を出力電圧の変化に変換することにより、各軸ごとの加速度を検出することができるようになっている。センサチップ12は、フレーム15全体を基板13に接着剤19で接着して固定されている。また、センサチップ12には、ピエゾ抵抗18と電気的に接続された電極パッド20が設けられ、基板13に設けられた電極パッド21とワイヤー22で電気的に接続されている。
FIG. 24 is a schematic cross-sectional view of a
しかしながら、従来の加速度センサ11においては、フレーム15全体が基板13に接着剤19で接着されて拘束されているので、線膨張係数の違う基板13とセンサチップ12の間で環境温度の変化により発生する応力や接着剤の硬化収縮により発生する応力などの検出対象(加速度)以外の要因でビーム16にも応力が作用してしまい、零点出力値の変動及び検出精度の低下をもたらすという問題があった。
However, in the
環境温度の変化や接着剤の硬化収縮によって発生する応力の影響を小さくする方法として、特許文献1記載の発明には、接着面積、接着位置、接着剤の構成について提案されている。詳しくは、センサチップと基板の接着において、接着面積は接着強度が得られる程度まで接着面積を縮小し、その接着位置は応力が均等に作用するように基板面で対称となるように接着し、さらに接着剤には弾性率が小さい接着剤を用いることが記載されている。しかしながら、このように接着位置が対称となるように接着すると、センサチップと基板との熱変形等による相対変位が規制されることには変わりがないため、応力による出力変動は依然として大きくなる。また、上記のように弾性率の小さい接着剤で接着すると、ワイヤボンディングでセンサチップにワイヤを接続する際の超音波振動により、ビームが大きく揺れ、ビーム折れやビーム上の配線が変形してしまうなどの破損が発生しやすく、歩留まりが低下するという問題があった。この回避策として、ワイヤーボンディング時の超音波振動のエネルギーを小さくするとワイヤーの固着強度が低くなってしまうという問題があった。
本発明は上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、熱応力の影響が少なく検出精度が良好で、かつ生産性の高いセンサを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above technical problems, and an object of the present invention is to provide a sensor that is less affected by thermal stress and has good detection accuracy and high productivity. .
本発明にかかるセンサは、センサチップを基板の表面に実装したセンサであって、前記センサチップの実装面と平行な面を前記センサチップの中心を通るある直線によって2つの区域に分けたとき、前記センサチップの前記基板への固定領域が、前記直線で分けられたいずれか一方の区域にのみ属していることを特徴としている。 The sensor according to the present invention is a sensor in which a sensor chip is mounted on the surface of a substrate, and when a plane parallel to the mounting surface of the sensor chip is divided into two areas by a straight line passing through the center of the sensor chip, A region where the sensor chip is fixed to the substrate belongs to only one of the areas divided by the straight line.
本発明のセンサは、少なくとも片側半分は基板と接着されていないので、基板と接着されていない側がずれることによって環境温度の変化に伴いセンサチップと基板の線膨張差や接着剤の硬化収縮によって発生する応力を緩和することができる。また、センサの検出部に不要な応力が伝わることなく、それに起因する検出精度などの特性変動を抑えることができる。また、センサチップの中心には、センサチップの上面視における重心や、センサチップの重量中心からセンサチップの上面に垂線を引いた時の交点などを用いることができる。 In the sensor of the present invention, since at least one half is not bonded to the substrate, the side that is not bonded to the substrate is shifted, and this occurs due to the difference in linear expansion between the sensor chip and the substrate and the curing shrinkage of the adhesive as the environmental temperature changes. To relieve stress. Further, unnecessary stress is not transmitted to the detection unit of the sensor, and fluctuations in characteristics such as detection accuracy due to the stress can be suppressed. Further, the center of the sensor chip can be the center of gravity of the sensor chip as viewed from above, or the intersection when a perpendicular line is drawn from the center of weight of the sensor chip to the upper surface of the sensor chip.
本発明にかかるセンサの実施態様によれば、前記センサチップは垂直上方から見たとき、辺の数が4以上の多角形をなし、その下面の外周部領域の一辺の全体若しくは一部のみが前記基板に固定されていることを特徴としている。 According to the embodiment of the sensor of the present invention, the sensor chip is a polygon having four or more sides when viewed from the vertical upper side, and only the whole or a part of one side of the outer peripheral area of the lower surface thereof. It is fixed to the substrate.
本発明の実施態様は、センサチップの一辺のみが前記基板と接着固定されて、残りの辺は基板から離れて自由に動くことができるので、その残りの辺が動くことにより応力を緩和できる。 In the embodiment of the present invention, only one side of the sensor chip is bonded and fixed to the substrate, and the remaining side can move freely away from the substrate. Therefore, the stress can be relieved by moving the remaining side.
本発明にかかるセンサの別な実施態様によれば、前記センサチップは垂直上方から見たとき、前記センサチップの上面に設けられた信号取り出し用電極は、前記直線で分けられた2つの区域のうち、前記センサチップの固定領域が属する区域と同じ区域に属していることを特徴としている。 According to another embodiment of the sensor of the present invention, when the sensor chip is viewed from vertically above, the signal extraction electrode provided on the upper surface of the sensor chip has two areas separated by the straight line. Of these, the sensor chip belongs to the same area as the area to which the fixed area of the sensor chip belongs.
また、本発明にかかるセンサのさらに別な実施態様によれば、前記センサチップの上面に設けられた信号取り出し用電極は、前記センサチップの固定領域の真上に位置していることを特徴としている。 According to still another embodiment of the sensor of the present invention, the signal extraction electrode provided on the upper surface of the sensor chip is located directly above the fixed region of the sensor chip. Yes.
本発明の実施態様は、センサチップに設けられた信号取り出し用電極の直下或いは直下の近傍が基板と固定されているので、ワイヤーボンディングによりワイヤー(配線)を信号取り出し用電極に接続する際に固着強度不良などが発生しにくくなる。 In the embodiment of the present invention, the portion immediately below or near the signal extraction electrode provided on the sensor chip is fixed to the substrate, so that the wire (wiring) is fixed when the wire (wiring) is connected to the signal extraction electrode by wire bonding. Insufficient strength is unlikely to occur.
本発明にかかるセンサの別な実施態様によれば、前記センサチップの固定領域以外の領域が前記基板から所定距離以上浮き上がらないようにするためのストッパ部品を設けたことを特徴としている。 Another embodiment of the sensor according to the present invention is characterized in that a stopper component is provided to prevent an area other than the fixed area of the sensor chip from rising above a predetermined distance from the substrate.
本発明の実施態様は、ストッパ部品によってセンサチップを基板の基板面と垂直な方向に可動可能な距離を制限しているので、落下などにより強い衝撃が加えられた場合でも、必要以上にセンサチップの基板と接着していない領域が基板から所定距離以上浮き上がることがなく、センサチップの破損が発生しにくくなる。 In the embodiment of the present invention, the distance by which the sensor chip can be moved in the direction perpendicular to the substrate surface of the substrate is limited by the stopper component, so even if a strong impact is applied due to dropping or the like, the sensor chip is more than necessary. The region that is not bonded to the substrate does not float above the substrate by a predetermined distance, and the sensor chip is not easily damaged.
また、本発明にかかるセンサのさらに別な実施態様によれば、前記センサチップの固定領域以外の領域と前記基板をダミーワイヤーによって接続したことを特徴としている。 According to still another embodiment of the sensor of the present invention, a region other than the fixed region of the sensor chip and the substrate are connected by a dummy wire.
本発明の実施態様は、センサチップの固定領域以外の領域にダミーワイヤーを設けているので、落下などにより強い衝撃が加えられた場合でも、ダミーワイヤーの弾性によってセンサチップの基板と接着していない領域が基板から浮き上がりにくくなり、センサチップの破損を防止できる。さらに、ダミーワイヤの上部がセンサチップを覆うカバーの内面と接するようにすれば、カバーによってダミーワイヤがセンサチップ側に力を受けるので、より浮き上がりにくくなる。 In the embodiment of the present invention, since the dummy wire is provided in an area other than the sensor chip fixing area, even when a strong impact is applied due to dropping or the like, the dummy wire is not adhered to the sensor chip substrate due to elasticity. The region is less likely to lift from the substrate, and the sensor chip can be prevented from being damaged. Further, if the upper part of the dummy wire is in contact with the inner surface of the cover that covers the sensor chip, the dummy wire is applied to the sensor chip side by the cover, so that it is more difficult to lift.
本発明にかかるセンサの別な実施態様によれば、センサチップを基板の表面に実装したセンサであって、
前記センサチップの実装面と平行な面を前記センサチップの中心を通るある直線によって2つの区域に分けたとき、前記直線で分けられたいずれか一方の区域の一部或いは全域を硬度の高い接着剤で前記基板に固定し、他方の区域の一部或いは全域を柔軟な接着剤を用いて固定していることを特徴としている。
According to another embodiment of the sensor of the present invention, a sensor having a sensor chip mounted on the surface of a substrate,
When a surface parallel to the mounting surface of the sensor chip is divided into two areas by a certain straight line passing through the center of the sensor chip, a part or the whole of one of the areas divided by the straight line is bonded with high hardness. It is characterized in that it is fixed to the substrate with an agent, and a part or the whole of the other area is fixed using a flexible adhesive.
本発明の実施態様は、センサチップの硬度の高い接着剤で基板と接着された領域以外の領域の全て或いは一部を柔軟な接着剤で基板と接着しているので、落下などにより強い衝撃が加えられた場合でも、必要以上にセンサチップが基板から浮き上がることがなく、センサチップの破損が発生しにくくなる。また、環境温度の変化や接着剤の硬化収縮によって発生した応力は柔軟な接着剤が変形して緩和することができるので、その応力がセンサの検出部に伝わることがなく、それに起因する検出精度などの特性変動を抑えることができる。 In the embodiment of the present invention, all or a part of the region other than the region bonded to the substrate with the adhesive having high hardness of the sensor chip is bonded to the substrate with a flexible adhesive, so that a strong impact is caused by dropping or the like. Even when the sensor chip is added, the sensor chip is not lifted from the substrate more than necessary, and the sensor chip is hardly damaged. In addition, the stress generated by changes in environmental temperature and curing shrinkage of the adhesive can be relaxed by the deformation of the flexible adhesive, so that the stress is not transmitted to the sensor's detector, and the detection accuracy caused by it Variations in characteristics such as can be suppressed.
本発明にかかるセンサの別な実施態様によれば、前記センサチップは垂直上方から見たとき、辺の数が4以上の多角形をなし、その下面の外周部領域の一辺の全体若しくは一部のみが前記基板に硬度の高い接着剤で接着され、他方の区域の一部或いは全域を柔軟な接着剤で接着されていることを特徴としている。 According to another embodiment of the sensor according to the present invention, the sensor chip is a polygon having four or more sides when viewed from vertically above, and the whole or a part of one side of the outer peripheral area of the lower surface thereof. Only the substrate is bonded to the substrate with a high-hardness adhesive, and a part or the whole of the other region is bonded to the substrate with a soft adhesive.
本発明の実施態様は、センサチップの硬度の高い接着剤で前記基板と接着固定された一辺以外の残りの辺は柔軟な接着剤で固定されているので、柔軟な接着剤が変形することにより応力を緩和することができる。 In the embodiment of the present invention, the remaining side other than the one side bonded and fixed to the substrate with the adhesive having high hardness of the sensor chip is fixed with the flexible adhesive, so that the flexible adhesive is deformed. Stress can be relaxed.
本発明にかかるセンサの別な実施態様によれば、前記センサチップは垂直上方から見たとき、前記センサチップの上面に設けられた信号取り出し用電極は、前記直線で分けられた2つの区域のうち、前記センサチップの前記硬度の高い接着剤で接着された領域が属する区域と同じ区域に属していることを特徴としている。 According to another embodiment of the sensor of the present invention, when the sensor chip is viewed from vertically above, the signal extraction electrode provided on the upper surface of the sensor chip has two areas separated by the straight line. Of these, the sensor chip belongs to the same area as the area to which the area bonded with the high-hardness adhesive belongs.
本発明にかかるセンサの別な実施態様によれば、前記センサチップの上面に設けられた信号取り出し用電極は、前記センサチップの前記硬度の高い接着剤で接着された領域の真上に位置していることを特徴としている。 According to another embodiment of the sensor of the present invention, the signal extraction electrode provided on the upper surface of the sensor chip is located directly above the region of the sensor chip bonded with the high-hardness adhesive. It is characterized by having.
本発明の実施態様は、センサチップに設けられた信号取り出し用電極の直下或いは直下の近傍が基板と硬度の高い接着剤で固定されているので、ワイヤーボンディングによりワイヤー(配線)を信号取り出し用電極に接続する際に固着強度不良などが発生しにくくなる。 In the embodiment of the present invention, the signal extraction electrode provided on the sensor chip is fixed to the substrate with a high-hardness adhesive directly under or near the signal extraction electrode, so that the wire (wiring) is connected to the signal extraction electrode by wire bonding. When it is connected to the cable, it becomes difficult to cause a bad fixing strength.
本発明にかかるセンサの別な実施態様によれば、請求項1〜10に記載のセンサで、かつ、加速度を検出するためのセンサであって、前記センサは外力の変化に応じて変位する可動部と、静止部材と、前記可動部を前記静止部材に支持させるための弾性支持部と、前記弾性支持部材の変位量を計測するための測定手段を備えたセンサチップと、前記センサチップを実装して固定した基板からなることを特徴としている。
According to another embodiment of the sensor of the present invention, the sensor according to any one of
本発明の実施態様は、環境温度の変化や基板の反りなどに起因する基板の変形の影響がセンサチップに伝達されにくいので、検出対象以外の外部応力の影響を受けにくく、検出精度よく加速度を測定することができる。 In the embodiment of the present invention, since the influence of the deformation of the substrate due to the change of the environmental temperature or the warpage of the substrate is difficult to be transmitted to the sensor chip, it is difficult to be influenced by the external stress other than the detection target, and the acceleration is detected with high accuracy. Can be measured.
なお、本発明の以上説明した構成要素は、可能な限り任意に組み合わせることができる。 In addition, the component demonstrated above of this invention can be combined arbitrarily as much as possible.
以下、本発明の実施例を図面に従って詳細に説明する。ただし、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものでないことは勿論である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, it goes without saying that the present invention is not limited to the examples described below.
図1に本発明の一実施例における加速度センサ101の概略断面を示す。加速度センサ101は、基板112と、基板112上に固定されたセンサチップ111と、カバー113で構成されている。センサチップ111は、基板112に固定されており、基板112とカバー113によって形成された空間内に収められて外部と隔離されている。
FIG. 1 shows a schematic cross section of an
図2にセンサチップ111の平面図、図3にセンサチップの概略断面図を示す。センサチップ111は、フレーム117A〜117H(静止部材)の中央部に可動部材119が位置しており、フレーム117A、117C、117E、117Gと可動部材119とは可撓性を有する4本のビーム118A〜118Dによってつながっている。つまり、可動部材119は、ビーム118A〜118Dによってフレーム117A、117C、117E、117Gに支持されており、その下面には錘120が設けられている。センサチップ111は、ガラス基板115とシリコン基板114との2層構造となっている。フレーム117A〜117Hはガラス基板115及びシリコン基板114の2層によって構成され、可動部材119及びビーム118A〜118Dはシリコン基板114によって形成され、錘120はガラス基板115の一部をフレーム部分から分離させることによって形成されており、可動部材119に固定されてる。また、フレーム117A〜117Hはガラス基板115の部分では互いに分離しており、シリコン基板114の部分でつながっている。
FIG. 2 is a plan view of the
4本のビーム118A〜118Dは可動部材119の上面と平行な平面内で十字状に配置されており、一対のビーム118A、118Cに平行な方向をX軸方向といい、他の一対のビーム118B、118Dに平行な方向をY軸方向といい、これらのビーム118A〜118Dに垂直な方向をZ軸方向というものとする。X軸方向に延びた一方のビーム118Aの上面には、本発明にかかる半導体抵抗素子からなるピエゾ抵抗Rx1、Rx2、Rz1、Rz2が作り込まれている。ここで、ピエゾ抵抗Rx1とRz1はビーム118Aのフレーム117A側の端部において並列に配置されており、ピエゾ抵抗Rx2とRz2はビーム118Aの可動部材119側の端部において並列に配置されている。同様に、X軸方向に延びた他方のビーム118Cの上面には、本発明にかかる半導体素子からなるピエゾ抵抗Rx3、Rx4、Rz3、Rz4が作り込まれている。ピエゾ抵抗Rx3とRz3はビーム118Cの可動部材119側の端部において並列に配置されており、ピエゾ抵抗Rx4とRz4はビーム118Cのフレーム117E側の端部において並列に配置されている。また、Y軸方向に延びた一方のビーム118Bの上面には、本発明にかかる半導体抵抗素子からなるピエゾ抵抗Ry1、Ry2が作り込まれており、ピエゾ抵抗Ry1はビーム118Bのフレーム117C側の端部に配置されており、ピエゾ抵抗Ry2はビーム118Bの可動部材119側の端部に配置されている。同様に、Y軸方向に延びた他方のビーム118Dの上面には、本発明にかかる半導体抵抗素子からなるピエゾ抵抗Ry3、Ry4が作り込まれており、ピエゾ抵抗Ry4はビーム118Dのフレーム117G側の端部に配置されており、ピエゾ抵抗Ry3はビーム118Dの可動部材119側の端部に配置されている。
The four
また、シリコン基板114の上面は周囲を残して浅くエッチングすることによって凹部131が設けられており、凹部131のフレーム117A上には複数の電極パッド122が設けられている。フレーム117A〜117H、可動部材119及びビーム118A〜118Dの上面は絶縁膜132によって覆われており、各ピエゾ抵抗Rx1〜Rx4、Ry1〜Ry4、Rz1〜Rz4及び電極パッド122は絶縁膜132の上に形成されたAl配線133によって接続されている(図2では図示せず)。
Further, the upper surface of the
また、センサチップ111は、フレーム117A(図2に梨地を施した箇所)のみが接着剤121によって基板112と接着して固定されている。したがって、フレーム117B〜117Hは基板112に接着されておらず基板112と独立して動くことができ、環境温度の変化などにより基板112とセンサチップ111の線膨張量に差が生じても基板112に拘束されることはないようになっている。従って、図4aに示した従来の加速度センサ11では、フレーム15全体が接着剤19で固定されているので温度変化などにより基板13とセンサチップ12の間で線膨張量に差が生じた場合、センサチップ12も基板13の変形に追従して変形するため、ビーム16が凸状或いは凹状に変形してしまい、環境温度による零点出力の変化や検出精度低下などの問題が発生する。これに対し、図4bに示すようにフレーム117A〜117Hのうちフレーム117Aのみが基板112と接着されている場合には、フレーム117B〜117Hが基板112に拘束されていないのでセンサチップ111は基板112に追従して変形せず、ビーム118A〜118Dへの影響も小さくなる。なお、センサチップ111と基板112の固定に使用する接着剤121には、接着力が強固なエポキシ系接着剤を用いることが望ましい。また、接着剤121の硬化収縮などを考慮すると、硬化収縮量の小さい常温硬化タイプ、無溶剤タイプのものが好ましい。
In addition, the
次に、図5に基板112の平面図を示す。基板112は、矩形平板状でアルミナ系セラミックス、金属リッドなどで形成されており、基板112のセンサチップ111及びカバー113の実装面には、カバー113を半田付けするためのカバー実装部136及びセンサチップ111の電極パッド122から引き出した配線を接続するための電極パッド124が形成されている。電極パッド122と電極パッド124は、ワイヤボンディングによって金などのワイヤ123などで接続されている。また、センサチップ111を実装する位置を記したチップ実装部137及び接着剤を塗布する場所を示した接着剤塗布部138に位置確認用のマーク(図4中では破線で表示)が付けられており、接着剤塗布部138はチップ実装部137にセンサチップ111が実装されたときにフレーム117Aが位置する場所にマークされている。つまり、センサチップ111の実装時にセンサチップ111と基板112はフレーム117Aのみで接着固定される。また、接着剤121によって基板112と固定されるフレーム117A上に電極パット122が配置されているのでワイヤーボンディングによるワイヤ123の接続を強固に接続することができるようになっている。さらに、特に図示していないが電極パッド124は、基板112の裏面(センサチップ111の実装されている面と逆側の面)に形成された親基板に実装するための実装用電極と配線によって電気的に接続されている。
Next, FIG. 5 shows a plan view of the
カバー113は、図1に示すように断面がコの字型をしており、金属やセラミックスなどの材料で形成されている。カバー113は、基板112に接着されたセンサチップ111をコの字部分で覆うようにして基板112に設置されており、周囲を基板112に設けられたカバー実装部136に半田などで接合することによって、センサチップ111を外部と隔離している。これによって、センサチップ111が外部の湿気を含んだ空気や腐食ガスなどとの接触を防止し、特性の劣化が起こりにくいようになっている。
As shown in FIG. 1, the
次に、図6〜11を用いてXYZ各軸の加速度を検出する方法について説明する。図6はX軸方向の加速度を検出するためのX軸方向加速度検出回路を示しており、ビーム118A及び118Cの上に形成されたピエゾ抵抗Rx1、Rx2、Rx3、Rx4を用いて図6に示すようにしてフルブリッジ回路を構成することにより加速度を検出することができる。すなわち、ピエゾ抵抗Rx1及びRx4が直列に接続された枝とピエゾ抵抗Rx2及びRx3が直列に接続された枝とが並列に接続されてフルブリッジ回路が構成されており、フルブリッジ回路の両端には電源134から電圧が印加されるようになっている。従って、電位差計135Xによって計測されるピエゾ抵抗Rx1及びRx4の中点の電位とピエゾ抵抗Rx2及びRx3の中点の電位との差Vxは、次の数式(1)で表わされる。ただし、Voは電源134の出力電圧であり、各ピエゾ抵抗Rx1、Rx2、Rx3、Rx4の抵抗値は、同じ記号を用いて表わしている(以下、同様)。
同様に、図7はY軸方向の加速度を検出するためのY軸方向加速度検出回路を示しており、ビーム118B及び118Dの上に形成されたピエゾ抵抗Ry1、Ry2、Ry3、Ry4は、図7に示すようにしてフルブリッジ回路を構成することにより加速度を検出することができる。よって、この回路でも、電位差計135Yによって計測されるピエゾ抵抗Ry1及びRy4の中点の電位とピエゾ抵抗Ry2及びRy3の中点の電位との差Vyは、次の数式(2)で表わされる。
また、図8はZ軸方向の加速度を検出するためのZ軸方向加速度検出回路を示しており、ビーム118A及び118Cの上に形成されたピエゾ抵抗Rz1、Rz2、Rz3、Rz4は、図8に示すようにしてフルブリッジ回路を構成することにより加速度を検出することができる。すなわち、ピエゾ抵抗Rz1及びRz3が直列に接続された枝とピエゾ抵抗Rz2及びRz4が直列に接続された枝とが並列に接続されてフルブリッジ回路が構成されており、フルブリッジ回路の両端には電源134から電圧が印加されるようになっている。従って、電位差計135Zによって計測されるピエゾ抵抗Rz1及びRz3の中点の電位とピエゾ抵抗Rz2及びRz4の中点の電位との差Vzは、次の数式(3)で表わされる。
なお、上記各フルブリッジ回路は、センサチップ111内で構成してもよいし、センサチップ111と基板112、或いは加速度センサ101が実装される親基板の配線まで含めて構成してもよい。ただし、フルブリッジ回路を構成するピエゾ抵抗以外の配線が長くなると配線抵抗が大きくなり、その影響が大きくなるので、センサチップ111でフルブリッジ回路を構成することが望ましい。
Each of the full bridge circuits may be configured in the
図9はセンサチップ111に−X軸方向の加速度が働いている場合を表わしており、図10はそのビーム118A、118Cの部分を拡大して表わしている。このように、センサチップ111に−X方向の加速度が働いたとすると、錘120は慣性力によってX方向に引かれる。よって、ビーム118A、118Cはいずれも図9に示すようにS字状に湾曲する。このとき、図10に表わしているように、ピエゾ抵抗Rx1、Rx3が延びて引張応力を受け、その抵抗値が増加する。また、ピエゾ抵抗Rx2、Rx4が縮んで圧縮応力を受け、その抵抗値が減少する。よって、X軸方向加速度検出回路においては、ビーム118A、118Cの曲がりの大きさに応じてピエゾ抵抗Rx1及びRx4間の電位が下がり、ピエゾ抵抗Rx2及びRx3間の電位が上がり、図6又は数式(1)から分かるように、電位差計135Xで加速度の大きさに応じた電位差が計測される。
FIG. 9 shows a case where acceleration in the -X-axis direction is acting on the
また、−X方向に加速度が働いている場合には、図10に表わしているように、ピエゾ抵抗Rz1、Rz3が引張応力を受けて抵抗値が増加し、ピエゾ抵抗Rz2、Rz4が圧縮応力を受けて抵抗値が減少する。よって、Z軸方向加速度検出回路においては、ビーム118A、118Cが変形してもピエゾ抵抗Rz1とRz3は同じように抵抗値が増加するので両者の間の電位は変化せず、ピエゾ抵抗Rz2及びRz4は同じように抵抗値が減少するので両者の間の電位は変化せず、従って、図8又は数式(3)から分かるように、電位差計135Zでは電位差は検出されない。よって、X方向の加速度は、Z軸方向加速度検出回路によっては検知されない。さらに、Y軸方向のビーム118B、118Dは捻れるだけであるから、そのピエゾ抵抗Ry1〜Ry4は同じように抵抗値が変化するに過ぎず、図7又は数式(12)から分かるように、Y軸方向加速度検出回路ではX方向の加速度は検出されない。
When acceleration is acting in the -X direction, as shown in FIG. 10, the piezo resistances Rz1 and Rz3 are subjected to tensile stress and the resistance value is increased, and the piezo resistances Rz2 and Rz4 are subjected to compressive stress. In response, the resistance value decreases. Therefore, in the Z-axis direction acceleration detection circuit, even if the
加速度センサ101にY軸方向の加速度が働いた場合も、上記の場合と同様にしてY軸方向加速度検出回路によってY軸方向の加速度が検出される。一方、Y軸方向の加速度が働いてもビーム118A、118Cは捻れるだけであるので、X軸方向加速度検出回路でもZ軸方向加速度検出回路でもY軸方向の加速度は検出されない。
Even when acceleration in the Y-axis direction is applied to the
次に、図11に示すように、加速度センサ101に−Z方向の加速度が働いている場合を考えると、錘120は慣性力によって+Z方向に変位する。このとき、各ビーム118A〜118Dは図11に示すように変形するので、ピエゾ抵抗Rx1、Rx4、Ry1、Ry4、Rz1、Rz4が圧縮応力を受けて抵抗値が下がり、ピエゾ抵抗Rx2、Rx3、Ry2、Ry3、Rz2、Rz3が引張応力を受けて抵抗値が上がる。よって、Z軸方向加速度検出回路においては、ピエゾ抵抗Rz1及びRz3間の電位が上がり、ピエゾ抵抗Rz2及びRz4間の電位が下がり、図8又は数式(3)から分かるように、電位差計135ZによりZ方向の加速度の大きさに応じた電位差が検出される。また、Z軸方向の加速度が働いている場合には、X方向加速度検出回路では、ピエゾ抵抗Rx1及びRx4間の電位が変化せず、ピエゾ抵抗Rx2及びRx3間の電位も変化しないので、Z方向の加速度はX軸方向加速度検出回路では検出されない。同様に、Y軸方向加速度検出回路では、ピエゾ抵抗Ry1及びRy4間の電位が変化せず、ピエゾ抵抗Ry2及びRy3間の電位も変化しないので、Z方向の加速度はY軸方向加速度検出回路では検出されない。
Next, as shown in FIG. 11, considering the case where acceleration in the −Z direction is acting on the
以上説明したように、かかる加速度センサ101によれば、X軸方向の加速度、Y軸方向の加速度及びZ軸方向の加速度をそれぞれX軸方向加速度検出回路、Y軸方向加速度検出回路、Z軸方向加速度検出回路によってそれぞれ独立して計測することができる。
As described above, according to the
図12〜16は上記加速度センサ101の製造工程を説明する概略図である。以下、図12〜図16に従って、加速度センサ101の製造工程を説明する。まず、p型シリコン基板(ウエハ)114の上面を浅くエッチングして凹部131を形成する(図12(a))。ついで、シリコン基板114の上面のうちフレーム117A〜117H、可動部材119及びビーム118A〜118Dとなる領域にP(リン)等のn型不純物をイオン注入し、拡散アニールを施してシリコン基板114の表面層にn型の拡散層141を形成する(図12(b))。この拡散層141の拡散深さにより、ビーム118A〜118Dの厚みは制御される。
12 to 16 are schematic views for explaining the manufacturing process of the
このシリコン基板114の裏面に酸化膜や窒化膜等の被覆142を形成した後、拡散層141の表面層にB(硼素)等のp型不純物をイオン注入してピエゾ抵抗Rx1〜Rx4、Ry1〜Ry4、Rz1〜Rz4となるp型の抵抗素子領域143を形成する。さらに、拡散層141の上に絶縁膜132を形成し、抵抗素子領域143の両端に対向する位置で絶縁膜132に開口部を設け、Al配線133を形成する。こうして形成されたAl配線133は各抵抗素子領域143の両端と各電極パッド122に接続されている(図13(a))。
A
ついで、シリコン基板114を裏面研磨してシリコン基板114の厚みを薄くした後、シリコン基板114の裏面に窒化膜からなるマスク144を形成する。マスク144は、フレーム117A〜117Hのシリコン基板部分になる領域と可動部材119の下面になる領域を覆うように形成される(図13(b))。また、フレーム117A〜117H、可動部材119及びビーム118A〜118D以外の領域においては、上面の絶縁膜132をエッチング除去してシリコン基板114を露出させておく。
Next, after the
この後、拡散層141とシリコン基板114の下面との間に逆バイアスとなるように電圧を印加した状態でシリコン基板114の下面にエッチング液を接触させ、マスク144の開口を通してシリコン基板114を下面側からエッチングする。このとき拡散層141はエッチングストップ層として働き、エッチングはシリコン基板114と拡散層141の間のpn接合面で停止させられるので、エッチング深さひいてはビーム118A〜118Dの厚みを精度よく制御することができる。この技法は、ECE(Electro Chemical Etchstop)として知られているものである。この場合に、ビーム118A〜118Dとなる領域ではpn接合面でエッチングが停止するが、ビーム118A〜118D以外の領域ではシリコン基板114を上下に貫通して開口される。また、シリコン基板114のエッチング異方性により、可動部材119の側面及びフレーム117A〜117Hの内周面には傾斜が施される(図14(a))。
Thereafter, an etching solution is brought into contact with the lower surface of the
シリコン基板114の下面のマスク144を除いた後、このシリコン基板114をガラス基板115の上に重ね、300〜400℃の温度に保った状態でシリコン基板114とガラス基板115との間に500〜1000ボルトの電圧を印加し、陽極接合によってシリコン基板114とガラス基板115を一体に貼り合わせる(図14(b))。次に、個々の加速度センサ101の領域においてガラス基板115をフレーム部分と錘120とに切り離すと共に、シリコン基板(ウエハ)114上に複数個作製されたセンサチップ111をダイシングによって1つずつ切り離す(図15(a))。
After removing the
図5に示した基板112の接着剤塗布部138に接着剤121を塗布した後、センサチップ111をチップ実装部137に実装し、接着剤121を硬化させる(図15(b))。次に、センサチップ111に形成された電極パッド122と基板112に形成された電極パッド124をワイヤーボンディングによって金ワイヤー123で電気的に接続する(図16(a))。最後にカバー113を基板112上に形成されたカバー実装部136に実装し、半田付けして固定する(図16(b))。
After the adhesive 121 is applied to the
図17は実施例1の加速度センサ101及び比較例のフレーム117A〜117H全てを固定した加速度センサを用いて図6〜図8のようなフルブリッジ回路を組み、そのブリッジ回路の零点出力の温度特性を比較評価した結果を示す図である。図17中には、実施例1の加速度センサ101の測定結果をα、従来例の加速度センサの測定結果をβで示した。比較例1の加速度センサ101においては、図17に示すように、従来の加速度センサと比較して、温度変化した際の零点出力の変動が約10〜20分の1程度になることが分かった。このように本発明の加速度センサ101を用いてフルブリッジ回路を組めば、温度変化に対して安定して信号検出をできることから、複雑な回路を付加することなく、温度特性のすぐれた高精度な加速度センサを製作することができる。
FIG. 17 shows a combination of a full bridge circuit as shown in FIGS. 6 to 8 using the
以上説明したように、センサチップ111と基板112の固定箇所をセンサチップ111の片側のみに限定することによって、接着剤の硬化収縮や温度変化によって発生した応力を固定されていない箇所がずれて緩和することができるので応力の検出精度への影響が小さく、従来の加速度センサと製造工程が変わらないため、歩留まりが良くコストが高くなることもない加速度センサ101を提供することができる。
As described above, by limiting the fixing location of the
なお、本実施例では、フレーム117Aのみで基板112と接着しているのでフレーム117Aは、他のフレーム117B〜117Hよりも接着剤の厚さ分高くなる。しかし、本実施例では大きさが2.5mm角のセンサチップ111を使用し、これに対してフレーム117Aと基板112の接着に用いた接着剤の厚さは20μm以下(傾きにすると0.45°程度)であるので、接着剤の厚みの差によるセンサチップ111の傾きが出力に与える影響は、0.01%以下であり、センサ出力に与える影響は問題になるものではない。
In this embodiment, since the
また、本実施例でセンサチップ111と基板112はフレーム117Aのみで接着したが、図18a及び図18bに示したようにセンサチップ111の平面視においてセンサチップ111をセンサチップ111の重心(中心O)を通る任意の直線(P−P’)で2分割した片側に存在するフレーム(梨地を施して示した領域)の全ての領域或いは一部の領域を接着してもよい。なお、図18a及び図18bは、センサチップ111の下面図である。
In this embodiment, the
また、本実施例ではフレームは8つに分割(フレーム117A〜117H)されていたが、図19a及び図19bに示すように、一体となったようなフレーム151を有するセンサチップ150であっても本発明を適用することができる。なお、センサチップ150と基板112の接着領域に梨地を施して示してある。さらには、センサチップが矩形に限らず円形や多角形などその他の形状であっても上記発明を適用することが可能である。
In the present embodiment, the frame is divided into eight (
また、本実施例で基板112とカバー113は、半田付けすることによって固定したが接着剤などで固定するようにしてもかまわない。接着剤で固定する場合は、カバー実装部136が半田付け可能になっている必要が無く位置合わせ時に位置がわかるようになっていればよい。
In the present embodiment, the
実施例1に示した加速度センサ101においては、センサチップ111の片側しか基板112に固定されていないので、落下などにより強い衝撃が加わると、固定されていないフレーム117B〜117Hが基板112から大きく浮き上がってしまい、ビーム118A〜118Dが破損することがある。本実施例は、この問題を解決するために提案されたものである。
In the
本実施例の加速度センサ102は、接着剤121で基板113に固定されていないフレーム(実施例1ではフレーム117D〜117F)に上方向の移動を制限するためのストッパを設けたものである。詳しくは、図20a及び図20bに示すように逆L字型断面を有する構造体161を設け、構造体161の張り出し部162がセンサチップ111の接着剤121で固定されていないフレーム117Eの上方にかかるようにして設置されている。この構造体161は、金属或いは樹脂などで形成されており、半田接合あるいは接着剤で基板112に固定されている。したがって、落下などで加速度センサ102に強い衝撃が加わったとしてもセンサチップ111が基板112からセンサチップ111の上面と張り出し部162の底面の間の距離以上浮き上がることがなく、ビーム118A〜118Dが破損することはない。なお、構造体161の設置はフレーム117Eだけに限らず、落下などの強い衝撃でビーム118A〜118Dが破損しないように接着剤121で固定されていないフレームのいずれか1つ或いは複数個に対して、性能(信頼性)を確保できるように設置すればよい。
The
また、変形例として、図21a及び図21bに示すように、センサチップ111の基板112と接着されていない側のフレームの上部とカバー113の間に構造体161の代わりにクッション材163を設置してもよく、クッション材163によって衝撃が吸収されると共にセンサチップ111と基板112が離れないように支えられる。したがって、落下などの衝撃が加えられてもクッション材163によって衝撃を吸収されるので、センサチップ111が基板112から浮き上がらず、ビーム118A〜118Dが破損することはない。なお、このクッション材163には、弾力性のあるゲルやスポンジ状の素材などを利用することができる。
As a modification, as shown in FIGS. 21 a and 21 b, a
さらに、別な変形例として、図22a及び図22bに示すように、センサチップ111の接着されていない側の上面と基板112にダミー電極164及び165を設けて、ダミー電極164及び165をワイヤーボンディングなどによりダミーワイヤー166で接続すると共に、ダミーワイヤー166の一部がカバー113に接するように形成してもよい。このようにすれば、ダミーワイヤー166の弾性とダミーワイヤー166がカバー113によって基板112側に押されていることで、落下などの衝撃が加えられても基板112からセンサチップ111が浮き上がらず、ビーム118A〜118Dが破損することはない。
Furthermore, as another modification, as shown in FIGS. 22a and 22b,
以上説明したように、センサチップ111の基板112と固定されていないフレーム(本実施例ではフレーム117B〜117H)に浮き上がらないようにストッパとなるものを設置することにより、ストッパに落下などの衝撃が加えられても限界以上にセンサチップ111が基板112から浮き上がらず、ビーム118A〜118Dが限界以上に変形せず破損することがなく信頼性の高い加速度センサを提供することができる。
As described above, by installing a stopper to prevent the
本実施例は、実施例2の加速度センサ102と同様に実施例1に記載した加速度センサ101の耐衝撃性を高くするためになされたものであり、実施例1に記載した加速度センサ101のセンサチップ111と基板112の接着方法が異なるだけである。
The present embodiment was made to increase the impact resistance of the
図23aは、本実施例の加速度センサ103の概略断面図、図23bは、本実施例の加速度センサ103のカバー113を実装前の状態の平面図を示す。加速度センサ103が、実施例1に記載した加速度センサ101と異なる箇所は、フレーム117D及び117Fを接着剤167で基板112と接着したことである。さらに、その接着剤167は、フレーム117Aと基板112を固定するために使用した接着剤121よりも接着力が弱く弾性のある(弾性率の小さい)ものを用いている。
FIG. 23a is a schematic cross-sectional view of the
このように、接着剤121で固定したフレーム(本実施例ではフレーム117A、図中にハッチングで表示)以外の全てのフレーム或いは一部のフレームを接着剤121よりも接着力が弱く弾性のある接着剤167で固定している(図中の梨地で表示)ので、環境温度の変化によって基板112とセンサチップ111の線膨張差により発生する応力は、接着剤167が変形によって緩和することができる。また、落下などの強い衝撃が加えられてもセンサチップ111が基板112から浮き上がってビーム118A〜118Dが破損することがない。なお、接着剤167には、シリコーン樹脂などの弾性のある接着剤を使用することができる。
In this way, all the frames other than the frame fixed with the adhesive 121 (
なお、本願ではピエゾ抵抗を利用した加速度センサについて説明したが、これに限らず、応力或いは変形に変換される物理量を検出するセンサであれば適用することができる。例えば静電容量型及び圧電型の加速度センサ、圧力センサ、角速度センサなどに適用することができる。 In the present application, an acceleration sensor using a piezoresistor has been described. However, the present invention is not limited to this, and any sensor that detects a physical quantity converted into stress or deformation can be applied. For example, the present invention can be applied to capacitance type and piezoelectric type acceleration sensors, pressure sensors, angular velocity sensors, and the like.
101 加速度センサ
111 センサチップ
112 基板
113 カバー
114 シリコン基板
115 ガラス基板
117A〜117H フレーム
118A〜118D ビーム
119 可動部材
120 錘
121 接着剤
122、124 電極パッド
123 ワイヤ
131 凹部
132 絶縁膜
133 Al配線
136 カバー実装部
137 チップ実装部
138 接着剤塗布部
150 センサチップ
151 フレーム
161 構造体
162 張り出し部
163 クッション材
164 ダミー電極
165 ダミー電極
166 ダミーワイヤー
167 接着剤
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記センサチップの実装面と平行な面を前記センサチップの中心を通るある直線によって2つの区域に分けたとき、前記センサチップの前記基板への固定領域が、前記直線で分けられたいずれか一方の区域にのみ属していることを特徴とするセンサ。 A sensor having a sensor chip mounted on the surface of a substrate,
When a plane parallel to the mounting surface of the sensor chip is divided into two areas by a certain straight line passing through the center of the sensor chip, one of the fixed areas of the sensor chip to the substrate is divided by the straight line A sensor characterized by belonging only to a certain area.
前記センサチップの実装面と平行な面を前記センサチップの中心を通るある直線によって2つの区域に分けたとき、前記直線で分けられたいずれか一方の区域の一部或いは全域を硬度の高い接着剤で前記基板に固定し、他方の区域の一部或いは全域を柔軟な接着剤を用いて固定していることを特徴とするセンサ。 A sensor having a sensor chip mounted on the surface of a substrate,
When a surface parallel to the mounting surface of the sensor chip is divided into two areas by a certain straight line passing through the center of the sensor chip, a part or the whole of one of the areas divided by the straight line is bonded with high hardness. A sensor which is fixed to the substrate with an agent, and a part or the whole of the other area is fixed using a flexible adhesive.
前記センサは外力の変化に応じて変位する可動部と、
静止部材と、
前記可動部を前記静止部材に支持させるための弾性支持部と、
前記弾性支持部材の変位量を計測するための測定手段を備えたセンサチップと、
前記センサチップを実装して固定した基板からなることを特徴とするセンサ。 The sensor according to claim 1, and a sensor for detecting acceleration,
The sensor has a movable part that is displaced according to a change in external force;
A stationary member;
An elastic support part for supporting the movable part on the stationary member;
A sensor chip provided with a measuring means for measuring the amount of displacement of the elastic support member;
A sensor comprising a substrate on which the sensor chip is mounted and fixed.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011106955A (en) * | 2009-11-17 | 2011-06-02 | Oki Semiconductor Co Ltd | Acceleration sensor and method of fabricating acceleration sensor |
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-
2005
- 2005-03-08 JP JP2005063552A patent/JP2006250550A/en active Pending
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