JP2014106151A

JP2014106151A - 半導体圧力センサ

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Publication number: JP2014106151A
Application number: JP2012260154A
Authority: JP
Inventors: Kenzo Mizukami; 憲三水上
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2012-11-28
Publication date: 2014-06-09
Anticipated expiration: 2032-11-28
Also published as: JP6015384B2

Abstract

【課題】キャップに貫通孔を設けることなく、キャップの内部に配置した感圧素子により、キャップの外部の圧力を測定できる半導体圧力センサを提供する。
【解決手段】半導体圧力センサ１は、周囲の圧力を検出する感圧素子１０と、感圧素子１０が搭載され、溝２１が形成された基板２０と、基板２０上において感圧素子１０を被覆するキャップ３０と、を備え、基板２０とキャップ３０との間に、キャップ３０の端縁の一部を基板２０に接合する接合部４１と、キャップ３０の端縁の他の一部と基板２０とを非接合状態にする非接合部４２と、が設けられ、溝２１は、非接合部４２においてキャップ３０の端縁と対向する。
【選択図】図１

Description

この発明は、感圧素子がキャップで被覆された半導体圧力センサに関する。

従来の半導体圧力センサには、周囲の圧力を検知する感圧素子などをキャップにより被覆して、これらを保護しているものがある（例えば、特許文献１参照。）。

図５（Ａ）は、特許文献１に示されているのと同様の構成である、従来の半導体圧力センサの上面図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示した従来の半導体圧力センサのＡ−Ａ断面図である。図５（Ｃ）は、キャップを取り付ける前の従来の半導体圧力センサの上面図である。なお、説明を簡略化するために、図５には感圧素子を備え、出力調整チップを備えていない半導体圧力センサを示している。

図５（Ｂ）に示すように、半導体圧力センサ５０１は、周囲の圧力を検出する感圧素子５１０、この感圧素子５１０が搭載された基板５２０、感圧素子５１０を被覆するキャップ５３０を備えている。図５（Ａ），図５（Ｂ）に示すように、キャップ５３０には、その上面に貫通孔（導圧孔）５３１が形成されている。キャップ５３０は、接着樹脂５４０により基板５２０に接着されている。図５（Ｃ）に示すように、接着樹脂５４０は、基板５２０の外周に沿って全周にわたり塗布されており、キャップ５３０の端縁の全周が基板５２０に接着されている。

半導体圧力センサ５０１の周囲の圧力（キャップの外部の気圧）は、貫通孔５３１を介して、キャップ５３０内部の感圧素子５１０に伝わる。感圧素子５１０のダイヤフラム５１１は、圧力に応じて歪み、ピエゾ抵抗素子（不図示）の抵抗値が圧力に応じて変化する。

特開平８−１９３９００号公報

しかしながら、従来の半導体圧力センサにおいて、キャップに貫通孔を設けるためには穴開け加工が必要であり、製造コストが上昇するという問題が生じる。また、キャップに貫通孔を設けると、キャップの強度が低下するという問題が生じる。さらに、図５（Ａ），図５（Ｂ）に示したようにキャップ５３０の上面に貫通孔５３１を設けると、キャップ５３０の取り付け時にこの貫通孔５３１の存在によりピックアップノズルの形状によっては、キャップ５３０を吸着できないことがある。そのため、ピックアップノズルの先端形状が限定されるという問題があった。

そこで、この発明は、キャップに貫通孔を設けることなく、キャップの内部に配置した感圧素子により、キャップの外部の圧力を測定できる半導体圧力センサを提供することを目的とする。

この発明の半導体圧力センサは、上記課題を解決し、その目的を達するために、以下のように構成している。

半導体圧力センサは、感圧素子と、基板と、キャップと、を備えている。感圧素子は、周囲の圧力を検出する。基板は、溝が形成され、感圧素子が搭載されている。キャップは、基板上において感圧素子を被覆する。また、基板とキャップとの間には、キャップの端縁の一部を基板に接合する接合部と、キャップの端縁における他の一部と基板とを非接合状態にする非接合部と、が設けられている。溝は、非接合部においてキャップの端縁と対向する。

この構成においては、基板に設けた溝が、キャップの内外を連通する透孔として機能する。そのため、キャップの外部の圧力が溝を介してキャップの内部に伝わるので、キャップに貫通孔を設けることなく、キャップの内部に配置した感圧素子により、キャップの外部の圧力を測定できる。また、キャップに貫通孔を設けていないので、ピックアップノズルの先端形状にかかわらず、キャップを吸着できる。

上記発明において、溝は感圧素子よりも幅が狭く、感圧素子は溝の上部に配置されていてもよい。

この構成においては、キャップの外部の圧力が、溝を介してキャップの内部に配置された感圧素子の周囲に伝わる。そのため、キャップの内部に配置した感圧素子により、キャップの外部の圧力の変化を短時間で正確に測定できる。

また、溝は感圧素子よりも幅が広く、感圧素子は溝内に配置されてもよい。

この構成においては、基板の底面から感圧素子の上面までの高さが、溝の厚み分低くなる。そのため、キャップの高さを溝の厚み分低くすることができるので、半導体圧力センサの低背化が可能となる。また、感圧素子を基板にダイボンド材（接着材）により接着する際に、溝によりダイボンド材の濡れ広がりを防止できる。そのため、感圧素子と基板上の電極との間隔に予め余裕をもたせる必要がなく、半導体圧力センサ全体の小型化が図れる。

また、溝は、感圧素子よりも幅が狭く、感圧素子の両端部近傍に形成されてもよい。

この構成においても、溝によりダイボンド材の濡れ広がりを防止できるので、同様に半導体圧力センサ全体の小型化が図れる。

この発明によれば、キャップに貫通孔を設けることなく、キャップの内部に配置した感圧素子により、キャップの外部の圧力を測定できる。

図１（Ａ）は、本発明の第１実施形態に係る半導体圧力センサの上面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示した半導体圧力センサのＢ−Ｂ断面図である。図１（Ｃ）は、キャップを取り付ける前の半導体圧力センサの上面図である。図２（Ａ）は、本発明の第２実施形態に係る半導体圧力センサの上面図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示した半導体圧力センサのＣ−Ｃ断面図である。図２（Ｃ）は、キャップを取り付ける前の半導体圧力センサの上面図である。図３（Ａ）は、本発明の第３実施形態に係る半導体圧力センサの上面図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示した半導体圧力センサのＤ−Ｄ断面図である。図３（Ｃ）は、キャップを取り付ける前の半導体圧力センサの上面図である。図４（Ａ）は、本発明の第４実施形態に係る半導体圧力センサの上面図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示した半導体圧力センサのＥ−Ｅ断面図である。図４（Ｃ）は、キャップを取り付ける前の半導体圧力センサの上面図である。図５（Ａ）は、従来の半導体圧力センサの上面図である。図５（Ｂ）は図５（Ａ）に示した従来の半導体圧力センサのＡ−Ａ断面図である。図５（Ｃ）は、キャップを取り付ける前の従来の半導体圧力センサの上面図である。

以下、本発明の実施形態に係る半導体圧力センサについて説明する。半導体圧力センサは、溝が形成されて感圧素子が取り付けられた基板と、感圧素子を被覆し基板に接合されたキャップと、を備えている。溝は、キャップの端縁に対向するように形成されており、キャップの内外を連通する透孔として機能する。これにより、キャップに孔を設けることなく、キャップの内部に配置した感圧素子により、キャップの外部の圧力を測定できる。

図１（Ａ）は、本発明の第１実施形態に係る半導体圧力センサの上面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示した半導体圧力センサのＢ−Ｂ断面図である。図１（Ｃ）は、キャップを取り付ける前の半導体圧力センサの上面図である。

図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示すように、本発明の第１実施形態に係る半導体圧力センサ１は、周囲の圧力を検出する感圧素子１０、感圧素子１０が搭載された基板２０、基板２０上において感圧素子１０を被覆するキャップ３０を備えている。

感圧素子１０は、接着材である接合樹脂により基板２０の中心部に接着されている。感圧素子１０のダイヤフラム１１は、圧力に応じて歪み、ピエゾ抵抗素子（不図示）の抵抗値が圧力に応じて変化する。基板２０に設けられた複数の電極は、感圧素子１０に設けられた複数の電極とワイヤによりそれぞれ接続されている。図１（Ａ）に示すように、キャップ３０には、図５に示した半導体圧力センサ５０１とは異なり、貫通孔が形成されていない。

基板２０の中央部には、複数の溝２１が、基板２０の２つの対向する端面２０Ａ、２０Ｂの間にわたって、端面２０Ａ、２０Ｂに対して垂直に形成されている。図１（Ａ）には、４つの溝が形成されている例を示している。複数の溝２１は、同じ深さで平行に形成されている。複数の溝２１は、感圧素子１０の底面に対向している。すなわち、感圧素子１０は、溝２１の上部に配置されている。

基板２０とキャップ３０との間には、接合部４１と非接合部４２が設けられている。

図１（Ｃ）に示すように、基板２０には、その外周に沿って、接合樹脂４０が一部を除きほぼ全周にわたり、所定の厚みとなるように帯状に塗布されている。接合樹脂４０はキャップ３０の端縁と基板２０とを接合する接着材である。この基板２０とキャップ３０との間において、接合樹脂４０が塗布された部分を接合部４１と称する。図１（Ｂ）、図１（Ｃ）に示すように、キャップ３０の端縁は、接合部４１において、基板２０にほぼ当接している。

図１（Ｃ）に示すように、複数の溝２１の両端部には、接合樹脂４０が塗布されていない。そのため、感圧素子１０を被覆するようにキャップ３０を基板２０に取り付けたときに、キャップ３０の端縁の他の一部、すなわち、キャップ３０の端縁が複数の溝２１と対向する部分は、基板２０に接着されておらず非接合状態である。この部分が非接合部４２である。

非接合部４２は、上記のようにキャップ３０の端縁が基板２０に接着されておらず、溝２１が接着材により封止されないので、キャップ３０の内外を連通する透孔として機能する。これにより、半導体圧力センサ１は、キャップ３０に貫通孔を設けなくても、溝２１を介してキャップ３０の内部の感圧素子１０によりキャップ３０の外部の圧力（例えば周囲の媒質が空気のときには気圧）を測定できる。また、キャップ３０に貫通孔を設けていないので、キャップ３０の取り付け時にピックアップノズルの先端形状にかかわらず、キャップ３０を確実に吸着できる。

また、非接合部４２または溝２１を２つ以上設けることで、基板２０とキャップ３０の間に複数の透孔を形成することになる。これにより、キャップ３０の外部と内部の間において気体または液体の流体抵抗を小さくすることができ、キャップ外部の圧力の変動に応じて、キャップ内部の圧力が瞬時に変化する。したがって、半導体圧力センサ１の応答性を高めることができる。

また、感圧素子１０を溝２１の上部に配置することで、キャップ３０の外部の圧力が、溝２１を介してキャップの内部に配置された感圧素子１０の周囲に伝わる。そのため、キャップ３０の内部に配置した感圧素子１０により、キャップ３０の外部の圧力の変化を短時間で正確に測定できる。

次に、半導体圧力センサ１とは、溝の形状が異なる半導体圧力センサについて説明する。図２（Ａ）は、本発明の第２実施形態に係る半導体圧力センサの上面図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示した半導体圧力センサのＣ−Ｃ断面図である。図２（Ｃ）は、キャップを取り付ける前の半導体圧力センサの上面図である。以下の説明では、半導体圧力センサ１との相違点について主に説明する。

図２（Ａ）〜図２（Ｃ）に示すように、本発明の第２実施形態に係る半導体圧力センサ２は、感圧素子１１０、基板１２０、キャップ１３０を備えている。基板１２０は、その中央部に、感圧素子１１０よりも幅の広い１つの溝１２１が形成されている。この溝１２１は、基板１２０の２つの対向する端面１２０Ａ、１２０Ｂの間にわたって、端面１２０Ａに対して垂直に形成されている。感圧素子１１０は、接着材により溝内、すなわち溝１２１の底面に接着されている。

基板１２０とキャップ１３０との間には、接合部１４１と非接合部１４２が設けられている。

図２（Ｃ）に示すように、基板１２０には、その外周に沿って、接着材である接合樹脂１４０が溝１２１の部分を除くほぼ全周にわたり、所定の厚みとなるように帯状に塗布されている。基板１２０とキャップ１３０との間において、接合樹脂１４０が塗布された部分が接合部１４１である。

また、図２（Ｃ）に示すように、溝１２１と対向する部分は、上記のように接合樹脂１４０が塗布されておらず、基板１２０とキャップ１３０とは非接合状態である。この部分が非接合部１４２である。

半導体圧力センサ２は、半導体圧力センサ１と同様に、非接合部１４２において溝１２１が接着材により封止されないので、キャップ１３０の内外を連通する透孔として機能する。したがって、半導体圧力センサ２は、キャップ１３０に貫通孔を設けなくても、非接合部１４２を介してキャップ１３０の内部の感圧素子１１０によりキャップ１３０の外部の圧力を測定できる。

また、上記のように、半導体圧力センサ２では、感圧素子１１０が接着材により溝１２１の底面に接着されているので、基板１２０の底面から感圧素子１１０の上面までの高さが、溝の厚み分（＝ｔ）だけ低くなる。そのため、キャップ１３０の高さを溝の厚み分（＝ｔ）低くする加工を施すことで、半導体圧力センサ２の高さをｔだけ低背化することが可能となる。

さらに、上記のように溝内に感圧素子１１０を配置することで、感圧素子１１０を溝の１２１の底面に接着する接着材（ダイボンド材）の濡れ広がりを防ぐ役割を溝１２１に対して期待できる。これにより、感圧素子１１０と基板１２０上の電極とのギャップを小さくすることができ、半導体圧力センサ２のさらなる小型化が可能になる。

また、キャップ１３０の外部の圧力が、溝１２１を介してキャップ１３０の内部に配置された感圧素子１１０の周囲に伝わるので、キャップ１３０の外部の圧力を短時間で正確に測定できる。

次に、溝の位置がさらに異なる半導体圧力センサについて説明する。図３（Ａ）は、本発明の第３実施形態に係る半導体圧力センサの上面図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示した半導体圧力センサのＤ−Ｄ断面図である。図３（Ｃ）は、キャップを取り付ける前の半導体圧力センサの上面図である。以下の説明では、半導体圧力センサ１との相違点について主に説明する。

図３（Ａ）〜図３（Ｃ）に示すように、本発明の第３実施形態に係る半導体圧力センサ３は、感圧素子２１０、基板２２０、キャップ２３０を備えている。基板２２０は、その中央部に、感圧素子２１０の幅よりも広い間隔で、感圧素子２１０よりも幅の狭い２つの溝２２１が形成されている。すなわち、この２つの溝２２１は、感圧素子２１０の両端部近傍において、基板２２０の２つの対向する端面２２０Ａ、２２０Ｂの間にわたって、端面２２０Ａ、２２０Ｂに対して垂直に形成されている。感圧素子２１０は、基板２２０上において、２つの溝２２１の間に接着材により接着されている。

基板２２０とキャップ２３０との間には、接合部２４１と非接合部２４２が設けられている。

図３（Ｃ）に示すように、基板２２０には、その外周に沿って、接着材である接合樹脂２４０がほぼ全周にわたり塗布されている。接合樹脂２４０が塗布されている部分が接合部２４１であり、接合樹脂２４０が塗布されていない部分が非接合部２４２である。

なお、接合樹脂２４０は、同図における基板２２０の上部のように、溝２２１の部分だけ塗布しないようにすることも、同図における基板２２０の下部のように、２つの溝２２１の間を塗布しないようにすることも可能である。半導体圧力センサ３のサイズや、基板２２０とキャップ２３０との接着強度に応じて、いずれかを選択すればよい。

半導体圧力センサ３は、半導体圧力センサ１と同様、溝２２１が接着材により封止されていないので、キャップ２３０の内外を連通する透孔として機能する。そのため、半導体圧力センサ３は、キャップ２３０に貫通孔を設けなくても、非接合部２４２を介してキャップ２３０の内部の感圧素子２１０によりキャップ２３０の外部の圧力を測定できる。

また、このように、感圧素子２１０の両端部に２つの溝２２１を設けた場合にも、キャップ２３０の外部の圧力が溝２２１を介して、キャップ２３０の内部に配置された感圧素子２１０の周囲に伝わるので、キャップの外部の圧力を短時間で正確に測定できる。

また、感圧素子２１０を基板２２０にダイボンド材（接着材）により接着する際に、２つの溝２２１によりダイボンド材の濡れ広がりを防止できる。そのため、感圧素子２１０と基板２２０上の電極との間隔に予め余裕をもたせる必要がなく、半導体圧力センサ３全体の小型化が図れる。

次に、溝の形状がさらに異なる半導体圧力センサについて説明する。図４（Ａ）は、本発明の第４実施形態に係る半導体圧力センサの上面図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示した半導体圧力センサのＥ−Ｅ断面図である。図４（Ｃ）は、キャップを取り付ける前の半導体圧力センサの上面図である。以下の説明では、半導体圧力センサ１との相違点について主に説明する。

図４（Ｃ）に示すように、本発明の第４実施形態に係る半導体圧力センサ４は、感圧素子３１０、基板３２０、キャップ３３０を備えている。

感圧素子３１０は、接着材である接合樹脂により基板３２０の中心部に接着されている。基板３２０には、同図における基板３２０の中央下部において、基板３２０の端面３２０Ａから感圧素子３１０の取り付け位置の直前までの間に、感圧素子３１０よりも幅の狭い１つの溝３２１が形成されている。

基板３２０とキャップ３３０との間には、接合部３４１と非接合部３４２が設けられている。

接着材である接合樹脂３４０は、基板３２０の外周に沿ってほぼ全周にわたり塗布され、溝３２１の部分には塗布されていない。接合樹脂３４０が塗布された部分が接合部３４１であり、接合樹脂３４０が塗布されていない部分が非接合部３４２である。

半導体圧力センサの基板に設ける溝は、キャップの端縁に対向し、キャップの内外において通気する構造であればよい。すなわち、半導体圧力センサ１〜３のように、必ずしも基板の対向する２つの端面間にわたって溝を形成しなくてもよく、半導体圧力センサ４のように溝を形成してもよい。

半導体圧力センサ４では、半導体圧力センサ１〜３と同様に、溝３２１は接着材により封止されないので、キャップ３３０の内外を連通する透孔として機能する。そのため、半導体圧力センサ４は、キャップ３３０に貫通孔を設けなくても、非接合部３４２を介してキャップ３３０の内部の感圧素子３１０によりキャップ３３０の外部の圧力を測定できる。

以上のように、基板に溝を設けて、感圧素子を被覆するキャップの端縁を、接着材で接合しない非接合部とすることで、溝のこの部分を透孔として透孔として機能する。したがって、半導体圧力センサでは、キャップに貫通孔を設けなくても、非接合部を介してキャップの内部の感圧素子によりキャップの外部の圧力を測定できる。

１〜４，５０１…半導体圧力センサ
１０，１１０，２１０，３１０，５１０…感圧素子
１１，１１１，２１１，３１１，５１１…ダイヤフラム
２０，１２０，２２０，３２０，５２０…基板
２０Ａ，２０Ｂ，１２０Ａ，１２０Ｂ，２２０Ａ，２２０Ｂ，３２０Ａ…端面
２１，１２１，２２１，３２１…溝
３０，１３０，２３０，３３０，５３０…キャップ
４０，１４０，２４０，３４０，５４０…接合樹脂
４１，１４１，２４１，３４１…接合部
４２，１４２，２４２，３４２…非接合部
５３１…貫通孔

Claims

周囲の圧力を検出する感圧素子と、
溝が形成され、前記感圧素子が搭載された基板と、
前記基板上において前記感圧素子を被覆するキャップと、
を備え、
前記基板と前記キャップとの間に、
前記キャップの端縁の一部を前記基板に接合する接合部と、
前記キャップの端縁の他の一部と前記基板とを非接合状態にする非接合部と、
が設けられ、
前記溝は、前記非接合部において前記キャップの端縁と対向する、半導体圧力センサ。
前記溝は前記感圧素子よりも幅が狭く、前記感圧素子は前記溝の上部に配置された、請求項１に記載の半導体圧力センサ。
前記溝は前記感圧素子よりも幅が広く、前記感圧素子は前記溝内に配置された、請求項１に記載の半導体圧力センサ。
前記溝は、前記感圧素子よりも幅が狭く、前記感圧素子の両端部近傍に形成された、請求項１に記載の半導体圧力センサ。