JP2016138872A - Pressure sensor element, pressure sensor, altimeter, electronic apparatus and moving body - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧力センサー素子、圧力センサー、高度計、電子機器および移動体に関するものである。 The present invention relates to a pressure sensor element, a pressure sensor, an altimeter, an electronic device, and a moving object.
従来から、圧力センサーとして、圧力を検出してその検出値に応じた電気信号を発生するセンサーチップと、センサーチップを収納するパッケージと、パッケージ内でセンサーチップを囲み、センサーチップに圧力を伝搬する不活性液体と、を備えた構成が知られている(例えば、特許文献1参照)。このような圧力センサーでは、センサーチップが受圧によって撓むダイアフラムとダイアフラム上に設けられた圧力基準室とを備えており、パッケージ外の圧力は、不活性液体を介してダイアフラムに作用する。そして、ダイアフラムに圧力が加わることに起因するダイアフラムの撓み量から圧力センサーに加わった圧力が検出される。 Conventionally, as a pressure sensor, a sensor chip that detects pressure and generates an electrical signal corresponding to the detected value, a package that houses the sensor chip, and surrounds the sensor chip in the package and propagates the pressure to the sensor chip The structure provided with the inert liquid is known (for example, refer patent document 1). Such a pressure sensor includes a diaphragm in which a sensor chip bends by receiving pressure and a pressure reference chamber provided on the diaphragm, and pressure outside the package acts on the diaphragm via an inert liquid. Then, the pressure applied to the pressure sensor is detected from the amount of deflection of the diaphragm caused by the pressure applied to the diaphragm.
しかしながら、このような構成の圧力センサーでは、センサーチップの側面がほぼ垂直な平坦面であるため、パッケージに加わる不要振動がダイアフラムに伝達され易い。そのため、ダイアフラムが圧力以外の応力によって撓んでしまい、圧力検知精度が低下してしまう。特に、近年では、このような圧力センサーが携帯電話(スマートフォンを含む)や眼鏡型、時計型等のウェアラブル端末に搭載されることが多い。このような端末では装着者の歩行等によって振動が発生し易いため、上記問題が特に顕著となる。 However, in the pressure sensor having such a configuration, since the side surface of the sensor chip is a substantially vertical flat surface, unnecessary vibration applied to the package is easily transmitted to the diaphragm. For this reason, the diaphragm is bent by stresses other than pressure, and pressure detection accuracy is lowered. In particular, in recent years, such pressure sensors are often mounted on wearable terminals such as mobile phones (including smartphones), glasses, and watches. In such a terminal, since the vibration is likely to occur due to the walking of the wearer, the above problem becomes particularly significant.
本発明の目的は、不要振動の伝達を低減し、圧力検知精度の低下を低減することのできる圧力センサー素子、この圧力センサー素子を備えた圧力センサー、高度計、電子機器および移動体を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a pressure sensor element that can reduce transmission of unnecessary vibration and reduce pressure detection accuracy, a pressure sensor including the pressure sensor element, an altimeter, an electronic device, and a moving body. It is in.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following application examples.
[適用例1]
本適用例の圧力センサー素子は、撓み変形可能なダイアフラムを底部に配置している凹部を有する基板を備え、
前記基板の側面には凹凸を有する段差部が配置されていることを特徴とする。
これにより、段差部によって不要振動等の応力(圧力以外の外力)を減衰することができ、不要振動がダイアフラムに伝達され難くなる。そのため、圧力検知精度の低下を低減することのできる圧力センサー素子が得られる。
[Application Example 1]
The pressure sensor element of this application example includes a substrate having a recess in which a deformable diaphragm is disposed at the bottom,
A step portion having irregularities is disposed on a side surface of the substrate.
Thereby, stress (external force other than pressure) such as unnecessary vibration can be attenuated by the stepped portion, and the unnecessary vibration is hardly transmitted to the diaphragm. Therefore, a pressure sensor element that can reduce a decrease in pressure detection accuracy is obtained.
[適用例2]
本適用例の圧力センサー素子では、前記段差部は、前記基板の厚さ方向に沿って前記凹凸を有していることが好ましい。
これにより、不要振動がダイアフラムにより伝達され難くなる。
[Application Example 2]
In the pressure sensor element of this application example, it is preferable that the step portion has the unevenness along the thickness direction of the substrate.
This makes it difficult for unnecessary vibrations to be transmitted by the diaphragm.
[適用例3]
本適用例の圧力センサー素子では、前記段差部は、第1の側面と、
前記第1の側面から前記厚さ方向にずれた位置に配置され、前記基板の平面視で前記第1の側面よりも前記基板の中心側に位置する第2の側面と、
前記第1の側面と前記第2の側面とを接続する第3の側面と、を有することが好ましい。
これにより、段差部の構成が簡単なものとなる。
[Application Example 3]
In the pressure sensor element of this application example, the stepped portion has a first side surface,
A second side surface disposed at a position shifted in the thickness direction from the first side surface, and positioned closer to the center side of the substrate than the first side surface in a plan view of the substrate;
It is preferable to have a third side surface connecting the first side surface and the second side surface.
Thereby, the configuration of the stepped portion is simplified.
[適用例4]
本適用例の圧力センサー素子では、前記段差部の表面の少なくとも一部は、切削面であることが好ましい。
切削面には、微小な凹凸が形成されるため、段差部において不要振動をより効果的に吸収・緩和することができる。
[Application Example 4]
In the pressure sensor element of this application example, it is preferable that at least a part of the surface of the step portion is a cutting surface.
Since minute irregularities are formed on the cut surface, unnecessary vibration can be absorbed and alleviated more effectively at the stepped portion.
[適用例5]
本適用例の圧力センサー素子では、前記第3の側面は、切削面であることが好ましい。
切削面には、微小な凹凸が形成されるため、段差部において不要振動をより効果的に吸収・緩和することができる。
[Application Example 5]
In the pressure sensor element of this application example, it is preferable that the third side surface is a cutting surface.
Since minute irregularities are formed on the cut surface, unnecessary vibration can be absorbed and alleviated more effectively at the stepped portion.
[適用例6]
本適用例の圧力センサー素子では、前記基板の平面視で、2つの前記段差部の間に前記ダイアフラムが配置されていることが好ましい。
このように、ダイアフラムを挟んで段差部を配置することで、不要振動がダイアフラムにより伝達され難くなる。
[Application Example 6]
In the pressure sensor element of this application example, it is preferable that the diaphragm is disposed between the two stepped portions in a plan view of the substrate.
Thus, by arranging the stepped portion with the diaphragm interposed therebetween, unnecessary vibration is hardly transmitted by the diaphragm.
[適用例7]
本適用例の圧力センサー素子では、前記基板の平面視で、前記ダイアフラムを囲むように前記段差部が配置されていることが好ましい。
これにより、不要振動がダイアフラムにより伝達され難くなる。
[Application Example 7]
In the pressure sensor element of this application example, it is preferable that the stepped portion is disposed so as to surround the diaphragm in a plan view of the substrate.
This makes it difficult for unnecessary vibrations to be transmitted by the diaphragm.
[適用例8]
本適用例の圧力センサーは、上記適用例の圧力センサー素子と、
前記圧力センサー素子を収容している内部空間を有するパッケージと、を有することを特徴とする。
これにより、信頼性の高い圧力センサーが得られる。
[Application Example 8]
The pressure sensor of this application example includes the pressure sensor element of the above application example,
And a package having an internal space for accommodating the pressure sensor element.
Thereby, a highly reliable pressure sensor is obtained.
[適用例9]
本適用例の圧力センサーでは、前記パッケージ内で前記圧力センサー素子を囲んで配置される樹脂材料を有し、
前記樹脂材料は、前記圧力センサー素子の前記凹凸の並び方向に沿って、少なくとも第1の樹脂と、前記第1の樹脂と異なる第2の樹脂と、を有していることが好ましい。
これにより、樹脂材料によって圧力センサー素子を保護することができると共に、圧力をダイアフラムに効率よく伝達させることができる。また、少なくとも2種類の樹脂材料を用いることで、例えば、優れた保護機能と優れた圧力伝達機能の両立を図ることが容易となる。
[Application Example 9]
In the pressure sensor of this application example, it has a resin material arranged to surround the pressure sensor element in the package,
The resin material preferably includes at least a first resin and a second resin different from the first resin along a direction in which the unevenness of the pressure sensor element is arranged.
Thus, the pressure sensor element can be protected by the resin material, and the pressure can be efficiently transmitted to the diaphragm. Further, by using at least two kinds of resin materials, for example, it becomes easy to achieve both an excellent protection function and an excellent pressure transmission function.
[適用例10]
本適用例の圧力センサーでは、前記第1の樹脂と前記第2の樹脂との境界が前記段差部に位置することが好ましい。
これにより、例えば、優れた保護機能と優れた圧力伝達機能の両立を図ることが容易となる。
[Application Example 10]
In the pressure sensor of this application example, it is preferable that a boundary between the first resin and the second resin is located at the stepped portion.
Thereby, for example, it becomes easy to achieve both an excellent protection function and an excellent pressure transmission function.
[適用例11]
本適用例の高度計は、上記適用例の圧力センサー素子を備えることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い高度計が得られる。
[Application Example 11]
An altimeter according to this application example includes the pressure sensor element according to the application example described above.
Thereby, a highly reliable altimeter can be obtained.
[適用例12]
本適用例の電子機器は、上記適用例の圧力センサー素子を備えることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い電子機器が得られる。
[Application Example 12]
An electronic apparatus according to this application example includes the pressure sensor element according to the application example described above.
As a result, a highly reliable electronic device can be obtained.
[適用例13]
本適用例の移動体は、上記適用例の圧力センサー素子を備えることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い移動体が得られる。
[Application Example 13]
The moving body of this application example includes the pressure sensor element of the above application example.
Thereby, a mobile body with high reliability is obtained.
以下、本発明の圧力センサー素子、圧力センサー、高度計、電子機器および移動体を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, a pressure sensor element, a pressure sensor, an altimeter, an electronic device, and a moving body of the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the accompanying drawings.
<第1実施形態>
まず、本発明の第1実施形態に係る圧力センサー素子について説明する。
<First Embodiment>
First, the pressure sensor element according to the first embodiment of the present invention will be described.
図1は、本発明の第1実施形態に係る圧力センサー素子の断面図である。図2は、図1に示す圧力センサー素子の変形例を示す断面図である。図3は、図1に示す圧力センサー素子が有する圧力センサー部を示す平面図である。図4は、図3に圧力センサー部を含むブリッジ回路を示す図である。図5ないし図7は、それぞれ、図1に示す圧力センサー素子の製造方法を説明する断面図である。なお、以下の説明では、図1中の上側を「上」、下側を「下」とも言う。 FIG. 1 is a cross-sectional view of a pressure sensor element according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a modification of the pressure sensor element shown in FIG. FIG. 3 is a plan view showing a pressure sensor unit included in the pressure sensor element shown in FIG. FIG. 4 is a diagram showing a bridge circuit including the pressure sensor unit in FIG. 5 to 7 are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing the pressure sensor element shown in FIG. In the following description, the upper side in FIG. 1 is also referred to as “upper” and the lower side is also referred to as “lower”.
図1に示す圧力センサー素子1は、受けた圧力を検知することのできる素子である。圧力センサー素子1は、基板2と、圧力センサー部3と、素子周囲構造体4と、空洞部Sと、図示しない半導体回路と、を有する。
A
以下、これら各部について順に説明する。
基板2は、Si(シリコン)基板である半導体基板21上に、シリコン酸化膜(SiO2膜)で構成された第1絶縁膜22と、シリコン窒化膜(SiN膜)で構成された第2絶縁膜23と、をこの順に積層することで構成されている。ただし、半導体基板21としては、Si基板に限定されず、例えば、SOI基板(第1のSi層、SiO2層、第2のSi層がこの順で積層している基板)を用いることもできる。また、第1絶縁膜22や第2絶縁膜23についても、エッチング耐性と絶縁性とを発揮することができれば、材料は特に限定されない。また、第1絶縁膜22や第2絶縁膜23は、必要に応じて配置すればよく、省略してもよい。
Hereinafter, each of these units will be described in order.
The
また、半導体基板21には、周囲の部分よりも薄肉であり、受圧によって撓み変形するダイアフラム24が設けられている。このダイアフラム24は、半導体基板21の下面に開放する有底の凹部25を設けることで凹部25の底部に形成され、ダイアフラム24の下面(凹部25の底面)が受圧面241となっている。
In addition, the
また、半導体基板21の側面には凹凸260を有する段差部26が設けられている。このような段差部26によって半導体基板21の縁部の厚みが不連続となり、圧力センサー素子1に加わる不要振動(圧力以外の応力)を効果的に減衰することができる。そのため、不要振動等の圧力以外の応力によってダイアフラム24が撓んでしまう(または振動してしまう)ことを低減することができ、その結果、圧力センサー素子1の圧力検知精度を高めることができる。
Further, a stepped
この段差部26について詳細に説明する。図1に示すように、段差部26では、半導体基板21の厚さ方向に沿って凹凸260が形成されている。このように、半導体基板21の厚さ方向に沿って凹凸260を形成することで、不要振動をより効果的に吸収・緩和することができる。また、後述する製造方法によって、段差部26をより簡単に形成することができる。また、後述する圧力センサー10でも説明するように、段差部26を第1の樹脂材料81のダイアフラム24への回り込みを防止する回り込み防止部としても機能させることができる。
The
また、段差部26は、半導体基板21の下端側に位置する第1の側面261と、第1の側面261よりも上端側に位置し、第1の側面261よりも内周側に位置する第2の側面262と、第1の側面261と第2の側面262とを接続する第3の側面263とを有している。なお、第1の側面261および第2の側面262は、半導体基板21の主面とほぼ平行な面であり、第3の側面263は、半導体基板21の主面に対して垂直な面である。このような構成とすることで、段差部26の構成が簡単なものとなり、その形成が容易となる。
In addition, the
また、段差部26の少なくとも第3の側面263は、切削面であることが好ましい。切削面とは例えばダイシングソーなどの切削機器で切削して形成される面をいい、これにより、第3の側面263に微小な凹凸を形成することができる。このように、第3の側面263に微小な凹凸を形成することで、不要振動をより効果的に吸収・緩和することができる。また、前述した回り込み防止部としての機能をより効果的に発揮することができるようになる。なお、第3の側面263の他にも、第1の側面261および第2の側面262についても、切削面とすることが好ましい。これにより、上記効果がより顕著なものとなる。
Moreover, it is preferable that at least the
ここで、第1の側面261の高さ(厚さ方向の長さ)t1としては、特に限定されないが、例えば、半導体基板21の厚さTが100μm〜300μm程度のとき、0.1T≦t1≦0.9Tの関係を満足することが好ましく、0.4T≦t1≦0.6Tの関係を満足することが好ましい。これにより、段差部26の強度(凸部の強度)を十分に確保することができる。また、第1の側面261と第2の側面262の離間距離(第3の側面263の長さ)としては、特に限定されないが、10μm以上、100μm以下程度であることが好ましい。これにより、段差部26で不要振動を効果的に吸収・緩和することができると共に、段差部26(凸部)の過度な突出を防止することができる。
Here, the height (length in the thickness direction) t1 of the
なお、段差部26の形状としては、本実施形態の形状に限定されず、例えば、図2に示すように、第3の側面263が湾曲面となっていてもよい。これにより、第2の側面262と第3の側面263との境界に角部が形成されないため、上述する圧力センサー10の構成において、当該部分での気泡残りが低減される。
The shape of the stepped
また、段差部26は、半導体基板21の側面の全周にわたって設けられている。言い換えると、半導体基板21の平面視で、段差部26は、ダイアフラム24の周囲(全周)を囲むように設けられている。これにより、不要振動がどこから伝わろうが、その不要振動をより効果的に吸収・緩和することができる。なお、段差部26は、半導体基板21の側面の全周に設けられていなくてもよい。例えば、半導体基板21の平面視で、ダイアフラム24を挟んで対向する位置に1対設けられていてもよい。このように、一対の段差部26でダイアフラム24を挟むことでも、不要振動をより効果的に吸収・緩和することができる。
Further, the
このような半導体基板21上およびその上方には図示しない半導体回路(回路)が作り込まれている。この半導体回路には、必要に応じて形成されたMOSトランジスタ等の能動素子、キャパシタ、インダクタ、抵抗、ダイオードおよび配線等の回路要素が含まれている。
A semiconductor circuit (circuit) (not shown) is formed on and above the
圧力センサー部3は、図3に示すように、ダイアフラム24に設けられている4つのピエゾ抵抗素子31、32、33、34を有している。また、ピエゾ抵抗素子31〜34は、配線等を介して、互いに電気的に接続され、図4に示すブリッジ回路30(ホイートストンブリッジ回路)を構成して半導体回路と接続されている。ブリッジ回路30には駆動電圧AVDCを供給する駆動回路(図示せず)が接続されている。そして、ブリッジ回路30は、ダイアフラム24の撓みに基づくピエゾ抵抗素子31、32、33、34の抵抗値変化に応じた信号(電圧)を出力する。なお、ピエゾ抵抗素子31、32、33、34は、それぞれ、例えば、半導体基板21にリン、ボロン等の不純物をドープ(拡散または注入)することで構成されている。また、これらピエゾ抵抗素子31〜34を接続する配線は、例えば、半導体基板21に、ピエゾ抵抗素子31〜34よりも高濃度でリン、ボロン等の不純物をドープ(拡散または注入)することで構成されている。
As shown in FIG. 3, the
素子周囲構造体4は、図1に示すように、基板2との間に空洞部Sを画成する。素子周囲構造体4は、層間絶縁膜41と、層間絶縁膜41上に形成された配線層42と、配線層42および層間絶縁膜41上に形成された層間絶縁膜43と、層間絶縁膜43上に形成された配線層44と、配線層44および層間絶縁膜43上に形成された表面保護膜45と、封止層46と、を有している。配線層44は、空洞部Sの内外を連通する複数の細孔442を備えた被覆層441を有しており、被覆層441上に配置されている封止層46が細孔442を封止している。なお、配線層42、44は、空洞部Sを囲むように形成されている配線層と、図示しない半導体回路の配線を構成する配線層と、を含んでいる。半導体回路は、配線層42、44によって上面に引き出され、配線層44の一部が接続端子443となって表面保護膜45から露出している。
As shown in FIG. 1, the element surrounding structure 4 defines a cavity S between itself and the
層間絶縁膜41、43としては、例えば、シリコン酸化膜(SiO2膜)等の絶縁膜を用いることができる。また、配線層42、44としては、例えば、アルミニウム膜等の金属膜を用いることができる。また、封止層46としては、例えば、Al、Cu、W、Ti、TiN等の金属膜を用いることができる。また、表面保護膜45としは、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、ポリイミド膜、エポキシ樹脂膜など、水分、ゴミ、傷などから保護するための耐性を有するものを用いることができる。
As the
基板2と素子周囲構造体4とで画成された空洞部Sは、密閉された空間であり、圧力センサー素子1が検出する圧力の基準値となる圧力基準室として機能する。このような空洞部Sは、ダイアフラム24の受圧面241とは反対側に位置し、また、ダイアフラム24と重なるように配置されている。なお、空洞部Sは、真空状態(例えば10Pa以下)であることが好ましい。これにより、圧力センサー素子1を、真空を基準として圧力を検出する所謂「絶対圧センサー素子」として用いることができる。ただし、空洞部Sは、一定の圧力に保たれていれば、真空状態でなくてもよく、例えば、大気圧状態であってもよいし、大気圧よりも気圧が低い減圧状態であってもよいし、大気圧よりも気圧が高い加圧状態であってもよい。
以上、圧力センサー素子1について説明した。
A cavity S defined by the
The
次に、圧力センサー素子1の製造方法について説明する。
圧力センサー素子1の製造方法は、1枚のシリコンウエハ20に複数の圧力センサー素子1A(段差部26を有さない圧力センサー素子1)を一体形成する第1工程と、これら複数の圧力センサー素子1Aをダイシングする第2工程と、を有している。
Next, a manufacturing method of the
The manufacturing method of the
[第1工程]
まず、図5(a)に示すように、シリコンウエハ20を用意する。次に、図5(b)に示すように、圧力センサー部3、第1の絶縁膜22および第2の絶縁膜23を形成した後、基板2上に層間絶縁膜41、配線層42、層間絶縁膜43および配線層44、表面保護膜45を順に形成する。次に、図6(a)に示すように、ウェットエッチングにより空洞部Sを形成した後、空洞部Sを真空状態とし、封止層46で空洞部Sを封止する。最後に、ウェットエッチング等によって凹部25を形成しダイアフラム24を形成する。以上によって、シリコンウエハ20に、複数の圧力センサー素子1A(段差部26を有さない圧力センサー素子1)が一体形成された状態となる。
[First step]
First, as shown in FIG. 5A, a
[第2工程]
次に、複数の圧力センサー素子1Aを個片化する。個片化する工程は、第1の切断工程と第2の切断工程とを有している。第1の切断工程では、図6(b)に示すように、第1のダイシングソーDS1を用いて上面側からシリコンウエハ20の途中まで切断する(すなわち、ハーフダイシングする)ことで、上面に開放する凹部51を形成する。なお、凹部51の幅W1としては、特に限定さないが、例えば、30μm以上、100μm以下とすることができる。第2の切断工程では、図7(a)に示すように、第1のダイシングソーDS1よりも細い幅の第2のダイシングソーDS2を用いて凹部51の底面の幅方向の中央部から下面まで貫通するように切断する。これにより、複数の圧力センサー素子1Aが個片化されると共に、各圧力センサー素子1Aに段差部26が形成される。
以上によって、圧力センサー素子1が得られる。
[Second step]
Next, the plurality of pressure sensor elements 1A are separated into pieces. The step of dividing into pieces has a first cutting step and a second cutting step. In the first cutting step, as shown in FIG. 6B, the first dicing saw DS1 is used to cut from the upper surface side to the middle of the silicon wafer 20 (that is, half-dicing), so that the upper surface is opened. A recess 51 is formed. The width W1 of the recess 51 is not particularly limited, and can be, for example, 30 μm or more and 100 μm or less. In the second cutting step, as shown in FIG. 7A, from the center in the width direction of the bottom surface of the recess 51 to the lower surface using the second dicing saw DS2 having a width smaller than that of the first dicing saw DS1. Cut to penetrate. As a result, the plurality of pressure sensor elements 1A are singulated, and stepped
Thus, the
なお、第1の切断工程において、先端の丸い第1のダイシングソーDS1を用いることで、図7(b)に示すような凹部51を形成することができるため、図2に示す段差部26も上記方法によって簡単に形成することができる。
In the first cutting step, by using the first dicing saw DS1 having a rounded tip, the concave portion 51 as shown in FIG. 7B can be formed. Therefore, the
<第2実施形態>
次に、本発明の第2実施形態に係る圧力センサー素子について説明する。
図8は、本発明の第2実施形態に係る圧力センサー素子の断面図である。
Second Embodiment
Next, a pressure sensor element according to a second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a pressure sensor element according to the second embodiment of the present invention.
以下、第2実施形態の圧力センサー素子について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。 Hereinafter, although the pressure sensor element of 2nd Embodiment is demonstrated, it demonstrates centering around difference with embodiment mentioned above, and abbreviate | omits the description about the same matter.
図8に示す圧力センサー素子1’は、板状の台座61と、台座61に接合された板状の基板62と、圧力センサー部3と、空洞部Sと、を有している。台座61は、例えば、ガラス基板で構成され、基板62は、例えば、単結晶シリコン基板で構成されている。そして、台座61と基板62は、例えば、陽極接合によって接合されている。
The
また、基板62には、周囲の部分よりも薄肉であり、受圧によって撓み変形するダイアフラム621が設けられている。このダイアフラム621は、基板62の上面に開放する有底の凹部622を設けることで凹部622の底部に形成され、ダイアフラム621の下面が受圧面621aとなっている。また、ダイアフラム621には前述した第1実施形態と同様の圧力センサー部3(ピエゾ抵抗素子31〜34)が設けられている。また、凹部622は、台座61によって気密封止され、これにより、空洞部Sが形成されている。また、基板62の側面には段差部63が形成されている。段差部63の構成は、例えば、前述した第1実施形態の段差部26と同様である。
Further, the
このような構成の圧力センサー素子1では、受圧面621aが受ける圧力に応じて、ダイアフラム621が撓み変形する。そして、ダイアフラム621の変形に伴って、ピエゾ抵抗素子31〜34の抵抗値が変化することに基づき、受圧面621aで受けた圧力の大きさを求めることができる。
In the
このような第2実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。 Also according to the second embodiment, the same effects as those of the first embodiment described above can be exhibited.
<第3実施形態>
次に、本発明の第3実施形態に係る圧力センサーについて説明する。
<Third Embodiment>
Next, a pressure sensor according to a third embodiment of the present invention will be described.
図9は、本発明の第3実施形態に係る圧力センサーの断面図である。図10は、図9に示す圧力センサーの拡大図である。 FIG. 9 is a cross-sectional view of a pressure sensor according to a third embodiment of the present invention. FIG. 10 is an enlarged view of the pressure sensor shown in FIG.
図9に示す圧力センサー10は、圧力センサー素子1と、圧力センサー素子1を収納するパッケージ(容器)7と、パッケージ7内に圧力センサー素子1を囲むように配置された樹脂材料8と、を有している。なお、圧力センサー素子1は、前述した第1実施形態と同様の構成である。
A
パッケージ7は、箱状(枡状)をなしており、上面に開放する凹部(内部空間)71が形成されている。また、凹部71の内側には段差部72が設けられている。この段差部72の上面には端子73が設けられている。なお、端子73の数は、圧力センサー素子1が有する接続端子443の数に対応している。また、各端子73は、段差部72に形成された図示しない貫通電極を介してパッケージ7の底面に配置された外部接続端子74に電気的に接続されている。外部接続端子74には、例えば、圧力センサー素子1を駆動するための駆動回路や、ブリッジ回路30からの出力を温度センサーで検知した温度に基づいて温度補償するための温度補償回路や、補償後の出力から圧力を求める圧力検知回路等を有するICチップが接続される。
The package 7 has a box shape (a bowl shape), and a recess (internal space) 71 is formed on the upper surface. A stepped
パッケージ7の構成材料としては、それぞれ、特に限定されないが、例えば、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア等の酸化物セラミックス、窒化珪素、窒化アルミ、窒化チタン等の窒化物セラミックスのような各種セラミックスや、ポリエチレン、ポリアミド、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリル系樹脂、ABS樹脂、エポキシ樹脂のような各種樹脂材料等の絶縁性材料が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。これらの中でも、各種セラミックスであることが好ましい。これにより、優れた機械的強度を有するパッケージ7を得ることができる。 The constituent material of the package 7 is not particularly limited, for example, various ceramics such as oxide ceramics such as alumina, silica, titania and zirconia, nitride ceramics such as silicon nitride, aluminum nitride and titanium nitride, Examples thereof include insulating materials such as various resin materials such as polyethylene, polyamide, polyimide, polycarbonate, acrylic resin, ABS resin, and epoxy resin, and one or more of these can be used in combination. Among these, various ceramics are preferable. Thereby, the package 7 having excellent mechanical strength can be obtained.
このようなパッケージ7内には、圧力センサー素子1がダイアフラム24の受圧面241を開口に向けた姿勢で収容されている。このような配置することで、受圧面241をパッケージ7の開口に向けると共に、パッケージ7の開口に近づけることができるので、圧力センサー10に加わった圧力は、より効率的に受圧面241に作用する。
In such a package 7, the
また、圧力センサー素子1の接続端子443とパッケージの端子73とがボンディングワイヤー75を介して電気的に接続されている。なお、接続端子443と端子73の接続方法としては、ボンディングワイヤーを用いる方法に限定されず、例えば、接続端子443と端子73とをフライングリード(タブテープ)を介して接続してもよいし、バンプ(金属バンプや導電性樹脂)を介して接続してもよい。
Further, the
また、図9および図10に示すように、パッケージ7内には、圧力センサー素子1を囲むようにして樹脂材料8が充填されている。このような樹脂材料8は、第1の樹脂材料81と、第2の樹脂材料82とを有している。第1の樹脂材料81は、凹部71の底部から途中の深さまで充填され、第2の樹脂材料82は、第1の樹脂材料81上に充填されている。すなわち、第1の樹脂材料81と第2の樹脂材料82がパッケージ7の厚さ方向に並んで充填されている。また、第1の樹脂材料81と第2の樹脂材料82は密着している。そのため、第1の樹脂材料81と第2の樹脂材料82との間に気泡(ボイド)が発生することを低減することができ、前記気泡の発生により受圧面241への圧力の伝搬が阻害されたり、前記気泡が受圧面241上へ移動したりすることを抑えることができる。
Further, as shown in FIGS. 9 and 10, the package 7 is filled with a
そして、このような樹脂材料8中に圧力センサー素子1が埋まっている。より具体的には、第1の樹脂材料81には圧力センサー素子1の第3の側面263までが埋まっており、第2の樹脂材料82には圧力センサー素子1の第3の側面263から上側が埋まっている。言い換えると、第1の樹脂材料81と第2の樹脂材料82の境界80が段差部26の途中に位置している。そのため、第1の樹脂材料81は、素子周囲構造体4の外周面に接触し、素子周囲構造体4を覆うように配置され、第2の樹脂材料82は、ダイアフラム24(受圧面241)と接触し、ダイアフラム24を覆うように配置されている。なお、境界80は、段差部26の途中に位置していれば、第3の側面263に位置していなくてもよい。
The
第1の樹脂材料81は、圧力センサー素子1をパッケージ7に支持(固定)する支持部材として機能している。これにより、圧力センサー素子1をパッケージ7に安定して支持することができ、凹部71内での圧力センサー素子1の位置の変動を低減することができる。一方、第2の樹脂材料82は、圧力センサー素子1を保護(防塵および防水)するとともに、圧力センサー10に加わった圧力をパッケージ7の開口を介して圧力センサー素子1の受圧面241に伝搬する。
The
第1の樹脂材料81は、第2の樹脂材料82よりも硬い材料で構成され、圧力センサー素子1の素子周囲構造体4、特に封止層46の剛性を補う機能を有している。このような第1の樹脂材料81の存在によって、第2の樹脂材料82から伝搬された圧力が素子周囲構造体4、特に封止層46に伝搬されること低減することができる。そのため、封止層46が受圧により空洞部S側に向かって撓むことを低減することができる。これにより、圧力センサー10の基準圧力が変化することを阻止または低減することができる。
The
このような第1の樹脂材料81は、例えばゲル状または固体状をなしている。このような状態であると、封止層46が空洞部S側に向かって撓むことがより確実に低減される。特に、第1の樹脂材料81が固体状である場合には、第1の樹脂材料81は、例えば、ヤング率(縦弾性係数)が0.1GPa以上50GPa以下であることが好ましく、1GPa以上10GPa以下であることがより好ましい。また、第1の樹脂材料81がゲル状である場合には、第1の樹脂材料81は、第2の樹脂材料82よりも針入度が小さければよいが、例えば、針入度が1以上200以下であることが好ましく、10以上100以下であることがより好ましい。なお、前記針入度は、JIS K 2207に規定の試験方法に準拠した方法で測定することによって求めることができる。ヤング率または針入度が前記範囲内であると、第1の樹脂材料81は、必要な剛性(硬度)を確保することができ、封止層46の剛性を補う機能をより顕著に発揮することができる。
Such a
また、第1の樹脂材料81は、絶縁性を有する。これにより、第1の樹脂材料81がボンディングワイヤー75や端子73に接触していても、複数のボンディングワイヤー75間や、複数の端子73間での短絡を防ぐことができる。
The
このような第1の樹脂材料81の構成材料としては、例えば、シリコン系樹脂、フッ素系樹脂、エポキシ系樹脂およびポリイミド系樹脂等が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。これにより、第1の樹脂材料81は、必要な剛性(硬度)をより容易に確保することができる。またシリコン系樹脂、フッ素系樹脂、エポキシ樹脂およびポリイミド樹脂は、熱収縮率が比較的小さい。このため、第1の樹脂材料81の熱収縮に起因する応力よって封止層46が変形する(撓む)ことを低減することができる。
Examples of the constituent material of the
また、第1の樹脂材料81は、前記樹脂に加え、フィラーを含んでいることが好ましい。フィラーとしては、例えば、金属や金属酸化物、セラミック等の無機物を含む無機フィラーや、グラファイト、カーボンブラックや、樹脂等の有機物を含む有機フィラー等が挙げられる。これらの中でも特に、無機フィラーを含むことが好ましい。これにより、第1の樹脂材料81の剛性を高めることができ、受圧による封止層46の変形をより一層低減することができる。また、フィラーとしては、無機フィラーの中でも特に、セラミック等の絶縁性を有するものがより好ましい。これにより、複数のボンディングワイヤー75間や複数の端子73間での短絡をより確実に防ぐことができる。
Moreover, it is preferable that the
一方、第2の樹脂材料82は、例えば、圧力センサー素子1およびパッケージ7よりも軟らかい特性(柔軟性)を有する。第2の樹脂材料82は、例えば液状またはゲル状をなしている。特に、ゲル状の第2の樹脂材料82は、流動性が低いため、凹部71内での圧力センサー素子1の位置の変動を低減することができる。そのため、圧力センサー10は、その姿勢の変化の影響を受けずに高精度な検出が可能となる。第2の樹脂材料82がゲル状である場合には、第2の樹脂材料82は、例えば、針入度が50以上250以下であることが好ましく、150以上250以下であることがより好ましい。これにより、第2の樹脂材料82を十分に柔らかくすることができ、圧力センサー10に加わった圧力が受圧面241に効率的に作用する。また、凹部71内での圧力センサー素子1の位置の変動をより的確に抑制することができる。
On the other hand, the
このような第2の樹脂材料82の構成材料としては、例えば、フッ素系樹脂およびシリコーン樹脂等が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。これにより、第2の樹脂材料82が十分に柔らかくなり、圧力センサー10に加わった圧力を受圧面241により効率よく伝搬することができる。
Examples of the constituent material of the
以上説明したような樹脂材料8を有することで、圧力センサー10に加えられた圧力を受圧面241に効率よく伝搬することができるとともに、受圧により封止層46が撓むことで空洞部Sの圧力が変化することを回避することができる。このため、圧力センサー10の圧力検知精度を高めることができる。
By having the
また、このような構成の圧力センサー10においては、圧力センサー素子1の段差部26は、次のような効果を発揮する。すなわち、圧力センサー10は、パッケージ7内に圧力センサー素子1を配置し、圧力センサー素子1とパッケージ7とをボンディングワイヤー75で接続した後に、凹部71内に樹脂材料8を充填することで得られる。
Further, in the
凹部71内への樹脂材料8の充填は、凹部71の底から第1の樹脂材料81を充填する第1の充填工程と、第2の樹脂材料82を第1の樹脂材料81の上から充填する第2の充填工程と、を有している。第1の充填工程では、素子周囲構造体4を覆い、かつ、ダイアフラム24の受圧面241に接触しないように第1の樹脂材料81を充填しなければならない。この点において、圧力センサー素子1には段差部26が設けられており、凹部71に第1の樹脂材料81を充填する際に、段差部26(特に第3の側面263)が第1の樹脂材料81のストッパーとして機能する。そのため、第1の樹脂材料81の充填量が多少多くなってしまっても、第1の樹脂材料81の受圧面241への回り込みを防ぐことができる。特に、図4に示す形状の段差部26の場合には、第2の側面262と第3の側面263との境界部に角部が無いため、段差部26での気泡の残存をより効果的に低減することができる。
Filling the
このような第3実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。 Also according to the third embodiment, the same effects as those of the first embodiment described above can be exhibited.
<第4実施形態>
次に、本発明の第4実施形態に係る圧力センサーについて説明する。
図11は、本発明の第4実施形態に係る圧力センサーの断面図である。
<Fourth embodiment>
Next, a pressure sensor according to a fourth embodiment of the present invention will be described.
FIG. 11 is a cross-sectional view of a pressure sensor according to the fourth embodiment of the present invention.
以下、第4実施形態の圧力センサーについて説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。 Hereinafter, although the pressure sensor of 4th Embodiment is demonstrated, it demonstrates centering around difference with embodiment mentioned above, and abbreviate | omits the description about the same matter.
第4実施形態の圧力センサーでは、ICチップをさらに有する以外は、前述した第3実施形態と同様である。 The pressure sensor of the fourth embodiment is the same as the third embodiment described above except that it further includes an IC chip.
図11に示すように、本実施形態の圧力センサー10は、圧力センサー素子1と、ICチップ9と、圧力センサー素子1およびICチップ9を収納するパッケージ7と、パッケージ7内に圧力センサー素子1およびICチップ9を囲むように配置された樹脂材料8と、を有している。
As shown in FIG. 11, the
ICチップ9は、圧力センサー素子1の下側に配置されている。また、ICチップ9と圧力センサー素子1は、接続部材91によって電気的に接続されていると共に、機械的に固定されている。そして、ICチップ9がボンディングワイヤー75を介して端子73に接続される。ICチップ9には、例えば、圧力センサー素子1を駆動するための駆動回路や、ブリッジ回路30からの出力を温度センサーで検知した温度に基づいて温度補償するための温度補償回路や、補償後の出力から圧力を求める圧力検知回路等が設けられている。
The
なお、ICチップ9の配置としては、特に限定されず、例えば、圧力センサー素子1の上側に位置してもよいし、横に並んでいてもよい。
The arrangement of the
このような第4実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。 According to the fourth embodiment, the same effect as that of the first embodiment described above can be exhibited.
<第5実施形態>
次に、本発明の第5実施形態に係る圧力センサーについて説明する。
図12は、本発明の第5実施形態に係る圧力センサーの断面図である。
<Fifth Embodiment>
Next, a pressure sensor according to a fifth embodiment of the invention will be described.
FIG. 12 is a cross-sectional view of a pressure sensor according to the fifth embodiment of the present invention.
以下、第5実施形態の圧力センサーについて説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。 Hereinafter, although the pressure sensor of 5th Embodiment is demonstrated, it demonstrates centering around difference with embodiment mentioned above, and abbreviate | omits the description about the same matter.
第5実施形態の圧力センサーでは、第1の樹脂材料の配置が異なる以外は、前述した第4実施形態と同様である。 The pressure sensor of the fifth embodiment is the same as that of the fourth embodiment described above except that the arrangement of the first resin material is different.
図12に示すように、本実施形態の圧力センサー10では、第1の樹脂材料81が、圧力センサー素子1とICチップ9の間に設けられている。また、圧力センサー素子1およびICチップ9からなる構造体全体の周りに第2の樹脂材料82が設けられている。このような構造とすることで、受圧面241とICチップ9とが、共に、第2の樹脂材料82に接続する。すなわち、前述した第4実施形態とは異なり、受圧面241とICチップ9とが同一材料で覆われた状態となっている。このため、本実施形態の圧力センサー10では、受圧面241とICチップ9とでの熱伝導に違いが生じ難く、温度ヒステリシス等の問題が生じ難い。
As shown in FIG. 12, in the
また、第2の樹脂材料82が、前記構造体の上方側だけでなく側方側と下方側に設けられていることにより、パッケージ7の歪みに起因する応力を吸収することができ、前記応力が構造体に作用することにより、圧力センサー素子1およびICチップ9の検出性能の低下を低減することができる。
Further, since the
このような第5実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。 According to the fifth embodiment, the same effect as that of the first embodiment described above can be exhibited.
[高度計]
次に、本発明の圧力センサー(圧力センサー素子)を備える高度計の一例について説明する。図13は、本発明の高度計の一例を示す斜視図である。
[Altimeter]
Next, an example of an altimeter provided with the pressure sensor (pressure sensor element) of the present invention will be described. FIG. 13 is a perspective view showing an example of an altimeter according to the present invention.
図13に示すように、高度計200は、腕時計のように、手首に装着することができる。また、高度計200の内部には、圧力センサー10(圧力センサー素子1)が搭載されており、表示部201に現在地の海抜からの高度、または、現在地の気圧等を表示することができる。なお、この表示部201には、現在時刻、使用者の心拍数、天候等、様々な情報を表示することができる。
As shown in FIG. 13, the
[電子機器]
次に、本発明の圧力センサー(圧力センサー素子)を備える電子機器を適用したナビゲーションシステムについて説明する。図14は、本発明の電子機器の一例を示す正面図である。
[Electronics]
Next, a navigation system to which an electronic device including the pressure sensor (pressure sensor element) of the present invention is applied will be described. FIG. 14 is a front view showing an example of an electronic apparatus of the present invention.
図14に示すように、ナビゲーションシステム300には、図示しない地図情報と、GPS(全地球測位システム:Global Positioning System)からの位置情報取得手段と、ジャイロセンサーおよび加速度センサーと車速データとによる自立航法手段と、圧力センサー10(圧力センサー素子1)と、所定の位置情報または進路情報を表示する表示部301とを備えている。
As shown in FIG. 14, the
このナビゲーションシステムによれば、取得した位置情報に加えて高度情報を取得することができる。高度情報を得ることにより、例えば、一般道路と位置情報上は略同一の位置を示す高架道路を走行する場合、高度情報を持たない場合には、一般道路を走行しているのか高架道路を走行しているのかナビゲーションシステムでは判断できず、優先情報として一般道路の情報を使用者に提供してしまっていた。そこで、本実施形態に係るナビゲーションシステム300では、高度情報を圧力センサー10によって取得することができ、一般道路から高架道路へ進入することによる高度変化を検出し、高架道路の走行状態におけるナビゲーション情報を使用者に提供することができる。
According to this navigation system, altitude information can be acquired in addition to the acquired position information. By obtaining altitude information, for example, when traveling on an elevated road that shows approximately the same position as a general road, if you do not have altitude information, you are traveling on an ordinary road or on an elevated road The navigation system was unable to determine whether or not the vehicle was being used, and the general road information was provided to the user as priority information. Therefore, in the
なお、本発明の圧力センサー(圧力センサー素子)を備える電子機器は、上記のものに限定されず、例えば、パーソナルコンピューター、携帯電話、医療機器(例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡)、各種測定機器、計器類(例えば、車両、航空機、船舶の計器類)、フライトシュミレーター等に適用することができる。 The electronic device provided with the pressure sensor (pressure sensor element) of the present invention is not limited to the above-mentioned ones. For example, personal computers, mobile phones, medical devices (for example, electronic thermometers, blood pressure monitors, blood glucose meters, electrocardiogram measuring devices) The present invention can be applied to ultrasonic diagnostic apparatuses, electronic endoscopes), various measuring instruments, instruments (for example, instruments for vehicles, aircraft, ships), flight simulators, and the like.
[移動体]
次いで、圧力センサー(圧力センサー素子)を備える移動体について説明する。図15は、本発明の移動体の一例を示す斜視図である。
[Moving object]
Next, a moving body including a pressure sensor (pressure sensor element) will be described. FIG. 15 is a perspective view showing an example of the moving body of the present invention.
図15に示すように、移動体400は、車体401と、4つの車輪402とを有しており、車体401に設けられた図示しない動力源(エンジン)によって車輪402を回転させるように構成されている。このような移動体400には、ナビゲーションシステム300(圧力センサー素子1)が内蔵されている。
As shown in FIG. 15, the moving
以上、本発明の圧力センサー素子、圧力センサー、高度計、電子機器および移動体を図示の各実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、他の任意の構成物や、工程が付加されていてもよい。また、各実施形態を適宜組み合わせてもよい。 As described above, the pressure sensor element, pressure sensor, altimeter, electronic device, and moving body of the present invention have been described based on the illustrated embodiments, but the present invention is not limited to these, and the configuration of each part is the same. It can be replaced with any configuration having the above function. Moreover, other arbitrary structures and processes may be added. Moreover, you may combine each embodiment suitably.
また、前述した実施形態では、センサーチップが有するセンサー素子としてピエゾ抵抗素子を用いたものについて説明したが、圧力センサーとしては、これに限定されず、例えば、フラップ型の振動子を用いた構成や、櫛歯電極等の他のMEMS振動子や、水晶振動子等の振動素子を用いることもできる。 In the above-described embodiment, the sensor chip has a sensor element that uses a piezoresistive element. However, the pressure sensor is not limited to this, for example, a configuration using a flap-type vibrator, Other MEMS vibrators such as comb electrodes, and vibration elements such as crystal vibrators can also be used.
1、1’、1A……圧力センサー素子
10……圧力センサー
2……基板
20……シリコンウエハ
21……半導体基板
22……第1絶縁膜
23……第2絶縁膜
24……ダイアフラム
241……受圧面
25……凹部
26……段差部
260……凹凸
261……第1の側面
262……第2の側面
263……第3の側面
3……圧力センサー部
30……ブリッジ回路
31、32、33、34……ピエゾ抵抗素子
4……素子周囲構造体
41……層間絶縁膜
42……配線層
43……層間絶縁膜
44……配線層
441……被覆層
442……細孔
443……接続端子
45……表面保護膜
46……封止層
51……凹部
61……台座
62……基板
621……ダイアフラム
621a……受圧面
622……凹部
63……段差部
7……パッケージ
71……凹部
72……段差部
73……端子
74……外部接続端子
75……ボンディングワイヤー
8……樹脂材料
80……境界
81……第1の樹脂材料
82……第2の樹脂材料
9……ICチップ
91……接続部材
200……高度計
201……表示部
300……ナビゲーションシステム
301……表示部
400……移動体
401……車体
402……車輪
DS1……第1のダイシングソー
DS2……第2のダイシングソー
S……空洞部
t1……高さ
T……厚さ
W1……幅
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記基板の側面には凹凸を有する段差部が配置されていることを特徴とする圧力センサー素子。 A substrate having a recess with a deformable diaphragm disposed at the bottom;
A pressure sensor element, wherein a step portion having unevenness is disposed on a side surface of the substrate.
前記第1の側面から前記厚さ方向にずれた位置に配置され、前記基板の平面視で前記第1の側面よりも前記基板の中心側に位置する第2の側面と、
前記第1の側面と前記第2の側面とを接続する第3の側面と、を有する請求項2に記載の圧力センサー素子。 The step portion includes a first side surface,
A second side surface disposed at a position shifted in the thickness direction from the first side surface, and positioned closer to the center side of the substrate than the first side surface in a plan view of the substrate;
The pressure sensor element according to claim 2, further comprising a third side surface that connects the first side surface and the second side surface.
前記圧力センサー素子を収容している内部空間を有するパッケージと、を有することを特徴とする圧力センサー。 The pressure sensor element according to any one of claims 1 to 7,
And a package having an internal space for accommodating the pressure sensor element.
前記樹脂材料は、前記圧力センサー素子の前記凹凸の並び方向に沿って、少なくとも第1の樹脂と、前記第1の樹脂と異なる第2の樹脂と、を有している請求項8に記載の圧力センサー。 A resin material disposed around the pressure sensor element in the package;
The said resin material has at least 1st resin and 2nd resin different from said 1st resin along the alignment direction of the said unevenness | corrugation of the said pressure sensor element. pressure sensor.
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