JP2017044492A - センサおよび接合構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】 基板に接合した状態で使用しても、剥離が生じ難いセンサおよびそれを用いた接合構造体を提供する。【解決手段】 センサは、上側主面から下側主面にかけて開口した枠状体であって、下側主面が外部の基板に対向するように基板１に接合される支持部と、支持部の内側に位置する可動部と、支持部と可動部とを接続する可撓性を有する接続部と、接続部に位置する検出部とを具備している。支持部の外側面は、第１の部位および第１の部位よりも下側に位置するとともに第１の部位よりも外側に突出した第２の部位を具備している。【選択図】 図１

Description

本発明は、物理量に応じて可動する可動部を有するセンサおよびこれを用いた接合構造体に関する。

近年、ＭＥＭＳ技術を用いたセンサが開発されている。このようなセンサは、外部から与えられる物理量に応じて可動する可動部を有しており、この可動部の動きを静電容量の変化やピエゾ抵抗素子の抵抗変化等で検出することができる。

このようなＭＥＭＳ技術を用いたセンサとしては、例えば特許文献１に示すような加速度センサや特許文献２に示すような触覚センサがある。これらのセンサは、配線基板等の他の基板に接合部材を介して接合された状態で使用される。

特開２０１１−８５５９１号公報 国際公開第２０１１／０４５９２９号

上記のセンサは、外部から与えられる物理量によって、センサと基板との接合部に応力が生じやすく、センサが基板から剥離する場合がある。特に、基板として比較的可撓性の高いフレキシブル基板を用いた場合には、剥離が生じやすくなる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、基板に接合した状態で使用しても、剥離が生じ難いセンサおよびそれを用いた接合構造体を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るセンサは、上側主面から下側主面にかけて開口した枠状体であって、前記下側主面が外部の基板に対向するように前記基板に接合される支持部と、該支持部の内側に位置する可動部と、前記支持部と前記可動部とを接続する可撓性を有する接続部と、該接続部に位置する検出部とを具備しており、前記支持部の外側面は、第１の部位および該第１の部位よりも下側に位置するとともに前記第１の部位よりも外側に突出した第２の部位を具備している。

本発明の一態様に係る接合構造体は、基板と、該基板の上面に接合された上記のセンサと、前記第２の部位の上面に被着するように前記基板と前記センサとを接合する接合部材とを具備している。

本発明によれば、基板からのセンサの剥離をより低減することができる。

本発明の一実施形態のセンサおよびそれを用いた接合構造体の断面図である。 本発明の一実施形態のセンサの上面図である。 図２のセンサの下面図である。 図２のセンサのＩ−Ｉ線での断面図である。 接合構造体の変形例を示す断面図である。 センサの変形例を示す上面図である。 センサの変形例を示す断面図である。 センサの変形例を示す断面図である。 図８のセンサを用いた接合構造体の断面図である。

本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図１〜図９には、右手系のＸＹＺ座標系を付しており、以下では、便宜上、Ｚ軸方向を上下方向として説明をするが、上下方向が必ずしも鉛直方向に限定されない。

図１は、本発明の一実施形態のセンサ１０およびそれを用いた接合構造体１００の断面図である。図２は、センサ１０の上面図である。図３は、センサ１０の下面図である。また、図４は、図２のＩ−Ｉ線における断面図である。

接合構造体１００は、基板１と、センサ１０と、基板１およびセンサ１０を接合する接合部材３とを具備している。また、センサ１０は、第１の部位１５および第２の部位１６を有する支持部１１と、可動部１２と、支持部１１および可動部１２を接続する接続部１３と、接続部１３に位置する検出部１４とを具備している。

センサ１０に加速度または接触による外力等の物理量が加わると、その物理量に応じて可動部１２が動くことで接続部１３が撓むようになっている。そして、接続部１３の撓み量に応じた電気信号を検出部１４により検出し、不図示の電気配線によりその電気信号を取出し演算することによりセンサ１０に加わった物理量を検出することができる。

可動部１２は、例えば平面形状が略正方形であり、略正方形の一辺の長さが例えば０．４ｍｍ〜０．７ｍｍに設定される。また、可動部１２の厚みは、例えば０．２ｍｍ〜０．７ｍｍに設定される。なお、可動部１２の平面形状は正方形に限られず、円や長方形など任意の形状が可能である。

支持部１１は、上側主面から下側主面にかけて開口した枠状体であって、可動部１２を平面視で囲むように配置されている。支持部１２は、例えば平面形状が略正方形であり、中央部に可動部１２より若干大きい略正方形の開口部を有している。支持部１１は、その一辺の長さが例えば１．４ｍｍ〜３ｍｍに設定され、支持部１１を構成するアームの幅（アームの長手方向と直交する方向の幅）は例えば０．３ｍｍ〜１．８ｍｍに設定される。また支持部１１の厚みは、例えば０．２ｍｍ〜０．７ｍｍに設定される。

接続部１３は、図３および図４に示すように、支持部１１と可動部１２とを接続している。つまり、接続部１３は、一方端が支持部１１の内側面に連結され、他方端が可動部１２の側面に連結されている。本実施形態におけるセンサ１０では、４本の接続部１３が設けられており、４本の接続部１３のうち２本はＸ軸方向に伸びて可動部１２を間に挟んだ状態で同一直線状に配され、他の２本はＹ軸方向に伸びて可動部１２を間に挟んだ状態で同一直線状に配されている。

接続部１３は可撓性を有し、センサ１０に物理量が加わると可動部１３が動き、可動部１２の動きに伴って接続部１３が撓むようになっている。接続部１３は、長手方向の長さ（支持部１１側端部から可動部１２側端部に向かう方向の長さ）が、例えば０．３ｍｍ〜０．８ｍｍに設定される。また、接続部１３の幅（長手方向と直交する方向の長さ）は、例えば０．０４ｍｍ〜０．２ｍｍに設定される。また、接続部１３の厚みは、例えば５μ
ｍ〜２０μｍに設定される。このように接続部１３を細長く且つ薄くすることによって可撓性が発現される。なお、接続部１３は、細長いものにかぎられず、可撓性を十分発現できれば、支持部１１の下側開口を塞ぐように形成されていてもよい。

支持部１１、可動部１２および接続部１３は、半導体基板を、従来周知の半導体微細加工技術、例えばフォトリソグラフィ法またはディープドライエッチング等を用いて加工することにより作製することができる。なお、上記半導体基板としては、シリコン（Ｓｉ）基板またはＳＯＩ基板（Ｓｉから成る第１層と、ＳｉＯ_２から成る第２層と、Ｓｉから成る第３層とがこの順に積層された基板）等を用いることができる。

検出部１４は、接続部１３の撓み量を検出する素子であり、例えば接続部１３の表面または内部に設けられたピエゾ抵抗素子である。本実施形態では、図３に示すように、ピエゾ抵抗素子から成る検出部Ｒａｘ１〜Ｒａｘ４，Ｒａｙ１〜Ｒａｙ４，Ｒａｚ１〜Ｒａｚ４が設けられている（以下、これらの検出部をまとめて称するときは適宜、符号１４で表す）。検出部Ｒａｘ１〜Ｒａｘ４，Ｒａｙ１〜Ｒａｙ４，Ｒａｚ１〜Ｒａｚ４は、可動部１２の３軸方向（図３に示した３次元直交座標系におけるＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向）の動きを検出できるように接続部１３の所定の位置に形成された上、ブリッジ回路を構成するように結線されている。

このような検出部Ｒａｘ１〜Ｒａｘ４，Ｒａｙ１〜Ｒａｙ４，Ｒａｚ１〜Ｒａｚ４は、例えば、シリコン（Ｓｉ）から成る接続部１３の表面にボロン（Ｂ）またはヒ素（Ａｓ）等の不純物元素を、イオン注入法等によって打ち込むことにより抵抗体膜を形成した後、抵抗体膜をエッチングなどにより所定の形状にパターニングすることにより形成することができる。このような抵抗体膜としては、例えば不純物濃度が、１×１０^１８ａｔｍｓ／ｃｍ^３、深さが約０．５μｍとすることができる。これによりピエゾ抵抗素子からなる検出部１４を形成することができる。

ピエゾ抵抗素子からなる検出部１４を用いた場合には、接続部１３の撓みに起因する変形に応じて抵抗値が変化し、この抵抗値の変化に基づく出力電圧の変化を電気信号として取り出し、これを外部のＩＣで演算処理することによって可動部１２に加わった力の方向および大きさを検知することができる。なお、検出部１４は、ピエゾ抵抗素子に限られず、静電容量型の検出素子であってもよい。

また、検出部１４に配線導体（図示せず）を介して電気的に接続されたパッド電極１７が、支持部１１の表面に設けられており、これらを介して電気信号の外部への取り出しが行なわれる。なお、図３および図４では、パッド電極１７が支持部１１の下側主面に設けられている。

これらの配線導体およびパッド電極１７は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金などからなり、これらの材料をスパッタリングなどにより成膜した後、所定の形状にパターニングすることによって、支持部１１および接続部１２の表面に形成される。

さらに、センサ１０において、支持部１１の外側面は、図１および図４に示すように、第１の部位１５およびこの第１の部位１５よりも下側に位置するとともに第１の部位１５よりも外側（可動部１２から遠ざかる方向）に突出した第２の部位１６を具備している。このような第１の部位１５および第２の部位１６を有することによって、センサ１０を外部の基板１に接続した状態で使用しても、センサ１０を基板１から剥離し難くすることができる。

つまり、第１の部位１５から突出した第２の部位１６の少なくとも上面に被着するよう
にして、基板１とセンサ１０とを接合部材３を用いて接合することによって、センサ１０を基板１から引き剥がすような応力が加わったとしても、第２の部位１６が接合部材３に引っ掛かり、アンカー効果によってセンサ１０の剥離を有効に低減できる。

第２の部位１６は、第１の部位１５からの突出高さが、例えば０．１ｕｍ〜３００ｕｍである。よりアンカー効果を高めるという観点からは、第２の部位１６の上面とセンサ１０の下側主面の全体を通る平面とのなす角度の絶対値が、０°〜６０°であるのがよい。つまり、第２の部位１６の上面はセンサ１０の下側主面の全体を通る平面（図１ではＸＹ平面）と平行に近い方がよい。より好ましくは、第２の部位１６の上面はセンサ１０の下側主面の全体を通る平面と平行であるのがよい。

第２の部位１６は、図２および図３に示すように、センサ１０を平面視したときに、支持部１１の全周にわたって連続して配置されている。このような構成であれば、接合部材３に対するアンカー効果をより高めることができる。

また、接続部１３および第２の部位１６は、支持部１１の高さ方向（Ｚ軸方向）のいずれの位置に配置されていてもよいが、図１および図４に示すように、接続部１３は支持部１１の下側端部に接続されているとともに、第２の部位１６は支持部１１の下側端部に位置していてもよい。このような構成であれば、接続部１３を支持部１１の下側端部に接続することによって、可動部１２の動きを大きくして感度を高めることができるとともに、撓みが生じる接続部１３の近傍に第２の部位１６を位置させることによって、接続部１３の根元をしっかりと固定してセンサ１０の歪みを低減することができる。

以上のようなセンサ１０を、基板１の上面に接合部材３を用いて接合させることによって、接合構造体１００となる。このとき、接合部材３は、センサ１０の第２の部位１６の上面に被着するようにする。これによって、センサ１０を基板１から引き剥がすような応力が加わったとしても、第２の部位１６が接合部材３に引っ掛かり、アンカー効果によってセンサ１０の剥離を有効に低減できる。

基板１は、配線導体を有する配線基板を用いることができる。配線基板としては、樹脂またはセラミック等を用いた公知の配線基板が用いられる。特に基板１として、可撓性の高い樹脂を用いたフレキシブル配線基板を用いた場合でも、上記センサ１０を用いることによって、センサ１０の剥離を有効に低減できる。

また、センサ１０の検出部１４からの電気信号を取り出すため、図１に示すように、基板１の上面に接続電極２が設けられている。そして、センサ１０のパッド電極１７が、半田等の導電性接続部材４を介して基板１に設けられた接続電極２に電気的に接続されることによって、センサ１０と基板１とが電気的に接続される。

接合部材３は、センサ１０を基板１に接合して固定させるためのものである。接合部材３としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、ガラスまたは半田等、公知の種々の接合材が用いられる。センサ１０に対する応力を低減するという観点からは、樹脂が用いられてよい。

接合部材３は、図１に示すように、少なくともセンサ１０の第２の部位１６の上面に被着するように設けられる。よりアンカー効果を高めるという観点からは、接合部材３は第２の部位１６の上面全体に被着していてもよい。特に、図１に示すように、第２の部位１６の下面が基板１と離間しており、接合部材３がこの第２の部位１６の下面に被着している場合、接合部材３が第２の部位１６をより安定に固定でき、センサ１０をより安定して基板１に接合することができる。

本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良などが可能である。例えば、以下に示すような各種変形例を用いてもよい。

＜変形例１＞
図５は、変形例としての接合構造体２００の断面図である。接合構造体２００は、図１の接合構造体１００において、センサ１０の上面に保護部材１８が設けられている点で異なっている。なお、図５において、図１のセンサ１０および接合構造体１００と同じ構成のものには同じ符号を付しており、詳細な説明は省略する。

保護部材１８は、可動部１２を保護するためのものである。保護部材１８はセンサ１０の用途に適するように、種々の材料および種々の構成が適宜採用され得る。図５の接合構造体２００は、センサ１０が触覚センサのような接触型のセンサである例を示している。この場合、保護部材１８を介して可動部１１を外部の物体に接触させることによって、この外部の物体からの物理量を検出することができる。このような接触型のセンサにおいて、保護部材１８は、可撓性を有するフィルム状のものが用いられ得る。そのような保護部材１８としては、樹脂フィルムやガラス板等が用いられ得る。

このような接触型のセンサ１０を用いる場合、センサ１０に接触による応力が大きく加わることになるが、上記第１の部位１５および第２の部位１６を有するセンサ１０を用いることによって、接触型であっても有効にセンサ１０の基板１からの剥離を低減できる。

＜変形例２＞
図６は、変形例としてのセンサ２０の上面図である。なお、図６において、図２〜図４のセンサ１０と同じ構成のものには同じ符号を付しており、詳細な説明は省略する。

センサ２０は、図２〜図４のセンサ１０において、第２の部位２６が支持部１１の全周にわたって断続的に設けられている点で異なっている。つまり、第２の部位２６は、連続しておらず、数か所で途切れている。このような構成であれば、センサ２０の基板１からの剥離を有効に低減できるとともに、突出した構造によって応力が生じやすい第２の部位２６において、途切れた部位で応力を緩和することができ、センサ２０に歪が生じるのを低減することもできる。

＜変形例３＞
図７は、変形例としてのセンサ３０の断面図である。なお、図７において、図２〜図４のセンサ１０と同じ構成のものには同じ符号を付しており、詳細な説明は省略する。

センサ３０は、図４のセンサ１０において、支持部３１の外側面の第１の部位３５の形状が異なっている。つまり、センサ３０では、支持部３１の外側面が、下側ほど内側（可動部１２側）に近づくように傾斜した第１の部位３５を有しているとともに、この第１の部位３５の下側端部から突出した第２の部位３６を有している。このような構成であっても、センサ３０の基板１からの剥離を有効に低減できる。

＜変形例４＞
図８は、変形例としてのセンサ４０の上面図であり、図９はセンサ４０を用いた変形例としての接合構造体４００の断面図である。なお、図８および図９において、図１〜図４のセンサ１０および接合構造体１００と同じ構成のものには同じ符号を付しており、詳細な説明は省略する。

センサ４０は、図１および図４のセンサ１０において、支持部４１の外側面の第１の部位４５の形状が異なっている。つまり、センサ４０では、支持部４１の外側面に溝が形成されており、この溝の底面が第１の部位４５であり、この第１の部位４５の下側に第１の部位４５から突出した第２の部位４６を有している。また、接合構造体４００において、接合部材３が上記溝に入り込むことによって第２の部位４６の上面に被着している。

このような構成であれば、センサ４０の基板１からの剥離を有効に低減できるとともに、支持部４１の外側面にレーザ等で溝を形成するだけで第１の部位４５および第２の部位４６を容易に形成でき、製造工程が簡略化できる。

１：基板
３：接合部材
１０、２０、３０、４０：センサ
１１、３１、４１：支持部
１２：可動部
１３：接続部
１４：検出部
１５、３５、４６：第１の部位
１６、２６、３６、４６：第２の部位
１００、２００、４００：接合構造体

Claims (7)

1. 上側主面から下側主面にかけて開口した枠状体であって、前記下側主面が外部の基板に対向するように前記基板に接合される支持部と、
   該支持部の内側に位置する可動部と、
   前記支持部と前記可動部とを接続する可撓性を有する接続部と、
   該接続部に位置する検出部とを具備しており、
   前記支持部の外側面は、第１の部位および該第１の部位よりも下側に位置するとともに前記第１の部位よりも外側に突出した第２の部位を具備しているセンサ。
2. 前記第２の部位は前記支持部の全周にわたって連続して配されている、請求項１に記載のセンサ。
3. 前記第２の部位は前記支持部の全周にわたって断続的に配されている、請求項１に記載のセンサ。
4. 前記第２の部位の上面は前記支持部の下側主面の全体を通る平面にとのなす角度の絶対値が０°〜６０°である、請求項１乃至３のいずれかに記載のセンサ。
5. 前記接続部は前記支持部の下側端部に接続されているとともに前記第２の部位は前記支持部の下側端部に位置している、請求項１乃至４のいずれかに記載のセンサ。
6. 基板と、
   該基板の上面に接合された請求項１乃至５のいずれかに記載のセンサと、
   前記第２の部位の上面に被着するように前記基板と前記センサとを接合する接合部材と
   を具備する接合構造体。
7. 前記第２の部位の下面が前記基板と離間しており、前記接合部材が前記第２の部位の下面に被着している、請求項６に記載の接合構造体。

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