JP2018124128A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】オイル、ゲル等の圧力媒体を省略しても、防水性、耐薬品性を確保することができ、小型化を図ることが可能な圧力センサを提供する。【解決手段】ダイアフラム１２を有するセンサ素子１０を備える圧力センサであって、ダイアフラム１２が防水性及び耐薬品性を有する有機膜１５からなり、ダイアフラム１２の下部に歪みゲージ２１が形成されている。センサ素子１０は、ダイアフラム１２の周囲にシリコン層３１を含む基板１１を有してもよい。【選択図】図１

Description

本発明は、圧力センサに関する。

圧力センサの防水性、耐薬品性を確保するため、オイル封入型、ゲル塗布型等の圧力センサが知られている。オイル封入型の圧力センサでは、オイルを封入した空間にセンサ素子が設けられ、オイルを介して圧力が検知される。ゲル塗布型の圧力センサでは、センサ素子の上部にゲルが塗布され、ゲルを介して圧力が検知される。
例えば、特許文献１には、比較的低いヤング率のゲル状物質により構成された保護部材を、センサ素子のダイアフラムの上に設けた圧力センサが記載されている。

特開２００１−３４３２９８号公報

オイル封入型の圧力センサに関しては、パッケージのセンサ搭載部にオイルを封入するため、オイルが封入されたセンサ搭載部と外部空間との間で、オイルが漏れることなく圧力の伝達が可能なダイアフラムを設ける必要がある。パッケージに設けられるダイアフラムは一般的にはステンレス製であり、パッケージの小型化が難しく、部材及び製造のコストが増大するという問題がある。

ゲル塗布型の圧力センサに関しても、センサ素子の上部にゲルを設ける必要があるため、材料、工数、小型化等の問題がある。
いずれの場合も、外部空間とセンサ素子との間に、圧力媒体として、オイル又はゲルが介在するため、感度の低下も懸念される。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、オイル、ゲル等の圧力媒体を省略しても、防水性、耐薬品性を確保することができ、小型化を図ることが可能な圧力センサを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、ダイアフラムを有するセンサ素子を備える圧力センサであって、前記ダイアフラムが防水性及び耐薬品性を有する有機膜からなり、前記ダイアフラムの下部に歪みゲージが形成されていることを特徴とする圧力センサを提供する。

前記センサ素子は、前記ダイアフラムの周囲にシリコン層を含む基板を有し、前記シリコン層が前記ダイアフラムの下部にせり出した部分の表面に前記歪みゲージが形成されている構成を採用することも可能である。

前記基板は、前記歪みゲージに接続された貫通配線部を有し、前記基板の裏面には前記貫通配線部に接続されたパッド部を有する構成を採用することも可能である。
前記センサ素子がデータ処理素子の上部に積層されている構成を採用することも可能である。

本発明によれば、防水性及び耐薬品性を有する有機膜からダイアフラムを構成することにより、センサ素子の防水性及び耐薬品性を確保することができる。これにより、パッケージ構造の制約を受けることなく、圧力センサの小型化、低コスト化を図ることができる。

センサ素子の一例を示す（ａ）断面図、（ｂ）上面図、（ｃ）下面図である。 センサ素子をパッケージ上に実装した構成を例示する断面図である。 センサ素子の製造工程を示す（ａ）〜（ｄ）断面図である。 図３に続いてセンサ素子の製造工程を示す（ａ）〜（ｄ）断面図である。 図４に続いてセンサ素子の製造工程を示す（ａ）〜（ｄ）断面図である。 センサ素子の改変例を示す（ａ）断面図、（ｂ）上面図、（ｃ）下面図である。

以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１に、本実施形態の圧力センサに設けられるセンサ素子を示す。図１（ａ）は断面図、図１（ｂ）は上面図、図１（ｃ）は下面図である。本実施形態の圧力センサは、ダイアフラム１２を有するセンサ素子１０を備える。センサ素子１０は、ダイアフラム１２の周囲に、ダイアフラム１２より厚い基板１１を有する。

基板１１の裏側からダイアフラム１２の裏面に向けて、凹部１３が形成されている。この凹部１３は、圧力の基準となる圧力基準室１４の周囲を囲んでいる。図１（ａ）では、圧力基準室１４が開放された状態のセンサ素子１０を示しているが、圧力センサが機能する際には、圧力基準室１４が気密に密閉される。
図１（ａ）に示す例では、凹部１３の内面がダイアフラム１２の面に略垂直となっている。本実施形態のセンサ素子１０では特にこれに限定されず、例えば凹部１３の内面がダイアフラム１２に対して傾斜していてもよい。

ダイアフラム１２は、センサ素子１０の外側の圧力の変化に応じ、圧力基準室１４に向けて、又はその反対向きに変形が可能である。圧力が変化すると、ダイアフラム１２に歪みが生じる。ダイアフラム１２に生じた歪みは、歪みゲージ２１により検知することが可能である。

歪みゲージ２１としては、ピエゾ抵抗効果を利用したピエゾ抵抗が挙げられる。ピエゾ抵抗効果は、電気抵抗に加わった応力により抵抗率が変化する現象である。ピエゾ抵抗は、例えばイオン注入、拡散等により形成される。歪みゲージ２１はダイアフラム１２の下部に設けられているので、ダイアフラム１２に加わる圧力に応じて歪みゲージ２１の抵抗を変化させることができる。

本実施形態のダイアフラム１２は、防水性及び耐薬品性を有する有機膜１５から構成されている。歪みゲージ２１は、ダイアフラム１２の下部に形成されている。歪みゲージ２１が、有機膜１５からなるダイアフラム１２に覆われることにより、センサ素子１０の防水性及び耐薬品性が確保される。ここで求められる防水性及び耐薬品性としては、シリコンや金属配線等を含むセンサ素子１０の機能を維持するのに必要な性能が好ましい。有機膜１５の構成材料としては、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリアミド樹脂、フッ素樹脂、シリコーン樹脂等が挙げられる。

基板１１は、表面がシリコン酸化膜３４で覆われたシリコン層３１を有する。シリコン層３１の表面には、拡散等により歪みゲージ２１及びリード部２２ａが形成されている。シリコン酸化膜３４の表面には、金属等から構成される表面配線部２２ｃが形成されている。表面配線部２２ｃとリード部２２ａとの間は、シリコン酸化膜３４を貫通する層間接続部２２ｂにより、電気的に接続されている。層間接続部２２ｂは、表面配線部２２ｃと一体に形成されてもよい。

シリコン層３１は、ダイアフラム１２の周囲に配されている。基板１１は、シリコン層３１がダイアフラム１２の下部にせり出した部分である、せり出し部１６を有する。せり出し部１６の内周側は、基板１１の厚さ方向に貫通した開口部１７となっている。開口部１７内には、有機膜１５からなるダイアフラム１２が配されている。ダイアフラム１２と基板１１との間は、圧力基準室１４内に対して気体の漏洩又は浸透がないように、気密に密着されている。

歪みゲージ２１は、せり出し部１６の厚さ方向の内部又は裏面に形成されてもよいが、表面に形成されていることが好ましい。これにより、シリコン層３１の表面上に拡散抵抗として、容易に歪みゲージ２１を形成することができる。せり出し部１６は、ダイアフラム１２の有機膜１５と一体化して変位することが可能であるため、歪みゲージ２１において外部圧力の変化による歪みを高精度に検知することができる。

図１（ａ）に示す例では、せり出し部１６上の有機膜１５の厚さが、開口部１７内において圧力基準室１４に接する有機膜１５の厚さより薄くなっている。ここで、せり出し部１６及びその上の有機膜１５の合計厚さが、ダイアフラム１２の厚さと同程度であってもよい。せり出し部１６の下面が、ダイアフラム１２の下面と略同一面上にあってもよい。有機膜１５の厚さが略均等で、せり出し部１６の上面が、ダイアフラム１２の下面と略同一面上とすることもできる。ダイアフラム１２の下面が、せり出し部１６の厚さ方向の中間部に位置してもよい。

基板１１の表面には、歪みゲージ２１と貫通配線部２３とを電気的に接続する配線部２２が設けられている。図１（ｂ）に示すように、例えば４つの歪みゲージ２１を配線部２２で接続することにより、ブリッジ回路の少なくとも一部となる回路２０が構成されている。回路２０は、開口部１７の周囲を一周するように設けられている。貫通配線部２３は、隣接する歪みゲージ２１の間の配線部２２にそれぞれ接続されている。
貫通配線部２３の両端には、それぞれ貫通配線部２３の太さより広くされたパッド部２３ａ，２３ｂが設けられてもよい。

本実施形態の基板１１は、表面側から裏面側に向かう順に、シリコン酸化膜３４、シリコン層３１、シリコン酸化膜３２、シリコン層３３、シリコン酸化膜３５を有する。基板１１が凹部１３の深さに相当するシリコン層３３を有することにより、エッチング等の半導体製造工程を用いて、容易かつ精密に凹部１３を形成することができる。貫通配線部２３は、シリコン層３１，３３及びシリコン酸化膜３２，３４，３５を貫通している。

なお、表面配線部２２ｃと裏面側のパッド部２３ｂとの間を接続する導体部は、基板１１の全層を貫通する貫通配線部２３に限られるものではない。例えば、基板１１の側面、凹部１３の内面等に沿って配線を設けることも可能である。表面配線部２２ｃを設けることなく、シリコン層３１内の歪みゲージ２１又はリード部２２ａから直接基板１１の裏面に向けて配線を設けることも可能である。

基板１１の表面側のパッド部２３ａ及び配線部２２は、有機膜１５に覆われている。これにより、配線部２２を含む回路２０が外部に露出されず、防水性及び耐薬品性を有する有機膜１５による電気絶縁が可能となる。上面側のパッド部２３ａが表面配線部２２ｃと一体に形成される場合、表面配線部２２ｃと貫通配線部２３とを接続する際に、パッド部２３ａが貫通配線部２３と結合すればよいので、許容誤差が緩和される。

本実施形態においては、図１（ｂ）に示すように、各せり出し部１６は、歪みゲージ２１ごとに設けられている。開口部１７の周囲のうち、せり出し部１６がない区間は、凹部１３の内面と連続していてもよい。特に限定されないが、４箇所の歪みゲージ２１の間に、せり出し部１６を延長して設けることも可能である。歪みゲージ２１を有するせり出し部１６とは異なる位置に、歪みゲージ２１が設けられないダミーのせり出し部１６を付加することも可能である。

基板１１の裏面側のパッド部２３ｂは、図１（ｃ）に示すように、シリコン酸化膜３５上に露出されてもよい。パッド部２３ｂは、センサ素子１０を外部と接続するために用いることができる。パッド部２３ｂは、外部とセンサ素子１０との間で、電流又は電圧の入力又は出力等に用いることができる。

例えば定電流駆動の場合、４つの歪みゲージ２１がホイートストンブリッジを構成するように、２つのパッド部２３ｂ間に一定電流を通じると、他の２つのパッド部２３ｂ間の電圧が、歪みゲージ２１の抵抗の変化に応じて変化する。上述したように、歪みゲージ２１の抵抗は、ダイアフラム１２が受けた圧力に応じて変化するので、センサ素子１０から出力される電圧に基づいて、ダイアフラム１２が受けた圧力を計測することができる。

本実施形態のセンサ素子１０は、防水性、耐薬品性等の取扱い性を確保しているため、それ自体で圧力センサのパッケージとして利用可能である。ダイアフラム１２及び歪みゲージ２１により検知された圧力に基づき、センサ素子１０からセンサ信号が出力される。さらに本実施形態の圧力センサは、ＩＣ等のデータ処理素子を備えてもよい。データ処理素子が有する信号処理機能としては、信号の増幅、Ａ／Ｄ変換、温度特性等の補正などの１又は２以上が挙げられる。

図２に示すように、データ処理素子４０のパッケージ４２上に、センサ素子１０が搭載されるリードフレーム４１を有してもよい。これにより、センサ素子１０をデータ処理素子４０の上部に積層して実装することができる。基板１１の裏面側のパッド部２３ｂとリードフレーム４１とを電気的に接続することにより、データ処理素子４０とセンサ素子１０との間で電気信号又は電力が伝送可能となる。パッド部２３ｂとリードフレーム４１との接続を確実にするため、半田、導電ペースト等の導電性接続材料を用いてもよい。

センサ素子１０の外周部には、樹脂等により封止部４３が形成される。封止部４３が基板１１の周囲を覆うことにより、防水性、耐薬品性を確保することができる。圧力基準室１４は、センサ素子１０とパッケージ４２との接続部が封止部４３で覆われることにより、気密に密閉されている。封止部４３に用いられる樹脂としては、防水性の封止樹脂が好ましく、例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フルオロシリコーンゲル、フッ素ゲル等が挙げられる。

封止部４３はダイアフラム１２上を覆わないことから、封止樹脂は圧力を伝達する特性を必要とせず、柔軟な樹脂でも硬質の樹脂でもよい。圧力センサの外部環境にある空気、水等の流体が、ダイアフラム１２の有機膜１５に直接接触してもよい。

以上の構成の圧力センサによれば、データ処理素子とセンサ素子との間をワイヤボンディングで接続する構成、センサ素子の上部に防水ゲルを設ける構成、センサ素子の周囲を満たすシリコンオイルと外部空間との間にダイアフラムを設ける構成などと比較して、部材、工数を省き、圧力センサの小型化が可能である。

本実施形態のセンサ素子１０は、通常の半導体製造工程及び貫通配線工程により作製することができる。図３〜５に、センサ素子１０の製造フローの一例を示すが、製造工程をこれに限定するものではない。例えば、順番の変更、工程の変更、付加、省略等が可能である。また、図３〜５には特に図示しないが、パターンを形成する際には、必要に応じてレジスト、マスクなどを用いてもよい。

図３（ａ）は、シリコン層３１と、シリコン酸化膜３２と、シリコン層３３とを有するＳＯＩ基板３０の断面図である。次に、図３（ｂ）に示すように、表面側のシリコン層３１の上にシリコン酸化膜３４を形成する。シリコン酸化膜３４は、蒸着等により、シリコン層３１上にＳｉＯ_２を堆積させて形成してもよい。シリコン酸化膜３４の代わりに、他の電気絶縁膜を採用することもできる。

次に、図３（ｃ）に示すように、シリコン層３１の表面にドーパント等の不純物を拡散させることにより、歪みゲージ２１とリード部２２ａを形成することができる。
次に、図３（ｄ）に示すように、シリコン酸化膜３４及びシリコン層３１を貫通する開口部１７を形成する。

次に、図４（ａ）に示すように、シリコン層３１及びシリコン酸化膜３２，３４を貫通し、シリコン層３３の内部に達する貫通配線部２３を形成する。この段階で形成される貫通配線部２３は、シリコン層３３の裏面まで貫通していなくてもよい。後述するように、後工程で基板の裏面側で厚さの一部が除去される場合、貫通配線部２３の長さが、裏面のパッド部２３ｂが設けられる位置に達する長さ以上であることが好ましい。

次に、図４（ｂ）に示すように、貫通配線部２３とリード部２２ａとの間に、金属層等により、表面配線部２２ｃ及び層間接続部２２ｂを形成する。貫通配線部２３と表面配線部２２ｃとの接続を容易にするため、パッド部２３ａを設けてもよい。金属層は、例えばメッキ、蒸着、スパッタ等の１種又は２種以上により構成することができる。シリコン酸化膜３４との密着性に優れる下地層の上に、電気伝導性に優れる層を積層してもよい。

次に、図４（ｃ）に示すように、開口部１７及び回路２０を覆うように、有機膜１５を形成する。有機膜１５は、樹脂又は前駆体の塗布、溶融樹脂の射出、フィルムのプレス等により形成することができる。基板上に樹脂前駆体の膜を形成した場合は、前駆体の縮合反応、硬化反応等の化学変化を経て、基板上で有機膜１５に変換することができる。化学変化を促進するため、熱処理を施してもよい。

シリコン層３３の裏面３３ａ側を研削して貫通配線部２３を露出した後、酸化処理を施すことにより、図４（ｄ）に示すように、基板１１の裏面側にシリコン酸化膜３５を被覆することができる。このとき、貫通配線部２３の端部は、シリコン酸化膜３５を貫通して外部に露出されている。このため、シリコン酸化膜３５は、シリコン層３３を構成するシリコンの一部を酸化することで形成することが好ましい。

次に、図５（ａ）に示すように、シリコン酸化膜３５上にパッド部２３ｂを設けることができる。次に、図５（ｂ）を示すように、圧力基準室１４を構成する凹部１３を形成して、ダイアフラム１２を形成する。次に、図５（ｃ）に示すように、ダイアフラム１２の裏側を覆うシリコン酸化膜３２を除去する。

次に、図５（ｄ）に示すように、基板１１を切断部１８で切断することにより、チップごとにセンサ素子１０を個片化する。なお、図３〜５では、模式的に２個のセンサ素子１０に相当する範囲のみを図示したが、１枚のＳＯＩ基板３０上で各チップに相当する領域を二次元的に多数配列し、一括的に製造を行うことができる。有機膜１５は、ウェハレベルで半導体素子の表面を封止するための樹脂保護膜を兼ねることができる。なお、切断部１８に露出される基板１１の側面を、更に樹脂等で封止する工程を付加してもよい。

以上、本発明を好適な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の実施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で種々の改変が可能である。

図６に、センサ素子の改変例を示す。図６（ａ）は断面図、図６（ｂ）は上面図、図６（ｃ）は下面図である。図６に示すセンサ素子１９は、せり出し部１６が開口部１７の全周に設けられていること以外は、図１に示すセンサ素子１０と同様に構成することができる。

上述の実施形態では、センサ素子を外部と電気的に接続する端子部として、基板１１の裏面にパッド部２３ｂを設けたが、これに限定されるものではない。例えば、基板１１の表面、側面等に端子部を設けることも可能である。
本発明の圧力センサは、センサ素子のみから構成されてもよい。圧力センサは、ダイアフラムに受けた圧力に応じてセンサ信号を出力する構成であればよく、回路構成、駆動方式等は特に限定されない。

上述の実施形態では、基板に歪みゲージ２１が形成された後で有機膜１５が形成され、その後で基板１１に凹部１３を形成することで、有機膜１５からなるダイアフラム１２が構成されている。工程の順番は適宜変更することが可能であり、例えば有機膜１５が形成された後で基板に歪みゲージ２１を形成することも可能である。また例えば、基板１１に凹部１３が形成された後で、有機膜１５を設けてダイアフラム１２を構成することも可能である。

上述のセンサ素子及び圧力センサは、水深計、高度計等のように、周囲の水圧又は気圧に基づいて、圧力以外の物理量を計測する機器に利用することもできる。

１０，１９…センサ素子、１１…基板、１２…ダイアフラム、１５…有機膜、１６…せり出し部、２１…歪みゲージ、２３…貫通配線部、２３ａ，２３ｂ…パッド部、３１，３３…シリコン層、３２，３４，３５…シリコン酸化膜、４０…データ処理素子、４１…リードフレーム、４２…パッケージ、４３…封止部。

Claims (4)

1. ダイアフラムを有するセンサ素子を備える圧力センサであって、
   前記ダイアフラムが防水性及び耐薬品性を有する有機膜からなり、前記ダイアフラムの下部に歪みゲージが形成されていることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記センサ素子は、前記ダイアフラムの周囲にシリコン層を含む基板を有し、前記シリコン層が前記ダイアフラムの下部にせり出した部分の表面に前記歪みゲージが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記基板は、前記歪みゲージに接続された貫通配線部を有し、前記基板の裏面には前記貫通配線部に接続されたパッド部を有することを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
4. 前記センサ素子がデータ処理素子の上部に積層されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧力センサ。

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