JP2018128396A - 圧力センサーデバイス、電子機器および移動体 - Google Patents

圧力センサーデバイス、電子機器および移動体 Download PDF

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Abstract

【課題】高精度化を図ることのできる圧力センサーデバイス、電子機器および移動体を提供する。
【解決手段】本発明の圧力センサーデバイスは、ベースと、前記ベースに固定されている基板と、前記基板に接続されているボンディングワイヤーと、前記ボンディングワイヤーを介して前記基板に支持され、受圧により撓み変形するダイアフラムを有する圧力センサーと、前記ダイアフラムの受圧面上に配置され、前記受圧面に圧力を伝搬する圧力伝搬部と、前記圧力センサーと前記ベースとを接着する接着部と、を有していることを特徴とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、圧力センサーデバイス、電子機器および移動体に関するものである。
従来から、圧力センサーデバイスとして、例えば、特許文献1に記載の構成が知られている。特許文献1の圧力センサーデバイスは、受圧により撓み変形するダイアフラムを有する圧力センサーと、この圧力センサーを収納するパッケージと、圧力センサーを覆うようにパッケージ内に充填されたゲルと、を有し、圧力がゲルを介してダイアフラムに伝達される構成となっている。
特開2016−3994号公報
しかしながら、高精度化を図るためにはゲルをなるべく柔らかく(針入度を大きく)する必要があり、これにより、次のような問題が生じるおそれがある。第1に、パッケージ内で圧力センサーが揺れやすくなり、それに伴って、出力のドリフトが生じるおそれがある。第2に、落下等の強い衝撃が加わると、パッケージ内で瞬間的に圧力センサーが変位し、変位した状態で姿勢が維持され、ボンディングワイヤーに負担がかかって破損するおそれがある。このような問題が生じるおそれがあるため、特許文献1の圧力センサーデバイスでは高精度化を容易に図ることができない。
本発明の目的は、高精度化を図ることのできる圧力センサーデバイス、電子機器および移動体を提供することにある。
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の圧力センサーデバイスは、ベースと、
前記ベースに固定されている基板と、
前記基板に接続されているボンディングワイヤーと、
前記ボンディングワイヤーを介して前記基板に支持され、受圧により撓み変形するダイアフラムを有する圧力センサーと、
前記ダイアフラムの受圧面上に配置され、前記受圧面に圧力を伝搬する圧力伝搬部と、
前記圧力センサーと前記ベースとを接着する接着部と、を有していることを特徴とする。
これにより、圧力センサーがベースに固定され、ベースに対する圧力センサーの変位(揺れ)を抑制することができる。そのため、出力のドリフトが発生し難くなり、圧力センサーデバイスの圧力検出特性が向上する。したがって、圧力センサーデバイスの高精度化を図ることができる。
本発明の圧力センサーデバイスでは、前記接着部は、前記圧力伝搬部を介して前記圧力センサーに接着されていることが好ましい。
これにより、圧力伝搬部が応力緩和部として機能し、例えば、ベースの熱膨張等により発生する応力が圧力センサーに伝わり難くなる。そのため、出力のドリフト等が発生し難くなり、圧力センサーデバイスの圧力検出特性が向上する。
本発明の圧力センサーデバイスでは、前記圧力伝搬部は、前記ベースと非接触に設けられていることが好ましい。
これにより、圧力伝搬部の量を少なくすることができ、圧力伝搬部が流動し難くなる。そのため、圧力以外の外力(圧力伝搬部の流動により生じる応力)が受圧面に作用し難くなり、出力のドリフト等が発生し難くなる。したがって、圧力センサーデバイスの圧力検出特性が向上する。
本発明の圧力センサーデバイスでは、前記圧力伝搬部は、液状またはゲル状をなし、150以上の針入度を有することが好ましい。
これにより、圧力伝搬部を十分に柔らかくすることができ、圧力伝搬部を介して、より効率的に、圧力を受圧面に伝搬することができる。
本発明の圧力センサーデバイスでは、前記接着部は、40以上60以下のゴム硬度を有することが好ましい。
これにより、接着部を適度な硬さとすることができ、圧力センサーを安定して保持することができる(圧力センサーの揺れを抑制することができる)と共に、ベースの熱膨張等により発生する応力の圧力センサーへの伝達を抑制することができる。
本発明の圧力センサーデバイスでは、前記圧力センサーの一部は、前記圧力伝搬部から露出していることが好ましい。
これにより、圧力センサーに配置される圧力伝搬部の量を少なくすることができ、圧力伝搬部が圧力センサー上で流動し難くなる。そのため、圧力以外の外力が受圧面に作用し難くなり、出力のドリフト等が発生し難くなる。したがって、圧力センサーデバイスの圧力検出特性が向上する。
本発明の圧力センサーデバイスでは、前記圧力センサーは、前記ボンディングワイヤーと接続されている端子を有し、
前記端子を覆う被覆部を有していることが好ましい。
これにより、端子を水分から保護することができ、圧力センサーの電気的な劣化(例えば、端子の腐食による断線、抵抗値の増加等)を抑制することができる。
本発明の圧力センサーデバイスでは、前記被覆部は、15以上30以下のゴム硬度を有することが好ましい。
これにより、被覆部を十分に柔らかくすることができる。そのため、圧力センサーと被覆部の熱膨張差に起因する熱応力が発生し難く、当該熱応力によるダイアフラムの不本意な変形を抑制することができる。そのため、出力のドリフト等が発生し難くなり、圧力センサーデバイスの圧力検出特性が向上する。
本発明の圧力センサーデバイスでは、前記圧力センサーと電気的に接続されている回路素子を有していることが好ましい。
これにより、圧力センサーの駆動をより容易に行うことができる。
本発明の電子機器は、本発明の圧力センサーデバイスを有することを特徴とする。
これにより、本発明の圧力センサーデバイスの効果を享受でき、信頼性の高い電子機器が得られる。
本発明の移動体は、本発明の圧力センサーデバイスを有することを特徴とする。
これにより、本発明の圧力センサーデバイスの効果を享受でき、信頼性の高い移動体が得られる。
本発明の第1実施形態に係る圧力センサーデバイスの断面図である。 図1に示す圧力センサーデバイスが有する支持基板の平面図である。 図1に示す圧力センサーデバイスが有する圧力センサーの断面図である。 図3に示す圧力センサーが有するセンサー部の平面図である。 図4に示すセンサー部を含むブリッジ回路を示す図である。 図3に示す圧力センサーの平面図である。 本発明の第2実施形態に係る圧力センサーデバイスの断面図である。 図7に示す圧力センサーデバイスが有する支持基板の平面図である。 本発明の第3実施形態に係る圧力センサーデバイスの断面図である。 本発明の第4実施形態に係る圧力センサーデバイスの断面図である。 本発明の第5実施形態に係る電子機器としての高度計を示す斜視図である。 本発明の第6実施形態に係る電子機器としてのナビゲーションシステムを示す正面図である。 本発明の第7実施形態に係る移動体としての自動車を示す斜視図である。
以下、本発明の圧力センサーデバイス、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。
<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デバイスについて説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る圧力センサーデバイスの断面図である。図2は、図1に示す圧力センサーデバイスが有する支持基板の平面図である。図3は、図1に示す圧力センサーデバイスが有する圧力センサーの断面図である。図4は、図3に示す圧力センサーが有するセンサー部の平面図である。図5は、図4に示すセンサー部を含むブリッジ回路を示す図である。図6は、図3に示す圧力センサーの平面図である。なお、以下の説明では、図1および図3中の上側を「上」、下側を「下」とも言う。また、図1中の上下方向から見た平面視を単に「平面視」とも言う。
図1に示す圧力センサーデバイス100は、内部空間S1を有するパッケージ110と、パッケージ110に固定された支持基板120と、内部空間S1内で支持基板120に支持された圧力センサー1と、圧力センサー1に配置された圧力伝搬部140および被覆部150と、圧力センサー1とパッケージ110とを接着する接着部160と、を有している。
(パッケージ)
図1に示すように、パッケージ110は、ベース111およびハウジング112を有し、ベース111およびハウジング112が支持基板120を挟んで互いに接着層113を介して接合されている。このようなパッケージ110は、その上端部に形成された開口110aと、開口110aに連通する内部空間S1と、を有している。そして、この内部空間S1に圧力センサー1が収納されている。これにより、圧力センサー1を保護することができる。
ベース111およびハウジング112の構成材料としては、それぞれ、特に限定されず、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、窒化アルミニウム、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、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、各種セラミックスを用いることが特に好ましい。
以上、パッケージ110について説明したが、パッケージ110の構成としては、その機能を発揮することができれば、特に限定されない。
(支持基板)
図1に示すように、支持基板120は、ベース111およびハウジング112に挟まれており、その一部(帯体123側)は、内部空間S1内からパッケージ110の外側に引き出されて配置されている。また、支持基板120は、圧力センサー1を支持すると共に、圧力センサー1と電気的に接続されている。図2に示すように、支持基板120は、可撓性を有する基材121と、基材121に配置された複数の配線129と、を有している。
また、基材121は、開口122aを有する枠状の基部122と、基部122から延出する帯状の帯体123と、を有している。そして、基部122の外縁部がベース111とハウジング112とに挟まれ、帯体123がパッケージ110の外側に延出している。
このような支持基板120としては、例えば、一般的に用いられているフレキシブルプリント基板を用いることができる。なお、本実施形態では基材121が可撓性を有しているが、基材121の全部または一部は、硬質であってもよい。すなわち、支持基板120として、リジッドフレキシブルプリント基板やリジッドプリント基板を用いてもよい。
また、圧力センサー1は、ボンディングワイヤーBWを介して基材121に吊られ、支持基板120から浮遊した状態で支持されている。また、圧力センサー1は、ボンディングワイヤーBWを介して配線129と電気的に接続されている。このように、圧力センサー1を支持基板120に対して浮遊した状態で支持することで、支持基板120から圧力センサー1に応力が伝わり難くなり、圧力センサー1の圧力検知精度が向上する。
(圧力センサー)
図3に示すように、圧力センサー1は、受圧により撓み変形するダイアフラム25を有する半導体基板2と、ダイアフラム25の上面側に配置された圧力基準室Sと、半導体基板2と共に圧力基準室Sを形成する周囲構造体4と、ダイアフラム25の上面側に配置されたセンサー部5と、を有している。
半導体基板2は、第1シリコン層21と、第1シリコン層21の上側に配置された第2シリコン層23と、第1、第2シリコン層21、23の間に配置された酸化シリコン層22と、を有するSOI基板で構成されている。これにより、製造上取り扱い易く、優れた加工寸法精度を有する半導体基板2となる。ただし、半導体基板2としては、SOI基板に限定されず、例えば、単層のシリコン基板を用いることもできる。また、半導体基板2は、シリコン以外の半導体材料、例えば、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、ガリウム砒素リン、窒化ガリウム、炭化珪素等で構成された基板であってもよい。
また、半導体基板2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25が設けられている。半導体基板2には、下方に開放する有底の凹部24が形成されており、この凹部24の上側(凹部24によって半導体基板2が薄くなっている部分)がダイアフラム25となっている。そして、ダイアフラム25の下面が、圧力を受ける受圧面251となっている。なお、本実施形態では、ダイアフラム25の平面視形状は、略正方形であるが、ダイアフラム25の平面視形状としては、特に限定されず、例えば、円形であってもよい。
ここで、本実施形態では、凹部24は、シリコンディープエッチング装置を用いたドライエッチングで形成されている。具体的には、半導体基板2の下面側から等方性エッチング、保護膜成膜および異方向性エッチングという工程を繰り返して、第1シリコン層21を掘ることで凹部24を形成する。この工程を繰り返し、エッチングが酸化シリコン層22まで達すると酸化シリコン層22がエッチングストッパーとなってエッチングが終了し、凹部24が得られる。このような形成方法によれば、凹部24の内壁側面が半導体基板2の主面に対して略垂直となるため、凹部24の開口面積を小さくすることができる。そのため、半導体基板2の機械的強度の低下を抑制することができ、また、圧力センサー1の大型化を抑制することもできる。なお、図示しないが、前述した工程の繰り返しによって、凹部24の内壁側面には掘り方向に周期的な凹凸が形成される。
ただし、凹部24の形成方法としては、上記の方法に限定されず、例えば、ウェットエッチングによって形成してもよい。また、本実施形態では、ダイアフラム25の下面側に酸化シリコン層22が残っているが、この酸化シリコン層22を除去してもよい。すなわち、ダイアフラム25を第2シリコン層23の単層で構成してもよい。これにより、ダイアフラム25をより薄くすることができ、より撓み変形し易いダイアフラム25が得られる。
ダイアフラム25には、ダイアフラム25に作用する圧力を検出し得るセンサー部5が設けられている。図4に示すように、センサー部5は、ダイアフラム25に設けられた4つのピエゾ抵抗素子51、52、53、54を有している。そして、ピエゾ抵抗素子51、52、53、54は、配線55を介して互いに電気的に接続され、図5に示すブリッジ回路50(ホイートストンブリッジ回路)を構成している。ブリッジ回路50には駆動電圧AVDCを供給(印加)する駆動回路が接続されている。そして、ブリッジ回路50は、ダイアフラム25の撓みに基づくピエゾ抵抗素子51、52、53、54の抵抗値変化に応じた検出信号(電圧)を出力する。そのため、この出力された検出信号に基づいてダイアフラム25が受けた圧力を検出することができる。
特に、ピエゾ抵抗素子51、52、53、54は、ダイアフラム25の外縁部に配置されている。受圧によりダイアフラム25が撓み変形すると、ダイアフラム25の中でも特にその外縁部に大きな応力が加わるため、外縁部にピエゾ抵抗素子51、52、53、54を配置することで、前述した検出信号を大きくすることができ、圧力検知の感度が向上する。なお、ピエゾ抵抗素子51、52、53、54の配置は、特に限定されず、例えば、ピエゾ抵抗素子51、52、53、54がダイアフラム25の外縁を跨いで配置されていてもよい。
ピエゾ抵抗素子51、52、53、54は、それぞれ、例えば、半導体基板2の第2シリコン層23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、配線55は、例えば、半導体基板2の第2シリコン層23に、ピエゾ抵抗素子51、52、53、54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。
なお、センサー部5の構成としては、ダイアフラム25が受けた圧力を検出することができれば、特に限定されない。例えば、ブリッジ回路50を構成していない少なくとも1つのピエゾ抵抗素子がダイアフラム25に配置されている構成であってもよい。また、センサー部5としては、本実施形態のようなピエゾ抵抗型の他にも、静電容量の変化に基づいて圧力を検出する静電容量型を用いてもよい。
また、図3に示すように、半導体基板2の上面には、酸化シリコン膜(SiO膜)からなる第1絶縁膜31と、窒化シリコン膜(SiN膜)からなる第2絶縁膜32とが成膜されている。第1絶縁膜31によって、ピエゾ抵抗素子51、52、53、54の界面準位を低減してノイズの発生を抑制することができる。また、第2絶縁膜32によって、センサー部5を水分、ガス等から保護することができる。
また、図3に示すように、ダイアフラム25の上側には、圧力基準室Sが設けられている。この圧力基準室Sは、半導体基板2と周囲構造体4とに囲まれることで形成されている。圧力基準室Sは、密閉された空間であり、圧力基準室S内の圧力が、圧力センサー1が検出する圧力の基準値となる。特に、圧力基準室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1を、真空を基準として圧力を検出する「絶対圧センサー」として用いることができ、利便性の高い圧力センサー1となる。ただし、圧力基準室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い。
周囲構造体4は、半導体基板2との間に圧力基準室Sを形成している。このような周囲構造体4は、半導体基板2上に配置された層間絶縁膜41と、層間絶縁膜41上に配置された配線層42と、配線層42および層間絶縁膜41上に配置された層間絶縁膜43と、層間絶縁膜43上に配置された配線層44と、配線層44および層間絶縁膜43上に配置された表面保護膜45と、配線層44および表面保護膜45上に配置された封止層46と、表面保護膜45上に配置された端子47とを有している。
配線層42は、圧力基準室Sを囲んで配置された枠状のガードリング421と、センサー部5の配線55と接続された配線部429とを有している。また、配線層44は、圧力基準室Sを囲んで配置された枠状のガードリング441と、配線55と接続された配線部449とを有している。
また、配線層44は、圧力基準室Sの天井に位置し、ガードリング441と一体形成された被覆層444を有している。また、この被覆層444には圧力基準室Sの内外を連通する複数の貫通孔445が形成されている。複数の貫通孔445は、製造途中まで圧力基準室Sを埋めている犠牲層を除去する際のリリースエッチング用の孔である。また、ガードリング421、441は、前記リリースエッチング時のエッチングストッパーとして機能する。
そして、被覆層444上には封止層46が配置されており、この封止層46によって貫通孔445が封止され、気密的な圧力基準室Sが形成されている。表面保護膜45は、周囲構造体4を水分、ガス、ゴミ、傷などから保護する機能を有している。表面保護膜45は、被覆層444の貫通孔445を塞がないように、層間絶縁膜43および配線層44上に配置されている。また、表面保護膜45上には配線部429、449を介してセンサー部5と電気的に接続されている複数の端子47が設けられている。そして、各端子47にボンディングワイヤーBWが接続されている。これにより、ボンディングワイヤーBWを介して圧力センサー1が支持基板120に吊り下げ支持されると共に、センサー部5と配線129とが電気的に接続される。
このような周囲構造体4のうち、層間絶縁膜41、43としては、例えば、シリコン酸化膜(SiO膜)等の絶縁膜を用いることができる。また、配線層42、44および端子47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、シリコン酸化膜等を用いることができる。また、表面保護膜45としては、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を用いることができる。
(被覆部)
図1および図3に示すように、被覆部150は、圧力センサー1の上面12に設けられており、少なくとも端子47を覆っている。これにより、端子47を水分から保護することができ、圧力センサー1の電気的な劣化(例えば、端子47の腐食による断線、抵抗値の増加等)を抑制することができる。また、圧力センサーデバイス100に防水性を付与することもできる。
被覆部150の硬さとしては、特に限定されないが、例えば、ゴム硬度(JIS K6253)が15以上30以下であることが好ましく、20以上25以下であることがより好ましい。これにより、被覆部150を十分に柔らかくすることができる。そのため、圧力センサー1と被覆部150の熱膨張差に起因する熱応力が発生し難く、当該熱応力によるダイアフラム25の不本意な変形を抑制することができる。そのため、出力のドリフト等が発生し難くなり、圧力センサーデバイス100の圧力検出特性が向上する。
被覆部150としては、特に限定されないが、例えば、アクリルゴム、シリコーンゴム、ブタジエンゴム、スチレンゴム、スチレン−ブタジエンゴム、天然ゴム、イソプレンゴム、ウレタンゴム等の各種ゴム材料や、ポリエステルエラストマー、ポリオレフィンエラストマー、ポリアミドエラストマー等の各種熱可塑性エラストマーを用いることができる。ただし、被覆部150としては、これらの中でも、シリコーンゴムを用いることが好ましい。これにより、上述のようなゴム硬度を実現し易くなると共に、被覆部150の構成がより簡単なものとなる。
(圧力伝搬部)
図1および図3に示すように、圧力伝搬部140は、圧力センサー1の受圧面251を覆うように凹部24内に充填されている。これにより、受圧面251(酸化シリコン層22)を水分から保護することができる。また、圧力センサーデバイス100に防水性を付与することもできる。ここで、前述したように、凹部24の内壁側面には掘り方向に周期的な凹凸が形成されているため、この凹凸によって効果的に圧力伝搬部140を保持することができる。
また、本実施形態では、圧力伝搬部140は、凹部24からはみ出して、圧力センサー1の下面11(半導体基板2の下面)上まで広がって配置されている。これにより、後述するように、圧力伝搬部140を介して圧力センサー1と接着部160とが接着され、圧力センサー1に応力が伝わり難くなる。
また、圧力センサー1の側面および上面12は、それぞれ、圧力伝搬部140から露出している。すなわち、これらの部位には、圧力伝搬部140が設けられていない。これにより、圧力センサー1に配置される圧力伝搬部140の量を少なくすることができ、圧力伝搬部140が圧力センサー1上で流動し難くなる。そのため、圧力以外の応力(圧力伝搬部140の流動により生じる応力)が受圧面251に作用し難くなり、出力のドリフト等が発生し難くなる。したがって、圧力センサーデバイス100の圧力検出特性が向上する。
また、図1に示すように、圧力伝搬部140は、パッケージ110の内面(ベース111の凹部の底面)と非接触で設けられている。すなわち、圧力伝搬部140は、パッケージ110の内面に対し、空間(空隙)を介して存在している。これにより、パッケージ110内に配置される圧力伝搬部140の量を少なくすることができ、圧力伝搬部140がパッケージ110内で流動し難くなる。そのため、圧力以外の応力(圧力伝搬部140の流動により生じる応力)が受圧面251に作用し難くなり、出力のドリフト等が発生し難くなる。したがって、圧力センサーデバイス100の圧力検出特性が向上する。さらには、従来のように、パッケージ110内において圧力センサー1が変位した状態で維持されることがなくなり、ボンディングワイヤーBWへの負担が低減する。そのため、機械的強度の高い圧力センサーデバイス100となる。
圧力伝搬部140は、液状またはゲル状の充填材で構成することができ、なるべく柔らかいことが好ましい。具体的には、圧力伝搬部140は、針入度が150以上であることが好ましく、200以上であることがより好ましい。これにより、圧力伝搬部140を十分に柔らかくすることができ、圧力伝搬部140を介して、より効率的に、圧力を受圧面251に伝搬することができる。なお、針入度の上限値としては、特に限定されないが、例えば、300以下とすることが好ましい。これにより、圧力伝搬部140を凹部24内および下面11に、より確実に保持することができる。すなわち、圧力伝搬部140の液垂れや側面への流出を抑制することができる。そのため、凹部24内の圧力伝搬部140が減ってしまい、圧力伝搬部140から受圧面251が露出してしまうことを効果的に抑制することができる。
ここで、針入度とは、一定温度(25℃)に保った試料に規定の針が垂直に侵入した長さ(mm)の10倍で表した値である。針入度が大きい試料ほど軟質(柔軟性に富む)ということになる。この針入度は、JIS K2207、K2235に準じた試験方法で測定することができる。
圧力伝搬部140を構成する充填材としては、特に限定されず、例えば、シリコーンオイル、フッ素系オイル、シリコーンゲル、グリス等を用いることができる。
(接着部)
図1および図3に示すように、圧力センサー1は、ベース111の凹部の底面に接着剤160を介して接着(接合)されている。これにより、圧力センサー1がパッケージ110に固定され、パッケージ110内での圧力センサー1の変位(揺れ)を抑制することができる。そのため、出力のドリフトが発生し難くなり、圧力センサーデバイス100の圧力検出特性が向上する。
接着部160は、パッケージ110の外側の圧力が圧力伝搬部140を介して受圧面251に伝搬されるように隙間を持って配置されている。すなわち、接着部160は、受圧面251をパッケージ110の外部から空間的に隔離しないように配置されている。具体的には、図6に示すように、圧力センサー1の平面視で、接着部160は、圧力センサー1の四隅に別れて4つ設けられている。これにより、圧力センサー1をより安定した姿勢でベース111に接着、固定(支持)することができ、圧力センサー1の揺れをより効果的に抑制することができる。しかも、受圧面251とベース111の凹部の底面との間の空間(隙間)を閉鎖することなく支持することができる。ただし、接着部160の配置としては、特に限定されない。
また、図1および図3に示すように、本実施形態では、接着部160は、圧力伝搬部140を介して圧力センサー1に接着されている。すなわち、接着部160は、圧力センサー1に配置されている圧力伝搬部140に接着している(この場合、圧力伝搬部140は、比較的高粘度のもの、特に針入度が150以上200以下のものを用いることが好ましい)。これにより、圧力伝搬部140が応力緩和部として機能し、例えば、パッケージ110の熱膨張等により発生する応力が圧力センサー1に伝わり難くなる。そのため、出力のドリフト等が発生し難くなる。したがって、圧力センサーデバイス100の圧力検出特性が向上する。ただし、これに限定されず、接着部160は、圧力センサー1に直接、接着していてもよい。
接着部160の硬さとしては、特に限定されないが、例えば、ゴム硬度が40以上60以下であることが好ましく、45以上55以下であることがより好ましい。これにより、接着部160を適度な硬さとすることができ、圧力センサー1を安定して保持することができる(圧力センサー1の揺れを抑制することができる)と共に、パッケージ110の熱膨張等により発生する応力等の圧力センサー1への伝達を抑制することができる。
このような接着部160としては、特に限定されないが、例えば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂等の各種樹脂系接着剤を用いることができる。
ここで、接着部160は、圧力伝搬部140と、同じ材料を含んでいることが好ましい。具体的には、例えば、前述したように、圧力伝搬部140としてシリコーンオイルを用いる場合には、接着部160として、シリコーン樹脂系接着剤やシリコーンゴム系接着剤を用いることが好ましい。これにより、圧力伝搬部140と接着部160との親和性が高まり、これらをより確実に接着することができる。
以上、圧力センサーデバイス100について説明した。このような圧力センサーデバイス100は、ベース111と、ベース111に固定されている支持基板120(基板)と、支持基板120に接続されているボンディングワイヤーBWと、ボンディングワイヤーBWを介して支持基板120に支持され、受圧により撓み変形するダイアフラム25を有する圧力センサー1と、ダイアフラム25の受圧面251上に配置され、受圧面251に圧力を伝搬する圧力伝搬部140と、圧力センサー1とベース111とを接着する接着部160と、を有している。これにより、圧力センサー1がベース111に固定され、ベース111に対する圧力センサー1の変位(揺れ)を抑制することができる。そのため、出力のドリフトが発生し難くなり、圧力センサーデバイス100の圧力検出特性が向上する。したがって、圧力センサーデバイス100の高精度化を図ることができる。
また、前述したように、圧力センサーデバイス100では、接着部160は、圧力伝搬部140を介して圧力センサー1に接着されている。これにより、圧力伝搬部140が応力緩和部として機能し、例えば、ベース111の熱膨張等により発生する応力が圧力センサー1に伝わり難くなる。そのため、出力のドリフト等が発生し難くなり、圧力センサーデバイス100の圧力検出特性が向上する。
また、前述したように、圧力センサーデバイス100では、圧力伝搬部140は、ベース111と非接触に設けられている。これにより、圧力伝搬部140の量を少なくすることができ、圧力伝搬部140が流動し難くなる。そのため、圧力以外の外力(圧力伝搬部140の流動により生じる応力)が受圧面251に作用し難くなり、出力のドリフト等が発生し難くなる。したがって、圧力センサーデバイス100の圧力検出特性が向上する。
また、前述したように、圧力センサーデバイス100では、圧力伝搬部140は、液状またはゲル状をなし、150以上の針入度を有することが好ましい。これにより、圧力伝搬部140を十分に柔らかくすることができ、圧力伝搬部140を介して、より効率的に、圧力を受圧面251に伝搬することができる。
また、前述したように、圧力センサーデバイス100では、接着部160は、40以上60以下のゴム硬度を有することが好ましい。これにより、接着部160を適度な硬さとすることができ、圧力センサー1を安定して保持することができる(圧力センサー1の揺れを抑制することができる)と共に、ベース111の熱膨張等により発生する応力の圧力センサー1への伝達を抑制することができる。
また、前述したように、圧力センサーデバイス100では、圧力センサー1の一部(側面および上面12)は、圧力伝搬部140から露出している。これにより、圧力センサー1に配置される圧力伝搬部140の量を少なくすることができ、圧力伝搬部140が圧力センサー1上で流動し難くなる。そのため、圧力以外の外力(圧力伝搬部140の流動により生じる応力)が受圧面251に作用し難くなり、出力のドリフト等が発生し難くなる。したがって、圧力センサーデバイス100の圧力検出特性が向上する。
また、前述したように、圧力センサーデバイス100では、圧力センサー1がボンディングワイヤーBWと接続されている端子47を有し、端子47を覆う被覆部150を有している。これにより、端子47を水分から保護することができ、圧力センサー1の電気的な劣化(例えば、端子47の腐食による断線、抵抗値の増加等)を抑制することができる。
また、前述したように、圧力センサーデバイス100では、被覆部150は、15以上30以下のゴム硬度を有することが好ましい。これにより、被覆部150を十分に柔らかくすることができる。そのため、圧力センサー1と被覆部150の熱膨張差に起因する熱応力が発生し難く、当該熱応力によるダイアフラム25の不本意な変形を抑制することができる。そのため、出力のドリフト等が発生し難くなり、圧力センサーデバイス100の圧力検出特性が向上する。
なお、圧力センサーデバイス100の構成は、本実施形態に限定されない。例えば、本実施形態では、圧力センサー1の上面12に被覆部150が配置されているが、上面12から被覆部150を省略してもよい。また、圧力伝搬部140の一部または全部を省略してもよい。また、配線基板120を圧力センサー1と共に上下反対向きに(ひっくり返して)配置してもよい。
<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デバイスについて説明する。
図7は、本発明の第2実施形態に係る圧力センサーデバイスの断面図である。図8は、図7に示す圧力センサーデバイスが有する支持基板の平面図である。
本実施形態に係る圧力センサーデバイス100は、さらに回路素子130を有していること以外は、前述した第1実施形態の圧力センサーデバイス100とほぼ同様である。
以下、第2実施形態の圧力センサーデバイス100について、前述した第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。なお、前述した実施形態と同様の構成には同一符号を付してある。
図7に示すように、本実施形態の圧力センサーデバイス100は、さらに、回路素子130を有している。回路素子130は、ブリッジ回路50に電圧を供給するための駆動回路、ブリッジ回路50からの出力を温度補償するための温度補償回路、温度補償回路からの出力から受けた圧力を求める圧力検出回路、圧力検出回路からの出力を所定の出力形式(CMOS、LV−PECL、LVDS等)に変換して出力する出力回路等を有している。
図8に示すように、支持基板120の平面視で、回路素子130は、圧力センサー1と共に開口122aの内側に位置し、圧力センサー1と並んで配置されている。ただし、回路素子130の配置としては、特に限定されない。
また、回路素子130は、ボンディングワイヤーBWを介して基材121に吊られ、支持基板120から浮遊した状態で支持されている。また、回路素子130は、ボンディングワイヤーBWを介して配線129と電気的に接続されている。そして、配線129を介して、回路素子130と圧力センサー1とが電気的に接続されている。
ここで、回路素子130は、その上面にボンディングワイヤーBWと接続される端子131を有している。また、回路素子130の上面には被覆部150が設けられており、被覆部150によって、端子131が覆われている。これにより、端子131を水分から保護することができ、回路素子130の電気的な劣化(例えば、端子131の腐食による断線、抵抗値の増加等)を抑制することができる。また、圧力センサーデバイス100に防水性を付与することもできる。
また、回路素子130は、接着部170を介してベース111の凹部の底面に接着されている。これにより、回路素子130がパッケージ110に固定され、パッケージ110内での回路素子130の変位(揺れ)を効果的に抑制することができる。そのため、回路素子130を吊っているボンディングワイヤーBWへの負担を低減することができる。なお、接着部170としては、特に限定されないが、例えば、接着部160と同様の構成とすることができる。
以上、本実施形態の圧力センサーデバイス100について説明した。このような圧力センサーデバイス100は、前述したように、圧力センサー1と電気的に接続されている回路素子130を有している。このように、圧力センサー1と回路素子130とをユニット化することで、圧力センサー1の駆動をより容易に行うことができる。
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。なお、本実施形態では、回路素子130がボンディングワイヤーBWを介して配線基板120に吊られているが、回路素子130の実装方法としては、特に限定されない。例えば、リードフレームを介して配線基板120に接続されていてもよいし、配線基板120上に配置されていてもよいし、ベース111の底面に配置されていてもよい。
<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デバイスについて説明する。
図9は、本発明の第3実施形態に係る圧力センサーデバイスの断面図である。
本実施形態に係る圧力センサーデバイス100は、回路素子130および圧力センサー1の配置が異なること以外は、前述した第2実施形態の圧力センサーデバイス100とほぼ同様である。
以下、第3実施形態の圧力センサーデバイス100について、前述した第2実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。なお、前述した実施形態と同様の構成には同一符号を付してある。
図9に示すように、本実施形態の圧力センサーデバイス100では、支持基板120は、圧力センサー1を吊り下げ支持する第1支持基板120Aと、回路素子130を吊り下げ支持する第2支持基板120Bとを有している。そして、第1支持基板120Aが第2支持基板120Bよりも上側(開口110a側)に位置するように、第1、第2支持基板120A、120Bがパッケージ110の高さ方向に重なって配置されている。
また、回路素子130は、接着部170を介してベース111の凹部の底面に接着されており、圧力センサー1は、接着部160を介して回路素子130の上面(被覆部150)に接着されている。これにより、パッケージ110内での圧力センサー1および回路素子130の変位(揺れ)を抑制することができる。
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。
<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デバイスについて説明する。
図10は、本発明の第4実施形態に係る圧力センサーデバイスの断面図である。
本実施形態に係る圧力センサーデバイス100は、パッケージ110の形状が異なること以外は、前述した第2実施形態の圧力センサーデバイス100とほぼ同様である。
以下、第4実施形態の圧力センサーデバイス100について、前述した第2実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。なお、前述した実施形態と同様の構成には同一符号を付してある。
図10に示すように、本実施形態の圧力センサーデバイス100では、パッケージ110は、開口110aがパッケージ110の横側に位置している。これにより、例えば、前述した第2実施形態と比較して、パッケージ110の低背化を図ることができる。
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。なお、本実施形態の構成としては、特に限定されず、例えば、回路素子130を省略してもよい。また、図10に示す構成に対して、配線基板120を下方にずらして配置してもよい。これにより、配線基板120をベース111側に配置することができるため、圧力センサーデバイス100のさらなる小型化(低背化)を図ることができる。
<第5実施形態>
次に、本発明の第5実施形態に係る電子機器について説明する。
図11は、本発明の第5実施形態に係る電子機器としての高度計を示す斜視図である。
図11に示すように、電子機器としての高度計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、圧力センサーデバイス100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もできる。
このような電子機器の一例である高度計200は、圧力センサーデバイス100を有している。そのため、高度計200は、前述した圧力センサーデバイス100の効果を享受でき、高い信頼性を発揮することができる。
<第6実施形態>
次に、本発明の第6実施形態に係る電子機器について説明する。
図12は、本発明の第6実施形態に係る電子機器としてのナビゲーションシステムを示す正面図である。
図12に示すように、電子機器としてのナビゲーションシステム300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、圧力センサーデバイス100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。
このナビゲーションシステム300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。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、ナビゲーションシステム300に圧力センサーデバイス100を搭載し、高度情報を圧力センサーデバイス100によって取得することで、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することができ、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。
このような電子機器の一例としてのナビゲーションシステム300は、圧力センサーデバイス100を有している。そのため、ナビゲーションシステム300は、前述した圧力センサーデバイス100の効果を享受でき、高い信頼性を発揮することができる。
なお、本発明の電子機器は、前述の高度計およびナビゲーションシステムに限定されず、例えば、パーソナルコンピューター、デジタルスチールカメラ、携帯電話、スマートフォン、タブレット端末、時計(スマートウォッチを含む)、ドローン、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)、フライトシミュレーター等に適用することができる。
<第7実施形態>
次に、本発明の第7実施形態に係る移動体について説明する。
図13は、本発明の第7実施形態に係る移動体としての自動車を示す斜視図である。
図13に示すように、移動体としての自動車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。また、自動車400は、車体401に搭載されている電子制御ユニット(ECU:electronic control unit)403を有しており、この電子制御ユニット403に圧力センサーデバイス100が内蔵されている。電子制御ユニット403は、圧力センサーデバイス100が車体401の加速度や傾斜等を検出することにより、移動状態や姿勢等を把握し、車輪402等の制御を的確に行うことができる。これにより、自動車400は、安全で安定した移動をすることができる。なお、圧力センサーデバイス100は、自動車400に備えられているナビゲーションシステム等に搭載されていてもよい。
このような移動体の一例としての自動車400は、圧力センサーデバイス100を有している。そのため、自動車400は、前述した圧力センサー1の効果を享受でき、高い信頼性を発揮することができる。
以上、本発明の圧力センサーデバイス、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。
1…圧力センサー、11…下面、12…上面、2…半導体基板、21…第1シリコン層、22…酸化シリコン層、23…第2シリコン層、24…凹部、25…ダイアフラム、251…受圧面、31…第1絶縁膜、32…第2絶縁膜、4…周囲構造体、41…層間絶縁膜、42…配線層、421…ガードリング、429…配線部、43…層間絶縁膜、44…配線層、441…ガードリング、444…被覆層、445…貫通孔、449…配線部、45…表面保護膜、46…封止層、47…端子、5…センサー部、50…ブリッジ回路、51、52、53、54…ピエゾ抵抗素子、55…配線、100…圧力センサーデバイス、110…パッケージ、110a…開口、111…ベース、112…ハウジング、113…接着層、120…支持基板、120A…第1支持基板、120B…第2支持基板、121…基材、122…基部、122a…開口、123…帯体、129…配線、130…回路素子、131…端子、140…圧力伝搬部、150…被覆部、160…接着部、170…接着部、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…自動車、401…車体、402…車輪、403…電子制御ユニット、AVDC…駆動電圧、BW…ボンディングワイヤー、S…圧力基準室、S1…内部空間

Claims (11)

  1. ベースと、
    前記ベースに固定されている基板と、
    前記基板に接続されているボンディングワイヤーと、
    前記ボンディングワイヤーを介して前記基板に支持され、受圧により撓み変形するダイアフラムを有する圧力センサーと、
    前記ダイアフラムの受圧面上に配置され、前記受圧面に圧力を伝搬する圧力伝搬部と、
    前記圧力センサーと前記ベースとを接着する接着部と、を有していることを特徴とする圧力センサーデバイス。
  2. 前記接着部は、前記圧力伝搬部を介して前記圧力センサーに接着されている請求項1に記載の圧力センサーデバイス。
  3. 前記圧力伝搬部は、前記ベースと非接触に設けられている請求項1または2に記載の圧力センサーデバイス。
  4. 前記圧力伝搬部は、液状またはゲル状をなし、150以上の針入度を有する請求項1ないし3のいずれか1項に記載の圧力センサーデバイス。
  5. 前記接着部は、40以上60以下のゴム硬度を有する請求項1ないし4のいずれか1項に記載の圧力センサーデバイス。
  6. 前記圧力センサーの一部は、前記圧力伝搬部から露出している請求項1ないし5のいずれか1項に記載の圧力センサーデバイス。
  7. 前記圧力センサーは、前記ボンディングワイヤーと接続されている端子を有し、
    前記端子を覆う被覆部を有している請求項1ないし6のいずれか1項に記載の圧力センサーデバイス。
  8. 前記被覆部は、15以上30以下のゴム硬度を有する請求項7に記載の圧力センサーデバイス。
  9. 前記圧力センサーと電気的に接続されている回路素子を有している請求項1ないし8のいずれか1項に記載の圧力センサーデバイス。
  10. 請求項1ないし9のいずれか1項に記載の圧力センサーデバイスを有することを特徴とする電子機器。
  11. 請求項1ないし9のいずれか1項に記載の圧力センサーデバイスを有することを特徴とする移動体。
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