JP6044368B2 - 物理量センサ - Google Patents

Description

本発明は、物理量に応じたセンサ信号を出力するセンサ部を被搭載部材に接合部材を介して搭載した物理量センサに関するものである。

従来より、この種の物理量センサとして、例えば、特許文献１には、圧力に応じたセンサ信号を出力するセンサ部を用いたものが提案されている。具体的には、この圧力センサでは、接着剤に樹脂ビーズが混入されて接合部材が構成されており、樹脂ビーズがセンサ部および被搭載部材に接触している。

これによれば、樹脂ビーズがセンサ部および被搭載部材に接触しており、樹脂ビーズによって接着剤の厚みを確保することができる。このため、被搭載部材から圧力センサに印加される応力を接着剤によって緩和することができる。

特開２０１２−１３６１６号公報

ところで、近年では、接着剤にフィラーを混入することによってヤング率や熱膨張係数、ポアソン比等の機械的特性を規定した接合部材が知られている。このため、上記圧力センサにおいて、接着剤にフィラーを混入することによって機械的特性を規定しつつ、ビーズを混入することによって接着剤の厚みを確保することが考えられる。

しかしながら、接着剤に混入されるフィラーは、機械的特性を規定するためのみに混入されるものであり、通常、大きさがばらついている。このため、樹脂ビーズより大きいフィラーが混入されている場合には、センサ部および被搭載部材がビーズに接触したり、フィラーに接触したりする。したがって、センサ部が傾くことがあるという問題がある。

なお、このような問題は、圧力に応じたセンサ信号を出力するセンサ部を用いる場合のみに発生する問題ではなく、加速度や角速度に応じたセンサ信号を出力するセンサ部を用いる場合にも同様に発生する問題である。

本発明は上記点に鑑みて、接着剤にフィラーおよびビーズが混入された接合部材を備える物理量センサにおいて、センサ部が傾くことを抑制できる物理量センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、物理量に応じたセンサ信号を出力するセンサ部（３０）と、一面（４０ａ）にセンサ部を搭載する被搭載部材（４０）と、センサ部と被搭載部材との間に配置される接合部材（５０）と、を備え、センサ部および被搭載部材のうち少なくともいずれか一方に凹部（１７、４１）が形成され、接合部材は、接着剤（５１）に、接合部材の機械的特性を規定するフィラー（５２）および接合部材の厚みを規定するビーズ（５３）が混入されて構成されており、ビーズは、フィラーの最大寸法より直径が長くされた球状とされ、凹部にはめ込まれており、フィラーの最大寸法は、センサ部と被搭載部材との間隔より短くされていることを特徴としている。

これによれば、ビーズのみがセンサ部および被搭載部材に接触することになり、接合部材の厚さがビーズのみによって規定される。したがって、センサ部が傾くことを抑制できる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態における圧力センサの断面図である。 本発明の第２実施形態における圧力センサの断面図である。 図２に示す圧力センサの製造工程を示す断面図である。 本発明の他の実施形態における圧力センサの断面図である。 本発明の他の実施形態における圧力センサの断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態では、本発明の物理量センサを圧力センサに適用した例について説明する。図１に示されるように、圧力センサは、センサチップ１０に台座２０が接合されたセンサ部３０を備えている。

センサチップ１０は、矩形板状のシリコン基板１１を用いて構成されており、裏面に断面矩形状の窪み部１２が形成されることで構成される薄肉のダイヤフラム１３を有している。そして、このダイヤフラム１３にブリッジ回路を構成するように図示しないゲージ抵抗が形成されてセンシング部１４が構成されている。

すなわち、本実施形態のセンサチップ１０は、ダイヤフラム１３に圧力が印加されるとゲージ抵抗の抵抗値が変化してブリッジ回路の電圧が変化し、この電圧の変化に応じてセンサ信号を出力する半導体ダイヤフラム式のものである。

なお、窪み部１２は、断面矩形状でなくてもよく、例えば、断面台形状とされていてもよい。

台座２０は、矩形板状のシリコン基板２１の表面に絶縁膜２２が形成されたものであり、絶縁膜２２がセンサチップ１０の裏面に接合されている。このため、センサチップ１０と絶縁膜２２との間には基準圧力室１６が構成されている。

また、センサ部３０（センサチップ１０）の表面３０ａには、ダイヤフラム１３の外側の領域に図示しない拡散抵抗等を介してゲージ抵抗と電気的に接続される４個のパッド１５（図１中では２個のみ図示）が形成されている。

そして、このようなセンサ部３０は、ケース４０の一面４０ａに裏面３０ｂが接合部材５０を介して接合され、ケース４０の一面４０ａに配置された回路チップ等とボンディングワイヤ６０を介して電気的に接続されている。

ケース４０は、例えば、樹脂が型成形されて構成されたものである。なお、本実施形態では、ケース４０が本発明の被搭載部材に相当している。

接合部材５０は、接着剤５１に機械的特性を規定するフィラー５２と、接合部材５０の厚みを規定する球状のビーズ５３が混入されて構成されている。具体的には、フィラー５２は、分級されることによって最大寸法がビーズ５３の直径より小さいもののみが混入されている。言い換えると、ビーズ５３は、フィラー５２の最大寸法より長い直径を有するもののみが混入されている。

そして、ビーズ５３のみがセンサ部３０およびケース４０に接触している。つまり、各フィラー５２は、センサ部３０およびケース４０のいずれか一方のみに接触するか、もしくは、センサ部３０およびケース４０のいずれにも接触していない。

なお、特に限定されるものではないが、接着剤５１としては、シリコン系接着剤やフロロシリコン系接着剤等が用いられる。そして、フィラー５２としては、シリカや窒化アルミニウム等が用いられ、ビーズ５３としては、アクリル、ゴム、ポリスチレン等が用いられる。また、機械的特性とは、熱膨張係数、ヤング率、ポアソン比等のことである。

以上説明したように、本実施形態では、接着剤５１にフィラー５２およびビーズ５３が混入されて接合部材５０が構成されている。そして、ビーズ５３は、フィラー５２の最大寸法よりも直径が長くされた球状とされている。

このため、ビーズ５３のみがセンサ部３０およびケース４０に接触することになり、接合部材５０の厚さがビーズ５３のみによって規定される。したがって、センサ部３０が傾くことを抑制できる。

また、台座２０としてシリコン基板２１を用いている。このため、センサチップ１０と台座２０との熱膨張係数の差を低減することができ、センサチップ１０と台座２０との間で熱応力が発生することを抑制できる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してケース４０に凹部を形成したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

本実施形態では、図２に示されるように、ケース４０の一面４０ａには、センサ部３０の裏面３０ｂと対向する部分に複数の凹部４１が所定間隔毎に形成されている。具体的には、ケース４０の一面４０ａのうち、パッド１５を通り、センサ部３０の表面３０ａの法線方向に延びる軸線Ｌが通過する部分を含むように凹部４１が形成されている。そして、ビーズ５３が、各凹部４１にはめ込まれている。

また、フィラー５２は、センサ部３０の裏面３０ｂとケース４０の一面４０ａとの間隔より最大寸法が短くされている。つまり、フィラー５２は、センサ部３０およびケース４０の両方と接触することがない大きさとされている。

このような圧力センサの製造方法について図３を参照しつつ説明する。

まず、図３（ａ）に示されるように、上記凹部４１が形成されたケース４０を用意する。そして、図３（ｂ）に示されるように、接着剤５１にビーズ５３のみが混入された第１接合部材５０ａを塗布し、各ビーズ５３を凹部４１にはめ込む。

次に、図３（ｃ）に示されるように、第１接合部材５０ａ上に、接着剤５１にフィラー５２のみが混入された第２接合部材５０ｂを塗布する。これにより、図３（ｄ）に示されるように、ビーズ５３が凹部４１にはめ込まれた状態で第１、第２接合部材５０ａ、５０ｂの接着剤５１が混ざり合って接合部材５０が構成される。

その後、図３（ｅ）に示されるように、接合部材５０上にセンサ部３０を配置し、センサ部３０をケース４０側に押圧してビーズ５３をセンサ部３０にも接触させることにより、図２に示す圧力センサが製造される。

これによれば、ビーズ５３が所定領域に固まって配置されることを抑制でき、センサ部３０が傾くことをさらに抑制できる。また、ビーズ５３が固まって配置されていないため、接合部材５０の内部で部分毎に機械的特性がばらつくことも抑制できる。

そして、凹部４１は、ケース４０の一面４０ａのうち、パッド１５を通る軸線Ｌが通過する部分にも形成されている。このため、センサ部３０にワイヤボンディングを行う際、パッド１５をケース４０側に押圧して行うことになるが、ビーズ５３によってセンサ部３０が傾くことも抑制できる。

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、上記第２実施形態では、ケース４０の一面４０ａに凹部４１が形成された例について説明したが、図４に示されるように、センサ部３０の裏面３０ｂに凹部１７が形成され、ビーズ５３が凹部１７にはめ込まれていてもよい。このような圧力センサでは、シリコン基板２１に凹部１７を形成するため、凹部１７をエッチング等によって形成することができ、隣接する凹部１７の間隔を高精度に規定できる。

また、図５に示されるように、ケース４０の一面４０ａに凹部４１が形成されていると共にセンサ部３０の裏面３０ｂに凹部１７が形成され、ビーズ５３が各凹部１７、４１、にはめ込まれていてもよい。

そして、上記第２実施形態において、次のように圧力センサを製造してもよい。例えば、第１接合部材５０ａを配置した後、第１接合部材５０ａ上にフィラー５２のみが混入されたフィルム剤を配置する。そして、ハーフ加熱してフィルム材を溶融させることにより、接合部材５０を構成するようにしてもよい。

さらに、上記第１実施形態において、ビーズ５３を所定間隔毎に配置したい場合には、例えば、あらかじめビーズ５３が所定間隔毎に配置されたフィルム材を用意し、当該フィルム材を溶融することによって接合部材５０とするようにしてもよい。

また、上記各実施形態では、圧力に応じたセンサ信号を出力するセンサチップ１０を用いた例について説明したが、加速度や角速度に応じたセンサ信号を出力するセンサチップ１０を用いた物理量センサとしてもよい。

そして、上記各実施形態では、台座２０としてシリコン基板２１の表面に絶縁膜２２が形成されたものを用い、絶縁膜２２がセンサチップ１０の裏面に接合されているものを説明したが、次のようにしてもよい。例えば、シリコン基板２１をシリコン基板１１と直接接合してもよい。また、台座２０としてガラスを用い、シリコン基板１１とガラスを陽極接合してもよい。さらに、センサチップ１０によっては、台座２０がなくてもよい。

３０ センサ部
４０ ケース（被搭載部材）
４０ａ 一面
５０ 接合部材
５１ 接着剤
５２ フィラー
５３ ビーズ

Claims (4)

1. 物理量に応じたセンサ信号を出力するセンサ部（３０）と、
   一面（４０ａ）に前記センサ部を搭載する被搭載部材（４０）と、
   前記センサ部と前記被搭載部材との間に配置される接合部材（５０）と、を備え、
   前記センサ部および前記被搭載部材のうち少なくともいずれか一方に凹部（１７、４１）が形成され、
   前記接合部材は、接着剤（５１）に、前記接合部材の機械的特性を規定するフィラー（５２）および前記接合部材の厚みを規定するビーズ（５３）が混入されて構成されており、
   前記ビーズは、前記フィラーの最大寸法より直径が長くされた球状とされ、前記凹部にはめ込まれており、
   前記フィラーの最大寸法は、前記センサ部と前記被搭載部材との間隔より短くされていることを特徴とする物理量センサ。
2. 前記凹部（４１）は、前記被搭載部材の一面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の物理量センサ。
3. 前記凹部（１７）は、前記センサ部のうち前記被搭載部材の一面と対向する裏面（３０ｂ）に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の物理量センサ。
4. 前記センサ部は、前記被搭載部材側と反対側の表面（３０ａ）にパッド（１５）が配置され、前記パッドにボンディングワイヤ（６０）が接続されており、
   前記凹部は、前記パッドを通り、前記センサ部の一面に対する法線方向に延びる軸線（Ｌ）が通過する部分に形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の物理量センサ。

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