JP6293982B2 - 力学量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、構造部材のひずみや応力を測定できる半導体ひずみセンサを用いた力学量測定装置に関する。

各種構造部材に発生するひずみを検出するセンサとして、例えば、特許文献１に記載のような半導体ひずみセンサ（以下、ひずみセンサと称す）が知られている。ひずみセンサは、シリコン（Ｓｉ）などの半導体に不純物をドープして形成した半導体ピエゾ抵抗を利用するデバイスである。ひずみセンサは、ひずみに対する抵抗変化率が金属薄膜を用いたひずみゲージの数十倍と大きく、微小なひずみを測定することが可能である。

また、金属薄膜のひずみゲージでは、抵抗変化が小さいため、得られる電気信号を増幅するための外部のアンプが必要となる。ひずみセンサは抵抗変化が大きいため、得られた電気信号を外部のアンプを用いずに使用することもでき、またひずみセンサの半導体チップにアンプ回路を作りこむことも可能であるため、適用用途や使用上の利便性が大きく広がると期待される。

また、このひずみセンサを用いたモジュールとして、例えば、特許文献２に記載のように、ひずみセンサを金属板などの部材に貼り付けたひずみセンサモジュールがある。ひずみセンサを取り付ける部材の構造を変更することによって、計測したいひずみ状態に適したモジュールを実現できる。

特開２００５−１１４４４３号公報 国際公開第２００９／０２８２８３号

図１および図２に、従来のひずみセンサモジュール４の模式図を示す。図１は本モジュールの平面図、図２は図１中のＡＡ断面図を示している。本モジュールは、ひずみセンサ１と、ひずみセンサ１と電気的に接続される配線部８と、接合材２を介してひずみセンサ１が搭載される起歪体３と、ひずみセンサ１を封止する封止樹脂１０とを有している。配線部８は、接着部９を介して起歪体３に貼り付けられている。配線部８は、ひずみセンサ１に電力を供給し、計測ひずみ値を出力するための部材であり、一般にフレキシブル配線板やガラスエポキシ基板などが用いられる。これは、複雑な配線パターンを安価で容易に作製できるためである。このように、ひずみセンサモジュールには、電気配線用樹脂部材が用いられることが一般的である。

次に、従来のひずみセンサモジュールの課題を示す。配線部８および接着部９は、一般に、樹脂材料で構成されているが、樹脂材料は、水分を吸湿して膨張するという特徴を有する。本モジュールの場合、樹脂材料で構成されている配線部および接着部が吸湿して膨張する。この膨張によって、図３および図４に示す通り、ひずみセンサに対して平行方向であるＹ方向に引張ひずみ１２（太い矢印）が生じる。その結果、配線部８が貼り付けられている起歪体３も引張ひずみが発生するため、ひずみセンサ１にも引張ひずみが発生し、センサ出力値が変動することになる。

このように、本モジュールを長期間使用していると、配線部８および接着部９の吸湿に起因してセンサ出力が変動してしまうので、ひずみセンサモジュールの計測精度が低下するという課題が生じる。

そこで、本発明の目的は、ひずみセンサモジュール構造の電気配線用部材などに用いられる樹脂部材の吸湿に起因したセンサ出力変動を抑制し、ひずみ計測精度が向上したモジュール構造を提供することにある。

本願発明の一態様である力学量測定装置は、半導体基板の表面に複数のピエゾ抵抗素子および複数の電極パッドが形成されたひずみセンサと、前記複数の電極パッドと電気的に接続される複数の配線を備える電気配線用樹脂部材と、前記ひずみセンサの裏面と接合される起歪体と、前記電気配線用樹脂部材と前記起歪体とを貼り合わせる接着部と、を有し、前記電気配線用樹脂部材のチップ近傍領域に、溝が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、電気配線用樹脂部材が吸湿しても、センサ出力値が変動しにくいため、ひずみ計測精度に優れたひずみセンサモジュールを提供することができる。

従来のひずみセンサモジュールの平面模式図である。 図１のＡＡ線に沿った断面図である。 吸湿に起因したひずみセンサモジュールの変形模式図である。 図３のＡＡ線に沿った断面変形図である。 本発明の実施形態１に係るひずみセンサモジュールの平面図である。 図５のＡＡ線に沿った断面図である。 図５のＢＢ線に沿った断面図である。 ひずみセンサの平面図である。 ひずみセンサの平面図である。 ひずみセンサの側面図である。 ひずみセンサモジュールを用いた荷重計測用ロードセルを示す側面図である。 本発明の実施形態２に係るひずみセンサを用いた圧力センサの断面図である。 本発明の実施形態２に係るひずみセンサを用いた圧力センサの上面図である。 本発明の実施形態３に係るひずみセンサモジュールの上面図である。 本発明の実施形態４に係るひずみセンサモジュールの断面図である。 本発明の実施形態５に係るひずみセンサモジュールの上面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

［実施形態１］
まず、本実施形態の力学量測定装置の基本構成について、説明する。図５は、本実施形態のひずみセンサモジュールの透視平面図である。また、図６Ａおよび図６Ｂは、それぞれ図５のＡＡ線およびＢＢ線に沿った断面図である。なお、図５では、封止樹脂１０の内部構造を示すため封止樹脂１０の輪郭を一点鎖線で示し、封止樹脂１０を透過した内部構造を示している。図５、図６Ａおよび図６Ｂに示すように、本実施形態のひずみセンサモジュールは、ひずみセンサ１と、ひずみセンサ１と電気的に接続される配線部８（フレキシブル配線板やガラスエポキシ基板など）と、接合材２を介してひずみセンサ１が搭載される起歪体３と、ひずみセンサ１を封止する封止樹脂１０とを有している。

図７Ａおよび図７Ｂは、図５、図６Ａおよび図６Ｂに示すひずみセンサ１の表面側および裏面側の構成を模式的に示す平面図である。ひずみセンサ１は、図７Ａおよび図７Ｂに示すように表面（主面）１ａおよび表面１ａの反対側に位置する裏面（主面）１ｂを備える。センサチップ１の裏面１ｂには金属膜が形成され、裏面１ｂは金属膜で覆われている。この金属膜は、例えば半導体基板側からチタン、ニッケル、金（Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕ）が順に積層された積層膜（金属積層膜）から成り、例えばスパッタ法により形成することができる。このようにひずみセンサ１の裏面１ｂを金属膜で覆うことで、はんだなど金属製の接合材２との接合強度を向上させることができる。また、表面１ａおよび裏面１ｂはそれぞれ四辺形（四角形）を成し、図７Ａおよび図７Ｂに示す例では、例えば、一辺の長さが２ｍｍ〜５ｍｍ程度の正方形を成す。また、ひずみセンサ１は、表面１ａ側の中央部に位置するセンサ領域１４に形成された複数の抵抗素子１５（ピエゾ抵抗素子）を備える。

また、ひずみセンサ１は、表面１ａ側のセンサ領域１４よりも周縁部側に位置する入出力回路領域に形成された複数の電極（パッド、電極パッド５）を備える。複数の電極（パッド、電極パッド５）は、複数の抵抗素子１５（ピエゾ抵抗素子）と電気的に接続される。複数の抵抗素子１５は、例えば（１００）面を有するシリコン基板の素子形成面に不純物をドープし、拡散させた不純物拡散領域により構成される。センサチップ１は、例えば４本の抵抗素子１５を電気的に接続してホイートストンブリッジ回路を形成し、ピエゾ抵抗効果による抵抗素子１５の抵抗変化を計測してひずみを検知する、検知回路（ひずみ検知回路）を備える。

また、検知回路は、複数の配線を介して複数の電極パッド５に接続される。複数の電極パッド５は、センサチップ１の入出力端子となっており、例えば、ひずみセンサ１に電源電位（第１電源電位）を供給する端子Ｖｃｃ、基準電位（第２電源電位）を供給する端子ＧＮＤ、および検知信号を出力する端子ＳＩＧが含まれる。また、検知回路を構成する複数の抵抗素子１５のレイアウトは、図７Ａから図７Ｃに示す態様に限定されるものではないが、本実施の形態では以下の構成としている。すなわち、ひずみセンサ１が備える半導体基板（例えばシリコン（Ｓｉ）から成るシリコン基板）を単結晶（シリコン単結晶）とした場合、検知回路を構成する複数の抵抗素子１５の延在方向（長手方向）は、それぞれ（１００）面を有する半導体基板の＜１１０＞方向または＜１００＞方向と一致する。例えば、図７Ａに示す例では、ひずみセンサ１が備える半導体基板（シリコン基板）には、シリコン単結晶の＜１１０＞方向（図７ＡではＸ方向、および、Ｘ方向と直交するＹ方向）の結晶方位に沿って電流が流れるように４本のｐ型拡散領域（導電型がｐ型である不純物をドープした領域）が形成される。言い換えれば、センサチップ１では、シリコン基板のシリコン単結晶の＜１１０＞方向の結晶方位に沿って延びるように４箇所にｐ型の不純物をドープして、４本の抵抗素子１５が形成される。

また、図７Ｂに示す例では、ひずみセンサ１が備える半導体基板（シリコン基板）には、シリコン単結晶の＜１００＞方向（図７ＢではＸ方向、および、Ｘ方向と直交するＹ方向）の結晶方位に沿って電流が流れるように４本のｎ型拡散領域（導電型がｎ型である不純物をドープした領域）が形成される。言い換えれば、ひずみセンサ１では、シリコン基板のシリコン単結晶の＜１００＞方向の結晶方位に沿って延びるように４箇所にｎ型の不純物をドープして、４本の抵抗素子１５が形成される。

図７Ａおよび図７Ｂに示すように、検知回路を構成する複数の抵抗素子１５の延在方向が、それぞれ（１００）面を有する半導体基板の＜１１０＞方向または＜１００＞方向と一致するひずみセンサ１は、例えば図７Ａおよび図７Ｂに示すＸ方向のひずみと、Ｙ方向のひずみの差分を出力することができる。詳しくは、図７Ａおよび図７Ｂに示す端子ＳＩＧから、Ｘ方向のひずみとＹ方向のひずみの差分を電位差として出力することができる。このように、Ｘ方向のひずみとＹ方向のひずみの差分を出力する計測方式は、センサチップ１に印加される熱ひずみの影響を低減する観点から有利である。

すなわち、図５に示すように、ひずみセンサ１は、複数の部材（図５の場合は、起歪体３、接合材２）と接合されるため、測定環境温度が変化すると、各部材の線膨張係数の違いに起因した熱ひずみが生じる。この熱ひずみは測定対象となるひずみとは異なるノイズ成分なので、熱ひずみの影響は低減する方が好ましい。

ここで、図７Ａおよび図７Ｂに示すように、ひずみセンサ１の平面形状が正方形の場合、熱ひずみの影響は、Ｘ方向とＹ方向で同程度となる。このため、例えば、Ｘ方向に発生するひずみを検出する場合には、Ｘ方向のひずみとＹ方向のひずみの差分を出力すれば、熱ひずみに起因するひずみ量はキャンセルされ、測定対象であるひずみを選択的に検出することができる。

つまり、ひずみセンサ１を用いれば、熱ひずみによる影響を低減できるので、環境温度の変化によるひずみ値のばらつきを低減することができる。また、ひずみセンサ１を構成する抵抗素子１５や電極パッド５などの各部材は、公知の半導体装置の製造技術を適用して形成することができるので、素子や配線の微細化が容易である。また、製造効率を向上させて、製造コストを低減することができる。

次に、接合材２について説明する。接合材２は、ひずみセンサ１の裏面全体、およびひずみセンサ１の側面の一部を覆うように設けられる。言い換えれば、接合材２の周縁部は、ひずみセンサ１の側面の外側まで広がり、フィレットを形成することもある。ひずみセンサ１と起歪体３を固定する観点からは、接合材２は金属材料に限定されず、例えば熱硬化性樹脂などの樹脂製接着材を用いることもできる。

次に、図５に示すように、起歪体３上には、ひずみセンサ１の複数の電極パッド５と電気的に接続される複数の配線を備える配線部８が固定される。配線部８は、複数の金属パターンである配線部が樹脂フィルム内に封止された構成であり、樹脂フィルムの一部に設けられた開口部において、複数の配線の一部が露出して、この露出部分が複数の端子６を構成する。配線部８は、ひずみセンサ１に電力を供給し、計測ひずみ値を出力するために必要な部材であり、一般にフレキシブル配線板やガラスエポキシ基板などの樹脂材料で構成された電気配線用樹脂部材である。このような部材を用いる理由は、複雑な配線パターンを安価で容易に作製できるためである。また、この配線部８は、接着部９を介して、起歪体３に接続される。

本実施形態では、配線部８のひずみセンサ近傍領域に、スリット１３が設けられている。ここで、配線部８のひずみセンサ近傍領域とは、例えば、配線部８のひずみセンサ１に隣接する端部から、配線部８の中央部までの領域を含む。スリット１３は、配線部８の表裏面を完全に貫通しており、スリットの長手方向が、ひずみセンサ１に対して垂直方向（図中のＸ方向）となるように形成されている。なお、スリット１３は、配線部８に形成されている金属配線部（図示していない）を切断することがないように作製されている。ここで、接着部９は、配線部８に設けられたスリット１３と同様にスリットを設けてもよい。

このようにスリット１３を設けると、配線部８のひずみセンサ１に対して平行方向（図中のＹ方向）の部材の剛性を、大幅に低減できる。したがって、配線部８が吸湿して膨張した場合においても、配線部８が接続している起歪体３に与える力が小さいため、起歪体３のＹ方向のひずみは、ほとんど発生せず、センサ出力値もほとんど変動しない（すなわち、ひずみセンサモジュールの計測精度が低下しない）結果となる。スリット１３の数量は、特に制限はないが、上記の通り、金属配線部を切断しない条件の下、なるべく多くの数量を形成した方が望ましい。これは、数量を多くした方が、部材の剛性を低減できるためである。

また、図５に示す例では、ひずみセンサ１の複数の電極パッド５と配線部の複数の端子６は、複数のＡｕワイヤ７（導電性部材）を介して電気的に接続されている。ワイヤ７は、例えば、線径が１０μｍ〜２００μｍ程度の金線（Ａｕ線）であって、封止樹脂１０により封止されている。封止樹脂１０でワイヤ７を覆うことにより、隣り合うワイヤ同士の短絡を防止できる。また、配線部８の一方の端部は、図５に示すように起歪体３に固定されるが、他方の端部には例えば図示しないコネクタが形成され、例えば、ひずみ測定を制御する制御回路（図示は省略）などと電気的に接続される。また、配線部８は、ひずみセンサ１と図示しない外部機器の間で、入出力電流を伝送することができれば良く、図５に示す態様には限定されない。

次に、起歪体３について説明する。起歪体３の形状は、計測したいひずみ成分やひずみセンサモジュールの取り付け性などを考慮した構造とすればよい。本実施形態では、平板形状の部材を示している。このような形状の場合、図８に示す通り、起歪体３の一端を土台１６に接着剤などで固定する片持ち梁とすることが考えられる。この場合、もう一端の先端の垂直方向に加わる荷重によって、起歪体３には曲げひずみが発生する。この曲げひずみを計測することによって、垂直荷重値を推定することができる。起歪体の構成材料は特に限定されず、金属材料、セラミックス材料などが考えられる。ただし、起歪体３の底面全体を別部材に接着剤で固定する場合や、起歪体３の両端を別部材にネジ止めやスポット溶接で固定する場合、起歪体３の材質は、取り付ける別部材の材質と同じにすることが望ましい。これは、環境温度が変動した際、起歪体３と別部材の線膨張係数差に起因した熱ひずみの発生を抑制するためである。

［実施形態２］
本実施形態では、ひずみセンサモジュールの起歪体の形状が異なる例として、圧力センサ構造を示す。

図９は、本実施形態の圧力センサモジュールの断面図を示している。基本的に実施形態１と同じであるが、起歪体の形状が大きく異なっている。圧力センサモジュール２０は、中空孔２１を内側に設けた筒部２２と、この筒部２２における中空孔２１の上部を閉塞する蓋部分２３からなる起歪体３を有している。中空孔２１の上部の蓋部分２３の上面には、ひずみセンサ１が接合材２を介して搭載されており、蓋部分２３の下面には、溝２４が形成されている。また、ひずみセンサ１からひずみ検出量を出力するため、ワイヤ７を介して配線部８が取り付けられている。更にこれらのひずみセンサ１の周辺部を保護し、且つ計測値を出力するためにケース２６、また図示していないがコネクタが周囲にとりつけられている。なお、ケース２６は樹脂などが適用される。この圧力センサモジュール２０では、図９中に記載した矢印２５の向きに圧力が負荷され、溝２４のある部分が優先的に変形し、この変形をひずみセンサ１で計測することによって、圧力を計測できる仕組みとなっている。この圧力センサモジュール２０は、例えば、自動車の油圧系の配管などに継手部２６が接続される。配管などに接続され、配管内部の圧力などを計測する。

図１０は、本実施形態の圧力センサモジュールの上面図を示している。ただし、ケース２６は図示していない。起歪体３の形状が異なる点以外は、図５に示したひずみセンサモジュールと同じ構造である。配線部８にはスリット１３が設けられているため、配線部８が吸湿して膨張した場合においても、配線部８が接続している起歪体３に与える力が小さい。そのため、起歪体３はほとんど変形せず、センサ出力値はほとんど変動しない。すなわち、圧力センサモジュールの圧力計測精度は低下しない結果となる。このように、本圧力センサモジュールでは、吸湿によるゼロ点変動が小さいため、車載用途の高温高湿環境下で使用される場合でも、圧力変化を高精度に、かつ長期間安定して計測できる。

［実施形態３］
図１１は、本実施形態のひずみセンサモジュールの平面図を示している。基本的に、実施形態１と同じであるが、配線部８に設けるスリット１３の形状が異なる。実施形態１でのスリット１３は、配線部の端子６の位置よりも外側（すなわち、ひずみセンサ１から離れた位置）に設けられていた。一方、本実施形態では、スリットの端部が、配線部８の端部まで拡大しており、配線部８の端部の形状が櫛歯形状であることを特徴とする。実施形態１と比較して、ひずみセンサ１の近傍領域における配線部８の剛性が更に低下するため、吸湿時のセンサ出力変動を更に抑制することが可能となる。なお、スリット１３は、配線部８に形成されている金属配線部（図示していない）および配線部の端子６を切断することがないように作製されている。

ここで、接着部９は、配線部８に設けられたスリット１３と同様の形状のスリットを設けてもよい。ただし、配線部８の端子６の直下には、必ず接着部９を設ける必要がある。これは、接着部９がない状態であると、配線部８の端子６が起歪体３から浮いた状態となるため、配線部８の端子６にワイヤボンディングを打てなくなるためである。

［実施形態４］
図３を援用し、図１２を用いて、本実施形態の構造について説明する。図１２は、図３中のＣＣ線に沿った断面図を示している。基本構造は、図３に示した構造と同一であるが、配線部８の断面構造が異なる。図１２に示す通り、配線部８は、厚さ方向（図中のＸ方向）に対して、部分的に薄くなっている溝２７が存在する。実施形態１では、この溝２７が、配線部８の上面まで達して完全に貫通した状態となっているが、本実施形態では、完全に貫通した状態とはなっていない。実施形態１および実施形態３と比較すると、配線部８の剛性は大きいため、吸湿に起因したセンサ出力変動の抑制の効果は小さいが、配線部８を起歪体３に貼り付ける際に、配線部８の取扱いが容易となる利点を有する。

［実施形態５］
図１３は、本実施形態のひずみセンサモジュールの平面図を示している。基本的に、実施形態１と同じであるが、配線部８の形状が異なっている。

実施形態１では、起歪体３のサイズが比較的小さいため、配線部８を設ける領域をひずみセンサ１の一辺側のみとしていた。本実施形態は、起歪体３のサイズが比較的大きい場合を想定している。このような場合、配線部８を、ひずみセンサ１の四辺に設けることが考えられる。実施形態１の中で記載したように、本ひずみセンサの出力値は、図中のＸ方向とＹ方向の差分値を出力する。したがって、配線部８をひずみセンサ１の四辺に設けて対称構造とすれば、四辺の各領域における配線部８が同程度に吸湿して膨張すれば、膨張に起因したＸ方向とＹ方向のひずみ量は同程度となるので、センサ出力値は変動しない結果となる。しかし、実使用状態を考えた場合、貼付位置のばらつきや接着部９の厚さばらつきによって、対称性が悪化し、吸湿による膨張によって、センサ出力が変動することが考えられる。したがって、本実施形態に示す通り、配線部８の四辺の各領域において、スリット１３を設ければ、吸湿に起因したセンサ出力変動を抑制することができる。

１…ひずみセンサ
１ａ…表面
１ｂ…裏面
２…接合材
３…起歪体
４…ひずみセンサモジュール
５…チップ側電極パッド
６…配線部の端子
７…Ａｕワイヤ
８…配線部
９…接着部
１０…封止樹脂
１１…端子部
１２…Ｙ方向引張ひずみ
１３…スリット
１４…センサ領域
１５…抵抗素子
１６…土台
２０…圧力センサモジュール
２１…中空孔
２２…筒部
２３…蓋部分
２４…溝
２５…圧力負荷
２６…ケース
２７…溝

Claims (7)

1. 半導体基板の表面に複数のピエゾ抵抗素子および複数の電極パッドが形成されたひずみセンサと、
   前記複数の電極パッドと電気的に接続される複数の配線を備える電気配線用樹脂部材と、
   前記ひずみセンサの裏面と接合される起歪体と、
   前記電気配線用樹脂部材と前記起歪体とを貼り合わせる接着部とを有し、
   前記電気配線用樹脂部材のひずみセンサ近傍領域に、溝が設けられていることを特徴とする力学量測定装置。
2. 請求項１に記載の力学量測定装置において、
   前記電気配線用樹脂部材に設けられている溝の長手方向は、前記ひずみセンサに対して垂直方向に形成されていることを特徴とする力学量測定装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の力学量測定装置において、
   前記接着部のひずみセンサ近傍領域にも、溝が設けられていることを特徴とする力学量測定装置。
4. 請求項３に記載の力学量測定装置において、
   前記接着部に設けられている溝の長手方向は、前記ひずみセンサに対して垂直方向に形成されていることを特徴とする力学量測定装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の力学量測定装置において、
   前記電気配線用樹脂部材に設けられている溝は、樹脂部材を完全に貫通したスリット形状となっているか、または、前記接着部に設けられている溝は、前記接着部を完全に貫通したスリット形状となっていることを特徴とする力学量測定装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の力学量測定装置において、
   前記電気配線用樹脂部材に設けられている溝は、前記電気配線用樹脂部材のひずみセンサに近い側の端部にまで達しており、前記電気配線用樹脂部材の端部が櫛歯形状となっていることを特徴とする力学量測定装置。
7. 請求項１に記載の力学量測定装置において、
   前記電気配線用樹脂部材が前記ひずみセンサの四辺の近傍領域に形成され、前記四辺の各近傍領域において、溝が設けられていることを特徴とする力学量測定装置。

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