KR101151125B1 - 반도체 왜곡 센서 - Google Patents

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Abstract

왜곡 검출부로서 피에조 저항 소자를 갖는 반도체 기판으로 이루어지는 왜곡 센서 칩을 갖는 반도체 왜곡 센서로서, 특성이 장기간 안정되고, 측정 대상물의 왜곡에 따라서 왜곡 센서 칩에 생기는 왜곡의 변환 계수가 측정하는 크기의 왜곡 범위에서 안정된 것이다. 왜곡 센서 칩이 금속 접합재로 접합되어 있는 금속 베이스판이 왜곡 센서 칩의 측변으로부터 돌출되어 측정 대상물에 부착하기 위한 2개 혹은 4개의 연장 멤버를 갖는다. 바람직하게는, 왜곡 센서 칩을 금속 베이스판에 접합하고 있는 접합 영역에 대응한 금속 베이스판 하면 영역과, 연장 멤버 하면 사이에 홈이 형성되어 있고, 금속 베이스판 하면에 홈을 사이에 둔 돌출부가 형성되어 있다.

Description

반도체 왜곡 센서{SEMICONDUCTOR STRAIN SENSOR}
본 발명은, 구조물의 왜곡과 응력의 측정에 이용할 수 있는 왜곡 센서로서, 특히 반도체 왜곡 게이지를 이용한 반도체 왜곡 센서에 관한 것이다.
구조물의 왜곡이나 응력의 계측에 이용되고 있는 왜곡 게이지는, Cu-Ni계 합금 혹은 Ni-Cr계 합금의 금속 박막으로 형성한 배선 패턴을 가요성이 있는 폴리이미드 혹은 에폭시 수지 필름으로 덮은 구조를 하고 있다. 그 왜곡 게이지를 피측정물에 접착제로 접착하여 사용된다. 금속 박막의 배선 패턴이 왜곡을 받아 변형하면 저항 변화가 생겨, 왜곡량을 측정할 수 있다.
금속 박막 대신에, 실리콘 등의 반도체에 불순물을 도프하여 형성한 반도체 피에조 저항 소자를 왜곡 검지부로서 이용하는 반도체 왜곡 게이지가 있다. 반도체 왜곡 게이지는, 왜곡에 의한 저항 변화율이 금속 박막을 이용한 왜곡 게이지의 수십배로 커서, 미소한 왜곡을 측정하는 것이 가능하다. 또한, 금속 박막의 왜곡 게이지에서는, 저항 변화가 작기 때문에 얻어지는 전기 신호를 증폭할 필요가 있고, 그 때문에 앰프가 필요로 된다. 반도체 왜곡 게이지는 저항 변화가 크기 때문에, 앰프를 이용하지 않고 얻어진 전기 신호를 그대로 사용할 수 있다. 혹은, 반도체 왜곡 게이지의 칩 내에 앰프 회로를 만들어 넣는 것이 가능하기 때문에, 왜곡 센서의 용도 및 사용상의 편리성이 크게 확대될 것으로 기대된다. 본 명세서에서는, 왜곡 센서와 왜곡 게이지를 동의로 사용하고 있다.
반도체 제조 기술을 이용하여 실리콘 웨이퍼 위에 불순물 도프를 행하고, 그리고 배선을 형성한 후, 칩화하여 반도체 왜곡 게이지가 얻어진다. 이 칩(이하 「왜곡 센서 칩」이라고 부름)에, 측정 대상물의 왜곡이 올바르게 전달되는 것이 중요하여, 왜곡 센서 칩의 모듈화와 측정 대상물에의 부착이 포인트로 된다.
특허 문헌 1에는, 반도체 왜곡 게이지를 실용적인 모듈로 한 구조가 개시되어 있다. 그 반도체 왜곡 게이지를 사시도로 도 16의 A에 도시한다. 실리콘 웨이퍼 표면에 반도체 왜곡 게이지를 형성한 후, 실리콘 웨이퍼를 수㎛의 두께까지 에칭한 후, 칩화하여 왜곡 센서 칩(52)을 얻는다. 배선(53)을 형성하고 폴리이미드 필름(54) 사이에 끼워 반도체 왜곡 게이지(51)를 얻고 있다. 왜곡 센서 칩(52)과 배선(53)을 모듈화하고 있으므로, 종래의 왜곡 게이지와 마찬가지로 반도체 왜곡 게이지를 취급할 수 있다.
특허 문헌 2에는, 왜곡 센서 칩(52)을 글래스제의 대좌(57)에 저융점 글래스(58)를 이용하여 접합한 왜곡 검출 센서(56)가 개시되어 있다. 그 왜곡 검출 센서(56)를 측면도로 도 16의 B에 도시한다. 글래스제의 대좌(57)를 측정 대상물에 볼트 고정 등으로 고정한다. 왜곡 센서 칩(52)과 글래스제 대좌(57) 사이 및 글래스제 대좌(57)와 측정 대상물 사이에 수지 접착제가 넣어져 있지 않으므로, 접착 수지와 왜곡 검출 센서 간의 열팽창 계수의 차이에 의해 발생하는 온도 드리프트를 피할 수 있다.
특허문헌1:일본특허공개2001-264188호공보 특허문헌2:일본특허공개2001-272287호공보
종래의 금속 박막을 이용한 왜곡 게이지와 마찬가지로, 특허 문헌 1의 반도체 왜곡 게이지를 수지 접착제로 측정 대상물에 접착하여 사용할 수 있다. 수지 접착제를 이용하기 때문에, 수지 접착제가 변질 혹은 열화에 의해, 왜곡 검출 감도 및 제로점이 변동되는 문제가 있었다. 이것은, 장기간 사용할 때에는 특성의 안정성의 관점에서 문제로 된다. 고감도의 반도체 왜곡 게이지를 이용하고 있으므로, 특성 변동의 영향은 보다 현저하게 나타난다.
특허 문헌 2의 왜곡 검출 센서에서는 수지 접착제가 이용되고 있지 않기 때문에, 특허 문헌 1의 반도체 왜곡 게이지와 비교하여 장기 안정성이 양호하다고 생각된다. 그러나, 측정 대상물에 발생한 왜곡의 왜곡 센서 칩에의 전달 방법에 과제가 있다. 조립 시의 취급을 생각하면 특허 문헌 2의 왜곡 센서 칩은 어느 정도의 두께가 필요하고, 그 두께 때문에 왜곡 센서 칩 자체가 무시할 수 없을 정도의 강성을 갖고 있다. 그 때문에, 왜곡 센서 칩(52)이 접합되어 있는 대좌(57)가 전체적으로 균일한 강성으로 되지 않는다. 도 17의 A에 도시한 바와 같이, 측정 대상물(6)에 볼트(24)로 부착한 왜곡 검출 센서(56)에서, 예를 들면 측정 대상물(6)에 화살표로 나타내는 방향으로 인장의 왜곡이 가해진 경우, 볼트 간의 변위에 수반하여 볼트(24)로부터 대좌(57)에 힘이 전달된다. 그에 의해 대좌 전체에 발생하는 왜곡은, 왜곡 센서 칩(52)이 갖는 강성의 영향에 의해 균일하게는 되지 않아, 왜곡 검출부(59)가 있는 왜곡 센서 칩 표면에 발생하는 왜곡은, 측정 대상물(6)의 왜곡과는 상이한 것으로 된다.
측정 대상물(6)의 왜곡에 대한 왜곡 센서 칩(52)의 왜곡이, 도 17의 B에 도시한 바와 같이, 필요한 측정 레인지 범위 내에서 비례의 관계를 갖고 있으면, 왜곡의 변환 계수를 나타내는 그래프의 기울기를 이용하여, 왜곡 센서 칩의 검출값으로부터 측정 대상물의 왜곡을 구할 수 있다. 실제로는, 왜곡 센서 출력은 피에조 저항 변화에 의한 전압의 출력 변화로 얻어지고, 그것에 왜곡의 변환 계수를 곱함으로써 측정 대상물(6)의 왜곡이 구해진다.
특허 문헌 2에서는, 도 18에 도시한 바와 같이, 단순한 판 형상의 대좌(57)에 왜곡 센서 칩(52)이 저융점 글래스(58)로 접합되어 있고, 왜곡 센서 칩(52)이 접합된 영역에서는, 왜곡 센서 칩이 접합된 면측에 강성이 치우쳐 있다. 그 때문에, 예를 들면 측정 대상물(6)에 생긴 화살표로 나타내는 방향의 변위에 추종하여 대좌(57)가 인장되었을 때, 대좌(57)에 굽힘 변형이 발생한다. 굽힘 변형이 발생하면 왜곡 센서 칩(52)의 두께 방향으로 왜곡의 구배가 발생하여, 왜곡 센서 칩 표면의 왜곡 검출부(59)의 왜곡은, 측정 대상물(6)의 왜곡과 현저하게 상이하다. 극단적인 경우에는, 대좌(57)가 인장되면 왜곡 검출부(59)에 압축 왜곡이 발생한다. 이것은, 측정 대상물(6)의 평면 왜곡을, 왜곡 센서 칩(52)의 굽힘으로 변환하여 검출하고 있는 것으로 되어, 왜곡의 변환 계수가 작으면 감도가 저하된다. 왜곡 센서 칩(52)에 굽힘 변형이 발생하면, 대좌(57)와 측정 대상물(6)의 접촉 상태의 변화가 관여하여 비선형의 거동을 나타내어, 측정 레인지 내에서 왜곡의 변환 계수를 일정하게 유지하기 어렵게 됨과 함께, 왜곡 센서와 사이의 변환 계수의 변동이 커지게 된다. 왜곡 센서 칩(52)의 두께에 대하여 대좌(57)의 두께를 충분히 두껍게 하면, 이와 같은 문제는 저감되지만, 대좌를 포함한 센서 모듈 전체의 강성이 높아져, 측정 대상물의 변형 그 자체에의 영향이 커지게 된다.
본 발명의 목적은, 고감도의 반도체 왜곡 게이지를 이용한 왜곡 센서에서, 특성이 장기간 안정되고, 또한 왜곡 센서 칩의 굽힘 변형을 방지하여, 측정 대상물의 왜곡에 따라서 왜곡 센서 칩에 생기는 왜곡의 변환 계수가, 왜곡 측정 범위에서 안정된 반도체 왜곡 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 반도체 왜곡 센서는, 반도체 기판으로 이루어지고 그 상면에 형성된 피에조 저항 소자를 갖는 왜곡 센서 칩과,
왜곡 센서 칩의 하면이 금속 접합재로 접합되어 있는 접합 영역이 형성되어 있는 금속 베이스판으로서, 접합 영역의 측변으로부터 돌출되어 측정 대상물의 표면에 접속되기 위한 접속 영역을 접합 영역에 대향한 금속 베이스판의 하면에 갖는 적어도 2개의 연장 멤버를 갖고 있는 것과,
왜곡 센서 칩이 갖는 피에조 저항 소자의 전극에 접속되어 외부로 인출되어 있는 배선 멤버를 갖는다.
왜곡 센서 칩은 금속 베이스판에 금속 재료로 접합되어 있다. 왜곡 센서 칩에서 발생한 열은 센서 칩 이면으로부터 금속 베이스판에 전도되어 방열된다. 금속 베이스판은 평판이며, 왜곡 센서 칩보다도 면적이 커서, 열의 방산이 효율적으로 행하여진다. 열 방산이 좋으므로, 왜곡 센서 칩의 온도 상승을 방지할 수 있어, 금속 베이스판과 왜곡 센서 칩의 온도를 균일하게 유지하기 쉽다. 반도체 왜곡 센서의 온도를 균일하게 할 수 있으므로, 온도 변화에 의한 피에조 저항 계수의 변동, 및 왜곡 센서 칩과 금속 베이스판과의 온도 불균일에 의한 열 변형에 의해 피에조 저항 소자에 가해지는 응력의 변동에 의해 생기는 특성 변화를 피할 수 있다. 또한, 왜곡 센서 칩과 금속 베이스판 사이를 금속 접합하고 있으므로, 접합부에 크리프, 변질 혹은 열화를 일으키기 어려워 특성의 장기 안정성이 우수하다.
왜곡 센서 칩이 측정 대상물에 부착되는 베이스판이 도전성 재료로 구성되어 있기 때문에, 전기 노이즈에 강하다. 왜곡 센서 칩과 측정 대상물 사이에 절연성의 재료가 개재되어 있으면, 측정 대상물에 전류가 흘러서 전위가 변동되었을 때에, 왜곡 센서 칩의 각 부위와 측정 대상물 사이에 기생 용량이 생긴다. 기생 용량이 발생하면 전위도 변동하여, 노이즈가 발생하기 쉬워진다. 본 발명의 반도체 왜곡 센서에서는, 왜곡 센서 칩의 그라운드를 왜곡 센서 칩 이면으로부터 측정 대상물에 전기적으로 접속하고 있으므로, 왜곡 센서 칩의 그라운드가 측정 대상물의 전위와 일치하여, 노이즈가 발생하기 어렵다.
금속 베이스판으로서, 니켈, 철, 구리 등의 금속 혹은 스테인리스 스틸 등 합금을 사용할 수 있다. 철-니켈계 합금 혹은 철-니켈-코발트계 합금과 같이 열 팽창 계수가 실리콘에 가까운 재료를 이용하면, 온도 변화에 의한 특성 변화를 작게 할 수 있다. 왜곡 센서 칩 하면을 금속 베이스판 표면에 금속 접합재로 접합하고 있으므로, 접합 시에 금속 베이스판이 녹아서 변형되는 일이 없도록 금속 접합재의 융점보다도 충분히 높은 융점을 갖고 있는 것이 필요하다.
보다 큰 면적을 한 금속 베이스판에 왜곡 센서 칩이 금속 접합되어 있으므로, 왜곡 센서 칩의 측변으로부터 금속 베이스판이 돌출되어 연장 멤버로 되어 있다. 2개 혹은 4개의 연장 멤버가 왜곡 센서 칩을 사이에 두고 있다. 금속 베이스판의 하면에 연장 멤버가 접속 영역을 갖고, 접속 영역을 통하여 반도체 왜곡 센서가 측정 대상물에 고정되어 있다. 금속 베이스판이 2개 혹은 4개의 연장 멤버를 갖고, 각 연장 멤버가 1개의 접속 영역을 갖는다. 금속 베이스판이 2개의 연장 멤버를 가질 때에는, 왜곡 센서 칩을 금속 베이스판에 접합하고 있는 접합 영역에 대응하는 금속 베이스판의 하면의 영역을 사이에 두고 2개의 접속 영역이 있다. 그리고 1개의 접속 영역과, 접합 영역에 대응하는 금속 베이스판 하면의 영역과, 다른 접속 영역이 직선 상에 있다. 금속 베이스판이 4개의 연장 멤버를 가질 때에는, 왜곡 센서 칩을 금속 베이스판에 접합하고 있는 접합 영역의 4측변 각각으로부터 연장 멤버가 돌출되어 있다. 접합 영역에 대응하는 금속 베이스판의 하면에 있는 영역의 4측변 각각의 외측에 접속 영역이 있다. 4개의 접속 영역 중 각 2개와 접합 영역이 직선 상에 있다.
4개의 접속 영역 중, 접합 영역을 사이에 두고 직선 상에 있는 2개의 접속 영역을 각각 제1과 제2 접속 영역으로 하고, 그 직선에 수직한 직선 상에서 접합 영역을 사이에 두고 형성되어 있는 2개의 접속 영역을 각각 제3과 제4 접속 영역이라고 한다. 측정 대상물에 발생한 제1 접속 영역으로부터 제2 접속 영역을 연결하는 방향(X 방향이라고 칭함)의 왜곡이 제1 및 제2 접속 영역을 통하여 금속 베이스판 및 왜곡 센서 칩에 전달되어, 반도체 피에조 저항 소자의 전기 저항 변화에 의해 왜곡을 검출할 수 있다. 제3 접속 영역으로부터 제4 접속 영역을 연결하는 방향(Y 방향이라고 함)의 왜곡이 제3 및 제4 접속 영역을 통하여 금속 베이스판 및 왜곡 센서 칩에 전달되어, 반도체 피에조 저항 소자의 전기 저항 변화로부터 왜곡을 검출할 수 있다. 2개의 접속 영역을 갖는 반도체 왜곡 센서에서는 X 방향 혹은 Y 방향만의 왜곡을 측정하지만, 4개의 접속 영역을 갖는 반도체 왜곡 센서에서는 X 방향과 Y 방향의 왜곡을 측정할 수 있다. 4개의 접속 영역을 갖는 반도체 왜곡 센서를 이용하여, X 방향 및 Y 방향에 관하여 45도의 방향의 왜곡을 검출함으로써, 토크 검출 센서로서 이용할 수 있다.
본 발명의 상기 반도체 왜곡 센서에서, 금속 베이스판이, 금속 베이스판의 하면에서 접합 영역의 측변에 대응한 선을 따라서 형성되고, 그 측변의 길이의 혹은 그것보다도 긴 홈을 갖고, 그 홈이 금속 베이스판의 하면에서 접합 영역에 대응한 영역과 연장 멤버의 접속 영역을 분리하고 있는 것이 바람직하다.
금속 베이스판의 하면에서 접합 영역에 대응한 영역과 2개의 연장 멤버의 접속 영역 사이에 홈이 형성되어 있으므로, 금속 베이스판의 하면에 있는 접합 영역에 대응한 영역이 하방으로 돌출되고, 돌출된 영역과 왜곡 센서 칩이 거의 대칭의 구조로 되어 있다. 이들이 반도체 왜곡 센서의 표리에서 대칭으로 되어 있으므로, 반도체 왜곡 센서의 강성이 대칭에 가까운 것으로 되어, 접속 영역으로부터 금속 베이스판에 왜곡이 전달되었을 때에, 왜곡 센서 칩이 굽힘 변형을 일으키기 어려워, 왜곡 변환 계수가 변동되기 어렵게 된다.
또한, 본 발명의 반도체 왜곡 센서에서, 금속 베이스판의 하면에서 접합 영역의 측변에 대응한 선을 따라서 형성된 홈이 왜곡 센서 칩의 왜곡 검출 방향에 수직으로 뻗어 있는 것이 바람직하다. 또한, 왜곡 센서 칩의 양 측변에 대응하는 금속 베이스판의 하면의 위치 각각에 이들 홈이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 그리고, 이들 홈의 측벽 중, 접합 영역에 보다 가까운 측벽이 금속 베이스판 하면에서 접합 영역의 측변에 대응하여 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이와 같이, 금속 베이스판의 하면에서 접합 영역에 대응한 영역을 사이에 두고 2개의 홈이 접합 영역의 측변의 길이 혹은 그것보다도 길게 되어 있으면, 측정 대상물에 생긴 굽힘 변형이 반도체 왜곡 센서의 접속 영역을 통하여 금속 베이스판에 전달된 경우에, 금속 베이스판에 형성된 홈에 의해 굽힘 변형의 전달이 멈춰진다. 그 때문에, 왜곡 센서 칩에 굽힘 변형이 생기는 것을 방지하게 된다. 따라서, 금속 베이스판 위에서 왜곡 센서 칩의 주위에 있는 4측변 각각으로부터 연장 멤버가 돌출되어 있고, 금속 베이스판의 하면에서 4측변에 대응한 선 각각에 홈이 접합 영역에 대응한 영역을 둘러싸도록 형성되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 반도체 왜곡 센서에서, 금속 베이스판의 영율을 Es, 왜곡 센서 칩의 영율을 Ed, 왜곡 센서 칩의 두께를 td, 홈의 깊이를 ts로 하였을 때에, 식 ts×Es=td×Ed를 만족시키는 것이 바람직하다.
이 식을 완전하게 만족시킬 필요는 없고, 금속 베이스판의 표리의 강성이 대칭으로 될 정도로 만족시키고 있으면 된다. 따라서 상기 식은 ts×Es≒td×Ed로 표현할 수 있다. 이들 관계를 만족시킴으로써, 금속 베이스판의 홈에 끼워진 돌출부의 강성이, 왜곡 센서 칩의 강성과 거의 일치하므로, 반도체 왜곡 센서의 표리의 강성의 대칭성을 향상시킬 수 있다. 즉, 측정 대상물로부터 인장, 압축을 받았을 때에, 센서 칩을 접합한 금속 베이스 부분의 두께 중앙의 평면에서, 센서 칩 접합측과, 반대의 금속 베이스측의 강성이 거의 대칭이기 때문에, 센서 칩 접합부의 휨을 억제할 수 있다. 결과로서, 정밀도 좋게, 측정 대상물의 인장, 압축을 계측할 수 있다.
본 발명의 반도체 왜곡 센서에서, 금속 베이스판이, 그 두께 중앙의 평면에 관하여, 금속 베이스판의 하면에 있는 상기 홈과 대칭으로 형성된 홈을 금속 베이스판의 상면에 갖고, 접합 영역이, 상면에 형성된 홈 사이에서, 금속 베이스판의 상면으로부터 그 홈의 깊이만큼 낮게 되어 있는 것이 바람직하다. 즉, 금속 베이스판 상면에 리세스가 형성되어 있고 그 안에, 왜곡 센서 칩이 설치되어 있는 것이 바람직하다.
홈이 금속 베이스판의 표면과 이면에 대칭으로 형성되고, 반도체 왜곡 센서 칩이 금속 베이스판에 형성한 리세스에 넣어져 있음으로써, 금속 베이스판의 표리에서의 강성의 대칭성이 더욱 좋아져, 금속 베이스판이 굽힘 변형을 하는 것을 더욱 피할 수 있다.
본 발명의 반도체 왜곡 센서에서, 2개의 접속 영역과 왜곡 센서 칩 접합 영역을 연결하는 방향에서의 단면에서, 왜곡 센서 칩의 접합 영역에서의 왜곡 센서 칩, 금속 베이스판, 및 금속 접합재를 합한 두께를 ta, 홈의 바닥에서의 금속 베이스판의 두께를 tb, 접속 영역에서의 금속 베이스판 두께를 tc, 왜곡 센서 칩의 절반의 길이를 la로 하였을 때에, 홈의 폭 lb가 la×[tb×(ta-tc)]/[ta×(tc-tb)]인 것이 바람직하다.
식: lb=la×[tb×(ta-tc)]/[ta×(tc-tb)]를 완전하게 만족시킬 필요는 없고, 왜곡의 변환 계수가 변동되는 것을 방지할 수 있을 정도로 만족시키고 있으면 된다. 따라서 상기 식은, lb≒la×[tb×(ta-tc)]/[ta×(tc-tb)]로 표현할 수 있다. 이 식을 만족시킴으로써, 홈으로부터 왜곡 센서 칩 접합 영역에 걸친 금속 베이스판과 왜곡 센서 칩을 합한 강성이, 접속 영역에서의 금속 베이스판의 강성과 대략 일치하므로, 양자에의 왜곡의 배분이 동일하게 된다. 그 때문에, 접속 영역의 위치가 변화되어도, 왜곡의 변환 계수의 변화를 작게 할 수 있다. 반도체 왜곡 센서의 측정 대상물에의 부착 위치가 변동되어도, 왜곡의 변환 계수가 변동되는 것을 방지할 수 있다.
이하, 상세를 설명한다. 용접점의 위치에 따라서 검출되는 뒤틀림량이 변화되면, 측정 정밀도가 현저하게 저하된다. 실장 구조로서, 이 현상을 회피하는 연구가 필요하다. 그를 위해서는, 센서 칩 접속 영역이 측정 대상물의 변형에 의해 받는 뒤틀림 ea와, 홈부터 용접점까지에 있는 접속 영역의 뒤틀림 ec와의 비 ea/ec가, 홈부터 용접점까지의 길이 lc에 의존하지 않고, 항상 일정하면 된다. 홈 영역의 뒤틀림을 eb로 하면, 달성할 관계는, (la×ea+lb×eb)/(la+lb)=ec로 나타낼 수 있다. 한편, 센서 칩 접합 영역, 홈 영역, 접속 영역은, 직렬 연속이기 때문에, 전달되는 힘은 균일하다. 즉, (ts×Es+td×Ed)×ea=Es×tb×eb=Es×tc×ec이다. ts×Es≒td×Ed로 설정하고 있으므로, 상기 식은, 개략, Es×ta×ea=Es×tb×eb=Es×tc×ec로 된다. 이 식을 이용하여, 달성할 관계를 변형하면，lb×[ta×(tc-tb)]=la×[tb×(ta-tc)]로 된다. 물론, 이 관계는 엄밀할 필요는 없고, 왜곡의 변환 계수가 변동되는 것을 방지할 수 있을 정도로 충족되어 있으면 된다.
본 발명의 반도체 왜곡 센서의 배선 멤버가, 금속 베이스판 위에 일단이 수지 접착된 플렉시블 배선판과, 플렉시블 배선판의 배선과 왜곡 센서 칩이 갖는 피에조 저항 소자의 전극 사이를 전기적으로 접속하고 있는 금속 와이어와, 피에조 저항 소자의 전극과 금속 와이어를 덮고 있는 수지로 구성되어 있을 수 있다.
플렉시블 배선판과 왜곡 센서 칩 사이는, 피복되어 있지 않은 금속 와이어를, 초음파 용접 혹은 납땜함으로써, 도통을 얻을 수 있다. 금속 와이어는 10㎛ 직경 내지 200㎛ 직경의 벗겨진 금선을 이용할 수 있다. 금속 와이어와 그 접속부와 전극을 수지로 덮어, 전기적인 절연 및 외기로부터의 차단을 확실하게 할 수 있다. 배선 멤버뿐만 아니라 왜곡 센서 칩 전체를 수지로 덮을 수 있다. 플렉시블 배선판과 그것을 접착하는 접착제의 강성이 크면, 플렉시블 배선판과 접착제의 크리프, 열화, 변질이 반도체 왜곡 센서 전체의 강성에 영향을 줄 위험성이 있다. 가능한 한 플렉시블 배선판이나 접착제의 탄성율을 작게 하고 체적을 작게 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 반도체 왜곡 센서의 배선 멤버가, 왜곡 센서 칩이 갖는 피에조 저항 소자의 전극에 형성된 금속 범프와, 금속 범프에 전기적으로 접속한 배선을 갖는 플렉시블 배선판과, 왜곡 센서 칩과 플렉시블 배선판 사이에 충전된 수지로 구성되어 있을 수 있다.
왜곡 센서 칩에 설치한 피에조 저항 소자의 전극에 금속 범프를 형성함으로써, 플렉시블 배선판을 직접 왜곡 센서 칩의 표면에 접속할 수 있어, 플렉시블 배선판을 금속 베이스판에 접착할 필요가 없다. 그 때문에, 왜곡 센서 칩 측부에 배치하는 연장 멤버의 설계의 자유도를 올릴 수 있다. 플렉시블 배선판은 가능한 한 얇게 하여, 반도체 왜곡 센서의 강성에 영향을 주지 않도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 반도체 왜곡 센서의 배선 멤버가, 금속 베이스판 위에 절연막을 개재하여 형성된 베이스판 전극과, 베이스판 전극과 왜곡 센서 칩이 갖는 피에조 저항 소자의 전극 사이를 전기적으로 접속한 금속 와이어와, 피에조 저항 소자의 전극과 금속 와이어와 베이스판 전극을 덮고 있는 수지로 구성되어 있을 수 있다.
베이스판 전극을 이용함으로써, 플렉시블 배선판을 없앨 수 있다. 베이스판 전극과 왜곡 센서 칩의 전극 사이를 금속 와이어로 전기적으로 접속하고, 베이스판 전극으로부터 피복 와이어에 의해 왜곡 센서 칩의 전기 신호를 칩의 밖으로 취출할 수 있다. 금속 베이스판에 플렉시블 배선판을 접착하는 일이 없으므로, 왜곡 센서 칩 측부에 배치하는 연장 멤버의 설계의 자유도를 올릴 수 있다. 금속 와이어와 그 접속부나 전극을 수지로 덮어, 전기적인 절연이나 외기로부터의 차단을 확보할 수 있다.
본 발명의 반도체 왜곡 센서에서, 반도체 왜곡 센서의 금속 베이스판의 하면이 측정 대상물에 대향함과 함께, 금속 베이스판의 접속 영역의 적어도 일부가 측정 대상물에 밀착하도록 부착되어 있는 것이 바람직하다.
금속 베이스판의 접속 영역의 적어도 일부가 측정 대상물에 밀착하고 있는 것이 필요하다. 측정 대상물의 왜곡이 접속하고 있는 부분을 통하여 금속 베이스판에 전달되므로, 접속 면적이 작으면, 왜곡이 접속부에 집중하여 접속부가 소성 변형할 우려가 있다. 측정하는 크기의 왜곡에서 소성 변형하지 않을 만큼의 접속 면적이 얻어져 있으면, 접속 영역 전체를 측정 대상물에 밀착시킬 필요가 없다. 금속 베이스판의 접속 영역 이외의 부분이 측정 대상물에 밀착하고 있을 필요는 없다.
본 발명의 반도체 왜곡 센서에서, 반도체 왜곡 센서와 측정 대상물이 적어도2개 이상의 접속 영역에서 접속되어 있고, 각 접속 영역은 1개소 이상의 용접부로 고정되어 있을 수 있다.
용접으로서, 레이저 용접이나 저항 스폿 용접을 이용할 수 있다. 용접부에는 크리프, 열화, 변질이 일어나기 어렵기 때문에, 용접은 장기적 안정성이 우수하다. 접속 에리어와 측정 대상물 사이에 납재 등의 금속을 개재하여 용접할 수 있다. 핸디 타입의 스폿 용접기를 이용하면, 이미 설치된 장치나 구조물에 대해서도, 본 발명의 반도체 왜곡 센서를 용이하게 현장에서 부착할 수 있다. 또한, 부착 시에 왜곡 센서 칩에 직접 힘을 가할 우려가 없으므로, 왜곡 센서 칩을 파괴하고, 불필요한 왜곡을 주어 왜곡 센서 칩 특성을 변화시키는 위험을 낮게 할 수 있다.
본 발명의 반도체 왜곡 센서에서, 반도체 왜곡 센서와 측정 대상물이 적어도2개 이상의 접속 영역에서 접속되어 있고, 각 접속 영역은 1개소 이상의 나사로 접속되어 있을 수 있다.
용접을 할 수 없는 재질로 이루어진 측정 대상물에 본 발명의 반도체 왜곡 센서를 나사 접속으로 부착할 수 있다. 또한, 나사 접속에서는 반도체 왜곡 센서의 부착에, 레이저 용접기나 스폿 용접기 등의 장치를 필요로 하지 않기 때문에, 좁은 장소나 높은 장소 등에서의 부착이 용이해진다.
고감도의 반도체 왜곡 게이지를 이용한 왜곡 센서에서, 특성이 장기간 안정되고, 왜곡 센서 칩의 발열에 대해서도 특성이 변화되기 어려운 반도체 왜곡 센서를 제공할 수 있다.
도 1은 측정 대상물에 부착한 본 발명의 실시예 1의 반도체 왜곡 센서를 도시하는 평면도.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도.
도 3에서, 도 3의 A는 왜곡 센서 칩과 측정 대상물이 도전 재료로 접속되어 있는 본 발명의 경우의 등가 회로를 도시하고, 도 3의 B는 양자 사이에 절연 재료가 개재되는 경우의 등가 회로를 도시하는 도면.
도 4는 측정 대상물에 부착한 본 발명의 실시예 2의 반도체 왜곡 센서를 도시하는 평면도.
도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ선 단면도.
도 6은 측정 대상물에 부착한 본 발명의 실시예 3의 반도체 왜곡 센서를 도시하는 평면도.
도 7은 도 6의 Ⅶ-Ⅶ선 단면도.
도 8은 실시예 3의 반도체 왜곡 센서를 토크 검출에 응용한 모식 사시도.
도 9는 본 발명의 실시예 4의 반도체 왜곡 센서를 도시하는 평면도.
도 10은 측정 대상물에 부착한 본 발명의 실시예 5의 반도체 왜곡 센서를 도시하는 평면도.
도 11은 도 10의 XI-XI선 단면도.
도 12는 실시예 5의 반도체 왜곡 센서에 이용하고 있는 금속 베이스판을 바닥으로부터 본 사시도.
도 13은 실시예 5의 반도체 왜곡 센서에 이용할 수 있는 금속 베이스판의 변형예로서, 그것을 바닥으로부터 본 사시도.
도 14는 본 발명의 실시예 6의 반도체 왜곡 센서를 도시하는 평면도.
도 15의 A는 측정 대상물에 부착한 본 발명의 실시예 7의 반도체 왜곡 센서를 도시하는 평면도, 도 15의 B는 도 15의 A의 XVB-XVB선 단면도, 도 15의 C는 실시예 7의 반도체 왜곡 센서에 이용하고 있는 금속 베이스판을 바닥으로부터 본 사시도, 그리고 도 15의 D는 그 금속 베이스판을 위로부터 본 사시도.
도 16의 A는 문헌에 기재되어 있던 반도체 왜곡 게이지를 도시하는 사시도, 도 16의 B는 다른 문헌에 기재되어 있던 왜곡 검출 센서를 도시하는 사시도.
도 17의 A는 측정 대상물에 볼트로 부착한 왜곡 검출 센서의 단면도, 도 17의 B는 측정 대상물의 왜곡과 검출되는 왜곡의 관계를 설명하고 있는 그래프.
도 18은 대좌에 생기는 굽힘 변형을 도시하는 모식 설명도.
이하 본 발명을 실시예에 기초하여 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 설명을 알기 쉽게 하기 위해서, 동일한 부품, 부위에는 동일한 부호를 이용하고 있다.
<실시예 1>
본 발명의 실시예 1의 반도체 왜곡 센서의 구조에 대하여, 도 1과 도 2를 이용하여 이하 설명한다. 도 1은 측정 대상물에 부착한 실시예 1의 반도체 왜곡 센서의 평면도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도이다. 피에조 저항 소자(도시 생략)가 형성된 왜곡 센서로서 기능하는 실리콘 반도체 기판으로 이루어지는 왜곡 센서 칩(2)이 금속 베이스판(3)의 중앙에 금속 접합재(4)의 금속 땜납으로 접합되어 있다. 금속 베이스판(3)은 도 1의 X 방향으로 연장된 직사각형이며, 왜곡 센서 칩(2)을 접합하고 있는 접합 영역(15)을 사이에 둔 양측에 연장 멤버(11, 12)를 갖고, 각 연장 멤버(11, 12)가 측정 대상물(6)에 접속하고 있는 접속 영역(11', 12')을 접합 영역(15)에 대향한 금속 베이스판(3)의 하면에 갖는다. 왜곡 센서 칩(2)은 통상 접합 영역(15)의 면적과 동일하거나 그것보다도 작고, 접합 영역(15)의 중앙에 접착되어 있다. 금속 베이스판(3)은, 실리콘에 열팽창 계수가 가까운 철58-니켈42 합금으로 만들어져 있을 수 있고, 14㎜ 길이×6㎜ 폭×0.3㎜ 두께로 할 수 있다. 왜곡 센서 칩(2)의 크기를 2.5㎜ 길이×2.5㎜ 폭×0.16㎜ 두께로 할 수 있다.
왜곡 센서 칩(2)이 금속 베이스판(3)에 금속 땜납(4)으로 접합되어 있다. 왜곡 센서 칩(2)의 금속 베이스판(3)에 대향하는 면에 Cr, Ni 및 Au의 3층으로 이루어지는 메탈라이징층이 스퍼터에 의해 형성되고, 그 위에 Sn계의 금속 땜납 재료가 증착되어 있다. 금속 베이스판(3)의 왜곡 센서 칩(2)과 대향하는 면에도, Cr, Ni 및 Au의 3층으로 이루어지는 메탈라이징층이 형성되어 있다. 금속 베이스판(3)의 중앙에 왜곡 센서 칩(2)을 위치시키고, 금속 땜납(4)을 가열 용융하여 금속 베이스판(3)에 왜곡 센서 칩(2)이 접합되어 있다. 3층의 메탈라이징층을 금속 베이스판 전체면에 형성할 수 있다.
왜곡 센서 칩(2)이 갖는 피에조 저항 소자의 전극(16)으로부터 배선을 인출하는 데에, 플렉시블 배선판(5)이 이용되고 있다. 플렉시블 배선판(5)의 선단의 배선이 노출되어 있는 측과 반대의 면을, 금속 베이스판 위에서 왜곡 센서 칩이 접합한 위치에 인접하여 에폭시계 수지 접착제를 이용하여 접착하고 있다. 플렉시블 배선판(5)의 배선과 왜곡 센서 칩(2)의 전극(16) 사이에 20㎛ 직경의 벗겨진 금 와이어(17)를 초음파 용접으로 접속하고 있다. 왜곡 센서 칩(2)의 전극(16), 금 와이어(17) 및 플렉시블 배선판(5)의 배선을 덮도록 커버 수지(18)를 도포하고 있다. 커버 수지(18)로서 탄성율이 작은 열경화 수지를 이용하였다. 왜곡 센서 칩 전체를 덮도록 수지를 도포할 수 있다. 왜곡 센서 칩의 피에조 저항 소자는 광의 영향을 받으므로, 왜곡 센서 칩 전체를 유색의 수지로 덮어 광의 영향을 억제하는 것이 바람직하다.
금속 베이스판(3) 위에 금속 땜납(4)으로 왜곡 센서 칩(2)을 접합하고 배선을 행한 반도체 왜곡 센서(1)를 측정 대상물(6)에 부착하고 있다. 반도체 왜곡 센서(1)를 측정 대상물(6)의 원하는 위치에 설치하고, 금속 베이스판(3)의 연장 멤버(11, 12)에 있는 2개의 접속 영역(11', 12')을 측정 대상물(6)에 각 10점의 스폿 용접을 행하여 고정하고 있다. 10점의 스폿 용접은 2열 5행이며, 5점의 용접점(19)이 Y 방향으로 등간격으로 배치되고 3점째의 용접점이 금속 베이스판(3)의 폭 중심선 상에 형성되어 있다.
왜곡 센서 칩(2)에는, X 방향과 Y 방향의 왜곡을 검출할 수 있도록 복수의 피에조 저항 소자가 형성되어 있다. X 방향과 Y 방향의 왜곡에 비례한 출력이 얻어지도록 각 방향 복수의 피에조 저항 소자로 브리지 회로를 구성하였다. 본 실시예에서는, X 방향의 왜곡을 측정하는 피에조 저항 소자만을 사용하고 있다. 측정 대상물(6)이 X 방향으로 인장되어 왜곡이 발생하면, 그 왜곡이 접속 영역(11', 12')에 있는 스폿 용접점(19)을 통하여 반도체 왜곡 센서(1)의 금속 베이스판(3)에 전달되어, 금속 베이스판(3)과 왜곡 센서 칩(2)에 왜곡이 발생하고, 피에조 저항 소자의 저항 변화에 의해, 측정 대상물(6)의 왜곡에 따른 전기 신호의 출력이 얻어진다. 금속 베이스판(3) 및 왜곡 센서 칩(2)의 강성에 의해, 왜곡 센서 칩(2)에 생기는 왜곡은 측정 대상물(6)의 왜곡과 일치하지 않지만, 미리 변환 계수를 구해 둠으로써, 실용적인 왜곡 센서로서 이용할 수 있다.
이 실시예의 반도체 왜곡 센서(1)는, 왜곡 센서 칩(2)이 금속 베이스판(3)에 금속 재료를 이용하여 접합되어 있으므로, 왜곡 센서 칩(2)에서 발생한 열은 금속 베이스판(3)에 전도되어 방열된다. 피에조 저항 소자는 전기 저항이 높기 때문에 발열하기 쉽고, 또한 왜곡 센서 칩 내에 CMOS의 앰프 회로를 형성한 경우에는 앰프 회로로부터도 발열한다. 반도체 왜곡 센서(1)에서는 금속 베이스판(3)에 열을 전도하여 방열하기 쉬우므로, 왜곡 센서 칩(2)의 온도 상승을 최소한으로 억제할 수 있음과 함께, 금속 베이스판(3)과 왜곡 센서 칩(2)의 온도를 균일하게 유지할 수 있다. 이에 의해, 온도 변화에 의한 피에조 저항 계수의 변화, 왜곡 센서 칩(2)과 금속 베이스판(3)의 온도 불균일에 의한 열 변형으로 피에조 저항 소자의 응력 변화 등 때문에 일어나는 특성 변화를 피할 수 있다. 왜곡 센서 칩과 금속 베이스판 사이 혹은 금속 베이스판과 측정 대상물 사이에 수지 접착제 등 유기 재료가 개재되는 경우, 장시간 왜곡이 걸려져 있으면 유기 재료가 크리프를 일으켜, 왜곡 검출의 제로점이 변화되는 문제가 있었다. 또한, 유기 재료의 열화 및 변질에 의해 왜곡의 전달이 저해되어, 왜곡 검출 감도가 변화되는 경우가 있었다. 본 발명의 반도체 왜곡 센서(1)에서는, 왜곡 센서 칩(2)과 금속 베이스판(3)의 접합에 금속 땜납(4)을 이용하고, 금속 베이스판(3)과 측정 대상물(6)의 부착에 용접을 이용하고 있으므로, 유기 재료에 기인하는 전술한 바와 같은 특성 변화를 피할 수 있어, 센서 특성의 장기 안정성이 우수한 왜곡 센서이다. 접합에 이용한 금속 재료에도 미소한 크리프가 발생할 가능성이 있지만, 수지 접착제를 이용한 경우에 비해 매우 작으므로, 장기 안정성에 대하여 충분한 효과가 있다.
본 발명의 반도체 왜곡 센서는, 왜곡 센서 칩이 도전 재료로 측정 대상물에 접속되어 있기 때문에 노이즈에 강하다. 왜곡 센서 칩과 측정 대상물이 도전 재료로 접속되어 있는 경우의 등가 회로를 도 3의 A에, 양자 사이에 절연 재료가 개재되는 경우의 등가 회로를 도 3의 B에 도시한다. 도 3의 A에 도시한 바와 같이, 본 발명의 반도체 왜곡 센서는 왜곡 센서 칩의 그라운드를 측정 대상물(6)과 전기적으로 접속할 수 있으므로, 왜곡 센서 칩의 그라운드가 측정 대상물(6)의 전위와 함께 변동되기 때문에, 센서 칩 회로(21)에 노이즈가 발생하기 어렵다. 종래의 반도체 왜곡 센서와 같이, 왜곡 센서 칩과 측정 대상물(6) 사이에 절연 재료가 개재되면, 측정 대상물(6)에 전류가 흐르거나 하여 전위가 변동된 경우에, 도 3의 B에 도시한 바와 같이 센서 칩 회로(21) 내의 각 곳이 측정 대상물(6)과의 사이에 기생 용량(22)을 갖기 때문에, 센서 칩 회로(21) 내의 전위도 다양하게 변동되기 때문에, 노이즈가 발생하기 쉽다.
본 발명의 반도체 왜곡 센서는, 왜곡 센서 칩이 미리 금속 베이스판에 금속접합되어 있어, 플렉시블 회로판 배선이 접속된, 모듈로 할 수 있다. 본 발명의 반도체 왜곡 센서에서는 연장 멤버의 접속 영역을 측정 대상물에 용접함으로써, 왜곡의 측정이 가능하게 된다. 움직일 수 없는 측정 대상물에 대해서도, 현장에 스폿 저항 용접기를 가지고 들어가서 부착이 가능하다. 또한, 스폿 저항 용접에 한하지 않고, 레이저 용접이나 심 용접 등도 이용할 수 있다. 금속 베이스판을 개재하여 측정 대상물에 왜곡 센서 칩을 부착하기 위해서, 부착 작업 시에 왜곡 센서 칩을 파손하거나, 혹은 불필요한 왜곡을 주어 특성을 변화시키도록 하는 위험성을 낮게 할 수 있었다.
<실시예 2>
본 발명의 실시예 2의 반도체 왜곡 센서에 대하여 설명한다. 도 4는 측정 대상물에 부착한 실시예 2의 반도체 왜곡 센서(1)를 도시하는 평면도이고, 도 5는 도 4의 V-V선 단면도이다. 금속 베이스판(3)의 2개의 연장 멤버(11, 12) 각각에 볼트 구멍(23)을 형성하고, 반도체 왜곡 센서(1)를 측정 대상물(6)에 볼트(24)로 고정하고 있다. 나사 접합은 나사 구멍을 형성할 수 있으면 용접을 할 수 없는 세라믹 등에도 적용할 수 있다.
<실시예 3>
본 발명의 실시예 3의 반도체 왜곡 센서에 대하여 설명한다. 도 6은 측정 대상물에 부착한 실시예 3의 반도체 왜곡 센서(1)를 도시하는 평면도이고, 도 7은 도 6의 Ⅶ-Ⅶ선 단면도이다. 도 6에 도시한 바와 같이, X 방향으로 센서 칩 접합 영역(15)을 사이에 둔 2개의 연장 멤버(11, 12) 외에，Y 방향으로 센서 칩 접합 영역(15)을 사이에 둔 2개의 연장 멤버(13, 14)가 형성되어 있다. X 방향의 2개의 연장 멤버(11, 12)의 접속 영역(11', 12')을 스폿 저항 용접으로 측정 대상물(6)에 접속함과 함께，Y 방향으로 형성된 2개의 연장 멤버(13, 14)의 접속 영역(13', 14')을 스폿 저항 용접으로 측정 대상물(6)에 접속하고 있다. 도 6, 도 7에서 참조 부호 19는 용접점이다. 측정 대상물(6)의 X 방향에 가해지는 왜곡에서는 2개의 접속 영역(11', 12')을 통하여 왜곡 센서 칩(2)에 왜곡이 전달되고, Y 방향에 가해지는 왜곡에서는 2개의 접속 영역(13', 14')을 통하여 왜곡 센서 칩(2)에 왜곡이 전달되어, 측정 대상물(6)에 가해진 왜곡을 검출할 수 있다.
왜곡 센서 칩(2)의 접합 영역(15)을 둘러싸도록 접속 영역(11', 12', 13', 14')이 형성되어 있으므로, 플렉시블 배선판(5)을 왜곡 센서 칩(2) 위에 설치하고 있다. 왜곡 센서 칩(2)의 전극 위에 금속 범프(26)를 형성하고, 플렉시블 배선판(5)을 접속하고 있다. 플렉시블 배선판(5)의 응력의 방향성을 피하기 위해, 왜곡 센서 칩(2)을 덮도록 플렉시블 배선판(5)을 설치하고 있다. 플렉시블 배선판(5)과 왜곡 센서 칩(2) 사이의 간극에는 커버 수지(18)를 도포하고 있다. 커버 수지(18)에는 에폭시 수지를 이용하였다. 커버 수지(18)는 배선 멤버의 전기적 절연과 외기를 차단함과 함께, 플렉시블 배선판과 왜곡 센서 칩 간의 접합력을 증가시키는 작용도 있다. 플렉시블 배선판을 왜곡 센서 칩 위에 배치하였으므로, 접속 영역과 측정 대상물을 용접할 때에, 플렉시블 배선판이 용접 작업의 방해로 되는 일이 없다.
본 실시예의 반도체 왜곡 센서는, 토크 검출에도 적합하다. 토크 검출의 일례를, 도 8에 도시한다. 토크가 가해지는 원주 멤버(27)를 측정 대상물로 하고, 원주 멤버의 원주 측면에 절결홈(28)을 형성하고, 평탄한 홈 바닥에 반도체 왜곡 센서(1)를 부착하고 있다. 본 실시예의 반도체 왜곡 센서는, 왜곡 센서 칩의 주위 4개소의 접속 영역에서 측정 대상물의 원주 멤버(27)에 용접으로 고정되어 있다. 측정 대상물로부터 왜곡이 X 방향과 Y 방향으로 전달되므로, 측정 대상물의 비틀림에 의한 전단 왜곡이 왜곡 센서 칩(2)에 전달되어, 토크에 비례한 전단 왜곡을 계산으로 구할 수 있다. 본 실시예에서는, X 방향으로 배치한 피에조 저항 소자와 Y 방향으로 배치한 피에조 저항 소자를 갖고 있다. 그러나，X 방향과 Y 방향에 관하여 45도의 방향으로 피에조 저항 소자를 설치한 왜곡 센서 칩을 이용할 수 있고, 그 왜곡 센서 칩에 의해 전단 방향의 왜곡을 직접 측정할 수 있다.
<실시예 4>
본 발명의 실시예 4의 반도체 왜곡 센서(1)에 대하여 설명한다. 도 9는, 실시예 4의 반도체 왜곡 센서의 평면도이다. 금속 베이스판(3) 위에 절연막(31)을 개재하여 베이스판 전극(32)이 형성되어 있다. 베이스판 전극(32)과 왜곡 센서 칩(2)의 전극(16) 사이를 금 와이어(17)로 접속하고, 또한 베이스판 전극(32)에 피복 배선(33)의 피복을 벗겨낸 선단부를 납땜하고 있다. 배선 멤버를 포함하여 왜곡 센서 칩(2)을 덮도록 커버 수지(18)가 도포되어 있다. 수지에 의한 응력이 큰 경우에는, 커버 수지의 도포를 배선 멤버만, 혹은 배선 멤버와 배선 멤버에 대칭한 위치에 수지를 도포할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 미리 베이스판 전극(32)을 형성한 금속 베이스판(3)을 이용함으로써, 플렉시블 배선판이 불필요하게 되어, 플렉시블 배선판의 금속 베이스판에의 접착 등 조립의 공정을 생략할 수 있다. 인출 배선수가 적은 경우에 적합한 배선 인출 구조이다.
<실시예 5>
본 발명의 실시예 5의 반도체 왜곡 센서에 대하여, 도 10과 도 11을 이용하여 이하 설명한다. 도 10은 측정 대상물에 부착한 실시예 5의 반도체 왜곡 센서(1)의 평면도이고, 도 11은 도 10의 XI-XI선 단면도이다. 피에조 저항 소자(도시 생략)가 형성된 반도체 왜곡 센서로서 기능하는 실리콘 반도체 기판으로 이루어지는 왜곡 센서 칩(2)이 금속 베이스판(3)의 중앙에 금속 접합재의 금속 땜납(4)으로 접합되어 있다. 왜곡 센서 칩(2)의 피에조 저항 소자의 전극으로부터, 실시예 1에서 설명한 것과 마찬가지로, 플렉시블 배선판을 이용하여 배선을 인출하고 있다. 금속 베이스판(3)은 도 10의 X 방향으로 연장된 직사각형이며, 왜곡 센서 칩(2)을 접합하고 있는 접합 영역(15)을 사이에 둔 양측에 연장 멤버(11, 12)를 갖고, 각 연장 멤버(11, 12)가 측정 대상물(6)에 접속되어 있는 접속 영역(11', 12')을 접합 영역(15)에 대향한 금속 베이스판(3)의 하면에 갖는다. 왜곡 센서 칩(2)이 금속 베이스판(3)에 접합되어 있는 접합 영역(15)의 측변에 대응하는 금속 베이스판 하면에서의 선을 따라서, 금속 베이스판 하면에 각각 홈(30)이 형성되어 있다. 여기서 홈(30)의 측벽 중 접합 영역에 보다 가까운 측벽이 접합 영역(15)의 측변에 대응하는 금속 베이스판 하면에서의 선과 일치하여 형성되어 있다. 홈(30)은 반도체 센서 칩(2)의 폭(Y 방향의 길이)보다도 길고, 금속 베이스판(3)의 폭과 동일한 길이를 하고 있다. 금속 베이스판(3)의 하면에는, 연장 멤버(11)의 접속 영역(11'), 홈(30), 2개의 홈 사이에 끼워진 돌출부(35), 홈(30) 그리고 연장 멤버(12)의 접속 영역(12')의 순으로 나열되어 있다.
홈(30)의 왜곡 센서 칩(2)에 가까운 측벽을 왜곡 센서 칩의 측변의 위치에 대략 일치시키고 있으므로, 돌출부(35)의 X 방향의 길이와 왜곡 센서 칩(2)의 접합 영역(15)의 X 방향의 길이가 대략 동일하다. 금속 베이스판(3)은, 철58-니켈42 합금으로 만들어져 있고, 14㎜ 길이×6㎜ 폭×0.3㎜ 두께의 치수로 할 수 있다. 왜곡 센서 칩(2)의 크기를 2.5㎜ 길이×2.5㎜ 폭×0.16㎜ 두께로 할 수 있다. 홈(30)의 폭 lb가 0.3㎜, 깊이 ts가 0.18㎜이다. 2개의 접합 영역(11', 12')이 5.45㎜ 길이×6㎜ 폭이고, 돌출부(35)가 2.5㎜ 길이×6㎜ 폭이다.
왜곡 센서 칩(2)이 금속 베이스판(3)에 금속 땜납(4)으로 접합되어 있다. 왜곡 센서 칩(2)의 금속 베이스판 대향면에 Ti, Pt 및 Au의 3층으로 이루어지는 메탈라이징층이 스퍼터에 의해 형성되고, 그 위에 Sn계의 금속 땜납 재료가 증착되어 있다. 금속 베이스판(3)의 왜곡 센서 칩 대향면에도, Ti, Pt 및 Au의 3층으로 이루어지는 메탈라이징층이 형성되어 있다. 왜곡 센서 칩(2)의 접합 영역(15)의 중앙에 왜곡 센서 칩(2)을 위치시키고, 금속 땜납(4)을 가열 용융하여 금속 베이스판(3)에 왜곡 센서 칩(2)이 접합되어 있다. 3층의 메탈라이징층이 금속 베이스판 전체면에 형성되어 있을 수 있다.
실시예 5의 반도체 왜곡 센서(1)에서는, 금속 베이스판(3)에 홈(30)을 형성하고 있기 때문에, 반도체 왜곡 센서의 표리의 강성의 대칭성이 양호하다. 또한, 측정 대상물(6)이 XY 평면에서 변형하였을 때에, 금속 베이스판(3)의 왜곡 센서 칩(2)이 접합되어 있는 영역(15)이 변형되는 것을 홈으로 방지할 수 있다. 그 때문에, 측정 대상물의 왜곡에 따라서 왜곡 센서 칩에 생기는 왜곡의 변환 계수가, 왜곡 측정 범위에서 안정되어 있다.
금속 베이스판(3)에 형성한 홈(30)에 의해 금속 베이스판(3)이 얇게 된 부분을 링크부(37)로 한다. 왜곡 센서 칩(2)이 금속 베이스판(3)에 접합되어 있는 접합 영역(15)의 하측에 돌출부(35)가 배치되어 있으므로, 반도체 왜곡 센서(1)의 표리에서 강성의 대칭성이 향상되어 있다. 예를 들면, 측정 대상물(6)에 인장 왜곡이 발생하였을 때, 용접점(19)을 통하여 금속 베이스판(3)에 힘이 전달되고, 또한 링크부(37)를 통하여 왜곡 센서 칩(2)의 접합 영역(15)에 전달된다. 금속 베이스판(3) 위에는 반도체 왜곡 센서 칩(2)이, 또한 아래에는 돌출부(35)가 있고, 이들이 대칭으로 되어 있으므로, 링크부(37)를 통하여 전달된 힘에 의해 접합 영역(15) 및 접속 영역(11', 12')이 위 혹은 아래로 구부러지는 것이 억제된다. 그 때문에, 금속 베이스판(3)과 측정 대상물(6)의 접촉, 금속 베이스판(3)과 왜곡 센서 칩(2)의 접촉이 변화되지 않고, 측정 범위 내에서 측정 대상물(6)의 왜곡과 왜곡 센서 칩(2)의 왜곡의 관계가 유지되어, 그들 사이의 변환 계수가 일정하게 된다.
왜곡 센서 칩(2)과 돌출부(35)가 강성의 대칭성을 갖기 때문에, 돌출부(35)가 왜곡 센서 칩(2)과 동일한 길이인 것이 바람직하다. 따라서，이 실시예의 반도체 왜곡 센서(1)에서는, 왜곡 센서 칩(2)의 양 측변에 대응하는 금속 베이스판의 하면의 선을 따라서 홈이 형성되고, 홈의 측벽 중 접합 영역(15)에 가까운 측벽이 그 선을 따라서 형성되어 있다.
또한, 왜곡 센서 칩(2)과 금속 베이스판(3)의 돌출부(35)의 강성이 동일한 것이 바람직하므로, 각각의 영율과 두께의 곱을 개략 일치시키고 있다. 왜곡 센서 칩(2)의 영율을 Ed, 두께를 td, 금속 베이스판(3)의 영율을 Es, 돌출부(35)의 높이(홈(30)의 깊이)를 ts로 하였을 때에, 식 Ed×td=Es×ts를 만족시킨다. 실리콘으로 만들어진 왜곡 센서 칩(2)의 영율이 Ed : 169㎬이고, 철-니켈 합금으로 만들어진 금속 베이스판(3)의 영율이 Es : 150㎬이고, 왜곡 센서 칩(2)이 두께 td : 0.16㎜, 돌출부(35)가 두께 ts : 0.18㎜이므로, 상기의 관계를 만족시키고 있다. 이 반도체 왜곡 센서(1)를 이용하여 왜곡의 변환 계수를 측정한 바, 왜곡의 변환 계수는 약 0.63이고, 왜곡 측정 범위 ±500×10-4%에서 왜곡의 변환 계수는 대략 일정하였다.
이 실시예에서도, 실시예 1과 마찬가지로, 금속 베이스판(3)이 측정 대상물(6)에 스폿 저항 용접되어 있다. 접속 영역에서의 용접점이 왜곡 센서 칩(2)에 가까운 것이 바람직하다. 도 11에 도시한 바와 같이, 접속 영역(11')의 가장 왜곡 센서 칩(2)에 가까운 용접점(19)을 제1 용접점(19a), 접속 영역(12')의 가장 왜곡 센서 칩(2)에 가까운 용접점(19)을 제2 용접점(19b)으로 한다. 측정 대상물(6)에 발생한 왜곡에 의해, 금속 베이스판(3)의 제1 용접점(19a)과 제2 용접점(19b) 사이에 있는 영역이 힘을 받아, 왜곡을 발생한다. 제1 용접점(19a)과 제2 용접점(19b)을 왜곡 센서 칩(2)에 가깝게 할수록, 힘을 받는 금속 베이스판(3)의 영역을 짧게 할 수 있으므로, 금속 베이스판이 굽힘 변형을 일으키기 어렵게 할 수 있다.
또한, 제1 용접점(19a)과 제2 용접점(19b) 사이에서, 접속 영역(11', 12'), 홈(30), 왜곡 센서 칩의 접합 영역(15) 각각의 부위의 단면의 강성이 상이하므로 발생하는 왜곡도 상이하다. 복수의 반도체 왜곡 센서를 제작하였을 때에, 그들 복수의 반도체 왜곡 센서 간에서 제1과 제2 용접점(19a, 19b)의 위치가 서로 다르면 접속 영역(11', 12')의 면적이 변화되기 때문에 왜곡의 배분이 변화되고, 왜곡 센서 칩에 발생하는 왜곡도 변화된다. 제1, 제2 용접점(19a, 19b)의 위치가 변화되면 그들 복수의 반도체 왜곡 센서 간에서 왜곡의 변환 계수가 변화될 우려가 있다. 왜곡 센서 칩(2), 2개의 홈(30) 사이에 끼워진 금속 베이스판 부분, 및 금속 베이스판의 2개의 링크부(37)의 합계 강성을, 각 연장 멤버(11, 12)의 강성과 동일하게 해 두면, 힘을 받는 접속 영역의 길이의 변화에 대하여 왜곡의 배분을 일정하게 할 수 있다. 그에 의해, 용접점의 위치에 상관없이 왜곡의 변환 계수를 일정하게 할 수 있다.
도 11에 도시한 바와 같이, 금속 베이스판(3)의 접합 영역(15)에서의 반도체 왜곡 센서(1)의 두께를 ta, 링크부(37)의 두께를 tb, 연장 멤버(11, 12)의 두께를 tc, 왜곡 센서 칩(2)의 길이를 la×2로 하였을 때에, 바람직한 홈(30)의 폭 lb는 다음 식으로 표현된다.
lb=la×[tb×(ta-tc)]/[ta×(tc-tb)]
여기서, 왜곡 센서 칩(2)과 금속 베이스판(3)의 영율이 서로 다르므로, 왜곡 센서 칩(2)의 두께를 미리 수정해 둘 필요가 있다. 여기서는, 왜곡 센서 칩(2)을 금속 베이스판으로 환산한 두께 td가 0.18㎜이다. 반도체 왜곡 센서(1)의 두께ta : 0.48㎜, 링크부(37)의 두께 tb : 0.12㎜, 연장 멤버(11, 12)의 두께 tc : 0.3㎜, 왜곡 센서 칩(2)의 길이 (la×2) : 2.5㎜를 이용하여, 앞 식으로부터 바람직한 홈(30)의 폭 lb는 0.3㎜로 된다.
도 12에, 금속 베이스판(3)을 왜곡 센서 칩이 접합되는 면과 반대로부터 본 사시도로 나타낸다. 2개의 홈(30)이 금속 베이스판(3)의 폭 방향으로 횡단하도록 형성되어 있다. 홈(30)의 형성은 화학 에칭으로 행하였다. 금속의 기계 절삭 가공 혹은 프레스 가공을 이용하여 형성할 수도 있다.
도 13에, 본 발명의 반도체 왜곡 센서(1)에 이용할 할 수 있는, 위에서 설명한 금속 베이스판의 변형예를 아래로부터의 사시도로 나타내고 있다. 이 금속 베이스판(3)에는, 폭 방향으로 연장된 2개의 홈(30)과, 그들 홈(30)에 직교한 2개의 홈(30a)이 형성되어 있다. 홈(30a)의 왜곡 센서 칩에 가까운 측의 측벽이, 왜곡 센서 칩의 Y 방향의 측변과 일치하도록 형성되어 있다. 도 13의 금속 베이스판(3)은, 실시예 3에서 설명한 반도체 왜곡 센서에도 이용할 수 있다.
<실시예 6>
도 14를 참조하면서 본 발명의 실시예 6의 반도체 왜곡 센서(1)를 설명한다. 도 14의 평면도에 도시한 바와 같이, X 방향으로 왜곡 센서 칩(2)의 접합 영역(15)을 사이에 둔 2개의 연장 멤버(11, 12) 외에，Y 방향으로 왜곡 센서 칩(2)의 접합 영역(15)을 사이에 둔 2개의 연장 멤버(13, 14)가 배치되어 있다. 각 연장 멤버(11, 12, 13, 14)는 금속 베이스판(3)의 하면에 접속 영역(11', 12', 13', 14')을 갖는다. 접합 영역(15)이 대응하는 금속 베이스판(3)의 하면에 있는 영역과 각 접속 영역(11', 12', 13', 14') 사이에 홈(30, 30a)이 형성되어 있다. 4개의 홈(30, 30a)의 왜곡 센서 칩(2)에 가까운 측벽으로 둘러싸여진 돌출부(35)의 외형을, 왜곡 센서 칩(2)의 외형과 동일하게 하고, 돌출부(35)에 대응한 금속 베이스판 위의 위치에 왜곡 센서 칩(2)을 접합하고 있다. 각 접속 영역(11', 12', 13', 14')이 측정 대상물(6)에 스폿 저항 용접하여 고정되어 있다. 측정 대상물(6)의 X 방향으로 가해지는 왜곡이 연장 멤버(11)와 연장 멤버(12)를 통하여 왜곡 센서 칩(2)에 전달되고, Y 방향으로 가해지는 왜곡이 연장 멤버(13)와 연장 멤버(14)를 통하여 왜곡 센서 칩(2)에 전달되어, 측정 대상물에 가해진 왜곡량을 검출할 수 있다.
<실시예 7>
도 15의 A 내지 도 15의 D를 참조하면서, 본 발명의 실시예 7의 반도체 왜곡 센서(1)를 설명한다. 표리의 강성 밸런스를 더욱 향상시킨 금속 베이스판의 구조가 제1 실시예와 상이하다. 도 15의 A가 측정 대상물(6)에 부착한 본 실시예의 반도체 왜곡 센서(1)의 평면도이고, 도 15의 B가 도 15의 A의 XVB-XVB선 단면도이고, 도 15의 C가 이 실시예의 반도체 왜곡 센서(1)에 이용하고 있는 금속 베이스판(3)을 이측으로부터 본 사시도이고, 도 15의 D가 그 금속 베이스판(3)을 표측으로부터 본 사시도이다. 금속 베이스판(3)의 중앙에 접속 영역(15)이 있고, 그 위에 왜곡 센서 칩(2)이 금속 땜납(4)으로 부착되어 있고, 금속 베이스판(3)이 왜곡 센서 칩(2)의 좌우로부터 돌출되어 있는 연장 멤버(11, 12)를 갖고, 연장 멤버(11, 12)의 하면에 측정 대상물(6)에 접속하기 위한 접속 영역(11', 12')을 갖고 있다. 금속 베이스판(3)의 하면에는, 접합 영역(15)에 대응한 하면 상의 영역과 연장 멤버(11, 12)의 접속 영역(11', 12')을 나누고 있는 2개의 홈(30)이, 금속 베이스판(3)의 Y 방향 측면 사이에, 형성되어 있다. 또한, 접합 영역(15)의 Y 방향의 측변에 대응한 하면 상의 선을 따라서 2개의 홈(30a)(도 15의 C 참조)이 금속 베이스판(3)의 하면에 형성되어 있고, 홈(30a)이 홈(30)과 직각으로 되어 한쪽의 홈(30)으로부터 다른 한쪽의 홈(30)까지 연장되어 있다. 금속 베이스판(3)의 하면에 2개의 홈(30)과 2개의 홈(30a)으로 둘러싸여진 돌출부(35)가 형성되어 있다.
금속 베이스판(3)의 상면에, 금속 베이스판의 두께 중앙의 평면에 관하여, 금속 베이스판(3)의 하면에 형성된 2개의 홈(30)과 2개의 홈(30a)에 대칭으로, 2개의 홈(30')과 2개의 홈(30a')이 형성되어 있다. 금속 베이스판(3)의 하면에 있는 홈(30, 30a)의 깊이와 상면에 있는 홈(30', 30a')의 깊이가 동일하게 되어 있다. 상면에 있는 4개의 홈(30', 30a')으로 둘러싸여진 부분이, 홈의 깊이와 동일한 깊이를 한 리세스(39)로 되어 있고, 리세스(39)의 바닥이 왜곡 센서 칩(2)을 접합하는 접합 영역(15)으로 되어 있다. 접합 영역(15)에 금속 땜납(4)으로 왜곡 센서 칩(2)이 접합되어 있다.
왜곡 센서 칩(2)이 리세스(39) 안에 들어가 있으므로, 왜곡 센서 칩(2)과 하면에 있는 돌출부(35)가 대칭으로 되어, 강성의 대칭성이 개선된 것으로 된다.
1 : 반도체 왜곡 센서
2 : 왜곡 센서 칩
3 : 금속 베이스판
4 : 금속 접합재(금속 땜납)
5 : 플렉시블 배선판
11, 12 : 연장 멤버
11', 12' : 접속 영역
15 : 접합 영역
16 : 전극
17 : 금속 와이어
18 : 수지
26 : 금속 범프
30, 30', 30a, 30a' : 홈

Claims (8)

  1. 반도체 기판으로 이루어지고 그 상면에 형성된 피에조 저항 소자를 갖는 왜곡 센서 칩과,
    왜곡 센서 칩의 하면이 금속 접합재로 접합되어 있는 접합 영역이 형성되어 있는 금속 베이스판으로서, 접합 영역의 측변으로부터 돌출되어 측정 대상물의 표면에 접속되기 위한 접속 영역을 접합 영역에 대향한 금속 베이스판의 하면에 갖는 적어도 2개의 연장 멤버를 갖고 있는 것과,
    왜곡 센서 칩이 갖는 피에조 저항 소자의 전극에 접속되어 외부로 인출되어 있는 배선 멤버를 갖고,
    금속 베이스판이, 금속 베이스판의 하면에서 접합 영역의 측변에 대응한 선을 따라서 형성되고, 그 측변의 길이의 혹은 그것보다도 긴 홈을 갖고, 그 홈이 금속 베이스판의 하면에서 접합 영역에 대응한 영역과 연장 멤버의 접속 영역을 분리하고 있는 반도체 왜곡 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 홈이 왜곡 센서 칩의 왜곡 검출 방향과 수직으로 연장되어 있는 반도체 왜곡 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 홈의 측벽 중, 접합 영역에 보다 가까운 측벽이 금속 베이스판의 하면에서 접합 영역의 측변에 대응한 상기 선을 따라서 형성되어 있는 반도체 왜곡 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    금속 베이스판이, 그 두께 중앙의 평면에 관하여, 금속 베이스판의 하면에 있는 상기 홈과 대칭으로 형성된 홈을 금속 베이스판의 상면에 갖고,
    상기 접합 영역이, 상면에 형성된 홈 사이에서, 그 상면으로부터 그 홈의 깊이만큼 낮게 되어 있는 반도체 왜곡 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배선 멤버가,
    금속 베이스판 위에 일단이 수지 접착된 플렉시블 배선판과,
    플렉시블 배선판의 배선과 왜곡 센서 칩이 갖는 피에조 저항 소자의 전극 사이를 전기적으로 접속하고 있는 금속 와이어와,
    피에조 저항 소자의 전극과 금속 와이어를 덮고 있는 수지로 구성되어 있는 반도체 왜곡 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배선 멤버가,
    왜곡 센서 칩이 갖는 피에조 저항 소자의 전극에 설치된 금속 범프와,
    금속 범프에 전기적으로 접속한 배선을 갖는 플렉시블 배선판과,
    왜곡 센서 칩과 플렉시블 배선판 사이에 충전된 수지로 구성되어 있는 반도체 왜곡 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배선 멤버가,
    금속 베이스판 위에 절연막을 개재하여 형성된 베이스판 전극과,
    베이스판 전극과 왜곡 센서 칩이 갖는 피에조 저항 소자의 전극 사이를 전기적으로 접속한 금속 와이어와,
    피에조 저항 소자의 전극과 금속 와이어와 베이스판 전극을 덮고 있는 수지로 구성되어 있는 반도체 왜곡 센서.
  8. 삭제
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