WO2011045836A1 - センサ装置およびセンサ装置の製造方法 - Google Patents

センサ装置およびセンサ装置の製造方法 Download PDF

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WO2011045836A1
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semiconductor substrate
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田中秀治
江刺正喜
室山真徳
松崎栄
巻幡光俊
野々村裕
藤吉基弘
中山貴裕
山口宇唯
山田整
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国立大学法人東北大学
株式会社豊田中央研究所
トヨタ自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a sensor device and a method for manufacturing the sensor device.
  • Conventional tactile sensor systems mainly employ a mesh structure. For example, a plurality of electrode wirings are formed on each of two electrode sheets.
  • the mesh-like wiring is formed by arranging the electrode sheets so that the electrode wirings are orthogonal to each other.
  • a pressure-sensitive conductive member is sandwiched between two electrode sheets, or a tactile sensor element is disposed at each intersection of electrode wiring.
  • Each tactile sensor element converts a pressure change or a temperature change due to contact with an object into an electric signal change corresponding to the change amount.
  • the control unit is connected to each electrode wiring and centrally manages a plurality of tactile sensor elements. That is, the control unit sequentially selects each tactile sensor element and samples the sensor value of each sensor. In the control unit, electrical signals from the tactile sensor elements are integrated and processed. By periodically repeating such sampling operation, it is detected whether the robot is in contact with the object and which sensor is in contact. Thereby, it is possible to sense at what position the robot is in contact with the object at what level.
  • the conventional tactile sensor system has the following problems.
  • a control unit serves as a host to centrally manage a large number of tactile sensor elements, select each tactile sensor element in order, and sample the sensor value of each sensor. I will do it.
  • the processing load on the control unit becomes very large as the number of sensors increases.
  • the sampling interval becomes longer as the number of sensors increases. Then, it is inevitable that the response speed becomes low and the response becomes slow, but this is a fatal problem as a tactile sensor system for a robot.
  • the wiring between the tactile sensors and the control unit becomes enormous. Therefore, in practice, it is considerably difficult to mount a large number of tactile sensors at desired positions, and it is very difficult to maintain or repair the failure. In addition, since the wiring between the tactile sensor and the control unit becomes a long distance, there is a high risk that the sensor signal is deteriorated by noise.
  • Japanese Patent No. 03621093 discloses a packaging technique called a shell case.
  • the upper and lower sides of the device chip are sandwiched between glass plates, and the side surfaces are surrounded by resin. With this structure, a plurality of wafers can be bonded together, and the device chip is firmly protected by the glass plate.
  • the upper and lower sides of the device chip must be bonded to glass. Then, for example, there arises a problem that it cannot be applied to a tactile sensor that requires contact with a detection target such as a pressure sensor or a temperature sensor.
  • the sensor device of the present invention comprises: In addition to having a contact sensing surface that directly contacts the detection target on one surface exposed to the outside, a sensor electrode that outputs an analog sensor signal in response to a change in the contact sensing surface is opposite to the contact sensing surface A sensor structure on the surface side; A semiconductor substrate on which an integrated circuit for signal processing for processing the analog sensor signal is formed; An adhesive layer disposed between the other surface of the sensor structure portion and the semiconductor substrate, and bonding the sensor structure and the semiconductor substrate; A sensor device in which the sensor structure and the semiconductor substrate are laminated to form a one-chip with the sensor electrode and the integrated circuit facing each other with the adhesive layer in between, The sensor electrode and the integrated circuit are sealed inside a sensor device, The external terminal of at least one of the sensor electrode and the signal processing integrated circuit is drawn out to the back surface of the semiconductor substrate via a side surface of the semiconductor substrate.
  • the manufacturing method of the sensor device of the present invention includes: A sensor electrode is provided on the back surface of the wafer to be the sensor structure, Create a semiconductor substrate incorporating an integrated circuit for signal processing, Bonding the sensor structure and the semiconductor substrate with an adhesive layer in a state where the sensor electrode and the integrated circuit face each other, Etching the back surface of the semiconductor substrate, and further exposing the wiring extraction portion of the sensor electrode and the electrode extraction portion of the integrated circuit to the back side of the semiconductor substrate by half dicing from the back surface of the semiconductor substrate, A lead wiring is provided from the slope of the semiconductor substrate formed by the etching and the half dicing to the back surface of the semiconductor substrate, The external terminals of the sensor electrode and the signal processing integrated circuit are drawn out to the back surface of the semiconductor substrate through the side surface of the semiconductor substrate.
  • the figure which shows the manufacturing process of a sensor apparatus in 1st Embodiment. The figure which shows the manufacturing process of a sensor apparatus in 1st Embodiment.
  • the figure which shows the manufacturing process of a sensor apparatus in 1st Embodiment. The figure which shows the manufacturing process of a sensor apparatus in 1st Embodiment.
  • the figure which shows the manufacturing process of a sensor apparatus in 1st Embodiment. The figure which shows the manufacturing process of a sensor apparatus in 1st Embodiment.
  • the figure which shows the manufacturing process of a sensor apparatus in 1st Embodiment. The figure which shows the manufacturing process of a sensor apparatus in 1st Embodiment.
  • the figure which shows the manufacturing process of 2nd Embodiment. The figure which shows the manufacturing process of 2nd Embodiment.
  • the figure which shows the manufacturing process of 3rd Embodiment. The figure which shows the manufacturing process of 3rd Embodiment.
  • the figure which shows the manufacturing process of 3rd Embodiment. The figure which shows the manufacturing process of 3rd Embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram showing a state in which a tactile sensor system in which a large number of sensor devices are arranged is applied to a robot hand.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a state in which a plurality of sensor devices 200 are arranged on the bus 110.
  • the sensor device is arranged on the hand 11 of the robot 10 or the entire body surface of the robot, and constitutes the tactile sensor system 100 as a whole.
  • Each bus 110 is provided with a plurality of tactile sensor devices 200.
  • four lines 112, 112, 113, 113 are provided as wiring lines of the bus 110.
  • Two of the four are power lines 112 and 112, and two are signal lines 113 and 113 for differential serial transmission. All buses 110 are connected to the information integration device 140 via the information relay device 120 and the concentrator 130.
  • each sensor device 200 detects the contact pressure. Furthermore, each sensor device 200 executes digital signal processing of the sensor signal. Then, the sensor signal that has undergone the digital signal processing is transmitted from each sensor device 200 to the information integration device 140.
  • the information integration device 140 integrates information from the sensor device 200 and detects how much force is applied to which position.
  • FIG. 3 is a perspective view of the sensor device as viewed from the front side.
  • FIG. 4 is a perspective view of the sensor device as seen from the back side.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the sensor device.
  • the sensor device 200 has a structure in which a sensor structure 300 and a semiconductor substrate 400 are bonded together with an adhesive layer 500.
  • the sensor structure 300 includes a structure body 310, a first sensor electrode 320, and a second sensor electrode 330.
  • the structure main body 310 is made of Si.
  • a convex force transmission portion 311 that contacts the object is provided at the center of the structure main body 310, and the periphery of the force transmission portion 311 is a concave thin portion 312. Since the thin-walled portion 312 has elasticity, the structure main body portion 310 functions as an operating membrane. That is, when a force is applied to the force transmitting portion 311, the structure main body 310 is bent.
  • a contact sensing surface is constituted by the force transmission unit 311.
  • a peripheral portion around the thin portion 312 is a support frame portion 313 that supports the working membrane. Further, a recess 314 is formed on the back surface of the structure main body 310.
  • the first sensor electrode 320 is provided in a recess 314 formed on the back surface of the structure main body 310. At least one end of the first sensor electrode 320 is extended to a position reaching the side surface 316 of the structure main body 310 via the back surface of the support frame portion 313. The first sensor electrode 320 becomes a movable electrode that is displaced together with the working membrane.
  • the second sensor electrode 330 is provided immediately above the adhesive layer 500.
  • the distance between the first sensor electrode 320 and the second sensor electrode 330 is defined by the depth of the recess 314.
  • the second sensor electrode 330 is a fixed electrode, and the first sensor electrode 320 and the second sensor electrode 330 that are arranged to face each other constitute a capacitance element.
  • the second sensor electrode 330 is connected to the rewiring layer 410 of the semiconductor substrate 400 through a via 510 formed in the adhesive layer 500.
  • An integrated circuit 420 for signal processing is formed on the semiconductor substrate 400, and the surface thereof is protected by a passivation film 430. Further, a rewiring layer 410 is formed on the passivation film 430.
  • the adhesive layer 500 is provided immediately above the semiconductor substrate 400, and the second sensor electrode 330 and the integrated circuit 420 are opposed to each other with the adhesive layer 500 in between. Further, the first and second sensor electrodes 320 and 330 and the integrated circuit 420 are sealed inside the sensor device 200.
  • the adhesive layer 500 preferably has a thickness of 10 ⁇ m or more in order to reduce the parasitic capacitance between the integrated circuit 420 and the sensor electrode 330.
  • the upper limit of the thickness is not particularly limited, for example, an upper limit of, for example, about 100 ⁇ m is taken into account in consideration of the manufacturing convenience of the semiconductor chip.
  • an inclined surface 211 is formed at the center on each side end surface in the left-right direction in FIG.
  • Metal lead wires 212 and 213 are formed on the inclined surface 211, and the lead wires 212 and 213 are drawn to the back surface 240.
  • One of the lead wires 212 is connected to one end of the first sensor electrode, and the other lead wire 213 is connected to the second sensor electrode 330 via the rewiring layer 410 (see FIG. 5).
  • the side end surfaces 220 and 220 in the vertical direction in FIG. 4 are formed as inclined surfaces 221 and 221 as a whole, and eight lead wires 230 are provided on each side end surface 220 and 220 up to the back surface 240. It is provided to reach. These lead wires 230 are drawn from the rewiring layer 410 and become power supply lines or signal lines of the integrated circuit 420.
  • External connection terminals are provided on the back surface 240 of the sensor device 200 shown in FIG.
  • four external terminals 241 to 244 are provided on the rear surface of the sensor device 200.
  • the first external terminal 241, the second external terminal 242, the third external terminal 243, and the fourth external terminal 244 are sequentially arranged from the left.
  • the first external terminal 241 is an external terminal connected to the GND of the bus 110, for example, and the lead wire 212 from the left side 210 and the leftmost lead wire 231 on the lower side 220 are connected to the first external terminal 241.
  • the leftmost lead wire 232 on the upper side surface 220 is connected to the second external terminal 242, and the rightmost lead wire 234 on the lower side surface 220 is connected to the third external terminal 243.
  • the fourth external terminal 244 is connected to the lead wiring 213 from the right side 210 and the rightmost lead wiring 234 on the upper side 220.
  • the number of external terminals 241 to 244 is appropriately changed according to the number of signal lines of the bus 110, and the connection between the lead-out wiring and the external terminals is appropriately changed depending on the configuration of the sensor structure unit 300 and the integrated circuit 420. Of course, it can be done.
  • 6 to 21 are diagrams showing a manufacturing procedure of the sensor device.
  • a wafer 315 to be the structure main body 310 of the sensor structure 300 is created. That is, as shown in FIG. 6, a wafer 315 made of Si is prepared, and the back surface thereof is etched with TMAH (Tetramethyl ammonium hydroxide) to form a recess 314 having a depth of about 10 ⁇ m. Then, as shown in FIG. 7, the first sensor electrode 320 is formed in the recess 314. Further, a mask 317 is formed on the surface of the Si wafer 315 so that a region excluding the force transmission part 311 and the support frame part 313 becomes a thin part 312. This mask 317 can be formed of a thermal oxide film.
  • TMAH Tetramethyl ammonium hydroxide
  • a wafer in which an integrated circuit 420 for signal processing is incorporated in a semiconductor substrate 400 is prepared. Then, the surface is protected by a passivation film 430, and a rewiring layer 410 is provided on the passivation film 430. The rewiring layer 410 is connected to the electrode pad 421 of the integrated circuit 420.
  • an organic insulating film as an adhesive layer 500 is provided on the upper surface of the semiconductor substrate 400, and a second sensor electrode 330 is provided on the adhesive layer 500.
  • a BCB (benzocyclobutene) resin film having a thickness of about 10 ⁇ m is formed thereon by spin coating (FIG. 10A). This BCB (benzocyclobutene) resin film becomes the adhesive layer 500. This is precured for 1 hour in a furnace purged with nitrogen at 220 ° C.
  • a resist 520 is applied on the BCB film and exposed (FIG. 10B).
  • the resist 520 is cured by post-exposure baking (FIG. 10C), and then etched.
  • a via (hole) 510 is formed immediately above the rewiring layer 410 (FIG. 10D).
  • the semiconductor substrate 400 and the adhesive layer 500 are hard baked.
  • a wafer 315 (FIG. 7) to be the structure main body 310 and a wafer (FIG. 9) to be the semiconductor substrate 400 are bonded.
  • a load of 1000 N is applied at 250 ° C. for 1 hour.
  • a protective film 250 for TMAH etching is formed on the back surface of the semiconductor substrate 400 (FIG. 12).
  • the protective film 250 is preferably formed by laminating a photosensitive alkali-resistant organic protective film (ProTEK PSB) on a low-temperature oxide film deposited by PECVD or sputtering.
  • a photosensitive alkali-resistant organic protective film ProTEK PSB
  • a silicon thermal oxide film or a silicon nitride film is generally used, but these require high temperature processing (800 ° C. or higher).
  • Such a high temperature treatment cannot be applied to the semiconductor substrate 400 in which the integrated circuit 420 is already incorporated.
  • pinholes are formed only by the low temperature oxide film, and there is a problem that side etching occurs when only the photosensitive alkali-resistant organic protective film is used.
  • both surfaces of the bonded wafer are etched (FIG. 13). Thereby, the thin portion 312 of the sensor structure 300 is formed at the same time as the semiconductor substrate 400 is etched.
  • the opening pattern of the protective film 250 is preferably a hole shape 251 or a single groove shape 252 as shown in FIG. 14A.
  • the erosion of the corner 254 is fast due to the crystal anisotropic etching of Si using an alkali solution (TMAH), and the internal integration Circuit 420 may be damaged.
  • TMAH alkali solution
  • Etching is stopped leaving a thickness of about 10 ⁇ m from the electrode pad, and the photosensitive alkali-resistant organic protective film 250 is removed (FIG. 15).
  • isotropic etching by gas etching of XeF 2 is performed to completely remove the Si substrate (FIG. 16).
  • a BCB resin is formed as the base insulating film 255 (FIG. 17).
  • half dicing is performed from the back surface of the semiconductor substrate using a V-shaped blade (FIG. 18).
  • FIG. 18 shows a cross section taken along line XVIII-XVIII of FIG. 4, and in this direction, the sensor electrodes 320 and 330 need to be pulled out from the side surface of the sensor device 200. Therefore, in the half dicing, it is necessary to cut up to the upper surface of the adhesive layer 500 so as to reach the first sensor electrode 320. Thereby, one end of the first sensor electrode 320 and the rewiring layer 410 are exposed to the back side 240 from the left and right side surfaces.
  • wiring is formed by a shadow mask method (FIG. 20).
  • the metal material Ti / Cu is used. Ti functions as an intermediate layer for improving adhesion to the insulating film. Thereafter, electroless Au plating is applied on the wiring to improve wire bonding. Finally, the wafer is separated by dicing, and the individual sensor devices 200 are cut out (FIG. 21).
  • the tactile sensor device 200 can be integrated at the wafer level. That is, the tactile sensor device 200 can be configured as MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) integrally including the sensor structure 300 and the integrated circuit 420. Further, the size of the tactile sensor device 200 can be extremely reduced by integration, and for example, one tactile sensor device can be reduced to about 3 mm square. Thus, by using MEMS that integrally includes the sensor structure 300 and the integrated circuit 420 and achieving a reduction in size, the sensor system can be suitably used as a sensor system mounted on the body surface of the robot 10, for example.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • the accumulated charge amount is taken out from the sensor electrodes 320 and 330 as an analog sensor signal to the integrated circuit 420.
  • an analog sensor signal has a problem that input impedance is high and noise is easily mixed.
  • the sensor electrodes 320 and 330 and the integrated circuit 420 can be sealed inside the sensor to completely protect them.
  • the second sensor electrode 330 and the integrated circuit 420 are disposed in close proximity within the sensor with the adhesive layer 500 interposed therebetween, the wiring length between the second sensor electrode 330 and the integrated circuit 420 is extremely short. can do. Therefore, it is difficult for noise to enter the analog sensor signals from the sensor electrodes 320 and 330, and the detection accuracy can be greatly improved.
  • the sensor structure 300 and the semiconductor substrate 400 are joined by the adhesive layer 500, and therefore the structure of the integrated circuit 420 incorporated in the semiconductor substrate 400 is not limited.
  • a semiconductor substrate 400 incorporating an existing sense amplifier and signal processing circuit can be applied to this embodiment.
  • the sensor electrodes 320 and 330 and the integrated circuit 420 are sealed inside the sensor, it is necessary to take out these electrodes to the outside.
  • the sensor electrode and the electrode of the integrated circuit are taken out from the back surface of the semiconductor substrate by etching and half dicing. Therefore, the number of steps can be reduced and the external terminals can be provided easily.
  • the force applied to the structure main body 310 is accurately reflected in the deformation of the structure main body 310.
  • the first sensor electrode 320 is directly formed on the back surface of the structure main body 310, the deformation of the structure main body 310 due to an external force received by the force transmission unit 311 is used as the displacement of the first sensor electrode 320. Therefore, it is possible to accurately detect the applied force as a change in capacitance of the capacitive element formed by the second sensor electrode 330.
  • the first electrode 320 Since at least one end of the first electrode 320 extends to a position reaching the side surface 316 of the structure main body 310 via the back surface of the support frame portion 313, it can be directly connected to an external power source or a circuit. it can.
  • the first electrode 320 is connected to the ground electrode of the external power source to have the same potential, the electrode closest to the outside serves as ground, shields noise from the outside, and improves measurement accuracy.
  • the first electrode 320 and the structure main body 310 are formed so as to be electrically connected, the structure main body 310 becomes a ground potential, the shielding ability against external noise is further improved, and the S / N ratio is increased. It will be extremely improved.
  • the apparatus can be coated with an organic substance dissolved in an organic solvent, or can be attached to a robot's limbs to operate under adverse conditions such as muddy water.
  • the adhesive layer 500 is formed on the passivation film 430 on the surface of the integrated circuit 420 for signal processing built in the semiconductor substrate 400, and the second sensor electrode 330 is formed on the adhesive layer 500.
  • the wiring distance between the integrated circuit 420 and the capacitive element composed of the first sensor electrode 320 and the second sensor electrode 330 is short. Therefore, the parasitic capacitance, which is an important factor that affects the sensitivity and accuracy of the sensor, can be reduced, and the detection sensitivity can be improved. Because the wiring length is short, it is difficult for noise to enter.
  • the thickness of the adhesive layer 500 By setting the thickness of the adhesive layer 500 to be large, the parasitic capacitance between the integrated circuit 420 and the sensor electrode 330 can be further reduced, so that higher sensitivity can be achieved.
  • An inclined surface 211 is provided at the center of each side end surface in the left-right direction, and an inclined surface 221 is provided on the entire side end surface 220 in the up-down direction.
  • Metal lead wires 212, 213, 230 is formed. By arranging the wirings 212, 213, and 230 on the slope, the manufacturing is easy, the film thickness of the wiring is secured, and instability such as disconnection is eliminated. These shapes and structures increase stability against temperature and durability against repeated temperature changes, and the reliability of wiring when mounting a device or in use is greatly improved.
  • the inclined surface 211 on each side end surface in the left-right direction is a slope having a shape limited to the center portion of each side end surface in the left-right direction. This is to solve the manufacturing problem of the inclined surface, but the reliability of the wiring can be improved by using the inclined surface 211 having a structure slightly recessed from the inclined surface 211.
  • the wirings for the sensor electrodes 320 and 330 are the lead-out wirings 212 and 213 formed on the inclined surfaces 211 on the side end surfaces in the left-right direction, and the electrodes for the integrated circuit 420 are the side end surfaces in the vertical direction.
  • the lead wires 230, 231, 232, and 234 are formed on the inclined surface 221 at 220.
  • the depth of the wedge-shaped cut for taking out the wiring for the sensor electrode is deeper than the wedge-like cut-out for taking out the wiring for the integrated circuit. As a result, it is possible to stably take out wirings in two different directions.
  • the adhesive layer 500 serves as both an insulating film and an adhesive. Therefore, the adhesive layer 500 is required to have stability as an insulating film and flexibility and adhesiveness as an adhesive.
  • a BCB (benzocyclobutene) resin film is used for the adhesive layer, and after pre-curing at 220 ° C., the sensor electrode is patterned. The sensor structure 300 and the semiconductor substrate 400 are bonded at 250 ° C. At this time, when the pre-cure temperature is lowered, flexibility and adhesiveness are increased, but a problem arises in stability. In addition, when the pre-cure temperature is raised, the stability increases, but the adhesiveness and flexibility cannot be maintained. If the temperature at the time of joining is increased to compensate for this, the problem of damaging the sensor electrode arises. In this embodiment, these problems can be solved, and optimal stability, flexibility, and adhesiveness can be realized.
  • FIG. 23A to FIG. 23I are views showing a manufacturing procedure of the second embodiment.
  • the wafer (FIG. 7) to be the structure main body 310 and the glass substrate 600 are bonded together.
  • the second sensor electrode 330 is formed on the glass substrate 600.
  • the first sensor electrode 320 and the second sensor electrode 330 are sealed between the structure main body 310 and the glass substrate 600.
  • a groove 318 is formed by etching at a dicing planned position on the side where the lead wiring of the second sensor electrode 330 is provided in the wafer serving as the structure main body. This prevents the dicing blade from cutting into the Si structure main body 310 during half dicing.
  • an adhesive layer 500 is formed on the back surface of the glass substrate 600, and the glass substrate 600 and the semiconductor substrate 400 are joined.
  • the wafer (FIG. 7) to be the structure main body 310 and the glass substrate 600 are bonded together, and the second sensor electrode 330 is formed on the glass substrate 600, and the first sensor electrode 320 and the second sensor electrode 320 are formed. Since the sensor electrode 330 is sealed between the structural body 310 and the glass substrate 600, the shape, gap, and relative position of the first sensor electrode 320 and the second sensor electrode 330 can be set more accurately. it can. Thereby, more accurate sensor performance can be realized.
  • the glass substrate 600 on which the second electrode 330 is formed is bonded to the back surface of the structure main body 310 to seal the electrodes 320 and 330 of the sensor structure 300, and then the semiconductor substrate 400 And the case where the wafer of the sensor structure 300 is bonded by the adhesive layer 500.
  • the third embodiment is characterized in that instead of the glass substrate 600, an LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics) substrate 700 is used.
  • the second sensor electrode 330 is formed on the upper surface of the LTCC substrate 700.
  • the wiring layer 710 is formed on the LTCC substrate 700, and the wiring layer 710 and the second sensor electrode 330 are connected via the via 720. Therefore, the lead line of the second sensor electrode 330 may be drawn from the wiring layer 710 of the LTCC substrate 700.
  • FIG. 26 is a diagram showing a manufacturing procedure according to the third embodiment.
  • the wafer (FIG. 7) to be the structure main body 310 and the LTCC substrate 700 are bonded together.
  • the wiring layer 710 is formed in the LTCC substrate 700, and the second sensor electrode 330 formed on the upper surface of the LTCC substrate 700 is connected to the wiring layer 710.
  • the first sensor electrode 320 and the second sensor electrode 330 are sealed between the structure main body 310 and the LTCC substrate 700.
  • an adhesive layer 500 is formed on the back surface of the LTCC substrate 700, and the LTCC substrate 700 and the semiconductor substrate 400 are joined.
  • the second sensor electrode 330 is formed on a ceramic substrate such as an LTCC substrate, the shape, gap, and relative position of the first sensor electrode 320 and the second sensor electrode 330 can be more accurately the same as the glass substrate 600.
  • the sensitivity and S / N ratio of the sensor can be effectively improved in analog by analog signal processing before digitization. As a result, the function, type, and application range of the sensor are greatly expanded.
  • the sensor structure and the semiconductor substrate are integrated (one-chip).
  • the sensor signal from the sensor structure unit 300 can be signal-processed by the integrated circuit 420 incorporated in the semiconductor substrate 400.
  • the signal processing load on the information integration device 140 can be reduced. Even if a large number of tactile sensor devices 200 are arranged in the tactile sensor system 100, the increase in processing load of the information integration device 140 can be reduced, so that a high-speed response is possible even though the system is a large system having a large number of tactile sensor devices 200 It can be set as a revolutionary tactile sensor system.
  • the diaphragm type sensor structure unit 300 and the LSI integrated with the signal processing unit are bonded together by the adhesive layer 500, and the whole is integrated into one package.
  • the sensor structure unit 300 includes two electrode plates 320 and 330 arranged to face each other.
  • the upper surface of the sensor structure unit 300 is a force transmission unit (sensor surface) 311 that comes into contact with an object.
  • the force transmission unit 311 is pressed, the distance d between the two electrode plates 320 and 330 changes. To do.
  • the change in capacitance due to the change in the electrode plate interval d becomes an analog sensor signal.
  • the integrated circuit 420 digitally converts the analog sensor signal from the sensor structure 300. A manner of digitally converting the capacitance change into the frequency change will be described with reference to FIG.
  • the integrated circuit 420 outputs the selection signal Sct and the reset signal Rst at a constant period when taking out the sensor signal from the sensor structure 300.
  • the selection signal Sct is an ON signal of a switch (not shown) disposed between the electrode plate 330 and the integrated circuit 420.
  • the reset signal Rst is a signal for resetting the charge of the electrode plate 330 once to GND.
  • the inter-electrode charge amount Q is taken out at a constant period.
  • the inter-electrode charge amount Q thus taken out is converted into a voltage V Q via a predetermined resistance. Contrasting this V Q with a predetermined reference voltage Vref.
  • a pulse signal Vout having a time width in which V Q exceeds Vref is generated. At this time, if the withdrawal rate of the charge is constant, the pulse width of the high and Vout of V Q has a positive correlation.
  • Vout is converted into a pulse signal having a predetermined frequency by a pulse generator (not shown). By counting the number of pulses per unit time, the force applied to the sensor structure 300 can be measured as a digital quantity. The sensor signal digitized by frequency conversion in this manner is used as a digital sensor signal.
  • the digital sensor signal generated in this way is transmitted from each tactile sensor device 200 to the information integration device 140.
  • the signal may be transmitted by differential serial transmission through two signal lines 113 and 113 of the bus.
  • the configuration of the present embodiment is suitable for a sensor system including a large number of tactile sensor devices 200.
  • the diaphragm structure composed of the convex force transmission part 311 and the thin part 312 facilitates the application of force to the structure main body 310, accurately deforms the structure main body 310, and is formed inside.
  • the structure which detects force as a capacitance change of the electrostatic capacitance part which consists of 1 sensor electrode 320 and 2nd sensor electrode 330 was illustrated. Pressure is applied to the diaphragm structure composed of the convex force transmission part 311 and the thin part 312 to cause deformation of the structure main body part 310, and the electrostatic force composed of the first sensor electrode 320 and the second sensor electrode 330 formed inside.
  • External heat that is, the movement of heat due to the temperature difference is transmitted to the diaphragm shape composed of the convex heat transfer portion and the thin portion 312, and the shape change due to the thermal expansion of the structure main body portion 310 occurs, and the first formed inside It can be configured as a device that detects a change in heat or temperature as a change in the capacitance of the electrostatic capacitance portion composed of the first sensor electrode 320 and the second sensor electrode 320.
  • a change in capacitance due to heat a change in resistance due to temperature and a change in temperature characteristics of the pn junction may be detected by an electrode inside the sensor and a signal processing circuit.
  • FIG. 30 is a diagram that most simply represents the configuration of the present invention.
  • the sensor structure having the sensor electrode and the semiconductor substrate are joined by an adhesive layer, and the external terminal of the sensor electrode and the integrated circuit is drawn out to the back surface of the semiconductor substrate via the side surface of the semiconductor substrate.
  • the sensor structure only needs to be able to detect a physical quantity such as pressure or heat transmitted to the contact sensing surface on the surface with an internal sensor electrode. In this case, it is needless to say that the contact sensing surface does not have to be a diaphragm type.
  • materials such as the adhesive layer 500 and the protective film 250 may be appropriately changed.
  • Structure main body 311 ... Force transmission part, 312 ... Thin part, 313 ... Support frame 314 ... recess, 315 ... wafer, 316 ... side, 317 ... mask, 317 ... groove, 320 ... sensor electrode, 330 ... sensor electrode, 400 ... semiconductor substrate, 410 ... redistribution layer, 420 ... integrated circuit, 421 ... Electrode pad, 430 ... Passivation film, 500 ... Adhesive layer, 510 ... Via, 520 ... Resist, 600 ... Glass substrate, 700 ... LTCC substrate, 710 ... Wiring layer, 720 ... Via

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Abstract

　接触センシング面を有するセンサ構造部300とそのセンサ信号を処理する信号処理LSI部420とをパッケージ化する技術を提供する。センサ構造部300は、接触センシング面とセンサ電極320、330とを有する。半導体基板400には、信号処理用集積回路420が作りこまれている。接着層500によってセンサ構造部300と半導体基板400とが接合され、センサ装置200がワンチップ化されている。センサ電極320、330と集積回路420とはセンサ装置200の内側に封止されており、センサ電極320、330および集積回路420の外部端子は半導体基板400の側面を経由して半導体基板400の裏面に引き出されている。

Description

センサ装置およびセンサ装置の製造方法
　本発明は、センサ装置およびセンサ装置の製造方法に関する。
　近年、ヒューマノイドロボットの開発が進んでいる。
　ヒューマノイドロボットには、人と触れ合ったり、障害物を自律的に回避したり、対象物を把持して移動させるなどの高度な動作が要求される。
　このような動作には触覚が必要であるので、ロボットのハンドあるいは表面全体に触覚センサを設ける研究が進んでいる（例えば特許文献1から特許文献6）。
　従来の触覚センサシステムは、主としてメッシュ型構造を採用している。
　例えば、二枚の電極シートのそれぞれに複数本の電極配線を形成する。
　互いの電極配線が直交するように電極シートを対向配置することによりメッシュ状配線を形成する。
　2枚の電極シートの間に感圧導電部材を挟んだり、あるいは、電極配線の各交点に触覚センサ素子を配置する。
　各触覚センサ素子は、対象物との接触による圧力変化や温度変化をそれら変化量に応じた電気信号変化に変換する。
　制御部は、各電極配線に繋がっており、複数の触覚センサ素子を集中管理する。すなわち、制御部は、順番に各触覚センサ素子を選択して各センサのセンサ値をサンプリングしていく。制御部において、触覚センサ素子からの電気信号を集積してデータ処理する。
　このようなサンプリング動作を定期的に繰り返すことにより、ロボットが対象物に接触しているか、さらに、どのセンサが接触しているかを検知する。
　これにより、ロボットがどの位置でどの程度の強さで対象物に接触しているかをセンシングすることができる。
特開2006-337315号公報 特開2007-10482号公報 特開2007-285784号公報 特開2007-78382号公報 特開2006-287520号公報 特開2006-281347号公報 特許第03621093号公報
　従来の触覚センサシステムには次のような問題があった。
　特許文献1から特許文献6に開示される技術では、制御部がホストとなって集中的に多数の触覚センサ素子を管理し、順番に各触覚センサ素子を選択して各センサのセンサ値をサンプリングしていく。
　このような構成の場合、センサ数の増加に伴って制御部の処理負担が非常に大きくなるという問題がある。
　また、センサ数の増加に伴ってサンプリング間隔が長くなる。すると、応答速度が低速になって反応が鈍くなることが避けられないが、これはロボットの触覚センサシステムとしては致命的な問題である。
　また、ロボットの体表面全体に多数の触覚センサを配置することを考えると、触覚センサと制御部との間の配線が膨大な量になる。
　したがって、実際的には多数の触覚センサを望ましい位置に実装することは相当困難になり、また、その保守や故障の修理が非常に難しくなる。
　また、触覚センサと制御部との間の配線が長距離になるので、ノイズによってセンサ信号が劣化する危険性が高い。
　ここで、一つ一つの触覚センサにセンサ構造部と信号処理部とを組み込んでしまうことが考えられる。
　そして、センサ構造部からのセンサ信号を信号処理部によってセンスアンプするとともに、さらにはデジタル処理までしてしまえばよいとも考えられる。
　そのためにはセンサ構造部と信号処理部とを一体化する技術が必要になる。
　例えば特許第03621093号公報（特許文献7）にはシェルケース(Shell Case)と称されるパッケージング技術が開示されている。
　この特許第03621093号公報では、デバイスチップの上下がガラス板に挟まれ、側面は樹脂で囲まれている。
　この構造であれば確かに複数のウェハの貼り合わせが可能になるとともに、デバイスチップがガラス板で堅固に保護されることになる。
　しかしながら、特許第03621093号公報の技術では、デバイスチップの上下がガラスに接着されなければならない。すると、例えば、感圧センサや温度センサなどのように検出対象との接触が必要とされる触覚センサには適用できないという問題が生じる。
　このような事情から、接触センシング面を有するセンサ構造部とそのセンサ信号を処理する信号処理LSI部とをパッケージ化する技術が切望されている。
　本発明のセンサ装置は、
　検出対象と直接に接触する接触センシング面を外部に露出する一面に有するとともに、前記接触センシング面の変化に感応してアナログセンサ信号を出力するセンサ電極を前記接触センシング面とは反対側である他面側に有するセンサ構造部と、
　前記アナログセンサ信号を信号処理する信号処理用集積回路が作りこまれた半導体基板と、
　前記センサ構造部の他面と前記半導体基板との間に配設され、前記センサ構造体と前記半導体基板とを貼り合わせる接着層と、を備え、
　前記センサ電極と前記集積回路とが前記接着層を間にして対向した状態で前記センサ構造部と前記半導体基板とが積層されてワンチップ化されたセンサ装置であって、
　前記センサ電極と前記集積回路とはセンサ装置の内側に封止されており、
　前記センサ電極および前記信号処理用集積回路の少なくともいずれかの外部端子は前記半導体基板の側面を経由して前記半導体基板の裏面に引き出されている
　ことを特徴とする。
　本発明のセンサ装置の製造方法は、
　センサ構造部となるウェハの裏面にセンサ電極を設け、
　信号処理用の集積回路を組み込んだ半導体基板を作成し、
　前記センサ電極と前記集積回路とが対向する状態で前記センサ構造部と前記半導体基板とを接着層にて接合し、
　前記半導体基板の裏面をエッチングし、さらに、前記半導体基板の裏面からのハーフダイシングによって前記センサ電極の配線取り出し部および前記集積回路の電極取り出し部を当該半導体基板の裏面側に露出させ、
　前記エッチングおよび前記ハーフダイシングによって形成した半導体基板の斜面から半導体基板の裏面にかけて引き出し配線を設け、
　前記センサ電極および前記信号処理用集積回路の外部端子を前記半導体基板の側面を経由して前記半導体基板の裏面に引き出す
　ことを特徴とする。
触覚センサシステムをロボットのハンドに適用した様子を示す図。 バスに複数のセンサ装置を配置した様子を示す図。 センサ装置を表面側からみた斜視図。 センサ装置を裏面側からみた斜視図。 センサ装置の断面図。 第1実施形態において、センサ装置の製造工程を示す図。 第1実施形態において、センサ装置の製造工程を示す図。 第1実施形態において、センサ装置の製造工程を示す図。 第1実施形態において、センサ装置の製造工程を示す図。 第1実施形態において、センサ装置の製造工程を示す図。 第1実施形態において、センサ装置の製造工程を示す図。 第1実施形態において、センサ装置の製造工程を示す図。 第1実施形態において、センサ装置の製造工程を示す図。 第1実施形態において、センサ装置の製造工程を示す図。 第1実施形態において、センサ装置の製造工程を示す図。 第1実施形態において、センサ装置の製造工程を示す図。 第1実施形態において、センサ装置の製造工程を示す図。 第1実施形態において、センサ装置の製造工程を示す図。 第1実施形態において、センサ装置の製造工程を示す図。 第1実施形態において、センサ装置の製造工程を示す図。 保護膜の開口パターンを示す図。 溝を交差させた場合の欠点を説明するための図。 第1実施形態において、センサ装置の製造工程を示す図。 第1実施形態において、センサ装置の製造工程を示す図。 第1実施形態において、センサ装置の製造工程を示す図。 第1実施形態において、センサ装置の製造工程を示す図。 第1実施形態において、センサ装置の製造工程を示す図。 第1実施形態において、センサ装置の製造工程を示す図。 第1実施形態において、センサ装置の製造工程を示す図。 第2実施形態の構成を分解した状態で示す図。 第2実施形態の製造工程を示す図。 第2実施形態の製造工程を示す図。 第2実施形態の製造工程を示す図。 第2実施形態の製造工程を示す図。 第2実施形態の製造工程を示す図。 第2実施形態の製造工程を示す図。 第2実施形態の製造工程を示す図。 第2実施形態の製造工程を示す図。 第2実施形態の製造工程を示す図。 第2実施形態の構成を示す図。 第3実施形態の構成を分解した状態で示す図。 第3実施形態の製造工程を示す図。 第3実施形態の製造工程を示す図。 第3実施形態の製造工程を示す図。 第3実施形態の製造工程を示す図。 第3実施形態の製造工程を示す図。 第3実施形態の製造工程を示す図。 第3実施形態の製造工程を示す図。 第3実施形態の製造工程を示す図。 第3実施形態の製造工程を示す図。 第3実施形態の構成を示す図。 センサ信号をデジタル信号に変換する手順を説明するための図。 センサ信号をデジタル信号に変換する手順を説明するための図。 本発明の構成を最も簡潔に表す図。
　本発明の実施の形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
　（第1実施形態）
　本発明のセンサ装置に係る第1実施形態について説明する。
　図1は、多数のセンサ装置を配置した触覚センサシステムをロボットのハンドに適用した様子を示す図である。
　図2は、バス110に複数のセンサ装置200を配置した様子を示す図である。
　本実施形態のセンサ装置は、図1に示すようにロボット10のハンド11あるいはロボットの体表面全体に配置され、全体として触覚センサシステム100を構成するためのものである。
　各バス110には複数の触覚センサ装置200が設けられている。
　本実施形態では、バス110の配線ラインとしては4本のライン112、112、113、113が設けられている。
　4本のうち2本は電源ライン112、112であり、2本は差動シリアル伝送用の信号ライン113、113である。
　そして、情報中継装置120および集線装置130を介して総てのバス110は情報統合装置140に接続されている。
　例えばロボット10のハンド11が対象物（不図示）を掴むなどしてロボット10の表面が対象物に接触すると、各センサ装置200が接触圧を検知する。
　さらに各センサ装置200は、センサ信号のデジタル信号処理を実行する。
　そして、デジタル信号処理済みのセンサ信号が各センサ装置200から情報統合装置140に送信される。
　情報統合装置140では、センサ装置200からの情報を統合して、どの位置にどの程度の力がかかっているかを検出する。
　次に、センサ装置の構成を説明する。
　図3は、センサ装置を表面側からみた斜視図である。
　図4は、センサ装置を裏面側からみた斜視図である。
　図5は、センサ装置の断面図である。
　図5に示すように、センサ装置200は、センサ構造部300と半導体基板400とが接着層500で貼り合わされた構造である。
　センサ構造部300は、構造本体部310と、第1センサ電極320と、第2センサ電極330と、を有する。
　構造本体部310は、Siで形成されている。
　表側からみて、構造本体体310の中心部には対象物と接触する凸状の力伝達部311が設けられ、力伝達部311の周囲は凹状の薄肉部312となっている。
　薄肉部312が弾性を有することにより、構造本体部310が作動膜として機能するようになる。すなわち、力伝達部311に力がかかると構造本体部310がたわむようになっている。
　ここに、力伝達部311により接触センシング面が構成されている。
　薄肉部312の周囲である周縁部は、作動膜を支持する支持枠部313となっている。
　また、構造本体部310の裏面には、凹部314が形成されている。
　第1センサ電極320は、構造本体部310の裏面に形成された凹部314に設けられている。
　第1センサ電極320の少なくとも一端は、支持枠部313の裏面を経由して構造本体部310の側面316に達する位置まで延設されている。
　第1センサ電極320は作動膜とともに変位する可動電極となる。
　第2センサ電極330は、接着層500の直上に設けられている。
　第1センサ電極320と第2センサ電極330との間隔は、凹部314の深さによって規定される。
　第2センサ電極330が固定電極となっており、互いに対向配置された第1センサ電極320と第2センサ電極330とが静電容量素子を構成している。
　第2センサ電極330は、接着層500に形成されたビア510を介して半導体基板400の再配線層410に接続されている。
　半導体基板400には信号処理用の集積回路420が作りこまれ、その表面がパッシベーション膜430で保護されている。
　さらに、パッシベーション膜430の上に再配線層410が形成されている。
　半導体基板400の直上に接着層500が設けられ、第2センサ電極330と集積回路420とが接着層500を間にして対向した状態となる。
　また、第1、第2センサ電極320、330と集積回路420とはセンサ装置200の内側に封止された状態となる。
　接着層500は、集積回路420とセンサ電極330との間の寄生容量を減じるため、その厚さを10μm以上にすることが好ましい。
　厚さの上限としては特に制限されるものではないが、半導体チップの製造上の都合等を勘案して、たとえば100μm程度を上限にすることが例として挙げられる。
　センサ装置200を裏面側からみたとき、図4中の左右方向のそれぞれの側端面には、中央部に傾斜面211が形成されている。
　そして、傾斜面211上にはメタルの引き出し配線212、213が形成されており、引き出し配線212、213は裏面240にまで引き出されている。
　この引き出し配線の一方212は、第1センサ電極の一端に繋がっており、引き出し配線の他方213は、再配線層410を介して第2センサ電極330に繋がっている（図5参照）。
　また、図4中の上下方向のそれぞれの側端面220、220は全体に傾斜面221、221として形成されており、各側端面220、220にはそれぞれ8本ずつの引き出し配線230が裏面240まで到達するように設けられている。
　これら引き出し配線230は、再配線層410から引き出され、集積回路420の電源線または信号線となる。
　図4に示すセンサ装置200の裏面240には、外部接続端子が設けられている。
　本実施形態では、バス110の4本の配線ライン112、113に対応して、センサ装置200の裏面には4つの外部端子241－244が設けられている。
　図4において、左から順に第1外部端子241、第2外部端子242、第3外部端子243、第4外部端子244とする。
　第1外部端子241は、例えばバス110のGNDに繋がる外部端子であり、左側面210からの引き出し配線212と、下側面220の最も左の引き出し配線231と、がこの第1外部端子241に接続されている。
　第2外部端子242には上側面220の最も左の引き出し配線232が接続され、第3外部端子243には下側面220の最も右の引き出し配線234が接続されている。
　第4外部端子244には、右側面210からの引き出し配線213と、上側面220の最も右の引き出し配線234と、が接続されている。
　なお、外部端子241－244の数はバス110の信号線の数に応じて適宜変更されるものであり、引き出し配線と外部端子との接続はセンサ構造部300や集積回路420の構成によって適宜変更されうるものであることはもちろんである。
　次に、センサ装置の製造方法について説明する。
　図6から図21は、センサ装置の製造手順を示す図である。
　まず、センサ構造部300の構造本体部310となるウェハ315を作成する。
　すなわち、図6に示すように、Siからなるウェハ315を用意し、その裏面をTMAH （Tetramethyl ammonium hydroxide、水酸化テトラメチルアンモニウム）によってエッチングし、約10μmの深さを有する凹部314を形成する。そして、図7に示すように、凹部314に第1センサ電極320を形成する。さらに、Siウェハ315の表面には、力伝達部311と支持枠部313とを除いた領域を薄肉部312とするためのマスク317を形成する。
　このマスク317は熱酸化膜によって形成できる。
　また一方、図8に示すように、半導体基板400に信号処理用の集積回路420を組み込んだウェハを用意する。
　そして、表面をパッシベーション膜430で保護し、さらに、パッシベーション膜430の上に再配線層410を設ける。
　再配線層410は集積回路420の電極バッド421と接続されている。
　次に、図9に示すように、半導体基板400の上面に接着層500としての有機絶縁膜を設け、さらに、接着層500の上に第2センサ電極330を設ける。
　この工程を、図10（A）から（H）を参照して説明する。
　前述のように集積回路420を組み込んだ半導体基板400を用意する。
　その上にスピンコートにて約10μｍの膜厚のBCB（ベンゾシクロブテン）樹脂膜を形成する（図10A）。
　このBCB（ベンゾシクロブテン）樹脂膜は接着層500になる。
　これを220℃の窒素パージした炉にて1時間のプリキュアを行う。
　BCB膜の上にレジスト520を塗布し、露光する（図10B）。
　レジスト520を露光後焼きしめで硬化させたあと（図10C）、エッチングする。
　これにより、再配線層410の直上にビア（孔）510を形成する（図10D）。
　次に、半導体基板400および接着層500をハードベイクする。
　続いて、パターン化された接着層500の上からアルミニウム（Al）をスパッタ法にて成膜する（図10E）。
　このアルミニウム薄膜が第2センサ電極330となる。
　アルミニウム薄膜のうえにレジスト520を塗布してパターニングする（図10F、図10G）。
　そして、アルミニウムをエッチングする（図10H）。
　これにより、周縁部を除いた中央部に第2センサ電極330が形成され、さらにビア510を介して第2センサ電極330は集積回路420の再配線層410に繋がる。
　次に、図11に示すように、構造本体部310となるウェハ315（図7）と、半導体基板400となるウェハ（図9）と、を接合する。
　接合にあたっては、250℃で1時間、1000Nの荷重を加えることが例として挙げられる。
　半導体基板400の裏面にTMAHエッチング用の保護膜250を形成する（図12）。
　ここで、保護膜250として、PECVDまたはスパッタ法で堆積させた低温酸化膜の上に感光性耐アルカリ有機保護膜（ProTEK PSB）を積層したものが望ましい。
　Si基板の長時間エッチングに耐えるマスク材としては、一般的にはシリコン熱酸化膜やシリコン窒化膜が用いられるが、これらは高温（800℃以上）の高温処理を要する。
　このような高温処理は、集積回路420を組み込み済みの半導体基板400には適用できない。
　また、低温酸化膜だけではピンホールができてしまう問題があり、この点、感光性耐アルカリ有機保護膜だけだとサイドエッチングが生じる問題がある。
　保護膜250を形成したのち、接合ウェハの両面をエッチングする（図13）。
　これにより、半導体基板400がエッチングされると同時にセンサ構造部300の薄肉部312が形成される。
　なお、保護膜250の開口パターンは図14Aに示すように、穴状251か、一本の溝状252にすることが好ましい。
　例えば図14Bに示すように、溝252、252が交差するようになっていると、アルカリ液（TMAH）を使ったSiの結晶異方性エッチングのために角254の侵食が速く、内部の集積回路420が損傷を受ける恐れがある。
　電極パッドから10μm程度の厚みを残してエッチングを停止し、感光性耐アルカリ有機保護膜250を除去する（図15）。
　その後、XeF2のガスエッチングによる等方性エッチングを行い、Si基板を完全に除去する（図16）。
　次に、下地絶縁膜255としてBCB樹脂を成膜する（図17）。
　絶縁膜を塗布後、V字ブレードを用いて半導体基板の裏面からハーフダイシングを行う（図18）。
　ここでは、図18では、図4のXVIII‐XVIII線断面を示しており、この方向ではセンサ装置200の側面からセンサ電極320、330を引き出す必要がある。
　そこで、ハーフダイシングでは、第1センサ電極320にまで達するように接着層500の上面までは切り込む必要がある。
　これにより、左右の側面から第1センサ電極320の一端と再配線層410とが裏面側240に露出する。
　一方、図4のXIX－XIX線断面の方向では、集積回路420の電極パッド421だけを引き出せばよいので、図19に示すように電極パッド421または再配線層410にまで達する程度の浅いハーフダイシングでよい。
　次に、シャドウマスク法によって配線を形成する（図20）。
　金属材料としては、Ti／Cuを用いることが例として挙げられる。
　Tiは絶縁膜との密着性を高めるための中間層として機能する。
　その後、無電解Auメッキを配線上に施し、ワイヤーボンディング性を向上させる。
　最後に、ウェハをダイシングによって分離し、個々のセンサ装置200を切り出す（図21）。
　このような第1実施形態によれば、次に効果を奏する。
（１）本実施形態の製造方法により、触覚センサ装置200をウェハレベルで集積化することができる。
　すなわち、センサ構造部300と集積回路420を一体的に有するMEMS（Micro Electro Mechanical Systems）として触覚センサ装置200を構成することができる。
　また、集積化によって触覚センサ装置200のサイズを非常に小型にすることができ、例えば、一つの触覚センサ装置を3mm角程度に小型化することができる。
　このようにセンサ構造部300と集積回路420を一体的に有するMEMSとし、かつ、小型化を達成することにより、たとえばロボット10の体表面に実装するセンサシステムとして好適なものとできる。
（２）センサ電極320、330からは蓄積電荷量がアナログセンサ信号として集積回路420に取り出されるが、このようなアナログセンサ信号は入力インピーダンスが高く、ノイズが混入しやすいという問題がある。
　この点、本実施形態では、センサ電極320、330と集積回路420とをセンサ内部に封止してこれらを完全に保護できる。
　さらに、センサ内部において、接着層500を間にして第2センサ電極330と集積回路420とを極めて近接配置させているので、第2センサ電極330と集積回路420との間の配線長を極めて短くすることができる。したがって、センサ電極320、330からのアナログセンサ信号にノイズが入りにくくなり、検出精度を極めて向上させることできる。
（３）本実施形態の製造方法では、センサ構造部300と半導体基板400とを接着層500で接合させるので、半導体基板400に組み込まれる集積回路420の構造は制限を受けない。
　たとえば、既存のセンスアンプおよび信号処理回路を組み込んだ半導体基板400を本実施形態に適用することができる。
（４）本実施形態では、センサ電極320、330と集積回路420とをセンサ内部に封止しているので、これらの電極を外部に取り出すことが必要になる。
　ここで、パッケージ内部に封止したチップから外部に電極を取り出す場合にはシリコン貫通ビア（シリコン貫通配線）を形成することも考えられるが、必要な配線の数だけシリコン貫通ビアを設けることは工程数を非常に増加させ、また、加工も難しい。
　この点、本実施形態では、半導体基板の裏面からエッチングおよびハーフダイシングによってセンサ電極および集積回路の電極を取り出す。
　したがって、工程数が少なくかつ簡便に外部端子を設けることができる。
（５）力伝達部311と薄肉部312とからなるダイヤフラム構造により、構造本体部310に印加された力が正確に構造本体部310の変形に反映される。
また、第１センサ電極320が構造本体部310の裏面に直接形成されているので、力伝達部311が受けた外部からの力による構造本体部310の変形を第1センサ電極320の変位とすることができ、第2センサ電極330とで形成された静電容量素子の容量変化として精度よく印加された力を検知できる。
（６）第1電極320の少なくとも一端は、支持枠部313の裏面を経由して構造本体部310の側面316に達する位置まで延設されているので、外部電源あるいは回路と直接接続することができる。
　例えば、第１電極320を外部電源のアース電極に接続して同じ電位とすれば、外部に一番近い電極がアースとなり、外部からのノイズを遮蔽し、測定精度を高める。
　さらに、第1電極320と構造本体部310とが電気的に導通するように形成すれば、構造本体部310がアース電位となり、外部からのノイズに対する遮蔽能力は一段と向上し、S/N比が極めて向上することになる。
（７）第1、第2センサ電極320、330と集積回路420とはセンサ装置200の内側に封止された状態となっているため、センサ電極320、330および集積回路420の電極や配線、ｐｎ接合を外部からの水分、酸、アルカリ、有機溶剤、油等の水溶液、ガスの侵入による腐食や酸化、変質や導電性の被覆の発生等を防ぎ、長期に渡り安定な動作を実現できる。
　したがって、本装置に有機溶剤で溶かされた有機物の被覆を施したり、ロボットの手足に装着して泥水等の悪条件での動作が可能となる。　　　
（８）半導体基板400に作りこまれた信号処理用の集積回路420の表面のパッシベーション膜430の上に接着層500を有し、その接着層500の上に第２センサ電極330が形成されているので、第１センサ電極320と第２センサ電極330とからなる静電容量素子と集積回路420との配線距離が短い。
　したがって、センサの感度や精度を左右する重要な因子となる寄生容量を少なくでき、検出感度が向上する。
　配線長が短いので、ノイズも混入しにくい。
　接着層500の厚みを厚く設定することにより、集積回路420とセンサ電極330との間の寄生容量がさらに減らせるので、より高感度化が可能となる。
（９）左右方向のそれぞれの側端面の中央部に傾斜面211、そして、上下方向のそれぞれの側端面220の全体に傾斜面221があり、それぞれの斜面上にメタルの引き出し配線212、213、230が形成されている。配線212、213、230を斜面に配置することにより、製造が容易で、配線の膜厚を確保し、また、段切れ等の不安定を解消している。
　これらの形状と構造により、温度に対する安定性や繰り返し温度変化に対する耐久性が増加し、デバイスを実装するときや使用中の配線の信頼性が格段に向上する。
　左右方向のそれぞれの側端面にある傾斜面211は上下方向のそれぞれの側端面220にある傾斜面と異なり、左右方向のそれぞれの側端面の中央部に限られた形状の斜面となっている。
　これは斜面の製造上の課題を解決するためであるが、傾斜面211より少し窪ませた構造の傾斜面211とすることにより配線の信頼性も向上させることができる。
（１０）センサ電極320、330用の配線は左右方向のそれぞれの側端面にある傾斜面211に形成された引き出し配線212、213であり、集積回路420の電極用は上下方向のそれぞれの側端面220にある傾斜面221に形成された引出配線230、231、232、234である。
　ここで、センサ電極用の配線を取り出すためのくさび状切れ込みの深さが集積回路用の配線を取り出す楔状切れ込みよりも深い。
　これにより、２方向の異なる配線取り出しが安定に行える。
（１１）本実施形態では、接着層500が絶縁膜と接着材とを兼ねている。
　したがって、接着層500には、絶縁膜としての安定性と、接着材としての柔軟性、接着性と、が求められる。
　この点、本実施形態では、接着層にBCB（ベンゾシクロブテン）樹脂膜を用い、220℃でプリキュアを行った後、センサ電極をパターニングする。
　そして、センサ構造部300と半導体基板400との接着は250℃で行うこととしている。
　このとき、プリキュア温度を下げると、柔軟性、接着性は増すが、安定性に問題が生じる。
　また、プリキュア温度を上げると安定性は増すが、接着性、柔軟性を維持できなくなり、これを補うために接合時の温度を上げると、センサ電極が損傷する問題が生じる。
　本実施形態にあってはこれらの問題を解消し、最適な安定性、柔軟性、接着性を実現できる。
　（第2実施形態）
　第2実施形態について説明する。
　上記第1実施形態では、半導体基板400上に形成した接着層500の直上に第2センサ電極330を形成した後で、構造本体部310と半導体基板400とを貼り合わせる場合を例示した。
　これに対し、第2実施形態では、まず、第2電極320が形成されたガラス基板600を構造本体部310の裏面に貼り合わせて、センサ構造部300の電極320、330を封止した状態にする（図22）。
　その後、半導体基板400とセンサ構造部300のウェハとを接着層500で接合させる。
　図23A－図23Iは、第2実施形態の製造手順を示す図である。
　図23Aに示すように、構造本体部310となるウェハ（図7）とガラス基板600とを貼り合わせる。
　このとき、ガラス基板600には第2センサ電極330を形成しておく。
　これにより、第1センサ電極320と第2センサ電極330とが構造本体部310とガラス基板600との間に封止される。
　なお、図23Aにおいて、構造本体部となるウェハにおいて、第2センサ電極330の引き出し配線を設ける側のダイシング予定位置には溝318がエッチングによって形成されている。
　これにより、ハーフダイシングの際にダイシングのブレードがSi構造本体部310まで切り込まないようにしている。
　そして、ガラス基板600の裏面に接着層500を形成して、ガラス基板600と半導体基板400とを接合する。
　図23Gにおいて、センサ電極320、330を露出させるためのハーフダイシングを行う。
　このときはガラス基板600の上面まで切り込む必要がある。
　その他の工程は第1実施形態で説明したものと同じであり、最終的に図24に示すセンサ装置が得られる。
　この構成において、構造本体部310となるウェハ（図7）とガラス基板600とが貼り合わされており、ガラス基板600には第２センサ電極330が形成されており、第１センサ電極320と第２センサ電極330とが構造本体部310とガラス基板600との間に封止されているので、第１センサ電極320と第２センサ電極330の形状、ギャップ、相対位置をより正確にセッティングすることができる。
　これにより、より高精度なセンサ性能を実現することができる。
　（第3実施形態）
　第3実施形態について説明する。
　上記第2実施形態では、第2電極330が形成されたガラス基板600を構造本体部310の裏面に貼り合わせてセンサ構造部300の電極320、330を封止した状態にした後に、半導体基板400とセンサ構造部300のウェハとを接着層500で接合させる場合を例示した。
　この点、第3実施形態では、ガラス基板600に代えて、LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramics、低温同時焼成セラミックス)基板700を使用する点に特徴を有する。
　図25において、LTCC基板700の上面には第2センサ電極330が形成されている。
　さらに、配線層710をLTCC基板700に作り込んでおき、ビア720を介してこの配線層710と第2センサ電極330とを接続しておく。
　したがって、第2センサ電極330の引き出し線は、LTCC基板700の配線層710から引き出せばよい。
　図26は、第3実施形態の製造手順を示す図である。
　図26Aに示すように、構造本体部310となるウェハ（図7）とLTCC基板700とを貼り合わせる。
　このとき、LTCC基板700の内部には配線層710を作りこみ、LTCC基板700の上面に形成された第2センサ電極330と配線層710とを接続しておく。
　図26Aの段階で、第1センサ電極320と第2センサ電極330とが構造本体部310とLTCC基板700との間に封止される。
　そして、LTCC基板700の裏面に接着層500を形成して、LTCC基板700と半導体基板400とを接合する。
　図26Gにおいて、センサ電極320、330を露出させるためのハーフダイシングを行う。
　このときはLTCC基板700の上面まで切り込む必要がある。
　その他の工程は第1実施形態で説明したものと同じであり、最終的に図27に示すセンサ装置が得られる。
　たとえば第２センサ電極３３０がLTCC基板のようなセラミック基板上に形成されているので、ガラス基板600と同じように第１センサ電極320、第２センサ電極330の形状、ギャップ、相対位置をより正確にセッティングすることができる。
　さらに、セラミック基板700に多層配線や抵抗、コンデンサ、コイル、層間電極、層間誘電体膜を形成したり、層間に受動電子部品やダイオード、トランジスタなどの能動電子部品を組み込むことが可能になるので、デジタル化前にアナログ信号処理によってセンサの感度やS/N比をアナログ的に効果的に改善することができる。
　これにより、センサの機能や種類、適用範囲が大幅に広がる。
　（第4実施形態）
　第1実施形態から第3実施形態においては、センサ構造部と半導体基板とを一体化（ワンチップ化）させている。
　このような構成によれば、半導体基板400に組み込んだ集積回路420により、センサ構造部300からのセンサ信号を信号処理できる。
　このように、個々の触覚センサ装置200にて信号処理を実行できれば、情報統合装置140の信号処理負荷を少なくすることができる。
　触覚センサシステム100に多数の触覚センサ装置200を配置したとしても情報統合装置140の処理負担の増加を小さくできるので、多数の触覚センサ装置200を有する大きなシステムでありながらも高速応答が可能になるという画期的な触覚センサシステムとすることができる。
　ここで、センサ構造部からのセンサ信号をデジタル信号に変換する場合の一例を例示する。
　この例では、ダイヤフラム型のセンサ構造部300と、信号処理部を集積したLSIと、が接着層500によって貼り合わされ、全体が一体的なワンパッケージとなっている。
　センサ構造部300は、対向配置された二枚の電極板320、330を有する。
　そして、センサ構造部300の上面が対象物と接触する力伝達部（センサ面）311となっており、力伝達部311が押圧されると、2枚の電極板320、330の間隔dが変化する。
　電極板間隔dの変化による静電容量変化がアナログセンサ信号となる。
　例えば、図28に示すように、時刻T1から時刻T2に強い力が力伝達部311に印加され、時刻T3から時刻T4に弱い力が力伝達部311に印加されたとする。
　すると、印加された力に応じて極板間距離dが変化する。
　極板間距離dの変化に応じて、極板間に蓄積される電荷量Qが変化する。
　印加される力に応じて変化する極板間電荷量Qがアナログセンサ信号として集積回路420に送られる。
　具体的には、第2センサ電極330に蓄積された電荷が再配線層410、電極パッド421を介して集積回路420で検出される。
　集積回路420は、センサ構造部300からのアナログセンサ信号をデジタル変換する。
　静電容量変化を周波数変化にデジタル変換する様子を図29を用いて説明する。
　集積回路420は、センサ構造部300からのセンサ信号を取り出すにあたって、選択信号Sctと、リセット信号Rstと、を一定周期で出す。
　選択信号Sctは、電極板330と集積回路420との間に配置されたスイッチ（不図示）のON信号である。
　リセット信号Rstは、電極板330の電荷を一旦GNDにしてリセットするための信号である。
　選択信号Sctにより、極板間電荷量Qが一定周期で取り出される。
　このように取り出された極板間電荷量Qを所定の抵抗を介して電圧VQに変換する。
　このVQを所定の参照電圧Vrefと対比する。
　VQがVrefを超えている時間幅を有するパルス信号Voutを生成する。
　このとき、電荷の取り出し速度が一定であれば、VQの高さとVoutのパルス幅は正の相関を持つ。
　パルスジェネレータ（不図示）によってVoutを所定周波数のパルス信号に変換する。
　単位時間あたりのパルス数をカウントすることにより、センサ構造部300にかかる力をデジタル量として計測することができる。
　このように周波数変換によってデジタル化されたセンサ信号をデジタルセンサ信号とする。
　このようにして生成されたデジタルセンサ信号は、各触覚センサ装置200から情報統合装置140に送信される。
　信号送信にあたっては、バスの二本の信号ライン113、113によって差動シリアル伝送で伝送してもよい。
　このように、触覚センサ装置200から情報統合装置140へデジタル信号を送信することにより、触覚センサ装置200と情報統合装置140との配線長が長くてもノイズの影響を受けにくくなる。
　例えばロボットの体表面全体に触覚センサ装置200を設けるとすると全体の配線長はかなりの長さになるのでノイズ耐性が重要になる。
　アナログ信号のままで送信する場合に比べて、本実施形態の構成は多数の触覚センサ装置200を備えるセンサシステムに好適である。
　なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
　上記では、凸状の力伝達部311と薄肉部312とからなるダイヤフラム構造により、構造本体部310への力印加が容易となり、正確に構造本体部310の変形をもたらし、内部に形成された第１センサ電極320と第２センサ電極330からなる静電容量部の容量変化として力を検知する構成を例示した。
　圧力を凸状の力伝達部311と薄肉部312からなるダイヤフラム構造に印加し、構造本体部310の変形をもたらし、内部に形成された第１センサ電極320と第２センサ電極330からなる静電容量部の容量変化として圧力を検知する装置として使用してもよい。
　ダイヤフラム中央に凸部があるので、ダイヤフラムの変形が中央に集中しない。これにより、比較的均等にダイヤフラムが変形し、大きな圧力変化を精度よく検出できる。
　外部の熱、すなわち、温度差による熱の移動が凸状の熱伝達部と薄肉部312からなるダイヤフラム形状に伝達され、構造本体部310の熱膨張による形状変化が起こり、内部に形成された第１センサ電極320と第２センサ電極320からなる静電容量部の容量変化として熱あるいは温度変化を検知する装置として構成することができる。
　ここでは、熱による容量変化として説明したが、温度による抵抗変化、ｐｎ接合の温度特性変化をセンサ内部の電極と信号処理回路によって検出するようにしてもよい。
　ここに、図30は、本発明の構成を最も簡潔に表す図である。
　図30に示すように、センサ電極を有するセンサ構造部と半導体基板とが接着層で接合され、センサ電極および集積回路の外部端子は半導体基板の側面を経由して半導体基板の裏面に引き出されている。
　センサ構造部としては、表面の接触センシング面に伝わった圧力または熱等の物理量を内部のセンサ電極で検出できればよい。
　この場合、接触センシング面は、ダイヤフラム型でなくてもよいことはもちろんである。
　また、接着層500、保護膜250などの材料は適宜変更してもよいことはもちろんである。
　10…ロボット、11…ハンド、100…触覚センサシステム、110…バス、112…電源ライン、113…信号ライン、120…情報中継装置、130…集線装置、140…情報統合装置、200…センサ装置、211…傾斜面、212、213…引き出し配線、220…側端面、221…傾斜面、230、231、232、233、234…引き出し配線、240…裏面、241、242、243、244…外部端子、250…保護膜、251…穴、252…溝、254…角、255…下地絶縁膜、300…センサ構造部、310…構造本体部、311…力伝達部、312…薄肉部、313…支持枠部、314…凹部、315…ウェハ、316…側面、317…マスク、317…溝、320…センサ電極、330…センサ電極、400…半導体基板、410…再配線層、420…集積回路、421…電極バッド、430…パッシベーション膜、500…接着層、510…ビア、520…レジスト、600…ガラス基板、700…LTCC基板、710…配線層、720…ビア。

Claims (20)

  1. 　検出対象と直接に接触する接触センシング面を外部に露出する一面に有するとともに、前記接触センシング面の変化に感応してアナログセンサ信号を出力するセンサ電極を前記接触センシング面とは反対側である他面側に有するセンサ構造部と、
    　前記アナログセンサ信号を信号処理する信号処理用集積回路が作りこまれた半導体基板と、
    　前記センサ構造部の他面と前記半導体基板との間に配設され、前記センサ構造体と前記半導体基板とを貼り合わせる接着層と、を備え、
    　前記センサ電極と前記集積回路とが前記接着層を間にして対向した状態で前記センサ構造部と前記半導体基板とが積層されてワンチップ化されたセンサ装置であって、
    　前記センサ電極と前記集積回路とはセンサ装置の内側に封止されており、
    　前記センサ電極および前記信号処理用集積回路の少なくともいずれかの外部端子は前記半導体基板の側面を経由して前記半導体基板の裏面に引き出されている
    　ことを特徴とするセンサ装置。
  2. 　請求項1に記載のセンサ装置において、
    　前記接着層は、BCB（ベンゾシクロブテン、Benzocyclobutene）である
    　ことを特徴とするセンサ装置。
  3. 　請求項1または請求項2に記載のセンサ装置において、
    　前記センサ電極および前記信号処理用集積回路の外部端子が前記半導体基板の側面を経由して前記半導体基板の裏面に引き出されており、
    　前記センサ電極の配線を取り出すための切れ込みは、前記集積回路の電極を取り出すための切れ込みよりも切れ込み深さが深い
    　ことを特徴とするセンサ装置。
  4. 　請求項3に記載のセンサ装置において、
    　前記半導体基板の裏面において、前記センサ電極の配線を取り出す方向と、前記集積回路の電極を取り出す方向と、は直交している
    　ことを特徴とするセンサ装置。
  5. 　請求項1から請求項4のいずれかに記載のセンサ装置において、
    　前記センサ構造部の裏面に設けられた一方のセンサ電極と、
    　前記接着層の上に設けられた他方のセンサ電極と、を有し、
    　二枚のセンサ電極が対向する状態で前記センサ構造部と前記半導体基板とが前記接着層で接合されている
    　ことを特徴とするセンサ装置。
  6. 　請求項5に記載のセンサ装置において、
    　前記接着層にはビアが設けられており、
    　前記他方のセンサ電極は、前記ビアを介して前記集積回路の電極に接続されている
    　ことを特徴とするセンサ装置。
  7. 　請求項1から請求項6のいずれかに記載のセンサ装置において、
    　前記センサ構造部の裏面に設けられた一方のセンサ電極と、
    　ガラス基板の一面に設けられた他方のセンサ電極と、を有し、
    　二枚のセンサ電極が対向する状態で前記センサ構造部と前記ガラス基板とが接合されており、
    　前記ガラス基板の他面に設けられた接着層によって前記ガラス基板と前記半導体基板とが接合されている
    　ことを特徴とするセンサ装置。
  8. 　請求項7に記載のセンサ装置において、
    　前記ガラス基板に代えて、セラミック基板を備える
    　ことを特徴とするセンサ装置。
  9. 　請求項1から請求項8のいずれかに記載のセンサ装置において、
    　前記センサ電極の配線取り出し部および前記集積回路の電極取り出し部は、前記半導体基板を裏面から見たとき、前記半導体基板の側面において非連続に形成された穴、または、前記半導体基板の側面において形成された窪みに設けられている
    　ことを特徴とするセンサ装置。
  10. 　センサ電極と集積回路との接続は、前記半導体基板の側端面において取り出し配線または外部端子によって行われている
    　ことを特徴とするセンサ装置。
  11. 　請求項1から請求項10のいずれかに記載のセンサ装置において、
    　前記センサ電極と前記集積回路との間の寄生容量を減じる手段として、前記接着層の厚さを10μm以上とする
    　ことを特徴とするセンサ装置。
  12. 　請求項1から請求項11のいずれかに記載のセンサ装置において、
    　前記接触センシング面は検出対象と接触して接触圧または熱を前記センサ電極に伝え、
    　前記センサ構造部は、力、接触力、接触圧または熱を検出する
    　ことを特徴とするセンサ装置。
  13. 　センサ構造部となるウェハの裏面にセンサ電極を設け、
    　信号処理用の集積回路を組み込んだ半導体基板を作成し、
    　前記センサ電極と前記集積回路とが対向する状態で前記センサ構造部と前記半導体基板とを接着層にて接合し、
    　前記半導体基板の裏面をエッチングし、さらに、前記半導体基板の裏面からのハーフダイシングによって前記センサ電極の配線取り出し部および前記集積回路の電極取り出し部を当該半導体基板の裏面側に露出させ、
    　前記エッチングおよび前記ハーフダイシングによって形成した半導体基板の斜面から半導体基板の裏面にかけて引き出し配線を設け、
    　前記センサ電極および前記信号処理用集積回路の外部端子を前記半導体基板の側面を経由して前記半導体基板の裏面に引き出す
    　ことを特徴とするセンサ装置の製造方法。
  14. 　請求項13に記載のセンサ装置の製造方法において、
    　前記エッチングはアルカリウェットエッチングであり、
    　エッチングのマスクとして低温酸化膜上に感光耐性アルカリ有機保護膜を重ねたものを用いる
    　ことを特徴とするセンサ装置の製造方法。
  15. 　請求項13または請求項14に記載のセンサ装置の製造方法において、
    　前記接着層はBCB（ベンゾシクロブテン、Benzocyclobutene）を用い、
    　BCBを塗布し、220℃でプリキュアを行ったあと、接合は250℃で行う
    　ことを特徴とするセンサ装置の製造方法。
  16. 　請求項13から請求項15のいずれかに記載のセンサ装置の製造方法において、
    　前記ハーフダイシングにあたって、
    　前記センサ電極の配線を取り出すためのハーフダイシングは、前記集積回路の電極を取り出すためのハーフダイシングよりも切れ込み深さが深い
    　ことを特徴とするセンサ装置の製造方法。
  17. 　請求項13から請求項16のいずれかに記載のセンサ装置の製造方法であって、
    　センサ装置は、二枚のセンサ電極を有し、
    　センサ電極の一方を前記センサ構造部の裏面に設け、
    　前記半導体基板の上に接着層を設け、
    　接着層の上にセンサ電極の他方を設け、
    　二枚のセンサ電極が対向するようにして前記センサ構造部と前記半導体基板とを前記接着層で接合する
    　ことを特徴とするセンサ装置の製造方法。
  18. 　請求項17に記載のセンサ装置の製造方法において、
    　前記半導体基板の上に接着層を設けたのち、前記接着層にビアをパターニングし、
    　前記センサ電極の他方を、接着層に設けられたビアを介して前記集積回路の電極に接続する
    　ことを特徴とするセンサ装置の製造方法。
  19. 　請求項13から請求項16のいずれかに記載のセンサ装置の製造方法であって、
    　センサ装置は、二枚のセンサ電極を有し、
    　センサ電極の一方を前記センサ構造部の裏面に設け、
    　ガラス基板の一面にセンサ電極の他方を設け、
    　二枚のセンサ電極が対向するようにして前記センサ構造部と前記ガラス基板とを貼り合わせ、
    　前記ガラス基板の他面に接着層を形成して前記ガラス基板と前記半導体基板とを接合させる
    　ことを特徴とするセンサ装置の製造方法。
  20. 　請求項19に記載のセンサ装置の製造方法において、
    　前記ガラス基板に代えてセラミック基板を用いる
    　ことを特徴とするセンサ装置の製造方法。
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