WO2015132840A1 - ひずみセンサモジュールまたはひずみ計測システム - Google Patents

ひずみセンサモジュールまたはひずみ計測システム Download PDF

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太田　裕之
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株式会社日立製作所
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
    • G01B7/18—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge using change in resistance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material

Definitions

  • the present invention relates to a strain sensor module and the like, and more particularly, to a mounting structure of a strain sensor module for measuring strain in an attachment surface of a measurement object and a measurement system using the same.
  • JP-A-2009-264976 describes that a strain sensor chip for measuring strain in a surface to be measured is bonded to a metal base plate using a metal bonding material. It is described that the vicinity of both ends of the metal base plate is used by being welded to an object to be measured by spot welding or the like.
  • Patent Document 1 a technique in which the vicinity of both ends of the short side of a rectangular thin plate to which a semiconductor strain sensor chip is metal-bonded is welded to the object to be measured and the distortion of the object to be measured is measured.
  • An object of the present invention is to realize measurement with good linearity even in the case of measuring compressive strain in a thin metal plate module in which a semiconductor strain sensor chip is metal-bonded.
  • This application includes a plurality of means for solving the above-mentioned problems. If one example is given, it has the following characteristics.
  • a strain sensor chip in which a piezoresistive element is formed on a semiconductor substrate, a wiring portion that draws wiring to the outside from an electrode of the strain sensor chip, and the strain sensor chip are joined.
  • a semiconductor strain sensor module comprising a metal plate and fixed to an object to be measured, wherein the end of the metal plate projects to the opposite side of the metal plate to which the strain sensor chip is joined A portion is provided.
  • strain measurement system is characterized in that the semiconductor strain sensor module is integrated with the measurement object.
  • FIG. It is the figure which showed the relationship between the welding process order and the distortion of the longitudinal direction of the metal thin plate 2 at the time of using the technique of patent document 1.
  • FIG. It is the figure which showed the relationship between the welding process order and the distortion
  • FIG. It is the figure which showed the relationship between the distortion
  • FIG. It is the figure which showed the relationship between the distortion
  • FIG. 1 is an example of the sensor module structure of the present embodiment.
  • the sensor chip 3 is joined to the central part of the rectangular thin metal plate 2 via the joint 5.
  • the protrusion part 4 is formed in the edge part of the short side of the metal thin plate 2 (it is needless to say that it must not be completely an edge, including the vicinity of the edge part. The same applies hereinafter).
  • the protruding portion 4 may be formed by partially processing the metal thin plate 2 by pressing, drawing, punching out, bending, etc., or as a separate member manufactured by welding, welding, joining, etc. It may be formed by bonding.
  • the protrusion 4 may be formed in a plurality of dot-like shapes as shown in FIG. Further, in FIG. 1, the protrusion 4 is provided at the end of the thin metal plate 2, but if the structure is provided with the welding portion 9 serving as a connection area on the side closer to the sensor chip 3 than the protrusion 4, A similar effect can be obtained even at a position away from the end. Further, a welded portion 9, which is a region for performing a welding process with the measurement object 8, is provided in a region between the protruding portion 4 and the sensor chip 3. The welded portions 9 are formed so as to face each other. Although not shown, a sensor output can be taken out by providing a wiring portion connected to the electrode on the upper surface of the sensor chip 3 using a technique such as wire bonding.
  • a sensor region 6 composed of an impurity diffusion resistor formed by impurity diffusion processing is formed at the center of the device formation surface of the sensor chip 3.
  • the sensor chip 3 is composed of two pairs of p-type impurity diffusion resistors 6 having the ⁇ 110> direction as a longitudinal direction and two pairs of p-type impurity diffusion resistors 6 having a ⁇ 110> direction as a longitudinal direction.
  • a bridge or a bridge composed of two pairs of n-type impurity diffused resistors 6 with the ⁇ 100> direction as the longitudinal direction and two pairs of n-type impurity diffused resistors 6 with the ⁇ 100> direction as the longitudinal direction. , It is desirable that either is formed.
  • a groove 7 is formed on the thin metal plate 2 on the surface facing the sensor chip 3.
  • the groove 7 may exist only around the sensor chip 3.
  • the protrusion 4 and the weld 9 need to be formed outside the groove 7 with respect to the sensor chip 3.
  • the sensor module 1 can obtain an output having high linearity with respect to tensile and compressive strains.
  • FIG. 3 it is possible to improve the linearity with respect to the compressive strain even when there is no groove 7.
  • the sensor module 1 is installed so that the protrusion 4 is in contact with the object 8 to be measured, and a spot welding electrode is placed in the vicinity of the protrusion 4 so that an electric current is passed.
  • the measurement object 8 is fixed. That is, in spot welding, only the contact area of the protrusion 4 with the object 8 to be measured is heated, so that only this portion can be easily joined.
  • the electrode rod for spot welding is strongly pressed so as to bend the metal thin plate 2 until it comes into contact with the object to be measured 8, and the welded portions 9 on both sides are welded to the object to be measured 8 with the sensor chip 3 interposed therebetween.
  • 6 and 7 show changes in the strain in the longitudinal direction of the thin plate at the center of the thin metal plate 2 as the process proceeds.
  • FIG. 6 shows the transition of the strain of the metal thin plate when five points are welded to the left end and then five points are welded to the right end.
  • pre-strain is hardly generated when the vicinity of the end of the short side of the metal thin plate 2 is simply welded.
  • FIG. 7 after welding the three projections at the left end and the three projections at the right end, the left welded portion closer to the tip than the projection is welded at five points, and the right weld 5
  • a large prestrain of tension can be applied.
  • the occurrence of pre-strain is small until the stage of welding of the protrusion, but after that, when the weld 9 is formed, a large tensile pre-strain (residual strain) appears.
  • FIG. 4 shows a strain measurement system completed by the process of FIG. That is, the object to be measured 8 and the metal thin plate 2 are connected by the protrusions 4 and the welded parts 9, and the tension between the welded parts 9 at both ends is kept substantially parallel to the surface of the object to be measured 8.
  • the pre-strain is applied.
  • the metal thin plate 2 does not rise while warping, and a sensor output with good linearity can be obtained.
  • the nonlinearity of the sensor output increases as the compressive strain increases as shown in FIG.
  • a value smaller than the actual strain is indicated.
  • linearity is ensured for both tensile strain and compressive strain as shown in FIG.
  • size of a pre-strain can be adjusted by adjusting the height of the projection part 4. FIG. That is, when measuring a large compressive strain, it is possible to accurately measure even a large compressive strain region by increasing the height of the protrusion 4.
  • the same effect can be obtained by forming the protruding portion with the ball 10, and the protruding portion is crushed even when a heavy load is applied compared to the case of punching or the like. There is an advantage that it is difficult. Further, when the roller 11 is used as shown in FIG. 11, there is an advantage that the number of welding operations is reduced in addition to the advantage when the ball 10 is used.
  • the thin metal plate 2 has the same coefficient of linear expansion as the object to be measured 8. That is, since both ends of the thin metal plate 2 and the welded portion 9 are connected, if the linear expansion coefficient is not approximately the same, thermal strain is generated, and there is a problem that measurement strain is easily affected by temperature.
  • a strain sensor module and a measurement system capable of measuring shear strain are shown.
  • the basic configuration is the same as that of the first embodiment, as shown in FIG. 12, the protrusion 4 and the weld 9 are present on the four sides of the thin metal plate 2. It is possible to measure shear strain with good linearity by welding the protrusions 4 and the welds 9 in the same order as in the first embodiment.
  • the thin metal plate 2 has a shape close to a square, and it is desirable that the sensor chip is located at the center of rotation.
  • the groove 7 may exist only around the sensor chip 3.

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

　半導体ひずみセンサチップを金属接合した金属薄板モジュールにおいて、圧縮ひずみを計測する場合にも線形性の良好な計測を実現することを目的とする。　半導体基板にピエゾ抵抗素子を形成したひずみセンサチップ３と、ひずみセンサチップ３の電極から外部に配線を引き出す配線部と、ひずみセンサチップ３が接合される金属板２を備え、測定対象物と固定される半導体ひずみセンサモジュールであって、金属板２の端部には、金属板２におけるひずみセンサチップ３が接合される側とは反対側に突出した突出部４が設けられることを特徴とする。

Description

ひずみセンサモジュールまたはひずみ計測システム
　本発明は、ひずみセンサモジュール等に関するものであり、特に測定対象物の貼り付け面内のひずみを計測するひずみセンサモジュールの実装構造およびこれを用いた計測システムに関する。
　本技術分野の背景技術として、特開2009-264976号公報がある。この公報には、被測定物の貼り付け面内のひずみを計測するひずみセンサチップを金属製のベース板に金属接合材料を用いて接合されることが記載されている。この金属製のベース板の両端部付近は被測定物にスポット溶接等を用いて溶着して用いることが記載されている。
特開2009-264976号公報
　上記特許文献１に見られるように、半導体ひずみセンサチップを金属接合した長方形薄板の短辺の両端部付近を被測定物に溶着させ、被測定物のひずみを計測する技術については、圧縮のひずみを計測しようとする場合に、薄板が浮き上がるように変形するために出力が圧縮ひずみに対して非線形になるという課題がある。本発明では、半導体ひずみセンサチップを金属接合した金属薄板モジュールにおいて、圧縮ひずみを計測する場合にも線形性の良好な計測を実現することを目的とする。
  本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、以下のような特徴である。
　即ち、本発明に係る半導体ひずみセンサモジュールは、半導体基板にピエゾ抵抗素子を形成したひずみセンサチップと、該ひずみセンサチップの電極から外部に配線を引き出す配線部と、前記ひずみセンサチップが接合される金属板を備え、測定対象物と固定される半導体ひずみセンサモジュールであって、前記金属板の端部には、該金属板における前記ひずみセンサチップが接合される側とは反対側に突出した突出部が設けられることを特徴とする。
　また、本発明に係るひずみ計測システムは、上記の半導体ひずみセンサモジュールが前記測定対象物と一体にされることを特徴とするものである。
　本発明によれば、圧縮ひずみを計測する場合にも線形性の良好な計測を実現可能な半導体ひずみセンサモジュールまたはひずみ計測システムを提供することが可能になる。
本発明によるひずみセンサモジュールの実装構造例を示した断面模式図および平面模式図である。（実施例１） 本実施例におけるひずみセンサの不純物拡散抵抗の配置例である。 本発明によるひずみセンサモジュールの実装構造例を示した平面模式図である。 本発明におけるひずみセンサモジュールを被測定物に被着させた構造例を示した断面模式図および平面模式図である。 本発明におけるひずみセンサモジュールを被測定物に被着させる手順を示した断面模式図である。 特許文献１の技術を用いた場合における、溶接工程順と金属薄板２の長手方向のひずみとの関係を示した図である。 本発明の技術を用いた場合における、溶接工程順と金属薄板２の長手方向のひずみとの関係を示した図である。 特許文献１の技術を用いた場合における、被測定物のひずみとセンサモジュールのセンサ出力との関係を示した図である。 本発明の技術を用いた場合における、被測定物のひずみとセンサモジュールのセンサ出力との関係を示した図である。 本発明における第１の実施例の他の方法を説明した断面模式図および平面模式図である。 本発明における第１の実施例の他の方法を説明した断面模式図および平面模式図である。 本発明による第２の実施例のひずみセンサモジュールの実装構造例を示した断面模式図および平面模式図である。 本発明による第２の実施例のひずみセンサモジュールの実装構造例を示した断面模式図および平面模式図である。
　以下、実施例を図面を用いて説明する。尚、下記はあくまでも実施例であって、本発明の実施態様が下記具体的例に限定されることを意図する趣旨ではない。　
　本実施例では、本発明を用いたセンサモジュール構造およびこれを用いたひずみ計測システムに関して説明する。
  図１は、本実施例のセンサモジュール構造の例である。長方形である金属薄板２の中央部には接合部５を介してセンサチップ３が接合されている。さらに金属薄板２の短辺の端部（完全に端でなければならない訳でないことは言うまでもなく、端部近傍も含むものである。以下、同様。）周辺に突起部４が形成されている。突起部４は、プレス加工や絞り加工、ポンチによる打ち出し、折り曲げによって金属薄板２を部分的に加工して形成しても良いし、別部材として製作したものを溶接や溶着、接合等の技術により接合して形成しても良い。また突起部４の形状は、図１に示すように点状のものを複数個形成しても良いし、線状に形成しても良い。また図１では金属薄板２の端部に突起部４が設けられているが、突起部４よりセンサチップ３に近い側に接続エリアとなる溶着部９を設ける構造であれば、金属薄板２の端部から離れた位置でも同様な効果を得ることが出来る。さらに、突起部４とセンサチップ３との間の領域には、被測定物８との溶着処理を行う領域である溶着部９が設けられている。溶着部９は、互いに相対して形成される。なお、図示していないがセンサチップ３の上部表面の電極とワイヤボンディング等の技術を用いて接続された配線部を設けることにより、センサ出力を外部に取りだすことが出来る。
　また図２に示すように、センサチップ３のデバイス形成面の中央部には、不純物拡散処理によって形成された不純物拡散抵抗から構成されたセンサ領域６が形成され、金属薄板２の表面の面内方向のひずみが計測可能となっている。センサチップ３には、＜110＞方向を長手とするp型不純物拡散抵抗６を２対と、これと直角方向の＜110＞を長手とするｐ型不純物拡散抵抗６の２対で構成されたブリッジ、もしくは＜100＞方向向を長手とするｎ型不純物拡散抵抗６の２対と、これと直角方向の＜100＞を長手とするｎ型不純物拡散抵抗６の２対で構成されたブリッジの、どちらかが形成されることが望ましい。
　さらに金属薄板２にはセンサチップ３との対向面に溝７が形成されている。溝７はセンサチップ３の周辺のみに存在するのでも良い。突起部４と溶着部９は、センサチップ３に対して溝７の外側に形成される必要がある。この溝７を形成することによって、金属薄板２の長手方向の引張ひずみを計測する場合の線形性を良好にすることが出来るという作用がある。これによって、引張と圧縮のひずみに対して高い線形性を持った出力が得られるセンサモジュール１とすることが出来る。しかし図３に示すように溝７がない場合でも圧縮ひずみに対する線形性を改善することは可能である。
　次に図４と図５を用いて、該センサモジュール１を被測定物８に接続する方法、および該センサモジュール１を被測定物８に接続して成る計測システムに関して説明する。
　図５に示すように、センサモジュール１を突起部４が被測定物８に接するように設置し、突起部４の近傍にスポット溶接の電極を置いて電流を流すことで、突起部４と被測定物８を固着させる。すなわち、スポット溶接では突起部４の被測定物８との接触領域のみ加熱されるために容易にこの部分のみの接合が可能である。さらに、被測定物８に接するまで金属薄板２を曲げるようにスポット溶接の電極棒を強く押し当て、センサチップ３を挟んで両側の溶着部９を被測定物８に溶着させる。図６、図７には処理の進行に伴う金属薄板２の中央部の薄板長手方向のひずみの変化を示す。横軸は点状の溶接の工程順を示す。すなわち図６は、左端部に５点溶接し、その次に右端部に５点溶接した時の金属薄板のひずみの推移を示してある。本図に示すように単に金属薄板２の短辺の端部付近を溶接しただけであると予ひずみはほとんど発生していない。これに対し、図７に示すように、左端部の突起部３点、右端部の突起部３点を溶接した後に、突起部よりチップ寄りの左側溶接部を５点溶接し、右側溶接部５点を同様に溶接した場合、すなわち本発明のセンサモジュール１を図５に示す手順でスポット溶接することにより、大きな引張の予ひずみを付与することが出来ている。図７では突起部の溶着の段階までは予ひずみの発生は小さいが、その後に溶着部９の形成時において大きな引張の予ひずみ（残留ひずみ）が発現している。
　図４には、図５の処理によって完成したひずみ計測システムを示す。すなわち、被測定物８と金属薄板２とは突起部４と溶着部９で接続されており、両端の溶着部９の間は被測定物８の表面にほぼ平行な状態を保ちながら、引張の予ひずみを付与された状態となっている。これによって被測定物８に圧縮のひずみが負荷された場合においても、金属薄板２が反りながら浮かび上がることがなく、線形性の良好なセンサ出力を得ることが出来る。単に金属薄板２の短辺の端部付近を溶接しただけであり、引張の予ひずみが付与されていない状態では、センサの出力は図８のように圧縮ひずみが大きくなるにつれて非線形性が大きくなり、実際のひずみより小さい値が示されるようになる。これに対し、本発明によれば、図９に示すように引張ひずみ、圧縮ひずみの両方に対して線形性が確保されている。なお、突起部４の高さを調整することにより、予ひずみの大きさを調整することが出来る。すなわちこれによって大きな圧縮ひずみを計測する場合には、突起部４の高さを高くすることによって大きな圧縮ひずみの領域まで精度良く計測することが可能となる。
　なお、本実施例ではスポット溶接を用いた例を示したが、その他の溶接方法もしくは接着方法でも同様な効果を期待できる。
　また、図10に示すように突起部をボール10で形成するのでも同様な効果が得られ、またポンチなどの打ち出しの場合と比較して、大荷重が負荷された場合においても突起部が潰れにくいという利点がある。また図11に示すようにコロ11を用いると、ボール10を用いた時の利点に加え、溶接の作業回数が減少するという利点がある。
　また金属薄板２は被測定物８と線膨脹係数が同程度であることが望ましい。すなわち、金属薄板２および溶着部９の両端を接続するために、線膨脹係数が同程度でないと熱ひずみが発生し、計測ひずみが温度の影響を受けやすくなるという問題が発生する。
　本実施例では、せん断ひずみを計測することが可能なひずみセンサモジュールおよび計測システムを示す。基本構成は実施例１と同様であるが、図12に示すように、金属薄板２の四辺に突起部４と溶着部９が存在する。この突起部４および溶着部９を実施例１と同様な順番で溶着させることで線形性の良好なせん断ひずみの計測が可能となる。また金属薄板２は正方形に近い形状であり、その回転中心にセンサチップが位置するのが望ましい。
　なお、図13に示すように、溝７がセンサチップ３の周辺のみに存在するのでも良い。
　上記各実施例においては、センサモジュールを被測定物に溶着させる時点において、該金属薄板の長手方向に引張の残留ひずみを予め負荷させることが可能となるため、被測定物に圧縮のひずみが負荷された場合においても、引張の予ひずみと相殺されるため該金属薄板が浮かび上がるように変形することがなく、線形性を確保した計測が可能となる。すなわち図５に示すように、該金属薄板２の二短辺の端部付近に設けた突起部４を被測定物に溶着させた後に、突起部４よりセンサチップ３に近い領域を溶着部９として被測定物に溶着させることにより、金属薄板２の長手方向に引張の残留ひずみを付与することが出来、圧縮のひずみを計測する場合においても該金属薄板が浮かび上がるように変形することがなく、線形性を確保した計測が可能となる。
１　センサモジュール
２　金属薄板
３　センサチップ
４　突起部
５　接合部
６　拡散接合層
７　溝
８　被測定物
９　溶着部
10　ボール
11　コロ

Claims (8)

  1. 　半導体基板にピエゾ抵抗素子を形成したひずみセンサチップと、該ひずみセンサチップの電極から外部に配線を引き出す配線部と、前記ひずみセンサチップが接合される金属板を備え、測定対象物と固定される半導体ひずみセンサモジュールであって、
    　前記金属板の端部には、該金属板における前記ひずみセンサチップが接合される側とは反対側に突出した突出部が設けられることを特徴とする半導体ひずみセンサモジュール。
  2. 　請求項１に記載の半導体ひずみセンサモジュールであって、
    　前記金属板は前記突出部が設けられる側において、前記測定対象物と２つ以上の接続エリアで固着され、
    　２つの前記接続エリアは互いに相対することを特徴とする半導体ひずみセンサモジュール。
  3. 　請求項２に記載の半導体ひずみセンサモジュールであって、
    　該半導体ひずみセンサモジュールを前記ひずみセンサチップ側から見て、前記突出部よりも内側となる位置に前記接続エリアは形成されることを特徴とする半導体ひずみモジュール。
  4. 　請求項３に記載の半導体ひずみセンサモジュールであって、
    　前記金属板には、前記突出部が設けられる側において、前記ひずみセンサチップの周囲を覆う様に溝が形成されることを特徴とする半導体ひずみセンサモジュール。
  5. 　請求項４に記載の半導体ひずみセンサモジュールであって、
    　該半導体ひずみセンサモジュールを前記ひずみセンサチップ側から見て、前記接続エリアよりも内側に、前記溝は形成されることを特徴とする半導体ひずみモジュール。
  6. 　請求項３ないし５のいずれか一つに記載の半導体ひずみセンサモジュールが前記測定対象物と一体にされるひずみ計測システム。
  7. 　請求項６に記載のひずみ計測システムであって、
    　前記金属板のうちで、前記突出部が設けられる部位よりも、前記接続エリアは前記測定対象物に近くに位置することを特徴とするひずみ計測システム。
  8. 　請求項６または７に記載のひずみ計測システムにおいて、前記金属板は前記測定対象物と同程度の線膨脹係数を有することを特徴とするひずみ計測システム。
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