WO2022239589A1 - 圧力センサモジュールおよび分注装置 - Google Patents
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- G01N35/10—Devices for transferring samples or any liquids to, in, or from, the analysis apparatus, e.g. suction devices, injection devices
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Definitions
- the present invention relates to a pressure sensor module and a dispensing device, for example, to one to which a piezoresistive semiconductor element is applied.
- a typical pressure sensor has a diaphragm formed on a part of a semiconductor substrate on which a piezoresistive element is formed.
- the diaphragm When the diaphragm is deformed by the external pressure of a liquid or gas, the amount of change in the semiconductor element is detected by a Wheatstone bridge circuit. The resistance change is electrically measured by, for example, and converted into a pressure value for measurement.
- an anisotropic etching method or a dry etching method of silicon is applied to the back side of the surface of the semiconductor substrate on which the detection element is formed, so that part of the semiconductor substrate is thinned. , a diaphragm is formed.
- a sensing portion of a semiconductor substrate on which a piezoresistive element or the like is formed is processed to be thin to an arbitrary thickness, and by thinning, the diaphragm can be easily deformed when pressure is applied.
- Patent Document 1 discloses a pressure sensor in which a member obtained by bonding a glass substrate to a semiconductor substrate on which a diaphragm is formed by a bonding technique such as anodic bonding is mounted in the vicinity of a pressure introduction hole of a housing for measuring pressure. It is Disclosed is an example in which a protrusion is installed at the outlet of a pressure introduction hole formed inside a pressure introduction pipe with dimensions matching the inner diameter of the pressure introduction hole, and the thickness of the bonding layer is determined by the height of the protrusion. ing.
- FIG. 1 is a diagram showing the basic configuration of the dispensing device 1 of Example 1.
- the dispensing device 1 has a pressure sensor module 15 .
- a flow path system of the dispensing device 1 includes a nozzle 2 , a syringe pump 4 , an electromagnetic valve 5 , a gear pump 6 and a system water tank 7 .
- the material of the piezoresistive semiconductor element 3 applied to FIGS. 3 and 4 is preferably silicon, and the thickness is, for example, preferably 100 ⁇ m or less, particularly preferably 50 ⁇ m or less.
- the thickness of the silicon becomes thinner, it becomes possible to expand the deformation area with respect to minute pressure fluctuations, and it is possible to improve the detection accuracy.
- FIG. 13 shows plan views of various modifications.
- FIG. 13(a) shows an example in which two positioning projections 38b arranged at the corners of the piezoresistive semiconductor element 3 are arranged. preferably. The corners of the positioning protrusion 38b where the X direction and the Y direction intersect may be chamfered as shown. With this configuration, positioning can be performed with a small number of positioning protrusions 38b.
- the positioning protrusion 38d which is partly chamfered, is positioned at a position corresponding to the center of the piezoresistive semiconductor element 3 in the X direction and deviated from the center of the piezoresistive semiconductor element 3 in the Y direction. Shown is an example in which the In this example, other structures may be used for the positioning method of the piezoresistive semiconductor element 3 as long as the outer circumference is aligned.
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Abstract
圧力計測の精度を改善する圧力センサモジュールおよび分注装置を提供する。 圧力センサモジュールは、流路および分岐路が形成された流路基板と、圧力を検出する歪検出部と、備える。前記分岐路は、前記流路から分岐し、一端において前記歪検出部に接続され、前記歪検出部は、前記分岐路の前記一端を塞ぐように、少なくとも部分的に接合層を介して配置され、前記分岐路の前記一端を囲むように突起部が設けられる。
Description
本発明は圧力センサモジュールおよび分注装置に関し、たとえば、ピエゾ抵抗型半導体素子を適用したものに関する。
一般的な圧力センサは、ピエゾ抵抗素子などが形成された半導体基板の一部にダイヤフラムが形成され、液体もしくは気体の外部圧力によりダイヤフラムが変形することで、その半導体素子の変化量をホイートストンブリッヂ回路などで抵抗変化を電気的に計測し、圧力値に変換して計測する。半導体基板に形成されたダイヤフラムの作製方法として、半導体基板の検出素子が形成された面の裏側にシリコンの異方性エッチング法もしくはドライエッチング法を適用して、半導体基板の一部が薄膜化され、ダイヤフラムが形成される。このように半導体基板をエッチングすることで、一定の計測面積が形成できる。ピエゾ抵抗素子などが形成された半導体基板のセンシング部は任意の厚さとなるまで薄く加工され、薄膜化することで、圧力印加時に、ダイヤフラムを容易に変形させることができる。
特許文献１には、ダイヤフラムが形成された半導体基板に、ガラス基板を陽極接合などの接合技術によって接合された部材が、圧力を測定する筐体の圧力導入孔近傍に実装された圧力センサが開示されている。圧力導入パイプ内部に形成された圧力導入孔の出口に突起部が、圧力導入孔の内径と一致する寸法で設置されており、突起部の高さによって接合層の厚さが決まる例が開示されている。
また、特許文献２には分注装置において、分注異常検出などを高精度に実施するためにノズル近傍の微小な圧力変化を測定する構造が開示されている。詳細には、分注する液体の流路の途中に歪み測定部を配置し、液体を通過させる第１流路を有し、第１流路と接する第１面の剛性は第２面の剛性と比較して低いことを特徴とし、歪み測定部は剛性の低い第１面に配置されている。さらに、他の構成として歪みセンサチップは流路の外壁の一部として使用されている構造が開示されている。
しかしながら、従来の技術では、圧力計測の精度に限界があるという課題があった。
特許文献１の圧力センサの構造には、圧力センサの裏面側からエッチングによってダイヤフラムを形成することで一定の計測面積を確保できる点は優れているが、それを計測する孔に設置する際にガラス台座に貼付けている構造は接合部が２箇所となっており、生産性が考慮されていない。
また、エッチングによって形成されるダイヤフラムでは、エッチングによる微小な厚さばらつきが発生し、製品ごとに圧力センサの検出感度にばらつきが発生する課題がある。圧力導入孔と同じ径の突起を形成しているため、シリコンのセンサチップと突起との間には必然的にガラス台座を導入する構成となるため、流路は必然的に縦長構造となる。そのため、圧力の測定対象が液体の場合には圧力導入孔は縦長構造のため、気泡の混入による影響で正確な圧力計測が困難になる可能性がある。なお、圧力を計測する物質が液体か気体かの記述はない。
特許文献２の構造では、分注装置の微小な圧力変化を測定する構造はノズル近傍に歪みセンサチップを配置していることから、計測感度が向上する点で優れているが、歪み測定部は第１流路と接する剛性の低い第１面に配置されているため、圧力を計測する感度が低下する可能性がある。さらに、歪み測定部は流路の外壁の一部として使用されていると記載されているが、詳細な構造は開示されていない。
本発明の目的は、圧力計測の精度を改善する圧力センサモジュールおよび分注装置を提供することにある。
本発明に係る圧力センサモジュールの一例は、
流路および分岐路が形成された流路基板と、
圧力を検出する歪検出部と、
を備える圧力センサモジュールであって、
前記分岐路は、前記流路から分岐し、一端において前記歪検出部に接続され、
前記歪検出部は、前記分岐路の前記一端を塞ぐように、少なくとも部分的に接合層を介して配置され、
前記分岐路の前記一端を囲むように突起部が設けられる。
流路および分岐路が形成された流路基板と、
圧力を検出する歪検出部と、
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前記分岐路は、前記流路から分岐し、一端において前記歪検出部に接続され、
前記歪検出部は、前記分岐路の前記一端を塞ぐように、少なくとも部分的に接合層を介して配置され、
前記分岐路の前記一端を囲むように突起部が設けられる。
本発明に係る分注装置の一例は、上述の圧力センサモジュールを備える。
本明細書は本願の優先権の基礎となる日本国特許出願番号2021-081572号の開示内容を包含する。
本明細書は本願の優先権の基礎となる日本国特許出願番号2021-081572号の開示内容を包含する。
本発明に係る圧力センサモジュールおよび分注装置によれば、圧力計測の精度が向上する。
たとえば、流路に形成された分岐路出口にピエゾ抵抗素子が形成された薄膜の半導体基板が配置されている圧力センサモジュールを、ノズル近傍に配置することで、ノズルでの吸引吐出の微小な圧力変化を把握できる。このため、計測分注異常検出および分注量推定を高精度に検出できる分注装置を提供することができる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施例で説明する。
以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。
［実施例１］
本発明の実施例１を図１から図３を参照し説明する。
本発明の実施例１を図１から図３を参照し説明する。
図１は実施例１の分注装置１の基本構成を示す図である。分注装置１は圧力センサモジュール１５を備える。分注装置１の流路系は、ノズル２と、シリンジポンプ４と、電磁弁５と、ギアポンプ６と、システム水タンク７を備え、各部品は配管８に関連して接続される。
シリンジポンプ４は、容器９と、プランジャ１０と、ボールねじ１１と、駆動モータ１２とを備える。駆動モータ１２は、サンプル分注機構１３などを駆動するモータと同様に制御基板１４により制御される。アーム１６内には圧力センサモジュール１５を備える。アーム１６は、液体を吸引・吐出する位置に移動するため、回転と上下動作が可能である。
図２は吸引直後の配管８内状態を示す図である。配管８内はシリンジ圧力伝達用の水であるシステム水２１で満たされており、シリンジポンプ４による圧力を伝達することにより、ノズル２から液体２２を吸引および吐出することができる。
ノズル２から液体２２を吸引するときは、電磁弁５を閉にした状態で、シリンジポンプ４内のプランジャ１０を引く。反対にノズル２から液体を吐出するときは、電磁弁５を閉にした状態で、シリンジポンプ４内のプランジャ１０を容器９に押し込む。サンプルなどの液体２２を吸引する場合は、液体２２が配管８内のシステム水２１と混ざらないように、ノズル２で分節するための分節空気２３を吸引した後で、液体２２の吸引を行う。
また、吐出後にはノズル２の洗浄を行う。ノズル２の洗浄では、ノズル２の外壁に洗浄用の水をあてると同時に、流路内部のシステム水２１を押し出す。洗浄時のノズル２内のシステム水２１の押し出しには、電磁弁５を開にしてギアポンプ６の圧力を利用することで、シリンジポンプ４で押し出すときよりも高圧でシステム水２１が送り出される。
分注動作中に生じる可能性のあるノズルの詰まりや空吸い等の異常を検知するため、配管８に圧力センサモジュール１５を備えている。圧力センサモジュール１５は、システム水２１の圧力をモニタリングし、ノズル２の詰まりや空吸い等の異常が生じたときに発生する圧力変化を検知することができる。
本実施例では、ノズル２の圧力変化を敏感にとらえるため、なるべくノズル２に近い位置であるアーム１６内に圧力センサモジュール１５を設置しているが、圧力センサモジュール１５の設置位置はアーム１６内に限定されない。例えばサンプル分注機構１３の内部に、配管８に沿って設置してもよい。
図３を用いて、本実施例に係る圧力センサモジュール１５ａの構造を説明する。図３は本発明の圧力センサモジュール１５ａの構造を示す図である。なお、本明細書および添付図面では、説明の便宜上、圧力センサモジュール１５ａの長辺方向をＹ方向、短辺方向をＸ方向、高さ方向をＺ方向としているが、この方向の定義は本発明の実施に本質的なものではない。
図３（ａ）は圧力センサモジュール１５ａの分解斜視図を示しており、図３（ｂ）は断面図を示している。圧力センサモジュール１５ａは流路基板２５を備える。流路基板２５には、内部に流路３３が形成されており、流路入口３３ａおよび流路出口３３ｂには、図示しないネジ部が設けられ、流路３３は、図２に示した分注装置１の配管８と継手を介して接続可能となっている。
また、流路基板２５の内部には、流路３３から流路基板２５の外面（Ｚ方向）に向かって分岐した分岐路３４が形成されている。圧力センサモジュール１５ａはピエゾ抵抗型半導体素子３を備え、ピエゾ抵抗型半導体素子３は、分岐路３４の終端部を塞ぐように配置されている。ピエゾ抵抗型半導体素子３は、圧力を検出する歪検出部の例である。
このように、分岐路３４は、流路３３から分岐し、終端部（一端）においてピエゾ抵抗型半導体素子３に接続される。
ピエゾ抵抗型半導体素子３は、分岐路３４の終端部を塞ぐように、少なくとも部分的に接合層３２を介して配置される。ピエゾ抵抗型半導体素子３は、流路基板２５に接合層３２を介して接合されている。
流路基板２５の分岐路３４の終端部近傍には、終端部を囲むように突起部３１ａが設けられている。本実施例では、突起部３１ａは、終端部において分岐路３４の外周を囲む環状の構造である。また、本実施例では、突起部３１ａは、流路基板２５の一部として形成される。突起部３１ａの周囲を囲むように接合層３２が設けられている。
突起部３１ａの高さによって接合層３２の厚さを決めることができる。本実施例では、突起部３１ａの内周の形状を円形と仮定した場合、突起部３１ａの内側の寸法（内径）Ｘ１は、分岐路３４の内側の寸法（内径）Ｘ２と比較して、Ｘ１＝Ｘ２の関係にある。
流路を流れるシステム水２１の圧力変化で、ピエゾ抵抗型半導体素子３がたわみ変形し、その歪みによる抵抗値変化を測定することによって、シリンダ内を流れるシステム水２１の圧力を測定する。
図４を用いて、実施例１の変形例に係る圧力センサモジュール１５ｂの構造を説明する。図４は本発明の圧力センサモジュール１５ｂの構造を示す図である。図４（ａ）は圧力センサモジュール１５ｂの分解斜視図を示しており、図４（ｂ）は断面図を示している。以下、実施例１と共通する部分については説明を省略する場合がある。
流路基板２５の分岐路３４の終端部近傍には突起部３１ｂが設けられており、突起部３１ｂの周囲を囲むように接合層３２が設けられている。突起部３１ｂは、分岐路３４の外側に形成されており。突起部３１ｂ内側の寸法（内径）Ｘ１は、分岐路３４の内側の寸法（内径）Ｘ３と比較して、Ｘ３＜Ｘ１の関係にある。すなわち、突起部３１ｂの内側の寸法は、分岐路３４の内側の寸法より大きい。
流路を流れるシステム水２１の圧力変化で、ピエゾ抵抗型半導体素子３が変形し、その歪みによる抵抗値変化を測定することによって、シリンダ内を流れるシステム水２１の圧力を測定する。
システム水によって圧力が分岐路３４に印加された場合、図３に示した分岐路の体積と比較して、図４の構造では分岐路の体積は小さい。そのため、配管抵抗が小さくなり圧力測定の応答速度を早くできる構造となる。
一方、突起部３１ｂの内径にもシステム水の圧力が印加され、ピエゾ抵抗型半導体素子３はたわみ変形して、そのひずみを測定するが、たわみ変形に寄与する面積は突起部３１ｂの内径で決まる。そのため、この構造では、分岐路３４の内径寸法に対して、突起部３１ｂの内径寸法は大きく形成すると好適である。
図３及び図４に適用するピエゾ抵抗型半導体素子３の材質はシリコンを適用することが好ましく、厚さは例えば、１００μｍ以下が好ましく、５０μｍ以下が特に良い。シリコンの厚さが薄くなると微小な圧力変動に対して、変形域を拡大することが可能となり、検出精度を向上させることができる。
なお、ピエゾ抵抗型半導体素子３の薄膜化加工方法には研削加工および化学機械研磨加工（CMP: Chemical Mechanical Polishing）を適用して薄膜化できる。この方法では厚さばらつきが発生しにくく、均一な厚さのピエゾ抵抗型半導体素子を形成できるため生産性に優れている。
なお、ピエゾ抵抗型半導体素子３を薄膜化加工によって、薄くした場合、ピエゾ抵抗型半導体素子３の構造またはシリコン材料の電気伝導度によって、電気的リークの可能性が想定されるが、これはたとえば、薄膜化したピエゾ抵抗型半導体素子３の表面に、薄膜の絶縁物を形成することで対応できる。また、接合層３２に用いる接着材料との密着性を向上するため、ピエゾ抵抗型半導体素子３の表面または流路基板２５の表面に、薄膜の金属膜などを形成してもよい。
接合層３２にはエポキシ系接着剤、銀ペースト、熱拡散接合、熱硬化型接着剤、ＵＶ付加型接着剤、低融点ガラス等を適用できる。また、流路基板２５の材質はステンレス鋼が好ましく、耐食性の高い金属（たとえばアルミニウム、チタンなど）を適用してもよい。さらにアクリルなどの樹脂材料を適用してもよい。
突起部３１ａおよび３１ｂの加工方法の一例として、金属および樹脂材料の場合はフライス盤で突起部を形成後、所定の厚さになるまで、研削加工を実施することで、目的の高さの突起部を形成できる。また、突起部３１ａおよび３１ｂの幅はピエゾ抵抗型半導体素子３のサイズ等に応じて任意に決定可能であり、たとえば数十ミクロンから数ミリの範囲で自由に選定できる。形状も円形、楕円形、多角形など自由に選定できる。
突起部３１ａおよび３１ｂの高さは任意に設計可能であるが、薄膜のピエゾ抵抗型半導体素子３を分岐路終端部に直接、設置する構造を適用することで、分岐路終端部までの距離が短いことから、流路を流れるシステム水の圧力変化を精度よく検知することができ、圧力を検知する速度が速くなる利点がある。このため、突起部３１ａおよび３１ｂの高さはたとえば１００μｍ以下が好適であり、４０μｍ以下がさらに好適である。
また、図３（ｂ）に示すように突起部３１ａおよび３１ｂの高さ突起高さを５０μｍ以下とすると、接合層３２もこれに応じて薄くなるので、条件の変化（温度上昇等）に伴う接合層３２の膨張を抑制することができ、ピエゾ抵抗型半導体素子３の変形を回避できる。
なお、本実施例では、歪検出部であるピエゾ抵抗型半導体素子３は薄膜の半導体素子を備え、圧力を高い精度で計測することができる。変形例として、歪検出部にピエゾ抵抗型半導体素子に限らず、歪みゲージや、圧電素子などを適用してもよい。
次に、図５を用いてピエゾ抵抗型半導体素子３に形成した突起部３１ｂの効果について説明する。図５（ａ）は比較のための参考例であり、流路基板２５内部に形成された分岐路３４の終端部近傍に突起部が形成されていない構造で、接合層３２（３２ａ、３２ｂ）を介して、ピエゾ抵抗型半導体素子３を実装する場合に対応する。
図５（ｂ）は図４の構成に対応し、流路基板２５内部に形成された分岐路３４の終端部近傍に突起部３１ｂが形成されている構造で、接合層３２を介して、ピエゾ抵抗型半導体素子３を実装する場合を示す。
ピエゾ抵抗型半導体素子３が水圧によって変形する範囲を変形部１７と仮定する。図５では変形部１７はピエゾ抵抗型半導体素子３の片面側の領域であるが、ピエゾ抵抗型半導体素子３の一面から他面まで貫通する領域であってもよい。
図５（ａ）より、流路基板２５表面に突起部が形成されていない構造では実装時に、ピエゾ抵抗型半導体素子３ａは薄膜であることからハンドリングが難しく、専用の治具を適用する場合でも流路基板２５表面と平行に実装することが困難であると予測できる。そのため、接合層３２ａおよび接合層３２ｂの粘性の影響を受けやすく、粘性が低い場合には、厚さの変動が容易に発生しやすい。
その結果、平行に荷重を印加しても、接合層が固化する際に、接合層の内部応力の差（接合層３２ａおよび接合層３２ｂの厚さの違い）によって、ピエゾ抵抗型半導体素子３は高さの差θに対応する、０でない角度を有して実装される可能性がある。
また、ピエゾ抵抗型半導体素子３ａを接合層に押し付けた時に接合層はＹ方向に流動するため、本来、水圧によって変形させるべきピエゾ抵抗型半導体素子３の必要な変形領域がＸ４の範囲であったとしても、実際の変形領域がＸ５の範囲に限定され、性能が低下するおそれがある。すなわち、変形部１７はＸ５の範囲でしか変形できなくなる。
一方、粘性が高い接合層を適用する場合でも、ピエゾ抵抗型半導体素子３ａを接合層に押し付けた時に接合層はＹ方向に流動するため、同様に変形領域が限定され、性能が低下する。
図４の構成では、図５（ｂ）に示すように、流路基板２５表面に突起部３１ｂが形成されているため、接合層３２は内側に侵入することなく、余分な接着剤はピエゾ抵抗型半導体素子３ｂの外周部にはみ出すことで接合層の膜厚を一定にすることができる。この例では、突起部３１ｂの高さは接合層３２の厚さに等しくなっており、ピエゾ抵抗型半導体素子３ｂは流路基板２５表面と平行に実装することができる。
また、この例では、突起部３１ｂの内側の面積は、ピエゾ抵抗型半導体素子３ｂの圧力計測面積（すなわち変形部１７の面積）と一致する。このような構成によれば、変形部１７は適切な範囲Ｘ４の全体で変形が可能となる。
以上説明するように、実施例１に係る圧力センサモジュール１５ａ，１５ｂおよび分注装置１によれば、圧力計測の精度が向上する。
なお、突起部３１ｂおよびピエゾ抵抗型半導体素子３ｂの接触部については、接合層３２の一部分（特に粘度が低く、毛細管現象で移動しやすい成分）が、接触部に侵入する可能性がある。ピエゾ抵抗型半導体素子３ｂの変形領域の外側に突起部３１ｂを設けると、接合層３２が接触部に侵入した場合でも、変形領域を適切に確保することができる。
変形例として、流路基板２５に突起部を形成する構造以外に、他の構造を適用することができる。図６は、実施例１の変形例に係る別の突起構造を示す断面図である。この例では、突起部３１ｄがピエゾ抵抗型半導体素子３に形成される。
突起部３１ｄはピエゾ抵抗型半導体素子３の表面に、一体に接合された構造となっている。形成方法としては、例えば、厚膜のレジストやポリジメチルシロキサン樹脂（PDMS: Polydimethylsiloxane）をピエゾ抵抗型半導体素子３のピエゾ抵抗が形成されていない面に塗布した後、フォトリソ技術によって数十μｍの厚さでパターニング形成を行うことができる。この構成では流路基板２５表面に突起部を形成する必要がなく、接合層の厚さを突起部３１ｄの厚さによって決定することが可能となる。
また、図７は実施例１のさらに別の変形例に係る突起構造を示す断面図である。この例では接合層の厚さおよびピエゾ抵抗型半導体素子３の圧力による変形範囲を一定にすることを目的としている。このため、図７に示すようにスペーサー３１ｃを挟み込んで、その周囲に接合層３２を設け、ピエゾ抵抗型半導体素子３を固定することができる。
スペーサー３１ｃの材質はステンレス鋼、樹脂、ゴム材料、テフロン（登録商標）などの各種材料を適用することができる。また、スペーサー３１ｃの断面形状は図に示すように矩形状が好ましいが、台形、他の四角形、楕円形、円形、等を適用することができる。なお、Ｏリングのような円形断面のスペーサーを適用する場合には、ピエゾ抵抗型半導体素子３に印加する圧力によって変形させてもよい。また、スペーサー３１ｃは機械加工によって形成する方法の他に三次元造形技術を適用して形成してもよい。
［実施例２］
本発明の実施例２を図８の断面図を用いて説明する。以下、実施例１と共通する部分については説明を省略する場合がある。
本発明の実施例２を図８の断面図を用いて説明する。以下、実施例１と共通する部分については説明を省略する場合がある。
図８（ａ）は流路基板２５の分岐路３４出口近傍に斜面部３５を円周状に形成した構造。図８（ｂ）は流路基板２５の分岐路３４出口近傍に曲面部３９を円周状に形成した構造を示す。両構造ともに流路基板２５に形成された突起部３１ｂは、分岐路３４出口の外側に形成されている。突起部３１ｂの外周部には接合層３２が形成されている。
図８（ａ）および（ｂ）の構造では、分岐路３４の終端部側に面取り部が設けられる。面取り部は、図８（ａ）の例では断面が直線状のテーパ面によって構成され、図８（ｂ）の例では断面が曲線状の曲面によって構成されている。流路基板２５の分岐路出口近傍が、開放的な構造となっていることから、システム水の圧力計測時にピエゾ抵抗型半導体素子３に水圧が円滑に印加される。このため、システム水の圧力抵抗が減少し、計測速度が向上する。このように流路基板２５の分岐路３４出口近傍が面取りされた構造であれば他の形状を適用してもよい。
［実施例３］
本発明の実施例３を以下に説明する。実施例１または２と共通する部分については説明を省略する場合がある。
本発明の実施例３を以下に説明する。実施例１または２と共通する部分については説明を省略する場合がある。
ピエゾ抵抗型半導体素子は最終的に研削加工および化学機械研磨加工によって薄膜化される。そのため、薄膜化されたピエゾ抵抗型半導体素子単体は、流路基板２５に接合する場合に破損する可能性がある。
ピエゾ抵抗型半導体素子単体での接合時における破損防止および取り扱いを向上させる構造として、実施例３に係る構成を図９の断面図を用いて説明する。
図９に示すように、圧力センサモジュールは、ピエゾ抵抗型半導体素子３を上側（すなわち分岐路３４の反対側）から覆うキャップ３６を備える。キャップ３６は樹脂接合層１８によってピエゾ抵抗型半導体素子３に接合されている。ピエゾ抵抗型半導体素子３とキャップ３６の間には空間３７が形成されており、ピエゾ抵抗型半導体素子３が圧力印加によって変形しても、変形した部分はキャップ３６と接触しない構造となっている。
ピエゾ抵抗型半導体素子３の端部周辺には外部との電気的な信号のやり取りを行う電極パッドが形成される場合があるため、キャップ３６の寸法はピエゾ抵抗型半導体素子３の外径寸法と比較して小さく形成すると好適である。
キャップ３６の材質にはシリコンやガラスを適用することができる。また、樹脂接合層１８の材料にはベンゾシクロブテンなどの高分子材料を適用することができる。この材料は厚膜化が可能で、パターニング可能な材料であり、温度付加によって接合強度も得られる。
次に図１０の断面図を用いて樹脂接合層１８と流路基板２５表面に形成された突起部３１ｂとの位置関係について説明する。なお、ピエゾ抵抗型半導体素子３において、圧力印加によって変形する領域を変形部４０として示す。図１０では変形部４０はピエゾ抵抗型半導体素子３の片面側の領域であるが、ピエゾ抵抗型半導体素子３の一面から他面まで貫通する領域であってもよい。
図１０（ａ）はキャップ３６に形成された樹脂接合層１８ａの内側の寸法（内径）と流路基板２５に形成された突起部３１ｂの内側の寸法（内径）とが同一の寸法である場合である。この例では、ピエゾ抵抗型半導体素子３の水圧による変形は、キャップ３６下方に形成された樹脂接合層１８ａの内側の寸法（内径）の範囲内で、変形部４０がＺ方向に変位する。
図１０（ｂ）は、キャップ３６に形成された樹脂接合層１８ｂと流路基板２５に形成された突起部３１ｂとが部分的に重なり合った状態を示す。この例では、ピエゾ抵抗型半導体素子３の水圧による変形は、キャップ３６下方に形成された樹脂接合層１８ｂの内径の範囲内で、変形部４０がＺ方向に変形する。
一方、図１０（ｃ）はキャップ３６に形成された樹脂接合層１８ｃの内側の寸法（内径）が流路基板２５に形成された突起部３１ｂの外側の寸法（外径）と比較して大きい場合を示す。この構造では、流路基板２５に、ピエゾ抵抗型半導体素子３を接合層３２を介して接合する場合、キャップ３６に形成された樹脂接合層１８ｃと突起部３１ｂとの位置がＺ方向から見て一致していないため、接合時のせん断応力によって、ピエゾ抵抗型半導体素子３の内部に亀裂２４が発生し、割れてしまう可能性があるので、これを防止するための補強構造等が必要となる。
このような補強構造を不要とするためには、図１０（ａ）および（ｂ）に示すように、分岐路３４の軸方向から見た場合に、キャップ３６とピエゾ抵抗型半導体素子３とが接触する領域と、突起部３１ｂとピエゾ抵抗型半導体素子３とが接触する領域とが、少なくとも部分的に重なり合っている構成が好適である。
［実施例４］
本発明の実施例４を図１１を用いて説明する。実施例１～３のいずれかと共通する部分については説明を省略する場合がある。
本発明の実施例４を図１１を用いて説明する。実施例１～３のいずれかと共通する部分については説明を省略する場合がある。
図１１は本実施例に係る流路基板２５の別の構造を示す断面図である。実施例４では、流路基板２５は、突起部３１ｂの外縁より外側に溝１９を備え、溝１９には接合層３２の一部を配置することができ、この点が実施例１～３と異なる。その他の構成は他の実施例（たとえば図９）と同様とすることができるため説明は省略する。
このような構造を適用することで、接合層３２が流路基板２５と接触する部分の表面積を増加させることが可能であり、かつ、接合層３２の厚さを十分に確保することが可能である。そのため、接合層３２の接着強度を向上させることができる。また、接合層３２が外周部へはみ出す量も減少させることができる。
［実施例５］
本発明の実施例５を図１２を用いて説明する。実施例１～４のいずれかと共通する部分については説明を省略する場合がある。
本発明の実施例５を図１２を用いて説明する。実施例１～４のいずれかと共通する部分については説明を省略する場合がある。
図１２は本実施例に係る流路基板２５の構造を示す平面図および断面図である。ピエゾ抵抗型半導体素子３の位置を決めるための位置決め突起３８ａが、流路基板２５に形成されている。位置決め突起３８ａは、流路基板２５からＺ方向に突出する。本実施例では、位置決め突起３８ａは４ヵ所設置されており、その内側にピエゾ抵抗型半導体素子３が設置されている構成となっている。位置決め突起３８ａは、ピエゾ抵抗型半導体素子３のＸＹ面内での移動を規制し、これによって位置決めを容易にする。
このような構成とすることで、薄膜であるピエゾ抵抗型半導体素子３を配置する際に、流路基板２５に形成された分岐路３４および突起部３１ｂに対する相対位置を高精度に決定することが可能となる。このような構造とすることにより、流路基板２５に形成された分岐路３４の位置および突起部３１ｂとピエゾ抵抗型半導体素子３との位置を、数十ミクロンの精度で合わせることが可能で、水圧による変形時も測定精度がよくなり、製品間のばらつきも低減できる。
なお、位置決め突起３８ａはピエゾ抵抗型半導体素子３の全周に形成されてもよいが、本実施例では、接合層３２が外周部へのはみ出し量を阻害させないために部分的に配置する構造となっている。
位置決め突起３８ａは図１２に示した構造だけでなく、実施例４の変形例として、その他の位置決め突起を適用することができる。
図１３に様々な変形例の平面図を示す。図１３（ａ）はピエゾ抵抗型半導体素子３の角部に配置した位置決め突起３８ｂを２ヵ所配置した例であり、角部に配置する場合は、Ｘ方向およびＹ方向の各々、平面部が存在することが好ましい。なお、位置決め突起３８ｂのＸ方向およびＹ方向が交差する角部は、図示のように面取りされていてもよい。この構成では、少ない数の位置決め突起３８ｂで位置決めを行うことができる。
図１３（ｂ）はピエゾ抵抗型半導体素子３のＸ方向およびＹ方向の中央部に円形の位置決め突起３８ｃを配置した例を示す。位置決め突起３８ｃは、流路基板２５にピン孔またはねじ穴を形成し、ピンを設置する構造またはネジをはめ込む構造を適用できる。この構造では低コストで位置決め突起を形成することができる。この構成では、位置決め突起３８ｃにピンまたはねじとしての機能を持たせることも可能である。
図１３（ｃ）は、一部が面取りされた位置決め突起３８ｄを、Ｘ方向はピエゾ抵抗型半導体素子３の中心部に対応する位置に、Ｙ方向はピエゾ抵抗型半導体素子３の中心部からずれた位置に配置した例を示す。本例ではピエゾ抵抗型半導体素子３の位置決め方法は、外周合わせであればその他の構造を用いてもよい。
次に、圧力センサモジュール１５ｃに搭載したピエゾ抵抗型半導体素子３への電気的配線例を、図１４の分解斜視図に示す。ピエゾ抵抗型半導体素子３は、位置決め突起３８ａによって画定される領域の内側に搭載されている。
ピエゾ抵抗型半導体素子３には電極パッド４２ｂが複数箇所存在しており、電気配線用のフレキシブル基板４１に形成された電極パッド４２ａとワイヤ４３で接続されている。ワイヤ４３には金ワイヤおよびアルミワイヤを適用することができる。この他に異方性導電膜（ACF: Anisotropic Conductive Film）などを適用して接続してもよい。
流路３３にシステム水が流れると分岐路３４に流入し、ピエゾ抵抗型半導体素子３に圧力が印加される。圧力が印加されるとピエゾ抵抗型半導体素子３が変形し、それを電気信号として、フレキシブル基板４１に伝達され、圧力を計測できる。
なお、本発明の実施形態は上記した実施例およびそれらの変形例に限定されるものではなく、他の様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例および変形例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例または変形例の構成の一部を他の実施例または変形例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例または変形例の構成に他の実施例または変形例の構成を加えることも可能である。また、各実施例または変形例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１…分注装置、２…ノズル、３，３ａ，３ｂ…ピエゾ抵抗型半導体素子（歪検出部）、４…シリンジポンプ、５…電磁弁、６…ギアポンプ、７…システム水タンク、８…配管、９…容器、１０…プランジャ、１１…ボールねじ、１２…駆動モータ、１３…サンプル分注機構、１４…制御基板、１５，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ…圧力センサモジュール、１６…アーム、１７…変形部、１８，１８ａ，１８ｂ，１８ｃ…樹脂接合層、１９…溝、２１…システム水、２２…液体、２３…分節空気、２４…亀裂、２５…流路基板、３１，３１ａ，３１ｂ，３１ｄ…突起部、３１ｃ…スペーサー、３２，３２ａ，３２ｂ…接合層、３３…流路、３３ａ…流路入口、３３ｂ…流路出口、３４…分岐路、３５…斜面部、３６…キャップ、３７…空間、３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄ…突起、３９…曲面部、４０…変形部、４１…フレキシブル基板、４２ａ，４２ｂ…電極パッド、４３…ワイヤ
本明細書で引用した全ての刊行物、特許および特許出願はそのまま引用により本明細書に組み入れられるものとする。
本明細書で引用した全ての刊行物、特許および特許出願はそのまま引用により本明細書に組み入れられるものとする。
Claims (13)
- 流路および分岐路が形成された流路基板と、
圧力を検出する歪検出部と、
を備える圧力センサモジュールであって、
前記分岐路は、前記流路から分岐し、一端において前記歪検出部に接続され、
前記歪検出部は、前記分岐路の前記一端を塞ぐように、少なくとも部分的に接合層を介して配置され、
前記分岐路の前記一端を囲むように突起部が設けられる
ことを特徴とする圧力センサモジュール。 - 請求項１に記載の圧力センサモジュールにおいて、前記突起部の内側の寸法は、前記分岐路の内側の寸法より大きいことを特徴とする、圧力センサモジュール。
- 請求項２に記載の圧力センサモジュールにおいて、前記突起部は前記歪検出部に形成されることを特徴とする、圧力センサモジュール。
- 請求項２に記載の圧力センサモジュールにおいて、前記突起部の高さは前記接合層の厚さに等しいことを特徴とする、圧力センサモジュール。
- 請求項１に記載の圧力センサモジュールにおいて、前記突起部の内側の面積は、前記歪検出部の圧力計測面積と一致することを特徴とする、圧力センサモジュール。
- 請求項１に記載の圧力センサモジュールにおいて、前記突起部の高さは５０μｍ以下であることを特徴とする、圧力センサモジュール。
- 請求項１に記載の圧力センサモジュールにおいて、前記流路基板は、前記突起部の外縁より外側に溝を備えることを特徴とする、圧力センサモジュール。
- 請求項２に記載の圧力センサモジュールにおいて、前記分岐路の前記一端側に面取り部が設けられることを特徴とする、圧力センサモジュール。
- 請求項１に記載の圧力センサモジュールにおいて、前記歪検出部を前記分岐路の反対側から覆うキャップを備えることを特徴とする、圧力センサモジュール。
- 請求項９に記載の圧力センサモジュールにおいて、前記分岐路の軸方向から見た場合に、前記キャップと前記歪検出部とが接触する領域と、前記突起部と前記歪検出部とが接触する領域とが、少なくとも部分的に重なり合っていることを特徴とする、圧力センサモジュール。
- 請求項１に記載の圧力センサモジュールにおいて、前記歪検出部の位置を決めるための位置決め突起が、前記流路基板に形成されていることを特徴とする、圧力センサモジュール。
- 請求項１に記載の圧力センサモジュールにおいて、前記歪検出部は、薄膜の半導体素子を備えることを特徴とする、圧力センサモジュール。
- 請求項１に記載の圧力センサモジュールを備えることを特徴とする、分注装置。
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