力學量測量裝置制造方法
【專利摘要】在由單晶硅構成的半導體基板的表面側具備測壓元件，該測壓元件包括形成了俯視時為四角形狀的多個電阻元件的傳感器芯片(1)和部件(2)。部件(2)包括負荷部(3)、固定底座部(4)和分別與負荷部(3)和固定底座部(4)相分離而配置在負荷部(3)與固定底座部(4)之間的起變形部(5)。并且，以半導體基板的單晶硅的<100>方向與載重方向平行的方式將傳感器芯片(1)貼合到部件(2)的起變形部(5)的前側面(2a)，并且多個電阻元件的長邊方向相對于載重方向具有45度的角度。
【專利說明】力學量測量裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及力學量測量裝置，特別是涉及可應用于利用半導體應變傳感器來測量載重的力學量測量裝置的有效的技術。
【背景技術】
[0002]用于各種載重測量裝置(天平、體重計等)的測壓元件(Load Cell:檢測載重(施加的力)的傳感器、將載重變換為電信號的元件、將載重變換為電信號的載重變換器)使用包括用于接受載重的負荷部、被負擔載重時產生變形的起變形部以及用于固定負荷部和起變形部的固定底座部的S字型部件。
[0003]例如，JP特開2006-3295號公報(專利文獻I)公開了如下的S字型測壓元件，即在起變形部的表面和背面的各兩個部位(共計四個部位)貼合應變計量器(用于測量彎曲應變的力學傳感器)，根據測量到的應變值推測載重值。
[0004]此外，JP特開平03-146838號公報(專利文獻2)公開了在起變形部的側面隔著非晶玻璃涂層貼合了應變計量器的利用了 S字形狀的陶瓷起變形體的測壓元件。
[0005]在先技術文獻
[0006]專利文獻
[0007]專利文獻I JP特開2006-3295號公報
[0008]專利文獻2 JP特開平03-146838號公報
【發明內容】
[0009]發明要解決的課題
[0010]作為測量結構物的應變或應力的方法，一般采用應變計量器(將機械的微小變化量的應變作為電信號來進行檢測的元件)。應變計量器是在聚酰亞胺薄膜上或環氧樹脂薄膜上形成由銅(Cu)-鎳(Ni)系合金或鎳(Ni)-鉻(Cr)系合金的金屬薄膜構成的布線圖案并與該布線圖案連接引出線的結構，通過粘接劑等將應變計量器安裝于被測量物來使用。通過金屬薄膜的變形引起的電阻值的變化，能夠測量被測量物的應變。
[0011]但是，近幾年，正在推進能夠比應變計量器更高精度地測量被測量物的應變的半導體應變傳感器的開發。該半導體應變傳感器在被測量物的應變感知中不利用金屬薄膜，而是利用半導體、例如在硅(Si)中摻雜雜質而形成的半導體壓電電阻。與應變計量器相t匕，半導體應變傳感器應對被測量物的應變的電阻值的變化率大數十倍，能夠測量微小的被測量物的應變。
[0012]此外，在應變計量器中，由于電阻值的變化小，因此需要用于放大所得到的電信號的外部放大器。另一方面，在半導體應變傳感器中，由于電阻值的變化大，因此不需要放大所得到的電信號，能夠在不使用外部放大器的情況下使用半導體應變傳感器。此外，還能在構成半導體應變傳感器的半導體芯片中放入放大器電路，因此若半導體應變傳感器的用途或使用上的便利性很大，則值得期待。
[0013]本申請的發明人開發了使用S字型部件并在其起變形部的一個側面貼合了(接合了)半導體應變傳感器的測壓元件。但是，在該測壓元件中，剛性大的半導體應變傳感器會抑制貼合有半導體應變傳感器的起變形部的一個側面的變形。因此，貼合有半導體應變傳感器的起變形部的一個側面的變形和未貼合半導體應變傳感器的起變形部的另一個側面(與一個側面相反的一側的側面)的變形互不相同，起變形部的兩側面不對稱地變形。另夕卜，若起變形部的兩側面的變形變得不對稱，則負荷點的位置偏離中心，測壓元件的載重推測精度會降低。
[0014]此外，由于貼合半導體應變傳感器的位置的偏差，即使負擔了相同載重的情況下，測量到的剪切應變的變動大，測壓元件的載重推測精度會降低。
[0015]本發明的目的在于，提供一種在使用將半導體應變傳感器接合到S字型部件的測壓元件的力學量測量裝置中能夠抑制載重推測精度的降低的技術。
[0016]本發明的上述目的以及其他目的和新的特征會通過說明書的記載及所添加的附圖而變得更加明確。
[0017]用于解決課題的手段
[0018]本申請公開的發明中，簡單說明代表性的概要的話，如下。
[0019]本發明是力學量測量裝置，其在由單晶硅構成的半導體基板的表面側具有測壓元件，該測壓元件包括形成有俯視時為四角形狀的多個電阻元件的傳感器芯片、和部件。部件包括負荷部、固定底座部以及分別與負荷部和固定底座部相分離且配置在負荷部與固定底座部之間的起變形部。并且，以半導體基板的單晶硅的〈100〉方向與載重方向平行的方式將傳感器芯片貼合到部件的起變形部的側面，而且多個電阻元件的長邊方向相對于載重方向構成45度的角度。
[0020]發明的效果
[0021]本申請公開的發明中，簡單說明通過代表性的特征得到的效果的話，如下。
[0022]在使用將半導體應變傳感器接合到S字型部件的測壓元件的力學量測量裝置中，能夠抑制載重推測精度的降低。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1是表示本申請的發明人研討的測壓元件的前側面的要部側視圖。具體而言，是表示貼合了半導體應變傳感器的測壓元件的一個側面(前側面)的要部側視圖，例示了在起變形部貼合半導體應變傳感器且完全束縛固定底座部的下表面(底面)并對負荷部的上表面的中心賦予了載重時的測壓元件。
[0024]圖2是本申請的發明人研討的測壓元件的起變形部的要部剖視圖。(a)是半導體應變傳感器未被貼合于起變形部的前側面和后側面的測壓元件的起變形部的要部剖視圖(沿著從前側面朝向后側面的方向的剖視圖)。(b)是半導體應變傳感器被貼合于起變形部的一個側面(前側面)的測壓元件的起變形部的要部剖視圖(沿著從前側面朝向后側面的方向的剖視圖)。
[0025]圖3是本申請的發明人研討的測壓元件的負荷部、起變形部和固定底座部的要部剖視圖。(a)是半導體應變傳感器未被貼合于起變形部的前側面和后側面的測壓元件的負荷部、起變形部和固定底座部的要部剖視圖(沿著從前側面朝向后側面的方向的剖視圖)。(b)是半導體應變傳感器被貼合于起變形部的一個側面(前側面)的測壓元件的負荷部、起變形部和固定底座部的要部剖視圖(沿著從前側面朝向后側面的方向的剖視圖)。
[0026]圖4是表示本申請的發明人研討的測壓元件的前側面的要部側視圖，例示完全束縛固定底座部的下表面(底面)且向負荷部的上表面的中心賦予了載重時的測壓元件。
[0027]圖5是以將半導體應變傳感器貼合到起變形部的前側面的結構作為對象說明通過FEM分析得到的起變形部的前側面中的剪切應變的圖表。
[0028]圖6(a)是表示實施例1的測壓元件的上表面的要部俯視圖；(b)是表示實施例1的測壓元件的前側面的要部側視圖，具體而言(b)是表示貼合了半導體應變傳感器的測壓元件的一個側面(前側面)的要部側視圖，例示在起變形部貼合半導體應變傳感器，完全束縛固定底座部的下表面(底面)，并向負荷部的上表面的中心賦予了載重時的測壓元件。
[0029]圖7是示意性表示實施例1的在測壓元件的前側面貼合的半導體應變傳感器的構成和半導體應變傳感器附近的構成的要部俯視圖。
[0030]圖8是表示實施例1的通過FEM分析得到的起變形部的前側面的剪切應變分布的圖表。
[0031]圖9是實施例1的半導體應變傳感器被貼合于起變形部的一個側面(前側面)的測壓元件的起變形部的要部剖視圖(沿著從前側面朝向后側面的方向的剖視圖)。
[0032]圖10是表示實施例1的測壓元件的前側面的要部側視圖。具體而言，是表示貼合了半導體應變傳感器的測壓元件的一個側面(前側面)的要部側視圖，例示在起變形部貼合半導體應變傳感器，并完全束縛固定底座部的下表面(底面)，在從負荷部的上表面的中心偏離的位置賦予載重時的測壓元件。
[0033]圖11是表示實施例1的負荷點的位置、與貼合到起變形部的一個側面(前側面)的中央部的半導體應變傳感器所得到的剪切應變之間的關系的圖表。
[0034]圖12 (a)是表示實施例2的貼合了半導體應變傳感器的測壓元件的前側面的要部側視圖，(b)是表示實施例2的貼合了半導體應變傳感器的測壓元件的后側面的要部側視圖。
[0035]圖13是實施例2的測壓元件的立體圖。
[0036]圖14(a)是表示實施例3的測壓元件的前側面的要部側視圖。具體而言，是表示貼合了半導體應變傳感器的測壓元件的一個側面(前側面)的要部側視圖，例示在起變形部貼合半導體應變傳感器，完全束縛固定底座部的下表面(底面)，向負荷部的上表面的中心賦予了載重時的測壓元件。(b)是示意性表示實施例3的貼合到測壓元件的前側面的半導體應變傳感器的構成和半導體應變傳感器附近的構成的要部俯視圖。
【具體實施方式】
[0037]在以下的實施例中，為了便于說明，分割為多個塊或實施例來進行說明，但是除了特別明示的情況外，它們之間并不是相互無關，具有一方是另一方的一部分或全部的變形例、詳細說明、補充說明等關系。
[0038]此外，在以下的實施例中，在提及要素的數目等(包括個數、數值、量、范圍等)的情況下，除了特別明示的情況和原理上應明確限定特定的個數的情況等之外，并不限定其特定的數量，可以在特定數量的以上也可以在特定數量的以下。另外，在以下的實施例中，其構成要素(還包括要素步驟等)除了特別明示的情況和原理上是必須要素的情況等之夕卜，當然不一定是必須的。此外，在以下的實施例中，對于構成要素等，提及“由A構成”、“由A而成”、“具有A”、“包括A”時，除了特別明示了僅僅是該要素的意思的情況等之外，當然并不排除除此之外的要素。同樣地，在以下的實施例中，提及構成要素等的形狀、位置關系等時，除了特別明示的情況和原理上肯定不是如此的情況等之外，實質上包括與其形狀等近似或類似的結構等。關于上述數值和范圍也是同樣的。
[0039]此外，在以下的實施例中所使用的附圖中，即使是俯視圖，有時為了方便看圖，附加了陰影。此外，在用于說明以下的實施例的所有圖中，對具有同一功能的部分原則上賦予同一符號，省略其反復的說明。以下，基于附圖來詳細說明本發明的實施例。
[0040]首先，為了進一步明確本發明的實施例的測壓元件的結構，詳細說明本申請的發明人研討的、應用本申請發明之前的測壓元件中的各種技術問題。
[0041]測壓元件主要由負擔載重(施加載重、承受載重)的部件和半導體應變傳感器構成。在以下實施例的說明中，在構成測壓元件的部件所具備的各面之中，將負擔載重的面稱作上表面，將與上表面相反的一側的面稱作下表面(底面)，將貼合傳感器芯片的面(芯片搭載面)稱作前側面，將與前側面相反的一側的側面稱作后側面。
[0042](I)第 I 課題
[0043]利用圖1?圖3來說明第I課題。圖1是表示測壓元件的前側面的要部側視圖。具體而言，圖1是表示貼合有半導體應變傳感器的測壓元件的一個側面(前側面)的要部側視圖，例示了在起變形部貼合半導體應變傳感器，完全束縛固定底座部的下表面(底面)，向負荷部的上表面的中心賦予了載重時的測壓元件。圖2(a)是半導體應變傳感器沒有被貼合到起變形部的前側面和后側面的測壓元件的起變形部的要部剖視圖(沿著從前側面朝向后側面的方向的剖視圖)。圖2(b)是半導體應變傳感器被貼合到起變形部的一個側面(前側面)的測壓元件的起變形部的要部剖視圖(沿著從前側面朝向后側面的方向的剖視圖)。圖3(a)是半導體應變傳感器未被貼合到起變形部的前側面和后側面的測壓元件的負荷部、起變形部和固定底座部的要部剖視圖(沿著從前側面朝向后側面的方向的剖視圖)。圖3(b)是半導體應變傳感器被貼合到起變形部的一個側面(前側面)的測壓元件的負荷部、起變形部和固定底座部的要部剖視圖(沿著從前側面朝向后側面的方向的剖視圖)。
[0044]如圖1所示，若向負荷部3賦予載重，則在起變形部5的上下方向(載重方向、負荷方向)上產生很小的壓縮力。由此，如圖2(a)和(b)所示，起變形部5的前側面2a和后側面2b產生變形，起變形部5的前側面2a和后側面2b變成向外側(在圖中用箭頭表示的方向)突出的形狀。
[0045]在此，在沒有貼合作為半導體應變傳感器的傳感器芯片I的情況下，如圖2(a)所示，起變形部5的前側面2a和后側面2b在外側對稱地產生變形。相對于此，在起變形部5的一個側面(前側面2a)貼合有傳感器芯片I的情況下，如圖2(b)所示，起變形部5的前側面2a和后側面2b在外側不對稱地產生變形。這是因為，在貼合有傳感器芯片I的起變形部5的前側面2a，剛性大的傳感器芯片I會抑制其變形。
[0046]另外，在起變形部5的前側面2a和后側面2b的變形對稱的情況下，如圖3 (a)所示，負荷點(施加載重的點)的位置不會偏離負荷部3的上表面的中心。相對于此,在起變形部5的前側面2a和后側面2b的變形不對稱的情況下，如圖3(b)所示，負荷點的位置會偏離負荷部3的上表面的中心。若負荷點的位置偏離負荷部3的上表面的中心，則由傳感器芯片I測量到的剪切應變就會發生變化。也就是說，如果是這種結構，載重和相對于載重產生的剪切應變是非線性關系，會降低測壓元件的載重推測精度。
[0047](2)第 2 課題
[0048]接著，利用圖4和圖5說明第2個課題。圖4是表示測壓元件的前側面的要部側視圖，例示了完全束縛固定底座部的下表面(底面)且向負荷部的上表面的中心賦予了載重時的測壓元件。以圖4所示的測壓元件為對象,通過有限要素法(Finite Element Method:FEM)，實施了負擔載重時的應力分析。圖5是說明剪切應變的圖表。圖5所示的剪切應變是沿著圖4所示的起變形部的前側面從下表面的C點朝向上表面的D點的方向上的剪切應變。
[0049]如圖5所示，在起變形部5的前側面2a的下端部(起變形部5的下表面的C點)與上端部(起變形部5的上表面的D點)之間的中央部附近產生的剪切應變大于在起變形部5的前側面2a的下端部(起變形部5的下表面的C點)和前側面2a的上端部(起變形部5的上表面的D點)產生的剪切應變，并且其變動量小且是穩定的值。相反，在起變形部5的前側面2a的下端部(起變形部5的下表面的C點)和前側面2a的上端部(起變形部5的上表面的D點)產生的剪切應變小于在起變形部5的前側面2a的下端部(起變形部5的下表面的C點)與上端部(起變形部5的上表面的D點)之間的中央部附近產生的剪切應變，而且其變動量大。
[0050]另外，前述的JP特開平03-146838號公報(專利文獻2)記載了測量起變形部的側面的剪切應變來推測載重的測壓元件。但是，在該測壓元件中測量了剪切應變的部位如果用圖4和圖5說明的話，認為是距起變形部5的前側面2a的下端部(起變形部5的下表面的C點)的距離為1.25?3.75mm的區域(下端部(起變形部5d的下表面的C點)至上端部(起變形部5的上表面的D點)的距離的約一半)。
[0051]如圖5所示，在上述區域(圖5中所示的A區域)的兩端部測量的剪切應變由于比在上述區域的中央部測量的剪切應變少，因此會降低測壓元件的載重推測精度。另外，上述區域的兩端部由于是剪切應變的變動量也大的部位，因此因貼合傳感器芯片I的位置的偏差，即使在負擔相同載重的情況下所產生的剪切應變的變動也較大，測壓元件的載重推測精度會降低。
[0052]實施例1
[0053]《關于測壓元件的構成部件》
[0054]利用前述的圖1、前述的圖2(b)、圖6和圖7，說明實施例1的測壓元件的構成部件。圖6(a)是表示測壓元件的上表面的要部俯視圖。圖6(b)是表示測壓元件的前側面的要部側視圖。具體而言，圖6(b)是表示貼合了半導體應變傳感器的測壓元件的一個側面(前側面)的要部側視圖，例示了在起變形部貼合半導體應變傳感器，完全束縛固定底座部的下表面(底面)，在負荷部的上表面的中心負擔載重時的測壓元件。圖7是示意性表示貼合在測壓元件的前側面的半導體應變傳感器的構成和半導體應變傳感器附近的構成的要部俯視圖。另外，傳感器芯片的上表面被密封樹脂覆蓋，在圖6和圖7中為了表示密封樹脂的內部結構，因此示出了透過了密封樹脂的內部結構。
[0055]如圖6所示，實施例1的測壓元件主要具備:傳感器芯片(半導體應變傳感器)I ；與傳感器芯片I電連接的撓性布線板8 ;隔著接合材料而搭載了傳感器芯片I的S字型部件2 ;和密封傳感器芯片I的上表面和側面的密封樹脂9。
[0056]<關于傳感器芯片1>
[0057]傳感器芯片I具備具有表面(第I主面、元件形成面)和表面的相反側的背面(第2主面)的半導體基板。半導體基板是例如由單晶硅(Si)構成的硅基板。在半導體基板的背面形成金屬膜，覆蓋背面。該金屬膜由例如從半導體基板的背面側開始將鉻(Cr)、鎳(Ni)和金(Au)按順序層疊的層疊膜(金屬層疊膜)構成，這些膜例如可通過濺射法形成。由此，由金屬膜覆蓋半導體基板的背面，從而能夠提高傳感器芯片I與焊料等金屬制接合材料之間的接合強度。
[0058]此外，如圖7所示，傳感器芯片I的平面形狀是四角形狀(四邊形)，例如構成I邊的長度為2mm?3mm程度的正方形。
[0059]此外，傳感器芯片I在位于半導體基板的表面側的中央部的傳感器感知區域10具備多個(在實施例1中是4個)電阻元件(壓電電阻元件)11。此外，在傳感器芯片I的周邊部的半導體基板的表面側，形成有輸入輸出電路區域。在該輸入輸出電路區域具備與上述4個電阻元件11電連接的多個電極(焊點、電極焊點)12。
[0060]4個電阻元件11由雜質擴散區域構成，該雜質擴散區域是向具有(100)面的半導體基板的表面摻雜雜質并使其擴散而形成的。此外，4個電阻元件11分別形成為四角形狀(四邊形)，具有長邊方向對置的2個邊和短邊方向對置的2個邊。
[0061]傳感器芯片I相互電連接4個電阻元件11而形成惠斯通電橋電路(感知電路)，測量壓電電阻效應引起的電阻元件11的電阻變化來感知剪切應變。此外，惠斯通電橋電路的多個端子經由多個布線13而被連接于多個電極12。多個電極12成為傳感器芯片I的輸入輸出端子，例如，包括向傳感器芯片I供給電源電位(第I電源電位:Vcc)的端子、供給基準電位(第2電源電位:GND)的端子和輸出感知信號的端子。
[0062]構成惠斯通電橋電路的4個電阻元件11的長邊方向被配置成相對于載重方向(負荷方向)具有45度的角度。即，在將傳感器芯片I所具備的半導體基板設為例如由單晶硅構成的硅基板的情況下，以4個電阻元件11的長邊方向分別與具有(100)面的半導體基板的〈110〉方向一致的方式配置4個電阻元件11。
[0063]例如，如圖7所示，為了使電流向傳感器芯片I所具備的表現出η型導電性的半導體基板沿著單晶硅的〈110〉方向的晶體取向而流過，形成4個P型擴散區域(在半導體基板的表面摻雜表現出P型導電型的雜質并使其擴散而形成的雜質擴散區域)。此外，在4個P型擴散區域之中，以2個P型擴散區域的長邊方向與其他2個P型擴散區域的長邊方向垂直的方式構成惠斯通電橋電路。
[0064]在構成惠斯通電橋電路的4個電阻元件11的長邊方向與分別具有(100)面的半導體基板的〈110〉方向一致的傳感器芯片I中，能夠輸出相對于載重方向具有+45度角度的X方向的應變與相對于載重方向具有-45度角度的Y方向的應變之間的差分。
[0065]由此,輸出X方向的應變與Y方向的應變的差分的測量方式從降低施加到傳感器芯片I的熱應變的影響的觀點出發是有利的。即，傳感器芯片I與多個部件(圖6中是接合材料和S字型部件2)接合，因此若測量環境溫度發生變化，則會產生因各部件的線性膨脹系數的不同而引起的熱應變。該熱應變是不同于作為測量對象的剪切應變的噪聲分量，因此優選降低熱應變的影響。
[0066]在傳感器芯片I的平面形狀為正方形的情況下，熱應變的影響在X方向和Y方向中其程度相同。在此，在起變形部5產生的剪切應變是和X方向的應變與Y方向的應變之間的差分成比例的值，因此能夠去除熱應變引起的應變，選擇性地檢測測量對象的剪切應變。
[0067]也就是說，若使用傳感器芯片1，則由于能夠降低熱應變引起的影響，因此能夠降低測量環境溫度的變化引起的剪切應變的偏差。此外，構成傳感器芯片I的電阻元件11、電極12或布線13等各部件是應用半導體裝置的制造技術而形成的，因此容易實現微細化。此外，能夠提聞制造效率并降低制造成本。
[0068]<關于S字型部件2>
[0069]如前述的圖1所示，搭載傳感器芯片I的部件2具備:用于承受載重的負荷部(載重承受部)3 ;用于固定于基臺6的固定底座部(安裝底座部)4 ;和起變形部(受感部)5，在負荷部3與固定底座部4之間分別與負荷部3和固定底座部4相分離而配置該起變形部，施加負荷時會變形。
[0070]通過第I連接部18A連接負荷部3的一端部和起變形部5的一端部，通過第2連接部18B連接與起變形部5的一端部對置的起變形部5的另一端部和固定底座部4的一端部，從搭載了傳感器芯片I的前側面(第I側面)2a或與前側面相反的一側的后側面(第2側面)2b觀察部件2時，部件2呈S字型形狀。
[0071]因此，負荷部3與起變形部5之間的間隙部(切入部)2e中，在起變形部5的一端部(例如右側面2d側的端部)由于形成有第I連接部18A，因此未被開口，在其他3方向的端部(例如前側面2a側、后側面2b側和左側面2c側各自的端部)被開口。此外，起變形部5與固定底座部4之間的間隙部(切入部)2f中，在起變形部5的另一端部(例如左側面2c側的端部)由于形成有第2連接部18B，因此未被開口，但是其他3方向的端部(例如前側面2a側、后側面2b側和右側面2d側各自的端部)被開口。一體形成負荷部3、第I連接部18A、起變形部5、第2連接部18B和固定底座部4。
[0072]此外，負荷部3是具有一定厚度的塊狀，至少具有其自身被施加額定測量范圍內的力時不會變形的程度的高剛性。此外，固定底座部3也同樣是具有一定厚度的塊狀，其自身不會變形。起變形部5也同樣是具有一定厚度的塊狀，通過向負荷部3施加力，起變形部5會變形，其變形量被傳感器芯片I測量后被換算成剪切應變。
[0073]固定底座部4例如通過螺釘固定等而被束縛于基臺6。負荷點被設置成負荷部3的上表面的一點，因此如圖6(a)所示，在負荷部3的上表面的一部分設有凹部14。這是因為，假設將施加載重的部件的前端的形狀設為球形狀，通過在負荷部3設置凹部14，從而能夠防止負荷點的位置的偏離。
[0074]此外，在負荷部3與起變形部5之間的間隙部(切入部)2e和第I連接部18A相接的前端部分、和固定底座部4與起變形部5之間的間隙部(切入部)和第2連接部相接的前端部分，如圖6(b)所示，優選設置具有半徑R的曲率的曲面。應力集中于間隙部(切入部)2e的第I連接部18A的前端部和間隙部(切入部)2f的第2連接部18B的前端部，通過設置曲面來降低應力，由此能夠確保可靠性。
[0075]構成S字型部件2的材料沒有特別限制，如后述那樣，接合材料優選使用焊料等金屬接合材料。因此，從提高與接合材料的連接可靠性的觀點出發，優選至少成為芯片搭載面(前側面2a)的起變形部5的表面上由金屬材料構成。此外，從抑制S字型部件2的破壞的觀點出發，優選由金屬材料構成S字型部件2整體。在實施例1中，S字型部件2整體例如由鐵(Fe)、銅(Cu)、鋁(Al)、所謂的不銹鋼(包含鉻元素的鐵合金)或所謂的硬鋁(鋁合金)等構成。
[0076]<關于接合材料>
[0077]如前述的圖2 (b)所示，傳感器芯片I隔著接合材料7被貼合到起變形部5的一個側面(前側面2a)。接合材料7被設置成覆蓋傳感器芯片I的整個背面和傳感器芯片I的側面的一部分。換言之，接合材料7的周邊部一直到傳感器芯片I的側面的外側，形成薄片(fillet)。從通過粘接固定傳感器芯片I和S字型部件2的觀點出發，接合材料7并不限于金屬材料，例如也可以使用熱固化性樹脂等樹脂制粘接材料。但是，從提高傳感器芯片I的測量精度的觀點出發，優選由金屬材料構成接合材料7。
[0078]<關于撓性布線8>
[0079]如圖6和圖7所示，在S字型部件2的起變形部5的前側面2a，固定有具備與傳感器芯片I的多個電極12電連接的多個布線15的撓性布線8。撓性布線8是在樹脂薄膜內密封了由金屬材料構成的多個布線15的結構，在設置于樹脂薄膜的一部分中的開口部16露出多個布線15的一部分。該露出部分構成多個端子。
[0080]此外，傳感器芯片I的多個電極12和撓性布線8的多個端子(布線部)經由多個導電性部件17而被電連接。導電性部件17是線直徑為1ym?200μπι程度的金線(Au線)，通過密封樹脂9密封導電性部件17。通過由密封樹脂9覆蓋導電性部件17，從而能夠防止相鄰的導電性部件17彼此的短路。此外，雖然省略了圖示，但是撓性布線8的一個端部被固定于S字型的部件2，另一個端部例如形成連接器，例如電連接對應變測量進行控制的控制電路等。
[0081]在圖6和圖7中，例不了由多個布線15的一部分從開口部16露出的多個端子和多個導電性部件17構成布線部的方式。但是，布線部只要能夠在傳感器芯片I與未圖示的外部設備之間傳輸輸入輸出電流即可，并不限于圖6和圖7所示的方式。
[0082]《關于測壓元件的結構》
[0083]利用圖8?圖10說明實施例1的測壓元件的結構。
[0084]首先，利用圖8來說明傳感器芯片的貼合位置。圖8是表示通過FEM分析得到的起變形部的前側面的剪切應變分布的圖表。
[0085]如圖8所示，在左側面2c至右側面2d的起變形部5的前側面2a的多個位置(應變評價位置)求出了剪切應變。
[0086]應變評價位置之中，在負荷部3與起變形部5之間的間隙部(切入部)2e的位于前端部之下的起變形部5的前側面2a(在圖8中用符號SI表示的位置)、和固定底座部4與起變形部5之間的間隙部(切入部)2f的位于前端部之上的起變形部5的前側面2a(在圖8中用符號S2表示的位置)中，剪切應變發生急劇變化。相對于此，應變評價位置之中，在起變形部5的中央附近的前側面2a(在圖8中用符號S3表示的位置)，剪切應變大致恒定。因此，若在起變形部5的前側面2a的中央部貼合傳感器芯片1，則即使傳感器芯片I的貼合位置稍微產生了偏離，所產生的剪切應變也不會發生很大的變化，因此能夠高精度且高靈敏度地檢測被測壓元件負擔的載重。
[0087]接著，利用圖9來說明構成傳感器芯片的半導體基板的晶體取向與載重方向之間的關系。圖9是在起變形部的一個側面(前側面)貼合了半導體應變傳感器的測壓元件的起變形部的要部剖視圖(沿著從前側面朝向后側面的方向的剖視圖)。
[0088]在將傳感器芯片I所具備的半導體基板設為由單晶硅構成的硅基板的情況下，以載重方向和半導體基板的〈100〉方向平行的方式將傳感器芯片I貼合到起變形部5。硅彈性率隨著晶體取向而不同，晶體取向為〈100〉時的硅彈性率約為130GPa。另一方面，除此以外的晶體取向時的硅彈性率約為170GPa，比晶體取向為〈100〉時的硅彈性率大。
[0089]另外，為了使貼合了傳感器芯片I的前側面2a向外側的突出形狀和未貼合傳感器芯片I的后側面2b向外側的突出形狀對稱，優選傳感器芯片I的剛性盡可能小。在實施例1中，通過使載重方向和半導體基板(單晶硅)的〈100〉方向平行，從而載重方向的晶體取向的半導體基板的彈性率變小，能夠降低傳感器芯片I的剛性。
[0090]接著，利用圖10和圖11來說明負荷點的位置。圖10是表示測壓元件的前側面的要部側視圖。具體而言，是表示貼合了半導體應變傳感器的測壓元件的一個側面(前側面)的要部側視圖，例示了在起變形部貼合半導體應變傳感器，完全束縛固定底座部的下表面(底面)，在偏離了負荷部的上表面的中心的位置負擔載重時的測壓元件。圖11是表示負荷點的位置、與由在起變形部的一個側面(前側面)的中央部貼合的半導體應變傳感器得到的剪切應變之間的關系的圖表。
[0091]如圖10所示，負荷點位于從負荷部3的上表面的中心朝向與形成有第I連接部18A的一端部相反的一側的未形成第I連接部18A的另一端部方向偏離的位置上,其中,第I連接部18A連接負荷部3和起變形部5。
[0092]如圖11所示,在負荷點處于比作為應變評價點的起變形部5的前側面2a的中央部更靠未形成第I連接部18A的另一端部側(開口側、自由端側)的位置上時，所產生的剪切應變幾乎恒定。另一方面，在負荷點處于比作為應變評價點的起變形部5的前側面2a的中央部更靠形成有第I連接部18A的一端部側(開口側)的位置上時，隨著負荷點向開口側移動，所產生的剪切應變就會增加。
[0093]使用測壓元件時，認為負荷點會稍微變動。為了確保測壓元件的精度，需要即使負荷點多少有變動所產生的剪切應變也幾乎不會變化。因此，使負荷點偏向比負荷部3的上表面的中心更靠未形成第I連接部18A的另一端部側(開口側、自由端側)的位置。由此，能夠提聞載重推測精度。
[0094]另外，若使負荷點極端地偏向比負荷部3的上表面的中心更靠未形成第I連接部18A的另一端部側(開口側、自由端側)的位置，則在負荷部3與第I連接部18A之間的邊界部分(根部)產生的撓矩會增大，因此有可能其邊界部分(根部)會被破壞。或者，為了防止其邊界部分(根部)的破壞，需要設定較小的可允許的載重值。因此，并不希望將負荷點設定在極端地偏向比負荷部3的上表面的中心更靠未形成第I連接部18A的另一端部側(開口側、自由端側)的位置。
[0095]以下，總結實施例1可得到的主要效果。
[0096](I)通過將傳感器芯片I貼合到起變形部5的前側面2a的中央部，從而即使傳感器芯片I的貼合位置多少產生了偏離，剪切應變的變動量也很小，并且能夠得到較大的剪切應變。
[0097](2)在傳感器芯片I中形成互相電連接多個(例如4個)電阻元件11的惠斯通電橋電路，以多個電阻元件11的長邊方向分別與具有(100)面的半導體基板(單晶硅)的<110>方向一致方式配置多個電阻元件11。由此，降低熱應變的影響，能夠降低測量環境溫度的變化弓I起的剪切應變的偏差。
[0098](3)將傳感器芯片I以載重方向平行于半導體基板(單晶硅)的〈100〉方向的方式貼合到起變形部5的前側面2a的中央部，降低傳感器芯片I的剛性。由此，能夠降低貼合了傳感器芯片I的前側面2a向外側的突出形狀和未貼合傳感器芯片I的后側面2b向外側的突出形狀的不對稱，因此能夠防止負荷點的位置的偏離。
[0099](4)使負荷點的位置從負荷部3的上表面的中心偏向與形成有第I連接部18A的一端部相反的一側的未形成第I連接部18A的另一端部的方向,其中第I連接部18A連接負荷部3和起變形部5。由此，即使負荷點的位置偏離，也能夠將剪切應變的變動量抑制得很小。
[0100]由此，能夠抑制測壓元件的載重推測精度的降低。
[0101]實施例2
[0102]實施例2是使起變形部5的前側面2a的變形和后側面2b的變形對稱的實施例。在實施例1中，僅在起變形部5的前側面2a貼合了傳感器芯片1，但是在實施例2中，分別在起變形部5的前側面2a和后側面2b貼合傳感器芯片(分別如在后述的圖12 (a)和(b)中用符號Ia和符號Ib表示的傳感器芯片)。由此，使起變形部5的前側面2a向外側的突出形狀和起變形部5的后側面2b向外側的突出形狀對稱。
[0103]《關于測壓元件的構成部件》
[0104]圖12(a)是表示貼合了半導體應變傳感器的測壓元件的前側面的要部側視圖，圖12(b)是表示貼合了半導體應變傳感器的測壓元件的后側面的要部側視圖。
[0105]作為測壓元件的構成部件的傳感器芯片la、lb、S字型部件2、撓性布線板8a，8b和密封樹脂9a，9b等與前述的實施例1的傳感器芯片1、S字型部件2、撓性布線板8和密封樹脂9等相同。
[0106]《關于測壓元件的結構》
[0107]如圖12(a)和(b)所示，在測壓元件的起變形部5的前側面2a安裝傳感器芯片Ia,同樣地，在后側面2b也安裝傳感器芯片lb。如前述的圖2(b)所示，當僅在測壓元件的起變形部5的前側面2a貼合了傳感器芯片I的情況下，起變形部5的前側面2a和后側面2b在外側的變形不對稱。但是，在實施例2的測壓元件中，由于在起變形部5的前側面2a和后側面2b這兩個側面貼合了傳感器芯片la、lb，因此向負荷部3施加了力時的起變形部5的前側面2a和后側面2b的變形狀態相同，不會產生不對稱的變形。由此，能夠確保載重推測精度。
[0108]在實施例2的測壓元件的情況下，將負擔載重時的剪切應變設為在起變形部5的前側面2a貼合的傳感器芯片Ia的輸出值與在起變形部5的后側面2b貼合的傳感器芯片Ib的輸出值的平均值。其中，在將貼合到起變形部5的前側面2a的傳感器芯片Ia和貼合到起變形部5的后側面2b的傳感器芯片Ib貼合成相同朝向的情況下，剪切應變的符號相反。也就是說，在貼合到前側面2a的傳感器芯片Ia的輸出值為正時，貼合到后側面2b的傳感器芯片Ib的輸出值為負。因此，求出平均值時，需要利用將貼合到后側面2b的傳感器芯片Ib的輸出值設為-1倍后的值來導出平均值。
[0109]圖13是測壓元件的立體圖。
[0110]如圖13所示，在負荷部3的上表面，考慮負荷點從前側面2a與后側面2b之間的中間點向前側面2a側、或后側面2b側變動的情況。例如，在負荷部3的上表面負荷點向前側面2a側變動的情況下，貼合到前側面2a的傳感器芯片Ia的輸出值增加，貼合到后側面2b的傳感器芯片Ib的輸出值減少。但是，在實施例2的測壓元件中，使用貼合到起變形部5的前側面2a的傳感器芯片Ia的輸出值與貼合到后側面2b的傳感器芯片Ib的輸出值的平均值。因此，即使負荷點發生變動，上述平均值幾乎沒有變化，因此具有不會降低測壓元件的載重推測精度的效果。
[0111]實施例3
[0112]實施例3是能夠抑制半導體應變傳感器的貼合位置引起的載重推測精度的降低的實施例。
[0113]《關于測壓元件的構成部件》
[0114]作為測壓元件的構成部件的傳感器芯片1、S字型部件2、撓性布線板8和密封樹脂9等與前述的實施例1相同。
[0115]《關于測壓元件的結構》
[0116]圖14(a)是表示測壓元件的前側面的要部側視圖。具體而言，是表示貼合了半導體應變傳感器的測壓元件的一個側面(前側面)的要部側視圖，例示在起變形部貼合半導體應變傳感器，完全束縛固定底座部的下表面(底面)，在負荷部的上表面的中心負擔載重時的測壓元件。圖14(b)是示意性表示貼合到測壓元件的前側面的半導體應變傳感器的構成和半導體應變傳感器附近的構成的要部俯視圖。
[0117]如圖14(a)和(b)所示，傳感器芯片I被貼合到測壓元件的起變形部5的前側面2a的下端部(例如前述的圖4的起變形部5的下表面的C點)與上端部(例如前述的圖4的起變形部5的上表面的D點)之間的中央部。另外，在傳感器芯片I中形成有多個電阻元件11，其中配置了這些多個電阻元件11的區域在載重方向上的長度(在圖14(b)中用符號LI表示的長度)為起變形部5的下端部至上端部的長度(在圖14(a)中用符號L2表示的長度)的1/4以下。
[0118]如利用前述的圖5說明的那樣，在起變形部5的前側面2a的下端部(起變形部5的下表面的C點)與上端部(起變形部5的上表面的D點)之間的中央部附近產生的剪切應變大于在起變形部5的前側面2a的下端部(起變形部5的下表面的C點)和前側面2a的上端部(起變形部5的上表面的D點)產生的剪切應變，并且其變動量小是穩定的值。相反，在起變形部5的前側面2a的下端部(起變形部5的下表面的C點)和前側面2a的上端部(起變形部5的上表面的D點)產生的剪切應變小于在起變形部5的前側面2a的下端部(起變形部5的下表面的C點)與上端部(起變形部5的上表面的D點)之間的中央部附近產生的剪切應變，并且其變動量大。
[0119]因此，通過以測壓元件的起變形部5的前側面2a的下端部與上端部之間的中央部為中心，在起變形部5的下端部至上端部的長度(L2)的1/4的區域(例如前述的圖5所示的B區域)貼合傳感器芯片1，從而能夠抑制測壓元件的載重推測精度的降低。
[0120]以上，基于實施方式具體說明了本申請的發明人完成的發明，但是本發明并不限于所述實施方式，在不脫離其宗旨的范圍內當然能夠進行各種變更。
[0121]例如，在本實施例中，由在表現為η型導電性的半導體基板導入表現為P型導電性的雜質而形成的P型擴散區域構成了多個電阻元件，但是并不限于此。
[0122]工業上的可利用性
[0123]本發明能夠廣泛利用于力學量測量裝置。
[0124]符號說明
[0125]I，la、Ib傳感器芯片(半導體應變傳感器)
[0126]2 部件
[0127]2a前側面(第I側面)
[0128]2b后側面(第2側面)
[0129]2c左側面
[0130]2d右側面
[0131]2e,2f 間隙部(切入部)
[0132]3 負荷部(載重承受部)
[0133]4 固定底座部(安裝底座部)
[0134]5 起變形部(受感部)
[0135]6 基臺
[0136]7 接合材料
[0137]8，8a，8b撓性布線板
[0138]9，9a，9b 密封樹脂
[0139]10傳感器感知區域
[0140]11電阻元件(壓電電阻元件)
[0141]12電極(焊點、電極焊點)
[0142]13 布線
[0143]14 凹部
[0144]15 布線
[0145]16 開口部
[0146]17導電性部件
[0147]18A第I連接部
[0148]18B第2連接部
【權利要求】
1.一種力學量測量裝置，具備測壓元件，該測壓元件包括傳感器芯片和貼合了所述傳感器芯片的部件，該力學量測量裝置的特征在于， 所述傳感器芯片包括:具有表面和與所述表面相反的一側的背面的第1導電型的半導體基板；形成在所述半導體基板的所述表面側的多個電阻元件；和形成在所述半導體基板的所述表面側的周邊部的多個電極， 所述部件包括:具有負擔載重的上表面的負荷部；固定底座部；在所述負荷部與所述固定底座部之間分別與所述負荷部和所述固定底座部相分離而配置的起變形部；連接所述負荷部的一端部和所述起變形部的一端部的第1連接部；和連接與所述起變形部的一端部對置的所述起變形部的另一端部和所述固定底座部的一端部的第2連接部， 所述傳感器芯片隔著接合材料被貼合到所述部件的所述起變形部的第1側面的中央部，以與所述半導體基板的所述背面接合， 所述半導體基板由單晶硅構成，所述單晶硅的〈100〉方向平行于載重方向。
2.根據權利要求1所述的力學量測量裝置，其特征在于， 所述多個電阻元件在俯視時是由長邊方向上相對置的2邊和與所述長邊方向正交的短邊方向上相對置的2邊構成的四邊形狀， 所述多個電阻元件各自的長邊方向相對于載重方向具有45度的角度。
3.根據權利要求1所述的力學量測量裝置，其特征在于， 所述多個電阻元件由在所述半導體基板的所述表面側導入與所述第1導電型相反的第2導電型的雜質而形成的雜質擴散區域構成， 所述雜質擴散區域在俯視時是由長邊方向上相對置的2邊和與所述長邊方向正交的短邊方向上相對置的2邊構成的四邊形狀， 所述雜質擴散區域各自的長邊方向相對于載重方向具有45度的角度。
4.根據權利要求3所述的力學量測量裝置，其特征在于， 所述多個電阻元件是構成電橋電路的4個電阻元件， 所述4個電阻元件之中，以2個電阻元件的所述雜質擴散區域的長邊方向與其他2個電阻元件的所述雜質擴散區域的長邊方向垂直的方式配置所述4個電阻元件。
5.根據權利要求1所述的力學量測量裝置，其特征在于， 所述多個電阻元件在俯視時是由長邊方向上相對置的2邊和與所述長邊方向正交的短邊方向上相對置的2邊構成的四邊形狀， 所述多個電阻元件各自的長邊方向與所述單晶硅的〈110〉方向一致。
6.根據權利要求1所述的力學量測量裝置，其特征在于， 所述多個電阻元件由在所述半導體基板的所述表面側導入與所述第1導電型相反的第2導電型的雜質而形成的雜質擴散區域構成， 所述雜質擴散區域在俯視時是由長邊方向上相對置的2邊和與所述長邊方向正交的短邊方向上相對置的2邊構成的四邊形狀， 所述雜質擴散區域各自的長邊方向與所述單晶硅的〈110〉方向一致。
7.根據權利要求6所述的力學量測量裝置，其特征在于， 所述多個電阻元件是構成電橋電路的4個電阻元件， 所述4個電阻元件之中，以2個電阻元件的所述雜質擴散區域的長邊方向與其他2個電阻元件的所述雜質擴散區域的長邊方向垂直的方式配置所述4個電阻元件。
8.根據權利要求1所述的力學量測量裝置，其特征在于， 在所述負荷部的所述上表面設有用于確定負荷點的凹部，所述凹部的位置從所述負荷部的所述上表面的中心偏離到與形成有所述第1連接部的所述負荷部的所述一端部相反的一側的方向。
9.根據權利要求1所述的力學量測量裝置，其特征在于， 所述傳感器芯片還隔著接合材料被貼合到與所述部件的所述起變形部的所述第1側面相反的一側的第2側面的中央部，以與所述半導體基板的所述背面相接合。
10.根據權利要求1所述的力學量測量裝置，其特征在于， 形成有所述多個電阻元件的區域在所述載重方向上的長度為所述起變形部的從上端部至下端部為止的沿著所述第1側面的長度的1/4以下。
11.根據權利要求1所述的力學量測量裝置，其特征在于， 所述半導體基板的所述背面被從所述背面側依次層疊了鉻、鎳和金的金屬層疊膜覆蓋，所述接合材料是焊料。
12.根據權利要求1所述的力學量測量裝置，其特征在于， 由密封樹脂覆蓋所述傳感器芯片的上表面和側面，以覆蓋所述多個電阻元件和所述多個電極。
【文檔編號】G01L1/18GK104350366SQ201280073469
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2012年5月25日 優先權日:2012年5月25日
【發明者】蘆田喜章, 太田裕之, 島津博美, 笠井憲一 申請人:株式會社日立制作所