(57)【要約】  歪センサは、起歪体に接続されるように構成されたパッケージと、起歪対の機械的歪を電気信号に変換して出力する検出素子と、パッケージの上面に接続されてかつ検出素子から離間するプロセッサチップとを備える。パッケージの上面には凹部が形成されている。検出素子は凹部に接合されてかつ凹部内に収納されている。この歪センサは小形にすることができる。
2014002416.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
起歪体の機械的歪を検出するように構成された歪センサであって、
凹部が形成された上面と、前記起歪体に接続されるように構成された下面とを有するパッケージと、
前記凹部に接合されてかつ前記凹部内に収納され、前記機械的歪を電気信号に変換して出力する検出素子と、
前記パッケージの前記上面に接続されてかつ前記検出素子から離間して、前記検出素子から出力された前記電気信号を処理するプロセッサチップと、
を備えた歪センサ。
【請求項２】
前記検出素子を前記凹部に接合する第１のバンプをさらに備えた、請求項１に記載の歪センサ。
【請求項３】
前記第１のバンプは、スペーサを含有する熱硬化性導電性接着剤よりなる、請求項２に記載の歪センサ。
【請求項４】
前記第１のバンプは、芯材と、前記芯材の表面の少なくとも一部を被覆する半田とを有する、請求項２に記載の歪センサ。
【請求項５】
前記検出素子は、前記機械的歪により変化する振動を起こす振動子を有し、
前記振動子は前記検出素子の下面に設けられており、
前記第１のバンプは前記検出素子の前記下面を前記パッケージの凹部に接合する、請求項２に記載の歪センサ。
【請求項６】
前記プロセッサチップを前記パッケージの前記上面に電気的および機械的に接続する第２のバンプをさらに備えた、請求項２から５のいずれか一項に記載の歪センサ。
【請求項７】
前記第２のバンプは熱硬化性導電性接着剤を含有する、請求項６に記載の歪センサ。
【請求項８】
前記プロセッサチップを前記パッケージの前記上面に電気的および機械的に接続するバンプをさらに備えた、請求項１に記載の歪センサ。
【請求項９】
前記バンプは熱硬化性導電性接着剤を含有する、請求項８に記載の歪センサ。
【請求項１０】
前記凹部は前記検出素子が接合された底面を有する、請求項１から９のいずれか一項に記載の歪センサ。
【請求項１１】
起歪体の機械的歪を検出するように構成された歪センサであって、
凹部が形成された上面と、前記起歪体に接続されるように構成された下面とを有するパッケージと、
前記凹部に接合されてかつ前記凹部内に収納され、前記機械的歪を電気信号に変換して出力する検出素子と、
前記パッケージの前記上面に接続されてかつ前記検出素子から離間して、前記検出素子から出力された前記電気信号を処理するプロセッサチップと、
を備え、
前記検出素子はスペーサを含有する熱硬化性導電性接着剤により、または、芯材と、前記芯材の表面の少なくとも一部を被覆する半田を有する第１のバンプにより前記凹部に接合され、
前記プロセッサチップは熱硬化性導電性接着剤を含有する第２のバンプにより前記パッケージの前記上面に電気的および機械的に接続されている、歪センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体に働く荷重等によりその物体に発生する機械的歪を検出する歪センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
図４Ａと図４Ｂはそれぞれ特許文献１に記載されている歪センサ５００の上面図、側面図である。歪センサ５００は、それに働く歪や荷重を検出する。起歪体１は高弾性金属材料等の可撓性材料からなる。起歪体１には、薄肉の応力集中部３ａ〜３ｄを形成する孔２が形成されている。起歪体１の上面側の応力集中部３ａ、３ｂには孔２に連通する長孔６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂが形成されている。長孔６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂは起歪体１の固定端４と可動端５を結ぶ長手方向に沿って延びる。長孔６ａ、７ａで挟まれた中央の梁部８ａの裏面と、長孔６ｂ、７ｂで挟まれた中央の梁部８ｂの裏面には切り欠き部９、１０が形成されている。応力集中部３ｂの梁部８ｂの一端部には駆動用の圧電素子１１が貼着され、梁部８ｂの他端部には検出用の圧電素子１２が貼着されている。【０００３】
図４Ｃは図４Ｂに示す歪センサ５００の拡大図であり、特に応力集中部３ｂの周辺部を示す。圧電素子１１は発振器１３の出力側に接続され、圧電素子１２は発振器１３の入力側に接続されている。発振器１３の出力側には端子１３Ｔが接続されている。圧電素子１１、１２の共振周波数は梁部８ｂの固有振動数ｆｅの近傍に選定されている。【０００４】
発振器１３から圧電素子１１に梁部８ｂの固有振動数ｆｅの近傍の周波数を持つ交流電圧が印加されると、梁部８ｂの一端部に設けられた圧電素子１１は機械的振動を発生する。この機械的振動によって梁部８ｂは固有振動数ｆｅで上下に弦振動を開始する。この弦振動は圧電素子１２によって受信され、圧電素子１２から梁部８ｂの固有振動数ｆｅと等しい周波数を持つ交流信号が発振器１３の入力側にフィードバックされる。これにより、梁部８ｂは固有振動数ｆｅで弦振動を持続する。【０００５】
固有振動数Ｆｅで梁部８ｂが上下に弦振動している状態で、起歪体１の可動端５に働く力Ｆが大きくなると梁部８ｂに働く引張り力が大きくなるため、梁部８ｂの固有振動数ｆｅは上昇する。逆に起歪体１の可動端５に働く力Ｆが小さくなると梁部８ｂに働く引張り力が小さくなるため、梁部８ｂの固有振動数ｆｅは低下する。端子１３Ｔに出力される固有振動数ｆｅを測定することにより起歪体１の可動端５に働く歪や力Ｆを測定できる。【０００６】
ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術などの微細加工技術の進展により、きわめて小さく薄い機械振動子を作ることが可能になっている。この技術により振動子自体の質量を小さく構成することが可能になって、加えられる荷重が小さくても周波数やインピーダンスが大きく変動する高精度の振動子が実現している。このような微小機械振動子を用いることにより、起歪体自体に応力集中点を作り込む必要はなく、起歪体に貼着するだけで簡便に起歪体に働く荷重や歪を測定することができる歪センサを構成することができる。【０００７】
図５Ａは、ＭＥＭＳ技術により作成した振動子を用いて構成した他の従来の歪センサ１００の上面図である。図５Ｂは図５Ａに示す歪センサ１００の拡大図である。図５Ｃは図５Ｂに示す歪センサ１００の線５Ｃ−５Ｃにおける断面図である。矩形状の半導体基板１０１はシリコン等の半導体材料よりなる。梁形状の振動子１０２ａ、１０２ｂは半導体基板１０１の表面をエッチング処理して形成されている。振動子１０２ａの表面の中央部には駆動素子１０３ａが形成され、両端部には感知素子１０４ａ、１０５ａが形成されている。同様に、振動子１０２ｂの表面中央部には駆動素子１０３ｂが形成され、両端部には感知素子１０４ｂ、１０５ｂが形成されている。駆動素子１０３ａ、１０３ｂと感知素子１０４ａ、１０４ｂ、１０５ａ、１０５ｂのそれぞれは半導体基板１０１上に設けられたグランド電極と、グランド電極上に設けられたＰＺＴ等の圧電材料からなる圧電体層と、圧電体層上に設けられた上部電極からなる。下部電極は設置されるように構成されている。駆動素子１０３ａ、１０３ｂの上部電極、グランド電極および感知素子１０４ａ、１０５ａ、１０４ｂ、１０５ｂの上部電極、グランド電極は配線パターンによりランド１０６に電気的に接続されている。半導体基板１０１の裏面は起歪体１０７に発生する歪が振動子に伝達されるようにＡｕ−Ａｕ接合等の金属系接合材やエポキシ樹脂等の剛性を有する物質１０８で起歪体１０７に接続固定されている。信号処理基板１１１はボンディングワイヤ等により半導体基板１０１と電気的に接続され、起歪体１０７上に配置されている。起歪体１０７上に発生する歪が信号処理基板１１１に伝達されて信号処理基板１１１の機能が損なわれることのないように、信号処理基板１１１はシリコン樹脂等の可撓性の大きい接着用部材で起歪体１０７に接続されている。また、振動子１０２ａの梁形状の長さ方向は起歪体１０７の幅方向と同じであり、振動子１０２ｂの梁形状の長さ方向は起歪体１０７の長さ方向と同じである。【０００８】
信号処理基板１１１から駆動素子１０３ａに振動子１０２ａの固有振動数ｆａの近傍の周波数を持つ交流電圧が印加されると、駆動素子１０３ａは機械的振動を発生する。この機械的振動によって振動子１０２ａは固有振動数ｆａで上下に弦振動を開始する。この弦振動は感知素子１０４ａ、１０５ａによって受信され、感知素子１０４ａ、１０５ａから振動子１０２ａの固有振動数ｆａと等しい周波数を持つ交流信号が信号処理基板１１１の入力側にフィードバックされる。これにより、振動子１０２ａは固有振動数ｆａと等しい周波数で弦振動を持続する。同様に、信号処理基板１１１の信号処理により、振動子１０２ｂは振動子１０２ｂの固有振動数ｆｂに等しい周波数で弦振動を持続する。【０００９】
起歪体１０７に長手方向の引張り力Ｆが印加されると、振動子１０２ａ、１０２ｂの振動の周波数が変化する。それらの周波数の差を測定することにより歪センサ１００は起歪体１０７に働く歪や荷重を高感度で測定できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平３−１０３７３５号公報
【発明の概要】
【００１１】
歪センサは、起歪体に接続されるように構成されたパッケージと、起歪対の機械的歪を電気信号に変換して出力する検出素子と、パッケージの上面に接続されてかつ検出素子から離間するプロセッサチップとを備える。パッケージの上面には凹部が形成されている。検出素子は凹部に接合されてかつ凹部内に収納されている。
【００１２】
この歪センサは小形にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は本発明の実施の形態における歪センサの分解斜視図である。
【図２】図２は実施の形態における歪センサの横断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは実施の形態における歪センサの検出素子の下面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは図３Ａに示す検出素子の線３Ｂ−３Ｂにおける断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは図３Ｂに示す検出素子の拡大断面図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは実施の形態における他の歪センサの拡大断面図である。
【図３Ｅ】図３Ｅは実施の形態におけるさらに他の歪センサの拡大断面図である。
【図３Ｆ】図３Ｆは実施の形態におけるさらに他の歪センサの検出素子の下面図である。
【図４Ａ】図４Ａは従来の歪センサの上面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは図４Ａに示す歪センサの側面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは図４Ｂに示す歪センサの拡大断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは他の従来の歪センサの上面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは図５Ａに示す歪センサの拡大図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは図５Ｂに示す歪センサの線５Ｃ−５Ｃにおける断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１と図２はそれぞれ本発明の実施の形態における歪センサ２０の展開斜視図、横断面図である。歪センサ２０は起歪体１２０の機械的歪を検出するように構成されており、パッケージ２１と検出素子３０とプロセッサチップ５０とを備える。実施の形態ではプロセッサチップ５０は集積回路（ＩＣ）チップであり、パッケージ２１は多層プリント配線板や多層セラミック基板等の配線基板からなる。パッケージ２１の上面２１ｃの略中央部には凹部２１ａが設けられている。凹部２１ａは上方に開口し、上方に開いている底面２１ｂを有する。凹部２１ａの底面２１ｂには電極パッド２２が配置され、パッケージ２１の上面２１ｃには金メッキが施された電極パッド２３が設けられている。電極パッド２２、２３間あるいは電極パッド２２、２３とパッケージ２１の下面２１ｄ等に設けられた外部電極との間はパッケージ２１の内部電極によって電気的に接続されている。検出素子３０はＳｉｌｉｃｏｎ−Ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ＳＯＩ）基板等のシリコン材料製の基板からなり、印加された張力や歪等の物理量を電気信号に変換する。プロセッサチップ５０は検出素子３０からの電気信号を処理して、歪センサ２０に働く張力や歪等の物理量に対応する電気信号を出力する。プロセッサチップ５０の下面５０ｂには、電極パッド２３に対向する位置に電極パッド５１が形成されている。電極パッド５１上には金等の金属よりなるバンプ５２が形成されている。パッケージ２１の下面２１ｄはＡｕ−Ａｕ接合等の金属系材料やエポキシ樹脂等の剛性を有する材料よりなる接合材６１で起歪体１２０に接続され固定されている。
【００１５】
図３Ａは歪センサ２０の検出素子３０の下面図である。図３Ｂは図３Ａに示す検出素子３０の線３Ｂ−３Ｂにおける断面図である。検出素子３０は、シリコン等の半導体材料からなる矩形状を有する基板３１を有する。基板３１は上面３１ａと下面３１ｂとを有する。基板３１は、基部３７と、基部３７に接続された振動子３２ａ、３２ｂとを有する。基部３７と振動子３２ａ、３２ｂは基板３１の上面３１ａと下面３１ｂとをエッチング処理して形成されている。振動子３２ａ、３２ｂは基板３１の下面３１ｂに沿って配置されている。振動子３２ａは、基部３７に接続された両端を有する梁形状を有し、両端を結ぶ長手方向１３２ａに細長く延びる。振動子３２ｂは、基部３７に接続された両端を有する梁形状を有し、両端を結ぶ長手方向１３２ｂに細長く延びる。振動子３２ａの長手方向１３２ａでの長さが０．５５ｍｍであり、幅が０．１５ｍｍであり、厚みが０．０１ｍｍである。振動子３２ｂの長手方向１３２ｂでの長さは０．６０ｍｍであり、幅が０．１５ｍｍであり、厚みが０．０１ｍｍである。実施の形態では基板３１の下面３１ｂは矩形状を有し、振動子３２ａの長手方向１３２ａが基板３１の矩形状の１つの辺に平行であり、振動子３２ａ、３２ｂの長手方向１３２ａ、１３２ｂが互いに直角になるように振動子３２ａ、３２ｂが配置されている。
【００１６】
検出素子３０は、振動子３２ａの梁形状の中央部に設けられた駆動素子３３ａと、梁形状の両端付近にそれぞれ設けられた感知素子３４ａ、３５ａとをさらに有する。駆動素子３３ａと感知素子３４ａ、３５ａのそれぞれは、振動子３２ａの表面に設けられたグランド電極と、グランド電極上に設けられたＰＺＴ等の圧電材料からなる圧電体層と、圧電層上に設けられた上部電極とを有する。駆動素子３３ａの上部電極とグランド電極および感知素子３４ａ、３５ａの上部電極、グランド電極の６つの電極は配線パターンによりランド３６に電気的に接続されている。ランド３６の下面にはバンプ４０が設けられている。
【００１７】
図３Ｃは図３Ｂに示す検出素子３０の拡大断面図であり、バンプ４０の周辺を示す。バンプ４０は、芯材４０ａと、芯材４０ａの表面を被覆する半田４０ｂとからなる。実施の形態では、芯材４０ａは金等の金属よりなり球形状を有する。
【００１８】
検出素子３０は、振動子３２ｂの梁形状の中央部に設けられた駆動素子３３ｂと、梁形状の両端付近にそれぞれ設けられた感知素子３４ｂ、３５ｂとをさらに有する。駆動素子３３ｂと感知素子３４ｂ、３５ｂのそれぞれは、振動子３２ｂの表面に設けられたグランド電極と、グランド電極上に設けられたＰＺＴ等の圧電材料からなる圧電体層と、圧電層上に設けられた上部電極とを有する。駆動素子３３ｂの上部電極、グランド電極および感知素子３４ｂ、３５ｂの上部電極、グランド電極の６つの電極は配線パターンによりランド３６に電気的に接続されている。
【００１９】
図１と図２に示すように、検出素子３０の振動子３２ａ、３２ｂおよびランド３６が形成された下面３１ｂは、パッケージ２１の上面２１ｃに形成された凹部２１ａの底面２１ｂに対向している。凹部２１ａの底面２１ｂには電極パッド２２が設けられている。ランド３６と電極パッド２２とは、バンプ４０の表面の半田４０ｂを溶融、固化させることによって電気的、機械的に接合されている。プロセッサチップ５０の電極パッド５１とパッケージ２１の上面２１ｃに設けられた電極パッド２３とは、バンプ５２を間に挟んで圧力をかけながら超音波を印加することによって電気的、機械的に接合している。
【００２０】
以下、歪センサ２０の動作を説明する。プロセッサチップ５０から駆動素子３３ａに振動子３２ａの固有振動数ｆ１（実施の形態では２００ｋＨｚ）の近傍の周波数を持つ交流電圧が印加されると、駆動素子３３ａは機械的振動を起こす。この機械的振動によって振動子３２ａは固有振動数ｆ１で上下方向Ｄ３２に弦振動を開始する。この弦振動は感知素子３４ａ、３５ａによって感知され、感知素子３４ａ、３５ａから固有振動数ｆ１と等しい周波数を持つ交流信号がプロセッサチップ５０にフィードバックされる。これにより、振動子３２ａは固有振動数ｆ１と等しい周波数で弦振動を持続する。同様に、プロセッサチップ５０から駆動素子３３ｂに振動子３２ｂの固有振動数ｆ２（実施の形態では１６５ｋＨｚ）の近傍の周波数を持つ交流電圧が印加されると、駆動素子３３ｂは機械的振動を起こす。この機械的振動によって振動子３２ｂは固有振動数ｆ２で上下方向Ｄ３２に弦振動を開始する。この弦振動は感知素子３４ｂ、３５ｂによって感知され、感知素子３４ｂ、３５ｂから固有振動数ｆ２と等しい周波数を持つ交流信号がプロセッサチップ５０にフィードバックされる。これにより、振動子３２ｂは固有振動数ｆ２と等しい周波数で弦振動を持続する。
【００２１】
図２に示すように起歪体１２０に振動子３２ｂの長手方向１３２ｂの引張り力Ｆが印加されると、振動子３２ｂは長手方向１３２ｂに伸びるとともに、起歪体１２０のポアソン比に相当する長さだけ振動子３２ａは振動子３２ａの長手方向１３２ａに縮む。これにより、振動子３２ａの振動の周波数は周波数ｆ１から周波数ｆ１＋△ａに上昇し、同時に、振動子３２ｂの振動の周波数は周波数ｆ２から周波数ｆ２−△ｂに低下する。起歪体１２０に長手方向１３２ｂの圧縮力−Ｆが印加されると、振動子３２ｂは長手方向１３２ｂに縮むとともに、起歪体１２０のポアソン比に相当する長さだけ振動子３２ａは振動子３２ａの長手方向１３２ａに伸びる。これにより、振動子３２ａの振動の周波数は周波数ｆ１から周波数ｆ１−△ａに低下し、同時に、振動子３２ｂの振動の周波数は周波数ｆ２から周波数ｆ２＋△ｂに上昇する。振動子３２ａ、３２ｂの駆動素子３３ａ、３３ｂからそれぞれ発生する上記の周波数を有する交流信号はプロセッサチップ５０内で処理され、これら２つの交流信号の周波数の差δを有する信号が出力される。起歪体１２０に引張り力Ｆが印加されたとすると、周波数の差δは以下であらわされる。
δ＝（ｆａ＋△ａ）−（ｆｂ−△ｂ）＝（ｆａ−ｆｂ）＋（△ａ＋△ｂ）
【００２２】
周波数の差δは単体の振動子の振動の周波数の変化より大きい。歪センサ２０はこの周波数の差δを測定することにより起歪体１２０に働く歪や荷重を高感度で測定できる。
【００２３】
複数のバンプ４０のうちの一対のバンプ４０は検出素子３０の下面３１ｂにおいて、振動子３２ｂの梁形状が延びる中心線Ｌ２３２について互いに対称な位置に配置されている。これにより、パッケージ２１と検出素子３０との熱膨張係数の差による熱応力が振動子３２ｂに均一に印加されるようにでき、温度特性や感度のばらつきを抑えて、歪センサ２０は起歪体１２０に印加された張力や歪等の物理量をさらに高精度に検出することができる。
【００２４】
図５Ａと図５Ｂに示す歪センサ１００においては、起歪体１０７は半導体基板１０１の裏面に接続され、振動子１０２ａ、１０２ｂは半導体基板１０１の表面に設けられている。起歪体１０７に印加された力Ｆによって半導体基板１０１に発生する歪は半導体基板１０１の裏面では大きいものの、半導体基板１０１の表面に近づくにつれて小さくなる。そのため、起歪体１０７に印加される力Ｆが小さいときには、歪センサ１００のＳ／Ｎ比が小さくなる。信号処理基板１１１は可撓性の大きい接着用部材を用いて起歪体１０７に直接接着されている。このような接着用部材は一般に接着強度が弱いので入手が困難であり、かつ高価である。さらに、半導体基板１０１のランド１０６と信号処理基板１１１とを電気的に接続するためにボンディングワイヤ等の配線部材を用いているためにセンサの小形化に限界がある。また、起歪体１０７に印加された力Ｆによって信号処理基板１１１にも歪が印加される。例えば、シリコンを用いたＩＣプロセッサチップであればピエゾ効果等により信号処理の過程で信号の誤差拡大もしくは信号の劣化により、検出精度が劣化する場合がある。
【００２５】
実施の形態における歪センサ２０においては、張力や歪により振動周波数が変化する振動子３２ａ、３２ｂが、起歪体１２０に接続されたパッケージ２１の凹部２１ａの底面２１ｂにバンプ４０を介して電気的、機械的に最短距離で接続されているので、起歪体１２０に印加される歪は振動子３２ａ、３２ｂに有効に伝達される。これにより、起歪体１２０に印加される力が小さいときにも高いＳ／Ｎ比が確保できる。また、バンプ４０は芯材４０ａを有するので、振動子３２ａ、３２ｂとパッケージ２１の凹部２１ａの底面２１ｂとの間に所定の間隙を確保することができ、振動子３２ａ、３２ｂの振動が妨げられることがない。バンプ４０の芯材４０ａの表面を被覆する半田４０ｂを、リフロー炉等を用いて高温雰囲気中で溶融、固化することによって検出素子３０のランド３６とパッケージ２１の凹部２１ａの底面２１ｂの電極パッド２２とを電気的、機械的に接合している。したがって、金製のバンプを用いて超音波溶着での接続に比べて、パッケージ２１と検出素子３０との熱膨張係数の差による残留応力が振動子３２ａ、３２ｂにより均一に印加される。したがって、実装に纏わる振動の周波数の変動分をほぼゼロとすることが出来る。これにより、実施の形態における歪センサ２０は、起歪体１２０に印加される力が小さいときにも高いＳ／Ｎ比が確保できるとともに、温度特性や感度のばらつきを抑えて、起歪体１２０に働く歪を高精度に検出することができる。
【００２６】
プロセッサチップ５０はパッケージ２１の上面２１ｃにおいて起歪体１２０から離れて配置されているため、起歪体１２０に印加される歪はプロセッサチップ５０には伝達されにくくなっている。そのため、プロセッサチップ５０とパッケージ２１の上面２１ｃとは、特に可撓性の大きい部材ではなく、金等の一般的な材料よりなるバンプ５２で接続することができ、接続信頼性を向上することができる。さらに、検出素子３０とプロセッサチップ５０とをバンプ４０、５２でパッケージ２１にそれぞれ接続しているので、ボンディングワイヤが不要となり、これにより、歪センサ２０は小形化、低背化が可能で、張力や歪等の物理量を高精度に検出できる。
【００２７】
図３Ｄは実施の形態における他の歪センサ４２０の拡大断面図である。図３Ｄにおいて、図３Ｃに示す歪センサ２０と同じ部分には同じ参照番号を付す。歪センサ４２０は、図３Ｃに示す歪センサ２０のバンプ４０の代わりに、検出素子３０のランド３６とパッケージ２１の電極パッド２２とを接続するバンプ２４０を備える。バンプ２４０は、芯材２４０ａと、芯材２４０ａの表面の少なくとも一部を被覆する半田２４０ｂとからなる。実施の形態では、芯材２４０ａは金等の金属よりなり球形状を有する。
【００２８】
図３Ｅは実施の形態におけるさらに他の歪センサ３２０の拡大断面図である。図３Ｅにおいて、図３Ｃに示す歪センサ２０と同じ部分には同じ参照番号を付す。歪センサ３２０は、図３Ｃに示す歪センサ２０のバンプ４０の代わりに、検出素子３０のランド３６とパッケージ２１の電極パッド２２とを接続するバンプ１４０を備える。バンプ１４０は、スペーサ１４０ａを含有する熱硬化性導電性接着剤１４０ｂよりなり、同様の効果が得られる。
【００２９】
また、プロセッサチップ５０とパッケージ２１の上面２１ｃとを接合するバンプ５２は熱硬化性導電性接着剤より形成されていてもよく、同様の効果が得られる。
【００３０】
図３Ｆは実施の形態におけるさらに他の歪センサ５２０の検出素子５３０の下面図である。図３Ｆにおいて、図３Ａに示す検出素子３０と同じ部分には同じ参照番号を付す。歪センサ５２０の検出素子５３０は図３Ａに示す検出素子３０のバンプ４０の代わりにバンプ４０１〜４１１を有する。歪センサ５２０の検出素子５３０のバンプ４０１〜４１１は図３Ａに示す検出素子３０のバンプ４０と同じである。振動子３２ａ、３２ｂの梁形状は中心線Ｌ１３２、Ｌ２３２に沿って細長く延びる。中心線Ｌ１３２、Ｌ２３２は振動子３２ａ、３２ｂの梁形状の中心Ｃ１３２、Ｃ２３２をそれぞれ通る。中心線Ｌ３２２は振動子３２ｂの中心Ｃ２３２を通り中心線Ｌ２３２と直交する。中心線Ｌ１３２、Ｌ２３２は振動子３２ａの中心Ｃ１３２で直交する。中心線Ｌ１３２、Ｌ２３２は振動子３２ａの中心Ｃ１３２で直交する。バンプ４０１、４１０、４０９は中心線Ｌ１３２についてバンプ４０２、４１１、４０８とそれぞれ対称の位置に配置されている。バンプ４０１、４１０、４０９は振動子３２ａの中心Ｃ１３２についてバンプ４０８、４１１、４０２とそれぞれ対称の位置に配置されている。バンプ４０１、４０２は中心線Ｌ２３２についてバンプ４０９、４０８とそれぞれ対称の位置に配置されている。バンプ４０５、４１０、４１１は中心線Ｌ２３２上に配置されている。バンプ４０３、４１１、４０７は中心線Ｌ３３２についてバンプ４０４、４０５、４０６とそれぞれ対称の位置に配置されている。バンプ４０３、４１１、４０７は振動子３２ｂの中心Ｃ２３２についてバンプ４０６、４０５、４０４とそれぞれ対称の位置に配置されている。バンプ４０３、４０４は中心線Ｌ２３２についてバンプ４０７、４０６とそれぞれ対称の位置に配置されている。これにより、パッケージ２１と検出素子５３０との熱膨張係数の差による熱応力が振動子３２ｂに均一に印加されるようにでき、温度特性や感度のばらつきを抑えて、歪センサ５２０は起歪体１２０に印加された張力や歪等の物理量をさらに高精度に検出することができる。
【００３１】
実施の携帯において、「上面」「下面」「上方」等の方向を示す用語は、パッケージ２１や検出素子３０等の歪センサ２０の構成部品の相対的な位置関係にのみ依存する相対的な方向を示し、鉛直方向等の絶対的な方向を示すものではない。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明における歪センサは小形化、低背化が可能で、張力や歪等の物理量を高精度に検出でき、特に、物体に働く歪や荷重を検出する歪センサとして有用である。
【符号の説明】
【００３３】
２０    歪センサ
２１    パッケージ
３０    検出素子
３２ａ，３２ｂ    振動子
４０    バンプ（第１のバンプ）
５０    プロセッサチップ
５２    バンプ（第２のバンプ）
【図１】
2014002416.tif 000003
【図２】
2014002416.tif 000004
【図３Ａ】
2014002416.tif 000005
【図３Ｂ】
2014002416.tif 000006
【図３Ｃ】
2014002416.tif 000007
【図３Ｄ】
2014002416.tif 000008
【図３Ｅ】
2014002416.tif 000009
【図３Ｆ】
2014002416.tif 000010
【図４Ａ】
2014002416.tif 000011
【図４Ｂ】
2014002416.tif 000012
【図４Ｃ】
2014002416.tif 000013
【図５Ａ】
2014002416.tif 000014
【図５Ｂ】
2014002416.tif 000015
【図５Ｃ】
2014002416.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成26年10月22日(2014.10.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
固有振動数ｆｅで梁部８ｂが上下に弦振動している状態で、起歪体１の可動端５に働く力Ｆが大きくなると梁部８ｂに働く引張り力が大きくなるため、梁部８ｂの固有振動数ｆｅは上昇する。逆に起歪体１の可動端５に働く力Ｆが小さくなると梁部８ｂに働く引張り力が小さくなるため、梁部８ｂの固有振動数ｆｅは低下する。端子１３Ｔに出力される固有振動数ｆｅを測定することにより起歪体１の可動端５に働く歪や力Ｆを測定できる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
図５Ａは、ＭＥＭＳ技術により作成した振動子を用いて構成した他の従来の歪センサ１００の上面図である。図５Ｂは図５Ａに示す歪センサ１００の拡大図である。図５Ｃは図５Ｂに示す歪センサ１００の線５Ｃ−５Ｃにおける断面図である。矩形状の半導体基板１０１はシリコン等の半導体材料よりなる。梁形状の振動子１０２ａ、１０２ｂは半導体基板１０１の表面をエッチング処理して形成されている。振動子１０２ａの表面の中央部には駆動素子１０３ａが形成され、両端部には感知素子１０４ａ、１０５ａが形成されている。同様に、振動子１０２ｂの表面中央部には駆動素子１０３ｂが形成され、両端部には感知素子１０４ｂ、１０５ｂが形成されている。駆動素子１０３ａ、１０３ｂと感知素子１０４ａ、１０４ｂ、１０５ａ、１０５ｂのそれぞれは半導体基板１０１上に設けられたグランド電極と、グランド電極上に設けられたＰＺＴ等の圧電材料からなる圧電層と、圧電層上に設けられた上部電極からなる。下部電極は接地されるように構成されている。駆動素子１０３ａ、１０３ｂの上部電極、グランド電極および感知素子１０４ａ、１０５ａ、１０４ｂ、１０５ｂの上部電極、グランド電極は配線パターンによりランド１０６に電気的に接続されている。半導体基板１０１の裏面は起歪体１０７に発生する歪が振動子に伝達されるようにＡｕ−Ａｕ接合等の金属系接合材やエポキシ樹脂等の剛性を有する物質１０８で起歪体１０７に接続固定されている。信号処理基板１１１はボンディングワイヤ等により半導体基板１０１と電気的に接続され、起歪体１０７上に配置されている。起歪体１０７上に発生する歪が信号処理基板１１１に伝達されて信号処理基板１１１の機能が損なわれることのないように、信号処理基板１１１はシリコン樹脂等の可撓性の大きい接着用部材で起歪体１０７に接続されている。また、振動子１０２ａの梁形状の長さ方向は起歪体１０７の幅方向と同じであり、振動子１０２ｂの梁形状の長さ方向は起歪体１０７の長さ方向と同じである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
歪センサは、起歪体に接続されるように構成されたパッケージと、起歪体の機械的歪を電気信号に変換して出力する検出素子と、パッケージの上面に接続されてかつ検出素子から離間するプロセッサチップとを備える。パッケージの上面には凹部が形成されている。検出素子は凹部に接合されてかつ凹部内に収納されている。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
検出素子３０は、振動子３２ａの梁形状の中央部に設けられた駆動素子３３ａと、梁形状の両端付近にそれぞれ設けられた感知素子３４ａ、３５ａとをさらに有する。駆動素子３３ａと感知素子３４ａ、３５ａのそれぞれは、振動子３２ａの表面に設けられたグランド電極と、グランド電極上に設けられたＰＺＴ等の圧電材料からなる圧電層と、圧電層上に設けられた上部電極とを有する。駆動素子３３ａの上部電極とグランド電極および感知素子３４ａ、３５ａの上部電極、グランド電極の６つの電極は配線パターンによりランド３６に電気的に接続されている。ランド３６の下面にはバンプ４０が設けられている。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
検出素子３０は、振動子３２ｂの梁形状の中央部に設けられた駆動素子３３ｂと、梁形状の両端付近にそれぞれ設けられた感知素子３４ｂ、３５ｂとをさらに有する。駆動素子３３ｂと感知素子３４ｂ、３５ｂのそれぞれは、振動子３２ｂの表面に設けられたグランド電極と、グランド電極上に設けられたＰＺＴ等の圧電材料からなる圧電層と、圧電層上に設けられた上部電極とを有する。駆動素子３３ｂの上部電極、グランド電極および感知素子３４ｂ、３５ｂの上部電極、グランド電極の６つの電極は配線パターンによりランド３６に電気的に接続されている。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
実施の形態において、「上面」「下面」「上方」等の方向を示す用語は、パッケージ２１や検出素子３０等の歪センサ２０の構成部品の相対的な位置関係にのみ依存する相対的な方向を示し、鉛直方向等の絶対的な方向を示すものではない。
【国際調査報告】
2014002416.tif 000017
2014002416.tif 000018
2014002416.tif 000019
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