(57)【要約】【課題】本発明の目的は、圧縮側のひずみ計測範囲を拡大した力学量測定装置を提供することにある。  【解決手段】力学量測定装置は、半導体基板の表面に複数のピエゾ抵抗素子および電極パッドが形成されたセンサチップと、前記電極パッドと電気的に接続される配線を備える引出配線部と、前記センサチップの裏面と接合される金属板と、を有し、前記金属板の裏面には、前記センサチップの裏面と対向する領域内の一部に突起部を有することを特徴とする。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面と前記表面側に形成された複数のピエゾ抵抗素子と前記ピエゾ抵抗素子と電気的に接続された複数の電極パッドと前記表面の反対側に位置する裏面とを備えるセンサチップと、
前記裏面と接合材を介して接合される金属板と、
前記金属板の前記センサチップを接合した面の反対側の面であって、前記裏面と対応する位置に形成された突起部と、
を有することを特徴とする力学量測定装置。
【請求項２】
表面と前記表面側に形成された複数のピエゾ抵抗素子と前記ピエゾ抵抗素子と電気的に接続された複数の電極パッドと前記表面の反対側に位置する裏面とを備えるセンサチップと、
前記裏面と接合材を介して接合される金属板と、
前記金属板の前記センサチップを接合した面の反対側の面であって、前記裏面と対応する位置に形成された凸状の湾曲部と、
を有することを特徴とする力学量測定装置。
【請求項３】
請求項１において、前記突起部の長手方向は、前記金属板の長手方向と垂直な位置関係であることを特徴とする力学量測定装置。
【請求項４】
請求項２において、前記突起部の短手方向の両端位置は、前記センサチップの両端面の位置よりも内側に存在することを特徴とする力学量測定装置。
【請求項５】
請求項１または２において、前記金属板の裏面全体が、接着剤を介して被測定物に固着していることを特徴とする力学量測定装置。
【請求項６】
請求項１または２において、前記金属板の両端部にねじ留め用の穴部を有することを特徴とする力学量測定装置。
【請求項７】
請求項2において、前記湾曲部における金属板の厚さは、それ以外の部分の厚さよりも厚いことを特徴とする力学測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物のひずみや応力を測定できる半導体ひずみセンサを用いた力学量測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、シリコン半導体で構成されたセンサチップ（歪み検出素子）をガラス製の台座に低融点ガラスを用いて接合した歪み検出センサが記載されている。
【０００３】
構造物のひずみや応力を測定する方法として、最も普及しているのは、ひずみゲージを用いる方法である。ひずみゲージは、ポリイミドやエポキシ樹脂フィルム上に、Ｃｕ−Ｎｉ系合金やＮｉ−Ｃｒ系合金の金属薄膜の配線パターンを形成して、引出しリード線を設けた構造であり、被測定物に接着剤で接着して使用する。金属薄膜の変形に起因した抵抗値の変化から、ひずみ量を算出することができる。
【０００４】
これに対して、より高精度なひずみ計測を行う方法として、半導体を用いた半導体ひずみセンサの開発が進んでいる。ひずみ検知部を金属薄膜ではなく、シリコン（Ｓｉ）などの半導体に不純物をドープして形成した半導体ピエゾ抵抗を利用するデバイスである。半導体ひずみセンサは、ひずみに対する抵抗変化率が金属薄膜を用いたひずみゲージの数十倍と大きく、微小なひずみを測定することが可能である。また、金属薄膜のひずみゲージでは、抵抗変化が小さいため、得られる電気信号を増幅するための外部のアンプが必要となる。半導体ひずみセンサは抵抗変化が大きいため、得られた電気信号を外部のアンプを用いずに使用することもでき、また半導体ひずみセンサの半導体チップにアンプ回路を作りこむことも可能であるため、適用用途や使用上の利便性が大きく広がると期待される。
【０００５】
このようなひずみセンサの使い勝手向上を目的として、半導体ひずみセンサを金属板に接合した金属板モジュールの開発が進められている。図１に、金属板モジュール４および金属板モジュールを被測定物５に取り付けた場合の模式図を示す。金属板モジュール４は、（ａ）接着剤６による接着、（ｂ）ねじ７によるねじ留め、（ｃ）溶接部８における溶接など各種方式で取り付けることが可能となるため、ユーザにとっての使い勝手を向上できる。この金属板モジュールは、半導体ひずみセンサであるセンサチップ１が、接着剤やはんだ材などを介して金属板３に接合された構成となっている。図２に、センサチップ１の接合工程および金属板モジュールの負荷状態の模式図を示す。高温に加熱した状態でチップを搭載し、その後、室温まで冷却することで接合を完了させる。シリコンで構成されたセンサチップ１の線膨張係数（以下、αと示す）は約３ｐｐｍ／℃であり、金属板のαは、一般にセンサチップのαよりも大きい。例えば、ステンレス材のαは約１６ｐｐｍ／℃、アルミニウム合金材のαは約２３ｐｐｍ／℃である。したがって、接合が完了した室温状態において、接合材２には、金属板側が大きく収縮したことによるせん断変形の残留ひずみが発生している。
【０００６】
次に、金属板モジュールでの計測可能なひずみ範囲について説明する。図３に示す通り、金属板モジュールに負荷ひずみを与えた場合、センサ出力は、負荷ひずみに比例して増加する。しかし、あるひずみ値以上を負荷すると、接合材が塑性変形することに起因して、センサ出力の挙動が非線形となる。この線形性が維持される領域（以下、ひずみ計測範囲と記す）は、なるべく広い方が望ましい。
【０００７】
しかし、先述の通り、金属板モジュールには、初期の残留ひずみが発生している。ここで、図２に示すように、この金属板モジュールに圧縮ひずみを負荷する場合、接合材端部のせん断変形は、初期の残留ひずみのせん断変形と同じ方向である。
【０００８】
一方、引張ひずみを負荷する場合、接合材端部のせん断変形は、初期の残留ひずみのせん断変形と逆方向である。したがって、圧縮側のひずみ計測範囲は、引張側のひずみ計測範囲と比較して、初期の残留ひずみの分だけ、小さくなると考えられる。ユーザは、引張側と圧縮側のひずみ計測範囲を同程度と考えて使用することが多いので、圧縮側のひずみ計測範囲のみが小さいという点は、ユーザにとっての利便性を低下させることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−２７２２８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで、本発明の目的は、圧縮側のひずみ計測範囲を拡大した力学量測定装置を提供することにある。  
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願発明の一態様である力学量測定装置は、表面と前記表面側に形成された複数のピエゾ抵抗素子と前記ピエゾ抵抗素子と電気的に接続された複数の電極パッドと前記表面の反対側に位置する裏面とを備えるセンサチップと、前記裏面と接合材を介して接合される金属板と、前記金属板の前記センサチップを接合した面の反対側の面であって、前記裏面と対応する位置に形成された突起部と、
を有することを特徴とする力学量測定装置である。
【００１２】
また、表面と前記表面側に形成された複数のピエゾ抵抗素子と前記ピエゾ抵抗素子と電気的に接続された複数の電極パッドと前記表面の反対側に位置する裏面とを備えるセンサチップと、前記裏面と接合材を介して接合される金属板と、前記金属板の前記センサチップを接合した面の反対側の面であって、前記裏面と対応する位置に形成された凸状の湾曲部と、を有することを特徴とする力学量測定装置である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、力学量測定装置の計測可能な圧縮ひずみ量を拡大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】金属板モジュールの取付方法を示した模式図である。
【図２】金属板モジュールのセンサチップ接合工程およびモジュール負荷時の変形状態示す模式図である。
【図３】負荷ひずみとセンサ出力の関係を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施例である力学量測定装置の平面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ線に沿った拡大断面図である。
【図６】図４〜図５に示すセンサチップの表面側の構成を模式的に示す平面図である。
【図７】本発明の第１の実施例である力学量測定装置が被測定物上に接着固定された状態を示す平面図である。
【図８】図７のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図９】本発明の第２の実施例である力学量測定装置が被測定物上に取り付けられた状態を示す平面図である。
【図１０】図９のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図１１】本発明の第３の実施例である力学量測定装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明  
【００１６】
するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
[実施例１]
まず、本実施の形態の力学量測定装置の基本構成について、説明する。図４は、本実施の形態の力学量測定装置の透視平面図である。また、図５は、図４のＡ−Ａ線に沿った断面図である。なお、図４では、封止樹脂１２の内部構造を示すため封止樹脂１２の輪郭を二点鎖線で示し、封止樹脂１２を透過した内部構造を示している。図４および図５に示すように、本実施の形態の力学量測定装置である金属板モジュールは、半導体ひずみセンサであるセンサチップ１と、センサチップ１と電気的に接続される配線部１１（フレキシブル配線板やガラエポ基板など）と、接合材２を介してセンサチップ１が搭載される金属板３と、センサチップ１を封止する封止樹脂１２とを有している。
【００１７】
図６ａおよび図６ｂは、図４および５に示すセンサチップ１の表面側の構成を模式的に示す平面図である。センサチップ１は、図６ａおよび図６ｂに示すように表面（主面）１ａおよび表面１ａの反対側に位置する裏面（主面）１ｂを備える。センサチップ１の裏面１ｂには金属膜が形成され、裏面１ｂは金属膜で覆われている。この金属膜は、例えば半導体基板側からクロム、ニッケル、金（Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｕ）が順に積層された積層膜（金属積層膜）から成り、例えばスパッタ法により形成することができる。このようにセンサチップ１の裏面１ｂを金属膜で覆うことで、はんだなど金属製の接合材２との接合強度を向上させることができる。また、表面１ａおよび裏面１ｂはそれぞれ四辺形（四角形）を成し、図６ａおよび図６ｂに示す例では、例えば、一辺の長さが２ｍｍ〜３ｍｍ程度の正方形を成す。また、センサチップ１は、表面１ａ側の中央部に位置するセンサ領域１４に形成された複数の抵抗素子１５（ピエゾ抵抗素子）を備える。
【００１８】
また、センサチップ１は、表面１ａ側のセンサ領域１４よりも周縁部側に位置する入出力回路領域に形成された、複数の抵抗素子１５（ピエゾ抵抗素子）と電気的に接続される複数の電極（パッド、電極パッド９）を備える。複数の抵抗素子１５は、例えば（１００）面を有するシリコン基板の素子形成面に不純物をドープし、拡散させた不純物拡散領域により構成される。センサチップ１は、例えば４本の抵抗素子１５を電気的に接続してホイートストンブリッジ回路を形成し、ピエゾ抵抗効果による抵抗素子１５の抵抗変化を計測してひずみを検知する、検知回路（ひずみ検知回路）を備える。
【００１９】
また、検知回路は、複数の配線を介して複数の電極パッド９に接続される。複数の電極パッド９は、センサチップ１の入出力端子となっており、例えば、センサチップ１に電源電位（第１電源電位）を供給する端子Ｖｃｃ、基準電位（第２電源電位）を供給する端子ＧＮＤ、および検知信号を出力する端子ＳＩＧが含まれる。また、検知回路を構成する複数の抵抗素子１５のレイアウトは、図６に示す態様に限定されるものではないが、本実施の形態では以下の構成としている。すなわち、センサチップ１が備える半導体基板（例えばシリコン（Ｓｉ）から成るシリコン基板）を単結晶（シリコン単結晶）とした場合、検知回路を構成する複数の抵抗素子１５の延在方向（長手方向）は、それぞれ（１００）面を有する半導体基板の＜１１０＞方向または＜１００＞方向と一致する。例えば、図６ａに示す例では、センサチップ１が備える半導体基板（シリコン基板）には、シリコン単結晶の＜１１０＞方向（図６ａではＸ方向およびＸ方向と直交するＹ方向）の結晶方位に沿って電流が流れるように４本のｐ型拡散領域（導電型がｐ型である不純物をドープした領域）が形成される。言い換えれば、センサチップ１では、シリコン基板のシリコン単結晶の＜１１０＞方向の結晶方位に沿って延びるように４箇所にｐ型の不純物をドープして、４本の抵抗素子１５が形成される。
【００２０】
また、図６ｂに示す例では、センサチップ１が備える半導体基板（シリコン基板）には、シリコン単結晶の＜１００＞方向（図６ｂではＸ方向およびＸ方向と直交するＹ方向）の結晶方位に沿って電流が流れるように４本のｎ型拡散領域（導電型がｎ型である不純物をドープした領域）が形成される。言い換えれば、センサチップ１では、シリコン基板のシリコン単結晶の＜１００＞方向の結晶方位に沿って延びるように４箇所にｎ型の不純物をドープして、４本の抵抗素子１５が形成される。
【００２１】
図６ａおよび図６ｂに示すように、検知回路を構成する複数の抵抗素子１５の延在方向が、それぞれ（１００）面を有する半導体基板の＜１１０＞方向または＜１００＞方向と一致するセンサチップ１は、例えば図６ａおよび図６ｂに示すＸ方向のひずみと、Ｙ方向のひずみの差分を出力することができる。詳しくは、図６ａおよび図６ｂに示す端子ＳＩＧから、Ｘ方向のひずみとＹ方向のひずみの差分を電位差として出力することができる。このように、Ｘ方向のひずみとＹ方向のひずみの差分を出力する計測方式は、センサチップ１に印加される熱ひずみの影響を低減する観点から有利である。
【００２２】
すなわち、図１に示すようにセンサチップ１は、複数の部材（図５の場合は、金属板３、接合材２）を介して被測定物上に固定されるため、測定環境温度が変化すると、各部材の線膨張係数の違いに起因した熱ひずみが生じる。この熱ひずみは測定対象となるひずみとは異なるノイズ成分なので、熱ひずみの影響は低減する方が好ましい。
【００２３】
ここで、図６ａおよび図６ｂに示すように、センサチップ１の平面形状が正方形の場合、熱ひずみの影響は、Ｘ方向とＹ方向で同程度となる。このため、例えば、Ｘ方向に発生するひずみを検出する場合には、Ｘ方向のひずみとＹ方向のひずみの差分を出力すれば、熱ひずみに起因するひずみ量はキャンセルされ、測定対象であるひずみを選択的に検出することができる。
【００２４】
つまり、センサチップ１を用いれば、熱ひずみによる影響を低減できるので、環境温度の変化によるひずみ値のばらつきを低減することができる。また、センサチップ１を構成する抵抗素子１５や電極パッド９などの各部材は、公知の半導体装置の製造技術を適用して形成することができるので、素子や配線の微細化が容易である。また、製造効率を向上させて、製造コストを低減することができる。
【００２５】
次に、接合材２について説明する。接合材２は、センサチップ１の裏面全体、およびセンサチップ１の側面の一部を覆うように設けられる。言い換えれば、接合材２の周縁部は、センサチップ１の側面の外側まで広がり、フィレットを形成することもある。センサチップ１と金属板３を固定する観点からは、接合材２は金属材料に限定されず、例えば熱硬化性樹脂などの樹脂製接着材を用いることができる。
【００２６】
次に、図４に示すように金属板上には、センサチップ１の複数の電極パッド９と電気的に接続される複数の配線を備える配線部１１が固定される。配線１１は、複数の金属パターンである配線部が樹脂フィルム内に封止された構成であり、樹脂フィルムの一部に設けられた開口部において、複数の配線の一部が露出して、この露出部分が複数の端子を構成する。また、図４に示す例では、センサチップ１の複数の電極パッド９と配線部の複数の端子は、複数のＡｕワイヤ１０（導電性部材）を介して電気的に接続されている。ワイヤ１０は、例えば、線径が１０μｍ〜２００μｍ程度の金線（Ａｕ線）であって、封止樹脂１２により封止されている。封止樹脂１２でワイヤ１０を覆うことにより、隣り合うワイヤ同士の短絡を防止できる。また、配線部の一方の端部は、図４に示すように金属板に固定されるが、他方の端部には例えば図示しないコネクタが形成され、例えば、ひずみ測定を制御する制御回路（図示は省略）などと電気的に接続される。なお、図４では、配線部とワイヤとは区別して説明したが、複数のワイヤを含めて配線部と見做すこともできる。また、配線部は、センサチップ１と図示しない外部機器の間で、入出力電流を伝送することができれば良く、図４に示す態様には限定されない。
【００２７】
次に、金属板について説明する。金属板の構成材料は特に限定されないが、金属板の材質は、被測定物の材質と同じにすることが望ましい。これは、環境温度が変動した際、被測定物と金属板のα差に起因した熱ひずみの発生を抑制するためである。したがって、金属板の種類としては、被測定物の材料として使用されることが多い鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、所謂ステンレス鋼（クロム元素を含む鉄合金）あるいは、所謂ジュラルミン（アルミニウム合金）などから成る。
【００２８】
また、図５に示すように、金属板３はセンサチップ１が搭載される（センサチップ１の裏面１ｂと対向する）領域（センサチップ搭載領域３１）と、領域３１を挟んで両隣に配置されるセンサチップ未搭載領域３２と、を備え、領域３１内の一部に、突起部１３を有する。突起部両端の位置１６は、センサチップ両端の位置１７よりも内側に存在することを特徴とする。このような寸法関係とすることによる効果は後述する。一方、上面側は、同じ高さで平坦化されている。金属板３は、例えば、平坦な平板に対して、エッチング加工、機械切削加工、あるいはプレス加工などで形成することができる。
【００２９】
また、図４に示すように、金属板３の４つの角部（四隅部分）は平面視において、円弧形状を成す。金属板モジュールを、被測定物に接着剤で取り付ける場合、金属板３の４つの角部は、被測定物５にひずみを負荷した時に、最も応力が集中しやすい。したがって、図４に示すように、４つの角部はそれぞれ円弧形状を成すように加工することが好ましい。これにより応力を分散させる事ができるので、各角部の周辺において、接着層のひずみ集中を緩和して、剥離またはクラックの発生を抑制することができる。また、角部を円弧形状とすることで、金属板３自身に発生する応力を緩和することができる。このため、金属板３の疲労破壊を抑制することができる。
【００３０】
次に、図７は、本実施の形態の力学量測定装置が被測定物上に接着固定された状態を示す透視平面図である。また、図８は、図７のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図８に示すように、金属板モジュール４は、金属板３の下面（実装面３ｂ）側が、接着剤６を介して被測定物に接着固定され、被測定物５に負荷されたひずみは、接着剤６および金属板３を介してセンサチップ１に伝達され、計測される。次に、金属板モジュール４を被測定物に接着剤で取り付ける場合、通常、金属板の両端部を上部から加圧・加熱して接着する。これは、加圧することによって、接着剤の接着強度を向上させることができるためである。
【００３１】
ここで、金属板３の裏側には、突起部１３が存在するため、接着時の加圧によって、金属板モジュールには、上に凸方向の反り変形が発生する。また、最終的に、この上に凸の反り変形が発生した状態で、接着されることになる。したがって、接合材２にも、金属板３が伸びる変形に起因したせん断ひずみが発生することになる。上述した通り、接合材２には、金属板の大きな収縮による残留せん断ひずみが発生しているため、圧縮側の計測ひずみ範囲が小さくなっている。しかし、本実施例の構造を用いれば、モジュールを取り付けた初期状態において、接合材２に発生する残留ひずみを低減することができる。つまり、圧縮側の計測ひずみ範囲を拡大することが可能となる。なお、ユーザは、モジュールの取付工程において、特に意識することなく、通常の貼付作業を実施するだけでよい。
【００３２】
また、突起部１３の両端の位置１６が、チップ両端の位置１７よりも内側にない場合、接合材の裏面側と接する金属板に引張ひずみを印加することができない可能性がある。したがって、突起部１３の両端の位置１６は、チップ両端の位置１７よりも内側に位置する必要がある。
［実施例２］
図９は、本実施の形態の力学量測定装置が被測定物上にねじ締めで固定された状態を示す透視平面図である。また、図１０は、図９のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図１０に示すように、金属板モジュール４は、金属板３の両端に設けられた穴部を介して、ねじ７によって、被測定物５に取り付けられる。本構造の場合、実施例１の接着剤で固着する場合と同様の効果を得ることができる。すなわち、ねじ締めによって、金属板モジュール４には、上に凸方向の反り変形が発生する。よって、接合材２にも、金属板３が伸びる変形に起因したせん断ひずみが負荷される。この変形によって、接合材２の初期残留ひずみは低減するので、金属板モジュールの圧縮側の計測ひずみ範囲を拡大することが可能となる。なお、ユーザは、モジュールの取付工程において、特に意識することなく、通常の貼付作業を実施するだけでよい。
［実施例３］
図１１は、本実施の形態の力学量測定装置の断面構造を示した図である。金属板３は、センサチップの両端間の領域３１内において、下に凸の婉曲部を有する構造（金属板裏面側の湾曲部１８）
となっている。また、領域３１における金属板の厚さは、領域３２における金属板の厚さよりも厚い。この金属板モジュールを、被測定物に接着剤を用いて固定する場合、実施例１に記載した内容と同様の効果を得ることができると考えられる。また、この金属板モジュールの両端に穴部を設け、被測定物にねじ留めをする場合、実施例２に記載した内容と同様の効果を得ることができると考えられる。
【符号の説明】
【００３３】
１…センサチップ、１ａ…表面、１ｂ…裏面、２…接合材、３…金属板、３ｂ…実装面、４…金属板モジュール、５…被測定物、６…接着剤、７…ねじ、８…溶接部、９…電極パッド、１０…Ａｕワイヤ、１１…配線部、１２…封止樹脂、１３…突起部、１４…センサ領域、１５…抵抗素子、１６…突起部両端の位置、１７…センサチップ両端の位置、１８…金属板裏面側の湾曲部、３１…センサチップ搭載領域、３２…センサチップ未搭載領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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