(57)【要約】  力学量測定装置は、半導体基板の一面に形成されたひずみ検出部とひずみ検出部に接続された複数の電極とを有するセンサチップと、隣接する周縁部から突き出す台座を有し、台座の上面がセンサチップの下面に金属材料またはガラス材料により形成された接合材により接合されたステムと、複数の電極と電気的に接続された複数の配線を備える引出し配線部と、ステムを固定する固定部とを備え、ステムと固定部とは、一体成形、金属接合また機械的結合により固定されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の一面に形成されたひずみ検出部と前記ひずみ検出部に接続された複数の電極とを有するセンサチップと、
隣接する周縁部から突き出す台座を有し、前記台座の上面が前記センサチップの下面に金属材料またはガラス材料により形成された接合材により接合されたステムと、
前記複数の電極と電気的に接続された複数の配線を備える引出し配線部と、
前記ステムを固定する固定部とを備え、
前記ステムと前記固定部とは、一体成形、金属接合また機械的結合により固定されている、力学量測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の力学量測定装置において、
前記固定部は、前記ステムより大きい面積を有し、前記ステムの周縁部を固定する被測定体である、力学量測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の力学量測定装置において、
前記ステムは、前記台座が形成された領域の方がその周縁部よりも大きい剛性を有する、力学量測定装置。
【請求項４】
請求項１に記載の力学量測定装置において、
前記ステムには、前記センサチップに接合された面の反対側の一面に、前記台座よりも幅狭で前記台座の周縁部の外側まで延出された溝が形成されている、力学量測定装置。
【請求項５】
請求項４に記載の力学量測定装置において、
前記溝は、前記台座の一方の側辺から相対向する他方の側辺を横断して形成されている、力学量測定装置。
【請求項６】
請求項５に記載の力学量測定装置において、
前記台座を横断する前記溝は、一端および他端が前記ステムの周縁部から外部に露出しないように形成されている、力学量測定装置。
【請求項７】
請求項４に記載の力学量測定装置において、
前記ステムには、前記台座に隣接する周縁部に前記溝と平行、あるいは垂直に設けられた少なくとも一対の溝部が形成されている、力学量測定装置。
【請求項８】
請求項４に記載の力学量測定装置において、
前記ステムには、前記台座に隣接する周縁部に、前記台座を取り囲む枠状の溝部が形成されている、力学量測定装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の力学量測定装置において、
前記固定部は筒状の圧力導入部として形成されている、力学量測定装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の力学量測定装置において、
前記固定部は、少なくとも前記ステムの前記センサチップに接合された面の反対側の一面の一部を露出する開口部を有し、
前記センサチップにより前記筒状の前記固定部内の圧力を測定する、力学量測定装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の力学量測定装置において、
前記台座の上面と前記センサチップの下面との少なくとも一方に、金属層が形成されている、力学量測定装置。
【請求項１２】
請求項９に記載の力学量測定装置において、
前記接合材は、その周縁部が、前記台座の周縁部の少なくとも一部に達するように形成されている、力学量測定装置。
【請求項１３】
請求項１の記載の力学量測定装置において、
前記台座は、前記ステムに成膜されて形成されている、力学量測定装置。
【請求項１４】
請求項１に記載の力学量測定装置において、
前記台座の前記隣接する周縁部からの高さは、３００μm程度以下である、力学量測定装置。
【請求項１５】
半導体基板の一面に形成されたひずみ検出部と前記ひずみ検出部に接続された複数の電極とを有するセンサチップと、
隣接する周縁部から突き出す台座を有し、前記台座の上面が前記センサチップの下面に接合材により接合されたステムとを備え、
前記ステムには、前記台座が形成された面の反対面に、前記台座よりも幅狭の溝が形成されている、センサユニット。
【請求項１６】
請求項１５に記載のセンサユニットにおいて、
前記ステムには、前記台座に隣接する周縁部に前記溝と平行、あるいは垂直に設けられた少なくとも一対の溝部が形成されている、センサユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はひずみ検出部を備える力学量測定装置およびセンサユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
測定対象のひずみ等の変形を測定する方法として、金属箔の抵抗値がひずみによって変化することを利用した金属箔ひずみゲージを用いる技術が知られている。これは、ひずみゲージを測定対象に接着して、測定対象のひずみに追従して金属箔の長さを変化させ、その結果変化する金属箔の抵抗値を検出することにより測定対象のひずみ測定を可能にする技術である。
測定対象のひずみ等の変形を高精度に測定する力学量測定装置として、半導体基板の一面に不純物をドープして半導体ピエゾ素子を形成した半導体ひずみセンサが検討されている。【０００３】
このような半導体ひずみセンサの一例として、半導体ひずみ部を備えるセンサチップを、金属ステム上に半田付けし、金属ステムを測定対象に樹脂製の接着剤により接着した構造が知られている。
被測定物とセンサチップとの間に介装された金属ステムは、測定対象の変形に伴ってセンサチップに生じるひずみを低減し、センサチップの破壊を防止または抑制するものであることが記載されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２０１３／０７８１８３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に記載された力学量測定装置では、高温の環境下で使用すると、測定対象と金属ステムとを接着する樹脂製の接着剤が劣化ないし改質し、接合力が不足する。このため、測定対象の変形が金属ステムに正確に負荷されなくなり、検出精度が低下する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様によると、力学量測定装置は、半導体基板の一面に形成されたひずみ検出部とひずみ検出部に接続された複数の電極とを有するセンサチップと、隣接する周縁部から突き出す台座を有し、台座の上面がセンサチップの下面に金属材料またはガラス材料により形成された接合材により接合されたステムと、複数の電極と電気的に接続された複数の配線を備える引出し配線部と、ステムを固定する固定部とを備え、ステムと固定部とは、一体成形、金属接合また機械的結合により固定されている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、固定部に生じる負荷が、殆ど損失無くステムに伝達される。このため、高温環境下でも高精度の検出能力を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明による力学量測定装置の一実施の形態の断面図。
【図２】図２は、図１に図示されたセンサユニットの拡大図。
【図３】図３は、図２に図示されたセンサユニットを上方から観た平面図。
【図４】図４（ａ）、（ｂ）は、図１に図示された力学量測定装置の製造方法の一実施の形態を説明するための図。
【図５】図５は、比較例のセンサユニットの断面図。
【図６】図６（ａ）は、図５に図示されたセンサユニットおいて、ステムに変位を加えた場合の変形を示す図、図６（ｂ）は、図２に図示された本発明のセンサユニットにおいて、ステムに変位を加えた場合の変形を示す図。
【図７】図７は、ステム上の台座高さ−接合部応力、および台座高さ−チップ表面のひずみの関係を示す特性図。
【図８】図８は、実施形態１の変形例を示す力学量測定装置の断面図。
【図９】図９は、本発明による力学量測定装置の実施形態２を示す断面図。
【図１０】図１０は、図９に図示された力学量測定装置のセンサユニットの拡大図。
【図１１】図１１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、図１０に図示されたセンサユニットを上方から観た平面図。
【図１２】図１２は、本発明による力学量測定装置におけるセンサユニットの実施形態３を示す断面図。
【図１３】図１３（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、図１２に図示されたセンサユニットを上方から観た平面図。
【図１４】図１４は、実施形態３の変形例を示す平面図。
【図１５】図１５は、本発明による力学量測定装置におけるセンサユニットの実施形態４を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
[発明の基本構造]
本発明の一実施の形態による力学量測定装置の基本構造は下記の通りである。
センサチップは、半導体基板の一面に形成されたひずみ検出部と該ひずみ検出部に接続された複数の電極とを有する。ステムは、隣接する周縁部から突き出す台座を有している。ステムの台座の上面とセンサチップの下面とは、金属材料またはガラス材料により形成された接合材により接合されている。力学量測定装置は、さらに、ステムを固定する固定部を備えている。ステムと固定部とは、一体成形、溶着また機械的結合により接合されており、樹脂製の接着剤を用いた固定構造を有していない。
【００１０】
本発明の一実施の形態による力学量測定装置において、固定部を被測定体とする態様を採用することができる。
【００１１】
また、本発明の一実施の形態による力学量測定装置において、固定部にステムを露出する開口部を設け、開口部を介してステムに作用する気体、液体の圧力を計測する態様を採用することができる。この態様においては、ステムの台座の裏面側に、ステムの剛性を部分的に小さくするための溝を設ける構造とすることが好ましい。
以下に、上記態様のそれぞれについて、その実施形態を図面と共に説明する。
【００１２】
--実施形態１--
［全体構造］
図１〜図３を参照して、本発明による力学量測定装置の一実施の形態を説明する。
図１は、本発明による力学量測定装置の一実施の形態の断面図である。
力学量測定装置２００は、センサユニット１００と、被測定用の気体Ｇが導入される容器（固定部）５０と、ケース５８とから構成されている。
センサユニット１００は、センサチップ１と、ステム４と、プリント基板２０と、センサチップ１の電極とプリント基板２０の接続端子とを接続するボンディングワイヤ２２と、センサチップ１とステム４とを接合する接合部３とを備えている。
センサチップ１は、後述するようにひずみ検出部２（図２参照）を有し、力学量測定装置２００は、容器５０の内部空間５１内に流入された気体Ｇの圧力を検出する。
【００１３】
容器５０は、ＳＵＳ等により筒状に形成されており、容器５０には、センサユニット１００のステム４が固定される。ケース５８は、樹脂または金属部材により形成され、容器５０に固定されたセンサユニット１００を保護している。
【００１４】
容器５０は、内部空間５１を有するほぼ中空円筒状に形成されている。容器５０は、下部側に気体Ｇを内部容器５１に導く気体取入口５４を有し、上部側にステム４の下面を露出する開口部５６を有する。すなわち、容器５０は筒状の圧力導入部として形成されている。
ステム４は、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ合金（４２アロイ、インバーなど）、Ｍｏ、ＳＵＳ、Ａｌ等により形成されている。ステム４は、容器５０の蓋としての機能を兼用している。
【００１５】
ステム４と容器５０とは、一体成形、金属接合、または締結、かしめ等の機械的結合によって固定されている。すなわち、力学量測定装置２００は、耐熱性の高い固定方法でステム４を固定部、すなわち容器５０に固定されている。一体成形としては、例えば、絞り等の板金加工が挙げられる。金属接合としては、レーザ溶接、超音波溶接、摩擦攪拌接合、あるいははんだ付け、ろう付等を適用することができる。締結としては、例えば、ねじ等の締結部材を、ステム４の開口部（図示せず）を挿通して容器５０の雌ねじ部（図示せず）に締結する方法を用いることができる。かしめとしては、例えば、ステム４の周縁部を容器５０の開口部５６に設けたかしめ部材によって固定する構造を用いることができる。
【００１６】
［センサユニット］
図２は、図１に図示されたセンサユニットの拡大図であり、図３は、図２に図示されたセンサユニットを上方から観た平面図である。
センサチップ１は、例えば、ほぼ１ｍｍ〜７ｍｍ角、厚さ３０〜４００μｍの直方体形状を有するシリコン等の半導体基板により形成されている。センサチップ１は、その主面１ａに配置されたひずみ検出部２と、ひずみ検出部２の周囲に配置され、ひずみ検出部２に接続された電極パッド２９とを有する。
ひずみ検出部２は、例えば、シリコン基板の一面に不純物イオンをドープして形成した抵抗素子（図示せず）により形成されたホイートストンブリッジ回路である。これにより、センサチップ１の平面方向に生じた伸縮によって不純物拡散抵抗の抵抗値が変化することによりひずみを検出する。センサチップ１に温度検出部を形成しておくと、計測値の温度補正が可能となり、より高精度なひずみ量が計測可能となる。ひずみの検出を、Ｘ方向のひずみとＹ方向のひずみとの差分を電位差として出力することによりセンサチップ１の熱ひずみの影響を低減できる。
このようなセンサチップに関しては、特許文献１として記載した国際公開ＷＯ２０１３／０７８１８３に開示されている。
センサチップ１の裏面１ｂには、そのほぼ全面にメタライズ層９が形成されている。
【００１７】
ステム４は、上面４ａ側の中央部に凸形状の台座６が形成された矩形形状の薄板部材である。台座６は、センサチップ１よりも一回り大きな矩形形状を有する。台座６の上面には、その全面にメタライズ層５が形成されている。ステム４は、ＳＵＳ、４２アロイ、インバー、モリブデン、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金、ＣＩＣなどの金属材料から構成される。ステム４は、金属以外、例えばセラミックなどによる絶縁材料から構成することも可能である。
メタライズ層５、９は、蒸着、スパッタ、めっきなどにより形成され、Ａｕ，Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｗなどで構成される。或いはメタライズ層５，９として、これらを２層以上組み合わせた構造としてもよい。例えば、Ｎｉ層上に薄いＡｕ層を施した構造などである。
なお、ステム４は、矩形形状ではなく円盤状の薄板部材としてもよい。この場合、ステム４と容器５０とを螺着によって固定することもできる。螺着としては、例えば、ステム４の周縁部４ｂに雄ねじ部を設け、容器５０の開口部５６の内周面に雌ねじ部を設け、ステム４を容器５０に螺合して固定する方法を用いることができる。
【００１８】
メタライズ層５とメタライズ層９との間には接合部３が設けられており、センサチップ１は、接合部３によりステム４に接合されている。接合部３は、比較的低融点の金属材料、樹脂材料、ガラス系の固定材などで構成されている。金属材料としては、Ｓｎを主体とするはんだ（Ｓｎ-３．５ｗｔ％Ａｇ、Ｓｎ-３ｗｔ％Ａｇ-０．５ｗｔ％Ｃｕ、Ｓｎ-５ｗｔ％Ｓｂなど、及びこれらに他の元素としてＢｉ、Ｉｎ、Ｚｎなどを添加したはんだ）、Ａｕを多く含むＡｕ系はんだ（Ａｕ-２０ｗｔ％Ｓｎ、Ａｕ-１２ｗｔ％Ｇｅ、Ａｕ-３．１５ｗｔ％Ｓｉなど、及びこれらに第３元素を添加したものでもよい）であり、或いは、Ａｇを多く含むはんだでも良い。
【００１９】
接合部３の上面は、メタライズ層９のほぼ全面に接合されている。すなわち、接合部３の上面は、接合部３の各辺がメタライズ層９の各辺とほぼ合致するように、メタライズ層９の側辺に沿うように形成されている。同様に、接合部３の下面は、メタライズ層５のほぼ全面に接合されている。ステム４の台座６の平面寸法は、センサチップ１よりも一回り大きいので、接合部３は、断面がほぼ台形形状を有している。
【００２０】
プリント基板２０は、少なくとも一部分がステム４の台座６の外側である周縁部４ｂの上面４ａ上に搭載されている。プリント基板２０上の電極パッド２１とセンサチップ１の電極パッド２９とは、Ａｕ線などを用いた複数のボンディングワイヤ（引出し配線部）２２により接続されている。プリント基板２０はガラスエポキシ材料を用いた基板でも良いし、ポリイミド材料などを用いたフレキシブルな基板、セラミック基板などでも良い。
【００２１】
［センサチップとステムの接合］
センサチップ１とステム４との接合方法の一実施の形態を説明する。
図４（ａ）、（ｂ）は、図１に図示された力学量測定装置の製造方法の一実施の形態を説明するための図である。
センサチップ１の裏面１ｂには、メタライズ層９を、また、ステム４の台座６の上面にはメタライズ層５を形成しておく。
加熱炉１０内に、台座６の上面にメタライズ層５が形成されたステム４を収容する。加熱炉１０内には、後述するように、接合部３の厚さを調整するための接合補正治具１２も設置しておく。
メタライズ層５上に接合材料８を搭載する。この接合材料８は接合部３の素材である。接合材料８上に、裏面１ｂにメタライズ層９が形成されたセンサチップ１を載置する。センサチップ１は、台座６とほぼ中心を合わせ、センサチップ１の各側辺と、台座６の各側辺との隙間がほぼ同一となる位置に載置する。この状態を、図４（ａ）に示す。
【００２２】
センサチップ１の主面１ａ上に、重り１３を搭載する。接合補正治具１２のそれぞれには、内側に段部１２ａが設けられており、重り１３は、段部１２ａ上に載置される長さに形成されている。
この状態で、例えば、ヒータ１１などによって加熱する。 加熱によりステム４が昇温すると、接合材料８が溶融、或いは軟化し、センサチップ１の裏面１ｂのメタライズ層９、及びステム４のメタライズ層５に接合される。これにより接合部材８は接合部３となる。
接合部３の厚さは、重り１３の重量や、接合材料８の形状によって所定の厚さにすることができるが、図４（ａ）（ｂ）に示すように、接合補正治具１２の段部１２ａの高さにより、接合部３の厚みの均一化を図るのが好ましい。この場合には、重り１３の重量を十分大きくし、段部１２ａで重り１３の降下を止めるようにする。このようにすることで、接合部３の厚さを均一にすることができる。この状態を図４（ｂ）に示す。
【００２３】
ここで、加熱炉１０の内部の雰囲気制御を行うことで、接合材料８の表面酸化を抑制し、良好な接合を得ることができる。例えば、雰囲気はＮ2などが有効であるが、このほかに、還元性のある水素、あるいはこれらの混合物、または、ギ酸などの有機酸を用いても良い。他には、表面酸化物を還元可能なフラックスなどの有機物を用いても良い。また、加熱炉内を真空にしてボイドを低減させることも効果がある。このような工夫を行うことで、ボイドなどの欠陥の少ない良好な接合部３を得ることが可能になる。更に接合性を向上させるには、接合前のステム４、センサチップ１の裏面１ｂ、接合材料８の表面などをスパッタ処理や、プラズマ洗浄などを行い、接合部材の有機汚染量、酸化膜などを除去、或いは低減させておくことが有効である。
【００２４】
上記は、センサチップ１とステム４とを加熱炉１０を用いて接合する方法で例示した。しかし、センサチップ１とステム４との接合を、ダイボンダ装置を用いて行うことも可能である。
ダイボンダ装置を用いる場合の一例を以下に示す。ダイボンダ装置を用いてステム４のメタライズ層５上に接合材料８を供給する。一方、センサチップ１をコレットなどで真空吸着し、センサチップ１をメタライズ層９を介して接合材料８上に圧着する。この状態で、コレットをパルス電流により加熱（パルスヒート）したり、或いは定電流により加熱して（コンスタントヒート）、接合材料８を溶融、或いは軟化させてセンサチップ１とステム４を接合させる。ベース基板は予め加熱しておくと、より接合時間が短縮化できる。ダイボンダ装置による接合でも、接合部付近を不活性雰囲気にしておくと、より良好な接合が可能となる。
【００２５】
接合部３の厚さのばらつきが小さく、センサチップ１が台座６の上面とほぼ平行になり、また、センサチップ１の各辺と台座６の各側辺との間の長さがほぼ均一化されると、接合部３を通してセンサチップ１に伝達される変形量が各方向において均一化されるので、検出精度が向上する。溶融した接合材料８の流れは、台座６の各側辺部で停止されるので、接合部３を所定の形状に整え易い。換言すれば、台座６の各側辺部が溶融した接合材料８が流れる範囲からあまりに離れた位置にあると、接合材料８の加熱時の形状を制御する効果はなく、形成される接合部３は各辺で不均一となりやすい。つまり、接合部３の各辺と台座６の各辺との間の長さを、溶融した接合材料８が台座６の各側辺までほぼ達するように設定すると、検出精度を向上することができる。
本実施形態では、上述したように、接合部３は、その各辺がメタライズ層５の各側辺、換言すれば、台座６の各側辺にほぼ達するように形成されているので、検出精度を向上することができる。
【００２６】
［ステムの台座の機能］
ステム４の台座６の機能を説明する。
図５は、比較例のセンサユニットの断面図である。図６（ａ）は、図５に図示されたセンサユニットにおいて、ステムに変位を加えた場合の変形を示す図である。図６（ｂ）は、図２に図示された本発明の一実施の形態によるセンサユニットにおいて、ステムに変位を加えた場合の変形を示す図である。
図５に図示されたセンサユニット１０１では、ステム１４には、台座６が形成されていない。ステム１４に、矢印で示すＸ方向に荷重が加わった場合、図６（ａ）の点線で示された状態から実線で図示された状態に変形する。すなわち、シリコン等の半導体基板により形成されたセンサチップ１はヤング率が大きいため、周囲の材料に比べて変形は小さい。このため、ステム１４に生じた変位に対応するように接合部３で変形が生じ、特に、接合部３のフィレット部１６の側端部１７に大きな応力が発生する。この応力によって接合部３にクリープ変形が生じ、ひずみ検出の安定性が低下する。
【００２７】
一方、ステム４に凸形状の台座６を形成した本発明の一実施の形態におけるセンサユニット１００では、ステム４には、肉厚を大きくする凸形状の台座６が形成されており、台座６における剛性は、周縁部４ｂの剛性よりも大きい。
このため、図６（ｂ）に図示されるように、ステム４に図中に矢印で示すＸ方向の荷重が加わった場合、凸形状の台座６のステム４の本体に近い部分は変形するが、ステム４の本体から離れるに従って変形量が少なくなる。つまり、凸形状の台座６の側面１８はステム４に対し、Ｘ方向に対して、傾斜する形状（断面では台形に近い形状）になる。従って、接合部３の変形量は、ステム４本体に生じた変形量より凸台座６により小さくなり、接合部３のフィレット部１６の側端部１７は、凸形状の台座６がない場合に比べ、応力が低減する。
このように、ステム４に凸形状の台座６を設けることにより、接合部３に生じるクリープ変形を抑制し、ひずみ検出の安定性を確保することが可能となり、かつ、センサとしての寿命を大きくすることもできる。
【００２８】
図７は、ステム上の台座高さ−接合部の応力、および台座高さ−チップ表面のひずみの関係を示す特性図である。いずれの特性図も、台座高さ３００μｍまでにおいて、台座無しのときの計測値に対する割合を示す変化率として示されている。接合部の応力は、接合部３のフィレット部１６の側端部１７に生じる応力値を示している。
接合部の応力特性を参照すると、台座６の高さが増すにしたがって、接合部３のフィレット部１６の側端部１７に生じる応力が小さくなっている。すなわち、台座６により接合部３に生じる応力が低減でき、接合部３のクリープ変形も低減することが可能となり、センサ特性の向上に効果がある。更に、接合部に生じるクラック進展を低減でき、センサ製品の寿命向上にも有効である。
【００２９】
チップ表面のひずみの特性を参照すると、凸形状の台座６の高さが増すにしたがってチップ表面に生じるひずみが低下している。
センサチップ１表面のひずみ量が減ることにより、センサとしての感度が低下することが懸念される。しかし、センサチップ１のひずみ量が低減する割合は、接合部３の応力が低減する割合より小さい。従って、台座６の高さを、ひずみ量測定において良好な感度を示し、かつ、接合部の応力を十分に低減可能な範囲内に設定することで、力学量測定装置としての性能確保、センサ出力安定性、信頼性を満足できる構造となる。
【００３０】
図７のチップ表面のひずみの特性において、二点鎖線は、上記の特性曲線を延長したものである。チップ表面のひずみの変化率は、台座６の高さが、およそ７００μｍで０になり、検出能力が無くなる。ひずみセンサの検出精度を考慮すると、変化率が０．５未満になると実用に供した場合に支障が生じることが懸念される。換言すれば、チップ表面のひずみの変化率が０．５以上であれば、ひずみセンサとして使用可能である。図７において点線で図示するように、チップ表面のひずみの変化率が０．５に対応する台座６の高さは、３５０μｍ〜４００μｍ程度である。従って、台座６の高さが３００μｍ以下であれば、チップ表面のひずみの変化率は０．５以上であり、ひずみセンサとして使用可能である。
【００３１】
このような応力解析、接合性検討、特性評価等の結果から、台座６の面積は、チップの面積に対し約１０倍までの形状において、ある程度の効果を得ることができたが、望ましくは５倍程度までの形状が好ましいことがわかった。チップに対し１０倍以上の面積を有する台座６では、センサチップ１の接合部３の応力低減効果は小さかった。
また、台座６は上面から見た場合、正方形や長方形、６角形、丸い形など、左右対称、好ましくは点対称であることが重要である。また、上述の説明からも明らかであるが、凸形状の台座６上のセンサチップ１の位置は、台座６のほぼ中央に配置することが望ましい。上記の各種形状の凸台座の評価結果のうち、製造時の容易さ、コスト、歩留まり、ばらつき等の観点も考慮し、かつセンサ特性も良好であったものは、センサチップの面積の１．５倍程度の正方形の台座で、かつ台座高さが５０μｍ〜１５０μｍの凸台座を用いたものであった。
【００３２】
--実施形態１の変形例--
図８は、実施形態１の変形例を示す力学量測定装置の断面図である。
実施形態１の力学量測定装置２００は、センサユニット１００を容器５０に固定した構造であった。図８の変形例では、力学量測定装置２０１は、センサユニット１００を被測定物であるベース（固定部）５０Ａに固定した構造を有する。センサユニット１００は、凸形状の台座６を有するステム４と、センサチップ１とステム４とを接合する接合部３とを備えた、実施形態１と同一のものである。
ベース５０Ａは、開口部が全く設けられていない平坦な板状部材であり、ステム４の下面の全面を覆っている。ステム４とベース５０Ａとの固定は、実施形態１で例示した金属接合や機械的結合を適用することができる。但し、ステム４とベース５０Ａとの固定は、ステム４の周縁部で行う他、ステム４の下面側の中央部側、また全面でも行うことができる。
【００３３】
変形例１の力学量測定装置２０１では、ベース５０ＡのＸ方向とＹ方向の変形に伴ってセンサチップ１のひずみ検出部２に生じるＸ、Ｙ方向のひずみの差分を検出する。
ベース５０Ａは被測定物として例示したが、ベース５０Ａを単なるステム４を固定する固定部材とし、被測定物をベース５０Ａに取り付けるようにしてもよい。また、単なるステム４を固定する固定部材としてのベース５０Ａを、図１に図示されるように、容器５０の開口部５６の周縁部に固定し、容器５０の内部空間５１の気体Ｇの圧力を計測するようにしてもよい。
変形例１における他の構成は、実施形態１と同様であり、対応する部材に同一の符号を付して説明を省略する。
【００３４】
--実施形態２--
図９〜図１１を参照して、本発明の実施形態２を説明する。
図９は、本発明による力学量測定装置の実施形態２を示す断面図である。図１０は、図９に図示された力学量測定装置のセンサユニットの拡大図である。図１１（ａ）、図１１（ｂ）は、それぞれ、図１０に図示されたセンサユニットを上方から観た平面図である。図１１（ａ）は台座６の平面形状を矩形形状とした例、図１１（ｂ）は台座６の平面形状を円形形状とした例を示している。なお、実施形態２においては、ステム４Ａを円盤状の薄板部材として構成している。
実施形態２の力学量測定装置２０１は、センサユニット１１０のステム４Ａに溝６１が形成されている点で実施形態１と相違する。
以下、この相違点を主体として実施形態２を説明する。
長方形の溝６１は、ステム４Ａの台座６の反対面側、換言すれば、容器５０の内部空間５１側に形成されている。長方形の溝６１の短辺は、台座６の幅よりも狭い長さに形成されている。図１１（ａ）に図示されるように、溝６１は、ステム４Ａの台座６のほぼ中央部を、一方の側端部１９ａの外側から、相対向する他方の側端部１９ｂの外側まで横断する長方形の矩形形状に形成されている。ステム４Ａの裏面を横断する溝６１の両端は、ステム４Ａの周縁部から外部に連通しておらず、これにより、所定の剛性を保持している。溝６１の長手方向に沿う一対の側縁は、センサチップ１の一対の側辺と平行に延出されている。また、溝６１の深さは、その底面が、ステム４Ａの上面４ａに達しない深さである。
【００３５】
つまり、ステム４Ａは、溝６１が形成されることにより、台座６が部分的に薄肉とされ、剛性が小さいダイヤフラムとして構成されている。このような力学量測定装置２０１において、容器５０内部に気体Ｇの圧力が付加されると、ダイヤフラムとされた台座６の薄肉部が優先的に変形する。この変形は、接合部３を介して台座６に接合されたセンサチップ１に伝達される。これによりセンサチップ１のひずみ検出部２において、ひずみ、即ち、圧力が計測される。容器５０を、例えば、被測定流体が流通する配管から分岐した圧力測定部とすることにより、配管内部の圧力などを計測する圧力センサを構成することができる。
【００３６】
実施形態２では、ステム４Ａの台座６に、センサチップ１の一対の側縁と平行な溝６１が形成されている。ステム４Ａは、台座６の薄肉部は剛性が小さいので、その部分が容易に変形する。
溝６１は長方形に形成されているので、ステム４Ａの変形に伴うセンサチップ１のひずみは、長手方向に直交する方向の方が長手方向よりも大きくなり、ひずみの差分を出力するセンサチップ１の検出能力を向上することができる。
【００３７】
実施形態２において、ステム４Ａが凸形状の台座６を有していない構造では、接合部３のフィレット部１６の側端部１７に大きな応力が生じ、接合部３のクリープ変形が起こり易く、接合部３の破壊、センサチップ１の破壊につながることも懸念される（図６（ａ）（ｂ）参照）。しかし、センサチップ１の搭載部分に凸形状の台座６を設けた構造では、フィレット部１６の側端部１７の応力を低減でき、使用時の接合部３のクリープ変形量を低減し、センサ出力値の安定性に寄与することが可能である。
従って、実施形態２に示すセンサユニット１１０においても、実施形態１と同様な効果を奏する。
【００３８】
台座６の平面形状は、図１１（ａ）に図示されるように矩形形状としてもよいが、図１１（ｂ）に図示されるように円形形状としてもよい。図１１（ｂ）に図示されるように、台座６を円形形状とすれば、台座６の形成が容易となり、加工工程の能率を向上することができる。なお、図１１（ｂ）のように台座６が円形の場合でも、溝６１は、台座６の中心を通って台座６の外周１９ｃを横断して設けられている。
【００３９】
よって、実施形態２においても、実施形態１と同様な効果を奏する。
実施形態２における他の構成は、実施形態１と同様であり、対応する部材に同一の符号を付して説明を省略する。
【００４０】
--実施形態３--
図１２および図１３は、本発明による力学量測定装置におけるセンサユニットの実施形態３を示す。図１２は、実施形態３としてのセンサユニットの断面図であり、図１３（ａ）、図１３（ｂ）は、それぞれ、図１２に図示されたセンサユニットを上方から観た平面図である。図１３（ａ）は台座６Ａの平面形状を矩形形状とした例、図１３（ｂ）は台座６Ａの平面形状を円形形状とした例を示している。なお、実施形態２においては、ステム４Ｂを円盤状の薄板部材として構成している。
実施形態３のセンサユニット１２０では、ステム４Ｂの上面４ａは平坦であり、中央部に形成された枠状の溝部６２により台座６Ａが形成されている点が実施形態２のセンサユニット１１０と相違する。
枠状の溝部６２は、ステム４Ｂの上面４ａに設けられ、この枠状の溝部６２の内側に台座６Ａが形成される。台座６Ａの上面は、周縁部４ｂの上面４ａと面一であり、プリント基板２０が載置される面と面一である。
溝部６２の形状は、図１３（ａ）に図示されるように矩形でもよいし、図１３（ｂ）に図示されるように円形でもよい。図１３（ｂ）に図示されるように、台座６Ａを円形形状とすれば、台座６Ａの形成が容易となり、加工工程の能率を向上することができる。図１３（ａ）に示した溝部６２の形状は正方形であるが、長方形でも良い。
【００４１】
実施形態３では、座ぐり加工、レーザー加工等により溝部６２を形成することにより、台座６Ａが形成される。このため、凸形状の台座６を形成する実施形態２より、加工工程の能率を向上することができる。
【００４２】
ステム４の溝部６２は、センサチップ１の接合前に形成しても良いし、センサチップ１の接合後に形成しても良い。センサチップ１の接合前に形成する場合には、加工時の削りかすなどの問題や、センサチップへの汚染が生じない等のメリットがある。センサチップ１の接合後に形成する場合には、溝６１中に接合材料８の流れ込みがない点がメリットとなる。また、接合部３周辺のフィレット部１６の形状がいびつとなってしまった場合や、センサチップ１の搭載位置が若干ずれてしまった場合でも、例えば、溝部６２の中心を、フィレット部１６の中心位置、あるいはセンサチップ１の中心位置となるようにずらして形成することができ、修正が可能となる。
【００４３】
実施形態３において、ステム４Ｂが凸形状の台座６Ａを有していない構造では、接合部３のフィレット部１６の側端部１７に大きな応力が生じ、接合部３のクリープ変形が起こり易く、接合部３の破壊、センサチップ１の破壊につながることも懸念される（図６（ａ）（ｂ）参照）。しかし、センサチップ１の搭載部分が枠状の溝部６２により囲まれた凸形状の台座６Ａを設けた構造では、フィレット部１６の側端部１７の応力を低減でき、使用時の接合部３のクリープ変形量を低減し、センサ出力値の安定性に寄与することが可能である。
従って、実施形態３に示すセンサユニット１２０においても、実施形態２のセンサユニット１１０と同様な効果を奏する。
【００４４】
よって、実施形態３においても、ステム４Ｂは、溝６１が形成された薄肉部分における剛性が小さいので容易に変形し、ステム４Ｂの上面４ａに形成した溝部６２によりフィレット部１６の側端部１７の応力を低減することができる。よって、実施形態２と同様な効果を奏する。
実施形態３における他の構成は、実施形態１と同様であり、対応する部材に同一の符号を付して説明を省略する。
【００４５】
--実施形態３の変形例--
図１４は、実施形態３の変形例を示す平面図である。
実施形態３の変形例におけるセンサユニット１２０Ａでは、枠状の溝部６２に替えて、ステム４Ｃには、溝６１の長手方向の側縁と平行な一対の溝部６３が、センサチップ１の長さ（幅）よりも長く形成されている。
従って、このセンサユニット１２０Ａのステム４Ｃにおいては、一対の溝部６３の内側、すなわち一方の溝部６３と他方の溝部６３との間の領域は周縁部４ｂの上面４ａと面一であり、周縁部４ｂと連続して形成されている。したがって、周縁部４ｂと明確に分離される台座は形成されていない。一対の溝部６３は、センサチップ１の中心を通るｘ、ｙ軸に対して対称に形成されている。ステム４Ｃの下面に形成された溝６１もセンサチップ１の中心を通るｘ、ｙ軸に対して対称な形状とされている。
【００４６】
つまり、ステム４Ｃでは、一対の溝部６３と直交する方向において、周縁部４ｂとの境界となる溝は形成されておらず、一対の溝部６３が対向する内側領域により台座となる領域（図１４の（６Ａ））が規定される。しかし、ステム４Ｃは、溝６１が形成された薄肉部分における剛性が小さいので優先的に変形する。
【００４７】
この変形例においても、一対の溝部６３の内側にセンサチップ１が搭載される台座となる領域が設けられている。このため、実施形態３と同様、フィレット部１６の側端部１７の応力を低減でき、使用時の接合部３のクリープ変形量を低減し、センサ出力値の安定性に寄与することが可能である。
上記の例では、ステム４Ｃには、溝６１の長手方向の側縁と平行な一対の溝部６３を形成したが、溝６１の短手方向の側縁と平行な一対の溝部を、センサチップ１の長さ（幅）よりも長く形成しても良い。
【００４８】
--実施形態４--
図１５は、本発明による力学量測定装置におけるセンサユニットの実施形態４を示す断面図である。
実施形態４のセンサユニット１３０は、台座６Ｂを、めっき、蒸着、スパッタ等の成膜により形成した点で、実施形態２のセンサユニット１１０と相違する。
ステム４Ｄは、上面４ａが平坦とされ、下面に溝６１が形成されている。台座６Ｂは、ステム４Ｄの上面４ａのほぼ中央に形成されている。台座６Ｂは、めっきにより形成することが好ましいが、上述した通り、蒸着やスパッタにより成膜してもよい。めっきによる場合、Ｎｉ、Ｃｕ等を用いることができる。
例えば、Ｃｕのヤング率は約１１０ＧＰａであり、はんだでも硬い材料といわれるＡｕ２０ｗｔ％Ｓｎのヤング率の約５７ＧＰａより大きい。
図１５に図示されるように、ステム４Ｄに気体Ｇにより矢印の向きに圧力が負荷されると、ステム４Ｄの溝６１が形成された薄肉部が優先的に変形する。この変形は、接合部３を介して台座６Ｂに接合されたセンサチップ１に伝達される。これによりセンサチップ１のひずみ検出部２において、ひずみ、即ち、圧力が計測される。
【００４９】
実施形態４において、成膜により形成された台座６Ｂを有していない構造では、接合部３のフィレット部１６の側端部１７に大きな応力が生じ、接合部３のクリープ変形が起こり易い（図６（ａ）（ｂ）参照）。接合部３の破壊、センサチップ１の破壊につながることも懸念される。しかし、センサチップ１の搭載部分にヤング率の大きな材料による凸形状の台座６Ｂを設けた構造では、フィレット部１６の側端部１７の応力を低減でき、使用時の接合部３のクリープ変形量を低減し、センサ出力値の安定性に寄与することが可能である。
従って、実施形態４に示すセンサユニット１３０においても、実施形態２と同様な効果を奏する。
【００５０】
以上説明した通り、本発明の各実施形態によれば、下記の効果を奏する。
（１）センサチップ１が接合部３により接合されたステム４、４Ａ〜４Ｄを、容器５０に一体成形、金属接合また機械的結合により固定した。従って、高温の環境下で使用した場合でも、ステムを樹脂製の接着剤を用いて固定部に固定した従来の力学量測定装置のように、接合力が不足することに起因する検出精度の低下を生じることがなく、信頼性を向上することができる。
【００５１】
（２）各実施形態において、ステム４，４Ａ〜４Ｄに凸形状の台座６、６Ａ，６Ｂを設け、台座６，６Ａ，６Ｂの剛性を、周縁部４ｂの剛性よりも大きくした。このため、ステム４，４Ａ〜４Ｄに変位が負荷された場合、台座６、６Ａ、６Ｂの上面側における変形量が小さくなり、接合部３に生じるクリープ変形を抑制し、検出特性の安定性を確保すると共に長寿命化を図ることができる。
【００５２】
（３）実施形態２、３においては、ステム４Ａ、４Ｂに形成された凸形状の台座６、６Ａの反対面側に溝６１を設けることより、台座６、６Ａの一部分の剛性を周縁部４ｂの剛性よりも小さくした。同様に、実施形態４では、ステム４Ｄの上面４ａに成膜により台座６Ｂを形成すると共に、台座６Ｂの反対面側に溝６１を設け、台座６Ｂの一部分の剛性を周縁部４ｂの剛性よりも小さくした。このため、センサユニット１１０、１２０、１３０に負荷がかかると、台座６、６Ａ、６Ｂの一部分を優先的に変形させることができる。
（４）実施形態２〜４に示すように、台座６、６Ａ、６Ｂの一部分を優先的に変形させることができる構造としたので、センサユニット１１０、１２０、１３０を気体Ｇが流入する容器５０に固定して、容器５０内の内部空間５１内の気体Ｇの圧力を検出することができる。
【００５３】
（５）実施形態３とその変形例のように、ステム４Ｂ、４Ｃの溝６１が形成された面の反対面に、溝部６２、６３を形成し、溝部６２、６３の内側領域を台座６Ａとする構造では、加工がしやすくなり、生産性を高めることができる。
【００５４】
（６）実施形態４のように、台座６Ｂをめっき、蒸着、スパッタ等の成膜により形成する構造とすると、凸形状の台座６Ｂの形成が能率的となる。
【００５５】
なお、上記各実施形態において、台座６、６Ａ，６Ｂおよびセンサチップ１に形成するメタライズ層５、９は、必ずしも必要とされるものではなく、どちらか一方、または両方を形成しなくてもよい。また、プリント基板２０は、ステム４、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄの上面４ａ上に配置する必要もない。
【００５６】
上述した各実施形態および変形例を相互に組み合わせた力学量測定装置としてもよい。
【００５７】
実施形態２〜４に示すセンサユニット１１０、１２０、１３０は、容器５０等に固定せず、そのまま、力学量測定装置として使用することが可能である。
【００５８】
その他、本発明は、各実施形態に示された構成を、適宜、変形して適用することが可能であり、要は、センサチップが、ステムに形成された台座の上面に金属材料またはガラス材料により形成された接合材により接合されたセンサユニットを備える力学量測定装置において、ステムを、一体成形、金属接合また機械的結合により固定部に固定するものであればよい。
【００５９】
次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
日本国特許出願２０１４年第１５３８３号（２０１４年１月３０日出願）
【符号の説明】
【００６０】
１      センサチップ
２      ひずみ検出部
３      接合部
４、４Ａ〜４Ｄ      ステム
４ａ      上面
４ｂ      周縁部
５、９      メタライズ層
６、６Ａ、６Ｂ      台座
８      接合材料
２０      プリント基板
２２      ボンディングワイヤ（引出し配線部） 
５０      容器（固定部）
５０Ａ    ベース（固定部）
５１      内部空間
５４      気体取入口
５６      開口部
５８      ケース
６１      溝
６２、６３      溝部
１００、１１０、１２０、１２０Ａ、１３０      センサユニット
２００、２０１      力学量測定装置
【図１】
2015115367.tif 000003
【図２】
2015115367.tif 000004
【図３】
2015115367.tif 000005
【図４】
2015115367.tif 000006
【図５】
2015115367.tif 000007
【図６】
2015115367.tif 000008
【図７】
2015115367.tif 000009
【図８】
2015115367.tif 000010
【図９】
2015115367.tif 000011
【図１０】
2015115367.tif 000012
【図１１】
2015115367.tif 000013
【図１２】
2015115367.tif 000014
【図１３】
2015115367.tif 000015
【図１４】
2015115367.tif 000016
【図１５】
2015115367.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成29年1月13日(2017.1.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の一面に形成されたひずみ検出部と前記ひずみ検出部に接続された複数の電極とを有するセンサチップと、
隣接する周縁部から突き出す台座を有し、前記台座の上面が前記センサチップの下面に金属材料またはガラス材料により形成された接合材により接合されたステムと、
前記複数の電極と電気的に接続された複数の配線を備える引出し配線部と、
前記ステムを固定する固定部とを備え、
前記ステムには、前記センサチップに接合された面の反対側の一面に、前記台座よりも幅狭で前記台座の周縁部の外側まで延出された溝が形成されており、
前記ステムと前記固定部とは、一体成形、金属接合また機械的結合により固定されている、力学量測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の力学量測定装置において、
前記溝は、前記台座の一方の側辺から相対向する他方の側辺を横断して形成されている、力学量測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の力学量測定装置において、
前記台座を横断する前記溝は、一端および他端が前記ステムの周縁部から外部に露出しないように形成されている、力学量測定装置。
【請求項４】
請求項１に記載の力学量測定装置において、
前記ステムには、前記台座に隣接する周縁部に前記溝と平行、あるいは垂直に設けられた少なくとも一対の溝部が形成されている、力学量測定装置。
【請求項５】
請求項１に記載の力学量測定装置において、
前記ステムには、前記台座に隣接する周縁部に、前記台座を取り囲む枠状の溝部が形成されている、力学量測定装置。
【請求項６】
請求項１に記載の力学量測定装置において、
前記固定部は、前記ステムより大きい面積を有し、前記ステムの周縁部を固定する被測定体である、力学量測定装置。
【請求項７】
請求項６に記載の力学量測定装置において、
前記ステムは、前記台座が形成された領域の方がその周縁部よりも大きい剛性を有する、力学量測定装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の力学量測定装置において、
前記固定部は筒状の圧力導入部として形成されている、力学量測定装置。
【請求項９】
請求項８に記載の力学量測定装置において、
前記固定部は、少なくとも前記ステムの前記センサチップに接合された面の反対側の一面の一部を露出する開口部を有し、
前記センサチップにより前記筒状の前記固定部内の圧力を測定する、力学量測定装置。
【請求項１０】
請求項８に記載の力学量測定装置において、
前記台座の上面と前記センサチップの下面との少なくとも一方に、金属層が形成されている、力学量測定装置。
【請求項１１】
請求項８に記載の力学量測定装置において、
前記接合材は、その周縁部が、前記台座の周縁部の少なくとも一部に達するように形成されている、力学量測定装置。
【請求項１２】
請求項１の記載の力学量測定装置において、
前記台座は、前記ステムに成膜されて形成されている、力学量測定装置。
【請求項１３】
請求項１の記載の力学量測定装置において、
前記台座の前記隣接する周縁部からの高さは、３００μm程度以下である、力学量測定装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明はひずみ検出部を備える力学量測定装置に関する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１３／０８４２９４号
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
本発明の第１の態様によると、力学量測定装置は、半導体基板の一面に形成されたひずみ検出部とひずみ検出部に接続された複数の電極とを有するセンサチップと、隣接する周縁部から突き出す台座を有し、台座の上面がセンサチップの下面に金属材料またはガラス材料により形成された接合材により接合されたステムと、複数の電極と電気的に接続された複数の配線を備える引出し配線部と、ステムを固定する固定部とを備え、ステムには、センサチップに接合された面の反対側の一面に、台座よりも幅狭で台座の周縁部の外側まで延出された溝が形成されており、ステムと固定部とは、一体成形、金属接合また機械的結合により固定されている。
【国際調査報告】
2015115367.tif 000018
2015115367.tif 000019
2015115367.tif 000020
2015115367.tif 000021