(57)【要約】【課題】シリコン基板からなるひずみ測定装置によりひずみを測定する場合、シリコン基板の剛性が大きいため、ひずみ感度のばらつきが大きい。【解決手段】シリコン基板の主面に少なくともひずみ検出部が設けられており、前記ひずみ検出部の上面に絶縁膜、さらにその上面に保護層が設けられており、前記保護層には、ひずみ検出部と電気的に接続された電気配線が設けられ、かつ、前記保護層の表面に実装面が設けられることにより達成される。【効果】剛性が大きいシリコン基板を介すことなくひずみ検出部を被測定物に近づけられるため、ひずみ追従性が安定する領域が拡大され、ひずみ感度のばらつきが低減される。【選択図】図３
2008008694.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物に取り付けてひずみを測定するひずみ測定装置において、
半導体基板と、
前記半導体基板の一主面に設けられた不純物拡散層を有するひずみ検出部とを備え、
前記不純物拡散層を設けた一主面側を被測定物または実装部材に向けて取り付ける実装面側としたことを特徴とするひずみ測定装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記一主面上に設けられた樹脂材料からなる保護層を備え、
前記保護層は、被測定物または実装部材に取り付ける実装面を有することを特徴とするひずみ測定装置。
【請求項３】
被測定物に取り付けてひずみを測定するひずみ測定装置において、
半導体基板と、
前記半導体基板の一主面に設けられた不純物拡散層を有するひずみ検出部と、
前記一主面上に設けられた樹脂材料からなる保護層と、
前記保護層内に設けられ、前記ひずみ検出部と電気的に接続された配線とを備え、
前記保護層は、前記半導体基板と反対側に、被測定物または実装部材に取り付ける実装面を有することを特徴とするひずみ測定装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記半導体基板は、前記一主面に、前記ひずみ検出部と電気的に接続される基板パッドを有し、
前記保護層は、前記半導体基板よりも面積が大きく、前記半導体素子を設けた面に、外部に電気的に接続するための保護層パッドを有し、
前記配線は、前記基板パッドから前記保護層パッドに電気的に接続されていることを特徴とするひずみ測定装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記保護層は、
その上部に前記半導体基板の前記ひずみ検出部が取り付けられる第一の領域と、
その上部に前記半導体基板の前記基板パッドが存在し、前記保護層パッドと前記配線を有する第二の領域とを備えたことを特徴とするひずみ測定装置。
【請求項６】
請求項３において、
前記保護層は、
その上部に前記半導体基板の前記ひずみ検出部が取り付けられる第一の領域と、
その内部に前記配線を有する第二の領域とを備えたことを特徴とするひずみ測定装置。
【請求項７】
請求項６において、
前記第一の領域は、前記被測定物または前記実装部材に取り付けられ、
前記第二の領域は、前記被測定物または前記実装部材との間に間隙を有していることを特徴とするひずみ測定装置。
【請求項８】
請求項６において、
前記第一の領域は、前記実装面側が前記第二の領域よりも突出していることを特徴とするひずみ測定装置。
【請求項９】
請求項６において、
前記第一の領域は、前記被測定物に取り付けられ、前記第二の領域は、前記被測定物に対して滑動可能であることを特徴とするひずみ測定装置。
【請求項１０】
請求項６において、
前記第一の領域の材料は、前記第二の領域の材料よりもヤング率が小さいことを特徴とするひずみ測定装置。
【請求項１１】
請求項６において、
前記第一の領域は、前記第二の領域よりも薄い、または前記第一の領域は空洞であることを特徴とするひずみ検出装置。
【請求項１２】
請求項６において、
前記第一の領域と前記被測定物または前記実装部材との間に接着材を充填して、前記被測定物または前記実装部材に取り付けることを特徴とするひずみ測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は物体のひずみを計測することが可能である装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定対象の変形（ひずみ）を測定する技術として、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。このひずみゲージを測定対象に接着することで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で測定対象のひずみ測定を可能にする技術である。
【０００３】
しかしながら、これらを電池駆動しようとすると、消費電力が大きいために電池がすぐに消費してしまうという問題があった。そこで、発明者らは、ひずみ感応抵抗体を低消費電力化するために、ひずみ感応抵抗体として単結晶シリコンに不純物を導入した不純物拡散抵抗（以下、拡散抵抗）を用いた半導体力学量測定装置を考案した（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１１４４４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、シリコン基板からなるひずみ測定装置によりひずみを測定する場合、シリコン基板の剛性が大きいため、ひずみ検出部のひずみ感度のばらつきが大きくなってしまうことが懸念される。特許文献１に記載のひずみ測定装置では、シリコン基板の拡散抵抗を形成した主面の反対面側を被測定物に取り付けているため、シリコン基板の剛性がひずみ検出の感度に大きく影響を与えてしまう。
【０００６】
本発明の目的は、低い消費電力で駆動し、かつ高精度な測定が可能であり、ひずみ感度のばらつきが小さく、かつ信頼性の高いひずみ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】
【０００７】
上記の目的は、被測定物に取り付けてひずみを測定するひずみ測定装置において、半導体基板と、前記半導体基板の一主面に設けられた不純物拡散層を有するひずみ検出部と、前記一主面上に設けられ、樹脂材料からなる保護層と、前記保護層内に設けられ、前記ひずみ検出部と電気的に接続された配線とを備え、前記保護層は、前記半導体基板と反対側に、被測定物または実装部材に取り付ける実装面を有することを特徴とするひずみ測定装置により達成される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、剛性が大きいシリコン基板を介すことなくひずみ検出部を被測定物に近づけられるため、ひずみ追従性が安定する領域が拡大され、ひずみ感度のばらつきが低減され、信頼性の高いひずみ測定装置を提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【００１０】
まず、本発明における第１の実施形態を図１，図２により説明する。
【００１１】
本実施形態によるひずみ測定装置の主要部平面構造を図１に、図１のＡ−Ａの断面構造を図２に示す。
【００１２】
図１，図２に示す本実施形態のひずみ測定装置１００においては、単結晶の半導体基板である半導体基板１の主面１ａに少なくともひずみ検出部２が設けられ、ひずみ検出部２は、主として不純物拡散抵抗から形成されている。さらに、ひずみ検出部２は４つの不純物拡散抵抗からなるホイートストンブリッジ回路から形成されることにより、温度ドリフトによる出力変動を除去することができ、ひずみを高精度に検出することが可能である。
【００１３】
また、ひずみ検出部２上には、絶縁膜８が設けられている。なお、図示していないが、ひずみ検出部２と絶縁膜８の間には、必要に応じて電気信号を取り出すための配線、これらを絶縁するための絶縁材料などの薄膜群が形成される。本実施例においては、半導体基板１と、半導体基板１の主面１ａ上に形成されたひずみ検出部２，絶縁膜８、その他の薄膜群を総称してセンサチップ２００と呼ぶ。なお、センサチップ２００表面には基板パッド９が設けられており、ひずみ検出部２と電気的に接続されている。
【００１４】
絶縁膜８に接するように有機フィルムからなる保護層３が設けられており、保護層３の内部には配線４が設けられている（配線４はＡ−Ａ断面上に存在するものではないが、説明の便宜上そのＡ−Ａ断面への投影を図２に示す）。この配線４は基板パッド９と保護層パッド１０を電気的に接続する。保護層パッド１０からリード線などを引き出し、データロガーなどの外部の測定装置本体に接続してひずみを測定する。保護層３内に配線４を備えることで、配線４の断線や配線４同士の接触を防止することが出来る。保護層３は、その上部にひずみ検出部が取り付けられ配線４を有さない中心部（第一の領域）３ａと、中心部３ａの周囲で配線を内包し、半導体基板を有する面に保護パッドを備えている周辺部（第二の領域）３ｂとを有している。配線４はひずみ検出部２が取り付けられる中心部
３ａを避けてその周辺部３ｂに配置することで、配線４によるひずみ感度のばらつきを低減できる。保護層３の半導体基板１と反対側の表面には実装面１１が設けられており、被測定物６または実装板（図示せず）等の実装部材にこの実装面１１を向けて取り付けられる。実装面１１は平坦であることが望ましい。
【００１５】
本実施例においては、センサチップ２００と配線４が設けられた保護層３を総称してひずみ測定装置１００と呼ぶ。
【００１６】
第１の実施形態によるひずみ測定装置を被測定物に設けた場合の主要部断面図を図３に示す。ひずみ測定装置１００の実装面１１が、接着層５を介して被測定物６の表面が接着されている。これにより、被測定物６のひずみ変化によりひずみ測定装置１００にもひずみが生じ、ひずみ検出部２の出力変化からひずみ量を換算することができる。例えば接着層５は、エポキシ系接着材やフェノール系の接着剤とすることができる。
【００１７】
次に、本実施形態による作用，効果を説明する。
【００１８】
半導体基板１表面に形成した不純物拡散層をひずみ感応抵抗体とし、不純物拡散層のピエゾ抵抗効果を利用してひずみ計測するひずみ測定装置の場合、半導体基板１の剛性が大きいため、ひずみ検出部２のひずみ感度のばらつきが大きくなってしまうことが懸念される。本発明によるひずみ測定装置においては、半導体基板１の主面にひずみ検出部２を形成し、主面１ａ上に配線４を保護するための保護層３が設けられ、保護層３の実装面１１を被測定物に貼り付けることにより、剛性が大きい半導体基板１を介すことなくひずみ検出部２を被測定物６に近づけられるため、ひずみ追従性が安定する領域が拡大され、ひずみ感度のばらつきを低減することが可能である。
【００１９】
なお、保護層３のヤング率が高い場合はひずみ追従性が上がり、ヤング率が低い場合はひずみ感度のバラつきが低減される。また、実装面１１が平坦であることにより、ひずみ感度のばらつきが低減される。また、ひずみ検出部２が半導体基板１の中央付近に配置されていることにより、ひずみ感度のばらつきが低減される。また、保護層３に樹脂材料を用いることにより、保護層界面と接着剤における接着強度が向上する。さらに、図４のように、センサチップ２００全体が樹脂などの被覆材１２で覆われていることにより、対候性が向上する。
【００２０】
以上のように、半導体基板１の主面にひずみ検出部２を形成し、主面上に配線を保護するための保護層３が設けられ、保護層３を被測定物に貼り付けることにより、信頼性の高いひずみ測定装置が提供される。
【００２１】
また、これらのひずみ測定装置１００は半導体基板である半導体基板１を基に形成するため、半導体プロセスを用いて作製することができる。半導体プロセスにおいては、通常、半導体基板１の一主面のみに素子等が形成される。本発明のひずみ検出装置では、ひずみ検出部２及びひずみ検出部２から信号を取り出すための基板パッド９を同じ主面に形成しているので、製造工程が簡略化され、低価格・大量供給に適したセンサチップ２００となる。この場合において、信号を取り出す基板パッド９は、被測定物６を向いた主面に存在することとなるが、保護層３内に配線４を設けることにより、センサチップ２００の被測定物６側の主面から信号を取り出すことが可能になる。仮に、信号を取り出すパッドを半導体基板１の側面やひずみ検出部２と反対の主面に形成する場合には、製造工程を複雑化し、製造コストが増大する。
【００２２】
また、センサチップ２００は半導体他のＣＰＵ等のデジタル回路やメモリ回路，通信回路等と混載することが可能である。また、半導体製造設備を用いて高精度且つ低価格・大量供給を行うことができるという効果もある。
【００２３】
なお、図３においてはひずみ測定装置１００を被測定物６表面に設けた場合を示したが、ひずみ測定装置の一部または全体を埋め込むように設けても同様の効果が得られる。
【実施例２】
【００２４】
次に、本発明における第２の実施形態を図５により説明する。図５は、第２の本実施形態によるひずみ測定装置の主要部断面構造と平面構造を示しており、第１の実施形態と共通の部分には同一の符号を付している。
【００２５】
第１の実施形態による図１のひずみ測定装置１００においては、接着材１０を設ける接着領域が保護層３の下面全体に亘っているのに対し、図５においては、接着領域はひずみ検出部２を有する保護層中心部３ａのみで、配線を有する周辺部３ｂは貼り付けない構造となっている。本実施形態では、第１の実施形態と同様の効果が得られ、周辺部３ｂを被測定物６に取り付けなく、被測定物６に対して滑ることが可能とすることにより、保護層周辺部３ｂに伝わるひずみ及び配線４に加わるひずみが軽減され、配線４の断線を防止することができる。なお、周辺部３ｂと被測定物６の間は、間隙を有していても接していてもいずれでもよい。
【実施例３】
【００２６】
本発明における第３の実施形態を図６により説明する。図６は、第３の本実施形態によるひずみ測定装置の主要部断面構造と平面構造を示しており、第１の実施形態と共通の部分には同一の符号を付している。
【００２７】
第１の実施形態による図１のひずみ測定装置１００においては、半導体基板１の保護層３は一体となっているのに対し、図６に示す本実施形態のひずみ測定装置１０１においては、ひずみ検出部２の下に保護層３の中心部（第一の領域）３ａとして別体で緩衝層７が設けられている。緩衝層７はセンサチップのひずみ検出部２下部全体を覆い、配線４及び基板パッド９にはかからないようにする。本実施形態では、第１の実施形態と同様の効果が得られ、さらに、緩衝層７を保護層３の周辺部３ｂよりもヤング率の小さいものにすることにより、保護層３の周辺部３ｂ及び配線４に加わるひずみが軽減され、配線４の断線を防止することができる。この緩衝層７の部分を空洞にして、そこに接着剤を充填し被測定物に貼り付ける構造としてもよい。また、緩衝層７が別体でありかつ緩衝層７が周辺部
３ｂと独立して変形可能にすれば、周辺部３ｂ及び配線４に伝わるひずみが極めて小さくなり、配線４が保護される。
【００２８】
緩衝層７の構造としては、図７のようにひずみ検出部２下部のみを覆う方法と、図８のようにひずみ検出部２の下部を覆いながら、保護層全体を横切るように設ける方法がある。図７の構造は、半導体プロセスを用いて作製することができるので、作製方法が簡便という利点があり、図８の構造は、保護層３に加わるひずみをより軽減することができるという利点がある。
【実施例４】
【００２９】
次に、本発明における第４の実施形態を図９により説明する。図９は、第４の本実施形態によるひずみ測定装置の主要部断面構造を示しており、第３の実施形態と共通の部分には同一の符号を付している。
【００３０】
第３の実施形態による図６のひずみ測定装置１０１においては、保護層３と緩衝層７の下面は同一平面上にあるのに対し、図９に示す本実施形態のひずみ測定装置１０２においては、保護層３の下面は緩衝層７の下面よりも上にある形態となっている。緩衝層７が周辺部３ｂに対して突出して緩衝層７のみが被測定物に接着されることにより、保護層３にはひずみが加わらず、配線の断線を防止することができる。
【００３１】
なお、この実施例では、保護層中心部３ａである緩衝層７と保護層周辺部３ｂを別部材としているが、同部材として保護層の中心部３ａと周辺部３ｂとを一体形成し、中心部
３ａの実装面１１側を周辺部３ｂよりも突出させる形態としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１の実施形態による力学量測定装置の主要部断面構造を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による力学量測定装置の主要部平面構造を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態による力学量測定装置を被測定物に設けた例を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態による力学量測定装置の主要部断面構造を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態による力学量測定装置の主要部平面構造を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態による力学量測定装置の主要部平面構造を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施形態による力学量測定装置の主要部断面構造を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施形態による力学量測定装置の主要部平面構造を示す図である。
【図９】本発明の第４の実施形態による力学量測定装置の主要部断面構造を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１…半導体基板、１ａ…主面、２…ひずみ検出部、３…保護層、３ａ…中心部（第一の領域）、３ｂ…周辺部（第二の領域）、４…配線、５…接着層、６…被測定物、７…緩衝層、８…絶縁膜、９…基板パッド、１０…保護層パッド、１１…実装面、１２…被覆材、１００，１０１，１０２…ひずみ測定装置、２００…センサチップ。
【図１】
2008008694.tif 000003
【図２】
2008008694.tif 000004
【図３】
2008008694.tif 000005
【図４】
2008008694.tif 000006
【図５】
2008008694.tif 000007
【図６】
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【図７】
2008008694.tif 000009
【図８】
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【図９】
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