(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピエゾ抵抗効果を利用して力の変化を電気信号の変化に変換する複数の拡散抵抗からなる変換部を備えたダイアフラム部を有し、少なくとも前記ダイアフラム部の表面が保護用絶縁膜で覆われた半導体力センサ素子と、
前記保護用絶縁膜を覆う絶縁性を有するゲル状保護剤と、
前記半導体力センサ素子の前記ダイアフラム部に測定の対象となる力を加えるための剛性を有する金属製の球体と、
前記半導体力センサ素子を支持するセンサ素子支持部を備えたセンサ素子支持体と、
前記センサ素子支持部に支持された前記半導体力センサ素子の前記ダイアフラム部と対向し、前記球体を収容する貫通孔が形成された対向壁部を備えて、前記センサ素子支持体に対して固定された蓋部材とを備え、
前記ゲル状保護剤の針入度が、前記球体が前記ダイアフラム部上の前記ゲル状保護剤を押し広げて、前記球体が前記ダイアフラム部の中央部に直接力を加えられるように定められている半導体力センサであって、
前記ダイアフラム部の前記中央部を中心として前記変換部を含む領域を覆うように、前記保護用絶縁膜上に導電性のシールド層が形成されており、
前記シールド層の前記中央部には、前記保護用絶縁膜を露出させて前記球体を前記保護用絶縁膜と直接接触させることを許容する孔部が形成されており、
前記孔部の寸法は、前記球体が動作しているときに、常に前記シールド層と前記球体との間に前記ゲル状保護剤が存在する寸法であることを特徴とする半導体力センサ素子。
【請求項２】
前記シールド層は、アルミニウム薄膜から形成されている請求項１に記載の半導体力センサ。
【請求項３】
前記複数の拡散抵抗は、前記ダイアフラム部の平面中心を中心にして９０°間隔で外周部付近に配置された４つの拡散抵抗であり、
前記シールド層は、前記ダイアフラム部全体を覆うように形成されている請求項１に記載の半導体力センサ。
【請求項４】
前記シールド層は、矩形状に形成されている請求項３に記載の半導体力センサ。
【請求項５】
前記ダイアフラム部の外周部には、複数の接続用電極が形成されており、
前記複数の接続用電極のうちの１つは、アース用電極であり、該アース用電極に前記シールド層が接続されている請求項１に記載の半導体力センサ。
【請求項６】
前記孔部の直径寸法は、前記球体の直径寸法を０．１ｍｍ〜３ｍｍの範囲としたときに、０．０５ｍｍ〜１ｍｍの範囲内である請求項１に記載の半導体力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力等の力を半導体力センサ素子により検出して電気信号として出力する半導体力センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許第３４７９０６４号公報の図２（特許文献１）には、ピエゾ抵抗効果を利用して力の変化を電気信号の変化に変換する変換部を備えたダイアフラム部を有する半導体力センサ素子と、半導体力センサ素子のダイアフラム部に測定の対象となる力を加えるための剛性を有する球体とをケース内に収納した半導体力センサが開示されている。この半導体力センサでは、ケース内のダイアフラム部の上にゲル状保護剤が塗布充填されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３４７９０６４号公報・図２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の半導体力センサでは、通常使用環境ではなく、大きな静電気が発生しやすい環境においては、金属製の球体を介して進入した静電気が、半導体力センサ素子の上の保護用絶縁膜を通ってダイアフラム部の表面を流れ、半導体力センサの出力に異常が生じることがあった。また発明者らは、ゲル状保護剤の存在によって半導体力センサ素子表面が帯電することにより半導体力センサの出力の変動原因になることを見出した。【０００５】
本発明の目的は、大きな静電気が発生しても、出力に異常が生じにくい半導体力センサを得ることにある。【０００６】
本発明の他の目的は、ゲル状保護剤があっても出力変動が小さい半導体力センサを得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、ピエゾ抵抗効果を利用して力の変化を電気信号の変化に変換する複数の拡散抵抗からなる変換部を備えたダイアフラム部を有し、少なくともダイアフラム部の表面が保護用絶縁膜で覆われた半導体力センサ素子と、保護用絶縁膜を覆う絶縁性を有するゲル状保護剤と、半導体力センサ素子のダイアフラム部に測定の対象となる力を加えるための剛性を有する金属製の球体と、半導体力センサ素子を支持するセンサ素子支持部を備えたセンサ素子支持体と、センサ素子支持部に支持された半導体力センサ素子のダイアフラム部と対向し、球体を収容する貫通孔が形成された対向壁部を備えて、センサ素子支持体に対して固定された蓋部材とを備え、ゲル状保護剤の針入度が、球体がダイアフラム部上のゲル状保護剤を押し広げて、球体がダイアフラム部の中央部と実質的に直接接触するように定められている半導体力センサを改良の対象とする。【０００８】
本発明の半導体力センサは、ダイアフラム部の中央部を中心として変換部を含む領域を覆うように、保護用絶縁膜上に導電性のシールド層が形成されている。通常、アースに接続されるシールド層が形成されているため、球体表面から大きな静電気が放電されたとしても静電気は、シールド層を通ってアースに逃がすことができる。したがってセンサの出力に静電気による異常が発生することがない。また、シールド層が形成されているため、半導体力センサ素子表面が帯電することによる影響がセンサの出力に現れることを防止できる。【０００９】
シールド層は、導電性を有しているものであればよく、例えば、アルミニウム薄膜や銅薄膜の金属薄膜から形成されていてもよい。【００１０】
複数の拡散抵抗が、ダイアフラム部の平面中心を中心にして９０°間隔で外周部付近に配置された４つの拡散抵抗である場合、シールド層は、ダイアフラム部全体を覆うように形成されていることが好ましい。この場合のシールド層の形状は任意であるが、例えば、矩形状に形成されていてもよい。【００１１】
シールド層をアースに接続する方法は任意である。例えば、ダイアフラム部の外周部に、複数の接続用電極が形成されており、複数の接続用電極のうちの１つが、アース用電極である場合、該アース用電極にシールド層を接続すれば、簡易にアースに接続することができる。【００１２】
球体と保護用絶縁膜の間にシールド層が位置すると、センサの出力に誤差が生じる可能性がある。また、球体が、接触しているシールド層を削ってしまったときに発生する導電性の微細片がゲル状保護剤中に浮遊すると、この微細片がゲル状保護剤の特性を部分的に変えたり、球体とダイアフラム部の中央部との間にこの微細片が入り込むことにより、センサの出力に誤差が生じる可能性がある。そこで、シールド層の中央部に、保護用絶縁膜を露出させて球体を保護用絶縁膜と直接接触させることを許容する孔部を形成することができる。この場合、孔部の寸法は、球体が動作しているときに、常に球体との間にゲル状保護剤が存在する寸法とする。具体的には、球体の直径寸法を０．１ｍｍ〜３ｍｍの範囲としたときの、孔部の直径寸法は、０．０５ｍｍ〜１ｍｍの範囲内である。このようにすれば、球体がシールド層と接することはないので、半導体力センサの出力値に誤差が生じさせることなく、シールド層を設置することができる。球体はシールド層と接してはいないが、大きな静電気が発生したときには、ゲル状保護剤を通過して、球体表面からシールド層に放電されるため、センサの出力に静電気による異常が発生することはない。もちろん、半導体力センサ素子表面が帯電することによる影響がセンサの出力に現れることも防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（Ａ）は、半導体力センサの平面図であり、（Ｂ）は、底面図である。
【図２】蓋部材を外した状態のＩＩ−ＩＩ線断面の斜視図である。
【図３】半導体力センサ素子に形成された接続用電極パターンを示す半導体力センサ素子の平面図である。
【図４】ＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図５】第２の実施の形態の半導体力センサが備えている半導体力センサ素子に形成された接続用電極パターンを示す半導体力センサ素子の平面図である。
【図６】半導体力センサ素子と球体の位置関係を示す模式図である。
【図７】図６に示した領域Ａの拡大図である。
【図８】第３の実施の形態の半導体力センサの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の半導体力センサの実施の形態を詳細に説明する。
【００１５】
＜第１の実施の形態＞
図１及び図２は、表面実装型半導体力センサに適用した本発明の半導体力センサの第１の実施の形態の図である。図１（Ａ）は、半導体力センサの平面図であり、（Ｂ）は、底面図であり、図２は、蓋部材を外した状態のＩＩ−ＩＩ線断面の斜視図であり、図３は、半導体力センサ素子に形成された接続用電極パターンを示す半導体力センサ素子の平面図であり、図４は、図２と同じＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【００１６】
各図に示すように、本実施の形態の半導体力センサ１は、半導体力センサ素子３と、力伝達手段を構成する球体５と、ケース７とを有している。
【００１７】
〔半導体力センサ素子〕
半導体力センサ素子３は、広さ２．３ｍｍ角、厚さ３００μｍのＳｉ半導体基板を用いて形成されており、中央にダイアフラム部９を有している。ダイアフラム部９には、平面中心を中心にして９０°間隔で外周部付近にブリッジ回路を構成する４つの拡散抵抗ＤＲ１〜ＤＲ４が配置されており、ピエゾ抵抗効果を利用して力の変化を電気信号の変化に変換する変換部が形成されている（拡散抵抗ＤＲ１〜ＤＲ４は、後述のシールド層１５の下に形成されているため、図３では、破線で示してある）。ダイアフラム部９の外周部には、抵抗ブリッジ回路に接続された接続用電極ＣＥ１〜ＣＥ６が形成されている。本実施の形態では、接続用電極ＣＥ１〜ＣＥ６は、順に、Ｖｃｃ、＋ＯＵＴＰＵＴ、ＧＮＤ、ＧＮＤ、−ＯＵＴＰＵＴ、Ｖｃｃに接続される電極である。半導体力センサ素子３の表面部には、抵抗が形成された後に、保護用絶縁膜１１が形成されている。保護用絶縁膜１１は、窒化ケイ素により形成されている。半導体力センサ素子３は、周囲の部材（半導体力センサ素子３、ダイボンド材、ケース７）の熱膨張率等の違いによる影響を緩和するため、ガラス製の台座１３上に陽極接合により配置されて、ケース７内に収納されている。
【００１８】
図３に示すように、本実施の形態では、ダイアフラム部９の中央部を中心として変換部を含む領域を覆うように、保護用絶縁膜１１上に導電性のシールド層１５が形成されている。シールド層１５は、本実施の形態では、蒸着等の薄膜形成技術により形成されたアルミニウム薄膜であり、その輪郭形状は矩形状であり、接続用電極ＣＥ３に接続されて接地されている。
【００１９】
本実施の形態では、図４に示すように、ゲル状保護剤１７が保護用絶縁膜１１を覆っている。ゲル状保護剤１７によって、球体５が位置決めされ、また、球体５の位置がずれないようにもなっている。ゲル状保護剤１７は、絶縁性を有するシリコーンからなるものであり、ゲル状保護剤１７の針入度は、球体５がダイアフラム部９上のゲル状保護剤１７を押し広げて、球体５がダイアフラム部９の中央部と実質的に直接接触するように定められている。本例では、この針入度は約６５である。
【００２０】
〔球体〕
球体５は、剛性を有する金属球により形成されており、半導体力センサ素子３のダイアフラム部９に測定の対象となる力を加えるための力伝達手段を構成している。本実施の形態では、球体は直径１ｍｍの鋼球である。球体５は、ダイアフラム部９に直接力を加えられるように、シールド層１５を介して、半導体力センサ素子３のダイアフラム部９の中心部に実質的に直接接触している。
【００２１】
〔ケース〕
ケース７は、ケース本体（センサ素子支持体）１９と、ケース本体１９に対して固定された蓋部材２１とを有している。ケース本体１９は、樹脂により形成されており、一面に開口する開口部２３を有する箱形を呈している。このケース本体１９は、矩形に近い形状の底壁部２５と、底壁部２５の周縁部に一体に設けられた周壁部２７とを有している。底壁部２５には、半導体力センサ１の長手方向の両側面からそれぞれ３つずつ突出するように６つの端子Ｅ１〜Ｅ６が固定されている。端子Ｅ１〜Ｅ６は、その大部分が底壁部２５内に埋設されており、半導体力センサ１が回路基板上に表面実装可能なように、外部に露出するクリーム半田塗布面Ｅ１ａ〜Ｅ６ａを有している。本例では、６つの端子Ｅ１〜Ｅ６をインサートとして射出成形によりケース本体１９を形成した。端子Ｅ１〜Ｅ６は、それぞれ、半導体力センサ素子３の接続用電極ＣＥ１〜ＣＥ６に電線Ｗで接続されている。なお、底壁部２５を貫通する６つの孔２５ａ・・・は、ケース本体１９を射出成形する際に６つの端子Ｅ１〜Ｅ６を成形型内に支持するピンが抜けた孔である。底壁部２５は、半導体力センサ素子３とガラス製の台座１３が接合されるセンサ素子支持部２９を中央部分に有している。このように、センサ素子支持部２９に台座１３が接合された状態で、ゲル状保護剤１７が保護用絶縁膜１１を覆っている。周壁部２７の外壁部の長手方向に対向する一対の位置には、蓋部材２１の位置決め用突起３１，３１が形成されており、短手方向に対向する一対の位置には、蓋部材２１の位置決め用突出部３３，３３が形成されている。
【００２２】
蓋部材２１は、図１（Ａ）及び図４に示すように、ダイアフラム部９と対向するように配置される矩形板状の対向壁部３５とを有しており、合成樹脂により一体に成形されている。対向壁部３５には、ケース本体１９の位置決め用突起３１，３１が係合する一対の係合孔部３７，３７と、外側に向かって開口して、位置決め用突出部３３，３３が係合する一対の凹部３９，３９が形成されている。ケース本体１９の位置決め用突起３１，３１を一対の係合孔部３７，３７に係合し、且つ、位置決め用突出部３３，３３を一対の凹部３９，３９に係合した状態で、位置決め用突起３１，３１に対して熱カシメをすることで、蓋部材２１は、ケース本体１９に対して固定されている（図４は、位置決め用突起３１，３１を熱カシメした状態の図である）。また、対向壁部３５のダイアフラム部９の中心部と対向する位置には、球体５を収納する貫通孔４１が形成されている。
【００２３】
図４に示すように、貫通孔４１は、ダイアフラム部９側に位置する第１の貫通孔部分４１Ａと、外部側に位置する第２の貫通孔部分４１Ｂと、第１の貫通孔部分４１Ａと第２の貫通孔部分４１Ｂとの間に位置する第３の貫通孔部分４１Ｃとから構成されている。第１の貫通孔部分４１Ａは、球体５の下半部に対応する位置に形成されており、球体５の直径よりも僅かに大きい一定の直径寸法を有している。第２の貫通孔部分４１Ｂは該第２の貫通孔部分４１Ｂから球体５の一部が外部に露出するのを許容する一定の直径寸法を有している。第３の貫通孔部分４１Ｃは、球体５の外面に沿うように、第１の貫通孔部分４１Ａから第２の貫通孔部分４１Ｂに近付くに従って直径寸法が小さくなる形状を有している。球体５は、貫通孔４１に収納されることにより、球体５の一部を対向壁部３５の外部に臨ませ、球体５がダイアフラム部９の中心部に直接接触した状態で、ケース７内に位置決めされることになる。本例のように、球体の外面に沿う形状を有する貫通孔部分（第３の貫通孔部分４１Ｃ）を備えた貫通孔は、蓋部材２１を柔軟性のある合成樹脂により形成した場合に適している。本例のような形状に貫通孔４１を形成すれば、球体５が貫通孔４１内でがたつくのを防ぐことができる。
【００２４】
〔静電気発生時等〕
本実施の形態では、静電気が発生しやすい環境で半導体力センサ１を使用としたとしても、静電気は、球体５からシールド層１５を介してアースに逃げる。また、半導体力センサ素子表面が帯電することによる影響がセンサの出力に現れることを防止できる。
【００２５】
＜第２の実施の形態＞
図５乃至図７は、第２の実施の形態の半導体力センサを示す図である。図５は、第２の実施の形態の半導体力センサが備えている半導体力センサ素子に形成された接続用電極パターンを示す半導体力センサ素子の平面図であり、図６は、半導体力センサ素子と球体の位置関係を示す模式図であり、図７は、図６に示した領域Ａの拡大図である。第１の実施の形態と共通する部分については、図３及び図４に付した符号に１００を加えた数の符号を付して、その説明を省略する。
【００２６】
球体と保護用絶縁膜の間にシールド層が位置すると、センサの出力に誤差が生じる可能性がある。また、球体が、接触しているシールド層を削ってしまったときに発生する導電性の微細片がゲル状保護剤中に浮遊すると、この微細片がゲル状保護剤の特性を部分的に変えたり、球体とダイアフラム部の中央部との間にこの微細片が入り込むことによりセンサの出力に誤差が生じる可能性がある。そこで、本実施の形態では、図５に示すように、ダイアフラム部１０９の中央部を中心として変換部を含む領域を覆うシールド層１１５の中央部に、保護用絶縁膜１１１を露出させて球体１０５を保護用絶縁膜１１１と直接接触させることを許容する孔部１１５Ａが形成されている。孔部１１５Ａの寸法は、球体１０５が動作しているときに、常に球体１０５との間にゲル状保護剤１１７が存在する寸法としている。具体的には、球体１０５の直径寸法を０．１ｍｍ〜３ｍｍの範囲としたときには、孔部１１５Ａの直径寸法は、０．０５ｍｍ〜１ｍｍの範囲内である。本実施の形態では、球体１０５の直径寸法は１ｍｍ、孔部１１５Ａの直径寸法は０．１ｍｍとしている。
【００２７】
図６及び図７に示すように、孔部１１５Ａが形成されていることで、球体１０５は、保護用絶縁膜１１１と直接接触するが、シールド層１１５には接触しない状態となる（なお、図６及び図７においては、各部材の大きさは一部誇張してあるため、実際の比率等とは異なることがある）。このようにすることで、球体がシールド層と接することはないので、半導体力センサの出力値に誤差が生じさせることなく、シールド層を設置することができる。球体１０５に発生した静電気を常時シールド層１１５に逃がすことはできないが、大きな静電気が発生したときには、ゲル状保護剤を通して、球体表面からシールド層１１５に放電されるため、センサの出力に静電気による異常が発生することはない。また、半導体力センサ素子表面が帯電することによる影響がセンサの出力に現れることも防止できる。
【００２８】
＜第３の実施の形態＞
図８は、第３の実施の形態の半導体力センサである。図８は、出願人の先願に係わるＷＯ２０１５／１９９２２８号公報に示された力検出器に本発明を適用した例であり、一部簡略化して示した断面図である。第１の実施の形態と共通する部分については、図４に付した符号に２００を加えた数の符号を付して、その説明を省略する。
【００２９】
第３の実施の形態の半導体力センサ２０１では、板状のプリント基板であるベース基板２１９がセンサ素子支持体となっており、蓋部材２２１が金属製で一面開口状の構造を有している。ベース基板２１９の裏面には、端子Ｅ１〜Ｅ６に相当する外部に露出する半田付け可能な複数の端子が設けられており、電線Ｗで、半導体力センサ素子２０３の接続用電極ＣＥ１〜ＣＥ６に相当する複数の接続用電極に接続されている。
【００３０】
ダイアフラム部２０９の中央部を中心として変換部を含む領域を覆うように、保護用絶縁膜２１１上に導電性のシールド層２１５が形成されている。シールド層２１５は、第１の実施の形態と同様に、中央部に孔部が無くてもよく、また、第２の実施の形態と同様に、中央部に孔部が形成されていてもよい。
【００３１】
上記実施の形態は、一例として記載したものであり、その要旨を逸脱しない限り、本発明は本実施例に限定されるものではない。例えば、上記例では、シールド層の形状は矩形状としたが、拡散抵抗を覆うように配置されていればよく、円形や十字型のように、他の形状でもよいのはもちろんである。
【００３２】
また、上記第１及び第２の実施の形態の例では、半導体力センサ素子は、台座上に配置されたＳｉ半導体基板としたが、例えば、半導体基板の裏面側からエッチングを施してダイアフラム部を薄く構成するタイプの半導体力センサ素子（特許第３４７９０６４号公報に記載の半導体力センサ素子）にも適用できるのはもちろんである。
【００３３】
さらに上記実施の形態では、センサ素子支持体がケース本体であり、一面開口状の構造を有している第１及び第２の実施の形態と、センサ素子支持体が板状のベース基板である第３の実施の形態を示したが、センサ素子支持体及び蓋部材は、その他いかなる構造のものであっても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明によれば、大きな静電気が発生しても、出力に異常が生じにくい半導体力センサを提供することができる。また、ゲル状保護剤があっても出力変動が小さい半導体力センサを提供することができる。
【符号の説明】
【００３５】
１  半導体力センサ
３  半導体力センサ素子
５  球体
７  ケース
９  ダイアフラム部
１１  保護用絶縁膜
１３  台座
１５  シールド層
１７  ゲル状保護剤
１９  ケース本体（センサ素子支持体）
２３  開口部
２５  底壁部
２７  周壁部
２９  センサ素子支持部
３１  位置決め用突起
３３  位置決め用突出部
２１  蓋部材
３５  対向壁部
３７  係合孔部
３９  凹部
４１  貫通孔
【要約】
大きな静電気が発生しても、出力に異常が生じにくい半導体力センサを提供する。また、ゲル状保護剤があっても出力変動が小さい半導体力センサを提供する。半導体力センサ１は、半導体力センサ素子３と、力伝達手段を構成する球体５と、ケース７とを有している。半導体力センサ素子３は、ピエゾ抵抗効果を利用して力の変化を電気信号の変化に変換する変換部を備えたダイアフラム部９を有し、少なくともダイアフラム部９の表面が保護用絶縁膜１１で覆われている。保護用絶縁膜１１は、針入度が、球体５がダイアフラム部９上のゲル状保護剤１７を押し広げて、球体５がダイアフラム部９の中央部と実質的に直接接触するように定められている、絶縁性を有するゲル状保護剤１７で覆われている。ダイアフラム部９の中央部を中心として変換部を含む領域を覆うように、保護用絶縁膜１１上に導電性のシールド層１５が形成されている。【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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