力学量测量装置制造方法
【专利摘要】在由单晶硅构成的半导体基板的表面侧具备测压元件，该测压元件包括形成了俯视时为四角形状的多个电阻元件的传感器芯片(1)和部件(2)。部件(2)包括负荷部(3)、固定底座部(4)和分别与负荷部(3)和固定底座部(4)相分离而配置在负荷部(3)与固定底座部(4)之间的起变形部(5)。并且，以半导体基板的单晶硅的<100>方向与载重方向平行的方式将传感器芯片(1)贴合到部件(2)的起变形部(5)的前侧面(2a)，并且多个电阻元件的长边方向相对于载重方向具有45度的角度。
【专利说明】力学量测量装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及力学量测量装置，特别是涉及可应用于利用半导体应变传感器来测量载重的力学量测量装置的有效的技术。
【背景技术】
[0002]用于各种载重测量装置(天平、体重计等)的测压元件(Load Cell:检测载重(施加的力)的传感器、将载重变换为电信号的元件、将载重变换为电信号的载重变换器)使用包括用于接受载重的负荷部、被负担载重时产生变形的起变形部以及用于固定负荷部和起变形部的固定底座部的S字型部件。
[0003]例如，JP特开2006-3295号公报(专利文献I)公开了如下的S字型测压元件，即在起变形部的表面和背面的各两个部位(共计四个部位)贴合应变计量器(用于测量弯曲应变的力学传感器)，根据测量到的应变值推测载重值。
[0004]此外，JP特开平03-146838号公报(专利文献2)公开了在起变形部的侧面隔着非晶玻璃涂层贴合了应变计量器的利用了 S字形状的陶瓷起变形体的测压元件。
[0005]在先技术文献
[0006]专利文献
[0007]专利文献I JP特开2006-3295号公报
[0008]专利文献2 JP特开平03-146838号公报
【发明内容】
[0009]发明要解决的课题
[0010]作为测量结构物的应变或应力的方法，一般采用应变计量器(将机械的微小变化量的应变作为电信号来进行检测的元件)。应变计量器是在聚酰亚胺薄膜上或环氧树脂薄膜上形成由铜(Cu)-镍(Ni)系合金或镍(Ni)-铬(Cr)系合金的金属薄膜构成的布线图案并与该布线图案连接引出线的结构，通过粘接剂等将应变计量器安装于被测量物来使用。通过金属薄膜的变形引起的电阻值的变化，能够测量被测量物的应变。
[0011]但是，近几年，正在推进能够比应变计量器更高精度地测量被测量物的应变的半导体应变传感器的开发。该半导体应变传感器在被测量物的应变感知中不利用金属薄膜，而是利用半导体、例如在硅(Si)中掺杂杂质而形成的半导体压电电阻。与应变计量器相t匕，半导体应变传感器应对被测量物的应变的电阻值的变化率大数十倍，能够测量微小的被测量物的应变。
[0012]此外，在应变计量器中，由于电阻值的变化小，因此需要用于放大所得到的电信号的外部放大器。另一方面，在半导体应变传感器中，由于电阻值的变化大，因此不需要放大所得到的电信号，能够在不使用外部放大器的情况下使用半导体应变传感器。此外，还能在构成半导体应变传感器的半导体芯片中放入放大器电路，因此若半导体应变传感器的用途或使用上的便利性很大，则值得期待。
[0013]本申请的发明人开发了使用S字型部件并在其起变形部的一个侧面贴合了(接合了)半导体应变传感器的测压元件。但是，在该测压元件中，刚性大的半导体应变传感器会抑制贴合有半导体应变传感器的起变形部的一个侧面的变形。因此，贴合有半导体应变传感器的起变形部的一个侧面的变形和未贴合半导体应变传感器的起变形部的另一个侧面(与一个侧面相反的一侧的侧面)的变形互不相同，起变形部的两侧面不对称地变形。另夕卜，若起变形部的两侧面的变形变得不对称，则负荷点的位置偏离中心，测压元件的载重推测精度会降低。
[0014]此外，由于贴合半导体应变传感器的位置的偏差，即使负担了相同载重的情况下，测量到的剪切应变的变动大，测压元件的载重推测精度会降低。
[0015]本发明的目的在于，提供一种在使用将半导体应变传感器接合到S字型部件的测压元件的力学量测量装置中能够抑制载重推测精度的降低的技术。
[0016]本发明的上述目的以及其他目的和新的特征会通过说明书的记载及所添加的附图而变得更加明确。
[0017]用于解决课题的手段
[0018]本申请公开的发明中，简单说明代表性的概要的话，如下。
[0019]本发明是力学量测量装置，其在由单晶硅构成的半导体基板的表面侧具有测压元件，该测压元件包括形成有俯视时为四角形状的多个电阻元件的传感器芯片、和部件。部件包括负荷部、固定底座部以及分别与负荷部和固定底座部相分离且配置在负荷部与固定底座部之间的起变形部。并且，以半导体基板的单晶硅的〈100〉方向与载重方向平行的方式将传感器芯片贴合到部件的起变形部的侧面，而且多个电阻元件的长边方向相对于载重方向构成45度的角度。
[0020]发明的效果
[0021]本申请公开的发明中，简单说明通过代表性的特征得到的效果的话，如下。
[0022]在使用将半导体应变传感器接合到S字型部件的测压元件的力学量测量装置中，能够抑制载重推测精度的降低。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是表示本申请的发明人研讨的测压元件的前侧面的要部侧视图。具体而言，是表示贴合了半导体应变传感器的测压元件的一个侧面(前侧面)的要部侧视图，例示了在起变形部贴合半导体应变传感器且完全束缚固定底座部的下表面(底面)并对负荷部的上表面的中心赋予了载重时的测压元件。
[0024]图2是本申请的发明人研讨的测压元件的起变形部的要部剖视图。(a)是半导体应变传感器未被贴合于起变形部的前侧面和后侧面的测压元件的起变形部的要部剖视图(沿着从前侧面朝向后侧面的方向的剖视图)。(b)是半导体应变传感器被贴合于起变形部的一个侧面(前侧面)的测压元件的起变形部的要部剖视图(沿着从前侧面朝向后侧面的方向的剖视图)。
[0025]图3是本申请的发明人研讨的测压元件的负荷部、起变形部和固定底座部的要部剖视图。(a)是半导体应变传感器未被贴合于起变形部的前侧面和后侧面的测压元件的负荷部、起变形部和固定底座部的要部剖视图(沿着从前侧面朝向后侧面的方向的剖视图)。(b)是半导体应变传感器被贴合于起变形部的一个侧面(前侧面)的测压元件的负荷部、起变形部和固定底座部的要部剖视图(沿着从前侧面朝向后侧面的方向的剖视图)。
[0026]图4是表示本申请的发明人研讨的测压元件的前侧面的要部侧视图，例示完全束缚固定底座部的下表面(底面)且向负荷部的上表面的中心赋予了载重时的测压元件。
[0027]图5是以将半导体应变传感器贴合到起变形部的前侧面的结构作为对象说明通过FEM分析得到的起变形部的前侧面中的剪切应变的图表。
[0028]图6(a)是表示实施例1的测压元件的上表面的要部俯视图；(b)是表示实施例1的测压元件的前侧面的要部侧视图，具体而言(b)是表示贴合了半导体应变传感器的测压元件的一个侧面(前侧面)的要部侧视图，例示在起变形部贴合半导体应变传感器，完全束缚固定底座部的下表面(底面)，并向负荷部的上表面的中心赋予了载重时的测压元件。
[0029]图7是示意性表示实施例1的在测压元件的前侧面贴合的半导体应变传感器的构成和半导体应变传感器附近的构成的要部俯视图。
[0030]图8是表示实施例1的通过FEM分析得到的起变形部的前侧面的剪切应变分布的图表。
[0031]图9是实施例1的半导体应变传感器被贴合于起变形部的一个侧面(前侧面)的测压元件的起变形部的要部剖视图(沿着从前侧面朝向后侧面的方向的剖视图)。
[0032]图10是表示实施例1的测压元件的前侧面的要部侧视图。具体而言，是表示贴合了半导体应变传感器的测压元件的一个侧面(前侧面)的要部侧视图，例示在起变形部贴合半导体应变传感器，并完全束缚固定底座部的下表面(底面)，在从负荷部的上表面的中心偏离的位置赋予载重时的测压元件。
[0033]图11是表示实施例1的负荷点的位置、与贴合到起变形部的一个侧面(前侧面)的中央部的半导体应变传感器所得到的剪切应变之间的关系的图表。
[0034]图12 (a)是表示实施例2的贴合了半导体应变传感器的测压元件的前侧面的要部侧视图，(b)是表示实施例2的贴合了半导体应变传感器的测压元件的后侧面的要部侧视图。
[0035]图13是实施例2的测压元件的立体图。
[0036]图14(a)是表示实施例3的测压元件的前侧面的要部侧视图。具体而言，是表示贴合了半导体应变传感器的测压元件的一个侧面(前侧面)的要部侧视图，例示在起变形部贴合半导体应变传感器，完全束缚固定底座部的下表面(底面)，向负荷部的上表面的中心赋予了载重时的测压元件。(b)是示意性表示实施例3的贴合到测压元件的前侧面的半导体应变传感器的构成和半导体应变传感器附近的构成的要部俯视图。
【具体实施方式】
[0037]在以下的实施例中，为了便于说明，分割为多个块或实施例来进行说明，但是除了特别明示的情况外，它们之间并不是相互无关，具有一方是另一方的一部分或全部的变形例、详细说明、补充说明等关系。
[0038]此外，在以下的实施例中，在提及要素的数目等(包括个数、数值、量、范围等)的情况下，除了特别明示的情况和原理上应明确限定特定的个数的情况等之外，并不限定其特定的数量，可以在特定数量的以上也可以在特定数量的以下。另外，在以下的实施例中，其构成要素(还包括要素步骤等)除了特别明示的情况和原理上是必须要素的情况等之夕卜，当然不一定是必须的。此外，在以下的实施例中，对于构成要素等，提及“由A构成”、“由A而成”、“具有A”、“包括A”时，除了特别明示了仅仅是该要素的意思的情况等之外，当然并不排除除此之外的要素。同样地，在以下的实施例中，提及构成要素等的形状、位置关系等时，除了特别明示的情况和原理上肯定不是如此的情况等之外，实质上包括与其形状等近似或类似的结构等。关于上述数值和范围也是同样的。
[0039]此外，在以下的实施例中所使用的附图中，即使是俯视图，有时为了方便看图，附加了阴影。此外，在用于说明以下的实施例的所有图中，对具有同一功能的部分原则上赋予同一符号，省略其反复的说明。以下，基于附图来详细说明本发明的实施例。
[0040]首先，为了进一步明确本发明的实施例的测压元件的结构，详细说明本申请的发明人研讨的、应用本申请发明之前的测压元件中的各种技术问题。
[0041]测压元件主要由负担载重(施加载重、承受载重)的部件和半导体应变传感器构成。在以下实施例的说明中，在构成测压元件的部件所具备的各面之中，将负担载重的面称作上表面，将与上表面相反的一侧的面称作下表面(底面)，将贴合传感器芯片的面(芯片搭载面)称作前侧面，将与前侧面相反的一侧的侧面称作后侧面。
[0042](I)第 I 课题
[0043]利用图1?图3来说明第I课题。图1是表示测压元件的前侧面的要部侧视图。具体而言，图1是表示贴合有半导体应变传感器的测压元件的一个侧面(前侧面)的要部侧视图，例示了在起变形部贴合半导体应变传感器，完全束缚固定底座部的下表面(底面)，向负荷部的上表面的中心赋予了载重时的测压元件。图2(a)是半导体应变传感器没有被贴合到起变形部的前侧面和后侧面的测压元件的起变形部的要部剖视图(沿着从前侧面朝向后侧面的方向的剖视图)。图2(b)是半导体应变传感器被贴合到起变形部的一个侧面(前侧面)的测压元件的起变形部的要部剖视图(沿着从前侧面朝向后侧面的方向的剖视图)。图3(a)是半导体应变传感器未被贴合到起变形部的前侧面和后侧面的测压元件的负荷部、起变形部和固定底座部的要部剖视图(沿着从前侧面朝向后侧面的方向的剖视图)。图3(b)是半导体应变传感器被贴合到起变形部的一个侧面(前侧面)的测压元件的负荷部、起变形部和固定底座部的要部剖视图(沿着从前侧面朝向后侧面的方向的剖视图)。
[0044]如图1所示，若向负荷部3赋予载重，则在起变形部5的上下方向(载重方向、负荷方向)上产生很小的压缩力。由此，如图2(a)和(b)所示，起变形部5的前侧面2a和后侧面2b产生变形，起变形部5的前侧面2a和后侧面2b变成向外侧(在图中用箭头表示的方向)突出的形状。
[0045]在此，在没有贴合作为半导体应变传感器的传感器芯片I的情况下，如图2(a)所示，起变形部5的前侧面2a和后侧面2b在外侧对称地产生变形。相对于此，在起变形部5的一个侧面(前侧面2a)贴合有传感器芯片I的情况下，如图2(b)所示，起变形部5的前侧面2a和后侧面2b在外侧不对称地产生变形。这是因为，在贴合有传感器芯片I的起变形部5的前侧面2a，刚性大的传感器芯片I会抑制其变形。
[0046]另外，在起变形部5的前侧面2a和后侧面2b的变形对称的情况下，如图3 (a)所示，负荷点(施加载重的点)的位置不会偏离负荷部3的上表面的中心。相对于此,在起变形部5的前侧面2a和后侧面2b的变形不对称的情况下，如图3(b)所示，负荷点的位置会偏离负荷部3的上表面的中心。若负荷点的位置偏离负荷部3的上表面的中心，则由传感器芯片I测量到的剪切应变就会发生变化。也就是说，如果是这种结构，载重和相对于载重产生的剪切应变是非线性关系，会降低测压元件的载重推测精度。
[0047](2)第 2 课题
[0048]接着，利用图4和图5说明第2个课题。图4是表示测压元件的前侧面的要部侧视图，例示了完全束缚固定底座部的下表面(底面)且向负荷部的上表面的中心赋予了载重时的测压元件。以图4所示的测压元件为对象,通过有限要素法(Finite Element Method:FEM)，实施了负担载重时的应力分析。图5是说明剪切应变的图表。图5所示的剪切应变是沿着图4所示的起变形部的前侧面从下表面的C点朝向上表面的D点的方向上的剪切应变。
[0049]如图5所示，在起变形部5的前侧面2a的下端部(起变形部5的下表面的C点)与上端部(起变形部5的上表面的D点)之间的中央部附近产生的剪切应变大于在起变形部5的前侧面2a的下端部(起变形部5的下表面的C点)和前侧面2a的上端部(起变形部5的上表面的D点)产生的剪切应变，并且其变动量小且是稳定的值。相反，在起变形部5的前侧面2a的下端部(起变形部5的下表面的C点)和前侧面2a的上端部(起变形部5的上表面的D点)产生的剪切应变小于在起变形部5的前侧面2a的下端部(起变形部5的下表面的C点)与上端部(起变形部5的上表面的D点)之间的中央部附近产生的剪切应变，而且其变动量大。
[0050]另外，前述的JP特开平03-146838号公报(专利文献2)记载了测量起变形部的侧面的剪切应变来推测载重的测压元件。但是，在该测压元件中测量了剪切应变的部位如果用图4和图5说明的话，认为是距起变形部5的前侧面2a的下端部(起变形部5的下表面的C点)的距离为1.25?3.75mm的区域(下端部(起变形部5d的下表面的C点)至上端部(起变形部5的上表面的D点)的距离的约一半)。
[0051]如图5所示，在上述区域(图5中所示的A区域)的两端部测量的剪切应变由于比在上述区域的中央部测量的剪切应变少，因此会降低测压元件的载重推测精度。另外，上述区域的两端部由于是剪切应变的变动量也大的部位，因此因贴合传感器芯片I的位置的偏差，即使在负担相同载重的情况下所产生的剪切应变的变动也较大，测压元件的载重推测精度会降低。
[0052]实施例1
[0053]《关于测压元件的构成部件》
[0054]利用前述的图1、前述的图2(b)、图6和图7，说明实施例1的测压元件的构成部件。图6(a)是表示测压元件的上表面的要部俯视图。图6(b)是表示测压元件的前侧面的要部侧视图。具体而言，图6(b)是表示贴合了半导体应变传感器的测压元件的一个侧面(前侧面)的要部侧视图，例示了在起变形部贴合半导体应变传感器，完全束缚固定底座部的下表面(底面)，在负荷部的上表面的中心负担载重时的测压元件。图7是示意性表示贴合在测压元件的前侧面的半导体应变传感器的构成和半导体应变传感器附近的构成的要部俯视图。另外，传感器芯片的上表面被密封树脂覆盖，在图6和图7中为了表示密封树脂的内部结构，因此示出了透过了密封树脂的内部结构。
[0055]如图6所示，实施例1的测压元件主要具备:传感器芯片(半导体应变传感器)I ；与传感器芯片I电连接的挠性布线板8 ;隔着接合材料而搭载了传感器芯片I的S字型部件2 ;和密封传感器芯片I的上表面和侧面的密封树脂9。
[0056]<关于传感器芯片1>
[0057]传感器芯片I具备具有表面(第I主面、元件形成面)和表面的相反侧的背面(第2主面)的半导体基板。半导体基板是例如由单晶硅(Si)构成的硅基板。在半导体基板的背面形成金属膜，覆盖背面。该金属膜由例如从半导体基板的背面侧开始将铬(Cr)、镍(Ni)和金(Au)按顺序层叠的层叠膜(金属层叠膜)构成，这些膜例如可通过溅射法形成。由此，由金属膜覆盖半导体基板的背面，从而能够提高传感器芯片I与焊料等金属制接合材料之间的接合强度。
[0058]此外，如图7所示，传感器芯片I的平面形状是四角形状(四边形)，例如构成I边的长度为2mm?3mm程度的正方形。
[0059]此外，传感器芯片I在位于半导体基板的表面侧的中央部的传感器感知区域10具备多个(在实施例1中是4个)电阻元件(压电电阻元件)11。此外，在传感器芯片I的周边部的半导体基板的表面侧，形成有输入输出电路区域。在该输入输出电路区域具备与上述4个电阻元件11电连接的多个电极(焊点、电极焊点)12。
[0060]4个电阻元件11由杂质扩散区域构成，该杂质扩散区域是向具有(100)面的半导体基板的表面掺杂杂质并使其扩散而形成的。此外，4个电阻元件11分别形成为四角形状(四边形)，具有长边方向对置的2个边和短边方向对置的2个边。
[0061]传感器芯片I相互电连接4个电阻元件11而形成惠斯通电桥电路(感知电路)，测量压电电阻效应引起的电阻元件11的电阻变化来感知剪切应变。此外，惠斯通电桥电路的多个端子经由多个布线13而被连接于多个电极12。多个电极12成为传感器芯片I的输入输出端子，例如，包括向传感器芯片I供给电源电位(第I电源电位:Vcc)的端子、供给基准电位(第2电源电位:GND)的端子和输出感知信号的端子。
[0062]构成惠斯通电桥电路的4个电阻元件11的长边方向被配置成相对于载重方向(负荷方向)具有45度的角度。即，在将传感器芯片I所具备的半导体基板设为例如由单晶硅构成的硅基板的情况下，以4个电阻元件11的长边方向分别与具有(100)面的半导体基板的〈110〉方向一致的方式配置4个电阻元件11。
[0063]例如，如图7所示，为了使电流向传感器芯片I所具备的表现出η型导电性的半导体基板沿着单晶硅的〈110〉方向的晶体取向而流过，形成4个P型扩散区域(在半导体基板的表面掺杂表现出P型导电型的杂质并使其扩散而形成的杂质扩散区域)。此外，在4个P型扩散区域之中，以2个P型扩散区域的长边方向与其他2个P型扩散区域的长边方向垂直的方式构成惠斯通电桥电路。
[0064]在构成惠斯通电桥电路的4个电阻元件11的长边方向与分别具有(100)面的半导体基板的〈110〉方向一致的传感器芯片I中，能够输出相对于载重方向具有+45度角度的X方向的应变与相对于载重方向具有-45度角度的Y方向的应变之间的差分。
[0065]由此,输出X方向的应变与Y方向的应变的差分的测量方式从降低施加到传感器芯片I的热应变的影响的观点出发是有利的。即，传感器芯片I与多个部件(图6中是接合材料和S字型部件2)接合，因此若测量环境温度发生变化，则会产生因各部件的线性膨胀系数的不同而引起的热应变。该热应变是不同于作为测量对象的剪切应变的噪声分量，因此优选降低热应变的影响。
[0066]在传感器芯片I的平面形状为正方形的情况下，热应变的影响在X方向和Y方向中其程度相同。在此，在起变形部5产生的剪切应变是和X方向的应变与Y方向的应变之间的差分成比例的值，因此能够去除热应变引起的应变，选择性地检测测量对象的剪切应变。
[0067]也就是说，若使用传感器芯片1，则由于能够降低热应变引起的影响，因此能够降低测量环境温度的变化引起的剪切应变的偏差。此外，构成传感器芯片I的电阻元件11、电极12或布线13等各部件是应用半导体装置的制造技术而形成的，因此容易实现微细化。此外，能够提闻制造效率并降低制造成本。
[0068]<关于S字型部件2>
[0069]如前述的图1所示，搭载传感器芯片I的部件2具备:用于承受载重的负荷部(载重承受部)3 ;用于固定于基台6的固定底座部(安装底座部)4 ;和起变形部(受感部)5，在负荷部3与固定底座部4之间分别与负荷部3和固定底座部4相分离而配置该起变形部，施加负荷时会变形。
[0070]通过第I连接部18A连接负荷部3的一端部和起变形部5的一端部，通过第2连接部18B连接与起变形部5的一端部对置的起变形部5的另一端部和固定底座部4的一端部，从搭载了传感器芯片I的前侧面(第I侧面)2a或与前侧面相反的一侧的后侧面(第2侧面)2b观察部件2时，部件2呈S字型形状。
[0071]因此，负荷部3与起变形部5之间的间隙部(切入部)2e中，在起变形部5的一端部(例如右侧面2d侧的端部)由于形成有第I连接部18A，因此未被开口，在其他3方向的端部(例如前侧面2a侧、后侧面2b侧和左侧面2c侧各自的端部)被开口。此外，起变形部5与固定底座部4之间的间隙部(切入部)2f中，在起变形部5的另一端部(例如左侧面2c侧的端部)由于形成有第2连接部18B，因此未被开口，但是其他3方向的端部(例如前侧面2a侧、后侧面2b侧和右侧面2d侧各自的端部)被开口。一体形成负荷部3、第I连接部18A、起变形部5、第2连接部18B和固定底座部4。
[0072]此外，负荷部3是具有一定厚度的块状，至少具有其自身被施加额定测量范围内的力时不会变形的程度的高刚性。此外，固定底座部3也同样是具有一定厚度的块状，其自身不会变形。起变形部5也同样是具有一定厚度的块状，通过向负荷部3施加力，起变形部5会变形，其变形量被传感器芯片I测量后被换算成剪切应变。
[0073]固定底座部4例如通过螺钉固定等而被束缚于基台6。负荷点被设置成负荷部3的上表面的一点，因此如图6(a)所示，在负荷部3的上表面的一部分设有凹部14。这是因为，假设将施加载重的部件的前端的形状设为球形状，通过在负荷部3设置凹部14，从而能够防止负荷点的位置的偏离。
[0074]此外，在负荷部3与起变形部5之间的间隙部(切入部)2e和第I连接部18A相接的前端部分、和固定底座部4与起变形部5之间的间隙部(切入部)和第2连接部相接的前端部分，如图6(b)所示，优选设置具有半径R的曲率的曲面。应力集中于间隙部(切入部)2e的第I连接部18A的前端部和间隙部(切入部)2f的第2连接部18B的前端部，通过设置曲面来降低应力，由此能够确保可靠性。
[0075]构成S字型部件2的材料没有特别限制，如后述那样，接合材料优选使用焊料等金属接合材料。因此，从提高与接合材料的连接可靠性的观点出发，优选至少成为芯片搭载面(前侧面2a)的起变形部5的表面上由金属材料构成。此外，从抑制S字型部件2的破坏的观点出发，优选由金属材料构成S字型部件2整体。在实施例1中，S字型部件2整体例如由铁(Fe)、铜(Cu)、铝(Al)、所谓的不锈钢(包含铬元素的铁合金)或所谓的硬铝(铝合金)等构成。
[0076]<关于接合材料>
[0077]如前述的图2 (b)所示，传感器芯片I隔着接合材料7被贴合到起变形部5的一个侧面(前侧面2a)。接合材料7被设置成覆盖传感器芯片I的整个背面和传感器芯片I的侧面的一部分。换言之，接合材料7的周边部一直到传感器芯片I的侧面的外侧，形成薄片(fillet)。从通过粘接固定传感器芯片I和S字型部件2的观点出发，接合材料7并不限于金属材料，例如也可以使用热固化性树脂等树脂制粘接材料。但是，从提高传感器芯片I的测量精度的观点出发，优选由金属材料构成接合材料7。
[0078]<关于挠性布线8>
[0079]如图6和图7所示，在S字型部件2的起变形部5的前侧面2a，固定有具备与传感器芯片I的多个电极12电连接的多个布线15的挠性布线8。挠性布线8是在树脂薄膜内密封了由金属材料构成的多个布线15的结构，在设置于树脂薄膜的一部分中的开口部16露出多个布线15的一部分。该露出部分构成多个端子。
[0080]此外，传感器芯片I的多个电极12和挠性布线8的多个端子(布线部)经由多个导电性部件17而被电连接。导电性部件17是线直径为1ym?200μπι程度的金线(Au线)，通过密封树脂9密封导电性部件17。通过由密封树脂9覆盖导电性部件17，从而能够防止相邻的导电性部件17彼此的短路。此外，虽然省略了图示，但是挠性布线8的一个端部被固定于S字型的部件2，另一个端部例如形成连接器，例如电连接对应变测量进行控制的控制电路等。
[0081]在图6和图7中，例不了由多个布线15的一部分从开口部16露出的多个端子和多个导电性部件17构成布线部的方式。但是，布线部只要能够在传感器芯片I与未图示的外部设备之间传输输入输出电流即可，并不限于图6和图7所示的方式。
[0082]《关于测压元件的结构》
[0083]利用图8?图10说明实施例1的测压元件的结构。
[0084]首先，利用图8来说明传感器芯片的贴合位置。图8是表示通过FEM分析得到的起变形部的前侧面的剪切应变分布的图表。
[0085]如图8所示，在左侧面2c至右侧面2d的起变形部5的前侧面2a的多个位置(应变评价位置)求出了剪切应变。
[0086]应变评价位置之中，在负荷部3与起变形部5之间的间隙部(切入部)2e的位于前端部之下的起变形部5的前侧面2a(在图8中用符号SI表示的位置)、和固定底座部4与起变形部5之间的间隙部(切入部)2f的位于前端部之上的起变形部5的前侧面2a(在图8中用符号S2表示的位置)中，剪切应变发生急剧变化。相对于此，应变评价位置之中，在起变形部5的中央附近的前侧面2a(在图8中用符号S3表示的位置)，剪切应变大致恒定。因此，若在起变形部5的前侧面2a的中央部贴合传感器芯片1，则即使传感器芯片I的贴合位置稍微产生了偏离，所产生的剪切应变也不会发生很大的变化，因此能够高精度且高灵敏度地检测被测压元件负担的载重。
[0087]接着，利用图9来说明构成传感器芯片的半导体基板的晶体取向与载重方向之间的关系。图9是在起变形部的一个侧面(前侧面)贴合了半导体应变传感器的测压元件的起变形部的要部剖视图(沿着从前侧面朝向后侧面的方向的剖视图)。
[0088]在将传感器芯片I所具备的半导体基板设为由单晶硅构成的硅基板的情况下，以载重方向和半导体基板的〈100〉方向平行的方式将传感器芯片I贴合到起变形部5。硅弹性率随着晶体取向而不同，晶体取向为〈100〉时的硅弹性率约为130GPa。另一方面，除此以外的晶体取向时的硅弹性率约为170GPa，比晶体取向为〈100〉时的硅弹性率大。
[0089]另外，为了使贴合了传感器芯片I的前侧面2a向外侧的突出形状和未贴合传感器芯片I的后侧面2b向外侧的突出形状对称，优选传感器芯片I的刚性尽可能小。在实施例1中，通过使载重方向和半导体基板(单晶硅)的〈100〉方向平行，从而载重方向的晶体取向的半导体基板的弹性率变小，能够降低传感器芯片I的刚性。
[0090]接着，利用图10和图11来说明负荷点的位置。图10是表示测压元件的前侧面的要部侧视图。具体而言，是表示贴合了半导体应变传感器的测压元件的一个侧面(前侧面)的要部侧视图，例示了在起变形部贴合半导体应变传感器，完全束缚固定底座部的下表面(底面)，在偏离了负荷部的上表面的中心的位置负担载重时的测压元件。图11是表示负荷点的位置、与由在起变形部的一个侧面(前侧面)的中央部贴合的半导体应变传感器得到的剪切应变之间的关系的图表。
[0091]如图10所示，负荷点位于从负荷部3的上表面的中心朝向与形成有第I连接部18A的一端部相反的一侧的未形成第I连接部18A的另一端部方向偏离的位置上,其中,第I连接部18A连接负荷部3和起变形部5。
[0092]如图11所示,在负荷点处于比作为应变评价点的起变形部5的前侧面2a的中央部更靠未形成第I连接部18A的另一端部侧(开口侧、自由端侧)的位置上时，所产生的剪切应变几乎恒定。另一方面，在负荷点处于比作为应变评价点的起变形部5的前侧面2a的中央部更靠形成有第I连接部18A的一端部侧(开口侧)的位置上时，随着负荷点向开口侧移动，所产生的剪切应变就会增加。
[0093]使用测压元件时，认为负荷点会稍微变动。为了确保测压元件的精度，需要即使负荷点多少有变动所产生的剪切应变也几乎不会变化。因此，使负荷点偏向比负荷部3的上表面的中心更靠未形成第I连接部18A的另一端部侧(开口侧、自由端侧)的位置。由此，能够提闻载重推测精度。
[0094]另外，若使负荷点极端地偏向比负荷部3的上表面的中心更靠未形成第I连接部18A的另一端部侧(开口侧、自由端侧)的位置，则在负荷部3与第I连接部18A之间的边界部分(根部)产生的挠矩会增大，因此有可能其边界部分(根部)会被破坏。或者，为了防止其边界部分(根部)的破坏，需要设定较小的可允许的载重值。因此，并不希望将负荷点设定在极端地偏向比负荷部3的上表面的中心更靠未形成第I连接部18A的另一端部侧(开口侧、自由端侧)的位置。
[0095]以下，总结实施例1可得到的主要效果。
[0096](I)通过将传感器芯片I贴合到起变形部5的前侧面2a的中央部，从而即使传感器芯片I的贴合位置多少产生了偏离，剪切应变的变动量也很小，并且能够得到较大的剪切应变。
[0097](2)在传感器芯片I中形成互相电连接多个(例如4个)电阻元件11的惠斯通电桥电路，以多个电阻元件11的长边方向分别与具有(100)面的半导体基板(单晶硅)的<110>方向一致方式配置多个电阻元件11。由此，降低热应变的影响，能够降低测量环境温度的变化弓I起的剪切应变的偏差。
[0098](3)将传感器芯片I以载重方向平行于半导体基板(单晶硅)的〈100〉方向的方式贴合到起变形部5的前侧面2a的中央部，降低传感器芯片I的刚性。由此，能够降低贴合了传感器芯片I的前侧面2a向外侧的突出形状和未贴合传感器芯片I的后侧面2b向外侧的突出形状的不对称，因此能够防止负荷点的位置的偏离。
[0099](4)使负荷点的位置从负荷部3的上表面的中心偏向与形成有第I连接部18A的一端部相反的一侧的未形成第I连接部18A的另一端部的方向,其中第I连接部18A连接负荷部3和起变形部5。由此，即使负荷点的位置偏离，也能够将剪切应变的变动量抑制得很小。
[0100]由此，能够抑制测压元件的载重推测精度的降低。
[0101]实施例2
[0102]实施例2是使起变形部5的前侧面2a的变形和后侧面2b的变形对称的实施例。在实施例1中，仅在起变形部5的前侧面2a贴合了传感器芯片1，但是在实施例2中，分别在起变形部5的前侧面2a和后侧面2b贴合传感器芯片(分别如在后述的图12 (a)和(b)中用符号Ia和符号Ib表示的传感器芯片)。由此，使起变形部5的前侧面2a向外侧的突出形状和起变形部5的后侧面2b向外侧的突出形状对称。
[0103]《关于测压元件的构成部件》
[0104]图12(a)是表示贴合了半导体应变传感器的测压元件的前侧面的要部侧视图，图12(b)是表示贴合了半导体应变传感器的测压元件的后侧面的要部侧视图。
[0105]作为测压元件的构成部件的传感器芯片la、lb、S字型部件2、挠性布线板8a，8b和密封树脂9a，9b等与前述的实施例1的传感器芯片1、S字型部件2、挠性布线板8和密封树脂9等相同。
[0106]《关于测压元件的结构》
[0107]如图12(a)和(b)所示，在测压元件的起变形部5的前侧面2a安装传感器芯片Ia,同样地，在后侧面2b也安装传感器芯片lb。如前述的图2(b)所示，当仅在测压元件的起变形部5的前侧面2a贴合了传感器芯片I的情况下，起变形部5的前侧面2a和后侧面2b在外侧的变形不对称。但是，在实施例2的测压元件中，由于在起变形部5的前侧面2a和后侧面2b这两个侧面贴合了传感器芯片la、lb，因此向负荷部3施加了力时的起变形部5的前侧面2a和后侧面2b的变形状态相同，不会产生不对称的变形。由此，能够确保载重推测精度。
[0108]在实施例2的测压元件的情况下，将负担载重时的剪切应变设为在起变形部5的前侧面2a贴合的传感器芯片Ia的输出值与在起变形部5的后侧面2b贴合的传感器芯片Ib的输出值的平均值。其中，在将贴合到起变形部5的前侧面2a的传感器芯片Ia和贴合到起变形部5的后侧面2b的传感器芯片Ib贴合成相同朝向的情况下，剪切应变的符号相反。也就是说，在贴合到前侧面2a的传感器芯片Ia的输出值为正时，贴合到后侧面2b的传感器芯片Ib的输出值为负。因此，求出平均值时，需要利用将贴合到后侧面2b的传感器芯片Ib的输出值设为-1倍后的值来导出平均值。
[0109]图13是测压元件的立体图。
[0110]如图13所示，在负荷部3的上表面，考虑负荷点从前侧面2a与后侧面2b之间的中间点向前侧面2a侧、或后侧面2b侧变动的情况。例如，在负荷部3的上表面负荷点向前侧面2a侧变动的情况下，贴合到前侧面2a的传感器芯片Ia的输出值增加，贴合到后侧面2b的传感器芯片Ib的输出值减少。但是，在实施例2的测压元件中，使用贴合到起变形部5的前侧面2a的传感器芯片Ia的输出值与贴合到后侧面2b的传感器芯片Ib的输出值的平均值。因此，即使负荷点发生变动，上述平均值几乎没有变化，因此具有不会降低测压元件的载重推测精度的效果。
[0111]实施例3
[0112]实施例3是能够抑制半导体应变传感器的贴合位置引起的载重推测精度的降低的实施例。
[0113]《关于测压元件的构成部件》
[0114]作为测压元件的构成部件的传感器芯片1、S字型部件2、挠性布线板8和密封树脂9等与前述的实施例1相同。
[0115]《关于测压元件的结构》
[0116]图14(a)是表示测压元件的前侧面的要部侧视图。具体而言，是表示贴合了半导体应变传感器的测压元件的一个侧面(前侧面)的要部侧视图，例示在起变形部贴合半导体应变传感器，完全束缚固定底座部的下表面(底面)，在负荷部的上表面的中心负担载重时的测压元件。图14(b)是示意性表示贴合到测压元件的前侧面的半导体应变传感器的构成和半导体应变传感器附近的构成的要部俯视图。
[0117]如图14(a)和(b)所示，传感器芯片I被贴合到测压元件的起变形部5的前侧面2a的下端部(例如前述的图4的起变形部5的下表面的C点)与上端部(例如前述的图4的起变形部5的上表面的D点)之间的中央部。另外，在传感器芯片I中形成有多个电阻元件11，其中配置了这些多个电阻元件11的区域在载重方向上的长度(在图14(b)中用符号LI表示的长度)为起变形部5的下端部至上端部的长度(在图14(a)中用符号L2表示的长度)的1/4以下。
[0118]如利用前述的图5说明的那样，在起变形部5的前侧面2a的下端部(起变形部5的下表面的C点)与上端部(起变形部5的上表面的D点)之间的中央部附近产生的剪切应变大于在起变形部5的前侧面2a的下端部(起变形部5的下表面的C点)和前侧面2a的上端部(起变形部5的上表面的D点)产生的剪切应变，并且其变动量小是稳定的值。相反，在起变形部5的前侧面2a的下端部(起变形部5的下表面的C点)和前侧面2a的上端部(起变形部5的上表面的D点)产生的剪切应变小于在起变形部5的前侧面2a的下端部(起变形部5的下表面的C点)与上端部(起变形部5的上表面的D点)之间的中央部附近产生的剪切应变，并且其变动量大。
[0119]因此，通过以测压元件的起变形部5的前侧面2a的下端部与上端部之间的中央部为中心，在起变形部5的下端部至上端部的长度(L2)的1/4的区域(例如前述的图5所示的B区域)贴合传感器芯片1，从而能够抑制测压元件的载重推测精度的降低。
[0120]以上，基于实施方式具体说明了本申请的发明人完成的发明，但是本发明并不限于所述实施方式，在不脱离其宗旨的范围内当然能够进行各种变更。
[0121]例如，在本实施例中，由在表现为η型导电性的半导体基板导入表现为P型导电性的杂质而形成的P型扩散区域构成了多个电阻元件，但是并不限于此。
[0122]工业上的可利用性
[0123]本发明能够广泛利用于力学量测量装置。
[0124]符号说明
[0125]I，la、Ib传感器芯片(半导体应变传感器)
[0126]2 部件
[0127]2a前侧面(第I侧面)
[0128]2b后侧面(第2侧面)
[0129]2c左侧面
[0130]2d右侧面
[0131]2e,2f 间隙部(切入部)
[0132]3 负荷部(载重承受部)
[0133]4 固定底座部(安装底座部)
[0134]5 起变形部(受感部)
[0135]6 基台
[0136]7 接合材料
[0137]8，8a，8b挠性布线板
[0138]9，9a，9b 密封树脂
[0139]10传感器感知区域
[0140]11电阻元件(压电电阻元件)
[0141]12电极(焊点、电极焊点)
[0142]13 布线
[0143]14 凹部
[0144]15 布线
[0145]16 开口部
[0146]17导电性部件
[0147]18A第I连接部
[0148]18B第2连接部
【权利要求】
1.一种力学量测量装置，具备测压元件，该测压元件包括传感器芯片和贴合了所述传感器芯片的部件，该力学量测量装置的特征在于， 所述传感器芯片包括:具有表面和与所述表面相反的一侧的背面的第1导电型的半导体基板；形成在所述半导体基板的所述表面侧的多个电阻元件；和形成在所述半导体基板的所述表面侧的周边部的多个电极， 所述部件包括:具有负担载重的上表面的负荷部；固定底座部；在所述负荷部与所述固定底座部之间分别与所述负荷部和所述固定底座部相分离而配置的起变形部；连接所述负荷部的一端部和所述起变形部的一端部的第1连接部；和连接与所述起变形部的一端部对置的所述起变形部的另一端部和所述固定底座部的一端部的第2连接部， 所述传感器芯片隔着接合材料被贴合到所述部件的所述起变形部的第1侧面的中央部，以与所述半导体基板的所述背面接合， 所述半导体基板由单晶硅构成，所述单晶硅的〈100〉方向平行于载重方向。
2.根据权利要求1所述的力学量测量装置，其特征在于， 所述多个电阻元件在俯视时是由长边方向上相对置的2边和与所述长边方向正交的短边方向上相对置的2边构成的四边形状， 所述多个电阻元件各自的长边方向相对于载重方向具有45度的角度。
3.根据权利要求1所述的力学量测量装置，其特征在于， 所述多个电阻元件由在所述半导体基板的所述表面侧导入与所述第1导电型相反的第2导电型的杂质而形成的杂质扩散区域构成， 所述杂质扩散区域在俯视时是由长边方向上相对置的2边和与所述长边方向正交的短边方向上相对置的2边构成的四边形状， 所述杂质扩散区域各自的长边方向相对于载重方向具有45度的角度。
4.根据权利要求3所述的力学量测量装置，其特征在于， 所述多个电阻元件是构成电桥电路的4个电阻元件， 所述4个电阻元件之中，以2个电阻元件的所述杂质扩散区域的长边方向与其他2个电阻元件的所述杂质扩散区域的长边方向垂直的方式配置所述4个电阻元件。
5.根据权利要求1所述的力学量测量装置，其特征在于， 所述多个电阻元件在俯视时是由长边方向上相对置的2边和与所述长边方向正交的短边方向上相对置的2边构成的四边形状， 所述多个电阻元件各自的长边方向与所述单晶硅的〈110〉方向一致。
6.根据权利要求1所述的力学量测量装置，其特征在于， 所述多个电阻元件由在所述半导体基板的所述表面侧导入与所述第1导电型相反的第2导电型的杂质而形成的杂质扩散区域构成， 所述杂质扩散区域在俯视时是由长边方向上相对置的2边和与所述长边方向正交的短边方向上相对置的2边构成的四边形状， 所述杂质扩散区域各自的长边方向与所述单晶硅的〈110〉方向一致。
7.根据权利要求6所述的力学量测量装置，其特征在于， 所述多个电阻元件是构成电桥电路的4个电阻元件， 所述4个电阻元件之中，以2个电阻元件的所述杂质扩散区域的长边方向与其他2个电阻元件的所述杂质扩散区域的长边方向垂直的方式配置所述4个电阻元件。
8.根据权利要求1所述的力学量测量装置，其特征在于， 在所述负荷部的所述上表面设有用于确定负荷点的凹部，所述凹部的位置从所述负荷部的所述上表面的中心偏离到与形成有所述第1连接部的所述负荷部的所述一端部相反的一侧的方向。
9.根据权利要求1所述的力学量测量装置，其特征在于， 所述传感器芯片还隔着接合材料被贴合到与所述部件的所述起变形部的所述第1侧面相反的一侧的第2侧面的中央部，以与所述半导体基板的所述背面相接合。
10.根据权利要求1所述的力学量测量装置，其特征在于， 形成有所述多个电阻元件的区域在所述载重方向上的长度为所述起变形部的从上端部至下端部为止的沿着所述第1侧面的长度的1/4以下。
11.根据权利要求1所述的力学量测量装置，其特征在于， 所述半导体基板的所述背面被从所述背面侧依次层叠了铬、镍和金的金属层叠膜覆盖，所述接合材料是焊料。
12.根据权利要求1所述的力学量测量装置，其特征在于， 由密封树脂覆盖所述传感器芯片的上表面和侧面，以覆盖所述多个电阻元件和所述多个电极。
【文档编号】G01L1/18GK104350366SQ201280073469
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2012年5月25日 优先权日:2012年5月25日
【发明者】芦田喜章, 太田裕之, 岛津博美, 笠井宪一 申请人:株式会社日立制作所