JP2008249420A

JP2008249420A - 半導体センサモジュール及び電子機器

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Publication number: JP2008249420A
Application number: JP2007089526A
Authority: JP
Inventors: Shogo Mitani; 尚吾三谷; Mikio Hashimoto; 橋本　　幹夫
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2008-10-16

Abstract

【課題】半導体センサ（フローセンサ）をデバイスに組み込む際に、その流路構造を変更することで、小型化を実現した半導体センサモジュールを提供する。
【解決手段】本発明に係る半導体センサモジュール１Ａ（１）は、半導体基板２、前記半導体基板に配された感圧部３、及び、前記感圧部の少なくとも一部に配された貫通孔４を、少なくとも有する半導体センサ１０と、前記半導体センサを内包するとともに、前記貫通孔と連通して配された１つ以上の流路を有するフレキシブル基板１１と、を少なくとも備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体センサ及び該半導体センサを搭載した電子機器に関する。

工業計測の分野において、流体の流量を測定する方法として、流体を導く管の途中にオリフィス板を設け、このオリフィス前後の圧力差を検出することにより流量を求める差圧式流量測定法が広く用いられている。

図５に一例を示す。この図において５１は上流側の流路、５２は下流側の流路であり、これらはオリフィス部５３を介して接続されている。また、５４は差圧測定用の圧力センサであり、この圧カセンサ５４には、上流側及び下流側の流路からそれぞれ圧力導入管５８が接続されている。このような構造において、流体が上流側から下流側へ流れると、流体はオリフィス部で抵抗を受け、上流側と下流側で圧力差が生じる。また、この圧力差と流量にはベルヌイの定理で知られるように、一定の関係が有り、この圧力差を圧カセンサ５４で検知することにより、流体の流量を計測することができる。

一方で、昨今のセンサ小型化の要求に対して、熱式のフローセンサが利用されている（例えば、特許文献１参照）。
また、その他にも半導体圧力センサのダイアフラム中央に貫通孔を形成し、この貫通孔を流れる流体の圧力差から流量を計測するフローセンサが考案されている。

図６に小型化されたフローセンサを示す（例えば、特許文献２参照）。この図においては、上流側の流路６１と下流側の流路６２を、ダイアフラム中央部に貫通孔を有するピエゾ抵抗型圧カセンサ６３を介して接続されている。このような構造において、上流側から下流側へ流体が流れると、ダイアフラムに圧力差が生じ、これを検出することによって、流量を計測することができる。このような構造のため、従来のフローセンサにおける圧力導入部が不要となり、コストの低減及び小型化が可能となる。

しかしながら、図６に示す小型化されたフローセンサ及び熱式のフローセンサにおいて、以下に示すような問題がある。
まず、熱式のフローセンサでは、流体が熱の移動に寄与しているため、液体などの熱容量の大きな流体に対しては使用できない。
また、図６に記載されたフローセンサでは、流体の流路を配管等で形成しているため、体積が大きくなり、例えば、センサをデバイス等に組み込んだ場合、デバイスのサイズも大きくなってしまう。
特許第３７０５６８１号公報特開昭６３−２３６９２３号公報

本発明は、このような従来の実情に鑑みて考案されたものであり、半導体センサ（フローセンサ）をデバイスに組み込む際に、その流路構造を工夫することで、小型化を実現するとともに、熱容量の大きな流体にも適用できる、半導体センサモジュールを提供することを第一の目的とする。
また、本発明は、小型化された半導体センサモジュールを搭載することで、小型化に寄与することができる電子機器を提供することを第二の目的とする。

本発明の請求項１に記載の半導体センサモジュールは、半導体基板、該半導体基板に配された感圧部、及び、前記感圧部の少なくとも一部に配された貫通孔を、少なくとも有する半導体センサと、前記半導体センサを内包するとともに、前記貫通孔と連通して配された１つ以上の流路を有するフレキシブル基板と、を少なくとも備えたことを特徴とする。
本発明の請求項２に記載の半導体センサモジュールは、請求項１において、前記フレキシブル基板の内部に、前記半導体センサと電気的に接続された配線部が配されており、該配線部は、前記流路から隔離されていることを特徴とする。
本発明の請求項３に記載の半導体センサモジュールは、請求項１又は２において、前記流路の内壁面に、前記フレキシブル基板とは異なる材料からなる保護膜が配されていることを特徴とする。
本発明の請求項４に記載の半導体センサモジュールは、請求項１乃至３のいずれか一項において、前記流路は、前記フレキシブル基板の変形に応じて変形し、かつ、変形後も該流路をなす空間が確保されていることを特徴とする。
本発明の請求項５に記載の半導体センサモジュールは、請求項１乃至４のいずれか一項において、前記フレキシブル基板は、光を透過しない材料からなることを特徴とする。
本発明の請求項６に記載の半導体センサモジュールは、請求項１乃至４のいずれか一項において、前記フレキシブル基板の少なくとも一方の面に、光を透過しない材料からなる被覆部材が配されていることを特徴とする。
本発明の請求項７に記載の電子機器は、半導体基板、該半導体基板に配された感圧部、及び、前記感圧部の少なくとも一部に配された貫通孔を、少なくとも有する半導体センサと、前記半導体センサを内包するとともに、前記貫通孔と連通して配された１つ以上の流路を有するフレキシブル基板と、を少なくとも備えてなる半導体センサモジュールを、搭載したことを特徴とする。

本発明によれば、半導体センサを、貫通孔と連通して配された１つ以上の流路を有するフレキシブル基板に内包する構成を採用したことにより、小型化を実現した半導体センサモジュールを提供することができる。かかる構成によれば、液体などの熱容量の大きな流体にも適用できる。
また、本発明に係る電子機器は、半導体センサを、貫通孔と連通して配された１つ以上の流路を有するフレキシブル基板に内包する構成を採用し、小型化されてなる半導体センサモジュールを搭載している。ゆえに、本発明は、小型化や、薄型化、軽量化などが図れた電子機器の提供に寄与する。

以下、本発明に係る半導体センサモジュールの一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明に係る半導体センサモジュールの一例を示す断面図である。
本発明の半導体センサモジュール１Ａ（１）は、半導体基板２、該半導体基板２に配された感圧部３、及び、前記感圧部２の少なくとも一部に配された貫通孔４を、少なくとも有する半導体センサ１０と、前記半導体センサ１０を内包するとともに、前記貫通孔４と連通して配された１つ以上の流路を有するフレキシブル基板１１と、を少なくとも備えたことを特徴とする。

本発明では、半導体センサ１０を、貫通孔４と連通して配された１つ以上の流路を有するフレキシブル基板１１に内包することで、小型化を実現した半導体センサモジュール１を提供することができる。この半導体センサモジュール１は、フレキシブル基板１１内に設けた流路を通じて、流体が半導体センサ１０へ導かれる構成となっているので、液体などの熱容量の大きな流体にも十分に適用できる。
また、センサの実装と流路の形成が同時に可能なため、コスト及び工数の削減が可能である。

本発明において、半導体センサ１０は、ピエゾ抵抗型フローセンサであり、上流側流路１２と、半導体センサ１０と、下側側流路１３と、から構成される場合である。
なお、以下では、図１の構成例について詳細に説明するが、前述した本発明の作用・効果は、流路の上下を逆転させた構成例（すなわち、図１において下側から上側へ進む方向の流れをもち（Ｐ_０とＰ_１の矢印が逆向き）、１３が上流側流路、１２が下流側流路をそれぞれなす構成例）においても有効である。

半導体センサ１０は、例えばシリコン基板等からなる半導体基板２と、半導体基板２に配された感圧部３（ダイアフラムとも言う。）と、感圧部３の少なくとも一部に配された貫通孔４と、感圧部３の表面に配された４つのｐ型抵抗体（ピエゾ抵抗素子）Ｒ_１〜Ｒ_４（図ではＲ_１，Ｒ_２の２つのみ記載）と、半導体基板２の表面に配された電極５と、保護膜６と、から構成されている。

感圧部３は、略円板状のｎ型シリコン単結晶によって構成され、その中央部がエッチング等の手法により取り除かれ、厚さが非常に薄くなった薄肉部が形成されており、薄肉部の中心部に、流体Ｆが通過する貫通孔４が形成されている。

ｐ型抵抗体（ピエゾ抵抗素子）Ｒ_１〜Ｒ_４は、感圧部３の圧力変動を検出する検出回路（ストレンゲージ）を構成するものであり、いわゆるホイットストーンブリッジ回路を構成するよう互いが接続されている。また、各抵抗体は、例えばシリコン基板中にボロンなどの拡散源を注入することによって形成することができる。

また、半導体基板２には、配線部（図示せず）が設けられている。この配線部は、例えばシリコン基板中にボロン（ｐ型抵抗体よりも高濃度のもの）などの拡散源を注入することによって形成することができる。そして、この配線部の一端部は、ｐ型抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４と電気的に接続され、他端部は、半導体基板２上に例えばアルミニウムなどによって形成された電極５と電気的に接続されている。

フレキシブル基板１１（フレキシブルプリント配線板）は、柔軟性を持ったプリント基板のことで、ＦＰＣ（Flexible Printed Circuits）とも呼ばれる。
ここで本実施形態のフレキシブル基板１１は、多層構造をなし、予め個別に作製された第一基板１１ａ〜第四基板１１ｄを積層し一括で多層化することにより構成されている。

図１に示す例では、半導体センサ１０が第一基板１１ａ上にダイボンドされている。第一基板１１ａには流体Ｆが通過する下流側流路１３が形成されている。また、第一基板１１ａ上には、半導体センサ１０と略同等の高さの第二基板１１ｂが積層されており、かつ半導体センサ１０の配置箇所の基板はくりぬかれている。さらに半導体センサ１０及び第二基板１１ｂに第三基板１１ｃ及び第四基板１１ｄが配されている。第四基板１１ｄには流体Ｆが通過する上流側流路１２が形成されている。
なお、流路の形状や数は、図示の構成に限定されるものではない。

前記上流側流路１２及び下流側流路１３は、前記フレキシブル基板１１の変形に応じて変形し、かつ、変形後も該流路をなす空間が確保されている。これにより、フレキシブル基板１１が変形しても、半導体センサ１０のフローセンサとしての機能を維持することができる。

また、前記フレキシブル基板１１の内部に、前記半導体センサ１０と電気的に接続された配線部１４が配されており、該配線部１４は、前記流路１２，１３から隔離されていることが好ましい。配線部１４がフレキシブル基板１１内に配されているため流体Ｆとの絶縁が可能である。

例えば、図２に示す半導体センサモジュール１Ｂ（１）では、第三基板１１ｃ内にアルミ等の金属からなる配線部１４が配されている。この配線部１４の一端部は、半導体基板２上に形成された電極５と電気的に接続されている。

また、配線部１４において、半導体センサ１０の電極５との接続部分以外は第三基板１１ｃによって覆われており、配線部１４は流体Ｆと隔離されている。このような構成により、配線部１４が流体Ｆによって腐食されたり、流体Ｆの圧力によって損傷されるのを防止することができる。また、流体Ｆが水等の導電性の液体（物質）であった場合、配線部１４との接触による短絡やリーク電流を防ぐことが可能である。

また、前記１２，１３の内壁面に、前記フレキシブル基板１１とは異なる材料からなる保護膜１５が配されていることが好ましい。例えば、図３に示す半導体センサモジュール１Ｃ（１）では、第四基板１１ｄに形成された上流側流路１２、第一基板に形成された下流側流路１３の内側面に保護膜１５がそれぞれ形成されている。この保護膜１５を形成することにより、フレキシブル基板１１が流体Ｆによって腐食されたり、流体Ｆの圧力によって損傷されるのを防止することができる。

前記保護膜１５は、例えば、シリコン酸化物等の絶縁体からなり、その厚さは、特に限定されるものではないが、例えば０．１〜１．０μｍとすることが好ましい。
また、前記保護膜１５は、連続体であることが好ましい。ここで、「連続体」とは、つなぎ目（界面）が無いことをいう。保護膜１５を連続体とすることで、保護膜の界面からの流体Ｆの侵入、及びそれに起因するフレキシブル基板１１の腐食をより確実に防止することができる。

また、前記フレキシブル基板１１は、光を透過しない材料からなることが好ましい。これにより、紫外線等によるフレキシブル基板１１の劣化を防ぐことができる。
また、前記フレキシブル基板１１の少なくとも一方の面に、光を透過しない材料からなる被覆部材が配されていてもよい。例えば図４に示す半導体センサモジュール１Ｄ（１）では、第四基板１１ｄ上に遮光フィルム１６が貼られている。この遮光フィルム１６により、紫外線等によるフレキシブル基板１１の劣化を防ぐことができる。

以上のような構造を有する半導体圧力センサ１では、流体Ｆが図１に矢印で示すように上流側流路１１から下側側流路１２へ向って流れると、感圧部３に形成された貫通孔４がオリフィスとして機能し、上流側の圧力Ｐ_０と、下流側の圧力Ｐ_１との間に、貫通孔４の内径等の条件に応じた圧力差（Ｐ_０−Ｐ_１）が生じる。

この上流側と下流側との圧力差によって感圧部３が撓む（変形する）と、各ｐ型抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４に応力が発生する。このとき、感圧部３の変形量に応じて各ｐ型抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４の抵抗値が変化するため、この抵抗値の変化を電気信号として取り出すことによって、圧力差（Ｐ_０−Ｐ_１）を検出することができる。この圧力差は、流量と一定の関係があるので、この圧力差から流体Ｆの流量が求められる。

また、本発明の電子機器は、半導体基板２、該半導体基板に配された感圧部３、及び、前記感圧部３の少なくとも一部に配された貫通孔４を、少なくとも有する半導体センサ１０と、前記半導体センサ１０を内包するとともに、前記貫通孔４と連通して配された１つ以上の流路を有するフレキシブル基板１１と、を少なくとも備えてなる半導体センサモジュール１を、搭載したことを特徴とする。

本発明では、半導体センサ１０を、貫通孔４と連通して配された１つ以上の流路を有するフレキシブル基板１１に内包することで、小型化されてなる半導体センサモジュール１を搭載することで、電子機器の小型化や、薄型化、軽量化などに寄与することができる。

以上、本発明の半導体センサ及び該半導体センサを備えた電子機器について説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。
例えば、ストレンゲージとして機能するｐ型抵抗体の配置及び数に関しては、種々の変形例が考えられ、要は、感圧部の圧力歪を検出できれば、その配置や数はいかなるものでも構わない。
例えば、ストレンゲージとして機能するｐ型抵抗体の配置及び数に関しては、種々の変形例が考えられ、要は、感圧部の圧力歪を検出できれば、その配置や数はいかなるものでも構わない。
さらに、上述した実施形態においては、感圧部に１個の貫通孔を形成した場合を例にして述べたが、この貫通孔を複数個、形成しても構わず、また、感圧部の形状も略円板状に限らず、蛇腹状や同心波板状など程々の変形例が考えられる。

本発明は、半導体センサ及び該半導体センサを搭載した電子機器に適用可能である。

本発明に係る半導体センサの一例を示す断面図である。本発明に係る半導体センサの他の一例を示す断面図である。本発明に係る半導体センサの他の一例を示す断面図である。本発明に係る半導体センサの他の一例を示す断面図である。従来の半導体センサの一例を示す断面図である。従来の半導体センサの他の一例を示す断面図である。

符号の説明

１（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ）半導体センサモジュール、２半導体基板、３感圧部、４貫通孔、５電極、６保護膜、１０半導体センサ（フローセンサ）、１１フレキシブル基板１２上流側流路、１３下側側流路、１４配線部１５保護膜１６遮光フィルム、Ｒ_１〜Ｒ_４ｐ型抵抗体。

Claims

半導体基板、該半導体基板に配された感圧部、及び、前記感圧部の少なくとも一部に配された貫通孔を、少なくとも有する半導体センサと、
前記半導体センサを内包するとともに、前記貫通孔と連通して配された１つ以上の流路を有するフレキシブル基板と、を少なくとも備えたことを特徴とする半導体センサモジュール。
前記フレキシブル基板の内部に、前記半導体センサと電気的に接続された配線部が配されており、該配線部は、前記流路から隔離されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体センサモジュール。
前記流路の内壁面に、前記フレキシブル基板とは異なる材料からなる保護膜が配されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体センサモジュール。
前記流路は、前記フレキシブル基板の変形に応じて変形し、かつ、変形後も該流路をなす空間が確保されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体センサモジュール。
前記フレキシブル基板は、光を透過しない材料からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体センサモジュール。
前記フレキシブル基板の少なくとも一方の面に、光を透過しない材料からなる被覆部材が配されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体センサモジュール。
半導体基板、該半導体基板に配された感圧部、及び、前記感圧部の少なくとも一部に配された貫通孔を、少なくとも有する半導体センサと、
前記半導体センサを内包するとともに、前記貫通孔と連通して配された１つ以上の流路を有するフレキシブル基板と、を少なくとも備えてなる半導体センサモジュールを、搭載したことを特徴とする電子機器。