JP7343344B2

JP7343344B2 - 圧力センサ

Info

Publication number: JP7343344B2
Application number: JP2019174119A
Authority: JP
Inventors: 将志西田
Original assignee: Aichi Tokei Denki Co Ltd
Current assignee: Aichi Tokei Denki Co Ltd
Priority date: 2019-09-25
Filing date: 2019-09-25
Publication date: 2023-09-12
Anticipated expiration: 2039-09-25
Also published as: JP2021051004A

Description

本明細書が開示する技術は、圧力センサに関する。

特許文献１は、ダイアフラム型の半導体チップを備えた圧力センサを開示する。半導体チップは、測定対象の液体が存在する内部空間を画定する壁部に形成されている開口部を閉塞するように配置され、薄肉なダイアフラム部と、そのダイアフラム部の周囲に構成されている厚肉な支持部と、を有している。半導体チップの支持部と壁部が接着層を介して接着されている。

特許文献１では、接着層の材料としてシリコーン系の接着材が例示されている。シリコーン系の接着剤は、柔らかい弾性特性を有しており、壁部から半導体チップに伝わる応力を緩和することができる。さらに、シリコーン系の接着剤は、温度変化及び長期使用に対する物性値の変化が小さい。このように、シリコーン系の接着剤は、半導体チップと壁部を接着する材料として好ましい特性を有している。

特開２０１７－６２１９３号公報

しかしながら、シリコーン系の接着剤は、測定対象の液体が気化したガス（蒸気を含む）の透過性が高いという問題がある。例えば、測定対象の液体が水の場合、シリコーン系の接着剤においては、水が気化したガス（水蒸気）の透過性が高いことが知られている。測定対象の液体が接着層を透過すると、測定対象の液体が存在する内部空間から外部の空間に液体が漏洩してしまう。通常、外部空間には各種電気信号を伝送するための配線や各種電気信号を処理するための電気回路等が設けられていることが多い。このため、外部空間に漏洩した液体によって、そのような配線又は電界回路に不具合が生じることが懸念される。

本明細書は、測定対象の液体が接着層を透過するのを抑えることができる技術を提供する。

本明細書が開示する圧力センサは、測定対象の液体が存在する内部空間を画定する壁部に形成されている開口部を閉塞するように配置される半導体チップを備えることができる。前記半導体チップは、薄肉なダイアフラム部と、前記ダイアフラム部の周囲に構成されている厚肉な支持部と、を有することができる。本明細書が開示する圧力センサはさらに、前記半導体チップの前記支持部と前記壁部を接着する接着層を備えることができる。前記接着層は、シリコーン系の第１接着剤と、前記第１接着剤よりも前記液体が気化したガスの透過性が低い第２接着剤と、を有することができる。前記第２接着剤は、前記ダイアフラム部の周囲を一巡するように配置されてもよい。このように、上記圧力センサでは、シリコーン系の前記第１接着剤に加えて、測定対象の前記液体が気化したガスの透過性が低い前記第２接着材が用いられている。前記接着層に前記第２接着剤が含まれていることにより、測定対象の前記液体が前記接着層を透過することが抑えられる。

前記第２接着剤は、前記第１接着剤よりも前記内部空間側に設けられていてもよい。前記第１接着剤と前記第２接着剤がこのような位置関係にあると、測定対象の前記液体が前記第２接着剤によって遮断されることから、前記液体が前記第１接着剤にまで拡散することが抑えられる。このため、前記第１接着剤の物性値が長期間に亘って安定し、前記圧力センサは高い信頼性を有することができる。

前記第１接着剤を介して前記半導体チップの前記支持部と前記壁部が接着する面積が、前記第２接着剤を介して前記半導体チップの前記支持部と前記壁部が接着する面積よりも大きくてもよい。このように、大面積の前記第１接着剤を介して前記半導体チップの前記支持部と前記壁部が接着することにより、シリコーン系の接着剤の利点が前記接着層において発揮される。

前記半導体チップの前記ダイアフラム部は、前記液体の液圧に応じた変形に基づいて出力を直接的に変動させるように構成されていてもよく、又は、間接的に変動させるように構成されていてもよい。例えば、前記半導体チップの前記ダイアフラム部は、ピエゾ抵抗部を有していてもよい。この場合、前記ダイアフラム部の変形に応じて前記ピエゾ抵抗部の抵抗値が変動し、出力を直接的に変動させることができる。あるいは、前記半導体チップの前記ダイアフラム部は、前記液体の液圧に応じて変形したときに他の部材を押圧するように構成されていてもよい。この場合、他の部材には、押圧力を電気信号に変換するための構造が設けられていてもよい。この場合、前記ダイアフラム部の変形に応じて他の部材からの出力を間接的に変動させることができる。

前記壁部は、前記開口部が形成されている底壁と、前記底壁の周囲を取り囲む側壁と、を有していてもよい。この場合、前記半導体チップは、一対の主面と、前記一対の主面の間を延びる側面と、を有していてもよい。前記接着層は、前記半導体チップの前記一対の主面のうちの一方の主面と前記壁部の前記底壁の間に配置されているとともに、前記半導体チップの前記側面と前記壁部の前記側壁の間にも配置されていてもよい。この圧力センサによると、前記接着層の接着面積が大きくなるので、接着力が向上するとともに、前記液体が前記接着層を透過することもさらに抑えられる。

本実施形態の圧力センサの要部断面図を模式的に示す図である。図１のII-II線に対応した断面図である。他の実施形態の圧力センサの要部断面図を模式的に示す図である。他の実施形態の圧力センサの要部断面図を模式的に示す図である。他の実施形態の圧力センサの要部断面図を模式的に示す図である。

以下、図面を参照して圧力センサ１００について説明する。図１に示すように、圧力センサ１００は、管３００を流れる液体ｗ（この例では、水である）の液圧を測定するためのセンサであり、半導体チップ１を備えている。半導体チップ１は、半導体下層２と絶縁層３と半導体上層４が積層したＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板５から作製されている。ＳＯＩ基板５は、平板状の形態であり、一対の主面（即ち、表面５ａと裏面５ｂ）と、表面５ａと裏面５ｂの間を延びる側面５ｃを有している。半導体チップ１では、半導体下層２の中央部をエッチング除去して形成された薄肉部分がダイアフラム部１０として構成されており、そのダイアフラム部１０に複数（本実施例では４個）のピエゾ抵抗部２０が形成されている。さらに、半導体チップ１では、ダイアフラム部１０の周囲の厚肉部分が支持部３０として構成されている。

半導体チップ１は、容器２００の内部に配置されている。容器２００は、液体ｗが存在する空間を画定する壁部として機能しており、管３００に設置されている。また、容器２００は、電気信号を伝送するための配線が配設された配線基板を含んでいてもよい。容器２００は、凹状の形態であり、開口部２０２が形成されている底壁２０４と、底壁２０４の周囲を取り囲む側壁２０６と、を有している。管３００を流れる液体ｗは、容器２００の内部に流入する。半導体チップ１のダイアフラム部１０は、容器２００の内部に流入した液体ｗの液圧と容器２００の外部の大気圧の差圧に応じて変形できるように、容器２００の開口部２０２と向かい合うように配置されている。

ダイアフラム部１０は、絶縁層３と半導体上層４からなる薄い膜状の構成である。ダイアフラム部１０は、平面視したときに円形状に形成されている（図２参照）。ダイアフラム部１０の外周端部１２が円形状に一周している。他の実施例では、ダイアフラム部１０は四角形状に形成されていてもよい。ダイアフラム部１０の形状は、特に限定されるものではない。

図２に示されるように、複数のピエゾ抵抗部２０は、ダイアフラム部１０の半導体上層４に形成されている。各ピエゾ抵抗部２０は、ダイアフラム部１０の半導体上層４にイオン注入をすることによって形成される。各ピエゾ抵抗部２０は、液体ｗの液圧に応じてダイアフラム部１０が変形したときに、その歪に応じて抵抗値が変化するように構成されている。

複数のピエゾ抵抗部２０は、ダイアフラム部１０の応力を検出するためのブリッジ回路（不図示）の一部を構成している。各ピエゾ抵抗部２０は、ブリッジ回路における各抵抗要素に相当する。各ピエゾ抵抗部２０には、ブリッジ回路の配線が接続されている。ブリッジ回路に基づいてダイアフラム部１０の応力を検出することによって、ダイアフラム部１０に作用する液体ｗの液圧を検出することができる。ブリッジ回路に基づいて応力を検出する方法についてはよく知られているので詳細な説明を省略する。

図１に示されるように、半導体チップ１は、接着層６０を介して容器２００に接着されている。具体的には、半導体チップ１の支持部３０の表面５ａと容器２００の底壁２０４の内面が接着層６０を介して接着されている。

接着層６０は、シリコーン系の接着剤である第１接着剤６２と、エポキシ系の接着剤である第２接着剤６４と、を有している。図２に示すように、第１接着剤６２及び第２接着剤６４はいずれも、ダイアフラム部１０の周囲を一巡するように、換言すると、容器２００の開口部２０２の周囲を一巡するように設けられている。第１接着剤６２は、ダイアフラム部１０に対して近い側、即ち、外部空間に近い側に設けられている。第２接着剤６４は、ダイアフラム部１０に対して遠い側、即ち、内部空間に近い側に設けられている。

上記したように、第１接着剤６２は、シリコーン系の接着剤である。シリコーン系の接着剤は、柔らかい弾性特性を有しており、容器２００から半導体チップ１に伝わる応力を緩和することができる。なお、このような応力としては、半導体チップ１と容器２００の熱膨張差に起因した熱応力が挙げられる。さらに、シリコーン系の接着剤は、温度変化及び長期使用に対する物性値の変化が小さい。このように、接着層６０がシリコーン系の第１接着剤６２を有していることから、圧力センサ１００は、高い出力精度を長期間に亘って維持することができる。一方、シリコーン系の接着剤は、水が気化したガス（水蒸気）の透過性が高いという問題がある。このため、水である液体ｗが気化したガス（水蒸気）が接着層６０を透過し、透過した先で結露してしまうことが懸念される。例えば、ピエゾ抵抗部２０が形成されている部分や容器２００に配設された配線の部分等で結露してしまうと、電気回路がショートするなどして、液体ｗの液圧を正確に測定することができなくなってしまう。

圧力センサ１００では、接着層６０がエポキシ系の第２接着剤６４を有している。エポキシ系の第２接着剤６４は、水である液体ｗが気化したガス（水蒸気）の透過性がシリコーン系の第１接着剤６２よりも低い。したがって、第２接着剤６４を含む接着層６０は、第１接着剤６２のみを含む場合に比して、液体ｗの透過を抑えることができる。特に、圧力センサ１００では、第２接着剤６４がダイアフラム部１０の周囲を一巡するように設けられているので、液体ｗが内部空間から外部空間に漏洩することを効果的に抑えることができる。

また、圧力センサ１００では、第１接着剤６２と第２接着剤６４の位置関係に関し、第２接着剤６４が内部空間に近い側に配置されている。即ち、第２接着剤６４は、第１接着剤６２と液体ｗを隔てるように設けられている。これにより、液体ｗが第２接着剤６４によって遮断されることから、第１接着剤６２にまで液体ｗが拡散することが抑えられる。このため、第１接着剤６２の物性値が長期間に亘って安定し、圧力センサ１００は高い信頼性を有することができる。

また、図２に示すように、圧力センサ１００では、第１接着剤６２の面積が第２接着剤６４の面積よりも大きい。即ち、第１接着剤６２を介して半導体チップ１の支持部３０と容器２００が接着する面積が、第２接着剤６４を介して半導体チップ１の支持部３０と容器２００が接着する面積よりも大きい。このように、大面積の第１接着剤６２を介して半導体チップ１の支持部３０と容器２００が接着することにより、シリコーン系の接着剤の利点が接着層６０において発揮される。

以上、一実施例について説明したが、具体的な態様は上記実施例に限定されるものではない。以下、いくつかの変形例について説明する。なお、上記の説明における構成と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

（１）図３に示すように、この例では、半導体チップ１の側面５ｃと容器２００の側壁２０６の間にも接着層６０が設けられていることを特徴としている。第１接着剤６２が接着層６０の大部分を占めており、第２接着剤６４は半導体チップ１の側面５ｃの一部を周方向に沿って一巡するように設けられている。この例でも、第２接着剤６４が設けられていることにより、液体ｗが接着層６０を透過することが抑えられる。また、第１接着剤６２がより多く用いられていることにより、シリコーン系の接着剤の利点が接着層６０において発揮される。また、容器２００の内部空間から外部空間までの間に存在する接着層６０の長さが大きくなるので、液体ｗが接着層６０を透過することがさらに抑えられる。

（２）図４に示すように、この例では、半導体チップ１の側面５ｃと容器２００の側壁２０６の間に第３接着剤６６が設けられていることを特徴としている。第３接着剤６６は、シリコーン系の接着剤である。換言すると、接着層６０は、第２接着剤６４がシリコーン系の接着剤６２，６６で挟まれるように構成されている。この例でも、第２接着剤６４が設けられていることにより、液体ｗが接着層６０を透過することが抑えられる。また、第１接着剤６２がより多く用いられていることにより、シリコーン系の接着剤の利点が接着層６０において発揮される。また、容器２００の内部空間から外部空間までの間に存在する接着層６０の長さが大きくなるので、液体ｗが接着層６０を透過することがさらに抑えられる。

（３）図５に示すように、この例では、半導体チップ１が容器２００の外部に配置されていることを特徴としている。この例でも、第２接着剤６４が設けられていることにより、液体ｗが接着層６０を透過することが抑えられる。

（４）上記の例では、第２接着剤６４としてエポキシ系の接着剤を例示した。この例に代えて、第２接着剤６４としては、はんだ又は低融点ガラスが用いられてもよい。あるいは、第２接着剤６４としては、フィラーを混ぜてガス透過性を低くした接着剤が用いられてもよい。なお、フィラーを混ぜてガス透過性を低くする場合、第２接着剤６４としては、シリコーン系の接着剤が用いられてもよい。この場合、第１接着剤６２にはフィラーを混入させずに第２接着剤６４のみにフィラーを混入させてもよく、フィラーの混入密度を第１接着剤６２よりも第２接着剤６４で高くしてもよい。液体ｗが気化したガスの透過性が第１接着剤６２よりも低い接着剤である限り、第２接着剤６４には様々な接着剤を適宜用いることができる。

（５）上記の例では、ダイアフラム部１０に４個のピエゾ抵抗部２０が配置されている構成であったが、この構成に限定されるものではない。他の例では、ダイアフラム部１０に例えば２個のピエゾ抵抗部２０が配置されている構成であってもよい。

（６）上記の例では、半導体チップ１が容器２００に接着されていたが、この構成に限定されるものではない。他の例では、半導体チップ１が管３００に接着されていてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１：半導体チップ、２：半導体下層、３：絶縁層、４：半導体上層、１０：ダイアフラム部、１２：外周端部、２０：ピエゾ抵抗部、３０：支持部、６０：接着層、６２：第１接着剤、６４：第２接着剤、１００：圧力センサ、２００：容器、３００：管、ｗ：液体

Claims

圧力センサであって、
測定対象の液体が存在する内部空間を画定する壁部に形成されている開口部を閉塞するように配置される半導体チップであって、薄肉なダイアフラム部と、前記ダイアフラム部の周囲に構成される厚肉な支持部と、を有する半導体チップと、
前記半導体チップの前記支持部と前記壁部を接着する接着層と、を備えており、
前記接着層は、
シリコーン系の第１接着剤と、
前記第１接着剤よりも前記液体が気化したガスの透過性が低い第２接着剤と、を有する、圧力センサ。
前記第２接着剤は、前記ダイアフラム部の周囲を一巡するように設けられている、請求項１に記載の圧力センサ。
前記第２接着剤は、前記第１接着剤よりも前記内部空間側に配置されている、請求項１又は２に記載の圧力センサ。
前記第１接着剤を介して前記半導体チップの前記支持部と前記壁部が接着する面積が、前記第２接着剤を介して前記半導体チップの前記支持部と前記壁部が接着する面積よりも大きい、請求項１～３のいずれか一項に記載の圧力センサ。
前記半導体チップの前記ダイアフラム部は、ピエゾ抵抗部を有する、請求項１～４のいずれか一項に記載の圧力センサ。
前記壁部は、前記開口部が形成されている底壁と、前記底壁の周囲を取り囲む側壁と、を有しており、
前記半導体チップは、一対の主面と、前記一対の主面の間を延びる側面と、を有しており、
前記接着層は、前記半導体チップの前記一対の主面のうちの一方の主面と前記壁部の前記底壁の間に配置されているとともに、前記半導体チップの前記側面と前記壁部の前記側壁の間にも配置されている、請求項１～５のいずれか一項に記載の圧力センサ。