JP7406947B2

JP7406947B2 - センサチップ

Info

Publication number: JP7406947B2
Application number: JP2019174118A
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: 2023-12-28
Anticipated expiration: 2039-09-25
Also published as: JP2021051003A

Description

本明細書に開示する技術は、センサチップに関する。

特許文献１に圧力検出用のセンサチップが開示されている。特許文献１のセンサチップは、圧力が作用するダイヤフラム部と、ダイヤフラム部の外周端部に固定されてダイヤフラム部を支持しており、ダイヤフラム部の厚みよりも厚く構成されている支持部とを備えている。

特開２００６－３０１５９号公報

特許文献１のセンサチップは、支持部が基部（例えば、配線基板）に固定されることが考えられる。支持部が基部に固定される構成では、その固定部で応力が生じることがある。例えば、支持部の熱膨張率と基部の熱膨張率との差に起因して固定部に熱応力が生じることがある。固定部で生じた応力がダイヤフラム部に影響すると圧力の検出精度が低下することが考えられる。

本明細書は、基部に固定される固定部で生じる応力がダイヤフラム部に影響することを抑制できる技術を提供する。

本明細書に開示するセンサチップは、基部に固定される圧力検出用のセンサチップである。センサチップは、圧力が作用するダイヤフラム部と、前記ダイヤフラム部の外周端部に固定されて前記ダイヤフラム部を支持しており、前記ダイヤフラム部の厚みよりも厚く構成されている支持部と、を備えていてもよい。前記支持部は、前記ダイヤフラム部の前記外周端部の周りで厚み方向に延びている第１溝部と、前記第１溝部よりも外側で前記基部に固定される固定部とを備えていてもよい。

センサチップの支持部が基部に固定される構成では、支持部に設けられている固定部に応力が生じることがある。例えば、支持部の熱膨張率と基部の熱膨張率との差に起因して支持部に設けられている固定部に熱応力が生じることがある。しかしながら、上記の構成では、支持部がダイヤフラム部の外周端部の周りで厚み方向に延びている第１溝部を備えており、その第１溝部よりも外側に設けられている固定部において支持部が基部に固定される。そのため、基部に固定される固定部とダイヤフラム部の外周端部との間に第１溝部が介在することになる。これによって、固定部に生じる応力がダイヤフラム部に影響することを抑制することができる。

前記支持部は、前記第１溝部の周りで前記厚み方向に延びている第２溝部を備えていてもよい。前記支持部の前記厚み方向と直交する方向に前記支持部を視たときに前記第１溝部と前記第２溝部とが重なる部分が存在していてもよい。

この構成によれば、基部に固定される固定部とダイヤフラム部の外周端部との間に第１溝部と第２溝部が介在することになる。そのため、固定部から第１溝部と第２溝部を迂回してダイヤフラム部の外周端部に至るまでの経路を長くすることができる。これによって、固定部に生じる応力がダイヤフラム部に影響することを抑制することができる。

前記第１溝部は、前記支持部の前記厚み方向の一端部で開口していてもよい。前記第２溝部は、前記支持部の前記厚み方向の他端部で開口していてもよい。前記固定部は、前記支持部の前記厚み方向の他端部に設けられていてもよい。

この構成によれば、固定部から第１溝部と第２溝部を迂回してダイヤフラム部の外周端部に至るまでの経路を長くすることができる。これによって、固定部に生じる応力がダイヤフラム部に影響することを抑制することができる。

前記第１溝部は、前記ダイヤフラム部の前記外周端部の周りで連続して一周していてもよい。この構成によれば、固定部に生じる応力がダイヤフラム部に影響することをより確実に抑制することができる。

前記第２溝部は、前記第１溝部の周りで連続して一周していてもよい。この構成によれば、固定部に生じる応力がダイヤフラム部に影響することをより確実に抑制することができる。

前記ダイヤフラム部に配置されている少なくとも１個のピエゾ抵抗部を更に備えていてもよい。ダイヤフラム部にピエゾ抵抗部が配置されていても、固定部に生じる応力がダイヤフラム部に影響することを抑制することによって、固定部に生じる応力がピエゾ抵抗部に影響することを抑制することができ、ダイヤフラム部に作用する圧力を精度良く検出することができる。

実施例に係るセンサチップの断面図である。実施例に係るセンサチップの上面図である。他の実施例に係るセンサチップの断面図である。他の実施例に係るセンサチップの断面図である。他の実施例に係るセンサチップの上面図である。他の実施例に係るセンサチップの断面図である。他の実施例に係るセンサチップの断面図である。

実施例に係るセンサチップ１について図面を参照して説明する。図１及び図２に示すように、実施例に係るセンサチップ１は、ダイヤフラム部１０と、複数（本実施例では４個）のピエゾ抵抗部２０と、支持部３０とを備えている。また、センサチップ１は、第１溝部４０と、第２溝部５０とを備えている。センサチップ１は、例えば、半導体であるＳｉ基板から作製されている。センサチップ１は、例えば、配線基板２００（基部の一例）に固定されている。センサチップ１は、流体（液体及び／又は気体）の圧力を検出するために用いられる。圧力検出の対象である流体は、例えば水である。

ダイヤフラム部１０は、半導体（例えば、Ｓｉ）からなる薄い膜状の構成である。ダイヤフラム部１０は、センサチップ１の上面に沿う方向においてセンサチップ１の中央部に形成されている。ダイヤフラム部１０は、例えば、Ｓｉ基板をエッチングすることによって形成される。ダイヤフラム部１０は、流体の圧力を受圧する受圧面１４を備えている。流体の圧力が受圧面１４に作用する。受圧面１４は、ダイヤフラム部１０の上面に形成されている。ダイヤフラム部１０は、受圧面１４が流体の圧力を受圧すると下側に撓むように変形する。受圧面１４は、例えば、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂からなる絶縁性の保護膜（不図示）で被覆されていてもよい。ダイヤフラム部１０は、受圧面１４と直交する方向から視たときに円形状に形成されている（図２参照）。他の実施例では、ダイヤフラム部１０は四角形状に形成されていてもよい。ダイヤフラム部１０の形状は限定されるものではない。

複数のピエゾ抵抗部２０は、ダイヤフラム部１０の上部に配置されている。複数のピエゾ抵抗部２０は、互いに間隔をあけて配置されている。各ピエゾ抵抗部２０は、ダイヤフラム部１０を構成する半導体（例えば、Ｓｉ）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、流体の圧力によってダイヤフラム部１０が変形したときに、それに応じて歪む。各ピエゾ抵抗部２０に歪みが生じると、各ピエゾ抵抗部２０の抵抗値が変化する。

複数のピエゾ抵抗部２０は、ダイヤフラム部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ヤフラム部１０の応力を検出することによって、ダイヤフラム部１０の受圧面１４に作用する流体の圧力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。

センサチップ１の支持部３０は、ダイヤフラム部１０の周りに配置されている。支持部３０よりも内側にダイヤフラム部１０が配置されている。支持部３０は、ダイヤフラム部１０の外周端部１２に固定されている。支持部３０は、ダイヤフラム部１０の外周端部１２を支持している。支持部３０は、半導体（例えば、Ｓｉ）から形成されている。支持部３０は、ダイヤフラム部１０と一体的に形成されている。上下方向における支持部３０の厚みは、ダイヤフラム部１０の厚みよりも厚い。支持部３０は、厚いブロック状の構成である。支持部３０は、ダイヤフラム部１０の外周端部１２の全周を囲んでいる（図２参照）。支持部３０は、ダイヤフラム部１０の外周端部１２に沿って連続して一周している。

支持部３０は、配線基板２００に固定される固定面３２（固定部の一例）を備えている。固定面３２は、支持部３０の下面に設けられている。固定面３２は、ダイヤフラム部１０の受圧面１４と反対側（下側）を向いている。固定面３２は、受圧面１４よりも下側に位置している。固定面３２は、配線基板２００の上面に接着剤９０によって接着されている。接着剤９０は、例えばシリコーンである。固定面３２は、支持部３０の厚み方向（Ｚ方向）と直交する方向において、後述する第１溝部４０及び第２溝部５０よりも外側に位置している。配線基板２００に固定されるセンサチップ１では、配線基板２００に固定される支持部３０の固定面３２に応力が生じることがある。例えば、支持部３０の熱膨張率と配線基板２００の熱膨張率との差に起因して固定面３２に熱応力が生じることがある。

第１溝部４０は、支持部３０に形成されている。第１溝部４０は、支持部３０の上面から下方に延びている。第１溝部４０は、支持部３０の厚み方向（Ｚ方向）に延びている。第１溝部４０は、支持部３０の上面で開口している。第１溝部４０は、例えば、Ｓｉ基板をエッチングすることによって形成される。第１溝部４０の底面４２は、ダイヤフラム部１０の下面よりも下側に位置している。第１溝部４０は、ダイヤフラム部１０の外周端部１２の周りに形成されている。第１溝部４０は、支持部３０の厚み方向（Ｚ方向）と直交する方向において、外周端部１２よりも外側に形成されている。第１溝部４０は、支持部３０の厚み方向（Ｚ方向）と直交する方向において、支持部３０の固定面３２よりも内側に形成されている。第１溝部４０は、外周端部１２の全周を囲んでいる（図２参照）。第１溝部４０は、ダイヤフラム部１０の外周端部１２に沿って連続して一周している。第１溝部４０は、円形状に形成されている。

第２溝部５０は、支持部３０に形成されている。第２溝部５０は、支持部３０の下面から上方に延びている。第２溝部５０は、支持部３０の厚み方向（Ｚ方向）に延びている。第２溝部５０は、支持部３０の下面で開口している。第２溝部５０は、例えば、Ｓｉ基板をエッチングすることによって形成される。第２溝部５０の底面５２は、ダイヤフラム部１０の下面よりも下側に位置している。第２溝部５０の底面５２は、第１溝部４０の底面４２よりも上側に位置している。第２溝部５０は、第１溝部４０の周りに形成されている。第２溝部５０は、支持部３０の厚み方向（Ｚ方向）と直交する方向において、第１溝部４０よりも外側に形成されている。第２溝部５０は、支持部３０の厚み方向（Ｚ方向）と直交する方向において、支持部３０の固定面３２よりも内側に形成されている。第２溝部５０は、支持部３０の厚み方向と直交する方向において第１溝部４０と重なる重複部５３を備えている。支持部３０の厚み方向と直交する方向に支持部３０を視たときに、第１溝部４０と第２溝部５０とが重なる部分が存在する。重複部５３は、第２溝部５０の上部に形成されている。重複部５３は、第１溝部４０の下部と重なる。第２溝部５０の上部と第１溝部４０の下部とがオーバーラップしている。第２溝部５０は、第１溝部４０の全周を囲んでいる（図２参照）。第２溝部５０は、第１溝部４０に沿って連続して一周している。第２溝部５０は、円形状に形成されている。

上記のセンサチップ１では、流体の圧力がダイヤフラム部１０の受圧面１４に作用すると、ダイヤフラム部１０が下側に撓むように変形する。ダイヤフラム部１０が変形すると、ダイヤフラム部１０に配置されている複数のピエゾ抵抗部２０に歪みが生じる。各ピエゾ抵抗部２０に歪みが生じると、各ピエゾ抵抗部２０の抵抗値が変化する。複数のピエゾ抵抗部２０の抵抗値を利用して、ブリッジ回路に基づいてダイヤフラム部１０の応力が検出される。

以上、実施例に係るセンサチップ１について説明した。上記の説明から明らかなように、センサチップ１は、ダイヤフラム部１０の外周端部１２に固定されてダイヤフラム部１０を支持しており、ダイヤフラム部１０の厚みよりも厚く構成されている支持部３０を備えている。支持部３０は、ダイヤフラム部１０の外周端部１２の周りで厚み方向（Ｚ方向）に延びている第１溝部４０と、第１溝部４０よりも外側で配線基板２００に固定される固定面３２とを備えている。

この構成によれば、支持部３０に設けられている固定面３２とダイヤフラム部１０の外周端部１２との間に第１溝部４０が介在することになる。そのため、例えば支持部３０の熱膨張率と配線基板２００の熱膨張率との差に起因して支持部３０の固定面３２で熱応力が生じたとしても、その応力がダイヤフラム部１０に影響することを抑制することができる。これによって、センサチップ１の圧力検出精度を高めることができる。

また、上記のセンサチップ１では、支持部３０が、第１溝部４０の周りで厚み方向（Ｚ方向）に延びている第２溝部５０を備えている。支持部３０の厚み方向と直交する方向に支持部３０を視たときに第１溝部４０と第２溝部５０とが重なる部分が存在する。この構成によれば、支持部３０に設けられている固定面３２とダイヤフラム部１０の外周端部１２との間に第１溝部４０と第２溝部５０が介在することになる。そのため、固定面３２から第１溝部４０と第２溝部５０を迂回してダイヤフラム部１０の外周端部１２に至るまでの経路を長くすることができる。これによって、固定面３２に生じる応力がダイヤフラム部１０に影響することを抑制することができる。

また、上記のセンサチップ１では、第１溝部４０が、支持部３０の上面で開口しており、第２溝部５０が、支持部３０の下面で開口している。また、固定面３２が、支持部３０の下面に設けられている。この構成によれば、固定面３２から第１溝部４０と第２溝部５０を迂回してダイヤフラム部１０の外周端部１２に至るまでの経路を長くすることができる。これによって、固定面３２に生じる応力がダイヤフラム部１０に影響することを抑制することができる。

また、上記のセンサチップ１では、第１溝部４０が、ダイヤフラム部１０の外周端部１２の周りで連続して一周している。更に、第２溝部５０が、第１溝部４０の周りで連続して一周している。この構成によれば、固定面３２に生じる応力がダイヤフラム部１０に影響することをより確実に抑制することができる。

（対応関係）
支持部３０の上面が、「支持部の厚み方向の一端部」に対応する。支持部３０の下面が、「支持部の厚み方向の他端部」に対応する。

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。以下の説明において、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）他の実施例では、図３に示すように、センサチップ１が絶縁膜６０を備えていてもよい。絶縁膜６０は、例えばＳｉＯ_２膜である。絶縁膜６０は、ダイヤフラム部１０の下に配置されている。絶縁膜６０は、ダイヤフラム部１０の下面の全体を覆っている。絶縁膜６０は、ダイヤフラム部１０の下面に沿う方向に延びている。絶縁膜６０は、ダイヤフラム部１０の下面に沿う方向においてダイヤフラム部１０の外周端部１２よりも外側まで延びている。更に、絶縁膜６０は、ダイヤフラム部１０から支持部３０にわたって延びている。絶縁膜６０は、支持部３０の内部に配置されている。

（２）他の実施例では、図４及び図５に示すように、センサチップ１が第３溝部７０を備えていてもよい。第３溝部７０は、支持部３０に形成されている。第３溝部７０は、支持部３０の上面から下方に延びている。第３溝部７０は、支持部３０の厚み方向（Ｚ方向）に延びている。第３溝部７０は、支持部３０の上面で開口している。第３溝部７０は、例えば、Ｓｉ基板をエッチングすることによって形成される。第３溝部７０の底面７２は、ダイヤフラム部１０の下面よりも下側に位置している。第３溝部７０の底面７２は、第２溝部５０の底面５２よりも下側に位置している。第３溝部７０は、第２溝部５０の周りに形成されている。第３溝部７０は、支持部３０の厚み方向（Ｚ方向）と直交する方向において、第２溝部５０よりも外側に形成されている。第３溝部７０は、支持部３０の厚み方向（Ｚ方向）と直交する方向において、支持部３０の固定面３２よりも内側に形成されている。第３溝部７０は、支持部３０の厚み方向と直交する方向において第２溝部５０と重なる重複部７３を備えている。支持部３０の厚み方向と直交する方向に支持部３０を視たときに、第２溝部５０と第３溝部７０とが重なる部分が存在する。重複部７３は、第３溝部７０の下部に形成されている。重複部５３は、第２溝部５０の上部と重なる。第３溝部７０の下部と第２溝部５０の上部とがオーバーラップしている。第３溝部７０は、第２溝部５０の全周を囲んでいる（図５参照）。第３溝部７０は、第２溝部５０に沿って連続して一周している。第３溝部７０は、円形状に形成されている。

（３）また、他の実施例では、図４に示すように、固定面３２が、センサチップ１の上面に設けられていてもよい。固定面３２は、ダイヤフラム部１０の受圧面１４側（上側）を向いている。固定面３２は、配線基板２００の下面に接着剤９０によって接着されている。固定面３２は、支持部３０の厚み方向（Ｚ方向）と直交する方向において、第３溝部７０よりも外側に位置している。この構成によっても、固定面３２に生じる応力がダイヤフラム部１０に影響することを抑制することができる。

（４）上記の実施例では、センサチップ１の支持部３０が配線基板２００に固定されていたが、この構成に限定されるものではない。他の実施例では、図６に示すように、センサチップ１の支持部３０がガラス部材１３０（基部の他の一例）に固定されていてもよい。支持部３０は、接着剤を介さずにガラス部材１３０に固定されていてもよい。ガラス部材１３０は、支持部３０の下面に固定されている。ガラス部材１３０は、支持部３０を支持している。ガラス部材１３０は、開口部１３２を備えている。ガラス部材１３０は、その開口部１３２がダイヤフラム部１０と向かい合うように配置されている。他の例では、ガラス部材１３０が開口部１３２を備えていなくてもよい。ガラス部材１３０は、配線基板２００に固定されている。この構成によっても、固定面３２に生じる応力がダイヤフラム部１０に影響することを抑制することができる。また、ダイヤフラム部１０に対する配線基板２００の影響をガラス部材１３０によって小さくすることができる。

（５）上記の実施例では、センサチップ１の支持部３０が配線基板２００に固定されていたが、この構成に限定されるものではない。他の実施例では、センサチップ１の支持部３０が管又は容器（基部の他の一例）に固定されていてもよい（不図示）。更に、センサチップ１の支持部３０が管又は容器の内面に固定されていてもよい。この場合は、センサチップ１が管又は容器の内部に配置される。この構成によれば、容器又は管の内部の流体の圧力がセンサチップ１に作用したときに、センサチップ１が容器又は管の内面に押し付けられるので、センサチップ１を容器又は管に強固に固定することができる。

（６）上記の実施例では、ダイヤフラム部１０に複数のピエゾ抵抗部２０が配置されていたが、この構成に限定されるものではない。他の実施例では、ダイヤフラム部１０の上面又は下面に接続されている他の部材に複数のピエゾ抵抗部２０が配置されていてもよい。ダイヤフラム部１０が撓むように変形したときにピエゾ抵抗部２０に歪みが生じる構成であればよい。

（７）上記の実施例では、支持部３０の下面に固定面３２が設けられていたが、この構成に限定されるものではない。他の実施例では、図７に示すように、支持部３０の外周面に固定面３２が設けられていてもよい。支持部３０の厚み方向（Ｚ方向）と直交する方向においてセンサチップ１よりも外側に配置されている配線基板２００に支持部３０の固定面３２が固定されていてもよい。

（８）上記の実施例では、第１溝部４０がダイヤフラム部１０の外周端部１２に沿って連続して一周していたが、この構成に限定されるものではない。他の実施例では、第１溝部４０が連続していなくてもよい。第１溝部４０がダイヤフラム部１０の外周端部１２に沿って断続的に形成されていてもよい。また、第２溝部５０と第３溝部７０についても同様である。

（９）上記の実施例では、センサチップ１が接着剤９０によって配線基板２００に固定されていたが、この構成に限定されるものではない。他の実施例では、接着剤６０に代えて、はんだや低融点ガラスが用いられてもよい。

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：センサチップ、１０：ダイヤフラム部、１２：外周端部、１４：受圧面、２０：ピエゾ抵抗部、３０：支持部、３２：固定面、４０：第１溝部、５０：第２溝部、６０：絶縁膜、７０：第３溝部、９０：接着剤、２００：配線基板

Claims

基部に固定される圧力検出用のセンサチップであって、
圧力が作用するダイヤフラム部と、
前記ダイヤフラム部の外周端部に固定されて前記ダイヤフラム部を支持しており、前記ダイヤフラム部の厚みよりも厚く構成されている支持部と、
前記ダイヤフラム部に配置されている少なくとも１個のピエゾ抵抗部と、を備えており、
前記支持部は、前記ダイヤフラム部の前記外周端部の周りで厚み方向に延びている第１溝部と、前記第１溝部の周りで前記厚み方向に延びている第２溝部と、前記第２溝部よりも外側で前記基部に固定される固定部とを備えており、
前記基部は、前記支持部の厚み方向において前記ダイヤフラム部と対向する位置に開口部を備えており、
前記支持部の前記厚み方向と直交する方向に前記支持部を視たときに前記第１溝部と前記第２溝部とが重なる部分が存在し、
前記第１溝部は、前記支持部の前記厚み方向の一端部で開口しており、
前記第２溝部は、前記支持部の前記厚み方向の他端部で開口しており、
前記固定部は、前記支持部の前記厚み方向の他端部に設けられている、センサチップ。
前記第１溝部は、前記ダイヤフラム部の前記外周端部の周りで連続して一周している、請求項１に記載のセンサチップ。
前記第２溝部は、前記第１溝部の周りで連続して一周している、請求項１又は２に記載のセンサチップ。