JPWO2006009194A1 - 半導体センサ - Google Patents

Abstract

半導体集積回路基板上に重錘が衝突しても重錘の動きによりダイヤフラムが損傷するのを防ぐことができ、しかも反りが生じている収納ケース内に半導体センサ素子を配置しても、ダイアフラム部が大きく撓むのを防止できる半導体センサを提供する。収納ケース９の収納室を囲む壁面上に半導体集積回路基板７の裏面を接合する。半導体集積回路基板７の表面７ａ上に半導体センサ素子の支持部を接合する。半導体集積回路基板７の表面７ａのうち少なくとも半導体センサ素子７の重錘３と対向する表面部分に重錘３が衝突したときに重錘３の跳ね返りを抑制する緩衝層２９を形成する。

Description

本発明は、半導体センサに関するものであり、特に、外部から加えられた力による所定方向の加速度や、傾斜させることにより静止状態で加わる所定方向の重力加速度を測定できる半導体センサ、またはジャイロとして用いる半導体センサに関するものである。

特許第３２７８９２６号公報（特許文献１）には、中央部にダイアフラム部を有し、外周部に筒状の支持部を有する半導体圧力センサと、半導体圧力センサと電気的に接続されて半導体圧力センサからの出力信号を信号処理する平板状の半導体集積回路基板と、半導体圧力センサ及び半導体集積回路基板を内部に収納する収納ケースとを備えた圧力センサ構造体が示されている。この圧力センサ構造体では、半導体集積回路基板の表面上に半導体圧力センサの支持部が接合されて、半導体集積回路基板上に半導体圧力センサが載置されている。
特許第３２７８９２６号公報

重錘を備えた半導体センサにも、従来の圧力センサ構造体と同様に半導体集積回路基板上に半導体センサ素子の支持部を載置することが考えられる。しかしながら、半導体集積回路基板上に重錘が衝突して重錘が大きく跳ね返ると、重錘の動きによってダイヤフラムが損傷するおそれがあった。

本発明の目的は、半導体集積回路基板上に重錘が衝突しても重錘の動きによりダイヤフラムが損傷するのを防ぐことができる半導体センサを提供することにある。

本発明の他の目的は、反りが生じている収納ケース内に半導体センサ素子を配置しても、ダイアフラム部が大きく撓むのを防止できる半導体センサを提供することにある。

本発明の半導体センサは半導体センサ素子と、半導体集積回路基板と、半導体センサ素子及び半導体集積回路基板を収納する絶縁材料からなる収納ケースとを備えている。半導体センサ素子は、外周部が支持部に支持された半導体材料からなるダイアフラム部と、ダイアフラム部の中央部に配置された重錘と、ダイアフラム部に形成された拡散抵抗からなるセンサ素子を有している。半導体集積回路基板は、半導体センサ素子と電気的に接続されて半導体センサ素子からの出力信号を信号処理する。そして収納ケースの収納室を囲む壁面上に半導体集積回路基板の裏面が接合されている。また半導体集積回路基板の表面上に半導体センサ素子の支持部が接合される。更に半導体集積回路基板の表面のうち少なくとも半導体センサ素子の重錘と対向する表面部分には、重錘が半導体集積回路基板に衝突したときに重錘の跳ね返りを抑制する緩衝層を形成する。

本発明のように、半導体集積回路基板の重錘と対向する表面部分に緩衝層を形成すると、重錘が半導体集積回路基板上に衝突しても、緩衝層が衝撃を緩衝または吸収して、重錘の跳ね返りが抑制させる。そのため、重錘の動きが抑制されてダイヤフラムが損傷するのを防ぐことができる。また、半導体集積回路基板の上に半導体センサ素子を配置すると、収納ケースに歪みや反りが生じていても、収納ケースと半導体集積回路基板との間の不均一な厚みの隙間に接着剤が充填されて、半導体集積回路基板の表面上の平坦性は維持される。そのため、反りが生じている収納ケース内に半導体センサ素子を配置しても、収納ケースの反りにより半導体センサ素子のダイアフラム部が大きく撓むのを防止できる。

緩衝層は、半導体集積回路基板の表面の保護も図るのが好ましい。このようにすれば、重錘の動きが抑制されてダイヤフラムが損傷するのを防ぐことができる上、半導体集積回路基板の表面に形成されたＰ型層、Ｎ型層等を外力から保護することができる。

緩衝層としては、種々のものを用いることができる。緩衝層をポリイミド樹脂により形成すれば、重錘の動きの抑制と半導体集積回路基板の表面の保護との両方の効果を得るのに好ましい。

この場合、緩衝層の厚みが１〜１０μｍとするのが好ましい。１μｍを下回ると、重錘の跳ね返りを十分に抑制することができない。１０μｍを上回ると緩衝層に割れが生じやすくなる。

支持部と半導体集積回路基板との間は、シリコン系接着剤で接合するのが好ましい。このようにすれば、支持部と半導体集積回路回路基板との間に温度変化によって発生する応力をより小さなものとして、接合部から半導体センサ素子に加わる応力を小さくすることができる。

加速度センサに適用した本発明の実施の形態の半導体センサの平面図である。 図１のII-II線断面図である。 図１の半導体センサの部分拡大断面図である。 本発明の他の実施の形態の半導体センサの部分拡大断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、加速度センサに適用した本発明の実施の形態の半導体センサの平面図であり、図２は、図１のII-II線断面図である。なお、図１においては、理解を容易にするため、後述する蓋部１１を取り除いた状態を示している。両図に示すように、本例の半導体センサは、センサ本体１と、重錘３と、台座部５とからなる半導体センサ素子と、台座部５を載置する半導体集積回路基板７と、半導体集積回路基板７を内部に配置する収納ケース９と、収納ケース９の開口部を覆う金属製の蓋部１１とを備えている。センサ本体１は、中心部に重錘固定部１３が位置し、外周部に筒状の支持部分１５が位置し、重錘固定部１３と支持部分１５との間に可撓性を有するダイアフラム部１７を有するように単結晶シリコンからなる半導体結晶基板に異方性エッチングが施されて形成されている。この例では、支持部分１５と台座部５とによって支持部が構成されている。

センサ本体１の表面のダイアフラム部１７上には、加速度検出用の拡散抵抗からなる複数のセンサ素子が形成されており、支持部分１５上には複数の電極が形成されている。本例の半導体センサでは、外部から加えられた力による加速度、または傾斜させた静止状態で加わる重力加速度に基づく力により重錘３が動いてダイアフラム部１７が撓むことにより、センサ素子を構成する各拡散抵抗の抵抗値が変化して歪み量に応じた３軸方向の加速度を検出する。

重錘固定部１３は、ダイアフラム部１７より重錘３側に突出した形状を有している。この重錘固定部１３は、多角形の横断面を有しており、その外周面はダイアフラム部１７が位置する側から離れるに従って支持部分１５から離れるように傾斜している。

支持部分１５は、矩形の環状を有しており、内周面は、切頭角錐形の空間の外周面に倣うように、実質的に同形状の４つの台形状の傾斜面１９が環状に組み合わされて構成されている。傾斜面１９は、ダイアフラム部１７が位置する側に向かうにしたがって後述する中心線Ｃに近づくように傾斜している。このような支持部分１５の内周面の構造により、重錘固定部１３を含む支持部分１５の内部空間は、ダイアフラム部１７に向かって横断面面積が小さくなる切頭角錐形状を有することになる。

重錘３は、円板状に近い輪郭を有するタングクテンにより形成されている。この重錘は、重錘固定部１３の中心を通りダイアフラム部１７が延びる方向と直交する方向に延びる中心線Ｃが重心を通るように重錘固定部１３に固定されている。この重錘３は、重錘固定部１３に固定される被固定部２１とダイアフラム部１７との間に間隔を開けて配置される本体部２３とを一体に有している。被固定部２１は、円柱状を有しており、上面が重錘固定部１３に固定されている。本体部２３は、ほぼ円筒状を有しており、円環状の上面２３ａと円周状の側面２３ｂとを有している。上面２３ａは、被固定部２１の上面より上方に位置している。そして、上面２３ａと側面２３ｂとの間の角部２５は、支持部分１５の傾斜面１９と近接した状態で対向している。これにより、重錘３が必要以上に動こうとすると、重錘３の角部２５が支持部分１５の傾斜面１９と接触して、重錘３の変位量が所定の範囲内に規制される。

台座部５は、矩形の環状を有しており、支持部分１５に連結されて支持部分１５を載せている。台座部５の内周面は、切頭角錐形の空間の外周面に倣うように、実質的に同形状の４つの台形状の傾斜面２７が環状に組み合わされて構成されている。傾斜面２７は、ダイアフラム部１７が位置する側に向かうにしたがって中心線Ｃに近づくように傾斜している。

半導体集積回路基板７は、図３に示すように、ほぼ矩形の平板形状を有しており、上面に平坦な表面７ａを有している。表面７ａにＰ型層、Ｎ型層、電極層等を含む回路の一部が露出するように半導体集積回路基板７は形成されている。そして、表面７ａ上には、重錘３と対向するように台座部５が載置されている。本例では、表面７ａと台座部５とは、シリコン系接着剤で接合されている。表面７ａ上の台座部５に囲まれた領域即ち表面部分には、緩衝層２９が形成されている。この緩衝層２９は、ポリイミド樹脂からなり、１〜１０μｍの厚み寸法を有している。緩衝層２９は、重錘３が半導体集積回路基板７に衝突したときに重錘３の跳ね返りを抑制する役割と、半導体集積回路基板７の表面７ａの保護を図る役割とを有している。本例では、表面７ａ上の台座部５に囲まれた領域にのみ緩衝層２９を形成したが、緩衝層は、半導体集積回路基板７の表面７ａの少なくとも重錘と対向する表面部分に形成すればよく、半導体集積回路基板７の表面全体または全面に緩衝層を形成してもよい。

収納ケース９は、セラミックスにより形成されており、矩形の底壁９ａと、底壁９ａの縁から立ち上がる４つの側壁９ｂとを有している。底壁９ａの中央には、半導体集積回路基板７が配置される矩形底部９ｃが形成されている。矩形底部９ｃの周囲には、矩形底部９ｃと段差を有した環状底部９ｄが形成されている。本例では、半導体集積回路基板７の裏面と収納ケース９の底壁９ａの壁面とは、エポキシ系接着剤で接合されている。環状底部９ｄの表面には複数の電極が形成されている。環状底部９ｄの電極の一部と支持部分１５上の複数の電極とは、導電ワイヤ３１により電気的に接続されている。また、環状底部９ｄの表面の電極の他の一部と半導体集積回路基板７上の複数の電極とは、導電ワイヤ３３により電気的に接続されている。

本例の半導体センサでは、半導体集積回路基板７の表面７ａに緩衝層２９が形成されているので、重錘３が上下方向に移動して半導体集積回路基板７上に衝突しても、緩衝層２９が衝撃を緩衝または吸収して、重錘３の跳ね返りが抑制させる。そのため、重錘３の動きが抑制されてダイヤフラム部１７が損傷するのを防ぐことができる。また、半導体集積回路基板７の上に半導体センサ素子が配置されているので、収納ケース９の底壁９ａに歪みや反りが生じていても、底壁９ａと半導体集積回路基板７との間の不均一な厚みの隙間に接着剤が充填されて、半導体集積回路基板７には、歪みや反りが生じない。そのため、表面７ａ上の平坦性は維持される。これにより、反りが生じている収納ケース９内に半導体センサ素子を配置しても、収納ケース９の反りにより半導体センサ素子のダイアフラム部１７が大きく撓むのを防止できる。

なお、上記例では、半導体集積回路基板７の表面７ａに緩衝層２９を形成したが、図４に示すように、半導体集積回路基板７の表面７ａにＰ型層等を含む回路を保護する保護層１３５を形成し、この保護層１３５上に緩衝層１２９を形成しても構わない。

また、上記例では、台座部５を備えた半導体センサに本発明を適用した例を示したが、台座部を持たない半導体センサにも本発明は適用できる。その場合、半導体集積回路基板の表面上に支持部分を載置することになる。

本発明によれば、重錘が半導体集積回路基板上に衝突しても、緩衝層が衝撃を緩衝または吸収して、重錘の跳ね返りが抑制させる。そのため、重錘の動きが抑制されてダイヤフラムが損傷するのを防ぐことができる。また、反りが生じている収納ケース内に半導体センサ素子を配置しても、収納ケースの反りにより半導体センサ素子のダイアフラム部が大きく撓むのを防止できる。

Claims (5)

1. 外周部が支持部に支持された半導体材料からなるダイアフラム部と、前記ダイアフラム部の中央部に配置された重錘と、前記ダイアフラム部に形成された拡散抵抗からなるセンサ素子を有する半導体センサ素子と、
   前記半導体センサ素子と電気的に接続されて前記半導体センサ素子からの出力信号を信号処理する半導体集積回路基板と、
   前記半導体センサ素子及び前記半導体集積回路基板を収納する絶縁材料からなる収納ケースとを備え、
   前記収納ケースの収納室を囲む壁面上に前記半導体集積回路基板の裏面が接合され、
   前記半導体集積回路基板の表面上に前記半導体センサ素子の前記支持部が接合され、
   前記半導体集積回路基板の前記表面のうち少なくとも前記半導体センサ素子の前記重錘と対向する表面部分には、前記重錘が前記半導体集積回路基板に衝突したときに前記重錘の跳ね返りを抑制する緩衝層が形成されている半導体センサ。
2. 前記緩衝層により前記半導体集積回路基板の前記表面の保護も図られている請求項１に記載の半導体センサ。
3. 前記緩衝層がポリイミド樹脂からなる請求項２に記載の半導体センサ。
4. 前記緩衝層の厚みが１〜１０μｍである請求項３に記載の半導体センサ。
5. 前記支持部と前記半導体集積回路基板とがシリコン系接着剤で接合されている請求項１に記載の半導体センサ。

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