KR101953455B1

KR101953455B1 - 압력 센서

Info

Publication number: KR101953455B1
Application number: KR1020170014326A
Authority: KR
Inventors: 다이스케 모리하라; 아키히로 오쿠가와; 미츠아키 다이오
Original assignee: 오므론 가부시키가이샤
Priority date: 2016-03-02
Filing date: 2017-02-01
Publication date: 2019-02-28
Also published as: DE102017103121A1; CN107152983A; JP2017156240A; JP6665588B2; CN107152983B; KR20170102804A

Abstract

소형화 및 고정밀화가 가능한 압력 센서를 제공한다. 압력 센서 가, 다이어프램과, 다이어프램에 마련되어 그 다이어프램의 변형에 응한 전기 신호를 발생 가능한 센서부와, 센서부로부터의 전기 신호를 외부에 출력하는 출력 단자부를 구비하고, 압력 기준실, 다이어프램 및 센서부를 포함하는 검출부와, 반도체 기판 내에서 검출부 이외의 영역이 홈에 의해 분리되고, 홈이 다이어프램이 구비된 면의 반대면에 마련된 개구부와 연통한 압력 센서 칩과, 압력 센서 칩의 출력 단자부로부터 출력된 전기 신호에 대해 소정의 연산 처리를 행하는 회로부를 구비하고, 다이어프램과 출력 단자부가 동일면에 형성되고, 압력 센서 칩의 출력 단자와 회로부의 입력 단자부가 직접적 또는 간접적으로 접하도록 고정되고, 회로부 및 압력 센서 칩은, 개구부가 외부에 노출하도록 밀봉재로 덮여진다.

Description

압력 센서{PRESSURE SENSOR}

본 발명은, 압력 센서에 관한 것이다.

압력 센서는, 주로 기체나 액체의 압력을 검출하는 것이고, 대기압 센서나 고도(高度) 센서, 수압 센서로서 각종의 장치에 적용되고 있다. 또한, 근래에서는, 이것을 고도 센서로서 이용한 경우의 한 양태로서, 위치 정보를 얻기 위한 내비게이션 장치에의 응용이나 유저의 운동량을 정밀하게 계측하는 계측기에의 응용 등, 그 적용 범위가 넓어지고 있다.

압력 센서로서는, 각종의 것이 존재하지만, 그 하나로, MEMS(Micro Electro Mechanical System) 센서 칩으로서의 다이어프램형의 압력 센서 칩을 구비한 것이 있다. 이 다이어프램형의 압력 센서 칩을 구비한 절대 센서는, 딴것과 비교하여 대폭적으로 소형이기 때문에, 상술한 내비게이션 장치에의 응용이나 활동량계에의 응용에 적합하다.

이런 종류의 압력 센서 칩을 탑재한 압력 센서의 구조가 개시된 문헌으로서는, 예를 들면 일본 특개2014-32190호 공보(특허 문헌 1)가 있다.

특허 문헌 1에는, 압력 변형 가능 다이어프램을 포함하는 압력 센서 다이(sensor die)의 제1의 주면에 캡 웨이퍼가 부착되고, 캡 웨이퍼의 일부분과, 압력 센서 다이의 압력 변형 가능 다이어프램이 배치된 상기 제1의 주면의 일부분과의 사이에 공동이 형성되고, 이 공동 내에 외부의 기체가 들어가는 것을 가능하게 구성된 반도체 디바이스 패키지가 개시되어 있다.

일본 특개2014-32190호 공보

일반적으로, 내비게이션 장치에의 응용이나 활동량계(活動量計)라는 장치는, 더한층의 소형화나 고정밀화가 요구되고 있고, 이에 탑재되는 압력 센서에서도, 소형화나 고정밀화가 요구되고 있다. 이들 장치가 가반형(可搬型)의 장치인 것을 고려하면, 압력 센서의 더한층의 소형화(특히 박형화)에 대한 요구는 강하고, 또한 고도의 차이에 의거한 대기압의 변화를 보다 고정밀로에 검출할 수 있을 것이 특히 중요한 과제로 되어 있다.

다이어프램형의 압력 센서는, 다이어프램이 다른 부재에 접촉하고 파손되지 않도록, 보호할 필요가 있기 때문에, 다이어프램을 포함하는 압력 센서 칩을 돔형의 리드 등으로 덮는 구성이나, 상자형의 몸체 내에 수용하는 구성을 취하게 되어, 소형화의 방해가 되고 있다.

상기 특허 문헌 1에서는, 압력 센서 다이의 주면(主面)에 캡 웨이퍼를 부착시켜 다이어프램과의 사이에 공동(空洞)을 형성함에 의해, 보호하는 부분을 적게 한 구성을 취하고 있다. 그렇지만, 특허 문헌 1의 구성이라도, 압력 센서 다이의 주면측에, 캡 웨이퍼의 두께나 와이어 본드를 마련하는 스페이스가 필요하기 때문에, 충분히 소형화가 도모되어 있다고는 말할 수 없었다. 따라서, 본 발명은, 상술한 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것이고, 압력 센서의 소형화를 가능하게 하는 기술의 제공을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 의거한 압력 센서는, 반도체 기판 내에 형성되어 밀폐된 압력 기준실과, 그 압력 기준실과 외부와의 사이에 형성되어 상기 압력 기준실 내의 압력과 외부의 압력의 차에 의해 변형하는 다이어프램과, 상기 다이어프램에 마련되어 그 다이어프램의 변형에 응한 전기 신호를 발생 가능한 센서부와, 상기 센서부로부터의 전기 신호를 외부에 출력하는 출력 단자부를 구비하고, 상기 압력 기준실, 상기 다이어프램 및 상기 센서부를 포함하는 검출부와, 상기 반도체 기판 내에서 상기 검출부 이외의 영역으로서 상기 출력 단자부를 포함하는 부분과는, 상기 반도체 기판의 평면시에 있어서, 일부의 접속부를 남겨둔 선형상으로 형성된 홈에 의해 분리되고, 상기 홈이, 상기 다이어프램이 구비된 면의 반대면에 마련된 개구부와 연통한, 압력 센서 칩과, 상기 압력 센서 칩의 출력 단자부로부터 출력된 전기 신호에 대해 소정의 연산 처리를 행하는 회로부를 구비한 압력 센서로서, 상기 압력 센서 칩에서의 상기 다이어프램과 상기 출력 단자부는, 그 압력 센서 칩에서의 동일 방향의 면에 형성되고, 상기 압력 센서 칩은, 상기 출력 단자부에 형성된 면을 상기 회로부의 한 면에 대향시키고, 당해 회로부의 한 면과 상기 압력 센서 칩의 상기 출력 단자를 형성한 면과의 사이에 상기 홈과 연통한 공동을 갖는 상태로, 그 한 면에 형성된 입력 단자부와 상기 출력 단자부가 직접적 또는 간접적으로 접하도록 고정되고, 상기 회로부 및 상기 압력 센서 칩은, 상기 개구부가 외부에 노출되고, 또한 상기 회로부 및 상기 압력 센서 칩의 사이에 상기 공동을 지지하도록 밀봉재로 덮이고, 상기 공동 및 상기 홈을 통해 연통된 상기 외부와 상기 압력 기준실과의 압력의 차에 의해 상기 다이어프램이 변형되고, 상기 센서부가 상기 다이어프램의 변형에 응하여 상기 전기 신호를 생성한다.

이와 같이, 다이어프램이 마련된 면을 회로부측을 향한 상태로 압력 센서 칩을 밀봉재로 덮는 구성으로 함에 의해, 다이어프램을 보호하기 위한 부재를 불필요하게 하고, 압력 센서의 소형화를 가능하게 하고 있다. 또한, 이와 같이 압력 센서 칩을 밀봉한 경우라도, 밀봉재 등에 의해 고정되는 주변부와 검출부가 홈에 의해 분리되어 있기 때문에, 주위의 온도 변화에 수반하여 발생하는 응력이거나, 2차 실장(實裝)에 수반하여 발생하는 응력이라는 외부 응력이 검출부에 전해지는 것을 억제할 수 있고, 검출 정밀도의 고정밀화를 도모할 수 있다.

상기 압력 센서는, 상기 압력 센서 칩에서의 상기 출력 단자부가 마련된 면의 반대면의 적어도 상기 개구부를 포함하는 일부의 면 또는 전면(全面)이 노출하도록, 밀봉재로 덮여진 구성이라도 좋다.

이에 의해, 상기 홈이, 개구부를 통하여 다이어프램측의 공간과 외부를 연통하는 기능이나, 주변부와 검출부를 분리시키는 기능을 겸하기 때문에, 간이한 구성으로 소형화와 고정밀화를 양립시킬 수 있다.

상기 압력 센서는, 상기 회로부에서의 상기 압력 센서 칩이 고정된 면과 반대측의 면이 직접적 또는 간접적으로 당접함으로써, 그 회로부가 탑재되는 센서 기판을 또한 구비하고, 상기 회로부와 상기 센서 기판은, 본딩 와이어를 루프 형상으로 건너서 전기적으로 접속되고, 상기 센서 기판의 상기 회로부를 탑재하는 면과 직교하는 방향에 있어서의 거리를 높이로 하고, 상기 회로부의 상기 압력 센서가 고정된 면을 기준면으로 한 경우에, 상기 본딩 와이어의 상기 기준면에 대한 최대의 높이가, 상기 기준면으로부터 상기 압력 센서 칩의 상기 개구부가 마련된 면까지의 높이보다 낮은 구성이라도 좋다. 이에 의해, 압력 센서의 소형화, 특히 박형화를 도모할 수 있다.

상기 밀봉재는 상기 압력 센서에서의, 센서 기판, 회로부 및 압력 센서 칩의 축적 방향에 대해, 상기 압력 센서 칩에서의 상기 출력 단자부가 마련된 면의 반대면과, 상기 센서 기판에서의 상기 회로부가 탑재되는 면과의 사이의 영역에서, 상기 압력 센서 칩의 일부와 상기 회로부를 덮어도 좋다.

이에 의해, 압력 센서 칩이나 회로부를 돔형의 리드 등으로 덮는 경우와 같이 필요없는 공간을 만들지 않고, 압력 센서를 컴팩트하게 구성할 수 있다.

본 발명에 의하면, 압력 센서의 소형화를 가능하게 하는 기술을 제공할 수 있다.

도 1은, 실시 형태 1에서의 압력 센서의 단면도.
도 2는, 실시 형태 1에서의 압력 센서의 모식 평면도.
도 3은, 실시 형태 1에서의 압력 센서의 사시도.
도 4는, 실시 형태 1에서의 압력 센서의 사시 단면도.
도 5는, 도 1에 도시하는 압력 센서 칩의 평면도.
도 6은, 도 1에 도시하는 압력 센서 칩의 단면도.
도 7(A)∼도 7(F)는, 관통홈의 형상에 관해 설명하는 평면 모식도.
도 8은, 실시 형태 2에서의 압력 센서 칩의 평면도.
도 9는, 실시 형태 2에서의 압력 센서 칩의 이면도.
도 10은, 실시 형태 2에서의 압력 센서 칩의 단면도.

이하, 본 발명의 실시 형태에 관해, 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 이하에 나타내는 실시 형태에서는, 동일한 또는 공통되는 부분에 관해 도면 중 동일한 부호를 붙이고, 재차의 설명을 생략하는 일이 있다.

<실시 형태 1>

도 1, 도 2는, 본 발명의 실시 형태 1에서의 압력 센서의 단면도 및 모식 평면도이다. 또한, 도 3, 도 4는, 압력 센서의 사시도 및 사시 단면도이다. 도 5, 도 6은, 도 1에 도시하는 압력 센서 칩의 평면도 및 단면도이다. 이하, 이들 도 1 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 실시 형태 1에서의 압력 센서에 관해 설명한다.

또한, 도 1은, 도 2 중에 도시하는 X1-X1선에 따른 압력 센서의 단면을 도시하고, 도 6은, 도 5 중에 도시하는 X2-X2선에 따른 압력 센서 칩의 단면을 도시하고 있다. 또한, 도 2는, 압력 센서 칩과 회로부 등과의 위치 관계를 나타내기 위해, 밀봉재를 2점 파선으로 나타내고 있다.

도 1 내지 도 4에 도시하는 바와 같이, 본 실시의 형태에서의 압력 센서(1)는, 표면 실장형 디바이스로서 구성된 것이고, 압력 센서 칩(10)과, 회로부(19)와, 센서 기판(2)과, 본딩 와이어(8)와, 밀봉재(23)를 구비하고 있다. 압력 센서 칩(10)은, 후술하는 범프를 통하여 회로부(19)에 접속되고, 회로부(19)의 이면이 접착제 등에 의해 센서 기판(2)에 고정되어 있다. 그리고 센서 기판(2)상의 압력 센서 칩(10) 및 회로부(19)가, 밀봉재(23)에 의해, 압력 센서 칩(10)의 이면(11a)이 노출하도록 밀봉되어 있다.

도 5 및 도 6에 도시하는 바와 같이, 압력 센서 칩(10)은, 평면시 사각형상의 표면(12a) 및 이면(11a)을 갖는 편평 직방체(扁平直方體) 형상의 외형을 갖고 있다. 압력 센서 칩(10)의 표면(12a)의 소정 위치에는, 검출부(40), 전극(17A), 도전 패턴(17B)이 각각 마련되어 있다. 또한, 압력 센서 칩(10)은, 검출부(40)의 주위에 표면(12a)부터 이면(11a)에 걸쳐서 관통하는 관통홈(41)이 형성되고, 이 관통홈(41)이 형성되지 않은 접속부(42)에서만 검출부(40)가, 유지되는 구성으로 되어 있다.

압력 센서 칩(10)은, 이면측 기판(11) 및 표면측 기판(12)을 접합함으로써 구성되어 있다. 상술한 압력 센서 칩(10)의 표면(12a)은, 표면측 기판(12)의 한 쌍의 주표면 중의 비접합면으로 구성되어 있고, 상술한 압력 센서 칩(10)의 이면(11a)은, 이면측 기판(11)의 한 쌍의 주표면 중의 비접합면으로 구성되어 있다.

압력 센서 칩(10)은, 반도체 기판 내부에 밀폐된 원반형상의 압력 기준실(15)과, 당해 압력 기준실(15)과 외부와의 사이에 형성되어 상기 압력 기준실(15) 내의 압력과 외부의 압력의 차에 의해 변형한 박판형상의 다이어프램(13)을 구비하고 있다.

검출부(40)는, 압력 기준실(15)과, 다이어프램(13), 다이어프램(13)의 주연(周緣)에 따라 마련된 복수의 피에조 저항 소자(16)를 포함한다. 또한, 피에조 저항 소자(16)는, 다이어프램(13)이, 압력 기준실(15) 내의 압력과 외부의 압력의 차에 의해 변형한 경우에, 이 변형에 응한 전기 신호를 발생 가능한 센서부의 한 형태이다. 본 실시 형태에서는, 다이어프램(13)의 주연에 따라 등간격으로 4개의 피에조 저항 소자(16)가 마련되고, 도전 패턴(17C)이 각 피에조 저항 소자(16)를 전기적으로 접속하여 브리지 회로를 구성하고 있다. 또한, 이것으로 한하지 않고, 검출부(40)는, 요구되는 정밀도에 응하여 임의 수의 피에조 저항 소자(16)를 구비하는 구성이라도 좋다. 또한, 센서부로서는, 상술한 바와 같은 복수의 피에조 저항 소자(16)를 이용한 것으로 한하지 않고, 정전용량식의 것을 이용하는 것도 가능하다.

상기 구성의 압력 센서 칩(10)은, 이면측 기판(11)이 접합면에 미리 오목홈이 형성되고, 당해 오목홈을 덮도록 소정의 압력 환경하에서 표면측 기판(12)과 접합하고, 표면측 기판(12)을 소망하는 두께로 연삭함으로써 제조된다. 이에 의해, 압력 센서 칩(10)의 내부에 상술한 압력 기준실(15)이 형성되고, 이면측 기판(11)에 미리 형성된 오목홈에 대향하는 표면측 기판(12)이 다이어프램(13)이 된다. 본 실시 형태에서는, 진공 환경하에서 이면측 기판(11)이 표면측 기판(12)에 접합됨으로써, 압력 기준실(15)이 진공 상태로 형성된다.

또한, 이면측 기판(11) 및 표면측 기판(12)으로서는, 알맞게는 반도체 기판, 예를 들면 실리콘 기판이 사용되고, 한 예로서, 이들 접합에 SOI(Silicon on Insulator) 기술이 적용할 수 있다. 또한, 표면측 기판(12)이, 실리콘 기판인 경우, 실리콘 기판의 표면(12a)에 불순물을 확산시킴으로써 확산층 저항을 형성하여, 상기 피에조 저항 소자(16)로 할 수 있다. 이면측 기판(11)으로서는, 실리콘 기판으로 한정되지 않고, 유리 기판 등을 이용하는 것도 가능하다.

압력 센서 칩(10)의 평면시(도 5)에서, 검출부(40)의 주위 중 일부를 접속부(42)로 하고, 접속부(42)를 남겨두고 검출부(40)의 주위에 이면측 기판(11) 및 표면측 기판(12)을 관통하는 관통홈(41)이 형성되어 있다. 즉, 압력 센서 칩(10) 내에서의 검출부(40) 이외의 부분(이하, 주변부라고도 칭한다)(43)과 검출부(40)가 관통홈(41)에 의해 분리되어 있다. 관통홈(41)을 형성하는 수법으로서는, 이면측 기판(11) 및 표면측 기판(12)을 접합하고, 피에조 저항 소자(16)와 도전 패턴(17B, C), 전극(17A)을 형성한 후, 표면부터 홈을 파고, 홈이 노출할 때까지 이면부터 연삭하는 공법이나, 표면 또는 이면을 연삭 후, 반대측의 면부터 홈을 파는 공법을 들 수 있다. 이와 같이, 본 실시 형태의 압력 센서 칩(10)은, 접합한 이면측 기판(11) 및 표면측 기판(12)에 관통홈(41)을 마련하여, 주변부(43)와 검출부(40)를 분리시키는 구성이므로, 검출부(40)의 저면과 주변부(43)의 저면의 높이는 같다.

회로부(19)는, 증폭 회로나 온도 보상 회로 등, 소정의 신호 처리를 행하는 회로나 메모리 등을 갖는 집적 회로이고, 예를 들면 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)이다. 회로부(19)는, 수지나 금속, 세라믹 등으로 밀봉되고, 평면시 사각형상의 표면(19b) 및 이면(19a)을 갖는 편평 직방체 형상의 외형을 갖고 있다. 또한, 회로부(19)는, 전기 신호의 입출력을 행하기 위한 전극(33)을 표면(19b)에 구비하고 있다.

센서 기판(2)은, 도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이 평판상이고, 주로 절연 재료로 형성되어 있다. 또한, 센서 기판(2)을 구성하는 절연 재료로서는, 세라믹스 재료나 수지 재료 등을 이용할 수 있다. 센서 기판(2)의 표면(2a)에는, 수지 접착제(22)에 의해 회로부(19)의 이면(19a)이 접착되고, 또한, 이 표면(2a)상의 회로부(19)와 인접한 위치에 회로부(19)와 접속하기 위한 복수의 전극(본딩 패드)(25)이 마련되어 있다. 이 전극(25)은, 도시하지 않은 비아를 통하여 센서 기판(2)의 이면(2b)에 마련된 전극(26)과 접속되어 있다. 전극(26)은, 검출한 압력을 나타내는 전기 신호를 압력 센서(1)의 외부에 출력하기 위한 단자이다.

또한, 압력 센서 칩(10)은, 표면(12a)을 회로부(19)측을 향한 상태로, 전극(17A)이 범프(32)에 의해 회로부(19)의 전극(33)과 접속된다. 회로부(19)는, 전극(33), 범프(32), 전극(17A), 도전 패턴(17B, 17C)를 통하여 피에조 저항 소자(16)와 접속하고 있다. 이에 의해 회로부(19)는, 압력 센서 칩(10)이 검출한 압력을 나타내는 전기 신호를 전극(33)으로부터 수신한다. 이 압력 센서 칩(10)과 접속된 전극(33)은, 회로부(19)에서의 입력 단자부의 한 형태이다. 한편, 회로부(19)에 전기 신호를 출력하기 위한 전극(17A)은, 압력 센서 칩(10)에서의 출력 단자부의 한 형태이다.

이 접속에 의해, 압력 센서 칩(10)과 회로부(19)와의 사이에는, 범프(32)의 두께 등에 응한 공동(空洞)(39)이 형성된다. 이 공동(39)의 두께, 즉 압력 센서 칩(10)과 회로부(19)의 간격은, 예를 들면 10㎛∼50㎛이다. 이때, 압력 센서 칩(10)과 회로부(19)는, 전극(17A)과 전극(33)과의 접속만으로 고정되어도 좋고, 이들 전극(17A, 33)의 주위를 다이 본드재나 언더필에 의해 접착되어도 좋다. 또한, 압력 센서 칩(10)의 표면(12a)은, 회로부(19)의 이면(19b)과 평행하게 고정되어 있지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다.

또한, 회로부(19)의 복수의 전극(33) 중, 압력 센서 칩(10)과 접속되지 않은 전극(33)은, 본딩 와이어(8)를 통하여, 센서 기판(2)의 전극(25)과 접속된다. 즉 회로부(19)는, 본딩 와이어(8), 전극(25), 전극(26)을 통하여 외부의 회로와 접속한다. 여기서, 본딩 와이어(8)에서의 루프 부분의 회로부(19)에 대한 높이(H1)(도 1)는, 압력 센서 칩(10)의 회로부(19)에 대한 높이(H2)보다 낮아지도록 설정되어 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 압력 센서 칩(10)의 전극(17A)이 범프(32)에 의해 회로부(19)의 전극(33)과 직접 접속되는 예를 나타냈지만, 이것으로 한하지 않고, 압력 센서 칩(10)의 전극(17A)이, 인터포저(부도시) 등을 통하여 회로부(19)의 전극(33)과 간접적으로 접속되는 구성이라도 좋다. 이 경우, 압력 센서 칩(10)의 다이어프램(13)이 마련된 면과 인터포저와의 사이에, 범프의 두께 등에 응한 공동이 형성된다.

그리고, 압력 센서(1)는, 센서 기판(2), 회로부(19) 및 압력 센서 칩(10)을 적층한 방향에 대해, 압력 센서 칩(10)의 이면(11a)과, 센서 기판(2)에서의 회로부(19)가 탑재되는 표면(2a)과의 사이의 영역에서, 압력 센서 칩(10)의 일부와 회로부(19)를 덮도록 밀봉재(23)가 마련된다. 밀봉재(23)로서는, 수지, 금속, 세라믹, 유리 등을 들 수 있다. 예를 들면, 상기한 바와 같이 센서 기판(2)에 회로부(19) 및 압력 센서 칩(10)을 접속한 상태로 금형에 넣어 수지를 사출 성형한다. 또한, 금속이나 세라믹 등으로 성형한 패키지에 상기 센서 기판(2), 회로부(19) 및 압력 센서 칩(10)을 넣고 저융점 유리 등으로 밀봉한 구성이라도 좋다. 이와 같이, 회로부(19) 및 압력 센서 칩(10)이 밀봉됨으로써, 외부로부터의 충격이나 습도, 가스, 열 등으로부터 보호된다.

본 실시 형태의 압력 센서(1)는, 압력 센서 칩(10) 및 회로부(19)가 밀봉될 때, 적어도 이면(11a)의 관통홈(41)이 마련된 부분이 노출하도록 성형된다. 예를 들면, 압력 센서 칩(10)의 이면(11a)을 금형의 벽면에 당접시킨 상태에서 밀봉재(23)로서의 수지를 사출함으로써, 이면(11a)과 같은면으로 밀봉재(23)의 상면을 형성한다. 또한, 본 실시 형태에서는, 이면(11a)의 전면이 노출되도록 형성하였지만, 이것으로 한하지 않고 예를 들면 관통홈(41)을 포함하는 이면(11a)의 대부분이 노출되도록 형성되어도 좋다. 또한, 밀봉한 경우에도, 압력 센서 칩(10)과 회로부(19)와의 사이에는, 공동(39)을 유지한다. 예를 들면, 미리 압력 센서 칩(10)의 주변부(43)와 회로부(19)와의 사이에 언더필을 충전하고, 밀봉할 때에 밀봉재(23)가 압력 센서 칩(10)과 회로부(19)와의 사이에 침입하지 않도록 한다.

그리고 관통홈(41)이 다이어프램(13)측의 공동(39)과 압력 센서(1)의 외부를 연통하기 때문에, 다이어프램(13)측의 공동(39)의 압력이, 압력 센서(1)의 외부의 압력과 같아지고, 이 외부의 압력과 압력 기준실(15) 내의 기준 압력과의 차에 응하여, 다이어프램(13)이 변형한다. 그리고, 이 변형의 정도에 응하여 복수의 피에조 저항 소자(16)의 저항치가 각각 변화하여 브리지 회로의 중점(中點) 전위가 변동하고, 회로부(19)에서, 중점 전위의 변동량이 전기 신호로 변환된다. 변환 후의 전기 신호는, 상기 외기압에 응한 센서 출력, 예를 들면 상기 외기압을 나타내는 절대압으로서 외부에 출력된다. 또한, 당해 전기 신호의 출력에 즈음하여, 생성한 전기 신호를 일시적으로 메모리부에서 기억시키는 것도 가능하다.

본 실시 형태의 압력 센서(1)에서는, 압력 센서 칩(10)의 표면(12a)에 마련된 전극(17A)과 회로부(19)의 전극(33)과의 접속, 및 압력 센서 칩(10)을 밀봉하고 있는 밀봉재(23)에 의해 압력 센서 칩(10)의 주변부(43)가 고정되고, 이 고정된 주변부(43)와 검출부(40)가 관통홈(41)에 의해 분리되어 있다. 환언하면, 검출부(40)는, 관통홈(41)에 둘러싸여진 부분이 주변부(43)와 이간하고, 접속부(42)에서만 유지되어 있다.

이와 같이 구성함에 의해, 예를 들면, 외부 환경의 온도 변화가 있는 경우, 센서 기판(2)이나 회로부(19) 등, 선팽창 계수가 다른 부재에 수반하여 발생하는 응력이 다이어프램(13)에 전해지는 것을 대폭적으로 경감할 수 있고, 측정치에의 영향을 억제할 수 있다. 이하, 그 이유에 관한 고찰을 나타낸다.

압력 센서 칩의 성능에 영향을 주는 특성의 하나로서, 센서 출력 히스테리시스가 있다. 센서 출력 히스테리시스는, 압력 센서 칩에 부가된 압력이 제로인 경우와 정격 압력인 경우의 각각에서의 출력 전류(또는 전압)치 사이에 이상(理想) 직선을 긋고, 이것과 실측 전류(또는 전압)치 사이의 차를 오차치(誤差値)로서 구하고, 압력 상승시의 오차치와 압력 하강시의 오차치와의 차의 절대치를 풀스케일 대해 퍼센트 표시한 것이다. 이 센서 출력 히스테리시스는, 작으면 작을수록 좋고, 센서 출력 히스테리시스가 작은 경우에는, 검출 정밀도의 고정밀화가 도모되어 있다고 말할 수 있다.

당해 센서 출력 히스테리시스가 커지는 요인으로서는, 예를 들면 외부 환경의 온도 변화가 있는 경우에, 센서 기판(2)이나 리드(7), 회로부(19) 등의 선팽창 계수가 다른 부재의 사이에서 응력이 발생하고, 이 응력이 다이 본드재(20)나 본딩 와이어(8)를 통하여 압력 센서 칩(10)에 전해지고, 압력의 측정에 영향을 주는 일이 있다. 또한, 본딩 와이어(8)의 열에 의한 변화에 수반하는 전극(17A)에의 응력이 발생하여, 측정에 영향을 주는 것이 있다. 이들 열에 수반하는 응력에 대해, 유연한 다이 본드재(20)를 이용하여 압력 센서 칩을 유지하는 구성으로 함으로써, 이들 응력을 흡수하고, 센서에의 영향을 경감하는 것도 알려져 있다. 그렇지만, 다이 본드재(20)로 모든 응력을 경감할 수 있는 것은 아니고, 특히 소형의 센서에서는 다이 본드재(20)로 억제된 응력의 영향도 자연히 제한된다.

이 점, 본 실시 형태에서의 압력 센서(1)에서는, 밀봉재(23)로 고정되어 있는 주변부(43)와 검출부(40)가 관통홈(41)에 의해 이간되어 있기 때문에, 상기 열에 수반하는 응력이 주변부(43)에 생겼다고 하여도, 접속부(42) 이외에서 검출부(40)에 전해지는 일이 없기 때문에, 다이어프램(13)에 주는 영향이 대폭적으로 경감된다. 또한, 압력 센서(1)를 회로 기판에 실장할 때의 실장 응력에 대해서도, 마찬가지로 다이어프램(13)에 주는 영향이 대폭적으로 경감된다.

또한, 주변부(43)에 생긴 응력이 접속부(42)를 통하여 검출부(40)에 전해질 가능성도 있지만, 접속부(42)는 검출부(40)에 대해 일방향으로 밖에 존재하지 않고, 접속부(42) 이외에 검출부(40)를 고정하는 것이 없기 때문에, 예를 들어 접속부(42)측부터 열에 수반하는 응력이나 실장 응력이 전해졌다고 하여도, 검출부(40)에 대해 일방향으로부터 밖에 응력이 가하여지지 않기 때문에, 이 응력에 의한 다이어프램(13)의 변형은 주변을 분리하지 않는 경우에 비하여 경미하게 된다.

이와 같이 압력 센서(1)에서는, 열 등에 수반한 응력이 주변부(43)에 생겨도 검출부(40)에의 전달이 억제되기 때문에, 다이 본드재(20)의 탄성률을 작게 하는 것이나, 다이 본드재(20)에 의해 접착하는 면적을 작게 함에 의해, 다이 본드재(20)를 과도하게 취약하게 할 필요가 없기 때문에, 낙하 등의 충격에 대한 강도를 향상시킬 수 있다.

<홈형상에 관해>

도 7은, 관통홈의 형상에 관해 설명하는 평면 모식도이다. 압력 센서 칩(10)의 관통홈(41)은, 도 7(A)에 도시하는 바와 같이, 평면시에 있어서 다이어프램(13) 또는 압력 기준실(15)의 중심(51)과 동심의 원(52)에 따라 원호형상으로 형성되어 있다. 즉, 관통홈(41)으로 잘라 나뉘어진 원(52)의 내측의 부분이 검출부(40)이다. 또한, 관통홈(41)이 마련되지 않은 부분이 접속부(42)이다. 또한, 전극(17A)의 위치는, 관통홈(41)의 형상으로 한정되지 않기 때문에, 도 7에서는, 전극(17A)을 생략하여 나타내었다. 도 7의 예에서는, 관통홈(41)의 형상이나 접속부(42)의 배치 방향에 관계 없이 전극(17A)은, 주변부(43)의 표면(12a)이라면 어디에 마련되어도 좋다.

다이어프램(13)에 마련된 피에조 저항 소자(16)에는, 도 8에 도시하는 바와 같이 피에조 저항 계수가 큰 결정(結晶) 방위와, 피에조 저항 계수가 작은 결정 방위가 존재한다. 이 때문에, 피에조 저항 계수가 작은 결정 방위, 즉, 응력에 대한 감도가 낮은 방위에 접속부(42)를 배치하는 것이 바람직하다. 도 7(A)의 예에서는, 중심(51)을 통과하는 일직선(61)상에, 피에조 저항 소자(16) 중, 피에조 저항 소자(16A, 16B)가 배치되고, 이 직선(61)과 직교하는 직선(62)상에 피에조 저항 소자(16C, 16D)가 배치되어 있다. 그리고, 중심(51)부터 피에조 저항 소자(16C)로의 방향을 0도로 하고, 좌회전으로 45도의 방향에 접속부(42)가 배치되어 있다. 환언하면 피에조 저항 소자(16C) 및 중심(51)을 통과한 직선(62)과 중심(51) 및 접속부(42)를 통과하는 직선(63)이 이루는 중심각(α)이 45도로 되어 있다. 이와 같이 피에조 저항 소자(16)의 배치 방향에 대해 45도의 방향에 접속부(42)를 배치함으로써, 접속부(42)를 통하여 전해지는 응력의 영향을 억제할 수 있다. 또한, 이와 같이 배치함에 의해, 접속부의 단면(斷面)(예를 들면 접속부에서 직선(63)과 직교하는 면)이, 직선(61 및 62)와 평행이 되지 않고, 벽개면(劈開面)을 피하는 것으로 되기 때문에, 낙하 등에 대한 충격에 대한 강도가 향상한다.

또한, 접속부(42)를 배치하는 방향은, 45도로 한하지 않고 다른 방향이라도 좋다. 도 7(B)의 예에서는, 접속부(42)가 중심(51)에 대해 90도의 방향이 되도록 관통홈(41)이 마련되어 있다. 또한, 접속부(42)를 배치하는 방향은, 90도로 한하지 않고 다른 방향, 예를 들면, 0도, 180도, 270도 등이라도 좋다. 이와 같이 45도 이외의 방향에 접속부(42)를 마련한 경우에도, 관통홈(41)에 의해 검출부(40)를 주변부(43)와 격리한 효과를 얻을 수 있기 때문에, 열에 수반하는 응력이나 압력 센서를 회로 기판에 실장할 때의 실장 응력의 영향의 영향이 억제된다.

상기한 예에서는, 관통홈을 원(52)에 따라 원호형상으로 형성하였지만, 엄밀한 원에 따라 형성하는 것으로 한하지 않고, 개략 원에 따른 형상이면 좋다. 또한, 개략 원이란, 타원이나 주먹밥형(俵型), 소판형(小判型) 등, 검출부(40)를 둘러쌀 수 있는 형상이면 좋다. 또한, 관통홈의 형상은, 원으로 한정되지 않고 다른 형상이라도 좋다. 도 7(C)의 예에서는, 평면시에 있어서 다이어프램(13) 또는 압력 기준실(15)의 중심(51)과 중심을 일치시킨 사각(四角)(54)에 따라 관통홈(41C)이 형성되어 있다. 즉, 관통홈(41C)으로 잘라 나뉘어진 사각(54)의 내측의 부분이 검출부(40C)이다. 또한, 관통홈(41C)이 마련되지 않은 부분이 접속부(42C)이다. 도 7(C)의 예에서는, 접속부(42C)가 중심(51)에 대해 45도의 방향이 되도록 관통홈(41C)이 마련되어 있다. 이와 같이 관통홈(41C)을 사각에 따른 형상(이하, 단지 사각형상이라고도 칭한다)으로 하여도 도 7(A)와 같은 효과를 얻을 수 있다.

또한, 도 7(D)에서는, 도 7(C)에서 접속부(42C)에 대신하여, 접속부(42D)가 중심(51)에 대해 0도의 방향이 되도록 관통홈(41D)이 마련되어 있다. 접속부(42D)를 배치하는 방향은, 0도로 한하지 않고 다른 방향, 예를 들면, 90도, 180도, 270도 등이라도 좋다. 이와 같이 45도 이외의 방향에 접속부(42D)를 마련한 경우에도, 관통홈(41D)에 의해 검출부(40D)를 주변부(43)와 격리한 효과를 얻을 수 있기 때문에, 열에 수반하는 응력의 영향이 억제된다.

또한, 도 7(E)에서는, 도 7(C)에서의 관통홈(41C)의 단부를 중심(51)과 반대측, 즉 압력 센서 칩(10)의 외측을 향하여 연신한 것처럼, 관통홈(41E)이 마련되어 있다. 이 경우, 접속부(42E)는, 사각(54)에서의 관통홈(41E)이 마련되지 않은 부분, 도 7(E)에서는, 우상(右上) 모서리부분으로서 관통홈(41E)의 단부(端部)(외측으로 연신한 부분)로 끼여진 부분이다. 도 7(F)에서는, 도 7(D)에서의 관통홈(41D)의 단부를 중심(51)과 반대측, 즉 압력 센서 칩(10)의 외측을 향하여 연신한 것처럼, 관통홈(41F)이 마련되어 있다. 이 경우, 접속부(42F)는, 사각(54)의 외측이고 관통홈(41F)으로 끼여진 부분이다. 또한, 도면은 생략하였지만, 도 7(A) 또는 도 7(B)의 관통홈(41)의 단부를 중심(51)과 반대측, 즉 압력 센서 칩(10)의 외측을 향하여 연신한 것처럼, 관통홈을 마련하여도 좋다.

이상과 같이, 본 실시 형태에서는, 다이어프램(13)이 마련된 표면(12a)을 회로부(19)측을 향한 상태로 압력 센서 칩(10)을 밀봉하고 있고, 다이어프램(13)을 보호하기 위한 부재를 별도 준비할 필요가 없기 때문에, 압력 센서의 소형화를 도모할 수 있다.

또한, 이와 같이 압력 센서 칩(10)을 밀봉한 경우라도, 밀봉재(23) 등에 의해 고정되는 주변부(43)와 검출부(40)가 관통홈(41)에 의해 분리되어 있기 때문에, 열에 수반하는 응력이 검출부(40)에 전해지는 것을 억제할 수 있고, 검출 정밀도의 고정밀화를 도모할 수 있다.

또한, 압력 센서 칩(10) 및 회로부(19)가 밀봉될 때, 이면(11a)의 관통홈(41)이 마련된 부분이 노출하도록 성형됨으로써, 관통홈(41)이, 다이어프램(13)측의 공동(39)과 외부를 연통하는 기능과, 주변부(43)와 검출부(40)를 분리시키는 기능을 겸하여, 간이한 구성으로 소형화와 고정밀화를 양립시킬 수 있다.

본딩 와이어(8)를 통하여 회로부(19)와 센서 기판(2)을 접속시키고, 본딩 와이어(8)에서의 루프 부분의 회로부(19)에 대한 높이가, 압력 센서 칩(10)의 회로부에 대한 높이보다 낮게 설정됨에 의해, 압력 센서의 소형화, 특히 박형화를 도모할 수 있다.

또한, 센서 기판(2)에, 압력 센서 칩(10) 및 회로부(19)를 접속하고, 밀봉재(23)로 밀봉함에 의해, 돔형의 리드 등으로 덮는 경우와 같이 필요없는 공간을 만들지 않고, 컴팩트하게 구성할 수 있다.

<실시 형태 2>

전술한 실시 형태 1에서는, 압력 센서 칩(10)을 관통하는 관통홈(41)에 의해 검출부(40)와 주변부(43)를 분리시킨 예를 나타냈지만, 본 실시 형태 2에서는, 압력 센서 칩(10)을 관통하고 있지 않은 홈에 의해 검출부(40)와 주변부(43)를 분리시킨 예를 나타낸다. 또한, 그 밖의 구성은, 전술한 실시 형태 1과 같기 때문에, 동일한 요소에는 같은 부호를 붙이는 등 하여, 재차의 설명을 생략하고 있다. 도 8, 도 9, 도 10은, 본 실시 형태 2에서의 압력 센서 칩(100)의 평면도, 이면도 및 단면도이다. 또한, 도 10은, 도 8, 도 9 중에 도시하는 X3-X3선에 따른 압력 센서 칩의 단면을 도시하고 있다.

본 실시 형태 2에서, 압력 센서 칩(100)은, 평면시 사각형상의 표면(110a) 및 이면(130a)을 갖는 편평 직방체 형상의 외형을 갖고 있다. 압력 센서 칩(100)의 표면(110a)의 소정 위치에는, 검출부(40), 전극(17A), 도전 패턴(17B)이 각각 마련되어 있다. 또한, 압력 센서 칩(100)은, 검출부(40)의 주위에 홈(410)이 형성되고, 홈(410)도 마련되지 않은 부분을 접속부(420)로 하고 있다.

본 실시 형태 2의 압력 센서 칩(100)은, 제1 기판(110)∼제3 기판(130)을 접합함으로써 구성되어 있다. 이 압력 센서 칩(100)은, 제2 기판(120)의 접합면에 미리 오목홈이 형성되고, 당해 오목홈을 덮도록 소정의 압력 환경하에서 제1 기판(110)이 접합되고, 표면측 기판(12)을 소망하는 두께로 연삭함으로써 제조된다. 이에 의해, 압력 센서 칩(100)의 내부에 압력 기준실(15)이 형성되고, 제2 기판(120)에 미리 형성된 오목홈에 대항한 제1 기판(110)이 다이어프램(13)이 된다. 본 실시 형태에서는, 진공 환경하에서 이면측 기판(11)이 표면측 기판(12)에 접합됨으로써, 압력 기준실(15)이 진공 상태에서 형성된다. 또한, 압력 센서 칩(100)의 평면시(도 9)에서, 검출부(40)의 주위 중 일부를 접속부(42)로 하고, 접속부(42)를 남겨두고 검출부(40)의 주위에 제1 기판(110) 및 제2 기판(120)을 관통하는 홈(410)이 형성된다.

또한 제3 기판(130)이 접합면에 미리 도 9에서의 홈(410)과 같은 외경을 갖는 원반형상의 오목홈이 형성되고, 당해 오목홈부터 제3 기판(130)의 비접합면인 이면(130a)에 걸쳐서 연통구멍(131)을 마련하고, 당해 오목홈을 덮도록 제2 기판(120)과 제3 기판(130)이 접합된다. 이에 의해, 압력 기준실(15)의 이면측에 공극부(38)가 형성되고, 검출부(40)가 접속부(420)에서만 유지된 상태로 되어 있다. 또한, 본 실시 형태 2에서는, 제3 기판(130)의 연통구멍(131)이, 개구부의 한 형태이고, 공극부(38) 및 홈(410)을 통하여 다이어프램(13)측의 공동(39)과, 압력 센서(1)의 외부를 연통하고 있다.

상기 구성의 압력 센서 칩(100)은, 실시 형태 1과 마찬가지로 회로부(19)에 접속되고, 밀봉재(23)에 의해 밀봉된다. 즉, 연통구멍(131)이 마련된 이면(130a)이 노출한 상태로 밀봉된다.

이와 같이 본 실시 형태 2의 구성에서도, 압력 센서 칩(100)의 이면(130a)의 연통구멍(131)이, 다이어프램(13)측의 공동(39)과 외부를 연통시키는 구성으로 함으로써, 검출부(40)에 의한 압력의 측정을 가능하게 하면서, 다이어프램(13)을 보호하는 리드 등 별도 부재를 불필요하게 하고 있다. 또한, 홈(410)이, 주변부(43)와 검출부(40)를 분리시키고 있기 때문에, 열에 수반하는 응력이 검출부(40)에 전해지는 것을 억제할 수 있고, 검출 정밀도의 고정밀화를 도모할 수 있다.

상술한 본 발명의 실시 형태에서 나타낸 각종의 재료나 치수, 형상 등은 어디까지나 예시에 지나지 않고, 본 발명은 이것으로 한정되는 것이 아니다. 또한, 상술한 실시 형태에서 나타낸 특징적인 구성은, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 당연히 그 조합이 가능하다.

1 : 압력 센서
2 : 센서 기판
8 : 본딩 와이어
10 : 압력 센서 칩
11 : 이면측 기판
12 : 표면측 기판
13 : 다이어프램
15 : 압력 기준실
16 : 피에조 저항 소자
19 : 회로부
20 : 다이 본드재
22 : 수지 접착제
23 : 밀봉재
39 : 공동
40 : 검출부
41 : 관통홈
42 : 접속부
43 : 주변부
51 : 중심
100 : 압력 센서 칩
110 : 제1 기판
120 : 제2 기판
130 : 제3 기판
131 : 연통구멍
410 : 홈
420 : 접속부

Claims

반도체 기판 내에 형성되어 밀폐된 압력 기준실과, 그 압력 기준실과 외부와의 사이에 형성되어 상기 압력 기준실 내의 압력과 외부의 압력의 차에 의해 변형하는 다이어프램과, 상기 다이어프램에 마련되어 그 다이어프램의 변형에 응한 전기 신호를 발생 가능한 센서부와, 상기 센서부로부터의 전기 신호를 외부에 출력하는 출력 단자부를 구비하고, 상기 압력 기준실, 상기 다이어프램 및 상기 센서부를 포함하는 검출부와, 상기 반도체 기판 내에서 상기 검출부 이외의 영역으로서 상기 출력 단자부를 포함하는 부분과는, 상기 반도체 기판의 평면시에 있어서, 일부의 접속부를 남겨둔 선형상으로 형성된 홈에 의해 분리되고, 상기 홈이, 상기 다이어프램이 구비된 면의 반대면에 마련된 개구부와 연통한, 압력 센서 칩과,
상기 압력 센서 칩의 출력 단자부로부터 출력된 전기 신호에 대해 소정의 연산 처리를 행하는 회로부를 구비한 압력 센서로서,
상기 압력 센서 칩에서의 상기 다이어프램과 상기 출력 단자부는, 그 압력 센서 칩에서의 동일 방향의 면에 형성되고,
상기 압력 센서 칩은, 상기 출력 단자부에 형성된 면을 상기 회로부의 한 면에 대향시키고, 당해 회로부의 한 면과 상기 압력 센서 칩의 상기 출력 단자를 형성한 면과의 사이에 상기 홈과 연통한 공동을 갖는 상태로, 그 한 면에 형성된 입력 단자부와 상기 출력 단자부가 직접적 또는 간접적으로 접하도록 고정되고,
상기 회로부 및 상기 압력 센서 칩은, 상기 개구부가 외부에 노출되고, 또한 상기 회로부 및 상기 압력 센서 칩의 사이에 상기 공동을 지지하도록 밀봉재로 덮이고,
상기 공동 및 상기 홈을 통해 연통된 상기 외부와 상기 압력 기준실과의 압력의 차에 의해 상기 다이어프램이 변형되고, 상기 센서부가 상기 다이어프램의 변형에 응하여 상기 전기 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제1항에 있어서,
상기 압력 센서 칩에서의 상기 출력 단자부가 마련된 면의 반대면의 적어도 상기 개구부를 포함하는 일부의 면 또는 전면이 노출하도록, 밀봉재로 덮여진 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 회로부에서의, 상기 압력 센서 칩이 고정된 면과 반대측의 면이 직접적 또는 간접적으로 당접함으로써, 그 회로부가 탑재되는 센서 기판을 또한 구비하고,
상기 회로부와 상기 센서 기판은, 본딩 와이어를 루프 형상으로 건너서 전기적으로 접속되고, 상기 센서 기판의 상기 회로부를 탑재하는 면과 직교하는 방향에 있어서의 거리를 높이로 하고, 상기 회로부의 상기 압력 센서가 고정된 면을 기준면으로 한 경우에, 상기 본딩 와이어의 상기 기준면에 대한 최대의 높이가, 상기 기준면으로부터 상기 압력 센서 칩의 상기 개구부가 마련된 면까지의 높이보다 낮은 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제3항에 있어서,
상기 밀봉재는, 상기 압력 센서에서의, 센서 기판, 회로부 및 압력 센서 칩의 축적 방향에 대해, 상기 압력 센서 칩에서의 상기 출력 단자부가 마련된 면의 반대면과, 상기 센서 기판에서의 상기 회로부가 탑재되는 면과의 사이의 영역에서, 상기 압력 센서 칩의 일부와 상기 회로부를 덮는 것을 특징으로 하는 압력 센서.