JP2015017848A - Dynamic quantity measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、構造物のひずみや応力を測定できる半導体ひずみセンサを用いた力学量測定装置に関する。 The present invention relates to a mechanical quantity measuring apparatus using a semiconductor strain sensor capable of measuring strain and stress of a structure.
特許文献1には、シリコン半導体で構成されたセンサチップ(歪み検出素子)をガラス製の台座に低融点ガラスを用いて接合した歪み検出センサが記載されている。 Patent Document 1 describes a strain detection sensor in which a sensor chip (strain detection element) made of a silicon semiconductor is joined to a glass base using low melting point glass.
構造物のひずみや応力を測定する方法として、最も普及しているのは、ひずみゲージを用いる方法である。ひずみゲージは、ポリイミドやエポキシ樹脂フィルム上に、Cu−Ni系合金やNi−Cr系合金の金属薄膜の配線パターンを形成して、引出しリード線を設けた構造であり、被測定物に接着剤で接着して使用する。金属薄膜の変形に起因した抵抗値の変化から、ひずみ量を算出することができる。 The most popular method for measuring the strain and stress of a structure is a method using a strain gauge. A strain gauge has a structure in which a wiring pattern of a Cu-Ni alloy or Ni-Cr alloy metal thin film is formed on a polyimide or epoxy resin film and a lead wire is provided. Adhere with and use. The amount of strain can be calculated from the change in resistance value resulting from the deformation of the metal thin film.
これに対して、より高精度なひずみ計測を行う方法として、半導体を用いた半導体ひずみセンサの開発が進んでいる。ひずみ検知部を金属薄膜ではなく、シリコン(Si)などの半導体に不純物をドープして形成した半導体ピエゾ抵抗を利用するデバイスである。半導体ひずみセンサは、ひずみに対する抵抗変化率が金属薄膜を用いたひずみゲージの数十倍と大きく、微小なひずみを測定することが可能である。また、金属薄膜のひずみゲージでは、抵抗変化が小さいため、得られる電気信号を増幅するための外部のアンプが必要となる。半導体ひずみセンサは抵抗変化が大きいため、得られた電気信号を外部のアンプを用いずに使用することもでき、また半導体ひずみセンサの半導体チップにアンプ回路を作りこむことも可能であるため、適用用途や使用上の利便性が大きく広がると期待される。 On the other hand, development of semiconductor strain sensors using semiconductors is progressing as a method for measuring strain with higher accuracy. This is a device that uses a semiconductor piezoresistor formed by doping an impurity in a semiconductor such as silicon (Si) instead of a metal thin film. A semiconductor strain sensor has a resistance change rate with respect to strain as large as several tens of times that of a strain gauge using a metal thin film, and can measure a minute strain. In addition, since the resistance change is small in the metal thin film strain gauge, an external amplifier for amplifying the obtained electric signal is required. Since the semiconductor strain sensor has a large resistance change, the obtained electrical signal can be used without using an external amplifier, and it is also possible to build an amplifier circuit on the semiconductor chip of the semiconductor strain sensor. It is expected that the convenience of use and usage will be greatly expanded.
このようなひずみセンサの使い勝手向上を目的として、半導体ひずみセンサを金属板に接合した金属板モジュールの開発が進められている。図1に、金属板モジュール4および金属板モジュールを被測定物5に取り付けた場合の模式図を示す。金属板モジュール4は、(a)接着剤6による接着、(b)ねじ7によるねじ留め、(c)溶接部8における溶接など各種方式で取り付けることが可能となるため、ユーザにとっての使い勝手を向上できる。この金属板モジュールは、半導体ひずみセンサであるセンサチップ1が、接着剤やはんだ材などを介して金属板3に接合された構成となっている。図2に、センサチップ1の接合工程および金属板モジュールの負荷状態の模式図を示す。高温に加熱した状態でチップを搭載し、その後、室温まで冷却することで接合を完了させる。シリコンで構成されたセンサチップ1の線膨張係数(以下、αと示す)は約3ppm/℃であり、金属板のαは、一般にセンサチップのαよりも大きい。例えば、ステンレス材のαは約16ppm/℃、アルミニウム合金材のαは約23ppm/℃である。したがって、接合が完了した室温状態において、接合材2には、金属板側が大きく収縮したことによるせん断変形の残留ひずみが発生している。 For the purpose of improving the usability of such a strain sensor, development of a metal plate module in which a semiconductor strain sensor is joined to a metal plate is being promoted. FIG. 1 is a schematic diagram when the metal plate module 4 and the metal plate module are attached to the object 5 to be measured. Since the metal plate module 4 can be attached by various methods such as (a) bonding with the adhesive 6, (b) screwing with the screw 7, and (c) welding at the welded portion 8, the usability for the user is improved. it can. This metal plate module has a configuration in which a sensor chip 1 which is a semiconductor strain sensor is joined to a metal plate 3 via an adhesive or a solder material. In FIG. 2, the schematic diagram of the joining process of the sensor chip 1 and the load state of a metal plate module is shown. The chip is mounted in a state heated to a high temperature, and then the bonding is completed by cooling to room temperature. The linear expansion coefficient (hereinafter referred to as α) of the sensor chip 1 made of silicon is about 3 ppm / ° C., and α of the metal plate is generally larger than α of the sensor chip. For example, α of the stainless steel material is about 16 ppm / ° C., and α of the aluminum alloy material is about 23 ppm / ° C. Therefore, in the room temperature state where the joining is completed, residual strain of shear deformation is generated in the joining material 2 due to a large contraction of the metal plate side.
次に、金属板モジュールでの計測可能なひずみ範囲について説明する。図3に示す通り、金属板モジュールに負荷ひずみを与えた場合、センサ出力は、負荷ひずみに比例して増加する。しかし、あるひずみ値以上を負荷すると、接合材が塑性変形することに起因して、センサ出力の挙動が非線形となる。この線形性が維持される領域(以下、ひずみ計測範囲と記す)は、なるべく広い方が望ましい。 Next, the measurable strain range in the metal plate module will be described. As shown in FIG. 3, when a load strain is applied to the metal plate module, the sensor output increases in proportion to the load strain. However, when a certain strain value or more is applied, the behavior of the sensor output becomes nonlinear due to the plastic deformation of the bonding material. It is desirable that the region where the linearity is maintained (hereinafter referred to as a strain measurement range) be as wide as possible.
しかし、先述の通り、金属板モジュールには、初期の残留ひずみが発生している。ここで、図2に示すように、この金属板モジュールに圧縮ひずみを負荷する場合、接合材端部のせん断変形は、初期の残留ひずみのせん断変形と同じ方向である。 However, as described above, the initial residual strain is generated in the metal plate module. Here, as shown in FIG. 2, when compressive strain is applied to the metal plate module, the shear deformation at the end of the bonding material is in the same direction as the shear deformation of the initial residual strain.
一方、引張ひずみを負荷する場合、接合材端部のせん断変形は、初期の残留ひずみのせん断変形と逆方向である。したがって、圧縮側のひずみ計測範囲は、引張側のひずみ計測範囲と比較して、初期の残留ひずみの分だけ、小さくなると考えられる。ユーザは、引張側と圧縮側のひずみ計測範囲を同程度と考えて使用することが多いので、圧縮側のひずみ計測範囲のみが小さいという点は、ユーザにとっての利便性を低下させることになる。 On the other hand, when a tensile strain is applied, the shear deformation at the end of the bonding material is in the opposite direction to the shear deformation of the initial residual strain. Therefore, the strain measurement range on the compression side is considered to be smaller by the initial residual strain than the strain measurement range on the tension side. Since the user often uses the strain measurement range on the tension side and the compression side on the same level, the fact that only the strain measurement range on the compression side is small reduces the convenience for the user.
そこで、本発明の目的は、圧縮側のひずみ計測範囲を拡大した力学量測定装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a mechanical quantity measuring device in which the strain measurement range on the compression side is expanded.
本願発明の一態様である力学量測定装置は、表面と前記表面側に形成された複数のピエゾ抵抗素子と前記ピエゾ抵抗素子と電気的に接続された複数の電極パッドと前記表面の反対側に位置する裏面とを備えるセンサチップと、前記裏面と接合材を介して接合される金属板と、前記金属板の前記センサチップを接合した面の反対側の面であって、前記裏面と対応する位置に形成された突起部と、
を有することを特徴とする力学量測定装置である。
A mechanical quantity measuring device according to an aspect of the present invention includes a surface, a plurality of piezoresistive elements formed on the surface side, a plurality of electrode pads electrically connected to the piezoresistive elements, and an opposite side of the surface. A sensor chip including a back surface positioned, a metal plate bonded to the back surface via a bonding material, and a surface opposite to a surface of the metal plate on which the sensor chip is bonded, corresponding to the back surface. A protrusion formed at a position;
It is the mechanical quantity measuring device characterized by having.
また、表面と前記表面側に形成された複数のピエゾ抵抗素子と前記ピエゾ抵抗素子と電気的に接続された複数の電極パッドと前記表面の反対側に位置する裏面とを備えるセンサチップと、前記裏面と接合材を介して接合される金属板と、前記金属板の前記センサチップを接合した面の反対側の面であって、前記裏面と対応する位置に形成された凸状の湾曲部と、を有することを特徴とする力学量測定装置である。 A sensor chip comprising a front surface, a plurality of piezoresistive elements formed on the front surface side, a plurality of electrode pads electrically connected to the piezoresistive elements, and a back surface located on the opposite side of the surface; A metal plate bonded to the back surface via a bonding material; and a convex curved portion formed on a position opposite to the surface of the metal plate on which the sensor chip is bonded, corresponding to the back surface; A mechanical quantity measuring device characterized by comprising:
本発明によれば、力学量測定装置の計測可能な圧縮ひずみ量を拡大させることができる。 According to the present invention, the amount of compressive strain that can be measured by the mechanical quantity measuring device can be increased.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The embodiment is described
するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
[実施例1]
まず、本実施の形態の力学量測定装置の基本構成について、説明する。図4は、本実施の形態の力学量測定装置の透視平面図である。また、図5は、図4のA−A線に沿った断面図である。なお、図4では、封止樹脂12の内部構造を示すため封止樹脂12の輪郭を二点鎖線で示し、封止樹脂12を透過した内部構造を示している。図4および図5に示すように、本実施の形態の力学量測定装置である金属板モジュールは、半導体ひずみセンサであるセンサチップ1と、センサチップ1と電気的に接続される配線部11(フレキシブル配線板やガラエポ基板など)と、接合材2を介してセンサチップ1が搭載される金属板3と、センサチップ1を封止する封止樹脂12とを有している。
In all the drawings for the purpose, members having the same function are denoted by the same reference numerals, and repeated description thereof is omitted.
[Example 1]
First, the basic configuration of the mechanical quantity measuring device of the present embodiment will be described. FIG. 4 is a perspective plan view of the mechanical quantity measuring device according to the present embodiment. FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. In FIG. 4, in order to show the internal structure of the sealing resin 12, the outline of the sealing resin 12 is indicated by a two-dot chain line, and the internal structure that has passed through the sealing resin 12 is shown. As shown in FIGS. 4 and 5, the metal plate module that is the mechanical quantity measuring device of the present embodiment includes a sensor chip 1 that is a semiconductor strain sensor, and a wiring portion 11 (electrically connected to the sensor chip 1 ( A flexible wiring board, a glass epoxy substrate, etc.), a metal plate 3 on which the sensor chip 1 is mounted via the bonding material 2, and a sealing resin 12 for sealing the sensor chip 1.
図6aおよび図6bは、図4および5に示すセンサチップ1の表面側の構成を模式的に示す平面図である。センサチップ1は、図6aおよび図6bに示すように表面(主面)1aおよび表面1aの反対側に位置する裏面(主面)1bを備える。センサチップ1の裏面1bには金属膜が形成され、裏面1bは金属膜で覆われている。この金属膜は、例えば半導体基板側からクロム、ニッケル、金(Cr、Ni、Au)が順に積層された積層膜(金属積層膜)から成り、例えばスパッタ法により形成することができる。このようにセンサチップ1の裏面1bを金属膜で覆うことで、はんだなど金属製の接合材2との接合強度を向上させることができる。また、表面1aおよび裏面1bはそれぞれ四辺形(四角形)を成し、図6aおよび図6bに示す例では、例えば、一辺の長さが2mm〜3mm程度の正方形を成す。また、センサチップ1は、表面1a側の中央部に位置するセンサ領域14に形成された複数の抵抗素子15(ピエゾ抵抗素子)を備える。 6a and 6b are plan views schematically showing the configuration of the surface side of the sensor chip 1 shown in FIGS. The sensor chip 1 includes a front surface (main surface) 1a and a back surface (main surface) 1b located on the opposite side of the front surface 1a as shown in FIGS. 6a and 6b. A metal film is formed on the back surface 1b of the sensor chip 1, and the back surface 1b is covered with the metal film. This metal film is composed of a laminated film (metal laminated film) in which chromium, nickel, gold (Cr, Ni, Au) are sequentially laminated from the semiconductor substrate side, for example, and can be formed by, for example, a sputtering method. Thus, by covering the back surface 1b of the sensor chip 1 with the metal film, the bonding strength with the metal bonding material 2 such as solder can be improved. Further, the front surface 1a and the back surface 1b each form a quadrilateral (quadrangle), and in the example shown in FIGS. 6a and 6b, for example, each side has a length of about 2 mm to 3 mm. In addition, the sensor chip 1 includes a plurality of resistance elements 15 (piezoresistance elements) formed in the sensor region 14 located in the center portion on the surface 1a side.
また、センサチップ1は、表面1a側のセンサ領域14よりも周縁部側に位置する入出力回路領域に形成された、複数の抵抗素子15(ピエゾ抵抗素子)と電気的に接続される複数の電極(パッド、電極パッド9)を備える。複数の抵抗素子15は、例えば(100)面を有するシリコン基板の素子形成面に不純物をドープし、拡散させた不純物拡散領域により構成される。センサチップ1は、例えば4本の抵抗素子15を電気的に接続してホイートストンブリッジ回路を形成し、ピエゾ抵抗効果による抵抗素子15の抵抗変化を計測してひずみを検知する、検知回路(ひずみ検知回路)を備える。 In addition, the sensor chip 1 is electrically connected to a plurality of resistance elements 15 (piezoresistive elements) formed in an input / output circuit region located on the peripheral side of the sensor region 14 on the surface 1a side. An electrode (pad, electrode pad 9) is provided. The plurality of resistance elements 15 are constituted by impurity diffusion regions in which, for example, an element formation surface of a silicon substrate having a (100) plane is doped and diffused. For example, the sensor chip 1 electrically connects four resistance elements 15 to form a Wheatstone bridge circuit, and measures a resistance change of the resistance element 15 due to the piezoresistance effect to detect strain. Circuit).
また、検知回路は、複数の配線を介して複数の電極パッド9に接続される。複数の電極パッド9は、センサチップ1の入出力端子となっており、例えば、センサチップ1に電源電位(第1電源電位)を供給する端子Vcc、基準電位(第2電源電位)を供給する端子GND、および検知信号を出力する端子SIGが含まれる。また、検知回路を構成する複数の抵抗素子15のレイアウトは、図6に示す態様に限定されるものではないが、本実施の形態では以下の構成としている。すなわち、センサチップ1が備える半導体基板(例えばシリコン(Si)から成るシリコン基板)を単結晶(シリコン単結晶)とした場合、検知回路を構成する複数の抵抗素子15の延在方向(長手方向)は、それぞれ(100)面を有する半導体基板の<110>方向または<100>方向と一致する。例えば、図6aに示す例では、センサチップ1が備える半導体基板(シリコン基板)には、シリコン単結晶の<110>方向(図6aではX方向およびX方向と直交するY方向)の結晶方位に沿って電流が流れるように4本のp型拡散領域(導電型がp型である不純物をドープした領域)が形成される。言い換えれば、センサチップ1では、シリコン基板のシリコン単結晶の<110>方向の結晶方位に沿って延びるように4箇所にp型の不純物をドープして、4本の抵抗素子15が形成される。 The detection circuit is connected to the plurality of electrode pads 9 via a plurality of wirings. The plurality of electrode pads 9 are input / output terminals of the sensor chip 1. For example, a terminal Vcc that supplies a power supply potential (first power supply potential) to the sensor chip 1 and a reference potential (second power supply potential) are supplied. A terminal GND and a terminal SIG for outputting a detection signal are included. Further, the layout of the plurality of resistance elements 15 constituting the detection circuit is not limited to the mode shown in FIG. 6, but the following configuration is adopted in the present embodiment. That is, when the semiconductor substrate (for example, a silicon substrate made of silicon (Si)) provided in the sensor chip 1 is a single crystal (silicon single crystal), the extending direction (longitudinal direction) of the plurality of resistance elements 15 constituting the detection circuit. Respectively coincide with the <110> direction or <100> direction of a semiconductor substrate having a (100) plane. For example, in the example shown in FIG. 6a, the semiconductor substrate (silicon substrate) provided in the sensor chip 1 has a crystal orientation in the <110> direction of the silicon single crystal (the X direction and the Y direction orthogonal to the X direction in FIG. 6a). Four p-type diffusion regions (regions doped with impurities whose conductivity type is p-type) are formed so that a current flows along. In other words, in the sensor chip 1, four resistance elements 15 are formed by doping p-type impurities at four locations so as to extend along the crystal orientation in the <110> direction of the silicon single crystal of the silicon substrate. .
また、図6bに示す例では、センサチップ1が備える半導体基板(シリコン基板)には、シリコン単結晶の<100>方向(図6bではX方向およびX方向と直交するY方向)の結晶方位に沿って電流が流れるように4本のn型拡散領域(導電型がn型である不純物をドープした領域)が形成される。言い換えれば、センサチップ1では、シリコン基板のシリコン単結晶の<100>方向の結晶方位に沿って延びるように4箇所にn型の不純物をドープして、4本の抵抗素子15が形成される。 In the example shown in FIG. 6b, the semiconductor substrate (silicon substrate) included in the sensor chip 1 has a crystal orientation in the <100> direction of the silicon single crystal (the X direction and the Y direction orthogonal to the X direction in FIG. 6b). Four n-type diffusion regions (regions doped with impurities whose conductivity type is n-type) are formed so that a current flows along. In other words, in the sensor chip 1, four resistance elements 15 are formed by doping n-type impurities at four locations so as to extend along the crystal orientation in the <100> direction of the silicon single crystal of the silicon substrate. .
図6aおよび図6bに示すように、検知回路を構成する複数の抵抗素子15の延在方向が、それぞれ(100)面を有する半導体基板の<110>方向または<100>方向と一致するセンサチップ1は、例えば図6aおよび図6bに示すX方向のひずみと、Y方向のひずみの差分を出力することができる。詳しくは、図6aおよび図6bに示す端子SIGから、X方向のひずみとY方向のひずみの差分を電位差として出力することができる。このように、X方向のひずみとY方向のひずみの差分を出力する計測方式は、センサチップ1に印加される熱ひずみの影響を低減する観点から有利である。 As shown in FIGS. 6a and 6b, the sensor chip in which the extending directions of the plurality of resistance elements 15 constituting the detection circuit coincide with the <110> direction or the <100> direction of the semiconductor substrate having the (100) plane, respectively. 1 can output, for example, the difference between the strain in the X direction and the strain in the Y direction shown in FIGS. 6a and 6b. Specifically, the difference between the strain in the X direction and the strain in the Y direction can be output as a potential difference from the terminal SIG shown in FIGS. 6a and 6b. As described above, the measurement method that outputs the difference between the strain in the X direction and the strain in the Y direction is advantageous from the viewpoint of reducing the influence of the thermal strain applied to the sensor chip 1.
すなわち、図1に示すようにセンサチップ1は、複数の部材(図5の場合は、金属板3、接合材2)を介して被測定物上に固定されるため、測定環境温度が変化すると、各部材の線膨張係数の違いに起因した熱ひずみが生じる。この熱ひずみは測定対象となるひずみとは異なるノイズ成分なので、熱ひずみの影響は低減する方が好ましい。 That is, as shown in FIG. 1, the sensor chip 1 is fixed on the object to be measured via a plurality of members (in the case of FIG. 5, the metal plate 3 and the bonding material 2). The thermal distortion resulting from the difference of the linear expansion coefficient of each member arises. Since this thermal strain is a noise component different from the strain to be measured, it is preferable to reduce the influence of thermal strain.
ここで、図6aおよび図6bに示すように、センサチップ1の平面形状が正方形の場合、熱ひずみの影響は、X方向とY方向で同程度となる。このため、例えば、X方向に発生するひずみを検出する場合には、X方向のひずみとY方向のひずみの差分を出力すれば、熱ひずみに起因するひずみ量はキャンセルされ、測定対象であるひずみを選択的に検出することができる。 Here, as shown in FIGS. 6a and 6b, when the planar shape of the sensor chip 1 is a square, the influence of the thermal strain is approximately the same in the X direction and the Y direction. For this reason, for example, when detecting the strain generated in the X direction, if the difference between the strain in the X direction and the strain in the Y direction is output, the strain amount due to the thermal strain is canceled, and the strain to be measured. Can be selectively detected.
つまり、センサチップ1を用いれば、熱ひずみによる影響を低減できるので、環境温度の変化によるひずみ値のばらつきを低減することができる。また、センサチップ1を構成する抵抗素子15や電極パッド9などの各部材は、公知の半導体装置の製造技術を適用して形成することができるので、素子や配線の微細化が容易である。また、製造効率を向上させて、製造コストを低減することができる。
That is, if the sensor chip 1 is used, the influence of thermal strain can be reduced, so that variation in strain value due to changes in environmental temperature can be reduced. In addition, since each member such as the resistance element 15 and the electrode pad 9 constituting the sensor chip 1 can be formed by applying a known semiconductor device manufacturing technique, the elements and wirings can be easily miniaturized. Moreover, manufacturing efficiency can be improved and manufacturing cost can be reduced.
次に、接合材2について説明する。接合材2は、センサチップ1の裏面全体、およびセンサチップ1の側面の一部を覆うように設けられる。言い換えれば、接合材2の周縁部は、センサチップ1の側面の外側まで広がり、フィレットを形成することもある。センサチップ1と金属板3を固定する観点からは、接合材2は金属材料に限定されず、例えば熱硬化性樹脂などの樹脂製接着材を用いることができる。 Next, the bonding material 2 will be described. The bonding material 2 is provided so as to cover the entire back surface of the sensor chip 1 and a part of the side surface of the sensor chip 1. In other words, the peripheral edge of the bonding material 2 may extend to the outside of the side surface of the sensor chip 1 to form a fillet. From the viewpoint of fixing the sensor chip 1 and the metal plate 3, the bonding material 2 is not limited to a metal material, and for example, a resin adhesive such as a thermosetting resin can be used.
次に、図4に示すように金属板上には、センサチップ1の複数の電極パッド9と電気的に接続される複数の配線を備える配線部11が固定される。配線11は、複数の金属パターンである配線部が樹脂フィルム内に封止された構成であり、樹脂フィルムの一部に設けられた開口部において、複数の配線の一部が露出して、この露出部分が複数の端子を構成する。また、図4に示す例では、センサチップ1の複数の電極パッド9と配線部の複数の端子は、複数のAuワイヤ10(導電性部材)を介して電気的に接続されている。ワイヤ10は、例えば、線径が10μm〜200μm程度の金線(Au線)であって、封止樹脂12により封止されている。封止樹脂12でワイヤ10を覆うことにより、隣り合うワイヤ同士の短絡を防止できる。また、配線部の一方の端部は、図4に示すように金属板に固定されるが、他方の端部には例えば図示しないコネクタが形成され、例えば、ひずみ測定を制御する制御回路(図示は省略)などと電気的に接続される。なお、図4では、配線部とワイヤとは区別して説明したが、複数のワイヤを含めて配線部と見做すこともできる。また、配線部は、センサチップ1と図示しない外部機器の間で、入出力電流を伝送することができれば良く、図4に示す態様には限定されない。 Next, as shown in FIG. 4, a wiring portion 11 including a plurality of wirings electrically connected to the plurality of electrode pads 9 of the sensor chip 1 is fixed on the metal plate. The wiring 11 has a configuration in which a wiring portion which is a plurality of metal patterns is sealed in a resin film, and a part of the plurality of wirings is exposed in an opening provided in a part of the resin film. The exposed portion constitutes a plurality of terminals. In the example shown in FIG. 4, the plurality of electrode pads 9 of the sensor chip 1 and the plurality of terminals of the wiring portion are electrically connected via a plurality of Au wires 10 (conductive members). The wire 10 is, for example, a gold wire (Au wire) having a wire diameter of about 10 μm to 200 μm, and is sealed with a sealing resin 12. By covering the wire 10 with the sealing resin 12, a short circuit between adjacent wires can be prevented. Further, one end of the wiring portion is fixed to a metal plate as shown in FIG. 4, but a connector (not shown) is formed on the other end, for example, a control circuit (not shown) for controlling strain measurement. Is omitted). In FIG. 4, the wiring portion and the wire are described separately, but a plurality of wires may be considered as the wiring portion. Moreover, the wiring part should just be able to transmit an input-output current between the sensor chip 1 and the external apparatus which is not shown in figure, and is not limited to the aspect shown in FIG.
次に、金属板について説明する。金属板の構成材料は特に限定されないが、金属板の材質は、被測定物の材質と同じにすることが望ましい。これは、環境温度が変動した際、被測定物と金属板のα差に起因した熱ひずみの発生を抑制するためである。したがって、金属板の種類としては、被測定物の材料として使用されることが多い鉄(Fe)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、所謂ステンレス鋼(クロム元素を含む鉄合金)あるいは、所謂ジュラルミン(アルミニウム合金)などから成る。 Next, the metal plate will be described. The constituent material of the metal plate is not particularly limited, but the material of the metal plate is preferably the same as the material of the object to be measured. This is to suppress the occurrence of thermal strain due to the α difference between the object to be measured and the metal plate when the environmental temperature fluctuates. Therefore, as a kind of the metal plate, iron (Fe), copper (Cu), aluminum (Al), so-called stainless steel (iron alloy containing chromium element) or so-called often used as the material of the object to be measured, or so-called Made of duralumin (aluminum alloy).
また、図5に示すように、金属板3はセンサチップ1が搭載される(センサチップ1の裏面1bと対向する)領域(センサチップ搭載領域31)と、領域31を挟んで両隣に配置されるセンサチップ未搭載領域32と、を備え、領域31内の一部に、突起部13を有する。突起部両端の位置16は、センサチップ両端の位置17よりも内側に存在することを特徴とする。このような寸法関係とすることによる効果は後述する。一方、上面側は、同じ高さで平坦化されている。金属板3は、例えば、平坦な平板に対して、エッチング加工、機械切削加工、あるいはプレス加工などで形成することができる。 Further, as shown in FIG. 5, the metal plate 3 is disposed on both sides of the region (sensor chip mounting region 31) on which the sensor chip 1 is mounted (opposite the back surface 1 b of the sensor chip 1) and the region 31. And a sensor chip non-mounting region 32, and a protrusion 13 is provided in a part of the region 31. The positions 16 at both ends of the protrusion are present inside the positions 17 at both ends of the sensor chip. The effect of having such a dimensional relationship will be described later. On the other hand, the upper surface side is flattened at the same height. The metal plate 3 can be formed by, for example, etching, machining, or pressing on a flat plate.
また、図4に示すように、金属板3の4つの角部(四隅部分)は平面視において、円弧形状を成す。金属板モジュールを、被測定物に接着剤で取り付ける場合、金属板3の4つの角部は、被測定物5にひずみを負荷した時に、最も応力が集中しやすい。したがって、図4に示すように、4つの角部はそれぞれ円弧形状を成すように加工することが好ましい。これにより応力を分散させる事ができるので、各角部の周辺において、接着層のひずみ集中を緩和して、剥離またはクラックの発生を抑制することができる。また、角部を円弧形状とすることで、金属板3自身に発生する応力を緩和することができる。このため、金属板3の疲労破壊を抑制することができる。 Further, as shown in FIG. 4, the four corners (four corners) of the metal plate 3 form an arc shape in plan view. When the metal plate module is attached to the object to be measured with an adhesive, the four corners of the metal plate 3 are most likely to concentrate stress when strain is applied to the object to be measured 5. Therefore, as shown in FIG. 4, it is preferable to process the four corners so as to form an arc shape. As a result, stress can be dispersed, so that the strain concentration of the adhesive layer can be relaxed around the corners, and the occurrence of peeling or cracking can be suppressed. Moreover, the stress which generate | occur | produces in the metal plate 3 itself can be relieve | moderated by making a corner | angular part into circular arc shape. For this reason, fatigue failure of the metal plate 3 can be suppressed.
次に、図7は、本実施の形態の力学量測定装置が被測定物上に接着固定された状態を示す透視平面図である。また、図8は、図7のA−A線に沿った断面図である。図8に示すように、金属板モジュール4は、金属板3の下面(実装面3b)側が、接着剤6を介して被測定物に接着固定され、被測定物5に負荷されたひずみは、接着剤6および金属板3を介してセンサチップ1に伝達され、計測される。次に、金属板モジュール4を被測定物に接着剤で取り付ける場合、通常、金属板の両端部を上部から加圧・加熱して接着する。これは、加圧することによって、接着剤の接着強度を向上させることができるためである。 Next, FIG. 7 is a perspective plan view showing a state in which the mechanical quantity measuring device of the present embodiment is bonded and fixed on the object to be measured. FIG. 8 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. As shown in FIG. 8, in the metal plate module 4, the lower surface (mounting surface 3b) side of the metal plate 3 is bonded and fixed to the measurement object via the adhesive 6, and the strain applied to the measurement object 5 is It is transmitted to the sensor chip 1 via the adhesive 6 and the metal plate 3 and measured. Next, when the metal plate module 4 is attached to the object to be measured with an adhesive, both ends of the metal plate are usually bonded by pressing and heating from above. This is because the adhesive strength of the adhesive can be improved by applying pressure.
ここで、金属板3の裏側には、突起部13が存在するため、接着時の加圧によって、金属板モジュールには、上に凸方向の反り変形が発生する。また、最終的に、この上に凸の反り変形が発生した状態で、接着されることになる。したがって、接合材2にも、金属板3が伸びる変形に起因したせん断ひずみが発生することになる。上述した通り、接合材2には、金属板の大きな収縮による残留せん断ひずみが発生しているため、圧縮側の計測ひずみ範囲が小さくなっている。しかし、本実施例の構造を用いれば、モジュールを取り付けた初期状態において、接合材2に発生する残留ひずみを低減することができる。つまり、圧縮側の計測ひずみ範囲を拡大することが可能となる。なお、ユーザは、モジュールの取付工程において、特に意識することなく、通常の貼付作業を実施するだけでよい。 Here, since the protrusions 13 are present on the back side of the metal plate 3, the metal plate module is warped upward in a convex direction by pressurization during bonding. Further, finally, bonding is performed in a state in which a convex warpage deformation has occurred. Therefore, the shearing strain resulting from the deformation of the metal plate 3 is also generated in the bonding material 2. As described above, since the residual shear strain due to the large shrinkage of the metal plate is generated in the bonding material 2, the measurement strain range on the compression side is small. However, if the structure of the present embodiment is used, the residual strain generated in the bonding material 2 can be reduced in the initial state where the module is attached. That is, it is possible to expand the measurement strain range on the compression side. It should be noted that the user need only perform a normal pasting operation without being particularly conscious in the module mounting process.
また、突起部13の両端の位置16が、チップ両端の位置17よりも内側にない場合、接合材の裏面側と接する金属板に引張ひずみを印加することができない可能性がある。したがって、突起部13の両端の位置16は、チップ両端の位置17よりも内側に位置する必要がある。
[実施例2]
図9は、本実施の形態の力学量測定装置が被測定物上にねじ締めで固定された状態を示す透視平面図である。また、図10は、図9のA−A線に沿った断面図である。図10に示すように、金属板モジュール4は、金属板3の両端に設けられた穴部を介して、ねじ7によって、被測定物5に取り付けられる。本構造の場合、実施例1の接着剤で固着する場合と同様の効果を得ることができる。すなわち、ねじ締めによって、金属板モジュール4には、上に凸方向の反り変形が発生する。よって、接合材2にも、金属板3が伸びる変形に起因したせん断ひずみが負荷される。この変形によって、接合材2の初期残留ひずみは低減するので、金属板モジュールの圧縮側の計測ひずみ範囲を拡大することが可能となる。なお、ユーザは、モジュールの取付工程において、特に意識することなく、通常の貼付作業を実施するだけでよい。
[実施例3]
図11は、本実施の形態の力学量測定装置の断面構造を示した図である。金属板3は、センサチップの両端間の領域31内において、下に凸の婉曲部を有する構造(金属板裏面側の湾曲部18)
となっている。また、領域31における金属板の厚さは、領域32における金属板の厚さよりも厚い。この金属板モジュールを、被測定物に接着剤を用いて固定する場合、実施例1に記載した内容と同様の効果を得ることができると考えられる。また、この金属板モジュールの両端に穴部を設け、被測定物にねじ留めをする場合、実施例2に記載した内容と同様の効果を得ることができると考えられる。
Further, when the positions 16 at both ends of the protrusion 13 are not inside the positions 17 at both ends of the chip, there is a possibility that tensile strain cannot be applied to the metal plate in contact with the back side of the bonding material. Therefore, the positions 16 at both ends of the protrusion 13 need to be located inside the positions 17 at both ends of the chip.
[Example 2]
FIG. 9 is a perspective plan view showing a state in which the mechanical quantity measuring device according to the present embodiment is fixed to the object to be measured by screw tightening. FIG. 10 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. As shown in FIG. 10, the metal plate module 4 is attached to the object to be measured 5 with screws 7 through holes provided at both ends of the metal plate 3. In the case of this structure, the same effect as the case of fixing with the adhesive of Example 1 can be obtained. In other words, the metal plate module 4 is warped upward in the convex direction due to the screw tightening. Therefore, the joining material 2 is also subjected to a shear strain due to the deformation that the metal plate 3 extends. By this deformation, the initial residual strain of the bonding material 2 is reduced, so that the measurement strain range on the compression side of the metal plate module can be expanded. It should be noted that the user need only perform a normal pasting operation without being particularly conscious in the module mounting process.
[Example 3]
FIG. 11 is a diagram showing a cross-sectional structure of the mechanical quantity measuring device according to the present embodiment. The metal plate 3 has a structure having a downwardly bent portion in the region 31 between both ends of the sensor chip (curved portion 18 on the back side of the metal plate).
It has become. Further, the thickness of the metal plate in the region 31 is larger than the thickness of the metal plate in the region 32. When this metal plate module is fixed to an object to be measured using an adhesive, it is considered that the same effects as those described in Example 1 can be obtained. Further, when holes are provided at both ends of the metal plate module and the object to be measured is screwed, it is considered that the same effect as described in Example 2 can be obtained.
1…センサチップ、1a…表面、1b…裏面、2…接合材、3…金属板、3b…実装面、4…金属板モジュール、5…被測定物、6…接着剤、7…ねじ、8…溶接部、9…電極パッド、10…Auワイヤ、11…配線部、12…封止樹脂、13…突起部、14…センサ領域、15…抵抗素子、16…突起部両端の位置、17…センサチップ両端の位置、18…金属板裏面側の湾曲部、31…センサチップ搭載領域、32…センサチップ未搭載領域 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Sensor chip, 1a ... Front surface, 1b ... Back surface, 2 ... Bonding material, 3 ... Metal plate, 3b ... Mounting surface, 4 ... Metal plate module, 5 ... Measuring object, 6 ... Adhesive, 7 ... Screw, 8 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Welding part, 9 ... Electrode pad, 10 ... Au wire, 11 ... Wiring part, 12 ... Sealing resin, 13 ... Projection part, 14 ... Sensor area | region, 15 ... Resistance element, 16 ... Position of both ends of projection part, 17 ... Positions at both ends of the sensor chip, 18 ... curved portion on the back side of the metal plate, 31 ... sensor chip mounting area, 32 ... sensor chip non-mounting area
Claims (7)
前記裏面と接合材を介して接合される金属板と、
前記金属板の前記センサチップを接合した面の反対側の面であって、前記裏面と対応する位置に形成された突起部と、
を有することを特徴とする力学量測定装置。 A sensor chip comprising a front surface, a plurality of piezoresistive elements formed on the front surface side, a plurality of electrode pads electrically connected to the piezoresistive elements, and a back surface located on the opposite side of the surface;
A metal plate bonded to the back surface via a bonding material;
A protrusion formed on the opposite side of the surface of the metal plate to which the sensor chip is joined, and corresponding to the back surface;
A mechanical quantity measuring device comprising:
前記裏面と接合材を介して接合される金属板と、
前記金属板の前記センサチップを接合した面の反対側の面であって、前記裏面と対応する位置に形成された凸状の湾曲部と、
を有することを特徴とする力学量測定装置。 A sensor chip comprising a front surface, a plurality of piezoresistive elements formed on the front surface side, a plurality of electrode pads electrically connected to the piezoresistive elements, and a back surface located on the opposite side of the surface;
A metal plate bonded to the back surface via a bonding material;
A convex curved portion formed on the opposite side of the surface of the metal plate to which the sensor chip is joined, corresponding to the back surface;
A mechanical quantity measuring device comprising:
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2013144106A JP2015017848A (en) | 2013-07-10 | 2013-07-10 | Dynamic quantity measuring device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2013144106A JP2015017848A (en) | 2013-07-10 | 2013-07-10 | Dynamic quantity measuring device |
Publications (1)
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2013
- 2013-07-10 JP JP2013144106A patent/JP2015017848A/en active Pending
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