特許 7343343 センサチップ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-09-04

(45)【発行日】2023-09-12

(54)【発明の名称】センサチップ

(51)【国際特許分類】

   G01L 9/00 20060101AFI20230905BHJP

   H01L 29/84 20060101ALI20230905BHJP

【ＦＩ】

G01L9/00 303B

H01L29/84 B

H01L29/84 A

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2019174117

(22)【出願日】2019-09-25

(65)【公開番号】P2021051002

(43)【公開日】2021-04-01

【審査請求日】2022-06-07

(73)【特許権者】

【識別番号】000116633

【氏名又は名称】愛知時計電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】西田 将志

【審査官】岡田 卓弥

(56)【参考文献】

【文献】特開２００７－１３２９４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－３０１５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭４９－６０４８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／００９０３９８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｌ ７／００－２３／３２

Ｇ０１Ｌ２７／００－２７／０２

Ｈ０１Ｌ２９／８４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体からなるセンサチップであって、
流体の圧力を受圧する受圧面を備えているダイヤフラム部と、
前記ダイヤフラム部の外周端部を支持している支持部と、
前記ダイヤフラム部に配置されている複数のピエゾ抵抗部と、
複数の前記ピエゾ抵抗部よりも前記受圧面側において前記受圧面に沿う方向に延びている絶縁膜と、
複数の前記ピエゾ抵抗部の周りにおいて前記受圧面と反対側の面から前記絶縁膜に達する位置まで延びている溝部であって、前記受圧面と直交する方向に視たときに複数の前記ピエゾ抵抗部を囲むように一周している前記溝部と、を備えており、
前記溝部は、前記絶縁膜を貫通して延びている、センサチップ。

【請求項2】

前記溝部に充填されている絶縁性の充填材を更に備えている、請求項１に記載のセンサチップ。

【請求項3】

容器又は管に固定されている請求項１又は２に記載のセンサチップであって、
前記ダイヤフラム部の前記受圧面が前記容器又は前記管の内部を向くように前記容器又は前記管の内面に固定されている、センサチップ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書に開示する技術は、センサチップに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に半導体からなる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、ダイヤフラム部と、ダイヤフラム部の外周端部を支持している支持部と、ダイヤフラム部に配置されている複数のピエゾ抵抗部と、複数のピエゾ抵抗部よりも下側においてダイヤフラム部の下面に沿う方向に延びている絶縁膜とを備えている。また、特許文献１のセンサチップは、複数のピエゾ抵抗部のそれぞれの周りにおいてダイヤフラム部の上面から絶縁膜に達する位置まで延びている複数の溝部を備えている。各溝部は、ダイヤフラム部の上面と直交する方向に視たときに、各ピエゾ抵抗部を囲んでいる。特許文献１のセンサチップでは、ダイヤフラム部に圧力が作用したときのダイヤフラム部の応力を複数のピエゾ抵抗部を利用して検出する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００６－３０１５９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１にセンサチップでは、各ピエゾ抵抗部の周りに形成されている各溝部によって各ピエゾ抵抗部を周囲から絶縁している。しかしながら、特許文献１にセンサチップでは、各溝部が各ピエゾ抵抗部を囲んでいるので、ダイヤフラム部の応力がピエゾ抵抗部とピエゾ抵抗部との間の溝部によって分断されてしまうという問題があった。そのため、ダイヤフラム部の応力を精度良く検出することができないことがあった。

【0005】

本明細書は、複数のピエゾ抵抗部を周囲から絶縁すると共にダイヤフラム部の応力を精度良く検出することができる技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本明細書に開示するセンサチップは、半導体からなるセンサチップであってもよい。センサチップは、流体の圧力を受圧する受圧面を備えているダイヤフラム部と、前記ダイヤフラム部の外周端部を支持している支持部と、前記ダイヤフラム部に配置されている複数のピエゾ抵抗部と、複数の前記ピエゾ抵抗部よりも前記受圧面側において前記受圧面に沿う方向に延びている絶縁膜と、複数の前記ピエゾ抵抗部の周りにおいて前記受圧面と反対側の面から前記絶縁膜に達する位置まで延びている溝部であって、前記受圧面と直交する方向に視たときに複数の前記ピエゾ抵抗部を囲むように一周している前記溝部と、を備えていてもよい。

【0007】

この構成によれば、複数のピエゾ抵抗部よりも受圧面側では、受圧面に沿う方向に延びている絶縁膜によって複数のピエゾ抵抗部を周囲から絶縁することができる。更に、複数のピエゾ抵抗部の周りにおいて受圧面と反対側の面から絶縁膜に達する位置まで延びている溝部によって、複数のピエゾ抵抗部を周囲から絶縁することができる。また、上記の構成によれば、受圧面と直交する方向に視たときに溝部が複数のピエゾ抵抗部を囲むように一周している。そのため、複数のピエゾ抵抗部を溝部によって周囲から絶縁することができる一方で、ダイヤフラム部の応力がピエゾ抵抗部とピエゾ抵抗部との間で溝部によって分断されることがない。したがって、ダイヤフラム部の応力を精度良く検出することができる。

【0008】

前記溝部は、前記絶縁膜を貫通して延びていてもよい。この構成によれば、絶縁性を高めることができる。

【0009】

センサチップは、前記溝部に充填されている絶縁性の充填材を更に備えていてもよい。この構成によれば、絶縁性を高めることができる。

【0010】

センサチップは、容器又は管に固定されていてもよい。センサチップは、前記ダイヤフラム部の前記受圧面が前記容器又は前記管の内部を向くように前記容器又は前記管の内面に固定されていてもよい。

【0011】

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に作用したときに、センサチップが容器又は管の内面に押し付けられるので、センサチップを容器又は管に強固に固定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施例に係るセンサチップの断面図である。

【図2】実施例に係るセンサチップの上面図である。

【図3】他の実施例に係るセンサチップの断面図である。

【図4】他の実施例に係るセンサチップの断面図である。

【図5】他の実施例に係るセンサチップの断面図である。

【図6】他の実施例に係るセンサチップの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

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、絶縁膜４０と、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ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板から作製されている。

【0014】

センサチップ１は、液体ｗが収容されている容器２００の内部に配置されている。センサチップ１は、容器２００の上部２０５の内面２１０に固定されている。容器２００の上部２０５には開口部２２０が形成されている。センサチップ１は、ダイヤフラム部１０が容器２００の開口部２２０と向かい合うように配置されている。センサチップ１が固定されている容器２００は、液体ｗが流れる管２５０に固定されている。管２５０の内部を流れる液体ｗが容器２００の内部に流入する。容器２００の内部の液体ｗの圧力がセンサチップ１に作用する。センサチップ１は、液体ｗの圧力を検出するために用いられる。圧力検出対象の液体ｗは、例えば水である。水は導電性を有している。

【0015】

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、ＳＯＩ基板を絶縁膜４０まで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、容器２００の内部の液体ｗの圧力を受圧する受圧面１４を備えている。受圧面１４は、ダイヤフラム部１０の下面に形成されている。受圧面１４は、容器２００の内部を向いている。受圧面１４は、容器２００の上部２０５の内面２１０と反対側（下側）を向いている。受圧面１４は、容器２００の内部の液体ｗに面している。容器２００の内部の液体ｗの圧力が受圧面１４に作用する。ダイヤフラム部１０は、受圧面１４が液体ｗの圧力を受圧すると上側に撓むように変形する。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）。ダイヤフラム部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。

【0016】

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、容器２００の内部の液体ｗ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。

【0017】

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に作用する液体ｗ（容器２００の内部の液体ｗ）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。

【0018】

センサチップ１の支持部３０は、ダイヤフラム部１０の周りに位置している。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、ダイヤフラム部１０と一体的に形成されている。支持部３０は、半導体（例えば、Ｓｉ）から形成されている。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に沿って一周している。支持部３０の下面や外周面は容器２００の内部の液体ｗに接している。

【0019】

支持部３０は、容器２００の上部２０５の内面２１０に固定される固定面３２を備えている。固定面３２は、センサチップ１の上面に形成されている。固定面３２は、ダイヤフラム部１０の受圧面１４と反対側（上側）を向いている。固定面３２は、受圧面１４よりも上側に位置している。固定面３２は、ダイヤフラム部１０の受圧面１４が容器２００の内部を向き、ダイヤフラム部１０の上面が容器２００の外部を向くように容器２００に固定されている。固定面３２は、容器２００の内面２１０に接着剤６０によって接着されている。接着剤６０は、例えばシリコーンである。固定面３２は、後述する溝部５０よりも外側に位置している。

【0020】

絶縁膜４０は、例えばＳｉＯ_２膜である。絶縁膜４０は、ダイヤフラム部１０の下に配置されている。絶縁膜４０は、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よりも受圧面１４側（下側）に配置されている。絶縁膜４０は、複数のピエゾ抵抗部２０と容器２００の内部の液体ｗとの間に位置している。絶縁膜４０は、ダイヤフラム部１０の受圧面１４の全体を覆っている。絶縁膜４０は、受圧面１４に沿う方向に延びている。絶縁膜４０は、受圧面１４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４０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４０は、支持部３０の内部に配置されている。

【0021】

溝部５０は、支持部３０に形成されている。溝部５０は、支持部３０の上面から絶縁膜４０よりも下側まで連続して延びている。溝部５０は、絶縁膜４０を貫通して延びている。溝部５０の底面５２が絶縁膜４０よりも下側に位置している。溝部５０は、例えば、ＳＯＩ基板を絶縁膜４０よりも下側までエッチングすることによって形成される。溝部５０は、複数のピエゾ抵抗部２０の周りに形成されている。溝部５０は、複数のピエゾ抵抗部２０の全てを囲んでいる。溝部５０は、ダイヤフラム部１０の外周端部１２よりも外側に形成されている。溝部５０は、支持部３０の固定面３２よりも内側に形成されている。溝部５０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）。溝部５０は、ダイヤフラム部１０の外周端部１２に沿って一周している。溝部５０は、外周端部１２に沿って連続して延びている。溝部５０は、円形状に形成されている。

【0022】

上記のセンサチップ１では、容器２００の内部の液体ｗ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が上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。

【0023】

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、複数のピエゾ抵抗部２０よりも受圧面１４側において受圧面１４に沿う方向に延びている絶縁膜４０を備えている。また、センサチップ１は、複数のピエゾ抵抗部２０の周りにおいて受圧面１４と反対側の面（支持部３０の上面）から絶縁膜４０を貫通して絶縁膜４０の下側まで延びている溝部５０を備えている。溝部５０は、受圧面１４と直交する方向に視たときに複数のピエゾ抵抗部２０を囲むように一周している。

【0024】

この構成によれば、複数のピエゾ抵抗部２０よりも受圧面１４側では絶縁膜４０によって複数のピエゾ抵抗部２０を周囲から絶縁することができる。また、受圧面１４に沿う方向では、絶縁膜４０の下側まで延びている溝部５０によって、複数のピエゾ抵抗部２０を周囲から絶縁することができる。そのため、容器２００の内部の液体ｗが導電性を有していても、各ピエゾ抵抗部２０から液体ｗに電流がリークすることを抑制することができる。更に、上記の構成では、溝部５０が複数のピエゾ抵抗部２０を囲むように一周しているので、ダイヤフラム部１０における応力がピエゾ抵抗部２０とピエゾ抵抗部２０との間で溝部５０によって分断されることがない。したがって、複数のピエゾ抵抗部２０を周囲から絶縁すると共に、ダイヤフラム部１０における応力を精度良く検出することができる。

【0025】

また、上記の構成では、溝部５０が絶縁膜４０を貫通して延びている。そのため、周囲に対する複数のピエゾ抵抗部２０の絶縁性を高めることができる。

【0026】

また、上記の構成では、ダイヤフラム部１０の受圧面１４が容器２００の内部を向くようにセンサチップ１が容器２００の内面２１０に固定されている。この構成によれば、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２００の内面２１０に押し付けられるので、センサチップ１を容器２００に強固に固定することができる。

【0027】

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。

【0028】

（１）他の実施例では、図３に示すように、容器２００の開口部２２０及びセンサチップ１の溝部５０に充填材７０が充填されていてもよい。充填材７０は、絶縁性の材料からなる。充填材７０は、例えば、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂からなる。充填材７０は、ダイヤフラム部１０の上面を覆っている。また、他の実施例では、支持部３０の下にガラス部材１３０が配置されていてもよい。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の受圧面１４と向かい合うように配置されている。

【0029】

（２）更に他の実施例では、図４に示すように、支持部３０に複数の溝部５０が形成されていてもよい。溝部５０の数は特に限定されるものではない。

【0030】

（３）上記の実施例では、溝部５０が絶縁膜４０を貫通して絶縁膜４０の下側まで延びていたが、この構成に限定されるものではない。他の実施例では、図５に示すように、溝部５０が絶縁膜４０を貫通していなくてもよい。溝部５０は、絶縁膜４０に達する位置まで延びていればよい。溝部５０の底面５２が絶縁膜４０に達していればよい。この構成によっても、複数のピエゾ抵抗部２０を周囲から絶縁することができる。

【0031】

（４）上記の実施例では、絶縁膜４０がダイヤフラム部１０の受圧面１４を覆っ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。他の実施例では、図６に示すように、ダイヤフラム部１０の内部に絶縁膜４０が形成されていてもよい。ダイヤフラム部１０の受圧面１４よりも上側に絶縁膜４０が配置されていてもよい。この構成では、絶縁膜４０よりも下側に受圧面１４が位置している。受圧面１４が容器２００の内部の液体ｗに接触している。また、上記の実施例では、支持部３０に溝部５０が形成されていたが、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、ダイヤフラム部１０に溝部５０が形成されていてもよい。図６に示す構成によっても、複数のピエゾ抵抗部２０を周囲から絶縁すると共にダイヤフラム部１０における応力を精度良く検出することができる。

【0032】

（５）上記の実施例では、ダイヤフラム部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。他の実施例では、ダイヤフラム部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。

【0033】

（６）上記の実施例では、センサチップ１が容器２００の内面２１０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が容器２００の外面に固定されていてもよい。また、更に他の実施例では、センサチップ１が管２５０の内面に固定されていてもよい。センサチップ１が固定される部材は特に限定されるものではない。ダイヤフラム部１０の受圧面１４が液体ｗ側を向くように配置されていればよい。

【0034】

（７）上記の実施例では、流体の一例として液体ｗを用いていたが、この構成に限定されるものではなく、他の実施例では、流体が気体であってもよい。

【0035】

（８）上記の実施例では、センサチップ１が接着剤６０によって容器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。

【0036】

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。

【符号の説明】

【0037】

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：絶縁膜、５０：溝部、５２：底面、６０：接着剤、７０：充填材、２００：容器、２１０：内面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】