JP5487672B2

JP5487672B2 - 物理量センサ

Info

Publication number: JP5487672B2
Application number: JP2009078418A
Authority: JP
Inventors: 昭松浦; 偉生大越; 努中西; 孝士川井
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2029-03-27
Also published as: JP2010230490A; EP2397828A1; CN102362162A; WO2010109787A1; US20120000288A1

Description

本発明は、物体に働く歪や張力を検出する物理量センサに関するものである。

近年、マイクロマシン技術を応用して、物体に働く歪や張力を検出する小形で高性能の物理量センサが開発されつつある。このような物理量センサとしては図６に示すようなものが知られている（特許文献１参照）。図６は従来の物理量センサの断面図を示したもので、この図６において、１はシリコン等の半導体基板で、この半導体基板１の表面には酸化シリコン層や窒化シリコン層からなる絶縁層２が形成され、かつこの絶縁層２の表面には多結晶シリコンや金属層からなる下部電極３と上部電極５とを有する振動素子部が設けられている。また、前記上部電極５はリボン状弾性体をなし、かつその長手方向の両端部は絶縁層２の表面に固定され、そして、その中央部は空洞４を介して下部電極３と対向しているものである。そしてまた、前記半導体基板１上には電子回路部６が前記振動素子部と一体的に形成されている。さらに、前記半導体基板１の略中央には空洞部７が設けられており、かつこの半導体基板１は、前記空洞部７の両側の部分によって、歪や張力を測定する被測定体８に固定されているものである。

上記構成において、振動素子部の下部電極３と上部電極５との間に、上部電極５の中央部が有する固有周波数に対応する交流電圧を印加すると、下部電極３と上部電極５間に生ずる静電引力と上部電極５の弾性応力の相互作用により、上部電極５の中央部は共振して特定の周波数と振幅で振動する。

このように振動素子部が振動している状態で、被測定体８に矢印Ｅ、Ｆの方向の伸び歪が生じると、半導体基板１に絶縁層２を介して固定された上部電極５の長手方向の両端部も矢印Ｅ、Ｆと同じ方向に拡げられる。この時、半導体基板１における空洞部７の上に位置する部分は薄く形成されているため、上部電極５の中央部に発生する歪は前記空洞部７の両側の部分に発生する歪よりも大きくなる。これにより、上部電極５の中央部に張力が印加されることになるため、上部電極５の中央部の振動周波数または振動振幅が変化する。そして、この物理量センサはこの振動周波数または振動振幅の変化を電子回路部６で処理することにより、被測定体８に生じた歪や張力を求めることができるものである。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開平７−３３３０７７号公報

しかしながら、上記した従来の物理量センサにおいては、電子回路部６を半導体基板１の上に一体に形成しているため、空洞部７の両側の部分に発生する歪によって、電子回路部６を構成する抵抗等の回路素子の値が変化して回路が不安定になり誤動作が発生するという問題点を有していた。また、振動素子部と電子回路部６が暴露された状態となっているため、水分やダスト等が振動素子部や電子回路部６に付着することになり、これにより、センサ機能が阻害されてしまうという問題点をも有していた。

本発明は上記従来の問題点を解決するもので、物体に働く歪や張力を常に安定した状態で検出することができる物理量センサを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。

本発明は、応力により歪が発生する起歪体と、この起歪体に配置され、かつ起歪体の歪量に応じて振動周波数または振動振幅が変化する振動子と、前記起歪体に配置され、かつ前記振動子からの出力を処理する処理回路とを備え、前記起歪体に発生する歪を振動子に伝達させるとともに、前記処理回路には前記歪が実質的に伝達されないように構成したもので、この構成によれば起歪体に発生する歪を振動子によって正確に検出することができるとともに、処理回路には前記歪が実質的に伝達されないように構成しているため、処理回路内の回路素子値の変動も抑制することができ、これにより、物体に働く歪や張力を常に安定した状態で検出することができるという作用効果を有するものである。

本発明は、特に、起歪体に振動子と処理回路を収納保護する外装材を設け、かつこの外装材には前記起歪体に発生する歪が実質的に伝達されないように構成したもので、この構成によれば、外装材の存在により、振動子や処理回路を水分やダスト等から保護することができ、また、外装材によって起歪体に発生する歪が抑制されることもないため、起歪体に発生する歪を振動子によって正確に検出することができ、これにより、物体に働く歪や張力を常に安定した状態で検出することができるという作用効果を有するものである。

本発明は、特に、起歪体と外装材とを弾性を有する接着剤で接続したもので、この構成によれば、外装材によって起歪体に発生する歪が抑制されることはないため、起歪体に発生する歪を振動子によって正確に検出することができ、これにより、物体に働く歪や張力を常に安定した状態で検出することができるという作用効果を有するものである。

本発明は、特に、起歪体と振動子とを剛性を有する物質で接続したもので、この構成によれば、起歪体に発生する歪と実質的に同じ歪を振動子に発生させることができ、これにより、起歪体に発生する歪を振動子によって正確に検出することができるという作用効果を有するものである。

本発明は、特に、起歪体と処理回路とを弾性を有する接着剤で接続したもので、この構成によれば、起歪体に歪が発生しても処理回路には歪が発生しないように構成しているため、処理回路内の回路素子値の変動を抑制することができ、これにより、物体に働く歪や張力を常に安定した状態で検出することができるという作用効果を有するものである。

本発明は、特に、処理回路を可撓性プリント基板に実装し、かつこの可撓性プリント基板と起歪体とを弾性を有する接着剤で接続したもので、この構成によれば、起歪体に発生する歪を可撓性プリント基板と弾性を有する接着剤の両者で吸収することができるため、歪による処理回路内の回路素子値の変動をより一層抑制することができ、これにより、物体に働く歪や張力を常に安定した状態で検出することができるという作用効果を有するものである。

以上のように本発明の物理量センサは、応力により歪が発生する起歪体と、この起歪体に配置され、かつ起歪体の歪量に応じて振動周波数または振動振幅が変化する振動子と、前記起歪体に配置され、かつ前記振動子からの出力を処理する処理回路とを備え、前記起歪体に発生する歪を振動子に伝達させるとともに、前記処理回路には前記歪が実質的に伝達されないように構成しているため、起歪体に発生する歪を振動子によって正確に検出することができるとともに、処理回路には前記歪が実質的に伝達されることはなくなり、その結果、処理回路内の回路素子値の変動も抑制することができるため、物体に働く歪や張力を常に安定した状態で検出することができるという優れた効果を奏するものである。

以下、本発明の実施の形態１における物理量センサについて、図面を参照しながら説明する。

図１（ａ）は本発明の実施の形態１における物理量センサの上面図、図１（ｂ）は同物理量センサの側面図、図２は図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図１（ａ）（ｂ）および図２において、２１はＳＵＳ等の金属からなり応力によって歪が発生する起歪体で、この起歪体２１の上にポリイミドフィルム等からなる可撓性プリント基板２２が装着されている。そして、この可撓性プリント基板２２には起歪体２１に発生する歪量に応じて振動周波数が変化する振動子２３と、前記起歪体２１に配置され、かつ前記振動子２３からの出力を処理するＩＣや抵抗等からなる処理回路２４が設けられている。そしてまた、前記起歪体２１には前記振動子２３と処理回路２４の全体を収納保護するセラミックや金属からなる外装材２５が配置されている。

図３（ａ）は上記物理量センサに装着される振動子の上面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、図３（ｃ）は図３（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。この図３（ａ）（ｂ）（ｃ）において、２６はシリコン等からなる半導体基板で、この半導体基板２６の表面には酸化シリコン層や窒化シリコン層からなる絶縁層が形成されている。２７は半導体基板２６をエッチング処理して形成した梁部、２８は前記梁部２７を取り囲む固定部である。また、前記梁部２７の表面には順に下部電極、ＰＺＴ等からなる圧電体層（いずれも図示せず）が形成されている。そしてまた、前記梁部２７の中央部には駆動電極２９が形成され、かつ梁部２７の端部には検出電極３０が形成され、そして、前記駆動電極２９、検出電極３０は配線パターン（図示せず）によりランド３１に接続されるものである。また、前記振動子２３は半導体基板２６における梁部２７の両端の固定部２８において、起歪体２１に発生する歪が振動子２３に伝達されるようにＡｕ−Ａｕ接合等の金属系接合材やエポキシ樹脂等の剛性を有する物質３２で接続固定されているものである。

振動子２３における下部電極と駆動電極２９との間に、梁部２７が有する固有周波数に対応する交流電圧を印加すると、梁部２７は共振して特定の周波数と振幅で振動する。

このように振動子２３が上下に弦振動している状態で、起歪体２１に矢印Ｅ、Ｆの方向の伸び歪が生じると、前記梁部２７における両端の固定部２８も矢印Ｅ、Ｆと同じ方向に拡げられる。この時、前記梁部２７に発生する歪は前記固定部２８に発生する歪よりも大きくなる。これにより、梁部２７に張力が印加されることになるため、梁部２７の振動周波数または振動振幅が変化するものである。

本発明の物理量センサは、梁部２７の振動周波数または振動振幅の変化を処理回路２４で処理することにより、起歪体２１に発生する歪や張力を求めることができるものである。

図４は本発明の実施の形態１における物理量センサの分解斜視図を示したもので、この図４を用いて物理量センサの製造方法を説明する。

最初に、ＳＵＳ等の金属からなる起歪体２１の所定の位置に振動子２３をＡｕ−Ａｕ接合等の金属系接合材やエポキシ樹脂等の剛性を有する物質３２で接続固定する。

次に、可撓性プリント基板２２にＩＣや抵抗等からなる処理回路２４を半田実装する。

次に、前記起歪体２１に発生する歪が処理回路２４に実質的に伝達されないように、前記可撓性プリント基板２２をシリコン樹脂等の弾性を有する接着剤３３を用いて起歪体２１に接続固定する。この可撓性プリント基板２２には振動子２３と対応する位置に開口（デバイスホール）３４が設けられており、そして、振動子２３のランド３１と可撓性プリント基板２２との接続は、起歪体２１に歪が生じて可撓性プリント基板２２が移動しても振動子２３と可撓性プリント基板２２との電気的接続が確保されるように、ワイヤボンディングや開口３４の周辺から突き出して設けられたインナーリード等によって行われている。

次に、セラミックや金属からなる外装材２５を起歪体２１と可撓性プリント基板２２の上にシリコン樹脂等の弾性を有する接着剤３５を用いて接続固定することにより、前記振動子２３と処理回路２４の全体を収納保護する。これにより、振動子２３や処理回路２４を水分やダスト等から保護することができるとともに、外装材２５によって起歪体２１に発生する歪が抑制されることがないため、起歪体２１に発生する歪を振動子２３によって正確に検出することができる。この時、外装材２５の高さは外装材２５の底面における可撓性プリント基板２２と接触する部分で可撓性プリント基板２２の厚み分だけ小さくしているものである。

図５は本発明の実施の形態２における物理量センサの分解斜視図を示したもので、この図５を用いて物理量センサの製造方法を説明する。

最初に、ＳＵＳ等の金属からなる起歪体３６の所定の位置に振動子２３をＡｕ−Ａｕ接合等の金属系接合材やエポキシ樹脂等の剛性を有する物質３２で接続固定する。そして、この起歪体３６の端部には、ガラス等の絶縁体ペーストを印刷した後、銀ペースト等の導体ペーストを印刷して形成した厚みが約１０〜３０μｍの外部接続端子３７が設けられている。

次に、前記起歪体３６に発生する歪が処理回路２４に実質的に伝達されないように、前記可撓性プリント基板２２をシリコン樹脂等の弾性を有する接着剤３３を用いて接続固定する。この可撓性プリント基板２２には振動子２３と対応する位置に開口（デバイスホール）３４が設けられており、そして、振動子２３のランド３１と可撓性プリント基板２２との接続は、起歪体３６に歪が発生して可撓性プリント基板２２が移動しても振動子２３と可撓性プリント基板２２との電気的接続が確保されるように、ワイヤボンディングや開口３４の周辺から突き出して設けられたインナーリード等によって行われている。

次に、可撓性プリント基板２２と外部接続端子３７とをワイヤボンディング等によって電気的に接続する。

次に、セラミックや金属からなる外装材２５を起歪体３６と可撓性プリント基板２２の上にシリコン樹脂等の弾性を有する接着剤３５を用いて接続固定することにより、前記振動子２３と処理回路２４の全体を収納保護する。これにより、振動子２３や処理回路２４を水分やダスト等から保護することができるとともに、外装材２５によって起歪体３６に発生する歪が抑制されることがないため、起歪体３６に発生する歪を振動子２３によって正確に検出することができる。この時、外部接続端子３７は上記したように起歪体３６の上に印刷により形成されているため、外装材２５と外部接続端子３７が接触する部分にできる段差はシリコン樹脂等の弾性を有する接着剤３３の厚みに対して無視することができ、その結果、外装材２５の底面の加工をする必要はなくなるものである。

本発明に係る物理量センサは、起歪体に発生する歪を振動子によって正確に検出することができるとともに、処理回路に前記歪が実質的に伝達されないように構成することにより、処理回路内の回路素子値の変動を抑制することができ、これにより、物体に働く歪や張力を常に安定した状態で検出することができるという効果を有するものであり、特に、物体に働く歪や張力を検出する物理量センサとして有用なものである。

（ａ）本発明の実施の形態１における物理量センサの上面図、（ｂ）同物理量センサの側面図図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図（ａ）同物理量センサに装着される振動子の上面図、（ｂ）図３（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（ｃ）図３（ａ）のＣ−Ｃ線断面図同物理量センサの分解斜視図本発明の実施の形態２における物理量センサの分解斜視図従来の物理量センサの断面図

２１、３６起歪体
２２可撓性プリント基板
２３振動子
２４処理回路
２５外装材
３２剛性を有する物質
３３、３５弾性を有する接着剤

Claims

応力により歪が発生する起歪体と、この起歪体に配置され、かつ起歪体の歪量に応じて振動周波数または振動振幅が変化する振動子と、前記起歪体に配置され、かつ前記振動子からの出力を処理する処理回路とを備え、前記起歪体と前記振動子とを金属を有する接合材又はエポキシ樹脂を有する物質からなる剛性を有する物質で接続し、前記起歪体に振動子と処理回路を収納保護する外装材を設け、前記起歪体と前記外装材とをシリコン樹脂からなる弾性を有する接着剤で接続した物理量センサ。
起歪体と処理回路とを弾性を有する接着剤で接続した請求項１に記載の物理量センサ。
処理回路を可撓性プリント基板に実装し、かつこの可撓性プリント基板と起歪体とを弾性を有する接着剤で接続した請求項１または２に記載の物理量センサ。
応力により歪が発生する起歪体と、この起歪体に配置され、かつ起歪体の歪量に応じて振動周波数または振動振幅が変化する振動子と、前記起歪体に配置され、かつ前記振動子からの出力を処理する処理回路とを備え、前記起歪体と前記振動子とを剛性を有する物質で接続し、前記処理回路を可撓性プリント基板に実装し、かつこの可撓性プリント基板と起歪体とを弾性を有する接着剤で接続した物理量センサ。