JP6665589B2 - 圧力センサチップ及び圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、圧力センサチップに関する。

圧力センサは、主として気体や液体の圧力を検出するものであり、気圧センサや高度センサ、水圧センサとして各種の装置に適用されている。また、近年においては、これを高度センサとして利用する場合の一態様として、位置情報を得るためのナビゲーション装置への応用やユーザの運動量を精緻に計測する計測器への応用等、その適用範囲が広がりつつある。

一般に、圧力センサは、絶対真空を基準にして表わした圧力を測定する圧力センサと、大気圧等のある任意の比較すべき圧力（基準圧）に対して表わした圧力を測定する相対圧センサ（差圧センサ）とに大別される。

このうちの圧力センサとしては、各種のものが存在するが、その一つに、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）センサチップとしてのダイアフラム型の圧力センサチ
ップを備えたものがある。このダイアフラム型の圧力センサチップを備えた絶対センサは、他に比較して大幅に小型であるため、上述したナビゲーション装置への応用や活動量計への応用に適している。

この種の圧力センサチップを搭載した圧力センサの構造が開示された文献としては、たとえば特開２００６−３０２９４３号公報（特許文献１）や特許第５５１５２５８号公報（特許文献２）がある。

特許文献１に開示されたセンサパッケージは、半導体層に複数のビームを介して重錘体を支持し、枠部材の底面に対面する支持基板層の底面を４分割した領域に分けて、そのうちの１つの領域でのみ、支持基板層の底面と台座とが接合された構造を有するものである。

また、特許文献２に開示された圧力センサチップは、基板の開口部内に片持ち梁状に突出して支持される梁部と、前記梁部内に密閉状態で形成された圧力基準室の圧力と被測定圧力との圧力差に応じて変位するダイアフラムと、前記ダイアフラム上に設けられ当該ダイアフラムの変位に応じた信号を出力する圧力検出部とを備えるものである。

特開２００６−３０２９４３号公報 特許第５５１５２５８号公報

一般に、圧力センサおよびこれに搭載される圧力センサチップにおいては、さらなる小型化やその検出精度の高精度化が要求されている。圧力センサチップをナビゲーション装置や活動量計において利用する上記の一態様の場合においても例外ではなく、これら装置が可搬型の装置であることを考慮すれば、圧力センサのさらなる小型化（特に薄型化）に対する要求は強く、また高度の違いに基づく気圧の変化をより高精度に検出できることが特に重要な課題となっている。

圧力センサ、特にピエゾ式のものは応力に敏感なため外部応力の影響を受けやすい。この外部応力としては、例えばチップと基板部材の線膨張差によって発生する応力や、二次実装によって発生する応力が挙げられるが、これらはセンサチップと基板（もしくはASIC）の固定部を起点としてチップが歪むことで発生する。

この点に関し、上記特許文献１では、支持基板層の底面を４分割した領域に分けて、そのうちの１つの領域でのみ支持基板層の底面と台座とを接合したことにより、各領域で接合した場合のように支持基板層が各接合部に拘束されず、回路基板などから受ける外部応力による影響を少なくしている。

また、特許文献２では、梁部が、開口部内に片持ち梁状に突出してセンサチップを支持する構成とし、その支持部位の断面積を小さくしているので、取付面を介して梁部に伝達される外乱応力を抑制できる。このため、取付面からダイアフラムに伝達される外乱応力に起因するノイズを低減することができる。

一方で、スマートフォン、ウエアラブル機器向けの圧力センサでは小型化が進み、１ｍｍ程度もしくはそれ以下のサイズのセンサチップが必要とされるため、固定部を１点かつチップに対して相対的に小面積にすることが難しい。

また、チップの小型化によってセンサ部と電気接続端子部の距離が十分に確保できないため、端子部の熱歪みによる応力および、ワイヤボンドの応力の影響が顕著にあらわれる。従来例ではセンサ部とそれ以外の接続部位の断面積を小さくして外部応力の影響を低減する手法があるが、工程が複雑であったり、落下等の衝撃に対する強度が低下する懸念がある。

したがって、本発明は、上述した問題点を解決すべくなされたものであり、小型化および検出精度の高精度化が可能な圧力センサチップを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に基づく圧力センサチップは、半導体基板内に形成され密閉された圧力基準室と、該圧力基準室と外部との間に形成され前記圧力基準室内の圧力と外部の圧力の差によって変形するダイアフラムと、前記ダイアフラムに設けられ該ダイアフラムの変形に応じた電気信号を発生可能なセンサ部と、を備える圧力センサチップであって、前記半導体基板の平面視において、前記圧力基準室、前記ダイアフラム及び前記センサ部を含む検出部の周囲のうち一部を接続部とし、前記接続部を残して前記検出部の周囲に当該半導体基板を貫通する貫通溝が形成され、前記半導体基板内における前記検出部以外の部分と前記検出部とが前記貫通溝によって分離される。

このように、検出部の周囲に貫通溝を形成し、検出部を検出部以外の部分から分離させたことにより、応力が検出部に伝わるのを抑え、検出精度の高精度化を図ることができる。

前記半導体基板において、前記検出部の基板底面は、前記半導体基板内における前記検出部以外の部分の基板底面と、同じ高さもしくは高い位置としても良い。
また、前記半導体基板において、前記検出部の基板底面は、前記接続部の基板底面よりも高い位置にあり、前記接続部の基板底面は接続部以外の基板底面と同じ高さもしくは高い位置としても良い。

これにより、例えば、接続部位の断面積を小さくするような複雑な工程を必要とせずに
製造できる。また、高精度化を図るにあたり、ダイボンド材による接着部分等を過度に脆弱に構成する必要がないため、圧力センサチップの小型化が容易である。

前記検出部は、平面視において略円形の形状を有してもよい。また、前記接続部は、前記ダイアフラムの中心から見て中心角４５度の範囲に形成されてもよい。これにより、接続部の大きさが適切に設定され、応力の影響を確実に抑えることができる。

前記圧力センサチップにおいて、前記センサ部は、前記ダイアフラムの表面に形成され該ダイアフラムの変形に応じて抵抗値が変化する複数のピエゾ抵抗素子を接続して構成されたブリッジ回路を含み、前記接続部は、前記複数のピエゾ抵抗素子のうちいずれかにおける抵抗素子の配置方向に対して４５度の角度をなす方向を向くように形成されてもよい。

前記圧力センサチップにおいて、前記センサ部と電気的に接続され、該センサ部からの電気信号を外部に出力する出力端子部をさらに備え、前記出力端子部は、前記半導体基板の表面に形成され、前記接続部は、前記出力端子部の配置されていない方向を向くように設けられても良い。

これにより接続部を応力に対する感度の低い方向に配置し、応力に基づく影響を低減させることができる。
上記課題を解決するために、本発明に基づく圧力センサは、センサ基板と、前記圧力センサチップとを備え、前記圧力センサチップが、前記半導体基板の底面のうち前記検出部以外の位置で、ダイボンド材を介して、前記センサ基板又は前記基板に固定された回路部に対して接続されている。
このように前記半導体基板の検出部以外、即ち、貫通溝より外側の底面がセンサ基板に対して固定されることで、センサ基板等に応力が生じた場合でも貫通溝によって、応力が検出部に伝わるのが抑えられるので、検出精度の高精度化を図ることができる。

本発明によれば、小型化および検出精度の高精度化が可能な圧力センサチップを提供することができる。

本発明の実施形態における圧力センサの断面図である。 本発明の実施形態における圧力センサの模式平面図である。 本発明の実施形態における圧力センサの分解斜視図である。 図１に示す圧力センサチップの平面図である。 図１に示す圧力センサチップの断面図である。 貫通溝の形状についての説明する平面模式図である。 ピエゾ抵抗係数の説明図である。 貫通溝の形状とダイボンド材との位置関係を示す図である。 貫通溝の有無および接続部の幅が異なる場合の、検出部に発生する応力の影響を比較したグラフである。 接続部の幅の定義を示す図である。 接続部を配置する方向が異なる場合の、検出部に発生する応力の影響を説明する図である。 接続部および端子部を配置する一例を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して詳細に説明する。なお、以下に示す
実施の形態においては、同一のまたは共通する部分について図中同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。
（実施の形態１）
図１〜図３は、本発明の実施の形態１における圧力センサの断面図、模式平面図および分解斜視図である。また、図４および図５は、図１に示す圧力センサチップの平面図および断面図である。以下、これら図１乃至図５を参照して、本発明の実施形態１における圧力センサについて説明する。

なお、図２は、図１中に示すＸ１−Ｘ１線に沿った圧力センサの模式平面図を示しており、図５は、図４中に示すＸ２−Ｘ２線に沿った圧力センサチップの断面を示している。また、図２は、圧力センサチップとダイボンド材との位置関係を示すため、当該図２においては、図１に示す圧力センサチップを二点破線にて示すこととしている。

図１乃至図３に示すように、本実施の形態における圧力センサ１は、表面実装型デバイスとして構成されたものであり、圧力センサチップ１０と、回路部１９と、ダイボンド材２０と、パッケージとしての基板２およびリッド７と、ボンディングワイヤ８と、リッド固定材２１と、アンダーフィル２２を備えている。圧力センサチップ１０は、ダイボンド材２０によって回路部１９に接着され、回路部１９がアンダーフィル２２によって基板２に固定されている。そして圧力センサチップ１０を覆うようにリッド７をリッド固定材２１によってセンサ基板２に固定されている。これにより、圧力センサチップ１０は、センサ基板２およびリッド７からなるパッケージの内部に収容されている。

図４および図５に示すように、圧力センサチップ１０は、平面視矩形状の表面１２ａおよび裏面１１ａを有する扁平直方体形状の外形を有している。圧力センサチップ１０の表面１２ａの所定位置には、検出部４０、電極１７Ａ、導電パターン１７Ｂがそれぞれ設けられている。また、圧力センサチップ１０は、検出部４０の周囲に表面１２ａから裏面１１ａにかけて貫通した貫通溝４１が形成され、この貫通溝４１の形成されていない接続部４２でのみ検出部４０が、保持される構成となっている。

圧力センサチップ１０は、裏面側基板１１および表面側基板１２を貼り合わせることで構成されている。上述した圧力センサチップ１０の表面１２ａは、表面側基板１２の一対の主表面のうちの非貼り合わせ面にて構成されており、上述した圧力センサチップ１０の裏面１１ａは、裏面側基板１１の一対の主表面のうちの非貼り合わせ面にて構成されている。

圧力センサチップ１０は、半導体基板内部に密閉された円盤状の圧力基準室１５と、当該圧力基準室１５と外部との間に形成され前記圧力基準室１５内の圧力と外部の圧力の差によって変形する薄板状のダイアフラム１３とを備えている。

検出部４０は、圧力基準室１５や、ダイアフラム１３、ダイアフラム１３の周縁に沿って設けられた複数のピエゾ抵抗素子１６を含む。また、ピエゾ抵抗素子１６は、ダイアフラム１３が、圧力基準室１５内の圧力と外部の圧力の差によって変形した場合に、この変形に応じた電気信号を発生可能なセンサ部の一形態である。本実施形態では、ダイアフラム１３の周縁に沿って等間隔に４つのピエゾ抵抗素子１６が設けられ、導電パターン１７Ｃが各ピエゾ抵抗素子１６を電気的に接続してブリッジ回路を構成している。なお、これに限らず、検出部４０は、求められる精度に応じて任意の数のピエゾ抵抗素子１６を備える構成であっても良い。また、センサ部としては、上述した如くの複数のピエゾ抵抗素子１６を利用したものに限らず、静電容量式のものを利用することも可能である。

上記構成の圧力センサチップ１０は、裏面側基板１１の貼り合わせ面に予め凹部が形成
され、当該凹部を覆うように所定の圧力環境下において表面側基板１２と貼り合わせ、表面側基板１２を所望の厚みに研削することで製造される。これにより、圧力センサチップ１０の内部に上述した圧力基準室１５が形成され、裏面側基板１１にあらかじめ形成された凹部に対向する表面側基板１２がダイアフラム１３となる。本実施形態では、真空環境下において裏面側基板１１が表面側基板１２に貼り合わされることで、圧力基準室１５が真空状態で形成される。

なお、裏面側基板１１および表面側基板１２としては、好適には半導体基板、例えばシリコン基板が用いられ、一例として、これらの貼り合わせにＳＯＩ（Silicon on Insulator）技術が適用できる。なお、表面側基板１２が、シリコン基板である場合、シリコン基板の表面１２ａに不純物を拡散させることで拡散層抵抗を形成し、前記ピエゾ抵抗素子１６とすることができる。裏面側基板１１としては、シリコン基板に限られず、ガラス基板等を利用することも可能である。

圧力センサチップ１０の平面視（図４）において、検出部４０の周囲のうち一部を接続部４２とし、接続部４２を残して検出部４０の周囲に裏面側基板１１および表面側基板１２を貫通する貫通溝４１が形成されている。即ち、圧力センサチップ１０内における検出部４０以外の部分（以下、周辺部とも称す）４３と検出部４０とが貫通溝４１によって分離されている。貫通溝４１を形成する手法としては、裏面側基板１１および表面側基板１２を貼りあわせ、ピエゾ抵抗素子１６や導電パターン１７Ｂ，Ｃ、電極１７Ａを形成した後、表面から溝を掘り、溝が露出するまで裏面から研削する工法や、表面又は裏面を研削後、反対側の面から溝を掘る工法が挙げられる。このように、本実施形態の圧力センサチップ１０は、貼り合せた裏面側基板１１および表面側基板１２に貫通溝４１を設けて、周辺部４３と検出部４０を分離させる構成なので、検出部４０の底面と周辺部４３の底面の高さは同じである。なお、これに限らず、検出部４０の底面をエッチング等により、周辺部４３の底面より高く形成してもよい。また、この場合、接続部４２の基板底面は、接続部４２以外の基板底面と比べて同じ高さもしくは高い位置に形成されてもよい。

回路部１９は、増幅回路や温度補償回路等、所定の信号処理を行う回路やメモリ等を有する集積回路であり、例えばＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）で
ある。回路部１９は、樹脂や金属、セラミック等で封止され、平面視矩形状の表面１９ｂおよび裏面１９ａを有する扁平直方体形状の外形を有している。また、回路部１９は、電気信号の入出力を行うための電極３３を表面１９ｂに備えている。

図１および図２に示すように、センサ基板２は、主として絶縁材料にて形成された平板状である。なお、センサ基板２を構成する絶縁材料としては、セラミックス材料や樹脂材料等が利用できる。センサ基板２の表面２ａおよびＡＳＩＣの表面１９ｂによって形成される空間は、アンダーフィル２２が充填され、この表面２ａ上の回路部１９と隣接した位置に圧力センサチップ１０と接続される複数の電極（ボンディングパッド）３１が設けられている。複数の電極３１は、それぞれ導電パターン３２を介して、回路部１９の下面に設けられた電極３３と接続されている。

また、圧力センサチップ１０は、回路部１９としてのＡＳＩＣの裏面１９ａに、ダイボンド材２０によって固定され、圧力センサチップ１０の電極１７Ａとセンサ基板２の電極３１とが、金や銅、アルミニウム等のボンディングワイヤ８を介して電気的に接続されている。これにより回路部１９は、電極３３、導電パターン３２、電極３１、ボンディングワイヤ８、電極１７Ａ、導電パターン１７Ｂ、１７Ｃを介してピエゾ抵抗素子１６と接続している。なお、本実施形態において電極１７Ａは、圧力センサチップ１０の出力端子部の一形態である。

そして、箱状のリッド７が、その開口部をセンサ基板２側に向けて、回路部１９や電極３１を覆い、接着樹脂等のリッド固定材２１によって固定される。リッド７は、樹脂や金属等によって形成された所定の剛性を有する部材であり、圧力センサチップ１０を覆うことで、測定対象の気体や液体以外の物体が圧力センサチップに接触することを防いで、圧力センサチップ１０を保護する。

なお、リッド７は、リッド７内の空間とリッド７外の空間とを連通する連通部７１として、孔やスリット、格子、メッシュといった開口を有した部材を備えている。この連通部７１により、リッド７内の圧力とリッド７外の圧力が等しくなり、圧力センサ１の周囲と同等の圧力がダイアフラム１３に付加された状態となるので、圧力センサ１は、ダイアフラム１３に付加された圧力を測定することで、圧力センサ１の周囲の圧力を求めることができる。なお、連通部７１は、単なる開口に限らず、リッド７内の圧力とリッド７外の圧力を等しくするように圧力を伝達する構成であればよい。例えば、連通部７１の開口にフィルタや防水膜が介在する構成であってもよい。

上記構成の圧力センサ１においては、ダイアフラム１３の表面に外気圧が付加されることで、この外気圧と圧力基準室１５内の基準圧力との差に応じて、ダイアフラム１３が変形する。そして、この変形の度合いに応じて複数のピエゾ抵抗素子１６の抵抗値がそれぞれ変化してブリッジ回路の中点電位が変動し、回路部１９において、中点電位の変動量が電気信号に変換される。変換後の電気信号は、前記外気圧に応じたセンサ出力、例えば前記外気圧を示す絶対圧として外部に出力される。なお、当該電気信号の出力に際して、生成した電気信号を一時的にメモリ部において記憶させることも可能である。

上述したように、本実施形態の圧力センサ１においては、圧力センサチップ１０の裏面１１ａの四隅がダイボンド材２０によって回路部１９に接着され、この接着された周辺部４３と検出部４０とが貫通溝４１によって分離されている。換言すると、検出部４０は、貫通溝４１に囲まれた部分が周辺部４３と離間し、接続部４２でのみ保持されている。

このように構成することにより、例えば、外部環境の温度変化があった場合、センサ基板２やリッド７、回路部１９など、線膨張係数が異なる部材に伴って発生する応力がダイアフラム１３に伝わるのを大幅に軽減することができ、センサ出力への影響を抑えることができる。以下、その理由についての考察を示す。

圧力センサチップの性能に影響を与える特性の一つとして、センサ出力ヒステリシスがある。センサ出力ヒステリシスは、圧力センサチップに付加された圧力が零である場合と定格圧力である場合のそれぞれにおける出力電流（または電圧）値間に理想直線を引き、これと実測電流（または電圧）値との間の差を誤差値として求め、圧力上昇時の誤差値と圧力下降時の誤差値との差の絶対値をフルスケールに対してパーセント表示したものである。このセンサ出力ヒステリシスは、小さければ小さい程よく、センサ出力ヒステリシスが小さい場合には、検出精度の高精度化が図られていると言える。

当該センサ出力ヒステリシスが大きくなる要因としては、例えば外部環境の温度変化があった場合に、センサ基板２やリッド７、回路部１９などの線膨張係数が異なる部材の間で応力が発生し、この応力がダイボンド材２０やボンディングワイヤ８を介して圧力センサチップ１０に伝わり、圧力の測定に影響を与えることがある。また、ボンディングワイヤ８の熱による変化に伴う電極１７Ａへの応力が発生し、測定に影響を与えることがある。これらの熱に伴う応力に対し、柔軟なダイボンド材２０を用いて圧力センサチップを保持する構成とすることで、これらの応力を吸収し、センサへの影響を軽減することも知られている。しかしながら、ダイボンド材２０で全ての応力を軽減できるものではなく、特に小型のセンサではダイボンド材２０で抑えられる応力の影響も自ずと制限される。

この点、本実施形態における圧力センサ１においては、ダイボンド材２０で固定されている周辺部４３と検出部４０とが貫通溝４１によって離間されているので、前記熱に伴う応力が周辺部４３に生じたとしても、接続部４２以外から検出部４０へ伝わることが無いので、ダイアフラム１３に与える影響が大幅に軽減される。また、圧力センサ１を回路基板に実装する際の実装応力についても、同様にダイアフラム１３に与える影響が大幅に軽減される。

なお、周辺部４３に生じた応力が接続部４２を介して検出部４０へ伝わる可能性もあるが、接続部４２は検出部４０に対して一方向にしか存在せず、接続部４２以外に検出部４０を固定するものが無いため、例え接続部４２側から熱に伴う応力や実装応力が伝わったとしても、検出部４０に対して一方向からしか応力が加わらないため、この応力によるダイアフラム１３の変形は周辺を分離しない場合に比べ軽微となる。

このように圧力センサ１においては、熱などに伴う応力が周辺部４３に生じても検出部４０への伝達が抑えられるため、ダイボンド材２０の弾性率を小さくすることや、ダイボンド材２０によって接着する面積を小さくすることによって、ダイボンド材２０を過度に脆弱にする必要がないため、落下等の衝撃に対する強度を向上させることができる。

〈溝形状について〉
図６は、貫通溝の形状についての説明する平面模式図である。圧力センサチップ１０の貫通溝４１は、図６（Ａ）に示すように、平面視においてダイアフラム１３又は圧力基準室１５の中心５１と同心の円５２に沿って円弧状に形成されている。即ち、貫通溝４１で切り分けられた円５２の内側の部分が検出部４０である。また、貫通溝４１が設けられていない部分が接続部４２である。なお、電極１７Ａの位置は、貫通溝４１の形状に限定されないので、図６では、電極１７Ａを省略して示した。図６の例では、貫通溝４１の形状や接続部４２の配置方向に関わらず電極１７Ａは、周辺部４３の表面１２ａであれば何処に設けられてもよい。

ダイアフラム１３に設けられたピエゾ抵抗素子１６には、図７に示すようにピエゾ抵抗係数が大きい結晶方位と、ピエゾ抵抗係数が小さい結晶方位とが存在する。このため、ピエゾ抵抗係数が小さい結晶方位、即ち、応力に対する感度が低い方位に接続部４２を配置するのが望ましい。図６（Ａ）の例では、中心５１を通る一直線６１上に、ピエゾ抵抗素子１６のうち、ピエゾ抵抗素子１６Ａ，１６Ｂが配置され、この直線６１と直交する直線６２上にピエゾ抵抗素子１６Ｃ，１６Ｄが配置されている。そして、中心５１からピエゾ抵抗素子１６Cへの方向を０度とし、左回りに４５度の方向に接続部４２が配置されてい
る。換言するとピエゾ抵抗素子１６C及び中心５１を通る直線６２と中心５１及び接続部
４２を通る直線６３のなす中心角αが４５度となっている。このようにピエゾ抵抗素子１６の配置方向に対して４５度の方向に接続部４２を配置することで、接続部４２を介して伝わる応力の影響を抑えることができる。また、このように配置することにより、接続部の断面（例えば接続部において直線６３と直交する面）が、直線６１および６２と平行にならず、劈開面を避けることになるので、落下等に対する衝撃に対する強度が向上する。
なお、接続部４２を配置する方向は、４５度に限らず他の方向であっても良い。図６（Ｂ）の例では、接続部４２が中心５１に対して９０度の方向となるように貫通溝４１が設けられている。更に、接続部４２を配置する方向は、９０度に限らず他の方向、例えば、０度、１８０度、２７０度等であってもよい。このように４５度以外の方向に接続部４２を設けた場合でも、貫通溝４１によって検出部４０を周辺部４３と隔離した効果が得られるため、熱に伴う応力の影響や圧力センサを回路基板に実装する際の実装応力の影響が抑えられる。

上記の例では、貫通溝を円５２に沿って円弧状に形成したが、厳密な円に沿って形成するものに限らず、略円に沿った形状であれば良い。なお、略円とは、楕円や俵型、小判型等、検出部４０を囲むことができる形状であればよい。また、貫通溝の形状は、円に限らず他の形状であっても良い。図６（Ｃ）の例では、平面視においてダイアフラム１３又は圧力基準室１５の中心５１と中心を一致させた四角５４に沿って貫通溝４１Ｃが形成されている。即ち、貫通溝４１Ｃで切り分けられた四角５４の内側の部分が検出部４０Ｃである。また、貫通溝４１Ｃが設けられていない部分が接続部４２Ｃである。図６（Ｃ）の例では、接続部４２Ｃが中心５１に対して４５度の方向となるように貫通溝４１Ｃが設けられている。このように貫通溝４１Ｃを四角に沿った形状（以下、単に矩形状とも称す）としても図６（Ａ）と同様の効果が得られる。

また、図６（Ｄ）では、図６（Ｃ）における接続部４２Ｃに代えて、接続部４２Ｄが中心５１に対して０度の方向となるように貫通溝４１Ｄが設けられている。接続部４２Ｄを配置する方向は、０度に限らず他の方向、例えば、９０度、１８０度、２７０度等であってもよい。このように４５度以外の方向に接続部４２Ｄを設けた場合でも、貫通溝４１Ｄによって検出部４０Ｄを周辺部４３と隔離した効果が得られるため、熱に伴う応力の影響が抑えられる。

更に、図６（Ｅ）では、図６（Ｃ）における貫通溝４１Ｃの端部を中心５１と反対側、即ち圧力センサチップ１０の外側に向けて延伸したように、貫通溝４１Ｅが設けられている。この場合、接続部４２Ｅは、四角５４において貫通溝４１Ｅが設けられていない部分、図６（Ｅ）では、右上角部分であって貫通溝４１Ｅの端部（外側へ延伸した部分）で挟まれた部分である。図６（Ｆ）では、図６（Ｄ）における貫通溝４１Ｄの端部を中心５１と反対側、即ち圧力センサチップ１０の外側に向けて延伸したように、貫通溝４１Ｆが設けられている。この場合、接続部４２Ｆは、四角５４の外側であって貫通溝４１Ｆで挟まれた部分である。なお、図は省略したが、図６（Ａ）又は図６（Ｂ）の貫通溝４１の端部を中心５１と反対側、即ち圧力センサチップ１０の外側に向けて延伸したように、貫通溝を設けてもよい。

上記のように、貫通溝は、円弧状であっても、矩形状であっても良いが、ダイボンド材２０を圧力センサチップ１０の４隅に配置する場合、図８（Ａ）に示すように、円弧状の貫通溝４１を形成する方が望ましい。これは、図８（Ａ）の円弧状の貫通溝４１とダイボンド材２０との間隔が、図８（Ｂ）の矩形状の貫通溝４１とダイボンド材２０との間隔よりも広いので、クリアランスが大きくとれるためである。

（比較例１）
以下、圧力センサチップ１０に貫通溝４１を設け、接続部４２の幅を異ならせた場合の応力の影響について説明する。図９は、接続部４２の幅を異ならせた場合の応力の影響を比較したグラフである。

図９に示すように、熱に伴う応力の影響について、貫通溝なしを１００％とした場合に、貫通溝を設けた場合の応力の影響は１０％以下となっている。また、接続部の幅を大、中、小と変えた場合、接続部の幅が大きいよりも小さい方が熱に伴う応力の影響が少ないことが分かる。

図１０は接続部４２の幅についての説明図である。接続部４２の幅は、例えば、図１０に示すように、接続部４２の両端４２１，４２２と中心５１の成す中心角βで表すことができる。例えば、接続部４２の大きさは、中心角９０度以下、望ましくは４５度以下とするのがよい。なお、接続部４２を小さくし過ぎると、落下等の衝撃に対する強度が低下することになるので、求める強度に応じて接続部４２の大きさを中心角３０度以下、２０度
以下等と設定してもよい。また、中心角４５度以下から１０度以上、中心角３０度以下から２０度以上等のように下限値を設定しても良い。
このとき接続部の大きさは、例えば接続部４２の両端の直線距離や、図６Ａにおける円５２に沿う接続部４２の両端の距離、円５２の円周に占める貫通溝４１の割合（開口率）で示しても良い。例えば、矩形状の貫通溝４１Ｃの場合、開口率を１２．５％以下とする。

（比較例２）
以下、圧力センサチップ１０に貫通溝４１を設け、電極１７Ａに生じる応力の影響について説明する。図１１は、接続部４２を配置する方向を異ならせた場合の応力の影響を説明する図であり、図１１（Ａ）は応力の影響を比較したグラフ、図１１（Ｂ）は貫通溝４１を設けていない場合を示す図、図１１（Ｃ）は接続部４２を電極１７Ａ側に配置した場合を示す図、図１１（Ｄ）は接続部４２を電極１７Ａと異なる方向に配置した場合を示す図である。

図１１（Ａ）に示すように、貫通溝を無しとしたときの応力の影響を１００％とした場合、接続部４２を図１１（Ｃ）のように０度方向とし、電極１７Ａ側に配置した場合の応力の影響は１０％であった。また、接続部４２を図１１（Ｄ）のように４５度方向とし、電極１７Ａ側に配置した場合の応力の影響は極めて小さい値となった。このように、接続部４２を電極１７Ａと異なる方向に配置することで、電極に生じる応力の影響を大幅に抑えることができる。例えば、熱に伴う応力の影響のうち、電極１７Ａに生じる応力による割合が大きいケースでは、図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）に示すように中心５１に対して電極１７Ａと反対の方向に接続部４２を配置しても良い。

以上のように、本実施形態では、検出部４０の周囲に貫通溝４１，４１Ｃ，４１Ｄ，４１Ｅ，４１Ｆを形成し、検出部４０を周辺部４３から分離させたことにより、熱に伴う応力や実装応力等のセンサチップ外で発生する応力が検出部４０に伝わるのを抑え、検出精度の高精度化を図ることができる。

貫通溝４１，４１Ｃ，４１Ｄ，４１Ｅ，４１Ｆは、ドライエッチングや研削によって施工でき、複雑な工程を必要としないので、本実施形態の圧力センサチップ１０を容易に製造できる。また、高精度化を図るにあたり、ダイボンド材による接着部分等を過度に脆弱に構成する必要がない。このため、圧力センサチップ１０の小型化が容易である。

また、本実施形態の圧力センサチップ１０は、貼り合せた裏面側基板１１および表面側基板１２に貫通溝４１，４１Ｃ，４１Ｄ，４１Ｅ，４１Ｆを設けて、周辺部４３と検出部４０を分離させている。即ち、検出部４０の底面１１ａと接続部４２および周辺部４３の底面１１ａは同じ高さのまま分離させており、従来のように犠牲層を除去する等の複雑な工程を用いずに容易に形成できる。なお、これに限らず、検出部４０の底面１１ａは、周辺部４３の底面１１ａより高い位置としても良い。

また、接続部４２，４２Ｃ，４２Ｄ，４２Ｅ，４２Ｆが、ダイアフラムの中心から見て中心角４５度の範囲に形成されることで、接続部４２から伝わる応力の方向が限定されるため、ダイアフラム１３に対する応力の影響を抑えることができる。

更に、接続部４２，４２Ｃ，４２Ｄ，４２Ｅ，４２Ｆが、ピエゾ抵抗素子１６の配置方向に対して４５度の角度をなす方向を向くように形成されたことにより、ピエゾ抵抗素子１６の抵抗係数が低い方向に接続部４２，４２Ｃ，４２Ｄ，４２Ｅ，４２Ｆを設けることになり、接続部４２，４２Ｃ，４２Ｄ，４２Ｅ，４２Ｆを介して伝わる応力の影響を抑えることができる。
そして、接続部４２，４２Ｃ，４２Ｄ，４２Ｅ，４２Ｆが、電極１７Ａの配置されていない方向を向くように設けられることにより、電極１７Ａに生じる応力の影響を抑えることができる。

上述した本発明の実施形態において示した各種の材料や寸法、形状等はあくまでも例示に過ぎず、本発明はこれに限定されるものではない。また、上述した実施形態において示した特徴的な構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において当然にその組み合わせが可能である。

１ 圧力センサ
２ センサ基板
７ リッド
８ ボンディングワイヤ
１０ 圧力センサチップ
１１ 裏面側基板
１２ 表面側基板
１３ ダイアフラム
１５ 圧力基準室
１６ ピエゾ抵抗素子
１７Ａ 電極
１７Ｂ 導電パターン
１７Ｃ 導電パターン
１８ 感圧部
１９ 回路部
２０ ダイボンド材
２１ リッド固定材
２２ アンダーフィル
３１ 電極
４０ 検出部
４１ 貫通溝
４２ 接続部

Claims (9)

1. 半導体基板内に形成され密閉された圧力基準室と、該圧力基準室と外部との間に形成され前記圧力基準室内の圧力と外部の圧力の差によって変形するダイアフラムと、前記ダイアフラムに設けられ該ダイアフラムの変形に応じた電気信号を発生可能なセンサ部と、を備える圧力センサチップであって、
   前記半導体基板の平面視において、前記圧力基準室、前記ダイアフラム及び前記センサ部を含む検出部の周囲のうち一部を接続部とし、前記接続部を残して前記検出部の周囲に当該半導体基板を貫通する貫通溝が形成され、前記半導体基板内における前記検出部以外の部分と前記検出部とが前記貫通溝によって、分離され、
   前記半導体基板において、前記検出部の基板底面が、前記半導体基板内における前記検出部以外の部分の基板底面と、同じ高さにあることを特徴とする圧力センサチップ。
2. 前記半導体基板において、前記検出部の基板底面は、前記接続部の基板底面よりも高い位置にあり、前記接続部の基板底面は接続部以外の基板底面と同じ高さもしくは高い位置にあることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサチップ。
3. 前記検出部は、平面視において略円形の形状を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の圧力センサチップ。
4. 前記接続部の幅は、前記ダイアフラムの中心から見て中心角４５度の範囲に形成されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の圧力センサチップ。
5. 前記センサ部は、前記ダイアフラムの表面に形成され該ダイアフラムの変形に応じて抵抗値が変化する複数のピエゾ抵抗素子を接続して構成されたブリッジ回路を含み、
   前記接続部は、前記複数のピエゾ抵抗素子のうちいずれかにおけるピエゾ抵抗素子と前記ダイアフラムの中心とを結ぶ直線に対して４５度の角度をなして前記ダイアフラムの中心を通る直線上に位置するように形成されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の圧力センサチップ。
6. 前記センサ部と電気的に接続され、該センサ部からの電気信号を外部に出力する出力端
   子部をさらに備え、
   前記出力端子部は、前記半導体基板の表面に形成され、前記接続部は、前記ダイアフラムの中心と前記出力端子部とを結ぶ直線上には位置しないように設けられることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の圧力センサチップ。
7. センサ基板と、
   請求項１乃至６の何れか一項に記載の圧力センサチップとを備え、
   前記圧力センサチップが、前記半導体基板の底面のうち前記検出部以外の位置で、ダイボンド材を介して、前記センサ基板又は前記基板に固定された回路部に対して接続されていることを特徴とする圧力センサ。
8. 半導体基板内に形成され密閉された圧力基準室と、該圧力基準室と外部との間に形成され前記圧力基準室内の圧力と外部の圧力の差によって変形するダイアフラムと、前記ダイアフラムに設けられ該ダイアフラムの変形に応じた電気信号を発生可能なセンサ部と、を備える圧力センサチップであって、
   前記半導体基板の平面視において、前記圧力基準室、前記ダイアフラム及び前記センサ部を含む検出部の周囲のうち一部を接続部とし、前記接続部を残して前記検出部の周囲に当該半導体基板を貫通する貫通溝が形成され、前記半導体基板内における前記検出部以外の部分と前記検出部とが前記貫通溝によって、分離され、
   前記センサ部が、前記ダイアフラムの表面に形成され該ダイアフラムの変形に応じて抵抗値が変化する複数のピエゾ抵抗素子を接続して構成されたブリッジ回路を含み、
   前記接続部が、前記複数のピエゾ抵抗素子のうちいずれかにおけるピエゾ抵抗素子と前記ダイアフラムの中心とを結ぶ直線に対して４５度の角度をなして前記ダイアフラムの中心を通る直線上に位置するように形成されることを特徴とする圧力センサチップ。
9. 半導体基板内に形成され密閉された圧力基準室と、該圧力基準室と外部との間に形成され前記圧力基準室内の圧力と外部の圧力の差によって変形するダイアフラムと、前記ダイアフラムに設けられ該ダイアフラムの変形に応じた電気信号を発生可能なセンサ部と、を備える圧力センサチップであって、
   前記半導体基板の平面視において、前記圧力基準室、前記ダイアフラム及び前記センサ部を含む検出部の周囲のうち一部を接続部とし、前記接続部を残して前記検出部の周囲に当該半導体基板を貫通する貫通溝が形成され、前記半導体基板内における前記検出部以外の部分と前記検出部とが前記貫通溝によって、分離され、
   前記センサ部と電気的に接続され、該センサ部からの電気信号を外部に出力する出力端子部をさらに備え、
   前記出力端子部が、前記半導体基板の表面に形成され、前記接続部が、前記ダイアフラムの中心と前記出力端子部とを結ぶ直線上には位置しないように設けられることを特徴とする圧力センサチップ。

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