JPS5926608Y2 - 半導体変位変換器 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本案は半導体変位変換器に関する。

特定な結晶軸方向を有する半導体単結晶はピエゾ抵抗を
有することが知られている。

ががるピエゾ抵抗が半導体固有のものであり、かつ従来
の金属線型歪ゲージに比較して格段に優れた特性を示す
ことも周知の通りである。

一般に、半導体変位変換器は第１図に示す各部材から構
成されている。

同図において、１は歪伝達部材、２は歪検出体、３は接
着材料、４は歪検出体２と外部回路とを結ぶリード線で
、歪伝達部材１の変位にともなう歪を接着材料３を介し
て歪検出体２に伝達し、その伝達歪量に対応する電気出
力をリード線４を通して外部回路に取出すものである。

この際歪検出体２は、種々の誘導雑音から分離するため
歪伝達部材から電気的に絶縁されるとともに、歪伝達部
材１は接地される。

かかる構成物が変位変換器として有効に作動するために
は、歪検出体２を歪伝達部材１に強固に取付けるととも
に、両者間を電気的に絶縁する必要がある。

このような要請から、従来の半導体変位変換器において
は、（１）歪検出体と歪伝達部材間をエポキシ樹脂やア
クリレート樹脂などの有機樹脂を用いて接着する方法、
（２）半導体からなる歪検出体内にＰｎ接合を形成し、
このＰｎ接合障壁によって歪感応領域（抵抗領域）と歪
伝達部材間を電気的に分離し、歪検出体−歪伝達部材間
を金属ソルダで接着する方法、（３）歪検出体と歪伝達
部材間をガラス材で接着する方法、などが用いられてき
た。

しがしながら、（１）の場合は接着材料そのものががな
り厚く形成される結果、歪伝達部材の変位が歪検出体へ
正確に伝達されず、変位変換器の感度低下をきたし、ま
た有機樹脂は耐熱性が劣ることとあいまって塑性変形を
生じやすく接着部にクリープ現象を生ずる。

即ち、半導体歪検出体と歪伝達部材との強固な接着は有
機樹脂を用いた方法では困難である。

一方、（２）の方法は特公昭３９−２１４４４に記載さ
れているように、半導体歪計を普通の合金処理によって
歪を測知すべき部材に直接接着でき、そして合金層をか
なりの程度まで薄くできるので、歪を半導体歪計に正確
に伝達できる。

しかし、Ｐｎ接合はこれに順方向電圧が印加されるよう
な電位に対しては絶縁障壁として働き得ないばかりでな
く、熱的なキャリア発生のため高温雰囲気における絶縁
性低下はまぬがれ得ない。

また、（３）の方法は半導体歪検出体と歪伝達部材間の
絶縁は完全に達成されるが、ガラス材そのものが大きな
脆性を有することや被接着体との熱膨張係数の相違にも
とづく接着部の破損等を生じやすく、この結果両者間の
完全な接着を実現するにはさらに改善の余地が残されて
いる。

以上の背景から、前記（２）および（３）の欠点を除き
、長所を積極的に発展させた変位変換器が提案されてい
る。

この変位変換器は第２図に示すように半導体単結晶１１
の第一主面１２側に歪感幅領域１３を形成し、前記主面
１２と反対側の第二主面１４側に絶縁性酸化物１５を具
備した半導体歪検出体１６と弾性金属材料からなる歪伝
達部材１７とを、合金材からなるソルダ層１８を介して
一体化している。

この場合、ソルダ層１８と絶縁性酸化物１５との接着を
強固に保つ必要から両者間に絶縁性酸化物１５との結合
力が強く、ソルダ層１８との合金的結合を容易にする金
属中間層１９を介在させていた。

このような従来構造の変位変換器をさらに詳細に説明す
ると、絶縁性酸化物１５としてはＳｉＯ２等を合金ソル
ダ層１８としては４００℃以下で溶融し歪伝達部材１７
の機械的性質を損なわずに比較的低温での接着が可能で
あるＡｕ−Ｇｅ、 Ａｕ−５ｉ等のＡｕ系合金ソルダを
、また金属中間層としてはＳｉＯ２との親和性が強く、
そして接着を強固に保ち得るＣｒを用い、また前記合金
ソルダ１８の中には金属中間層１９との合金的結合を容
易にし、しかもＡｕと金属中間層との反応を抑制するＣ
ｕ、Ｎｉなどからなる添加金属を含有させていた。

しかしながら、このように構成された従来の変位変換器
には次のような欠点があった。

（１）半導体歪検出体１６と歪伝達部材１７間の合金ソ
ルダ１８による一体化熱処理の際、この合金ソルダ１８
が溶融して同ソルダ中の主要成分であるＡｕが金属中間
層１９にまで拡散して、本来接着が強固になされる絶縁
性酸化物−金属中間層（Ａｕを含む）構成に変質させ、
その結果同界面における接着強度を低下させる事故をし
ばしば生ずる。

（２） （１）の界面変質および接着層厚さの局所的不
均一により接着状態が不均一になる結果、歪感幅領域の
歪感度が相互な不均一になり変位変換器の精度や安定性
を損なう。

（３）歪検出体１６と歪伝達部材１７を一体化するため
には複雑な積層金属層を設ける必要があり、このことは
変位変換器の製作を複雑にするとともに経済的不利益を
もたらす。

（４）ソルダとしてＡｕを主成分とする合金を用いるた
め変位変換器の製作コストが高くなる。

（５）（１）〜（４）の結果、接着強度を強固に保ち、
そして精度や安定性に優れる変位変換器を簡便かつ廉価
に製作することが困難である。

本案は前述の欠点を改善し、半導体歪検出体と歪伝達部
材間の接着を簡便に強固かつ均一になし得る半導体変位
変換器を提供するものである。

本案の半導体変位変換器は一方の主面側に少なくとも１
つの歪感幅領域を備え、少なくとも前記主面に対向する
他方の主面側に絶縁性酸化物を具備した半導体歪検出体
と、この歪検出体に変位を伝達する歪伝達部材とを、前
記歪検出体と歪伝達部材とによってサンドウィッチ状に
はさまれた金属層を介して一体化してなる半導体変位変
換器において、前記金属層をＡ Ｉ 、 Ｚｎ、 Ｓｂ
、 Ｃｄ、 Ｓｎ、 Ｓｅ。

Ｔ Ｉ 、 Ｔｅ、 Ｐｂ、 Ｂｉ、 Ｍｇの群の中か
ら選択された少なくとも１つの金属で構成することを特
徴とする。

これらの金属を半導体歪検出体と歪伝達部材とを一体化
するための金属層として用いることにより、接着層の構
成を簡単にでき、接着状態を異種金属との複雑な相互作
用の影響を受けにくくすることができ、そして絶縁性酸
化物との接着を強固に保つことができる。

これは前述の金属が絶縁性酸化物との親和性が大きいた
め、これら金属の融点以下の温度で接着できることに基
づく。

本案の変位変換器においては、絶縁性酸化物としてハＳ
ｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３，ＢｅＯなどが熱酸化法、スパッタ
リング法、ＣＶＤ （Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ
Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法など半導体素子製作に通常用
いられる方法で、半導体歪検出体の少なくとも被接着面
に形成される。

また、接着部を構成する金属層はＡ ｌ 、Ｚｎ。Ｓｂ
、 Ｃｄ、 Ｓｎ、 Ｓｅ、 Ｔ Ｉ 、 Ｔｅ、 Ｐ
ｂ、 Ｂｉ、Ｍｇ０群の中から選ばれた少なくとも１種
の金属を蒸着法、スパッタリング法、メッキ法、イオン
ブレーティング法などによって歪伝達部材に形成する。

前述の半導体歪検出体と歪伝達部材間は絶縁性酸化物と
金属層とが互に接触するように加圧し、これに高周波電
圧を印加して金属層の接点の融点より低い温度に加熱し
て一体化される。

以下本案を実施例により詳細に説明する。

実施例１ この変位変換器は面方位（１１０）、比抵抗４Ωｃｍ、
導電型ｎのＳｉ単結晶の一方の主面に２本のストライプ
状Ｐ型拡散抵抗領域を、またこれと反対側の主面および
側面に厚さ１．５μｍのＳｉＯ２膜を具備した歪ゲージ
チップを、ファニコカンチレバの両生面上の対称位置に
厚さ３μｍのＡｔ層を介して一体化し、各Ｐ型拡散抵抗
がブリッジ回路を構成するように電気配線したものであ
る。

この一体什に際しては、歪ゲージチップとカンチレバは
３０×１０５Ｎ／ｍ２に加圧されるとともに、５８０℃
に高周波加熱された。

以上の構成で得られた変位変換器の接着強度歩留は９２
％（１３８／１５０）と高い値が得られた。

この際、接着強度は前記カンチレバに変位を与えて歪ゲ
ージチップに歪量１５００ Ｘ ＩＰを印加したとき歪
ゲージチップがカンチレバから剥離しない場合、即ち抵
抗ブリッジ出力が印加歪量に対して直線性を保持する場
合に合格とした。

また、変位変換器のブリッジ内抵抗値偏差歩留は８９％
（１３４／１５０）と大きい値が得られた。

この際、ブリッジ内抵抗値偏差は印加歪量がゼロのとき
の各拡散抵抗領域の抵抗値のブリッジ内平均抵抗値に対
する偏差が１％以下である場合に合格と判定した。

このようにＡ１層を介して一体化した場合、接着強度お
よびブリッジ内抵抗値偏差とも同時に高率で前述の基準
を満すことが明らかになった。

接着強度歩留が高率になったのは接着層構成成分として
絶縁性酸化物との親和性のよいＡＩを用い、そして複雑
な相互作用を生ずる異種金属の使用を避けたため、絶縁
性酸化物−Ａ１層間の接着が強固になされたことに起因
し、またブリッジ内抵抗値偏差歩留が高率になったのは
高周波加熱によってＡ１が溶融しない温度で一体化され
たため、接着層としてのＡ１層の厚さに局所的な不均一
を生せず、一体化後に歪ゲージチップに残る残留歪のア
ンバランスが緩和されたことに起因する。

また、本実施例で得られた代表的な変位変換器にさらに
大きな変位を与え、最大歪量３５００ Ｘ １０−を印
加したが、カンチレバの両面に接着した２つの歪ゲージ
チップは剥離を生ずることなく、そして印加型範囲０〜
３５００×１０′の間では歪−抵抗ブリッジ出力特性の
非直線誤差は０．００１〜０．０１％と極めて小さく、
さらに同特性のヒステリシスは±０．０３〜０．０５％
と極めて小さく変位変換器として実用するに足る精度や
安定性が確認された。

さらに、本実施例における変位変換器は接着層をＡｌで
構成し他の異種金属を添加する必要がないため、金属層
を形成するための工程が短縮が可能であり、そして多様
な機能を備えた設備を必要としないなど、経済的に有利
であることが確認された。

実施例２ この変位変換器は前記実施例１と同様の変位変換器にお
いて、歪ゲージチップとファニコカンチレバとを厚さ３
μｍのｐｂ層を介して一体化したものである。

この一体化に際しては、歪ゲージチップとカンチレバは
３０×１０５Ｎ／ｍ２に印加されるとともに２８０℃の
高周波加熱された。

以上の構成で得られた変位変換器の接着強度歩留は８７
％（１３１／１５０）、そしてブリッジ内抵抗値偏差歩
留は８９％（１３４／１５０）と高い値が得られた。

この際の接着強度およびブリッジ内抵抗値偏差は前記実
施例１と同じ基準によって合否を判定した。

このようにｐｂ層を介して一体化した場合、接着強度お
よびブリッジ内抵抗値偏差とも同時に高率で前述の基準
を満すことが明らかになった。

接着強度歩留が高率になったのは接着層構成成分として
絶縁性酸化物との親和性のよいｐｂを用い、そして複雑
な相互作用を生ずる異種金属の使用を避けたため、絶縁
性酸化物−ｒｂ層間の接着が強固になされたことに起因
し、またブリッジ内抵抗値偏差歩留が高率になったのは
高周波加熱によってｐｂが溶融しない温度で一体化され
たため、接着層としてのＰｂ層の厚さに局所的な不均一
を生ぜず、一体化後に歪ゲージチップに残る残留歪のア
ンバランスが緩和されたことに起因する。

また、本実施例で得られた代表的な変位変換器にさらに
大きな変位を与え、最大歪量３５００ Ｘ １０”’を
印加したが、カンチレバの両面に接着した２つの歪ゲー
ジチップは剥離を生ずることなく、そして印加範囲０〜
３５００ ｘ ＩＰの間では歪−抵抗ブリッジ出力特性
の非直線誤差は０．００１〜０，０１％と極めて小さく
、さらに同特性のヒステリシスは±０゜０３〜０．０５
％と極めて小く変位変換器として実用するに足る精度や
安定性が確認された。

さらに、本実施例における変位変換器は接着層をｐｂで
構成し他の異種金属を添加する必要がないため、金属層
を形成するための工程の短縮が可能であり、そして多様
な機能を備えた設備を必要としないなど、経済的に有利
であることが確認された。

実施例３ この変位変換器は前記実施例１と同様の変位変換器にお
いて、歪ゲージチップとファニコカンチレバとをＺｎ、
Ｓｂ、 Ｃｄ、 Ｔｅ、 Ｂｉ層を介して一体化した
ものである。

この一体化に際しては、歪ゲージチップとカンチレバは
加圧して高周波加熱された。

以上の構成で得られた接着強度歩留およびブリッジ内抵
抗値偏差歩留は表に示したように、いずれの場合も８５
％以上（各ロフトとも試料数１５０）と高率を示した。

この際の接着強度およびブリッジ内抵抗値偏差は前記実
施例１と同し基準によって合否を判定した。

このようにＺｎ、 Ｓ ｂ、 Ｃｄ、 Ｔｅ、 Ｂｉ層
を介して一体化した場合、接着強度およびブリッジ内抵
抗値偏差とも同時に高率で前述の基準を満すことが明ら
かになった。

接着強度歩留が高率になったのは接着層構成成分として
絶縁性酸化物トノ親和性のよイＺｎ、 Ｓｂ、 Ｃｄ、
Ｔｅ、 Ｂｉを用い、そして複雑な相互作用を生ずる
異種金属の使用を避けたため、絶縁性酸化物−金属層間
の接着が強固になされたことに起因し、またブリッジ内
抵抗値偏差歩留が高率になったのは高周波加熱によって
金属層が溶融しない温度で一体化されたため、接着層と
しての金属層の厚さに局所的な不均一を生ぜず、一体化
後に歪ゲージチップの残る残留歪のアンバランスが緩和
されたことに起因する。

また、本実施例で得られた代表的な変位変換器にさらに
大きな変位を与え、最大歪量３５００ Ｘ １０”’を
印加したが、カンチレバの両面に接着した２つの歪ゲー
ジチップは剥離を生ずることなく、そして印加歪範囲０
〜３５００ Ｘ １０′の間では歪−抵抗ブリッジ出力
特性の非直線誤差は０．０１５％以下と極めて小さく、
さらに同特性のヒステリシスは±０．０８％以下と小さ
く変位変換器として実用するに足る精度や安定性が確認
された。

さらに、本実施例における変位変換器は接着層り単体金
属で構成し、他の異種金属を添加する必要がないため、
金属層を形成するための工程の短縮が可能であり、そし
て多様な機能を備えた設備を必要としないなど、経済的
に有利であることが確認された。

前述したように、実施例を用いて本案を説明したが、本
案はこれのみに限定されるものではなく、例えば次のよ
うな場合でも本案の効果ないし利点を享受できることは
明らかである。

（１）半導体母体材料がＧｅの場合 （２）絶縁性酸化物がＡｌ２Ｏ３またはＢｅＯの場合（
３）金属層としてＳｎ、 Ｓｅ、 Ｔ Ｉ 、 Ｍｇを
用いた場合（４）半導体母材そのものが歪感底領域ある
いは歪測定部材を兼ねる場合（第３図） （５）歪伝達部材としてＦｅ、 Ｎｉ、 Ｃｏ、 Ｍｏ
、 Ｗ、 Ｔｉなどの単体金属またはこれらの金属を含
む合金材を用いる場合 （６）半導体単結晶の主面面方位が（１００） 、 （
１１１）の場合 （７）半導体母体材料の導電型がＰ型、したがって抵抗
領域の導電型がｎの場合 以上までに説明したように、本案によれば次のような利
点ないし効果を奏することができる。

（１）接着層構成取分として絶縁性酸化物との親和性の
よい単体金属を用い、複雑な相互作用を生じ絶縁性酸化
物との親和性の悪いＡｕなどの異種金属の使用を避けら
れるため、絶縁性酸化物−金属層間の接着を強固に保つ
こと力呵能である。

（２）金属層を溶融せずに歪ゲージチップと歪伝達部材
とを一体化できるため、接着層としての金属層の厚さを
均一に保つことができ、そして一体化後に歪ゲージチッ
プに残る残留歪のアンバランスを小さくできる。

（３）接着層としての金属層は複雑は多層金属層にする
必要がないため、金属層の形成工程が簡便かつ経済的に
有利となる。

（４）（１）〜（３）の結果、十分実用に供することが
できる精度や安定性を備えた変位変換器を歩留りよく簡
便に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は半導体変位変換器の構造概略図、
第３図は本案の変形例を示す図である。 １・・・・・・歪伝達部材、２・・・・・・歪検出体、
３・・・・・・接着材、４・・・・・・リード線、１１
・・・・・・半導体単結晶、１２・・・・・・第一主面
、１３・・・・・・歪感応領域、１４・・・・・・第二
主面、１５・・・・・・絶縁性酸化物、１６・・・・・
・半導体歪検出体、１７・・・・・・歪伝達部材、１８
・・・・・・ソルダ層、１９・・・・・・金属中間層。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 一方の主面側に少なくとも１つの歪感応領域を備え少な
   くとも前記主面に対向する他方の主面側に絶縁性酸化物
   を具備した半導体歪検出体と、この歪検出体に変位を伝
   達する歪伝達部材とを、前記歪検出体と歪伝達部材とに
   よってサンドウィッチ状にはさまれた金属層を介して一
   体化してなる半導体変位変換器において、前記金属層Ａ
   Ｉ、Ｚｎ。 Ｓｂ、 Ｃｄ、 Ｓｎ、 Ｓｅ、 Ｔ Ｉ 、 Ｔｅ、
   Ｐｂ、 Ｂｉ、 Ｍｇ０群の中がら選択された少なく
   とも１つの金属で構成することを特徴とする半導体変位
   変換器。