[发明专利]半导体应变传感器

说明书

技术领域

本发明涉及能够用于结构物的应变和应力的测量的应变传感器，特 别地涉及使用了半导体应变计的半导体应变传感器。

背景技术

在结构物的应变或应力的测量中使用的应变计具有以下这样的结 构：用有挠性的聚酰亚胺或环氧树脂膜覆盖由Cu-Ni系合金或Ni-Cr 系合金的金属薄膜形成的布线图形。用粘接剂将该应变计粘接到被测量 物上使用。如果金属薄膜的布线图形受到应变而变形，则产生电阻变 化，能够测量应变量。

也有代替金属薄膜而利用向硅等半导体掺杂了杂质而形成的半导体 压电电阻元件作为应变检测部件的半导体应变计。半导体应变计的因应 变产生的电阻变化率为使用了金属薄膜的应变计的几十倍大，能够测量 微小的应变。另外，在金属薄膜的应变计中，由于电阻变化小，所以需 要对所得到的电信号进行放大，为此需要放大器。半导体应变计由于电 阻变化大，所以能够不使用放大器而原样地使用所得到的电信号。或 者，由于可以在半导体应变计的芯片内嵌入放大器电路，所以可以期待 大大提高应变传感器的用途和使用上的方便性。在本说明书中，同义地 使用应变传感器和应变计。

在使用半导体制造技术在硅晶片上进行杂质掺杂，然后形成布线 后，进行芯片化能够得到半导体应变计。在该芯片(以下称为“应变传 感器芯片”)中，重要的是正确地传递测量对象物的应变，其要点是应 变传感器芯片的模块化和在测量对象物上的安装。

在专利文献1中，公开了将半导体应变计做成实用的模块的结构。 图16A用立体图表示该半导体应变计。在硅晶片表面形成了半导体应变 计后，在将硅晶片蚀刻到几μm厚为止后，进行芯片化而得到应变传感 器芯片52。形成布线53并用聚酰亚胺膜54夹住而得到半导体应变计 51。由于对应变传感器芯片52和布线53进行模块化，因此能够与以往 的应变计同样地使用半导体应变计。

在专利文献2中，公开了使用低熔点玻璃58将应变传感器芯片52 粘接到玻璃制的基座57上的应变检测传感器56。图16B用侧面图表示 该应变检测传感器56。通过螺钉固定件等将玻璃制的基座57固定在测 量对象物上。由于不在应变传感器芯片52与玻璃制基座57之间和玻璃 制基座57与测量对象物之间加入树脂粘接剂，因此能够避免由于粘接 树脂和应变检测传感器之间的热膨胀系数的不同而产生的温度漂移。

专利文献1：日本特开2001-264188号公报

专利文献2：日本特开2001-272287号公报

与以往的使用了金属薄膜的应变计同样，能够用树脂粘接剂将专利 文献1的半导体应变计粘贴在测量对象物上而使用。由于使用树脂粘接 剂，所以有由于树脂粘接剂变质或劣化而应变检测灵敏度和零点变动的 问题。从特性的稳定性的观点出发，长期使用时成为问题。由于使用高 灵敏度的半导体应变计，所以特性变动的影响更显著地出现。

由于在专利文献2的应变检测传感器中没有使用树脂粘接剂，所以 可以认为与专利文献1的半导体应变计相比，长期稳定性好。但是，将 测量对象物所产生的应变传递到应变传感器芯片的方法有问题。如果考 虑到安装时的处理，则专利文献2的应变传感器芯片需要某种程度的厚 度，由于该厚度，所以应变传感器芯片自身具有无法忽视的程度的刚 性。因此，接合了应变传感器芯片52的基座57的刚性在整体上不均 匀。如图17A所示，在用螺钉24安装在测量对象物6上的应变检测传 感器56中，例如在箭头所示的方向上对测量对象物6施加了拉伸的应 变的情况下，伴随着螺钉间的变位，从螺钉24向基座57传递力。由 此，在基座整体上所产生的应变由于应变传感器芯片52所具有的刚性 的影响而不均匀，在应变检测部件59的某应变传感器芯片表面上产生 的应变成为与测量对象物6的应变不同的应变。

与测量对象物6的应变对应的应变传感器芯片52的应变如图17B 所示，如果在必要的测量范围内具有正比的关系，则能够使用表示应变 的变换系数的曲线的斜率，从应变传感器芯片的检测值求出测量对象物 的应变。实际上，能够利用因压电电阻变化造成的电压的输出变化得到 应变传感器输出，能够通过将其乘以应变的变换系数求出测量对象物6 的应变。