荷重センサ及びその製造方法
【課題】 特に、押圧部材と当接する受圧部表面の耐摩耗性を向上させた荷重センサを提供することを目的とする。
【解決手段】 本実施形態における荷重センサ１は、荷重を受けて厚さ方向に変位可能な変位部４と、前記変位部４での変位量を検出可能な素子部（ピエゾ抵抗素子６）と、を有し、前記変位部４の荷重を受ける側の面から突出するシリコンからなる突起部５と突起部５の表面５ａに成膜された無機絶縁層３０とからなる受圧部１７が設けられていることを特徴とする。
【解決手段】 本実施形態における荷重センサ１は、荷重を受けて厚さ方向に変位可能な変位部４と、前記変位部４での変位量を検出可能な素子部（ピエゾ抵抗素子６）と、を有し、前記変位部４の荷重を受ける側の面から突出するシリコンからなる突起部５と突起部５の表面５ａに成膜された無機絶縁層３０とからなる受圧部１７が設けられていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷重を受けて厚さ方向に変位可能な変位部の表面に突起状の受圧部を備える荷重センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１に記載された発明には、突起状の受圧部の表面にゴムによる表皮部材を設けた構成が開示されている。また、特許文献２にも突起部の表面を樹脂材で覆ったり、あるいは特許文献３のように突起部を含めて全体を保護膜で覆う発明が開示されている。
【０００３】
ところで、シリコンで形成された突起状の受圧部を例えば金属よりなる押圧部材により押し込む動作が繰り返し行われると、受圧部の前記押圧部材と当接する表面が磨耗しやすいといった問題があった。
【０００４】
しかしながら、特許文献１〜３に記載された発明はいずれも突起状の受圧部表面の耐摩耗性を向上させるための構成ではない。すなわちこれらの特許文献ではいずれも別部材を取り付けて突起部を保護してはいるものの、例えば金属の押圧部材との当接面となる別部材の最表面が優れた耐摩耗性を有しているのか定かではない。
【０００５】
また別部材を、突起部の形成工程とは別の工程により組み込む形態では、工程数が増えるとともに製造コストも増大するといった問題があるし、薄型化・小型化にも寄与できない。
【０００６】
また特許文献４には、エッチング保護膜として二酸化シリコン、窒化シリコンの提示がされているが、受圧部の製造方法を示すものでなく、押圧部材と当接する受圧部表面の耐摩耗性については何も記載されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特公平７−９２４１３号公報
【特許文献２】米国特許第４７４５８１２号明細書
【特許文献３】特開平１０−３００５９４号公報
【特許文献４】特開平６−１９６５２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、押圧部材と当接する受圧部表面の耐摩耗性を向上させた荷重センサを提供することを目的とする。
【０００９】
また本発明は、特に工程数及び製造コストを増やすことなく簡単な製造工程により、受圧部表面の耐摩耗性に優れた荷重センサの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明における荷重センサは、
荷重を受けて厚さ方向に変位可能な変位部と、前記変位部での変位量を検出可能な素子部と、
前記変位部の荷重を受ける側の面から突出するシリコンからなる突起部及び突起部の表面に成膜された無機絶縁層からなる受圧部と、を有して構成されることを特徴とするものである。
【００１１】
これにより、受圧部表面（無機絶縁層の表面）の耐摩耗性を向上させることができる。また、薄い無機絶縁層を突起部の表面に成膜して受圧部を構成したため、突起部表面にシート部材や樹脂層を設けた構成に比べて荷重センサの薄型化を促進できる。また製造工程数を増やすことなく、製造コストの上昇を抑制することが可能である。
【００１２】
本発明では、前記変位部の前記受圧部が形成された側と反対面側には前記変位量を検出するための複数のピエゾ抵抗素子が形成されており、
前記変位部、前記受圧部及び前記ピエゾ抵抗素子を有して成るセンサ基板と、前記ピエゾ抵抗素子と電気的に接続する電気配線部が形成されたベース基板とが、前記受圧部を外側に向け、前記ピエゾ抵抗素子が形成された面側と、前記電気配線部が形成された面側とを対向させた状態で接合されており、前記センサ基板と前記ベース基板との間に、前記変位部に対する変位空間が設けられている構成に好ましく適用できる。
【００１３】
また本発明では、前記無機絶縁層は、ＳｉＯ2，ＳｉＮ，Ａｌ2Ｏ3又はＳｉＡｌＯＮにより形成されることが好ましく、特に、ＳｉＯ2により形成されることがより好ましい。
【００１４】
また本発明は、荷重を受けて厚さ方向に変位可能なシリコンからなる変位部と、前記変位部での変位量を検出可能な素子部と、を有する荷重センサの製造方法において、
前記変位部の荷重を受ける側の表面を削って突起状の受圧部を形成するとき、前記表面に、無機絶縁層からなるマスクを形成し、前記無機絶縁層に覆われていない前記表面を所定量削ってシリコンからなり前記変位部と一体の突起部を形成するとともに、前記突起部の表面に前記無機絶縁層を残すことを特徴とするものである。このように本発明では、無機絶縁層をマスクとして利用することで、変位部と一体化した突起部を形成でき、更に無機絶縁層を全て除去せずに前記突起部の表面に一部を残すことで、シリコンからなる突起部と無機絶縁層により構成された突起状の受圧部を特別な工程を経ることなく形成できる。したがって本発明では、工程数及び製造コストを増やすことなく、受圧部表面の耐摩耗性に優れた荷重センサを製造することが可能である。
【００１５】
本発明では、前記変位部の荷重を受ける側と反対面側に前記変位量を検出するための複数のピエゾ抵抗素子を有するセンサ基板を形成する工程と、
前記ピエゾ抵抗素子と電気的に接続する電気配線部を有するベース基板を形成する工程と、
前記センサ基板のピエゾ抵抗素子が形成された面側と前記ベース基板の前記電気配線部が形成された面側とを対向させた状態で、前記センサ基板と前記ベース基板とを接合する工程と、
前記変位部の荷重を受ける外側の表面に前記変位部と一体に形成された前記突起部と前記突起部の表面に残された前記無機絶縁層からなる前記受圧部を形成する工程と、
を有することが好ましい。本発明では、無機絶縁層をＣＶＤ、スパッタ等で成膜し、無機絶縁層をマスクとしてドライエッチング（ディープＲＩＥ）により、シリコンからなる突起部とその表面に無機絶縁層とを有する突起状の受圧部を形成できるので、ウエット工程を通さずに、前記受圧部を形成できる。よって、センサ基板とベース基板間の電気配線や金属接合部等に悪影響を与えることなく、受圧部の形成を行うことが可能である。
【００１６】
また本発明では、前記センサ基板に前記受圧部を形成した後、前記変位部の側方に位置し前記ベース基板の電気配線部と対向する前記センサ基板の部分を切断して、前記電気配線部の表面のパッド部を開放することが好ましい。上記のようにセンサ基板側にて電気配線部と対向する不要な部分を予め切断せずに残しておくことで、ウェハ同士での接合が可能になり、多数の荷重センサを一度に形成することが可能になる。また、ウェハ間に均一な接合強度を加えることができ、歩留まりの向上を図ることが出来る。
【００１７】
また本発明では、前記センサ基板の形成工程にて、前記ピエゾ抵抗素子を形成する面側であって、前記変位部を囲む形状からなるセンサ側接合層を形成し、さらに、同じ面側であって、後の工程で、前記ベース基板の電気配線部と対向して切断される前記センサ基板の部分に段差を形成し、
前記ベース基板の形成工程にて、電気配線部を形成する面側であって、前記センサ側接合層と対向する位置にベース側接合層を形成し、さらに、前記電気配線部の表面に電極パッド部を重ねて形成し、
前記センサ基板の前記センサ側接合層と、前記ベース基板の前記ベース側接合層との間を接合し、このとき、前記センサ基板に形成された前記段差の位置に、前記電気配線部及び電極パッド部を配置し、前記接合後に、前記段差の形成された前記センサ基板の部分を切断することが好ましい。上記により、センサ基板とベース基板間を簡単且つ適切に接合することが可能になる。また、ベース基板の電気配線部と対向して切断されるセンサ基板の部分に段差を形成することで、段差が設けられた位置での間隔をセンサ基板とベース基板間の接合位置の間隔よりも広げることができ、ベース基板の電気配線部上に重ねて厚膜の電極パッド部を形成することができる。
【００１８】
また本発明では、前記センサ基板と前記ベース基板とを接合する際、前記無機絶縁層を備える前記センサ基板の外側の表面を、弾性を有するシートにて被った状態で加圧することが好ましい。このとき、前記弾性を有するシートにはグラファイトシートを用いることが好ましい。これにより、センサ基板とベース基板間を均等な接合強度にて接合できる。また弾性及び熱伝導性に優れたグラファイトシートを用いることで、センサ側接合層とベース側接合層間に熱及び圧力を適切に加えることができ、センサ側接合層とベース側接合層間の接合強度を高めることができる。
【００１９】
また本発明では、前記無機絶縁層を、ＳｉＯ2，ＳｉＮ，Ａｌ2Ｏ3又はＳｉＡｌＯＮにより形成することが好ましく、特に、ＳｉＯ2により形成することが好適である。これにより、無機絶縁層をマスクとしてシリコンからなるセンサ基板をエッチングした際の無機絶縁層のエッチングレートを、シリコンのエッチングレートよりも効果的に小さくでき、よってシリコンから成る突起部の形成とともに、突起部の表面に適切に無機絶縁層を残すことが出来る。特に無機絶縁層をＳｉＯ2とすることで選択比（シリコンのエッチングレート／無機絶縁層のエッチングレート）を高めることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の荷重センサによれば、受圧部表面の耐摩耗性を効果的に向上させることができ、また薄型化の促進も図ることが可能である。
【００２１】
また本発明によれば、工程数及び製造コストを増やすことなく、受圧部表面の耐摩耗性に優れた荷重センサを製造することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１（ａ）は本実施形態における荷重センサ（フォースセンサ）をパッケージ化した状態の部分縦断面図であり、特に図１（ｂ）に示すＡ−Ａ線により切断し矢印方向から見た部分での部分縦断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す荷重センサを構成するセンサ基板の裏面透視図である。
【図２】本実施形態における荷重センサの製造方法を示す工程図（部分縦断面図）である。
【図３】実施例（シリコンの突起部の表面に無機絶縁層（ＳｉＯ２）が形成された受圧部を備える荷重センサ）と、比較例（受圧部表面がシリコンの荷重センサ）における荷重回数と受圧部の磨耗深さとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１（ａ）は本実施形態における荷重センサ（フォースセンサ）をパッケージ化した状態の部分縦断面図であり、特に図１（ｂ）に示すＡ−Ａ線により切断し矢印方向から見た部分での部分縦断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す荷重センサを構成するセンサ基板の裏面透視図である。
【００２４】
図１（ａ）に示すように荷重センサ１は、センサ基板２と、ベース基板３とを有する。
図１（ａ）に示すようにセンサ基板２は、変位部４と、変位部４の上面４ａに上方に向けて突出する突起状の受圧部１７が設けられる。変位部４は、荷重により高さ方向に変位可能な部分である。変位部４は、後述する接合層１１，１３の内領域で規定される。
【００２５】
変位部４はシリコン基材１６で形成されており、受圧部１７のうち、変位部４と一体に形成された突起部５もシリコン基材１６で形成される。後述する製造方法によれば変位部４及び受圧部１７を一体で形成できる。
【００２６】
図１（ｂ）に示すように、センサ基板２を構成するシリコン基材１６の裏面（下面）１６ｂには、歪検出素子として複数のピエゾ抵抗素子６、複数の電気接続部７、各ピエゾ抵抗素子６と各電気接続部７間を繋ぐ複数の回路配線部８が設けられる。
【００２７】
複数のピエゾ抵抗素子６は、変位部４の周囲に沿って、隣り合う素子同士が９０°異なる位相で配置される。受圧部１７で受けた荷重により変位部４が変位すると、その変位量に応じて複数のピエゾ抵抗素子６の電気抵抗が変化し、各ピエゾ抵抗素子６によって構成されたブリッジ回路の中点電位が変化することで、出力を得ることが出来る。
【００２８】
図１（ａ）に示すように、各ピエゾ抵抗素子６、各電気接続部７、及び各回路配線部８は、絶縁層１０により覆われており、センサ基板２の裏面２ｂに露出しない。絶縁層１０の材質を特に限定しないがＳｉＮやＳｉＯ2等の既存の絶縁材料を用いることができる。また絶縁層１０の表面（センサ基板２の裏面２ｂ）は平坦化面で形成されている。
【００２９】
図１（ａ）（ｂ）に示すように、センサ基板２の裏面２ｂには、変位部４の周縁部を囲むようにセンサ側接合層１１が形成されている。図１（ｂ）に示すように、センサ側接合層１１は閉じた形態であることが好適であるが、一部に切欠がある等してもよい。
【００３０】
図１（ａ）（ｂ）に示す各電気接続部７は、センサ側接合層１１と同様に、センサ基板２の裏面２ｃから突出した形状である。各電気接続部７は、センサ側接合層１１の外側に配置されている。図１（ａ）（ｂ）の構成では、各電気接続部７は円柱状であり、センサ基板２の裏面２ｃの四隅に配置されている。各電気接続部７及びセンサ側接合層１１は、例えば下地層と、Ａｌ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ｔａ，Ｆｅ，Ａｕのいずれか又は２つ以上を含む合金又は２層以上の積層膜からなる金属接合層との積層構造で形成される。一例を挙げると各電気接続部７及びセンサ側接合層１１は、Ｔａ／Ａｕの積層構造で形成される。
【００３１】
図１（ｂ）に示すように、各電気接続部７は、センサ基板２を構成するシリコン基材１６の裏面１６ｂ側に形成された各回路配線部８を介して各ピエゾ抵抗素子６に電気的に接続されている。
【００３２】
ベース基板３は一定厚からなるシリコン基材１２を有して構成される。シリコン基材１２の表面１２ａ（ベース基板３の表面３ａ）は例えば平坦化面で形成される。図１（ａ）に示すように、シリコン基材１２の表面１２ａには、センサ基板２に形成されたセンサ側接合層１１と対応するベース側接合層１３が形成されている。よってベース側接合層１３もセンサ側接合層１１と略同一形状で形成される。また図１（ａ）に示すように、シリコン基材１２の表面１２ａには、複数の電気配線部１４が形成されており、電気配線部１４の表面にはセンサ基板２から離れた位置に電極パッド部１５が形成されている。
【００３３】
一方、各電気配線部１４の前記センサ基板２と対向する側の端部１４ａは、センサ基板２側の電気接続部７と電気的に接続された状態となっている。
【００３４】
ベース側接合層１１及び各電気配線部１４は、例えば下地層と、Ａｌ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ｔａ，Ｆｅ，Ａｕのいずれか又は２つ以上を含む合金又は２層以上の積層膜からなる金属接合層との積層構造で形成される。一例を挙げるとベース側接合層１１及び各電気配線部１４は、Ｔａ／Ａｕの積層構造で形成される。
【００３５】
また、電極パッド部１５は、Ｃｕ、Ａｕ等からなる金属めっき層である。一例を挙げると電極パッド部１５はＡｕで形成される。図１（ａ）に示すように、電極パッド部１５は、各電気接続部７、センサ側接合層１１、ベース側接合層１３、各電気配線部１４に比べて厚膜で形成される。
【００３６】
図１（ａ）に示すように、センサ基板２とベース基板３とはセンサ側接合層１１とベース側接合層１３とを対向させた状態で接合されている。
【００３７】
図１（ａ）に示す荷重センサ１は、支持基板２０により固定支持されており、支持基板２０の表面に形成された電極部２１と荷重センサ１の電極パッド部１５間がボンディングワイヤ２２により電気的に接続される（ワイヤーボンディング）。
【００３８】
そして、支持基板２０の表面から荷重センサ１の側面にかけて封止樹脂２５によりパッケージ化されている。このとき、荷重センサ１の受圧部１７は、封止樹脂２５の表面から露出した状態となっている。
【００３９】
図１（ａ）に示すように本実施形態ではシリコン基材１６で形成された突起部５の表面５ａに無機絶縁層３０が成膜されている。無機絶縁層３０の膜厚は、０．２〜３μｍ程度である。
【００４０】
そして無機絶縁層３０の表面３０ａにステンレス等の金属から成る押圧部材３１が当接するようになっている。
【００４１】
このように本実施形態では、突起部５と突起部５の表面５ａに成膜された無機絶縁層３０とにより受圧部１７が構成されている。
【００４２】
例えば図１（ａ）に示す荷重センサ１はゲーム機のコントローラ内に組み込まれ、コントローラのボタン操作により押圧部材３１が下方向へ移動すると受圧部１７を下方向に押圧し、このとき変位部４にかかる荷重により前記変位部４が変位する。
【００４３】
図１（ａ）に示すように変位部４の下側には、センサ基板２とベース基板３との間に変位部４に対する変位空間３２が設けられており、変位部４を適切に変位させることが可能になっている。
【００４４】
ゲーム機のコントローラのように連続的にしかも強く荷重を受ける構成では、受圧部１７の押圧部材３１に対する耐摩耗性が重要である。後述する実験結果に示すように、シリコンからなる受圧部の表面が露出し（無機絶縁層３０が形成されていない）、前記表面が押圧部材３１と直接当接する構成では、シリコンの耐摩耗性が低いために、荷重を受ける回数が増えていくことで、受圧部の磨耗深さが大きくなるといった問題があった。
【００４５】
そこで本実施形態では、シリコン基材１６よりなる突起部５の表面５ａにシリコンよりも耐磨耗性に優れた無機絶縁層３０を成膜することで、無機絶縁層３０の表面３０ａを押圧部材３１との当接面にでき、よって従来に比べて、受圧部１７の耐摩耗性を向上させることができる。無機絶縁層３０はシリコンよりも摩擦係数が小さく、また硬い材質である。
【００４６】
例えば、無機絶縁層３０は、ＳｉＯ2，ＳｉＮ，Ａｌ2Ｏ3又はＳｉＡｌＯＮにより形成されるが、この中でも特に、ＳｉＯ2により形成されることが好適である。
【００４７】
また本実施形態では、突起部５の表面５ａに無機絶縁層３０を成膜して受圧部１７を構成したが、上記したように無機絶縁層３０の膜厚はせいぜい、０．２〜３μｍ程度であり、特許文献のように突起部の表面を保護すべく、突起部の形成工程の後に別部材を組み込む構成に比べて薄型化を促進することができる。
【００４８】
また受圧部１７の表面を無機絶縁層３０としたことで、金属の押圧部材３１が荷重センサ１のシリコン基材１６の部分と直接接触しないようにでき、これにより電気的安定性を向上させることができる。
【００４９】
続いて図２を用いて図１に示す荷重センサ１の製造方法を説明する。図２の各図は製造工程中における部分縦断面図である。
【００５０】
図２（ａ）の工程では、センサ基板２を形成する。まずウェハ状のシリコン基材３５の第１の面３５ａ側に、各ピエゾ抵抗素子６、回路配線部８、絶縁層１０、電気接続部７、センサ側接合層１１を形成する。回路配線部８、絶縁層１０、電気接続部７、センサ側接合層１１についてはスパッタ等の既存の方法で形成できる。またピエゾ抵抗素子６については、例えば、シリコン基材３５の第１の面３５ａに不純物（例えばホウ素）が注入してＰ型の不純物半導体層より形成できる。
【００５１】
また、ピエゾ抵抗素子６の側方に位置し、図２（ｃ）の工程で、ベース基板３の電気配線部１４と対向する部分３５ｂの第１の面３５ａに段差３５ｃをフォトリソグラフィ技術等を用いて形成する。
【００５２】
また図２（ａ）に示すように、センサ基板２の第２の面３５ｄに、無機絶縁層３０をＣＶＤ等の手法により形成する。無機絶縁層３０の形成位置は、変位部４の荷重を受ける表面側である。また無機絶縁層３０を図２（ｄ）のドライエッチング工程によっても一部、残される程度の厚みで形成する。
図２（ａ）での無機絶縁層３０の膜厚を２〜５μｍ程度とすることが好適である。
【００５３】
次に図２（ｂ）の工程では、ベース基板３を形成する。まずウェハ状のシリコン基材３９の表面３９ａに、ベース側接合層１３、電気配線部１４及び電極パッド部１５を形成する。ベース側接合層１３及び電気配線部１４をスパッタ等の既存の方法で形成することができる。また電極パッド部１５を電気めっき法により形成することができる。
【００５４】
図２（ｃ）の工程では、図２（ａ）に示すセンサ基板２をひっくり返して、無機絶縁層３０を外側に向けた状態とし、また、段差３５ｃが形成された部分３５ｂをベース基板３の電気配線部１４及び電極パッド部１５の位置に対向させて、センサ基板２のセンサ側接合層１１と、ベース基板３のベース側接合層１３間を加熱且つ加圧して接合する。
【００５５】
図２（ｃ）の工程では、無機絶縁層３０が形成されたセンサ基板２の外側の表面（シリコン基材３５の第２の面３５ｄ）を、弾性を有するシート４０にて被った状態として、センサ基板２とベース基板３との間を加圧する。これにより、無機絶縁層３０によるセンサ基板２表面の段差を吸収してセンサ基板２とベース基板３間を均等な接合強度にて接合できる。シート４０には弾性及び熱伝導性に優れたグラファイトシートを用いることで、センサ側接合層１１とベース側接合層１３間に熱及び圧力を適切に加えることができ、センサ側接合層１１とベース側接合層１３間の接合強度を高めることができる。
【００５６】
また図２（ｃ）に示すように、電極パッド部１５が設けられた位置でのセンサ基板２には段差３５ｃを設けたため、センサ基板２とベース基板３間の間隔が広くなり、段差３５ｃの位置に、電気配線部１４及び厚膜の電極パッド部１５を適切に配置することができる。
【００５７】
センサ側接合層１１及びベース側接合層１３は例えばＴａ／Ａｕの積層構造であり、図２（ｃ）の工程により、Ａｕ−Ａｕ接合にてセンサ側接合層１１とベース側接合層１３間を接合できる。また、電気配線部１４の端部１４ａと電気接続部７間の接続も同様である。
【００５８】
次に図２（ｄ）の工程では、無機絶縁層３０をマスクとして、無機絶縁層３０に覆われていないシリコン基材３５の第２の面３５ｄを所定量削る。これにより、変位部４と一体のシリコンからなる突起部５を形成できる。また図２（ｄ）の工程では無機絶縁層３０を全て削らずに、一部の無機絶縁層３０を突起部５の表面５ａに残す。これにより、シリコンからなる突起部５と、突起部５の表面５ａに成膜された無機絶縁層３０からなる受圧部１７を特別の工程を踏むことなく形成することができる。
【００５９】
上記のように図２（ｄ）の工程では、一部の無機絶縁層３０を突起部５の表面５ａに残すため、図２（ａ）で成膜する無機絶縁層３０には、シリコンよりもエッチングレートの低い材料を用いる。
【００６０】
図２（ｄ）の工程ではディープＲＩＥによりシリコン基材３５を削り込むことで、受圧部１７を、ウエット工程を通さずに形成できる。よって、図２（ｄ）に示すセンサ基板２とベース基板３間の金属接合領域や配線領域にウエット工程による悪影響を与えることがない。
【００６１】
本実施形態では、無機絶縁層３０を、ＳｉＯ2，ＳｉＮ，Ａｌ2Ｏ3又はＳｉＡｌＯＮにより形成することが好ましく、ＳｉＯ2により形成することがより好ましい。これにより、無機絶縁層３０をマスクとしてシリコン基材３５をエッチングした際の無機絶縁層３０のエッチングレートを、シリコン基材３５のエッチングレートよりも効果的に小さくでき、よって突起部５の形成とともに、突起部５の表面５ａに適切に無機絶縁層３０を残すことが出来る。特に無機絶縁層３０をＳｉＯ2とすることで選択比（シリコンのエッチングレート／無機絶縁層のエッチングレート）を大きくできる。有機絶縁層などではなく無機絶縁層３０を用いることで、選択比を２５〜１００程度にでき、無機絶縁層３０にＳｉＯ2を用いることで、選択比を５０〜１００程度にできる。
【００６２】
次に図２（ｅ）の工程では、センサ基板２の段差３５ｃが形成された部分３５ｂを点線Ｂによりダイシングして電極パッド部１５を開放し、さらにセンサ基板２及びベース基板３を点線Ｃ，Ｄによりダイシングして各荷重センサ１に個片化する。
【００６３】
図２に示す荷重センサ１の製造方法によれば、無機絶縁層３０をマスクとして利用して、シリコンからなる突起部５を形成でき、このとき、無機絶縁層３０を全て除去せずに突起部５の表面５ａに一部を残すことで、特別な工程を経ずとも、シリコンからなる突起部５と、突起部５の表面５ａに成膜された無機絶縁層３０とからなる受圧部１７を形成でき、したがって工程数及び製造コストを増やすことなく、耐摩耗性に優れた荷重センサ１を製造することが可能である。
【００６４】
また図２（ａ）に示すセンサ基板２の段差３５ｃを形成した部分３５ｂは最終的に切断するが（図２（ｅ））、図２（ａ）の工程で、切断してしまうと、センサ基板２とベース基板３とをウェハ同士で接合できなくなるので、ベース基板３側の電極パッド部１５を逃がすための段差３５ｃを形成した状態で、ウェハ同士にて接合することで、多数の荷重センサ１を均一な接合強度を加えて製造でき、歩留まりの向上を図ることが出来る。
【００６５】
また受圧部１７形成の際のマスクとして無機絶縁層３０を用いることで、ウエット工程を通さずに受圧部１７の形成が可能になり、特にセンサ基板２とベース基板３間の金属接合部や電気配線に対する悪影響を低減できる。また高い選択比を得ることができ、突起部５の表面５ａに適切に無機絶縁層３０を残すことが可能である。
【実施例】
【００６６】
図３は、図１（ａ）に示すようにシリコンからなる突起部５の表面５ａにＳｉＯ2よりなる無機絶縁層３０を成膜した受圧部１７の構成に対する本実施例、及び、シリコンからなる突起部５の表面５ａに無機絶縁層３０を成膜しない、すなわち突起部５のみで受圧部を構成した比較例の各実験結果である。実験では、直径２００μｍの各受圧部に対してステンレス系の押圧部材３１を対向させ、一回につき７Ｎの荷重により、１Ｈｚの周期で連続して加圧した。
【００６７】
図３の横軸が荷重回数であり、縦軸が受圧部の磨耗深さを示す。図３に示すように、比較例では、荷重回数を５００万回とすると磨耗深さが１０μｍ程度まで進行したが、本実施例のように、突起部５の表面５ａに無機絶縁層３０を成膜した受圧部１７の構成としたことで、荷重回数を１０００万回としても受圧部の磨耗深さをゼロにできた。
【符号の説明】
【００６８】
１ 荷重センサ
２ センサ基板
３ ベース基板
４ 変位部
５ 突起部
６ ピエゾ抵抗素子
１１ センサ側接合層
１２、１６、３５、３９ シリコン基材
１３ ベース側接合層
１４ 電気配線部
１５ 電極パッド部
１７ 受圧部
３０ 無機絶縁層
３１ 押圧部材
４０ シート
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷重を受けて厚さ方向に変位可能な変位部の表面に突起状の受圧部を備える荷重センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１に記載された発明には、突起状の受圧部の表面にゴムによる表皮部材を設けた構成が開示されている。また、特許文献２にも突起部の表面を樹脂材で覆ったり、あるいは特許文献３のように突起部を含めて全体を保護膜で覆う発明が開示されている。
【０００３】
ところで、シリコンで形成された突起状の受圧部を例えば金属よりなる押圧部材により押し込む動作が繰り返し行われると、受圧部の前記押圧部材と当接する表面が磨耗しやすいといった問題があった。
【０００４】
しかしながら、特許文献１〜３に記載された発明はいずれも突起状の受圧部表面の耐摩耗性を向上させるための構成ではない。すなわちこれらの特許文献ではいずれも別部材を取り付けて突起部を保護してはいるものの、例えば金属の押圧部材との当接面となる別部材の最表面が優れた耐摩耗性を有しているのか定かではない。
【０００５】
また別部材を、突起部の形成工程とは別の工程により組み込む形態では、工程数が増えるとともに製造コストも増大するといった問題があるし、薄型化・小型化にも寄与できない。
【０００６】
また特許文献４には、エッチング保護膜として二酸化シリコン、窒化シリコンの提示がされているが、受圧部の製造方法を示すものでなく、押圧部材と当接する受圧部表面の耐摩耗性については何も記載されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特公平７−９２４１３号公報
【特許文献２】米国特許第４７４５８１２号明細書
【特許文献３】特開平１０−３００５９４号公報
【特許文献４】特開平６−１９６５２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、押圧部材と当接する受圧部表面の耐摩耗性を向上させた荷重センサを提供することを目的とする。
【０００９】
また本発明は、特に工程数及び製造コストを増やすことなく簡単な製造工程により、受圧部表面の耐摩耗性に優れた荷重センサの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明における荷重センサは、
荷重を受けて厚さ方向に変位可能な変位部と、前記変位部での変位量を検出可能な素子部と、
前記変位部の荷重を受ける側の面から突出するシリコンからなる突起部及び突起部の表面に成膜された無機絶縁層からなる受圧部と、を有して構成されることを特徴とするものである。
【００１１】
これにより、受圧部表面（無機絶縁層の表面）の耐摩耗性を向上させることができる。また、薄い無機絶縁層を突起部の表面に成膜して受圧部を構成したため、突起部表面にシート部材や樹脂層を設けた構成に比べて荷重センサの薄型化を促進できる。また製造工程数を増やすことなく、製造コストの上昇を抑制することが可能である。
【００１２】
本発明では、前記変位部の前記受圧部が形成された側と反対面側には前記変位量を検出するための複数のピエゾ抵抗素子が形成されており、
前記変位部、前記受圧部及び前記ピエゾ抵抗素子を有して成るセンサ基板と、前記ピエゾ抵抗素子と電気的に接続する電気配線部が形成されたベース基板とが、前記受圧部を外側に向け、前記ピエゾ抵抗素子が形成された面側と、前記電気配線部が形成された面側とを対向させた状態で接合されており、前記センサ基板と前記ベース基板との間に、前記変位部に対する変位空間が設けられている構成に好ましく適用できる。
【００１３】
また本発明では、前記無機絶縁層は、ＳｉＯ2，ＳｉＮ，Ａｌ2Ｏ3又はＳｉＡｌＯＮにより形成されることが好ましく、特に、ＳｉＯ2により形成されることがより好ましい。
【００１４】
また本発明は、荷重を受けて厚さ方向に変位可能なシリコンからなる変位部と、前記変位部での変位量を検出可能な素子部と、を有する荷重センサの製造方法において、
前記変位部の荷重を受ける側の表面を削って突起状の受圧部を形成するとき、前記表面に、無機絶縁層からなるマスクを形成し、前記無機絶縁層に覆われていない前記表面を所定量削ってシリコンからなり前記変位部と一体の突起部を形成するとともに、前記突起部の表面に前記無機絶縁層を残すことを特徴とするものである。このように本発明では、無機絶縁層をマスクとして利用することで、変位部と一体化した突起部を形成でき、更に無機絶縁層を全て除去せずに前記突起部の表面に一部を残すことで、シリコンからなる突起部と無機絶縁層により構成された突起状の受圧部を特別な工程を経ることなく形成できる。したがって本発明では、工程数及び製造コストを増やすことなく、受圧部表面の耐摩耗性に優れた荷重センサを製造することが可能である。
【００１５】
本発明では、前記変位部の荷重を受ける側と反対面側に前記変位量を検出するための複数のピエゾ抵抗素子を有するセンサ基板を形成する工程と、
前記ピエゾ抵抗素子と電気的に接続する電気配線部を有するベース基板を形成する工程と、
前記センサ基板のピエゾ抵抗素子が形成された面側と前記ベース基板の前記電気配線部が形成された面側とを対向させた状態で、前記センサ基板と前記ベース基板とを接合する工程と、
前記変位部の荷重を受ける外側の表面に前記変位部と一体に形成された前記突起部と前記突起部の表面に残された前記無機絶縁層からなる前記受圧部を形成する工程と、
を有することが好ましい。本発明では、無機絶縁層をＣＶＤ、スパッタ等で成膜し、無機絶縁層をマスクとしてドライエッチング（ディープＲＩＥ）により、シリコンからなる突起部とその表面に無機絶縁層とを有する突起状の受圧部を形成できるので、ウエット工程を通さずに、前記受圧部を形成できる。よって、センサ基板とベース基板間の電気配線や金属接合部等に悪影響を与えることなく、受圧部の形成を行うことが可能である。
【００１６】
また本発明では、前記センサ基板に前記受圧部を形成した後、前記変位部の側方に位置し前記ベース基板の電気配線部と対向する前記センサ基板の部分を切断して、前記電気配線部の表面のパッド部を開放することが好ましい。上記のようにセンサ基板側にて電気配線部と対向する不要な部分を予め切断せずに残しておくことで、ウェハ同士での接合が可能になり、多数の荷重センサを一度に形成することが可能になる。また、ウェハ間に均一な接合強度を加えることができ、歩留まりの向上を図ることが出来る。
【００１７】
また本発明では、前記センサ基板の形成工程にて、前記ピエゾ抵抗素子を形成する面側であって、前記変位部を囲む形状からなるセンサ側接合層を形成し、さらに、同じ面側であって、後の工程で、前記ベース基板の電気配線部と対向して切断される前記センサ基板の部分に段差を形成し、
前記ベース基板の形成工程にて、電気配線部を形成する面側であって、前記センサ側接合層と対向する位置にベース側接合層を形成し、さらに、前記電気配線部の表面に電極パッド部を重ねて形成し、
前記センサ基板の前記センサ側接合層と、前記ベース基板の前記ベース側接合層との間を接合し、このとき、前記センサ基板に形成された前記段差の位置に、前記電気配線部及び電極パッド部を配置し、前記接合後に、前記段差の形成された前記センサ基板の部分を切断することが好ましい。上記により、センサ基板とベース基板間を簡単且つ適切に接合することが可能になる。また、ベース基板の電気配線部と対向して切断されるセンサ基板の部分に段差を形成することで、段差が設けられた位置での間隔をセンサ基板とベース基板間の接合位置の間隔よりも広げることができ、ベース基板の電気配線部上に重ねて厚膜の電極パッド部を形成することができる。
【００１８】
また本発明では、前記センサ基板と前記ベース基板とを接合する際、前記無機絶縁層を備える前記センサ基板の外側の表面を、弾性を有するシートにて被った状態で加圧することが好ましい。このとき、前記弾性を有するシートにはグラファイトシートを用いることが好ましい。これにより、センサ基板とベース基板間を均等な接合強度にて接合できる。また弾性及び熱伝導性に優れたグラファイトシートを用いることで、センサ側接合層とベース側接合層間に熱及び圧力を適切に加えることができ、センサ側接合層とベース側接合層間の接合強度を高めることができる。
【００１９】
また本発明では、前記無機絶縁層を、ＳｉＯ2，ＳｉＮ，Ａｌ2Ｏ3又はＳｉＡｌＯＮにより形成することが好ましく、特に、ＳｉＯ2により形成することが好適である。これにより、無機絶縁層をマスクとしてシリコンからなるセンサ基板をエッチングした際の無機絶縁層のエッチングレートを、シリコンのエッチングレートよりも効果的に小さくでき、よってシリコンから成る突起部の形成とともに、突起部の表面に適切に無機絶縁層を残すことが出来る。特に無機絶縁層をＳｉＯ2とすることで選択比（シリコンのエッチングレート／無機絶縁層のエッチングレート）を高めることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の荷重センサによれば、受圧部表面の耐摩耗性を効果的に向上させることができ、また薄型化の促進も図ることが可能である。
【００２１】
また本発明によれば、工程数及び製造コストを増やすことなく、受圧部表面の耐摩耗性に優れた荷重センサを製造することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１（ａ）は本実施形態における荷重センサ（フォースセンサ）をパッケージ化した状態の部分縦断面図であり、特に図１（ｂ）に示すＡ−Ａ線により切断し矢印方向から見た部分での部分縦断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す荷重センサを構成するセンサ基板の裏面透視図である。
【図２】本実施形態における荷重センサの製造方法を示す工程図（部分縦断面図）である。
【図３】実施例（シリコンの突起部の表面に無機絶縁層（ＳｉＯ２）が形成された受圧部を備える荷重センサ）と、比較例（受圧部表面がシリコンの荷重センサ）における荷重回数と受圧部の磨耗深さとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１（ａ）は本実施形態における荷重センサ（フォースセンサ）をパッケージ化した状態の部分縦断面図であり、特に図１（ｂ）に示すＡ−Ａ線により切断し矢印方向から見た部分での部分縦断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す荷重センサを構成するセンサ基板の裏面透視図である。
【００２４】
図１（ａ）に示すように荷重センサ１は、センサ基板２と、ベース基板３とを有する。
図１（ａ）に示すようにセンサ基板２は、変位部４と、変位部４の上面４ａに上方に向けて突出する突起状の受圧部１７が設けられる。変位部４は、荷重により高さ方向に変位可能な部分である。変位部４は、後述する接合層１１，１３の内領域で規定される。
【００２５】
変位部４はシリコン基材１６で形成されており、受圧部１７のうち、変位部４と一体に形成された突起部５もシリコン基材１６で形成される。後述する製造方法によれば変位部４及び受圧部１７を一体で形成できる。
【００２６】
図１（ｂ）に示すように、センサ基板２を構成するシリコン基材１６の裏面（下面）１６ｂには、歪検出素子として複数のピエゾ抵抗素子６、複数の電気接続部７、各ピエゾ抵抗素子６と各電気接続部７間を繋ぐ複数の回路配線部８が設けられる。
【００２７】
複数のピエゾ抵抗素子６は、変位部４の周囲に沿って、隣り合う素子同士が９０°異なる位相で配置される。受圧部１７で受けた荷重により変位部４が変位すると、その変位量に応じて複数のピエゾ抵抗素子６の電気抵抗が変化し、各ピエゾ抵抗素子６によって構成されたブリッジ回路の中点電位が変化することで、出力を得ることが出来る。
【００２８】
図１（ａ）に示すように、各ピエゾ抵抗素子６、各電気接続部７、及び各回路配線部８は、絶縁層１０により覆われており、センサ基板２の裏面２ｂに露出しない。絶縁層１０の材質を特に限定しないがＳｉＮやＳｉＯ2等の既存の絶縁材料を用いることができる。また絶縁層１０の表面（センサ基板２の裏面２ｂ）は平坦化面で形成されている。
【００２９】
図１（ａ）（ｂ）に示すように、センサ基板２の裏面２ｂには、変位部４の周縁部を囲むようにセンサ側接合層１１が形成されている。図１（ｂ）に示すように、センサ側接合層１１は閉じた形態であることが好適であるが、一部に切欠がある等してもよい。
【００３０】
図１（ａ）（ｂ）に示す各電気接続部７は、センサ側接合層１１と同様に、センサ基板２の裏面２ｃから突出した形状である。各電気接続部７は、センサ側接合層１１の外側に配置されている。図１（ａ）（ｂ）の構成では、各電気接続部７は円柱状であり、センサ基板２の裏面２ｃの四隅に配置されている。各電気接続部７及びセンサ側接合層１１は、例えば下地層と、Ａｌ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ｔａ，Ｆｅ，Ａｕのいずれか又は２つ以上を含む合金又は２層以上の積層膜からなる金属接合層との積層構造で形成される。一例を挙げると各電気接続部７及びセンサ側接合層１１は、Ｔａ／Ａｕの積層構造で形成される。
【００３１】
図１（ｂ）に示すように、各電気接続部７は、センサ基板２を構成するシリコン基材１６の裏面１６ｂ側に形成された各回路配線部８を介して各ピエゾ抵抗素子６に電気的に接続されている。
【００３２】
ベース基板３は一定厚からなるシリコン基材１２を有して構成される。シリコン基材１２の表面１２ａ（ベース基板３の表面３ａ）は例えば平坦化面で形成される。図１（ａ）に示すように、シリコン基材１２の表面１２ａには、センサ基板２に形成されたセンサ側接合層１１と対応するベース側接合層１３が形成されている。よってベース側接合層１３もセンサ側接合層１１と略同一形状で形成される。また図１（ａ）に示すように、シリコン基材１２の表面１２ａには、複数の電気配線部１４が形成されており、電気配線部１４の表面にはセンサ基板２から離れた位置に電極パッド部１５が形成されている。
【００３３】
一方、各電気配線部１４の前記センサ基板２と対向する側の端部１４ａは、センサ基板２側の電気接続部７と電気的に接続された状態となっている。
【００３４】
ベース側接合層１１及び各電気配線部１４は、例えば下地層と、Ａｌ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ｔａ，Ｆｅ，Ａｕのいずれか又は２つ以上を含む合金又は２層以上の積層膜からなる金属接合層との積層構造で形成される。一例を挙げるとベース側接合層１１及び各電気配線部１４は、Ｔａ／Ａｕの積層構造で形成される。
【００３５】
また、電極パッド部１５は、Ｃｕ、Ａｕ等からなる金属めっき層である。一例を挙げると電極パッド部１５はＡｕで形成される。図１（ａ）に示すように、電極パッド部１５は、各電気接続部７、センサ側接合層１１、ベース側接合層１３、各電気配線部１４に比べて厚膜で形成される。
【００３６】
図１（ａ）に示すように、センサ基板２とベース基板３とはセンサ側接合層１１とベース側接合層１３とを対向させた状態で接合されている。
【００３７】
図１（ａ）に示す荷重センサ１は、支持基板２０により固定支持されており、支持基板２０の表面に形成された電極部２１と荷重センサ１の電極パッド部１５間がボンディングワイヤ２２により電気的に接続される（ワイヤーボンディング）。
【００３８】
そして、支持基板２０の表面から荷重センサ１の側面にかけて封止樹脂２５によりパッケージ化されている。このとき、荷重センサ１の受圧部１７は、封止樹脂２５の表面から露出した状態となっている。
【００３９】
図１（ａ）に示すように本実施形態ではシリコン基材１６で形成された突起部５の表面５ａに無機絶縁層３０が成膜されている。無機絶縁層３０の膜厚は、０．２〜３μｍ程度である。
【００４０】
そして無機絶縁層３０の表面３０ａにステンレス等の金属から成る押圧部材３１が当接するようになっている。
【００４１】
このように本実施形態では、突起部５と突起部５の表面５ａに成膜された無機絶縁層３０とにより受圧部１７が構成されている。
【００４２】
例えば図１（ａ）に示す荷重センサ１はゲーム機のコントローラ内に組み込まれ、コントローラのボタン操作により押圧部材３１が下方向へ移動すると受圧部１７を下方向に押圧し、このとき変位部４にかかる荷重により前記変位部４が変位する。
【００４３】
図１（ａ）に示すように変位部４の下側には、センサ基板２とベース基板３との間に変位部４に対する変位空間３２が設けられており、変位部４を適切に変位させることが可能になっている。
【００４４】
ゲーム機のコントローラのように連続的にしかも強く荷重を受ける構成では、受圧部１７の押圧部材３１に対する耐摩耗性が重要である。後述する実験結果に示すように、シリコンからなる受圧部の表面が露出し（無機絶縁層３０が形成されていない）、前記表面が押圧部材３１と直接当接する構成では、シリコンの耐摩耗性が低いために、荷重を受ける回数が増えていくことで、受圧部の磨耗深さが大きくなるといった問題があった。
【００４５】
そこで本実施形態では、シリコン基材１６よりなる突起部５の表面５ａにシリコンよりも耐磨耗性に優れた無機絶縁層３０を成膜することで、無機絶縁層３０の表面３０ａを押圧部材３１との当接面にでき、よって従来に比べて、受圧部１７の耐摩耗性を向上させることができる。無機絶縁層３０はシリコンよりも摩擦係数が小さく、また硬い材質である。
【００４６】
例えば、無機絶縁層３０は、ＳｉＯ2，ＳｉＮ，Ａｌ2Ｏ3又はＳｉＡｌＯＮにより形成されるが、この中でも特に、ＳｉＯ2により形成されることが好適である。
【００４７】
また本実施形態では、突起部５の表面５ａに無機絶縁層３０を成膜して受圧部１７を構成したが、上記したように無機絶縁層３０の膜厚はせいぜい、０．２〜３μｍ程度であり、特許文献のように突起部の表面を保護すべく、突起部の形成工程の後に別部材を組み込む構成に比べて薄型化を促進することができる。
【００４８】
また受圧部１７の表面を無機絶縁層３０としたことで、金属の押圧部材３１が荷重センサ１のシリコン基材１６の部分と直接接触しないようにでき、これにより電気的安定性を向上させることができる。
【００４９】
続いて図２を用いて図１に示す荷重センサ１の製造方法を説明する。図２の各図は製造工程中における部分縦断面図である。
【００５０】
図２（ａ）の工程では、センサ基板２を形成する。まずウェハ状のシリコン基材３５の第１の面３５ａ側に、各ピエゾ抵抗素子６、回路配線部８、絶縁層１０、電気接続部７、センサ側接合層１１を形成する。回路配線部８、絶縁層１０、電気接続部７、センサ側接合層１１についてはスパッタ等の既存の方法で形成できる。またピエゾ抵抗素子６については、例えば、シリコン基材３５の第１の面３５ａに不純物（例えばホウ素）が注入してＰ型の不純物半導体層より形成できる。
【００５１】
また、ピエゾ抵抗素子６の側方に位置し、図２（ｃ）の工程で、ベース基板３の電気配線部１４と対向する部分３５ｂの第１の面３５ａに段差３５ｃをフォトリソグラフィ技術等を用いて形成する。
【００５２】
また図２（ａ）に示すように、センサ基板２の第２の面３５ｄに、無機絶縁層３０をＣＶＤ等の手法により形成する。無機絶縁層３０の形成位置は、変位部４の荷重を受ける表面側である。また無機絶縁層３０を図２（ｄ）のドライエッチング工程によっても一部、残される程度の厚みで形成する。
図２（ａ）での無機絶縁層３０の膜厚を２〜５μｍ程度とすることが好適である。
【００５３】
次に図２（ｂ）の工程では、ベース基板３を形成する。まずウェハ状のシリコン基材３９の表面３９ａに、ベース側接合層１３、電気配線部１４及び電極パッド部１５を形成する。ベース側接合層１３及び電気配線部１４をスパッタ等の既存の方法で形成することができる。また電極パッド部１５を電気めっき法により形成することができる。
【００５４】
図２（ｃ）の工程では、図２（ａ）に示すセンサ基板２をひっくり返して、無機絶縁層３０を外側に向けた状態とし、また、段差３５ｃが形成された部分３５ｂをベース基板３の電気配線部１４及び電極パッド部１５の位置に対向させて、センサ基板２のセンサ側接合層１１と、ベース基板３のベース側接合層１３間を加熱且つ加圧して接合する。
【００５５】
図２（ｃ）の工程では、無機絶縁層３０が形成されたセンサ基板２の外側の表面（シリコン基材３５の第２の面３５ｄ）を、弾性を有するシート４０にて被った状態として、センサ基板２とベース基板３との間を加圧する。これにより、無機絶縁層３０によるセンサ基板２表面の段差を吸収してセンサ基板２とベース基板３間を均等な接合強度にて接合できる。シート４０には弾性及び熱伝導性に優れたグラファイトシートを用いることで、センサ側接合層１１とベース側接合層１３間に熱及び圧力を適切に加えることができ、センサ側接合層１１とベース側接合層１３間の接合強度を高めることができる。
【００５６】
また図２（ｃ）に示すように、電極パッド部１５が設けられた位置でのセンサ基板２には段差３５ｃを設けたため、センサ基板２とベース基板３間の間隔が広くなり、段差３５ｃの位置に、電気配線部１４及び厚膜の電極パッド部１５を適切に配置することができる。
【００５７】
センサ側接合層１１及びベース側接合層１３は例えばＴａ／Ａｕの積層構造であり、図２（ｃ）の工程により、Ａｕ−Ａｕ接合にてセンサ側接合層１１とベース側接合層１３間を接合できる。また、電気配線部１４の端部１４ａと電気接続部７間の接続も同様である。
【００５８】
次に図２（ｄ）の工程では、無機絶縁層３０をマスクとして、無機絶縁層３０に覆われていないシリコン基材３５の第２の面３５ｄを所定量削る。これにより、変位部４と一体のシリコンからなる突起部５を形成できる。また図２（ｄ）の工程では無機絶縁層３０を全て削らずに、一部の無機絶縁層３０を突起部５の表面５ａに残す。これにより、シリコンからなる突起部５と、突起部５の表面５ａに成膜された無機絶縁層３０からなる受圧部１７を特別の工程を踏むことなく形成することができる。
【００５９】
上記のように図２（ｄ）の工程では、一部の無機絶縁層３０を突起部５の表面５ａに残すため、図２（ａ）で成膜する無機絶縁層３０には、シリコンよりもエッチングレートの低い材料を用いる。
【００６０】
図２（ｄ）の工程ではディープＲＩＥによりシリコン基材３５を削り込むことで、受圧部１７を、ウエット工程を通さずに形成できる。よって、図２（ｄ）に示すセンサ基板２とベース基板３間の金属接合領域や配線領域にウエット工程による悪影響を与えることがない。
【００６１】
本実施形態では、無機絶縁層３０を、ＳｉＯ2，ＳｉＮ，Ａｌ2Ｏ3又はＳｉＡｌＯＮにより形成することが好ましく、ＳｉＯ2により形成することがより好ましい。これにより、無機絶縁層３０をマスクとしてシリコン基材３５をエッチングした際の無機絶縁層３０のエッチングレートを、シリコン基材３５のエッチングレートよりも効果的に小さくでき、よって突起部５の形成とともに、突起部５の表面５ａに適切に無機絶縁層３０を残すことが出来る。特に無機絶縁層３０をＳｉＯ2とすることで選択比（シリコンのエッチングレート／無機絶縁層のエッチングレート）を大きくできる。有機絶縁層などではなく無機絶縁層３０を用いることで、選択比を２５〜１００程度にでき、無機絶縁層３０にＳｉＯ2を用いることで、選択比を５０〜１００程度にできる。
【００６２】
次に図２（ｅ）の工程では、センサ基板２の段差３５ｃが形成された部分３５ｂを点線Ｂによりダイシングして電極パッド部１５を開放し、さらにセンサ基板２及びベース基板３を点線Ｃ，Ｄによりダイシングして各荷重センサ１に個片化する。
【００６３】
図２に示す荷重センサ１の製造方法によれば、無機絶縁層３０をマスクとして利用して、シリコンからなる突起部５を形成でき、このとき、無機絶縁層３０を全て除去せずに突起部５の表面５ａに一部を残すことで、特別な工程を経ずとも、シリコンからなる突起部５と、突起部５の表面５ａに成膜された無機絶縁層３０とからなる受圧部１７を形成でき、したがって工程数及び製造コストを増やすことなく、耐摩耗性に優れた荷重センサ１を製造することが可能である。
【００６４】
また図２（ａ）に示すセンサ基板２の段差３５ｃを形成した部分３５ｂは最終的に切断するが（図２（ｅ））、図２（ａ）の工程で、切断してしまうと、センサ基板２とベース基板３とをウェハ同士で接合できなくなるので、ベース基板３側の電極パッド部１５を逃がすための段差３５ｃを形成した状態で、ウェハ同士にて接合することで、多数の荷重センサ１を均一な接合強度を加えて製造でき、歩留まりの向上を図ることが出来る。
【００６５】
また受圧部１７形成の際のマスクとして無機絶縁層３０を用いることで、ウエット工程を通さずに受圧部１７の形成が可能になり、特にセンサ基板２とベース基板３間の金属接合部や電気配線に対する悪影響を低減できる。また高い選択比を得ることができ、突起部５の表面５ａに適切に無機絶縁層３０を残すことが可能である。
【実施例】
【００６６】
図３は、図１（ａ）に示すようにシリコンからなる突起部５の表面５ａにＳｉＯ2よりなる無機絶縁層３０を成膜した受圧部１７の構成に対する本実施例、及び、シリコンからなる突起部５の表面５ａに無機絶縁層３０を成膜しない、すなわち突起部５のみで受圧部を構成した比較例の各実験結果である。実験では、直径２００μｍの各受圧部に対してステンレス系の押圧部材３１を対向させ、一回につき７Ｎの荷重により、１Ｈｚの周期で連続して加圧した。
【００６７】
図３の横軸が荷重回数であり、縦軸が受圧部の磨耗深さを示す。図３に示すように、比較例では、荷重回数を５００万回とすると磨耗深さが１０μｍ程度まで進行したが、本実施例のように、突起部５の表面５ａに無機絶縁層３０を成膜した受圧部１７の構成としたことで、荷重回数を１０００万回としても受圧部の磨耗深さをゼロにできた。
【符号の説明】
【００６８】
１ 荷重センサ
２ センサ基板
３ ベース基板
４ 変位部
５ 突起部
６ ピエゾ抵抗素子
１１ センサ側接合層
１２、１６、３５、３９ シリコン基材
１３ ベース側接合層
１４ 電気配線部
１５ 電極パッド部
１７ 受圧部
３０ 無機絶縁層
３１ 押圧部材
４０ シート
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷重を受けて厚さ方向に変位可能な変位部と、前記変位部での変位量を検出可能な素子部と、
前記変位部の荷重を受ける側の面から突出するシリコンからなる突起部及び突起部の表面に成膜された無機絶縁層からなる受圧部と、を有して構成されることを特徴とする荷重センサ。
【請求項２】
前記変位部の前記受圧部が形成された側と反対面側には前記変位量を検出するための複数のピエゾ抵抗素子が形成されており、
前記変位部、前記受圧部及び前記ピエゾ抵抗素子を有して成るセンサ基板と、前記ピエゾ抵抗素子と電気的に接続する電気配線部が形成されたベース基板とが、前記受圧部を外側に向け、前記ピエゾ抵抗素子が形成された面側と、前記電気配線部が形成された面側とを対向させた状態で接合されており、前記センサ基板と前記ベース基板との間に、前記変位部に対する変位空間が設けられている請求項１記載の荷重センサ。
【請求項３】
前記無機絶縁層は、ＳｉＯ2，ＳｉＮ，Ａｌ2Ｏ3又はＳｉＡｌＯＮにより形成される請求項１または２に記載の荷重センサ。
【請求項４】
前記無機絶縁層は、ＳｉＯ2により形成される請求項３記載の荷重センサ。
【請求項５】
荷重を受けて厚さ方向に変位可能なシリコンからなる変位部と、前記変位部での変位量を検出可能な素子部と、を有する荷重センサの製造方法において、
前記変位部の荷重を受ける側の表面を削って突起状の受圧部を形成するとき、前記表面に、無機絶縁層からなるマスクを形成し、前記無機絶縁層に覆われていない前記表面を所定量削ってシリコンからなり前記変位部と一体の突起部を形成するとともに、前記突起部の表面に前記無機絶縁層を残すことを特徴とする荷重センサの製造方法。
【請求項６】
前記変位部の荷重を受ける側と反対面側に前記変位量を検出するための複数のピエゾ抵抗素子を有するセンサ基板を形成する工程と、
前記ピエゾ抵抗素子と電気的に接続する電気配線部を有するベース基板を形成する工程と、
前記センサ基板のピエゾ抵抗素子が形成された面側と前記ベース基板の前記電気配線部が形成された面側とを対向させた状態で、前記センサ基板と前記ベース基板とを接合する工程と、
前記変位部の荷重を受ける外側の表面に前記変位部と一体に形成された前記突起部と前記突起部の表面に残された前記無機絶縁層からなる前記受圧部を形成する工程と、
を有する請求項５記載の荷重センサの製造方法。
【請求項７】
前記センサ基板に前記受圧部を形成した後、前記変位部の側方に位置し前記ベース基板の電気配線部と対向する前記センサ基板の部分を切断して、前記電気配線部の表面のパッド部を開放する請求項６記載の荷重センサの製造方法。
【請求項８】
前記センサ基板の形成工程にて、前記ピエゾ抵抗素子を形成する面側であって、前記変位部を囲む形状からなるセンサ側接合層を形成し、さらに、同じ面側であって、後の工程で、前記ベース基板の電気配線部と対向して切断される前記センサ基板の部分に段差を形成し、
前記ベース基板の形成工程にて、電気配線部を形成する面側であって、前記センサ側接合層と対向する位置にベース側接合層を形成し、さらに、前記電気配線部の表面に電極パッド部を重ねて形成し、
前記センサ基板の前記センサ側接合層と、前記ベース基板の前記ベース側接合層との間を接合し、このとき、前記センサ基板に形成された前記段差の位置に、前記電気配線部及び電極パッド部を配置し、前記接合後に、前記段差の形成された前記センサ基板の部分を切断する請求項７記載の荷重センサの製造方法。
【請求項９】
前記センサ基板と前記ベース基板とを接合する際、前記無機絶縁層を備える前記センサ基板の外側の表面を、弾性を有するシートにて被った状態で加圧する請求項６ないし８のいずれか１項に記載の荷重センサの製造方法。
【請求項１０】
前記弾性を有するシートにはグラファイトシートを用いる請求項９記載の荷重センサの製造方法。
【請求項１１】
前記無機絶縁層を、ＳｉＯ2，ＳｉＮ，Ａｌ2Ｏ3又はＳｉＡｌＯＮにより形成する請求項５ないし１０のいずれか１項に記載の荷重センサの製造方法。
【請求項１２】
前記無機絶縁層を、ＳｉＯ2により形成する請求項１１記載の荷重センサの製造方法。
【請求項１】
荷重を受けて厚さ方向に変位可能な変位部と、前記変位部での変位量を検出可能な素子部と、
前記変位部の荷重を受ける側の面から突出するシリコンからなる突起部及び突起部の表面に成膜された無機絶縁層からなる受圧部と、を有して構成されることを特徴とする荷重センサ。
【請求項２】
前記変位部の前記受圧部が形成された側と反対面側には前記変位量を検出するための複数のピエゾ抵抗素子が形成されており、
前記変位部、前記受圧部及び前記ピエゾ抵抗素子を有して成るセンサ基板と、前記ピエゾ抵抗素子と電気的に接続する電気配線部が形成されたベース基板とが、前記受圧部を外側に向け、前記ピエゾ抵抗素子が形成された面側と、前記電気配線部が形成された面側とを対向させた状態で接合されており、前記センサ基板と前記ベース基板との間に、前記変位部に対する変位空間が設けられている請求項１記載の荷重センサ。
【請求項３】
前記無機絶縁層は、ＳｉＯ2，ＳｉＮ，Ａｌ2Ｏ3又はＳｉＡｌＯＮにより形成される請求項１または２に記載の荷重センサ。
【請求項４】
前記無機絶縁層は、ＳｉＯ2により形成される請求項３記載の荷重センサ。
【請求項５】
荷重を受けて厚さ方向に変位可能なシリコンからなる変位部と、前記変位部での変位量を検出可能な素子部と、を有する荷重センサの製造方法において、
前記変位部の荷重を受ける側の表面を削って突起状の受圧部を形成するとき、前記表面に、無機絶縁層からなるマスクを形成し、前記無機絶縁層に覆われていない前記表面を所定量削ってシリコンからなり前記変位部と一体の突起部を形成するとともに、前記突起部の表面に前記無機絶縁層を残すことを特徴とする荷重センサの製造方法。
【請求項６】
前記変位部の荷重を受ける側と反対面側に前記変位量を検出するための複数のピエゾ抵抗素子を有するセンサ基板を形成する工程と、
前記ピエゾ抵抗素子と電気的に接続する電気配線部を有するベース基板を形成する工程と、
前記センサ基板のピエゾ抵抗素子が形成された面側と前記ベース基板の前記電気配線部が形成された面側とを対向させた状態で、前記センサ基板と前記ベース基板とを接合する工程と、
前記変位部の荷重を受ける外側の表面に前記変位部と一体に形成された前記突起部と前記突起部の表面に残された前記無機絶縁層からなる前記受圧部を形成する工程と、
を有する請求項５記載の荷重センサの製造方法。
【請求項７】
前記センサ基板に前記受圧部を形成した後、前記変位部の側方に位置し前記ベース基板の電気配線部と対向する前記センサ基板の部分を切断して、前記電気配線部の表面のパッド部を開放する請求項６記載の荷重センサの製造方法。
【請求項８】
前記センサ基板の形成工程にて、前記ピエゾ抵抗素子を形成する面側であって、前記変位部を囲む形状からなるセンサ側接合層を形成し、さらに、同じ面側であって、後の工程で、前記ベース基板の電気配線部と対向して切断される前記センサ基板の部分に段差を形成し、
前記ベース基板の形成工程にて、電気配線部を形成する面側であって、前記センサ側接合層と対向する位置にベース側接合層を形成し、さらに、前記電気配線部の表面に電極パッド部を重ねて形成し、
前記センサ基板の前記センサ側接合層と、前記ベース基板の前記ベース側接合層との間を接合し、このとき、前記センサ基板に形成された前記段差の位置に、前記電気配線部及び電極パッド部を配置し、前記接合後に、前記段差の形成された前記センサ基板の部分を切断する請求項７記載の荷重センサの製造方法。
【請求項９】
前記センサ基板と前記ベース基板とを接合する際、前記無機絶縁層を備える前記センサ基板の外側の表面を、弾性を有するシートにて被った状態で加圧する請求項６ないし８のいずれか１項に記載の荷重センサの製造方法。
【請求項１０】
前記弾性を有するシートにはグラファイトシートを用いる請求項９記載の荷重センサの製造方法。
【請求項１１】
前記無機絶縁層を、ＳｉＯ2，ＳｉＮ，Ａｌ2Ｏ3又はＳｉＡｌＯＮにより形成する請求項５ないし１０のいずれか１項に記載の荷重センサの製造方法。
【請求項１２】
前記無機絶縁層を、ＳｉＯ2により形成する請求項１１記載の荷重センサの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−１４１１９０（Ｐ２０１２−１４１１９０Ａ）
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２９３０５９（Ｐ２０１０−２９３０５９）
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
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