JP2006250760A - センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 検出目的以外の基板の温度変化や反りによる外部応力が検出結果に影響しにくく、検出精度の高いセンサを提供することにある。
【解決手段】 矩形のセンサチップ１１１は、インターポーザ１１４を介して基板１１２と接着されており、インターポーザ１１４の基板１１２と対向する面には、中央部に基板１１２と接着するための矩形状の接着凸部１３０が設けられ、その接着凸部１３０の周囲には接着凸部１３０から流れた接着剤が流れ込むための接着剤逃げ部１３１が設けられ、さらに接着剤逃げ部１３１の周囲には支持部１３２が設けられている。インターポーザ１１４は接着凸部１３０が基板１１２と接着されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、センサに関し、特に外力或いは圧力を電気信号に変換するセンサチップを用いたセンサにおけるセンサチップの固定構造に関する。

図２６は、従来の加速度センサ３１１の概略断面図である。この加速度センサ３１１は、センサチップ３１２、基板３１３、カバー３１４によって構成されており、カバー３１４は、センサチップ３１２を覆うようにして基板３１３に固定されており、センサチップ３１２を外部と隔離している。センサチップ３１２は、錘３１７の周囲にフレーム３１５が設置され、錘３１７とフレーム３１５を繋ぐようにして複数のビーム３１６が設けられている。またビーム３１６には半導体抵抗素子などからなるピエゾ抵抗３１８などが設けられており、加速度によって錘３１７が変位してビーム３１６が撓むと、ピエゾ抵抗３１８に応力が作用して抵抗値が変化する。従って、その抵抗値の変化を出力電圧の変化に変換することにより、各軸ごとの加速度を検出することができるようになっている。センサチップ３１２は、フレーム３１５全体を基板３１３に接着剤３１９で接着して固定されている。また、センサチップ３１２には、ピエゾ抵抗３１８と電気的に接続された電極パッド３２０が設けられ、基板３１３に設けられた電極パッド３２１とワイヤー３２２で電気的に接続されている。

しかしながら、従来の加速度センサ３１１においては、加速度センサ３１１のフレーム３１５が直接基板３１３に接着剤３１９で接着されて拘束されているので、線膨張係数の違う基板３１３とセンサチップ３１２の間で環境温度の変化や基板の反りや接着剤の硬化収縮などにより発生する応力などの検出対象（加速度）以外の外部応力がビーム３１６にも作用してしまい、零点出力値の変動及び検出精度の低下をもたらすという問題があった。

特許文献１には、インターポーザ上に半導体チップが実装され、インターポーザの半導体チップの実装面と反対側の面にプリント回路基板に実装するための電極パッドを形成した半導体パッケージにおいて、インターポーザと電極パッドの接着剤層を厚くすることによってプリント回路基板から半導体チップに伝わる外部応力を低減するものが提案されている。この特許文献１に記載の発明と従来の加速度センサに組み合わせて、センサチップ３１２と基板３１３の間にインターポーザを設け、インターポーザと基板３１３の間の接着剤の厚さを厚くしてセンサチップ３１２への基板３１３の変形の影響を低減することが考えられるが、接着剤厚を厚くしたとしても接着剤自身が有限の硬度を有するため、基板３１３の変形による外部応力はセンサチップ３１２に伝わってしまい、検出対象の値が変化していない場合でも出力が変動してしまう。さらには、接着剤の厚さが増すことにより、接着剤の硬化収縮や接着剤とセンサチップ３１２との線膨張係数の違い（一般的に基板とセンサチップの差よりも大きい）により発生する応力の影響は大きくなってしまうという問題もあった。つまり、センサチップ３１２に伝わる応力を完全に取り除くことができない為、零点出力値の変動及び検出精度が低下するという欠点があった。
特開平９−３２１１６９号公報

本発明は上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、検出目的以外の基板の温度変化や反りによる外部応力が検出結果に影響しにくく、検出精度の高いセンサを提供することにある。

本発明にかかるセンサは、センサチップと基板で構成されるセンサであって、前記センサチップと前記基板の間に支持体を介在させ、前記支持体と前記基板は前記支持体の前記基板に対向する面の一部分を接着剤で接着することにより固定し、前記支持体と前記基板のうち少なくともいずれか一方に接着剤で接着するための接合部となる凸部と、前記凸部の周囲に余分な接着剤とを逃がすための凹部を設けたことを特徴としている。

本発明のセンサは、支持体と基板の接着面積が小さいので、その分、基板の反りや環境温度の変化による基板の変形が支持体やセンサチップ側に与える影響を小さくすることができる。また、基板とセンサチップの間に支持体を挟むことで基板の変形などの影響が直接センサチップに影響せず、支持体で緩和することができる。また、基板と支持体の接着箇所が凸状に飛び出ているので、接着面積のばらつきを低減することができる。さらに、凸部から流れ出た接着剤が凹部に流れ込むことによって、接着剤の塗布量がばらつくような場合でも基板と支持体の接着面積のばらつきを低減することができる。

本発明にかかるセンサのさらに別な実施態様によれば、前記支持体と前記基板のうち少なくともいずれか一方において、支持部を前記凹部の周囲に設けたことを特徴としている。

本発明の該実施態様は、基板と支持体を接着する際に支持部で支えられるため必要以上に凸部が押さえつけられることがなく、凸部の破損や接着剤の厚さばらつきを低減することができる。

本発明にかかるセンサのさらに別な実施態様によれば、前記支持部は、前記凸部よりも突出していることを特徴としている。

本発明の該実施態様は、基板と支持体を接着する際に接着凸部よりも先に支持部が基板又は支持体に当たるので、それ以上接着凸部が押さえつけられことなく接着剤の厚さを一定にすることができる。

本発明にかかるセンサのさらに別な実施態様によれば、前記凸部が矩形であることを特徴としている。

本発明の該実施態様は、Ｓｉ等の単結晶材料でできたインターポーザにエッチングで凸部を形成する場合は、結晶方位によりエッチング速度が変わるので、凸部が矩形であれば最もエッチング速度の速い結晶方位に合わせてエッチングすることができ、エッチング時間を短くすることができ、コストを抑えることができる。

本発明にかかるセンサのさらに別な実施態様によれば、前記支持体或いは前記基板に設けた前記凸部の面積は、前記支持体の前記基板と対向する面の面積の１／１００〜１／４であることを特徴としている。

本発明の該実施態様は、支持体が基板の反りや環境温度の変化による基板の変形による影響を受ける面積を１／１００〜１／４にでき、その分、外部応力が支持体やセンサチップ側に与える影響を小さくすることができる。

本発明にかかるセンサのさらに別な実施態様によれば、前記支持体と前記基板の接着位置は前記支持体の中央に位置することを特徴としている。

本発明の該実施態様は、支持体は中央で基板と接着されているので、基板側から受ける外部応力の分布を接着面内で均一分布させることができる。

本発明にかかるセンサのさらに別な実施態様によれば、前記支持体と前記基板の接着される面を粗面に形成したことを特徴としている。

本発明の該実施態様は、支持体及び基板の接着面が粗面になっているので、アンカー効果により接着剤と強固に接着することができる。

本発明にかかるセンサのさらに別な実施態様によれば、前記基板と前記支持体は、シリコーン系接着剤で接着固定したことを特徴としている。

本発明の該実施態様は、一般にシリコーン系接着剤は、弾性率が低いので基板の反りや環境温度の変化による基板の変形を接着剤で吸収し、支持体及びセンサチップ側への影響を小さくすることができる。

本発明にかかるセンサのさらに別な実施態様によれば、前記半導体センサチップ上の電気的接続箇所が、前記支持部の上部に位置していることを特徴としている。

本発明の該実施態様は、電気的接続箇所の直下に支持部があるので、電気的接続箇所にワイヤーボンディングでワイヤーを接続する際に超音波のエネルギーを有効に伝達することができ、強固に接続することができる。

本発明にかかるセンサのさらに別な実施態様によれば、請求項１〜９に記載のセンサで、かつ、加速度を検出するためのセンサであって、前記センサは外力の変化に応じて変位する可動部と、静止部材と、前記可動部を前記静止部材に支持させるための弾性支持部と、前記弾性支持部の変形量を計測するための測定手段とを備えたセンサチップ及び、基板を備えたセンサであって、前記センサチップと前記基板の間に支持体を介在させ、前記支持体と前記基板は前記支持体の前記基板に対向する面の一部分を接着剤で接着することにより固定したことを特徴としている。

本発明の該実施態様は、環境温度の変化や基板の反りなどに起因する基板の変形の影響がセンサチップに伝達されにくいので、検出対象以外の外部応力の影響を受けにくく、検出精度よく加速度を測定することができる。

なお、本発明の以上説明した構成要素は、可能な限り任意に組み合わせることができる。

以下、本発明の実施例を図面に従って詳細に説明する。ただし、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものでないことは勿論である。

本実施例では、加速度センサを例にとって説明する。図１に加速度センサ１０１の概略断面図を示す。本実施例の加速度センサ１０１は、基板１１２と、基板１１２上に固定されたインターポーザ１１４（支持体）と、インターポーザ１１４上に固定されたセンサチップ１１１と、カバー１１３で構成されており、センサチップ１１１及びインターポーザ１１４は、基板１１２とカバー１１３によって形成された空間内に収められ、外部と隔離されている。

図２に基板１１２の平面図を示す。基板１１２は、矩形平板状でアルミナ系セラミックス、金属電極などで形成されており、基板１１２のインターポーザ１１４及びカバー１１３が実装される面には、センサチップ１１１の引き出した配線を接続するための電極パッド１２０が形成されている。電極パッド１２０の表面にはＮｉ膜が形成され、その上にはＡｕ膜がそれぞれメッキなどによって形成されており、ワイヤーボンディングなどによりワイヤーなどを接続することができるようになっている。さらに、特に図示しないが基板１１２の下面（非インターポーザ設置面）には、親基板に実装するための端子電極が設けられており、端子電極と電極パッド１２０は電気的に接続されている。また、カバー１１３を固定する位置、インターポーザ１１４を固定する位置、接着剤１１５を塗布する場所にはそれぞれカバー実装部１２１、インターポーザ実装部１２２、接着剤塗布部１２３の位置確認用マーク（図２中に一点鎖線で表示）が付けられている。

図３（ａ）にインターポーザ１１４の下面図、図３（ｂ）にインターポーザ１１４の断面図を示す。インターポーザ１１４はシリコン基板によって形成されており、図３（ａ）に示すようにインターポーザ１１４の基板１１２と対向する面（下面）には、中央部に基板１１２と接着するための矩形状の接着凸部１３０が設けられ、その接着凸部１３０の周囲には接着凸部１３０からはみ出した接着剤が流れ込むための接着剤逃げ部１３１が設けられ、さらに接着剤逃げ部１３１の周囲には支持部１３２が設けられている。また、接着凸部１３０の基板１１２に対向した面の面積は、インターポーザ１１４の基板１１２に対向した面の面積の１／１００〜１／４の範囲内になるように設定した。また、図３（ｂ）に示すように、接着凸部１３０は接着剤逃げ部１３１よりも基板１１２側に飛び出しており、さらに支持部１３２は接着凸部１３０よりも基板１１２側に飛び出すように形成されている。そして、インターポーザ１１４は、接着凸部１３０を接着剤１１５によって基板１１２に接着し、基板１１２のインターポーザ実装部１２２に固定されている。なお、接着剤１１５は、エポキシ系接着剤、アクリル系接着剤、シリコーン系接着剤などを使用することができる。特に弾性のあるシリコーン系接着剤などを用いれば、接着剤が弾性変形することによってセンサチップ１１１に基板の変形による応力がさらに伝わりにくくなる。このように、インターポーザ１１４の基板１１２と対向した面全体を、基板１１２と接着せずにインターポーザ１１４の基板１１２と対向した面の一部（接着凸部１３０）のみを接着することによって、環境温度の変化による基板１１２の変形（膨張及び収縮）や、外力による基板の反りなどの影響をインターポーザ１１４及びインターポーザ１１４上に固定したセンサチップ１１１に及ぼしにくく、零点出力の変化や検出精度低下などを低減している。また、支持部１３２は接着凸部１３０よりも基板１１２側に飛び出すように形成されているので、インターポーザ１１４と基板１１２の接着時に支持部１３２が基板１１２の実装面に接するようにして接着すれば、接着凸部１３０と基板１１２の間隔（接着剤厚）を一定にする事ができる。また、インターポーザ１１４と基板１１２の接着時に接着剤１１５の量がばらついても接着剤逃げ部１３１に接着剤１１５が流れ込むことによって接着面積を一定にする事ができる。

一方、インターポーザ１１４のセンサチップ１１１が固定された面（上面）には、センサチップ１１１を実装するためのセンサチップ実装部１３４とセンサチップ１１１とインターポーザ１１４とのギャップを調整するためのギャップ調整部１３５が設けられている。図３（ｂ）に示すようにセンサチップ実装部１３４は、ギャップ調整部１３５よりも数μｍ〜数１０μｍ程度低くなっている。つまり、ギャップ調整部１３５がセンサチップ１１１側に凸となるように形成され、インターポーザ１１４のギャップ調整部１３５の上面とセンサチップ１１１の下面との間のギャップを調整している。

次に、図４にセンサチップ１１１の上面図、図５にセンサチップ１１１の概略断面図を示す。センサチップ１１１は、フレーム１４０Ａ〜１４０Ｈ（静止部材）の中央部に可動部材１４２が位置しており、フレーム１４０Ａ、１４０Ｃ、１４０Ｅ、１４０Ｇと可動部材１４２とは可撓性を有する４本のビーム（梁）１４１Ａ〜１４１Ｄによってつながっている。つまり、可動部材１４２は、ビーム１４１Ａ〜１４１Ｄによってフレーム１４１Ａ、１４１Ｃ、１４１Ｅ、１４１Ｇに支持されており、その下面には錘１４３が設けられている。センサチップ１１１は、ガラス基板１４６とシリコン基板１４５との２層構造となっている。フレーム１４０Ａ〜１４０Ｈはガラス基板１４６及びシリコン基板１４５の２層によって構成され、可動部材１４２及びビーム１４１Ａ〜１４１Ｄはシリコン基板１４５によって形成され、錘１４３はガラス基板１４６の一部をフレーム部分から分離させることによって形成されており、可動部材１４２に固定されている。また、フレーム１４０Ａ〜１４０Ｈはガラス基板１４６の部分では互いに分離しており、シリコン基板１４５の部分でつながっている。また、センサチップ１１１は、フレーム１４０Ａ〜１４０Ｈが接着剤１５２によってインターポーザ１１４のセンサチップ実装部１３４と接着して固定されている。この時、ギャップ調整部１３５上に錘１４３が配置され、錘１４３及びビーム１４１Ａ〜１４１Ｄが所定量以上変形しないようになっている。

４本のビーム１４１Ａ〜１４１Ｄは可動部材１４２の上面と平行な平面内で十字状に配置されており、一対のビーム１４１Ａ、１４１Ｃに平行な方向をＸ軸方向といい、他の一対のビーム１４１Ｂ、１４１Ｄに平行な方向をＹ軸方向といい、これらのビーム１４１Ａ〜１４１Ｄに垂直な方向をＺ軸方向というものとする。Ｘ軸方向に延びた一方のビーム１４１Ａの上面には、ピエゾ抵抗Ｒｘ１、Ｒｘ２、Ｒｚ１、Ｒｚ２が作り込れている。ここで、ピエゾ抵抗Ｒｘ１とＲｚ１はビーム１４１Ａのフレーム１４０Ａ側の端部において並列に配置されており、ピエゾ抵抗Ｒｘ２とＲｚ２はビーム１４１Ａの可動部材１４２側の端部において並列に配置されている。同様に、Ｘ軸方向に延びた他方のビーム１４１Ｃの上面には、ピエゾ抵抗Ｒｘ３、Ｒｘ４、Ｒｚ３、Ｒｚ４が作り込まれている。ピエゾ抵抗Ｒｘ３とＲｚ３はビーム１４１Ｃの可動部材１４２側の端部において並列に配置されており、ピエゾ抵抗Ｒｘ４とＲｚ４はビーム１４１Ｃのフレーム１４０Ｅ側の端部において並列に配置されている。また、Ｙ軸方向に延びた一方のビーム１４１Ｂの上面には、ピエゾ抵抗Ｒｙ１、Ｒｙ２が作り込まれており、ピエゾ抵抗Ｒｙ１はビーム１４１Ｂのフレーム１４０Ｃ側の端部に配置されており、ピエゾ抵抗Ｒｙ２はビーム１４１Ｂの可動部材１４２側の端部に配置されている。同様に、Ｙ軸方向に延びた他方のビーム１４１Ｄの上面には、ピエゾ抵抗Ｒｙ３、Ｒｙ４が作り込まれており、ピエゾ抵抗Ｒｙ４はビーム１４１Ｄのフレーム１４０Ｇ側の端部に配置されており、ピエゾ抵抗Ｒｙ３はビーム１４１Ｄの可動部材１４２側の端部に配置されている。

また、シリコン基板１４５の上面は周囲を残して浅くエッチングすることによって凹部１４７が設けられており、凹部１４７のフレーム１４０Ａ〜１４０Ｈ上で且つインターポーザ１１４の支持部１３２上には複数の電極パッド１４８が設けられている。フレーム１４０Ａ〜１４０Ｈ、可動部材１４２及びビーム１４１Ａ〜１４１Ｄの上面は絶縁膜１４９によって覆われており、各ピエゾ抵抗Ｒｘ１〜Ｒｘ４、Ｒｙ１〜Ｒｙ４、Ｒｚ１〜Ｒｚ４及び電極パッド１４８は絶縁膜１４９の上に形成されたＡｌ配線１５０によって接続されている（図４では図示せず）。また、電極パッド１４８は、基板１１２に設けられた電極パッド１２０とワイヤーボンディングにより金などのワイヤー１５１で電気的に接続されている。

カバー１１３は、図１に示すように断面がコの字型をしており、基板１１２と線膨張係数が同程度の金属材料で形成されている。カバー１１３は、基板１１２に接着されたセンサチップ１１１をコの字部分で覆うようにして基板１１２に設けたカバー実装部１２１に接着剤で接着されており、センサチップ１１１及びインターポーザ１１４を外部と隔離している。これによって、センサチップ１１１及びインターポーザ１１４が外部の湿気を含んだ空気や腐食ガスなどと接触するのを防止し、特性の劣化が起こりにくいようになっている。また、基板１１２とカバー１１３は線膨張係数が同程度であるので、基板１１２とカバー１１３の環境温度の変化による膨張・収縮量も同程度となり、接着部に応力が加わらないようになっている。

次に、図６〜１１を用いてＸＹＺ各軸の加速度を検出する方法について説明する。図６はＸ軸方向の加速度を検出するためのＸ軸方向加速度検出回路を示しており、ビーム１４１Ａ及び１４１Ｃの上に形成されたピエゾ抵抗Ｒｘ１、Ｒｘ２、Ｒｘ３、Ｒｘ４を用いて図６に示すようにしてフルブリッジ回路を構成することにより加速度を検出することができる。すなわち、ピエゾ抵抗Ｒｘ１及びＲｘ４が直列に接続された枝とピエゾ抵抗Ｒｘ２及びＲｘ３が直列に接続された枝とが並列に接続されてフルブリッジ回路が構成されており、フルブリッジ回路の両端には電源１６０から電圧が印加されるようになっている。従って、電位差計１６１Ｘによって計測されるピエゾ抵抗Ｒｘ１及びＲｘ４の中点の電位とピエゾ抵抗Ｒｘ２及びＲｘ３の中点の電位との差Ｖｘは、次の数式（１）で表わされる。ただし、Ｖoは電源１６０の出力電圧であり、各ピエゾ抵抗Ｒｘ１、Ｒｘ２、Ｒｘ３、Ｒｘ４の抵抗値は、同じ記号を用いて表わしている（以下、同様）。

同様に、図７はＹ軸方向の加速度を検出するためのＹ軸方向加速度検出回路を示しており、ビーム１４１Ｂ及び１４１Ｄの上に形成されたピエゾ抵抗Ｒｙ１、Ｒｙ２、Ｒｙ３、Ｒｙ４は、図７に示すようにしてフルブリッジ回路を構成することにより加速度を検出することができる。よって、この回路でも、電位差計１６１Ｙによって計測されるピエゾ抵抗Ｒｙ１及びＲｙ４の中点の電位とピエゾ抵抗Ｒｙ２及びＲｙ３の中点の電位との差Ｖｙは、次の数式（２）で表わされる。

また、図８はＺ軸方向の加速度を検出するためのＺ軸方向加速度検出回路を示しており、ビーム１４１Ａ及び１４１Ｃの上に形成されたピエゾ抵抗Ｒｚ１、Ｒｚ２、Ｒｚ３、Ｒｚ４は、図８に示すようにしてフルブリッジ回路を構成することにより加速度を検出することができる。すなわち、ピエゾ抵抗Ｒｚ１及びＲｚ３が直列に接続された枝とピエゾ抵抗Ｒｚ２及びＲｚ４が直列に接続された枝とが並列に接続されてフルブリッジ回路が構成されており、フルブリッジ回路の両端には電源１６０から電圧が印加されるようになっている。従って、電位差計１６１Ｚによって計測されるピエゾ抵抗Ｒｚ１及びＲｚ３の中点の電位とピエゾ抵抗Ｒｚ２及びＲｚ４の中点の電位との差Ｖｚは、次の数式（３）で表わされる。

なお、上記各フルブリッジ回路は、センサチップ１１１内で構成してもよいし、センサチップ１１１と基板１１２、或いは加速度センサ１０１が実装される親基板の配線まで含めて構成してもよい。ただし、フルブリッジ回路を構成するピエゾ抵抗以外の配線が長くなると配線抵抗が大きくなり、その影響が大きくなるので、センサチップ１１１及び基板１１２でフルブリッジ回路を構成することが望ましい。さらに好ましくはセンサチップ１１１内でフルブリッジ回路を構成することが望ましい。

図９はセンサチップ１１１に−Ｘ軸方向の加速度が働いている場合（図中に加速度の方向を実線矢印で表示）を表わしており、図１０はそのビーム１４１Ａ、１４１Ｃの部分を拡大して表わしている。このように、センサチップ１１１に−Ｘ軸方向の加速度が働いたとすると、錘１４３は慣性力によってＸ軸方向に引かれる。よって、ビーム１４１Ａ、１４１Ｃはいずれも図９に示すようにＳ字状に湾曲する。このとき、図１０に表わしているように、ピエゾ抵抗Ｒｘ１、Ｒｘ３が延びて引張応力を受け、その抵抗値が増加する。また、ピエゾ抵抗Ｒｘ２、Ｒｘ４が縮んで圧縮応力を受け、その抵抗値が減少する。よって、Ｘ軸方向加速度検出回路においては、ビーム１４１Ａ、１４１Ｃの曲がりの大きさに応じてピエゾ抵抗Ｒｘ１及びＲｘ４間の電位が下がり、ピエゾ抵抗Ｒｘ２及びＲｘ３間の電位が上がり、図６又は数式（１）から分かるように、電位差計１６１Ｘで加速度の大きさに応じた電位差が計測される。

また、−Ｘ軸方向に加速度が働いている場合には、図１０に表わしているように、ピエゾ抵抗Ｒｚ１、Ｒｚ３が引張応力を受けて抵抗値が増加し、ピエゾ抵抗Ｒｚ２、Ｒｚ４が圧縮応力を受けて抵抗値が減少する。よって、Ｚ軸方向加速度検出回路においては、ビーム１４１Ａ、１４１Ｃが変形してもピエゾ抵抗Ｒｚ１とＲｚ３は同じように抵抗値が増加するので両者の間の電位は変化せず、ピエゾ抵抗Ｒｚ２及びＲｚ４は同じように抵抗値が減少するので両者の間の電位は変化せず、従って、図８又は数式（３）から分かるように、電位差計１６１Ｚでは電位差は検出されない。よって、Ｘ軸方向の加速度は、Ｚ軸方向加速度検出回路によっては検知されない。さらに、Ｙ軸方向のビーム１４１Ｂ、１４１Ｄは捻れるだけであるから、そのピエゾ抵抗Ｒｙ１〜Ｒｙ４は同じように抵抗値が変化するに過ぎず、図７又は数式（２）から分かるように、Ｙ軸方向加速度検出回路ではＸ軸方向の加速度は検出されない。

加速度センサ１０１にＹ軸方向の加速度が働いた場合も、上記の場合と同様にしてＹ軸方向加速度検出回路によってＹ軸方向の加速度が検出される。一方、Ｙ軸方向の加速度が働いてもビーム１４１Ａ、１４１Ｃは捻れるだけであるので、Ｘ軸方向加速度検出回路でもＺ軸方向加速度検出回路でもＹ軸方向の加速度は検出されない。

次に、図１１に示すように加速度センサ１０１に、−Ｚ軸方向に加速度が働いている場合（図中に加速度の方向を実線矢印で表示）を考えると、錘１４３は＋Ｚ軸方向に変位する。このとき、各ビーム１４１Ａ〜１４１Ｄは図１１に示すように変形するので、ピエゾ抵抗Ｒｘ１、Ｒｘ４、Ｒｙ１、Ｒｙ４、Ｒｚ１、Ｒｚ４が圧縮応力を受けて抵抗値が下がり、ピエゾ抵抗Ｒｘ２、Ｒｘ３、Ｒｙ２、Ｒｙ３、Ｒｚ２、Ｒｚ３が引張応力を受けて抵抗値が上がる。よって、Ｚ軸方向加速度検出回路においては、ピエゾ抵抗Ｒｚ１及びＲｚ３間の電位が上がり、ピエゾ抵抗Ｒｚ２及びＲｚ４間の電位が下がり、図８又は数式（３）から分かるように、電位差計１６１ＺによりＺ軸方向の加速度の大きさに応じた電位差が検出される。また、Ｚ軸方向の加速度が働いている場合には、Ｘ軸方向加速度検出回路では、ピエゾ抵抗Ｒｘ１及びＲｘ４間の電位が変化せず、ピエゾ抵抗Ｒｘ２及びＲｘ３間の電位も変化しないので、Ｚ軸方向の加速度はＸ軸方向加速度検出回路では検出されない。同様に、Ｙ軸方向加速度検出回路では、ピエゾ抵抗Ｒｙ１及びＲｙ４間の電位が変化せず、ピエゾ抵抗Ｒｙ２及びＲｙ３間の電位も変化しないので、Ｚ軸方向の加速度はＹ軸方向加速度検出回路では検出されない。

以上説明したように、かかる加速度センサ１０１によれば、Ｘ軸方向の加速度、Ｙ軸方向の加速度及びＺ軸方向の加速度をそれぞれＸ軸方向加速度検出回路、Ｙ軸方向加速度検出回路、Ｚ軸方向加速度検出回路によってそれぞれ独立して検出することができるようになっている。

図１２〜図１９は上記加速度センサ１０１の製造工程を説明する概略図である。以下、図１２〜図１９に従って、加速度センサ１０１の製造工程を説明する。まず、センサチップ１１１の製造工程を説明する。ｐ型シリコン基板（ウエハ）１４５の上面を浅くエッチングして凹部１４７を形成する（図１２（ａ））。ついで、シリコン基板１４５の上面のうちフレーム１４０Ａ〜１４０Ｈ、可動部材１４２及びビーム１４１Ａ〜１４１Ｄとなる領域にＰ（リン）等のｎ型不純物をイオン注入し、拡散アニールを施してシリコン基板１４５の表面層にｎ型の拡散層１６５を形成する（図１２（ｂ））。この拡散層１６５の拡散深さにより、ビーム１４１Ａ〜１４１Ｄの厚みは制御される。

このシリコン基板１４５の裏面に酸化膜や窒化膜等の被覆１６６を形成した後、拡散層１６５の表面層にＢ（硼素）等のｐ型不純物をイオン注入してピエゾ抵抗Ｒｘ１〜Ｒｘ４、Ｒｙ１〜Ｒｙ４、Ｒｚ１〜Ｒｚ４となるｐ型の抵抗素子領域１６７を形成する。さらに、拡散層１６５の上に絶縁膜１４９を形成し、抵抗素子領域１６７の両端に対向する位置で絶縁膜１４９に開口部を設け、Ａｌ配線１５０をパターニングする。こうして形成されたＡｌ配線１５０は各抵抗素子領域１６７の両端と各電極パッド１４８に接続されている（図１３（ａ））。

ついで、シリコン基板１４５を裏面研磨してシリコン基板１４５の厚みを薄くした後、シリコン基板１４５の裏面に窒化膜からなるマスク１６８を形成する。マスク１６８は、フレーム１４０Ａ〜１４０Ｈのシリコン基板部分になる領域と可動部材１４２の下面になる領域を覆うように形成される（図１３（ｂ））。また、フレーム１４０Ａ〜１４０Ｈ、可動部材１４２及びビーム１４１Ａ〜１４１Ｄ以外の領域においては、上面の絶縁膜１４９をエッチング除去してシリコン基板１４５を露出させておく。

この後、拡散層１６５とシリコン基板１４５の下面との間に逆バイアスとなるように電圧を印加した状態でシリコン基板１４５の下面にエッチング液を接触させ、マスク１６８の開口を通してシリコン基板１４５を下面側からエッチングする。このとき拡散層１６５はエッチングストップ層として働き、エッチングはシリコン基板１４５と拡散層１６５の間のｐｎ接合面で停止させられるので、エッチング深さひいてはビーム１４１Ａ〜１４１Ｄの厚みを精度よく制御することができる。この技法は、ＥＣＥ（Electro Chemical Etchstop）として知られているものである。この場合に、ビーム１４１Ａ〜１４１Ｄとなる領域ではｐｎ接合面でエッチングが停止するが、ビーム１４１Ａ〜１４１Ｄ以外の領域ではシリコン基板１４５を上下に貫通して開口される。また、シリコン基板１４５のエッチング異方性により、可動部材１４２の側面及びフレーム１４０Ａ〜１４０Ｈの内周面には傾斜が施される（図１４（ａ））。

シリコン基板１４５の下面のマスク１６８を除いた後、このシリコン基板１４５をガラス基板１４６の上に重ね、３００〜４００℃の温度に保った状態でシリコン基板１４５とガラス基板１４６との間に５００〜１０００ボルトの電圧を印加し、陽極接合によってシリコン基板１４５とガラス基板１４６を一体に貼り合わせる（図１４（ｂ））。次に、個々のセンサチップ１１１の領域においてガラス基板１４６をフレーム１４０Ａ〜１４０Ｈと錘１４３とに切り離すと共に、シリコン基板（ウエハ）１４５上に複数個作製されたセンサチップ１１１をダイシングによって１つずつ切り離す（図１５）。

次に、インターポーザ１１４の製造工程を説明する。シリコン基板（ウェハ）１７０の片方の面（下面）のマスク１７２、他方の面（上面）にマスク１７３をフォトリソなどで形成する（図１６（ａ））。ここで、マスク１７２を形成した箇所は支持部１３２、マスク１７３を形成した箇所はギャップ調整部１３５となる位置である。マスク１７２及びマスク１７３を形成したシリコン基板１７０の上下両面を浅くエッチングして、下面に凹部１７１、上面にセンサチップ実装部１３４（エッチングされた箇所）及びギャップ調整部１３５（マスク１７３を形成した箇所）を形成する（図１６（ｂ））。マスク１７２及びマスク１７３を剥離・除去した後、再びシリコン基板１７０の上面全体にマスク１７５、下面のマスク１７２を形成していた箇所及び中央部（接着凸部１３０形成箇所）にマスク１７４を形成し（図１６（ｃ））、シリコン基板１７０下面の凹部１７１のマスク１７４が形成されていない箇所を再びエッチングにより掘り下げる（図１６（ｄ））。そうすると、エッチングで掘り下げた箇所に接着剤逃げ部１３１、シリコン基板１７０下面の中央部に凸状の接着凸部１３０、シリコン基板１７０下面の周囲に支持部１３２が形成される。最後にマスク１７４及び１７５を剥離・除去してインターポーザ１１４が完成する（図１６（ｅ））。

次に基板１１２に接着剤１１５を適量塗布し、インターポーザ１１４を実装して接着剤１１５を硬化させる（図１７（ａ））。この時、接着剤１１５は、図２に示した接着剤塗布部１２３に塗布され、インターポーザ１１４及び接着凸部１３０はそれぞれインターポーザ実装部１２２及び接着剤塗布部１２３の位置にくるように位置合わせして実装される。インターポーザ１１４のセンサチップ実装部１３４に接着剤１５２を塗布し、センサチップ１１１のフレーム１４０Ａ〜１４０Ｈが接着剤１５２を塗布した位置にくるように位置合わせして実装し、接着剤１５２を硬化させる（図１７（ｂ））。次にセンサチップ１１１に形成された電極パッド１４８と基板１１２に形成された電極パッド１２０とをワイヤーボンディングによって金ワイヤー１５１で電気的に接続する（図１８）。最後にカバー１１３を基板１１２上に形成されたカバー実装部１２１に実装して接着剤で固定して加速度センサ１０１が完成する（図１９）。

次に、接着凸部１３０の面積を変えて出力変動量ΔＳの大きさを評価した試験について説明する。試験は、矩形平板状で、長辺の長さが１００ｍｍの基板１１２を用意し、その基板１１２の中心部に加速度センサ１０１を実装した試料を作製した。加速度センサ１０１と基板１１２の接着にはシリコーン系の接着剤を用いた。次に、基板１１２の一端を支えて他端を規定量だけ曲げ、そのときの出力変動量ΔＳを測定し、各試料について比較した。また、試験に用いた加速度センサ１０１には、インターポーザ１１４の基板１１２の実装面からみた形状が正方形で、その一辺の長さＬ１（以下、インターポーザサイズＬ１）が２．５ｍｍ、インターポーザ１１４の実装面と垂直な方向の厚み（以下、インターポーザの厚さＴ１）が１５０μｍ、支持部１３２の高さＴ２が５０μｍで、接着凸部１３０の基板１１２に面した面の一辺の長さ（以下、接着凸部サイズＬ２）が３００μｍ、５００μｍ、８００μｍに形成した３種類のインターポーザ１１４を用いた。また、本実験では、インターポーザ１１４とセンサチップ１１１の大きさはほぼ等しいサイズのものを用いた。

試験結果を図２０中に塗りつぶした丸印で示している。図２０からわかるように、接着凸部サイズＬ２が小さくなるほど出力変動量ΔＳも小さくなることが分かる。

以上説明したように、センサチップ１１１と基板１１２間にインターポーザ１１４を介在して、インターポーザ１１４と基板１１２の接着面積を小さくして固定することによって、環境温度の変化や基板の反りなどによる影響がセンサチップ１１１に伝わりにくくなり、零点出力や検出精度への影響が小さく、検出精度の良い加速度センサ１０１を提供することができる。

なお、本実施例において、接着凸部１３０をインターポーザ１１４の基板１１２と対向する面の中央に設けたが、接着凸部１３０からセンサチップ１１１などに伝わる外部応力の影響や固着強度などの特性や性能が許容範囲内であれば、特に中央である必要はない。また、接着凸部１３０の基板１１２と対向する面の形状はエッチングで形成しやすい矩形にしたが他の形状にしても良い。特に円形であれば、基板１１２から伝わる外部応力を矩形の場合よりも均一に分散させることができる。また、支持部１３２を接着凸部１３０よりも基板側に出っ張らせたが、図２１に示すように支持部１３２と接着凸部１３０の高さを同じにしてもよい。この場合、接着剤１１５の厚さのバラツキが大きくなる可能性があるが、支持部１３２と接着凸部１３０の高低差を付ける工程を省くことができ、製造工程を簡略化できる。

なお、本実施例において、インターポーザ１１４の接着凸部１３０の大きさをインターポーザ１１４の基板１１２に対向した面の面積の１／１００〜１／４の範囲内になるように設定したが、接着凸部１３０の大きさは基板１１２とインターポーザ１１４の接着に用いる基板１１２、インターポーザ１１４、接着剤１１５の特性（接着強度、弾性率、線膨張係数など）によって最適値及び固着強度を確保できる最低面積が異なるので、使用する接着剤、基板、インターポーザの組合せに適した大きさに設定すればよい。

また、図２２に示したインターポーザ１５３のように接着凸部１３０の表面（基板１１２と対向している面）に粗化処理を施して粗面１５４を形成すれば、アンカー効果によって強固に接着する事ができ、粗化処理をしない場合よりも接着凸部１３０の大きさを小さくでき、基板１１２側からの応力の影響を小さくすることができる。また、特に図示しないが基板１１２の接着剤塗布部１２３の表面（インターポーザ１１４と対向している面）を粗面にしても同様の効果を得ることができる。

なお、本実施例において、ギャップ調整部１３５がセンサチップ実装部１３４に対して凸形状となるようにしたが、錘１４３及びビーム１４１Ａ〜１４１Ｄの可動可能な範囲が大きい場合には、可動可能な範囲内でギャップ調整部１３５がセンサチップ実装部１３４に対して凹になるようにしてもよい。

図２３に実施例２の加速度センサ１０２の概略断面図を示す。本実施例は、実施例１においてインターポーザ１１４に設けた接着凸部１３０を基板１１２側に形成したものである。詳しくは、インターポーザ２００の基板２０１と対向する面（下面）は平坦になっており、基板２０１のインターポーザ２００と対向する面には、インターポーザ２００を接着するための矩形状の接着凸部２０２が設けられ、その接着凸部２０２の周囲には接着凸部２０２から流れ出た接着剤が流れ込むための接着剤逃げ部２０３が設けられ、さらに接着剤逃げ部２０３の周囲には支持部２０４が設けられている。また、接着凸部２０２のインターポーザ２００に対向した面の面積は、インターポーザ２００の基板２０２に対向した面の面積の１／１００〜１／４の範囲内になるように設定した。また、接着凸部２０２は接着剤逃げ部２０３よりもインターポーザ２００側に飛び出しており、さらに支持部２０４は接着凸部２０２よりもインターポーザ２００側に飛び出すように形成されている。

実施例１に記載したようにインターポーザ１１４に接着凸部１３０を設ける構成と比べて本実施例においては、接着凸部２０２上に直接接着剤を塗布することができるので接着剤を塗布した場所と接着凸部２０２がずれることがない。

図２４に本実施例の加速度センサ１０３を示す。この加速度センサ１０３は、実施例１に示したインターポーザ１１４の支持部１３２を形成していないインターポーザ２０５を用いたものである。つまり、インターポーザ２０５は、下面（基板１１２と対向した面）の中央部に接着凸部１３０が形成されており、残りの部分が接着剤逃げ部１３１となっている。したがって、実施例１又は２においてはインターポーザ１１４或いは基板１１２の片方に支持部１３２を設けることによって接着樹脂の厚さを制御できるようにしていたが、本実施例は、支持部を形成していないものである。故に、加速度センサ１０３はインターポーザ２０５に支持部１３２が設けられていないので接着剤１１５の厚さ制御を接着時の圧力などのよって制御する必要があり、実施例１及び２に記載した加速度センサよりも接着剤１１５の厚さばらつきは大きくなり得る。しかしながら、インターポーザ２０５は実施例１に示したインターポーザ１１４のように接着凸部１３０と支持部１３２に高低をつける工程（図１６（ａ）〜（ｂ））が必要なく、製造工程を短くすることができる。このように、本実施例の加速度センサ１０３は接着剤１１５の厚さばらつきが多少大きくなっても良いような場合においては、製造工程を少なくでき、コスト削減することができる。また、特に図示しないが、接着凸部１３０はインターポーザ２０５側ではなく基板１１２側に形成されていてもかまわない。

図２５に本実施例の加速度センサ１０４を示す。加速度センサ１０４に用いられているインターポーザ２１１は、実施例２のインターポーザ２００と同様に下面が平坦に形成されており、基板２１０は基板１１２と同様に上面（センサチップ実装面）が平坦になっている。つまり、インターポーザ２１１と基板２１０の対向する面は、互いに平坦になっている。したがって、実施例１及び実施例２ではインターポーザ或いは基板の片方に接着凸部を設けることによって基板とインターポーザの接着面積を制御していたが、本実施例の加速度センサ１０４は、インターポーザ２１１と基板２１０のいずれにも接着凸部を設けず、接着剤１１５の塗布量、粘度及び接着時の圧力などの条件を制御することによって基板２１０とインターポーザ２１１の接着面積を制御するようにしたものである。このように接着条件によってインターポーザ２１１と基板２１０の接着面積を制御するようにすれば、インターポーザ２１１或いは基板２１０に接着凸部を形成する必要が無く、その分コストを低減することができる。しかし、接着剤１１５の粘度などの特性ばらつきによる接着剤１１５の塗布量ばらつきや、接着剤１１５と基板２１０及びインターポーザ２１１との濡れ性ばらつきが大きいとインターポーザ２１１と基板２１０の接着面積及び接着剤１１５の厚みのばらつきに影響するので、接着凸部を設けた加速度センサ１０１、１０２よりも製造プロセス、使用材料などに厳しい管理が求められる。

以上、本発明ではピエゾ抵抗を利用した加速度センサについて説明したが、これに限らず、応力或いは変形に変換される物理量を検出するセンサであれば適用することができるものである。例えば静電容量型及び圧電型の加速度センサ、圧力センサ、角速度センサなどに適用することができる。

本発明の実施例１の加速度センサの概略断面図である。 図１の加速度センサに用いられている基板の上面図である。 （ａ）は図１の加速度センサに用いられているインターポーザの下面図、（ｂ）は図１の加速度センサに用いられているインターポーザの断面図である。 図１の加速度センサに用いられているセンサチップの上面図である。 図１の加速度センサに用いられているセンサチップの概略断面図である。 Ｘ軸方向の加速度を検出するためのＸ軸方向加速度検出回路を示す回路図である。 Ｙ軸方向の加速度を検出するためのＹ軸方向加速度検出回路を示す回路図である。 Ｚ軸方向の加速度を検出するためのＺ軸方向加速度検出回路を示す回路図である。 加速度センサに−Ｘ軸方向の加速度が働いている状態を示す概略図である。 図１４の一部を拡大して示す概略図である。 加速度センサに−Ｚ軸方向の加速度が働いている状態を示す概略図である。 （ａ）（ｂ）は本発明の実施例１にかかる加速度センサに用いられているセンサチップの製造工程を説明する概略断面図である。 （ａ）（ｂ）は図１２に示した工程の後の工程を説明する概略断面図である。 （ａ）（ｂ）は図１３に示した工程の後の工程を説明する概略断面図である。 図１４に示した工程の後の工程を説明する概略断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は本発明の実施例１にかかる加速度センサに用いられているインターポーザの製造工程を説明する概略断面図である。 （ａ）（ｂ）は本発明の実施例１にかかる加速度センサの組み立て工程を説明する概略断面図である。 図１７に示した工程の後の工程を説明する概略断面図である。 図１８に示した工程の後の工程を説明する概略断面図である。 接着凸部の寸法と出力変動量の関係を示した図である。 実施例１の加速度センサに用いられているインターポーザの変形例を示す断面図である。 実施例１の加速度センサに用いられているインターポーザの変形例を示す断面図である。 実施例２の加速度センサの概略断面図である。 実施例３の加速度センサの概略断面図である。 実施例４の加速度センサの概略断面図である。 従来の加速度センサの概略断面図である。

符号の説明

１０１、１０２、１０３ 加速度センサ
１１１ センサチップ
１１２、２０１、２１０ 基板
１１３ カバー
１１４、２００、２０５、２１１ インターポーザ
１１５ 接着剤
１２０ 電極パッド
１３０、２０２ 接着凸部
１３１、２０３ 接着剤逃げ部
１３２、２０４ 支持部
１４０ フレーム
１４１ ビーム
１４２ 可動部材
１４３ 錘
１４８ 電極パッド
１５１ ワイヤー
１５３ 粗面

Claims (10)

1. センサチップと基板で構成されるセンサであって、
   前記センサチップと前記基板の間に支持体を介在させ、前記支持体と前記基板は前記支持体の前記基板に対向する面の一部分を接着剤で接着することにより固定し、
   前記支持体と前記基板のうち少なくともいずれか一方に接着剤で接着するための接合部となる凸部と、
   前記凸部の周囲に余分な接着剤を逃がすための凹部とを設けたことを特徴とするセンサ。
2. 前記支持体と前記基板のうち少なくともいずれか一方において、支持部を前記凹部の周囲に設けたことを特徴とする、請求項１に記載のセンサ。
3. 前記支持部は、前記凸部よりも突出していることを特徴とする、請求項２に記載のセンサ。
4. 前記凸部が矩形であることを特徴とする、請求項１に記載のセンサ。
5. 前記支持体或いは前記基板に設けた前記凸部の面積は、前記支持体の前記基板と対向する面の面積の１／１００〜１／４であることを特徴とする、請求項１に記載のセンサ。
6. 前記支持体と前記基板の接着位置は前記支持体の中央に位置することを特徴とする、請求項１に記載のセンサ。
7. 前記支持体と前記基板の接着される面を粗面に形成したことを特徴とする、請求項１に記載のセンサ。
8. 前記基板と前記支持体は、シリコーン系接着剤で接着固定したことを特徴とする、請求項１に記載のセンサ。
9. 前記半導体センサチップ上の電気的接続箇所が、前記支持部の上部に位置していることを特徴とする、請求項２に記載のセンサ。
10. 請求項１〜９に記載のセンサで、かつ、加速度を検出するためのセンサであって、
    前記センサは外力の変化に応じて変位する可動部と、
    静止部材と、
    前記可動部を前記静止部材に支持させるための弾性支持部と、
    前記弾性支持部の変形量を計測するための測定手段とを備えたセンサチップ及び、
    基板を備えたセンサであって、
    前記センサチップと前記基板の間に支持体を介在させ、前記支持体と前記基板は前記支持体の前記基板に対向する面の一部分を接着剤で接着することにより固定したことを特徴とするセンサ。

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