JP2016070670A - センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い精度を維持することが可能なセンサ装置を提供する。
【解決手段】 センサ装置１は、開口部１１を有し、内部に収容空間１２を備えるパッケージ１０と、収容空間１２の底面上に載置された中間基板５０と、中間基板１０上に載置されたセンサ素子２０とを備え、中間基板５０はその下面の外周部が複数のバンプ５２を介して収容空間１２の底面に載置されており、複数のバンプ５２は第１バンプ５２ａと第２バンプ５２ｂとを有し、第１バンプ５２ａは収容空間１２の底面と中間基板５０とを接着固定しており、第２バンプ５２ｂは収容空間１２の底面あるいは中間基板５０と分離可能な状態で接触している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧力や加速度、角速度等の応力を検出するセンサ装置に関する。

従来、圧力や加速度等の応力を検出するセンサ装置が知られている。特許文献１には、半導体基板にピエゾ抵抗素子を形成してなる加速度センサが記載されている。

このようなセンサ装置は、通常、センサ本体がパッケージに収容され、このセンサ本体がパッケージに接着固定されて利用される。

特開平３−２５３５号公報

しかしながら、センサ本体を構成する材質とパッケージを構成する材質とは異なっているため、温度変化等によってこれらの部材間に熱膨張差に起因する応力が生じやすくなる。そのため、センサ本体に歪みが生じ、センサの精度が低下しやすくなるという場合があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高い精度を維持することが可能なセンサ装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るセンサ装置は、開口部を有し、内部に収容空間を備えるパッケージと、前記収容空間の底面上に載置された中間基板と、該中間基板上に載置されたセンサ素子とを備え、前記中間基板はその下面の外周部が複数のバンプを介して前記底面に載置されており、前記複数のバンプは第１バンプと第２バンプとを有し、前記第１バンプは前記底面と前記中間基板とを接着固定しており、前記第２バンプは前記底面あるいは前記中間基板と分離可能な状態で接触している。

本発明によれば、高い精度を維持することが可能なセンサ装置となる。

本発明のセンサ装置の実施形態の一例を示す断面図である。 中間基板の下面図である。 センサ素子の下面図である。 （ａ）はセンサ素子の上面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＩ−Ｉ線での断面図である。

以下、本発明のセンサ装置の実施形態の例について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の例は本発明の実施形態の一例を例示するものであって、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。

図１に示すセンサ装置１は、パッケージ１０と中間基板５０とセンサ素子２０とを備える。パッケージ１０は、内部にセンサ素子２０を保持する強度と、センサ素子２０を外部環境から保護する耐食性・気密性を有するものであれば特に限定はされない。例えば、積層セラミックを用いたセラミックパッケージや有機樹脂材料を用いたパッケージとすればよい。この例では、セラミックパッケージを用いる。

パッケージ１０は、開口部１１を有し、内部に収容空間１２を有する。この例では、基板部１３１の上面に外周を合わせるように枠体部１３２が形成されてなる。このような構成により、中央に基板部１３１を底面とする凹部を有するものとなる。この凹部で収容空間１２の外郭が形成される。枠体部１３２は基板部１３１側から順に第１幅広部１３２ａと第１幅広部１３２ａよりも幅の狭い第２幅広部１３２ｂとを有する。

第１幅広部１３２ａの上面のうち、第２幅広部１３２ｂから露出する領域には電極パッドが多数設けられており、後述するセンサ素子２０と電気的に接続される。そして、この電極パッドは、第１幅広部１３２ａの上面と第２幅広部１３２ｂの下面との間に延び、枠体部１３２の外周壁面から基板部１３１の下面まで連続した導電層に接続される。このような導電層および電極パッドにより、センサ素子２０とパッケージ１０の外側に位置する外部電源とを電気的に接続することができる。このように、パッケージ１０は、センサ素子２０と、外部電源や外部回路とを電気的に接続する機能を有する。

このようなパッケージ１０の収容空間１２にセンサ素子２０および中間基板５０が収容されている。センサ素子２０は、詳細な構成は後述するが、枠部２１と、枠部２１の内側に配置された錘部２２と、一方端が枠部２１に他方端が錘部２２にそれぞれ接続された可撓性を有する梁部２３と、梁部２３に配置された検出部２４とを含む。検出部２４は、梁部２３の変形に応じた信号を検出する。このようなセンサ素子２０に加速度や角速度等に起因する力が加わると、錘部２２が変位し、これに伴い、両端が枠部２１と錘部２２に固定された梁部２３が変形し、この変形に応じた信号を検出部２４で検出することで、センサとして機能する。

センサ素子２０の枠部２１の上面には、検出部２４からの信号を外部に取り出すための電極パッド２６が形成されている。そして、この電極パッド２６は、パッケージ１０の第１幅広部１３２ａの上面のうち、第２幅広部１３２ｂから露出する領域に形成された電極パッドと電気的に接続されている。互いの電極パッドを電気的に接続するためには、例えばボンディングワイヤを用いればよい。

センサ素子２０は、図１および図３に示すように、その枠部２１の下面が接合樹脂あるいは半田等の接合材２５によって中間基板５０の上面に固定されている。一方、中間基板５０は、図１および図２に示すように、その下面の外周部が複数のバンプ５２を介してパッケージ１０の収容空間１２の底面に載置されている。これら複数のバンプ５２は、第１バンプ５２ａと第２バンプ５２ｂとを有している。そして、第１バンプ５２ａは、収容空間１２の底面と中間基板５０とを接着材５３によって接着固定している。また、第２バンプ５２ｂは、収容空間１２の底面あるいは中間基板５０と分離可能な状態で接触している。つまり、第２バンプ５２ｂは収容空間１２の底面に接着固定されている場合は、第２バンプ５２ｂと中間基板５０とは接着固定されずに接触しているだけである。そのため、中間基板５０を収容空間１２の底面から引き離すような外力を加えた場合に第２バンプ５２ｂと中間基板５０とは容易に分離される状態である。あるいは、第２バンプ５２ｂが中間基板５０下面に接着固定されている場合は、第２バンプ５２ｂとパッケージ１０の収容空間１２の底面とは接着固定されずに接触しているだけである。そのため、中間基板５０を収容空間１２の底面から引き離すような外力を加えた場合に第２バンプ５２ｂと収容空間１２の底面とは容易に分離される状態である。

このような構成によって、センサ装置１に温度変化が生じた場合でも、センサ素子２０に歪みが生じるのを有効に低減でき、センサの精度を高く維持することが可能となる。つまり、センサ素子２０が中間基板５０に接着固定されていることによって、センサ素子２０が中間基板５０によって補強され、センサ素子２０に歪みが生じるのを有効に低減できる。さらに、中間基板５０は、一部がパッケージ１０に接着固定され、一部が分離可能な状態となっていることによって、応力が生じたとしてもこの分離可能な部位によって応力を緩和することが可能となる。その結果、センサ素子２０に対する補強と応力緩和とを良好に行なうことができ、センサの精度を高く維持できる。

中間基板５０およびセンサ素子２０の応力を有効に緩和するという観点からは、第１バンプ５２aは中間基板５０の一方端よりに存在し、第２バンプ５２ｂは中間基板５０の一
方端とは反対側の端部よりに存在していてもよい。より中間基板５０を動きやすくして応力をより有効に緩和するという観点からは、中間基板５０の平面形状が矩形状の場合に、第１バンプ５２ａは中間基板５０の１辺に沿って設けても良い。

中間基板５０を主として構成する材料の線膨張係数は、パッケージ１０の収容空間２０の底面を構成する部位（基板部１３１）の線膨張係数よりも小さく、センサ素子２０を主として構成する材料の線膨張係数と同じか、あるいはセンサ素子２０を主として構成する材料の線膨張係数よりも大きい材料が用いられ得る。このような中間基板５０の材料としては半導体基板やセラミック基板等が用いられる。

センサ素子２０は主として半導体材料から成る場合、中間基板５０は主としてセンサ素子２０と同じ半導体材料から成るものであってもよい。その場合、同じ材料のセンサ素子２０と中間基板５０とで互いに接合材２５によってしっかり固定することで、センサ素子２０の歪みをより低減することができ、センサの精度をより高めることができる。

中間基板５０は、センサ素子２０の制御を行なう電気回路が形成されていてもよい。つまり中間基板５０はＩＣであってもよい。この場合、センサ素子２０と制御回路とを小さい面積で構成でき、センサ装置１を小型化することができる。

バンプ５２は、中間基板５０をパッケージ１０の収容空間１２の底面上に隙間をあけて載置するためのものである。中間基板５０がパッケージ１０と隙間をあけて設けられることによって、中間基板５０およびセンサ素子２０にパッケージ１０から応力が加わるのを有効に低減できる。バンプ５２の材料は特に限定されず、金属や無機材料、有機材料が用いられる。

中間基板５０とパッケージ１０とを第１バンプ５２ａを介して接着固定するための接着剤５３としては、特に限定されず、有機接着剤や半田等が用いられ得る。第２バンプ５２ｂにおいて中間基板５０がある程度動くことによって応力を緩和させる際、第１バンプ５２ａを介した中間基板５０とパッケージ１０との接続を良好に維持するという観点からは、図１および図２に示すように、接着剤５３は第１バンプ５２ａの側面を取り囲むように配置されていてもよい。なお、接着剤５３を用いず、接合材として機能する第１バンプ５２ａで直接中間基板５０中間基板５０とパッケージ１０とを接着固定してもよい。

特に、中間基板５０と接続しているセンサ素子２０の第１バンプ５２ａ近傍部に応力が集中するのを低減するという観点からは、第１バンプ５２ａとセンサ素子２０とは接着することなく接触した状態となっており、図１および図２に示すように、第１バンプ５２ａを取り囲むように配置された接着剤５３がセンサ素子２０と接着されていてもよい。このような構成によって、接着剤５３とセンサ素子２０との接着部が環状となるため、応力が
一カ所に集中せずに良好に分散され、センサ素子２０のセンサの精度の低下をより低減できる。

このようなセンサ素子２０および中間基板５０が収容された収容空間１２は、必要に応じて蓋部３０が設けられる。センサ素子２０が加速度センサや角速度センサ等のように気密封止が望ましいものである場合、蓋部３０によって収容空間１２が気密封止されてもよい。また、センサ素子２０が圧力センサ等のように外気の圧力を取り入れる必要がある場合、外気を取り入れるための穴が設けられた蓋部３０が設けられたり、あるいは、蓋部３０が隙間をあけた状態で部分的にパッケージ１０に接合されてもよい。また、蓋部３０が設けられない場合もあり得る。

蓋部３０は、特に材料は限定されない。この例では、蓋部３０として、Ｓｉウエハを用い、収容空間１２を気密封止する例を示す。蓋部３０は開口部１１を塞ぐように配置され、蓋部３０とパッケージ１０とを接着材や半田等の封止部材４０で接合することにより、収容空間１２を封止することができる。また、収容空間１２の雰囲気は不活性ガス、大気、乾燥空気等用いることができる。収容空間１２の雰囲気の圧力は、大気圧と同程度としてもよいし、真空、減圧状態としてもよいし、加圧状態としてもよい。

次に、センサ素子２０について詳述する。図４（ａ）は、本発明の一実施形態に係るセンサ装置１に用いられたセンサ素子２０の平面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＩ−Ｉ線における断面図である。センサ素子２０は、枠部２１と、枠部２１の内側に位置する錘部２２と、枠部２１と錘部２２とを接続する梁部２３と、加速度を検出する検出部２４とを有する。検出部２４は、加速度を検出する抵抗素子Ｒａを含む。以下、各部位について詳述する。

錘部２２は、梁部２３により枠部２１に対して変位可能に保持されている。その重量が大きい程センシング感度を高めることができるので、梁部２３に比べ厚み方向に延在することで体積を大きくしている。

センサ素子２０に加速度が加わると、加速度に応じた力が錘部２２に作用し、錘部２２が動くことで梁部２３が撓むようになっている。そして、梁部２３の撓み量に応じた電気信号を検出部２４を構成する抵抗素子Ｒａにより検出し、不図示の電気配線によりその電気信号を取出し演算することにより加速度を検出することができる。

錘部２２は、梁部２３に接続される平面形状および梁部２３と厚み方向に離れて平面における平面形状とが略正方形をなし、互いの中心が重なるように配置されている。なお、図４（ａ）において、下方に位置する部分の平面形状を破線で示している。錘部２２のうち梁部２３に接続される部分の大きさは、略正方形の一辺の長さが例えば０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍに設定される。錘部２２のうち梁部２３と厚み方向に間隔をあけて配置される部分の大きさは、略正方形の一辺の長さが例えば０．２ｍｍ〜０．６５ｍｍに設定される。また、錘部２２の厚みは、例えば０．１ｍｍ〜０．６２５ｍｍに設定される。

なお、錘部２２の各部位の平面形状は正方形に限られず、円や長方形、クローバーなど任意の形状が可能である。

そして、このような錘部２２を囲繞するように枠状の枠部２１が設けられている。枠部２１は、平面形状が略正方形をなし、中央部に錘部２２より若干大きい略正方形の開口部を有している。枠部２１は、その一辺の長さが例えば０．５ｍｍ〜３．０ｍｍに設定され、枠部２１を構成するアームの幅（アームの長手方向と直交する方向の幅）は例えば０．１ｍｍ〜１．８ｍｍに設定される。また枠部２１の厚みは、例えば０．１ｍｍ〜０．６２
５ｍｍに設定される
このような枠部２１と錘部２２との間には図４に示すように梁部２３が設けられている。梁部２３は、一方端が枠部２１の内周における各辺の上面側中央部に連結され、他方端が錘部２２の各辺の上面側中央部に連結されている。本実施形態におけるセンサ素子２０では、４本の梁部２３が設けられており、４本の梁部２３のうち２本はＸ軸方向に伸びて錘部２２を間に挟んだ状態で同一直線状に配され、他の２本はＹ軸方向に伸びて錘部２２を間に挟んだ状態で同一直線状に配されている。

梁部２３は可撓性を有し、センサ素子２０に加速度が加わると錘部２２が動き、錘部２２の動きに伴って梁部２３が撓むようになっている。梁部２３は、例えば長手方向の長さが０．１ｍｍ〜０．８ｍｍに設定され、幅（長手方向と直交する方向の長さ）が０．０４ｍｍ〜０．２ｍｍに設定され、厚みが３μｍ〜２０μｍに設定されている。このように梁部２３を細長く且つ薄く形成することによって可撓性が発現される。このような枠部２１，錘部２２，梁部２３は、例えばＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を加工することにより一体的に形成されている。

梁部２３の上面には図４に示すように抵抗素子Ｒａｘ１〜Ｒａｘ４，Ｒａｙ１〜Ｒａｙ４，Ｒａｚ１〜Ｒａｚ４が形成されている（以下、これらの抵抗素子をまとめて称するときは適宜、符号Ｒａで表す）。これらにより検出部２４が構成される。抵抗素子Ｒａｘ１〜Ｒａｘ４，Ｒａｙ１〜Ｒａｙ４，Ｒａｚ１〜Ｒａｚ４は、３軸方向（図４に示した３次元直交座標系におけるＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向）の加速度を検出できるように梁部２３の所定の位置に形成された上、ブリッジ回路を構成するように結線されている。

このような抵抗素子Ｒａｘ１〜Ｒａｘ４，Ｒａｙ１〜Ｒａｙ４，Ｒａｚ１〜Ｒａｚ４は、例えば、ＳＯＩ基板の最上層の抵抗体となる部分にボロンを打ち込むことにより形成する事ができる。または、ＳＯＩ基板の最上層にボロンを打ち込むことにより抵抗体膜を形成した後、抵抗体膜をエッチングなどにより所定の形状にパターニングすることにより形成することができる。これによりピエゾ抵抗素子からなる抵抗素子Ｒａを形成することができる。

ピエゾ抵抗素子からなる抵抗素子Ｒａを用いた場合には、梁部２３の撓みに起因する変形に応じて抵抗値が変化し、この抵抗値の変化に基づく出力電圧の変化を電気信号として取り出し、これを外部のＩＣで演算処理することによって印加された加速度の方向並びに大きさを検知することができる。

なお、抵抗素子Ｒａから電気的に接続された配線および外部のＩＣ等へ取り出すためのパッド電極２６等が、枠部２１の上面に設けられており、これらを介して電気信号の外部への取り出しなどを行っている。

これらの配線は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金などからなり、これらの材料をスパッタリングなどにより成膜した後、所定の形状にパターニングすることにより枠部２１の上面に形成される。

なお、上述の例では、センサ素子２０として、加速度を検出するセンサを用いて説明したが、錘部２２をＸＹ平面内で回旋運動させることで角速度を検出することも可能となる。錘部２２を回旋運動させるためには、例えば、４本の梁部２３に圧電体を形成して時分割して変形させることにより実現してもよいし、互いに向き合う錘部２２の外壁と枠部２１の内壁とに電極を設けて静電引力により実現してもよいし、センサ素子２０の外側に磁力を発生させて実現してもよい。

このような構成とすることにより、１つのセンサ素子２０により、加速度と角速度との２項目を検出でき、センサ装置１として３項目を、装置を大型化することなく検出可能となる。

また、収容空間１２に収容するセンサ素子２０は、角速度・加速度センサに限定されない。例えば、半導体センサ等、外部環境から隔離して実装することが好ましい種々のセンサ素子を用いることができる。

さらに、上述の実施例では、パッケージ１０は収容空間１２を１つ備えるものであったが、１つのパッケージ１０に複数個の収容空間１２を設けてもよい。同様に、１つの収容空間１２に複数個のセンサ素子２０を設けてもよい。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で多くの修正及び
変更を加えることができる。

１：センサ装置
１０：パッケージ
１１：開口部
１２：収容空間
２０：センサ素子
２１：枠部
２２：錘部
２３：梁部
２４：検出部
５０：中間基板
５２：バンプ
５３：接着剤

Claims (6)

1. 開口部を有し、内部に収容空間を備えるパッケージと、
   前記収容空間の底面上に載置された中間基板と、
   該中間基板上に載置されたセンサ素子とを備え、
   前記中間基板はその下面の外周部が複数のバンプを介して前記底面に載置されており、前記複数のバンプは第１バンプと第２バンプとを有し、前記第１バンプは前記底面と前記中間基板とを接着固定しており、前記第２バンプは前記底面あるいは前記中間基板と分離可能な状態で接触しているセンサ装置。
2. 前記第１バンプは前記中間基板の一方端よりに存在し、前記第２バンプは前記中間基板の前記一方端とは反対側の端部よりに存在している、請求項１に記載のセンサ装置。
3. 前記中間基板の線膨張係数は前記パッケージの線膨張係数よりも小さく、前記センサ素子の線膨張係数は前記中間基板の線膨張係数と同じかあるいは前記中間基板の線膨張係数よりも小さい、請求項１または２に記載のセンサ装置。
4. 前記センサ素子は主として半導体材料から成り、前記中間基板は主として前記センサ素子と同じ半導体材料から成る、請求項１乃至３のいずれかに記載のセンサ装置。
5. 前記センサ素子は、枠部と、錘部と、両端が前記枠部と前記錘部とにそれぞれ接続された可撓性を有する梁部と、前記梁部に配置された前記梁部の変形に応じた信号を検出する検出部とを備える、請求項１乃至４のいずれかに記載のセンサ装置。
6. 前記中間基板は、前記センサ素子に電気的に接続されたＩＣである、請求項１乃至５のいずれかに記載のセンサ装置。

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