JP5074693B2

JP5074693B2 - 微小電気機械デバイス

Info

Publication number: JP5074693B2
Application number: JP2006018199A
Authority: JP
Inventors: 幸司辻; 和夫江田; 昌男桐原
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-01-26
Filing date: 2006-01-26
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2026-01-26
Also published as: JP2006231506A

Description

本発明は、微小電気機械デバイスに関するものである。

従来から、マイクロマシンニング技術を利用して形成された微小電気機械デバイスの一例として、ジャイロセンサが知られている（例えば、特許文献１参照）。なお、この種の微小電気機械デバイスとしては、ジャイロセンサに限らず、加速度センサ、圧力センサ、マイクロアクチュエータ、マイクロバルブ、マイクロリレーなどの種々のデバイスが知られている。

上記特許文献１に開示されているジャイロセンサ（ジャイロスコープ）は、例えば、図７に示すように、支持基板５５の一表面側において支持基板５５からＺ方向に離間して配置される矩形枠状の外側フレーム（第１質量体）５４と、外側フレーム５４の内側に配置される内側フレーム（第２質量体）５２とを備え、外側フレーム５４が支持基板５５に固定された４つの支持部（アンカー）５３それぞれにＸ方向に延長された撓み部５６を介して連結され、内側フレーム５２がＹ方向に延長された４本の撓み部６２を介して外側フレーム５４に連結されている。ここにおいて、内側フレーム５２のうちＹ方向に沿った両辺部の互いの対向面には、Ｙ方向に列設された複数本の感知用可動電極片６７およびＹ方向に列設された多数本の駆動用可動電極片６６が連続一体に形成されており、内側フレーム５２の開口窓６４内には、支持基板５５に固定された支持部（アンカー）６５に連続一体に形成されて感知用可動電極片６７にそれぞれ対向する複数本の感知用固定電極片６９がＹ方向に列設されるとともに、支持基板５５に固定された支持部（アンカー）６３に連続一体に形成されて駆動用可動電極片６６にそれぞれ対向する多数本の駆動用固定電極片６８がＹ方向に列設されている。したがって、図７に示した構成のジャイロセンサでは、内側フレーム５２をＸ方向に振動させている状態において感知用可動電極片６７と感知用固定電極片６９との対向面積の変化に伴う静電容量の変化を検出して、内側フレーム５２のＸ方向の振動をフィードバック制御することができるようになっている。

また、外側フレーム５４の外周面には、Ｙ方向に列設された複数本の検知用可動電極片７０が連続一体に形成されており、外側フレーム５４の外側には、支持基板５５に固定された支持部（アンカー）７３，７５に連続一体に形成されて検知用可動電極片７０にそれぞれ対向する多数本の検知用固定電極片７２，７４がＹ方向に列設されている。なお、使用時には、検知用固定電極片７２と検知用固定電極片７４とに互いに異なる直流電圧源を接続する。

上述の図７に示した構成のジャイロセンサでは、駆動用固定電極片６８に駆動電圧を印加して内側フレーム５２をＸ方向に振動させている状態においてＹ方向の軸周りの角速度が作用すると外側フレーム５４にはコリオリ力が生じるから外側フレーム５４および内側フレーム５２がＹ方向に変位する。外側フレーム５４のＹ方向の変位量は外側フレーム５４の出力（検知用可動電極片７０の出力）により計測できるから、内側フレーム５２に与えたＸ方向の振動と外側フレーム５４の出力とを用いてコリオリ力を算出することができ、コリオリ力が算出されると角速度に相当する値を求めることができる。上述のジャイロセンサと協働する集積回路のチップはジャイロセンサとは別のパッケージに実装される。

なお、上述のジャイロセンサは、支持基板５５上に大部分が犠牲層となる酸化膜を成膜した後で酸化膜上に多結晶シリコン層を成膜し、当該多結晶シリコン層を表面マイクロマシンニング技術により加工することにより、各構成要素が形成されている。
特表２００１−５１５２０１号公報（段落〔００１５〕〜〔００２２〕，〔００４３〕〜〔００４５〕、および図２，図８）

上記特許文献１に開示された微小電気機械デバイスでは、支持基板５５の一表面側においてジャイロセンサの複数の構成要素が分離独立して形成されて互いに電気的に絶縁されているので、製造時の組立工程において、各構成要素それぞれを他の構成要素や外部電極と電気的に接続するためにボンディングワイヤの一端部を例えば超音波熱圧着方式や超音波方式により各構成要素それぞれのパッド（図示せず）と接合するワイヤボンディング工程を行う必要があり、支持基板５５から離間した構成要素にボンディングワイヤの一端を接続する際に当該構成要素が損傷しやすかった。また、上記特許文献１に開示された微小電気機械デバイスは、パッケージなどに実装した後で更に封止する必要があり、小型化が難しかった。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、製造時に微小電気機械の構成要素が損傷しにくく且つデバイス全体の小型化が可能な微小電気機械デバイスを提供することにある。

本発明とは別の微小電気機械デバイスは、微小電気機械の構成要素が内側に配置された枠状のフレームと、フレームの一表面側においてフレームの全周にわたってフレームに接合された半導体基板からなる封止基板とを備え、封止基板は、少なくとも、微小電気機械の構成要素に電気的に接続される配線が形成されてなるとともに、フレームと接合する一表面側に微小電気機械と協働する集積回路が形成され、当該集積回路が前記配線と電気的に接続されてなり、前記配線として、集積回路が形成された一表面側とは反対の他表面側に形成された外部接続用電極と、前記一表面側に形成され外部接続用電極に対向するコンタクト用電極と、外部接続用電極と当該外部接続用電極に対向するコンタクト用電極との間に介在し両者を電気的に接続する貫通配線と、集積回路とコンタクト用電極とを電気的に接続する金属配線とを備えてなることを特徴とする。ここにおける微小電気機械は、集積回路の集積化されていない狭義のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）、ＮＥＭＳ（Nano Electro Mechanical System）を意味している。

この微小電気機械デバイスによれば、封止基板をフレームに接合することにより微小電気機械の構成要素が封止基板に形成されている配線と電気的に接続されるので、微小電気機械の構成要素にボンディングワイヤを接合する必要がないから、製造時に微小電気機械の構成要素が損傷しにくくなり、しかも、封止基板においてフレームと接合する一表面側に微小電気機械と協働する集積回路が形成され、当該集積回路が前記配線と電気的に接続されているので、微小電気機械と協働する集積回路を含めた微小電気機械デバイス全体の小型化を図ることができとともに、微小電気機械と集積回路との間の配線長を短くすることができる。また、この微小電気機械デバイスによれば、封止基板は、前記配線として、集積回路が形成された一表面側とは反対の他表面側に形成された外部接続用電極と、前記一表面側に形成され外部接続用電極に対向するコンタクト用電極と、外部接続用電極と当該外部接続用電極に対向するコンタクト用電極との間に介在し両者を電気的に接続する貫通配線と、集積回路とコンタクト用電極とを電気的に接続する金属配線とを備えているので、封止基板の外周形状をフレームの外周形状に揃えることができ、微小電気機械デバイス全体のより一層の小型化を図ることが可能になる。

請求項１の発明は、支持基板と、微小電気機械の複数の構成要素であって支持基板の一表面側においてそれぞれ分離独立して配置された複数の構成要素と、当該複数の構成要素が内側に配置され且つ支持基板の前記一表面に連結された枠状のフレームと、フレームを挟んで支持基板に対向配置されフレームの全周にわたってフレームに接合された半導体基板からなる封止基板とを備え、封止基板は、少なくとも、微小電気機械の構成要素に電気的に接続される複数の配線が形成されてなるとともに、支持基板に対向する一表面側に微小電気機械と協働する集積回路が形成され、当該集積回路が前記複数の配線の一部と電気的に接続されてなり、前記微小電気機械の構成要素に接続される前記配線は、支持基板に接合されている構成要素における支持基板との接合面とは反対側に形成されているパッドに重なって電気的に接続された第１コンタクト用電極と、第１コンタクト用電極に電気的に接続された第１金属配線とを備え、前記配線の前記一部として、集積回路が形成された前記一表面側とは反対の他表面側に形成された外部接続用電極と、前記一表面側に形成され外部接続用電極に対向する第２コンタクト用電極と、外部接続用電極と当該外部接続用電極に対向する第２コンタクト用電極との間に介在し両者を電気的に接続する貫通配線と、集積回路と第２コンタクト用電極とを電気的に接続する第２金属配線とを備えてなることを特徴とする。ここにおける微小電気機械は、集積回路の集積化されていない狭義のＭＥＭＳ、ＮＥＭＳを意味している。

この発明によれば、封止基板をフレームに接合することにより微小電気機械の複数の構成要素が封止基板に形成されている複数の配線と電気的に接続され、前記微小電気機械の構成要素に接続される前記配線は、支持基板に接合されている構成要素における支持基板との接合面とは反対側に形成されているパッドに重なって電気的に接続されてなるので、微小電気機械の構成要素のパッドにボンディングワイヤを接合する必要がないから、製造時に微小電気機械の構成要素が損傷しにくくなり、しかも、支持基板とフレームと封止基板とで囲まれる密閉空間内に微小電気機械の複数の構成要素が収納されるので、別途のパッケージが不要となるから、デバイス全体の小型化が可能になり、また、封止基板において支持基板に対向する一表面側に微小電気機械と協働する集積回路が形成され、当該集積回路が前記複数の配線の一部と電気的に接続されてなるので、微小電気機械と協働する集積回路を含めた微小電気機械デバイス全体の小型化を図ることができとともに、微小電気機械と集積回路との間の配線長を短くすることができる。また、この発明によれば、封止基板は、前記配線の前記一部として、集積回路が形成された前記一表面側とは反対の他表面側に形成された外部接続用電極と、前記一表面側に形成され外部接続用電極に対向する第２コンタクト用電極と、外部接続用電極と当該外部接続用電極に対向する第２コンタクト用電極との間に介在し両者を電気的に接続する貫通配線と、集積回路と第２コンタクト用電極とを電気的に接続する第２金属配線とを備えているので、封止基板の外周形状をフレームの外周形状に揃えることができ、微小電気機械デバイス全体のより一層の小型化を図ることが可能になる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、封止基板と支持基板とフレームとで囲まれた空間が真空に保たれてなることを特徴とする。

この発明によれば、封止基板と支持基板とフレームとで囲まれた空間が空気雰囲気である場合に比べて、微小電気機械の複数の構成要素のうち可動部となる構成要素が動きやすくなる。したがって、微小電気機械がジャイロセンサや加速度センサなどのセンサであれば、センサの感度を高めることができる。

請求項１の発明では、製造時に微小電気機械の構成要素が損傷しにくくなるとともに、デバイス全体の小型化が可能になるという効果がある。

本実施形態の微小電気機械デバイスについて図１〜図６を参照しながら説明する。

本実施形態では、図１〜図３に示すように、微小電気機械であるジャイロセンサ１と、ジャイロセンサ１と協働する集積回路４とが集積化された微小電気機械デバイスを例示する。ここにおいて、集積回路４には、ジャイロセンサ１の動作を制御する制御回路、ジャイロセンサ１の出力信号に適宜の信号処理を行う信号処理回路などが形成されている。

本実施形態の微小電気機械デバイスは、ガラス基板からなる支持基板２の一表面側に、シリコン基板からなる半導体基板（以下、第１の半導体基板と称す）をバルクマイクロマシンニング加工することにより形成されたジャイロセンサ１の大部分の構成要素が配置されている。

ジャイロセンサ１は、矩形板状の支持基板２の一表面側に、平面視において外周形状が矩形状である駆動質量体１１および検出質量体１２が支持基板２の一表面に沿って並設されるとともに、駆動質量体１１および検出質量体１２の周囲を囲む枠状（本実施形態では、矩形枠状）のフレーム１０が形成されている。なお、図１、図４の各図中に示した直交座標系のように、駆動質量体１１と検出質量体１２とが並ぶ方向をＹ方向、支持基板２の一表面（図１における上面）に沿う面内でＹ方向に直交する方向をＸ方向、Ｘ方向とＹ方向とに直交する方向（つまり、支持基板２のの厚み方向）をＺ方向として説明する。図２、図３、図５、図６の各図中にも同様の直交座標系を図示してある。

駆動質量体１１と検出質量体１２とは、Ｘ方向に延長された一対の駆動ばね１３を介して連続一体に連結されている。すなわち、Ｘ方向において検出質量体１２の全長よりもやや短いスリット溝１４ａと、駆動質量体１１におけるＸ方向の各側縁にそれぞれ一端が開放されＸ方向の一直線上に並ぶ２本のスリット溝１４ｂとが形成され、スリット溝１４ａと各スリット溝１４ｂとの間にそれぞれ駆動ばね１３が形成されている。各駆動ばね１３の一端部はスリット溝１４ａの各一端と検出質量体１２の側縁との間に連続し、各駆動ばね１３の他端部は２本のスリット溝１４ｂの間の部位において駆動質量体１１にそれぞれ連続している。駆動ばね１３はねじれ変形が可能なトーションばねであって、駆動質量体１１は検出質量体１２に対して駆動ばね１３の回りで変位可能になっている。つまり、駆動質量体１１は検出質量体１２に対してＺ方向の並進とＸ方向の軸回りの回転とが可能であると言える。また、駆動ばね１３にトーションばねを用いているから、上記第１の半導体基板の厚み方向（支持基板２の厚み方向）における駆動ばね１３の寸法を小さくする必要がなく、駆動ばね１３を形成する際の加工が容易である。

検出質量体１２におけるＸ方向の各側縁にはＹ方向に延長された検出ばね１５の一端部がそれぞれ連続し、両検出ばね１５の他端部同士はＸ方向に延長された連結片１６を介して連続一体に連結されている。すなわち、一対の検出ばね１５と連結片１６とにより平面視コ字状の部材が形成される。ただし、連結片１６は駆動ばね１３および検出ばね１５に比較して十分に剛性が高くなるように設計されている。連結片１６の長手方向の中間部には固定片１７が突設され、固定片１７は支持基板２に接合され定位置に固定されている。駆動質量体１１および検出質量体１２と検出ばね１５および連結片１６との間はコ字状のスリット溝１４ｃにより分離されており、スリット溝１４ｂの一端はスリット溝１４ｃに連続している。検出ばね１５はＸ方向に曲げ変形が可能であって駆動質量体１１および検出質量体１２は固定片１７に対してＸ方向に変位可能になっている。

ところで、検出質量体１２は厚み方向に貫通する４個の切抜孔１８を有し、各切抜孔１８の内側にはそれぞれ固定子２０が配置されている。固定子２０は、検出質量体１２のＸ方向の両端付近に配置される電極片２１を有し、電極片２１からは櫛骨片２２がＸ方向に延長され、電極片２１と櫛骨片２２とでＬ字状の形状をなしている。電極片２１と櫛骨片２２とは支持基板２に接合され、固定子２０は定位置に固定されている。切抜孔１８の内周面は固定子２０の外周面の形状に沿った形状であって、固定子２０との間には間隙が形成されている。検出質量体１２のＸ方向の両端部には２個ずつの電極片２１が配置されている。図５に示すように、櫛骨片２２の幅方向の両端面にはそれぞれ多数本の固定櫛歯片２３がＸ方向に列設されている。一方、切抜孔１８の内側面であって櫛骨片２２との対向面には、図５に示すように、固定櫛歯片２３にそれぞれ対向する多数本の可動櫛歯片２４がＸ方向に列設されている。各固定櫛歯片２３と各可動櫛歯片２４とは互いに離間しており、検出質量体１２がＸ方向に変位する際の固定櫛歯片２３と可動櫛歯片２４との距離変化に伴う静電容量の変化を検出できるようにしてある。すなわち、固定櫛歯片２３と可動櫛歯片２４とにより検出質量体１２の変位を検出する検出手段が構成されている。

ジャイロセンサ１は、フレーム１０、固定片１７および固定子２０が支持基板２に接合されることで支持基板２に連結されている。これらに対し、駆動質量体１１および検出質量体１２は、支持基板２との間に形成される間隙においてＺ方向に変位可能でなければならないから、図１に示すように、支持基板２における駆動質量体１１との対向面に凹所２９を形成することによって駆動質量体１１と支持基板２との間隙を確保するとともに、検出質量体１２における支持基板２との対向面を支持基板２から後退させる（実際には、ジャイロセンサ１の基礎となる第１の半導体基板において支持基板２との対向面となる表面にバルクマイクロマシンニング加工によって凹部３０を形成する）ことにより検出質量体１２と支持基板２との間隙を確保している。言い換えれば、ジャイロセンサ１の基礎となる上記第１の半導体基板における支持基板２との対向面にバルクマイクロマシンニング加工により凹部３０を形成することにより検出質量体１２と支持基板２との間隙を確保しており、このような凹部３０を設けることにより、固定櫛歯片２３と可動櫛歯片２４とのギャップを短くした場合にバルクマイクロマシンニング加工による固定櫛歯片２３と可動櫛歯片２４とを分離する分離工程が容易となる。このようなバルクマイクロマシンニング加工では、例えば、垂直深掘が可能な誘導結合プラズマ型のドライエッチング装置による異方性ドライエッチング技術を利用すればよい。

支持基板２において駆動質量体１１との対向面にはアルミニウム薄膜のような導電性の金属薄膜からなる固定駆動電極２５（図１参照）が形成されている。また、ジャイロセンサ１は、固定駆動電極２５において支持基板２の凹所２９の周部まで延長された部分を介して支持基板２に接合された電極片２６を備えており、固定片１７、各電極片２１，２６それぞれの表面に例えばＡｌ−Ｓｉ膜からなるパッド２８が形成されている。さらに、図示例ではフレーム１０において固定片１７の近傍部位に、固定片１７を挟む形で一対の接地片１９が形成されており、一方の接地片１９上にもパッド２８が形成されている。このように、ジャイロセンサ１の各パッド２８は、支持基板２に接合された１つの固定片１７、４つの電極片２１、１つの電極片２６、１つの接地片１９それぞれの上に形成されている。ここにおいて、１つの固定片１７、４つの電極片２１、１つの電極片２６、１つの接地片１９は支持基板２の上記一表面側において分離独立して配置されており、後述の封止基板３をフレーム１０に接合していない状態では、それぞれ電気的に絶縁されている。

ここで、上述のジャイロセンサ１の動作について説明する。

ジャイロセンサ１は駆動質量体１１に規定の振動を与えておき、外力による角速度が作用したときの検出質量体１２の変位を検出するものである。ここにおいて、駆動質量体１１を振動させるには固定駆動電極２５と駆動質量体１１との間に正弦波形ないし矩形波形の振動電圧を印加すればよい。振動電圧は、交流電圧が望ましいが、極性を反転させることは必須ではない。駆動質量体１１は駆動ばね１３と検出質量体１２と検出ばね１５と連結片１６とを介して固定片１７に電気的に接続され、固定片１７の表面にはパッド２８が形成されており、また、固定駆動電極２５は電極片２６に電気的に接続され、電極片２６の表面にもパッド２８が形成されているから、固定片１７上のパッド２８と電極片２６上のパッド２８との間に振動電圧を印加すれば、駆動質量体１１と固定駆動電極２５との間に静電力を作用させて駆動質量体１１を支持基板２に対してＺ方向に振動させることができる。振動電圧の周波数は、駆動質量体１１および検出質量体１２の質量や駆動ばね１３および検出ばね１５のばね定数などにより決まる共振周波数に一致させれば、比較的小さい駆動力で大きな振幅を得ることができる。

駆動質量体１１を振動させている状態において、ジャイロセンサ１にＹ方向の軸回りの角速度が作用したときに、Ｘ方向にコリオリ力が発生し、検出質量体１２（および駆動質量体１１）は固定子２０に対してＸ方向に変位する。可動櫛歯片２４が固定櫛歯片２３に対して変位すれば、可動櫛歯片２４と固定櫛歯片２３との距離が変化し、結果的に可動櫛歯片２４と固定櫛歯片２３との間の静電容量が変化する。この静電容量の変化は、４個の固定子２０に接続されたパッド２８から取り出すことができるから、上述のジャイロセンサ１では、４個の可変縁容量コンデンサが形成されているとみなすことができ、各可変容量コンデンサの静電容量をそれぞれ検出したり、可変容量コンデンサを並列に接続した合成容量を検出したりすることにより、検出質量体１２の変位を検出することができる。駆動質量体１１の振動は既知であるから、検出質量体１２の変位を検出することにより、コリオリ力を求めることができる。

ここに、可動櫛歯片２４の変位は、（駆動質量体１１の質量）／（駆動質量体１１の質量＋検出質量体１２の質量）に比例するから、駆動質量体１１の質量が検出質量体１２の質量に比較して大きいほど可動櫛歯片２４の変位が大きくなり、結果的に感度が向上することになる。そこで、本実施形態では駆動質量体１１の厚み寸法を検出質量体１２の厚み寸法よりも大きくしてある。

上述のジャイロセンサ１の製造にあたっては、ジャイロセンサ１の基礎となる第１の半導体基板の裏面側に上述の凹部３０を形成した後で、当該半導体基板の裏面と、上述の凹所２９および固定駆動電極２５を形成した支持基板２とを陽極接合によって接合し、その後、各パッド２８を形成してから、フレーム１０を分離する溝、スリット溝１４ａ〜１４ｃ、固定子２０を分離する溝を上記半導体基板における支持基板２とは反対側の主表面側から形成して各部位（各構成要素）に分離するバルクマイクロマシンニング加工を行う。この段階において、固定片１７は支持基板２に接合されているから、固定片１７に連続する駆動質量体１１および検出質量体１２は支持基板２に保持されており、また、固定子２０も支持基板２に接合されている。要するに、この段階において、微小電気機械であるジャイロセンサ１の３次元構造体が完成する。

ところで、本実施形態の微小電気機械デバイスは、フレーム１０を挟んで支持基板２に対向配置されフレーム１０の一表面側（図１の上面側）においてフレーム１０の全周にわたってフレーム１０に接合されたシリコン基板のような半導体基板（以下、第２の半導体基板と称す）からなる封止基板３を備えている。なお、ジャイロセンサ１の基礎となる上記第１の半導体基板としては抵抗率が比較的小さなシリコン基板を用い、封止基板３となる上記第２の半導体基板としては、抵抗率が比較的大きなシリコン基板を用いている。ここに、上記第１の半導体基板の抵抗率を０．２Ωｃｍ、上記第２の半導体基板の抵抗率を２０Ωｃｍに設定してあるが、これらの数値は特に限定するものではない。

矩形板状の封止基板３における支持基板２との対向面である一表面側には、１つの集積回路４および１０個のコンタクト用電極３８が形成されるとともにコンタクト用電極３８あるいは集積回路４のパッド４８に電気的に接続された金属配線３９が形成され、支持基板２との対向面とは反対側である他表面には３つの外部接続用電極３６が形成されている。ここで、各コンタクト用電極３８および各金属配線３９および各パッド４８はＡｌ−Ｓｉ膜により形成されている。また、封止基板３には、外部接続用電極３６と当該外部接続用電極３６に対向するコンタクト用電極３８との間に介在し両者を電気的に接続する金属材料からなる３つの貫通配線３７が形成されている。しかして、ジャイロセンサ１のフレーム１０に封止基板３を接合することにより、ジャイロセンサ１の所定のパッド２８と集積回路４の所定のパッド４８とが電気的に接続され図１〜図３に示した構造の微小電気機械デバイスが得られる。

以下、本実施形態の微小電気機械デバイスにおける電気的な接続関係を説明するにあたって、説明の便宜上、１０個のコンタクト用電極３８を区別するために図６中に示したように各コンタクト用電極３８それぞれの符号を３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃ，３８Ｄ，３８ＣＣ，３８Ｆ，３８Ｅ，３８ＡＡ，３８ＢＢ，３８Ｇとし、３個の外部接続用電極３６を区別するために図２中に示したように各外部接続用電極３６の符号を３６ＡＡ，３６ＢＢ，３６ＣＣとし、上述の６個のパッド２８を区別するために図４に示したように各パッド２８それぞれの符号を２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃ，２８Ｄ，２８Ｅ，２８Ｆ，２８Ｇとして説明する。

本実施形態では、封止基板３を支持基板２上のフレーム１０に接合することにより、ジャイロセンサ１のパッド２８Ａ，２８Ｂがそれぞれコンタクト用電極３８Ａ，３８Ｂ（第１コンタクト用電極３８Ａ，３８Ｂ）と電気的に接続される。ここに、コンタクト用電極３８Ａとコンタクト用電極３８Ｂとは両者の間に介在する金属配線３９（第１金属配線３９）により電気的に接続されており、コンタクト用電極３８Ｂは金属配線３９（第１金属配線３９）を介して集積回路４のパッド４８（図６における左下のパッド４８）と電気的に接続されている。また、ジャイロセンサ１のパッド２８Ｃ，２８Ｄはそれぞれコンタクト用電極３８Ｃ，３８Ｄ（第１コンタクト用電極３８Ｃ，３８Ｄ）と電気的に接続される。ここに、コンタクト用電極３８Ｃとコンタクト用電極３８Ｄとは両者の間に介在する金属配線３９（第１金属配線３９）により電気的に接続されており、コンタクト用電極３８Ｄは金属配線３９（第１金属配線３９）を介して集積回路４のパッド４８（図６における左上のパッド４８）と電気的に接続されている。また、ジャイロセンサ１の他のパッド２８Ｅ，２８Ｆ，２８Ｇはそれぞれコンタクト用電極３８Ｅ，３８Ｆ，３８Ｇ（第１コンタクト用電極３８Ｅ，３８Ｆ，３８Ｇ）と電気的に接続される。ここに、コンタクト用電極３８Ｅ，３８Ｆ，３８Ｇはそれぞれ金属配線３９（第１金属配線３９）を介して集積回路４のパッド４８と電気的に接続されている。また、残りのコンタクト用電極３８ＡＡ，３８ＢＢ，３８ＣＣ（第２コンタクト用電極３８ＡＡ，３８ＢＢ，３８ＣＣ）は、それぞれ金属配線３９（第２金属配線３９）を介して集積回路４のパッド４８と電気的に接続され、且つ、それぞれ貫通配線３７を介して外部接続用電極３６ＡＡ，３６ＢＢ，３６ＣＣと電気的に接続されている。なお、コンタクト用電極３８Ａ〜３８Ｇの厚み寸法は、封止基板３をフレーム１０に接合する際に対応するパッド２８Ａ〜２８Ｇに接触して電気的接続が確実になされるように設定すればよい。なお、本実施形態では、コンタクト用電極３８と金属配線３９との組み合わせ、あるいはコンタクト電極３８と貫通配線３７と外部接続用電極３６との組み合わせが、微小電気機械の構成要素に電気的に接続される配線を構成している。

以上説明した本実施形態の微小電気機械デバイスでは、支持基板２と、ジャイロセンサ１の複数の構成要素であって支持基板２の上記一表面側においてそれぞれ分離独立して配置された複数の構成要素（４つの固定子２０、２つの接地片１９、１つの電極片２６、駆動質量体１１と２つの駆動ばね１３と検出質量体１２と２つの検出ばね１５と連結片１６と固定片１７とが一体に形成された１つの構造体）と、当該複数の構成要素が内側に配置され且つ支持基板２の上記一表面に連結された矩形枠状のフレーム１０と、フレーム１０を挟んで支持基板２に対向配置されフレーム１０の全周にわたってフレーム１０に接合された封止基板３とを備え、封止基板３には、ジャイロセンサ１の構成要素に電気的に接続される複数の上記配線が形成されているので、封止基板３をフレーム１０に接合することによりジャイロセンサ１の構成要素が封止基板３に形成されている配線と電気的に接続されるから、ジャイロセンサ１の構成要素のパッド２８にボンディングワイヤを接合する必要がないから、製造時にジャイロセンサ１の構成要素が損傷しにくくなり、しかも、支持基板２とフレーム１０と封止基板３とで囲まれる密閉空間内にジャイロセンサ１の構成要素が収納されるので、別途のパッケージが不要となるから、デバイス全体の小型化が可能になる。また、本実施形態では、封止基板３をフレーム１０に接合する際に、封止基板３と支持基板２とフレーム１０とで囲まれた空間が真空に保たれるように真空封止を行っているので、封止基板３と支持基板２とフレーム１０とで囲まれた空間が空気雰囲気である場合に比べて、ジャイロセンサ１の複数の構成要素のうち可動部（駆動質量体１１、検出質量体１２など）となる構成要素が動きやすくなり、感度を高めることができる。

また、本実施形態では、封止基板３において支持基板２と対向する上記一表面側にジャイロセンサ１と協働する集積回路４が形成され、複数の配線のうちの一部が集積回路４と電気的に接続されているので、ジャイロセンサ１と協働する集積回路４を含めた微小電気機械デバイス全体の小型化を図ることができとともに、ジャイロセンサ１と集積回路４との間の配線長を短くすることができるという利点がある。また、本実施形態では、封止基板３は、上記配線として、集積回路４が形成された上記一表面側とは反対の上記他表面側に外部接続用電極３６が形成されるとともに、集積回路４と外部接続用電極３６とを電気的に接続する貫通配線３７が厚み方向に貫設されているので、封止基板３の外周形状をフレーム１０の外周形状に揃えることができ、微小電気機械デバイス全体のより一層の小型化を図ることが可能になる。

また、本実施形態の微小電気機械デバイスは、バルクマイクロマシンニング加工によりジャイロセンサ１を形成しているので、上記特許文献１に記載のジャイロセンサのように表面マイクロマシンニング加工により形成されるジャイロセンサに比べて高性能のジャイロセンサ１を形成することが可能である。

なお、上述の実施形態では、微小電気機械を狭義のＭＥＭＳにより構成してあるが、微小電気機械を狭義のＮＥＭＳにより構成してもよい。また、微小電気機械は、ジャイロセンサに限らず、例えば、固定電極と可動電極とを備えた静電容量型の加速度センサや他のセンサでもよい。また、上述の実施形態では、支持基板２としてガラス基板を用い、微小電気機械であるジャイロセンサ１の基礎となる上記第１の半導体基板としてシリコン基板を用いているが、微小電気機械の構造によっては、シリコン基板同士をシリコン酸化膜からなる絶縁膜を介して張り合わせたＳＯＩ基板の一方のシリコン基板を支持基板２として用い、他方のシリコン基板を微小電気機械の基礎となる半導体基板として用いることも可能である。

実施形態における微小電気機械デバイスの概略断面図である。同上における微小電気機械デバイスの概略平面図である。同上における微小電気機械デバイスの概略正面図である。同上において封止基板を接合する前の概略平面図である。同上における要部拡大図である。同上における封止基板の概略下面図である。従来例を示す概略平面図である。

１ジャイロセンサ
２支持基板
３封止基板
４集積回路
１０フレーム
１１駆動質量体
１２検出質量体
１３駆動ばね
１６連結片
１７固定片
１９接地片
２０固定子
２３固定櫛歯片
２４可動櫛歯片
２５固定駆動電極
２８パッド
２９凹所
３０凹部
３６外部接続用電極
３７貫通配線
３８コンタクト用電極
３９金属配線
４８パッド

Claims

支持基板と、微小電気機械の複数の構成要素であって支持基板の一表面側においてそれぞれ分離独立して配置された複数の構成要素と、当該複数の構成要素が内側に配置され且つ支持基板の前記一表面に連結された枠状のフレームと、フレームを挟んで支持基板に対向配置されフレームの全周にわたってフレームに接合された半導体基板からなる封止基板とを備え、封止基板は、少なくとも、微小電気機械の構成要素に電気的に接続される複数の配線が形成されてなるとともに、支持基板に対向する一表面側に微小電気機械と協働する集積回路が形成され、当該集積回路が前記複数の配線の一部と電気的に接続されてなり、前記微小電気機械の構成要素に接続される前記配線は、支持基板に接合されている構成要素における支持基板との接合面とは反対側に形成されているパッドに重なって電気的に接続された第１コンタクト用電極と、第１コンタクト用電極に電気的に接続された第１金属配線とを備え、前記配線の前記一部として、集積回路が形成された前記一表面側とは反対の他表面側に形成された外部接続用電極と、前記一表面側に形成され外部接続用電極に対向する第２コンタクト用電極と、外部接続用電極と当該外部接続用電極に対向する第２コンタクト用電極との間に介在し両者を電気的に接続する貫通配線と、集積回路と第２コンタクト用電極とを電気的に接続する第２金属配線とを備えてなることを特徴とする微小電気機械デバイス。
封止基板と支持基板とフレームとで囲まれた空間が真空に保たれてなることを特徴とする請求項１記載の微小電気機械デバイス。