JP5497746B2 - 慣性センサおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明はＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems） 技術で作られた半導体物理量センサに関し、特に、静電容量変化を検出に用いる慣性センサに関するものである。

センサ市場の普及と製品種類の多様化に伴い、複数種類のセンサを組み合わせて、周辺環境の記録や人の運動姿勢や車両の走行状態などを検知する機会が増えている。また、センサが利用される場面の多様化に伴い、従来では想定しえなかった温度環境、振動ノイズ環境、電磁ノイズ環境などの劣悪条件の下でセンサが利用される機会も増えている。

可動構造を有するセンサには様々なタイプのものがあり、例えば、広く知られている慣性センサとして加速度センサや角速度センサ（振動ジャイロ）がある。２種類以上のセンサを利用する場合を考慮し、角速度センサと加速度センサを一体化したパッケージで提供する複合型慣性センサが提案されている。例えば、特許文献１や特許文献２には角速度センサと加速度センサを組み合わせた複合型慣性センサの例が示されている。同一基板上に角速度センサと加速度センサを設けているため、低コストで、慣性センサ間のアライメント精度を高く、かつ少ない占有面積にて複合型慣性センサのチップを提供できる。

角速度センサは振動体と振動体内部に設けられるコリオリ素子とを有し、この振動体がある一定の周波数で駆動振動しているときに角速度が加わるとコリオリ力が発生し、振動体の内部に設けられているコリオリ素子が振動体の振動方向と直交する方向に変位する。このコリオリ力によるコリオリ素子の変位量を検知することで、角速度を検出することができる。このとき、振動体の駆動振動の速度が速いほどコリオリ力が大きくなるので、角速度センサの検出感度を向上させるためには、角速度センサの振動体を高周波で、かつ、大きな振幅で振動させる必要がある。

しかし、マイクロマシニング技術で形成した微細な振動体は、空気のダンピングの影響を大きく受ける。ダンピングは振動体の速度に比例して発生する力なので、高い圧力下では、速度の速い状態、つまり、高周波および大きな振幅をもった状態で振動体を振動させようとすると、空気によるダンピングの影響が大きくなり、振動体を高周波および大きな振幅をもった状態で振動させることができなくなる。この結果、角速度センサ検出感度を著しく悪化させることになる。つまり、角速度センサは流体による粘性抵抗を受けにくい低い圧力で気密封止することが望ましい。角速度センサを低い圧力の状態で気密封止することにより、振動体に与えるダンピングの影響を低減することができる。このため、角速度センサの振動体を高周波および大きな振幅で振動させることが可能となり、角速度の検出感度を向上させることができる。

しかし、上記の角速度センサと一体化したパッケージで提供される加速度センサまでも低い圧力の状態に配置してしまうと、加速度センサの可動体が非常に振動しやすい状態となってしまう。通常、加速度センサに加速度が印加されていない場合、加速度センサの可動体は静止状態であることが望まれる。ところが、加速度センサの可動体を低い圧力の状態に配置すると、周辺流体の粘性抵抗を十分に受けられず外部の振動ノイズに対してまでも敏感に変位してしまうため、たとえ、加速度が印加されていない状態であっても、可動体が変位することになる。つまり、加速度センサの可動体は、あまり敏感に反応することも加速度センサの検出感度を向上する観点からは望ましくないのである。

そこで、角速度センサと加速度センサを有する慣性センサとして、特許文献１や特許文献２に示すような構成と製造方法をとることが考えられる。

さらに、特許文献３に記載された気密封止パッケージでは、パッケージ内部の圧力調整部材にレーザ光を照射することにより、パッケージ内の圧力を調整するものが記載されている。

特開２００２−５９５０号公報 特表２００８−５０１５３５号公報 特開２００８−１８２１０３号公報

しかしながら、特許文献１、特許文献２に記載された慣性センサは、通気穴を通して、加速度センサの置かれた空間を通気孔外部の圧力とバランスした後に、通気孔の封止工程を経て形成される。慣性センサが実際に使用される温度よりも高い温度で通気孔の封止工程を施すことが通常であり、よって、慣性センサの封止工程製造装置の内部圧力よりも、加速度センサの置かれた空間の圧力が高くなることはない。よって、慣性センサの封止工程製造装置の内部圧力は、大気圧より高くすることは難しく、つまり、周辺流体による粘性抵抗効果を得るための圧力、特に大気圧より高い圧力の状態で加速度センサの置かれた空間を封止することは難しかった。

また、特許文献１、特許文献２に記載された慣性センサでは、加速度センサの置かれた空間にダンピング剤である流体を注入するための通気穴が設けられていた。この通気穴を製造過程で封止したとしても、異種材料の密着で気密封止しているため、センサを長期間利用するにあたっては流体リークの可能性があり、センサ性能の長期安定性に問題があった。また、通気穴は完全封止されてリークが生じていなかったとしても、経時劣化や温度履歴により異種材料の境界面に歪みが生じる可能性があり、機械的強度の信頼性に問題があった。

又、特許文献３に記載された気密封止パッケージではレーザ光の照射用の窓を設けたり、レーザ光を照射したりするため、複雑な追加工が必要となるなどの問題があった。

本発明の目的は、加速度センサなどの慣性センサの置かれた空間を封止工程中の圧力よりも高くでき、信頼性及び生産性を向上できる慣性センサ及びその製造方法を提供することにある。

基板と、該基板上に形成された可動部分と、該可動部分を覆うように封止するキャップ部材と、を有する慣性センサであって、前記キャップの前記可動部分側にガス発生材料を塗布したことを特徴とする慣性センサとすることで解決される。

さらに、前記ガス発生材料を加熱することにより、前記可動部分が可動する空間を、大気圧よりも高い圧力にしたことを特徴とする慣性センサとすることができる。

さらに、前記空間内の圧力は、大気圧以上５.１気圧以下であることを特徴とする慣性センサとすることができる。

さらに、前記ガス発生材料は、ターシャリーブトキシカルボニルオキシ体保有体であることを特徴とする慣性センサとすることができる。

さらに、角速度センサと加速度センサが一体化されている慣性センサであって、前記角速度センサの可動部分及び前記加速度センサの可動部分を同一の基板上に形成し、前記２つの可動部分を覆うように封止するキャップ部材を有し、前記キャップ部材の前記加速度センサに相当する部分側にだけガス発生材料を塗布したことを特徴とする慣性センサとすることができる。

さらに、前記ガス発生材料を加熱することにより、前記加速度センサの可動部分が可動する第１の空間の圧力を、前記角速度センサの可動部分が可動する第２の空間の圧力よりも高くしたことを特徴とする慣性センサとすることができる。

さらに、前記第１の空間の圧力は、大気圧以上５.１気圧以下であることを特徴とする慣性センサとすることができる。

さらに、前記ガス発生材料は、ターシャリーブトキシカルボニルオキシ体保有体であることを特徴とする慣性センサとすることができる。

さらに、基板上に可動部分を形成する工程と、前記可動部分を覆うキャップであって、該キャップに凹部を形成する工程と、前記凹部にガス発生材料を塗布する工程と、前記基板上に前記キャップを接合する工程と、前記ガス発生材料を加熱する工程と、を含むことを特徴とする慣性センサの製造方法が考えられる。

さらに、基板上に角速度を計測する第１の可動部分と、加速度を計測する第２の可動部分を形成する工程と、前記第１の可動部分と第２の可動部分を覆うキャップであって、該キャップに前記第１の可動部分と前記第２の可動部分に相当する凹部を形成する工程と、前記第２の可動部分にガス発生材料を塗布する工程と、前記基板上に前記キャップを接合する工程と、前記ガス発生材料を加熱する工程と、を含むことを特徴とする慣性センサの製造方法とすることができる。

さらに、互いに直交する２つの加速度センサが一体化されている慣性センサであって、前記２つの加速度センサの可動部分を同一の基板上に形成し、前記可動部分を覆うように封止するキャップ部材を有し、前記キャップ部材の前記２つの加速度センサの一方に相当する部分側にだけガス発生材料を塗布したことを特徴とする慣性センサとすることができる。

さらに、前記ガス発生材料を加熱することにより、前記２つの加速度センサの一方の可動部分が可動する第１の空間の圧力を、前記２つの加速度センサの他方の可動部分が可動する第２の空間の圧力よりも高くしたことを特徴とする慣性センサとすることができる。

さらに、前記第１の空間の圧力は、大気圧以上５.１気圧以下であることを特徴とする慣性センサとすることができる。

さらに、前記ガス発生材料は、ターシャリーブトキシカルボニルオキシ体保有体であることを特徴とする慣性センサとすることができる。

加速度センサなどの慣性センサの置かれた空間を封止工程中の圧力よりも高くでき、信頼性及び生産性を向上できる慣性センサ及びその製造方法を提供することができる。

本発明を適用した複合型慣性センサの側面断面図。 本発明を適用した複合型慣性センサの平面図。 ガス発生材料の加熱による組成質量の変化を表すグラフ。 ガス発生材料ｔＢＯＣ体保有体の熱分解反応図。 本発明を適用した内部圧力調整用ガス発生材料を備えた複合慣性センサの製造工程フロー図。 本発明を適用した内部圧力調整用ガス発生材料を備えた複合慣性センサの製造工程フロー図。 本発明を適用した内部圧力調整用ガス発生材料を備えた複合慣性センサの製造工程フロー図。 空間の目的圧力とガス発生材料のモル量の関係を表すグラフ。 ４００Ｐａの圧力下に置かれた加速度センサと、２．０×１０^５Ｐａの圧力下に置かれた加速度センサの周波数特性を表すグラフ。 本発明を適用した複合型慣性センサの側面断面図。 本発明を適用した複合型慣性センサの平面図。 本発明を適用した内部圧力調整用ガス発生材料を備えた複合慣性センサの製造工程フロー図。 本発明を適用した内部圧力調整用ガス発生材料を備えた複合慣性センサの製造工程フロー図。 ５０００Ｐａの圧力下に置かれた加速度センサと、３．０×１０^５Ｐａの圧力下に置かれた加速度センサの周波数特性を表すグラフ。

（実施の形態１）
実施例１では、角速度センサが置かれた空間を４００Ｐａに、加速度センサが置かれた空間を２×１０^５Ｐａ（＝２気圧）に、それぞれ封止した複合型慣性センサを１チップ上に形成するための製造方法と構成と効果について記載する。

（構成）図１と図２に本発明を適用した、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）−ＭＥＭＳ技術を用いた角速度センサと加速度センサから成る複合型慣性センサの構成を示す。図１は複合型慣性センサの側面断面図、図２は平面図である。ハンドリング用の基板３０１と埋め込み酸化膜（Buried Oxide：Box）層３０２とＳＯＩ層３０３から成るＳＯＩ基板上に、角速度センサ３０８と、加速度センサ３０９と、チップ裏面から電気的な信号を取り出すため基板貫通型のメタル配線３０６が形成されている。角速度センサの置かれた空間３１１と加速度センサの置かれた空間３１２はキャップ部材３１０により分離されて、それぞれが気密封止されている。エネルギーを加えることでガスを発生する材料３１３を、加速度センサの置かれた空間内部３１２に設置しておき、気密封止後に、ガス発生材料３１３に熱エネルギーを加え、加速度センサの置かれた空間内部にガスを発生させ、加速度センサの置かれた空間内部の圧力を上昇する。

ここに記載したガス発生材料とは、熱エネルギーを加えることで自分自身が化学的に分解し、分解後の反応生成物の一部がセンサの使用目的温度範囲において気体分子となり、周辺の圧力を上昇させる機能を有するものである。このような化学的に分解反応するガス発生材料を用いると、エネルギーを加えることで、気体−液体の変化や、気体−固体の変化といった物質の相変化や、気体分子の固体表面への吸着や乖離といった物理的反応とは異なる効果が得られる。つまり、空間内部の圧力を初期圧力よりも高くすることや、空間内部の気体分子の熱平衡状態を打ち破るような圧力へ上昇させることができる。このとき、発生する気体分子は周辺の物質と物理的・化学的に反応しない不活性ガスであることが望ましい。また、空間内部の圧力は、大気圧以上５．１気圧以下であることが望ましい。

本実施例のガス発生材料として、例えば熱現像型レジストのモノマー材料であるターシャリーブトキシカルボニルオキシ（ｔＢＯＣ）体保有体を利用する例を記載する。この材料を室温から徐々に加熱すると、ｔＢＯＣ熱分解曲線である図３に示すように温度Ｔ１で第一段階目の熱分解反応が起こる。ｔＢＯＣ化学反応式は図４に示すように、ｔＢＯＣ保有体が、樹脂と炭酸ガスと低分子量アルケンに分解する反応である。Ｔ１で起きる熱分解反応は不可逆な分解反応であり、温度Ｔ１を超えるとほとんど全ての構成分子で分解反応が起きる。温度Ｔ１はｔＢＯＣ保有体の修飾基で調整可能であるが、おおむね１５０〜３００℃である。この材料をＴ１よりさらに加熱すると、図３に示すように温度Ｔ２で第二段階目の熱分解反応が起こる。これはＴ１で熱分解したｔＢＯＣ保有体の反応生成物である樹脂の熱分解反応であり、温度Ｔ２はｔＢＯＣ保有体の修飾基で調整可能であるが、おおむね４００℃以上である。よって、角速度センサと加速度センサから成る複合型慣性センサに於いて、ｔＢＯＣ体保有体をガス発生材料として加速度センサの置かれた空間内部にだけ設置しておき、気密封止後に、Ｔ１以上Ｔ２以下の温度でセンサ全体を加熱すれば、加速度センサの置かれた空間内部でのみ炭酸ガス分子を生成することができる。反応後に生成する炭酸ガスの分子数は図４に示した化学反応式のモル量に比例するため、ガス発生材料の設置量を調整することで、加過熱後に加速度センサの置かれた空間の圧力を調整することができる。

尚、熱現像型レジストのモノマー材料であるｔＢＯＣ体保有体を利用する場合、ガス発生材料に加えるエネルギーは熱エネルギーであり、角速度センサと加速度センサの置かれた空間を気密封止する製造工程後に、センサ全体を加熱することで、加速度センサの置かれた空間内部の圧力を上昇することができる。

（製造法）次に本発明を適用した複合型慣性センサの製造方法を図５〜図７を用いて説明する。

（基板とキャップ加工）まず、基板３０１とＢＯＸ酸化膜３０２とＳＯＩ活性層３０３から成るＳＯＩ基板上に、表面、裏面の両側からシリコン単結晶の深堀エッチング技術によってウエハ貫通孔３０５を形成し（図５（ａ））、加工した孔の表面を絶縁膜で電気的に保護した後にメタル材料を埋め込み、チップ裏面から電気的な信号を取り出すため基板貫通型のメタル配線３０６を形成する（図５（ｂ））。その後、ＳＯＩ活性層３０３にホトレジスト３０７を塗布しセンサの慣性体構造をホトリソグラフィ技術によって転写し、シリコン単結晶の深堀エッチング技術によってＳＯＩ活性層３０３に構造を形成する（図５（ｃ））。

塗布したホトレジスト３０７をアッシングで除去し（図６（ａ））、更に構造体下部のＢＯＸ酸化膜３０２をエッチングで除去して、角速度センサ３０８と、加速度センサ３０９の可動構造を形成した基板３０１を得る（図６（ｂ））。一方で、ガラスもしくは単結晶シリコンもしくは樹脂で形成されたキャップ部材３１０には、角速度センサが置かれる空間と加速度センサが置かれるための空間を、化学的もしくは物理的なエッチング方法を用いて形成する。加速度センサが置かれる空間を形成した後に、キャップ部材３１０の加速度センサの置かれる空間に相当する場所にガス発生材料３１３を滴下法、もしくはスピンコート法を用いて付着させる（図６（ｃ））。

（材料の設置量）このとき、ガス発生材料３１３の付着量は次のように決める。チップ上で加速度センサが占有する面積を１．０ｍｍ×１．０ｍｍ、キャップ部材３１０の空間深さを１００μｍ、センサ下部の空間を成すＢＯＸ酸化膜３０２の厚さを２．０μｍとすると、加速度センサが置かれる空間の体積Ｖはおよそ１．０×１０^−１０ｍ^３である。角速度センサの置かれた空間の圧力は温度３００Ｋ（室温付近）で４００Ｐａとなるように封止するので、加速度センサの置かれた空間の初期圧力Ｐ_０もガス発生材料の加熱調圧前には温度３００Ｋ（室温付近）で４００Ｐａである。よって、加速度センサの置かれた空間にあらかじめ存在する気体の分子量ｎ_０は、気体定数Ｒ（＝８．３１×１０^３Ｐａ・ｍ／Ｋ／ｍｏｌ）を用い、理想気体の状態方程式により、

ｎ_０＝Ｐ_０Ｖ／（ＲＴ）＝１．６×１０^−１４［ｍｏｌ］―――（１）

で表せる。更に、加速度センサの置かれた空間の目的圧力Ｐ_１が２．０×１０^５Ｐａ（２気圧）の場合、発生ガスの必要モル量Δｎは、理想気体のシャルルの法則より（２）（３）式から算出できて、

ｎ_０／Ｐ_０＝（ｎ_０＋Δｎ）／Ｐ_１―――（２）

Δｎ＝（Ｐ_１／Ｐ_０−１）ｎ_０＝（Ｐ_１／Ｐ_０−１）（Ｐ_０Ｖ／（ＲＴ））
＝８．０×１０^−１２［ｍｏｌ］―――（３）

と表せる。ｔＢＯＣ体保有体の熱分解反応は、化学量論的には図４で示す反応式に従うので、高分子鎖ｎ＝１のｔＢＯＣ体保有体１モルに対して、１モルの炭酸ガスが生成すると解釈できる。つまり、ガス発生材料であるｔＢＯＣ体保有体のモル量は、発生する炭酸ガスのモル量Δｎに等しい。尚、初期圧力Ｐ_０をそれぞれ４００Ｐａ、１．０×１０^４Ｐａ、１．０×１０^５Ｐａの三通りとしたとき、本実施例で作成している加速度センサの置かれた空間の目的圧力Ｐ_１と、目的圧力Ｐ_１を達成するのに必要なｔＢＯＣ体保有体のモル量Δｎは、図８に示すグラフで表される関係があり、Δｎを変えることで目的圧力Ｐ_１は自由に設定することが出来る。

（ｔＢＯＣ保有体の必要モル量）目的圧力Ｐ_１を２．０×１０^５Ｐａ（２気圧）とするのに必要なΔｎ＝８．０×１０^−１２［ｍｏｌ］のｔＢＯＣ体保有体を含むガス発生材料は、以下のようにして得る。比重０．８８の酢酸ブチルを溶媒として、重量モル濃度１％のｔＢＯＣ体保有体の溶液を作る。重量モル濃度１％のｔＢＯＣ体保有体の酢酸ブチル溶液を、厚さ２００ｎｍでキャップ部材の加速度センサが置かれる領域（面積１ｍｍ×１ｍｍ）に設置すると、溶液中に含まれるｔＢＯＣ体保有体のモル数は８．０×１０^−１２［ｍｏｌ］であり、これを加熱分解して得られる炭酸ガスのモル量は、８．０×１０^−１２［ｍｏｌ］となる。尚、酢酸ブチルを溶媒としてｔＢＯＣ体保有体の溶液とした場合、滴下法、もしくはスピンコート法にてキャップ部材に塗布した後、酢酸ブチルの沸点（１２６℃）以上でプリベークを実施すると、フィルム膜状態となったｔＢＯＣ体保有体をキャップ部材へ安定に付着させることが出来る。

（接合と裏面配線）次に、角速度センサ３０８と加速度センサ３０９の可動構造を形成した基板３０１と、加速度センサの置かれた空間にガス発生材料が付着しているキャップ部材３１０を、角速度センサの検出精度が十分に得られる４００Ｐａ以下の圧力で接合する。角加速度センサの置かれた空間も、加速度センサの置かれた空間も、センサチップの外部と通じて気体分子のやりとりを行って圧力変化が生じないように気密封止する。接合の方法は、キャップ部材が樹脂である場合には接着剤を用いた方法や、キャップ部材が単結晶シリコンもしくはガラスである場合には陽極接合法を用いる。接合時の材料界面からの脱ガス成分を見込んで、目的圧力より低い圧力で封止する。接合封止直後、角速度センサの置かれた空間３１１と、加速度センサの置かれた空間３１２の圧力は同じである（図７（ａ））。この後、チップ裏面から電気的な信号を取り出すため基板貫通型のメタル配線３０６へ接続するための、ワイヤボンディング用のパッド３１６を形成する（図７（ｂ））。

（調圧手順）キャップ部材と基板との接合後、センサ全体を加熱する。このときの加熱温度は、ガス発生材料３１３が第一段階目の熱分解反応を示す温度以上で、第二段階目の熱分解反応を示す温度以下であれば良い。具体的には、ガス発生材料が熱現像型レジストのモノマー材料であるｔＢＯＣ体保有体である場合、第一段階目の熱分解反応温度Ｔ１はおよそ１５０℃〜２５０℃であり、第二段階目の熱分解反応温度Ｔ２はおよそ４００℃以上であるから、センサ全体を加熱する温度を１５０℃〜４００℃に設定すれば良い。ガス発生材料の熱分解反応後には、加速度センサの置かれた空間内３１２には残留物質３１５と炭酸ガス分子３１４が存在する（図７（ｃ））。炭酸ガスの沸点は−７８．５℃／１気圧であり、よって−７８．５℃より高い温度において、加速度センサの置かれた空間３１２の圧力を、発生した炭酸ガスの分子による分圧分だけ高くすることが出来る。角速度センサの置かれた空間にはガス発生材料がないので、センサ全体を加熱することで角速度センサの置かれた空間壁の材料表面からの脱ガス反応以外は起こりえない。つまり、角速度センサの置かれた空間の圧力は、センサ全体を加熱することでほとんど変動しない。

このようにセンサの気密封止工程後に加熱の工程を加えることで、ガス発生材料の設置された加速度センサの置かれた空間内３１２は、角速度センサの置かれた空間３１１に比べて高い圧力で気密封止することが出来る。この場合、ダンピング剤を注入するための通気穴のない構成で複合型慣性センサを封止することが出来るため、機械的な強度やセンサ性能の長期安定性を確保した振動ノイズ影響を受けにくい加速度センサ、もしくは複合型慣性センサを得られる。

尚、４００Ｐａの圧力下に置かれた加速度センサと、２．０×１０^５Ｐａ（２気圧）に置かれた加速度センサの、振動ノイズ影響の受けにくさは、具体的に以下のように算出できる。

ＭＥＭＳデバイスにおける空気粘性抵抗効果は、連続流体の古典的な解析手法であるナビエストークス（Ｎａｖｉｅｒ−Ｓｔｏｋｅｓ）方程式と連続方程式を拡張して近似的に定式化できる。本実施例ではセンサ慣性体に付属するクシ歯型の検出電極の持つ突起構造が空気粘性抵抗効果を受ける主原因であり、スクイズ型の空気粘性抵抗係数Ｃは、

Ｃ＝９６η_ｅｆｆＬＷ^３／（π^４ｇ^３）―――（４）

η_ｅｆｆ＝η／（１＋９．６３８Ｋ_ｎ ^{１．１５９}）―――（５）

Ｋ_ｎ＝λ／Ｌ_ｃ＝ｋ_ＢＴ／（（√２）πｄ^２ _ｇａｓＰＬ_ｃ）―――（６）

と表される。但し、ｌは突起構造の長さ、ｗは突起構造の幅、ｇは突起構造間の距離（ギャップ）、η_ｅｆｆは周辺気体の粘性の実効値、ηは周辺気体の粘性定数、Ｋ_ｎはクヌッセン数、λは周辺気体の平均自由行程、Ｌは流れ場の代表長さであり突起構造間の距離に相当する長さ、ｋ_Ｂはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｄ_ｇａｓは周辺気体の分子の直径、Ｐは周辺気体の圧力である。よって、まったく同じ構造の加速度センサが、４００Ｐａと２．０×１０^５Ｐａ（２気圧）の２つの圧力下に置かれている場合、空気粘性抵抗係数Ｃの値は（４）式より１０２倍、２．０×１０^５Ｐａ（２気圧）に置かれているものに比べて、４００Ｐａに置かれている加速度センサのほうが、大きい。

またＭＥＭＳデバイスのＱ値と、減衰定数ξと、機械カットオフ周波数ｆｃの関係は、ｍをセンサの慣性質量、ｋを慣性体の主軸方向の剛性定数とした場合に、

Ｑ＝１／（２ζ）＝√（ｍｋ）／Ｃ―――（７）

（ｆ_ｃ／ｆ_０）^２＝−（ζ−１）＋√（（ζ−１）^２＋１）―――（８）

と表せる。加速度センサの固有振動数ｆ０が３０００Ｈｚ、２．０×１０^５Ｐａ（２気圧）における減衰定数が５０のとき、４００Ｐａの圧力下に置かれた加速度センサと、２．０×１０^５Ｐａ（２気圧）に置かれた加速度センサの周波数特性は図９のように表せ、カットオフ周波数ｆｃとＱ値は表１のようになる。

表１より、２．０×１０^５Ｐａ（２気圧）に置かれている加速度センサはカットオフ周波数ｆｃが３０３Ｈｚの機械的なフィルターとなる。よって、機械的なカットオフ周波数ｆｃが３８３２Ｈｚの４００Ｐａに置かれている加速度センサに比べて、高周波振動ノイズの影響を受けにくいフィルタリング特性となる。測定したい周波数よりも高い周波数帯域の信号は、電気的な信号処理によって除去する方法も考えられるが、センサ慣性体が機械的に動作を許容される範囲を超えて動作するとセンサが誤出力する可能性もあるため、本質的にはセンサ慣性体は振動ノイズから動作影響を受けにくいほうが望ましい。

尚、実施例では加速度センサの置かれた空間を２．０×１０^５Ｐａ（２気圧）としたが、慣性センサの使用される温度領域（通常用途では−３０〜８０℃、車載用途の場合は−４０〜１２５℃）で発生ガスの二酸化炭素が液化しない範囲で、空間内部圧力の調整が可能である。二酸化炭素の相図における三重点（−５６．６℃、５．２×１０^５Ｐａ）を目安とし、調整後の圧力の上限値は５．２×１０^５Ｐａ（５．１気圧）程度が望ましい。

また、実施例では角速度センサと加速度センサから構成される複合型慣性センサであって、加速度センサの置かれる空間とセンサ外部と気体を媒介して圧力をバランスする通気孔のあるものについての構成と製造方法を述べたが、角速度センサと加速度センサから構成される複合型慣性センサであって、角速度センサの置かれる空間とセンサ外部と気体を媒介して圧力をバランスする通気孔のあるものについて本発明を適用し、加速度センサの置かれる封止空間にガス発生材料を設置しても、振動ノイズに影響を受けにくい慣性センサを得る効果がある。

尚、実施例では角速度センサと加速度センサから構成される複合型慣性センサに関する構成と製造方法を述べたが、加速度センサ単体に本発明を適用しても、振動ノイズに影響を受けにくい慣性センサを得る効果がある。

（実施の形態２）
実施例２では、２個の加速度センサを同一チップ上に形成し、それぞれを５０００Ｐａ、３．０×１０^５Ｐａと異なる圧力の空間中に封止して、段階的に振動ノイズに影響を受けにくい加速度センサを得るための製造方法と構成と効果について記載する。

（構成）図１０と図１１に本発明を適用した、ＳＯＩ−ＭＥＭＳ技術を用いた加速度センサ２個から成る複合型慣性センサの構成を示す。図１０は複合型慣性センサの側面断面図で図１１はその平面図である。ハンドリング用の基板５００とＢＯＸ酸化膜層５０２とＳＯＩ層５０４から成るＳＯＩ基板上に、ｘ軸加速度センサ５０６が形成されている。ここでは同じ構造の加速度センサ（ｙ軸加速度センサ５０７）が、基板上で互いに９０度の角度で配置されている。図１１のｘ軸方向を検出軸に持つ加速度センサ（今後はこれをｘ軸加速度センサと呼ぶ）の置かれた空間５１０と図１１のｙ軸方向を検出軸に持つ加速度センサ（今後はこれをｙ軸加速度センサと呼ぶ）の置かれた空間５１１は、キャップ部材５０８により分離されて、それぞれが気密封止されている。エネルギーを加えることでガス発生材料５１２を、ｙ軸加速度センサの置かれた空間５１１に設置しておき、気密封止後に、ガス発生材料５１２に熱エネルギーを加え、空間５１１内部にガスを発生させ、ｙ軸加速度センサの置かれた空間内部の圧力を上昇する。

ここに記載したガス発生材料とは、熱エネルギーを加えることで自分自身が化学的に分解し、分解後の反応生成物の一部がセンサの使用目的温度範囲において気体分子となり、周辺の圧力を上昇させる機能を有するものである。このような化学的に分解反応するガス発生材料を用いると、エネルギーを加えることで、気体−液体の変化や、気体−固体の変化といった物質の相変化や、気体分子の固体表面への吸着や乖離といった物理的反応とは異なる効果が得られる。つまり、空間内部の圧力を初期圧力よりも高くすることや、空間内部の気体分子の熱平衡状態を打ち破るような圧力へ上昇させることができる。このとき、発生する気体分子は周辺の物質と物理的・化学的に反応しない不活性ガスであることが望ましい。

本実施例のガス発生材料として、例えば熱現像型レジストのモノマー材料であるターシャリーブトキシカルボニルオキシ（ｔＢＯＣ）体保有体を利用する例を記載する。この材料を室温から徐々に加熱すると、図３に示すように温度Ｔ１で第一段階目の熱分解反応が起こる。その反応式は図４に示すように、ｔＢＯＣ保有体が、樹脂と炭酸ガスと低分子量アルケンに分解する反応である。Ｔ１で起きる熱分解反応は不可逆な分解反応であり、温度Ｔ１を超えるとほとんど全ての構成分子で分解反応が起きる。温度Ｔ１はｔＢＯＣ保有体の修飾基で調整可能であるが、おおむね１５０〜３００℃である。この材料をＴ１よりさらに加熱すると、図３に示すように温度Ｔ２で第二段階目の熱分解反応が起こる。これはＴ１で熱分解したｔＢＯＣ保有体の反応生成物である樹脂の熱分解反応であり、温度Ｔ２はｔＢＯＣ保有体の修飾基で調整可能であるが、おおむね４００℃以上である。よって、角速度センサと加速度センサから成る複合型慣性センサに於いて、ｔＢＯＣ体保有体をガス発生材料として加速度センサの置かれた空間内部にだけ設置しておき、気密封止後に、Ｔ１以上Ｔ２以下の温度でセンサ全体を加熱すれば、加速度センサの置かれた空間内部でのみ炭酸ガス分子を生成することができる。反応後に生成する炭酸ガスの分子数は図４に示した化学反応式のモル量に比例するため、ガス発生材料の設置量を調整することで、加過熱後に加速度センサの置かれた空間の圧力を調整することができる。

（製造法）次に本発明を適用した複合型慣性センサの製造方法を図１２〜図１３を用いて説明する。

（基板とキャップ加工）まず、基板５００とＢＯＸ酸化膜５０２とＳＯＩ活性層５０４から成るＳＯＩ基板上の、ＳＯＩ活性層５０４に、ホトレジスト５１６を塗布しセンサの慣性体構造をホトリソグラフィ技術によって転写する（図１２（ａ））。次に、基板５００とＢＯＸ酸化膜５０２とＳＯＩ活性層５０４から成るＳＯＩ基板上に、センサの慣性体構造をシリコン単結晶の深堀エッチング技術によって形成し（図１２（ｂ））、構造体下部のＢＯＸ酸化膜５０２をエッチングで除去して、二個の加速度センサの可動構造であるｘ軸加速度センサ５０６、ｙ軸加速度センサ５０７を形成した基板５００を得る（図１２（ｃ））。一方で、ガラスもしくは単結晶シリコンもしくは樹脂で形成されたキャップ部材５０８には、二個の加速度センサが置かれるための空間を、化学的もしくは物理的なエッチング方法を用いて形成する。加速度センサが置かれる空間を形成した後に、キャップ部材５０８の加速度センサの置かれる空間に相当する場所にガス発生材料５１２を滴下法、もしくはスピンコート法を用いて付着させる（図１３（ａ））。

（材料の設置量）このとき、ガス発生材料５１２の付着量は次のように決める。チップ上でそれぞれの加速度センサが占有する面積を１．０ｍｍ×１．０ｍｍ、キャップ部材５１２の空間深さを１００μｍ、センサ下部の空間を成すＢＯＸ酸化膜５０２の厚さを２．０μｍとすると、それぞれの加速度センサが置かれる空間の体積Ｖはおよそ１．０×１０^−１０ｍ^３である。ｘ軸加速度センサの置かれた空間の圧力は温度３００Ｋ（室温付近）で５０００Ｐａとなるように封止するので、ｙ軸加速度センサの置かれた空間の初期圧力Ｐ_０もガス発生材料の加熱調圧前には温度３００Ｋ（室温付近）で５０００Ｐａである。よって、ｙ軸加速度センサの置かれた空間にあらかじめ存在する気体の分子量ｎ_０は、気体定数Ｒ（＝８．３１×１０^３Ｐａ・ｍ／Ｋ／ｍｏｌ）を用い、理想気体の状態方程式により、

ｎ_０＝Ｐ_０Ｖ／（ＲＴ）＝２．０×１０^−１３［ｍｏｌ］―――（１）

で表せる。更に、ｙ軸加速度センサの置かれた空間の目的圧力Ｐ_１が３．０×１０^５Ｐａ（３気圧）の場合、発生ガスの必要モル量Δｎは、理想気体のシャルルの法則より（２）（３）式から算出できて、

ｎ_０／Ｐ_０＝（ｎ_０＋Δ_ｎ）／Ｐ_１―――（２）

Δｎ＝（Ｐ_１／Ｐ_０−１）ｎ_０＝（Ｐ_１／Ｐ_０−1）（Ｐ_０Ｖ／（ＲＴ））
＝１．２×１０^−１１［ｍｏｌ］―――（３）

と表せる。ｔＢＯＣ体保有体の熱分解反応は、化学量論的には図４で示す反応式に従うので、高分子鎖ｎ＝１のｔＢＯＣ体保有体１モルに対して、１モルの炭酸ガスが生成すると解釈できる。つまり、ガス発生材料であるｔＢＯＣ体保有体のモル量は、発生する炭酸ガスのモル量Δｎに等しい。

尚、ｙ軸加速度センサの置かれた空間の圧力Ｐ１は大気圧以上５．１気圧以下であることが望ましい。

（ｔＢＯＣ保有体の必要モル量）目的圧力Ｐ_１を３．０×１０^５Ｐａ（３気圧）とするのに必要なΔｎ＝１．２×１０^−１１［ｍｏｌ］のｔＢＯＣ体保有体を含むガス発生材料は、以下のようにして得る。比重０．８８の酢酸ブチルを溶媒として、重量モル濃度１％のｔＢＯＣ体保有体の溶液を作る。重量モル濃度１％のｔＢＯＣ体保有体の酢酸ブチル溶液を、厚さ３００ｎｍでキャップ部材のｙ軸加速度センサが置かれる領域（面積１ｍｍ×１ｍｍ）に設置すると、溶液中に含まれるｔＢＯＣ体保有体のモル数は１．２×１０^−１１［ｍｏｌ］であり、これを加熱分解して得られる炭酸ガスのモル量は、１．２×１０^−１１［ｍｏｌ］となる。尚、酢酸ブチルを溶媒としてｔＢＯＣ体保有体の溶液とした場合、滴下法、もしくはスピンコート法にてキャップ部材に塗布した後、酢酸ブチルの沸点（１２６℃）以上でプリベークを実施すると、フィルム膜状態となったｔＢＯＣ体保有体をキャップ部材へ安定に付着させることが出来る。

（接合と裏面配線）次に、ｘ軸加速度センサ５０６とｙ軸加速度センサ５０７の可動構造を形成した基板５００と、ｙ軸加速度センサの置かれた空間にガス発生材料が付着しているキャップ部材５０８を、ｘ軸加速度センサの検出精度が十分に得られる５０００Ｐａ以下の圧力で接合する。ｘ軸加速度センサの置かれた空間も、ｙ軸加速度センサの置かれた空間も、センサチップの外部と通じて気体分子のやりとりを行って圧力変化が生じないように気密封止する。接合の方法は、キャップ部材が樹脂である場合には接着剤を用いた方法や、キャップ部材が単結晶シリコンもしくはガラスである場合には陽極接合法を用いる。接合時の材料界面からの脱ガス成分を見込んで、目的圧力より低い圧力で封止する。接合封止直後、ｘ軸加速度センサの置かれた空間５１０と、ｙ軸加速度センサの置かれた空間５１１の圧力は同じである（図１３（ｂ））。

（調圧手順）キャップ部材と基板との接合後、センサ全体を加熱する。このときの加熱温度は、ガス発生材料５１２が第一段階目の熱分解反応を示す温度以上で、第二段階目の熱分解反応を示す温度以下であれば良い。具体的には、ガス発生材料が熱現像型レジストのモノマー材料であるｔＢＯＣ体保有体である場合、第一段階目の熱分解反応温度Ｔ１はおよそ１５０℃〜２５０℃であり、第二段階目の熱分解反応温度Ｔ２はおよそ４００℃以上であるから、センサ全体を加熱する温度を１５０℃〜４００℃に設定すれば良い。ガス発生材料の熱分解反応後には、ｙ軸加速度センサの置かれた空間内５１１には残留物質５２０と炭酸ガス分子が存在する（図１３（ｃ））。炭酸ガスの沸点は−７８．５℃／１気圧であり、よって−７８．５℃より高い温度において、ｙ軸加速度センサの置かれた空間５１１の圧力を、発生した炭酸ガスの分子による分圧分だけ高くすることが出来る。ｘ軸加速度センサの置かれた空間にはガス発生材料がないので、センサ全体を加熱することでｘ軸加速度センサの置かれた空間壁の材料表面からの脱ガス反応以外は起こりえない。つまり、ｘ軸加速度センサの置かれた空間の圧力は、センサ全体を加熱することでほとんど変動しない。

このようにセンサの気密封止工程後に加熱の工程を加えることで、ガス発生材料の設置されたｙ軸加速度センサの置かれた空間内５１１は、ｘ軸加速度センサの置かれた空間５１０に比べて高い圧力で気密封止することが出来る。この場合、ダンピング剤を注入するための通気穴のない構成で複合型慣性センサを封止することが出来るため、機械的な強度やセンサ性能の長期安定性を確保した振動ノイズ影響を受けにくい加速度センサ、もしくは複合型慣性センサを得られる。

尚、５０００Ｐａの圧力下に置かれたｘ軸加速度センサと、３．０×１０^５Ｐａ（３気圧）に置かれたｙ軸加速度センサの、振動ノイズ影響の受けにくさは、実施例１に示した方法を用いて以下のように算出できる。

ｘ軸加速度センサ、ｙ軸加速度センサの固有振動数ｆ０がともに４０００Ｈｚ、３．０×１０^５Ｐａ（３気圧）における減衰定数が５０のとき、５０００Ｐａの圧力下に置かれたｘ軸加速度センサと、３．０×１０^５Ｐａ（３気圧）に置かれたｙ軸加速度センサの周波数特性は図１４のように表せ、カットオフ周波数ｆｃとＱ値は表２のようになる。

表２より、３．０×１０^５Ｐａ（３気圧）に置かれているｙ軸加速度センサはカットオフ周波数ｆｃが４０４Ｈｚの機械的なフィルターとなる。よって、機械的なカットオフ周波数ｆｃが１０７６Ｈｚの５０００Ｐａに置かれているｘ軸加速度センサに比べて、高周波振動ノイズの影響を受けにくいフィルタリング特性となる。測定したい周波数よりも高い周波数帯域の信号は、電気的な信号処理によって除去する方法も考えられるが、センサ慣性体が機械的に動作を許容される範囲を超えて動作するとセンサが誤出力する可能性もあるため、本質的にはセンサ慣性体は振動ノイズから動作影響を受けにくいほうが望ましい。

例えば、この実施例に記載された加速度センサを自動車に搭載した場合に、ｘ軸加速度センサでは傾斜を計る（周波数帯域は狭くＤＣ測定でよいもの）ことにし、ｙ軸加速度センサでは動きを検出（周波数帯域が広いもの）するセンサにすることにより、振動ノイズの大きな環境にある場合、圧力を変える、すなわちｘ軸加速度センサ内の圧力を高くすると、測定要求を満たしながらも、精度の高いセンサとすることができる。

本発明は、角速度センサや加速度センサを備える慣性センサに幅広く利用することができる。

301 基板
302 ＢＯＸ酸化膜
303 ＳＯＩ層
304 シリコン酸化膜
305 貫通孔
306 メタル配線
307 ホトレジスト
308 角速度センサ
309 加速度センサ
310 キャップ部材
311 角速度センサ用空間
312 加速度センサ用空間
313 ガス発生材料
314 ガス分子
315 ガス脱後の生成物
316 パッド
500 基板
502 ＢＯＸ酸化膜
504 ＳＯＩ層
506 ｘ軸加速度センサ
507 ｙ軸加速度センサ
508 キャップ部材
510 ｘ軸加速度センサ用空間
511 ｙ軸加速度センサ用空間
512 ガス発生材料
514 パッド
516 ホトレジスト
520 ガス発生後の生成物

Claims (16)

1. 基板と、
   該基板上に形成された可動部分と、
   該可動部分を覆うように封止するキャップ部材と、
   を有する慣性センサであって、
   前記キャップ部材の前記可動部分側にガス発生材料を塗布したことを特徴とする慣性センサ。
2. 請求項１記載の慣性センサにおいて、
   平面視において、前記ガス発生材料の塗布領域は、前記可動部分の領域を内包していることを特徴とする慣性センサ。
3. 請求項１記載の慣性センサにおいて、
   前記ガス発生材料を加熱することにより、前記可動部分が可動する空間を、大気圧よりも高い圧力にしたことを特徴とする慣性センサ。
4. 請求項３記載の慣性センサにおいて、
   前記空間内の圧力は、大気圧以上５.１気圧以下であることを特徴とする慣性センサ。
5. 請求項１記載の慣性センサにおいて、
   前記ガス発生材料は、ターシャリーブトキシカルボニルオキシ体保有体であることを特徴とする慣性センサ。
6. 角速度センサと加速度センサが一体化されている慣性センサであって、
   前記角速度センサの可動部分及び前記加速度センサの可動部分を同一の基板上に形成し、
   前記２つの可動部分を覆うように封止するキャップ部材を有し、
   前記キャップ部材の前記加速度センサに相当する部分側にだけガス発生材料を塗布したことを特徴とする慣性センサ。
7. 請求項６記載の慣性センサにおいて、
   前記ガス発生材料を加熱することにより、前記加速度センサの可動部分が可動する第１の空間の圧力を、前記角速度センサの可動部分が可動する第２の空間の圧力よりも高くしたことを特徴とする慣性センサ。
8. 請求項７記載の慣性センサにおいて、
   前記第１の空間の圧力は、大気圧以上５.１気圧以下であることを特徴とする慣性センサ。
9. 請求項６記載の慣性センサにおいて、
   前記ガス発生材料は、ターシャリーブトキシカルボニルオキシ体保有体であることを特徴とする慣性センサ。
10. 基板上に可動部分を形成する工程と、
    前記可動部分を覆うキャップであって、該キャップに凹部を形成する工程と、
    前記凹部にガス発生材料を塗布する工程と、
    前記基板上に前記キャップを接合する工程と、
    前記ガス発生材料を加熱する工程とを含むことを特徴とする慣性センサの製造方法。
11. 請求項１０記載の慣性センサの製造方法において、
    平面視において、前記ガス発生材料の塗布領域は、前記可動部分の領域を内包していることを特徴とする慣性センサの製造方法。
12. 基板上に角速度を計測する第１の可動部分と、加速度を計測する第２の可動部分を形成する工程と、
    前記第１の可動部分と第２の可動部分を覆うキャップであって、該キャップに前記第１の可動部分と前記第２の可動部分に相当する凹部を形成する工程と、
    前記第２の可動部分にガス発生材料を塗布する工程と、
    前記基板上に前記キャップを接合する工程と、
    前記ガス発生材料を加熱する工程とを含むことを特徴とする慣性センサの製造方法。
13. 互いに直交する２つの加速度センサが一体化されている慣性センサであって、
    前記２つの加速度センサの可動部分を同一の基板上に形成し、
    前記可動部分を覆うように封止するキャップ部材を有し、
    前記キャップ部材の前記２つの加速度センサの一方に相当する部分側にだけガス発生材料を塗布したことを特徴とする慣性センサ。
14. 請求項１３記載の慣性センサにおいて、
    前記ガス発生材料を加熱することにより、前記２つの加速度センサの一方の可動部分が可動する第１の空間の圧力を、前記２つの加速度センサの他方の可動部分が可動する第２の空間の圧力よりも高くしたことを特徴とする慣性センサ。
15. 請求項１４記載の慣性センサにおいて、
    前記第１の空間の圧力は、大気圧以上５.１気圧以下であることを特徴とする慣性センサ。
16. 請求項１３記載の慣性センサにおいて、
    前記ガス発生材料は、ターシャリーブトキシカルボニルオキシ体保有体であることを特徴とする慣性センサ。

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