JP6926568B2 - 物理量センサー、電子機器および移動体 - Google Patents

物理量センサー、電子機器および移動体 Download PDF

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Description

本発明は、物理量センサー、この物理量センサーを備えた電子機器および移動体に関する。
一般的に、物理量検出素子を用いて加速度や角速度等の物理量を検出する物理量検出装置(物理量センサー)が良く知られている。これは、物理量検出素子を内蔵したパッケージを、検出した信号を処理する検出信号処理回路が設けられた実装基板に実装して構成されている。パッケージの外面には、物理量検出素子が検出した信号を取り出すための端子が形成されており、この端子を実装基板に形成された回路端子に半田付けすることで、電気的な導通が図られている。
ところが、パッケージを半田付けにより実装基板に実装する場合、パッケージと実装基板との熱膨張係数の違いにより発生する熱応力がパッケージに歪を及ぼし物理量の検出特性が変動するという問題があった。
そこで、特許文献1では、パッケージと実装基板との間に、パッケージ搭載部とパッケージ搭載部の延在方向にくびれ部が設けられて突出する突出部とが設けられている中継基板を介して、実装基板にパッケージを実装している。そのため、パッケージを実装基板に実装した際に生じるパッケージと実装基板との熱膨張係数の違いにより発生する熱応力に伴う熱膨張・収縮による変化を、突出部の途中に設けられたくびれ部の弾性変形により吸収することで、パッケージに熱応力による歪が及ぶことを抑制した物理量検出装置が開示されている。
特開2010−190873号公報
しかしながら、特許文献1に記載の物理量検出装置(物理量センサー)は、突出部に設けられたくびれ部の弾性変形により熱応力を低減することができるが、突出部を有するため、装置の小型化(省スペース化)を図ることが難しいという課題があった。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例又は形態として実現することが可能である。
[適用例1]本適用例に係る物理量センサーは、物理量検出部と前記物理量検出部を収容している容器部とを有するセンサー部と、第1の面を有し前記第1の面に前記センサー部を支持する支持部材と、前記支持部材の前記第1の面と対向する第2の面が接合されている基板と、を備え、前記センサー部と前記支持部材との積層方向からの平面視において、前記容器部の外縁で囲まれた領域の面積をS1、前記第1の面の面積をS2とした場合に、S1≧S2を満たす。
本適用例の物理量センサーによれば、センサー部を支持する支持部材の第1の面の面積S2が容器部の外縁で囲まれた領域の面積S1より小さいので、車載環境のような低温と高温との間の温度変化を繰り返す温度サイクルを受けた時、支持部材と基板との熱膨張係数の違いによる熱応力によって生じる歪を緩和し、センサー部が受ける歪を低減することができるとともに、支持部材がセンサー部のサイズより大きくならないため物理量センサーの小型化を図ることができる。従って、温度サイクルを受けた時に熱応力による歪が容器部に収容された物理量検出部に伝わることが抑制されるので、歪による検出特性の変動が低減され、物理量の検出特性が安定した小型の物理量センサーを得ることができる。
[適用例2]上記適用例に記載の物理量センサーにおいて、前記センサー部は、前記容器部の前記支持部材とは反対側の面に前記物理量検出部と電気的に接続されている信号端子を複数有し、前記平面視において、複数の前記信号端子のうちの少なくとも一つは、前記第1の面の外側の領域に位置することが好ましい。
本適用例によれば、容器部の信号端子が設けられた面の反対側の面が支持部材で支持されており、複数の信号端子のうちの少なくとも一つは、第1の面の外側の領域に位置しているので、センサー部の信号端子と基板に設けられた入力端子とをワイヤーボンディングする際に、信号端子間を広くすることができ、信号端子間が狭いことで生じる干渉ノイズ等の影響を低減することができる。
[適用例3]上記適用例に記載の物理量センサーにおいて、前記S1と前記S2との関係が、0.1≦(S2/S1)≦1.0を満たすことが好ましい。
本適用例によれば、支持部材がセンサー部のサイズより大きくならないため、物理量センサーの小型化を図ることができる。また、センサー部を基板に接合する接合強度を保持しつつ、温度サイクルを受けた時にセンサー部の容器部と基板との熱膨張係数の違いによる熱応力に伴う歪を緩和し、歪が容器部に収容された物理量検出部に伝わり難くすることができる。
[適用例4]上記適用例に記載の物理量センサーにおいて、前記S1と前記S2との関係が、0.5≦(S2/S1)≦0.8を満たすことが好ましい。
本適用例によれば、支持部材がセンサー部のサイズより大きくならないため、物理量センサーの小型化を図ることができる。また、センサー部を基板に接合する接合強度を向上させて、より安定に支持しつつ、温度サイクルを受けた時にセンサー部の容器部と基板との熱膨張係数の違いによる熱応力に伴う歪を緩和し、歪が容器部に収容された物理量検出部に伝わり難くすることができる。
[適用例5]上記適用例に記載の物理量センサーにおいて、前記基板は、複数の外部接続部を備え、前記平面視において、前記複数の外部接続部を内包する矩形領域の面積をS4、前記第2の面の面積をS3とした場合に、S4≧S3を満たすことが好ましい。
本適用例によれば、物理量センサーが外部接続部を介して、電子機器の実装基板等に実装する際に、支持部材の第2の面の面積S3が、複数の外部接続部を内包する面積S4より小さいため、物理量センサーの基板と実装基板との熱膨張係数の違いによる熱応力に伴う歪の中で、支持部材の第2の面の領域に関わる歪のみが支持部材へ伝わる。そのため、電子機器の実装基板等へ実装された場合の実装基板からの応力による歪が支持部材および容器部を伝わり容器部に収容された物理量検出部に伝わることを抑制でき、安定した検出特性を有する物理量センサーを得ることができる。ここで、外部接続部を内包する矩形領域とは、外部接続部を内包する最小の矩形領域のことである。
[適用例6]上記適用例に記載の物理量センサーにおいて、前記S3と前記S4との関係が、1≦(S4/S3)≦100を満たすことが好ましい。
本適用例によれば、支持部材の第2の面の面積S3を複数の外部接続部を内包する面積S4に比べ、より小さくすることにより、物理量センサーの基板と実装基板との熱膨張係数の違いによる熱応力に伴う歪を容器部に収容された物理量検出部により伝わり難くすることができる。
[適用例7]上記適用例に記載の物理量センサーにおいて、前記S3と前記S4との関係が、2≦(S4/S3)≦5を満たすことが好ましい。
本適用例によれば、小型化を図りつつ、物理量センサーの基板と実装基板との熱膨張係数の違いによる熱応力に伴う歪を容器部に収容された物理量検出部により伝わり難くすることができる。
[適用例8]上記適用例に記載の物理量センサーにおいて、前記平面視において、複数の前記信号端子を内包する矩形領域の面積をS5とした場合に、前記S2と前記S5との関係が、1.1≦(S5/S2)≦3を満たすことが好ましい。
本適用例によれば、支持部材の第1の面積S2と複数の信号端子を内包する面積S5との関係が、1.1≦(S5/S2)≦3を満たすことにより、センサー部の信号端子と基板に設けられた入力端子とをワイヤーボンディングする際に、信号端子間を広くすることができ、信号端子間が狭いことで生じる干渉ノイズ等の影響を低減することができるとともに、ボンディング圧力がセンサー部の信号端子に確実に印加され、ボンディングすることができる。そのため、干渉ノイズ等の影響が低減され、信号端子と入力端子との電気的な接続が確実な物理量センサーが得られる。ここで、信号端子を内包する矩形領域とは、信号端子を内包する最小の矩形領域のことである。
[適用例9]上記適用例に記載の物理量センサーにおいて、前記支持部材は、少なくとも一部が前記基板と同じ材料であることが好ましい。
本適用例によれば、支持部材が少なくとも一部が基板と同じ材料であるので、支持部材が基板に接合されている際に、支持部材と基板との熱膨張係数の違いを小さくでき、熱応力に伴う歪が生じ難いので、支持部材からの歪の影響をより低減することができる。
[適用例10]上記適用例に記載の物理量センサーにおいて、前記支持部材は、第1の結晶方位を有する結晶材料を含み、前記基板は、前記支持部材の前記結晶材料と同じ結晶材料であって、第2の結晶方位を有する結晶材料を含み、前記平面視において、前記第1の結晶方位は、前記第2の結晶方位とは同一であることが好ましい。
本適用例によれば、支持部材の結晶方位を基板の結晶方位と同一にすることにより、支持部材と基板との熱膨張係数の差をより小さくすることができるので、センサー部は基板からの応力による影響を受け難くなり、安定な検出特性を有する物理量センサーを得ることができる。
[適用例11]上記適用例に記載の物理量センサーにおいて、前記支持部材のアスペクト比は、前記基板のアスペクト比とは異なることが好ましい。
本適用例によれば、容器部内に固定される物理量検出部の固定位置の間隔が離れている場合に、固定位置が配置された方向と直交する方向に長さが長いアスペクト比を有する支持部材を用いて、センサー部を支持することにより、センサー部を基板に接合する際に生じる熱応力に伴う歪を容器部を介して物理量検出部へ伝わるのを低減することができる。また、センサー部支持面積を広くできるので、支持部材を介し、センサー部と基板とを接合する接合強度を十分確保することができる。
[適用例12]上記適用例に記載の物理量センサーにおいて、前記センサー部は、前記物理量検出部として、基部と、前記基部から延出する振動部と、前記基部から延出する複数の支持腕と、を備えていることが好ましい。
本適用例によれば、物理量検出部が基部から延出する支持腕を備えているので、容器部から物理量検出部へ伝わるセンサー部を基板に接合する際に生じる熱応力に伴う歪を、支持腕が変形することで低減させ、歪が物理量検出部により伝わり難くすることができる。
[適用例13]本適用例に係る電子機器は、上記適用例に記載の物理量センサーを備えている。
本適用例の電子機器によれば、センサー部接合時の熱応力に伴う歪の影響を低減し、小型の物理量センサーを備えることにより、高性能な電子機器を得ることができる。
[適用例14]本適用例に係る移動体は、上記適用例に記載の物理量センサーを備えている。
本適用例の移動体によれば、センサー部接合時の熱応力に伴う歪の影響を低減し、小型の物理量センサーを備えることにより、高性能な移動体を得ることができる。
第1実施形態に係る物理量センサーの構成を示す概略平面図。 図1のP1−P1線における概略断面図。 図1の裏面の構成を示す概略平面図。 第1実施形態に係る物理量センサーの変形例の構成を示す概略平面図。 第1実施形態に係る加速度センサーの構成を示す概略平面図。 図5のP2−P2線における概略断面図。 加速度センサーの動作を示す概略断面図。 加速度センサーの動作を示す概略断面図。 第2実施形態に係る物理量センサーの構成を示す概略平面図。 図9のP3−P3線における概略断面図。 第2実施形態に係るジャイロセンサーの構成を示す概略平面図。 図11のP4−P4線における概略断面図。 電子機器の一例としてのビデオカメラの構成を示す斜視図。 電子機器の一例としての携帯電話機の構成を示す斜視図。 移動体の一例としての自動車を概略的に示す斜視図。
以下に本発明を具体化した実施形態について、図面を参照して説明する。以下は、本発明の一実施形態であって、本発明を限定するものではない。なお、以下の各図においては、説明を分かりやすくするため、実際とは異なる尺度で記載している場合がある。
[物理量センサー]
(第1実施形態)
先ず、本発明の第1実施形態に係る物理量センサー1として、加速度を検出する加速度センサー10を備える物理量センサーを一例として挙げ、図1〜図3を参照して説明する。また、第1実施形態に係る物理量センサー1の変形例を、図4を参照して説明する。
図1は、第1実施形態に係る物理量センサー1の構成を示す概略平面図であり、図2は、図1のP1−P1線における概略断面図であり、図3は、図1の裏面の構成を示す概略平面図である。図4は、第1実施形態に係る物理量センサー1の変形例の構成を示す概略平面図である。また、図1〜図4において、説明の便宜上、互いに直交する3つの軸として、X軸、Y軸およびZ軸を図示しており、以下の説明では、説明の便宜上、物理量センサー1の厚さ方向であり、加速度センサー10と支持部材20との積層方向であるZ軸方向から見たときの平面視を単に「平面視」とも謂う。また、説明の便宜上、Z軸方向(矢印の先端方向)から見たときの平面視において、+Z軸方向(矢印方向)の面を上面、−Z軸方向(矢印方向と反対側の方向)の面を下面として説明する。
第1実施形態に係る物理量センサー1は、図1〜図3に示すように、センサー部としての加速度センサー10と、加速度センサー10を支持する支持部材20と、加速度センサー10を駆動し加速度を検出する基板としてのICチップ30と、を含み構成されており、ICチップ30、支持部材20、加速度センサー10、の順で積層されている。
加速度センサー10は、平面視で矩形状であり、外縁で囲まれた領域の面積がS1である。加速度センサー10は、容器部としてのパッケージ14と、Z軸方向の加速度を検出する物理量検出部としての加速度センサー素子12と、を有しており、パッケージ14のキャビティー16内に加速度センサー素子12を収容している。また、支持部材20の第1の面22に、シリコン系接着剤等の接合部材26を介して接合されている。更に、加速度センサー10には、パッケージ14の支持部材20が接合された面とは反対側の面である上面に、加速度センサー素子12が検出した検出信号を出力する信号端子18が複数設けられている。
本実施形態において、パッケージ14に設けられた6個の信号端子18は、平面視で支持部材20の第1の面22の外側の領域に配置されている。そのため、信号端子18間を広くすることができ、信号端子18間が狭いことで生じる干渉ノイズ等の影響を低減することができる。
また、パッケージ14を構成する材料は、例えば、酸化物系セラミックス、窒化物系セラミックス、炭化物系セラミックス等の各種セラミックスであり、信号端子18は、タングステン(W)やモリブデン(Mo)等の金属配線材料上にニッケル(Ni)や金(Au)等のめっきが施されている。
支持部材20は、平面視で矩形状であり、加速度センサー10と対向する第1の面22と、第1の面22とは反対側に第2の面24と、を有しており、第1の面22の面積はS2であり、第2の面24の面積はS3である。なお、面積S2と面積S3とは、同じになるように設計されている。第1の面22には、接合部材26を介して加速度センサー10が接合されており、第2の面24には、接合部材26と同様にシリコン系接着剤等の接合部材28を介してICチップ30が接合されている。
なお、支持部材20を構成する材料は、少なくとも一部がICチップ30と同じ材料、例えば、シリコン等であり、結晶方位もICチップ30の結晶方位と同じ結晶材料である。つまり、支持部材20を第1の結晶方位とし、ICチップ30を第2の結晶方位とすると、第1の結晶方位と第2の結晶方位とが同一である。従って、支持部材20とICチップ30との熱膨張係数が等しくなるため、支持部材20とICチップ30とを接合した際に、熱膨張係数の差によって生じる熱応力に伴う歪を抑制することができる。
また、支持部材20の第1の面22の面積S2は、加速度センサー10の外縁で囲まれた領域の面積S1より小さく、S1≧S2となるように設計されている。よって、支持部材20が加速度センサー10のサイズより大きくならないため、物理量センサー1の小型化を図ることができる。また、加速度センサー10と支持部材20との接合面積が、第1の面22の面積S2と同じとなり小さいため、加速度センサー10のパッケージ14と支持部材20との熱膨張係数の違いによる接合時の熱応力に伴う歪を小さく抑え、接合時の歪がパッケージ14を介して加速度センサー素子12に伝わり難くしている。因みに、パッケージ14の構成材料であるセラッミクスの熱膨張係数は、約7.5×10-6/Kであり、ICチップ30の構成材料であるシリコンの熱膨張係数は、約3.9×10-6/Kである。
なお、本実施形態では、支持部材20の第1の面22の面積S2と加速度センサー10の外縁で囲まれた領域の面積S1との関係をS1≧S2を満たすこととしているが、好ましくは、0.1≦(S2/S1)≦1.0とすることで、パッケージ14と支持部材20との接合強度を保持しつつ、接合時の歪がパッケージ14を介して加速度センサー素子12に伝わり難くすることができる。また、更に好ましくは、0.5≦(S2/S1)≦0.8とすることで、パッケージ14と支持部材20との接合強度をより保持しつつ、接合時の歪がパッケージ14を介して加速度センサー素子12により伝わり難くすることができる。
また、図4に示すように、支持部材20bが、平面視で十字形状であっても良い。十字形状であることによりICチップ30および加速度センサー10との接合がより安定的にされる。そして、図4に示す構成においては、パッケージ14に設けられた6個の信号端子18のうちの4個は、平面視で支持部材20bの第1の面22bの外側の領域に配置されている。そのため、信号端子18間を広くすることができ、信号端子18間が狭いことで生じる干渉ノイズ等の影響を低減することができる。6個の信号端子18のうちの1個が、平面視で支持部材20bの第1の面22bの外側の領域に配置されていても、同じ効果が得られるので良い。
ICチップ30は、加速度センサー10の加速度センサー素子12を駆動し、出力される検出信号から加速度を算出する処理回路(図示せず)を有している。ICチップ30は、平面視で矩形状であり、支持部材20と対向する面である上面に、加速度センサー10から出力された検出信号をICチップ30内の制御回路に入力する入力端子32が複数設けられている。なお、入力端子32は、平面視で加速度センサー10の外縁の外側に設けられており、加速度センサー10に設けられた信号端子18とワイヤーボンディング36によって、電気的に接続されている。
なお、ワイヤーボンディング36により、信号端子18と入力端子32とを電気的に接続する際に、複数の信号端子18を内包する最小の矩形領域の面積S5と支持部材20の第1の面22の面積S2との関係を、1.1≦(S5/S2)≦3とすることで、信号端子18間を広くすることができ、信号端子18間が狭いことで生じる干渉ノイズ等の影響を低減することができるとともに、ボンディング圧力が加速度センサー10の信号端子18に確実に印加され、ボンディングすることができる。そのため、干渉ノイズ等の影響が低減されつつ、信号端子18と入力端子32とを確実に電気的に接続させることができる。
また、ICチップ30は、支持部材20と対向する上面とは反対側の面である下面に、物理量センサー1を実装基板(図示せず)等に実装するための外部接続部としての実装端子34が複数設けられている。なお、平面視で複数の実装端子34を内包する矩形領域の面積S4は、支持部材20の第2の面24の面積S3より大きく、S4≧S3となるように設計されている。よって、電子機器の実装基板等へ実装された場合の実装基板からの応力による歪が支持部材20および容器部であるパッケージ14を伝わりパッケージ14に収容された物理量検出部である加速度センサー素子12に伝わることを抑制でき、安定した検出特性を有する物理量センサー1を得ることができる。
また、物理量センサー1を実装端子34を介して、実装基板等に実装する際に、物理量センサー1のICチップ30と実装基板との熱膨張係数の違いによる熱応力に伴う歪の中で、支持部材20の第2の面24の領域に関わる歪のみが支持部材20へ伝わるので、実装基板へ実装時の歪を低減することができる。
また、第2の面24の面積S3と複数の実装端子34を内包する矩形領域の面積S4との関係を好ましくは、1≦(S4/S3)≦100とすることにより、ICチップ30と実装基板との熱膨張係数の違いによる熱応力に伴う歪をパッケージ14に収容された加速度センサー素子12により伝わり難くすることができる。更により好ましくは、2≦(S4/S3)≦5とすることにより、物理量センサー1の小型化を図りつつ、ICチップ30と実装基板との熱膨張係数の違いによる熱応力に伴う歪をパッケージ14に収容された加速度センサー素子12により伝わり難くすることができる。
次に、第1実施形態に係る物理量センサー1が備えている加速度センサー10について、図5および図6を参照して詳細に説明する。
図5は、加速度センサー10の構成を示す平面図であり、図6は、図5におけるP2−P2線における概略断面図である。図5において、加速度センサー10の内部の構成を説明する便宜上、リッド412を取り外した状態を図示している。また、図5および図6では、互いに直交する3つの軸として、図1〜図4で用いた座標軸とは異なるx軸、y軸、z軸を図示している。
加速度センサー10は、パッケージ14と、素子ベース体42と、加速度センサー素子12と、を備えている。先ず、パッケージ14は、凹状のパッケージベース411および板状のリッド(蓋材)412から構成されている。パッケージベース411は、内部側に凹状に形成されているキャビティー16と、底板の端部にx軸方向に沿って設けられ素子ベース体42を固定するための段部413と、底板を貫通している孔および孔を塞ぐための封止材からなる封止部414と、を有し、底板の段部413と反対側の面には、図1および図2に示すICチップ30の入力端子32と接続するための信号端子18が形成されている。このパッケージベース411は、セラミックグリーンシートを焼成した酸化アルミニウム焼結体で形成されている。酸化アルミニウム焼結体は、パッケージ用として優れているが、加工が難しい。しかし、この場合、複数のセラミックグリーンシートを積層し焼成することで、容易に形成することができる。なお、パッケージベース411は、水晶、ガラスおよびシリコン等の材料を用いて形成することもできる。
また、リッド412は、パッケージベース411の段部413に固定されている素子ベース体42を覆うように配置されている。このリッド412は、パッケージベース411と同じ材料や、コバール、ステンレス鋼などの金属等を用いることができ、ここでは、熱伝導性の良い金属でリッド412を形成することが好ましいため、コバールを用いている。そして、リッド412は、シームリング416を介して、パッケージベース411に接合されていて、パッケージベース411とリッド412とを接合すると、キャビティー16を減圧された気密状態に封止することができる。
このような加速度センサー10において、キャビティー16の封止は、パッケージベース411とリッド412との接合後、封止部414の孔からキャビティー16内の空気を抜いて減圧し、孔をロウ材(封止材)で塞ぐ方法で行われている。これにより、素子ベース体42および加速度センサー素子12は、減圧されて気密状態のキャビティー16内に封止される。なお、キャビティー16の内部は、窒素、ヘリウム、アルゴンなどの不活性ガスが充填されていてもよい。
次に、素子ベース体42は、水晶板からエッチング等で形成された板状であって、x軸方向に延出しパッケージベース411の段部413に接着剤451で固定されている固定部421と、固定部421からy軸方向へ延出している継ぎ手部422と、継ぎ手部422から固定部421と反対方向へ矩形状をなして延出している可動部423と、固定部421の一端から可動部423の外縁に沿って固定部421の他端まで延出している枠部424と、可動部423に設けられている質量部425(425a,425b,425c,425d)と、を備えている。なお、素子ベース体42には、固定部421から可動部423に掛け渡されて加速度センサー素子12が固定されている。
可動部423は、枠部424および固定部421によって囲まれていて、固定部421に継ぎ手部422を介して接続され、片持ち支持された状態である。継ぎ手部422は、固定部421と可動部423との間に設けられ、固定部421と可動部423とを接続している。継ぎ手部422の厚さは、固定部421や可動部423の厚さよりも薄く形成されていて、可動部423が固定部421に対して変位(回動)する際に中間ヒンジとして機能する。そして、可動部423に設けられている質量部425(425a,425b,425c,425d)は、z軸方向から見た平面視で矩形状であり、質量部425a,425bが可動部423のリッド412側に配置され、加速度センサー素子12を中心にした左右対称の位置に接合部452によって固定されている。一方、質量部425c,425dは、可動部423のパッケージベース411側に配置され、質量部425a,425bとそれぞれ重なるように接合部452によって固定されている。
次に、加速度センサー素子12は、固定部421に接着剤450で固定されている基部431aと、可動部423に接着剤450で固定されている基部431bと、基部431aと基部431bとの間にあって物理量を検出するための振動梁部432(432a,432b)と、を有している。この場合、振動梁部432は、その形状が角柱状であり、振動梁部432a,432bのそれぞれに設けられた励振電極(図示せず)に駆動信号(交流電圧)が印加されると、x軸に沿って、互いに離間または近接するように屈曲振動をする。励振電極は、駆動信号の印加のために、図示しない配線によって信号端子18と電気的に接続されている。
なお、加速度センサー素子12は、この場合、水晶の原石等から所定の角度で切り出された水晶基板を、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によってパターニングすることにより形成されている。さらに、加速度センサー素子12は、素子ベース体42との熱膨張係数の差を小さくすることを考慮すれば、素子ベース体42と同質材であることが望ましい。
次に、加速度センサー10の動作について、図7および図8を参照して説明する。
図7および図8は、加速度センサー10の動作を示す概略断面図である。
図7に示すように、加速度センサー10に、例えば、+z方向の矢印α1方向に加速度が印加されると、可動部423には+z方向に力が作用し、可動部423は継ぎ手部422を支点として+z方向に変位する。これにより、加速度センサー10には、y軸に沿って基部431aと基部431bとが互いに近づく方向の力が加わり、加速度センサー素子12の振動梁部432には圧縮応力が生じる。そのため、振動梁部432の振動する周波数である共振周波数は低くなる。
一方、図8に示すように、加速度センサー10に、例えば、−z方向の矢印α2方向に加速度が印加されると、可動部423には−z方向に力が作用し、可動部423は、継ぎ手部422を支点として−z方向に変位する。これにより、加速度センサー10には、y軸に沿って基部431aと基部431bとが互いに離れる方向の力が加わり、加速度センサー素子12の振動梁部432には引張応力が生じる。そのため、振動梁部432の共振周波数は高くなる。
加速度センサー10では、上記のような加速度センサー素子12の共振周波数の変化を検出している。即ち、加速度センサー10に加わる加速度は、上記の検出された共振周波数の変化量を検出信号として出力する。
なお、加速度センサー10は、傾斜計としても用いることができる。傾斜計としての加速度センサー10は、傾斜による姿勢の変化に応じて、加速度センサー10に対する重力加速度が加わる方向が変化し、振動梁部432に圧縮応力や引張応力が生じる。そして、振動梁部432の共振周波数が変化することになり、傾斜による姿勢の変化が導出される。
以上述べたように、第1実施形態に係る物理量センサー1によれば、以下の効果を得ることができる。
センサー部である加速度センサー10を支持する支持部材20の第1の面22の面積S2が加速度センサー10の外縁で囲まれた領域の面積S1より小さいので、車載環境のような温度サイクルを受けた時、支持部材20と基板としてのICチップ30との熱膨張係数の違いによる熱応力によって生じる歪を緩和し、加速度センサー10が受ける歪を低減することができるとともに、支持部材20がICチップ30のサイズより大きくならないため物理量センサー1の小型化を図ることができる。従って、温度サイクルを受けた時に熱応力による歪が容器部としてのパッケージ14に収容された物理量検出部としての加速度センサー素子12に伝わることが抑制されるので、歪による検出特性の変動が低減され、物理量の検出特性が安定した小型の物理量センサー1を得ることができる。
また、加速度センサー10をICチップ30に接合する際に、支持部材20を介しているため、加速度センサー10のパッケージ14とICチップ30との熱膨張係数の違いによる熱応力に伴う歪がパッケージ14を伝い加速度センサー素子12に伝わるのを緩和することができる。また、加速度センサー10を支持する支持部材20の第1の面22の面積S2が加速度センサー10の外縁で囲まれた領域の面積S1より小さいので、支持部材20が加速度センサー10のサイズより大きくならないため物理量センサー1の小型化を図ることができる。従って、接合時の歪がパッケージ14に収容された加速度センサー素子12に伝わり難くいので、歪による検出精度の劣化を低減し、加速度の検出特性に優れた小型の物理量センサー1を得ることができる。
また、支持部材20の結晶方位をICチップ30の結晶方位と同一にすることにより、支持部材20とICチップ30との熱膨張係数の差をより小さくすることができるので、加速度センサー10はICチップ30からの応力による影響を受け難くなり、安定な検出特性を有する物理量センサー1を得ることができる。
なお、本実施形態では、支持部材20とICチップ30とが同じ材料で、同じ結晶方位である場合を一例として挙げ説明したが、これに限定される必要はなく、支持部材20とICチップ30との結晶方位が異なる場合や支持部材20の結晶方位がICチップ30の結晶方位とは直交する方向である場合でも構わない。支持部材20の結晶方位をICチップ30の結晶方位とを異ならせることにより、支持部材20とICチップ30との熱膨張係数の差を異ならせることができるので、支持部材20をICチップ30に接合する接合部材28と、パッケージ14を支持部材20に接合する接合部材26と、を異なる材料で構成することができる。そのため、接合時にガスを発生し易いシリコン系接着剤に換わり、ガスが発生し難い金バンプや半田バンプ等の接合部材26,28を用いることができ、ガス等の影響を低減し、安定な検出特性を有する物理量センサー1を得ることができる。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態に係る物理量センサー1aについて、ダブルT型と呼ばれる構成のジャイロセンサー素子12aを備えたジャイロセンサー10aを搭載した物理量センサーを一例として挙げ、図9および図10を参照して説明する。
図9は、第2実施形態に係る物理量センサー1aの構成を示す概略平面図であり、図10は、図9のP3−P3線における概略断面図である。また、各図では、説明の便宜上、互いに直交する3つの軸として、X軸、Y軸およびZ軸を図示しており、Z軸方向から見たときの平面視を単に「平面視」とも言う。なお、上述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の構成には、同一の符号を附してあり、同様の事項については、その説明を省略する。
第2実施形態に係る物理量センサー1aは、第1実施形態に係る物理量センサー1と比較し、センサー部としてのジャイロセンサー10aおよび支持部材20aの構造および構成が異なる。
物理量センサー1aは、図9および図10に示すように、ジャイロセンサー10aと、ジャイロセンサー10aを支持する支持部材20aと、ジャイロセンサー10aを駆動し角速度を検出する基板としてのICチップ30aと、を含み構成されており、ICチップ30a、支持部材20a、ジャイロセンサー10a、の順で積層されている。
ジャイロセンサー10aは、平面視で矩形状であり、容器部としてのパッケージ14aと、Z軸回りの角速度を検出する物理量検出部としてのジャイロセンサー素子12aと、を有しており、パッケージ14のキャビティー16内にジャイロセンサー素子12aを収容している。ジャイロセンサー素子12aを固定する2つの固定位置は、Y軸方向に沿って配置され、台座部102(図12参照)を介してパッケージ14aに固定されている。
支持部材20aは、平面視でX軸方向の長さがY軸方向の長さに比べ長い長方形状であり、アスペクト比(本実施形態ではX軸方向の長さとY軸方向の長さとの比とする)がICチップ30aのアスペクト比とは異なっている。一般的に、パッケージ14aのキャビティー16内に固定されるジャイロセンサー素子12aの固定位置の間隔が離れている場合、固定位置が配置された方向(Y軸方向)の歪の影響が直交する方向(X軸方向)の歪の影響に比べ大きい。そのため、固定位置が配置された方向(Y軸方向)の長さが短く、直交する方向(X軸方向)の長さが長いアスペクト比を有する支持部材20aを用いて、ジャイロセンサー10aを支持することにより、ジャイロセンサー10aをICチップ30aに接合する際に生じる熱応力に伴う歪がパッケージ14aを介してジャイロセンサー素子12aへ伝わるのを低減することができる。また、歪の影響が小さいX軸方向の長さが長いので、ジャイロセンサー10a支持面積を広くでき、支持部材20aを介し、ジャイロセンサー10aとICチップ30aとを接合する接合強度を十分確保することができる。
ICチップ30aは、ジャイロセンサー10aのジャイロセンサー素子12aを駆動し、出力される検出信号から角速度を算出する処理回路(図示せず)を有している。ICチップ30aは、平面視で矩形状であり、支持部材20aと対向する面である上面に、支持部材20aの第2の面24を接合部材28を介して接合し、支持部材20aの第1の面22に接合部材26を介してジャイロセンサー10aが接合されている。また、ICチップ30aの上面に設けられた入力端子32とジャイロセンサー10aに設けられた信号端子18とがワイヤーボンディング36によって、電気的に接続されている。
次に、第2実施形態に係る物理量センサー1aが備えているジャイロセンサー10aについて、図11および図12を参照して詳細に説明する。
図11は、ジャイロセンサー10aの構成を示す平面図であり、図12は、図11におけるP4−P4線における概略断面図である。図11において、ジャイロセンサー10aの内部の構成を説明する便宜上、リッド142を取り外した状態を図示している。また、図11および図12では、互いに直交する3つの軸として、図9および図10で用いた座標軸とは異なるx軸、y軸、z軸を図示している。
本実施形態のジャイロセンサー10aは、z軸回りの角速度を検出するジャイロセンサー素子12aと、ジャイロセンサー素子12aを支持する台座部102と、ジャイロセンサー素子12aをキャビティー16内に収容するパッケージ14aと、を含み構成されている。
ジャイロセンサー素子12aは、圧電材料である水晶を基材(主要部分を構成する材料)として形成されている。水晶は、電気軸と呼ばれるx軸、機械軸と呼ばれるy軸及び光学軸と呼ばれるz軸を有している。
そして、ジャイロセンサー素子12aは、水晶結晶軸において直交するx軸およびy軸で規定される平面に沿って切り出されて平板状に加工され、平面と直交するz軸方向に所定の厚さを有している。なお、所定の厚さは、発振周波数(共振周波数)、外形サイズ、加工性などにより適宜設定される。
また、ジャイロセンサー素子12aをなす平板は、水晶からの切り出し角度の誤差を、z軸、y軸およびz軸の各々につき多少の範囲で許容できる。例えば、x軸を中心に0度から2度の範囲で回転して切り出したものを使用することができる。y軸およびz軸についても同様である。
ジャイロセンサー素子12aは、フォトリソグラフィ技術を用いたエッチング(ウエットエッチングまたはドライエッチング)により形成されている。なお、ジャイロセンサー素子12aは、1枚の水晶ウエハーから複数個取りすることが可能である。
図11に示すように、ジャイロセンサー素子12aは、ダブルT型と呼ばれる構成となっている。
ジャイロセンサー素子12aは、中心部分に位置する基部110と、基部110からy軸に沿って、直線状に、一方がy軸のプラス方向へ延出され、他方がy軸のマイナス方向へ延出された振動部としての1対の検出用振動腕111a,111bと、検出用振動腕111a,111bと直交するように、基部110からx軸に沿って、直線状に、一方がx軸のプラス方向へ延出され、他方がx軸のマイナス方向へ延出された1対の連結腕113a,113bと、検出用振動腕111a,111bと平行になるように、各連結腕113a,113bの先端側からy軸に沿って、直線状に、一方がy軸のプラス方向へ延出され、他方がy軸のマイナス方向へ延出された振動部としての各1対の駆動用振動腕114a,114b,115a,115bと、を備えている。
また、ジャイロセンサー素子12aは、検出用振動腕111a,111bに、図示しない検出電極が形成され、駆動用振動腕114a,114b,115a,115bに、図示しない駆動電極が形成されている。ジャイロセンサー素子12aは、検出用振動腕111a,111bで、角速度を検出する検出振動系を構成し、連結腕113a,113bと駆動用振動腕114a,114b,115a,115bとで、ジャイロセンサー素子12aを駆動する駆動振動系を構成している。
また、検出用振動腕111a,111bのそれぞれの先端部には、錘部112a,112bが形成され、駆動用振動腕114a,114b,115a,115bのそれぞれの先端部には、錘部116a,116b,117a,117bが形成されている。これにより、ジャイロセンサー素子12aは、小型化および角速度の検出感度の向上が図られている。なお、検出用振動腕111a,111bには、錘部112a,112bが含まれ、駆動用振動腕114a,114b,115a,115bには、錘部116a,116b,117a,117bが含まれている。
更に、ジャイロセンサー素子12aは、基部110から延出する4本の支持腕120a,120b,121a,121bを備えている。
支持腕120aは、連結腕113aと検出用振動腕111aとの間の基部110の外縁から、x軸方向のマイナス側に延出した後に、y軸方向のプラス側に延出し、その後、x軸方向のプラス側に延出した後、再度y軸方向のプラス側に延出する蛇行形状部120dを備えている。
支持腕120bは、連結腕113bと検出用振動腕111aとの間の基部110の外縁から、x軸方向のプラス側に延出した後に、y軸方向のプラス側に延出し、その後、x軸方向のマイナス側に延出した後、再度y軸方向のプラス側に延出する蛇行形状部120cを備えている。
支持腕121aは、連結腕113aと検出用振動腕111bとの間の基部110の外縁から、x軸方向のマイナス側に延出した後に、y軸方向のマイナス側に延出し、その後、x軸方向のプラス側に延出した後、再度y軸方向のマイナス側に延出する蛇行形状部121dを備えている。
支持腕121bは、連結腕113bと検出用振動腕111bとの間の基部110の外縁から、x軸方向のプラス側に延出した後に、y軸方向のマイナス側に延出し、その後、x軸方向のマイナス側に延出した後、再度y軸方向のマイナス側に延出する蛇行形状部121cを備えている。
なお、ジャイロセンサー素子12aの各支持腕120a,120b,121a,121bは、ジャイロセンサー素子12aの重心Gに対して回転対称である。具体的には、支持腕120aと支持腕121bとが、ジャイロセンサー素子12aの重心Gを回転中心として回転対称形状であり、支持腕121aと支持腕120bとが、ジャイロセンサー素子12aの重心Gを回転中心として回転対称形状である。
支持腕120a,120bの先端部は、y軸方向において、検出用振動腕111aよりプラス側に位置しx軸に沿って延在する支持部122に接続され、支持腕121a,121bの先端部は、y軸方向において、検出用振動腕111bよりマイナス側に位置しx軸に沿って延在する支持部123に接続されている。
また、支持部122,123には、x軸に沿って、それぞれ3つの固定部150a、150bが設けられており、接合部材104を介して台座部102に固定されている。
更に、ジャイロセンサー素子12aが固定された台座部102は、台座部102のジャイロセンサー素子12aと対向する面とは反対の面で、ジャイロセンサー素子12aの検出用振動腕111a,111bが延出する方向(y軸方向)の両端側に、検出用振動腕111a,111bが延出する方向と交差する方向(x軸方向)に沿って設けられたそれぞれ3つの接合部152a,152bにおいて、接合部材106を介してパッケージベース130のキャビティー16側の面に固定されている。
なお、ジャイロセンサー10aのキャビティー16内は、略真空又は減圧雰囲気に保持され、ホウケイ酸ガラス等の封止材144によりリッド142が接合されることで、気密封止されている。
従って、ジャイロセンサー10aは、ジャイロセンサー素子12aの駆動用振動腕114a,114b,115a,115bが駆動(振動)している時に、z軸回りの角速度が印加されると、コリオリ力が発生し、それまで停止していた検出用振動腕111a,111bが振動を開始する。振動により検出用振動腕111a,111bには、角速度の大きさに応じた電荷が発生するので、この電荷量を検出し検出信号として出力する。
以上述べたように、第2実施形態に係る物理量センサー1aによれば、以下の効果を得ることができる。
センサー部であるジャイロセンサー10aを支持する支持部材20の第1の面22の面積S2がジャイロセンサー10aの外縁で囲まれた領域の面積S1より小さいので、車載環境のような温度サイクルを受けた時、支持部材20と基板としてのICチップ30との熱膨張係数の違いによる熱応力によって生じる歪を緩和し、ジャイロセンサー10aが受ける歪を低減することができるとともに、支持部材20がICチップ30のサイズより大きくならないため物理量センサー1aの小型化を図ることができる。従って、温度サイクルを受けた時に熱応力による歪が容器部としてのパッケージ14aに収容された物理量検出部としてのジャイロセンサー素子12aに伝わることが抑制されるので、歪による検出特性の変動が低減され、物理量の検出特性が安定した小型の物理量センサー1aを得ることができる。
また、ジャイロセンサー素子12aの固定位置の間隔が配置された方向(Y軸方向)の長さが直交する方向(X軸方向)の長さに比べ短い、アスペクト比を有する支持部材20aを用いて、ジャイロセンサー10aを支持することにより、ジャイロセンサー10aをICチップ30aに接合する際に生じる熱応力に伴う歪がパッケージ14aを介してジャイロセンサー素子12aへ伝わるのを低減することができる。また、歪の影響が小さいX軸方向の長さが長いので、ジャイロセンサー10a接合面積を広くでき、支持部材20aを介し、ジャイロセンサー10aとICチップ30aとを接合する接合強度を十分確保することができる。
また、ジャイロセンサー素子12aが基部110から延出する支持腕120a,120b,121a,121bを備えている。そのため、パッケージ14aからジャイロセンサー素子12aへ伝わるジャイロセンサー10aをICチップ30aに接合する際に生じる熱応力に伴う歪を、支持腕120a,120b,121a,121bが変形することで低減させ、歪がジャイロセンサー素子12aにより伝わり難くすることができる。
[電子機器]
次に、本発明の一実施形態に係る物理量センサー1,1aを適用した電子機器について、図13および図14を参照して説明する。
図13は、物理量センサー1を備えたビデオカメラ300を示す斜視図であり、図14は、物理量センサー1を備えた携帯電話400を示す斜視図である。
これら電子機器としてのビデオカメラ300および携帯電話400は、本発明に係る物理量センサー1を搭載している。最初に、図13に示すビデオカメラ300は、受像部301と、操作部302と、音声入力部303と、表示ユニット304と、を備えている。このビデオカメラ300は、加速度センサー10を備えており、3つの加速度センサー10が均一な温度状態を保持して、X軸、Y軸、Z軸(不図示)方向の加速度等を検出することにより、手ぶれを補正する機能を発揮できる。これにより、ビデオカメラ300は、鮮明な動画映像を記録することができる。
また、図14に示す携帯電話400は、複数の操作ボタン401と、表示ユニット402と、カメラ機構403と、シャッターボタン404と、を備えていて、電話機およびカメラとして機能する。この携帯電話400は、物理量センサー1を備えており、3つの物理量センサー1が均一な温度状態を保持して、X軸、Y軸、Z軸(不図示)方向の加速度等を検出することにより、カメラ機構403の手ぶれを補正する機能を発揮できる。これにより、携帯電話400は、カメラ機構403により鮮明な画像を記録することができる。
上述したように、電子機器として、センサー部(加速度センサー10、ジャイロセンサー10a)接合時の熱応力に伴う歪の影響を低減した物理量センサー1,1aを備えることにより、高性能の電子機器を得ることができる。
[移動体]
次に、本発明の一実施形態に係る物理量センサー1,1aを適用した移動体について、図15を参照して説明する。
図15は、本発明の移動体の一例としての自動車1400を概略的に示す斜視図である。自動車1400には、タイヤ1401を制御する物理量センサー1を内蔵した電子制御ユニット1402が搭載されている。また、他の例としては、物理量センサー1は、キーレスエントリー、イモビライザー、カーナビゲーションシステム、カーエアコン、アンチロックブレーキシステム(ABS)、エアバック、タイヤ・プレッシャー・モニタリング・システム(TPMS:Tire Pressure Monitoring System)、エンジンコントロール、ハイブリッド自動車や電気自動車の電池モニター、車体姿勢制御システム等の電子制御ユニット(ECU:Electronic Control Unit)に広く適用できる。
上述したように、移動体として、センサー部(加速度センサー10、ジャイロセンサー10a)接合時の熱応力に伴う歪の影響を低減した物理量センサー1,1aを備えることにより、高性能の移動体を得ることができる。
以上、本発明の物理量センサー1,1a、電子機器(300,400)、および移動体(1400)について、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていても良い。また、前述した各実施形態を適宜組み合わせても良い。
1,1a…物理量センサー、10…センサー部としての加速度センサー、10a…センサー部としてのジャイロセンサー、12…物理量検出部としての加速度センサー素子、12a…物理量検出部としてのジャイロセンサー素子、14,14a…容器部としてのパッケージ、16…キャビティー、18…信号端子、20,20a…支持部材、22…第1の面、24…第2の面、26,28…接合部材、30,30a…基板としてのICチップ、32…入力端子、34…外部接続部としての実装端子、36…ボンディングワイヤー、300…ビデオカメラ、400…携帯電話機、1400…自動車。

Claims (14)

  1. 物理量検出部と前記物理量検出部を収容している容器部とを有するセンサー部と、
    第1の面を有し前記第1の面に前記センサー部を支持する支持部材と、
    前記支持部材の前記第1の面と対向する第2の面が接合されている基板と、を備え、
    前記センサー部と前記支持部材との積層方向からの平面視において、前記容器部の外縁
    で囲まれた領域の面積をS1、前記第1の面の面積をS2とした場合に、S1≧S2を満
    たし、前記支持部材が十字形状であることを特徴とする物理量センサー。
  2. 前記センサー部は、前記容器部の前記支持部材とは反対側の面に前記物理量検出部と電
    気的に接続されている検出信号を出力する信号端子を複数有し、
    前記平面視において、複数の前記信号端子のうちの少なくとも一つは、前記第1の面の
    外側の領域に位置することを特徴とする請求項1に記載の物理量センサー。
  3. 前記S1と前記S2との関係が、0.1≦(S2/S1)≦1.0を満たすことを特徴
    とする請求項1又は請求項2に記載の物理量センサー。
  4. 前記S1と前記S2との関係が、0.5≦(S2/S1)≦0.8を満たすことを特徴
    とする請求項3に記載の物理量センサー。
  5. 前記基板は、複数の外部接続部を備え、
    前記平面視において、前記複数の外部接続部を内包する矩形領域の面積をS4、前記第
    2の面の面積をS3とした場合に、S4≧S3を満たすことを特徴とする請求項1乃至請
    求項4のいずれか一項に記載の物理量センサー。
  6. 前記S3と前記S4との関係が、1≦(S4/S3)≦100を満たすことを特徴とす
    る請求項5に記載の物理量センサー。
  7. 前記S3と前記S4との関係が、2≦(S4/S3)≦5を満たすことを特徴とする請
    求項6に記載の物理量センサー。
  8. 前記平面視において、複数の前記信号端子を内包する矩形領域の面積をS5とした場合
    に、前記S2と前記S5との関係が、1.1≦(S5/S2)≦3を満たすことを特徴と
    する請求項2乃至請求項7のいずれか一項に記載の物理量センサー。
  9. 前記支持部材は、少なくとも一部が前記基板と同じ材料であることを特徴とする請求項
    1乃至請求項8のいずれか一項に記載の物理量センサー。
  10. 前記支持部材は、第1の結晶方位を有する結晶材料を含み、
    前記基板は、前記支持部材の前記結晶材料と同じ結晶材料であって、第2の結晶方位を
    有する結晶材料を含み、
    前記平面視において、前記第1の結晶方位は、前記第2の結晶方位と同一であることを
    特徴とする請求項9に記載の物理量センサー。
  11. 前記支持部材のアスペクト比は、前記基板のアスペクト比とは異なることを特徴とする
    請求項1乃至請求項10のいずれか一項に記載の物理量センサー。
  12. 前記センサー部は、前記物理量検出部として、基部と、前記基部から延出する振動部と
    、前記基部から延出する複数の支持腕と、を備えていることを特徴とする請求項1乃至請
    求項11のいずれか一項に記載の物理量センサー。
  13. 請求項1乃至請求項12のいずれか一項に記載の物理量センサーを備えていることを特
    徴とする電子機器。
  14. 請求項1乃至請求項12のいずれか一項に記載の物理量センサーを備えていることを特
    徴とする移動体。
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