WO2010119573A1 - 慣性センサおよびその製造方法 - Google Patents

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pressure
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山中　聖子
希元 鄭
服部　孝司
後藤　康
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株式会社日立製作所
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Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor physical quantity sensor made by MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology, and more particularly to an inertial sensor for detecting a change in capacitance.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • an acceleration sensor and an angular velocity sensor are widely known inertial sensors.
  • a composite inertial sensor that provides an angular velocity sensor and an acceleration sensor in an integrated package has been proposed.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 show examples of a composite inertial sensor in which an angular velocity sensor and an acceleration sensor are combined. Since the angular velocity sensor and the acceleration sensor are provided on the same substrate, a composite inertial sensor chip can be provided with low cost, high alignment accuracy between inertial sensors, and a small occupied area.
  • An angular velocity sensor has a vibrating body and a Coriolis element provided inside the vibrating body.
  • a Coriolis force is generated,
  • the provided Coriolis element is displaced in a direction orthogonal to the vibration direction of the vibrating body.
  • the Coriolis force increases as the driving vibration speed of the vibrating body increases, it is necessary to vibrate the vibrating body of the angular velocity sensor at a high frequency and with a large amplitude in order to improve the detection sensitivity of the angular velocity sensor. is there.
  • the vibrating body of the angular velocity sensor can be vibrated with a high frequency and a large amplitude, and the detection sensitivity of the angular velocity can be improved.
  • the movable body of the acceleration sensor becomes very susceptible to vibration.
  • the movable body of the acceleration sensor is in a stationary state.
  • the viscous resistance of the surrounding fluid cannot be sufficiently received and the displacement is sensitive even to external vibration noise.
  • the movable body is displaced. In other words, it is not desirable that the movable body of the acceleration sensor reacts very sensitively from the viewpoint of improving the detection sensitivity of the acceleration sensor.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 it is conceivable to adopt a configuration and a manufacturing method as shown in Patent Document 1 and Patent Document 2 as an inertial sensor having an angular velocity sensor and an acceleration sensor.
  • the inertial sensors described in Patent Document 1 and Patent Document 2 are formed through a ventilation hole sealing process after balancing the space in which the acceleration sensor is placed with the pressure outside the ventilation hole through the ventilation hole. . It is usual to perform the air hole sealing process at a temperature higher than the temperature at which the inertial sensor is actually used. Therefore, the acceleration sensor is placed more than the internal pressure of the inertial sensor sealing process manufacturing apparatus. The pressure in the space does not increase. Therefore, it is difficult to make the internal pressure of the inertial sensor sealing process manufacturing apparatus higher than atmospheric pressure, that is, the pressure for obtaining the viscous resistance effect by the surrounding fluid, particularly in the state of pressure higher than atmospheric pressure, It was difficult to seal the space where it was placed.
  • a vent hole for injecting a fluid as a damping agent is provided in a space where the acceleration sensor is placed. Even if this vent hole is sealed in the manufacturing process, it is hermetically sealed by the adhesion of different materials, so there is a possibility of fluid leakage when using the sensor for a long period of time, and there is a problem with the long-term stability of the sensor performance. was there. In addition, even if the vent hole is completely sealed and no leakage occurs, there is a possibility that the interface between different materials may be distorted due to deterioration over time or temperature history, and there was a problem in reliability of mechanical strength. .
  • the hermetic sealing package described in Patent Document 3 has a problem in that a complicated additional process is required because a window for laser light irradiation is provided or laser light is irradiated.
  • An object of the present invention is to provide an inertial sensor that can make a space in which an inertial sensor such as an acceleration sensor is placed higher than a pressure during a sealing process and can improve reliability and productivity, and a method for manufacturing the inertial sensor.
  • An inertial sensor having a substrate, a movable part formed on the substrate, and a cap member that seals to cover the movable part, wherein a gas generating material is applied to the movable part side of the cap
  • an inertial sensor characterized in that the space in which the movable part moves is set to a pressure higher than atmospheric pressure.
  • the inertial sensor can be characterized in that the pressure in the space is not less than atmospheric pressure and not more than 5.1 atmosphere.
  • the gas generating material can be an inertial sensor characterized in that it is a tertiary butoxycarbonyloxy carrier.
  • an inertial sensor in which an angular velocity sensor and an acceleration sensor are integrated, wherein the movable portion of the angular velocity sensor and the movable portion of the acceleration sensor are formed on the same substrate and cover the two movable portions.
  • An inertial sensor having a cap member to be sealed and having a gas generating material applied only to a portion corresponding to the acceleration sensor of the cap member.
  • the pressure in the first space in which the movable part of the acceleration sensor is moved is made higher than the pressure in the second space in which the movable part of the angular velocity sensor is moved. It can be set as the characteristic inertial sensor.
  • the inertial sensor can be characterized in that the pressure in the first space is not less than atmospheric pressure and not more than 5.1 atmosphere.
  • the gas generating material can be an inertial sensor characterized in that it is a tertiary butoxycarbonyloxy carrier.
  • a method of manufacturing an inertial sensor, which includes a step of bonding a cap and a step of heating the gas generating material, can be considered.
  • a method for manufacturing an inertial sensor can be provided.
  • an inertial sensor in which two acceleration sensors orthogonal to each other are integrated, wherein a movable part of the two acceleration sensors is formed on the same substrate and sealed so as to cover the movable part
  • the inertial sensor is characterized in that the gas generating material is applied only to a portion corresponding to one of the two acceleration sensors of the cap member.
  • the pressure in the first space in which one movable part of the two acceleration sensors is movable is changed to the second space in which the other movable part of the two acceleration sensors is movable. It is possible to obtain an inertial sensor characterized by being higher than the pressure of
  • the inertial sensor can be characterized in that the pressure in the first space is not less than atmospheric pressure and not more than 5.1 atmosphere.
  • the gas generating material can be an inertial sensor characterized in that it is a tertiary butoxycarbonyloxy carrier.
  • an inertial sensor that can make the space in which the inertial sensor such as the acceleration sensor is placed higher than the pressure during the sealing process, and can improve reliability and productivity, and a manufacturing method thereof.
  • the graph showing the relationship between the target pressure of space and the molar amount of gas generating material The graph showing the frequency characteristic of the acceleration sensor placed under the pressure of 400 Pa, and the acceleration sensor placed under the pressure of 2.0 ⁇ 10 5 Pa.
  • FIG. 1 and FIG. 2 show the configuration of a composite inertial sensor composed of an angular velocity sensor and an acceleration sensor using SOI (Silicon On Insulator) -MEMS technology to which the present invention is applied.
  • FIG. 1 is a side sectional view of a composite inertial sensor
  • FIG. 2 is a plan view.
  • a mold metal wiring 306 is formed.
  • the space 311 in which the angular velocity sensor is placed and the space 312 in which the acceleration sensor is placed are separated by a cap member 310, and each is hermetically sealed.
  • a material 313 that generates gas by applying energy is placed inside the space 312 in which the acceleration sensor is placed, and after hermetic sealing, heat energy is applied to the gas generating material 313 to create a space in which the acceleration sensor is placed. Gas is generated inside, and the pressure inside the space where the acceleration sensor is placed rises.
  • the gas generating material described here decomposes itself by applying thermal energy, and a part of the reaction product after the decomposition becomes gas molecules in the intended temperature range of the sensor, and the surrounding pressure is reduced. It has a function to raise.
  • a gas generating material that undergoes a chemical decomposition reaction by applying energy, a phase change of a substance such as a gas-liquid change or a gas-solid change, adsorption of gas molecules on the solid surface, An effect different from the physical reaction such as divergence is obtained. That is, the pressure inside the space can be made higher than the initial pressure, or the pressure can be raised to break the thermal equilibrium state of the gas molecules inside the space.
  • the generated gas molecules are desirably inert gases that do not physically and chemically react with surrounding substances.
  • it is desirable that the pressure inside the space is not less than atmospheric pressure and not more than 5.1 atmosphere.
  • the gas generating material of this embodiment an example using a tertiary butoxycarbonyloxy (tBOC) body carrier, which is a monomer material of a heat-developable resist, will be described.
  • T1 a tertiary butoxycarbonyloxy
  • the tBOC chemical reaction formula is a reaction in which the tBOC carrier is decomposed into a resin, carbon dioxide, and a low molecular weight alkene.
  • the thermal decomposition reaction occurring at T1 is an irreversible decomposition reaction, and when the temperature exceeds T1, the decomposition reaction occurs in almost all constituent molecules.
  • the temperature T1 can be adjusted with the modifying group of the tBOC carrier, but is generally 150 to 300 ° C.
  • a second stage thermal decomposition reaction occurs at temperature T2, as shown in FIG.
  • This is a thermal decomposition reaction of a resin which is a reaction product of a tBOC carrier thermally decomposed at T1
  • the temperature T2 can be adjusted by a modifying group of the tBOC carrier, but is generally 400 ° C. or higher. Therefore, in the combined inertial sensor composed of the angular velocity sensor and the acceleration sensor, the tBOC body holder is installed only in the space where the acceleration sensor is placed as a gas generating material, and T1 or more and T2 or less after hermetic sealing.
  • the energy applied to the gas generating material is thermal energy, and after the manufacturing process that hermetically seals the space where the angular velocity sensor and the acceleration sensor are placed. By heating the entire sensor, the pressure inside the space where the acceleration sensor is placed can be increased.
  • a wafer through-hole 305 is formed on a SOI substrate including a substrate 301, a BOX oxide film 302, and an SOI active layer 303 by a silicon single crystal deep etching technique from both the front and back sides (FIG. 5 (a)), after electrically processing the surface of the processed hole with an insulating film, a metal material is embedded, and a through-substrate metal wiring 306 is formed to extract an electrical signal from the back surface of the chip (FIG. 5 ( b)).
  • a photoresist 307 is applied to the SOI active layer 303, the inertial structure of the sensor is transferred by a photolithography technique, and a structure is formed in the SOI active layer 303 by a silicon single crystal deep etching technique (FIG. 5C).
  • the applied photoresist 307 is removed by ashing (FIG. 6A), and the BOX oxide film 302 under the structure is removed by etching to form a substrate 301 on which the angular velocity sensor 308 and the movable structure of the acceleration sensor 309 are formed. Is obtained (FIG. 6B).
  • the cap member 310 formed of glass, single crystal silicon, or resin, a space where the angular velocity sensor is placed and a space where the acceleration sensor is placed are formed using a chemical or physical etching method. .
  • the gas generating material 313 is attached to the place corresponding to the space where the acceleration sensor of the cap member 310 is placed using the dropping method or the spin coating method (FIG. 6C). .
  • the adhesion amount of the gas generating material 313 is determined as follows. If the area occupied by the acceleration sensor on the chip is 1.0 mm ⁇ 1.0 mm, the space depth of the cap member 310 is 100 ⁇ m, and the thickness of the BOX oxide film 302 forming the space under the sensor is 2.0 ⁇ m, the acceleration sensor The volume V of the space in which is placed is approximately 1.0 ⁇ 10 ⁇ 10 m 3 . Since the pressure in the space in which the angular velocity sensor is placed is sealed to 400 Pa at a temperature of 300 K (near room temperature), the initial pressure P 0 in the space in which the acceleration sensor is placed is also adjusted before heating and pressure adjustment of the gas generating material.
  • the target pressure in the space where the acceleration sensor created in this embodiment is placed and P 1 the target pressure in the space where the acceleration sensor created in this embodiment is placed and P 1, the molar amount ⁇ n of tBOC-bearing body needed to achieve the target pressure P 1, there is relationship expressed by the graph shown in FIG. 8, target pressure P 1 by changing ⁇ n is freely It can be set.
  • the gas generating material is obtained as follows. Using butyl acetate having a specific gravity of 0.88 as a solvent, a solution of a tBOC body carrier having a molarity of 1% is prepared.
  • a butyl acetate is used as a solvent and a solution of a tBOC body carrier is applied to the cap member by a dropping method or a spin coating method, and prebaking is performed at a boiling point (126 ° C.) or higher of butyl acetate, a film film The tBOC body holder in a state can be stably attached to the cap member.
  • the substrate 301 on which the movable structure of the angular velocity sensor 308 and the acceleration sensor 309 is formed, and the cap member 310 in which the gas generating material adheres to the space where the acceleration sensor is placed are connected to the angular velocity sensor. Bonding is performed at a pressure of 400 Pa or less at which sufficient detection accuracy is obtained. Both the space in which the angular acceleration sensor is placed and the space in which the acceleration sensor is placed are hermetically sealed so that gas molecules are exchanged through the outside of the sensor chip so that no pressure change occurs.
  • a bonding method a method using an adhesive is used when the cap member is a resin, and an anodic bonding method is used when the cap member is single crystal silicon or glass.
  • sealing is performed at a pressure lower than the target pressure.
  • the pressure in the space 311 where the angular velocity sensor is placed and the pressure in the space 312 where the acceleration sensor is placed are the same (FIG. 7A).
  • a pad 316 for wire bonding is formed for connection to the through-substrate metal wiring 306 in order to take out an electrical signal from the back surface of the chip (FIG. 7B).
  • the heating temperature at this time may be equal to or higher than the temperature at which the gas generating material 313 exhibits the first stage thermal decomposition reaction and not more than the temperature at which the second stage thermal decomposition reaction is exhibited.
  • the gas generating material is a tBOC body carrier that is a monomer material of a heat-developable resist
  • the first stage thermal decomposition reaction temperature T1 is about 150 ° C. to 250 ° C.
  • the second stage Since the thermal decomposition reaction temperature T2 is approximately 400 ° C. or higher
  • the temperature for heating the entire sensor may be set to 150 ° C. to 400 ° C.
  • the space 312 in which the acceleration sensor in which the gas generating material is placed is placed at a higher pressure than the space 311 in which the angular velocity sensor is placed. It can be hermetically sealed.
  • the composite inertial sensor can be sealed with a structure that does not have a vent hole for injecting the damping agent, so that it is not susceptible to vibration noise that ensures long-term stability of mechanical strength and sensor performance. A sensor or a composite inertial sensor can be obtained.
  • the insensitivity to vibration noise between the acceleration sensor placed under a pressure of 400 Pa and the acceleration sensor placed at 2.0 ⁇ 10 5 Pa (2 atm) is specifically calculated as follows. it can.
  • the air viscous resistance effect in the MEMS device can be approximately formulated by extending the Navier-Stokes equation, which is a classic analysis method of continuous fluid, and the continuous equation.
  • the protrusion structure of the comb-shaped detection electrode attached to the sensor inertial body is the main cause of receiving the air viscous resistance effect
  • l is the length of the protrusion structure
  • w is the width of the protrusion structure
  • g is the distance (gap) between the protrusion structures
  • ⁇ eff is the effective value of the viscosity of the surrounding gas
  • ⁇ is the viscosity constant of the surrounding gas
  • K n is Knudsen number
  • ⁇ is the mean free path of the surrounding gas
  • L is the typical length of the flow field and corresponds to the distance between the protrusion structures
  • k B is the Boltzmann constant
  • T is the absolute temperature
  • d gas is the ambient gas
  • P is the pressure of the surrounding gas.
  • the value of the air viscous resistance coefficient C is 102 times that of the equation (4).
  • the acceleration sensor placed at 400 Pa is larger than the one placed at 2.0 ⁇ 10 5 Pa (2 atm).
  • the acceleration sensor placed at 2.0 ⁇ 10 5 Pa (2 atm) is a mechanical filter having a cutoff frequency fc of 303 Hz. Therefore, compared to an acceleration sensor placed at 400 Pa with a mechanical cut-off frequency fc of 3832 Hz, the filtering characteristics are less affected by high-frequency vibration noise. Although it is possible to eliminate the signal in the frequency band higher than the frequency to be measured by electrical signal processing, if the sensor inertial body moves beyond the allowable range for mechanical operation, the sensor may output erroneously. In principle, it is desirable that the sensor inertial body is not easily affected by vibration noise.
  • the space where the acceleration sensor is placed is set to 2.0 ⁇ 10 5 Pa (2 atm).
  • the temperature range where the inertial sensor is used (-30 to 80 ° C for normal use, in the case of in-vehicle use)
  • the internal pressure of the space can be adjusted within the range where the generated carbon dioxide does not liquefy at -40 to 125 ° C.
  • the upper limit of the pressure after adjustment is about 5.2 ⁇ 10 5 Pa (5.1 atm) with the triple point ( ⁇ 56.6 ° C., 5.2 ⁇ 10 5 Pa) in the phase diagram of carbon dioxide as a guide. desirable.
  • the configuration is a composite inertial sensor composed of an angular velocity sensor and an acceleration sensor, and includes a space in which the acceleration sensor is placed, the outside of the sensor, and a ventilation hole that balances pressure through gas.
  • this is a composite inertial sensor composed of an angular velocity sensor and an acceleration sensor, which has a space where the angular velocity sensor is placed, the outside of the sensor, and a vent hole that balances the pressure through gas. Even if the invention is applied and a gas generating material is installed in a sealed space where the acceleration sensor is placed, there is an effect of obtaining an inertial sensor that is not easily affected by vibration noise.
  • Example 2 In Example 2, two acceleration sensors are formed on the same chip, and each is sealed in a space having a pressure different from 5000 Pa and 3.0 ⁇ 10 5 Pa, and is affected by vibration noise step by step. A manufacturing method, configuration, and effect for obtaining a difficult acceleration sensor will be described.
  • FIG. 10 and FIG. 11 show the configuration of a composite inertial sensor composed of two acceleration sensors using SOI-MEMS technology to which the present invention is applied.
  • FIG. 10 is a side sectional view of the composite inertia sensor
  • FIG. 11 is a plan view thereof.
  • An x-axis acceleration sensor 506 is formed on an SOI substrate including a handling substrate 500, a BOX oxide film layer 502, and an SOI layer 504.
  • acceleration sensors having the same structure are arranged at an angle of 90 degrees on the substrate.
  • an acceleration sensor 11 as a detection axis (hereinafter referred to as an x-axis acceleration sensor) is placed, and an acceleration sensor having a detection axis in the y-axis direction in FIG.
  • the space 511 in which the y-axis acceleration sensor is placed is separated by a cap member 508 and each is hermetically sealed.
  • the gas generating material 512 is placed in the space 511 in which the y-axis acceleration sensor is placed, and after hermetic sealing, heat energy is applied to the gas generating material 512 to generate gas in the space 511.
  • the pressure inside the space where the y-axis acceleration sensor is placed is increased.
  • the gas generating material described here decomposes itself by applying thermal energy, and a part of the reaction product after the decomposition becomes gas molecules in the intended temperature range of the sensor, and the surrounding pressure is reduced. It has a function to raise.
  • a gas generating material that undergoes a chemical decomposition reaction by applying energy, a phase change of a substance such as a gas-liquid change or a gas-solid change, adsorption of gas molecules on the solid surface, An effect different from the physical reaction such as divergence is obtained. That is, the pressure inside the space can be made higher than the initial pressure, or the pressure can be raised to break the thermal equilibrium state of the gas molecules inside the space.
  • the generated gas molecules are desirably inert gases that do not physically and chemically react with surrounding substances.
  • the gas generating material of this embodiment an example using a tertiary butoxycarbonyloxy (tBOC) body carrier, which is a monomer material of a heat-developable resist, will be described.
  • T1 tertiary butoxycarbonyloxy
  • the reaction formula is a reaction in which the tBOC carrier is decomposed into a resin, carbon dioxide, and a low molecular weight alkene.
  • the thermal decomposition reaction occurring at T1 is an irreversible decomposition reaction, and when the temperature exceeds T1, the decomposition reaction occurs in almost all constituent molecules.
  • the temperature T1 can be adjusted with the modifying group of the tBOC carrier, but is generally 150 to 300 ° C.
  • a second stage thermal decomposition reaction occurs at temperature T2, as shown in FIG.
  • This is a thermal decomposition reaction of a resin which is a reaction product of a tBOC carrier thermally decomposed at T1
  • the temperature T2 can be adjusted by a modifying group of the tBOC carrier, but is generally 400 ° C. or higher. Therefore, in the combined inertial sensor composed of the angular velocity sensor and the acceleration sensor, the tBOC body holder is installed only in the space where the acceleration sensor is placed as a gas generating material, and T1 or more and T2 or less after hermetic sealing.
  • a photoresist 516 is applied to the SOI active layer 504 on the SOI substrate composed of the substrate 500, the BOX oxide film 502 and the SOI active layer 504, and the inertial structure of the sensor is transferred by photolithography technology.
  • FIG. 12A a photoresist 516 is applied to the SOI active layer 504 on the SOI substrate composed of the substrate 500, the BOX oxide film 502 and the SOI active layer 504, and the inertial structure of the sensor is transferred by photolithography technology.
  • FIG. 12A Next, an inertial structure of the sensor is formed on the SOI substrate including the substrate 500, the BOX oxide film 502, and the SOI active layer 504 by a silicon single crystal deep etching technique.
  • the BOX oxide film 502 is removed by etching to obtain a substrate 500 on which an x-axis acceleration sensor 506 and a y-axis acceleration sensor 507, which are movable structures of two acceleration sensors, are formed (FIG. 12C).
  • a space for placing two acceleration sensors is formed using a chemical or physical etching method.
  • the gas generating material 512 is attached to a place corresponding to the space in which the acceleration sensor is placed in the cap member 508 by using a dropping method or a spin coating method (FIG. 13A). .
  • the adhesion amount of the gas generating material 512 is determined as follows.
  • the area occupied by each acceleration sensor on the chip is 1.0 mm ⁇ 1.0 mm
  • the space depth of the cap member 512 is 100 ⁇ m
  • the thickness of the BOX oxide film 502 forming the space below the sensor is 2.0 ⁇ m
  • the volume V of the space where each acceleration sensor is placed is approximately 1.0 ⁇ 10 ⁇ 10 m 3 . Since the pressure in the space in which the x-axis acceleration sensor is placed is sealed to 5000 Pa at a temperature of 300 K (around room temperature), the initial pressure P 0 in the space in which the y-axis acceleration sensor is placed is also adjusted by heating the gas generating material.
  • the pressure P1 in the space where the y-axis acceleration sensor is placed is preferably not less than atmospheric pressure and not more than 5.1 atmosphere.
  • the gas generating material is obtained as follows. Using butyl acetate having a specific gravity of 0.88 as a solvent, a solution of a tBOC body carrier having a molarity of 1% is prepared.
  • a butyl acetate is used as a solvent and a solution of a tBOC body carrier is applied to the cap member by a dropping method or a spin coating method, and prebaking is performed at a boiling point (126 ° C.) or higher of butyl acetate, a film film The tBOC body holder in a state can be stably attached to the cap member.
  • the space in which the x-axis acceleration sensor is placed and the space in which the y-axis acceleration sensor are placed are hermetically sealed so that gas molecules are exchanged through the outside of the sensor chip so that no pressure change occurs.
  • a method using an adhesive is used when the cap member is a resin, and an anodic bonding method is used when the cap member is single crystal silicon or glass.
  • sealing is performed at a pressure lower than the target pressure. Immediately after bonding and sealing, the pressure in the space 510 where the x-axis acceleration sensor is placed and the pressure in the space 511 where the y-axis acceleration sensor is placed are the same (FIG. 13B).
  • the heating temperature at this time may be equal to or higher than the temperature at which the gas generating material 512 exhibits the first stage thermal decomposition reaction and not higher than the temperature at which the second stage thermal decomposition reaction is exhibited.
  • the gas generating material is a tBOC body carrier that is a monomer material of a heat-developable resist
  • the first stage thermal decomposition reaction temperature T1 is about 150 ° C. to 250 ° C.
  • the second stage Since the thermal decomposition reaction temperature T2 is approximately 400 ° C. or higher
  • the temperature for heating the entire sensor may be set to 150 ° C. to 400 ° C.
  • the space 511 in which the y-axis acceleration sensor in which the gas generating material is placed is placed, compared with the space 510 in which the x-axis acceleration sensor is placed.
  • the composite inertial sensor can be sealed with a structure that does not have a vent hole for injecting the damping agent, so that it is not susceptible to vibration noise that ensures long-term stability of mechanical strength and sensor performance.
  • a sensor or a composite inertial sensor can be obtained.
  • Example 1 The difficulty of being affected by vibration noise of the x-axis acceleration sensor placed under a pressure of 5000 Pa and the y-axis acceleration sensor placed at 3.0 ⁇ 10 5 Pa (3 atm) is described in Example 1. Using the method shown, it can be calculated as follows.
  • the x-axis acceleration sensor placed under a pressure of 5000 Pa The frequency characteristics of the y-axis acceleration sensor placed at 3.0 ⁇ 10 5 Pa (3 atm) can be expressed as shown in FIG. 14, and the cutoff frequency fc and the Q value are as shown in Table 2.
  • the y-axis acceleration sensor placed at 3.0 ⁇ 10 5 Pa (3 atm) is a mechanical filter having a cutoff frequency fc of 404 Hz. Therefore, the filtering characteristic is less affected by high-frequency vibration noise than the x-axis acceleration sensor having a mechanical cutoff frequency fc of 1076 Hz and 5000 Pa.
  • the sensor inertial body moves beyond the allowable range for mechanical operation, the sensor may output erroneously. In principle, it is desirable that the sensor inertial body is not easily affected by vibration noise.
  • the x-axis acceleration sensor measures the inclination (the frequency band is narrow and DC measurement is acceptable), and the y-axis acceleration sensor detects motion (
  • the pressure that is, increasing the pressure in the x-axis acceleration sensor to meet the measurement requirements, the sensor with high accuracy can be used. can do.
  • the present invention can be widely used for inertial sensors including angular velocity sensors and acceleration sensors.

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Abstract

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、信頼性を向上できる慣性センサを提供する。その手段として基板と、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達成できる。

Description

慣性センサおよびその製造方法
　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、２．０×１０５Ｐａ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、３．０×１０５Ｐａ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２×１０５Ｐａ（＝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１．０×１０－１０ｍ３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Ｐ０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ｎ０は、気体定数Ｒ（＝８．３１×１０３Ｐａ・ｍ／Ｋ／ｍｏｌ）を用い、理想気体の状態方程式により、
 
　ｎ０＝Ｐ０Ｖ／（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Ｐ１が２．０×１０５Ｐａ（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、
 
　ｎ０／Ｐ０＝（ｎ０＋Δｎ）／Ｐ１―――（２）
 
　Δｎ＝（Ｐ１／Ｐ０－１）ｎ０＝（Ｐ１／Ｐ０－１）（Ｐ０Ｖ／（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Ｐ０をそれぞれ４００Ｐａ、１．０×１０４Ｐａ、１．０×１０５Ｐａ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Ｐ１と、目的圧力Ｐ１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Ｐ１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Ｐ１を２．０×１０５Ｐａ（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、２．０×１０５Ｐａ（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＝９６ηｅｆｆＬＷ３／（π４ｇ３）―――（４）
 
　ηｅｆｆ＝η／（１＋９．６３８Ｋｎ １．１５９）―――（５）
 
　Ｋｎ＝λ／Ｌｃ＝ｋＢＴ／（（√２）πｄ２ ｇａｓＰＬｃ）―――（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）、ηｅｆｆは周辺気体の粘性の実効値、ηは周辺気体の粘性定数、Ｋｎ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、ｋＢはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｄｇａｓ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２．０×１０５Ｐａ（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、２．０×１０５Ｐａ（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）
　
　（ｆｃ／ｆ０）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、２．０×１０５Ｐａ（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、２．０×１０５Ｐａ（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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１より、２．０×１０５Ｐａ（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２．０×１０５Ｐａ（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℃、５．２×１０５Ｐａ）を目安とし、調整後の圧力の上限値は５．２×１０５Ｐａ（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、３．０×１０５Ｐａ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１．０×１０－１０ｍ３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Ｐ０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ｎ０は、気体定数Ｒ（＝８．３１×１０３Ｐａ・ｍ／Ｋ／ｍｏｌ）を用い、理想気体の状態方程式により、
 
　ｎ０＝Ｐ０Ｖ／（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Ｐ１が３．０×１０５Ｐａ（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、
 
　ｎ０／Ｐ０＝（ｎ０＋Δｎ）／Ｐ１―――（２）
 
　Δｎ＝（Ｐ１／Ｐ０－１）ｎ０＝（Ｐ１／Ｐ０－1）（Ｐ０Ｖ／（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Ｐ１を３．０×１０５Ｐａ（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、３．０×１０５Ｐａ（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、３．０×１０５Ｐａ（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、３．０×１０５Ｐａ（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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２より、３．０×１０５Ｐａ（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 (14)

  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、
    　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。
  3. 　請求項２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。
  4. 　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。
  5. 　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。
  6. 　請求項５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。
  7. 　請求項６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。
  8. 　請求項５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。
  9. 　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。
  10. 　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。
  11. 　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。
  12. 　請求項１１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。
  13. 　請求項１２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。
  14. 　請求項１１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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