JP2016031259A - センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の項目をセンシング可能な小型のセンサ装置を提供する。【解決手段】 開口部１１を有し、内部に収容空間１２を備えるパッケージ１０と、パッケージ１０の収容空間１２に収容されたセンサ素子２０と、収容空間１２に臨む部分に可撓性を有する薄層部３１と、薄層部３１の変形に応じた信号を検出する検出部３２と、を備え、開口部１１を塞ぐように配置され、収容空間１２を封止する蓋部３０と、を含むものである。【選択図】 図１

Description

本発明は、２つのセンサ機能を備えるセンサ装置に関する。

従来、圧力や加速度等の応力を検出するセンサが知られている（特許文献１参照）。この文献には、ベース板とカバー板との間に接合一体化されて、互いに直角なＸ，Ｙ，Ｚの３方向の加速度を同時に検出する３軸加速度センサが形成された発明が記載されている。

上記従来の応力センサでは、加速度などの１種類の応力しか検知できなかった。このため、加速度や圧力といった複数の応力の検知が要求される、例えば携帯電話やデジタルカメラをはじめとした携帯情報機器などの多機能化された機器に使用する場合には、加速度を検知する加速度センサ部と圧力を検知する圧力センサ部とを半導体の基台に対して横方向に並べて配置して応力センサを形成する必要があった（特許文献２参照）。

特開平７−２７３３５３号公報 特開２００７−１７１０４２号公報

しかしながら、横方向に並べて配置する場合には、他の半導体部品との集積化に限界が生じ、携帯電話等の小型機器への対応が困難であった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、小型な構成であって複数の項目をセンシング可能なセンサ装置を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係るセンサは、開口部を有し、内部に収容空間を備えるパッケージと、前記パッケージの前記収容空間に収容されたセンサ素子と、前記収容空間に臨む部分に可撓性を有する薄層部と、前記薄層部の変形に応じた信号を検出する検出部と、を備え、前記開口部を塞ぐように配置され、前記収容空間を封止する蓋部と、を含むものである。

本発明のセンサ装置によれば、小型な構成で複数項目のセンシングを可能とすることができる。

本発明のセンサ装置の実施形態の一例を示す断面図である。 蓋部３０の平面図である。 （ａ），（ｂ）はそれぞれ、センサ素子の構成を示す平面図および断面図である。

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

（実施形態）
図１に示すセンサ装置１は、パッケージ１０とセンサ素子２０と蓋部３０とを備える。パッケージ１０は、内部にセンサ素子２０を保持する強度と、センサ素子２０を外部環境から保護する耐食性・気密性を有するものであれば特に限定はされない。例えば、積層セラミックを用いたセラミックパッケージや有機樹脂材料を用いたパッケージとすればよい。この例では、セラミックパッケージを用いる。

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

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

第２幅広部１３２ｂの上面のうち、露出している領域には、電極パッドが多数設けられており、後述する蓋部３０に設けられた検出部３２に接続された電極パッドと電気的に接続される。そして、この第２幅広部１３２ｂの上面に設けられた電極パッドは、第２幅広部１３２ｂの内部配線により枠体部１３２の外周壁面に引き出され、枠体部１３２の外周壁面から基板部１３１の下面まで連続した導電層に接続される。このような内部配線および導電層により、蓋部３０に形成される後述の電極パッドとパッケージ１０の外側に位置する外部電源とを電気的に接続することができ、検出部３２からの情報を外部に取り出すことができる。このように、パッケージ１０は、センサ素子２０、検出部３２と、外部電源や外部回路とを電気的に接続する機能を有する。

このようなパッケージ１０の収容空間１２にセンサ素子２０が収容されている。センサ素子２０は、詳細な構成は後述するが、枠部２１と、枠部２１の内側に配置された錘部２２と、一方端が枠部２１に他方端が錘部２２にそれぞれ接続された可撓性を有する梁部２３と、梁部２３に配置された第２検出部２４とを含む。第２検出部２４は、梁部２３の変形に応じた信号を検出する。このようなセンサ素子２０に加速度や角速度等に起因する力が加わると、錘部２２が変位し、これに伴い、両端が枠部２１と錘部２２に固定された梁部２３が変形し、この変形に応じた信号を第２検出部２４で検出することで、センサとして機能する。

センサ素子２０は、パッケージ１０のうち凹部の基板部１３１で構成される底面に、枠部２１の下面を接合樹脂等接着剤を介して固定している。また、センサ素子２０の枠部２１の上面には、第２検出部２４からの信号を外部に取り出すための電極パッドが形成されている。そして、この電極パッドは、パッケージ１０の第１幅広部１３２ａの上面のうち、第２幅広部１３２ｂから露出する領域に形成された電極パッドと電気的に接続されている。互いの電極パッドを電気的に接続するためには、例えばボンディングワイヤを用いればよい。

このようなセンサ素子２０が収容された収容空間１２を蓋部３０で封止する。蓋部３０
は、収容空間１２を機密封止することができれば特に材料は限定されない。この例では、蓋部３０として、Ｓｉウエハを用いる。蓋部３０は開口部１１を塞ぐように配置され、蓋部３０とパッケージ１０とを接合することにより、収容空間１２を封止することができる。また、収容空間１２の雰囲気は不活性ガス、大気、乾燥空気等用いることができる。収容空間１２の雰囲気の圧力は、大気圧と同程度としてもよいし、真空、減圧状態としてもよいし、加圧状態としてもよい。

蓋部３０は、薄層部３１と検出部３２とを有する。薄層部３１は、その厚みを調整することで可撓性を備えるものとすることができる。例えば５μｍ〜２０μｍ程度の厚みとすればよい。また、蓋部３０全体に占める薄層部３１の面積は、大きすぎると外部環境の気圧が高まったときに強度が保てなくなるため、センサ装置１の設置環境に応じて適宜設計すればよい。例えば、１．５ｍｍ角の蓋部３０に対して、薄層部３１を１００μｍ角程度とすれば、外部環境の圧力が２気圧程度まで上昇しても強度的に問題なく収容空間１２を封止することができる。

薄層部３１は、蓋部３０のその他の部位の上面側と同一平面となっていてもよいし、図１に示すように、下面側（収容空間１２側）と同一平面となっていてもよいし、上面と下面との間である中間部に設けてもよい。

この薄層部３１が収容空間１２を臨む部分に位置している。この例では、薄層部３１は蓋部３０の中央部に位置し、この薄層部３１がセンサ素子２０の直上に間隔をあけて配置されるように、蓋部３０をパッケージ１０の第２幅広部１３２ｂ上に接合している。蓋部３０と第２幅広部１３２ｂとは、基板接合技術を用いて接合してもよいし、接着剤として金属層や樹脂接着剤等を用いて接合してもよい。この例では、蓋部３０の外周部を合わせるように配置された封止部材４０により蓋部３０と第２幅広部１３２ｂとが接合されている。封止部材４０は閉空間を形成するリング状となっている。言い換えると、封止部材４０は、開口部１１を囲うような閉空間を形成しており、封止部材４０に接合された蓋部３０により開口部１１を塞ぐことができる。

この封止部材４０の内側に検出部３２が配置されている。検出部３２は、薄層部３１の変形に応じた信号を検出するものである。このような検出部３２は、例えばピエゾ抵抗等の抵抗素子で構成してもよい。図２に、蓋部３０の収容空間１２に臨む側の平面図を示す。図２に示すように、薄層部３１の中央部に抵抗素子Ｒｐ１，Ｒｐ２が形成され、外周付近に抵抗素子Ｒｐ３，Ｒｐ４が形成されている。この抵抗素子Ｒｐ１〜Ｒｐ４で検出部３２を構成する。このように抵抗素子Ｒｐ１〜Ｒｐ４を設けることにより、例えば、薄層部３１の中央部が下側に窪むように撓む場合には、抵抗素子Ｒｐ１、Ｒｐ２には長手方向に縮む応力が生じ、抵抗素子Ｒｐ３，Ｒｐ４には長手方向に伸びる応力が加わる。これらの応力に応じた電気信号を抵抗素子Ｒｐ１〜Ｒｐ４で検出することで、圧力をセンシングすることが可能となる。例えば、収容空間１２と外部環境との圧力差を検出することで気圧センサとして機能させることができる。

このような検出部３２の抵抗素子Ｒｐ１〜Ｒｐ４は、例えば、Ｓｉ基板の表面にボロンを打ち込むことにより抵抗体膜を形成した後、抵抗体膜をエッチングなどにより所定の形状にパターニングすることにより形成することができる。これによりピエゾ抵抗素子からなる検出部３２を形成することができる。

検出部３２の抵抗素子Ｒｐ１〜Ｒｐ４はそれぞれ電気配線で電極パッドに接続されている。複数の電極パッドは、封止部材４０の内側の一辺側にまとめて配列されている。この電極パッドと第２幅広部１３２ｂに形成された電極パッドとが電気的に接続されることで、検出部３２からの信号を外部に取り出すことができる。

このような構成からなるセンサ装置１によれば、センサ素子２０を気密封止するための構造体の一部に、圧力センサの機能を持たせることができる。すなわち、蓋部３０が、応力センサとしての機能と封止体として機能とを兼ね備えることになります。これにより、１つのセンサ（センサ素子２０）を気密封止するために必要な大きさで２つのセンサを組み込むことができる。これにより、複数項目センシング可能なセンサ装置を小型化することができる。また、２つのめセンサである応力センサを実装するための新たな領域を確保したり、実装するための外部構造を必要としたりすることがない。

また、気密封止が必要なセンサ（センサ素子２０）と外部環境に露出することが必要なセンサとは本来一体化することができないが、本構成を用いることにより一体化することができる。

さらに、蓋部３０の下面側（収容空間１２側）に検出部３２を配置したことにより、検出部３２およびそれに接続される電気配線が収容空間１２内に位置するため、信頼性を高めることができる。

また、検出部３２が配置された蓋部３０の下面側（収容空間１２側）に段差がないことから、検出部３２およびそれに接続される電気配線の形成が容易となり、生産性が高く、かつ断線等の発生を抑制した信頼性の高いセンサ装置１を提供することができる。

また、検出部３２、第２検出部２４ともにパッケージ１０に迂回することなく直接電気的に接続される。このため、電気特性に優れたセンサ装置１を提供することができる。

さらに、応力センサとして機能する蓋部３０の実装面を考慮しなくてもよい。

（センサ素子２０）
図３を用いて、センサ素子２０について詳述する。

図３（ａ）は、本発明の一実施形態に係るセンサ装置１に用いられたセンサ素子２０の平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ線における断面図である。センサ素子２０は、枠部２１と、枠部２１の内側に位置する錘部２２と、枠部２１と錘部２２とを接続する梁部２３と、加速度を検出する第２検出部２４とを有する。第２検出部２４は、加速度を検出する抵抗素子Ｒａを含む。以下、各部位について詳述する。

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

センサ素子２０に加速度が加わると、加速度に応じた力が錘部２２に作用し、錘部２２が動くことで梁部２３が撓むようになっている。そして、梁部２３の撓み量に応じた電気信号を第２検出部２４を構成する抵抗素子Ｒａにより検出し、不図示の電気配線によりその電気信号を取出し演算することにより加速度を検出することができる。

錘部２２は、梁部２３に接続される平面形状および梁部２３と厚み方向に離れて平面における平面形状とが略正方形をなし、互いの中心が重なるように配置されている。なお、図３（ａ）において、下方に位置する部分の平面形状を破線で示している。錘部２２のうち梁部２３に接続される部分の大きさは、略正方形の一辺の長さが例えば０．２５ｍｍ〜０．５ｍｍに設定される。錘部２２のうち梁部２３と厚み方向に間隔をあけて配置される部分の大きさは、略正方形の一辺の長さが例えば０．４ｍｍ〜０．６５ｍｍに設定される
。また、錘部２２の厚みは、例えば０．２ｍｍ〜０．６２５ｍｍに設定される。

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

そして、このような錘部２２を囲繞するように枠状の枠部２１が設けられている。枠部２１は、平面形状が略正方形をなし、中央部に錘部２２より若干大きい略正方形の開口部を有している。枠部２１は、その一辺の長さが例えば１．４ｍｍ〜３．０ｍｍに設定され、枠部２１を構成するアームの幅（アームの長手方向と直交する方向の幅）は例えば０．３ｍｍ〜１．８ｍｍに設定される。また枠部２１の厚みは、例えば０．２ｍｍ〜０．６２５ｍｍに設定される。

このような枠部２１と錘部２２との間には図３に示すように梁部２３が設けられている。梁部２３は、一方端が枠部２１の内周における各辺の上面側中央部に連結され、他方端が錘部２２の各辺の上面側中央部に連結されている。本実施形態におけるセンサ素子２０では、４本の梁部２３が設けられており、４本の梁部２３のうち２本はＸ軸方向に伸びて錘部２２を間に挟んだ状態で同一直線状に配され、他の２本はＹ軸方向に伸びて錘部２２を間に挟んだ状態で同一直線状に配されている。

梁部２３は可撓性を有し、センサ素子２０に加速度が加わると錘部２２が動き、錘部２２の動きに伴って梁部２３が撓むようになっている。梁部２３は、例えば長手方向の長さが０．３ｍｍ〜０．８ｍｍに設定され、幅（長手方向と直交する方向の長さ）が０．０４ｍｍ〜０．２ｍｍに設定され、厚みが５μｍ〜２０μｍに設定されている。このように梁部２３を細長く且つ薄く形成することによって可撓性が発現される。このような枠部２１，錘部２２，梁部２３は、例えばＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を加工することにより一体的に形成されている。

梁部２３の上面には図３に示すように抵抗素子Ｒａｘ１〜Ｒａｘ４，Ｒａｙ１〜Ｒａｙ４，Ｒａｚ１〜Ｒａｚ４が形成されている（以下、これらの抵抗素子をまとめて称するときは適宜、符号Ｒａで表す）。これらにより第２検出部２４が構成される。抵抗素子Ｒａｘ１〜Ｒａｘ４，Ｒａｙ１〜Ｒａｙ４，Ｒａｚ１〜Ｒａｚ４は、３軸方向（図３に示した３次元直交座標系におけるＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向）の加速度を検出できるように梁部２３の所定の位置に形成された上、ブリッジ回路を構成するように結線されている。

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

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

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

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

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

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

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

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

また、蓋部３０はＳＯＩ基板で構成してもよい。この場合には、薄層部３１とする領域のベース基板を除去することで、絶縁層とデバイス層とで薄層部３１を構成することができる。さらに、デバイス層のみで薄層部３１を構成することもできる。

絶縁層とデバイス層とで薄層部３１を構成する場合には、ＳＯＩ基板のハンドル層を除去したときに、圧縮応力のかかっていた絶縁層の応力が解放されて伸び、薄層部３１全体がハンドル層が存在していた側に凸となるように変形する。このような薄層部３１を有する蓋部３０をパッケージ１０に接合すると、薄層部３１は外部環境側に膨らむように変形することとなる。ここで外部環境側の圧力が収容空間１２側の圧力に比べて大きくなると、薄層部３１は収容空間１２側に変形する。すなわち、外部環境側の圧力（気圧）が高くなる環境下においては、薄層部３１の変形量を小さくすることができ、薄層部３１の信頼性を高めることができる。

一方で、デバイス層のみで薄層部３１を構成する場合には、変形が容易となり外部環境の圧力の変化に対する変形量を大きくすることができるので、高感度のセンサ装置１を実現することができる。

また、上述の例では封止部材４０として材料は特に限定されていないが、電極材料を用いれば、加熱溶融させるのみでパッケージ１０と蓋部３０とを接合することができるので、生産性の高いものとなる。

また、封止部材４０として樹脂材料等の導電性を有さない材料を用いた場合には、検出部３２と外部回路との電気的接続を実現する電気配線の引き回しが容易となる。すなわち、第２幅広部１３２ｂの上面にパターン形成することにより実現可能となり、内部配線を設計する必要がなくなる。

さらに、封止部材４０は、パッケージ１０と蓋部３０との熱膨張係数の違いにより生じる歪を緩和するものとしてもよい。この場合には、封止部材４０を構成する材料の熱膨張
係数を、パッケージ１０を構成する材料の熱膨張係数と蓋部３０を構成する材料の熱膨張係数との間の値をとる材料とすればよい。

また、上述の例では、収容空間１２の雰囲気の圧力について限定していないが、収容空間１２の雰囲気の圧力は大気圧よりも高くしておいてもよいが、温度変化による影響を小さくするために低くすることが好ましく、より好ましくは真空とするとよい。このように温度変化による影響を抑制した空間に検出部３２，第２検出部２４を配置することにより、高精度のセンサ装置１を提供することができる。

１ センサ装置
１０ パッケージ
１１ 開口部
１２ 収容空間
２０ センサ素子
２１ 枠部
２２ 錘部
２３ 梁部
２４ 第２検出部
３０ 蓋部
３１ 薄層部
３２ 検出部
４０ 封止部材

Claims (5)

1. 開口部を有し、内部に収容空間を備えるパッケージと、
   前記パッケージの前記収容空間に収容されたセンサ素子と、
   前記収容空間に臨む部分に可撓性を有する薄層部と、前記薄層部の変形に応じた信号を検出する検出部と、を備え、前記開口部を塞ぐように配置され、前記収容空間を封止する蓋部と、を含むセンサ装置。
2. 前記検出部は、前記蓋部の前記収容空間側に配置されている、請求項１に記載のセンサ装置。
3. 前記蓋部と前記パッケージとを接続する、前記開口部を囲む閉空間を形成する封止部材を含む請求項１または２に記載のセンサ装置。
4. 前記収容空間は大気圧と比較して減圧されている、請求項１乃至３のいずれかに記載のセンサ装置。
5. 前記センサ素子は、枠部と、錘部と、両端が前記枠部と前記錘部とにそれぞれ接続された可撓性を有する梁部と、前記梁部に配置された前記梁部の変形に応じた信号を検出する第２検出部と、を備える、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のセンサ装置。