力学量センサ
【課題】検出精度の低下を抑制可能な力学量センサを提供する。
【解決手段】接合部３００において、枠の外形を構成する外形輪郭線が矩形状の角部が除去された多角形状にする。これによれば、接合部が矩形枠状とされている従来の力学量センサに対して、角部が除去された部分では一辺の長さが短くなるために膨張量・収縮量が小さくなる。このため、角部が除去されることによって新たに形成された角部に発生する応力を低減することができ、当該角部からセンサ基板１００に印加される応力を小さくすることができる。したがって、検出精度が低減することを抑制することができる。
【解決手段】接合部３００において、枠の外形を構成する外形輪郭線が矩形状の角部が除去された多角形状にする。これによれば、接合部が矩形枠状とされている従来の力学量センサに対して、角部が除去された部分では一辺の長さが短くなるために膨張量・収縮量が小さくなる。このため、角部が除去されることによって新たに形成された角部に発生する応力を低減することができ、当該角部からセンサ基板１００に印加される応力を小さくすることができる。したがって、検出精度が低減することを抑制することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一面側にセンシング部が形成されたセンサ基板の一面に回路基板を接合してなる力学量センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、一面側に物理量に応じたセンサ信号を出力するセンシング部が形成されたセンサ基板の当該一面に、センシング部を封止する回路基板が接合されてなる力学量センサが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
具体的には、センサ基板は、一面側にセンシング部と、このセンシング部を取り囲む周辺部とを有している。そして、センサ基板と回路基板とは、センシング部を取り囲む矩形枠状の接合部を介して接続されている。これによれば、センシング部はセンサ基板と回路基板との間で構成される封止空間に封止されるため、センシング部に異物が付着することを抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３１１９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記力学量センサでは、次の問題がある。すなわち、接合部は、例えば、導電性部材等により構成されるが、線膨張係数を有するために外部の温度変化に伴って膨張したり収縮したりする。そして、矩形枠状とされているために辺同士が交差する角部に大きな応力が発生する。このとき、センサ基板は、接合部の角部から多大な応力が印加されるため、オフセット値が変動してしまい、検出精度が低下するという問題がある。
【０００６】
本発明は上記点に鑑みて、検出精度の低下を抑制可能な力学量センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を達成するため、本発明者らは鋭意検討を行った。そして、上記のように接合部が矩形枠状とされている従来の力学量センサに対して、外部温度を２５℃から３５０℃に変化させた際のセンサ基板の応力分布を有限要素法によって調べた。その結果、接合部は所定の幅を有するが、センサ基板における接合部と接触する部分のうち、角部の外側部分から最も大きな応力が印加されることを確認した。このため、本発明者らは、膨張量および収縮量は一辺の長さに比例することに基づいて、接合部の外形を構成する外形輪郭線において、矩形状の角部を除去した多角形状とすることにより、除去された部分では一辺の長さが短くなるために角部の応力を低減できると考えた。
【０００８】
このため、請求項１に記載の発明では、接合部（３００）は、枠の外形を構成する外形輪郭線が矩形状の角部が除去された多角形状とされていることを特徴としている。
【０００９】
このような力学量センサでは、接合部が矩形枠状とされている従来の力学量センサと比較して、角部が除去された部分では一辺の長さが短くなるために膨張量および収縮量が小さくなる。すなわち、角部が除去されることによって新たに形成された角部に発生する応力は除去前の角部に発生する応力より小さくなる。したがって、角部からセンサ基板（１００）に印加される応力が小さくなるため、検出精度が低下することを抑制することができる。
【００１０】
例えば、請求項２に記載の発明のように、接合部（３００）は、外形輪郭線が矩形状の全ての角部が除去された八角形状とされ、各角部の角度が等しくされているものとすることができる。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明のように、接合部（３００）は、外形輪郭線が真円とされているものとすることができる。
【００１２】
そして、請求項４に記載の発明のように、接合部（３００）は、枠の内形を構成する内形輪郭線が矩形状の角部が除去された多角形状とされているものとすることができる。このように、内形輪郭線も矩形状の角部が除去された多角形状とすることにより、さらにセンサ基板（１００）に印加される応力を小さくすることができる。
【００１３】
さらに、請求項５に記載の発明のように、接合部（３００）は、八角枠状とされているものとすることができる。
【００１４】
また、請求項６に記載の発明のように、回路基板（２００）は、半導体基板（１３）を用いて構成され、半導体基板（１３）のうちセンサ基板（１００）と対向する一面（２１０ａ）が平坦とされているものとすることができる。
【００１５】
さらに、請求項７に記載の発明のように、センサ基板（１００）は、一面（１３ａ）側にセンシング部（２０）を取り囲む周辺部（１４）を有し、当該周辺部（１４）に、センシング部（２０）を取り囲み、外形輪郭線（１５ａ）が矩形状の角部が除去された多角形状とされているセンサ基板側封止部（１５）を有するものとし、回路基板（２００）は、センサ基板側封止部（１５）と対向する部位に、センサ基板側封止部（１５）と対応する形状の回路基板側封止部（２６０）を有するものとすることができる。そして、接合部（３００）は、センサ基板側封止部（１５）と回路基板側封止部（２６０）とが接合されることによって構成されるものとすることができる。
【００１６】
また、請求項８に記載の発明のように、周辺部（１４）は、センサ基板側封止部（１５）および回路基板側封止部（２６０）を介して回路部（２７０）と電気的に接続されており、所定の電位に維持されているものとすることができる。
【００１７】
そして、請求項９に記載の発明のように、センシング部（２０）を物理量として角速度を検出するものとすることができる。また、請求項１０に記載の発明のように、センシング部（２０）を物理量として加速度を検出するものとすることができる。
【００１８】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態における力学量センサの断面構成を示す図である。
【図２】図１に示すセンサ基板の平面図である。
【図３】従来の力学量センサにおけるセンサ基板と、図１に示す力学量センサにおけるセンサ基板の応力分布を示す図である。
【図４】従来の力学量センサの容量変化を示す図である。
【図５】図１に示す力学量センサの容量変化を示す図である。
【図６】（ａ）は本発明の第２実施形態における力学量センサの断面構成を示す図、（ｂ）は（ａ）に示すセンサ基板の平面図である。
【図７】（ａ）は、加速度を検出するセンサ基板にキャップを接合してなる力学量センサの断面構成を示す図、（ｂ）は（ａ）に示すセンサ基板の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態における力学量センサの断面構成を示す図である。
【００２１】
図１に示されるように、力学量センサは、一面１３ａを有するセンサ基板１００の当該一面１３ａに回路基板２００が接合されて構成されている。まず、本実施形態のセンサ基板１００の構成について説明する。図２は、図１に示すセンサ基板１００の平面図であり、以下では、図２において、紙面左右方向をＸ、紙面上下方向をＹ、紙面垂直方向を角速度Ωの回転軸Ｚとして説明する。 なお、図１中のセンサ基板１００は、図２中のＡ−Ａ断面に相当している。
【００２２】
図１および図２に示されるように、センサ基板１００は、支持基板１０と、支持基板１０上に配置された埋込絶縁膜１１と、埋込絶縁膜１１を挟んで支持基板１０と反対側に配置された半導体層１２と、を有するＳＯＩ構造の半導体基板１３を用いて構成されている。そして、半導体層１２の表面側には、センシング部２０および当該センシング部２０を一周して取り囲む周辺部１４が形成されている。なお、半導体層１２の表面とは半導体層１２のうち埋込絶縁膜１１側と反対側の一面のことであり、言い換えるとセンサ基板１００の一面１３ａのことである。
【００２３】
センシング部２０は、本実施形態では、角速度を検出するものであり、図２に示されるように、紙面左側の検出部２１ａおよび紙面右側の検出部２１ｂの二つの検出部２１ａ、２１ｂで構成されている。これら検出部２１ａ、２１ｂは、左右対称構造で構成されており、各検出部２１ａ、２１ｂの構造は全く同じであるため、ここでは検出部２１ａの構造に関して説明し、検出部２１ｂの構造に関しては省略する。
【００２４】
検出部２１ａは、角速度を検出する主な部位として、アンカー２２ａと、該アンカー２２ａと駆動梁２３ａを介して連結された駆動フレーム２４ａと、該駆動フレーム２４ａと検出梁２５ａを介して連結された検出フレーム２６ａと、該検出フレーム２６ａに設けられた第１検出電極２７ａと、該第１検出電極２７ａと対向する第２検出電極２８ａと、該第２検出電極２８ａの出力信号に基づいて、検出フレーム２６ａのＹ方向への変位を抑制するサーボ電極２９ａと、を有する。
【００２５】
また、検出部２１ａは、駆動フレーム２４ａを駆動する主な部位として、駆動フレーム２４ａに設けられた第１駆動電極３０ａと、該第１駆動電極３０ａと対向する第２駆動電極３１ａと、紙面上側、下側、左側の第２駆動電極３１ａを繋ぐ駆動配線３２ａと、を有する。
【００２６】
さらに、駆動フレーム２４ａの駆動状態（振動状態）を監視する部位として、駆動フレーム２４ａに設けられた第１モニター電極３３ａと、該第１モニター電極３３ａと対向する第２モニター電極３４ａと、該第２モニター電極３４ａのモニター配線３５ａと、を有する。
【００２７】
上記検出部２１ａの構成要素２２ａ〜３５ａは、半導体基板１３の半導体層１２と埋込絶縁膜１１とをパターンエッチングし、トレンチ（溝）によって区画することで形成される。そして、これら構成要素２２ａ〜３５ａのうち、アンカー２２ａ、第２検出電極２８ａ、サーボ電極２９ａ、第２駆動電極３１ａ、駆動配線３２ａ、第２モニター電極３４ａ、およびモニター配線３５ａは、埋込絶縁膜１１を介して支持基板１０に固定されている。すなわち、支持基板１０に固定された検出部２１ａのこれら構成要素は、支持基板１０に対して変位不可能となっている。
【００２８】
これに対して、検出部２１ａの構成要素２２ａ〜３５ａのうち、駆動梁２３ａ、駆動フレーム２４ａ、検出梁２５ａ、検出フレーム２６ａ、第１検出電極２７ａ、第１駆動電極３０ａ、および第１モニター電極３３ａは、半導体層１２の下部に位置する埋込絶縁膜１１が犠牲層エッチングによって除去されて、浮遊状態となっている。すなわち、浮遊状態となっている検出部２１ａのこれら構成要素は、支持基板１０に対してＸ方向およびＹ方向に変位可能となっている。
【００２９】
次に、検出部２１ａの構成要素２２ａ〜３５ａの代表的な部位を説明する。アンカー２２ａは、駆動梁２３ａを介して、駆動フレーム２４ａを支持する機能を果たす。そして、紙面中央に配置されたアンカー２２ａの１つには第１センサパッド４１が設けられており、この第１センサパッド４１にはＤＣ電圧が入力されるようになっている。ＤＣ電圧は、駆動梁２３ａを介して駆動フレーム２４ａに入力されるとともに、駆動梁２３ａ、駆動フレーム２４ａ、および検出梁２５ａを介して検出フレーム２６ａに入力される。これにより、駆動フレーム２４ａおよび検出フレーム２６ａが、ＤＣ電圧と等電位となっている。
【００３０】
駆動フレーム２４ａは、後述する静電気力によって、Ｘ方向へ振動するものである。駆動フレーム２４ａは枠状とされており、その外環部に駆動梁２３ａが連結され、第１駆動電極３０ａと、第１モニター電極３３ａとが設けられている。上記のように、駆動フレーム２４ａはＤＣ電圧と等電位となっているので、駆動フレーム２４ａに設けられた第１駆動電極３０ａ、第１モニター電極３３ａの電位も、ＤＣ電圧と等電位となる。また、駆動フレーム２４ａの内環部には、検出梁２５ａが連結され、該検出梁２５ａを介して検出フレーム２６ａと連結されている。これにより、駆動フレーム２４ａのＸ方向の振動に伴って、検出フレーム２６ａもＸ方向に振動可能となっている。
【００３１】
検出フレーム２６ａは、駆動フレーム２４ａのＸ方向への振動にともなって、Ｘ方向へ振動するものである。検出フレーム２６ａは、駆動フレーム２４ａの内環部によって構成された領域内に配置され、枠状とされている。検出フレーム２６ａの外環部には検出梁２５ａが連結され、その内環部には第１検出電極２７ａが設けられている。上記のように、検出フレーム２６ａはＤＣ電圧と等電位となっているので、検出フレーム２６ａに設けられた第１検出電極２７ａの電位も、ＤＣ電圧と等電位となっている。
【００３２】
第２検出電極２８ａ、およびサーボ電極２９ａは、検出フレーム２６ａの内環部によって構成された領域内に配置され、それぞれ、第１検出電極２７ａと、Ｙ方向にて対向している。第２検出電極２８ａには第２センサパッド４２が設けられており、該第２センサパッド４２から、第１検出電極２７ａと第２検出電極２８ａとによって構成される第１コンデンサの静電容量変化が出力されるようになっている。また、サーボ電極２９ａには第３センサパッド４３が設けられており、該第３センサパッド４３に、検出フレーム２６ａのＹ方向への変位を抑制するサーボ電圧が入力されるようになっている。本実施形態では、第２センサパッド４２の出力信号に基づいて決定されるサーボ電圧を、角速度を決定する物理量として検出している。
【００３３】
第１駆動電極３０ａと第２駆動電極３１ａは、駆動フレーム２４ａを加振するものである。第２駆動電極３１ａが設けられた駆動配線３２ａには、第４センサパッド４４が設けられており、駆動配線３２ａを介して第４センサパッド４４から第２駆動電極３１ａに、極性が一定周期で変動する駆動電圧が入力されるようになっている。上記のように、第１駆動電極３０ａはＤＣ電圧と等電位になっているので、第１駆動電極３０ａと第２駆動電極３１ａとによって構成される第２コンデンサに、ＤＣ電圧と駆動電圧とによって決定される電圧に比例する静電気力が生じる。この静電気力におけるＸ方向に沿う力によって、第１駆動電極３０ａが設けられた駆動フレーム２４ａがＸ方向に変位する。駆動電圧は一定周期で極性が変動するので、第１駆動電極３０ａに作用する静電気力の作用方向もＸ方向にて一定周期で変動する。これにより、第１駆動電極３０ａが設けられた駆動フレーム２４ａがＸ方向にて一定周期で振動する。
【００３４】
第１モニター電極３３ａと第２モニター電極３４ａは、駆動フレーム２４ａの駆動状態（振動状態）を監視するものである。第２モニター電極３４ａが設けられたモニター配線３５ａには、第５センサパッド４５が設けられており、該第５センサパッド４５から、第１モニター電極３３ａと第２モニター電極３４ａとによって構成される第３コンデンサの静電容量変化が出力されるようになっている。上記のように、第１モニター電極３３ａはＤＣ電圧と等電位となっているので、第２モニター電極３４ａには、ＤＣ電圧に依存する電圧が生じることが期待される。本実施形態では、第２モニター電極３４ａの出力信号を監視することで、駆動フレーム２４ａの振動状態を監視している。
【００３５】
なお、上記第１〜第５センサパッド４１〜４５は、例えば、Ａｌ等をスパッタや蒸着すること等によって形成される。
【００３６】
次に、検出部２１ｂと検出部２１ａとの対応関係を説明する。検出部２１ｂの構成要素２２ｂ〜３５ｂと、検出部２１ａの構成要素２２ａ〜３５ａとは、以下の対応関係となっている。アンカー２２ｂはアンカー２２ａに、駆動梁２３ｂは駆動梁２３ａに、駆動フレーム２４ｂは駆動フレーム２４ａに、検出梁２５ｂは検出梁２５ａに、検出フレーム２６ｂは検出フレーム２６ａに、第１検出電極２７ｂは第１検出電極２７ａに、第２検出電極２８ｂは第２検出電極２８ａに、サーボ電極２９ｂはサーボ電極２９ａに対応する。また、第１駆動電極３０ｂは第１駆動電極３０ａに、第２駆動電極３１ｂは第２駆動電極３１ａに、駆動配線３２ｂは駆動配線３２ａに対応する。さらに、第１モニター電極３３ｂは第１モニター電極３３ａに、第２モニター電極３４ｂは第２モニター電極３４ａに、モニター配線３５ｂはモニター配線３５ａに対応する。
【００３７】
なお、図２に示されるように、紙面の中央に配置された駆動配線３２ａと駆動配線３２ｂとは一体となっている。また、紙面の中央に配置されたアンカー２２ｂの１つにも第１センサパッド４１が設けられ、第２検出電極２８ｂにも第２センサパッド４２が設けられ、サーボ電極２９ｂにも第３センサパッド４３が設けられ、駆動配線３２ｂにも第４センサパッド４４が設けられ、モニター配線３５ｂにも第５センサパッド４５が設けられている。以上が本実施形態におけるセンシング部２０の構成である。
【００３８】
周辺部１４は、上記検出部２１ａ、２１ｂを取り囲むように形成されている。そして、周辺部１４上には、センシング部２０を取り囲むように枠状のセンサ基板側封止部１５が形成されている。
【００３９】
センサ基板側封止部１５は、Ａｌ等をスパッタや蒸着すること等によって形成されている。そして、枠の外形を構成する外形輪郭線１５ａが、矩形状の角部が除去された多角形状とされている。また、枠の内形を構成する内形輪郭線１５ｂが、矩形状の角部が除去された多角形状とされており、外形輪郭線１５ａより一回り小さい形状とされている。本実施形態では、センサ基板側封止部１５は、外形輪郭線１５ａおよび内形輪郭線１５ｂが矩形状の全ての角部が除去された八角形状とされており、各角部が１３５℃とされた八角枠状とされている。
【００４０】
なお、矩形状の角部が除去された多角形状とは、各角部の角度がそれぞれ９０°以上となる多角形状のことである。つまり、矩形状の角部が除去された多角形状とは、除去された角部を繋ぐ一辺を追加してできる多角形状のことである。
【００４１】
また、第１〜第５センサパッド４１〜４５およびセンサ基板側封止部１５は、ほぼ同じ高さになるようにされており、それぞれが互いに電気的に絶縁されている。
【００４２】
次に、回路基板２００について説明する。回路基板２００は、図１に示されるように、半導体基板２１０と、第１絶縁膜２２０と、配線層２３０と、第２絶縁膜２４０と、回路パッド２５０と、回路基板側封止部２６０とを備えている。
【００４３】
半導体基板２１０は、矩形板状のシリコン基板等であり、センサ基板１００と対向する一面２１０ａは平坦化されていると共に当該一面２１０ａ側に回路部２７０が形成されている。回路部２７０は、センサ基板１００の出力信号を処理すると共に、センサ基板１００に制御信号を入力する機能も果たす。制御信号とは、上記ＤＣ電圧と、駆動電圧と、サーボ電圧と、後述する一定電圧であり、一定電圧とは周辺部１４の電位を一定に維持するための電圧である。
【００４４】
第１絶縁膜２２０は、図１に示されるように、半導体基板２１０のうちセンサ基板１００と対向する一面２１０ａに形成されており、図１とは別断面において開口部が形成されている。なお、第１絶縁膜２２０としては、例えば、ＳｉＯ２やＳｉ３Ｎ４等が採用される。
【００４５】
配線層２３０は、第１絶縁膜２２０に形成された開口部を埋め込みつつ第１絶縁膜２２０の上に設けられており、回路パッド２５０と回路部２７０、回路基板側封止部２６０と回路部２７０とを接続するようにパターニングされている。このような配線層２３０は、例えば、Ａｌ等をスパッタや蒸着等することによって形成されている。
【００４６】
第２絶縁膜２４０は、配線層２３０を覆うように形成されている。そして、第２絶縁膜２４０のうち、センサ基板１００に形成された第１〜第５センサパッド４１〜４４と対向する部分に開口部２４０ａがそれぞれ形成されていると共に、センサ基板側封止部１５と対向する部分のうち所定箇所に開口部２４０ｂが形成されている。なお、第２絶縁膜２４０としては、例えば、ＳｉＯ２やＳｉ３Ｎ４等が採用される。
【００４７】
回路パッド２５０は、センサ基板１００の第１〜第５センサパッド４１〜４４と対向する部分に形成された開口部２４０ａを埋め込みつつ第２絶縁膜２４０上に設けられており、配線層２３０と電気的に接続されている。また、回路パッド２５０は、第１〜第５センサパッド４１〜４４と対応する形状とされている。
【００４８】
回路基板側封止部２６０は、第２絶縁膜２４０のうちセンサ基板側封止部１５と対向する部位に、センサ基板側封止部１５と対応する形状で備えられている。すなわち、センサ基板側封止部１５は外形輪郭線１５ａおよび内形輪郭線１５ｂが八角形状とされた八角枠状とされているため、回路基板側封止部２６０も外形輪郭線および内形輪郭線が八角形状とされた八角枠状とされている。そして、開口部２４０ｂを介して配線層２３０と電気的に接続されている。
【００４９】
また、これら回路パッド２５０および回路基板側封止部２６０は、ほぼ同じ高さになるようにされており、それぞれが互いに電気的に絶縁されている。このような回路パッド２５０および回路基板側封止部２６０は、配線層２３０と同様に、Ａｌ等をスパッタや蒸着すること等によって形成されている。
【００５０】
半導体基板２１０のうちセンサ基板１００と対向する一面２１０ａと反対側の他面２１０ｂには、図示しないパッド部が形成されており、このパッド部はスルーホール等を介して回路部２７０と電気的に接続されている。これにより、パッド部を介して、回路部２７０と外部回路等との電気的な接続が図られるようになっている。
【００５１】
以上説明したセンサ基板１００と回路基板２００とは、センサ基板側封止部１５と回路基板側封止部２６０とが接合されることによって、センシング部２０がセンサ基板１００と回路基板２００とによって構成される封止空間に密閉された状態となっている。そして、封止空間内において、センサ基板１００の第１〜第５センサパッド４１〜４５と回路基板２００の回路パッド２５０とが接合されている。これによって、センサ基板側封止部１５および第１〜第５センサパッド４１〜４５が回路部２７０と電気的に接続された状態となる。
【００５２】
本実施形態では、第１〜第５センサパッド４１〜４５と回路パッド２５０、センサ基板側封止部１５と回路基板側封止部２６０とは共晶接合されている。特に限定されるものではないが、例えば、次のような共晶接合とすることができる。
【００５３】
すなわち、第１〜第５センサパッド４１〜４５と回路パッド２５０、センサ基板側封止部１５と回路基板側封止部２６０との間に図示しないＧｅ層を挟む。そして、この状態で加熱することにより、第１〜第４センサパッド４１〜４５および回路パッド２５０の一部とＧｅ層とを共晶合金化させると共にセンサ基板側封止部１５および回路基板側封止部２６０の一部とＧｅ層とを共晶合金化させて共晶接合することができる。つまり、第１〜第４センサパッド４１〜４５と回路パッド２５０との間、およびセンサ基板側封止部１５と回路基板側封止部２６０との間にそれぞれ図示しないＡｌ−Ｇｅ共晶合金化層を形成した共晶接合とすることができる。
【００５４】
なお、第１〜第５センサパッド４１〜４５と回路パッド２５０との間、およびセンサ基板側封止部１５と回路基板側封止部２６０との間に配置されたＧｅ層が全て共晶合金化層とならず、Ｇｅ層の一部が残存するような共晶接合であってもよい。
【００５５】
このように、第１〜第５センサパッド４１〜４５と回路パッド２５０、センサ基板側封止部１５と回路基板側封止部２６０とを共晶接合することにより、第１〜第５センサパッド４１〜４５および回路パッド２５０、センサ基板側封止部１５および回路基板側封止部２６０の表面（接合面）に凹凸があったり、第１〜第５センサパッド４１〜４５とセンサ基板側封止部１５との高さが違っていたり、回路パッド２５０と回路基板側封止部２６０との高さが違っていたりしても、共晶合金化層によって凹凸や高さの違いを吸収することができる。このため、センサ基板１００と回路基板２００との接続を確実に行うことができ、センサ基板１００と回路基板２００との接続不良や導通不良が発生することを抑制することができる。
【００５６】
上記のように、本実施形態では、センサ基板側封止部１５、回路基板側封止部２６０、センサ基板側封止部１５と回路基板側封止部２６０との間に形成される図示しない共晶合金化層によってセンサ基板１００と回路基板２００とが接合されている。すなわち、これらセンサ基板側封止部１５、回路基板側封止部２６０、センサ基板側封止部１５と回路基板側封止部２６０との間に形成される図示しない共晶合金化層によって、センサ基板１００と回路基板２００とを接続すると共にセンシング部２０を取り囲む枠状の接合部３００が構成されている。そして、接合部３００は、上記のようにセンサ基板側封止部１５および回路基板側封止部２６０が八角枠状とされているため、八角枠状となる。
【００５７】
なお、本実施形態では、センサ基板側封止部１５と回路基板側封止部２６０とも電気的に接続されており、回路基板側封止部２６０には回路部２７０から一定電圧が入力されるようになっている。つまり、上記力学量センサでは、センサ基板１００の周辺部１４は、一定の電圧に保たれるようになっている。
【００５８】
次に、本実施形態の力学量センサの作動について簡単に説明する。図２に示されるように、検出部２１ａの主な構成要素である駆動フレーム２４ａと、検出部２１ｂの主な構成要素である駆動フレーム２４ｂとは、連結梁２４ｃを介して連結されている。そして、第４センサパッド４４には、駆動フレーム２４ａと駆動フレーム２４ｂとが、Ｘ方向にて逆位相で練成振動するように駆動電圧が印加される。このとき、紙面の中央側に配置された第４センサパッド４４に印加される駆動電圧の極性と、これら第４センサパッド４４を挟む紙面上下に配置された第４センサパッド４４に印加される駆動電圧の極性とを反転することで、駆動フレーム２４ａに作用する静電気力と駆動フレーム２４ｂに作用する静電気力の作用方向とをＸ方向にて逆向きにする。これにより、駆動フレーム２４ａと駆動フレーム２４ｂとをＸ方向にて逆位相で連成振動する。
【００５９】
そして、駆動フレーム２４ａと駆動フレーム２４ｂ（検出フレーム２６ａと検出フレーム２６ｂ）とがＸ方向にて逆位相で振動している状態で、Ｚ方向に角速度が印加されると、検出フレーム２６ａ、２６ｂに、コリオリ力がＹ方向に作用する。検出フレーム２６ａ、２６ｂがコリオリ力によってＹ方向に変位すると、それに伴って、検出フレーム２６ａ、２６ｂに設けられた第１検出電極２７ａ、２７ｂもＹ方向に変位する。これにより、第１検出電極２７ａ（２７ｂ）と第２検出電極２８ａ（２８ｂ）との間の電極間隔が変位し、第１コンデンサの静電容量が変化する。この静電容量変化は、第２検出電極２８ａ（２８ｂ）に設けられた第２センサパッド４２を介して回路基板２００に入力される。そして、回路基板２００では、静電容量変化に基づいて、検出フレーム２６ａ、２６ｂがＹ方向に変位することを抑制するサーボ電圧が算出される。算出されたサーボ電圧は、回路パッド２５０および第３センサパッド４３を介してサーボ電極２９ａ、２９ｂに入力される。
【００６０】
ところで、コリオリ力の作用方向は、振動方向に依存する性質を有している。上記のように、検出フレーム２６ａと検出フレーム２６ｂはＸ方向にて逆位相で練成振動しているので、検出フレーム２６ａに印加されるコリオリ力と、検出フレーム２６ｂに印加されるコリオリ力の作用方向は逆向きとなる。これにより、第１検出電極２７ａと第２検出電極２８ａとによって構成される第１コンデンサの静電容量の増減と、第１検出電極２７ｂと第２検出電極２８ｂとによって構成される第１コンデンサの静電容量の増減とが、逆向きとなる。すなわち、一方の第１コンデンサの静電容量が増大した場合、他方の第２コンデンサの静電容量が減少する。したがって、２つの第１コンデンサの差分を算出することで、角速度に依存する静電容量を検出することができる。この差分の算出は、回路基板２００にて行われる。
【００６１】
以上説明したように、本実施形態の力学量センサでは、接合部３００は、矩形枠状の角部が除去された八角枠状とされている。このため、接合部が矩形枠状とされている従来の力学量センサと比較して、一辺の長さが短くなり、温度変化に伴う膨張量および収縮量が小さくなる。したがって、辺同士が交差する角部に生じる応力を小さくすることができる。このため、接合部３００の角部からセンサ基板１００に印加される応力を低減することができ、検出精度が低下することを抑制可能になる。以下に実際の効果について示す。
【００６２】
図３は、接合部が矩形枠状とされている従来の力学量センサと、本実施形態における力学量センサのセンサ基板１００の応力分布を示す図である。なお、図３は外部温度を２５℃から３５０℃に変化させたときのセンサ基板１００の応力分布について、センサ基板１００の中心から角部に向かって有限要素法によって調べた結果である。
【００６３】
図３に示されるように、本実施形態の力学量センサでは、接合部３００が矩形枠状の各角部を除去した八角枠状とされているため、従来の力学量センサと比較して、角部から印加される応力が低減されていることを確認できる。
【００６４】
また、図３では、接合部３００の内形輪郭線との接触箇所と、接合部３００の外形輪郭線との接触箇所と、の間の領域がセンサ基板１００が接合部３００と接触する領域になるが、センサ基板１００における接合部３００と接触する領域のうち、外形輪郭線と接触する箇所に最も大きな応力が印加されていることを確認できる。すなわち、本実施形態では、外形輪郭線および内形輪郭線が八角形状とされている八角枠状の接合部３００について説明したが、例えば、外形輪郭線が八角形状とされていると共に内形輪郭線が矩形状とされている接合部３００としても、従来の力学量センサと比較して、接合部３００の角部からセンサ基板１００に印加される応力を低減することができる。
【００６５】
また、図４は接合部が矩形枠状である従来の力学量センサの容量変化を示す図であり、（ａ）は外部温度を３５０℃から２５℃に変化させたときの図、（ｂ）は外部温度を２５℃から３５０℃に変化させたときの図である。図５は、本実施形態における力学量センサの容量変化を示す図であり、（ａ）は外部温度を３５０℃から２５℃に変化させたときの図、（ｂ）は外部温度を２５℃から３５０℃に変化させたときの図である。なお、図４および図５は、第１検出電極２７ａ（２７ｂ）と第２検出電極２８ａ（２８ｂ）とによって構成される第１コンデンサの容量変化を示す図である
図４に示されるように、従来の力学量センサでは、外部温度が３５０℃から２５℃に変化すると容量が約０．０２ｆＦ変化し、外部温度が２５℃から３５０℃に変化すると容量が約０．０４ｆＦ変化する。これに対し、図５に示されるように、本実施形態では、外部温度が３５０℃から２５０℃に変化したとき、および２５℃から３５０℃に変化したときでも、容量がほとんど変化しないことを確認できる。
【００６６】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して加速度を検出するセンシング部２０に変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。図６（ａ）は本実施形態における力学量センサの断面構成を示す図、図６（ｂ）は図６（ａ）に示すセンサ基板１００の平面図である。なお、図６（ａ）中のセンサ基板１００は図６（ｂ）のＢ−Ｂ断面に相当している。また、図６（ｂ）では、紙面左右方向をＸ方向として説明する。
【００６７】
図６（ｂ）に示されるように、センシング部２０は、一般的な加速度を検出するものであり、主な部位として、アンカー５０ａ、５０ｂと、梁部５１を介して両端がアンカー５０ａ、５０ｂに一体に連結されると共に所定方向に変位可能な錘部５２と、錘部５２に連結されて当該錘部５２と一体に変位する可動電極５３と、該可動電極５３と対向して配置された固定電極５４ａ、５４ｂと、固定電極５４ａ、５４ｂを支持する固定電極用配線部５５ａ、５５ｂとを有している。
【００６８】
センシング部の構成要素５０ａ〜５５ｂは、半導体基板１３の半導体層１２と埋込絶縁膜１１とをパターンエッチングし、トレンチ（溝）によって区画することで形成される。そして、これら構成要素５０ａ〜５５ａのうち、アンカー５０ａ、５０ｂ、固定電極５４ａ、５４ｂ、固定電極用配線部５５ａ、５５ｂは、埋込絶縁膜１１を介して支持基板１０に固定されている。すなわち、支持基板１０に固定されたこれら構成要素は、支持基板１０に対して変位不可能となっている。
【００６９】
これに対して、検出部の構成要素５０ａ〜５４ａのうち、梁部５１、錘部５２、可動電極５３は、半導体層１２の下部に位置する埋込絶縁膜１１が犠牲層エッチングによって除去されて、浮遊状態となっている。すなわち、浮遊状態となっているこれら構成要素は、支持基板１０に対してＸ方向に変位可能となっている。
【００７０】
梁部５１は、平行な２本の梁がその両端で連結された矩形枠状をなしており、２本の梁の長手方向と直交する方向に変位するバネ機能を有するものである。具体的には、梁部５１は、図６中のＸ方向の成分を含む加速度を受けたときに錘部５２をＸ方向へ変位させると共に、加速度の消失に応じて元の状態に復元させるようになっている。よって、錘部５２は、加速度の印加に応じて、半導体層１２の水平方向にて梁部５１の変位方向すなわち上記Ｘ方向へ変位可能となっている。
【００７１】
錘部５２には、錘部５２に連結されて錘部５２と一体に変位する可動電極５３が備えられている。可動電極５３は、錘部５２の変位方向Ｘと直交する方向に、錘部５２の両側面から互いに反対方向へ延びる梁形状とされており、複数備えられて櫛歯形状とされている。このように、各可動電極５３は、梁部５１および錘部５２と一体的に形成されることにより、梁部５１および錘部５２と共に、基板面水平方向にて梁部５１の変位方向Ｘに変位可能となっている。
【００７２】
また、固定電極用配線部５５ａ、５５ｂは、錘部５２の紙面上側に位置する固定電極用配線部５５ａと、錘部５２の紙面下側に位置する固定電極用配線部５５ｂとを有しており、錘部５２を挟んで二つ備えられている。そして、それぞれ埋込絶縁膜１１を介して支持基板１０に支持されている。この固定電極用配線部５４ａ、５４ｂには、可動電極５３における櫛歯の隙間に噛み合うように櫛歯状に複数本配列された固定電極５４ａ、５５ｂがそれぞれ備えられている。
【００７３】
具体的には、錘部５２の紙面上側では、可動電極５３に対して上記変位方向Ｘに沿って紙面右側に固定電極５４ａが設けられており、一方、錘部５２の紙面下側については、個々の可動電極５３に対して上記変位方向Ｘに沿って紙面左側に固定電極５４ｂが設けられている。
【００７４】
このように、半導体層１２の水平方向において個々の可動電極５３に対して、それぞれ固定電極５４ａ、５４ｂが対向して配置されており、各対向間隔において、可動電極５３の側面（検出面）と固定電極５４ａ、５４ｂの側面（検出面）との間に容量を検出するための検出間隔が形成されている。
【００７５】
また、固定電極５４ａと固定電極５４ｂとは、それぞれ互いに電気的に独立している。そして、各固定電極５４ａ、５４ｂは、可動電極５３に対して略平行に延びる断面矩形の梁状に形成されている。また、固定電極５４ａおよび固定電極５４ｂは、それぞれ、埋込絶縁膜１１を介して支持基板１０に固定されている各固定電極用配線部５５ａ、５５ｂに片持ち状に支持された状態となっている。そして、各固定電極５４ａ、５４ｂは、埋込絶縁膜１１から離間した状態となっている。すなわち、固定電極５４ａおよび固定電極５４ｂは、それぞれの複数本の電極が、電気的に共通した各固定電極用配線部５５ａ、５５ｂにまとめられた形となっている。
【００７６】
また、固定電極用配線部５５ａおよび固定電極用配線部５５ｂ上の所定位置には、それぞれ、固定電極用パッド５６および固定電極用パッド５７が形成されている。さらに、一方のアンカー５０ｂと一体に連結された状態で、可動電極用配線部５８が形成されており、この可動電極用配線部５８上の所定位置には、可動電極用パッド５９が形成されている。上記の各電極用パッド５６、５７、５９は、例えば、Ａｌをスパッタや蒸着することなどにより形成されている。
【００７７】
そして、上記第１実施形態と同様に、センシング部２０の周囲には、周辺部１４が形成されており、周辺部１４には、外形輪郭線および内形輪郭線が八角形状とされた八角枠状のセンサ基板側封止部１５が形成されている。本実施形態では、このセンサ基板側封止部１５は、上記第１実施形態と比較して、各辺の長さの違いが小さい八角枠状とされている。以上が本実施形態におけるセンサ基板１００の構成である。
【００７８】
また、図６（ａ）に示されるように、回路基板２００は、各電極用パッド５６、５７、５９と対向する位置に回路パッド２５０が形成されている。そして、上記第１実施形態と同様に、センサ基板側封止部１５と回路基板側封止部２６０とが接合されており、これによってセンシング部２０がセンサ基板１００と回路基板２００とによって構成される封止空間に密閉された状態となる。そして、封止空間内において、センサ基板１００の各電極用パッド５６、５７、５９と回路基板２００の回路パッド２５０とが電気的に接続されている。
【００７９】
以上説明したように、本実施形態においても接合部３００は外形輪郭線および内形輪郭線が八角形状とされた八角枠状とされているため、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、本実施形態では、接合部３００は、上記第１実施形態と比較して、各辺の長さの違いが小さい八角枠状とされているため、各角部に生じる応力の違いを小さくすることができ、各角部からセンサ基板１００に印加される応力のばらつきを小さくすることができる。したがって、さらに検出精度が低下することを抑制可能になる。
【００８０】
（他の実施形態）
（１）上記各実施形態では、第１〜第５センサパッド４１〜４５と回路パッド２５０、センサ基板側封止部１５と回路基板側封止部２６０との間にＧｅ層を配置して共晶接合する例について説明したが、例えば、次のようにすることもできる。
【００８１】
すなわち、第１〜第５センサパッド４１〜４５を形成せず、回路パッド２５０および回路基板側封止部２６０をＡｕで構成する。そして、回路パッド２５０および回路基板側封止部２６０をセンサ基板１００の半導体層１２と接触させた状態で加熱することにより、回路パッド２５０および回路基板側封止部２６０の一部と半導体層１２の一部とを共晶合金化してＡｕ−Ｓｉ共晶合金化層を形成する共晶接合としてもよい。
【００８２】
また、第１〜第５センサパッド４１〜４５と回路パッド２５０、センサ基板側封止部１５と回路基板側封止部２６０をＡｕで形成し、これらの間にＧｅ層を挟んだ状態で加熱することにより、Ａｕ−Ｇｅ共晶合金化層を形成する共晶接合としてもよい。
【００８３】
さらに、第１〜第５センサパッド４１〜４５と回路パッド２５０、センサ基板側封止部１５と回路基板側封止部２６０をＡｕで形成し、これらの間にＧｅ層の代わりにＳｎ層を配置した状態で加熱することにより、Ａｕ−Ｓｎ共晶合金化層を形成する共晶接合としてもよい。
【００８４】
そして、例えば、第１〜第５センサパッド４１〜４５と回路パッド２５０、センサ基板側封止部１５と回路基板側封止部２６０とを金属接合によって接合することもできる。
【００８５】
さらに、センサ基板側封止部１５および回路基板側封止部２６０を形成せず、周辺部１４にセンシング部２０を取り囲むと共に八角枠状となるように接着剤を配置し、当該接着剤を介してセンサ基板１００と回路基板２００とを接合するようにしてもよい。このように、接合部３００を接着剤とした場合においても、同様の効果を得ることができる。
【００８６】
なお、接合部３００を接着剤とした場合には、接着剤を介して周辺部１４と回路基板２００との電気的な接続が得られないため、例えば、次のようにすることが好ましい。すなわち、周辺部１４のうちセンサ基板側封止部１５より内側に周辺部パッドを配置し、回路基板２００のうち周辺部パッドと対向する部位に回路パッド２５０を形成する。そして、これら周辺部パッドと回路パッド２５０とを電気的に接続して周辺部１４の電位を一定に維持するようにする。
【００８７】
また、上記各実施形態では、接合部３００が八角枠状とされている例について説明したが、接合部３００は、例えば、六角枠状とされていてもよいし、真円枠状とされていてもよい。特に、接合部３００を真円枠状とした場合には、センサ基板１００には接合部３００から均一に応力が印加されることになるため、検出精度の低下をさらに抑制可能となる。
【００８８】
（２）上記各実施形態では、センサ基板１００に回路基板２００を接合するものについて説明した。しかしながら、本発明の特徴点である接合部３００の形状は、例えば、センサ基板１００に、回路部２７０が形成されていないキャップを接続する場合についても適用することが可能である。図７（ａ）は、加速度を検出するセンサ基板１００にキャップを接続してなる力学量センサの断面構成を示す図であり、図７（ｂ）はセンサ基板１００の平面図である。なお、図７（ａ）のセンサ基板１００は、図７（ｂ）中のＣ−Ｃ断面に相当している。
【００８９】
図７に示されるように、センサ基板１００に回路部２７０を形成していないキャップ４００を接続する場合には、センサ基板１００と外部との電気的な接続が図られるように、各電極用パッド５６、５７、５９をセンサ基板側封止部１５の外側に設け、封止空間から露出するようにすればよい。この場合、構成要素５０ａ〜５５ｂを区画するトレンチもセンサ基板側封止部１５よりも外側まで延設される。このため、図７では、トレンチ部分を横断してセンサ基板側封止部１５を配置することができるようにセンサ基板１００を以下の構成としている。
【００９０】
すなわち、センサ基板１００のうちセンサ基板側封止部１５が配置される領域を含む近傍には、トレンチを埋め込まないようにＬＰＣＶＤ法等により第１絶縁層６０が形成されている。そして、第１絶縁層６０のうちセンサ基板側封止部１５の内側に位置する領域の各梁上には開口部６０ａが形成されている。また、第１絶縁層６０上には、開口部６０ａを埋め込む配線層７０が形成されており、センサ基板側封止部１５の内側で開口部６０ａを介して各電極用配線部５５ａ、５５ｂ、５８と電気的に接続されている。
【００９１】
また、第１絶縁層６０上には、配線層７０を覆う第２絶縁層８０が形成されており、この第２絶縁層８０のうちセンサ基板側封止部１５の外側の領域に開口部８０ａが形成されている。そして、配線層７０のうち開口部８０ａから露出している部分が上記電極用パッド５６、５７、５９となる。また、周辺部１４のうちセンサ基板側封止部１５の外側に位置する領域には、第１、第２絶縁層６０、８０を貫通する開口部８０ｂが形成されており、半導体層１２と接触する周辺部パッド９０が形成されている。
【００９２】
このように、各電極用パッド５６、５７、５９および周辺部パッド９０をセンサ基板側封止部１５の外側に形成することにより、センシング部２０をセンサ基板１００と回路基板２００との間に構成される封止空間に封止しつつ、センシング部２０と外部回路との電気的な接続を図ることができる。そして、接合部３００を八角枠状とすることにより、接合部３００の角部からセンサ基板１００に印加される応力を低減することができる。
【００９３】
なお、ここでは、加速度を検出するセンサ基板１００にキャップ４００を接合してなる力学量センサについて説明したが、角速度を検出するセンサ基板１００についても同様である。すなわち、第１〜第５センサパッド４１〜４５をセンサ基板側封止部１５より外側に形成し、センサ基板１００にキャップ４００を接合した際に第１〜第５センサパッド４１〜４５が露出するようにすればよい。
【符号の説明】
【００９４】
１３ 半導体基板
１４ 周辺部
１５ センサ基板側封止部
１５ａ 外形輪郭線
１５ｂ 外形輪郭線
２０ センシング部
２１ａ 検出部
２１ｂ 検出部
１００ センサ基板
２００ 回路基板
２６０ 回路基板側封止部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一面側にセンシング部が形成されたセンサ基板の一面に回路基板を接合してなる力学量センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、一面側に物理量に応じたセンサ信号を出力するセンシング部が形成されたセンサ基板の当該一面に、センシング部を封止する回路基板が接合されてなる力学量センサが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
具体的には、センサ基板は、一面側にセンシング部と、このセンシング部を取り囲む周辺部とを有している。そして、センサ基板と回路基板とは、センシング部を取り囲む矩形枠状の接合部を介して接続されている。これによれば、センシング部はセンサ基板と回路基板との間で構成される封止空間に封止されるため、センシング部に異物が付着することを抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３１１９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記力学量センサでは、次の問題がある。すなわち、接合部は、例えば、導電性部材等により構成されるが、線膨張係数を有するために外部の温度変化に伴って膨張したり収縮したりする。そして、矩形枠状とされているために辺同士が交差する角部に大きな応力が発生する。このとき、センサ基板は、接合部の角部から多大な応力が印加されるため、オフセット値が変動してしまい、検出精度が低下するという問題がある。
【０００６】
本発明は上記点に鑑みて、検出精度の低下を抑制可能な力学量センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を達成するため、本発明者らは鋭意検討を行った。そして、上記のように接合部が矩形枠状とされている従来の力学量センサに対して、外部温度を２５℃から３５０℃に変化させた際のセンサ基板の応力分布を有限要素法によって調べた。その結果、接合部は所定の幅を有するが、センサ基板における接合部と接触する部分のうち、角部の外側部分から最も大きな応力が印加されることを確認した。このため、本発明者らは、膨張量および収縮量は一辺の長さに比例することに基づいて、接合部の外形を構成する外形輪郭線において、矩形状の角部を除去した多角形状とすることにより、除去された部分では一辺の長さが短くなるために角部の応力を低減できると考えた。
【０００８】
このため、請求項１に記載の発明では、接合部（３００）は、枠の外形を構成する外形輪郭線が矩形状の角部が除去された多角形状とされていることを特徴としている。
【０００９】
このような力学量センサでは、接合部が矩形枠状とされている従来の力学量センサと比較して、角部が除去された部分では一辺の長さが短くなるために膨張量および収縮量が小さくなる。すなわち、角部が除去されることによって新たに形成された角部に発生する応力は除去前の角部に発生する応力より小さくなる。したがって、角部からセンサ基板（１００）に印加される応力が小さくなるため、検出精度が低下することを抑制することができる。
【００１０】
例えば、請求項２に記載の発明のように、接合部（３００）は、外形輪郭線が矩形状の全ての角部が除去された八角形状とされ、各角部の角度が等しくされているものとすることができる。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明のように、接合部（３００）は、外形輪郭線が真円とされているものとすることができる。
【００１２】
そして、請求項４に記載の発明のように、接合部（３００）は、枠の内形を構成する内形輪郭線が矩形状の角部が除去された多角形状とされているものとすることができる。このように、内形輪郭線も矩形状の角部が除去された多角形状とすることにより、さらにセンサ基板（１００）に印加される応力を小さくすることができる。
【００１３】
さらに、請求項５に記載の発明のように、接合部（３００）は、八角枠状とされているものとすることができる。
【００１４】
また、請求項６に記載の発明のように、回路基板（２００）は、半導体基板（１３）を用いて構成され、半導体基板（１３）のうちセンサ基板（１００）と対向する一面（２１０ａ）が平坦とされているものとすることができる。
【００１５】
さらに、請求項７に記載の発明のように、センサ基板（１００）は、一面（１３ａ）側にセンシング部（２０）を取り囲む周辺部（１４）を有し、当該周辺部（１４）に、センシング部（２０）を取り囲み、外形輪郭線（１５ａ）が矩形状の角部が除去された多角形状とされているセンサ基板側封止部（１５）を有するものとし、回路基板（２００）は、センサ基板側封止部（１５）と対向する部位に、センサ基板側封止部（１５）と対応する形状の回路基板側封止部（２６０）を有するものとすることができる。そして、接合部（３００）は、センサ基板側封止部（１５）と回路基板側封止部（２６０）とが接合されることによって構成されるものとすることができる。
【００１６】
また、請求項８に記載の発明のように、周辺部（１４）は、センサ基板側封止部（１５）および回路基板側封止部（２６０）を介して回路部（２７０）と電気的に接続されており、所定の電位に維持されているものとすることができる。
【００１７】
そして、請求項９に記載の発明のように、センシング部（２０）を物理量として角速度を検出するものとすることができる。また、請求項１０に記載の発明のように、センシング部（２０）を物理量として加速度を検出するものとすることができる。
【００１８】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態における力学量センサの断面構成を示す図である。
【図２】図１に示すセンサ基板の平面図である。
【図３】従来の力学量センサにおけるセンサ基板と、図１に示す力学量センサにおけるセンサ基板の応力分布を示す図である。
【図４】従来の力学量センサの容量変化を示す図である。
【図５】図１に示す力学量センサの容量変化を示す図である。
【図６】（ａ）は本発明の第２実施形態における力学量センサの断面構成を示す図、（ｂ）は（ａ）に示すセンサ基板の平面図である。
【図７】（ａ）は、加速度を検出するセンサ基板にキャップを接合してなる力学量センサの断面構成を示す図、（ｂ）は（ａ）に示すセンサ基板の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態における力学量センサの断面構成を示す図である。
【００２１】
図１に示されるように、力学量センサは、一面１３ａを有するセンサ基板１００の当該一面１３ａに回路基板２００が接合されて構成されている。まず、本実施形態のセンサ基板１００の構成について説明する。図２は、図１に示すセンサ基板１００の平面図であり、以下では、図２において、紙面左右方向をＸ、紙面上下方向をＹ、紙面垂直方向を角速度Ωの回転軸Ｚとして説明する。 なお、図１中のセンサ基板１００は、図２中のＡ−Ａ断面に相当している。
【００２２】
図１および図２に示されるように、センサ基板１００は、支持基板１０と、支持基板１０上に配置された埋込絶縁膜１１と、埋込絶縁膜１１を挟んで支持基板１０と反対側に配置された半導体層１２と、を有するＳＯＩ構造の半導体基板１３を用いて構成されている。そして、半導体層１２の表面側には、センシング部２０および当該センシング部２０を一周して取り囲む周辺部１４が形成されている。なお、半導体層１２の表面とは半導体層１２のうち埋込絶縁膜１１側と反対側の一面のことであり、言い換えるとセンサ基板１００の一面１３ａのことである。
【００２３】
センシング部２０は、本実施形態では、角速度を検出するものであり、図２に示されるように、紙面左側の検出部２１ａおよび紙面右側の検出部２１ｂの二つの検出部２１ａ、２１ｂで構成されている。これら検出部２１ａ、２１ｂは、左右対称構造で構成されており、各検出部２１ａ、２１ｂの構造は全く同じであるため、ここでは検出部２１ａの構造に関して説明し、検出部２１ｂの構造に関しては省略する。
【００２４】
検出部２１ａは、角速度を検出する主な部位として、アンカー２２ａと、該アンカー２２ａと駆動梁２３ａを介して連結された駆動フレーム２４ａと、該駆動フレーム２４ａと検出梁２５ａを介して連結された検出フレーム２６ａと、該検出フレーム２６ａに設けられた第１検出電極２７ａと、該第１検出電極２７ａと対向する第２検出電極２８ａと、該第２検出電極２８ａの出力信号に基づいて、検出フレーム２６ａのＹ方向への変位を抑制するサーボ電極２９ａと、を有する。
【００２５】
また、検出部２１ａは、駆動フレーム２４ａを駆動する主な部位として、駆動フレーム２４ａに設けられた第１駆動電極３０ａと、該第１駆動電極３０ａと対向する第２駆動電極３１ａと、紙面上側、下側、左側の第２駆動電極３１ａを繋ぐ駆動配線３２ａと、を有する。
【００２６】
さらに、駆動フレーム２４ａの駆動状態（振動状態）を監視する部位として、駆動フレーム２４ａに設けられた第１モニター電極３３ａと、該第１モニター電極３３ａと対向する第２モニター電極３４ａと、該第２モニター電極３４ａのモニター配線３５ａと、を有する。
【００２７】
上記検出部２１ａの構成要素２２ａ〜３５ａは、半導体基板１３の半導体層１２と埋込絶縁膜１１とをパターンエッチングし、トレンチ（溝）によって区画することで形成される。そして、これら構成要素２２ａ〜３５ａのうち、アンカー２２ａ、第２検出電極２８ａ、サーボ電極２９ａ、第２駆動電極３１ａ、駆動配線３２ａ、第２モニター電極３４ａ、およびモニター配線３５ａは、埋込絶縁膜１１を介して支持基板１０に固定されている。すなわち、支持基板１０に固定された検出部２１ａのこれら構成要素は、支持基板１０に対して変位不可能となっている。
【００２８】
これに対して、検出部２１ａの構成要素２２ａ〜３５ａのうち、駆動梁２３ａ、駆動フレーム２４ａ、検出梁２５ａ、検出フレーム２６ａ、第１検出電極２７ａ、第１駆動電極３０ａ、および第１モニター電極３３ａは、半導体層１２の下部に位置する埋込絶縁膜１１が犠牲層エッチングによって除去されて、浮遊状態となっている。すなわち、浮遊状態となっている検出部２１ａのこれら構成要素は、支持基板１０に対してＸ方向およびＹ方向に変位可能となっている。
【００２９】
次に、検出部２１ａの構成要素２２ａ〜３５ａの代表的な部位を説明する。アンカー２２ａは、駆動梁２３ａを介して、駆動フレーム２４ａを支持する機能を果たす。そして、紙面中央に配置されたアンカー２２ａの１つには第１センサパッド４１が設けられており、この第１センサパッド４１にはＤＣ電圧が入力されるようになっている。ＤＣ電圧は、駆動梁２３ａを介して駆動フレーム２４ａに入力されるとともに、駆動梁２３ａ、駆動フレーム２４ａ、および検出梁２５ａを介して検出フレーム２６ａに入力される。これにより、駆動フレーム２４ａおよび検出フレーム２６ａが、ＤＣ電圧と等電位となっている。
【００３０】
駆動フレーム２４ａは、後述する静電気力によって、Ｘ方向へ振動するものである。駆動フレーム２４ａは枠状とされており、その外環部に駆動梁２３ａが連結され、第１駆動電極３０ａと、第１モニター電極３３ａとが設けられている。上記のように、駆動フレーム２４ａはＤＣ電圧と等電位となっているので、駆動フレーム２４ａに設けられた第１駆動電極３０ａ、第１モニター電極３３ａの電位も、ＤＣ電圧と等電位となる。また、駆動フレーム２４ａの内環部には、検出梁２５ａが連結され、該検出梁２５ａを介して検出フレーム２６ａと連結されている。これにより、駆動フレーム２４ａのＸ方向の振動に伴って、検出フレーム２６ａもＸ方向に振動可能となっている。
【００３１】
検出フレーム２６ａは、駆動フレーム２４ａのＸ方向への振動にともなって、Ｘ方向へ振動するものである。検出フレーム２６ａは、駆動フレーム２４ａの内環部によって構成された領域内に配置され、枠状とされている。検出フレーム２６ａの外環部には検出梁２５ａが連結され、その内環部には第１検出電極２７ａが設けられている。上記のように、検出フレーム２６ａはＤＣ電圧と等電位となっているので、検出フレーム２６ａに設けられた第１検出電極２７ａの電位も、ＤＣ電圧と等電位となっている。
【００３２】
第２検出電極２８ａ、およびサーボ電極２９ａは、検出フレーム２６ａの内環部によって構成された領域内に配置され、それぞれ、第１検出電極２７ａと、Ｙ方向にて対向している。第２検出電極２８ａには第２センサパッド４２が設けられており、該第２センサパッド４２から、第１検出電極２７ａと第２検出電極２８ａとによって構成される第１コンデンサの静電容量変化が出力されるようになっている。また、サーボ電極２９ａには第３センサパッド４３が設けられており、該第３センサパッド４３に、検出フレーム２６ａのＹ方向への変位を抑制するサーボ電圧が入力されるようになっている。本実施形態では、第２センサパッド４２の出力信号に基づいて決定されるサーボ電圧を、角速度を決定する物理量として検出している。
【００３３】
第１駆動電極３０ａと第２駆動電極３１ａは、駆動フレーム２４ａを加振するものである。第２駆動電極３１ａが設けられた駆動配線３２ａには、第４センサパッド４４が設けられており、駆動配線３２ａを介して第４センサパッド４４から第２駆動電極３１ａに、極性が一定周期で変動する駆動電圧が入力されるようになっている。上記のように、第１駆動電極３０ａはＤＣ電圧と等電位になっているので、第１駆動電極３０ａと第２駆動電極３１ａとによって構成される第２コンデンサに、ＤＣ電圧と駆動電圧とによって決定される電圧に比例する静電気力が生じる。この静電気力におけるＸ方向に沿う力によって、第１駆動電極３０ａが設けられた駆動フレーム２４ａがＸ方向に変位する。駆動電圧は一定周期で極性が変動するので、第１駆動電極３０ａに作用する静電気力の作用方向もＸ方向にて一定周期で変動する。これにより、第１駆動電極３０ａが設けられた駆動フレーム２４ａがＸ方向にて一定周期で振動する。
【００３４】
第１モニター電極３３ａと第２モニター電極３４ａは、駆動フレーム２４ａの駆動状態（振動状態）を監視するものである。第２モニター電極３４ａが設けられたモニター配線３５ａには、第５センサパッド４５が設けられており、該第５センサパッド４５から、第１モニター電極３３ａと第２モニター電極３４ａとによって構成される第３コンデンサの静電容量変化が出力されるようになっている。上記のように、第１モニター電極３３ａはＤＣ電圧と等電位となっているので、第２モニター電極３４ａには、ＤＣ電圧に依存する電圧が生じることが期待される。本実施形態では、第２モニター電極３４ａの出力信号を監視することで、駆動フレーム２４ａの振動状態を監視している。
【００３５】
なお、上記第１〜第５センサパッド４１〜４５は、例えば、Ａｌ等をスパッタや蒸着すること等によって形成される。
【００３６】
次に、検出部２１ｂと検出部２１ａとの対応関係を説明する。検出部２１ｂの構成要素２２ｂ〜３５ｂと、検出部２１ａの構成要素２２ａ〜３５ａとは、以下の対応関係となっている。アンカー２２ｂはアンカー２２ａに、駆動梁２３ｂは駆動梁２３ａに、駆動フレーム２４ｂは駆動フレーム２４ａに、検出梁２５ｂは検出梁２５ａに、検出フレーム２６ｂは検出フレーム２６ａに、第１検出電極２７ｂは第１検出電極２７ａに、第２検出電極２８ｂは第２検出電極２８ａに、サーボ電極２９ｂはサーボ電極２９ａに対応する。また、第１駆動電極３０ｂは第１駆動電極３０ａに、第２駆動電極３１ｂは第２駆動電極３１ａに、駆動配線３２ｂは駆動配線３２ａに対応する。さらに、第１モニター電極３３ｂは第１モニター電極３３ａに、第２モニター電極３４ｂは第２モニター電極３４ａに、モニター配線３５ｂはモニター配線３５ａに対応する。
【００３７】
なお、図２に示されるように、紙面の中央に配置された駆動配線３２ａと駆動配線３２ｂとは一体となっている。また、紙面の中央に配置されたアンカー２２ｂの１つにも第１センサパッド４１が設けられ、第２検出電極２８ｂにも第２センサパッド４２が設けられ、サーボ電極２９ｂにも第３センサパッド４３が設けられ、駆動配線３２ｂにも第４センサパッド４４が設けられ、モニター配線３５ｂにも第５センサパッド４５が設けられている。以上が本実施形態におけるセンシング部２０の構成である。
【００３８】
周辺部１４は、上記検出部２１ａ、２１ｂを取り囲むように形成されている。そして、周辺部１４上には、センシング部２０を取り囲むように枠状のセンサ基板側封止部１５が形成されている。
【００３９】
センサ基板側封止部１５は、Ａｌ等をスパッタや蒸着すること等によって形成されている。そして、枠の外形を構成する外形輪郭線１５ａが、矩形状の角部が除去された多角形状とされている。また、枠の内形を構成する内形輪郭線１５ｂが、矩形状の角部が除去された多角形状とされており、外形輪郭線１５ａより一回り小さい形状とされている。本実施形態では、センサ基板側封止部１５は、外形輪郭線１５ａおよび内形輪郭線１５ｂが矩形状の全ての角部が除去された八角形状とされており、各角部が１３５℃とされた八角枠状とされている。
【００４０】
なお、矩形状の角部が除去された多角形状とは、各角部の角度がそれぞれ９０°以上となる多角形状のことである。つまり、矩形状の角部が除去された多角形状とは、除去された角部を繋ぐ一辺を追加してできる多角形状のことである。
【００４１】
また、第１〜第５センサパッド４１〜４５およびセンサ基板側封止部１５は、ほぼ同じ高さになるようにされており、それぞれが互いに電気的に絶縁されている。
【００４２】
次に、回路基板２００について説明する。回路基板２００は、図１に示されるように、半導体基板２１０と、第１絶縁膜２２０と、配線層２３０と、第２絶縁膜２４０と、回路パッド２５０と、回路基板側封止部２６０とを備えている。
【００４３】
半導体基板２１０は、矩形板状のシリコン基板等であり、センサ基板１００と対向する一面２１０ａは平坦化されていると共に当該一面２１０ａ側に回路部２７０が形成されている。回路部２７０は、センサ基板１００の出力信号を処理すると共に、センサ基板１００に制御信号を入力する機能も果たす。制御信号とは、上記ＤＣ電圧と、駆動電圧と、サーボ電圧と、後述する一定電圧であり、一定電圧とは周辺部１４の電位を一定に維持するための電圧である。
【００４４】
第１絶縁膜２２０は、図１に示されるように、半導体基板２１０のうちセンサ基板１００と対向する一面２１０ａに形成されており、図１とは別断面において開口部が形成されている。なお、第１絶縁膜２２０としては、例えば、ＳｉＯ２やＳｉ３Ｎ４等が採用される。
【００４５】
配線層２３０は、第１絶縁膜２２０に形成された開口部を埋め込みつつ第１絶縁膜２２０の上に設けられており、回路パッド２５０と回路部２７０、回路基板側封止部２６０と回路部２７０とを接続するようにパターニングされている。このような配線層２３０は、例えば、Ａｌ等をスパッタや蒸着等することによって形成されている。
【００４６】
第２絶縁膜２４０は、配線層２３０を覆うように形成されている。そして、第２絶縁膜２４０のうち、センサ基板１００に形成された第１〜第５センサパッド４１〜４４と対向する部分に開口部２４０ａがそれぞれ形成されていると共に、センサ基板側封止部１５と対向する部分のうち所定箇所に開口部２４０ｂが形成されている。なお、第２絶縁膜２４０としては、例えば、ＳｉＯ２やＳｉ３Ｎ４等が採用される。
【００４７】
回路パッド２５０は、センサ基板１００の第１〜第５センサパッド４１〜４４と対向する部分に形成された開口部２４０ａを埋め込みつつ第２絶縁膜２４０上に設けられており、配線層２３０と電気的に接続されている。また、回路パッド２５０は、第１〜第５センサパッド４１〜４４と対応する形状とされている。
【００４８】
回路基板側封止部２６０は、第２絶縁膜２４０のうちセンサ基板側封止部１５と対向する部位に、センサ基板側封止部１５と対応する形状で備えられている。すなわち、センサ基板側封止部１５は外形輪郭線１５ａおよび内形輪郭線１５ｂが八角形状とされた八角枠状とされているため、回路基板側封止部２６０も外形輪郭線および内形輪郭線が八角形状とされた八角枠状とされている。そして、開口部２４０ｂを介して配線層２３０と電気的に接続されている。
【００４９】
また、これら回路パッド２５０および回路基板側封止部２６０は、ほぼ同じ高さになるようにされており、それぞれが互いに電気的に絶縁されている。このような回路パッド２５０および回路基板側封止部２６０は、配線層２３０と同様に、Ａｌ等をスパッタや蒸着すること等によって形成されている。
【００５０】
半導体基板２１０のうちセンサ基板１００と対向する一面２１０ａと反対側の他面２１０ｂには、図示しないパッド部が形成されており、このパッド部はスルーホール等を介して回路部２７０と電気的に接続されている。これにより、パッド部を介して、回路部２７０と外部回路等との電気的な接続が図られるようになっている。
【００５１】
以上説明したセンサ基板１００と回路基板２００とは、センサ基板側封止部１５と回路基板側封止部２６０とが接合されることによって、センシング部２０がセンサ基板１００と回路基板２００とによって構成される封止空間に密閉された状態となっている。そして、封止空間内において、センサ基板１００の第１〜第５センサパッド４１〜４５と回路基板２００の回路パッド２５０とが接合されている。これによって、センサ基板側封止部１５および第１〜第５センサパッド４１〜４５が回路部２７０と電気的に接続された状態となる。
【００５２】
本実施形態では、第１〜第５センサパッド４１〜４５と回路パッド２５０、センサ基板側封止部１５と回路基板側封止部２６０とは共晶接合されている。特に限定されるものではないが、例えば、次のような共晶接合とすることができる。
【００５３】
すなわち、第１〜第５センサパッド４１〜４５と回路パッド２５０、センサ基板側封止部１５と回路基板側封止部２６０との間に図示しないＧｅ層を挟む。そして、この状態で加熱することにより、第１〜第４センサパッド４１〜４５および回路パッド２５０の一部とＧｅ層とを共晶合金化させると共にセンサ基板側封止部１５および回路基板側封止部２６０の一部とＧｅ層とを共晶合金化させて共晶接合することができる。つまり、第１〜第４センサパッド４１〜４５と回路パッド２５０との間、およびセンサ基板側封止部１５と回路基板側封止部２６０との間にそれぞれ図示しないＡｌ−Ｇｅ共晶合金化層を形成した共晶接合とすることができる。
【００５４】
なお、第１〜第５センサパッド４１〜４５と回路パッド２５０との間、およびセンサ基板側封止部１５と回路基板側封止部２６０との間に配置されたＧｅ層が全て共晶合金化層とならず、Ｇｅ層の一部が残存するような共晶接合であってもよい。
【００５５】
このように、第１〜第５センサパッド４１〜４５と回路パッド２５０、センサ基板側封止部１５と回路基板側封止部２６０とを共晶接合することにより、第１〜第５センサパッド４１〜４５および回路パッド２５０、センサ基板側封止部１５および回路基板側封止部２６０の表面（接合面）に凹凸があったり、第１〜第５センサパッド４１〜４５とセンサ基板側封止部１５との高さが違っていたり、回路パッド２５０と回路基板側封止部２６０との高さが違っていたりしても、共晶合金化層によって凹凸や高さの違いを吸収することができる。このため、センサ基板１００と回路基板２００との接続を確実に行うことができ、センサ基板１００と回路基板２００との接続不良や導通不良が発生することを抑制することができる。
【００５６】
上記のように、本実施形態では、センサ基板側封止部１５、回路基板側封止部２６０、センサ基板側封止部１５と回路基板側封止部２６０との間に形成される図示しない共晶合金化層によってセンサ基板１００と回路基板２００とが接合されている。すなわち、これらセンサ基板側封止部１５、回路基板側封止部２６０、センサ基板側封止部１５と回路基板側封止部２６０との間に形成される図示しない共晶合金化層によって、センサ基板１００と回路基板２００とを接続すると共にセンシング部２０を取り囲む枠状の接合部３００が構成されている。そして、接合部３００は、上記のようにセンサ基板側封止部１５および回路基板側封止部２６０が八角枠状とされているため、八角枠状となる。
【００５７】
なお、本実施形態では、センサ基板側封止部１５と回路基板側封止部２６０とも電気的に接続されており、回路基板側封止部２６０には回路部２７０から一定電圧が入力されるようになっている。つまり、上記力学量センサでは、センサ基板１００の周辺部１４は、一定の電圧に保たれるようになっている。
【００５８】
次に、本実施形態の力学量センサの作動について簡単に説明する。図２に示されるように、検出部２１ａの主な構成要素である駆動フレーム２４ａと、検出部２１ｂの主な構成要素である駆動フレーム２４ｂとは、連結梁２４ｃを介して連結されている。そして、第４センサパッド４４には、駆動フレーム２４ａと駆動フレーム２４ｂとが、Ｘ方向にて逆位相で練成振動するように駆動電圧が印加される。このとき、紙面の中央側に配置された第４センサパッド４４に印加される駆動電圧の極性と、これら第４センサパッド４４を挟む紙面上下に配置された第４センサパッド４４に印加される駆動電圧の極性とを反転することで、駆動フレーム２４ａに作用する静電気力と駆動フレーム２４ｂに作用する静電気力の作用方向とをＸ方向にて逆向きにする。これにより、駆動フレーム２４ａと駆動フレーム２４ｂとをＸ方向にて逆位相で連成振動する。
【００５９】
そして、駆動フレーム２４ａと駆動フレーム２４ｂ（検出フレーム２６ａと検出フレーム２６ｂ）とがＸ方向にて逆位相で振動している状態で、Ｚ方向に角速度が印加されると、検出フレーム２６ａ、２６ｂに、コリオリ力がＹ方向に作用する。検出フレーム２６ａ、２６ｂがコリオリ力によってＹ方向に変位すると、それに伴って、検出フレーム２６ａ、２６ｂに設けられた第１検出電極２７ａ、２７ｂもＹ方向に変位する。これにより、第１検出電極２７ａ（２７ｂ）と第２検出電極２８ａ（２８ｂ）との間の電極間隔が変位し、第１コンデンサの静電容量が変化する。この静電容量変化は、第２検出電極２８ａ（２８ｂ）に設けられた第２センサパッド４２を介して回路基板２００に入力される。そして、回路基板２００では、静電容量変化に基づいて、検出フレーム２６ａ、２６ｂがＹ方向に変位することを抑制するサーボ電圧が算出される。算出されたサーボ電圧は、回路パッド２５０および第３センサパッド４３を介してサーボ電極２９ａ、２９ｂに入力される。
【００６０】
ところで、コリオリ力の作用方向は、振動方向に依存する性質を有している。上記のように、検出フレーム２６ａと検出フレーム２６ｂはＸ方向にて逆位相で練成振動しているので、検出フレーム２６ａに印加されるコリオリ力と、検出フレーム２６ｂに印加されるコリオリ力の作用方向は逆向きとなる。これにより、第１検出電極２７ａと第２検出電極２８ａとによって構成される第１コンデンサの静電容量の増減と、第１検出電極２７ｂと第２検出電極２８ｂとによって構成される第１コンデンサの静電容量の増減とが、逆向きとなる。すなわち、一方の第１コンデンサの静電容量が増大した場合、他方の第２コンデンサの静電容量が減少する。したがって、２つの第１コンデンサの差分を算出することで、角速度に依存する静電容量を検出することができる。この差分の算出は、回路基板２００にて行われる。
【００６１】
以上説明したように、本実施形態の力学量センサでは、接合部３００は、矩形枠状の角部が除去された八角枠状とされている。このため、接合部が矩形枠状とされている従来の力学量センサと比較して、一辺の長さが短くなり、温度変化に伴う膨張量および収縮量が小さくなる。したがって、辺同士が交差する角部に生じる応力を小さくすることができる。このため、接合部３００の角部からセンサ基板１００に印加される応力を低減することができ、検出精度が低下することを抑制可能になる。以下に実際の効果について示す。
【００６２】
図３は、接合部が矩形枠状とされている従来の力学量センサと、本実施形態における力学量センサのセンサ基板１００の応力分布を示す図である。なお、図３は外部温度を２５℃から３５０℃に変化させたときのセンサ基板１００の応力分布について、センサ基板１００の中心から角部に向かって有限要素法によって調べた結果である。
【００６３】
図３に示されるように、本実施形態の力学量センサでは、接合部３００が矩形枠状の各角部を除去した八角枠状とされているため、従来の力学量センサと比較して、角部から印加される応力が低減されていることを確認できる。
【００６４】
また、図３では、接合部３００の内形輪郭線との接触箇所と、接合部３００の外形輪郭線との接触箇所と、の間の領域がセンサ基板１００が接合部３００と接触する領域になるが、センサ基板１００における接合部３００と接触する領域のうち、外形輪郭線と接触する箇所に最も大きな応力が印加されていることを確認できる。すなわち、本実施形態では、外形輪郭線および内形輪郭線が八角形状とされている八角枠状の接合部３００について説明したが、例えば、外形輪郭線が八角形状とされていると共に内形輪郭線が矩形状とされている接合部３００としても、従来の力学量センサと比較して、接合部３００の角部からセンサ基板１００に印加される応力を低減することができる。
【００６５】
また、図４は接合部が矩形枠状である従来の力学量センサの容量変化を示す図であり、（ａ）は外部温度を３５０℃から２５℃に変化させたときの図、（ｂ）は外部温度を２５℃から３５０℃に変化させたときの図である。図５は、本実施形態における力学量センサの容量変化を示す図であり、（ａ）は外部温度を３５０℃から２５℃に変化させたときの図、（ｂ）は外部温度を２５℃から３５０℃に変化させたときの図である。なお、図４および図５は、第１検出電極２７ａ（２７ｂ）と第２検出電極２８ａ（２８ｂ）とによって構成される第１コンデンサの容量変化を示す図である
図４に示されるように、従来の力学量センサでは、外部温度が３５０℃から２５℃に変化すると容量が約０．０２ｆＦ変化し、外部温度が２５℃から３５０℃に変化すると容量が約０．０４ｆＦ変化する。これに対し、図５に示されるように、本実施形態では、外部温度が３５０℃から２５０℃に変化したとき、および２５℃から３５０℃に変化したときでも、容量がほとんど変化しないことを確認できる。
【００６６】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して加速度を検出するセンシング部２０に変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。図６（ａ）は本実施形態における力学量センサの断面構成を示す図、図６（ｂ）は図６（ａ）に示すセンサ基板１００の平面図である。なお、図６（ａ）中のセンサ基板１００は図６（ｂ）のＢ−Ｂ断面に相当している。また、図６（ｂ）では、紙面左右方向をＸ方向として説明する。
【００６７】
図６（ｂ）に示されるように、センシング部２０は、一般的な加速度を検出するものであり、主な部位として、アンカー５０ａ、５０ｂと、梁部５１を介して両端がアンカー５０ａ、５０ｂに一体に連結されると共に所定方向に変位可能な錘部５２と、錘部５２に連結されて当該錘部５２と一体に変位する可動電極５３と、該可動電極５３と対向して配置された固定電極５４ａ、５４ｂと、固定電極５４ａ、５４ｂを支持する固定電極用配線部５５ａ、５５ｂとを有している。
【００６８】
センシング部の構成要素５０ａ〜５５ｂは、半導体基板１３の半導体層１２と埋込絶縁膜１１とをパターンエッチングし、トレンチ（溝）によって区画することで形成される。そして、これら構成要素５０ａ〜５５ａのうち、アンカー５０ａ、５０ｂ、固定電極５４ａ、５４ｂ、固定電極用配線部５５ａ、５５ｂは、埋込絶縁膜１１を介して支持基板１０に固定されている。すなわち、支持基板１０に固定されたこれら構成要素は、支持基板１０に対して変位不可能となっている。
【００６９】
これに対して、検出部の構成要素５０ａ〜５４ａのうち、梁部５１、錘部５２、可動電極５３は、半導体層１２の下部に位置する埋込絶縁膜１１が犠牲層エッチングによって除去されて、浮遊状態となっている。すなわち、浮遊状態となっているこれら構成要素は、支持基板１０に対してＸ方向に変位可能となっている。
【００７０】
梁部５１は、平行な２本の梁がその両端で連結された矩形枠状をなしており、２本の梁の長手方向と直交する方向に変位するバネ機能を有するものである。具体的には、梁部５１は、図６中のＸ方向の成分を含む加速度を受けたときに錘部５２をＸ方向へ変位させると共に、加速度の消失に応じて元の状態に復元させるようになっている。よって、錘部５２は、加速度の印加に応じて、半導体層１２の水平方向にて梁部５１の変位方向すなわち上記Ｘ方向へ変位可能となっている。
【００７１】
錘部５２には、錘部５２に連結されて錘部５２と一体に変位する可動電極５３が備えられている。可動電極５３は、錘部５２の変位方向Ｘと直交する方向に、錘部５２の両側面から互いに反対方向へ延びる梁形状とされており、複数備えられて櫛歯形状とされている。このように、各可動電極５３は、梁部５１および錘部５２と一体的に形成されることにより、梁部５１および錘部５２と共に、基板面水平方向にて梁部５１の変位方向Ｘに変位可能となっている。
【００７２】
また、固定電極用配線部５５ａ、５５ｂは、錘部５２の紙面上側に位置する固定電極用配線部５５ａと、錘部５２の紙面下側に位置する固定電極用配線部５５ｂとを有しており、錘部５２を挟んで二つ備えられている。そして、それぞれ埋込絶縁膜１１を介して支持基板１０に支持されている。この固定電極用配線部５４ａ、５４ｂには、可動電極５３における櫛歯の隙間に噛み合うように櫛歯状に複数本配列された固定電極５４ａ、５５ｂがそれぞれ備えられている。
【００７３】
具体的には、錘部５２の紙面上側では、可動電極５３に対して上記変位方向Ｘに沿って紙面右側に固定電極５４ａが設けられており、一方、錘部５２の紙面下側については、個々の可動電極５３に対して上記変位方向Ｘに沿って紙面左側に固定電極５４ｂが設けられている。
【００７４】
このように、半導体層１２の水平方向において個々の可動電極５３に対して、それぞれ固定電極５４ａ、５４ｂが対向して配置されており、各対向間隔において、可動電極５３の側面（検出面）と固定電極５４ａ、５４ｂの側面（検出面）との間に容量を検出するための検出間隔が形成されている。
【００７５】
また、固定電極５４ａと固定電極５４ｂとは、それぞれ互いに電気的に独立している。そして、各固定電極５４ａ、５４ｂは、可動電極５３に対して略平行に延びる断面矩形の梁状に形成されている。また、固定電極５４ａおよび固定電極５４ｂは、それぞれ、埋込絶縁膜１１を介して支持基板１０に固定されている各固定電極用配線部５５ａ、５５ｂに片持ち状に支持された状態となっている。そして、各固定電極５４ａ、５４ｂは、埋込絶縁膜１１から離間した状態となっている。すなわち、固定電極５４ａおよび固定電極５４ｂは、それぞれの複数本の電極が、電気的に共通した各固定電極用配線部５５ａ、５５ｂにまとめられた形となっている。
【００７６】
また、固定電極用配線部５５ａおよび固定電極用配線部５５ｂ上の所定位置には、それぞれ、固定電極用パッド５６および固定電極用パッド５７が形成されている。さらに、一方のアンカー５０ｂと一体に連結された状態で、可動電極用配線部５８が形成されており、この可動電極用配線部５８上の所定位置には、可動電極用パッド５９が形成されている。上記の各電極用パッド５６、５７、５９は、例えば、Ａｌをスパッタや蒸着することなどにより形成されている。
【００７７】
そして、上記第１実施形態と同様に、センシング部２０の周囲には、周辺部１４が形成されており、周辺部１４には、外形輪郭線および内形輪郭線が八角形状とされた八角枠状のセンサ基板側封止部１５が形成されている。本実施形態では、このセンサ基板側封止部１５は、上記第１実施形態と比較して、各辺の長さの違いが小さい八角枠状とされている。以上が本実施形態におけるセンサ基板１００の構成である。
【００７８】
また、図６（ａ）に示されるように、回路基板２００は、各電極用パッド５６、５７、５９と対向する位置に回路パッド２５０が形成されている。そして、上記第１実施形態と同様に、センサ基板側封止部１５と回路基板側封止部２６０とが接合されており、これによってセンシング部２０がセンサ基板１００と回路基板２００とによって構成される封止空間に密閉された状態となる。そして、封止空間内において、センサ基板１００の各電極用パッド５６、５７、５９と回路基板２００の回路パッド２５０とが電気的に接続されている。
【００７９】
以上説明したように、本実施形態においても接合部３００は外形輪郭線および内形輪郭線が八角形状とされた八角枠状とされているため、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、本実施形態では、接合部３００は、上記第１実施形態と比較して、各辺の長さの違いが小さい八角枠状とされているため、各角部に生じる応力の違いを小さくすることができ、各角部からセンサ基板１００に印加される応力のばらつきを小さくすることができる。したがって、さらに検出精度が低下することを抑制可能になる。
【００８０】
（他の実施形態）
（１）上記各実施形態では、第１〜第５センサパッド４１〜４５と回路パッド２５０、センサ基板側封止部１５と回路基板側封止部２６０との間にＧｅ層を配置して共晶接合する例について説明したが、例えば、次のようにすることもできる。
【００８１】
すなわち、第１〜第５センサパッド４１〜４５を形成せず、回路パッド２５０および回路基板側封止部２６０をＡｕで構成する。そして、回路パッド２５０および回路基板側封止部２６０をセンサ基板１００の半導体層１２と接触させた状態で加熱することにより、回路パッド２５０および回路基板側封止部２６０の一部と半導体層１２の一部とを共晶合金化してＡｕ−Ｓｉ共晶合金化層を形成する共晶接合としてもよい。
【００８２】
また、第１〜第５センサパッド４１〜４５と回路パッド２５０、センサ基板側封止部１５と回路基板側封止部２６０をＡｕで形成し、これらの間にＧｅ層を挟んだ状態で加熱することにより、Ａｕ−Ｇｅ共晶合金化層を形成する共晶接合としてもよい。
【００８３】
さらに、第１〜第５センサパッド４１〜４５と回路パッド２５０、センサ基板側封止部１５と回路基板側封止部２６０をＡｕで形成し、これらの間にＧｅ層の代わりにＳｎ層を配置した状態で加熱することにより、Ａｕ−Ｓｎ共晶合金化層を形成する共晶接合としてもよい。
【００８４】
そして、例えば、第１〜第５センサパッド４１〜４５と回路パッド２５０、センサ基板側封止部１５と回路基板側封止部２６０とを金属接合によって接合することもできる。
【００８５】
さらに、センサ基板側封止部１５および回路基板側封止部２６０を形成せず、周辺部１４にセンシング部２０を取り囲むと共に八角枠状となるように接着剤を配置し、当該接着剤を介してセンサ基板１００と回路基板２００とを接合するようにしてもよい。このように、接合部３００を接着剤とした場合においても、同様の効果を得ることができる。
【００８６】
なお、接合部３００を接着剤とした場合には、接着剤を介して周辺部１４と回路基板２００との電気的な接続が得られないため、例えば、次のようにすることが好ましい。すなわち、周辺部１４のうちセンサ基板側封止部１５より内側に周辺部パッドを配置し、回路基板２００のうち周辺部パッドと対向する部位に回路パッド２５０を形成する。そして、これら周辺部パッドと回路パッド２５０とを電気的に接続して周辺部１４の電位を一定に維持するようにする。
【００８７】
また、上記各実施形態では、接合部３００が八角枠状とされている例について説明したが、接合部３００は、例えば、六角枠状とされていてもよいし、真円枠状とされていてもよい。特に、接合部３００を真円枠状とした場合には、センサ基板１００には接合部３００から均一に応力が印加されることになるため、検出精度の低下をさらに抑制可能となる。
【００８８】
（２）上記各実施形態では、センサ基板１００に回路基板２００を接合するものについて説明した。しかしながら、本発明の特徴点である接合部３００の形状は、例えば、センサ基板１００に、回路部２７０が形成されていないキャップを接続する場合についても適用することが可能である。図７（ａ）は、加速度を検出するセンサ基板１００にキャップを接続してなる力学量センサの断面構成を示す図であり、図７（ｂ）はセンサ基板１００の平面図である。なお、図７（ａ）のセンサ基板１００は、図７（ｂ）中のＣ−Ｃ断面に相当している。
【００８９】
図７に示されるように、センサ基板１００に回路部２７０を形成していないキャップ４００を接続する場合には、センサ基板１００と外部との電気的な接続が図られるように、各電極用パッド５６、５７、５９をセンサ基板側封止部１５の外側に設け、封止空間から露出するようにすればよい。この場合、構成要素５０ａ〜５５ｂを区画するトレンチもセンサ基板側封止部１５よりも外側まで延設される。このため、図７では、トレンチ部分を横断してセンサ基板側封止部１５を配置することができるようにセンサ基板１００を以下の構成としている。
【００９０】
すなわち、センサ基板１００のうちセンサ基板側封止部１５が配置される領域を含む近傍には、トレンチを埋め込まないようにＬＰＣＶＤ法等により第１絶縁層６０が形成されている。そして、第１絶縁層６０のうちセンサ基板側封止部１５の内側に位置する領域の各梁上には開口部６０ａが形成されている。また、第１絶縁層６０上には、開口部６０ａを埋め込む配線層７０が形成されており、センサ基板側封止部１５の内側で開口部６０ａを介して各電極用配線部５５ａ、５５ｂ、５８と電気的に接続されている。
【００９１】
また、第１絶縁層６０上には、配線層７０を覆う第２絶縁層８０が形成されており、この第２絶縁層８０のうちセンサ基板側封止部１５の外側の領域に開口部８０ａが形成されている。そして、配線層７０のうち開口部８０ａから露出している部分が上記電極用パッド５６、５７、５９となる。また、周辺部１４のうちセンサ基板側封止部１５の外側に位置する領域には、第１、第２絶縁層６０、８０を貫通する開口部８０ｂが形成されており、半導体層１２と接触する周辺部パッド９０が形成されている。
【００９２】
このように、各電極用パッド５６、５７、５９および周辺部パッド９０をセンサ基板側封止部１５の外側に形成することにより、センシング部２０をセンサ基板１００と回路基板２００との間に構成される封止空間に封止しつつ、センシング部２０と外部回路との電気的な接続を図ることができる。そして、接合部３００を八角枠状とすることにより、接合部３００の角部からセンサ基板１００に印加される応力を低減することができる。
【００９３】
なお、ここでは、加速度を検出するセンサ基板１００にキャップ４００を接合してなる力学量センサについて説明したが、角速度を検出するセンサ基板１００についても同様である。すなわち、第１〜第５センサパッド４１〜４５をセンサ基板側封止部１５より外側に形成し、センサ基板１００にキャップ４００を接合した際に第１〜第５センサパッド４１〜４５が露出するようにすればよい。
【符号の説明】
【００９４】
１３ 半導体基板
１４ 周辺部
１５ センサ基板側封止部
１５ａ 外形輪郭線
１５ｂ 外形輪郭線
２０ センシング部
２１ａ 検出部
２１ｂ 検出部
１００ センサ基板
２００ 回路基板
２６０ 回路基板側封止部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一面（１３ａ）を有し、前記一面（１３ａ）側に物理量に応じたセンサ信号を出力するセンシング部（２０）を備えたセンサ基板（１００）と、
前記センサ信号を処理する回路部（２７０）を有する回路基板（２００）と、を有し、
前記センサ基板（１００）と前記回路基板（２００）とは、前記センシング部（２０）を取り囲む枠状の接合部（３００）を介して接合されてなる力学量センサにおいて、
前記接合部（３００）は、枠の外形を構成する外形輪郭線が矩形状の角部が除去された多角形状とされていることを特徴とする力学量センサ。
【請求項２】
前記接合部（３００）は、前記外形輪郭線が矩形状の全ての角部が除去された八角形状とされており、各角部の角度が等しくされていることを特徴とする請求項１に記載の力学量センサ。
【請求項３】
前記接合部（３００）は、前記外形輪郭線が真円とされていることを特徴とする請求項１に記載の力学量センサ。
【請求項４】
前記接合部（３００）は、枠の内形を構成する内形輪郭線が矩形状の角部が除去された多角形状とされていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の力学量センサ。
【請求項５】
前記接合部（３００）は、八角枠状とされていることを特徴とする請求項１に記載の力学量センサ。
【請求項６】
前記回路基板（２００）は、半導体基板（２１０）を用いて構成されており、前記半導体基板（１３）のうち前記センサ基板（１００）と対向する一面（２１０ａ）が平坦とされていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の力学量センサ。
【請求項７】
前記センサ基板（１００）は、前記一面（１３ａ）側に前記センシング部（２０）を取り囲む周辺部（１４）を有し、当該周辺部（１４）に、前記センシング部（２０）を取り囲み、外形輪郭線（１５ａ）が矩形状の角部が除去された多角形状とされているセンサ基板側封止部（１５）を有し、
前記回路基板（２００）は、前記センサ基板側封止部（１５）と対向する部位に、前記センサ基板側封止部（１５）と対応する形状の回路基板側封止部（２６０）を有し、
前記接合部（３００）は、前記センサ基板側封止部（１５）と前記回路基板側封止部（２６０）とが接合されることによって構成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の力学量センサ。
【請求項８】
前記周辺部（１４）は、前記センサ基板側封止部（１５）および前記回路基板側封止部（２６０）を介して前記回路部（２７０）と電気的に接続されており、所定の電位に維持されていることを特徴とする請求項７に記載の力学量センサ。
【請求項９】
前記センシング部（２０）は、前記物理量として角速度を検出することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の力学量センサ。
【請求項１０】
前記センシング部（２０）は、前記物理量として加速度を検出することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の力学量センサ。
【請求項１】
一面（１３ａ）を有し、前記一面（１３ａ）側に物理量に応じたセンサ信号を出力するセンシング部（２０）を備えたセンサ基板（１００）と、
前記センサ信号を処理する回路部（２７０）を有する回路基板（２００）と、を有し、
前記センサ基板（１００）と前記回路基板（２００）とは、前記センシング部（２０）を取り囲む枠状の接合部（３００）を介して接合されてなる力学量センサにおいて、
前記接合部（３００）は、枠の外形を構成する外形輪郭線が矩形状の角部が除去された多角形状とされていることを特徴とする力学量センサ。
【請求項２】
前記接合部（３００）は、前記外形輪郭線が矩形状の全ての角部が除去された八角形状とされており、各角部の角度が等しくされていることを特徴とする請求項１に記載の力学量センサ。
【請求項３】
前記接合部（３００）は、前記外形輪郭線が真円とされていることを特徴とする請求項１に記載の力学量センサ。
【請求項４】
前記接合部（３００）は、枠の内形を構成する内形輪郭線が矩形状の角部が除去された多角形状とされていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の力学量センサ。
【請求項５】
前記接合部（３００）は、八角枠状とされていることを特徴とする請求項１に記載の力学量センサ。
【請求項６】
前記回路基板（２００）は、半導体基板（２１０）を用いて構成されており、前記半導体基板（１３）のうち前記センサ基板（１００）と対向する一面（２１０ａ）が平坦とされていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の力学量センサ。
【請求項７】
前記センサ基板（１００）は、前記一面（１３ａ）側に前記センシング部（２０）を取り囲む周辺部（１４）を有し、当該周辺部（１４）に、前記センシング部（２０）を取り囲み、外形輪郭線（１５ａ）が矩形状の角部が除去された多角形状とされているセンサ基板側封止部（１５）を有し、
前記回路基板（２００）は、前記センサ基板側封止部（１５）と対向する部位に、前記センサ基板側封止部（１５）と対応する形状の回路基板側封止部（２６０）を有し、
前記接合部（３００）は、前記センサ基板側封止部（１５）と前記回路基板側封止部（２６０）とが接合されることによって構成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の力学量センサ。
【請求項８】
前記周辺部（１４）は、前記センサ基板側封止部（１５）および前記回路基板側封止部（２６０）を介して前記回路部（２７０）と電気的に接続されており、所定の電位に維持されていることを特徴とする請求項７に記載の力学量センサ。
【請求項９】
前記センシング部（２０）は、前記物理量として角速度を検出することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の力学量センサ。
【請求項１０】
前記センシング部（２０）は、前記物理量として加速度を検出することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の力学量センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２０２７６２（Ｐ２０１２−２０２７６２Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６６２２２（Ｐ２０１１−６６２２２）
【出願日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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