CN101806812A - 复合传感器、电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够发挥各传感器元件的特性且抑制长期的特性变动的小型的复合传感器及电子设备。所述复合传感器在封装件(30)形成有压力高的空间(90)与压力低的空间(80)，在压力高的空间(90)配置有加速度传感元件(40)，因此，获得低的Q值，在压力低的空间(80)配置有振动型角速度传感器元件(50)、(60)，因此，获得高的Q值，从而能够充分发挥加速度传感元件(40)及振动型角速度传感器元件(50)、(60)的特性。

Description

复合传感器、电子设备
技术领域
本发明涉及将加速度传感器元件、振动型角速度传感器元件等多个传感器元件收容于同一封装件的复合传感器及电子设备。
背景技术
用于复合传感器中的传感器元件根据种类其尺寸或最佳使用环境不同。例如，在检测可动部的动作的加速度传感器元件中，从过渡响应或耐冲击性的观点来说，要求低Q值。另一方面，在振动型角速度传感器元件中，要求比加速度传感器元件高的Q值。任意一种传感器元件都具备可动部，Q值的设计利用围绕传感器元件的可动部的气体的粘性而进行，因此，需要改变围绕每个传感器元件的气体的压力。
具体而言，加速度传感器元件利用气体所引起的阻尼效果，因此，需要在大气压附近进行密封，振动型角速度传感器元件减少气体产生的影响，因此，需要进行减压密封。
另外，通常，加速度传感器元件的尺寸从其构造角度来说比振动型角速度传感器元件的尺寸小。
已知有将加速度传感器元件与角速度传感器元件收容于同一封装件的复合传感器(例如，参照专利文献1)。
另外，已知有将加速度传感器芯片(元件)与角速度传感器芯片(元件)设置于同一基板的结构(例如，参照专利文献2)。
【专利文献1】日本特开2002-5950号公报(第4页，图1)
【专利文献2】日本特开平10-10148号公报(第3页，图1)
然而，在将加速度传感器元件与角速度传感器元件收容于同一封装件时，虽然获得耐外部冲击强的构造，但没有将围绕各传感器元件的气体调节到最佳压力。因此，当将封装件整体在大气压下密封时，角速度传感器元件的Q值降低，特性恶化。另一方面，当将封装件整体减压密封时，加速度传感器元件的Q值变大，过渡响应特性产生问题。另外，在将加速度传感器元件与角速度传感器元件设置于同一基板的情况下，虽然能够实现小型化、低成本化，但这种情况也没有将围绕各传感器元件的气体调节到最佳压力。
进而，若在封装件内设置存在压力差的多个空间，则在压力不同的空间之间产生泄漏，难以抑制长期的特性变动。
发明内容
本发明为了解决上述课题中的至少一部分而提出，能够通过以下的方式和适用例来实现。
[适用例1]
一种复合传感器，其具备：包括收容器和盖体的封装件；至少由所述收容器与所述盖体划分的压力不同的多个空间；配置于压力高的空间与压力低的空间的种类不同的传感器元件。另外，在某种实施方式中，所述复合传感器的特征在于，具有封装件，所述封装件具备：具有第一气压的第一空间；具有比所述第一气压低的第二气压的第二空间，其中，在所述第一空间配置有加速度传感器元件，在所述第二空间配置有振动型角速度传感器元件，所述第一空间的容积比所述第二空间的容积小。
根据该适用例，在封装件中形成压力不同的空间，根据压力配置种类不同的传感器元件，因此，能够充分发挥各传感器元件的特性。另外，压力不同的多个空间至少由构成封装件的收容器与盖体划分，因此，没有必要在封装件中装入其他封装件而形成压力不同的空间。不另外需要多余的部件，从而能够获得小型化、低成本化的复合传感器。
这里，种类不同的传感器元件是指检测对象、检测原理不同的传感器元件。例如是指与驱动对应最佳的Q值不同的传感器元件。
[适用例2]
以上述复合传感器为基础，本适用例的复合传感器的特征在于，所述压力高的空间与所述压力低的空间相比容积小，且配置有加速度传感器元件，在所述压力低的空间配置有振动型角速度传感器元件。
在该适用例中，由于在压力高的空间配置有加速度传感器元件，因此，获得低Q值，在压力低的空间配置有振动型角速度传感器元件，因此，获得高Q值，从而能够充分发挥加速度传感器元件及振动型角速度传感器元件的特性。
另外，由于压力低的空间的容积大，因此，即使产生同量的泄漏，也能够减小对压力的影响，从而能够抑制振动型角速度传感器元件的长期的特性变动。
进而，压力高的空间的容积小，且配置有与振动型角速度传感器元件相比小型的加速度传感器元件，因此，获得更小型的复合传感器。
[适用例3]
以上述复合传感器为基础，本适用例的复合传感器的特征在于，在形成所述压力高的空间的壁及形成所述压力低的空间的壁的至少一方设有贯通孔。
在该适用例中，当在形成压力低的空间的壁设有贯通孔时，在形成封装件后，通过将封装件整体置于减压环境下，从而能够从贯通孔进行压力低的空间的减压，同时获得压力高的空间与压力低的空间。
另一方面，当在形成压力高的空间的壁设有贯通孔时，在减压的同时接合收容器与盖体，将贯通孔设置在形成压力高的空间的壁上，从而也能够导入气体并设置空间之间的压力差。
[适用例4]
以上述复合传感器为基础，本适用例的复合传感器的特征在于，形成所述压力高的空间的底面的高度与形成所述压力低的空间的底面的高度彼此不同。
在本适用例中，配置种类不同的传感器元件的空间的底面不位于同一面内，由此，能够降低各传感器元件的振动引起的相互作用。另外，压力高的空间和压力低的空间的位置关系的自由度增加，能够使收容器与盖体的接合简单。
[适用例5]
以上述复合传感器为基础，本适用例的复合传感器的特征在于，所述收容器及所述盖体中至少一方由层叠构造构成。
在该适用例中，用于获得由收容器与盖体划分的压力不同的多个空间的收容器及盖体的形状不需要通过成形而能够通过层叠容易地获得。另外，即使在容易产生泄漏的层叠构造中，也能够达成所述效果。
另外，也可以将所述复合传感器用于电子设备。在该适用例中，能够提供一种抑制传感器元件的长期的特性变动的电子设备。
附图说明
图1的(a)是第一实施方式中的复合传感器的简要俯视图，(b)是沿(a)中A-A的简要剖面图。
图2是表示空气的压力与有效粘性系数的关系的图。
图3是变形例1中的复合传感器的简要剖面图。
图4的(a)是加速度传感器的简要俯视图，(b)是沿(a)中A-A的简要剖面图，(c)是沿(a)中B-B的简要剖面图。
图5是第二实施方式中的复合传感器的简要剖面图。
图6是第三实施方式中的复合传感器的简要剖面图。
图7是第四实施方式中的复合传感器的简要剖面图。
图8是变形例2中的复合传感器的简要剖面图。
图9是第五实施方式中的复合传感器的简要剖面图。
符号说明
10收容器
12贯通孔
16、19、58形成压力高的空间的底面
20、23盖体
30封装件
32侧壁部
40作为种类不同的传感器元件的加速度传感器元件
50、60作为种类不同的传感器元件的振动型角速度传感器元件
80作为压力不同的多个空间的压力低的空间(容积大的空间)
90作为压力不同的多个空间的压力高的空间(容积小的空间)
100、200、300、400、500、600复合传感器
111作为壁的底面及形成压力低的空间的底面
具体实施方式
以下，参照附图对实施方式进行详细说明。
(第一实施方式)
图1表示本实施方式的复合传感器100的简图。(a)是简要俯视图，(b)是沿(a)中A-A的简要剖面图。
在图1中，复合传感器100具备由收容器10与盖体20构成的大致长方体的封装件30。在封装件30中收容有加速度传感器元件40和两个振动型角速度传感器元件50、60。
收容器10具有凹部11，在凹部11的开口部的周围形成有阶梯部101。另一方面，盖体20具有凸部21。盖体20以凸部21进入收容器10的凹部11的方式与收容器10的阶梯部101组合，并通过结合件35进行接合。
在凸部21的上表面211与凹部11的底面111之间设有框型的密封部件70。在本实施例中，第一空间90(比第二空间80容积小的空间)及第二空间80(比第一空间90容积大的空间)通过例如密封部件70划分而形成。此外本实施例的密封部件70作为划分第一空间与第二空间的划分部发挥作用。
在图1的(a)中，容积小的空间90位于偏离容积大的空间80的中心的位置，也可以配置在容积大的空间80的中心。加速度传感器元件40配置在容积小的空间90。加速度传感器元件40可以是1轴、2轴、3轴中任意一种的加速度传感器。
振动型角速度传感器元件50、60配置在容积大的空间80。振动型角速度传感器元件50与振动型角速度传感器元件60正交配置，能够测定两个方向的角速度。
收容器10及盖体20可以由陶瓷、玻璃等绝缘体或金属形成。另外，也可以通过成形树脂而形成。在使用树脂的情况下，优选使用透湿率低的液晶聚合物。
若盖体20的材质优选与收容器10的材质相同，则不会因热膨胀系数不同而产生的应力导致盖体20与收容器10的剥落等。
接合收容器10与盖体20的接合件35可以使用焊锡、低熔点玻璃、粘接剂等。
在作为收容器10的容积大的空间80的壁的底面111设有贯通孔12。在从贯通孔12对容积大的空间80内进行减压后，由密封部件13密封贯通孔12，容积大的空间80被减压密封而变成压力低的空间80。容积小的空间90不特别进行减压而变成压力高的空间90。压力高的空间90形成接合收容器10与盖体20时的气氛的压力。因此，可以在将压力高的空间90的压力进一步提高而变成比常压高的压力中，进行收容器10与盖体20的接合。这里，可以说压力高的空间90具有第一气压，压力低的空间80具有比第一气压低的第二气压。
以下，容积大的空间80与压力低的空间80表示同一空间，容积小的空间90与压力高的空间90表示同一空间。
如上所述的本实施方式具有以下效果。
(1)由于在封装件30中形成压力高的空间90与压力低的空间80，在压力高的空间90配置有加速度传感器元件40，因此，获得低Q值，在压力低的空间80配置有振动型角速度传感器元件50、60，因此，获得高Q值，从而能够充分发挥加速度传感器元件40及振动型角速度传感器元件50、60的特性。
(2)由于压力高的空间90与压力低的空间80由至少构成封装件30的收容器10与盖体20划分，因此，不需要在封装件30中装入其他封装件而形成不同压力的空间，不另外需要多余的部件，从而能够获得实现小型化、低成本化的复合传感器100。
(3)由于压力低的空间80的容积大，因此，即使产生相同量的泄漏也能够减小对压力的影响，从而能够抑制振动型角速度传感器元件50、60的长期的特性的变动。
以下，更详细地说明因泄漏产生的特性变动。
图2是表示空气的压力与有效粘性系数的关系的图。横轴表示压力，纵轴表示有效粘性系数。
在图2中，在大气压附近因压力变动而受到影响的空气的粘性系数的变化小，因此可以说加速度传感器元件40的特性变动小。即可知，不易受到泄漏的影响。反之，在收纳振动型角速度传感器元件50、60的减压环境下，例如在10～100Pa中，振动型角速度传感器元件50、60容易受到泄漏的影响。
因此可知，泄漏对压力低的空间80的影响大。
(4)由于压力高的空间90的容积小，配置有与振动型角速度传感器元件50、60相比小型的加速度传感器元件40，因此，能够获得更小型的复合传感器100。
(5)由于在形成压力低的空间80的壁设有贯通孔12，因此，在形成封装件30后，将封装件30整体置于减压环境下，由此，从贯通孔12进行压力低的空间80的减压，从而能够同时获得压力高的空间90与压力低的空间80。
(变形例1)
图3示出了将收容器10制成绝缘体基板14、例如陶瓷板的层叠结构的情况的简要剖面图。此外，省略了贯通孔12及密封部件13。在图3中，在将收容器10制成绝缘体基板14的层叠构造时，可以将第一实施方式中的密封部件70置换为绝缘体基板14。
除在收容器10没有形成承受盖体20的阶梯部101这一点之外，形状、构造等其他方面与第一实施方式大致相同。在变形例1中，盖体20与绝缘体基板14通过接合件35接合。
收容器10及盖体20可以通过将陶瓷、玻璃等绝缘体的基板层叠多片而形成。
本变形例具有以下效果。
(6)用于获得由收容器10和盖体20划分的压力高的空间90及压力低的空间80的收容器10及盖体20的形状不需要通过成形而能够通过层叠容易地获得。另外，即使在容易发生泄漏的层叠构造中，也能够达成所述效果。
作为加速度传感器元件40，可以使用例如以下说明的加速度传感器元件800。
图4示出了加速度传感器元件800的简图。(a)是加速度传感器元件800的简要俯视图，(b)是沿(a)中A-A的简要剖面图，(c)是沿(a)中B-B的简要剖面图。图中表示X、Y、Z轴方向。
另外，图中的双向箭头表示加速度检测方向，X轴方向为加速度检测方向。
在图4中，加速度传感器元件800具备支承体810与可动部820。
支承体810具备基板830和形成在基板830上的支承部840。另外，可动部820也形成在基板830上。
基板830由硅基板构成，为了在与可动部820之间保持间隔，在基板830的与可动部820对置的面上形成有凹部831。凹部831的深度满足：即使在可动部820的Z轴方向施加冲击，可动部820向基板830侧挠曲也不会产生碰撞。
可动部820及支承部840利用例如由构成形成于基板830上的其他区域的作为集成电路的CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor互补金属氧化物半导体)集成电路的配线层850、层间绝缘膜860等构成的层叠构造而形成。作为配线层850，可以使用例如Al、Cu、Al合金、Mo、Ti、W、Pt等。配线层850还包括在形成CMOS集成电路之际使用的由TiN、Ti、TiW、TaN、WN、VN、ZrN、NbN等构成的阻障膜、由TiN、Ti等构成的反射防止膜。另外，配线层850还包括CMOS的栅电极。栅电极由含有杂质的多晶硅、硅化物、W等构成。作为层间绝缘膜860，可以使用SiO2、TEOS(Tetraethoxysilane四乙氧基硅烷)、BPSG(Borophosphosilicate Glass硼磷硅玻璃)、NSG(Non-doped silicon glass无掺杂硅玻璃)、SOG(Spin on glass旋制氧化矽玻璃)等。另外，层叠构造也可以包括形成在CMOS集成电路的最外表面的由SiN、SiO2等构成的保护膜。
A1等的配线层850可以通过溅射、真空蒸镀、CVD(Chemical VaporDeposition化学气相沉积)等形成，SiO2等的层间绝缘膜860可以通过CVD、热氧化、旋涂及烧成等形成。
此外，可动部820及支承部840并不局限于利用CMOS集成电路的层叠构造而形成，也可以独自形成层叠构造。
另外，可动部820及支承部840也可以不具备层叠构造，而由单晶硅形成。
支承部840在基板830上形成为大致矩形的框体。支承部840具备固定电极841。固定电极841在支承部840的一个对置的内表面的大致中央朝向框体的内侧形成。固定电极841的形状为板状的长方体。
可动部820具备可动电极821、配重部822与弹簧部823、824。配重部822的形状形成为大致长方体。可动部820经由支承体的没有形成固定电极841的剩余的一对内表面和两个弹簧部823、834，保持在大致矩形的框体即支承部840所围成的大致中心两处。
弹簧部823、824是通过使对置的两个板簧面对，而在两端固定的构造。两个板簧中的一个板簧与支承部840连接，另一个板簧与配重部822连接。
可动电极821形成在配重部822的与固定电极841对置的位置上。可动电极821也与固定电极841同样为板状的长方体。
可动电极821与固定电极841隔着间隙870使各自的长方体的宽面面对而对置，而在电极之间获得电容。
可动电极821与固定电极841的对隔着配重部822而设置对置的两处，构成当一侧的间隔变宽时另一侧的间隔变窄的差动检测型。
在间隙870的缘部871设有狭窄部872。狭窄部872通过如下方法设置：在位于固定电极841的与基板830相反的一侧的一边上的缘部842形成朝向可动电极821的凸部843。
在图4中，凸部843利用配线层850而形成，但也可以在层间绝缘膜860位于缘部842的情况下利用层间绝缘膜860来形成凸部843。
在图4的(c)中，凸部843设置在沿固定电极841的Y轴方向延伸的缘部842。在这种情况下，如图4的(b)所示，固定电极841的截面形状成L字型。
狭窄部872也可以设置在缘部842的基板830侧的缘部844。另外，也可以设置在两侧的缘部842、844。在这种情况下，固定电极841的截面形状成凹形的槽。进而，可以在可动电极821形成凸部843而设置狭窄部872，也可以设置在两侧的缘部842、844之间。
与CMOS集成电路一起，在基板830上形成加速度传感器元件800的情况下的各结构要素的尺寸没有特别限定，例如如下所述。
可动部820及支承部840的层叠构造的厚度为几μm左右，支承部840为几mm角左右的框体。层叠构造的各层为1μm左右。可动电极821与固定电极841的电极间距离即间隙870的宽度为几μm左右。另外，配重部822的质量为几×10-6g左右。
若使用加速度传感器元件800，则在施加固定电极841与可动电极821之间的距离变化的X轴方向的加速度时，存在于固定电极841与可动电极821的间隙870的气体的流动受到设置于间隙870的缘部871的狭窄部872抑制，产生与设有狭窄部872的方向不同的向Y轴方向的流动。在由该气体流动所产生挤压模阻尼的作用下，即使降低压力高的空间90的压力，也能够获得大的衰减常数c。因此，能够构成降低压力低的空间80与压力高的空间90之间的压力差的结构，能够将压力低的空间80与压力高的空间90的隔壁部即密封部件70及绝缘体基板14制成较薄，从而能够实现复合传感器100的小型化、低成本化。
具有能够利用挤压模阻尼的构造的加速度传感器元件并不局限于加速度传感器元件800，也能够获得同样的效果。
(第二实施方式)
图5表示本实施方式中的复合传感器200的简要剖面图。对与第一实施方式相同的结构要素标注相同的符号。以下，主要对与第一实施方式不同的点为中心进行说明。此外，省略了贯通孔12及密封部件13。
图5中的复合传感器200的构造相对于第一实施方式所示的复合传感器100，在收容器10的底面111还设有凹部15。
另外，盖体20的凸部22的高度比第一实施方式所示的凸部21高，在组合收容器10与盖体20而进行接合之际，凸部22的上表面221与凹部11的底面111接触，从而闭塞凹部15，形成容积小的空间(压力高的空间)90。在形成容积小的空间90的底面16配置有加速度传感器元件40。此外，本实施例中的划分部由盖体20的凸部22构成。
如上所述的本实施方式除上述效果以外，还具有以下的效果。
(7)通过将形成配置有加速度传感器元件40的容积小的空间(压力高的空间)90的底面16与形成配置有振动型角速度传感器元件50、60的容积大的空间(压力低的空间)80的底面111不设置在同一面内，从而能够降低各传感器元件的振动所产生的相互作用。
(8)由于容积小的空间90的大部分由作为一个构造体的收容器10的凹部15构成，因此，能够减少向容积大的空间(压力低的空间)80的泄漏路径，进一步抑制泄漏。
(第三实施方式)
图6表示本实施方式中的复合传感器300的简要剖面图。对与第一实施方式相同的结构要素标注相同的符号。以下，主要对与第一实施方式不同的点进行说明。此外，省略了贯通孔12及密封部件13。
在本实施方式中，在收容器10的凹部11设有凸部17，在凸部17设有凹部18。由侧壁部32上的焊接部31将一片板即盖体23焊接在上述的收容器10上，由此，获得形成有容积大的空间80与容积小的空间90的封装件30。
在形成容积小的空间90的底面19配置有加速度传感器元件40。此外，本实施例中的划分部由收容器10的侧壁部32构成。
如上所述的本实施方式除上述效果以外，还具有以下效果。
(9)容积大的空间(压力低的空间)80与容积小的空间(压力高的空间)90的位置关系的自由度增加，能够将收容器10与盖体23的焊接部31设置在相同面内，从而能够容易地进行缝焊。
(第四实施方式)
图7示出了本实施方式中的复合传感器400的简要剖面图。对与第三实施方式相同的结构要素标注相同的符号。以下，主要对与第三实施方式不同的点进行说明。此外，省略了贯通孔12及密封部件13。
在本实施方式中，使用配线用基板51、61将振动型角速度传感器元件50、60安装在凹部11的侧面，改变检测轴。
(变形例2)
图8表示本变形例中的复合传感器500的简要剖面图。对与第三实施方式相同的结构要素标注相同的符号。此外，省略了贯通孔12及密封部件13。以下，主要对与第三实施方式不同的点进行说明。
在本变形例中，配线用基板56配置在底面111，代替了第三实施方式中的凸部17。
在配线用基板56形成有凹部57代替第三实施方式中的凹部18，在形成由凹部57与盖体23所围成的容积小的空间90的底面58收容有加速度传感器元件40。
振动型角速度传感器元件50、60安装在配线用基板56的侧面。
如上所述的本实施方式、本变形例具有以下效果。
(10)能够改变振动型角速度传感器元件50、60的检测轴。
(第五实施方式)
图9是表示本实施方式中的复合传感器600的简要剖面图。对与第一实施方式相同的结构要素标注相同的符号。此外，省略了贯通孔12及密封部件13。以下，主要对与第一实施方式不同的点进行说明。
在本实施方式中，收容器10为H型构造，与凹部11对置而形成有凹部18。在凹部18的底面181例如通过热硬化性树脂710埋入有倒装式安装的传感器信号处理用集成电路700。
如上所述的本实施方式具有以下效果。
(11)还包括传感器信号处理用集成电路700，从而能够获得更小型的复合传感器600。
除上述实施方式以外，还可以进行各种变更。
例如，容积小的空间90内的气体可以是空气以外的He、Ne等稀有气体、氮气等。使用比空气粘性系数大的介质，从而得到更大的阻尼效果。
另外，在减压的同时对收容器10与盖体20、23进行接合，将贯通孔12设置在形成容积小的空间90的壁上，从而也能够导入气体并设置压力差。
另外，封装件30、容积小的空间90等并不局限于立方体形，也可以是圆柱形状等。
进而，传感器信号处理用集成电路700可以收容在容积大的空间与容积小的空间中任一空间或两个空间。
本申请发明并不局限于上述实施例，本申请发明的复合传感器100也可以适用于数码相机、汽车导航系统、便携式电话、移动PC及游戏控制器等电子设备。通过使用本申请发明的复合传感器，能够实现抑制传感器元件长期的特性变动的电子设备。

Claims (6)

1.一种复合传感器，其特征在于，
具有封装件，所述封装件具备：具有第一气压的第一空间；具有比所述第一气压低的第二气压的第二空间，
在所述第一空间配置有加速度传感器元件，
在所述第二空间配置有振动型角速度传感器元件，
所述第一空间的容积比所述第二空间的容积小。
2.根据权利要求1所述的复合传感器，其特征在于，
所述封装件具有收容器、盖体以及划分部，
所述第一空间及所述第二空间由所述划分部划分。
3.根据权利要求1或2所述的复合传感器，其特征在于，
在形成所述第一空间的壁及形成所述第二空间的壁的至少一方设有贯通孔，所述贯通孔由密封部件密封。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的复合传感器，其特征在于，
形成所述第一空间的底面的高度与形成所述第二空间的底面的高度彼此不同。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的复合传感器，其特征在于，
所述收容器及所述盖体中至少一方由层叠构造构成。
6.一种电子设备，其使用了权利要求1～5中任一项所述的复合传感器。
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