JP2001349732A - マイクロマシンデバイスおよび角加速度センサおよび加速度センサ - Google Patents

マイクロマシンデバイスおよび角加速度センサおよび加速度センサ

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JP2001349732A JP2000168542A JP2000168542A JP2001349732A JP 2001349732 A JP2001349732 A JP 2001349732A JP 2000168542 A JP2000168542 A JP 2000168542A JP 2000168542 A JP2000168542 A JP 2000168542A JP 2001349732 A JP2001349732 A JP 2001349732A
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acceleration sensor
micromachine device
island
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Toru Okauchi
亨 岡内
Mitsuhiro Yamashita
光洋 山下
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 SOI型角速度センサ及び加速度センサの回
路基板上への高密度表面実装実現。 【解決手段】 SOI基板の支持層側に接続穴を設け、
バンプや異方性導電膜を用いて、裏面から活性層の端子
部と回路基板上のランドを接続することにより、ワイヤ
ーボンディングに要するスペースを不要とする。上記の
対策により、センサの回路基板への高密度表面実装を実
現し、機器の小型化に寄与せしめる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば車両の姿勢
制御、進行方向の算出、ハンドカメラの手ぶれ防止、携
帯電話の移動方向算出などに用いられる角速度センサ及
び加速度センサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、角速度を検出するセンサとして様
々なジャイロスコープ(以下、ジャイロと称す)が開発
されている。その種類を大別すると、機械式のコマジャ
イロ、光学式の光ファイバージャイロ、流体式のガスレ
ートジャイロ、音叉等の振動ジャイロがある。
【0003】近年は、製品の小型化・省電力化・低コス
ト化の要求に対し、単結晶シリコンや水晶などの素材に
マイクロマシニング微細加工技術を適用して形成した超
小型な角速度センサの開発も進められている。マイクロ
マシンによる角速度センサの大半は振動ジャイロに属す
る。検出原理は以下の通りである。
【0004】振動している錘が振動方向と垂直な軸周り
に錘を回転すると、振動方向と回転の軸の互いに垂直な
方向の力が錘に働く。この力による錘の力方向の変位を
検出し、そこから角速度を算出するのである。このセン
サには振動を励起する駆動力と、錘の変位を検出する機
構が必要である。センサの材料が圧電体もしくは一部に
圧電体部分を設けたものでは、圧電体への電圧印加によ
る歪みを駆動に利用したり、圧電体に加わる歪みにより
発生する電荷を検出したりする。
【0005】別の方法では、磁気を用いたり、静電気力
を用いたりする。これらの中で圧電体を用いるものは、
バルクの圧電体を用いると微細加工が困難なことや、例
えばシリコン上に圧電体を形成する場合、形成自体に多
大な労力を必要とする。磁気の利用では、マグネットの
使用による周辺回路への影響や高効率な微細コイルの形
成が困難なことなど、実用に向けて越えなければならな
いハードルは高い。これらの意味から、材料にはシリコ
ンウエハを用い、駆動・検出両方に静電気力を用いるタ
イプのものの開発が、実用段階にまできている。静電気
力の利用した駆動とは、異なる電荷を蓄えた平行平板電
極が互いに引き合う力を応用する。従って、電極の総面
積が大きいほど有利である。
【0006】一方、検出は一定の電荷を蓄えた平行平板
コンデンサにおいて、その電極間距離が変化による電極
間電圧の変化を検出することにより、変位量を求める。
やはり検出側でも電極の総面積が大きいほど有利であ
る。特に、検出側の変位量は、駆動振動の変位量に比し
て、遙かに小さい(二桁〜三桁小さい)ため、より高精
度加工と検出効率向上が必要である。この種のマイクロ
マシン角速度センサでは、例えば、P.Greiff他により発
表された論文(Silicon monolithic micromechanical g
yroscope, Transducers'99, P966-969)や、近年では村
田製作所から発表された論文(MEMS'99)が一例であ
る。また。特開平5−312576号公報「角速度セン
サ」にも一例が記載されている。
【0007】上記のように、振動型マイクロマシンジャ
イロでは、駆動効率・検出効率を高めるには電極面積を
増やす必要がある。そこで、錘の表面全体を電極として
用いたり、空間効率を高めるため、櫛形や梯子型、フィ
ッシュボーンなどの構造が採用されている。効率を向上
するためには、電極面積増加と共に電極間距離を小さく
構成精度加工することも重要である。これらの要求に対
応するため、最近では半導体プロセスであり、プラズマ
エッチングの一種である、反応性イオンエッチング(以
下RIEと称す)を用いる。この技術による超微細加工
により、数ミクロンピッチのシリコンによる構造物の作
製が可能である。
【0008】また、振動型マイクロマシンジャイロで
は、感度向上において電極面積のほか錘の質量を大きく
することも重要である。そこで、構造体を形成するシリ
コン基板に、厚みが例えば30〜70μm程度の基板を
採用するものが多く見られる。しかし、この様な薄型基
板をそのままハンドリングする事は困難なため、活性層
が30〜70μmであるSOI基板が多用される。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】マイクロマシンジャイ
ロを基板に表面実装する場合、構造体が形成されている
活性層を基板に直付けする事は、構造体に影響を及ぼす
ため出来ず、支持層側を回路基板に固定し、活性層面か
らワイヤーボンディングで取り出される。しかし、携帯
端末やハンディーカメラの小型化が著しい中、ボンディ
ングパットの占める面積やワイヤーを張るスペースが、
機器の小型化において問題となってきた。
【0010】本発明は、このような問題点を鑑みて、表
面実装技術をSOI基板型マイクロマシンデバイスに導
入し、機器の小型化に寄与する実装方法を提供すること
を目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】本願の請求項1の発明
は、金属薄膜パターンを有する絶縁体基板と、SiO2
絶縁層の片側が導電性を示すSi活性層であり、他方が
Si支持層より構成されるSOI基板よりなり、前記活
性層に構造体が形成され、前記絶縁体基板の一部と前記
活性層の一部が接合された接合面を有するマイクロマシ
ンデバイスにおいて、活性層側の前記接合面に形成さ
れ、活性層の他の部分と絶縁された島状部と、前記金属
パターンのうちガラス側接合面上に形成された部分とが
接合状態で電気的に接続され、前記支持層側より前記島
状部、または前記構造体と接続されている活性層部分の
裏面に空けられた接続穴を通して、前記島状部または前
記活性層部分と外部が電気的に接続されていることを特
徴とするものである。
【0012】本願の請求項2の発明は、前記構造体の一
部または前記島状部と外部との電気的接続が、外部基板
上に構成されたバンプを介して行われることを特徴とす
るものである。
【0013】本願の請求項3の発明は、前記接続穴の内
側及び接続穴口周辺と穴口に接続されたリード部として
金属膜を形成したことを特徴とするするものである。
【0014】本願の請求項4の発明は、前記構造体の一
部または前記島状部と外部との電気的接続が、外部基板
上と前記支持層間に配された異方性導電膜により行われ
ることを特徴とするものである。
【0015】本願の請求項5の発明は、絶縁体基板がガ
ラス基板で構成されていることを特徴とするものであ
る。
【0016】本願の請求項6の発明は、絶縁体基板が表
面にSiO2層を有するシリコン基板により構成されて
いることを特徴とするものである。
【0017】本願の請求項7の発明は、絶縁体基板と活
性層の接合が陽極接合であることを特徴とするものであ
る。
【0018】本願の請求項8の発明は、請求項1から請
求項7記載のマイクロマシンデバイスが、角速度センサ
であることを特徴とするものである。
【0019】本願の請求項9の発明は、請求項1から請
求項7記載のマイクロマシンデバイスが、加速度センサ
であることを特徴とするものである。
【0020】
【発明の実施の形態】(実施の形態1)本発明の実施の
形態1である単結晶シリコンSOIウェハとガラスから
なる角速度センサについて、図1を用いて説明する。
【0021】図1は実施の形態1における角速度センサ
の分解斜視図である。センサはSOI基板101とガラ
ス基板120からなる。SOI基板101は電導性の高
い活性層102と絶縁性を示す非ドープSiの支持層1
04と活性層102と支持層104の間に挟まれ両者を
絶縁する絶縁層103の3層構造をなす。絶縁層103
はSiO2よりなる。
【0022】活性層102の中央には、プラズマエッチ
ングの一種であるRIEにより、振動体110が構成さ
れている。振動体110の中央には角速度を検出するた
めの錘105があり、その周囲には振動体110を駆動
するための駆動電極107,108が配されている。駆
動電極は左側部107と右側部108に別れ、それぞれ
スリットの開いた簀の子上の構造である。錘105は厚
みの薄い4本の片持ち梁状の検出梁106を介して、駆
動電極107,108により支持され、錘105は基板
厚み方向にのみ自由度を持っている。
【0023】また、駆動電極107,108は両端支持
梁状の2本の駆動梁109を介してフレーム117に支
持され、振動体の左右方向にのみ自由度を持っている。
また、駆動梁109外側にはフレーム117と電気的に
絶縁されたモニタ電極111が構成され、駆動梁109
の中央部付近を対向電極とする平行平板コンデンサを構
成している。活性層102にはフレーム117と電気的
に絶縁された島状部113が形成され、支持層104側
よりエッチングによる接続穴140が開けられ、この部
分の絶縁層103も除かれている。更に、この島状部1
13にはフレーム117上面よりエッチングされ窪んだ
コンタクト部114と、このコンタクト部114周囲に
は更に深くエッチングされた溝部115が形成されてい
る。
【0024】活性層102の上方(支持層104とは反
対側)には絶縁基板であるところのガラス基板120が
配され、Si側のフレーム117の一部であるSi側接
合面112と対応するガラス側接合面125は、陽極接
合にて強固に固定されている。陽極接合とはガラス基板
とSi基板の清浄でフラットな面同士を接触させ、高温
下で高電圧を印加することで、接触面間に静電気力を発
生させ固定する技術である。ガラス側の接合面125の
内側は、エッチングにより窪んだギャップ部126が構
成され、ギャップ部126の底面には金属薄膜により構
成された電極パターンが形成されている。
【0025】電極パターンの中央には検出電極123が
錘105と対向するように配され、検出電極123の周
囲にはガラス側駆動電極121,122が配されてい
る。ガラス側駆動電極121,122は、それぞれSi
側の左側駆動電極107,右側駆動電極108に対応し
ている。ガラス側の電極パターンからそれぞれリード線
部124が、ガラス側接合面125まで引き出され、S
i側のコンタクト部と電気的に接続されている。
【0026】ここで、コンタクト部114の詳細な構造
を、図2を用いて説明する。Si基板側の島状部113
中央に配されたコンタクト部114は、接合面112よ
りt2だけエッチングされ低くなっている。ここで、ガ
ラス基板120上の金属薄膜によるリード線部124の
膜厚をt1とすると、t1>t2の関係が成り立つよう
に、それぞれt1,t2を決める。このとき、t1−t
2だけ押さえ代が発生し、ガラス側の接合面125とS
i側の接合面112の間に透き間が空くことになるが、
陽極接合が高温下で行われるので、ガラスが僅かに軟化
するため、リード線部124周囲にスロープが発生し、
接合面112と125は正常に接合される。コンタクト
部114周囲の溝部115の幅内で、このスロープ幅が
収まるように溝部115の幅を設定することにより、接
合面112,125間にくさび形隙間の発生を防止で
き、接合面の強度を向上させることが出来る。
【0027】図3(a)に実施の形態1における角速度
センサを回路基板に実装した場合の断面図を示す。島状
部113には支持層104側から接続穴140が開けら
れ、支持層104側にむき出しになっている。センサを
実装すべき回路基板301上には配線を行うランド30
2が設けてあり、センサへの電圧印加や検出信号の取り
出しは、このランド302を通して行う。ランド302
上には金で構成されたバンプ303が取り付けられ、そ
の頂点は島状部113に接触している。
【0028】支持層104の下面周囲は絶縁性の高い接
着剤304が塗布され、センサは回路基板301に固定
されているため、島状部113とバンプ303頂点との
接触が保障される。通常、接着剤にはUV硬化型のもの
が用いられる。この時、バンプ303が支持層104と
接触しても、支持層104が絶縁体であるため、他の部
分と短絡することはない。図3(a)では検出電極30
5の端子取り出しに用いるバンプ303のみ示したが、
活性層102と回路側GNDの接続や、駆動電極10
7,108への電圧印加にも同様の方法を用いる。
【0029】この様に、島状部113裏面に接続穴14
0を設け、回路基板301上に配されたバンプ303を
介して、センサ側各電極端子と回路側端子と接続するこ
とにより、ワイヤーボンディングに伴う面積が不要とな
る。このため、回路基板301上に占める面積がほぼチ
ップサイズとなり、高密度実装による機器小型化に大き
く貢献する。
【0030】図3(b)は島状部113裏面に開けられ
た接続穴140に金属薄膜402を形成した例である。
この処理を行うことにより、バンプ303がやや平たく
なり、その頂点が島状部113に届かないような場合で
も、島状部113と回路基板301上のランド302の
導通が保障する事が出来る。
【0031】次に、実施の形態1における角速度センサ
の動作について説明する。活性層102には、例えばS
bやAs等の元素をドープさせることで導電性を持た
せ、その電位をGNDとしている。回路基板301のG
NDとは、島状部113裏面に設けたと同様の接続穴を
フレーム117部分の裏面に設け、バンプ303と介し
て接続されている。
【0032】また、ガラス側の駆動電極121,122
には、バンプ303,コンタクト部114を介して、そ
れぞれバイアス電圧Vbの掛かった振幅Va,周波数f
の交流電圧が印加されている。交流電圧のバイアス分V
bと交流振幅Vaの関係は、Vb>Vaの関係があり、
駆動電極121に印加されている駆動信号がVb+Va
・Sin(2πft)の時、駆動電極122に印加され
る駆動信号はVb−Va・Sin(2πft)となる。
【0033】従って、駆動電極121−107の間と、
駆動電極122−108の間に働く静電気力は、位相が
180°異なった振動的な引力となるため、振動体11
0は図1の130の方向に振動する。このとき131の
方向を軸とする回転運動が振動体110に加わると、1
32の方向にコリオリ力が発生する。駆動梁109は1
30の方向には軟らかいが、132の方向には堅いた
め、132の方向に軟らかい検出梁106が変形し、振
動体110の中で錘105のみが132の方向に移動す
る。
【0034】すると、錘105と検出電極123で構成
される平板コンデンサの静電容量が変化するため、この
容量変化をCV変換回路(図示せず)により検出し、コ
リオリ力を算出する事により振動体110に加わった回
転速度を検知する。この際、振動体110の130方向
の駆動振動を制御するため、モニタ電極111の信号を
用いる。モニタ電極111が振動体110の振動を検出
する原理も、検出電極123による錘105の移動量検
出と同様静電方式である。
【0035】尚、実施の形態1では、SOI基板の支持
層に絶縁体Siを用いたが、電導性基板の場合も、活性
層で行った様に接続穴周囲のSiを島状部とすることに
より、本発明を実施できる。
【0036】(実施の形態2)本発明の実施の形態2で
ある単結晶シリコンとガラスからなる角速度センサにつ
いて、図4を用いて説明する。構造的には図1に示した
実施の形態1の角速度センサと同様、SOI基板101
とガラス基板120を、接合面112と125で陽極接
合することにより構成されている。さらに、SOI基板
101の活性層102に、錘105、検出梁106、駆
動電極107,108、駆動梁109からなる振動体1
10が形成されているのも図1に示す実施の形態1と同
様であり、駆動梁109の横にはモニタ電極111も形
成されている。また、SOI基板101に接合されてい
るガラス基板120には、実施の形態1と同様ギャップ
部126がエッチングされ、ギャップ部126の底面に
は実施の形態1で説明したのと同様の電極パターン12
7が構成されている。実施の形態2が実施の形態1と異
なる点は、島状部113の裏面からの端子取り出し方法
にある。実施の形態2における角速度センサでは、常に
島状部113裏面の接続穴140壁面には金属膜402
を形成する。金属膜402は支持層104裏面の接続穴
140縁から、若干外側まで形成する。
【0037】一方回路基板301上ではランド302の
有無に関わらず、支持層104が接触する部分全体に異
方性導電膜401が配されている。異方性導電膜とは接
着剤シート中に導体微粒子403を分散させたシートで
あり、シート中の隣り合う導体微粒子403は接触しな
い密度が保証されている。この異方性導電膜401上に
角速度センサを押し付けると、ランド302と金属膜4
02に挟まれた導体微粒子404は、ランド302と金
属膜402に接触するため、ランド302と金属膜40
2は電気的に接続される。
【0038】しかし、片側だけが導体の場合や導体に全
く接触していない導体微粒子403は、電気的に孤立状
態であるため、不要な端子の短絡は発生しない。異方性
導電膜401上に角速度センサを押し付けた状態で、異
方性導電膜401に加熱処理等を施すと、異方性導電膜
401中の接着剤が軟化後硬化し、回路基板301と支
持層104が接着固定される。この場合、図3に示した
接着剤304は必須ではないが、もちろん補強のための
接着剤を塗布することも可能である。異方性導電膜40
1を用いた実装の場合、各ランド302にバンプを配す
る必要が無いため、生産工数的には実施の形態1よりも
更に少ないため、高密度実装とコスト削減の両方の効果
が期待できる。
【0039】実施の形態2における角速度センサの動き
についてであるが、振動体110の動きや駆動電極への
電圧印加方法まで、全く同様であるため、説明を割愛す
る。
【0040】(実施の形態3)本発明の実施の形態3で
ある単結晶シリコンとガラスからなる加速度センサにつ
いて、図5を用いて説明する。実施の形態1の角速度セ
ンサと同様、SOI基板101の活性層102とガラス
基板120とから構成されている。活性層120には片
持ち梁型の検出梁502と、その先端に取り付けられた
錘501がエッチングにより加工されている。
【0041】活性層102に対向してガラス基板120
が陽極接合で取り付けられ、ガラス基板120にはギャ
ップ部126が設けてある。ギャップ部126底面に
は、金属膜による検出電極305が錘501に対向する
位置に配され、錘501と検出電極305間で平板コン
デンサを構成している。検出電極305の一部はリード
線部となり、ガラス基板側の接合面125に延び、陽極
接合により接合面125と112間に挟まれ、島状部1
13に電気的に接続されている。島状部113の裏面に
は、接続穴140が支持層104側から開けられてい
る。支持層104下面には回路基板301があり、回路
基板301上のランド302上にはバンプ302が設け
てある。
【0042】加速度センサを回路基板301上に実装す
る際は、接続穴140内にバンプ303が挿入され、島
状部113の下面とバンプ303が接触するように位置
合わせされた後、回路基板301に加速度センサを押し
付けながら、支持層下面周囲に接着剤を塗布・硬化させ
る。これで、加速度センサは回路基板301に固定さ
れ、バンプ303と島状部113の接続は保証される。
図5では検出電極305の端子取り出しに用いるバンプ
303のみ示したが、活性層102と回路側GNDの接
続にも同様の方法を用いる。
【0043】この様に、島状部113裏面に接続穴14
0を設け、回路基板301上に配されたバンプ303を
介して、センサ側各電極端子と回路側端子と接続するこ
とにより、ワイヤーボンディングに伴う面積が不要とな
る。このため、回路基板301上に占める面積がほぼチ
ップサイズとなり、高密度実装による機器小型化に大き
く貢献する。
【0044】次に、実施の形態3における加速度センサ
の動きを説明する。前述のように、GND電位の錘50
1と検出電極305は平板コンデンサを形成する。錘5
01に510方向の加速度が加わると、検出梁502が
たわみ、錘501と検出電極305の間隔が変化し、静
電容量が変化する。この容量変化は検出電極305に接
合された島状部113、バンプ303を介して、回路基
板301上の検出回路(図示せず)にて検出され、加速
度が算出される。
【0045】尚、実施の形態3ではバンプによる端子取
り出しを行っているが、実施の形態2で述べたように、
異方性導電膜により端子取り出しを行っても同様の効果
が得られる。
【0046】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、振動型角
速度センサ及び加速度センサを回路基板上に直接表面実
装でき、部品実装の高密度かが可能なため、搭載機器の
小型化に大きく寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態1における角速度センサの斜視図
【図2】実施の形態1における角速度センサのリード線
部拡大断面図
【図3】実施の形態1における角速度センサの端子取り
出し部断面図
【図4】実施の形態2における角速度センサの端子取り
出し部断面図
【図5】実施の形態3における加速度センサの端子取り
出し部断面図
【符号の説明】
101 SOI基板 102 活性層 103 絶縁層(SiO2層) 104 支持層 105 錘 106 検出梁 107 左駆動電極 108 右駆動電極 109 駆動梁 110 振動体 111 モニタ電極 112 接合面(シリコン側) 113 島状部 114 コンタクト部 115 溝部 117 フレーム 120 ガラス基板 121 ガラス側駆動電極(右側) 122 ガラス側駆動電極(左側) 123 検出電極 124 リード線部 125 接合面(ガラス基板側) 126 ギャップ部 130 振動体振動方向 131 回転軸方向 132 錘の移動方向 140 接続穴 301 回路基板 302 ランド 303 バンプ 304 接着剤 401 異方性導電膜 402 金属薄膜 403,404 導体微粒子 501 錘 502 検出梁 510 加速度印加方向
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2F105 AA02 AA08 AA10 BB13 CC04 CD03 CD05 CD13 4M112 AA02 BA07 CA24 CA26 CA31 CA33 DA03 DA18 EA03 EA13

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 金属薄膜パターンを有する絶縁体基板
    と、SiO2絶縁層の片側が導電性を示すSi活性層で
    あり、他方がSi支持層より構成されるSOI基板より
    なり、前記活性層に構造体が形成され、前記絶縁体基板
    の一部と前記活性層の一部が接合された接合面を有する
    マイクロマシンデバイスにおいて、 活性層側の前記接合面に形成され、活性層の他の部分と
    絶縁された島状部と、前記金属パターンのうちガラス側
    接合面上に形成された部分とが接合状態で電気的に接続
    され、前記支持層側より前記島状部、または前記構造体
    と接続されている活性層部分の裏面に空けられた接続穴
    を通して、前記島状部または前記活性層部分と外部が電
    気的に接続されていることを特徴とするマイクロマシン
    デバイス。
  2. 【請求項2】 構造体の一部または前記島状部と外部と
    の電気的接続が、外部基板上に構成されたバンプを介し
    て行われることを特徴とする請求項1記載のマイクロマ
    シンデバイス。
  3. 【請求項3】 前記接続穴の内側及び接続穴口周辺と穴
    口に接続されたリード部として金属膜を形成したことを
    特徴とする請求項1または2に記載のマイクロマシンデ
    バイス。
  4. 【請求項4】 前記構造体の一部または前記島状部と外
    部との電気的接続が、外部基板上と前記支持層間に配さ
    れた異方性導電膜により行われることを特徴とする請求
    項3記載のマイクロマシンデバイス。
  5. 【請求項5】 絶縁体基板がガラス基板で構成されてい
    ることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の
    マイクロマシンデバイス。
  6. 【請求項6】 絶縁体基板が表面にSiO2層を有する
    シリコン基板により構成されていることを特徴とする請
    求項1から請求項4のいずれかに記載のマイクロマシン
    デバイス。
  7. 【請求項7】 絶縁体基板と活性層の接合が陽極接合で
    あることを特徴とする請求項か1から6のいずれかに記
    載のマイクロマシンデバイス。
  8. 【請求項8】 請求項1から請求項7記載のマイクロマ
    シンデバイスが、角速度センサであることを特徴とする
    角速度センサ。
  9. 【請求項9】 請求項1から請求項7記載のマイクロマ
    シンデバイスが、加速度センサであることを特徴とする
    加速度センサ。
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