JP2004037105A

JP2004037105A - 物理量検出器及び物理量検出器の製造方法

Info

Publication number: JP2004037105A
Application number: JP2002190636A
Authority: JP
Inventors: Yusaku Yoshida; 吉田　勇作; Yoshihiko Takagi; 高木　義彦
Original assignee: Akashi Corp
Current assignee: Akashi Corp
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2002-06-28
Publication date: 2004-02-05

Abstract

【課題】多軸方向の物理量測定をより精度良く行うことが可能な物理量検出器、およびその製造方法を提供することである。
【解決手段】物理量検出器（例えば、静電容量型加速度センサ１）において、被測定体の一方向の変位、速度、加速度の何れかの物理量を検出するセンサチップ（例えば、センサチップ１００）と、互いに直交する２つ以上の壁部２００ａ〜ｃを有し、各々の壁部に前記センサチップが直接取り付けられる取付部材（例えば、ブロック２００）と、前記センサチップに接続される配線部材（例えば、フレキシブル基板３００）と、を備えた。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、加速度、変位、圧力その他の物理量を検出する物理量検出器および物理量検出器の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、物理量検出器には様々なものが提供されており、例えば、特開平９−２４３６５４号公報に記載された静電容量型の加速度センサが知られている。かかる加速度センサ１０００は、例えば、図４に示すように、シリコン基盤１００１の下面に、第１のガラス基盤１００２が接合され、シリコン基盤１００１の上面に第２のガラス基盤１００３が接合されている。シリコン基盤１００１はエッチング加工により平面がロ字状に形成された支持枠１００１ａに重り部１００１ｂが梁部１００１ｃを介して片持ち支持されて連結されている。更に、重り部１００１ｂの上下両面と、対向する両ガラス基盤１００２、１００３の対向面との間には、所定の隙間を形成している。これにより、加速度を受けると梁部１００１ｃが撓み、重り部１００１ｂが変位し、前記隙間の距離が変化するようになっている。
【０００３】
そして、重り部１００１ｂの両表面に可動電極１００４が形成され、この可動電極１００４と対向するように、第１のガラス基盤１００２と第２のガラス基盤１００３の内側面にそれぞれ第１の固定電極１００５と第２の固定電極１００６が形成される。従って、重り部１００１ｂが変位して隙間の距離が変化すると、可動電極１００４と第１の固定電極１００５間に第１のキャパシタが形成され、可動電極１００４と第２の固定電極１００６間に第２のキャパシタが形成され、可動電極１００４の移動に伴って第１のキャパシタ及び第２のキャパシタの静電容量も変化する。この静電容量の変化を検出することにより、重り部１００１ｂの変位に基づく加速度を検出することができるようになる。
【０００４】
ところで、従来、このような加速度センサ１０００はパッケージングされた後、基盤に実装されて使用される。
そして、このような加速度センサ１０００を用いて、例えば、三軸方向の加速度を検出しようとする場合、パッケージングされた加速度センサ１０００の三軸方向の静電容量変化を検出可能なようにそれぞれ配置して使用している。
また、上記加速度センサ１０００とは異なり、一つのセンサで三軸方向の加速度等を測定する加速度センサも知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、パッケージングされた加速度センサ１０００を基盤に実装した場合、パッケージングにおける加速度センサ１０００の検出方向とパッケージングの外周面との平行度のずれや、基盤に半田付け等により実装した際の基盤と加速度センサ１０００の検出方向との平行度のずれがあった。
従って、このような加速度センサ１０００を組みあわせて三軸方向の測定を行う場合、上記のようなずれが足し合わさることとなってセンシングが起こり、正確な測定を行うことが困難であるという問題があった。
また、一つのセンサで三軸方向の加速度等を測定する加速度センサは分解能が低く、高精度な測定を行うことが困難であった。
【０００６】
本発明の課題は、多軸方向の物理量測定をより精度良く行うことが可能な物理量検出器、およびその製造方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。なお、括弧の数字は、実施の形態において対応する構成の符号を示す。
請求項１記載の発明は、物理量検出器（例えば、静電容量型加速度センサ１）において、
被測定体の一方向の変位、速度、加速度の何れかの物理量を検出するセンサチップ１００と、
互いに直交する２つ以上の壁部２００ａ〜ｃを有し、各々の壁部に前記センサチップが取り付けられる取付部材（例えば、ブロック２００）と、
前記センサチップに接続される配線部材（例えば、フレキシブル基板３００）と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
請求項１記載の発明によれば、センサチップがパッケージングされることなく、且つ基盤に実装されることなく取付部材の互いに直交する各々の壁部に取り付けられるので、パッケージングにおけるセンサチップの検出方向とパッケージングの外周面との平行度のずれや、基盤に実装した際の基盤とセンサチップの検出方向との平行度のずれによるセンシングの問題がなく、互いに直交する二方向以上の物理量を精度よく測定することができる。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の物理量検出器において、
前記センサチップは、弾性部２２によって変位自在に支持された可動極板２１と、前記可動極板と対面する位置に配置された固定極板１１、３１とで形成されるキャパシタの静電容量に基づいて被測定体の変位、速度、加速度の何れかの物理量を検出することを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明と同様に、静電容量型のセンサチップにおいて物理量を精度よく測定することができる。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の物理量検出器において、
前記配線部材は、フレキシブル基板３００であることを特徴とする。
【００１２】
請求項３記載の発明によれば、請求項１または２記載の発明と同様の効果が得られることは無論のこと、特に、配線部材がフレキシブル基板により構成されているので、個々の配線部材同士が干渉して測定精度に影響を与えることを排除することができ、立体配線が容易となる。
【００１３】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３の何れかに記載の物理量検出器において、
前記センサチップは、前記取付部材の壁部（２１０ａ〜２１０ｃ）の内壁に取り付けられていることを特徴とする。
【００１４】
請求項４記載の発明によれば、請求項１〜３の何れかに記載の発明と同様の効果が得られることは無論のこと、特に、センサチップが取付部材の壁部の内壁に取り付けられているので、センサチップが保護される。
【００１５】
請求項５記載の発明は、請求項２〜４の何れかに記載の物理量検出器を製造するための製造方法であって、
前記センサチップを製造する工程と、
前記取付部材の前記壁部に、前記センサチップを取り付ける工程と、
前記センサチップに前記配線部材を接続する工程と、
を備えることを特徴とする。
【００１６】
請求項５記載の発明によれば、センサチップを取付部材に直接取り付けるため、センサチップがパッケージングされることなく、且つ基盤に実装されることなく取付部材の各々の壁部に取り付けられるので、パッケージングにおけるセンサチップの検出方向とパッケージングの外周面との平行度のずれや、基盤に実装した際の基盤とセンサチップの検出方向との平行度のずれによるセンシングの問題がなく、互いに直交する二軸以上の方向の物理量を精度よく測定することができる物理量検出器を製造することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態において、物理量検出器として、静電容量型加速度センサを例に、図１〜図３を参照しながら説明する。
静電容量型加速度センサ（物理量検出器）１は、図１に示すように、３個のセンサチップ１００・・・と、取付部材としてのブロック２００と、各センサチップ１００に接続される配線部材としてのフレキシブル基板３００・・・と、を含んで構成され、各フレキシブル基板３００は図示しない他の基盤等に接続される。
【００１８】
センサチップ１００は、図２に示す様に、中央に配置されたシリコン基盤１０２と、このシリコン基盤１０２を上下両側から挟む２つのガラス基盤１０１及びガラス基盤１０３と、をそれぞれ陽極接合する事により構成されたセンサチップである。シリコン基盤１０２の大部分は、シリコン製の本体部２０によって構成されており、当該本体部２０には、弾性部２２と、この弾性部２２によって厚さ方向に変位自在に支持された平面視円形の可動極板２１とがエッチングによって一体的に設けられている。
【００１９】
上側のガラス基盤１０１に於いて、可動極板２１と対面する位置には、これと数ミクロンのギャップ（隙間）を確保して、第１の固定極板１１が蒸着やスパッタリング等の方法によって成膜されている。
この第１の固定極板１１は、投影視において可動極板２１及び弾性部２２が占める領域に一致している。この第１の固定極板１１と可動極板２１とにより、第１のキャパシタが形成される。
第１の固定極板１１からは、チタンと白金の合金から成る平面Ｌ字状の第１の検出用電極１２が、シリコン基盤１０２の島４の投影領域に向かって延設されている。
【００２０】
更に、上側のガラス基盤１０１に於いて、第１の固定極板１１の周囲には、貫通孔である穴部１３，１４、１５が所定位置に設けられている。当該各穴部１３，１４は、夫々島４，島５に向かって連通する様配置されている。
【００２１】
一方、下側のガラス基盤１０３に於いて、可動極板２１と対面する位置には、これと数ミクロンのギャップを確保して、第２の固定極板３１が蒸着やスパッタリング等の方法によって成膜されている。
この第２の固定極板３１は、投影視において可動極板２１及び弾性部２２が占める領域に一致している。この第２の固定極板３１と可動極板２１とにより、第２のキャパシタが形成される。
第２の固定極板３１からは、チタンと白金の合金から成る平面Ｌ字状の第２の検出用電極３２が、島５の投影領域に向かって延設されている。
【００２２】
また、シリコン基盤１０２に於いて可動極板２１の周囲には、所定位置に電極取出用のシリコン製の島４、５が設けられている。当該各島４、５は、他の島及び本体部２０と接触せぬ様に隔離されて配置されており、従って他の島及び本体部２０とは電気的に絶縁されている。
これ等の内、島４は平面方向からの投影視に於いて穴部１３と重なる位置に配置されており、島５は同じく投影視に於いて穴部１４と重なる位置に配置されている。
【００２３】
ガラス基盤１０１に設けた穴部１３，１４、１５は、金属膜メッキされ、穴部１３，１４、１５の周囲には同金属膜のパッド１３ａ、１４ａ、１５ａが形成される。
パッド１３ａは、第１の固定極板１１と電気的に接続され、パッド１４ａは、第２の固定極板３１と電気的に接続され、パッド１５ａは、本体部２０を介して可動極板２１と電気的に接続される。
また、パッド１３ａ、１４ａ、１５ａは、フレキシブル基板３００に電気的に接続される。
【００２４】
即ち、ガラス基盤１０１上にスパッタ法や蒸着により金属薄膜が形成された後、無電解メッキが施され、これによりＳｉ面と硝子面との間が導通される。より具体的には、まず、例えば、ＥＢ蒸着によりＣｒ−Ｎｉ（Ｃｒ層の上にＮｉ層をつくる）をガラス−Ｓｉ上に蒸着する。次いで、Ｎｉ層をメッキの下地とし、Ｎｉの無電解メッキを施す。そして、金線によるワイヤボンディングが行えるようにＮｉメッキの上に金メッキを施す。なお、このとき、ステンシルマスクに回路パターンを構成し、このステンシルマスク用いて、ガラス基盤１０１にパタンニングすることにより、ガラス基盤１０１に電気回路（図示省略）を形成することができる。
そして、このガラス基盤１０１に形成された電気回路に抵抗、コンデンサ等の電子部品（図示省略）を取り付けることができる。
【００２５】
また、シリコン基盤１０２の所定位置にはガス吸着剤としてのゲッタＧを受け入れる収容部２３が設けて有る。
このセンサチップ１００を製造する過程に於いては、先ず収容部２３にソルダガラス（図示省略）とともにゲッタＧを収容し、次いで、ガラス基盤１０１、シリコン基盤１０２、及びガラス基盤１０３を陽極接合する。これにより、可動極板２１、各固定極板１１，３１と、ゲッタＧとが密封されるとともに、陽極接合時の熱により、ソルダガラスが溶融し、再び固化することによってゲッタＧが収容部２３に固定される。
【００２６】
なお、陽極接合時には、板バネを可動極板２１の表面より下側にくぼみを設けて配置したり、可動極板２１にストッパ（図示省略）を設けたり、或いは極板間を等電位にするためショート配線にして、可動極板２１の張り付きを防止する。
【００２７】
次いで、ガラス基盤１０１或いはガラス基盤１０３を介してゲッタＧにＹＡＧレーザを照射する。これにより、ゲッタＧが加熱され活性化されて、当該ゲッタＧは、可動極板２１、各固定極板１１，３１等を取り巻くガス（大気）を吸収する。かくして、可動極板２１、固定極板１１，３１等が真空中に配置されることとなる。ここで、ＹＡＧレーザを用いてゲッタＧを活性化することは、単にゲッタＧを加熱して活性化する場合に比べて、ゲッタＧを局部的に高温にすることができるので、より高い真空度を得ることができる。
尚、このゲッタＧは、一旦ガスを吸収した後に於いては、常温に戻されても当該吸収したガスを放出する事は無い。
【００２８】
ブロック２００は、例えば、樹脂や金属などからできていて、立方体形状をなしている。ブロック２００の各壁部（例えば、２００ａ、２００ｂ、２００ｃ）の外面は、外面同士が互いに直交するように、高精度に製造されている。
そして、互いに直交する３つの壁部（例えば、壁部２００ａ〜２００ｃ）の外面に、センサチップ１００がそれぞれ取り付けられている。
【００２９】
フレキシブル基板３００は、その一端がセンサチップ２００の各パッド１３ａ、１４ａ、１５ａと電気的に接続されて取り付けられ、他端は図示しない基盤等に接続されている。
【００３０】
次いで、上記静電容量型加速度センサ１の製造方法について以下に説明する。まず、予め、製造したセンサチップ１００を、ブロック２００の壁部２００ａ〜ｃに貼り付けて固定する。この際、センサチップ１００のガラス基盤１０３の下面と壁部２００ａ〜２００ｃの壁面との間の接着層の厚みを均一にする。
次いで、センサチップ１００の各々センサチップ２００の各パッド１３ａ、１４ａ、１５ａとフレキシブル基板３００の一端とを接続して取り付け、他端は図示しない基盤等に接続する。
【００３１】
なお、フレキシブル基板３００は、センサチップ１００をブロック２００に固定する前にセンサチップ１００に取り付けても良い。
【００３２】
（変形例）
図３に、静電容量型加速度センサ１０の変形例を示す。
なお、静電容量型加速度センサ１と同一の構成については、同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００３３】
図３に示す静電容量型加速度センサ１０は、センサチップ１００と、ブロック２１０と、フレキシブル基板３００を備えて構成される。
ブロック２１０は、互いに直交した３つの壁部２１０ａ〜ｃから構成され、壁部２１０ａ〜ｃの内壁にセンサチップ１００がそれぞれ取り付けられている。
ブロック２１０をこのような形状にすることで、センサチップ１００が壁部２１０ａ〜ｃに保護されることとなる。
【００３４】
なお、ブロック２１０の内側にモールド剤を充填して成形体を形成することにより、センサチップ１００をモールド剤で覆うようにしても良い。
ここで、モールド剤としては、例えば熱硬化性のエポキシ樹脂を使用する。
このように、モールド剤によってセンサチップ１００を覆うことにより、より安定した物理量の検出が可能となる。
また、モールド剤により実装体の各面を固定すると、振動の伝達も良好になり、より高精度な測定が可能となる。この場合、静電容量加速度センサ１を基板上に設置する際には底面を接着剤などで固定すると、更に高精度な測定が可能となる。
また、例えば、図４に示すように、センサチップ１００と、フレキシブル基板３００は、異方性導電性接着剤により接着し、配線３１０と電気回路は、コネクタ４００を用いて接続してもよい。
【００３５】
以上の如くして構成された静電容量型加速度センサ１、１０による加速度測定の動作は次の通りである。
静電容量型加速度センサ１、１０を被測定物に取り付けた状態に於いて、３つの各センサチップ１００に対して外部から加速度が印加されると、各センサチップ１００は、当該加速度に起因して、弾性部２２によって平衡位置に支持された可動極板２１が当該弾性部２２に拘束されながら板厚方向に変位する。これにより、第１のキャパシタの静電容量と、第２のキャパシタの静電容量とが相互に増減し、これに伴って両者の容量差が変動する。この容量差により、被測定物の加速度を算出する。従って、３つのセンサチップ１００により測定された加速度により、被測定物の３軸方向の加速度を測定することができる。
【００３６】
以上の如くして構成され、作用する静電容量加速度センサ１によれば、３つのセンサチップ１００を配置してもセンシングの問題がなく、互いに直交する３軸方向の物理量を精度よく測定することができる。
【００３７】
また、配線部材がフレキシブル基板により構成されているので、個々の配線部材同士が干渉して測定精度に影響を与えることを排除することができる。
【００３８】
以上、本発明が適用された静電容量型加速度センサについて説明したが、本発明の技術思想はこれに限られるものではない。例えば、次の事等は本発明と均等であると云うことができる。
例えば、加速度以外にも、圧力その他の物理量を検出する様に設計変更する事が可能である。この事は、外部からの圧力その他の物理量に起因して可動極板２１が変位する様に構成することで容易に実現できる。
また、物理量検出器は、静電容量以外のものを利用した物理量検出器であってもよい。
本実施例では、３軸方向の物理量（加速度）を測定する構成としたが、２軸方向の物理量を測定する構成のものであってもよい。
配線部材は、フレキシブル基板を用いたが、例えば、リード線などでもよい。また、可動極板２１、固定極板１１，３１等が真空中に配置されて封止される構成としたが、常圧で封止される構成であってもよい。
また、本発明にかかる静電容量型物理量センサ１は、傾斜計にも適用可能である。
【００３９】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、センサチップがパッケージングされることなく、且つ基盤に実装されることなく取付部材の互いに直交する各々の壁部に取り付けられるので、パッケージングにおけるセンサチップの検出方向とパッケージングの外周面との平行度のずれや、基盤に実装した際の基盤とセンサチップの検出方向との平行度のずれによるセンシングの問題がなく、互いに直交する二方向以上の物理量を精度よく測定することができる。
【００４０】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明と同様に、静電容量型のセンサチップにおいて物理量を精度よく測定することができる。
【００４１】
請求項３記載の発明によれば、請求項１または２記載の発明と同様の効果が得られることは無論のこと、特に、配線部材がフレキシブル基板により構成されているので、個々の配線部材同士が干渉して測定精度に影響を与えることを排除することができ、立体配線が容易となる。
【００４２】
請求項４記載の発明によれば、請求項１〜３の何れかに記載の発明と同様の効果が得られることは無論のこと、特に、センサチップが取付部材の壁部の内壁に取り付けられているので、センサチップが保護される。
【００４３】
請求項５記載の発明によれば、センサチップを取付部材に直接取り付けるため、センサチップがパッケージングされることなく、且つ基盤に実装されることなく取付部材の各々の壁部に取り付けられるので、パッケージングにおけるセンサチップの検出方向とパッケージングの外周面との平行度のずれや、基盤に実装した際の基盤とセンサチップの検出方向との平行度のずれによるセンシングの問題がなく、互いに直交する二軸以上の方向の物理量を精度よく測定することができる物理量検出器を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】静電容量型加速度センサの概略構成を模式的に示す斜視図である。
【図２】静電容量型加速度センサのセンサチップの構成を模式的に示す分解斜視概略図である。
【図３】静電容量型加速度センサの変形例を模式的に示す斜視図である。
【図４】静電容量型加速度センサへのフレキシブル基板配線を説明するための図である。
【図５】従来技術に於ける静電容量型加速度センサを示す断面図である。
【符号の説明】
１　　静電容量型加速度センサ（物理量検出器）
１１　　第１の固定極板（固定極板）
２０　　本体部
２１　　可動極板（可動極板）
３１　　第２の固定極板（固定極板）
１００　　センサチップ（センサチップ）
１０１　　ガラス基盤
１０２　　シリコン基盤
１０３　　ガラス基盤
２００　　ブロック（取付部材）
２１０　　ブロック（取付部材）
３００　　フレキシブル基板（配線部材）

Claims

被測定体の一方向の変位、速度、加速度の何れかの物理量を検出するセンサチップと、
互いに直交する２つ以上の壁部を有し、各々の前記壁部に前記センサチップが取り付けられる取付部材と、
前記センサチップに接続される配線部材と、
を備えることを特徴とする物理量検出器。
請求項１記載の物理量検出器において、
前記センサチップは、弾性部によって変位自在に支持された可動極板と、前記可動極板と対面する位置に配置された固定極板とで形成されるキャパシタの静電容量に基づいて被測定体の変位、速度、加速度の何れかの物理量を検出することを特徴とする物理量検出器。
請求項１又は２記載の物理量検出器において、
前記配線部材は、フレキシブル基板であることを特徴とする物理量検出器。
請求項１〜３の何れか一項に記載の物理量検出器において、
前記センサチップは、前記取付部材の壁部の内壁に取り付けられていることを特徴とする物理量検出器。
請求項２〜４の何れか一項に記載の物理量検出器を製造するための製造方法であって、
前記センサチップを製造する工程と、
前記取付部材の前記壁部に、前記センサチップを取り付ける工程と、
前記センサチップに前記配線部材を接続する工程と、
を備えることを特徴とする物理量検出器の製造方法。