JP2004361394A - 容量型力学量センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】 低コストで小型な容量型力学量センサの提供。
【解決手段】 下ガラス板の容量検出電極を、上ガラス板に設けたスルーホールと半田ボールを用いて、上ガラス板外面まで導通することにより、外部基板に接続するための電極を上ガラス板の外面上に集約し、外部基板に直接実装できるようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車などの角速度や加速度を検出する容量型力学量センサに関する。
従来の半導体容量式加速度センサを図１１に示す。半導体容量式加速度センサ５０７は、加速度を受けて変位する錘５２１を有したシリコン板５０２と加速度による錘５２１の変位を容量変化として検出する電極５３１を有した上部ガラス板５０３、同じく加速度による錘５２１の変位を容量変化として検出する電極５１１を有した下部ガラス５０１が外部基板に実装するためのパッケージ５０４の内部に積層され収納されている。下部ガラス板５０１に設けられた電極５１１はスルーホール５１２を介してベースプレート５０６上に設けられた電極配線パターン５６１に接続される。電極配線パターン５６１は任意の電極ピン５０５と接続し外部回路に接続する。上部ガラス板５０３に設けられた電極５３１はスルーホール５３２を介して上部ガラス板５０３上に設けられた電極パッド５３３に接続される。電極パッド５３３からＡｕ線５５１により任意の電極ピン５０５と接続し外部回路に接続する。（例えば、特許文献１ 参照。）。
特開平９−２４３６５４号公報（第６頁、第２図）
しかしながら上記のように、複数の電極が複数の面上に配置されていると外部装置などの基板への接続にはワイヤー等が必要になり、低コスト化とはならない。また、ワイヤーを保護するためにはパッケージが必要になり、小型化、低コスト化にはならない。パッケージ台座には電極パターンを有した基板が必要であり低コスト化にはならない。
本発明はこのような事情に鑑み、小型かつ低コストな容量型力学量センサを提供する。
本願発明にかかる容量型力学量センサは、加速度などの力学量をうけて変位する錘を有したシリコン板と、前記シリコン基板を前記錘が形成された下面側から支持するための第一の板と、前記シリコン基板を上面から支持するための第二の板と、静電容量変動差により前記錘の変位を検出するため前記第一の板に形成された第一の容量検出電極と、を有する。さらに、静電容量変動差により前記錘の変位を検出するため前記第二の板に形成された第二の容量検出電極と、前記第二の板を上下に貫通するように形成された第１の電極と、前記第二の板を上下に貫通するように形成され、前記第二の容量検出電極と接続された第２の電極と、前記第１の電極と前記第１の容量検出電極とを電気的に接続するための半田と、を有することを特徴とする。
さらに、本願発明にかかる容量型力学量センサは、前記第一および第二の板がガラス板であることを特徴とする。
さらに、本願発明にかかる容量型力学量センサは、前記第一の電極に接続され前記第二の板の上面に形成された第一の電極パターンと、前記第二の電極に接続され前記第二の板の上面に形成された第二の電極パターンと、を有することを特徴とする。
以上のように、本発明による容量型力学量センサは、電極が一面に集約されているためワイヤーボンディングを必要とせず、直接基板に実装することが可能なため低コスト化が図れた。また、外部のパッケージも不要となり、小型化や低コスト化が図れた。
本発明の容量型力学量センサは、加速度などにより変位する錘を有したシリコン板と、第一の板である下部ガラス板と、第二の板である上部ガラス板からなる。また、下部ガラス板の第一の容量検出電極はボール状の半田を介して上部ガラス板の第一の電極と電気的に結合している。上部ガラス板の外面には外部基板に直接実装できるように電極が配置されている。
基本的な製法としてはまず、下部ガラス板を用意し、シリコン板を下部ガラス板に接合する。接合後に下部ガラス板の容量検出電極と上部ガラス板の電極の一部を接続するための半田ボールを下部ガラス板の容量検出電極の所定の位置に配置する。その後上部ガラス板をシリコン板に接合する。
以下、実施例１に容量型加速度サンサを、実施例２は容量型角速度センサの実施例を説明する。
図１（Ａ）は、本発明の容量型加速度センサを示す平面図である。図１（Ｂ）は、本発明の容量型加速度センサを示す側面断面図である。図１（Ａ）におけるＡ−Ａ’の側面断面図である。
容量型加速度セン７は、容量検出電極１１を有す下部ガラス板１、加速度を受けて変位する錘２１をもつシリコン板２、容量検出電極３１と直接外部基板に実装する外部電極３５を有す上部ガラス板３が積層された構造となっている。また、下部ガラス板１上の容量検出電極１１の一部には半田ボール１４が配置されている。この半田ボール１４は上部ガラス板３の電極３３と接触が可能となる高さを有しており、これにより下部ガラス板１の容量検出電極１１と上部ガラス板３の電極３３を電気接続することができる。
図２（Ａ）は、本発明の容量型加速度センサの下部ガラス板の平面図である。図２（Ｂ）は、本発明の容量型加速度センサの下部ガラス板の透過側面図である。
下部ガラス板１は主にＳｉＯ２から構成されているが、シリコン板２との熱膨張係数をあわせたものを使用している。また、下部ガラス板１の厚みは約５００μｍ以上となっている。シリコン板２との接合面側には、厚さ約１μｍ以下のＡｌなどからなる容量検出用の電極１１がスパッタなどにより４個設けられている。これらの電極は半田ボール１４により上部ガラス板３の電極３３に接続され電気接合が可能となる。
図３（Ａ）は、本発明の容量型加速度センサの上部ガラス板の平面図である。図３（Ｂ）は、本発明の容量型加速度センサの上部ガラス板の底面図である。図３（Ｃ）は、本発明の容量型加速度センサの上部ガラス板の側面断面図である。図３（Ｂ）におけるＢ−Ｂ’の側面断面図である。
上部ガラス板３も下部ガラス板１と同様に主成分はＳｉＯ２から構成され、シリコン板２との熱膨張係数をあわせたものを使用している。また、上部ガラス板３の厚みは約１００μｍ以上となっている。シリコン板２との接合面から数μｍ凹んだ位置には、厚さ約１μｍ以下のＡｌなどからなる容量検出用の電極３１が配置されている。この容量検出用の電極３１は、同じくＡｌをスパッタにて成膜されたスルーホール３２ａにより、上部ガラス板３外面に接合されたＮ型のシリコン３４に接続される。また、シリコン板２との接合面には半田ボール１４との接続に使用する電極３３と、シリコン板２の錘２１の電位を取るための電極３３ａがスパッタなどにより設けられている。同じくＡｌをスパッタにて成膜されたスルーホール３２ｂにより上部ガラス板３外面に接合されたＮ型のシリコン３４に接続される。このＮ型のシリコン３４の外面にはＡｌをスパッタにより成膜してあり、このＡｌによる電極パッド３５は外部の基板に直接実装することを可能する。
図４（Ａ）は、本発明の容量型加速度センサのシリコン板の平面図である。図４（Ｂ）は、本発明の容量型加速度センサのシリコン板の側面断面図である。図４（Ａ）におけるＣ−Ｃ’の側面断面図である。
シリコン板２は、錘２１形成の加工を簡易にするためにシリコン板２の中に絶縁層２８を持つＳＯＩ基板を使用している。シリコン板２の中心部には、外部から与えられる加速度により変位する錘２１をエッチングにより形成している。この錘２１の電位は、電極２６ａによって上部ガラス板３の電極３３ａを経由して外部端子３５に接続されている。従って、錘２１を外部から制御することが可能となる。
このときのＡｌ電極３３とＡｌ電極２６ａが圧着されて電気結合を得る概念図を図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示す。図に示されるようにＡｌ電極はお互いにつぶれて電気結合を得るが、シリコン板２に形成された凹み２４に収まるようになっている。
また、図５（Ｃ）に錘の上下のシリコンの導通をとる電極の概略図を示す。錘２１を形成するシリコン基板２は、絶縁層２８によって下のシリコン２２ａと上のシリコン２２ｂに絶縁されている。従って、錘２１の上下のシリコンを同電位とするため、上のシリコン２２ｂと絶縁層２８に下のシリコン２２ａまで達するように階段状の凹み２７を形成し、その上にスパッタによりＡｌの電極２６を形成する。
更にシリコン板２には、錘２１を支える役目として梁２３の部分と、下部のガラス板１や上部ガラス板３と陽極接合する部分がある。
容量型加速度センサ７の基本的な製法としては、下部ガラス板１とシリコン板２の位置を任意の位置に合わせたあとに接合させる。接合には雰囲気温度約３００℃において電圧約４００Ｖを印加する陽極接合を用いる。
次に、下部ガラス板１の電極の所定の位置に半田ボールを実装する。その後に、上部ガラス板３と下部ガラス１と接合されたシリコン板２の任意の位置にあわせて陽極接合を行う。また、このときの熱により半田ボール１４も変形し、上下の電極の電気結合を得ることができる。
以上、本発明の容量型加速度センサは上述したような構造を採用しているので、電極が一面に集約されているためワイヤーボンディングを必要とせず、直接基板に実装することが可能なため低コスト化が可能である。また、外部のパッケージも不要となり、小型化や低コスト化が可能である。
また、本発明の容量型加速度センサの実施例を説明したが、本発明の容量型加速度センサは上述のものに限定されるものではない。
図６は、本発明の容量型角速度センサ２０７の側面断面図である。図１と同様の側面断面図である。図７は、本発明の容量型角速度センサの下部ガラス板の平面図である。下部ガラス板１の容量検出側に配置された電極を表している。図８は、本発明の容量型角速度センサのシリコン板の平面図である。シリコン板２の中央にある錘２１とそれを支える梁２３の構成を表している。図９（Ａ）は、本発明の容量型角速度センサの上部ガラス板の平面図である。上部ガラス板３に配置された外部基板接続用電極２３５の構成を表している。図９（Ｂ）は、本発明の容量型角速度センサの上部ガラス板の底面図である。上部ガラス板３の容量検出側に配置された錘加振用電極２３１と容量検出電極３１の構成を表している。
図１０（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の容量型角速度センサに角速度が印加された時の錘の動きの概念図である。外部から角速度が印加されたときに、錘に発生するコリオリ力を概念的に示したものである。上下のガラス板中央部に配置された電極２１１および電極２３１は、シリコン板２中央にある錘２１をＺ方向に励振させるための電極である。この電極に位相が１８０度ずれた正弦波を印加すると、錘２１はＺ方向に振動する。このときに、外部から図中のＸ軸周りに角速度を受けるとＺ方向の振動に比例したコリオリ力が図中のＹ軸方向に発生する。このコリオリ力により錘２１は変位する。その結果、各電極の静電容量も変動する。この変動値は角速度が加わっていないＺ方向の振動のみの静電容量変動とはことなる。この静電容量変動差を電極から検出することで容量型角速度センサを実現することができる。
以上、本発明の容量型角速度センサも実施例１に記載した容量型加速度センサと同様の構造を採用しているので、電極が一面に集約されているためワイヤーボンディングを必要とせず、直接基板に実装することが可能なため低コスト化が可能である。また、外部のパッケージも不要となり、小型化や低コスト化が可能である。
また、本発明の容量型角速度センサの実施例を説明したが、本発明の容量型加速度センサは上述のものに限定されるものではない。
（Ａ）は、本発明の容量型加速度センサを示す平面図である。（Ｂ）は、本発明の容量型加速度センサを示す側面断面図である。 （Ａ）は、本発明の容量型加速度センサの下部ガラス板の平面図である。（Ｂ）は、本発明の容量型加速度センサの下部ガラス板の透過側面図である。 （Ａ）は、本発明の容量型加速度センサの上部ガラス板の平面図である。（Ｂ）は、本発明の容量型加速度センサの上部ガラス板の底面図である。（Ｃ）は、本発明の容量型加速度センサの上部ガラス板の側面断面図である。 （Ａ）は、本発明の容量型加速度センサのシリコン板の平面図である。（Ｂ）は、本発明の容量型加速度センサのシリコン板の側面断面図である。 （Ａ）は、本発明の容量型加速度センサのシリコン板と上部ガラス板との接合時の概略図である。（Ｂ）は、本発明の容量型加速度センサのシリコン板と上部ガラス板との接合時の概略図である。（Ｃ）は、本発明の容量型加速度センサの錘の上下のシリコンの導通をとる電極の概略図である。 本発明の容量型角速度センサの側面断面図である。 本発明の容量型角速度センサの下部ガラス板の平面図である。 本発明の容量型角速度センサのシリコン板の平面図である。 （Ａ）は、本発明の容量型角速度センサの上部ガラス板の平面図である。（Ｂ）は、本発明の容量型加速度センサの上部ガラス板の底面図である。 （Ａ）は、本発明の容量型角速度センサに角速度が印加された時の錘の動きの概念図である。（Ｂ）は、本発明の容量型加速度センサに角速度が印加された時の錘の動きの概念図である。 従来例における半導体容量型加速度センサを示す側面断面図である。
符号の説明
１、２０１、５０１・・・下部ガラス板
１１、３１、５１１、５３１・・・容量検出電極
１４・・・半田ボール
３２ａ、３２ｂ、２１２、２３２、５１２、５３２・・・スルーホール
２６ａ、２６ｂ、３３、３３ａ・・・Ａｌ電極
２、２０２、５０２・・・シリコン板
２１、２２ａ、２２ｂ、５２１・・・錘
２１１、２３１・・・錘加振用電極
２３・・・梁
２４、２７・・・シリコン凹み部
２８・・・絶縁体
３、５０３・・・上部ガラス板
３４、２３４・・・Ｎ型シリコン基板
３５、２３５、５２２、５３３・・・外部基板接続用電極
５０４・・・パッケージ
５０５・・・外部基板接続用電極ピン
５０６・・・ベースプレート
５５１・・・Ａｕワイヤー
５６１・・・電極配線パターン
７・・・容量型角速度センサ
２０７・・・容量型角速度センサ
５０７・・・半導体容量型加速度センサ

Claims (5)

  1. 力学量をうけて変位する錘を有したシリコン板と、
    前記シリコン基板を前記錘が形成された下面側から支持するための第一の板と、
    前記シリコン基板を上面から支持するための第二の板と
    静電容量変動差により前記錘の変位を検出するため前記第一の板に形成された第一の容量検出電極と、
    静電容量変動差により前記錘の変位を検出するため前記第二の板に形成された第二の容量検出電極と、
    前記第二の板を上下に貫通するように形成された第１の電極と、
    前記第二の板を上下に貫通するように形成され、前記第二の容量検出電極と接続された第２の電極と、
    前記第１の電極と前記第１の容量検出電極とを電気的に接続するための半田と、を有することを特徴とする容量型力学量センサ。
  2. 前記第一および第二の板がガラス板であることを特徴とする請求項１に記載の容量型力学量センサ。
  3. 前記第一の電極に接続され前記第二の板の上面に形成された第一の電極パターンと、
    前記第二の電極に接続され前記第二の板の上面に形成された第二の電極パターンと、を有することを特徴とする請求項１に記載の容量型力学量センサ。
  4. 前記力学量は、加速度である請求項１に記載の容量型力学量センサ。
  5. 前記力学量は、角速度である請求項１に記載の容量型力学量センサ。
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