JP2007192792A

JP2007192792A - センサエレメント

Info

Publication number: JP2007192792A
Application number: JP2006089558A
Authority: JP
Inventors: Takashi Okuto; 崇史奥戸; Kazushi Kataoka; 万士片岡; Takashi Saijo; 隆司西條; Hisakazu Miyajima; 久和宮島; Toru Baba; 徹馬場; Koji Goto; 浩嗣後藤
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2026-03-28
Also published as: JP4088317B2

Abstract

【課題】センサ特性の温度依存性を小さくでき且つ耐電気ノイズ性の低下を抑制できるセンサエレメントを提供する。
【解決手段】枠状のフレーム部１０の内側に配置される可動部にセンシング部の一部が設けられたセンサ本体１と、センサ本体１に重なる形でセンサ本体１に接合された第１のパッケージ用基板２および第２のパッケージ用基板３とを備え、センサ本体１、第１のパッケージ用基板２および第２のパッケージ用基板３が、それぞれ半導体基板であるシリコン基板を用いて形成され、センサ本体１とベース基板である第２のパッケージ用基板３とが第２のパッケージ用基板３におけるセンサ本体１との対向面に形成された熱酸化膜からなる絶縁膜４１を介して接合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ジャイロセンサエレメント、加速度センサエレメントなどのセンサエレメントに関するものである。

従来から、マイクロマシニング技術を利用して形成されたセンサエレメントとして、ジャイロセンサエレメントや加速度センサエレメントなどが提案されている。

ところで、上述のセンサエレメントとしては、例えば、シリコン基板を用いて形成され枠状のフレーム部の内側に配置される可動部にセンシング部の一部が設けられたセンサ本体と、センシング部に電気的に接続される貫通孔配線を有しセンサ本体の一表面側でセンサ本体のフレーム部の全周に亘って周部が接合される第１のパッケージ用基板と、センサ本体の他表面側でセンサ本体のフレーム部に全周に亘って周部が接合される第２のパッケージ用基板とを備え、各パッケージ用基板がそれぞれガラス基板を用いて形成されたジャイロセンサエレメントが提案されている（特許文献１参照）。ここにおいて、上記特許文献１に開示されたジャイロセンサエレメントでは、センサ本体と各パッケージ用基板とが、陽極接合により接合されている。

なお、ジャイロセンサエレメントや加速度センサエレメントとしては、センサ本体と、センサ本体に重なる形でセンサ本体に接合されたガラス基板からなるベース基板とを備えたものも提案されており、上記特許文献１に開示されたジャイロセンサエレメントでは、各パッケージ用基板それぞれがベース基板を構成している。
特開２００５−２９２１１７号公報

しかしながら、上述のようにシリコン基板を用いて形成されたセンサ本体と、それぞれガラス基板を用いて形成された第１のパッケージ用基板および第２のパッケージ用基板とを接合した構成のセンサエレメントでは、シリコンとガラスとの線膨張率差に起因した熱応力の影響でセンサ特性の温度依存性が大きくなってしまう。

そこで、各パッケージ用基板をセンサ本体と同様にシリコン基板を用いて形成することが考えられるが、例えば上記特許文献１に開示されたジャイロセンサエレメントのように、センサ本体の一部を可動電極や固定電極などの電極として利用するセンサエレメントでは、電極のインピーダンス成分を低減して高性能化を図るためにセンサ本体を形成するシリコン基板として集積回路の形成に適したシリコン基板に比べて抵抗率の比較的小さなシリコン基板を用いることが望ましく、パッケージ用基板およびセンサ本体が外来の電気ノイズの伝達経路となってセンシング部の出力信号に重畳されやすくなり、耐電気ノイズ性が低下してしまう。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、センサ特性の温度依存性を小さくでき且つ耐電気ノイズ性の低下を抑制できるセンサエレメントを提供することにある。

請求項１の発明は、半導体基板を用いて形成され枠状のフレーム部の内側に配置される可動部にセンシング部の少なくとも一部が設けられたセンサ本体と、センサ本体に重なる形でセンサ本体に接合された少なくとも１つのベース基板とを備え、当該少なくとも１つのベース基板が他の半導体基板を用いて形成され、センサ本体と当該少なくとも１つのベース基板とが互いの対向面の少なくとも一方に形成された絶縁膜を介して接合されてなることを特徴とする。

この発明によれば、センサ本体が半導体基板を用いて形成され、センサ本体に重なる形でセンサ本体に接合された少なくとも１つのベース基板が他の半導体基板を用いて形成されているので、センサ本体と当該１つのベース基板との線膨張率差に起因した熱応力の影響を低減できて、センサ特性の温度依存性を小さくすることができ、しかも、センサ本体と当該少なくとも１つのベース基板とが互いの対向面の少なくとも一方に形成された絶縁膜を介して接合されているので、耐電気ノイズ性の低下を抑制できる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記センサ本体は、前記センシング部と協働する集積回路が形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、センサエレメントと、センシング部と協働する集積回路を形成したＩＣチップとを１つのパッケージに収納したセンサモジュールに比べて小型化および低コスト化を図れ、また、センシング部と集積回路との間の配線長を短くすることができ、センサ性能の向上を図れる。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記各半導体基板がシリコン基板であり、前記絶縁膜がシリコン酸化膜であることを特徴とする。

この発明によれば、前記センサ本体と前記ベース基板とを常温接合により接合することができ、センサ特性の温度依存性をより小さくすることができる。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記センサ本体は、ジャイロセンサ本体であり、前記可動部が、前記ベース基板に交差する方向に振動するように駆動される駆動質量体と、駆動質量体と結合されベース基板に沿った面内で変位可能な検出質量体とを備え、前記センシング部が、検出質量体の変位量を検出する検出手段からなることを特徴とする。

この発明によれば、前記センサ本体の基礎となる半導体基板としてより抵抗率の低いものを用いることで高性能化を図れる。

請求項１の発明では、センサ特性の温度依存性を小さくでき且つ耐電気ノイズ性の低下を抑制できるという効果がある。

（実施形態１）
以下、本実施形態のセンサエレメントについて図１〜図６を参照しながら説明する。

本実施形態のセンサエレメントは、ジャイロセンサエレメントであり、第１の半導体基板を用いて形成されたセンサ本体１と、第２の半導体基板を用いて形成されセンサ本体１の一表面側（図１の上面側）に封着された第１のパッケージ用基板２と、第３の半導体基板を用いて形成されセンサ本体１の他表面側（図１の下面側）に封着された第２のパッケージ用基板３とを備えている。ここにおいて、センサ本体１および第１のパッケージ用基板２および第２のパッケージ用基板３の外周形状は矩形状であり、各パッケージ用基板２，３はセンサ本体１と同じ外形寸法に形成されている。また、本実施形態では、第１の半導体基板として抵抗率が０．２Ωｃｍのシリコン基板を用い、第２の半導体基板および第３の半導体基板として抵抗率が２０Ωｃｍのシリコン基板を用いているが、各シリコン基板の抵抗率の値は一例であって、特に限定するものではない。なお、本実施形態では、各パッケージ用基板２，３それぞれがセンサ本体１に重なる形でセンサ本体１に接合されたベース基板を構成している。また、本実施形態では、センサ本体１がジャイロセンサ本体を構成している。

センサ本体１は、平面視において外周形状が矩形状である駆動質量体１１および検出質量体１２が当該センサ本体１の上記一表面に沿って並設されるとともに、駆動質量体１１および検出質量体１２の周囲を囲む枠状（本実施形態では、矩形枠状）のフレーム部１０が形成されている。なお、本実施形態では、図１〜図６の各図の右下に示した直交座標系のように、駆動質量体１１と検出質量体１２とが並ぶ方向をｙ軸方向、センサ本体１の上記一表面に沿う面内でｙ軸方向に直交する方向をｘ軸方向、ｘ軸方向とｙ軸方向とに直交する方向（つまり、センサ本体１の厚み方向）をｚ軸方向として説明する。

上述のセンサ本体１は、駆動質量体１１と検出質量体１２とが、ｘ軸方向に延長された一対の駆動ばね１３を介して連続一体に連結されている。すなわち、センサ本体１は、ｘ軸方向において検出質量体１２の全長よりもやや短いスリット溝１４ａと、駆動質量体１１におけるｘ軸方向の各側縁にそれぞれ一端が開放されｘ軸方向の一直線上に並ぶ２本のスリット溝１４ｂとが形成され、スリット溝１４ａと各スリット溝１４ｂとの間にそれぞれ駆動ばね１３が形成されている。ここで、各駆動ばね１３の一端部はスリット溝１４ａの各一端と検出質量体１２の側縁との間に連続し、各駆動ばね１３の他端部は２本のスリット溝１４ｂの間の部位において駆動質量体１１にそれぞれ連続している。駆動ばね１３は、ねじれ変形が可能なトーションばねであって、駆動質量体１１は、検出質量体１２に対して駆動ばね１３の回りで変位可能になっている。つまり、駆動質量体１１は、検出質量体１２に対してｚ軸方向の並進とｘ軸方向の軸回りの回転とが可能となっている。また、センサ本体１は、駆動ばね１３にトーションばねを用いているから、当該センサ本体１の厚み方向における駆動ばね１３の寸法を小さくする必要がなく、駆動ばね１３を形成する際の加工が容易である。

センサ本体１の検出質量体１２におけるｘ軸方向の各側縁にはｙ軸方向に延長された検出ばね１５の一端部がそれぞれ連続し、両検出ばね１５の他端部同士はｘ軸方向に延長された連結片１６を介して連続一体に連結されている。すなわち、一対の検出ばね１５と連結片１６とにより平面視コ字状の部材が形成されている。ただし、連結片１６は駆動ばね１３および検出ばね１５に比較して十分に剛性が高くなるように設計されている。連結片１６の長手方向の中間部には固定片１７が突設され、固定片１７は第２のパッケージ用基板３に接合され定位置に固定されている。駆動質量体１１および検出質量体１２と検出ばね１５および連結片１６との間は、コ字状のスリット溝１４ｃにより分離されており、スリット溝１４ｂの一端は、スリット溝１４ｃに連続している。検出ばね１５はｘ軸方向に曲げ変形が可能であって駆動質量体１１および検出質量体１２は固定片１７に対してｘ軸方向に変位可能になっている。

ところで、センサ本体１は、検出質量体１２に、厚み方向に貫通する４個の切抜孔１８が形成されており、各切抜孔１８それぞれの内側に固定子２０が配置されている。固定子２０は、検出質量体１２のｘ軸方向の両端付近に配置される電極片２１と、電極片２１からｘ軸方向に延長された櫛骨片２２とを有し、電極片２１と櫛骨片２２とでＬ字状の形状をなしている。電極片２１と櫛骨片２２とは第２のパッケージ用基板３に接合され、固定子２０は定位置に固定されている。切抜孔１８の内側面は固定子２０の外周面の形状に沿った形状であって、固定子２０との間には間隙が形成されている。検出質量体１２のｘ軸方向の両端部には２個ずつの電極片２１が配置されている。図４に示すように、櫛骨片２２の幅方向の両端面にはそれぞれ多数本の固定櫛歯片２３がｘ軸方向に列設されている。一方、切抜孔１８の内側面であって櫛骨片２２との対向面には、図４に示すように、固定櫛歯片２３にそれぞれ対向する多数本の可動櫛歯片２４がｘ軸方向に列設されている。各固定櫛歯片２３と各可動櫛歯片２４とは互いに離間しており、検出質量体１２がｘ軸方向に変位する際の固定櫛歯片２３と可動櫛歯片２４との距離変化に伴う静電容量の変化を検出できるようにしてある。すなわち、固定櫛歯片２３と可動櫛歯片２４とにより検出質量体１２の変位を検出する検出手段が構成されている。

センサ本体１は、フレーム部１０、固定片１７および固定子２０が第２のパッケージ用基板３に接合されることで第２のパッケージ用基板３に連結されている（言い換えれば、第２のパッケージ用基板３は、センサ本体１を支持する支持基板を兼ねている）。これらに対し、駆動質量体１１および検出質量体１２は、ｚ軸方向に変位可能でなければならないから、図１に示すように、駆動質量体１１および検出質量体１２それぞれにおける第２のパッケージ用基板３との対向面を第２のパッケージ用基板３から後退させる（センサ本体１の厚み方向における駆動質量体１１および検出質量体１２それぞれの厚さをフレーム部１０に比べて薄くする）ことにより、駆動質量体１１および検出質量体１２と第２のパッケージ用基板３との間に間隙を確保している。なお、本実施形態では、駆動質量体１１と第２のパッケージ用基板３との間のギャップ長を１０μｍに設定してあるが、この数値は一例であって特に限定するものではない。

また、センサ本体１は、フレーム部１０において固定片１７の近傍部位に、固定片１７を挟む形で一対の接地片１９が形成されるとともに、一方の接地片１９の近傍に後述の固定駆動電極２５が電気的に接続される電極片２７が形成されており（なお、各接地片１９および電極片２７は、第２のパッケージ用基板３に接合されることで第２のパッケージ用基板３に連結されている）、上記一表面側において、固定片１７および各電極片２１および他方の接地片１９および電極片２７それぞれの表面に第１の接続用接合金属層２８が形成されている。ここにおいて、１つの固定片１７、４つの電極片２１、１つの接地片１９、１つの電極片２７は第２のパッケージ用基板３の一表面側において分離独立して配置されており、第１のパッケージ用基板２をフレーム部１０に接合していない状態では、それぞれ電気的に絶縁されている。また、センサ本体１の上記一表面側において、フレーム部１０上には第１の封止用接合金属層２６が全周に亘って形成されている。ここで、第１の接続用接合金属層２８および第１の封止用接合金属層２６は、Ｔｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成されている。要するに、第１の封止用接合金属層２６と第１の接続用接合金属層２８とは同一の金属材料により形成されているので、第１の封止用接合金属層２６と第１の接続用接合金属層２８とを同時に形成することができるとともに、第１の封止用接合金属層２６と第１の接続用接合金属層２８とを同じ厚さに形成することができる。なお、第１の封止用接合金属層２６および第１の接続用接合金属層２８は、Ｔｉ膜の膜厚を１５〜５０ｎｍ、Ａｕ膜の膜厚を５００ｎｍに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。ここにおいて、各Ａｕ膜の材料は、純金に限らず不純物を添加したものでもよい。

第１のパッケージ用基板２は、センサ本体１側（図１における下面側）に駆動質量体１１および検出質量体１２の変位空間を確保する変位空間形成用凹部２９が形成されるとともに、厚み方向に貫通する複数の貫通孔３２が形成されており、厚み方向の両面および貫通孔３２の内面とに跨って熱絶縁膜（シリコン酸化膜）からなる絶縁膜３３が形成され、貫通孔配線３４と貫通孔３２の内面との間に絶縁膜３３の一部が介在している。ここにおいて、貫通孔配線３４の材料としては、Ｃｕを採用しているが、Ｃｕに限らず、例えば、Ｎｉなどを採用してもよい。

また、第１のパッケージ用基板２は、変位空間形成用凹部２９の内底面において駆動質量体１１との対向面には上記絶縁膜３３の一部を介してＴｉ膜とＡｕ膜との積層膜からなる上述の固定駆動電極２５（図１および図６参照）が形成されている。なお、本実施形態では、駆動質量体１１と固定駆動電極２５との間のギャップ長を１０μｍに設定してあるが、この数値は一例であって特に限定するものではない。

また、第１のパッケージ用基板２は、センサ本体１側の表面に、各貫通孔配線３４それぞれと電気的に接続された複数の第２の接続用接合金属層３８が形成されている。また、第１のパッケージ用基板２は、センサ基板１側の表面の周部の全周に亘って枠状（矩形枠状）の第２の封止用接合金属層３８が形成されている。ここにおいて、第２の接続用接合金属層３８は、センサ本体１の第１の接続用接合金属層２８と接合されて電気的に接続されるように配置してあり、第２の封止用接合金属層３６は、センサ本体１の第１の封止用接合金属層２６と接合されて電気的に接続されるように配置してある。また、第２の封止用接合金属層３６および第２の接続用接合金属層２８は、絶縁膜３３上に形成されたＴｉ膜と当該Ｔｉ膜上に形成されたＡｕ膜との積層膜により構成されている。要するに、第２の封止用接合金属層３６と第２の接続用接合金属層３８とは同一の金属材料により形成されているので、第２の封止用接合金属層３６と第２の接続用接合金属層３８とを同時に形成することができるとともに、第２の封止用接合金属層３６と第２の接続用接合金属層３８とを同じ厚さに形成することができる。なお、第２の封止用接合金属層３６および第２の接続用接合金属層３８は、Ｔｉ膜の膜厚を１５〜５０ｎｍ、Ａｕ膜の膜厚を５００ｎｍに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。ここで、各Ａｕ膜の材料は、純金に限らず不純物を添加したものでもよい。また、本実施形態では、各Ａｕ膜と絶縁膜３３との間に密着性改善用の密着層としてＴｉ膜を介在させてあるが、密着層の材料はＴｉに限らず、例えば、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒ、ＴｉＮ、ＴａＮなどでもよい。

また、第１のパッケージ用基板２におけるセンサ本体１側とは反対側の表面には、各貫通孔配線３４それぞれと電気的に接続された複数の外部接続用電極３５が形成されている。なお、各外部接続用電極３５の外周形状は矩形状となっている。また、各外部接続用電極３５は、Ｔｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成されている。

一方、第２のパッケージ用基板３は、厚み方向の両面に熱絶縁膜（シリコン酸化膜）からなる絶縁膜４１，４２が形成されている。

ところで、本実施形態のジャイロセンサエレメントにおけるセンサ本体１と第１のパッケージ用基板２とは、第１の封止用接合金属層２６と第２の封止用接合金属層３６とが接合される（第２のパッケージ用基板２はセンサ本体１のフレーム部１０の全周に亘って周部が封着される）とともに、第１の接続用接合金属層２８と第２の接続用接合金属層３８とが接合されて電気的に接続され、センサ本体１と第２のパッケージ用基板３とは、互いの対向面の周部同士が接合されている（第２のパッケージ用基板３はセンサ本体１のフレーム部１０の全周に亘って周部が封着されている）。したがって、センサ本体１の複数の第１の接続用接合金属層２８は、それぞれ、第２の接続用接合金属層３８および貫通孔配線３４を介して外部接続用電極３５と電気的に接続されている。ここにおいて、第２のパッケージ用基板２は、固定駆動電極２５から変位空間形成用凹部２９の周部まで延長された配線部２５ａ（図６参照）が、センサ本体１の電極片２７上の第１の接続用接合金属層２８に接合される第２の接続用接合金属層３８と連続一体となっている。

また、本実施形態のジャイロセンサエレメントは、センサ本体１と第１のパッケージ用基板２および第２のパッケージ用基板３との接合方法として、センサ本体１の残留応力を少なくするためにより低温での直接接合が可能な常温接合法を採用している。常温接合法では、接合前に互いの接合表面へアルゴンのプラズマ若しくはイオンビーム若しくは原子ビームを真空中で照射して各接合表面の清浄化・活性化を行ってから、真空中で接合表面同士を接触させ、常温下で直接接合する。本実施形態では、上述の常温接合法により、真空中において常温下で適宜の荷重を印加して、第１の封止用接合金属層２６と第２の封止用接合金属層３６とを直接接合するのと同時に、第１の接続用接合金属層２８と第２の接続用接合金属層３８とを直接接合しており、また、上述の常温接合法により、真空中において常温下でセンサ本体１のフレーム部１０と第２のパッケージ用基板３の周部とを直接接合している。要するに、本実施形態のジャイロセンサエレメントでは、センサ本体１と第１のパッケージ用基板２とがＡｕ−Ａｕの組み合わせの常温接合により接合され、センサ本体１と第２のパッケージ用基板３とがＳｉ−ＳｉＯ_２の組み合わせの常温接合により接合されている。

次に、本実施形態のジャイロセンサエレメントの動作について説明する。

本実施形態のジャイロセンサエレメントは、駆動質量体１１に規定の振動を与えておき、外力による角速度が作用したときの検出質量体１２の変位を検出するものである。ここにおいて、駆動質量体１１を振動させるには固定駆動電極２５と駆動質量体１１との間に正弦波形ないし矩形波形の振動電圧を印加すればよい。振動電圧は、交流電圧が望ましいが、極性を反転させることは必須ではない。駆動質量体１１は駆動ばね１３と検出質量体１２と検出ばね１５と連結片１６とを介して固定片１７に電気的に接続され、固定片１７の表面には第１の接続用接合金属層２８が形成されており、また、固定駆動電極２５は電極片２７上の第１の接続用接合金属層２８に電気的に接続されているから、固定片１７上の第１の接続用接合金属層２８と電極片２７上の第１の接続用接合金属層２８との間に振動電圧を印加すれば、駆動質量体１１と固定駆動電極２５との間に静電力を作用させて駆動質量体１１をｚ軸方向に振動させることができる。振動電圧の周波数は、駆動質量体１１および検出質量体１２の質量や駆動ばね１３および検出ばね１５のばね定数などにより決まる共振周波数に一致させれば、比較的小さい駆動力で大きな振幅を得ることができる。

駆動質量体１１を振動させている状態において、ジャイロセンサエレメントにｙ軸方向の軸回りの角速度が作用したときに、ｘ軸方向にコリオリ力が発生し、検出質量体１２（および駆動質量体１１）は固定子２０に対してｘ軸方向に変位する。可動櫛歯片２４が固定櫛歯片２３に対して変位すれば、可動櫛歯片２４と固定櫛歯片２３との距離が変化し、結果的に可動櫛歯片２４と固定櫛歯片２３との間の静電容量が変化する。この静電容量の変化は、４個の固定子２０に接続された第１の接続用接合金属層２８から取り出すことができるから、上述のジャイロセンサエレメントでは、４個の可変縁容量コンデンサが形成されているとみなすことができ、各可変容量コンデンサの静電容量をそれぞれ検出したり、可変容量コンデンサを並列に接続した合成容量を検出したりすることにより、検出質量体１２の変位を検出することができる。駆動質量体１１の振動は既知であるから、検出質量体１２の変位を検出することにより、コリオリ力を求めることができる。なお、本実施形態では、駆動質量体１１と駆動ばね１３と検出質量体１２と検出ばね１５と連結片１６とでフレーム部１０の内側に配置される可動部を構成しており、固定櫛歯片２３と検出質量体１２に設けられた可動櫛歯片２４とでセンシング部を構成している。要するに、フレーム部１０の内側に配置される可動部にセンシング部の一部が設けられている。

ここに、可動櫛歯片２４の変位は、（駆動質量体１１の質量）／（駆動質量体１１の質量＋検出質量体１２の質量）に比例するから、駆動質量体１１の質量が検出質量体１２の質量に比較して大きいほど可動櫛歯片２４の変位が大きくなり、結果的に感度が向上することになる。そこで、本実施形態では駆動質量体１１の厚み寸法を検出質量体１２の厚み寸法よりも大きくしてある。

以上説明した本実施形態のジャイロセンサエレメントでは、センサ本体１が第１の半導体基板を用いて形成され、第１のパッケージ用基板２が第２の半導体基板を用いて形成されるとともに、第２のパッケージ用基板３が第３の半導体基板を用いて形成されているので、センサ本体１と第１のパッケージ用基板２および第２のパッケージ用基板３との線膨張率差に起因した熱応力の影響を低減できて、センサ特性の温度依存性を小さくすることができ、しかも、センサ本体１と第２のパッケージ用基板３とが第２のパッケージ用基板３におけるセンサ本体１との対向面に形成された絶縁膜４１を介して接合されているので、耐電気ノイズ性の低下を抑制できる。また、上記各半導体基板がシリコン基板であり、絶縁膜４１がシリコン酸化膜なので、センサ本体１と各パッケージ用基板２，３とを常温接合により接合することができ、センサ特性の温度依存性をより小さくすることができる。

なお、本実施形態のジャイロセンサエレメントでは、第２のパッケージ用基板３におけるセンサ本体１との対向面に形成された絶縁膜４１を介して第２のパッケージ用基板３とセンサ本体１とを接合しているが、センサ本体１と第２のパッケージ用基板３との互いの対向面の少なくとも一方に形成された絶縁膜を介して接合すればよい。また、上述のジャイロセンサエレメントでは、製造にあたって、ウェハレベルパッケージ技術を利用することで低コスト化および小型化を図れるが、多数のセンサ本体１それぞれの形成予定領域ごとにセンサ本体の構成要素の一部を形成したセンサウェハと第２のパッケージ用基板３を多数形成したパッケージウェハとを接合した後に、センサ本体１における可動部を他の部位から分離するエッチングなどの工程を行ってから、第１のパッケージ用基板２を多数形成したパッケージウェハを接合すればよい。

（実施形態２）
以下、本実施形態のセンサエレメントについて図７および図８を参照しながら説明する。

本実施形態のセンサエレメントであるジャイロセンサエレメントの基本構成は実施形態１と略同じであり、センサ本体１の基礎となる第１の半導体基板としてシリコン基板１ａ上に当該シリコン基板１ａよりも高抵抗率の単結晶のシリコン層１ｂをエピタキシャル成長させた所謂エピ基板を用いており、センサ本体１に、ＣＭＯＳを用いた集積回路（ＣＭＯＳＩＣ）であってセンシング部と協働する集積回路４０が形成されている点などが実施形態１と相違する。ここにおいて、本実施形態では、シリコン基板１ａの抵抗率を０．２Ωｃｍ、シリコン層１ｂの抵抗率を２０Ωｃｍに設定してあるが、これらの数値は特に限定するものではない。また、集積回路４０は、実施形態１にて説明したセンシング部の出力信号に対して増幅、オフセット調整、温度補償などの信号処理を行って出力する信号処理回路や、信号処理回路において用いるデータを格納したＥＥＰＲＯＭなどが集積化されている。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態におけるセンサ本体１は、駆動質量体１１と検出質量体１２との並設方向に沿った方向の外形寸法が実施形態１よりも長く設定してあって、駆動質量体１１、検出質量体１２などが形成されたセンサ領域部Ｅ１と、集積回路４０が形成されたＩＣ領域部Ｅ２とが当該センサ本体１の上記一表面に沿って並設されており、フレーム部１０が、センサ領域部Ｅ１とＩＣ領域部Ｅ２とを囲むように形成されている。なお、見方を変えれば、本実施形態では、実施形態１におけるセンサ本体１のフレーム部１０の一部の幅寸法を大きくしてあり、フレーム部１０に集積回路４０を形成してある。

ところで、センサ本体１は、上述の集積回路４０がシリコン層１ｂの表面側に形成されており、ＩＣ領域部Ｅ２では、多層配線技術を利用してセンサ本体１における当該ＩＣ領域部Ｅ２の占有面積の縮小化を図っている。このため、センサ本体１のＩＣ領域部Ｅ２では、シリコン層１０ｂ上の絶縁膜４５の表面側に、層間絶縁膜やパッシベーション膜などからなる多層構造部４１が形成され、上記パッシベーション膜の適宜部位を除去することにより複数のパッド４２を露出させてあり、各パッド４２が、金属材料（例えば、Ａｕなど）からなる引き出し配線４３を介して、シリコン層１ｂ上の絶縁膜４５上に形成された第３の接続用接合金属層４４と電気的に接続されている。ここで、第３の接続用接合金属層４４は第１のパッケージ用基板２の第２の接続用接合金属層３８と接合されて電気的に接続されている。また、第１のパッケージ用基板２には、第２の接続用接合金属層３８とセンサ領域部Ｅ１に形成されている第１の接続用接合金属層２８とを電気的に接続するための金属配線層（図示せず）が形成されており、金属配線層と第１の接続用接合金属層２８とが接合されて電気的に接続されている。また、上述の第１の封止用接合金属層２６は、絶縁膜４５上に形成されている。なお、ジャイロセンサエレメントの高感度化の観点からは、上述のシリコン層１ｂのうちセンサ領域部Ｅ１に対応する部位の抵抗率がシリコン基板１ａの抵抗率と略同じになるように不純物をドーピングすることが望ましい。

また、本実施形態では、実施形態１と同様に、第２の半導体基板を用いて形成された第１のパッケージ用基板２および第３の半導体基板を用いて形成された第２のパッケージ用基板３がセンサ本体１と同じ外形寸法に形成されており、第１のパッケージ用基板２は、実施形態１にて説明した変位空間形成用凹部２９の開口面の投影領域内にセンサ領域部Ｅ１およびＩＣ領域部Ｅ２が収まるように変位空間形成用凹部２９の開口面積を実施形態１に比べて大きくしてあり、ＩＣ領域部Ｅ２の多層構造部４１が変位空間形成用凹部２９内に配置されるようになっている。

以上説明した本実施形態のジャイロセンサエレメントでは、実施形態１と同様に、センサ本体１が第１の半導体基板を用いて形成され、第１のパッケージ用基板２が第２の半導体基板を用いて形成されるとともに、第２のパッケージ用基板３が第３の半導体基板を用いて形成されているので、センサ本体１と第１のパッケージ用基板２および第２のパッケージ用基板３との線膨張率差に起因した熱応力の影響を低減できて、センサ特性の温度依存性を小さくすることができ、しかも、センサ本体１と第２のパッケージ用基板３とが第２のパッケージ用基板３におけるセンサ本体１との対向面に形成された絶縁膜４１を介して接合されているので、耐電気ノイズ性の低下を抑制できる。

また、本実施形態のジャイロセンサエレメントでは、実施形態１のジャイロセンサエレメントと、実施形態１のジャイロセンサエレメントのセンシング部と協働する集積回路を形成したＩＣチップとを１つのパッケージに収納したセンサモジュールに比べて小型化および低コスト化を図れ、また、センシング部と集積回路との間の配線長を短くすることができ、センサ性能の向上を図れる。

なお、上述の各実施形態では、センサエレメントとして、ジャイロセンサエレメントを例示したが、本発明の技術思想は、ジャイロセンサエレメントに限らず、例えば、容量形の加速度センサエレメントやピエゾ抵抗形の加速度センサエレメントなど他のセンサエレメントにも適用でき、ピエゾ抵抗形の加速度センサエレメントではフレーム部の内側に配置される重り部とフレーム部と重り部とを連結する薄肉の撓み部とで可動部を構成し、撓み部に形成されたピエゾ抵抗がセンシング部を構成することなる。

実施形態１のジャイロセンサエレメントの概略断面図である。同上のジャイロセンサエレメントの概略側面図である。同上のジャイロセンサエレメントにおけるセンサ本体の概略平面図である。同上のジャイロセンサエレメントにおけるセンサ本体の要部拡大図である。同上のジャイロセンサエレメントにおける第１のパッケージ用基板の概略平面図である。同上のジャイロセンサエレメントにおける第１のパッケージ用基板の概略下面図である。実施形態２のジャイロセンサエレメントの概略断面図である。同上のジャイロセンサエレメントにおけるセンサ本体の概略平面図である。

符号の説明

１センサ本体
２第１のパッケージ用基板
３第２のパッケージ用基板
１０フレーム部
１１駆動質量体
１２検出質量体
２３固定櫛歯片
２４可動櫛歯片
２５固定駆動電極
３４貫通孔配線
３５外部接続用電極
４１絶縁膜
４２絶縁膜

Claims

半導体基板を用いて形成され枠状のフレーム部の内側に配置される可動部にセンシング部の少なくとも一部が設けられたセンサ本体と、センサ本体に重なる形でセンサ本体に接合された少なくとも１つのベース基板とを備え、当該少なくとも１つのベース基板が他の半導体基板を用いて形成され、センサ本体と当該少なくとも１つのベース基板とが互いの対向面の少なくとも一方に形成された絶縁膜を介して接合されてなることを特徴とするセンサエレメント。
前記センサ本体は、前記センシング部と協働する集積回路が形成されてなることを特徴とする請求項１記載のセンサエレメント。
前記各半導体基板がシリコン基板であり、前記絶縁膜がシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のセンサエレメント。
前記センサ本体は、ジャイロセンサ本体であり、前記可動部が、前記ベース基板に交差する方向に振動するように駆動される駆動質量体と、駆動質量体と結合されベース基板に沿った面内で変位可能な検出質量体とを備え、前記センシング部が、検出質量体の変位量を検出する検出手段からなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のセンサエレメント。