JP2009260928A - センサデバイス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】変換体及び基板に生じるデッドスペースを低減し、効率よく小型化されたセンサデバイスを実現できるようにする。
【解決手段】センサデバイスは、平面菱形状のシリコンからなり、平面六角形状の開口部２１ａを有する変換体本体２１と、変換体本体２１を下面側から保持する基板１１と、開口部２１ａに形成された可動膜２２と、変換体本体２１の上に形成された変換体電極２５と、基板１１の上に形成され変換体電極２１と電気的に接続された基板電極３６とを備えている。開口部２１ａは、平面六角形状をなす六辺のうち四辺が変換体本体の平面菱形形状をなす四辺の方向に沿った平面形状を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱、音及び圧力等を検出するセンサデバイス及びその製造方法に関し、特にマイクロフォンデバイス及びその製造方法に関する。

電子機器においては、益々小型化及び軽量化が求められている。電子機器の内部に実装される熱、音及び圧力等を検出するセンサデバイスについても、小型化及び軽量化が求められている。特に、携帯電話等の携帯機器において、センサデバイスの一種であるマイクロフォンの小型化及び軽量化が求められている。

センサデバイスの小型化及び軽量化のために、熱、音及び圧力等を検出する変換体を基板に実装してモジュール化することが行われている（例えば、特許文献１を参照。）。
特開平９−９２６７０号公報

しかしながら、前記従来のセンサデバイスにおいては、既存の変換体を単に基板に実装しただけである。このため、形状及び電極の位置等が小型化のために最適化されておらず、センサデバイスを十分小型化できないという問題がある。

変換体は、開口部に形成された可動膜を有し、音等により可動膜に生じた物理的な変位を電気信号に変換する。このため、シリコン等からなる変換体本体に、可動膜を形成する開口部を形成する。開口部の形状は、平面円形状又は方形状とすることが一般的である。開口部の形成には、一般にエッチングが用いられるが、変換体本体をエッチングするとサイドエッチングが生じるため、開口部上部が下部と比べて水平方向に大きく拡がってしまう。このため、開口部が大きく拡がることを考慮して変換体本体のサイズも大きくする必要がある。その結果、センサデバイスの占有面積が大きくなってしまう。

また、変換体と基板とはボンディングワイヤ等により接続する。このため、変換体には変換体電極を形成し、基板には基板電極を形成する必要がある。開口部の周囲に変換体電極を形成するスペースを確保しなければならず、変換体の大きさが大きくなる要因となる。また、基板側にも基板電極を形成する領域を確保しなければならず、デッドスペースが生じてしまう。

本発明は、変換体及び基板に生じるデッドスペースを低減し、効率よく小型化されたセンサデバイスを実現できるようにすることを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明はセンサデバイスを、平面菱形形状であり且つ平面六角形状の開口部を有する変換体本体を備えた構成とする。

具体的に、本発明に係るセンサデバイスは、可動膜に生じる物理的な変位を検出して電気的信号に変換するセンサを対象とし、平面菱形状のシリコンからなり、平面六角形状の開口部を有する変換体本体と、変換体本体を下面側から保持する基板と、開口部に形成された可動膜と、変換体本体の上に形成された変換体電極と、基板の上に形成され変換体電極と電気的に接続された基板電極とを備え、開口部は、平面六角形状をなす六辺のうち四辺が変換体本体の平面菱形形状をなす四辺の方向に沿った平面形状を有していることを特徴とする。

本発明のセンサデバイスは、変換体本体が平面六角形状の開口部を有している。このため、エッチングの際に開口部が水平方向に大きく拡がる現象が生じにくい。従って、変換体本体の大きさを小さく抑えることができるので、センサデバイスを容易に小型化することができる。

本発明のセンサデバイスにおいて、変換体本体は、上面及び下面の結晶の面方位が（０１１）であってもよい。

本発明のセンサデバイスにおいて、変換体本体の平面形状は、鈍角の頂点の角度が１２０度の菱形状であり、開口部の変換体本体の上面における平面形状は頂点の角度が１２０度の六角形状であってもよい。

本発明のセンサデバイスにおいて、変換体電極は、変換体本体の鋭角の頂点と開口部との間における平面三角形状の領域の上に形成されていてもよい。

本発明のセンサデバイスにおいて、基板の上に形成された信号処理素子をさらに備えていてもよい。また、変換体本体における平面三角形状の領域に形成された信号処理素子をさらに備えていてもよい。

本発明のセンサデバイスにおいて、基板電極は、基板における変換体本体の２つの鋭角の頂点の位置を対角頂点とする平面長方形状の領域で且つ変換体本体が占める部分を除く部分に形成されていてもよい。

本発明のセンサデバイスにおいて、変換体電極と基板電極とは、ボンディングワイヤによって電気的に接続されていてもよい。

本発明のセンサデバイスにおいて、開口部の互いに平行な３組の内壁のうちの少なくとも１組は略垂直であり、残りの２組のうちの少なくとも１組は傾斜していてもよい。

この場合において、３組の内壁のうち２組は略垂直であってもよく、傾斜している内壁は、変換体本体の鋭角の頂点と相対していてもよい。

本発明に係るセンサデバイスの製造方法は、平面菱形状で、上面及び下面の結晶の面方位が（０１１）であるシリコン板を準備する工程と、シリコン板を選択的にエッチングすることにより、シリコン板の平面菱形形状をなす四辺の方向に沿った四辺を有する平面六角形状の開口部を形成する工程と、開口部に可動膜を形成する工程と、シリコン板を基板の上に保持する工程とを備えていることを特徴とする。

本発明のセンサデバイスの製造方法は、上面及び下面の面方位が（０１１）であるシリコン板を選択的にエッチングすることにより平面六角形状の開口部を形成している。このため、エッチングの際に開口部が水平方向に拡がりにくい。従って、センサデバイスのサイズを小さくすることができる。

本発明に係るセンサデバイス及びその製造方法によれば、変換体及び基板に生じるデッドスペースを低減し、効率よく小型化されたセンサデバイスを実現できる。

本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。本発明のセンサデバイスは、可動膜を有し、可動膜に生じる物理的な変動を検出する機構を有するものであればどのようなものでもよいが、以下においてはマイクロフォンデバイスを例に説明を行う。

図１（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態に係るマイクロフォンデバイスであり、（ａ）は平面構成を示し、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面構成を示し、（ｃ）は（ａ）のＩｃ−Ｉｃ線における断面構成を示している。図１に示すように、本実施形態のマイクロフォンデバイスは、基板１１の上に固着パッド１３及び接着材１４を介在させて変換体１２が保持されている。基板１１の上には、信号処理素子１６として具体的には増幅素子が搭載されており、変換体１２が出力する電気信号は、信号処理素子１６により増幅されてマイクロフォンデバイスから出力される。変換体１２及び信号処理素子１６は、音孔１５ａを有するカバー１５に覆われている。

変換体１２は、平面菱形状で上面及び下面の面方位が（０１１）であるシリコン板からなる変換体本体２１を有している。変換体本体２１は平面六角形状の開口部２１ａを有している。開口部２１ａの上部には、可動膜２２が形成されている。可動膜２２は、音孔１５ａから侵入した音により振動し、この振動を電気信号に変換する。変換された電気信号は、変換体本体２１の上に形成された変換体電極２５から出力される。変換体電極２５から出力された信号はボンディングワイヤ３６、基板１１の上に形成された基板電極３５を介して信号処理素子１６に入力される。

図１においては、変換体本体２１を鈍角が１２０度、鋭角が６０度の平面菱形形状としている。また、開口部２１ａを六角形状とし、その六角形状をなす六辺のうち四辺が変換体本体２１の平面菱形形状をなす四辺の方向に沿うように配置している。このように配置することにより、以下に説明するようにマイクロフォンデバイスを効率よく小型化することができる。

図２（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、本実施形態のマイクロフォンデバイスと従来のマイクロフォンデバイスとを示し、開口部２１ａ及び開口部１２１ａの面積がほぼ同じになるようにした場合の大きさを比較している。なお、図２において可動膜、カバー及び信号処理素子は記載を省略している。

本実施形態の変換体本体２１は、上面及び下面の結晶の面方位が（０１１）である。このため、頂点の角度が１２０度の平面六角形状の開口部２１ａをウエットエッチングにより形成すると、図１（ｂ）に示すように開口部２１ａの変換体本体２１の辺と平行な壁面は、ほぼ垂直となる。従って、開口部２１ａの周囲にエッチングにより開口部２１ａが拡がる余裕を設ける必要がない。変換体本体の鋭角の頂点と相対する壁面は、図１（ｃ）に示すようにテーパ状に拡がるが、鋭角の頂点側には大きな余裕があるため問題ない。

一方、図２（ｂ）に示す従来のマイクロフォンデバイスのように、方形状の変換体本体１２１に方形状の開口部１２１ａを形成する場合には、サイドエッチングにより開口部１２１ａの壁面はテーパ状に拡がる。このため、開口部１２１ａの周囲にエッチングにより開口部１２１ａが拡がる余裕を設ける必要がある。

本実施形態の変換体１２は、変換体電極２５を変換体本体２１の鋭角の頂点と開口部２１ａとの間の平面三角形状の領域（変換電極形成領域）２１ｂの上に形成している。このため、変換体本体２１のデッドスペースを最小限に抑えることが可能となる。一方、従来の平面方形状の変換体１１２の場合には、変換体電極１２５を形成するために大きなデッドスペースが生じる。

また、本実施形態のマイクロフォンデバイスは、変換体１２の鋭角の頂点を対角頂点とする平面長方形状の領域のうちの変換体１２が配置された部分を除く部分（基板電極形成領域）１１ａの上に基板電極３５を形成している。これにより、基板１１におけるデッドスペースも最小限に抑えることができる。ボンディングワイヤを用いて２つの電極間を配線する場合には、滑走距離が必要となるため、２つの電極の間隔を少なくとも０．５ｍｍ以上あける必要がある。このため、図２（ｂ）に示すような平面方形状の変換体１１２を用いた場合には、変換体電極１２５と基板電極１３５との間隔をあけるために、変換体１１２の外側に大きなデッドスペースが必要となる。しかし、本実施形態のように平面菱形状の変換体１２を用いれば、図２（ａ）に示すように変換体電極２５と基板電極３５との間隔をあけても、大きなデッドスペースは生じない。

以上のように、本実施形態のマイクロフォンデバイスは、従来のマイクロフォンデバイスと比べ、デッドスペースが生じにくく、デバイスを効率よく小型化することができる。

本実施形態において、変換体１２と基板１１に形成された信号素子１６とを接続するボンディングワイヤ３６が変換体１２の左右に２本ずつ形成された例を示した。しかし、変換体１２と信号素子１６との間で信号のやりとりができればよく、例えば図３に示すように１本ずつであってもよい。また、ボンディングワイヤ３６を用いるのではなく他の方法により、変換体１２と信号素子１６とを電気的に接続してもよい。

図１においては、信号処理素子１６を基板１１に形成したが、変換体１２に形成してもよい。この場合、図４に示すように、変換体本体２１の鋭角の頂点と開口部２１ａとの間の平面三角形状の領域に信号処理素子１６を形成すればよい。このようにすれば、変換体本体２１のデッドスペースをさらに低減し、マイクロフォンデバイスをさらに小型化できる。

本実施形態においては、変換体本体２１が鈍角が１２０度で鋭角が６０度の平面菱形状であり、開口部２１ａの上面が平面六角形状であるとして説明した。この場合に、マイクロフォンデバイスを最も効率よく小型化できるが、必ずしもこれに限らない。開口部２１ａをその六角形状をなす六辺のうちの四辺が変換体本体２１の平面菱形形状をなす四辺の方向に沿うように配置すればよい。

本実施形態においては、センサデバイスをマイクロフォンデバイスとしたが、開口部に形成した可動膜の物理的な変位を検出するセンサであればどのようなものであってもよい。例えば、熱センサ、圧力センサ及び振動センサ等においても同様の効果が得られる。

本実施形態においては、信号処理素子１６として増幅素子を配置したが、例えば、アナログ・デジタル変換回路又は温度特性補償回路等の、センサデバイスの信号処理に必要な信号処理素子であれば、どのようなものであっても同様の効果が得られる。

本実施形態においては、平面六角形状の開口部を製造コストの低いウエットエッチングにより形成する例を説明したが、六角形状の開口部を深堀ドライエッチングによって形成してもよい。深堀ドライエッチングの場合、六角形状の六壁面を略垂直に形成することができる。例えば、従来の方形状のセンサデバイスにおいて深堀ドライエッチングによって開口部１２１ａの四壁面を略垂直に形成した場合には、開口部１２１ａの周辺に十分な領域を設けることが困難である。しかし、本発明の構成によれば、深堀ドライエッチングにおいても変換体本体２１の平面菱形状の鋭角の頂点と六角形状の開口部２１ａとの間に平面三角形状の領域を確保することができ、本実施形態と同様の効果が得られる。

本発明に係るセンサデバイス及びその製造方法は、変換体及び基板に生じるデッドスペースを低減し、効率よく小型化されたセンサデバイスを実現でき、センサデバイス、特にマイクロフォンデバイス及びその製造方法等として有用である。

（ａ）〜（ｃ）は本発明の一実施形態に係るセンサデバイスを示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面図であり、（ｃ）は（ａ）のＩｃ−Ｉｃ線における断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施形態に係るセンサデバイスと従来のセンサデバイスとを比較して示し、（ａ）は一実施形態に係るセンサデバイスの平面図であり、（ｂ）は従来のセンサデバイスの平面図である。 本発明の一実施形態に係るセンサデバイスの変形例を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係るセンサデバイスの変換体の変形例を示す平面図である。

１１ 基板
１２ 変換体
１３ 固着パッド
１４ 接着材
１５ カバー
１５ａ 音孔
１６ 信号処理素子
２１ 変換体本体
２１ａ 開口部
２２ 可動膜
２５ 変換体電極
３５ 基板電極
３６ ボンディングワイヤ
１１２ 変換体
１２１ 変換体本体
１２１ａ 開口部
１２５ 変換体電極
１３５ 基板電極

Claims (12)

1. 可動膜に生じる物理的な変位を検出して電気的信号に変換するセンサであって、
   平面菱形状のシリコンからなり、平面六角形状の開口部を有する変換体本体と、
   前記変換体本体を下面側から保持する基板と、
   前記開口部に形成された前記可動膜と、
   前記変換体本体の上に形成された変換体電極と、
   前記基板の上に形成され前記変換体電極と電気的に接続された基板電極とを備え、
   前記開口部は、平面六角形状をなす六辺のうち四辺が前記変換体本体の平面菱形形状をなす四辺の方向に沿った平面形状を有していることを特徴とするセンサデバイス。
2. 前記変換体本体は、上面及び下面の結晶の面方位が（０１１）であることを特徴とする請求項１に記載のセンサデバイス。
3. 前記変換体本体は、鈍角の頂点の角度が１２０度の平面菱形状であり、
   前記開口部の前記変換体本体の上面における平面形状は頂点の角度が１２０度の六角形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサデバイス。
4. 前記変換体電極は、前記変換体本体の鋭角の頂点と前記開口部との間における平面三角形状の領域の上に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のセンサデバイス。
5. 前記変換体本体における前記平面三角形状の領域に形成された信号処理素子をさらに備えていることを特徴とする請求項４に記載に記載のセンサデバイス。
6. 前記基板の上に形成された信号処理素子をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のセンサデバイス。
7. 前記基板電極は、前記基板における前記変換体本体の２つの鋭角の頂点の位置を対角頂点とする平面長方形状の領域で且つ前記変換体本体が占める部分を除く部分に形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のセンサデバイス。
8. 前記変換体電極と前記基板電極とは、ボンディングワイヤによって電気的に接続されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のセンサデバイス。
9. 前記開口部の互いに平行な３組の内壁のうちの少なくとも１組は略垂直であり、残りの２組のうちの少なくとも１組は傾斜していることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のセンサデバイス。
10. 前記３組の内壁のうち２組は略垂直であることを特徴とする請求項９に記載のセンサデバイス。
11. 前記傾斜している内壁は、前記変換体本体の鋭角の頂点と相対することを特徴とする請求項９又は１０に記載のセンサデバイス。
12. 平面菱形状で、上面及び下面の結晶の面方位が（０１１）であるシリコン板を準備する工程と、
    前記シリコン板を選択的にエッチングすることにより、前記シリコン板の平面菱形形状をなす四辺の方向に沿った四辺を有する平面六角形状の開口部を形成する工程と、
    前記開口部に可動膜を形成する工程と、
    前記シリコン板を基板の上に保持する工程とを備えていることを特徴とするセンサデバイスの製造方法。

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