JP2010071850A - Acceleration sensor element, acceleration sensor device and method for manufacturing acceleration sensor element - Google Patents
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Description
本発明は、加速度センサ素子、加速度センサ装置及び加速度センサ素子の製造方法に関する。 The present invention relates to an acceleration sensor element, an acceleration sensor device, and a method for manufacturing the acceleration sensor element.
ピエゾ抵抗効果を利用して加速度を検出する加速度センサ装置が知られている(例えば、特許文献1)。特許文献1の加速度センサ装置は、重り部と、重り部を支持する梁部と、梁部を支持する固定部と、梁部に設けられたピエゾ抵抗素子とを有している。加速度センサ装置に加速度に比例した外力が加えられると、重り部が固定部に対して変位するとともに梁部に曲げ変形が生じる。そして、梁部とともに曲げ変形が生じたピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化を検出することにより、加速度が検出される。
上述の加速度センサ装置では、重り部を大きくするほど、重り部が重くなって加速度に対する梁部の撓みが大きくなり、加速度の検出感度が高くなる。しかし、この場合、重り部が大きくなることにより、加速度センサ装置の小型化が困難になる。 In the acceleration sensor device described above, the larger the weight portion, the heavier the weight portion, the greater the deflection of the beam portion with respect to the acceleration, and the higher the acceleration detection sensitivity. However, in this case, since the weight portion becomes large, it is difficult to reduce the size of the acceleration sensor device.
本発明の目的は、感度を維持しつつ小型化が可能な加速度センサ素子及び加速度センサ装置、並びに、そのような加速度センサ素子の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an acceleration sensor element and an acceleration sensor device that can be miniaturized while maintaining sensitivity, and a method of manufacturing such an acceleration sensor element.
本発明の加速度センサ素子は、凹部を有する重り部と、前記重り部を囲繞する枠状の固定部と、一方端が前記固定部に連結され、且つ他方端が前記重り部に連結される梁部と、前記梁部に設けられ、該梁部の撓みに伴い抵抗値が変わる抵抗素子と、前記重り部の材料より比重の大きい材料からなり、且つ前記凹部に埋入される重り部材と、を有する。 The acceleration sensor element according to the present invention includes a weight portion having a recess, a frame-shaped fixing portion surrounding the weight portion, a beam having one end connected to the fixing portion and the other end connected to the weight portion. Part, a resistance element that is provided in the beam part and has a resistance value that changes in accordance with the bending of the beam part, a weight member that is made of a material having a specific gravity greater than that of the weight part, and is embedded in the recess, Have
本発明の加速度センサ装置は、上記のいずれかの加速度センサ素子と、前記加速度センサ素子の出力信号を信号処理するICチップとを有する。 The acceleration sensor device of the present invention includes any one of the acceleration sensor elements described above and an IC chip that performs signal processing on an output signal of the acceleration sensor element.
本発明の加速度センサ素子の製造方法は、基板の一主面に抵抗体素子を形成する工程Aと、前記基板を加工することにより前記抵抗素子が配置された梁部、前記梁部の一方端が連結され且つ一方主面側に開口した凹部を有する重り部、および前記梁部の他方端が連結され且つ前記重り部を囲繞する固定部を形成する工程Bと、前記凹部に前記基板の材料より比重の大きい材料から成る重り部材を充填する工程Cと、を含む。 The acceleration sensor element manufacturing method of the present invention includes a step A for forming a resistor element on one principal surface of a substrate, a beam portion in which the resistor element is disposed by processing the substrate, and one end of the beam portion. And a step B of forming a weight part having a recess that is open on one main surface side, and a fixing part that is connected to the other end of the beam part and surrounds the weight part, and the material of the substrate in the recess And a step C of filling a weight member made of a material having a higher specific gravity.
本発明の加速度センサ素子によれば、重り部が凹部を有し、凹部内に重り部の材料より比重の大きい材料からなる重り部材が埋入されていることから、重り部の大きさが同じ従来のものと比較した場合には、本発明の加速度センサ素子の重り部の方が重くなるため、加速度センサ素子を大型化することなく検出感度を向上させることができる。あるいは重り部の大きさに応じた検出感度が同じである従来のものと比較した場合には、本発明の加速度センサ素子は、重り部を小さくできるため、検出感度を維持しつつ小型化が可能な加速度センサ素子を提供することができる。 According to the acceleration sensor element of the present invention, the weight portion has the concave portion, and the weight member made of a material having a specific gravity greater than that of the weight portion material is embedded in the concave portion. Therefore, the weight portion has the same size. When compared with the conventional one, the weight portion of the acceleration sensor element of the present invention is heavier, so that the detection sensitivity can be improved without increasing the size of the acceleration sensor element. Alternatively, when compared with the conventional sensor that has the same detection sensitivity according to the size of the weight part, the acceleration sensor element of the present invention can make the weight part small, and thus can be downsized while maintaining the detection sensitivity. An acceleration sensor element can be provided.
このような本発明の加速度センサ素子を用いた本発明の加速度センサ装置によれば、検出感度を維持しつつ装置の全体構造を小型化することができる。 According to the acceleration sensor device of the present invention using such an acceleration sensor element of the present invention, the overall structure of the device can be reduced in size while maintaining detection sensitivity.
また本発明の加速度センサ素子の製造方法によれば、大型化することなく検出感度が向上した加速度センサ素子、あるいは検出感度を維持しつつ小型化された加速度センサ素子を作製することができる。 Further, according to the method for manufacturing an acceleration sensor element of the present invention, it is possible to manufacture an acceleration sensor element with improved detection sensitivity without increasing the size or an acceleration sensor element reduced in size while maintaining the detection sensitivity.
以下に図面を参照して、本発明にかかる加速度センサ装置及び加速度センサ装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態で用いられる図は模式的なものであり、図面上の寸法比率は現実のものとは必ずしも一致していない。また、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。なお、本実施形態ではピエゾ抵抗効果を利用した三次元加速度センサ装置を例に説明する。 Exemplary embodiments of an acceleration sensor device and a method for manufacturing the acceleration sensor device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the drawings used in the following embodiments are schematic, and the dimensional ratios in the drawings do not necessarily match the actual ones. Further, the present invention is not limited to the following embodiments, and various changes and improvements can be made without departing from the gist of the present invention. In this embodiment, a three-dimensional acceleration sensor device using the piezoresistance effect will be described as an example.
<加速度センサ装置>
図1は本実施形態にかかる加速度センサ装置の斜視図、図2は図1の加速度センサ装置の蓋10を外した状態の平面図、図3は図1に示す加速度センサ装置の断面図であり、図3(a)は図2のA−A’線で切断したときの断面に相当し、図3(b)は図2のB−B’線で切断したときの断面に相当する。これらの図に示すように本実施形態にかかる加速度センサ装置は、基板1とセンサ素子20とから主に構成されている。
<Acceleration sensor device>
1 is a perspective view of the acceleration sensor device according to the present embodiment, FIG. 2 is a plan view of the acceleration sensor device of FIG. 1 with the
まずセンサ素子20について説明する。図4はセンサ素子20の斜視図である。図4に示すようにセンサ素子20は、重り部11と、重り部11を囲繞する枠状の固定部13と、一方端が固定部13に連結され、他方端が重り部11に連結される梁部12と、固定部13に形成される素子側電極パッド14と、梁部12に形成される抵抗素子15と、を有している。
First, the
センサ素子20に加速度が加わると、加速度に応じた力がこの重り部11に作用し、重り部11が動くことで梁部12が撓むようになっている。本実施形態における重り部11には、その四隅に連結された4個の付属重り部21が設けられている。付属重り部21は、重り部11と一体形成されるものであり、付属重り部21を設けることによって加速度に対する梁部12の撓みが大きくなり、加速度の検出感度を向上させることができる。なお、重り部11及び付属重り部21全体が重り部として捉えられてもよい。また、重り部11及び付属重り部21の構成、機能及び形成方法は、同一又は類似することから、以下では、付属重り部21の説明を省略することがある。
When acceleration is applied to the
重り部11は、平面形状が略正方形をなし、その一辺の長さは例えば0.25mm〜0.5mmに設定される。また重り部11の厚みは例えば0.2mm〜0.625mmに設定される。付属重り部21は、重り部11と同様に平面形状が、略正方形をなし、その一辺の長さは例えば0.1mm〜0.4mmに設定される。また付属重り部21の厚みは、重り部11と同じ厚みを有するように例えば0.2mm〜0.625mmに設定される。なお、付属重り部21の厚みは重り部11の厚みより薄くしてもよく、例えば重り部11の厚みより5〜10μm薄くしてもよい。重り部11および付属重り部21の平面形状は正方形に限られず、円や長方形など任意の形状が可能である。重り部11と付属重り部21は、例えばSOI(Silicon on Insulator)基板27を加工することにより一体的に形成されている。
The
このような重り部11および付属重り部21を囲繞するようにして枠状の固定部13が形成されている。固定部13は、平面形状が略正方形をなし、中央部に重り部11および付属重り部21より若干大きい略正方形の開口部を有している。固定部13は、その一辺が例えば0.8mm〜3.0mmに設定され、固定部13を構成するアームの幅(アームの長手方向と直交する方向の幅。図5のw)は例えば0.1mm〜1.8mmに設定される。また固定部13の厚み(図5のt)は、例えば0.2mm〜0.625mmに設定される。この固定部13の下面が接着剤8(図3(b))によって基板1の主面1Aに接合されることによりセンサ素子20が基板1に固定されることとなる。
A frame-
図5は、センサ素子20を下面側から見たときの斜視図である。重り部11には、凹部11aが形成され、凹部11a内には、重り部材22が設けられている(図3(a)及び図6(d)も参照)。重り部材22は、重り部11よりも比重の大きい材料からなる。例えば、重り部11がシリコンによって形成されているのに対し、重り部材22は、イリジウム、オスミウム、白金、レニウム、金、タングステン、ウラン、タンタル、パラジウム、ルテニウム、タリウム、鉛、銀、モリブデン、ルテチウム、ビスマスにより形成されている。
FIG. 5 is a perspective view when the
重り部材22(凹部11a)の形状及び大きさは適宜に設定されてよい。図5では、重り部11の形状と同一形状、すなわち、直方体状に形成された重り部材22を例示している。重り部材22の厚さ(凹部11aの深さ)は、例えば、SOI基板27の支持層26(図6(d))の厚さと同等に設定される。また、凹部11aの内周面は、粗面になっている(図7(c))。
The shape and size of the weight member 22 (
同様に、付属重り部21には、凹部21aが形成され、凹部21a内には、付属重り部材23よりも比重が大きい材料からなる付属重り部材23が設けられている。付属重り部材23(凹部21a)の形状及び大きさも適宜に設定されてよい。図5では、付属重り部21の形状と同一形状、すなわち、直方体状に形成された付属重り部材23を例示している。付属重り部材23は、凹部11aと凹部21aとが連通されることにより、重り部材22と一体的に形成されていてもよい。
Similarly, a
図5に示すように固定部13には、その下面に開口部7aを有する孔部7が設けられている。孔部7は、接着剤8の塗布位置と対応する部分、例えば固定部13の四隅に4個設けられている。この孔部7は、センサ素子20を接着剤8により基板1に接合する際、余分な接着剤8を収容するためのものである。これによって接着剤8が固定部13の下面に沿って広がるのを抑えることができ、接着剤8の接着面積が大きくばらつくことがなくなる。その結果、センサ素子20に不均一な残留応力が発生するのを抑制して電気的な特性に優れた加速度センサ装置となすことができる。また接着剤8の一部が孔部7に埋入された状態でセンサ素子20と基板1とが接合されていることから、センサ素子20に横方向から衝撃が加わった際、孔部7に埋入された接着剤8が衝撃を吸収するため横方向の耐衝撃性が向上するという利点もある。さらに孔部7を設けたことによりセンサ素子20が軽量化されるため接着剤8とセンサ素子20とが剥がれづらくなり、これによっても耐衝撃性が向上する。
As shown in FIG. 5, the fixing
孔部7は、固定部13の厚み方向に貫通しないように、換言すれば孔部7の底面が固定部13の上面まで到達しないようにして形成することが好ましい。このようにして孔部7を形成することにより、固定部13の上面側に形成される配線の引き回しの自由度を低下させることがない。またセンサ素子20を基板1に実装する際などにセンサ素子20の上面側から吸着コレットによるピックアップができるという利点もある。一方、孔部7を固定部13の厚み方向に貫通しないように形成し、センサ素子20を基板1に固定した場合、孔部7の開口部7aが塞がれることにより孔部7の内部に気体が密閉された状態となりやすい。気体が孔部7の内部に密閉された場合、周囲の温度変化により密閉された気体が膨張もしくは収縮することによって、センサ素子20に不要な圧力がかかり加速度センサ装置の電気的特性の劣化を招く恐れがある。そこで、気体が密閉されないように、固定部13には、孔部7の内壁面と固定部13の側面とを連通させる連通部16を設けておくとよい。連通部16を設けておくことにより、孔部7の内部に存在する気体が膨張もしくは収縮したとしても連通部16を通して気体が出入りするため、センサ素子20に不要な圧力がかかるのを防止して加速度センサ装置の電気的特性の劣化を抑制することができる。また連通部16は、固定部13の内周面13a側へ連通させておくことが好ましい。連通部16を固定部13の内周面13a側へ連通させておくことにより、外部からの衝撃が固定部13の外周面に加わった際、例えばウエハからセンサ素子20を個片にカットする際に固定部13が破損するのを少なくすることができる。
The
孔部7は例えば、円柱状に形成されておりその開口部7aの直径φおよび深さdは主として接着剤8との関係を考慮して設定される。具体的には、接着剤8を基板1の主面1A(図3)に塗布した際の接着用部材の塗布面(基板1との接触面)の面積を予め測定しておき、その面積よりも小さくなるように開口部7aの直径φが設定される。一方、孔部7の深さdは、基板1の主面1Aに塗布した際の接着剤8の高さを予め測定しておき、その高さよりも大きくなるように設定される。また、接着剤8にスペーサ部材17(図3(b))が含有されている場合には開口部7aの直径φを、スペーサ部材17の直径サイズより5倍以上大きくすることが好ましい。これにより余分な接着剤8が孔部7に入りやすくなる。さらにセンサ素子20をウエハ状態から個片に切り出すときの耐衝撃性を考慮すると開口部7aの淵(孔部7の内壁面)から固定部13の外周面までの距離は100μm以上にしておくことが好ましい。またセンサ素子20をSOI基板により作製する場合には、固定部13の厚みtから孔部7の深さdを引いた差の値をSOI基板27の半導体層25(図6)の厚みと同じ、または、半導体層25及び絶縁層24(図6)の厚みと同じにする方がよい。これにより孔をあけるプロセスが増えず、固定部13が壊れにくくなる。
For example, the
なお、孔部7の形状は円柱状に限らず、例えば四角柱や三角柱など任意の形状が可能である。
The shape of the
このような固定部13と重り部11との間には図4に示すように梁部12が設けられている。梁部12は、一方端が重り部11の各辺の上面側中央部に連結され、他方端が固定部13の内周における各辺の上面側中央部に連結されており、本実施形態におけるセンサ素子20では、4本の梁部12が設けられている。
A
梁部12は可撓性を有し、センサ素子20に加速度が加わると重り部11が動き、重り部11の動きに伴って梁部12が撓むようになっている。梁部12は、例えば長手方向の長さが0.1mm〜0.8mmに設定され、幅(長手方向と直交する方向の長さ)が0.01mm〜0.2mmに設定され、厚みが5μm〜20μmに設定されている。このように梁部12を細長く且つ薄く形成することによって可撓性が発現される。
The
このような梁部12の上面には複数の抵抗素子15が形成されている。抵抗素子15は、より具体的には、n型のSOI基板27にボロンを打ち込むことにより形成されたピエゾ抵抗素子である。本実施形態では、3軸方向(図4に示した3次元直交座標系におけるX軸方向、Y軸方向、Z軸方向)の加速度を検出できるように梁部12の所定の位置にこれらの抵抗素子15が形成されている。例えば、X軸方向に伸びる2つの梁部12には、X軸方向の加速度を検出するための4個の抵抗素子15が設けられており、それぞれの梁部12に2個ずつ配置されている。これら4個の抵抗素子15のうち、固定部13側に配された抵抗素子同士を直列に接続し、重り部11側に配された抵抗素子同士を直列に接続し、これらを並列に接続することでブリッジ回路を構成している。またY軸方向に伸びる2つの梁部12には、Y軸方向の加速度を検出するための4個の抵抗素子15が設けられており、これらの抵抗素子15を、X軸方向の加速度検出用の抵抗素子15と同様に配置し、抵抗素子同士の接続を行うことによってブリッジ回路を構成している。また、図示していないがZ軸方向の加速度を検出するための4個の抵抗素子15が、X軸方向に伸びる2つの梁部12に、X軸方向の加速度を検出するための4個の抵抗素子15それぞれと並ぶようにして形成されている。このZ軸方向の加速度検出用の抵抗素子15は、X軸方向の加速度検出用の抵抗素子15とは、抵抗素子同士の接続の仕方が異なっており、本実施形態では、X軸方向に伸びる2本の梁部12のうち一方の梁部12に設けられた固定部13側の抵抗素子15と、他方の梁部12に設けられた重り部11側の抵抗素子15とを直列接続してブリッジ回路を構成している。このようなブリッジ回路が組まれたセンサ素子20に加速度が加わると、上述したように梁部12が撓み、この撓みに応じて抵抗素子15が変形するため、ブリッジ回路で検出する出力電圧が変化する。この抵抗値の変化に基づく出力電圧の変化を電気信号として取り出し、これを外部のICで演算処理することによって印加された加速度の方向並びに大きさを検知することができる。なおZ軸方向の加速度検出用の抵抗素子15は、X軸方向に伸びる梁部12に設けたのと同様にして、Y軸方向に伸びる2つの梁部12に設けるようにしてもよい。
A plurality of
固定部13の上面には、抵抗素子15と電気的に接続される素子側電極パッド14が設けられており、この素子側電極パッド14を介して抵抗素子同士の接続や抵抗素子15からの電気信号の外部への取り出しなどを行っている。
An element-
かかるセンサ素子20は、図3に示すように基板1に実装されている。基板1はセンサ素子20を保護する機能を有し、内部にはセンサ素子20を収容するキャビティ5が設けられている。基板1は、セラミック材料などからなる絶縁層を複数積層することにより形成され、本実施形態では3枚の絶縁層1a〜1cにより構成されている。絶縁層1aは平板状の部材からなり、その主面1Aにセンサ素子20が載置される。絶縁層1bはセンサ素子20より若干大きい開口部を有する枠状の部材であり、絶縁層1aと接合されている。絶縁層1cは、絶縁層1bの開口部より広い開口部を有する枠状の部材であり、絶縁層1bの主面の一部が露出するようにして絶縁層1bと接合されている。絶縁層1cの開口部から露出する絶縁層1bの主面には、複数の基板側電極パッド4が形成されている。基板側電極パッド4は金属細線6によってセンサ素子20の固定部上面に設けた素子側電極パッド14と電気的に接続されている。また基板1の下面には、複数の外部端子2が設けられており、外部端子2は基板1の内部に設けたビアホール導体3を介して基板側電極パッド4と接続されている。すなわち、センサ素子20の電気信号は、素子側電極パッド14、金属細線6、基板側電極パッド4、ビアホール導体3、外部端子2などを介して外部へ取り出されることとなる。
The
このような基板1の主面1Aに載置されるセンサ素子20は接着剤8により基板1に接合されている。センサ素子20の固定部13には、上述したように接着剤8の塗布位置と対応する箇所に孔部7が設けられているため接着剤8の一部は孔部7の中に入り、残りの接着剤8が孔部7の開口部7aの周辺と基板1の主面1Aとの間に介在された状態となる。したがって、孔部7の開口部7aの周辺と基板1の主面との間に介在された接着剤8によってセンサ素子20と基板1とが接合されることとなる。接着剤8は、例えば、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂などを使用することができる。なかでも接着時の残留応力を緩和する観点からシリコーン樹脂を用いることが好ましい。
The
接着剤8には、重り部11の下面と基板1の主面1Aとの間に所定の大きさのギャップが形成されるように、所定の径を有する球状のスペーサ部材17が混合されている。すなわち、重り部11の下面と基板1の主面1Aとの間のギャップの大きさをスペーサ部材17によって制御することができる。スペーサ部材17は、例えばシリカ、シリコン、ジビニルベンゼンなど所定の硬さを有する球状の部材であり、その直径は例えば2〜20μmである。従来の加速度センサ装置では、接着剤8にスペーサ部材を混ぜた場合、スペーサ部材によって接着剤の塗布用ノズルが目詰まりしないようにノズルの内径を比較的大きくする必要があるため、接着剤の塗布量を少なく制御することが困難であり、過剰な量の接着剤が塗布されることが多かった。この場合、固定部から外側に接着剤がはみだし、このはみ出した接着剤が重り部の可動範囲を狭くするなどして加速度センサ装置の電気的特性の劣化を招く要因となっていた。特に、加速度センサ装置の低背小型化が進むにつれて、必然的にセンサ素子20が低背小型化されるため、接着剤の塗布量を少なく制御することがより困難となってきており、過剰な量の接着剤による上記問題が顕著になる傾向にある。一方、本実施形態の加速度センサ装置によれば、接着剤8の塗布量が多くなったとしても、余分な接着剤8の多くは孔部7に収容されることから接着剤8が固定部13の外側にはみ出すことが少なくなる。したがって過剰に塗布された接着剤8に起因して加速度センサ装置の電気的特性が劣化するのを防止することができ、加速度センサ装置の低背小型化にも対応可能である。
The adhesive 8 is mixed with a
本実施形態のように梁部12が重り部11の上面四辺の中央部に連結されている場合、センサ素子20と基板1との接合は、固定部13の四隅部において行うことが好ましい。これによりセンサ素子20の基板1への接合箇所と梁部12との間の距離が離れるため、接着剤8による接合に起因して発生し得る残留応力が梁部12に与える影響を小さくすることができ、加速度センサ装置の電気的な特性が劣化するのを抑えることができる。
When the
このようにしてセンサ素子20が接合された基板1のキャビティの開口部を塞ぐようにして蓋10が基板1の上面に固着されており、センサ素子20がキャビティ5内に気密封止されている。蓋10は、例えば42アロイやステンレスなどの金属板からなり、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂9により基板1に接合されている。
Thus, the
<センサ素子の製造方法>
図6は、センサ素子20の製造方法を説明する断面図である。
<Method for manufacturing sensor element>
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing the
(工程A;抵抗素子15の形成)
図6(a)に示すように、SOI基板27に対して表面加工を行う。SOI基板27は、絶縁層24と、絶縁層24の一方側に積層された半導体層25と、絶縁層24の他方側に積層された支持層26とを有するものである。絶縁層24は、例えばSiO2により形成されている。半導体層25は、例えばシリコンにより形成されている。支持層26は、例えば、シリコン等の半導体により形成されている。表面加工は、半導体層25に対する加工である。
(Process A; formation of resistance element 15)
As shown in FIG. 6A, surface processing is performed on the
具体的には、半導体層25にイオン注入法により不純物を注入することでピエゾ抵抗からなる抵抗素子15を形成する。不純物としては、n型のSOI基板を用いた場合にはB(ボロン)が例示でき、p型のSOI基板を用いた場合にはP(リン)、As(ヒ素)などが例示できる。抵抗素子15を形成した後、ピエゾ抵抗素子に連結する配線を形成する。配線は、金属スパッター、CVD、蒸着などによりアルミなどの金属材料を成膜した後、成膜した金属材料をドライエッチング、ウェットエッチングなどによりパターニングすることにより形成される。
Specifically, the
(工程B;重り部11、梁部12及び固定部13の形成)
次に、図6(b)に示すように、従来周知の半導体微細加工技術、例えばフォトリソグラフィ法や誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング(Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching:ICP-RIE)などによりSOI基板27の半導体層25側と支持層26側から加工を施すことにより、重り部11、梁部12及び固定部13を形成する。
(Process B; formation of
Next, as shown in FIG. 6B, an SOI substrate is formed by a well-known semiconductor microfabrication technique such as photolithography or inductively coupled plasma reactive ion etching (ICP-RIE). 27, the
具体的には、まず、重り部11と固定部13とを区切る溝部に対応する領域において半導体層25を除去する。次に、上記の溝部及び凹部11aに対応する領域において支持層26を除去する。さらに、上記の溝部に対応する領域において絶縁層24を除去する。以上のようにして、半導体層25、絶縁層24及び支持層26を貫通する溝部が形成され、当該溝部によりSOI基板27が内周側と外周側とに区切られ、重り部11と固定部13とが形成される。また、溝部の間欠部分(溝部が途切れる部分)における半導体層25により梁部12が形成される。さらに、底面が絶縁層24により構成され、内周面が支持層26により構成される凹部11aが形成される。
Specifically, first, the
(工程C;重り部材22の充填)
次に、図6(c)に示すように、凹部11aに重り部材22となる材料22′を充填して重り部材22を形成する。材料22′は、重り部材22となる金属等の材料に溶剤を加えてスラリー状としたものである。材料22′の凹部11aへの充填は印刷により行われる。具体的には、スクリーン501をSOI基板27の支持層26側に対向配置し、スクリーン501の開口501aから材料22′を凹部11aに流し込む。開口501aは、凹部11aの支持層26表面における開口形状と同一の形状及び大きさである。ただし、開口501aは、凹部11aの開口形状と異なる形状や凹部11aの開口形状よりも小さいものであってもよい。
(Process C; filling of weight member 22)
Next, as shown in FIG. 6C, the
(工程D;SOI基板27の焼成)
次に、図6(d)に示すように、SOI基板27を焼成し、重り部材22となる材料を固化するとともに、SOI基板27と重り部材22とを焼結させる。以上のとおり、工程A〜Dにより、センサ素子20は形成される。
(Process D: Baking of SOI substrate 27)
Next, as shown in FIG. 6D, the
なお、重り部材22となる材料を焼成すると、溶剤が蒸発することから、重り部材22となる材料は充填時よりも収縮する。その結果、重り部材22の表面は凹状となり、また、凹部11aの開口よりも低い位置となる。そこで、重り部材22となる材料の凹部11aへの充填と、焼成とを複数回繰り返し、重り部材22の表面と重り部11の開口面とを精度よく一致させてもよい。
In addition, when the material used as the
SOI基板27は、複数のセンサ素子20よりも広い面積を有しており、工程A〜Dにおいては、1枚のSOI基板27から複数のセンサ素子20が形成される。工程A〜Dは、基本的には1枚のSOI基板27の複数のセンサ素子20に対して並行的に行われる。例えば、スクリーン501は、複数のセンサ素子20に亘る大きさを有しており、複数のセンサ素子20は、同時に印刷が行われる。そして、工程Dの後、SOI基板27は複数のセンサ素子20に分割される。
The
図7は、工程Bにおける凹部11aの形成を説明する断面図である。凹部11aは、例えば、ICP−RIEにより形成される。より具体的には、ボッシュプロセスにより形成される。
FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating the formation of the
ボッシュプロセスでは、図7(a)に示すように、まず、エッチングにより、凹部11aの深さよりも浅い第1凹部28Aが形成される。第1凹部28Aの形状は、エッチングの精度誤差により、開口側の面積が大きい台形状となる。次に、第1凹部28Aの側面を保護する保護膜が形成される。
In the Bosch process, as shown in FIG. 7A, first, a
次に、図7(b)に示すように、第1凹部28Aと同等の径及び深さの第2凹部28Bが第1凹部28Aの底面に形成される。第2凹部28Bも、第1凹部28Aと同様に、エッチングの精度誤差により、開口側の面積が大きい台形状となる。そして、第2凹部28Bの側面を保護する保護膜が形成される。
Next, as shown in FIG. 7B, a
ここで、第1凹部28Aの側面は、保護膜によって保護されていることから、第2凹部28Bのエッチングによって第1凹部28Aの底面側の面積は拡大せず、第1凹部28A及び第2凹部28Bの境界には、段差が生じる。
Here, since the side surface of the
その後、第1凹部28A及び第2凹部28Bの形成と同様に、エッチングと保護膜の形成とが繰り返され、凹部11aが形成される。絶縁層24は、エッチングストッパとして機能する。凹部11aの内周面は、各エッチングの境界に生じた段差によって粗面となる。
Thereafter, similarly to the formation of the
なお、ボッシュプロセスによって形成される段差の大きさは、おおよそ、0.01μm〜10μmである。また、本願において粗面とは、保護膜を形成せずに、エッチングのみを行った場合における穴部の側面よりも凹凸が大きくなっている面をいう。従って、ボッシュプロセスが行われた場合には、穴部の側面は粗面である。また、穴部の形成方法が特定されなくても、0.01μm以上の段差があれば、粗面であるということができる。 In addition, the magnitude | size of the level | step difference formed by a Bosch process is about 0.01 micrometer-10 micrometers. Moreover, in this application, a rough surface means the surface where the unevenness | corrugation is larger than the side surface of the hole part at the time of performing only an etching, without forming a protective film. Therefore, when the Bosch process is performed, the side surface of the hole is rough. Moreover, even if the formation method of a hole part is not specified, if there is a level difference of 0.01 μm or more, it can be said that the surface is rough.
<加速度センサ装置の製造方法>
上述のようにセンサ素子20を準備するとともに、センサ素子20が載置される主面1Aを有する基板1を準備する。
<Method for manufacturing acceleration sensor device>
While preparing the
基板1はアルミナなどのセラミック材料からなる複数の絶縁層を積層することにより形成される。具体的には、平板状の絶縁層1a、矩形状の開口部を有する絶縁層1b、絶縁層1bの開口部より大きな開口部を有する絶縁層1cを順次積層することよりキャビティ5を有する基板1が作製される。
The
次に基板1の主面1Aで且つセンサ素子20を載置したときに開口部7aと対応する位置に接着剤8を塗布する。次にセンサ素子20を基板1の主面1Aに載置させ、接着剤8を硬化させることによりセンサ素子20と基板1とを接合する。
Next, the adhesive 8 is applied to a position corresponding to the opening 7 a when the
センサ素子20を基板1に接合した後、金、銅、アルミニウムなどからなる金属細線6によりセンサ素子20に設けた素子側電極パッド14と基板1に設けた基板側電極パッド4とを接続する。最後に42アロイなどからなる金属製の蓋10をエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂9により基板1の上面(絶縁層1dの上面)に接合することより製品としての加速度センサ装置が完成する。
After the
以上の実施形態によれば、センサ素子20は、重り部11の材料より比重の大きい材料からなり、且つ重り部11の凹部11aに埋入される重り部材22を有することから、重り部材22及び重り部11全体としての重り部の密度を高くすることができる。その結果、感度を維持しつつ、センサ素子20の小型化を図ることができる。また、凹部11aに重り部材22を埋入することにより、重り部材22を重り部11に対して固定することから、重り部材を重り部11の先端に固定するような場合に比較して、精度よく重り部材22を重り部11に位置決めして固定することができる。例えば、フォトリソにより凹部11aを形成する場合には、フォトリソの精度と同等の精度で重り部材22を位置決めすることができる。
According to the above embodiment, since the
さらに、凹部11aは、重り部11、梁部12及び固定部13の形成工程において、具体的には、支持層26の除去によって形成されるから、凹部11aの形成による工程数の増加は生じない。
Furthermore, since the
また、印刷により重り部材22を凹部11aに充填することから、一のウェハ上に形成される複数のセンサ素子20に対して同時に重り部材22を充填することができ、生産性が向上する。
Further, since the
凹部11aの内周面は粗面であることから、重り部材22が凹部11aから抜け落ちることが抑制される。さらに、SOI基板27を部分的に除去して凹部11aを形成する処理を凹部11aの深さ方向において複数回に分けて行い、その複数回の除去処理の境界に生じた段差によって凹部11aの内周面を粗面にすることから、高精度の深堀を実現しつつ、粗面を形成することができる。
Since the inner peripheral surface of the
凹部11aは、支持層26に設けられていることから、重り部材22として導電性の材料を使用しても、重り部材22は、半導体層25に電気的影響をほとんど及ぼさない。従って、重り部材22の材料の選択の幅を広げることができる。また、半導体層25に凹部を形成する場合のように、半導体層25の配線の設計変更を強いられることもない。
Since the
(変形例1)
図8は上述した実施形態にかかる加速度センサ装置の変形例を示す断面図である。なお、図8の断面図は図2におけるA−A’線における断面に相当するものである。この変形例にかかる加速度センサ装置は、センサ素子20の出力信号を演算処理するICチップ30をさらに含んでいる。図8に示す加速度センサ装置では、基板1の下面側に設けたキャビティにICチップ30が収容されており、基板1に設けたビアホール導体3や配線導体などを介してセンサ素子20及び外部端子2と電気的に接続されている。ICチップ30は、例えば、センサ素子20の出力信号を増幅する増幅回路、センサ素子20の温度特性を補正する温度補償回路、ノイズを除去するノイズ除去回路などが集積化されたものである。このようなICチップ30を備えることによって加速度を高精度に検知することができる。
(Modification 1)
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a modification of the acceleration sensor device according to the above-described embodiment. The cross-sectional view of FIG. 8 corresponds to the cross section taken along the line AA ′ in FIG. The acceleration sensor device according to this modification further includes an
(変形例2)
図9(a)は、加速度センサ素子の変形例を示す断面図である。重り部111の凹部111aの断面形状(重り部材122の断面形状)は、凹部111aの底面側より凹部111aの開口側が広い形状である。この場合、重り部材122を凹部111aに充填しやすい。また、エッチングの精度誤差によって開口側が広くなってしまってもよいことから、垂直壁を形成可能なエッチング技術を利用する必要性がなくなる。なお、図9(a)では、凹部111aの断面形状が台形状の場合を例示しているが、凹部111aの断面形状は、三角径でもよいし、凹部111aの底面側が弧状となっていてもよい。
(Modification 2)
Fig.9 (a) is sectional drawing which shows the modification of an acceleration sensor element. The cross-sectional shape of the
(変形例3)
図9(b)は、センサ素子の変形例を示す断面図である。重り部211の凹部211aの断面形状(重り部材222の断面形状)は、凹部211aの開口側より凹部211aの底面側が広い形状である。この場合、重り部材222が凹部211aから抜けにくい。従って、センサ素子の耐久性が高くなる。なお、図9(b)では、凹部211aの断面形状が台形状の場合を例示しているが、凹部211aの断面形状は、三角径でもよいし、凹部211aの底面側が弧状となっていてもよい。
(Modification 3)
FIG. 9B is a cross-sectional view showing a modified example of the sensor element. The cross-sectional shape of the
(変形例4)
図9(c)は、センサ素子の変形例を示す断面図である。重り部材322は、凹部11aの底面側の第1重り部材322aと、凹部11aの開口側の第2重り部材322bとを有している。第1重り部材322a及び第2重り部材322bは互いに異なる材料からなる。例えば、第1重り部材322aは、重り部11よりも比重が大きい材料からなり、第2重り部材322bは、第1重り部材322aよりも比重が小さいが、第1重り部材322aよりも重り部11と焼結しやすい材料からなる。従って、重り部の密度を高くしつつ、重り部材322の抜けを防止できる。なお、第2重り部材322bは、重り部11よりも比重が大きくても小さくてもよいが、重り部材322全体として重り部11よりも比重が大きくなることが必要である。
(Modification 4)
FIG. 9C is a cross-sectional view showing a modification of the sensor element. The
(変形例5)
図9(d)は、センサ素子の変形例を示す断面図である。重り部材422の厚さは、重り部11の凹部11aの深さよりも小さい。すなわち、重り部材422は、凹部11aの底面側の一部に充填されている。重り部材422が凹部11aに充填される量が多くなると、感度が上がる一方で、重り部材422の材料費は増加する。そこで、必要な感度に応じて、凹部11aに充填される重り部材422の量は調整されてよい。図9(d)は、そのような調整の結果として、重り部材422が凹部11aの開口まで充填されなかった場合を示している。
(Modification 5)
FIG. 9D is a cross-sectional view showing a modified example of the sensor element. The thickness of the
本発明は、以上の実施形態や変形例に限定されず、種々の態様で実施されてよい。 The present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and may be implemented in various aspects.
加速度センサ素子は、3軸方向の加速度を計測するものに限定されない。例えば、加速度センサ素子は、1軸方向の加速度を計測するものであってもよい。重り部は、付属重り部を有しないものであってもよい。 The acceleration sensor element is not limited to the one that measures the acceleration in the triaxial direction. For example, the acceleration sensor element may measure acceleration in one axis direction. The weight part may not have an attached weight part.
また上述した実施形態では、固定部13に孔部7が設けられている加速度センサ素子について説明したが、孔部7を設けず固定部13の下面が全体にわたって平坦になっていてもよい。
In the above-described embodiment, the acceleration sensor element in which the
重り部材は、凹部に充填された液状の材料が凝固して形成されるものに限定されない。例えば、固体状の重り部材が凹部に嵌合されるとともに、接着剤によって重り部に固定されてもよい。また、例えば、凹部内部に金属を蒸着させることにより、重り部材が形成されてもよい。複数の凹部が形成された重り部や多孔質体により形成された重り部をスラリー状の材料に浸して、重り部材を凹部内に埋入してもよい。液状の材料を凹部に充填して重り部材を形成する場合、その充填方法は印刷に限定されない。例えば、ディスペンサーによって液状の材料を凹部に充填してもよい。 The weight member is not limited to a member formed by solidifying a liquid material filled in the recess. For example, a solid weight member may be fitted into the concave portion and fixed to the weight portion with an adhesive. Further, for example, the weight member may be formed by vapor-depositing a metal inside the recess. A weight part formed with a plurality of recesses or a weight part formed of a porous body may be immersed in a slurry-like material, and the weight member may be embedded in the recesses. When the weight member is formed by filling the liquid material into the recess, the filling method is not limited to printing. For example, the recess may be filled with a liquid material by a dispenser.
1・・・基板
2・・・外部端子
3・・・ビアホール導体
4・・・基板側電極パッド
5・・・キャビティ
6・・・金属細線
7・・・孔部
8・・・接着剤
11・・・重り部
11a・・・凹部
12・・・梁部
13・・・固定部
14・・・素子側電極パッド
15・・・抵抗素子
20・・・センサ素子
22・・・重り部材
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記重り部を囲繞する枠状の固定部と、
一方端が前記固定部に連結され、且つ他方端が前記重り部に連結される梁部と、
前記梁部に設けられ、該梁部の撓みに伴い抵抗値が変わる抵抗素子と、
前記重り部の材料より比重の大きい材料からなり、且つ前記凹部に埋入される重り部材と、
を有する加速度センサ素子。 A weight portion having a recess;
A frame-shaped fixing portion surrounding the weight portion;
A beam portion having one end connected to the fixed portion and the other end connected to the weight portion;
A resistance element provided in the beam portion, the resistance value of which changes with bending of the beam portion;
A weight member made of a material having a specific gravity greater than that of the weight portion and embedded in the recess;
An acceleration sensor element.
請求項1に記載の加速度センサ素子。 The acceleration sensor element according to claim 1, wherein a cross-sectional shape of the concave portion is such that an opening side of the concave portion is wider than a bottom surface side of the concave portion.
請求項1または2に記載の加速度センサ素子。 The acceleration sensor element according to claim 1, wherein an inner peripheral surface of the recess is a rough surface.
前記重り部及び前記固定部は、前記絶縁層、前記支持層及び前記半導体層を貫通する溝によって前記基板が前記重り部と前記固定部とに区切られることにより形成され、
前記梁部は、前記溝の間欠部分の前記半導体層により形成され、
前記凹部は、前記支持層に設けられ、
前記重り部材は、導電性部材により構成されている
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の加速度センサ素子。 A substrate having an insulating layer, a support layer stacked on one side of the insulating layer, and a semiconductor layer stacked on the other side of the insulating layer;
The weight portion and the fixing portion are formed by dividing the substrate into the weight portion and the fixing portion by a groove penetrating the insulating layer, the support layer, and the semiconductor layer,
The beam portion is formed by the semiconductor layer of the intermittent portion of the groove,
The recess is provided in the support layer;
The acceleration sensor element according to any one of claims 1 to 3, wherein the weight member is formed of a conductive member.
前記加速度センサ素子の出力信号を信号処理するICチップと
を有する加速度センサ装置。 The acceleration sensor element according to any one of claims 1 to 4,
An acceleration sensor device comprising: an IC chip that processes an output signal of the acceleration sensor element.
前記基板を加工することにより前記抵抗素子が配置された梁部、前記梁部の一方端が連結され且つ一方主面側に開口した凹部を有する重り部、および前記梁部の他方端が連結され且つ前記重り部を囲繞する固定部を形成する工程Bと、
前記凹部に前記基板の材料より比重の大きい材料から成る重り部材を充填する工程Cと、
を含む加速度センサ素子の製造方法。 Forming a resistance element on one principal surface of the substrate; and
By processing the substrate, a beam portion in which the resistance element is arranged, a weight portion having one end of the beam portion connected and having a recess opened on one main surface side, and the other end of the beam portion are connected. And a step B of forming a fixing portion surrounding the weight portion;
Filling the concave portion with a weight member made of a material having a specific gravity greater than that of the substrate; and
A method for manufacturing an acceleration sensor element including:
請求項6に記載の加速度センサ素子の製造方法。 The acceleration sensor element manufacturing method according to claim 6, wherein the weight member is filled by printing.
請求項6に記載の加速度センサ素子の製造方法。 The method of manufacturing an acceleration sensor element according to claim 6, wherein a cross-sectional shape of the concave portion is a shape in which an opening side of the concave portion is wider than a bottom surface side of the concave portion.
請求項6乃至8のいずれか1項に記載の加速度センサ素子の製造方法。 In the step B, the process of partially removing the substrate to form the recesses is performed in a plurality of times in the depth direction of the recesses, and the recesses are formed by steps generated at the boundaries of the multiple removal processes. The manufacturing method of the acceleration sensor element of any one of Claims 6 thru | or 8.
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JP2010117247A (en) * | 2008-11-13 | 2010-05-27 | Alps Electric Co Ltd | Mems sensor and method for manufacturing the same |
CN102275860A (en) * | 2010-06-11 | 2011-12-14 | 江苏丽恒电子有限公司 | Inertia micro-electro-mechanical sensor and manufacturing method thereof |
JPWO2014088020A1 (en) * | 2012-12-06 | 2017-01-05 | 株式会社村田製作所 | Piezoresistive MEMS sensor |
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- 2008-09-19 JP JP2008240779A patent/JP2010071850A/en active Pending
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