JP2010230513A - Acceleration sensor and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、加速度を検出する加速度センサ及び加速度センサの製造方法に関するものである。 The present invention relates to an acceleration sensor for detecting acceleration and a method for manufacturing the acceleration sensor.
図9に従来の加速度センサの断面図を示す。同図に示す加速度センサは、センサ素子100と、センサ素子100を実装する基体200とを備えた構成を有している。
FIG. 9 is a sectional view of a conventional acceleration sensor. The acceleration sensor shown in the figure has a configuration including a
センサ素子100は、重り部101と、重り部101を囲繞する枠状の固定部102と、重り部101と固定部102とに連結される梁部103と、梁部103に形成されるピエゾ抵抗素子(図示せず)とを有している(例えば、特許文献1参照)。
The
このようなセンサ素子100を有する加速度センサに加速度に応じた外力が加わると重り部101が動き、それに伴って梁部103が変形し、ピエゾ抵抗素子も変形する。このピエゾ抵抗素子の変形による抵抗値の変化に基づいて加速度が検出されることとなる。
When an external force corresponding to the acceleration is applied to the acceleration sensor having such a
このようなセンサ素子100は、固定部102の下面と基体200の主面との間に介在された接着材104によって基体200に固定されている。
Such a
重り部101の下面と基体200の主面との間にはギャップgが形成されている。この部分にギャップgを形成することで、重り部101が遊動可能となっている。このギャップgの寸法は、加速度の測定範囲に合わせて所定の範囲に設定される。ギャップgの大きさを制御する方法として、接着材104に球状のスペーサ部材105を混ぜる方法が知られている。所定の径を有するスペーサ部材105を用いることでギャップgの大きさを調整することができる(例えば、特許文献2参照)。
A gap g is formed between the lower surface of the
ところで図9に示すような従来の加速度センサでは、通常、基体200の内部、あるいは主面に配線導体が設けられている。この配線導体を介してセンサ素子100と外部との信号の入出力を行っている。
By the way, in the conventional acceleration sensor as shown in FIG. 9, the wiring conductor is normally provided in the inside of the
配線導体が基体200の内部に設けられている場合、配線導体の厚み分の影響を受けて基体200の表面に起伏が生じる。この場合、基体200の主面において、配線導体の直上領域は他の部分より盛り上がった部分(以下、隆起部ともいう)となる。また基体200の主面に配線導体が設けられている場合は、配線導体それ自身がそのまま隆起部となる。
When the wiring conductor is provided inside the
このような隆起部がセンサ素子100の実装面に存在すると種々の問題が生じる。
When such a raised portion exists on the mounting surface of the
例えば、隆起部が重り部101の直下領域に存在すると、重り部101の下面と基体200の底部との間のギャップgの寸法が所望の値より小さくなってしまう。このようにギャップgの寸法が所望の値より小さくなると、測定できる加速度の範囲が変わってしまい本来検出できるはずの加速度が検出できないといった不具合を招くこととなる。
For example, if the raised portion exists in the region immediately below the
また、隆起部が固定部102の下にある場合は、センサ素子100が傾いた状態で実装されてしまい、加速度の検出精度の低下を招くこととなる。
In addition, when the raised portion is below the
配線導体をセンサ素子100の直下領域を避けて配置すれば、かかる問題は解消できるものの、その場合、センサ素子100の直下領域を配線導体の引き回し領域として使用することができないため、その分の引き回し領域を確保ためには基体200を大きくせざるを得ず、加速度センサの大型化を招くこととなる。
Such a problem can be solved by arranging the wiring conductor so as to avoid the area immediately below the
すなわち、従来の加速度センサでは隆起部による問題を解消しつつ加速度センサの小型化を図ることが困難であった。 That is, in the conventional acceleration sensor, it has been difficult to reduce the size of the acceleration sensor while solving the problem caused by the raised portion.
本発明は、以上のような問題を解決すべく発明されたものであり、その目的は、配線導体による起伏の影響を抑えつつ、小型化に対応した加速度センサおよび加速度センサの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been invented to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an acceleration sensor and a method for manufacturing the acceleration sensor that can be reduced in size while suppressing the influence of undulation caused by the wiring conductor. For the purpose.
本発明の加速度センサは、固定部と、加速度が加わったときに前記固定部に対し変位する重り部と、一端が前記固定部に、他端が前記重り部にそれぞれ連結され、前記重り部の変位に伴って撓む梁部と、を有するセンサ素子と、前記センサ素子が実装される平板状の第1の基板と、前記第1の基板が実装される基体であって、内部または前記第1の基板が実装される面に配線導体が配置されている基体と、前記第1の基板と前記基体との間に介在され、前記第1の基板を前記基体に固定するための第1の接着材と、を備えたものである。 The acceleration sensor of the present invention includes a fixed portion, a weight portion that is displaced with respect to the fixed portion when acceleration is applied, one end connected to the fixed portion, and the other end connected to the weight portion. A sensor element having a beam portion that bends in accordance with a displacement; a flat plate-like first substrate on which the sensor element is mounted; and a base on which the first substrate is mounted. A base on which a wiring conductor is disposed on a surface on which the first substrate is mounted, and a first base for interposing the first substrate and the base, and fixing the first substrate to the base And an adhesive.
また本発明の加速度センサの製造方法は、固定部と、加速度が加わったときに前記固定部に対し変位する重り部と、一端が前記固定部に、他端が前記重り部にそれぞれ連結され、前記重り部の変位に伴って撓む梁部と、を有するセンサ素子を用意する工程と、前記センサ素子が実装される平板状の第1の基板と、前記第1の基板が実装される基体であって、内部または前記第1の基板が実装される面に配線導体が配置されている基体と、を用意する工程と、前記基体の主面に第1の接着材となる粘性部材を塗布した後、前記第1の基板と前記基体との間に前記粘性部材が介在されるようにして、前記第1の基板を前記基体に実装する工程と、前記センサ素子を前記第1の基板に実装する工程と、を含むものである。 The acceleration sensor manufacturing method of the present invention includes a fixed portion, a weight portion that is displaced with respect to the fixed portion when acceleration is applied, one end connected to the fixed portion, and the other end connected to the weight portion. A step of preparing a sensor element having a beam part that bends in accordance with the displacement of the weight part, a flat first board on which the sensor element is mounted, and a base body on which the first board is mounted And a step of preparing a base on which a wiring conductor is disposed on the inside or a surface on which the first substrate is mounted, and applying a viscous member serving as a first adhesive to the main surface of the base Then, the step of mounting the first substrate on the base so that the viscous member is interposed between the first substrate and the base, and the sensor element on the first substrate And a process of mounting.
本発明によれば、センサ素子は平板状の第1の基板に実装され、第1の基板が、配線導体が設けられている基体に実装されている。すなわち、センサ素子は、配線導体が設けられている基体に直接には実装されず、平板状の第1の基板を介して基体に実装されている。したがってセンサ素子が実装される面において、センサ素子の直下領域は平坦性が保たれ、第2の実装基板に存在する隆起部の影響を受けることが殆どない。また、基体におけるセンサ素子の直下領域に配線導体の引き回しを行うことができるため、別途、配線導体の引き回し領域を確保する必要がなく、小型化に対応した加速度センサを提供することができる。 According to the present invention, the sensor element is mounted on the flat plate-like first substrate, and the first substrate is mounted on the base body on which the wiring conductor is provided. That is, the sensor element is not directly mounted on the base body on which the wiring conductor is provided, but is mounted on the base body via the flat first substrate. Therefore, on the surface on which the sensor element is mounted, the region immediately below the sensor element is kept flat, and is hardly affected by the raised portions present on the second mounting substrate. In addition, since the wiring conductor can be routed in the region directly below the sensor element on the base body, it is not necessary to separately secure the wiring conductor routing region, and an acceleration sensor corresponding to downsizing can be provided.
以下に図面を参照して、本発明にかかる加速度センサ及び加速度センサ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。 Exemplary embodiments of an acceleration sensor and an acceleration sensor manufacturing method 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.
<加速度センサ>
図1は本発明の実施形態に係る加速度センサの斜視図であり、図2は図1のA−A’線における断面図である。
<Acceleration sensor>
FIG. 1 is a perspective view of an acceleration sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG.
本実施形態に係る加速度センサは、図1、図2に示すように、センサ素子20、センサ素子20が実装される第1の基板30、及び第1の基板が実装される基体40とで主に構成されている。
まず本実施形態にかかるセンサ素子20について説明する。図3はセンサ素子20の斜視図である。
As shown in FIGS. 1 and 2, the acceleration sensor according to the present embodiment is mainly composed of a
First, the
センサ素子20は、例えば、ピエゾ抵抗効果を利用した3次元加速度センサとして構成されており、3次元直交座標系におけるX軸、Y軸、Z軸の各軸方向の加速度を検出することができる。
The
図3に示すようにセンサ素子20は、重り部1と、重り部1を囲繞する枠状の固定部3と、重り部1と固定部3とに連結される梁部2と、梁部2に形成される抵抗素子5と、を有している。重り部1、固定部3、及び梁部2は、例えば、SOI(Silicon on Insulator)基板を加工することにより一体的に形成されている。
As shown in FIG. 3, the
本実施形態における重り部1は、固定部3の開口部の中央に配される主部1aと、主部1aの四隅に配された4個の付属部1bとから構成されている。主部1aは、平面形状が略正方形をなし、その一辺の長さは例えば0.2mm〜0.5mmに設定される。また主部1aの厚みは例えば0.2mm〜0.625mmに設定される。付属部1bは、主部1a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。また付属部1bの厚みは、主部1a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、主部1aおよび付属部1b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。
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1に作用し、重り部1が動くことで梁部2が撓むようになっている。重り部1は、主部1aのみで構成することも可能であるが、付属部1bを設けることによってより大きな力が重り部1に作用するため、加速度に対する梁部2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。
When acceleration is applied to the
このような重り部1を囲繞するようにして固定部3が形成されている。固定部3は、平面形状が略正方形をなし、中央部に重り部1より若干大きい略正方形の開口部を有している。固定部3の平面視における一辺の長さは、例えば0.8mm〜3.0mmに設定される。固定部の平面視における各辺の幅は、例えば0.1mm〜1.8mmに設定される。また固定部3の厚みは、例えば0.2mm〜0.625mmに設定される。
A fixing
梁部2は、主部1aの各辺の上面側中央部と、固定部3の内周における各辺の上面側中央部とを連結するようにして形成されている。本実施形態におけるセンサ素子20では、X軸方向において重り部1の主部1aを挟んで2本、Y軸方向において重り部1の主部1aを挟んで2本、合計4本の梁部2が設けられている。梁部2は、可撓性を有するように形成されており、センサ素子20に加速度が加わると重り部1が動き、重り部1の動きに伴って梁部2が撓むようになっている。梁部2は、例えば長手方向の長さが0.1mm〜0.8mmに設定され、幅が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2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2の上面には複数の抵抗素子5が形成されている。抵抗素子5は、梁部2の撓み量を検出するための検出素子である。抵抗素子5は、より具体的には、SOI基板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3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2の所定の位置にこれらの抵抗素子5が形成されている。例えば、X軸方向に伸びる2つの梁部2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5が設けられており、それぞれの梁部2に2個ずつ配置されている。これら4個の抵抗素子5のうち、固定部3側に配された抵抗素子同士を直列に接続し、主部1a側に配された抵抗素子同士を直列に接続し、これら直列接続されたもの同士を並列に接続することでブリッジ回路を構成している。
A plurality of
またY軸方向に伸びる2つの梁部2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5が設けられており、これらの抵抗素子5を、X軸方向の加速度検出用の抵抗素子5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。
The two
また、図3には図示していないがZ軸方向の加速度を検出するための4個の抵抗素子5が、X軸方向に伸びる2つの梁部2に、X軸方向の加速度を検出するための4個の抵抗素子5の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5は、X軸方向の加速度検出用の抵抗素子5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本の梁部のうち一方の梁部2に設けられた固定部3側の抵抗素子5と、他方の梁部2に設けられた主部1a側の抵抗素子5とを直列接続してブリッジ回路を構成している。
Further, although not shown in FIG. 3, four
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2が撓み、この撓みに伴って抵抗素子5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5は、X軸方向に伸びる梁部2に設けたのと同様にして、Y軸方向に伸びる2つの梁部2に設けるようにしてもよい。
When acceleration is applied to the
固定部3の上面には、抵抗素子5と電気的に接続される素子側電極パッド4が設けられており、この素子側電極パッド4を介して抵抗素子同士の接続や抵抗素子5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-
図4は、図3(a)のB−B’線におけるセンサ素子20の断面図である。図4に示すようにセンサ素子20は、半導体基板29に加工を施すことにより形成されたものである。半導体基板29は、例えば、SOI基板である。半導体基板29は上面側から順に、半導体層21、絶縁層23、支持層25が積層された構造を有している。
FIG. 4 is a cross-sectional view of the
半導体層21及び支持層25は、例えばシリコンから成る。絶縁層23は、例えばSiO2から成る。半導体層21の厚さは、例えば、5μm〜20μmである。絶縁層23の厚さは、例えば、0.1μm〜5μmである。支持層25の厚さは、例えば、200μm〜650μmである。
The
固定部3、重り部1は、半導体層21、絶縁層23、及び支持層25から成り、梁部2は半導体層21から成る。
The fixed
センサ素子20の上面側には、第2の基板50が取り付けられている。図5にセンサ素子20に第2の基板50を取りつけた状態の斜視図を示す。第2の基板50は、過大な加速度が加えられたときに、梁部2に破損が生じるのを抑制するためのものである。重り部1と第2の基板50との間には、重り部1が上方向に変位可能となるように、比較的微小な隙間が確保されている(図2参照)。そして、加速度センサに過大な加速度が加えられ、重り部1が上方向に変位したときに重り部1は第2の基板50に当接し、変位が規制される。これにより梁部2が破損するのを抑制することができる。
A
第2の基板50は、センサ素子20に対向して配置されている。第2の基板50は、重り部1全体を覆う大きさで形成されている。第2の基板50は、センサ素子3の平面形状と概ね同様の形状となっており、第2の基板50の側面には素子側電極パッド4を露出させるための切り欠き部50aが設けられている。第2の基板50は、ガラス基板、シリコン基板などを用いることができるが、金属細線61とのショートを防止する観点から絶縁性の基板を用いることが好ましい。
The
第2の基板50は、固定部3の上面4隅において接着材を介してセンサ素子20に固定されている。接着材の中には、球状のスペーサ部材が複数個含まれている。第2の基板50と重り部1とのギャップの大きさはこのスペーサ部材によって調整することができる。スペーサ部材の径の寸法がギャップの寸法とほぼ同じになるため、スペーサ部材の径を調整することでギャップの大きさを制御することができる。スペーサ部材の直径は、例えば、4μm〜30μmである。
The
センサ素子20は、図2(a)に示すように平板状の第1の基板30に実装され、第1の基板30は、基体40に実装されている。換言すれば、センサ素子20は、第1の基板30を介して基体40に実装されている。
As shown in FIG. 2A, the
基体40の内部、及び主面40Sには、センサ素子20と電気的に接続される配線導体41やめっきを行う際に使用しためっき用導体などが設けられている。この配線導体41を介してセンサ素子20と外部の所定回路との間で信号の入出力が行われる。配線導体41が基体40の内部にある場合、配線導体41の厚みによって基体40の主面40Sに他の部分より盛り上がった隆起部42が形成される。一方、主面40Sに形成された配線導体41も、他の部分より盛り上がった部分であり隆起部42となっている。隆起部42の厚みは、例えば、3μm〜20μmである。
A
このような隆起部42が存在している主面40Sにセンサ素子20を実装した場合、本来検出できるはずの加速度が検出できなくなるといった不具合や加速度の検出精度の低下を招く要因となることは上述した通りである。
When the
これに対し本実施の形態にかかる加速度センサによれば、センサ素子20が、配線導体41が設けられている基体40に直接には実装されず、平板状の第1の基板30を介して基体40に実装されていることから、センサ素子20が実装される面において、センサ素子20の直下領域の平坦性が保持され、基体40に存在する隆起部42の影響を受けることが殆どない。また、基体40におけるセンサ素子20の直下領域に配線導体41の引き回しを行うことができるため、別途、配線導体41の引き回し領域を確保する必要がなく、小型化に対応した加速度センサを提供することができる。
On the other hand, according to the acceleration sensor according to the present embodiment, the
第1の基板30は平板状の板部材であり、平面視したときにその外周が固定部3の外周とほぼ一致する。換言すれば、第1の基板30の側面とセンサ素子20の側面(固定部3の外周面)とは面一となっている。第1の基板30としては、絶縁性の基板を用いることが好ましく、ガラス基板、セラミック基板、あるいは表面が絶縁膜で覆われたシリコン基板などが例示できる。本実施形態ではガラス基板を用いている。第1の基板30の厚みは、例えば、第1の基板30の平面形状の大きさが1mm×1mmのものである場合には50μm程度とされる。
The
センサ素子20と第1の基板30とは、第2の接着材9を介して接合されている。第2の接着材9として、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ヤング率が比較的低い樹脂であるシリコーン樹脂を用いることが好ましい。第2の接着材9は、固定部3の下面四隅に対応する位置に設けられている。本実施形態のように梁部2が重り部1a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と第1の基板30との接合を、固定部3の四隅部において行うことによって、センサ素子20の第1の基板30への接合箇所と梁部2との間の距離が離れるため、第2の接着材9による接合に起因して発生し得る残留応力が梁部2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。
The
第1の基板30は、センサ素子20を実装するためのものであると同時に、過大な加速度が加えられたときに、梁部2に破損が生じるのを抑制するためのものである。重り部1と第1の基板30との間には、重り部1が下方向に変位可能となるように、比較的微小な隙間が確保されている。そして、加速度センサに過大な加速度が加えられ、重り部1が下方向に変位したときに重り部1は第1の基板30に当接し、変位が規制される。これにより梁部2が破損するのを抑制することができる。第2の接着材9には、所定の径を有する球状のスペーサ部材11が混練されている。すなわち、重り部1の下面と第1の基板30の主面30Sとの間のギャップの大きさをスペーサ部材11によって調整している。スペーサ部材11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4〜30μmである。
The
第1の基板30は、第1の接着材10を介して基体40に実装されている。
The
第1の接着材10は、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂などから成る。第1の接着材10の高さ寸法(主面40Sから第1の接着材10の頂点までの寸法)は、隆起部42の高さ寸法(主面40Sから隆起部42の頂点までの寸法)よりも大きくなるようにして形成されている。これにより第1の基板30が隆起部42に接しない状態となり、隆起部42の影響が第1の基板30の主面30Sに現れることが殆どなく、センサ素子20の実装面である主面30Sの平坦性が保持される。第1の接着材10と第2の接着材9とは同じ材料を用いることが好ましい。同じ材料を用いることで、第1の接着材10と第2の接着材9との硬化を同時に行うことができ、別個に硬化する場合に比し加速度センサの生産性を高めることができる。
The
第1の接着材10は、平面視したときに第1の基板30の中央部のみと接着している。第1の基板30と基体40との線膨張係数の差が大きい場合、このように第1の接着材10を第1の基板30の中央部のみ1箇所と接着させることによって、線膨張係数の差に起因する第1の基板30の変形を抑制することできる。
The
基体40は外形が略直方体をなし、内部にはセンサ素子20を収容するためのキャビティが形成されている。基体40は、セラミック材料などからなる5枚の絶縁層40a〜40eを積層することにより形成されている。
The
絶縁層40a、40bは平板状の部材からなる。絶縁層40c、40d、40eは、中央に孔部を有する枠状の部材である。絶縁層40c、40dの孔部の大きさはセンサ素子20より若干大きくなるように設けられ、絶縁層40eの孔部は、絶縁層40c、40dに設けられた孔部よりも大きくなるように形成されている。
The insulating
基体40には複数の基板側電極パッド44が形成されている。これらの基板側電極パッド44は、絶縁層40eの孔部から露出する絶縁層40dの上面に設けられている。基板側電極パッド4は金属細線61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4と電気的に接続されている。また基体40の下面には、外部端子43が設けられており、外部端子43は基板内部に設けたビアホール導体45や配線導体41など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4、金属細線6、基板側電極パッド44、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。
A plurality of substrate-
基体40のキャビティの開口部を塞ぐようにしてリッド60が基体40の上面に固着されており、これによりセンサ素子20がキャビティ内に気密封止されている。リッド60は、例えば42アロイ、ステンレス、コバールなどの金属板からなり、銀ろう、Au−Sn、エポキシ樹脂などの接合材62により基体40に接合されている。
The
リッド60が金属からなる場合、第2の基板50の上面が金属細線61の頂点よりも高い位置にあることが好ましい。第1の接着材10及び第2の接着材9は、ある程度伸び縮みすることから大きな加速度が印加された際などにセンサ素子20全体が上方に変位することがあるが、第2の基板50の上面を金属細線61の頂点よりも高い位置しておくことによって第2の基板50がリッド60にまず当接するため、金属細線61が金属製のリッド60に接触するのを抑制することができる。すなわち、電気信号の入出力の経路となっている金属細線61が金属製のリッドに接触するのを抑制できるため、信号の入出力を正常に行うことができる。
When the
(変形例1)
図6は上述した実施形態にかかる加速度センサの変形例1を示す断面図である。なお、図6の断面図は図1のA−A’線における断面に相当するものである。変形例1にかかる加速度センサは、抵抗素子5で検出した電気信号を演算処理するICチップ70をさらに含むものである。この変形例1にかかる加速度センサでは、基体40の下面側に設けたキャビティにICチップ70が収容されている。ICチップ70は、基体40に設けたビアホール導体45、配線導体41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70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70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. 6 is a cross-sectional
図6に示すように裏面側にキャビティを設け、そこにICチップ70を配置した場合、ICチップ70と接続される配線導体41が増えることから隆起部42の数も増えることとなる。したがって隆起部42に起因する問題が発生する可能性が高くなるが、かかる場合でも平板状の第1の基板30を介してセンサ素子20の実装を行うことにより、加速度の検出範囲が変化するのを抑えつつ、加速度センサの小型化に対応することができる。
As shown in FIG. 6, when a cavity is provided on the back side and the
(変形例2)
図7は上述した実施形態にかかる加速度センサの変形例2を示す断面図である。なお、図7の断面図は図1のA−A’線における断面に相当するものである。変形例2にかかる加速度センサは、第1の接着材10に混練された球状のスペーサ部材11をさらに含むものである。スペーサ部材11として、その直径寸法が配線導体41の厚み寸法以上であるものを用いている。このようなスペーサ部材11を第1の接着材10に混練することによって、第1の基板30の主面40Sからの高さ寸法(主面40Sと第1の基板30の下面との間の寸法)が隆起部42の厚み寸法以上となり、隆起部42にセンサ素子20や第1の基板30による大きな荷重がかかることがない。したがって第1の基板30は隆起部42の影響を殆ど受けることなくその主面の平坦性が保持され、重り部1の下面と第1の基板30の主面30Sとの間のギャップを所望の大きさに保持することができる。これにより加速度の検出範囲が所望の範囲から変化するのを抑制できる。なお、スペーサ部材11の直径寸法とは、第1の接着材30に含まれているスペーサ部材11の平均値をとった値である。
(Modification 2)
FIG. 7 is a cross-sectional view showing Modification Example 2 of the acceleration sensor according to the above-described embodiment. 7 corresponds to a cross section taken along line AA ′ of FIG. The acceleration sensor according to the modified example 2 further includes a
<加速度センサの製造方法>
次に本実施の形態に係る加速度センサの製造工程を図8を用いて説明する。なお、図8は図1のA−A’線における断面に相当する部分である。
<Method for manufacturing acceleration sensor>
Next, the manufacturing process of the acceleration sensor according to the present embodiment will be described with reference to FIG. 8 is a portion corresponding to a cross section taken along line AA ′ of FIG.
(センサ素子を用意する工程)
まず、固定部3、重り部1、固定部3及び重り部1に連結される梁部2を有するセンサ素子20を用意する。
(Process for preparing sensor elements)
First, a
センサ素子20は、例えば、図4に示したようにSOI基板を用いて作製されるものであり、まずSOI基板表面のシリコン層にイオン注入法によりボロンを注入することでピエゾ抵抗からなる抵抗素子5を形成する。次に、スパッタリングやエッチングなど従来周知の半導体微細加工技術を施すことによって重り部1、固定部3、梁部2を形成することによりセンサ素子20を作製する。
The
(第1の基板及び基体を用意する工程)
一方でセンサ素子20が実装される平板状の第1の基板30と、第1の基板30が実装される基体40であって、内部または第1の基板30が実装される面に配線導体41が配置されている基体40と、を用意する。
(Step of preparing first substrate and base)
On the other hand, a flat plate-like
第1の基板30は、ガラス基板、シリコン基板、セラミック基板などからなる平板状の板部材であり、本実施形態では、ガラス基板を用いている。第1の基板30は、平面視したときの形状が矩形であり、センサ素子20の固定部3の外周とほぼ一致する大きさとされている。
The
基体1は、複数の絶縁層40a乃至40eを積層することにより形成されている。具体的には、まず、ガラス−セラミック、アルミナなどのセラミック粉末に適当な有機バインダー、有機溶剤等を添加・混練して得たスラリーを従来周知のドクターブレード法等によって、所定厚みにテープ成型して半硬化状態のセラミックグリーンシートとなし、これらを所定の大きさに切出すことにより各絶縁層となるシートを作製する。次に作製したシートを所定の順に積層してプレス成形した後、高温で焼成することによって基体1が製作される(図8(a))。
The
基体1の内部および主面40Sには配線導体41やめっきを行う際に使用するめっき用導体が形成されている。配線導体41は、Ag、Ag−Pd、Ag−Pt、Cu等の金属粉末、有機バインダー、有機溶剤などを混練して得られる導体ペーストを焼成前の各絶縁層の主面に所定のパターンに印刷し、焼成することにより形成される。焼成後の配線導体41の厚みは、10μm〜20μm程度であり、基体40の内部に配線導体41が設けられている場合、配線導体41の厚みの影響を受けて基体40の主面40Sに隆起部42が形成される。主面40Sに配線導体41が設けられている場合はそれ自身が隆起部42となる。
A
基体40には、配線導体41の他、外部端子43、基板側電極パッド44、ビアホール導体45などが形成されている。これらは配線導体41と同じ材料を用いて配線導体41と同様にして形成することができる。
In addition to the
(第1の基板の実装工程)
次に第1の基板30を基体40に実装する工程を行う。この工程では、図8(b)に示すように、まず基体40の主面40Sに第1の接着材10となる粘性部材10’を塗布する。本実施形態では、粘性部材10’は基体40の主面40Sの中央部に塗布される。粘性部材10’は、所定の粘度を有するように調整されている。具体的には、粘性部材10’を塗布したときに、広がりすぎず所定の高さを保持できるような粘度に調整されおり、その粘度は、例えば、7Pa・s程度に調整される。このように所定の粘度に調整された粘性部材10’は、その頂点が隆起部42の頂点よりも数μm程度高くなるようにして塗布されている。基体1を作製した段階で配線導体41の厚みが概ね把握できているため、粘性部材10’の粘度及び塗布量を調整することにより粘性部材10’の高さが隆起部42の頂点よりも高くなるように塗布することができる。粘性部材10’は、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などの樹脂材料からなり、ディスペンサーなどを用いて塗布される。
(First board mounting process)
Next, a step of mounting the
次に図8(c)に示すように、第1の基板30と基体40との間に粘性部材10’が介在されるようにして、第1の基板30を載置する(図中矢印M1で示す載置工程)。第1の基板30はコレットなどの吸着装置を用いて粘性部材10’に載置される。この段階では粘性部材10’が硬化していないため、基体40を動かしたりすると、粘性部材10’の上に載置された第1の基板30は位置ずれする可能性がある。そこで第1の基板30が大きく位置ずれしないように第1の基板30の側面とキャビティの内壁面(絶縁層40c、40dの孔部の内周面)との間の隙間を所定の範囲にしておくことが好ましい。具体的に第1の基板30の側面とキャビティの内壁面との間の隙間は、10μm〜25μmの範囲にしておくとよい。これにより基体40を動かした場合などでも第1の基板30が大きく位置ずれすることがない。
Next, as shown in FIG. 8C, the
(センサ素子の実装工程)
センサ素子20の実装工程では、図8(c)に示すように、まず第1の基板30の主面30Sに第2の接着材9となる粘性部材9’を塗布する。粘性部材9’として、例えば、シリコーン樹脂やエポキシ樹などを用いることができるが、粘性部材10’と同じ材料を用いることが好ましい。第1の接着材10となる粘性部材10’と第2の接着材9となる粘性部材9’とを同じ材料とすることにより、粘性部材10’と粘性部材9’の硬化を同時に行うことができ、加速度センサの生産性を高くすることができる。
(Sensor element mounting process)
In the mounting process of the
粘性部材9’は、ディスペンサーなどを用いて固定部3の下面四隅と対応する位置に塗布される。また、粘性部材9’には、重り部1の下面と主面30Sとの間に所定の大きさのギャップを設けるために球状のスペーサ部材11が含まれている。スペーサ部材11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4μm〜30μmである。
The
第1の基板30の主面30Sに粘性部材9’を塗布した後、センサ素子20を第1の基板30の主面30Sに載置する(図中矢印M2で示す載置工程)。第1の基板30を粘性部材10’に載置し、その上にセンサ素子20を載置すると、粘性部材10’はこれらの重みによって周囲に広がっていき、その高さが低くなっていくが、粘性部材10’は所定の粘度に調整されているため、この段階においても粘性部材10’の頂点は隆起部42の頂点よりも高い位置にある。この状態で粘性部材9’、10’を加熱し、両粘性部材を硬化することによって、第1の基板30が基体40に、センサ素子20が第1の実装基板30にそれぞれ固定される。
After applying the
なお、載置工程M2を行った直後の段階では粘性部材9’、10’が硬化していないため、基体40を動かしたりすると、第1の基板30、センサ素子20はともに位置ずれする可能性があるが、上述したように第1の基板30の側面とキャビティの内壁面との間の隙間およびセンサ素子20の側面とキャビティの内壁面との間の隙間を10μm〜25μmの範囲にしておくことで第1の基板30及びセンサ素子20が大きく位置ずれすることがない。
Since the
(封止工程)
次に第2の基板50をセンサ素子20の上面に取り付ける。なお第2の基板50の取り付けは、センサ素子20を基体40に実装する前に行ってもよい。その後、金、銅、アルミニウムなどからなる金属細線61によりセンサ素子20に設けた素子側電極パッド4と基体40に設けた基板側電極パッド44とを接続する。最後に42アロイなどからなる金属製のリッド60を接合材62により基体40の上面に接合することよりセンサ素子20が基体40のキャビティ内に封止される。これにより製品としての加速度センサが完成する。
(Sealing process)
Next, the
本発明は以上の実施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。 The present invention is not limited to the above embodiments, and various changes and improvements can be made without departing from the scope of the present invention.
例えば、上述した実施の形態では、検出素子としてピエゾ抵抗素子を用いたピエゾ抵抗型の加速度センサについて説明したが、本発明は検出素子として静電容量素子を用いた静電容量型の加速度センサにも適用可能である。 For example, in the above-described embodiment, a piezoresistive acceleration sensor using a piezoresistive element as a detection element has been described. However, the present invention can be applied to a capacitive acceleration sensor using a capacitive element as a detection element. Is also applicable.
また上述した実施の形態では、第1の接着材10が第1の基板30の中央部のみ1箇所と接着するようにしたが第1の接着材10の接着箇所はこれに限らず、複数個所で接着するようにしてもよいし、第1の基板30の下面全体と接着するようにしてもよい。
Further, in the above-described embodiment, the first
また上述した実施形態では、第1の基板30を基体40に実装した後、第1の基板30にセンサ素子20を実装する製造方法について説明したが、第1の基板30、センサ素子20の実装順はこれに限らず、センサ素子20を第1の基板30に実装した後、第1の基板30を基体40に実装するようにしてもよい。
In the above-described embodiment, the manufacturing method of mounting the
1・・・重り部
2・・・梁部
3・・・固定部
4・・・基板側電極パッド
5・・・抵抗素子
10・・・第1の接着材
20・・・センサ素子
30・・・第1の基板
40・・・基体
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記センサ素子が実装される平板状の第1の基板と、
前記第1の基板が実装される基体であって、内部または前記第1の基板が実装される面に配線導体が配置されている基体と、
前記第1の基板と前記基体との間に介在され、前記第1の基板を前記基体に固定するための第1の接着材と、を備えた加速度センサ。 A fixed portion, a weight portion that is displaced with respect to the fixed portion when acceleration is applied, a beam that has one end connected to the fixed portion and the other end connected to the weight portion, and bends as the weight portion is displaced. A sensor element having a portion;
A flat first substrate on which the sensor element is mounted;
A base on which the first substrate is mounted, and a base on which a wiring conductor is disposed inside or on a surface on which the first substrate is mounted;
An acceleration sensor, comprising: a first adhesive that is interposed between the first substrate and the base body and fixes the first substrate to the base body.
前記基体、前記センサ素子、及び前記第2の基板が前記キャビティに収容されているとともに、前記第2の基板の上面は、前記金属細線の頂点よりも高い位置にある請求項1に記載の加速度センサ。 In a state where a predetermined interval is provided between the cavity provided in the base, the electrode pad provided on the upper surface of the fixed portion, the metal thin wire connected to the electrode pad, and the upper surface of the weight portion. A second substrate disposed on the sensor element; and a metal lid for closing the opening of the cavity;
2. The acceleration according to claim 1, wherein the base body, the sensor element, and the second substrate are accommodated in the cavity, and an upper surface of the second substrate is at a position higher than an apex of the thin metal wire. Sensor.
前記検出素子からの検出信号を処理するICチップをさらに備える請求項1に記載の加速度センサ。 The sensor element has a detection element for detecting the amount of bending of the beam portion,
The acceleration sensor according to claim 1, further comprising an IC chip that processes a detection signal from the detection element.
前記センサ素子が実装される平板状の第1の基板と、前記第1の基板が実装される基体であって、内部または前記第1の基板が実装される面に配線導体が配置されている基体と、を用意する工程と、
前記基体の主面に第1の接着材となる粘性部材を塗布した後、前記第1の基板と前記基体との間に前記粘性部材が介在されるようにして、前記第1の基板を前記基体に実装する工程と、
前記センサ素子を前記第1の基板に実装する工程と、を含む加速度センサの製造方法。
A fixed portion, a weight portion that is displaced with respect to the fixed portion when acceleration is applied, a beam that has one end connected to the fixed portion and the other end connected to the weight portion, and bends as the weight portion is displaced. A step of preparing a sensor element having a portion;
A flat first substrate on which the sensor element is mounted and a base on which the first substrate is mounted, and a wiring conductor is disposed inside or on the surface on which the first substrate is mounted. A step of preparing a substrate;
After applying a viscous member serving as a first adhesive to the main surface of the base, the first substrate is moved to the first substrate in such a manner that the viscous member is interposed between the first substrate and the base. Mounting on a substrate;
Mounting the sensor element on the first substrate.
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WO2013027740A1 (en) * | 2011-08-23 | 2013-02-28 | 日本電気株式会社 | Piezoelectric vibration sensor |
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2009
- 2009-03-27 JP JP2009078762A patent/JP2010230513A/en active Pending
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