JP2011017557A - 力学量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】物理量の検出精度を向上させることができる力学量センサを提供する。
【解決手段】物理量に応じた電気信号を出力するセンシング部２０、３０を備えたセンサ基板１４と、センシング部２０、３０から出力された電気信号を処理し、センサ基板１４に積層される第１回路基板５０と、を備えた力学量センサであって、センサ基板１４に、第１回路基板５０が接合される一面と反対側の一面に積層部材６０を接合し、第１回路基板５０および積層部材６０を、センサ基板１４全体の熱膨張係数に対して全体の熱膨張係数が共に高くするか、もしくはセンサ基板１４全体の熱膨張係数に対して全体の熱膨張係数を共に低くする。
【選択図】図１

Description

本発明は、物理量に応じた電気信号を出力するセンシング部に、当該センシング部から出力された電気信号を処理する回路基板を接合してなる力学量センサに関するものである。

従来より、加速度に応じた電気信号を出力するセンシング部を構成するセンサ基板に、センシング部から出力された電気信号を処理する回路基板を接合してなる力学量センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、このような力学量センサでは、センサ基板に、可動電極を有する可動部、固定電極を有する固定部、可動部および固定部の外側に位置する周辺部が形成されており、センシング部は可動部および固定部を有した構成とされている。そして、センサ基板のうちセンシング部の外側の部分に絶縁膜を介して回路基板が接合されることにより、センサ基板と回路基板との間に封止空間が形成され、当該封止空間にセンシング部が備えられている。

このような力学量センサでは、加速度が印加されると可動電極が変位して可動電極と固定電極との電極間の距離が変化することにより静電容量が変化し、静電容量の変化に基づいた電気信号がセンシング部から回路基板に出力される。

特開２００８−２０４３３号公報

しかしながら、このような力学量センサでは、例えば、高温環境下で使用されると、センサ基板と回路基板とはそれぞれ熱膨張係数が異なるため、センサ基板と回路基板との間に熱応力が発生し、この熱応力がセンシング部に印加されると、可動電極と固定電極との電極間の距離が変化するため、加速度の検出精度が低下するという問題がある。

なお、上記では、加速度に応じて電気信号を出力するセンシング部がセンサ基板に形成されている例について説明したが、角速度に応じて電気信号を出力するセンシング部や圧力に応じて電気信号を出力するセンシング部等がセンサ基板に形成されている場合も同様の問題となる。

本発明は上記点に鑑みて、物理量の検出精度を向上させることができる力学量センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、物理量に応じた電気信号を出力するセンシング部（２０、３０）を備えたセンサ基板（１４）と、センシング部（２０、３０）から出力された電気信号を処理し、センサ基板（１４）に積層される第１回路基板（５０）と、を備えた力学量センサであって、センサ基板（１４）には、第１回路基板（５０）が接合される一面と反対側の一面に積層部材（６０）が接合され、第１回路基板（５０）および積層部材（６０）は、センサ基板（１４）全体の熱膨張係数に対して全体の熱膨張係数が共に高くされているか、もしくはセンサ基板（１４）全体の熱膨張係数に対して全体の熱膨張係数が共に低くされていることを特徴としている。

このような力学量センサでは、センサ基板（１４）には第１回路基板（５０）および積層部材（６０）が接合されており、第１回路基板（５０）および積層部材（６０）は、センサ基板（１４）全体の熱膨張係数に対して、全体の熱膨張係数が共に高くされているか、もしくは共に低くされている。これにより、センサ基板（１４）と第１回路基板（５０）との間に発生する応力によりセンサ基板（１４）が反る方向と、センサ基板（１４）と積層部材（６０）との間に発生する応力によりセンサ基板（１４）が反る方向とが反対方向になり、センサ基板（１４）では反りの方向が逆方向となる。すなわち、センサ基板（１４）と第１回路基板（５０）との間に発生する応力と、センサ基板（１４）と積層部材（６０）との間に発生する応力とが緩和されることになり、センシング部（２０、３０）に応力が印加されることを抑制することができるので、物理量の検出精度を向上させることができる。

例えば、請求項２に記載の発明のように、センサ基板（１４）を、第１基板（１１）と、第１基板（１１）の一面側に配置された第２基板（１３）と、を有した基板を用いて構成し、第１基板（１１）側に積層部材（６０）を接合すると共に、第２基板（１３）側に第１回路基板（５０）を接合し、第１回路基板（５０）および積層部材（６０）を、センサ基板（１４）全体の熱膨張係数に対して全体の熱膨張係数を共に高くし、第１回路基板（５０）全体の熱膨張係数と第２基板（１３）全体の熱膨張係数との差を、積層部材（６０）全体の熱膨張係数と第１基板（１１）全体の熱膨張係数との差より大きくし、かつ第１基板（１１）全体の熱膨張係数を第２基板（１３）全体の熱膨張係数より高くすることができる。

このような力学量センサでは、センサ基板（１４）は、第１回路基板（５０）と積層部材（６０）との関係では、センサ基板（１４）が第１回路基板（５０）側へ反る方向に受ける応力はセンサ基板（１４）が積層部材（６０）側へ反る方向に受ける応力より大きくなり、第１回路基板（５０）側に反る方向に応力を受けていることになる。これに対し、センサ基板（１４）は、第１基板（１１）と第２基板（１３）との関係では、第１基板（１１）全体の熱膨張係数が第２基板（１３）全体の熱膨張係数より大きくされているため、積層部材（６０）側へ反る方向の応力を受けることになる。すなわち、センサ基板（１４）では、第１回路基板（５０）と積層部材（６０）との関係により受ける応力と、第１基板（１１）と第２基板（１３）との関係により受ける応力とが反対方向になり、これらの応力が緩和される。したがって、センシング部（２０、３０）に応力が印加されることを抑制することができるので、物理量の検出精度を向上させることができる。

また、このような力学量センサでは、センサ基板（１４）と第１回路基板（５０）との間、センサ基板（１４）と積層部材（６０）との間、センサ基板（１４）のうち第１基板（１１）と第２基板（１３）との間の全体の熱膨張係数の差により応力を発生させており、従来の力学量センサと比較して応力を発生させるパラメータが多いため、設計の自由度を向上させることができる。

そして、請求項３に記載の発明のように、センサ基板（１４）を、第１基板（１１）と、第１基板（１１）の一面側に配置された第２基板（１３）と、を有した基板を用いて構成し、第１基板（１１）側に積層部材（６０）を接合すると共に、第２基板（１３）側に第１回路基板（５０）を接合し、第１回路基板（５０）および積層部材（６０）を、センサ基板（１４）全体の熱膨張係数に対して全体の熱膨張係数を共に高くし、第１回路基板（５０）全体の熱膨張係数と第２基板（１３）全体の熱膨張係数との差を、積層部材（６０）全体の熱膨張係数と第１基板（１１）全体の熱膨張係数との差より小さくし、かつ第１基板（１１）全体の熱膨張係数を第２基板（１３）全体の熱膨張係数より低くすることができる。

このような力学量センサでは、センサ基板（１４）は、第１回路基板（５０）と積層部材（６０）との関係では、積層部材（６０）側に反る方向に応力を受ける。これに対し、センサ基板（１４）は、第１基板（１１）と第２基板（１３）との関係では、第１回路基板（５０）側へ反る方向の応力を受ける。すなわち、センサ基板（１４）では、第１回路基板（５０）と積層部材（６０）との関係により受ける応力と、第１基板（１１）と第２基板（１３）との関係により受ける応力とが反対方向になり、これらの応力が緩和される。したがって、センシング部（２０、３０）に応力が印加されることを抑制することができるので、物理量の検出精度を向上させることができる。

さらに、請求項４に記載の発明のように、センサ基板（１４）を、第１基板（１１）と、第１基板（１１）の一面側に配置された第２基板（１３）と、を有した基板を用いて構成し、第１基板（１１）側に積層部材（６０）を接合すると共に、第２基板（１３）側に第１回路基板（５０）を接合し、第１回路基板（５０）および積層部材（６０）を、センサ基板（１４）全体の熱膨張係数に対して全体の熱膨張係数を共に低くし、第１回路基板（５０）全体の熱膨張係数と第２基板（１３）全体の熱膨張係数との差を、積層部材（６０）全体の熱膨張係数と第１基板（１１）全体の熱膨張係数との差より大きくし、かつ第１基板（１１）全体の熱膨張係数が第２基板（１３）全体の熱膨張係数より低くすることができる。

このような力学量センサでは、センサ基板（１４）は、第１回路基板（５０）と積層部材（６０）との関係では、積層部材（６０）側に反る方向に応力を受ける。これに対し、センサ基板（１４）は、第１基板（１１）と第２基板（１３）との関係では、第１回路基板（５０）側へ反る方向の応力を受ける。すなわち、センサ基板（１４）では、第１回路基板（５０）と積層部材（６０）との関係により受ける応力と、第１基板（１１）と第２基板（１３）との関係により受ける応力とが反対方向になり、これらの応力が緩和される。したがって、センシング部（２０、３０）に応力が印加されることを抑制することができるので、物理量の検出精度を向上させることができる。

そして、請求項５に記載の発明のように、センサ基板（１４）を、第１基板（１１）と、第１基板（１１）の一面側に配置された第２基板（１３）と、を有した基板を用いて構成し、第１基板（１１）側に積層部材（６０）を接合すると共に、第２基板（１３）側に第１回路基板（５０）を接合し、第１回路基板（５０）および積層部材（６０）を、センサ基板（１４）全体の熱膨張係数に対して全体の熱膨張係数を共に低くし、第１回路基板（５０）全体の熱膨張係数と第２基板（１３）全体の熱膨張係数との差を、積層部材（６０）全体の熱膨張係数と第１基板（１１）全体の熱膨張係数との差より小さくし、かつ第１基板（１１）全体の熱膨張係数を第２基板（１３）全体の熱膨張係数より高くすることができる。

このような力学量センサでは、センサ基板（１４）は、第１回路基板（５０）と積層部材（６０）との関係では、第１回路基板（５０）側に反る方向に応力を受ける。これに対し、センサ基板（１４）は、第１基板（１１）と第２基板（１３）との関係では、積層部材（６０）側へ反る方向の応力を受ける。すなわち、センサ基板（１４）では、第１回路基板（５０）と積層部材（６０）との関係により受ける応力と、第１基板（１１）と第２基板（１３）との関係により受ける応力とが反対方向になり、これらの応力が緩和される。したがって、センシング部（２０、３０）に応力が印加されることを抑制することができるので、物理量の検出精度を向上させることができる。

また、請求項６に記載の発明のように、第１回路基板（５０）に貫通孔（５３）を形成してこの貫通孔（５３）に貫通電極（５４）を埋め込み、貫通電極（５４）の熱膨張係数を第１回路基板（５０）の熱膨張係数と異ならせることができる。

このような力学量センサでは、第１回路基板（５０）に、第１回路基板（５０）の熱膨張係数と異なる熱膨張係数の貫通電極（５４）を備えることにより、貫通電極（５４）を第１回路基板（５０）全体の熱膨張係数を設定するパラメータとすることができ、設計の自由度を向上させることができる。具体的には、例えば、第１回路基板（５０）より熱膨張係数が高い材質にて貫通電極（５４）を構成した場合には、第１回路基板（５０）が膨張するとき、貫通電極（５４）により第１回路基板（５０）の膨張が促進されるので、第１回路基板（５０）全体の熱膨張係数を高くすることができる。

また、請求項７に記載の発明のように、積層部材（６０）を第２回路基板とし、第１回路基板（５０）にてセンシング部（２０、３０）から出力された電気信号を処理し、第２回路基板にて第１回路基板（５０）にて処理された当該電気信号を外部に出力することができる。

このような力学量センサでは、積層部材（６０）を第２回路基板とし、センシング部（２０、３０）から出力される電気信号を第１回路基板（５０）および第２回路基板にて処理しているため、平面方向の寸法を小さくすることができる。すなわち、従来の力学量センサのように、回路基板を一枚とすると、回路基板に各回路素子を形成するのに必要とされる面積が、センサ基板にセンシング部を形成するのに必要とされる面積より大きくなり、力学量センサの平面方向の寸法が大きくなると共に、実装面積が大きくなるが、このような力学量センサででは平面方向の寸法を小さくすることができる。

また、請求項８に記載の発明のように、第２回路基板に貫通孔（６３）を形成してこの貫通孔（６３）に貫通電極（６４）を埋め込み、貫通電極（６４）の熱膨張係数を第２回路基板の熱膨張係数と異ならせることができる。

このような力学量センサによれば、上記請求項６に記載の発明と同様に、第２回路基板に貫通電極（６４）を備えない場合と比較して、第２回路基板全体の熱膨張係数を決定するパラメータを増やすことができるため、設計の自由度を向上させることができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態における力学量センサの断面構成を示す図である。 図１に示す加速度検出部の平面図である。 力学量センサを実装基板に実装したときの断面構成を示す図である。 力学量センサを実装基板に実装したときの断面構成を示す図である。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は本実施形態における力学量センサの断面構成を示す図であり、この図に基づいて説明する。

図１に示されるように、本実施形態の力学量センサは、センシング部を有する加速度検出部１０と、加速度検出部１０からの電気信号を処理する第１回路基板５０と、第１回路基板５０にて処理された電気信号を外部に出力する第２回路基板６０とを有した構成とされている。なお、本実施形態では、第２回路基板６０が本発明の積層部材に相当している。

まず、本実施形態の加速度検出部１０について説明する。

本実施形態の加速度検出部１０は、シリコンから成る支持基板１１と、支持基板１１の表面に配置された酸化膜から成る埋込絶縁膜１２と、埋込絶縁膜１２を挟んで支持基板１１と反対側に配置されたシリコンから成る半導体層１３と、を有するＳＯＩ基板１４を用いて構成されている。なお、本実施形態では支持基板１１が第１基板に相当し、半導体層１３が第２基板に相当し、ＳＯＩ基板１４がセンサ基板に相当している。また、本実施形態では、支持基板１１全体の熱膨張係数が半導体層１３全体の熱膨張係数より高くされている。具体的には、後述するように、半導体層１３には、溝１５にて分離された可動部２０および固定部３０を有するセンシング部が形成される。すなわち、センシング部の形成場所や溝１５の幅、支持基板１１および半導体層１３の膜厚等を調整する事により、支持基板１１全体の熱膨張係数が半導体層１３全体の熱膨張係数より高くされている。

図２は、本実施形態の加速度検出部１０の平面図である。なお、図１は、図２に示す加速度検出部１０に回路基板５０を接合した際のＡ−Ａ断面図に相当している。図１および図２に示されるように、ＳＯＩ基板１４のうち半導体層１３にはセンシング部が備えられている。

具体的には、図２に示されるように、半導体層１３には、変位可能な可動部２０および固定支持された固定部３０よりなる梁構造体と、当該梁構造体の周囲を取り囲む周辺部４０とが形成され、各部２０〜４０は互いに溝１５により絶縁されていると共に離間されて形成されている。なお、本実施形態では、可動部２０および固定部３０が本発明のセンシング部に相当している。また、埋込絶縁膜１２には、梁構造体に対応する領域が矩形状に除去されて開口部１６が形成されている。

可動部２０は、矩形状の錘部２２の両端を、梁部２３を介してアンカー部２４ａ、２４ｂに一体に連結した構成とされている。これらアンカー部２４ａ、２４ｂは、埋込絶縁膜１２における開口部１６の開口縁部のうち１組の対向辺部に固定されている。これにより、錘部２２及び梁部２３は、開口部１６に臨んだ状態とされている。

また、梁部２３は、平行な２本の梁がその両端で連結された矩形枠状とされており、２本の梁の長手方向と直交する方向に変位するバネ機能を備えている。詳しくは、梁部２３は、図２中の矢印Ｘ方向の成分を含む加速度を受けたときに錘部２２を矢印Ｘ方向へ変位させるとともに、加速度の消失に応じて元の状態に復元させるようになっている。これにより、錘部２２は、加速度の印加に応じて、半導体層１３に平行な面内にて、梁部２３と一体的に上記矢印Ｘ方向へ変位可能となっている。

そして、この変位方向の軸Ｘを中心とした錘部２２の両側面には、それぞれ、櫛歯状の可動電極２１が、変位方向の軸Ｘと直交する方向において、互いに反対方向へ突出するように備えられており、可動電極２１は開口部１６に臨んだ状態とされている。このように、錘部２２に備えられた可動電極２１は、錘部２２および梁部２３とともにＸ方向へ変位可能となっている。

また、固定部３０は、開口部１６の開口縁部における対向辺部のうち、アンカー部２４ａ、２４ｂが支持されていないもう１組の対向辺部に支持されており、錘部２２を挟んで２個設けられている。そして、各固定部３０は、埋込絶縁膜１２における開口部１６の開口縁部に固定されて半導体層１３に支持された配線部３２と、可動電極２１の側面と対向するように配置された複数個の固定電極３１とを有した構成とされている。

本実施形態のセンシング部は、上記のように、可動部２０および固定部３０を有した構成とされており、センシング部では、加速度が印加されると可動電極２１が変位して可動電極２１と固定電極３１との電極間の距離が変化することにより静電容量が変化し、静電容量の変化に基づいた信号が出力される。

また、可動部２０、固定部３０および周辺部４０には、それぞれ後述する貫通電極５４と接触する接触領域２６、３３、４１が備えられている。具体的には、可動部２０には、一方のアンカー部２４ａと連結された状態で可動電極用配線部２５が形成されており、可動電極用配線部２５に接触領域２６が備えられている。また、各固定部３０には、それぞれの配線部３２の所定位置に接触領域３３が備えられている。そして、周辺部４０には所定位置に接触領域４１が備えられている。

可動部２０および固定部３０に備えられた接触領域２６、３３は、後述する貫通電極５４を介して第１回路基板５０とセンシング部とを電気的に接続するものである。そして、周辺部４０に備えられた接触領域４１は、後述する貫通電極５４を介して周辺部４０に電位を印加することにより、例えば、周辺部４０と固定部３０に備えられた配線部３２との間の寄生容量や、周辺部４０と支持基板１１との間の寄生容量を抑制する、または無くすためのものである。

また、本実施形態では、図１に示されるように、ＳＯＩ基板１４のうち半導体層１３に第１回路基板５０が絶縁膜５１を介して接合され、ＳＯＩ基板１４のうち支持基板１１に第２回路基板６０が絶縁膜６１を介して接合されている。そして、これら第１、第２回路基板５０、６０は、ＳＯＩ基板１４全体の熱膨張係数に対して全体の熱膨張係数が共に高くされている。さらに、第１、第２回路基板５０、６０は、第１回路基板５０全体の熱膨張係数と半導体層１３全体の熱膨張係数との差が、第２回路基板６０全体の熱膨張係数と支持基板１１全体の熱膨張係数との差より大きくなるように構成されている。

第１回路基板５０は、センシング部から出力された信号を処理するものであり、例えば、ガラスエポキシ基板を用いて構成されている。この第１回路基板５０はＳＯＩ基板１４の半導体層１３に、例えば、直接接合等にて接合されており、ＳＯＩ基板１４と第１回路基板５０との間には気密が保持された封止空間７０が形成されている。そして、当該封止空間７０にはセンシング部が配置されている。これにより、センシング部に異物が付着することが防止される。すなわち、第１回路基板５０は、センシング部からの電気信号を処理する機能と共に、センシング部を保護するキャップとしての機能も有している。

そして、第１回路基板５０には、ＳＯＩ基板１４と接合される一面と反対側の一面に、回路素子５２、当該回路素子５２と電気的に接続される図示しない配線および表面保護膜等が備えられている。さらに、第１回路基板５０には、ＳＯＩ基板１４に接合される一面から配線に達する複数の貫通孔５３が形成されており、各貫通孔５３には、側壁に図示しない絶縁膜が配置されていると共に、内部にＡｌやＣｕ等で構成される貫通電極５４が埋め込まれている。

そして、これら貫通電極５４それぞれは、一端部が配線を介して回路素子５２と電気的に接続され、他端部が可動部２０、固定部３０および周辺部４０に備えられた各接触領域２６、３３、４１と電気的に接続されている。

また、本実施形態の貫通電極５４は、センシング部と回路素子５２とを電気的に接続する機能の他に、第１回路基板５０全体の熱膨張係数を決定するパラメータとしての機能も有している。具体的には、貫通電極５４として、ガラスエポキシ基板より熱膨張係数の高いＡｌを用いた場合には、例えば、ガラスエポキシ基板が膨張するとき、Ａｌがガラスエポキシ基板の膨張を促進させるため、第１回路基板５０全体の熱膨張係数を高くすることができる。すなわち、第１回路基板５０に貫通電極５４を形成することにより第１回路基板５０全体の熱膨張係数を変更することができるため、貫通電極５４は第１回路基板５０全体の熱膨張係数を決定するパラメータにもなる。さらに詳しくは、貫通電極５４の材質、形状および配置場所等を適宜変更することにより第１回路基板５０全体の熱膨張係数を変更することができる。

また、第１回路基板５０には、可動電極２１が第１回路基板５０に接触することを防止する凹部５５がＳＯＩ基板１４と接合される一面であって、センシング部に対応する領域に形成されている。

第２回路基板６０は、第１回路基板５０にて処理された電気信号を処理した後、外部に処理後の電気信号を出力するものであり、第１回路基板５０と同様に、例えば、ガラスエポキシ基板を用いて構成されている。この第２回路基板６０は接着剤等により支持基板１１と接合されている。

そして、第２回路基板６０には、ＳＯＩ基板１４と接合される一面と反対側の一面に回路素子６２、当該回路素子６２と電気的に接続される図示しない配線および表面保護膜等が備えられている。さらに、第２回路基板６０には、ＳＯＩ基板１４に接合される一面から配線に達する複数の貫通孔６３が形成されており、各貫通孔６３には、側壁に図示しない絶縁膜が配置されていると共に、内部にＡｌやＣｕ等で構成される貫通電極６４が埋め込まれている。そして、これら貫通電極６４それぞれは、一端部が配線を介して回路素子６２と電気的に接続され、他端部が第１回路基板５０に備えられている回路素子５２とボンディングワイヤ７１を介して電気的に接続されている。なお、第２回路基板６０に備えられる貫通電極６４も、第１回路基板５０に備えられる貫通電極５４と同様に、第２回路基板６０全体の熱膨張係数を決定するパラメータとしての機能も有している。

また、上記のように、本実施形態では、ボンディングワイヤ７１を介して第１回路基板５０と第２回路基板６０とが電気的に接続されており、センシング部から出力される電気信号が第１回路基板５０にて処理され、第１回路基板５０にて処理された電気信号が第２回路基板６０にて処理された後、外部に出力される。第１、第２回路基板５０、６０に形成される回路素子５２、６２は、特に限定されるものではいが、本実施形態では、第１回路基板５０には、センシング部から出力された静電容量の変化を電圧信号に変換するＣ／Ｖ変換回路、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路等の回路素子５２が形成されている。そして、第２回路基板６０には、第１回路基板５０から入力された電気信号のうち所定周波数帯域の周波数のみを抽出するフィルタリング回路、デジタル信号に対してオフセット補正や温度補正等を行う補正回路、補正後のデジタル信号を増幅する増幅回路等の回路素子６２が形成されている。

このような力学量センサは、例えば、次のように実装基板に実装される。図３は、力学量センサを実装基板に実装したときの断面構成を示す図である。図３に示されるように、力学量センサは第２回路基板６０がバンプ８０を介して実装基板８１に実装される。

上記力学量センサは、基本的には、従来と同様にして製造され、応力解析等により、上記熱膨張係数の関係となるＳＯＩ基板１４および第１、第２回路基板５０、６０を用意し、第２回路基板６０をＳＯＩ基板１４に接合する工程を追加すればよい。具体的には、第１、第２回路基板５０、６０全体の熱膨張係数は、第１、第２回路基板５０、６０の膜厚や材質、貫通電極５４、６４の材質、形状および配置場所等により決定することができ、支持基板１１や半導体層１３の熱膨張係数も、膜厚やセンシング部を形成する場所等により決定することができる。

そして、本実施形態の力学量センサにおいて、特に好ましくは、ＳＯＩ基板１４のうちセンシング部が備えられる領域にて、熱膨張係数が異なる界面にて発生する応力が相殺されるように、ＳＯＩ基板１４および第１、第２回路基板５０、６０全体の熱膨張係数を決定するのがよい。さらに、好ましくは、力学量センサを実装した際に、第２回路基板６０全体の熱膨張係数と実装基板８１全体の熱膨張係数との差による応力も相殺されるように、ＳＯＩ基板１４および第１、第２回路基板５０、６０全体の熱膨張係数を決定するのがよい。ここで、応力が相殺されるとは、センシング部に応力が印加されても加速度の検出精度に影響がない程度に応力が弱められる（小さくなる）ことも意味している。

以上説明したように、本実施形態の力学量センサは、ＳＯＩ基板１４のうち、半導体層１３に第１回路基板５０が接合され、支持基板１１に第２回路基板６０が接合されている。そして、第１、第２回路基板５０、６０は、ＳＯＩ基板１４全体の熱膨張係数に対して全体の熱膨張係数が共に高くされている。さらに、第１回路基板５０全体の熱膨張係数と半導体層１３全体の熱膨張係数との差が、第２回路基板６０全体の熱膨張係数と支持基板１１全体の熱膨張係数との差より大きくされており、かつ支持基板１１全体の熱膨張係数が半導体層１３全体の熱膨張係数より高くされている。したがって、力学量センサが、例えば、高温環境下で使用される場合、ＳＯＩ基板１４では、熱膨張係数の異なる界面にて発生する応力が緩和されるため、従来の力学量センサより物理量の検出精度を向上させることができる。

具体的には、ＳＯＩ基板１４と第１回路基板５０との間では、ＳＯＩ基板１４に対して第１回路基板５０の熱膨張が大きいため、ＳＯＩ基板１４は第１回路基板５０側へ反る方向に応力を受ける。これに対して、ＳＯＩ基板１４と第２回路基板６０との間では、ＳＯＩ基板１４に対して第２回路基板６０の熱膨張が大きいため、ＳＯＩ基板１４は第２回路基板６０側へ反る方向に応力を受ける。すなわち、ＳＯＩ基板１４では反りの方向が逆方向となり、ＳＯＩ基板１４と第１回路基板５０との間に発生する応力と、ＳＯＩ基板１４と第２回路基板６０との間に発生する応力とが緩和されることになる。

また、本実施形態では、第１回路基板５０全体の熱膨張係数と半導体層１３全体の熱膨張係数との差が、第２回路基板６０全体の熱膨張係数と支持基板１１全体の熱膨張係数との差より大きくされており、ＳＯＩ基板１４が第１回路基板５０側へ反る方向に受ける応力はＳＯＩ基板１４が第２回路基板６０側へ反る方向に受ける応力より大きくなる。すなわち、ＳＯＩ基板１４は、第１回路基板５０と第２回路基板６０との関係では、第１回路基板５０側に反る方向に応力を受けていることになる。

しかしながら、支持基板１１全体の熱膨張係数は半導体層１３全体の熱膨張係数より高くされており、支持基板１１の熱膨張が半導体層１３の熱膨張より大きくなるため、ＳＯＩ基板１４は支持基板１１と半導体層１３との関係では、第２回路基板６０側へ反る方向の応力を受けることになる。

すなわち、ＳＯＩ基板１４は、第１回路基板５０と第２回路基板６０との関係では、第１回路基板５０側に反る方向に応力を受けるが、支持基板１１と半導体層１３との関係では、第２回路基板６０側に反る方向に応力を受けることになる。つまり、ＳＯＩ基板１４では、第１回路基板５０と第２回路基板６０の関係により受ける応力と、支持基板１１と半導体層１３との関係により受ける応力とが反対方向になり、これらの応力が緩和されることになる。

以上より、本実施形態の力学量センサでは、半導体層１３、支持基板１１および第１、第２回路基板５０、６０全体の熱膨張係数が上記関係とされているため、ＳＯＩ基板１４を反らせる応力を緩和することができ、センシング部に応力が印加されることを抑制することができるので物理量の検出精度を向上させることができる。

そして、特に、好ましくは、ＳＯＩ基板１４のうちセンシング部が備えられている領域にて、ＳＯＩ基板１４と第１回路基板５０との間、ＳＯＩ基板１４と第２回路基板６０との間、ＳＯＩ基板１４のうち支持基板１１と半導体層１３との間の全体の熱膨張係数の差により発生する応力が相殺されるように、応力解析等により、支持基板１１、半導体層１３および第１、第２回路基板５０、６０全体の熱膨張係数が上記関係となるように設定するのがよい。このように、センシング部が備えられる領域にて各応力が相殺される力学量センサとすることにより、物理量の検出精度をさらに向上させることができる。

そして、力学量センサを実装した際に、センシング部が備えられる領域にて、第２回路基板６０全体の熱膨張係数と実装基板８１全体の熱膨張係数との差による応力も相殺されるように、支持基板１１、半導体層１３および第１、第２回路基板５０、６０全体の熱膨張係数を設定することにより、物理量の検出精度をさらに向上させることができる。

また、本実施形態の力学量センサでは、ＳＯＩ基板１４を反らせる応力を緩和（相殺）することにより、物理量の検出精度を向上させている。すなわち、従来の力学量センサでは、例えば、ＳＯＩ基板１４と第１回路基板５０との間に発生する応力を緩和させるために高価な低ヤング率の接着剤等をＳＯＩ基板１４と第１回路基板５０との間に配置していたが、本実施形態の力学量センサでは低ヤング率の接着剤等を用いる必要はなく、コストの低減を図ることができる。

さらに、このような力学量センサでは、ＳＯＩ基板１４と第１回路基板５０との間、ＳＯＩ基板１４と第２回路基板６０との間、ＳＯＩ基板１４のうち支持基板１１と半導体層１３との間の全体の熱膨張係数の差により応力を発生させており、従来の力学量センサと比較して応力を発生させるパラメータが多いため、設計の自由度を向上させることができる。具体的には、従来の力学量センサより応力を発生させるパラメータが多いため、ＳＯＩ基板１４のうちセンシング部が備えられる領域にて、熱膨張係数の異なる界面にて発生する応力を緩和（相殺）しやすくなる。

そして、本実施形態では、第１、第２回路基板５０、６０にそれぞれ貫通電極５４、６４を配置することにより、貫通電極５４、６４の材質、形状および配置場所等により、第１、第２回路基板５０、６０全体の熱膨張係数を第１、第２回路基板５０、６０を構成する材質と共に決定することができる。すなわち、第１、第２回路基板５０、６０にそれぞれ貫通電極５４、６４を備えない場合と比較して、第１、第２回路基板５０、６０全体の熱膨張係数を決定するパラメータを増やすことができるため、設計の自由度を向上させることができる。

また、本実施形態では、積層部材を第２回路基板６０とし、センシング部から出力される電気信号を第１回路基板５０および第２回路基板６０にて処理しているため、平面方向の寸法を小さくすることができる。すなわち、従来の力学量センサでは、回路基板が一枚とされているため、回路基板に各回路素子を形成するのに必要とされる面積がセンサ基板にセンシング部を形成するのに必要とされる面積より大きくなり、力学量センサの平面方向の寸法が大きくなると共に、実装面積が大きくなる。これに対し、本実施形態の力学量センサは、第１、第２回路基板５０、６０にそれぞれ回路素子５２、６２を形成することができるため、力学量センサの平面方向の寸法を小さくすることができると共に、実装面積を低減することができる。

（他の実施形態）
上記第１実施形態では、第１、第２回路基板５０、６０は、ＳＯＩ基板１４全体の熱膨張係数に対して全体の熱膨張係数が共に高くされ、第１回路基板５０全体の熱膨張係数と半導体層１３全体の熱膨張係数との差が、第２回路基板６０全体の熱膨張係数と支持基板１１全体の熱膨張係数との差より大きくされており、かつ支持基板１１全体の熱膨張係数が半導体層１３全体の熱膨張係数より高くされている力学量センサの例について説明したが、もちろんこれに限定されるものではなく、ＳＯＩ基板１４および第１、第２回路基板５０、６０全体の熱膨張係数は適宜変更することができる。

例えば、第１回路基板５０全体の熱膨張係数と半導体層１３全体の熱膨張係数との差が、第２回路基板６０全体の熱膨張係数と支持基板１１全体の熱膨張係数との差より小さくされており、かつ支持基板１１全体の熱膨張係数が半導体層１３全体の熱膨張係数より低くされている力学量センサとすることもできる。

このような力学量センサでは、ＳＯＩ基板１４は、第１回路基板５０と第２回路基板６０との関係では、第２回路基板６０側に反る方向に応力を受けることになり、支持基板１１と半導体層１３との関係では、第１回路基板５０側へ反る方向の応力を受けることになる。すなわち、ＳＯＩ基板１４では、第１回路基板５０と第２回路基板６０との関係により受ける応力と、支持基板１１と半導体層１３との関係により受ける応力とが反対方向になるため、これらの応力が緩和されることになる。したがって、センシング部に応力が印加されることを抑制することができ、物理量の検出精度を向上させることができる。

さらに、第１回路基板５０および第２回路基板６０がＳＯＩ基板１４全体の熱膨張係数に対して全体の熱膨張係数が共に低くされており、第１回路基板５０全体の熱膨張係数と半導体層１３全体の熱膨張係数との差が、第２回路基板６０全体の熱膨張係数と支持基板１１全体の熱膨張係数との差より大きく、かつ支持基板１１全体の熱膨張係数が半導体層１３全体の熱膨張係数より低くされている力学量センサとすることもできる。

このような力学量センサでは、第１回路基板５０および第２回路基板６０は、ＳＯＩ基板１４全体の熱膨張係数に対して全体の熱膨張係数が共に低くされているため、ＳＯＩ基板１４は、第１回路基板５０と第２回路基板６０との関係では、第２回路基板６０側に反る方向に応力を受けることになる。これに対し、ＳＯＩ基板１４は、支持基板１１と半導体層１３との関係では、第１回路基板５０側へ反る方向の応力を受けることになる。すなわち、ＳＯＩ基板１４では、第１回路基板５０と第２回路基板６０との関係により受ける応力と、支持基板１１と半導体層１３との関係により受ける応力とが反対方向になるため、これらの応力が緩和されることになる。したがって、センシング部に応力が印加されることを抑制することができ、物理量の検出精度を向上させることができる。

また、第１回路基板５０および第２回路基板６０は、ＳＯＩ基板１４全体の熱膨張係数に対して全体の熱膨張係数が共に低くされており、第１回路基板５０全体の熱膨張係数と半導体層１３全体の熱膨張係数との差が、第２回路基板６０全体の熱膨張係数と支持基板１１全体の熱膨張係数との差より小さく、かつ支持基板１１全体の熱膨張係数が半導体層１３全体の熱膨張係数より高くされている力学量センサとすることもできる。

このような力学量センサでは、第１回路基板５０および第２回路基板６０は、ＳＯＩ基板１４全体の熱膨張係数に対して全体の熱膨張係数が共に低くされているため、ＳＯＩ基板１４は、第１回路基板５０と第２回路基板６０との関係では、第１回路基板５０側に反る方向に応力を受けることになる。これに対し、ＳＯＩ基板１４は、支持基板１１と半導体層１３との関係では、第２回路基板６０側へ反る方向の応力を受けることになる。すなわち、ＳＯＩ基板１４では、第１回路基板５０と第２回路基板６０との関係により受ける応力と、支持基板１１と半導体層１３との関係により受ける応力とが反対方向になるため、これらの応力が緩和されることになる。したがって、センシング部に応力が印加されることを抑制することができ、物理量の検出精度を向上させることができる。

なお、これらの力学量センサにおいても、ＳＯＩ基板１４のうちセンシング部が備えられる領域にて、ＳＯＩ基板１４と第１回路基板５０との間、ＳＯＩ基板１４と第２回路基板６０との間、ＳＯＩ基板１４のうち支持基板１１と半導体層１３との間の全体の熱膨張係数の差により発生する応力が相殺されるように、半導体層１３、支持基板１１および第１、第２回路基板５０、６０全体の熱膨張係数を設定することが好ましい。そして、力学量センサを実装した際に、センシング部が備えられる領域にて、第２回路基板６０全体の熱膨張係数と実装基板８１全体の熱膨張係数との差による応力も相殺されるように、支持基板１１、半導体層１３および第１、第２回路基板５０、６０全体の熱膨張係数を設定することが好ましい。

また、上記第１実施形態では、積層部材が第２回路基板６０である例について説明したが、例えば、ガラス基板等を用いて積層部材を構成することもできる。そして、半導体層を第１基板とし、支持基板を第２基板とすることもできる。さらに、上記第１実施形態では、センサ基板としてＳＯＩ基板１４を用いた例について説明したが、例えば、支持基板１１として、ガラスやアルミナ等の材料を用いることもできる。また、センサ基板として、例えば、Ｓｉ基板を用いることもできる。センサ基板として、Ｓｉ基板を用いた場合には、センシング部が備えられる領域にて応力が相殺されるように、第１、第２回路基板５０、６０全体の熱膨張係数を適宜変更することが好ましい。

さらに、上記第１実施形態では、加速度に応じて電気信号を出力するセンシング部がＳＯＩ基板１４に形成されている例について説明したが、もちろん角速度に応じて電気信号を出力するセンシング部や圧力に応じて電気信号を出力するセンシング部をＳＯＩ基板１４に形成することもできる。

また、上記第１実施形態では、バンプ８０を介して力学量センサを実装基板８１に実装する例について説明したが、もちろんこれに限定されるものではない。図４は、他の実施形態にかかる力学量センサを実装基板８１に実装したときの断面構成を示す図である。図４に示されるように、第２回路基板６０と実装基板８１とを接着剤等により接合し、第２回路基板６０と実装基板８１とをボンディングワイヤ７２により電気的に接続することもできる。この場合は、例えば、第２回路基板６０のうちＳＯＩ基板１４と接合される一面に、回路素子６２を形成することができる。また、積層部材をガラス基板等で構成した場合には、第１回路基板５０を実装基板８１に実装することもできる。

１０ 加速度検出部
１１ 支持基板
１３ 半導体層
１４ ＳＯＩ基板
２０ 可動部
２１ 可動電極
３０ 固定部
３１ 固定電極
５０ 第１回路基板
６０ 第２回路基板
８１ 実装基板

Claims (8)

1. 物理量に応じた電気信号を出力するセンシング部（２０、３０）を備えたセンサ基板（１４）と、
   前記センシング部（２０、３０）から出力された前記電気信号を処理し、前記センサ基板（１４）に積層される第１回路基板（５０）と、を備えた力学量センサであって、
   前記センサ基板（１４）には、前記第１回路基板（５０）が接合される一面と反対側の一面に積層部材（６０）が接合され、
   前記第１回路基板（５０）および前記積層部材（６０）は、前記センサ基板（１４）全体の熱膨張係数に対して全体の熱膨張係数が共に高くされているか、もしくは前記センサ基板（１４）全体の熱膨張係数に対して全体の熱膨張係数が共に低くされていることを特徴とする力学量センサ。
2. 前記センサ基板（１４）は、第１基板（１１）と、前記第１基板（１１）の一面側に配置された第２基板（１３）と、を有した基板を用いて構成されており、前記第１基板（１１）側に前記積層部材（６０）が接合されていると共に、前記第２基板（１３）側に前記第１回路基板（５０）が接合されており、
   前記第１回路基板（５０）および前記積層部材（６０）は、前記センサ基板（１４）全体の熱膨張係数に対して全体の熱膨張係数が共に高くされており、
   前記第１回路基板（５０）全体の熱膨張係数と前記第２基板（１３）全体の熱膨張係数との差が、前記積層部材（６０）全体の熱膨張係数と前記第１基板（１１）全体の熱膨張係数との差より大きく、かつ前記第１基板（１１）全体の熱膨張係数が前記第２基板（１３）全体の熱膨張係数より高くされていることを特徴とする請求項１に記載の力学量センサ。
3. 前記センサ基板（１４）は、第１基板（１１）と、前記第１基板（１１）の一面側に配置された第２基板（１３）と、を有した基板を用いて構成されており、前記第１基板（１１）側に前記積層部材（６０）が接合されていると共に、前記第２基板（１３）側に前記第１回路基板（５０）が接合されており、
   前記第１回路基板（５０）および前記積層部材（６０）は、前記センサ基板（１４）全体の熱膨張係数に対して全体の熱膨張係数が共に高くされており、
   前記第１回路基板（５０）全体の熱膨張係数と前記第２基板（１３）全体の熱膨張係数との差が、前記積層部材（６０）全体の熱膨張係数と前記第１基板（１１）全体の熱膨張係数との差より小さく、かつ前記第１基板（１１）全体の熱膨張係数が前記第２基板（１３）全体の熱膨張係数より低くされていることを特徴とする請求項１に記載の力学量センサ。
4. 前記センサ基板（１４）は、第１基板（１１）と、前記第１基板（１１）の一面側に配置された第２基板（１３）と、を有した基板を用いて構成されており、前記第１基板（１１）側に前記積層部材（６０）が接合されていると共に、前記第２基板（１３）側に前記第１回路基板（５０）が接合されており、
   前記第１回路基板（５０）および前記積層部材（６０）は、前記センサ基板（１４）全体の熱膨張係数に対して全体の熱膨張係数が共に低くされており、
   前記第１回路基板（５０）全体の熱膨張係数と前記第２基板（１３）全体の熱膨張係数との差が、前記積層部材（６０）全体の熱膨張係数と前記第１基板（１１）全体の熱膨張係数との差より大きく、かつ前記第１基板（１１）全体の熱膨張係数が前記第２基板（１３）全体の熱膨張係数より低くされていることを特徴とする請求項１に記載の力学量センサ。
5. 前記センサ基板（１４）は、第１基板（１１）と、前記第１基板（１１）の一面側に配置された第２基板（１３）と、を有した基板を用いて構成されており、前記第１基板（１１）側に前記積層部材（６０）が接合されていると共に、前記第２基板（１３）側に前記第１回路基板（５０）が接合されており、
   前記第１回路基板（５０）および前記積層部材（６０）は、前記センサ基板（１４）全体の熱膨張係数に対して全体の熱膨張係数が共に低くされており、
   前記第１回路基板（５０）全体の熱膨張係数と前記第２基板（１３）全体の熱膨張係数との差が、前記積層部材（６０）全体の熱膨張係数と前記第１基板（１１）全体の熱膨張係数との差より小さく、かつ前記第１基板（１１）全体の熱膨張係数が前記第２基板（１３）全体の熱膨張係数より高くされていることを特徴とする請求項１に記載の力学量センサ。
6. 前記第１回路基板（５０）には貫通孔（５３）が形成され、前記貫通孔（５３）には貫通電極（５４）が埋め込まれており、前記貫通電極（５４）の熱膨張係数が前記第１回路基板（５０）の熱膨張係数と異なっていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか
   １つに記載の力学量センサ。
7. 前記積層部材（６０）は第２回路基板であり、前記第１回路基板（５０）は前記センシング部（２０、３０）から出力された前記電気信号を処理し、前記第２回路基板は前記第１回路基板（５０）にて処理された当該電気信号を外部に出力することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の力学量センサ。
8. 前記第２回路基板には貫通孔（６３）が形成され、前記貫通孔（６３）には貫通電極（６４）が埋め込まれており、前記貫通電極（６４）の熱膨張係数が前記第２回路基板の熱膨張係数と異なっていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の力学量センサ。
   

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