JP2015021922A - 力学量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】圧力センサと加速度センサとが積層されて構成された力学量センサにおいて、構造の複雑化及び圧力検出精度の悪化を改善する。
【解決手段】力学量センサは、圧力センサ４０、加速度センサ５０、及びキャップ部６０によって構成された積層構造３０を備えている。そして、ダイヤフラム４４のうち圧力媒体の圧力を受圧する受圧面４５は、圧力センサ４０で検出された圧力に応じた信号を外部に出力するための第１ボンディングワイヤ３３が接続される信号取り出し面としてのキャップ部６０の他面６２は異なる面に位置している。これにより、キャップ部６０の他面６２が第１ボンディングワイヤ３３を保護するための保護材で被覆されたとしても、受圧面４５が保護材で被覆されず、保護材による圧力検出精度の悪化を改善することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、力学量として圧力及び加速度を検出する力学量センサに関する。

従来より、圧力を検出する圧力センサと振動を検出する振動センサとが一体化された構造が、例えば特許文献１で提案されている。具体的には、ケースの凹部にチップ状の振動センサが固定され、この振動センサの上にチップ状の圧力センサが積層固定されている。さらに、圧力センサのうち振動センサとは反対側の面が受圧面となっており、この面と同一面に信号取り出し用のボンディングワイヤが接合されている。

特開２００７−７１５９６号公報

しかしながら、上記従来の技術では、ボンディングワイヤを外部環境から保護するためにゲル等の保護材で被覆する必要がある。この構成の場合、圧力を検出する圧力センサの受圧面と圧力センサの電気信号を伝達するボンディングワイヤの接合面が同一面になっているので、受圧面が保護材で被覆されてしまう。このように保護材を要する構造となるので、構造全体が複雑化してしまうという問題がある。また、保護材を介して圧力センサに圧力が伝達する構造になるので、圧力センサの検出精度が悪化してしまうという問題がある。

本発明は上記点に鑑み、圧力センサと加速度センサとが積層されて構成された力学量センサにおいて、構造の複雑化及び圧力検出精度の悪化を改善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、板状であって、一部が薄肉化されていると共に圧力媒体の圧力が印加されるダイヤフラム（４４）を有し、ダイヤフラム（４４）の歪みに応じた圧力を検出する圧力センサ（４０）を備えている。

また、圧力センサ（４０）が接合された一面（５１）とこの一面（５１）の反対側の他面（５２）を有する板状であって、一面（５１）と他面（５２）との間を貫通する貫通孔（５３）に櫛歯状の可動電極（５４）と固定電極（５５）とが配置されており、可動電極（５４）に加速度が印加されることで可動電極（５４）と固定電極（５５）との間の静電容量の変化に応じた加速度を検出する加速度センサ（５０）を備えている。

さらに、加速度センサ（５０）の他面（５２）に接合され、圧力センサ（４０）と共に加速度センサ（５０）を挟むことにより圧力センサ（４０）との間に封止空間（７０）を形成するキャップ部（６０）を備えている。

そして、圧力センサ（４０）、加速度センサ（５０）、及びキャップ部（６０）によって構成された積層構造（３０）において、ダイヤフラム（４４）のうち圧力媒体の圧力を受圧する受圧面（４５）は、圧力センサ（４０）で検出された圧力に応じた信号を外部に出力するためのボンディングワイヤ（３３）が接続される信号取り出し面（６２）とは異なる面に位置していることを特徴とする。

これによると、受圧面（４５）と信号取り出し面（６２）とが異なる面にそれぞれ配置されている。すなわち、受圧面（４５）と信号取り出し面（６２）とが分離されている。このため、信号取り出し面（６２）がボンディングワイヤ（３３）を保護するための保護材で被覆されたとしても、受圧面（４５）が保護材で被覆されることはない。したがって、受圧面（４５）は圧力媒体の圧力を直接受圧できるので、保護材による圧力検出精度の悪化を改善することができる。また、受圧面（４５）に保護材が設けられない構造であると共に保護材が不要となるので、力学量センサの構造の複雑化を改善することができる。

なお、この欄及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実施形態に係る力学量センサの断面図である。 本発明の第２実施形態に係る力学量センサの断面図である。 本発明の第３実施形態に係る力学量センサの断面図である。 本発明の第４実施形態に係る力学量センサの断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。本実施形態に係る力学量センサは、ピエゾ式ダイヤフラム型圧力センサデバイスの上部に容量式櫛歯型加速度センサ用デバイスが積層され、さらに加速度センサデバイスの上部にキャップ部が積層された力学量センサある。この力学量センサは、例えば車両の衝突検知用センサとして用いられる。

図１に示されるように、力学量センサは、ケース１０と、基板２０と、積層構造３０と、を備えて構成されている。ケース１０は中空の密閉空間１１を構成するものである。また、ケース１０は外部と密閉空間１１とを繋ぐ導入孔１２を有している。

基板２０は、表面２１及びこの表面２１の反対側の裏面２２を有している。基板２０は、例えば、Ａｕ等の複数のパッド２３や図示しない配線パターンが形成された積層基板である。基板２０としては、セラミック基板が複数積層されたセラミック多層基板やプリント基板等が採用される。なお、基板２０の表面２１には信号変換機能等を有する回路チップ等が実装されていても良い。

さらに、基板２０は、表面２１と裏面２２とを貫通する穴部２４を有している。そして、基板２０は、穴部２４がケース１０の導入孔１２と繋がるように裏面２２がケース１０内に固定されている。

積層構造３０は、力学量として圧力及び加速度を検出するように構成されたセンサデバイスである。具体的に、積層構造３０は、圧力センサ４０、加速度センサ５０、及びキャップ部６０が順に積層されて構成されている。

圧力センサ４０は、圧力媒体の圧力を検出するセンサとして構成されている。圧力センサ４０は一面４１とこの一面４１に反対側の他面４２を有する板状であり、シリコン基板等の半導体基板に形成されている。具体的には、圧力センサ４０は、一面４１側の一部がエッチングされて凹部４３が形成されており、これにより半導体基板の一部が薄肉化されていると共に圧力媒体の圧力が印加されるダイヤフラム４４として構成されている。

ダイヤフラム４４には複数の図示しないゲージ抵抗がホイートストンブリッジ回路を構成するように形成されている。これにより、各ゲージ抵抗が、ピエゾ抵抗効果を利用して、ダイヤフラム４４の歪みに応じた電圧の変化を検出する。したがって、圧力センサ４０は圧力に応じた電圧の変化を圧力信号として出力する。

本実施形態では、圧力センサ４０は凹部４３が基板２０の穴部２４に通じるように接着剤２５を介して基板２０の表面２１に固定されている。これにより、圧力センサ４０の一面４１が圧力媒体の圧力を受圧する側に該当する。すなわち、ダイヤフラム４４のうちの凹部４３の底面が圧力媒体の圧力を受圧する受圧面４５に該当する。ここで、凹部４３が圧力センサ４０の一面４１の一部であると考えると、受圧面４５は凹部４３を構成する面の一部であり、ひいては圧力センサ４０の一面４１の一部であると言える。なお、半導体基板には当該電気信号を処理する図示しない処理回路も形成されている。

加速度センサ５０は、力学量センサに印加された加速度を検出するセンサとして構成されている。加速度センサ５０は一面５１とこの一面５１に反対側の他面５２を有する板状であり、シリコン基板等の半導体基板に形成されている。加速度センサ５０は、一面５１に圧力センサ４０の他面４２が接合されることで圧力センサ４０に一体化されている。

また、加速度センサ５０は、一面５１と他面５２との間を貫通する貫通孔５３を有している。貫通孔５３には、櫛歯状の可動電極５４と固定電極５５とが配置されている。このような構成によると、可動電極５４に加速度が印加されることで可動電極５４と固定電極５５との間の静電容量の変化が変化するので、当該静電容量の変化に応じた加速度が検出されるようになっている。したがって、加速度センサ５０は、当該静電容量の変化に応じた加速度信号を出力する。

キャップ部６０は、加速度センサ５０の他面５２に接合された蓋部品である。キャップ部６０は、一面６１とこの一面６１に反対側の他面６２を有する板状であり、シリコン基板等の半導体基板に形成されている。また、キャップ部６０は、一面６１のうち加速度センサ５０の貫通孔５３に対応する部分が凹んだ溝部６３を有している。

そして、キャップ部６０は、圧力センサ４０と共に加速度センサ５０を挟むことにより圧力センサ４０のダイヤフラム４４との間に封止空間７０を形成する。すなわち、封止空間７０は、キャップ部６０、加速度センサ５０の貫通孔５３、及び圧力センサ４０のダイヤフラム４４によって構成されている。ここで、キャップ部６０には溝部６３が設けられているので、可動電極５４や固定電極５５がキャップ部６０に接触してしまうことはない。

本実施形態では、封止空間７０は、例えば０．１ｋＰａ程度の半真空の状態になっている。「半真空」とは、ほぼ真空の状態である。したがって、圧力センサ４０は、絶対圧を検出すると言える。

なお、本実施形態では、圧力センサ４０が複数形成された半導体ウェハ、加速度センサ５０が複数形成された半導体ウェハ、及びキャップ部６０が複数形成された半導体ウェハが積層及び接合されたものが所定のサイズにダイシングされて形成されている。したがって、図１に示されるように、圧力センサ４０、加速度センサ５０、及びキャップ部６０の幅方向のサイズは全て同じになっている。

上記の構造において、圧力センサ４０及び加速度センサ５０の各信号を取り出すため、積層構造３０は、キャップ部６０及び加速度センサ５０を貫通する第１貫通電極３１と、キャップ部６０を貫通する第２貫通電極３２と、を有している。なお、第１貫通電極３１及び第２貫通電極３２は、半導体基板に形成された貫通孔の壁面に絶縁膜が形成され、この絶縁膜を埋めるように金属部材が形成されることで構成されている。

第１貫通電極３１は、キャップ部６０の他面６２から圧力センサ４０の他面４２に達するように形成されている。これにより、圧力センサ４０の圧力信号がキャップ部６０の他面６２に取り出される。そして、第１貫通電極３１は第１ボンディングワイヤ３３を介して基板２０のパッド２３の一つに電気的に接続されている。

また、積層構造３０において、ダイヤフラム４４のうちの受圧面４５は、圧力センサ４０で検出された圧力に応じた信号を外部に出力するための第１ボンディングワイヤ３３が接続されるキャップ部６０の他面６２とは異なる面に位置している。したがって、キャップ部６０の他面６２が圧力信号の信号取り出し面になっている。

一方、第２貫通電極３２は、キャップ部６０の他面６２から加速度センサ５０の他面５２に達するように形成されている。これにより、加速度センサ５０の加速度信号がキャップ部６０の他面６２に取り出される。そして、第２貫通電極３２は第２ボンディングワイヤ３４を介して基板２０のパッド２３の一つに電気的に接続されている。このように、加速度センサ５０についてもキャップ部６０の他面６２が加速度信号の信号取り出し面になっている。

上記の構成の力学量センサは、車両のドア内やフロントバンパー内に搭載される。そして、車両や歩行者との衝突時の空間変形（圧力変化）を検出する。また空間変形以外に、車両の振動やドア開閉時の衝撃（加速度）も僅かながら検出する。そして、これらの圧力変化及び加速度の変化が衝突判定に用いられる。

以上説明したように、本実施形態では、圧力センサ４０の受圧面４５と圧力信号の信号取り出し面であるキャップ部６０の他面６２とが異なる面にそれぞれ配置されていることが特徴となっている。このように、受圧面４５とキャップ部６０の他面６２（信号取り出し面）とが分離されているので、仮にキャップ部６０の他面６２が各ボンディングワイヤ３３、３４を保護するための保護材で被覆されたとしても、受圧面４５が保護材で被覆されることはない。したがって、受圧面４５には保護材等の部材が配置されないので、受圧面４５は圧力媒体の圧力を直接受圧することができる。このため、受圧面４５に保護材が設けられたことによる圧力検出精度の悪化を改善することができる。

また、本実施形態に係る圧力センサ４０の受圧面４５に保護材が設けられない構造であると共に保護材が不要となる構造となる。したがって、保護材が設けられたことによる力学量センサの構造の複雑化を改善することができる。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、キャップ部６０の他面６２が特許請求の範囲の「信号取り出し面」に対応する。また、第１ボンディングワイヤ３３が特許請求の範囲の「ボンディングワイヤ」に対応する。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、ダイヤフラム４４の平面サイズと加速度センサ５０の貫通孔５３の平面サイズとの関係を規定している。

具体的には、図２に示されるように、加速度センサ５０の一面５１に垂直な方向を見たとき、ダイヤフラム４４の外縁部４６は、貫通孔５３の壁面５６よりも外側に位置している。また、ダイヤフラム４４の外縁部４６は、加速度センサ５０の一面５１に接合されている。以上の構造により、ダイヤフラム４４のうち圧力媒体を受けて歪む面積が加速度センサ５０の貫通孔５３の面積と同じになるので、ダイヤフラム４４の中心と外側との歪みの差が大きくなるようにすることができる。

（第３実施形態）
本実施形態では、第１、第２実施形態と異なる部分について説明する。図３に示されるように、本実施形態では、加速度センサ５０の一面５１はキャップ部６０の一面６１よりも大きいサイズになっている。このため、加速度センサ５０の一面５１のうちの外縁部分はキャップ部６０から露出している。

また、圧力センサ４０の一面４１は、加速度センサ５０の一面５１よりも大きいサイズになっている。このため、圧力センサ４０の一面４１のうちの外縁部分は加速度センサ５０から露出している。

このような構造によると、圧力センサ４０の一面４１に設けられた図示しないパッドに対して第１ボンディングワイヤ３３を接続することができる。同様に、加速度センサ５０の一面５１に設けられた図示しないパッドに対して第２ボンディングワイヤ３４を接続することができる。したがって、第１貫通電極３１及び第２貫通電極３２が不要となる。

本実施形態に係る構造の場合、圧力信号の信号取り出し面は、圧力センサ４０のうちの他面４２となる。圧力センサ４０の他面４２はダイヤフラム４４の一部を構成しているものの、圧力媒体に直接接触する面ではない。したがって、ダイヤフラム４４の受圧面４５と信号取り出し面である他面４２とが異なる面に位置していると言える。

以上のように、積層構造３０において、圧力センサ４０、加速度センサ５０、及びキャップ部６０の平面サイズがそれぞれ異なっていても良い。

（第４実施形態）
本実施形態では、第１〜第３実施形態と異なる部分について説明する。図４に示されるように、圧力センサ４０は、他面４２の一部が一面４１側に凹んだ凹部４３を有している。これにより、圧力センサ４０の一面４１の一部が受圧面４５に該当する。

このような構造においても、圧力センサ４０の圧力信号の信号取り出し面はキャップ部６０の他面６２となる。したがって、圧力センサ４０の受圧面４５と圧力信号の信号取り出し面であるキャップ部６０の他面６２とが異なる面にそれぞれ分離されているので、受圧面４５が保護材で被覆されることはない。

（第５実施形態）
本実施形態では、第１〜第４実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、封止空間７０は窒素で満たされている。これにより、封止空間７０が単一分子である窒素で充満されるので、加速度センサ５０及び圧力センサ４０がそれぞれ機能を発揮できる構造とすることができる。

すなわち、封止空間７０が真空で満たされると圧力センサ４０の検出精度は向上するが、加速度センサ５０の検出に影響を及ぼす。しかし、封止空間７０が単一分子である窒素で充満されるので、加速度センサ５０及び圧力センサ４０の両方がそれぞれ機能を発揮できる構造とすることができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された力学量センサの構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、基板２０は必須の構成ではなく、基板２０を介さずに圧力媒体がダイヤフラム４４の受圧面４５に導入される構成でも良い。

上記各実施形態に係る構造を適宜組み合わせることもできる。例えば、第２実施形態で示された広いダイヤフラム４４の構造を第３実施形態で示された構造に適用しても良い。また、第３実施形態で示されたサイズの異なるセンサ構造を、第４実施形態の構造に適用しても良い。さらに、第１〜第４実施形態で示された封止空間７０を窒素で満たしても良い。

また、力学量センサの用途としては、車両の衝突判定以外に用いられても構わない。また、衝突判定では、圧力検出がメインであり、加速度の検出は圧力変化の補助的なパラメータとして用いられていた。しかしながら、加速度の検出がメインとされ、圧力変化が補助的なパラメータとして用いられても良い。

３０ 積層構造
３３ 第１ボンディングワイヤ（ボンディングワイヤ）
４０ 圧力センサ
４４ ダイヤフラム
４５ 受圧面
５０ 加速度センサ
５３ 貫通孔
５４ 可動電極
５５ 固定電極
６０ キャップ部
６２ キャップ部の他面（信号取り出し面）
７０ 封止空間

Claims (3)

1. 板状であって、一部が薄肉化されていると共に圧力媒体の圧力が印加されるダイヤフラム（４４）を有し、前記ダイヤフラム（４４）の歪みに応じた圧力を検出する圧力センサ（４０）と、
   前記圧力センサ（４０）が接合された一面（５１）とこの一面（５１）の反対側の他面（５２）を有する板状であって、前記一面（５１）と前記他面（５２）との間を貫通する貫通孔（５３）に櫛歯状の可動電極（５４）と固定電極（５５）とが配置されており、前記可動電極（５４）に加速度が印加されることで前記可動電極（５４）と前記固定電極（５５）との間の静電容量の変化に応じた加速度を検出する加速度センサ（５０）と、
   前記加速度センサ（５０）の他面（５２）に接合され、前記圧力センサ（４０）と共に前記加速度センサ（５０）を挟むことにより前記圧力センサ（４０）との間に封止空間（７０）を形成するキャップ部（６０）と、
   を備え、
   前記圧力センサ（４０）、前記加速度センサ（５０）、及び前記キャップ部（６０）によって構成された積層構造（３０）において、前記ダイヤフラム（４４）のうち前記圧力媒体の圧力を受圧する受圧面（４５）は、前記圧力センサ（４０）で検出された圧力に応じた信号を外部に出力するためのボンディングワイヤ（３３）が接続される信号取り出し面（６２）とは異なる面に位置していることを特徴とする力学量センサ。
2. 前記加速度センサ（５０）の一面（５１）に垂直な方向を見たとき、前記ダイヤフラム（４４）の外縁部（４６）は、前記貫通孔（５３）の壁面（５６）よりも外側に位置し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. 前記封止空間（７０）は、前記キャップ部（６０）、前記加速度センサ（５０）の貫通孔（５３）、及び前記圧力センサ（４０）のダイヤフラム（４４）によって構成されていると共に、窒素で満たされていることを特徴とする請求項１または２に記載の力学量センサ。

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