JP2016070670A - Sensor device - Google Patents

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徳一 山地
Tokuichi Yamaji
徳一 山地
旗手　淳雄
Atsuo Kishu
淳雄 旗手
裕子 横田
Hiroko Yokota
裕子 横田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sensor device capable of maintaining high accuracy.SOLUTION: A sensor device 1 includes an opening 11, a package 10 containing a storage space 12, an intermediate substrate 50 on the bottom of the storage space 12, and a sensor element 20 on the intermediate substrate 50. The intermediate substrate 50 is provided so that its outer periphery of the lower surface is on the bottom of the storage space 12 via a plurality of bumps 52, the bumps 52 includes a first bump 52a and a second bump 52b, the first bump 52a bonds the bottom of the storage space 12 and the intermediate substrate 50 to each other to fix them, and the second bump 52b is in contact with one of the bottom of the storage space 12 and the intermediate substrate 50 in a separable manner.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、圧力や加速度、角速度等の応力を検出するセンサ装置に関する。   The present invention relates to a sensor device that detects stress such as pressure, acceleration, and angular velocity.

従来、圧力や加速度等の応力を検出するセンサ装置が知られている。特許文献１には、半導体基板にピエゾ抵抗素子を形成してなる加速度センサが記載されている。   Conventionally, sensor devices that detect stresses such as pressure and acceleration are known. Patent Document 1 describes an acceleration sensor formed by forming a piezoresistive element on a semiconductor substrate.

このようなセンサ装置は、通常、センサ本体がパッケージに収容され、このセンサ本体がパッケージに接着固定されて利用される。   Such a sensor device is normally used in such a manner that a sensor main body is accommodated in a package and the sensor main body is bonded and fixed to the package.

特開平３−２５３５号公報Japanese Patent Laid-Open No. 3-2535

しかしながら、センサ本体を構成する材質とパッケージを構成する材質とは異なっているため、温度変化等によってこれらの部材間に熱膨張差に起因する応力が生じやすくなる。そのため、センサ本体に歪みが生じ、センサの精度が低下しやすくなるという場合があった。   However, since the material constituting the sensor main body and the material constituting the package are different, stress due to a difference in thermal expansion is likely to occur between these members due to temperature change or the like. For this reason, the sensor main body is distorted, and the accuracy of the sensor tends to decrease.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高い精度を維持することが可能なセンサ装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a sensor device capable of maintaining high accuracy.

本発明の一態様に係るセンサ装置は、開口部を有し、内部に収容空間を備えるパッケージと、前記収容空間の底面上に載置された中間基板と、該中間基板上に載置されたセンサ素子とを備え、前記中間基板はその下面の外周部が複数のバンプを介して前記底面に載置されており、前記複数のバンプは第１バンプと第２バンプとを有し、前記第１バンプは前記底面と前記中間基板とを接着固定しており、前記第２バンプは前記底面あるいは前記中間基板と分離可能な状態で接触している。   A sensor device according to an aspect of the present invention includes a package having an opening and including an accommodation space therein, an intermediate substrate placed on the bottom surface of the accommodation space, and placed on the intermediate substrate A sensor element; and an outer peripheral portion of a lower surface of the intermediate substrate is placed on the bottom surface via a plurality of bumps, the plurality of bumps including a first bump and a second bump, One bump adheres and fixes the bottom surface and the intermediate substrate, and the second bump contacts the bottom surface or the intermediate substrate in a separable state.

本発明によれば、高い精度を維持することが可能なセンサ装置となる。   According to the present invention, a sensor device capable of maintaining high accuracy is obtained.

本発明のセンサ装置の実施形態の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of embodiment of the sensor apparatus of this invention. 中間基板の下面図である。It is a bottom view of an intermediate substrate. センサ素子の下面図である。It is a bottom view of a sensor element. （ａ）はセンサ素子の上面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＩ−Ｉ線での断面図である。(A) is a top view of a sensor element, (b) is sectional drawing in the II line in (a).

以下、本発明のセンサ装置の実施形態の例について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の例は本発明の実施形態の一例を例示するものであって、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。   Hereinafter, an example of an embodiment of a sensor device of the present invention will be described with reference to the drawings. The following examples illustrate examples of embodiments of the present invention, and the present invention is not limited to these embodiments.

図１に示すセンサ装置１は、パッケージ１０と中間基板５０とセンサ素子２０とを備える。パッケージ１０は、内部にセンサ素子２０を保持する強度と、センサ素子２０を外部環境から保護する耐食性・気密性を有するものであれば特に限定はされない。例えば、積層セラミックを用いたセラミックパッケージや有機樹脂材料を用いたパッケージとすればよい。この例では、セラミックパッケージを用いる。   A sensor device 1 shown in FIG. 1 includes a package 10, an intermediate substrate 50, and a sensor element 20. The package 10 is not particularly limited as long as it has strength to hold the sensor element 20 inside and has corrosion resistance and airtightness to protect the sensor element 20 from the external environment. For example, a ceramic package using a multilayer ceramic or a package using an organic resin material may be used. In this example, a ceramic package is used.

パッケージ１０は、開口部１１を有し、内部に収容空間１２を有する。この例では、基板部１３１の上面に外周を合わせるように枠体部１３２が形成されてなる。このような構成により、中央に基板部１３１を底面とする凹部を有するものとなる。この凹部で収容空間１２の外郭が形成される。枠体部１３２は基板部１３１側から順に第１幅広部１３２ａと第１幅広部１３２ａよりも幅の狭い第２幅広部１３２ｂとを有する。   The package 10 has an opening 11 and an accommodation space 12 inside. In this example, a frame part 132 is formed so as to match the outer periphery with the upper surface of the substrate part 131. With such a configuration, a concave portion having the substrate portion 131 as a bottom surface is provided at the center. The outline of the accommodation space 12 is formed by this recess. The frame body part 132 has a first wide part 132a and a second wide part 132b that is narrower than the first wide part 132a in this order from the substrate part 131 side.

第１幅広部１３２ａの上面のうち、第２幅広部１３２ｂから露出する領域には電極パッドが多数設けられており、後述するセンサ素子２０と電気的に接続される。そして、この電極パッドは、第１幅広部１３２ａの上面と第２幅広部１３２ｂの下面との間に延び、枠体部１３２の外周壁面から基板部１３１の下面まで連続した導電層に接続される。このような導電層および電極パッドにより、センサ素子２０とパッケージ１０の外側に位置する外部電源とを電気的に接続することができる。このように、パッケージ１０は、センサ素子２０と、外部電源や外部回路とを電気的に接続する機能を有する。   In the upper surface of the first wide portion 132a, a large number of electrode pads are provided in a region exposed from the second wide portion 132b and are electrically connected to the sensor element 20 described later. The electrode pad extends between the upper surface of the first wide portion 132a and the lower surface of the second wide portion 132b, and is connected to a conductive layer continuous from the outer peripheral wall surface of the frame body portion 132 to the lower surface of the substrate portion 131. . With such a conductive layer and electrode pad, the sensor element 20 and an external power supply located outside the package 10 can be electrically connected. As described above, the package 10 has a function of electrically connecting the sensor element 20 to the external power source and the external circuit.

このようなパッケージ１０の収容空間１２にセンサ素子２０および中間基板５０が収容されている。センサ素子２０は、詳細な構成は後述するが、枠部２１と、枠部２１の内側に配置された錘部２２と、一方端が枠部２１に他方端が錘部２２にそれぞれ接続された可撓性を有する梁部２３と、梁部２３に配置された検出部２４とを含む。検出部２４は、梁部２３の変形に応じた信号を検出する。このようなセンサ素子２０に加速度や角速度等に起因する力が加わると、錘部２２が変位し、これに伴い、両端が枠部２１と錘部２２に固定された梁部２３が変形し、この変形に応じた信号を検出部２４で検出することで、センサとして機能する。   The sensor element 20 and the intermediate substrate 50 are accommodated in the accommodation space 12 of such a package 10. Although the sensor element 20 will be described in detail later, the frame portion 21, the weight portion 22 disposed inside the frame portion 21, one end connected to the frame portion 21, and the other end to the weight portion 22, respectively. The beam part 23 which has flexibility, and the detection part 24 arrange | positioned at the beam part 23 are included. The detection unit 24 detects a signal corresponding to the deformation of the beam unit 23. When a force due to acceleration, angular velocity or the like is applied to such a sensor element 20, the weight part 22 is displaced, and accordingly, the frame part 21 and the beam part 23 fixed to the weight part 22 are deformed, The detector 24 functions as a sensor by detecting a signal corresponding to the deformation.

センサ素子２０の枠部２１の上面には、検出部２４からの信号を外部に取り出すための電極パッド２６が形成されている。そして、この電極パッド２６は、パッケージ１０の第１幅広部１３２ａの上面のうち、第２幅広部１３２ｂから露出する領域に形成された電極パッドと電気的に接続されている。互いの電極パッドを電気的に接続するためには、例えばボンディングワイヤを用いればよい。   On the upper surface of the frame portion 21 of the sensor element 20, an electrode pad 26 for taking out a signal from the detection unit 24 to the outside is formed. The electrode pad 26 is electrically connected to an electrode pad formed in a region exposed from the second wide portion 132 b on the upper surface of the first wide portion 132 a of the package 10. In order to electrically connect the electrode pads to each other, for example, a bonding wire may be used.

センサ素子２０は、図１および図３に示すように、その枠部２１の下面が接合樹脂あるいは半田等の接合材２５によって中間基板５０の上面に固定されている。一方、中間基板５０は、図１および図２に示すように、その下面の外周部が複数のバンプ５２を介してパッケージ１０の収容空間１２の底面に載置されている。これら複数のバンプ５２は、第１バンプ５２ａと第２バンプ５２ｂとを有している。そして、第１バンプ５２ａは、収容空間１２の底面と中間基板５０とを接着材５３によって接着固定している。また、第２バンプ５２ｂは、収容空間１２の底面あるいは中間基板５０と分離可能な状態で接触している。つまり、第２バンプ５２ｂは収容空間１２の底面に接着固定されている場合は、第２バンプ５２ｂと中間基板５０とは接着固定されずに接触しているだけである。そのため、中間基板５０を収容空間１２の底面から引き離すような外力を加えた場合に第２バンプ５２ｂと中間基板５０とは容易に分離される状態である。あるいは、第２バンプ５２ｂが中間基板５０下面に接着固定されている場合は、第２バンプ５２ｂとパッケージ１０の収容空間１２の底面とは接着固定されずに接触しているだけである。そのため、中間基板５０を収容空間１２の底面から引き離すような外力を加えた場合に第２バンプ５２ｂと収容空間１２の底面とは容易に分離される状態である。   As shown in FIGS. 1 and 3, the lower surface of the frame portion 21 of the sensor element 20 is fixed to the upper surface of the intermediate substrate 50 by a bonding material 25 such as bonding resin or solder. On the other hand, as shown in FIGS. 1 and 2, the outer peripheral portion of the lower surface of the intermediate substrate 50 is placed on the bottom surface of the housing space 12 of the package 10 via a plurality of bumps 52. The plurality of bumps 52 include a first bump 52a and a second bump 52b. The first bump 52 a is bonded and fixed to the bottom surface of the accommodation space 12 and the intermediate substrate 50 with an adhesive 53. The second bumps 52b are in contact with the bottom surface of the accommodation space 12 or the intermediate substrate 50 in a separable state. That is, when the second bump 52b is bonded and fixed to the bottom surface of the housing space 12, the second bump 52b and the intermediate substrate 50 are in contact with each other without being bonded and fixed. Therefore, the second bump 52b and the intermediate substrate 50 are easily separated when an external force is applied to pull the intermediate substrate 50 away from the bottom surface of the accommodation space 12. Alternatively, when the second bump 52b is bonded and fixed to the lower surface of the intermediate substrate 50, the second bump 52b and the bottom surface of the housing space 12 of the package 10 are in contact with each other without being bonded and fixed. Therefore, when an external force that separates the intermediate substrate 50 from the bottom surface of the accommodation space 12 is applied, the second bump 52b and the bottom surface of the accommodation space 12 are easily separated.

このような構成によって、センサ装置１に温度変化が生じた場合でも、センサ素子２０に歪みが生じるのを有効に低減でき、センサの精度を高く維持することが可能となる。つまり、センサ素子２０が中間基板５０に接着固定されていることによって、センサ素子２０が中間基板５０によって補強され、センサ素子２０に歪みが生じるのを有効に低減できる。さらに、中間基板５０は、一部がパッケージ１０に接着固定され、一部が分離可能な状態となっていることによって、応力が生じたとしてもこの分離可能な部位によって応力を緩和することが可能となる。その結果、センサ素子２０に対する補強と応力緩和とを良好に行なうことができ、センサの精度を高く維持できる。   With such a configuration, even when a temperature change occurs in the sensor device 1, it is possible to effectively reduce the occurrence of distortion in the sensor element 20, and it is possible to maintain high accuracy of the sensor. That is, since the sensor element 20 is bonded and fixed to the intermediate substrate 50, the sensor element 20 is reinforced by the intermediate substrate 50, and distortion of the sensor element 20 can be effectively reduced. Further, the intermediate substrate 50 is partly bonded and fixed to the package 10 and partly separable, so that even if stress occurs, the separable part can relieve the stress. It becomes. As a result, it is possible to satisfactorily reinforce and relieve stress on the sensor element 20 and maintain high accuracy of the sensor.

中間基板５０およびセンサ素子２０の応力を有効に緩和するという観点からは、第１バンプ５２aは中間基板５０の一方端よりに存在し、第２バンプ５２ｂは中間基板５０の一
方端とは反対側の端部よりに存在していてもよい。より中間基板５０を動きやすくして応力をより有効に緩和するという観点からは、中間基板５０の平面形状が矩形状の場合に、第１バンプ５２ａは中間基板５０の１辺に沿って設けても良い。 From the viewpoint of effectively relieving the stress of the intermediate substrate 50 and the sensor element 20, the first bump 52 a exists from one end of the intermediate substrate 50, and the second bump 52 b is opposite to the one end of the intermediate substrate 50. It may exist from the edge part of. From the viewpoint of more effectively mitigating the stress by making the intermediate substrate 50 easier to move, the first bump 52a is provided along one side of the intermediate substrate 50 when the planar shape of the intermediate substrate 50 is rectangular. Also good.

中間基板５０を主として構成する材料の線膨張係数は、パッケージ１０の収容空間２０の底面を構成する部位（基板部１３１）の線膨張係数よりも小さく、センサ素子２０を主として構成する材料の線膨張係数と同じか、あるいはセンサ素子２０を主として構成する材料の線膨張係数よりも大きい材料が用いられ得る。このような中間基板５０の材料としては半導体基板やセラミック基板等が用いられる。   The linear expansion coefficient of the material mainly constituting the intermediate substrate 50 is smaller than the linear expansion coefficient of the portion (substrate part 131) constituting the bottom surface of the accommodation space 20 of the package 10 and the linear expansion coefficient of the material mainly constituting the sensor element 20. A material having the same coefficient as or larger than the linear expansion coefficient of the material mainly constituting the sensor element 20 can be used. As a material of such an intermediate substrate 50, a semiconductor substrate, a ceramic substrate, or the like is used.

センサ素子２０は主として半導体材料から成る場合、中間基板５０は主としてセンサ素子２０と同じ半導体材料から成るものであってもよい。その場合、同じ材料のセンサ素子２０と中間基板５０とで互いに接合材２５によってしっかり固定することで、センサ素子２０の歪みをより低減することができ、センサの精度をより高めることができる。   When the sensor element 20 is mainly made of a semiconductor material, the intermediate substrate 50 may be made mainly of the same semiconductor material as that of the sensor element 20. In that case, the sensor element 20 and the intermediate substrate 50 of the same material are firmly fixed to each other by the bonding material 25, whereby the distortion of the sensor element 20 can be further reduced and the accuracy of the sensor can be further increased.

中間基板５０は、センサ素子２０の制御を行なう電気回路が形成されていてもよい。つまり中間基板５０はＩＣであってもよい。この場合、センサ素子２０と制御回路とを小さい面積で構成でき、センサ装置１を小型化することができる。   The intermediate substrate 50 may be formed with an electric circuit that controls the sensor element 20. That is, the intermediate substrate 50 may be an IC. In this case, the sensor element 20 and the control circuit can be configured with a small area, and the sensor device 1 can be downsized.

バンプ５２は、中間基板５０をパッケージ１０の収容空間１２の底面上に隙間をあけて載置するためのものである。中間基板５０がパッケージ１０と隙間をあけて設けられることによって、中間基板５０およびセンサ素子２０にパッケージ１０から応力が加わるのを有効に低減できる。バンプ５２の材料は特に限定されず、金属や無機材料、有機材料が用いられる。   The bumps 52 are for placing the intermediate substrate 50 on the bottom surface of the accommodation space 12 of the package 10 with a gap. By providing the intermediate substrate 50 with a gap from the package 10, it is possible to effectively reduce stress applied from the package 10 to the intermediate substrate 50 and the sensor element 20. The material of the bump 52 is not particularly limited, and a metal, an inorganic material, or an organic material is used.

中間基板５０とパッケージ１０とを第１バンプ５２ａを介して接着固定するための接着剤５３としては、特に限定されず、有機接着剤や半田等が用いられ得る。第２バンプ５２ｂにおいて中間基板５０がある程度動くことによって応力を緩和させる際、第１バンプ５２ａを介した中間基板５０とパッケージ１０との接続を良好に維持するという観点からは、図１および図２に示すように、接着剤５３は第１バンプ５２ａの側面を取り囲むように配置されていてもよい。なお、接着剤５３を用いず、接合材として機能する第１バンプ５２ａで直接中間基板５０中間基板５０とパッケージ１０とを接着固定してもよい。   The adhesive 53 for bonding and fixing the intermediate substrate 50 and the package 10 via the first bumps 52a is not particularly limited, and an organic adhesive, solder, or the like can be used. From the viewpoint of maintaining good connection between the intermediate substrate 50 and the package 10 via the first bump 52a when stress is relieved by moving the intermediate substrate 50 to some extent in the second bump 52b, FIG. 1 and FIG. As shown, the adhesive 53 may be disposed so as to surround the side surface of the first bump 52a. Instead of using the adhesive 53, the intermediate substrate 50 and the package 10 may be directly bonded and fixed by the first bump 52a functioning as a bonding material.

特に、中間基板５０と接続しているセンサ素子２０の第１バンプ５２ａ近傍部に応力が集中するのを低減するという観点からは、第１バンプ５２ａとセンサ素子２０とは接着することなく接触した状態となっており、図１および図２に示すように、第１バンプ５２ａを取り囲むように配置された接着剤５３がセンサ素子２０と接着されていてもよい。このような構成によって、接着剤５３とセンサ素子２０との接着部が環状となるため、応力が
一カ所に集中せずに良好に分散され、センサ素子２０のセンサの精度の低下をより低減できる。 In particular, from the viewpoint of reducing stress concentration in the vicinity of the first bump 52a of the sensor element 20 connected to the intermediate substrate 50, the first bump 52a and the sensor element 20 are in contact with each other without being bonded. In this state, as shown in FIGS. 1 and 2, the adhesive 53 arranged so as to surround the first bump 52 a may be bonded to the sensor element 20. With such a configuration, since the bonding portion between the adhesive 53 and the sensor element 20 becomes an annular shape, the stress is well dispersed without being concentrated in one place, and the deterioration of the sensor accuracy of the sensor element 20 can be further reduced. .

このようなセンサ素子２０および中間基板５０が収容された収容空間１２は、必要に応じて蓋部３０が設けられる。センサ素子２０が加速度センサや角速度センサ等のように気密封止が望ましいものである場合、蓋部３０によって収容空間１２が気密封止されてもよい。また、センサ素子２０が圧力センサ等のように外気の圧力を取り入れる必要がある場合、外気を取り入れるための穴が設けられた蓋部３０が設けられたり、あるいは、蓋部３０が隙間をあけた状態で部分的にパッケージ１０に接合されてもよい。また、蓋部３０が設けられない場合もあり得る。   The accommodation space 12 in which the sensor element 20 and the intermediate substrate 50 are accommodated is provided with a lid 30 as necessary. When the sensor element 20 is desired to be hermetically sealed such as an acceleration sensor or an angular velocity sensor, the housing space 12 may be hermetically sealed by the lid 30. Further, when the sensor element 20 needs to take in the pressure of the outside air like a pressure sensor or the like, the lid portion 30 provided with a hole for taking in the outside air is provided, or the lid portion 30 has a gap. It may be partially joined to the package 10 in a state. Moreover, the cover part 30 may not be provided.

蓋部３０は、特に材料は限定されない。この例では、蓋部３０として、Ｓｉウエハを用い、収容空間１２を気密封止する例を示す。蓋部３０は開口部１１を塞ぐように配置され、蓋部３０とパッケージ１０とを接着材や半田等の封止部材４０で接合することにより、収容空間１２を封止することができる。また、収容空間１２の雰囲気は不活性ガス、大気、乾燥空気等用いることができる。収容空間１２の雰囲気の圧力は、大気圧と同程度としてもよいし、真空、減圧状態としてもよいし、加圧状態としてもよい。   The material of the lid part 30 is not particularly limited. In this example, an Si wafer is used as the lid 30 and the accommodation space 12 is hermetically sealed. The lid portion 30 is disposed so as to close the opening portion 11, and the accommodation space 12 can be sealed by joining the lid portion 30 and the package 10 with a sealing member 40 such as an adhesive or solder. The atmosphere of the accommodation space 12 can be an inert gas, air, dry air, or the like. The pressure of the atmosphere in the storage space 12 may be approximately the same as the atmospheric pressure, may be a vacuum, a reduced pressure state, or a pressurized state.

次に、センサ素子２０について詳述する。図４（ａ）は、本発明の一実施形態に係るセンサ装置１に用いられたセンサ素子２０の平面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＩ−Ｉ線における断面図である。センサ素子２０は、枠部２１と、枠部２１の内側に位置する錘部２２と、枠部２１と錘部２２とを接続する梁部２３と、加速度を検出する検出部２４とを有する。検出部２４は、加速度を検出する抵抗素子Ｒａを含む。以下、各部位について詳述する。   Next, the sensor element 20 will be described in detail. Fig.4 (a) is a top view of the sensor element 20 used for the sensor apparatus 1 which concerns on one Embodiment of this invention, FIG.4 (b) is the cross section in the II line | wire of Fig.4 (a). FIG. The sensor element 20 includes a frame portion 21, a weight portion 22 located inside the frame portion 21, a beam portion 23 that connects the frame portion 21 and the weight portion 22, and a detection portion 24 that detects acceleration. The detection unit 24 includes a resistance element Ra that detects acceleration. Hereinafter, each part will be described in detail.

錘部２２は、梁部２３により枠部２１に対して変位可能に保持されている。その重量が大きい程センシング感度を高めることができるので、梁部２３に比べ厚み方向に延在することで体積を大きくしている。   The weight portion 22 is held by the beam portion 23 so as to be displaceable with respect to the frame portion 21. Since the sensing sensitivity can be increased as the weight increases, the volume is increased by extending in the thickness direction as compared with the beam portion 23.

センサ素子２０に加速度が加わると、加速度に応じた力が錘部２２に作用し、錘部２２が動くことで梁部２３が撓むようになっている。そして、梁部２３の撓み量に応じた電気信号を検出部２４を構成する抵抗素子Ｒａにより検出し、不図示の電気配線によりその電気信号を取出し演算することにより加速度を検出することができる。   When acceleration is applied to the sensor element 20, a force corresponding to the acceleration acts on the weight portion 22, and the weight portion 22 moves, so that the beam portion 23 is bent. Then, an acceleration signal can be detected by detecting an electrical signal corresponding to the amount of deflection of the beam portion 23 by the resistance element Ra constituting the detection unit 24, and taking out and calculating the electrical signal by an electrical wiring (not shown).

錘部２２は、梁部２３に接続される平面形状および梁部２３と厚み方向に離れて平面における平面形状とが略正方形をなし、互いの中心が重なるように配置されている。なお、図４（ａ）において、下方に位置する部分の平面形状を破線で示している。錘部２２のうち梁部２３に接続される部分の大きさは、略正方形の一辺の長さが例えば０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍに設定される。錘部２２のうち梁部２３と厚み方向に間隔をあけて配置される部分の大きさは、略正方形の一辺の長さが例えば０．２ｍｍ〜０．６５ｍｍに設定される。また、錘部２２の厚みは、例えば０．１ｍｍ〜０．６２５ｍｍに設定される。   The weight portion 22 is arranged such that the planar shape connected to the beam portion 23 and the planar shape in the plane away from the beam portion 23 in the thickness direction form a substantially square shape, and the centers thereof overlap each other. In addition, in Fig.4 (a), the planar shape of the part located below is shown with the broken line. As for the size of the portion of the weight portion 22 connected to the beam portion 23, the length of one side of the substantially square is set to 0.05 mm to 0.5 mm, for example. The size of the portion of the weight portion 22 that is spaced from the beam portion 23 in the thickness direction is set such that the length of one side of the substantially square is 0.2 mm to 0.65 mm, for example. Moreover, the thickness of the weight part 22 is set to 0.1 mm-0.625 mm, for example.

なお、錘部２２の各部位の平面形状は正方形に限られず、円や長方形、クローバーなど任意の形状が可能である。   In addition, the planar shape of each part of the weight part 22 is not limited to a square, and any shape such as a circle, a rectangle, or a clover is possible.

そして、このような錘部２２を囲繞するように枠状の枠部２１が設けられている。枠部２１は、平面形状が略正方形をなし、中央部に錘部２２より若干大きい略正方形の開口部を有している。枠部２１は、その一辺の長さが例えば０．５ｍｍ〜３．０ｍｍに設定され、枠部２１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）は例えば０．１ｍｍ〜１．８ｍｍに設定される。また枠部２１の厚みは、例えば０．１ｍｍ〜０．６２
５ｍｍに設定される
このような枠部２１と錘部２２との間には図４に示すように梁部２３が設けられている。梁部２３は、一方端が枠部２１の内周における各辺の上面側中央部に連結され、他方端が錘部２２の各辺の上面側中央部に連結されている。本実施形態におけるセンサ素子２０では、４本の梁部２３が設けられており、４本の梁部２３のうち２本はＸ軸方向に伸びて錘部２２を間に挟んだ状態で同一直線状に配され、他の２本はＹ軸方向に伸びて錘部２２を間に挟んだ状態で同一直線状に配されている。 A frame-shaped frame portion 21 is provided so as to surround the weight portion 22. The frame 21 has a substantially square planar shape, and has a substantially square opening that is slightly larger than the weight 22 at the center. The length of one side of the frame portion 21 is set to, for example, 0.5 mm to 3.0 mm, and the width of the arm constituting the frame portion 21 (the width in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the arm) is, for example, 0.1 mm to It is set to 1.8 mm. The thickness of the frame portion 21 is, for example, 0.1 mm to 0.62
A beam portion 23 is provided between the frame portion 21 and the weight portion 22 set to 5 mm as shown in FIG. The beam portion 23 has one end connected to the center portion on the upper surface side of each side on the inner periphery of the frame portion 21, and the other end connected to the center portion on the upper surface side of each side of the weight portion 22. In the sensor element 20 in the present embodiment, four beam portions 23 are provided, and two of the four beam portions 23 extend in the X-axis direction and are in the same straight line with the weight portion 22 interposed therebetween. The other two are arranged in the same straight line with the weight portion 22 sandwiched therebetween extending in the Y-axis direction.

梁部２３は可撓性を有し、センサ素子２０に加速度が加わると錘部２２が動き、錘部２２の動きに伴って梁部２３が撓むようになっている。梁部２３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０．０４ｍｍ〜０．２ｍｍに設定され、厚みが３μｍ〜２０μｍに設定されている。このように梁部２３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。このような枠部２１，錘部２２，梁部２３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。   The beam portion 23 has flexibility. When acceleration is applied to the sensor element 20, the weight portion 22 moves, and the beam portion 23 bends as the weight portion 22 moves. For example, the beam portion 23 has a length in the longitudinal direction set to 0.1 mm to 0.8 mm, a width (a length in a direction perpendicular to the longitudinal direction) set to 0.04 mm to 0.2 mm, and a thickness of 3 μm. It is set to ˜20 μm. Thus, flexibility is expressed by forming the beam portion 23 to be elongated and thin. The frame part 21, the weight part 22, and the beam part 23 are integrally formed by processing an SOI (Silicon on Insulator) substrate, for example.

梁部２３の上面には図４に示すように抵抗素子Ｒａｘ１〜Ｒａｘ４，Ｒａｙ１〜Ｒａｙ４，Ｒａｚ１〜Ｒａｚ４が形成されている（以下、これらの抵抗素子をまとめて称するときは適宜、符号Ｒａで表す）。これらにより検出部２４が構成される。抵抗素子Ｒａｘ１〜Ｒａｘ４，Ｒａｙ１〜Ｒａｙ４，Ｒａｚ１〜Ｒａｚ４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２３の所定の位置に形成された上、ブリッジ回路を構成するように結線されている。   Resistive elements Rax1 to Rax4, Ray1 to Ray4, Raz1 to Raz4 are formed on the upper surface of the beam portion 23 as shown in FIG. ). These constitute the detection unit 24. Resistive elements Rax1 to Rax4, Ray1 to Ray4, Raz1 to Raz4 are beams so as to detect acceleration in three axial directions (X-axis direction, Y-axis direction, and Z-axis direction in the three-dimensional orthogonal coordinate system shown in FIG. 4). It is formed at a predetermined position of the section 23 and is connected so as to constitute a bridge circuit.

このような抵抗素子Ｒａｘ１〜Ｒａｘ４，Ｒａｙ１〜Ｒａｙ４，Ｒａｚ１〜Ｒａｚ４は、例えば、ＳＯＩ基板の最上層の抵抗体となる部分にボロンを打ち込むことにより形成する事ができる。または、ＳＯＩ基板の最上層にボロンを打ち込むことにより抵抗体膜を形成した後、抵抗体膜をエッチングなどにより所定の形状にパターニングすることにより形成することができる。これによりピエゾ抵抗素子からなる抵抗素子Ｒａを形成することができる。   Such resistance elements Rax1 to Rax4, Ray1 to Ray4, Raz1 to Raz4 can be formed, for example, by implanting boron into a portion to be a resistor in the uppermost layer of the SOI substrate. Alternatively, the resistor film can be formed by implanting boron into the uppermost layer of the SOI substrate and then patterned into a predetermined shape by etching or the like. Thereby, the resistive element Ra made of a piezoresistive element can be formed.

ピエゾ抵抗素子からなる抵抗素子Ｒａを用いた場合には、梁部２３の撓みに起因する変形に応じて抵抗値が変化し、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。   When the resistance element Ra made of a piezoresistive element is used, the resistance value changes according to the deformation caused by the bending of the beam portion 23, and the change in the output voltage based on the change in the resistance value is taken out as an electrical signal. By calculating this with an external IC, the direction and magnitude of the applied acceleration can be detected.

なお、抵抗素子Ｒａから電気的に接続された配線および外部のＩＣ等へ取り出すためのパッド電極２６等が、枠部２１の上面に設けられており、これらを介して電気信号の外部への取り出しなどを行っている。   A wiring electrode electrically connected from the resistor element Ra and a pad electrode 26 for taking out to an external IC or the like are provided on the upper surface of the frame portion 21, and an electric signal is taken out to the outside through these. And so on.

これらの配線は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金などからなり、これらの材料をスパッタリングなどにより成膜した後、所定の形状にパターニングすることにより枠部２１の上面に形成される。   These wirings are made of, for example, aluminum or an aluminum alloy, and are formed on the upper surface of the frame portion 21 by forming a film of these materials by sputtering or the like and then patterning the material into a predetermined shape.

なお、上述の例では、センサ素子２０として、加速度を検出するセンサを用いて説明したが、錘部２２をＸＹ平面内で回旋運動させることで角速度を検出することも可能となる。錘部２２を回旋運動させるためには、例えば、４本の梁部２３に圧電体を形成して時分割して変形させることにより実現してもよいし、互いに向き合う錘部２２の外壁と枠部２１の内壁とに電極を設けて静電引力により実現してもよいし、センサ素子２０の外側に磁力を発生させて実現してもよい。   In the above example, the sensor element 20 has been described using a sensor that detects acceleration. However, the angular velocity can also be detected by rotating the weight portion 22 in the XY plane. In order to rotate the weight part 22, for example, a piezoelectric body may be formed on the four beam parts 23 and deformed by time division, or the outer wall and the frame of the weight part 22 facing each other. An electrode may be provided on the inner wall of the portion 21 and realized by electrostatic attraction, or may be realized by generating a magnetic force outside the sensor element 20.

このような構成とすることにより、１つのセンサ素子２０により、加速度と角速度との２項目を検出でき、センサ装置１として３項目を、装置を大型化することなく検出可能となる。   With such a configuration, two items of acceleration and angular velocity can be detected by one sensor element 20, and three items as the sensor device 1 can be detected without increasing the size of the device.

また、収容空間１２に収容するセンサ素子２０は、角速度・加速度センサに限定されない。例えば、半導体センサ等、外部環境から隔離して実装することが好ましい種々のセンサ素子を用いることができる。   The sensor element 20 accommodated in the accommodation space 12 is not limited to the angular velocity / acceleration sensor. For example, various sensor elements that are preferably mounted separately from the external environment, such as semiconductor sensors, can be used.

さらに、上述の実施例では、パッケージ１０は収容空間１２を１つ備えるものであったが、１つのパッケージ１０に複数個の収容空間１２を設けてもよい。同様に、１つの収容空間１２に複数個のセンサ素子２０を設けてもよい。   Furthermore, in the above-described embodiment, the package 10 includes one storage space 12, but a plurality of storage spaces 12 may be provided in one package 10. Similarly, a plurality of sensor elements 20 may be provided in one accommodation space 12.

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で多くの修正及び
変更を加えることができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and many modifications and changes can be made within the scope of the present invention.

１：センサ装置
１０：パッケージ
１１：開口部
１２：収容空間
２０：センサ素子
２１：枠部
２２：錘部
２３：梁部
２４：検出部
５０：中間基板
５２：バンプ
５３：接着剤 1: Sensor device 10: Package 11: Opening portion 12: Housing space 20: Sensor element 21: Frame portion 22: Weight portion 23: Beam portion 24: Detection portion 50: Intermediate substrate 52: Bump 53: Adhesive

Claims (6)

開口部を有し、内部に収容空間を備えるパッケージと、
前記収容空間の底面上に載置された中間基板と、
該中間基板上に載置されたセンサ素子とを備え、
前記中間基板はその下面の外周部が複数のバンプを介して前記底面に載置されており、前記複数のバンプは第１バンプと第２バンプとを有し、前記第１バンプは前記底面と前記中間基板とを接着固定しており、前記第２バンプは前記底面あるいは前記中間基板と分離可能な状態で接触しているセンサ装置。 A package having an opening and having an accommodating space inside;
An intermediate substrate placed on the bottom surface of the housing space;
A sensor element mounted on the intermediate substrate,
The outer peripheral portion of the lower surface of the intermediate substrate is placed on the bottom surface via a plurality of bumps, the plurality of bumps having a first bump and a second bump, and the first bump is formed on the bottom surface. A sensor device in which the intermediate substrate is bonded and fixed, and the second bump is in contact with the bottom surface or the intermediate substrate in a separable state. 前記第１バンプは前記中間基板の一方端よりに存在し、前記第２バンプは前記中間基板の前記一方端とは反対側の端部よりに存在している、請求項１に記載のセンサ装置。   2. The sensor device according to claim 1, wherein the first bump is present from one end of the intermediate substrate, and the second bump is present from an end opposite to the one end of the intermediate substrate. . 前記中間基板の線膨張係数は前記パッケージの線膨張係数よりも小さく、前記センサ素子の線膨張係数は前記中間基板の線膨張係数と同じかあるいは前記中間基板の線膨張係数よりも小さい、請求項１または２に記載のセンサ装置。   The linear expansion coefficient of the intermediate substrate is smaller than the linear expansion coefficient of the package, and the linear expansion coefficient of the sensor element is the same as or smaller than the linear expansion coefficient of the intermediate substrate. 3. The sensor device according to 1 or 2. 前記センサ素子は主として半導体材料から成り、前記中間基板は主として前記センサ素子と同じ半導体材料から成る、請求項１乃至３のいずれかに記載のセンサ装置。   The sensor device according to claim 1, wherein the sensor element is mainly made of a semiconductor material, and the intermediate substrate is mainly made of the same semiconductor material as the sensor element. 前記センサ素子は、枠部と、錘部と、両端が前記枠部と前記錘部とにそれぞれ接続された可撓性を有する梁部と、前記梁部に配置された前記梁部の変形に応じた信号を検出する検出部とを備える、請求項１乃至４のいずれかに記載のセンサ装置。   The sensor element includes a frame portion, a weight portion, a flexible beam portion having both ends connected to the frame portion and the weight portion, and deformation of the beam portion arranged in the beam portion. The sensor device according to claim 1, further comprising a detection unit that detects a corresponding signal. 前記中間基板は、前記センサ素子に電気的に接続されたＩＣである、請求項１乃至５のいずれかに記載のセンサ装置。   The sensor device according to claim 1, wherein the intermediate substrate is an IC electrically connected to the sensor element.
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