JP2017003548A - センサ装置およびセンサ装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 精度の高い小型のセンサ装置を提供する。
【解決手段】 センサ装置は、重錘体と、上面視して前記重錘体を囲むように位置する枠体と、重錘体および枠体を接続する可撓性を有する接続体と、接続体に配置された検出部とを有するセンサ素子を具備するとともに、重錘体の上方においてセンサ素子と空隙を介して配置された、開気孔を有する多孔質部材を具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、加速度、角速度等の応力を検出するセンサ装置およびその製造方法に関する。

従来、加速度や角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、半導体微細加工プロセスにより形成したＭＥＭＳ技術を用いたセンサ装置が記載されている。

このようなセンサ装置は、錘部（重錘体）と、その周囲を取り囲む台座部（枠体）と、錘部と台座とを可撓的に接続する梁部（接続体）とを有する加速度センサチップ（センサ素子）を具備するとともに、上記錘部の変位を規制するために上記加速度センサチップ上に設けたストッパ板とを具備している。

特開２００９−２３６８７７号公報

近年、電子機器の小型化の要求されており、電子機器に搭載される上記センサ装置もさらなる小型化が要求されている。しかしながら、センサ装置の小型化が進むと、センサチップとストッパ板との隙間の気体による抵抗が無視できなくなり、錘部の動きが気体による抵抗によって妨げられやすくなる。その結果、センサ装置の精度の向上が困難である。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高い精度を有する小型のセンサ装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るセンサ装置は、重錘体と、上面視して前記重錘体を囲むように位置する枠体と、前記重錘体および前記枠体を接続する可撓性を有する接続体と、該接続体に配置された検出部とを有するセンサ素子を具備するとともに、前記重錘体の上方において前記センサ素子と空隙を介して配置された、開気孔を有する多孔質部材を具備する。

本発明の他の態様に係るセンサ装置の製造方法は、重錘体と、上面視して前記重錘体を囲むように位置する枠体と、前記重錘体および前記枠体を接続する可撓性を有する接続体と、該接続体に配置された検出部とを有するセンサ素子を準備する工程と、前記センサ素子上に加熱によってガス化が可能な第１部材を配置する工程と、前記第１部材上に開気孔を有する多孔質部材を配置する工程と、前記第１部材を加熱によってガス化させて前記センサ素子と前記多孔質部材との間に空隙を形成する工程とを具備する。

本発明によれば、精度の高い小型のセンサ装置とすることができる。

本発明の第１実施形態のセンサ装置の断面図である。 図１のセンサ装置におけるセンサ素子の平面図である。 図２のセンサ素子のＩ−Ｉ線での断面図である。 本発明の第２実施形態のセンサ装置の断面図である。 本発明の第３実施形態のセンサ装置の断面図である。 （ａ）〜（ｃ）はセンサ装置の製造の各工程の様子を示す断面図である。

本発明のセンサ装置の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図１〜図６には、右手系のＸＹＺ座標系が付されており、以下では、便宜上、Ｚ軸方向を上下方向として説明をする。

＜第１実施形態のセンサ装置＞
図１は、本発明の第１実施形態のセンサ装置１の断面図である。また、図２はセンサ装置１におけるセンサ素子２の平面図であり、図３は図２のＩ−Ｉ線におけるセンサ素子２の断面図である。センサ装置１は、センサ素子２と多孔質部材３とを具備している。以下、各部位について詳述する。

センサ素子２は、重錘体２１と、上面視して重錘体２１を囲むように位置する枠体２０と、重錘体２１および枠体２０を接続している、可撓性を有する接続体２２と、接続体２２に配置された検出部Ｒａとを具備している。

センサ素子２に加速度が加わると、加速度に応じた力が重錘体２１に作用し、重錘体２１が動くことで接続体２２が撓むようになっている。そして、接続体２２の撓み量に応じた電気信号を検出部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。

重錘体２１は、平面形状が略正方形であり、略正方形の一辺の長さが例えば０．４（０．１）ｍｍ〜０．７ｍｍに設定される。また、重錘体２１の厚みは、例えば０．２ｍｍ〜０．７ｍｍに設定される。なお、図２において、下方に位置する重錘体２１の平面形状を破線で示している。なお、重錘体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。

そして、このような重錘体２１を囲繞するように枠状の枠体２０が設けられている。枠体２０は、平面形状が略正方形をなし、中央部に重錘体２１より若干大きい略正方形の開口部を有している。枠体２０は、その一辺の長さが例えば０．５ｍｍ〜３ｍｍに設定され、枠体２０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０．３ｍｍ〜１．８ｍｍに設定される。また枠体２０の厚みは、例えば０．２ｍｍ〜０．７ｍｍに設定される。

このような枠体２０と重錘体２１との間には図２に示すように接続体２２が設けられている。接続体２２は、一方端が枠体２０の内周における各辺の上面側中央部に連結され、他方端が重錘体２１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２では、４本の接続体２２が設けられており、４本の接続体２２のうち２本はＸ軸方向に伸びて重錘体２１を間に挟んだ状態で同一直線状に配され、他の２本はＹ軸方向に伸びて重錘体２１を間に挟んだ状態で同一直線状に配されている。

接続体２２は可撓性を有し、センサ素子２に加速度が加わると重錘体２１が動き、重錘体２１の動きに伴って接続体２２が撓むようになっている。接続体２２は、例えば長手方向の長さが０．３ｍｍ〜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５μｍ〜２０μｍに設定されている。このように接続体２２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。

接続体２２の上面には図２に示すように抵抗素子である検出部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）。検出部Ｒａｘ１〜Ｒａｘ４，Ｒａｙ１〜Ｒａｙ４，Ｒａｚ１〜Ｒａｚ４は、３軸方向（図１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接続体２２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。

このような検出部Ｒａｘ１〜Ｒａｘ４，Ｒａｙ１〜Ｒａｙ４，Ｒａｚ１〜Ｒａｚ４は、例えば、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検出部Ｒａを形成することができる。

ピエゾ抵抗素子からなる検出部Ｒａを用いた場合には、接続体２２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ＩＣ等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や圧力の増減および大きさを検知することができる。

なお、検出部Ｒａに電気的に接続された配線（図示せず）や電極２３が、枠体２０や接続体２２の上面に設けられており、これらを介して電気信号をセンサ素子２の外部へ取り出し可能となっている。

これらの配線や電極２３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体２０，接続体２２の上面に形成される。

センサ装置１は、図１に示すように、検出部Ｒａで検出した電気信号を演算処理するためのＩＣ等の回路素子４を有していてもよい。図１の例では、センサ素子２が回路素子４に接合材２５を介して搭載されており、センサ装置１の電極２３と回路素子４の電極４１とがワイヤ４２等によって電気的に接続されている。このような構成によって、センサ素子２と回路素子４とを集約でき、センサ装置１が搭載される電子機器の小型化が可能になる。

また、センサ装置１は、センサ装置１が搭載される外部回路基板との熱膨張差による応力を低減するため、図１に示すように、センサ装置１の熱膨張係数と外部回路基板の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する配線基板５を有していてもよい。図１の例では、センサ装置１が搭載された回路素子４が接合材４３を介して配線基板５に接合されており、回路素子４の電極４４と配線基板５の電極５１とがワイヤ５２等によって電気的に接続されている。そして、この配線基板５が外部回路基板に実装されることによって、センサ素子２が外部回路基板と電気的に接続されることとなる。なお、配線基板５としては、セラミックスや樹脂等を用いた公知の配線基板５が用いられる。

センサ装置１はさらに多孔質部材３を具備している。多孔質部材３は、重錘体２１の上方においてセンサ素子２と空隙を介して配置されている。つまり、多孔質部材３は、センサ素子２に大きな応力が加わった際に、重錘体２１が過度に＋Ｚ方向に変位するのを抑制するためのストッパ板としての機能を有している。そして、この多孔質部材３は、表面に開気孔を有した多孔質構造を有している。このような構成によって、重錘体２１が変位した際、センサ素子２と多孔質部材３との隙間の気体による抵抗を低減することができ、センサ装置１の精度を高くすることができる。

多孔質部材３とセンサ素子２との間の気体を多孔質部材３内に良好に流入させて、重錘体２１をより動きやすくするという観点からは、多孔質部材３の断面（ＸＹ平面に垂直な断面）における気孔の面識比率が１０〜７０％であってもよい。

多孔質部材３の材質は特に限定されず、無機材料、樹脂または有機無機複合材料等が用いられる。このような材料としては、シリカ、アルミナ、ジルコニア、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリオレフィン、エポキシ樹脂またはこれらの複合材料等が挙げられる。特に、センサ素子２の接触によるセンサ素子２の破損を低減するという観点からは、多孔質部材３の材質は樹脂であってもよい。

多孔質部材３は、センサ装置１を−Ｚ方向に平面透視したときに、少なくとも重錘体２１の一部と重なるように配置されている。特に、重錘体２１および接続体２２の変位のばらつきを小さくして、より精度を高めるという観点からは、多孔質部材３は、センサ装置１を−Ｚ方向に平面透視したときに、枠体２０の内側領域の全体を覆っていてもよい。

また、多孔質部材３は、図１に示すように、電極２３、４１、４４、５１やワイヤ４２、５２も覆うようにしてこれらの電極やワイヤを保護するようにしてもよい。これにより、センサ装置１の電気的な接続信頼性が向上する。

なお、上記の説明では、センサ素子２が加速度センサである例を示したが、重錘体２１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が可能なセンサ素子２とすることも可能である。重錘体２１を回旋運動させるためには、例えば、互いに向き合う重錘体２１の第１側面と枠体２０の第２側面（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２の外側に磁力を発生させて実現してもよい。

＜第２実施形態のセンサ装置＞
本発明は上述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、改良などが可能である。例えば、図４の第２実施形態のセンサ装置１００に示すように、配線基板５にセンサ素子２および多孔質部材３を覆う蓋体５４を接合して、センサ素子２及び多孔質部材３を封止してもよい。これによってセンサ装置１００の耐久性を高めることができる。

蓋体５４としては、金属、セラミックスまたは樹脂等を用いることができる。図４では、蓋体５４は、多孔質部材３の外表面と離間して設けられているが、これに限定されず、多孔質部材３の該表面に接触するように設けられていてもよい。特に、多孔質部材３を通した気体の流動性を高くすることによって、重錘体２１の気体による抵抗をより低減するという観点からは、蓋体５４は多孔質部材３と離間して設けられていてもよい。

＜第３実施形態のセンサ装置＞
また、センサ装置の他の例として、図５に示すような第３実施形態のセンサ装置２００のような構成であってもよい。図５においては、多孔質部材２３０がセンサ素子２における枠体２０の開口部のみを覆っている。そして、第２実施形態のセンサ装置１００と同様、蓋体５４によって、センサ素子２、多孔質部材３、電極２３、４１、４４、５１やワイヤ４２、５２等の電気的接続部分が封止されている。このような構成によっても、センサ装置２００の耐久性を高めることができるとともに、多孔質部材２３０の製造工程を簡略化できる。

＜センサ装置の製造方法＞
次に、上述のセンサ装置１の製造方法について、図６を用いて説明する。なお、図６（ａ）〜図６（ｃ）は、それぞれセンサ装置１の製造途中における断面図である。また、図６において、図１〜図３と同じ符号のものは同じ構成要素を意味しており、詳細な説明は省略する。

まず、公知の加工プロセスにより形成したセンサ素子２、回路素子４および配線基板５を電気的に接続する（図６（ａ）参照）。

次に、センサ素子２の上に、加熱によってガス化が可能な第１部材Ａを形成する（図６（ｂ）参照）。なお、図６（ｂ）では、第１部材Ａが、重錘体２１の上および接続体２２の上に膜状に設けられているとともに枠体２０内を充填するように設けられている。第１部材Ａは、一定温度に加熱すると昇華または熱分解してガス化する物質である。比較的温度管理が容易であり、作業効率を高めるという観点からは、第１部材Ａとしては５０〜１００℃でガス化する物資であってもよい。このような第１部材Ａとしては、流動パラフィン等が挙げられる。

次に、第１部材Ａの上面に多孔質部材３を形成する（図６（ｃ）参照）。そして、第１部材Ａを加熱することで。第１部材Ａをガス化させて、そのガスを多孔質部材３の外側に放出させることによって、多孔質部材３とセンサ素子２との間に空隙を形成する。これによって、図１に示したセンサ装置１が完成する。なお、図６（ｃ）の工程においては、多孔質部材３の状態でなくてもよく、加熱によって多孔質部材３となる前駆体であってもよい。この場合、前駆体と第１部材Ａとを加熱することによって、前駆体を多孔質部材３にするとともに、第１部材Ａをガス化すればよい。

本発明は上述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、改良などが可能である。

１、１００、２００：センサ装置
２：センサ素子
３、２０３：多孔質部材
２０：枠体
２１：重錘体
２２：接続体

Claims (5)

1. 重錘体と、上面視して前記重錘体を囲むように位置する枠体と、前記重錘体および前記枠体を接続する可撓性を有する接続体と、該接続体に配置された検出部とを有するセンサ素子を具備するとともに、
   前記重錘体の上方において前記センサ素子と空隙を介して配置された、開気孔を有する多孔質部材を具備するセンサ装置。
2. 前記多孔質部材は樹脂から成る、請求項１に記載のセンサ装置。
3. 前記多孔質部材の断面における気孔の面識比率が１０〜７０％である、請求項１または２に記載のセンサ装置。
4. 前記多孔質部材は、平面透視して前記枠体の内側領域の全体を覆っている、請求項１乃至３のいずれかに記載のセンサ装置。
5. 重錘体と、上面視して前記重錘体を囲むように位置する枠体と、前記重錘体および前記枠体を接続する可撓性を有する接続体と、該接続体に配置された検出部とを有するセンサ素子を準備する工程と、
   前記センサ素子上に加熱によってガス化が可能な第１部材を配置する工程と、
   前記第１部材上に開気孔を有する多孔質部材を配置する工程と、
   前記第１部材を加熱によってガス化させて前記センサ素子と前記多孔質部材との間に空隙を形成する工程と
   を具備するセンサ装置の製造方法。

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