JP2017022460A - 発振装置および力学量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】接合歪みに起因する電荷の誘発を抑え、センサ精度の悪化を抑制した水晶振動子を備えた力学量センサを提供する。
【解決手段】力学量センサは、各々水晶基板から構成される、水晶振動子を有するセンサ基板１０、支持基板４０及びキャップ層５０を備えたＷＬＰ（ウェハレベルパッケージ）構造で、金属接合部６０及び６１で接合されている。キャップ層に、接地電位とされる部位に接続される電荷引抜配線８０を形成すると共に、電荷引抜配線をセンサ基板の周辺部１２と接合する金属接合部６１と接続している。これにより、キャップ層に誘発された電荷が金属接合部６１を通じて電荷引抜配線より力学量センサの外部に引き抜かれる。
【選択図】図２

Description

本発明は、水晶振動子を有する発振装置に関し、特に、印加される力学量に応じたセンサ信号を出力する水晶振動子を含むセンサ部が備えられた力学量センサに適用されて好適なものである。

従来より、水晶が良好な圧電材料であることから、発振器やジャイロセンサ、弾性表面波素子（以下、ＳＡＷ素子という）などの発振装置における振動子として水晶振動子が用いられている。そして、真空下で用いられる発振装置の小型化、低コスト化のために、ウェハレベルパッケージ（以下、ＷＬＰ（Wafer Level Package）という）を用いた構造が提案されている（特許文献１参照）。

この水晶振動子を真空封止したＷＬＰは、支持基板を構成する第一の基板とキャップ層を構成する第一の基板に接合された第二の基板とを有し、第一の基板もしくは第二の基板の少なくとも一方を所定深さ除去して真空室を構成している。そして、この真空室内に水晶振動子を配置し、第一の基板もしくは第二の基板に接続電極を介して水晶振動子を接合すると共に、第一の基板もしくは第二の基板に形成した貫通電極を接続電極に接続している。これにより、貫通電極を通じて水晶振動子に備えられる各種電極などと外部との電気的接続が行えるようになっている。

特開２０１０−０８１１２７号公報

水晶基板を用いたＷＬＰでは、水晶の結晶成長の特異性より四角形のものが多く、また、同じ形で貼り合わせし易いなどの理由により、水晶振動子を含むセンサ基板と支持基板およびキャップ層を３枚の水晶基板で構成し、各基板を金属接合部で接合することが多い。水晶振動を含むセンサ基板を支持基板およびキャップ層によって挟み込み、金属接合部を介して接合する場合、キャップ層が圧電材料である水晶で構成されていることから、金属接合部においてキャップ層に接合歪みが発生し、電荷が誘発される。このため、金属接合部に電荷が発生してしまい、センサ信号に影響を与え、センサ精度が悪化するという問題が生じる。

なお、ここでは水晶振動子を備えたセンサ基板が適用される装置、つまり力学量センサを例に挙げて説明しているが、水晶振動子を発振器に適用する場合にも、接合歪みによる問題を発生させる。具体的には、接合歪みによって発生する電荷が発振器における発振周波数に影響を与え、精度良い発振周波数が得られなくなるという問題がある。つまり、発振器や力学量センサのように、水晶振動子を備える発振装置について上記問題が発生し得る。

また、ここでは水晶振動子が形成された水晶基板に対して、同様に水晶基板で構成される支持基板およびキャップ層を接合したＷＬＰを例に挙げている。しかし、接合歪みの問題は、キャップ層が水晶基板によって構成されることで発生するのであり、支持基板については水晶基板で構成されていなかったとしても発生する。

本発明は上記点に鑑みて、水晶振動子を有する振動基板を支持基板および水晶基板で構成されるキャップ層によって挟み込み、金属接合部を介して接合するＷＬＰにて構成される発振装置において、接合歪みによる精度悪化を抑制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、水晶基板によって構成され、電圧印加に基づいて振動させられる振動子（１３）と、該振動子に連結されていると共に振動子の周囲を囲む周辺部（１２）とを有してなる振動基板（１０）と、振動基板の一面側に配置され、周辺部において振動基板と接合された支持基板（４０）と、振動基板の一面と反対側となる他面側に配置され、周辺部において金属接合部（６１）を介して振動基板と接合されたキャップ層（５０）と、金属接合部に接続され、金属接合部の電荷を引き抜く電荷引抜配線（８０）と、を備えていることを特徴としている。

このような構成により、接合歪みによってキャップ層に誘発された電荷が金属接合部を通じて電荷引抜配線より力学量センサの外部に引き抜かれるようにできる。したがって、接合歪みに起因する電荷がセンサ信号に影響を与えることを抑制でき、センサ精度の悪化を抑制することが可能となる。

なお、上記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の一例を示すものである。

本発明の第１実施形態にかかる力学量センサの正面レイアウトを示す図である。 図１のII−II断面図である。 図１のIII−III断面図である。 水晶基板１００に圧力が加わったときの電荷の様子を表した図である。 本発明の第２実施形態にかかる力学量センサの正面レイアウトを示す図である。 図５のVI-VI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、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について、図１〜図３を参照しつつ説明する。図１および図２に示されるように、力学量センサは、センサ基板１０、支持基板４０およびキャップ層５０などを備えたＷＬＰ構造とされている。センサ基板１０の一面側を裏面１０ａ、その反対側の一面を表面１０ｂとすると、裏面１０ａ側に金属接合部６０を介して支持基板４０が接合され、表面１０ｂ側に金属接合部６１を介してキャップ層５０が接合されている。このように、センサ基板１０を支持基板４０およびキャップ層５０によって挟み込むことで真空室を構成し、この内側にセンサ部１１が配置される構造とされている。本実施形態では、センサ基板１０、支持基板４０およびキャップ層５０をすべて圧電基板である水晶基板によって構成しているが、少なくともセンサ基板１０およびキャップ層５０が水晶基板で構成されていれば良く、支持基板４０やキャップ層５０についてはガラスなどの他の材料によって構成されていても良い。

センサ基板１０は、図１に示すように、センサ部１１と、センサ部１１の周囲を囲む周辺部１２とを有した構成とされている。センサ部１１は、水晶振動子１３を備えたものである。本実施形態では、水晶振動子１３として三脚音叉型振動子を適用しているが、他の構造のもの、例えばＴ型音叉型、Ｈ型音叉などのような振動子として従来より知られている構造のものを適用できる。

センサ部１１は、センサ基板１０に対して周知のマイクロマシン加工を行って溝部１０ｃを形成し、水晶振動子１３を周辺部１２から区画することによって形成されている。

水晶振動子１３は、第１駆動片１４、第２駆動片１５および検出片１６が基部１７にて支持され、基部１７を連結部位として第１駆動片１４、第２駆動片１５および検出片１６が周辺部１２に連結された構成とされている。詳述すると、水晶振動子１３は、第１、第２駆動片１４、１５および検出片１６が基部１７から同じ方向に突出するように配置された三脚音叉型とされており、検出片１６が第１、第２駆動片１４、１５の間に配置されている。

基部１７には、外乱振動を吸収する防振部１７ａが形成されている。防振部１７ａは、第１駆動片１４、第２駆動片１５および検出片１６の長手方向に対する垂直方向を長手方向とした２本の梁部１７ｂと２本の梁部１７ｂを繋ぐ接続部１７ｃとを有した構成とされている。このような構成により、外乱振動が生じたときに梁部１７ｂが撓むことでその外乱振動が吸収され、第１駆動片１４、第２駆動片１５および検出片１６への影響が抑制されるようになっている。

第１、第２駆動片１４、１５および検出片１６は、図３に示されるように、センサ基板１０の面方向と平行となる表面１４ａ、１５ａ、１６ａ、裏面１４ｂ、１５ｂ、１６ｂ、側面１４ｃ、１４ｄ、１５ｃ、１５ｄ、１６ｃ、１６ｄを有する断面矩形状とされた棒状とされている。

そして、第１駆動片１４には、表面１４ａに駆動電極１９ａが形成されていると共に裏面１４ｂに駆動電極１９ｂが形成され、側面１４ｃ、１４ｄに共通電極１９ｃ、１９ｄが形成されている。同様に、第２駆動片１５には、表面１５ａに駆動電極２０ａが形成されていると共に裏面１５ｂに駆動電極２０ｂが形成され、側面１５ｃ、１５ｄに共通電極２０ｃ、２０ｄが形成されている。また、検出片１６には、表面１６ａに検出電極２１ａが形成されていると共に裏面１６ｂに検出電極２１ｂが形成され、側面１６ｃ、１６ｄに共通電極２１ｃ、２１ｄが形成されている。

このように、本実施形態では、第１、第２駆動片１４、１５、検出片１６、駆動電極１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂ、検出電極２１ａ、２１ｂ、共通電極１９ｃ、１９ｄ、２０ｃ、２０ｄ、２１ｃ、２１ｄを含んでセンサ部１１が構成されている。

周辺部１２には、図１に示されるように、駆動電極１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂ、検出電極２１ａ、２１ｂ、共通電極１９ｃ、１９ｄ、２０ｃ、２０ｄ、２１ｃ、２１ｄと図示しない配線層等を介して電気的に接続される複数のパッド接続部２３が形成されている。

パッド接続部２３は、駆動電圧印加用の電源パッド接続部２３ａやセンサ出力用の出力パッド接続部２３ｂおよび接地電位印加用の接地パッド接続部２３ｃなどがある。各パッド接続部２３は、上記した各種電極１９ａ〜１９ｄ、２０ａ〜２０ｄ、２１ａ〜２１ｄから引き出された配線パターンに繋がっており、例えば配線パターンの一部として形成されている。

例えば、駆動電極１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂは電源パッド接続部２３ａに接続される。検出電極２１ａ、２１ｂは出力パッド接続部２３ｂに接続される。共通電極１９ｃ、１９ｄ、２０ｃ、２０ｄ、２１ｃ、２１ｄは接地パッド接続部２３ｃに接続される。なお、図１では、センサ基板１０に形成された各部については実線で示してあるが、キャップ層５０に形成した部分などは破線で示してある。また、ここで図示したパッド接続部２３は一例を示したに過ぎず、必ずしも図に示した数でなくても良い。

さらに、センサ基板１０の裏面１０ａおよび表面１０ｂ側には、センサ部１１を１周囲むように金属接合部６０、６１の一部を構成する接合パターン６０ａ、６１ａが形成されている。これら接合パターン６０ａ、６０ｂは、例えば金属共晶による金属結合が行われる金属材料で構成されており、例えば金（Ａｕ）や銅（Ｃｕ）などを用いて形成されている。

支持基板４０は、例えば水晶基板によって構成され、センサ基板１０側の一面のうち周辺部１２と対応する部分よりも内側、つまりセンサ部１１と対応する位置においてキャビティ４１が形成されている。このようなキャビティ４１が形成されていることにより、水晶振動子１３が支持基板４０と接触し難くなるようにされている。また、支持基板４０における周辺部１２と対応する部分には、センサ部１１を１周囲むように金属接合部６０の一部を構成する接合パターン６０ｂが形成されている。接合パターン６０ｂは、例えば金属共晶による金属結合が行われる金属材料で構成されており、例えば金や銅などを用いて形成されている。接合パターン６０ｂは、センサ基板１０の裏面１０ａ側に形成された接合パターン６０ａと同パターンとされており、接合パターン６０ａ、６０ｂが金属接合されることで金属接合部６０が構成され、支持基板４０とセンサ基板１０との接合が行われている。

キャップ層５０は、例えば水晶基板によって構成され、センサ基板１０側の一面のうち周辺部１２と対応する部分よりも内側、つまりセンサ部１１と対応する位置においてキャビティ５１が形成されている。このようなキャビティ５１が形成されていることにより、水晶振動子１３がキャップ層５０と接触し難くなるようにされている。また、キャップ層５０における周辺部１２と対応する部分には、センサ部１１を１周囲むように金属接合部６１の一部を構成する接合パターン６１ｂが形成されている。接合パターン６１ｂは、例えば金属共晶による金属結合が行われる金属材料で構成されており、例えば金や銅などを用いて形成されている。接合パターン６１ｂは、センサ基板１０の表面１０ｂ側に形成された接合パターン６１ａと同パターンとされており、接合パターン６１ａ、６１ｂが金属接合されることで金属接合部６１が構成され、キャップ層５０とセンサ基板１０との接合が行われている。

また、キャップ層５０には、各パッド接続部２３と対応する位置に貫通孔５２が形成されていると共に、貫通孔５２内からキャップ層５０のうちセンサ基板１０と反対側の一面に至るように延設されたパッド部７０が形成されている。パッド部７０は、各パッド接続部２３と対応して電源印加用の電源パッド部７０ａ、センサ出力用の出力パッド部７０ｂ、接地電位印加用の接地パッド部７０ｃなどがあり、それぞれが分離されてる。そして、各パッド部７０が対応する各パッド接続部２３に電気的に接続されている。

パッド部７０は、例えば、キャップ層５０に対してエッチングなどによって貫通孔５２を形成したのち、貫通孔５２内を含めてアルミニウム（Ａｌ）などの電極材料にて構成される導体層を成膜し、これをエッチングでパターンすることなどによって形成される。なお、パッド部７０の形成については、キャップ層５０をセンサ基板１０に接合する前であっても後であっても、いずれであっても良い。

さらに、キャップ層５０には、金属接合部６１と対応する位置に貫通孔５３が形成されていると共に、貫通孔５３内からキャップ層５０のうちセンサ基板１０と反対側の一面に至る電荷引抜配線８０が形成されている。電荷引抜配線８０は、接合歪みによって水晶基板で構成されたセンサ基板１０に生じる電荷を引き抜くための配線である。電荷引抜配線８０は、接地電位とされる部位に接続され、本実施形態では接地パッド部７０ｃに連結されている。接地パッド部７０ｃが図示しないボンディングワイヤなどを通じて外部の接地電位とされる部位に接続されることで、電荷引抜配線８０が接地電位とされる。

電荷引抜配線８０については、パッド部７０と別構成としても良いが、パッド部７０を形成するための導体層を用いてパッド部７０と同時に形成すると好ましい。このようにすれば、電荷引抜配線８０とパッド部７０とを同じ工程で形成できるため、製造工程の簡略化を図ることができる。

以上が本実施形態における力学量センサの構成である。このような力学量センサは、例えばセンサ部１１に形成された水晶振動子１３を用いて角速度検出を行うジャイロセンサを構成する。次に、本実施形態にかかる力学量センサの作動について説明する。

第１駆動片１４の駆動電極１９ａ、１９ｂと第２駆動片１５の駆動電極２０ａ、２０ｂに位相が１８０°異なる駆動信号（搬送波）が印加されると、第１、第２駆動片１４、１５は図１の紙面左右方向に振動し、検出片１６はほぼ静止した状態となる。そして、この状態でセンサ基板１０の面内で角速度が印加されると、角速度に応じて検出片１６が紙面左右方向に振動する。これにより、圧電現象に基づいて検出片１６に電荷が発生し、これが検出電極２１ａ、２１ｂを介して出力されることから、この電荷の発生に基づくセンサ出力をセンサ信号として角速度が検出される。

このようにして角速度を検出することができるが、キャップ層５０を圧電基板である水晶基板で構成していることから、金属接合部６１を介してセンサ基板１０と接合している接合部に接合歪みが発生する。この接合歪みが原因となって、キャップ層５０に電荷が誘発される。図４に示すように、一般的に、水晶基板１００に圧力を加えると、水晶基板１００の表裏に電荷が発生する。圧力が加えたのが裏面であれば、図４に示すように裏面側に圧縮応力が加わって−電荷が誘発され、表面側に引張応力が加わって＋電荷が誘発される。逆に、水晶基板１００を引っ張ると表裏の入れ替わる。水晶振動子１３は、第１駆動片１４および第２駆動片１５に対して駆動電極１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂを取り付け、これらに電圧を印加するものである。これにより、第１駆動片１４および第２駆動片１５を振動させるという逆圧電現象を利用して所望の周波数での振動を可能としている。しかしながら、キャップ層５０も水晶基板によって構成すると、接合歪みによって電荷を発生させてしまう。

これに対して、本実施形態の力学量センサでは、キャップ層５０に誘発された電荷が金属接合部６１を通じて電荷引抜配線８０より力学量センサの外部に引き抜かれるようにできる。したがって、接合歪みに起因する電荷がセンサ信号に影響を与えることを抑制でき、センサ精度の悪化を抑制することが可能となる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して電荷引抜配線８０の構成を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図５および図６に示すように、本実施形態では、キャップ層５０のうちセンサ部１１と対応する位置にも電荷引抜配線８０を延設している。具体的には、図５中の二点鎖線で示したように、センサ部１１および溝部１０ｃと対応する領域を含めて、それ以上の広い範囲の領域を電荷引抜配線８０とし、接地パッド部７０ｃに接続している。

また、電荷引抜配線８０は、キャップ層５０の表裏両面、つまりセンサ基板１０側の一面とその反対側の一面の両方に備えられており、それぞれが同じパターンとされて対向配置されている。

このように、キャップ層５０のうちセンサ部１１と対応する部分を覆うように電荷引抜配線８０を形成し、これを接地電位とされる接地パッド部７０ｃに接続することで、ノイズなどに対するシールド効果を持たせることが可能となる。また、キャップ層５０の表裏両面において同じパターンで電荷引抜配線８０を形成することで、表裏両面に発生する正負それぞれの電荷を共に引き抜いて接地パッド部７０ｃに至ったときに正負の電荷が結合してキャンセルされるようにすることができる。これにより、よりセンサ精度の向上を図ることが可能となる。

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、上記各実施形態では、水晶振動子を有する発振装置として、力学量センサ、具体的にはジャイロセンサを例に挙げて説明した。しかしながら、これは一例を示したに過ぎない。すなわち、ジャイロセンサ以外の水晶振動子を有する力学量センサ、例えば加速度センサに対しても適用できる。また、水晶振動子としては上記各実施形態で説明したような構造のものに限らず、例えばＳＡＷ素子のようにセンサ基板の表面にＳＡＷを発生させることで力学量の検出を行う力学量センサであっても良い。また、力学量センサに限らず、発振装置としては、水晶発振器なども含まれる。すなわち、水晶基板によって構成され振動子を有する振動基板に対して、支持基板と水晶基板にて構成されるキャップ層とを金属接合部を介して接合する発振装置に対して、本発明を適用できる。

また、上記実施形態では、基部１７に対して防振部１７ａを備えた構造としたが、防振部１７ａがない構造であっても良い。

１０ センサ基板
１１ センサ部
１２ 周辺部
１３ 水晶振動子
４０ 支持基板
５０ キャップ層
７０ パッド部
８０ 電荷引抜配線

Claims (8)

1. 水晶基板によって構成され、電圧印加に基づいて振動させられる振動子（１３）と、該振動子に連結されていると共に前記振動子の周囲を囲む周辺部（１２）とを有してなる振動基板（１０）と、
   前記振動基板の一面側に配置され、前記周辺部において前記振動基板と接合された支持基板（４０）と、
   前記振動基板の前記一面と反対側となる他面側に配置され、前記周辺部において金属接合部（６１）を介して前記振動基板と接合されたキャップ層（５０）と、
   前記金属接合部に接続され、前記金属接合部の電荷を引き抜く電荷引抜配線（８０）と、を備えていることを特徴とする発振装置。
2. 前記キャップ層に前記電荷引抜配線が備えられていることを特徴とする請求項１に記載の発振装置。
3. 前記キャップ層には、前記金属接合部に繋がる貫通孔（５２）が形成されており、該貫通孔内に前記電荷引抜配線が備えられていることを特徴とする請求項２に記載の発振装置。
4. 前記電荷引抜配線は接地電位とされる部位に接続されていることを特徴とする請求項２または３に記載の発振装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１つに記載の発振装置は、
   前記振動基板が前記振動子にて印加された力学量に応じて変位するセンサ部（１１）を構成するセンサ基板とされた力学量センサであり、
   前記キャップ層には、前記振動子に対して駆動電圧印加を行う電源パッド部（７０ａ）と、前記振動子の変位に基づいて前記力学量に応じた検出信号を出力する出力パッド部（７０ｂ）と、前記センサ基板の接地電位点に接続される接地パッド部（７０ｃ）とが形成されており、
   前記電荷引抜配線は前記接地パッド部に接続されていることを特徴とする力学量センサ。
6. 前記電源パッド部、前記出力パッド部および前記接地パッド部は前記キャップ層の表面に形成した導体層がパターニングされたものであり、該導体層によって前記電荷引抜配線も構成され、前記接地パッド部と前記電荷引抜配線とが繋がった構造とされていることを特徴とする請求項５に記載の力学量センサ。
7. 前記キャップ層のうち前記センサ基板側の一面と該センサ基板と反対側の一面の少なくとも一方において、前記振動子と対応する部分を覆うように配線パターン（８０ａ）が形成されていることを特徴とする請求項５または６に記載の力学量センサ。
8. 前記振動子と前記周辺部との連結部位に、外乱振動を吸収する防振部（１７ａ）が備えられていることを特徴とする請求項５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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