JP2017187446A - センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可動薄膜が設けられている装置内部に水分が浸入することを抑制することができるセンサ装置を提供すること【解決手段】本発明は、可動薄膜と、可動薄膜の変位に応じた信号を出力する検出素子と、を有するセンサ部と、センサ部の外側を囲むように配置された枠部と、検出素子から出力される信号を処理する回路を含む回路基板と、枠部の上に取り付けられ、貫通孔を有する蓋部と、を備え、蓋部における少なくとも貫通孔の内面に、蓋部の表面よりも疎水性の高い機能膜が設けられたことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、センサ装置に関し、より詳しくは、可動薄膜の変位に応じた信号を出力する検出素子を備えたセンサ装置に関する。

ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて半導体基板等に可動薄膜を形成し、この可動薄膜の変位を検出素子で検出するセンサ装置は、小型かつ高精度なデバイスとして様々な分野で利用されている。

可動薄膜は、例えば、シリコン等の半導体材料をエッチングしてキャビティを形成し、このキャビティ上に薄いシリコン膜を残すようにして形成される。この可動薄膜の変位を正確に検出することがセンサ装置の検出精度を決める重要な要素となる。このため、可動薄膜の一方側を大気圧にしておく必要があり、蓋部に貫通孔が設けられる。

特許文献１には、基板レベル・アセンブリによるセンサ装置が開示される。この技術によれば、センサ装置の最終的な寸法を小さくすることができる。また、特許文献２には、全体の大きさと高さをより低くすることができ、製造の用意なＩＣ一体型加速度センサが開示される。

特表２００９−５１２２０２号公報 特開２００８−０２６１８３号公報

しかしながら、蓋部に貫通孔が設けられている場合、貫通孔から内部に水分が浸入することで可動薄膜の動きが阻害され、検出不可能になったり、検出精度が低下したりする問題が生じる。また、センサ装置を基板や筐体に実装する前に、ダスト除去のために洗浄を行う場合がある。この洗浄で利用する水や薬液が貫通孔から内部に浸入すると、内部を乾燥させる工程が必要になる。また、乾燥しきれずに湿気が残っていると、検出精度の低下を招くことになる。

本発明は、可動薄膜が設けられている装置内部に水分が浸入することを抑制することができるセンサ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、可動薄膜と、可動薄膜の変位に応じた信号を出力する検出素子と、を有するセンサ部と、センサ部の外側を囲むように配置された枠部と、検出素子から出力される信号を処理する回路を含む回路基板と、枠部の上に取り付けられ、貫通孔を有する蓋部と、を備え、蓋部における少なくとも貫通孔の内面に、蓋部の表面よりも疎水性の高い機能膜が設けられたことを特徴とする。

このような構成によれば、蓋部に貫通孔が設けられていても、貫通孔の内面に機能膜が設けられていることで、外部から貫通孔を介して内部に浸入しようとする水分に対して疎水性が発揮され、防水性を高めることができる。

本発明のセンサ装置において、機能膜は、蓋部の表面から貫通孔の内面にかけて設けられていてもよい。これにより、蓋部の表面から貫通孔の内面にかけて効果的に疎水性を発揮することができる。

本発明のセンサ装置において、機能膜はフッ化炭素を含んでいてもよい。これにより、機能膜の疎水性を高めることができる。

本発明のセンサ装置において、蓋部はシリコンによって形成されていてもよい。これにより、シリコンに異方性エッチングによって貫通孔を形成することができるとともに、エッチングの際のガスによる反応で貫通孔の内面に機能膜を形成することができる。

本発明のセンサ装置において、蓋部、枠部および回路基板が導通するように接続されていてもよい。これにより、蓋部、枠部および回路基板によってセンサ部に対する電磁シールド効果を得ることができる。

本発明のセンサ装置において、蓋部および枠部の電位は、回路基板の基準電位であってもよい。これにより、蓋部および枠部が回路基板の基準電位に設定され、センサ部に対する電磁シールド効果を得ることができる。

本発明によれば、可動薄膜が設けられている装置内部に水分が浸入することを抑制することができるセンサ装置を提供することが可能になる。

本実施形態に係るセンサ装置を例示する断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、センサ装置の製造方法を例示する断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、蓋部の製造方法を例示する断面図である。 （ａ）および（ｂ）は耐水処理の例を示す断面図である。 センサ装置の筐体への取り付け状態を例示する断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。

（センサ装置の構成）
図１は、本実施形態に係るセンサ装置を例示する断面図である。
本実施形態に係るセンサ装置１は、可動薄膜１１と、可動薄膜１１の変位に応じた信号を出力する検出素子１５とを有するセンサ部１０を備える。センサ部１０の検出素子１５は、例えばピエゾ抵抗素子や静電容量素子である。これにより、圧力、加速度、温度、湿度、音圧などの各種の物理量を検出する。本実施形態において、センサ部１０は一例として圧力を検出するよう構成される。

センサ装置１は、センサ部１０の外側を囲むように配置される枠部２０と、検出素子１５から出力される信号を処理する回路を含む回路基板４０と、枠部２０の上に取り付けられ、貫通孔５１を有する蓋部５０と、を備える。

センサ装置１において、枠部２０は回路基板４０に積層される。これにより、センサ部１０と回路基板４０との間にギャップＧが構成される。なお、本実施形態において、説明の便宜上、枠部２０と回路基板４０との積層方向をＺ方向、Ｚ方向と直交する方向の１つをＸ方向、Ｚ方向およびＸ方向に直交する方向をＹ方向という。また、Ｚ方向において回路基板４０から枠部２０に向かう方向を上、相対的に上の側を表面側と言い、枠部２０から回路基板４０に向かう方向を下、相対的に下の側を裏面側と言うことにする。

センサ部１０は、例えばシリコン等の半導体をエッチングして形成された可動薄膜１１を有する。可動薄膜１１は、例えばメンブレンやダイアフラムと言われる。可動薄膜１１の平面視の外形は、例えば矩形である。センサ部１０の平面視の外形よりも僅かに内側に設けられる。この可動薄膜１１には検出素子１５が取り付けられる。検出素子１５は、例えば可動薄膜１１の４辺の中央部にそれぞれ取り付けられる。

可動薄膜１１が圧力によって歪むことで検出素子１５に伝わる歪に応じた電気信号を得る。４つの検出素子１５によってブリッジ回路が構成され、可動薄膜１１の変位を電気信号として検出することができる。

回路基板４０は、例えばＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）であり、半導体ウェーハを用いた半導体プロセスによって回路形成され、ダイシングによってチップ状に構成されている。回路基板４０の裏面には回路と導通するバンプ電極４５が設けられる。

枠部２０は、回路基板４０の上に接合部材２５を介して積層される。接合部材２５は、枠部２０に沿って環状に設けられる。接合部材２５としては、例えば、接着剤や金属間接合を利用した部材が用いられる。金属間接合には、例えばＡｌ−ＧｅやＡｕ−Ｓｕによる共晶接合や、Ａｕ−Ａｕによる拡散接合が用いられる。枠部２０と回路基板４０との接触面に環状に接合部材２５が設けられることで、密封性が高まる。

枠部２０の平面視の外形は、例えば矩形である。また、枠部２０の内側に設けられるキャビティＣの平面視の外形も例えば矩形である。なお、本実施形態において矩形には、製造上、隅部に僅かな丸みや微小な辺が生じる場合も含まれる。枠部２０には、例えばシリコンが用いられる。センサ部１０は、枠部２０の内側であるキャビティＣ内に配置される。センサ部１０は枠部２０に対してバネ部３０によって支持される。

枠部２０の上には蓋部５０が設けられる。蓋部５０には、例えばシリコンが用いられる。枠部２０と蓋部５０とは、例えば金属間接合によって互いに接続される。金属間接合は、上記と同様である。蓋部５０には貫通孔５１が設けられる。これにより、蓋部５０を被せた状態で、キャビティＣの空間の圧力が貫通孔５１によって外気圧（例えば、大気圧）となる。

本実施形態に係るセンサ装置１では、蓋部５０における少なくとも貫通孔５１の内面に、蓋部５０の表面よりも疎水性の高い機能膜５５が設けられる。図１に示す例では、機能膜５５は蓋部５０の表面から貫通孔５１の内面にかけて設けられている。このような機能膜５５が設けられていることで、センサ装置１の外側に水分や湿気があっても、機能膜５５の疎水性によって撥水効果が発揮される。したがって、貫通孔５１からセンサ装置１の内部への水分や湿気の浸入を抑制することができる。

センサ装置１は、基板等に実装された後、超音波洗浄など水や薬液などで洗浄される場合がある。このような洗浄を行う場合でも、貫通孔５１からセンサ装置１の内部への浸水を抑制することができる。これにより、洗浄後の乾燥工程を簡素化でき、水分浸入によるセンサ装置１の誤検出や検出精度の低下を防止することができる。

また、センサ装置１において、蓋部５０、枠部２０および回路基板４０が導通するように接続されていることで、蓋部５０、枠部２０および回路基板４０によってセンサ部１０に対する電磁シールド効果を得ることができる。ここで導通とは、オーミック接触している状態をいう。蓋部５０および枠部２０の電位は、回路基板４０の基準電位（例えば、駆動電位や接地電位）であってもよい。これにより、蓋部５０および枠部２０が回路基板４０の基準電位に設定され、センサ部１０に対する電磁シールド効果を高めることができる。

（センサ装置の製造方法）
図２（ａ）〜（ｃ）は、センサ装置の製造方法を例示する断面図である。
先ず、図２（ａ）に示すように、回路基板４０を用意する。回路基板４０は、シリコン等の半導体基板にパターン形成された処理回路を含む。

次に、図２（ｂ）に示すように、回路基板４０の上に枠部２０を接続する。枠部２０の内側にはバネ部３０を介してセンサ部１０が接続されている。回路基板４０と枠部２０とは、接着剤や金属間接合を利用した部材によって接続される。金属間接合では、回路基板４０および枠部２０のそれぞれの接合面に下地膜（ＴｉＮやＴａ）を形成しておき、下地膜の上に金属間接合を行う金属を形成して、加熱によってそれぞれを接合する。

金属間接合としては、例えば、Ａｌ−ＧｅやＡｕ−Ｓｕによる共晶接合、Ａｕ−Ａｕによる拡散接合が挙げられる。Ａｌ−Ｇｅによる共晶接合では、接合する部材（回路基板４０および枠部２０）の一方にＡｌまたはＧｅを形成し、他方にＧｅまたはＡｌを形成し、互いを接触させて、例えば４００℃以上の温度に加熱して接合を行う。Ａｕ−Ｓｕによる共晶接合では、接合する部材の一方にＡｕまたはＳｕを形成し、他方にＳｕまたはＡｕを形成し、互いを接触させて、例えば３００℃以上に加熱して接合を行う。また、Ａｕ−Ａｕによる拡散接合では、接合する部材のそれぞれにＡｕを形成し、互いを接触させて、例えば２００℃〜３００℃程度の温度に加熱して接合を行う。

次に、図２（ｃ）に示すように、枠部２０の上に蓋部５０を接続する。枠部２０と蓋部５０とは、接着剤や金属間接合を利用した部材によって接続される。金属間接合は、回路基板４０と枠部２０との金属間接合と同様である。蓋部５０には、予め貫通孔５１と機能膜５５とが設けられている。蓋部５０の製造方法については後述する。

蓋部５０を接続した後は、回路基板４０の裏面にバンプ電極４５を形成する。例えば、下地のＡｌ等にはＡｕやはんだをめっき等によってボール状に形成することでバンプ電極４５が形成される。その後、回路基板４０、枠部２０および蓋部５０をダイシング等によって切断して、個片化されたセンサ装置１が完成する。

図３（ａ）〜（ｃ）は、蓋部の製造方法を例示する断面図である。
先ず、図３（ａ）に示すように、シリコン等の基板５００の裏面５００ｂに、例えばディープＲＩＥ（Reactive Ion. Etching）によって孔５１０を形成する。孔５１０は貫通孔５１となる部分に形成される。ＲＩＥによって孔５１０を形成する際、エッチングガスによって孔５１０の内壁面にフッ化炭素（例えば、Ｃ_４Ｆ_８）成膜される。このフッ化炭素を疎水性の機能膜５５として利用することができる。

次に、図３（ｂ）に示すように、基板５００の表面５００ａを孔５１０の位置まで研磨する。これにより、孔５１０は貫通孔５１となる。

次に、図３（ｃ）に示すように、基板５００の表面５００ａにＲＩＥを施し、洗浄を施す。この際、基板５００の表面５００ａにもフッ化炭素の機能膜５５が形成される。その後、基板５００をダイシング等することで個片化する。これにより蓋部５０が完成する。

（耐水処理）
次に、センサ装置１の耐水処理について説明する。
図４（ａ）および（ｂ）は耐水処理の例を示す断面図である。
図４（ａ）には、キャビティハウジング７０にセンサ装置１を実装した例が示される。キャビティハウジング７０には凹部となるキャビティ７５が設けられる。キャビティハウジング７０は、例えばシリコン基板が用いられ、エッチングを施すことでキャビティ７５が設けられている。センサ装置１は、バンプ電極４５によってキャビティ７５内にはんだ接続されている。バンプ電極４５の周囲にはアンダーフィル７８が設けられる。

キャビティハウジング７０のキャビティ７５内にセンサ装置１を実装した状態で、キャビティハウジング７０の表面、アンダーフィル７８の表面およびセンサ装置１の表面には、フッ素系防水コーティング剤９０が塗布されている。フッ素系防水コーティング剤９０を塗布した後、キャビティハウジング７０はダイシングまたはスナップブレイクによって個片化される。

図４（ｂ）には、平坦な基板８０にフレーム部８５を設けてセンサ装置１を実装した例が示される。
センサ装置１は、平坦な基板８０の所定位置に、バンプ電極４５を介してはんだ接続されている。バンプ電極４５の周囲にはアンダーフィル７８が設けられる。アンダーフィル７８を設けた後に、センサ装置１の周囲にフレーム部８５が接着される。

基板８０にセンサ装置１を実装し、フレーム部８５を接着した状態で、基板８０の表面、フレーム部８５の表面、アンダーフィル７８の表面およびセンサ装置１の表面には、フッ素系防水コーティング剤９０が塗布されている。フッ素系防水コーティング剤９０を塗布した後、基板８０およびフレーム部８５はダイシングされ、個片化される。

図５は、センサ装置の筐体への取り付け状態を例示する断面図である。
センサ装置１は、図４（ａ）および（ｂ）に示すようにキャビティハウジング７０や基板８０上に実装され、各部の表面にはフッ素系防水コーティング剤９０が施されている。この状態で、センサ装置１は筐体１００の孔１０１に合わせて取り付けられる。筐体１００とセンサ装置１との間には例えばＯリング１０５が設けられる。孔１０１から露出するセンサ装置１などはフッ素系防水コーティング剤９０によって覆われているため、高い防水性を有する。また、Ｏリング１０５によって孔１０１から筐体１００の内部に浸水することを抑制している。

このようなフッ素系防水コーティング剤９０が塗布されていることで、耐水性の優れたセンサ装置１を提供することができる。また、蓋部５０の貫通孔５１の内壁面に機能膜５５が形成されていれば、貫通孔５１からキャビティＣ内に浸水することを抑制することができる。

以上説明したように、実施形態によれば、可動薄膜１１が設けられている装置内部に水分が浸入することを抑制することができるセンサ装置１を提供することが可能になる。

なお、上記に本実施形態を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、センサ部１０や可動薄膜１１の平面視の外形は矩形以外であっても適用可能である。また、前述の実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、各実施形態の構成例の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。

１…センサ装置
１０…センサ部
１１…可動薄膜
１５…検出素子
２０…枠部
２５…接合部材
３０…バネ部
４０…回路基板
４５…バンプ電極
５０…蓋部
５１…貫通孔
５５…機能膜
７０…キャビティハウジング
７５…キャビティ
７８…アンダーフィル
８０…基板
８５…フレーム部
９０…フッ素系防水コーティング剤
１００…筐体
１０１…孔
１０５…Ｏリング
５００…基板
５００ａ…表面
５００ｂ…裏面
５１０…孔
Ｃ…キャビティ
Ｇ…ギャップ

Claims (6)

1. 可動薄膜と、前記可動薄膜の変位に応じた信号を出力する検出素子と、を有するセンサ部と、
   前記センサ部の外側を囲むように配置された枠部と、
   前記検出素子から出力される信号を処理する回路を含む回路基板と、
   前記枠部の上に取り付けられ、貫通孔を有する蓋部と、
   を備え、
   前記蓋部における少なくとも前記貫通孔の内面に、前記蓋部の表面よりも疎水性の高い機能膜が設けられたことを特徴とするセンサ装置。
2. 前記機能膜は、前記蓋部の表面から前記貫通孔の内面にかけて設けられた、請求項１記載のセンサ装置。
3. 前記機能膜はフッ化炭素を含む、請求項１または２に記載のセンサ装置。
4. 前記蓋部はシリコンによって形成された、請求項１〜３のいずれか１つに記載のセンサ装置。
5. 前記蓋部、前記枠部および前記回路基板が導通するように接続された、請求項１〜４のいずれか１つに記載のセンサ装置。
6. 前記蓋部および前記枠部の電位は、前記回路基板の基準電位である、請求項５記載のセンサ装置。