JP4206984B2 - 角速度検出装置 - Google Patents

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Description

本発明は、角速度検出素子と回路基板とを複数本のボンディングワイヤを介して電気的に接続してなる角速度検出装置に関する。
従来より、第１の部材と第２の部材とを複数本のボンディングワイヤを介して電気的に接続してなる電子装置としては、たとえば、第１の部材としての角速度検出素子と、第２の部材としての回路基板とを備え、角速度検出素子と回路基板とが複数本のボンディングワイヤにより結線されている角速度検出装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
図３は、従来のこの種の電子装置としての角速度検出装置の概略断面構成を示す図である。
第１の部材である角速度検出素子１００は、半導体基板などからなる基板１０を有しており、この基板１０には、基板１０と水平な面内にて振動可能な図示しない振動体が形成した構成となっている。そして、角速度検出素子１００は、上記振動体の振動に基づいて基板１０と垂直な軸回りの角速度を検出するようになっている。
また、この角速度検出装置は、第２の部材として、角速度検出素子１００からの信号を処理するなどの機能を有する回路基板２００を備えている。ここでは、角速度検出素子１００は、回路基板２００の上に図示しない接着剤などを介して搭載され固定されている。つまり、両部材１００、２００が積層されたスタック構成となっている。
また、この積層された両部材１００、２００は、セラミックなどからなるパッケージ３００に収納固定されている。このパッケージ３００は、図示しない配線を有するものである。
そして、両部材１００、２００間および回路基板２００とパッケージ３００との間は、複数本のボンディングワイヤ７０により結線され、電気的に接続されている。
こうして、角速度検出素子１００に対して、上記振動体を駆動するための交流の高電圧信号すなわち駆動信号が回路基板２００からボンディングワイヤ７０を介して入力されたり、角速度検出素子１００からの微小な検出信号がボンディングワイヤ７０を介して回路基板２００、パッケージ３００へ出力されるようになっている。
特開２００３−２１６４７号公報
しかしながら、上記図３に示されるように、従来の電子装置では、隣接したボンディングワイヤ７０同士が、平行に近い形で接続されている。
そのため、上記した角速度検出装置のように、角速度検出素子１００を駆動するための交流の高電圧すなわち駆動信号と角速度検出素子１００からの微小な検出信号とが、ボンディングワイヤ７０間の寄生容量により干渉し、正常に動作しなかったり、ノイズが大きくなり、精度が悪くなるなどの問題がある。
この問題を解決するために、ボンディングワイヤ７０間の距離を大きくして上記寄生容量を小さくすることが考えられるが、その場合、角速度検出素子のサイズの増大を招くことになり、コストアップなどの問題につながる。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、角速度検出素子と回路基板とを複数本のボンディングワイヤを介して電気的に接続してなる角速度検出装置において、ボンディングワイヤ間の距離を大きくしなくても、ボンディングワイヤ間の寄生容量を低減できるように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に記載の発明によれば、複数本のボンディングワイヤ（７０、７１）のうち、角速度検出素子（１００）を駆動するための交流の駆動信号が流れるボンディングワイヤ（７０）と、角速度検出素子（１００）からの検出信号が流れるボンディングワイヤ（７１）とでは、ワイヤ形状が異なっていることを特徴としている。
従来では、上記図３に示したように、複数本のボンディングワイヤが同一形状であり、複数本のボンディングワイヤのうち隣接あるいは近接するボンディングワイヤ同士が、平行に近い形となっていたため、当該ボンディングワイヤ間の寄生容量が大きいものとなっていた。
それに対して、本発明では、複数本のボンディングワイヤ（７０、７１）のうち、角速度検出素子（１００）を駆動するための交流の駆動信号が流れるボンディングワイヤ（７０）と、角速度検出素子（１００）からの検出信号が流れるボンディングワイヤ（７１）とでワイヤ形状が異なるようにしているため、互いに異なる形状同士のボンディングワイヤ（７０、７１）同士では、ワイヤ間の距離を大きくしなくても、ワイヤ同士の対向する面積を小さくすることができ、寄生容量も低減できる。
そのため、干渉させたくない信号が流れるボンディングワイヤ（７０、７１）同士において、ワイヤ形状を異ならせば、寄生容量による信号の干渉を低減することができ、電子装置の動作や精度などに悪影響を与えることは抑制される。
したがって、本発明によれば、角速度検出素子（１００）と回路基板（２００）とを複数本のボンディングワイヤ（７０、７１）を介して電気的に接続してなる電子装置において、ボンディングワイヤ（７０、７１）間の距離を大きくしなくても、ボンディングワイヤ（７０、７１）間の寄生容量を低減することができる。
ここで、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の角速度検出装置において、ワイヤ形状の異なるボンディングワイヤ（７０、７１）同士は、第１の部材（１００）および第２の部材（２００）に対して、１次ボンディングと２次ボンディングとの順序を逆にしたものであることを特徴としている。
ボンディングワイヤ（７０、７１）同士のワイヤ形状を異ならせる方法としては、このような手法を採用することができる。
また、請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の角速度検出装置において、角速度検出素子（１００）が、回路基板（２００）上に接着剤を介して積層されており、角速度検出素子（１００）の基板（１０）の上面と回路基板（２００）とが複数本のボンディングワイヤ（７０、７１）により結線されていることを特徴としている。
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を示す一例である。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。
本実施形態では、第１の部材と第２の部材とを複数本のボンディングワイヤを介して電気的に接続してなる電子装置として、第１の部材を角速度検出素子１００、第２の部材を回路基板２００とした角速度検出装置を実現するものである。
図１は、本発明の実施形態に係る角速度検出装置Ｓ１の概略断面構成を示す図であり、図２は、図１に示される角速度検出装置Ｓ１における角速度検出素子１００の概略平面構成を示す図であり、同角速度検出素子１００を構成する基板１０の上面からみた概略平面図である。
本実施形態の角速度検出装置Ｓ１は、大きくは、図１に示されるように、角速度検出素子１００と回路基板２００とこれらを収納するパッケージ３００とを備え、パッケージ３００に回路基板２００を固定し、その上に接着剤などを介して角速度検出素子１００が積層された構造体として構成されている。
まず、第１の部材である角速度検出素子１００について、主として図２を参照して説明する。角速度検出素子１００は、半導体基板などの基板１０を有し、この基板１０に対して周知のマイクロマシン加工を施すことにより形成される。
たとえば、基板１０としては、第１の半導体層としての第１シリコン層上に絶縁層としての酸化膜を介して第２の半導体層としての第２シリコン層を貼り合わせてなる矩形状のＳＯＩ（シリコン−オン−インシュレータ）基板を採用することができる。
そして、この基板１０の表層、たとえばＳＯＩ基板における第２シリコン層に対して、トレンチエッチングおよびリリースエッチングなどを施すことにより、図２に示されるように、溝で区画された梁構造体２０〜６０が形成されている。
この梁構造体２０〜６０は、大きくは、振動体２０と各梁部２３、４０と各電極５０、６０とから構成されている。
振動体２０は、基板１０と水平な面内すなわち図２中の紙面内にて振動可能なように基板１０の中央部に形成されている。本例では、振動体２０は、中央部に位置する略矩形状の第１の振動部２１と、この第１の振動部２１の外周に位置する矩形枠状の第２の振動部２２と、これら第１および第２の振動部２１、２２を連結する駆動梁部２３とから構成されている。
この振動体２０は、基板１０の周辺部に設けられたアンカー部３０に対して検出梁部４０を介して連結されている。ここで、アンカー部３０は、基板１０のうち当該梁構造体２０が形成されている表層の下部すなわち支持基板部に固定され支持されているものであり、振動体２０は、当該支持基板部から浮遊している。
ここで、図２に示されるように、駆動梁部２３は、たとえばｙ方向に延びる形状をなすものとすることで実質的にｘ方向のみに弾性変形可能なものであり、検出梁部４０は、たとえばｘ方向に延びる形状をなすものとすることで実質的にｙ方向のみに弾性変形可能なものである。
そして、駆動梁２３によって振動体２０のうち第１の振動体部が、基板１０と水平面内においてｘ方向（駆動振動方向）へ振動可能となっている。一方、検出梁部４０によって振動体２０全体が、基板１０と水平面内においてｙ方向（検出振動方向）へ振動可能となっている。
また、第１の振動部２１と第２の振動部２２との間には、第１の振動部２１をｘ方向に駆動振動させるための駆動電極５０が設けられている。この駆動電極５０は、アンカー部３０と同様に上記支持基板部に固定されている。そして、駆動電極５０は、第１の振動部２１から突出する櫛歯部（駆動用櫛歯部）２１ａに対し、互いの櫛歯が噛み合うように対向して配置されている。
また、第２の振動部２２の外周には、検出電極６０が設けられている。この検出電極６０は、振動体２０の振動に基づいて基板１０と垂直なｚ軸回りの角速度を検出するためのもので、アンカー部３０と同様に上記支持基板部に固定されている。そして、検出電極６０は、第２の振動部２２から突出する櫛歯部（検出用櫛歯部）２２ａに対し、互いの櫛歯が噛み合うように対向して配置されている。
また、本角速度検出素子１００においては、基板１０の上面の適所に、上記振動体２０、駆動電極５０および検出電極６０などに電圧を印加したり、信号を取り出したりするための図示しないパッドが設けられている。
本実施形態では、図１に示されるように、このパッドは基板１０の周辺部に設けられており、そして、このパッドには、Ａｕ（金）やＡｌ（アルミニウム）などのボンディングワイヤ７０、７１が接続されるようになっている。
それにより、角速度検出素子１００の基板１０の上面と回路基板２００とがボンディングワイヤ７０、７１により結線され電気的に接続される。このボンディングワイヤ７０、７１は、通常のワイヤボンディング手法により形成できるものである。
この回路基板２００は、たとえばシリコン基板等に対してＭＯＳトランジスタやバイポーラトランジスタ等が、周知の半導体プロセスを用いて形成されているものとして構成されている。
そして、回路基板２００は、角速度検出素子１００へ振動体２０を駆動するための交流の高電圧信号すなわち駆動信号を送ったり、角速度検出素子１００からの微小な検出信号を処理してパッケージ３００を介して外部へ出力する等の機能を有する信号処理チップとして構成されている。
図１に示されるように、この回路基板２００は、パッケージ３００内に図示しない接着部材などを介して固定されている。
ここで、パッケージ３００は、内部もしくは表面などに図示しない配線を有するもので、回路基板２００とパッケージ３００の上記配線とが、ボンディングワイヤ７０、７１により結線され電気的に接続されている。そして、回路基板２００からの出力信号はボンディングワイヤ７０、７１を介してパッケージ３００の配線から外部へ送られるようになっている。
このパッケージ３００は、たとえばアルミナなどのセラミック層が複数積層された積層基板として構成することができる。このような積層基板は、各層の間に上記配線が形成され、スルーホールなどにより各配線が導通されているものである。また、図１に示されるように、パッケージ３００の開口部には蓋３１０が取り付けられ、パッケージ３００の内部を封止している。
ここで、図１に示されるように、本実施形態においては、角速度検出素子１００と回路基板２００との間、および回路基板２００とパッケージ３００との間を結線する複数本のボンディングワイヤ７０、７１のうち少なくとも一部が、残りのボンディングワイヤとはワイヤ形状が異なっている。
図１に示される例では、ワイヤ形状の異なるボンディングワイヤ７０、７１同士は、第１の部材である角速度検出素子１００および第２の部材である回路基板２００に対して、１次ボンディングと２次ボンディングとの順序を逆にしたものである。
また、図１では、第１の部材を回路基板２００、第２の部材をパッケージ３００とした場合において、これら回路基板２００およびパッケージ３００に対して、１次ボンディングと２次ボンディングとの順序を逆にしたボンディングワイヤ７０、７１同士も、本発明でいうボンディングワイヤに相当する。
なお、ここでは、ボンディングワイヤ７０、７１としては、１次ボンディングと２次ボンディングとの順序を逆にした２種類の異なる形状を採用しているが、たとえば、ボンディングワイヤのループ高さや、ループ形状を変えるなどにより、さらに多種類のワイヤ形状を実現してもかまわない。
また、複数本のボンディングワイヤ７０、７１のすべてが異なるワイヤ形状であってもかまわない。
本実施形態では、ボンディングワイヤ７０、７１を流れる信号は、角速度検出素子１００を駆動するための交流の高電圧すなわち駆動信号、角速度検出素子１００からの微小な検出信号などであるが、たとえば、駆動信号と検出信号とは、できるだけ干渉させたくない信号同士である。
そのため、たとえば、駆動信号が流れるボンディングワイヤ７０と検出信号が流れるボンディングワイヤ７１とのワイヤ形状を異ならせている。
このような本実施形態の角速度検出装置Ｓ１は、たとえば、パッケージ３００に回路基板２００を固定するとともに、回路基板２００の上に接着剤などを配置してその上に角速度検出素子１００を接着した後、ワイヤボンディングを行い、さらに、蓋部３１０を取り付けることにより製造することができる。
かかる角速度検出装置Ｓ１においては、回路基板２００からボンディングワイヤ７０を介して角速度検出素子１００の駆動電極５０に駆動信号（正弦波電圧等）を印加して、上記第１の振動部２１の櫛歯部２１ａと駆動電極５０との間に静電気力を発生させる。それにより、駆動梁部２３の弾性力によって第１の振動部２１がｘ方向へ駆動振動する。
この第１の振動部２１の駆動振動のもと、ｚ軸回りに角速度Ωが印加されると、第１の振動部２１にはｙ方向にコリオリ力が印加され、振動体２０全体が、検出梁部４０の弾性力によってｙ方向へ検出振動する。
すると、この検出振動によって、検出電極６０と検出用櫛歯部２２ａの櫛歯間の容量が変化するため、この容量変化を検出信号としてボンディングワイヤ７１を介して回路基板２００へと検出することにより、角速度Ωの大きさを求めることができる。
具体的には、図２において、振動体２０がｙ軸方向に沿って一方向へ変位したとき、図２における左右の検出電極６０において、左側の検出電極６０と右側の検出電極６０とでは、容量変化は互いに逆になるようになっている。そのため、左右の検出電極６０におけるそれぞれの容量変化を電圧に変換し、両電圧値を差動・増幅して出力することで、角速度が求められる。
ところで、本実施形態によれば、第１の部材１００と第２の部材２００とを複数本のボンディングワイヤ７０、７１を介して電気的に接続してなる電子装置において、複数本のボンディングワイヤ７０、７１のうち少なくとも一部が、残りのボンディングワイヤとはワイヤ形状が異なっていることを特徴とする電子装置Ｓ１が提供される。
特に、本実施形態では、第１の部材と第２の部材とを複数本のボンディングワイヤを介して電気的に接続してなる電子装置として、第１の部材を角速度検出素子１００、第２の部材を回路基板２００とした角速度検出装置Ｓ１を実現するものである。
つまり、本実施形態では、基板１０、および、基板１０に設けられ基板１０と水平な面内にて振動可能な振動体２０を有し、振動体２０の振動に基づいて基板１０と垂直な軸回りの角速度を検出するようにした角速度検出素子１００と、回路基板２００とを備え、角速度検出素子１００と回路基板２００とが複数本のボンディングワイヤ７０、７１により結線されている角速度検出装置において、複数本のボンディングワイヤ７０、７１のうち少なくとも一部が、残りのボンディングワイヤとはワイヤ形状が異なっていることを特徴とする角速度検出装置Ｓ１が提供される。
従来では、上記図３に示したように、複数本のボンディングワイヤ７０が同一形状であり、複数本のボンディングワイヤ７０のうち隣接あるいは近接するボンディングワイヤ７０同士が、平行に近い形となっていた。
これは、従来では、たとえば角速度検出素子１００と回路基板２００との間のワイヤボンディングにおいて、角速度検出素子１００側を１次ボンディング、回路基板２００側を２次ボンディングとしていたためである。そのため、従来では、当該ボンディングワイヤ７０間の寄生容量が大きいものとなっていた。
それに対して、本実施形態の角速度検出装置Ｓ１では、複数本のボンディングワイヤ７０、７１のうち少なくとも一部を、残りのボンディングワイヤとはワイヤ形状が異なるようにしているため、互いに異なる形状同士のボンディングワイヤ７０、７１同士では、ワイヤ間の距離を大きくしなくても、ワイヤ同士の対向する面積を小さくすることができ、寄生容量も低減できる。
そのため、干渉させたくない信号が流れるボンディングワイヤ７０、７１同士において、ワイヤ形状を異ならせることで、寄生容量による信号の干渉を低減することができ、角速度検出装置Ｓ１の動作や精度などに悪影響を与えることは抑制される。つまり、角速度検出装置Ｓ１において、誤動作を防いだり、Ｓ／Ｎ比を向上することができ、製品性能向上させることができる。
したがって、本実施形態によれば、第１の部材１００と第２の部材２００とを複数本のボンディングワイヤ７０、７１を介して電気的に接続してなる電子装置において、ボンディングワイヤ７０、７１間の距離を大きくしなくても、ボンディングワイヤ７０、７１間の寄生容量を低減することができる。
ここで、上記図１に示される例では、角速度検出装置Ｓ１において、ワイヤ形状の異なるボンディングワイヤ７０、７１同士は、第１の部材である角速度検出素子１００および第２の部材である回路基板２００に対して、１次ボンディングと２次ボンディングとの順序を逆にしたものとしている。
具体的に、図１に示されるように、角速度検出素子１００側から急峻に立ち上がり回路基板２００側へなだらかに下がっている形状を有するボンディングワイヤ７０は、角速度検出素子１００側を１次ボンディング、回路基板２００側を２次ボンディングとしたものである。
一方、角速度検出素子１００側からなだらかに立ち上がり回路基板２００側へ急峻に下がっている形状を有するボンディングワイヤ７１は、回路基板２００側を１次ボンディング、角速度検出素子１００側を２次ボンディングとしたものである。
ボンディングワイヤ７０、７１同士のワイヤ形状を異ならせる方法としては、このような手法を採用することができる。しかしながら、上述したように、ボンディングワイヤのループ高さや、ループ形状を変えるなどにより、さらに多種類のワイヤ形状を実現してもかまわない。
（他の実施形態）
なお、角速度検出素子は、基板、および、基板に設けられ基板と水平な面内にて振動可能な振動体を有し、振動体の振動に基づいて基板と垂直な軸回りの角速度を検出するようにしたものであればよく、上記実施形態に示されるような角速度検出素子１００に限定されるものではない。
また、角速度検出装置としては、上記したパッケージ３００を持たないものであってもよい。つまり、角速度検出素子１００と回路基板２００とが積層された積層体がパッケージ内に収納されていなくてもよい。たとえば、当該積層体をプリント配線基板やセラミック配線基板などに搭載し、ワイヤボンディングなどによる電気的接続を行った構成としてもよい。
さらに、回路基板２００上に積層されるセンサ素子としては、加速度検出素子、圧力検出素子、温度検出素子、湿度検出素子、光検出素子など、各種のセンサ素子を採用することができる。また、回路基板とこれらセンサ素子とは、積層されていなくてもよく、面配置となっていてもよい。
本発明の実施形態に係る角速度検出装置の概略断面図である。 図１に示される角速度検出装置における角速度検出素子の概略平面図である。 従来の電子装置としての角速度検出装置の概略断面図である。
符号の説明
１０…角速度検出素子の基板、２０…角速度検出素子の振動体、
７０、７１…ボンディングワイヤ、１００…第１の部材としての角速度検出素子、
２００…第２の部材としての回路基板。

Claims (3)

  1. 基板（１０）、および、前記基板（１０）に設けられ前記基板（１０）と水平な面内にて振動可能な振動体（２０）を有し、前記振動体（２０）の振動に基づいて前記基板（１０）と垂直な軸回りの角速度を検出するようにした角速度検出素子（１００）と、
    回路基板（２００）とを備え、
    前記角速度検出素子（１００）と前記回路基板（２００）とが複数本のボンディングワイヤ（７０、７１）により結線されている角速度検出装置において、
    前記複数本のボンディングワイヤ（７０、７１）のうち、前記角速度検出素子（１００）を駆動するための交流の駆動信号が流れるボンディングワイヤ（７０）と、前記角速度検出素子（１００）からの検出信号が流れるボンディングワイヤ（７１）とでは、ワイヤ形状が異なっていることを特徴とする角速度検出装置。
  2. 前記ワイヤ形状の異なるボンディングワイヤ（７０、７１）同士は、前記角速度検出素子（１００）および前記回路基板（２００）に対して、１次ボンディングと２次ボンディングとの順序を逆にしたものであることを特徴とする請求項１に記載の角速度検出装置。
  3. 前記角速度検出素子（１００）が、前記回路基板（２００）上に接着剤を介して積層されており、
    前記角速度検出素子（１００）の前記基板（１０）の上面と前記回路基板（２００）とが前記複数本のボンディングワイヤ（７０、７１）により結線されていることを特徴とする請求項１または２に記載の角速度検出装置。
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