JP5194510B2 - センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ジャイロセンサ、赤外線センサや加速度センサなどのセンサ装置に関する。

従来から、マイクロマシンニング技術を利用して形成されたセンサ装置の一例として、ジャイロセンサや加速度センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

上記特許文献１に記載されているジャイロセンサは、支持基板と、ジャイロセンサの構成要素（４つの固定子、２つの接地片、１つの電極片、駆動質量体と２つの駆動ばねと検出質量体と２つの検出ばねと連結片と固定片とが一体に形成された１つの構造体）と、当該構成要素が内側に配置される矩形枠状のフレーム部と、フレーム部を挟んで支持基板に対向配置されフレームの一表面側に接合された封止基板とを備える。
特開平２００６−２３１５０６号公報

ところで、特許文献１においては、センサ特性を高めるために、真空雰囲気内で封止基板を接合して、センサ装置内部を真空にし、ジャイロセンサの構成要素を、真空雰囲気内に配置している。しかし、実際には、封止基板を接合する際に、センサ装置内部の真空度を十分に確保できなかったために、センサ特性が低くなってしまったり、センサ装置内部の気密性が十分でないために、センサ装置内部に大気成分が進入して、センサ装置内部の金属が劣化し、電気抵抗が上昇することなどにより、センサ特性が劣化したりし、センサの信頼性を十分に得られないという問題があった。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、センサ装置内部（密封空間）の真空度を測定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に、請求項１に記載のセンサ装置は、センサ基板と、センサ基板の一表面側に形成された温度検知部と、センサ基板の上記一表面側に封着された封止基板と、温度検知部とセンサ基板とを熱絶縁する断熱部と、を有し、センサ基板と封止基板とで形成され真空となるように密封された密封空間を備え、密封空間に、温度検知部と断熱部とを含むセンサ部および密封空間の真空度を測定する真空計が設けられており、真空計がピラニゲージであり、センサ部が赤外線センサであり、真空計は、温度検知部に対して、温度検知部の厚み方向に略直交する方向の延長上に配置されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、上記請求項１に記載のセンサ装置において、密封空間が複数の基板を接合することにより形成され、接合に常温接合が用いられていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、上記請求項１または２に記載のセンサ装置において、密封空間が真空雰囲気内で形成されることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、上記請求項１〜３のいずれか１項に記載のセンサ装置において、真空計の測定結果に基づいた密封空間の真空度に応じてセンサ部の検出値を補正する電気回路をさらに備えることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、上記請求項１〜４のいずれか１項に記載のセンサ装置において、センサ部からの電気信号を処理する集積回路をさらに備えることを特徴とする。

請求項６に記載のセンサ装置は、支持基板と、支持基板上に載置され温度検知部および温度検知部と支持基板とを熱絶縁する断熱部を含むセンサ部と、センサ部を収納する封止基板と、を有し、支持基板と封止基板とで形成され真空となるように密封された密封空間を備え、密封空間に、センサ部および密封空間の真空度を測定する真空計が設けられており、真空計がピラニゲージであり、センサ部が赤外線センサであり、真空計は、温度検知部に対して、温度検知部の厚み方向に略直交する方向の延長上に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、センサ装置内部（密封空間）に真空計が設けられており、真空計がセンサ装置内部の真空度を測定し、一定時間経過後に再び測定したときに、真空度が大きく低下していれば、そのセンサ装置は信頼性が低いと判断することができるので、そのセンサ装置を除外することができる。

また、本発明によれば、真空計の測定結果に基づいたセンサ装置内部の真空度に応じて、センサ部の検出値の補正を行うことができるので、信頼性の高いセンサ装置とすることができる。

（実施形態１）
以下、本実施形態のセンサ装置について図１〜図６を参照しながら説明する。

本実施形態のセンサ装置は、ジャイロセンサであり、第１の半導体基板を用いて形成されたセンサ基板１と、第２の半導体基板を用いて形成されセンサ基板１の一表面側（図１の上面側）に封着された封止基板２と、第３の半導体基板を用いて形成されセンサ基板１の他表面側（図１の下面側）に封着された支持基板３と、を備えている。ここで、センサ基板１、封止基板２および支持基板３の外周形状は、矩形状であり、封止基板２および支持基板３は、センサ基板１と同じ外形寸法に形成されている。本実施形態では、第１の半導体基板として抵抗率が０．２Ωｃｍのシリコン基板を用い、第２の半導体基板および第３の半導体基板として抵抗率が２０Ωｃｍのシリコン基板を用いているが、各シリコン基板の抵抗率の値は、一例であって、特に限定するものではない。なお、封止基板２または支持基板３は、ガラスにより形成することもできる。また、本実施形態では、センサ基板１がジャイロセンサを構成している。

センサ基板１においては、平面視で外周形状が矩形状である駆動質量体１１および検出質量体１２が当該センサ基板１の上記一表面に沿って並設されるとともに、駆動質量体１１および検出質量体１２の周囲を囲む枠状（本実施形態では、矩形枠状）のフレーム部１０が形成されている。なお、本実施形態では、図１〜図６の各図の右下に示した直交座標系のように、駆動質量体１１と検出質量体１２とが並ぶ方向をｙ軸方向、センサ基板１の上記一表面に沿う面内でｙ軸方向に直交する方向をｘ軸方向、ｘ軸方向とｙ軸方向とに直交する方向（つまり、センサ基板１の厚み方向）をｚ軸方向として説明する。

上述のセンサ基板１においては、駆動質量体１１と検出質量体１２とが、ｘ軸方向に延長された一対の駆動ばね１３を介して連続一体に連結されている。すなわち、センサ基板１においては、ｘ軸方向において検出質量体１２の全長よりもやや短いスリット溝１４ａと、駆動質量体１１におけるｘ軸方向の各側縁にそれぞれ一端が開放されｘ軸方向の一直線上に並ぶ２本のスリット溝１４ｂとが形成され、スリット溝１４ａと各スリット溝１４ｂとの間にそれぞれ駆動ばね１３が形成されている。ここで、各駆動ばね１３の一端部は、スリット溝１４ａの各一端と検出質量体１２の側縁との間に連続し、各駆動ばね１３の他端部は、２本のスリット溝１４ｂの間の部位において駆動質量体１１にそれぞれ連続している。駆動ばね１３は、ねじれ変形が可能なトーションばねであって、駆動質量体１１は、検出質量体１２に対して駆動ばね１３の回りで変位可能になっている。つまり、駆動質量体１１は、検出質量体１２に対してｚ軸方向の並進とｘ軸方向の軸回りの回転とが可能となっている。また、センサ基板１においては、駆動ばね１３にトーションばねを用いているから、当該センサ基板１の厚み方向における駆動ばね１３の寸法を小さくする必要がなく、駆動ばね１３を形成する際の加工が容易である。

センサ基板１の検出質量体１２におけるｘ軸方向の各側縁にはｙ軸方向に延長された検出ばね１５の一端部がそれぞれ連続し、両検出ばね１５の他端部同士は、ｘ軸方向に延長された連結片１６を介して、連続一体に連結されている。すなわち、一対の検出ばね１５と連結片１６とにより平面視コ字状の部材が形成されている。ただし、連結片１６は、駆動ばね１３および検出ばね１５に比較して十分に剛性が高くなるように設計されている。連結片１６の長手方向の中間部には、固定片１７が突設され、固定片１７は、支持基板３に接合され、定位置に固定されている。駆動質量体１１および検出質量体１２と検出ばね１５および連結片１６との間は、コ字状のスリット溝１４ｃにより分離されており、スリット溝１４ｂの一端は、スリット溝１４ｃに連続している。検出ばね１５は、ｘ軸方向に曲げ変形が可能であって、駆動質量体１１および検出質量体１２は、固定片１７に対して、ｘ軸方向に変位可能になっている。

ところで、センサ基板１においては、検出質量体１２に、厚み方向に貫通する４個の切抜孔１８が形成されており、各切抜孔１８それぞれの内側に固定子２０が配置されている。固定子２０は、検出質量体１２のｘ軸方向の両端付近に配置される電極片２１と、電極片２１からｘ軸方向に延長された櫛骨片２２とを有し、電極片２１と櫛骨片２２とでＬ字状の形状をなしている。電極片２１と櫛骨片２２とは、支持基板３に接合され、固定子２０は、定位置に固定されている。切抜孔１８の内側面は、固定子２０の外周面の形状に沿った形状であって、固定子２０との間には、間隙が形成されている。検出質量体１２のｘ軸方向の両端部には、２個ずつの電極片２１が配置されている。図４に示すように、櫛骨片２２の幅方向の両端面には、それぞれ多数本の固定櫛歯片２３がｘ軸方向に列設されている。一方、切抜孔１８の内側面であって、櫛骨片２２との対向面には、図４に示すように、固定櫛歯片２３にそれぞれ対向する多数本の可動櫛歯片２４がｘ軸方向に列設されている。各固定櫛歯片２３と各可動櫛歯片２４とは、互いに離間しており、検出質量体１２がｘ軸方向に変位する際の固定櫛歯片２３と可動櫛歯片２４との距離変化に伴う静電容量の変化を検出できるようにしてある。すなわち、固定櫛歯片２３と可動櫛歯片２４とにより検出質量体１２の変位を検出する検出手段が構成されている。本実施形態では、駆動質量体１１と駆動ばね１３と検出質量体１２と検出ばね１５と連結片１６とでフレーム部１０の内側に配置される可動部を構成しており、固定櫛歯片２３と検出質量体１２に設けられた可動櫛歯片２４とでセンサ部を構成している。要するに、フレーム部１０の内側に配置される可動部にセンサ部の一部が設けられている。

センサ基板１は、フレーム部１０、固定片１７および固定子２０が支持基板３に接合されることで支持基板３に連結されている。これらに対し、駆動質量体１１および検出質量体１２は、ｚ軸方向に変位可能でなければならないから、図１に示すように、駆動質量体１１および検出質量体１２それぞれにおける支持基板３との対向面を支持基板３から後退させる（センサ基板１の厚み方向における駆動質量体１１および検出質量体１２それぞれの厚さをフレーム部１０に比べて薄くする）ことにより、駆動質量体１１および検出質量体１２と支持基板３との間に間隙を確保している。なお、本実施形態では、駆動質量体１１と支持基板３との間のギャップ長を１０μｍに設定してあるが、この数値は、一例であって、特に限定するものではない。

また、センサ基板１においては、フレーム部１０において固定片１７の近傍部位に、固定片１７を挟む形で一対の接地片１９が形成されるとともに、一方の接地片１９の近傍に後述の固定駆動電極２５が電気的に接続される電極片２７が形成されており（なお、各接地片１９および電極片２７は、支持基板３に接合されることで、支持基板３に連結されている）、上記一表面側において、固定片１７および各電極片２１および他方の接地片１９および電極片２７それぞれの表面に第１の接続用接合金属層２８が形成されている。ここにおいて、１つの固定片１７、４つの電極片２１、１つの接地片１９、１つの電極片２７は、支持基板３の一表面側において、分離独立して配置されており、封止基板２をフレーム部１０に接合していない状態では、それぞれ電気的に絶縁されている。また、センサ基板１の上記一表面側において、フレーム部１０上には第１の封止用接合金属層２６が全周に亘って形成されている。ここで、第１の接続用接合金属層２８および第１の封止用接合金属層２６は、Ｔｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成されている。要するに、第１の封止用接合金属層２６と第１の接続用接合金属層２８とは同一の金属材料により形成されているので、第１の封止用接合金属層２６と第１の接続用接合金属層２８とを同時に形成することができるとともに、第１の封止用接合金属層２６と第１の接続用接合金属層２８とを同じ厚さに形成することができる。なお、第１の封止用接合金属層２６および第１の接続用接合金属層２８は、Ｔｉ膜の膜厚を１５〜５０ｎｍ、Ａｕ膜の膜厚を５００ｎｍに設定してあるが、これらの数値は、一例であって、特に限定するものではない。ここにおいて、各Ａｕ膜の材料は、純金に限らず不純物を添加したものでもよい。

封止基板２においては、センサ基板１側（図１における下面側）に、駆動質量体１１および検出質量体１２の変位空間を確保する変位空間形成用凹部２９が形成されるとともに、厚み方向に貫通する複数の貫通孔３２が形成されており、厚み方向の両面および貫通孔３２の内面とに跨って熱絶縁膜（シリコン酸化膜）からなる絶縁膜３３が形成され、貫通孔配線３４と貫通孔３２の内面との間に絶縁膜３３の一部が介在している。ここにおいて、貫通孔配線３４の材料としては、Ｃｕを採用しているが、Ｃｕに限らず、例えば、Ｎｉなどを採用してもよい。

また、封止基板２においては、変位空間形成用凹部２９の内底面において、駆動質量体１１との対向面には、上記絶縁膜３３の一部を介して、Ｔｉ膜とＡｕ膜との積層膜からなる上述の固定駆動電極２５（図１および図６参照）が形成されている。なお、本実施形態では、駆動質量体１１と固定駆動電極２５との間のギャップ長を１０μｍに設定してあるが、この数値は、一例であって、特に限定するものではない。

また、封止基板２においては、センサ基板１側の表面に、各貫通孔配線３４それぞれと電気的に接続された複数の第２の接続用接合金属層３８が形成されている。また、封止基板２においては、センサ基板１側の表面の周部の全周に亘って枠状（矩形枠状）の第２の封止用接合金属層３６が形成されている。ここにおいて、第２の接続用接合金属層３８は、センサ基板１の第１の接続用接合金属層２８と接合されて電気的に接続されるように配置してあり、第２の封止用接合金属層３６は、センサ基板１の第１の封止用接合金属層２６と接合されるように配置してある。また、第２の封止用接合金属層３６および第２の接続用接合金属層３８は、絶縁膜３３上に形成されたＴｉ膜と当該Ｔｉ膜上に形成されたＡｕ膜との積層膜により構成されている。要するに、第２の封止用接合金属層３６と第２の接続用接合金属層３８とは同一の金属材料により形成されているので、第２の封止用接合金属層３６と第２の接続用接合金属層３８とを同時に形成することができるとともに、第２の封止用接合金属層３６と第２の接続用接合金属層３８とを同じ厚さに形成することができる。なお、第２の封止用接合金属層３６および第２の接続用接合金属層３８は、Ｔｉ膜の膜厚を１５〜５０ｎｍ、Ａｕ膜の膜厚を５００ｎｍに設定してあるが、これらの数値は、一例であって、特に限定するものではない。ここで、各Ａｕ膜の材料は、純金に限らず、不純物を添加したものでもよい。また、本実施形態では、各Ａｕ膜と絶縁膜３３との間に、密着性改善用の密着層として、Ｔｉ膜を介在させてあるが、密着層の材料は、Ｔｉに限らず、例えば、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒ、ＴｉＮ、ＴａＮなどでもよい。

また、封止基板２におけるセンサ基板１側とは反対側の表面には、各貫通孔配線３４それぞれと電気的に接続された複数の外部接続用電極３５が形成されている。なお、各外部接続用電極３５の外周形状は、矩形状となっている。また、各外部接続用電極３５は、Ｔｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成されている。

ところで、センサ装置は、センサ特性を向上させるために、その内部（密封空間Ｓ）が真空であることが好ましく、真空雰囲気内で封止される。センサ装置内部の圧力は、１Ｐａ以下であることが好ましく、センサの仕様により適宜選択される。そこで、封止基板２のセンサ基板１側に、センサ装置内部の真空度を測定する真空計３０が設けられている。本実施形態では、真空計３０として、ピラニゲージを採用したが、これに限定はされず、センサ装置の構造やセンサ装置内部の真空度に応じて、適宜選択される。真空計３０の測定結果は、センサと同様に貫通孔配線３４に接続された外部接続用電極３５より電流値または電圧値として検出される。ここで、真空計３０がセンサ装置内部の真空度を測定し、一定時間経過後に再び測定したときに、真空度が大きく低下していれば、そのセンサ装置は信頼性が低いと判断できる。なお、本実施形態では、真空計３０は、封止基板２に設けられているが、センサ基板１または支持基板３のセンサ基板１側に設けられてもよく、真空計３０の設置基板は、センサ基板１の構造、封止基板２の構造、支持基板３の構造やそれらの製造工程に応じて、適宜選択される。

一方、支持基板３は、厚み方向の両面に熱絶縁膜（シリコン酸化膜）からなる絶縁膜４１，４２が形成されている。

また、センサ装置の外部には、センサの駆動を行う電気回路、信号処理回路および真空計３０の測定結果に基づいたセンサ装置内部の真空度に応じて、センサ部の検出値の補正を行う電気回路などが設けられている。

ところで、本実施形態のジャイロセンサにおけるセンサ基板１と封止基板２とにおいては、第１の封止用接合金属層２６と第２の封止用接合金属層３６とが接合される（封止基板２は、センサ基板１のフレーム部１０の全周に亘って、周部が封着される）とともに、第１の接続用接合金属層２８と第２の接続用接合金属層３８とが接合されて電気的に接続され、センサ基板１と支持基板３とにおいては、互いの対向面の周部同士が接合されている（支持基板３は、センサ基板１のフレーム部１０の全周に亘って、周部が封着されている）。したがって、センサ基板１の複数の第１の接続用接合金属層２８は、それぞれ、第２の接続用接合金属層３８および貫通孔配線３４を介して外部接続用電極３５と電気的に接続されている。ここで、封止基板２においては、固定駆動電極２５から変位空間形成用凹部２９の周部まで延長された配線部２５ａ（図６参照）が、センサ基板１の電極片２７上の第１の接続用接合金属層２８に接合される第２の接続用接合金属層３８と連続一体となっている。

また、本実施形態のジャイロセンサにおいて、センサ基板１と封止基板２および支持基板３との接合方法として、センサ基板１の残留応力を少なくするために、より低温での直接接合が可能な常温接合法を採用している。常温接合法では、接合前に、互いの接合表面へアルゴンのプラズマ若しくはイオンビーム若しくは原子ビームを真空中で照射して各接合表面の清浄化・活性化を行ってから、真空中で接合表面同士を接触させ、常温下で直接接合する。本実施形態では、上述の常温接合法により、真空中において常温下で適宜の荷重を印加して、第１の封止用接合金属層２６と第２の封止用接合金属層３６とを直接接合するのと同時に、第１の接続用接合金属層２８と第２の接続用接合金属層３８とを直接接合しており、また、上述の常温接合法により、真空中において常温下でセンサ基板１のフレーム部１０と支持基板３の周部とを直接接合している。要するに、本実施形態のジャイロセンサでは、センサ基板１と封止基板２とがＡｕ−Ａｕの組み合わせの常温接合により接合され、センサ基板１と支持基板３とがＳｉ−ＳｉＯ₂の組み合わせの常温接合により接合されている。なお、上記接合には、接合する基板間に金属を介在させる共晶接合法を用いることもできる。共晶接合法を用いれば、接合表面の粗さを介在物である金属で吸収することができるため、接合部の形状に関する制限が少なくなる。また、支持基板３にガラスを用いた場合には、陽極接合法を用いることにより、ガラスからなる支持基板３とシリコンからなるセンサ基板１とを接合してもよい。

なお、本実施形態におけるセンサ装置では、センサ基板１と封止基板２と支持基板３とを積層しているが、例えば、支持基板３にジャイロセンサの構成要素を載置し、封止基板２を、凹所が形成され、当該凹所内にジャイロセンサの構成要素を収納する封止基板とし、封止基板２を当該ジャイロセンサの構成要素が気密封止されるように支持基板３に接合してセンサ装置を製造することもできる。支持基板３にジャイロセンサの構成要素を収納する凹所が形成されてもよい。また、センサ基板１を、一表面にジャイロセンサの構成要素およびフレーム部１０が設けられたセンサ基板とし、封止基板２で当該ジャイロセンサの構成要素を気密封止してもよい。この場合、センサ基板１と封止基板２とで密封空間Ｓが形成される。

次に、本実施形態のジャイロセンサの動作について説明する。

本実施形態のジャイロセンサは、駆動質量体１１に規定の振動を与えておき、外力による角速度が作用したときの検出質量体１２の変位を検出するものである。ここにおいて、駆動質量体１１を振動させるには、固定駆動電極２５と駆動質量体１１との間に正弦波形ないし矩形波形の振動電圧を印加すればよい。振動電圧は、交流電圧が望ましいが、極性を反転させることは必須ではない。駆動質量体１１は、駆動ばね１３と検出質量体１２と検出ばね１５と連結片１６とを介して、固定片１７に電気的に接続され、固定片１７の表面には、第１の接続用接合金属層２８が形成されており、また、固定駆動電極２５は、電極片２７上の第１の接続用接合金属層２８に電気的に接続されているから、固定片１７上の第１の接続用接合金属層２８と電極片２７上の第１の接続用接合金属層２８との間に振動電圧を印加すれば、駆動質量体１１と固定駆動電極２５との間に静電力を作用させて駆動質量体１１をｚ軸方向に振動させることができる。振動電圧の周波数は、駆動質量体１１および検出質量体１２の質量や駆動ばね１３および検出ばね１５のばね定数などにより決まる共振周波数に一致させれば、比較的小さい駆動力で大きな振幅を得ることができる。

駆動質量体１１を振動させている状態において、ジャイロセンサにｙ軸方向の軸回りの角速度が作用したときに、ｘ軸方向にコリオリ力が発生し、検出質量体１２（および駆動質量体１１）は、固定子２０に対して、ｘ軸方向に変位する。可動櫛歯片２４が固定櫛歯片２３に対して変位すれば、可動櫛歯片２４と固定櫛歯片２３との距離が変化し、結果的に、可動櫛歯片２４と固定櫛歯片２３との間の静電容量が変化する。この静電容量の変化は、４個の固定子２０に接続された第１の接続用接合金属層２８から取り出すことができるから、上述のジャイロセンサでは、４個の可変容量コンデンサが形成されているとみなすことができ、各可変容量コンデンサの静電容量をそれぞれ検出したり、可変容量コンデンサを並列に接続した合成容量を検出したりすることにより、検出質量体１２の変位を検出することができる。駆動質量体１１の振動は、既知であるから、検出質量体１２の変位を検出することにより、コリオリ力を求めることができる。

ここに、可動櫛歯片２４の変位は、（駆動質量体１１の質量）／（駆動質量体１１の質量＋検出質量体１２の質量）に比例するから、駆動質量体１１の質量が検出質量体１２の質量に比較して大きいほど可動櫛歯片２４の変位が大きくなり、結果的に感度が向上することになる。そこで、本実施形態では、駆動質量体１１の厚み寸法を検出質量体１２の厚み寸法よりも大きくしてある。

また、あらかじめ実験的に、センサ特性を真空度ごとに求め、真空度ごとに、センサ特性を補正する機能を信号処理回路に設けておけば、真空計３０の測定結果を、信号処理回路にフィードバックし、信号処理により、センサ部の検出値の補正を行うことができる。

したがって、センサ装置内部に真空計３０が設けられており、真空計３０がセンサ装置内部の真空度を測定し、一定時間経過後に再び測定したときに、真空度が大きく低下していれば、そのセンサ装置は信頼性が低いと判断することができるので、そのセンサ装置を除外することができる。

さらに、真空計３０の測定結果に基づいたセンサ装置内部の真空度に応じて、センサ部の検出値の補正を行うことができるので、信頼性の高いセンサ装置とすることができる。

そして、センサ基板１が第１の半導体基板を用いて形成され、封止基板２が第２の半導体基板を用いて形成されるとともに、支持基板３が第３の半導体基板を用いて形成されているので、センサ基板１と封止基板２および支持基板３との線膨張率差に起因した熱応力の影響を低減できて、センサ特性の温度依存性を小さくすることができ、しかも、センサ基板１と支持基板３とが支持基板３におけるセンサ基板１との対向面に形成された絶縁膜４１を介して接合されているので、耐電気ノイズ性の低下を抑制できる。また、上記各半導体基板がシリコン基板であり、絶縁膜４１がシリコン酸化膜なので、センサ基板１と封止基板２および支持基板３とを常温接合により接合することができ、センサ特性の温度依存性をより小さくすることができる。

なお、本実施形態のジャイロセンサでは、支持基板３におけるセンサ基板１との対向面に形成された絶縁膜４１を介して、支持基板３とセンサ基板１とを接合しているが、センサ基板１と支持基板３とを、互いの対向面の少なくとも一方に形成された絶縁膜を介して、接合すればよい。また、上述のジャイロセンサでは、製造にあたって、ウェハレベルパッケージ技術を利用することで低コスト化および小型化を図れるが、多数のセンサ基板１それぞれの形成予定領域ごとにセンサ基板１の構成要素の一部を形成したセンサウェハと第２の支持基板３を多数形成したパッケージウェハとを接合した後に、センサ基板１における可動部を他の部位から分離するエッチングなどの工程を行ってから、封止基板２を多数形成したパッケージウェハを接合すればよい。
（実施形態２）
以下、本実施形態のセンサ装置について図７および図８を参照しながら説明する。

本実施形態のセンサ装置であるジャイロセンサの基本構成は、実施形態１と略同じであり、センサ基板１の基礎となる第１の半導体基板として、シリコン基板１ａ上に当該シリコン基板１ａよりも高抵抗率の単結晶のシリコン層１ｂをエピタキシャル成長させた所謂エピ基板を用いており、センサ基板１において、ＣＭＯＳを用いた集積回路（ＣＭＯＳ ＩＣ）であってセンサ部と協働する集積回路４０が形成されている点などが実施形態１と相違する。本実施形態では、シリコン基板１ａの抵抗率を０．２Ωｃｍ、シリコン層１ｂの抵抗率を２０Ωｃｍに設定してあるが、これらの数値は、一例であって、特に限定するものではない。本実施形態では、集積回路４０は、センサ基板１に形成されているが、封止基板２や支持基板３に形成されてもよく、集積回路４０の形成基板は、センサ基板１の構造や集積回路４０の形成工程に応じて、適宜選択される。また、集積回路４０は、センサの駆動を行う電気回路、センサ部の出力信号に対して増幅、オフセット調整、温度補償などの信号処理を行って出力する信号処理回路、信号処理回路において用いるデータを格納したＥＥＰＲＯＭや、真空計３０の測定結果に基づいたセンサ装置内部（密封空間Ｓ）の真空度に応じてセンサ部の検出値の補正を行う電気回路などが集積化されている。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態でのセンサ基板１においては、駆動質量体１１と検出質量体１２との並設方向に沿った方向の外形寸法が実施形態１でのセンサ基板１の駆動質量体１１と検出質量体１２との並設方向に沿った方向の外形寸法よりも長く設定してあって、駆動質量体１１、検出質量体１２などが形成されたセンサ領域部Ｅ１と、集積回路４０が形成されたＩＣ領域部Ｅ２とが当該センサ基板１の上記一表面に沿って並設されており、フレーム部１０が、センサ領域部Ｅ１とＩＣ領域部Ｅ２とを囲むように形成されている。なお、見方を変えれば、本実施形態では、実施形態１におけるセンサ基板１のフレーム部１０の一部の幅寸法を大きくしてあり、フレーム部１０に集積回路４０を形成してある。

ところで、センサ基板１には、上述の集積回路４０がシリコン層１ｂの表面側に形成されており、ＩＣ領域部Ｅ２では、多層配線技術を利用してセンサ基板１における当該ＩＣ領域部Ｅ２の占有面積の縮小化を図っている。このため、センサ基板１のＩＣ領域部Ｅ２では、シリコン層１ｂ上の絶縁膜４５の表面側に、層間絶縁膜やパッシベーション膜などからなる多層構造部４１が形成され、上記パッシベーション膜の適宜部位を除去することにより、複数のパッド４２を露出させてあり、各パッド４２が金属材料（例えば、Ａｕなど）からなる引き出し配線４３を介して、シリコン層１ｂ上の絶縁膜４５上に形成された第３の接続用接合金属層４４と電気的に接続されている。ここで、第３の接続用接合金属層４４は、封止基板２の第２の接続用接合金属層３８と接合されて電気的に接続されている。また、封止基板２には、第２の接続用接合金属層３８とセンサ領域部Ｅ１に形成されている第１の接続用接合金属層２８とを電気的に接続するための金属配線層（図示せず）が形成されており、金属配線層と第１の接続用接合金属層２８とが接合されて電気的に接続されている。また、上述の第１の封止用接合金属層２６は、絶縁膜４５上に形成されている。なお、ジャイロセンサの高感度化の観点からは、上述のシリコン層１ｂのうちセンサ領域部Ｅ１に対応する部位の抵抗率がシリコン基板１ａの抵抗率と略同じになるように不純物をドーピングすることが望ましい。

また、本実施形態では、実施形態１と同様に、第２の半導体基板を用いて形成された封止基板２および第３の半導体基板を用いて形成された支持基板３がセンサ基板１と同じ外形寸法に形成されており、封止基板２においては、実施形態１にて説明した変位空間形成用凹部２９の開口面の投影領域内にセンサ領域部Ｅ１およびＩＣ領域部Ｅ２が収まるように変位空間形成用凹部２９の開口面積を実施形態１における変位空間形成用凹部２９の開口面積に比べて大きくしてあり、ＩＣ領域部Ｅ２の多層構造部４１が変位空間形成用凹部２９内に配置されるようになっている。

以上説明した本実施形態のジャイロセンサでは、実施形態１と同様に、センサ基板１が第１の半導体基板を用いて形成され、封止基板２が第２の半導体基板を用いて形成されるとともに、支持基板３が第３の半導体基板を用いて形成されているので、センサ基板１と封止基板２および支持基板３との線膨張率差に起因した熱応力の影響を低減できて、センサ特性の温度依存性を小さくすることができ、しかも、センサ基板１と支持基板３とが支持基板３におけるセンサ基板１との対向面に形成された絶縁膜４１を介して接合されているので、耐電気ノイズ性の低下を抑制できる。

また、本実施形態のジャイロセンサでは、実施形態１のジャイロセンサと、実施形態１のジャイロセンサのセンサ部と協働する集積回路を形成したＩＣチップとを１つのパッケージに収納したセンサモジュールに比べて小型化および低コスト化を図れ、また、センサ部と集積回路との間の配線長を短くすることができ、センサ特性の向上を図ることができる。
（実施形態３）
以下、本実施形態のセンサ装置について図９〜図１０を参照しながら説明する。

本実施形態のセンサ装置は、赤外線センサであり、センサ基板１０１と、センサ基板１０１の一表面側（図９の上面側）に形成された温度検知部１０２と、センサ基板１０１の上記一表面側に封着された封止基板１０３と、センサ装置内部の真空度を測定する真空計３０と、を備え、センサ基板１０１と封止基板１０３とで密封空間Ｓが形成されている。ここで、センサ基板１０１および封止基板１０３の外周形状は、矩形状であり、封止基板１０３は、センサ基板１０１と同じ外形寸法に形成されている。

センサ基板１０１は、シリコン基板上に絶縁体層を積層し、半導体技術を使用することにより形成される。これにより、センサ基板１０１は、凹部が形成されたシリコン基板と、当該凹部内底面から離間して配置される断熱部１０４およびシリコン基板の周部上に形成された絶縁体１０５を含む絶縁体層と、を有する。このようにして、センサ基板１０１には、フレーム部１０６が形成される。また、断熱部１０４は、温度検知部１０２とセンサ基板１０１とを熱絶縁する。

ここで、絶縁体層は、多孔質材料により形成することができる。ここで、多孔質材料として、多孔質の酸化シリコンの一種であるポーラスシリカを採用しているが、多孔質の酸化シリコン系有機ポリマーの一種であるメチル含有ポリシロキサン、多孔質の酸化シリコン系無機ポリマーの一種であるＳｉ−Ｈ含有ポリシロキサン、シリカエアロゲルなどを採用してもよく、多孔質材料として、多孔質の酸化シリコン、多孔質の酸化シリコン系有機ポリマー、多孔質の酸化シリコン系無機ポリマーの群から選択される材料を採用すれば、断熱部１０４において、非多孔質の酸化シリコンを採用する場合に比べて断熱性を向上できる。

ここにおいて、本実施形態における断熱部１０４は、多孔度が６０％のポーラスシリカ膜（多孔質シリコン酸化膜）により構成してあるが、多孔度が小さ過ぎると十分な断熱効果が得られず多孔度が大き過ぎると機械的強度が弱くなって構造形成が困難となるので、ポーラスシリカ膜の多孔度は例えば４０％〜８０％程度の範囲内で適宜設定することが望ましい。

なお、シリコン基板の凹部内底面上には、温度検知部１０２および断熱部１０４を透過した赤外線を温度検知部１０２側へ反射する赤外線反射部１０７が設けられていてもよい。ここで、本実施形態の赤外線センサは、検出対象の赤外線として人体から放射される８μｍ〜１３μｍの波長帯の赤外線を想定しており、赤外線反射部１０７の材料としては、Ａｌ−Ｓｉを採用することができる。

ところで、センサ基板１０１の上記一表面側において、フレーム部１０６上には、温度検知部１０２と電気的に接続される第１の接続用接合金属層１０８が形成されている。また、フレーム部１０６上には、第１の接続用接合金属層１０８の外側に、第１の封止用接合金属層１０９が全周に亘って形成されている。ここで、第１の接続用接合金属層１０８および第１の封止用接合金属層１０９は、Ｔｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成されている。要するに、第１の封止用接合金属層１０９と第１の接続用接合金属層１０８とは同一の金属材料により形成されているので、第１の封止用接合金属層１０９と第１の接続用接合金属層１０８とを同時に形成することができるとともに、第１の封止用接合金属層１０９と第１の接続用接合金属層１０８とを同じ厚さに形成することができる。なお、第１の封止用接合金属層１０９および第１の接続用接合金属層１０８は、Ｔｉ膜の膜厚を１５〜５０ｎｍ、Ａｕ膜の膜厚を５００ｎｍに設定してあるが、これらの数値は、一例であって、特に限定するものではない。ここにおいて、各Ａｕ膜の材料は、純金に限らず不純物を添加したものでもよい。

温度検知部１０２は、赤外線を吸収するとともに該吸収による温度変化を検知する。温度検知部１０２は、温度に応じて電気抵抗値が変化するセンシングエレメントであるサーミスタからなり、抵抗体で構成されている。なお、本実施形態では、抵抗体の材料としてアモルファスシリコンを採用しているが、抵抗体の材料はアモルファスシリコンに限らず、例えば、酸化バナジウムなどを採用してもよい。また、温度検知部１０２は、温度に応じて電気抵抗値が変化するセンシングエレメントに限らず、温度に応じて誘電率が変化するセンシングエレメント、サーモパイル型のセンシングエレメント、焦電型のセンシングエレメントなどを採用してもよく、いずれのセンシングエレメントを採用した場合でも、材料を適宜選択することで一般的な薄膜形成技術を利用して形成することができる。ここで、温度に応じて誘電率の変化するセンシングエレメントの材料としては、例えば、ＰＺＴ、ＢＳＴなどを採用すればよい。ところで、温度検知部１０２は、断熱部１０４上においては、Ｓ字状の平面形状に形成され、Ｓ字の各端部と第１の接続用接合金属層１０８，１０８との間においては、Ｌ字状の平面形状に形成されており、センサ基板１０１の厚み方向に沿った中心軸に対して回転対称性を有するように配置されている。

封止基板１０３は、シリコン基板を用いて形成されており、センサ基板１０１側の表面（図２の下面）に凹部が形成されている。ここで、封止基板１０３の材料としては、赤外線の透過率の高い材料が望ましく、Ｓｉを採用しているが、Ｓｉに限らず、例えば、Ｇｅ，ＩｎＰ，ＺｎＳｅ，ＺｎＳ，Ａｌ₂Ｏ₃，ＣｄＳｅなどを採用してもよい。また、封止基板１０３には、厚み方向に貫通する複数の貫通孔１１０が形成されており、厚み方向の両面および貫通孔１１０の内面に跨って熱絶縁膜（シリコン酸化膜）からなる絶縁膜１１１が形成され、貫通孔配線１１２と貫通孔１１０の内面との間に絶縁膜１１１の一部が介在している。ここにおいて、貫通孔配線１１２の材料としては、Ｃｕを採用しているが、Ｃｕに限らず、例えば、Ｎｉなどを採用してもよい。

また、封止基板１０３においては、センサ基板１０１側の表面に、各貫通孔配線１１２それぞれと電気的に接続された複数の第２の接続用接合金属層１１３が形成されている。また、封止基板１０３においては、第２の接続用接合金属層１１３の外側に、センサ基板１０１側の表面の周部の全周に亘って枠状（矩形枠状）の第２の封止用接合金属層１１４が形成されている。ここにおいて、第２の接続用接合金属層１１３は、センサ基板１０１の第１の接続用接合金属層１０８と接合されて電気的に接続されるように配置してあり、第２の封止用接合金属層１１４は、センサ基板１０１の第１の封止用接合金属層１０９と接合されるように配置してある。また、第２の封止用接合金属層１１４および第２の接続用接合金属層１１３は、絶縁膜１１１上に形成されたＴｉ膜と当該Ｔｉ膜上に形成されたＡｕ膜との積層膜により構成されている。要するに、第２の封止用接合金属層１１４と第２の接続用接合金属層１１３とは同一の金属材料により形成されているので、第２の封止用接合金属層１１４と第２の接続用接合金属層１１３とを同時に形成することができるとともに、第２の封止用接合金属層１１４と第２の接続用接合金属層１１３とを同じ厚さに形成することができる。なお、第２の封止用接合金属層１１４および第２の接続用接合金属層１１３は、Ｔｉ膜の膜厚を１５〜５０ｎｍ、Ａｕ膜の膜厚を５００ｎｍに設定してあるが、これらの数値は、一例であって、特に限定するものではない。ここで、各Ａｕ膜の材料は、純金に限らず、不純物を添加したものでもよい。また、本実施形態では、各Ａｕ膜と絶縁膜１１１との間に、密着性改善用の密着層として、Ｔｉ膜を介在させてあるが、密着層の材料は、Ｔｉに限らず、例えば、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒ、ＴｉＮ、ＴａＮなどでもよい。

また、封止基板１０３におけるセンサ基板１０１側とは反対側の表面には、各貫通孔配線１１２それぞれと電気的に接続された複数の外部接続用電極１１５が形成されている。なお、各外部接続用電極１１５の外周形状は、矩形状となっている。また、各外部接続用電極１１５は、Ｔｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成されている。

以上の構成を採用することにより、温度検知部１０２の出力は、貫通孔配線１１２を介して、各外部接続用電極１１５から取り出すことができる。

本実施形態では、温度検知部１０２と断熱部１０４とでセンサ部を構成している。

ところで、センサ装置は、センサ特性を向上させるために、その内部（密封空間Ｓ）が真空であることが好ましく、真空雰囲気内で封止される。センサ装置内部の圧力は、１Ｐａ以下であることが好ましく、センサの仕様により適宜選択される。そこで、センサ基板１０１の上記一表面側に、センサ装置内部の真空度を測定する真空計３０が設けられている。本実施形態では、真空計３０として、ピラニゲージを採用したが、これに限定はされず、センサ装置の構造やセンサ装置内部の真空度に応じて、適宜選択される。真空計３０の測定結果は、センサと同様に、貫通孔配線１１２に接続された外部接続用電極１１５より電流値または電圧値として検出される。ここで、真空計３０がセンサ装置内部の真空度を測定し、一定時間経過後に再び測定したときに、真空度が大きく低下していれば、そのセンサ装置は信頼性が低いと判断できる。なお、本実施形態では、真空計３０は、センサ基板１０１に設けられているが、封止基板１０３のセンサ基板１０１側に設けられてもよく、真空計３０の設置基板は、センサ基板１０１の構造、封止基板１０３の構造やそれらの製造工程に応じて、適宜選択される。

また、センサ装置の外部には、センサの駆動を行う電気回路、信号処理回路および真空計３０の測定結果に基づいたセンサ装置内部の真空度に応じて、センサ部の検出値の補正を行う電気回路などが設けられている。具体的には、あらかじめ実験的に、センサ特性を真空度ごとに求め、真空度ごとに、センサ特性を補正する機能を信号処理回路に設けておけば、真空計３０の測定結果を、信号処理回路にフィードバックし、信号処理により、センサ部の検出値の補正を行うことができる。

上述したように、本実施形態の赤外線センサは、センサ基板１０１と封止基板１０３とで密封空間Ｓが形成されている。すなわち、密封空間Ｓには、温度検知部１０２、断熱部１０４、赤外線反射部１０７、真空計３０が気密に収納されている。

ところで、本実施形態の赤外線センサにおけるセンサ基板１０１と封止基板１０３とにおいては、第１の封止用接合金属層１０９と第２の封止用接合金属層１１４とが接合される（封止基板１０３は、センサ基板１０１のフレーム部１０６全周に亘って、周部が封着される）とともに、第１の接続用接合金属層１０８と第２の接続用接合金属層１１３とが接合されて電気的に接続される。したがって、センサ基板１０１の複数の第１の接続用接合金属層１０８は、それぞれ、第２の接続用接合金属層１１３および貫通孔配線１１２を介して外部接続用電極１１５と電気的に接続されている。ここで、センサ基板１０１上においては、温度検知部１０２が第１の接続用接合金属層１０８に電気的に接続されている。

ところで、本実施形態では、センサ基板１０１と封止基板１０３との接合方法として、センサ基板１０１の残留応力を少なくするために、より低温での直接接合が可能な常温接合法を採用している。常温接合法では、接合前に、互いの接合表面へアルゴンのプラズマ若しくはイオンビーム若しくは原子ビームを真空中で照射して各接合表面の清浄化・活性化を行ってから、真空中で接合表面同士を接触させ、常温下で直接接合する。本実施形態では、上述の常温接合法により、真空中において常温下で適宜の荷重を印加して、第１の封止用接合金属層１０９と第２の封止用接合金属層１１４とを直接接合するのと同時に、第１の接続用接合金属層１０８と第２の接続用接合金属層１１３とを直接接合している。要するに、本実施形態のジャイロセンサでは、センサ基板１０１と封止基板１０３とがＡｕ−Ａｕの組み合わせの常温接合により接合されている。

なお、本実施形態におけるセンサ装置では、センサ基板１０１と封止基板１０３とを積層しているが、例えば、支持基板を用い、当該支持基板にセンサ部を載置して、封止基板１０３を、凹所が形成され、当該凹所内にセンサ部を収納する封止基板とし、封止基板１０３を当該センサ部が気密封止されるように支持基板３に接合してセンサ装置を製造することもできる。支持基板にセンサ部を収納する凹所が形成されてもよい。また、センサ基板１０１を、シリコン基板が枠状であるセンサ基板とした場合には、支持基板を用い、当該支持基板とセンサ基板１０１と封止基板１０３とでセンサ部を気密封止してもよい。この場合、支持基板とセンサ基板１０１と封止基板１０３とで密封空間Ｓが形成される。

ここにおいて、センサ基板１０１と封止基板１０３とは、センサ基板１０１を複数形成したウェハと封止基板１０３を複数形成したウェハとをウェハレベルで接合してから、個々の赤外線センサに分割して製造することができる。

したがって、センサ装置内部に真空計３０が設けられており、真空計３０がセンサ装置内部の真空度を測定し、一定時間経過後に再び測定したときに、真空度が大きく低下していれば、そのセンサ装置は信頼性が低いと判断することができるので、そのセンサ装置を除外することができる。

さらに、真空計３０の測定結果に基づいたセンサ装置内部の真空度に応じて、センサ部の検出値の補正を行うことができるので、信頼性の高いセンサ装置とすることができる。

また、本実施形態における赤外線センサにおいては、センサ部と協働する集積回路（図示せず）が設けられていてもよい。その構成については、実施形態２と同様である。

なお、上述の各実施形態では、センサ装置として、ジャイロセンサ、赤外線センサを例示したが、本発明の技術思想は、ジャイロセンサに限らず、例えば、容量形の加速度センサやピエゾ抵抗形の加速度センサなど内部を真空にする他のセンサ装置にも適用でき、ピエゾ抵抗形の加速度センサでは、フレーム部の内側に配置される重り部およびフレーム部と重り部とを連結する薄肉の撓み部で可動部を構成し、撓み部に形成されたピエゾ抵抗がセンサ部を構成することなる。

実施形態１のジャイロセンサの概略断面図である。 同上のジャイロセンサの概略側面図である。 同上のジャイロセンサにおけるセンサ基板の概略平面図である。 同上のジャイロセンサにおけるセンサ基板の要部拡大図である。 同上のジャイロセンサにおける封止基板の概略平面図である。 同上のジャイロセンサにおける封止基板の概略下面図である。 実施形態２のジャイロセンサの概略断面図である。 同上のジャイロセンサにおけるセンサ基板の概略平面図である。 実施形態３の赤外線センサの概略断面図である。 同上の赤外線センサにおけるセンサ基板の概略平面図である。

符号の説明

１ センサ基板
２ 封止基板
３ 支持基板
１０ フレーム部
１１ 駆動質量体
１２ 検出質量体
２３ 固定櫛歯片
２４ 可動櫛歯片
２５ 固定駆動電極
３０ 真空計
３４ 貫通孔配線
３５ 外部接続用電極
４１ 絶縁膜
４２ 絶縁膜
１０１ センサ基板
１０２ 温度検知部
１０３ 封止基板
１０４ 断熱部
Ｓ 密封空間

Claims (6)

1. センサ基板と、前記センサ基板の一表面側に形成された温度検知部と、前記センサ基板の上記一表面側に封着された封止基板と、前記温度検知部と前記センサ基板とを熱絶縁する断熱部と、を有し、
   前記センサ基板と前記封止基板とで形成され真空となるように密封された密封空間を備え、
   前記密封空間に、前記温度検知部と前記断熱部とを含むセンサ部および前記密封空間の真空度を測定する真空計が設けられており、
   前記真空計がピラニゲージであり、
   前記センサ部が赤外線センサであり、
   前記真空計は、前記温度検知部に対して、前記温度検知部の厚み方向に略直交する方向の延長上に配置されていることを特徴とするセンサ装置。
2. 前記密封空間が複数の基板を接合することにより形成され、前記接合に常温接合が用いられていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
3. 前記密封空間が真空雰囲気内で形成されることを特徴とする請求項１または２に記載のセンサ装置。
4. 前記真空計の測定結果に基づいた前記密封空間の真空度に応じて前記センサ部の検出値を補正する電気回路をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のセンサ装置。
5. 前記センサ部からの電気信号を処理する集積回路をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のセンサ装置。
6. 支持基板と、前記支持基板上に載置され温度検知部および前記温度検知部と前記支持基板とを熱絶縁する断熱部を含むセンサ部と、前記センサ部を収納する封止基板と、を有し、
   前記支持基板と前記封止基板とで形成され真空となるように密封された密封空間を備え
   、
   前記密封空間に、前記センサ部および前記密封空間の真空度を測定する真空計が設けられており、
   前記真空計がピラニゲージであり、
   前記センサ部が赤外線センサであり、
   前記真空計は、前記温度検知部に対して、前記温度検知部の厚み方向に略直交する方向の延長上に配置されていることを特徴とするセンサ装置。
   

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