JP5806164B2 - センサ装置用部品およびセンサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、静電容量型のセンサ装置用部品およびセンサ装置に関するものである。

従来、圧力センサと加速度センサとが一体的に形成されたセンサ装置が開発されている。例えば、圧力センサを内蔵した基板に加速度センサが実装されたセンサ装置が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。近年、電子部品の小型化および低背化のために、圧力センサを内蔵した基板に加速度センサを内蔵させることが提案されている。圧力センサおよび加速度センサを内蔵した基板は、第１および第２の内部空間を有する絶縁基体と第１の内部空間の内面または絶縁基体の内部に圧力センサ用の電極を有しており、第２の内部空間の内面または絶縁基体の内部に加速度センサ用の電極を有している。

特開2007−64919号公報

このようなセンサ装置の構造として、小型化の為に、圧力センサと加速度センサとが上下に配置された構造が考えられる。しかしながら、圧力センサ用の電極と加速度センサ用の電極とを上下に隣り合うように設けると、圧力センサ用の電極と加速度センサ用の電極との間に不所望の静電容量が生じることがあった。圧力センサ用の電極と加速度センサ用の電極との間隔を大きくすると不所望の静電容量を低減できるものの、センサ装置を低背化できないという問題があった。上述のように、圧力センサと加速度センサとの干渉を低減させつつセンサ装置を小型化することは困難であった。

本発明の一つの態様によるセンサ装置用部品は、第１の内部空間および第２の内部空間を有する絶縁基体と、第１の内部空間を挟むように設けられた複数の圧力センサ用電極と、第２の内部空間を挟むように設けられた複数の加速度センサ用電極とを有しており、絶縁基体が、第１の内部空間および第２の内部空間の間に設けられた第３の内部空間を有している。第２の内部空間は第１の内部空間の下方に設けられている。圧力センサ用電極は、第１の内部空間の内面または絶縁基体の内部に設けられている。加速度センサ用電極は、第２の内部空間の内面または絶縁基体の内部に設けられている。

本発明の一つの態様によるセンサ装置用部品は、第１の内部空間および第２の内部空間の間に設けられた第３の内部空間を有していることによって、圧力センサ用電極と加速度センサ用電極との間における誘電率を低減できるので、圧力センサ用電極と加速度センサ用電極との間における静電容量を低減できる。したがって、圧力センサ用電極と加速度センサ用電極との距離を近づけることが可能となるので、センサ装置を低背化できる。

本発明の第１の実施形態におけるセンサ装置を示す上面図である。 図１のＡ−Ａ線における断面図である。 本発明の第２の実施形態におけるセンサ装置を示す断面図である。

以下、本発明のいくつかの例示的な実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１および図２に示された例のように、本発明の第１の実施形態におけるセンサ装置は、センサ装置用部品１と、センサ装置用部品１に実装されたＩＣ素子２とを有している。なお、図１および図２において、センサ装置は、仮想のｘｙｚ空間内に設けられており、ｘｙ平面上に載置されている。また、図１および図２において、上方向とは、仮想のｚ軸の正方向のことをいう。

センサ装置用部品１は、第１の内部空間111および第２の内部空間112を有する絶縁基体11と、第１の内部空間111を挟むように設けられた複数の圧力センサ用電極12と、第２の
内部空間112を挟むように設けられた複数の加速度センサ用電極13と、絶縁基体11の下面
および側面に設けられた複数の外部電極15と、第１の内部空間111および第２の内部空間112の間に設けられた第３の内部空間113を有している。

絶縁基体11は、第１の内部空間111、第２の内部空間112および第３の内部空間113を有
しており、第２の内部空間112は第１の内部空間111の下方に設けられている。第３の内部空間113は、第１の内部空間111および第２の内部空間112の間に設けられている。第３の
内部空間113は圧力センサ用電極12と加速度センサ用電極13との間の静電容量を低減する
ためのものである。絶縁基体11は中央部が可撓領域となるダイアフラム11ｃを含む上面と、ＩＣ素子２の搭載領域を含む下面とを有しており、平面視において矩形の板状の形状を有している。絶縁基体11は、例えば複数の絶縁層が積み重ねられた積層構造である。絶縁基体11は、センサ装置用部品１を構成するとともに、ＩＣ素子２を支持するための支持体として機能する。

また、絶縁基体11の第２の内部空間112と第３の内部空間113との間はダイアフラム11ｃによって仕切られている。ダイアフラム11ｃは、第３の内部空間113の下面から第３の内
部空間113内に突出するように設けられた重り部11ｄを有している。重り部11ｄはセンサ
装置に加速度が加わったときに、第２の内部空間112と第３の内部空間113との間のダイアフラム11ｃを動きやすくするためのものである。

絶縁基体11の材料は、例えば酸化アルミニウム質焼結体，窒化アルミニウム質焼結体，ムライト質焼結体，炭化珪素質焼結体，窒化珪素質焼結体またはガラスセラミックス等の電気絶縁性の焼結体である。例えば、図１および図２に示された例のように、絶縁基板11ａと枠状のスペーサ11ｂと中央部が可撓領域となるダイアフラム11ｃとから構成され、これらが順に積層されることによって第１の内部空間111および第２の内部空間112が設けられている。また、絶縁基板11ａと枠状のスペーサ11ｂと絶縁基板11ａとから構成され、これらが順に積層されることによって第３の内部空間113が設けられている。

絶縁基体11は、材料として例えば酸化アルミニウム質焼結体を用いる場合であれば、次のようにして製作される。まず、酸化アルミニウム，酸化珪素，酸化マグネシウムおよび酸化カルシウム等のセラミック原料粉末に、適当な有機バインダ，溶剤，可塑剤および分散剤を添加混合して泥漿状となすとともに、これをドクターブレード法によりシート状に成形して複数枚のセラミックグリーンシートを得る。これらのセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工および切断加工を施すことにより、絶縁基体11用（絶縁基板11ａ用、スペーサ11ｂ用およびダイアフラム11ｃ用）のセラミックグリーンシートを得る。このとき、スペーサ11ｂ用のセラミックグリーンシートには、金型またはパンチングによる打ち抜き加工またはレーザ加工等の孔加工方法により、第１の内部空間111〜第３の内部空
間113となる貫通孔を形成しておく。これらのセラミックグリーンシートを積層すること
によって、第１の内部空間111〜第３の内部空間113を有する絶縁基体11用のセラミックグリーンシート積層体を作製できる。このセラミックグリーンシート積層体を約1600℃の温度で焼成することにより、第１の内部空間111〜第３の内部空間113を有する絶縁基体11が製作される。図１および図２に示された例のように、絶縁基体11は下面にＩＣ素子２を収容するための凹部が設けられている。

また、絶縁基体11は、図１および図２に示された例のように、ダイアフラム11ｃの外周部の上に枠体11ｅを有している。枠体11ｅは、ダイアフラム11ｃの上面の可撓領域より外周の領域に積層されており、スペーサ11ｂと同様の枠状の形状のものである。枠体11ｅを設けることによって、絶縁基体11用のセラミックグリーンシート積層体を形成する際に、ダイアフラム11ｃ用のセラミックグリーンシートはスペーサ11ｂ用のセラミックグリーンシートと枠体11ｅ用のセラミックグリーンシートとにより上下方向から挟まれて形成されるので、ダイアフラム11ｃの焼成時の反りを低減できる。また、枠体11ｅは可撓領域の外表面から突出しているので、焼成前のセラミックグリーンシート積層体，センサ装置用部品１およびセンサ装置の可撓領域に外部の物が当たることが低減され、厚みの薄い可撓領域が損傷してしまう可能性を低減することができる。

絶縁基体11の第１の内部空間111の下面には第１の圧力センサ用電極12ａが被着され、
第１の内部空間111の上面（ダイアフラム11ｃの下面）には、第１の圧力センサ用電極12
ａと対向するようにして第２の圧力センサ用電極12ｂが被着されている。第１の圧力センサ用電極12ａおよび第２の圧力センサ用電極12ｂは静電容量形成用の電極であり、これらの間に、第１の圧力センサ用電極12ａと第２の圧力センサ用電極12ｂとが対向する面積および第１の圧力センサ用電極12ａと第２の圧力センサ用電極12ｂとの間隔に応じた静電容量が形成される。絶縁基体11に外部から圧力が印加されると、その圧力に応じてダイアフラム11ｃの可撓領域が下方に撓んで第１の圧力センサ用電極12ａと第２の圧力センサ用電極12ｂとの間隔が小さくなり、第１の圧力センサ用電極12ａと第２の圧力センサ用電極12ｂとの間の静電容量が大きくなるので、この静電容量の変化を検出することによって、外部の圧力の変化を静電容量の変化として検出する圧力センサとして機能する。

この静電容量の変化を圧力センサ用電極12に電気的に接続された配線導体14を介して電気的な信号として検出して、絶縁基体11の下面に搭載されたＩＣ素子等で演算処理することによって、外部の圧力の大きさおよび変化を検出できる。

絶縁基体11の第２の内部空間112の下面には第１の加速度センサ用電極13ａが被着され
、第２の内部空間112の上面（ダイアフラム11ｃの下面）には、第１の加速度センサ用電
極13ａと対向するようにして第２の加速度センサ用電極13ｂが被着されている。第１の加速度センサ用電極13ａおよび第２の加速度センサ用電極13ｂは静電容量形成用の電極であり、これらの間に、第１の加速度センサ用電極13ａと第２の加速度センサ用電極13ｂとが対向する面積および第１の加速度センサ用電極13ａと第２の加速度センサ用電極13ｂとの間隔に応じた静電容量が形成される。絶縁基体11に加速度が加わると、その加速度に応じてダイアフラム11ｃの可撓領域が上方または下方に撓んで第１の加速度センサ用電極13ａと第２の加速度センサ用電極13ｂとの間隔が変化して、第１の加速度センサ用電極13ａと第２の加速度センサ用電極13ｂとの間の静電容量が変化するので、この静電容量の変化を検出することによって、加速度の変化を静電容量の変化として検出する加速度センサとして機能する。

この静電容量の変化を加速度センサ用電極13に電気的に接続された配線導体14を介して電気的な信号として検出して、絶縁基体11の下面に搭載されたＩＣ素子等で演算処理することによって、加速度の大きさおよび変化を検出できる。

外部電極15は、絶縁基体11の側面および下面に設けられている。外部電極15は、圧力センサ用電極12間と加速度センサ用電極13間の静電容量の変化を電気的な信号としてＩＣ素子または外部回路基板へ伝えるための端子電極として機能するものである。外部電極15と圧力センサ用電極12との間および外部電極15と加速度センサ用電極13との間は、絶縁基体11の内部に形成された配線導体14によって電気的に接続されている。このような外部電極15は、ダイアフラム11ｃの可撓領域以外の絶縁基体11の表面に設けることができる。

また、外部電極15は、絶縁基体11の側面に切欠き状の凹部を形成し、この凹部の内面に設けられた、いわゆるキャスタレーション導体である。

圧力センサ用電極12、加速度センサ用電極13、配線導体14および外部電極15は、材料として例えばタングステン，モリブデン，銅または銀等の金属粉末を用いたメタライズ導体を用いることができる。例えば、絶縁基体11が酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、タングステン等の金属粉末に適当な有機バインダ，溶剤，可塑剤，分散剤等を添加混合して得たメタライズペーストをスクリーン印刷法によって絶縁基体11用のセラミックグリーンシートに所定のパターンに印刷塗布し、これを絶縁基体11用のセラミックグリーンシート積層体とともに焼成することによって、絶縁基体11の内部および表面に所定のパターンに形成される。絶縁基体11内で上下方向に延びる配線導体14は、セラミックグリーンシートに貫通孔を形成しておき、この貫通孔にメタライズペーストを充填しておくことによって形成される。

なお、圧力センサ用電極12、加速度センサ用電極13および外部電極15が絶縁基体11から露出する表面には、圧力センサ用電極12および加速度センサ用電極13が酸化腐食することを防止するとともに、圧力センサ用電極12および加速度センサ用電極13とＩＣ素子または外部回路基板の配線導体とを接合するためのはんだ等の導電性接合材との接合を良好なものとするために、厚みが１〜10μｍ程度のニッケルめっき層と厚みが0.1〜３μｍ程度の
金めっき層とが電解めっき法により順次被着される。

また、上述の圧力センサ用部品は、絶縁基板11ａとスペーサ11ｂとダイアフラム11ｃとを焼結一体化することによって絶縁基体11を形成しているが、絶縁基板11ａの上面とスペーサ11ｂの下面とに枠状の接合用金属層を形成しておき、接合用金属層の表面に厚みが１〜10μｍ程度のニッケルめっき層を被着させた後、Ａｇ−Ｃｕろう材のろう材等でこれらの部材同士を接合することによって絶縁基体11を作製してもよい。このような接合用金属層は、外部電極15と同様な方法によって設けることができる。

図１および図２に示された例のように、フリップチップ型のＩＣ素子２が絶縁基体11の凹部内の外部電極15上に導電性接合材を介して接合されている。これにより、ＩＣ素子２の各電極と各外部電極15とが電気的に接続されるとともに、ＩＣ素子２が絶縁基体11に固定される。導電性接合材は、はんだバンプ、金バンプまたは導電性樹脂（異方性導電樹脂等）が用いられる。

また、図１および図２に示された例では、ＩＣ素子２は、例えばエポキシ樹脂等の封止樹脂９により覆われることによって、凹部内に封止されている。

本実施形態のセンサ装置用部品１は、第１の内部空間111および第２の内部空間112を有する絶縁基体11と、第１の内部空間111を挟むように設けられた複数の圧力センサ用電極12と、第２の内部空間112を挟むように設けられた複数の加速度センサ用電極13とを有しており、絶縁基体11が、第１の内部空間111および第２の内部空間112の間に設けられた第３の内部空間113を有している。第２の内部空間112は第１の内部空間111の下方に設けられ
ている。圧力センサ用電極12は、第１の内部空間111の内面または絶縁基体11の内部に設
けられている。加速度センサ用電極13は、第２の内部空間112の内面または絶縁基体11の
内部に設けられている。このようなセンサ装置用部品11は、第１の内部空間111および第
２の内部空間112の間に設けられた第３の内部空間113を有していることによって、圧力センサ用電極12と加速度センサ用電極13との間における誘電率を低減できるので、圧力センサ用電極12と加速度センサ用電極13との間における静電容量を低減できる。したがって、圧力センサ用電極12と加速度センサ用電極13との距離を近づけることが可能となるので、センサ装置を低背化できる。

また、本実施形態のセンサ装置用部品１は、絶縁基体11が、第３の内部空間113の下面
から第３の内部空間113内に突出するように設けられた重り部11ｄを有していることによ
って、第２の内部空間112内に突出するように重り部11ｄを設ける場合に比べて、第３の
内部空間113を有効に活用して重り部11ｄを配置できるので、センサ装置用部品１を低背
化できる。

本実施形態のセンサ装置は、上述のセンサ装置用部品１と、センサ装置用部品１の絶縁基体11に実装されたＩＣ素子２とを有していることから、センサ装置用部品１によって外部の圧力および加速度の変化を精度よく検出して、演算処理装置等のセンサ素子２によって圧力の変化による静電容量の変化に応じた出力信号を処理できるので、静電容量の変化を外部の圧力値の変化として精度良く検出できる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態によるセンサ装置について、図３を参照しつつ説明する。

本発明の第２の実施形態におけるセンサ装置において、上述した第１の実施形態のセンサ装置と異なる点は、図３に示された例のように、第２の内部空間112と第３の内部空間113との間のダイアフラム11ｃの中央部11ｅが周囲のダイアフラム11ｃよりも重く、ダイアフラム11ｃが第３の内部空間113に突出しないことから、ダイアフラム11ｃが第３の内部
空間113の上面にぶつかって、ダイアフラム11ｃの変形が妨げられることを低減できる。

ダイアフラム11ｃの中央部11ｅは、例えば周囲のダイアフラム11ｃよりも質量の大きい材料を用いて作製できる。また、ダイアフラム11ｃの中央部11ｅと周囲のダイアフラム11ｃとが同じ材料であってもよく、このような場合には、中央部11ｅの密度を周囲のダイアフラム11ｃよりも大きくしておけばよい。

ダイアフラム11ｃの材料は、例えば酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム等のセラミックスである。ダイアフラム11ｃの中央部11ｅの材料は周囲のダイアフラム11よりも質量の大きい材料を用いる場合には、例えば、タングステン，モリブデン，銅または銀等の金属焼結体を用いることができる。また、中央部11ｅは金属酸化物が分散されたセラミックスを用いてもよい。中央部11ｅと周囲のダイアフラム11ｃとが同じ材料である場合には、中央部11ｅの密度が周囲のダイアフラム11ｃよりも高くなるように、例えば中央部11ｅとなるセラミックグリーンシートの有機バインダ、溶剤、可塑剤、分散剤または焼結助剤を適宜変更すればよい。例えば、中央部11ｅとなるセラミックグリーンシートの有機バインダの量を周囲のセラミックグリーンシートよりも少なくしておけばよい。

なお、本発明は上述の実施の形態の例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であれば種々の変更は可能である。例えば、圧力センサ用電極12および加速度センサ用電極13は、絶縁基体11の内部に設けられていてもよい。

また、ＩＣ素子２がワイヤボンディング型のものである場合には、ＩＣ素子２を凹部の
底面にガラス、樹脂またはろう材等の接合材により固定した後、ボンディングワイヤを介してＩＣ素子２の電極と外部電極15とが電気的に接続される。

１・・・センサ装置用部品
２・・・ＩＣ素子
11・・・絶縁基体
11ａ・・・絶縁基板
11ｂ・・・スペーサ
11ｃ・・・ダイアフラム
11ｄ・・・凹部
11ｅ・・・枠体
11ｄ・・・重り部
11ｅ・・・中央部
111・・・第１の内部空間
112・・・第２の内部空間
113・・・第３の内部空間
12・・・圧力センサ用電極
12ａ・・・第１の圧力センサ用電極
12ｂ・・・第２の圧力センサ用電極
13・・・加速度センサ用電極
13ａ・・・第１の加速度センサ用電極
13ｂ・・・第２の加速度センサ用電極
14・・・配線導体
15・・・外部電極

Claims (3)

1. 第１の内部空間と該第１の内部空間の下方に設けられた第２の内部空間とを有する絶縁基体と、
   前記第１の内部空間を挟むように前記第１の内部空間の内面または前記絶縁基体の内部に設けられた複数の圧力センサ用電極と、
   前記第２の内部空間を挟むように前記第２の内部空間の内面または前記絶縁基体の内部に設けられた複数の加速度センサ用電極とを備え、
   前記絶縁基体が、前記第１の内部空間および前記第２の内部空間の間に設けられた第３の内部空間をさらに有していることを特徴とするセンサ装置用部品。
2. 前記絶縁基体が、前記第３の内部空間の下内面から前記第３の内部空間内に突出するように設けられた重り部をさらに有していることを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置用部品。
3. 請求項１に記載のセンサ装置用部品と、
   該センサ装置用部品の前記絶縁基体に実装されたＩＣ素子とを備えていることを特徴とするセンサ装置。

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