JP5927434B2 - 慣性力センサ - Google Patents

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Description

本発明は、携帯端末や車両等に用いられる加速度や角速度を検出する慣性力センサに関する。
近年、デジタルカメラ、携帯電話、携帯型ゲーム機などの携帯端末や車両に搭載される小型の角速度センサ、加速度センサ等の慣性力センサが普及している。慣性力センサとしては、慣性力を検出するセンサ素子と配線等が施された基板とを１つのパッケージに内蔵した構成が一般的である。センサ素子は、支持部に梁部を介して錘部が取り付けられており、この梁部に配置されたピエゾ素子などで錘部の変位量を測定することにより、慣性力の大きさを検出する。このセンサ素子を直接あるいは下蓋を挟んで弾性接着剤により基板と固着する構成が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
特開２００７−３５９６５号公報 特開２００９−９９８２２号公報
しかしながら、慣性力センサ又は慣性力センサを実装したユーザ基板に機械的あるいは熱的な外部応力が加わると、この外部応力が基板を介してセンサ素子の梁部に伝わり、慣性力センサの検出感度が変動するという問題があった。
本発明は以上の課題を解決するものであり、慣性力センサに外部応力が加わった場合でも、検出感度の変動を抑制できる慣性力センサを提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明の慣性力センサは、中央部が周辺部より低い基板と、基板の周辺部と第１の面とが第１のフリップチップ接続により接続された回路チップとを有する。基板の周辺部よりも内側において、回路チップの第１の面と第２のフリップチップ接続により接続されたセンサ素子を有する。第１のフリップチップ接続に用いられる第１の接続部材の弾性率は、第２のフリップチップ接続に用いられる第２の接続部材の弾性率よりも小さい。
また、本発明の慣性力センサは、基板と、基板上に第１の接着剤により固着された下蓋と、下蓋上に第２の接着剤により固着されたセンサ素子と、を有し、第１の接着剤の弾性率が、第２の接着剤の弾性率よりも小さい。
このような構成により、慣性力センサに外部応力が加わった場合でも、センサ素子への応力の伝達を抑制できるので、検出感度の変動を効果的に抑制できる。
また本発明の慣性力センサは、基板と、基板上に搭載された回路チップと、回路チップ上に第１の接着剤により固着された下蓋と、下蓋上に第２の接着剤により固着されたセンサ素子と、を有する。第１の接着剤の弾性率が、第２の接着剤の弾性率よりも小さい。
このような構成により、慣性力センサに外部応力が加わった場合でも、センサ素子への応力の伝達を抑制できるので、検出感度の変動を効果的に抑制できる。
また本発明の慣性力センサでは、センサ素子は、内側に中空領域を有する方形状の枠部と、中空領域に枠部と接続された可撓部とを有する。枠部の対向する２辺には固定部を有し、固定部の上面に基板とボンディングワイヤで接続するための電極パッドが配置され、第１および第２の接着剤はセンサ素子の固定部に対応する位置に配置されることが好ましい。
このような構成により、電極パッドの配置された固定部が下蓋を介して基板に支持されるので、センサ素子の電極パッドと基板の電極パッドとをボンディングワイヤでボンディング接続する場合、センサ素子が傾くことを防止できる。
また本発明の慣性力センサでは、可撓部は、４つの錘と４つの錘を枠部に接続する梁部とからなり、下蓋は錘に対応する位置に貫通孔を設ける。下蓋の略中央部の上面および下面に、さらに第３の接着剤を配置し、第３の接着剤の弾性率は第１の接着剤の弾性率よりも大きいことが好ましい。
このような構成により、センサ素子は、略中央部で下蓋を介して基板に強固に支持されるので、センサ素子の電極パッドと基板の電極パッドとをボンディングワイヤでボンディング接続する場合、センサ素子が傾くことを防止できる。
また本発明の慣性力センサでは、枠部は、固定部と固定部に接続された外側梁部とを有する外枠部と、外側梁部に２つの接続部で接続され２つのスリットで囲まれた方形状の内側梁部と、で構成される。可撓部は、内側梁部の対向する辺を繋ぐとともに、外側梁部に平行な中央梁部と、中央梁部に連結された４つのアームと、４つのアームそれぞれの先端に連結された４つの錘とからなってもよい。
このような構成により、４つのアームと４つの錘で構成された平面振動子の駆動振動共振周波数と検出振動共振周波数の周波数差の変動を小さく抑えることができるので、検出感度の変動を効果的に抑制できる。
また本発明の慣性力センサでは、第１の接着剤は、シリコン系樹脂の接着剤であり、第２および第３の接着剤は、エポキシ系樹脂の接着剤であってもよい。
本発明によれば、慣性力センサに外部応力が加わった場合でも、検出感度の変動を抑制できる慣性力センサを提供することができる。
図１は、本発明の実施の形態における角速度センサの外観斜視図である。 図２は、図１の２−２線に沿った概略断面図である。 図３は、本発明の実施の形態における角速度センサの分解斜視図である。 図４は、本発明の実施の形態における角速度センサの一例を示す上面図である。 図５は、図４の５−５線に沿った概略断面図である。 図６は、本発明の実施の形態における角速度センサの平面振動子の駆動振動共振周波数と検出振動共振周波数との周波数差と、センサ素子のゲインとの関係を示す図である。 図７は、本発明の実施の形態における角速度センサの下蓋の上面図である。 図８Ａは、本発明の実施の形態における角速度センサの下蓋の接着剤の配置を説明するための図である。 図８Ｂは、本発明の実施の形態における角速度センサの下蓋の接着剤の配置を説明するための図である。 図８Ｃは、本発明の実施の形態における角速度センサの下蓋の接着剤の配置を説明するための図である。 図８Ｄは、本発明の実施の形態における角速度センサの下蓋の接着剤の配置を説明するための図である。 図９は、本発明の実施の形態における角速度センサの下蓋の接着剤と素子部応力の関係のシミュレーション結果を示す図である。 図１０は、本発明の実施の形態における角速度センサに基板変形応力を印加する方法を説明するための図である。 図１１は、本発明の実施の形態における角速度センサの他の例を示す概略断面図である。 図１２は、本発明の実施の形態における角速度センサの他の例を示す概略断面図である。 図１３は、本発明の他の実施の形態における角速度センサの断面図である。 図１４は、本発明の他の実施の形態におけるセンサ素子の平面図である。 図１５は、本発明の他の実施の形態におけるＡＳＩＣの回路形成面の平面図である。 図１６Ａは、本発明の他の実施の形態のセラミック基板の上面図である。 図１６Ｂは、本発明の他の実施の形態のセラミック基板の下面図である。
以下、角速度センサを例に本発明の実施の形態の慣性力センサについて、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態における角速度センサの外観斜視図、図２は、図１の２−２線に沿った断面図、図３は、角速度センサの分解斜視図である。図１〜図３に示すように、角速度センサ１はセンサ素子２と、ＡＳＩＣ３と、センサ素子２とＡＳＩＣ３との間に配置された下蓋４と、センサ素子２の上面に配置されたキャップ５と、ＡＳＩＣ３を搭載するためのセラミック基板６と、を有する。センサ素子２は、下蓋４の上面に接着剤１０ａ、１０ｂ（第２の接着剤）により固着されている。下蓋４はＡＳＩＣ３の上面に接着剤１１ａ，１１ｂ（第１の接着剤）により固着されている。ＡＳＩＣ３の下面には電極パッド（図示せず）が形成されており、セラミック基板６の対応する電極パッド（図示せず）とは、バンプ接続されている。センサ素子２の外周部には電極パッド７が配置されており、セラミック基板６の外周部には電極パッド７に対応する位置に電極パッド８が配置されている。電極パッド７と電極パッド８はボンディングワイヤ９により電気的に接続されている。セラミック基板６は複数の配線層からなる積層構造となっており、センサ素子２とＡＳＩＣ３はこの配線層を経由して電気的に接続されている。また、セラミック基板６の下面に設けた端子（図示せず）から角速度検出信号が外部回路へ出力される。
センサ素子２は、中空領域を有する略方形状の枠部と、枠部に連結された梁部と、中空領域に梁部を介して連結された平面振動子とが、同一平面上に形成された構成を有する。平面振動子には、圧電素子からなる駆動電極と検出電極が形成されており、平面振動子を所定の駆動振動周波数で駆動振動させる。この状態で、所定の角速度が印加されると、コリオリ力が平面振動子に作用し、駆動振動方向と直交する方向に駆動振動周波数と略同一周波数の検出振動が発生する。検出電極により、平面振動子の検出振動方向の変位量を検出することで、印加された角速度を検出するものである。なお、シリコンを用いて微細加工技術により形成することにより、小型のセンサ素子を形成することができる。センサ素子２の詳細な構成については、後ほど説明する。
ＡＳＩＣ３は、シリコン基材上に半導体プロセスを用いて角速度検出信号を生成するための回路を形成している回路チップである。すなわち、センサ素子２からセラミック基板６を介して検出信号を受け取り、同期検波処理、フィルタ処理あるいは補正処理などの必要な信号処理を行った後、角速度検出信号をセラミック基板６を介して外部へ出力する。
下蓋４は、センサ素子２とＡＳＩＣ３との間に挿入されて、センサ素子２の枠部においてセンサ素子２を支持するように構成されている。この下蓋４は、角速度センサ１に加わる振動、衝撃からセンサ素子２を保護するとともに、外部から加わる機械的応力や熱応力がセンサ素子２へ伝達するのを阻止する役割を果たす。下蓋４の詳細な構成については、後ほど説明する。
キャップ５は、セラミック基板６の外周上面に取り付けられ、角速度センサ１を密封して、センサ素子２を外部環境から保護する役割を果たす。
セラミック基板６は、複数層の配線層からなる積層構造を有しており、この配線層を介してセンサ素子２とＡＳＩＣ３との間で信号のやりとりが行われる。また、角速度センサ１の外部回路（図示せず）との中継基板として機能する。また、セラミック基板６を半田などにより機器に固定することにより、角速度センサ１を機器に実装する。
次に、センサ素子２について詳細に説明する。図４は、本実施の形態における角速度センサに用いられるセンサ素子の上面図である。
センサ素子２は、固定部１７ａ、１７ｂと、固定部１７ａ、１７ｂに接続された外側梁部１８ａ、１８ｂで構成された外枠部を有する。さらにセンサ素子２は、この外枠部に第１スリット８０ａ、８０ｂを介して囲まれたセンシング部と、外枠部とセンシング部とを連結した接続部１９ａ、１９ｂとを有する。第１スリット８０ａ、８０ｂは、接続部１９ａ、１９ｂを除いてセンシング部を囲むように形成されている。
センシング部は、内側梁部２０ａと、中央梁部２０ｂと、第１アーム２１、第２アーム２２、第３アーム２３、第４アーム２４（以下、アーム２１〜２４）と、駆動部２９〜３６と、検出部４１〜４８とを有する。センシング部はさらに、第１アーム２１、第２アーム２２、第３アーム２３、第４アーム２４のそれぞれの端部に設けられた錘２５〜２８を有する。アーム２１〜２４と錘２５〜２８とで平面振動子を構成する。
内側梁部２０ａは上面視で方形状である。中央梁部２０ｂは内側梁部２０ａの対向する辺を繋ぐとともに、外側梁部１８ａ、１８ｂに平行に形成されている。アーム２１〜２４は内側梁部２０ａの内側に配置され、中央梁部２０ｂに連結されている。
すなわち、固定部１７ａ、１７ｂと、外側梁部１８ａ、１８ｂと、内側梁部２０ａとは、内側に中空領域１２が形成されることで内縁１４を有する枠部を構成している。前述した下蓋４は、固定部１７ａ、１７ｂの下面の接着部５０に接着されている。接着部５０は、固定部１７ａ、１７ｂに沿って外側梁部１８ａから外側梁部１８ｂにかけて長く形成されている。中央梁部２０ｂ、アーム２１〜２４、錘２５〜２８は、枠部の中空領域１２内に設けられ、枠部の内縁１４に接続された可撓部を構成している。内側梁部２０ａを囲む第１スリット８０ａ、８０ｂは、接着部５０と可撓部との間に設けられた貫通孔である。固定部１７ａ、１７ｂの上面に電極パッド（図示せず）が形成される。このように、センサ素子２の電極パッドが形成される部分の下面に接着部５０を設けることが好ましい。これにより、センサ素子２の電極パッドとセラミック基板６の電極パッドとをボンディングワイヤでボンディング接続する場合にセンサ素子２が傾くことを防止できる。
アーム２１は中央梁部２０ｂに接続された一端からＹ軸の正方向に延出し、第１関節からＸ軸の正方向に伸び、第２関節からＹ軸方向の負方向に伸びた略Ｊ字形状を有する。さらに、他端には錘２５が形成されている。
アーム２２は中央梁部２０ｂに接続された一端からＹ軸の正方向に延出し、第１関節からＸ軸の負方向に伸び、第２関節からＹ軸方向の負方向に伸びた略Ｊ字形状を有する。さらに、他端には錘２６が形成されている。アーム２２は中央梁部２０ｂに対しアーム２１と同じ側にあって、かつアーム２１と線対称に形成されている。
アーム２３は中央梁部２０ｂに接続された一端からＹ軸の負方向に延出し、第１関節からＸ軸の正方向に伸び、第２関節からＹ軸方向の正方向に伸びた略Ｊ字形状を有する。さらに、他端には錘２７が形成されている。アーム２３は中央梁部２０ｂに対しアーム２１と反対側にあって、かつアーム２１と線対称に形成されている。
アーム２４は中央梁部２０ｂに接続された一端からＹ軸の負方向に延出し、第１関節からＸ軸の負方向に伸び、第２関節からＹ軸方向の正方向に伸びた略Ｊ字形状を有する。さらに、他端には錘２８が形成されている。アーム２４は中央梁部２０ｂに対しアーム２３と同じ側にあって、かつアーム２３と線対称に形成されている。
アーム２１〜２４はそれぞれ、略方形の錘２５〜２８の一辺で錘２５〜２８に連結されている。アーム２１〜２４は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に撓むことができる。
駆動部２９、３０は、アーム２１の上で、中央梁部２０ｂと第１間節との間に設けられている。検出部４１、４２は、アーム２１の上で、第１関節と第２関節との間に設けられている。駆動部３１、３２と検出部４３、４４は、アーム２２の上に設けられている。駆動部３３、３４と検出部４５、４６は、アーム２３の上に設けられている。駆動部３５、３６と検出部４７、４８は、アーム２４の上に設けられている。
また、中央梁部２０ｂには、モニタ部３７〜４０が設けられている。
図５は、駆動部２９、３０の概略構成を示す断面図であり、図４における５−５線に沿った断面を示している。駆動部２９はピエゾ素子２９ｂを下部電極２９ａと上部電極２９ｃとで挟んで形成され、駆動部３０はピエゾ素子３０ｂを下部電極３０ａと上部電極３０ｃとで挟んで形成されている。駆動部２９、３０は互いに平行に、アーム２１の上面に設けられている。
下部電極２９ａ、３０ａはともに基準電位となっており、上部電極２９ｃ、３０ｃに逆位相の交流の駆動電圧を印加することにより、アーム２１を図４中のＤ１方向に振動させることができる。駆動部３１〜３６も駆動部２９、３０と同様の構造によりアーム２２〜２４の上面にそれぞれ設けられている。
検出部４１〜４８は、アーム２１〜２４のＤ２方向への変位又はＺ軸方向への変位を検出する。検出部４１〜４８は図５に示す駆動部２９、３０と同様にピエゾ素子を用いた圧電方式で構成されている。
以上のように、検出部４１〜４８をＹ軸に平行な軸Ｃ及びＸ軸に平行な軸Ｄに関して対称に設けたことにより、不要信号である駆動信号、他軸周りの角速度及び加速度の成分を互いに相殺させることができる。
次に、センサ素子２の原理を説明する。外部の駆動回路（図示せず）から、駆動部２９、３０に駆動振動共振周波数の交流電圧を印加されると、アーム２１と錘２５とからなる平面振動子が駆動振動方向Ｄ１に沿ってＸＹ平面内で駆動振動する。このとき、Ｚ軸周りに角速度が加わると、駆動振動方向Ｄ１と直交した方向にコリオリ力が発生する。このコリオリ力によって、検出振動方向Ｄ２に駆動振動と同調した検出振動が励起される。この検出振動により発生したアーム２１の歪みを検出部４１、４２がアーム２１の変位として検出することによって角速度を検出することができる。
ところで、通常は検出振動方向Ｄ２の検出振動共振周波数は、駆動振動方向Ｄ１の駆動振動共振周波数の近傍に設定される。これは、角速度が加わった際に発生する検出振動は駆動振動と同調するため、検出振動共振周波数が駆動振動共振周波数に近ければ、それだけ検出振動が大きく励起されやすいためである。
ところで、アーム２１〜２４及び錘２５〜２８により構成された平面振動子の共振周波数を決定するパラメータの１つとして、外側梁部１８ａ、１８ｂ、内側梁部２０ａおよび平面振動子を支持する中央梁部２０ｂ等のバネ定数が挙げられる。角速度センサ１の製造時や機器組み込み時等においてセラミック基板６に基板変形応力が加わってセラミック基板６が歪む。この歪み（応力）がセンサ素子２の固定部１７ａ、１７ｂ、外側梁部１８ａ、１８ｂ、内側梁部２０ａ、中央梁部２０ｂに伝わり、これらの梁部のバネ定数が変化して、平面振動子の共振周波数が変動する。平面振動子の共振周波数が変動すると、駆動振動共振周波数と検出振動共振周波数との差が変動し、センサ素子２の検出感度が変動する。
図６に平面振動子の駆動振動共振周波数と検出振動共振周波数との周波数差△ｆと、センサ素子２のゲイン（検出感度）との関係を示す。図６に示すように、周波数差△ｆが２００Ｈｚから３００Ｈｚに変動するとゲインは１．２から０．７に変動する。
ところで、セラミック基板６からセンサ素子２へ伝達する応力の大きさは、センサ素子２と下蓋４とを固着する接着剤１０ａ、１０ｂと、下蓋４とＡＳＩＣ３とを固着する接着剤１１ａ、１１ｂとにより大きく影響を受ける。
また、角速度センサ１の周囲温度が変化すると、セラミック基板６、下蓋４、センサ素子２の間の熱膨張係数の差に起因して、センサ素子２には熱応力が加わる。この熱応力によっても、外側梁部１８ａ、１８ｂ、内側梁部２０ａ、中央梁部２０ｂが歪んで、平面振動子の共振周波数が変動することにより、センサ素子の感度が変動する。センサ素子２へ伝達する熱応力の大きさも、接着剤１１ａ、１１ｂにより大きく影響を受ける。
次に、角速度センサ１に基板変形応力または熱応力が加わった場合の、センサ素子２に加わる素子部応力と接着剤１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂの関係を説明する。
図７は、本実施の形態の角速度センサに用いられる下蓋の上面図である。下蓋４は、センサ素子２を下側から支持しＡＳＩＣ３上に固定するためのものであり、シリコンなどの材料でできている。
下蓋４は、６つの支持部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆから構成されている。支持部４ａ、４ｂは、センサ素子２の固定部１７ａ、１７ｂに対向している。支持部４ｃ、４ｄは、センサ素子２の外側梁部１８ａ、１８ｂに対向している。支持部４ｅは、センサ素子２の中央梁部２０ｂのＤ軸に沿った部分に対向している。支持部４ｆは、センサ素子２のＣ軸に沿った部分に対向している。センサ素子２の錘２５〜２８に対向する部分は、貫通穴となっており、錘２５〜２８のＺ軸方向の振動を妨害しない構成となっている。接着剤１０ａ、１０ｂは、支持部４ａ、４ｂのセンサ素子２に接する面に塗布される。接着剤１１ａ、１１ｂは、支持部４ａ、４ｂのＡＳＩＣ３と接する面に塗布される。
次に、接着剤１１ａ、１１ｂの種類と角速度センサ１に外部応力がかかった場合の、センサ素子２に伝わる素子部応力との関係を説明する。
図８Ａ〜Ｄは、下蓋４の接着剤１１の塗布位置と種類を示す図である。図８Ａ〜Ｄは、下蓋４の下面（ＡＳＩＣ３と接する面）図である。図８Ａは、接着剤１１ａ、１１ｂがともに、エポキシ系樹脂である場合（ケース１）を示す。図８Ｂは、接着剤１１ａがエポキシ系樹脂であり、接着剤１１ｂがシリコン系樹脂（シリコンゴム等）である場合（ケース２）を示す。図８Ｃは、接着剤１１ａ、１１ｂがともに、シリコン系樹脂である場合（ケース３）を示す。図８Ｄは、図８Ｃに加えて、支持部４ｅと支持部４ｆとの交差部（下蓋４の略中央部）の上面および下面にエポキシ系樹脂の接着剤１３（第３の接着剤）をさらに追加した場合（ケース４）を示す。なお、接着剤１０ａ、１０ｂは、いずれの場合もエポキシ系樹脂とした。ここで、エポキシ系樹脂の弾性率はシリコン系樹脂の弾性率よりも大きい。エポキシ系樹脂の弾性率は、約６ＧＰａであり、シリコン系樹脂の弾性率は、約６ＭＰａである。
図９は、図８Ａ〜Ｄのそれぞれの場合（ケース１〜ケース４）に対応した、素子部応力（単位：ＭＰａ）の変化を示す図である。ここで、縦軸の素子部応力は、角速度センサ１に基板変形応力や熱応力などの外部応力が印加された場合に、センサ素子２に伝わる応力である。
基板変形応力に対する素子部応力（特性Ａ）の測定方法を図１０に示す。図１０に示すように、ベンチ１００に基台１０２をＹ軸方向の一方の端部ＡのＸ軸方向の両端の２点をビス１０１で固定する。ベンチ１００と基台１０２の間には、端部Ａにおいて所定の厚みのスペーサ１０４が挿入されている。基台１０２の上面の略中央部には、角速度センサ１が載置され、角速度センサ１の下面と基台１０２の上面とは接着剤により固着されている。基台１０２の他方の端部Ｂを、矢印１０３の方向（Ｚ軸方向、垂直方向）に押し下げる。これにより、基台１０２の端部Ｂは、スペーサ１０４の厚みに相当する量だけ撓むことができる。この状態で、端部Ｂを押し下げ、基台１０２を０．５ｍｍだけ変形させる。この状態で、センサ素子２に伝達する素子部応力を測定する。
一方、熱応力に対する素子部応力（特性Ｂ）は、角速度センサ１の周囲温度を基準温度２５℃に対し、８５℃にした際にセンサ素子２が受ける応力である。
図９の特性Ａに示すように、基板変形応力については、ケース１、ケース２、ケース３、ケース４に対応して、素子部応力は、それぞれ１０６ＭＰａ、６４ＭＰａ、１５ＭＰａ、１６．４Ｍｐａと変化することを確認した。同様に、特性Ｂに示すように、熱応力については、ケース１、ケース２、ケース３、ケース４に対応して、素子部応力は、３６．９ＭＰａ、４０．６ＭＰａ、１１．７ＭＰａ、１８．５ＭＰａと変化することを確認した。このように、基板変形応力に関しては、ケース３の素子部応力が、ケース１の素子部応力と比較して、約１／７に低減することが確認できた。すなわち、下蓋４の支持部４ａ、４ｂのＡＳＩＣ３に接する面に塗布する接着剤１１ａ、１１ｂの弾性率を、下蓋４の支持部４ａ、４ｂのセンサ素子２に接する面に塗布する接着剤１０ａ、１０ｂの弾性率よりも、小さくすることで素子部応力を大幅に低減できる。熱応力に対しても、ケース３の素子部応力が最も小さい。
このように、センサ素子２と直接接する下蓋４の上面（１次接着面）には硬い（弾性率の大きい）接着剤１０ａ、１０ｂを使用し、センサ素子２と直接接触しない下蓋４の下面（２次接着面）には、柔らかい（弾性率の小さい）接着剤１１ａ、１１ｂを使用することが好ましい。これにより、角速度センサ１に基板変形応力や熱応力が加わった場合でも、これらの応力がセンサ素子２まで伝達することを効率的に抑制することができる。したがって、センサ素子２の駆動振動共振周波数と検出振動共振周波数の周波数差の変動を効率的に抑制でき、角速度の検出感度の変動を抑制することができる。なお、柔らかい接着剤としては、シリコン系樹脂の代わりに、ゲル状接着剤（３０ＫＰａ〜３００ＫＰａ）やシリコンゴム（４ＭＰａ〜４０ＭＰａ）などを用いてもよい。また、硬い接着剤としては、エポキシ系樹脂の代わりに、シアノアクリルレート系接着剤（０．７ＧＰａ〜１ＧＰａ）やガラス（６５ＧＰａ〜９０ＧＰａ）などを用いてもよい。
ところで、図８Ｄの場合（ケース４）では、下蓋４の支持部４ａ、４ｂに加えて、支持部４ｅと支持部４ｆが交差する中央部の上面および下面にも接着剤１３を塗布し、接着剤１３の弾性率を接着剤１１ａ、１１ｂの弾性率よりも大きくした。これにより、弾性力の大きな接着剤１３で下蓋４をＡＳＩＣ３の上面に強固に支持することができる。したがって、センサ素子２の電極パッド７とセラミック基板６の電極パッド８とをボンディングワイヤ９でボンディング接続する場合にもセンサ素子２が傾くことを防止できる。
次に、本実施の形態の他の角速度センサについて説明する。図１１は、本実施の形態の他の角速度センサ１ａの構成を示す概略断面図である。図１１に示すように、角速度センサ１ａが角速度センサ１と異なる点は、ＡＳＩＣ３（図示せず）が角速度センサ１ａに内蔵されておらず、下蓋４が直接、セラミック基板６の上面に載置されている点である。そして、ＡＳＩＣ３は、角速度センサ１ａの外側に配置されており、センサ素子２はセラミック基板６を介して外部のＡＳＩＣ３と信号のやり取りを行っている。角速度センサ１ａでは、下蓋４とセンサ素子２とは接着剤１０ａ、１０ｂにより固着され、下蓋４とセラミック基板６とは接着剤１１ａ、１１ｂにより固着されている。角速度センサ１ａにおいても、接着剤１１ａ、１１ｂの弾性率を接着剤１０ａ、１０ｂの弾性率よりも小さくすることにより、基板変形応力や熱応力のセンサ素子２への伝達を抑制できる。その結果、センサ素子２の駆動振動共振周波数と検出振動共振周波数との周波数差の変動を小さくでき、検出感度の変動を効率的に抑制することができる。
本実施の形態のさらに他の角速度センサの例を説明する。図１２は、本実施の形態のさらに他の角速度センサ１ｂの構成を示す概略断面図である。図１２に示すように、角速度センサ１ｂが角速度センサ１と異なる点は、キャップ５の代わりにＡＳＩＣ３がセラミック基板６の上面に載置され、下蓋４が直接、セラミック基板６の上面に載置されている点である。ＡＳＩＣ３の外周部下面には電極パッド（図示せず）が形成されており、セラミック基板６の最上層の対応する電極パッド（図示せず）とは、バンプ接続されている。また、セラミック基板６の配線層６２の内周部の上面には電極パッド８が配置されており、センサ素子２の電極パッド７とボンディングワイヤ９により電気的に接続されている。角速度センサ１ｂでも、下蓋４とセンサ素子２とは接着剤１０ａ、１０ｂにより固着され、下蓋４とセラミック基板６とは接着剤１１ａ、１１ｂにより固着されている。角速度センサ１ｂにおいても、接着剤１１ａ、１１ｂの弾性率を接着剤１０ａ、１０ｂの弾性率よりも小さくすることにより、基板変形応力や熱応力のセンサ素子２への伝達を抑制できる。その結果、センサ素子２の駆動振動共振周波数と検出振動共振周波数との周波数差の変動を小さくでき、検出感度の変動を効率的に抑制することができる。
以上説明した通り、本発明はセンサ素子が下蓋を介してＡＳＩＣまたはセラミック基板などに載置された角速度センサにおいて、センサ素子とＡＳＩＣまたはセラミック基板を固着する接着剤の弾性率をセンサ素子と下蓋とを固着する接着剤の弾性率よりも小さくすることにより、角速度センサに加わる応力が、センサ素子へ伝達するのを効果的に抑制することができる。この結果、センサ素子の駆動振動共振周波数と検出振動共振周波数との周波数差の変動を小さく抑えることができるので、角速度センサなどの慣性力センサの検出感度の変動を効率的に抑制することができる。
なお、上記実施の形態では、慣性力センサとして角速度センサを例に説明したが、本発明はセンサとしては加速度センサなど、振動子を使用する他のセンサ素子にも適用可能である。
また、上記実施の形態では、第１の接着剤としてシリコン系樹脂を、第２および第３の接着剤としてエポキシ系樹脂を例に挙げて説明したが、弾性率の関係が同じであれば他の接着剤の組み合わせでもよい。
（他の実施の形態）
図１３は、本発明の他の実施の形態における角速度センサの断面図である。
図１３に示すように、角速度センサ２０１は、センサ素子２０２と、ＡＳＩＣ２０３と、封止樹脂２０５と、セラミック基板２０６と、を有する。センサ素子２０２は、ＡＳＩＣ２０３の回路形成面に対してフリップチップで接続されている。ＡＳＩＣ２０３は、セラミック基板２０６に対してフリップチップで接続されている。封止樹脂２０５は、セラミック基板２０６とともに、センサ素子２０２とＡＳＩＣ２０３とをカバーしている。以下、それぞれの構造、および、接続位置、接続状態について、詳細に説明する。
図１４は、センサ素子２０２の平面図である。センサ素子２０２は、中空領域２１２が形成された四角形の外枠部２２０ａを有する。センサ素子２０２は、中空領域２１２の中央を横切るように、外枠部２２０ａの対向する辺同士をつなぐ中央梁部２２０ｂを有する。センサ素子２０２は、４つの錘２２５〜２２８を有し、４つの錘２２５〜２２８は、それぞれ、第１〜第４のアーム２２１〜２２４によって、中央梁部２２０ｂの中央付近に接続されている。外枠部２２０ａと中央梁部２２０ｂと錘２２５〜２２８と第１〜第４のアーム２２１〜２２４は同一の部材で一体形成されている。第１〜第４のアーム２２１〜２２４のそれぞれは、少なくとも２箇所以上で屈折して錘２２５〜２２８と接続されている。これにより、錘２２５〜２２８は慣性力によって動きやすくなり感度が向上する。
図１４に示すように、センサ素子２０２は、第１〜第４のアーム２２１〜２２４のそれぞれにおいて、駆動部２２９〜２３６と検出部２４１〜２４８とモニタ部２３７〜２４０とを有する。
図１４に示すように、センサ素子２０２は、外枠部２２０ａの対向する２辺に接続電極２５１を有し、接続電極２５１は駆動部２２９〜２３６や検出部２４１〜２４８と配線（図示せず）により接続されている。接続電極２５１を形成する２辺は、中央梁部２２０ｂに平行な辺に形成している。これにより、接続電極２５１が形成されていない２辺は、接続電極２５１が形成されている２辺よりも細くすることができ、梁としてたわんで、外部からの衝撃を吸収できる。
図１４に示すセンサ素子２０２は、図４に示すセンサ素子２から、固定部１７ａ、１７ｂと外側梁部１８ａ、１８ｂと、接続部１９ａ、１９ｂとを除いたものである。センサ素子２０２の駆動部２２９〜２３６や検出部２４１〜２４８は、センサ素子２の駆動部２９〜３６や検出部４１〜４８と同じ機能を果たす。
このようにすることで、さらにセンサ素子を小型化することができ、ひいては、角速度センサ全体を小型化できる。センサ素子２０２、ほぼ、正方形の形状をしている。
図１５は、ＡＳＩＣ２０３の回路形成面の平面図である。図１５に示すように、ＡＳＩＣ２０３の回路形成面には、内側電極２５２と外側電極２５３が形成されている。
図１５に示すように、内側電極２５２は、ＡＳＩＣ２０３の対向する２辺に沿って形成されている。内側電極２５２は、センサ素子２０２の接続電極２５１と接続するものである。
図１５に示すように、外側電極２５３は、ＡＳＩＣ２０３の対向する２辺に沿って形成されている。外側電極２５３は、セラミック基板２０６と接続するものである。図１５では、外側電極２５３は、内側電極２５２が形成された対向する２辺とは異なる２辺に沿って形成している。このようにすることで、内側電極２５２と外側電極２５３の配置の自由度が向上する。
なお、センサ素子２０２と接続するＡＳＩＣ２０３の電極を内側電極２５２、セラミック基板２０６と接続するＡＳＩＣ２０３の電極を外側電極２５３としたが、内側電極２５２が必ずしも外側電極２５３よりも中央よりにある必要はない。
また、ＡＳＩＣ２０３の大きさは長辺が短辺より１〜２割ほど長い長方形の形状をしている。
ＡＳＩＣ２０３は、半導体チップにさらに、再配線層を貼り付けて形成されている。すなわち、内側電極２５２や外側電極２５３は、半導体チップの端子から、再配線層によって引き回され、図１５のように位置するものである。この再配線層は、絶縁層と配線層の積層構造をしており、間に導電体が広く形成された遮蔽層を挟むことで、ＡＳＩＣ２０３に対する外部からのカップリングの影響を低減することができる。この遮蔽層は、接地電位になっているか、または、半導体チップやセンサ素子２０２と接続されず、電気的に浮いたものである。
図１６Ａはセラミック基板２０６の上面図であり、図１６Ｂはセラミック基板２０６の下面図である。
図１６Ａに示すように、セラミック基板２０６は、センサ素子２０２が収納される空間部２５４と、周辺部に形成された電極パッド２０８とを有する。空間部２５４の深さは、２５０〜２６０μｍ程度で、浅いほど慣性力センサを薄くでき、応力も緩和することができる。すなわち、セラミック基板２０６は、中央部の高さが周辺部の高さよりも低くなっていることで、空間部２５４を形成している。電極パッド２０８は、セラミック基板２０６の対向する２辺に沿って形成されている。電極パッド２０８は、ＡＳＩＣ２０３の外側電極２５３と接続するものであり、外側電極２５３が４辺に形成されていれば、電極パッド２０８も対応するように４辺に形成される。
図１６Ｂに示すように、セラミック基板２０６は下面に外部との接続用の接続端子２５５を有する。接続端子２５５は、セラミック基板２０６の内部を通る配線（図示せず）によって、電極パッド２０８と接続されている。
次に、図１３を用いて、本実施の形態におけるセンサ素子２０２、ＡＳＩＣ２０３、封止樹脂２０５、セラミック基板２０６のそれぞれの位置関係や接続について説明する。
センサ素子２０２は、ＡＳＩＣ２０３の回路形成面（第１の面）側に接続される。さらに具体的には、センサ素子２０２の接続電極２５１とＡＳＩＣ２０３の内側電極２５２とが、金バンプ（図示せず）を介して、銅ポスト２５６によってフリップチップ接続（第２のフリップチップ接続）される。金バンプの高さは２０μｍ程度であり、銅ポスト２５６の高さは２４μｍ〜４０μｍである。結果として、センサ素子２０２とＡＳＩＣ２０３との距離は４４μｍ〜６０μｍとなる。応力に対して有利にするために、センサ素子２０２とＡＳＩＣ２０３とは３６μｍ以上離すことが好ましい。このように、フリップチップ接続することで、センサ素子２０２とＡＳＩＣ２０３の信号のやり取りを高速化することが可能である。
なお、センサ素子２０２とＡＳＩＣ２０３との接続は、金バンプを介しているが、銅ポストを主として接続するため、弾性力は高くなる。また、この金バンプ以外に、銀ペーストなどの導電ペーストや半田を用いることも可能である。
センサ素子２０２の厚さは、９０μｍ〜１２５μｍである。センサ素子２０２は、セラミック基板２０６の空間部２５４の底面から１００μｍ以上離れていることが好ましく、近すぎると振動によって物理的に干渉したり、電気的に干渉する恐れがある。
ＡＳＩＣ２０３は、セラミック基板２０６の空間部２５４にセンサ素子２０２が収納されるように、ＡＳＩＣ２０３の回路形成面側をセラミック基板２０６に向けて、セラミック基板２０６に接続される。さらに具体的には、ＡＳＩＣ２０３の外側電極２５３とセラミック基板２０６の接続端子２５５とが、金バンプ２５７によってフリップチップ接続（第１のフリップチップ接続）される。金バンプ２５７の高さは２０μｍ程度である。このように、フリップチップ接続することで、セラミック基板２０６を介して、ＡＳＩＣ２０３と外部との信号のやり取りを高速化することが可能である。
なお、ＡＳＩＣ２０３とセラミック基板２０６との接続は、金バンプのみを介しているので、弾性力は銅ポスト２５６よりも小さくなる。
なお、ＡＳＩＣ２０３とセラミック基板２０６との接続は、金バンプ以外にも銀ペーストなどの導電ペーストや半田など、比較的に弾性の低い材料で接続を行うことが可能である。これにより、角速度センサ２０１に基板変形応力や熱応力が加わった場合でも、これらの応力がセンサ素子２０２まで伝達することを効率的に抑制することができる。したがって、センサ素子２０２の駆動振動共振周波数と検出振動共振周波数の周波数差の変動を効率的に抑制でき、角速度の検出感度の変動を抑制することができる。
ＡＳＩＣ２０３の厚さは、１５０μｍ〜２７０μｍであり、ＡＳＩＣ２０３よりも上に位置する封止樹脂２０５の厚さは８０μｍ〜１３０μｍであり、封止樹脂２０５の厚さはＡＳＩＣ２０３の厚さよりも小さい。なお、ＡＳＩＣ２０３についても薄いほど応力緩和に対して効果的である。すなわち、ＡＳＩＣ２０３および封止樹脂２０５はともに薄いほど応力緩和に対して効果的である。
封止樹脂２０５は、セラミック基板２０６の上に形成され、ＡＳＩＣ２０３を覆うように形成される。このとき、封止樹脂２０５は、セラミック基板２０６の空間部２５４に侵入しないような粘性のものが好ましい。すなわち、ＡＳＩＣ２０３とセラミック基板２０６との隙間を考慮した材料および加圧を行う。また、封止樹脂の材料としては、金バンプよりも弾性が低い材料が好ましく、これにより、ＡＳＩＣ２０３とセラミック基板２０６との接続の剛性は、金バンプが支配的となる。
封止樹脂２０５は、複数の樹脂製のフィルムを積層したものを用いることができる。このとき、ＡＳＩＣ２０３側のフィルムはセラミック基板２０６の空間部２５４に向かって流れ込みにくいように、ＡＳＩＣ２０３と反対側のフィルムよりも粘性の高い樹脂であることが好ましい。また、ＡＳＩＣ側のフィルムは、ＡＳＩＣ２０３と反対側のフィルムよりもフィラーの大きさが小さいものを用いることが好ましい。
セラミック基板２０６は、内部に配線構造を備えており、図１６Ａの電極パッド２０８から、図１６Ｂの接続端子２５５まで、配線で接続されている。図１６Ｂは、接続端子２５５をセラミック基板２０６の対向する２辺に配置しているが、接続端子２５５を４辺に配置し、接続端子２５５の間隔を広くすることも可能である。
また、セラミック基板２０６の空間部２５４の下に位置する部分の厚さは、１００μｍ〜１５０μｍであり、厚さが薄いほど、応力を緩和するようたわむことができる。
以上のように、センサ素子、ＡＳＩＣ、セラミック基板、封止樹脂、キャップなどについて述べてきたが、矛盾のない範囲で組み合わせることができる。たとえば、図１３において、封止樹脂の代わりにキャップを用いることも可能である。また、図４のセンサ素子２を、図１３の構造でセンサ素子２０２の代わりに用いることも可能である。また、逆に図１４のセンサ素子２０２を、図１の構造でセンサ素子２の代わりに用いることも可能である。ＡＳＩＣ３およびＡＳＩＣ２０３についても同様である。
本発明は、携帯電話、デジタルカメラ、携帯型ゲーム機、ＰＤＡなどの携帯機器や車両に搭載する慣性力センサに広く適用可能である。
１，１ａ，１ｂ，２０１ 角速度センサ
２，２０２ センサ素子
３，２０３ ＡＳＩＣ（回路チップ）
４ 下蓋
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆ 支持部
５ キャップ
６，２０６ セラミック基板
７，８，２０８ 電極パッド
９ ボンディングワイヤ
１０ａ，１０ｂ 第２の接着剤
１１ａ，１１ｂ 第１の接着剤
１２，２１２ 中空領域
１３ 第３の接着剤
１４ 内縁
１７ａ，１７ｂ 固定部
１８ａ，１８ｂ 外側梁部
１９ａ，１９ｂ 接続部
２０ａ 内側梁部
２０ｂ，２２０ｂ 中央梁部
２１〜２４ アーム
２５〜２８，２２５〜２２８ 錘
２９〜３６，２２９〜２３６ 駆動部
２９ａ，３０ａ 下部電極
２９ｂ，３０ｂ ピエゾ素子
２９ｃ，３０ｃ 上部電極
３７〜４０，２３７〜２４０ モニタ部
４１〜４８，２４１〜２４８ 検出部
５０ 接着部
６２ 配線層
８０ａ，８０ｂ 第１スリット（貫通孔）
１００ ベンチ
１０１ ビス
１０２ 基台
１０３ 矢印
１０４ スペーサ
２５２ 内側電極（第２の電極）
２５３ 外側電極（第１の電極）
２５４ 空間部
２５５ 接続端子
２５６ 銅ポスト（第２の接続部材）
２５７ 金バンプ（第１の接続部材）

Claims (17)

  1. 中央部が周辺部より低い基板と、
    前記基板の周辺部と第１の面とが第１のフリップチップ接続により接続された回路チップと、
    前記基板の周辺部よりも内側において、前記回路チップの前記第１の面と第２のフリップチップ接続により接続されたセンサ素子と、を備え
    前記第１のフリップチップ接続に用いられる第１の接続部材の弾性率は、前記第２のフリップチップ接続に用いられる第２の接続部材の弾性率よりも小さい慣性力センサ。
  2. 前記第１の接続部材は金バンプであり、
    前記第２の接続部材は銅ポストである請求項１に記載の慣性力センサ。
  3. 前記回路チップの平面形状は四角形であり、
    前記回路チップの対向する１対の辺に沿って複数の第１の電極が形成され、
    前記回路チップのうちの、前記複数の第１の電極が形成されていない対向する１対の辺に沿って複数の第２の電極が形成され、
    前記複数の第１の電極は第１のフリップチップ接続に用いられ、
    前記複数の第２の電極は第２のフリップチップ接続に用いられる請求項１に記載の慣性
    力センサ。
  4. 前記基板の周辺部の上面は、前記センサ素子の上面よりも高い位置にある請求項１に記載の慣性力センサ。
  5. 前記第２の接続部材の高さは、前記第１の接続部材の高さよりも高い請求項１に記載の慣性力センサ。
  6. 前記回路チップおよび前記基板の周辺部の上に形成され、前記回路チップを封止する封止樹脂をさらに備える請求項１に記載の慣性力センサ。
  7. 前記回路チップの上にある前記封止樹脂の厚さは、前記回路チップの厚さよりも薄い請求項６に記載の慣性力センサ。
  8. 前記回路チップは、半導体チップと再配線層とからなる請求項１に記載の慣性力センサ。
  9. 前記再配線層は、接地電位または電気的に独立した遮蔽層をさらに備える請求項８に記載の慣性力センサ。
  10. 前記センサ素子は、
    中空領域が形成された四角形の外枠部と、
    前記中空領域を横切るように、前記外枠部の対向する２辺をつなぐ中央梁部と、
    前記中空領域に形成され、前記中央梁部とアームによって接続された錘とを備える請求項１に記載の慣性力センサ。
  11. 前記センサ素子は、前記中央梁部によってつながれた前記外枠部の対向する２辺とは異なる２辺に、前記第２のフリップチップ接続をするための接続電極を備える請求項１０に記載の慣性力センサ。
  12. 前記アームは少なくとも２箇所以上で屈折して錘と接続されている請求項１０に記載の慣性力センサ。
  13. 基板と、
    前記基板上に搭載された回路チップと、
    前記回路チップ上に第１の接着剤により固着された下蓋と、
    前記下蓋上に第２の接着剤により固着されたセンサ素子と、を備え、
    前記第１の接着剤の弾性率が、前記第２の接着剤の弾性率よりも小さいことを特徴とする慣性力センサ。
  14. 前記センサ素子は、
    内側に中空領域を有する方形状の枠部と、
    前記中空領域に前記枠部と接続された可撓部とを備え、
    前記枠部の対向する２辺には固定部を有し、前記固定部の上面に前記基板とボンディングワイヤで接続するための電極パッドが配置され、
    前記第１および第２の接着剤は前記センサ素子の前記固定部に対応する位置に配置されていることを特徴とする請求項１３に記載の慣性力センサ。
  15. 前記可撓部は、４つの錘と前記４つの錘を前記枠部に接続する梁部とからなり、
    前記下蓋は前記錘に対応する位置に貫通孔を設け、
    前記下蓋の略中央部の上面および下面に、さらに第３の接着剤を配置し、前記第３の接着剤の弾性率は前記第１の接着剤の弾性率よりも大きいことを特徴とする請求項１４に記載の慣性力センサ。
  16. 前記枠部は、前記固定部と前記固定部に接続された外側梁部とを有する外枠部と、
    前記外側梁部に２つの接続部で接続され２つのスリットで囲まれた方形状の内側梁部と、で構成され、
    前記可撓部は、前記内側梁部の対向する辺を繋ぐとともに、前記外側梁部に平行な中央梁部と、前記中央梁部に連結された４つのアームと、前記４つのアームそれぞれの先端に連結された４つの錘とからなることを特徴とする請求項１５に記載の慣性力センサ。
  17. 前記第１の接着剤は、シリコン系樹脂の接着剤であり、前記第２および第３の接着剤は、エポキシ系樹脂の接着剤であることを特徴とする請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の慣性力センサ。
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