JP6020335B2 - 物理量センサ - Google Patents

Description

本発明は、物理量に応じたセンサ信号を出力するセンシング部が形成されたセンサ部にキャップ部が接合された物理量センサに関するものである。

従来より、例えば、特許文献１に、物理量に応じたセンサ信号を出力するセンサ部を備えた物理量センサが提案されている。具体的には、この物理量センサでは、センサ部が回路基板に実装されている。そして、センサ信号は、回路基板に形成された各種回路素子で所定の処理が行われて検出信号とされた後に外部回路に出力される。また、回路基板には、センサ部および各種回路素子を封止する金属筐体が備えられている。

これによれば、センシング部および回路素子が金属筐体によって封止されており、金属筐体が電磁シールドとして機能するため、センサ信号にノイズが混入されることを抑制できる。

特開２００５−２６３７５号公報

しかしながら、上記物理量センサでは、金属筐体を備えることによって物理量センサ自体の体格が大型化し易いという問題がある。

本発明は上記点に鑑みて、物理量センサが大型化することを抑制しつつ、センサ信号にノイズが混入されることを抑制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に記載の発明では、一面（１０ａ）側に物理量に応じたセンサ信号を出力するセンシング部（１５）が形成されたセンサ部（１０）と、一面（６０ａ）がセンサ部の一面と対向する状態で配置されるキャップ部（６０）と、センサ部およびキャップ部のいずれか一方に形成され、センシング部と電気的に接続されると共にセンサ信号に所定の処理を行って検出信号を生成する回路素子（６２）とを備える物理量センサにおいて以下の点を特徴としている。

すなわち、センサ部のうちキャップ部と反対側の他面（１０ｂ）には第１金属膜（５３）が形成され、キャップ部のうちセンサ部と反対側の他面（６０ｂ）には第２金属膜（９２）が形成され、センサ部およびキャップ部には、センサ部およびキャップ部の積層方向に貫通すると共にセンシング部および回路素子を囲む貫通溝（５０、７０）が形成され、貫通溝には、センシング部および回路素子を囲み、第１、第２金属膜と電気的に接続される第３金属膜（５２、７２）が埋め込まれており、センシング部および回路素子は、第１〜第３金属膜によって囲まれていることを特徴としている。

これによれば、センシング部および回路素子を囲む第１〜第３金属膜が電気的に接続されているため、第１〜第３金属膜を電磁シールドとして機能させることができ、センサ信号にノイズが混入されることを抑制できる。また、電磁シールドを構成する第１〜第３金属膜は、センサ部およびキャップ部に配置されるため、物理量センサ自体が大型化することを抑制できる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した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ものである。

本発明の第１実施形態における物理量センサの断面図である。 図１に示すセンサ部の一面の平面図である。 図１に示すキャップ部の他面の平面図である。 本発明の第２実施形態におけるセンサ部の一面の平面図である。 本発明の第３実施形態におけるセンサ部の一面の平面図である。 本発明の第４実施形態における物理量センサの断面図である。 図６に示すキャップ部の一面の平面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態の物理量センサは、加速度を検出するセンシング部を有するものであり、例えば、車両の加速度検出に用いられると好適である。

図１に示されるように、物理量センサは、センサ部１０にキャップ部６０が積層された構成とされている。なお、本実施形態では、センサ部１０およびキャップ部６０は、それぞれ平面矩形状とされ、平面の大きさが同じとされている。まず、センサ部１０の構成について説明する。

センサ部１０は、支持基板１１と、支持基板１１の全面に形成された絶縁膜１２と、絶縁膜１２を挟んで支持基板１１と反対側に配置された半導体層１３とを有するＳＯＩ基板１４を用いて構成されている。

そして、センサ部１０の一面１０ａ側には、図１および図２に示されるように、周知のマイクロマシン加工が施されてセンシング部１５が形成されている。具体的には、半導体層１３に溝部１６が形成されることによって可動部２０および第１、第２固定部３０、４０を有する櫛歯形状の梁構造体が構成され、この梁構造体によって加速度に応じたセンサ信号を出力するセンシング部１５が形成されている。

そして、支持基板１１のうち梁構造体２０〜４０の形成領域に対応した部分には、矩形状に除去された窪み部１７が形成されている。窪み部１７は、後述する可動電極２４および固定電極３１、４１が支持基板１１に接触することを防止するためのものである。

なお、絶縁膜１２は、窪み部１７の壁面にも形成されている。また、図１中のセンサ部１０は、図２中のＩ−Ｉ断面に相当している。

可動部２０は、窪み部１７上を横断するように配置されており、矩形状の錘部２１における長手方向の両端が梁部２２を介してアンカー部２３ａ、２３ｂに一体に連結した構成とされている。アンカー部２３ａ、２３ｂは、絶縁膜１２に固定されて支持基板１１に支持されている。これにより、錘部２１および梁部２２は、窪み部１７に臨んだ状態となっている。

梁部２２は、平行な２本の梁がその両端で連結された矩形枠状とされており、２本の梁の長手方向と直交する方向に変位するバネ機能を有している。具体的には、梁部２２は、錘部２１の長手方向の成分を含む加速度を受けたとき、錘部２１を長手方向へ変位させると共に、加速度の消失に応じて元の状態に復元させるようになっている。したがって、このような梁部２２を介して支持基板１１に連結された錘部２１は、加速度の印加に応じて、窪み部１７上にて梁部２２の変位方向（錘部２１の長手方向）へ変位可能となっている。

また、可動部２０は、錘部２１の長手方向と直交した方向に、錘部２１の両側面から互いに反対方向へ一体的に突出形成された複数個の可動電極２４を備えている。図２では、可動電極２４は、錘部２１の上側および下側に各々４個ずつ突出して形成されており、窪み部１７に臨んだ状態となっている。また、各可動電極２４は、錘部２１および梁部２２と一体的に形成されており、梁部２２が変位することによって錘部２１と共に錘部２１の長手方向に変位可能となっている。

第１、第２固定部３０、４０は、絶縁膜１２のうちアンカー部２３ａ、２３ｂが固定されている部分と異なる部分に固定されることによって支持基板１１に支持されている。本実施形態では、第１、第２固定部３０、４０は、錘部２１を挟んで配置されており、図２中では、第１固定部３０が錘部２１の下側に配置され、第２固定部４０が錘部２１の上側に配置されている。そして、第１、第２固定部３０、４０は互いに電気的に独立している。

第１、第２固定部３０、４０は、可動電極２４の側面と所定の検出間隔を有するように平行した状態で対向配置された複数個（図示例では４個ずつ）の固定電極３１、４１が絶縁膜１２に固定された配線部３２、４２に支持された構成とされている。具体的には、各固定電極３１、４１は、可動電極２４における櫛歯の隙間に噛み合うように櫛歯状に各配線部３２、４２に支持され、窪み部１７に臨んだ状態となっている。

また、センサ部１０には、ＳＯＩ基板１４を厚さ方向に貫通し、センシング部１５（可動部２０および第１、第２固定部３０、４０）を囲む矩形枠状の貫通溝５０が形成されている。そして、貫通溝５０には、酸化膜等の絶縁膜５１を介して貫通溝５０に沿って金属膜５２が埋め込まれている。すなわち、センサ部１０には、センシング部１５を囲む矩形枠状の金属膜５２が配置されている。

さらに、センサ部１０には、一面１０ａと反対側の他面１０ｂの全面に、金属膜５２と電気的に接続された金属膜５３が形成されている。なお、センサ部１０における他面１０ｂは、絶縁膜１２にて構成されている。

以上が本実施形態におけるセンサ部１０の構成である。次に、キャップ部６０の構成について説明する。

キャップ部６０は、センシング部１５への水や異物等が浸入することを抑制するものである。本実施形態のキャップ部６０は、図１に示されるように、センサ部１０と対向する一面６１ａ側であってセンシング部１５と対向する部分にセンサ信号に所定の処理を行って検出信号を生成する各種回路素子６２が形成されたシリコン基板６１を有している。つまり、本実施形態のキャップ部６０は、キャップとしての機能と共に、回路部としての機能も有するものである。

シリコン基板６１の一面６１ａには、絶縁膜６３が形成されており、絶縁膜６３には、回路素子６２を露出させる貫通孔６３ａが形成されている。そして、貫通孔６３ａには、回路素子６２と電気的に接続される電極６４が埋め込まれている。

また、絶縁膜６３上には、電極６４と適宜電気的に接続されるようにパターニングされた内層配線６５が形成されていると共に、当該内層配線６５を覆い、キャップ部６０におけるセンサ部１０と対向する一面６０ａを構成する絶縁膜６６が形成されている。そして、絶縁膜６６には内層配線６５の一部を露出させる貫通孔６６ａが形成され、貫通孔６６ａには内層配線６５と電気的に接続された電極６７が埋め込まれている。本実施形態では、電極６７は３つ形成されており、各電極６７が適宜内層配線６５と電気的に接続されている。

また、シリコン基板６１のうち、一面６１ａと反対側の他面６１ｂには、キャップ部６０の他面６０ｂを構成する絶縁膜６８が形成されている。

そして、キャップ部６０には、図１および図３に示されるように、センサ部１０に形成された貫通溝５０と対応する大きさとされ、キャップ部６０の厚さ方向に貫通すると共に回路素子６２を囲む矩形枠状の貫通溝７０が形成されている。そして、貫通溝７０には、酸化膜等の絶縁膜７１を介して貫通溝７０に沿った金属膜７２が埋め込まれている。すなわち、キャップ部６０には、回路素子６２を囲む矩形枠状の金属膜７２が配置されている。

さらに、キャップ部６０には、キャップ部６０の厚さ方向に積層する３つの貫通電極部８０が形成されている。各貫通電極部８０は、絶縁膜６８、シリコン基板６１、絶縁膜６３を貫通して内層配線６５の一部を露出させる貫通孔８１の壁面に絶縁膜８２が形成され、絶縁膜８２上に内層配線６５と電気的に接続される貫通電極８３が埋め込まれた構成とされている。

また、キャップ部６０の他面６０ｂ（絶縁膜６８上）には、貫通電極８３と電気的に接続されるパッド部９１、および金属膜７２と電気的に接続される金属膜９２とが形成されている。なお、パッド部９１と金属膜９２とは、パターニングされて分離されており、電気的に独立している。

以上が本実施形態におけるキャップ部６０の構成である。そして、図１に示されるように、上記のセンサ部１０とキャップ部６０とが合金層１００、１０１を介して接合されて一体化されている。

具体的には、各金属膜５２、７２は、互いに電気的に接続されるように合金層１００を介して接続されている。つまり、金属膜９２、金属膜７２、合金層１００、金属膜５２、金属膜５３は、それぞれ電気的に接続されて同じ電位に維持されるようになっている。

なお、合金層１００は、金属膜５２、７２と同様に矩形枠状とされており、金属膜５２、７２における対向する各部位はそれぞれ合金層１００を介して機械的に接続されている。

また、電極６７は、１つがアンカー部２３ａと電気的に接続されると共に、残りの２つが各配線部３２、４２と電気的に接続されるように、合金層１０１を介して半導体層１３と接続されている。

以上が本実施形態における物理量センサの構成である。このような物理量センサは、外部回路から金属膜９２に所定の電位が印加された状態で加速度の検出が行われる。つまり、金属膜９２、金属膜７２、合金層１００、金属膜５２、金属膜５３が所定の電位に維持された状態で加速度の検出が行われる。そして、加速度が印加されると、回路素子６２にてセンサ信号から検出信号が生成され、当該検出信号が内層配線６５、貫通電極８３、パッド部９１を介して外部回路に出力される。

なお、本実施形態では、金属膜５３が本発明の第１金属膜に相当し、金属膜９２が本発明の第２金属膜に相当し、金属膜５２、７２が本発明の第３金属膜に相当している。

以上説明したように、本実施形態では、センシング部１５および回路素子６２が金属膜９２、金属膜７２、金属膜５２、金属膜５３にてほぼ囲まれており、金属膜９２、金属膜７２、金属膜５２、金属膜５３が電気的に接続されている。このため、これら金属膜９２、金属膜７２、金属膜５２、金属膜５３を電磁シールドとして機能させることができ、センサ信号にノイズが混入されることを抑制できる。

また、電磁シールドを構成する金属膜９２、金属膜７２、金属膜５２、金属膜５３は、センサ部１０またはキャップ部６０に配置されるため、物理量センサ自体が大型化することを抑制できる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して金属膜５２、７２の形状を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

図４に示されるように、本実施形態では、センサ部１０を一面１０ａ側から視た周方向において貫通溝５０が４つに分断されており、各貫通溝５０に金属膜５２が埋め込まれている。すなわち、センサ部１０には、金属膜５２が周方向に分断されて配置されている。

そして、分断された金属膜５２（貫通溝５０）における隣接する両端部は、一方の端部がセンシング部１５側に折り曲げられて延設されていると共に、他方の端部がセンシング部１５と反対側に折り曲げられて延設されている。これにより、センサ部１０の面方向にセンシング部１５から放射状の延びる仮想線Ｌを引いたとき、分断された金属膜５２における隣接する両端部は、放射状に重なって同じ仮想線Ｌと交差している。

なお、図４では、分断された金属膜５２（貫通溝５０）における隣接する両端部と交差する代表的な仮想線Ｌのみを図示している。また、貫通溝７０、金属膜７２については特に図示しないが、貫通溝５０、金属膜５２と同様の構成とされおり、本実施形態では、４つに分断されている。さらに、本明細書における囲むとは、上記第１実施形態のように、センシング部１５を完全に囲むものに加えて、本実施形態のように、金属膜５２が分断され、センシング部１５をほぼ囲むものも含む意味である。

これによれば、金属膜５２、７２が分断されているため、分断された端部において金属膜５２、７２に発生する応力を開放でき、ひいては物理量センサが破壊されることを抑制できる。

また、分断された金属膜５２、７２における隣接する両端部は、放射状に重なって同じ仮想線Ｌと交差しているため、上記のように金属膜５２、７２を分断したとしても、金属膜５２、７２で囲まれる領域にノイズが侵入することを抑制できる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、第２実施形態に対して金属膜５２、７２をセンシング部１５の周囲に多重に複数配置したものであり、その他に関しては第２実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

図５に示されるように、本実施形態では、センシング部１５を囲む貫通溝５０が多重に２つ形成され、各貫通溝５０にそれぞれ絶縁膜５１を介して金属膜５２が埋め込まれている。

また、内縁側の金属膜５２（貫通溝５０）は、相対する角部のうちの一方の角部で分断されている。そして、外縁側の金属膜５２（貫通溝５０）は、相対する角部のうちの他方の角部で分断されている。すなわち、本実施形態では、内縁側の金属膜５２（貫通溝５０）は、図５中紙面左上および紙面右下の角部で分断されている。そして、外縁側の金属膜５２（貫通溝５０）は、図５中紙面右上および紙面左下の角部で分断されている。つまり、２つの金属膜５２は、センサ部１０の面方向にセンシング部１５から放射状に延びる仮想線Ｌを引いたとき、仮想線Ｌが少なくとも１つの貫通溝５０に埋め込まれた金属膜５２と交差するように、異なる部分が分断されている。

なお、貫通溝７０、金属膜７２については特に図示しないが、貫通溝５０、金属膜５２と同様の構成とされおり、キャップ部６０には回路素子６２を囲む貫通溝７０が多重に２つ形成されている。

このような物理量センサとしても、上記第２実施形態と同様に、金属膜５２、７２に発生する応力を開放しつつ、金属膜５２、７２で囲まれる領域にノイズが侵入することを抑制できる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してキャップ部６０上にセンサ部１０を積層したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

図６および図７に示されるように、本実施形態では、キャップ部６０上にセンサ部１０が積層されており、キャップ部６０の平面の大きさがセンサ部１０の平面の大きさより大きくされている。そして、キャップ部６０の他面６０ｂには、全面に金属膜９２のみが形成されている。

また、キャップ部６０のうちセンサ部１０と対向する部分と異なる部分には、絶縁膜６６、６３、シリコン基板６１、絶縁膜６８を貫通し、金属膜９２に達する貫通孔１１０が形成されている。貫通孔１１０には、金属膜９２と電気的に接続される貫通電極１１１が絶縁膜１１２を介して埋め込まれている。なお、貫通孔１１０は、金属膜９２とパッド部９３とを電気的に接続する貫通電極１１１を配置するためのものであり、円筒状とされている。

そして、絶縁膜６６のうちセンサ部１０と対向する部分と異なる部分上には、検出信号を出力するパッド部９１および貫通電極１１１と電気的に接続されるパッド部９３が形成されている。

また、絶縁膜６６には、貫通孔６６ａに、パッド部９１と内層配線６５とを電気的に接続する電極６７が埋め込まれている。なお、本実施形態では、内層配線６５、電極６７、パッド部９１を介して検出信号が外部回路に出力されるため、貫通電極部８０は形成されていない。

このようにキャップ部６０上にセンサ部１０を積層した物理量センサに本発明を適用しても、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

上記各実施形態では、センサ部１０とキャップ部６０との間に合金層１００、１０１が配置されているものを説明したが、センサ部１０とキャップ部６０とを直接接合してもよい。すなわち、センサ部１０とキャップ部６０との間に合金層１００、１０１が配置されていなくてもよい。

また、上記各実施形態では、キャップ部６０に回路素子６２が形成されているものを説明したが、センサ部１０に回路素子６２が形成されていてもよい。例えば、センシング部１５が形成されたＳＯＩ基板１４における支持基板１１側に回路素子６２が形成された回路基板を接合して積層基板を構成し、当該積層基板にてセンサ部１０を構成するようにしてもよい。

さらに、上記各実施形態では、加速度に応じたセンサ信号を出力するセンシング部１５を備えた物理量センサについて説明したが、角速度や圧力等に応じたセンサ信号を出力するセンシング部を備えた物理量センサに本発明を適用することもできる。

また、上記第２実施形態において、金属膜５２、７２は２つに分断されていてもよいし、さらに複数に分断されていてもよい。また、金属膜５２、７２のうちいずれか一方のみが分断されていてもよい。さらに、金属膜５２、７２における両端部の間を仮想線Ｌが通過するようにしてもよい。

そして、上記第３実施形態において、貫通溝５０、７０はさらに複数備えられていてもよい。また、分断された内縁側の金属膜５２、７２の間を通過する仮想線Ｌが分断された外縁側の金属膜５２、７２の間を通過するようにしてもよい。

１０ センサ部
１０ａ 一面
１０ｂ 他面
１５ センシング部
５０ 貫通溝
５２ 金属膜
５３ 金属膜
６０ キャップ部
６０ａ 一面
６０ｂ 他面
７０ 貫通溝
７２ 金属膜
９２ 金属膜

Claims (6)

1. 一面（１０ａ）側に物理量に応じたセンサ信号を出力するセンシング部（１５）が形成されたセンサ部（１０）と、
   一面（６０ａ）が前記センサ部の一面と対向する状態で配置されるキャップ部（６０）と、
   前記センサ部および前記キャップ部のいずれか一方に形成され、前記センシング部と電気的に接続されると共に前記センサ信号に所定の処理を行って検出信号を生成する回路素子（６２）と、を備え、
   前記センサ部のうち前記キャップ部と反対側の他面（１０ｂ）には第１金属膜（５３）が形成され、
   前記キャップ部のうち前記センサ部と反対側の他面（６０ｂ）には第２金属膜（９２）が形成され、
   前記センサ部および前記キャップ部には、前記センサ部および前記キャップ部の積層方向に貫通すると共に前記センシング部および前記回路素子を囲む貫通溝（５０、７０）が形成され、
   前記貫通溝には、前記センシング部および前記回路素子を囲み、前記第１、第２金属膜と電気的に接続される第３金属膜（５２、７２）が埋め込まれており、
   前記センシング部および前記回路素子は、前記第１〜第３金属膜によって囲まれていることを特徴とする物理量センサ。
2. 前記第３金属膜は、前記センサ部および前記キャップ部の積層方向から視た周方向において、複数の領域に分断されていることを特徴とする請求項１に記載の物理量センサ。
3. 前記センサ部の面方向に前記センシング部から放射状に延びる仮想線（Ｌ）を引いたとき、分断された前記第３金属膜における隣接する両端部は、同じ仮想線と交差して放射状に重なっていることを特徴とする請求項２に記載の物理量センサ。
4. 前記センサ部および前記キャップ部には、前記センシング部および前記回路素子を囲む前記貫通溝が多重に複数形成され、前記複数の貫通溝にそれぞれ前記第３金属膜が埋め込まれており、
   前記センサ部の面方向に前記センシング部から放射状に延びる仮想線（Ｌ）を引いたとき、前記仮想線が少なくとも１つの前記貫通溝に埋め込まれた前記第３金属膜と交差するように、前記第３金属膜がそれぞれ分断されていることを特徴とする請求項２に記載の物理量センサ。
5. 前記回路素子は、前記キャップ部に形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の物理量センサ。
6. 前記回路素子は、前記センサ部の他面側に形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の物理量センサ。
   
   

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