JP6277760B2 - 物理量センサー、電子機器および移動体 - Google Patents

Description

本発明は、物理量センサー、電子機器および移動体に関するものである。

受圧により撓み変形するダイヤフラムを備えた圧力センサーが広く用いられている。このような圧力センサーでは、ダイヤフラム上に例えばピエゾ抵抗素子、振動素子等のセンサー素子が配置されており、ダイヤフラムの撓みをセンサー素子で検出することにより、ダイヤフラムに加わった圧力を検出することができる。
例えば、特許文献１に係る圧力センサーは、互いに対向する２つの基板間の空間を封止材により密閉し、一方の基板をダイヤフラムとして利用し、その一方の基板に加わる圧力を両基板間の容量変化として検出する。また、特許文献１に係る圧力センサーは、両基板間の空間に加速度センサーが組み込まれている。これにより、圧力センサーと加速度センサーとを別個に設けることを不要とすることができる。
しかし、特許文献１に係る圧力センサーは、小型化および低コスト化を十分に図ることができないという問題があった。

特開２００７−１２１１０７号公報

本発明の目的は、小型化および低コストを図ることができる物理量センサーを提供すること、また、この物理量センサーを備える電子機器および移動体を提供することにある。

このような目的は、下記の本発明により達成される。
［適用例１］
本発明の物理量センサーは、歪み検出素子と、
歪み検出素子が配置されていて、受圧により撓み変形するダイヤフラム部が配置されている基板と、
前記ダイヤフラム部とともに、内部空間を構成しているベース部と、
前記内部空間に収容された振動素子であるセンサー素子と、
前記内部空間または前記ベース部に配置されている温度センサーと、
前記基板の一方の面側に配置され、前記温度センサーの検出結果に基づいて前記歪み検出素子および前記センサー素子の検出結果を補正する回路部と、
を備えていることを特徴とする。
このような物理量センサーによれば、ダイヤフラム部およびベース部を用いて構成されている内部空間（パッケージ）を封止することにより、その内部空間を圧力基準室として用いるとともに、センサー素子を封止することができる。そのため、物理用センサーの小型化（特に低背化）および低コスト化を図ることができる。
また、本発明の物理量センサーでは、ダイヤフラム部が配置されている基板と、基板の一方の面側に配置されている回路部と、を備えていることにより、ダイヤフラム部および回路部を１チップ化した構造体を実現することができる。また、この構造体でパッケージの壁部の一部を構成することにより、パッケージの構成を簡単化するとともに、気密封止された内部空間を容易に形成することができる。
さらに、本発明の物理量センサーでは、回路部がセンサー素子と電気的に接続されていることにより、センサー素子のための回路部を歪検出素子のための回路部と別途設ける場合に比べて、小型化および低コスト化を図ることができる。
また、本発明の物理量センサーでは、内部空間またはベース部に配置されている温度センサーを備えていることにより、温度センサーの検知結果に基づいて、歪検出素子やセンサー素子の検出結果を補正して、検出精度を高めることができる。
さらに、振動素子は、一般に、気密封止されたパッケージ内に収納して用いられる。したがって、このような振動素子をセンサー素子として用いた場合、パッケージの内部空間を圧力基準室として用いるとともに、小型化を図ることができる。

［適用例２］
本発明の物理量センサーでは、前記ダイヤフラム部は、シリコンを主材料として構成されていることが好ましい。
これにより、極めて薄いダイヤフラム部をエッチングを用いて簡単かつ高精度に形成することができる。また、歪検出素子をダイヤフラム部上に半導体製造プロセスと同様の方法を用いて簡単かつ高精度に形成することができる。

［適用例３］
本発明の物理量センサーでは、前記振動素子は、ジャイロセンサー素子であることが好ましい。
ジャイロセンサー素子は、一般に、真空封止されたパッケージ内に収納して用いられる。したがって、このようなジャイロセンサー素子をセンサー素子として用いた場合、パッケージの真空状態の内部空間を圧力基準室として用いるとともに、小型化を図ることができる。

［適用例４］
本発明の物理量センサーでは、前記歪み検出素子は、ピエゾ抵抗素子であることが好ましい。
ピエゾ抵抗素子は、成膜法を用いて簡単かつ高精度にダイヤフラム部に形成することができる。また、ダイヤフラム部の厚さを極めて薄くしても、歪検出素子として振動素子を用いた場合のようなＱ値の低下による振動漏れの問題もない。
［適用例５］
本発明の物理量センサーでは、前記内部空間は、大気圧よりも減圧されていることが好ましい。
これにより、物理量センサーをいわゆる絶対圧センサーとして用いることができる。

［適用例６］
本発明の物理量センサーでは、前記ダイヤフラム部の外表面に当接している、ゲル状または液体状の圧力伝達媒体を有していることが好ましい。
これにより、パッケージおよびその外部に配置された構造（例えば配線、電極等）を保護しつつ、圧力を検出することができる。
［適用例７］
本発明の電子機器は、本発明の物理量センサーを有することを特徴とする。
これにより、優れた信頼性を有する電子機器を提供することができる。
［適用例８］
本発明の移動体は、本発明の物理量センサーを有することを特徴とする。
これにより、優れた信頼性を有する移動体を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る物理量センサーを模式的に示す断面図である。 図１に示す物理量センサーが備えるセンサー素子（ジャイロセンサー素子）の平面図である。 図１に示す物理量センサーが備える圧力センサーチップの断面図である。 図３に示す圧力センサーチップが備える歪抵抗素子を説明するための拡大平面図である。 図３に示す圧力センサーチップが備える回路部を説明するためのブロック図である。 本発明の第２実施形態に係る物理量センサーを模式的に示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係る物理量センサーを模式的に示す断面図である。 本発明の第４実施形態に係る物理量センサーを模式的に示す断面図である。 本発明の電子機器の一例を示す正面図である。 本発明の移動体の一例を示す斜視図である。

以下、本発明の物理量センサー、電子機器および移動体を添付図面に示す各実施形態に基づいて詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
１．物理量センサー
図１は、本発明の第１実施形態に係る物理量センサーを模式的に示す断面図である。また、図２は、図１に示す物理量センサーが備えるセンサー素子（ジャイロセンサー素子）の平面図である。また、図３は、図１に示す物理量センサーが備える圧力センサーチップの断面図、図４は、図３に示す圧力センサーチップが備える歪抵抗素子を説明するための拡大平面図、図５は、図３に示す圧力センサーチップが備える回路部を説明するためのブロック図である。

なお、以下では、説明の便宜上、図１および図３中の上側を「上」、下側を「下」という。
図１に示す物理量センサー１は、ベース２と、ベース２上に搭載されているセンサー素子３と、ベース２に接合され、ベース２との間にセンサー素子３を収納する内部空間Ｓを形成しているセンサーチップ４と、を備えている。
ここで、ベース２およびセンサーチップ４は、センサー素子３を収納する内部空間Ｓを形成しているパッケージ２０（壁部）を構成している。また、センサーチップ４は、受圧により撓み変形するダイヤフラム部６４と、ダイヤフラム部６４に配置されている複数の歪検出素子７と、半導体回路９（回路部）と、を有している。

以下、物理量センサー１を構成する各部を順次説明する。
パッケージ２０は、凹部を有する箱状をなすベース２（ベース部）と、ベース２の凹部の開口を塞いでベース２に接合された板状のセンサーチップ４と、を有している。このように、ベース２の凹部がセンサーチップ４によって塞がれることにより、内部空間Ｓが形成されている。ここで、ベース２とセンサーチップ４とは、ロウ材等の接合材２５を介して接合されている。

内部空間Ｓは、センサー素子３を収容する収容部として機能している。また、内部空間Ｓは、密閉された空間である。この内部空間Ｓは、物理量センサー１が検出する圧力の基準値となる圧力基準室として機能する。本実施形態では、内部空間Ｓが真空状態（３００Ｐａ以下）となっている。内部空間Ｓを真空状態とすることによって、物理量センサー１を、真空状態を基準として圧力を検出する「絶対圧センサー」として用いることができ、その利便性が向上する。
ただし、センサー素子３の種類等によっては、内部空間Ｓは、真空状態でなくてもよく、大気圧であってもよいし、大気圧よりも気圧が低い減圧状態であってもよいし、大気圧よりも気圧が高い加圧状態であってもよい。また、内部空間Ｓには、窒素ガス、希ガス等の不活性ガスが封入されていてもよい。

ベース２は、ベース基板２１と、ベース基板２１の上面に接合されている枠体２２と、を有している。これにより、凹部を有する箱状のベース２が形成されている。
ベース基板２１および枠体２２の構成材料としては、特に限定されないが、内部空間Ｓの気密性を確保する観点から、酸化アルミニウム等の各種セラミックスや、各種ガラス材料、シリコン材料、金属材料等を用いることができる。また、ベース基板２１および枠体２２の構成材料は、互いに同一であっても異なっていてもよい。また、ベース基板２１および枠体２２は、一体で形成されていてもよいし、公知の接合法を用いて互いに接合されていてもよい。

また、ベース基板２１の上面の枠体２２よりも内側の部分（ベース２の凹部の底面）には、センサー素子３に電気的に接続されている複数の内部端子（図示せず）が設けられている。また、ベース基板２１の上面の枠体２２よりも外側の部分には、センサーチップ４に対してボンディングワイヤー等の配線５２を介して電気的に接続された複数の外部端子２３が設けられている。一方、ベース基板２１の下面（パッケージ２０の外周面）には、複数の外部端子２４が設けられており、この複数の外部端子２４は、ベース基板２１に形成された図示しない貫通電極等の配線を介して、前述した図示しない内部端子および外部端子２３に電気的に接続されている。
この内部端子、外部端子２３、２４および配線等の構成材料としては、導電性を有していれば特に限定されないが、例えば、Ｃｒ（クロム）、Ｗ（タングステン）などのメタライズ層（下地層）に、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）などの各被膜を積層した金属被膜で構成することができる。

センサー素子３は、前述した複数の内部端子（図示せず）に対して導電性接着剤５１により接合されている。これにより、センサー素子３と内部端子とが電気的に接続されているとともに、センサー素子３がベース基板２１に対して固定されている。
導電性接着剤５１としては、導電性および接着性を有していれば特に限定されず、例えば、シリコーン系、エポキシ系、アクリル系、ポリイミド系、ビスマレイミド系等の接着剤に銀粒子等の導電性フィラーを分散させたものを用いることができる。
センサー素子３は、１つの軸まわりの角速度を検出するジャイロセンサー素子である。
このセンサー素子３は、その主要部分（基材）が圧電材料である水晶で構成されている。

水晶は、互いに直交するＸ軸（電気軸）、Ｙ軸（機械軸）およびＺ軸（光学軸）を有する。センサー素子３は、水晶のＸ軸およびＹ軸に平行な板面を有する板状をなしている。また、センサー素子３は、その厚さ方向に沿って水晶のＺ軸が存在している。このようなセンサー素子３の厚さは、発振周波数（共振周波数）、外形サイズ、加工性等に応じて適宜設定される。また、センサー素子３における水晶のＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の向きは、それぞれ、水晶からの切り出し時における誤差を多少の範囲（０度〜７度）で許容することができる。また、センサー素子３は、フォトリングラフィー技術を用いたエッチング（ウェットエッチングまたはドライエッチング）により形成されている。

本実施形態では、図２に示すように、センサー素子３は、いわゆるダブルＴ型と呼ばれる構造を有する。
このセンサー素子３は、基部３１と、基部３１からＹ軸に沿って延出した１対の検出用振動腕３２ａ、３２ｂと、基部３１からＸ軸に沿って延出した１対の連結腕３３ａ、３３ｂと、連結腕３３ａの先端部からＹ軸に沿って延出した１対の駆動用振動腕３４ａ、３４ｂと、連結腕３３ｂの先端部からＹ軸に沿って延出した１対の駆動用振動腕３５ａ、３５ｂとを備えている。
また、センサー素子３は、検出用振動腕３２ａおよび駆動用振動腕３４ａ、３５ａに対して基部３１および１対の連結腕３３ａ、３３ｂとは反対側でＸ軸に沿って延在した支持部３８ａと、検出用振動腕３２ｂおよび駆動用振動腕３４ｂ、３５ｂに対して基部３１および１対の連結腕３３ａ、３３ｂとは反対側でＸ軸に沿って延在した支持部３８ｂと、支持部３８ａと基部３１とを接続する１対の支持腕３６ａ、３６ｂと、支持部３８ｂと基部３１とを接続する１対の支持腕３７ａ、３７ｂとを備えている。

さらに、センサー素子３は、検出用振動腕３２ａ、３２ｂ上にそれぞれ設けられた検出電極（図示せず）と、駆動用振動腕３４ａ、３４ｂ、３５ａ、３５ｂ上にそれぞれ設けられた駆動電極（図示せず）と、支持部３８ａ、３８ｂの一方の面上に設けられ、検出電極および駆動電極に電気的に接続された複数の接続電極３９とを備えている。
このようなセンサー素子３は、接続電極３９が前述した導電性接着剤５１を介してベース基板２１の内部端子に接合されている。
このように構成されたセンサー素子３では、接続電極３９（駆動電極）に駆動信号が印加されることにより、駆動用振動腕３４ａと駆動用振動腕３５ａとが互いに接近・離間するように屈曲振動（駆動振動）するとともに、駆動用振動腕３４ｂと駆動用振動腕３５ｂとが上記屈曲振動と同方向に互いに接近・離間するように屈曲振動（駆動振動）する。

このように駆動用振動腕３４ａ、３４ｂ、３５ａ、３５ｂを駆動振動させた状態で、センサー素子３にその重心Ｇを通る法線まわりの角速度ωが加わると、駆動用振動腕３４ａ、３４ｂ、３５ａ、３５ｂには、コリオリ力が働く。これにより、連結腕３３ａ、３３ｂを屈曲振動させながら基部３１を重心Ｇを通る法線（検出軸）まわりに回動振動させ、これに伴い、検出用振動腕３２ａ、３２ｂの屈曲振動（検出振動）が励振される。
このような検出用振動腕３２ａ、３２ｂの検出振動により検出電極に生じた電荷を検出することにより、センサー素子３に加わった角速度ωを求めることができる。
図３に示すように、センサーチップ４は、ダイヤフラム部６４を有する基板６と、ダイヤフラム部６４に配置されている歪検出素子７と、基板６上に積層されている積層構造体８と、を有している。以下これらの各部について順次説明する。

−基板６−
基板６は、板状をなしており、シリコン等の半導体で構成されたシリコン基板６１と、シリコン基板６１の一方の面に設けられたシリコン酸化膜６２と、シリコン酸化膜６２上に設けられたシリコン窒化膜６３とで構成されている。このような基板６の平面視形状は、特に限定されず、例えば略正方形または略長方形等の矩形や、円形とすることができる。ここで、シリコン酸化膜６２およびシリコン窒化膜６３は、いずれも、絶縁膜として用いることができる。
また、基板６には、周囲の部分よりも薄肉であり、受圧によって撓み変形するダイヤフラム部６４が設けられている。ダイヤフラム部６４（薄肉部６６）は、基板６の下面に有底の凹部６５を設けることで形成されている。このようなダイヤフラム部６４は、その下面が受圧面６４１となっている。図４に示すように、ダイヤフラム部６４は、正方形の平面視形状である。また、本実施形態では、凹部６５が前述したベース２側となるようにセンサーチップ４が配置されており、この凹部６５内の空間と前述したベース２の凹部内の空間とで内部空間Ｓが構成されている。

本実施形態の基板６では、凹部６５がシリコン基板６１を貫通しており、ダイヤフラム部６４がシリコン酸化膜６２およびシリコン窒化膜６３の２層で構成されている。このようなダイヤフラム部６４は、極めて薄くすることができる。そのため、物理量センサー１の感度が極めて高くなる。また、これらの膜は、物理量センサー１を製造する際に用いるエッチングのエッチングストップ層として利用することができ、ダイヤフラム部６４の厚さの製品ごとのバラツキを少なくすることができる。
なお、凹部６５がシリコン基板６１を貫通せず、ダイヤフラム部６４がシリコン基板６１の薄肉部、シリコン酸化膜６２およびシリコン窒化膜６３の３層で構成されていてもよい。また、ダイヤフラム部６４がシリコン基板６１の薄肉部を有する場合、シリコン酸化膜６２およびシリコン窒化膜６３のうちの少なくとも一方を省略することができる。

−歪検出素子７−
歪検出素子７は、図４に示すように、基板６のダイヤフラム部６４上に設けられている複数（本実施形態では４つ）のピエゾ抵抗素子７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄで構成されている。
ピエゾ抵抗素子７ａ、７ｂは、平面視で四角形をなすダイヤフラム部６４の互いに対向する（図４にて左右方向に並んでいる）１対の辺（以下、「第１の辺」ともいう）に対応して設けられ、ピエゾ抵抗素子７ｃ、７ｄは、平面視で四角形をなすダイヤフラム部６４の他の互いに対向する（図４にて上下方向に並んでいる）１対の辺（以下、「第２の辺」ともいう）に対応して設けられている。
ピエゾ抵抗素子７ａは、ダイヤフラム部６４の外周部近傍（より具体的には図４にて右側の第１の辺近傍）に設けられたピエゾ抵抗部７１ａを有している。ピエゾ抵抗部７１ａは、第１の辺に平行な方向に沿って延びている長手形状をなしている。このピエゾ抵抗部７１ａの両端部には、それぞれ、配線７２ａが接続されている。
同様に、ピエゾ抵抗素子７ｂは、ダイヤフラム部６４の外周部近傍（より具体的には図４にて左側の第１の辺近傍）に設けられたピエゾ抵抗部７１ｂを有している。このピエゾ抵抗部７１ｂの両端部には、それぞれ、配線７２ｂが接続されている。

一方、ピエゾ抵抗素子７ｃは、ダイヤフラム部６４の外周部近傍（より具体的には図４にて上側の第２の辺近傍）に設けられた１対のピエゾ抵抗部７１ｃと、１対のピエゾ抵抗部７１ｃ同士を接続している接続部７３ｃと、を有している。この１対のピエゾ抵抗部７１ｃは、互いに平行であり、かつ、第２の辺に対して垂直な方向（すなわち第１の辺に平行な方向）に沿って延びている長手形状をなしている。この１対のピエゾ抵抗部７１ｃの一端部（ダイヤフラム部６４の中心側の端部）同士は、接続部７３ｃを介して接続されており、１対のピエゾ抵抗部７１ｃの他端部（ダイヤフラム部６４の外周側の端部）には、それぞれ、配線７２ｃが接続されている。

同様に、ピエゾ抵抗素子７ｄは、ダイヤフラム部６４の外周部近傍（より具体的には図４にて下側の第２の辺近傍）に設けられた１対のピエゾ抵抗部７１ｄと、１対のピエゾ抵抗部７１ｄ同士を接続している接続部７３ｄと、を有している。この１対のピエゾ抵抗部７１ｄの一端部（ダイヤフラム部６４の中心側の端部）同士は、接続部７３ｄを介して接続されており、１対のピエゾ抵抗部７１ｄの他端部（ダイヤフラム部６４の外周側の端部）には、それぞれ、配線７２ｄが接続されている。
このようなピエゾ抵抗素子７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄのピエゾ抵抗部７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄは、それぞれ、例えば、リン、ボロン等の不純物をドープ（拡散または注入）したポリシリコン（多結晶シリコン）で構成されている。また、ピエゾ抵抗素子７ｃ、７ｄの接続部７３ｃ、７３ｄおよび配線７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄは、それぞれ、例えば、ピエゾ抵抗部７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄよりも高濃度でリン、ボロン等の不純物をドープ（拡散または注入）したポリシリコン（多結晶シリコン）で構成されている。なお、接続部７３ｃ、７３ｄおよび配線７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄは、それぞれ、金属で構成されていてもよい。

また、ピエゾ抵抗素子７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄは、自然状態における抵抗値が互いに等しくなるように構成されている。そして、これらのピエゾ抵抗素子７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄは、配線７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄ等を介して、互いに電気的に接続され、図示しないブリッジ回路（ホイートストンブリッジ回路）を構成している。このブリッジ回路には、駆動電圧を供給する駆動回路（図示せず）が接続されている。そして、ブリッジ回路は、ピエゾ抵抗素子７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの抵抗値に応じた信号（電圧）を出力する。
また、このような歪検出素子７は、前述したような極めて薄いダイヤフラム部６４を用いても、共振子のような振動素子をセンサー素子として用いた場合のようにダイヤフラム部６４への振動漏れによってＱ値が低下するという問題がない。

−積層構造体８−
積層構造体８は、平面視でダイヤフラム部６４を包含する領域を貫通する空洞部８６が形成されている。
この積層構造体８は、基板６上に歪検出素子７を取り囲むように形成された層間絶縁膜８１と、層間絶縁膜８１上に形成された配線層８２と、配線層８２および層間絶縁膜８１上に形成された層間絶縁膜８３と、層間絶縁膜８３上に形成された配線層８４と、配線層８４および層間絶縁膜８３上に形成された表面保護膜８５と、を有している。ここで、配線層８２、８４は、空洞部８６を囲むように形成されている配線層８２ａ、８４ａと、半導体回路９の配線を構成する配線層８２ｂ、８４ｂと、を含んでいる。また、配線層８４は、図示しないが、表面保護膜８５から露出する部分を有し、当該部分が配線５２を介して、前述した外部端子２３に電気的に接続されている。

層間絶縁膜８１、８３は、それぞれ、例えば、シリコン酸化膜等で構成されている。また、配線層８２、８４は、それぞれ、例えば、アルミニウム等で構成されている。
シリコン基板６１上およびその上方には、半導体回路９が作り込まれている。したがって、半導体回路９は、シリコン基板６１の積層構造体８と同じ面側に設けられている。この半導体回路９は、ＭＯＳトランジスタ８７等の能動素子、その他必要に応じて形成されたコンデンサ、インダクタ、抵抗、ダイオード、配線（歪検出素子７に接続されている配線、配線層８２ｂ、８４ｂを含む）等の回路要素を有している。ここで、ＭＯＳトランジスタ８７は、シリコン基板６１の上面にリン、ボロン等の不純物をドープして形成されたソースおよびドレイン（図示せず）と、そのソースとドレインと間に形成されるチャネル領域上に形成されたゲート絶縁膜（図示せず）と、そのゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極８７１と、を有している。このような積層構造体８および半導体回路９は、公知の半導体製造プロセスと同様のプロセスによって製造することができる。

また、本実施形態では、図５に示すように、半導体回路９は、歪検出素子７からの出力信号が入力される第１検出回路９１と、センサー素子３からの出力信号が入力される第２検出回路９２と、温度センサー９３と、を有している。
第１検出回路９１は、前述したようなピエゾ抵抗素子７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄを含んで構成されたブリッジ回路から出力された信号が入力され、その入力信号に必要な処理を行う機能を有する。本実施形態では、第１検出回路９１は、温度センサー９３の検知結果に基づいて、入力信号を補正する補正回路９１１を含んでいる。
第２検出回路９２は、前述したようなセンサー素子３からの出力信号が入力され、その入力信号に必要な処理を行う機能を有する。本実施形態では、第２検出回路９２は、温度センサー９３の検知結果に基づいて、入力信号を補正する補正回路９２１を含んでいる。

温度センサー９３は、例えば、ＣＭＯＳプロセスを用いて形成された温度センサーである。
なお、半導体回路９は、上述した回路および機能以外の回路および機能を有していてもよい。例えば、半導体回路９は、歪検出素子７やセンサー素子３からの入力信号を増幅する増幅回路、歪検出素子７やセンサー素子３を駆動する駆動回路等の他の回路が含まれていてもよい。また、温度センサー９３は、半導体回路９の外部、例えば、内部空間Ｓ内に配置されていてもよい。
以上、物理量センサー１の構成について簡単に説明した。

このような構成の物理量センサー１は、ダイヤフラム部６４の受圧面６４１が受ける圧力に応じて、ダイヤフラム部６４が変形し、これにより、ピエゾ抵抗素子７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄが歪み、ピエゾ抵抗素子７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの抵抗値が変化する。それに伴って、ピエゾ抵抗素子７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄが構成するブリッジ回路（図示せず）の出力が変化し、その出力に基づいて、受圧面６４１で受けた圧力の大きさを求めることができる。

より具体的に説明すると、前述したように、ピエゾ抵抗素子７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの抵抗値が互いに等しいため、前述したようなダイヤフラム部６４の変形が生じる前の自然状態では、ピエゾ抵抗素子７ａ、７ｂの抵抗値の積とピエゾ抵抗素子７ｃ、７ｄの抵抗値の積とが等しく、ブリッジ回路の出力（電位差）はゼロとなる。
一方、前述したようなダイヤフラム部６４の変形が生じると、ピエゾ抵抗素子７ａ、７ｂのピエゾ抵抗部７１ａ、７１ｂにその長手方向に沿って引張歪みが生じるとともに幅方向に沿って圧縮歪みが生じ、一方、ピエゾ抵抗素子７ｃ、７ｄのピエゾ抵抗部７１ｃ、７１ｄにその長手方向に沿って圧縮歪みが生じるとともに幅方向に沿って引張歪みが生じる。

このようなピエゾ抵抗部７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄの歪みにより、ピエゾ抵抗素子７ａ、７ｂの抵抗値の積とピエゾ抵抗素子７ｃ、７ｄの抵抗値の積との差が生じ、その差に応じた出力（電位差）がブリッジ回路から出力される。このブリッジ回路からの出力に基づいて、受圧面６４１で受けた圧力の大きさ（絶対圧）を求めることができる。
ここで、前述したようなダイヤフラム部６４の変形が生じたとき、ピエゾ抵抗素子７ａ、７ｂの抵抗値は増加し、ピエゾ抵抗素子７ｃ、７ｄの抵抗値は減少するため、ピエゾ抵抗素子７ａ、７ｂの抵抗値の積とピエゾ抵抗素子７ｃ、７ｄの抵抗値の積との差の変化を大きくすることができ、それに伴って、ブリッジ回路からの出力を大きくすることができる。その結果、圧力の検出感度を高めることができる。また、ブリッジ回路を構成するピエゾ抵抗素子７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄのすべて温度感度がほぼ同一であるため、外部の温度変化に対する特性変化を低減することもできる。

以上説明したような物理量センサー１では、ダイヤフラム部６４がパッケージ２０（壁部）の一部を構成している。言い換えると、ベース２がダイヤフラム部６４とともに内部空間Ｓを構成している。そして、センサー素子３が内部空間Ｓに露出している。したがって、ダイヤフラム部６４およびベース２を用いて構成されている内部空間Ｓ（パッケージ２０）を封止することにより、その内部空間Ｓを圧力基準室として用いるとともに、センサー素子３を封止することができる。そのため、パッケージ２０の小型化および低コスト化、ひいては、物理用センサー１の小型化（特に低背化）および低コスト化を図ることができる。ここで、ダイヤフラム部６４がパッケージ２０の内外を隔てているため、パッケージ２０の内部空間Ｓを圧力基準室として用いて、パッケージ２０の内部空間Ｓの圧力を基準として、ダイヤフラム部６４を受圧により撓み変形させることができる。

ここで、前述したように、センサー素子３が振動素子である。振動素子は、一般に、気密封止されたパッケージ内に収納して用いられる。したがって、このような振動素子をセンサー素子３として用いることにより、パッケージ２０の内部空間Ｓを圧力基準室として用いるとともに、小型化を図ることができる。
特に、本実施形態では、センサー素子３として用いる振動素子がジャイロセンサー素子である。ジャイロセンサー素子は、一般に、真空封止されたパッケージ内に収納して用いられる。したがって、このようなジャイロセンサー素子をセンサー素子３として用いることにより、パッケージ２０の真空状態の内部空間Ｓを圧力基準室として用いるとともに、小型化を図ることができる。

そして、内部空間Ｓが真空状態である（大気圧よりも減圧されている）ことにより、物理量センサー１をいわゆる絶対圧センサーとして用いることができる。
また、ダイヤフラム部６４は、シリコンを主材料として構成されている。これにより、極めて薄いダイヤフラム部６４をエッチングを用いて簡単かつ高精度に形成することができる。また、歪検出素子７をダイヤフラム部６４上に半導体製造プロセスと同様の方法を用いて簡単かつ高精度に形成することができる。
また、ダイヤフラム部６４が配置されている基板６の一方の面側に半導体回路９が配置されているため、ダイヤフラム部６４および半導体回路９を１チップ化した構造体（センサーチップ４）を実現することができる。また、この構造体でパッケージ２０の壁部の一部を構成することにより、パッケージ２０の構成を簡単化するとともに、気密封止された内部空間Ｓを容易に形成することができる。

また、半導体回路９は、歪検出素子７だけでなく、センサー素子３と電気的に接続されている。これにより、センサー素子３のための回路部を歪検出素子７のための回路部と別途設ける場合に比べて、小型化および低コスト化を図ることができる。
また、パッケージ２０（壁部）の一部を構成するセンサーチップ４に温度センサー９３が配置されているため、温度センサー９３の検知結果に基づいて、歪検出素子７やセンサー素子３の検出結果を補正して、検出精度を高めることができる。特に、センサーチップ４に温度センサー９３を配置することにより、小型化および低コスト化を図ることができる。
また、歪検出素子７は、ピエゾ抵抗素子である。ピエゾ抵抗素子は、成膜法を用いて簡単かつ高精度にダイヤフラム部６４に形成することができる。また、ダイヤフラム部６４の厚さを極めて薄くしても、歪検出素子７として振動素子を用いた場合のようなＱ値の低下による振動漏れの問題もない。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の物理量センサーの第２実施形態について説明する。
図６は、本発明の第２実施形態に係る物理量センサーを模式的に示す断面図である。
以下、本発明の物理量センサーの第２実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。
第２実施形態は、センサーチップの配置が異なること以外は、前述した第１実施形態と同様である。
図６に示す物理量センサー１Ａでは、センサーチップ４が前述した第１実施形態とは表裏反転した状態で接合材２５を介してベース２に接合されてなるパッケージ２０Ａを備えている。本実施形態では、空洞部８６がベース２側となるようにセンサーチップ４が配置されており、この空洞部８６内の空間とベース２の凹部内の空間とで内部空間Ｓが構成されている。
ここで、図示しないが、センサーチップ４の配線層８４は、ベース２に設けられた貫通電極（図示せず）を介して、外部端子２４に電気的に接続されている。
このような物理量センサー１Ａでは、歪検出素子７が内部空間Ｓ内に配置されるため、歪検出素子７を保護することができる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の物理量センサーの第３実施形態について説明する。
図７は、本発明の第３実施形態に係る物理量センサーを模式的に示す断面図である。
以下、本発明の物理量センサーの第３実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。
第３実施形態は、センサー素子の種類が異なること以外は、前述した第１実施形態と同様である。
図７に示す物理量センサー１Ｂでは、内部空間Ｓにセンサー素子３Ｂが配置されている。このセンサー素子３Ｂは、ベース基板２１に対して接合材５３を介して接合されており、また、図示しない配線を介して、ベース基板２１の上面に設けられた内部端子に電気的に接続されている。

センサー素子３Ｂは、赤外線センサー素子である。赤外線センサー素子としては、真空封止されたパッケージ内に収納して用いられるものがある。したがって、このような赤外線センサー素子をセンサー素子３Ｂとして用いた場合、パッケージ２０の真空状態の内部空間Ｓを圧力基準室として用いるとともに、小型化を図ることができる。ここで、ダイヤフラム部６４は、シリコンを主材料として構成し、かつ、厚さを薄くした場合、赤外線の透過性を有する。したがって、外部からの赤外線をダイヤフラム部６４を介してセンサー素子３Ｂにより検出することができる。

＜第４実施形態＞
次に、本発明の物理量センサーの第４実施形態について説明する。
図８は、本発明の第４実施形態に係る物理量センサーを模式的に示す断面図である。
以下、本発明の物理量センサーの第４実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。
第４実施形態は、パッケージを収納するケーシングを追加した以外は、前述した第１実施形態と同様である。
図８に示す物理量センサー１Ｃでは、パッケージ２０を収納している内部空間Ｓ１を有するケーシング１０を備えている。
ケーシング１０は、ベース基板１０１と、ベース基板１０１の上面に接合されている枠体１０２と、を有している。これにより、凹部を有する箱状のケーシング１０が形成されている。
ベース基板１０１および枠体１０２の構成材料としては、特に限定されず、例えば、酸化アルミニウム等の各種セラミックスや、各種ガラス材料、シリコン材料、金属材料等を用いることができる。また、ベース基板１０１および枠体１０２の構成材料は、互いに同一であっても異なっていてもよい。また、ベース基板１０１および枠体１０２は、一体で形成されていてもよいし、公知の接合法を用いて互いに接合されていてもよい。

また、ベース基板１０１の上面の枠体１０２よりも内側の部分（ケーシング１０の凹部の底面）には、パッケージ２０の外部端子２４に導電性接着剤１０４を介して電気的に接続されている複数の内部端子（図示せず）が設けられている。これにより、パッケージ２０は、ケーシング１０内に固定・設置されている。
また、ケーシング１０内には、パッケージ２０の外表面を覆うように、封止樹脂１０３が充填されている。この封止樹脂１０３は、液体状またはゲル状をなす樹脂材料、例えば、シリコーン樹脂で構成されている。このような封止樹脂１０３は、ケーシング１０の開口から露出した部分を有し、かかる部分に加わった圧力をパッケージ２０の外表面（特にダイヤフラム部６４）に伝達する圧力伝達媒体として機能する。

このように、パッケージ２０の外表面がゲル状または液体状の圧力伝達媒体により覆われていることにより、パッケージ２０およびその外部に配置された構造（例えば配線５２、外部端子２３、２４、配線層８４等）を保護しつつ、圧力を検出することができる。
なお、パッケージ２０の外表面を保護する構成としては、前述した構成の他、例えば、エポキシ樹脂等の封止樹脂をパッケージ２０の外表面上に配線等を覆うように設けてもよい。この場合、ダイヤフラム部６４が露出するように、封止樹脂からなる封止部を必要箇所のみに形成する。

２．電子機器
次に、本発明の物理量センサーを備える電子機器を適用したナビゲーションシステムについて説明する。図９は、本発明の電子機器の一例を示す正面図である。
ナビゲーションシステム３００には、図示しない地図情報と、ＧＰＳ（全地球測位システム：Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）からの位置情報取得手段と、ジャイロセンサーおよび加速度センサーと車速データとによる自立航法手段と、物理量センサー１と、所定の位置情報または進路情報を表示する表示部３０１とを備えている。
このナビゲーションシステムによれば、取得した位置情報に加えて高度情報を取得することができる。高度情報を得ることにより、例えば、一般道路と位置情報上は略同一の位置を示す高架道路を走行する場合、高度情報を持たない場合には、一般道路を走行しているのか高架道路を走行しているのかナビゲーションシステムでは判断できず、優先情報として一般道路の情報を使用者に提供してしまっていた。そこで、本実施形態に係るナビゲーションシステム３００では、高度情報を物理量センサー１によって取得することができ、一般道路から高架道路へ進入することによる高度変化を検出し、高架道路の走行状態におけるナビゲーション情報を使用者に提供することができる。

なお、表示部３０１は、例えば液晶パネルディスプレイや、有機ＥＬ（Organic Electro-Luminescence）ディスプレイなど、小型かつ薄型化が可能な構成となっている。
なお、本発明の物理量センサーを備える電子機器は、上記のものに限定されず、例えば、パーソナルコンピューター、携帯電話、医療機器（例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡）、各種測定機器、計器類（例えば、車両、航空機、船舶の計器類）、フライトシュミレーター等に適用することができる。

３．移動体
次いで、本発明の物理量センサーを適用した移動体（本発明の移動体）について説明する。図１０は、本発明の移動体の一例を示す斜視図である。
図１０に示すように、移動体４００は、車体４０１と、４つの車輪４０２とを有しており、車体４０１に設けられた図示しない動力源（エンジン）によって車輪４０２を回転させるように構成されている。このような移動体４００には、ナビゲーションシステム３００（物理量センサー１）が内蔵されている。

以上、本発明の物理量センサー、電子機器および移動体を図示の各実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、他の任意の構成物が付加されていてもよい。
また、前述した実施形態では、歪検出素子としてピエゾ抵抗素子を用いた場合を例に説明したが、本発明は、これに限定されず、例えば、フラップ型の振動子、櫛歯電極等の他のＭＥＭＳ振動子や、水晶振動子等の振動素子を用いることもできる。
また、前述した実施形態では、４つの歪検出素子を用いる場合を例に説明したが、本発明は、これに限定されず、歪検出素子の数は、１つ以上３つ以下、または、５つ以上であってもよい。
また、前述した実施形態では、ダイヤフラム部の外周部側に歪検出素子を配置した場合を例に説明したが、本発明はこれに限定されず、ダイヤフラム部の中央部に歪検出素子が配置されていてもよい。
また、前述した実施形態では、パッケージ内に収納するセンサー素子として、ジャイロセンサー素子、赤外線センサー素子を用いる場合を説明したが、本発明は、これに限定されず、例えば、ＡＴ振動子、音叉型振動子、ＳＡＷ共振子、加速度センサー素子等の他の振動素子等をセンサー素子としてパッケージ内に収納してもよい。また、前述した実施形態におけるジャイロセンサー素子の形態（ダブルＴ型）は、一例であり、音叉型、Ｈ型等の他の形態のジャイロセンサー素子を用いてもよいことは言うまでもない。

１‥‥物理量センサー １Ａ‥‥物理量センサー １Ｂ‥‥物理量センサー １Ｃ‥‥物理量センサー ２‥‥ベース ３‥‥センサー素子 ３Ｂ‥‥センサー素子 ４‥‥センサーチップ ６‥‥基板 ７‥‥歪検出素子 ７ａ‥‥ピエゾ抵抗素子 ７ｂ‥‥ピエゾ抵抗素子 ７ｃ‥‥ピエゾ抵抗素子 ７ｄ‥‥ピエゾ抵抗素子 ８‥‥積層構造体 ９‥‥半導体回路 １０‥‥ケーシング ２０‥‥パッケージ ２０Ａ‥‥パッケージ ２１‥‥ベース基板 ２２‥‥枠体 ２３‥‥外部端子 ２４‥‥外部端子 ２５‥‥接合材 ３１‥‥基部 ３２ａ‥‥検出用振動腕 ３２ｂ‥‥検出用振動腕 ３３ａ‥‥連結腕 ３３ｂ‥‥連結腕 ３４ａ‥‥駆動用振動腕 ３４ｂ‥‥駆動用振動腕 ３５ａ‥‥駆動用振動腕 ３５ｂ‥‥駆動用振動腕 ３６ａ‥‥支持腕 ３６ｂ‥‥支持腕 ３７ａ‥‥支持腕 ３７ｂ‥‥支持腕 ３８ａ‥‥支持部 ３８ｂ‥‥支持部 ３９‥‥接続電極 ５１‥‥導電性接着剤 ５２‥‥配線 ５３‥‥接合材 ６１‥‥シリコン基板 ６２‥‥シリコン酸化膜 ６３‥‥シリコン窒化膜 ６４‥‥ダイヤフラム部 ６５‥‥凹部 ６６‥‥薄肉部 ７１ａ‥‥ピエゾ抵抗部 ７１ｂ‥‥ピエゾ抵抗部 ７１ｃ‥‥ピエゾ抵抗部 ７１ｄ‥‥ピエゾ抵抗部 ７２ａ‥‥配線 ７２ｂ‥‥配線 ７２ｃ‥‥配線 ７２ｄ‥‥配線 ７３ｃ‥‥接続部 ７３ｄ‥‥接続部 ８１‥‥層間絶縁膜 ８２‥‥配線層 ８２ａ‥‥配線層 ８２ｂ‥‥配線層 ８３‥‥層間絶縁膜 ８４‥‥配線層 ８４ａ‥‥配線層 ８４ｂ‥‥配線層 ８５‥‥表面保護膜 ８６‥‥空洞部 ８７‥‥トランジスタ ９１‥‥第１検出回路 ９２‥‥第２検出回路 ９３‥‥温度センサー １０１‥‥ベース基板 １０２‥‥枠体 １０３‥‥封止樹脂 １０４‥‥導電性接着剤 ３００‥‥ナビゲーションシステム ３０１‥‥表示部 ４００‥‥移動体 ４０１‥‥車体 ４０２‥‥車輪 ６４１‥‥受圧面 ８７１‥‥ゲート電極 ９１１‥‥補正回路 ９２１‥‥補正回路 Ｇ‥‥重心 Ｓ‥‥内部空間 Ｓ１‥‥内部空間

Claims (8)

1. 歪み検出素子と、
   歪み検出素子が配置されていて、受圧により撓み変形するダイヤフラム部が配置されている基板と、
   前記ダイヤフラム部とともに、内部空間を構成しているベース部と、
   前記内部空間に収容された振動素子であるセンサー素子と、
   前記内部空間または前記ベース部に配置されている温度センサーと、
   前記基板の一方の面側に配置され、前記温度センサーの検出結果に基づいて前記歪み検出素子および前記センサー素子の検出結果を補正する回路部と、
   を備えていることを特徴とする物理量センサー。
2. 前記ダイヤフラム部は、シリコンを主材料として構成されている請求項１に記載の物理量センサー。
3. 前記振動素子は、ジャイロセンサー素子である請求項１または２に記載の物理量センサー。
4. 前記歪み検出素子は、ピエゾ抵抗素子である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の物理量センサー。
5. 前記内部空間は、大気圧よりも減圧されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の物理量センサー。
6. 前記ダイヤフラム部の外表面に当接している、ゲル状または液体状の圧力伝達媒体を有している請求項１ないし５のいずれか１項に記載の物理量センサー。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の物理量センサーを有することを特徴とする電子機器。
8. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の物理量センサーを有することを特徴とする移動体。

Images