JP7365812B2

JP7365812B2 - センサ装置およびその製造方法

Info

Publication number: JP7365812B2
Application number: JP2019145010A
Authority: JP
Inventors: 博行口地; 尚己桝本
Original assignee: Nisshinbo Micro Devices Inc
Current assignee: Nisshinbo Micro Devices Inc
Priority date: 2019-08-07
Filing date: 2019-08-07
Publication date: 2023-10-20
Anticipated expiration: 2039-08-07
Also published as: JP2021025923A

Description

本発明はセンサ装置およびその製造方法に関し、特に超音波帯域の音波を検知するのに好適なセンサ装置およびその製造方法に関する。

ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により形成される小型のマイクロフォン装置が急速に普及してきている。この種の小型のマイクロフォン装置は、超音波帯域の音波を検知することができ、種々のセンサ装置に用いられている。

例えば、機械装置の多くはモーター等の回転機構を備えており、回転機構に異常が生じると、これらの機械装置から放出される超音波領域の音波の強度や周波数帯域が変化することが知られている。そのため機械装置から放出される超音波領域の音波を監視し、異常状態に達したことを検知する装置が用いられている。この種の異常予知装置は、例えば特許文献１に記載されている。

ところで、この種のセンサ装置では、本願出願人が先に開示したように、音波を検知するセンサ素子の他にセンサ素子から出力される信号を処理する信号処理素子（集積回路素子）が、同一パッケージ内に実装されている（特願２０１９－１３００２５号）。

図６はこの種のセンサ装置の説明図で、図６(ａ)に断面図を、図６（ｂ）に平面図をそれぞれ示している。図６において、１は実装基板、２は所望の周波数帯域に感度を有するＭＥＭＳトランスデューサ等からなるセンサ素子、３はセンサ素子２の出力信号を処理する集積回路等からなる信号処理素子、４は壁部、５は防水、防塵等のために開口を覆う保護カバー、６は空洞である。

このような構造のセンサ装置では、外部からセンサ装置に入射する信号をセンサ素子２で検知し、検知信号として出力する構成となっている。

特開平５－２０９７８２号公報

ところでこの種のセンサ装置は、図６に示すように空洞６内にセンサ素子２と信号処理素子３が実装されている。このような構造のセンサ装置では、入射した信号の一部が空洞６の信号と干渉し、受信信号のレベルが低下してしまうという問題があった。具体的には、所定の距離だけ離れた位置、角度から一定レベルの信号（周波数６０ｋＨｚ）をセンサ装置に向けて放出し、その信号を受信するセンサ装置の受信信号レベルを図７に示す。図７に示すレーダーチャートは、図６（ｂ）に示すセンサ装置の短辺中央を通り、図面左右方向の一方から他方へ信号の放出位置を変えたときのセンサ装置の受信信号レベルを示している。

図７に示すように、信号レベルは左右対称とはならず、一方側から入射する受信信号レベルの減衰が大きくなっていることがわかる。さらに、減衰量が徐々に大きくなるのではなく、所定の角度（－３０[ｄｅｇ]近傍）で受信信号レベルが大きく減衰していることがわかる。この種のセンサ装置では、実用上、±６０[ｄｅｇ]の範囲で良好な受信特性が求められており、図７に示すような受信特性では使用することができない。

本発明はこのような実情に鑑み、広い指向性を得ることができるセンサ装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、空洞内に、センサ素子と該センサ素子から出力される信号を処理する信号処理素子とを実装したセンサ装置において、前記空洞に入射して前記センサ素子に入射する信号と干渉し、前記センサ素子の受信信号レベルを低下させる阻害信号を吸収あるいは反射させる阻害信号遮断部を、前記空洞内に備え、かつ前記センサ素子がＭＥＭＳトランスデューサであることを特徴とする。

本願請求項２に係る発明は、請求項１記載のセンサ装置において、前記阻害信号遮断部は、前記空洞内の一部に充填された樹脂部からなることを特徴とする。

本願請求項３に係る発明は、請求項１又は２いずれか記載のセンサ装置において、前記阻害信号遮断部は、前記空洞内に配置された前記信号処理素子を含むことを特徴とする。

本願請求項４に係る発明は、空洞内に、センサ素子と該センサ素子から出力される信号を処理する信号処理素子とを実装したセンサ装置の製造方法において、空洞となる複数の凹部内に、それぞれ前記センサ素子と前記信号処理素子を実装した集合基板を用意する工程と、前記凹部内に、前記空洞に入射して前記センサ素子に入射する信号と干渉し、前記センサ素子の受信信号レベルを低下させる阻害信号を吸収あるいは反射させる阻害信号遮断部を形成する工程と、前記集合基板を切断して個片化する工程と、を含み、前記センサ素子がＭＥＭＳトランスデューサであることを特徴とする。

本願請求項５に係る発明は、請求項４記載のセンサ装置の製造方法において、前記阻害信号遮断部を形成する工程は、前記凹部内に樹脂部を形成する工程を含み、該樹脂部、あるいは前記樹脂部と前記信号処理素子とにより前記阻害信号遮断部を形成する工程であることを特徴とする。

本願請求項６に係る発明は、請求項４記載のセンサ装置の製造方法において、前記阻害信号遮断部を形成する工程は、前記信号処理素子を該信号処理素子によって阻害信号を反射する位置に実装することで、該信号処理素子を含む前記阻害信号遮断部を形成する工程であることを特徴とする。

本発明のセンサ装置は、空洞内に阻害信号遮断部を設けるだけで、受信信号の減衰量を大きくし受信信号レベルを低下させる原因となる阻害信号の入射を抑え、広い指向性を有するセンサ装置を提供可能としている。

また本発明のセンサ装置は、空洞に阻害信号遮断部を備える構造とすることで、空洞の体積が減少し、空洞の共振周波数が高周波数帯側に移り、超音波帯域の信号検知に好適な構造となる。

本発明のセンサ素子の製造方法は、集合基板上に複数のセンサ装置を形成した後、個片化する簡便な工程のみで構成することができ、安価にセンサ装置を形成できるという利点がある。

本発明の第１の実施例のセンサ装置の製造方法の説明図である。本発明の実施例のセンサ装置の説明図である。本発明の第１の実施例のセンサ装置の指向性を説明する図である。本発明の第２の実施例のセンサ装置の製造方法の説明図である。本発明の別の実施例のセンサ装置の説明図である。従来のセンサ装置の説明図である。従来のセンサ装置の指向性を説明する図である。

本発明のセンサ装置は、所定の角度から入射する信号（阻害信号）に起因する受信信号の減衰を防止するため、空洞内に、阻害信号を吸収あるいは反射させる阻害信号遮断部を備える構成としている。また本発明のセンサ装置の製造方法は、阻害信号遮断部を簡便に形成することができる構成としている。以下、本発明の実施例について詳細に説明する。

本発明の第１の実施例について、その製造工程に従い詳細に説明する。まず、平板基板１０ａを用意する。平板基板１０ａは、一般的な半導体装置の製造工程で使用される有機基板を用いることができる。平板基板１０ａには、後述するように搭載するセンサ素子や信号処理素子を実装するための配線や電極が形成されている。なお、以下の説明では配線等の図示は省略する。

平板基板１０a上に、所望の周波数帯域に感度を有するＭＥＭＳトランスデューサ等からなるセンサ素子２と、センサ素子２の出力信号を処理する集積回路等からなる信号処理素子３を実装（センサ素子２と信号処理素子３との接続は図示を省略）する（図１ａ）。図１に示す例では、３個のセンサ装置が形成される場合を示している。

次にセンサ素子２等を取り囲むように枠体１０ｂを平板基板１０ａ上に積層する。平板基板１０ａと枠体１０ｂが一体となり集合基板１０を構成する。また平板基板１０ａと枠体１０ｂとで囲まれた空間、換言すると集合基板１０の凹部が空洞６となる（図１ｂ）。なお平板基板１０ａと枠体１０ｂを積層し凹部を形成した後、この凹部内にセンサ素子２と信号処理素子３を実装しても良い。

次に阻害信号遮断部を形成する。本実施例の阻害信号遮断部は、信号処理素子３側の空間を覆う樹脂部１１で構成するものとする。樹脂部１１は、例えばエポキシ系樹脂を滴下し、所望の硬化処理を行い形成する（図１ｃ）。

その後、防水、防塵等のため空洞６の開口する上面を保護カバー１２で覆う。保護カバー１２の表面をダイシングテープ１３に貼り付け、ダイシングソー１４を格子状に走行させることで、集合基板１０を切断し、実装基板１上にセンサ素子２と信号処理素子３が実装された複数のセンサ装置に個片化することができる（図１ｄ）。個片化後のセンサ素子を図２（ａ）に示す。

阻害信号遮断部となる樹脂部１１を配置する位置は、樹脂部１１を配置することで図７に示すような受信信号の減衰がなくなる位置とする。一例として図７に示す受信信号の減衰が生じたセンサ装置では、樹脂部１１を信号処理素子３側の空洞６を埋めるように配置した。この樹脂部１１は、阻害信号を吸収あるいは反射させることで阻害信号の影響をなくすことが確認できた。

一例として、図２（ａ）に示す構造のセンサ装置の受信信号の測定結果を図３に示す。樹脂部１１を配置するのみで、受信信号の大きな減衰がなくなることが確認できた。また±６０[ｄｅｇ]の範囲で良好な受信特性が得られており、本実施例のセンサ装置が、指向性の広いセンサ装置として好適となることが確認できた。

本実施例によれば、非常に小型のセンサ装置を容易に形成することが可能で、樹脂部１１は空洞６の体積を小さくするため、共振周波数をより高い周波数帯側に移すことも可能となる。

なお樹脂部１１により形成される阻害信号遮断部は、図２(ａ)に示すように信号処理素子３を完全に覆うことは必須ではなく種々変更可能である。例えば、図２（ｂ）に示すように信号処理素子３の一部を露出させ、あるいは図２（ｃ）に示すように信号処理素子３の大部分を露出させ、樹脂部１１と信号処理素子３とを組み合わせて阻害信号阻止部として機能させることもできる。阻害信号阻止部の一部に樹脂部１１を配置すると、この樹脂部１１が阻害信号の一部を吸収し、あるいは反射させ、阻害信号が空洞内の信号と干渉を起こすことを防止する。なお一般的に信号処理素子３は、遮光性樹脂により被覆されている。この遮光性樹脂は、阻害信号を遮断することはできず、本発明の樹脂部１１とは相違するものであることは言うまでもない。

樹脂部１１を形成する際、滴下した樹脂がＭＥＭＳ素子２側に流れ、ＭＥＭＳ素子２に影響を与えないように、枠体１０ｂから樹脂をせき止めるように突出するダム部を追加したり、平板基板１０ａ表面から突出するダム部を追加する等変更しても良い。

次に第２の実施例について説明する。上記第１の実施例では阻害信号遮断部を樹脂部１１で、あるいは樹脂部１１と信号処理素子３とを組み合わせて構成したが、信号処理素子３を主な阻害信号遮断部とすることも可能である。一般的に信号処理素子３は、ＭＥＭＳ素子より薄い構造となっている。そこで、信号処理素子３を台座上に配置する構造とすることで、阻害信号遮断部として機能させることができる。

例えば図４(ａ)に示すように、枠体１０ｂの一部を台座部１０ｃとして残し、平板基板１０ａに積層し、集合基板１０を形成する。平板基板１０ａと枠体１０ｂとで囲まれた空間、換言すると集合基板１０の凹部が空洞６となる。

空洞６内に、センサ素子２と信号処理素子３を実装する。信号処理素子３は台座１０ｃ上に実装する（図４ｂ）。ここで、信号処理素子３が阻害信号遮断部となる。あるいは台座１０ｃと信号処理素子３とが阻害信号遮断部となる。

このように信号処理素子３を阻害信号遮断部とすると、実装の位置合わせ精度に応じて正確な位置に実装することが可能で、樹脂を滴下して形成する樹脂部より再現性良く阻害信号遮断部を形成することができる。

また台座１０ｃと信号処理素子３とを阻害信号遮断部とした場合も、台座１０ｃを所望の厚さで均一に形成することができ、上記同様再現性良く阻害信号遮断部を形成することができる。

その後、防水、防塵等のため空洞６の開口する上面を保護カバー１２で覆う。保護カバー１２の表面をダイシングテープ１３に貼り付け、ダイシングソー１４を格子状に走行させることで、集合基板１０を切断し、実装基板１にセンサ素子２と信号処理素子３が実装された複数のセンサ装置に個片化することができる（図４ｃ）。個片化後のセンサ素子を図５(ａ)に示す。

阻害信号遮断部となる信号処理素子３、あるいは台座部１０ｃと信号処理素子３は、これらを配置することで受信信号の減衰がなくなる位置に配置すればよい。信号処理素子３は、阻害信号を反射させることで阻害信号の影響をなくすことができる。また台座部１０ｃを枠体１０ｂの一部で構成する場合には、樹脂部１１と同様に、阻害信号を吸収あるいは反射させることで、台座部１０ｃと信号処理素子３とで阻害信号の影響をなくすことができる。

本実施例によっても、非常に小型のセンサ装置を容易に形成することが可能で、台座部１０ｃは空洞６の体積を小さくするため、共振周波数をより高い周波数帯側に移すことも可能となる。

なお本実施例においても、阻害信号遮断部の形状は種々変更可能である。例えば台座部１０ｃは、枠体と一体である必要はなく、図５（ｂ）に示すように有機材料あるいは無機材料からなる台座部１０ｄを別体で構成し、平板基板上に搭載する構成とすることができる。また図５（ｃ）に示すように台座部１０ｃ上に第１の実施例で説明したような樹脂部１１ａを付加することも可能である。樹脂部１１ａは、信号処理素子３全体を被覆しても良い。

樹脂部を形成する際には、滴下した樹脂がＭＥＭＳ素子２に影響を与えないように、ダム部を追加しても問題ない。

以上本発明の実施例について説明したが本発明はこれらに限定されるものでないことは言うまでもない。例えば、阻害信号遮断部を構成する樹脂部をセンサ素子からみて信号処理素子側に配置する例を説明したが、これに限定されず、空洞内のどの位置に配置しても良い。また空洞を構成する壁面は、平面状に限らず、凹凸状、斜面状、曲面状等、適宜変更することができる。

１：実装基板、２：センサ素子、３：信号処理素子、４：壁部、５：保護カバー、６：空洞、１０：集合基板、１０ａ：平板基板、１０ｂ：枠体、１０ｃ、１０ｄ：台座部、１１、１１ａ：樹脂部、１２：保護カバー、１３：ダイシングテープ、１４：ダイシングソー

Claims

空洞内に、センサ素子と該センサ素子から出力される信号を処理する信号処理素子とを実装したセンサ装置において、
前記空洞に入射して前記センサ素子に入射する信号と干渉し、前記センサ素子の受信信号レベルを低下させる阻害信号を吸収あるいは反射させる阻害信号遮断部を、前記空洞内に備え、かつ前記センサ素子がＭＥＭＳトランスデューサであることを特徴とするセンサ装置。
請求項１記載のセンサ装置において、
前記阻害信号遮断部は、前記空洞内の一部に充填された樹脂部からなることを特徴とするセンサ装置。
請求項１又は２いずれか記載のセンサ装置において、
前記阻害信号遮断部は、前記空洞内に配置された前記信号処理素子を含むことを特徴とするセンサ装置。
空洞内に、センサ素子と該センサ素子から出力される信号を処理する信号処理素子とを実装したセンサ装置の製造方法において、
空洞となる複数の凹部内に、それぞれ前記センサ素子と前記信号処理素子を実装した集合基板を用意する工程と、
前記凹部内に、前記空洞に入射して前記センサ素子に入射する信号と干渉し、前記センサ素子の受信信号レベルを低下させる阻害信号を吸収あるいは反射させる阻害信号遮断部を形成する工程と、
前記集合基板を切断して個片化する工程と、を含み、
前記センサ素子がＭＥＭＳトランスデューサであることを特徴とするセンサ装置の製造方法。
請求項４記載のセンサ装置の製造方法において、
前記阻害信号遮断部を形成する工程は、前記凹部内に樹脂部を形成する工程を含み、該樹脂部、あるいは前記樹脂部と前記信号処理素子とにより前記阻害信号遮断部を形成する工程であることを特徴とするセンサ装置の製造方法。
請求項４記載のセンサ装置の製造方法において、
前記阻害信号遮断部を形成する工程は、前記信号処理素子を該信号処理素子によって阻害信号を反射する位置に実装することで、該信号処理素子を含む前記阻害信号遮断部を形成する工程であることを特徴とするセンサ装置の製造方法。