WO2021172588A1 - センサ装置およびその製造方法 - Google Patents

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WO2021172588A1
WO2021172588A1 PCT/JP2021/007722 JP2021007722W WO2021172588A1 WO 2021172588 A1 WO2021172588 A1 WO 2021172588A1 JP 2021007722 W JP2021007722 W JP 2021007722W WO 2021172588 A1 WO2021172588 A1 WO 2021172588A1
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sensor device
electrode
film
circuit board
upper electrode
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PCT/JP2021/007722
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English (en)
French (fr)
Inventor
陽介 恩田
Original Assignee
太陽誘電株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H3/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators
    • H03H3/007—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks
    • H03H3/02—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks for the manufacture of piezoelectric or electrostrictive resonators or networks
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/15—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
    • H03H9/17—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator

Definitions

  • the present invention relates to a sensor device using a piezoelectric thin film resonator such as FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator) and a method for manufacturing the same.
  • FBAR Flexible Bulk Acoustic Resonator
  • FBAR is a piezoelectric thin film resonator used for filters and duplexers of mobile communication equipment.
  • Development of odor sensors that detect frequency changes corresponding to changes in mass by applying a sensitive film that adsorbs a specific gas to piezoelectric resonators such as FBAR, QCM (Quartz Crystal Microbalance) and SAW (Surface Acoustic Wave) is progressing.
  • FBAR piezoelectric thin film resonator
  • QCM Quadartz Crystal Microbalance
  • SAW Surface Acoustic Wave
  • the piezoelectric resonance type sensor is typically configured by mounting the sensor device on a circuit board on which an oscillator circuit is mounted. However, depending on the mounting form of the sensor device on the circuit board, it may not oscillate at the original resonance frequency and may not operate as a sensor. For example, when connecting a sensor device and a circuit board by a wire bonding method, if the inductance of the bonding wire becomes large, the dielectric region of the resonance characteristic becomes wide, and there is a concern that oscillation may occur at a frequency other than the original oscillation frequency. ..
  • an object of the present invention is to provide a sensor device capable of ensuring stable oscillation characteristics of a piezoelectric resonance device and a method for manufacturing the same.
  • the sensor device includes a circuit board and a sensor device.
  • the sensor device includes a support substrate, a piezoelectric film provided on the support substrate, a lower electrode and an upper electrode facing each other with at least a part of the piezoelectric film interposed therebetween, and a sensitive film provided on the upper electrode. Is flip-chip connected to the circuit board.
  • the wiring length between the sensor device and the circuit board is shortened, thereby ensuring stable oscillation characteristics of the sensor device. can do.
  • the circuit board is provided between the first electrode connected to the lower electrode, the second electrode connected to the upper electrode, and the first electrode and the second electrode, and the gas to be detected flows. It may have a recess.
  • the circuit board is provided between the first electrode connected to the lower electrode, the second electrode connected to the upper electrode, and the first electrode and the second electrode, and the gas to be detected. May have a through hole through which
  • the sensitive film may be provided in a resonance region of the upper electrode in which the lower electrode and the upper electrode face each other with the piezoelectric film interposed therebetween.
  • the piezoelectric film, the lower electrode, and the upper electrode may have a convex curved surface shape that forms a gap between the support substrate and the lower electrode in the resonance region.
  • the sensor device may further have joints provided on the lower electrode and the upper electrode, respectively, and electrically connected to the first electrode and the second electrode, respectively.
  • the joint may be a solder bump, a gold bump, or an anisotropic conductive film.
  • the sensitive film may be an inorganic film, an organic polymer film, or an organic dye film.
  • the sensitive film may be a cellulosic resin, a fluororesin, an acrylic resin, or a conductive polymer.
  • the sensor device may be a multi-sensor module in which a plurality of sensor elements having the piezoelectric film, the lower electrode, the upper electrode, and the sensitive film are arranged on one support substrate.
  • the method for manufacturing a sensor device is as follows.
  • a sensor device having a support substrate, a piezoelectric film provided on the support substrate, a lower electrode and an upper electrode facing each other with at least a part of the piezoelectric film interposed therebetween, and a sensitive film provided on the upper electrode.
  • the sensor device is provided on the motherboard.
  • FIG. 1 is a side sectional view schematically showing a configuration of a sensor device 1 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a plan view of the sensor device 1.
  • the sensor device 1 includes a circuit board 50 and a sensor device 100 mounted on the circuit board 50.
  • the sensor device 1 is for identifying (detecting) the type of gas or measuring the amount of the gas.
  • a plurality of sensor devices 100 are mounted on the circuit board 50, and each sensor device 100 is typically configured to be capable of detecting different gases individually.
  • the number of sensor devices 100 is not limited to a plurality, and may be a single number. The details of the circuit board 50 and the mounting form of the sensor device 100 will be described later.
  • a drive circuit 54 including an oscillation circuit for driving each sensor device 100 is mounted on the circuit board 50.
  • the drive circuit 54 is commonly configured in each sensor device 100, but a plurality of oscillation circuits are provided corresponding to each sensor device 100.
  • FIG. 3A and 3B are views showing the configuration of the sensor device 100, where FIG. 3A is a plan view and FIG. 3B is a sectional view taken along line AA in FIG. 3A.
  • the sensor device 100 of the present embodiment has a support substrate 10, a piezoelectric film 22, and a lower electrode 21 and an upper electrode 23 facing each other with at least a part of the piezoelectric film 22 interposed therebetween, and further, resonance of the upper electrode 23. It is configured as an FBAR type piezoelectric resonator provided with a sensitive film 30 provided at a position corresponding to the region 24.
  • a semiconductor substrate such as a silicon (Si) substrate or a gallium arsenide (GaAs) substrate, or a ceramic substrate such as a quartz substrate, a glass substrate, or an alumina substrate can be used.
  • the lower electrode 21 is formed on the support substrate 10 in a predetermined shape.
  • the lower electrode 21 is formed in a polygonal shape in which the width dimension along the vertical direction of FIG. 3A increases toward the resonance region 24.
  • the thickness of the lower electrode 21 is, for example, 240 nm.
  • the lower electrode 21 includes aluminum (Al), copper (Cu), chromium (Cr), molybdenum (Mo), tungsten (W), tantalum (Ta), platinum (Pt), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), and the like.
  • it is composed of a metal monolayer film of iridium (Ir) or a laminated film in which a plurality of materials are selected from these.
  • the piezoelectric film 22 is formed on the support substrate 10 in a predetermined shape so as to cover a part of the lower electrode 21.
  • the piezoelectric film 22 is formed in a polygonal shape in which the width dimension along the vertical direction of FIG. 3A increases toward the resonance region 24, similarly to the lower electrode 21.
  • the thickness of the piezoelectric film 22 is, for example, 500 nm.
  • the piezoelectric film 22 is composed of, for example, a piezoelectric material containing aluminum nitride (AlN) as a main component having the main axis in the (002) direction.
  • AlN aluminum nitride
  • a ZnO film can be used in addition to the AlN film.
  • the upper electrode 23 is formed in a predetermined shape on the support substrate 10 so as to cover at least a part of the piezoelectric film 22.
  • the upper electrode 23 is formed in a polygonal shape in which the width dimension along the vertical direction of FIG. 3A increases toward the resonance region 24, similarly to the lower electrode 21 and the piezoelectric film 22.
  • the thickness of the upper electrode 23 is, for example, 240 nm.
  • the upper electrode 23 is composed of a single-layer film of the metal material listed in the lower electrode 21, or a laminated film in which a plurality of materials are selected from these.
  • the sensor device 100 has a resonance region 24.
  • the resonance region 24 is a region where the lower electrode 21 and the upper electrode 23 overlap.
  • a gap G is provided between the support substrate 10 and the lower electrode 21.
  • the piezoelectric film 22, the lower electrode 21, and the upper electrode 23 are convex curved surfaces that form a gap G between the support substrate 10 and the lower electrode 21.
  • the planar shape of the convex curved surface of the upper electrode 23 is, for example, a substantially elliptical shape with a major axis of 270 ⁇ m and a minor axis of 180 ⁇ m.
  • the resonance region 24 is a region that resonates in the thickness longitudinal vibration mode when an AC voltage having a resonance frequency is input between the lower electrode 21 and the upper electrode 23.
  • the resonance frequency of the resonance region 24 is not particularly limited, and is typically a frequency in the GHz band, which is 2.4 GHz in the present embodiment.
  • the planar shape of the resonance region 24 may be formed in another shape such as a circular shape or a polygonal shape having five or more sides.
  • the gap G is a dome-shaped bulge formed between the flat upper surface of the support substrate 10 and the lower electrode 21.
  • the dome-shaped bulge is, for example, a bulge having a shape in which the height of the gap G is low around the gap G and the height of the gap G is higher toward the inside of the gap G.
  • An introduction path 25 formed by introducing an etchant when forming the gap G is provided on the lower side of the lower electrode 21. The vicinity of the tip of the introduction path 25 is not covered with the piezoelectric film 22 or the like, and the tip of the introduction path 25 is a hole 26.
  • the two holes 26 are an introduction port for introducing an etchant when forming the void G and also a discharge port.
  • the formation position of the hole portion 26 is not particularly limited, but is preferably provided in the vicinity of the resonance region 24.
  • the pore portion 26 is closed with an appropriate material such as a resin, an adhesive, or a constituent material of the sensitive film 30. As a result, the communication of the gap G with the outside air can be cut off, so that deterioration of the resonance characteristics due to the invading gas into the gap G can be prevented.
  • the sensitive film 30 is made of a material capable of adsorbing the gas to be detected.
  • the material constituting the sensitive film can be arbitrarily selected depending on the type of gas to be detected, and typically, an organic polymer film (organic polymer film, organic small molecule film), an organic dye film, an inorganic film, or the like is used. Can be done.
  • the sensitive film 30 includes, but is not limited to, a cellulosic resin, a fluororesin, an acrylic resin, or a conductive polymer.
  • a method for forming the sensitive film 30 in addition to a method in which the material of the sensitive film is dissolved in a solvent and applied, a vapor deposition method, a sputtering method or a CVD (Chemical Vapor Deposition) method can be used.
  • organic polymer material examples include polystyrene, polymethyl methacrylate, 6-nylon, cellulose acetate, poly-9,9-dioctirefluorene, polyvinyl alcohol, polyvinyl carbazole, polyethylene oxide, polyvinyl chloride, and poly-p-.
  • Homopolymers having a single structure such as phenylene ether sulfone, poly-1-butene, polybutadiene, polyphenylmethylsilane, polycaprolactone, polybisphenoxyphosphazene, polypropylene, etc., copolymers of two or more homopolymers, these A blended polymer or the like in which the above is mixed can be used.
  • organic low molecular weight materials tris (8-quinolinolato) aluminum (Alq3), naphthyldiamine ( ⁇ -NPD), BCP (2,9 --dimethyl --4,7 --diphenyl -1,10 --phenanthroline), CBP (4,4'--N, N'--dicarbazole --biphenyl), copper phthalocyanine, fullerene, pentacene, anthracene, thiophene, Ir (ppy (2-phenylpyridinato)) 3 , triazinethiol derivative, dioctylfluorene derivative, tetracontane, parylene Etc. can be used.
  • Alq3 8-quinolinolato aluminum
  • ⁇ -NPD naphthyldiamine
  • BCP 2,9 --dimethyl --4,7 --diphenyl -1,10 --phenanthroline
  • CBP 4,4'--N, N'--dicarbazole
  • inorganic materials include alumina, titania, vanadium pentoxide, tungsten oxide, lithium fluoride, magnesium fluoride, aluminum, gold, silver, tin, indium-thin oxide (ITO), carbon nanotubes, sodium chloride, and chloride.
  • ITO indium-thin oxide
  • Magnesium or the like can be used.
  • the sensitive film 30 is selectively provided in the resonance region 24.
  • the sensitive film 30 is provided in the resonance region 24 of the upper electrode 23, and is typically provided in a portion corresponding to the resonance region 24 on the upper electrode 23.
  • the portion corresponding to the resonance region 24 refers to the elliptical dome-shaped surface of the upper electrode 23, and the sensitive film 30 is provided on the convex curved surface portion of the upper electrode 23.
  • the resonance region 24 is formed in an elliptical shape having a major axis and a minor axis substantially the same as the dome portion.
  • the thickness of the sensitive film 30 is not particularly limited, and can be arbitrarily set depending on the ease of adsorption or desorption of the gas to be detected, for example, 250 ⁇ m.
  • the sensitive film 30 is composed of a coating film containing the above-mentioned polymer material, which is selectively applied to the resonance region 24 using a mask material (not shown) and dried.
  • the sensitive film 30 may be formed in a region wider or narrower than the resonance region 24, or may be provided at a position offset from the resonance region, depending on the opening accuracy or the position accuracy of the mask.
  • the sensitive film 30 of each sensor device 100 is typically made of a different material. This makes it possible for one sensor device 100 to detect a plurality of types of gas types.
  • 4 (a) to 4 (d) are cross-sectional views showing a method of manufacturing the sensor device 100.
  • the sacrificial layer 40 is formed on the support substrate 10 by using, for example, a sputtering method, a thin-film deposition method, or a chemical vapor deposition method (CVD method).
  • a sputtering method for example, a magnesium oxide (MgO) film can be used, and the sacrificial layer 40 is provided including at least a region formed by the void G.
  • the film thickness of the sacrificial layer 40 is, for example, about 20 nm.
  • sputtering is performed in an argon (Ar) gas atmosphere to form a metal film on the support substrate 10 and the sacrificial layer 40.
  • the metal film may be formed by a vapor deposition method or a CVD method.
  • the metal film is selected from at least one of the materials (Al, Cu, Cr, Mo, W, Ta, Pt, Ru, Rh, or Ir) listed in the lower electrode 21.
  • a photolithography method and an etching method are used to form the lower electrode 21 with the metal film in a desired shape. At this time, a part of the lower electrode 21 covers the sacrificial layer 40.
  • the lower electrode 21 may be formed by the lift-off method.
  • a piezoelectric film 22 made of an AlN film is formed on the support substrate 10 and the lower electrode 21.
  • the film formation of the piezoelectric film 22 can be performed by a one-dimensional sputtering method using an aluminum metal target in an atmosphere containing nitrogen (for example, in a mixed gas atmosphere of nitrogen and a rare gas (Ar or the like)).
  • a metal film is formed on the piezoelectric film 22.
  • the metal film may be formed by a vapor deposition method or a CVD method. This metal film is also selected from at least one of Al, Cu, Cr, Mo, W, Ta, Pt, Ru, Rh, or Ir, as described above.
  • the upper electrode 23 is formed with the metal film as a desired shape by using a photolithography method and an etching method.
  • the upper electrode 23 may be formed by a lift-off method.
  • a photolithography method and an etching method are used to shape the piezoelectric film 22 into a desired shape.
  • the lower electrode 21 and the sacrificial layer 40 are selectively etched to form the hole 26 (see FIG. 3A).
  • an etchant is introduced from the hole 26 to etch the sacrificial layer 40.
  • the stress of the laminated film of the lower electrode 21, the piezoelectric film 22, and the upper electrode 23 is set to be a compressive stress in advance.
  • the laminated film swells, and a resonance region 24 having a dome-shaped bulging void G is formed between the support substrate 10 and the lower electrode 21.
  • an introduction path 25 for connecting the gap G and the hole 26 is also formed.
  • the sensor device 100 shown in FIG. 1 is manufactured by providing the sensitive film 30 at the portion corresponding to the resonance region 24 on the upper electrode 23.
  • a cellulosic resin, a fluororesin, an acrylic resin, or a conductive polymer is used as a solvent such as acetone, methanol, ethanol, toluene, THF, MEK, NMP, heptane, and water. Dissolve in.
  • a solvent such as acetone, methanol, ethanol, toluene, THF, MEK, NMP, heptane, and water.
  • Other liquids other than the above may be used, but among the above liquids, the solvent is relatively highly volatile, so that the sensitive film 30 is easily dried and a uniform film can be formed, which is preferable. ..
  • the above-mentioned dissolved sensitive film is selectively applied onto the resonance region 24 by a printing method using a metal mask, a cast / dispense method, or the like, and then dried.
  • the sensor device 100 of the present embodiment configured as described above is surface-mounted on the circuit board 50 by flip-chip connection.
  • Flip-chip connection is an aspect of a surface mount method, which is also called a face-down method.
  • the support substrate 10 or the piezoelectric functional layer (lower electrode 21, piezoelectric film 22, upper electrode 23, and sensitive film 30) on the support substrate 10 is mounted toward the mounting surface 51 of the circuit board 50. , Flip chip connection.
  • one main surface of the circuit board 50 is configured as a mounting surface 51 on which the sensor device 100 is mounted.
  • the circuit board 50 is typically a wiring board in which a wiring layer having a predetermined pattern is formed on the surface of a base material made of a rigid organic material such as a glass epoxy board.
  • the circuit board 50 may be a multilayer board in which wiring layers are formed in multiple layers.
  • the mounting surface 51 is provided with a first electrode portion 52a that is electrically connected to the lower electrode 21 of the sensor device 100 and a second electrode 52b that is electrically connected to the upper electrode 23 of the sensor device 100. .. As shown in FIG. 2, one of the first electrode 52a and the second electrode 52b is connected to the drive circuit 54 via the wiring pattern 55, and the other is connected to the common ground terminal 57 via the wiring pattern 56. NS.
  • the lower electrode 21 and the upper electrode 23 of the sensor device 100 are provided with joint portions 62a and 62b made of a conductive material, respectively.
  • the joint portion 62a electrically connects the lower electrode 21 to the first electrode 52a of the circuit board 50
  • the joint portion 62b electrically connects the upper electrode 23 to the second electrode 52b of the circuit board 50.
  • the joint portions 62a and 62b are typically solder bumps, but in addition to these, gold bumps, anisotropic conductive films and the like can be applied. Since FIG. 1 schematically shows the sensor device 100, the sizes of the joint portions 62a and 62b are different from each other, but they are actually substantially the same size (the same applies to FIG. 5).
  • the sensor device 100 is mounted on the circuit board 50 by a reflow soldering method. In this case, a plurality of sensor devices 100 can be collectively mounted on the circuit board 50.
  • the sensor device 100 is mounted on the circuit board 50 by a welding method in which ultrasonic waves and thermocompression bonding are applied. Further, when the joint portions 62a and 62b are made of an anisotropic conductive film, the sensor device 100 is mounted on the circuit board 50 by a pressure heating method.
  • the position and number of joints 62a and 62b are not particularly limited, and can be arbitrarily set according to the shape and size of the electrodes.
  • the joint portions 62a and 62b may be provided at a plurality of positions of the lower electrode 21 and the upper electrode 23, respectively.
  • a recess 53 is provided on the mounting surface 51 of the circuit board 50.
  • the recess 53 is provided in a region between the first electrode 52a and the second electrode 52b where the sensitive film 30 of the sensor device 100 faces.
  • the recess 53 is configured as a flow path through which the gas to be detected flows or a pool portion of the gas.
  • the recess 53 is composed of a groove portion linearly formed along the arrangement direction of the sensor device 100, for example, as shown in FIG.
  • the recess 53 is linearly provided between the gas introduction port 53a formed near one side side of the circuit board 50 and the gas discharge port 53b provided near the other side side facing the circuit board 50. ..
  • the plurality of sensor devices 100 are arranged adjacent to each other so as to close the recess 53.
  • one recess 53 can be shared by a plurality of sensor devices 100.
  • the recess 53 is not limited to the example provided in common for the plurality of sensor devices 100, and a plurality of recesses 53 may be provided so as to correspond to the individual sensor devices 100.
  • a through hole 58 provided in the circuit board 50 may be used as shown in FIG.
  • the plurality of sensor devices 100 may be configured in a wafer level package. That is, the plurality of sensor devices 100 may be a multi-sensor module in which a plurality of sensor elements each having a piezoelectric film 22, a lower electrode 21, an upper electrode 23, and a sensitive film 30 are arranged on a common support substrate 10. good. As a result, a plurality of sensor devices 100 can be collectively mounted on the circuit board 50.
  • the recess 53 functions as a flow path through which gas flows. As shown in FIG. 2, when the recess 53 is provided in common for a plurality of sensor devices 100, the gas is introduced from the gas introduction port 53a toward the gas discharge port 53b, so that the components of the gas are made into each sensor device. It can be detected individually based on 100 outputs.
  • FIG. 6 shows a sensor device 2 in which the sensor device 100 is mounted on the circuit board 50 by a wire bonding method.
  • the support board 10 of the sensor device 100 is fixed to the mounting surface 51 of the circuit board 50 with an adhesive or the like.
  • the lower electrode 21 and the upper electrode 23 of the sensor device 100 are electrically connected to the first electrode 52a and the second electrode 52b of the circuit board 50 via the bonding wire (gold wire) W.
  • FIG. 7A is an equivalent circuit of the sensor device 1 (sensor device 100) of the present embodiment
  • FIG. 7B is an equivalent circuit of the sensor device 2 of the comparative example. Comparing FIGS. 7A and 7B, the sensor device 2 of the comparative example is different from the sensor device 1 in that the inductor component (Lw) of the wire W is added to both ends of the sensor device 100.
  • Lw inductor component
  • FIG. 8 is a simulation result showing an example of the resonance characteristics of the sensor device 1 of the present embodiment and the sensor device 2 of the comparative example.
  • the horizontal axis is frequency (unit: Hz) and the vertical axis is impedance (unit: ⁇ ).
  • the waveform A1 shown by the solid line in the figure shows the resonance characteristic of the sensor device 1 of the present embodiment (FIG. 1)
  • the waveform A2 shown by the alternate long and short dash line shows the resonance characteristic of the sensor device 2 of the comparative example (FIG. 6). Shown.
  • the resistor R0 is 0.310709 ⁇
  • the resistor Rs is 0.3457748 ⁇
  • the resistor Rp is 0.0861 ⁇
  • the capacitor Cs is 278.0687fF
  • the capacitor Cp is 3.803729pF
  • the inductor Ls is 15.7646nH
  • the inductor Lw is 0. It was set to .47 nH, and the resonance frequency of the resonance region 24 was set to 2.4 GHz.
  • the inductor component (Lw) of the wire W is inserted in series at both ends (lower electrode and upper electrode) of the sensor device 100 in an equivalent circuit. It takes the form of Therefore, as compared with the sensor device 1 (waveform A1) of the present embodiment that does not have the inductor component (Lw), the inductive region has a wider band and may oscillate at an unintended frequency.
  • the sharpness (Q value) of resonance at the resonance frequency (2.4 GHz) is sharper than that of the sensor device 2, and abnormal oscillation is suppressed. Therefore, stable resonance characteristics can be obtained. This is because the sensor device 100 is flip-chip connected to the circuit board 50, so that the wiring length between the sensor device 100 and the circuit board 50 is shortened, which reduces the inductor component. Further, by increasing the contact area of the electrically connected portion, the reliability of the electrical connection between the sensor device 100 and the circuit board 50 can be improved.
  • the sensor device 1 of the present embodiment since the sensor device 100 is mounted on the circuit board 50 by the flip chip connection method, the wiring length between the sensor device 100 and the circuit board 50 is increased. As a result, the stable oscillation characteristics of the sensor device can be ensured.
  • the wire component in the wire bonding method can be eliminated by the face-down mounting, so that stable oscillation characteristics can be obtained.
  • the circuit board 50 can realize mechanical protection of the sensor at the time of mounting the sensor device 1 on the motherboard or in the transport process.
  • some sensors have a protective cap provided on the reaction part (for example, a probe).
  • this cap is unnecessary.
  • the size of the through hole 58 may be large enough to expose the sensitive film, and may be smaller than the support substrate 10 of the sensor device 100.
  • the sensor device 100 is provided with gas in which the fluctuation of the flow is suppressed. Further, the distance between the mounting surface 51 of the circuit board 50 and the sensitive film 30 becomes narrow, which may make it difficult for gas to pass through. In this case, it is solved by forcibly flowing gas. By making the recess 58 a through hole as shown in FIG. 5, the gas can enter from the surface of the circuit board 50 and reach the sensor device 100 in a short path.
  • the gas can be stably supplied to some extent and the output thereof can be stabilized.
  • the formation of the recess 53 and the through hole 58 in the circuit board 50 is mainly realized by laser processing or machining.
  • the side surfaces of the recesses and through holes become rough, and in the case of a resin substrate, there is a problem that the detected gas is adsorbed and held on the side surfaces as it is.
  • the adsorption can be eliminated and the gas for the next detection can be measured with high accuracy.
  • a heater for example, a heater formed by wiring on the surface of a substrate or an inner layer is provided around the recess or the through hole, the adsorbed gas can be desorbed by the heat generated by the heater.
  • a sensor device having an air gap structure in which the resonance region 24 is formed by forming a gap G between the support substrate 10 and the lower electrode 21 has been described as an example, but the support substrate 10 has been described. It may be composed of a sensor device having a cavity structure in which a cavity is provided in the cavity and a laminated region of a lower electrode, a piezoelectric film and an upper electrode formed on the cavity is used as a resonance region. Alternatively, a sensor device having an acoustic reflection film structure may be adopted.

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Abstract

【課題】圧電共振デバイスの安定した発振特性を確保す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。 【解決手段】本発明の一形態に係るセンサ装置は、回路基板と、センサデバイスとを具備する。前記センサデバイスは、支持基板と、前記支持基板上に設けられた圧電膜と、前記圧電膜の少なくとも一部を挟んで対向する下部電極および上部電極と、前記上部電極に設けられた感応膜とを有し、前記回路基板にフリップチップ接続される。

Description

センサ装置およびその製造方法
　本発明は、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）等の圧電薄膜共振子を利用したセンサ装置およびその製造方法に関する。
　ＦＢＡＲは、移動通信機器のフィルタやデュプレクサ等に使われる圧電薄膜共振器である。ＦＢＡＲ、ＱＣＭ（Quartz Crystal Microbalance）やＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）といった圧電共振器に、特定のガスが吸着する感応膜を塗布し、その質量変化に対応する周波数変化を検知するにおいセンサの開発が進められている（非特許文献１参照）。
Matthew L. Johnston, Columbia University, New York, NY, USA MEMS 2012, Paris, FRANCE, 29 January - 2 February 2012　846-849
　圧電共振型のセンサは、典型的には、センサデバイスが発振回路を搭載した回路基板に実装されることで構成される。しかしながら、回路基板に対するセンサデバイスの実装形態によっては、本来の共振周波数で発振せず、センサとして動作しない場合がある。
　例えば、センサデバイスと回路基板との間をワイヤボンディング方式で接続する場合、ボンディングワイヤのインダクタンスが大きくなると、共振特性の誘電性領域が広くなり、本来の発振周波数以外で発振することが懸念される。
　以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、圧電共振デバイスの安定した発振特性を確保す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にある。
　上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るセンサ装置は、回路基板と、センサデバイスとを具備する。
　前記センサデバイスは、支持基板と、前記支持基板上に設けられた圧電膜と、前記圧電膜の少なくとも一部を挟んで対向する下部電極および上部電極と、前記上部電極に設けられた感応膜とを有し、前記回路基板にフリップチップ接続される。
　上記センサ装置においては、センサデバイスが回路基板に対してフリップチップ接続方式により実装されるため、センサデバイスと回路基板との間の配線長が短くなり、これによりセンサデバイスの安定した発振特性を確保することができる。
　前記回路基板は、前記下部電極に接続される第１電極と、前記上部電極に接続される第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられ検出対象のガスが流れる凹部とを有してもよい。
　あるいは、前記回路基板は、前記下部電極に接続される第１電極と、前記上部電極に接続される第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられ検出対象のガスが流れる貫通孔とを有してもよい。
　前記感応膜は、前記上部電極の、前記下部電極および前記上部電極が前記圧電膜を挟んで対向する共振領域に設けられてもよい。
　前記圧電膜、前記下部電極および前記上部電極は、前記共振領域において、前記支持基板と前記下部電極との間に空隙を形成する凸曲面形状を有してもよい。
　前記センサデバイスは、前記下部電極および前記上部電極にそれぞれ設けられ前記第１電極および前記第２電極にそれぞれ電気的に接続される接合部をさらに有してもよい。
　前記接合部は、はんだバンプ、金バンプまたは異方性導電フィルムであってもよい。
　前記感応膜は、無機膜、有機ポリマー膜または有機色素膜であってもよい。
　前記感応膜は、セルロース系の樹脂、フッ素系樹脂、アクリル系樹脂または導電性高分子であってもよい。
　前記センサデバイスは、一枚の前記支持基板上に、前記圧電膜、前記下部電極、前記上部電極および前記感応膜をそれぞれ有するセンサ素子が複数配置されたマルチセンサモジュールであってもよい。
　本発明の一形態に係るセンサ装置の製造方法は、
　支持基板と、前記支持基板上に設けられた圧電膜と、前記圧電膜の少なくとも一部を挟んで対向する下部電極および上部電極と、前記上部電極に設けられた感応膜とを有するセンサデバイスが回路基板にフリップチップ実装されたセンサ装置を用意し、
　前記センサ装置をマザーボードに設ける。
　本発明によれば、圧電共振デバイスの安定した発振特性を確保することができる。
本発明の一実施形態に係るセンサ装置の構成を概略的に示す側断面図である。 上記センサ装置の平面図である。 上記センサ装置におけるセンサデバイスの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ－Ａ線断面図である。 上記センサデバイスの製造方法を示す各工程での断面図である。 上記センサ装置の構成の変形例を示す側断面図である。 比較例のセンサ装置を示す側断面図である。 実施形態のセンサ装置および比較例のセンサ装置の等価回路である。 実施形態のセンサ装置および比較例のセンサ装置の周波数特性の一例を示すシミュレーション結果である。
　以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
［センサ装置］
　図１は本発明の一実施形態に係るセンサ装置１の構成を概略的に示す側断面図、図２はセンサ装置１の平面図である。センサ装置１は、回路基板５０と、回路基板５０上に搭載されたセンサデバイス１００とを備える。
　センサ装置１は、ガスの種類の同定（検出）あるいは当該ガスの量を測定するためのものである。本実施形態では、回路基板５０上に複数のセンサデバイス１００が搭載されており、各センサデバイス１００は、典型的には個々に異なるガスを検出することが可能に構成される。なお、センサデバイス１００の数は複数に限られず、単数であってもよい。回路基板５０の詳細およびセンサデバイス１００の実装形態については後述する。
　（センサデバイスの構成）
　センサデバイス１００の構成について説明する。回路基板５０には、各センサデバイス１００を駆動する発振回路を含む駆動回路５４が実装されている。駆動回路５４は各センサデバイス１００に共通に構成されるが、発振回路は、各センサデバイス１００に対応して複数設けられる。
　続いて、センサデバイス１００の詳細について説明する。図３は、センサデバイス１００の構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ－Ａ線断面図である。
　本実施形態のセンサデバイス１００は、支持基板１０と、圧電膜２２と、圧電膜２２の少なくとも一部を挟んで対向する下部電極２１および上部電極２３とを有し、さらに、上部電極２３の共振領域２４に対応する位置に設けられた感応膜３０を備えるＦＢＡＲ型の圧電共振器として構成される。
　支持基板１０は、例えば、シリコン（Ｓｉ）基板やガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板等の半導体基板のほか、石英基板、ガラス基板、またはアルミナ基板などのセラミック基板を用いることができる。
　下部電極２１は、支持基板１０上に所定の形状で形成される。ここでは、下部電極２１は共振領域２４に向かうにつれて図３（ａ）の上下方向に沿った幅寸法が大きくなる多角形状に形成される。下部電極２１の厚みは、例えば、２４０ｎｍである。下部電極２１は、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、又はイリジウム（Ｉｒ）の金属単層膜、あるいは、これらの中から複数の材料が選択された積層膜で構成される。
　圧電膜２２は、下部電極２１の一部を被覆するように支持基板１０上に所定の形状で形成される。ここでは、圧電膜２２は、下部電極２１と同様に共振領域２４に向かうにつれて図３（ａ）の上下方向に沿った幅寸法が大きくなる多角形状に形成される。圧電膜２２の厚みは、例えば、５００ｎｍである。圧電膜２２は、例えば、（００２）方向を主軸とする窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分とする圧電体で構成される。圧電膜２２には、ＡｌＮ膜以外にも、例えば、ＺｎＯ膜を用いることができる。
　上部電極２３は、圧電膜２２の少なくとも一部を被覆するように支持基板１０上に所定の形状で形成される。ここでは、上部電極２３は、下部電極２１および圧電膜２２と同様に共振領域２４に向かうにつれて図３（ａ）の上下方向に沿った幅寸法が大きくなる多角形状に形成される。上部電極２３の厚みは、例えば、２４０ｎｍである。上部電極２３は、下部電極２１で列挙した金属材料の単層膜、あるいは、これらの中から複数の材料が選択された積層膜で構成される。
　センサデバイス１００は、共振領域２４を有する。共振領域２４は、下部電極２１および上部電極２３が重なっている領域である。共振領域２４において、支持基板１０と下部電極２１との間には空隙Ｇが設けられる。本実施形態では、共振領域２４において、圧電膜２２と下部電極２１と上部電極２３とは、支持基板１０と下部電極２１との間に空隙Ｇを形成する凸曲面部である。上部電極２３の凸曲面の平面形状は、例えば、長軸が２７０μｍ、短軸が１８０μｍのほぼ楕円形状である。共振領域２４は、下部電極２１と上部電極２３との間に共振周波数の交流電圧が入力されたときに厚み縦振動モードで共振する領域である。共振領域２４の共振周波数は特に限定されず、典型的には、ＧＨｚ帯域の周波数であり、本実施形態では２．４ＧＨｚである。
　なお、共振領域２４の平面形状は、円形状、５つ以上の辺を有する多角形状などの他の形状に形成されてもよい。特に、共振領域２４の平面形状を楕円や５つ以上の辺を有する多角形状とすることで、共振領域２４の平面形状が矩形（正方形あるいは長方形）の場合よりも、横方向に伝播する振動モードの発生を抑制できるため、良好な共振特性を維持することができる。
　共振領域２４において、空隙Ｇは、支持基板１０の平坦な上面と下部電極２１との間に形成されたドーム状の膨らみである。ドーム状の膨らみとは、例えば、空隙Ｇの周辺では空隙Ｇの高さが低く、空隙Ｇの内部ほど空隙Ｇの高さが高くなるような形状の膨らみである。下部電極２１の下側には、空隙Ｇを形成する際にエッチャントを導入することで形成される導入路２５が設けられている。導入路２５の先端付近は、圧電膜２２などで覆われておらず、導入路２５の先端は孔部２６となっている。二つの孔部２６は、空隙Ｇを形成する際のエッチャントを導入する導入口であり、排出口でもある。
　孔部２６の形成位置は特に限定されないが、好ましくは、共振領域２４の近傍に設けられる。孔部２６は、空隙Ｇの形成後、例えば、樹脂、接着剤、感応膜３０の構成材料などの適宜の材料を用いて閉塞される。これにより、空隙Ｇの外気との連通を遮断できるため、空隙Ｇへの侵入ガスによる共振特性の劣化を阻止することができる。
　感応膜３０は、検出対象のガスを吸着可能な材料で構成される。感応膜を構成する材料は、検出対象のガスの種類によって任意に選択でき、典型的には、有機ポリマー膜（有機高分子膜、有機低分子膜）、有機色素膜または無機膜等を用いることができる。より具体的には、感応膜３０は、セルロース系の樹脂、フッ素系樹脂、アクリル系樹脂または導電性高分子が挙げられるが、勿論これに限られない。感応膜３０の形成方法としては、感応膜の材料を溶媒に溶解させ塗布する方法のほか、蒸着法、スパッタリング法またはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いることができる。
　有機高分子材料としては、例えばポリスチレン、ポリメタクリル酸メチル、６－ナイロン、セルロースアセテート、ポリ-９，９-ジオクチレフルオレン、ポリビニルアルコール、ポリビニルカルバゾール、ポリエチレンオキシド、ポリ塩化ビニル、ポリ-ｐ-フェニレンエーテルスルホン、ポリ-１-ブテン、ポリブタジエン、ポリフェニルメチルシラン、ポリカプロラクトン、ポリビスフェノキシホスファゼン、ポリプロピレンなどの単一構造からなるホモポリマー、ホモポリマー２種以上の共重合体であるコポリマー、これらを混合したブレンドポリマーなどを用いることができる。
　例えば、有機低分子材料としては、トリス（８-キノリノラト）アルミニウム（Ａｌｑ３）、ナフチルジアミン（α－ＮＰＤ）、ＢＣＰ（2,9 - dimethyl - 4,7 - diphenyl -1,10 - phenanthroline)、ＣＢＰ（4,4' - N,N' - dicarbazole - biphenyl）、銅フタロシアニン、フラーレン、ペンタセン、アントラセン、チオフェン、Ｉｒ（ｐｐｙ（2 - phenylpyridinato））３、トリアジンチオール誘導体、ジオクチルフルオレン誘導体、テトラコンタン、パリレンなどを用いることができる。
　例えば、無機材料としては、アルミナ、チタニア、五酸化バナジウム、酸化タングステン、フッ化リチウム、フッ化マグネシウム、アルミニウム、金、銀、スズ、インジウム・シン・オキサイド（ＩＴＯ）、カーボンナノチューブ、塩化ナトリウム、塩化マグネシウムなどを用いることができる。
　感応膜３０は、図３に示すように、共振領域２４に選択的に設けられる。本実施形態では、感応膜３０は、上部電極２３の共振領域２４内に設けられ、典型的には、上部電極２３上の共振領域２４に対応する部位に設けられる。共振領域２４に対応する部位とは、上部電極２３の楕円のドーム状の表面をいい、感応膜３０は、上部電極２３の凸曲面部に設けられる。共振領域２４は、当該ドーム部分と実質的に同一の長軸および短軸を有する楕円形状に形成される。感応膜３０の厚みは特に限定されず、検出対象であるガスの吸着あるいは脱着のし易さによって任意に設定可能であり、例えば２５０μｍである。
　感応膜３０は、上述のポリマー材料を含み、図示しないマスク材料を用いて共振領域２４に選択的に塗布、乾燥処理された塗膜からなる。感応膜３０は、上記マスクの開口精度あるいは位置精度によっては、共振領域２４よりも広い領域あるいは狭い領域に形成されてもよいし、共振領域からオフセットした位置に設けられてもよい。
　本実施形態のように回路基板５０上に複数のセンサデバイス１００が実装されるセンサ装置１００においては、典型的には、各センサデバイス１００の感応膜３０は、個々に異なる材料で構成される。これにより、１つのセンサ装置１００で、複数種類のガス種を検出することが可能となる。
　（センサデバイスの製造方法）
　次に、本実施形態のセンサデバイス１００の製造方法について説明する。図４（ａ）～（ｄ）は、センサデバイス１００の製造方法を示す断面図である。
　図４（ａ）に示すように、支持基板１０上に、例えばスパッタリング法、蒸着法、又は化学気相成長法（ＣＶＤ法）を用いて、犠牲層４０を形成する。犠牲層４０には、例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜を用いることができ、少なくとも空隙Ｇが形成する領域を含んで設けられる。犠牲層４０の膜厚は、例えば２０ｎｍ程度である。
　続いて、例えばアルゴン（Ａｒ）ガス雰囲気下でスパッタリングを行い、支持基板１０及び犠牲層４０上に金属膜を成膜する。金属膜の成膜は、蒸着法又はＣＶＤ法を用いて行ってもよい。金属膜は、下部電極２１で列挙した材料（Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、又はＩｒ）のうちの少なくとも１つから選択される。その後、例えばフォトリソグラフィ法及びエッチング法を用いて、金属膜を所望の形状として下部電極２１を形成する。この際、下部電極２１の一部は犠牲層４０を覆うようにする。なお、下部電極２１はリフトオフ法によって形成してもよい。
　続いて図４（ｂ）に示すように、支持基板１０及び下部電極２１上に、ＡｌＮ膜からなる圧電膜２２を成膜する。圧電膜２２の成膜は、窒素を含む雰囲気下（例えば窒素と希ガス（Ａｒなど）の混合ガス雰囲気下）で、アルミニウム金属ターゲットを用いた１元スパッタリング法によって行うことができる。
　続いて、例えばＡｒガス雰囲気下でスパッタリングを行うことで、圧電膜２２上に金属
膜を成膜する。金属膜の成膜は、蒸着法又はＣＶＤ法を用いて行ってもよい。この金属膜
も、前述と同様に、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、又はＩｒの
うちの少なくとも１つから選択される。
　その後、図４（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィ法及びエッチング法を用いて、金属膜を所望の形状として上部電極２３を形成する。上部電極２３は、リフトオフ法によって形成してもよい。続いて、例えばフォトリソグラフィ法及びエッチング法を用いて、圧電膜２２を所望の形状にする。さらに、下部電極２１と犠牲層４０とを選択的にエッチングして孔２６（図３（ａ）参照）を形成する。
　続いて図４（ｄ）に示すように、孔２６からエッチャントを導入して犠牲層４０をエッチングする。ここで、下部電極２１、圧電膜２２、及び上部電極２３の積層膜の応力を予め圧縮応力になるようにしておく。これにより、犠牲層４０のエッチングが完了した時点で、積層膜は膨れ上がり、支持基板１０と下部電極２１との間に、ドーム状の膨らみをした空隙Ｇを有する共振領域２４が形成される。また、空隙Ｇと孔２６とを連結する導入路２５も形成される。その後、上部電極２３上の共振領域２４に対応する部位に感応膜３０を設けることで、図１に示すセンサデバイス１００が作製される。
　感応膜３０の形成方法としては、例えば、セルロース系の樹脂、フッ素系樹脂、アクリル系樹脂、または導電性高分子をアセトン、メタノール、エタノール、トルエン、ＴＨＦ、ＭＥＫ、ＮＭＰ、ヘプタン、水などの溶媒に溶解させる。上記以外の他の液体を用いてもよいが、上記の液体のうち、溶媒は、揮発性が比較的高いため、感応膜３０が乾燥しやすく、均一な膜を成膜できる点で好適である。
　続いて、メタルマスクを用いた印刷法やキャスト・ディスペンス法などにより、共振領域２４上に選択的に、前述した溶解した感応膜を塗布し、その後に乾燥させる。
　（センサデバイスの実装構造）
　以上のように構成される本実施形態のセンサデバイス１００は、回路基板５０に対してフリップチップ接続により表面実装される。フリップチップ接続とは、フェイスダウン方式とも呼ばれる表面実装方式の一態様である。ここでは、支持基板１０、または、支持基板１０上の圧電機能層（下部電極２１、圧電膜２２、上部電極２３および感応膜３０）を回路基板５０の実装面５１に向けて実装される形態を、フリップチップ接続という。
　図１に示すように、回路基板５０の一方の主面は、センサデバイス１００が実装される実装面５１として構成される。回路基板５０は、典型的には、ガラスエポキシ基板等などのリジッド性のある有機材料からなる基材の表面に、所定パターンの配線層が形成された配線基板である。回路基板５０は、配線層が多層に形成された多層基板であってもよい。
　実装面５１には、センサデバイス１００の下部電極２１と電気的に接続される第１電極部５２ａと、センサデバイス１００の上部電極２３と電気的に接続される第２電極５２ｂが設けられている。図２に示すように、第１電極５２ａおよび第２電極５２ｂのうち、一方は配線パターン５５を介して駆動回路５４に接続され、他方は配線パターン５６を介して共通のグランド端子５７へ接続される。
　センサデバイス１００の下部電極２１および上部電極２３には、導電性材料で構成された接合部６２ａ，６２ｂがそれぞれ設けられている。接合部６２ａは、下部電極２１を回路基板５０の第１電極５２ａへ電気的に接続し、接合部６２ｂは、上部電極２３を回路基板５０の第２電極５２ｂへ電気的に接続する。接合部６２ａ，６２ｂは、典型的には、はんだバンプであるが、これ以外にも、金バンプや異方性導電フィルムなどが適用可能である。
　なお、図１はセンサデバイス１００を模式的に示しているため、接合部６２ａ，６２ｂの大きさが互いに異なっているが、実際はそれぞれほぼ同一の大きさである（図５においても同様）。
　接合部６２ａ，６２ｂがはんだバンプで構成される場合、センサデバイス１００は、リフローはんだ付け法により回路基板５０上に搭載される。この場合、複数のセンサデバイス１００を一括的に回路基板５０上へ実装することができる。
　また、接合部６２ａ，６２ｂが金バンプで構成される場合、センサデバイス１００は、超音波と熱圧着が加わった溶着法により回路基板５０上に搭載される。
　さらに、接合部６２ａ，６２ｂが異方性導電フィルムで構成される場合、センサデバイス１００は、加圧加熱法により回路基板５０上に搭載される。
　接合部６２ａ，６２ｂが設けられる位置や個数は特に限定されず、電極の形状や大きさに応じて任意に設定可能である。例えば、下部電極２１および上部電極２３の複数箇所にそれぞれ接合部６２ａ，６２ｂが設けられてもよい。
　回路基板５０の実装面５１には、凹部５３が設けられている。凹部５３は、第１電極５２ａと第２電極５２ｂとの間においてセンサデバイス１００の感応膜３０が対向する領域に設けられる。凹部５３は、検出対象であるガスが流れる流路、あるいは、当該ガスの溜まり部として構成される。
　本実施形態において凹部５３は、例えば図２に示すように、センサデバイス１００の配列方向に沿って直線的に形成された溝部で構成される。ここでは、凹部５３は、回路基板５０の一方の側辺近傍に形成されたガス導入口５３ａから、対向する他方の側辺近傍に設けられたガス排出口５３ｂとの間に直線的に設けられる。複数のセンサデバイス１００は、凹部５３を閉塞するように相互に隣接して配列される。これにより、１つの凹部５３を複数のセンサデバイス１００で共用することができる。勿論、凹部５３は複数のセンサデバイス１００について共通に設けられる例に限られず、個々のセンサデバイス１００に対応するように複数設けられてもよい。また、凹部５３に代えて、図５に示すように回路基板５０に設けられた貫通孔５８であってもよい。
　なお、複数のセンサデバイス１００は、ウェーハレベルパッケージで構成されてもよい。つまり、複数のセンサデバイス１００は、共通の支持基板１０上に、圧電膜２２、下部電極２１、上部電極２３および感応膜３０をそれぞれ有する複数のセンサ素子が配置されたマルチセンサモジュールであってもよい。これにより、複数のセンサデバイス１００を一括して回路基板５０上へ実装することができる。
　凹部５３は、ガスが流れる流路として機能する。図２に示すように凹部５３が複数のセンサデバイス１００に対して共通に設けられる場合、ガス導入口５３ａからガス排出口５３ｂへ向けてガスを流入させることで、当該ガスの成分を各センサデバイス１００の出力に基づいて個別に検出することができる。
　ここで、圧電共振型のセンサデバイスは、回路基板への実装形態によっては、発振が不安定になるなどして所望とする感度が得られない場合がある。例えば比較例として、センサデバイス１００が回路基板５０へワイヤボンディング方式で実装されたセンサ装置２を図６に示す。センサ装置２において、センサデバイス１００の支持基板１０は回路基板５０の実装面５１に接着剤等で固定される。そして、センサデバイス１００の下部電極２１および上部電極２３が回路基板５０の第１電極５２ａおよび第２電極５２ｂにボンディングワイヤ（金線）Ｗを介して電気的に接続される。
　図７（ａ）は、本実施形態のセンサ装置１（センサデバイス１００）の等価回路であり、（ｂ）は比較例のセンサ装置２の等価回路である。図７（ａ），（ｂ）を比較すると、比較例のセンサ装置２は、センサデバイス１００の両端にワイヤＷのインダクタ成分（Ｌｗ）が付加されている点で、センサ装置１と相違する。
　図８は、本実施形態のセンサ装置１と比較例のセンサ装置２の共振特性の一例を示すシミュレーション結果である。図中、横軸は周波数（単位：Ｈｚ）、縦軸はインピーダンス（単位：Ω）である。また図において実線で示す波形Ａ１は、本実施形態（図１）のセンサ装置１の共振特性を、二点鎖線で示す波形Ａ２は、比較例（図６）のセンサ装置２の共振特性をそれぞれ示している。
　ここでは、抵抗Ｒ０を０．３１０７０９Ω、抵抗Ｒｓを０．３４５７４８Ω、抵抗Ｒｐを０．０８６１Ω、キャパシタＣｓを２７８．０６８７ｆＦ、キャパシタＣｐを３．８０３７２９ｐＦ、インダクタＬｓを１５．７６４６ｎＨとし、インダクタＬｗは０．４７ｎＨとし、共振領域２４の共振周波数を２．４ＧＨｚとした。
　図８に示すように、比較例のセンサ装置２（波形Ａ２）は、等価回路的には、センサデバイス１００の両端（下部電極および上部電極）にワイヤＷのインダクタ成分（Ｌｗ）が直列に挿入された形態をとる。このため、当該インダクタ成分（Ｌｗ）が無い本実施形態のセンサ装置１（波形Ａ１）と比較すると、誘導性の領域が広帯域化しており、意図しない周波数で発振する可能性がある。
　これに対して、本実施形態のセンサ装置１によれば、センサ装置２と比較して、共振周波数（２．４ＧＨｚ）での共振の先鋭度（Ｑ値）が鋭く、異常な発振を抑制して、安定した共振特性を得ることができる。これは、センサデバイス１００が回路基板５０へフリップチップ接続されるため、センサデバイス１００と回路基板５０との間の配線長が短くなり、これによりインダクタ成分が小さくなることによる。さらに、電気的に接続部分の接触面積が増加することで、センサデバイス１００と回路基板５０との間の電気的な接続信頼性を高めることができる。
　以上のように、本実施形態のセンサ装置１によれば、センサデバイス１００が回路基板５０に対してフリップチップ接続方式により実装されるため、センサデバイス１００と回路基板５０との間の配線長が短くなり、これによりセンサデバイスの安定した発振特性を確保することができる。
　本実施形態によれば、フェイスダウン実装により、ワイヤボンディング方式におけるワイヤ成分をなくすことができるので、安定した発振特性が得られる。このセンサ装置１のマザーボードへの実装時や搬送工程において回路基板５０がセンサの機械的な保護を実現することができる。例えば、センサには、反応部（例えばプローブ）に保護キャップが設けられたものがある。しかしこのフェイスダウン実装であれば、このキャップは不要である。貫通孔５８のサイズは、感応膜が露出できる程度の大きさであればよく、また、センサデバイス１００の支持基板１０より小さければよい。
　また、回路基板５０に凹部５３，５８がガス溜りとして機能するため、流れの変動が抑制されたガスをセンサデバイス１００に与えられる。
　さらに、回路基板５０の実装面５１と感応膜３０との間隔は狭くなり、ガスの通過が困難となる場合がある。この場合、強制的にガスを流すことで、解決する。図５の様に凹部５８を貫通孔とすることで、ガスは回路基板５０の表面から浸入し、短い経路でセンサデバイス１００へ到達させることができる。
　なお、センサ装置１のマザーボードへの実装時や搬送工程において、回路基板５０を機械的な保護として機能させる場合は、凹部５３は必ずしも必要ではない。表面を覆う回路基板５０がセンサデバイスの電極や感応膜を機械的に保護するためである。
　本実施形態のように凹部５３あるいは貫通孔５８を流路として用いることで、ガスをある程度安定させて供給でき、その出力を安定させることができる。
　回路基板５０への凹部５３や貫通孔５８の形成には、主にレーザ加工や機械加工で実現される。この場合、凹部や貫通孔の側面は粗くなり、しかも樹脂基板の場合、検知したガスをそのまま当該側面に吸着保持させてしまう問題もある。この場合、凹部の内壁や貫通孔の側壁に、ガスの吸着しにくい膜を形成すれば、その吸着をなくすことができ、次回の検知のガスを精度高く図ることができる。
　また凹部や貫通孔の周りに、ヒータ、例えば基板の表面や内層の配線によるヒータを設ければ、その発生する熱により、吸着したガスを脱着させることも可能となる。
［変形例］
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。
　例えば以上の実施形態では、支持基板１０と下部電極２１との間に空隙Ｇを形成することで共振領域２４が構成されたエアギャップ構造のセンサデバイスを例に挙げて説明したが、支持基板１０にキャビティを設け、当該キャビティの上に形成された下部電極、圧電膜および上部電極の積層領域を共振領域とするキャビティ構造のセンサデバイスで構成されてもよい。あるいは、音響反射膜構造のセンサデバイスが採用されてもよい。
　１，３…センサ装置
　１０…支持基板
　２１…下部電極
　２２…圧電膜
　２３…上部電極
　２４…共振領域
　３０…感応膜
　５０…回路基板
　５１…実装面
　５２ａ…第１電極
　５２ｂ…第２電極
　６２ａ，６２ｂ…接合部
　５３…凹部
　５８…貫通孔
　１００…センサデバイス
　Ｇ…空隙

Claims (13)

  1. 　回路基板と、
    　支持基板と、前記支持基板上に設けられた圧電膜と、前記圧電膜の少なくとも一部を挟んで対向する下部電極および上部電極と、前記上部電極に設けられた感応膜とを有し、前記回路基板にフリップチップ接続されたセンサデバイスと
    　を具備するセンサ装置。
  2. 　請求項１に記載のセンサデバイスであって、
    　前記回路基板は、前記下部電極に接続される第１電極と、前記上部電極に接続される第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられ検出対象のガスが流れる貫通孔とを有する
    　センサ装置。
  3. 　請求項１に記載のセンサデバイスであって、
    　前記回路基板は、前記下部電極に接続される第１電極と、前記上部電極に接続される第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられ検出対象のガスが流れる凹部とを有する
    　センサ装置。
  4. 　請求項１～３のいずれか１つに記載のセンサ装置であって、
    　前記感応膜は、前記上部電極の、前記下部電極および前記上部電極が前記圧電膜を挟んで対向する共振領域に設けられる
    　センサ装置。
  5. 　請求項４に記載のセンサ装置であって、
    　前記圧電膜、前記下部電極および前記上部電極は、前記共振領域において、前記支持基板と前記下部電極との間に空隙を形成する凸曲面形状を有する
    　センサ装置。
  6. 　請求項１～５のいずれか１つに記載のセンサ装置であって、
    　前記センサデバイスは、前記下部電極および前記上部電極にそれぞれ設けられ前記第１電極および前記第２電極にそれぞれ電気的に接続される接合部をさらに有する
    　センサ装置。
  7. 　請求項６に記載のセンサ装置であって、
    　前記接合部は、はんだバンプ、金バンプまたは異方性導電フィルムである
    　センサ装置。
  8. 　請求項１～６のいずれか１つに記載のセンサ装置であって、
    　前記感応膜は、無機膜、有機ポリマー膜または有機色素膜である
    　センサ装置。
  9. 　請求項８に記載のセンサ装置であって、
    　前記感応膜は、セルロース系の樹脂、フッ素系樹脂、アクリル系樹脂または導電性高分子である
    　センサ装置。
  10. 　請求項１～９のいずれか１つに記載のセンサ装置であって、
    　前記センサデバイスは、一枚の前記支持基板上に、前記圧電膜、前記下部電極、前記上部電極および前記感応膜をそれぞれ有するセンサ素子が複数配置されたマルチセンサモジュールである
    　センサ装置。
  11. 　支持基板と、前記支持基板上に設けられた圧電膜と、前記圧電膜の少なくとも一部を挟んで対向する下部電極および上部電極と、前記上部電極に設けられた感応膜とを有するセンサデバイスが回路基板にフリップチップ実装されたセンサ装置を用意し、
    　前記センサ装置をマザーボードに設ける
    　センサ装置の製造方法。
  12. 　請求項１１に記載のセンサ装置の製造方法であって、
    　前記回路基板は、検出対象のガスが流れる凹部を有する
    　センサ装置の製造方法。
  13. 　請求項１１に記載のセンサ装置の製造方法であって、
    　前記回路基板は、検出対象のガスが流れる貫通孔を有する
    　センサ装置の製造方法。
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