物理量傳感器的製作方法

2023-12-01 09:44:31

技術領域

本發明涉及在共通的殼體的收容空間中收容有加速度傳感器和角速度傳感器的物理量傳感器，所述加速度傳感器形成有輸出與加速度對應的傳感器信號的傳感部，所述角速度傳感器形成有輸出與角速度對應的傳感器信號的傳感部。

背景技術：

以往，記載有在共通的殼體的收容空間中收容有加速度傳感器和角速度傳感器的物理量傳感器，所述加速度傳感器形成有輸出與加速度對應的傳感器信號的傳感部，所述角速度傳感器形成有輸出與角速度對應的傳感器信號的傳感部(例如，參照專利文獻1)。

具體而言，殼體具有形成有凹部的收容部和設置於收容部以將凹部封堵的蓋部，由收容部的凹部構成收容空間。並且，加速度傳感器配置在收容部的凹部的底面。此外，角速度傳感器被具有防振部(彈簧部)的外方部懸空保持於殼體的收容空間。進而，在收容部的底面，配置有電路基板，該電路基板具有驅動加速度傳感器及角速度傳感器的驅動信號電路、處理從角速度傳感器及加速度傳感器輸出的傳感器信號的信號處理電路等。並且，加速度傳感器與電路基板經由鍵合線(bonding wire)電連接，角速度傳感器和電路基板經由形成在殼體的內部的內層配線等電連接。

另外，作為角速度傳感器，可以使用具有振動體、在使振動體振動時被施加角速度的情況下輸出對應於該角速度而產生的電荷作為傳感器信號的角速度傳感器。此外，作為加速度傳感器，例如可以使用具有可動電極及與該可動電極對置的固定電極、在被施加加速度的情況下輸出對應於該加速度而變化的可動電極與固定電極之間的電容作為傳感器信號的加速度傳感器。

現有技術文獻

專利文獻

專利文獻1：特開2013－101132號公報

技術實現要素：

但是，在上述物理量傳感器中，雖然角速度傳感器被具有防振部的外方部保持，但存在角速度傳感器的振動體的振動被傳遞給殼體的情況。並且，如果該振動被從殼體傳遞給加速度傳感器，則加速度傳感器的檢測精度有可能下降。

此外，加速度傳感器和電路基板分別配置在收容部的凹部的底面，離開規定距離而配置。因此，將加速度傳感器與電路基板電連接的鍵合線(傳感器信號的傳遞路徑)容易變長，在鍵合線中產生的寄生電容容易變大。因而，當在電路基板中處理來自加速度傳感器的傳感器信號時有可能寄生電容的影響變大而檢測精度下降。

本發明鑑於上述問題，目的在於提供一種在殼體中收容有加速度傳感器及角速度傳感器、能夠抑制加速度傳感器的檢測精度下降的物理量傳感器。

在本發明的第一技術方案中，物理量傳感器具備：加速度傳感器，輸出與加速度對應的傳感器信號；角速度傳感器，具有用壓電材料構成的振動體，在以使振動體振動的狀態被施加角速度的情況下產生與該角速度對應的電荷，輸出與電荷對應的傳感器信號；電路基板，對角速度傳感器及加速度傳感器進行規定的處理；收容部，在一面形成有凹部，在凹部內收容加速度傳感器、角速度傳感器、電路基板；以及防振部，配置在收容部與角速度傳感器之間。加速度傳感器與角速度傳感器相分離。

電路基板經由第1連接部件配置在凹部的底面，加速度傳感器經由第2連接部件層疊在電路基板之上。

由此，在角速度傳感器與加速度傳感器之間配置防振部、第1連接部件、第2連接部件，能夠增加配置在角速度傳感器與加速度傳感器之間的作為彈簧發揮功能的部分(參照圖7、圖10)。因此，能夠抑制角速度傳感器中的振動體的振動向加速度傳感器的傳遞，能夠抑制加速度傳感器的檢測精度下降。

此外，由於加速度傳感器層疊在電路基板之上，所以能夠將加速度傳感器和電路基板接近配置。即，能夠使從加速度傳感器輸出的傳感器信號的傳遞路徑較短。因此，能夠抑制在該傳遞路徑中產生的寄生電容變大，能夠抑制加速度傳感器的檢測精度下降。

附圖說明

關於本發明的上述目的及其他目的、特徵及優點，一邊參照附圖一邊通過下述詳細的記述會變得明確。

圖1是本發明的第1實施方式的物理量傳感器的剖面圖。

圖2是圖1所示的加速度傳感器的剖面圖。

圖3是圖2所示的傳感器部的平面圖。

圖4是圖1所示的角速度傳感器的平面圖。

圖5是相當於圖4中的V－V剖面的圖。

圖6是以往的物理量傳感器的彈簧質量模型(spring mass model)。

圖7是圖1所示的物理量傳感器的彈簧質量模型。

圖8是本發明的第2實施方式的物理量傳感器的剖面圖。

圖9是本發明的第3實施方式的物理量傳感器的剖面圖。

圖10是圖9所示的物理量傳感器的彈簧質量模型。

圖11是本發明的第4實施方式的物理量傳感器的剖面圖。

圖12是本發明的第5實施方式的角速度傳感器的平面圖。

具體實施方式

以下，基於附圖對本發明的實施方式進行說明。另外，在以下的各實施方式中，對於相互相同或等同的部分賦予相同的標號而進行說明。

(第1實施方式)

參照附圖對本發明的第1實施方式進行說明。如圖1所示，物理量傳感器具備殼體10，該殼體10具有收容部11和蓋部12。

收容部11層疊有多層氧化鋁等的陶瓷層，通過在一面11a中形成第1凹部13並且在第1凹部13的底面形成第2凹部14而成為構成了收容空間15的箱狀。並且，在收容部11，在內壁面(第1凹部13的壁面、第2凹部14的壁面)形成有內部連接端子16a、16b，在外壁面形成有未圖示的外部連接端子。這些內部連接端子16a、16b及外部連接端子被形成在內部的未圖示的內層配線等適當地電連接。

蓋部12由金屬等構成，通過向收容部11的一面11a進行焊接接合等而將收容空間15氣密封閉。在本實施方式中，收容空間15為真空壓力，例如為1Pa。

並且，在殼體10的收容空間15，收容有加速度傳感器20、角速度傳感器30以及電路基板40，電路基板40具有對加速度傳感器20及角速度傳感器30進行驅動的驅動信號電路、及處理各傳感器信號的信號處理電路等。具體而言，在第2凹部14的底面，經由粘接劑51配置有電路基板40，在電路基板40之上，經由粘接劑52層疊有加速度傳感器20。並且，電路基板40經由鍵合線61而與內部連接端子16b電連接，加速度傳感器20經由鍵合線62而與電路基板40電連接。

此外，在第1凹部13的底面，經由粘接劑53配置有角速度傳感器30。詳細地講，角速度傳感器30具有外周部313，外周部313與粘接劑53接合。並且，角速度傳感器30經由鍵合線63而與內部連接端子16a電連接。

在本實施方式中，角速度傳感器30以與加速度傳感器20分離的狀態配置在加速度傳感器20之上。並且，角速度傳感器30成為被懸空保持於收容空間15的狀態。

另外，作為粘接劑51～53，使用矽酮類粘接劑等。並且，在本實施方式中，粘接劑51相當於第1連接部件，粘接劑52相當於第2連接部件，粘接劑53相當於防振部。

另外，加速度傳感器20做成被在大氣壓下密封的封裝構造，以封裝狀態配置於收容空間15。此外，角速度傳感器30原樣配置於收容空間15。因此，加速度傳感器20在大氣壓下進行加速度的檢測，角速度傳感器30在真空壓力下進行角速度的檢測。

接著，對本實施方式的加速度傳感器20、角速度傳感器30的結構分別說明。

加速度傳感器20如圖2所示，做成具備傳感器部201和帽(cap)部202的封裝構造。

傳感器部201使用依次層疊有支承基板211、絕緣膜212、半導體層213的SOI(Silicon on Insulator)基板214構成。另外，支承基板211及半導體層213由矽基板等構成，絕緣膜212由氧化膜等構成。

並且，對SOI基板214，如圖2及圖3所示，實施周知的微型機械(micromachine)加工而形成了傳感部215。具體而言，在半導體層213，通過形成槽部216而形成了具有梳齒形狀的梁構造體的可動部220以及第1固定部230和第2固定部240，通過該梁構造體，形成輸出與加速度對應的傳感器信號的傳感部215。

此外，在絕緣膜212中的與梁構造體220～240的形成區域對應的部位，形成有通過犧牲層刻蝕等而被以矩形狀除去的開口部217。

可動部220以將開口部217橫截的方式配置，矩形狀的平衡錘部221的長邊方向的兩端經由梁部222一體地與定位(anchor)部223a、223b連結。定位部223a、223b在開口部217的開口邊緣部經由絕緣膜212支承於支承基板211。由此，平衡錘部221及梁部222成為面向開口部217的狀態。另外，圖2中的傳感器部201相當於沿著圖3中的II－II線的剖面圖。

梁部222成為將平行的兩根梁在其兩端連結而成的矩形框狀，具有在與兩根梁的長邊方向正交的方向上位移的彈簧功能。具體而言，梁部222，當受到包含沿著平衡錘部221的長邊方向的方向的成分的加速度時，使平衡錘部221向長邊方向位移，並且對應於加速度的消失而使平衡錘部221復原為原來的狀態。因而，經由這樣的梁部222而與支承基板211連結的平衡錘部221，在被施加加速度的情況下向梁部222的位移方向位移。

此外，可動部220具備在與平衡錘部221的長邊方向正交的方向上、從平衡錘部221的兩側面相互向相反方向一體地突出形成的多個可動電極224。在圖3中，可動電極224在平衡錘部221的左側及右側分別各突出形成有4個，並成為面向開口部217的狀態。此外，各可動電極224與平衡錘部221及梁部222一體地形成，能夠通過梁部222的位移而與平衡錘部221一起在平衡錘部221的長邊方向上位移。

第1固定部230和第2固定部240，在開口部217的開口邊緣部中的沒有支承著定位部223a、223b的對置邊部，經由絕緣膜212支承於支承基板211。即，第1固定部230和第2固定部240夾著可動部220而配置。在圖3中，第1固定部230相對於可動部220配置在紙面左側，第2固定部240相對於可動部220配置在紙面右側。並且，第1固定部230和第2固定部240相互電氣地獨立。

此外，第1固定部230和第2固定部240具有：在與可動電極224的側面具有規定的檢測間隔而平行的狀態下對置配置的多個第1固定電極231和第2固定電極241；經由絕緣膜212支承於支承基板211的第1配線部232和第2配線部242。

第1固定電極231和第2固定電極241在圖3中形成有各4個，以梳齒狀排列，與可動電極224的梳齒間隙嚙合。並且，通過以懸臂狀支承於各配線部232和242而成為面向開口部217的狀態。以上是本實施方式的傳感器部201的結構。

帽部202如圖2所示，在矽等的基板251中的與傳感器部201對置的一面側形成有絕緣膜252，並且在與該一面相反側的另一面形成有絕緣膜253。

並且，該帽部202的絕緣膜252與傳感器部201(半導體層213)接合。在本實施方式中，絕緣膜252和傳感器部201(半導體層213)通過使絕緣膜252及半導體層213中的接合面活性化而接合的所謂直接接合等接合。

此外，在帽部202，在與傳感部215對置的部分形成有凹陷部254。並且，在傳感器部201與帽部202之間，由包含該凹陷部254的空間構成氣密室255，形成於傳感器部201的傳感部215被氣密密封於氣密室255。另外，在本實施方式中，使氣密室255為大氣壓。即，在本實施方式中，加速度傳感器20做成傳感部215被氣密密封在設為大氣壓的氣密室255中的封裝構造。

此外，在帽部202，形成有在該帽部202與傳感器部201的層疊方向上貫通的多個貫通孔256(在圖2中僅圖示1個)。具體而言，該貫通孔256形成為，使定位部223b及第1配線部232和第2配線部242的規定部位露出。並且，在貫通孔256的壁面，成膜有由TEOS(Tetraethyl orthosilicate)等構成的絕緣膜257，在絕緣膜257之上形成有由Al等構成的貫通電極258，以使得貫通電極258適當地與定位部223b及第1配線部232和第2配線部242電連接。此外，在絕緣膜253之上，形成有與電路基板40電連接的焊盤(pad)部259。

並且，在絕緣膜253、貫通電極258、焊盤部259之上，形成有保護膜260，在保護膜260中形成有使焊盤部259露出的接觸孔260a。

以上是加速度傳感器20的結構。根據這樣的加速度傳感器20，如果被施加加速度，則平衡錘部221對應於加速度而位移，由此可動電極224和第1固定電極231和第2固定電極241之間的電容變化。因此，從加速度傳感器20輸出與加速度(電容)對應的傳感器信號。

接著，對角速度傳感器30的結構進行說明。角速度傳感器30如圖4所示，具備使用作為壓電材料的水晶、PZT(鋯鈦酸鉛)等的基板310而構成的傳感器部301。並且，在基板310，實施周知的微型機械加工而形成槽部311，由槽部311劃分形成振動體312及外周部313。

振動體312中，在基部317保持有第1驅動片314和第2驅動片315及檢測片316，該基部317固定於外周部313。詳細地講，振動體312為第1驅動片314和第2驅動片315及檢測片316從基部317向相同方向突出而配置的所謂三腳音叉型，檢測片316配置在第1驅動片314與第2驅動片315之間。

第1驅動片314和第2驅動片315及檢測片316如圖4及圖5所示，為具有與基板310的面方向平行的表面314a、315a、316a、背面314b、315b、316b、側面314c、314d、315c、315d、316c、316d的呈剖面矩形狀的棒狀。

並且，在第1驅動片314，在表面314a形成有驅動電極319a並在背面314b形成有驅動電極319b，在側面314c、314d形成有共通電極319c、319d。同樣，在第2驅動片315，在表面315a形成有驅動電極320a並在背面315b形成有驅動電極320b，在側面315c、315d形成有共通電極320c、320d。此外，在檢測片316，在表面316a形成有檢測電極321a並在背面316b形成有檢測電極321b，在側面316c、316d形成有共通電極321c、321d。

另外，在本實施方式中，包括第1驅動片314和第2驅動片315、檢測片316、驅動電極319a～320b、檢測電極321a、321b、共通電極319c～321d而構成傳感部322。

在外周部313，如圖4所示，形成有與驅動電極319a～320b、檢測電極321a、321b、共通電極319c～321d經由未圖示的配線層等電連接並與電路基板40電連接的多個焊盤部323。

以上是角速度傳感器30的結構。即，本實施方式的角速度傳感器30的傳感部322沒有被氣密密封在氣密室中。根據這樣的角速度傳感器30，在使第1驅動片314和第2驅動片315在第1驅動片314和第2驅動片315及檢測片316的排列方向(圖4中紙面左右方向)上振動的狀態下進行角速度的檢測。

並且，在傳感器部301的面內施加角速度的情況下，在第1驅動片314和第2驅動片315，周期性地產生，沿著第1驅動片314和第2驅動片315相對於基部317的突出方向的方向、且朝向相反的一對科裡奧利力(Corioli force)。因此，由科裡奧利力產生的力矩經由基部317傳遞到檢測片316，由此檢測片316在第1驅動片314和第2驅動片315及檢測片316的排列方向上振動(撓曲)，在檢測片316中產生與角速度對應的電荷。因而，從角速度傳感器30輸出與角速度(電荷)對應的傳感器信號。

另外，在沒有施加角速度的情況下，從第1驅動片314和第2驅動片315經由基部317向檢測片316施加的力矩為反方向而相互抵消，所以檢測片316成為大致靜止的狀態。

以上是本實施方式的物理量傳感器的結構。根據這樣的物理量傳感器，由於在電路基板40之上配置有加速度傳感器20，所以能夠抑制角速度傳感器30中的振動體312的振動向加速度傳感器20的傳遞。

即，在以往的物理量傳感器中，在第2凹部的底面分別配置有加速度傳感器及電路基板。因此，如圖6所示，加速度傳感器J20經由連接部件J52相對於殼體J10連接，角速度傳感器J30經由外方部J70的彈簧部J70a相對於殼體J10連接，電路基板J40經由連接部件J51相對於殼體J10連接。即，在角速度傳感器J30與加速度傳感器J20之間，配置有外方部J70的彈簧部J70a和連接部件J52這兩個作為彈簧發揮功能的部分。即，在以角速度傳感器J30為基準的情況下，加速度傳感器J20成為2自由度的振動系統。

相對於此，在本實施方式的物理量傳感器中，如圖7所示，在角速度傳感器30與加速度傳感器20之間，配置有粘接劑53、粘接劑51和粘接劑52這3個作為彈簧發揮功能的部分。即，在以角速度傳感器30為基準的情況下，加速度傳感器20成為3自由度的振動系統。因此，能夠抑制角速度傳感器30中的振動體312的振動向加速度傳感器20的傳遞，能夠抑制加速度傳感器20的檢測精度下降。

此外，通過將加速度傳感器20層疊到電路基板40之上，能夠將加速度傳感器20和電路基板40接近配置。即，能夠使連接加速度傳感器20和電路基板40的鍵合線62較短。換言之，能夠使從加速度傳感器20輸出的傳感器信號的傳遞路徑較短。因此，能夠抑制在鍵合線62中產生的寄生電容的變大，能夠抑制加速度傳感器20的檢測精度下降。

並且，角速度傳感器30配置在加速度傳感器20的上方。因此，能夠抑制物理量傳感器在平面方向上大型化。

(第2實施方式)

對本發明的第2實施方式進行說明。本實施方式相對於第1實施方式而言，不具備鍵合線62，其他與第1實施方式是同樣的，所以這裡省略說明。

在本實施方式中，如圖8所示，不具備將加速度傳感器20和電路基板40電連接的鍵合線62。並且，加速度傳感器20和電路基板40通過金屬凸點54電連接及機械連接。即，加速度傳感器20倒裝片(flip chip)安裝於電路基板40。另外，在本實施方式中，金屬凸點54相當於第1連接部件。

由此，能夠使從加速度傳感器20輸出的傳感器信號的傳遞路徑更短，所以能夠進一步抑制因寄生電容而檢測精度下降。

(第3實施方式)

對本發明的第3實施方式進行說明。本實施方式相對於第1實施方式，將角速度傳感器30配置於第2凹部14的底面，其他與第1實施方式是同樣的，所以這裡省略說明。

在本實施方式中，如圖9所示，角速度傳感器30經由粘接劑53配置於第2凹部14的底面。作為這樣的物理量傳感器，也如圖10所示，在角速度傳感器30與加速度傳感器20之間，配置有粘接劑53、粘接劑51和粘接劑52這3個作為彈簧發揮功能的部分。因此，能夠抑制角速度傳感器30中的振動體312的振動向加速度傳感器20的傳遞，能夠抑制加速度傳感器20的檢測精度下降。

此外，由於將角速度傳感器30配置於第2凹部14的底面，所以能夠抑制物理量傳感器在高度方向(電路基板40及加速度傳感器20的層疊方向)上大型化。

(第4實施方式)

對本發明的第4實施方式進行說明。本實施方式相對於第1實施方式，在粘接劑53與第1凹部13的底面之間進一步配置有防振部，其他與第1實施方式是同樣的，所以這裡省略說明。

在本實施方式中，如圖11所示，在粘接劑53與第1凹部13的底面之間，配置有由金屬的導線等構成的作為防振部的金屬部件55。即，在本實施方式中，可以說在角速度傳感器30與第1凹部13的底面之間配置有兩個防振部。

由此，在角速度傳感器30與加速度傳感器20之間，配置有粘接劑53、金屬部件55、粘接劑51和粘接劑52這4個作為彈簧發揮功能的部分。因此，能夠進一步抑制角速度傳感器30的振動體312的振動向加速度傳感器20的傳遞，能夠抑制加速度傳感器20的檢測精度下降。

此外，作為粘接劑53，還能夠使用硬到不作為彈簧發揮功能(不作為防振部發揮功能)的材料。作為這樣的物理量傳感器，也由於配置有金屬部件55、粘接劑51和粘接劑52這3個作為彈簧發揮功能的部分，所以能夠得到與上述第1實施方式同樣的效果。即，根據本實施方式的角速度傳感器，在粘接劑53使用不作為彈簧發揮功能的材料的情況下，能夠提高粘接劑53的選擇性的自由度。

(第5實施方式)

對本發明的第5實施方式進行說明。本實施方式相對於第1實施方式，在振動體312與外周部313之間形成有梁部318，其他與第1實施方式是同樣的，所以這裡省略說明。

在本實施方式中，如圖12所示，在振動體312與外周部313之間形成有抑制應力及振動的傳遞的梁部318。即，在振動體312與外周部313之間，形成有作為防振部的梁部318。

由此，梁部318也作為防振部發揮功能，所以在角速度傳感器30的振動體312與加速度傳感器20之間，配置有梁部318、粘接劑53、粘接劑51和粘接劑52這4個作為彈簧發揮功能的部分。因此，能夠進一步抑制角速度傳感器30中的振動體312的振動向加速度傳感器20的傳遞。

(其他實施方式)

本發明並不限定於上述實施方式，在權利要求書所記載的範圍內能夠適當變更。

例如，在上述各實施方式中，說明了加速度傳感器20被封裝化，但也可以將角速度傳感器30封裝化。在此情況下，使收容空間15為大氣壓，使將角速度傳感器30的傳感部322密封的氣密室為真空壓力。此外，也可以將加速度傳感器20及角速度傳感器30都封裝化。在此情況下，收容空間15既可以為大氣壓也可以為真空壓力。

此外，在上述各實施方式中，角速度傳感器30也可以不是三腳音叉型。例如，角速度傳感器30也可以為第1驅動片314和第2驅動片315及檢測片316分別夾著基部317向兩側突出的所謂的T型音叉型。此外，角速度傳感器30也可以為所謂的H型音叉或通常的音叉型等。即，只要是一邊使振動體312振動一邊進行角速度的檢測的結構，則角速度傳感器30的結構沒有特別限定。

並且，在上述各實施方式中，加速度傳感器20也可以是壓電型。

進而，在上述各實施方式中，角速度傳感器30也可以與內部連接端子16a用金屬凸點電連接及機械連接。即，也可以將角速度傳感器30倒裝片安裝。

此外，也可以將上述各實施方式適當組合。例如，也可以將上述第5實施方式與第2～第4實施方式組合，在振動體312與外周部313之間形成梁部318。

本發明依據實施例進行了記述，但應理解的是本發明並不限定於該實施例及構造。本發明也包括各種各樣的變形例或等價範圍內的變形。除此以外，各種各樣的組合或形態、進而在它們中僅包含一個要素或包含其以上或以下的要素的其他組合或形態也包含在本發明的範疇或思想範圍中。