(57)【要約】【課題】静電容量式の加速度センサにおいて、パッケージの変形等の外部の応力によるセンサチップの歪を低減し、センサの高感度化と高精度化を図る。【解決手段】可動電極、固定電極、及び可動電極部を可動とするビームが半導体基板を加工して形成されたセンサチップ２を、上下からそれぞれ上ガラス３とガラス台座４で封止し、このガラス台座４の裏面に少なくとも外周部の一部を残して座グリ５を設け、この残された外周部の一部において凹型パッケージ１０の底面１１に接着剤７を用いて接合し、外部からのセンサチップ２への応力を座グリ５で吸収する。【選択図】図２
2006250702.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速度の変化を可動電極と固定電極の間に発生する静電容量の変化によって検出する静電容量式の加速度センサにおいて、
前記可動電極、固定電極、及び可動電極部を可動とするビームが半導体基板を加工して形成されたセンサチップと、
該センサチップの上下をそれぞれ封止するガラス基板と、
一方のガラス基板が接着剤を用いて固定されるセラミック製の凹型パッケージと、を備え、
前記接着剤が塗布される前記ガラス基板の面には、少なくとも外周部の一部を残して座グリが設けられていることを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】
前記接着剤が塗布される前記ガラス基板の面の残す部位は、外周部の向かい合う２辺であることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項３】
前記接着剤が塗布される前記ガラス基板の面の残す部位は、外周部の４隅であることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項４】
前記ガラス基板の各々は、陽極接合によりセンサチップに接合され、センサチップを気密状態で封止していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物理的力学量を感知する物理量センサにおける加速度センサにおいて、特に、固定電極と可動電極間の静電容量から加速度を検出する静電容量式センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、物理量センサとして自動車等に搭載され各種の車両の運動制御に利用される加速度センサがあり、一般に加速度センサとしては、重り部と重り部に対向して備えられた電極面との間で構成される静電容量の変化を検出する静電容量式や、撓み部に加えられた機械的な歪みをピエゾ抵抗などによって電気抵抗の変化として検出するピエゾ抵抗式の半導体センサ等が知られている。
【０００３】
静電容量式として、従来、固定電極と、固定電極に対向する可動電極、及び可動電極を支持し物理量により変位する重り部と、各電極及び重り部などを囲む枠状に形成された撓み自在の動きを成し、一端が重り部と連結された１乃至複数のビーム部と、このビーム部の他端が連結されるフレーム部とが半導体基板に加工して形成される静電容量式センサが種々提案されている。
【０００４】
従来の静電容量式加速度センサの構成について図７を参照して説明する。図７（ａ）は、静電容量式加速度センサ１００の外観を示し、（ｂ）はパッケージに装着された同加速度センサの断面を示し、（ｃ）は同加速度センサのセンサチップの断面を示す。
【０００５】
これらの図において、加速度センサ１００は、半導体基板からなる加速度センサチップ１０２と、加速度センサチップ１０２が装着されるガラス材からなる支持基板１０１と、加速度センサチップ１０２を覆うガラス部材からなる上部カバー１０３とを備え、それらが一体化されて加速度センサ１００が形成される。そして、この加速度センサ１００は、支持基板１０１の裏面全面でセラミック等のパッケージの底辺部１０４に接着材１０５で固定される。
【０００６】
加速度センサチップ１０２は、加速度に対応して位置が変位する重り部１２１と、重り部１２１を変位可能とするバネ性を有するビーム部１２２と、ビーム部１２２を介して重り部１２１を支持する支持部と、複数の固定電極を有する櫛形状の固定電極部１２４と、重り部１２１の両端に設けられ隣り合う固定電極の間に櫛形状に交互に入り込む複数の可動電極を備えている。これらの固定電極と可動電極は互いに平行を成し、加速度を測定する方向に対して直交に配置されている（特許文献１参照）。
【０００７】
この静電容量式センサは、物理量の印加により、ビームが変形することで固定電極と可動電極の間隔が変化し、この変化により２電極間に発生する静電容量の変化を半導体集積回路（ＩＣ）により電圧変化に変換することで加速度の大きさを測定している。
【０００８】
しかし、このような静電容量式センサでは、ビームは、数マイクロメートル〜数１０マイクロメートルの厚みであるため、外部からセンサチップにわずかな歪が加わっても、加速度が加わったときと同様に、可動電極が変位し、容量が変化する。例えば、センサチップ単体を装着したセラミックやプラスチック製のパッケージを、プリント基板に半田付けして実装する場合、半田付けの熱により生じる歪によってセンサの出力が変化する。また、周囲温度の変化により、半田、プリント板、及びパッケージ材料間における熱膨張係数の違いからセンサの温度特性が劣化する。そこで、一般的には、センサチップの下部にガラス製の台座を接合し、外部からの歪をこのガラス台座で吸収する方法が取られてきた。
【０００９】
しかしながら、最近の自動方向制御技術などの高性能化に伴い、より高感度な加速度センサが求められてきており、これを実現するものとして、外部からの不要応力をできるだけ排除でき、より微小な加速度でも検出できる加速度センサが要求されてきている。このため、外部応力によるセンサへの影響を極力なくす必要があり、極めて微弱な外部応力をもセンサに伝わらないようにすることが必要とされている。
【００１０】
一方、他の従来例として、ピエゾ抵抗型の加速度センサにおいて、図８に示すように、センサチップ２２０への実装基板２５０の熱歪の影響を少なくするために、センサチップ２２０をガラス製の上キャップ２４０と下キャップ２３０で上下から被い、下キャップ２３０を逆四角錘状に形成して、実装基板２５０との接合面を四角錐台とした下端面２３２を構成し、センサ底面の中心付近の一部分のみで実装基板２５０と接合するものが提案されている（特許文献２参照）。
【００１１】
しかしながら、上記従来例では、加速度センサ２００の裏面と実装基板２５０との接合が点状又は線状の下端面２３２で行われるため、接触部の面積が小さくて接合時に装着し難く、接合位置及び接合バランスが不安定になり、加速度センサ２００の裏面と実装基板２５０の平行性が保たれ難くなるので、加速度センサ２００が斜めに装着されて姿勢精度が低下し、実装傾きによるセンサ精度が劣化する虞があった。
【００１２】
【特許文献１】特開２００４−２８９１２号公報
【特許文献２】特開２００１−３３７１０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、パッケージを通じてセンサチップに伝わろうとする外部からの歪を抑制し、不要な応力の検出を削減することにより、加速度センサの感度と精度を向上することができる静電容量式加速度センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、加速度の変化を可動電極と固定電極の間に発生する静電容量の変化によって検出する静電容量式の加速度センサにおいて、前記可動電極、固定電極、及び可動電極部を可動とするビームが半導体基板を加工して形成されたセンサチップと、該センサチップの上下をそれぞれ封止するガラス基板と、一方のガラス基板が接着剤を用いて固定されるセラミック製の凹型パッケージと、を備え、前記接着剤が塗布される前記ガラス基板の面には、少なくとも外周部の一部を残して座グリが設けられているものである。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１に記載の加速度センサにおいて、前記接着剤が塗布される前記ガラス基板の面の残す部位は、外周部の向かい合う２辺であるものである。  
【００１６】
請求項３の発明は、請求項１に記載の加速度センサにおいて、前記接着剤が塗布される前記ガラス基板の面の残す部位は、外周部の４隅であるものである。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の加速度センサにおいて、前記ガラス基板の各々は、陽極接合によりセンサチップに接合され、センサチップを気密状態で封止しているものである。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１の発明によれば、パッケージとの接触面となるガラス台座に座グリを設けたことにより、パッケージを通じて、センサに伝わろうとする外部からの歪は、ガラス台座の座グリ部分が変形することで吸収され、センサチップには伝わり難くできる。これにより、不要な外部の応力の検出を抑制でき、センサの感度を向上することができると共に、斜め実装のない平行な姿勢精度を保ち、センサの精度を高めることができる。
【００１９】
請求項２の発明によれば、パッケージを通じてセンサに伝わろうとする外部からの歪は、外周部の向かい合う２辺から成るガラス基板の座グリ部分が変形することで吸収されて、センサに伝わり難くなるので、高感度で高精度にしたセンサチップを実装することができ、感度と精度を向上することができる。
【００２０】
請求項３の発明によれば、パッケージを通じてセンサに伝わろうとする外部からの歪は、外周部の４隅から成るガラス基板の座グリ部分が変形することで吸収されて、センサチップにはさらに伝わり難くなる。
【００２１】
請求項４の発明によれば、ガラス基板と半導体基板との接合は、陽極接合により固相で行われるので高精度の接合が得られ、上下からガラスで気密封止することにより、プラスチック成型材料を用いた低圧成型も可能な静電容量式加速度センサを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の第１の実施形態に係る静電容量式加速度センサについて図１乃至図４を参照して説明する。図１は本実施形態による加速度センサ１の外観を示し、図２は同加速度センサ１が、凹型パッケージ１０（以下、パッケージと略す）に装着された状態を示し、図３は上記加速度センサ１におけるセンサチップ２を示し、図３（ｂ）は（ａ）における実線で囲んだＡ部を拡大して示し、図４は加速度センサ１の断面を示す。なお、各図の対応する部材と同等部材には同一符号を付している（以下同様）。
【００２３】
図１、図２において、加速度センサ１は、半導体基板２３を加工して形成されたセンサチップ２と、このセンサチップ２を上下より封止する上ガラス３（ガラス基板）及びガラス台座４（ガラス基板）により構成される。そして、ガラス台座４の裏面には、少なくとも外周部の一部を残して座グリ５が設けられ、この残された外周部の一部は、接着剤７を用いてセラミック製のパッケージ１０の底面１１に接合されている。  
【００２４】
このように、座グリ５を設けたことにより、パッケージ１０とガラス台座４との接合面積が大幅に削減される。従って、従来のようにセンサチップ２の底面の全面でパッケージ１０と接触する場合に比べ、パッケージ１０の温度変化等による歪が直接にセンサチップ２に伝わリ難くなる。これに加え、ガラス台座４の座グリ５が変形することにより、さらに歪が吸収されるので、この歪は、さらにセンサチップ２に伝わり難くなる。これにより、不要な応力の検出を抑制できるので、高感度で高精度にしたセンサチップ２を実装することができて、加速度センサ１の感度と精度を高めることができる。さらに、センサチップ２の上下から上ガラス３とガラス台座４で気密封止することにより、プラスチック成型材料を用いた低圧成型も可能な静電容量式加速度センサ１を実現することができる。
【００２５】
図３、図４において、センサチップ２は、ガラス台座４の上部側にガラス台座４から離間して配置された可動電極部２１と、可動電極部２１を変位可能とするバネ性を有するビーム部２２と、ビーム部２２を介して可動電極部２１を支持する支持部２５と、複数の固定電極２４ｂを有する櫛形状の固定電極部２４と、可動電極部２１の両端に櫛形状に設けられた複数の可動電極２１ａとを備えている。これらの固定電極２４ｂと可動電極２１ａは、平行を成し、ともに加速度を検出する方向に直交して配置されている。
【００２６】
そして、可動電極部２１の両側では、加速度を検出する方向に沿って固定電極２４ｂと可動電極２１ａとが交互に並んでおり、隣り合う固定電極２４ｂ間の櫛溝２４ｃに１つの可動電極２１ａが入り込み、かつ隣り合う可動電極２１ａ間の櫛溝２１ｂ間に１つの固定電極２４ｂが入り込んでいる。各固定電極２４ｂは、これらを連結する連結部２４ａにより繋がって固定電極部２４を形成している。
【００２７】
上記構成の加速度センサ１においては、加速度が印加されると、可動電極部２１がＸ方向において変位し、Ｘ軸方向の変化量に応じて固定電極部２４の固定電極２４ｂと可動電極２１ａとのギャップｄが変化して両者間の静電容量が変化し、この静電容量の変化の大きさを測定することで印加された加速度の方向とその大きさが検出される。これを半導体集積回路（ＩＣ）により電圧変化に変換することにより、検出電気信号が取り出される。
【００２８】
そして、ガラス台座４の底面には、座グリ５が底面内にほぼ対称に設けられ、かつセンサチップ２とガラス台座４の底面は平行に配設されている。このことにより、センサチップ２とガラス台座４の各平面間に傾きがないため、特に、静電容量の変化の検出を半導体基板２３の平面内に構成された固定電極２４ｂと可動電極２１ａ間で検出する静電容量式加速度センサにおいては、実装基板に対し平行性を確保でき、実装傾きによる他軸感度の発生を抑制することができる。なお、ガラス台座４の表面側に設けられた可動電極部２１、ビーム部２２、固定電極２４ｂ、固定電極部２４、可動電極２１ａは、半導体基板２３である単結晶のシリコン基板をエッチング加工することによりシリコン基板の一部により形成されている。
【００２９】
次に、本発明の第２の実施形態に係る静電容量式加速度センサについて、図５を参照して説明する。図５は、本実施形態による加速度センサ１の外観を示す。この加速度センサ１は、上記第１の実施形態のそれと基本的に同じ機能を持ち、接着剤が塗布されるガラス台座４（ガラス基板）の面の残す部位が、外周部の向かい合う２辺である点で前記実施形態と異なっている。
【００３０】
加速度センサ１のガラス台座４（ガラス基板）は、その底面に長方形型の溝を成す座グリ５ａを設けて、底面の残す部位を低減すると共に、残された平行な外部周辺の２辺８でバランスよくパッケージ１０と接合されるので、高感度で精度の高い静電容量式加速度センサが得られる。また、接合時に接合面内の空気を座グリ５ａから逃がすことができ、接着をやり易くすることができる。
【００３１】
次に、本発明の第３の実施形態に係る静電容量式加速度センサについて、図６を参照して説明する。図６（ａ）は、本実施形態による加速度センサ１の外観を示し、同図（ｂ）は同センサ１がパッケージ１０の底面１１に実装された状態を示す。この加速度センサ１は、上記第１の実施形態のそれと基本的に同じ機能を持ち、接着剤７が塗布されるガラス台座４の面の残す部位が、外周部の４箇所の隅部９である点で前記実施形態と異なっている。
【００３２】
加速度センサ１のガラス台座４は、その底面に十字型の座グリ５ｂを設け、底面の残す部位を低減すると共に、残された外部周辺の対称な４箇所の隅部９でバランスよくパッケージ１０と接合されるので、高感度で精度の高い静電容量式加速度センサが得られる。また、接合時に接合面内の空気を座グリ５ｂから逃がすことができ、接着をやり易くすることができる。
【００３３】
以上述べたように、本実施形態による加速度センサ１によれば、パッケージ１０に接合するガラス台座４の底面に座グリ５を、残存される外周部６をガラス台座４の底面において対称に広く設けることにより、パッケージ１０とガラス台座４の接合面積を平行に保ちながら低減できる。これにより、パッケージ１０を通じてセンサチップ２に伝わろうとする外部からの歪を座グリ５部分で吸収でき、センサチップ２における不要な応力の検出を抑制し、実装の姿勢精度を低下させることなく高感度で高精度の加速度センサを得ることができる。
【００３４】
また、陽極接合によりガラス基板と半導体基板の高精度の接合が得られ、センサチップを上下からガラスで気密封止することにより、プラスチック成型材料を用いた低圧成型も可能な静電容量式加速度センサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る静電容量式加速度センサの外観図。
【図２】上記加速度センサをパッケージに実装した状態を示す図。
【図３】（ａ）は上記加速度センサのセンサチップの平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ部の拡大図。
【図４】上記加速度センサの断面図。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る静電容量式加速度センサの外観図。
【図６】（ａ）本発明の第３の実施形態に係る静電容量式加速度センサの外観図、（ｂ）は同加速度センサのパッケージに実装した状態を示す図。
【図７】（ａ）従来の静電容量式加速度センサの外観図、（ｂ）は同加速度センサの断面図、（ｃ）は同加速度センサのセンサチップの断面図。
【図８】他の従来の静電容量式加速度センサの断面図。
【符号の説明】
【００３６】
１  静電容量式加速度センサ
２  センサチップ
３  上ガラス（ガラス基板）
４  ガラス台座（ガラス基板）
５、５ａ、５ｂ  座グリ
７  接着剤
８  二辺
９  隅部（隅）
１０  凹型パッケージ
２１  可動電極部
２１ａ  可動電極
２２  ビーム
２３  半導体基板
２４、２４ａ、２４ｂ  固定電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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