(57)【要約】  本発明の目的は、樹脂パッケージを用いた半導体センサ装置において、導電性部材の埋め込み性を悪化させることなく、キャビティの耐圧を向上することにある。  複数の基板１，４，５を積層した積層構造の内部に気密にされた空隙１ａを有し、前記積層構造の外部を樹脂で覆った構造を有する半導体センサ装置において、空隙１ａの上部壁１ｂの外側に、少なくとも一辺の長さがこの一辺に沿う空隙１ａの一辺の長さよりも大きい板状の部品２を配置し、 板状の部品２により空隙上部壁１ｂを機械的に懸架する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の基板を積層した積層構造の内部に気密にされた空隙を有し、前記積層構造の外部を樹脂で覆った構造を有する半導体センサ装置において、
前記空隙の上部壁の外側に、少なくとも一辺の長さがこの一辺に沿う前記空隙の一辺の長さよりも大きい板状の部品を配置し、 前記板状の部品により空隙上部壁を機械的に懸架したことを特徴とする半導体センサ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体センサ装置において、
前記板状の部材は、前記空隙上部壁を懸架する側の面とは反対側の面が樹脂で覆われていることを特徴とする半導体センサ装置。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体センサ装置において、
前記空隙は、前記一辺を長辺とし、この長辺と直交する辺を短辺とする矩形状を成し、
前記板状の部品は、前記一辺を長辺とし、この長辺と直交する辺を短辺とする矩形状を成し、
前記板状の部品は、短辺の長さが、空隙の短辺よりも短く、空隙の短辺方向の一部が懸架されない長さであることを特徴とする半導体センサ装置。
【請求項４】
請求項２に記載の半導体センサ装置において、
前記板状の部品は、複数で構成されていることを特徴とする半導体センサ装置。
【請求項５】
請求項２に記載の半導体センサ装置において、
前記板状の部材により懸架される基板は、前記板状の部材により懸架される部位に設けられ、厚さ方向に基板を貫通する貫通電極と、前記板状の部材により懸架される部位の外側に設けられたワイヤボンディング用のパッドと、
前記貫通電極に電気的に接続されると共に、前記板状の部材により懸架される部位の外側に引き出され、前記パッドに電気的に接続された金属もしくはシリコンによって形成された配線とを有することを特徴とする半導体センサ装置。
【請求項６】
請求項２に記載の半導体センサ装置において、
前記空隙は、前記複数の基板による積層構造の内部に複数設けられていることを特徴とする半導体センサ装置。
【請求項７】
請求項２に記載の半導体センサ装置において、
前記板状の部品の材質は、半導体もしくはガラスもしくは樹脂であることを特徴とする半導体センサ装置。
【請求項８】
請求項２に記載の半導体センサ装置において、
前記板状の部品は、接着材を介して、空隙上部を機械的に懸架していることを特徴とする半導体センサ装置。
【請求項９】
請求項２に記載の半導体センサ装置において、
前記基板の材質は、半導体もしくはガラスであることを特徴とする半導体センサ装置。
【請求項１０】
請求項２に記載の半導体センサ装置において、
前記板状の部材で懸架する面は大気圧よりも高い圧力が印加されることを特徴とする半導体センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体センサ装置に関し、特に、車両、飛行機、ロボット、携帯電話、ビデオカメラ等の運動体の運動状態を測定する加速度・角速度センサなどの慣性センサや、フィルタ、クロック発生用の振動子など、構造体が気密に封止された微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ディジタルカメラの手ブレ防止、自動車やロボットの姿勢制御などを目的にして、ＭＥＭＳ技術を用いた振動子を有するセンサが幅広く用いられるようになってきている。【０００３】
一般的に、この種の振動子はシリコン基板等の半導体基板をエッチング等のＭＥＭＳ技術を用いて加工することにより形成され、一定の雰囲気、圧力環境下で別の基板を張り合わせることにより、気密封止されている。例えば、特許第５２９８０４７号公報（特許文献１）には、気密封止された角速度センサチップと加速度センサチップが記載されている。【０００４】
また、センサチップのパッケージ構造として、樹脂パッケージが着目されている。樹脂パッケージは、従来のセラミクスパッケージよりも、量産性が高く、センサの製造コストを低減する上で有効なパッケージ形態である。例えば、特開平１０−１４８６４２号公報（特許文献２）には樹脂パッケージを用いた加速度センサが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５２９８０４７号公報
【特許文献２】特開平１０−１４８６４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述した従来技術により、センサチップにおける振動体は、貼り合せた基板内に形成した空隙部(以下、キャビティ)に気密封止されている。また、キャビティ内は、大気圧又は真空となっている。このようなセンサチップを樹脂パッケージする場合において、トランスファモールド工程を適用すると、樹脂を５〜２０ＭＰａ程度の高圧で金型中に充填する際、センサチップに対して高圧が印加される。このとき、センサチップの内外圧力差が大きくなる為に、センサチップのキャビティが変形する。そして、キャビティに対してキャビティを構成する材料が持つ破壊応力以上の応力が印加された場合、キャビティが破壊し、キャビティ内の気密性が失われる。更に、キャビティ全体が振動体の方向に陥没する破壊となった場合、振動体も一緒に破壊する場合がある。【０００７】
応力σと圧力Ｐの関係は式１によって表される。すると、キャビティ上部の耐圧を向上するには、キャビティ上部の基板を厚くすれば良いのは明らかである。なお、この時の最大応力はキャビティ長辺側の端部に印加され、その箇所で耐圧破壊する。
ｈ２＝αＰａ２/σ      （式１）
ここで、ｈ：キャビティ上部の基板の厚さ、ａ：キャビティ短辺側の長さ、α：係数である。【０００８】
しかしながら、振動体とセンサチップ外部との間で電気信号を入出力する場合、キャビティを形成している基板の垂直方向に貫通配線を形成し、キャビティ上部にワイヤボンディング用のパッドを設けワイヤボンディングによりセンサチップ外部と電気的に接続する場合がある。その際、貫通配線は、基板の垂直方向にエッチングを行い、エッチングした側壁に対して絶縁体により電気的に素子分離をした上で、導電性の部材を埋め込む。このとき、キャビティ上部の耐圧向上の対策として、キャビティ上部の基板を厚くした場合、導電性部材の埋め込み性が悪化すると共に、気密性が悪化する。また、式２に示している貫通配線の抵抗Ｒｖが増加する。このため、式３に示している熱雑音Ｖｎが増加し、センサの性能が悪化する。これらの問題を考慮すると、キャビティ上部の基板を厚くするのは容易ではない。
Ｒｖ＝ρｔ/Ａ      （式２）
ここで、ｔ：貫通配線の長さ、Ａ：貫通配線の断面積、ρ：導電性材料の抵抗率である。
Ｖｎ＝√（４ｋｔ（Ｒｖ＋Ｒｓ）Ｂ）      （式３）
ここで、ｋ：ボルツマン係数、Ｂ：信号の帯域幅、Ｔ：絶対温度、Ｒｓ：キャビティ基板の平面方向の配線抵抗である。【０００９】
本発明の目的は、樹脂パッケージを用いた半導体センサ装置において、導電性部材の埋め込み性を悪化させることなく、キャビティの耐圧を向上することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の半導体センサ装置は、キャビティ基板の直上に懸架基板を貼り付けることによって、懸架基板によりキャビティ部上部を懸架した構造とする。それにより、式１に示しているキャビティ上部の厚さｈは、懸架基板の厚さ分だけ増加したように見える。また、キャビティ部上部の基板を厚くする必要が無く、貫通配線の貫通長さを長くする必要が無い。その結果、キャビティ上部の耐圧Ｐを向上できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、懸架基板によりキャビティ部上部を懸架したことにより、導電性部材の埋め込み性を悪化させることなく、キャビティの耐圧を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施例における加速度センサチップの平面図である。
【図２】図１のII−II断面図である。
【図３】図１のIII−III断面図である。
【図４】図２のIV−IV断面を示す平面図である。
【図５】図２のＶ−Ｖ断面を示す平面図である。
【図６】本発明の第１の実施例における加速度センサチップのチップパッケージの断面図である。
【図７】本発明の第２の実施例における加速度センサチップの平面図である。
【図８】本発明の第３の実施例における加速度センサチップの平面図である。
【図９】本発明の第４の実施例における角速度センサチップの平面図である。
【図１０】図９のＸ−Ｘ断面図である。
【図１１】図９のXI−XI断面図である。
【図１２】図１０のXII−XII断面を示す平面図である。
【図１３】図１０のXIII−XIII断面を示す平面図である。
【図１４】本発明の第５の実施例における加速度センサチップの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下の実施の形態においては、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
【００１４】
また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
【００１５】
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
【００１６】
同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
【００１７】
また、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。
【実施例１】
【００１８】
本実施例ではＭＥＭＳ型加速度センサを用いて発明を説明する。特に、ＭＥＭＳ型加速度センサとして、静電容量検出型加速度センサを用いた例を説明する。【００１９】
図１は、本発明の第１の実施例における加速度センサチップの平面図（上面図）である。図２は、図１のII−II断面図である。図３は、図１のIII−III断面図である。また図４は、図２のIV−IV断面を示す平面図である。図５は、図２のＶ−Ｖ断面を示す平面図である。そして図６は、本発明の第１の実施例における加速度センサチップ１１のチップパッケージ１９の断面図である。【００２０】
本実施例の加速度センサは、キャビティ１ａを形成したキャビティ基板１と、振動体（錘）４ａを形成したデバイス基板４と、振動体を支持する支持基板５と、キャビティ基板１のキャビティ上部１ｂを懸架する懸架基板２とで構成される。【００２１】
まず、振動体の形成において、単結晶シリコンからなるデバイス基板４と単結晶シリコンもしくはガラスからなる支持基板５とを絶縁膜６を介して張り合わせる。この際、支持基板５には予めキャビティ５ａを形成しておいても良いし、形成しておかなくても良い。次に、デバイス基板４と支持基板５とを張り合わせた基板組体をフォトリソグラフィとＤＲＩＥ(Ｄｅｅｐ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ)を用いて、デバイス基板４と絶縁膜６を加工することで振動体４ａを形成する。【００２２】
図４に示すように、デバイス基板４に形成した、振動体である錘４ａには、錘４ａの振動方向とは直交する方向に支持梁４ｂが接続される。これらの支持梁４ｂの他方の端部は、それぞれ振動方向と直交した方向にあるアンカー４ｃと接続される。このとき、アンカー４ｃは絶縁膜６を介して支持基板５に固定されているため、錘４ａはＹ軸方向に振動可能になる。また、アンカー４ｃの一部は、アンカー４ｄのように、後述する貫通配線７と電気的に接続可能となっており、錘４ａ側と外部回路間との電気的接続に使用される。【００２３】
デバイス基板４に形成された櫛歯状の検出電極４eは、錘４aの外側に形成される。櫛歯状の検出電極４eに対向して、櫛歯状の固定電極４ｆがデバイス基板４と絶縁膜６上に形成され、支持基板５に対して固定される。すなわち、検出電極４eは、錘４ａの外周から支持梁４ｂの延設方向に突出するように設けられている。図４においては、検出電極４eは一つしか描かれていないが、複数の検出電極４eが櫛歯状に設けられている。また、櫛歯状の検出電極４eを受ける固定電極４ｆも、検出電極４eの数に応じて櫛歯状に設けられている。【００２４】
そして、式４で示すように、検出電極４eと固定電極４ｆとの間の距離ｄと、対向面積Ａと、誘電率εと、電極４ｅと４ｆとの対向数ｎとで静電容量Ｃを形成する。
Ｃ＝εＡｎ/ｄ      （式４）
そして、振動体にｙ方向に加速度が印加されると、可動体である錘４ａはｙ方向に変位し、この時の電極間の変位量Δyが静電容量変化ΔＣとなる。【００２５】
次に、キャビティ基板1について説明する。キャビティ基板1は、単結晶シリコンからなり、フォトリソグラフィとＤＲＩＥを用いることで、キャビティと貫通配線７のための複数の貫通孔とが形成されている。そして、貫通配線７は、貫通孔の側壁を絶縁膜８で覆った上で、内側に低抵抗シリコンもしくは金属材料を埋め込んで形成される。そして、キャビティ１ａを形成した側とは反対側の面に、図５に示すように、平面配線９を形成する。平面配線９は、キャビティ１ａの外周よりも外側に配置したパッド９ａと貫通配線７とをそれぞれ電気的に接続し、更に傷や水分による腐食に対する保護のため、パッド開口部１０ａを除いて、絶縁膜１０で覆われる。【００２６】
以上で構成されるキャビティ基板１はデバイス基板４と張り合わせることで、デバイス基板上に形成した検出電極４ｅ、固定電極４ｆは貫通配線７及び平面配線９を介して、キャビティ基板１の上面のパッド９ａに電気的に接続される。なお、張り合わせの際は、大気圧もしくは真空にて気密封止することで、ダンピングの効果を得ている。【００２７】
次に、懸架基板２はキャビティ基板１のキャビティ上部（キャビティ上部壁）１ｂ上に搭載される。この時、懸架基板２は、キャビティ１ａの直上からキャビティ上部１ｂ（１ｂａ，１ｂｂ）の外周の外側までを覆うように構成する。このとき、懸架基板２は、図２に示すように、貫通配線７の上側を覆うように設けられている。また、前記式１で示すように、キャビティ上部１ｂの耐圧が後述の樹脂封止時の圧力よりも高くなる厚さとする。懸架基板２の搭載においては、図２，図３では、懸架基板２の材料がシリコンやガラスを想定しており、ＤＡＦ（Ｄｉｅ Ａｔｔａｃｈ Ｆｉｌｍ）もしくはエポキシ樹脂、もしくはシリコン樹脂等の接着材３を介して貼り付けられている。なお、懸架基板２の材料が樹脂である場合、樹脂自体が接着材として機能するため、接着材３は無くても良い。要するに、懸架基板２は接着材或いは樹脂によりキャビティ基板１に接合されている。なお、上述したように、必要に応じて、懸架基板２とキャビティ基板１との間には絶縁膜８，１０等が設けられる。【００２８】
以上で構成される加速度センサチップ１１は、図６に示すように、チップパッケージ１９に組み立てられる。加速度センサチップ１１は、回路基板１２上に接着材１３を介して実装され、ワイヤボンディング１４により、回路基板１３と電気的に接続される。そして、回路基板１３はリードフレーム上１５に接着材１６を介して実装し、回路基板１２とリードフレーム１５はワイヤボンディング１７により電気的に接続される。そして、これらを樹脂１８にて封止することでチップパッケージ１９となる。このとき、図６に示すように、樹脂１８は懸架基板２の上部を覆うようにして、加速度センサチップ１１の全体を封止している。樹脂封止において、トランスファモールド工程を行う際、センサチップ１１は前述のように、高圧環境下におかれるが、キャビティ上部１ｂが懸架基板２により懸架されているため、キャビティ上部の耐圧が樹脂封止時の圧力よりも高くなり、キャビティの破壊を防ぐことができる。【００２９】
本実施例の半導体センサ装置では、複数の基板１，４，５を積層した積層構造の内部に気密にされたキャビティ（空隙）１ａを有し、積層構造の外部を樹脂１８で覆われた構造を有する。そして、空隙１ａの上部壁１ｂの外側に、少なくとも一辺の長さがこの一辺に沿う空隙１ａの一辺の長さよりも長い懸架基板（板状の部品）２を配置し、板状の部品２により空隙１ａの上部壁１ｂを機械的に懸架している。【００３０】
板状の部材２は、空隙上部壁１ｂを懸架する側の面とは反対側の面が樹脂１８で覆われている。そして、板状の部材２で懸架する面の、板状の部材２で懸架される部位の外側には、大気圧よりも高い圧力が印加されている。【００３１】
本実施例では、板状の部材２により懸架される基板（キャビティ基板）１は、板状の部材２により懸架される部位に設けられ、厚さ方向に基板１を貫通する貫通電極７と、板状の部材２により懸架される部位の外側に設けられたワイヤボンディング用のパッド９ａと、貫通電極７に電気的に接続されると共に、板状の部材２により懸架される部位の外側に引き出され、パッド９ａに電気的に接続された配線（平面配線）９とを有する。なお、平面配線９は、金属もしくはシリコンによって形成される。【００３２】
本実施例では、貫通配線７はキャビティ基板１を貫通するように設けられ、懸架基板２が貫通配線７の上側を覆うように設けられている。このため、貫通配線７の貫通長さが長くなることはなく、貫通配線７のための導電性部材の埋め込み性が悪化するのを避けることができる。そして、貫通配線７は、平面配線９により、懸架基板２の外側に配置したパッド９ａに電気的に接続される。
【実施例２】
【００３３】
次に、図１の変形例について、図７を参照しつつ説明する。図７は、本発明の第２の実施例における加速度センサチップ１１の平面図である。なお、図１と同一の構成要素については、その詳細な説明を省略し、以下、異なる点を中心に説明することとする。【００３４】
本実施例では、図７に示す、キャビティ上部１ｂを懸架する懸架基板２ａにおいて、懸架基板２ａの短辺２ａａの長さはキャビティ基板上部１ｂが懸架基板２ａで懸架されない領域１ｃが生じる長さであることを特徴としている。すなわち、本実施例では、キャビティ（空隙）１ａは、一辺（対向する二辺）を長辺とし、この長辺と直交する辺を短辺とする矩形状を成している。また、懸架基板（板状の部品）２は、一辺（対向する二辺）を長辺とし、この長辺と直交する辺を短辺とする矩形状を成している。そして、懸架基板２は、短辺の長さが、空隙の短辺よりも短く、空隙の短辺方向の一部が懸架されない長さである。なお、図７に示すキャビティ基板上部１ｂにおける懸架基板２ａで懸架されない領域１ｃは２か所であるが、懸架基板２ａの片側に１か所であっても良い。【００３５】
それにより、前述の式１で示しているように、キャビティ上部１ｂの短辺１ｂａの長さａが減少し、キャビティ上部の耐圧Ｐが増加するという効果がある。また、キャビティ基板１の空洞上部（キャビティ上部）１ｂで最大応力が印加される長辺１ｂｂが領域１ｃに含まれるため、領域１ｃを観察することで、キャビティ上部１ｂの耐圧破壊の有無の判定が容易になる。【００３６】
本実施例では、懸架基板２で懸架されない領域に１ｃに貫通配線７を配置してもよい。この場合、貫通配線７は懸架基板２で覆われない構成にすることができる。
【実施例３】
【００３７】
次に、図１の変形例について、図８を参照しつつ説明する。図８は、本発明の第３の実施例における加速度センサチップ１１の平面図である。なお、図１と同一の構成要素については、その詳細な説明を省略し、以下、異なる点を中心に説明することとする。【００３８】
本実施例では、図８に示すように、キャビティ上部１ｂを懸架する懸架基板２ｃが複数枚で構成されていることを特徴としている。なお、図４に示す懸架基板２ｃの数は２枚であるが、２枚以上あっても良い。また、図８に示すキャビティ上部１ｂにおける懸架基板２ｃにより懸架されない領域１ｃは1か所であるが、２か所以上あっても良い。【００３９】
それにより、前述の式１で示しているように、キャビティ上部１ｂの短辺１ｂａの長さａが減少し、キャビティ上部の耐圧Ｐが増加するという効果がある。【００４０】
本実施例では、懸架基板２で懸架されない領域に１ｃに貫通配線７を配置してもよい。この場合、貫通配線７は懸架基板２で覆われない構成にすることができる。
【実施例４】
【００４１】
以下、本発明の第４の実施例としてＭＥＭＳ型角速度センサについて述べる。特に、ＭＥＭＳ型角速度センサとして、静電容量検出型角速度センサを用いた例を説明する。【００４２】
図９は、本発明の第４の実施例における角速度センサチップ１１ａの平面図（上面図）である。図１０は、図９のＸ−Ｘ断面図である。図１１は、図９のXI−XI断面図である。また図１２は、図１０のXII−XII断面を示す平面図である。図１３は、図１０のXIII−XIII断面を示す平面図である。【００４３】
本構造は、図１、図２、図３、図４、図５、図６に示した構造と同様の手法で作成できるが、デバイス基板４で作成する振動体の構造が異なる。以下、図９、図１０、図１１、図１２、図１３を説明するに当たり、図１、図２、図３、図４、図５、図６と同一の構成要素については、その詳細な説明を省略し、異なる点を中心に説明することとする。【００４４】
本実施例において、角速度センサチップ１１ａの構造は、後述する振動体を形成したデバイス基板４に、キャビティ基板１と支持基板５とを張り合わせ、且つ真空もしくは大気にて気密に封止し、更に、キャビティ基板上部１ｂは懸架基板２で懸架された構成としたことを特徴としている。【００４５】
なお、懸架基板２は、実施例２で示しているように、懸架基板２ａの短辺２ａａの長さがキャビティ基板上部１ｂにおいて懸架基板２ａで懸架されない領域１ｃを生じる長さであっても良い。もしくは、懸架基板２は、実施例３で示しているように、複数枚で構成されていても良い。【００４６】
そして、角速度センサチップ１１ａは、図６と同様にチップパッケージ１９に組み立てられる。【００４７】
角速度センサチップ１１aにおいて、左側の振動子４ｑ１と右側の振動子４ｑ２は、互いに対称形状かつ、対向して配置されており、リンク梁４ｐを介して接続されている。すなわち、振動子４ｑ１と振動子４ｑ２とは、図１２に示すように、中心線１００に対して線対称に構成されている。そして、デバイス基板４のみで形成される部分については、両方ともアンカー４ｃと絶縁膜６を介して、支持基板５に対して可動であり、振動子４ｑ１と４ｑ２の固有振動数は等しく設計される。【００４８】
デバイス基板４においては、第１の振動体である錘４ｈが形成され、振動体の駆動方向とは直交する方向に支持梁４ｉが接続される。これらの支持梁４ｉの他方の端部はそれぞれ駆動方向と直交した方向にあるアンカー４ｃと接続される。この第１の振動体である錘４ｈは支持梁４ｉによりＸ軸方向に振動可能となっている。また、アンカー４ｃの一部は、アンカー４ｄのように前述の貫通配線７と電気的に接続可能となっており、振動体側と外部回路間との電気的接続に使用される。【００４９】
デバイス基板４に形成された櫛歯状の駆動電極４ｌは、第１の振動体である錘４ｈの外側に形成される。櫛歯状の駆動電極４ｌに対向して、櫛歯状の駆動電極４ｍがデバイス基板４と絶縁膜６上に形成され、支持基板５に対して固定される。【００５０】
駆動電極４ｍは、キャビティ基板上の貫通配線８と平面配線９を介してパッド９ａに電気的に接続された上で、外部の発振回路と接続されており、駆動電極４ｍに所定の周波数信号が印加されると、電極４ｌ，４ｍ間で静電力を発生し、第１の振動体である錘４ｈはＸ軸方向に振動する。【００５１】
デバイス基板４上において、第２の振動体である錘４ｊは、第１の振動体である錘４ｈの内側に形成されている。錘４ｊの上下には錘４ｈの振動方向と同方向に伸びる検出用の梁４ｋを設けている。すなわち、梁４ｋの一方の端部は、錘４ｊに連結されている。梁４ｋの他方の端部は第１の振動体である錘４ｈに連結される。この第２の振動体である錘４ｊは、支持基板５からみて可動であり、検出用の梁４ｋにより第１の振動体である錘４ｈと連動して振動するほか、Ｘ軸とは直交したＹ軸方向に振動が可能となっている。【００５２】
第２の振動体である錘４ｊのＹ軸方向の変位を検出する手段として、錘４ｊに隣接して櫛歯状の検出電極４ｎをデバイス基板４上に設ける。検出電極４ｎと対向した位置に櫛歯状の検出４oを設ける。検出電極４ｏは、デバイス基板４と絶縁膜６上に形成され、支持基板５に固定されている。そして、検出電極４ｏは、キャビティ基板１上の貫通配線８と平面配線９を介してパッド９ａに電気的に接続された上で、外部の信号処理回路と接続されている。【００５３】
第２の振動体である錘４ｊがＹ軸方向に変位した場合、電極４ｎ，４ｏ間の静電容量が変化し、電極４ｏはこの静電容量に応じた信号を出力する。【００５４】
ここで、第１の振動体である錘４ｈ及び第２の振動体である錘４ｊの質量と、支持梁４ｉの形状とを適宜設定することによって、錘４ｈと錘４ｊとは、固有振動数ｆｘでＸ軸方向に振動する。【００５５】
また、第２の振動体である錘４ｊの質量と、検出用の梁４ｋの形状とを適宜設定することによって、錘４ｊは固有振動数ｆｙでＹ軸方向にも振動する。【００５６】
本実施例による角速度センサにおいては、次のような動作をする。【００５７】
まず、左側の振動子４ｑ１と右側の振動子４ｑ２とは、それぞれ逆相で振動するように、図１２の駆動電極４ｍに周波数ｆの交流電圧を印加し、電極４ｍ，４ｌ間に静電気力を発生させ、Ｘ軸方向に、第１の振動体である錘４ｈを振動させる。このとき、第２の振動体である錘４ｊは、Ｘ軸方向に錘４ｈと連動して振動する。このとき、錘４ｈのＸ軸方向の変位ｘとその速度ｖの関係は式５によって表わされる。
ｘ＝Ｘｅsin（２πｆｔ）
ｖ＝２πｆＸｅcos（２πｆｔ）      （式５）
ここで、ｆ：周波数、Ｘｅ：振幅、ｔ：時間である。【００５８】
このような、錘４ｈと錘４ｊがＸ軸方向に振動した状態で、角速度センサに図１２の紙面に直交する軸（Ｚ）に角速度Ωが加わると、Ｙ軸方向にコリオリ力Ｆｃ（式６）が発生する。そして、錘４ｊはＹ軸方向にコリオリ力Ｆｃで変位する。
Ｆｃ＝２ｍΩｖ      （式６）
ここで、ｍ：錘４ｊの質量である。【００５９】
第２の振動体である錘４ｊは、式６で示すコリオリ力ＦｃによってＹ軸方向に振動し、検出電極４ｎ，４ｏ間の静電容量が変化する。この静電容量変化を検出することで、Ｚ軸周りの角速度Ωを検出することができる。【００６０】
なお、第２の振動体である錘４ｊの変位量の測定方法としては、検出電極４ｎ，４ｏ間の静電容量変化、すなわち、錘４ｊのＹ軸方向の変位量が０になるように、電極４ｎ，４ｏ間に印加する電圧をサーボ制御し、その印加電圧より、コリオリ力Ｆｃを求めても良い。【００６１】
また、互いに対象となるよう対向配置された左側の振動子４ｑ１、右側の振動子４ｑ２を備えることにより、両振動子を逆相に駆動振動させることによって、外部加速度をキャンセルしつつ、角速度の検出信号を２個の振動子からの足し合わせとして感度良く検出することができ、また振動子の振動を外部に漏れにくくすることができるという利点が得られる。【００６２】
更に、本発明は、加速度センサ、角速度センサ以外にも、キャビティを有するＭＥＭＳ素子に適用してもよく、懸架基板によりキャビティ上部を懸架することで、キャビティ基板を厚くすることなく、キャビティ上部の耐圧向上の効果を得ることができる。
【実施例５】
【００６３】
以下、図１４を参照して、本発明の第５の実施例について述べる。図１４は、本発明の第５の実施例における加速度センサチップの平面図である。本実施例では、ＭＥＭＳ型加速度センサとして、静電容量検出型加速度センサを用いた例を説明するが、ＭＥＭＳ型センサとして、静電容量検出型角速度センサ又はその他のセンサを用いてもよい。【００６４】
本実施例では、ｙ方向の加速度を検出する第１の加速度センサ２０Ａと、ｘ方向の加速度を検出する第２の加速度センサ２０Ｂとを備えている。そして、第１の加速度センサ２０Ａと第２の加速度センサ２０Ｂとを一つのセンサチップ１１の中に構成するために、一つのセンサチップ１１に二つのキャビティ１ａＡ，１ａＢが設けられている。センサチップ１１の中に構成するセンサの数は、一つ或いは二つに限定される訳ではなく、さらに多くのセンサを構成することができる。また、センサの種類も一つに限定される訳ではなく、複数の種類のセンサを組み合わせてもよい。このように、センサチップ１１の中に構成するセンサの数に応じて、複数のキャビティを設けることにより、センサチップ１１の機能を高めることができる。【００６５】
上述した各実施例により得られる効果について整理すると、以下のようになる。【００６６】
キャビティ基板を持つ半導体センサ装置において、前記キャビティ基板のキャビティ上部に、前記キャビティ上部の外周よりも広い懸架基板を貼り付けることにより、キャビティ上部を懸架した構成により、以下の効果が得られる。キャビティ上部の耐圧Ｐは、前記式１で説明しているように、キャビティ上部の厚さｈと応力σの関数となる。このとき、懸架基板によりキャビティ上部が厚くなるために、耐圧Ｐが向上する。このとき、懸架基板はキャビティの外周より大きくすることで、懸架基板によるキャビティ上部の端部への応力σの増加を抑制し、キャビティ上部の耐圧Ｐを向上することができる。従って、このような構成を用いれば、キャビティ基板自体を厚くせずに、キャビティ上部の耐圧が向上した構造を実現できる。【００６７】
また、前記懸架基板の短辺側の長さが、キャビティ上部の短辺側の長さよりも短く、キャビティ上部の一部に懸架されない領域が出る長さとなるように構成されていることにより、以下の効果が得られる。すなわち、前記式１で説明しているように、キャビティ短辺側の長さａが短くなり、耐圧Ｐを向上できる。また、最大応力が印加されるキャビティ長辺側の端部が露出することにより、同箇所を観察することができ、キャビティの耐圧破壊の有無を容易に知ることができる。【００６８】
さらに、前記懸架基板が複数で構成されていることにより、以下の効果が得られる。すなわち、前記式１で説明しているように、キャビティ短辺側の長さａが短くなるために、耐圧Ｐを向上することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１…キャビティ基板、１ａ…キャビティ部、１ｂ…キャビティ上部、1ｂａ…キャビティ上部短辺、1ｂｂ…キャビティ上部長辺、1ｃ…キャビティ上部未懸架部、２…懸架基板、２ａ…懸架基板、２ａａ…懸架基板２ａの短辺、２ａｂ…懸架基板２ａの長辺、２ｂ…懸架基板、３…接着材、４…デバイス基板、４ａ…錘、４ｂ…支持梁、４ｃ…アンカー、４ｄ…アンカー（貫通配線接続有）、４ｅ…検出電極、４ｆ…固定電極、４ｇ…空洞部、４ｈ…錘（第１の振動体）、４ｉ…支持梁、４ｊ…錘（第２の振動体）、４ｋ…梁（検出用）、４ｌ…駆動電極（錘４ｈ側）、４ｍ…駆動電極（支持基板固定側）、４ｎ…検出電極（錘４ｊ側）、４ｏ…検出電極（支持基板固定側）、４ｐ…リンク梁、４ｑ１…振動子、４ｑ２…振動子、５…支持基板、５ａ…キャビティ部、６…絶縁膜、７…貫通配線、８…絶縁膜、９…平面配線、９ａ…パッド、９ｂ…貫通配線上部、１０…絶縁膜、１０ａ…パッド開口部、１１…加速度センサチップ、１１ａ…角速度センサチップ、１２…回路基板、１３…接着材、１４…ワイヤボンディング、１５…リードフレーム、１６…接着材、１７…ワイヤボンディング、１８…樹脂、１９…チップパッケージ。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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