(57)【要約】  加速度センサ装置１０は、基板１２上に、印加された加速度に応じて揺動する錘部２８を含む加速度センサ素子１６と、加速度センサ素子１６を支持する台座部１８と、を有する加速度センサチップが実装された加速度センサ装置である。台座部１８と、基板１２との間には、両者が熱膨張または熱収縮したときに発生する熱応力を吸収する緩衝部材４６が設けられる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
印加された加速度に応じて揺動する錘部を含む加速度センサ素子と、前記加速度センサ素子を支持する台座部と、を有する加速度センサチップと、
を備えた加速度センサ装置であって、
前記台座部と、前記基板との間に、両者が熱膨張または熱収縮したときに発生する熱応力を吸収する緩衝部材が設けられることを特徴とする加速度センサ装置。
【請求項２】
前記緩衝部材の熱膨張係数は、前記台座部の熱膨張係数と略同一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装置。
【請求項３】
前記基板は、ガラスエポキシ基板であり、
前記台座部は、シリコンまたはシリコンと熱膨張係数の近いガラスを用いて形成され、
前記緩衝部材は、シリコンまたはシリコンと熱膨張係数の近いガラスを用いて形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の加速度センサ装置。
【請求項４】
前記台座部と、前記緩衝部材とは、シリコン系接着剤を用いて固定され、
前記緩衝部材と、前記基板とは、シリコン系接着剤を用いて固定されることを特徴とすることを特徴とする請求項３に記載の加速度センサ装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の加速度センサ装置と、
磁気を検出する磁気センサと、
圧力を検出する圧力センサと、
を備えることを特徴とするセンサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度を検出する加速度センサ装置および複数のセンサを備えたセンサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車に搭載されるエアバッグシステムなどにおいて、加速度センサが用いられている。また、近年では加速度センサの小型化や省電力化によって、携帯電話などの小型情報端末にも加速度センサが搭載されるようになってきている。【０００３】
加速度センサの動作原理としては種々の方法が提案されているが、その１つにピエゾ抵抗効果を利用したピエゾ抵抗型加速度センサが知られている。ピエゾ抵抗型加速度センサでは、シリコン基板をエッチングによって加工することで、錘部と、その錘部を支持する梁部と、梁部を支持する枠体とからなる構造体を形成し、梁部に、応力が加わるとその抵抗値が変化するピエゾ抵抗を形成する。加速度センサ素子は、ガラスによって形成された台座の上面に一体に接合され、加速度センサチップを構成する。加速度センサチップに加速度が印加されると、錘部の慣性力により梁部が撓み、ピエゾ抵抗の抵抗値が変化するので、加速度に応じた電気信号を取り出すことができる。【０００４】
このような加速度センサチップは、シリコンよりも熱膨張係数差が大きい、ガラスエポキシなどの材質の基板に実装された場合、外部環境の温度変化による熱膨張または熱収縮により熱応力が発生し、加速度センサチップが歪み、出力特性が劣化する。特許文献１では、熱膨張係数がシリコンに近いセラミックの基板に加速度センサチップを実装する例が開示されている。
【特許文献１】特開平１０−１２８０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、熱膨張係数がシリコンに近い材質の基板に限定されてしまうと、基板選択の自由度が低く、より安価な基板が選択できない場合がある。特に近年では、加速度センサ、磁気センサ、温度センサなどの複数のセンサを一体化したハイブリッドセンサ装置が提案されているが、加速度センサのためだけに基板の種類が制限されてしまい、センサ装置の低価格化の妨げになるという問題があった。【０００６】
本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、熱膨張または熱収縮による出力特性の劣化を抑制することのできる加速度センサ装置およびセンサ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の加速度センサ装置は、基板と、印加された加速度に応じて揺動する錘部を含む加速度センサ素子と、加速度センサ素子を支持する台座部とを有する加速度センサチップと、を備えた加速度センサ装置であって、台座部と、基板との間に、両者が熱膨張または熱収縮したときに発生する熱応力を吸収する緩衝部材が設けられる。【０００８】
この態様によると、台座部と基板との間に設けられた緩衝部材が、熱膨張または熱収縮したときに発生する熱応力を吸収する。加速度センサチップの台座部と基板との熱膨張係数に差がある場合でも、緩衝部材が加速度センサチップの歪みを抑制し、出力特性の劣化を抑制することができるので、基板の選択自由度が高くなる。【０００９】
緩衝部材の熱膨張係数は、台座部の熱膨張係数と略同一であってもよい。緩衝部材と台座部の熱膨張係数を略同一にすることによって、好適に熱応力を吸収し、出力特性の劣化を防止することができる。【００１０】
基板は、ガラスエポキシ基板であり、台座部は、シリコンまたはシリコンと熱膨張係数の近いガラスを用いて形成され、緩衝部材は、シリコンまたはシリコンと熱膨張係数の近いガラスを用いて形成されてもよい。熱膨張係数がシリコンの１０倍以上であるガラスポキシ基板を用いた場合でも、シリコンまたはシリコンと熱膨張係数の近いガラスを用いた緩衝部材が熱応力を吸収し、出力特性の劣化を防ぐことができる。ガラスエポキシ基板は、セラミック基板よりも安価なので、加速度センサ装置の製造コストを低減することができる。【００１１】
台座部と、緩衝部材とは、シリコン系接着剤を用いて固定され、緩衝部材と、基板とは、シリコン系接着剤を用いて固定されてもよい。この場合、接着剤の熱膨張または熱収縮による熱応力の発生を抑制し、さらに好適に出力特性の劣化を抑制することができる。【００１２】
本発明の別の態様は、センサ装置である。このセンサ装置は、上述の加速度センサ装置と、磁気を検出する磁気センサと、圧力を検出する圧力センサと、を備える。この場合、複数のセンサを一体にしたセンサ装置を構成することができる。基板の選択自由度が高くなるので、より安価な基板を選択することができ、センサ装置の製造コストを削減することができる。【００１３】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、熱膨張または熱収縮による出力特性の劣化を低減した加速度センサ装置およびセンサ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態にかかる加速度センサ装置の断面図である。
【図２】加速度センサチップの斜視図である。
【図３】（ａ）は、複数の種類のセンサを１パッケージ化したセンサ装置を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すセンサ装置のＢ−Ｂ’線断面図である。
【符号の説明】
【００１６】
１０  加速度センサ装置、  １２  基板、  １４  キャップ、  １５  パッケージ、  １６  加速度センサ素子、  １８  台座部、  ２０  加速度センサチップ、  ２６  梁部、  ２８  錘部、  ３０  枠体、  ３２  ボンディングパッド、  ３４  ワイヤ、  ３８  半田ボール、  ４０  信号処理チップ、  ４２  ピエゾ抵抗素子、  ４４、４８、６４  接着剤、  ４６  緩衝部材、  ５０  磁気センサチップ、  ６０  圧力センサチップ、  １００  ハイブリッドセンサ装置。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、本発明の実施の形態にかかる加速度センサ装置１０の断面図である。加速度センサ装置１０は、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）タイプの加速度センサ装置である。加速度センサ装置１０は、たとえば、携帯電話などの小型情報端末に搭載され、３軸方向の加速度を検出することによって、小型情報端末の傾きを検出するなどの用途に利用される。【００１８】
加速度センサ装置１０は、図１に示すように、基板１２と、キャップ１４とで構成されるパッケージ１５に、加速度センサチップ２０、信号処理チップ４０が実装されている。【００１９】
基板１２は、その上面および基板内部には図示しない回路配線が形成されている。基板１２の下面には、加速度信号や、電源電圧を入出力するための外部端子として機能する複数の半田ボール３８が形成されている。基板１２は、ガラスエポキシ基板であってよい。【００２０】
図２は、加速度センサチップ２０の斜視図である。図１に示す加速度センサチップ２０は、図２のＡ−Ａ’線に沿った断面である。加速度センサチップ２０は、加速度を検出する素子である加速度センサ素子１６と、加速度センサ素子１６を支持する台座部１８と、を備える。【００２１】
加速度センサ素子１６は、シリコンを母材としてドライエッチングにて、枠体３０、梁部２６、錘部２８からなる構造体を形成し、梁部２６上にピエゾ抵抗素子４２を形成している。【００２２】
枠体３０は、加速度センサチップ２０の基体となるものであり、四角形状に形成されている。梁部２６は、枠体３０の４つの内側面から、それぞれ枠体３０の内側方向に向かって延設されており、枠体３０の開口部の中央付近で交差している。枠体３０の厚みは、２５０μｍ程度である。【００２３】
図２に示すように、梁部２６は、その上面が枠体３０の上面と同一平面上になるように形成されている。梁部２６は、その上面が枠体３０の上面から離間するように形成されていてもよい。すなわち、梁部２６が枠体３０の内側面の上面と下面の間の位置から延設されていてもよい。梁部２６の厚みは、弾性を有するように薄肉状に形成されており、５μｍ程度に形成することが好ましい。【００２４】
錘部２８は、印加された加速度の大きさに応じて揺動し、梁部２６の撓み量を変化させるものである。錘部２８は、４つの梁部２６が交差する部分に、梁部２６の下面から下方に延びるように形成される。錘部２８は、四角柱状の塊体である。【００２５】
ピエゾ抵抗素子４２は、梁部２６が変形した際の撓み量を電気信号に変換するものである。ピエゾ抵抗素子４２は、梁部２６の表面に形成されており、梁部２６の最も応力集中する位置に１軸あたり４素子、３軸で計１２素子がそれぞれ配置されている。加速度に比例した信号は、各軸とも４素子でホイートストン・ブリッジ回路を構成し、応力による抵抗変化を電圧変化として検出する。検出された加速度信号は、ボンディングパッド３２から出力される。【００２６】
台座部１８は、シリコン、またはシリコンと熱膨張係数の近いガラスにて形成される。ここで、シリコンの熱膨張係数は、３×１０−６／℃程度であり、また、シリコンと熱膨張係数の近いガラスとは、熱膨張係数が２．５〜４．５×１０−６／℃程度のガラスである。台座部１８は、四角形状の平板であり、図１に示すように、錘部２８が揺動する空間を確保するために上面の一部が堀り込まれている。台座部１８は、加速度センサ素子１６と、枠体３０の開口周縁部において陽極接合により接合されている。台座部１８の厚みは２５０μｍ程度である。【００２７】
図１に示す信号処理チップ４０は、ピエゾ抵抗素子４２のホイートストン・ブリッジ回路から各軸方向ごとに得られる加速度信号を演算処理する処理回路等が集積されている。さらに、図示は省略しているが、演算処理に必要なデータを格納するＥＥＰＲＯＭ等のような記憶素子チップを備えていてもよい。【００２８】
加速度センサチップ２０および信号処理チップ４０は、基板１２に実装され、ワイヤ３４および基板１２に設けられた図示しない配線を介して電気的に接続される。加速度センサチップ２０および信号処理チップ４０は、キャップ１４によって封止される。【００２９】
図１に示すように、信号処理チップ４０は接着剤６４を介して直接基板１２に固定されるが、加速度センサチップ２０は、その台座部１８と、基板１２との間に、両者が熱膨張または熱収縮したときに発生する熱応力を吸収する緩衝部材４６が設けられる。緩衝部材４６は、四角形状の平板である。緩衝部材４６の上面は、少なくとも台座部１８の下面と同一の大きさに形成され、さらには台座部１８の下面よりも大きく形成されることが好ましい。緩衝部材４６の厚みは、１００μｍ程度である。基板１２と緩衝部材４６は、接着剤４４を介して固定され、緩衝部材４６と台座部１８は、接着剤４８を介して固定される。【００３０】
緩衝部材４６を設けずに、加速度センサチップ２０の台座部１８を基板１２に直接固定させた場合、外部環境の温度変化によって基板１２および台座部１８は熱膨張または熱収縮する。基板１２として、たとえばガラスエポキシ基板を用いた場合、ガラスエポキシは熱膨張係数が５０〜７０×１０−６／℃程度とシリコンの１０倍以上あるため、基板１２と台座部１８との間に熱応力が発生する。この熱応力によって台座部１８が歪んだ場合、台座部１８に接合されている加速度センサ素子１６梁部２６が撓み、ピエゾ抵抗素子４２の抵抗値が変化してしまうので、加速度センサ装置１０の出力特性が劣化してしまう。【００３１】
本実施の形態に係る加速度センサ装置１０では、台座部１８と、基板１２との間に設けられた緩衝部材４６が熱応力を吸収し、台座部１８の歪みを抑制する。その結果、梁部２６の撓みが抑制され、ピエゾ抵抗素子４２の抵抗値変化を抑えることができるので、加速度センサ装置１０の出力特性の劣化を防止することができる。【００３２】
従来では、熱応力による出力特性の劣化を防ぐために、加速度センサチップ２０と熱膨張係数の近い基板を選択する必要があった。たとえば、加速度センサチップ２０をシリコンとガラスで構成した場合は、熱膨張係数がシリコンに近いセラミック基板を使用していた。本実施の形態に係る加速度センサ装置１０によれば、緩衝部材４６を設けることによって、加速度センサチップ２０と基板１２の熱膨張係数に差がある場合でも、加速度センサチップ２０の歪みを抑制することができるので、基板１２の選択自由度が高くなる。たとえば、ガラスエポキシ基板は、セラミック基板よりも安価なため、加速度センサ装置１０の製造コストを低減することができる。【００３３】
緩衝部材４６の熱膨張係数は、台座部１８の熱膨張係数と略同一であることが好ましい。たとえば、台座部１８を、シリコンまたはシリコンと熱膨張係数の近いガラスを用いて形成した場合、緩衝部材４６も、シリコンまたはシリコンと熱膨張係数の近いガラスを用いて形成することが好ましい。緩衝部材４６と台座部１８との間に熱膨張係数の差がある場合、緩衝部材４６自身が熱膨張または熱収縮をすることによって台座部１８に歪みを生じさせてしまう可能性がある。緩衝部材４６と台座部１８の熱膨張係数を略同一にすることによって、好適に熱応力を吸収し、出力特性の劣化を防止することができる。緩衝部材４６としてシリコンを用いる場合、シリコンのミラーウェハーを所定の形状にダイシングすることによって緩衝部材４６を形成することができる。【００３４】
また、台座部１８と、緩衝部材４６とは、シリコン系接着剤を用いて固定され、緩衝部材４６と、基板１２とは、シリコン系接着剤を用いて固定されることが好ましい。たとえば、接着剤４４、４８としてエポキシ系の接着剤を用いた場合には、接着剤の熱膨張または熱収縮の影響により、加速度センサ装置１０の出力特性を劣化させてしまう可能性がある。シリコン系の接着剤を用いることによって、接着剤の影響による出力特性の劣化を抑制することができる。なお、信号処理チップ４０は、機械的に変動する部分を持たないため、緩衝部材を設ける必要はなく、また、接着剤６４の種類は限定されない。【００３５】
図３（ａ）は、複数の種類のセンサを１パッケージ化したハイブリッドセンサ装置１００を示す図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すハイブリッドセンサ装置１００のＢ−Ｂ’線断面図である。ハイブリッドセンサ装置１００は、加速度センサチップ２０と、地磁気を検出する磁気センサチップ５０と、圧力を検出する圧力センサチップ６０と、これらのセンサが出力する信号を処理する信号処理チップ４０と、を備える。【００３６】
ハイブリッドセンサ装置１００は、たとえば小型情報端末に搭載され、磁気センサチップ５０で計測した方位角を、加速度センサチップ２０で計測した傾斜角を用いて信号処理チップ４０で補正するなど、それぞれのセンサが協同してセンシングを行うことができる。ハイブリッドセンサ装置１００では、複数のセンサが１パッケージ化されているので、小型のハイブリッドセンサ装置１００を実現することができる。なお、図３（ａ）、（ｂ）では、各チップを電気的に接続するワイヤの図示を省略している。【００３７】
ハイブリッドセンサ装置１００においても、外部環境の温度変化による出力特性の劣化を抑制するために、基板１２と、加速度センサチップ２０との間に緩衝部材４６が設けられている。一方、信号処理チップ４０、磁気センサチップ５０などは、機械的な変動部分を持たないため、接着剤を介して直接基板１２に固定されている。【００３８】
従来、加速度センサ装置を含んだセンサ装置では、加速度センサ装置の出力特性の劣化を防止するために、センサ装置全体の基板として、シリコンの熱膨張係数に近い、たとえばセラミックなどの材質の基板を使用しており、基板選択の自由度が低かった。【００３９】
図３（ａ）、（ｂ）に示すハイブリッドセンサ装置１００では、緩衝部材４６が、基板１２と加速度センサチップ２０の台座部との間に生ずる熱応力を吸収するので、基板１２の選択自由度が高くなり、シリコンよりも熱膨張係数が大きいガラスエポキシなどの材質の基板であっても、使用することができる。上述したように、ガラスエポキシ基板は、セラミック基板よりも安価なため、ハイブリッドセンサ装置１００の製造コストを低減することができる。【００４０】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、加速度センサ装置およびセンサ装置に関する分野に適用することができる。
【図１】
2007020700.tif 000002
【図２】
2007020700.tif 000003
【図３】
2007020700.tif 000004
【国際調査報告】
2007020700.tif 000005
2007020700.tif 000006
2007020700.tif 000007