(57)【要約】【課題】母基板への実装が容易となったセンサ装置を提供する。【解決手段】センサ基板（１０）と、回路基板（３０）と、パッケージ（５０）と、を有し、パッケージ（５０）が母基板（２００）に実装されるセンサ装置であって、パッケージ（５０）は、底部（５１）と、該底部（５１）に形成された環状の側壁部（５２）と、該側壁部（５２）の開口部を閉塞する蓋部（５３）と、を有し、センサ基板（１０）は、底部（５１）、側壁部（５２）、及び、蓋部（５３）によって構成された密閉空間内に配置され、回路基板（３０）は、密閉空間の外部に配置され、回路基板（３０）が接続された底部（５１）の外壁面（５１ｂ）には、ｚ方向の長さが、回路基板（３０）よりも長い凸部（５６）が形成され、該凸部（５６）と母基板（２００）とが接続されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物理量を電気信号に変換するセンサ素子（１４）が形成されたセンサ基板（１０）と、該センサ基板（１０）の出力信号を処理する処理回路（３１）が形成された回路基板（３０）と、前記センサ基板（１０）及び前記回路基板（３０）が登載されるパッケージ（５０）と、を有し、該パッケージ（５０）が母基板（２００）に実装されるセンサ装置であって、
前記パッケージ（５０）は、底部（５１）と、該底部（５１）に形成された、互いに直交の関係にあるｘ方向とｙ方向とによって規定されるｘ−ｙ平面の形状が環状の側壁部（５２）と、該側壁部（５２）の開口部を閉塞する蓋部（５３）と、を有し、
前記底部（５１）及び前記側壁部（５２）は、絶縁材料から成る壁部（５４）と、該壁部（５４）の内部に設けられた内部配線（５５）と、を有し、
前記底部（５１）、前記側壁部（５２）、及び、前記蓋部（５３）によって密閉空間が構成され、
前記センサ基板（１０）は、前記密閉空間内に配置され、前記底部（５１）の内壁面（５１ａ）と機械的及び電気的に接続され、
前記回路基板（３０）は、前記密閉空間の外部に配置され、前記底部（５１）の外壁面（５１ｂ）と機械的及び電気的に接続され、
前記底部（５１）の外壁面（５１ｂ）には、前記ｘ−ｙ平面に直交するｚ方向の長さが、前記回路基板（３０）よりも長い凸部（５６）が形成され、
該凸部（５６）と前記母基板（２００）とが接続されていることを特徴とするセンサ装置。
【請求項２】
前記凸部（５６）は、前記ｘ−ｙ平面の形状が環状を成し、前記凸部（５６）、前記母基板（２００）、及び、前記底部（５１）によって囲まれた空間内に、前記回路基板（３０）が配置されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項３】
前記センサ素子（１４）は、前記ｘ−ｙ平面に変位可能な振動子と、該振動子を前記ｘ方向に振動するための加振部と、前記振動子に設けられた可動電極と、該可動電極と前記ｙ方向にて対向する固定電極と、を有し、前記ｚ方向の角速度を、前記可動電極と前記固定電極とによって構成されるコンデンサの静電容量に変換する角速度センサ素子（１４）であり、
前記密閉空間の気圧は、１気圧よりも低い低圧状態であり、
前記センサ基板（１０）は、第１接続部材（７０）を介して、前記底部（５１）の内壁面（５１ａ）と機械的及び電気的に接続され、
前記回路基板（３０）は、第２接続部材（７１）を介して、前記底部（５１）の外壁面（５１ｂ）と機械的及び電気的に接続されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のセンサ装置。
【請求項４】
前記底部（５１）の内部には、前記センサ基板（１０）と前記回路基板（３０）とを電気的に遮蔽するシールド層（５７）が設けられていることを特徴とする請求項３に記載のセンサ装置。
【請求項５】
前記シールド層（５７）は、グランドに接続された金属層であることを特徴とする請求項４に記載のセンサ装置。
【請求項６】
前記センサ基板（１０）は、第１接続部材（７０）を介して、前記底部（５１）の内壁面（５１ａ）と機械的及び電気的に接続され、
前記回路基板（３０）は、第２接続部材（７１）を介して、前記底部（５１）の外壁面（５１ｂ）と機械的及び電気的に接続されており、
対応する前記第１接続部材（７０）と前記第２接続部材（７１）とを電気的に接続する前記内部配線（５５）は、前記底部（５１）の内壁面（５１ａ）と外壁面（５１ｂ）とに直交するように、前記ｚ方向に延びていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のセンサ装置。
【請求項７】
前記凸部（５６）と前記母基板（２００）とは、半田を介して機械的及び電気的に接続され、
前記第１接続部材（７０）及び前記第２接続部材（７１）は、前記半田よりも融点の高い導電材料から成ることを特徴とする請求項３〜６いずれか１項に記載のセンサ装置。
【請求項８】
前記凸部（５６）は、前記底部（５１）の一部であることを特徴とする請求項１〜７いずれか１項に記載のセンサ装置。
【請求項９】
前記絶縁材料は、セラミックであることを特徴とする請求項１〜８いずれか１項に記載のセンサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサ基板と、該センサ基板の出力信号を処理する処理回路が形成された回路基板と、センサ基板及び回路基板が登載されるパッケージと、を有し、該パッケージが母基板に実装されるセンサ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に示されるように、凹形状を成すメタライズド基板（セラミックスの多層基板）の内面に振動子が搭載され、メタライズド基板の開口部が金属製のふたによって閉塞され、メタライズド基板の外面に回路素子が搭載された角速度検出装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１５３４３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記したように、特許文献１に示される角速度検出装置では、メタライズド基板の外面に回路素子が搭載されているが、この回路素子が搭載された外面を、母基板と電気的及び機械的に接続するためには、回路素子と母基板との接触を避けなくてはならない。これを実現するには、回路素子の厚さよりも長い接続部材を特別に用意しなくてはならず、角速度検出装置（メタライズド基板）の母基板への実装が煩わしい、という問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は上記問題点に鑑み、母基板への実装が容易となったセンサ装置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】
【０００６】
上記した目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、物理量を電気信号に変換するセンサ素子（１４）が形成されたセンサ基板（１０）と、該センサ基板（１０）の出力信号を処理する処理回路（３１）が形成された回路基板（３０）と、センサ基板（１０）及び回路基板（３０）が登載されるパッケージ（５０）と、を有し、該パッケージ（５０）が母基板（２００）に実装されるセンサ装置であって、パッケージ（５０）は、底部（５１）と、該底部（５１）に形成された、互いに直交の関係にあるｘ方向とｙ方向とによって規定されるｘ−ｙ平面の形状が環状の側壁部（５２）と、該側壁部（５２）の開口部を閉塞する蓋部（５３）と、を有し、底部（５１）及び側壁部（５２）は、絶縁材料から成る壁部（５４）と、該壁部（５４）の内部に設けられた内部配線（５５）と、を有し、底部（５１）、側壁部（５２）、及び、蓋部（５３）によって密閉空間が構成され、センサ基板（１０）は、密閉空間内に配置され、底部（５１）の内壁面（５１ａ）と機械的及び電気的に接続され、回路基板（３０）は、密閉空間の外部に配置され、底部（５１）の外壁面（５１ｂ）と機械的及び電気的に接続され、底部（５１）の外壁面（５１ｂ）には、ｘ−ｙ平面に直交するｚ方向の長さが、回路基板（３０）よりも長い凸部（５６）が形成され、該凸部（５６）と母基板（２００）とが接続されていることを特徴とする。
【０００７】
このように本発明によれば、回路基板（３０）が接続された底部（５１）の外壁面（５１ｂ）に、母基板（２００）と接続される凸部（５６）が形成されている。そして、凸部（５６）のｚ方向の長さは、回路基板（３０）のｚ方向の長さ（厚さ）よりも長くなっている。したがって、凸部（５６）と母基板（２００）とを接続する際に、回路基板（３０）と母基板（２００）との接触が抑制される。これによれば、回路基板（３０）と母基板（２００）との接触を回避しつつ、パッケージ（５０）と母基板（２００）とを接続するための接続部材を、特別に用意しなくとも良くなる。そのため、母基板（２００）へのセンサ装置（１００）の実装（接続）が容易となる。
【０００８】
請求項２に記載のように、凸部（５６）は、ｘ−ｙ平面の形状が環状を成し、凸部（５６）、母基板（２００）、及び、底部（５１）によって囲まれた空間内に、回路基板（３０）が配置された構成が好適である。これによれば、密閉空間の外に配置された回路基板（３０）が、外部環境に晒されなくなるので、回路基板（３０）の損傷が抑制される。
【０００９】
請求項３に記載のように、センサ素子（１４）は、ｘ−ｙ平面に変位可能な振動子と、該振動子をｘ方向に振動するための加振部と、振動子に設けられた可動電極と、該可動電極とｙ方向にて対向する固定電極と、を有し、ｚ方向の角速度を、可動電極と固定電極とによって構成されるコンデンサの静電容量に変換する角速度センサ素子（１４）であり、密閉空間の気圧は、１気圧よりも低い低圧状態であり、センサ基板（１０）は、第１接続部材（７０）を介して、底部（５１）の内壁面（５１ａ）と機械的及び電気的に接続され、回路基板（３０）は、第２接続部材（７１）を介して、底部（５１）の外壁面（５１ｂ）と機械的及び電気的に接続された構成が好ましい。
【００１０】
このように、角速度を静電容量に変換するセンサ素子（１４）が形成されたセンサ基板（１０）が、低圧状態の密閉空間内に配置されている。そのため、空気粘性のために、ｘ方向の振動がｙ方向に漏れることが抑制され、漏れた振動（以下、漏れ振動と示す）によってコンデンサの静電容量が変動することが抑制される。これにより、角速度の検出精度の低下が抑制される。
【００１１】
また、回路基板（３０）が密閉空間の外部に設けられ、回路基板（３０）とパッケージ（５０）とを機械的及び電気的に接続する第２接続部材（７１）も密閉空間の外部に設けられている。これによれば、センサ基板とパッケージとを機械的及び電気的に接続する第１接続部材と、上記した第２接続部材とが密閉空間に設けられた構成と比べて、経時変化により接続部材から揮発する成分の量が少なくなる。このため、密閉空間の低圧状態が損なわれることが抑制され、ｘ方向の振動が、ｙ方向に漏れることが抑制される。これにより、漏れ振動によってコンデンサの静電容量が変動することが抑制され、角速度の検出精度の低下が抑制される。なお、上記した経時変化により接続部材から揮発する成分とは、残留溶剤、接続部材の母材などである。
【００１２】
請求項４に記載のように、底部（５１）の内部には、センサ基板（１０）と回路基板（３０）とを電気的に遮蔽するシールド層（５７）が設けられた構成が良い。これによれば、回路基板（３０）にて生じた電気ノイズによって、コンデンサの静電容量が変動することが抑制される。これにより、角速度の検出精度の低下が抑制される。
【００１３】
なお、上記したシールド層の具体的な構成としては、請求項５に記載のように、シールド層（５７）は、グランドに接続された金属層である構成を採用することができる。
【００１４】
請求項６に記載のように、センサ基板（１０）は、第１接続部材（７０）を介して、底部（５１）の内壁面（５１ａ）と機械的及び電気的に接続され、回路基板（３０）は、第２接続部材（７１）を介して、底部（５１）の外壁面（５１ｂ）と機械的及び電気的に接続されており、対応する第１接続部材（７０）と第２接続部材（７１）とを電気的に接続する内部配線（５５）は、底部（５１）の内壁面（５１ａ）と外壁面（５１ｂ）とに直交するように、ｚ方向に延びている構成が好ましい。
【００１５】
これによれば、対応する第１接続部材（７０）と第２接続部材（７１）とを電気的に接続する内部配線（５５）の配線長が、最短となる。そのため、内部配線（５５）を流れる電流にて生じる電気ノイズを少なくすることができる。
【００１６】
請求項７に記載のように、凸部（５６）と母基板（２００）とは、半田を介して機械的及び電気的に接続され、第１接続部材（７０）及び第２接続部材（７１）は、半田よりも融点の高い導電材料から成る構成が良い。これによれば、センサ装置（１００）と母基板（２００）とを半田接合する際の熱によって、第１接続部材（７０）と第２接続部材（７１）とが溶融することが抑制される。
【００１７】
請求項８に記載のように、凸部（５６）は、底部（５１）の一部である構成が良い。これによれば、凸部が底部とは別部材である構成と比べて、部品点数が低減される。
【００１８】
請求項９に記載のように、絶縁材料は、セラミックである構成が良い。この場合、パッケージ（５０）はセラミックパッケージとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１実施形態に係るセンサ装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】図１に示すパッケージの上面図である。
【図３】図１に示すパッケージの下面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るセンサ装置の概略構成を示す平面図である。図２は、図１に示すパッケージの上面図である。図３は、図１に示すパッケージの下面図である。なお、後述するパッケージ５０と、センサ基板１０、回路基板３０、及び、接続部材７０，７１それぞれとの配置位置を明りょうとするために、図２では、センサ基板１０と第１接続部材７０とを破線で示し、図３では、回路基板３０と第２接続部材７１とを破線で示している。以下においては、互いに直交の関係にあるｘ方向とｙ方向とによって規定される平面をｘ−ｙ平面、該ｘ−ｙ平面に直交する方向をｚ方向と示す。
【００２１】
図１に示すように、センサ装置１００は、要部として、センサ基板１０と、回路基板３０と、パッケージ５０と、を有する。センサ基板１０は、パッケージ５０によって構成される密閉空間内に配置され、回路基板３０は、パッケージ５０の外部に配置されている。本実施形態に係るパッケージ５０はセラミックパッケージであり、第１接続部材７０を介してセンサ基板１０と機械的及び電気的に接続され、第２接続部材７１を介して回路基板３０と機械的及び電気的に接続されている。また、パッケージ５０（センサ装置１００）は、半田（図示略）を介して、他の電子デバイスが実装される母基板２００と機械的及び電気的に接続されている。接続部材７０，７１は、半田よりも融点の高い材料から成り、そのような材料としては、例えば、Ａｕなどが採用される。
【００２２】
センサ基板１０は、２つの半導体層１１，１２の間に絶縁層１３が挟まれて成るＳＯＩ基板である。センサ基板１０には物理量を電気信号に変換するセンサ素子１４が形成されており、このセンサ素子１４は、周知の露光技術を用いて、第２半導体層１２と絶縁層１３とを所定形状にエッチングすることで形成される。センサ素子１４は、絶縁層１３を介さずに、第１半導体層１１に対して第２半導体層１２が浮いた浮遊部１５と、絶縁層１３を介して、第１半導体層１１に対して第２半導体層１２が固定された固定部１６と、を有する。図示しないが、浮遊部１５は、ｘ−ｙ平面に変位可能な振動子と、該振動子に形成された検出可動電極と、該検出可動電極と対向する検出固定電極とを有し、これら２つの検出電極によって検出コンデンサが構成されている。検出固定電極は固定部１６に連結されており、外力（物理量）がセンサ装置１００に印加されると、振動子とともに可動電極が変位し、検出コンデンサの静電容量が変動する。このように、センサ素子１４では、外力（物理量）が静電容量に変換される。
【００２３】
図示しないが、第２半導体層１２には、第１接続部材７０と接続するためのパッドが形成されており、このパッドと、対応する第１接続部材７０とが機械的及び電気的に接続されている。センサ基板１０から出力された静電容量の変化は、接続部材７０，７１とパッケージ５０とを介して、回路基板３０に入力される。
【００２４】
本実施形態では、センサ素子１４として、静電容量式の角速度センサ素子がセンサ基板１０に形成されている。図示しないが、この場合、振動子には、固定部１６に連結された加振固定電極とｘ方向にて対向する加振可動電極、及び、上記した検出固定電極とｙ方向にて対向する検出可動電極が形成されている。２つの加振電極間には、後述する電圧生成回路３２にて生成される電圧印加によって、周期的に作用方向が反転する静電気力が発生するようになっており、この静電気力によって、振動子は絶えずｘ方向に振動している。この振動状態の振動子に、ｚ方向に沿う角速度が印加されると、ｙ方向に沿うコリオリ力が振動子に発生する。すると、このコリオリ力によって振動子（検出可動電極）がｙ方向に変位（振動）し、検出コンデンサの静電容量が変動する。なお、加振可動電極と加振固定電極が、特許請求の範囲に記載の加振部に相当する。
【００２５】
回路基板３０は、半導体基板であり、その主面に処理回路３１、電圧生成回路３２、及び、第２接続部材７１と接続するためのパッド（図示略）が形成されている。処理回路３１は、センサ基板１０の出力信号を処理するものであり、主として、センサ基板１０にて検出された角速度に依存する静電容量を電圧に変換する機能を果たす。電圧生成回路３２は、振動子をｘ方向に振動するための電圧を生成するものであり、主として、周期的に極性が変動する電圧と、一定電圧とを生成する機能を果たす。接続部材７０，７１とパッケージ５０とを介して、上記した加振固定電極に周期性の電圧が印加され、加振可動電極（振動子）に一定電圧が印加される。この電圧印加により、２つの加振電極間にｘ方向にて作用方向が周期的に変化する静電気力が発生し、この静電気力によって振動子がｘ方向に振動する。
【００２６】
パッケージ５０は、センサ基板１０及び回路基板３０を母基板２００に機械的及び電気的に接続するものである。図１及び図２に示すように、パッケージ５０は、底部５１と、該底部５１に形成された、ｘ−ｙ平面の形状が環状の側壁部５２と、該側壁部５２の開口部を閉塞する蓋部５３と、を有する。底部５１及び側壁部５２は、絶縁材料（セラミック）から成る壁部５４と、該壁部５４の内部に設けられた、導電材料（銅やアルミニウム）から成る内部配線５５と、を有し、蓋部５３は金属材料から成る。
【００２７】
図１に示すように、底部５１、側壁部５２、及び、蓋部５３によって密閉空間が構成されており、この密閉空間は１気圧よりも低い低圧状態となっている。この低圧状態の密閉空間内にセンサ基板１０が配置され、密閉空間外に回路基板３０が配置されている。そして、図２及び図３に示すように、センサ基板１０は、底部５１の内壁面５１ａと第１接続部材７０を介して機械的及び電気的に接続され、回路基板３０は、底部５１の外壁面５１ｂと第２接続部材７１を介して機械的及び電気的に接続されている。そして、内壁面５１ａに４つの第１接続部材７０が設けられ、外壁面５１ｂに４つの第２接続部材７１が設けられ、対応する第１接続部材７０と第２接続部材７１とが、底部５１を介して、ｚ方向にて対向している。図１に示すように、対応する第１接続部材７０と第２接続部材７１とを電気的に接続する内部配線５５は、底部５１の内壁面５１ａと外壁面５１ｂとに直交するように、ｚ方向に延びている。
【００２８】
図１及び図３に示すように、底部５１の外壁面５１ｂには、ｚ方向の長さが、回路基板３０よりも長い凸部５６が形成され、該凸部５６と母基板２００とが機械的及び電気的に接続されている。本実施形態に係る凸部５６は底部５１の一部であり、上記した壁部５４と内部配線５５から成る。凸部５６における母基板２００との接合面に露出した内部配線５５が外部電極としての機能を果たしている。
【００２９】
凸部５６は、ｘ−ｙ平面の平面形状が環状を成しており、凸部５６、母基板２００、及び、底部５１によって囲まれた空間内に、回路基板３０が配置されている。また、図１に示すように、底部５１の内部には、内部配線５５と同一材料から成るシールド層５７が設けられており、このシールド層５７はグランドに接続されている。シールド層５７は、センサ基板１０と回路基板３０との間に設けられており、センサ基板１０と回路基板３０とを電気的に遮蔽する機能を果たす。
【００３０】
次に、本実施形態に係るセンサ装置１００の作用効果を説明する。上記したように、回路基板３０が接続された底部５１の外壁面５１ｂに、母基板２００と接続される凸部５６が形成されている。そして、凸部５６のｚ方向の長さは、回路基板３０のｚ方向の長さ（厚さ）よりも長くなっている。したがって、凸部５６と母基板２００とを接続する際に、回路基板３０と母基板２００との接触が抑制される。これによれば、回路基板３０と母基板２００との接触を回避しつつ、パッケージ５０と母基板２００とを接続するための接続部材を、特別に用意しなくとも良くなる。そのため、母基板２００へのセンサ装置１００の実装（接続）が容易となる。
【００３１】
凸部５６は、ｘ−ｙ平面の平面形状が環状を成しており、凸部５６、母基板２００、及び、底部５１によって囲まれた空間内に、回路基板３０が配置されている。これによれば、密閉空間の外に配置された回路基板３０が、外部環境に晒されなくなるので、回路基板３０の損傷が抑制される。
【００３２】
低圧状態の密閉空間内にセンサ基板１０が配置されている。これによれば、空気粘性のために、ｘ方向の振動がｙ方向に漏れることが抑制され、漏れた振動（以下、漏れ振動と示す）によって検出コンデンサの静電容量が変動することが抑制される。これにより、角速度の検出精度の低下が抑制される。
【００３３】
また、回路基板３０が密閉空間の外部に設けられ、回路基板３０とパッケージ５０とを機械的及び電気的に接続する第２接続部材７１も密閉空間の外部に設けられている。これによれば、センサ基板とパッケージとを機械的及び電気的に接続する第１接続部材と、上記した第２接続部材とが密閉空間に設けられた構成と比べて、経時変化により接続部材から揮発する成分の量が少なくなる。このため、密閉空間の低圧状態が損なわれることが抑制され、ｘ方向の振動が、ｙ方向に漏れることが抑制される。これにより、漏れ振動によって検出コンデンサの静電容量が変動することが抑制され、角速度の検出精度の低下が抑制される。なお、上記した経時変化により接続部材から揮発する成分とは、残留溶剤、接続部材の母材などである。
【００３４】
底部５１の内部には、センサ基板１０と回路基板３０とを電気的に遮蔽するシールド層５７が設けられている。これによれば、回路基板３０にて生じた電気ノイズによって、検出コンデンサの静電容量が変動することが抑制される。これにより、角速度の検出精度の低下が抑制される。
【００３５】
対応する第１接続部材７０と第２接続部材７１とを電気的に接続する内部配線５５は、内壁面５１ａと外壁面５１ｂとに直交するように、ｚ方向に延びている。これによれば、対応する第１接続部材７０と第２接続部材７１とを電気的に接続する内部配線５５の配線長が、最短となる。そのため、内部配線５５を流れる電流にて生じる電気ノイズを少なくすることができる。これにより、内部配線５５にて生じた電気ノイズによって、検出コンデンサの静電容量が変動することが抑制され、角速度の検出精度の低下が抑制される。
【００３６】
接続部材７０，７１は、半田よりも融点の高い材料から成る構成が良い。これによれば、センサ装置１００と母基板２００とを半田接合する際の熱によって、接続部材７０，７１が溶融することが抑制される。
【００３７】
凸部５６は、底部５１の一部である。これによれば、凸部が底部とは別部材である構成と比べて、部品点数が低減される。
【００３８】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
【００３９】
本実施形態では、凸部５６のｘ−ｙ平面の形状が環状である例を示した。しかしながら、凸部５６の形状としては、上記例に限定されず、ｚ方向の長さが、回路基板３０よりも長ければ良い。
【符号の説明】
【００４０】
１０・・・センサ基板
１４・・・センサ素子
３０・・・回路基板
５０・・・パッケージ
５６・・・凸部
５７・・・シールド層
７０，７１・・・接続部材
１００・・・センサ装置
２００・・・母基板
【図１】
2013096872.tif 000003
【図２】
2013096872.tif 000004
【図３】
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