(57)【要約】【課題】発振装置の精度悪化を抑制する。【解決手段】金属接合部６１よりも内側において、キャップ層５０の両面にパッド部７０の周囲を囲むように溝部５３を形成する。このため、キャップ層５０がダイヤフラムとして機能したとしても、溝部５３によって囲まれた部分は、応力による影響を受け難い。したがって、溝部５３によって囲まれた部分には電荷が誘発され難くなり、センサ信号に影響を与えることを抑制でき、センサ精度が悪化することを抑制することが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶基板によって構成され、電圧印加に基づいて振動させられる振動子（１３）と、該振動子に連結されていると共に前記振動子の周囲を囲む周辺部（１２）とを有してなる振動基板（１０）と、
前記振動基板の一面側に配置され、前記周辺部において前記振動基板と接合された支持基板（４０）と、
前記振動基板の前記一面と反対側となる他面側に配置され、前記周辺部において接合部（６１）を介して前記振動基板と接合されると共に、前記振動基板に対して電気的に接続されるパッド部が形成されたキャップ層（５０）と、を有し、
前記キャップ層における前記振動基板側の一面と該振動基板と反対側の一面の両方に、前記接合部よりも内側において前記パッド部を囲む溝部（５３）が形成されていることを特徴とする発振装置。
【請求項２】
請求項１に記載の発振装置は、
前記振動基板が前記振動子にて印加された力学量に応じて変位するセンサ部（１１）を構成するセンサ基板とされた力学量センサであり、
前記キャップ層には、前記パッド部として、前記振動子に対して電圧印加を行う電源パッド部（７０ａ）と、前記振動子の変位に基づいて前記力学量に応じた検出信号を出力する出力パッド部（７０ｂ）と、前記センサ基板の接地電位点に接続される接地パッド部（７０ｃ）とが形成されており、
前記溝部は、少なくとも前記電源パッド部と前記出力パッド部を囲むように形成されていることを特徴とする力学量センサ。
【請求項３】
前記溝部は、前記電源パッド部と前記出力パッド部を１つずつ囲むように形成されていることを特徴とする請求項２に記載の力学量センサ。
【請求項４】
前記溝部は、前記電源パッド部と前記出力パッド部および前記接地パッド部をすべて囲むように形成されていることを特徴とする請求項２に記載の力学量センサ。
【請求項５】
前記溝部は、前記電源パッド部と前記出力パッド部および前記接地パッド部をすべて囲みつつ、前記電源パッド部と前記出力パッド部および前記出力パッド部を１つずつ囲むように形成されていることを特徴とする請求項２に記載の力学量センサ。
【請求項６】
前記キャップ層のうち前記センサ基板側の一面において、前記振動子と対向する位置を凹ませたキャビティ（５１）が形成されており、該キャビティにおける外周面と底面との境界位置が丸められたＲ形状とされていることを特徴とする請求項２ないし５のいずれか１つに記載の力学量センサ。
【請求項７】
前記振動子と前記周辺部との連結部位に、外乱振動を吸収する防振部（１７ａ）が備えられていることを特徴とする請求項２ないし６のいずれか１つに記載の力学量センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水晶振動子を有する発振装置に関し、特に、印加される力学量に応じたセンサ信号を出力する水晶振動子を含むセンサ部が備えられた力学量センサに適用されて好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、水晶が良好な圧電材料であることから、発振器やジャイロセンサ、弾性表面波素子（以下、ＳＡＷ素子という）などの発振装置における振動子として水晶振動子が用いられている。そして、真空下で用いられる発振装置の小型化、低コスト化のために、ウェハレベルパッケージ（以下、ＷＬＰ（Wafer Level Package）という）を用いた構造が提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
この水晶振動子を真空封止したＷＬＰは、センサ基板を構成する第１基板がキャップ層を構成する第２基板と支持基板を構成する第３基板とよって構成される部屋内に配置されることで構成されている。第１基板の上に配置された電極パッドが第２基板の裏面に設けられた引出電極に接続されている。そして、引出電極が第１基板よりも外方まで引き出され、第１基板よりも外方において第３基板うちの第２基板側となる表面から第２基板と反対側となる裏面に至る埋込配線に接続されている。このような構造により、第２基板および第３基板によって構成される真空室内に第１基板が配置され、電極パッドや引出配線および埋込配線を通じて、第３基板の裏面側において第１基板と外部との電気的接続が行えるようになっている。
【０００４】
また、第２基板と第３基板とをこれらの外縁部において接合層を介して接合している。そして、この接合による熱歪みの影響を抑制すべく、第２基板の引出配線と第３基板の埋込配線との接続部よりも外方かつ接合層よりも内側において、第２基板のうちの第３基板側にスリットを形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２４４２４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
水晶基板を用いたＷＬＰでは、水晶の結晶成長の特異性より四角形のものが多く、また、同じ形で貼り合わせし易いなどの理由により、水晶振動子を含むセンサ基板と支持基板およびキャップ層を３枚の水晶基板で構成し、各基板を金属接合部で接合することが多い。そして、キャップ層におけるセンサ基板側の一面には、水晶振動子がキャップ層と接触することを抑制するために、キャビティ（つまり凹部）が形成される。
【０００７】
しかしながら、キャップ層が圧電材料である水晶で構成されていることから、キャップ層のうち凹部が形成されることで薄くなった部分がダイヤフラムとして機能し、キャップ層とセンサ基板との電気的接続部位に応力が加わる。特に、ＷＬＰ内を真空室とする場合、その外部は大気圧とされていることから、気圧差に起因する歪みによる応力も発生する。このような応力が原因となり、圧電現象によってキャップ層に電荷が誘起され、センサ信号に影響を与え、センサ精度が悪化するという問題が生じる。
【０００８】
上記特許文献１に記載の装置では、キャップ層に相当する第２基板のうち、支持基板に相当する第３基板側にスリットを形成して接合による熱歪みの影響を抑制している。ところが、キャップ層がダイヤフラムとして機能する場合には、それよりも内側に位置している引出配線と埋込配線との接合部位に応力による影響を与えてしまい、上記問題を発生させることになる。
【０００９】
なお、ここでは水晶振動子を備えたセンサ基板が適用される装置、つまり力学量センサを例に挙げて説明しているが、水晶振動子を発振器に適用する場合にも、応力による問題を発生させる。具体的には、応力が加わることによって発振器における発振周波数に影響を与え、精度良い発振周波数が得られなくなるという問題がある。つまり、発振器や力学量センサのように、水晶振動子を備える発振装置について上記問題が発生し得る。
【００１０】
また、ここでは水晶振動子が形成された水晶基板に対して、同様に水晶基板で構成される支持基板およびキャップ層を接合したＷＬＰを例に挙げている。しかし、応力の問題は、キャップ層が水晶基板によって構成されることで発生するのであり、支持基板については水晶基板で構成されていなかったとしても発生する。
【００１１】
本発明は上記点に鑑みて、水晶振動子を有する振動基板を支持基板および水晶基板で構成されるキャップ層によって挟み込んだＷＬＰにて構成される発振装置において、精度悪化を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、水晶基板によって構成され、電圧印加に基づいて振動させられる振動子（１３）と、該振動子に連結されていると共に振動子の周囲を囲む周辺部（１２）とを有してなる振動基板（１０）と、振動基板の一面側に配置され、周辺部において振動基板と接合された支持基板（４０）と、振動基板の一面と反対側となる他面側に配置され、周辺部において接合部（６１）を介して振動基板と接合されると共に、振動基板に対して電気的に接続されるパッド部が形成されたキャップ層（５０）と、を有し、キャップ層における振動基板側の一面と該振動基板と反対側の一面の両方に、接合部よりも内側においてパッド部を囲む溝部（５３）が形成されていることを特徴としている。
【００１３】
このように、接合部よりも内側において、キャップ層の両面にパッド部の周囲を囲むように溝部を形成している。このため、キャップ層がダイヤフラムとして機能したとしても、溝部によって囲まれた部分は、応力による影響を受け難い。したがって、溝部によって囲まれた部分には電荷が誘発され難くなり、精度が悪化することを抑制することが可能となる。
【００１４】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる力学量センサの正面レイアウトを示す図である。
【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】水晶基板１００に圧力が加わったときの電荷の様子を表した図である。
【図５】本発明の第２実施形態にかかる力学量センサの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
【００１７】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について、図１〜図３を参照しつつ説明する。図１および図２に示されるように、力学量センサは、センサ基板１０、支持基板４０およびキャップ層５０などを備えたＷＬＰ構造とされている。センサ基板１０の一面側を裏面１０ａ、その反対側の一面を表面１０ｂとすると、裏面１０ａ側に金属接合部６０を介して支持基板４０が接合され、表面１０ｂ側に金属接合部６１を介してキャップ層５０が接合されている。このように、センサ基板１０を支持基板４０およびキャップ層５０によって挟み込むことで真空室を構成し、この内側にセンサ部１１が配置される構造とされている。本実施形態では、センサ基板１０、支持基板４０およびキャップ層５０をすべて圧電基板である水晶基板によって構成しているが、少なくともセンサ基板１０およびキャップ層５０が水晶基板で構成されていれば良く、支持基板４０やキャップ層５０についてはガラスなどの他の材料によって構成されていても良い。
【００１８】
センサ基板１０は、図１に示すように、センサ部１１と、センサ部１１の周囲を囲む周辺部１２とを有した構成とされている。センサ部１１は、水晶振動子１３を備えたものである。本実施形態では、水晶振動子１３として三脚音叉型振動子を適用しているが、他の構造のもの、例えばＴ型音叉型、Ｈ型音叉などのような振動子として従来より知られている構造のものを適用できる。
【００１９】
センサ部１１は、センサ基板１０に対して周知のマイクロマシン加工を行って溝部１０ｃを形成し、水晶振動子１３を周辺部１２から区画することによって形成されている。
【００２０】
水晶振動子１３は、第１駆動片１４、第２駆動片１５および検出片１６が基部１７にて支持され、基部１７を連結部位として第１駆動片１４、第２駆動片１５および検出片１６が周辺部１２に連結された構成とされている。詳述すると、水晶振動子１３は、第１、第２駆動片１４、１５および検出片１６が基部１７から同じ方向に突出するように配置された三脚音叉型とされており、検出片１６が第１、第２駆動片１４、１５の間に配置されている。
【００２１】
基部１７には、外乱振動を吸収する防振部１７ａが形成されている。防振部１７ａは、第１駆動片１４、第２駆動片１５および検出片１６の長手方向に対する垂直方向を長手方向とした２本の梁部１７ｂと２本の梁部１７ｂを繋ぐ接続部１７ｃとを有した構成とされている。このような構成により、外乱振動が生じたときに梁部１７ｂが撓むことでその外乱振動が吸収され、第１駆動片１４、第２駆動片１５および検出片１６への影響が抑制されるようになっている。
【００２２】
第１、第２駆動片１４、１５および検出片１６は、図３に示されるように、センサ基板１０の面方向と平行となる表面１４ａ、１５ａ、１６ａ、裏面１４ｂ、１５ｂ、１６ｂ、側面１４ｃ、１４ｄ、１５ｃ、１５ｄ、１６ｃ、１６ｄを有する断面矩形状とされた棒状とされている。
【００２３】
そして、第１駆動片１４には、表面１４ａに駆動電極１９ａが形成されていると共に裏面１４ｂに駆動電極１９ｂが形成され、側面１４ｃ、１４ｄに共通電極１９ｃ、１９ｄが形成されている。同様に、第２駆動片１５には、表面１５ａに駆動電極２０ａが形成されていると共に裏面１５ｂに駆動電極２０ｂが形成され、側面１５ｃ、１５ｄに共通電極２０ｃ、２０ｄが形成されている。また、検出片１６には、表面１６ａに検出電極２１ａが形成されていると共に裏面１６ｂに検出電極２１ｂが形成され、側面１６ｃ、１６ｄに共通電極２１ｃ、２１ｄが形成されている。
【００２４】
このように、本実施形態では、第１、第２駆動片１４、１５、検出片１６、駆動電極１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂ、検出電極２１ａ、２１ｂ、共通電極１９ｃ、１９ｄ、２０ｃ、２０ｄ、２１ｃ、２１ｄを含んでセンサ部１１が構成されている。
【００２５】
周辺部１２には、図１に示されるように、駆動電極１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂ、検出電極２１ａ、２１ｂ、共通電極１９ｃ、１９ｄ、２０ｃ、２０ｄ、２１ｃ、２１ｄと図示しない配線層等を介して電気的に接続される複数のパッド接続部２３が形成されている。
【００２６】
パッド接続部２３は、駆動電圧印加用の電源パッド接続部２３ａやセンサ出力用の出力パッド接続部２３ｂおよび接地電位印加用の接地パッド接続部２３ｃなどがある。各パッド接続部２３は、上記した各種電極１９ａ〜１９ｄ、２０ａ〜２０ｄ、２１ａ〜２１ｄから引き出された配線パターンに繋がっており、例えば配線パターンの一部として形成されている。
【００２７】
例えば、駆動電極１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂは電源パッド接続部２３ａに接続される。検出電極２１ａ、２１ｂは出力パッド接続部２３ｂに接続される。共通電極１９ｃ、１９ｄ、２０ｃ、２０ｄ、２１ｃ、２１ｄは接地パッド接続部２３ｃに接続される。なお、図１では、センサ基板１０に形成された各部については実線で示してあるが、キャップ層５０に形成した部分などは破線で示してある。また、ここで図示したパッド接続部２３は一例を示したに過ぎず、必ずしも図に示した数でなくても良い。
【００２８】
さらに、センサ基板１０の裏面１０ａおよび表面１０ｂ側には、センサ部１１を１周囲むように金属接合部６０、６１の一部を構成する接合パターン６０ａ、６１ａが形成されている。これら接合パターン６０ａ、６０ｂは、例えば金属共晶による金属結合が行われる金属材料で構成されており、例えば金（Ａｕ）や銅（Ｃｕ）などを用いて形成されている。
【００２９】
支持基板４０は、例えば水晶基板によって構成され、センサ基板１０側の一面のうち周辺部１２と対応する部分よりも内側、つまりセンサ部１１と対応する位置においてキャビティ４１が形成されている。このようなキャビティ４１が形成されていることにより、水晶振動子１３が支持基板４０と接触し難くなるようにされている。また、支持基板４０における周辺部１２と対応する部分には、センサ部１１を１周囲むように金属接合部６０の一部を構成する接合パターン６０ｂが形成されている。接合パターン６０ｂは、例えば金属共晶による金属結合が行われる金属材料で構成されており、例えば金や銅などを用いて形成されている。接合パターン６０ｂは、センサ基板１０の裏面１０ａ側に形成された接合パターン６０ａと同パターンとされており、接合パターン６０ａ、６０ｂが金属接合されることで金属接合部６０が構成され、支持基板４０とセンサ基板１０との接合が行われている。
【００３０】
キャップ層５０は、例えば水晶基板によって構成され、センサ基板１０側の一面のうち周辺部１２と対応する部分よりも内側、つまりセンサ部１１と対応する位置においてキャビティ５１が形成されている。このようなキャビティ５１が形成されていることにより、水晶振動子１３がキャップ層５０と接触し難くなるようにされている。また、キャップ層５０における周辺部１２と対応する部分には、センサ部１１を１周囲むように金属接合部６１の一部を構成する接合パターン６１ｂが形成されている。接合パターン６１ｂは、例えば金属共晶による金属結合が行われる金属材料で構成されており、例えば金や銅などを用いて形成されている。接合パターン６１ｂは、センサ基板１０の表面１０ｂ側に形成された接合パターン６１ａと同パターンとされており、接合パターン６１ａ、６１ｂが金属接合されることで金属接合部６１が構成され、キャップ層５０とセンサ基板１０との接合が行われている。
【００３１】
また、キャップ層５０には、各パッド接続部２３と対応する位置に貫通孔５２が形成されていると共に、貫通孔５２内からキャップ層５０のうちセンサ基板１０と反対側の一面に至るように延設されたパッド部７０が形成されている。パッド部７０は、各パッド接続部２３と対応して電源印加用の電源パッド部７０ａ、センサ出力用の出力パッド部７０ｂ、接地電位印加用の接地パッド部７０ｃなどがあり、それぞれが分離されてる。そして、各パッド部７０が対応する各パッド接続部２３に電気的に接続されている。
【００３２】
パッド部７０は、例えば、キャップ層５０に対してエッチングなどによって貫通孔５２を形成したのち、貫通孔５２内を含めてアルミニウム（Ａｌ）などの電極材料にて構成される導体層を成膜し、これをエッチングでパターンすることなどによって形成される。なお、パッド部７０の形成については、キャップ層５０をセンサ基板１０に接合する前であっても後であっても、いずれであっても良い。
【００３３】
さらに、キャップ層５０には、各パッド部７０を囲むように溝部５３が形成されている。溝部５３は、キャップ層５０のうちのセンサ基板１０側となる裏面とその反対側となる表面の両方に形成されており、キャップ層５０の表面の法線方向から見たレイアウトが同じレイアウトとされている。溝部５３は、キャビティ５１の外側に形成されており、かつ、金属接続部６１の内側に形成されている。本実施形態では、溝部５３にて、パッド部７０のすべてを囲みつつ、パッド部７０を１つずつ囲むようにしている。
【００３４】
以上が本実施形態における力学量センサの構成である。このような力学量センサは、例えばセンサ部１１に形成された水晶振動子１３を用いて角速度検出を行うジャイロセンサを構成する。次に、本実施形態にかかる力学量センサの作動について説明する。
【００３５】
第１駆動片１４の駆動電極１９ａ、１９ｂと第２駆動片１５の駆動電極２０ａ、２０ｂに位相が１８０°異なる駆動信号（搬送波）が印加されると、第１、第２駆動片１４、１５は図１の紙面左右方向に振動し、検出片１６はほぼ静止した状態となる。そして、この状態でセンサ基板１０の面内で角速度が印加されると、角速度に応じて検出片１６が紙面左右方向に振動する。これにより、圧電現象に基づいて検出片１６に電荷が発生し、これが検出電極２１ａ、２１ｂを介して出力されることから、この電荷の発生に基づくセンサ出力をセンサ信号として角速度が検出される。
【００３６】
このようにして角速度を検出することができるが、キャップ層５０を圧電基板である水晶基板で構成していることから、キャップ層５０がダイヤフラムとして機能し、キャップ層５０とセンサ基板１０との電気的接続部位に応力が加わり易い。特に、ＷＬＰ構造とされた力学量センサ内を真空室とする場合、その外部は大気圧とされていることから、気圧差に起因する歪みによる応力も発生する。このような応力が原因となり、キャップ層５０に電荷が誘起される。
【００３７】
図４に示すように、一般的に、水晶基板１００に圧力を加えると、水晶基板１００の表裏に電荷が発生する。圧力が加えたのが裏面であれば、図４に示すように裏面側に圧縮応力が加わって−電荷が誘発され、表面側に引張応力が加わって＋電荷が誘発される。逆に、水晶基板１００を引っ張ると表裏の入れ替わる。水晶振動子１３は、第１駆動片１４および第２駆動片１５に対して駆動電極１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂを取り付け、これらに電圧を印加するものである。これにより、第１駆動片１４および第２駆動片１５を振動させるという逆圧電現象を利用して所望の周波数での振動を可能としている。しかしながら、キャップ層５０も水晶基板によって構成すると、接合歪みによって電荷を発生させてしまう。この電荷がセンサ信号に影響を与え、センサ精度が悪化する可能性がある。キャップ層５０にキャビティ５１を形成してキャップ層５０が部分的に薄くなっている場合には、特にキャップ層５０がダイヤフラムとして機能し易く、電荷が誘発され易くなる。
【００３８】
これに対して、本実施形態では、金属接合部６１よりも内側において、キャップ層５０の両面にパッド部７０の周囲を囲むように溝部５３を形成している。このため、キャップ層５０がダイヤフラムとして機能したとしても、溝部５３によって囲まれた部分は、応力による影響を受け難い。したがって、溝部５３によって囲まれた部分には電荷が誘発され難くなり、センサ信号に影響を与えることを抑制でき、センサ精度が悪化することを抑制することが可能となる。
【００３９】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してキャビティ４１、５１の構造を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００４０】
図５に示すように、本実施形態では、支持基板４０に形成したキャビティ４１の外周面と底面との境界位置を丸めてＲ形状としている。同様に、キャップ層５０に形成したキャビティ５１の外周面と底面との境界位置を丸めてＲ形状としている。
【００４１】
このように、キャビティ４１、５１の外周面と底面との境界位置をＲ形状とすることで、この境界位置での応力集中を緩和することが可能となる。また、センサ基板１０と支持基板４０やキャップ層５０との接合部、つまり金属接合部６０、６１に加わる力も低減することが可能となる。したがって、さらに溝部５３内に囲まれた部分への応力の影響を抑制することが可能となり、より第１実施形態で示した効果を得ることが可能となる。
【００４２】
（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、
例えば、上記各実施形態では、水晶振動子を有する発振装置として、力学量センサ、具体的にはジャイロセンサを例に挙げて説明した。しかしながら、これは一例を示したに過ぎない。すなわち、ジャイロセンサ以外の水晶振動子を有する力学量センサ、例えば加速度センサに対しても適用できる。また、水晶振動子としては上記各実施形態で説明したような構造のものに限らず、例えばＳＡＷ素子のようにセンサ基板の表面にＳＡＷを発生させることで力学量の検出を行う力学量センサであっても良い。また、力学量センサに限らず、発振装置としては、水晶発振器なども含まれる。すなわち、水晶基板によって構成され振動子を有する振動基板に対して、支持基板と水晶基板にて構成されるキャップ層とを接合する発振装置に対して、本発明を適用できる。
【００４３】
また、上記実施形態では、基部１７に対して防振部１７ａを備えた構造としたが、防振部１７ａがない構造であっても良い。
【００４４】
上記各実施形態では、溝部５３にて、パッド部７０のすべてを囲みつつ、パッド部７０を１つずつ囲む構造としている。しかしながら、これは単なる一例を示したに過ぎない。すなわち、溝部５３をパッド部７０のすべてが１括して囲まれる構造のみとしても良いし、パッド部７０が１つずつ囲まれるような構造のみであっても良い。
【００４５】
また、特に精度に影響するのは、電源パッド部７０ａや出力パッド部７０ｂであることから、少なくともこれら電源パッド部７０ａや出力パッド部７０ｂが溝部５３によって囲まれた構造になっていれば良い。
【００４６】
また、溝部５３の形状についても任意である。上記各実施形態では、パッド部７０を四角形状の溝部５３によって囲むようにしたが、角が丸まった四角形状としたり、楕円形状などの他の形状としても良い。
【００４７】
また、上記実施形態では、支持基板４０およびキャップ層５０をセンサ基板１０に対して金属接合部６０、６１を介して接合した構造としているが、接合部は金属で構成されている必要は無く、接着剤などの他の接合材料で構成されていても良い。
【符号の説明】
【００４８】
１０  センサ基板
１１  センサ部
１２  周辺部
１３  水晶振動子
４０  支持基板
５０  キャップ層
５３  溝部
７０  パッド部
【図１】
2017020812.tif 000003
【図２】
2017020812.tif 000004
【図３】
2017020812.tif 000005
【図４】
2017020812.tif 000006
【図５】
2017020812.tif 000007