(57)【要約】【課題】  本発明では、気密封止構造を必要とした物理量センサにおいて、外部からのガスおよび水分の流入を防ぐ構造とすることで長期圧力維持が可能である気密封止実装構造を提供することを目的とする。【解決手段】  気密封止される物理量センサの封止部を多重構造とし、かつ、ガス吸着剤を各封止部の両方、または、片方の封止部に備えていることを特徴とした気密封止構造とした。本発明によれば、角速度検出装置およびその製造方法において、長期間に亘って内部圧力の減少を少なくすることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体で形成された質量体と、
前記質量体を一定方向に加振する加振手段と、
前記質量体の他の方向への変位を検出する検出手段と、
前記質量体を気密に囲う第１の筐体と、
前記第１の筐体により気密に囲われた第１の空間に面して設置された第１のガス吸着剤と、
前記第１の筐体を気密に囲う第２の筐体とを備え、
前記第１の空間の圧力が１ｋＰａ以下であり、
前記第２の筐体により気密に囲われた第２の空間の圧力が１０ｋＰａ以下である角速度検出装置。
【請求項２】
請求項１において
前記第２の空間に面して設置された第２のガス吸着剤を備えたことを特徴とする角速度検出装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記第１の筐体と前記第２の筐体は複数の部材を接合して構成されたことを特徴とする角速度検出装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記第１の筐体は複数の部材を陽極接合して構成され、
前記第２の筐体は複数の部材をシーム溶接して構成されたことを特徴とする角速度検出装置。
【請求項５】
請求項２において、
前記第１の空間に不活性ガスが充填されたことを特徴とする角速度検出装置。
【請求項６】
請求項２において、
前記第２の空間に不活性ガスが充填されたことを特徴とする角速度検出装置。
【請求項７】
請求項６において、
前記第１の空間の容積Ｖ1と前記第２の空間の容積Ｖ2と前記第１のガス吸着剤の面積Ａ1とが、Ｖ2／Ｖ1≧３１６５０／Ａ1の関係を満たすように構成されたことを特徴とする角速度検出装置。
【請求項８】
圧力１ｋＰａ以下の雰囲気中で、半導体で形成された質量体と、前記質量体を一定方向に加振する加振手段と、前記質量体の他の方向への変位を検出する検出手段と、第１のガス吸着剤とを第１の筐体によって気密に封止した後、
圧力１０ｋＰａ以下の雰囲気中で、前記第１の筐体を第２の筐体によって気密に封止する角速度検出装置の製造方法。
【請求項９】
請求項８において、
第１の部品に第１のガス吸着剤を設置した後、
前記第１の部品と他の部品とを接合して、前記加振手段と前記検出手段と気密に封止する前記第１の筐体を形成したことを特徴とする角速度検出装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項９において、
前記第１の筐体を形成した後に、
予め第２のガス吸着剤を設置した第２の部品と他の部品とを接合して、前記第１の筐体を気密に封止する前記第２の筐体を形成したことを特徴とする角速度検出装置の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０において、
前記第１の部品と他の部品との接合は陽極接合であり、
前記第２の部品と他の部品との接合はシーム溶接であって、
前記第１の筐体が内部に形成する空間の容積Ｖ1と、前記第２の筐体が内部に形成する第２の空間の容積Ｖ2と、前記第１のガス吸着剤の面積Ａ1とが、Ｖ2／Ｖ1≧３１６５０／Ａ1の関係を満たすように構成されたことを特徴とする角速度検出装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体を用いて製造される角速度を検出するための検出装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
物理量センサは、各種物理量を電気信号に変換・検出するセンサである。例えば、圧力センサ，加速度センサ，角速度センサのように、様々な物理量を検出するセンサが開発されている。
【０００３】
このうち、角速度センサにおいても、振動型，回転型，ガス型，光学型のセンサが開発されている。特に近年では、量産性の向上や小型化を目的に、シリコンの微細加工技術を用いた振動型，回転型角速度センサが開発されている。
【０００４】
振動型角速度センサは外部からの角速度印加に伴う振動体の変位を、電気信号として検出するセンサである。振動型角速度センサにおいて、振動体の変位は機械的Ｑ値に大きく依存する。機械的Ｑ値は、センサ部が含まれる封止部に存在する気体分子の粘性抵抗、すなわちダンピング効果に依存する。そのため、振動体を大きく変位させ、検出感度を向上させるには、封止部が高真空であることが望ましい。しかし、封止部の圧力が高真空になると、振動体の変位が過度に大きくなる。この結果、振動体が衝突する危険性がある。したがって、振動型角速度センサでは、検出感度を維持すると同時に、振動体の衝突が発生しない、最適な封止圧力を維持することが重要である。
【０００５】
以上の理由により、センサに適した機械的Ｑ値を得るため、気体分子が外部よりセンサ部に流入する、または、封入された気体分子が外部に流出しない気密封止実装構造が必要である。
【０００６】
気密封止が可能な接合方法として、接着，溶接，吸着，圧着，はんだ接合、などがある。例えば、金属やセラミックスを用いた気密保持可能な封止接合方法として、シーム溶接がある。シーム溶接とは、抵抗溶接の一つであり、ローラー型の電極を用い加圧、かつ、電圧を印加する方法である。この通電によって生じるジュール熱により母材を溶解させ、接合を可能とする。スポット溶接と違い、線状に溶接が可能であるため、気密封止実装に多用されている。
【０００７】
また、ＭＥＭＳ素子の封止には、共晶接合，陽極接合，直接接合などが用いられる。このうち、封止内部の気密が保たれ、かつ、シリコンとガラス間での接合が可能な接合法として、陽極接合が挙げられる。陽極接合とは、接合を実施するシリコンに正の電圧、ガラスに負の電圧を印加することによって化学反応を誘発し、接合界面にＳｉＯ2の接合層を形成する接合方法である。
【０００８】
陽極接合後のシリコンとガラスの界面は、化学反応により結合されている。そのため、通常の接着材を用いた気密封止の場合と違い、アウトガスの発生が少ない。つまり、陽極接合はガスを含む接着層がないために、アウトガス発生量が少ない。したがって、陽極接合は気密封止実装に多用される。
【０００９】
上記のような接合によって、気密封止部をある特定の圧力で気体分子を封止することで、または、気密封止部に存在する気体分子をほぼ全て排出し、高真空にすることで、センサ性能の向上、または安定を図る。これを意図した物理量センサの圧力維持機構に関しては、例えば、特許文献１において開示されている。
【００１０】
また、単に２重の筐体にセンサ部分が囲まれた角速度センサは、特許文献２に開示されている。
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−２９８３７６号公報
【特許文献２】特開２００７−２０５８３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特許文献１のような陽極接合による気密封止実装構造の場合、その気密レベルは、ＪＩＳ  Ｚ  ２３３１「ヘリウム漏れ試験方法」が規定しているＩＣチップ等の小型部品のリークレートである４.９×１０-9Ｐａ・ｍ3／ｓである。シリコンの微細加工技術によって製作された車載用物理量センサが、数mm角の大きさであることを考慮すると、この数値は車載に必要な十年以上の期間、内部圧力を維持するには十分ではない。
【００１３】
また、気体分子以外に、接合後に外部から流入する物質として、水分も挙げられる。例えば、内部にナトリウムを含むホウケイ酸ガラス製の封止用蓋とシリコンの基板との接合を陽極接合で行った場合、以下の反応によって接合界面にＳｉＯ2が形成される。
【００１４】
ＮａＯ2→Ｏ2-＋２Ｎａ+
Ｓｉ＋２Ｏ2-→ＳｉＯ2＋４ｅ-
接合時に形成されたＳｉＯ2は吸湿材料である。気密封止部内部と外部との水蒸気分圧の差によって、外部の水分がＳｉＯ2内を拡散して封止部内部に浸透することが予想される。したがって、長期間の内部圧力維持を行うことが困難であった。
【００１５】
本発明の目的は、長期間に亘って内部圧力の減少が少ない角速度検出装置およびその製造方法を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的は、半導体で形成された質量体と、前記質量体を一定方向に加振する加振手段と、前記質量体の他の方向への変位を検出する検出手段と、前記質量体を気密に囲う第１の筐体と、前記第１の筐体により気密に囲われた第１の空間に面して設置された第１のガス吸着剤と、前記第１の筐体を気密に囲う第２の筐体とを備え、前記第１の空間の圧力が１ｋＰａ以下であり、前記第２の筐体により気密に囲われた第２の空間の圧力が１０ｋＰａ以下である角速度検出装置によって達成される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、角速度検出装置およびその製造方法において、長期間に亘って内部圧力の減少を少なくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１９】
図２は、封止を行った振動型角速度センサの投影図であり、図３はセンサ素子の平面図である。図４は図１中のＡ−Ａ′断面における概略断面図である。図５は封止を行った振動型角速度センサにおける封止実装構造の断面図である。
【００２０】
本実施例における振動型角速度センサは、活性層基板１１と支持基板１２の間に絶縁層１３を挟んだ状態の貼りあわせ基板を使用した。
【００２１】
本振動型角速度センサの振動体１４ａ，１４ｂは、アンカー１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ以外の領域が支持基板１２から絶縁層１３の厚さの量だけ浮いた構造となっている。その端部は４本の梁１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄにより、面内方向に振動可能な状態で支持されており、加えられた角速度によって振動する構造となっている。梁１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄの端はアンカー１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄによって絶縁層１３を間に挟んだ状態で、支持基板１２に固定されている。なお、上記梁１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄは、ばね機構の役割を持つ。例えば、振動体１４ａ，１４ｂが面内方向の角速度を受けた場合に、振動体１４ａ，１４ｂに発生する慣性力により、振動体１４ａ，１４ｂが変位するが、角速度印加終了とともに梁１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄのばね力により元の位置に復元する。振動体１４ａ，１４ｂは、振動方向と直交した方向に可動電極１７ａ〜１７ｈを備えている。可動電極１７ａ〜１７ｈは振動体１４ａ，１４ｂと連動して振動する。また、二つの振動体１４ａ，１４ｂは互いにメカニカルリンク１８ａ，１８ｂにより連結されている。振動体１４ａ，１４ｂ間では、メカニカルリンク１８ａ，１８ｂを通じ、双方の振動エネルギーの授受が行われる。
【００２２】
支持基板１２とアンカー１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄは絶縁層１３を間に挟むことによって絶縁されている。振動体１４ａ，１４ｂには、絶縁層１３を犠牲層エッチングする際に使用する、トレンチの貫通孔１９が複数備わっている。これは、振動体１４ａ，１４ｂを支持基板１２より浮かし、面内振動可能な状態とさせるために必要である。また、犠牲層エッチングを容易に進行させるために必要である。この場合、振動体１４ａ，１４ｂが支持基板１２より剥離しないように、アンカー１６ａ〜１６ｄの形状はできるだけ大きくすることがよい。ここでは、貫通孔１９の形状は正方形とした。
【００２３】
振動体１４ａ，１４ｂと支持基板１２とを固定している梁１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄの端にあるアンカー１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄには信号検出用の貫通配線２０ａ〜２０ｈが形成されている。
【００２４】
支持基板１２上には絶縁層１３を間に挟んだ状態で固定電極２１ａ〜２１ｈが設けられている。固定電極２１ａ〜２１ｈは、可動電極１７ａ〜１７ｈと対向するように位置する。加速度、または、角速度が振動体１４ａ，１４ｂに印加された時、可動電極１７ａ〜１７ｈと固定電極２１ａ〜２１ｈとの間に発生する静電容量の変化がここで検出される機構である。
【００２５】
本振動型角速度センサにｚ軸周りの角速度が印加されると、二つの振動体１４ａ，１４ｂは逆相モードで変位し、コリオリ力によりｙ軸方向に互いに逆方向に変位する。
【００２６】
センサ部６は振動体１４ａ，１４ｂと、梁１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄと、可動電極１７ａ〜１７ｈと、メカニカルリンク１８と、貫通孔１９と、貫通配線２０ａ〜２０ｈと、固定電極２１ａ〜２１ｈから構成される。このセンサ部６を覆うように、第１の蓋２２を被せた構造とすることで、第１の封止部１と第２の封止部２との気体分子の移動を制限している。ここでは、第１の蓋２２にホウケイ酸ガラスを用いた。ホウケイ酸ガラスはシリコンとの陽極接合を可能とするガラスである。第１の蓋２２と活性層基板１１に形成された封止用枠２５は陽極接合を用いて接合されている。
【００２７】
一方、陽極接合する際の電圧印加で発生する静電引力により、振動体１４ａ，１４ｂが第１の蓋２２に固着する問題がある。この問題回避のため、固着しない深さを備えた段差２４が形成されている。段差２４の底面にはガス吸着剤２３が備わっている。封止用枠２５と第１の蓋２２の接合時に発生する気体分子（アウトガス）や水分、さらに、接合前から第１の封止部１の内部に存在する気体分子はガス吸着剤２３により吸着される。ガス吸着剤２３は、外部からの気体分子、および、水分の流入を長期にわたり低減することを可能とし、第１の封止部１の内部圧力維持を補助している。
【００２８】
貫通配線２０ａ〜２０ｈの材料にメッキ膜を用いた場合、メッキ膜による充填不良や、支持基板１２との線膨張係数の差による剥離のため、第２の封止部２から気体分子や水分が第１の封止部１に流入することが懸念される。そこで貫通配線２０ａ〜２０ｈには、支持基板１２や活性層基板１１と線膨張係数の合った低抵抗ポリシリコンを用いる。これにより、本実施例の貫通配線２０ａ〜２０ｈは、熱衝撃が加わったとしても、貫通配線２０ａ〜２０ｈの割れや剥離が発生しない構造となっている。
【００２９】
図５は、第２の封止部２を覆うように、第２の蓋２７を被せた構造を示す。この構造により、図１に示した構成を満足させ、第２の封止部２と外部環境３との気体分子の移動を制限している。
【００３０】
第２の蓋２７の材質は金属やセラミックス，樹脂である。第２の蓋２７の内には先述した振動型角速度センサ２８や半導体集積回路２９が納められている。
【００３１】
振動型角速度センサ２８と半導体集積回路２９とは別体に構成されている。この場合、振動型角速度センサ２８と半導体集積回路２９とは積層実装され、小型化，搭載性を向上させている。
【００３２】
振動型角速度センサ２８と半導体集積回路２９は電気的に接続されている。すなわち、金やアルミニウムのワイヤー３０を介し、それをワイヤーボンディングすることにより電気的に接続している。ワイヤー３０は、支持基板１２に形成されている電極と半導体集積回路２９の電極とを結線している。配線基板３１と半導体集積回路２９、半導体集積回路２９と振動型角速度センサ２８は接着材３２で接着されている。接着材３２は、低ヤング率のシリコン系接着材である。これは、半導体集積回路２９と配線基板３１の線膨張係数差を緩和する材料である。配線基板３１にはセラミックス配線基板が用いられる。
【００３３】
第２の蓋２７は配線基板３１とシーム溶接で接合され、第２の封止部２の気密性が確保されている。
【００３４】
また、配線基板３１の周囲には、配線基板３１と外部とを電気的に接続するためにリードフレーム３３が設けられている。このリードフレーム３３は４２アロイなどの通常のリードフレーム材料よりなる。
【００３５】
第２の蓋２７にはガス吸着剤２３が設けられている。ガス吸着剤２３は成膜の容易さとガス吸着剤２３の量を十分に確保することを考慮し、第２の蓋２７の内側上面部全面に備えるのが良い。ガス吸着剤２３としては、ジルコニア系のものが適しており、少なくとも水分、酸素，水素，二酸化炭素，窒素などの一部または全部を吸着する特性を有する。
【００３６】
以上のことより、本実施例の振動型角速度センサは、第１の封止部１，第２の封止部２の二重構造となっている。さらに、各々の封止部内にガス吸着剤２３を備え、本実施例の封止実装構造は長期的気密維持を可能とする。
【実施例２】
【００３７】
図６は実施例２の実装構造を示す。実施例２では、半導体集積回路２９が、第２の蓋２７に接着材３２を介して接着されている実装構造を示している。封止された振動型角速度センサ２８、および、センサ素子の検出原理は実施例１と同様である。
【００３８】
第２の蓋２７の材質は金属やセラミックス，樹脂である。第２の蓋２７の内には先述した振動型角速度センサ２８や半導体集積回路２９が納められている。
【００３９】
振動型角速度センサ２８と半導体集積回路２９とは別体に構成されている。この場合、振動型角速度センサ２８と半導体集積回路２９とは積層実装され、小型化，搭載性を向上させている。
【００４０】
振動型角速度センサ２８と半導体集積回路２９は電気的に接続されている。すなわち、金やアルミニウムのワイヤー３０を介し、それをワイヤーボンディングすることにより電気的に接続している。ワイヤー３０は、支持基板１２に形成されている電極と半導体集積回路２９の電極とを結線している。配線基板３１と半導体集積回路２９、半導体集積回路２９と振動型角速度センサ２８は接着材３２で接着されている。接着材３２は、低ヤング率のシリコン系接着材である。これは、半導体集積回路２９と配線基板３１の線膨張係数差を緩和する材料である。配線基板３１にはセラミックス配線基板が用いられる。
【００４１】
第２の蓋２７は配線基板３１とシーム溶接で接合され、第２の封止部２の気密性が確保されている。
【００４２】
また、配線基板３１の周囲には、配線基板３１と外部とを電気的に接続するためにリードフレーム３３が設けられている。このリードフレーム３３は４２アロイなどの通常のリードフレーム材料よりなる。
【００４３】
第２の蓋２７にはガス吸着剤２３が設けられている。ガス吸着剤２３は成膜の容易さとガス吸着剤２３の量を十分に確保することを考慮し、第２の蓋２７の内側上面部全面に備えるのが良い。
【００４４】
以上のことより、本実施例の振動型角速度センサは、第１の封止部１，第２の封止部２の二重構造となっている。さらに、各々の封止部内にガス吸着剤２３を備え、本実施例の封止実装構造は長期的気密維持を可能とする。
【実施例３】
【００４５】
図７は実施例３の実装構造を示す概略断面図である。この場合、振動型角速度センサ２８の積層実装される方向が、実施例２の場合と異なる。その他の実装構造は実施例２と同じである。封止された振動型角速度センサ２８、および、センサ素子の検出原理は実施例１と同様である。
【００４６】
第２の蓋２７の材質は金属やセラミックス，樹脂である。第２の蓋２７の内には先述した振動型角速度センサ２８や半導体集積回路２９が納められている。
【００４７】
振動型角速度センサ２８と半導体集積回路２９とは別体に構成されている。この場合、振動型角速度センサ２８と半導体集積回路２９とは積層実装され、小型化，搭載性を向上させている。
【００４８】
振動型角速度センサ２８と半導体集積回路２９とは導電性接合部材３６を介在させることで、電気的に接続されている。具体的には、導電性接合部材３６ははんだ材料で、Ａｕ−Ｓｎ，Ｐｂ−Ｓｎが適する。
【００４９】
配線基板３１と半導体集積回路２９、半導体集積回路２９と振動型角速度センサ２８は接着材３２で接着されている。接着材３２は、低ヤング率のシリコン系接着材である。これは、半導体集積回路２９と配線基板３１の線膨張係数差を緩和する材料である。配線基板３１にはセラミックス配線基板が用いられる。
【００５０】
第２の蓋２７は配線基板３１とシーム溶接で接合され、第２の封止部２の気密性が確保されている。
【００５１】
また、配線基板３１の周囲には、配線基板３１と外部とを電気的に接続するためにリードフレーム３３が設けられている。このリードフレーム３３は４２アロイなどの通常のリードフレーム材料よりなる。
【００５２】
第２の蓋２７にはガス吸着剤２３が設けられている。ガス吸着剤２３は成膜の容易さとガス吸着剤２３の量を十分に確保することを考慮し、第２の蓋２７の内側上面部全面に備えるのが良い。
【００５３】
以上のことより、本実施例の振動型角速度センサは、第１の封止部１，第２の封止部２の二重構造となっている。さらに、各々の封止部内にガス吸着剤２３を備え、本実施例の封止実装構造は長期的気密維持を可能とする。
【実施例４】
【００５４】
図８は実施例４の実装構造を示す。この場合、振動型角速度センサ２８の上に半導体集積回路２９が積層実装されている。そのため、配線基板３１の上に振動型角速度センサ２８が実装されている。封止された振動型角速度センサ２８、および、センサ素子の検出原理は実施例１と同様である。
【００５５】
第２の蓋２７の材質は金属やセラミックス，樹脂である。第２の蓋２７の内には先述した振動型角速度センサ２８や半導体集積回路２９が納められている。
【００５６】
振動型角速度センサ２８と半導体集積回路２９とは別体に構成されている。この場合、振動型角速度センサ２８と半導体集積回路２９とは積層実装され、小型化，搭載性を向上させている。
【００５７】
振動型角速度センサ２８と半導体集積回路２９は電気的に接続されている。すなわち、金やアルミニウムのワイヤー３０を介し、それをワイヤーボンディングすることにより電気的に接続している。ワイヤー３０は、支持基板１２に形成されている電極と半導体集積回路２９の電極とを結線している。配線基板３１と半導体集積回路２９、半導体集積回路２９と振動型角速度センサ２８は接着材３２で接着されている。接着材３２は、低ヤング率のシリコン系接着材である。これは、半導体集積回路２９と配線基板３１の線膨張係数差を緩和する材料である。配線基板３１にはセラミックス配線基板が用いられる。
【００５８】
第２の蓋２７は配線基板３１とシーム溶接で接合され、第２の封止部２の気密性が確保されている。
【００５９】
また、配線基板３１の周囲には、配線基板３１と外部とを電気的に接続するためにリードフレーム３３が設けられている。このリードフレーム３３は４２アロイなどの通常のリードフレーム材料よりなる。
【００６０】
第２の蓋２７にはガス吸着剤２３が設けられている。ガス吸着剤２３は成膜の容易さとガス吸着剤２３の量を十分に確保することを考慮し、第２の蓋２７の内側上面部全面に備えるのが良い。
【００６１】
以上のことより、本実施例の振動型角速度センサは、第１の封止部１，第２の封止部２の二重構造となっている。さらに、各々の封止部内にガス吸着剤２３を備え、本実施例の封止実装構造は長期的気密維持を可能とする。
【実施例５】
【００６２】
図９は実施例５の実装構造を示す。この場合、インターポーザー３５上に振動型角速度センサ２８が実装されている。また、半導体集積回路２９はインターポーザー３５の内部に内包するように実装されている。封止された振動型角速度センサ２８、および、センサ素子の検出原理は実施例１と同様である。
【００６３】
第２の蓋２７の材質は金属やセラミックス，樹脂である。第２の蓋２７の内には先述した振動型角速度センサ２８や半導体集積回路２９が納められている。
【００６４】
振動型角速度センサ２８と半導体集積回路２９とは別体に構成されている。
【００６５】
この場合、振動型角速度センサ２８と半導体集積回路２９とはインターポーザー３５を介して積層実装され、小型化，搭載性を向上させている。また、半導体集積回路２９はインターポーザー３５の内部に内包するように実装されている。インターポーザー３５は、セラミックス基板を積層し、埋め込み貫通配線３７を備えた、多層配線基板である。具体的には、導電席接合部材３６はＡｕ−ＳｎやＰｂ等からなるＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）を用いてよい。
【００６６】
振動型角速度センサ２８とインターポーザー３５、そしてインターポーザー３５と半導体集積回路２９は電気的に接続されている。すなわち、はんだなどからなる導電性接合部材３６を介在させることで接合している。
【００６７】
配線基板３１と半導体集積回路２９、半導体集積回路２９と振動型角速度センサ２８は接着材３２で接着されている。接着材３２は、低ヤング率のシリコン系接着材である。これは、半導体集積回路２９と配線基板３１の線膨張係数差を緩和する材料である。配線基板３１にはセラミックス配線基板が用いられる。
【００６８】
第２の蓋２７は配線基板３１とシーム溶接で接合され、第２の封止部２の気密性が確保されている。
【００６９】
また、配線基板３１の周囲には、配線基板３１と外部とを電気的に接続するためにリードフレーム３３が設けられている。このリードフレーム３３は４２アロイなどの通常のリードフレーム材料よりなる。
【００７０】
第２の蓋２７にはガス吸着剤２３が設けられている。ガス吸着剤２３は成膜の容易さとガス吸着剤２３の量を十分に確保することを考慮し、第２の蓋２７の内側上面部全面に備えるのが良い。
【００７１】
以上のことより、本実施例の振動型角速度センサは、第１の封止部１，第２の封止部２の二重構造となっている。さらに、各々の封止部内にガス吸着剤２３を備え、本実施例の封止実装構造は長期的気密維持を可能とする。
【実施例６】
【００７２】
実施例６は、実施例１で示した気密封止実装構造を備えた振動型角速度センサであり、センサ素子の検出原理、その構造は実施例１と同様である。
【００７３】
この構造において、第１の封止部１の容積Ｖ1と第２の封止部２の容積Ｖ2の比が、第１の封止部１に形成したガス吸着剤２３の面積をＡ1としたとき、Ｖ2／Ｖ1≧３１６５０／Ａ1の関係を満たすように、第１の封止部１と第２の封止部２とを構成する。このような構成にすることで、第１の封止部１の圧力を１０年間維持し続けることが可能とする。
【００７４】
前述の関係式Ｖ2／Ｖ1≧３１６５０／Ａ1は以下のように求められる。
【００７５】
まず、ガス吸着剤２３が気体分子を吸着したことによる圧力維持効果について記述する。ガス吸着剤２３は外部より流入してきた気体分子を吸着することにより封止部の圧力変動を抑止する。ガス吸着剤２３の飽和吸着量Ｓ［Ｐａ・ｍ］、ガス吸着剤２３の面積をＡ［ｍ2］、ガス吸着剤２３を形成した容器の容積をＶ［ｍ3］とする。気体分子を吸着することにより圧力の変動を抑止できる圧力変動ΔＰmaxは以下の式で表せる。
【００７６】
ΔＰmax＝Ｓ・Ａ／Ｖ［Ｐａ］
時間ｔ経過後の圧力をＰ(ｔ)とおくと、封止部の初期圧力Ｐ(０)からＰ(ｔ)までの圧力変動が、上記ガス吸着剤２３により抑止可能な圧力変動ΔＰmaxよりも小さければ、封止部の圧力は変動しない。それは以下の関係式で表せる。
【００７７】
Ｐ(ｔ)−Ｐ(０)≦ΔＰmax＝Ｓ・Ａ／Ｖ・・・（１）
次にリーク抵抗を多重にしたことによる圧力維持効果を記述する。
【００７８】
リーク抵抗Ｃを多重にするため、封止部を二重構造にした場合、リークレートＱ［Ｐａ・ｍ3／ｓ］と、封止部内部と外部との差圧ΔＰの関係は以下の式で表せる。ここで、第２の封止部２と外部環境３、第１の封止部１と第２の封止部２のリークレートは、それぞれＱ20とＱ12と表す。また、ΔＰ20は第２の封止部２と外部環境３との差圧であり、ΔＰ12は第１の封止部１と第２の封止部２との差圧である。
【００７９】
Ｑ20＝Ｃ20ΔＰ20・・・（２）
Ｑ12＝Ｃ12ΔＰ12・・・（３）
図１０は、振動型角速度センサ２８が第２の封止部２に内包された実装構造の場合と、内包されない場合とのリークレートを比較するための図である。振動型角速度センサ２８が第２の封止部２に内包されない実装構造では、以下の式が求まる。
【００８０】
Ｑ30＝Ｃ30ΔＰ30・・・（４）
リーク抵抗Ｃを意味する封止用枠２５は、その幅，材質、そして封止方法に依存し、時間や圧力に依存しない。ここでの振動型角速度センサ２８の封止用枠２５は陽極接合で封止され、封止用枠２５の幅，形状は同じである。したがって、以下の式が成立する。
【００８１】
Ｃ30＝Ｃ12・・・（５）
図１０では、ΔＰ20＝ΔＰ30であるため、Ｑ20，Ｑ30がｋＱ20＝Ｑ30とすると次式が成立する。
【００８２】
ｋＣ20＝Ｃ30・・・（６）
この結果、以下の式が求まる。
【００８３】
ＫＱ20／Ｐ20＝Ｑ12／Ｐ12（ｋは定数）・・・（７）
ここで、時間ｔ経過後もＰ0とＰ2の比が２桁以上離れている場合、Ｑ20は時間ｔによらず一定であると仮定できる。以上のことを踏まえて、式（７）よりＱ12は以下の式で表せる。
【００８４】
Ｑ12(ｔ)＝ｋＱ20×（Ｐ2(ｔ)−Ｐ1(ｔ)）／（Ｐ0−Ｐ2(ｔ)）・・・（８）
ここで、Ｐ0は外部環境３の圧力であり、Ｐ2は第２の封止部２の圧力であり、Ｐ1は第１の封止部１の圧力である。
【００８５】
ここで、時間ｔ経過後の圧力Ｐ1(ｔ)は、以下のように表せる。
【００８６】
Ｐ1（ｔ＋Δｔ）＝Ｐ1(ｔ)×Ｑ12(ｔ)×Δｔ／Ｖ2・・・（９）
次に、図５に示す本発明のように、封止部の二重封止と、ガス吸着剤２３を用いた場合の圧力維持効果を検討する。
【００８７】
第１の封止部１，第２の封止部２が共にガス吸着剤２３を備えており、それぞれの封止部の容積をＶ1とＶ2、ガス吸着剤２３を備えた封止部の内部圧力をＰ1′，Ｐ2′、第２の封止部２の中に備えたガス吸着剤２３の面積をＡ2とおく。この場合、ガス吸着剤２３の効果により、封止部の内部圧力Ｐ2′は以下の式で表せる。
【００８８】
ここでは、時間ｔ′経過するまでは第２の封止部２の中に備えたガス吸着剤２３の効果があるとし、時間ｔ′から時間ｔまでの範囲ではそのガス吸着剤２３の効果はないとする。
ｉ）経過時間ｔ′までの範囲、すなわちＰ2(ｔ)−Ｐ2(０)≦ＳＡ2／Ｖ2のとき
第２の封止部２の内部に侵入した気体分子はすべてガス吸着剤で吸着可能であるため、
Ｐ2′(ｔ)＝Ｐ2(０)である。
ii）経過時間ｔ′〜ｔの範囲、すなわちＰ2(ｔ)−Ｐ2(０)＞ＳＡ2／Ｖ2のとき
ガス吸着剤２３が吸着不可になった瞬間より第２の封止部２の内部圧力が、下記の式のように変化する。
【００８９】
Ｐ2′(ｔ)＝Ｐ2′(ｔ′＋ｎΔｔ)＝Ｐ2(０)＋ｎΔｔ×（Ｑ20／Ｖ2）・・・（１０）
また、第１の封止部１の内部圧力Ｐ1′もＰ2′と同様に以下の式で表せる。ただし、Ｐ1(０)＝Ｐ2(０)と仮定する。
ｉ）経過時間ｔ′までの範囲、すなわちＰ2(ｔ′)−Ｐ2(０)≦ＳＡ2／Ｖ2のとき
第２の封止部２の内圧が変化しないため、第１の封止部１と第２の封止部２の内圧が等しくなり、第１の封止部１への気体分子の流入はは発生せずＰ1′(ｔ)＝Ｐ1(０)となる。
ii）経過時間ｔ′〜ｔの範囲、すなわちＰ2(ｔ)−Ｐ1(ｔ′)＞ＳＡ1／Ｖ1のとき
第２の封止部２の圧力変動に伴い以下のように圧力が変動する。この場合、第１の封止部１の内部圧力Ｐ1′は次式で表せる。
Ｐ1′(ｔ)＝Ｐ1（ｔ′＋ｎΔｔ）＝Ｐ1′（ｔ′＋（ｎ−１）Δｔ）＋Δｔ
×（Ｑ12／Ｖ1）・・・（１１）
初期状態から時間ｔまでの第１の封止部１の圧力変化は以下の式で表せる。
【００９０】
【数１２】
2009257803.tif 000003
【００９１】
また、時間ｔ経過するまで第１の封止部１に備えたガス吸着剤２３が、第１の封止部１に侵入した気体分子をすべて吸着可能である条件は、以下の関係式で表せる。
【００９２】
【数１３】
2009257803.tif 000004
【００９３】
以上より、式（１３）に式（１０），式（１１）を代入すると、時間ｔ経過するまで第１の封止内部の圧力が変動しない関係式が求められる。次式は第１の封止部１の容積Ｖ1と、第２の封止部２の容積Ｖ2の関係式である。
【００９４】
【数１４】
2009257803.tif 000005
【００９５】
Ｑ20を２.５×１０-10Ｐａ・ｍ3／ｓ、４Ｑ20＝Ｑ12と仮定し、式（１４）を解くと図１１のグラフが得られる。このグラフより、以下の式が求められる。
【００９６】
Ｖ2／Ｖ1≧３１６５０／Ａ1・・・（１５）
なお、本実施例のリークレートＱは、封止方法としてシーム溶接と陽極接合を用いた一例である。
【００９７】
式（１５）の関係を満足する多重のリーク抵抗を備える封止実装構造は、長期圧力維持を可能とする。
【００９８】
尚、本発明は、気密構造を有し、加速度や圧力など物理量を検出する検出装置にも適用可能である。物理量検出装置に適用した場合の一例は自明ではあるが次にようになる。物理量を検出する検出手段と、その検出手段を気密に囲う第１の筐体と、その第１の筐体を気密に囲う第２の筐体とを備えた物理量検出装置。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】直列リーク抵抗模式図。
【図２】本発明の第１の実施例であるセンサ素子の投影図。
【図３】本発明の第１の実施例であるセンサ素子の平面図。
【図４】図１中のＡ−Ａ′断面における概略断面図。
【図５】本発明の第１の実施例であるセンサ素子の概略断面図。
【図６】本発明の第２の実施例であるセンサ素子の概略断面図。
【図７】本発明の第３の実施例であるセンサ素子の概略断面図。
【図８】本発明の第４の実施例であるセンサ素子の概略断面図。
【図９】本発明の第５の実施例であるセンサ素子の概略断面図。
【図１０】二重リーク抵抗と単一リーク抵抗であるセンサ素子の概略断面図。
【図１１】１０年間圧力を維持する範囲を示すグラフ。
【符号の説明】
【０１００】
１  第１の封止部
２  第２の封止部
３  外部環境
４，５  リーク抵抗
６  センサ部
１１  活性層基板
１２  支持基板
１３  絶縁層
１４ａ，１４ｂ  振動体
１５ａ〜１５ｄ  梁
１６ａ〜１６ｄ  アンカー
１７ａ〜１７ｈ  可動電極
１８ａ，１８ｂ  メカニカルリンク
１９  貫通孔
２０ａ〜２０ｈ  貫通配線
２１ａ〜２１ｈ  固定電極
２２  第１の蓋
２３  ガス吸着剤
２４  段差
【図１】
2009257803.tif 000006
【図２】
2009257803.tif 000007
【図３】
2009257803.tif 000008
【図４】
2009257803.tif 000009
【図５】
2009257803.tif 000010
【図６】
2009257803.tif 000011
【図７】
2009257803.tif 000012
【図８】
2009257803.tif 000013
【図９】
2009257803.tif 000014
【図１０】
2009257803.tif 000015
【図１１】
2009257803.tif 000016