JP2012194032A - センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検出性能の劣化が抑制されたセンサ装置を提供する。
【解決手段】センサ装置は、実装面に対してθの角度で傾斜する底面２Ａ１を有するパッケージ本体２と、底面２Ａ１上に搭載される角速度センサ素子１と、底面２Ａ１上に角速度センサ素子１を収納する中空部２Ａを形成するようにパッケージ本体２に取り付けられるリッド５と、底面２Ａ１と角速度センサ素子１との間に介在し、パッケージ本体２よりも高い柔軟性を有するダイボンド材４とを備える。センサ装置は、リッド５が実装面と対向する構造を有し、パッケージ本体２の裏面２Ｂが水平方向と平行に延びる。
【選択図】図１

Description

本発明は、センサ装置に関し、特に、パッケージ本体にセンサ素子を搭載するセンサ装置に関する。

物理量センサの検出軸を傾斜させることが従来から行なわれている。物理量センサの検出軸を傾斜させた構造は、たとえば、特開２００９−４１９６２号公報（特許文献１）および特開２００８−９６４２０号公報（特許文献２）などに記載されている。

特許文献１に記載の外力検知装置としての角速度センサにおいて、樹脂層（１１）は実装基板（１６）の表面に対して傾斜していて、その傾斜面（１１ａ）上に、角速度センサ素子（１）が設置される。このため、角速度センサ素子の底面に対して垂直となるように設けられている検知軸は、実装面（１６ａ）に対して傾斜している。角速度センサ素子（１）およびＩＣデバイス（１２）を実装した実装基板（１６）は、セラミックパッケージ（１４）の凹部の内部に、接着剤（１７）を介在させて、接着固定されていて、上記凹部の開口部は、封止材を介在させてキャップ（１５）によって封止されている。

特許文献２に記載の慣性センサは、ジャイロセンサ（１０）の角速度検出軸（Ｇ）が、当該慣性センサ（１）の上面の垂線Ｖに対して角度θだけ傾いた状態でリード端子（３）に固定されていて、樹脂モールドパッケージ（２）によって封止されている。

特開２００９−４１９６２号公報 特開２００８−９６４２０号公報

特許文献１に記載の外力検知装置では、角速度センサ素子（１）が集合形成された半導体基板（４１）における、角速度センサ素子（１）の外部電極が形成された面と反対側の面上に、上面が傾斜した樹脂層（１１）が一体形成され、切断によって個別に分割される。角速度センサ（１）と一体形成された樹脂（１１）の熱膨張係数が、角速度センサ素子（１）の熱膨張係数と大きく異なるため、ジャイロセンサ（１０）に応力が加わる。そのため、ジャイロセンサ（１０）に変形が生じ、ゼロ点変動が発生するという問題がある。また、傾斜面を有する角速度センサ素子（１）の電子回路と実装基板（１６）とをワイヤボンディングにより電気的に接続するため、生産性が低くなるという問題がある。

特許文献２に記載の慣性センサでは、ジャイロセンサ（１０）、リード端子（３）、および樹脂モールドパッケージ（２）で、熱膨張係数が大きく異なるため、ジャイロセンサ（１０）に応力が生じる。そのため、ジャイロセンサ（１０）に変形が生じ、ゼロ点変動が発生するという問題がある。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、検出性能の劣化が抑制されたセンサ装置を提供することにある。

本発明に係るセンサ装置は、中空部を有する箱型形状のパッケージ本体と、パッケージ本体の対向する２つの側壁に設けられている複数のリード端子と、中空部の底面に搭載され、検知軸を有するセンサ素子と、中空部を封止するようにパッケージ本体に取り付けられる蓋部材と、中空部の底面とセンサ素子との間に介在し、パッケージ本体よりも高い柔軟性を有する接着部とを備え、複数のリード端子のうち、側壁の一方に設けられているリード端子の長さが、側壁の他方に設けられているリード端子の長さと異なることにより、検知軸が鉛直方向に対して角度θ（０°＜θ＜９０°）をなしているセンサ装置である。上記センサ装置は、蓋部材がセンサ装置の実装面と対向する構造を有し、パッケージ本体の裏面が実装面と平行に延びている。

１つの実施態様では、上記センサ装置は、センサ素子とともに中空部内に搭載されているＩＣ素子をさらに備える。

１つの実施態様では、上記センサ装置において、接着部は、シリコン系樹脂またはフッ素系樹脂を含む。

本発明によれば、物理量センサの検出性能の劣化を抑制することができる。

本発明の１つの実施の形態に係るセンサ装置を示す断面図である。 図１に示すセンサ装置における角速度センサ素子を構成する振動子基板と保護基板とを接続した状態の一部を示した断面図である。 図１に示すセンサ装置における角速度センサ素子に使用される振動子基板の構造を示す平面図である。

以下に、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。

なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。

（センサ装置の構造）
図１は、本実施の形態に係るセンサ装置を示す断面図である。図１に示すように、本実施の形態に係るセンサ装置は、角速度センサ素子１と、パッケージ本体２と、Ａｕワイヤ３と、ダイボンド材４と、リッド５と、リード端子６と、ポッティング材７とを含む。

角速度センサ素子１の構造については、後述する。パッケージ本体２は、たとえばポリフェニレンサルファイド樹脂(ＰＰＳ)等の合成樹脂材からなる。リード端子６は、たとえば銅ベースの金属材からなる。パッケージ本体２およびリード端子６は、たとえばインサートモールドにより一体成型されている。

パッケージ本体２は、中空部２Ａを有する方形箱型形状となっている。中空部２Ａの底面２Ａ１には、角速度センサ素子１と、角速度センサ素子１からの信号を処理するＡＳＩＣ等のＩＣ素子（図示せず）が、ダイボンド材４（接着剤）により接着固定されている。ダイボンド材４としては、たとえば、硬化後も所定の柔軟性を有するシリコン系樹脂やフッ素系樹脂を含むものを用いている。ダイボンド材４は、硬化後においても、パッケージ本体２、リッド５および後述する保護基板２０等よりも高い柔軟性を有する。より具体的には、ダイボンド材４は、ＪＩＳ Ｋ６２５３に準拠したＴｙｐｅＡのデュロメータで測定した値が５０以下であることが好ましい。角速度センサ素子１およびＩＣ素子は、Ａｕワイヤ３を介してリード端子６の一端と電気的に接続されている。

パッケージ本体２は、裏面２Ｂを有する。中空部２Ａの底面２Ａ１の延在方向と裏面２Ｂの延在方向とは、角度θをなしている。中空部２Ａの底面２Ａ１は、実装面に対して角度θをなしており、裏面２Ｂは、実装面と平行に延びている。

中空部２Ａの４つの内側面には第１段部８が設けられている。第１段部８にリッド５が嵌合されることにより、センサ装置のパッケージは封止される。さらに、中空部２Ａの４つの内側面のうち対向する２つの内側面には、第２段部９が設けられている。第２段部９は、第１段部８よりも内側であって、第１段部８よりも低い位置（パッケージ本体２の裏面２Ｂに近い位置）に形成されている。複数のリード端子６は、パッケージ本体２の第２段部９が設けられている側壁を貫通するように設けられている。すなわち、複数のリード端子６の一端は、パッケージ本体２の対向する２つの側壁から外側に延びて、回路基板の実装面に接続される。また、リード端子６の他端は、第２段部９上（図１においては下側）に露出している。この露出面がＡｕワイヤ３と電気的に接続されている。

リード端子６におけるパッケージ本体２の外側に露出する部分は、一旦下方に折り曲がり、さらに外方に折り曲がる形状となっている。パッケージ本体２の一方の側壁側のリード端子６に対して、パッケージ本体２の他方の側壁側のリード端子６は長く、パッケージ本体２の中空部２Ａの底面２Ａ１が実装面に対して所定の角度θ（０°＜θ＜９０°）をなすように、リード端子６が曲げ加工されている。これによって、角速度センサ素子１の検知軸が鉛直方向に対してなす角度はθとなる。なお、リード端子６の加工には金型を使用するため、精度よく加工できる。

パッケージ本体２にリッド５が取り付けられることにより、中空部２Ａが封止される。具体的には、中空部２Ａの４つの内側面には、第１段部８に、たとえばポリフェニレンサルファイド樹脂(ＰＰＳ)等の合成樹脂からなるリッド５が嵌合され、接着剤や熱圧着で接着固定される。リッド５は、一体成形の構造物であっても、２つ以上のパーツを接着した構造物であってもよい。また、リッド５の材料は樹脂に限定されるものではなく、金属であってもよい。

パッケージ本体２の中空部２Ａの底面２Ａ１と裏面２Ｂとがなす角度は、上記の角度θと等しい。これにより、パッケージ本体２の裏面２Ｂは実装面に対して平行になる。そのため、部品実装装置の部品吸着ノズルによって、パッケージ本体２の裏面２Ｂを容易に吸着できる。

角速度センサ素子１およびＩＣ素子とは、外部からの応力を緩和するために、たとえば、硬化後も所定の柔軟性を有するシリコン系樹脂やフッ素系樹脂の材料からなるポッティング材７で覆われていることが望ましい。ポッティング材７は、硬化後においても、パッケージ本体２、リッド５および後述する保護基板２０等よりも高い柔軟性を有する。より具体的には、ポッティング材７は、ＪＩＳ Ｋ６２５３に準拠したＴｙｐｅＡのデュロメータで測定した値が５０以下であることが好ましい。さらに、ポッティング材７は、ゲル状ポッティング材であることが好ましい。また、角速度センサ素子１およびＩＣ素子は、リード端子形成の１側面に対して、並列にならぶように配置されていることが望ましい。このようにすることで、センサ装置が全体としてより小型化される。

（センサ装置の製造方法）
次に、図１に示すセンサ装置の製造方法について説明する。

まず、リードフレームの所定箇所に複数のパッケージ本体２がモールド形成される。
次に、パッケージ本体２の中空部２Ａの底面に、ダイボンド材４（接着剤）を塗布し、角速度センサ素子１およびＩＣ素子をダイボンドする。

そして、角速度センサ素子１およびＩＣ素子と、リード端子６の一端とがＡｕワイヤ３を介して電気的に接続されるように、ワイヤボンディングする。

その後、角速度センサ素子１およびＩＣ素子を覆うように、ポッティング材７を塗布する。

さらに、パッケージ本体２の中空部３の第１段部９に接着剤を塗布し、リッド５を搭載する。

そして、金型を使用してリードフレームを切断加工し、リード端子６を所定長さとなるように加工する。さらに、金型を使用して、リード端子６を所定の形状となるように曲げ加工する。

吊りリードを切断し、パッケージ本体２を含むセンサ装置をリードフレームから分離する。

（角速度センサ素子１の構造）
次に、角速度センサ素子１の構造について説明する。図２は角速度センサ素子を構成する振動子基板と保護基板とを接合した状態の一部を示す断面図である。図３は角速度センサ素子に使用される振動子基板の構造を示す平面図である。

図２に示す角速度センサ素子１は、静電駆動／容量検出型で、かつ非共振型のものであって、たとえば単結晶または多結晶をなす低抵抗なシリコン材料からなる振動子基板１０と、この振動子基板１０の主面および裏面の両面に接合されたたとえば高抵抗なシリコン材料、ガラス材料などからなる保護基板２０とを有する。振動子基板１０、保護基板２０は、振動子基板１０の可動部分を確保するためのキャビティ３０の形成箇所を除いて、たとえば陽極接合などの接合方法により、一体的に接合されている。振動子基板１０の両面側の保護基板２０の、振動子基板１０と対向する側の面に凹部が形成されており、角速度センサ素子１の内部にキャビティ３０が形成されている。キャビティ３０内は、振動ダンピングを低減するために、真空状態または低圧力状態に保たれている。保護基板２０の一方には開口部が形成され、この開口部に膜状の電極４０を形成することにより、振動子基板１０に対して電気的信号の送受を行なっている。

図３に示すように、振動子基板１０には、エッチング処理などの微細加工を施すことにより、第１〜第４の各質量部７１〜７４、駆動梁８０、固定部１８１、１８２が形成されている。また、第１および第２モニタ電極９１、９２、第１〜第４駆動電極１０１〜１０４、ならびに第１〜第４検出電極１６１〜１６４などが形成されている。

ここで、図３において、振動子基板１０の長手方向をＹ軸方向、これに直交する短手方向をＸ軸方向、両軸に共に直交する紙面に垂直な方向をＺ軸方向とする。第１〜第４の各質量部７１〜７４は、駆動梁８０によってＹ軸方向に沿って直列に支持されており、これによって第１〜第４の各質量部７１〜７４はＸ軸方向に沿って振動可能な状態になっている。すなわち、第１〜第４の各質量部７１〜７４が可動部となっており、第１および第２モニタ電極９１、９２、ならびに第１〜第４駆動電極１０１〜１０４が固定部となっている。

第１質量部７１には、第１モニタ電極９１ならびに第１および第２の駆動電極１０１、１０２の櫛歯状部分に対向するように、左右に突出形成された、櫛歯状の可動側電極１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃが設けられている。

第２質量部７２は、駆動梁８０により支持された四角形の第１駆動枠１２１と、その内側において上下の第１検出梁１３１により支持された２つの四角形を連接した形状の第１検出枠１４１とを有する。第１駆動枠１２１の外側には、第１質量部７１に近接して上記の第１および第２駆動電極１０１、１０２の櫛歯状部分に対向した、櫛歯状の可動側電極１５１ａ、１５１ｂが形成されている。また、第１検出枠１４１の２つの四角形部分の内側には、それぞれ櫛歯状の第１および第２検出電極１６１、１６２にそれぞれ対向して、櫛歯状の可動側電極１７１が形成されている。これにより、第１検出枠１４１は可動側電極１７１と共に第１検出梁１３１によって、Ｙ軸方向に沿って振動可能な状態になっている。

第４質量部７４には、第２モニタ電極９２ならびに第３および第４の駆動電極１０３、１０４の櫛歯状部分に対向するように、左右に突出形成された、櫛歯状の可動側電極１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃが設けられている。

第３質量部７３は、駆動梁８０により支持された四角形の第２駆動枠１２２と、その内側において上下の第２検出梁１３２により支持された２つの四角形を連接した形状の第２検出枠１４２とを有する。第２駆動枠１２２の外側には、第４質量部７４に近接して上記の第３および第４駆動電極１０３、１０４の櫛歯状部分に対向した、櫛歯状の可動側電極１５２ａ、１５２ｂが形成されている。また、第２検出枠１４２の２つの四角形部分の内側には、それぞれ櫛歯状の第３および第４検出電極１６３、１６４にそれぞれ対向して、櫛歯状の可動側電極１７２が形成されている。これにより、第２検出枠１４２は可動側電極１７２と共に第２検出梁１３２によって、Ｙ軸方向に沿って振動可能な状態になっている。

振動子基板１０の平面に対して垂直なＺ軸が、角速度検知軸となる。振動子基板１０のＹ軸方向の振動による変位により、振動子基板１０に対して垂直な検知軸（Ｚ軸）まわりの角速度を検知することができる。つまり、角速度センサ素子１は、図２に示すＺ軸方向を回転中心軸とした回転角速度に応じた出力信号（容量変化）を、電極４０を介して外部に出力する。

（作用効果）
上述のように、本実施の形態に係る角速度センサ素子１としては、単結晶Ｓｉ基板（振動子基板１０）に微細加工技術を用いてインターデジタル構造からなる駆動部と検出部とを形成し、駆動部と検出部が中空となるようにガラス基板（保護基板２０）で挟み込んだ、いわゆるＭＥＭＳ構造の角速度センサ素子を使用している。このような角速度センサ素子１に外部要因による応力が生じると、ゼロ点変動（角速度が生じていないにもかかわらず、センサチップの変形や反りにより誤信号が発生する状態）が発生する。したがって、角速度センサ素子１における応力を抑制することは重要である。

これに対し、本実施の形態に係るセンサ装置では、パッケージ本体２の中空部２Ａの底面が実装面に対して傾斜しているため、角速度センサ素子１の検知軸を傾斜させるために台座として角速度センサ素子１に接触する樹脂やリード端子が必要ない。そのため、角速度センサ素子１とパッケージ本体２との間に、ダイボンド材４およびポッティング材７として比較的高い柔軟性を有する素材を介在させることができる。これによって、角速度センサ素子１における応力の発生を抑制することができ、検出性能の劣化を抑制することができる。

さらに、パッケージ本体２の中空部２Ａの底面２Ａ１と裏面２Ｂとがなす角度が、実装面に対する底面２Ａ１の傾斜角θと等しくなっていることにより、パッケージ本体２の裏面２Ｂは実装面に対して平行になる。そのため、部品実装装置の部品吸着ノズルによって、パッケージ本体２の裏面２Ｂを容易に吸着できる。

（まとめ）
上述した内容について要約すると、次のようになる。すなわち、本実施の形態に係るセンサ装置は、実装面に対してθの角度で傾斜する底面２Ａ１を有するパッケージ本体２と、底面２Ａ１上に搭載される角速度センサ素子１と、底面２Ａ１上に角速度センサ素子１を収納する中空部２Ａを形成するようにパッケージ本体２に取り付けられる「蓋部材」としてのリッド５と、複数のリード端子６と、底面２Ａ１と角速度センサ素子１との間に介在し、パッケージ本体２よりも高い柔軟性を有する「接着部」としてのダイボンド材４とを備える。上記センサ装置においては、複数のリード端子６のうち、側壁の一方に設けられているリード端子６の長さが、側壁の他方に設けられているリード端子６の長さと異なることにより、検知軸が鉛直方向（実装面に対して直交する方向）に対して角度θ（０°＜θ＜９０°）をなしている。上記センサ装置は、リッド５が実装面と対向する構造を有し、パッケージ本体２の裏面２Ｂが実装面と平行に延びる。

なお、本実施の形態では、角速度センサ素子１を覆うようにポッティング材７を設ける例について記載したが、ポッティング材７は設けられなくてもよい。

また、ダイボンド材４およびポッティング材７の素材の一例として、シリコン系樹脂またはフッ素系樹脂を挙げたが、ダイボンド材４およびポッティング材７の素材はこれらに限定されず、所定の柔軟性を有するものであれば、任意に変更可能である。

さらに、本実施の形態では、「センサ素子」の一例として角速度センサ素子１について説明したが、本発明のセンサ素子（センサチップ）は、角速度センサ素子１に限定されず、たとえば、加速度センサ素子等、同様の課題を有する物理量センサ素子であってもよい。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 角速度センサ素子、２ パッケージ本体、２Ａ 中空部、２Ｂ 裏面、３ Ａｕワイヤ、４ ダイボンド材、５ リッド、６ リード端子、７ ポッティング材、８ 第１段部、９ 第２段部、１０ 振動子基板、２０ 保護基板、３０ キャビティ、４０ 電極、７１，７２，７３，７４ 質量部、８０ 駆動梁、９１，９２ モニタ電極、１０１，１０２，１０３，１０４ 駆動電極、１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ 可動側電極、１２１，１２２ 駆動枠、１３１，１３２ 検出梁、１４１，１４２ 検出枠、１５１ａ，１５１ｂ，１５２ａ，１５２ｂ，１７１，１７２ 可動側電極、１６１，１６２，１６３，１６４ 検出電極、１８１，１８２ 固定部。

Claims (3)

1. 中空部を有する箱型形状のパッケージ本体と、
   パッケージ本体の対向する２つの側壁に設けられている複数のリード端子と、
   前記中空部の底面に搭載され、検知軸を有するセンサ素子と、
   前記中空部を封止するように前記パッケージ本体に取り付けられる蓋部材と、
   前記中空部の底面と前記センサ素子との間に介在し、前記パッケージ本体よりも高い柔軟性を有する接着部とを備え、
   前記複数のリード端子のうち、前記側壁の一方に設けられているリード端子の長さが、前記側壁の他方に設けられているリード端子の長さと異なることにより、前記検知軸が鉛直方向に対して角度θ（０°＜θ＜９０°）をなしているセンサ装置であって、
   前記蓋部材が前記センサ装置の実装面と対向する構造を有し、
   前記パッケージ本体の裏面が前記実装面と平行に延びる、センサ装置。
2. 前記センサ素子とともに前記中空部内に搭載されているＩＣ素子をさらに備えた、請求項１に記載のセンサ装置。
3. 前記接着部は、シリコン系樹脂またはフッ素系樹脂を含む、請求項１または請求項２に記載のセンサ装置。

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