JP2015011002A - 複合センサ - Google Patents

Abstract

【課題】MEMSプロセスによって製造され、加速度を検出するセンサと角速度を検出するセンサとを有する複合センサにおいて、真空圧力雰囲気のばらつき或いは変化を抑制でき、大きな加速度が印加された場合でも、可動部の梁が隣接する固定部の梁の上に乗り上げるのを防止する。
【解決手段】加速度と角速度がセンシングできる複合センサにおいて、加速度センサ６ａの振動体可動部８の厚さＴ２よりも、その上下に形成したギャップＧ１，Ｇ２を小さく形成した構造によって、加速度センサ振動体８の固定部への乗り上げを防止する。また、角速度センサ５ａの振動体可動部8の厚さよりも、その上下のギャップＤ１，Ｄ２の少なくともいずれか一方を大きく形成した構造によって、微量発生ガスによる圧力ばらつきを低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は物理量の測定に用いられる物理量センサの構造に関し、特に加速度と角速度をセンシングするための複合センサの構造に関する。

近年、MEMS技術における微細化加工技術の発展により、シリコンおよびガラス等の材料を適用した加速度、角速度などの物理量を測定する様々なセンサが提供されている。

MEMS技術を用いた物理量センサは、半導体デバイスと比較してアスペクト比（開口幅と加工深さとの比）が高い構造体を形成できる利点がある。また、高アスペクト比の溝を加工できるICP（Induction Coupled Plasma）方式のRIE（Reactive Ion Etching）装置を適用したドライエッチング法によって、シリコンからなる立体構造および可動構造を形成することにより、機械加工と比較して優れた加工精度の各種構造体を形成することができる。

このようなMEMS技術を用いた物理量センサとして、特開２００２−５９５０号公報（特許文献１）に記載された複合センサ素子が知られている。この複合センサ素子は、角速度センサの平面振動体と加速度センサの可動体とを、同一の基板上にそれぞれが浮いた状態に設けている。また、平面振動体と可動体との上側を、間隔を置いて蓋部材で覆っている。基板と蓋部材とからなる空間部は区分壁部によって角速度センサ用空間部と加速度センサ用空間部とに区分されている。角速度センサ用空間部は真空状態で気密封止された状態とし、加速度センサ用空間部は大気圧で気密封止された状態としている。これにより、平面振動体は高周波数かつ大きな振幅で振動することができ、角速度センサにおける角速度の検知感度を高めることができる。また、可動体は平面振動体の振動が伝搬されても空気のダンピングによって高周波数かつ大きな振幅で振動することがなく、加速度センサにおける加速度の検知感度を高めることができる（要約参照）。

また、特開２０１１−２４２３７１号公報（特許文献２）には、加速度センサの可動体と角度センサの振動体とを壁で隔てて同一のセンサウエハ上に作成した複合センサが記載されている。この複合センサでは、可動体及び振動体に対応した２つのギャップを設けたキャップウエハを形成し、２つのギャップ部のそれぞれに構成される加速度センサと角速度センサとを、それぞれ大気圧と真空とに封止している（要約参照）。さらにこの複合センサでは、加速度センサのギャップと角速度センサのギャップとを、それぞれ６０μｍの深さに形成することが記載されている（段落００４３参照）。

一般に、角速度センサでは、その検出感度を良好にするために、振動体を高周波数で、かつ、大きな振幅で振動させる必要がある。MEMS技術によって作製した振動体は、雰囲気が大気圧の場合、空気（封止気体）のダンピング効果の影響が大きくなる。このため、上記２つの複合センサ素子及び複合センサでは、角速度センサを真空で封止している。

一方、加速度センサは可動体がおもり及び梁等で構成されており、真空雰囲気で封止すると、可動体のダンピング効果が小さくなり、可動体が振動し続ける現象が発生する。したがって、加速度センサはダンピング効果が大きい大気圧雰囲気で封止している。

特開2002−5950号公報 特開2011−242371号公報

特許文献1に記載された複合センサ素子は、加速度センサの可動体と基板及び蓋部材との間に形成される上下ギャップと、角速度センサの平面振動体とセンサウエハ及びキャップウエハとの間に形成される上下ギャップとが同じギャップ長で形成されている。また、この複合センサ素子では、可動体及び平面振動体の厚み（厚さ方向寸法）がこれらを形成するシリコン基板の厚み（厚さ方向寸法）と同じであり、前記ギャップ長は可動体及び平面振動体の厚みよりも小さい。

特許文献２に記載された複合センサにおいても、加速度センサの可動体の上側に形成されたギャップ長と角速度センサの振動体の上側に形成されたギャップ長とが同じであり、また、可動体の厚み（厚さ方向寸法）と振動体の厚み（厚さ方向寸法）とが同じである。しかし、可動体及び振動体の上に形成されたギャップ長は、可動体及び振動体の厚み（厚さ方向寸法）に対して大きい。

MEMS技術によって作製された角速度センサでは、真空雰囲気中に微量発生ガスが発生する可能性がある。角速度センサの密閉雰囲気では如何に微量発生ガスによる真空圧力のばらつき或いは変化を軽減するかが重要となる。そのため，角速度センサの振動体を密閉している空間体積は大きい方が微量発生ガスの影響を低減でき、信頼性を高めることができる。なお、密閉部の体積を増加させる方法としては、基板（ウエハ）に対して垂直方向に密閉部の寸法を大きくする方法と、基板面方向に密閉部の寸法を大きくする方法が考えられるが，小型化および低コスト化の観点から垂直方向に空間を広げる方が有利である。

また、加速度センサでは、可動体の周囲の雰囲気を大気圧近傍に設定することにより，可動体のダンピング効果を高めているが、可動体の上下に存在するギャップを可動体の厚さよりも大きくすると、予想外の加速度が印加された場合に、可動体を構成する梁が、隣接する固定部の梁の上に乗り上げてしまう可能性がある。

本発明の目的は、MEMSプロセスによって製造され、加速度を検出するセンサと角速度を検出するセンサとを有する複合センサにおいて、真空圧力雰囲気のばらつき或いは変化を抑制でき、大きな加速度が印加された場合でも、可動部の梁が隣接する固定部の梁の上に乗り上げるのを防止することにある。

上記目的を達成するために、本発明の複合センサは、固定基板、デバイス基板、電極基板の少なくとも３つの基板が積層された３層構造を有し、加速度を測定するセンシング部（加速度センサ）と角速度を測定するセンシング部（角速度センサ）とがそれぞれ密閉された構造を有し、加速度を測定するセンシング部および角速度を測定するセンシング部を前記デバイス基板によって形成した固定梁と可動梁とを有する静電容量式センサとして構成し、角速度センシング部の室内圧力を加速度センシング部の室内圧力（大気圧）よりも低くした複合センサにおいて、角速度センシング部の固定梁および可動梁に対して電極基板側に形成されたギャップ長の寸法D1又は固定基板側に形成されたギャップ長の寸法D2の少なくともいずれか一方は、前記角速度センシング部の可動梁の厚さ寸法T1よりも大きく、かつ加速度センシング部の固定梁および可動梁に対して電極基板側に形成されたギャップ長の寸法G1および固定基板側に形成されたギャップ長の寸法G2は、加速度センシング部の可動梁の厚さ寸法T2よりも小さくした構造を適用する。

上記構造により、角速度センサの密閉された室内（空間）体積を増加させることができる。そして、角速度センサの室内圧力のばらつきや変化を抑制（低減）することができる。また、設計された測定範囲を超える予想外の加速度が印加された場合でも、加速度センサの可動梁が、隣接する固定梁の上に乗り上げるのを防止できる。特に、T1＜D1およびT1＜D2である構造を適用することによって、角速度センサの室内圧力のばらつきや変化の抑制効果が高まる。

本発明によれば、加速度センサでは設計値以外の加速度が印加された場合でも可動部の乗り上げの課題がなく，かつ，角速度センサでは密閉空間を大きく形成できることからデバイス基板に形成されたセンシング空間の真空度を安定的に保ち、信頼性に優れた物理量センサを提供できる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の複合センサを説明する断面図。 本発明との比較例である複合センサを説明する断面図。 加速度センサの課題を説明する平面図および断面図（定常状態）。 加速度センサの課題を説明する平面図および断面図（設計範囲を超える加速度が印加された状態Ｂ）。 加速度センサの課題を説明する平面図および断面図（設計範囲を超える加速度が印加された状態Ｃ）。 本発明の第二実施例に係る複合センサを説明する断面図。 第二実施例に係る複合センサを組み立てた時の断面図。 本発明の第三実施例に係る複合センサを説明する断面図。

以下、本発明の実施例について説明する。

図１を用いて本発明による物理量センサの第一実施例に係る構造を説明する。図１は本発明の一例を示す加速度および角速度をセンシングする複合センサの断面図を示している。

基板は固定基板1、デバイス基板2、電極基板4の少なくとも3層構造で構成されている。すなわち、第１の基板である固定基板1と第２の基板であるデバイス基板2と第３の基板である電極基板4とが、固定基板1と電極基板4とでデバイス基板2を挟むようにして積層されている。固定基板1にはSiO2からなる酸化膜を接合部3aとして、その上にデバイス基板2が形成されている。デバイス層の上部には接合部3bを介して、電極基板4が配置されている。図１の角速度を測定するセンシング部（角速度センサ）5aのセンシング空間（室内空間）5および加速度を測定するセンシング部（加速度センサ）6aのセンシング空間（室内空間）6の各々が密閉された空間となっている。

デバイス基板2の角速度を測定するセンシング空間5は、上下に配置した固定基板1および電極基板4との密閉空間において、圧力雰囲気が200Pa程度の真空雰囲気となっている。センシング空間5には固定電極（固定梁）7および可動電極（可動梁）8が形成されている。これは数ミクロンのギャップを有して複数の櫛歯が形成されている。また、デバイス基板2の加速度を測定するセンシング空間6は、上下に配置した固定基板1および電極基板4との密閉空間において、圧力雰囲気が10000Paから50000Pa程度の雰囲気となっている。センシング空間6には固定電極（固定梁）7および可動電極（可動梁）8が形成されている。角速度と同様に数ミクロンのギャップを有して複数の櫛歯が形成されている。以上説明したように、加速度のセンシング空間6の圧力は、大気圧又は大気圧近傍の圧力になっており、角速度を測定するセンシング空間5の圧力は、センシング空間6の圧力よりも低圧力になっている。

加速度センサ部6aのセンシング空間6の圧力雰囲気を10000から50000Paくらいの真空度で封止する理由は、密閉された空間では接合温度によって、温度が上昇すると、密閉された空間の圧力も上昇する。その場合、接合方法によっては接合部から剥離する場合が想定される。そのため、あらかじめ、減圧状態にすることが必要となる。

前記、加速度センサ6aのセンシング空間6には、アルゴン、キセノン、クリプトンなどの分子量が大きな気体を封止することによって、ダンピング効果を高めても良い。

物理量としての角速度のセンシングは、前記複数の櫛歯8が固有の周波数で駆動（振動）している場合に角速度が加わることにより発生するコリオリ力を利用して行われる。このコリオリ力によって固定電極7と可動電極8の電極間ギャップが変化する。このコリオリ力による電極間ギャップの変化量を静電気力によって検出することで角速度を検出する。

物理量としての加速度のセンシングは、加速度が加わると固定電極7と可動電極8の電極間ギャップが変化することを利用して行われる。この加速度による電極間ギャップの変化量を静電気力によって検出することで加速度を検出する。

デバイス基板2と外部との電気的なやり取りを行うために、デバイス基板2の固定電極7は同一基板内に構成された固定電極7aに電気的に接続されており、電極基板4の内部に配置した低抵抗シリコン11を介して、その上に形成された金属電極14に電気的に接続されている。同様に、可動電極8は、同一基板内に構成された可動電極8aに電気的に接続されており、電極基板4の内部に配置した低抵抗シリコン11を介して、その上に形成された金属電極14に電気的に接続されている。

電極基板4の内部に形成された低抵抗シリコン11の周囲は、SiO2等の酸化膜16によって電気的に絶縁されており、その周囲をPoly-Siなどの埋め込み材料12によって塞がれている。なお、電極基板4のアース電極15は電極基板4をアースに電気的におとすための電極である。

外部との電気的なやり取りを行うために、電極基板4に設置した金属電極14に溶着された金のワイヤボンディング（図５参照）22が引き出されている。なお、金属電極14の位置は、平面的には金属配線によって電極基板4の表面で任意の位置に引き回すことが可能である。さらに金属電極14部以外の部分はSiNおよび樹脂の保護膜によって保護されている。金属電極14周囲の保護膜は、一般的な半導体回路の保護膜と同様の技術を適用して構成することができる。

また、その他に金属配線材料は密着性を考慮して下地膜としてクロムやチタンを配置し、その上に金を配置しても良い。また、熱的な耐熱性を向上させるためにクロムやチタンと金との間に白金やニッケルを配置しても良い。配線材料は前述のものに限らず、アルミニウム等の配線材料を適用しても良い。

前記の構造では、固定基板1とデバイス基板2およびSiO2からなる酸化膜の構造にSOI基板を適用することができる。

一般にSOIウエハは固定層、ボックス層、デバイス層から構成されている。ボックス層は可動部を形成するために、デバイス構造が形成されたあとで除去される。より詳細には、高アスペクト比の加工ができるドライエッチング加工によってデバイス層に櫛歯などの構造体を加工後、ボックス層を除去することで、櫛歯構造体7，8などを中空に浮かせることができる。この場合、ボックス層を厚くすると、深さ方向のエッチングと平面方向のエッチング速度が同等であることから、ボックス層を除去する際に、駆動櫛歯8等を固定する部分が消失する可能性がある。これはボックス層がSiO2からなる酸化膜から形成されているためであり、フッ化水素酸水溶液またはフッ化水素酸の蒸気によって、等方性エッチングされるためである。また、ボックス層を厚くすると、駆動櫛歯8等を固定する部分が大きくなるため、小型化が困難となる。以上のような理由から、ボックス層を薄く形成しなければならない。そのため、デバイス層の下面、すなわち、本発明における固定基板1と固定電極7および可動電極8の下面とのギャップは、数ミクロンと小さい。

図１に示した角速度センサ振動体（可動梁）8と固定基板1とのギャップD2は数ミクロンのギャップしか存在しない。必然的に角速度のセンシング部5の固定基板1側の体積は小さくなり、微量発生ガスが発生した場合には、目的の圧力に保持できない可能性がある。

本実施例では、SOI基板を適用した場合でも、角速度センサの可動電極部の梁8の厚さT1に対して，電極基板4側に形成されたギャップD1との関係はT1＜D1とすることによって、角速度のセンシング部5aの空間体積（室内堆積）を大きくできるため、微量発生ガスが発生した場合でも体積効果によって，微量発生ガスによる真空ばらつきや変化を抑制（低減）できる。

なお、本実施例では、角速度センサ5aの可動電極部の梁8の厚さT1は50ミクロン程度であり、最低でも50ミクロン以上のギャップがあれば良い。真空度の変化を考慮すると前記ギャップは大きいほど体積は大きくなるため真空ばらつきを抑制には効果がある。しかし、構造的にギャップを大きくすると電極基板4における振動体（可動梁）8と対向する面の厚さが薄くなることから電極基板4の強度が低下するため、外部からの応力に弱くなる。そのため、設計的には適正なギャップを設定することが好ましい。

より詳細には、角速度のセンシング空間5は真空中で密閉されているが、真空中で保持されているため、長期信頼性の観点から考慮すると時間の経過に比例して微量発生ガスの発生が予測できる。その結果、真空度が悪化することによって、センシング空間5内の可動電極8の共振周波数が変化し、性能が悪化することが予測できる。

また、デバイスが形成されている基板2のセンシング部には、多くの可動および検出用の櫛歯および梁がミクロンオーダで形成されている場合が多く、センシング部の空間体積に対して、センシング部5a，6aの表面積の割合は大きい。その結果、微量発生ガス成分（アウトガス）が発生する割合が大きくなる。これは表面積の大きさに比例して微量発生ガス成分が発生する割合が高くなるためである。

一方、振動体8上下の空間は、内部には構造体はないことから、体積に対する表面積の割合は、センシング部5a，6aと比較して非常に小さい。そのため、角速度センサ5aのセンシング部空間5は微量発生ガス成分（アウトガス）が発生する割合が小さくなる。そのため、圧力の安定に寄与できる。

気体の圧力Pは（1）式により、体積Vが増加すると、気体の圧力変動は低下する。すなわち、センシング空間の圧力ばらつきは、微量発生ガスの発生量に対して、体積の大小によって変化する。なお、nは気体の物質量（モル数）、Rは気体定数、Tは気体の熱力学的温度を示す。
PV=nRT （1）
そのため、本発明の図1の構造では、角速度のセンシング空間5内で微量発生ガスが発生した場合でもセンシング空間5内の気体の圧力Pの変化率は小さくなる。

また、前記（1）式より、体積がN倍になると圧力は1／Nとなる。すなわち、体積が大きくなるほど、センシング空間5の圧力変動は抑制できる。

プロセス的には、SOI基板に構造体を製作し、それとは別に製作した電極基板4を前記構造体に高精度に位置合わせし接合することで、構造体を製作できる。このとき、接合方法はシリコンの直接接合が好ましい。これは接合時に発生するガスの影響が小さいためである。以下の説明では、上述の微量発生ガス（アウトガス）に接合時に発生するガスも含めて、微量発生ガスという。

シリコンの直接接合は、はじめにシリコンウエハもしくは表面に酸化膜が形成されたシリコンウエハに親水化処理を行い、室温近傍で貼り合わせる。これにより、水素結合によって貼り合わせた２枚のシリコンウエハは結合される。この状態ではまだ、接合強度が弱いため、900度〜1150度の温度で加熱処理を行い。それにより、シロキサン結合状態を作り出し、最終的にシリコンとシリコンの強固な結合状態が得られる。

図２を用いて、本発明との比較例における構造について説明する。図２は加速度および角速度をセンシングする複合センサの比較例における断面図を示している。固定基板1はガラス基板から形成されており、その上にデバイス基板2が形成されている。デバイス層の上部には接合部3cを介して、シリコンからなる電極基板4が配置されている。なお、電極基板4にはガラス基板が適用されている例もある。ここでは、シリコン基板の例を説明する。

角速度を測定するセンシング空間5および加速度を測定するセンシング空間6の各々が密閉された空間となっている。なお、接合部3cは金属接合されている。

デバイス基板の固定電極7は同一基板内に構成された固定電極7aに電気的に接続されており、電極基板4の内部に配置した金属配線18を介して、その上に形成された金属電極14に電気的に接続されている。同様に、可動電極8は、同一基板内に構成された可動電極8aに電気的に接続されており、電極基板4の内部に配置した金属配線18を介して、その上に形成された金属電極14に電気的に接続されている。また、電極基板4の材料はシリコン材料が適用されている。

図２のような構造の複合センサ形成プロセスでは、あらかじめ等方性エッチングによって溝を形成したガラス基板に、陽極接合を用いて、デバイス層を接合する。また、電極基板4の内部の溝4a'，4b'はシリコンのウエットエッチングによって形成される。

前記と同様のプロセスによって固定基板1内の溝1a'，1b'および電極基板内の溝を形成する。そのため、固定基板1では、角速度センサ振動体（可動梁）8と固定基板1とのギャップD2と加速度センサ振動体（可動梁）8と固定基板1とのギャップG2は同じ深さとなる。また、電極基板4では角速度センサ振動体8と電極基板4とのギャップD1と加速度センサ振動体8と電極基板4とのギャップG1は同じ深さになる。さらに角速度センサ5aの振動体8の厚さT1と加速度センサ6aの振動体8の厚さT2は同じ厚さとなる。

角速度を測定するセンシング空間5は真空封止されており、共振周波数が約12kHzと高いことから上下に動きにくい構造となっている。そのため、電極基板4とのギャップを大きくしても問題はない。

一方、加速度のセンシング空間内6に設置されている可動電極（可動梁）8は周辺雰囲気がほぼ大気圧となっており、ダンピング効果が効きやすい環境となってはいるが、共振周波数が数100Hz程度と低い。そのため、上下に動きやすい構造である。

加速度センサ振動体8は、測定する加速度の設計値範囲を超える加速度が印加された場合には、可動電極8が大きく変位することになる。その結果、固定電極7の上に可動電極8が乗り上げる現象が発生する可能性がある。

図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃを用いて可動電極8の乗り上げについて詳細に説明する。

図３Ａは定常状態を示しており、平面的には固定電極7と可動電極8は櫛歯が対向するように配置されている。外部から加速度が印加されると、可動電極8は加速度の印加方向17にしたがって移動し、固定電極7と可動電極8との間隔が狭まるように変化する。その時に静電気力の変化量を検出して加速度を測定する。なお、図３Ａの平面図の下の図は固定電極7と可動電極8の断面の模式図を示している。

ここで、設計値範囲を超える加速度が印加された場合は、図３Ｂに示すように可動電極8は、可動電極全体が力のかかった方向19に移動しながら電極基板4方向または固定基板1方向に移動し、すなわち、固定電極7と可動電極8との間隔方向および可動電極5a，8の厚さ方向（デバイス基板2の厚さ方向）に動いて、固定電極7の上に可動電極8の梁8bが乗り上げた状態（8b'）となる。また、図３Ｃに示すように、可動電極8は、可動電極全体が力のかかった方向19'に移動しながら電極基板4方向または固定基板1方向に移動し、すなわち、可動電極8の梁8bの突き出し方向および可動電極8の厚さ方向に動き、固定電極7の上に可動電極8aの梁8bが乗り上げた状態（8b'）となる。

このような状態が発生するのは，加速度センサ6aの振動体8の厚さT2よりも加速度センサ振動体8と電極基板4とのギャップG1および加速度センサ振動体8と固定基板1とのギャップG2が大きい場合である。すなわち、T2＜G1，T2＜G2の関係となり、図３Ｂ又は図３Ｃのどちらかが成立すると乗り上げ現象が発生する。

一方、角速度センサ6aのセンシング部では、微量発生ガスの影響を抑制する観点から、角速度センサ振動体8と固定基板1とのギャップD2および角速度センサ振動体8と電極基板4とのギャップD1は大きい方が良い。そのため、角速度センサ5の振動体8の厚さT1よりもギャップD1またはギャップD2の少なくともいずれか一方が大きい方が良い。すなわち、T1＜D1またはT1＜D2の関係が良い。T1＜D1かつT1＜D2として、センシング部の室内空間をさらに大きくできれば、より好ましい。

同一のプロセスを用いて形成される複合センサの構造では、角速度センサ5aの振動体8の上下のギャップを角速度センサ5aの振動体8の厚さT1よりも大きくすること（空間体積を増加させること）と、加速度センサ6aの振動体8の上下のギャップを加速度センサ6aの振動体8の厚さT2よりも小さくすることとは、相反する構造となることがわかる。

図４に本発明に係る第二の実施例を示す。図４は加速度および角速度をセンシングする複合センサの断面図を示している。

基板は固定基板1、デバイス基板2、電極基板4，封止基板9の4層構造から構成されている。固定基板1にはSiO2からなる酸化膜を介して、接合部3aによってデバイス基板2が接合されている。デバイス層の上部には接合部3bを介して、電極基板4が配置（接合）されており、固定基板1の下には封止基板9が配置されている構造である。図１と同様に、角速度を測定するセンシング空間5および加速度を測定するセンシング空間6の各々が密閉された空間となっている。

デバイス基板2の角速度を測定するセンシング部（角速度センサ）5aのセンシング空間（室内空間）5は、上下に配置した固定基板1および電極基板4との空間において、圧力雰囲気が100Pa程度真空雰囲気となっている。センシング空間5には固定電極7および可動電極8が形成されている。これは数ミクロンのギャップを有して複数の櫛歯が形成されている。また、デバイス基板2の加速度を測定するセンシング部（加速度センサ）6aのセンシング空間（室内空間）6は、上下に配置した固定基板1および電極基板4との空間において、圧力雰囲気が100000Pa程度の大気圧雰囲気となっている。センシング空間6には固定電極7および可動電極8が形成されている。角速度と同様に数ミクロンのギャップを有して複数の櫛歯が形成されている。

角速度および加速度の物理量のセンシングは、図1と同様の原理である。また、固定基板1、デバイス基板2、電極基板4の接合方法、配線構造、保護膜なども同様の構造である。

固定基板1内には通気路用の貫通孔13が形成されている。貫通孔13は高アスペクト比の加工が可能なドライエッチング加工によって形成されている。貫通孔13は加速度センシング部を大気開放するために設けられている孔であり、少なくとも1個あれば良い。また複数個形成しても機能上、問題はない。

図４のプロセスは、固定基板1に任意の溝1a，1bを高アスペクト比が加工できるシリコンドライエッチング加工によって形成し、その後、デバイス基板2を直接接合によって接合する。その後、別途、任意の溝4a，4bおよび貫通電極を形成した電極基板4を直接接合によって接合すると良い。

また、貫通孔13のプロセスは、固定基板1、デバイス基板2、電極基板4を接合した後、貫通孔13を形成するか、もしくは金属電極工程が完了してから貫通孔13を形成するかのどちらでも良い。

封止基板9の材料はシリコンが好ましいが、パイレックスもしくはテンパックスなどのシリコン材料に線膨張率が近いガラス材料を適用しても良い。この場合の接合法は陽極接合が好ましい。封止基板9の目的は大気圧に近い雰囲気を保持するためであり、水分の進入を防止できる接合法であれば、それ以外の各種接合方法を適用しても良い。

また、複数の基板1，2，4，9を、全てシリコン材料で作製することが最も好ましく、物理量センサ構造体の線膨張率が同一となることから信頼性に優れているセンサを提供できる。

角速度センサ5aのセンシング部は、角速度センサ振動体8と電極基板4とのギャップD1および角速度センサ振動体8と固定基板1とのギャップD2の両者が、T1＜D1またはT1＜D2の関係のように角速度センサ5aの振動体8の厚さT1よりも大きく形成されている。

この構造とすることによって図１に示した角速度センサ5aのセンシング部と比較して空間体積が大きくなり、微量発生ガスによる圧力ばらつきや変化を抑制できる。

一方、加速度センサ6aのセンシング部では、加速度センサ振動体8と電極基板4とのギャップG1および加速度センサ振動体8と固定基板1とのギャップG2の両者がT2＞G1，T2＞G2の関係を有しており、加速度センサ6aの振動体8の厚さT2よりも小さく形成されている。これにより、可動電極8の乗り上げの問題は発生しない。

本実施例では、電極基板4にガラス基板を適用することも可能である。可動電極8の梁の上下に存在するギャップが小さい場合には陽極接合時に発生する静電引力によって接合する基板に可動電極8の梁が付着する課題が存在する。このため、本実施例における加速度センサ振動体8と電極基板4とのギャップG1および加速度センサ振動体8と固定基板1とのギャップG2は加速度センサ6aの振動体8の厚さT2の90%若しくは90%近傍の大きさにするのが良い。前記大きさは加工精度を考慮した値である。例えばT2を50ミクロンとすると、ギャップG1およびギャップG2は45ミクロンとなる。これにより、可動電極8の梁が電極基板4に付着することなく接合できる。

角速度センサのセンシング部に形成された空間、すなわち、固定基板1の溝1a，1bおよび電極基板4の溝4a，4bは高アスペクト比の加工が可能なドライエッチング加工によって形成すると良い。これは、溝の側面を垂直に加工することができるためである。ドライエッチング法によって平面的に曲線を有する形状および複雑な矩形形状などの溝を形成できるためである。

なお、上記の固定基板1の溝1a，1bおよび電極基板4の溝4a，4bは、角速度センシング部5aの可動梁8および加速度センシング部6aの可動梁8と固定基板1および電極基板4との間の各ギャップD1、D2、G1、G2を構成する。

本実施例では、前記に記載した電極基板4の構造だけでなく、電気的導通が得られる材料としてリン等がドーピングされたPoly-Siを貫通電極として適用しても良い。これはPoly-Siが熱的に強く、線膨張率もシリコンと同等であるためである。その他の構造を適用しても本発明の機能を失うものではない。

図５に本発明の物理量センサの実用的なアセンブル方法を示す。制御用ＬＳＩ 20の上に本発明に係る複合センサを搭載し、信号の検出および電気の供給を行うために制御用ＬＳＩ等の電極パッド21とワイヤボンディング22を用いて電気的につなぐと良い。この他にリードフレームおよびコンデンサ等の他部品とともに、樹脂材料を適用してモールド成形することでパッケージ状態を形成するか、もしくは、セラミックスパッケージに搭載しても良い。なお、実施例１の複合センサを図５と同様に構成できることは言うまでもない。

図６に本発明に係る第三の実施例を示す。図６は加速度および角速度をセンシングする複合センサの断面図を示している。

本発明は複合センサに関するものであり、角速度センサ5aおよび加速度センサ6aを自由に組み合わせることが可能である。例えば、X方向とY方向の２軸の加速度センサと１軸の角速度センサ、X方向とZ方向の２軸の加速度センサと１軸の角速度センサ、１軸の加速度センサと２軸の角速度センサなど物理量を測定する複数のセンサと制御用ＬＳＩとを組み合わせて複合センサを形成できる。

そのため、図６に示すように、角速度センサ5aおよび加速度センサ6aを用途に応じて分割した状態でパッケージに配置することが可能である。なお、図６に示す複合センサにおいて、角速度センサ5aおよび加速度センサ6aの内部の構造は実施例２に記載した構造と同じである。図６に示す複合センサにおいて、角速度センサ5aおよび加速度センサ6aの内部の構造を実施例１に記載した構造と同じにしてもよい。

すなわち、本発明では、上述したT1＜D1またはT1＜D2の少なくともいずれか一方の関係が満たされ、上述したT2＞G1およびT2＞G2の関係が満たされていれば、角速度センサと加速度センサとが分割されていても良い。

センサエレメントのコストは1枚のシリコンウエハからどのくらいの個数が取得できるかによって変化する。すなわち、センサエレメントを小型化すればするほど、1枚のシリコンウエハから取得できるセンサエレメント数が増加し、コストを低減することができる。

微量発生ガスによって、物理量センサの密閉された角速度センシング部の圧力は、目標の圧力と比較して低下するか、もしくはセンサエレメント間の圧力ばらつきが大きくなる。そのため、前記センシング部の空間体積は広い方が良い。しかし、前述したように低コスト化のためには小型化が不可欠であり、センサエレメントを大きくすることはできない。上述した各実施例では、シリコンウエハの横方向に空間体積を増加させるのではなく、縦方向（基板の厚さ方向）に空間を広げることによって、低コスト化を実現し、センシング部の圧力低下もしくは圧力ばらつきを低減するものである。

また、基板の接合方法として、電気的に導通する金属接合を適用することも可能である。例えば、金とシリコンの共晶接合、金―錫の共晶接合、アルミニウムとゲルマニウムの共晶接合等、各種の金属接合方法を適用できる。

複合センサでは、センシング部の圧力が異なる加速度センサ6aを複数配置することも可能である。この場合、高感度の加速度センサおよび低感度の加速度センサを組み合わせることができるため、異なる加速度を同時に計測することが可能となる。

また、上述の各実施例によれば、真空中に保持した状態で発生する微量発生ガス（アウトガス）または接合時の温度加熱によって発生する微量発生ガスの影響を考慮して、密閉空間にガスを吸着する吸着材を設置することなく、微量発生ガスの影響を低減できるので、吸着材の形成プロセスが不要であり、コストの増加を防ぐことができる。

また、微量発生ガスの影響を低減でき、可動梁8の乗り上げの課題を解決できるほか、物理量センサ構造体の線膨張率が一定となることから、使用環境における温度変化に対しても構造的な変化率が小さくなり、信頼性に優れた複合センサを提供できる。

また、複合センサは制御ＬＳＩとともに一つのセラミックス材料または樹脂材料からなるパッケージ内に配置されることによって、信頼性に優れた物理量センサを提供できる。

また、複合センサは、角速度センサ5aと加速度センサ6aは各雰囲気圧力で密閉された状態であることから、複合センサは必ずしも一体だけでなく、加速度センサ6aと角速度センサ5aとを分割された状態で、制御ＬＳＩとともに一つのセラミックス材料または樹脂材料からなるパッケージ内に配置することが可能である。

角速度センサ5aと加速度センサ6aの振動体上下に配置するギャップはシリコンの高アスペクト比の溝を加工できるドライエッチング加工法によって形成することが好ましい。これにより、シリコン加工穴の側面を垂直形状とすることができる。これに対して、シリコンのウエットエッチング法では、平面が(100)ウエハを適用した場合、加工穴の側面には(111)結晶面からなる斜面が形成されるため、角速度センサ5aの振動体8周辺の体積が減少することになる。また、凸部は角落ち現象によって形状崩れが発生することになる。

固定基板1、デバイス基板2、電極基板4の接合方法にはシリコンの直接接合を適用することが好ましい。３枚の基板の内、少なくとも２枚の基板の接合にシリコンの直接接合を適用することによって、接合前に加速度センサ6aおよび角速度センサ5aの振動体8の上下ギャップを任意の深さに設定することができる。

なお、加速度センサ6aのセンシング雰囲気を大気圧近傍にするには、加速度センサ6aの密閉空間の一部に貫通孔13を形成し、センシング雰囲気を大気圧近傍にした後で、前記孔13を封止するとよい。もしくは、別の基板を貼りつけて封止する構造を適用してもよい。

上記各実施例では、角度センサ5aのセンシング空間5の高さ方向寸法（基板積層方向の寸法）が加速度センサ6aのセンシング空間の高さ方向寸法よりも大きい構造を有する。これにより、微量発生ガスの影響を受け易いセンシング空間5の容積を大きくすることが可能である。

上述したギャップD1、ギャップD2、ギャップG1およびギャップG2は各ギャップ長の寸法を表し、ギャップ長D1、ギャップ長D2、ギャップ長G1およびギャップ長G2という場合もある。角速度センサ振動体（可動梁）8の厚さT1および加速度センサ振動体（可動梁）8の厚さT2は、各振動体（可動梁）8を形成するデバイス基板2の厚さ方向の寸法であり、上記ギャップD1、ギャップD2、ギャップG1およびギャップG2のギャップ長方向の寸法である。

なお、本発明は上記した各実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

1…固定基板、2…デバイス基板、3…接合部、4…電極基板、5…角速度のセンシング空間、6…加速度のセンシング空間、7…固定電極、8…可動電極、9…封止基板、10…接合材料、11…低抵抗シリコン、12…埋め込み材料、13…貫通孔、14…金属電極、15…poly-Si材料、16…酸化膜、17…加速度の印加方向、18…金属配線、19…力の印加方向、20…制御LSI、21…制御LSI上の電極パッド、22…金ワイヤ、T1…角速度センサの振動体の厚さ、D1…角速度センサ振動体と電極基板とのギャップ、D2…角速度センサ振動体と固定基板とのギャップ、T2…加速度センサの振動体の厚さ、G1…加速度センサ振動体と電極基板とのギャップ、G2…加速度センサ振動体と固定基板とのギャップ。

Claims (7)

1. 固定基板、デバイス基板、電極基板の少なくとも３つの基板が積層された３層構造を有し、加速度を測定するセンシング部と角速度を測定するセンシング部とがそれぞれ密閉された構造を有し、加速度を測定するセンシング部および角速度を測定するセンシング部を前記デバイス基板によって形成した固定梁と可動梁とを有する静電容量式センサとして構成し、角速度センシング部の室内圧力を加速度センシング部の室内圧力よりも低くした複合センサにおいて、
   角速度センシング部の固定梁および可動梁に対して電極基板側に形成されたギャップ長の寸法D1又は固定基板側に形成されたギャップ長の寸法D2の少なくともいずれか一方は、前記角速度センシング部の可動梁の厚さ寸法T1よりも大きく、
   かつ加速度センシング部の固定梁および可動梁に対して電極基板側に形成されたギャップ長の寸法G1および固定基板側に形成されたギャップ長の寸法G2は、加速度センシング部の可動梁の厚さ寸法T2よりも小さいことを特徴とする複合センサ。
2. 請求項１に記載の複合センサにおいて、
   ギャップ長の寸法D1およびギャップ長の寸法D2は、前記角速度センシング部の可動梁の厚さ寸法T1よりも大きいことを特徴とする複合センサ。
3. 請求項２に記載の複合センサにおいて、
   固定基板、デバイス基板、電極基板の３層構造は全てシリコン材料から構成されたことを特徴とする複合センサ。
4. 請求項３に記載の複合センサにおいて、
   角速度センシング部の可動梁および加速度センシング部の可動梁と、固定基板および電極基板との間の各ギャップを構成する固定基板および電極基板に形成された溝は、シリコンのドライエッチング加工によって形成されたものであることを特徴とする複合センサ。
5. 請求項４に記載の複合センサにおいて、
   固定基板、デバイス基板、電極基板の少なくとも２枚の基板が、シリコンの直接接合により接合されたことを特徴とする複合センサ
6. 請求項５に記載の複合センサにおいて、
   制御用ＬＳＩと一体化されて一つのパッケージに配置されたことを特徴とする複合センサ。
7. 請求項６に記載の複合センサにおいて、
   角速度センシング部と加速度センシング部とが分割された状態で制御用ＬＳＩと一体化されたことを特徴とする複合センサ。

Images