JP6424780B2 - 力学量センサ - Google Patents

Description

本発明は、圧力等の力学量に応じて変位する薄肉部を有する力学量センサに関する。

従来より、この種の力学量センサとして、次のような圧力センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

具体的には、この圧力センサは、第１基板に第２基板が接合されている。そして、第１基板においては、第２基板と接合される一面と反対側の他面から当該一面側に薄肉部を構成する凹部が形成され、薄肉部に圧力に応じて抵抗値が変化するゲージ抵抗が形成されている。

また、第２基板においては、第１基板の一面と接合される一面のうち凹部と対向する部分に、窪み部が形成されている。この窪み部は、第１基板との間に封止空間としての基準圧力室を構成するものであり、当該基準圧力室にゲージ抵抗を封止している。

このような圧力センサは、第１基板における薄肉部が、圧力に応じて変位するダイアフラムとして構成される。そして、当該薄肉部に圧力が印加されると、薄肉部が変位してゲージ抵抗の抵抗値が変化するため、抵抗値に応じた電気信号がセンサ信号として出力される。

このような圧力センサは、第１基板に凹部およびゲージ抵抗を形成すると共に第２基板に窪み部を形成した後、第１基板と第２基板とを貼り合わせることにより製造される。

特開２０１２−１９５４４２号公報

しかしながら、上記圧力センサでは、第２基板における窪み部のところの薄肉部分が、封止空間内の圧力や両基板の貼り合わせ時の成形圧力、あるいは、センサを測定部材に組み付けるときに印加される圧力等により、基板厚さ方向に変形しやすく、ダメージを受けやすい。

そのため、この第２基板における窪み部による薄肉部分の機械的強度の向上が要望される。ここで、単純には、第２基板における窪み部による薄肉部分を厚くするために、第２基板全体を厚いものとすればよい。しかし、この場合、圧力センサにおける第２基板の厚さ方向への体格が大型化することとなり、好ましくない。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、薄肉部を有する第１基板と薄肉部に対応した部位に窪み部を有する第２基板とを貼り合わせてなる圧力センサにおいて、第２基板を厚くすることなく、第２基板における窪み部による薄肉部分の機械的強度を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、一面（１０ａ）および一面と反対側の他面（１０ｂ）を有し、一面側に薄肉部（１５ａ）を構成する凹部（１５）が他面側に形成されている第１基板（１０）と、第１基板の一面と接合される一面（２０ａ）を有し、一面のうち凹部と対向する部分に、第１基板との間に封止空間（３０）を構成する窪み部（２０ｃ）が形成された第２基板（２０）と、を備え、
窪み部の底部には、第２基板における窪み部による薄肉部分が第２基板の厚さ方向へ変形するのを抑制するための梁（４０）が、設けられていることを特徴とする力学量センサが提供される。

それによれば、第２基板における窪み部による薄肉部分を厚くしなくても、当該薄肉部分は、梁によって厚さ方向への変形を抑制されるから、第２基板を厚くすることが不要となる。よって、本発明によれば、第２基板を厚くすることなく、第２基板における窪み部による薄肉部分の機械的強度を向上させることができる。

ここで、請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載の力学量センサにおいては、さらに、窪み部の底部には、第１基板における薄肉部の第１基板の厚さ方向への過大な変形を抑制するストッパとしての突起（５０）が設けられていることが好ましい。

それによれば、圧力印加等により第１基板の薄肉部が、第２基板側に向かって厚さ方向に変形したとき、当該薄肉部が突起に当たって過大な変形が止められるため、当該薄肉部のダメージも防止しやすくなる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した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を示す一例である。

本発明の第１実施形態にかかる力学量センサとしての圧力センサを示す概略断面図である。 図１に示される圧力センサにおける第２基板の窪み部の平面構成を示す概略平面図である。 上記第１実施形態における効果を示すための第２基板における貫通電極部の近傍を模式的に示す断面図である。 上記第１実施形態における第１の変形例としての第２基板の窪み部の平面構成を示す概略平面図である。 上記第１実施形態における第２の変形例としての第２基板の窪み部の平面構成を示す概略平面図である。 本発明の第２実施形態にかかる第１の例としての圧力センサにおける第２基板の窪み部の平面構成を示す概略平面図である。 上記第２実施形態にかかる第２の例としての圧力センサにおける第２基板の窪み部の平面構成を示す概略平面図である。

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、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかる力学量センサついて、図１、図２を参照して述べる。本実施形態では、力学量センサを、たとえば自動車などの車両に搭載され、車両用の各種電子装置を駆動するための圧力センサとして適用したものとして述べる。

図１に示されるように、本実施形態の圧力センサは、センサ基板としての第１基板１０に、キャップとしての第２基板２０が接合された構成とされている。

第１基板１０は、支持基板１１、絶縁膜１２、半導体層１３が順に積層され、矩形板状とされたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板１４を用いて構成されている。そして、半導体層１３のうち絶縁膜１２側と反対側の面が第１基板１０の一面１０ａとされ、支持基板１１のうち絶縁膜１２側と反対側の面が第１基板１０の他面１０ｂとされている。

なお、本実施形態では、ＳＯＩ基板１４が第１基板１０を構成する半導体基板に相当している。また、支持基板１１および半導体層１３としてシリコン基板が用いられ、絶縁膜１２として酸化膜（ＳｉＯ２）等が用いられる。この第１基板１０には、他面１０ｂ側に凹部１５が形成されることにより、この凹部１５の底部として一面１０ａ側に薄肉部１５ａが構成されている。

具体的に、支持基板１１には、一端部側（図１中、紙面右側の端部側）に絶縁膜１２に達する断面矩形状の凹部１５が形成されて薄肉部１５ａが構成されている。本実施形態では、この薄肉部１５ａは、凹部１５の底面となる絶縁膜１２および半導体層１３で構成されている。

なお、本実施形態では、凹部１５の底面すなわち薄肉部１５ａは、平面形状が矩形状とされている。そして、薄肉部１５ａのうち半導体層１３には、センシングを行うセンシング素子として、圧力によって抵抗値が変化するゲージ抵抗１６が形成されている。このゲージ抵抗１６は、拡散抵抗等よりなる。

そして、半導体層１３には、薄肉部１５ａよりも他端部側（図１中、紙面左側の端部側）に配線層１７が形成されている。この配線層１７は、半導体層１３内を適宜引き回されることにより、図１とは異なる別断面において、各ゲージ抵抗１６の接続点と電気的に接続されている。

第２基板２０は、一面２１ａおよび他面２１ｂを有するシリコン基板２１と、シリコン基板２１の一面２１ａに形成され、シリコン基板２１および半導体層１３と異なる熱膨張係数を有する絶縁膜２２と、シリコン基板２１の他面２１ｂに形成された絶縁膜２３とを有している。そして、シリコン基板２１の一面２１ａ側の絶縁膜２２が、第１基板１０の一面１０ａを構成する半導体層１３と接合されている。

また、これらシリコン基板２１の一面２１ａに形成された絶縁膜２２と、シリコン基板２１の他面２１ｂに形成された絶縁膜２３とは、酸化膜（ＳｉＯ２）等の絶縁材料で構成されている。

なお、本実施形態では、シリコン基板２１の一面２１ａ側の絶縁膜２２のうちシリコン基板２１側と反対側の面が、第２基板２０の一面２０ａとされ、シリコン基板２１の他面２１ｂ側の絶縁膜２３のうちシリコン基板２１側と反対側の面が、第２基板２０の他面２０ｂとされている。

また、本実施形態では、第２基板２０において、シリコン基板２１が、第１基板１０と対向する一面２１ａを有する基板に相当し、一面２０ａ側の絶縁膜２２が、接合部材に相当している。

そして、第２基板２０においては、シリコン基板２１のうち第１基板１０の薄肉部１５ａと対向する部分に、窪み部２０ｃが形成されている。この窪み部２０ｃは、シリコン基板２１の一面２１ｃ側をエッチングする等により形成されている。この窪み部２０ｃについては、図２も参照して、後で詳しく述べることとする。

これにより、第１基板１０と第２基板２０との間には、基準圧力室３０が構成されている。この基準圧力室３０は、第１基板１０と窪み部２０ｃとの間の空間によってゲージ抵抗１６を封止する封止空間に相当する。たとえば、第１基板１０と第２基板２０とを、真空条件下で接合する場合、基準圧力室３０は真空圧とされる。

また、図１に示されるように、第２基板２０には、第２基板２０の一面２０ａから当該一面とは反対側の他面２０ｂまで貫通する、つまり、第２基板２０を厚さ方向に貫通する複数の貫通電極部２４が形成されている。

具体的には、各貫通電極部２４は、シリコン基板２１および絶縁膜２２、２３を貫通して配線層１７を露出させる貫通孔２４ａを備えている。そして、各貫通電極部２４は、この貫通孔２４ａと、貫通孔２４ａの壁面に形成された絶縁膜２４ｂと、この絶縁膜２４ｂ上に形成され且つ配線層１７と電気的に接続された貫通電極２４ｃとを備えて形成されている。

そして、貫通電極２４ｃと接続されて絶縁膜２３上に配置された部分がワイヤ等を介して外部回路と電気的に接続されるパッド部２４ｄとされている。なお、この貫通電極部２４において、絶縁膜２４ｂとしては、例えば、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）等が用いられ、貫通電極２４ｃおよびパッド部２４ｄとしては、例えば、アルミニウム等が用いられる。

ここで、第２基板２０の窪み部２０ｃについて、図１に加えて図２も参照して、さらに述べることとする。なお、図２および後述する図４、図５には、参照として、第１基板１０の薄肉部１５ａの外形、つまり凹部１５の底部の外形を破線にて示してある。

図１、図２に示されるように、窪み部２０ｃの底部には、梁４０が設けられている。図２に示される例では、梁４０は、窪み部２０ｃの底部の周辺部にて当該底部より突出し、矩形枠状に配置された凸部分として、構成されている。そして、ここでは、梁４０は、矩形状をなす窪み部２０ｃの底部の各辺に沿った矩形枠状とされている。

この梁４０により、第２基板２０における窪み部２０ｃによる薄肉部分が第２基板２０の厚さ方向へ変形することが抑制されている。さらに言えば、この梁４０は、第２基板２０における窪み部２０ｃによる薄肉部分について、厚さ方向に加わる圧力に対する機械的強度を向上させる補強部として、構成されている。

また、本実施形態では、図１、図２に示されるように、さらに、窪み部２０ｃの底部には、梁４０とは別体に、ストッパとしての突起５０が設けられている。図２に示される例では、突起５０は、窪み部２０ｃの底部のうち第１基板１０の薄肉部１５ａの中央部に対応する部位に設けられている。そして、上記のように、梁４０は、窪み部２０ｃの底部のうち突起５０の周辺側に設けられた形とされている。

この突起５０も、窪み部２０ｃの底部より突出するものであり、第１基板１０における薄肉部１５ａが第１基板１０の厚さ方向にて第２基板２０側へ変形したときに、その過大な変形を抑制するストッパとして機能するものである。具体的には、薄肉部１５ａが過大な変形を行ったとき、薄肉部１５ａが突起５０に当たって、それ以上変形しないようになっている。

さらに言えば、薄肉部１５ａが過大な変形を行ったときに、最初に当たるのは突起５０であり、梁４０に当たることは抑制される。そのため、突出高さについて言えば、突起５０と梁４０とは同等であるか、もしくは、突起５０の方が梁４０よりも大きい方が望ましいと言える。

このような梁４０および突起５０は、第２基板２０の一面２０ａにて窪み部２０ｃを形成するとき、第２基板２０の半導体部分すなわちシリコン基板２１をエッチングする等により、窪み部２０ｃとともに形成される。窪み部２０ｃをエッチングする場合、たとえば、窪み部２０ｃのうち梁４０や突起５０の部分をそれ以外の部分に対して、エッチング深さを選択的に変えてやればよい。

また、上述したが、第１基板１０の薄肉部１５ａには、センシング素子としてのゲージ抵抗１６が設けられている。そして、配線層１７は、図１に示されるように、第１基板１０の一面１０ａ側すなわち半導体層１３にて、ゲージ抵抗１６と電気的に接続されて薄肉部１５ａから薄肉部１５ａ以外の部位へ延びるものとされている。

また、上述したが、図１に示されるように、貫通電極部２４は、第２基板２０のうち窪み部２０ｃ以外の部位に設けられ、第２基板２０の一面２０ａから他面２０ｂまで貫通して配線層１７と電気的に接続されている。ここで、図１に示されるように、貫通電極部２４は、第２基板２０の他面２０ｂから一面２０ａに向かって径が小さくなる円錐形をなすものとされている。

そして、このような圧力センサは、第１基板１０における薄肉部１５ａが、圧力に応じて変位するダイアフラムとして構成される。そして、第１基板１０の他面１０ｂ側から、この薄肉部１５ａに圧力が印加されると、薄肉部１５ａが変位してゲージ抵抗１６の抵抗値が変化するため、抵抗値に応じた電気信号がセンサ信号として出力される。

このような圧力センサは、上記特許文献１等に示される従来のものと同様にして製造される。具体的には、第１基板１０にエッチングにより凹部１５を形成するとともに、半導体プロセスによりゲージ抵抗１６や配線層１７等を形成する。

一方で、第２基板２０にエッチングにより窪み部２０ｃ、梁４０、突起５０を形成するとともに、半導体プロセスにより貫通電極部２４等を形成する。そして、第１基板１０と第２基板２０とを貼り合わせる。これにより、圧力センサが製造される。

ところで、本実施形態によれば、第２基板２０における窪み部２０ｃによる薄肉部分を厚くしなくても、当該薄肉部分は、梁４０によって厚さ方向への変形を抑制されるから、第２基板２０を厚くすることが不要となる。よって、本実施形態によれば、第２基板２０を厚くすることなく、第２基板２０における窪み部２０ｃによる薄肉部分の機械的強度を向上させることができる。

また、本実施形態によれば、さらに、窪み部２０ｃの底部には、ストッパとしての突起５０が設けられている。そのため、圧力印加等により第１基板１０の薄肉部１５ａが、第２基板２０側に向かって厚さ方向に変形したとき、薄肉部１５ａが突起５０に当たって過大な変形が止められるから、薄肉部１５ａのダメージも防止しやすくなる。

また、本実施形態によれば、窪み部２０ｃの底部において、突起５０は、第１基板１０の薄肉部１５ａの中央部に対応する部位に設けられ、梁は、突起５０の周辺側に設けられている。

第１基板１０の薄肉部１５ａにおいては、圧力印加等によって厚さ方向に最大変位しやすいのは、中央部である。そのため、上記のように突起５０を薄肉部１５ａの中央部に対向させれば、薄肉部１５ａのうちで最大変位しやすい中央部にて過大な変形を止めることができ、薄肉部１５ａのダメージ防止の点で望ましい。

また、上述したように、第２基板２０における窪み部２０ｃによる薄肉部分は、厚くしなくても、梁４０によって厚さ方向への変形を抑制されるから、第２基板２０を厚くすることが不要となり、むしろ、梁４０の効果により、第２基板２０全体を薄くすることも可能である。

そうすると、この場合、第１基板１０と第２基板２０とを合わせた厚さ方向、つまり、第１基板１０と第２基板２０の積層方向へのセンサ体格を小型化することができる。

また、図３に示されるように、第２基板２０全体の厚さを厚さＴ１から厚さＴ２へと薄くした場合、円錐形の貫通電極部２４において第２基板２０の他面２０ｂに位置する部分の径を、径Ｄ１から径Ｄ２まで小さくできる。

つまり、第２基板２０全体を薄くした場合、第２基板２０の他面２０ｂ側から視て、貫通電極部２４の平面サイズを小さくすることができ、第２基板２０の他面２０ｂにおける貫通電極部２４の占有スペースを低減できるという利点もある。

ここで、図４、図５を参照して、窪み部２０ｃの底部における梁４０および突起５０の変形例について述べておく。図４、図５ともに、窪み部２０ｃの底部において、突起５０は、第１基板１０の薄肉部１５ａの中央部に対応する部位に設けられ、梁は、突起５０の周辺側に設けられている。

ここで、図４に示される第１の変形例では、梁４０は矩形枠状に配置された凸部分として、構成されているが、上記図２のものに比べて、本例の梁４０は、突起５０を中心に４５°程度、回転した位置とされている。また、図５に示される第２の変形例では、梁４０は、矩形状をなす窪み部２０ｃの底部の対向する２辺に沿った２本の棒状のものとされている。

これら、図４、図５の例によっても、上記した本実施形態における梁４０および突起５０の効果が発揮される。なお、突起５０については、第１基板１０の薄肉部１５ａの中央部に対応した位置に設けられているが、突起５０は、１個ではなく複数個の集合体よりなるものであってもよい。

さらに言えば、梁４０および突起５０の配置位置や形状、個数については、これら変形例に限定されるものではなく、上記した本実施形態の効果を奏するものであれば、適宜、設計変更可能であることはもちろんである。ただし、いずれにせよ、突起５０は、第１基板１０の薄肉部１５ａの中央部に対応する部位に設けられた方が望ましいことは、上述のとおりである。

また、上記図２、図４、図５では、第２基板２０の窪み部２０ｃの平面サイズが第１基板１０の薄肉部１５ａの平面サイズよりも一回り大きいものであった。しかし、第１基板１０の薄肉部１５ａの平面サイズが第２基板２０の窪み部２０ｃの平面サイズと同等か、それよりも一回り大きいものであってもよい。

（第２実施形態）
図６、図７を参照して、本発明の第２実施形態について、上記第１実施形態との相違点を中心に述べることとする。上記第１実施形態では、上記図１、図２に示したように、窪み部２０ｃの底部には、梁４０とは別体に、突起５０が設けられていた。

これに対して、図６、図７に示されるように、本実施形態では、梁４０と突起５０とは、窪み部２０ｃの底面（つまり底部）より突出する連続した一体の部材として形成されている。

図６に示される第１の例では、この一体の部材は、４個の先端部が矩形状の窪み部２０ｃの底部の各辺に位置する十字形状のパターンをなしている。また、図７に示される第２の例では、この一体の部材は、４個の先端部が矩形状の窪み部２０ｃの各隅部に位置する十字形状のパターンをなしている。

そして、各例における十字形状のパターンをなす一体の部材において、薄肉部１５ａの中央部に対応した部位に位置する十字の交差部が突起５０を構成し、当該交差部から延びる棒状の部分が梁４０を構成している。つまり、梁４０の一部が突起５０を兼用した構成を実現しているともいえる。

（他の実施形態）
なお、第２基板２０を厚くすることなく、第２基板２０における窪み部２０ｃによる薄肉部分の機械的強度を向上させるという効果を発揮するためには、少なくとも梁４０だけあればよく、突起５０は無い構成であってもよい。

また、梁４０や突起５０は、第２基板２０のシリコン基板２１自身のエッチングによりシリコン基板２１よりなるものとして形成されることに限定するものではなく、シリコン基板２１とは別材質にて形成されたものであってもよい。たとえば、窪み部２０ｃの底部に別途、樹脂膜やシリコン酸化膜、シリコン窒化膜等の絶縁膜を選択的に形成することにより、これを梁４０や突起５０として構成するようにしてもよい。

また、上記各実施形態では、第１基板１０の薄肉部１５ａを、圧力検出を行うダイアフラムとして構成されたものとすることで、力学量センサとしての圧力センサが構成されていた。しかし、力学量センサとしては圧力センサに限定されるものではなく、加速度センサ等であってもよい。この場合、たとえば、第１基板１０の薄肉部１５ａを、センシング素子としての可動電極や固定電極等を構成する櫛歯構造体がパターニング形成されたものとすればよい。

また、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、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能であり、また、上記各実施形態は、上記の図示例に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。

１０ 第１基板
１０ａ 第１基板の一面
１０ｂ 第１基板の他面
１５ 凹部
１５ａ 薄肉部
２０ 第２基板
２０ａ 第２基板の一面
２０ｃ 窪み部
３０ 封止空間
４０ 梁

Claims (7)

1. 一面（１０ａ）および前記一面と反対側の他面（１０ｂ）を有し、前記一面側に薄肉部（１５ａ）を構成する凹部（１５）が前記他面側に形成されている第１基板（１０）と、
   前記第１基板の一面と接合される一面（２０ａ）を有し、前記一面のうち前記凹部と対向する部分に、前記第１基板との間に封止空間（３０）を構成する窪み部（２０ｃ）が形成された第２基板（２０）と、を備え、
   前記窪み部の底部には、前記第２基板における前記窪み部による薄肉部分が前記第２基板の厚さ方向へ変形するのを抑制するための梁（４０）が、設けられている力学量センサ。
2. さらに、前記窪み部の底部には、前記第１基板における前記薄肉部の前記第１基板の厚さ方向への過大な変形を抑制するストッパとしての突起（５０）が設けられている請求項１に記載の力学量センサ。
3. 前記突起は、前記窪み部の底部のうち前記第１基板の前記薄肉部の中央部に対応する部位に設けられ、
   前記梁は、前記窪み部の底部のうち前記突起の周辺側に設けられている請求項２に記載の力学量センサ。
4. 前記梁と前記突起とは、前記窪み部の底面より突出する連続した一体の部材として形成されている請求項２または３に記載の力学量センサ。
5. 前記薄肉部には、センシングを行うセンシング素子（１６）が設けられており、
   前記第１基板の一面側には、前記センシング素子と電気的に接続されて前記薄肉部から前記薄肉部以外の部位へ延びる配線層（１７）が設けられており、
   前記第２基板のうち前記窪み部以外の部位には、前記第２基板の一面から当該一面とは反対側の他面（２０ｂ）まで貫通し前記配線層と電気的に接続された貫通電極部（２４）が設けられており、
   前記貫通電極部は、前記第２基板の他面から前記第２基板の一面に向かって径が小さくなる円錐形をなすものである請求項１ないし４のいずれか１つに記載の力学量センサ。
6. 前記第２基板は、前記第１基板と対向する一面（２１ａ）を有する基板（２１）と、
   前記第２基板を構成する前記基板（２１）の一面（２１ａ）に形成され、前記第２基板を構成する前記基板（２１）および前記第１基板と熱膨張係数の異なる材料で構成された接合部材（２２）と、を有し、
   前記接合部材が前記第１基板の一面と接合されたものであり、
   前記窪み部は、前記第２基板を構成する前記基板（２１）に形成されている請求項１ないし５のいずれか１つに記載の力学量センサ。
7. 前記第１基板は、支持基板（１１）、絶縁膜（１２）、半導体層（１３）が順に積層された半導体基板であり、
   前記凹部は、前記支持基板のうち前記絶縁膜と反対側の面から前記絶縁膜に達するまで形成され、
   前記薄肉部は、前記凹部の底面を構成する前記絶縁膜および前記半導体層にて構成されている請求項１ないし６のいずれか１つに記載の力学量センサ。

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