传感器装置及其制造方法

专利名称：传感器装置及其制造方法
技术领域：
本发明涉及传感器例如加速度传感器和陀螺传感器及其制造方法。
背景技术：
近年来，通过使用微加工技术来制造小型传感器装置诸如加速度传 感器和陀螺传感器的方法已经引起极大的关注。
例如，日本专利早期/〉开No. 2005-292117 乂>开了一种陀螺传感器， 其包括通过使用硅基板形成的传感器单元和通过使用玻璃基板分别形成 的第一和第二封^S4！ (packagesubstrate)。在该传感器单元中，感测部 的一部分在配置于框架部件内部的可移动部上形成。第一封^141具有电 连接至感测部的通孔布线。第 一封*141在框架部的整个外周上与传感器 单元的表面结合。第二封*^1在框架部件的整个外周上与传感器单元的 其他表面结合。
然而，在该陀螺传感器中，由于传感器单元通过阳^l掩^而结合于封 装基板，所以存在以下问题由于硅和玻璃之间的线性膨胀系数的差异所 导致的热应力的影响，增加了传感器特性的变化。另外，即^^当通过4吏用 相同的>^41作为传感器单元形成封*^1时，但由于由高温结合过程如 回流焊接而在结合部处所形成残余应力，也可出现传感器特性的变化。
另外，在其中使用传感器单元的一部分作为电极例如可移动电极和静 止电极的传感器装置例如上述陀螺传感器中，使用电阻率比适合于形成集
成电路的珪^ijM目对更小的硅a作为传感器单元的^^i41。由此可降低
电极的阻抗分量以实现高性能。然而，由于封装基板和传感器单元容易作 为外生噪声传播通道，因此噪声分量会与感测部的输出信号重叠。在这种 情况下，产生抗电噪声性下降的问题。

发明内容
因此，考虑到上述问题，本发明首先涉及提供具有小的传感器特性变 化(variation)和改善的抗电噪声性的传感器装置。即，本发明的传感器装置包括传感器单元和封^板，所述传感器 单元包括由半导体材料制成并具有开口的框架、保持在所述开口内的相对 于框架可移动的可移动部和配置为根据可移动部的位置移动输出电信号 的检测部，所述封装基敗由半导体材料制成并与传感器单元的表面结合；
其中与封装基板结合的框架的区域具有框架的活化表面和在所述框架 上形成的电绝缘膜的活化表面中的 一个；
与框架结合的封^^板的区域具有封装基板的活化表面和在所述封装 基敗上形成的电绝缘膜的活化表面中的一个；和
在传感器单元和封^41之间的结合是在至少 一个电绝缘膜存在下各 活化表面之间的无扩散的固相直接结合。
根据本发明，由于传感器单元和封^^1均是使用半导体^1形成的， 因此可降低由于其间线性膨胀系数的差异而导致的热应力的影响和减小 传感器特性的变化。此外，由于传感器单元通过电绝缘膜结合于封*^1， 因此可防止抗电噪声性的下降。而且，由于传感器单元通过无扩散的固相 直接结合来与封^i4l结合，因此可避免在使用热处理例如回流焊接的结 合方法的情况下，由于在结合部的残余应力而出现传感器特性的变化的问 题。
为了获得具有优良的结合强度的固相直接结合，优选活化表面是等离 子体处理的表面、离子束辐照的表面和原子束辐照的表面的任意一种。
此外，传感器单元和封装^L之间的结合是如下的任意一种在框架 上形成的氧化硅电绝缘膜的活化表面与在封装基板上形成的氧化硅电绝 缘膜的活化表面之间的固相直接结合、在形成框架的珪的活化表面与在所 述封装基板上形成的氧化硅电绝缘膜的活化表面之间的固相直接结合、和
表面之间的"固相直接结合。 、 一 '、、土 '
此外，为改善气密性和结合可靠性，优选在框架上形成的电绝缘膜和 在封装基板上形成的电绝缘膜中的至少其一由环状的外绝缘膜和环状的 内绝缘膜构成，所述环状的外绝缘膜形成为包围可移动部，所述环状的内 绝缘膜形成为包围在外绝缘膜内侧的可移动部。此外，为了进一步改善通 过形成外和内绝缘膜而提供的传感器单元的气密性，特别优选在框架上形成的电绝缘膜和在封^^上形成的电绝缘膜的均由外绝缘膜、内绝缘膜 和配置为在外绝缘膜和内绝缘膜之间进行连接的辅助绝缘膜构成，辅助绝 缘膜在内绝缘膜的外周方向上彼此间隔预定距离的多个位置处形成，外绝 缘膜之间的结合、内绝缘膜之间的结合以及辅助绝缘膜之间的结合均是通 过固相直接结合来提供的。
在上述传感器装置中，优选在传感器单元的框架上安装可以与检测部 联合操作的集成电路。在这种情况下，与使用用于形成电路部分的另一半 导体J41相比，由于在包括传感器单元的可移动部的感测部与集成电^ 间的布线距离变短，因此难以受到噪声的影响。此外，有效地实现了传感 器装置的安装区域和厚度的减小。
根据本发明的一个优选实施方案的传感器单元是一种陀螺传感器单 元。在该陀螺传感器单元中，可移动部包括通过振动装置振动的第一块体
(mass body)和连接于第一块体的第二块体，检测部配置为将在第一块体 振动过程中施加转动力时所导致的第二块体的位置移动转换为电信号。
此外，优选传感器单元在其相a面中的一个处与封装基&结合，而 在另一个表面处与第二封U板结合，传感器单元和第二封*^之间的 结合是在传感器单元上形成的表面活化区域与在第二封装基板上形成的 表面活化区域之间的无扩散的固相直接结合。而且，当框架包括形成为包 围可移动部的环状第一金属层和在比第一金属层更靠近可移动部的侧上 形成且与检测部电连接的第二金属层，并且第二封^敗包括通孔布线、 在面对第一金属层的位置处形成的环状结合金属层和在面对第二金属层 的位置处形成且电连接通孔布线的布线金属层时，特别优选传感器单元和 第二封装基板之间的结合是通过在第 一金属层和结合金属层的活化表面 之间的无扩散的固相直接结合以及在第二金属层和布线金属层的活化表 面之间的无扩散的固相直接结合来提供。
本发明还涉及提供制造上述传感器装置的方法。即，该制造方法包括 以下步骤提供传感器单元，该传感器单元包括由半导体材料制成并具有 开口的框架、保持在所述开口内的相对于框架可移动的可移动部和配置为 根据可移动部的位置移动而输出电信号的检测部；提供由半导体材料制成 的封装基板；在减压气氛下实施表面活化处理以形成框架的活化表面和在 该框架上形成的电绝缘膜的活化表面中的一个，和封^i4l的活化表面和 在该封^141上形成的电绝缘膜的活化表面中的 一个；并且在表面活化处理之后，在至少一个电绝缘膜存在下，在室温下形成活化表面之间的直接 结合。
当需要将传感器装置内部保持在期望的气氛中时，优选在相同的腔室 中实施表面活化处理和形成直接结合的步骤，并且在形成直接结合的步骤 之前和在该表面活化处理之后，实施气氛调节步骤以将腔室内部调节至期 望的气氛。例如，当传感器单元是加速度传感器时，优选气氛调节步骤包 括将惰性气体引入腔室的内部。另一方面，当传感器装置是陀螺传感器时， 优选该气氛调节步骤包括调节腔室内的真空度，使得在和表面活化处理不 同的减压气氛(更高的真空气氛)下实施形成直接结合的步骤。


图l是根据本发明第一实施方案的陀螺传感器装置的截面示意图2是该陀螺传感器装置的侧面示意图3是该陀螺传感器装置的传感器单元的平面示意图4是该陀螺传感器装置的传感器单元的相关部分的放大图5是该陀螺传感器装置的第二封*1^的平面示意图6是该陀螺传感器装置的第二封^J4SL的底部示意图7A是显示在传感器单元的框架部的底表面上形成的绝缘膜的平面 图，图7B是显示在第一封^敗的上表面上形成的绝缘膜的平面图8是根据本发明第二实施方案的陀螺传感器装置的截面示意图；和
图9是陀螺传感器装置的传感器单元的平面示意图。
具体实施例方式
因此，下面参考附图根据优选实施方案对本发明的传感器装置及其制 造方法进行详细说明。
(第一实施方案)
本实施方案的传感器装置是陀螺传感器装置，其包括利用半导体材料 形成的传感器单元1、利用半导体材料形成并密封性地结合传感器单元1的底表面的第一封装J413和利用半导体材料形成并且密封性地结合传感 器单元1的上表面的第二封装基仗2。传感器单元1、第一封*^ 3和第 二封*^12均具有矩形的外周形状。此外，每个封装141 (2、 3)具有 与传感器单元1相同的外部尺度。在本实施方案中，使用电阻率为0.2 O cm的硅M作为用于传感器单元1的半导体材料，使用电阻率为20 O ■ cm的硅141作为用于封^J41 (2、 3)的半导体材料。这些电阻率 值仅仅是示例性的，因此本发明不限于此。
在传感器单元l中，第一块体11和第二块体12在平面视图中均具有 矩形外周形状，并在沿传感器单元l的上表面横向平行布置，此外，传感 器单元l具有围绕第一和第二块体(11、 12)延伸的框架部IO (例如，在 本实施方案中的矩形框架部)。在本实施方案中，限定正交坐标系统，如 在图1~6的每一图的右下部分所示。即，布置第一和第二块体(11、 12) 的方向对应于"y"轴方向，正交于"y"轴方向的水平方向对应于"x"轴方向。 此外，正交于"x"轴方向和"y"轴方向的方向(即，传感器单元l的厚度方 向)对应于"z"轴方向。
在传感器单元1中，第一块体11和第二块体12通it^"x"轴线方向上 延伸的一对驱动弹簧13彼此整体地连接。即，传感器单元1在"x"轴方向 上具有长度比第二块体12的整个长度稍短的狭缝凹槽14a以及在第一块体 11的横向侧且沿着"x"轴方向直线布置的两个狭缝凹槽14b。每个狭缝凹槽 14b在其一端具有开口 。在狭缝凹槽14a与各狭缝凹槽14b之间形成各个 驱动弹簧13。每一个驱动弹簧13的一个端部在狭缝凹槽14a的端部和第 二块体12的侧棱之间连续地延伸，并且每一个驱动弹簧13的另一个端部 通过狭缝凹槽14b之间的区域连续地延伸至第一块体11。驱动弹簧13是 具有扭转形变能力的抗扭弹簧，并且能够使第一块体11相对于第二块体
12围绕驱动弹簧13进行位置移动。即，驱动弹簧13能够使第一块体11 在"z"轴方向相对于第二块体12进行平移，并且能够使第一块体11围绕"x" 轴相对于第二块体12转动。此外，由于传感器单元l使用抗扭弹簧作为驱 动弹簧13，因此没有必要在传感器单元1的厚度方向减小驱动弹簧13的 尺寸。因此，可容易地制造驱动弹簧13。
数字15表示在"y"轴方向延伸的检测弹簧15，检测弹簧15的一端延 续地连接传感器单元1的第二块体12的"x"轴方向上的端部。 一个检测弹 簧15的相对端部通it^"x"轴方向延伸的联接构件16延续地连接另 一检测 弹簧15的端部。即，通过检测弹簧对15和^i接构件16在平面图中形成基本上为"C，，形的构件。在这点上，联接构件16设计为具有比驱动弹簧13 和检测弹簧15高得多的刚度。数字17表示在联接构件16的纵向方向上从 中间部分上突出的固定部。该固定部17固定在第一封*^13的预定位置。 第一和第二块体(11、 12)通过基本为"C，，形状的狭缝凹槽14c而与检测 弹簧15和联接构件16分隔。狭缝凹槽14b的一端与狭缝凹槽14c连通。 检测弹簧15均在"x"轴方向具有弯曲变形能力。因此，检测弹簧15^f吏得第 一和第二块体(11、 12)能够相对于固定部17在"x"轴方向上进行位置移 动。
另外，传感器单元1在厚度方向上具有穿透第二块体12的四个孔18 和在每个孔18中配置的静止部件20。静止部件20具有在第二块体12的"x" 轴方向的每个末端附近配置的电极部21和在"x"轴方向上从电极部21延伸 的梳骨架部(comb bone portion) 22。电极部21和梳骨架部22配置为基 本"L"形状。电极部21和梳骨架部22与第一封^&板3结合。即，静止 部件20固定在预定位置。孔18的内表面沿静止部件20的外周表面延伸通 过间隙。 一对电极部21布置在第二块体12的"x"轴方向上的两个末端。如 图4所示，在梳骨架部22的宽度方向上在两侧形成沿"x"轴方向布置的多 个静止梳齿23。另一方面，在面对第二块体12的梳骨架部22的侧面处， 在孔18中形成多个可移动梳齿24并沿"x"轴方向布置J吏^^个可移动梳 齿24与每个静止梳齿23成面对面的关系，如图4所示。每个可移动梳齿 24远离对应的静止梳齿23 —定距离。当第二块体12在"x"轴方向上移动 时，静止梳齿23和可移动梳齿24之间的距离发生变化，使得由距离变化 所引起的电容变化被检测。即，用于检测第二块体12的位置移动的检测工 具包,止梳齿23和可移动梳齿24。
通过将框架部IO、固定部17和静止部件20结合第一封U板3，使 传感器单元1连接于第一封*1^3。换言之，使用第一封*^板3作为 用于支撑传感器单元l的支撑基板。另一方面，由于第一和第二块体(ll、 12)形成为在"z，，轴方向上是可移置的，面对第一和第二块体(11、 12)的 第一封^^L3的底表面向后退远离第一封*1413,如图1所示。即， 确定每个第一和第二块体(11、 12)在传感器单元1的厚度方向上的厚度 小于框架部10的厚度。因此，确保在第一封*1413与每个第一和第二块 体(ll、 12)之间的间隙。在本实施方案中，设定第一块体ll和第一封装 3之间的间隙长度为10 nm。这个值仅仅是示例性的，并且因此本发 明不限于于此。在传感器单元1的框架部10的上表面上，在框架部10的整个外周上 形成第一金属层26。此夕卜，传感器单元1具有一对接地部(ground portion) 19，其形成在固定部17附近的框架部10上，使得固定部17位于接地部之 间。数字27表示电连接于随后描述并且在接地部19的附近形成的电极25 (图6)的电极部。接地部19和电极部27与第一封装a 3结合。在传 感器单元l的上表面侧，在固定部17、电极部21、 一个接地部19和电极 部27上形成第二金属层28。在这点上，在第一封*141 3的上表面侧， 彼此分离地布置固定部17、四个电极部21、 一个接地部19和一个电极部 27。在其中第二封*^412没有结合框架部10的状态下，它们彼此电绝缘。 第一和第二金属层(26、 28)各自通过Ti膜和Au膜的层压膜形成。简言 之，由于第一和第二金属层(26、 28)由相同金属材料制成，因此可同时 获得相同厚度的这些金属层。在每个第一和第二金属层(26、 28)中，Ti 膜优选具有15 ~ 50 nm的厚度，Au膜优选具有500 nm的厚度。这些厚度 值仅仅是示例性的，因此本发明不限于此。作为用于形成Au膜的材料， 可使用包含杂质的Au材料代替纯金。
结合传感器单元1的底表面的第一封*1413在其厚度方向上的两个 相对表面上具有隔热膜(41、 42)例如氧化硅膜。
结合传感器单元1的上表面的第二封装基板2具有凹部29，该凹部29 配置为给第一和第二块体(11、 12)在面对传感器单元1的侧面处的位置 移动提供空间，即在图1中所示的第二封^^L2的底表面中。此外，第 二封f^L2具有多个在厚度方向穿透的通孔32。在第二封装基仗2的厚 度方向上的在两个相对表面上和在通孔32的内表面上形成隔热膜33 (氧 化硅膜)。因此，隔热膜33位于通孔布线34与通孔32的内表面之间。在 本实施方案中，使用铜作为用于通孔配线34的材料。或者，可使用镍替代 铜。
第二封^i412具有上述电极25，该电极25通过隔热膜33在凹部29 的底面上的面对第一块体11的区域上形成(图1和6)。电极25通过Ti 膜和Au膜的层压膜来形成。在本实施方案中，设置第一块体11和电极25 之间的间隙长度为10nm。这个值仅仅是示例性的，因此本发明不限于此。
此外，第二封装g 2在面对传感器单元1的表面上具有在其整个外 周上形成的(矩形)框架状结合金属层36以及电连接通孔布线34的多个 布线金属层38。在这点上，结合金属层36结合于传感器单元1的第一金 属层26，并且布线金属层38电连接传感器单元1的第二金属层28。在本实施方案中，从电极25延伸至凹部29的外周部分的布线部25a(图6)连 续地形成，同时布线金属层38结合传感器单元1的电极部27上的第二金 属层28。每个结合金属层36和布线金属层38都是通过在绝缘膜33上的 Ti膜和在Ti膜上的Au膜的层压膜来形成的。简言之，由于结合金属层 36和布线金属层38用相同的金属材料制成，因此可同时获得相同厚度的 这些金属层。在每个结合金属层36和布线金属层38中，Ti膜优选具有 15-50 nm的厚度，Au膜优选具有500 nm的厚度。这些厚度值仅仅是示 例性的，因此本发明不限于它们。可使用包含杂质的Au材料来代替纯金 作为用于形成Aii膜的材料。此外，在本实施方案中，形成Ti膜作为中间 层用于改善粘附。或者，可使用Cr、 Nb、 Zr、 TiN、 TaN等作为中间层的 材料。
第二封^^12具有多个用于外部连接的电极35，其形成在面对传感 器单元1的表面的相对的表面上，并且电连接通孔布线34。每个电极35 具有矩形的外周形状。此外，每个电极35通过Ti膜和Au膜的层压膜来 形成。
此外，在本实施方案的陀螺传感器装置中，通过在室温下，在传感器 单元1的框架部10的活化底表面与在第一封装^413上形成的氧化硅膜的 绝缘膜41的活化表面之间形成直接结合，来使传感器单元1和第一封U 板3彼此连接。即，在真空中通过氩的等离子体、原子束或离子束的辐照 来清洁和活化框架部10的底表面和绝缘膜41的表面之后，在室温下通过 施加适当的负栽使得由此获得的活化表面在真空中彼此直接结合。结果， 在框架部10的底表面与绝缘膜41之间可获得Si和Si02之间的无扩散的 固相直接结合。通it^室温下实施结合步骤，在结合部位几乎不出现残余 应力。因此，可避免由残余应力导致的问题例如传感器特性的变化。此夕卜， 通过绝缘层的结合可防止抗电噪声性的下降。必要时，可在框架部10的底 表面上形成绝缘膜如氧化珪膜。在这种情况下，通过Si02和Si02之间的 固相直接结合，第一封^S^3结合传感器单元1的框架部10。或者，绝 缘膜41不在第一封*_^3的上表面上形成，而是可在传感器单元1的框 架部10上形成该绝缘膜，从而获得Si和SK)2之间的固相直接结合。
另一方面，通过在室温下，在第一金属层26和结合金属层36的活化 表面之间形成直接结合，和在第二金属层28和布线金属层38的活化表面 之间形成直接结合，使得传感器单元1和第二封装基板2彼此连接。因此， 传感器单元1的每个第二金属层28通过布线金属层38和通孔布线34电连接用于外部连接的电极35。如在传感器单元1和第一封*^413之间结合 的情况下，通过在真空中氩的等离子体、原子束或离子束辐照来清洁和活 化这些金属层的表面。随后，通it^室温下施加适当的负载，使得这些金 属层的由此获得的活化表面在真空中直接彼此结合。结果，在第一金属层 26与结合金属层36之间以及在第二金属层28与布线金属层38之间可同 时获得Au与Au之间的固相直接结合。Cu或Al可用于替代Au,作为用 于形成上述金属层的材料。
在本实施方案中，由于传感器单元1和第一封装基^ 3通过Si和Si02 之间的固相直接结合以气密密封的方式彼此结合，并且传感器单元1和第 二封装M 2通过第一金属层26和结M属层36之间的固相直接结合从 而以气密密封的方式彼此结合，所以可通it^高度真空的减压气氛下实施 结合步骤，使其中容纳陀螺传感器单元的传感器装置的内部保持在高真空 气氛中。此外，当形成加速度传感器单元而不是陀螺传感器单元时，可将 传感器装置内部保持在惰性气体气氛中。在调节传感器装置的内部气氛的 情况下，传感器单元l、第一封 ^3和第二封#敗2置于腔室中， 并J^面活化处理在减压气氛下实施。然后，将腔室调节至期望的气氛以 实施室温结合步骤。当传感器单元是加速度传感器单元时，优选通过在大 气压下将惰性气体如氩引入腔室中来实施气氛调节步骤。此外，当传感器
单元是陀螺传感器单元时，理想的是将该室保持在比在表面活化处理时的 真空度更高的真空气氛中。为防止传感器单元l、第一封^^L3和第二 封装基&2的活化表面暴露于外界空气而受污染，优选表面活化处理之后 不将它们从腔室中取出，而是继续地实施气氛调节步骤和室温结合步骤。
从进一步改善传感器装置内部气密性的可靠性的角度来看，优选在传 感器单元1和第一封^141 3之间形成如下所述的结合部。即如图7A所 示，优选在传感器单元1上形成绝缘膜，其由在框架部10的整个外周上的 框架部10的底表面上形成的环状外绝缘膜50a以及在外绝缘膜50a的内侧 形成的环状内绝缘膜50b构成，以包围用于布置可移动部Dc (第一块体 11和第二块体12 )和感测部Ds (静止梳齿23和可移动梳齿24)的区域。 外绝缘膜50a远离内绝缘膜50b预定距离。另一方面，如图7B所示，第 一封装a 3优选具有绝缘膜，其由在面对外绝缘膜50a的位置处形成的 环状外绝缘膜41a和在外绝缘膜41a的内侧形成的内绝缘膜41b构成。因 此，当传感器单元1和第一封S^板3之间形成双结合区时，可进一步改 善传感器单元的气密封的可靠性。在图7A中，数字52表示辅助绝缘层，该辅助绝缘层形成为使得外绝 缘膜50a与内绝缘膜50b结合。在框架部10的外周方向上在彼此远离预 定距离的多个位置上形成辅助绝缘层52。此外，如图7B所示，在第一封 装基仗3上的对应于传感器单元1的辅助绝缘层52的位置处形成辅助绝缘 层60。在第一封*1413和传感器单元1的框架部10之间结合时，通过 固相直接结合使得这些辅助绝缘层(52、 60)的活化表面彼此结合。
通过形成辅助绝缘层(52、 60)预期具有下列优点。即，当由于在外 绝缘膜50a上的外来物质导致外绝缘膜(50a、 41a)之间的结合部的气密性 降低时，和由于在内绝缘膜50b上的其他外来物质导致内绝缘膜(50b、 41b)之间的结合部的气密性降低时，可能难以保持传感器装置的气密性。 然而，当辅助绝缘层(52、 60)彼此结合时，在外绝缘膜50a和内绝缘膜 50b之间限定了多个气密空间。因此，当外来物质存在于远离另一种外来 物质的位置处时，可通过辅助绝缘层(52、 60)之间的结合，将导致外绝 缘膜(50a、 41a)之间的结合部的气密性降低的区域与导致内绝缘膜(50b、 41b)之间的结合部的气密性降低的区域进行空间分隔。简言之，通过辅 助绝缘层(52、 60)之间的结合，可进一步改善传感器单元1的框架部10 和第一封^^板3之间的结合所获得的气密性的可靠性。
接着，说明本实施方案的陀螺传感器的操作。
本实施方案的陀螺传感器检测在对第一块体11给予预定的振动的条 件下，当通过夕卜力为陀螺传感器施加角速度时第二块体12的位置移动。在 这点上，在电极25和第一块体11之间施加具有正弦波形或矩形波形的振 动电压以振动第一块体11。例如，使用交流(AC)电压作为振动电压， 但欧性变换不是必需的。第一块体11通过驱动弹簧13、第二块体12、检 测弹簧15和联接构件16电连接于固定部17。第二金属层28形成在该固 定部17上。此外，电极25电连接于电极部27上的第二金属层28。因此， 当在电极部27和固定部17上的第二金属层28之间施加振动电压时，由于 第一块体11和电极25之间的静电力，第一块体11可在"z"轴方向上振动。 当振动电压的频率等于才艮据第一和第二块体(11、 12)的重量和驱动弹簧 13及检测弹簧15的弹簧常数所确定的共振频率时，可通it^目对小的驱动 力获得大的振幅。
在第一块体11正在振动的状态下，当围绕"y"轴对陀螺传感器施加角 速度时，在"x"轴方向上发生科里奥利力，使得第二块体12 (与第一块体ll)在"x"轴方向上相对于静止部件20移动。当可移动梳齿24相对于静止 梳齿23移动时，可移动梳齿24和静止梳齿23之间的距离发生变化，使得 其间的电容发生改变。电容的变化可从连接到四个静止部件20的第二金属 层28取得。因此，可以认为上述陀螺传感器具有四个可变电容的电容器。 因此，通过测量每个可变电容的电容器的电容或并联的可变电容的电容器 的总电容，可检测第二块体12的位置移动。由于之前确定了第一块体11 的振动，因此通过检测第二块体12的位置移动可计算科里奥利力。在本实 施方案中，在框架部10内部布置的可移动部由第一块体ll、驱动弹簧13、 第二块体12、检测弹簧15和连结构件16构成，感测部由在第二块体12 上形成的静止梳齿23和可移动梳齿24构成。简言之，感测部的一部分形 成在布置在框架部10内部的可移动部中。
在这点上，可移动梳构件24的位置移动与(第一块体11的重量)/(第 一块体11 +第二块体12的重量)成比例。因此，随着第一块体ll的重量 变得比第二块体12的重量更大，可移动梳齿24的位置移动增加。结果， 实现了灵lt变的改善。在本实施方案中，由于这个原因，确定第一块体ll 的厚度尺寸比第二块体12的厚度尺寸更大。
在本实施方案的上述陀螺传感器装置中，由于传感器单元1、第一封 装U13和第二封^S^L2均是通过使用半导体J41来形成的，因此可减 小由其间的线性膨胀系数所导致的热应力影响和使传感器特性的变化最 小化。此外，由于传感器单元1通过绝缘膜41结合第一封装基板3，因此 可防止电噪声阻力的降低。
从实现传感器装置的尺寸和生产成本的降低的观点来看，优选通过使 用晶片级封装技术来制造上述陀螺传感器装置。例如，在将传感器晶片结 合于具有多个第一封*^3的封装晶片之后，对每个传感器单元1实施 使可移动部与其他部分分离的蚀刻步骤，其中所述传感器晶片具有用于多 个传感器单元l的形成位点，在每个形成位点中形成用于传感器单元的一 部分构件。1^，具有多个第二封^i4l2的封装晶片结合传感器晶片以 获得晶片级封装结构，其中集成形成多个传感器单元l。通过切割(切片) 该晶片级封装结构为传感器单元的尺寸，可以从其中单个地分离陀螺传感 器装置。因此，该晶片级封装技术特别适于制造小型陀螺传感器装置。
(第二实施方案)参考图8和图9，下面详细说明本实施方案的传感器装置。
除了下列特征外，本实施方案的陀螺传感器的基本构造和第一实施方 案基4^目同。即，使用所谓的外延生长a作为用于形成传感器单元l的 半导体材料，该外延生长a通it^^S4！ la上外延生长单晶硅层lb来 获得。硅层lb比>^板la具有更高的电阻率。此外，集成电路40如使 用CMOS的集成电路(CMOS IC)安装成可与感测部联合操作。在本实 施方案中，^i41 la的电阻率是0.2 O cm，而硅层lb的电阻率是20 O -cm。这些电阻值仅仅是示例性的，并且本本发明不限于此。本实施方 案的集成电路40包括信号处理电路和电可擦除可编程只读存储器 (EEPROM )，信号处理电路配置为实施信号处理例如对在第一实施方案 中说明的感测部的输出信号进行放大、偏置调整和温度补偿，EEPROM 用于存储在信号处理电路中使用的数据。与第 一实施方案相同的元件利用 相同附图标记表示，并因此省略重复说明。
与第一实施方案的传感器单元的外形尺寸相比，本实施方案的传感器 单元1在第一块体11和第二块体12的阵列方向上具有更大的外形尺寸。 即，沿传感器单元1的上表面在横向上平行地布置具有第一块体11和第二 块体12的传感器区域E1以及具有集成电路40的IC区域E2。框架部10 延伸以包围传感器区域E1和IC区域E2。
在框架部10的珪层lb中形成集成电路40。在IC区域E2中，使用多 层布线技术来实现减少传感器单元l中的IC区域E2的占据面积。由于此 原因，传感器单元1的IC区域E2具有通过绝缘膜45在珪层10b上形成 的多层结构部件41。多层结构部件41包括层间绝缘膜、钝化膜等。通过 除去钝化膜的适当部分，暴露多个垫42。通过由金属材料如Au制成的输 出布线43将每个垫42电连接于第三金属层44。通过绝缘层45在硅层lb 上形成第三金属层44。第三金属层44也电连接于第二封^J板2的布线 金属层38。此外，第二封^^L2具有金属布线层(未显示)，用于在布 线金属层38和在传感器区域E1上形成的第二金属层28之间形成电连接。 此外，在绝缘膜45上形成第一金属层26。
从改善陀螺传感器装置的灵敏度的观点来看，理想的是实施杂质掺杂， 使得对应于珪层lb的传感器区域El的区域和珪基仗la的电阻率基本上 相等。与第一实施方案相比，本实施方案的第二封装M2具有孔面积更 大的凹部29,其形成在对应于传感器区域E1和IC区域E2的区域上。在本发明的陀螺传感器装置中，如在第一实施方案的情况下，由于传
感器单元1、第一封装A^ 3和第二封^^tl 2均是通过使用半导体141 来形成的，因此可减小由其间的线性膨胀系数所导致的热应力的影响和使 传感器特性的变化最小化。此外，由于传感器单元1通过绝缘膜41结合于 第一封装基板3，可防止抗电噪声性的下降。而且，与在单个封装中各自 容纳具有可与感测部联合操作的集成电路的IC芯片的情况相比，根据本 实施方案可实现陀螺传感器装置的成本和厚度的进一步降低。此外，由于 感测部和集成电漆t间的布线长度减小，可进一步改善传感器特性。
在上述实施方案中，利用陀螺传感器举例说明传感器装置。然而，本 发明的技术概念对其它的传感器装置如电容型加速度传感器和压电电阻 型加速度传感器也适用。在压电电阻型加速度传感器中，可移动部与框架 部、布置在框架部内部的重量部和各自在框架部和重量部之间延伸的薄的 柔性部一起形成，并且感测部包括在柔性部上形成的压敏电阻元件。
工业适用性
由上述实施方案可知，在传感器单元和封^^之一上的电绝缘膜与 传感器单元和封^^中的另一个上的电绝缘膜之间的结合，或在封U 板和传感器单元上的电绝缘膜之间的结合是通过在它们的活化表面之间 的无扩散的固相直接结合形成的。因此，可避免产生不利影响，例如由在 结合界面处的残余应力所导致的传感器特性变化。此外，通过电绝缘膜的 结合可防止抗电噪声性的下降。而且，才艮据传感器的种类，可通过固相直 接结合将传感器装置的内部气密地保持在适当的气氛中。具有这些优点的 本发明特别适合于根据晶片级封装技术来制造小型传感器装置。
权利要求
1.一种传感器装置，包括传感器单元，所述传感器单元包括由半导体材料制成并具有开口的框架、保持在所述开口中以便相对于所述框架可移动的可移动部和配置为根据所述可移动部的位置移动输出电信号的检测部；和封装基板，所述封装基板由半导体材料制成并与所述传感器单元的表面结合；其中与所述封装基板结合的所述框架的区域具有所述框架的活化表面和在所述框架上形成的电绝缘膜的活化表面中的之一；与所述框架结合的所述封装基板的区域具有所述封装基板的活化表面和在所述封装基板上形成的电绝缘膜的活化表面中的之一；和所述传感器单元和所述封装基板之间的结合是在至少一个所述电绝缘膜的存在下在所述活化表面之间的无扩散的固相直接结合。
2. 根据权利要求l所述的传感器装置，其中所述活化表面为等离子体 处理的表面、离子束辐照的表面和原子束辐照的表面中的任意一种。
3. 根据权利要求l所述的传感器装置，其中所述传感器单元和所述封 装基板之间的所述结合是在所述框架上形成的氧化硅电绝缘膜的所述 活化表面与在所述封装基板上形成的氧化硅绝缘膜的所述活化表面之 间的固相直接结合。
4. 根据权利要求l所述的传感器装置，其中所述传感器单元和所述封 装基板之间的所述结合是形成所述框架的硅的所述活化表面与在所述 封装基板上形成的氧化硅电绝缘膜的所述活化表面之间的固相直接结 合。
5. 根据权利要求l所述的传感器装置，其中所述传感器单元和所述封 装基板之间的所述结合是在所述框架上形成的氧化硅电绝缘膜的所述 活化表面与形成所述封装基板的硅的所述活化表面之间的固相直接结 合。
6. 根据权利要求l所述的传感器装置，其中选自在所述框架上形成的 所述电绝缘膜和在所述封装基板上形成的所述电绝缘膜中的至少之一 由形成为包围所述可移动部的环状外绝缘膜和在所述外绝缘膜的内侧 形成为包围所述可移动部的环状内绝缘膜构成。
7. 根据权利要求6所述的传感器装置，其中在所述框架上形成的所述 电绝缘膜和在所述封装基板上形成的所述电绝缘膜的每一个均由所述 外绝缘膜、所述内绝缘膜和配置为在所述外绝缘膜和所述内绝缘膜之间 进行连接的辅助绝缘膜构成，所述辅助绝缘膜在所述内绝缘膜的外周方 向上在彼此隔离预定距离的多个位置处形成，和其中所述外绝缘膜之间的结合、所述内绝缘膜之间的结合和所述辅 助膜之间的结合由所述固相直接结合来提供。
8. 根据权利要求l所述的传感器装置，其中在所述传感器单元的所述 框架上安装与所述检测部可联合操作的集成电路。
9. 根据权利要求l所述的传感器装置，其中所述传感器单元为陀螺传 感器单元，所述可移动部包括通过振动装置振动的第 一块体和连接所述第 一块 体的第二块体，和所述检测部配置为将在所述第一块体振动过程中施加转动力时所导 致的所述第二块体的位置移动转换为电信号。
10. 根据权利要求l所述的传感器装置，其中所述传感器单元的内部是 在减压气氛下通过所述固相直接结合气密性密封。
11. 根据权利要求l所述的传感器装置，其中所述传感器单元在相反表 面之一处与所述封装基板结合，并在另一个表面处与第二封装基板结 合，所述传感器单元和所述第二封装基板之间的所述结合是在所述传感 器单元上形成的表面活化区域与在所述第二封装基板上形成的表面活 化区域之间的无扩散的固相直接结合。
12. 根据权利要求11所述的传感器装置，其中所述框架包括形成为包围 所述可移动部的环状第一金属层以及在比所述第一金属层更靠近所述 可移动部的侧面处形成并且与所述检测部电连接的第二金属层，所述第二封装基板包括通孔布线、在面对所述第一金属层的位置处 形成的环状结合金属层和在面对所述第二金属层的位置处形成并与所 述通孔布线连接的布线金属层，和所述传感器单元和所述第二封装基板之间的结合由所述第 一金属层 的活化表面和所述结合金属层的活化表面之间的无扩散的固相直接结合、和所述第二金属层的活化表面和所述布线金属层的活化表面之间的 无扩散的固相直接结合来提供。
13. —种制造传感器装置的方法，包括提供传感器单元，所述传感器单元包括由半导体材料制成并具有开 口的框架、保持在所述开口中以便相对于所述框架可移动的可移动部和 配置为根据所述可移动部的位置移动输出电信号的检测部；提供由半导体材料制成的封装基板；在减压的气氛下实施表面活化处理以形成所述框架的活化表面和在 所述框架上形成的电绝缘膜的活化表面中的之一，以及所述封装基板的 活化表面和在所述封装基板上形成的电绝缘膜的活化表面中的之一；和在所述表面活化处理后，在至少一个所述电绝缘膜的存在下，在室 温下在所述活化表面之间形成直接结合。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中通过使用选自惰性气体的等离子 体、原子束和离子束中之一来实施所述表面活化处理。
15. 根据权利要求13所述的方法，其中所述表面活化处理和所述形成直 接结合的步骤在同一个腔室内进行，在所述形成直接结合步骤之前和所 述表面活化处理之后，实施调节所述腔室内部至所需气氛的气氛调节步。
16. 根据权利要求15所述的方法，其中所述气氛调节步骤包括将惰性气 体引入所述腔室的内部。
17. 根据权利要求15所述的方法，其中所述气氛调节步骤包括调节所述 腔室内的真空度，使得在与所述表面活化处理不同的减压的气氛下实施 所述形成直接结合的步骤。
全文摘要
本发明提供一种具有小的传感器波动特性和优良抗电噪声特性的传感器装置。该传感器装置具有传感器单元，该传感器单元包括具有开口的框架、保持在开口中相对于框架可移动的可移动部和用于输出基于可移动部的位置移动的电信号的检测部。该传感器装置还具有封装基板，该基板由半导体材料形成并结合于该传感器单元的表面上。该封装基板在面对传感器单元的表面上具有电绝缘膜，并且该电绝缘膜的活化表面在室温下直接结合于传感器单元的活化表面上。因此，该封装基板结合于传感器单元上。
文档编号G01C19/56GK101317263SQ20068004418
公开日2008年12月3日 申请日期2006年11月24日 优先权日2005年11月25日
发明者后藤浩嗣, 奥户崇史, 宫岛久和, 片冈万士, 竹川宜志, 西条隆司, 铃木裕二, 马场彻 申请人:松下电工株式会社