传感器元件的制作方法

本实用新型涉及在各种电子设备中所用的传感器元件。

背景技术：

图9是在专利文献1公开的现有的传感器元件1的立体图。传感器元件1由支承部2、固定在支承部2的抵接部3的固定部6、固定在抵接部5的固定部4、和与固定部4、6连接的驱动臂7构成。固定部4、6具有T字形状，由Si构成。在固定部4的上表面设有一对驱动电极焊盘8，在该一对驱动电极焊盘8之间设有监视电极焊盘9。在固定部6的上表面设有一对检测电极焊盘10，位于检测电极焊盘10之间地设置了监视电极焊盘11。在固定部6的上表面设有GND电极焊盘12。

图10是传感器元件1的上表面图。在驱动臂7设有一端与固定部6连接的一对检测部13。在检测部13的上表面的边侧设有由Pt构成的下部电极层。下部电极层与固定部6中的GND电极焊盘12电连接。在驱动臂7的检测部13中的下部电极层的上表面设有由PZT构成的检测压电元件。在检测压电元件的上表面设有由Au构成的检测电极14。检测电极14与固定部6中的检测电极焊盘10电连接。在检测部13设有由Pt构成的下部电极层、由PZT构成的监视压电元件、和由Au构成的监视电极15。监视电极15与固定部6中的监视电极焊盘11电连接。

在驱动臂7设有一对驱动部16。驱动部16经由折弯部16a与检测部13连接。在驱动部16的上表面设有由Pt构成的下部电极层。下部电极层与固定部中的GND电极焊盘12电连接。在驱动臂7的驱动部16中的下部电极层的上表面设有曲柄形状的由PZT构成的驱动压电元件。在驱动部16中的驱动压电元件的上表面设有由Au构成的驱动电极17。驱动电极17与固定部4中的驱动电极焊盘8电连接。在驱动臂7设有一端与固定部4连接的一对可动部18。在可动部18设有由Pt构成的下部电极层、由PZT 构成的监视压电元件、和由Au构成的监视电极15。监视电极15与固定部4中的监视电极焊盘11电连接。

在驱动臂7设有一对驱动部19。驱动部19经由折弯部19a与可动部18连接。在驱动部19的上表面设有由Pt构成的下部电极层。下部电极层与固定部6中的GND电极焊盘12电连接。在驱动臂7的驱动部19中的下部电极层的上表面设有曲柄形状的由PZT构成的驱动压电元件。在驱动部19中的驱动压电元件的上表面设有由Au构成的驱动电极20。驱动电极20与固定部4中的驱动电极焊盘8电连接。

由Si构成的一对质量块部21与驱动臂7的另一端连接。

图11A到图11F是表示传感器元件1的制造方法的截面图。

首先，如图11A所示那样，在预先准备的由Si构成的晶片22的上表面通过蒸镀依次形成由Pt构成的下部电极层23、由锆钛酸铅(以下，简写为PZT)构成的压电体层24、和由Au构成的上部电极层25。

接下来，在上部电极层25的上表面通过旋涂来涂布抗蚀膜，之后通过光刻将抗蚀膜图案构图成规定形状。

接下来，如图11B所示那样，将抗蚀膜作为掩模，通过干式蚀刻将下部电极层23、压电体层24和上部电极层25加工成规定形状，由此形成驱动臂7中的检测电极14、监视电极15以及驱动电极17，形成固定部4中的驱动电极焊盘8和监视电极焊盘9，形成固定部6中的检测电极焊盘10、监视电极焊盘11和GND电极焊盘12。

接下来，如图11C所示那样，将抗蚀膜作为掩模，通过干式蚀刻将晶片加工成规定形状，由此形成固定部4、6、驱动臂7和质量块部21。

接下来，如图11D所示那样，通过背磨来研磨晶片22的下侧，由此使驱动臂7中的检测部13、可动部18和固定部4、6相互分离。

接下来，如图11E所示那样，将抗蚀膜作为掩模，通过干式蚀刻或湿式蚀刻将由Si构成的支承部用晶片26加工成规定形状，由此形成20μm以上的多个间隙27。

接下来，如图11F所示那样，在设有多个间隙27的支承部用晶片26中的晶片22的固定部4、6所抵接的部位通过刮刀印刷来涂布粘结剂28。

接下来，进行对位，使晶片26中的固定部4、6与支承部用晶片26 重合，然后进行按压，之后，进一步用热板进行加热，来使粘结剂28硬化，从而将晶片22和支承部用晶片26相互接合。

关于晶片22和支承部用晶片26的对位，除了基于图案的图像识别以外，还能在晶片22以及支承部用晶片26预先设置贯通孔，通过以共通的管脚进行定位，能用廉价的设备精度良好地定位晶片22和支承部用晶片26。

接下来，对晶片22以及支承部用晶片26进行划片，由此形成单片的传感器元件1。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：JP特开2010-256054

技术实现要素：

传感器元件具备：支承用基板；与支承用基板连接的固定部；和与固定部连接的振动部。振动部通过驱动电压的施加而进行驱动振动，输出与振动状态相应的检测信号。支承用基板和固定部的至少一方具有设置在支承用基板与固定部连接的部分的绝缘膜。

传感器元件具备：支承用基板；固定部，其与所述支承用基板连接；振动部，其与所述固定部连接，通过驱动电压的施加而振动，输出与振动的状态相应的检测信号；和第1绝缘膜，其设置在所述支承用基板，所述支承用基板具有与所述振动部对置的部分，所述第1绝缘膜设置在所述支承用基板的与所述振动部对置的所述部分。

传感器元件具备：支承用基板；固定部，其与所述支承用基板连接；振动部，其与所述固定部连接，通过驱动电压的施加而振动，输出与振动的状态相应的检测信号；和绝缘膜，其设置在所述振动部，所述振动部具有与所述支承用基板对置的部分，所述绝缘膜设置在所述振动部的与所述支承用基板对置的所述部分。

附图说明

图1A是实施方式中的传感器元件的上表面图。

图1B是图1A所示的传感器元件的IB-IB线的截面图。

图2A是表示实施方式中的传感器元件的制造方法的截面图。

图2B是表示实施方式中的传感器元件的制造方法的截面图。

图2C是表示实施方式中的传感器元件的制造方法的截面图。

图2D是表示实施方式中的传感器元件的制造方法的截面图。

图3是表示实施方式中的传感器元件的特性的图。

图4是实施方式中的其他传感器元件的截面图。

图5A是表示图4所示的传感器元件的制造方法的截面图。

图5B是表示图4所示的传感器元件的制造方法的截面图。

图5C是表示图4所示的传感器元件的制造方法的截面图。

图6是表示实施方式中的另外其他的传感器元件的截面图。

图7是表示实施方式中的另外其他的传感器元件的截面图。

图8是表示实施方式中的另外其他的传感器元件的截面图。

图9是现有的传感器元件的立体图。

图10是现有的传感器元件的上表面图。

图11A是表示现有的传感器元件的制造方法的截面图。

图11B是表示现有的传感器元件的制造方法的截面图。

图11C是表示现有的传感器元件的制造方法的截面图。

图11D是表示现有的传感器元件的制造方法的截面图。

图11E是表示现有的传感器元件的制造方法的截面图。

图11F是表示现有的传感器元件的制造方法的截面图。

具体实施方式

图1A是实施方式中的传感器元件31的上表面图。图1B是图1A所示的传感器元件31的IB-IB线的截面图。在图1A和图1B中定义相互呈直角的X轴、Y轴和Z轴。传感器元件31由支承用基板32、与支承用基板32连接的固定部33、和与固定部33连接的振动部34构成。振动部34由与固定部33连接的连结梁35、36、与连结梁35连接的振动臂37、38、和与连结梁36连接的振动臂39、40构成。连结梁35、36针对固定部33连接在相互相反侧，在Y轴的方向上延伸。振动臂37、38针对连结梁35 在相互相反侧与连结梁35连接，在X轴的方向上蜿蜒并延伸。振动臂39、40针对连结梁36在相互相反侧与连结梁36连接，在X轴的方向上蜿蜒并延伸。在固定部33连接了连结梁的一端35a和连结梁的一端36a。在连结梁35的另一端35b连接了振动臂的一端37a和振动臂的一端38a。在连结梁36的另一端36b连接了振动臂的一端39a和振动臂的一端40a。在振动臂37的另一端37b和振动臂39的另一端39b连接了质量块41。在振动臂38的另一端38b和振动臂40的另一端40b连接了质量块42。振动部34的振动臂37～40隔着空隙133与固定部33分离。

说明以下的振动臂37的结构。另外，振动臂37～40具有同样的结构。

在振动臂37设有驱动电极43。驱动电极43由设于振动臂37上的以Au为主成分的下部电极层、设于下部电极层上的以PZT为主成分的压电体层、和设于压电体层上的以Pt为主成分的上部电极层构成，具有将下部电极层、压电体层和上部电极层在Z轴的方向上层叠的层叠结构。在驱动电极43中，下部电极层与接地连接。若对上部电极层施加电压，则因逆压电效应而使压电体层在Z轴的方向和振动平面的方向上伸缩，使振动臂37与振动平面平行地驱动振动。振动平面是包含X轴和Y轴的XY平面。Z轴与振动平面垂直。若对在振动平面的方向上正以速度v驱动振动的质量m的振动臂37绕着Z轴施加角速度ω，则在振动臂37产生科里奥利力F(＝2mv×ω)，由于科里奥利力F而在振动臂37产生弯曲力矩。

在振动臂37设有探测电极44。探测电极44由设于振动臂37上的以Au为主成分的下部电极层、设于下部电极层上的以PZT为主成分的压电体层、和设于压电体层上的以Pt为主成分的上部电极层构成，具有将下部电极层、压电体层和上部电极层在Z轴的方向上层叠的层叠结构。若在振动臂37施加由科里奥利力F所引起的弯曲力矩而使探测电极44挠曲，则由于压电效应而在探测电极44产生电荷。能通过将该电荷输出到外部来检测角速度ω。

接下来，说明传感器元件31的制造方法。图2A到图2D是表示传感器元件31的制造方法的截面图。

首先，准备具有面46a、以及面46a的相反侧的面46b的由Si构成的厚度250μm的晶片46。晶片46具有设于面46a的绝缘膜45a。绝缘膜45a 是氧化膜。如图2A所示那样，在晶片46的面46a将抗蚀膜用作掩模，通过干式蚀刻或湿式蚀刻加工成规定形状，由此在晶片46的面46a形成腔146。具体地，准备具有面246a而成为晶片46的材料晶片246，该面246a成为设置有绝缘膜45a的晶片46的面46a。之后，通过在材料晶片246的面246a形成腔146，来准备在面46a具有绝缘膜45a的晶片46。

如图2B所示那样，准备具有面47a、以及面47a的相反侧的面47b的由Si构成的晶片47。晶片47具有设于面47b的绝缘膜45b。绝缘膜45b是氧化膜。接下来，清洗晶片46、47，将晶片46的至少面46a和晶片47的至少面47b清洗。接下来，将晶片47的面47b、以及晶片46的面46a通过例如以羟基进行预接合后过热处理的熔融接合、或表面活性化直接接合。具体地，将晶片47的面47b的绝缘膜45b、以及晶片46的面46a的绝缘膜45a直接接合。通过在将晶片46的面46a和晶片47的面47b接合前进行清洗，能提高接合品质和接合强度。通过绝缘膜45a、45b进行接合而使晶片46、47进行接合。绝缘膜45a、45b构成设于晶片46(支承用基板32)与晶片47(固定部33)连接的部分的绝缘膜45。即，绝缘膜45具有绝缘膜45a、和层叠于绝缘膜45a的绝缘膜45b。

在将晶片46、47的面46a、47b接合时，使用预先设置在晶片46、47的对准记号来将晶片46、47对位，由此能容易地定位之后的形成于晶片47的图案。

制作晶片47，使其具有在向晶片46的接合之前基于器件特性而预先决定的厚度，由此能容易地进行之后的工序。例如，在引线焊接时装置的谐振频率与传感器元件31的谐振频率一致的情况下，有在引线焊接时传感器元件31谐振而损坏、成品率减低的可能性。另外，例如在使振动臂37～40在Z轴的方向上振动的情况下，通过将晶片47调整为上述的厚度，能制作所期望的谐振频率的传感器元件。

进而，如图2B所示那样，通过使晶片46的面46a与晶片47的面47b的面积不同，能减低晶片46、47的接合时的位置偏差的影响。由此，能使生产率提高，并使传感器元件31的特性稳定。

接下来，如图2C所示那样，在晶片47的面47a通过蒸镀依次形成以Pt为主成分的下部电极层48、由PZT构成的压电体层49、和由Au构成 的上部电极层50。

接下来，在上部电极层50的上表面通过旋涂来涂布抗蚀膜，之后，通过光刻将该抗蚀膜图案形成为规定形状。

接下来，如图2D所示那样，将抗蚀膜作为掩模，通过干式蚀刻将下部电极层48、由PZT构成的压电体层49、和由Au构成的上部电极层50加工成规定形状，由此形成振动臂37～40中的探测电极44、监视电极和驱动电极，形成固定部33中的驱动电极焊盘以及监视电极焊盘和固定部33中的检测电极焊盘，形成监视电极焊盘以及GND电极焊盘。

进而，将抗蚀膜作为掩模，通过干式蚀刻将晶片47加工成规定形状，由此形成空隙133，从而形成固定部33、振动臂37～40和质量块41、42。

接下来，对晶片46、47进行加工，以使进行划片并切断，由此形成单片的传感器元件31。

腔146的深度D146为20μm以上。若深度D146浅于20μm，则驱动时的空气阻力变大，变得不能得到所期望的驱动，但若设为20μm以上的深度，就能降低空气阻力对振动的振动臂37～40的影响。若腔的深度浅于20μm，则该空气阻力变大，有得不到所期望的驱动的情况。

在实施方式中，由于在将晶片46接合后，对调节为预先决定的厚度的晶片47进行加工来形成探测电极44和驱动电极43，且对振动臂37～40进行加工，因此能容易地处置晶片46、47的接合时的晶片46、47，能减少损坏。

在图11A到图11F所示的现有的传感器元件1的制造工序中，由于在接合前对晶片22、26进行加工，因而不能以充分的强度清洗晶片22、26。在图2A到图2D所示的实施方式中的传感器元件31的制造工序中，由于在成膜、加工前将晶片46、47接合，因此能在接合前充分清洗晶片46、47。因此，能以不在晶片46、47的面46a、47b附着异物的状态将晶片46、47稳固地接合，能制造即使在用于单片化的划片时的切断等加工后晶片46、47的接合也难以脱落的传感器元件31，能提高传感器元件31的成品率。

在图11A到图11F所示的专利文献1所公开的现有的传感器元件1的制造工序中，由于在晶片26的加工后将晶片22、26接合，因此有晶片 26损坏的情况。在施加驱动电压时，有在晶片22、26间电流泄漏的情况，由此传感器元件1的驱动效率减低，检测精度降低。

在实施方式中，能在将晶片47的面47b的绝缘膜45或晶片46的面46a的绝缘膜45形成为规定的厚度后再将晶片46、47接合。规定的厚度能任意决定。由此，由于能在晶片46、47的接合面形成氧化膜所构成的绝缘膜45(45a、45b)，因此能减少晶片46、47间的漏电流。通过将晶片46、47间的绝缘膜45的厚度(绝缘膜45a、45b的厚度的合计)设为100nm以上，能将漏电流减少到不会影响到传感器元件31的特性的程度。

图3表示实施方式中的传感器元件31的特性，表示绝缘膜45的膜厚为100nm时施加了驱动电压时从固定部33流向支承用基板32的漏电流L31。图3还一并示出了无绝缘膜的比较例的传感器元件的漏电流L1。在图3中，纵轴表示漏电流，横轴表示对驱动电极43施加的驱动电压。在图3中，漏电流L1、L31表示为相对于驱动电压1V时的比较例的传感器元件的漏电流L1的比。如图3所示那样，在驱动电压为1V时，实施方式中的传感器元件31的漏电流L31减少为比较例的传感器元件的漏电流L1的约770分之1，在施加10V的驱动电压时，漏电流L31减少到漏电流L1的2200分之1。如此，通过绝缘膜45(45a、45b)能大幅减少固定部33(晶片47)与支承用基板32(晶片46)之间的漏电流L31。

由于传感器元件31的外部环境的温度变化、且晶片46、47与绝缘膜45的电阻变化而使晶片46、47之间的漏电流发生变化。因此，由于外部环境的温度变化而使传感器元件31的驱动效率发生变化。在实施方式中的传感器元件31中，由于形成于支承用基板32(晶片46)与固定部33(晶片47)的接合面的绝缘膜45使漏电流减少，因而使用传感器元件31的外部环境的温度时驱动效率的变化减少，能使传感器元件31的温度特性提高。

另外，绝缘膜45(45a、45b)是氧化膜的，但在实施方式中的传感器元件31中，绝缘膜45(45a、45b)例如也可以由SiN等其他绝缘材料形成。其中，由于通过将氧化膜用作绝缘膜45(45a、45b)，能用由Si构成的晶片46、47的自然氧化来形成绝缘膜45(45a、45b)，因此不需要设置绝缘膜45(45a、45b)的工序，能简化传感器元件31的制造工序。

另外，在晶片47的面47b形成绝缘膜45b的情况下，在对由Si构成的晶片47进行加工来形成连结梁35、36、振动臂37～40和质量块41、42时，由于会暂时在绝缘膜45b停止晶片47的Si的加工，因此能使在面47b的加工形状均匀。如此，通过在振动臂37～40的面设置绝缘膜45b，能避免在振动臂37～40形成时过度蚀刻晶片47而削到晶片46的情况。进而，即使在制造传感器元件31后在晶片46、47间进入了例如导电性的异物的情况下，也会由于通过在晶片47的面47b设置绝缘膜45而提高了绝缘性，因此能提高传感器元件31的检测精度。

图4是实施方式中的其他传感器元件31A的截面图。在图4中的，对与图1B所示的传感器元件31相同部分标注相同参照标号。在图1B所示的传感器元件31中，仅在晶片46的与晶片47连接的部分设置绝缘膜45a(45)。在图4所示的传感器元件31中，绝缘膜4a(45)设置为还在设于晶片46的面46a的腔146延伸。通过在腔146设置绝缘膜45a，能避免在晶片47的振动臂37～40的形成时因过度蚀刻而削到晶片46。另外，通过在晶片46的腔146设置绝缘膜45，例如在导电性的异物进入到晶片46、47间的情况下，也会由于通过绝缘膜45提高了晶片46的绝缘性而能使传感器元件31的检测精度提高。

图5A到图5C是表示图4所示的传感器元件31A的制造方法的截面图。在图5A到图5C中，对与图2A到图2D所示的传感器元件31的制造工序相同的部分标注相同的参考标号。

如图5A所示那样，准备具有面246a而成为晶片46的材料晶片246，该面246a成为晶片46的面46a。残留下材料晶片246的面246a的一部分146a地在材料晶片246的面246a形成腔146。

之后，如图5B所示那样，在材料晶片246的面246a的一部分146a和腔146形成绝缘膜45a。

之后，如图5C所示那样，将材料晶片246的面246a的一部分146a和晶片47的面47b接合。

之后，通过与图2C和图2D所示的工序同样地形成振动臂37～40、探测电极44、监视电极、驱动电极、固定部33、驱动电极焊盘以及监视电极焊盘、检测电极焊盘、监视电极焊盘以及GND电极焊盘和质量块41、 42，来制作图4所示的传感器元件31A。

在实施方式中的传感器元件31、31A中，绝缘膜45a设置在晶片46的面46a，绝缘膜45b设置在晶片47的面47b，绝缘膜45具有将绝缘膜45a、45b层叠的双层结构。由此，由于能使绝缘膜45更厚，因此能容易地调整绝缘膜45的厚度。

绝缘膜45也可以仅设置在晶片46、47的任一者。图6是实施方式中的另外其他传感器元件31B的截面图。在图6中，对与图1B所示的传感器元件31相同的部分标注相同的参考标号。在传感器元件31B中，未在晶片46(支承用基板32)的面46a设置绝缘膜45a，绝缘膜45作为绝缘膜45b而仅设置在晶片47(固定部33)的面47b。传感器元件31B具有与传感器元件31大致同样的效果。

图7是实施方式中的另外其他传感器元件31C的截面图。在图7中，对与图1B所示的传感器元件31相同的部分标注相同的参考标号。在传感器元件31C中，未在晶片47(固定部33)的面47b设置绝缘膜45b，绝缘膜45作为绝缘膜45a而仅设置在晶片46(支承用基板32)的面46a。传感器元件31C具有与传感器元件31大致同样的效果。

图8是实施方式中的另外其他传感器元件31D的截面图。在图8中，对与图4所示的传感器元件31A相同的部分标注相同的参考标号。在传感器元件31D中，未在晶片47(固定部33)的面47b设置绝缘膜45b，绝缘膜45作为绝缘膜45a而仅设置在晶片46(支承用基板32)，具体地仅设置在晶片46(支承用基板32)的面46a的一部分146a和腔146。传感器元件31D具有与传感器元件31A大致同样的效果。

实施方式中的传感器元件31、31A～31D是检测角速度的惯性力传感器元件，但也可以是检测加速度的加速度传感器元件。在该情况下，例如通过形成设于传感器元件31、31A～31D的上下的电极与传感器元件之间的静电容，能检测施加在传感器元件的加速度。

另外，虽然结构与实施方式中的传感器元件31、31A～31D不同，但例如，实施方式中的传感器元件也可以具有：Si基板、设于基板的梁、设于梁的驱动电极、和设于梁的检测电极。驱动电极和检测电极分别具有：设于梁的下部电极、设于下部电极上的压电薄膜、和设于压电薄膜上的上 部电极。该传感器元件作为检测压力的压力传感器发挥功能。具体地，通过经过下部电极和上部电极而对压电薄膜施加驱动电压来使梁振动。通过施加在传感器元件的压力而使梁伸缩。能通过施加压力时的梁的伸缩所引起的梁的振动频率的变化，来检测该压力。

如此，能在基板设置检测部、且根据检测信号的变化来检测物理量的传感器中运用实施方式中的传感器元件。

产业上的利用可能性

本实用新型所涉及的传感器元件的生产率高、驱动效率高且温度特性优异，在各种电子设备中有用。

标号的说明

31 传感器元件

32 支承用基板

33 固定部

34 振动部

35 连结梁(第1连结梁)

36 连结梁(第2连结梁)

37 振动臂(第1振动臂)

38 振动臂(第2振动臂)

39 振动臂(第3振动臂)

40 振动臂(第4振动臂)

41 质量块(第1质量块)

42 质量块(第2质量块)

45 绝缘膜

45a 绝缘膜(第1绝缘膜)

45b 绝缘膜(第2绝缘膜)

46 晶片(第1晶片)

47 晶片(第2晶片)

246 材料晶片