特許 6194624 物理量検出素子及び物理量検出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6194624

(24)【登録日】2017年8月25日

(45)【発行日】2017年9月13日

(54)【発明の名称】物理量検出素子及び物理量検出装置

(51)【国際特許分類】

   G01L 9/00 20060101AFI20170904BHJP

   G01P 15/12 20060101ALI20170904BHJP

   G01P 15/08 20060101ALI20170904BHJP

   H01L 29/84 20060101ALI20170904BHJP

【ＦＩ】

   G01L9/00 303K

   G01L9/00 303Q

   G01P15/12 D

   G01P15/08 102Z

   H01L29/84 A

   H01L29/84 B

【請求項の数】8

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2013-92363(P2013-92363)

(22)【出願日】2013年4月25日

(65)【公開番号】特開2014-215158(P2014-215158A)

(43)【公開日】2014年11月17日

【審査請求日】2016年4月11日

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006220

【氏名又は名称】ミツミ電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】中根 健智

(72)【発明者】

【氏名】羽迫 義浩

(72)【発明者】

【氏名】島津 侑宜

【審査官】 公文代 康祐

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−０６９６４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−３２２２７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２０７５１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−００２６１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１５８６７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−０９５７４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００７／００７７６７６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｌ ９／００− ９／１２

Ｇ０１Ｐ １５／０８−１５／１２

Ｈ０１Ｌ ２９／８４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

厚さが８００μｍ以下であるガラス基板と、
絶対圧力を検出する物理量検出部を備えた基板と、
前記基板が前記ガラス基板の一方の面に直接接合されることで形成された、密封されて真空状態に保たれた空間と、
前記ガラス基板の他方の面のみに形成され、前記ガラス基板の他方の面と大気中水分との接触を防止する機能膜と、を有する物理量検出素子。

【請求項2】

少なくとも一方が空洞部を有する厚さが８００μｍ以下である２つのガラス基板と、
加速度を検出する物理量検出部を備えた基板と、
前記基板の両面に各々の前記ガラス基板の一方の面が直接接合されることで形成され、前記物理量検出部が配置される密封された空間と、
各々の前記ガラス基板の他方の面のみに形成され、各々の前記ガラス基板の他方の面と大気中水分との接触を防止する機能膜と、を有する物理量検出素子。

【請求項3】

前記機能膜は、前記ガラス基板中のアルカリ金属イオンと水分との接触を防止するよう水分を遮断する性質を有すると共に、前記アルカリ金属イオンの前記機能膜中の移動を妨げる性質を有する請求項１又は２記載の物理量検出素子。

【請求項4】

前記機能膜は、金、チタン、窒化シリコンの何れかを含む膜からなる請求項１乃至３の何れか一項記載の物理量検出素子。

【請求項5】

前記基板は、シリコンからなる請求項１乃至４の何れか一項記載の物理量検出素子。

【請求項6】

前記ガラス基板の厚さは前記基板の厚さ以下である請求項５記載の物理量検出素子。

【請求項7】

請求項１乃至６の何れか一項記載の物理量検出素子を搭載した物理量検出装置。

【請求項8】

前記物理量検出素子は、前記機能膜側が接着樹脂により基板上に固定されている請求項７記載の物理量検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、物理量検出素子及び物理量検出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、ダイヤフラムを有するシリコン基板をガラス基板の上面に接合したゲージ圧センサが知られている。このようなゲージ圧センサにおいて、ガラス基板には測定すべき媒体の圧力をシリコン基板へ通す貫通孔が設けられている。又、ガラス基板の下面（裏面）には、ゲージ圧センサをはんだを介して金属台座に固定するための金属膜が形成されている。はんだ付けするための金属膜は、種類の異なる複数の膜を積層し、ガラス基板に含まれるナトリウムイオンにより劣化し難い構造とすることが好ましいことが示されている（例えば、特許文献１〜３参照）。

【0003】

一方、上記のゲージ圧センサとは別に、ダイヤフラムを有するシリコン基板をガラス基板の上面に接合し、シリコン基板とガラス基板で密封された空間を形成した物理量検出素子を用いた絶対圧力センサが知られている。例えば、ダイヤフラムには、加わる応力によって抵抗値が変化する４つのピエゾ抵抗素子を用いたホイートストーンブリッジ回路が形成されている。

【0004】

このような絶対圧力センサにおいて、物理量検出素子のガラス基板の下面（裏面）は接着剤を介して基板等の上に固定される。シリコン基板の厚さは例えば１ｍｍ程度、ガラス基板の厚さは例えば１ｍｍ程度、物理量検出素子の総厚は例えば２ｍｍ程度である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０００−２４１２７４号公報

【特許文献2】特開平２−２７２３３９号公報

【特許文献3】特公平６−７６９３８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、上記のような絶対圧力センサは、携帯電話機のような小型機器への搭載が検討されており、小型かつ低背であることが要求されている。従って、シリコン基板の厚さ及びガラス基板の厚さを、共に従来よりも大幅に薄くする必要がある。

【0007】

しかしながら、ガラス基板の厚さが所定値よりも薄くなると、ガラス基板の厚さが薄くなるにつれて、所定条件における物理量検出素子の出力変動量（ホイートストーンブリッジ回路の出力の変動量）が大きくなることを発明者らは見出した。

【0008】

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、ガラス基板の厚さに関わらず出力変動量を抑制可能な物理量検出素子等を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本物理量検出素子（１０）は、厚さが８００μｍ以下であるガラス基板（３０）と、絶対圧力を検出する物理量検出部（２０）を備えた基板と、前記基板が前記ガラス基板（３０）の一方の面に直接接合されることで形成された、密封されて真空状態に保たれた空間（２３）と、前記ガラス基板（３０）の他方の面のみに形成され、前記ガラス基板（３０）の他方の面と大気中水分との接触を防止する機能膜（４０）と、を有することを要件とする。

【0010】

なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、図示の態様に限定されるものではない。

【発明の効果】

【0011】

開示の技術によれば、ガラス基板の厚さに関わらず出力変動量を抑制可能な物理量検出素子等を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】第１の実施の形態に係る物理量検出素子を例示する断面図である。

【図2】第１の実施の形態に係る物理量検出素子のダイヤフラム面を例示する平面図である。

【図3】第１の実施の形態に係る物理量検出素子の製造工程を例示する図である。

【図4】物理量検出素子の出力変動量のガラス基板の厚さ依存性を例示する図（その１）である。

【図5】物理量検出素子の出力変動量のガラス基板の厚さ依存性を例示する図（その２）である。

【図6】物理量検出素子の出力変動量の接合電圧依存性を例示する図である。

【図7】物理量検出素子の出力変動量の接合温度依存性を例示する図である。

【図8】物理量検出素子の出力変動量の機能膜の膜種依存性を例示する図である。

【図9】第１の実施の形態の変形例１に係る物理量検出素子を例示する断面図である。

【図10】第１の実施の形態の変形例２に係る物理量検出素子を例示する断面図である。

【図11】第１の実施の形態の変形例３に係る物理量検出素子を例示する図である。

【図12】第２の実施の形態に係る物理量検出装置を例示する断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

【0014】

〈第１の実施の形態〉
図１は、第１の実施の形態に係る物理量検出素子を例示する断面図である。図１を参照するに、第１の実施の形態に係る物理量検出素子１０は、ダイヤフラム部２０と、ガラス基板３０と、機能膜４０とを有する。物理量検出素子１０は、例えば、絶対圧力センサに搭載することができる。

【0015】

物理量検出部であるダイヤフラム部２０（感圧ダイヤフラム部）は、物理量検出素子１０のセンサ面を構成する部位であり、圧力により発生した応力を、電気信号に変換して検出する機能を有する。ダイヤフラム部２０は、ダイヤフラム面２１と、ダイヤフラム支持部２２とを有する。なお、ダイヤフラム部２０は、物理量検出部の一例を示したものであり、物理量は圧力以外のものであってもよい。

【0016】

ダイヤフラム面２１は圧力を検出する面であり、例えば、薄膜状に形成されている。ダイヤフラム面２１には、圧力が加わると撓みが生じ、その撓みにより、ダイヤフラム面２１に印加された圧力が検出できるように構成されている。又、ダイヤフラム支持部２２は、ダイヤフラム面２１を支持する機能を有する。

【0017】

ダイヤフラム部２０は、例えば、シリコン基板（Ｓｉ基板）に形成される。なお、本願において、シリコン基板とはシリコンを主成分とする基板を指し、例えば、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板等も含むものとする。ダイヤフラム部２０としてＳＯＩ基板を用いる場合には、シリコン活性層でダイヤフラム面２１を形成し、埋め込み酸化膜及び裏面のシリコン基板でダイヤフラム支持部２２を形成できる。

【0018】

ガラス基板３０は、ダイヤフラム部２０を支持する支持部材であり、例えば、ガラス基板３０の一方の面の外縁部にダイヤフラム部２０のダイヤフラム支持部２２の裏面が陽極接合により固定されている。なお、ガラス基板３０として、多層化されたガラス基板を用いてもよい。

【0019】

ダイヤフラム部２０がガラス基板３０の一方の面に接合されることで、密封された空間である空洞部２３が形成される。物理量検出素子１０が絶対圧力センサに搭載される場合、空洞部２３は真空状態に保たれた真空基準室となる。

【0020】

機能膜４０は、ガラス基板３０の他方の面（裏面）を被覆するように形成されている。機能膜とは、一般に所定の機能を有する薄膜を指すが、本願における所定の機能は、ガラス基板３０の他方の面と大気中水分との接触を防止する機能である。つまり、機能膜４０は、ガラス基板３０に含まれるアルカリ金属イオン（Ｎａ^＋、Ｋ^＋等）と大気中の水分とが接触することを防止する機能を有する。機能膜４０の材料としては、水分を遮断する性質を有すると共に、アルカリ金属イオン（Ｎａ^＋、Ｋ^＋等）の移動を妨げる性質を有するものを選択することができる。

【0021】

このような性質を有する機能膜４０の一例としては、金属膜やシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）、ＤＬＣ膜（ダイヤモンドライクカーボン膜）等の無機膜、特殊ウレタン樹脂やフッ素樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリスチレン樹脂等の有機膜等を挙げることができる。

【0022】

機能膜４０として金属膜を用いる場合の一例としては、膜厚１００ｎｍ程度のチタン膜（Ｔｉ膜）、膜厚１５０ｎｍ程度の金膜（Ａｕ膜）等を挙げることができる。チタン膜（Ｔｉ膜）や金膜（Ａｕ膜）は、例えば、スパッタリング法により成膜できる。なお、金膜（Ａｕ膜）を成膜する場合には、例えば、膜厚３５ｎｍ程度のチタンタングステン膜（ＴｉＷ膜）を下地とすることができる。機能膜４０を形成することの具体的な意義については後述する。

【0023】

図２は、第１の実施の形態に係る物理量検出素子のダイヤフラム面を例示する平面図である。図２を参照するに、ダイヤフラム面２１は、ピエゾ抵抗素子２１１と、不純物抵抗配線２１２と、金属配線２１３と、パッド２１４とを備えている。ピエゾ抵抗素子２１１及び不純物抵抗配線２１２は、ホイートストーンブリッジ回路を構成し、出力電圧を検出できるように構成されている。

【0024】

ピエゾ抵抗素子２１１は、圧電素子の一種であり、印加される圧力に応じて抵抗値が変化する。よって、ピエゾ抵抗素子２１１を用いたホイートストーンブリッジ回路は、出力電圧の変化により、ダイヤフラム面２１に印加された圧力が検出できるように構成されている。つまり、ダイヤフラム面２１に印加された圧力をピエゾ抵抗素子２１１の抵抗値変化に対応する出力電圧変化により検出できる。

【0025】

又、金属配線２１３は、ホイートストーンブリッジ回路を形成するための配線であり、パッド２１４は、外部との電気的接続を行うための端子又は電極である。外部からパッド２１４に電源を供給してホイートストーンブリッジ回路に電圧を印加し、圧力の印加によるピエゾ抵抗素子２１１の抵抗値の変化から、ホイートストーンブリッジ回路の出力電圧の変化を検出する。これにより、ダイヤフラム面２１に印加された圧力を検出できる。例えば、ダイヤフラム面２１を図２に示したように構成することにより、物理量検出素子１０は、圧力を検出できる。

【0026】

物理量検出素子１０は、例えば、以下のようにして作製できる。なお、図３では、物理量検出素子単体を図示するが、実際には、１つのウェハに多数の物理量検出素子が形成され、最後にダイシングされて個片化された物理量検出素子となる。

【0027】

図３は、第１の実施の形態に係る物理量検出素子の製造工程を例示する図である。まず、図３（ａ）に示す工程では、ダイヤフラム部２０を作製する。具体的には、シリコン基板（Ｓｉ基板）やＳＯＩ基板等のシリコンを主成分とする基板を準備し、準備した基板にエッチング加工等を施し、所定形状のダイヤフラム部２０を作製する。なお、ダイヤフラム部２０の厚さＴ_１は、例えば、１５０μｍ程度とすることができる。

【0028】

次に、図３（ｂ）に示す工程では、ガラス基板３０の一方の面にダイヤフラム部２０を陽極接合により固定する。具体的には、例えば３００〜４００℃程度の温度（接合温度）の高温環境下でダイヤフラム部２０とガラス基板３０とを当接させる。そして、ダイヤフラム部２０とガラス基板３０との間に、ガラス基板３０に対してダイヤフラム部２０が高電位になるように直流電源から、例えば５００〜１５００Ｖ程度の高電圧（接合電圧）を印加する。これにより、ガラス基板３０の一方の面にダイヤフラム部２０が陽極接合により固定され、密封された空間である空洞部２３が形成される。なお、ガラス基板３０の厚さＴ_２は、例えば、１００μｍ程度とすることができる。

【0029】

次に、図３（ｃ）に示す工程では、ガラス基板３０の他方の面（裏面）に機能膜４０を形成する。機能膜４０は、例えば、スパッタリング法によりガラス基板３０の他方の面にチタン（Ｔｉ）膜を成膜することにより形成できる。機能膜４０の厚さは、例えば、１００ｎｍ程度とすることができる。なお、機能膜４０として、チタン膜（Ｔｉ膜）に代えて、前述の種々の膜を形成してもよい。図３（ｃ）に示す工程の後、ダイシングされて個片化された複数の物理量検出素子が形成される。

【0030】

なお、機能膜４０を形成する工程は特に限定されない。例えば、機能膜４０を形成する前にダイシングで物理量検出素子を個片化し、その後、個片化された各物理量検出素子のガラス基板３０の他方の面（裏面）に機能膜４０を形成してもよい。又、図３（ｂ）に示す工程で、陽極接合の前にガラス基板３０の他方の面（裏面）に機能膜４０を形成してもよい。但し、この場合には、ガラス基板３０の他方の面（裏面）の一部に、陽極接合の際に電極部として用いる領域を露出しておく必要がある。

【0031】

ここで、ガラス基板３０の他方の面（裏面）に機能膜４０を形成することの効果について、発明者らの行った実験結果を交えながら説明する。

【0032】

［出力変動量のガラス基板の厚さ依存性］
まず、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示す工程のようにして、ガラス基板３０の厚さをパラメータとして、ガラス基板３０の他方の面に機能膜４０を形成しない複数の物理量検出素子を作製した。具体的には、ダイヤフラム部２０の厚さＴ_１を１０００μｍとし、ガラス基板３０の厚さＴ_２を１０００μｍとし、陽極接合の接合温度を４００℃、接合電圧を６００Ｖとして５つの物理量検出素子を作製した。これとは別に、ダイヤフラム部２０の厚さＴ_１を１５０μｍとし、ガラス基板３０の厚さＴ_２を１００μｍとし、陽極接合の接合温度を４００℃、接合電圧を６００Ｖとして９つの物理量検出素子を作製した。

【0033】

次に、各物理量検出素子を高温高湿状態（８５℃８５％Ｒｈの大気圧環境下）に１００時間放置後、常温に戻して個々に通電し、出力変動量を測定した（以降、単に、試験後の出力変動量と称する）。測定した出力変動量は、試験前後における、前述のホイートストーンブリッジ回路の出力電圧の変化を圧力に換算した値（単位：Ｐａ）である。なお、試験前のホイートストーンブリッジ回路の出力電圧を基準（ゼロ）としている。

【0034】

なお、発明者らは、試験後の出力変動量が１００Ｐａ以内であることを合格品の条件としている。この条件を満足することにより、高温高湿状態（８５℃８５％Ｒｈの大気圧環境下）に１０００時間放置しても出力変動量が１５０Ｐａ以内に収まることが経験上わかっており、又、出力変動量が１５０Ｐａ以内であれば実使用上の問題が生じないからである。但し、この条件はあくまで一例であり、物理量検出素子の用途や設計に対応して、他の条件としても構わない。

【0035】

図４は、物理量検出素子の出力変動量のガラス基板の厚さ依存性を例示する図（その１）である。図４（ａ）はＴ_１＝１０００μｍ及びＴ_２＝１０００μｍとした場合、図４（ｂ）はＴ_１＝１５０μｍ及びＴ_２＝１００μｍとした場合の試験後の出力変動量の測定結果を示している。

【0036】

図４（ａ）から、Ｔ_１＝１０００μｍ及びＴ_２＝１０００μｍとした比較的厚型の物理量検出素子では、試験後の出力変動量が１００Ｐａ以内であり、上記合格品の条件を満足できていることが確認された。一方、図４（ｂ）から、Ｔ_１＝１５０μｍ及びＴ_２＝１００μｍとした比較的薄型の物理量検出素子では、試験後の出力変動量が１００Ｐａを超えており、上記合格品の条件を満足できていないことが確認された。

【0037】

次に、ダイヤフラム部２０の厚さＴ_１を１５０μｍとし、ガラス基板３０の厚さＴ_２をパラメータとし、陽極接合の接合温度を４００℃、接合電圧を６００Ｖとして３つの物理量検出素子を作製し、上記と同様に試験後の出力変動量を測定した。

【0038】

図５は、物理量検出素子の出力変動量のガラス基板の厚さ依存性を例示する図（その２）である。図５から、Ｔ_１＝１５０μｍという比較的薄型の物理量検出素子では、ガラス基板３０の厚さＴ_２が薄いと試験後の出力変動量が大きくなるが、ガラス基板３０の厚さＴ_２が厚くなるほど試験後の出力変動量が小さくなることがわかった。又、図５から、Ｔ_１＝１５０μｍという比較的薄型の物理量検出素子では、上記合格品の条件を満足するためには、ガラス基板３０の厚さＴ_２を８００μｍ以上とする必要があることがわかった。

【0039】

［出力変動量の陽極接合条件の依存性］
前述の図３（ｂ）に示す工程において、陽極接合の接合温度及び接合電圧をパラメータとして、ガラス基板３０の他方の面に機能膜４０を形成しない複数の物理量検出素子を作製した。具体的には、ダイヤフラム部２０の厚さＴ_１を１５０μｍとし、ガラス基板３０の厚さＴ_２を１００μｍとし、陽極接合の接合温度及び接合電圧をパラメータとして複数の物理量検出素子を作製し、上記と同様に試験後の出力変動量を測定した。

【0040】

図６は、物理量検出素子の出力変動量の接合電圧依存性を例示する図である。図６に示す３つの物理量検出素子は、陽極接合の接合温度を４００℃とし、各々接合電圧を６００Ｖ、１０００Ｖ、１５００Ｖとして作製したものである。図６から、ダイヤフラム部２０の厚さＴ_１＝１５０μｍ、ガラス基板３０の厚さＴ_２＝１００μｍという比較的薄型の物理量検出素子では、陽極接合の接合温度を調整しても、上記合格品の条件は満足できないことがわかった。

【0041】

図７は、物理量検出素子の出力変動量の接合温度依存性を例示する図である。図７に示す３つの物理量検出素子は、陽極接合の接合電圧を６００Ｖとし、接合温度を各々３００℃、３５０℃、４００℃として作製したものである。図７から、ダイヤフラム部２０の厚さＴ_１＝１５０μｍ、ガラス基板３０の厚さＴ_２＝１００μｍという薄型の物理量検出素子において、陽極接合の接合電圧を調整しても、上記合格品の条件は満足できないことがわかった。

【0042】

［機能膜の検討］
次に、図３（ａ）〜図３（ｃ）に示す工程のようにして、ガラス基板３０の他方の面に機能膜４０を形成した複数の物理量検出素子を作製した。具体的には、ダイヤフラム部２０の厚さＴ_１を１５０μｍとし、ガラス基板３０の厚さＴ_２を１００μｍとし、陽極接合の接合温度を４００℃、接合電圧を６００Ｖとしてダイヤフラム部２０とガラス基板３０を陽極接合した。そして、ガラス基板３０の他方の面（裏面）に機能膜４０を成膜した物理量検出素子を４つ作製した。

【0043】

４つの物理量検出素子には、機能膜４０として、膜厚１００ｎｍのチタン（Ｔｉ）膜、膜厚１５０ｎｍの金（Ａｕ）膜、膜厚１００ｎｍのシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）、膜厚１００ｎｍのシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）を成膜した。但し、金（Ａｕ）膜を形成する際には、下地として、膜厚３５ｎｍのチタンタングステン膜（ＴｉＷ膜）を形成した。

【0044】

なお、チタン（Ｔｉ）膜、金（Ａｕ）膜、及び下地のチタンタングステン膜（ＴｉＷ膜）は、スッパッタリング法により成膜した。又、シリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）及びシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）は、プラズマＣＶＤ法により成膜した。

【0045】

図８は、物理量検出素子の出力変動量の機能膜の膜種依存性を例示する図である。なお、図８では比較のため、機能膜が形成されていない物理量検出素子のデータ（「無し」と表示）も示している。図８から、ダイヤフラム部２０の厚さＴ_１＝１５０μｍ、ガラス基板３０の厚さＴ_２＝１００μｍという薄型の物理量検出素子でも、適切な膜種を選択してガラス基板３０の他方の面に機能膜４０を成膜することにより、上記合格品の条件を満足できることがわかった。

【0046】

［まとめ］
以上の実験結果をまとめると、ガラス基板３０の厚さＴ_２が８００μｍよりも厚ければ、機能膜の有無にかかわらず、上記合格品の条件を満足できる（図５参照）。しかしながら、市場における物理量検出素子の薄型化の要求に応えるために、ガラス基板３０の厚さＴ_２を薄くすると（８００μｍ以下にすると）、上記合格品の条件を満足できなくなる（図５参照）。又、この結果は、陽極接合条件（接合温度及び接合電圧）を変えても改善されない（図６及び図７参照）。

【0047】

一方、ガラス基板３０の他方の面（裏面）に機能膜４０を形成すると、機能膜４０の膜種によっては、機能膜４０を形成しない場合に比べて出力変動量を大幅に抑制することが可能となり、上記合格品の条件を満足できる（図８参照）。すなわち、機能膜４０の膜種として、水分を遮断する性質を有すると共に、アルカリ金属イオン（Ｎａ^＋、Ｋ^＋等）の移動を妨げる性質を有するものを選択する。これにより、ガラス基板３０の厚さＴ_２を薄くしても（８００μｍ以下にしても）出力変動量を大幅に抑制することが可能となり、上記合格品の条件を満足できる。

【0048】

ここで、ガラス基板３０の他方の面に機能膜４０を形成することにより、ガラス基板３０の厚さＴ_２を薄くしても（８００μｍ以下にしても）出力変動量を大幅に抑制できる理由について説明する。

【0049】

陽極接合では、原理的にアルカリガラスが一般的に使われる。アルカリガラスの成分には、ＮａやＫ等のアルカリ金属が含まれている。ガラスの表面では、ガラス中のナトリウムイオン（Ｎａ^＋）やカリウムイオン（Ｋ^＋）等のアルカリ金属イオンと大気中のＨ_２Ｏとの間で、以下のような反応が発生している。なお、以下はナトリウムイオン（Ｎａ^＋）について示すが、カリウムイオン（Ｋ^＋）等についても同様な反応が発生している。

【0050】

Ｎａ^＋（ガラス）＋ Ｈ_２Ｏ（大気中）→ ＮａＯＨ ＋ Ｈ^＋（ガラス内部へ）・・・（式１）
この反応は、湿度が高いほど、高温なほど発生し易い。又、ガラスの主成分であるケイ酸は、酸にはほとんど溶解しない（フッ酸を除く）。しかし、耐アルカリ性は乏しく、ｐＨが９．８以上のアルカリ性溶液には溶解する。よって、生成されたＮａＯＨが更に大気中の水分を取り込み、アルカリ水溶液になることでガラスが溶解し、ガラスの厚みが見かけ上薄くなることで応力バランスが崩れ、特性の変動が発生したと考えられる。

【0051】

ガラスの厚みが厚い場合（例えば、１０００μｍ）には、ガラスの溶解された層が相対的に小さく、物理量検出素子の応力バランスの変化がほとんど発生しないため、図４（ａ）に示したように特性の変動が軽微であったと解される。一方、ガラスの厚みが薄い場合（例えば、１００μｍ）には、ガラスの溶解された層が相対的に大きく、物理量検出素子の応力バランスが変化するため、図４（ｂ）に示したように特性の変動が顕著であったと解される。

【0052】

ところで、陽極接合では原理的にガラスの裏面にＮａを成分とする白っぽい粉（析出物）が付着することが知られており、この成分がアルカリ水溶液となることも想定される。このため、発明者らは、陽極接合後のガラスを研磨したサンプルを同様に評価したが改善は見られなかった。この結果から、出力変動は、析出物が要因で発生するものでないことが明らかであり、上記のように、ガラス表面での反応が要因で発生すると解される。
又、機能膜４０の膜種によっては、機能膜４０を形成しても出力変動量を抑制できない。具体的には、図８に示すように、機能膜４０としてシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）を形成しても出力変動量を抑制できない。機能膜４０としてシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）を形成しても効果がなかった理由は、アルカリガラスの主成分でもあるＳｉＯ_２内部をナトリウムイオン（Ｎａ^＋）やカリウムイオン（Ｋ^＋）等のアルカリ金属イオンが動けるためである。

【0053】

つまり、ナトリウムイオン（Ｎａ^＋）やカリウムイオン（Ｋ^＋）等のアルカリ金属イオンは可動性イオンであって、ガラス内のエネルギー状態を最小化するように移動する。このため、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）を形成しても、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）内を移動して大気中のＨ_２Ｏと反応するため、効果がなかったと解される。

【0054】

このように、第１の実施の形態では、ダイヤフラム部２０とガラス基板３０とを有する物理量検出素子１０において、ガラス基板３０の裏面に、ガラス基板３０に含まれるアルカリ金属イオンと大気中の水分とが接触することを防止する機能膜４０を形成する。これにより、ガラス基板３０が薄型化（８００μｍ以下）した場合であっても、機能膜４０が、ガラス基板３０中のアルカリ金属イオンと大気中の水分が反応してアルカリ水溶液が生成されてガラス基板３０の裏面が溶解することを防止できる。その結果、物理量検出素子１０の出力変動量について、所定の仕様（上記合格品の条件）を満足できる。

【0055】

なお、物理量検出素子１０を薄型化する場合、シリコン基板の厚さとガラス基板の厚さに大小関係の優劣はないが、シリコン基板の厚さを１５０μｍよりも薄くすることは困難である。従って、物理量検出素子１０を特に薄型化する場合には、ガラス基板の厚さをシリコン基板の厚さ以下にすることが考えられる。そのような場合に、物理量検出素子１０の出力変動量を抑制する手段として、機能膜４０を形成することは特に有効である。但し、ガラス基板の厚さをシリコン基板の厚さより厚くすることを否定するものではない。

【0056】

なお、物理量検出素子１０が絶対圧力センサに搭載される場合、空洞部２３は真空状態に保たれ大気とは接しないため、ガラス基板３０の一方の面（表面）に機能膜を形成する必要はない。

【0057】

〈第１の実施の形態の変形例１〉
第１の実施の形態の変形例１では、第１の実施の形態とは構造の異なる物理量検出素子の例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例１において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する。

【0058】

図９は、第１の実施の形態の変形例１に係る物理量検出素子を例示する断面図である。図９を参照するに、第１の実施の形態の変形例１に係る物理量検出素子１０Ａは、ダイヤフラム部２０Ａと、ガラス基板３０Ａと、機能膜４０とを有する。物理量検出素子１０Ａは、例えば、絶対圧力センサに搭載することができる。

【0059】

物理量検出部であるダイヤフラム部２０Ａ（感圧ダイヤフラム部）は、物理量検出素子１０のダイヤフラム部２０（図１参照）とは異なり、平板状とされている。ダイヤフラム部２０Ａの機能は、ダイヤフラム部２０と同様である。ダイヤフラム部２０Ａは、ダイヤフラム部２０と同様に、例えば、シリコン基板（Ｓｉ基板）に形成される。このように、ダイヤフラム部２０Ａとして、シリコン基板（Ｓｉ基板）等の全体をダイヤフラムの厚さまで薄くしたものを用いてもよい。

【0060】

ガラス基板３０Ａは、平板部３１と、枠部３２とを有する。枠部３２は、平板部３１の外縁部に環状に立設するように平板部３１と一体に形成された部材である。ガラス基板３０Ａは、ダイヤフラム部２０Ａを支持する支持部材であり、例えば、ガラス基板３０Ａの一方の面である枠部３２の上面にダイヤフラム部２０Ａの裏面の外縁部が陽極接合により固定されている。ダイヤフラム部２０Ａがガラス基板３０Ａの一方の面に接合されることで、密封された空間である空洞部２３が形成される。

【0061】

機能膜４０は、ガラス基板３０Ａの他方の面である平板部３１の裏面を被覆するように形成されている。機能膜４０の詳細については、第１の実施の形態で説明した通りである。

【0062】

このように、第１の実施の形態の変形例１においても、ガラス基板３０Ａの他方の面（裏面）を被覆するように機能膜４０が形成されているため、第１の実施の形態と同様の効果を奏する。

【0063】

〈第１の実施の形態の変形例２〉
第１の実施の形態の変形例２では、第１の実施の形態とは構造の異なる物理量検出素子の他の例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例２において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する。

【0064】

図１０は、第１の実施の形態の変形例２に係る物理量検出素子を例示する断面図である。図１０を参照するに、第１の実施の形態の変形例２に係る物理量検出素子１０Ｂは、ダイヤフラム部２０Ａがダイヤフラム部２０Ｂに置換された点が、第１の実施の形態の変形例１に係る物理量検出素子１０Ａ（図９参照）と相違する。物理量検出素子１０Ｂは、例えば、絶対圧力センサに搭載することができる。

【0065】

物理量検出部であるダイヤフラム部２０Ｂ（感圧ダイヤフラム部）は、物理量検出素子１０Ａのダイヤフラム部２０Ａ（図９参照）とは異なり、平板の外縁部にガラス基板３０Ａとは反対側に突起する枠状の突起部２４が設けられている。ダイヤフラム部２０Ｂの機能は、ダイヤフラム部２０Ａと同様である。ダイヤフラム部２０Ｂは、ダイヤフラム部２０Ａと同様に、例えば、シリコン基板（Ｓｉ基板）に形成される。このように、ダイヤフラム部２０Ｂとして、シリコン基板（Ｓｉ基板）等の一部（突起部２４を除く部分）をダイヤフラムの厚さまで薄くしたものを用いてもよい。

【0066】

このように、第１の実施の形態の変形例２においても、ガラス基板３０Ａの他方の面（裏面）を被覆するように機能膜４０が形成されているため、第１の実施の形態と同様の効果を奏する。

【0067】

〈第１の実施の形態の変形例３〉
第１の実施の形態の変形例３では、第１の実施の形態とは構造の異なる物理量検出素子の更に他の例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例３において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する。

【0068】

図１１は、第１の実施の形態の変形例３に係る物理量検出素子を例示する図であり、図１１（ａ）は平面図、図１１（ｂ）は断面図である。但し、図１１（ａ）では、後述する基板５０（パッド５１１及びピエゾ抵抗素子５２１を含む）のみを図示している。

【0069】

図１１を参照するに、第１の実施の形態の変形例３に係る物理量検出素子１０Ｃは、ガラス基板３０Ｂ及び３０Ｃと、機能膜４０Ｂ及び４０Ｃと、基板５０とを有する。物理量検出素子１０Ｃは、例えば、加速度センサに搭載することができる。

【0070】

基板５０は、枠部５１と、梁部５２と、錘部５３とを有する。梁部５２は錘部５３を支持する部位であり、梁部５２の一端は枠部５１に接続され、梁部５２の他端に錘部５３が形成されている。梁部５２及び錘部５３は物理量検出部であり、枠部５１に対して矢印Ａ方向（略上下方向）に回動可能に構成されている。基板５０としては、例えば、シリコン基板（Ｓｉ基板）を用いることができる。この場合、枠部５１、梁部５２、及び錘部５３は、シリコンにより一体に形成することができる。

【0071】

基板５０の枠部５１の上面には、空洞部３３を有するガラス基板３０Ｂの一方の面が接合されている。又、基板５０の枠部５１の下面には、空洞部３４を有するガラス基板３０Ｃの一方の面が接合されている。基板５０がシリコンである場合には、基板５０とガラス基板３０Ｂ及び３０Ｃとは、例えば、陽極接合により固定することができる。空洞部３３及び３４は連通して密封された空間を形成し、密封された空間内に物理量検出部である梁部５２及び錘部５３が配置されている。

【0072】

但し、空洞部はガラス基板３０Ｂ及び３０Ｃの何れか一方のみに形成されていてもよい。その場合には、ガラス基板３０Ｂ及び３０Ｃとの間に隙間が形成されるような位置に、梁部５２及び錘部５３を形成すればよい。

【0073】

梁部５２にはピエゾ抵抗素子５２１が形成されている。錘部５３は、加速度がかかることにより矢印Ａ方向（略上下方向）に回動し、錘部５３を支持する梁部５２も錘部５３の動きによって上下に撓む。梁部５２の撓みによって梁部５２上のピエゾ抵抗素子５２１の抵抗値が変化し、この抵抗値の変化を検出することで加速度を検出できる。

【0074】

枠部５１の上面のガラス基板３０Ｂの外側には、アルミニウム等からなるパッド５１１が形成されている。パッド５１１は、拡散配線等（図示せず）により、ピエゾ抵抗素子５２１と電気的に接続されている。パッド５１１を外部ＩＣ等と接続することにより、物理量検出素子１０Ｃを用いた加速度センサを実現できる。

【0075】

機能膜４０Ｂは、ガラス基板３０Ｂの他方の面（裏面）を被覆するように形成されている。機能膜４０Ｃは、ガラス基板３０Ｃの他方の面（裏面）を被覆するように形成されている。機能膜４０Ｂ及び４０Ｃの機能や材料等については、第１の実施の形態で説明した機能膜４０と同様であるため、その説明は省略する。

【0076】

このように、第１の実施の形態の変形例３においても、ガラス基板３０Ｂ及び３０Ｃの他方の面（裏面）を被覆するように機能膜４０Ｂ及び４０Ｃが形成されているため、第１の実施の形態と同様の効果を奏する。

【0077】

〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態では、第１の実施の形態に係る物理量検出素子１０を備えた物理量検出装置（半導体センサ）の例を示す。なお、第２の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する。

【0078】

図１２は、第２の実施の形態に係る物理量検出装置を例示する断面図である。図１２を参照するに、第２の実施の形態に係る物理量検出装置１００は、物理量検出素子１０と、基板４００と、接着樹脂５００と、基板６００と、ボンディングワイヤ７００と、リッド８００とを有する。

【0079】

より詳しくは、物理量検出装置１００は、以下のような構成を有する。すなわち、３段の面を有する基板６００の下段面上に、接着樹脂５００により基板４００が接着されている。基板４００に、制御ＩＣ（Integrated Circuit、集積回路）を実装してもよい。

【0080】

基板４００上にはレジストスペーサ３１０を介して物理量検出素子１０が配置され、基板４００と物理量検出素子１０とは、基板４００と物理量検出素子１０との間であってレジストスペーサ３１０の周囲に充填された接着樹脂３２０により接着されている。

【0081】

なお、レジストスペーサ３１０は、レジストをパターニングして形成されたものであり、物理量検出素子１０を載せるための台座である。又、レジストスペーサ３１０は、ボンディングワイヤ７００のボンディング時に圧力が印加された際に、接着樹脂３２０の変形を防止する機能を有する。レジストスペーサ３１０の厚さは、例えば、２０〜３０μｍ程度とすることができる。

【0082】

物理量検出素子１０のダイヤフラム面２１上にはパッド２１４が設けられており、基板４００上にも配線用の端子としてパッド（図示せず）が設けられている。物理量検出素子１０のパッド２１４と基板４００のパッド（図示せず）とは、ボンディングワイヤ７００により電気的に接続されている。

【0083】

又、基板６００の中段の表面にも配線用の端子としてパッド（図示せず）が設けられており、基板４００と基板６００のパッド同士もボンディングワイヤ７００で電気的に接続されている。基板６００の上段には、リッド８００が設置され、物理量検出素子１０を覆っている。又、リッド８００の中央には、貫通穴８１０が設けられ、ダイヤフラム面２１が外部の圧力を感知できるように構成されている。

【0084】

物理量検出素子１０は、所定の物理量を検出するための素子であり、物理量検出装置１００においては、絶対圧力を検出する。ここで、絶対圧力とは、完全真空（又は絶対真空）を基準とした圧力である。そのため、物理量検出素子１０の空洞部２３は、真空状態に保たれた真空基準室とされている。

【0085】

このように、物理量検出素子１０を用いて、絶対圧力を検出する物理量検出装置１００を実現できる。但し、物理量検出素子１０は、絶対圧力を検出する半導体センサ以外に、ゲージ圧力センサ、フローセンサ、加速度センサ、ジャイロセンサ、レーザ発振子、光スイッチ、ディスプレイ、光センサ、プローバリングヘッド、ＩＲセンサ、μ―ＴＡＳ（Total Analysis Systems）、インクジェットヘッド、マイクロモータ、ＲＦスイッチ等に用いることができる。

【0086】

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳説したが、本発明は、上述した実施の形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

【符号の説明】

【0087】

１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 物理量検出素子
２０、２０Ａ、２０Ｂ ダイヤフラム部
２１ ダイヤフラム面
２２ ダイヤフラム支持部
２３、３３、３４ 空洞部
２４ 突起部
３０、３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ ガラス基板
３１ 平板部
３２、５１ 枠部
４０、４０Ｂ、４０Ｃ 機能膜
５０、４００、６００ 基板
５２ 梁部
５３ 錘部
１００ 物理量検出装置
２１１、５２１ ピエゾ抵抗素子
２１２ 不純物抵抗配線
２１３ 金属配線
２１４、５１１ パッド
３１０ レジストスペーサ
３２０、５００ 接着樹脂
７００ ボンディングワイヤ
８００ リッド
８１０ 貫通穴

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】