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JP7679352B2 - Sensor device and method for manufacturing same - Google Patents
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Description

本発明は、FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator)等の圧電薄膜共振子を利用したセンサ装置およびその製造方法に関する。The present invention relates to a sensor device that uses a piezoelectric thin-film resonator such as an FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator) and a method for manufacturing the same.

FBARは、移動通信機器のフィルタやデュプレクサ等に使われる圧電薄膜共振器である。FBAR、QCM(Quartz Crystal Microbalance)やSAW(Surface Acoustic Wave)といった圧電共振器に、特定のガスが吸着する感応膜を塗布し、その質量変化に対応する周波数変化を検知するにおいセンサの開発が進められている(非特許文献1参照)。FBARs are piezoelectric thin-film resonators used in filters and duplexers for mobile communication devices. Development of odor sensors is underway to detect frequency changes corresponding to mass changes by applying a sensitive film that adsorbs specific gases to piezoelectric resonators such as FBARs, QCMs (Quartz Crystal Microbalances), and SAWs (Surface Acoustic Waves) (see Non-Patent Document 1).

Matthew L. Johnston, Columbia University, New York, NY, USA MEMS 2012, Paris, FRANCE, 29 January - 2 February 2012 846-849Matthew L. Johnston, Columbia University, New York, NY, USA MEMS 2012, Paris, FRANCE, 29 January - 2 February 2012 846-849

圧電共振型のセンサは、典型的には、センサデバイスが発振回路を搭載した回路基板に実装されることで構成される。しかしながら、回路基板に対するセンサデバイスの実装形態によっては、本来の共振周波数で発振せず、センサとして動作しない場合がある。
例えば、センサデバイスと回路基板との間をワイヤボンディング方式で接続する場合、ボンディングワイヤのインダクタンスが大きくなると、共振特性の誘電性領域が広くなり、本来の発振周波数以外で発振することが懸念される。
A piezoelectric resonant sensor is typically constructed by mounting a sensor device on a circuit board that has an oscillator circuit mounted thereon. However, depending on the mounting form of the sensor device on the circuit board, it may not oscillate at its original resonant frequency and may not function as a sensor.
For example, when connecting a sensor device and a circuit board by wire bonding, if the inductance of the bonding wire increases, the dielectric region of the resonance characteristics becomes wider, raising concerns that oscillation may occur at a frequency other than the original oscillation frequency.

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、圧電共振デバイスの安定した発振特性を確保することができるセンサ装置およびその製造方法を提供することにある。In view of the above circumstances, the object of the present invention is to provide a sensor device and a manufacturing method thereof that can ensure stable oscillation characteristics of a piezoelectric resonant device.

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るセンサ装置は、回路基板と、複数のセンサデバイスとを具備する。
複数のセンサデバイスは、支持基板と、前記支持基板上に設けられた圧電膜と、前記圧電膜の少なくとも一部を挟んで対向する下部電極および上部電極と、前記上部電極に設けられた感応膜と、を各々有し、前記回路基板にフリップチップ接続される。
前記回路基板は、前記複数のセンサデバイスの前記感応膜に対向するように前記複数のセンサデバイスの配列方向に沿って延びて設けられ検出対象のガスが流れる貫通孔を有する。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るセンサ装置は、回路基板と、複数のセンサデバイスとを具備する。
複数のセンサデバイスは、支持基板と、前記支持基板上に設けられた圧電膜と、前記圧電膜の少なくとも一部を挟んで対向する下部電極および上部電極と、前記上部電極に設けられた感応膜と、を各々有し、前記回路基板にフリップチップ接続される。
前記回路基板は、前記複数のセンサデバイスの前記感応膜に対向するように前記複数のセンサデバイスの配列方向に沿って延びて設けられ検出対象のガスが流れる凹部を有する。
In order to achieve the above object, a sensor apparatus according to one embodiment of the present invention includes a circuit board and a plurality of sensor devices.
The multiple sensor devices each have a support substrate, a piezoelectric film provided on the support substrate, a lower electrode and an upper electrode facing each other across at least a portion of the piezoelectric film, and a sensitive film provided on the upper electrode, and are flip-chip connected to the circuit board.
The circuit board has a through hole extending along an arrangement direction of the plurality of sensor devices so as to face the sensitive films of the plurality of sensor devices and through which a gas to be detected flows.
In order to achieve the above object, a sensor apparatus according to one embodiment of the present invention includes a circuit board and a plurality of sensor devices.
The multiple sensor devices each have a support substrate, a piezoelectric film provided on the support substrate, a lower electrode and an upper electrode facing each other across at least a portion of the piezoelectric film, and a sensitive film provided on the upper electrode, and are flip-chip connected to the circuit board.
The circuit board has a recessed portion extending along an arrangement direction of the plurality of sensor devices so as to face the sensitive films of the plurality of sensor devices and through which a gas to be detected flows.

上記センサ装置においては、センサデバイスが回路基板に対してフリップチップ接続方式により実装されるため、センサデバイスと回路基板との間の配線長が短くなり、これによりセンサデバイスの安定した発振特性を確保することができる。 In the above sensor device, the sensor device is mounted on the circuit board using a flip-chip connection method, thereby shortening the wiring length between the sensor device and the circuit board, thereby ensuring stable oscillation characteristics of the sensor device.

前記複数のセンサデバイスの前記感応膜は互いに異なる材料により形成されてもよい。The sensitive films of the plurality of sensor devices may be made of different materials.

前記感応膜は、前記上部電極の、前記下部電極および前記上部電極が前記圧電膜を挟んで対向する共振領域に設けられてもよい。The sensitive film may be provided in a resonance region of the upper electrode where the lower electrode and the upper electrode face each other across the piezoelectric film.

前記圧電膜、前記下部電極および前記上部電極は、前記共振領域において、前記支持基板と前記下部電極との間に空隙を形成する凸曲面形状を有してもよい。The piezoelectric film, the lower electrode and the upper electrode may have a convex curved shape in the resonance region that forms a gap between the supporting substrate and the lower electrode.

前記回路基板は、前記下部電極に接続される第1電極と、前記上部電極に接続される第2電極と、を有してもよい。
前記センサデバイスは、前記下部電極および前記上部電極にそれぞれ設けられ前記第1電極および前記第2電極にそれぞれ電気的に接続される接合部をさらに有してもよい。
The circuit board may have a first electrode connected to the lower electrode and a second electrode connected to the upper electrode.
The sensor device may further include junctions provided on the lower electrode and the upper electrode, respectively, and electrically connected to the first electrode and the second electrode, respectively.

前記接合部は、はんだバンプ、金バンプまたは異方性導電フィルムであってもよい。The joint may be a solder bump, a gold bump or an anisotropic conductive film.

前記感応膜は、無機膜、有機ポリマー膜または有機色素膜であってもよい。The sensitive film may be an inorganic film, an organic polymer film or an organic dye film.

前記感応膜は、セルロース系の樹脂、フッ素系樹脂、アクリル系樹脂または導電性高分子であってもよい。The sensitive membrane may be a cellulose-based resin, a fluororesin, an acrylic resin or a conductive polymer.

本発明の一形態に係るセンサ装置の製造方法は、
支持基板と、前記支持基板上に設けられた圧電膜と、前記圧電膜の少なくとも一部を挟んで対向する下部電極および上部電極と、前記上部電極に設けられた感応膜と、を各々有する複数のセンサデバイスが回路基板にフリップチップ接続されたセンサ装置を用意し、
前記センサ装置をマザーボードに設け
前記回路基板は、前記複数のセンサデバイスの前記感応膜に対向するように前記複数のセンサデバイスの配列方向に沿って延びて設けられ検出対象のガスが流れる貫通孔を有する。
本発明の一形態に係るセンサ装置の製造方法は、
支持基板と、前記支持基板上に設けられた圧電膜と、前記圧電膜の少なくとも一部を挟んで対向する下部電極および上部電極と、前記上部電極に設けられた感応膜と、を各々有する複数のセンサデバイスが回路基板にフリップチップ接続されたセンサ装置を用意し、
前記センサ装置をマザーボードに設け、
前記回路基板は、前記複数のセンサデバイスの前記感応膜に対向するように前記複数のセンサデバイスの配列方向に沿って延びて設けられ検出対象のガスが流れる凹部を有する。
前記複数のセンサデバイスの前記感応膜は互いに異なる材料により形成されてもよい。
A method for manufacturing a sensor device according to one embodiment of the present invention includes:
a sensor device is provided in which a plurality of sensor devices, each of which has a support substrate, a piezoelectric film provided on the support substrate, a lower electrode and an upper electrode opposed to each other with at least a part of the piezoelectric film therebetween , and a sensitive film provided on the upper electrode, are flip-chip connected to a circuit substrate;
The sensor device is provided on a motherboard ;
The circuit board has a through hole extending along an arrangement direction of the plurality of sensor devices so as to face the sensitive films of the plurality of sensor devices and through which a gas to be detected flows.
A method for manufacturing a sensor device according to one embodiment of the present invention includes:
a sensor device is provided in which a plurality of sensor devices, each of which has a support substrate, a piezoelectric film provided on the support substrate, a lower electrode and an upper electrode opposed to each other with at least a part of the piezoelectric film therebetween, and a sensitive film provided on the upper electrode, are flip-chip connected to a circuit substrate;
The sensor device is provided on a motherboard;
The circuit board has a recessed portion extending along an arrangement direction of the plurality of sensor devices so as to face the sensitive films of the plurality of sensor devices and through which a gas to be detected flows.
The sensitive films of the plurality of sensor devices may be made of different materials.

本発明によれば、圧電共振デバイスの安定した発振特性を確保することができる。 According to the present invention, stable oscillation characteristics of a piezoelectric resonator device can be ensured.

本発明の一実施形態に係るセンサ装置の構成を概略的に示す側断面図である。1 is a side cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a sensor device according to an embodiment of the present invention. 上記センサ装置の平面図である。FIG. 2 is a plan view of the sensor device. 上記センサ装置におけるセンサデバイスの構成を示す図であり、(a)は平面図、(b)は(a)におけるA-A線断面図である。3A and 3B are diagrams showing the configuration of a sensor device in the sensor apparatus, where (a) is a plan view and (b) is a cross-sectional view taken along line AA in (a). 上記センサデバイスの製造方法を示す各工程での断面図である。3A to 3C are cross-sectional views illustrating steps in a method for manufacturing the sensor device. 上記センサ装置の構成の変形例を示す側断面図である。FIG. 11 is a side cross-sectional view showing a modified example of the configuration of the sensor device. 比較例のセンサ装置を示す側断面図である。FIG. 11 is a side cross-sectional view showing a sensor device of a comparative example. 実施形態のセンサ装置および比較例のセンサ装置の等価回路である。4 is an equivalent circuit diagram of a sensor device according to an embodiment and a sensor device according to a comparative example. 実施形態のセンサ装置および比較例のセンサ装置の周波数特性の一例を示すシミュレーション結果である。11 is a simulation result showing an example of frequency characteristics of the sensor device of the embodiment and the sensor device of the comparative example.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。 Below, an embodiment of the present invention is described with reference to the drawings.

[センサ装置]
図1は本発明の一実施形態に係るセンサ装置1の構成を概略的に示す側断面図、図2はセンサ装置1の平面図である。センサ装置1は、回路基板50と、回路基板50上に搭載されたセンサデバイス100とを備える。
[Sensor device]
Fig. 1 is a side cross-sectional view showing a schematic configuration of a sensor device 1 according to an embodiment of the present invention, and Fig. 2 is a plan view of the sensor device 1. The sensor device 1 includes a circuit board 50 and a sensor device 100 mounted on the circuit board 50.

センサ装置1は、ガスの種類の同定(検出)あるいは当該ガスの量を測定するためのものである。本実施形態では、回路基板50上に複数のセンサデバイス100が搭載されており、各センサデバイス100は、典型的には個々に異なるガスを検出することが可能に構成される。なお、センサデバイス100の数は複数に限られず、単数であってもよい。回路基板50の詳細およびセンサデバイス100の実装形態については後述する。The sensor device 1 is for identifying (detecting) the type of gas or measuring the amount of the gas. In this embodiment, multiple sensor devices 100 are mounted on a circuit board 50, and each sensor device 100 is typically configured to be able to detect a different gas individually. The number of sensor devices 100 is not limited to multiple, and may be single. Details of the circuit board 50 and the implementation form of the sensor device 100 will be described later.

(センサデバイスの構成)
センサデバイス100の構成について説明する。回路基板50には、各センサデバイス100を駆動する発振回路を含む駆動回路54が実装されている。駆動回路54は各センサデバイス100に共通に構成されるが、発振回路は、各センサデバイス100に対応して複数設けられる。
(Configuration of sensor device)
The configuration of the sensor device 100 will be described. A drive circuit 54 including an oscillator circuit for driving each sensor device 100 is mounted on the circuit board 50. The drive circuit 54 is configured in common to each sensor device 100, but a plurality of oscillator circuits are provided corresponding to each sensor device 100.

続いて、センサデバイス100の詳細について説明する。図3は、センサデバイス100の構成を示す図であり、(a)は平面図、(b)は(a)におけるA-A線断面図である。Next, the sensor device 100 will be described in detail. Figure 3 shows the configuration of the sensor device 100, where (a) is a plan view and (b) is a cross-sectional view taken along line A-A in (a).

本実施形態のセンサデバイス100は、支持基板10と、圧電膜22と、圧電膜22の少なくとも一部を挟んで対向する下部電極21および上部電極23とを有し、さらに、上部電極23の共振領域24に対応する位置に設けられた感応膜30を備えるFBAR型の圧電共振器として構成される。The sensor device 100 of this embodiment is configured as an FBAR type piezoelectric resonator having a support substrate 10, a piezoelectric film 22, a lower electrode 21 and an upper electrode 23 facing each other across at least a portion of the piezoelectric film 22, and further having a sensitive film 30 provided at a position corresponding to the resonance region 24 of the upper electrode 23.

支持基板10は、例えば、シリコン(Si)基板やガリウム砒素(GaAs)基板等の半導体基板のほか、石英基板、ガラス基板、またはアルミナ基板などのセラミック基板を用いることができる。The support substrate 10 may be, for example, a semiconductor substrate such as a silicon (Si) substrate or a gallium arsenide (GaAs) substrate, or a ceramic substrate such as a quartz substrate, a glass substrate, or an alumina substrate.

下部電極21は、支持基板10上に所定の形状で形成される。ここでは、下部電極21は共振領域24に向かうにつれて図3(a)の上下方向に沿った幅寸法が大きくなる多角形状に形成される。下部電極21の厚みは、例えば、240nmである。下部電極21は、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、タンタル(Ta)、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、又はイリジウム(Ir)の金属単層膜、あるいは、これらの中から複数の材料が選択された積層膜で構成される。The lower electrode 21 is formed in a predetermined shape on the support substrate 10. Here, the lower electrode 21 is formed in a polygonal shape in which the width dimension along the vertical direction of FIG. 3(a) increases toward the resonance region 24. The thickness of the lower electrode 21 is, for example, 240 nm. The lower electrode 21 is composed of a metal single layer film of aluminum (Al), copper (Cu), chromium (Cr), molybdenum (Mo), tungsten (W), tantalum (Ta), platinum (Pt), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), or iridium (Ir), or a laminate film in which multiple materials are selected from these materials.

圧電膜22は、下部電極21の一部を被覆するように支持基板10上に所定の形状で形成される。ここでは、圧電膜22は、下部電極21と同様に共振領域24に向かうにつれて図3(a)の上下方向に沿った幅寸法が大きくなる多角形状に形成される。圧電膜22の厚みは、例えば、500nmである。圧電膜22は、例えば、(002)方向を主軸とする窒化アルミニウム(AlN)を主成分とする圧電体で構成される。圧電膜22には、AlN膜以外にも、例えば、ZnO膜を用いることができる。 The piezoelectric film 22 is formed in a predetermined shape on the support substrate 10 so as to cover a part of the lower electrode 21. Here, the piezoelectric film 22 is formed in a polygonal shape in which the width dimension along the vertical direction in FIG. 3(a) increases toward the resonance region 24, similar to the lower electrode 21. The thickness of the piezoelectric film 22 is, for example, 500 nm. The piezoelectric film 22 is composed of a piezoelectric body mainly composed of aluminum nitride (AlN) with the main axis in the (002) direction. In addition to an AlN film, for example, a ZnO film can be used for the piezoelectric film 22.

上部電極23は、圧電膜22の少なくとも一部を被覆するように支持基板10上に所定の形状で形成される。ここでは、上部電極23は、下部電極21および圧電膜22と同様に共振領域24に向かうにつれて図3(a)の上下方向に沿った幅寸法が大きくなる多角形状に形成される。上部電極23の厚みは、例えば、240nmである。上部電極23は、下部電極21で列挙した金属材料の単層膜、あるいは、これらの中から複数の材料が選択された積層膜で構成される。The upper electrode 23 is formed in a predetermined shape on the support substrate 10 so as to cover at least a portion of the piezoelectric film 22. Here, the upper electrode 23 is formed in a polygonal shape whose width dimension in the vertical direction of FIG. 3(a) increases toward the resonance region 24, similar to the lower electrode 21 and the piezoelectric film 22. The thickness of the upper electrode 23 is, for example, 240 nm. The upper electrode 23 is composed of a single layer film of the metal materials listed for the lower electrode 21, or a laminated film in which multiple materials are selected from these.

センサデバイス100は、共振領域24を有する。共振領域24は、下部電極21および上部電極23が重なっている領域である。共振領域24において、支持基板10と下部電極21との間には空隙Gが設けられる。本実施形態では、共振領域24において、圧電膜22と下部電極21と上部電極23とは、支持基板10と下部電極21との間に空隙Gを形成する凸曲面部である。上部電極23の凸曲面の平面形状は、例えば、長軸が270μm、短軸が180μmのほぼ楕円形状である。共振領域24は、下部電極21と上部電極23との間に共振周波数の交流電圧が入力されたときに厚み縦振動モードで共振する領域である。共振領域24の共振周波数は特に限定されず、典型的には、GHz帯域の周波数であり、本実施形態では2.4GHzである。The sensor device 100 has a resonance region 24. The resonance region 24 is a region where the lower electrode 21 and the upper electrode 23 overlap. In the resonance region 24, a gap G is provided between the support substrate 10 and the lower electrode 21. In this embodiment, in the resonance region 24, the piezoelectric film 22, the lower electrode 21, and the upper electrode 23 are convex curved surfaces that form a gap G between the support substrate 10 and the lower electrode 21. The planar shape of the convex curved surface of the upper electrode 23 is, for example, an approximately elliptical shape with a major axis of 270 μm and a minor axis of 180 μm. The resonance region 24 is a region that resonates in a thickness longitudinal vibration mode when an AC voltage of a resonance frequency is input between the lower electrode 21 and the upper electrode 23. The resonance frequency of the resonance region 24 is not particularly limited, and is typically a frequency in the GHz band, and is 2.4 GHz in this embodiment.

なお、共振領域24の平面形状は、円形状、5つ以上の辺を有する多角形状などの他の形状に形成されてもよい。特に、共振領域24の平面形状を楕円や5つ以上の辺を有する多角形状とすることで、共振領域24の平面形状が矩形(正方形あるいは長方形)の場合よりも、横方向に伝播する振動モードの発生を抑制できるため、良好な共振特性を維持することができる。The planar shape of the resonance region 24 may be formed into other shapes, such as a circle or a polygon having five or more sides. In particular, by making the planar shape of the resonance region 24 an ellipse or a polygon having five or more sides, the occurrence of a vibration mode propagating laterally can be suppressed more than when the planar shape of the resonance region 24 is rectangular (square or oblong), so that good resonance characteristics can be maintained.

共振領域24において、空隙Gは、支持基板10の平坦な上面と下部電極21との間に形成されたドーム状の膨らみである。ドーム状の膨らみとは、例えば、空隙Gの周辺では空隙Gの高さが低く、空隙Gの内部ほど空隙Gの高さが高くなるような形状の膨らみである。下部電極21の下側には、空隙Gを形成する際にエッチャントを導入することで形成される導入路25が設けられている。導入路25の先端付近は、圧電膜22などで覆われておらず、導入路25の先端は孔部26となっている。二つの孔部26は、空隙Gを形成する際のエッチャントを導入する導入口であり、排出口でもある。In the resonance region 24, the gap G is a dome-shaped bulge formed between the flat upper surface of the support substrate 10 and the lower electrode 21. The dome-shaped bulge is, for example, a bulge in which the height of the gap G is low around the periphery of the gap G and the height of the gap G increases toward the inside of the gap G. An introduction path 25 is provided below the lower electrode 21 and is formed by introducing an etchant when forming the gap G. The tip of the introduction path 25 is not covered by the piezoelectric film 22 or the like, and the tip of the introduction path 25 is a hole 26. The two holes 26 are an introduction port for introducing an etchant when forming the gap G, and also an exhaust port.

孔部26の形成位置は特に限定されないが、好ましくは、共振領域24の近傍に設けられる。孔部26は、空隙Gの形成後、例えば、樹脂、接着剤、感応膜30の構成材料などの適宜の材料を用いて閉塞される。これにより、空隙Gの外気との連通を遮断できるため、空隙Gへの侵入ガスによる共振特性の劣化を阻止することができる。The position where the hole 26 is formed is not particularly limited, but is preferably provided near the resonance region 24. After the gap G is formed, the hole 26 is blocked with an appropriate material, such as resin, adhesive, or the constituent material of the sensitive film 30. This blocks communication between the gap G and the outside air, thereby preventing deterioration of the resonance characteristics due to gas entering the gap G.

感応膜30は、検出対象のガスを吸着可能な材料で構成される。感応膜を構成する材料は、検出対象のガスの種類によって任意に選択でき、典型的には、有機ポリマー膜(有機高分子膜、有機低分子膜)、有機色素膜または無機膜等を用いることができる。より具体的には、感応膜30は、セルロース系の樹脂、フッ素系樹脂、アクリル系樹脂または導電性高分子が挙げられるが、勿論これに限られない。感応膜30の形成方法としては、感応膜の材料を溶媒に溶解させ塗布する方法のほか、蒸着法、スパッタリング法またはCVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いることができる。The sensitive film 30 is made of a material capable of adsorbing the gas to be detected. The material constituting the sensitive film can be selected arbitrarily depending on the type of gas to be detected, and typically, an organic polymer film (organic polymer film, organic low molecular weight film), an organic dye film, an inorganic film, or the like can be used. More specifically, the sensitive film 30 can be made of a cellulose-based resin, a fluorine-based resin, an acrylic resin, or a conductive polymer, but is not limited to these. The sensitive film 30 can be formed by dissolving the material of the sensitive film in a solvent and applying it, as well as by deposition, sputtering, or CVD (Chemical Vapor Deposition).

有機高分子材料としては、例えばポリスチレン、ポリメタクリル酸メチル、6-ナイロン、セルロースアセテート、ポリ-9,9-ジオクチレフルオレン、ポリビニルアルコール、ポリビニルカルバゾール、ポリエチレンオキシド、ポリ塩化ビニル、ポリ-p-フェニレンエーテルスルホン、ポリ-1-ブテン、ポリブタジエン、ポリフェニルメチルシラン、ポリカプロラクトン、ポリビスフェノキシホスファゼン、ポリプロピレンなどの単一構造からなるホモポリマー、ホモポリマー2種以上の共重合体であるコポリマー、これらを混合したブレンドポリマーなどを用いることができる。 Examples of organic polymer materials that can be used include homopolymers having a single structure such as polystyrene, polymethyl methacrylate, 6-nylon, cellulose acetate, poly-9,9-dioctylfluorene, polyvinyl alcohol, polyvinylcarbazole, polyethylene oxide, polyvinyl chloride, poly-p-phenylene ether sulfone, poly-1-butene, polybutadiene, polyphenylmethylsilane, polycaprolactone, polybisphenoxyphosphazene, and polypropylene, copolymers which are copolymers of two or more types of homopolymers, and blend polymers which are mixtures of these.

例えば、有機低分子材料としては、トリス(8-キノリノラト)アルミニウム(Alq3)、ナフチルジアミン(α-NPD)、BCP(2,9 - dimethyl - 4,7 - diphenyl -1,10 - phenanthroline)、CBP(4,4' - N,N' - dicarbazole - biphenyl)、銅フタロシアニン、フラーレン、ペンタセン、アントラセン、チオフェン、Ir(ppy(2 - phenylpyridinato))、トリアジンチオール誘導体、ジオクチルフルオレン誘導体、テトラコンタン、パリレンなどを用いることができる。 For example, examples of organic low molecular weight materials that can be used include tris(8-quinolinolato)aluminum (Alq3), naphthyldiamine (α-NPD), BCP (2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline), CBP (4,4'-N,N'-dicarbazole-biphenyl), copper phthalocyanine, fullerene, pentacene, anthracene, thiophene, Ir(ppy(2-phenylpyridinato)) 3 , triazine thiol derivatives, dioctylfluorene derivatives, tetracontane, and parylene.

例えば、無機材料としては、アルミナ、チタニア、五酸化バナジウム、酸化タングステン、フッ化リチウム、フッ化マグネシウム、アルミニウム、金、銀、スズ、インジウム・シン・オキサイド(ITO)、カーボンナノチューブ、塩化ナトリウム、塩化マグネシウムなどを用いることができる。For example, inorganic materials that can be used include alumina, titania, vanadium pentoxide, tungsten oxide, lithium fluoride, magnesium fluoride, aluminum, gold, silver, tin, indium tin oxide (ITO), carbon nanotubes, sodium chloride, and magnesium chloride.

感応膜30は、図3に示すように、共振領域24に選択的に設けられる。本実施形態では、感応膜30は、上部電極23の共振領域24内に設けられ、典型的には、上部電極23上の共振領域24に対応する部位に設けられる。共振領域24に対応する部位とは、上部電極23の楕円のドーム状の表面をいい、感応膜30は、上部電極23の凸曲面部に設けられる。共振領域24は、当該ドーム部分と実質的に同一の長軸および短軸を有する楕円形状に形成される。感応膜30の厚みは特に限定されず、検出対象であるガスの吸着あるいは脱着のし易さによって任意に設定可能であり、例えば250μmである。 As shown in FIG. 3, the sensitive film 30 is selectively provided in the resonance region 24. In this embodiment, the sensitive film 30 is provided in the resonance region 24 of the upper electrode 23, and is typically provided in a portion on the upper electrode 23 that corresponds to the resonance region 24. The portion that corresponds to the resonance region 24 refers to the elliptical dome-shaped surface of the upper electrode 23, and the sensitive film 30 is provided on the convex curved surface of the upper electrode 23. The resonance region 24 is formed in an elliptical shape having substantially the same major and minor axes as the dome portion. The thickness of the sensitive film 30 is not particularly limited and can be set arbitrarily depending on the ease of adsorption or desorption of the gas to be detected, for example, 250 μm.

感応膜30は、上述のポリマー材料を含み、図示しないマスク材料を用いて共振領域24に選択的に塗布、乾燥処理された塗膜からなる。感応膜30は、上記マスクの開口精度あるいは位置精度によっては、共振領域24よりも広い領域あるいは狭い領域に形成されてもよいし、共振領域からオフセットした位置に設けられてもよい。The sensitive film 30 is a coating containing the above-mentioned polymer material, which is selectively applied to the resonance region 24 using a mask material (not shown) and dried. Depending on the opening accuracy or position accuracy of the mask, the sensitive film 30 may be formed in an area wider or narrower than the resonance region 24, or may be provided at a position offset from the resonance region.

本実施形態のように回路基板50上に複数のセンサデバイス100が実装されるセンサ装置100においては、典型的には、各センサデバイス100の感応膜30は、個々に異なる材料で構成される。これにより、1つのセンサ装置100で、複数種類のガス種を検出することが可能となる。In a sensor device 100 in which multiple sensor devices 100 are mounted on a circuit board 50 as in this embodiment, the sensitive film 30 of each sensor device 100 is typically made of a different material. This makes it possible for a single sensor device 100 to detect multiple types of gas species.

(センサデバイスの製造方法)
次に、本実施形態のセンサデバイス100の製造方法について説明する。図4(a)~(d)は、センサデバイス100の製造方法を示す断面図である。
(Method of manufacturing a sensor device)
Next, a method for manufacturing the sensor device 100 of this embodiment will be described.

図4(a)に示すように、支持基板10上に、例えばスパッタリング法、蒸着法、又は化学気相成長法(CVD法)を用いて、犠牲層40を形成する。犠牲層40には、例えば酸化マグネシウム(MgO)膜を用いることができ、少なくとも空隙Gが形成する領域を含んで設けられる。犠牲層40の膜厚は、例えば20nm程度である。4(a), a sacrificial layer 40 is formed on a support substrate 10 by, for example, sputtering, deposition, or chemical vapor deposition (CVD). The sacrificial layer 40 may be, for example, a magnesium oxide (MgO) film, and is provided to include at least the region where the gap G is formed. The thickness of the sacrificial layer 40 is, for example, about 20 nm.

続いて、例えばアルゴン(Ar)ガス雰囲気下でスパッタリングを行い、支持基板10及び犠牲層40上に金属膜を成膜する。金属膜の成膜は、蒸着法又はCVD法を用いて行ってもよい。金属膜は、下部電極21で列挙した材料(Al、Cu、Cr、Mo、W、Ta、Pt、Ru、Rh、又はIr)のうちの少なくとも1つから選択される。その後、例えばフォトリソグラフィ法及びエッチング法を用いて、金属膜を所望の形状として下部電極21を形成する。この際、下部電極21の一部は犠牲層40を覆うようにする。なお、下部電極21はリフトオフ法によって形成してもよい。 Next, for example, sputtering is performed under an argon (Ar) gas atmosphere to form a metal film on the support substrate 10 and the sacrificial layer 40. The metal film may be formed by vapor deposition or CVD. The metal film is selected from at least one of the materials listed for the lower electrode 21 (Al, Cu, Cr, Mo, W, Ta, Pt, Ru, Rh, or Ir). Then, for example, photolithography and etching are used to form the metal film into a desired shape to form the lower electrode 21. At this time, a part of the lower electrode 21 is made to cover the sacrificial layer 40. The lower electrode 21 may be formed by a lift-off method.

続いて図4(b)に示すように、支持基板10及び下部電極21上に、AlN膜からなる圧電膜22を成膜する。圧電膜22の成膜は、窒素を含む雰囲気下(例えば窒素と希ガス(Arなど)の混合ガス雰囲気下)で、アルミニウム金属ターゲットを用いた1元スパッタリング法によって行うことができる。4(b), a piezoelectric film 22 made of an AlN film is formed on the support substrate 10 and the lower electrode 21. The piezoelectric film 22 can be formed by a single-target sputtering method using an aluminum metal target in an atmosphere containing nitrogen (e.g., an atmosphere of a mixed gas of nitrogen and a rare gas (e.g., Ar)).

続いて、例えばArガス雰囲気下でスパッタリングを行うことで、圧電膜22上に金属
膜を成膜する。金属膜の成膜は、蒸着法又はCVD法を用いて行ってもよい。この金属膜
も、前述と同様に、Al、Cu、Cr、Mo、W、Ta、Pt、Ru、Rh、又はIrの
うちの少なくとも1つから選択される。
Next, for example, sputtering is performed under an Ar gas atmosphere to form a metal film on the piezoelectric film 22. The metal film may be formed by evaporation or CVD. As described above, the metal film is also selected from at least one of Al, Cu, Cr, Mo, W, Ta, Pt, Ru, Rh, and Ir.

その後、図4(c)に示すように、フォトリソグラフィ法及びエッチング法を用いて、金属膜を所望の形状として上部電極23を形成する。上部電極23は、リフトオフ法によって形成してもよい。続いて、例えばフォトリソグラフィ法及びエッチング法を用いて、圧電膜22を所望の形状にする。さらに、下部電極21と犠牲層40とを選択的にエッチングして孔26(図3(a)参照)を形成する。Then, as shown in FIG. 4(c), the metal film is shaped into the desired shape using photolithography and etching to form the upper electrode 23. The upper electrode 23 may be formed by a lift-off method. Next, the piezoelectric film 22 is shaped into the desired shape using, for example, photolithography and etching. Furthermore, the lower electrode 21 and the sacrificial layer 40 are selectively etched to form a hole 26 (see FIG. 3(a)).

続いて図4(d)に示すように、孔26からエッチャントを導入して犠牲層40をエッチングする。ここで、下部電極21、圧電膜22、及び上部電極23の積層膜の応力を予め圧縮応力になるようにしておく。これにより、犠牲層40のエッチングが完了した時点で、積層膜は膨れ上がり、支持基板10と下部電極21との間に、ドーム状の膨らみをした空隙Gを有する共振領域24が形成される。また、空隙Gと孔26とを連結する導入路25も形成される。その後、上部電極23上の共振領域24に対応する部位に感応膜30を設けることで、図1に示すセンサデバイス100が作製される。 Next, as shown in FIG. 4(d), an etchant is introduced through the hole 26 to etch the sacrificial layer 40. Here, the stress of the laminated film of the lower electrode 21, the piezoelectric film 22, and the upper electrode 23 is set to be a compressive stress in advance. As a result, when the etching of the sacrificial layer 40 is completed, the laminated film swells, and a resonance region 24 having a dome-shaped bulging gap G is formed between the support substrate 10 and the lower electrode 21. In addition, an introduction path 25 connecting the gap G and the hole 26 is also formed. Then, a sensitive film 30 is provided at a portion corresponding to the resonance region 24 on the upper electrode 23, thereby producing the sensor device 100 shown in FIG. 1.

感応膜30の形成方法としては、例えば、セルロース系の樹脂、フッ素系樹脂、アクリル系樹脂、または導電性高分子をアセトン、メタノール、エタノール、トルエン、THF、MEK、NMP、ヘプタン、水などの溶媒に溶解させる。上記以外の他の液体を用いてもよいが、上記の液体のうち、溶媒は、揮発性が比較的高いため、感応膜30が乾燥しやすく、均一な膜を成膜できる点で好適である。
続いて、メタルマスクを用いた印刷法やキャスト・ディスペンス法などにより、共振領域24上に選択的に、前述した溶解した感応膜を塗布し、その後に乾燥させる。
The sensitive film 30 may be formed, for example, by dissolving a cellulose-based resin, a fluorine-based resin, an acrylic resin, or a conductive polymer in a solvent such as acetone, methanol, ethanol, toluene, THF, MEK, NMP, heptane, water, etc. Although liquids other than those mentioned above may be used, among the above liquids, the solvents are preferable in that they have relatively high volatility, so that the sensitive film 30 dries easily and a uniform film can be formed.
Next, the above-mentioned dissolved sensitive film is selectively applied onto the resonance region 24 by a printing method using a metal mask or a cast-dispense method, and then dried.

(センサデバイスの実装構造)
以上のように構成される本実施形態のセンサデバイス100は、回路基板50に対してフリップチップ接続により表面実装される。フリップチップ接続とは、フェイスダウン方式とも呼ばれる表面実装方式の一態様である。ここでは、支持基板10、または、支持基板10上の圧電機能層(下部電極21、圧電膜22、上部電極23および感応膜30)を回路基板50の実装面51に向けて実装される形態を、フリップチップ接続という。
(Sensor device mounting structure)
The sensor device 100 of the present embodiment configured as described above is surface mounted on the circuit board 50 by flip-chip connection. Flip-chip connection is one aspect of a surface mounting method also called a face-down method. Here, a form in which the support substrate 10 or the piezoelectric functional layer (the lower electrode 21, the piezoelectric film 22, the upper electrode 23, and the sensitive film 30) on the support substrate 10 is mounted facing the mounting surface 51 of the circuit board 50 is called flip-chip connection.

図1に示すように、回路基板50の一方の主面は、センサデバイス100が実装される実装面51として構成される。回路基板50は、典型的には、ガラスエポキシ基板等などのリジッド性のある有機材料からなる基材の表面に、所定パターンの配線層が形成された配線基板である。回路基板50は、配線層が多層に形成された多層基板であってもよい。As shown in FIG. 1, one of the main surfaces of the circuit board 50 is configured as a mounting surface 51 on which the sensor device 100 is mounted. The circuit board 50 is typically a wiring board in which a wiring layer of a predetermined pattern is formed on the surface of a base material made of a rigid organic material such as a glass epoxy board. The circuit board 50 may be a multi-layer board in which multiple wiring layers are formed.

実装面51には、センサデバイス100の下部電極21と電気的に接続される第1電極部52aと、センサデバイス100の上部電極23と電気的に接続される第2電極52bが設けられている。図2に示すように、第1電極52aおよび第2電極52bのうち、一方は配線パターン55を介して駆動回路54に接続され、他方は配線パターン56を介して共通のグランド端子57へ接続される。The mounting surface 51 is provided with a first electrode portion 52a electrically connected to the lower electrode 21 of the sensor device 100, and a second electrode 52b electrically connected to the upper electrode 23 of the sensor device 100. As shown in FIG. 2, one of the first electrode 52a and the second electrode 52b is connected to a drive circuit 54 via a wiring pattern 55, and the other is connected to a common ground terminal 57 via a wiring pattern 56.

センサデバイス100の下部電極21および上部電極23には、導電性材料で構成された接合部62a,62bがそれぞれ設けられている。接合部62aは、下部電極21を回路基板50の第1電極52aへ電気的に接続し、接合部62bは、上部電極23を回路基板50の第2電極52bへ電気的に接続する。接合部62a,62bは、典型的には、はんだバンプであるが、これ以外にも、金バンプや異方性導電フィルムなどが適用可能である。
なお、図1はセンサデバイス100を模式的に示しているため、接合部62a,62bの大きさが互いに異なっているが、実際はそれぞれほぼ同一の大きさである(図5においても同様)。
The lower electrode 21 and the upper electrode 23 of the sensor device 100 are provided with joints 62a, 62b made of a conductive material, respectively. The joint 62a electrically connects the lower electrode 21 to the first electrode 52a of the circuit board 50, and the joint 62b electrically connects the upper electrode 23 to the second electrode 52b of the circuit board 50. The joints 62a, 62b are typically solder bumps, but other materials such as gold bumps and anisotropic conductive films can also be used.
Since FIG. 1 shows the sensor device 100 in a schematic manner, the joints 62a and 62b are different in size from each other, but in reality they are almost the same size (the same applies to FIG. 5).

接合部62a,62bがはんだバンプで構成される場合、センサデバイス100は、リフローはんだ付け法により回路基板50上に搭載される。この場合、複数のセンサデバイス100を一括的に回路基板50上へ実装することができる。
また、接合部62a,62bが金バンプで構成される場合、センサデバイス100は、超音波と熱圧着が加わった溶着法により回路基板50上に搭載される。
さらに、接合部62a,62bが異方性導電フィルムで構成される場合、センサデバイス100は、加圧加熱法により回路基板50上に搭載される。
When the joints 62a, 62b are formed by solder bumps, the sensor device 100 is mounted on the circuit board 50 by a reflow soldering method. In this case, a plurality of sensor devices 100 can be mounted on the circuit board 50 at once.
Furthermore, when the bonding portions 62a, 62b are formed of gold bumps, the sensor device 100 is mounted on the circuit board 50 by a welding method that combines ultrasonic waves and thermocompression bonding.
Furthermore, when the bonding portions 62a and 62b are made of anisotropic conductive film, the sensor device 100 is mounted on the circuit board 50 by a pressure and heat method.

接合部62a,62bが設けられる位置や個数は特に限定されず、電極の形状や大きさに応じて任意に設定可能である。例えば、下部電極21および上部電極23の複数箇所にそれぞれ接合部62a,62bが設けられてもよい。The positions and number of the joints 62a and 62b are not particularly limited and can be set arbitrarily according to the shape and size of the electrodes. For example, the joints 62a and 62b may be provided at multiple locations on the lower electrode 21 and the upper electrode 23, respectively.

回路基板50の実装面51には、凹部53が設けられている。凹部53は、第1電極52aと第2電極52bとの間においてセンサデバイス100の感応膜30が対向する領域に設けられる。凹部53は、検出対象であるガスが流れる流路、あるいは、当該ガスの溜まり部として構成される。A recess 53 is provided on the mounting surface 51 of the circuit board 50. The recess 53 is provided in a region between the first electrode 52a and the second electrode 52b where the sensitive film 30 of the sensor device 100 faces. The recess 53 is configured as a flow path through which the gas to be detected flows, or as a reservoir for the gas.

本実施形態において凹部53は、例えば図2に示すように、センサデバイス100の配列方向に沿って直線的に形成された溝部で構成される。ここでは、凹部53は、回路基板50の一方の側辺近傍に形成されたガス導入口53aから、対向する他方の側辺近傍に設けられたガス排出口53bとの間に直線的に設けられる。複数のセンサデバイス100は、凹部53を閉塞するように相互に隣接して配列される。これにより、1つの凹部53を複数のセンサデバイス100で共用することができる。勿論、凹部53は複数のセンサデバイス100について共通に設けられる例に限られず、個々のセンサデバイス100に対応するように複数設けられてもよい。また、凹部53に代えて、図5に示すように回路基板50に設けられた貫通孔58であってもよい。In this embodiment, the recess 53 is composed of a groove formed linearly along the arrangement direction of the sensor device 100, as shown in FIG. 2, for example. Here, the recess 53 is provided linearly between the gas inlet 53a formed near one side of the circuit board 50 and the gas outlet 53b provided near the other opposing side. The multiple sensor devices 100 are arranged adjacent to each other so as to close the recess 53. This allows one recess 53 to be shared by multiple sensor devices 100. Of course, the recess 53 is not limited to the example in which it is provided in common for multiple sensor devices 100, and may be provided in multiple locations corresponding to each sensor device 100. In addition, instead of the recess 53, a through hole 58 provided in the circuit board 50 as shown in FIG. 5 may be used.

なお、複数のセンサデバイス100は、ウェーハレベルパッケージで構成されてもよい。つまり、複数のセンサデバイス100は、共通の支持基板10上に、圧電膜22、下部電極21、上部電極23および感応膜30をそれぞれ有する複数のセンサ素子が配置されたマルチセンサモジュールであってもよい。これにより、複数のセンサデバイス100を一括して回路基板50上へ実装することができる。The multiple sensor devices 100 may be configured as a wafer-level package. In other words, the multiple sensor devices 100 may be a multi-sensor module in which multiple sensor elements each having a piezoelectric film 22, a lower electrode 21, an upper electrode 23, and a sensitive film 30 are arranged on a common support substrate 10. This allows the multiple sensor devices 100 to be mounted on the circuit board 50 all at once.

凹部53は、ガスが流れる流路として機能する。図2に示すように凹部53が複数のセンサデバイス100に対して共通に設けられる場合、ガス導入口53aからガス排出口53bへ向けてガスを流入させることで、当該ガスの成分を各センサデバイス100の出力に基づいて個別に検出することができる。The recess 53 functions as a flow path through which gas flows. When the recess 53 is provided in common to multiple sensor devices 100 as shown in FIG. 2, the gas is caused to flow from the gas inlet 53a to the gas outlet 53b, and the components of the gas can be detected individually based on the output of each sensor device 100.

ここで、圧電共振型のセンサデバイスは、回路基板への実装形態によっては、発振が不安定になるなどして所望とする感度が得られない場合がある。例えば比較例として、センサデバイス100が回路基板50へワイヤボンディング方式で実装されたセンサ装置2を図6に示す。センサ装置2において、センサデバイス100の支持基板10は回路基板50の実装面51に接着剤等で固定される。そして、センサデバイス100の下部電極21および上部電極23が回路基板50の第1電極52aおよび第2電極52bにボンディングワイヤ(金線)Wを介して電気的に接続される。Here, depending on the mounting form on the circuit board, the piezoelectric resonant sensor device may not be able to obtain the desired sensitivity due to unstable oscillation. For example, as a comparative example, FIG. 6 shows a sensor device 2 in which a sensor device 100 is mounted on a circuit board 50 by wire bonding. In the sensor device 2, the support substrate 10 of the sensor device 100 is fixed to the mounting surface 51 of the circuit board 50 with an adhesive or the like. The lower electrode 21 and the upper electrode 23 of the sensor device 100 are electrically connected to the first electrode 52a and the second electrode 52b of the circuit board 50 via bonding wires (gold wires) W.

図7(a)は、本実施形態のセンサ装置1(センサデバイス100)の等価回路であり、(b)は比較例のセンサ装置2の等価回路である。図7(a),(b)を比較すると、比較例のセンサ装置2は、センサデバイス100の両端にワイヤWのインダクタ成分(Lw)が付加されている点で、センサ装置1と相違する。7(a) is an equivalent circuit of the sensor device 1 (sensor device 100) of this embodiment, and (b) is an equivalent circuit of the sensor device 2 of the comparative example. Comparing (a) and (b) of FIG. 7(a) and (b), the sensor device 2 of the comparative example differs from the sensor device 1 in that an inductor component (Lw) of the wire W is added to both ends of the sensor device 100.

図8は、本実施形態のセンサ装置1と比較例のセンサ装置2の共振特性の一例を示すシミュレーション結果である。図中、横軸は周波数(単位:Hz)、縦軸はインピーダンス(単位:Ω)である。また図において実線で示す波形A1は、本実施形態(図1)のセンサ装置1の共振特性を、二点鎖線で示す波形A2は、比較例(図6)のセンサ装置2の共振特性をそれぞれ示している。 Figure 8 shows simulation results showing an example of the resonance characteristics of the sensor device 1 of this embodiment and the sensor device 2 of the comparative example. In the figure, the horizontal axis is frequency (unit: Hz) and the vertical axis is impedance (unit: Ω). In the figure, waveform A1 shown by a solid line shows the resonance characteristics of the sensor device 1 of this embodiment (Figure 1), and waveform A2 shown by a dashed double-dashed line shows the resonance characteristics of the sensor device 2 of the comparative example (Figure 6).

ここでは、抵抗R0を0.310709Ω、抵抗Rsを0.345748Ω、抵抗Rpを0.0861Ω、キャパシタCsを278.0687fF、キャパシタCpを3.803729pF、インダクタLsを15.7646nHとし、インダクタLwは0.47nHとし、共振領域24の共振周波数を2.4GHzとした。Here, resistor R0 is 0.310709 Ω, resistor Rs is 0.345748 Ω, resistor Rp is 0.0861 Ω, capacitor Cs is 278.0687 fF, capacitor Cp is 3.803729 pF, inductor Ls is 15.7646 nH, inductor Lw is 0.47 nH, and the resonant frequency of resonance region 24 is 2.4 GHz.

図8に示すように、比較例のセンサ装置2(波形A2)は、等価回路的には、センサデバイス100の両端(下部電極および上部電極)にワイヤWのインダクタ成分(Lw)が直列に挿入された形態をとる。このため、当該インダクタ成分(Lw)が無い本実施形態のセンサ装置1(波形A1)と比較すると、誘導性の領域が広帯域化しており、意図しない周波数で発振する可能性がある。8, the sensor device 2 (waveform A2) of the comparative example has an equivalent circuit in which the inductor component (Lw) of the wire W is inserted in series at both ends (lower electrode and upper electrode) of the sensor device 100. Therefore, compared to the sensor device 1 (waveform A1) of the present embodiment which does not have the inductor component (Lw), the inductive region is wider, and there is a possibility of oscillation at an unintended frequency.

これに対して、本実施形態のセンサ装置1によれば、センサ装置2と比較して、共振周波数(2.4GHz)での共振の先鋭度(Q値)が鋭く、異常な発振を抑制して、安定した共振特性を得ることができる。これは、センサデバイス100が回路基板50へフリップチップ接続されるため、センサデバイス100と回路基板50との間の配線長が短くなり、これによりインダクタ成分が小さくなることによる。さらに、電気的に接続部分の接触面積が増加することで、センサデバイス100と回路基板50との間の電気的な接続信頼性を高めることができる。In contrast, according to the sensor device 1 of this embodiment, the sharpness (Q value) of the resonance at the resonance frequency (2.4 GHz) is sharper than that of the sensor device 2, and abnormal oscillation is suppressed, resulting in stable resonance characteristics. This is because the sensor device 100 is flip-chip connected to the circuit board 50, so the wiring length between the sensor device 100 and the circuit board 50 is shortened, thereby reducing the inductor component. Furthermore, the contact area of the electrically connected portion is increased, thereby improving the reliability of the electrical connection between the sensor device 100 and the circuit board 50.

以上のように、本実施形態のセンサ装置1によれば、センサデバイス100が回路基板50に対してフリップチップ接続方式により実装されるため、センサデバイス100と回路基板50との間の配線長が短くなり、これによりセンサデバイスの安定した発振特性を確保することができる。As described above, according to the sensor device 1 of this embodiment, the sensor device 100 is mounted on the circuit board 50 by a flip-chip connection method, so that the wiring length between the sensor device 100 and the circuit board 50 is short, thereby ensuring stable oscillation characteristics of the sensor device.

本実施形態によれば、フェイスダウン実装により、ワイヤボンディング方式におけるワイヤ成分をなくすことができるので、安定した発振特性が得られる。このセンサ装置1のマザーボードへの実装時や搬送工程において回路基板50がセンサの機械的な保護を実現することができる。例えば、センサには、反応部(例えばプローブ)に保護キャップが設けられたものがある。しかしこのフェイスダウン実装であれば、このキャップは不要である。貫通孔58のサイズは、感応膜が露出できる程度の大きさであればよく、また、センサデバイス100の支持基板10より小さければよい。 According to this embodiment, face-down mounting eliminates the wire component in the wire bonding method, and stable oscillation characteristics can be obtained. The circuit board 50 can provide mechanical protection for the sensor when mounting the sensor device 1 on a motherboard or during the transport process. For example, some sensors have a protective cap on the reaction part (e.g., the probe). However, with face-down mounting, this cap is not necessary. The size of the through hole 58 only needs to be large enough to expose the sensitive film, and only needs to be smaller than the support substrate 10 of the sensor device 100.

また、回路基板50に凹部53,58がガス溜りとして機能するため、流れの変動が抑制されたガスをセンサデバイス100に与えられる。
さらに、回路基板50の実装面51と感応膜30との間隔は狭くなり、ガスの通過が困難となる場合がある。この場合、強制的にガスを流すことで、解決する。図5の様に凹部58を貫通孔とすることで、ガスは回路基板50の表面から浸入し、短い経路でセンサデバイス100へ到達させることができる。
Furthermore, since the recesses 53 and 58 in the circuit board 50 function as gas reservoirs, the gas with its flow fluctuations suppressed can be supplied to the sensor device 100 .
Furthermore, the gap between the mounting surface 51 of the circuit board 50 and the sensitive film 30 may become narrow, making it difficult for the gas to pass through. In this case, the problem can be solved by forcing the gas to flow. By forming the recess 58 as a through hole as shown in Figure 5, the gas can penetrate from the surface of the circuit board 50 and reach the sensor device 100 via a short path.

なお、センサ装置1のマザーボードへの実装時や搬送工程において、回路基板50を機械的な保護として機能させる場合は、凹部53は必ずしも必要ではない。表面を覆う回路基板50がセンサデバイスの電極や感応膜を機械的に保護するためである。 Note that the recess 53 is not necessarily required if the circuit board 50 is to function as a mechanical protector during mounting of the sensor device 1 on a motherboard or during the transport process. This is because the circuit board 50 covering the surface mechanically protects the electrodes and sensitive membrane of the sensor device.

本実施形態のように凹部53あるいは貫通孔58を流路として用いることで、ガスをある程度安定させて供給でき、その出力を安定させることができる。
回路基板50への凹部53や貫通孔58の形成には、主にレーザ加工や機械加工で実現される。この場合、凹部や貫通孔の側面は粗くなり、しかも樹脂基板の場合、検知したガスをそのまま当該側面に吸着保持させてしまう問題もある。この場合、凹部の内壁や貫通孔の側壁に、ガスの吸着しにくい膜を形成すれば、その吸着をなくすことができ、次回の検知のガスを精度高く図ることができる。
また凹部や貫通孔の周りに、ヒータ、例えば基板の表面や内層の配線によるヒータを設ければ、その発生する熱により、吸着したガスを脱着させることも可能となる。
By using the recess 53 or the through hole 58 as a flow path as in this embodiment, the gas can be supplied with a certain degree of stability, and the output can be stabilized.
The recesses 53 and through holes 58 are formed in the circuit board 50 mainly by laser processing or machining. In this case, the side surfaces of the recesses and through holes become rough, and in the case of a resin board, there is a problem that the detected gas is adsorbed and held on the side surfaces. In this case, if a film that does not easily adsorb gas is formed on the inner wall of the recess or the side wall of the through hole, the adsorption can be eliminated, and the next gas detection can be made more accurate.
Furthermore, if a heater, for example a heater formed by wiring on the surface or inner layer of the substrate, is provided around the recess or through hole, it becomes possible to desorb the adsorbed gas by the heat generated.

[変形例]
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。
[Modification]
Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above-mentioned embodiment, and various modifications can be made thereto.

例えば以上の実施形態では、支持基板10と下部電極21との間に空隙Gを形成することで共振領域24が構成されたエアギャップ構造のセンサデバイスを例に挙げて説明したが、支持基板10にキャビティを設け、当該キャビティの上に形成された下部電極、圧電膜および上部電極の積層領域を共振領域とするキャビティ構造のセンサデバイスで構成されてもよい。あるいは、音響反射膜構造のセンサデバイスが採用されてもよい。For example, in the above embodiment, a sensor device with an air gap structure in which a resonance region 24 is formed by forming a gap G between the support substrate 10 and the lower electrode 21 has been described as an example, but the sensor device may be configured with a cavity structure in which a cavity is provided in the support substrate 10 and the laminated region of the lower electrode, piezoelectric film, and upper electrode formed on the cavity serves as the resonance region. Alternatively, a sensor device with an acoustic reflection film structure may be adopted.

1,3…センサ装置
10…支持基板
21…下部電極
22…圧電膜
23…上部電極
24…共振領域
30…感応膜
50…回路基板
51…実装面
52a…第1電極
52b…第2電極
62a,62b…接合部
53…凹部
58…貫通孔
100…センサデバイス
G…空隙
Reference Signs List 1, 3: sensor device 10: supporting substrate 21: lower electrode 22: piezoelectric film 23: upper electrode 24: resonance region 30: sensitive film 50: circuit board 51: mounting surface 52a: first electrode 52b: second electrode 62a, 62b: joint 53: recess 58: through hole 100: sensor device G: gap

Claims (12)

回路基板と、
支持基板と、前記支持基板上に設けられた圧電膜と、前記圧電膜の少なくとも一部を挟んで対向する下部電極および上部電極と、前記上部電極に設けられた感応膜と、を各々有し、前記回路基板にフリップチップ接続された複数のセンサデバイスと、
を具備し、
前記回路基板は、前記複数のセンサデバイスの前記感応膜に対向するように前記複数のセンサデバイスの配列方向に沿って延びて設けられ検出対象のガスが流れる貫通孔を有するセンサ装置。
A circuit board;
a plurality of sensor devices each including a support substrate, a piezoelectric film provided on the support substrate, a lower electrode and an upper electrode opposed to each other with at least a part of the piezoelectric film interposed therebetween, and a sensitive film provided on the upper electrode, the sensor devices being flip-chip connected to the circuit substrate;
Equipped with
The circuit board is disposed along an arrangement direction of the plurality of sensor devices so as to face the sensitive films of the plurality of sensor devices, and has a through hole through which a gas to be detected flows .
回路基板と、
支持基板と、前記支持基板上に設けられた圧電膜と、前記圧電膜の少なくとも一部を挟んで対向する下部電極および上部電極と、前記上部電極に設けられた感応膜と、を各々有し、前記回路基板にフリップチップ接続された複数のセンサデバイスと、
を具備し、
前記回路基板は、前記複数のセンサデバイスの前記感応膜に対向するように前記複数のセンサデバイスの配列方向に沿って延びて設けられ検出対象のガスが流れる凹部を有するセンサ装置。
A circuit board;
a plurality of sensor devices each including a support substrate, a piezoelectric film provided on the support substrate, a lower electrode and an upper electrode opposed to each other with at least a part of the piezoelectric film interposed therebetween, and a sensitive film provided on the upper electrode, the sensor devices being flip-chip connected to the circuit substrate;
Equipped with
The circuit board is disposed along an arrangement direction of the plurality of sensor devices so as to face the sensitive films of the plurality of sensor devices, and has a recess through which a gas to be detected flows.
請求項1または2に記載のセンサ装置であって、The sensor device according to claim 1 or 2,
前記複数のセンサデバイスの前記感応膜は互いに異なる材料により形成されるThe sensitive films of the plurality of sensor devices are formed of different materials.
センサ装置。Sensor device.
請求項1~3のいずれか1つに記載のセンサ装置であって、
前記感応膜は、前記上部電極の、前記下部電極および前記上部電極が前記圧電膜を挟んで対向する共振領域に設けられる
センサ装置。
The sensor device according to any one of claims 1 to 3,
The sensor device, wherein the sensitive film is provided in a resonance region of the upper electrode where the lower electrode and the upper electrode face each other with the piezoelectric film interposed therebetween.
請求項4に記載のセンサ装置であって、
前記圧電膜、前記下部電極および前記上部電極は、前記共振領域において、前記支持基板と前記下部電極との間に空隙を形成する凸曲面形状を有する
センサ装置。
The sensor device according to claim 4,
the piezoelectric film, the lower electrode and the upper electrode have a convex curved shape that forms a gap between the support substrate and the lower electrode in the resonance region.
請求項1~5のいずれか1つに記載のセンサ装置であって、
前記回路基板は、前記下部電極に接続される第1電極と、前記上部電極に接続される第2電極と、を有し、
前記センサデバイスは、前記下部電極および前記上部電極にそれぞれ設けられ前記第1電極および前記第2電極にそれぞれ電気的に接続される接合部をさらに有する
センサ装置。
The sensor device according to any one of claims 1 to 5,
the circuit board has a first electrode connected to the lower electrode and a second electrode connected to the upper electrode;
The sensor device further includes junctions provided on the lower electrode and the upper electrode, respectively, and electrically connected to the first electrode and the second electrode, respectively.
請求項6に記載のセンサ装置であって、
前記接合部は、はんだバンプ、金バンプまたは異方性導電フィルムである
センサ装置。
The sensor device according to claim 6,
The sensor device, wherein the bonding portion is a solder bump, a gold bump, or an anisotropic conductive film.
請求項1~6のいずれか1つに記載のセンサ装置であって、
前記感応膜は、無機膜、有機ポリマー膜または有機色素膜である
センサ装置。
The sensor device according to any one of claims 1 to 6,
The sensor device, wherein the sensitive film is an inorganic film, an organic polymer film, or an organic dye film.
請求項8に記載のセンサ装置であって、
前記感応膜は、セルロース系の樹脂、フッ素系樹脂、アクリル系樹脂または導電性高分子である
センサ装置。
The sensor device according to claim 8,
The sensor device, wherein the sensitive film is made of a cellulose-based resin, a fluorine-based resin, an acrylic resin, or a conductive polymer.
支持基板と、前記支持基板上に設けられた圧電膜と、前記圧電膜の少なくとも一部を挟んで対向する下部電極および上部電極と、前記上部電極に設けられた感応膜と、を各々有する複数のセンサデバイスが回路基板にフリップチップ接続されたセンサ装置を用意し、
前記センサ装置をマザーボードに設け
前記回路基板は、前記複数のセンサデバイスの前記感応膜に対向するように前記複数のセンサデバイスの配列方向に沿って延びて設けられ検出対象のガスが流れる貫通孔を有する
センサ装置の製造方法。
a sensor device is provided in which a plurality of sensor devices, each of which has a support substrate, a piezoelectric film provided on the support substrate, a lower electrode and an upper electrode opposed to each other with at least a part of the piezoelectric film therebetween , and a sensitive film provided on the upper electrode, are flip-chip connected to a circuit substrate;
The sensor device is provided on a motherboard ;
The circuit board has a through hole extending along an arrangement direction of the plurality of sensor devices so as to face the sensitive films of the plurality of sensor devices and through which a gas to be detected flows.
A method for manufacturing a sensor device.
支持基板と、前記支持基板上に設けられた圧電膜と、前記圧電膜の少なくとも一部を挟んで対向する下部電極および上部電極と、前記上部電極に設けられた感応膜と、を各々有する複数のセンサデバイスが回路基板にフリップチップ接続されたセンサ装置を用意し、
前記センサ装置をマザーボードに設け、
前記回路基板は、前記複数のセンサデバイスの前記感応膜に対向するように前記複数のセンサデバイスの配列方向に沿って延びて設けられ検出対象のガスが流れる凹部を有する
センサ装置の製造方法。
a sensor device is provided in which a plurality of sensor devices, each of which has a support substrate, a piezoelectric film provided on the support substrate, a lower electrode and an upper electrode opposed to each other with at least a part of the piezoelectric film therebetween, and a sensitive film provided on the upper electrode, are flip-chip connected to a circuit substrate;
The sensor device is provided on a motherboard;
The circuit board has a recess extending along an arrangement direction of the plurality of sensor devices so as to face the sensitive films of the plurality of sensor devices and through which a gas to be detected flows.
請求項10または11に記載のセンサ装置の製造方法であって、A method for manufacturing a sensor device according to claim 10 or 11, comprising the steps of:
前記複数のセンサデバイスの前記感応膜は互いに異なる材料により形成されるThe sensitive films of the plurality of sensor devices are formed of different materials.
センサ装置の製造方法。A method for manufacturing a sensor device.
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