JP2007192587A - Wiring board for dynamic quantity sensor, manufacturing method of the wiring board for dynamic quantity sensor, and dynamic quantity sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば、加速度や角速度等の力学量を検出する力学量センサ、また、この力学量センサを構成する力学量センサ用配線基板および力学量センサ用配線基板の製造方法に関する。 The present invention relates to a mechanical quantity sensor that detects, for example, a mechanical quantity such as acceleration and angular velocity, a wiring board for a mechanical quantity sensor that constitutes the mechanical quantity sensor, and a method for manufacturing a wiring board for a mechanical quantity sensor.
ビデオカメラの手ぶれ補正装置や車載用のエアバッグ装置、ロボットの姿勢制御装置などの広い分野において、物体に作用する力学量を検出するための力学量センサが用いられている。
これらの力学量センサの1つに、例えば、半導体基板を加工して形成される半導体センサがある。
この半導体センサには、シリコン基板をエッチングして中央部分に質量体である錘部が形成されている。この錘部は、可撓性を有する梁(ビーム)部によって、フレーム(固定部)に弾性支持される構造となっている。
In a wide range of fields such as a camera shake correction device for a video camera, an in-vehicle airbag device, and a posture control device for a robot, a mechanical amount sensor for detecting a mechanical amount acting on an object is used.
One of these mechanical quantity sensors is, for example, a semiconductor sensor formed by processing a semiconductor substrate.
In this semiconductor sensor, a silicon substrate is etched to form a weight portion, which is a mass body, in the central portion. The weight portion is structured to be elastically supported by the frame (fixed portion) by a flexible beam portion.
そして、半導体センサは、加速度や角速度等の外力を受けると、可動体である錘部に応力が作用する。すると、錘部は応力の作用により状態が傾きその姿勢が変化する。
この錘部の姿勢の変化を解析することによって、作用する外力の向きや大きさを検出することができる。
このような力学量センサには、センサの内部(内側)で検出した信号を、センサの外部(外側)へ引き出すための配線が複数必要であり、これらの引き出し用の配線は、センサの内部と外部を貫通するスルーホールを介して配設されている。
And when a semiconductor sensor receives external forces, such as acceleration and angular velocity, a stress will act on the weight part which is a movable body. Then, the weight portion is tilted by the action of stress, and its posture changes.
By analyzing the change in the posture of the weight part, the direction and magnitude of the acting external force can be detected.
Such a mechanical quantity sensor requires a plurality of wirings for leading out signals detected inside (inside) the sensor to the outside (outside) of the sensor. These wirings are connected to the inside of the sensor. It is disposed through a through hole penetrating the outside.
また、このような錘部の姿勢変化に基づいて力学量を検出するセンサでは、錘部が動作する際の空気抵抗を低減させて検出感度(検出精度)を高めるために、内部をより真空状態に近づけることが望まれる。
ところが、センサ内部を真空状態に近づける場合には、気体がリークしないように、配線用のスルーホールを気密封止する必要があった。
従来、このようなセンサにおけるスルーホールを適切に気密封止する技術が下記の特許文献に提案されている。
However, when the inside of the sensor is brought close to a vacuum state, it is necessary to hermetically seal the wiring through hole so that the gas does not leak.
Conventionally, a technique for appropriately hermetically sealing a through hole in such a sensor has been proposed in the following patent documents.
特許文献1には、基板に設けられたテーパー状の連通孔(スルーホール)の内壁に沿って配線パターンを形成し、この配線パターンとの導通を保持した状態で、側面で連通孔を塞ぐように配置された構造体を設ける技術が提案されている。
In
しかしながら、上述した特許文献1に記載の技術を用いて気密封止を行う場合には、引き出し配線ごと、つまり、スルーホールごとに電気的に独立した構造体を設けなければならないため、センサの小型化を図ることが困難であった。
そこで本発明は、適切な気密封止をしながら小型化を図ることが可能な力学量センサ、また、この力学量センサを構成する力学量センサ用配線基板および力学量センサ用配線基板の製造方法を提供することを目的とする。
However, when performing hermetic sealing using the technique described in
Accordingly, the present invention provides a mechanical quantity sensor that can be miniaturized while performing appropriate hermetic sealing, a wiring board for a mechanical quantity sensor that constitutes the mechanical quantity sensor, and a method of manufacturing the wiring board for the mechanical quantity sensor. The purpose is to provide.
請求項1記載の発明では、貫通孔を有する基板と、前記基板における前記貫通孔の開口領域を含む領域に配設された電極と、少なくとも一部に電極と導通する導電部材を有し、前記貫通孔を封止する封止手段と、を備えることにより前記目的を達成する。
請求項2記載の発明では、請求項1記載の力学量センサ用配線基板において、前記貫通孔は、開口面積が前記電極に向かって小さくなるように形成されたことを特徴とする。
請求項3記載の発明では、請求項1または請求項2記載の力学量センサ用配線基板において、前記導電部材は、前記貫通孔の内壁に形成された導電膜であることを特徴とする。
請求項4記載の発明では、請求項1、請求項2または請求項3記載の力学量センサ用配線基板において、前記封止手段は、導電性を有する充填部材を備えたことを特徴とする。
請求項5記載の発明では、請求項4記載の力学量センサ用配線基板において、前記基板における前記電極が配設される面は、前記充填部材が露出する程度に研磨されていることを特徴とする。
請求項6記載の発明では、請求項4または請求項5記載の力学量センサ用配線基板において、前記基板における前記電極が配設される面と、前記充填部材の露出面が略同一平面となるように、前記充填部材が研磨されていることを特徴とする。
請求項7記載の発明では、貫通孔または凹部を基板に形成する第1のステップと、少なくとも一部に導電部材を有し、前記貫通孔または前記凹部を封止する封止手段を形成する第2のステップと、前記貫通孔または前記凹部を覆うように、前記基板の表面に電極を形成する第3のステップと、を備えることにより前記目的を達成する。
請求項8記載の発明では、請求項7記載の力学量センサ用配線基板の製造方法において、前記第1のステップは、前記貫通孔または前記凹部を、開口面積が前記電極に向かって小さくなるように形成することを特徴とする。
請求項9記載の発明では、請求項7または請求項8記載の力学量センサ用配線基板の製造方法において、前記第2のステップは、前記貫通孔または前記凹部の内壁に導電膜を形成する第4のステップと、前記貫通孔または前記凹部に充填部材を充填する第5のステップと、からなることを特徴とする。
請求項10記載の発明では、請求項7、請求項8または請求項9記載の力学量センサ用配線基板の製造方法において、前記第2のステップは、少なくとも前記貫通孔または前記凹部に導電性を有する充填部材を充填し、さらに、前記充填部材が露出する程度に前記基板を研磨する第6のステップを備え、前記第3のステップは、前記第6のステップにおいて研磨された前記基板の表面に、少なくとも前記導電部材の露出領域を覆うように電極を形成することを特徴とする。
請求項11記載の発明では、請求項10記載の力学量センサ用配線基板の製造方法において、前記第6のステップは、前記導電部材の研磨面が前記基板表面と略同一平面となるように研磨することを特徴とする。
請求項12記載の発明では、中空部を有するフレームと、錘と、前記錘を前記フレームの中空部に支持する可撓部と、からなる可動部と、前記可動部と対向して配置された固定電極と、前記固定電極と前記可動部との間の静電容量の変化に基づいて前記錘の姿勢変化を検出する検出手段と、前記検出手段で検出された前記錘の姿勢の変化に基づいて力学量を出力する出力手段と、を備えた力学量センサであって、前記フレームは、請求項1から請求項6のいずれか一の請求項に記載の力学量センサ用配線基板に固定され、前記固定電極は、前記力学量センサ用配線基板に設けられた前記電極により構成されていることにより前記目的を達成する。
請求項13記載の発明では、請求項12記載の力学量センサにおいて、前記フレームの中空部は、真空状態であることを特徴とする。
請求項14記載の発明では、請求項12または請求項13記載の力学量センサにおいて、前記フレームと前記力学量センサ用配線基板は、陽極接合を用いて固定され、前記充填部材は、陽極接合温度より高い融点を有することを特徴とする。
In the first aspect of the present invention, the substrate includes a substrate having a through hole, an electrode disposed in a region including the opening region of the through hole in the substrate, and a conductive member electrically connected to the electrode at least in part. The object is achieved by providing sealing means for sealing the through hole.
According to a second aspect of the present invention, in the mechanical quantity sensor wiring board according to the first aspect, the through hole is formed so that an opening area becomes smaller toward the electrode.
According to a third aspect of the present invention, in the mechanical quantity sensor wiring board according to the first or second aspect, the conductive member is a conductive film formed on an inner wall of the through hole.
According to a fourth aspect of the present invention, in the mechanical quantity sensor wiring board according to the first, second, or third aspect, the sealing means includes a conductive filling member.
According to a fifth aspect of the present invention, in the mechanical quantity sensor wiring board according to the fourth aspect, the surface of the substrate on which the electrode is disposed is polished to the extent that the filling member is exposed. To do.
According to a sixth aspect of the present invention, in the mechanical quantity sensor wiring board according to the fourth or fifth aspect, the surface of the substrate on which the electrode is disposed and the exposed surface of the filling member are substantially flush. As described above, the filling member is polished.
According to the seventh aspect of the present invention, the first step of forming the through hole or the recess in the substrate, and the first step of forming a sealing means for sealing the through hole or the recess having a conductive member at least partially. And the third step of forming an electrode on the surface of the substrate so as to cover the through hole or the recess.
According to an eighth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a mechanical quantity sensor wiring board according to the seventh aspect, the first step is such that the opening area of the through hole or the concave portion decreases toward the electrode. It is characterized by forming in.
According to a ninth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a mechanical quantity sensor wiring board according to the seventh or eighth aspect, the second step includes forming a conductive film on the inner wall of the through hole or the recess. And a fifth step of filling the through hole or the recess with a filling member.
According to a tenth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a mechanical quantity sensor wiring board according to the seventh, eighth, or ninth aspect, the second step is to provide conductivity to at least the through hole or the recess. And a third step of polishing the substrate to such an extent that the filling member is exposed, and the third step is performed on the surface of the substrate polished in the sixth step. The electrode is formed so as to cover at least the exposed region of the conductive member.
According to an eleventh aspect of the present invention, in the method of manufacturing a mechanical quantity sensor wiring board according to the tenth aspect, the sixth step includes polishing so that the polishing surface of the conductive member is substantially flush with the substrate surface. It is characterized by doing.
In a twelfth aspect of the present invention, a movable part including a frame having a hollow part, a weight, and a flexible part that supports the weight in the hollow part of the frame, and the movable part are arranged to face the movable part. Based on a change in the posture of the weight detected by the detection means, a detection means for detecting a change in the posture of the weight based on a change in capacitance between the fixed electrode and the movable portion An output means for outputting a mechanical quantity, wherein the frame is fixed to the wiring board for the mechanical quantity sensor according to any one of
According to a thirteenth aspect of the present invention, in the mechanical quantity sensor according to the twelfth aspect, the hollow portion of the frame is in a vacuum state.
According to a fourteenth aspect of the present invention, in the mechanical quantity sensor according to the twelfth or thirteenth aspect, the frame and the wiring board for the mechanical quantity sensor are fixed by anodic bonding, and the filling member has an anodic bonding temperature. It is characterized by having a higher melting point.
本発明によれば、貫通孔を塞ぐように電極を基板の表面に設け、かつ、貫通孔の内部に封止手段を設けることにより、貫通孔を塞ぐ構造体を用いることなく、センサの気密性を保持しつつ、電極の信号を外部へ引き出すことができるとともに、電極面内に貫通孔を設けることが可能となり、センサの小型化を図ることができる。 According to the present invention, the electrode is provided on the surface of the substrate so as to close the through hole, and the sealing means is provided inside the through hole, so that the airtightness of the sensor can be achieved without using a structure that closes the through hole. The electrode signal can be extracted to the outside while holding the sensor, and a through-hole can be provided in the electrode surface, thereby reducing the size of the sensor.
以下、本発明の好適な実施の形態について、図1〜図5を参照して詳細に説明する。
(1)実施形態の概要
物体に働く加速度や角速度などの力学量を、梁12で支持された錘13の姿勢変化に基づいて検出する。
梁12は、シリコン基板など容易に変形(撓み・反り・曲がり)が可能な部材により構成される。また、梁12は、フレーム11に固定されており、その中心部に錘13が固定されている。錘13に加速度や角速度などの力が作用すると、錘13の姿勢が変化する。
この錘13の姿勢変化は、錘13と固定電極21〜24との間の静電容量の変化量に基づいて検出する。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
(1) Outline of Embodiment A mechanical quantity such as acceleration or angular velocity acting on an object is detected based on a change in posture of the
The
The posture change of the
固定電極21〜24は、センサの内部を真空封止する上部ガラス基板2の内側面に設けられており、この固定電極21〜24の電位は、固定電極21〜24に一端が接触(接続)されたビアホール41〜44を介してセンサの外部へ電気的に取り出される。
センサの内部と外部とを電気的に接続する電気的配線として機能するビアホール41〜44は、内壁に導電膜が設けられているテーパー形状のスルーホール60に導電性の部材を充填することによって形成される。
ビアホール41〜44を形成した後、即ち、スルーホール60に導電部材を充填した後、上部ガラス基板2における各電極の形成面(配設面)は、充填部材61が露出する程度まで研磨処理を施される。
そして、この上部ガラス基板2の研磨面7におけるビアホール41〜44の形成部位、即ち、露出した充填部材61に直接各電極が蒸着などの手段により形成される。
このように、ビアホール41〜44の直下に固定電極21〜24を形成することにより小型化を図ることができる。
The
Via holes 41 to 44 that function as electrical wirings for electrically connecting the inside and outside of the sensor are formed by filling a tapered through
After forming the via holes 41 to 44, that is, after filling the through
And each electrode is directly formed in the formation site | part of the via holes 41-44 in the grinding |
As described above, the size can be reduced by forming the
(2)実施形態の詳細
本実施の形態では、力学量センサの一例として静電容量検出型角速度センサ(以下、角速度センサとする)を用いて説明する。
本実施の形態に係る角速度センサは、半導体基板を加工して形成された半導体センサである。
なお、本実施の形態では、静電容量検出型角速度センサを例にとり説明を行うが、本実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、加速度センサや圧力センサ等の容量変化検出型の力学量センサ全般に当てはまる。
(2) Details of Embodiment In this embodiment, a capacitance detection type angular velocity sensor (hereinafter referred to as an angular velocity sensor) will be described as an example of a mechanical quantity sensor.
The angular velocity sensor according to the present embodiment is a semiconductor sensor formed by processing a semiconductor substrate.
In the present embodiment, a capacitance detection type angular velocity sensor will be described as an example, but the present embodiment is not limited to this. For example, this applies to general mechanical quantity sensors of a capacitance change detection type such as an acceleration sensor and a pressure sensor.
図1は、本実施の形態に係る角速度センサの概略構造を示した斜視図である。
なお、図1では、角速度センサの構造をわかりやすく表現するために、各層の構造を離して表現しているが、実際は、各層が積層した状態で構成されている。
本実施の形態に係る角速度センサは、半導体基板を加工して形成された半導体センサ素子である。なお、半導体基板の加工は、MEMS(マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム)技術を用いて行うことができる。
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic structure of an angular velocity sensor according to the present embodiment.
In FIG. 1, in order to express the structure of the angular velocity sensor in an easy-to-understand manner, the structure of each layer is shown separately, but in actuality, each layer is configured in a stacked state.
The angular velocity sensor according to the present embodiment is a semiconductor sensor element formed by processing a semiconductor substrate. The processing of the semiconductor substrate can be performed using MEMS (micro electro mechanical system) technology.
図1に示すように、角速度センサは、可動部構造体1が上部ガラス基板2および下部ガラス基板3によって上下方向から挟み込まれた3層構造となっている。
角速度センサを構成する基板における各層の積層方向と同一方向を上下方向、即ちz軸(方向)と定義する。そして、このz軸と直交し、かつ互いの軸と直交する軸をx軸(方向)およびy軸(方向)と定義する。つまり、x軸、y軸、z軸は、それぞれ互いに直交する3軸となる。
As shown in FIG. 1, the angular velocity sensor has a three-layer structure in which a
The same direction as the stacking direction of the layers in the substrate constituting the angular velocity sensor is defined as the vertical direction, that is, the z-axis (direction). The axes orthogonal to the z-axis and orthogonal to each other are defined as an x-axis (direction) and a y-axis (direction). That is, the x axis, the y axis, and the z axis are three axes that are orthogonal to each other.
図2(a)は、可動部構造体1を上部ガラス基板2側から見た平面図を示す。
図に示すように、可動部構造体1は、シリコン基板をエッチングすることによって、フレーム11、梁12および錘13が形成されている。
フレーム11は、錘13を囲むように可動部構造体1の周縁部に設けられた固定部であり、可動部構造体1の枠組みを構成する。
梁12は、錘13の中心から放射方向に(フレーム11の方向に)十字方向に延びる4つの帯状の薄部材であり、可撓性を有している。
FIG. 2A shows a plan view of the
As shown in the drawing, in the
The frame 11 is a fixed part provided on the peripheral edge of the
The
錘13は、中央部に位置する角柱状の錘部130、この錘部130の4隅にそれぞれバランスを保って配設された角柱状の錘部131〜134から構成されている。なお、錘部130〜134は、連続した固体として一体に形成されている。
錘13は、4つの梁12によってフレーム11に固定された質量体である。錘13は、梁12の作用により、外部より加わる力により振動させたり、捩れる動きが可能となっている。錘13は、導電性を有し、その上面は可動電極として機能する。
The
The
図2(b)は、上部ガラス基板2を外側(図1における上側)から見た平面図を示す。
なお、図2(b)には、上部ガラス基板2を外側の面(可動部構造体1と反対側面)に設けられている部位を実線で示し、上部ガラス基板2の内側の面(可動部構造体1との対向面)に設けられている部位を破線で示す。
図2(b)に示すように、上部ガラス基板2の内側の面には、錘部130と対向する部位に、錘部130を中心としてx軸およびy軸に沿って十字方向に延びる駆動電極20が設けられている。
また、上部ガラス基板2には、錘部131と対向する部位に固定電極21、錘部132と対向する部位に固定電極22、錘部133と対向する部位に固定電極23、錘部134と対向する部位に固定電極24が設けられている。
FIG. 2B shows a plan view of the
In FIG. 2B, a portion where the
As shown in FIG. 2B, on the inner surface of the
Further, the
駆動電極20は、錘13を静電力を用いて振動駆動させるための電極である。
また、固定電極21〜24は、第1検出軸(x軸)または第2検出軸(y軸)回りに作用する角速度を検出するための電極である。
本実施の形態に係る角速度センサでは、各固定電極21〜24と可動電極(錘13)との間の静電容量の変化に基づいて、錘13の姿勢変化(変位)を検出(測定)する。そして、この錘の姿勢変化の検出結果(測定結果)に基づいて錘13に作用する角速度を導出するように構成されている。
The
The fixed
In the angular velocity sensor according to the present embodiment, the posture change (displacement) of the
また、図2(b)に示すように、上部ガラス基板2には、駆動電極20の電位を角速度センサの外部から印加するためのビアホール40が設けられている。
同様に、固定電極21〜24の電位(検出信号)を角速度センサの外部へ取り出すためのビアホール41〜44が設けられている。
ビアホール40〜44は、上部ガラス基板2における可動部構造体1のフレーム11との接合領域よりも内側の領域に設けられている。
本実施の形態に係る角速度センサでは、電位を印加(あるいは引き出す)対象となる駆動電極20または固定電極21〜24のそれぞれの中心位置にビアホール40〜44が配置されている。
しかしながら、ビアホール40〜44の配設部位はこれに限定されるものではなく、少なくとも、ビアホール40〜44の端部(開口部)が駆動電極20または固定電極21〜24によって覆う(塞ぐ)ことが可能な部位に配設されていればよい。
As shown in FIG. 2B, the
Similarly, via holes 41 to 44 for taking out the potentials (detection signals) of the fixed
The via holes 40 to 44 are provided in a region on the inner side of the bonding region with the frame 11 of the
In the angular velocity sensor according to the present embodiment, via
However, the arrangement site of the via holes 40 to 44 is not limited to this, and at least the end portions (openings) of the via holes 40 to 44 are covered (closed) by the
ビアホール40〜44は、上部ガラス基板2の外側から内側に向かって、即ち、電極の配置面に向かって開口面積が小径となるテーパー形状のスルーホールと、このスルーホールの内壁に沿って形成された導電膜と、この導電膜の上からスルーホールの内部に充填された導電性の充填部材によって構成されている。
充填部材は、例えば、ハンダやAg(銀)ロウ材等の気密性の高い金属部材から構成されており、また、その融点は、陽極接合時の温度より高いことが好ましい。
また、充填部材は、より気密性の高い(優れた)部材を用いることが好ましい。
導電膜は充填部材の馴染み特性(濡れ性)のよい材質の金属膜により構成されていることが好ましい。
また、スルーホールをテーパー形状にすることによって、上側からの真空蒸着や、上側からのスパッタを用いての金属膜形成が容易になる。
The via holes 40 to 44 are formed along a tapered through hole having an opening area having a smaller diameter from the outside to the inside of the
The filling member is made of a highly airtight metal member such as solder or Ag (silver) brazing material, and the melting point thereof is preferably higher than the temperature during anodic bonding.
Further, it is preferable to use a member having higher airtightness (excellent) as the filling member.
The conductive film is preferably composed of a metal film made of a material with good familiarity (wetting properties) of the filling member.
Further, by forming the through hole in a tapered shape, it becomes easy to form a metal film using vacuum deposition from above or sputtering from above.
さらに、上部ガラス基板2には、可動部構造体1の電位を角速度センサの外部へ取り出すためのビアホール45が設けられている。
なお、ビアホール40〜44の端部は、配線パターンを介して上部ガラス基板2の周縁に設けられた電極パッド50〜54とそれぞれ電気的に接続されている。
そして、これらの電極パッド51〜54は、図示しない信号処理部(制御部)内のC/V変換回路へ接続されている。
本実施の形態に係る角速度センサにおける上部ガラス基板2は、センサの内部信号を外部へ取り出すための配線基板として機能する。
Further, the
Note that the end portions of the via holes 40 to 44 are electrically connected to electrode
These electrode pads 51 to 54 are connected to a C / V conversion circuit in a signal processing unit (control unit) (not shown).
The
図3(a)は、図2(a)に示すA−A’部における角速度センサの断面を示した図である。
図に示すように、梁12および錘13の上面(上部ガラス基板2との対向面)と上部ガラス基板2との間には、錘13を可動にするための可動隙間14が形成されている。上部ガラス基板2は、この可動隙間14を封止するように接合されている。
梁12の下面(下部ガラス基板3との対向面)および錘13の底面即ち下面(下部ガラス基板3との対向面)と下部ガラス基板3との間、さらに錘13の周部においても、錘13を可動にするための可動隙間15が形成されている。下部ガラス基板3は、この可動隙間15を封止するように接合されている。
なお、可動隙間14、15は、より真空に近い状態となっている。このように、センサの内部を真空状態とすることにより、錘13が動作する際の空気抵抗を低減することができ、角速度センサの検出感度(検出精度)を向上させることができる。
FIG. 3A is a view showing a cross section of the angular velocity sensor in the AA ′ portion shown in FIG.
As shown in the figure, a
A weight is also provided between the lower surface of the beam 12 (the surface facing the lower glass substrate 3) and the bottom surface of the
Note that the
なお、可動部構造体1のフレーム11、梁12、錘13を形成する際には、シリコン基板をプラズマによる深いトレンチエッチングを施すD−RIE(ディープ−リアクティブ・イオン・エッチング)技術などを利用して行う。
また、本実施の形態に係る角速度センサでは、可動部構造体1をシリコン基板を用いて形成しているが、可動部構造体1の形成部材はこれに限られるものではない。例えば、シリコン基板の中間層に酸化膜を埋め込んだSOI(シリコン・オン・インシュレータ)基板を用いて形成してもよい。
この場合、中間の酸化膜層が梁12や錘13を加工する際のエッチング処理において、エッチング遮断層(ストップ層)として機能するため、厚み方向に対する加工精度を向上させることができる。
上部ガラス基板2および下部ガラス基板3は、可動部構造体1を封止するように接合された固定基板である。上部ガラス基板2および下部ガラス基板3は、それぞれ、可動部構造体1のフレーム11において陽極接合によって接合されている。
When forming the frame 11, the
In the angular velocity sensor according to the present embodiment, the
In this case, since the intermediate oxide film layer functions as an etching blocking layer (stop layer) in the etching process when the
The
次に、このように構成される角速度センサの動作について説明する。
本実施の形態に係る角速度センサは、図1に示すように、錘13を上下方向(z軸方向)に一次振動させ、この振動運動をしている錘13にコリオリ力を生じさせることによって、第1検出軸(x軸)および第2検出軸(y軸)回りに加わる角速度を検出する方式を用いている。
詳しくは、駆動電極20と可動電極(錘13)との間に交流電圧を印加し、これらの電極間に働く静電力の作用を用いて錘13を上下方向(z軸方向)に振動させる。
Next, the operation of the angular velocity sensor configured as described above will be described.
As shown in FIG. 1, the angular velocity sensor according to the present embodiment causes the
Specifically, an AC voltage is applied between the
錘13を上下振動させるために印加する交流電圧の周波数、即ち錘13の振動周波数は、例えば、錘13が共振振動する3kHz程度の共振周波数fに設定されている。このように、錘13を共振周波数fで振動させることにより錘13の大きな変位量を得ることができる。
速度vで振動している質量mの錘13の周りに角速度Ωが加わると、錘13の中心には、“F=2mvΩ”のコリオリ力が錘13の運動方向に対し直交する方向に発生する。
このコリオリ力Fが発生すると、錘13にねじれが加わり錘13の姿勢が変化する。即ち、錘13の振動の運動方向と直交する面に対して、錘13が傾く。この錘13の姿勢の変化(傾き、ねじれ量)を検出することによって、作用する角速度の向きや大きさを検出するようになっている。
The frequency of the alternating voltage applied to cause the
When an angular velocity Ω is applied around the
When this Coriolis force F is generated, the
図3(b)は、錘13の姿勢が変化した状態を示した図である。
例えば、錘13の第2検出軸(y軸)回りに角速度が作用してコリオリ力が発生し、図3(b)に示すように、錘13の姿勢がx軸に対して傾くと、固定電極と可動電極(錘13)との距離が変化する。
詳しくは、固定電極22と可動電極との間の距離が小さくなり、一方、固定電極23と可動電極との間の距離が大きくなる。
このような、電極間の距離の変化は、電極間の静電容量の変化として現れ、これらの静電容量の変化に基づいて、錘13の姿勢変化を検出することができる。
FIG. 3B is a diagram showing a state in which the posture of the
For example, when the angular velocity acts around the second detection axis (y-axis) of the
Specifically, the distance between the fixed
Such a change in the distance between the electrodes appears as a change in the capacitance between the electrodes, and the posture change of the
電極間の距離の変化、即ち電極間の静電容量の変化は、図示しない信号処理部(制御部)におけるC/V(静電容量/電圧)変換回路を用いて電気的に検出される。
検出された錘13の姿勢の変化(傾斜方向、傾斜度合い等)に基づいて、発生したコリオリ力Fを検出する。そして、検出されたコリオリ力Fに基づいて、角速度Ωを算出(導出)する。つまり、信号処理部において、錘13の姿勢の変化量を角速度に変換する。
ここでは、錘13の第2検出軸(y軸)回りに角速度が作用した場合について説明したが、錘13の第1検出軸(x軸)回りに角速度が作用した場合についても同様に、固定電極と可動電極間の距離の変化に基づいて錘13の姿勢変化を検出することにより、作用する角速度を測定することができる。
A change in the distance between the electrodes, that is, a change in the capacitance between the electrodes is electrically detected using a C / V (capacitance / voltage) conversion circuit in a signal processing unit (control unit) (not shown).
The generated Coriolis force F is detected based on the detected change in the posture of the weight 13 (inclination direction, degree of inclination, etc.). Then, the angular velocity Ω is calculated (derived) based on the detected Coriolis force F. That is, the signal processing unit converts the amount of change in the posture of the
Here, the case where the angular velocity acts around the second detection axis (y axis) of the
さて、上述したように構成された角速度センサの検出感度を適切に確保するためには、可動隙間14を含む各電極の構成が重要な要素となる。
検出感度を向上させるためには、各電極の静電容量をなるべく大きくなるように構成する必要がある。即ち、電極間の距離をなるべく小さく、あるいは電極の面積を大きくする構成することが望ましい。
しかしながら、センサには小型化が要求されているため、電極面積の拡大には、限度があり、実際のセンサでは、例えば、電極間距離は僅か5μm程度とすることで感度を確保している。
図3に示すように、本実施の形態に係る角速度センサにおいては、ビアホール40〜44の下面もそれぞれを検出電極あるいは駆動用電極の配置領域となるため、より平坦である方が望ましい。
これは、ビアホール40〜44の下面がガラス基板2に対して凹状となっている場合には、その部位における静電容量の低下を生じてしまい、また、凸状となっている場合には、その部位における可動隙間14を十分に確保することができず、十分な駆動量を得られなくなるおそれが生じるためである。
Now, in order to appropriately ensure the detection sensitivity of the angular velocity sensor configured as described above, the configuration of each electrode including the
In order to improve the detection sensitivity, it is necessary to make the capacitance of each electrode as large as possible. That is, it is desirable that the distance between the electrodes be as small as possible or the area of the electrodes be increased.
However, since the sensor is required to be miniaturized, there is a limit to the expansion of the electrode area. In an actual sensor, for example, the sensitivity is ensured by setting the distance between the electrodes to about 5 μm.
As shown in FIG. 3, in the angular velocity sensor according to the present embodiment, the lower surfaces of the via holes 40 to 44 are also preferably disposed more flatly because each of them serves as a detection electrode or driving electrode arrangement region.
This is because when the bottom surface of the via holes 40 to 44 is concave with respect to the
次に、上述したように構成される本実施の形態に係る角速度センサの製造方法について説明する。
図4は、本実施の形態に係る角速度センサの製造方法の手順を示した図である。
なお、図4は、図2に示すA−A’部における角速度センサの断面を示している。
まず、図4(a)に示すような、板状の上部ガラス基板2を用意(形成)する。
そして、図4(b)に示すように、上部ガラス基板2における、ビアホール40〜45を形成する部位に、テーパー形状のスルーホール(貫通孔)60を形成する。
スルーホール60は、上部ガラス基板2の外側から内側に向かって、即ち、電極の配置面に向かって開口面積が小径となるようにサンドブラスト等の技法を用いて形成する。
なお、サンドブラストとは、ガラスなどの表面に圧縮空気とともに研磨剤(砂)を吹き付けて削る技法である。
本実施の形態に係る角速度センサを製造する際には、上部ガラス基板2の表面にスルーホール60を形成する部位を抜いた保護膜(マスク)をかぶせてエッチング加工を行う。
Next, a method for manufacturing the angular velocity sensor according to the present embodiment configured as described above will be described.
FIG. 4 is a diagram showing the procedure of the method of manufacturing the angular velocity sensor according to the present embodiment.
FIG. 4 shows a cross section of the angular velocity sensor at the AA ′ portion shown in FIG.
First, a plate-like
Then, as shown in FIG. 4B, a tapered through hole (through hole) 60 is formed in a portion of the
The through
Sand blasting is a technique in which an abrasive (sand) is blown onto a surface of glass or the like together with compressed air.
When manufacturing the angular velocity sensor according to the present embodiment, an etching process is performed by covering the surface of the
次に、図4(c)に示すように、複数形成したスルーホール60のうち、可動部構造体1の電位を外部へ引き出すためのビアホール45を形成する部位を除くスルーホール60、即ち、ビアホール40〜44を形成する部位のスルーホール60の内壁面、および上部ガラス基板2の外側の面(可動部構造体1と反対側面)に電位を取り出すための導電膜である導通パターン55をスパッタや真空蒸着などの手段により形成する。
同時に、電極パッド50〜54、および、ビアホール40〜44と電極パッド50〜54とを接続する配線パターンを形成する。
なお、導通パターン55、電極パッド50〜54および配線パターン、即ち導電膜は、後述する充填部材61との馴染み性(濡れ性)に適応した材質の金属を用いて形成する。
例えば、充填部材61にハンダを用いる場合には、導電膜をCr/Au(クロム/金)で形成する。また、充填部材61にAg(銀)系ロウ材を用いる場合には、導電膜をNi(ニッケル)などで形成する。
Next, as shown in FIG. 4C, among the plurality of through
At the same time, the
Note that the
For example, when solder is used for the filling member 61, the conductive film is formed of Cr / Au (chrome / gold). When an Ag (silver) brazing material is used for the filling member 61, the conductive film is formed of Ni (nickel) or the like.
続いて、図4(d)に示すように、導通パターン55(導電膜)が形成されたスルーホール60の内部、即ち、可動部構造体1の電位を外部へ引き出すためのビアホール45を形成する部位を除くスルーホール60の内部に導電性を有する充填部材61を充填する。
充填部材61としては、例えば、ハンダやAg(銀)系ロウ材等が用いられる。
充填部材61の充填は、例えば、ペースト状やボール状の材料をスルーホール60の内部に配設(仮固定)した後、加熱処理を施すことによって融解させ、スルーホール60内の導通パターン55(導電膜)と馴染ませることによって行う。
なお、ここでは、スルーホール60内の導通パターン55は、充填部材61の馴染み性(濡れ性)を確保するための部材として機能する。
Subsequently, as shown in FIG. 4D, a via
As the filling member 61, for example, solder, an Ag (silver) brazing material, or the like is used.
The filling member 61 is filled by, for example, disposing (temporarily fixing) a paste-like or ball-like material inside the through-
Here, the
次に、図4(e)に示すように、上部ガラス基板2における内側の面(可動部構造体1との対向面)を、充填部材61が露出するレベル(程度)まで研磨する。
ここでは、上部ガラス基板2および充填部材61の表面である研磨面7、即ち、上部ガラス基板2における内側の面(可動部構造体1との対向面)が平坦になるように研磨処理を施す。
なお、ここでは、細かい粒径の研磨剤を含んだ研磨液を使って機械研磨(ラッピング)することによって上部ガラス基板2の研磨処理を行う。
また、ここでは、充填部材61をガラス基板2の下面から突出しないように記載しているが、このような状態に限定されるものではない。例えば、充填部材61をガラス基板2の下面から突出させ、研磨処理によってガラス基板2の下面と同じ高さとなるように平坦化するようにしてもよい。
Next, as shown in FIG. 4E, the inner surface of the upper glass substrate 2 (the surface facing the movable part structure 1) is polished to a level (about) at which the filling member 61 is exposed.
Here, the polishing process is performed so that the polishing
Here, the
Here, the filling member 61 is described so as not to protrude from the lower surface of the
研磨処理後、図4(f)に示すように、上部ガラス基板2の研磨面7に、駆動電極20および固定電極21〜24を形成する。
駆動電極20および固定電極21〜24は、上部ガラス基板の研磨面7に、例えば、Al(アルミニウム)やCr/Ni(クロム/ニッケル)等の金属膜を蒸着(積層)させることによって形成されている。
このように、本実施の形態に係る角速度センサでは、研磨処理後にビアホール40〜44における充填部材61に、直接(直に)駆動電極20および固定電極21〜24を蒸着形成する。
After the polishing treatment, as shown in FIG. 4 (f), the
The
Thus, in the angular velocity sensor according to the present embodiment, the
そのため、駆動電極20および固定電極21〜24と、ビアホール40〜44(導通パターン55)との導通を適切に(精度よく)とることができるため、導通不良(接触不良)等の不具合の発生を抑制することができる。これにより、角速度センサの信頼性を向上させることができる。
また、駆動電極20および固定電極21〜24と、ビアホール40〜44とを直接接続することにより、従来用いられていた各電極とビアホール40〜44との接続パターンや接続用構造体を省くことができるため、角速度センサの小型化を図ることができる。
Therefore, conduction between the
Further, by directly connecting the
次に、図4(g)に示すように、上部ガラス基板2と、シリコン基板をエッチングして形成された可動部構造体1とを接合する。
詳しくは、上部ガラス基板2における可動部構造体1の対向面(研磨面7)と、可動部構造体1におけるフレーム11の端面とを陽極接合する。
この時、ビアホール45を形成するためのスルーホール60の開口部がフレーム11の端面によって完全に塞がれるように陽極接合する。
陽極接合とは、ガラス基板(上部ガラス基板2、下部ガラス基板3)側に陰極電圧を与え、ガラス−シリコン間の静電引力を利用して接合する接合方法である。
なお、ガラス基板と可動部構造体1との接合方法は、陽極接合に限定されるものではない。例えば、接合面に金属を積層させて接合する共晶接合等を用いるようにしてもよい。
Next, as shown in FIG. 4G, the
Specifically, the opposing surface (polishing surface 7) of the
At this time, anodic bonding is performed so that the opening of the through
The anodic bonding is a bonding method in which a cathode voltage is applied to the glass substrate (
In addition, the joining method of a glass substrate and the
上部ガラス基板2と可動部構造体1と接合した後、図4(h)に示すように、ビアホール45を形成するためのスルーホール60の内壁面、スルーホール60の開口部から覗くフレーム11の露出面、および上部ガラス基板2の外側の面(可動部構造体1と反対側面)に可動部構造体1の電位を取り出すための導通パターン56を形成する。
導通パターン56は、スルーホール60の内壁面、フレーム11の露出面および上部ガラス基板2の外側の面上に連続して形成された導電膜からなる。
この導通パターン56は、錘13の導通用電極として機能する。
なお、ビアホール45は、フレーム11の端面によって完全に塞がれているため、このビアホール45から気体が漏れることはない。そのため、ビアホール45のスルーホール60に充填部材を設ける必要はない。
After the
The
The
The via
また、図示されていないが、さらに、下部ガラス基板3における可動部構造体1の対向面と、可動部構造体1におけるフレーム11の端面とを陽極接合することによって、図1に示す角速度センサが完成する。
この下部ガラス基板3と可動部構造体1とを接合する際には、角速度センサの内部(可動隙間14、15)が真空状態となるように陽極接合で封止する。
なお、この下部ガラス基板3は、上部ガラス基板2と可動部構造体1とを接合する前に、予め接合しておくようにしてもよい。この場合、図4(g)の段階において、角速度センサの内部が真空封止される。
Further, although not shown, the angular velocity sensor shown in FIG. 1 is further obtained by anodic bonding the facing surface of the
When the
The
(変形例)
次に、上述した角速度センサの製造方法の変形例について説明する。
この変形例では、上述した図4(b)に示す上部ガラス基板2にスルーホール60を形成する代わりに、上部ガラス基板2に凹部70を形成してビアホール40〜45を形成する方法について説明する。
図5は、本実施の形態に係る角速度センサの製造方法の変形例の手順を示した図である。図5は、図2に示すA−A’部における角速度センサの断面を示している。
ここでは、上述した図4に示す角速度センサの製造方法と重複する箇所には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
まず、図5(a)に示すような、板状の上部ガラス基板2を形成する。
そして、図5(b)に示すように、上部ガラス基板2における、ビアホール40〜45を形成する部位に、テーパー形状の凹部70を形成する。
凹部70は、上部ガラス基板2の外側から底部に向かって、即ち、電極の配置面に向かって開口面積が小径となるようにサンドブラスト等の技法を用いて形成する。
(Modification)
Next, a modified example of the method for manufacturing the angular velocity sensor described above will be described.
In this modification, a method of forming the via holes 40 to 45 by forming the
FIG. 5 is a diagram showing a procedure of a modified example of the manufacturing method of the angular velocity sensor according to the present embodiment. FIG. 5 shows a cross section of the angular velocity sensor taken along the line AA ′ shown in FIG.
Here, parts that are the same as those in the method for manufacturing the angular velocity sensor shown in FIG. 4 described above are assigned the same reference numerals, and detailed descriptions thereof are omitted.
First, a plate-like
Then, as shown in FIG. 5 (b), a
The
次に、図5(c)に示すように、複数形成した凹部70のうち、可動部構造体1の電位を外部へ引き出すためのビアホール45を形成する部位を除く凹部70、即ち、ビアホール40〜44を形成する部位の凹部70の内壁面、底面および上部ガラス基板2の外側の面(可動部構造体1と反対側面)に電位を取り出すための導電膜である導通パターン55’を形成する。
同時に、電極パッド50〜54、および、ビアホール40〜44と電極パッド50〜54とを接続する配線パターンを形成する。
なお、導通パターン55’は、凹部70の内壁面、凹部70の底面、および上部ガラス基板2の外側の面上に連続して形成された導電膜からなる。
なお、導通パターン55’、電極パッド50〜54および配線パターン、即ち導電膜は、充填部材61との馴染み性(濡れ性)に適応した材質の金属を用いて形成する。
Next, as shown in FIG. 5 (c), of the plurality of formed
At the same time, the
The
Note that the
続いて、図5(d)に示すように、導通パターン55’(導電膜)が形成された凹部70の内部、即ち、可動部構造体1の電位を外部へ引き出すためのビアホール45を形成する部位を除く凹部70の内部に導電性を有する充填部材61を充填する。
充填部材61としては、例えば、ハンダやAg(銀)系ロウ材等が用いられる。
次に、図5(e)に示すように、上部ガラス基板2における内側の面(可動部構造体1との対向面)を、充填部材61が露出するレベル(程度)まで研磨する。
即ち、少なくとも凹部70の底部まで上部ガラス基板2を研磨し、充填部材61を露出させる。
ここでは、上部ガラス基板2および充填部材61の表面である研磨面7、即ち、上部ガラス基板2における内側の面(可動部構造体1との対向面)が平坦になるように研磨処理を施す。
Subsequently, as shown in FIG. 5D, a via
As the filling member 61, for example, solder, an Ag (silver) brazing material, or the like is used.
Next, as shown in FIG. 5E, the inner surface of the upper glass substrate 2 (the surface facing the movable part structure 1) is polished to a level (about) at which the filling member 61 is exposed.
That is, the
Here, the polishing process is performed so that the polishing
なお、上部ガラス基板2の研磨処理後は、図4(f)〜(h)に示す上述した処理と同様の処理を施し、角速度センサを形成する。
変形例によれば、ビアホール40〜44を形成する際に、凹部70を設けることにより、導通パターン55’を凹部70の底面にも設けることができるため、凹部70における充填部材61の馴染み性(濡れ性)を向上させることができる。
これにより、凹部70の内部に隙間(空間)を設けることなく充填部材61を充填することができるため、研磨処理後の電極形成を適切に行うことができる。
また、凹部70は、スルーホール60よりも短い時間で形成することができるため、製造時間の短縮化、および低コスト化を図ることができる。
In addition, after the grinding | polishing process of the
According to the modified example, when the via holes 40 to 44 are formed, the
Thereby, since the filling member 61 can be filled without providing a gap (space) inside the
Further, since the
本実施の形態によれば、駆動電極20および固定電極21〜24と、ビアホール40〜44とを直接接続することにより、即ち、ビアホール40〜44の直下に駆動電極20および固定電極21〜24を形成することにより、配線パターンの実装面積を最小限に抑えることができるため、角速度センサの小型化を図ることができる。
本実施の形態によれば、駆動電極20および固定電極21〜24を形成する前に、電極の配置面(上部ガラス基板2における可動部構造体1との対向面)を研磨することにより、各電極とビアホール40〜44(導通パターン55)との導通を適切にとることができ、導通不良の発生を抑制することができる。
また、角速度センサを単純な構造により構成することができるため、低コスト化を図ることができる。
According to the present embodiment, the
According to the present embodiment, before the
Further, since the angular velocity sensor can be configured with a simple structure, the cost can be reduced.
本実施の形態に係る角速度センサでは、ビアホール40〜44に導電性の充填部材61を充填することによってセンサの封止を行うようにしているが、封止方法は、これに限定されるものではない。
例えば、樹脂等の非導電性の部材を充填するようにしてもよい。但し、この場合、各電極とビアホール40〜44内部の導電膜との電気的コンタクトが確実にとれるように構成する。
また、非導電性の部材を充填する場合には、ビアホール40〜44を貫通する接続線を別途設け、この接続線と各電極との電気的コンタクトを確実にとるように構成してもよい。なお、接続線を設ける場合には、ビアホール41〜44内の導電膜を削除することができる。
In the angular velocity sensor according to the present embodiment, the sensor is sealed by filling the via holes 40 to 44 with the conductive filling member 61. However, the sealing method is not limited to this. Absent.
For example, a non-conductive member such as a resin may be filled. However, in this case, it is configured so that electrical contact between each electrode and the conductive film inside the via holes 40 to 44 can be reliably obtained.
In addition, when filling a non-conductive member, a connection line penetrating the via holes 40 to 44 may be separately provided, and an electrical contact between the connection line and each electrode may be ensured. Note that when the connection line is provided, the conductive film in the via holes 41 to 44 can be deleted.
1 可動部構造体
2 上部ガラス基板
3 下部ガラス基板
7 研磨面
11 フレーム
12 梁
13 錘
14 可動隙間
15 可動隙間
20 駆動電極
21〜24 固定電極
40〜45 ビアホール
50〜54 電極パッド
55、56 導通パターン
60 スルーホール
61 充填部材
70 凹部
130〜134 錘部
DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記基板における前記貫通孔の開口領域を含む領域に配設された電極と、
少なくとも一部に電極と導通する導電部材を有し、前記貫通孔を封止する封止手段と、
を備えたことを特徴とする力学量センサ用配線基板。 A substrate having a through hole;
An electrode disposed in a region including an opening region of the through hole in the substrate;
A sealing member that at least partially includes a conductive member that is electrically connected to the electrode, and seals the through hole;
A wiring board for a mechanical quantity sensor, comprising:
少なくとも一部に導電部材を有し、前記貫通孔または前記凹部を封止する封止手段を形成する第2のステップと、
前記貫通孔または前記凹部を覆うように、前記基板の表面に電極を形成する第3のステップと、
を備えたことを特徴とする力学量センサ用配線基板の製造方法。 A first step of forming a through hole or recess in the substrate;
A second step of forming a sealing means having a conductive member at least in part and sealing the through hole or the recess;
A third step of forming an electrode on the surface of the substrate so as to cover the through hole or the recess;
A method of manufacturing a wiring board for a mechanical quantity sensor, comprising:
前記貫通孔または前記凹部の内壁に導電膜を形成する第4のステップと、
前記貫通孔または前記凹部に充填部材を充填する第5のステップと、
からなることを特徴とする請求項7または請求項8記載の力学量センサ用配線基板の製造方法。 The second step includes
A fourth step of forming a conductive film on the inner wall of the through hole or the recess;
A fifth step of filling the through hole or the recess with a filling member;
The method for manufacturing a wiring board for a mechanical quantity sensor according to claim 7 or 8, characterized by comprising:
さらに、前記充填部材が露出する程度に前記基板を研磨する第6のステップを備え、
前記第3のステップは、前記第6のステップにおいて研磨された前記基板の表面に、少なくとも前記充填部材の露出領域を覆うように電極を形成することを特徴とする請求項7、請求項8または請求項9記載の力学量センサ用配線基板の製造方法。 In the second step, at least the through hole or the concave portion is filled with a conductive filling member,
And a sixth step of polishing the substrate to such an extent that the filling member is exposed.
In the third step, an electrode is formed on the surface of the substrate polished in the sixth step so as to cover at least the exposed region of the filling member. The manufacturing method of the wiring board for mechanical quantity sensors of Claim 9.
錘と、前記錘を前記フレームの中空部に支持する可撓部と、からなる可動部と、
前記可動部と対向して配置された固定電極と、
前記固定電極と前記可動部との間の静電容量の変化に基づいて前記錘の姿勢変化を検出する検出手段と、
前記検出手段で検出された前記錘の姿勢の変化に基づいて力学量を出力する出力手段と、
を備えた力学量センサであって、
前記フレームは、請求項1から請求項6のいずれか一の請求項に記載の力学量センサ用配線基板に固定され、
前記固定電極は、前記力学量センサ用配線基板に設けられた前記電極により構成されていることを特徴とする力学量センサ。 A frame having a hollow portion;
A movable part composed of a weight and a flexible part that supports the weight in the hollow part of the frame;
A fixed electrode disposed to face the movable part;
Detecting means for detecting a change in the posture of the weight based on a change in capacitance between the fixed electrode and the movable part;
Output means for outputting a mechanical quantity based on a change in the posture of the weight detected by the detection means;
A mechanical quantity sensor comprising:
The frame is fixed to the wiring board for a mechanical quantity sensor according to any one of claims 1 to 6,
The fixed electrode is constituted by the electrode provided on the wiring board for the mechanical quantity sensor.
前記充填部材は、陽極接合温度より高い融点を有することを特徴とする請求項12または請求項13記載の力学量センサ。 The frame and the mechanical quantity sensor wiring board are fixed using anodic bonding,
The mechanical quantity sensor according to claim 12, wherein the filling member has a melting point higher than an anodic bonding temperature.
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