DE102004023455A1

DE102004023455A1 - Kapazitive Sensoranordnung für eine dynamische Größe

Info

Publication number: DE102004023455A1
Application number: DE102004023455A
Authority: DE
Inventors: Keisuke Kariya Goto; Tameharu Kariya Ohta
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-05-13
Filing date: 2004-05-12
Publication date: 2004-12-09
Also published as: US6935176B2; JP2004340608A; US20040226376A1

Abstract

Ein Sensorchip (100) enthält kammzahnförmige bewegliche Elektroden (24), welche in eine Y-Richtung verschiebbar sind, und kammzahnförmige stationäre Elektroden (30, 31, 40, 41), welche den beweglichen Elektroden (24) auf einer Oberflächenseite eines Halbleitersubstrats (10) gegenüberliegen. Der Sensorchip (100) erfasst eine Beschleunigung auf der Grundlage einer Kapazitätsänderung, die mit dem Aufbringen einer Beschleunigung in der Y-Richtung zwischen den beweglichen Elektroden (24) und den stationären Elektroden (30, 31, 40, 41) verbunden ist. Die stationären Elektroden (30, 31, 40, 41) sind einzeln derart angeordnet, dass sie einander auf der einen und der anderen Seite der Richtung entlang der Y-Richtung in den einzelnen beweglichen Elektroden (24) angeordnet sind. Die einzelnen Elektrodenbondinseln (25a, 30a, 31a, 40a, 41a) und der Schaltungschip (200) sind durch Bondinselelektroden (300) derart elektrisch verbunden, dass eine Seite des Substrats (10) dem Schaltungschip (200) gegenüberliegt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor für eine dynamische Größe und insbesondere auf eine kapazitive Sensoranordnung für eine dynamische Größe.

Eine herkömmliche kapazitive Sensoranordnung für eine dynamische Größe wird in der JP-A-11-326365 offenbart (auf welche als Patentveröffentlichung 1 Bezug genommen wird). Die Sensoranordnung enthält bewegliche Elektroden, welche in eine vorbestimmte Richtung in Übereinstimmung mit dem Aufbringen einer dynamischen Größe verschoben werden, und stationäre Elektroden, welche gegenüber den beweglichen Elektroden auf einer Oberflächenseite eines Halbleitersubstrats angeordnet. sind.

Eine allgemeine Konstruktion in einer Draufsicht eines Sensorchips 100 von der kapazitiven Sensoranordnung für eine dynamische Größe ist in 6 dargestellt. 7 zeigt einen schematischen Querschnitt der kapazitiven Sensoranordnung für eine dynamische Größe und stellt den Zustand, bei welchem der Sensorchip 10 aufgeschichtet und über einem Schaltungschip 200 angebracht ist, im Querschnitt entlang der Linie VII-VII von 6 dar.

In diesem Sensorchip 100 wird ein Halbleitersubstrat 10 einem Grabenätzverfahren von einer Oberflächenseite aus zur Bildung von Gräben unterworfen, wodurch ein beweglicher Abschnitt, welcher sich aus einem Balken bzw. Auslegerabschnitt 22 und damit integrierte bewegliche Elektroden 24 zusammensetzt, und stationäre Elektroden 30 und 40 gebildet werden, welche den beweglichen Elektroden 24 gegenüberliegen.

Der Balkenabschnitt 22 besitzt eine Federfunktion, um in die Richtung des Pfeils Y in 6 entsprechend dem Aufbringen einer dynamischen Größe verschoben zu werden, und besitzt eine Balkenform, um sich in die Richtung senkrecht zu den Verschieberichtungen zu erstrecken. Die beweglichen Elektroden 24 werden integriert mit dem Balkenabschnitt 22 gebildet und in einer Mehrzahl in der Kammzahnform entlang der Verschieberichtungen Y des Balkenabschnitts 22 derart angeordnet, dass sie zusammen mit dem Balkenabschnitt 22 in den Verschieberichtungen Y verschoben werden können.

Die stationären Elektroden 30 und 40 werden von dem Substrat 10 befestigt und getragen und in einer Mehrzahl in einer derartigen Kammzahnform angeordnet, so dass sie in die Zwischenräume des Kammzahns in den beweglichen Elektroden 24 eingreifen. Die Seitenflächen der stationären Elektroden 30 und 40 und die Seitenflächen der beweglichen Elektroden 24 liegen einander gegenüber.

Die beweglichen Elektroden 24 und die einzelnen stationären Elektroden 30 und 40 sind mit Verdrahtungsabschnitten 25, 32 bzw. 42 verbunden. An vorbestimmten Positionen über den Verdrahtungsabschnitten 25, 32 bzw. 42 sind Drahtbondinseln 25a, 30a und 40a gebildet.

Darüber hinaus sind die einzelnen Bondinseln 25a, 30a und 40a elektrisch mit dem Schaltungschip 200 durch Bonddrähte W1, W2 bzw. W3 verbunden. Dabei stellt 7 den Verbindungsmodus durch den Bonddraht W1 außer für die Bondinsel 25a der beweglichen Elektrode 24 dar, wobei die übrigen Bondinseln 30a und 40a ähnliche Verbindungsmoden besitzen.

Dabei wird die in dem Zwischenraum (oder dem Elektrodenzwischenraum) zwischen der beweglichen Elektrode 24 und der stationären Elektrode 30 auf der linken Seite von 6 zu bildende Kapazität mit CS1 bezeichnet, und es wird die in dem Zwischenraum (oder dem Elektrodenzwischenraum) zwischen der beweglichen Elektrode 24 und der stationären Elektrode 40 auf der rechten Seite zu bildende Kapazität mit CS2 bezeichnet.

Darüber hinaus ändern sich bei diesem Sensorchip 100 die Kapazitäten CS1 und CS2 zwischen den linken und rechten beweglichen Elektroden 24 und den stationären Elektroden 30 und 40 entsprechend dem Aufbringen der dynamischen Größe. Es wird ein Signal auf der Grundlage der Kapazitätsdifferenz (CS1-CS2) als Signal von dem Sensorchip 100 ausgegeben und in dem Schaltungschip 200 verarbeitet und schließlich ausgegeben. Die dynamische Größe wird somit erfasst.

Jedoch ist bei einem derartigen kapazitiven Sensor für eine dynamische Größe lediglich eine stationäre Elektrode 30 oder 50 für jede der kammzahnförmigen beweglichen Elektroden 24 wie in 6 dargestellt angeordnet.

Es wird eine Verbesserung der Empfindlichkeit für die kapazitive Sensoranordnung für eine dynamische Größe erwünscht. Dementsprechend muß die Kapazität zwischen den beweglichen Elektroden und den stationären Elektroden erhöht werden. Für das Ansteigen der Kapazität zwischen den beweglichen Elektroden und den stationären Elektroden ist es darüber hinaus hinreichend, die gegenüberliegenden Bereiche bzw. Flächen zwischen jenen Elektroden zu vergrößern.

Deshalb haben die Erfinder eine Vergrößerung von gegenüberliegenden Bereichen zwischen den Elektroden durch Anordnen von zwei stationären Elektroden gegenüberliegend von einer der kammzahnförmigen beweglichen Elektroden erwogen. Diese beabsichtigte Konstruktion ist in 8 dargestellt und mit der Bezeichnung verwandte. Technik versehen.

Insbesondere ist jede der stationären Elektroden 30, 31, 40 und 41 gegenüber jeder von der einen und anderen Seite der einzelnen beweglichen Elektroden entlang der Kammzahnanordungsrichtung der beweglichen Elektroden 24 angeordnet. Diese Konstruktion von zwei stationären Elektroden wird als die "zweiseitige stationäre Elektrodenkonstruktion" bezeichnet.

Jedoch besitzt diese zweiseitige stationäre Elektrodenkonstruktion eine erhöhte Anzahl von stationären Elektroden. Wenn die Elektroden für die Drahtbondoperation herauszuführen sind, wird die Struktur für die Außenanschluss-Verdrahtungsabschnitte (lead out wiring portions) kompliziert. Demgegenüber könnten die Verdrahtungsabschnitte in dem Substrat gebildet werden, um die Elektroden herauszuführen. Jedoch ist diese Struktur ebenfalls kompliziert.

Es ist daher denkbar, dass ein Drahtbonden für jede der stationären Elektroden 30, 31, 40 und 41 durchgeführt werden könnte, wodurch die daraus resultierenden Drähte W und der Schaltungschip wie in 8 dargestellt verbunden werden würden. Der Schaltungschip ist in 8 weggelassen.

In diesem Fall verkompliziert jedoch die große Anzahl von Drähten W ebenfalls die Konstruktion. Daher wird diese Konstruktion nicht bevorzugt, da das Drahtbonden schwierig ist oder da die angrenzenden Drähte W miteinander einen Kontakt bilden könnten.

Im Hinblick auf die oben erläuterten Schwierigkeiten ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die zweiseitig feste Elektrodenkonstruktion geeignet mit einer einfachen Konstruktion in einer kapazitiven Sensoranordnung für eine dynamische Größe zu realisieren, welche einen Schaltungschip aufweist, der mit einem Sensorchip mit kammzahnförmigen beweglichen Elektroden und stationären Elektroden zusammengebaut ist.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Entsprechend einer ersten Ausbildung der Erfindung wird eine kapazitive Sensoranordnung für eine dynamische Größe bereitgestellt mit: einem Sensorchip, welcher bewegliche Elektroden, die in einer vorbestimmten Richtung entsprechend dem Aufbringen einer dynamischen Größe verschieblich sind, und stationäre Elektroden enthält, die den beweglichen Elektroden auf einer Oberflächenseite eines Halbleitersubstrats gegenüberliegend angeordnet sind, um die dynamische Größe auf der Grundlage einer Kapazitätsänderung zu erfassen, die sich bei dem Aufbringen der dynamischen Größe zwischen den beweglichen Elektroden und den stationären Elektroden zeigt; und einem Schaltungschip zur Verarbeitung eines Ausgangssignals von dem Sensorchip, wobei die beweglichen Elektroden in einer Mehrzahl in einer Kammzahnform entlang der vorbestimmten Richtung angeordnet sind, die stationären Elektroden in einer Mehrzahl in einer Kammzahnform derart angeortnet sind, dass sie in die Zwischenräume zwischen dem Kammzahn der beweglichen Elektroden einzugreifen, wobei die stationären Elektroden einzeln derart angeordnet sind, dass sie den beweglichen Elektroden einzeln auf der einen und anderen Seite der Richtung entlang der vorbestimmten Richtung gegenüberliegen, wobei eine Seite des Halbleitersubstrats und des Schaltungschips einander gegenüberliegend angeordnet sind und die stationären Elektroden und die beweglichen Elektroden elektrisch mit dem Schaltungschip durch Bondhügelelektroden verbunden sind.

Entsprechend der Ausbildung der Erfindung kann der Sensorchip mit der Vorderseite nach unten über dem Schaltungschip angebracht werden, um die beweglichen Elektroden und die stationären Elektroden mit dem Schaltungschip durch die Bondhügelelektroden zu verbinden.

Wenn daher die Anzahl von stationären Elektroden wie bei der zweiseitigen festen Elektrodenkonstruktion erhöht ist, wird die Konstruktion nicht wie bei der Drahtverbindung kompliziert, welche bei der Anordnung der verwandten Technik in 8 dargestellt ist, so dass die elektrischen Verbindungen zwischen den stationären Elektroden (30, 31, 40 und 41) und dem Schaltungschip (200) geeignet realisiert werden können.

Daher kann die zweiseitig feste Elektrodenkonstruktion mit der einfachen Konstruktion in der kapazitiven Sensoranordnung für eine dynamische Größe geeignet realisiert werden, bei welcher der Schaltungschip mit dem Sensorchip, welcher die kammzahnförmigen beweglichen Elektroden und die stationären Elektroden aufweist, zusammengesetzt ist. Entsprechend einer anderen Ausbildung der Erfindung können dabei die Bondfühlelektroden separat und einzeln mit den stationären Elektroden verbunden werden, welche an einer Seite der Richtung entlang der vorbestimmten Richtung in den beweglichen Elektroden angeordnet sind, und die stationären Elektroden, welche auf der anderen Seite der Richtung entlang der vorbestimmten Richtung in den beweglichen Elektroden angeordnet sind, können in gemeinsamen elektrischen Verdrahtungsabschnitten zusammengefasst werden, mit welchen die Bondhügelelektroden verbunden sind.

Die vorliegende Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.
1 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Sensorchip in einer kapazitiven Beschleunigungssensoranordnung einer Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt eine schematischen Querschnittsansicht des Sensorchips entlang Linie II-II von 1;
3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Sensorchips entlang Linie III-III von 1;
4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht, welche den Zustand, in welchem der Sensorchip angebracht ist, und entlang der Linie IV-IV von 1 darstellt;
5 zeigt ein Erfassungsschaltungsdiagramm der kapazitiven Beschleunigungssensoranordnung einer bevorzugten Ausführungsform;
6 zeigt eine Konstruktion in einer schematischen Draufsicht eines Sensorchips einer herkömmlichen Halbleiteranordnung für eine dynamische Größe nach dem Stand der Technik;
7 zeigt einen schematischen Querschnitt des Sensorchips von 6 entlang der Linie VII-VII; und
8 zeigt eine schematische Draufsicht, welche eine zweiseitig feste Elektrodenkonstruktion einer verwandten Technik dargestellt.
Die Erfindung wird in Verbindung mit einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Bei dieser Ausführungsform wird die Erfindung auf eine differentielle kapazitive Halbleiterbeschleunigungssensoranordnung (oder eine kapazitive Beschleunigungssensoranordnung) als kapazitive Sensoranordnung für eine dynamische Größe angewandt.
1 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Sensorchip 100 in einer kapazitiven Beschleunigungssensoranordnung dieser Ausführungsform; 2 zeigt einen schematischen Querschnitt des Sensorchips 100 entlang Linie II-II von 1; 3 zeigt einen schematischen Querschnitt des Sensorchips 100 entlang Linie III-III von 1; und 4 zeigt einen schematischen Querschnitt, welcher den Zustand, bei welchem der Sensorchip 100 in einem Schaltungschip 200 angebracht ist, und entlang Linie IV-IV von 1 darstellt.
Diese kapazitive Beschleunigungssensorvorrichtung kann auf einen Kraftfahrzeugbeschleunigungssensor zur Steuerung der Aktionen eines Airbags, eines ABS oder eines VSC, eines Gyrosensors, usw. angewandt werden.
Der Sensorchip 100 kann durch herkömmliche Herstellungstechniken gebildet werden. Dieses Halbleitersubstrat 10, welches den Sensorchip 100 bildet, ist ein rechtwinkliges SOI-Substrat 10 mit einem Oxidfilm 13, welcher als Isolierschicht zwischen einem ersten Siliziumsubstrat 11, welches als erste Halbleiterschicht dient, und einem zweiten Halbleitersubstrat dient, welches als zweite Halbleiterschicht dient, wie in 2 und 3 dargestellt.
Gräben 14 sind in dem zweiten Siliziumsubstrat 12 zur Bildung einer Ausleger- bzw. Balkenstruktur gebildet, welche eine Kammform einschließlich eines beweglichen Abschnitts 20 und stationärer Abschnitte 30 und 40 enthält. Von dem Oxidfilm 13 sind darüber hinaus die Abschnitte entsprechend den Gebieten mit den Balkenstrukturen 20 bis 40 rechtwinklig entfernt, um einen Öffnungsabschnitt 15 zu bilden.
Dieser Sensorchip 100 wird auf die folgende Weise hergestellt. Eine Maske, welche geformt ist, dass sie der Balkenstruktur entspricht, wird durch Fotolithographie über dem zweiten Siliziumsubstrat 12 des SOI-Substrats 10 gebildet, und es werden danach die Gräben 14 mit einem Gas aus C₄ oder SF₆ durch Grabenätzen wie einem Trockenätzen zusammen mit dem Balkenstrukturen gebildet. Darauffolgend wird der Oxidfilm 13 durch ein Opferschichtätzen oder derglei chen unter Vewendung von Fluorwasserstoffsäure zur Bildung des Öffnungsabschnitts 15 entfernt.
Der bewegliche Abschnitt 20, welcher derart angeordnet wird, dass er den Öffnungsabschnitt 15 überkreuzt, wird derart gebildet, dass die zwei Enden eines Gewichtsabschnitts 21 einer schlanken rechtwinkligen Form durch einen Balkenabschnitt 22 mit Ankerabschnitten 23a und 23b integriert verbunden werden. Diese Ankerabschnitte 23a und 23b werden auf dem offenen Randabschnitt des Öffnungsabschnitts 15 in dem Oxidfilm 13 befestigt und über dem ersten Siliziumsubstrat 11 gehalten, welches wie in 3 dargestellt als das Haltersubstrat wirkt. Als Ergebnis liegen der Gewichtsabschnitt 21 und der Balkenabschnitt 22 dem Öffnungsabschnitt 15 gegenüber.
Der Balkenabschnitt 22 wird in einer rechtwinkligen Rahmenform mit zwei parallelen Balken die an ihren zwei Enden verbunden sind, gebildet und besitzt eine Federfunktion, um in der Richtung senkrecht der Längsrichtung der zwei Balken verschoben zu werden. Insbesondere verschiebt der Balkenabschnitt 22 den Gewichtsabschnitt 21 in die Richtungen der Pfeile Y von 1, wenn er einer Beschleunigung mit einer Komponente in den Y-Richtungen unterworfen wird, und stellt seinen ursprünglichen Zustand wieder her, wenn die Beschleunigung aufgehoben wird.
Daher kann der bewegliche Abschnitt über dem Öffnungsabschnitt 15 in den Verschieberichtungen des Balkenabschnitts 22, d.h. in den oben erwähnten Y-Richtungen entsprechend dem Aufbringen der Beschleunigung verschoben werden. Die Y-Richtungen werden als die Verschieberichtungen Y des Balkenabschnitts 22 bezeichnet.
Darüber hinaus wird der bewegliche Abschnitt 20 mit kammzahnförmigen beweglichen Elektroden 24 versehen. Diese beweglichen Elektroden 24 setzen sich zusammen aus einer Mehrzahl von balkenförmigen Elektroden, welche sich weg von den zwei Oberflächenseiten des Gewichtsabschnitts 21 in die Richtungen senkrecht zu den Verschieberichtungen Y des Balkenabschnitt 22 erstrecken.
Mit anderen Worten, die beweglichen Elektroden 24 werden in einer Mehrzahl in einer Kammzahnform entlang der Verschieberichtungen Y des Balkenabschnitts 22 angeordnet. Entsprechend 1 sind die vier beweglichen Elektroden 24 derart gebildet, dass sie einzeln von den linken und rechten Seiten des Gewichtsabschnitts 21 derart vorspringen, dass sie in einer Balkenform mit einem rechtwinkligen Abschnitt derart gebildet sind, dass sie dem Öffnungsabschnitt 15 gegenüberliegen.
Somit werden die einzelnen beweglichen Elektroden 24 integriert mit dem Balkenabschnitt 22 und dem Gewichtsabschnitt 21 derart gebildet, dass sie sich zusammen mit dem Balkenabschnitt 22 und dem Gewichtsabschnitt 21 in den Verschieberichtungen Y des Balkenabschnitts 22 bewegen können.
Die stationären Abschnitte 30, 31, 32, 40, 41 und 42 werden durch einen derartigen anderen Satz von gegenüberliegenden Seitenabschnitten an dem offenen Randabschnitt des Öffnungsabschnitts 15 in dem Oxidfilm 13 gegenüber den Ankerabschnitten 23a und 23b gehalten.
Entsprechend 1 sind die auf der linken Seite des Geewichtsabschnitts 21 befindlichen stationären Abschnitte 30, 31 und 32 die erste linke stationäre Elektrode 30, die zweite linke stationäre Elektrode 31 und der erste linke stationäre Elektrodenverdrahtungsabschnitt 32. Entsprechend 1 sind demgegenüber die auf der rechten Seite des Gewichtsabschnitts 21 befindlichen stationären Abschnitte 40, 41 und 42 die erste rechte stationäre Elektrode 40, die zweite rechte stationäre Elektrode 41 und der erste rechte stationäre Elektrodenverdrahtungsabschnitt 42.
Die einzelnen stationären Elektroden 30, 31, 40 und 41 sind in einer Mehrzahl in einer derartigen Kammzahnform angeordnet, um mit Zwischenräumen der Kammzähne in den beweglichen Elektroden 24 verwickelt bzw. verfangen zu sein. Darüber hinaus nimmt der Sensorchip 100 dieser Ausführungsform die oben erwähnte "zweiseitig feste Elektrodenkonstruktion" an, welche oben bezüglich 8 erörtert worden ist.
Entsprechend 1 ist insbesondere auf der linken Seite des Gewichtsabschnitts 21 eine erste linke stationäre Elektrode 30 für jede bewegliche Elektrode 24 auf der oberen Seite der Richtung entlang den Verschieberichtungen Y des Balkenabschnitts 22 angeordnet. Die zweite linke stationäre Elektroden 31 ist auf der unteren Seite derselben Richtung angeordnet.
Entsprechend 1 ist demgegenüber auf der rechten Seite des Gewichtsabschnitts 21 eine zweite rechte stationäre Elektrode 41 für jede bewegliche Elektrode 24 auf der oberen Seite der Richtung entlang den Verschieberichtungen Y des Balkenabschnitts 22 angeordnet. Die erste rechte stationäre Elektrode 40 ist auf der unteren Seite derselben Richtung angeordnet.
Somit sind für jede bewegliche Elektrode 24 die stationären Elektroden 30, 31, 40 und 41 einzeln derart angeordnet, dass sie auf den einen und anderen Seite entlang der Verschieberichtungen Y des Balkenabschnitts 22 einander gegenüberliegen. An jedem gegenüberliegenden Zwischenraum ist ein Erfassungszwischenraum zum Erfassen der Kapazität zwischen der Seitenfläche der bewegliche Elektrode 24 und den Seitenflächen der stationären Elektroden 30, 31, 40 und 41 gebildet.
Demgegenüber sind die einzelnen stationären Elektroden 30, 31, 40 und 41 elektrisch unabhängig voneinander. Darüber hinaus sind die einzelnen stationären Elektroden 30, 31, 40 und 41 in einer Balkenform eines rechtwinkligen Abschnitts gebildet, welcher sich im allgemeinen parallel zu der beweglichen Elektrode 24 erstreckt.
Dabei werden die erste linke stationäre Elektrode 30 und die erste rechte stationäre Elektrode 40 einzeln in einer Auslegerform durch die jeweiligen stationären Elektrodenverdrahtungsabschnitte 32 bzw. 42 gehalten. Kurz dargestellt, die jeweilige Gruppe der ersten linken stationären Elektroden 30 und der ersten rechten stationären Elektroden 40 wird in den gemeinsamen elektrischen Verdrahtungsabschnitten 32 und 42 zusammengefasst.
Demgegenüber sind die zweite linke stationäre Elektrode 31 und die zweite rechte stationäre Elektrode 41 einzeln durch die Gräben 14 elektrisch isoliert und werden in einer Auslegerform über dem Oxidfilm 13 in dem offenen Randabschnitt des Öffnungsabschnitts 15 gehalten.
Demgegenüber sind stationäre Elektrodenbondinseln 30a und 40a einzeln an vorbestimmten Positionen über dem ersten linken stationären Elektrodenverdrahtungsabschnitt 32 und dem ersten rechten stationären Elektrodenverdrahtungsabschnitt 42 gebildet. Für die zweite linke stationäre Elektrode 31 und die zweite rechte stationäre Elektrode 41 sind demgegenüber stationäre Elektrodenbondinseln 31a und 41a einzeln an Halteabschnitten gebildet, welche an dem offenen Randabschnitt des Öffnungsabschnitts 15 positioniert sind.
Demgegenüber ist ein beweglicher Elektrodenverdrahtungsabschnitt 25 derart gebildet, dass er integriert mit einem Ankerabschnitt 23b verbunden ist und eine bewegliche Elektrodenbondinsel 25a aufweist, die an einer vorbestimmten Position über dem Verdrahtungsabschnitt 25 gebildet ist. Die einzelnen Elektrodenbondinseln 25a, 30a, 31a, 40a und 41a soweit wie beschrieben werden beispielsweise durch Zerstäubung oder Aufdampfung von Aluminium gebildet.
Wie in 4 dargestellt ist der derart konstruierte Sensorchip 100 derart über dem Schaltungschip 200 angeordnet und angebracht, dass eine Seite des Halbleitersubstrats 10 in dem Sensorchip 100 und dem Schaltungschip 200 einander gegenüberliegen. In diesem Schaltungschip 200 ist eine Erfassungsschaltung (wie in 5 dargestellt) zur Verarbeitung des Ausgangssignals von dem Sensorchip 100 über dem Halbleitersubstrat gebildet.
Die einzelnen stationären Elektrodenbondinseln 30a, 31a, 40a und 41a, welche mit den stationären Elektroden 30, 31, 40 und 41 verbunden sind, und die bewegliche Elektrodenbondinsel 25a sind elektrisch mit den nicht dargestellten Elektroden über dem Schaltungschip 200 durch Bondhügelelektroden 300 verbunden. Diese Bondhügelelektroden 300 können als gewöhnliche Bondhügel wie Lötmittelbondhügel angenommen werden.
In Kürze dargestellt ist bei dieser Ausführungsform der Sensorchip 100 mit der zweiseitigen festen Elektrodenkonstruktion mit der Vorderseite nach unten über dem Schaltungschip 200 derart angebracht, dass die stationäre Elektroden 30, 31, 40 und 41 und der bewegliche Elektrodenverdrahtungsabschnitt 25 elektrisch mit dem Schaltungschip 200 durch die Bondhügelelektroden 300 verbunden sind.
Bei dieser Ausführungsform sind die separaten Bondhügelelektroden 300 einzeln mit den stationären Elektroden 31, 41 verbunden, welche auf einer Seite in den Richtungen entlang der Verschieberichtungen Y des Balkenabschnitts 22 in den beweglichen Elektroden 24 wie in 4 dargestellt angeordnet sind. Die stationären Elektroden 30 und 40, welche auf der anderen Seite derselben Richtung in den beweg lichen Elektroden 24 angeordnet sind, werden in die gemeinsamen elektrischen Verdrahtungsabschnitte 32 und 42 zusammengefasst, mit welchen die Bondhügelelektroden 300 verbunden sind.
Die vorliegende kapazitive Beschleunigungssensoranordnung, welche somit den Sensorchip 100 und den Schaltungschip 200 aufweist, kann beispielsweise durch Zuführen der Lötmittelbondhügel über die Elektroden des Schaltungschips 200 und danach durch Anbringen des Sensorchips 100 über dem Schaltungschip 200, um das Lötmittel verfließen zu lassen, zusammengesetzt werden.
Es werden im folgenden die Erfassungsaktionen der vorliegenden kapazitiven Beschleunigungssensoranordnung erörtert. Wie oben beschrieben sind die einzelnen stationären Elektroden 30, 31, 40 und 41 derart angeordnet, dass sie einander auf den einen und anderen Seiten der einzelnen beweglichen Elektroden 44 in den Richtungen entlang der Verschieberichtungen Y des Balkenabschnitts 22 gegenüberliegen. An jedem gegenüberliegenden Zwischenraum ist ein Erfassungszwischenraum zum Erfassen der Kapazität gebildet.
Es wird angenommen, dass eine erste Kapazität CS1 in dem Zwischenraum zwischen der ersten linken stationären Elektrode 30 und der beweglichen Elektrode 24 und in dem Zwischenraum zwischen der zweiten rechten stationären Elektrode 41 und der beweglichen Elektrode 24 gebildet ist und dass eine zweite Kapazität CS2 in dem Zwischenraum zwischen der zweiten linken stationären Elektrode 31 und der beweglichen Elektroden 24 und in dem Zwischenraum zwischen der ersten rechten stationären Elektroden 40 und der beweglichen Elektrode 24 gebildet ist.
Wenn eine Beschleunigung aufgenommen wird, wird darüber hinaus der bewegliche Abschnitt 20 mit Ausnahme der Ankerabschnitte integriert in den Verschieberichtungen Y des Balkenabschnitts 22 durch die Federfunktion des Balkenabschnitts 22 derart verschoben, dass die einzelnen Kapazitäten CS1 und CS2 sich entsprechend der Verschiebung der beweglichen Elektrode 24 ändern.
Wenn sich beispielsweise der bewegliche Abschnitt 20 entsprechend 1 nach unten entlang der Verschieberichtungen Y des Balkenabschnitts 22 verschiebt, werden der Zwischenraum zwischen der ersten linken stätionären Elektrode 30 und der beweglichen Elektrode 24 und der Zwischenraum zwischen der zweiten rechten stationären Elektrode 41 und der beweglichen Elektrode 24 verbreitert. Dementsprechend werden der Zwischenraum zwischen der zweiten linken stationären Elektrode 31 und der beweglichen Elektrode 24 und der Zwischenraum zwischen der ersten rechten stationären Elektrode 40 und der beweglichen Elektrode 24 verschmälert.
Es kann daher die Beschleunigung auf der Grundlage der Änderung der differentiellen Kapazität (CS1-CS2) infolge der beweglichen Elektroden 24 und der stationären Elektroden 30, 31, 40 und 41 erfasst werden. Insbesondere wird ein Signal auf der Grundlage der Kapazitätsdiffferenz (CS1-CS2) als Ausgangssignal von dem Sensorchip 100 ausgegeben und in dem Schaltungschip 200 verarbeitet und zuletzt ausgegeben.
5 zeigt ein Schaltungsdiagramm, welches eine Erfassungsschaltung 400 in der vorliegenden kapazitiven Beschleunigungssensoranordnung darstellt. Bei dieser Erfassungsschaltung 400 bezeichnet Bezugszeichen 410 einen Schaltkreis mit geschaltetem Kondensator (oder einen SC-Schaltkreis), welcher mit einem Kondensator 411 mit einer Kapazität CF, einem Schalter 412 und einem Differenzverstärkerschaltkreis 413 derart versehen ist, dass er die eingegebene Kapazitätsdifferenz (CS1-CS2) in eine Spannung umwandelt.
Bei dieser Sensoranordnung wird beispielsweise eine Trägerwelle 1 mit einer Amplitude Vcc den stationären Elektrodenbondinseln 30a und 41a eingegeben, und es wird eine Trägerwelle 2 mit einer Phase, die um 180° von der Trägerwelle 1 verschoben ist, den stationären Elektrodenbondinseln 40a und 31a eingegeben, und es wird der Schalter 412 des SC-Schaltkreises 410 zu einem vorher bestimmten Zeitablauf in Bezug auf den Zustand EIN/AUS umgeschaltet.
Die aufgebrachte Beschleunigung wird als Spannungswert V0 ausgegeben, was durch die folgende Gleichung 1 ausgedrückt wird: V0 = (CS1 – CS2)·Vcc/Cf [Gleichung 1]
Bei diesen Erfassungsaktionen nimmt diese Ausführungsform die zweiseitige feste Elektrodenkonstruktion an, um die gegenüberliegenden Flächen zwischen den Elektroden derart zu erhöhen, dass die erste Kapazität CS1 und die zweite Kapazität CS2 zweimal größer als jene bei der üblichen Konstruktion sind, bei welcher eine bewegliche Elektrode und eine stationäre Elektrode einander gegenüberliegen. Dies führt zu einer äußerst empfindlichen Erfassung.
Bei dieser Ausführungsform ist der Sensorchip 100 mit der Vorderseite nach unten über dem Schaltungschip 200 angebracht, und die beweglichen Elektroden 24 und die stationären Elektroden 30, 31, 40 und 41 sind mit dem Schaltungschip 200 durch die Bondhügelelektroden 300 verbunden.
Sogar wenn die Anzahl der stationären Elektroden 30, 31, 40 und 41 wie bei der zweiseitigen festen Elektrodenkonstruktion erhöht ist, können daher die elektrischen Verbindungen zwischen den stationären Elektroden 30, 31, 40 und 41 und dem Schaltungschip 200 geeignet realisiert werden, ohne dass eine komplizierte Konstruktion wie die Drahtverbindung bei der verwandten Technik angenommen wird.
Daher kann bei dieser Ausführungsform die zweiseitige feste Elektrodenkonstruktion durch die einfache Konstruktion in der kapazitiven Sensoranordnung für eine dynamische Größe mit dem Schaltungschip realisiert werden, welche mit dem Sensorchip mit den beweglichen kammzahnförmigen Elektroden und den stationären Elektroden zusammengesetzt wird.
In einer nicht dargestellten Modifizierung sind die erste linke stationäre Elektrode und die erste rechte stationäre Elektrode 40 nicht in gemeinsamen elektrischen Verdrahtungsabschnitten 32 und 42 zusammengefasst, sondern sie können elektrisch unabhängig voneinander wie die zweite linke stationäre Elektrode 31 und die zweite rechte Elektrode 41 gebildet werden und können einzeln in einer Auslegerform auf einem offenen Randabschnitt des Öffnungsabschnitt 15 gehalten werden.
Die vorliegende Erfindung kann nicht nur auf einen Beschleunigungssensor sondern ebenfalls auf einen Sensor für eine dynamische Größe wie einen Winkelgeschwindigkeitssensor angewandt werden.
Vorstehend wurde eine kapazitive Sensoranordnung für eine dynamische Größe offenbart. Ein Sensorchip (100) enthält kammzahnförmige bewegliche Elektroden (24), welche in eine Y-Richtung verschiebbar sind, und kammzahnförmige stationären Elektroden (30, 31, 40, 41), welche den beweglichen Elektroden (24) auf einer Oberflächenseite eines Halbleitersubstrats (10) gegenüberliegen. Der Sensorchip (100) erfasst eine Beschleunigung auf der Grundlage einer Kapazitätsänderung, die mit dem Aufbringen einer Beschleunigung in der Y-Richtung zwischen den beweglichen Elektroden (24) und den stationären Elektroden (30, 31, 41, 42) verbunden ist. Die stationären Elektroden (30, 31, 41, 42) sind einzeln derart angeordnet, dass sie einander auf der einen und der anderen Seite der Richtung entlang der Y-Richtung in den einzelnen beweglichen Elektroden (24) angeordnet sind. Die einzelnen Elektrodenbondinseln (25a, 30a, 31a, 40a, 41a) und der Schaltungschip (200) sind durch Bondinselelektroden (300) derart elektrisch verbunden, dass eine Seite des Substrats (10) dem Schaltungschip (200) gegenüberliegt.

Claims

Kapazitive Sensoranordnung für eine dynamische Größe mit: einem Sensorchip (100), welcher bewegliche Elektroden (24), die in einer vorbestimmten Richtung entsprechend dem Aufbringen einer dynamischen Größe verschieblich sind, und stationäre Elektroden (30, 31, 41, 42) enthält, die den beweglichen Elektroden (20) auf einer Oberflächenseite eines Halbleitersubstrats (10) gegenüberliegend angeordnet sind, um die dynamische Größe auf der Grundlage einer Kapazitätsänderung zu erfassen, die sich bei dem Aufbringen der dynamischen Größe zwischen den beweglichen Elektroden (24) und den stationären Elektroden (30, 31, 41, 42) zeigt; und einem Schaltungschip (200) zur Verarbeitung eines Ausgangssignals von dem Sensorchip (100), wobei die beweglichen Elektroden (24) in einer Mehrzahl angeordnet sind, die stationären Elektroden (30, 31, 41, 42) in einer Mehrzahl derart angeordnet sind, dass sie den beweglichen Elektroden (24) gegenüberliegen, eine Seite des Halbleitersubstrats (10) und des Schaltungschips (200) einander gegenüberliegend angeordnet sind und zumindest die stationären Elektroden (30, 31, 41, 42) oder die beweglichen Elektroden (24) elektrisch mit dem Schaltungschip (200) durch Bondhügelelektroden (300) verbunden sind.
Kapazitive Sensoranordnung für eine dynamische Größe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bondhügelelektroden (300) separat und einzeln mit den stationären Elektroden (30, 31, 41, 42) verbunden sind, welche auf einer Seite der Richtung entlang der vorbestimmten Richtung (Y) bezüglich der beweglichen Elektroden (24) angeordnet sind, und die stationären Elektroden (30, 31, 41, 42), welche auf der anderen Seite der Richtung entlang der vorbestimmten Richtung bezüglich der beweglichen Elektroden (24) angeordnet sind, in gemeinsamen elektrischen Verdrahtungsabschnitten zusammengefasst sind, mit welchen die Bondhügelelektroden (300) verbunden sind.
Kapazitive Sensoranordnung für eine dynamische Größe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beweglichen Elektroden (24) eine Kammzahnform entlang der vorbestimmten Richtung besitzen, die stationären Elektroden (30, 31, 41, 42) ebenfalls eine Kammzahnform besitzen und dadurch in die beweglichen Elektroden (24) eingreifen, die stationären Elektroden (30, 31, 41, 42) einzeln derart angeordnet sind, dass sie den beweglichen Elektroden (24) auf der einen und der anderen Seite der Richtung entlang der vorbestimmten Richtung gegenüberliegen und die stationären Elektroden (30, 31, 41, 42) und die beweglichen Elektroden (24) elektrisch mit dem Schaltungschip (200) durch Bondhügelelektroden (300) verbunden sind.