DE102004042761A1

DE102004042761A1 - Sensoranordnung eines Kapazitätstyps für eine dynamische Grösse

Info

Publication number: DE102004042761A1
Application number: DE102004042761A
Authority: DE
Inventors: Keisuke Kariya Goto; Tameharu Kariya Ohta
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-09-05
Filing date: 2004-09-03
Publication date: 2005-03-31
Anticipated expiration: 2024-09-04
Also published as: US6876093B2; US20050051910A1; JP4134853B2; JP2005083799A; DE102004042761B4

Abstract

Eine Sensoranordnung eines Kapazitätstyps für eine dynamische Größe enthält einen Sensorchip (100), welcher bewegliche Elektroden (24) und an der Sensorchipseite befindliche Elektroden aufweist, die den beweglichen Elektroden (24) gegenüberliegend in einer Richtung X horizontal zu der Substratoberfläche angeordnet sind, und einen Schaltungschip (200), welcher dem Sensorchip (100) gegenüberliegt. Die beweglichen Elektroden (24) sind mit dem Substrat (10) durch Federabschnitte (22), welche einen Freiheitsgrad in der Richtung X horizontal zu der Substratoberfläche und in der Richtung Z vertikal zu der Substratoberfläche besitzten, derart verbunden, dass die beweglichen Elektroden (24) sowohl in den Richtungen X als auch Z verschiebbar sind. Eine an der Schaltungschipseite befindliche feste Elektrode (210) ist an der Stelle entsprechend den beweglichen Elektroden (24) vorgesehen. Der Sensorchip (100) und der Schaltungschip (200) sind elektrisch miteinander durch Bondhügelelektroden (300) verbunden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sensoranordnung eines Kapazitätstyps für eine dynamische Größe (capacitance type dynamic quantity sensor device), welche eine aufgebrachte dynamische Größe auf der Grundlage einer Änderung einer elektrostatischen Kapazität zwischen einer beweglichen Elektrode und einer festen Elektrode erfasst, und insbesondere auf eine Sensoranordnung eines Kapazitätstyps für eine dynamische Größe, in welcher eine dynamische Größe in einer mehrachsigen Richtung erfasst werden kann.
Im Allgemeinen besitzt eine Sensoranordnung eines Kapazitätstyps für eine dynamische Größe einen Sensorchip, welcher eine bewegliche Elektrode, die in einer vorbestimmten Richtung entsprechend dem Aufbringen einer dynamischen Größe verschoben werden kann, und eine feste Elektrode enthält, welche der beweglichen Elektrode gegenüberliegend angeordnet ist, wobei die bewegliche Elektrode und die und die feste Elektrode auf einem Substrat wie einem Halbleitersubstrat oder dergleichen gebildet sind. Die Sensoranordnung für eine dynamische Größe eine Kapazitätstyps erfasst die dynamische Größe auf der Grundlage einer Änderung der Kapazität zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode entsprechend der Aufbringung des Betrags der Größe. Die dynamische Größe kann eine Beschleunigung, eine Winkelgeschwindigkeit oder dergleichen sein.
Insbesondere ist eine Sensoranordnung eines Kapazitätstyps für eine dynamische Größe bekannt, welche eine dynamische Größe erfasst, die auf eine Oberfläche eines Substrats in einer horizontalen Richtung aufgebracht wird. Dieser Sensortyp ist derart konstruiert, dass eine feste Elektrode eines Sensorchips gegenüberliegend einer beweglichen Elek trode in einer Horizontalrichtung zu einer Oberfläche eines Substrats angeordnet ist, und dass die bewegliche Elektrode in der horizontalen Richtung verschoben wird. Die horizontale Richtung zu der Oberfläche des Substrats wird hiernach als "Richtung horizontal zu der Substratoberfläche" bezeichnet.

Eine Sensoranordnung, welche einen Sensorchip wie oben beschrieben und einen Schaltungschip enthält, welcher eine Verarbeitungsschaltung zum Verarbeiten eines Sensorsignals von dem Sensorchip, usw. aufweist, wurde als eine von Sensoranordnungen eines Kapazitätstyps für eine dynamische Größe zum Erfassen einer dynamischen Größe in einer Richtung horizontal zu der Substratoberfläche wie oben beschrieben vorgeschlagen (siehe beispielsweise JP-A-11-67820).

Bei der oben beschriebenen Sensoranordnung eines Kapazitätstyps für eine dynamische Größe sind eine Oberfläche des Substrats des Sensorchips und des Schaltungschips einander gegenüberliegend angeordnet, und der Sensorchip und der Schaltungschip sind miteinander durch eine Bondhügelelektrode verbunden.

Des weiteren ist ebenfalls eine Sensoranordnung eines Kapazitätstyps für eine dynamische Größe bekannt, welche eine dynamische Größe in einer Richtung parallel zu einer Oberfläche eines Substrats zusätzlich zu einer dynamische Größe in einer Richtung horizontal zu der Substratoberfläche erfassen kann, d.h. eine Sensoranordnung eines Kapazitätstyps für eine dynamische Größe, welche eine dynamische Größe in einer mehrachsigen Richtung erfassen kann. In der folgenden Beschreibung wird die Richtung senkrecht zu einer Oberfläche eines Substrats als "Richtung vertikal zu der Substratoberfläche" bezeichnet.

Die folgenden Schwierigkeiten würden auftreten, wenn eine Sensoranordnung eines Kapazitätstyps für eine dynamische Größe gebildet wird, welche eine dynamische Größe in einer mehrachsigen Richtung wie oben beschrieben erfassen kann.

Dabei zeigt 7 ein Diagramm, welches eine allgemeine Konstruktion der Sensoranordnung eines Kapazitätstyps für eine. dynamische Größe darstellt, welche die dynamische Größe in der mehrachsigen Richtung erfassen kann. Des weiteren ist 8A eine Draufsicht, welche ein Beispiel der bestimmten Konstruktion einer Horizontalrichtungserfassungseinheit 900 von 7 darstellt, und 8B zeigt eine perspektivische Ansicht, welche ein Beispiel der Konstruktion einer Vertikalrichtungserfassungseinheit 910 von 7 darstellt.

Wie in 7 dargestellt kann die Sensoranordnung eines Kapazitätstyps für eine dynamische Größe unter Verwendung eines Halbleitersubstrats 10 und unter Verwendung einer bekannten Halbleiterherstellungstechnik und -ätztechnik hergestellt werden.

Dabei entspricht die Richtung horizontal zu der Zeichenebene von 7 der horizontalen Richtung in Bezug auf eine Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 (d.h., der Richtung horizontal zu der Substratoberfläche), und die Richtung vertikal zu der Zeichenebene von 7 entspricht der Richtung vertikal zu der Oberfläche des Halbleitersubstrats 10, d.h. der Richtung vertikal zu der Substratoberfläche).

Insbesondere zeigt 7 eine Horizontalrichtungserfassungseinheit 900, welche eine bewegliche Elektrode aufweist, die in der Richtung horizontal zu der Substratoberfläche entsprechend einer dynamische Größe wie einer Beschleunigung oder dergleichen verschoben werden kann, welche in der Richtung horizontal zu der Substratoberfläche aufgebracht wird, und eine Vertikalrichtungserfassungseinheit 910, welche eine bewegliche Elektroden aufweist, die in der Richtung vertikal zu der Substratoberfläche entsprechend einer dynamische Größe verschoben werden kann, welche in der Richtung vertikal zu der Substratoberfläche aufgebracht wird.

Draht- bzw. Leitungsabschnitte 920, welche aus den jeweiligen Erfassungseinheiten 900 und 910 herausgezogen sind, sind auf dem Halbleitersubstrat 10 gebildet, und es sind ebenfalls Kontaktstellen 930, welche mit den jeweiligen Verdrahtungsabschnitten 920 verbunden sind, auf dem Halbleitersubstrat 10 gebildet. Diese Kontaktstellen 930 werden mit Bonddrähten verbunden, durch welche die jeweiligen Erfassungseinheiten 900 und 910 auf dem Halbleitersubstrat 10 mit äußeren Schaltungen, usw. elektrischen sind.

Die Horizontalrichtungserfassungseinheit 900 ist wie im folgenden dargestellt gebildet. D.h., wie in 8A dargestellt, wird ein Grabenätzen von einer Oberflächenseite des Halbleitersubstrats 10 aus durchgeführt, um Gräben zu bilden, wodurch eine bewegliche Elektrode 901 und eine feste Elektrode 902 gebildet wird, die derart angeordnet ist, dass sie der beweglichen Elektrode 901 in der Richtung horizontal zu der Substratoberfläche gegenüberliegt.

In diesem Fall sind sowohl die bewegliche Elektrode 901 als auch die feste Elektrode 902 derart konstruiert, dass sie eine Kammform besitzen und derart angeordnet sind, dass die kammförmigen Zähne davon sich miteinander im Eingriff befinden. Die bewegliche Elektrode 901 ist mit dem Halbleitersubstrat 10 durch einen (nicht dargestellten) Federabschnitt verbunden, welcher einen Freiheitsgrad in der Richtung horizontal zu der Substratoberfläche derart aufweist, dass sie in der Richtung horizontal zu der Substratoberfläche verschiebbar ist.

Wenn entsprechend 8A eine dynamische Größe in der Richtung horizontal zu der Substratoberfläche aufgebracht wird, wird die bewegliche Elektrode 901 in derselben Richtung verschoben, und es wird der Abstand zwischen der beweglichen Elektrode 901 und der festen Elektrode 902 derart verändert, dass die Kapazität zwischen der beweglichen Elektrode 901 und der festen Elektrode 902 sich ändert.

Diese Kapazitätsänderung wird als Sensorsignal durch die Draht- bzw Leitungsabschnitte 920, die Kontaktstellen 930 und die Bonddrähte einer externen Schaltung ausgegeben, wodurch die aufgebrachte dynamische Größe in der Richtung horizontal zu der Substratoberfläche erfasst wird.

Des weiteren wird die Vertikalrichtungserfassungseinheit 910 wie im folgenden beschrieben gebildet. D.h., wie in 8B dargestellt, werden ein Grabenätzen oder ein Opferschichtätzen und bekannte Draht- bzw. Leitungsbildungstechniken oder dergleichen von einer Oberflächenseite des Halbleitersubstrats 10 aus durchgeführt, um eine bewegliche Elektrode 911 und feste Elektroden 912 und 913 derart zu bilden, dass die festen Elektroden 912 und 913 der beweglichen Elektrode 911 in der Richtung vertikal zu der Substratoberfläche gegenüberliegend angeordnet sind.

Dabei wird die bewegliche Elektrode 911 von Auslegerarmen 10a entsprechend dem Unterseitenabschnitt des Halbleitersubstrats 10 derart gehalten, dass die bewegliche Elektrode 911 in der Richtung vertikal zu der Substratoberfläche beweglich ist.

Des weiteren sind die festen Elektroden 912 und 913 an den Ober- und Unterseiten der beweglichen Elektrode 911 gebildet. Die bewegliche Elektrode 911 und die festen Elektroden 912 und 913 sind aus leitenden Schichten gebildet.

Wenn entsprechend 8B eine dynamische Größe in der Richtung vertikal zu der Substratoberfläche aufgebracht wird, wird die bewegliche Elektrode 911 in derselben Richtung derart verschoben, dass der Abstand zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode 912 sich ändert und sich ebenfalls der Abstand zwischen der beweglichen Elektrode 911 und der festen Elektrode 913 ändert. Dementsprechend ändert sich die Kapazität zwischen der beweglichen Elektrode 911 und der festen Elektrode 912 und die Kapazität zwischen der bewegliche Elektrode 911 und der festen Elektrode 913. Diese Änderungen der Kapazität werden als Sensorsignal entsprechend einer differentiellen Kapazitätsänderung der externen Schaltung ausgegeben, wodurch die aufgebrachte dynamische Größe in der Richtung vertikal zu der Substratoberfläche erfasst wird.

Wie oben beschrieben ist es bei der herkömmlichen Halbleiteranordnung für eine dynamische Größe eines Kapazitätstyps, welche die dynamische Größe in der mehrachsigen Richtung wie oben beschrieben erfassen kann, erforderlich, eine Mehrzahl von beweglichen und festen Elektroden vorzusehen, um die zwei Achsen (die horizontale Richtung einer Substratoberfläche und die vertikale Richtung einer Substratoberfläche) zur selben Zeit zu erfassen. D.h., eine speziell entworfene Erfassungseinheit ist für jede Erfassungsrichtung eines Chips vorgesehen, was zu einem Ansteigen der Chipgröße führt.

Insbesondere ist es bezüglich der Vertikalrichtungserfassungseinheit 910 zum Erfassen des Betrags der dynamischen Größe in der Richtung vertikal zu der Substratoberfläche erforderlich, komplizierte Strukturen durch Bilden der festen Elektroden 912 und 913 als unterer Draht und oberer Draht wie in 8B dargestellt herzustellen, was zu einem Ansteigen der Herstellungskosten führt.

Insbesondere werden in einem Sensor eines diskreten Typs für eine dynamische Größe, welcher gleichzeitig dynamische Größen entlang zweier Achsen (in der Richtung horizontal zu der Substratoberfläche und der Richtung vertikal zu der Substratoberfläche) auf einem Chip wie in 7 dargestellt erfasst, viele Drahtabschnitte 920 und Kontaktstellen 930 benötigt, um ein Drahtbonden zwischen dem Sensor für eine dynamische Größe und einer externen Schaltung durchzuführen.

Dementsprechend tritt eine Schwierigkeit dahingehend auf, dass die Wahrscheinlichkeit einer Kreuzkopplung bzw. eines Nebensprechens (cross talk) zwischen einem Ausgangssignal von einer Achse und einer anderen Achse erhöht ist, d.h., dass die Wahrscheinlichkeit erhöht ist, dass die jeweiligen Drahtabschnitte 920 einen elektrischen Einfluss aufeinander ausüben und Rauschen dem Ausgangssignal überlagert wird.

Des weiteren kann die Anordnung der Drahtabschnitte 920 und der Kontaktstellen 930 kompliziert werden, wodurch es schwierig wird, ein Drahtbonden durchzuführen.

Wenn wie oben beschrieben eine Sensoranordnung eines Kapazitätstyps für eine dynamische Größe, welche eine dynamische Größe in einer mehrachsichen Richtung erfasst, implementiert wird, trat bisher ein Ansteigen der Chipgröße, eine Verkomplizierung der Strukturen in einem Drahtbildungsschritt, einem Bonddrahtbildungsschritt, usw. auf.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben beschriebenen Schwierigkeiten zu überwinden und insbesondere die Erfassung einer dynamische Größe in einer mehrachsigen Richtung durch eine einfache Konstruktion zu ermöglichen, welche für die Miniaturisierung in einer Sensoranordnung eines Kapazitätstyps für eine dynamische Größe geeignet ist, welche eine aufgebrachte dynamische Größe auf der Grundlage einer Änderung der elektrostatischen Kapazität zwischen einer beweglichen Elektrode und einer festen Elektrode erfasst.

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

Entsprechend einer ersten Ausbildung der vorliegenden Erfindung wird eine Beschleunigungssensoranordnung eines Kapazitätstyps bereitgestellt mit einem Sensorchip, welcher bewegliche Elektroden, die in vorbestimmten Richtungen entsprechend einer aufgebrachten dynamische Größe verschoben werden können, und an der Sensorchipseite befindlichen festen Elektroden aufweist, welche gegenüberliegend den beweglichen Elektroden in einer Richtung horizontal zu einer Oberfläche des Substrats angeordnet sind, wobei die beweglichen Elektroden und die an der Sensorchipseite befindlichen Elektroden auf einer Oberflächenseite des Substrats vorgesehen sind; und einem Schaltungschip, welcher ein Ausgangssignal von dem Sensorchip verarbeitet, wobei die beweglichen Elektroden mit dem Substrat durch Federabschnitte verbunden sind, welche einen Freiheitsgrad sowohl in einer Richtung horizontal zu einer Oberfläche des Substrats als auch in einer Richtung vertikal zu der Oberfläche des Substrats besitzen, wobei die beweglichen Elektroden in der Richtung horizontal zu der Oberfläche des Substrats und in der Richtung vertikal zu der Oberfläche des Substrats verschiebbar sind, welche der vorbestimmten Richtung entsprechen, wobei eine Oberfläche des Substrats des Sensorchips und des Schaltungschips einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei eine an der Schaltungschipseite befindliche feste Elektrode an einer Stelle entsprechend den beweglichen Elektroden auf einer gegenüberliegenden Oberfläche des Schaltungschips zu dem Substrat vorgesehen ist, wobei der Sensorchip und der Schaltungschip durch Bondhügelelektroden miteinander elektrisch verbunden sind und wobei die dynamische Größe auf der Grundlage einer Kapazitätsänderung zwi schen den beweglichen Elektroden und der an der Sensorchipseite befindlichen festen Elektrode und einer Kapazitätsänderung zwischen den beweglichen Elektroden und der an der Schaltungschipseite befindlichen festen Elektrode in Verbindung mit dem Aufbringen der dynamische Größe erfasst wird.

Bei der oben beschriebenen Sensoranordnung eines Kapazitätstyps für eine dynamische Größe besitzen die Federabschnitte, welche die beweglichen Elektroden halten, Freiheitsgrade sowohl in der horizontalen Richtung zu der Oberfläche des Substrats (d.h. in der Richtung horizontal zu der Substratoberfläche) als auch in der vertikalen Richtung zu der Oberfläche des Substrats (d.h. in der Richtung vertikal zu der Substratoberfläche). Daher kann eine Elektrode, welche sowohl in der Richtung horizontal zu der Substratoberfläche als auch in der Richtung vertikal zu der Substratoberfläche verschoben werden kann, durch gemeinsame Elektroden implementiert werden.

Die an der Sensorchipseite befindlichen festen Elektroden, welche gegenüberliegend den beweglichen Elektroden in der Richtung horizontal zu der Substratoberfläche angeordnet sind, sind auf dem Sensorchip gebildet, und es ist die an der Schaltungschipseite befindliche feste Elektrode auf dem Schaltungschip gegenüberliegend den beweglichen Elektroden in der Richtung vertikal zu der Substratoberfläche gebildet.

Daher kann bei der Sensoranordnung eines Kapazitätstyps für eine dynamische Größe der vorliegenden Erfindung die dynamische Größe in der horizontalen Richtung der Substratoberfläche und die dynamische Größe in der vertikalen Richtung der Substratoberfläche durch die gemeinsamen beweglichen Elektroden erfasst werden. Anders als bei der herkömmlichen Sensoranordnung ist es demgemäß nicht nötig, eine speziell entworfene bewegliche Elektrode für jede Er fassungsrichtung vorzusehen, und somit kann ein Ansteigen der Chipgröße unterdrückt werden.

Des weiteren kann die an der Schaltungschipseite befindliche feste Elektrode lediglich auf der Oberfläche des Schaltungchips vorgesehen sein, d.h., auf der dem Substrat gegenüberliegenden Oberfläche des Schaltungschips, so dass die an der Schaltungschipseite befindliche feste Elektrode leicht gebildet werden kann.

Bei der vorliegenden Erfindung kann der Sensorchip mit der Vorderseite nach unten auf dem Schaltungschip angebracht und danach mit dem Schaltungschip durch Bondhügelelektroden verbunden werden. Daher ist es nicht nötig, eine komplizierte Verbindungsstruktur wie ein Drahtbonden oder dergleichen anzunehmen, und es kann die elektrische Verbindung zwischen beiden Chips geeignet durchgeführt werden.

Daher kann bei der vorliegenden Erfindung die dynamische Größe in der mehrachsigen Richtung durch eine einfache Struktur erfasst werden, die zur Miniaturisierung einer Halbleiteranordnung eines Kapazitätstyps für eine dynamische Größe geeignet ist, welche eine aufgebrachte dynamische Größe auf der Grundlage einer Änderung der elektrischen Kapazität zwischen den beweglichen Elektroden und den festen Elektroden erfasst.

Entsprechend einer zweiten Ausbildung der vorliegenden Erfindung sind bei der Sensoranordnung eines Kapazitätstyps für eine dynamische Größe der ersten Ausbildung der vorliegenden Erfindung die beweglichen Elektroden in einer kammförmigen Anordnung angeardnet, und es sind die an der Sensorchipseite befindlichen festen Elektroden ebenfalls in einer kammförmigen Anordnung derart angeordnet, dass die kammförmigen beweglichen Elektroden sich im Eingriff mit den kammförmigen an der Sensorchipseite befindlichen festen Elektroden befinden. Die an der Schaltungschipseite befind liche feste Elektrode besitzt eine Kammform entsprechend derjenigen der beweglichen Elektrode.

Die beweglichen Elektroden, die an Sensorchipseite befindlichen festen Elektroden und die an der Schaltungschipseite befindliche feste Elektrode können wie oben beschrieben konstruiert sein.

In der obigen Beschreibung werden die in Klammern gesetzten Bezugszeichen der jeweiligen Elemente als Beispiele verwendet, um die entsprechende Beziehung zu bestimmten Elementen in der folgenden Beschreibung darzustellen.

Die vorliegende Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht, welche den Gesamtaufbau einer Sensoranordnung eines Kapazitätstyps für eine dynamische Größe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 zeigt eine schematische Draufsicht, welche einen Sensorchip der in 1 dargestellten Beschleunigungssensoranordnung eines Kapazitätstyps darstellt;
3 zeigt eine Querschnittsansicht des Sensorchips entlang Linie III-III von 2;
4 zeigt eine Querschnittsansicht des Sensorchips entlang Linie IV-IV von 2;
5 zeigt eine schematische Draufsicht, welche einen Schaltungschip der in 1 dargestellten Beschleunigungssensoranordnung eines Kapazitätstyps darstellt;
6 zeigt ein Schaltungsdiagramm, welches ein Beispiel einer Erfassungsschaltung zum Erfassen einer Be schleunigung in einer horizontalen Richtung der Substratoberfläche der in 1 dargestellten Beschleunigungssensoranordnung eines Kapazitätstyps darstellt;
7 zeigt ein schematisches Diagramm, welches einen allgemeinen Aufbau einer Sensoranordnung eines Kapazitätstyps für eine dynamische Größe einer verwandten Technik zum Erfassen einer dynamische Größe in einer mehrachsigen Richtung darstellt; und
8 zeigt eine Draufsicht, welche einen bestimmten Aufbau einer Horizontalrichtungserfassungseinheit von 7 darstellt, und 8B zeigt eine perspektivische Ansicht, welche einen bestimmten Aufbau einer Vertikalrichtungserfassungseinheit von 7 darstellt.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Bei der vorliegenden Erfindung wird entsprechend der folgenden Ausführungsform eine Halbleiterbeschleunigungssensoranordnung eines Kapazitätstyps (Beschleunigungssensoranordnung eines Kapazitätstyps) als Sensoranordnung eines Kapazitätstyps für eine dynamische Größe verwendet.
Die Beschleunigungssensoranordnung eines Kapazitätstyps dieser Ausführungsform kann auf einen Fahrzeugbeschleunigungssensor zur Steuerung des Betriebs eines Airbags, von ABS, VSC oder dergleichen, eines Gyrosensors oder dergleichen angewandt werden.
1 zeigt eine Querschnittsansicht, welche die Gesamtkonstruktion einer Halbleiteranordnung für eine dynamische Größe eines Kapazitätstyps einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Eine Oberfläche eines Substrats 10 eines Sensorchips 100 und eines Schaltungschips 200 sind einander gegenüberliegend angeordnet, und der Sensorchip 100 und der Schaltungschip 200 sind elektrisch/mechanisch miteinander durch Bondhügelelektroden 300 verbunden.
Zuerst wird die Konstruktion jeweils des Sensorchips 100 und des Schaltungschips 200 beschrieben.
Sensorchip
2 zeigt eine Draufsicht, welche den Sensorchip 100 der Beschleunigungssensoranordnung eines Kapazitätstyps dieser Ausführungsform darstellt, 3 zeigt eine Querschnittsansicht des Sensorchips 100 entlang Linie III-III von 2, und 4 zeigt eine Querschnittsansicht des Sensorchips 100 entlang Linie IV-IV von 2.
Der Sensorchip 100 wird unter Durchführung einer bekannten Mikromaterialbearbeitung auf das Halbleitersubstrat 10 als dem Substrat gebildet.
Bei dieser Ausführungsform enthält das Halbleitersubstrat 10, welches den Sensorchip 100 bildet, ein rechtwinkliges SOI-Substrat 10, welches ein erstes Siliziumsubtrat 11 als erste Halbleiterschicht, ein zweites Siliziumsubstrat 12 als zweite Halbleiterschicht und einen Oxidfilm 13 als Isolierschicht aufweist, welche zwischen dem ersten und zweiten Siliziumsubstrat 11 und 12 angeordnet ist.
Kammförmige Balken- bzw. Auslegerstrukturen (beam structures), welche einen beweglichen Abschnitt 20 und feste Abschnitte 30 und 40 enthalten, sind auf dem zweiten Siliziumsubstrat 12 durch Bildung eines Grabens auf dem zweiten Siliziumsubstrat 12 gebildet. Der Oxidfilm 13 ist in einer rechtwinkligen Form an einer Stelle davon entfernt, welche den Bildungsbereichen der Balkenstrukturen 20 bis 40 entspricht, wodurch ein durch eine gepunktete Linie in 2 angezeigter Öffnungsabschnitt 15 gebildet ist.
Der somit konstruierte Sensorchip 100 wird beispielsweise wie folgt hergestellt. Eine Maske, welche die Form entsprechend den Balkenstrukturen besitzt, wird auf dem zweiten Siliziumsubstrat 12 des SOI-Substrats 10 unter Verwendung der Fotolithographietechnik gebildet.
Danach wird ein Grabenätzen unter Verwendung von Trockenätzen in einer Gasamtatmosphäre von CF₄, SF₆ oder dergleichen zur Bildung des Grabens 14 durchgeführt, wodurch die Balkenstrukturen 20 bis 40 auf einmal gebildet werden. Darauf folgend wird der Oxidfilm 13 durch ein Opferschichtätzen unter Verwendung einer Wasserstofffluorsäure oder dergleichen zur Bildung des Öffnungsabschnitts 15 entfernt. Der Sensorchip kann entsprechend dem obigen Prozess hergestellt werden.
Bei dem Sensorchip 100 ist der bewegliche Abschnitt 20, welcher derart angeordnet ist, dass er den Öffnungsabschnitt 15 überkreuzt, derart entworfen, dass beide Enden eines schlanken und rechtwinkligen Gleichgewichtsabschnitts 21 (poise portion) integriert mit Ankerabschnitten 23a und 24b durch Federabschnitte 22 verbunden sind.
Wie in 4 dargestellt sind die Ankerabschnitte 23a und 23b an einem Paar gegenüberliegender Seitenabschnitte des Öffnungsrandabschnitts des rechtwinkigen Öffnungsabschnitts 15 befestigt und auf dem ersten Siliziumsubstrat 11 angebracht, welches als Träger- bzw. Haltesubstrat dient. Dementsprechend werden der Gleichgewichtsabschnitt 21 und die Federabschnitte 22 derart gehalten, dass sie dem Öffnungsabschnitt 15 gegenüberliegen.
Des weiteren haben die Federabschnitte 22 einen Freiheitsgrad in einer Richtung horizontal zu der Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 (hiernach als "Richtung horizontal zu der Substratoberfläche" bezeichnet) und in einer Richtung vertikal zu der Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 (hiernach als "Richtung vertikal zu der Substratoberfläche" bezeichnet).
In diesem Fall ist wie in 2 dargestellt jeder der Federabschnitte 22 derart in einer rechtwinkligen Rahmenform konstruiert, dass zwei parallele Balken miteinander an beiden Enden davon verbunden sind, und besitzt eine Federfunktion derart, dass er in einer Richtung senkrecht zu der Längsrichtung der zwei Balken verschiebbar ist.
Wenn insbesondere eine Beschleunigung mit einer Komponente in einer X-Richtung, welche durch einen Pfeil (hiernach als "X-Richtung" bezeichnet) in 2 angezeigt ist, den Federabschnitten 22 aufgebracht wird, verschieben die Federabschnitte 22 den Gleichgewichtsabschnitt 21 in der X-Richtung. Darüber hinaus stellen die Federabschnitte 22 ebenfalls in Bezug auf den Gleichgewichtsabschnitt einen ursprünglichen Zustand entsprechend einem Schwinden der Beschleunigung wieder her.
Wenn demgegenüber eine Beschleunigung mit einer Komponente in einer Z-Richtung, welche durch einen Pfeil (hiernach als "Z-Richtung" bezeichnet) in 3 und 4 angezeigt wird, an die Federabschnitte 22 angelegt wird, verschieben die Federabschnitte 22 den Gleichgewichtsabschnitt 21 in der Z-Richtung. Darüber hinaus stellen die Federabschnitte 22 ebenfalls in Bezug auf den Gleichgewichtsabschnitt 21 einen ursprünglichen Zustand entsprechend dem Schwinden der Beschleunigung wieder her.
Dementsprechend ist der mit dem Halbleitersubstrat 10 durch die Federabschnitte 22 verbundene bewegliche Abschnitt 20 in der X-Richtung verschiebbar, d.h. in der Richtung horizontal zu der Substratoberfläche über dem Öffnungsabschnitt 15, und ist ebenfalls in der Z-Richtung ver schiebbar, d.h. in der Richtung vertikal zu der Substratoberfläche.
Des weiteren ist wie in 2 dargestellt der bewegliche Abschnitt 20 mit einer Mehrzahl von beweglichen Elektroden 24 versehen, welche wie ein Balken bzw. Ausleger gebildet sind und in einer Kammform entlang der Längsrichtung (X-Richtung) des Gleichgewichtsabschnitts 21 derart angeordnet sind, dass sie sich von beiden Seitenoberflächen des Gleichgewichtsabschnitts 21 in die entgegengesetzten Richtungen (entlang der Richtung senkrecht zu der Längsrichtung (X-Richtung) des Gleichgewichtsabschnitts 21) erstrecken.
Mit anderen Worten, die Anordnungsrichtung der beweglichen Elektroden 24 entspricht der Längsrichtung (X-Richtung) des Gleichgewichtsabschnitts 21, und die in der Mehrzahl vorgesehenen beweglichen Elektroden 24 sind in einer Kammform entlang der Anordnungsrichtung angeordnet. Entsprechend 2 sind jeweils vier bewegliche Elektroden 24 an jeder der rechten und linken Seiten des Gleichgewichtsabschnitts 21 derart gebildet, dass sie nach außen herausragen. Jede bewegliche Elektrode 24 ist wie ein Balken bzw. Ausleger mit einer rechtwinkligen Form im Querschnitt gebildet und wird dem Öffnungsabschnitt 15 gegenüberliegend gehalten.
Wie oben beschrieben ist jede bewegliche Elektrode 24 integriert mit dem Federabschnitten 22 und dem Gleichgewichtsabschnitt 21 derart gebildet, dass jede bewegliche Elektroden 24 in der Richtung horizontal zu der Substratoberfläche (X-Richtung) und der Richtung vertikal zu der Substratoberfläche (Z-Richtung) zusammen mit den Federabschnitten 22 und dem Gleichgewichtsabschnitt 21 verschoben werden kann.
Des weiteren sind wie in 2 bis 4 dargestellt die festen Abschnitte 30 und 40 auf dem anderen Paar von gegenüberliegenden Seitenabschnitten des Öffnungsrandabschnitts des rechtwinkligen Öffnungsabschnitts 15 in dem Oxidfilm 13 angebracht, auf welchem die Ankerabschnitte 23a und 23b angebracht sind.
Entsprechend 2 enthält der an der linken Seite des Gleichgewichtsabschnitts 21 befindliche feste Abschnitt 30 an der linken Seite befindliche feste Elektroden 31 und einen Drahtabschnitt 32 für die an der linken Seite befindlichen festen Elektroden 31 (hiernach als "Drahtabschnitt der an der linken Seiten befindlichen festen Elektrode" bezeichnet). Des weiteren enthält der an der rechten Seite des Gleichgewichtsabschnitts 21 befindliche feste Abschnitt 40 an der rechten Seite befindliche feste Elektroden 41 und einen Drahtabschnitt 42 für die an der rechten Seite befindlichen festen Elektroden 41 (hiernach als "Drahtabschnitt der an der rechten Seite befindlichen festen Elektrode" bezeichnet).
Jede der festen Elektroden 31 und 41 ist als an der Sensorchipseite befindliche feste Elektrode 31, 41 konstruiert, welche auf dem Sensorchip 100 gebildet ist. Bei dieser Ausführungsform sind die festen Elektroden 31 (41) in einer Kammform angeordnet, um in die Lücken zwischen den jeweiligen benachbarten beweglichen Elektroden 24 wie in 2 dargestellt eingesetzt zu werden.
Dabei ist entsprechend 2 an der linken Seite des Gleichgewichtsabschnitts 21 jede der an der linken Seite befindlichen festen Elektroden 31 an der oberen Seite jeder beweglichen Elektrode 24 entlang der x-Richtung angeordnet. Demgegenüber ist an der rechten Seite des Gleichgewichtsabschnitts 21 jede der an der rechten Seite befindlichen festen Elektroden 41 an der unteren Seite jeder beweglichen Elektrode 24 entlang X-Richtung angeordnet.
Wie oben beschrieben sind die jeweiligen festen Elektroden 31 und 41 gegenüberliegend den einzelnen beweglichen Elektroden 24 in der horizontalen Richtung zu der Substratoberfläche angeordnet, und es ist ein Erfassungsintervall zum Erfassen der Kapazität zwischen der Seitenoberfläche der beweglichen Elektrode 24 und der Seitenoberfläche jeder der festen Elektroden 31 und 41 in jedem gegenüberliegenden Intervall gebildet.
Des weiteren sind die an der linken Seite befindlichen festen Elektroden 31 und die an der rechten Seite befindlichen festen Elektroden 41 voneinander elektrischen unabhängig. Jede der festen Elektroden 31 und 41 ist in einer Balken- bzw. Auslegerform gebildet, welche einen rechtwinkligen Querschnitt besitzt, um sich im Wesentlichen parallel zu den beweglichen Elektroden zu erstrecken.
Dabei werden die an der linken Seite befindlichen festen Elektroden 31 und die an der rechten Seite befindlichen festen Elektroden 41 derart gehalten, dass sie durch die festen Elektrodendrahtabschnitte 32 bzw. 42 in einer Auslegerausführung gehalten werden. D.h., die an der linken Seite befindliche feste Elektrode 31 und die an der rechten Seite befindliche Elektrode 41 sind derart konstruiert, dass die in der Mehrzahl vorkommenden Elektroden zu den elektrischen gemeinsamen Drahtabschnitten 32 und 42 zusammengefasst werden.
Eine Kontaktstelle einer an der linken Seite befindlichen festen Elektrode 30a und eine Kontaktstelle einer an der rechten Seite befindlichen festen Elektrode 40a sind an vorbestimmten Positionen auf dem Drahtabschnitt der an der linken Seite befindlichen festen Elektrode 32 bzw. auf dem Drahtabschnitt der an der rechten Seite befindlichen festen Elektrode 32 gebildet.
Ein Drahtabschnitt einer beweglichen Elektrode 25 ist integriert verbunden mit einem Ankerabschnitt 23b gebildet, und eine Kontaktstelle einer beweglichen Elektrode 25a ist an einer vorbestimmten Position auf dem Drahtabschnitt 25 gebildet. Jede der Kontaktstellen 25a, 30a, 40a ist aus Aluminium durch Zerstäubung, Aufdampfung oder dergleichen gebildet.
Schaltungschip
5 zeigt eine Draufsicht, welche den Schaltungschip 200 der Beschleunigungssensoranordnung eines Kapazitätstyps dieser Ausführungsform darstellt. Der Schaltungschip 200 ist als später beschriebene Erfassungsschaltung (siehe 6) für die Verarbeitung eines Ausgangssignals von dem Sensorchip 100 gebildet.
Insbesondere kann der Schaltungschip 200 durch Bilden von (nicht darstellten) Elementen wie Transistoren, usw. und Drahtabschnitten auf einem Halbleitersubstrat wie einem Siliziumsubstrat oder dergleichen mit einer bekannten Halbleiterherstellungstechnik hergestellt werden.
5 stellt eine dem Halbleitersubstrat 10 gegenüberliegende Oberfläche 201 des Schaltungschips 200 dar. Wie entsprechend 5 dargestellt ist die an der Schaltungschipseite befindliche feste Elektrode 210 an der Stelle entsprechend den beweglichen Elektroden 24 auf der gegenüberliegenden Seite 201 des Schaltungschips 200 vorgesehen.
Das heißt, die an der Schaltungschipseite befindliche feste Elektrode 210 ist an dem Abschnitt der gegenüberliegenden Oberfläche des Schaltungschips 200 vorgesehen, welchem die beweglichen Elektroden 24 des Sensorchips 100 in dem Zustand gegenüberliegen, bei welchem der Schaltungschip 200 und der Sensorchip 100 derart angeordnet sind, dass sie einander wie in 1 dargestellt gegenüberliegen.
In diesem Fall ist die an der Schaltungschipseite befindliche feste Elektrode 210 derart konstruiert, dass sie eine Kammform aufweist, welche an die kammförmige Anordnung der beweglichen Elektroden 24 angepasst ist. Die an der Schaltungschipseite befindliche feste Elektrode 210 kann auf einer Oberfläche (der gegenüberliegenden Oberfläche 201) des Schaltungschips 200 durch freies Anwenden einer normalen Drahtbildungstechnik, welche für den Halbleiterherstellungsprozess angenommen wird, gebildet werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung nicht beschränkt ist, kann die an der Schaltungsseite befindliche feste Elektrode 210 aus Polysilizium oder dergleichen durch chemische Aufdampfung (CVD) oder dergleichen oder aus Aluminium oder dergleichen durch Zerstäubung, Aufdampfung oder dergleichen gebildet werden.
Des weiteren sind die Kontaktstellen der an der Schaltungschipseite befindlichen festen Elektrode 230 und 240 an der Stelle entsprechend der Konstaktstelle der an der linken Seite befindlichen festen Elektrode 30a des Sensorchips 100 bzw. an der Stelle entsprechend der Kontaktstelle der an der rechten Seite befindlichen festen Elektrode 40a des Sensorchips 100 auf der gegenüberliegenden Oberfläche 201 des Schaltungschips 200 gebildet.
Des weiteren ist eine Kontaktstelle der an der Schaltungschipseite befindlichen beweglichen Elektrode 250 an der Seite entsprechend der Kontaktstelle der beweglichen Elektrode 25a des Sensorchips 100 auf der gegenüberliegenden Oberfläche 201 des Schaltungschips 200 gebildet.
Jeder der Kontaktstellen 230, 240 und 250 des Schaltungschips 200 kann aus Polysilizium, Aluminium oder dergleichen wie in dem Fall der an der Schaltungschipseite befindlichen festen Elektrode 210 gebildet sein.
Die an der Schaltungschipseite befindliche feste Elektrode 210 und die jeweiligen Kontaktstellen 230, 240, 250 des Schaltungschips 200 bilden zusammen mit (nicht dargestellten) Elementen und Drahtabschnitten, welche auf dem Schaltungschip 200 gebildet sind, eine Erfassungsschaltung.
Herstellung des Sensorchips und des Schaltungschips
Der somit konstruierte Sensorchip 100 und der Schaltungschip 200 sind miteinander durch die Bondhügel 300 verbunden, während eine Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 des Sensorchips 100 und die gegenüberliegende Oberfläche 201 des Schaltungschips 200 einander gegenüberliegen, wodurch die Beschleunigungssensoranordnung eines Kapazitätstyps dieser Ausführungsform gebildet wird.
Dabei sind wie in 2 bis 5 dargestellt die Kontaktstelle der an der linken Seite befindlichen festen Elektrode 30a des Sensorchips 100 und die Kontaktstelle der an der Schaltungschipseite befindlichen festen Elektrode 230, die Kontaktstelle der an der rechten Seite befindlichen festen Elektrode 40a des Sensorchips 100 und die Kontaktstelle der an der Schaltungschipseite befindlichen festen Elektrode 240, die Kontaktstelle der bewegliche Elektrode 25a des Sensorchips 100 und die Kontaktstelle der an der Schaltungschipseite befindlichen bewegliche Elektrode 250 jeweils elektrisch/mechanisch miteinander durch die Bondhügelelektroden 300 verbunden.
Die Bondhügelelektroden 300 werden als an der Seite des Sensorchips 100 angeordnet entsprechend 2 bis 4 veranschaulicht. Entsprechend 2 wird die planare Form davon als schraffierte Bereiche veranschaulicht. Bei dem in 5 dargestellten Schaltungschip 200 wird die planare Form der Bondhügelelektroden 300 durch gestrichelte Linien angezeigt.
Es können Materialien, welche für normale Bondhügel verwendet werden, für die Bondhügelelektroden 300 verwendet werden. Insbesondere können ein Lötmittelpastendruck (solder-paste print), Lötmittelbondhügel verwendet werden, welche durch Schichtabschneiden, Aufdampfung oder dergleichen angeordnet werden können.
Des weiteren können wie in 1 bis 5 dargestellt der Sensorchip 100 und der Schaltungschip 200 miteinander durch ein Lötmittel 310 an den peripheren bzw. Randabschnitten (peripheral edge portions) der gegenüberliegenden Abschnitte der Chips 100 und 200 mechanisch verbunden werden.
Entsprechend 2 bis 4 wird das Lötmittel 310 als an der Seite des Sensorchips 100 angeordnet veranschaulicht. Dabei wird die planare Form des Lötmittels 310 als schraffierter Bereich veranschaulicht und wird ebenfalls durch eine gestrichelte Linie in 5 angezeigt.
Wie in 1 bis 5 dargestellt ist das Lötmittel 310 ringförmig an dem peripheren bzw. Randabschnitt der gegenüberliegenden Stelle des Sensorchips 100 und des Schaltungschips 200 angeordnet, wodurch die Verbindung zwischen den Chips 100 und 200 sicher ausgebildet ist.
Die Herstellung des Sensorchips 100 und des Schaltungschips 200 wie oben beschrieben kann wie folgt durchgeführt werden.
Zuerst wird Lötmittel, welches als Bondelektroden 300 und das Lötmittel 310 dient, dem Sensorchip 100 und/oder dem Schaltungschip 200 zugeführt. Danach wird der Sensorchip 100 auf dem Schaltungschip 200 angebracht, und es wird ein Lötmittelaufschmelzen durchgeführt. Die Beschleu nigungssensoranordnung eines Kapazitätstyps dieser Ausführungsform kann wie oben beschrieben hergestellt werden.
Erfassungsoperation
Als nächstes wird die Erfassungsoperation der Beschleunigungssensoranordnung eines Kapazitätstyps dieser Ausführungsform beschrieben. Bei dieser Ausführungsform wird eine Beschleunigung auf der Grundlage einer Kapazitätsänderung zwischen den beweglichen Elektroden 24 und den an der Sensorchipseite befindlichen festen Elektroden 31, 41 und einer Kapazitätsänderung zwischen den beweglichen Elektroden 24 und der an der Schaltungschipseite befindlichen festen Elektrode 210 erfasst, welche durch das Aufbringen einer Beschleunigung hervorgerufen werden.
Zuerst wird die Erfassungsoperation der Beschleunigung auf der Grundlage der Kapazitätsänderung zwischen den beweglichen Elektroden 24 und den an der Schaltungschipseite befindlichen festen Elektroden 31, 41 beschrieben, d.h. die Operation des Erfassens der in der Richtung horizontal zu der Substratoberfläche aufgebrachten Beschleunigung.
Wie oben beschrieben ist der Sensorchip 100 mit den festen Elektroden 31, 41 derart versehen, dass die festen Elektroden 31, 41 einzeln jeder beweglichen Elektrode 24 gegenüberliegen, und es ist ein Erfassungsintervall zum Erfassen der Kapazität in dem gegenüberliegenden Intervall zwischen jeder festen Elektrode und jeder beweglichen Elektrode festgelegt.
Dabei wird die erste Kapazität CS1 an dem Intervall zwischen den an der linken Seite befindlichen festen Elektroden 31 und den beweglichen Elektroden 24 gebildet, und es wird eine zweite Kapazität CS2 an dem Intervall zwischen der an der rechten Seite befindlichen festen Elektrode 41 und der beweglichen Elektrode 24 gebildet.
Wenn eine Beschleunigung in der horizontalen Richtung zu der Substratoberfläche aufgebracht wird, d.h. in der X-Richtung entsprechend 2, wird der gesamte bewegliche Abschnitt 20 außer den Ankerabschnitten integriert in der X-Richtung durch die Federfunktion der Federabschnitte 22 verschoben, und es ändert sich jede Kapazität CS1, CS2 entsprechend der Verschiebung der beweglichen Elektroden 24 in der X-Richtung.
Es wird beispielsweise angenommen, dass der bewegliche Abschnitt 20 nach unten (auf die untere Seite der Zeichnung von 2 zu) entlang der X-Richtung verschoben wird. Zu dieser Zeit erhöht sich das Intervall zwischen jeder an der linken Seite befindlichen festen Elektrode 31 und jeder beweglichen Elektrode 24, und das Intervall zwischen jeder an der rechten Seite befindlichen festen Elektrode 41 und jeder beweglichen Elektrode 24 verringert sich.
Dementsprechend kann die Beschleunigung in der Richtung horizontal zu der Substratoberfläche auf der Grundlage der differentiellen Kapazität (CS1 – CS2) auf der Grundlage der beweglichen Elektroden 24 und der an der Schaltungschipseite befindlichen festen Elektroden 31 und 41 erfasst werden. Insbesondere wird ein Signal auf der Grundlage der differentiellen Kapazität (CS1-CS2) als Ausgangssignal von dem Sensorchip 100 ausgegeben. Das Signal wird in dem Schaltungschip 200 verarbeitet und schließlich ausgegeben.
6 zeigt ein Schaltungsdiagramm, welches ein Beispiel einer Erfassungsschaltung 400 zum Erfassen der Beschleunigung in der Richtung horizontal zu der Substratoberfläche in der Beschleunigungshalbleiteranordnung eines Kapazitätstyps darstellt. Bei der Erfassungsschaltung 400 ist ein Schaltkreis mit geschalteten Kondensatoren (SC-Schaltung, SC circuit) 410 mit einem Kondensator 411, welcher eine Kapazität CF aufweist, einem Schalter 412 und ei ner differentiellen Verstärkerschaltung 413 ausgestattet und wandelt eine ihr eingegebene Kapazitätsdifferenz (CS1-CS2) in eine Spannung um.
Die Beschleunigungssensoranordnung eines Kapazitätstyps dieser Ausführungsform wird mit einer Trägerwelle 1 mit einer Amplitude Vcc von der an der linken Seite befindlichen festen Elektrode 30a und ebenfalls mit einer Trägerwelle 2, welche bezüglich der Phase von der Trägerwelle 1 um 180° verschoben ist, von der an der rechten Seite befindlichen Kontaktstelle von der an der rechten Seite befindlichen festen Elektrode 40a gespeist, um den Schalter 412 der SC-Schaltung 410 in einem vorbestimmten Zeitablauf zu öffnen/schließen.
Zu dieser Zeit werden die Trägerwelle 1 und die Trägerwelle 2 von dem Schaltungschip durch die Kontaktstellen der an der Schaltungschipseite befindlichen festen Elektrode 230 und 240 und die Bondelektroden 300 auf die Kontakstelle der an der linken Seite befindlichen festen Elektrode 30a bzw. die Kontaktstelle der an der rechten Seite befindlichen festen Elektrode 40a übertragen.
Die aufgebrachte Beschleunigung in der Richtung horizontal zu der Substratoberfläche wird als Spannungswert V0 wie in der folgenden Gleichung 1 dargestellt ausgegeben. V0 = (CS1-CS2)·Vcc/Cf Gleichung (1)
Als nächstes wird die Beschleunigungserfassungsoperation auf der Grundlage der Kapazitätsänderung zwischen den beweglichen Elektroden 24 und der an der Schaltungschipseite befindlichen festen Elektrode 210 beschrieben, d.h. die Operation des Erfassens der in der Richtung vertikal zu der Substratoberfläche aufgebrachten Beschleunigung.
Wie in 1 dargestellt ist in der Schichtstruktur des Sensorchips 100 und des Schaltungschips 200 die an der Schaltungschipseite befindliche feste Elektrode 210 gegenüberliegend jeder beweglichen Elektrode 24 des Sensorchips 100 in der Richtung vertikal zu der Substratoberfläche angeordnet, und ein Erfassungsintervall zum Erfassen der Kapazität ist in dem gegenüberliegenden Intervall zwischen jeder beweglichen Elektrode 24 und der an der Schaltungschipseite befindlichen festen Elektrode 210 festgelegt.
Wenn ein Beschleunigung in der Richtung vertikal zu der Substratoberfläche aufgebracht wird, d.h. in der Z-Richtung entsprechend 3 und 4, wird der gesamte bewegliche Abschnitt 20 ausschließlich der Ankerabschnitte integriert in der Z-Richtung verschoben, und es ändert sich die Kapazität zwischen den beweglichen Elektroden 24 und der an der Schaltungschipseite befindlichen festen Elektrode 210 entsprechend der Verschiebung der beweglichen Elektroden 24 in der Z-Richtung.
Beispielsweise wird entsprechend 3 und 4 angenommen, dass der bewegliche Abschnitt 20 nach unten verschoben wird (auf die untere Seite der Figuren zu). Zu dieser Zeit verringert sich das Intervall zwischen der an der Schaltungschipseite befindlichen festen Elektrode 210 und den beweglichen Elektroden 24.
Dementsprechend kann die Beschleunigung in der Richtung vertikal zu der Substratoberfläche auf der Grundlage der Kapazitätsänderung basierend auf den beweglichen Elektroden 24 und der an der Schaltungschipseite befindlichen festen Elektrode 210 erfasst werden. Insbesondere wird ein Signal auf der Grundlage der Kapazitätsänderung als Ausgangssignal von dem Sensorchip 100 wie in dem Fall der Erfassung der Beschleunigung in der horizontalen Richtung zu der Substratoberfläche ausgegeben. Dieses Signal wird in dem Schaltungschip 200 verarbeitet und schließlich ausgegeben.
Obwohl nicht dargestellt kann eine Erfassungschaltung zum Erfassen der Beschleunigung in der Richtung vertikal zu der Substratoberfläche in der Beschleunigungssensoranordnung eines Kapazitätstyps dieser Ausführungsform durch Modifizieren der in 6 dargestellten Erfassungsschaltung derart erzielt werden, dass der Kapazitätsabschnitt durch eine variable Kapazität zwischen den beweglichen Elektroden 24 und der an der Schaltungschipseite befindlichen festen Elektrode 210 ersetzt wird.
Merkmale, usw.
Wie oben beschrieben kann bei dieser Ausführungsform eine Beschleunigungssensoranordnung eines Kapazitätstyps mit den folgenden Merkmalen bereitgestellt werden.

(1) Eine Oberflächenseite eines Substrats 10 ist mit einem Sensorchip 100 mit beweglichen Elektroden 24, welche entsprechend einer aufgebrachten Beschleunigung in vorbestimmte Richtungen X, Y verschoben werden können, und an der Sensorchipseite befindlichen festen Elektroden 31, 41 versehen, welche gegenüberliegend den beweglichen Elektroden 24 in einer horizontalen Richtung X zu der Oberfläche des Substrats 10 angeordnet sind, wobei die beweglichen Elektroden 24 und die an der Sensorchipseite befindlichen Elektroden 31, 41 auf einer Oberflächenseite des Substrats 10 und des Schaltungschips 200 zur Verarbeitung eines Ausgangssignals von dem Sensorchip 100 vorgesehen sind.
(2) Die beweglichen Elektroden 24 sind mit dem Substrat 10 durch Federabschnitte 22 verbunden, welche einen Freiheitsgrad sowohl in einer Richtung X horizontal zu der Oberfläche des Substrats 10 als auch in einer Richtung Z vertikalenzu der Oberfläche des Substrats 10 besitzen. Die beweglichen Elektroden 24 sind in der Richtung X horizontal zu der Oberfläche des Substrats 10 und in der Richtung Z vertikal zu der Oberfläche des Substrats 10 verschiebbar, welche der vorbestimmten Richtung entsprechen.
(3) Eine Oberfläche des Substrats 10 des Sensorchips 100 und des Schaltungschips 200 sind einander gegenüberliegend angeordnet.
(4) Eine an der Schaltungschipseite befindliche feste Elektrode 210 ist an der Stelle entsprechend den beweglichen Elektroden 24 auf einer gegenüberliegenden Oberfläche 201 des Schaltungschips 200 zu dem Substrat 10 vorgesehen.
(5) Der Sensorchip 100 und der Schaltungschip 200 sind miteinander durch Bondhügelelektroden 300 elektrisch verbunden.
(6) Die Beschleunigung wird auf der Grundlage einer Kapazitätsänderung zwischen der beweglichen Elektrode und der an der Sensorchipseite befindlichen festen Elektrode 31, 41 und einer Kapazitätsänderung zwischen den beweglichen Elektroden 24 und der an der Schaltungschipseite befindlichen festen Elektrode 210 in Verbindung mit dem Aufbringen der Beschleunigung erfasst.

Bei der oben beschriebenen Beschleunigungssensoranordnung eines Kapazitätstyps besitzen die Federabschnitte 22, welche die beweglichen Elektroden 24 halten, einen Freiheitsgrad sowohl in der Richtung horizontal zu der Substratoberfläche als auch in der Richtung vertikal zu der Substratoberfläche. Daher können die Elektroden, welche sowohl in die Richtung horizontal zu der Substratoberfläche als auch in die Richtung vertikal zu der Substratoberfläche verschoben werden können, durch die gemeinsamen Elektroden 24 implementiert werden.
Die an der Sensorchipseite befindlichen festen Elektroden 31, 41, welche derart angeordnet sind, dass sie den be weglichen Elektroden in der Richtung X horizontal zu der Substratoberfläche gegenüberliegen, sind auf dem Sensorchip 100 gebildet, und es ist die an der Schaltungschipseite befindliche feste Elektrode 210 auf dem Schaltungschip 200 gebildet, um den beweglichen Elektroden 24 in der Richtung Z vertikal zu der Substratoberfläche gegenüberzuliegen.
Daher kann bei der Beschleunigungssensoranordnung eines Kapazitätstyps der vorliegenden Erfindung die Beschleunigung in der Richtung X horizontal zu der Substratoberfläche und die Beschleunigung in der Richtung Z vertikal zu der Substratoberfläche durch die gemeinsamen beweglichen Elektroden 24 erfasst werden. Anders als bei der herkömmlichen Sensoranordnung ist es demgemäß nicht nötig, eine speziell entworfene bewegliche Elektrode für jede Erfassungsrichtung vozusehen, und somit kann ein Ansteigen der Chipgröße unterdrückt werden.
Des weiteren kann die an der Schaltungschipseite befindliche feste Elektrode 210 lediglich auf der Oberfläche des Schaltungschips 200, d.h. auf der gegenüberliegenden Oberfläche (201) des Schaltungschips 200 zu dem Substrat 10, derart vorgesehen sein, dass die an der Schaltungschipseite befindliche feste Elektrode 210 leicht gebildet werden kann.
Bei dieser Ausführungsform kann der Sensorchip 100 mit der Vorderseite nach unten auf dem Schaltungschip 200 angebracht und danach mit dem Schaltungschip 200 durch Bondelektroden verbunden werden. Es ist daher nicht nötig, eine komplizierte Verbindungsstruktur wie ein Drahtbonden oder dergleichen anzunehmen, und es kann die elektrische Verbindung zwischen beiden Chips 100, 200 geeignet gebildet werden.
Daher kann bei dieser Ausführungsform die Beschleunigung in der mehrachsigen Richtung durch eine einfache Struktur erfasst werden, die zur Miniaturisierung in einer Beschleunigungshalbleiteranordnung eines Kapazitätstyps zur Erfassung einer aufgebrachten Beschleunigung auf der Grundlage einer Änderung der elektrostatischen Kapazität zwischen den beweglichen Elektroden 24 und den festen Elektroden 31, 41, 210 geeignet ist.
Wenn des weiteren eine Mehrzahl von beweglichen Elektroden 24 in der kammförmigen Anordnung wie in dem Fall der in 1 darstellten Beschleunigungssensoranordnung eines Kapazitätstyps angeordnet ist, sind die an der Sensorchipseite befindlichen festen Elektroden 31, 41 ebenfalls in einer kammförmigen Anordnung derart angeordnet, dass sich die kammförmigen beweglichen Elektroden 24 im Eingriff mit den kammförmigen an der Sensorchipseite befindlichen festen Elektroden 31, 41 befinden, und es ist die an der Schaltungstypseite befindliche feste Elektrode 210 derart konstruiert, dass sie eine Kammform entsprechend derjenigen der beweglichen Elektrode 24 besitzt, wodurch die oben beschriebene Wirkungsweise geeignet implementiert werden kann.
Die beweglichen Elektroden 24, die an der Sensorchipseite befindlichen festen Elektroden 31, 41 und die an der Schaltungschipseite befindliche feste Elektrode 210 können in der oben beschriebenen Kammform konstruiert werden, jedoch ist die Form dieser Elektroden nicht auf die Kammform beschränkt.
Weitere Ausführungsformen
Bei der obigen Ausführungsform ist die horizontale Richtung zu der Substratoberfläche, entlang der die beweglichen Elektroden sich verschieben, eine Richtung. Jedoch kann die obige Ausführungsform dahingehend modifiziert werden, dass die Federabschnitte derart konstruiert sind, dass sie einen Freiheitgrad in zwei Richtungen der Richtung ho rizontal zu der Substratoberfläche besitzen und die beweglichen Elektroden mit den derart konstruierten Federabschnitten verbunden sind und dadurch gehalten werden. Beispielsweise kann jeder Federabschnitt durch einen ersten Federabschnitt, welcher einen Freiheitsgrad in einer Richtung der Richtung horizontal zu der Substratoberfläche und der Richtung vertikal zu der Substratoberfläche besitzt, und einen zweiten Federabschnitts konstruiert werden, welcher einen Freiheitsgrad in der anderen Richtung der Richtung horizontal zu der Substratoberfläche und der Richtung vertikal zu der Substratoberfläche besitzt.
Unter Verwendung der derart konstrierten Federabschnitte kann eine Sensoranordmung eines Kapazitätstyps für eine dynamische Größe implementiert werden, welche eine dynamische Größe in einer dreiachsigen Richtung erfassen kann, wobei zwei Richtungen entlang der Richtung horizontal zu der Substratoberfläche und eine Richtung entlang der Richtung vertikal zur Substratoberfläche verlaufen.
Der in 2 bis 4 dargestellte Sensorchip 100 wird auf einen normalen kammförmigen Beschleunigungssensor eines Kapazitätstyps angewandt. Die vorliegende Erfindung wurde implementiert, wobei die Aufmerksamkeit auf eine Idee dahingehend gerichtet wurde, dass die Federabschnitte 22 ebenfalls einen Freiheitsgrad in der Richtung vertikal zu der Substratoberfläche in dem Sensorchip 100 wie oben beschrieben besitzen.
D.h., bei der obigen Ausführungsform kann eine Sensoranordnung eines Kapazitätstyps für eine dynamische Große, welche eine Erfassungsempfindlichkeit in einer mehrachsigen Richtung besitzt, unter Verwendung eines normalen Beschleunigungssensors implementiert werden, ohne dass eine große Modifizierung der Konstruktion durchzuführen ist.
Zusätzlich zu der oben beschriebenen Beschleunigungssensoranordnung eines Kapazitätstyps kann die vorliegende Erfindung auf einen Sensor für eine dynamische Größe wie einen Winkelgeschwindikgeitssensor eines Kapazitätstyps zum Erfassen einer Winkelgeschwindigkeit als dynamische Größe, usw. angewandt werden.
Vorstehend wurde eine Sensoranordnung eines Kapazitätstyps für eine dynamische Größe offenbart. Die Sensoranordnung eines Kapazitätstyps für eine dynamische Größe enthält einen Sensorchip (100), welcher bewegliche Elektroden (24) und an der Sensorchipseite befindliche feste Elektroden (30, 40) aufweist, die den beweglichen Elektroden (24) gegenüberliegend in einer Richtung X horizontal zu der Substratoberfläche angeordnet sind, und einen Schaltungschip (200), welcher dem Sensorchip (100) gegenüberliegt. Die beweglichen Elektroden (24) sind mit dem Substrat (10) durch Federabschnitte (22), welche einen Freiheitsgrad in der Richtung X horizontal zu der Substratoberfläche und in der Richtung Z vertikal zu der Substratoberfläche besitzen, derart verbunden, dass die beweglichen Elektroden (24) sowohl in den Richtungen X als auch Z verschiebbar sind. Eine an der Schaltungschipseite befindliche feste Elektrode (210) ist an der Stelle entsprechend den beweglichen Elektroden (24) vorgesehen. Der Sensorchip (100) und der Schaltungschip (200) sind elektrisch miteinander durch Bondhügelelektroden (300) verbunden.

Claims

Sensoranordnung eines Kapazitätstyps für eine dynamische Größe mit: einem Sensorchip (100), welcher bewegliche Elektroden (24), die in vorbestimmten Richtungen entsprechend einer aufgebrachten dynamische Größe verschoben werden können, und an der Sensorchipseite befindliche feste Elektroden (30, 40) aufweist, welche gegenüberliegend den beweglichen Elektroden (24) in einer Richtung horizontal zu einer Oberfläche eines Substrats (10) des Sensorchips (100) angeordnet sind, wobei die beweglichen Elektroden (24) und die an der Sensorchipseite befindlichen Elektroden (30, 40) auf einer Oberflächenseite des Substrats (10) angeordnet sind; und einem Schaltungschip (200), welcher ein Ausgangssignal von dem Sensorchip (100) verarbeitet, wobei die beweglichen Elektroden (24) mit dem Substrat durch Federabschnitte (22) verbunden sind, welche einen Freiheitsgrad sowohl in einer Richtung horizontal zu einer Oberfläche des Substrats (10) als auch in einer Richtung vertikal zu der Oberfläche des Substrats (10) besitzen, wobei die beweglichen Elektroden (24) in der Richtung horizontal zu der Oberfläche des Substrats (10) und in der Richtung vertikal zu der Oberfläche des Substrats (10) verschiebbar sind, welche der vorbestimmten Richtung entsprechen, wobei eine Oberfläche des Substrats (10) des Sensorchips (100) und des Schaltungschips (200) einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei eine an der Schaltungschipseite befindliche feste Elektrode (210) an einer Stelle entsprechend den beweglichen Elektroden (24) auf einer gegenüberliegenden Oberfläche des Schaltungschips (200) zu dem Substrat (10) vorgesehen ist, wobei der Sensorchip (100) und der Schaltungschip (200) durch Bondhügelelektroden (300) miteinander elektrisch verbunden sind und wobei die dynamische Größe auf der Grundlage einer Kapazitätsänderung zwischen den beweglichen Elektroden (24) und der an der Sensorchipseite befindlichen festen Elektrode (30, 40) und einer Kapazitätsänderung zwischen den beweglichen Elektroden (24) und der an der Schaltungschipseite befindlichen festen Elektrode (210) erfasst wird, welche durch Aufbringung der dynamische Größe hervorgerufen werden.
Sensoranordnung eines Kapazitätstyps für eine dynamische Größe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beweglichen Elektroden (24) in einer kammförmigen Anordnung angeordnet sind und die an der Sensorchipseite befindlichen festen Elektroden (30, 40) ebenfalls in einer kammförmigen Anordnung derart angeordnet sind, dass die kammförmigen beweglichen Elektroden (24) in Lücken zwischen den jeweiligen kammförmigen an der Sensorchipseite befindlichen festen Elektroden (30, 40) eingesetzt sind und die an der Schaltungschipseite befindliche feste Elektrode (210) eine Kammform entsprechend der kammförmigen Anordnung der bewegliche Elektroden (24) besitzt.
Sensoranordnung eines Kapazitätstyps für eine dynamische Größe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Halteschicht (310), welche den Sensorchip (100) und den Schaltungschip (200) in einer parallelen Konfiguration hält, wobei die Halteschicht wenigstens so dick wie die Bondhügelelektroden (300) ist.
Sensoranordnung eines Kapazitätstyps für eine dynamische Größe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteschicht (310) aus demselben Material wie die Bondhügelelektroden (300) gebildet ist.
Sensoranordnung eines Kapazitätstyps für eine dynamische Größe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteschicht (310) wenigstens an der gegenüberliegenden Seite zu den Bondhügelelektroden (300) in dem Sensorchip (100) angeordnet ist.
Sensoranordnung eines Kapazitätstyps für eine dynamische Größe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteschicht (310) einen Randabschnitt in dem Sensorchip (100) umgibt.