DE102005043906A1

DE102005043906A1 - Sensor vom kapazitiven Typ für eine physikalische Größe, der einen Sensorchip und einen Schaltkreischip aufweist

Info

Publication number: DE102005043906A1
Application number: DE102005043906A
Authority: DE
Inventors: Keisuke Kariya Goto
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-09-16
Filing date: 2005-09-14
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2025-09-15
Also published as: JP2006084327A; CN1750260A; KR100730285B1; CN100416826C; US20060065053A1; US7272974B2; KR20060051363A; DE102005043906B4

Abstract

Ein Sensor für eine physikalische Größe vom kapazitiven Typ weist einen Sensorchip (100) und einen Schaltkreischip (200) auf. Der Sensorchip (100) weist Folgendes auf: ein unterstützendes Substrat (11, 13); eine Halbleiterschicht (12); eine bewegliche Elektrode (24) und eine feststehende Elektrode (31, 41). Der Sensorchip (100) ist auf dem Schaltkreischip (200) so gestapelt, dass die bewegliche Elektrode (24) und die feste Elektrode (31, 41) dem Schaltkreischip gegenüberliegen. Die bewegliche Elektrode (24) weist eine Dicke (a) in einer Stapelrichtung auf. Der Sensorchip (100) weist einen ersten Abstand (b) zwischen der beweglichen Elektrode (24) und dem Schaltkreischip (200) und einen zweiten Abstand (c) zwischen der beweglichen Elektrode (24) und dem unterstützenden Substrat (11, 13) auf. Die Dicke (a) der beweglichen Elektrode (24) ist größer als der erste Abstand (b) und der zweite Abstand (c).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor vom kapazitiven Typ für eine physikalische Größe.
Eine Sensorvorrichtung vom kapazitiven Typ für eine physikalische Größe, beispielsweise ein Beschleunigungssensor, ein Winkelgeschwindigkeitssensor und ähnliche Sensoren, wird hergestellt, indem ein Schaltkreischip und ein Sensorchip zum Erfassen einer physikalischen Größe auf der Grundlage einer Kapazitätsänderung zwischen einer beweglichen Elektrode und einer festen Elektrode aufeinander gestapelt werden, wobei die physikalische Größe auf die Sensorvorrichtung vom kapazitiven Typ für die physikalische Größe wirkt.
Der Sensorchip wird in solch einer Weise hergestellt, dass eine bewegliche Elektrode und eine feststehende Elektrode auf einer Halbleiterschicht gebildet werden. Die Halbleiterschicht ist auf einer ebenen Seite eines unterstützenden Substrats über einer isolierenden Schicht vorgesehen. Die bewegliche Elektrode kann als Antwort auf die Einwirkung eine physikalischen Größe entlang einer Richtung parallel zu der Fläche des unterstützenden Substrats ausgelenkt bzw. verschoben werden.
Daher wird in diesem Sensorchip ein Abstand zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode in Antwort auf diese Wirkung der physikalischen Größe geändert, wenn eine solche physikalische Größe wie eine Beschleunigung entlang einer Richtung parallel zu der Substratebene wirkt, und dann wird die physikalische Größe auf der Grundlage einer durch die vorstehend erwähnte Änderung des Abstands verursachten Änderung der Kapazität erfasst, die zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode vorhanden ist.
In diesem Fall wird der Sensorchip durch Verwendung eines gestapelten Schichtsubstrats so hergestellt, dass die Halbleiterschicht über die isolierende Schicht auf dem unterstützenden Substrat wie einem SOI (silicon-oninsulator; Silizium auf Isolator) oder in ähnlicher Weise gestapelt ist.
Beispielsweise wird ein Verfahrensschritt des Fotoätzens ausgehend von der vorderen Oberfläche der Halbleiterschicht so durchgeführt, dass Gräben gebildet werden. Die so geformten Gräben werden genutzt, um Muster sowohl der beweglichen Elektrode als auch der feststehenden Elektrode zu definieren. Danach wird ein Ätzprozess von dem unterstützenden Substrat aus so durchgeführt, dass ein Öffnungsabschnitt gebildet wird, welcher auf die isolierende Schicht reicht.
Anschließend wird die isolierende Schicht, die mit der beweglichen Elektrode in Kontakt gebracht wird, so geätzt, dass sie entfernt wird, so dass die bewegliche Elektrode in einen gelösten bzw. frei schwingenden Zustand gebracht wird. Daher kann der Sensorchip in Übereinstimmung mit dieser Vorgehensweise gefertigt werden.
Dann wird dieser Sensorchip an der Seite des unterstützenden Substrats auf einen Schaltkreischip gestapelt, und der Sensorchip und der Schaltkreischip werden über einen Klebstofffilm oder in ähnlicher Weise aneinander befes tigt. Außerdem wird der Sensorchip elektrisch über einen Bondingdraht mit dem Schaltkreischip verbunden.

Andererseits werden herkömmlich, beispielsweise in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 2002-151703, für Sensorchips mit beweglichen Elektroden Beschleunigungssensoren vom kapazitiven Typ vorgeschlagen, die Aufbauten aufweisen, in welchen zum Begrenzen von übergroßen Verschiebungen der beweglichen Elektroden Glaskappen, welche den Sensorchip abdecken, vorgesehen sind.

In einer solchen herkömmlichen Sensorvorrichtung für eine physikalische Größe vom kapazitiven Typ gibt es jedoch einige Möglichkeiten, dass die bewegliche Elektrode den Dickenbereich überschreitet, in welchem sie sich entlang der vorstehend erwähnten Richtung verlagern darf, und dann stößt diese bewegliche Elektrode auf die benachbarte feststehende Elektrode bzw. taucht unter sie und kann dann daran hängen bleiben, wenn ein außergewöhnlich großer Stoß entlang einer Dickenrichtung des Sensorchips, nämlich entlang einer Richtung der gestapelten Schichten sowohl des Sensorchips als auch des Schaltkreischips wirkt.

Insbesondere ist normalerweise eine Dicke des unterstützenden Substrats, welches den Sensorchip bildet, beträchtlich dicker als eine Dicke der beweglichen Elektrode, nämlich eine Dicke der Halbleiterschicht.

Dann kann die bewegliche Elektrode leicht und in großem Ausmaß entlang der Richtung nach oben und der Richtung nach unten, nämlich der Dickenrichtung des Sensorchips in dem Sensorchip verschoben werden, und daher kann, wie vorstehend erläutert, die bewegliche Elektrode leicht an der befestigten Elektrode hängen bleiben, weil der Öffnungsabschnitt in dem unterstützenden Substrat gebildet wird, das unter der beweglichen Elektrode angeordnet ist.

Bezüglich dieser technischen Schwierigkeit kann man sich die nachstehende Lösungsmöglichkeit vorstellen, nämlich eine Kappe, die einen Sensorchip so abdeckt, daß sie eine große Auslenkung einer beweglichen Elektrode (eines Massenkörpers) beschränkt. Bei dieser denkbaren Idee gibt es die Probleme, dass das Kappenteil separat benötigt wird, und weil diese Kappe gebildet wird, wird der Aufbau der Sensorvorrichtung komplex und ein umständlicher Herstellungsprozess wird notwendig.

In Anbetracht des vorstehend erläuterten Problems ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensor vom kapazitiven Typ für eine physikalische Größe zu schaffen, der einen Schaltkreischip und einen Sensorchip aufweist.

Ein Sensor vom kapazitiven Typ für eine physikalische Größe weist Folgendes auf: einen Sensorchip, um eine physikalische Größe zu erfassen, und einen Schaltkreischip zum Verarbeiten eines Signals, das vom Sensorchip ausgegeben wird. Der Sensorchip weist Folgendes auf: ein unterstützendes Substrat; eine Halbleiterschicht, die auf einer Seite des Substrats angeordnet ist; eine bewegliche Elektrode, die in der Halbleiterschicht angeordnet und abhängig von der physikalischen Größe in einer Richtung parallel zum Substrat auslenkbar ist; und eine feste Elektrode, die in der Halbleiterschicht angeordnet ist und der beweglichen Elektrode gegenüberliegt. Der Sensorchip ist dazu fähig, die physikalische Größe auf der Grundlage einer Kapazitätsänderung eines Kondensators zu erfassen, der zwischen der beweglichen Elektrode und der festen E lektrode gebildet wird. Die Kapazitätsänderung wird durch eine Verschiebung der beweglichen Elektrode in Übereinstimmung mit der physikalischen Größe erzeugt. Der Sensorchip wird in solch einer Weise auf den Schaltkreischip gestapelt, dass die bewegliche Elektrode und die feststehende Elektrode dem Schaltkreischip gegenüberliegen. Der Sensorchip ist elektrisch mit dem Schaltkreischip verbunden. Die bewegliche Elektrode weist eine Dicke in der Stapelrichtung des Sensorchips auf. Der Sensorchip weist einen ersten Abstand zwischen der beweglichen Elektrode und dem Schaltkreischip und einen zweiten Abstand zwischen der beweglichen Elektrode und dem unterstützenden Substrat auf. Die Dicke der beweglichen Elektrode ist größer als der erste Abstand und der zweite Abstand.

In dem vorstehend erläuterten Sensor arbeiten das unterstützende Substrat und der Schaltkreischip als ein Stopper, um die Verschiebung der beweglichen Elektrode zu begrenzen, wenn die bewegliche Elektrode in der Stapelrichtung des Sensorchips ausgelenkt ist. Daher wird der Auslenkungsbereich der beweglichen Elektrode in einem Bereich der Dicke der beweglichen Elektrode begrenzt. Dadurch wird verhindert, dass die bewegliche Elektrode an die feste Elektrode anstößt, d. h., diese verletzt oder daran hängen bleibt.

Bevorzugt ist der Sensorchip elektrisch mit dem Schaltkreischip durch eine Höckerelektrode verbunden. Weiter bevorzugt weist die Höckerelektrode eine Dicke in der Stapelrichtung des Sensorchips auf, und die Dicke der Höckerelektrode ist gleich dem ersten Abstand. Weiter bevorzugt weist der Sensorchip weiterhin eine Aussparung auf, die auf einem Teil des Sensorchips angeordnet ist. Die Höckerelektrode weist einen Teil auf, der in die Aus sparung eingeführt ist. Der andere Teil der Höckerelektrode steht aus der Aussparung hervor. Der andere Teil der Höckerelektrode weist eine Dicke in der Stapelrichtung des Sensorchips auf, und die Dicke des anderen Teils der Höckerelektrode ist gleich dem ersten Abstand.

Bevorzugt weist der Schaltkreischip einen Schutzfilm auf, der auf einer Seite des Schaltkreischips angeordnet ist, wobei der Schutzfilm der beweglichen Elektrode so gegenüber liegt, dass ein Abstand zwischen einer Oberfläche des Schutzfilms und der beweglichen Elektrode den zweiten Abstand bildet. Weiter bevorzugt ist der Schutzfilm dazu fähig, die eine Seite des Schaltkreischips zu schützen.

Bevorzugt weist der Sensorchip weiterhin eine Isolierschicht auf, die zwischen dem unterstützenden Substrat und der Halbleiterschicht angeordnet ist, und der zweite Abstand ist zwischen der beweglichen Elektrode und der Isolierschicht vorgesehen. Weiter bevorzugt wird die bewegliche Elektrode auf dem Substrat durch die isolierende Schicht in solch einer Weise unterstützt, dass die bewegliche Elektrode durch den zweiten Abstand von dem Substrat getrennt ist, und die bewegliche Elektrode weist einen Auslenkungsbereich auf, der von der Isolierschicht und der einen Seite des Schaltkreischips begrenzt ist.

Die vorstehenden und andere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden genauen Beschreibung deutlicher, wenn diese mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen gelesen wird. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Draufsicht, die einen Sensorchip einer Beschleunigungssensorvorrichtung vom kapazitiven Typ nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 eine Querschnittsansicht, die den Sensorchip entlang der Linie II-II in 1 geschnitten zeigt;
3 eine Querschnittsansicht, die den Sensorchip entlang der Linie III-III in 1 geschnitten zeigt;
4 eine Querschnittsansicht, welche die Beschleunigungssensorvorrichtung vom kapazitiven Typ nach der ersten Ausführungsform zeigt,
5 ein Schaltkreisdiagramm, das einen Erfassungsschaltkreis der Vorrichtung nach der ersten Ausführungsform zeigt;
6 eine Querschnittsansicht, die eine Beschleunigungssensorvorrichtung vom kapazitiven Typ nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
7 eine Querschnittsansicht, die eine Beschleunigungssensorvorrichtung vom kapazitiven Typ nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
8 eine Querschnittsansicht, die einen Sensor für eine physikalische Größe vom Typ mit bearbeiteter hinterer Oberfläche in einem Vergleich zu den ersten bis dritten Ausführungsformen zeigt.
8 ist ein Schaubild, um schematisch einen geschnittenen Aufbau einer Sensorvorrichtung für eine physikalische Größe vom kapazitiven Typ für allgemeine Zwecke zu zeigen, die zu einem Vergleich mit einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist.
Ein in 8 gezeigter Sensorchip J100 ist in einer solchen Weise hergestellt, dass eine bewegliche Elektrode 24 und eine feststehende Elektrode 31, die dieser beweglichen Elektrode gegenüberliegend angeordnet ist, auf einer Halbleiterschicht 12 gebildet sind. Die Halbleiterschicht 12 wurde über einer isolierenden Schicht 13 auf einer ebenen Seite an dem unterstützenden Substrat 11 vorgesehen. Die bewegliche Elektrode 24 kann entlang einer Richtung parallel zur Oberfläche des unterstützenden Substrats 11 als Antwort auf eine wirkende physikalische Größe ausgelenkt werden.
Dann wird in diesem Sensorchip J100 ein Abstand zwischen der beweglichen Elektrode 24 und der feststehenden Elektrode 31 als Antwort auf die Wirkung der physikalischen Größe geändert, wenn eine solche physikalische Größe wie eine Beschleunigung entlang einer Richtung parallel zur Substratebene darauf wirkt, beispielsweise entlang einer in 8 gezeigten Richtung nach links und rechts, und daher wird die physikalische Größe auf der Grundlage einer Kapazitätsänderung erfasst, die zwischen der beweglichen Elektrode 24 und der feststehenden Elektrode 31 erzeugt wird, die durch die vorstehend erläuterte Abstandsänderung verursacht wird.
In diesem Fall wurde der in 8 gezeigte Sensorchip J100 hergestellt, in dem ein Substrat mit gestapelten Schichten verwendet wurde, in welchem die Halbleiterschicht 12 über der isolierenden Schicht 13 auf dem unterstützenden Substrat 11 aufgebaut wurde, wie ein SOI (silicon-on-insulator, Silizium-auf-Isolator-) Substrat oder ein vergleichbares Substrat.
Beispielsweise wird ein Fotoätzvorgangsschritt bzw. Fotolithografievorgangsschritt von der vorderen Oberfläche der Halbleiterschicht 12 so durchgeführt, dass Gräben gebildet werden. Diese erzeugten Gräben werden genutzt, um Muster sowohl der beweglichen Elektrode 24 als auch der feststehenden Elektrode 31 zu definieren. Danach wird ein Ätzvorgang vom unterstützenden Substrat 11 aus so durchgeführt, dass ein Öffnungsabschnitt 11a gebildet wird, der bis auf die isolierende Schicht 13 reicht.
Anschließend wird die isolierende Schicht 13, die mit der beweglichen Elektrode 24 in Kontakt steht, so geätzt, dass sie entfernt wird, so dass die bewegliche Elektrode 24 in einen gelösten bzw. freien Zustand gebracht ist. Somit kann der Sensorchip J100 in Übereinstimmung mit diesem Verfahren hergestellt werden.
Dann wird dieser Sensorchip J100 auf der Seite des unterstützenden Substrats 11 auf einen Schaltkreischip 200 gestapelt, und der Sensorchip J100 und der Schaltkreischip 200 werden aneinander über einen Klebstofffilm 250 oder auf ähnliche Weise befestigt. Außerdem wird der Sensorchip J100 elektrisch über einen Bondingdraht 260 mit dem Schaltkreischip 200 verbunden.
Eine (nicht gezeigte) Glashaube zum Begrenzen einer übergroßen Verschiebung der beweglichen Elektroden deckt den Sensorchip J100 ab.
In einer solchen Sensorvorrichtung für eine physikalische Größe vom kapazitiven Typ wie in 8 gezeigt gibt es jedoch gewisse Möglichkeiten, dass die bewegliche Elektrode 24 den Bereich der Dicke überschreitet bzw. unter oder über die feststehende Elektrode „abtauchen" kann, wenn sie entlang der vorstehend erwähnten Richtung ausgelenkt wird, und dann stößt diese bewegliche Elektrode 24 auf die benachbarte feststehende Elektrode 31 bzw. kann daran hängen bleiben, wenn ein außergewöhnlich großer Stoß entlang einer Dickenrichtung des Sensorchips J100, nämlich entlang einer Richtung des Stapelns des Sensorchips J100 auf den Schaltkreischip 200 wirkt.
Insbesondere ist, wie in 8 gezeigt, normalerweise eine Dicke "d" des unterstützenden Substrats 11, welches den Sensorchip J100 bildet, beträchtlich dicker als eine Dicke "a" der beweglichen Elektrode 24, nämlich eine Dicke "a" der Halbleiterschicht 12.
Dann kann in dem in 8 gezeigten Sensorchip J100 die bewegliche Elektrode 24 leicht und in großem Ausmaß entlang der Richtung nach oben und unten in dieser Zeichnung, nämlich der Dickenrichtung des Sensorchips J100 verschoben werden, weil der Öffnungsabschnitt 11a im unterstützenden Substrat 11 gebildet wurde, das unter der beweglichen Elektrode 24 angeordnet ist, und daher kann, wie vorstehend erläutert die bewegliche Elektrode 24 leicht auf die feststehende Elektrode 31 auftreffen bzw. unter sie abtauchen.
Bezüglich dieser technischen Schwierigkeit deckt eine (nicht gezeigte) Haube den Sensorchip J100 so ab, dass eine große Verschiebung der beweglichen Elektrode (des Massenkörpers) 24 begrenzt ist. In diesem Fall ist es notwendig, das Haubenteil getrennt herzustellen, und weil diese Art von Haube gebildet wird, ist der Aufbau der Sensorvorrichtung komplex und ein mühsamer Herstellungsvorgang wird benötigt.
Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird dadurch realisiert, dass die vorliegende Erfindung auf eine Differenzial-Halbleiter-Beschleunigungssensorvorrichtung vom kapazitiven Typ (Beschleunigungssensorvorrichtung vom kapazitiven Typ) als eine Sensorvorrichtung für eine physikalische Größe vom kapazitivem Typ angewendet wird.
Diese Beschleunigungssensorvorrichtung vom kapazitiven Typ kann für verschiedene Arten von Sensoren wie Beschleunigungssensoren für den Einsatz im Automobil und Gyro-Sensoren eingesetzt werden, die verwendet werden, um Aktionen von beispielsweise Airbags, ABS bzw. Antiblockiersystemen und VSC bzw. Fahrzeugsstabilitätssteuerungen zu steuern.
1 ist eine Draufsicht, die schematisch einen Sensorchip 100 zeigt, der in einer Beschleunigungssensorvorrichtung "S1" vom kapazitiven Typ nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Außerdem ist 2 eine Querschnittsansicht, um schematisch den Sensorchip 100 entlang einer Linie II-II der 1 zu zeigen. 3 ist eine Querschnittsansicht, um schematisch den Sensorchip 100 entlang einer Linie III-III der 1 zu zeigen.
Zudem ist 4 eine Schnittansicht, um schematisch eine derartige Bedingung wiederzugeben, dass der in 1 gezeigte Sensorchip 100 auf den Schaltkreischip 200 montiert ist, nämlich eine Schnittansicht, um schematisch die Beschleunigungssensorvorrichtung S1 vom kapazitiven Typ nach dieser ersten Ausführungsform zu zeigen.
Als Erstes wird nun der Sensorchip 100 mit Bezug auf die 1 bis 3 erläutert. Dieser Sensorchip 100 kann hergestellt werden, indem ein bekanntes Fertigungsverfahren der Mikrotechnik mit Bezug auf ein Halbleitersubstrat 10 durchgeführt wird.
In diesem Beispiel entspricht das Halbleitersubstrat 10, welches den Sensorchip 100 bildet, wie in 2 und 3 gezeigt, einem rechteckig geformten SOI- (Silizium-auf-Isolator-) Substrat 10, das einen Oxidfilm 13 aufweist, der als eine Isolierschicht zwischen einem ersten Siliziumsubstrat 11, das als eine erste Halbleiterschicht wirkt, und einem zweiten Siliziumsubstrat 12 arbeitet, das als eine zweite Halbleiterschicht wirkt. Hier wird das erste Siliziumsubstrat 11 als ein unterstützendes Substrat eingesetzt.
In dieser ersten Ausführungsform wird das erste Siliziumsubstrat 11, welches den Oxidfilm 13 enthält, als ein unterstützendes Substrat aufgebaut. Mit anderen Worten wird eine Ebene des ersten Siliziumsubstrats 11 als der Oxidfilm 13 aufgebaut, und das zweite Siliziumsubstrat 12, das als die Halbleiterschicht wirkt, wird auf der Seite einer Ebene des ersten Siliziumsubstrats 11 vorgesehen, welche zu diesem unterstützenden Substrat gehört.
Weil in dem zweiten Siliziumsubstrat 12 Gräben 14 in solcher Weise gebildet sind, dass die Gräben 14 entlang seiner Dickenrichtung durch dieses Siliziumsubstrat 12 durchdringen, sind durch die Gräben 14 gebildete Muster auf diesem zweiten Siliziumsubstrat 12 geformt; es wird nämlich ein Körper mit einer Balkenstruktur in Form von Kammzähnen in dem zweiten Siliziumsubstrat 12 gebildet, der als eine bewegliche Einheit 20 zwischen feststehenden damit kämmenden Einheiten 30 und 40 angeordnet ist.
Außerdem wird ein solcher Abschnitt, der den gebildeten Regionen der vorstehend erwähnten Balkenstrukturkörper 20 bis 40 innerhalb des zweiten Siliziumsubstrats 12 entspricht, nämlich ein Abschnitt, der durch den rechteckigen, in 1 durch eine gestrichelte Linie gezeigten Abschnitt 15 veranschaulicht ist, dünn ausgeführt, damit er vom Oxidfilm 13 entfernt angeordnet ist (siehe 2 und 3).
Es wird angenommen, dass der Abschnitt dieses rechteckigen Abschnitts 15 einem dünnwandigen rechteckigen Abschnitt 15 entspricht, der im zweiten Siliziumsubstrat 12 gebildet ist. Mit anderen Worten wird dieser dünnwandige rechteckige Abschnitt 15 mit Bezug auf eine Ebene des ersten Siliziumsubstrats 11, nämlich den Oxidfilm 13, der als das unterstützende Substrat wirkt, über einen Spalt angeordnet.
Ein solcher Sensorchip 100 wird in Übereinstimmung mit der nachstehend erwähnten Weise hergestellt. Unter Verwendung einer Fotolithographietechnik wird eine Maske auf dem zweiten Siliziumsubstrat 12 des SOI-Substrats 10 gebildet, die Formen aufweist, welche den strukturellen Körpern der Balken entsprechen.
Danach wird ein Grabenätzvorgang mittels eines Trockenätzvorgangs oder auf ähnliche Weise durchgeführt, wobei Gas wie CF₄ oder SF₆ so verwendet wird, dass die Gräben 14 gebildet werden, so dass die Muster der Strukturkörper 20 bis 40 der Balken in einer Stapelverarbeitung gebildet werden.
Anschließend wird der Vorgang zum Ätzen der Gräben weiter voran getrieben, und ein unterer Abschnitt des zweiten Siliziumsubstrats 12 wird weiterhin mittels eines Seitenätzvorgangs entfernt, um den vorstehend erwähnten dünnwandigen rechteckigen Abschnitt 15 zu bilden. Daher wird die bewegliche Einheit 20 frei, so dass der Sensorchip 100 mittels der vorstehend beschriebenen Herstellungsweise hergestellt werden kann.
In diesem Sensorchip 100 wird die bewegliche Einheit 20, die als der dünnwandige rechteckige Abschnitt 15 funktioniert, in solch einer Weise angeordnet, dass die beiden Kantenabschnitte einer verlängerten rechteckförmigen Masseneinheit 21 über eine Federeinheit 22 sowohl mit einer Ankereinheit 23a als auch mit einer anderen Ankereinheit 23b in einem integrierten Gesamtaufbau gekoppelt sind.
Wie in 3 gezeigt sind diese Ankereinheiten 23a und 23b auf dem Oxidfilm 13 befestigt und werden über diesen Oxidfilm 13 am ersten Siliziumsubstrat 11 gelagert, das als Unterstützungssubstrat dient. Als ein Ergebnis werden sowohl die Masseneinheit 21 als auch die Federeinheit 22, welche dem dünnwandigen rechteckigen Abschnitt 15 entsprechen, in einen solchen Zustand versetzt, dass diese Masseneinheit 21 und die Federeinheit 22 vom Oxidfilm 13 getrennt sind.
In diesem in 1 wiedergegebenen Beispiel wird die Federeinheit 2 wie folgt gebildet: zwei Sätze von parallelen Balken bilden eine rechteckige Rahmenform, die hergestellt wird, indem beide Kanten dieser Balken miteinander gekoppelt sind, und die Federeinheit 22 weist eine Federfunktion auf, durch welche diese Federeinheit 22 entlang einer Richtung senkrecht zur Längsrichtung der zwei Balken verlagert wird.
Wenn die Federeinheit 22 konkret gesagt eine Beschleunigung erfährt, die eine Beschleunigungskomponente entlang einer Richtung längs eines in 1 gezeigten Pfeils "X" enthält, kann diese Federeinheit 22 veranlassen, dass die Masseneinheit 21 entlang der Richtung des Pfeils "X" in der horizontalen Richtung der Substratebene verschoben wird, und diese Federeinheit 22 kann als Antwort auf das Verschwinden der wirkenden Beschleunigung in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren.
Als eine Konsequenz kann die bewegliche Einheit 20, die über eine solche Federeinheit 22 mit dem SOI-Substrat 10 gekoppelt ist, gegenüber der Oxidschicht 13, nämlich dem ersten Siliziumsubstrat 11, welche dem unterstützenden Substrat entspricht, entlang der vorstehend beschriebenen Richtung des Pfeils "X" in der horizontalen Richtung der Substratebene verschoben sein.
Außerdem wurde die beweglichen Einheit 20 wie in 1 gezeigt mit einer kammzahnförmigen beweglichen Elektrode 24 ausgestattet, die als der dünnwandige rechteckige Abschnitt 15 wirkt. Diese bewegliche Elektrode 24 wurde in solcher Weise gebildet, dass eine Mehrzahl von balkenförmigen beweglichen Elektroden entlang entgegengesetzter Richtungen von beiden Seitenoberflächen der Masseneinheit 21 entlang einer Richtung senkrecht zu der Längsrichtung (der Richtung des Pfeils "X") der Masseneinheit 21 verlängert sind.
In anderen Worten sind verschiedene Sätze der beweglichen Elektroden 24 entlang einer Anordnungsrichtung in der Kammzahnform angeordnet, wobei angenommen wird, dass die Längsrichtung der Masseneinheit 21 als eine Anordnungsrichtung definiert ist. Diese Längsrichtung entspricht der Verschiebungsrichtung der Federeinheit 22, nämlich der Richtung des Pfeils "X".
In 1 sind insgesamt acht Sätze der beweglichen Elektroden 24 in einer solchen Weise gebildet, dass jeweils vier Sätze dieser beweglichen Elektroden 24 auf der rechten Seite und auf der linken Seite dieser Masseneinheit 21 hervorstehen. Jede der beweglichen Elektroden 24 ist in einer Schnittebene derselben in einer rechteckigen Balkenform gebildet, und ist in einen solchen Zustand versetzt, dass diese bewegliche Elektrode 24 vom Oxidfilm 13 getrennt ist.
Da jede der beweglichen Elektroden 24 in dem integrierten Körper sowohl zusammen mit der Federeinheit 22 als auch mit der Masseneinheit 21 geformt ist, kann jede der beweglichen Elektroden 24 entlang der Richtung des Pfeils "X" innerhalb der horizontalen Richtung der Substratebene verschoben werden.
Außerdem sind die beiden feststehenden Einheiten 30 und 40, wie in 1 bis 3 gezeigt, in einem äußeren peripheren Abschnitt eines Satzes gegenüberliegender Kantenabschnitte innerhalb des äußeren Umfangsabschnitts des dünnwandigen rechteckigen Abschnitts 15 auf dem Oxidfilm 13 befestigt, während die Ankereinheiten 23a und 23b nicht unterstützt sind. Dann werden die beiden feststehenden Einheiten 30 und 40 über den Oxidfilm 13 auf dem ersten Siliziumsubstrat 11 gelagert.
Wie in 1 gezeigt wird die feststehende Einheit 30, die auf der linken Seite der Masseneinheit 21 angeordnet ist, sowohl durch eine feststehende Elektrode 31 auf der linken Seite als auch eine feststehende Verdrahtungseinheit 32 für die Elektrode auf der linken Seite gebildet. Andererseits wird in 1 die feststehende Einheit 40, die auf der rechten Seite der Masseneinheit 21 angeordnet ist, sowohl durch eine feststehende Elektrode 41 auf der rechten Seite als auch eine feststehende Verdrahtungseinheit 42 für die Elektrode auf der rechten Seite gebildet.
In diesem Beispiel sind mehrere Stücke dieser rechts- und linksseitigen feststehenden Elektroden 31 und 41 in einer kammzahnartigen Form in solch einer Weise angeordnet, dass diese in in der beweglichen Elektrode 24 gebildete Spalten zwischen den Kammzähnen mehrerer feststehender Elektroden eingreifen, wobei sowohl die linksseitige feststehende Elektrode 31 als auch die rechtsseitige feststehende Elektrode 41 dem dünnwandigen rechteckigen Abschnitt 15 entspricht.
In diesem Fall ist in 1 die linksseitige feststehende Elektrode 31 auf der oberen Seite entlang der Richtung des Pfeils "X" mit Bezug auf jede der beweglichen Elektroden 24 auf der linken Seite der Masseneinheit vorgesehen. Andererseits ist die rechtsseitige feststehende Elektrode auf der unteren Seite entlang der Richtung des Pfeils "X" mit Bezug auf jede der beweglichen Elektroden 24 auf der rechten Seite der Masseneinheit 21 vorgesehen.
Während die jeweiligen feststehenden Elektroden 31 und 41 in Bezug auf die jeweiligen beweglichen Elektroden 24 in der horizontalen Richtung der Substratebene einander ge genüberliegend angeordnet sind, ist ein Erfassungsintervall zwischen einer Seitenebene (nämlich einer Erfassungsebene) der beweglichen Elektrode 24 und Seitenebenen (nämlich Erfassungsebenen) der feststehenden Elektroden 31 und 41 in jedem der gegenüberliegenden Intervalle gebildet, das zum Erfassen einer Kapazität verwendet wird.
Außerdem sind die linksseitige feststehende Elektrode 31 und die rechtsseitige feststehende Elektrode 41 elektrisch voneinander unabhängig. Daher werden jede der feststehenden Elektroden 31 und 41 (wenn man sie in der Schnittebene derselben sieht) in einer rechteckigen Balkenform geschaffen, die im Wesentlichen parallel zu der beweglichen Elektrode 24 verlängert ist.
Sowohl die feststehende Elektrode 31 auf der linken Seite als auch die feststehende Elektrode 41 auf der rechten Seite werden in einen solchen Zustand versetzt, dass diese feststehende Elektroden 31 und 41 einseitig an den jeweiligen feststehenden Verdrahtungseinheiten 32 und 42 für die Elektroden eingespannt sind, die über den Oxidfilm 13 am ersten Siliziumsubstrat 11 befestigt sind. Dann werden die jeweiligen feststehenden Elektroden 31 und 41 in einen solchen Zustand versetzt, dass diese feststehenden Elektroden 31 und 41 vom Oxidfilm 13 getrennt sind.
Bezüglich der feststehenden Elektrode 31 auf der linken Seite und der feststehenden Elektrode 41 auf der rechten Seite werden die mehreren Elektroden miteinander an den jeweiligen Verdrahtungseinheiten 32 und 42 kombiniert, die elektrisch gleichgeschaltet vorgesehen sind.
Weiterhin werden sowohl ein Kontaktfleck 30a für die Elektrode auf der linken Seite als auch ein Kontaktfleck 40a für die Elektrode auf der rechten Seite jeweils an vorab bestimmten Positionen auf der linksseitigen feststehenden Verdrahtungseinheit 32 für die Elektrode und der rechtsseitigen feststehenden Verdrahtungseinheit 42 für die Elektrode gebildet.
Außerdem wird eine bewegliche Verdrahtungseinheit 25 für die Elektrode unter einer solchen Bedingung gebildet, dass diese bewegliche Verdrahtungseinheit 25 für die Elektrode in einem integrierten Körper mit einer Ankereinheit 23b gekoppelt ist, während ein beweglicher Elektrodenkontaktfleck 25a auf einer vorab bestimmten Position dieser Verdrahtungseinheit 25 gebildet ist. Die vorstehend genannten Kontaktflecken 25a, 30a, 40a für Elektroden werden durch Sputtern oder Dampfabscheiden gebildet und beispielsweise aus Aluminium hergestellt.
Wie in 4 wiedergeben wird der Sensorchip 100 mit dem vorstehenden Aufbau auf dem Schaltkreischip 200 unter einer solchen Bedingung angeordnet, dass dieser Schaltkreischip 200 einer Ebene 13 des ersten Siliziumsubstrats 11 im Sensorchip 100 gegenüberliegt.
Mit anderen Worten werden der Sensorchip 100 und der Schaltkreischip 200 so gestapelt, dass sie in einem Zustand zusammengepackt sind, in welchem die bewegliche Elektrode 24 und die feststehenden Elektroden 31 und 41, die auf der Seite einer Ebene 13 des ersten Siliziumsubstrats 11 im Sensorchip 100 gebildet sind, dem Schaltkreischip 200 gegenüberliegen.
Dieser Schaltkreischip 200 entspricht einem Schaltkreischip, auf welchem ein Erfassungsschaltkreis zum Verarbeiten eines Ausgangssignals vom Sensorchip 100 (der mit Bezug auf 5 später erläutert wird) und ein Schaltkreis für eine Abfrage gebildet sind. Beispielsweise entspricht der Schaltkreischip 200 einem Halbleiterchip, in welchem MOS-Transistorelemente und ähnliche Teile auf einem Halbleitersubstrat wie einem Siliziumsubstrat gebildet sind, indem ein Halbleiterprozess verwendet wird, um einen Schaltkreis aufzubauen.
Dann wird der Sensorchip 100 elektrisch mit dem Schaltkreischip 200 über die gegenüberliegenden Oberflächen derselben verbunden. In anderen Worten wird die vordere Oberfläche des zweiten Siliziumsubstrats 12, das im Sensorchip 100 verwendet wird, elektrisch mit der Ebene des Schaltkreischips 200 verbunden, welche der vorstehend erwähnten vorderen Oberfläche gegenüberliegt.
Die feststehenden Elektrodenflecken 30a und 40a, die mit den entsprechenden feststehenden Elektroden 31 und 41 verbunden sind, der bewegliche Elektrodenfleck 25a und eine (nicht in dieser Zeichnung gezeigte) Elektrode auf dem Schaltkreischip 200 werden elektrisch über eine Höckerelektrode 300 verbunden. Als diese Höckerelektrode 300 kann ein normaler Höcker wie ein Lothöcker verwendet werden.
Der Sensorchip 100, in dem die gebildete ebene Seite der beweglichen Einheit 20 eine vorderseitige Oberfläche bildet, wird mit der Vorderseite nach unten auf den Schaltkreischip 20 montiert, während die feststehenden Elektroden 31 und 41, die bewegliche Elektrode 25 und der Schaltkreischip 200 elektrisch miteinander über die Höckerelektrode 300 verbunden sind.
In einer solchen Beschleunigungssensorvorrichtung S1 vom kapazitiven Typ wie in 4 gezeigt wird nun angenommen, dass eine Dicke der beweglichen Elektrode 24 entlang der Richtung der gestapelten Schichten des Sensorchips 100 und des Schaltkreischips 200 gleich "a" ist; ein Abstand bzw. eine Breite einer Spalte zwischen der beweglichen Elektrode 24 und dem Schaltkreischip 200 gleich "b" ist; und eine Breite einer Spalte zwischen der beweglichen Elektrode 24 und einer Ebene 13 des unterstützenden Substrats 11 gleich "c" ist, wobei sowohl die Breite "b" als auch die Breite "c" kleiner als die Dicke "a" gewählt sind.
Insbesondere kann die Breite "b" kleiner als die Dicke "a" werden, weil die Dicke der Höckerelektrode 300 dünn hergestellt ist, um diese Dicke der Höckerelektrode 300 gleich der Breite "b" werden zu lassen, wenn der Sensorchip 100 elektrisch über die Höckerelektrode 300 mit dem Schaltkreischip 200 verbunden ist.
Die Beschleunigungssensorvorrichtung S1 vom kapazitiven Typ, die durch Zusammenbau des Sensorchips 100 mit dem Schaltkreischip 200 erzielt wird, kann in solch einer Weise zusammengebaut werden, dass beispielsweise ein Löthöcker auf die Elektrode des Schaltkreischips 300 aufgebracht wird und danach der Sensorchip 100 auf dem Schaltkreischip 200 montiert und ein Reflow-Lötvorgang durchgeführt wird.
Als Nächstes wird eine Beschreibung von Erfassungsvorgängen der Beschleunigungssensorvorrichtung S1 vom kapaziti ven Typ nach dieser ersten Ausführungsform gegeben. Die Beschleunigung wird auf der Grundlage einer Änderung der elektrostatischen Kapazitäten zwischen der beweglichen Elektrode 24 und den feststehenden Elektroden 31 und 41 als Antwort auf ein Wirken der Beschleunigung erfasst.
Im Sensorchip 100 sind die seitlichen Flächen (nämlich die Erfassungsflächen) der jeweiligen feststehenden Elektroden 31 und 41 der seitlichen Ebene (nämlich der Erfassungsebene)so vorgesehen, dass sie jeder der beweglichen Elektroden 24 gegenüberliegen. Daher sind in den jeweiligen Abständen zwischen den gegenüberliegenden Seitenflächen der beweglichen Elektrode 24 und der feststehenden Elektroden 31 und 41 Erfassungszwischenräume ausgebildet, die verwendet werden, um elektrostatische Kapazitäten zu erfassen.
In diesem Fall wird daher angenommen, dass eine erste Kapazität "CS1" als die Erfassungskapazität in dem Zwischenraum zwischen der linksseitigen festen Elektrode 31 und der beweglichen Elektrode 24 und andererseits eine zweite Kapazität "CS2" als die Erfassungskapazität in dem Zwischenraum zwischen der rechtsseitigen feststehenden Elektrode 41 und der beweglichen Elektrode 24 gebildet ist.
Wenn dann eine Beschleunigung entlang der in 1 gezeigten Richtung des Pfeils "X" innerhalb der horizontalen Richtung der Substratebene in dem Sensorchip 100 wirkt, wird der gesamte Abschnitt der beweglichen Einheit 20 mit Ausnahme der Ankereinheiten 23a und 23b aufgrund der Federfunktion der Federeinheit 22 entlang der Richtung des Pfeils "X" ausgelenkt, und daher ändern sich die ersten und zweiten Kapazitäten CS1 und CS2 in Antwort auf die Verschiebung der beweglichen Elektrode 24 entlang der Richtung des Pfeils "X".
Beispielsweise wird in 1 der nachstehende Erfassungsvorgang betrachtet: Das bedeutet, wenn die bewegliche Einheit 20 entlang der Richtung des Pfeils "X" nach unten verlagert ist, wird der nachstehende Erfassungsvorgang durchgeführt. Zu dieser Zeit wird der Zwischenraum zwischen der linksseitigen feststehenden Elektrode 31 und der beweglichen Elektrode 24 vergrößert und andererseits wird der Zwischenraum zwischen der rechtsseitigen feststehenden Elektrode 21 und der beweglichen Elektrode 24 verkleinert.
Als eine Konsequenz kann diese Beschleunigungssensorvorrichtung S1 vom kapazitiven Typ die Beschleunigung entlang der Richtung des Pfeils X auf der Grundlage der Änderung der differenziellen Kapazität (CS1-CS2) erfassen, die durch die bewegliche Elektrode 24 und die feststehenden Elektroden 31 und 41 verursacht wird. Ein auf der Grundlage dieser Kapazitätsdifferenz (CS1-CS2) erzeugtes Signal wird vom Sensorchip 100 als ein Sensorausgabesignal ausgegeben. Dann wird dieses Sensorausgabesignal von dem Schaltkreischip 200 verarbeitet, um endgültig ausgegeben zu werden.
5 ist ein Schaltkreisdiagramm, um ein Beispiel eines Erfassungsschaltkreises 400 zu zeigen, der verwendet wird, um die Beschleunigung in dieser Beschleunigungssensorvorrichtung S1 vom kapazitiven Typ zu erfassen.
In dieser Erfassungsschaltung 400 ist ein geschalteter Kondensatorschaltkreis (SC-Schaltung) 410 mit einem Kondensator 411, der eine Kapazität "Cf" aufweist, einem Schalter 412 und einer Differenzialverstärkungsschaltung 413 ausgestattet. Diese schaltbare Kondensatorschaltung 410 wandelt einen angegeben Kapazitätsunterschied (CS1-CS2) in eine Spannung um.
Dann wird in die Beschleunigungssensorvorrichtung S1 vom kapazitiven Typ beispielsweise eine Trägerwelle WAVE-I mit einer Amplitude Vcc über den feststehenden Elektrodenkontaktfleck 30a auf der linken Seite eingespeist, und eine andere Trägerwelle WAVE-II, deren Phase um 180 Grad gegenüber der Phase der Trägerwelle WAVE-I verschoben ist, wird über den feststehenden Elektrodenfleck 40a auf der rechten Seite eingespeist, und der Schalter 412 der SC-Schaltung 410 wird zum vorab bestimmten Zeitpunkt umgeschaltet.
Dann wird die entlang der Richtung des Pfeils "X" wirkende Beschleunigung als ein Spannungswert "Vout" wie in der nachstehend gezeigten Formel Nr. 1 ausgegeben: Vout = (CS1 – CS2)·Vcc/Cf (Formel Nr. 1)
So kann die Beschleunigung erfasst werden.
Andererseits kann die Sensorvorrichtung S mit den nachstehend erwähnten besonderen Eigenschaften geschaffen werden, wenn die Beschleunigungssensorvorrichtung S1 vom kapazitiven Typ wie nachstehend erwähnt mit dem Sensorchip 100 und dem Schaltkreischip 200 ausgestattet ist. Im Sensorchip 100 der Beschleunigungssensorvorrichtung S1 vom kapazitiven Typ werden die bewegliche Elektrode 24 und die beiden feststehenden Elektroden 31 und 41, die der beweglichen Elektrode 24 gegenüber angeordnet sind, auf dem zweiten Siliziumsubstrat 12 angeordnet, das als die Halbleiterschicht arbeitet, die auf der Seite einer Ebene 13 des unterstützenden Substrats 11 vorgesehen ist, nämlich auf der Seite des Oxidfilms 13 des ersten Siliziumsubstrats 11, während die bewegliche Elektrode 24 als Antwort auf die Wirkung der Beschleunigung entlang der Richtung parallel zu der Substratebene verschiebbar ist. Dann erfasst dieser Sensorchip 100 die Beschleunigung auf der Grundlage der Änderung in den Kapazitäten zwischen der beweglichen Elektrode 24 und den feststehenden Elektroden 31 und 41 als Antwort auf die Wirkung dieser Beschleunigung. Der Schaltkreistyp 200 verarbeitet das ausgegebene Signal vom Sensorchip 100.
Die besonderen Eigenschaften der Sensorvorrichtung S1 sind insbesondere die nachstehend aufgeführten:
Der Sensorchip 100 und der Schaltkreischip 200 werden in einem solchen Zustand auf einander gestapelt, dass die bewegliche Elektrode 24 und die beiden feststehenden Elektroden 31 und 41, die im Sensorchip 100 verwendet werden, gegenüber dem Schaltkreistyp 200 angeordnet sind. Der Sensorchip 100 wird elektrisch mit dem Schaltkreischip 200 an den gegenüberliegenden Flächen, an denen der Sensorchip 100 gegenüber dem Schaltkreischip 200 angeordnet ist, elektrisch verbunden.
Außerdem werden sowohl die Breite „b" als auch die Breite "c" kleiner als die vorstehend beschriebene Dicke "a" hergestellt, wenn die Dicke der beweglichen Elektrode 24 entlang der Richtung der gestarteten Schichten sowohl des Sensorchips 100 als auch des Schaltkreischips 200 gleich "a" ist, die Breite des Spalts zwischen der beweglichen Elektrode 24 und dem Schaltkreischip 200 gleich "b" ist und die Breite des Spalts zwischen der beweglichen Elekt rode 24 und einer Ebene 13 des unterstützenden Substrats 11 gleich "c" ist. Die Beschleunigungssensorvorrichtung S1 vom kapazitiven Typ nach dieser ersten Ausführungsform weist diese besonderen Punkte auf.
Wenn versucht wird, die bewegliche Elektrode 24 entlang ihrer Dickenrichtung (der in 2 und 3 gezeigten „z-Richtung"), nämlich entlang der Dickenrichtung des Sensorchips 100, d. h., entlang der Richtung der gestapelten Schichten (der in 4 nach oben und unten zeigenden Richtung) sowohl des Sensorchips 100 als auch des Schaltkreischips 200 auszulenken, können sowohl eine Ebene 13 des ersten Siliziumsubstrats 11 als auch der Schaltkreischip 200 einen Stopper bilden.
In anderen Worten wird die Auslenkung der beweglichen Elektrode 24 in der Richtung der aufeinander gestapelten Chips sowohl durch eine Ebene 13 des ersten Siliziumsubstrats 11 als auch durch den Schaltkreischip 200 begrenzt, und daher kann sie innerhalb des Bereichs für die Dicke "a" der beweglichen Elektrode 24 definiert sein. Folglich ist es möglich, zu verhindern, dass die bewegliche Elektrode 24 unter die feststehenden Elektroden 31 und 41 abtaucht und an sie anstößt.
Als eine Folge ist es in der sich durch Stapeln des Schaltkreischips 200 und des Sensorchips 100 ergebenden Beschleunigungssensorvorrichtung S1 vom kapazitiven Typ zur Erfassung der Beschleunigung auf der Grundlage der Kapazitätsänderung zwischen der beweglichen Elektrode 24 und den feststehenden Elektroden 31 und 41 möglich, zu verhindern, dass die bewegliche Elektrode 24 entlang der Richtung der gestapelten Schichten des Sensorchips 100 und des Schaltkreischips 200 ausgelenkt wird und unter die feststehenden Elektroden 31 und 41 abtaucht und hängen bleibt oder diese beschädigt.
In diesem Fall weist die Beschleunigungssensorvorrichtung S1 vom kapazitiven Typ eine herausragende Eigenschaft dahingehend auf, dass sowohl der Sensorchip 100 als auch der Schaltkreischip 200 elektrisch miteinander über die Höckerelektrode 300 verbunden sind, die aus Lot, Gold oder einem ähnlichen Material hergestellt ist.
Weiterhin weist die Beschleunigungssensorvorrichtung S1 vom kapazitiven Typ, in welcher der Sensorchip 100 elektrisch über die Höckerelektrode 300 mit dem Schaltkreischip 200 verbunden ist, einen anderen besonderen Punkt dahingehend auf, dass die Breite "b" kleiner als die Dicke "a" wird, weil die Dicke der Höckerelektrode 300 in solch einer Weise dünn hergestellt wird, dass die Dicke dieser Höckerelektrode 300 gleich der Breite "b" wird.
Die Steuerung der Dicke (nämlich der Höhe) dieser Höckerelektrode 300 kann leicht durch Steuerung der bereitgestellten Menge des Lots, durch Steuern der Höhe, wenn das Lot aufgeschmolzen wird, oder in anderer Weise durch Steuern der Form des Höckers durchgeführt werden.
6 ist eine Querschnittsansicht zum schematischen Anzeigen einer Beschleunigungssensorvorrichtung "S2" vom kapazitiven Typ nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und gibt eine solche Bedingung wieder, dass der Sensorchip 100 auf dem Schaltkreischip 200 montiert ist.
In Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform wird die Breite "b" in einer solchen Sensoranordnung, in wel cher der Sensorchip 100 elektrisch über die Höckerelektrode 300 mit dem Schaltkreischip 200 verbunden ist, kleiner als die Dicke "a", weil die Dicke der Höckerelektrode 300 in einer solchen Weise dünn ausgeführt, dass die Dicke dieser Höckerelektrode 300 gleich der Breite "b" wird.
Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform wird in der Beschleunigungssensorvorrichtung S2 vom kapazitiven Typ nach dieser zweiten Ausführungsform wie in 6 gezeigt eine Schicht 210 auf einem Abschnitt innerhalb des Schaltkreischips 200 gebildet, welcher den beweglichen Elektroden 24 innerhalb der gegenüberliegenden Fläche des Sensorchips 100 gegenüber angeordnet ist. Diese Schicht 210 wird als eine vordere Oberfläche des Schaltkreischips 200 gebildet.
Dadurch wird dieser Abstand "b" kleiner als die Dicke "a" der beweglichen Elektrode 24 gemacht, weil ein Abstand zwischen der vorderen Oberfläche dieser Schicht 210 und der beweglichen Elektrode 24 gleich der Breite "b" des Spaltes zwischen der beweglichen Elektrode 24 und dem Schaltkreischip 200 hergestellt wird.
In diesem Fall kann die Schicht 210, die als die vordere Oberfläche des Schaltkreischips 200 aufgebaut ist, als eine Schutzschicht bzw. ein Schutzfilm 210 angeordnet sein, die bzw. der dazu fähig ist, die vordere Oberfläche des Schaltkreischips 200 zu schützen. Dieser Schutzfilm 210 kann auf der am weitesten vorne liegenden Fläche des normalen Schaltkreischips 200 vorgesehen sein und beispielsweise aus einem Polyimidfilm hergestellt sein.
Daher kann die Sensorvorrichtung S2 der zweiten Ausführungsform verhindern, dass die bewegliche Elektrode 24 auf die feststehenden Elektroden 31 und 41 anstößt, indem im Unterschied zu der Verwendung der Dicke der Höckerelektrode 300, wie in der ersten Ausführungsform erläutert, die Dicke dieses Schutzfilms 210 verwendet wird. Die Steuerung der Dicke des Schutzfilms 210 kann leicht durchgeführt werden, wenn der Schutzfilm 210 mittels eines spin-coating- bzw. Rotationsbeschichtungsverfahrens oder auf ähnliche Weise gebildet ist.
In Übereinstimmung mit der Beschleunigungssensorvorrichtung S2 vom kapazitiven Typ können sowohl eine Ebene 13 des ersten Siliziumsubstrats 11 als auch die Schicht 210 des Schaltkreischips 200 einen Stopper bilden, so dass die Verschiebung der beweglichen Elektrode 24 entlang der Stapelrichtung der Chips (nämlich entlang der in 2 und 3 gezeigten "z-Richtung" und entlang der in 4 gezeigten Richtung nach oben und unten) innerhalb des Bereichs der Dicke "a" der beweglichen Elektrode 24 eingeschränkt werden kann.
Als eine Konsequenz ist es in der Beschleunigungssensorvorrichtung S2 vom kapazitiven Typ, die durch Stapeln des Schaltkreischips 200 und des Sensorchips 100 hergestellt ist, um die Beschleunigung aufgrund der Kapazitätsänderung zwischen der beweglichen Elektrode 24 und den feststehenden Elektroden 31 und 41 zu erfassen, in ähnlicher Weise möglich, zu vermeiden, dass die bewegliche Elektrode 24 entlang der Richtung der gestapelten Schichten sowohl des Sensorchips 100 als auch des Schaltkreischips 200 ausgelenkt wird und daher unter die feststehenden Elektroden 31 und 41 taucht und daran hängen bleibt.
7 ist eine Schnittansicht, um schematisch eine Beschleunigungssensorvorrichtung "S3" vom kapazitiven Typ nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anzuzeigen und gibt einen Zustand wieder, in welchem der Sensorchip 100 auf dem Schaltkreischip 200 montiert ist.
In der ersten Ausführungsform wird die Breite "b" kleiner als die Dicke "a" der beweglichen Elektrode 24 gewählt, weil die Dicke der Höckerelektrode 300 so dick hergestellt wird, dass die Dicke der Höckerelektrode 300 gleich der Breite "b" des Spalts zwischen der beweglichen Elektrode 24 und dem Schaltkreischip 200 wird.
Wie in 7 gezeigt, wird in der Beschleunigungssensorvorrichtung S3 nach der dritten Ausführungsform im Gegensatz zu der ersten Ausführungsform ein konkaver Abschnitt bzw. eine Aussparung 12a an dem Abschnitt im Sensorchip 100 vorgesehen, an welchem die Höckerelektrode 300 bereitgestellt ist. Ein Abschnitt der Höckerelektrode 300 wird in diesen konkaven Abschnitt 12a eingeführt.
Dann wird die Breite "b" kleiner als die Dicke "a" der beweglichen Elektrode 24 hergestellt, weil eine Dicke eines solchen Abschnitts der Höckerelektrode 300, die aus dem konkaven Abschnitt 12a vorsteht, gleich der Breite "b" des Spalts zwischen der beweglichen Elektrode 24 und dem Schaltkreischip 200 gemacht wird.
In diesem Fall ist der konkave Abschnitt 12a in der vorderen Oberfläche des zweiten Siliziumsubstrats 12 vorgesehen, das als die Halbleiterschicht in dem Sensorchip 100 wirkt. Der konkave Abschnitt 12a kann leicht durch Ätzen dieses zweiten Siliziumsubstrats 12 durch Trockenätzen oder auf ähnliche Weise hergestellt werden.
Dann können in Übereinstimmung mit der Beschleunigungssensorvorrichtung S3 vom kapazitiven Typ sowohl eine Ebene 13 des ersten Siliziumsubstrates 11 als auch der Schaltkreischip 200 einen Stopper bilden, so dass die Auslenkung der beweglichen Elektrode 24 entlang der Richtung der gestapelten Schichten der Chips (nämlich entlang der "z-Richtung", die in 2 und 3 gezeigt ist, und entlang einer in 4 gezeigten Richtung nach oben und unten) innerhalb des Bereichs der Dicke "a" der beweglichen Elektrode 24 begrenzt werden kann.
Als eine Konsequenz ist es in der Beschleunigungssensorvorrichtung S3 vom kapazitiven Typ, die durch Stapeln des Schaltkreistyps 200 und des Sensorchips 100 zum Erfassen der Beschleunigung auf der Grundlage der Kapazitätsänderung zwischen der beweglichen Elektrode 24 und den feststehenden Elektroden 31 und 41 angeordnet ist, möglich, zu vermeiden, dass die bewegliche Elektrode 24 entlang der Richtung der gestapelten Schichten sowohl des Sensorchips 100 als auch des Schaltkreischips 200 ausgelenkt wird und daher an die feststehenden Elektroden 31 und 41 stößt und diese beschädigt oder daran hängen bleibt.
Weil die Tiefe des konkaven Abschnitts 12a gesteuert und die Höckerelektrode 30 in diesen konkaven Abschnitt 12a eingeführt wird, ist es leicht möglich, zu realisieren, dass die Breite "b" kleiner als die Dicke "a" der beweglichen Elektrode 24 hergestellt werden kann. Insbesondere gibt es Vorzüge dahingehend, dass die Form der Höckerelektrode 300 nicht verändert werden muss und auch nicht notwendigerweise dünn hergestellt werden muß.
Anderseits wird der konkave Abschnitt 12a in dem in 7 gezeigten Beispiel auf der Seite des Sensorchips 100 gebildet. Im Gegensatz dazu kann der konkave Abschnitt 12a alternativ in einem solchen Abschnitt innerhalb des Schaltkreischips 200, in welchem die Höckerelektrode 300 angeordnet ist, vorgesehen sein. Außerdem können konkave Abschnitte 12a alternativ sowohl auf der Seite des Sensorchips 100 als auch auf der Seite des Schaltkreischips 200 vorgesehen sein.
Man bemerke, dass in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Sensorchip 100 und der Schaltkreischip 200 elektrisch miteinander über die Höckerelektrode 300 auf den jeweils entgegengesetzten Flächen derselben verbunden sind. Die elektrische Verbindung zu dem Sensorchip 100 und dem Schaltkreischip 200 kann lediglich an dem jeweils einander gegenüberliegenden Flächen derselben durchgeführt werden. Alternativ kann diese elektrische Verbindung beispielsweise mittels eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs, in der Weise eines Crimpens oder auf ähnliche Weise außer durch die vorstehend erwähnte Höckerelektrode 300 ausgeführt sein.
Während die Oxidschicht 13 in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen auf dem gesamten Bereich des SOI-Substrats 10 belassen wird, wird außerdem der dünnwandige rechteckige Abschnitt 15 im zweiten Siliziumsubstrat 12 gebildet, so dass die bewegliche Einheit 20 frei wird. Alternativ kann die bewegliche Einheit 20 wie in diesem Gebiet der Technik bekannt gelöst werden, indem ein Ätzprozess für das SOI-Substrat 10 durchgeführt wird, wobei die Oxidschicht 13 als eine Opferschicht verwendet wird.
In dem Fall, dass dieser Ätzvorgang für die Opferschicht verwendet wird, kann der gesamte Bereich des zweiten Siliziumsubstrats 12 bezüglich seiner Dicke im Wesentlichen gleichförmig werden. Dann wird die Oxidschicht 13 in dem Abschnitt der in 1 gezeigten rechteckigen Form 15 entfernt, so dass die bewegliche Einheit 20 vom unterstützenden Substrat 11 gelöst sein kann.
In diesem Fall bildet außerdem das erste Siliziumsubstrat das unterstützende Substrat. In diesem Fall wird die Oxidschicht 13 entfernt, die unter der beweglichen Einheit 20 angeordnet ist, so dass die Oberfläche des ersten Siliziumsubstrats 11 selbst, das dem zweiten Siliziumsubstrat 12 gegenüber angeordnet ist, als eine Ebene bzw. Oberfläche des unterstützenden Substrats angeordnet sein kann. Dann kann ein Abstand "c" eines Spaltes zwischen der beweglichen Elektrode 24 und einer Fläche des unterstützenden Substrates 11 nahezu gleich der Dicke der Oxidschicht 13 sein.
Außerdem wird in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen das SOI-Substrat 10 als das Substrat verwendet, welches den Sensorchip 100 bildet. Wenn ein solches Substrat eine Halbleiterschicht auf einer ebenen Seite eines unterstützenden Substrates aufweisen kann und sowohl eine bewegliche Elektrode als auch eine feststehende Elektrode auf dieser Halbleiterschicht gebildet sein können, können alternativ beliebige andere Substrate an Stelle des SOI-Substrats 10 als Substrate zum Bilden des Sensorchips 10 verwendet werden.
Man bemerke außerdem, dass es, wie vorstehend in der Ausführungsform erläutert, notwendig ist, einen Sensor für eine physikalische Größe vom Typ mit der Verarbeitung auf der vorderen Oberfläche als den Sensorchip zu verwenden, und somit wird ein in 8 gezeigter Sensor zur Verarbeitung einer physikalischen Größe auf der hinteren Oberfläche eliminiert.
In anderen Worten wird der nachstehend aufgeführte Sensorchip als der Sensorchip benötigt. Das heißt, während eine bewegliche Elektrode auf einem unterstützenden Substrat gebildet wird, weist das unterstützende Substrat einen Spalt mit Bezug auf die bewegliche Elektrode genau unterhalb der beweglichen Elektrode auf.
Außerdem ist die Sensorvorrichtung für eine physikalische Größe vom kapazitiven Typ nach der vorliegenden Erfindung offensichtlich nicht nur auf die vorstehend beschriebenen Beschleunigungssensoren begrenzt, sondern die vorliegende Erfindung kann auf andere Sensoren für physikalische Größen, beispielsweise Winkelgeschwindigkeitssensoren, die dazu fähig sind, Winkelgeschwindigkeiten als physikalische Größen zu erfassen, zusätzlich zu den Beschleunigungssensoren verwendet werden.
Im Wesentlichen weist die Sensorvorrichtung für physikalische Größen vom kapazitiven Typ die nachstehenden wesentlichen Eigenschaften auf. In dieser Sensorvorrichtung für physikalische Größen vom kapazitiven Typ, die durch Stapeln des Schaltkreischips und des Sensorchips zum Erfassen der Beschleunigung auf der Grundlage der Kapazitätsänderung zwischen der beweglichen Elektrode und den feststehenden Elektroden hergestellt wird, die auf einer Fläche des unterstützenden Substrats gebildet sind, werden sowohl der Sensorchip als auch der Schaltkreischip aufeinander unter einer solchen Bedingung gestapelt, dass sowohl die bewegliche Elektrode als auch die feststehende Elektrode, die in dem Sensorchip verwendet werden, gegenüber dem Schaltkreischip angeordnet sind. Während diese Sensor- und Schaltkreischips elektrisch miteinander an den gegenüberliegenden Flächen derselben verbunden sind, werden sowohl die Breite "b" des Spalts zwischen der beweglichen Elektrode und dem Schaltkreischip als auch die Breite "c" des Spaltes zwischen der beweglichen Elektrode und einer Fläche des unterstützenden Substrats kleiner als die Dicke "a" der beweglichen Elektrode entlang der Richtung der gestapelten Schichten sowohl des Schaltkreischips als auch des Sensorchips hergestellt. Andere genaue Abschnitte dieser Sensorvorrichtung für physikalische Größen vom kapazitiven Typ können geeignet modifiziert werden.
Zusammenfassend leistet die Erfindung Folgendes: Ein Sensor für eine physikalische Größen vom kapazitiven Typ weist einen Sensorchip 100 und einen Schaltkreischip 200 auf. Der Sensorchip 100 weist Folgendes auf: ein unterstützendes Substrat 11 und 13; eine Halbleiterschicht 12; eine bewegliche Elektrode 24 und eine feststehende Elektrode 31, 41. Der Sensorchip 100 ist auf dem Schaltkreischip 200 so gestapelt, dass die bewegliche Elektrode 24 und die festen Elektroden 31, 41 dem Schaltkreischip 200 gegenüber liegen. Die bewegliche Elektrode 24 weist eine Dicke "a" in einer Stapelrichtung auf. Der Sensorchip 100 weist einen ersten Abstand "b" zwischen der beweglichen Elektrode 24 und dem Schaltkreischip 200 und einem zweiten Abstand "c" zwischen der beweglichen Elektrode 24 und dem unterstützenden Substrat 11, 13 auf. Die Dicke "a" der beweglichen Elektrode 24 ist größer als der erste Abstand "b" und der zweite Abstand "c".

Claims

Ein Sensor vom kapazitiven Typ für eine physikalische Größe, der Folgendes aufweist: einen Sensorchip (100), um eine physikalische Größe zu erfassen; und einen Schaltkreischip (200) zum Verarbeiten eines Signals, das vom Sensorchip (100) ausgegeben wird, wobei der Sensorchip (100) Folgendes aufweist: ein unterstützendes Substrat (11, 13); eine Halbleiterschicht (12), die auf einer Seite des Substrats (11, 13) angeordnet ist; eine bewegliche Elektrode (24), die in der Halbleiterschicht angeordnet und abhängig von der physikalischen Größe in einer Richtung parallel zum Substrat auslenkbar ist; und eine feststehende Elektrode (31, 41), die in der Halbleiterschicht angeordnet ist und der beweglichen Elektrode (24) gegenüberliegt, wobei der Sensorchip (100) dazu fähig ist, die physikalische Größe auf der Grundlage einer Kapazitätsänderung eines Kondensators zu erfassen, der zwischen der beweglichen Elektrode (24) und den feststehenden Elektrode (31, 41) gebildet ist, wobei die Kapazitätsänderung durch eine Verschiebung der beweglichen Elektrode (24) in Übereinstimmung mit der physikalischen Größe erzeugbar ist, der Sensorchip in solch einer Weise auf den Schaltkreischip gestapelt ist, dass die bewegliche Elektrode (24) und die feststehende Elektrode (31, 41) dem Schaltkreischip (200) gegenüberliegen, der Sensorchip (100) elektrisch mit dem Schaltkreischip (200) verbunden ist, die bewegliche Elektrode (24) eine Dicke (a) in der Stapelrichtung des Sensorchips (100) aufweist, der Sensorchip (100) einen ersten Abstand (b) zwischen der beweglichen Elektrode (24) und dem Schaltkreischip (200) und einen zweiten Abstand (c) zwischen der beweglichen Elektrode (24) und dem unterstützenden Substrat (11, 13) aufweist, und die Dicke (a) der beweglichen Elektrode (24) größer ist als der erste Abstand (b) und der zweite Abstand (c).
Der Sensor nach Anspruch 1, wobei der Sensorchip (100) elektrisch mit dem Schaltkreischip (200) durch eine Höckerelektrode (300) verbunden ist.
Der Sensor nach Anspruch 2, wobei die Höckerelektrode (300) eine Dicke in der Stapelrichtung des Sensorchips (100) aufweist, und die Dicke der Höckerelektrode (300) gleich dem ersten Abstand (b) ist.
Der Sensor nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Sensorchip (100) weiterhin eine Aussparung (12a) aufweist, die auf einem Teil des Sensorchips (100) angeordnet ist, die Höckerelektrode (300) einen Teil aufweist, der in die Aussparung (12a) eingeführt ist, der andere Teil der Höckerelektrode (300) aus der Aussparung (12a) hervorsteht, der andere Teil der Höckerelektrode (300) eine Dicke in der Stapelrichtung des Sensorchips (100) aufweist, und die Dicke des anderen Teils der Höckerelektrode (300) gleich dem ersten Abstand (b) ist.
Der Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Schaltkreischip (200) einen Schutzfilm (210) aufweist, der auf einer Seite des Schaltkreischips (200) angeordnet ist, und der Schutzfilm (210) der beweglichen Elektrode so gegenüberliegt, dass ein Abstand zwischen einer Oberfläche des Schutzfilms (210) und der beweglichen Elektrode (24) den ersten Abstand (b) bildet.
Der Sensor nach Anspruch 5, wobei der Schutzfilm (210) dazu fähig ist, die eine Seite des Schaltkreischips (200) zu schützen.
Der Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Sensorchip (100) weiterhin eine Isolierschicht (13) aufweist, die zwischen dem unterstützenden Substrat (11, 13) und der Halbleiterschicht (12) angeordnet ist, und der zweite Abstand (c) zwischen der beweglichen Elektrode (24) und der Isolierschicht (13) vorgesehen ist.
Der Sensor nach Anspruch 7, wobei die bewegliche Elektrode (24) auf dem Substrat (11, 13) durch die isolierende Schicht (13) in solch einer Weise unterstützt ist, dass die bewegliche Elektrode (24) durch den zweiten Abstand (c) von dem Substrat (11, 13) getrennt ist, und die bewegliche Elektrode (24) einen Auslenkungsbereich aufweist, der von der Isolierschicht (13) und der einen Seite des Schaltkreischips (200) begrenzt ist.