DE102006003562A1

DE102006003562A1 - Beschleunigungssensor

Info

Publication number: DE102006003562A1
Application number: DE102006003562A
Authority: DE
Inventors: Koichi Kariya Tsubaki
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-02-08
Filing date: 2006-01-25
Publication date: 2006-08-10
Also published as: US20060174704A1; JP2006220453A

Abstract

Ein Beschleunigungssensor umfasst einen Sensorchip (200), der ein Substrat (10), eine bewegliche Elektrode (24), die bezüglich des Substrates (10) gehalten wird, um eine Verlagerung in einer Beschleunigungsrichtung (X) zu ermöglichen, und eine feste Elektrode (31, 41), die der beweglichen Elektrode (24) gegenüberliegt, wobei ein Spalt zwischen der festen Elektrode (31, 41) und der beweglichen Elektrode (24) gebildet ist, umfasst. Der Sensorchip (200) ist auf einer Baugruppe (100) mithilfe eines Klebe-Elements (400) befestigt. Das Klebe-Element (400) ist so angeordnet, dass der von dem Klebe-Element (400) überdeckte Bereich in einer zu der Beschleunigungsrichtung (Y) senkrechten Richtung (Y) größer als in der Beschleunigungsrichtung (X) ist. Eine solche Anordnung des Klebe-Elements (400) verhindert, dass das Substrat (10) des Sensorchips (200) in der Beschleunigungsrichtung (X) durch thermische Spannungen verwölbt wird. Daher verändert sich der Erfassungsspalt mit der Temperatur kaum.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Beschleunigungssensor.
Ein Beschleunigungssensor umfasst allgemein einen Sensor-Chip mit einer beweglichen Elektrode und einer festen Elektrode, die bezüglich einem Halbleitersubstrat angeordnet sind, und zwar derart, dass sie einander in einem vorbestimmten Abstand (Erfassungsspalt) in einer Richtung der Beschleunigungserfassung, d.h. in einer Richtung, in der die Beschleunigung erfasst werden soll, gegenüberliegen.
Wenn auf den Sensor eine Beschleunigung wirkt, wird die bewegliche Elektrode in der Erfassungsachsenrichtung verlagert, so dass sich der Spalt zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode ändert. Als Folge der Änderung des Abstandes bzw. des Spaltes ändert sich auch die Kapazität zwischen den Elektroden. Der Sensor erfasst die Beschleunigung, die er erfährt, auf der Grundlage der Änderung der Kapazität.
Der Sensor-Chip ist mit Hilfe eines Klebe-Elements auf einer Baugruppe befestigt und wird von diesem gehalten bzw. getragen. Die Baugruppe ist zum Beispiel aus Keramik hergestellt.

Ein Beschleunigungssensor mit einem solchen Chip ist zum Beispiel in der US 6 923 060 , die der JP-A-2004-69349 entspricht, offenbart. In dem Sensor sind der Sensor-Chip und ein Schaltungs-Chip zur Verarbeitung eines Ausgangssignals des Sensor-Chips miteinander zu einer Einheit (ASSY, engl. für "assembly") verbunden. Die ASSY ist mit Hilfe eines Klebe-Elements auf einer Baugruppe, die zum Beispiel aus Keramik hergestellt ist, befestigt.

Solche herkömmlichen Beschleunigungssensoren haben das folgende Problem. Der Sensorausgangswert bzw. das Sensorausgangssignal ändert sich in Antwort auf eine Änderung der Sensorbetriebstemperatur. Mit anderen Worten, der Sensorausgangswert besitzt eine Temperaturabhängigkeit.

Das Problem kann seine Ursache in einer Verformung des Sensor-Chips haben. Die Verformung kann durch thermische Spannungen hervorgerufen werden, die von dem Sensor-Chip selbst oder umgebenden Teilen wie etwa ein Baugruppe erzeugt werden.

Wie es oben beschrieben ist, wird der Sensor in der Erfassungsachsenrichtung beschleunigt, der Erfassungsspalt zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode des Sensor-Chips ändert sich. Der Sensor erfasst die Beschleunigung, die er erfährt, auf der Grundlage der Änderung des Spalts.

In dem Sensor kann, wenn der Sensor-Chip durch thermische Spannungen verformt wird, auch ein Substrat als eine Basis des Sensor-Chips verformt werden. Als Folge davon ändert sich der Erfassungsspalt zwischen der festen Elektrode und der beweglichen Elektrode, da die Elektroden auf dem Substrat angeordnet sind. Daher wird in dem Sensorausgangswert ein Fehler induziert, so dass die Temperaturabhängigkeit des Sensorausgangswerts verstärkt, d.h. der Temperaturfehler vergrößert wird.

Angesichts des oben beschriebenen Problems ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Beschleunigungs sensor bereitzustellen, der verhindert, dass sich ein Sensorausgangswert in Abhängigkeit von der Sensorbetriebstemperatur ändert.

Ein Drucksensor umfasst einen Sensor-Chip mit einem Substrat, einer beweglichen Elektrode, die bezüglich des Substrats gehalten wird, um in einer Erfassungsachsenrichtung verlagert zu werden, und festen Elektroden, die der beweglichen Elektrode gegenüberliegend angeordnet sind, eine Baugruppe, um den Sensor-Chip zu halten bzw. zu tragen, und ein Klebe-Element, das zwischen dem Sensor-Chip und der Baugruppe zur Befestigung des Sensor-Chips auf der Baugruppe angeordnet ist.

Wenn der Sensor eine Beschleunigung erfährt, wird die bewegliche Elektrode in der Erfassungsachsenrichtung verlagert. Als Folge dieser Verlagerung ändert sich ein Erfassungsspalt zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode.

Das Klebe-Element ist so angeordnet, dass eine Verwölbung des Substrats des Sensor-Chips in der Erfassungsachsenrichtung stärker verringert ist als in einer zu der Erfassungsachsenrichtung senkrechten Richtung. Somit verhindert der Sensor, dass der Sensorausgangswert in Abhängigkeit von der Temperatur variiert.

Alternativ kann das Klebe-Element eine Mehrzahl von Klebe-Elementen umfassen, die entlang einer Linie in der zu der Erfassungsachsenrichtung senkrechten Richtung angeordnet sind.

Die obigen und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gemacht wurde, deutlicher ersichtlich. In den Zeichnungen sind:
1A eine Draufsicht, die einen Beschleunigungssensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und 1B eine Querschnittsansicht, betrachtet in Richtung Y von 1B;
2 eine Draufsicht, die einen Sensor-Chip des Sensors in 1A zeigt;
3 eine Querschnittsansicht entlang der Linie III-III von 2;
4 eine Querschnittsansicht entlang der Linie IV-IV von 2;
5 eine Draufsicht, die eine Anordnung eines Klebe-Elements des Sensors in 1A zeigt;
6 ein Schaltungsdiagramm einer Beschleunigungserfassungsschaltung des Sensors in 1A;
7 eine Kennlinie, die ein Ergebnis einer Untersuchung der Temperaturabhängigkeit des Sensors in 1A zeigt;
8 eine Draufsicht, die eine Anordnung eines Klebe-Elements in einem Beschleunigungssensor gemäß dem Stand der Technik zeigt; und
9 eine Kennlinie, die ein Ergebnis einer Untersuchung der Temperaturabhängigkeit des in 8 gezeigten Sensors zeigt.
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung untersuchte vorab die Verformung des Sensor-Chips und fand eine Beziehung zwischen der Verformung und der Anordnung der Klebe-Elemente zur Befestigung des Sensor-Chips auf der Baugruppe.
8 zeigt eine Anordnung von Klebe-Elementen in dem Beschleunigungssensor, der in der US 6 923 060 offenbart ist, zum Vergleich mit der bevorzugten Ausführungsform. In dem Sensor verbinden die Klebe-Elemente den Schaltungs-Chip mit dem Sensor-Chip.
Jedoch sind der Sensor-Chip und der Schaltungs-Chip miteinander so verbunden, dass der Verbindungszustand zwischen dem Sensor-Chip und der Baugruppe von der Anordnung der Klebe-Elemente abhängt, die den Schaltungs-Chip mit der Baugruppe verbinden.
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung untersuchte Temperaturabhängigkeit von Sensoren, die die gleiche Anordnung von Klebe-Elementen aufwiesen wie es in 8 gezeigt ist.
9 zeigt die Untersuchung der Temperaturabhängigkeit. Wie es 9 zu entnehmen ist, variiert in dem herkömmlichen Sensor der Sensorausgangswert stark in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur des Sensors.
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung analysierte den in der Untersuchung der Temperaturabhängigkeit verwendeten Sensor-Chip. Er fand heraus, dass der Sensor-Chip in der Erfassungsachsenrichtung stark verformt ist, so dass der Sensor-Chip eine stärkere Ausgangssignalschwankung in Abhängigkeit von der Temperatur besitzt.
In dem Sensor-Chip sind die bewegliche Elektrode und die feste Elektrode einander gegenüberliegende angeordnet, wobei sie zwischen sich in der Erfassungsachsenrichtung den Erfassungsspalt bilden.
Daher ändert sich der Erfassungsspalt zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode, wenn das Substrat des Sensor-Chips in der Erfassungsachsenrichtung durch thermische Spannungen stark verwölbt wird. Mit anderen Worten, der Erfassungsspalt ändert sich mit der Temperatur. Somit ändert sich auch der Sensorausgangswert mit der Temperatur.
Die Untersuchung offenbart, dass die in 8 gezeigte Anordnung des Klebe-Elements zur Folge hat, dass sich das Substrat des Sensor-Chips in der Erfassungsachsenrichtung stark verformt.
Daher kann eine Verringerung der Verwölbung des Substrats in Richtung der Erfassungsachse die Temperaturabhängigkeit des Sensorausgangswerts verringern.
Die 1A und 1B zeigen einen Beschleunigungssensor S1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Beschleunigungssensor S1 ist ein Beschleunigungssensor vom Differenzkapazitätstyp. Beispielhafte Anwendungen für den Sensor S1 umfassen einen Gyroskop-Sensor, einen Beschleunigungssensor zur Steuerung eines Airbag-Systems, ein Antiblockiersystem (ABS) und ein Fahrzeugstabilitätsregelungs (VSC = "vehicle stability control")-System.
Der Sensor S1 umfasst eine Baugruppe 100, einen Sensor-Chip 200, einen Schaltungs-Chip 300 und Klebe-Elemente 400. Der Sensor-Chip 200 und der Schaltungs-Chip 300 werden auf der Baugruppe 100 gehalten bzw. getragen.
Die Klebe-Elemente 400 verbinden den Sensor-Chip 200 über den Schaltungs-Chip 300 mit der Baugruppe 100.
Die Baugruppe 100 dient der Aufnahme bzw. Unterbringung des Sensor-Chips 200 und des Schaltungs-Chips 300. Die Baugruppe 100 dient als Basis des Sensors S1 und der Befestigung des Sensors S1 an einem zu messenden Objekt.
Die Baugruppe 100 kann zum Beispiel aus Keramik hergestellt und als ein mehrschichtiges Substrat aus Keramikschichten wie etwa einer Aluminiumoxid (Al₂O₃)-Schicht ausgebildet sein. In der Baugruppe 100 sind Durchgangslöcher so ausgebildet, dass sie durch jede Schicht der keramischen Schichten führen, und eine Verdrahtung ist in den Durchgangslöchern angeordnet.
Wie es in 1A gezeigt ist, sind Verdrahtungselemente 110 auf einer Oberfläche des Baugruppe 100 angeordnet. Der Sensor S1 kann über die Verdrahtungselemente 110 elektrisch mit einer externen Schaltung verbunden werden.
Wie es in 1B gezeigt ist, ist ein Deckel bzw. eine Verschlusskappe 120 über einem Öffnungsabschnitt der Baugruppe 100 zum Beispiel durch Schweißen oder Löten so befestigt, dass das Innere der Baugruppe 100 dicht verschlossen ist. Der Deckel 120 ist zum Beispiel aus Metall, Harz oder Keramik hergestellt.
Der Sensor-Chip 200 ist nachstehend ausführlich mit Bezug auf die 2 bis 4 beschrieben. Die Anwendung eines Feinzerspanungsprozesses auf ein Halbleitersubstrat 10 erzeugt den Sensor-Chip 200.
Das Substrat 10 des Sensor-Chips 200 ist ein allgemein rechteckiges Silizium-auf-Isolator (SOI)-Substrat. Wie es in 4 gezeigt ist, umfasst das Substrat 10 ein erstes Siliziumsubstrat 11 als ein Basissubstrat, ein zweites Siliziumsubstrat 12 und eine Isolierungsoxidschicht 13, die zwischen den Substraten 11 und 12 angeordnet ist.
Auf dem zweiten Siliziumsubstrat 12 befindet sich eine kammförmige Balkenstruktur. Die Ausbildung von Gräben 14 auf dem zweiten Siliziumsubstrat 12 bildet die Balkenstruktur, die bewegliche Abschnitte 20 und feste Abschnitte 30, 40 umfasst.
In dem Substrat 10 sind das erste Siliziumsubstrat 11 und die Oxidschicht 13 teilweise entfernt, um einen Öffnungsabschnitt 15 zu bilden. Wie es in 2 gezeigt ist, entspricht der Öffnungsabschnitt 15 dem Bereich, wo die Balkenstruktur des zweiten Siliziumsubstrats 12 gebildet ist.
Der Sensor-Chip 200 kann zum Beispiel folgendermaßen hergestellt werden.
Eine Maske, die die Form der Balkenstruktur aufweist, wird auf dem zweiten Siliziumsubstrat 12 des Substrats 10 durch Fotolithografie gebildet.
Anschließend wird unter Verwendung von zum Beispiel Schwefelhexafluorid (SF₆)-Gas oder Kohlenstofffluorid(CF₄)-Gas ein Trockenätzprozess auf das zweite Siliziumsubstrat 12 ausgeführt, um die Gräben 14 zu bilden, so dass die Balkenstruktur in einem geformt wird.
Anschließend wird ein Nassätzprozess unter Verwendung von zum Beispiel Kaliumhydroxid (KOH)-Ätzlösung auf das erste Siliziumsubstrat 11 angewendet. Ferner wird die Oxidschicht 13 durch einen Trockenätzprozess entfernt, so dass der Öffnungsabschnitt 15 gebildet wird. Der Sensor-Chip 200 wird auf diese Weise gefertigt.
Der bewegliche Abschnitt 20 des Sensor-Chips 200 umfasst einen rechteckigen Gewichtsabschnitt 21, Federabschnitte 22 und Ankerabschnitte 23a, 23b. Beide Enden des Gewichtsabschnitts 21 sind über die Federabschnitte 22 einteilig mit den Ankerabschnitten 23a bzw. 23b verbunden.
Wie es in 4 gezeigt ist, sind die Ankerabschnitte 23a, 23b an der Oxidschicht 13 befestigt und werden über die Oxidschicht 13 auf dem ersten Siliziumsubstrat 11 als dem Basissubstrat gehalten bzw. gestützt. Somit sind der Gewichtsabschnitt 21 und die Federabschnitte 22 des beweglichen Abschnitts 20 über dem Öffnungsabschnitt 15 "aufgehängt" bzw. hängend angeordnet.
Wie es in 2 gezeigt ist hat jeder der Federabschnitte 22 die Form einem rechteckigen Rahmen, und zwar derart, dass zwei parallele Balken an den jeweiligen Enden miteinander verbunden sind. Die Federabschnitte 22 arbeiten als Feder. Daher sind die Federabschnitte 22 dazu geeignet, in eine zu einer Richtung, in der sich die Balken erstrecken, senkrechten Richtung zu verlagern.
Insbesondere ermöglichen die Federabschnitte 22 eine Verlagerung des Gewichtsabschnitts 21 in einer zu dem Substrat 10 parallelen Richtung und in einer Erfassungsachsenrichtung X (siehe 2), wenn der Sensor S1 eine Beschleunigung erfährt, die eine Komponente in der Richtung X besitzt. Ferner ermöglichen die Federabschnitte 22 die Rückkehr des verlagerten Gewichtsabschnitts 21 zu seiner Ausgangsposition in Übereinstimmung mit der Abnahme der Beschleunigung.
Daher ist der bewegliche Abschnitt 20, der über die Federabschnitte 22 mit dem Substrat 10 verbunden ist, dazu geeignet, in der Richtung parallel zu dem Substrat 10 und in der Richtung X in Übereinstimmung mit der Beschleunigung, die auf den Sensor S1 wirkt, verlagert zu werden.
Der Gewichtsabschnitt 21 des beweglichen Abschnitts umfasst eine Mehrzahl von beweglichen Elektroden 24. Die beweglichen Elektroden 24 erstrecken sich von beiden Seiten des Gewichtsabschnitts 21 in eine Richtung Y senkrecht zu der Richtung X. Die Richtung X ist parallel zu einer Richtung der Länge des Gewichtsabschnitts 21. Kurz, die beweglichen Elektroden 24 sind entlang der Richtung X angeordnet, und zwar derart, dass eine Kammform gebildet wird.
Wie es in 2 gezeigt ist, umfasst der Gewichtsabschnitt 21 in dieser Ausführungsform vier bewegliche Elektroden 24 auf jeder Seite. Mit anderen Worten, der Gewichtsabschnitt 21 umfasst insgesamt acht bewegliche Elektroden 24. Jede Elektrode 24 hat die Form eines Balkens mit rechteckigem Querschnitt und ragt von dem Gewichtsabschnitt 21 hervor und über den Öffnungsabschnitt 15.
Die beweglichen Elektroden 24 sind dazu geeignet, in der Richtung parallel zu dem Substrat 10 und in der Richtung X verlagert zu werden, da die beweglichen Elektroden 24 einteilig mit dem Gewichtsabschnitt 21 und den Federabschnitten 22 ausgebildet sind.
Wie es in 2 gezeigt ist, sind die Ankerabschnitte 23a, 23b des beweglichen Abschnitts auf der Oxidschicht 13 an zwei gegenüberliegenden Seiten des Öffnungsabschnitts 15 befestigt. Ferner sind die festen Ab schnitte 30, 40 an weiteren gegenüberliegenden Seiten des Öffnungsabschnitts 15 an der Oxidschicht 13 befestigt. Die befestigten Abschnitte 30, 40 werden auf dem ersten Siliziumsubstrat 11 als dem Basissubstrat durch die Oxidschicht 13 gehalten bzw. gestützt.
Die festen Abschnitte 30 und 40 sind auf der linken bzw. der rechten Seite des Gewichtsabschnitts 21 angeordnet. Der feste Abschnitt 30 umfasst linke feste Elektroden 31 und einen Abschnitt 32 zur Verdrahtung der linken festen Elektroden 31. Der feste Abschnitt 40 umfasst rechte feste Elektroden 41 und einen Abschnitt 42 zur Verdrahtung der rechten festen Elektroden 41.
Die festen Elektroden 31, 41 sind so angeordnet, dass sie eine Kammform bilden, um so mit den beweglichen Elektroden 24 des beweglichen Abschnitts 20 in kämmenden Eingriff zu gelangen.
Insbesondere sind, wie es in 2 gezeigt ist, die linken festen Elektroden 31 jeweils in der X-Richtung oberhalb einer entsprechenden der beweglichen Elektroden 24 angeordnet. Im Gegensatz dazu sind die rechten festen Elektroden 41 jeweils in der X-Richtung unterhalb einer entsprechenden der beweglichen Elektroden 24 angeordnet.
Die festen Elektroden 31, 41 sind den beweglichen Elektroden 24 in der X-Richtung gegenüberliegend angeordnet. Somit sind die Erfassungsspalte zur Erfassung der Beschleunigung zwischen Seitenoberflächen der festen Elektroden 31, 41 und Seitenoberflächen der beweglichen Elektroden 24 gebildet.
Die festen Elektroden 31 sind gegenüber den festen Elektroden 41 elektrisch isoliert. Die festen Elektroden 31, 41 erstrecken sich jeweils im Wesentlichen parallel zu den beweglichen Elektroden 24 und haben jeweils die Form eines Balkens mit rechteckigem Querschnitt.
Die Abschnitte 32 und 42 zur Verdrahtung der festen Elektroden sind über die Oxidschicht 13 auf dem ersten Siliziumsubstrat 11 als dem Basissubstrat befestigt.
Die festen Elektroden 31 und 41 ragen von den Abschnitten 32 bzw. 42 zur Verdrahtung der festen Elektroden 31 bzw. 41 hervor und über den Öffnungsabschnitt 15. Mit anderen Worten, die festen Elektroden 31 und 41 sind Elektroden vom auskragenden Typ, die von den Abschnitten 32 bzw. 42 gestützt bzw. getragen werden.
Der Abschnitt 32 zur Verdrahtung der linken festen Elektrode 31 fasst jede der linken festen Elektroden 31 zusammen, so dass alle linken festen Elektroden 31 elektrisch miteinander verbunden sind. Entsprechend fasst der Abschnitt 42 zur Verdrahtung der rechten festen Elektroden 41 jede der rechten festen Elektroden 41 zusammen, so dass alle rechten festen Elektroden 41 elektrisch miteinander verbunden sind.
Die Abschnitte 32 und 42 zur Verdrahtung der festen Elektroden 31 bzw. 41 haben Elektrodenkontaktierungsabschnitte (englisch "pads") 30a bzw. 40a.
Ein Abschnitt 25 zur Verdrahtung der beweglichen Elektroden 24 mit einem Elektrodenkontaktierungsabschnitt 25a ist mit dem Ankerabschnitt 23b des beweglichen Abschnitts 20 einteilig verbunden. Die Elektrodenkontaktierungsabschnitte 25a, 30a und 40a werden zum Beispiel mittels Sputtern oder Abscheiden von Aluminium erzeugt.
Zusätzlich zu den Kontaktierungsabschnitten 25a, 30a und 40a umfasst das Substrat 10 verschiedene Kontaktie rungsabschnitte wie etwa einen Referenzpotential-Kontaktierungsabschnitt, um das Substrat 10 auf einem festen Potential zu halten.
Der Schaltungs-Chip 300 ist über die Klebeschicht 410 so mit dem Sensor-Chip 200 verbunden, dass er in Richtung des ersten Siliziumsubstrats 11 des Sensor-Chips 200 weist. Der Schaltungs-Chip 300 erfasst oder überprüft ein von dem Sensor-Chip 200 ausgegebenes Signal.
Der Schaltungs-Chip 300 kann hergestellt werden, indem ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOS-FET) auf einem Halbleitersubstrat wie etwa einem Siliziumsubstrat gebildet wird.
Die Klebeschicht 410 kann eine Harzschicht sein, die ein Thermokompressions-Bonden ermöglicht. Zum Beispiel kann ein Polyimidharzband als die Klebeschicht 410 verwendet werden.
Bonddrähte 500 verbinden den Schaltungs-Chip 300 mit den Kontaktierungsabschnitten 25a, 30a und 40a, die auf dem zweiten Siliziumsubstrat 12 des Sensor-Chips 200 angeordnet sind. Die Bonddrähte 500 sind zum Beispiel aus Gold oder Aluminium hergestellt und werden durch ein Drahtbondingverfahren angeordnet.
Der Schaltungs-Chip 300, der zu einer Einheit mit dem Sensor-Chip 200 verbunden ist, ist über die Harz-Klebe-Elemente 400 mit der Baugruppe 100 verbunden.
In dem Sensor S1 wird der Sensor-Chip 200 auf der Baugruppe 100 über den Schaltungs-Chip 300 getragen, der mittels des Klebe-Elements 400 mit der Baugruppe 100 verbunden ist. Mit anderen Worten, der Sensor-Chip 200 ist mit Hilfe des Klebe-Elements 400, das zwischen der Bau gruppe 100 und dem Schaltungs-Chip 300 angeordnet ist, mit der Baugruppe 100 verbunden.
Das Klebe-Element 400 kann zum Beispiel aus einem Verbindungsmaterial wie etwa Silikonharz, Epoxidharz, Acrylharz oder Polyimidharz hergestellt sein. Das Verbindungsmaterial wird ausgehärtet, um nach Anwenden eine feste Verbindung zwischen Objekten herzustellen. Die Klebemittelschicht 41 kann als das Klebe-Element 400 verwendet werden. In dieser Ausführungsform ist das Klebe-Element 400 aus Silikonharz hergestellt.
Das Klebe-Element 400 ist so angeordnet, dass das Substrat 10 eine erste Verwölbung WX aufweist, die kleiner als eine zweite Verwölbung WY ist, wenn eine thermische Spannung darin hervorgerufen wird. Hier ist die erste Verwölbung WX, die in der Richtung X auftrat und in 4 durch einen Pfeil AX gezeigt ist. Die zweite Verwölbung WY ist eine Verwölbung, die in der Y-Richtung auftrat und in 3 durch einen Pfeil AY gezeigt ist.
5 zeigt eine Anordnung des Klebe-Elements 400, das auf einer Oberfläche des Schaltungs-Chips 300 angeordnet ist. Der Schaltungs-Chip 300 und die Baugruppe 100 sind auf der Oberfläche miteinander verbunden.
Wie 5 zu entnehmen ist, sind die Klebe-Elemente 400 entlang einer Linie in der Y-Richtung so angeordnet, dass der mit dem Klebe-Elemente 400 überdeckte Bereich in der Y-Richtung größer als in der X-Richtung ist, d.h. eine Länge des überdeckten Bereichs in der Y-Richtung ist größer als in der X-Richtung.
Im Gegensatz dazu sind, wie es in 8 gezeigt ist, in dem herkömmlichen Sensor die Klebe-Elemente 400 in gleicher Weise in der X-Richtung und der Y-Richtung ange ordnet, so dass der von dem Klebe-Elemente 400 überdeckte Bereich in X-Richtung und Y-Richtung im Wesentlichen gleich groß ist, d.h. eine Länge des überdeckten Bereichs ist in der Y-Richtung ist im Wesentlichen gleich einer Länge des überdeckten Bereichs in der X-Richtung.
Wie es in 1 gezeigt ist, ist der Schaltungs-Chip 300 elektrisch mit den Verdrahtungselementen 110 der Baugruppe 100 über die Bonddrähte 500 verbunden. Somit sind die Baugruppe 100, der Sensor-Chip 200 und der Schaltungs-Chip 300 durch die Bonddrähte 500 miteinander verbunden.
Daher kann der Sensor-Chip 200 ein elektrisches Signal zu dem bzw. von dem Schaltungs-Chip 300 liefern bzw. empfangen. Der Schaltungs-Chip 300 verarbeitet das empfangene Signal und gibt das verarbeitete Signal über die Verdrahtungsabschnitte 110 der Baugruppe 100 an eine externe Schaltung aus.
Der Sensor S1 kann zum Beispiel wie folgt hergestellt werden.
Zuerst wird der Schaltungs-Chip 300 mit Hilfe der Klebe-Elemente 400 auf der Baugruppe 100 befestigt, und anschließend wird der Sensor-Chip 200 mit Hilfe der Klebemittelschicht 410 auf dem Schaltungs-Chip 300 befestigt.
Anschließend werden die Baugruppe 100, der Sensor-Chip 200 und der Schaltungs-Chip 300 durch den Bonddraht 500 mittels des Drahtbondingverfahrens verbunden.
Schließlich wird der Deckel 120 angebracht, um das Innere der Baugruppe 100 dicht zu verschließen.
Auf diese Weise wird der Beschleunigungssensor S1 hergestellt.
Nachstehend ist die Erfassungsoperation des Sensors S1 beschrieben.
Der Sensor S1 erfasst auf der Grundlage von Änderungen der Kapazitäten zwischen den beweglichen Elektroden 24 und den festen Elektroden 31, 41 eine Beschleunigung.
Wie es oben beschrieben ist, sind in dem Sensor S1 die festen Elektroden 31, 41 den beweglichen Elektroden 24 in der X-Richtung gegenüberliegend angeordnet, so dass die Erfassungsspalte zur Erfassung der Beschleunigung zwischen den Seitenoberflächen der festen Elektroden 31, 41 und den Seitenflächen der beweglichen Elektroden 24 gebildet sind.
Hier ist ein erster Erfassungsspalt DG1 zwischen den Seitenoberflächen der beweglichen Elektroden 24 und den linken festen Elektroden 31 gebildet. Ein zweiter Erfassungsspalt DG2 ist zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen der beweglichen Elektroden 24 und den rechten festen Elektroden 41 vorgesehen.
Der erste Erfassungsspalt DG1 liefert eine erste Kapazität CS1 zwischen den beweglichen Elektroden 24 und den linken festen Elektroden 31. Entsprechend liefert der zweite Erfassungsspalt DG2 eine zweite Kapazität CS2 zwischen den beweglichen Elektroden 24 und den rechten festen Elektroden 41.
In dem Sensor-Chip 200 wird, wenn er eine Beschleunigung in der Richtung parallel zu dem Substrat 10 und in der X-Richtung erfährt, aufgrund des Federabschnitts 22 der gesamte bewegliche Abschnitt 20, einschließlich der beweglichen Elektroden 24, als Ganzes in der X-Richtung verlagert. Die Kapazitäten CS1, CS2 ändern sich in Übereinstimmung mit der Verlagerung der beweglichen Elektroden 24.
Zum Beispiel wird, wenn der bewegliche Abschnitt 20 entlang der X-Richtung nach unten in 2 verlagert wird, der erste Erfassungsspalt DG1 verbreitert und der zweite Erfassungsspalt DS2 verschmälert. In diesem Fall nimmt die Kapazität CS1 zu und die Kapazität entsprechend CS2 ab, so dass die Kapazitätsdifferenz ES dazwischen erscheint. Die Kapazitätsdifferenz ES wird durch Subtraktion der Kapazität CS2 von der Kapazität CS1 bestimmt: ES = CS1 – CS2.
Die Beschleunigung kann auf der Grundlage der Kapazitätsdifferenz ES erfasst werden.
Der Sensor-Chip 200 liefert ein Signal, das ein Maß für die Kapazitätsdifferenz ES ist, an den Schaltungs-Chip 300. Das Signal wird nach der Verarbeitung durch den Schaltungs-Chip 300 über die Baugruppe 100 zu der externen Schaltung ausgegeben.
6 ist ein Schaltungsdiagramm einer Erfassungsschaltung 350 in dem Schaltungs-Chip 300.
Die Erfassungsschaltung 350 umfasst eine Kondensatorschalter (SC = "switched-capacitor")-Schaltung 351, die einen Kondensator 352 mit einer Kapazität Cf, einen Schalter 353 und eine Differentialverstärkerschaltung 354 umfasst. Die SC-Schaltung 351 wandelt die von dem Sensor-Chip 200 eingegebene Kapazitätsdifferenz ES in eine Spannung um.
In dem Sensor S1 werden eine erste Trägerwelle W1 und eine zweite Trägerwelle W2 von dem Kontaktierungsabschnitt 30a bzw. dem Kontaktierungsabschnitt 40a eingegeben. Die Trägerwellen W1, W2 haben die gleiche Amplitude Vcc und sind gegeneinander um 180 Grad phasenverschoben.
Der Schalter 353 wird zu vorbestimmten Zeitpunkten ein- und ausgeschaltet, so dass die Erfassungsschaltung 350 eine Spannung V0 ausgibt, die der Beschleunigung in X-Richtung entspricht. Die Spannung V0 ist durch folgende Gleichung gegeben:
Auf diese Weise erfasst der Sensor S1 eine Beschleunigung.
In dem herkömmlichen Sensor sind die Klebe-Elemente 400 gleichmäßig in den Richtungen X und Y angeordnet, wie es in 8 gezeigt ist.
Daher kann das Substrat 10 die erste Verwölbung WX aufweisen, die nahezu gleich der Verwölbung WY ist, wenn in dem Sensor-Chip 200 thermische Spannung auftreten.
Die erste Verwölbung WX bewirkt, dass der Ausgangswert des Sensor-Chips 200 eine Temperaturabhängigkeit aufweist. Somit verändert sich der Ausgangswert des Sensor-Chips 200 stark mit der Temperatur, wie es in 9 gezeigt ist.
Im Gegensatz dazu sind in dem Sensor S1 die Klebe-Elemente 400 derart angeordnet, dass bei dem Substrat 10 die erste Verwölbung WX kleiner als die zweite Verwölbung WY ist, wenn in dem Sensor-Chip 200 thermische Spannungen auftreten. Insbesondere sind die Klebe-Elemente 400 so angeordnet, dass der durch die Klebe-Elemente 400 überdeckte Bereich in der Y-Richtung größer als in der X-Richtung ist. Somit ist die erste Verwölbung WX stärker verringert als die zweite Verwölbung WY.
Die Verringerung der ersten Verwölbung WX verhindert, dass sich die Erfassungsspalte DS1 und DS2 mit der Temperatur ändern, so dass verhindert wird, dass der Ausgangswert des Sensorschips 200 mit der Temperatur variiert.
In dem Sensor S1 ist es leicht möglich, dass die zweite Verwölbung WY auftritt. Jedoch ändern sich, selbst wenn diese zweite Verwölbung WY auftritt, die Erfassungsspalte DS1 und DS2 nur wenig. Daher hat die zweite Verwölbung WY nur einen kleinen Einfluss auf den Ausgangswert des Sensor-Chips 200.
In 5 sind zwei kreisförmige Klebe-Elemente 400 entlang einer Linie in der Y-Richtung angeordnet. Die Anzahl, Form und Größe der Klebe-Elemente 400 kann variieren. Zum Beispiel können die Klebe-Elemente 400 ellipsenförmige sein, mit der Hauptachse in die Y-Richtung, oder rechteckig, mit den Längsseiten in Y-Richtung.
Durch einen solchen Ansatz können die Klebe-Elemente 400 eine solche Anordnung aufweisen, dass die Länge des überdeckten Bereichs in der Y-Richtung länger als in der X-Richtung ist, selbst wenn nur ein einziges Klebe-Element 400 vorgesehen ist.
Wenn die Klebe-Elemente 400 eine solche Anordnung besitzen, kann das Substrat 10 des Sensor-Chips 200 mit Hilfe der Klebe-Elemente 400 an Endabschnitten des Substrats 10 in der Y-Richtung mit der Baugruppe 100 verbunden sein. Im Gegensatz dazu kann das Substrat 10 des Sen sor-Chips 200 an Endabschnitten des Substrats 10 in der X-Richtung von der Baugruppe 100 gelöst sein, da es möglich ist, dort kein Klebe-Element 400 anzuordnen.
Somit werden thermische Spannungen der Baugruppe 100 kaum auf die Endabschnitte des Substrats 10 in der X-Richtung übertragen, so dass verhindert wird, dass sich das Substrat 10 in der X-Richtung verwölbt.
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat Temperaturabhängigkeiten des Sensors S1, in dem die Klebe-Elemente 400 wie es in 5 gezeigt ist angeordnet sind, untersucht.
7 zeigt ein Ergebnis der Untersuchung der Temperaturabhängigkeit des Sensors S1. Die horizontale Achse repräsentiert die Temperatur (°C), und die vertikale Achse repräsentiert den 0G-Ausgang (V). Der 0G-Ausgang ist ein von dem Sensor S1 zu dem Zeitpunkt, zu dem der Sensor S1 keine Beschleunigung in der X-Richtung erfährt, erzeugtes Ausgangssignal. Wenn sich der 0G-Ausgang in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, kann geschlussfolgert werden, dass der Ausgangswert des Sensors S1 eine Temperaturabhängigkeit aufweist.
Wie den 7 und 9 zu entnehmen ist, ist in dem Sensor S1 eine Veränderung des Ausgangswerts durch eine Temperaturänderung im Vergleich zu dem herkömmlichen Sensor stark verringert.
Ferner hat der Erfinder der vorliegenden Erfindung die in der Untersuchung der Temperaturabhängigkeit verwendeten Sensor-Chips 200 überprüft. Als Ergebnis der Untersuchung wurde gezeigt, dass die Verwölbung WX in dem Sensor-Chip 200 kaum auftrat.
In dem Sensor S1 wird der Sensor-Chip 200 über den Schaltungs-Chip 300 auf der Baugruppe 100 getragen, und die Klebe-Elemente 400 sind zwischen dem Schaltungs-Chip 300 und der Baugruppe 100 angeordnet. Der Sensor-Chip 200 und der Sensor-Chip 300 sind mit Hilfe der Klebeschicht 410 fest miteinander verbunden. Somit hängt der Verbindungszustand zwischen dem Sensor-Chip 200 und der Baugruppe 100 fast nur von der Anordnung der Klebe-Elemente 400 ab, die zwischen der Baugruppe 100 und dem Schaltungs-Chip 300 angeordnet sind.
Daher können alternativ der Sensor-Chip 200 und der Schaltungs-Chip 300 mit Hilfe des Klebe-Elements 400, das die in 5 gezeigte Anordnung aufweist, miteinander verbunden werden, und der Schaltungs-Chip 300 und die Baugruppe 100 können über die Klebeschicht 410 fest miteinander verbunden werden. Ferner kann in diesem Fall die Verwölbung WX in der X-Richtung stark verringert werden.
In dem Sensor S1 sind die beweglichen Elektroden 24 entlang der X-Richtung angeordnet, um die Kammzinkenform zu bilden. Die festen Elektroden 31, 41 sind in der Kammzinkenform angeordnet, und zwar so, dass sie mit den beweglichen Elektroden 24 in kämmendem Eingriff sind, wobei zwischen ihnen die Erfassungsspalte ausgebildet sind.
Die obige Ausführungsform kann auf verschiedene Weise modifiziert werden. Zum Beispiel kann der Sensor-Chip 200 über das Klebe-Element 400 ohne den Schaltungs-Chip 300 mit der Baugruppe 100 verbunden sein.
Die Anordnung der Klebe-Elemente 400 ist nicht auf die in 5 gezeigte Anordnung begrenzt, solange verhindert wird, dass das Substrat 10 in der X-Richtung verwölbt wird, in der der Sensor S1 die Beschleunigung erfasst, die er erfährt.
Die Elektroden 24, 31, 41 sind nicht auf den kammförmigen Elektrodentyp begrenzt.
Das Substrat 10 ist nicht auf das Substrat vom SOI-Typ begrenzt.
Die Baugruppe 100 ist nicht auf ein mehrschichtiges Keramiksubstrat begrenzt.
Ferner, obgleich die vorliegende Erfindung bezüglich der bevorzugten Ausführungsformen offenbart worden ist, um ein besseres Verständnis von diesen zu ermöglichen, sollte wahrgenommen werden, dass die Erfindung auf verschiedene Weisen verwirklicht werden kann, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Deshalb sollte die Erfindung derart verstanden werden, dass sie alle möglichen Ausführungsformen und Ausgestaltungen zu den gezeigten Ausführungsformen beinhaltet, die realisiert werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, wie er in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist.

Claims

Beschleunigungssensor mit: – einem Sensorchip (200), der ein Substrat (10), eine bewegliche Elektrode (24), die bezüglich des Substrats (10) gehalten wird, um in einer ersten Richtung (X), in der der Sensorchip (200) eine Beschleunigung erfährt, verlagerbar zu sein, und eine feste Elektrode (31, 41), die der beweglichen Elektrode (24) gegenüberliegt, wobei zwischen der festen Elektrode (31, 1) und der beweglichen Elektrode (24) ein Erfassungsspalt gebildet ist, umfasst; – einer Baugruppe (100) zum Halten des Sensorchips (200); und – einem Klebe-Element (400) zur Befestigung des Sensorchips (200) auf der Baugruppe (100), wobei das Klebe-Element (400) zwischen dem Sensorchip (200) und der Baugruppe (100) angeordnet ist, wobei – der Sensor die Beschleunigung auf der Grundlage des Erfassungsspaltes erfasst, der sich in Übereinstimmung mit der Verlagerung der beweglichen Elektrode (24) ändert; – das Substrat (10) des Sensorchips (200) eine erste Verwölbung in der ersten Richtung (X) und eine zweite Verwölbung in der zweiten Richtung (Y), die senkrecht zur ersten Richtung (X) ist, aufweist, wenn in dem Sensorchip (200) thermische Spannungen auftreten, und – das Klebe-Element (400) derart angeordnet ist, dass die erste Verwölbung kleiner als die zweite Verwölbung ist.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Klebe-Element (400) so angeordnet ist, dass eine Gesamtlänge eines von dem Klebe-Element (400) überdeckten Bereichs in der zweiten Richtung (Y) größer als in der ersten Richtung (X) ist.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner einen Schaltungschip (300) umfasst, der zwischen der Baugruppe (100) und dem Sensorchip (200) angeordnet ist, wobei das Klebe-Element (400) zwischen der Baugruppe (100) und dem Schaltungschip (300) angeordnet ist.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner einen Schaltungschip (300) umfasst, der zwischen der Baugruppe (100) und dem Sensorchip (200) angeordnet ist, wobei das Klebe-Element (400) zwischen dem Sensorchip (200) und dem Schaltungschip (300) angeordnet ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Elektrode (24) entlang der ersten Richtung (X) angeordnet ist und eine Kammform aufweist, und dass die feste Elektrode (31, 41) eine Kammform aufweist, die mit der Kammform der beweglichen Elektrode (24) in kämmendem Eingriff ist, wobei zwischen der festen Elektrode (31, 41) und der beweglichen Elektrode (24) der Erfassungsspalt gebildet ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Klebe-Element (400) ellipsenförmig ist, mit der Hauptachse in der zweiten Richtung (Y).
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Klebe-Element (400) rechtwinklig ist, mit der Längsachse in der zweiten Richtung (Y).
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Klebe-Element (400) eine Mehrzahl von Klebestücke (400) umfasst, die entlang einer Linie in der zweiten Richtung (Y) angeordnet sind.
Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebestücke (400) kreisförmig oder rechteckig sind.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Klebe-Element (400) aus Silikonharz, Epoxidharz, Acrylharz oder Polyimidharz gebildet ist.