DE112011103465T5 - Detektor für physikalische Größe - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Trägheitssensorvorrichtung geschaffen, die einen Detektionsteil mit einer MEMS-Struktur besitzt, wobei eine einfache Sensorinstallation sichergestellt ist, während ein fehlerhafter Betrieb, der durch die Einwirkung einer externen Vibration verursacht wird, kontrolliert wird. Um dieses Ziel zu erreichen, ist in der Trägheitssensorvorrichtung eine Vibrationsverhinderungsstruktur (103) zwischen einem Halbleiterchip (102), der an einem Gehäusesubstrat montiert ist, und einem Halbleiterchip (104), der einen Sensordetektionsteil enthält, vorgesehen. Die Vibrationsverhinderungsstruktur (103) besitzt einen Aufbau, bei dem der Umfang eines Vibrationsverhinderungsteils (103a) von einem Vibrationsverhinderungsteil (103b), der ein Material mit einem größeren Young-Modul enthält, umgeben ist.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Erfindung bezieht sich auf einen Trägheitssensor.
  • STAND DER TECHNIK
  • Im Allgemeinen umfasst der MEMS-Trägheitssensor, der in großem Umfang verwendet wird, ein Gewicht (bewegliches Element) und einen Tragausleger (elastisch verformbares Element). Ein Beschleunigungssensor ist die Vorrichtung, in der das Gewicht durch den Tragausleger getragen wird, der längs einer bestimmten geradlinigen Achse beweglich ist, die relativ zu dem Substrat definiert ist, auf dem ein solcher MEMS-Trägheitssensor gebildet ist, und in der die Verlagerung des Gewichts aufgrund der Beschleunigung, die auf das Substrat wirkt, mittels einer LSI-Schaltung in ein entsprechendes elektrisches Signal umgesetzt wird. Auf einem Substrat, auf dem ein MEMS-Trägheitssensor gebildet ist, wird ein Gewicht durch einen Tragausleger getragen, der sowohl längs einer ersten Achse als auch längs einer zweiten Achse, die zueinander senkrecht definiert sind, beweglich ist; das Substrat als Ganzes wird um eine dritte Achse senkrecht zu dem Substrat gedreht, während das Gewicht längs der ersten Achse mittels einer Vibrationserzeugungseinheit in Vibrationen versetzt wird; und daraufhin beginnt das Gewicht, das längs der ersten Achse vibriert, sich aufgrund der Corioliskraft, die durch die Drehkraft erzeugt wird, in Richtung der zweiten Achse zu bewegen. Der Winkelgeschwindigkeitssensor bildet die Einrichtung, die die Verlagerung des Gewichts mittels einer LSI-Schaltung in ein elektrisches Signal umsetzt.
  • Diese Trägheitssensoren haben das gemeinsame Merkmal, dass ein Gewicht als ein Erfassungselement des Sensors dient. Da dieses Gewicht ein mechanisches Element ist, kann es selbst dann verlagert werden, wenn eine Beschleunigung, die von einem zu messenden Signal verschieden ist, darauf ausgeübt wird. Eine solche unerwünschte Verlagerung des Gewichts kann durch die LSI-Schaltung in ein elektrisches Signal umgesetzt werden, so dass das resultierende elektrische Signal zu einem Rauschen wird, das die Messgenauigkeit des Trägheitssensors verschlechtert. In einem weiteren Fall, in dem ein solches elektrisches Signal eine Größe hat, die jenseits des messbaren Bereichs der LSI-Schaltung liegt, d. h. wenn die LSI-Schaltung sättigt, kann das elektrische Signal als Folge der Vermischung des zu detektierenden Signals mit dem gesättigten Signal eine Fehlfunktion des Trägheitssensors hervorrufen.
  • Um eine solche fehlerhafte Operation des Trägheitssensors aufgrund einer Beschleunigung, die von einem zu messenden Signal verschieden ist, und eine solche Fehlfunktion hiervon aufgrund eines fehlerhaften Ausgangs zu unterdrücken, genügt es, dass verhindert wird, das mechanische Ansprechen des Detektionselements auf eine von einem zu messenden Signal verschiedene Beschleunigung zu verhindern. Daher ist es wünschenswert, dass eine Vibrationsverhinderungsstruktur in der Weise gefertigt wird, dass zwischen den Trägheitssensor und das Substrat, auf dem der Trägheitssensor montiert ist, Vibrationsverhinderungsteile, um die Übertragung der von einem zu messenden Signal verschiedenen Beschleunigung an den Trägheitssensor über das Substrat, auf dem der Trägheitssensor montiert ist, zu verhindern, eingefügt werden.
  • Die Vibrationsdurchlässigkeit der Vibrationsverhinderungsstruktur ist durch Tr (%) der Formel (1) in 17 gegeben. Um daher den Wert der Vibrationsdurchlässigkeit Tr (%) der Vibrationsverhinderungsstruktur zu verringern, um die Übertragung einer von einem zu messenden Signal verschiedenen Beschleunigung an das Detektionselement des Trägheitssensors zu unterdrücken, ist es notwendig, die Eigenfrequenz der Vibration f(0) (Hz) der Vibrationsverhinderungsstruktur, die zwischen dem Trägheitssensor und dem Substrat, auf dem der Trägheitssensor montiert ist, vorgesehen ist, zu senken.
  • Es sei hier angemerkt, dass die Eigenfrequenz der Vibration f0 (Hz) durch die Formel (2) in 17 gegeben ist. Um daher die Eigenfrequenz der Vibration f0 (Hz) der Vibrationsverhinderungsstruktur in dem Sensor zu senken, in dem das Sensorsubstrat als ein erfassendes Element in dem Gehäuseelement einteilig montiert ist, wird hauptsächlich in Betracht gezogen, die Masse m (kg) der Vibrationsverhinderungsstruktur als Ganzes zu erhöhen. In dem Sensor, in dem das Sensorsubstrat als ein Erfassungselement einteilig an dem Gehäuseelement montiert ist, besteht jedoch eine räumliche Beschränkung innerhalb des Gehäuseelements, wobei die Erhöhung der Abmessungen des das Erfassungselement des Sensors bildenden Substrats zu einer Zunahme der Abmessungen des Sensors als Ganzes beiträgt. Dies ist vom Standpunkt der Herstellungskosten oder der Verwendbarkeit des Sensors nicht wünschenswert. Falls ferner das Material des Substrats, das als das Detektionselement des Sensors dient, durch ein anderes Material mit einer höheren Dichte ersetzt wird, muss der Prozess der Herstellung des Sensors geändert werden. Dies ist nicht wünschenswert, da die für die Entwicklung erforderliche Zeit verlängert wird, was eine Kostenzunahme bewirkt. Es ist daher schwierig, das Verfahren des Erhöhens der Masse der Vibrationsverhinderungsstruktur zu verwenden.
  • Es kann ein alternatives Verfahren betrachtet werden, das den Elastizitätsmodul k (N/m) der Vibrationsverhinderungsstruktur erniedrigt, so dass die Eigenfrequenz der Vibration f0 (Hz) der Vibrationsverhinderungsstruktur, die durch die Formel (2) gegeben ist, in dem Sensor gesenkt werden kann, wobei das Sensorsubstrat als ein Erfassungselement an dem Gehäuseelement einteilig montiert ist. Bezüglich dieses Verfahrens sind die folgenden Techniken vorgeschlagen worden.
  • ENTGEGENHALTUNGSLISTE
  • PATENTLITERATUR
    • Patentliteratur 1: JP-A-2003-028644
    • Patentliteratur 2: JP-A-2005-331258
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • TECHNISCHES PROBLEM
  • Die Patentliteratur 1 schlägt ein Verfahren vor, gemäß dem die Struktur, bei der die Winkelgeschwindigkeitsdetektionseinheit an dem Gehäuseelement mit einem Klebstoffmittel mit einem niedrigen Young-Modul, das zwischen sie eingefügt ist, montiert ist, so ausgebildet ist, dass die Verschlechterung der Detektionsgenauigkeit aufgrund der Einwirkung einer externen Beschleunigung verhindert werden kann. Die Patentliteratur 2 schlägt ein Verfahren vor, gemäß dem die Struktur, bei der die Winkelgeschwindigkeitsdetektionseinheit an dem Gehäuseelement mit einem Klebstofffilm, der zwischen sie eingefügt ist montiert ist, so ausgebildet ist, dass die Eigenfrequenz der Struktur durch Einstellen der Form oder des Elastizitätsmoduls des Klebstofffilms gesenkt wird und die Verschlechterung der Detektionsgenauigkeit aufgrund der Einwirkung einer äußeren Beschleunigung verhindert werden kann.
  • In dem Versuch, die Eigenfrequenz der Vibrationsverhinderungsstruktur, bei der die Erfassungseinheit des Sensors an dem Gehäuseelement montiert ist, wobei das Klebstoffmittel mit einem niedrigen Young-Modul zwischen sie eingefügt ist, zu senken, ist jedoch die Viskosität vor dem Härten umso geringer, je kleiner der Young-Modul ist. Als Folge fließt das Klebstoffmittel aufgrund seiner geringen Viskosität von dem gewünschten Ort weg. Dies gibt Anlass zu dem Problem, dass auf einen gewünschten Ort nicht die richtige Klebstoffmenge aufgebracht werden kann.
  • Falls ferner die Vibrationsverhinderungsstruktur, bei der die Detektionseinheit des Sensors an dem Gehäuseelement unter Einfügung des Klebstoffmittels mit einem niedrigen Young-Modul zwischen ihnen montiert ist, verwendet wird, wenn das Sensorsubstrat mit der LSI-Schaltungskarte unter Verwendung eines Drahtbondprozesses elektrisch verbunden wird, nachdem das Sensorsubstrat an dem Gehäuseelement montiert worden ist, wird die Vibrationsübertragung, die für das Drahtbonden notwendig ist, zwischen dem Sensorsubstrat und dem Gehäuseelement unmöglich, was zu einem Fehler bei der Herstellung der elektrischen Verbindung führt. Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass das Drahtbonden die Technik des Verbindens von zwei Metallteilen durch Anwenden einer Ultraschallvibration im Bereich von etwa 60 kHz–100 kHz auf die Metallteile, damit sie elektrisch verbunden werden, während Wärme und Druck auf die verbundenen Flecke des Verdrahtungsmetalls und der Metallanschlussfläche des Sensorsubstrats ausgeübt werden, ist.
  • Ferner steht in dem Fall, in dem die Vibrationsverhinderungsstruktur, bei der die Detektionseinheit des Sensors an dem Gehäuseelement durch Einfügen des Klebstofffilms zwischen ihnen gebildet ist, so dass die Eigenfrequenz der Struktur durch Einstellen der Form oder des Elastizitätsmoduls des Films gesenkt werden kann, dann, wenn die Form zu klein ist, der Bereich, der für die automatische Übertragung des Films notwendig ist, nicht zur Verfügung, was zu dem Problem führt, das die Brauchbarkeit der Montage verschlechtert wird. Darüber hinaus wird es in dem Fall, in dem ein Film mit niedrigem Elastizitätsmodul verwendet wird, unmöglich, den Film automatisch zu übertragen, wenn seine Form unverändert gehalten wird. Dies führt ebenfalls zu einem Problem, dass die Einfachheit der Montage verschlechtert wird.
  • Die Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Technik zu schaffen, die durch Senken der Eigenfrequenz der Vibrationsverhinderungsstruktur die Übertragung einer von einem zu messenden Signal verschiedenen beschleunigenden Vibration an die Detektionseinheit des Trägheitssensors, die andernfalls die Verschlechterung der Sensorgenauigkeit und die Fehlfunktion des Sensors aufgrund fehlerhafter Ausgaben verursachen würde, unterdrücken kann und die dennoch eine einfache Montage aufrechterhalten kann.
  • LÖSUNG FÜR DAS PROBLEM
  • Bei einer Lösung für das Problem handelt es sich gemäß dieser Erfindung in einem in dieser Beschreibung beschriebenen typischen Beispiel um einen Trägheitssensor, der umfasst: ein Gehäuseelement; einen ersten Halbleiterchip mit einem Substrat und einer Sensordetektionseinheit, die Gewichte, die relativ zu dem Substrat verlagerbar sind und Detektionselektroden, um die Verlagerungen der Gewichte in elektrische Signale umzusetzen, enthält, wobei die Detektionseinheit des Sensors an dem Substrat montiert ist; einen zweiten Halbleiterchip, der an dem Gehäuseelement montiert ist, um arithmetische Operationen an den elektrischen Signalen auszuführen; und eine Vibrationsverhinderungsstruktur mit einem ersten Vibrationsverhinderungsteil und einem zweiten Vibrationsverhinderungsteil, der aus einem Material mit einem größeren Young-Modul als der erste Vibrationsverhinderungsteil hergestellt ist, wobei die Vibrationsverhinderungsstruktur zwischen dem ersten Halbleiterchip und dem zweiten Halbleiterchip angeordnet ist, wobei der Umfang des ersten Vibrationsverhinderungsteils von dem zweiten Vibrationsverhinderungsteil oder von der Kombination aus dem zweiten Vibrationsverhinderungsteil und dem Verpackungselement umgeben ist.
  • Bei einer Lösung für das Problem handelt es sich gemäß dieser Erfindung in einem weiteren in dieser Beschreibung beschriebenen typischen Beispiel um einen Trägheitssensor, der umfasst: ein Gehäuseelement; einen ersten Halbleiterchip mit einem Substrat, einer ersten Sensoreinheit, die auf dem Substrat gebildet ist, um ein erstes elektrisches Signal auszugeben, und einer zweiten Sensoreinheit, die auf dem Substrat gebildet ist, um ein zweites elektrisches Signal auszugeben; einen zweiten Halbleiterchip, der eine Rechenschaltung enthält, um an dem ersten elektrischen Signal und an dem zweiten elektrischen Signal arithmetische Operationen auszuführen; und eine Vibrationsverhinderungsstruktur, die zwischen dem ersten und dem zweiten Halbleiterchip angeordnet ist und einen ersten Vibrationsverhinderungsteil und einen zweiten Vibrationsverhinderungsteil, der einen größeren Young-Modul als der erste Vibrationsverhinderungsteil besitzt, enthält, wobei die erste Sensoreinheit enthält: ein erstes Gewicht, das in einer ersten Richtung parallel zu der Oberfläche des Substrats vibrieren kann; und eine erste Detektionselektrode, um die Verlagerung des ersten Gewichts in einer zweiten Richtung in ein erstes elektrisches Signal umzusetzen, wenn das Substrat um eine dritte Richtung längs einer Achse senkrecht zu der Oberfläche des Substrats gedreht wird, wobei die zweite Richtung zu der Oberfläche des Substrats parallel und zu der ersten Richtung senkrecht ist; wobei die zweite Sensoreinheit enthält: ein zweites Gewicht, das in der ersten Richtung vibrieren kann; und eine zweite Detektionselektrode, um die Verlagerung des zweiten Gewichts in der ersten Richtung in ein zweites elektrisches Signal umzusetzen, wenn eine Beschleunigung in der ersten Richtung wirkt; wobei der Umfang des ersten Vibrationsverhinderungsteils von dem zweiten Vibrationsverhinderungsteil oder der Kombination aus dem zweiten Vibrationsverhinderungsteil und dem Gehäusesubstrat umgeben ist; und wobei die Struktur, die den ersten Vibrationsverhinderungsteil und den zweiten Vibrationsverhinderungsteil enthält, derart ist, dass die Eigenfrequenz in der ersten Richtung oder die Eigenfrequenz in der zweiten Richtung im ersten Sensor und im zweiten Sensor unterschiedlich ist.
  • VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung ermöglicht die Verbesserung der Genauigkeit und die Einfachheit der Montage eines Trägheitssensors.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt im Querschnitt die Struktur eines Winkelgeschwindigkeitssensors in seinem montierten Zustand gemäß einer ersten Ausführungsform dieser Erfindung;
  • 2 zeigt in der Draufsicht die Struktur eines Winkelgeschwindigkeitssensors in seinem montierten Zustand gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung;
  • 3 zeigt im Querschnitt den Detektionschip eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung;
  • 4 zeigt in der Draufsicht den Detektionschip eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung;
  • 5 zeigt in der Draufsicht die Struktur des Winkelgeschwindigkeitssensors in seinem montierten Zustand gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung;
  • 6 zeigt die Vibrationsdurchlässigkeit in der Vibrationsverhinderungsstruktur eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung;
  • 7 zeigt in einer weiteren Draufsicht die Struktur eines Winkelgeschwindigkeitssensors in seinem montierten Zustand gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung;
  • 8 zeigt im Querschnitt die Struktur eines kombinierten Sensors in seinem montierten Zustand gemäß einer zweiten Ausführungsform dieser Erfindung;
  • 9 zeigt in der Draufsicht die Struktur eines kombinierten Sensors in seinem montierten Zustand gemäß der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung;
  • 10 zeigt im Querschnitt den Detektionschip des kombinierten Sensors gemäß der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung;
  • 11 zeigt in der Draufsicht den Detektionschip des kombinierten Sensors gemäß der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung;
  • 12 zeigt in der Draufsicht die Struktur eines kombinierten Sensors in seinem montierten Zustand gemäß der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung;
  • 13 zeigt in der Draufsicht die Struktur eines kombinierten Sensors in seinem montierten Zustand gemäß der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung;
  • 14 zeigt die Frequenzantwort in Bezug auf die Detektionseinheit des kombinierten Sensors gemäß der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung;
  • 15 zeigt die Vibrationsdurchlässigkeit in dem kombinierten Sensor gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung;
  • 16 zeigt in der Draufsicht die Struktur eines kombinierten Sensors in seinem montierten Zustand gemäß der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung; und
  • 17 gibt die Formeln für die Vibrationsdurchlässigkeit und die Eigenfrequenz an.
  • BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • AUSFÜHRUNGSFORM 1
  • Im Folgenden wird mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen die erste Ausführungsform dieser Erfindung eines beispielhaften Trägheitssensors, der als ein Winkelgeschwindigkeitssensor verwendet wird, beschrieben.
  • 1 zeigt im Querschnitt die Struktur eines Winkelgeschwindigkeitssensors 100 in seinem montierten Zustand gemäß einer ersten Ausführungsform dieser Erfindung.
  • Wie in 1 gezeigt ist, ist ein Halbleiterchip 102 auf dem Boden des vertieften Bereichs eines Gehäuseelements 101 montiert. Das Gehäuseelement 101 ist beispielsweise aus Keramik herstellt. In dem Halbleiterchip 102 sind Transistoren und integrierte Schaltungen, die passive Elemente besitzen, gebildet. Die in dem Halbleiterchip 102 gebildete integrierte Schaltung hat die Funktion des Verarbeitens des Ausgangssignals der Detektionseinheit des Winkelgeschwindigkeitssensors, um schließlich ein Winkelgeschwindigkeitssignal auszugeben.
  • Auf dem Halbleiterchip 102 ist ein Halbleiterchip 104 montiert, wobei dazwischen eine Vibrationsverhinderungsstruktur mit einem Vibrationsverhinderungsteil 103a und einem Vibrationsverhinderungsteil 103b eingefügt ist. Der Vibrationsverhinderungsteil 103a, der als ein den Vibrationsverhinderungsteil 103b umgebender Rahmen gebildet ist, ist beispielsweise aus einer Silikongummilage hergestellt. Dieser Teil des Vibrationsverhinderungsteils 103b, der von dem Vibrationsverhinderungsteil 130a umgeben ist und mit dem Halbleiterchip 104 in Kontakt ist, ist aus einer Flüssigkeit mit hoher Fluidität oder aus ihrer gehärteten Version, beispielsweise ein Silikonklebstoffmittel oder ein Siliciumgel, hergestellt. Es sei angemerkt, dass, da der Vibrationsverhinderungsteil 103a als ein Rahmen für den Einschluss des Materials 103b mit hoher Fluidität dient, das Material des Vibrationsverhinderungsteils 103a einen größeren Young-Modul als der Vibrationsverhinderungsteil 103b besitzt. Der Vibrationsverhinderungsteil 103b mit hoher Fluidität ist in den Rahmen des Vibrationsverhinderungsteils 103a übermäßig gefüllt und dringt in den dünnen Spalt zwischen dem Vibrationsverhinderungsteil 103a und dem Halbleiterchip 104 aufgrund der Oberflächenspannung des Vibrationsverhinderungsteils 103b ein. Eine MEMS-Struktur für die Bildung eines Winkelgeschwindigkeitssensors ist auf dem Halbleiterchip 104 gebildet. Eine Anschlussfläche 110, die auf dem Halbleiterchip 104 gebildet ist, ist mit einer Anschlussfläche 105a, die auf dem Halbleiterchip 102 gebildet ist, beispielsweise über einen Metalldraht 106a verbunden. Ferner ist die auf dem Halbleiterchip 102 gebildete Anschlussfläche 105b mit einem Anschluss 107, der an dem Gehäuseelement 101 gebildet ist, über einen Metalldraht 106b verbunden und außerdem mit einem Anschluss 108, der sich außerhalb des Gehäuseelements 101 erstreckt, über eine interne Verdrahtung innerhalb des Gehäuseelements 101 verbunden. Nochmals ferner sind die Halbleiterchips 102 und 104, die in dem Gehäuseelement 101 aneinander haften, in dem Gehäuseelement 101 durch hermetisches Abdecken des oberen Abschnitts des Gehäuseelements 101 mit einem Deckel 109 hermetisch abgedichtet.
  • 2 zeigt in der Draufsicht die Struktur des Winkelgeschwindigkeitssensors in seinem montierten Zustand gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung. Der Querschnitt längs der Strichlinie A-A in 2 entspricht 1. Der Deckel für die hermetische Abdichtung des Gehäuseelements ist in 2 nicht gezeigt.
  • Auf dem Boden des hohlen Verpackungselements 101 ist der Halbleiterchip 102 montiert, auf dem der Halbleiterchip 104 so montiert ist, dass die Vibrationsverhinderungsteile 103a und 103b zwischen die Halbleiter 102 und 104 eingefügt sind. Der Vibrationsverhinderungsteil 103a, der als ein Rahmen gebildet ist, der den Vibrationsverhinderungsteil 103b umgibt, ist beispielsweise aus einer Silikongummilage hergestellt. Dieser Teil des vibrationssicheren Materials 103b, der von dem Vibrationsverhinderungsteil 103a umgeben ist und mit dem Halbleiterchip 104 in Kontakt ist, ist aus einer Flüssigkeit mit einer hohen Fluidität oder aus ihrer gehärteten Version hergestellt, beispielsweise einem Silikonklebstoffmittel oder Siliciumgel. Es sei angemerkt, dass, da der Vibrationsverhinderungsteil 103a als ein Rahmen dient, um das Material 103b mit hoher Fluidität zu umschließen, das Material für den Vibrationsverhinderungsteil 103a einen höheren Young-Modul besitzt als der Vibrationsverhinderungsteil 103b. Die MEMS-Struktur zum Detektieren der Winkelgeschwindigkeit ist auf dem Halbleiterchip 104 gebildet.
  • Die Anschlussfläche 110, die auf dem Halbleiterchip 104 gebildet ist, ist mit der Anschlussfläche 105a, die auf dem Halbleiterchip 102 gebildet ist, über den Metalldraht 106a verbunden. Ferner ist die Anschlussfläche 105a, die auf dem Halbleiterchip 102 gebildet ist, mit dem Anschluss 107, der an dem Gehäuseelement 101 gebildet ist, über den Metalldraht 106b verbunden und außerdem mit dem Anschluss 108, der sich außerhalb des Gehäuseelements 101 erstreckt, über die interne Verdrahtung verbunden. Ferner sind die Halbleiterchips 102 und 104, die in dem Gehäuseelement 101 aneinander haften, in dem Gehäuseelement 101 durch hermetisches Abdecken des oberen Abschnitts des Gehäuseelements 101 mit dem (nicht gezeigten) Deckel 109 hermetisch abgedichtet.
  • Die Formen des Vibrationsverhinderungsteils 103a und des Vibrationsverhinderungsteils 103b, die auf dem Halbleiterchips 102 gebildet sind, sind als ein Kasten gezeigt, der in 2 oder in 3 durch eine Strichpunktlinie dargestellt ist. Was die Anschlussfläche 110 auf dem Halbleiterchip 104 betrifft, so erstreckt sich der Rahmen des Vibrationsverhinderungsteils 103a senkrecht zu der Oberfläche der Zeichnungen. Es sei angemerkt, dass, da der Vibrationsverhinderungsteil 103a als ein Rahmen für den Einschluss des Materials 103b mit hoher Fluidität dient, das Material des Vibrationsverhinderungsteils 103a einen größeren Young-Modul als der Vibrationsverhinderungsteil 103b hat. Wenn in dieser Struktur ein Drahtbondprozess für die elektrische Verbindung ausgeführt wird, nachdem die Halbleiterchips 102 und 104 an dem Gehäuseelement 101 montiert worden sind, kann die Übertragung von Vibrationen, die für das Drahtbonden notwendig ist, in der Richtung senkrecht zu der Oberfläche der Zeichnung sichergestellt werden.
  • 3 zeigt im Querschnitt die Einzelheiten des Halbleiterchips 104, auf dem die MEMS-Struktur des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung gebildet ist, wobei die MEMS-Struktur dazu dient, die Winkelgeschwindigkeit zu detektieren. In dem Halbleiterchip 104 sind der bewegliche Teil 204 und der feste Teil 205 der MEMS-Struktur auf einem SOI-Substrat gebildet, das mit einem Tragrahmen 201, einem isolierenden Oxidfilm 202 und einer aktivierten Siliciumschicht 203 unter Verwendung von Techniken wie etwa der Photolithographie und DRIE (tiefe reaktive Ionenätzung) konstruiert ist. Der bewegliche Teil 204 und der feste Teil 205 der MEMS-Struktur sind durch eine Glaskappe 209 geschützt, die mit der aktivierten Siliciumschicht 203 unter Verwendung einer Technik wie etwa einem anodischen Übergang oder einem Oberflächenaktivierungsübergang verbunden ist. Ferner sind der bewegliche Teil 204 und der feste Teil 205 der MEMS-Struktur mit einer Anschlussfläche 208, die auf der hinteren Oberfläche des Tragsubstrats 201 gebildet ist, über ein Eindringelektrodenmaterial 206, das in das Tragsubstrat 201 eindringt, elektrisch verbunden und ferner über einen Bonddraht mit einer integrierten Schaltung verbunden, die die Funktion des Verarbeitens des Ausgangs der Detektionseinheit des Winkelgeschwindigkeitssensors hat.
  • 4 zeigt in der Draufsicht die Einzelheiten des Halbleiterchips 104, auf dem die MEMS-Struktur zum Detektieren der Winkelgeschwindigkeit des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung montiert ist. In diesem Fall bedeutet Draufsicht eine Ansicht der MEMS-Struktur von der Seite der Glaskappe 209 in 3. Außerdem entspricht der Querschnitt längs der unterbrochenen Linie der Linie B-B 3.
  • Ein Hohlraum 222 ist von dem Rahmenelement 221 umgeben und ein fester Teil 223 ist in dem Hohlraum 223 gebildet. Ein Ausleger (elastisch verformbares Element) 224 ist mit dem festen Teil 223 mechanisch gekoppelt. Der Ausleger 224 ist mit zwei beweglichen Teilen 225 und 226 mechanisch gekoppelt, die als vibrierende Elemente dienen, die die Gewichte des Winkelgeschwindigkeitssensors bilden. Tatsächlich sind die beweglichen Teile 225 und 226, die zwei vibrierende Elemente sind, mit dem festen Teil 223 mittels des elastisch verformbaren Auslegers 224 gekoppelt, so dass die beweglichen Teile 225 und 226, die die vibrierende Elemente bilden, in der in 4 gezeigten x-Richtung verlagert werden können. Außerdem sind die beweglichen Teile 225 und 226, die die vibrierenden Elemente bilden, mittels eines Verbindungsauslegers 227 miteinander gekoppelt, so dass sie ihre jeweiligen Vibrationsenergien gemeinsam nutzen können, um ein Abstimmgabel-Vibrationssystem zu bilden.
  • Bewegliche Ansteuerungselektroden 228a sind einteilig mit den beweglichen Teilen 225 und 226, die die vibrierenden Elemente bilden, ausgebildet, außerdem sind die festen Ansteuerungselektroden 228b und 228c gegenüber den beweglichen Ansteuerungselektroden 228a angeordnet. Ein periodisches Ansteuerungssignal, das durch Vcom + Vb + Vd repräsentiert wird, wird zwischen die beweglichen Ansteuerungselektroden 228a und die festen Ansteuerungselektroden 228b, die einander gegenüber angeordnet sind, um kapazitive Elemente zu bilden, angelegt; eine periodische Ansteuerungsspannung, die durch Vcom + Vb – Vd repräsentiert wird, wird zwischen den beweglichen Ansteuerungselektroden 228a und den festen Ansteuerungselektroden 228c angelegt; und eine Spannung Vcom wird an die beweglichen Teile 225 und 226, die die vibrierenden Elemente bilden, angelegt. Da folglich zwischen den beweglichen Ansteuerungselektroden 228a und den festen Ansteuerungselektroden 228b sowie zwischen den beweglichen Ansteuerungselektroden 228a und den festen Ansteuerungselektroden 228c elektrostatische Kräfte erzeugt werden, werden die beweglichen Ansteuerungselektroden 228a in Vibrationen versetzt. Wenn die beweglichen Ansteuerungselektroden 228a in Richtung der x-Achse vibrieren, vibrieren die beweglichen Teile 225 und 226, die einteilig mit den beweglichen Ansteuerungselektroden 228a ausgebildet sind und als die vibrierenden Elemente dienen, mit entgegengesetzten Phasen. Das bedeutet, dass die kapazitiven Elemente, die aus den beweglichen Ansteuerungselektroden 228a und aus den festen Ansteuerungselektroden 228b oder aus den beweglichen Ansteuerungselektroden 228a und aus den festen Ansteuerungselektroden 228c herstellt sind, als Einheiten für die Erzeugung erzwungener Vibrationen dienen, die die beweglichen Teile 225 und 226, die als vibrierende Elemente dienen, dazu veranlassen, mit entgegengesetzten Phasen in Richtung der x-Achse erzwungen zu vibrieren.
  • Bewegliche Ansteuerungsamplitudenüberwachungselektroden 229a sind einteilig mit den beweglichen Teilen 225 und 226, die als vibrierende Elemente dienen, ausgebildet, ferner sind feste Ansteuerungsamplitudenüberwachungselektroden 229b und 229c gegenüber den beweglichen Ansteuerungsamplitudenüberwachungselektroden 229a ausgebildet. Die Kombination aus den beweglichen Ansteuerungsamplitudenüberwachungselektroden 229a und den festen Ansteuerungsamplitudenüberwachungselektroden 229b sowie die Kombination aus den beweglichen Ansteuerungsamplitudenüberwachungselektroden 229a und den festen Ansteuerungsamplitudenüberwachungselektroden 229c bilden jeweilige kapazitive Elemente. Wenn die beweglichen Teile 225 und 226, die als vibrierende Elemente dienen, in Richtung. der x-Achse aufgrund elektrostatischer Kräfte, die zwischen den beweglichen Ansteuerungselektroden 228a und den festen Ansteuerungselektroden 228b sowie zwischen den beweglichen Ansteuerungselektroden 228a und den festen Ansteuerungselektroden 228c wirken, verlagert werden, werden die Kapazitäten der kapazitiven Elemente geändert. Tatsächlich arbeiten die kapazitiven Elemente, die aus den beweglichen Ansteuerungsamplitudenüberwachungselektroden 229a und den festen Ansteuerungsamplitudenüberwachungselektroden 229b und aus den beweglichen Ansteuerungsamplitudenüberwachungselektroden 229a und den festen Ansteuerungsamplitudenüberwachungselektroden 229c konstruiert sind, als Kapazitätsdetektionseinheiten, um die Verlagerung in der x-Richtung der beweglichen Teile 225 und 226, die als vibrierende Elemente dienen, als Änderungen der Kapazität zu detektieren.
  • Die beweglichen Teile 225 und 226, die als vibrierende Elemente dienen, sind über Ausleger 230 mit beweglichen Teilen 232 und 233, die als jeweilige Detektionselemente dienen, gekoppelt. Bewegliche Winkelgeschwindigkeitsdetektionselektroden 234a sind einteilig mit den beweglichen Teilen 232 und 233, die als Detektionselemente dienen, ausgebildet, ferner sind feste Winkelgeschwindigkeitsdetektionselektroden 234b gegenüber den beweglichen Winkelgeschwindigkeitsdetektionselektroden 234a ausgebildet. Diese beweglichen Winkelgeschwindigkeitsdetektionselektroden 234a und diese festen Winkelgeschwindigkeitsdetektionselektroden 234b bilden kapazitive Elemente. Wenn das Substrat als Ganzes um die z-Achse senkrecht zu dem Substrat gedreht wird, bewirkt die Corioliskraft, deren Größe von der erzeugten Drehkraft abhängt, dass die beweglichen Teile 232 und 233, die als Detektionselemente dienen, in der y-Richtung verlagert werden, so dass sich die Kapazitäten der oben erwähnten kapazitiven Elemente entsprechend andern. Tatsächlich dienen die kapazitiven Elemente, die aus den beweglichen Winkelgeschwindigkeitsdetektionselektroden 234a und aus den festen Winkelgeschwindigkeitsdetektionselektroden 234b gebildet sind, als Kapazitätsdetektionseinheiten, um die Verlagerung in der y-Richtung der beweglichen Teile 232 und 233, die als Detektionselemente dienen, als Kapazitätsänderung zu detektieren.
  • Die Kapazitätsänderungen, die in den jeweiligen Elektrodenpaaren auftreten, werden an die hintere Oberfläche des Halbleiterchips 104 durch Eindringelektroden 228d, 228e, 229d, 229e, 231 und 234c elektrisch übertragen und ferner über Bonddrähte an die integrierte Schaltung übertragen, die die Funktion des Verarbeitens des Ausgangs der Winkelgeschwindigkeitsdetektionseinheit hat.
  • Es sei hier angemerkt, dass, obwohl hier angenommen wurde, dass der Halbleiterchip 104 unter Verwendung eines SOI-Substrats und von Techniken wie etwa der Photolithographie und DRIE (tiefe reaktive Ionenätzung) hergestellt wird, der Halbleiterchip 104 auch durch irgendeinen Volumen-MEMS-Prozess hergestellt sein kann, der eine MEMS-Struktur durch Bearbeiten beider Seiten eines Siliciumsubstrats unter Verwendung von Techniken zum Verbinden von Glas und Silicium und daher unter Herstellung eines Glas/Silicium/Glas-Übergangs, bildet. Ferner kann der Halbleiterchip 104 ebenso durch den Oberflächen-MEMS-Prozess hergestellt werden, der eine MEMS-Struktur durch Ablagern dünner Filme auf der Oberfläche eines Siliciumsubstrats, auf dem vorher Signalverarbeitungsschaltungen wie etwa Transistoren gebildet worden sind, und durch wiederholtes Bemustern der abgelagerten dünnen Filme bildet.
  • Auf diese Weise ist die Montage des Winkelgeschwindigkeitssensors als eines Trägheitssensors gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung auf dem Siliciumsubstrat abgeschlossen.
  • Was den Winkelgeschwindigkeitssensor als Trägheitssensor gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung betrifft, so bewirkt dann, wenn das Substrat als Ganzes um die dritte Achse senkrecht zu dem Substrat in Bezug auf den Halbleiterchip gedreht wird, auf dem die Winkelgeschwindigkeitsdetektionseinheit in Form der MEMS-Struktur gebildet ist, die Corioliskraft, deren Größe von der erzeugten Drehkraft abhängt, dass das Gewicht in der Richtung der ersten Achse (d. h. in der x-Richtung in 2) vibriert und in Richtung der zweiten Achse (d. h. in der y-Achse in 2) verlagert wird. Die Verlagerung des Gewichts wird als ein elektrisches Signal an den Halbleiterchip 102 übertragen, das übertragene Signal wird durch die in dem Halbleiterchip 102 gebildete integrierte Schaltung verarbeitet und schließlich wird das Winkelgeschwindigkeitssignal ausgeben.
  • In dem oben beschriebenen Winkelgeschwindigkeitssensor wird außer in dem Fall, in dem eine Drehkraft auf den Halbleiterchip 104 ausgeübt wird, auf dem die Winkelgeschwindigkeitsdetektionseinheit in Form der MEMS-Struktur gebildet ist, und selbst dann, wenn die Beschleunigung in Richtung der zweiten Achse (d. h. in der y-Richtung in 2) ausgeübt wird, das Gewicht, das in Richtung der ersten Achse (d. h. in der x-Richtung in 2) aufgrund der Beschleunigung vibriert, zu einer Verlagerung in Richtung der zweiten Achse (d. h. in der y-Richtung in 2) veranlasst. Dann wird die Verlagerung des Gewichts als ein elektrisches Signal an den Halbleiterchip 102 übertragen und wird das übertragene Signal durch die integrierte Schaltung, die in dem Halbleiterchip 102 gebildet ist, verarbeitet. Das heißt, selbst wenn das Sensorsubstrat als Ganzes nicht um die dritte Achse senkrecht zu dem Substrat gedreht wird, detektiert der Winkelgeschwindigkeitssensor die Verlagerung des Gewichts, die durch die Beschleunigung verursacht wird, falls in Richtung der zweiten Achse (d. h. in der y-Richtung in 2) irgendeine Beschleunigung einwirkt. Wenn die Beschleunigung in Richtung der zweiten Achse (d. h. in der y-Richtung in 2) in Bezug auf das Substrat des Winkelgeschwindigkeitssensors einwirkt, ist die Verlagerung des Gewichts, die durch die Beschleunigung verursacht wird, als Rauschen enthalten, so dass anzunehmen ist, dass die Genauigkeit bei der Detektion der Winkelgeschwindigkeit verschlechtert ist.
  • Der Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung ist jedoch in Form des Halbleiterchips 104 hergestellt, der den Vibrationsverhinderungsteil 103a, den Vibrationsverhinderungsteil 103b und die MEMS-Struktur, die als die Winkelgeschwindigkeitsdetektionseinheit dient, umfasst, wie in 5 gezeigt ist. Die Eigenfrequenz der Gesamtstruktur des Halbleiterchips 104, die den Vibrationsverhinderungsteil 103a, den Vibrationsverhinderungsteil 103b und die MEMS-Struktur, die als die Winkelgeschwindigkeitsdetektionseinheit dient, umfasst, wie in 5 gezeigt ist, kann durch strukturelle Berechnung unter Verwendung beispielsweise des Verfahrens finiter Elemente berechnet werden. Es sei der Halbleiterchip 104 aus einem Siliciumsubstrat mit Flächenabmessungen von 4 mm × 6 mm und einer Dicke von 0,5 mm hergestellt, es sei der Vibrationsverhinderungsteil 103b aus einer Silikongummilage mit einem Young-Modul von 5 MPa (Härte 40) hergestellt und es sei der Vibrationsverhinderungsteil 103b aus einem Silikonklebstoffmittel mit einem Young-Modul von 0,1 MPa hergestellt. Dann sind die Eigenfrequenzen f0i (i = x, y, z) der Struktur in den Richtungen der jeweiligen Achsen derart, dass f0y < f0x < f0z gilt. In diesem Fall kann die Frequenzabhängigkeit der Vibrationsdurchlässigkeit der Struktur wie in 6 gezeigt unter Verwendung der Formel (1) berechnet werden. Es sei hier angemerkt, dass dann, wenn die durch die Winkelgeschwindigkeitsdetektionseinheiten in Form der MEMS-Struktur detektierte Frequenz als fd angenommen wird, die Eigenfrequenz der Struktur in Richtung der y-Achse durch Einstellen der Dicken der Vibrationsverhinderungsteile 303a und 303b in der Weise bestimmt wird, dass die Vibrationsdurchlässigkeit längs der zweiten Achse (in der y-Richtung in 9), längs derer die Detektion erfolgt, bei der Frequenz fd einen gewünschten Sollwert erreicht, bestimmt wird. Mit der Struktur des Halbleiterchips 104, der den Vibrationsverhinderungsteil 103a, den Vibrationsverhinderungsteil 103b und die Winkelgeschwindigkeitsdetektionseinheiten in Form der MEMS-Struktur umfasst, wie in 5 gezeigt ist, kann die Vibrationsdurchlässigkeit in Richtung der y-Achse niedrig gehalten werden, während die Vibrationsdurchlässigkeit in den Richtungen, die von der y-Achse verschieden sind, nicht gleichzeitig niedrig gehalten werden. Ferner kann die Durchlässigkeit der Vibration in der z-Richtung sichergestellt werden, wobei die Frequenz der Ultraschallvibration als fu gewählt wird, wobei die Ultraschallvibration in einem Drahtbondprozess verwendet wird, der ausgeführt wird, um elektrische Verbindungen herzustellen, nachdem der Halbleiterchip 102 und der Halbleiterchip 104 an dem Gehäuseelement 101 montiert worden sind.
  • Selbst wenn daher eine Beschleunigungsvibration, die für eine Messung unerwünscht ist, über den Vibrationsverhinderungsteil 103a und den Vibrationsverhinderungsteil 103b, die in 5 gezeigt sind, auf den Winkelgeschwindigkeitssensor als Ganzes, der ein Trägheitssensor gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung ist, einwirkt, verhindert die Struktur dieses Winkelgeschwindigkeitssensors, dass eine solche Beschleunigungsvibration an das Substrat 104 übertragen wird, das die Winkelgeschwindigkeitsdetektionseinheiten in Form der MEMS-Struktur besitzt, und verhindert ferner eine Verschlechterung der Genauigkeit des Winkelgeschwindigkeitssensors.
  • Wie oben beschrieben worden ist, umfasst diese Ausführungsform der Erfindung: ein Gehäuseelement (101); einen Halbleiterchip (104) mit einem Substrat (201) und einer Sensordetektionseinheit, die Gewichte (bewegliche Teile 225 usw.) enthält, die relativ zu dem Substrat verlagerbar ist, und Detektionselektroden (bewegliche Elektroden 228a und feste Elektroden 228b usw.) enthält, um die Verlagerungen der Gewichte in elektrische Signal umzusetzen, wobei die Sensordetektionseinheit an dem Substrat montiert ist; einen Halbleiterchip (102), der an dem Gehäuseelement montiert ist, um arithmetische Operationen an den elektrischen Signal auszuführen; und eine Vibrationsverhinderungsstruktur mit einem ersten Vibrationsverhinderungsteil (103b) und einem zweiten Vibrationsverhinderungsteil (103a), der aus einem Material hergestellt ist, das einen größeren Young-Modul als der erste Vibrationsverhinderungsteil besitzt, wobei die Vibrationsverhinderungsstruktur zwischen den Halbleiterchips angeordnet ist, wobei der Umfang des ersten Vibrationsverhinderungsteils von dem zweiten Vibrationsverhinderungsteil umgeben ist. Bei dieser Struktur kann die Vibrationsverhinderungsstruktur aus einem weichen, schwer handhabbaren Material mit einem kleinen Young-Modul hergestellt sein, etwa einem Silikonklebstoffmittel, das eine Fluidität vor dem Härten besitzt, oder einem Siliciumgel, weshalb die Einfachheit der Montage verbessert werden kann. Außerdem kann die Vibrationsdurchlässigkeit der Vibrationsverhinderungsstruktur selbst in dem begrenzten Gehäuseraum verringert werden, was zu einer Verbesserung der Genauigkeit des Trägheitssensors führen kann.
  • Außerdem kann durch Überlagern der Projektionen der Bondanschlussflächen mit dem zweiten Vibrationsverhinderungsteil in der Richtung senkrecht zu der Oberfläche des Substrats die Vibrationsdurchlässigkeit der Vibrationsverhinderungsstruktur erniedrigt werden, gleichzeitig kann die Ultraschallvibration, die für das elektrische Verbinden des Halbleiterchips 104 mit dem Signalverarbeitungs-Halbleiterchip 102 unter Verwendung eines Drahtbondens erforderlich ist, geeignet durchgelassen werden, so dass die Einfachheit der Montage sichergestellt werden kann.
  • Ferner ist die in 5 gezeigte Struktur, in der der Vibrationsverhinderungsteil 103a, der eher hart ist und einen verhältnismäßig großen Young-Modul hat, den Vibrationsverhinderungsteil 103b, der einen verhältnismäßig kleinen Young-Modul hat, umgibt, nicht nur ein eingeschränktes Beispiel gemäß dieser Erfindung. Vielmehr können derartige Strukturen, die in den Teilen (a)–(c) von 7 gezeigt sind, ebenfalls die vibrationsverhindernde Wirkung schaffen, die durch die erste Ausführungsform wie oben beschrieben erzielt werden kann. Das heißt, der erste Vibrationsverhinderungsteil muss nur von einem zweiten Vibrationsverhinderungsteil oder von der Kombination aus dem zweiten Vibrationsverhinderungsteil und einem Gehäuseelement umgeben sein. Unter Verwendung dieser Arten von Strukturen kann die Verbesserung der Genauigkeit mit der Verbesserung der einfachen Montage verträglich sein, wie oben erläutert wurde.
  • Vor allem sind die in 5 und im Teil (a) von 7 gezeigten Strukturen dadurch ausgezeichnet, dass die Form des ersten Vibrationsverhinderungsteils ein Rechteck ist, dessen lange Seite längs einer ersten Richtung (z. B. der x-Richtung) verläuft und dessen kurze Seite längs einer zweiten Richtung (z. B. der y-Richtung) verläuft. Dieses Merkmal kann bewirken, dass die Eigenfrequenzen in den Richtungen längs der x-Achse und der y-Achse der Vibrationsverhinderungsstruktur, die den Vibrationsverhinderungsteil 103a, den Vibrationsverhinderungsteil 103b und den Halbleiterchip 104 enthält, voneinander verschieden sind. Tatsächlich kann die Vibration, die auf den Winkelgeschwindigkeitssensor einwirkt, über das Sensorgehäuse, den Halbleiterchip 102, den Vibrationsverhinderungsteil 103a und den Vibrationsverhinderungsteil 103b an den Halbleiterchip 104 mit unterschiedlichen Vibrationsdurchlässigkeiten entsprechend dem Ausmaß, in dem die Vibration in Richtung der x-Achse oder in Richtung der y-Achse durchgelassen wird, übertragen werden. Konkret kann die Durchlässigkeit in Richtung der y-Achse kleiner gemacht werden als jene in Richtung der x-Achse. Daher werden bei dieser Struktur Vibrationen über den Halbleiterchip 104 weniger leicht in Richtung der y-Achse als in Richtung der x-Achse durchgelassen.
  • Die im Teil (a) von 7 und im Teil (c) von 7 gezeigten Strukturen sind dadurch ausgezeichnet, dass der erste Vibrationsverhinderungsteil durch den zweiten Vibrationsverhinderungsteil in mehrere Unterteile unterteilt ist. Gemäß diesem Merkmal können die Eigenfrequenzen in den Richtungen der x-Achse und der y-Achse der Vibrationsverhinderungsstruktur, die dem Vibrationsverhinderungsteil 103a, den Vibrationsverhinderungsteil 103b und den Halbleiterchip 104 umfasst, auf gewünschte Werte eingestellt werden. Obwohl daher Vibrationen durch den Halbleiterchip 104 weniger leicht in Richtung der y-Achse als in Richtung der x-Achse durchgelassen werden, kann die Durchlässigkeit in Richtung der y-Achse eingestellt werden.
  • Jede der im Teil (b) von 7 und im Teil (c) von 7 gezeigten Strukturen ist dadurch ausgezeichnet, dass eine der Seiten des Vibrationsverhinderungsteils in Kontakt mit dem Gehäuseelement ist und die anderen Seiten von dem zweiten Vibrationsverhinderungsteil umgeben sind. Mit diesem Merkmal kann das Verhältnis der Fläche, wo der Vibrationsverhinderungsteil 103b mit einem kleinen Young-Modul angeordnet ist, zu der Fläche, wo der Vibrationsverhinderungsteil 103a mit einem größeren Young-Modul angeordnet ist, erhöht werden. Folglich kann die Eigenfrequenz der Vibrationsverhinderungsstruktur in diesem Fall, die den Vibrationsverhinderungsteil 103a, den Vibrationsverhinderungsteil 103b und den Halbleiterchip 104 umfasst, niedriger als bei der Vibrationsverhinderungsstruktur, wo keine Seite des ersten Vibrationsverhinderungsteils mit dem Gehäuseelement in Kontakt ist, eingestellt werden. Tatsächlich kann die Vibrationsdurchlässigkeit der Vibrationsverhinderungsstruktur, bei der eine der Seiten des ersten Vibrationsverhinderungsteils mit dem Gehäuseelement in Kontakt ist, kleiner als jene der Vibrationsverhinderungsstruktur, bei der keine Seite des ersten Vibrationsverhinderungsteils mit dem Gehäuseelement in Kontakt ist, gemacht werden.
  • AUSFÜHRUNGSFORM 2
  • Die zweite Ausführungsform dieser Erfindung, die beispielhaft ein Trägheitssensor ist, der als ein Verbundsensor spezifiziert ist, der mit einem Winkelgeschwindigkeitssensor konfiguriert ist, um eine Winkelgeschwindigkeit längs einer einzigen Achse zu detektieren, und mit Beschleunigungssensoren konfiguriert ist, um Beschleunigungen längs zweier Achsen zu detektieren, wird im Folgenden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
  • 8 zeigt im Querschnitt die Struktur eines Verbundsensors 300 in seinem montierten Zustand gemäß einer zweiten Ausführungsform dieser Erfindung.
  • Wie in 8 gezeigt ist, ist ein Halbleiterchip 302 auf dem Boden des vertieften Bereichs eines Gehäuseelements 301 montiert. Das Gehäuseelement 301 kann beispielsweise aus Keramik hergestellt sein. In dem Halbleiterchip 302 sind Transistoren und integrierte Schaltungen mit passiven Elementen gebildet. Die in dem Halbleiterchip 302 gebildete integrierte Schaltung hat die Funktionen des Verarbeitens des Ausgangssignals der Detektionseinheit des Winkelgeschwindigkeitssensors und der Ausgangssignale der Detektionseinheiten der Beschleunigungssensoren und gibt schließlich ein Winkelgeschwindigkeitssignal und Beschleunigungssignale aus.
  • Ein Halbleiterchip 304 ist auf dem Halbleiterchip 302 so montiert, dass zwischen ihnen ein Vibrationsverhinderungsteil 303a und ein Vibrationsverhinderungsteil 303b eingefügt sind. Der Vibrationsverhinderungsteil 303a, der als ein den Vibrationsverhinderungsteil 303b umgebender Rahmen gebildet ist, ist beispielsweise aus einer Silikongummilage hergestellt. Jener Teil des Vibrationsverhinderungsteils 303b, der von dem Vibrationsverhinderungsteil 303a umgeben ist und mit dem Halbleiterchip 304 in Kontakt ist, ist aus einer Flüssigkeit mit einer hohen Fluidität oder ihrer gehärteten Version, beispielsweise einem Silikonklebstoffmittel oder Siliciumgel, hergestellt. Es sei hier angemerkt, dass, da der Vibrationsverhinderungsteil 303a als ein Rahmen dient, um Material 303b mit hoher Fluidität darin einzuschließen, das Material für den Vibrationsverhinderungsteil 303a einen größeren Young-Modul als der Vibrationsverhinderungsteil 303b hat. Der Vibrationsverhinderungsteil 103b mit hoher Fluidität wird in den Rahmen, der aus dem Vibrationsverhinderungsteil 303a hergestellt ist, übermäßig geladen und dringt in den dünnen Spalt zwischen dem Vibrationsverhinderungsteil 303a und dem Halbleiterchip 304 aufgrund der Oberflächenspannung des Vibrationsverhinderungsteils 303b ein. Eine MEMS-Struktur, die als ein Winkelgeschwindigkeitssensor dient, und eine MEMS-Struktur, die als ein Beschleunigungssensor dient, sind auf dem Halbleiterchip 304 gebildet. Eine Anschlussfläche 305a, die auf dem Halbleiterchip 304 gebildet ist, ist mit einer Anschlussfläche, die auf dem Halbleiterchip 303 gebildet ist, beispielsweise über einen Metalldraht 308a verbunden. Ferner ist die Anschlussfläche 306b, die auf dem Halbleiterchip 302 gebildet ist, mit einem Anschluss 307b, der an dem Gehäuseelement 301 ausgebildet ist, über einen Metalldraht 308c verbunden und außerdem mit einem Anschluss 310, der sich außerhalb des Gehäuseelements 301 erstreckt, über eine interne Verdrahtung innerhalb des Gehäuseelements 301 verbunden. Nochmals ferner sind die Halbleiterchips 102 und 104, die in dem Gehäuseelement 301 übereinander gestapelt sind, in dem Gehäuseelement 301 durch hermetisches Abdecken des oberen Abschnitts des Gehäuseelements 301 mit einem Deckel 309 hermetisch abgedichtet.
  • 9 zeigt in der Draufsicht die Struktur des kombinierten Sensors in seinem montierten Zustand gemäß der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung. Der Querschnitt längs der Strichlinie C-C in 9 entspricht 8. Der Deckel zum hermetischen Abdichten des Gehäuseelements ist in 9 nicht gezeigt.
  • Der Halbleiterchip 302 zum Verarbeiten der Signale von der Winkelgeschwindigkeitsdetektionseinheit und den Beschleunigungsdetektionseinheiten des Verbundsensors sowie ein Halbleiterchip 311 für die hochgestufte Leistung, die der Winkelgeschwindigkeitsdetektionseinheit des kombinierten Sensors zugeführt wird, sind auf dem Boden des hohlen Gehäuseelements 301 montiert. Der Halbleiterchip 304, auf dem die MEMS-Struktur, die als die Detektionseinheiten des kombinierten Sensors dienen, gebildet sind, ist auf dem Halbleiterchip 302 so montiert, dass zwischen den Halbleiterchip 302 und 304 das Vibrationsverhinderungsteil 303a und das Vibrationsverhinderungsteil 303b eingefügt sind. Der Vibrationsverhinderungsteil 303a der als ein den Vibrationsverhinderungsteil 303b umgebender Rahmen gebildet ist, ist beispielsweise aus einer Silikongummilage hergestellt. Jener Teil des vibrationssicheren Materials 303b, der von dem Vibrationsverhinderungsteil 303a umgeben ist und mit dem Halbleiterchip 304 in Kontakt ist, ist aus einer Flüssigkeit mit einer hohen Fluidität oder aus ihrer gehärteten Version wie beispielsweise einem Silikonklebstoffmittel oder Siliciumgel hergestellt. Es sei hier angemerkt, dass, da der Vibrationsverhinderungsteil 303a als ein Rahmen dient, um das Material 303b mit hoher Fluidität einzuschließen, das Material für den Vibrationsverhinderungsteil 303a einen höheren Young-Modul als jener des Vibrationsverhinderungsteils 303b hat. Die MEMS-Struktur zum Detektieren der Winkelgeschwindigkeit und die MEMS-Strukturen zum Detektieren von Beschleunigungen sind auf dem Halbleiterchip 304 gebildet.
  • Die Anschlussfläche 305a, die auf dem Halbleiterchip 304 gebildet ist, ist mit der Anschlussfläche 306a, die auf dem Halbleiterchip 302 gebildet ist, über den Metalldraht 106a verbunden. Ferner ist die Anschlussfläche 305b, die auf dem Halbleiterchip 304 gebildet ist, mit dem Anschluss 307a, der an dem Gehäuseelement 301 gebildet ist, über den Metalldraht 308b verbunden und außerdem mit dem Anschluss, der sich außerhalb des Gehäuseelements 301 erstreckt, über die interne Verdrahtung in dem Gehäuseelement 301 verbunden. Nochmals ferner ist die Anschlussfläche 306b, die auf dem Halbleiterchip 302 gebildet ist, mit dem Anschluss 307b, der an dem Gehäuseelement 301 gebildet ist, über den Metalldraht 308c verbunden und außerdem mit dem Anschluss, der sich außerhalb des Gehäuseelements 301 erstreckt, über die interne Verdrahtung in dem Gehäuseelement 301 verbunden.
  • Der Halbleiterchip 302 zum Verarbeiten der Signale von der Winkelgeschwindigkeitsdetektionseinheit und den Beschleunigungsdetektionseinheiten des Verbundsensors, der Halbleiterchip 304, auf dem die MEMS-Struktur als die Detektionseinheiten des kombinierten Sensors gebildet sind, und der Halbleiterchip 311 für die hochgestufte Leistung, die der Winkelgeschwindigkeitsdetektionseinheit des kombinierten Sensors zugeführt wird, die sämtlich auf dem Boden des hohlen Gehäuseelements 301 montiert sind, sind in dem Gehäuseelement 301 durch hermetisches Abdecken des oberen Abschnitts des Gehäuseelements 301 mit einem (nicht gezeigten) Deckel hermetisch abgedichtet.
  • Die Formen des Vibrationsverhinderungsteils 303a und des Vibrationsverhinderungsteils 303b, die auf dem Halbleiterchip 302 gebildet sind, sind als ein Kasten gezeigt, der in 9, 12 oder 13 als ein mit unterbrochenen Linien dargestellter Kasten gezeigt ist. Bezüglich der Anschlussflächen 305a und 305b auf dem Halbleiterchip 304 erstreckt sich der Rahmen des Vibrationsverhinderungsteils 303a senkrecht zu der Oberfläche der Zeichnungen. Es sei hier angemerkt, dass, da der Vibrationsverhinderungsteil 303a als ein Rahmen dient, um das Material 303b mit hoher Fluidität darin einzuschließen, das Material des Vibrationsverhinderungsteils 303a einen größeren Young-Modul als jener des Vibrationsverhinderungsteils 303b besitzt. Wenn mit dieser Struktur der Drahtbondprozess für die elektrische Verbindung ausgeführt wird, nachdem die Halbleiterchips 302 und 304 an dem Gehäuseelement 301 montiert worden sind, kann die Übertragung von Vibrationen, die zum Drahtbonden notwendig ist, in der Richtung senkrecht zu der Oberfläche der Zeichnung sichergestellt werden.
  • 10 zeigt im Querschnitt die Einzelheiten des Halbleiterchips 304, auf dem die MEMS-Strukturen zum Detektieren einachsiger Winkelgeschwindigkeiten bzw. zweiachsiger Beschleunigungen gebildet sind, um einen kombinierten Sensor gemäß der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung zu verwirklichen. In dem Halbleiterchip 104 sind die beweglichen Winkelgeschwindigkeitsdetektionsteile 404a der MEMS-Struktur, die festen Winkelgeschwindigkeitsdetektionsteile 405a der MEMS-Struktur, die beweglichen Beschleunigungsdetektionsteile 404b der MEMS-Struktur und die festen Beschleunigungsdetektionsteile 405b der MEMS-Struktur auf einem SOI-Substrat gebildet, das mit einem Tragsubstrat 401, einem isolierenden Oxidfilm 402 und einer aktivierten Siliciumschicht 403 unter Verwendung von Techniken wie etwa der Photolithographie und DRIE (tiefe reaktive Ionenätzung) konstruiert ist. Die beweglichen Winkelgeschwindigkeitsdetektionsteile 404a der MEMS-Struktur, die festen Winkelgeschwindigkeitsdetektionsteile 405a der MEMS-Struktur, die beweglichen Beschleunigungsdetektionsteile 404b der MEMS-Struktur und die festen Beschleunigungsdetektionsteile 405b der MEMS-Struktur sind jeweils in unterschiedlichen Räumen durch eine Glaskappe 409, die mit der aktivierten Siliciumschicht 403 unter Verwendung einer Technik eines anodischen Übergangs oder eines Oberflächenaktivierungsübergangs verbunden ist, geschützt. Ferner sind die beweglichen Winkelgeschwindigkeitsdetektionsteile 404a der MEMS-Struktur, die festen Winkelgeschwindigkeitsdetektionsteile 405a der MEMS-Struktur, die beweglichen Beschleunigungsdetektionsteile 404b der MEMS-Struktur und die festen Beschleunigungsdetektionsteile 405b der MEMS-Struktur mit einer Anschlussfläche 408, die auf der hinteren Oberfläche des Tragsubstrats 401 gebildet sind, durch ein Eindringelektrodenmaterial 406, das in das Tragsubstrat 401 eindringt, elektrisch verbunden und außerdem über ein Drahtboden mit einer integrierten Schaltung verbunden, die die Funktion des Verarbeitens der Ausgänge der Detektionseinheiten des Winkelgeschwindigkeitssensors bzw. der Beschleunigungssensoren hat.
  • 11 zeigt in der Draufsicht die Einzelheiten des Halbleiterchips 304, auf dem eine Winkelgeschwindigkeitsdetektions-MEMS-Struktur zum Detektieren einer einachsigen Winkelgeschwindigkeit und eine Beschleunigungsdetektions-MEMS-Struktur zum Detektieren zweiachsiger Beschleunigungen ausgebildet sind, um einen kombinierten Sensor gemäß der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung zu verwirklichen. In diesem Fall hat die Draufsicht die Bedeutung einer Ansicht der MEMS-Struktur von der Seite der Glaskappe 409. Außerdem entsprechen die Querschnitte längs der Linien D-D' und E-E' in 11 der 10.
  • Die MEMS-Struktur zum Detektieren einer Beschleunigung in Richtung der ersten Achse (in der x-Richtung in 11) wird im Folgenden beschrieben.
  • Wie in 11 gezeigt ist, ist ein Rahmen 701 auf dem Halbleiterchip 304 gebildet, wobei der Rahmen 701 einen freien Raum 702 umgibt. In dem freien Raum 702 ist ein fester Teil 703 vorgesehen, der mit einem Ausleger (elastisch verformbarer Teil) 704) mechanisch gekoppelt ist, der längs der ersten Achse (in der x-Richtung in 11) verlagerbar ist. Der Ausleger 704 ist seinerseits mit einem beweglichen Teil 705 mechanisch gekoppelt, der als ein Gewicht für den Beschleunigungssensor dient. Tatsächlich sind der feste Teil 703 und der bewegliche Teil 705 über den elastisch verformbaren Ausleger 704 miteinander gekoppelt, so dass der bewegliche Teil 704 in der x-Richtung in 11 verlagert werden kann.
  • Eine bewegliche Elektrode 706 für die Detektion ist mit dem beweglichen Teil 705 einteilig ausgebildet und eine feste Elektrode 706b für die Detektion sowie eine feste Elektrode 706c für die Detektion sind gegenüber der beweglichen Elektrode 706a für die Detektion ausgebildet. Die Kombination der beweglichen Elektrode 706a für die Detektion und der festen Elektrode 706b für die Detektion oder die Kombination der beweglichen Elektrode 706a für die Detektion und der festen Elektrode 706c für die Detektion bilden ein kapazitives Element. Wenn daher das bewegliche Teil 705 in der x-Richtung verlagert wird, ändert sich die Kapazität des oben erwähnten kapazitiven Elements. Tatsächlich dient das kapazitive Element, das die Kombination der beweglichen Elektrode 706a für die Detektion und der festen Elektrode 706b für die Detektion oder die Kombination der beweglichen Elektrode 706a für die Detektion und der festen Elektrode 706c für die Detektion umfasst, als eine Kapazitätsdetektionseinheit, die die Verlagerung in der x-Richtung des beweglichen Teils 705 als eine Kapazitätsänderung detektiert.
  • Eine bewegliche Elektrode 708a für die Diagnose ist mit dem beweglichen Teil 705 einteilig ausgebildet und eine feste Elektrode 708b für die Diagnose sowie eine feste Elektrode 708c für die Diagnose sind gegenüber der beweglichen Elektrode 708a für die Diagnose ausgebildet. Die Kombination der beweglichen Elektrode 708a für die Diagnose und der festen Elektrode 708b für die Diagnose oder die Kombination aus der beweglichen Elektrode 708a für die Diagnose und der festen Elektrode 708c für die Diagnose bilden ein kapazitives Element. Wenn zwischen der beweglichen Elektrode 708a für die Diagnose und der festen Elektrode 708b für die Diagnose oder zwischen der beweglichen Elektrode 708a für die Diagnose und der festen Elektrode 708c für die Diagnose, die ein kapazitives Element bilden, ein Diagnosesignal angelegt wird, wird zwischen der beweglichen Elektrode 708a für die Diagnose und der festen Elektrode 708b für die Diagnose bzw. zwischen der beweglichen Elektrode 708a für die Diagnose und der festen Elektrode 708c für die Diagnose eine elektrostatische Kraft ausgeübt, so dass die bewegliche Elektrode 708a für die Diagnose verlagert wird. Wenn die bewegliche Elektrode 708a für die Diagnose in der x-Richtung verlagert wird, wird auch das bewegliche Teil 705, das einteilig mit der beweglichen Elektrode 708a für die Diagnose ausgebildet ist, verlagert. Tatsächlich dient das kapazitive Element, das aus der Kombination aus der beweglichen Elektrode 708a für die Diagnose und der festen Elektrode 708b für die Diagnose oder aus der Kombination aus der beweglichen Elektrode 708a für die Diagnose und der festen Elektrode 708c für die Diagnose hergestellt ist, als eine Einheit für die Erzeugung einer erzwungenen Verlagerung, um den beweglichen Teil in der x-Richtung erzwungen zu verlagern.
  • Eine solche Beschleunigungssensorstruktur wie oben beschrieben ist aus einem Halbleitermaterial wie etwa Silicium hergestellt. Daher sind der feste Teil 703 und der bewegliche Teil 705, die über den Ausleger 704 miteinander gekoppelt sind, auch elektrisch miteinander verbunden, wobei die Spannung, die an dem beweglichen Teil 705 angelegt wird, von einer Eindringelektrode 707, die in dem festen Teil gebildet ist, zugeführt wird. Andererseits sind Eindringelektroden 706d und 706e in der festen Elektrode 706b für die Detektion bzw. der festen Elektrode 706c für die Detektion gebildet. Wenn daher eine Kapazitätsänderung aufgrund der Verlagerung in der x-Richtung des beweglichen Teils 705 auftritt, fließen elektrische Ladungen in die feste Elektrode 706b für die Detektion und in die feste Elektrode 706c für die Detektion bzw. aus diesen. Außerdem sind in der festen Elektrode 708b für die Diagnose und in der festen Elektrode 708c für die Diagnose Eindringelektroden 708d bzw. 708e gebildet, so dass Diagnosesignale an die feste Elektrode 708b für die Diagnose und die feste Elektrode 708c für die Diagnose über die Eindringelektroden 708d bzw. 708e angelegt werden können.
  • Ferner hat auf dem Halbleiterchip 304 eine MEMS-Struktur zum Detektieren einer Beschleunigung in der Richtung einer zweiten Achse (d. h. in der y-Richtung in 11), wobei ein fester Teil 709 mit einem Ausleger (elastisch verformbares Teil) 710 gekoppelt ist, mit dem ein beweglicher Teil 711, der als das Gewicht einer Beschleunigungsdetektionseinheit dient, gekoppelt ist, die gleiche Struktur wie die MEMS-Struktur für die Detektion einer Beschleunigung in einer Richtung der ersten Achse (d. h. in der x-Richtung in 11), sie befindet jedoch in Bezug auf die Letztere in einer um 90 Grad gedrehten Stellung.
  • Wie in 11 gezeigt ist, ist auf dem Halbleiterchip 304 auch eine Winkelgeschwindigkeitsdetektions-MEMS-Struktur zum Detektieren einer Winkelgeschwindigkeit in Richtung einer einzigen Achse gebildet. Nun wird die Struktur der Winkelgeschwindigkeitsdetektionseinheit beschrieben.
  • Der Rahmen 701, der die oben erwähnte Beschleunigungsdetektions-MEMS-Struktur umgibt, umgibt auch einen leeren Raum 722, in dem feste Teile 723 angeordnet sind. Die festen Teile 723 sind mit Auslegern (elastisch verformbaren Teilen) 724 gekoppelt, die ihrerseits mit beweglichen Teilen 725 und 726 gekoppelt sind, die zwei Vibrationselemente sind, die als zwei Vibrationsgewichte der Winkelgeschwindigkeitsdetektionseinheit dienen. Tatsächlich sind die beweglichen Teile 725 und 726, die als zwei Vibrationselemente dienen, mit den festen Teilen 723 über die elastisch verformbaren Ausleger 724 verbunden, so dass die beweglichen Teile 725 und 726, die als zwei Vibrationselemente dienen, in der x-Richtung in 11 verlagert werden können. Ferner sind die beweglichen Teile 725 und 726, die als zwei Vibrationselemente dienen, über einen Verbindungsausleger 727 miteinander gekoppelt, um so ein Abstimmgabel-Vibrationssystem zu bilden, um Vibrationsenergien, die von den Vibrationselementen erzeugt werden, gemeinsam zu nutzen.
  • In den beweglichen Teilen 725 und 726, die als die Vibrationselemente dienen, sind 728a einteilig gebildet, ferner sind gegenüber den beweglichen Ansteuerungselektroden 728a feste Ansteuerungselektroden 728b und 728c angeordnet. Zwischen den beweglichen Ansteuerungselektroden 728a und den festen Ansteuerungselektroden 728b, die einander gegenüber angeordnet sind, um kapazitive Elemente zu bilden, wird ein periodisches Ansteuerungssignal, das durch Vcom + Vb + Vd repräsentiert wird, angelegt; zwischen die beweglichen Ansteuerungselektroden 728a um die festen Ansteuerungselektroden 728c wird eine periodische Ansteuerungsspannung, die durch Vcom + Vb – Vd repräsentiert wird, angelegt; und an die beweglichen Teile 725 und 726, die Vibrationselemente bilden, wird über eine gemeinsame Elektrode 731 eine Spannung Vcom angelegt. Da folglich zwischen den beweglichen Ansteuerungselektroden 728a und den festen Ansteuerungselektroden 728b und zwischen den beweglichen Ansteuerungselektroden 728a und den festen Ansteuerungselektroden 728c jeweils eine elektrostatische Kraft erzeugt wird, werden die beweglichen Ansteuerungselektroden 728a in Vibrationen versetzt. Wenn die beweglichen Ansteuerungselektroden 728a in Richtung der x-Achse vibrieren, vibrieren die beweglichen Teile 725 und 726, die einteilig mit den beweglichen Ansteuerungselektroden 728a ausgebildet sind und als die vibrierenden Elemente dienen, mit entgegengesetzter Phase, d. h., die kapazitiven Elemente, die aus den beweglichen Ansteuerungselektroden 728a und aus den festen Ansteuerungselektroden 728b oder aus den beweglichen Ansteuerungselektroden 728a und den festen Ansteuerungselektroden 728c hergestellt sind, arbeiten als Einheiten zum Erzeugen einer erzwungenen Vibration, die die beweglichen Teile 725 und 726, die als Vibrationselemente dienen, dazu veranlassen, mit entgegengesetzter Phase in Richtung der x-Achse erzwungen zu vibrieren.
  • Mit den beweglichen Teilen 725 und 726, die als Vibrationselemente dienen, sind bewegliche Ansteuerungsamplitudenüberwachungselektroden 729 einteilig ausgebildet, ferner sind gegenüber den beweglichen Ansteuerungsamplitudenüberwachungselektroden 729a feste Ansteuerungsamplitudenüberwachungselektroden 729b und 729c gebildet. Die Kombination aus den beweglichen Ansteuerungsamplitudenüberwachungselektroden 729a und den festen Ansteuerungsamplitudenüberwachungselektroden 729b und die Kombination aus den beweglichen Ansteuerungsamplitudenüberwachungselektroden 729a und den festen Ansteuerungsamplitudenüberwachungselektroden 729c bilden jeweils kapazitive Elemente. Wenn die beweglichen Teile 725 und 726, die als vibrierende Elemente dienen, in der Richtung der x-Achse aufgrund elektrostatischer Kräfte verlagert werden, die zwischen den beweglichen Ansteuerungselektroden 728a und den festen Ansteuerungselektroden 728d sowie zwischen den beweglichen Ansteuerungselektroden 728a und den festen Ansteuerungselektroden 728c wirken, werden die Kapazitäten der kapazitiven Elemente geändert. Tatsächlich dienen die kapazitiven Elemente, die mit den beweglichen Ansteuerungsamplitudenüberwachungselektroden 729a und den festen Ansteuerungsamplitudenüberwachungselektroden 729b und mit den beweglichen Ansteuerungsamplitudenüberwachungselektroden 729a und den festen Ansteuerungsamplitudenüberwachungselektroden 729c konstruiert sind, als Kapazitätsdetektionseinheiten, um die Verlagerung in der x-Richtung der beweglichen Teile 725 und 726, die als vibrierende Elemente dienen, als Kapazitätsänderungen zu detektieren.
  • Die beweglichen Teile 725 und 726, die als Vibrationselemente dienen, sind über Ausleger 730 mit beweglichen Teilen 732 und 733, die jeweils als Detektionselemente dienen, mechanisch gekoppelt. Mit den beweglichen Teilen 732 und 733, die als Detektionselemente dienen, sind bewegliche Winkelgeschwindigkeitsdetektionselektroden 734a einteilig ausgebildet, außerdem sind gegenüber den beweglichen Winkelgeschwindigkeitsdetektionselektroden 734a feste Winkelgeschwindigkeitsdetektionselektroden 734b gebildet. Diese beweglichen Winkelgeschwindigkeitsdetektionselektroden 734a und diese festen Winkelgeschwindigkeitsdetektionselektroden 734b bilden kapazitive Elemente. Wenn das Substrat als Ganzes um die z-Achse senkrecht zu dem Substrat gedreht wird, bewirkt die Corioliskraft, deren Größe von der erzeugten Drehkraft abhängt, dass die beweglichen Teile 732 und 733, die als Detektionselemente dienen, in der y-Richtung verlagert werden, so dass sich die Kapazitäten der oben erwähnten kapazitiven Elemente entsprechend ändern. Tatsächlich dienen die kapazitiven Elemente, die mit den beweglichen Winkelgeschwindigkeitsdetektionselektroden 734 und mit den festen Winkelgeschwindigkeitsdetektionselektroden 734b konstruiert sind, als Kapazitätsdetektionseinheiten, um die Verlagerung in der y-Richtung der beweglichen Teile 732 und 733, die als Detektionselemente dienen, als Kapazitätsänderung zu detektieren.
  • Die Kapazitätsänderungen, die in den jeweiligen Elektrodenpaaren auftreten, werden an die hintere Oberfläche des Halbleiterchips 304 über Eindringelektroden 728d, 728e, 729d, 729e, 731 und 734c elektrisch übertragen und ferner über Bonddrähte an die integrierte Schaltung, die die Funktion des Verarbeitens des Ausgangs der Winkelgeschwindigkeitsdetektionseinheit hat, übertragen.
  • Es sei hier angemerkt, dass, obwohl angenommen wurde, dass der Halbleiterchip 304 unter Verwendung eines SOI-Substrats und von Techniken wie etwa der Photolithographie und DRIE (tiefe reaktive Ionenätzung) hergestellt wird, der Halbleiterchip 304 auch durch den Volumen-MEMS-Prozess hergestellt werden kann, der MEMS-Strukturen durch Bearbeiten beider Seiten eines Siliciumsubstrats unter Verwendung von Techniken zum Verbinden von Glas und Silicium und daher der Herstellung eines Glas/Silicium/Glas-Übergangs bildet. Ferner kann der Halbleiterchip 304 auch durch den Oberflächen-MEMS-Prozess hergestellt werden, in dem eine MEMS-Struktur durch Ablagern von dünnen Filmen auf der Oberfläche eines Siliciumsubstrats, auf der vorher Signalverarbeitungsschaltungen einschließlich Transistoren gebildet worden sind, und durch Wiederholen der Bemusterung der abgelagerten dünnen Filme gebildet wird.
  • Ferner ist in jenem Teil des Bereichs auf dem Halbleiterchip 304, der in 12 mit P bezeichnet ist, die MEMS-Struktur zum Detektieren einer Winkelgeschwindigkeit gebildet, während die MEMS-Struktur zum Detektieren einer Beschleunigung in jenem Teil des Bereichs des Halbleiterchips 304, der mit Q in 12 bezeichnet ist, gebildet ist.
  • Auf diese Weise ist der Verbundsensor als ein Trägheitssensor gemäß der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung auf dem Halbleiterchip montiert.
  • Was die Winkelgeschwindigkeits-Sensoreinheit des kombinierten Sensors gemäß der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung betrifft, bewirkt dann, wenn das Substrat als Ganzes um die dritte Achse senkrecht zu dem Substrat in Bezug auf den Halbleiterchip gedreht wird, auf dem die Winkelgeschwindigkeitsdetektionseinheit in Form der MEMS-Struktur gebildet ist, die Corioliskraft, deren Größe von der erzeugten Drehkraft abhängt, dass das Gewicht, das in der Richtung der ersten Achse (d. h. in der x-Richtung in 9) vibriert, in Richtung der zweiten Achse (d. h. in der y-Richtung in 9) verlagert wird. Die Verlagerung des Gewichts wird als ein elektrisches Signal an den Halbleiterchip 302 übertragen, das übertragene Signal wird durch die integrierte Schaltung, die in dem Halbleiterchip 302 gebildet ist, verarbeitet und schließlich wird ein Winkelgeschwindigkeitssignal ausgegeben.
  • Bei dem oben beschriebenen Winkelgeschwindigkeitssensor wird mit Ausnahme des Falls, in dem eine Drehkraft auf den Halbleiterchip 304 ausgeübt wird, auf dem die Winkelgeschwindigkeitsdetektionseinheit in Form der MEMS-Struktur gebildet ist, und selbst dann, wenn die Beschleunigung in der Richtung der zweiten Achse (d. h. in der y-Richtung in 9) ausgeübt wird, das Gewicht, das in der Richtung der ersten Achse (d. h. in der x-Richtung in 9) vibriert, aufgrund dieser Beschleunigung dazu veranlasst, in der Richtung der zweiten Achse (d. h. in der y-Richtung in 9) verlagert zu werden. Dann wird die Verlagerung des Gewichts als ein elektrisches Signal an den Halbleiterchip 302 übertragen und wird das übertragene Signal durch die integrierte Schaltung, die in dem Halbleiterchip 302 gebildet ist, verarbeitet. Das heißt, selbst wenn das Sensorsubstrat als Ganzes nicht um die dritte Achse senkrecht zu dem Sensorsubstrat gedreht wird, detektiert die Winkelgeschwindigkeit-Sensoreinheit die Verlagerung des Gewichts, die durch die Beschleunigung hervorgerufen wird, falls irgendeine Beschleunigung in der Richtung der zweiten Achse (d. h. in der y-Richtung in 9) einwirkt. Wenn daher eine Beschleunigung in der Richtung der zweiten Achse (d. h. in der y-Richtung in 9) in Bezug auf das Substrat des Winkelgeschwindigkeitssensors einwirkt, ist die Verlagerung des Gewichts, die durch die Beschleunigung verursacht wird, als Rauschen enthalten, so dass anzunehmen ist, dass die Genauigkeit bei der Detektion der Winkelgeschwindigkeit verschlechtert ist.
  • Ferner wird in dem kombinierten Sensor gemäß der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung das Gewicht der Beschleunigungssensoreinheit zum Detektieren einer Beschleunigung in der Richtung der ersten Achse (d. h. in der x-Richtung in 9) durch den Tragausleger getragen, der in der Richtung der ersten Achse (d. h. in der x-Richtung in 9) in Bezug auf den Halbleiterchip 304, auf dem die Beschleunigungsdetektionseinheit ausgebildet ist, verlagerbar ist, wobei das Gewicht in der Richtung der ersten Achse (d. h. in der x-Richtung in 9) aufgrund der Beschleunigung in der Richtung der ersten Achse (d. h. in der x-Richtung in 9) verlagert wird. Die Verlagerung des Gewichts wird dann als ein elektrisches Signal an den Halbleiterchip 302 übertragen, wobei die integrierte Schaltung, die auf dem Halbleiterchip 302 ausgebildet ist, eine Signalverarbeitung in der Weise ausführt, dass nur Signale mit Frequenzen von 0 bis zu einigen zehn Hz, die für eine Messung erforderlich sind, ausgegeben werden, wobei schließlich ein Signal, das die Beschleunigung in der Richtung der ersten Achse (d. h. in der x-Richtung in 9) repräsentiert, ausgegeben wird. Falls daher in der Beschleunigungssensoreinheit zum Detektieren einer Beschleunigung in der Richtung der ersten Achse (d. h. in der x-Richtung in 9) die Beschleunigung, die einen Bereich von Frequenzen größer als 0 bis zu einigen zehn Hz, die für eine Messung erforderlich sind, jedoch niedriger als die mechanischen Antwortfrequenzen der Struktur der Beschleunigungsdetektionseinheit zum Detektieren einer Beschleunigung in der Richtung der ersten Achse (d. h. in der x-Richtung in 9), die das oben erwähnte Gewicht und den Tragausleger, der in der Richtung der ersten Achse (d. h. in der x-Richtung in 9) verlagerbar ist, enthält, auf den Halbleiterchip 304 wirkt, auf dem die Beschleunigungsdetektionseinheit in der Form der MEMS-Struktur gebildet ist, wird das Gewicht in der Richtung der ersten Achse (d. h. in der x-Richtung in 9), in der es verlagerbar ist, verlagert, ferner wird die Verlagerung des Gewichts mittels einer LSI-Schaltung in ein elektrisches Signal umgesetzt. Falls das elektrische Signal, das durch Umsetzen der Verlagerung des Gewichts erhalten wird, zu dieser Zeit den Bereich von Signalamplituden übersteigt, den die LSI-Schaltung handhaben kann, d. h. falls die LSI-Schaltung eine Signalsättigung erfährt, wird die Beschleunigung in der Richtung der ersten Achse (d. h. in der x-Richtung in 9) mit Frequenzen von 0 bis zu einigen zehn Hz, die eigentlich gemessen werden sollte, in dem Sättigungssignal verborgen. Daher kann die Beschleunigung in der Richtung der ersten Achse (d. h. in der x-Richtung in 9) nicht geeignet ausgegeben werden. Dies gibt Anlass zu dem Problem, dass die Funktion der Detektion einer Beschleunigung unterbrochen wird. Es sei hier angemerkt, dass die Größe und der Frequenzbereich einer solchen Eingangsbeschleunigung, die eine Gewichtsverlagerung über den von der LSI-Schaltung handhabbaren Signalbereich hinaus bewirkt, gemäß der Frequenzantwortcharakteristik der MEMS-Struktur als Beschleunigungsdetektionseinheit, die in 14 gezeigt ist, berechnet werden kann. Falls der Frequenzbereich der Eingangsbeschleunigung niedrig ist, ist der Antwortskalierungsfaktor der MEMS-Struktur als Beschleunigungsdetektionseinheit nahezu 0 dB (= 1). Daher liegt die Größe der Beschleunigung, die eine Gewichtsverlagerung über den von der LSI-Schaltung handhabbaren Signalbereich hinaus verursacht, in der gleichen Größenordnung wie der Vollausschlagbereich in der Beschleunigungsberechnung in der LSI-Schaltung. Falls jedoch der Frequenzbereich der Eingangsbeschleunigung hoch ist, wird der Antwortskalierungsfaktor der MEMS-Struktur als Beschleunigungsdetektionseinheit klein sein. Daher kann die Größe der Beschleunigung, die die Gewichtsverlagerung über den von der LSI-Schaltung handhabbaren Signalbereich hinaus bewirkt, größer als der Vollausschlagbereich in der Beschleunigungsberechnung in der LSI-Schaltung gemacht werden. Genauer kann für Frequenzen, für die der Antwortskalierungsfaktor der MEMS-Struktur als Beschleunigungsdetektionseinheit –20 dB beträgt, der Beschleunigungseingang zehnmal so groß wie der Vollausschlagbereich in der Beschleunigungsberechnung in der LSI-Schaltung gemacht werden.
  • Ferner wird in dem kombinierten Sensor gemäß der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung das Gewicht der Beschleunigungssensoreinheit zum Detektieren einer Beschleunigung in der Richtung der zweiten Achse (d. h. in der y-Richtung in 9) das Gewicht durch den Tragausleger getragen, der in der Richtung der zweiten Achse (d. h. in der y-Richtung in 9) in Bezug auf den Halbleiterchip 304, auf dem die Beschleunigungsdetektionseinheit ausgebildet ist, verlagerbar ist, wobei das Gewicht in der Richtung der zweiten Achse (d. h. in der y-Richtung in 9) aufgrund der Beschleunigung in der Richtung der zweiten Achse (d. h. in der y-Richtung in 9) verlagert wird. Die Verlagerung des Gewichts wird dann als ein elektrisches Signal an den Halbleiterchip 302 übertragen, wobei die auf dem Halbleiterchip 302 gebildete integrierte Schaltung eine Signalverarbeitung in der Weise ausführt, dass nur Signale mit Frequenzen von 0 bis zu einigen zehn Hz, die für eine Messung erforderlich sind, ausgegeben werden, wobei schließlich ein Signal, das die Beschleunigung in der Richtung der zweiten Achse (d. h. in der y-Richtung in 9) repräsentiert, ausgegeben wird.
  • Falls daher in der Beschleunigungssensoreinheit zum Detektieren einer Beschleunigung in der Richtung der zweiten Achse (d. h. in der y-Richtung in 9) eine Beschleunigung mit einem Frequenzbereich größer als 0 bis zu einigen zehn Hz, die für eine Messung erforderlich sind, jedoch niedriger als die mechanische Antwortfrequenz der Struktur der Beschleunigungsdetektionseinheit zum Detektieren einer Beschleunigung in der Richtung der zweiten Achse (d. h. in der y-Richtung in 9), die das oben erwähnte Gewicht und den Tragausleger, der in der Richtung der ersten Achse (d. h. in der x-Richtung in 9) verlagerbar ist, enthält, auf den Halbleiterchip 304 wirkt, auf dem die Beschleunigungsdetektionseinheit in Form der MEMS-Struktur gebildet ist, wird das Gewicht in der Richtung der zweiten Achse (d. h. in der y-Richtung in 9), in der es verlagerbar ist, verlagert. Außerdem wird die Verlagerung des Gewichts mittels einer LSI-Schaltung in ein elektrisches Signal umgesetzt. Falls das durch Umsetzen der Verlagerung des Gewichts erhaltene elektrische Signal zu dieser Zeit den Bereich von Signalamplituden, den die LSI-Schaltung handhaben kann, überschreitet, d. h. falls die LSI-Schaltung eine Signalsättigung erfährt, wird die Beschleunigung in der Richtung der zweiten Achse (d. h. in der y-Richtung in 9) mit Frequenzen von 0 bis zu einigen zehn Hz, die eigentlich gemessen werden soll, in dem Sättigungssignal verborgen. Daher kann die Beschleunigung in der Richtung der zweiten Achse (d. h. in der y-Richtung in 9) nicht geeignet ausgegeben werden. Dies gibt Anlass zu dem Problem, dass die Funktion der Detektion der Beschleunigung unterbrochen wird.
  • Der kombinierte Sensor gemäß der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung hat jedoch eine Struktur, bei der der Vibrationsverhinderungsteil 303a, der Vibrationsverhinderungsteil 303b, die Winkelgeschwindigkeitsdetektionseinheit als die MEMS-Struktur, die Beschleunigungsdetektionseinheit als die MEMS-Struktur zum Detektieren einer Beschleunigung in der Richtung der ersten Achse und die Beschleunigungsdetektionseinheit als die MEMS-Struktur für die Detektion einer Beschleunigung in der Richtung der zweiten Achse, die sämtlich Formen wie in 13 gezeigt haben, auf dem Halbleiterchip 304 ausgebildet sind. Die Vibrationsdurchlässigkeiten an einigen Punkten in der Struktur, bei der der Vibrationsverhinderungsteil 303a, der Vibrationsverhinderungsteil 303b, die Winkelgeschwindigkeitsdetektionseinheit als die MEMS-Struktur, die Beschleunigungsdetektionseinheit als die MEMS-Struktur zum Detektieren einer Beschleunigung in der Richtung der ersten Achse und die Beschleunigungsdetektionseinheit als die MEMS-Struktur zum Detektieren einer Beschleunigung in Richtung der zweiten Achse, die sämtlich Formen wie in 13 gezeigt besitzen, auf dem Halbleiterchip 304 gebildet sind, können durch strukturelle Berechnungen unter Verwendung des Verfahrens finiter Elemente berechnet werden.
  • Es sei der Halbleiterchip aus einem Siliciumsubstrat mit Flächenabmessungen von 4 mm × 9 mm und einer Dicke von 0,5 mm konfiguriert, es sei der Vibrationsverhinderungsteil 303a aus einer Silikongummilage mit einem Young-Modul von 5 MPa (Härte 40) hergestellt und es sei der Vibrationsverhinderungsteil 303b aus einem Siliciumgel mit einem Young-Modul von 0,1 MPa hergestellt. Dann entspricht die Vibrationsdurchlässigkeit in der Richtung der zweiten Achse (d. h. in der y-Richtung in 9) in dem Bereich des Halbleiterchips 304, der in 12 mit P bezeichnet ist, der Frequenzcharakteristik, die in 15 durch Py repräsentiert ist; ferner entspricht die Vibrationsdurchlässigkeit in der Richtung der ersten Achse (d. h. in der x-Richtung in 9) in dem Bereich des Halbleiterchips 304, der in 12 mit Q bezeichnet ist, der Frequenzcharakteristik, die in 15 mit Qx repräsentiert wird; und entspricht die Vibrationsdurchlässigkeit in der Richtung der zweiten Achse (d. h. in der y-Richtung in 9) in dem Bereich des Halbleiterchips 304, der in 12 mit P bezeichnet ist, der Frequenzcharakteristik, die in 15 mit Qy repräsentiert wird. Es sei hier angemerkt, dass dann, wenn die durch die Winkelgeschwindigkeitsdetektionseinheiten in der Form – der MEMS-Struktur detektierte Frequenz als fd angenommen wird, die Vibrationsdurchlässigkeit der Struktur durch Einstellen der Dicken der Vibrationsverhinderungsteile 303a und 303b in der Weise, dass die Vibrationsdurchlässigkeit längs der zweiten Achse (in der y-Richtung in 9), längs derer die Detektion erfolgt, bei der Frequenz fd einen gewünschten Sollwert erreicht, erhalten wird.
  • Falls daher von der Struktur Gebrauch gemacht wird, in der der Vibrationsverhinderungsteil 303a, der Vibrationsverhinderungsteil 303b, die Winkelgeschwindigkeitsdetektionseinheit als die MEMS-Struktur, die Beschleunigungsdetektionseinheit als die MEMS-Struktur zum Detektieren einer Beschleunigung in der Richtung der ersten Achse und die Beschleunigungsdetektionseinheit als die MEMS-Struktur zum Detektieren einer Beschleunigung in der Richtung der zweiten Achse, die sämtlich Formen wie in 13 gezeigt haben, auf dem Halbleiterchip 304 gebildet sind, kann dann, wenn die Vibrationsdurchlässigkeit in der Richtung der zweiten Achse (d. h. in der y-Richtung in 9) in dem Bereich, in dem die Winkelgeschwindigkeitsdetektionseinheit auf dem Halbleiterchip 304 gebildet ist und der in 12 mit P bezeichnet ist, niedrig festgelegt ist, eine Verringerung der Vibrationsdurchlässigkeit in der axialen Richtung, die von der y-Richtung verschieden ist, verhindert werden. Ferner kann die Vibrationsdurchlässigkeit in der Richtung der ersten Achse (d. h. in der x-Richtung in 9) in dem Bereich, in dem die Beschleunigungsdetektionseinheit auf dem Halbleiterchip 304 gebildet ist und der in 12 mit Q bezeichnet ist, auf höchstens 100% für den Frequenzbereich festgelegt werden, für den der Antwortskalierungsfaktor der MEMS-Struktur, die als die Beschleunigungsdetektionseinheit dient, nahezu gleich 0 dB (= 1) ist. Darüber hinaus kann die Vibrationsdurchlässigkeit in der Richtung der zweiten Achse (d. h. in der y-Richtung in 9) in dem Bereich, in dem die Beschleunigungsdetektionseinheit auf dem Halbleiterchip 304 gebildet ist und der in 12 mit Q bezeichnet ist, auf höchstens 100% für den Frequenzbereich eingestellt werden, für den der Antwortskalierungsfaktor der MEMS-Struktur, die als die Beschleunigungsdetektionseinheit dient, nahezu gleich 0 dB (= 1) ist. Es sei ferner die Frequenz der Ultraschallvibration, die in dem Drahtbondprozess verwendet wird, um eine elektrische Verbindung zu erhalten, nachdem der Halbleiterchip 302 oder der Halbleiterchip 304 an dem Gehäuseelement 301 montiert worden ist, gleich fu. Dann kann die Vibrationsdurchlässigkeit in der z-Richtung sichergestellt werden.
  • Da wie oben beschrieben der kombinierte Sensor als der Trägheitssensor der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung den Vibrationsverhinderungsteil 303a und den Vibrationsverhinderungsteil 303b, die in 13 gezeigt sind, besitzt, kann diese Struktur selbst dann, wenn eine für die Messung nicht notwendige Beschleunigungsvibration auf den kombinierten Sensor als Ganzes wirkt, eine Übertragung der Beschleunigungsvibration an das Substrat 304, in dem die Winkelgeschwindigkeitsdetektionseinheit in der Form der MEMS-Struktur und die Beschleunigungsdetektionseinheiten in der Form der MEMS-Struktur ausgebildet werden, verhindert werden, so dass verhindert werden kann, dass der kombinierte Sensor eine Verschlechterung der Ausgangsgenauigkeit und eine Funktionsunterbrechung aufgrund fehlerhafter Ausgänge erfährt. Es sei hier angemerkt, dass, obwohl diese Ausführungsform zwei Beschleunigungsdetektionssensoren enthält, einer für die Detektion der Beschleunigung in der x-Richtung und der andere für die Detektion der Beschleunigung in der y-Richtung, das Vorsehen wenigstens eines Winkelgeschwindigkeitsdetektionssensors und eines Beschleunigungssensors zum Detektieren einer Beschleunigung in einer der zwei Richtungen (z. B. in der x-Richtung) für die Struktur eines kombinierten Sensors ausreicht. Ein solcher vereinfachter Typ eines kombinierten Sensors kann Wirkungen erzielen, die den Vorteil dieser Ausführungsform ausmachen.
  • Wie oben beschrieben worden ist, umfasst diese Ausführungsform der Erfindung: ein Gehäuseelement (301); ein Substrat (401); einen Halbleiterchip (304) mit einer ersten Sensoreinheit (Winkelgeschwindigkeitsdetektionseinheit), die auf dem Substrat gebildet ist, um ein erstes elektrisches Signal auszugeben, und einer zweiten Sensoreinheit (z. B. einer Beschleunigungsdetektionseinheit für die x-Richtung), die auf dem Substrat ausgebildet ist, um ein zweites elektrisches Signal auszugeben; einen Halbleiterchip (302) mit einer Rechenschaltung zum Ausführen einer arithmetischen Operation an dem ersten elektrischen Signal und an dem zweiten elektrischen Signal; und eine Vibrationsverhinderungsstruktur, die zwischen den Halbleiterchips angeordnet ist und einen ersten Vibrationsverhinderungsteil (303b) und einen zweiten Vibrationsverhinderungsteil (303a), der einen größeren Young-Modul als der erste Vibrationsverhinderungsteil besitzt, enthält, wobei die erste Sensoreinheit ein erstes Gewicht enthält, das in einer ersten Richtung parallel zu der Oberfläche des Substrats vibrieren kann, und eine erste Detektionselektrode enthält, um die Verlagerung des ersten Gewichts in einer zweiten Richtung in ein erstes elektrisches Signal umzusetzen, wenn das Substrat um eine dritte Richtung längs einer Achse senkrecht zu der Oberfläche des Substrats gedreht wird, wobei die zweite Richtung zu der Oberfläche des Substrats parallel und senkrecht zu der ersten Richtung ist; das zweite Gewicht, das in der ersten Richtung vibrieren kann, und eine zweite Detektionselektrode, um die Verlagerung des zweiten Gewichts in der ersten Richtung in ein zweites elektrisches Signal umzusetzen, wenn in der ersten Richtung eine Beschleunigung wirkt; und wobei der Umfang des ersten Vibrationsverhinderungsteils von dem zweiten Vibrationsverhinderungsteil oder von der Kombination aus dem zweiten Vibrationsverhinderungsteil und dem Gehäusesubstrat umgeben ist. Da gemäß dieser Ausführungsform die Vibrationsverhinderungsstruktur aus einem weichen, schwer handhabbaren Material mit einem niedrigen Young-Modul wie etwa einem Silikonklebstoffmittel oder einem Silikongel, das vor dem Härten eine Fluidität besitzt, hergestellt ist, kann die Einfachheit der Montage verbessert werden und kann die Vibrationsdurchlässigkeit der Vibrationsverhinderungsstruktur selbst in dem begrenzten Raum in den Gehäuseelement erniedrigt werden. Außerdem ist die Vibrationsverhinderungsstruktur dadurch ausgezeichnet, dass wenigstens die Vibrationseigenfrequenz in der ersten Richtung und die Vibrationseigenfrequenz in der zweiten Richtung in der ersten Sensoreinheit bzw. in der zweiten Sensoreinheit unterschiedlich sind. Selbstverständlich können die Vibrationseigenfrequenzen in der ersten und in der zweiten Richtung voneinander verschieden sein. Diese Merkmale können geeignete Frequenzcharakteristiken in verschiedenen Trägheitssensoren (z. B. Winkelgeschwindigkeitssensor und Beschleunigungssensor) in einem kombinierten Sensor schaffen, so dass sie ermöglichen, die Vibrationsdurchlässigkeit für jeden Sensor nochmals zu erniedrigen.
  • Unter Verwendung einer geometrischen Beziehung, gemäß der die Projektion der Bondanschlussfläche in der Richtung senkrecht zu der Oberfläche des Substrats auf den zweiten Vibrationsverhinderungsteil fällt, kann die Ultraschallvibration, die erforderlich ist, um den Halbleiterchip 304 und den Signalverarbeitungs-Halbleiterchip 302 durch ein Drahtbonden elektrisch zu verbinden, übertragen werden, während die Vibrationsdurchlässigkeit der Vibrationsverhinderungsstruktur erniedrigt ist. Somit kann die Bequemlichkeit der Montage sichergestellt werden. Diese Tatsache ist die Gleiche wie in der ersten Ausführungsform.
  • Die Struktur, in der der harte Vibrationsverhinderungsteil 303a mit einem großen Young-Modul den weichen Vibrationsverhinderungsteil 303b mit einem kleinen Young-Modul umgibt, ist nicht auf jene, die in 13 gezeigt ist, eingeschränkt, vielmehr können die Strukturen, die in den Teilen (a) bis (c) von 16 gezeigt sind, ebenfalls verwendet werden, um wirksame vibrationssichere Charakteristiken zu erzielen. Diese Tatsache ist ebenfalls gleich jener in der ersten Ausführungsform. Das heißt, dass der erste Vibrationsverhinderungsteil nur von dem zweiten Vibrationsverhinderungsteil oder von der Kombination aus dem zweiten Vibrationsverhinderungsteil und dem Gehäuseelement umgeben sein muss. Diese Struktur schafft die oben erwähnten Verbesserungen sowohl der Genauigkeit als auch der Bequemlichkeit der Montage, die miteinander verträglich sind. Außerdem können die in den Teilen (a) bis (b) von 16 gezeigten Strukturen einzigartige Effekte erzielen, die durch die in 13 gezeigte Struktur nicht erhalten werden können. Diese einzigartigen Wirkungen sind die gleichen wie jene, die von den entsprechenden Strukturen, die in den Teilen (a) bis (b) von 7 gezeigt sind, erzielt werden können. Die im Teil (c) von 16 gezeigte Struktur ist mit dem dritten Vibrationsverhinderungsteil versehen, der einen Young-Modul hat, der sich von jenen des ersten Vibrationsverhinderungsteils 303a und des zweiten Vibrationsverhinderungsteils 303b unterscheidet. Daher kann die im Teil (c) von 16 gezeigte Struktur die einzigartige Wirkung erzielen, die durch die in 13 gezeigte Struktur nicht erreicht werden kann. Die einzigartige Wirkung entspricht jener, die mit der in Teil (c) von 7 gezeigten Struktur erzielt werden kann, außerdem kann die Wirkung erhalten werden, dass die Vibrationsdurchlässigkeit in der Richtung der ersten Achse (d. h. in der x-Richtung in 9) in dem mit Q bezeichneten Bereich auf dem Halbleiterchip 304 in 12 und die Vibrationsdurchlässigkeit in der Richtung der zweiten Achse (d. h. in der y-Richtung in 9) in dem mit Q bezeichneten Bereich auf dem Halbleiterchip 304 in 12 einfach eingestellt werden können. Falls beispielsweise ein dritter Vibrationsverhinderungsteil mit einem Material, das einem Young-Modul hat, der größer als jener des ersten Vibrationsverhinderungsteils 303b und des zweiten Vibrationsverhinderungsteils (303a) ist, gebildet ist, so dass die Differenz der Vibrationsdurchlässigkeiten zwischen der Winkelgeschwindigkeitsdetektionseinheit und der Beschleunigungsdetektionseinheit groß wird, kann die Sensorgenauigkeit weiter erhöht werden.
  • Falls die oben beschriebenen Strukturen verwendet werden, können Vibrationsverhinderungsstrukturen, die für die mechanischen Eigenschaften der MEMS-Strukturen geeignet sind, die als ein Winkelgeschwindigkeitssensor und als ein Beschleunigungssensor dienen, selbst für einen kombinierten Sensorchip geschaffen werden, bei dem der Winkelgeschwindigkeitssensor und der Beschleunigungssensor, deren mechanische Frequenzantworten der jeweiligen MEMS-Strukturen voneinander verschieden sind, gemeinsam auf dem Sensorchip montiert sind.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Sensor
    101
    Gehäuseelement
    102
    Halbleiterchip
    103a
    Vibrationsverhinderungsteil
    103b
    Vibrationsverhinderungsteil
    104
    Halbleiterchip
    105a
    Anschlussfläche
    105b
    Anschlussfläche
    106a
    Draht
    106b
    Draht
    107
    Anschluss
    108
    Anschluss
    109
    Deckel
    110
    Anschlussfläche
    300
    Sensor
    301
    Gehäuseelement
    302
    Halbleiterchip
    303a
    Vibrationsverhinderungsteil
    303b
    Vibrationsverhinderungsteil
    303c
    Vibrationsverhinderungsteil
    304
    Halbleiterchip
    305a
    Anschlussfläche
    305b
    Anschlussfläche
    306a
    Anschlussfläche
    306b
    Anschlussfläche
    307a
    Anschluss
    307b
    Anschluss
    308a
    Draht
    308b
    Draht
    308c
    Draht
    309
    Deckel
    310
    Anschluss

Claims (15)

  1. Trägheitssensor, der umfasst: ein Gehäuseelement; einen ersten Halbleiterchip mit einem Substrat und einer Sensordetektionseinheit, die Gewichte, die relativ zu dem Substrat verlagerbar sind, und Detektionselektroden, um die Verlagerungen der Gewichte in elektrische Signale umzusetzen, enthält, wobei die Sensordetektionseinheit an dem Substrat montiert ist; einen zweiten Halbleiterchip, der an dem Gehäuseelement montiert ist, um an den elektrischen Signalen arithmetische Operationen auszuführen; und eine Vibrationsverhinderungsstruktur mit einem ersten Vibrationsverhinderungsteil und einem zweiten Vibrationsverhinderungsteil, der aus einem Material mit einem größeren Young-Modul als der erste Vibrationsverhinderungsteil hergestellt ist, wobei die Vibrationsverhinderungsstruktur zwischen dem ersten Halbleiterchip und dem zweiten Halbleiterchip angeordnet ist, wobei der Umfang des ersten Vibrationsverhinderungsteils von dem zweiten Vibrationsverhinderungsteil oder der Kombination aus dem zweiten Vibrationsverhinderungsteil und dem Gehäuseelement umgeben ist.
  2. Trägheitssensor nach Anspruch 1, der ferner Bondanschlussflächen umfasst, mit denen Drähte für die Übertragung der elektrischen Signale an den zweiten Halbleiterchip verbunden sind, wobei die Projektion der Bondanschlussflächen in der Richtung senkrecht zu der Oberfläche des Substrats auf den zweiten Vibrationsverhinderungsteil fällt.
  3. Trägheitssensor nach Anspruch 1, wobei der Vibrationsverhinderungsteil in der Weise geformt ist, dass die Eigenfrequenz in der ersten Richtung parallel zu der Oberfläche des Substrats und die Eigenfrequenz in der zweiten Richtung parallel zu der Oberfläche des Substrats und senkrecht zu der ersten Richtung voneinander verschieden sind.
  4. Trägheitssensor nach Anspruch 3, wobei der erste Vibrationsverhinderungsteil die Form eines Rechtecks hat, dessen lange Seite in der ersten Richtung orientiert ist und dessen kurze Seite in der zweiten Richtung orientiert ist.
  5. Trägheitssensor nach Anspruch 1, wobei der erste Vibrationsverhinderungsteil durch den zweiten Vibrationsverhinderungsteil in mehrere Unterteile unterteilt ist.
  6. Trägheitssensor nach Anspruch 1, wobei ein Abschnitt des Umfangs des ersten Vibrationsverhinderungsteils mit dem Gehäuseelement in Kontakt ist, während der andere Abschnitt des Umfangs des ersten Vibrationsverhinderungsteils von dem zweiten Vibrationsverhinderungsteil umgeben ist.
  7. Trägheitssensor nach Anspruch 1, wobei die Eigenfrequenz in der ersten Richtung parallel zu der Oberfläche des Substrats und die Eigenfrequenz in der zweiten Richtung parallel zu der Oberfläche des Substrats und senkrecht zu der ersten Richtung in der Struktur, die die Vibrationsverhinderungsstruktur und die Sensordetektionseinheit enthält, voneinander verschieden sind.
  8. Trägheitssensor, der umfasst: ein Gehäuseelement; einen ersten Halbleiterchip mit einem Substrat, einer auf dem Substrat gebildeten ersten Sensoreinheit, um ein erstes elektrisches Signal auszugeben, und einer auf dem Substrat gebildeten zweiten Sensoreinheit, um ein zweites elektrisches Signal auszugeben; einen zweiten Halbleiterchip mit einer Rechenschaltung, um arithmetische Operationen an dem ersten elektrischen Signal und an dem zweiten elektrischen Signal auszuführen; und eine Vibrationsverhinderungsstruktur, die zwischen dem ersten und dem zweiten Halbleiterchip angeordnet ist und einen ersten Vibrationsverhinderungsteil und einen zweiten Vibrationsverhinderungsteil, der einen größeren Young-Modul als der erste Vibrationsverhinderungsteil besitzt, enthält, wobei die erste Sensoreinheit umfasst: ein erstes Gewicht, das in einer Richtung parallel zu der Oberfläche des Substrats vibrieren kann; und eine erste Detektionselektrode, um die Verlagerung des ersten Gewichts in einer zweiten Richtung in ein erstes elektrisches Signal umzusetzen, wenn das Substrat um eine dritte Richtung längs einer Achse parallel zu der Oberfläche des Substrats gedreht wird, wobei die zweite Richtung zu der Oberfläche des Substrats parallel und zu der ersten Richtung senkrecht ist; wobei die zweite Sensoreinheit umfasst: ein zweites Gewicht, das in der ersten Richtung vibrieren kann; und eine zweite Detektionselektrode, um die Verlagerung des zweiten Gewichts in der ersten Richtung in ein zweites elektrisches Signal umzusetzen, wenn in der ersten Richtung eine Beschleunigung wirkt; wobei der Umfang des ersten Vibrationsverhinderungsteils von dem zweiten Vibrationsverhinderungsteil oder der Kombination aus dem zweiten Vibrationsverhinderungsteil und dem Gehäusesubstrat umgeben ist; und wobei die Struktur, die den ersten Vibrationsverhinderungsteil und den zweiten Vibrationsverhinderungsteil enthält, so beschaffen ist, dass die Eigenfrequenz in der ersten Richtung oder die Eigenfrequenz in der zweiten Richtung im ersten Sensor und im zweiten Sensor verschieden sind.
  9. Trägheitssensor nach Anspruch 8, wobei der erste Halbleiterchip ferner erste Bondanschlussflächen, mit denen erste Drähte zum Übertragen des ersten elektrischen Signals an den zweiten Halbleiterchip verbunden sind, und zweite Bondanschlussflächen, mit denen zweite Drähte zum Übertragen des zweiten elektrischen Signals an dem zweiten Halbleiterchip verbunden sind, umfasst; und die Projektionen der ersten und der zweiten Bondanschlussflächen in der Richtung senkrecht zu der Oberfläche des Substrats auf den zweiten Vibrationsverhinderungsteil fallen.
  10. Trägheitssensor nach Anspruch 8, der ferner eine dritte Sensordetektionseinheit umfasst, die auf dem Substrat angeordnet ist, um ein drittes elektrisches Signal auszugeben, wobei eine dritte Sensordetektionseinheit ein drittes Gewicht, um in der zweiten Richtung zu vibrieren, und eine dritte Detektionselektrode, um die Verlagerung des dritten Gewichts in der zweiten Richtung in ein drittes elektrisches Signal umzusetzen, wenn in der zweiten Richtung eine Beschleunigung wirkt, enthält.
  11. Trägheitssensor nach Anspruch 8, wobei die Vibrationsdurchlässigkeiten an den Positionen des ersten und des zweiten Gewichts in der Vibrationsverhinderungsstruktur voneinander verschieden sind.
  12. Trägheitssensor nach Anspruch 8, wobei die Eigenfrequenzen in der ersten und in der zweiten Richtung der Struktur, die den ersten Vibrationsverhinderungsteil und den zweiten Vibrationsverhinderungsteil enthält, voneinander verschieden sind.
  13. Trägheitssensor nach Anspruch 12, wobei der erste Vibrationsverhinderungsteil die Form eines Rechtecks hat, dessen lange Seite in der ersten Richtung verläuft und dessen kurze Seite in der zweiten Richtung verläuft.
  14. Trägheitssensor nach Anspruch 8, wobei der erste Vibrationsverhinderungsteil durch den zweiten Vibrationsverhinderungsteil in mehrere Unterteile unterteilt ist.
  15. Trägheitssensor nach Anspruch 8, wobei ein Abschnitt des Umfangs des ersten Vibrationsverhinderungsteils mit dem Gehäuseelement in Kontakt ist, während der andere Abschnitt des Umfangs des ersten Vibrationsverhinderungsteils von dem zweiten Vibrationsverhinderungsteil umgeben ist.
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