JP2005257623A - 物理量センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 温度補正が必要な物理量センサ装置において、温度補正の精度を向上させる。
【解決手段】 物理量を検出するためのセンサ部が形成されたセンサチップと、センサチップと積層して配置され、センサ部により得られた信号に基づいて物理量を取得する回路部が形成された回路チップと、センサチップの温度を検出するための複数の温度センサとを備えた物理量センサ装置において、回路部は、複数の温度センサにて検出した温度に基づいて物理量を補正するように構成し、複数の温度センサを、回路チップにおけるセンサチップと重なり合っていない領域において、複数の温度センサを結ぶ線の少なくとも１つがセンサ部上を横切るように配置する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、物理量を検出する物理量センサ装置に関し、特に温度補正が必要なものに関する。

近年、半導体素子の高集積化に伴い微細化や多層化が必須の技術となり、素子特性においても高精度化が要求されている。例えば駆動振動される振動体を有する角速度センサにおいては、振動体の駆動振幅は雰囲気気体の粘性係数に大きく依存し、該気体の粘数は一般に温度に非常に敏感であるから、センサの感度に対する温度の影響は非常に大きい。このため、温度によってセンサ感度が変動したり、ゼロ点オフセットが変動してしまうという問題がある。

このような問題に対し、温度補正のための温度センサが設けられた角速度センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特表平９−５０６７０１号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の角速度センサでは、センサチップと回路チップを並べて配置する構成であり、温度センサがセンサチップから離れた位置に配置されているため、温度補正を精度よく行うことが困難である。

本発明は上記点に鑑み、温度補正が必要な物理量センサ装置において、温度補正の精度を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、物理量を検出するためのセンサ部が形成されたセンサチップと、センサチップと積層して配置され、センサ部により得られた信号に基づいて物理量を取得する回路部が形成された回路チップと、センサチップの温度を検出するための複数の温度センサとを備え、回路部は、複数の温度センサにて検出した温度に基づいて物理量を補正するように構成されており、複数の温度センサは、回路チップにおけるセンサチップと重なり合っていない領域において、複数の温度センサを結ぶ線の少なくとも１つがセンサチップ上を横切るように配置されていることを特徴としている。

このように、回路チップとセンサチップとを積層構造とし、温度センサを回路チップ上におけるセンサチップと重なり合っていない領域に配置することで、温度センサをセンサチップから極力近い位置に配置することができる。また、各温度センサを結ぶ線の少なくとも１つがセンサチップ上を横切るように配置することで、複数の温度センサで検出した温度に基づいてセンサチップの温度を推定することができる。これにより、温度補正が必要な物理量センサ装置において、温度補正の精度を向上させることができる。

また、請求項２に記載の発明のように、複数の温度センサが３つ以上である場合には、複数の温度センサを結ぶ線で形成される多角形の重心がセンサチップ上に位置するように構成することで、センサチップの温度を容易に算出することができる。

また、請求項３に記載の発明のように、多角形の重心がセンサチップの中央付近に位置するように構成し、あるいは、請求項４に記載の発明のように、複数の温度センサが２つである場合には、複数の温度センサの中間位置がセンサチップの中央付近に位置するように構成することで、センサチップの温度をより正確に検出することができる。

また、請求項５に記載の発明では、物理量を検出するためのセンサ部と、センサ部により得られた信号に基づいて物理量を取得する回路部と、センサ部の温度を検出するための複数の温度センサとを備え、回路部は、温度センサにて検出した温度に基づいて物理量を補正するように構成されており、センサ部と回路部は同一のチップに形成されており、複数の温度センサは回路部において、複数の温度センサを結ぶ線の少なくとも１つがセンサ部上を横切るように配置されていることを特徴としている。

このような回路部とセンサ部が１つのチップに設けられた構成においても、複数の温度センサを各温度センサを結ぶ線の少なくとも１つがセンサ部上を横切るように配置することで、温度センサによりセンサ部の温度を正確に検出することができ、回路部における角速度信号の温度補正の精度を向上させることができる。

また、請求項６に記載の発明のように、複数の温度センサが３つ以上である場合には、複数の温度センサを結ぶ線で形成される多角形の重心がセンサ部上に位置するように構成することで、センサ部の温度を容易に算出することができる。

また、請求項７に記載の発明のように、多角形の重心がセンサ部の中央付近に位置するように構成し、あるいは、請求項８に記載の発明のように、複数の温度センサが２つである場合には、複数の温度センサの中間位置がセンサ部の中央付近に位置するように構成することで、センサ部の温度をより正確に検出することができる。

また、請求項９に記載の発明のように、センサ部は印加された角速度を検出するためのものとすることができる。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１、図２に基づいて説明する。本第１実施形態は、本発明の物理量センサ装置を角速度センサ装置に適用したものである。

図１（ａ）は、角速度センサ装置Ｓ１の断面図である。図１（ａ）において、１はセラミックパッケージであり、センサＳ１の基部となるとともに、センサＳ１を被測定体の適所に取り付けるためのものである。セラミックパッケージ１の上には、接着剤２を介して回路チップ３が搭載され固定されている。

この回路チップ３の上面には、センサチップ５を搭載するための領域であるボンディング部３ａが設けられており、このボンディング部３ａには、接着剤４を介してセンサチップ５が積層されている。そして、センサチップ５と回路チップ３、および、回路チップ３とセラミックパッケージ１は、それぞれボンディングワイヤ６、７を介して電気的に接続されている。セラミックパッケージ１の上部には、セラミックカバー８が設けられている。

センサチップ５には、角速度（物理量）を検出するためのセンサ部が形成されており、角速度検出を行う検出素子として構成されている。センサチップ５は、例えばシリコン基板等に対し、駆動梁で支持された振動体を形成するとともに振動体を所定周波数で駆動振動させ、振動する振動体に角速度が加わった場合に発生するコリオリ力で振動体が変位した場合に、印加された角速度に応じた可動電極と固定電極間の静電容量変化（電気信号）を検出するものとすることができる。センサチップ５は、角速度に応じた電気信号を回路チップ３に出力する。

また、回路チップ３には、センサチップ５からの信号に基づいて角速度を取得する回路部が形成されている。例えば回路チップ３として、シリコン基板等に対してＭＯＳトランジスタやバイポーラトランジスタ等が、周知の半導体プロセスを用いて形成されており、センサチップ５の電気信号を処理して出力する等の機能を有するものを採用することができる。センサチップ５からの電気信号（容量変化）は、回路チップ３へ送られて回路チップ３に備えられたＣ／Ｖ変換回路により電圧信号に変換されて、角速度信号として出力されるようになっている。

図１（ｂ）は、回路チップ３とセンサチップ５の平面図である。回路チップ３上におけるセンサチップ５が設けられた領域の周囲に複数の温度センサ９ａ〜９ｄが設けられている。温度センサ９ａ〜９ｄとしては、例えば感温抵抗やサーミスタを用いることができる。回路チップ３の回路部では、温度センサ９ａ〜９ｄにて検出した温度に基づいて、センサ感度やゼロ点オフセット等を補正する温度補正処理が行われる。

図２（ａ）は温度センサ９ａの平面図であり、図２（ｂ）は温度センサ９ａの回路図である。図２（ａ）（ｂ）に示すように、温度センサ９ａは、感温抵抗１０、トリミング抵抗１１、増幅回路１２を備えている。他の温度センサ９ｂ〜９ｄも同様の構成であるので、説明を省略する。

図１（ｂ）に示すように、複数（本例では４つ）の温度センサ９ａ〜９ｄは、回路チップ３上におけるセンサチップ５と重なり合わない領域、すなわちセンサチップ５が設けられていない領域に設けられている。複数の温度センサ９ａ〜９ｄは、各温度センサ９ａ〜９ｄを結ぶ線の少なくとも１つがセンサチップ５上を横切るように配置されている。本第１実施形態の温度センサ９ａ〜９ｄは、複数の温度センサ９ａ〜９ｄを結ぶ線で形成される多角形（本例では４角形）の重心がセンサチップ５上に位置するように配置されている。また、本第１実施形態の４つの温度センサ９ａ〜９ｄはセンサチップ５の中央位置を中心として対称位置に配置されており、４つの温度センサ９ａ〜９ｄで形成される四角形の重心がセンサチップ５の中央付近に位置している。

以上のように、回路チップ３とセンサチップ５とを積層構造とし、温度センサ９ａ〜９ｄを回路チップ３上におけるセンサチップ５と重なり合っていない領域に設けることで、温度センサ９ａ〜９ｄをセンサチップ５から極力近い位置に配置することができる。この場合、各温度センサ９ａ〜９ｄを結ぶ線の少なくとも１つがセンサチップ５上を横切るように配置することで、複数の温度センサ９ａ〜９ｄで検出した温度に基づいてセンサチップ５の温度を推定することができる。また、４つの温度センサ９ａ〜９ｄを結ぶ線で形成される４角形の重心がセンサチップ５上に位置するように構成することで、センサチップ５の温度を容易に算出することができる。この場合、各温度センサ９ａ〜９ｄで検出した温度の平均値をセンサチップ５における中央付近の温度と推定することができる。また、温度勾配が大きい場合には、図１（ｂ）中の左側の温度センサ９ａ、９ｃの平均値でセンサチップ５の左側の温度を推定でき、右側の温度センサ９ｂ、９ｄの平均値でセンサチップ５の右側の温度を推定できる。あるいは各温度センサ９ａ〜９ｄで検出した温度に所定の重み付けをしてセンサチップ５の温度を算出してもよい。

これにより、直接センサチップ５の温度を検出することなく、センサチップ５の温度を高精度に検出することができ、回路チップ３における角速度信号の温度補正の精度を向上させることができる。さらにセンサチップ５やその周囲に温度勾配があるような場合でも、温度検出精度を向上させることができる。さらに、本第１実施形態のように、４つの温度センサ９ａ〜９ｄで形成される四角形の重心をセンサチップ５の中央付近に位置するように構成することで、センサチップ５の温度をより正確に検出することができる。

また、温度センサ９ａ〜９ｄを回路チップ３上におけるセンサチップ５と重なり合わない領域、すなわちセンサチップ５が設けられていない領域に設けることで、回路チップ３上にセンサチップ５を積層した状態で、各温度センサ９ａ〜９ｄに対してレーザトリミング等を行うことができる。これにより、センサチップ５の組み付け後においても、それぞれの温度センサ９ａ〜９ｄにおけるセンサ感度や各温度センサ９ａ〜９ｄ間におけるセンサ感度のバランス等といった温度センサ９ａ〜９ｄの特性を個別に調整することが可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図３に基づいて説明する。図３（ａ）は本第２実施形態の角速度センサ装置Ｓ２の断面図であり、（ｂ）は角速度センサ装置における回路部３０とセンサ部５０の平面図である。

図３（ａ）（ｂ）に示すように、本第２実施形態の角速度センサ装置Ｓ２では、回路部３０とセンサ部５０が１つの半導体チップ１０内に形成されている。この半導体チップ１０、上記第１実施形態と同様のセラミックパッケージ内に配置される。半導体チップ１０の中央付近に回路部３０が形成され、その周囲に回路部５０が形成されている。センサ部５０は、駆動振動可能な振動体として構成されている。本第２実施形態では、センサ部５０上に複数の温度センサ９０ａ〜９０ｄが設けられている。

本第２実施形態では、温度センサ９０ａ〜９０ｄは、回路部３０上におけるセンサ部５０の周囲に配置されている。複数（本例では４つ）の温度センサ９０ａ〜９０ｄは、各温度センサ９０ａ〜９０ｄを結ぶ線の少なくとも１つがセンサ部５０上を横切るように配置されている。本第２実施形態の温度センサ９０ａ〜９０ｄは、複数の温度センサ９０ａ〜９０ｄを結ぶ線で形成される多角形（本例では４角形）の重心がセンサ部５０上に位置するように配置されている。また、本第２実施形態の４つの温度センサ９０ａ〜９０ｄはセンサ部５０の中央位置を中心として対称位置に配置されており、４つの温度センサ９０ａ〜９０ｄで形成される四角形の重心がセンサ部５０の中央付近に位置している。

このような回路部３０とセンサ部５０が１つの半導体チップ１０内に設けられた構成においても、複数の温度センサ９０ａ〜９０ｄを各温度センサ９０ａ〜９０ｄを結ぶ線の少なくとも１つがセンサ部５０上を横切るように配置することで、温度センサ９０ａ〜９０ｄによりセンサ部５０の温度を正確に検出することができ、回路部３０における角速度信号の温度補正の精度を向上させることができる。この場合にも、４つの温度センサ９０ａ〜９０ｄで形成される四角形の重心をセンサ部５０の中央付近に位置するように構成することで、センサ部５０の温度をより正確に検出することができる。

（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、本発明の物理量センサ装置を加速度センサ装置に適用した例について説明したが、これに限らず、物理量を検出するセンサ装置であって温度補正が必要なものであれば適用可能である。例えば本発明は、加速度センサ、圧力センサ、湿度センサ、赤外線センサ等に適用することができる。

また、上記各実施形態では温度センサを４つ設けた例について説明したが、複数の温度センサを結ぶ線の少なくとも１つがセンサチップ５またはセンサ部５０上に位置していれば、温度センサの数は問わない。温度センサが３個以上の場合は、上記実施形態と同様に複数の温度センサで形成される多角形の重心位置がセンサチップ５またはセンサ部５０に対する位置となるように配置すればよい。

図４に示すように、温度センサが２個の場合は、温度センサ同士を結ぶ線がセンサチップ５またはセンサ部５０を横切るように配置すればよい。この場合には、２つの温度センサで検出した温度の平均値をセンサチップ５またはセンサ部５０の温度と推定することができ、あるいは各温度センサで検出した温度に所定の重み付けをしてセンサチップ９またはセンサ部５０の温度を算出することもできる。この場合には２つの温度センサの中間位置がセンサチップ５またはセンサ部５０の中央付近に位置するように構成することで、センサチップ５またはセンサ部５０の温度をより正確に検出することができる。

（ａ）は第１実施形態の角速度センサ装置の断面図であり、（ｂ）は角速度センサ装置における回路チップとセンサチップの平面図である。 （ａ）は温度センサの平面図であり、（ｂ）は温度センサの回路図である。 （ａ）は第２実施形態の角速度センサ装置の断面図であり、（ｂ）は角速度センサ装置における回路チップとセンサチップの平面図である。 角速度センサ装置の変形例における回路チップとセンサチップの平面図である。

符号の説明

Ｓ１、Ｓ２…角速度センサ装置、３…回路チップ、５…センサチップ、９…温度センサ、３０…回路部、５０…センサ部、９０…温度センサ。

Claims (9)

1. 物理量を検出するためのセンサ部が形成されたセンサチップと、
   前記センサチップと積層して配置され、前記センサ部により得られた信号に基づいて前記物理量を取得する回路部が形成された回路チップと、
   前記センサチップの温度を検出するための複数の温度センサとを備え、
   前記回路部は、前記複数の温度センサにて検出した温度に基づいて前記物理量を補正するように構成されており、
   前記複数の温度センサは、前記回路チップにおける前記センサチップと重なり合っていない領域において、前記複数の温度センサを結ぶ線の少なくとも１つが前記センサチップ上を横切るように配置されていることを特徴とする物理量センサ装置。
2. 前記複数の温度センサが３つ以上である場合には、前記複数の温度センサを結ぶ線で形成される多角形の重心が前記センサチップ上に位置していることを特徴とする請求項１に記載の物理量センサ装置。
3. 前記多角形の重心が前記センサチップの中央付近に位置していることを特徴とする請求項２に記載の物理量センサ装置
4. 前記複数の温度センサが２つである場合には、前記複数の温度センサの中間位置が前記センサチップの中央付近に位置していることを特徴とする請求項１に記載の物理量センサ装置。
5. 物理量を検出するためのセンサ部と、
   前記センサ部により得られた信号に基づいて前記物理量を取得する回路部と、
   前記センサ部の温度を検出するための複数の温度センサとを備え、
   前記回路部は、前記温度センサにて検出した温度に基づいて前記物理量を補正するように構成されており、
   前記センサ部と前記回路部は同一のチップに形成されており、前記複数の温度センサは前記回路部において、前記複数の温度センサを結ぶ線の少なくとも１つが前記センサ部上を横切るように配置されていることを特徴とする物理量センサ装置。
6. 前記複数の温度センサが３つ以上である場合には、前記複数の温度センサを結ぶ線で形成される多角形の重心が前記センサ部上に位置していることを特徴とする請求項５に記載の物理量センサ装置。
7. 前記多角形の重心が前記センサ部の中央付近に位置していることを特徴とする請求項６に記載の物理量センサ装置
8. 前記複数の温度センサが２つである場合には、前記複数の温度センサの中間位置が前記センサ部の中央付近に位置していることを特徴とする請求項５に記載の物理量センサ装置。
9. 前記センサ部は、印加された角速度を検出するためのものであることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の物理量センサ装置。
   

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