JP2008096146A - センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加速度を検出する検出部としての変位可能な可動電極を有する加速度センサ装置において、検出部の機械的な破損に対して冗長性を持たせることで信頼性の向上が図れるようにする。
【解決手段】検出部１〜４は、検出対象として加速度を検出するものであって、可動部としての可動電極２０とこの可動電極２０に対向して配置された固定電極３０、４０とを有するとともに、加速度の印加時には、可動電極２０と固定電極３０、４０との間の容量が変化し、この容量変化が検出部１〜４の信号として出力されるものである。このような検出部１〜４を、１つの半導体チップ１０に複数個設けることで、１個の検出部が機械的に破損したとしても、他の検出部からの出力信号により検出を行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、検出対象を検出する検出部として変位可能な可動部を有するセンサ装置に関し、たとえば、加速度や角速度などの検出対象を検出する加速度センサや角速度センサなどに用いられる。

従来より、この種のセンサ装置としては、たとえば、櫛歯構造を有する可動電極とこれに対向して配置された固定電極とを有する加速度センサが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

このものは、検出対象として加速度を検出するものであり、上記した可動電極と固定電極とにより検出部が構成されているものである。そして、可動電極は加速度の印加によって変位する可動部として構成されており、この可動電極の変位に伴う可動および固定の両電極間の容量変化を出力信号として検出することにより、印加された加速度を検出するようにしている。
特開平１１−２９５３３６号公報

しかしながら、従来のこの種のセンサ装置においては、検出部を構成する可動部が機械的に破損した場合には、可動部が正常に変位しなくなり、検出対象の検出が行われなくなってしまうという問題が生じる。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、検出対象を検出する検出部としての変位可能な可動部を有するセンサ装置において、検出部の機械的な破損に対して冗長性を持たせることで信頼性の向上が図れるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、検出部（１〜４）を、互いに同一の検出対象を検出する複数個のものより構成し、これら複数個の検出部（１〜４）のそれぞれを、互いに独立した信号を出力するようなものとしたことを特徴とする。

それによれば、複数個の検出部（１〜４）のうちある１個の検出部が機械的に破損したとしても、他の正常な検出部からの出力信号により検出を行うことができるため、検出部の機械的な破損に対して冗長性を持たせることができ信頼性の向上が図れる。

この場合、検出部（１〜４）としては、検出対象として力学量を検出するものであって、可動部としての可動電極（２０）とこの可動電極（２０）に対向して配置された固定電極（３０、４０）とを有するとともに、力学量の印加時には、可動電極（２０）と固定電極（３０、４０）との間の容量が変化し、この容量変化が検出部（１〜４）の信号として出力されるものとすることができる。

このような可動および固定の両電極（２０〜４０）間の容量変化を出力する検出部（１〜４）を持つものは、容量式の力学量センサであり、具体的には、加速度センサや角速度センサなどが挙げられる。

そして、このような容量式の力学量センサにおいて、複数個の検出部（１〜４）のうち１つの検出部における固定電極（３０、４０）と他の検出部における固定電極（３０、４０）とで、それぞれの取り出し用の配線を、１つの配線（３１、４１）に共通化するようにしてもよい。それによれば、それぞれの検出部（１〜４）における固定電極（３０、４０）の取り出し用の配線（３１、４１）の構造の簡素化を図ることができる。

また、上記した容量式の力学量センサにおいては、複数個の検出部（１〜４）の個々における固定電極（３０、４０）の取り出し用の配線を、互いに別々の配線（３１、４１）にて構成してもよい。

それによれば、複数個の検出部（１〜４）の個々における固定電極（３０、４０）の取り出し用の配線（３１、４１）のうち、ある１つの配線が破損しても他の配線が正常であれば、その正常な配線につながる検出部によって検出が可能となるため、当該配線において冗長性を持たせることができる。

また、複数個の検出部（１〜４）のすべてを、１つの半導体チップ（１０）に形成し、これら複数個の検出部（１〜４）を、半導体チップ（１０）の幾何学的な中心（Ｌ）に対して点対称の形状となるように配置すれば、半導体チップ（１０）内の熱応力などのひずみによる特性変化を、各検出部（１〜４）間において均一化することができるため、好ましい。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るセンサ装置としての加速度センサ装置Ｓ１の概略平面構成を示す図である。また、図２は図１に示されるセンサ装置Ｓ１における１つの検出部１の概略平面図であり、図３は図２のＡ−Ａ一点鎖線に沿った概略断面図であり、図４は図２のＢ−Ｂ一点鎖線に沿った概略断面図である。なお、図１では、主として、検出部１を構成する可動部としての可動電極２０および固定電極３０、４０の平面形状について、便宜上、斜線ハッチングを施したり、太線としたりすることで表すようにしており、当該形状の細部は一部省略してある。

本実施形態の加速度センサ装置Ｓ１は、差動容量式の半導体加速度センサであり、このような半導体加速度センサは、たとえば、エアバッグ、ＡＢＳ、ＶＳＣ等の作動制御を行うための自動車用加速度センサやジャイロセンサ等に適用できる。

図１に示されるように、本実施形態の加速度センサ装置Ｓ１では、１つの半導体チップ１０に複数個の検出部１、２、３、４が設けられている。図１に示される例では、４個の検出部１〜４が半導体チップ１０に平面的に配置されている。このような加速度センサ装置Ｓ１は、半導体チップ１０に対して、半導体プロセス技術を用いた周知のマイクロマシン加工を施すことにより形成される。

これら４個の検出部１〜４はそれぞれ、可動部としての可動電極２０とこれに対向する固定電極３０、４０とにより構成されている。ここでは、４個の検出部１〜４は、それぞれ実質的に同じ構成を有するものであり、櫛歯構造を有する両電極２０、３０、４０を備えた梁構造体として構成されている。まず、個々の検出部１〜４の構成等について、図２〜図４に示される代表的な１個の検出部１を参照して述べることとする。

本例では、半導体チップ１０は、図３および図４に示されるように、第１の半導体層としての第１シリコン基板１１と第２の半導体層としての第２シリコン基板１２との間に、絶縁層としての酸化膜１３を有する矩形状のＳＯＩ（シリコン−オン−インシュレータ）基板１０である。

第２シリコン基板１２には、その厚さ方向に貫通する溝部１４を形成することにより、可動電極２０および固定電極３０、４０よりなる櫛歯形状を有する梁構造体が形成されている。また、酸化膜１３のうち上記梁構造体２０〜４０が形成されている領域に対応した部位は、図１中の破線四角形に示されるように矩形状に除去されており、開口部１５として形成されている。

このような検出部１〜４の製造方法について、その一例を概略的に述べておく。まず、ＳＯＩ基板１０の第２シリコン基板１２にフォトリソグラフ技術を用いて上記梁構造体２０〜４０に対応した形状のマスクを形成する。

その後、ＣＦ₄やＳＦ₆等のガスを用いてドライエッチング等にてトレンチエッチングを行い、溝１４を形成することによって、梁構造体２０〜４０を一括して形成する。続いて、フッ酸等を用いた犠牲層エッチング等により酸化膜１３の除去を行い、開口部１５を形成する。このようにして、各検出部１〜４が半導体チップ１０に形成され、図１に示される本加速度センサ装置Ｓ１ができあがる。

ここで、図２〜図４に示されるように、各検出部１〜４においては、可動電極２０は、細長四角形状の錘部２１と、その両端に連結されたバネ部２２とを備えたものであり、この可動電極２０は、バネ部２２にてアンカー部２３ａおよび２３ｂに一体に連結され、支持されている。

アンカー部２３ａおよび２３ｂは、図４に示されるように、酸化膜１３における開口部１５の開口縁部に固定されており、第１シリコン基板１１上に支持されている。これによって、錘部２１およびバネ部２２は、開口部１５に臨んだ状態となっている。

ここでは、バネ部２２は、図２に示されるように、平行な２本の梁がその両端で連結された矩形枠状をなしており、２本の梁の長手方向と直交する方向に変位するバネ機能を有するものである。このようなバネ部２２を介して可動電極２０は、第１シリコン基板１１上において、加速度の印加に応じて、図２中のＸ軸方向へ変位可能となっている。つまり、可動電極２０は、半導体チップ１０における第１シリコン基板１１に対して変位可能な状態で支持されたものである。

また、図２に示されるように、可動電極２０は櫛歯状の櫛歯電極部２４を備えている。この櫛歯電極部２４は、錘部２１の左側および右側にそれぞれ４個ずつ突出して形成された断面矩形の角柱であり、開口部１５に臨んだ状態となっている。この櫛歯電極部２４は、可動電極２０の一部として、バネ部２２および錘部２１と一体的に形成されており、上記Ｘ軸方向へ変位可能となっている。

また、図２において、錘部２１の左側に位置する固定電極３０は、第１の固定電極３０であり、錘部２１の右側に位置する固定電極４０は、第２の固定電極４０である。本例では、図２に示されるように、各固定電極３０、４０は、可動電極２０における櫛歯電極部２４の隙間にかみ合うように櫛歯状に複数本配列された断面矩形の梁である。

そして、個々の櫛歯電極部２４に対して、それぞれ固定電極３０、４０が対向して配置されており、各対向間隔において、櫛歯電極部２４の側面と固定電極３０、４０の側面との間に容量を検出するための検出間隔Ｒが形成されている。

これら各固定電極３０、４０は、それぞれ固定電極用配線３１、４１に一体に連結されている。各固定電極用配線３１、４１は、各固定電極３０、４０を取り出すための取り出し用の配線である。

図２〜図４に示されるように、各固定電極用配線３１、４１は、矩形状の開口部１５の開口縁部における対向辺部のうち、アンカー部２３ａ、２３ｂが支持されていないもう１組の対向辺部にて、酸化膜１３に固定され、この酸化膜１３を介して第１シリコン基板１１上に支持されている。

また、第１の固定電極３０の固定電極用配線３１と第２の固定電極４０の固定電極用配線４１上の所定位置には、それぞれ、第１の固定電極用パッド３０ａおよび第２の固定電極用パッド４０ａが形成されている。

また、一方のアンカー部２３ｂと一体に連結された状態で、可動電極用配線２５が形成されている。この可動電極用配線２５は、可動電極２０を取り出すための取り出し用の配線である。そして、この可動電極用配線２５上の所定位置には、可動電極用パッド２５ａが形成されている。また、図１に示されるように、半導体チップ１０のうち検出部１の外側には、ＧＮＤを採るためのＧＮＤパッド５０が設けられている。

上記した各パッド２５ａ、３０ａ、４０ａ、５０は、たとえばアルミニウムをスパッタや蒸着する等により形成されている。そして、これら各パッド２５ａ、３０ａ、４０ａ、５０には、図示しないボンディングワイヤが接続され、このワイヤを介して図示しない回路チップに電気的に接続されている。この回路チップは、本加速度センサ装置Ｓ１からの出力信号を処理するための検出回路（後述の図５参照）を備えたものである。

また、本実施形態では、図１および図２に示されるように、各検出部１〜４における各電極２０〜４０の配線２５、３１、４１は、個々の検出部１〜４で独立しており、互いの検出部１〜４の間では、溝１４で区画され分離されたものとなっている。

次に、本加速度センサ装置Ｓ１の検出動作について説明する。本実施形態では、加速度の印加に伴う可動電極２０と固定電極３０、４０との間の容量変化に基づいて加速度を検出するようになっている。

上述したように、本加速度センサ装置Ｓ１においては、個々の検出部１〜４において、可動電極２０の櫛歯電極部２４と固定電極３０、４０とが対向して設けられており、これら両電極２０、３０、４０の各対向間隔において、容量を検出するための検出間隔Ｒが形成されている。

ここで、各検出部１〜４において、第１の固定電極３０と可動電極２０との検出間隔Ｒに第１の容量ＣＳ１が形成されており、一方、第２の固定電極４０と可動電極２０との検出間隔Ｒに第２の容量ＣＳ２が形成されているとする。

そして、上記図２中のＸ軸方向（図中の上下方向）へ加速度が印加されると、各検出部１〜４において、バネ部２２のバネ機能により、可動電極２０全体が一体的にＸ軸方向へ変位する。この可動電極２０の変位は、各検出部１〜４の間で同期して起こる。つまり、上記図１において、４個の検出部１〜４における可動電極２０が、加速度の印加により、図中のＸ軸方向（図中の上下方向）に同じタイミングで変位する。そして、各検出部１〜４において、上記各容量ＣＳ１、ＣＳ２が変化する。

たとえば、上記図２において、可動電極２０が、Ｘ軸方向に沿って下方へ変位したときを考える。このとき、第１の固定電極３０と可動電極２０の櫛歯電極部２４との検出間隔Ｒは、当該変位前よりも広がって上記第１の容量ＣＳ１は小さくなり、一方、第２の固定電極４０と可動電極２０の櫛歯電極部２４との検出間隔Ｒは、当該変位前よりも狭まって上記第２の容量ＣＳ２は大きくなる。

このように、本実施形態では、各検出部１〜４において、第１の容量ＣＳ１が減る方向に変化すると、第２の容量ＣＳ２はこれとは逆に増える方向に変化するように構成されるとともに、第１の容量ＣＳ１が増える方向に変化すると、第２の容量ＣＳ２はこれとは逆に経る方向に変化するように構成されている。

よって、各検出部１〜４においては、可動電極２４と固定電極３０、４０による差動容量（ＣＳ１−ＣＳ２）をとることで、検出感度を高めている。この差動容量（ＣＳ１−ＣＳ２）は、個々の検出部１〜４から出力される信号であり、この信号は、上記作動メカニズムに述べたとおり、各検出部１〜４にて独立に出力できる。

本実施形態では、４個の検出部１〜４を有しているが、本加速度センサ装置Ｓ１の検出動作に関する等価回路は図５に示される。図５は、本加速度センサ装置Ｓ１における加速度を検出するための検出回路１００の一例を示す回路図である。

この検出回路１００において、スイッチドキャパシタ回路（ＳＣ回路）１１０は、容量がＣｆであるコンデンサ１１１、スイッチ１１２および差動増幅回路１１３を備え、それぞれの検出部１〜４から入力される上記信号（ＣＳ１−ＣＳ２）を電圧に変換するものとなっている。

そして、本加速度センサ装置Ｓ１においては、たとえば、第１の固定電極用パッド３０ａから振幅Ｖｃｃの搬送波１を入力し、第２の固定電極用パッド４０ａから搬送波１と位相が１８０°ずれた搬送波２を入力し、ＳＣ回路１１０のスイッチ１１２を所定のタイミングで開閉する。

そして、上記したように、Ｘ軸方向へ加速度が印加されると、各検出部１〜４において可動電極２０は同期して変位し、それによって、各検出部１〜４における上記差動容量（ＣＳ１−ＣＳ２）が変化するため、Ｘ軸方向に印加された加速度は、下記の数式１に示されるように、検出回路１００から電圧値Ｖ０として出力される。

（数１）
Ｖ０＝４×（ＣＳ１−ＣＳ２）・Ｖｃｃ／Ｃｆ
なお、検出部がｎ個の場合には、上記数式１中の左辺は、ｎ×（ＣＳ１−ＣＳ２）・Ｖｃｃ／Ｃｆとなる。本例では、上述したようにｎ＝４である。

このように、本実施形態では、検出部１〜４を、可動部としての可動電極２０と固定電極３０、４０とを有し、検出対象として力学量である加速度を検出するものとし、加速度の印加時には、両電極２０、３０、４０間の容量変化を検出部１〜４の信号として出力する容量式加速度センサを実現している。

そして、本実施形態では、上述したように、検出部１〜４を、互いに同一の加速度を検出する複数個のものよりなるものとし、これら複数個の検出部１〜４のそれぞれが互いに独立した信号（ＣＳ１−ＣＳ２）を出力するようになっている。

それによれば、複数個の検出部１〜４のうちある１個の検出部が機械的に破損したとしても、他の検出部からの出力信号により検出を行うことができる。ちなみに、従来の加速度センサ装置では、検出部は１個であったため、可動部の破壊やスティッキングなど、検出部の破損が発生した場合には、検出が不可能となる。しかし、本実施形態では、このような問題は回避される。

また、本実施形態では、１つの半導体チップ１０に複数個の検出部１〜４を形成することにより、検出容量の細分化がなされるため、１つの検出部が破損したとしても、それによる影響を、従来よりも小さくすることが可能となる。こうして、本実施形態によれば、検出部の機械的な破損に対して冗長性を持たせることができ、信頼性の向上を図ることができる。

なお、複数個の検出部１〜４は、互いに同一の検出対象として加速度を検出するものであるが、上記図１に示される例では、互いの検出部１〜４において検出される加速度の方向は同一のＸ軸方向である。

ここで、複数個の検出部１〜４が互いに同一の検出対象（加速度）を検出することとは、すべての検出部１〜４の検出加速度の方向が同一である場合に限定されるものではなく、検出される加速度の方向は各検出部１〜４の間で異なってもよい。具体的には、１つの検出部１における可動電極２０の変位方向を、上記Ｘ軸方向とし、その他の検出部２〜４における可動電極２０の変位方向を、当該Ｘ軸とは交差する方向となるように、検出部を傾けて配置してやればよい。

また、上記図１に示される例では、各検出部１〜４を実質的に同一の形状とすることで、各検出部１〜４の検出容量を実質的に同一のものとしているが、各検出部１〜４は互いに検出容量の異なるものであってもよい。たとえば、各検出部１〜４の間で、可動電極２０を構成する櫛歯電極部２４の長さを変えたり、櫛歯電極部２４の数を変えたりすることなどにより、検出容量を変えてもよい。複数個の検出部１〜４が互いに同一の検出対象を検出することとは、このような場合も含むものである。

ただし、複数個の検出部１〜４を１つの半導体チップ１０に設ける場合、必要最低限の感度としては、検出部１個あたり１ｍＶ／Ｇ程度以上の感度が必要である。また、本実施形態では、検出部１〜４が４個設けられた例を示しているが、検出部は最低２個以上であれば、１個が故障しても残りのものが動作することにより上記した本実施形態の効果を奏する。

また、本実施形態では、上記図１および図２に示したように、複数個の検出部１〜４の個々における固定電極取り出し用の配線すなわち固定電極用配線３１、４１を、各検出部１〜４毎に、別体の配線３１、４１として構成している。

そのため、各検出部１〜４における固定電極用配線３１、４１のうち、ある１つの検出部の配線３１、４１が破損しても他の検出部の配線３１、４１が正常であれば、その正常な配線につながる検出部によって検出が可能となるため、当該配線において冗長性を持たせることができる。

また、本第１実施形態においては、検出部１〜４の１個ずつについて、その出力（ＣＳ１−ＣＳ２）をモニタしながら、ある１つの検出部が故障したときに、この故障した検出部への電源供給をカットするように上記回路チップ側で調整するようにしてもよい。

（第２実施形態）
図６は、本発明の第２実施形態に係るセンサ装置としての加速度センサ装置Ｓ２の概略平面構成を示す図である。この図６においても、上記図１と同様の表し方を用いて、検出部１を構成する可動部としての可動電極２０および固定電極３０、４０の概略形状について表し、細部は一部省略してある。ここでは、上記第１実施形態との相違点を中心に述べることとする。

本実施形態も、上記第１実施形態と同様に、検出部１〜４を、可動部としての可動電極２０と固定電極３０、４０とを有し、検出対象として力学量である加速度を検出するものとし加速度印加時には、両電極２０、３０、４０間の容量変化を検出部１〜４の信号として出力するものとしている。

そして、このような検出部１〜４を複数個形成することにより、上記第１実施形態と同様に、検出部の機械的な破損に対して冗長性を持たせることができ、信頼性の向上を図ることができる。

ここで、本実施形態では、図６に示されるように、４個の検出部１〜４を、図６中の一点鎖線Ｋに対して線対称の形状となるように半導体チップ１０に配置している。つまり、この一点鎖線Ｋを境界として左側の２個の検出部１、２が右側の２個の検出部３、４に重なるように、半導体チップ１０を折り返したとき、当該左側の２個と当該右側の２個とが一致した形となるものである。

具体的には、図６において、一点鎖線Ｋの左側に位置する２個の検出部１、２のそれぞれについては、可動電極２０を中心に図中の左側に第１の固定電極３０が位置して上記第１の容量ＣＳ１を形成し、右側に第２の固定電極４０が位置して上記第２の容量ＣＳ２を形成している。

それに対して、図６において、一点鎖線の右側に位置する２個の検出部３、４のそれぞれについては、可動電極２０を中心に図中の右側に第１の固定電極３０が位置して上記第１の容量ＣＳ１を形成し、左側に第２の固定電極４０が位置して上記第２の容量ＣＳ２を形成している。

この場合も、上記実施形態と同様に、各検出部１〜４は、加速度の印加時にＸ軸方向（図６中の上下方向）に同期して変位するとともに、各検出部１〜４において、第１の容量ＣＳ１が減る（増える）方向に変化すると、第２の容量ＣＳ２はこれとは逆に増える（減る）方向に変化するように構成されている。

また、上記実施形態では、固定電極用配線３１、４１を、各検出部１〜４毎に、別体の配線３１、４１として構成していたが、本実施形態では、複数個の検出部１〜４のうち１つの検出部における固定電極３０、４０と他の検出部における固定電極３０、４０とで、それぞれの取り出し用の配線である固定電極用配線３１、４１を、１つの配線３１、４１に共通化している。

具体的には、第２の固定電極４０の固定電極用配線４１については、４個の検出部１〜４において共通の配線４１を使用しており、第１の固定電極３０の固定電極用配線３１については、検出部１と検出部２との間で共通の配線３１を使用するとともに、検出部３と検出部４との間で共通の配線３１を使用している。

それによって、本実施形態では、固定電極用パッド３０ａ、４０ａの数を、上記第１実施形態に比べて減らすことができるなどのメリットを有し、検出部１〜４における固定電極用配線３１、４１の構造の簡素化を図ることが可能となる。

なお、本実施形態においては、複数個の検出部１〜４のうち少なくとも２つの検出部における固定電極用配線３１、４１同士が、１つの配線に共通化されていればよく、その配線の引き回し構成については、上記図６に示される例に限定されるものではない。

また、図示しないが、すべての検出部１〜４における固定電極用配線３１、４１同士が、１つの配線に共通化されていてもよいことはもちろんである。また、検出部の数も、図６に示されるような４個に限定するものではなく、最低２個以上であればよい。

（第３実施形態）
図７は、本発明の第３実施形態に係るセンサ装置としての加速度センサ装置Ｓ３の概略平面構成を示す図である。この図７においても、上記図１と同様の表し方を用いて、検出部１を構成する可動部としての可動電極２０および固定電極３０、４０の概略形状について表し、細部は一部省略してある。ここでも、上記第１実施形態との相違点を中心に述べることとする。

本実施形態も、上記各実施形態と同様に、差動容量式の検出部１〜４を複数個形成することにより、上記第１実施形態と同様に、検出部の機械的な破損に対して冗長性を持たせることができ、信頼性の向上を図ることができる。

そして、本実施形態では、図７に示されるように、１つの半導体チップ１０に形成されている４個の検出部１〜４を、半導体チップ１０の幾何学的な中心Ｌに対して点対称の形状となるように配置している。

シリコン半導体などよりなる半導体チップ１０においては、温度サイクルなどによって熱応力が加わり、反りなどの歪みを生じることがある。このような歪みは、可動電極２０を有する検出部１〜４において可動電極２０の変位度合に誤差をもたらすなど、温度特性の変化を引き起こす。

特に、１つの半導体チップ１０に複数個の検出部１〜４を設けた場合には、上記歪みは、半導体チップ１０内で部分的に度合が異なるため、各検出部１〜４間の特性変化にばらつきが生じる可能性がある。その点を考慮して、本実施形態のような検出部１〜４の配置形態を採用すれば、上記した半導体チップ１０内のひずみによる特性変化を、各検出部１〜４間で均一化することができ、温度特性が補正されることとなる。

なお、図７に示される例では、上記図６に示される例と同様に、第２の固定電極４０の固定電極用配線４１については、４個の検出部１〜４において１つの配線４１に共通化されており、第１の固定電極３０の固定電極用配線３１については、検出部１、２間で共通化するとともに、検出部３、４間で共通化している。

また、図７に示されるように、本実施形態では、各パッド２５ａ、３０ａ、４０ａ、５０についても、半導体チップ１０の幾何学的な中心Ｌに対して点対称の形状となるように配置しており、上記した温度特性の補正効果を高めている。

ここで、本実施形態においては、固定電極用配線３１、４１について上記した共通化の構成をとることに限定するものではなく、上記図１に示した例のように、複数個の検出部１〜４の個々における固定電極用配線３１、４１を、互いに別々の配線３１、４１にて構成するようにしてもよい。

また、本実施形態は、複数個の検出部１〜４が上記したような半導体チップ１０における点対称の配置構成をとっていればよいものであり、検出部の数は、図７に示されるような４個に限定するものではなく、最低２個以上であってもよい。

（第４実施形態）
図８は、本発明の第４実施形態に係るセンサ装置としての加速度センサ装置Ｓ４の概略平面構成を示す図である。この図８においても、上記図１と同様の表し方を用いて、検出部１を構成する可動部としての可動電極２０および固定電極３０、４０の概略形状について表し、細部は一部省略してある。ここでも、上記第１実施形態との相違点を中心に述べることとする。

本実施形態も、上記各実施形態と同様に、差動容量式の検出部１〜４を複数個形成することにより、上記第１実施形態と同様に、検出部の機械的な破損に対して冗長性を持たせることができ、信頼性の向上を図ることができる。

ここで、図９は、本実施形態に係る加速度センサ装置Ｓ４のパッケージ断面図である。本実施形態の半導体チップ１０は、検出部１〜４側の端面を回路チップ８０側に向けてバンプ接合されている。この回路チップ８０がさらに、パッケージ９０にバンプ接合されている。

このとき、回路チップ８０と半導体チップ１０との間の線膨張係数が異なると、熱応力が発生した際に、半導体チップ１０は中心部が回路チップ８０に近づき、端部が回路チップ８０から遠ざかるように歪む。

そこで、本実施形態では、図８に示す検出部３および検出部４を用いて、半導体チップ１０のα方向及びβ方向への歪（曲げ、反り）を判定する。ここで、α方向およびβ方向とは、検出部が配列状に配置された場合における対角線の方向である。なお、α方向とβ方向とは互いに異なる。

以後、α方向への歪とは、半導体チップ１０においてα線上に配置された検出部１，４が、β方向の線上に配置された検出部２、３よりも第２シリコン基板１２方向に存在することをいう。同様に、β方向への歪とは、半導体チップ１０においてβ方向の線上に配置された検出部２、３が、α方向の線上に配置された検出部１、４よりも第２シリコン基板１２方向に存在することをいう。

具体的なα方向及びβ方向への歪の判定方法を以下に述べる。半導体チップに同一感度を有する検出部が複数存在する場合、本来、各検出部の検出する出力は同一値となるはずである。そこで、検出部３にて検出された加速度が、検出部４にて検出された加速度よりも小さいときには、α方向に半導体チップ１０が歪んでいると判定する。

この判定の根拠は、α軸方向を山として半導体チップ１０が歪んでいる場合、検出部３の電極間の距離は大きく広がり、検出部４の電極間の距離が少し広がるために、検出部３で検出される加速度が検出部４で検出される加速度に比べて小さくなるという特徴に基づく。

逆に、検出部４にて検出された加速度が、検出部３にて検出された加速度よりも小さいときには、β方向に半導体チップ１０が歪んでいると判定する。

そして、回路チップ８０において、検出部３および検出部４の出力から、半導体チップ１０のα方向及びβ方向への歪量（曲げ、反り）を演算し、検出部１および検出部２の出力信号を補正する。

このように本実施形態では、センサ装置Ｓ４は、複数個の検出部１〜４の信号に基づいて、半導体チップ１０に印加された加速度を演算するとともに、該複数個の検出部１〜４の信号に基づいて該半導体チップ１０の歪量を演算するものであり、このような構成とすることで、第１実施形態の効果を奏しながら、さらに歪量を補正することができる。

（第５実施形態）
図１０は、本発明の第５実施形態に係るセンサ装置としての加速度センサ装置Ｓ５の概略平面構成を示す図である。この図１０においても、上記図１と同様の表し方を用いて、検出部１を構成する可動部としての可動電極２０および固定電極３０、４０の概略形状について表し、細部は一部省略してある。ここでも、上記第１実施形態との相違点を中心に述べることとする。

本実施形態も、上記各実施形態と同様に、差動容量式の検出部１〜４を複数個形成することにより、上記第１実施形態と同様に、検出部の機械的な破損に対して冗長性を持たせることができ、信頼性の向上を図ることができる。

そして、本実施形態では、図１０に示されるように、４個の検出部１〜４が形成されている１つの半導体チップ１０の四隅、言い換えれば４個の検出部１〜４が配置されている配列の対角方向であって半導体チップ１０の端部近傍に、半導体チップ１０のα方向またはβ方向の歪みを検出する歪量検出部としての歪ゲージ６０ａ、６０ｂが設置されている。

なお、α方向の歪みを検出する歪ゲージ６０ａは、α方向と直交する方向に延設されているため、β方向よりもα方向への曲げに対して感度が良好となる配置となっている。また、β方向の歪みを検出する歪ゲージ６０ｂは、β方向と直交する方向に延設されているため、α方向よりもβ方向への曲げに対して感度が良好となる配置となっている。

これらの歪ゲージ６０ａ、６０ｂの検出信号は、図示しないワイヤを介して図示しない回路チップに入力される。そして、この回路チップでは、歪ゲージ６０ａにより半導体チップ１０がα方向に大きく歪んでいることが検出され、かつ、歪ゲージ６０ｂにより半導体チップ１０がβ方向に大きく歪んでいないことが検出された場合には、半導体チップ対角線上においてβ方向に並ぶ検出部２、３の検出出力をセンサ装置全体の出力とする。

また、歪ゲージ６０ａにより半導体チップ１０がβ方向に大きく歪んでいることが検出され、かつ、歪ゲージ６０ｂにより半導体チップ１０がα方向に大きく歪んでいないことが検出された場合には、半導体チップ対角線上においてα方向に並ぶ検出部１、４の検出出力をセンサ装置全体の出力とする。

このように、本実施形態のセンサ装置Ｓ５は、半導体チップ１０の歪量を検出する歪量検出部としての歪ゲージ６０ａ、６０ｂを備えており、この歪ゲージ６０ａ、６０ｂで歪が半導体チップ１０の歪が少ない方向を検出し、その方向に配置されている検出部の出力をセンサ装置の出力とすることで、歪による影響を軽減することができる。

（第６実施形態）
図１１（ａ）は、本発明の第６実施形態に係るセンサ装置としての加速度センサ装置Ｓ６の概略断面図を示し、図１１（ｂ）〜（ｃ）は平面構成を示す図である。図１１（ａ）は、図１１（ｂ）および（ｃ）のＯ−Ｏ線の断面図である。また、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＭ−Ｍ線の断面図であり後述の半導体チップ１０ａを表し、図１１（ｃ）は、図１１（ａ）のＮ−Ｎ線の断面図であり後述の半導体チップ１０ｂを表す。この図１１（ａ）〜（ｃ）においても、上記図１の検出部１と同様の表し方を用いて、検出部１〜４ｃ、１〜４ｄを構成する可動部としての可動電極２０および固定電極３０、４０の概略形状について表し、細部は一部省略してある。ここでも、上記第１実施形態との相違点を中心に述べることとする。

図１１（ａ）に示すように、本実施形態のセンサ装置は、第１基板としての第１の半導体チップ１０ａを、第２基板としての第２の半導体チップ１０ｂに、バンプ７１を介したバンプ接合により積層したものである。

第２の半導体チップ１０ｂは図１のものと同一構造であり、４個の検出部１ｂ〜４ｂが２×２個対角に配置されている。一方、第１の半導体チップ１０ａは、検出部１ａ〜４ａなどの配置構造は図１のものと同一であり、４個の検出部１ａ〜４ａが２×２個対角に配置されているが、第２の半導体チップ１０ｂの第１の固定電極用パッド３０ｂおよび第２の固定電極用パッド４０ｂおよび可動電極用パッド２５ｂに対応した箇所に貫通電極７０が生成されている。なお、図１１では省略しているが、貫通電極７０は、第１の半導体チップ１０ａの第１シリコン基板１１とも第２シリコン基板１２とも絶縁されている。

そして、第１の半導体チップ１０ａの貫通電極７０と、第２の半導体チップ１０ｂの第１の固定電極用パッド３０ｂおよび第２の固定電極用パッド４０ｂおよび可動電極用パッド２５ｂをバンプ７１で接合することで、第１の半導体チップ１０ａの表面から第２の半導体チップ１０ｂの入出力をワイヤボンディングなどで図示しない回路チップに送ることができる。また、第１の半導体チップ１０ａと第２の半導体チップ１０ｂとは、バンプ７１とは別に、ダミーバンプ７２によっても接合されている。

こうして、第１の半導体チップ１０ａは、該第１の半導体チップ１０ａにおいて検出部１ａ〜４ａが配置されていない側の面が、第２の半導体チップ１０ｂの検出部１ｂ〜４ｂが配置された側の面に積層されたものとなっている。また、第１の半導体チップ１０ａに配置された検出部１ａ〜４ａのパッド２５ａ、３０ａ、４０ａが形成された領域の積層の方向側には、第２の半導体チップ１０ｂに配置された検出部１ｂ〜４ｂのパッド２５ｂ、３０ｂ、４０ｂが存在していない。

つまり、図１１（ｂ）および（ｃ）に示すように、この第１の半導体チップ１０ａは、第２の半導体チップ１０ｂに対してｘ方向（チップの延設方向）の平面状で１８０度回転して積層されるものである。

これにより、積層した際に第１の半導体チップ１０ａのパッド３０ａ、２５ａ、４０ａと第２の半導体チップ１０ｂのパッド３０ｂ、２５ｂ、４０ｂとが重ならないため、第１の半導体チップ１０ａと第２の半導体チップ１０ｂとも同じ位置にパッドを配置することができる。すなわち、同一のマスクや工程で、第１の半導体チップ１０ａと第２の半導体チップ１０ｂとを製造することができる。

さらに、この第２の半導体チップ１０ｂは、第１の半導体チップ１０ａに積層された後に、第１の半導体チップ１０ａの第２の半導体チップ１０ｂが積層されていない側の面が図示しないパッケージに固定される。

ところで、本実施形態における第１の半導体チップ１０ａと第２の半導体チップ１０ｂとは、平面に垂直な方向（以下、ｙ方向）すなわち積層の方向に対して曲げ剛性が異なり、第２の半導体チップ１０ｂの曲げ剛性が第１の半導体チップ１０ａよりも強い。

このため、パッケージが熱により膨張または収縮した場合であっても、第２の半導体チップ１０ｂの曲げ剛性が強いため、第１の半導体チップ１０ａには熱応力による変形が伝播しにくい構成となっている。曲げ剛性を変える方法としては、第１シリコン基板１１の厚みを厚くすれば曲げ剛性は強まり、第１シリコン基板１１の厚みを薄くすれば曲げ剛性を弱めることができる。

さらに、第１の半導体チップ１０ａに配置される検出部１ａ〜４ａと、第２の半導体チップ１０ｂに配置される検出部１ｂ〜４ｂとでは、感度が異なる。前述のように、第２の半導体チップ１０ｂは、第１の半導体チップ１０ａに比べ、積層の方向に対して曲げ剛性が強いが、パッケージからの熱の影響を受けやすいため第１の半導体チップ１０ａより大きく変形する傾向がある。そこで、第２の半導体チップ１０ｂには検出感度が低い検出部１ｂ〜４ｂが配置され、第１の半導体チップ１０ａには検出感度が高い検出部１ａ〜４ａが配置される。

これにより熱応力によって第１の半導体チップ１０ａおよび第２の半導体チップ１０ｂが変形したとしても、第２の半導体チップ１０ｂの曲げ剛性を高めることで、第１の半導体チップ１０ａと第２の半導体チップ１０ｂとの間の変形量の差を抑制することができる。

さらに、第２の半導体チップ１０ｂが第１の半導体チップ１０ａより大きな変形量となっても、第２の半導体チップ１０ｂに配置される検出部１ｂ〜４ｂの感度が低いため、当該検出部１ｂ〜４ｂの出力に変形量に伴うノイズ成分が含まれにくい。同時に、第１の半導体チップ１０ａに配置される検出部１ａ〜４ａの感度は、第２の半導体チップ１ｂの検出部１ｂ〜４ｂに比べて高いが、第１の半導体チップ１０ａ自体の変形量が小さいため、精度良く検出を行うことができる。

このような構成とすることで、正常時は、第１の半導体チップ１ａの検出部１ａ〜４ａの出力をメインの出力としながら、両チップ１ａ、１ｂの検出部１ａ〜４ａと検出部１ｂ〜４ｂとの出力差から歪量を推定し、歪量が所定値以上となった場合に異常状態と判定することができる。

その他にも、第１の半導体チップ１ａの検出部１ａ〜４ａの出力と、第２の半導体チップ１ｂの検出部１ｂ〜４ｂの出力との加重平均をセンサ装置の出力としても良い。

（第７実施形態）
図１２（ａ）〜（ｂ）は、本発明の第７実施形態に係るセンサ装置としての加速度センサ装置Ｓ７の概略断面図を示し、図１２（ｃ）〜（ｄ）は平面構成を示す図である。図１２（ａ）は図１２（ｃ）および（ｄ）のＲ−Ｒ線の断面図であり、図１２（ｂ）は図１２（ｃ）および（ｄ）のＳ−Ｓ線の断面図である。また、図１２（ｃ）は図１２（ａ）および（ｂ）のＰ−Ｐ線の断面図であり後述の半導体チップ１０ｃを表し、図１２（ｄ）は図１２（ａ）および（ｂ）のＱ−Ｑ線の断面図であり後述の半導体チップ１０ｄを表す。

図１２（ａ）および（ｂ）に示すように、検出部１ｃ〜４ｃが２×２個対角に配置された第１基板としての第１の半導体チップ１０ｃと、検出部１ｄ〜４ｄが２×２個対角に配置された第２基板としての半導体チップ１０ｄとが、回路チップ８０を介して接続されている。

第１の半導体チップ１０ｃは回路チップ８０の一面（第１面）にバンプ７１およびダミーバンプ７２により接合され、第２の半導体チップ１０ｄは、回路チップ８０の第１の半導体チップ１０ａ側の面の裏面であるもう一つの面（第２面）にバンプ７１およびダミーバンプ７２により接合されている。そして回路チップ８０は、検出回路１００を第１の半導体チップ１０ａ側の面に備えている。

第１の半導体チップ１０ｃを表す図１２（ｃ）と、第２の半導体チップ１０ｄを表す図１２（ｄ）と比べると、第１の半導体チップ１０ｃの第１の固定電極用パッド３０ａおよび第２の固定電極用パッド４０ａおよび可動電極用パッド２５ａのｙ方向側には、第２の半導体チップ１０ｄの第１の固定電極用パッド３０ｂおよび第２の固定電極用パッド４０ｂおよび可動電極用パッド２５ｂが存在しない。

すなわち、第１の固定電極用パッド３０ａおよび第２の固定電極用パッド４０ａおよび可動電極用パッド２５ａと、第１の固定電極用パッド３０ｂおよび第２の固定電極用パッド４０ｂおよび可動電極用パッド２５ｂとは重ならないように配置されている。ただし、チップは、バンプの接続箇所を節に変形するため、図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、第１の半導体チップ１０ｃのダミーバンプ７２は、第２の半導体チップ１０ｄのダミーバンプ７２とは重ねてある。

また、回路チップ８０の検出回路１００は、回路チップ８０の第１の半導体チップ１０ｃ側の面に存在するため、第２の半導体チップ１０ｄ側の出力信号は回路チップ８０に設けられた貫通電極７３を通って、検出回路１００側の面に伝達される。

このように、２枚の半導体チップ１０ｃ、１０ｄで回路チップ８０を挟んで積層することで、第６実施形態のように、２枚の半導体チップを同方向に積層し、別途回路チップを設けた場合に比べて、センサ装置の体格を小さくすることができる。

さらに、ｙ方向においては回路チップ８０に対して対称に、第１の半導体チップ１０ｃと第２の半導体チップ１０ｄが配置されているため両面の熱膨張係数が近く、熱応力によって第１の半導体チップ１０ｃまたは第２の半導体チップ１０ｄの片方だけが歪みにくい。このため、温度特性の変動を抑制することができる。

（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、１つの半導体チップ１０に複数個の検出部１〜４を設けたが、１個の半導体チップに１個の検出部を設け、これらをパッケージなどに平面的に配置した状態で固定したものであってもよい。さらには、１個の検出部が設けられた半導体チップを積層するとともに各半導体チップ間をバンプなどを介して電気的に接続することにより、複数個の検出部を重ね合わせたスタック構成としてもよい。

また、センサ装置としては、上記した加速度センサに限定されるものではなく、変位可能な可動部をもつものであれば、それ以外に、たとえば角速度センサであってもよい。角速度センサの場合には、検出部は駆動振動のもと角速度印加時にコリオリ力によって検出振動する可動部を有するが、この検出部を、上記各実施形態のような配置にて同様に設けた構成とすればよい。

また、センサ装置としては、圧力を検出する可動部としてのダイアフラムを有する圧力センサなどにも適用することができ、この場合、たとえば複数個のダイアフラムを設ければよい。さらには、本発明は、検出部として可動部を有するものであれば、上記した各センサ以外にも、たとえば湿度センサや流量センサなどにも適用が可能である。

本発明の第１実施形態に係る加速度センサ装置の概略平面図である。 図１に示されるセンサ装置における１つの検出部の概略平面図である。 図２のＡ−Ａ概略断面図である。 図２のＢ−Ｂ概略断面図である。 図１に示される加速度センサ装置における検出回路の一例を示す回路図である。 本発明の第２実施形態に係る加速度センサ装置の概略平面図である。 本発明の第３実施形態に係る加速度センサ装置の概略平面図である。 本発明の第４実施形態に係る加速度センサ装置の概略平面図である。 本発明の第４実施形態に係る加速度センサ装置のパッケージ断面図である。 本発明の第５実施形態に係る加速度センサ装置の概略平面図である。 本発明の第６実施形態に係る加速度センサ装置の概略平面図である。 本発明の第７実施形態に係る加速度センサ装置の概略平面図である。

符号の説明

１〜４…検出部、１０…半導体チップ、２０…可動部としての可動電極、
３０、４０…固定部としての固定電極、３１、４１…固定電極用配線、
６０ａ、６０ｂ…歪ゲージ、７０…貫通電極、７１…バンプ、７２…ダミーバンプ、
８０…回路チップ。

Claims (10)

1. 検出対象を検出する検出部（１〜４）としての変位可能な可動部（２０）を有するセンサ装置において、
   前記検出部（１〜４）は、互いに同一の検出対象を検出する複数個のものよりなり、これら複数個の検出部（１〜４）のそれぞれが互いに独立した信号を出力するようになっていることを特徴とするセンサ装置。
2. 前記検出部（１〜４）は、前記検出対象として力学量を検出するものであって、前記可動部としての可動電極（２０）とこの可動電極（２０）に対向して配置された固定電極（３０、４０）とを有し、前記力学量の印加時には、前記可動電極（２０）と前記固定電極（３０、４０）との間の容量が変化し、この容量変化が前記検出部（１〜４）の信号として出力されるものであり、
   前記複数個の検出部（１〜４）のうち１つの検出部における前記固定電極（３０、４０）と他の検出部における前記固定電極（３０、４０）とで、それぞれの取り出し用の配線が、１つの配線（３１、４１）に共通化されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
3. 前記検出部（１〜４）は、前記検出対象として力学量を検出するものであって、前記可動部としての可動電極（２０）とこの可動電極（２０）に対向して配置された固定電極（３０、４０）とを有するものであり、
   前記力学量の印加時には、前記可動電極（２０）と前記固定電極（３０、４０）との間の容量が変化し、この容量変化が前記検出部（１〜４）の信号として出力されるものであり、
   前記複数個の検出部（１〜４）の個々における前記固定電極（３０、４０）の取り出し用の配線は、互いに別々の配線（３１、４１）にて構成されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
4. 前記複数個の検出部（１〜４）のすべてが、１つの半導体チップ（１０）に形成されており、
   これら複数個の検出部（１〜４）は、前記半導体チップ（１０）の幾何学的な中心（Ｌ）に対して点対称の形状となるように配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のセンサ装置。
5. 前記センサ装置は、前記半導体チップ（１０）の歪量を検出する歪量検出部（６０ａ、６０ｂ）を備えることを特徴とする請求項１ないし４に記載のセンサ装置。
6. 前記センサ装置は、前記複数個の検出部（１〜４）の信号に基づいて、前記半導体チップ（１０）に印加された加速度を演算するとともに、該複数個の検出部（１〜４）の信号に基づいて該半導体チップ（１０）の歪量を演算するものであることを特徴とする請求項１ないし４に記載のセンサ装置。
7. 前記センサ装置は、前記検出部（１ａ〜４ａ）がｎ×ｎ個対角に配置された第１基板（１０ａ）と、
   前記検出部（１ｂ〜４ｂ）がｎ×ｎ個対角に配置された第２基板（１０ｂ）とを有し、
   前記第１基板（１０ａ）と前記第２基板（１０ｂ）とはバンプ接合により積層されることを特徴とする請求項１ないし６に記載のセンサ装置。
8. 前記センサ装置は、前記第２基板（１０ｂ）は、前記第１基板（１０ａ）に配置された検出部（１ａ〜４ａ）よりも高感度の検出部（１ｂ〜４ｂ）が配置されるとともに、該第１基板（１０ａ）に比べて前記積層の方向に対して高い曲げ剛性を有することを特徴とする請求項７に記載のセンサ装置。
9. 前記第１基板（１０ａ）は、該第１基板（１０ａ）において検出部（１ａ〜４ａ）が配置されていない側の面が、前記第２基板（１０ｂ）の検出部（１ｂ〜４ｂ）が配置された側の面に積層されるものであって、
   前記第１基板（１０ａ）に配置された検出部（１ａ〜４ａ）のパッド（２５ａ、３０ａ、４０ａ）が形成された領域の前記積層の方向側には、前記第２基板（１０ｂ）に配置された検出部（１ｂ〜４ｂ）のパッド（２５ｂ、３０ｂ、４０ｂ）が存在しないことを特徴とする請求項７または８に記載のセンサ装置。
10. 前記センサ装置は、前記検出部（１ｃ〜４ｃ）がｎ×ｎ個対角に配置された第１基板（１０ｃ）と、
    前記検出部（１ｄ〜４ｄ）がｎ×ｎ個対角に配置された第２基板（１０ｄ）と、
    前記第１基板（１０ｃ）および前記第２基板（１０ｄ）の各検出部（１ｃ〜４ｃ、１ｄ〜４ｄ）より出力された信号を処理する回路基板（８０）とを有し、
    前記第１基板（１０ｃ）は、前記回路基板（８０）の第１面にバンプ接合され、
    前記第２基板（１０ｄ）は、前記回路基板（８０）の第１面の裏面である第２面にバンプ接合されることを特徴とする請求項１ないし６に記載のセンサ装置。

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