JP2008292428A - Semiconductor sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体層によって物理量を検出し、半導体層の表裏面のうち少なくとも一方に絶縁層が接合されてなる半導体センサに関する。 The present invention relates to a semiconductor sensor in which a physical quantity is detected by a semiconductor layer, and an insulating layer is bonded to at least one of the front and back surfaces of the semiconductor layer.
公知の半導体プロセスを用いて半導体基板を加工することで形成した可動体の変位に応じて、例えば、加速度や角速度等の種々の物理量を検出できるようにした半導体センサなどが一般に知られている。このような半導体センサは、可動体の変位を制限するためのストッパ部を備えている(例えば、特許文献1)。
しかしながら、特許文献1に開示されている構成によれば、ストッパ部、可動体の電位が考慮されていないため、可動体がストッパ部と接触した場合に静電力によるスティッキングが生じてしまい、可動体とストッパ部とが離れなくなってしまうといった問題がある。 However, according to the configuration disclosed in Patent Document 1, since the potential of the stopper portion and the movable body is not considered, sticking due to electrostatic force occurs when the movable body comes into contact with the stopper portion, and the movable body There is a problem that the stopper part is not separated.
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、静電力によるスティッキングを防止することができる半導体センサを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been proposed in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a semiconductor sensor that can prevent sticking due to electrostatic force.
本発明の半導体センサは、半導体層によって物理量を検出し、前記半導体層の表裏面のうち少なくとも一方に絶縁層が接合されてなる半導体センサにおいて、前記半導体層が、前記物理量の変位に応じて動作する可動電極と、前記可動電極と間隙を介して対向配置された固定電極と、前記固定電極と別体とされた前記可動電極の動作を制限するストッパ部とを備え、前記ストッパ部の電位をオープン電位とすることを特徴とする。 The semiconductor sensor of the present invention is a semiconductor sensor in which a physical quantity is detected by a semiconductor layer, and an insulating layer is bonded to at least one of the front and back surfaces of the semiconductor layer. The semiconductor layer operates in accordance with the displacement of the physical quantity. A movable electrode, a fixed electrode disposed opposite to the movable electrode via a gap, and a stopper portion that restricts the operation of the movable electrode separated from the fixed electrode, the potential of the stopper portion being It is characterized by an open potential.
また、本発明の半導体センサは、前記ストッパ部の電位を前記可動電極の電位と同電位とすることを特徴とする。 The semiconductor sensor according to the present invention is characterized in that the potential of the stopper is the same as the potential of the movable electrode.
また、本発明の半導体センサは、前記絶縁層に貫通孔を設けて、前記半導体層のストッパ部の表面の一部、並びに前記半導体層の可動電極または可動電極と同電位となる部位の表面の一部を露出させ、前記貫通孔の内周面、及び絶縁層の表面にかけて電気的に接続される導体層を形成し、前記導体層を配線により電気的に接続することで、前記ストッパ部の電位を前記可動電極の電位と同電位とすることを特徴とする。 In the semiconductor sensor of the present invention, a through hole is provided in the insulating layer, and a part of the surface of the stopper portion of the semiconductor layer and a surface of the movable electrode of the semiconductor layer or the surface of the portion having the same potential as the movable electrode A portion of the stopper is exposed by forming a conductor layer electrically connected to the inner peripheral surface of the through hole and the surface of the insulating layer, and electrically connecting the conductor layer by wiring. The potential is the same as the potential of the movable electrode.
また、本発明の半導体センサは、前記半導体層のストッパ部の表面、並びに前記半導体層の可動電極または可動電極と同電位となる部位の表面に金属電極を形成し、前記絶縁層の半導体層と対向する面に施した配線により前記金属電極間を電気的に接続することで、前記ストッパ部の電位を前記可動電極の電位と同電位とすることを特徴とする。 In the semiconductor sensor of the present invention, a metal electrode is formed on the surface of the stopper portion of the semiconductor layer and the surface of the movable electrode of the semiconductor layer or a portion having the same potential as the movable electrode, and the semiconductor layer of the insulating layer The metal electrodes are electrically connected by wirings provided on the opposing surfaces, so that the potential of the stopper portion is the same as the potential of the movable electrode.
また、本発明の半導体センサは、前記半導体層のストッパ部と、前記半導体層の可動電極または可動電極と同電位となる部位とをワイヤボンディングにより電気的に接続することで、前記ストッパ部の電位を前記可動電極の電位と同電位とすることを特徴とする。 In the semiconductor sensor of the present invention, the stopper portion of the semiconductor layer and the movable electrode of the semiconductor layer or a portion having the same potential as the movable electrode are electrically connected by wire bonding, so that the potential of the stopper portion is Is the same potential as the potential of the movable electrode.
また、本発明の半導体センサは、当該半導体センサを半導体パッケージ内に組み込んだ場合に、前記半導体層のストッパ部と、前記半導体層の可動電極または可動電極と同電位となる部位と、前記半導体パッケージに形成された電極とをワイヤボンディングにより電気的に接続することで、前記ストパ部の電位を前記可動電極の電位と同電位とすることを特徴とする。 The semiconductor sensor according to the present invention includes a stopper portion of the semiconductor layer, a movable electrode of the semiconductor layer or a portion having the same potential as the movable electrode, and the semiconductor package when the semiconductor sensor is incorporated in a semiconductor package. The potential of the stoper portion is set to the same potential as the potential of the movable electrode by electrically connecting the electrodes formed on the substrate by wire bonding.
本発明によれば、可動電極とストッパ部との静電力によるスティッキングを防止することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to prevent sticking due to electrostatic force between the movable electrode and the stopper portion.
また、本発明によれば、可動電極とストッパ部とを同電位とすることで、可動電極がストッパ部に接触したとしても静電力が働かないためスティッキングを回避することを可能とする。 Further, according to the present invention, by setting the movable electrode and the stopper portion to the same potential, even if the movable electrode comes into contact with the stopper portion, the electrostatic force does not work, so that sticking can be avoided.
また、本発明によれば、半導体センサの半導体層を絶縁層により気密封止して可動電極、固定電極の電位を取り出す工程と同一工程にてストッパ部の電位を可動電極の電位と同電位にすることができるため、製造工程を大幅に短縮することを可能とする。 Further, according to the present invention, the potential of the stopper portion is made equal to the potential of the movable electrode in the same step as the step of taking out the potential of the movable electrode and the fixed electrode by hermetically sealing the semiconductor layer of the semiconductor sensor with the insulating layer. Therefore, the manufacturing process can be greatly shortened.
また、本発明によれば、実装工程であるワイヤボンディングの工程を利用して、ストッパ部の電位を可動電極の電位と同電位にすることができるため、製造工程を大幅に短縮することを可能とする。 Further, according to the present invention, since the potential of the stopper portion can be made equal to the potential of the movable electrode by using the wire bonding process which is a mounting process, the manufacturing process can be greatly shortened. And
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[静電容量式センサの構成]
図1、図2を用いて、本発明の実施の形態として示す半導体センサである静電容量式センサ1の構成について説明する。実施の形態として示す静電容量式センサ1は、互いに垂直な2軸方向の加速度を検出することができる。
[Configuration of capacitive sensor]
A configuration of a capacitive sensor 1 which is a semiconductor sensor shown as an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The capacitive sensor 1 shown as an embodiment can detect accelerations in two axial directions perpendicular to each other.
図1は、静電容量式センサの半導体層2を示した平面図である。図1に示すように、半導体層2は、半導体基板に公知の半導体プロセスにより間隙10を形成することで、フレーム部3、ビーム部4、可動電極5、固定電極6、ストッパ部7が形成されている。
FIG. 1 is a plan view showing a
図2は、図1のI−I線で半導体層2を切断するように静電容量式センサ1を切断した様子を示した断面図である。図2に示すように、静電容量式センサ1は、この半導体層2の表裏両面にガラス基板などの絶縁層20,21を、例えば、陽極接合などをして接合することで形成される。これら半導体層2と絶縁層20,21との接合面には、比較的浅い凹部22が形成されており、半導体層2各部の絶縁性や可動電極5の動作性の確保が図られている。図1に示すように、半導体層2が略正方形状となるように静電容量式センサ1は、切り出されることになる。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state in which the capacitive sensor 1 is cut so that the
フレーム部3は、間隙10を介してビーム部4外側に枠状に形成されている。フレーム部3には、内側の隅から、それぞれ当該フレーム部3の各辺と平行に、かつ中途で直角に折れ曲がりながら中心に向けて渦巻き状に伸びるビーム部4が設けられている。図1に示すようにビーム部4は、間隙10を介して略枠状となるフレーム部3の二辺分に亘って、それぞれ相互干渉することなく延設されるとともに、内側端部では可動電極5の隅部に接続されており、フレーム部3に対して可動電極5を弾性的に可動支持するバネ要素(渦巻きバネ)として機能する。
The
これにより、静電容量式センサ1では、可動電極5に対し、バネ要素としてのビーム部4、ビーム部4に接続されたフレーム部3により支持される質量要素(マス)としての機能を与え、これらバネ要素と質量要素とによってバネ−マス系を構成している。このような静電容量式センサ1は、質量要素としての可動電極5の位置変位による可動電極5、固定電極6間の静電容量の変化を検出する。そして、静電容量式センサ1は、検出された静電容量の変化をC−V変換することで得られる電圧波形から当該静電容量式センサ1に加えられた加速度を検出することができる。
Thereby, in the capacitive sensor 1, the function as a mass element (mass) supported by the
具体的には、この静電容量の変化は、可動電極5、固定電極6にそれぞれ形成された櫛歯状の複数の検出可動電極5a、検出固定電極6aからなる検出部8A乃至8D(以下、総称する場合は、単に検出部8と呼ぶ。)によって検出される。
Specifically, this change in capacitance is caused by
図1に示すX軸方向に加速度が与えられると、可動電極5がX軸方向に変位し、検出部8Aの検出可動電極5a、検出固定電極6aで検出される静電容量と、検出部8Bの検出可動電極5a、検出固定電極6aで検出される静電容量に差が生じる。この静電容量の差からX軸方向の加速度を検出することができる。
When acceleration is applied in the X-axis direction shown in FIG. 1, the
一方、図1に示すY軸方向に加速度が与えられると、可動電極5がY軸方向に変位し、検出部8Cの検出可動電極5a、検出固定電極6aで検出される静電容量と、検出部8Dの検出可動電極5a、検出固定電極6aで検出される静電容量に差が生じる。この静電容量の差からY軸方向の加速度を検出することができる。
On the other hand, when acceleration is applied in the Y-axis direction shown in FIG. 1, the
図1に示す固定電極6の隅部6bの位置A乃至位置D上には、図2に示すような絶縁層20をサンドブラスト加工等によって貫通させた貫通孔24を介し、隅部6bの表面6c、貫通孔24の内周面24a、絶縁層20の表面20aに固定電極6の電位を取り出すための電極部23が金属薄膜にて形成されている。なお、絶縁層20の表面20aは、図示しない絶縁性の樹脂層によって被覆(モールド成形)される。
The
また、この貫通孔24を絶縁層21に設け、同じように電極部23を形成して、半導体層2の裏面より固定電極6の電位を取り出すようにしてもよい。
Alternatively, the
一方、可動電極5の電位は、当該可動電極5をビーム部4を介して支持するフレーム部3から取り出すようにする。図1に示すフレーム部3の位置E、位置F上には、図示しないが、上述した固定電極6の隅部6bの位置A乃至位置D上と同様に、絶縁層20をサンドブラスト加工等によって貫通させた貫通孔を介し、可動電極5の電位を取り出すための電極部が金属薄膜にて形成されている。また、この貫通孔を絶縁層21に設け、同じように電極部を形成して、半導体層2の裏面より可動電極5の電位を取り出すようにしてもよい。
On the other hand, the potential of the
図1に示すように、ストッパ部7は、可動電極5の動作により、可動電極5と固定電極6とが衝突して損傷することを防止するために設けられている。ストッパ部7は、可動電極5と対向する面に突起7aを設けることで衝突による影響を最小限に抑制している。ストッパ部7は、固定電極6と別体とされ、可動電極5、固定電極6と電気的に絶縁されており、その電位がオープン電位となっている。
As shown in FIG. 1, the
図3は、図1に示す半導体層2に絶縁層20を接合して、II−II線で切断した様子を示した図である。図3(a)、(b)、(c)に示すように、ストッパ部7は、半導体層2の絶縁層20が接合された面と対向する面2a上に、レジストマスク30を載置してエッチング処理を施すことで、フレーム部3、ビーム部4、可動電極5、固定電極6などを形成するのと同一工程にて形成される。
FIG. 3 is a diagram showing a state in which the
このようにして、形成されたストッパ部7は、固定電極6とは別体とされ、電位がオープン電位となっていることから、可動電極5の動作により当該ストッパ部7へと接触したとしても、静電力が働くことがないためスティッキングを良好に防止することができる。
Since the
[検出部8の構成]
続いて、図4に示す静電容量式センサ1の検出部8を中心に可動電極5、固定電極6を拡大した平面図を用いて、検出部8の詳細な構成について説明をする。なお、検出部8C、8Dは、検出部8A、8Bに対して鏡像となっているだけで、機能は全く同じであるため説明を省略する。
[Configuration of Detection Unit 8]
Next, a detailed configuration of the
図4に示すように、可動電極5には、その中央部5bからフレーム部3の一辺の端部に向けてその辺と略垂直に細長く伸びる帯状の検出可動電極5aが形成されている。検出可動電極5aは、所定のピッチで、互いに平行となるように櫛歯状に複数形成される。また、各検出可動電極5aは、先端部が互いに平行となるように揃えられているが、長さが櫛歯の中央となるほど長く、櫛歯の中央から離れるほど短くなっている。
As shown in FIG. 4, the
一方、固定電極6には、可動電極5の中央部5bに向けて、検出可動電極5aと平行に細長く伸びる帯状の検出固定電極6aが形成されている。検出固定電極6aは、上述した櫛歯状の複数の検出可動電極5aの間に、検出可動電極5aと1対1で平行に対向するように、所定のピッチ(例えば、検出可動電極5aと同一のピッチ)で櫛歯状に複数形成される。また、各検出固定電極6aは、検出可動電極5aに対応させて、櫛歯の中央となるほど長く、櫛歯の中央から離れるほど短くなっており、検出可動電極5a、検出固定電極6a同士が相互に対向する対向面の対向面積をできるだけ広く確保できるようにしてある。
On the other hand, the fixed
図4に示すように、検出可動電極5a、検出固定電極6aを形成する上で設けられた間隙10は、一方側で狭い間隙10a、他方側で広い間隙10bとなっている。検出部8は、狭い側の間隙10aを検知ギャップ(電極ギャップ)として検出可動電極5a、検出固定電極6a間の静電容量を検出する。
As shown in FIG. 4, the
[ストッパ部7の電位を可動電極5の電位と同電位とする手法]
上述したように、ストッパ部7は、固定電極6とは別体とされ、電位がオープン電位となっていたが、接触によりスティッキングの虞がある可動電極5の電位と積極的に同電位とすることで、スティッキングを回避することもできる。
[Method of making the potential of the
As described above, the
例えば、図5に示すように、可動電極5とストッパ部7とを配線31により電気的に接続することで同電位とすれば、可動電極5がストッパ部7に接触したとしても静電力が働かないためスティッキングを回避することができる。
For example, as shown in FIG. 5, if the
以下に、上述したようにして、可動電極5とストッパ部7とを積極的に同電位とする構成について具体的に示す。
Hereinafter, a configuration in which the
(絶縁層に貫通孔を設けて同電位とする手法)
可動電極5とストッパ部7とを同電位とするために、図1に示すストッパ部7の位置G乃至位置J上には、図6に示すように、絶縁層20をサンドブラスト加工等によって貫通させた貫通孔24を介し、ストッパ部7の表面7b、貫通孔24の内周面、絶縁層20の表面20aにストッパ部7の電位を取り出すための導体層である電極部32A乃至32Dが金属薄膜により形成されている。
(Method of providing a through hole in the insulating layer to achieve the same potential)
In order to make the
また、可動電極5の電位は、上述したように、当該可動電極5をビーム部4を介して支持するフレーム部3から取り出すようにされている。図1に示すフレーム部3の位置E、位置F上には、絶縁層20をサンドブラスト加工等によって貫通させた貫通孔24を介し、フレーム部3の表面3a、貫通孔24の内周面、絶縁層20の表面20aに可動電極5の電位を取り出すための導体層である電極部32E、32Fが金属薄膜により形成されている。
Further, as described above, the potential of the
このような、電極部32A乃至32Fを、図7に示すように、絶縁層20の表面20a上に形成した配線32により電気的に接続することで、ストッパ部7の電位を可動電極5の電位と同電位とすることができる。
As shown in FIG. 7, the
このように、絶縁層20に貫通孔24を設けてストッパ部7の電位を取り出し、可動電極5の電位と同電位とする手法は、静電容量式センサ1の半導体層2を絶縁層20により気密封止して可動電極5、固定電極6の電位を取り出す工程と同一工程にて実行することができるため、製造工程を大幅に短縮することができる。
As described above, the method of providing the through
なお、可動電極5の電位は、フレーム部3から取り出すようにしているが、直接、可動電極5から取り出すようにしてもよい。
Although the potential of the
(半導体層上における電気的な接続により同電位とする手法)
まず、可動電極5とストッパ部7とを同電位とするために、図1に示すストッパ部7の表面7b上の位置G乃至位置Jに、図8に示すように、金属電極33Aを形成する。そして、図8に示すように、可動電極5と同電位であるフレーム部3上の、各ストッパ部7の表面7b上に形成した金属電極33Aの近傍に、金属電極33Bを形成する。
(Method of setting the same potential by electrical connection on the semiconductor layer)
First, in order to make the
図9は、図8のIII−III線で切断した様子を示した断面図である。図9に示すように、絶縁層20の裏面20bには、金属配線34が形成されており、絶縁層20と半導体層2とを接合することで、図8に示すように、金属電極33Aと金属電極33Bとが金属配線34を介して電気的に接続され、ストッパ部7の電位を可動電極5の電位と同電位とすることができる。
9 is a cross-sectional view showing a state cut along line III-III in FIG. As shown in FIG. 9,
このように、ストッパ部7の表面7bに形成した金属電極33Aと、フレーム部3上に形成した金属電極33Bとを、絶縁層20に形成した金属配線34で電気的に接続することで、ストッパ部7と可動電極5とを同電位とする手法は、静電容量式センサ1の半導体層2を絶縁層20により気密封止する工程と同一工程にて実行することができるため、製造工程を大幅に短縮することができる。
また、絶縁層20を半導体層2に接合させない場合には、図10に示すように、金属電極33Aと金属電極33Bとをワイヤボンディングによりワイヤ35を介して電気的に接続することで、ストッパ部7の電位を可動電極5の電位と同電位とすることができる。
In this way, the
Further, when the insulating
さらに、絶縁層20を半導体層2に接合させない場合には、図11に示すように、絶縁層20のない静電容量式センサ1を、半導体パッケージ40内に組み込んだ場合に、金属電極33Aと半導体パッケージ40の同電位となっている電極41とをワイヤボンディングによりワイヤ36を介して電気的に接続し、フレーム部3上に形成された金属電極33Cと半導体パッケージ40の電極41とをワイヤボンディングによりワイヤ36を介して電気的に接続することで、ストッパ部7の電位を可動電極5の電位と同電位とすることができる。
Further, when the insulating
このように、絶縁層20を半導体層2に接合させない場合には、実装工程であるワイヤボンディングの工程を利用して、ストッパ部7の電位を可動電極5の電位と同電位にすることができるため、製造工程を大幅に短縮することができる。
As described above, when the insulating
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。 The above-described embodiment is an example of the present invention. For this reason, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made depending on the design and the like as long as the technical idea according to the present invention is not deviated from this embodiment. Of course, it is possible to change.
3 フレーム部
5 可動電極
6 固定電極
7 ストッパ部
7a 突起
7b 表面
20 絶縁層
20a 表面
20b 裏面
21 絶縁層
23 電極部
24 貫通孔
24a 内周面
31 配線
32 配線
33 ワイヤ
33A 金属電極
33B 金属電極
33C 金属電極
34 金属配線
35 ワイヤ
40 半導体パッケージ
41 電極
3
Claims (6)
前記半導体層は、
前記物理量の変位に応じて動作する可動電極と、
前記可動電極と間隙を介して対向配置された固定電極と、
前記固定電極と別体とされた前記可動電極の動作を制限するストッパ部とを備え、
前記ストッパ部の電位をオープン電位とすること
を特徴とする半導体センサ。 In a semiconductor sensor in which a physical quantity is detected by a semiconductor layer and an insulating layer is bonded to at least one of the front and back surfaces of the semiconductor layer,
The semiconductor layer is
A movable electrode that operates in accordance with the displacement of the physical quantity;
A fixed electrode disposed opposite to the movable electrode via a gap;
A stopper portion for limiting the operation of the movable electrode separated from the fixed electrode;
A semiconductor sensor characterized in that the potential of the stopper is an open potential.
を特徴とする請求項1記載の半導体センサ。 The semiconductor sensor according to claim 1, wherein the potential of the stopper is the same as the potential of the movable electrode.
前記貫通孔の内周面、及び絶縁層の表面にかけて電気的に接続される導体層を形成し、前記導体層を配線により電気的に接続することで、前記ストッパ部の電位を前記可動電極の電位と同電位とすること
を特徴とする請求項2記載の半導体センサ。 Providing a through hole in the insulating layer to expose a part of the surface of the stopper portion of the semiconductor layer, and a part of the surface of the movable electrode of the semiconductor layer or a part of the surface having the same potential as the movable electrode,
A conductor layer that is electrically connected to the inner peripheral surface of the through hole and the surface of the insulating layer is formed, and the conductor layer is electrically connected by wiring, so that the potential of the stopper portion can be reduced. The semiconductor sensor according to claim 2, wherein the semiconductor sensor has the same potential as the potential.
を特徴とする請求項2記載の半導体センサ。 A metal electrode is formed on the surface of the stopper portion of the semiconductor layer and the surface of the movable electrode of the semiconductor layer or a portion having the same potential as the movable electrode, and the wiring is applied to the surface of the insulating layer facing the semiconductor layer. The semiconductor sensor according to claim 2, wherein the metal electrode is electrically connected to make the potential of the stopper portion the same as the potential of the movable electrode.
を特徴とする請求項2記載の半導体センサ。 By electrically connecting the stopper portion of the semiconductor layer and the movable electrode of the semiconductor layer or a portion having the same potential as the movable electrode by wire bonding, the potential of the stopper portion is equal to the potential of the movable electrode. The semiconductor sensor according to claim 2, wherein:
を特徴とする請求項2記載の半導体センサ。 When the semiconductor sensor is incorporated in a semiconductor package, the stopper portion of the semiconductor layer, the movable electrode of the semiconductor layer or a portion having the same potential as the movable electrode, and the electrode formed in the semiconductor package are wire bonded. The semiconductor sensor according to claim 2, wherein the potential of the stoper portion is set to the same potential as the potential of the movable electrode by being electrically connected.
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