JP2009224462A - Capacitance type physical quantity sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば加速度センサやヨーレートセンサ等の、物理量(力学量)を静電容量の変化として検出する容量式物理量センサに関する。 The present invention relates to a capacitive physical quantity sensor that detects a physical quantity (dynamic quantity) as a change in capacitance, such as an acceleration sensor or a yaw rate sensor.
この種の容量式物理量センサとして、例えば自動車のエアバッグ用の加速度センサ装置に用いられる半導体加速度センサがある。この半導体加速度センサ(センサチップ)は、周知のように、例えば支持基板上に酸化膜を介して単結晶シリコン層を有した半導体基板(SOI基板)をベースとし、その単結晶シリコン層に対するマイクロマシニング加工により、可動電極部と一対の固定電極部とからなる加速度検出部(センサエレメント)を形成して得られるようになっている。 As this type of capacitive physical quantity sensor, for example, there is a semiconductor acceleration sensor used in an acceleration sensor device for an automobile airbag. As is well known, this semiconductor acceleration sensor (sensor chip) is based on, for example, a semiconductor substrate (SOI substrate) having a single crystal silicon layer via an oxide film on a support substrate, and micromachining the single crystal silicon layer. By processing, an acceleration detection part (sensor element) composed of a movable electrode part and a pair of fixed electrode parts is formed and obtained.
前記可動電極部は、検出軸(例えば前後方向であるY軸)方向に長い錘部、この錘部から左右(X軸)方向に櫛歯状に延びる可動電極、錘部の両端に位置される梁部(ばね部)、それらの両端側あるいは一端側に配置されるアンカ部、を一体的に有している。そのうちアンカ部は、支持基板に固定支持され、アンカ部以外の部位は、支持基板上に浮いた状態とされる。前記アンカ部の上面には、例えばアルミニウムからなる四角形の電極パッドが設けられるようになっている。前記固定電極部は、前記櫛歯状の可動電極に対し、前後方向に隙間を介して配置される櫛歯状の固定電極を有して構成される。 The movable electrode portion is positioned at both ends of the weight portion that is long in the direction of the detection axis (for example, the Y axis that is the front-rear direction), the movable electrode that extends from the weight portion in the left-right (X-axis) direction, and the weight portion. It integrally has a beam portion (spring portion) and anchor portions arranged on both end sides or one end side thereof. Among them, the anchor portion is fixedly supported by the support substrate, and the portions other than the anchor portion are floated on the support substrate. A square electrode pad made of aluminum, for example, is provided on the upper surface of the anchor portion. The fixed electrode portion is configured to have a comb-shaped fixed electrode arranged with a gap in the front-rear direction with respect to the comb-shaped movable electrode.
これにて、可動電極部(可動電極)と固定電極部(固定電極)との間にコンデンサが形成され、これらコンデンサの静電容量は、Y軸方向の加速度の作用に伴う可動電極部の変位に応じて差動的に変化することになり、もって、加速度を容量値の変化として取出すことができるようになっている。尚、この半導体加速度センサ(センサチップ)は、例えば信号処理回路を有する回路チップ上に接着により実装され、その回路チップがセラミックパッケージに対し接着により収容されるようになっている。このとき、半導体加速度センサと回路チップとの電気的接続、及び、回路チップとパッケージ側との電気的接続は、夫々ボンディングワイヤによりなされるようになっている。 Thus, capacitors are formed between the movable electrode portion (movable electrode) and the fixed electrode portion (fixed electrode), and the capacitance of these capacitors is determined by the displacement of the movable electrode portion due to the acceleration in the Y-axis direction. Therefore, the acceleration can be taken out as a change in the capacitance value. The semiconductor acceleration sensor (sensor chip) is mounted on, for example, a circuit chip having a signal processing circuit by adhesion, and the circuit chip is accommodated in the ceramic package by adhesion. At this time, the electrical connection between the semiconductor acceleration sensor and the circuit chip and the electrical connection between the circuit chip and the package side are respectively made by bonding wires.
ところで、この種の半導体加速度センサにあっては、例えば特許文献1及び特許文献2に記載されているように、例えば温度変化を受けることによりセンサエレメント部分に外部からの応力が作用し、反り等の変形が生ずる事情がある。特に、アルミからなる電極パッドとシリコンからなる基板との間の熱膨張係数の差に起因して、可動電極部に検出軸方向の変形が生じ、その結果、可動電極と固定電極との間の隙間が変化してしまい、センサ出力が変動して検出精度の低下を招いてしまう問題点がある。
By the way, in this type of semiconductor acceleration sensor, as described in, for example,
そこで、そのような問題点を解消するために、特許文献1では、センサエレメントをチップの中心に配置すると共に、センサエレメント(可動電極部及び左右の固定電極部)のパターンをY軸方向に延びる中心軸に対して線対称(左右対称)に配置するといった工夫がなされている。また、特許文献2では、可動電極部の電極パッド及び左右の固定電極部の電極パッドに対し、センサエレメントの中心に関して点対称となるように、3個のダミーの電極パッドを付加する構成が開示されている。
しかしながら、上記特許文献1、特許文献2のような、外部応力による可動電極部の変形を、センサエレメントのパターンや電極パッドに対称性を付与することにより抑制しようとする構成では、センサチップ全体の面積の大形化を招いたり、あるいは、センサエレメントのパターンや電極パッドの配置等に関する設計の自由度が低下したりする不具合がある。
However, in the configuration in which the deformation of the movable electrode portion due to external stress as described in
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、全体の大形化を抑えながらも、外部応力に起因する可動電極部の変形を効果的に防止することができる容量式物理量センサを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and a purpose thereof is a capacitive physical quantity sensor capable of effectively preventing deformation of the movable electrode portion due to external stress while suppressing increase in size of the whole. Is to provide.
上記目的を達成するために、本発明の請求項1の容量式物理量センサは、支持基板上に、可動電極部と固定電極部とを有するセンサエレメントを設けて構成されるものであって、前記可動電極部を、支持基板に固定支持され上面に電極パッドが設けられたアンカ部と、このアンカ部に梁部を介して支持され物理量の作用に応じて変位する可動電極とを一体的に設けて構成すると共に、前記アンカ部に、前記梁部と電極パッドとの間に位置して、応力遮断用のスリットを形成したところに特徴を有する。
In order to achieve the above object, a capacitive physical quantity sensor according to
これによれば、アンカ部の梁部と電極パッドとの間の位置に、応力遮断用のスリットが設けられていることにより、アンカ部における応力がそのスリット部分にて緩衝され、可動電極部に及ぶことを抑えることができる。この結果、外部応力に起因する可動電極部の変形を防止することができる。またこの場合、ダミーの電極パッドを付加したり、センサエレメントのパターンに対称性を与えたりする構成は不要となるので、全体の大形化を抑制することができ、また設計の自由度を低下させることなく済ませることができる。 According to this, since the stress blocking slit is provided at a position between the beam portion of the anchor portion and the electrode pad, the stress in the anchor portion is buffered by the slit portion, and the movable electrode portion Can be suppressed. As a result, it is possible to prevent the movable electrode portion from being deformed due to external stress. Also, in this case, it is not necessary to add a dummy electrode pad or to give symmetry to the sensor element pattern, so that the overall size can be suppressed and the degree of freedom in design is reduced. You can do without.
より具体的には、上記スリットを、アンカ部の両側縁部から内側に向けて2本形成するようにすると共に、それらスリットを、電極パッドの両端縁部を梁部側に延ばした仮想延長線を夫々横切る位置まで延びて形成することができる(請求項2の発明)。これにより、電極パッドとアンカ部との間の熱膨張係数の差に起因して発生する応力を、スリットにより吸収することができ、効果的となる。 More specifically, two slits are formed from both side edges of the anchor portion toward the inside, and the slits are virtual extension lines in which both edge portions of the electrode pad extend to the beam portion side. Can be formed so as to extend to positions crossing each of them (the invention of claim 2). Thereby, the stress generated due to the difference in thermal expansion coefficient between the electrode pad and the anchor portion can be absorbed by the slit, which is effective.
尚、前記仮想延長線とは、言い換えると、四角形の電極パッドの辺のうち、振動子の可動方向に沿っている辺を延長した線のことである。また、スリットが仮想延長線を夫々横切る位置まで延びて形成されていることは、言い換えれば、スリットが設けられたアンカ部の残し部(つながり部)において、振動子の可動方向に直行する方向の幅寸法(図2における寸法b)が、電極パッドにおける振動子の可動方向に直行する方向の幅寸法よりも小さくなることを意味している。 In other words, the virtual extension line is a line obtained by extending the side along the movable direction of the vibrator among the sides of the rectangular electrode pad. In addition, the slits are formed so as to extend to the positions crossing the virtual extension lines, in other words, in the remaining portion (connection portion) of the anchor portion where the slit is provided, in the direction perpendicular to the movable direction of the vibrator. This means that the width dimension (dimension b in FIG. 2) is smaller than the width dimension in the direction orthogonal to the movable direction of the vibrator in the electrode pad.
またこのとき、各スリットを、仮想延長線よりも、電極パッドの両側縁部間の幅寸法に対して5%以上の長さ内側に延びて形成することが望ましく(請求項3の発明)、可動電極部の変形防止効果により優れたものとなる。さらに、本発明においては、上記スリットを、そのスリット幅寸法が5μm以上となるように形成することが望ましい(請求項4の発明)。これにより、アンカ部からの応力吸収の効果により優れたものとなる。尚、スリット幅の上限は特に限定しないが、アンカ部の大きさ(面積)や配線抵抗との兼ね合いによって適宜設計すれば良く、例えば80μm以下の範囲内で決定することができる。 Further, at this time, each slit is preferably formed to extend inward by a length of 5% or more with respect to the width dimension between both side edges of the electrode pad from the virtual extension line (Invention of claim 3), It is excellent due to the deformation preventing effect of the movable electrode portion. Furthermore, in the present invention, it is desirable to form the slit so that the slit width dimension is 5 μm or more (the invention of claim 4). Thereby, it becomes more excellent in the effect of the stress absorption from an anchor part. The upper limit of the slit width is not particularly limited, but may be appropriately designed depending on the size (area) of the anchor portion and the wiring resistance, and can be determined within a range of 80 μm or less, for example.
本発明の請求項5の容量式物理量センサは、支持基板上に、可動電極部と固定電極部とを有するセンサエレメントを設けて構成されるものであって、前記可動電極部を、支持基板に固定支持され上面に電極パッドが設けられたアンカ部と、このアンカ部に梁部を介して支持され物理量の作用に応じて変位する可動電極とを一体的に設けて構成すると共に、前記アンカ部を、前記梁部と電極パッドとの離間距離が、100μm以上となるように設けた構成に特徴を有する。
The capacitive physical quantity sensor according to
これによれば、アンカ部の梁部と電極パッドとの間の離間距離を長くとることにより、アンカ部における応力の緩衝作用を呈し応力が可動電極部に及ぶことを抑えることができる。本発明者の研究によれば、離間距離を100μm以上とすることにより、応力緩和の効果に優れることが明らかとなった。この結果、外部応力に起因する可動電極部の変形を防止することができる。この場合も、ダミーの電極パッドを付加したり、センサエレメントのパターンに対称性を与えたりする構成は不要となるので、全体の大形化を抑制することができ、また設計の自由度を低下させることなく済ませることができる。尚、梁部と電極パッドとの離間距離の上限についても、チップ全体の大きさ(面積)や配線抵抗との兼ね合いにより、適宜決定することができ、例えば270μm以下の範囲内で決定することができる。 According to this, by taking a long separation distance between the beam portion of the anchor portion and the electrode pad, it is possible to suppress the stress from reaching the movable electrode portion by exhibiting a buffering action of the stress in the anchor portion. According to the inventor's research, it has been clarified that the effect of stress relaxation is excellent by setting the separation distance to 100 μm or more. As a result, it is possible to prevent the movable electrode portion from being deformed due to external stress. In this case as well, there is no need to add dummy electrode pads or provide symmetry to the sensor element pattern, so the overall size can be suppressed and the degree of design freedom is reduced. You can do without. Note that the upper limit of the separation distance between the beam portion and the electrode pad can also be determined as appropriate in consideration of the overall size (area) of the chip and the wiring resistance. For example, it can be determined within a range of 270 μm or less. it can.
以下、本発明を具体化したいくつかの実施例について、図面を参照しながら説明する。尚、以下に述べる各実施例は、本発明を、例えば自動車のエアバッグシステム(衝突検出)用の容量式の加速度センサ装置に適用したものである。 Hereinafter, several embodiments embodying the present invention will be described with reference to the drawings. In each of the embodiments described below, the present invention is applied to a capacitive acceleration sensor device for, for example, an automobile airbag system (collision detection).
(1)第1の実施例
まず、図1ないし図5を参照して、本発明の第1の実施例について述べる。図1は、本実施例に係る容量式物理量センサたる半導体加速度センサチップ1の全体構成を概略的に示している。
(1) First Embodiment First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 schematically shows the entire configuration of a semiconductor
図示及び詳しい説明は省略するが、この半導体加速度センサチップ1は、例えば信号処理回路を有する回路チップ上に接着シートを介して接合され、その回路チップがセラミックパッケージに対し接着材により接着された状態で収容され、もって加速度センサ装置とされるようになっている。このとき、半導体加速度センサチップ1(後述する電極パッド)と回路チップとの電気的接続、及び、回路チップとパッケージ側との電気的接続は、夫々ボンディングワイヤによりなされるようになっている。
Although illustration and detailed description are omitted, the semiconductor
本実施例の半導体加速度センサチップ1は、図1(b)及び図2(b)にも示すように、例えば、シリコンからなる支持基板2上に絶縁層(酸化膜)3を介して単結晶シリコン層4を形成した矩形状(正方形状)のSOI基板をベースとし、マイクロマシニング技術によって、その表面の単結晶シリコン層4に溝を形成することにより、中央部のぽぼ矩形の領域に位置してセンサエレメント(力学量(加速度)検出部)5を有している。この場合、このセンサエレメント5は、図1(a)で前後方向(Y軸方向)の加速度を検出するものとされ、一方向の検出軸(Y軸)を有するものとなっている。尚、前記単結晶シリコン層4の厚み寸法は、例えば22μmとされている。
As shown in FIGS. 1B and 2B, the semiconductor
図1(a)に示すように、前記センサエレメント5は、加速度の作用に応じてY軸方向に変位する可動電極部6と、左右一対の固定電極部7,8とを有して構成される。そのうち可動電極部6は、センサエレメント5の中心部を前後方向に延びる錘部6aの前後両端部に左右方向に細長い矩形枠状をなす梁部6bを有すると共に、図で手前側の梁部6bの更に前端側に第1のアンカ部6cを有し、後部側の梁部6bの更に後端側に第2のアンカ部6eを有している。そして、前記錘部6aから左右方向に夫々いわば櫛歯状に延びる多数本の細幅状の可動電極6dを有して構成されている。
As shown in FIG. 1A, the
また、前記第1のアンカ部6cの上面部には、例えばアルミニウム製の矩形状の電極パッド9が設けられている。このとき、前記可動電極部6は、前記アンカ部6c,6eを除いて下面側の絶縁膜3が除去されており、アンカ部6c,6eのみが支持基板2に支持された状態、つまり残りの部分は宙に浮いた状態とされている。尚、前記可動電極6dは、実際には多数本が設けられているが、図1では便宜上大部分を省略し、左右各2本ずつのみを図示している。また、前記電極パッド9は、例えば1.3μmの厚み寸法で形成されている。
A
これに対し、左側の固定電極部7は、図1で左辺側部分に前後に延びて位置する縦長矩形状の基部7aから、右方にいわば櫛歯状に延びる多数本の細幅状の固定電極7b(2本のみ図示)を有して構成されている。これら固定電極7bは、前記可動電極6dのすぐ後側に微小な隙間を介して平行に隣合うように設けられている。前記基部7aは、前方(図で手前側)に延びて設けられ、その前端部の上面に、前記電極パッド9の左方に並ぶように、やはりアルミ製の電極パッド10が設けられている。
On the other hand, the left fixed
右側の固定電極部8は、図1で右辺側部分に前後に延びて位置する縦長矩形状の基部8aから、左方にいわば櫛歯状に延びる多数本の細幅状の固定電極8b(2本のみ図示)を有して構成されている。これら固定電極8bは、前記可動電極6dのすぐ前側に微小な隙間を介して平行に隣合うように設けられている。前記基部8aは、前方(図で手前側)に延びて設けられ、その前端部の上面に、前記電極パッド9の右方に並ぶように、やはりアルミ製の電極パッド11が設けられている。尚、これら固定電極部7,8においては、基部7a,8aを除く部分、つまり、固定電極7b,8b部分の下面側の絶縁膜3が除去されている。
The right
これにて、前記可動電極部6(可動電極6d)と固定電極部7(固定電極7b)との間、及び、可動電極部6(可動電極6d)と固定電極部8(固定電極8b)との間に夫々コンデンサが形成され、これらコンデンサの静電容量は、Y軸方向の加速度の作用に伴う可動電極部6(可動電極6d)の変位に応じて差動的に変化することになり、もって、加速度を容量値の変化として取出すことができるようになっているのである。
Thus, between the movable electrode portion 6 (
さて、本実施例では、図1、図2に示すように、前記可動電極部6の第1のアンカ部6cには、前記梁部6bと電極パッド9との間に位置して、応力遮断用の2本のスリット12が形成されている。図2(b)に示すように、これらスリット12は、単結晶シリコン層4全体が除去される深さで形成されている。尚、製造方法によっては、その下部の絶縁層3まで除去される深さで形成されていても良い。
In the present embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, the
これら2本のスリット12は、前記第1のアンカ部6cの左右の両側縁部から内側に向けて延び、各スリット12が、前記電極パッド9の左右の両端縁部を梁部6b側(Y軸方向)に延ばした仮想延長線Lを夫々横切る位置まで延びて形成されている。これらスリット12は、前記仮想延長線Lよりも、前記電極パッド9の両側縁部間の幅寸法に対して5%以上の長さ内側に延びて形成されている。さらに、これらスリット12は、そのスリット幅寸法cが5μm以上となるように形成されている。
These two
具体例をあげると、第1のアンカ部6cの左右の幅寸法aが180μm、前後(梁部6bまで)の長さ寸法eが253μm、電極パッド9の縦横寸法(寸法f)が120μm×120μm、スリット12の横方向長さ寸法dが各40μm、第1のアンカ部6cの繋がり部分(スリット12を除く部分)の幅寸法bが100μm、スリット12の幅寸法cが30μm、電極パッド9の端部から梁部6bまでの長さ寸法gが113μm、電極パッド9の端部からスリット12までの長さ寸法hが20μmとされている。
Specifically, the left and right width dimension a of the
以上のように構成された本実施例の半導体加速度センサチップ1においては、使用時に、例えば温度変化を受けることによりセンサエレメント5部分に外部からの応力が作用し、反り等の変形が生ずることが考えられる。特に、アルミからなる電極パッド9と、第1のアンカ部6cとの間の熱膨張係数の差に起因して、可動電極部6に検出軸(Y軸)方向の変形が生じてしまい、ひいては、可動電極6dと固定電極7b、8bとの間の隙間が変化し、センサ出力が変動して検出精度の低下を招いてしまう虞がある。
In the semiconductor
ところが、本実施例では、第1のアンカ部6cの梁部6bと電極パッド9との間の位置に、応力遮断用のスリット12が設けられていることにより、第1のアンカ部6cにおける応力がそのスリット12部分にて緩衝され、錘部6aや可動電極6d部分に及ぶことを抑えることができる。この結果、外部応力に起因する可動電極部6の変形を防止することができ、検出精度の低下を防止することができたのである。
However, in this embodiment, the stress blocking slit 12 is provided at a position between the
ここで、本発明者は、本実施例におけるスリット12の効果を確認すべく、半導体加速度センサチップにおいて、アンカ部にスリットを形成したものと有しないものとの2種類各10個のサンプルS1及びS2に関して、実際の昇温試験を行い、温度と出力との関係を求めた。図3及び図4は、サンプルS1及びS2となったセンサチップの形状(a)及びその試験結果(b)を示している。
Here, in order to confirm the effect of the
図3(a)及び図4(a)に示すように、サンプルS1及びS2は、比較的大きいSOI基板に対し、その中心から手前側にずれた位置にセンサエレメントE1及びE2を形成した。また、電極パッドは、片側だけに(非対称に)設けられている。図3(a)のサンプルS1では、アンカ部に上記したような2本のスリットが形成され、図4(a)のサンプルS2では、アンカ部にスリットが存在しない。 As shown in FIGS. 3A and 4A, samples S1 and S2 formed sensor elements E1 and E2 at positions shifted from the center to the near side of a relatively large SOI substrate. The electrode pad is provided only on one side (asymmetrically). In the sample S1 in FIG. 3A, the two slits as described above are formed in the anchor portion, and in the sample S2 in FIG. 4A, there is no slit in the anchor portion.
試験は、上記サンプルS1及びS2を加速度センサ装置として組立て、常温(25℃)から125℃まで温度を上昇させ、静止時つまり加速度が作用していない状態(0G)におけるセンサの出力電圧の変動を調べることにより行った。このとき、25℃から85℃までの出力をフラットになるように補正しながら、125℃における出力変動を比較した。その結果が、図3(b)及び図4(b)に示されている。図3(b)に示すように、アンカ部にスリットを形成したサンプルS1では、125℃まで温度を上昇させても出力の変動は小さく、そのばらつきも小さいものとなっている。これに対し、図4(b)のアンカ部にスリットの存在しないサンプルS2では、温度上昇に伴う出力の変動が大きく、そのばらつきも大きいものとなっていた。 In the test, the samples S1 and S2 are assembled as an acceleration sensor device, the temperature is increased from room temperature (25 ° C.) to 125 ° C., and the fluctuation of the output voltage of the sensor in the stationary state, that is, the state where acceleration is not acting (0G). This was done by examining. At this time, the output fluctuation at 125 ° C. was compared while correcting the output from 25 ° C. to 85 ° C. to be flat. The results are shown in FIGS. 3 (b) and 4 (b). As shown in FIG. 3B, in the sample S1 in which the slit is formed in the anchor portion, even when the temperature is raised to 125 ° C., the fluctuation of the output is small and the fluctuation is small. On the other hand, in the sample S2 in which no slit is present in the anchor portion in FIG. 4B, the output fluctuates greatly as the temperature rises, and the variation is large.
この試験結果から、第1のアンカ部6cに応力遮断用のスリット12を形成したものでは、熱応力(温度変化)による可動電極部6の変形を防止することができ、良好な検出精度を確保することができることが理解できる。また、スリット12を設けることによって、センサエレメント5の形成位置がチップの中心部からずれていても、電極パッド9を対称的に配置しなくても良いことが明らかとなった。
From this test result, when the stress blocking slit 12 is formed in the
次に、本発明者は、第1のアンカ部6cに形成されるスリット12の幅寸法cが、応力吸収の効果に影響するかどうかを確かめるシミュレーション試験を行った。この試験は、図5(a)に示すような形状(寸法)の可動電極部6に対し、スリット12をいくつかの異なる幅寸法cで形成した場合の変形量を求めることにより行った。その結果を図5(b)に示す。尚、図5(a)では、可動電極6dの図示を省略している。
Next, the inventor conducted a simulation test to confirm whether or not the width dimension c of the
この場合、可動電極部6全体の形状として、後端部側の第2のアンカ部6eについても、前端側の第1のアンカ部6cと同等の長さ(寸法eが253μm)を有するように設けられている。そして、第1のアンカ部6cの大きさなどの各部の寸法は、上記した通りであるが、該第1のアンカ部6cの繋がり部分(スリット12を除く部分)の幅寸法bを50μm(スリット12の横方向長さ寸法dを各65μm)としている。また、スリット12の幅寸法cを、0(スリットなし)、5μm、10μm、20μm、30μm、50μm、70μm、80μmと変化させている。
In this case, as the entire shape of the
この結果から、スリット12を幅寸法cが5μm以上となるように形成することにより、変形量をごく僅かに済ませることができ、応力吸収の効果に優れたものとなることが明らかとなったのである。尚、スリット幅cの上限は特に限定しないが、第1のアンカ部6cの大きさ(面積)や配線抵抗との兼ね合いによって適宜設計すれば良く、例えば80μm以下とすることができる。
From this result, it was clarified that by forming the
さらに、詳しい説明は省略するが、本発明者の研究(シミュレーション)によれば、スリット12を、第1のアンカ部6cの両側縁部から内側に向けて2本形成すると共に、それらスリット12を、電極パッド9の両端縁部を梁部側に延ばした仮想延長線Lを夫々横切る位置まで延びて形成すれば、応力吸収の効果に優れたものとなる。またこのとき、各スリット12を、仮想延長線Lよりも、電極パッド9の両側縁部間の幅寸法fに対して5%以上の長さ(本実施例では、120×0.05=6μm以上)内側に延びて形成することが望ましく、可動電極部6の変形防止効果により優れたものとなることが明らかとなった。
Furthermore, although detailed explanation is omitted, according to the research (simulation) of the present inventor, two
このように本実施例によれば、可動電極部6の第1のアンカ部6cに、梁部6bと電極パッド9との間に位置して、応力遮断用のスリット12を形成したので、外部応力に起因する可動電極部6の変形を効果的に防止することができるという優れた効果を奏する。しかも、ダミーの電極パッドを付加する構成や、センサエレメント5のパターンに対称性を与えたり、チップの中心に設けたりする構成は不要となるので、全体の大形化を抑制することができ、また設計の自由度を低下させることなく済ませることができる。
As described above, according to the present embodiment, since the stress blocking slit 12 is formed in the
(2)第2〜第4の実施例
図6、図7、図8は、夫々本発明の第2、第3、第4の実施例を示している。これら第2〜第4の実施例が、上記第1の実施例と異なる点は、可動電極部6の第1のアンカ部6cに形成されるスリットの形状にある。従って、上記第1の実施例と同一部分には同一符号を付して詳しい説明を省略し、以下、相違する点のみ述べることとする。
(2) Second to Fourth Embodiments FIGS. 6, 7 and 8 show the second, third and fourth embodiments of the present invention, respectively. The second to fourth embodiments are different from the first embodiment in the shape of a slit formed in the
図6は、本発明の第2の実施例を示すものであり、この第2の実施例では、梁部6bと電極パッド9との間に位置して第1のアンカ部6cに左右方向に延びて形成される2本のスリット21を、該アンカ部6aの側縁部にて開放するのではなく、アンカ部6cの内側に切込みを入れた状態(閉じた状態)に設けるようにしている。つまり、第1のアンカ部6aの前後部は、2本のスリット21を挟んで、両側縁部及び中央部にてつながった状態とされている。また、この場合も、2本のスリット21は、電極パッド9の左右の両端縁部を梁部6b側(Y軸方向)に延ばした仮想延長線Lを夫々横切るような位置に形成されている。
FIG. 6 shows a second embodiment of the present invention. In the second embodiment, the
図7は、本発明の第3の実施例を示すものであり、この第3の実施例では、第1のアンカ部6cに形成される2本のスリット22を、三角形状に設けるようにしている。
図8は、本発明の第4の実施例を示すものであり、この第4の実施例では、第1のアンカ部6cに形成される2本のスリット23を、楕円(長円)形状としている。
FIG. 7 shows a third embodiment of the present invention. In this third embodiment, the two
FIG. 8 shows a fourth embodiment of the present invention. In this fourth embodiment, the two
これら第2〜第4の実施例においても、可動電極部6の第1のアンカ部6cに、梁部6bと電極パッド9との間に位置して、応力遮断用のスリット21,22,23を形成したので、第1の実施例と同様に、全体の大形化を抑えながらも、外部応力に起因する可動電極部6の変形を効果的に防止することができるという優れた効果を得ることができる。
Also in the second to fourth embodiments, the stress blocking slits 21, 22, 23 are located in the
(3)第5の実施例、その他の実施例
次に、本発明の第5の実施例について、図9及び図10を参照しながら説明する。図9は、本実施例に係る容量式物理量センサとしての半導体加速度センサチップ31を概略的に示しており、以下、上記第1の実施例の半導体加速度センサチップ1と異なる点を中心に説明する。この半導体加速度センサチップ31は、やはり、支持基板2上に、可動電極部32と左右一対の固定電極部7,8とを有するセンサエレメント5を設けて構成されている。
(3) Fifth Example and Other Examples Next, a fifth example of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 9 schematically shows a semiconductor
前記可動電極部32は、前後方向に延びる錘部32aの前後両端部に梁部32bを有すると共に、図で手前側の梁部32bの更に前端側に第1のアンカ部32cを有し、後部側の梁部32bの更に後端側に第2のアンカ部32eを有している。そして、前記錘部32aから左右方向に夫々いわば櫛歯状に延びる多数本の細幅状の可動電極32dを有して構成されている。前記第1のアンカ部32cの上面部には、例えばアルミニウム製の矩形状の電極パッド9が設けられている。
The
このとき、前記第1のアンカ部32cにあっては、上記第1〜第4の実施例のようなスリットを設けることに代えて、アンカ部32b全体が前後方向に比較的長く形成されると共に、その前端側に電極パッド9が配置されていることにより、電極パッド9の端部から梁部32bまでの長さ寸法(離間距離)gが、100μm以上となるように構成されている。本実施例では、離間距離gは、例えば130μmとされている。
At this time, in the
本実施例の構成によれば、第1のアンカ部32cにおいて、梁部32bと電極パッド9との間の離間距離gを比較的長くとることにより、第1のアンカ部32cにおける応力を緩和して可動電極部32に及ぶことを抑えることができる。本発明者の研究によれば、離間距離gを100μm以上とすることにより、応力緩和の効果に優れることが明らかとなった。
According to the configuration of the present embodiment, in the
図10は、本発明者が、第1のアンカ部における梁部と電極パッドとの間の離間距離gを変化させた場合の、離間距離gと可動電極部の変形量との関係をシミュレーションした試験結果を示している。この図10中、曲線Aはスリットを設けない場合を示しているが、ここでは、上記第1の実施例のようなスリットを形成した場合についても併せてシミュレーションを行い、曲線Bで示している。 FIG. 10 shows a simulation of the relationship between the separation distance g and the amount of deformation of the movable electrode portion when the inventor changes the separation distance g between the beam portion and the electrode pad in the first anchor portion. The test results are shown. In FIG. 10, the curve A shows the case where no slit is provided, but here, the case where the slit as in the first embodiment is formed is also simulated and shown by the curve B. .
この結果から、梁部と電極パッドとの間の離間距離gを、約100μm以上とした場合には、可動電極部の変形はほとんど発生せず、より好ましくは、130μm以上とすることにより変形量をほぼ0とすることができた。また、スリットを形成した場合(曲線B)には、梁部と電極パッドとの間の離間距離gを50μm以上とすることにより、同様に可動電極部の変形を防止することができた。尚、梁部と電極パッドとの離間距離gの上限についても、チップ全体の大きさ(面積)や配線抵抗との兼ね合いにより、適宜決定することができ、例えば270μm以下の範囲内で決定することができる。 From this result, when the separation distance g between the beam part and the electrode pad is about 100 μm or more, the deformation of the movable electrode part hardly occurs, and more preferably, the deformation amount is set to 130 μm or more. Was almost zero. Further, when the slit was formed (curve B), the movable electrode portion could be similarly prevented from being deformed by setting the separation distance g between the beam portion and the electrode pad to 50 μm or more. Note that the upper limit of the separation distance g between the beam portion and the electrode pad can also be determined as appropriate in consideration of the overall size (area) of the chip and the wiring resistance, for example, within a range of 270 μm or less. Can do.
従って、本実施例によっても、可動電極部32の第1のアンカ部32cを、梁部32bと電極パッド9との離間距離gが比較的大きくなる(100μm以上)ように構成したので、外部応力に起因する可動電極部32の変形を効果的に防止することができるという優れた効果を奏する。しかも、ダミーの電極パッドを付加する構成や、センサエレメント5のパターンに対称性を与えたり、チップの中心に設けたりする構成は不要となるので、全体の大形化を抑制することができ、また設計の自由度を低下させることなく済ませることができるものである。
Accordingly, also in this embodiment, the
尚、上記各実施例では、本発明を加速度センサ装置に適用するようにしたが、例えばヨーレートセンサ等、一方向の検出軸を有する他の容量型の物理量センサにも適用することができる。その他、本発明は上記し図面に示した各実施例に限定されるものではなく、例えばセンサエレメントの形状や材質、アンカ部や電極パッド等の各部の寸法、配置などについても種々の変形が可能である等、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施し得るものである。 In each of the above embodiments, the present invention is applied to the acceleration sensor device. However, the present invention can also be applied to other capacitive physical quantity sensors having a detection axis in one direction such as a yaw rate sensor. In addition, the present invention is not limited to the embodiments described above and shown in the drawings. For example, various modifications can be made to the shape and material of the sensor element, the dimensions and arrangement of each part such as the anchor part and the electrode pad, and the like. It can be implemented with appropriate modifications within the scope not departing from the gist.
図面中、1,31は半導体加速度センサチップ(容量式物理量センサ)、2は支持基板、5はセンサエレメント、6,32は可動電極部、6a、32aは錘部、6b,32bは梁部、6c,32cは第1のアンカ部、6d、32dは可動電極、7,8は固定電極部、7b,8bは固定電極、9は電極パッド、12,21,22,23はスリット、Lは仮想延長線を示す。 In the drawings, 1 and 31 are semiconductor acceleration sensor chips (capacitive physical quantity sensors), 2 is a support substrate, 5 is a sensor element, 6 and 32 are movable electrode portions, 6a and 32a are weight portions, 6b and 32b are beam portions, 6c and 32c are first anchor portions, 6d and 32d are movable electrodes, 7 and 8 are fixed electrode portions, 7b and 8b are fixed electrodes, 9 is an electrode pad, 12, 21, 22, and 23 are slits, and L is a virtual one. An extension line is shown.
Claims (5)
前記可動電極部は、前記支持基板に固定支持され上面に電極パッドが設けられたアンカ部と、このアンカ部に梁部を介して支持され物理量の作用に応じて変位する可動電極とを一体的に有して構成されていると共に、
前記アンカ部には、前記梁部と電極パッドとの間に位置して、応力遮断用のスリットが形成されていることを特徴とする容量式物理量センサ。 A capacitive physical quantity sensor configured by providing a sensor element having a movable electrode portion and a fixed electrode portion on a support substrate,
The movable electrode unit integrally includes an anchor unit fixedly supported on the support substrate and provided with an electrode pad on the upper surface, and a movable electrode supported by the anchor unit via a beam unit and displaced according to the action of a physical quantity. In addition to being configured,
The capacitive physical quantity sensor, wherein a stress blocking slit is formed in the anchor portion between the beam portion and the electrode pad.
前記可動電極部は、前記支持基板に固定支持され上面に電極パッドが設けられたアンカ部と、このアンカ部に梁部を介して支持され物理量の作用に応じて変位する可動電極とを一体的に有して構成されていると共に、
前記アンカ部は、前記梁部と電極パッドとの離間距離が、100μm以上となるように設けられていることを特徴とする容量式物理量センサ。 A capacitive physical quantity sensor configured by providing a sensor element having a movable electrode portion and a fixed electrode portion on a support substrate,
The movable electrode unit integrally includes an anchor unit fixedly supported on the support substrate and provided with an electrode pad on the upper surface, and a movable electrode supported by the anchor unit via a beam unit and displaced according to the action of a physical quantity. In addition to being configured,
The capacitive physical quantity sensor is characterized in that the anchor portion is provided such that a separation distance between the beam portion and the electrode pad is 100 μm or more.
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