JP2010078425A - Acceleration sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、加速度センサに関し、特に、静電容量型の加速度センサに関するものである。 The present invention relates to an acceleration sensor, and more particularly to a capacitance type acceleration sensor.
基板表面に対し垂直な方向(Z軸方向)の加速度を検出する従来のZ軸加速度センサのひとつとして加速度にともなう静電容量の変化を検出する静電容量型の加速度センサがある。このようなZ軸加速度センサは、たとえば特許第3941694号公報に開示されている。 As one of conventional Z-axis acceleration sensors that detect acceleration in a direction perpendicular to the substrate surface (Z-axis direction), there is a capacitance-type acceleration sensor that detects a change in capacitance due to acceleration. Such a Z-axis acceleration sensor is disclosed in, for example, Japanese Patent No. 3914694.
この公報に記載の加速度センサは、基板と、第一および第二の固定電極と、可動電極と、質量体と、連結部とを有している。第一および第二の固定電極の各々は基板上に形成されている。可動電極は、第一および第二の固定電極上に対向して設けられている。質量体は、基板に対して垂直方向の加速度に応答して移動可能であり、連結部により可動電極と連結されている。 The acceleration sensor described in this publication includes a substrate, first and second fixed electrodes, a movable electrode, a mass body, and a connecting portion. Each of the first and second fixed electrodes is formed on a substrate. The movable electrode is provided facing the first and second fixed electrodes. The mass body is movable in response to acceleration in a direction perpendicular to the substrate, and is connected to the movable electrode by a connecting portion.
この加速度センサにおいて、基板に対して垂直方向の加速度が印加されると、質量体には慣性力が作用して、質量体は印加された加速度とは反対方向に変位する。この質量体の変位によって、その質量体に連結部を介して連結された可動電極がシーソーのように変位する。つまり、基板に対して可動電極の一方端が上側に、他方端が下側に変位する。これにより、可動電極と第一の固定電極との間で形成される静電容量C1と、可動電極と第二の固定電極との間で形成される静電容量C2とが変位する。この容量C1、C2の変位から、印加された加速度が測定される。
上記のような加速度センサにおいては、容量C1、C2から加速度を測定する際に、容量C1、C2を電気信号に変換する必要がある。そこで、加速度センサチップが、容量C1、C2の変化を読み取って電気信号に変換する特定用途IC(以下、ASICと呼称)チップと一緒に一般のICと同形状のモールド樹脂パッケージに組み立てられ、低価格で使いやすい加速度センサとして市場に供給されている。 In the acceleration sensor as described above, when measuring acceleration from the capacitors C1 and C2, it is necessary to convert the capacitors C1 and C2 into electric signals. Therefore, the acceleration sensor chip is assembled into a mold resin package having the same shape as a general IC together with a specific application IC (hereinafter referred to as ASIC) chip that reads changes in the capacitors C1 and C2 and converts them into electrical signals. It is supplied to the market as an acceleration sensor that is easy to use at a low price.
しかしながらICモールド樹脂パッケージでは、加速度センサチップの基板をICリードフレーム上にダイボンド樹脂(接着材)で固定する際や、チップ実装後にモールド樹脂で封入する際に、熱膨張係数差などによる熱応力により加速度センサチップの基板が反るという問題が発生する。 However, in the IC mold resin package, when the substrate of the acceleration sensor chip is fixed to the IC lead frame with a die bond resin (adhesive) or encapsulated with the mold resin after chip mounting, due to thermal stress due to a difference in thermal expansion coefficient, etc. There arises a problem that the substrate of the acceleration sensor chip is warped.
第一および第二の固定電極のそれぞれは加速度センサチップの基板上に形成されているため、その基板の反りに連動して、第一および第二の固定電極も反る。これにより可動電極および第一の固定電極の間の電極間距離と、可動電極および第二の固定電極の間の電極間距離とが微妙に変化する。その結果、可動電極と第一の固定電極とで形成される容量C1と、可動電極と第二の固定電極とで形成される容量C2とが、加速度以外の要因で変動してしまう。このため、Z軸加速度センサはX軸加速度センサに比べ特性変動しやすいという欠点がある。 Since each of the first and second fixed electrodes is formed on the substrate of the acceleration sensor chip, the first and second fixed electrodes also warp in conjunction with the warpage of the substrate. As a result, the interelectrode distance between the movable electrode and the first fixed electrode and the interelectrode distance between the movable electrode and the second fixed electrode change slightly. As a result, the capacitance C1 formed by the movable electrode and the first fixed electrode and the capacitance C2 formed by the movable electrode and the second fixed electrode vary due to factors other than acceleration. For this reason, the Z-axis acceleration sensor has a drawback that its characteristics are likely to change compared to the X-axis acceleration sensor.
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、組み立て時の応力に対して特性が安定した加速度センサを提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an acceleration sensor having stable characteristics against stress during assembly.
本発明の加速度センサは、可動電極と、固定電極と、支持部材と、固定電極支持部位とを有している。固定電極は可動電極と対向するように配置されている。支持部材は固定電極を支持するためのものである。固定電極支持部位は支持部材に固定電極を支持し、固定電極に接する面積が固定電極の面積より小さい。 The acceleration sensor of the present invention has a movable electrode, a fixed electrode, a support member, and a fixed electrode support part. The fixed electrode is disposed so as to face the movable electrode. The support member is for supporting the fixed electrode. The fixed electrode support portion supports the fixed electrode on the support member, and the area in contact with the fixed electrode is smaller than the area of the fixed electrode.
本発明の加速度センサによれば、組み立て時の応力が加速度センサに加わっても、固定電極支持部位の固定電極に接する面積が固定電極の面積より小さく形成されているのでその応力が固定電極全体には伝わらない。したがって、外部からの応力によって固定電極が反るという問題が抑制できるので、可動電極と固定電極との空間距離の変化を少なくすることができる。よって、検出容量の変動も少ないため、特性変動が起こり難い。 According to the acceleration sensor of the present invention, even if stress during assembly is applied to the acceleration sensor, the area of the fixed electrode supporting portion that is in contact with the fixed electrode is smaller than the area of the fixed electrode, so the stress is applied to the entire fixed electrode. Is not transmitted. Therefore, the problem that the fixed electrode warps due to external stress can be suppressed, and the change in the spatial distance between the movable electrode and the fixed electrode can be reduced. Therefore, the variation in characteristics is unlikely to occur because the variation in detection capacitance is small.
以下、本実施の形態について図に基づいて説明する。
(実施の形態1)
最初に本実施の形態の加速度センサの構成について説明する。
Hereinafter, the present embodiment will be described with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
First, the configuration of the acceleration sensor according to the present embodiment will be described.
図1は本発明の実施の形態1における加速度センサの構成を示す平面図である。図2は図1のII−II線に沿う部分の概略断面図である。図3は図1のIII−III線に沿う部分の概略断面図である。図1〜図3を参照して、本実施の形態の加速度センサは、主に、第一の固定電極11と、第二の固定電極12と、可動電極13と、慣性質量体14と、リンク梁15と、捩れ梁16と、アンカー17と、基板20と、固定電極支持部位25とを有している。
FIG. 1 is a plan view showing the configuration of the acceleration sensor according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a portion taken along line II-II in FIG. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a portion along line III-III in FIG. 1 to 3, the acceleration sensor according to the present embodiment mainly includes a first
基板20は、第一、第二の固定電極11、12を支持するための支持部材である。基板20の表面には第一のシリコン酸化膜21、第一の犠牲層膜22、第二のシリコン酸化膜23およびシリコン窒化膜24が順に積層されている。
The
固定電極支持部位25は、第一のシリコン酸化膜21を介して基板20に第一、第二の固定電極11、12を支持している。第一、第二の固定電極11、12には、典型的には一辺が数μmの正方形状を有する複数のエッチングホール27が形成されている。第一、第二の固定電極11、12の側面には第一、第二の固定電極11、12の電気配線18、19が形成されている。シリコン酸化膜21、第一の犠牲層膜22、第二のシリコン酸化膜23およびシリコン窒化膜24は、第一、第二の固定電極11、12等と基板20との電気的な絶縁を確保するための絶縁膜を形成している。固定電極支持部位25は、本実施の形態では第一、第二の固定電極11、12のそれぞれ1つの固定電極に対して1つの固定電極支持柱を有している。固定電極支持部位25は、第一、第二の固定電極11、12の重心近傍直下に形成されている。
The fixed
アンカー17は、可動電極13の電気配線101、第一の犠牲層膜22および第一のシリコン酸化膜21を介して基板20に支持されている。
The
可動電極13は、第一の固定電極11と第二の固定電極12の上方に空間距離d1、d2を隔てて、これらの各々と対向するように配置されている。可動電極13は、捩れ梁16を中心の軸として回転可能なように捩れ梁16を介してアンカー17に支持されている。捩れ梁16は、平面視(図1)において可動電極13の中心を通る線上に配置されている。可動電極13は、アンカー17を介して電気配線101と電気的に接続されている。
The
可動電極13と第一の固定電極11とによりコンデンサC1が構成されており、可動電極13と第二の固定電極12とによりコンデンサC2が構成されている。
The
慣性質量体14は、基板20表面に対して上下変位可能なようにリンク梁15を介して可動電極13に支持されている。このリンク梁15は、平面視(図1)において捩れ梁16の中心を通る線から一方側に離れた位置に配置されている。
The
固定電極支持部位25は第一、第二の固定電極11、12のそれぞれの一部と接しており、第一、第二の固定電極11、12に接する面積が第一、第二の固定電極11、12の平面視における面積より小さい。これにより、固定電極支持部位25以外の第一、第二の固定電極11、12の下方には第一の犠牲層膜22の概略膜厚に相当する高さの空隙26が形成されている。第一、第二の固定電極11、12の電気配線18、19の下方では第一の犠牲層膜22が残留されている。
The fixed
なお第一、第二の固定電極11、12は、たとえばポリシリコン(多結晶シリコン)膜によって形成されている。可動電極13、慣性質量体14およびアンカー17は、それぞれリンク梁15と捩れ梁16とを介して相互に結合されているので、これらは、たとえばポリシリコン膜によって同時に形成されている。
The first and second
次に本実施の形態の加速度センサの製造方法について説明する。
図4は、本実施の形態1における加速度センサの製造方法を示す図1のII−II線に沿う概略断面図である。最初に、基板20上に、たとえば熱酸化法またはCVD(Chemical Vapor Deposition)法(化学気相成長法)などにより、電気的絶縁膜として典型的には厚さ約2μmで、第一のシリコン酸化膜21が形成される。続いて、第一のシリコン酸化膜21上に、たとえばCVD法などにより、好ましくはウエットエッチングが容易な厚さ約0.5μmで、たとえばPSG(Phospho−Silicate−Glass)膜(リン元素を含むシリコン酸化膜)などの第一の犠牲層膜22が形成される。次に第一の犠牲層膜22上に、たとえばLP(Low Pressure)CVD法(減圧化学気相成長法)により、典型的には厚さ約0.5μmで、導電性の高いポリシリコン(多結晶シリコン)膜が堆積される。
Next, a method for manufacturing the acceleration sensor according to the present embodiment will be described.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view taken along the line II-II in FIG. 1 showing the method for manufacturing the acceleration sensor according to the first embodiment. First, the first silicon oxide is typically formed on the
そのポリシリコン膜がたとえばドライエッチング法などでパターニングされることにより、第一の固定電極11と、電気配線18(図1)と、第二の固定電極12と、電気配線19(図1)と、可動電極13の電気配線101(図3)とがそのポリシリコン膜から一括形成される。その後、基板20上全体に、第二のシリコン酸化膜23が形成される。次に、たとえばCMP(Chemical Mechanical Polishing)技術(化学機械研磨技術)により、第一の固定電極11、第二の固定電極12および電気配線18、19、101の上面が露出するまで第二のシリコン酸化膜23が除去される。これにより、第二のシリコン酸化膜23と、第一の固定電極11と、第二の固定電極12と、電気配線18、19、101との各上面の高さが揃えられる。この後、平坦化された表面全面にシリコン窒化膜24が形成される。その後、写真製版技術およびドライエッチング技術により、第一の固定電極11、第二の固定電極12、アンカー17となる部位上のシリコン窒化膜24が開口される。
The polysilicon film is patterned by, for example, a dry etching method, whereby the first fixed
続いて、露出された第一の固定電極11および第二の固定電極12に、写真製版技術およびドライエッチング技術により、図14で示すような典型的には一辺が数μmの正方形状を有する複数のエッチングホール27が形成される。
Subsequently, the exposed first fixed
なお図14は、本実施の形態の加速度センサの鳥瞰図であり、可動電極13、慣性質量体14、リンク梁15および捩れ梁16と、基板20上の第一、第二の固定電極11、12、第一、第二の固定電極の電気配線18、19および可動電極13の電気配線101とを便宜的に分離した図である。
FIG. 14 is a bird's-eye view of the acceleration sensor of the present embodiment. The
図2および図14に示すように、複数のエッチングホール27は、後工程における第一の犠牲層膜22のエッチングの際、エッチング液を第一、第二の固定電極11、12の上側から下側へ通すためのものである。複数のエッチングホール27は、後工程の第一の犠牲層膜22のエッチングの際、第一の犠牲層膜22の一部が、固定電極支持部位25として残留し、他の部位は全てエッチング除去され消失するよう配置される。
As shown in FIGS. 2 and 14, the plurality of etching holes 27 allow the etching solution to flow down from the upper side of the first and second
次に基板20上全面に、典型的には厚さ約2μmのたとえばPSG膜などの第二の犠牲層膜28が形成される。その後、アンカー17を設置する部位の第二の犠牲層膜28がエッチング除去される。これにより、可動電極13の電気配線101の一部表面に達する溝28aが第二の犠牲層膜28に形成される。続いて、第二の犠牲層膜28上全面に、たとえばLPCVD法によって典型的には厚さ約4μmのポリシリコン膜が堆積される。このポリシリコン膜は溝28aを埋め込むように形成される。次にたとえばドライエッチング法などによってポリシリコン膜がパターニングされる。これによりポリシリコン膜から慣性質量体14、可動電極13、アンカー17、リンク梁15および捩れ梁16が同時に形成される。このエッチングの際に可動電極13となる部分には、図1および図14に示すような典型的には一辺が数μmの正方形状を有する複数のエッチングホール102が同時に形成される。
Next, a second
この後、第一の犠牲層膜22と可動電極13を仮止めしている第二の犠牲層膜28とが腐食性の強いエッチング液でエッチング除去される。このエッチングに際しては、エッチングホール102を介してエッチング液が可動電極13の下側に達することで可動電極13の下側の第二の犠牲層膜28が除去される。さらに第一、第二の固定電極11、12のエッチングホール27を介してエッチング液が第一、第二の固定電極11、12の下側に達することで第一、第二の固定電極11、12の下側の第一の犠牲層膜22が固定電極支持部位25(図2)となる部分を残して除去される。
Thereafter, the first
さらにこのエッチングに際しては、シリコン窒化膜24が上部に形成されていない部分の第二のシリコン酸化膜23が除去される。これにより第一、第二の固定電極11、12の周囲の第二のシリコン酸化膜23がエッチング除去される。
Further, in this etching, the second
図2を参照して、この第一、第二の犠牲層膜22、28がエッチングされるリリース工程により、固定電極支持部位25および空隙26が形成される。また、可動電極13、慣性質量体14、曲げ梁103および捩れ梁104の下側領域に空隙が生じ、これらが可動可能とされる。たとえばPSG膜を短時間で容易に溶解するフッ酸を使って第二の犠牲層膜22、28をウエットエッチングする場合、エッチングされたくない箇所の上部にはエッチングされにくいシリコン窒化膜24が形成されているので、リリースの際のエッチング時間を適正に調整することによって、図2、図3に示すような断面構造の加速度センサが製造される。
Referring to FIG. 2, fixed
この後、第一、第二の固定電極の電気配線18、19および可動電極13の電気配線101とASICとをワイヤボンドで結線するためにそれらの配線の終端に電極パッドとして図示しない金属パッドが形成される。これにより、加速度センサチップの製造工程が終了する。
Thereafter, in order to connect the
この加速度センサチップにたとえば低融点粉末ガラスなどで凹みの付いた気密封止保護キャップが封着される。次にICリードフレームに加速度センサチップの基板とASICチップの基板とがダイボンド樹脂でダイボンドされる。続いて金線を用いてワイヤボンドが行われ加速度センサチップとASICチップが相互に結線される。最後に金型を使用してモールド樹脂が充填されることにより、一般のICと同様に扱うことが可能な樹脂モールドパッケージされたZ軸加速度センサが製造される。 The acceleration sensor chip is sealed with a hermetically sealed protective cap having a recess made of, for example, low melting point powder glass. Next, the substrate of the acceleration sensor chip and the substrate of the ASIC chip are die-bonded to the IC lead frame with a die-bonding resin. Subsequently, wire bonding is performed using a gold wire, and the acceleration sensor chip and the ASIC chip are connected to each other. Finally, a mold resin is used to fill the mold resin, thereby manufacturing a Z-axis acceleration sensor in a resin mold package that can be handled in the same manner as a general IC.
次に本実施の形態の加速度センサの動作について説明する。
図2を参照して、加速度センサにZ軸方向(基板20表面の法線方向)の加速度が加えられると、加速度の方向とは反対方向に慣性力が生じる。この慣性力が慣性質量体14に作用すると、慣性質量体14がZ軸方向に移動する。このとき、捩れ梁16が可動電極13の中心を通る線上に形成されており、リンク梁15がその中心を通る線から一方側に離れた位置で慣性質量体14と可動電極13とを連結しているので、慣性質量体14からリンク梁15に伝わった慣性力により捩れ梁16を中心に可動電極13にトルクが発生する。これにより、可動電極13が捩れ梁16を中心に回転する。可動電極13が回転すると、可動電極13の下面と第一の固定電極11、第二の固定電極12との空間距離d1、d2の一方が近くなり他方が遠くなる。コンデンサの検出容量は、空間距離が近くなれば大きくなり遠くなれば小さくなる。したがって空間距離d1、d2の変化によりコンデンサC1、C2の検出容量が変化するので、この検出容量の変化から加速度が検出される。
Next, the operation of the acceleration sensor according to the present embodiment will be described.
Referring to FIG. 2, when acceleration in the Z-axis direction (normal direction of the surface of substrate 20) is applied to the acceleration sensor, an inertial force is generated in a direction opposite to the acceleration direction. When this inertial force acts on the inertial
次に本実施の形態の加速度センサの作用効果について説明する。
従来の一般的なZ軸加速度センサでは、図12および図13に示すように加速度センサチップ1400の基板1200とASICチップ1401とをICリードフレーム1402上にダイボンド樹脂(接着材)1403で固定する際や、チップ実装後にモールド樹脂1404で封入する際に、熱膨張係数差などによる熱応力により加速度センサチップの基板1200が反り、基板1200上に形成されている第一の固定電極1201および第二の固定電極1202も連動して反るという問題がある。
Next, the effect of the acceleration sensor of this embodiment will be described.
In the conventional general Z-axis acceleration sensor, when the
これに対し本実施の形態の加速度センサでは、固定電極支持部位25が第一の固定電極11および第二の固定電極12の全面ではなく一部と接しており、固定電極支持部位25が第一の固定電極11および第二の固定電極12に接している面積はそれぞれ第一、第二の固定電極11、12の面積より小さい。
On the other hand, in the acceleration sensor of the present embodiment, the fixed
そのため、ダイボンド樹脂の応力あるいはモールド樹脂の応力により基板20に反りが生じても、第一の固定電極11および第二の固定電極12に伝わる応力は非常に小さくなる。そのため、第一、第二の固定電極11、12の反りが抑制され、第一の固定電極11、第二の固定電極12と可動電極13との空間距離d1、d2の変化も抑制される。したがって、第一の固定電極11と可動電極13との間で形成される検出容量C1と、第二の固定電極12と可動電極13との間で形成される検出容量C2の容量値が、組み立て時の応力によって変化することが抑制され、安定した特性の加速度センサが得られる。
Therefore, even if the
(実施の形態2)
図5は、本発明の実施の形態2における加速度センサの概略断面図である。本実施の形態の加速度センサは、実施の形態1の構成と比較して、固定電極支持部位25が第一の固定電極11および第二の固定電極12のそれぞれ1つの固定電極に対して複数の固定電極支持柱29を有している点で主に異なっている。
(Embodiment 2)
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the acceleration sensor according to Embodiment 2 of the present invention. Compared with the configuration of the first embodiment, the acceleration sensor of the present embodiment includes a plurality of fixed
図5および図15に示すように、固定電極支持柱29は、第一の固定電極11および第二の固定電極12の重心近傍直下に各々2つ形成されている。
As shown in FIGS. 5 and 15, two fixed
本実施の形態の加速度センサの製造方法において、固定電極支持柱29は、第一の犠牲層膜22のエッチングの際、第一の固定電極11および第二の固定電極12のそれぞれ1つの固定電極の重心近傍直下に所定の大きさで2つの支持柱が残留され、他の部位は全てエッチング除去され消失するようにして形成される。
In the method of manufacturing the acceleration sensor according to the present embodiment, the fixed
なお、本実施の形態のこれ以外の構成および製造方法は、上述した実施の形態1と同様であるため同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。 In addition, since the structure and manufacturing method other than this of this Embodiment are the same as that of Embodiment 1 mentioned above, the same code | symbol is attached | subjected about the same element and the description is abbreviate | omitted.
前述の実施の形態1においては、第一の固定電極11および第二の固定電極12は、各々の固定電極の重心位置近傍直下に設置された1つの固定電極支持柱を有する固定電極支持部位25により支持されている。しかしながら、加速度センサチップの組み立て時の応力により固定電極の反りが抑制できれば、固定電極支持部位25が有する固定電極支持柱は一つに限定されるものではなく、図5に示すように複数であってもよい。
In the first embodiment described above, the first fixed
本実施の形態の加速度センサは、複数の固定電極支持柱29と接している領域以外の第一、第二の固定電極11、12の広範囲の領域では、組み立て時の応力の影響を受けないので、図5および図15に示すようにたとえば固定電極支持柱29を第一の固定電極11および第二の固定電極12の重心位置近傍直下に2つ設置しても第一の固定電極11および第二の固定電極12に反りが生じないようにすることができる。
The acceleration sensor of the present embodiment is not affected by stress during assembly in a wide area of the first and second
本実施の形態によれば、組み立て時の応力によって特性が変化しない安定した特性の加速度センサが得られる。また、本実施の形態の加速度センサは、固定電極支持柱29が複数あることにより、加速度センサチップに外部から加速度が加わった時に、第一、第二の固定電極11、12が変形しにくいという利点がある。したがって、本実施の形態の加速度センサは、組み立て時の応力による特性変動の抑止効果の他、外部から印加された加速度による特性変動に対しても抑止効果がある。
According to the present embodiment, it is possible to obtain an acceleration sensor with stable characteristics whose characteristics do not change due to stress during assembly. In addition, the acceleration sensor of the present embodiment has a plurality of fixed
(実施の形態3)
図6は、本発明の実施の形態3における加速度センサの構成を示す概略平面図である。図16は、本実施の形態の加速度センサの鳥瞰図である。図7は、図6のVII−VII線に沿う概略断面図である。図8は、図6のVIII−VIII線に沿う概略断面図である。本実施の形態の加速度センサは、実施の形態1の構成と比較して、第一、第二の固定電極11、12と、固定電極支持部位25の構成において主に異なっている。
(Embodiment 3)
FIG. 6 is a schematic plan view showing the configuration of the acceleration sensor according to Embodiment 3 of the present invention. FIG. 16 is a bird's-eye view of the acceleration sensor of the present embodiment. FIG. 7 is a schematic sectional view taken along line VII-VII in FIG. FIG. 8 is a schematic sectional view taken along line VIII-VIII in FIG. The acceleration sensor of the present embodiment is mainly different from the configuration of the first embodiment in the configuration of the first and second
図6では、本発明の実施の形態3における可動電極13、慣性質量体14、リンク梁15および捩れ梁16が省略されている。一方、図7および図8では、可動電極13、慣性質量体14、リンク梁15および捩れ梁16が省略されていない。図6および図7を参照して、第一の固定電極11および第二の固定電極12の平面視における四隅に端部66が配置されている。第一の固定電極11および第二の固定電極12の平面視における端部66は、固定電極支持部位25に接するように配置されている。第一の固定電極11および第二の固定電極12の平面視における端部66以外の部分である中央部と基板20(支持部材)との間には第一の犠牲層膜22の概略厚さに相当する高さの空隙26が配置されている。
In FIG. 6, the
本実施の形態の加速度センサの製造方法においては、図7に示すように第一の犠牲層膜22上に、たとえばLPCVD法により典型的には厚さ約0.5μmでポリシリコン膜が堆積される。そのポリシリコン膜がたとえばドライエッチング法などでパターニングされることにより、第一の固定電極11と、第二の固定電極12と、電気配線18、19と、可動電極13の電気配線101とがポリシリコンから一括形成される。この時、同時に、第一の固定電極11および第二の固定電極12の四隅に端部66が形成される。その後、基板20上全体に、第二のシリコン酸化膜23が形成される。次に、たとえばCMP技術により、第一の固定電極11、第二の固定電極12、電気配線18、19、および可動電極13の電気配線101の上面が露出するまで第二のシリコン酸化膜23が除去される。これにより第二のシリコン酸化膜23と、第一の固定電極11と、第二の固定電極12と、電気配線18、19と、可動電極13の電気配線101との各上面の高さが揃えられる。この後、平坦化された表面全面に、シリコン窒化膜24が形成される。その後、写真製版技術およびドライエッチング技術により、第一の固定電極11、第二の固定電極12、アンカー17となる部位上のシリコン窒化膜24が開口される。
In the acceleration sensor manufacturing method according to the present embodiment, as shown in FIG. 7, a polysilicon film is typically deposited on the first
続いて、露出された第一の固定電極11および第二の固定電極12に、写真製版技術およびドライエッチング技術により、図16で示すような典型的には一辺が数μmの正方形状を有する複数のエッチングホール27が形成される。
Subsequently, the exposed first fixed
なお図16は、本実施の形態の加速度センサの鳥瞰図であり、可動電極13、慣性質量体14、リンク梁15および捩れ梁16と、基板20上の第一、第二の固定電極11、12、第一、第二の固定電極の電気配線18、19および可動電極13の電気配線101とを便宜的に分離した図である。
FIG. 16 is a bird's-eye view of the acceleration sensor according to the present embodiment. The
図6、図7および図16に示すように、複数のエッチングホール27は、後工程における第一の犠牲層膜22のエッチングの際、エッチング液を第一、第二の固定電極11、12の上側から下側へ通すためのものである。複数のエッチングホール27は、第一の犠牲層膜22のエッチングの際、第一の犠牲層膜22の一部が、固定電極支持部位25として、残留し、他の部位は全てエッチング除去され消失するよう配置される。
As shown in FIGS. 6, 7, and 16, the plurality of etching holes 27 are used to etch the first and second
次に基板20上全面に、典型的には厚さ約2μmのたとえばPSG膜などの第二の犠牲層膜28が形成される。その後、アンカー17を設置する部位の第二の犠牲層膜28がエッチング除去される。これにより、可動電極13の電気配線101の一部表面に達する溝が第二の犠牲層膜28に形成される。続いて、第二の犠牲層膜28上全面に、たとえばLPCVD法によって典型的には厚さ約4μmのポリシリコン膜が堆積される。このポリシリコン膜は溝を埋め込むように形成される。次にたとえばドライエッチング法などによってポリシリコン膜がパターニングされる。これによりポリシリコン膜から慣性質量体14、可動電極13、アンカー17、リンク梁15および捩れ梁16が同時に形成される。このエッチングの際に可動電極13となる部分には、図1および図14に示すような典型的には一辺が数μmの正方形状を有する複数のエッチングホール102が同時に形成される。
Next, a second
この後、第一の犠牲層膜22と可動電極13を仮止めしている第二の犠牲層膜28とが腐食性の強いエッチング液でエッチング除去される。このエッチングに際しては、エッチングホール102を介してエッチング液が可動電極13の下側に達することで可動電極13の下側の第二の犠牲層膜28が除去される。さらに第一、第二の固定電極11、12のエッチングホール27を介してエッチング液が第一、第二の固定電極11、12の下側に達することで第一、第二の固定電極11、12の下側の第一の犠牲層膜22が除去される。これにより、固定電極支持部位25および空隙26が形成される。
Thereafter, the first
さらにこのエッチングに際しては、シリコン窒化膜24が上部に形成されていない部分の第二のシリコン酸化膜23が除去される。これにより第一、第二の固定電極11、12の周囲の第二のシリコン酸化膜23がエッチング除去される。
Further, in this etching, the second
また、可動電極13、慣性質量体14、曲げ梁103および捩れ梁104の下側領域に空隙が生じ、これらが可動可能とされる。これにより図7に示すように端部66を備えた第一、第二の固定電極11、12と、第一、第二の固定電極11、12の中央部と基板20との間には空隙26がある加速度センサが製造される。
Further, a gap is generated in the lower region of the
なお、本実施の形態のこれ以上の構成および製造方法は、上述した実施の形態1と同様であるため同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。 Since the further configuration and the manufacturing method of the present embodiment are the same as those of the first embodiment, the same elements are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
本実施の形態の加速度センサは、端部66で固定電極支持部位25と接しているが、端部66は厚さが数μmで長細く基板20の反りの影響は端部66の近傍に限定され、それ以外の第一、第二の固定電極11、12の広範囲の領域では影響を受けにくい。
The acceleration sensor according to the present embodiment is in contact with the fixed
そのため、ダイボンド樹脂の応力やあるいはモールド樹脂の応力により基板20に反りが生じても、第一の固定電極11および第二の固定電極12に伝わる応力は非常に小さくなる。そのため、第一、第二の固定電極11、12の反りが抑制され、第一の固定電極11、第二の固定電極12との空間距離d1、d2の変化も抑制される。したがって、第一の固定電極61と可動電極13との間で形成される検出容量C1と、第二の固定電極62と可動電極13との間で形成される検出容量C2の容量値が、組み立て時の応力によって変化することが抑制され、安定した特性の加速度センサが得られる。
Therefore, even if the
(実施の形態4)
上述の実施の形態1〜3は、可動電極13の下方に第一、第二の固定電極11、12が設置されている構造である。しかしながら、可動電極の上方に固定電極が設置されていても加速度センサの機能が発揮される。この場合、固定電極を支持するための構造物が必要であるが、この要求を満たす構造物として、気密封止保護キャップが最適である。本実施の形態では、可動電極13の上方に第一、第二の固定電極902、903が設置されている。
(Embodiment 4)
In the first to third embodiments, the first and second
本実施の形態の加速度センサの構造について説明する。
図9は本発明の実施の形態4における加速度センサの構成を示す概略断面図である。図10は本実施の形態4における気密封止保護キャップの構成を示す概略断面図である。図9および図10を参照して、本実施の形態の加速度センサは、主に、可動電極13と、慣性質量体14と、アンカー17と、基板20と、気密封止保護キャップ(支持部材)90と、第一の固定電極902と、第二の固定電極903と、第一の固定電極のアンカー908、第二の固定電極のアンカー909と、固定電極支持部位912とを有している。
The structure of the acceleration sensor according to the present embodiment will be described.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the acceleration sensor according to Embodiment 4 of the present invention. FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the hermetic sealing protective cap in the fourth embodiment. Referring to FIGS. 9 and 10, the acceleration sensor according to the present embodiment mainly includes
基板20の表面には第一のシリコン酸化膜21、第二のシリコン酸化膜23とシリコン窒化膜24が順に積層されている。
A first
可動電極13は、図示しない捩れ梁16を中心の軸として回転可能なように捩れ梁を介してアンカー17に支持されている。可動電極13は、アンカー17を介して可動電極13の電気配線901と電気的に接続されている。図示しない捩れ梁16は可動電極13の中心を通る線上に配置されている。第一のシリコン酸化膜21、第二のシリコン酸化膜23とシリコン窒化膜24は、可動電極13等との電気的な絶縁を確保するための絶縁膜を形成している。
The
慣性質量体14は、基板20表面に対して上下変位可能なように図示しないリンク梁15を介して可動電極13に支持されている。図示しないリンク梁15は捩れ梁16の中心を通る線から一方側に離れた位置に配置されている。
The inertial
アンカー17は、可動電極の電気配線901および第一のシリコン酸化膜21を介して基板20に支持されている。
The
気密封止保護キャップは、第一、第二の固定電極902、903を支持するための支持部材である。気密封止保護キャップ90は、たとえば耐熱ガラス基板の片側を凹ませた微小な空間(キャビティ91)が形成されている。
The hermetic sealing protective cap is a support member for supporting the first and second
第一の固定電極902、第二の固定電極903は、可動電極13の上面と空間距離d1、d2を隔てて対向するように配置されている。第一の固定電極902および第二の固定電極903と可動電極13とでそれぞれコンデンサC1とコンデンサC2が構成されている。第一、第二の固定電極902、903には、典型的には一辺が数μmの正方形状を有する複数のエッチングホール27が形成されている。
The first
固定電極支持部位912は、第一の固定電極のアンカー908、第二の固定電極のアンカー909を介して気密封止保護キャップ90に第一の固定電極902、第二の固定電極903を支持している。固定電極支持部位912は、本実施の形態では、第一、第二の固定電極902、903に対してそれぞれ1つの固定電極支持柱を有している。そして固定電極支持部位912は第一、第二の固定電極902、903の一部と接しており、第一、第二の固定電極902、903に接する面積が第一、第二の固定電極11、12の面積より小さい。
The fixed
第一、第二の固定電極902、903表面からキャビティ91内側天井面までの高さは、たとえば低融点粉末ガラス93などを使って気密封止保護キャップ90の周囲と基板20とを気密封止固着したとき、第一、第二の固定電極902、903と可動電極13との空間距離d1、d2が概略2μmとなるように配置されている。
The height from the surface of the first and second
第一の貫通電極904と第二の貫通電極905が気密封止保護キャップ90のキャビティ側から外側に向かって貫通するように配置されている。第一の貫通電極904と第二の貫通電極905は、第一の固定電極902と第二の固定電極903とを気密封止保護キャップ90の外部に電気的に引き出すために設けられている。第一の貫通電極の金属パッド906および第二の貫通電極の金属パッド907とが、第一の貫通電極904および第二の貫通電極905とASICとをたとえば金線などでワイヤボンドして接続するために設けられている。
The first through
次に本実施の形態の加速度センサの製造方法について説明する。
まず、図9に示すように、基板20上に、典型的には厚さ約2μmで絶縁膜としての第一のシリコン酸化膜21が形成される。次に第一のシリコン酸化膜21上に、典型的には厚さ約0.5μmで導電性の高いポリシリコン膜が堆積される。ポリシリコン膜がたとえばドライエッチング法などでパターニングされることにより、可動電極13の電気配線901となる部位が形成される。続いて、基板20上全面に、第二のシリコン酸化膜23が形成される。次にたとえばCMP技術により、第二のシリコン酸化膜23と可動電極13の電気配線901との上面の高さが揃えられる。この後、平坦化された表面全面に、シリコン窒化膜24が形成される。その後、写真製版技術およびドライエッチング技術により、可動電極13のアンカー17が設置される部位上のシリコン窒化膜24が開口される。
Next, a method for manufacturing the acceleration sensor according to the present embodiment will be described.
First, as shown in FIG. 9, a first
次に基板20上全面に、図示しないPSG膜などの典型的には厚さ約2μmの第二の犠牲層膜が形成される。その後、可動電極13のアンカー17を設置する部位の第二の犠牲層膜がエッチング除去される。これにより、可動電極13の電気配線901の一部表面に達する溝が第二の犠牲層膜に形成される。続いて、第二の犠牲層膜上全面に、たとえばLPCVD法によって典型的には厚さ約4μmのポリシリコン膜が堆積される。このポリシリコン膜は溝を埋め込むように形成される。次に、たとえばドライエッチング法などによってこのポリシリコン膜がパターニングされる。これによりポリシリコン膜から、可動電極13、慣性質量体14、アンカー17、リンク梁および捩れ梁が同時に形成される。このエッチングの際に、可動電極13となる部分には、第二の犠牲層膜が短時間でエッチング除去され可動電極13や慣性質量体14が可動されるように典型的には一辺が数μmの正方形状を有する複数のエッチングホールが同時に形成される。
Next, a second sacrificial layer film typically having a thickness of about 2 μm, such as a PSG film (not shown), is formed on the entire surface of the
この後、可動電極13、慣性質量体14、アンカー17、リンク梁および捩れ梁が仮止めされている第二の犠牲層膜が腐食性の強いエッチング液、たとえばフッ酸でエッチング除去される。これにより加速度センサチップが得られる。この後、可動電極13の電気配線901とASICとがワイヤボンドで結線されるために、可動電極13の電気配線901の終端に電極パッドとして図示しない金属パッドが形成される。
Thereafter, the second sacrificial layer film on which the
しかしながら、この加速度センサチップは、第一の固定電極902および第二の固定電極903が形成されている気密封止保護キャップと一体化されていないので、まだ加速度センサとして機能しない。続いて、この加速度センサチップと気密封止保護キャップ90とが組み合わされた加速度センサの製造方法について説明する。
However, this acceleration sensor chip does not yet function as an acceleration sensor because it is not integrated with the hermetic sealing protective cap in which the first
たとえば写真製版技術によりフッ酸などでエッチングされて、気密封止保護キャップ90の元となるたとえば耐熱ガラス基板の片面側に、前記の加速度センサチップを収容可能なキャビティ91が形成される。次にこのキャビティ91が形成されたガラス基板面とは反対の反キャビティ面92側から、キャビティ91の天井面における第一の固定電極902、第二の固定電極903が形成される部位に向けて、たとえばドライエッチング技術により貫通孔が開けられる。反キャビティ面92の第一の貫通電極904、第二の貫通電極905が設けられる部位に、たとえばクロムや金などの金属薄膜が、たとえばスパッタ装置などの金属薄膜形成装置で形成される。写真製版技術により、形成された金属薄膜が所定の形状にパターニングされて、第一の貫通電極の金属パッド906と第二の貫通電極の金属パッド907が形成される。次にこの金属パッドを一方の電極として、貫通孔に金など導電性の高い金属がメッキされて充填され、第一の貫通電極904、第二の貫通電極905が形成される。次に気密封止保護キャップ90のキャビティ91内にポリシリコンが堆積される。続いて写真製版技術およびドライエッチングにより、第一の固定電極902のアンカー908および第二の固定電極903のアンカー909が形成される。次に、図10に示すようにキャビティ91の内側に、典型的には厚さ0.5μmでたとえばPSGなどの第一の犠牲層膜910が形成される。続いて、写真製版技術およびエッチング技術により、第一の犠牲層膜910の固定電極支持部位912が形成される位置に開口部が形成される。開口部は、第一の固定電極902のアンカー908と第二の固定電極903のアンカー909が形成された領域内で、かつ、後に形成される第一の固定電極902と第二の固定電極903のそれぞれの重心位置近傍に相当する位置に設けられる。次に、例えばLPCVDによってキャビティ91の内側にポリシリコン膜が堆積される。続いて写真製版技術によって第一の固定電極902および第二の固定電極903が形成される。さらに、第一の固定電極902および第二の固定電極903上に、典型的には一辺が数μmの正方形状を有する複数のエッチングホール27が開口される。続いて、ガラス基板がフッ酸に浸され、第一の犠牲層膜910がエッチング除去されて、図9に示すような気密封止保護キャップが得られる。
For example, a
次に本実施の形態の加速度センサの動作について説明する。
図9を参照して、加速度センサにZ軸方向(基板20表面の法線方向)の加速度が加えられると、加速度の方向とは反対方向に慣性力が生じる。この慣性力が慣性質量体14に作用すると、慣性質量体14がZ軸方向に移動する。このとき、捩れ梁が可動電極13の中心を通る線上に形成されおり、リンク梁がその中心を通る線から一方側に離れた位置で慣性質量体14と可動電極13とを連結しているので、慣性質量体14からリンク梁に伝わった慣性力により捩れ梁を中心に可動電極13にトルクが発生する。これにより、可動電極13が捩れ梁16を中心に回転する。可動電極13が回転すると、可動電極13と第一の固定電極902、第二の固定電極903との空間距離d1、d2の一方が近くなり他方が遠くなる。コンデンサの検出容量は、空間距離が近くなれば大きくなり遠くなれば小さくなる。したがって空間距離d1、d2の変化によりコンデンサC1、C2の検出容量が変化するので、この検出容量の変化から加速度が検出される。
Next, the operation of the acceleration sensor according to the present embodiment will be described.
Referring to FIG. 9, when acceleration in the Z-axis direction (normal direction of the surface of substrate 20) is applied to the acceleration sensor, an inertial force is generated in a direction opposite to the acceleration direction. When this inertial force acts on the inertial
本実施の形態の加速度センサによれば、ICリードフレームにダイボンドしたときには、第一の固定電極902および第二の固定電極903は気密封止保護キャップ90側に形成されているために、ICリードフレームから応力を受けることがない。また、モールド樹脂を充填してモールドパッケージした場合には、第一の固定電極902および第二の固定電極903が気密封止保護キャップ90側の小さな領域で、固定電極支持部位25によって支持されているために、モールド樹脂からの応力が気密封止保護キャップ90を通じて第一、第二の固定電極902、903全体にまで伝わらない。
According to the acceleration sensor of the present embodiment, when die-bonding to the IC lead frame, the first
そのため、第一の固定電極902および第二の固定電極903の反りが抑制され、第一、第二の固定電極902、903と可動電極13との空間距離d1、d2の変化も抑制される。したがって、第一の固定電極902と可動電極13との間で形成される検出容量C1と、第二の固定電極903と可動電極13との間で形成される検出容量C2の容量値が、組み立て時の応力によって変化することが抑制され、特性の安定した加速度センサが得られる。
Therefore, warpage of the first
(実施の形態5)
図11は、本発明の実施の形態5における加速度線センサの概略断面図である。本実施の形態の加速度センサは、実施の形態4の構成と比較して、固定電極支持部位が第一、第二の固定電極902、903のそれぞれ1つの固定電極に対して複数の固定電極支持柱913を有している点で主に異なっている。
(Embodiment 5)
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of the acceleration line sensor according to the fifth embodiment of the present invention. The acceleration sensor according to the present embodiment has a plurality of fixed electrode support portions with respect to one fixed electrode of each of the first and second
図11に示すように、固定電極支持柱913は、第一の固定電極902および第二の固定電極903の重心近傍直下に各々2つ形成されている。
As shown in FIG. 11, two fixed
本実施の形態の加速度センサの製造方法において、固定電極支持柱913は、第一の犠牲層膜910のエッチングの際、第一の固定電極902および第二の固定電極903のそれぞれの重心近傍直下に所定の大きさで2つの支持柱が残留され、他の部位は全てエッチング除去され消失するようにして形成される。
In the acceleration sensor manufacturing method of the present embodiment, the fixed
なお、本実施の形態のこれ以上の構成および製造方法は、上述した実施の形態4と同様であるため同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。 Since the further configuration and manufacturing method of the present embodiment are the same as those of the above-described fourth embodiment, the same elements are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
前述の実施の形態4においては、第一の固定電極902および第二の固定電極903は、各々の固定電極の重心位置近傍直上に設置された1つの固定電極支持柱を有する固定電極支持部位912により行われている。しかしながら、加速度センサチップの組み立て時の応力により固定電極の反りが起こらなければ、固定電極支持部位912が有する固定電極支持柱は一つに限定されるものではなく、図11に示すように複数であってもよい。
In the above-described fourth embodiment, the first
本実施の形態の加速度センサは、複数の固定電極支持柱913と接している領域以外の第一、第二の固定電極902、903の広範囲の領域では組み立て時の応力の影響を受けないので、図5および図15に示すようにたとえば固定電極支持柱913を第一の固定電極902および第二の固定電極903のそれぞれの重心位置近傍直上に2つ設置しても第一の固定電極902および第二の固定電極903に反りが生じないようにすることができる。
The acceleration sensor according to the present embodiment is not affected by stress during assembly in a wide area of the first and second
本実施の形態によれば、組み立て時の応力によって特性が変化しない安定した特性の加速度センサを得ることができる。また、本実施の形態の加速度センサは、固定電極支持柱913が複数あることにより、加速度センサチップに外部から加速度が加わったときに、第一、第二の固定電極902、903が変形しにくいという利点がある。したがって、本実施の形態の加速度センサによれば、組み立て時の応力による特性変動の抑止効果の他、外部から印加された加速度による特性変動に対しても抑止効果がある。
According to the present embodiment, it is possible to obtain an acceleration sensor with stable characteristics whose characteristics do not change due to stress during assembly. In addition, since the acceleration sensor according to the present embodiment includes a plurality of fixed
なお、Z軸加速度センサについて記載したが、これに限定されるものではなく、X軸加速度センサまたはY軸加速度センサにも適用できる。 In addition, although described about the Z-axis acceleration sensor, it is not limited to this, It can apply also to an X-axis acceleration sensor or a Y-axis acceleration sensor.
今回開示された各実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。 Each embodiment disclosed this time must be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
本発明は、静電容量型の加速度センサに特に有利に適用されうる。 The present invention can be applied particularly advantageously to a capacitive acceleration sensor.
11,902 第一の固定電極、12,903 第二の固定電極、13 可動電極、14 慣性質量体、15 リンク梁、16 捩れ梁、17 アンカー、18 第一の固定電極の電気配線、19 第二の固定電極の電気配線、20 基板、21 第一のシリコン酸化膜、22,910 第一の犠牲層膜、23 第二のシリコン酸化膜、24 シリコン窒化膜、25,912 固定電極の支持部位、26 空隙、27 エッチングホール、28 第二の犠牲層膜、29,913 固定電極支持柱、66 端部、90 気密封止保護キャップ、91 キャビティ、92 反キャビティ面、93 低融点粉末ガラス、101,901 可動電極の電気配線、102 エッチングホール、904 第一の貫通電極、905 第二の貫通電極、906 第一の貫通電極の金属パッド、907 第二の貫通電極の金属パッド、908 第一の固定電極のアンカー、909 第二の固定電極のアンカー。 11, 902 First fixed electrode, 12, 903 Second fixed electrode, 13 Movable electrode, 14 Inertial mass, 15 Link beam, 16 Twist beam, 17 Anchor, 18 Electrical wiring of first fixed electrode, 19 Second fixed electrode electrical wiring, 20 substrate, 21 first silicon oxide film, 22,910 first sacrificial layer film, 23 second silicon oxide film, 24 silicon nitride film, 25,912 fixed electrode support site , 26 void, 27 etching hole, 28 second sacrificial layer film, 29, 913 fixed electrode support pillar, 66 end, 90 hermetically sealed protective cap, 91 cavity, 92 anti-cavity surface, 93 low melting point powder glass, 101 , 901 Electric wiring of movable electrode, 102 etching hole, 904 first through electrode, 905 second through electrode, 906 gold of first through electrode Genus pad, 907 second through electrode metal pad, 908 first fixed electrode anchor, 909 second fixed electrode anchor.
Claims (5)
前記可動電極に対向するように配置されている固定電極と、
前記固定電極を支持するための支持部材と、
前記支持部材に前記固定電極を支持し、前記固定電極に接する面積が前記固定電極の面積より小さい固定電極支持部位とを備えた、加速度センサ。 A movable electrode;
A fixed electrode disposed to face the movable electrode;
A support member for supporting the fixed electrode;
An acceleration sensor comprising: a fixed electrode supporting portion that supports the fixed electrode on the support member and has an area in contact with the fixed electrode that is smaller than an area of the fixed electrode.
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