JP2013076600A

JP2013076600A - Ｍｅｍｓセンサ

Info

Publication number: JP2013076600A
Application number: JP2011215901A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Osaka; 一朗大坂; Kazunori Ota; 和典太田
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2013-04-25
Anticipated expiration: 2031-09-30
Also published as: WO2013046955A1; DE112012004062T5; US20140191342A1; JP5723739B2

Abstract

【課題】熱による温度特性の変化の影響を低減したＭＥＭＳセンサを提供する。
【解決手段】センサ温度を測定するための温度センサ３が搭載された信号処理用ＬＳＩ１と、前記信号処理用ＬＳＩ上に搭載されたＭＥＭＳセンサチップ２と、を有し、前記ＭＥＭＳセンサチップ２を前記信号処理用ＬＳＩ１の発熱部上に搭載する。
【選択図】図１

Description

本発明は、センサの構造に係り、特に、ＭＥＭＳ技術を応用したＭＥＭＳセンサの構造に関する。

半導体基板上に機械的構造物を作成できるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術は各種センサ、光応用機器に応用されている。

そして、ＭＥＭＳ技術を応用して作成されたセンサ、すなわち、ＭＥＭＳセンサは半導体プロセスを利用して作成したセンサであるのでそれ自身は小さく出力信号は、微小出力となることが多い。そのため、一般的には後段に信号処理用ＬＳＩを搭載する。

一方、ＭＥＭＳセンサの製造プロセスと半導体の製造プロセスとでは、深堀エッチングをはじめとした部分で親和性は無く、また犠牲層などの扱いも異なり、またＭＥＭＳセンサチップと処理回路を並べると面積的な問題も生じるため、ＭＥＭＳセンサチップと信号処理用ＬＳＩは別チップとなることが多い。

その際、例えば特許文献１に記載のように、ＭＥＭＳセンサチップに信号処理用ＬＳＩを重ねるような構成とすることが多い。

特開２００９−５３１００号公報

特許文献１のように重ねられたＭＥＭＳセンサチップと信号処理用ＬＳＩのチップは、接着剤、接着シートなどの接着部材により接着される。一般的にＭＥＭＳチップ側の発熱はほとんど無く、主として信号処理用ＬＳＩのチップの発熱が主体となる。そのため、接着部材を介してＭＥＭＳチップ側へ熱が伝わる。

また、ＭＥＭＳチップと信号処理用ＬＳＩのチップとを任意の位置に接着すると信号処理用ＬＳＩの発熱部の位置によってＭＥＭＳチップ上に温度勾配が生じる可能性がある。ＭＥＭＳチップ上の温度勾配は、センシングエレメント内に温度勾配を持つこととなり温度による影響で性能劣化の原因ともなりうる。

さらに、信号処理用ＬＳＩに搭載しているセンサ自身の温度特性補正用の温度センサ部もＭＥＭＳセンサエレメント上に温度勾配がある場合、補正が困難となる。

本発明の目的は、熱による温度特性の変化の影響を低減したＭＥＭＳセンサを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のＭＥＭＳセンサは、センサ温度を測定するための温度センサが搭載された信号処理用ＬＳＩと、前記信号処理用ＬＳＩ上に搭載されたＭＥＭＳセンサチップと、を有し、前記ＭＥＭＳセンサチップを前記信号処理用ＬＳＩの発熱部上に搭載する。

本発明によれば、熱による温度特性の変化の影響を低減したＭＥＭＳセンサを提供できる。

第１の実施例におけるＭＥＭＳセンサの上面図。第１の実施例におけるＭＥＭＳセンサの斜視図。第１の実施例におけるＭＥＭＳセンサの上面図。ＭＥＭＳセンサの上面図の一例。第２の実施例におけるＭＥＭＳセンサの上面図。第３の実施例におけるＭＥＭＳセンサの上面図。第４の実施例におけるＭＥＭＳセンサの上面図。第５の実施例におけるＭＥＭＳセンサの上面図。第６の実施例におけるＭＥＭＳセンサの上面図。温度特性を示した図。

本発明では、信号処理用ＬＳＩが信号処理動作をするときに発生する熱がどの部位から主に発生するかがシミュレーション技術等で予め分かることからＭＥＭＳセンサチップをその直上に配置し、さらに位置関係の調整によりＭＥＭＳセンサエレメント全体の温度勾配が最小となるように配置することでセンサの性能を向上させている。

（実施例１）
図１乃至図４を用いて本発明の一実施例である第１の実施例について説明する。

図１において、１が信号処理用ＬＳＩ、２がＭＥＭＳセンサチップ、３が温度測定部、１０が信号処理用ＬＳＩ１の発熱部である。図３（ａ）のように、信号処理用ＬＳＩ１に発熱部１０、温度測定部３が配置されている場合について説明する。本センサは、図２の（ａ）に示すよう、信号処理用ＬＳＩ１上に前記ＭＥＭＳセンサチップ２を搭載し図２（ｂ）に示す斜視図のように接着用の部材（図示せず）により固定する。

図４のように、信号処理用ＬＳＩ１上の任意の位置にＭＥＭＳセンサチップ２を配置すると、ＭＥＭＳセンサチップ２の一部が発熱部１０によって熱せられ、ＭＥＭＳセンサチップ２上に熱の不均一がおき、温度勾配により、センサエレメント内部で温度が不均一となる。これにより、特に差分を取る検出方法で測定精度低下が懸念される。そこで、信号処理用ＬＳＩ１の発熱部１０とセンサチップ２は、図１に示すよう発熱部１０の直上にセンサチップ２を配置する。これにより、センサエレメント内部での温度勾配が減少することができる。

また、信号処理用ＬＳＩ１の発熱部１０と温度測定部３の位置関係は図１に示すよう、発熱部１０に隣接するのではなく、信号処理用ＬＳＩ１の発熱部１０とＭＥＭＳセンサチップ２の間の熱抵抗、また、信号処理用ＬＳＩ１とセンサチップ２の持つ熱容量を考慮して、熱抵抗、熱容量と一致、もしくは、それぞれの比が一致するように配置する。

以上のような構成によって、ＭＥＭＳセンサチップ２上の温度勾配を減少させ、さらに過渡時の温度特性も補正でき、熱による温度特性の変化の影響を低減することが可能となる。

（実施例２）
次に、他の一実施例である第２の実施例について図５を用いて説明する。図１乃至図４記載と同様の構成要素には同符号を付し説明を省略する。

図５（ａ）のように、発熱部１０と他の発熱部１１が信号処理用ＬＳＩ１上にあるとする。この際、図５（ｂ）のよう半導体レイアウトで他の発熱部１１を発熱部１０の近傍にさらに他の発熱部１２のように配置する。発熱部１０とさらに他の発熱部１２の直上に図５（ｃ）のようにＭＥＭＳセンサチップ２を配置する。

また、図５（ａ）であるが図５（ｄ）のように発熱部１０と他の発熱部１１を半導体レイアウトで形状を変更したさらに他の発熱部１２のようにし、信号処理用ＬＳＩ１の中央部分に発熱部をまとめて配置し図５（ｅ）のようにＭＥＭＳセンサチップ２を搭載してもよい。

このようにしてＭＥＭＳセンサチップ上のセンサエレメントの温度勾配を減少させることで、熱による温度特性の変化の影響を低減することが可能となる。

（実施例３）
次に、図６を用いて他の一実施例である第３の実施例について説明する。図１乃至図５記載と同様の構成要素には同符号を付し説明を省略する。

本実施例では、信号処理用ＬＳＩ１の発熱部１０がＭＥＭＳセンサチップ２よりも小さい場合について説明する。

信号処理用ＬＳＩ１の発熱部１０が小さいと発熱面積が小さいため、伝熱で伝わっていく熱によりＭＥＭＳセンサチップ２上のセンサエレメントに温度勾配ができてしまうことが多い。そこで、図６（ａ）のよう発熱部１０を複数個に分割し（本実施例では一例として２つに分割した例とした。）、ＭＥＭＳセンサチップ２上のセンサエレメントに温度勾配ができにくいように図６（ｂ）のように配置した。

このような構成により、信号処理用ＬＳＩ１の発熱部１０がＭＥＭＳセンサチップ２よりも小さい場合であっても、ＭＥＭＳセンサチップ上のセンサエレメントの温度勾配を減少させ、熱による温度特性の変化の影響を低減することが可能となる。

（実施例４）
次に、図７を用いて他の一実施例である第４の実施例について説明する。図１乃至図６に記載と同様の構成要素には同符号を付して説明を省略する。

本実施例では、信号処理用ＬＳＩ１の発熱部１０とＭＥＭＳセンサチップ２との形状が大きく異なっている場合について説明する。

信号処理用ＬＳＩ１の発熱部１０が図７（ａ）のような形状だったとする。ＭＥＭＳセンサチップ２の形状が図７（ｂ）のように発熱部１０に比較して縦長の形状だったと仮定する。本実施例の場合では、図７（ｂ）のようにＭＥＭＳセンサチップ２上のセンサエレメントに温度勾配が極小になるようにＭＥＭＳセンサチップ２を配置する。

このような構成により、信号処理用ＬＳＩ１の発熱部１０とＭＥＭＳセンサチップ２との形状が大きく異なっている場合であっても、ＭＥＭＳセンサチップ上のセンサエレメントの温度勾配を減少させ、熱による温度特性の変化の影響を低減することが可能となる。

（実施例５）
次に、図８を用いて他の一実施例である第５の実施例について説明する。図１乃至図７に記載と同様の構成要素には同符号を付して説明を省略する。

本実施例では、図８（ａ）のような、信号処理用ＬＳＩ１上に発熱部１０と温度測定部３が配置されているとする。発熱部１０での単位時間当たりの発熱量を積分し、その積分値と発熱部の面積から算出した発熱部の中心を１０１とする。一方、図８（ｂ）のようにＭＥＭＳセンサチップ２にＭＥＭＳセンサエレメント２０にひとつ搭載されている例である。図８（ｂ）にＭＥＭＳセンサチップ２上にＭＥＭＳセンサエレメント２０が配置され、そのＭＥＭＳセンサエレメント２０のセンサ部分の面積から算出した中心２０１のようになっているとする。

この際、発熱部１０の中心１０１とＭＥＭＳセンサエレメント２０の中心２０１とが一致するように図８（ｃ）のように配置する。これによって、信号処理用ＬＳＩ１の発熱部１０から伝熱した熱が比較的均一にＭＥＭＳセンサチップ２上のＭＥＭＳセンサエレメント２０のセンサ部分に伝わることとなる。それにより、特性の安定が図れる。

一方、信号処理用ＬＳＩ１上の温度検出部３は、発熱部１０の発熱が信号処理用ＬＳＩ１上を伝熱した温度を測定する。ＭＥＭＳセンサエレメント２０のセンサ部の温度が時間特性が特性５０のようになっているとすると、温度検出部３の検出温度は、半導体プロセスのレイアウトにより特性５１のようになるように、熱抵抗、熱容量を考慮して配置する。もしくは、特性５２のように特性５０に比例するような配置とする。

このような構成により、熱による温度特性の変化の影響を低減することが可能となる。

（実施例６）
次に、図９を用いて他の一実施例である第６の実施例について説明する。図１乃至図８に記載と同様の構成要素には同符号を付して説明を省略する。

本実施例では、図９（ａ）のような、信号処理用ＬＳＩ１上に発熱部１０と温度測定部３が配置されているとする。発熱部１０での単位時間当たりの発熱量を積分し、その積分値と発熱部の面積から算出した発熱部の中心を１０１とする。一方、図９（ｂ）のようにＭＥＭＳセンサチップ２にＭＥＭＳセンサエレメントが複数個、この実施例では３個の場合を示す。図９（ｂ）にＭＥＭＳセンサチップ２上にＭＥＭＳセンサエレメント２１、ＭＥＭＳセンサエレメント２２、ＭＥＭＳセンサエレメント２３が配置され、実施例５と同様それぞれのＭＥＭＳセンサエレメントのセンサ部分の面積から算出した中心をそれぞれ中心２０２、中心２０３、中心２０４となっているとする。これらセンサ部分の面積から総合的に算出した中心を２０１とする。

この際、発熱部１０の中心１０１とＭＥＭＳセンサエレメント２１、ＭＥＭＳセンサエレメント２２、ＭＥＭＳセンサエレメント２３から算出した中心２０１とが一致するように図９（ｃ）のように配置する。これによって、信号処理用ＬＳＩ１の発熱部１０から伝熱した熱が比較的均一にＭＥＭＳセンサチップ２上のＭＥＭＳセンサエレメント２１、ＭＥＭＳセンサエレメント２２、ＭＥＭＳセンサエレメント２３、のセンサ部分に伝わることとなる。それにより、特性の安定が図れる。

一方、信号処理用ＬＳＩ１上の温度検出部３は、発熱部１０の発熱が信号処理用ＬＳＩ１上を伝熱した温度を測定する。ＭＥＭＳセンサエレメント２１、ＭＥＭＳセンサエレメント２２、ＭＥＭＳセンサエレメント２３のセンサ部の温度が時間特性が特性５０のようになっているとすると、温度検出部３の検出温度は、半導体プロセスのレイアウトにより特性５１のようになるように、熱抵抗、熱容量を考慮して配置する。もしくは、特性５２のように特性５０に比例するような配置とする。

なお、各実施例において、本発明のＭＥＭＳセンサの一例として、加速度、角速度等の外的印加信号を検知、処理を行って出力するセンサがあげられるが、これらに限定されるものではない。また、加速度センサと角速度センサを同一に搭載したＭＥＭＳセンサや、あるいは、２軸加速度センサと角速度センサ、３軸加速度センサと角速度センサを同一に搭載したもの等にも適用可能である。

１信号処理用ＬＳＩ
２ＭＥＭＳセンサチップ
３温度検出部
１０、１１、１２発熱部
２０、２１、２２、２３ＭＥＭＳセンサエレメント
１０１発熱部の中心
２０１、２０２、２０３、２０４ＭＥＭＳセンサエレメントの中心

Claims

センサ温度を測定するための温度センサが搭載された信号処理用ＬＳＩと、
前記信号処理用ＬＳＩ上に搭載されたＭＥＭＳセンサチップと、を有し、
前記ＭＥＭＳセンサチップは前記信号処理用ＬＳＩの発熱部上に搭載したことを特徴とするＭＥＭＳセンサ。
請求項１に記載のＭＥＭＳセンサにおいて、
前記ＭＥＭＳセンサチップは、加速度センサであることを特徴とするＭＥＭＳセンサ。
請求項１に記載のＭＥＭＳセンサにおいて、
前記ＭＥＭＳセンサチップは、角速度センサであることを特徴とするＭＥＭＳセンサ。
請求項１に記載のＭＥＭＳセンサにおいて、
前記ＭＥＭＳセンサチップは、加速度センサと角速度センサからなることを特徴とするＭＥＭＳセンサ。
請求項１に記載のＭＥＭＳセンサにおいて、
前記ＭＥＭＳセンサチップは、２軸の加速度センサと角速度センサからなることを特徴とするＭＥＭＳセンサ。
請求項１に記載のＭＥＭＳセンサにおいて、
前記ＭＥＭＳセンサチップは、３軸の加速度センサと角速度センサからなることを特徴とするＭＥＭＳセンサ。
請求項１に記載のＭＥＭＳセンサにおいて、
前記信号処理用ＬＳＩの発熱部と前記ＭＥＭＳセンサのセンシング部との間の持つ熱抵抗、熱容量と同等の熱抵抗、熱容量を持つ位置に前記温度センサを配置したことを特徴とするＭＥＭＳセンサ。
請求項１に記載のＭＥＭＳセンサにおいて、
前記信号処理用ＬＳＩの発熱部とＭＥＭＳセンサのセンシング部との間の持つ熱抵抗、熱容量とそれぞれ同一の比の熱抵抗、熱容量を持つ位置に前記温度センサ部を配置することを特徴ＭＥＭＳセンサ。