JP2015052484A - Angular velocity sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体微細加工技術により形成された可動体と支持梁で構成されるマイクロ振動体である角速度センサに関し、例えば、角速度の印加に応じて生起される可動体の変位に関連する物理量を検出することにより、印加された角速度を測定する微小電気機械システム(MEMS(Micro Electro Mechanical Systems))である角速度センサに関する。 The present invention relates to an angular velocity sensor that is a micro vibrating body composed of a movable body and a support beam formed by a semiconductor microfabrication technique.For example, a physical quantity related to displacement of a movable body that is generated in response to application of an angular velocity is obtained. The present invention relates to an angular velocity sensor which is a micro electro mechanical system (MEMS) that measures an applied angular velocity by detecting.
角速度センサ(ジャイロ)の方式には、回転体の歳差運動を利用する機械式、筐体内で周回するレーザー光の筐体回転に伴う受光タイミングの変化を利用する光学式、筐体内でセンシング用のガスを熱線に噴射し、その噴射量が筐体の回転により変化する現象を熱線温度で検知する流体式などが知られている。 The angular velocity sensor (gyro) uses a mechanical system that uses the precession of a rotating body, an optical system that uses changes in the light reception timing associated with the rotation of the laser light that circulates within the housing, and is used for sensing within the housing. There is known a fluid type or the like that injects a gas into a heat ray and detects a phenomenon in which the amount of injection changes due to the rotation of the casing based on the heat ray temperature.
この点に関し、カーナビゲーションや車の横滑り防止システム、二足歩行ロボットや一輪乗り物などのバランス制御システムにおける車両方向や姿勢を検知する角速度センサの需要が近年急速に高まっており、上述した方式と比較して、より安価で軽量かつ小型な振動式の角速度センサ(特許文献1)が主流となりつつある。 In this regard, the demand for angular velocity sensors that detect vehicle direction and posture in car navigation, vehicle skid prevention systems, and balance control systems such as biped robots and unicycles has increased rapidly in recent years. Thus, cheaper, lighter, and smaller vibration type angular velocity sensors (Patent Document 1) are becoming mainstream.
振動式の角速度センサは、予め定められた駆動振動方向(x方向)に振動する励振素子(振動子)にその駆動振動方向と直交する軸方向(z方向)周りの角速度が印加されたとき、駆動振動方向(x方向)および角速度が印加される軸方向(z方向)と直交する検出方向(y方向)へのコリオリ力に基づく新たな変位成分を検出し、この変位成分に基づいて角速度情報を出力するものである。 When an angular velocity around an axial direction (z direction) orthogonal to the driving vibration direction is applied to an excitation element (vibrator) that vibrates in a predetermined driving vibration direction (x direction), A new displacement component based on the Coriolis force in the detection direction (y direction) orthogonal to the drive vibration direction (x direction) and the axial direction (z direction) to which the angular velocity is applied is detected, and angular velocity information is based on this displacement component. Is output.
例えば、角速度センサの応用先として、例えば、カーナビゲーションシステムがある。GPS(Global Positioning System)による現在位置のモニタリングは、車両のマクロな進行方向の変化を検知することはできても、交差点などにおける急な方向変化には追従することができない。したがって、カーナビゲーションシステムでは、車両の旋回運動を角速度センサで検知し、その角速度の時間的な積分により、方向転換の角度をトレースする方式が用いられている。 For example, as an application destination of the angular velocity sensor, there is a car navigation system, for example. Although monitoring of the current position by GPS (Global Positioning System) can detect a macro change in the traveling direction of a vehicle, it cannot follow a sudden change in direction at an intersection or the like. Therefore, in the car navigation system, a method is used in which the turning motion of the vehicle is detected by an angular velocity sensor, and the angle of direction change is traced by temporal integration of the angular velocity.
別の例として、車の横滑り防止システムがある。この横滑り防止システムでは、ハンドルに装着されている操舵角センサの値(指令値)と、横滑り防止システムに組み込まれている角速度センサの出力値(実測値)を比較することにより、車の横滑りを判定し、その結果に基づいて、エンジン出力や四輪それぞれの制動力を制御し、車体運動を適正化する制御方式が用いられている。 Another example is a vehicle skid prevention system. In this skid prevention system, the value of the steering angle sensor mounted on the steering wheel (command value) is compared with the output value (actual value) of the angular velocity sensor incorporated in the skid prevention system, thereby reducing the side slip of the car. A control method is used in which the engine output and the braking force of each of the four wheels are controlled based on the result of the determination and the vehicle motion is optimized.
さらに、別の例として、一輪乗り物や二足歩行ロボットのバランス制御システムがある。風や、傾斜、積荷などによって、回転や重心の移動が発生した場合には、角速度センサや加速度センサで回転角度や重心の移動量を計測し、回転方向に車輪を動かす、若しくは、重心が移動した方向のアクチュエータにより強い力を発生させることにより、バランスを制御する方式が用いられている。 As another example, there is a balance control system for a unicycle or a biped robot. When rotation or movement of the center of gravity occurs due to wind, inclination, cargo, etc., measure the rotation angle and the amount of movement of the center of gravity with an angular velocity sensor or acceleration sensor, move the wheel in the rotation direction, or move the center of gravity A method is used in which the balance is controlled by generating a strong force with the actuator in the direction.
ここで、上述したそれぞれの応用先では、測定すべき角速度の軸方向と、角速度センサを取り付ける角度が異なる場合が多いと考えられる。上述した角速度センサの原理からも分かるように、励振素子の駆動振動方向と検出方向、そして、計測される角速度が印加される軸方向は、それぞれ直交する必要がある。すなわち、励振素子の駆動振動方向をx方向とし、角速度が印加される軸方向をz方向とした場合、コリオリ力は、駆動振動方向であるx方向と、角速度が印加された軸方向であるz方向とに直交するy方向に発生する。その反面、励振素子の駆動振動方向をx方向とし、角速度が印加される軸方向をy方向とした場合には、z方向にコリオリ力が発生することになる。したがって、上述した応用先では、測定すべき角速度が印加される方向と、被測定物への角速度センサの取り付け方向を考慮して対応する角速度センサを選定する必要がある。 Here, in each application destination mentioned above, it is considered that the axial direction of the angular velocity to be measured and the angle at which the angular velocity sensor is attached are often different. As can be seen from the principle of the angular velocity sensor described above, the drive vibration direction and the detection direction of the excitation element and the axial direction to which the measured angular velocity is applied need to be orthogonal to each other. That is, when the driving vibration direction of the excitation element is the x direction and the axial direction to which the angular velocity is applied is the z direction, the Coriolis force is the x direction that is the driving vibration direction and the z direction that is the axial direction to which the angular velocity is applied. It occurs in the y direction orthogonal to the direction. On the other hand, when the driving vibration direction of the excitation element is the x direction and the axial direction to which the angular velocity is applied is the y direction, a Coriolis force is generated in the z direction. Accordingly, in the application destination described above, it is necessary to select a corresponding angular velocity sensor in consideration of the direction in which the angular velocity to be measured is applied and the direction in which the angular velocity sensor is attached to the object to be measured.
例えば、特許文献2に記載された角速度センサは、励振素子の駆動振動方向がx方向で、z軸方向周りの角速度の印加によって、y方向に変位する検出素子として構成される。 For example, the angular velocity sensor described in Patent Document 2 is configured as a detection element that is displaced in the y direction by applying an angular velocity around the z-axis direction when the driving vibration direction of the excitation element is in the x direction.
特許文献3と特許文献4に記載された角速度センサは、駆動振動方向がx方向である励振素子と、y軸方向周りの角速度の印加によって、z方向に変位する検出素子として構成される。また、x軸方向周りの角速度を検出するためには、特許文献3と特許文献4に記載されたy軸方向周りの角速度センサを、xy平面内で90度回転させて取り付けることにより実現することができる。 The angular velocity sensors described in Patent Literature 3 and Patent Literature 4 are configured as an excitation element whose driving vibration direction is the x direction and a detection element that is displaced in the z direction by application of an angular velocity around the y-axis direction. Moreover, in order to detect the angular velocity around the x-axis direction, the angular velocity sensor around the y-axis direction described in Patent Literature 3 and Patent Literature 4 is mounted by rotating 90 degrees in the xy plane. Can do.
上述した様々な応用でも同じことが言えるが、ここでは、特に、説明が明確で分かりやすい自動車の横滑りと横転とを検出する角速度センサを取り上げて説明する。 The same can be said for the various applications described above. Here, an angular velocity sensor that detects a skid and rollover of a car that is clear and easy to understand will be described here.
最近、自動車では、ブレーキやエンジン、エアバックなどを制御するECU(Electronic Control Unit)を1つに統合する傾向がある。したがって、自動車の横滑りを検知する角速度センサと横転を検知する角速度センサも、1つのECU上に実装されることが増えている。さらに、様々なECUとは別の基板上に、自動車に搭載されたECUが必要とするセンサ類を統合するセンサクラスター化の傾向もある。すなわち、1つの実装基板上に検出方向が異なる複数の角速度センサを搭載する必要がある。この場合、角速度センサの実装面積に制限があるため、より小型の角速度センサが要求される。 Recently, automobiles have a tendency to integrate an ECU (Electronic Control Unit) that controls brakes, engines, airbags, and the like. Therefore, an angular velocity sensor for detecting a side slip of an automobile and an angular velocity sensor for detecting a rollover are increasingly mounted on one ECU. Furthermore, there is a tendency of sensor clustering that integrates sensors required by an ECU mounted on an automobile on a board different from various ECUs. That is, it is necessary to mount a plurality of angular velocity sensors having different detection directions on one mounting board. In this case, since the mounting area of the angular velocity sensor is limited, a smaller angular velocity sensor is required.
例えば、実装基板の表面に並行する平面をxy平面と定義し、xy平面に垂直な方向をz方向と定義する場合、自動車の横滑りと横転を共に検知するために、z軸方向周りの角速度を検出する面内角速度センサと、xy平面内に含まれる軸方向周りの角速度を検出する面外角速度センサとを1つの実装基板上に搭載することが考えられる。 For example, when a plane parallel to the surface of the mounting board is defined as the xy plane and a direction perpendicular to the xy plane is defined as the z direction, the angular velocity around the z-axis direction is set to detect both sideslip and rollover of the automobile. It is conceivable that the in-plane angular velocity sensor to be detected and the out-of-plane angular velocity sensor to detect the angular velocity around the axial direction included in the xy plane are mounted on one mounting board.
ここで、本発明者は、1つの実装基板に搭載される面外角速度センサと面内角速度センサのうち、特に、面外角速度センサに着目して、面外角速度センサの性能向上を図ることを検討している。つまり、本発明の目的は、x軸方向周りの角速度、あるいは、y軸方向周りの角速度を検出できる面外角速度センサの性能向上を図ることにある。 Here, the inventor intends to improve the performance of the out-of-plane angular velocity sensor by paying particular attention to the out-of-plane angular velocity sensor and the out-of-plane angular velocity sensor mounted on one mounting board. Are considering. That is, an object of the present invention is to improve the performance of an out-of-plane angular velocity sensor that can detect an angular velocity around the x-axis direction or an angular velocity around the y-axis direction.
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 Other problems and novel features will become apparent from the description of the specification and the accompanying drawings.
一実施の形態における角速度センサは、第1半導体チップを備える。第1半導体チップは、(a)支持基板、(b)支持基板の上方に配置されたデバイス層、(c)デバイス層の上方に配置されたキャップ層、(d)支持基板とデバイス層との間、および、デバイス層とキャップ層との間に形成された空洞部、を含む。ここで、デバイス層には、(b1)支持基板の厚さ方向を含む第1平面内で振動可能な励振素子、(b2)第1平面に垂直な第2平面内に含まれる回転軸周りに角速度が印加された際、角速度に起因して発生するコリオリ力に基づく第2平面内の変位を静電容量の変化として捉える検出部、が形成されている。さらに、キャップ層には、励振素子を第1平面内で振動させるための電圧が印加される駆動用固定電極が形成されている。 The angular velocity sensor in one embodiment includes a first semiconductor chip. The first semiconductor chip includes (a) a support substrate, (b) a device layer disposed above the support substrate, (c) a cap layer disposed above the device layer, and (d) a support substrate and a device layer. And a cavity formed between the device layer and the cap layer. Here, the device layer includes (b1) an excitation element capable of vibrating in the first plane including the thickness direction of the support substrate, and (b2) around the rotation axis included in the second plane perpendicular to the first plane. When the angular velocity is applied, a detection unit that captures a displacement in the second plane based on the Coriolis force generated due to the angular velocity as a change in capacitance is formed. In addition, a fixed electrode for driving to which a voltage for vibrating the excitation element in the first plane is applied is formed on the cap layer.
一実施の形態によれば、面外角速度センサの性能向上を図ることができる。 According to one embodiment, the performance of the out-of-plane angular velocity sensor can be improved.
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。 In the following embodiments, when it is necessary for the sake of convenience, the description will be divided into a plurality of sections or embodiments. However, unless otherwise specified, they are not irrelevant to each other. There are some or all of the modifications, details, supplementary explanations, and the like. Further, in the following embodiments, when referring to the number of elements (including the number, numerical value, quantity, range, etc.), especially when clearly indicated and when clearly limited to a specific number in principle, etc. Except, it is not limited to the specific number, and may be more or less than the specific number. Further, in the following embodiments, the constituent elements (including element steps and the like) are not necessarily indispensable unless otherwise specified and apparently essential in principle. Needless to say. Similarly, in the following embodiments, when referring to the shapes, positional relationships, etc. of the components, etc., the shapes are substantially the same unless otherwise specified, or otherwise apparent in principle. And the like are included. The same applies to the above numerical values and ranges.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiments, and the repetitive description thereof will be omitted. In the following embodiments, the description of the same or similar parts will not be repeated in principle unless particularly necessary.
また、実施の形態で用いる図面においては、断面図であっても図面を見易くするためにハッチングを省略する場合もある。また、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。 In the drawings used in the embodiments, hatching may be omitted even in a cross-sectional view so as to make the drawings easy to see. Further, even a plan view may be hatched to make the drawing easy to see.
(実施の形態1)
<本発明に関連する検討事項>
例えば、面内角速度センサでは、x方向を励振素子の駆動振動方向とし、y方向をコリオリ力に基づく変位を検出する検出方向とする構成が考えられる。一方、本発明者が着目している面外角速度センサでは、例えば、x軸方向周りの角速度を検出する構成として、y方向を励振素子の駆動振動方向とし、z方向をコリオリ力に基づく変位を検出する検出方向とする第1構成と、z方向を励振素子の駆動振動方向とし、y方向をコリオリ力に基づく変位を検出する検出方向とする第2構成とが考えられる。
(Embodiment 1)
<Considerations related to the present invention>
For example, an in-plane angular velocity sensor may have a configuration in which the x direction is the driving vibration direction of the excitation element and the y direction is a detection direction for detecting a displacement based on the Coriolis force. On the other hand, in the out-of-plane angular velocity sensor that the inventor has focused on, for example, as a configuration for detecting an angular velocity around the x-axis direction, the y direction is the driving vibration direction of the excitation element, and the z direction is the displacement based on the Coriolis force. A first configuration in which the detection direction is detected and a second configuration in which the z direction is the driving vibration direction of the excitation element and the y direction is a detection direction for detecting displacement based on the Coriolis force are conceivable.
この点に関し、本発明者が検討をした結果、面外角速度センサにおいて、上述した第1構成よりも、上述した第2構成の方が性能向上を図る観点から利点があることを見出した。 With regard to this point, as a result of studies by the present inventors, it has been found that in the out-of-plane angular velocity sensor, the above-described second configuration is more advantageous than the above-described first configuration in terms of improving performance.
以下では、まず、この点について説明する。例えば、システムに搭載するセンサ数の増加に伴って、各センサに対しては、低コスト化の要求が増加してきている。このようなシステム側の小型化や低コスト化の要求を満たすために、LSIのパッケージング方法として用いられている、熱硬化性樹脂を使用したパッケージ技術(トランスファモールド技術)が、MEMSからなる角速度センサにも適用することが検討されている。 Below, this point is demonstrated first. For example, with an increase in the number of sensors installed in the system, there is an increasing demand for cost reduction for each sensor. In order to satisfy such demands for downsizing and cost reduction on the system side, a packaging technology (transfer molding technology) using a thermosetting resin, which is used as an LSI packaging method, is an angular velocity formed by MEMS. Application to sensors is also under consideration.
トランスファモールド技術とは、以下のような製造技術である。すなわち、まず、MEMSからなる角速度センサを形成した第1半導体チップと、角速度センサの信号処理回路が形成された第2半導体チップとを積層配置したリードフレームを金型の中に設置する。そして、温めた樹脂を高圧により射出し、金型の中に充填する。続いて、この樹脂が冷却されて固まることにより、樹脂は、MEMSからなる角速度センサが形成された第1半導体チップと、信号処理回路が形成された第2半導体チップとを積層配置したリードフレームを封止する封止体となる。このトランスファモールド技術は、MEMSで用いられているセラミックパッケージ技術よりも量産性が高く、角速度センサの製造コストを低減する上で有効な技術である。 The transfer mold technology is the following manufacturing technology. That is, first, a lead frame in which a first semiconductor chip on which an angular velocity sensor made of MEMS is formed and a second semiconductor chip on which a signal processing circuit of the angular velocity sensor is formed is placed in a mold. Then, the warmed resin is injected by high pressure and filled into a mold. Subsequently, when the resin is cooled and solidified, the resin has a lead frame in which a first semiconductor chip in which an angular velocity sensor made of MEMS is formed and a second semiconductor chip in which a signal processing circuit is formed is stacked. It becomes the sealing body to seal. This transfer mold technology has higher mass productivity than the ceramic package technology used in MEMS, and is an effective technology for reducing the manufacturing cost of the angular velocity sensor.
しかし、封止体となる樹脂の充填圧力は、数Paから数十Paと高圧であるため、MEMSからなる角速度センサをトランスファモールド技術で製造する場合、角速度センサが形成された半導体チップに変形が発生する。また、封止体が設置される環境の温度が変動すると、封止体となる樹脂の熱膨張係数と、角速度センサが形成された半導体チップとの熱膨張係数の差により、両者の界面に歪みが発生する。さらに、封止体となる樹脂は、吸湿により体積が膨張するとともに、乾燥により体積が収縮する特徴があるため、封止体が設置される環境の湿度が変動すると、樹脂の膨張と収縮により、角速度センサが形成された半導体チップに歪みが発生する。 However, since the filling pressure of the resin used as the sealing body is as high as several Pa to several tens Pa, when an angular velocity sensor made of MEMS is manufactured by transfer molding technology, the semiconductor chip on which the angular velocity sensor is formed is deformed. Occur. Also, when the temperature of the environment where the sealing body is installed fluctuates, the interface between the two becomes distorted due to the difference between the thermal expansion coefficient of the resin used as the sealing body and the thermal expansion coefficient of the semiconductor chip on which the angular velocity sensor is formed. Will occur. Furthermore, since the resin that becomes the sealing body has a feature that the volume expands due to moisture absorption and the volume shrinks due to drying, when the humidity of the environment where the sealing body is installed fluctuates, the resin expands and contracts, Distortion occurs in the semiconductor chip on which the angular velocity sensor is formed.
半導体チップに発生するこれらの歪みは、角速度センサのゼロ点変動や感度変動を引き起こす原因となる。温度変動によるゼロ点変動や、湿度変動によるゼロ点変動の発生は、信号処理回路で補正することができる。ところが、信号処理回路に温度センサや湿度センサを搭載すると、搭載する面積の分だけ、半導体チップの面積が増大するとともに、材料費も高くなる結果、信号処理回路の製造コストが高くなるデメリットがある。 These distortions generated in the semiconductor chip cause the zero point fluctuation and sensitivity fluctuation of the angular velocity sensor. Occurrence of zero point fluctuation due to temperature fluctuation and zero point fluctuation due to humidity fluctuation can be corrected by a signal processing circuit. However, when a temperature sensor or a humidity sensor is mounted on the signal processing circuit, the area of the semiconductor chip increases and the material cost increases as a result of the mounting area, resulting in a disadvantage of increasing the manufacturing cost of the signal processing circuit. .
また、信号処理回路に補正演算回路を追加して機能を複雑化すると、信号処理回路の開発期間が長くなり、これによって、角速度センサの製造コストが高くなるデメリットがある。さらに、補正演算を成立させるため、角速度センサの出荷前検査時に補正調整工程を追加すると、調整費用と調整時間が増大することになり、角速度センサの製造コストが高くなるデメリットがある。また、補正演算では対応が困難な経時変化は、角速度センサの性能低下につながるおそれがある。 In addition, if the function is complicated by adding a correction arithmetic circuit to the signal processing circuit, the development period of the signal processing circuit becomes longer, which has a demerit that increases the manufacturing cost of the angular velocity sensor. Furthermore, if a correction adjustment process is added at the time of inspection before shipment of the angular velocity sensor in order to establish the correction calculation, the adjustment cost and the adjustment time increase, and there is a demerit that the manufacturing cost of the angular velocity sensor increases. In addition, a change with time which is difficult to cope with with correction calculation may lead to a decrease in performance of the angular velocity sensor.
例えば、特許文献2に記載された面内角速度センサは、駆動振動方向がx方向で、検出方向がy方向であるため、z軸方向周りの角速度を検出することができる。したがって、車体の運動平面と並行するように設置された実装基板上に角速度センサを搭載する場合には、自動車の横滑りを検出することができる。ここで、角速度センサが搭載される実装基板の主面をxy平面と定義した場合、駆動振動と検出変位とが共にxy平面内の動きとなるため、駆動振動を発生させる駆動電極と、検出変位を検出する検出電極とを含むすべての構成要素を、封止体を形成する際に変形が生じやすいz方向ではなく、変形が生じにくいデバイス層のxy平面内に形成することができる。したがって、角速度センサの製造にトランスファモールド技術を適用しても、封止体を形成する際の圧力や温度や湿度などによる角速度センサの性能や信頼性への影響が比較的に少ない。つまり、面内角速度センサでは、トランスファモールド技術の適用を妨げる要因は少ないと考えることができる。 For example, the in-plane angular velocity sensor described in Patent Document 2 can detect the angular velocity around the z-axis direction because the driving vibration direction is the x direction and the detection direction is the y direction. Therefore, when the angular velocity sensor is mounted on the mounting board installed so as to be parallel to the motion plane of the vehicle body, it is possible to detect the side slip of the automobile. Here, when the principal surface of the mounting board on which the angular velocity sensor is mounted is defined as the xy plane, both the drive vibration and the detected displacement are in the xy plane, and therefore the drive electrode that generates the drive vibration, the detected displacement All the constituent elements including the detection electrode for detecting s are not formed in the z direction in which deformation is likely to occur when the sealing body is formed, but in the xy plane of the device layer in which deformation is not likely to occur. Therefore, even if the transfer mold technique is applied to the manufacture of the angular velocity sensor, the influence on the performance and reliability of the angular velocity sensor due to the pressure, temperature, humidity and the like when forming the sealing body is relatively small. That is, in the in-plane angular velocity sensor, it can be considered that there are few factors that hinder the application of the transfer mold technology.
一方、本発明者が着目している面外角速度センサでは、状況が一変する。例えば、特許文献3に記載された面外角速度センサは、駆動振動方向がx方向で、y軸方向周りの角速度が印加されると、z方向がコリオリ力に基づく変位が生じる検出方向となる。すなわち、特許文献1に記載された角速度センサと同じ平面上に実装する場合、自動車の横転を検知ことができる。z方向の変位は、コリオリ力によってz方向に変位する検出可動電極と、検出可動電極と対向するように配置される検出固定電極で構成される容量素子の容量値の変化を検出することで計測することができる。すなわち、特許文献3に記載された面外角速度センサは、励振素子や検出部などが形成されるデバイス層と、このデバイス層を支持する支持基板と、検出固定電極が形成されるキャップ層と、空洞部とを備える3層の積層構造から構成される。 On the other hand, the situation changes completely in the out-of-plane angular velocity sensor that the inventors have focused on. For example, in the out-of-plane angular velocity sensor described in Patent Document 3, when the driving vibration direction is the x direction and an angular velocity around the y axis direction is applied, the z direction becomes a detection direction in which displacement based on Coriolis force occurs. That is, when mounted on the same plane as the angular velocity sensor described in Patent Document 1, it is possible to detect the rollover of the automobile. The displacement in the z direction is measured by detecting a change in the capacitance value of a capacitive element composed of a detection movable electrode that is displaced in the z direction by a Coriolis force and a detection fixed electrode that is arranged to face the detection movable electrode can do. That is, the out-of-plane angular velocity sensor described in Patent Document 3 includes a device layer in which an excitation element and a detection unit are formed, a support substrate that supports the device layer, a cap layer in which a detection fixed electrode is formed, It is comprised from the laminated structure of 3 layers provided with a cavity part.
ところが、このように面外角速度センサが3層の積層構造として構成され、トランスファモールド技術で使用される樹脂により圧力を受ける側(キャップ層側)に検出部の変位を測定するための検出固定電極が形成されている場合、トランスファモールド技術で封止体を形成する際の成形圧力、樹脂に発生する内部応力、環境温度の変動、経時的な応力緩和などによって、検出固定電極が形成されたキャップ層には変形が発生し、面外角速度センサの性能や信頼性に重大な問題を発生させるおそれがある。つまり、z方向を検出方向とする第1構成の面外角速度センサでは、トランスファモールド技術を適用する際、面外角速度センサの性能を向上する点で重要な位置を占める検出部に変形が発生しやすく、トランスファモールド技術を採用する場合の副作用が懸念される。 However, in this way, the out-of-plane angular velocity sensor is configured as a three-layer laminated structure, and the detection fixed electrode for measuring the displacement of the detection unit on the side (cap layer side) that receives pressure by the resin used in the transfer molding technology The cap on which the detection fixed electrode is formed by the molding pressure when forming the sealing body by transfer molding technology, the internal stress generated in the resin, the fluctuation of the environmental temperature, the stress relaxation over time, etc. Deformation may occur in the layer, which may cause serious problems in the performance and reliability of the out-of-plane angular velocity sensor. That is, in the first configuration of the out-of-plane angular velocity sensor with the z direction as the detection direction, when the transfer molding technique is applied, the detection unit occupying an important position in terms of improving the performance of the out-of-plane angular velocity sensor is deformed. It is easy to cause side effects when the transfer mold technology is adopted.
これに対し、xy平面内に検出方向を有する第2構成の面外角速度センサでは、トランスファモールド技術による変形が発生しやすいz方向に検出部が形成されないため、トランスファモールド技術を採用する場合の性能低下に代表される副作用が少ないと考えられる。このことから、面外角速度センサに着目した場合、z方向に検出方向がある第1構成の面外角速度センサに比べて、xy平面内に検出方向がある第2構成の面外角速度センサは、性能低下を抑制する観点から優位性を有していると考えられる。 On the other hand, in the second configuration out-of-plane angular velocity sensor having the detection direction in the xy plane, the detection part is not formed in the z direction, which is likely to be deformed by the transfer mold technology. It is thought that there are few side effects represented by the decrease. From this, when focusing on the out-of-plane angular velocity sensor, the second out-of-plane angular velocity sensor with the detection direction in the xy plane is compared to the out-of-plane angular velocity sensor with the detection direction in the z-direction. It is considered that it has an advantage from the viewpoint of suppressing performance degradation.
そこで、本実施の形態1では、性能向上の観点から優位性のある第2構成の面外角速度センサを実現する工夫を施している。 Therefore, in the first embodiment, a device for realizing an out-of-plane angular velocity sensor having a second configuration that is superior from the viewpoint of performance improvement is devised.
なお、特許文献4に記載された面外角速度センサは、特許文献3に記載された角速度センサと同様に、駆動振動方向がx方向で、y軸方向周りの角速度が印加されると、z方向にコリオリ力に基づく変位が発生する検出方向となる。ただし、z方向の変位を検出する方法としては、キャップ層側に検出固定電極を有する特許文献3に記載の面外角速度センサとは異なり、特許文献4に記載された面外角速度センサでは、励振素子や検出可動電極などが形成されるデバイス層内に検出固定電極も有する構造となっている。 In addition, the out-of-plane angular velocity sensor described in Patent Document 4 is similar to the angular velocity sensor described in Patent Document 3, when the driving vibration direction is in the x direction and the angular velocity around the y-axis direction is applied, the z direction This is the detection direction in which displacement based on Coriolis force occurs. However, as a method of detecting the displacement in the z direction, the out-of-plane angular velocity sensor described in Patent Document 4 is different from the out-of-plane angular velocity sensor described in Patent Document 3 having the detection fixed electrode on the cap layer side. The device has a structure in which a detection fixed electrode is also provided in a device layer where elements, detection movable electrodes, and the like are formed.
ところが、特許文献4に記載された面外角速度センサでは、同じ高さを有するデバイス層内に検出可動電極と、この検出可動電極との間で容量素子を形成するように一定間隔を持って検出固定電極を形成する場合、検出部でのz方向(デバイス層のxy平面から面外に抜け出る方向)の変位の大きさは分かるが、変位の方向が分からない問題が発生する。このため、特許文献4に記載された面外角速度センサでは、デバイス層に形成されている検出固定電極の上に内部応力を強く発生させた薄膜を成膜し、検出固定電極に初期変位を作っている。これによって、検出固定電極と検出可動電極とは、同じデバイス層内に形成されながらも、検出固定電極の高さと検出可動電極の高さの間に差が発生するため、z方向の変位の方向を検出することができる。 However, in the out-of-plane angular velocity sensor described in Patent Document 4, the detection movable electrode and the capacitive element are formed between the detection movable electrode in the device layer having the same height, and the detection is performed with a constant interval. When the fixed electrode is formed, the magnitude of the displacement in the z direction (the direction of going out of the plane from the xy plane of the device layer) at the detection unit can be known, but there is a problem that the direction of the displacement is not known. For this reason, in the out-of-plane angular velocity sensor described in Patent Document 4, a thin film in which internal stress is strongly generated is formed on the detection fixed electrode formed in the device layer, and an initial displacement is created in the detection fixed electrode. ing. As a result, the detection fixed electrode and the detection movable electrode are formed in the same device layer, but a difference occurs between the height of the detection fixed electrode and the height of the detection movable electrode. Can be detected.
特許文献4に記載された面外角速度センサは、デバイス層内にすべての構成要素を有するため、トランスファモールド技術で封止体を形成する際の圧力や、その他の要因に起因する変形に影響を受けにくい。したがって、トランスファモールド技術で製造された安価な封止体を用いる場合でも、特許文献4に記載された面外角速度センサは、安定した性能を発揮することが期待できる。 Since the out-of-plane angular velocity sensor described in Patent Document 4 has all the components in the device layer, it has an influence on the pressure caused by the formation of the sealing body by the transfer molding technique and deformation caused by other factors. It is hard to receive. Therefore, even when using an inexpensive sealing body manufactured by the transfer mold technique, the out-of-plane angular velocity sensor described in Patent Document 4 can be expected to exhibit stable performance.
ところが、特許文献4に記載された面外角速度センサは、デバイス層に初期変位を作るために用いられる大きい内部応力を有する薄膜の経時的な応力緩和と、この応力緩和に伴う性能変化が発生するおそれがある。さらに、大きい内部応力を有する薄膜による初期変位の制御は、各角速度センサでの個体差が大きいおそれがある。 However, the out-of-plane angular velocity sensor described in Patent Document 4 causes stress relaxation over time of a thin film having a large internal stress used for making an initial displacement in the device layer, and performance changes associated with the stress relaxation occur. There is a fear. Furthermore, the control of the initial displacement by the thin film having a large internal stress may cause a large individual difference in each angular velocity sensor.
以上のことから、上述した様々な現状の面外角速度センサでは、性能向上を図る観点から改善の余地が存在することがわかる。そこで、本実施の形態1では、面外角速度センサにおいて、性能向上を図る観点から優位性のある第2構成の面外角速度センサに着目し、この第2構成の面外角速度センサを実現する工夫を施している。以下では、この工夫を施した実施の形態1における面外角速度センサについて説明する。 From the above, it can be seen that there is room for improvement from the viewpoint of improving the performance of the various current out-of-plane angular velocity sensors described above. Therefore, in the first embodiment, in the out-of-plane angular velocity sensor, attention is paid to the out-of-plane angular velocity sensor having the second configuration which is superior from the viewpoint of improving the performance, and the device for realizing the out-of-plane angular velocity sensor having the second configuration is realized. Has been given. Below, the out-of-plane angular velocity sensor in Embodiment 1 which gave this device is demonstrated.
<基本動作>
まず、本実施の形態1における角速度センサ素子の動作の概要について説明する。角速度センサ素子の励振素子(可動部)は、全体が一体化し、中央部にある固定部を支点として、支持梁の変形を伴いながら、y軸方向を回転軸とするzx平面(第1平面)内で回転振動をしている。回転角度が小さいとき、励振素子の運動は、z方向の振動とみなすことができる。つまり、本実施の形態1において、励振素子は、半導体チップの厚さ方向であるz方向に振動可能なように構成されていることになる。
<Basic operation>
First, the outline | summary of operation | movement of the angular velocity sensor element in this Embodiment 1 is demonstrated. The excitation element (movable part) of the angular velocity sensor element is integrated as a whole, and the zx plane (first plane) having the y-axis direction as the rotation axis while the support beam is deformed with the fixed part at the center as a fulcrum. Rotating vibration inside. When the rotation angle is small, the movement of the excitation element can be regarded as vibration in the z direction. That is, in the first embodiment, the excitation element is configured to be able to vibrate in the z direction, which is the thickness direction of the semiconductor chip.
ここで、zx平面内の励振素子の回転振動である駆動振動を誘起する役割を担うのが駆動電極であり、駆動振動の振幅を検出する役割を担うのが駆動振幅モニタ部である。次に、角速度センサ素子が形成された半導体チップの外部からx軸方向を回転軸とする角速度が入力されると、zx平面内で駆動振動している励振素子には、y方向のコリオリ力が働く。この場合、励振素子は、中央部にある固定部を支点として、支持梁の変形を伴いながら、z軸方向を回転軸とするxy平面(第2平面)内での回転変位を示す。xy平面内の回転変位を検出する役割を担うのが検出部である。 Here, it is the drive electrode that plays a role of inducing drive vibration that is rotational vibration of the excitation element in the zx plane, and a drive amplitude monitor that plays a role of detecting the amplitude of the drive vibration. Next, when an angular velocity having a rotation axis in the x-axis direction is input from the outside of the semiconductor chip on which the angular velocity sensor element is formed, the excitation element that is driving and vibrating in the zx plane has a Coriolis force in the y direction. work. In this case, the excitation element exhibits a rotational displacement in the xy plane (second plane) with the z-axis direction as the rotation axis, with deformation of the support beam, with the fixed portion at the center as a fulcrum. The detecting unit plays a role of detecting the rotational displacement in the xy plane.
続いて、本実施の形態1における角速度センサ素子では、xy平面内の回転変位を打ち消すように、回転変位方向とは逆方向に静電気力を発生する電極が設置される。この電極に印加する電圧を角速度センサが形成された半導体チップに接続される信号処理回路用の半導体チップで演算し、最終的に角速度に対応した出力信号を得る。xy平面内における回転変位方向とは逆方向に静電気力を発生する役割を担うのがサーボ部である。 Subsequently, in the angular velocity sensor element according to the first embodiment, an electrode that generates an electrostatic force in a direction opposite to the rotational displacement direction is installed so as to cancel the rotational displacement in the xy plane. The voltage applied to the electrode is calculated by a semiconductor chip for a signal processing circuit connected to the semiconductor chip on which the angular velocity sensor is formed, and finally an output signal corresponding to the angular velocity is obtained. The servo unit plays a role of generating an electrostatic force in a direction opposite to the rotational displacement direction in the xy plane.
なお、MEMS構造からなる角速度センサ素子が形成された半導体チップ(第1半導体チップ)と、信号処理回路が形成された半導体チップ(第2半導体チップ)との組み合わせによって、本実施の形態1における角速度センサが構成されている。 The angular velocity in the first embodiment is determined by combining a semiconductor chip (first semiconductor chip) on which an angular velocity sensor element having a MEMS structure is formed and a semiconductor chip (second semiconductor chip) on which a signal processing circuit is formed. A sensor is configured.
<角速度センサ素子の平面構成>
次に、本実施の形態1における角速度センサ素子が形成される半導体チップの構成と、この半導体チップに形成される各電極の役割について、図面を参照しながら説明する。
<Planar configuration of angular velocity sensor element>
Next, the configuration of the semiconductor chip on which the angular velocity sensor element according to the first embodiment is formed and the role of each electrode formed on the semiconductor chip will be described with reference to the drawings.
図1は、本実施の形態1における角速度センサ素子が形成された半導体チップCHP1の構成を示す平面図である。図1において、本実施の形態1における角速度センサ素子には、枠部101に囲まれるように空洞部102とダミー部116とが形成されている。そして、この空洞部102の内部には、固定部103が設けられており、この固定部103には、弾性変形部である支持梁104が接続されている。さらに、支持梁104は、角速度センサ素子の励振素子105と接続されている。ここで、本実施の形態1における励振素子105は、例えば、コリオリ力に基づくxy平面内の変位を検出する検出部DTU1〜DTU2と一体的に形成されており、この励振素子105と検出部DTU1〜DTU2とを含む可動部が構成される。
FIG. 1 is a plan view showing a configuration of a semiconductor chip CHP1 in which an angular velocity sensor element according to the first embodiment is formed. In FIG. 1, in the angular velocity sensor element according to the first embodiment, a
続いて、図1に示すように、本実施の形態1における角速度センサ素子は、励振素子105の一部を構成する駆動用可動電極106aと駆動用可動電極107aとを有している。駆動用可動電極106aと、図1では示されない駆動用固定電極との間、および、駆動用可動電極107aと、図1では示されない駆動用固定電極との間に電圧を印加して静電気力を発生させることにより、励振素子105は、半導体チップCHP1の厚さ方向であるz方向を含むzx平面内で駆動振動(回転振動)することになる。
Subsequently, as shown in FIG. 1, the angular velocity sensor element according to the first embodiment includes a driving
さらに、本実施の形態1における角速度センサ素子は、複数の駆動振幅モニタ部を有している。具体的に、本実施の形態1における角速度センサ素子は、図1に示すように、4つの駆動振幅モニタ部MU1〜MU4を有している。このとき、駆動振幅モニタ部MU1は、励振素子105と一体的に形成された駆動振幅モニタ用可動電極108aと、支持基板に固定された駆動振幅モニタ用固定電極108bと、から構成されている。同様に、駆動振幅モニタ部MU2は、励振素子105と一体的に形成された駆動振幅モニタ用可動電極109aと、支持基板に固定された駆動振幅モニタ用固定電極109bと、から構成され、駆動振幅モニタ部MU3は、励振素子105と一体的に形成された駆動振幅モニタ用可動電極110aと、支持基板に固定された駆動振幅モニタ用固定電極110bと、から構成されている。また、駆動振幅モニタ部MU4は、励振素子105と一体的に形成された駆動振幅モニタ用可動電極111aと、支持基板に固定された駆動振幅モニタ用固定電極111bと、から構成されている。つまり、4つの駆動振幅モニタ部MU1〜MU4のそれぞれは、駆動振幅モニタ用可動電極と駆動振幅モニタ用固定電極とからなる容量素子となっており、これらの駆動振幅モニタ部MU1〜MU4によって、励振素子105のzx平面内での駆動振動の振幅が容量素子の容量値の変化として検出される。
Furthermore, the angular velocity sensor element according to the first embodiment has a plurality of drive amplitude monitor units. Specifically, the angular velocity sensor element according to the first embodiment has four drive amplitude monitor units MU1 to MU4 as shown in FIG. At this time, the drive amplitude monitor unit MU1 includes a drive amplitude monitor
次に、図1に示すように、本実施の形態1における角速度センサ素子は、2つの検出部DTU1〜DTU2を有している。このとき、検出部DTU1は、励振素子105と一体的に形成された変位検出用可動電極112aと、支持基板に固定された変位検出用固定電極112bと、から構成され、検出部DTU2は、励振素子105と一体的に形成された変位検出用可動電極113aと、支持基板に固定された変位検出用固定電極113bと、から構成されている。つまり、2つの検出部DTU1〜DTU2のそれぞれは、変位検出用可動電極と変位検出用固定電極とからなる容量素子となっており、これらの検出部DTU〜DTU2によって、コリオリ力に基づく励振素子105のxy平面内での変位が容量素子の容量値の変化として検出される。すなわち、検出部DTU1〜DTU2は、zx平面に垂直なxy平面内に含まれる回転軸方向周りに角速度が印加された際、この角速度に起因して発生するコリオリ力に基づくxy平面内の変位を静電容量の変化として捉えるように構成されている。
Next, as shown in FIG. 1, the angular velocity sensor element according to the first embodiment has two detection units DTU1 to DTU2. At this time, the detection unit DTU1 includes a displacement detection
さらに、図1に示すように、本実施の形態1における角速度センサ素子は、2つのサーボ部SVU1〜SUV2を有している。サーボ部SVU1は、励振素子105と一体的に形成されたサーボ電極可動部114aと、支持基板に固定されたサーボ電極固定部114bと、から構成され、サーボ部SVU2は、励振素子105と一体的に形成されたサーボ電極可動部115aと、支持基板に固定されたサーボ電極固定部115bと、から構成されている。この場合、サーボ部SVU1〜SUVのそれぞれは、xy平面内における回転変位方向とは逆方向に静電気力を発生するように構成されることになり、これによって、コリオリ力に起因するxy平面内の回転変位がサーボ部SVU1〜SUV2のそれぞれで発生する静電気力によって打ち消されることになる。
Furthermore, as shown in FIG. 1, the angular velocity sensor element according to the first embodiment has two servo units SVU1 to SUV2. The servo unit SVU1 includes a servo electrode
このように構成されている角速度センサ素子は、シリコン深堀エッチング(Deep Reactive Ion Etching:DRIE)技術を用いて加工される。 The angular velocity sensor element configured in this way is processed using a deep reactive ion etching (DRIE) technique.
なお、励振素子105と支持梁104の接続角度は、DRIEの加工バラツキに起因する固有振動数の個体差を低減する目的で、鋭角とならないように調整されている。
Note that the connection angle between the
また、本実施の形態1における角速度センサ素子の励振素子105は、固定部103だけを介して支持基板と接続されており、角速度センサが置かれた環境の温度変動や実装歪みの影響によって支持基板に歪みが生じて、支持基板が変形した場合でも、励振素子105や支持梁104の変形による応力分布が生じにくい構造となっている。つまり、本実施の形態1における角速度センサ素子は、励振素子105の固有振動数が変動しにくい構造となっている。
In addition, the
さらに、本実施の形態1における角速度センサ素子の励振素子105では、zx平面内の駆動振動モード(回転振動モード)、もしくは、xy平面内の回転変位モードが、励振素子105の固有振動数の第1モードとなる。したがって、本実施の形態1における角速度センサ素子では、角速度センサ素子の動作周波数以下の帯域に、励振素子105が応答する特徴的な周波数が存在しない。このことから、本実施の形態1における角速度センサ素子は、外部からの機械的な振動ノイズに強い特徴を有していることになる。
Furthermore, in the
なお、ダミー部116は、角速度センサ素子を形成する際に、エッチングによる除去面積を調整して、励振素子に代表される角速度センサの構成要素の加工バラツキを低減する役割を有するとともに、電位を固定して周辺からの電磁波ノイズを除去するシールドとしての役割も有する。さらに、本実施の形態1における角速度センサ素子において、ダミー部116は、トランスファモールド技術を採用する点や、温度あるいは湿度の変動などに起因する半導体チップCHP1の歪みによって、半導体チップCHP1を実装する際、封止体を構成する樹脂と接する層に設置される角速度センサの構成要素が変形しないように支持体を構成する役割も有する。
In addition, when forming the angular velocity sensor element, the
<角速度センサ素子の断面構成>
次に、本実施の形態1における角速度センサ素子の断面構造について、図面を参照しながら説明する。図2(a)は、図1のA−A線で切断した断面図であり、図3(a)は、図1のB−B線で切断した断面図である。
<Cross-sectional configuration of angular velocity sensor element>
Next, the cross-sectional structure of the angular velocity sensor element according to the first embodiment will be described with reference to the drawings. 2A is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 1, and FIG. 3A is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG.
図2(a)、あるいは、図3(a)に示すように、角速度センサ素子が形成される半導体チップCHP1は、例えば、単結晶シリコンからなる支持基板1Sを有している。この支持基板1Sの表面(上面、主面)には、例えば、酸化シリコン膜からなる絶縁層131が形成されており、この絶縁層131の上方にデバイス層DLが形成され、デバイス層DLの上方にキャップ層CAPLが形成されている。そして、支持基板1Sとデバイス層DLとの間、および、デバイス層DLとキャップ層CAPLとの間には、空洞部102が形成されている。
As shown in FIG. 2A or FIG. 3A, the semiconductor chip CHP1 on which the angular velocity sensor element is formed has a
デバイス層DLには、単結晶シリコンで形成される枠部101、固定部103、励振素子105、サーボ電極可動部114a、115a、サーボ電極固定部114b、115b、駆動用可動電極106a、107a、変位検出用可動電極112a、113a、変位検出用固定電極112b、113bなどの図1に示される構成要素が形成されている。さらに、デバイス層DLには、駆動振幅モニタ用可動電極108a〜111a、駆動振幅モニタ用固定電極108b〜111b、および、支持梁104なども形成されている。
The device layer DL includes a
キャップ層CAPLは、単結晶シリコンからなるキャップ部140、絶縁層141、導電膜142、保護膜143、励振素子105をzx平面内で振動させるための電圧が印加される駆動用固定電極106b、107b、および、貫通電極などが形成されている。
The cap layer CAPL is a fixed electrode for driving 106b, 107b to which a voltage for vibrating the
本実施の形態1における角速度センサ素子では、キャップ部140とデバイス層DLとを接合し、角速度センサ素子をキャップ部140で保護する。特に、本実施の形態1における角速度センサ素子では、図2(a)や図3(a)に示すように、接続領域CR1で支持基板1Sとデバイス層DLとが接合され、接続領域CR2でデバイス層DLとキャップ層CAPLとが接続されている。
In the angular velocity sensor element according to the first embodiment, the
ここで、空洞部102内に配置される角速度センサ素子の励振素子105は、支持梁104を介して固定部103と接続され、固定部103は、絶縁層131を介して支持基板1Sと接続される。つまり、励振素子105は、支持基板1Sに対して完全に固定されてはおらず、変位可能なように構成されている。そして、励振素子105は、単結晶シリコンから形成されているため、励振素子105は、構造体中のいずれの場所であっても電気的に接続されている。
Here, the
また、キャップ部140を貫通するように貫通電極が形成されており、この貫通電極は、キャップ部140に、絶縁層141を埋め込んで電気的に分離することにより形成される。
In addition, a through electrode is formed so as to penetrate the
なお、励振素子105に印加される電位は、固定部103と接続される貫通電極を介して、導電膜142に形成されるパッドから供給される。
Note that the potential applied to the
また、駆動振幅モニタ用固定電極108b〜111b、変位検出用固定電極112b、113b、および、サーボ電極固定部114b、115bにも、それぞれ、貫通電極が形成されている。駆動振幅モニタ用固定電極108b〜111b、変位検出用固定電極112b、113b、および、サーボ電極固定部114b、115bのそれぞれは、貫通電極を介して、導電膜142に形成されるパッドと電気的に接続される。このことから、駆動振幅モニタ用固定電極108b〜111b、変位検出用固定電極112b、113b、および、サーボ電極固定部114b、115bのそれぞれの電位は、パッドの電位と等しい。このため、励振素子105がzx平面内で駆動振動することで生じる容量変化や、励振素子105がxy平面内で変位することで生じる容量変化に応じて、励振素子105および上述した各固定電極の表面には、電荷が流入あるいは流出することになる。
Further, through electrodes are also formed in the drive amplitude monitoring fixed
なお、本実施の形態1における角速度センサ素子が形成された半導体チップCHP1は、パッドの部分を除いて、導電膜142の表面が保護膜143によって覆われて保護されている。
In the semiconductor chip CHP1 on which the angular velocity sensor element in the first embodiment is formed, the surface of the
例えば、本実施の形態1における半導体チップCHP1では、デバイス層DLとキャップ層CAPLとを貼り合せることにより接合する。具体的に、デバイス層DLとキャップ層CAPLとの貼り合せには、単結晶シリコン同士の直接接合が使用される。一方、デバイス層DLと支持基板1Sの接合にも貼り合せが使用される。デバイス層DLと支持基板1Sの貼り合せには、例えば、単結晶シリコンの表面を高温で酸化して得られる酸化シリコン膜と単結晶シリコンとのフュージョン接合が使用される。
For example, in the semiconductor chip CHP1 in the first embodiment, bonding is performed by bonding the device layer DL and the cap layer CAPL. Specifically, direct bonding between single crystal silicons is used for bonding the device layer DL and the cap layer CAPL. On the other hand, bonding is also used for bonding the device layer DL and the
この結果、本実施の形態1における半導体チップCHP1では、従来から使用されている接着材を用いた接合方式やガラス−シリコンの陽極接合方式と異なり、貼り合せの際に、ガスの発生源となる接着材などの有機物が不要となる。このことから、本実施の形態1における半導体チップCHP1では、空洞部102の内部に脱ガス成分を含まない方法で空洞部102を形成することができる。また、貼り合せ工程の前に実施する洗浄工程における残留液体や、フォトリソグラフィ工程における残留レジストが、空洞部102の内壁に付着する場合であっても、単結晶シリコン同士の直接接合は、通常1000℃以上の熱を加えて実施されるため、上述した残留液体や残留レジストは、焼失してしまう。このことから、本実施の形態1における半導体チップCHP1では、ガスの発生源となる接着材などの有機物が不要となる点と、残留液体や残留レジストが高温の熱処理によって焼失する点から、空洞部102の内部に脱ガス成分を含むことなく、空洞部102を形成できる。
As a result, in the semiconductor chip CHP1 according to the first embodiment, unlike the conventional bonding method using an adhesive or the glass-silicon anodic bonding method, the semiconductor chip CHP1 becomes a gas generation source during bonding. Organic substances such as adhesives are not required. Therefore, in the semiconductor chip CHP1 in the first embodiment, the
したがって、角速度センサ素子の励振素子105が配置される空洞部102の内部は、例えば、100Pa以下、望ましくは、10Pa以下という低い圧力で封止されることになる。この結果、本実施の形態1における半導体チップCHP1では、従来から使用されている接着材を用いた接合方式や、ガラス−シリコンの陽極接合方式と比較して、空洞部102内の圧力を低くすることができる。このことから、本実施の形態1における半導体チップCHP1では、空洞部102の内部の圧力を低くするために、励振素子105が設置される空洞部102の内部に、気体分子を吸着する吸着材であるゲッタを導入して、真空度を保つ必要がなく、ゲッタ材料を使用することによるコスト増加を抑制することができる。
Therefore, the inside of the
本実施の形態1で実現される10Pa以下の圧力において、MEMS振動体のようにマイクロスケールの寸法を持つ構造体のエネルギー減衰は、ガスダンピングによる寄与はほとんどなく、構造ダンピングが主体となる。構造ダンピングによる減衰は、アンカーロスと呼ばれる支持部からの振動漏れによる減衰と、Thermal Elastic Dampingと呼ばれる変形部からの熱拡散による減衰とが主体であるが、これらの減衰は、ガスダンピングによる減衰と比較して、ダンピング係数が充分に小さい。したがって、励振素子105の質量をm、支持梁104のばね定数をk、ダンピング係数をCとしたとき、Q=√mk/Cであるため、本実施の形態1における励振素子105のQ値は、一般的に高くなる。例えば、励振素子105の構造や寸法にも依存するが、10Pa以下の圧力では、通常、10000以上のQ値を実現することができる。
At a pressure of 10 Pa or less realized in the first embodiment, energy attenuation of a structure having a microscale dimension such as a MEMS vibrating body hardly contributes by gas damping, and the structure damping is mainly used. Attenuation due to structural damping mainly consists of attenuation due to vibration leakage from the support part called anchor loss and attenuation due to thermal diffusion from the deformed part called thermal elastic damping. In comparison, the damping coefficient is sufficiently small. Therefore, when the mass of the
本実施の形態1における角速度センサ素子の駆動用電極(駆動用可動電極と駆動用固定電極)は、平行平板型であり、気体中では減衰の大きなスクイズドフィルム型のダンピングを示す電極構造である。しかし、上述したように、本実施の形態1における角速度センサ素子では、従来から使用されている接着材を用いた接合方式やガラス−シリコンの陽極接合方式ではなく、封止圧力を低くすることができる単結晶シリコン同士の直接接合や、酸化シリコン膜と単結晶シリコンとのフュージョン接合が使用されている。このため、本実施の形態1における励振素子105は、ガスダンピングの寄与がほとんどない真空度の空洞部102の内部に配置されることから、駆動用電極の構成として、平行平板型の電極構造でありながら、励振素子105の駆動振動モードで大きなQ値を実現できる。
The driving electrodes (driving movable electrode and driving fixed electrode) of the angular velocity sensor element according to the first embodiment are of a parallel plate type, and have an electrode structure showing squeezed film type damping that is highly attenuated in gas. However, as described above, in the angular velocity sensor element according to the first embodiment, the sealing pressure can be lowered rather than the conventional bonding method using an adhesive or the glass-silicon anodic bonding method. Direct bonding of single crystal silicon that can be performed and fusion bonding of a silicon oxide film and single crystal silicon are used. For this reason, since the
<駆動電極の構成>
続いて、本実施の形態1における駆動電極の構成について説明する。図1において、励振素子105のうち、破線で示された領域には、駆動用可動電極106a、107aが形成されている。図2(a)に示すように、デバイス層DLに形成されている駆動用可動電極106a、107aの上方で、かつ、駆動用可動電極106a、107aと対向する位置には、駆動用固定電極106bおよび駆動用固定電極107bが形成されている。
<Configuration of drive electrode>
Next, the configuration of the drive electrode in the first embodiment will be described. In FIG. 1, driving
このように配置することにより、駆動用可動電極106aと駆動用固定電極106bとによって容量素子が形成されるとともに、駆動用可動電極107aと駆動用固定電極107bとによって容量素子が形成される。
With this arrangement, a capacitive element is formed by the driving
例えば、本実施の形態1における角速度センサ素子では、互いに対向することにより容量素子を形成している駆動用可動電極106aと駆動用固定電極106bとの間に、Vcom+Vb+Vdで表される周期的な駆動信号が印加され、駆動用可動電極107aと駆動用固定電極107bとの間にVcom+Vb−Vdで表される周期的な駆動信号が印加される。さらに、本実施の形態1における角速度センサ素子では、励振素子105と電気的に接続されている固定部103に、貫通電極を介してVcomで表される電圧が印加される。これにより、駆動用可動電極106aと駆動用固定電極106bとの間、および、駆動用可動電極107aと駆動用固定電極107bとの間には、交互に静電気力が働く。この結果、図2(b)の破線で示すように、励振素子105は、zx平面内で駆動振動(回転振動)することになる。
For example, in the angular velocity sensor element according to the first embodiment, a periodic drive represented by Vcom + Vb + Vd is provided between the drive
ここで、本実施の形態1における角速度センサ素子では、図2(a)に示すように、駆動用可動電極106aと駆動用固定電極106b、および、駆動用可動電極107aと駆動用固定電極107bは、zx平面内での励振素子105の回転中心である固定部103から最も離れた位置に設置される。この結果、本実施の形態1における角速度センサ素子においては、駆動用可動電極106aと駆動用固定電極106bとから構成される容量素子、および、駆動用可動電極107aと駆動用固定電極107bから構成される容量素子の間に働く静電気力に起因する回転トルクが大きくなる。このことから、本実施の形態1における角速度センサ素子によれば、駆動用固定電極106bと駆動用固定電極107bの面積を小さくすることができ、これによって、角速度センサ素子が形成される半導体チップCHPのサイズを小さくできる利点が得られる。
Here, in the angular velocity sensor element according to the first embodiment, as shown in FIG. 2A, the driving
以上より、駆動用可動電極106aと駆動用固定電極106bとから構成される容量素子、あるいは、駆動用可動電極107aと駆動用固定電極107bとから構成される容量素子は、励振素子105をzx平面内で強制的に駆動振動を発生させる強制振動生成部として機能することになる。
As described above, the capacitive element configured by the driving
<駆動振幅モニタ部の構成>
次に、本実施の形態1における駆動振幅モニタ部の構成について説明する。図1に示すように、励振素子105には、励振素子105と一体的に形成された駆動振幅モニタ用可動電極108a〜111aが形成されている。そして、この駆動振幅モニタ用可動電極108a〜111aと対向するように、駆動振幅モニタ用固定電極108b〜111bが形成されている。これにより、駆動振幅モニタ用可動電極108a〜111aのそれぞれと、駆動振幅モニタ用固定電極108b〜111bのそれぞれによって、4つの容量素子が形成され、これらの4つの容量素子が、デバイス層DLに形成される4つの駆動振幅モニタ部MU1〜MU4となる。ここで、4つの駆動振幅モニタ部MU1〜MU4のそれぞれを構成する4つの容量素子では、励振素子105がzx平面内での駆動振動によりz方向に変位すると、容量値が変化する。
<Configuration of drive amplitude monitor unit>
Next, the configuration of the drive amplitude monitor unit in the first embodiment will be described. As shown in FIG. 1, drive amplitude monitor
ここで、図4(a)は、図1のC1−C1線で切断した断面図である。図4(a)に示すように、駆動振幅モニタ用可動電極108aには、−z方向側に切り欠きがあり、駆動振幅モニタ用可動電極108bには+z方向側に切り欠きがある。言い換えれば、zx平面内において、駆動振幅モニタ用可動電極108aのz方向(厚さ方向)の中心位置と、駆動振幅モニタ用固定電極108bのz方向(厚さ方向)の中心位置とがずれていると表現することもできる。これらの切り欠きの高さは、励振素子105のzx平面内での駆動振動の振幅よりも大きい必要がある。
Here, FIG. 4A is a cross-sectional view taken along line C1-C1 in FIG. As shown in FIG. 4A, the drive amplitude monitor
例えば、図3(b)および図4(a)に示すように、励振素子105がzx平面内で反時計まわりの回転変位をする場合、駆動振幅モニタ用可動電極108aが+z方向に変位するため、回転角度の増加に伴って、駆動振幅モニタ部MU1を構成する容量素子の容量値は減少する。
For example, as shown in FIGS. 3B and 4A, when the
一方、図4(b)は、図1のC2−C2線で切断した断面図である。図4(b)に示すように、駆動振幅モニタ用可動電極109aは、+z方向側に切り欠きがあり、駆動振幅モニタ用固定電極109bは、−z方向側に切り欠きがある。したがって、励振素子105がzx平面内で反時計まわりの回転変位をする場合には、駆動振幅モニタ用可動電極109aは+z方向に変位するため、回転角度の増加に伴って、駆動振幅モニタ部MU2を構成する容量素子の容量値は増加する。
On the other hand, FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line C2-C2 of FIG. As shown in FIG. 4B, the drive amplitude monitor
また、駆動振幅モニタ用可動電極110aには、+z方向側に切り欠きがあり、駆動振幅モニタ用固定電極110bには、−z方向側に切り欠きがある。したがって、図3(b)に示すように、励振素子105がzx平面内で反時計まわりの回転変位をする場合には、駆動振幅モニタ用可動電極110aが−z方向に変位するため、回転角度の増加に伴って、駆動振幅モニタ部MU3を構成する容量素子の容量値が減少する。
Further, the drive amplitude monitor
一方、駆動振幅モニタ用可動電極111aには、−z方向側に切り欠きがあり、駆動振幅モニタ用固定電極111bには、+z方向側に切り欠きがある。したがって、励振素子105がzx平面内で反時計まわりの回転変位をする場合には、駆動振幅モニタ用可動電極111aが−z方向に変位するため、回転角度の増加に伴って、駆動振幅モニタ部MU4を構成する容量素子の容量値が増加する。
On the other hand, the drive amplitude monitor
ここで注意が必要なのは、角速度センサ素子が形成された半導体チップCHP1に角速度が印加されてコリオリ力が発生し、コリオリ力に基づいて、励振素子105にxy平面内での回転変位が生じる場合においても、駆動振幅モニタ用可動電極108a〜111aのそれぞれと、駆動振幅モニタ用固定電極108b〜111bのそれぞれから形成される4つの容量素子の容量値が変化することである。つまり、本実施の形態1において、4つの駆動振幅モニタ部MU1〜MU4のそれぞれを構成する容量素子は、励振素子105がzx平面内で駆動振動する場合だけでなく、コリオリ力によって、励振素子105がxy平面で変位する場合も、容量値が変化してしまうのである。
Attention should be paid here when an angular velocity is applied to the semiconductor chip CHP1 on which the angular velocity sensor element is formed to generate a Coriolis force, and based on the Coriolis force, a rotational displacement in the xy plane occurs in the
励振素子105がxy平面内で反時計まわりに回転変位するとき、駆動振幅モニタ用可動電極108aと駆動振幅モニタ用固定電極108bから構成される容量素子の容量値は増加し、駆動振幅モニタ用可動電極109aと駆動振幅モニタ用固定電極109bから構成される容量素子の容量値は減少する。一方、駆動振幅モニタ用可動電極110aと駆動振幅モニタ用固定電極110bから構成される容量素子の容量値は減少し、駆動振幅モニタ用可動電極111aと駆動振幅モニタ用固定電極111bから構成される容量素子の容量値は増加する。したがって、励振素子105のzx平面内での駆動振動の振幅を得るには、駆動振幅モニタ用固定電極108bと駆動振幅モニタ用固定電極110bとを電気的に接続した合計容量値と、駆動振幅モニタ用固定電極109bと駆動振幅モニタ用固定電極111bを電気的に接続した合計容量値との間で差動検出をする必要がある。この差動検出によれば、励振素子105のxy平面内での回転変位による容量値の変化を、信号処理回路(演算回路)に入力する前にキャンセルすることができる。つまり、上述した差動検出を行なうことにより、本実施の形態1における駆動振幅モニタ部MU1〜MU4は、xy平面内での回転変位の影響をなくしながら、zx平面内での駆動振動による容量値の変化分だけを検出することができる。これにより、駆動振幅モニタ部MU1〜MU4によって、励振素子105のzx平面内での駆動振動だけをモニタリングすることができる。
When the
ここで、角速度センサ素子が形成された半導体チップCHP1と電気的に接続される半導体チップには、信号処理回路が形成されており、この信号処理回路は、上述した駆動振幅モニタ部MU1〜MU4から得られる励振素子105のzx平面内の駆動振幅に対応する容量値の変化に基づいて、自動振幅制御(Automatic Gain Control:AGC)によるフィードバック制御を行い、励振素子105の振動振幅を常に一定に保っている。この点に関し、本実施の形態1では、駆動振幅モニタ部MU1〜MU4によって、励振素子105のzx平面内での駆動振動だけをモニタリングすることができるので、上述した自動振幅制御によるフィードバック制御の精度を向上させることができる。
Here, a signal processing circuit is formed in the semiconductor chip electrically connected to the semiconductor chip CHP1 in which the angular velocity sensor element is formed. The signal processing circuit is connected to the above-described drive amplitude monitoring units MU1 to MU4. Based on the change of the capacitance value corresponding to the drive amplitude in the zx plane of the
また、駆動振幅モニタ用可動電極108a〜111aと、駆動振幅モニタ用固定電極108b〜111bは、すべて、励振素子105と同じ層であって、歪みの影響を受けにくいデバイス層DLに形成される。このため、トランスファモールド技術を採用する点や、温度、湿度が変動する点などに起因して、角速度センサ素子が形成された半導体チップCHP1に歪みが生じる場合であっても、駆動振幅モニタ用可動電極と駆動振幅モニタ用固定電極との間の距離は変動しにくく、半導体チップCHP1の歪みによって、駆動振幅モニタ用可動電極と駆動振幅モニタ用固定電極とから構成される容量素子の容量値も変動しにくい。つまり、励振素子105のzx平面内での回転振動の振幅を検出している容量素子の容量値は、半導体チップCHP1の歪みによる影響を受けにくい。
Further, the drive amplitude monitor
一方、本実施の形態1では、歪みの影響を受けにくいデバイス層DLに駆動用可動電極106a、107aが形成されているものの、歪みの影響を受けやすいキャップ層CAPLに駆動用固定電極106b、107bが形成されている。このことから、本実施の形態1における角速度センサ素子では、トランスファモールド技術を採用する点や、温度、湿度が変動する点などに起因して、角速度センサ素子が形成された半導体チップCHP1に歪みが発生した場合、歪みによって、駆動用可動電極106a、107aと駆動用固定電極106b、107bとの間の距離が変動するおそれがある。この場合、駆動用可動電極106aと駆動用固定電極106bとから構成される容量素子の容量値や、駆動用可動電極107aと駆動用固定電極107bとから構成される容量素子の容量値が変動するおそれがある。
On the other hand, in the first embodiment, although the driving
この点に関し、本実施の形態1では、歪みの影響を受けにくいデバイス層DLに形成されている駆動振幅モニタ部MU1〜MU4からの出力に基づいて、自動振幅制御を行なっている。つまり、本実施の形態1では、歪みの影響を受けにくいデバイス層DLに形成されている駆動振幅モニタ部MU1〜MU4からの出力に基づいて、励振素子105の振動振幅が一定となるように印加する駆動信号Vdを調整して、駆動用可動電極106a、107aと駆動用固定電極106b、107bとの間に印加される静電気力を調整している。この結果、本実施の形態1によれば、たとえ、半導体チップCHP1に発生する歪みによって、駆動用可動電極106a、107aと駆動用固定電極106b、107bとの間の距離が変動する場合であっても、半導体チップCHP1の歪みによる角速度センサの出力への影響を小さくできる利点が得られる。
In this regard, in the first embodiment, automatic amplitude control is performed based on outputs from the drive amplitude monitor units MU1 to MU4 formed in the device layer DL that is not easily affected by distortion. That is, in the first embodiment, application is performed so that the vibration amplitude of the
また、本実施の形態1における角速度センサ素子の駆動用電極(駆動用可動電極と駆動用固定電極)は、平行平板型の電極構造をしている。しかし、本実施の形態1では、上述したように、励振素子105は、ガスダンピングの影響をほとんど受けない低い圧力の空洞部102の内部に設置されるため、励振素子105のQ値は大きい。このことから、本実施の形態1によれば、平行平板型の電極構造において、変位と静電気力の間に線形関係が成立する線形領域での小さな静電気力を利用して励振素子105に駆動振動を発生させる場合であっても、大きなQ値で励振素子105の駆動振動の振幅を充分に確保することができる。特に、本実施の形態1では、変位に対して駆動力(静電気力)が線形である線形領域を利用して励振素子105に駆動振動を発生させているため、自動振幅制御が不安定化するおそれを低減できる。また、本実施の形態1における角速度センサ素子によれば、小さな静電気力で微小変位を発生させ、大きなQ値で励振素子105の駆動振動の振幅を確保しているため、駆動用電極同士がくっついてしまう、いわゆるプルイン現象の発生を抑制することができる。
In addition, the driving electrodes (the driving movable electrode and the driving fixed electrode) of the angular velocity sensor element according to the first embodiment have a parallel plate type electrode structure. However, in the first embodiment, as described above, the
<検出部の構成>
続いて、本実施の形態1における検出部の構成について説明する。図1に示すように、励振素子105には、励振素子105と一体的に形成された変位検出用可動電極112a、113aが形成されている。そして、図3(a)に示すように、この変位検出用可動電極112a、113aのそれぞれと対向するように、励振素子105と同じデバイス層DLに、変位検出用固定電極112b、113bのそれぞれが形成されている。図1に示すように、変位検出用可動電極112aと、変位検出用固定電極112bとによって、検出部DTU1が構成され、変位検出用可動電極113aと、変位検出用固定電極113bとによって、検出部DTU2が構成される。つまり、検出部DTU1は、変位検出用可動電極112aと変位検出用固定電極112bとからなる容量素子を含んでおり、この容量素子は、半導体チップCHP1に入力される角速度に応じて容量値が変化する。同様に、検出部DTU2は、変位検出用可動電極113aと変位検出用固定電極113bとからなる容量素子を含んでおり、この容量素子は、半導体チップCHP1に入力される角速度に応じて容量値が変化する。
<Configuration of detection unit>
Next, the configuration of the detection unit in the first embodiment will be described. As shown in FIG. 1, displacement detecting
例えば、本実施の形態1において、x軸方向周りの角速度に応じて、検出部DTU1および検出部DTU2の容量値が変化するメカニズムは、以下の通りである。すなわち、zx平面内で駆動振動する励振素子105に対して、x軸方向周りの角速度が入力されると、励振素子105のうち+z方向に速度を持つ部分には、−y方向のコリオリ力が働き、励振素子105のうち−z方向に速度を持つ部分には、+y方向のコリオリ力が働く。励振素子105の変位可能方向は、固定部103を中心としたzx平面内での回転変位と、固定部103を中心としたxy平面内での回転変位である。このため、励振素子105に印加された角速度に基づくコリオリ力は、振動している励振素子105のすべての構成部分について、固定部103からの距離の2乗を乗じた回転モーメントとして顕在化する。
For example, in the first embodiment, the mechanism in which the capacitance values of the detection unit DTU1 and the detection unit DTU2 change according to the angular velocity around the x-axis direction is as follows. That is, when an angular velocity around the x-axis direction is input to the
この結果、励振素子105に印加された角速度に基づくコリオリ力は、固定部103に働くz方向のトルクとして機能する。したがって、励振素子105は、固定部103に働くz方向のトルクの大きさに応じて、固定部103を回転中心としたxy平面内での回転運動をすることになる。このようにして、励振素子105が、xy平面内での回転運動によって、y方向に変位すると、上述した検出部DTU1を構成する容量素子の容量値と、検出部DTU2を構成する容量素子の容量値が変化する。
As a result, the Coriolis force based on the angular velocity applied to the
なお、xy平面内での回転運動は、励振素子105のすべての構成部分からの合成トルクにより発生する。このため、本実施の形態1では、上述した駆動用可動電極106aと駆動用固定電極106bとの間、あるいは、駆動用可動電極107aと駆動用固定電極107bとの間で発生する静電気力が、加工バラツキや電極間距離の変動により等しくなかったとしても、励振素子105のxy平面内での回転運動への影響は少なくなる。
The rotational motion in the xy plane is generated by the combined torque from all the components of the
ここで、図5(a)は、図1のD−D線で切断した断面図である。図5(a)に示すように、励振素子105と一体化されている変位検出用可動電極112aには、段差部がないが、変位検出用固定電極112bには、z方向の上端部と下端部とに、同じ形状の段差部DIFが形成されている。この段差部DIFの高さhは、励振素子105のzx平面内の回転振動の振幅より大きい。したがって、図5(b)に示すように、励振素子105がzx平面内で駆動振動をしていても、変位検出用可動電極112aと変位検出用固定電極112bから構成される容量素子の容量値は、ほとんど変動せず、半導体チップCHP1に印加される角速度に応じてのみ容量値が変動する。
Here, Fig.5 (a) is sectional drawing cut | disconnected by the DD line | wire of FIG. As shown in FIG. 5A, the displacement detection
同様に、図示はしないが、励振素子105と一体化されている変位検出用可動電極113aには、段差部がないが、変位検出用固定電極113bには、z方向の上端部と下端部とに、同じ形状の段差部DIFが形成されている。この段差部DIFの高さhは、励振素子105のzx平面内の駆動振動の振幅より大きい。したがって、励振素子105がzx平面内で駆動振動をしていても、変位検出用可動電極113aと変位検出用固定電極113bから構成される容量素子の容量値は、ほとんど変動せず、半導体チップCHP1に印加される角速度に応じてのみ容量値が変動する。
Similarly, although not shown, the displacement detection
つまり、本実施の形態1における検出部DTU1および検出部DTU2では、例えば、図5(a)に示すように、変位検出用可動電極112aに段差部DIFを設け、かつ、段差部DIFの高さhを、励振素子105のzx平面内の駆動振動の振幅より大きく構成している。これにより、本実施の形態1における検出部DTU1および検出部DTU2は、励振素子105のzx平面内での駆動振動の影響をほとんど受けることなく、コリオリ力に起因する励振素子105の変位だけを、容量素子の容量値の変化として検出することができる。
That is, in the detection unit DTU1 and the detection unit DTU2 in the first embodiment, for example, as shown in FIG. 5A, a step DIF is provided in the displacement detection
ここで、例えば、図1に示すように、変位検出用可動電極112a、113aは、zx平面内で駆動振動する励振素子105のうち、振動振幅が小さい回転軸(固定部103)付近で、励振素子105と接続されている。言い換えれば、本実施の形態1における検出部DTU1および検出部DTU2は、xy平面において、駆動用可動電極106a、107aや、駆動用可動電極106a、107aとz方向に対向する位置に設置されている駆動用固定電極や、駆動振幅モニタ部MU1〜MU4よりも固定部103に近い位置に配置されている。したがって、例えば、変位検出用可動電極112a、113aに段差部DIFを形成する際、変位検出用可動電極112a、113aの上端部と下端部で生じる加工バラツキがあっても、変位検出用可動電極112a、113aの端部からの漏れ電界の差異による容量値の変動の影響を抑制することができる。
Here, for example, as shown in FIG. 1, the displacement detection
また、例えば、図1に示すように、変位検出用固定電極112b、113bは、貫通電極が形成されている位置でのみ支持基板と固定されており、固定されている部分以外の変位検出用固定電極112b、113bの部分には、穴が開けられている。このように、本実施の形態1では、変位検出用固定電極112b、113bを軽量化することにより、変位検出用固定電極112b、113bの固有振動数を高めることができる。このため、本実施の形態1における検出部DTU1および検出部DTU2は、外部からの機械的振動ノイズに影響を受けににくい構造となっている。つまり、本実施の形態1において、変位検出用可動電極112aと変位検出用固定電極112bから構成される容量素子の容量値や、変位検出用可動電極113aと変位検出用固定電極113bから構成される容量素子の容量値は、外部からの機械的振動ノイズに対して変動しにくくなっている。
For example, as shown in FIG. 1, the displacement detection fixed
さらに、本実施の形態1における角速度センサ素子では、変位検出用可動電極112a、113aと、変位検出用固定電極112b、113bは、励振素子105が形成されているデバイス層DLに形成されている。このことから、トランスファモールド技術を採用する点や、温度、湿度が変動する点に起因して、角速度センサ素子が形成された半導体チップCHP1に歪みが発生する場合であっても、変位検出用可動電極112aと変位検出用固定電極112bとの間の距離や、変位検出用可動電極113aと変位検出用固定電極113bとの間の距離は変動しにくく、容量値も変動しにくい。すなわち、本実施の形態1において、検出部DTU1を構成する容量素子の容量値や、検出部DTU2を構成する容量素子の容量値は、半導体チップCHP1の歪みによる影響を受けにくい特徴がある。
Furthermore, in the angular velocity sensor element according to the first embodiment, the displacement detection
<サーボ部の構成>
次に、本実施の形態1におけるサーボ部の構成について説明する。例えば、図1に示すように、励振素子105には、励振素子105と一体的に形成されたサーボ電極可動部114a、115aが形成されている。そして、サーボ電極可動部114a、115aと対向するように、サーボ電極固定部114b、115bが形成されている。これにより、本実施の形態1における角速度センサ素子は、サーボ電極可動部114aとサーボ電極固定部114bとからなるサーボ部SVU1と、サーボ電極可動部115aとサーボ電極固定部115bとからなるサーボ部SVU2とを有している。
<Configuration of servo section>
Next, the configuration of the servo unit in the first embodiment will be described. For example, as shown in FIG. 1, servo electrode
角速度センサ素子が形成された半導体チップCHP1と電気的に接続される半導体チップには、信号処理回路が形成されている。この信号処理回路は、変位検出用可動電極112aと変位検出用固定電極112bから構成される容量素子の容量値や、変位検出用可動電極113aと変位検出用固定電極113bから構成される容量素子の容量値を常に一定に保つように制御している。つまり、上述した信号処理回路は、入力されるx軸方向周りの角速度に応じて、励振素子105が変位しないように、サーボ電極可動部114aとサーボ電極固定部114bとの間や、サーボ電極可動部115aとサーボ電極固定部115bの間に印加する電圧を制御している。
A signal processing circuit is formed on a semiconductor chip electrically connected to the semiconductor chip CHP1 on which the angular velocity sensor element is formed. This signal processing circuit includes a capacitance value of a capacitive element composed of the displacement detection
具体的に、信号処理回路は、互いに対向することにより容量素子を形成しているサーボ電極可動部114aとサーボ電極固定部114bの間に、Vcom+Vsb+Vsdで表される周期的なサーボ信号を印加し、サーボ電極可動部115aとサーボ電極固定部115bの間に、Vcom+Vsb−Vsdで表される周期的なサーボ信号を印加する。そして、励振素子105が接続されている固定部103に貫通電極を介して、Vcomで表される電圧を印加することにより、サーボ電極可動部114aとサーボ電極固定部114bとの間、および、サーボ電極可動部115aとサーボ電極固定部115bとの間には、交互に静電気力が働く。このようにして、信号処理回路は、Vsdを調整して、励振素子105が変位しないように、言い換えれば、信号処理回路は、上述した変位検出用可動電極112aと変位検出用固定電極112bから構成される容量素子の容量値と、変位検出用可動電極113aと変位検出用固定電極113bから構成される容量素子の容量値を一定に保つように制御している。このとき、Vsdは、励振素子105に印加される角速度に比例した値を有していることから、信号処理回路でVsdに適切な比例係数を乗算した出力値が角速度に対応した値となる。これは、ゼロ位法と呼ばれる制御手法である。このゼロ位法によれば、励振素子105がコリオリ力を受けても変位しないことから、xy平面内での回転角度の増加に起因して、支持梁104の内部に応力分布が生じる影響を除去することができる。このため、回転力に対する変位の非線形出力の影響を除去することができ、これによって、本実施の形態1における角速度センサ素子によれば、出力値の非線形性を低減できる。
Specifically, the signal processing circuit applies a periodic servo signal represented by Vcom + Vsb + Vsd between the servo electrode
また、サーボ電極可動部114aとサーボ電極固定部114bとの間、あるいは、サーボ電極可動部115aとサーボ電極固定部115bとの間に働く静電気力は、温度変動によって、ほとんど変化しないとみなせるため、本実施の形態1における角速度センサの感度が温度変動に依存しない利点を得ることができる。
Further, since the electrostatic force acting between the servo electrode
本実施の形態1における角速度センサ素子では、サーボ電極可動部114a、115aと、サーボ電極固定部114b、115bとは、励振素子105と同じデバイス層DLに形成されている。このことから、トランスファモールド技術を採用する点や、温度、湿度が変動する点に起因して、角速度センサ素子が形成された半導体チップCHP1に歪みが発生する場合であっても、サーボ電極可動部114aとサーボ電極固定部114bとの間の距離や、サーボ電極可動部115aとサーボ電極固定部115bとの間の距離は変動しにくく、容量値も変動しにくい。つまり、入力される角速度に応じた励振素子105のxy平面内での回転運動を、信号処理回路での電圧調整により打ち消す機能を有するサーボ部SVU1、SVU2のそれぞれを構成する容量素子の容量値は、半導体チップCHP1に発生する歪みの影響を受けにくい特徴がある。
In the angular velocity sensor element according to the first embodiment, the servo electrode
さらに、本実施の形態1における角速度センサ素子では、図1に示すように、サーボ部SVU1およびサーボ部SVU2が、励振素子105の中でも固定部103に近い部分に形成されている。このため、サーボ部SVU1やサーボ部SVU2で発生する力は、励振素子105に発生するコリオリ力と比べて大きくする必要があり、本実施の形態1における角速度センサによれば、角速度センサの感度を大きくすることができる利点が得られる。
Furthermore, in the angular velocity sensor element according to the first embodiment, as shown in FIG. 1, the servo part SVU1 and the servo part SVU2 are formed in a portion near the
<信号処理回路の構成および動作>
続いて、本実施の形態1における角速度センサの信号処理回路の構成と動作について、本実施の形態1における角速度センサに関連する箇所のみを抜粋して説明する。
<Configuration and operation of signal processing circuit>
Next, the configuration and operation of the signal processing circuit of the angular velocity sensor according to the first embodiment will be described by extracting only portions related to the angular velocity sensor according to the first embodiment.
図6は、本実施の形態1における角速度センサの駆動振動に関する信号処理回路を説明する図である。図6において、半導体チップCHP2には、変調信号(搬送波)を生成する変調信号生成部211が形成されている。そして、変調信号生成部211で生成された変調信号には、バイアス電圧が印加されて、励振素子105に印加される。この変調信号生成部211は、例えば、数百kHzの変調信号を生成できるように構成されているが、数百kHzの変調信号は、角速度センサ素子の励振素子105の固有振動数よりも大きいため、変調信号によって励振素子105は変位しない。このように、変調信号を使用すると、環境ノイズを除去しながら、電極間に形成される容量素子の容量値を測定することができる。
FIG. 6 is a diagram illustrating a signal processing circuit related to driving vibration of the angular velocity sensor according to the first embodiment. In FIG. 6, a modulation
また、半導体チップCHP2には、駆動信号を生成する駆動信号生成部210a、210bが形成されている。この駆動信号生成部210a、210bは、例えば、数十kHzの駆動信号を生成できるように構成されている。駆動信号生成部210bは、駆動信号生成部210aで生成された駆動信号の位相を180度変換した信号を生成する。駆動信号生成部210aで生成された駆動信号には、バイアス電圧が印加されて、駆動用固定電極106bに印加される。また、駆動信号生成部210bで生成された駆動信号は、バイアス電圧が印加されて、駆動用固定電極107bに印加される。これにより、本実施の形態1における角速度センサ素子の励振素子105は、数十kHzの駆動信号によりzx平面内で駆動振動することになる。
The semiconductor chip CHP2 includes drive
さらに、半導体チップCHP2には、演算部212が形成されている。この演算部212は、駆動振幅モニタ用固定電極108b、111bに接続され、励振素子105の回転振動の振幅に対応する容量変化を検出する。この演算部212は、容量電圧変換部(C/V変換部)、A/D変換部、差動検出部、同期検波部を有している。
Further, a
容量電圧変換部は、容量素子C8と容量素子C11の容量変化を電圧信号に変換するオペアンプにより構成されている。続いて、A/D変換部は、容量電圧変換部から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するように構成されている。また、差動検出部は、容量素子C8の容量変化に対応した電圧信号と、容量素子C8の容量変化とは逆である容量素子C11の容量変化に対応した電圧信号との差分を取るように構成されており、同期検波部は、変調信号生成部211で生成された変調信号によって高周波信号に変換された信号から、元の低い周波数の信号を復元するように構成されている。
The capacitive voltage conversion unit is configured by an operational amplifier that converts capacitance changes of the capacitive elements C8 and C11 into voltage signals. Subsequently, the A / D conversion unit is configured to convert the analog signal output from the capacitance voltage conversion unit into a digital signal. Further, the differential detection unit takes a difference between the voltage signal corresponding to the capacitance change of the capacitive element C8 and the voltage signal corresponding to the capacitance change of the capacitive element C11 which is opposite to the capacitance change of the capacitive element C8. The synchronous detection unit is configured to restore the original low frequency signal from the signal converted into the high frequency signal by the modulation signal generated by the modulation
ここで、本実施の形態1において、駆動信号生成部210a、210bで生成され、励振素子105に印加される周期的な駆動信号は、角速度センサ素子の励振素子105の共振周波数とすることが望ましい。これは、共振倍率(Q値)を利用して、駆動変位を増大させることにより、入力エネルギーを効率的に利用でき、これによって、本実施の形態1における角速度センサの低消費電力化を実現することができるからである。
Here, in the first embodiment, the periodic drive signal generated by the drive
このため、半導体チップCHP2に形成されている信号処理回路では、駆動振幅モニタ用固定電極108b、111bより得られる励振素子105の駆動振動の振幅に対応する容量素子C8と容量素子C11との容量変化に基づいて、位相同期回路(Phase Locked Loop:PLL)を用いた自動周波数制御(Automatic Frequency Control:AFC)によるフィードバック制御を行っている。この自動周波数制御により、駆動信号生成部210a、210bで生成される駆動信号の周波数を励振素子105の共振周波数に追従させて、環境温度変動による共振周波数の変動を補償している。
For this reason, in the signal processing circuit formed in the semiconductor chip CHP2, the capacitance change between the capacitive element C8 and the capacitive element C11 corresponding to the amplitude of the drive vibration of the
また、半導体チップCHP2に形成されている信号処理回路では、駆動振幅モニタ用固定電極108b、111bより得られる励振素子105の駆動振動の振幅に対応する容量素子C8と容量素子C11との容量変化に基づいて、自動振幅制御を行っている。この自動振幅制御により、駆動信号生成部210a、210bで生成された駆動信号の大きさ(Vd)を調整して、励振素子105の周期的な強制振動の振幅を常に一定に保ち、本実施の形態1における角速度センサの感度を一定に保持している。
In the signal processing circuit formed on the semiconductor chip CHP2, the capacitance change between the capacitive element C8 and the capacitive element C11 corresponding to the amplitude of the drive vibration of the
ここで、例えば、トランスファモールド技術を採用する点や、温度、湿度が変動する点に起因して、角速度センサ素子が形成された半導体チップCHP1に歪みが発生する場合を考える。このとき、駆動用可動電極106a、107aは、デバイス層DLに形成されている一方、駆動用固定電極106b、107bは、歪みの影響を受けやすいキャップ層CAPLに形成されている。このことから、駆動用可動電極106aと駆動用固定電極106bとの間の距離や、駆動用可動電極107aと駆動用固定電極107bとの間の距離は、変動しやすく、これによって、駆動振動を発生させる容量素子の容量値も変動しやすくなると考えられる。
Here, for example, a case is considered in which distortion occurs in the semiconductor chip CHP1 in which the angular velocity sensor element is formed due to the point that the transfer mold technique is employed and the temperature and humidity fluctuate. At this time, the driving
この点に関し、本実施の形態1では、たとえ、半導体チップCHP1に発生する歪みによって、駆動振動を発生させる容量素子の容量値が変動する場合であっても、自動振幅制御によって、励振素子105の周期的な回転振動の振幅を常に一定に保つことができるため、角速度センサの感度は、半導体チップCHP1の歪みによる影響を受けにくくなる。
In this regard, in the first embodiment, even if the capacitance value of the capacitive element that generates the drive vibration varies due to the distortion generated in the semiconductor chip CHP1, the amplitude of the
次に、図7は、本実施の形態1における角速度センサでの角速度の検出に関する信号処理回路を説明する図である。図7に示すように、半導体チップCHP2には、演算部213が形成されている。この演算部213は、変位検出用固定電極112b、113bと電気的に接続され、コリオリ力によって生じる励振素子105のxy平面内での回転変位に対応する容量変化を検出するように構成されている。
Next, FIG. 7 is a diagram for explaining a signal processing circuit relating to detection of angular velocity by the angular velocity sensor in the first embodiment. As shown in FIG. 7, a
この演算部213は、容量電圧変換部(C/V変換部)、A/D変換部、差動検出部、同期検波部を有している。容量電圧変換部は、容量素子C12と容量素子C13との容量変化を電圧信号に変換するオペアンプにより構成されている。続いて、A/D変換部は、容量電圧変換部から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するように構成されている。差動検出部は、容量素子C12の容量変化に対応した電圧信号と、容量素子C12の容量変化とは逆である容量素子C13の容量変化に対応した電圧信号との差分を取るように構成されており、同期検波部は、変調信号生成部211で生成された変調信号によって高周波信号に変換された信号から、元の低い周波数の信号を復元するように構成されている。
The
また、半導体チップCHP2に形成されている信号処理回路には、演算部213から出力される信号に基づいて、サーボ信号を演算するサーボ信号演算部215(SVO)と、サーボ信号演算部215から出力される信号をD/A変換した後、D/A変換された信号をサーボ信号生成部214a、214bに出力するD/A変換部を有している。
The signal processing circuit formed in the semiconductor chip CHP2 includes a servo signal calculation unit 215 (SVO) that calculates a servo signal based on a signal output from the
さらに、半導体チップCHP2に形成されている信号処理回路は、サーボ信号(サーボ電圧)を生成するサーボ信号生成部214a、214bを有している。このサーボ信号生成部214a、214bは、例えば、数十kHzの駆動信号と同期した周波数の信号を生成できるように構成されている。サーボ信号生成部214bは、サーボ信号生成部214aで生成されたサーボ信号の位相を180度変換したサーボ信号を生成する。サーボ信号生成部214aで生成されたサーボ信号は、バイアス電圧が印加されて、サーボ電極固定部114bに印加される。一方、サーボ信号生成部214bで生成されたサーボ信号は、バイアス電圧が印加されて、サーボ電極固定部115bに印加される。
Furthermore, the signal processing circuit formed in the semiconductor chip CHP2 includes servo
本実施の形態1における角速度センサ素子の励振素子105では、数十kHzの駆動信号と同期したサーボ信号によって、コリオリ力によって生じるxy平面内での回転変位が打ち消されている。なお、サーボ信号演算部215から出力されるサーボ信号は、LPF低帯域通過フィルタ(LPF)で信号処理された後、角速度センサの出力となる。
In the
<角速度センサの実装構成>
次に、本実施の形態1における角速度センサの実装構成について説明する。図8は、本実施の形態1における角速度センサが形成された半導体装置SA1の実装構成を示す断面図であり、図9は、半導体装置SA1内に含まれる半導体チップCHP1を示す断面図である。まず、図8に示すように、半導体装置SA1は、例えば、樹脂からなる封止体MRの内部にチップ搭載部TABが配置されるとともに、リードLDも配置されている。このリードLDの一部は、封止体MRから突き出ており、リードLDは、外部接続端子として機能する。チップ搭載部TAB上には、信号処理回路が形成された半導体チップCHP2が搭載されている。半導体チップCHP2には、信号処理回路を実現するために、トランジスタや受動素子からなる集積回路が形成されている。この半導体チップCHP2に形成されている信号処理回路は、角速度センサ素子からの出力信号を演算して、角速度センサ素子に制御信号を出力する機能を有しており、最終的に、角速度信号を出力する回路である。この角速度信号は、例えば、リードLDを介して、外部機器に出力される。
<Angular velocity sensor mounting configuration>
Next, the mounting configuration of the angular velocity sensor according to the first embodiment will be described. FIG. 8 is a cross-sectional view showing a mounting configuration of the semiconductor device SA1 in which the angular velocity sensor according to the first embodiment is formed, and FIG. 9 is a cross-sectional view showing the semiconductor chip CHP1 included in the semiconductor device SA1. First, as shown in FIG. 8, in the semiconductor device SA1, for example, a chip mounting portion TAB is disposed inside a sealing body MR made of resin, and leads LD are also disposed. A part of the lead LD protrudes from the sealing body MR, and the lead LD functions as an external connection terminal. On the chip mounting portion TAB, a semiconductor chip CHP2 on which a signal processing circuit is formed is mounted. In the semiconductor chip CHP2, an integrated circuit including transistors and passive elements is formed in order to realize a signal processing circuit. The signal processing circuit formed in the semiconductor chip CHP2 has a function of calculating an output signal from the angular velocity sensor element and outputting a control signal to the angular velocity sensor element, and finally outputs an angular velocity signal. It is a circuit to do. This angular velocity signal is output to an external device via, for example, the lead LD.
図8に示すように、半導体チップCHP2に形成されているパッドPD1は、リードLDとワイヤWで電気的に接続されている。 As shown in FIG. 8, the pad PD1 formed on the semiconductor chip CHP2 is electrically connected to the lead LD by a wire W.
さらに、半導体チップCHP2上には、半導体チップCHP1が搭載されている。この半導体チップCHP1には、角速度センサ素子を構成する構造体が形成されている。なお、半導体チップCHP1に形成されているパッドPD2と、半導体チップCHP2に形成されているパッドPD1とは、例えば、ワイヤWで電気的に接続されている。 Further, the semiconductor chip CHP1 is mounted on the semiconductor chip CHP2. The semiconductor chip CHP1 is formed with a structure constituting an angular velocity sensor element. The pad PD2 formed on the semiconductor chip CHP1 and the pad PD1 formed on the semiconductor chip CHP2 are electrically connected by, for example, a wire W.
封止体MRは、例えば、樹脂材料からなる。この封止体MRは、チップ搭載部TAB上に半導体チップCHP2と半導体チップCHP1とを搭載した構造体を金型に設置し、この金型内に高温で溶融した樹脂材料を1〜10MPa程度の圧力で射出した後、樹脂材料を冷却して硬化させることにより形成される。つまり、封止体MRは、トランスファモールド技術によって形成される。 The sealing body MR is made of, for example, a resin material. This sealing body MR has a structure in which a semiconductor chip CHP2 and a semiconductor chip CHP1 are mounted on a chip mounting portion TAB in a mold, and a resin material melted at a high temperature in the mold is about 1 to 10 MPa. After injection with pressure, the resin material is cooled and cured. That is, the sealing body MR is formed by a transfer mold technique.
このトランスファモールド技術は、従来のセラミックパッケージ技術よりも量産性が高いため、角速度センサの製造コストを低減する上で有効な技術である。しかし、空洞部102を有する半導体チップCHP1のうち、樹脂材料からなる封止体MRと接するキャップ層CAPLは、樹脂材料を金型内に射出する際の圧力で圧迫されて、図9に示すように変形する。また、封止体MRを構成する樹脂材料は、温度変動と吸湿によって体積が膨張するととともに、乾燥によって体積が収縮する特徴がある。したがって、半導体装置SA1が配置される環境の温度や湿度が変動すると、封止体MRの膨張と収縮により、封止体MRの内部に配置された半導体チップCHP1に歪みが発生し、図9に示す変形の大きさが変動する。つまり、封止体MRを形成する際や、半導体装置SA1が設置される環境の温度や湿度が変動する場合、デバイス層DLに形成される駆動用可動電極106a、107aと、半導体チップCHP1に発生する歪みの影響を受けやすいキャップ層CAPLに形成されている駆動用固定電極106b、107bとの間の距離は変動し、励振素子105に駆動振動を発生させる容量素子の容量値が変動する。
This transfer mold technology is more effective in reducing the manufacturing cost of the angular velocity sensor because it has higher mass productivity than the conventional ceramic package technology. However, in the semiconductor chip CHP1 having the
この点に関し、本実施の形態1では、角速度センサ素子が形成された半導体チップCHP1と電気的に接続される半導体チップCHP2に信号処理回路が形成されている。そして、この信号処理回路では、駆動振幅モニタ部MU1〜MU4から得られる励振素子105の駆動振動の振幅に対応する容量変化に基づいて、励振素子105の駆動振動の振幅を常に一定に保つように自動振幅制御を行なっている。特に、本実施の形態1では、上述した駆動振幅モニタ部MU1〜MU4が、半導体チップCHP1に発生する歪みの影響を受けにくいデバイス層DLに形成されているため、駆動振幅モニタ部MU1〜MU4は、半導体チップCHP1に発生する歪みの影響を受けにくく、精度の高い自動振幅制御を実現できる利点がある。つまり、本実施の形態1における角速度センサによれば、トランスファモールド技術を採用する点や、温度、湿度が変動する点に起因して、角速度センサ素子が形成された半導体チップCHP1に歪みが発生して、例えば、駆動用可動電極106aと駆動用固定電極106bの間の距離が変動しても、角速度センサの出力への影響を少なくすることができる利点が得られる。
In this regard, in the first embodiment, the signal processing circuit is formed in the semiconductor chip CHP2 electrically connected to the semiconductor chip CHP1 in which the angular velocity sensor element is formed. In this signal processing circuit, the amplitude of the drive vibration of the
また、本実施の形態1において、駆動振幅モニタ部MU1〜MU4は、励振素子105と同じデバイス層DLに形成されるため、半導体チップCHP1に生じる歪みによって、駆動振幅モニタ部MU1〜MU4の容量値も変動しにくい。つまり、励振素子105のzx平面内での駆動振動の振幅を検出している容量素子の容量値は、半導体チップCHP1の歪みによる影響を受けにくい。
In the first embodiment, since the drive amplitude monitor units MU1 to MU4 are formed in the same device layer DL as the
さらに、変位検出用可動電極112a、113aと変位検出用固定電極112b、113bも、励振素子105と同じデバイス層DLに形成されるため、トランスファモールド技術を採用する点や、温度、湿度が変動する点に起因して、角速度センサ素子が形成された半導体チップCHP1に歪みが発生しても、検出部DTU1、DTU2のそれぞれを構成する容量素子の容量値も変動しにくい。つまり、半導体チップCHP1に印加される角速度に応じて容量値が変化する検出部DTU1、DTU2は、半導体チップCHP1の歪みの影響を受けにくい。
Furthermore, since the displacement detection
同様に、サーボ電極可動部114a、115aとサーボ電極固定部114b、115bも、励振素子105と同じデバイス層DLに形成されるため、トランスファモールド技術を採用する点や、温度、湿度が変動する点に起因して、角速度センサ素子が形成された半導体チップCHP1に歪みが発生しても、サーボ部SVU1、SVU2のそれぞれを構成する容量素子の容量値も変動しにくい。つまり、入力される角速度に応じた励振素子105のxy平面内での回転運動を電圧調整によって打ち消す機能を有するサーボ部SVU1、SVU2は、半導体チップCHP1の歪みによる影響を受けにくい。
Similarly, since the servo electrode
以上のことから、本実施の形態1における角速度センサは、半導体チップCHP1の表面と並行な平面をxy平面として定義する場合、xy平面に励振素子105、駆動振幅モニタ部MU1〜MU4、検出部DTU1〜DTU2、サーボ部SVU1〜SUV2などを有する。そして、本実施の形態1における角速度センサは、xy平面に垂直なzx平面内で、励振素子105を駆動振動(回転振動)させながら、xy平面内に含まれる回転軸方向周りの角速度が印加された際、xy平面内において回転軸方向とは直交する検出方向に生じるコリオリ力に対応した変位を検出し、検出した変位に基づいて角速度を出力する。
From the above, in the angular velocity sensor according to the first embodiment, when a plane parallel to the surface of the semiconductor chip CHP1 is defined as the xy plane, the
このように構成されている本実施の形態1における角速度センサによれば、例えば、角速度センサの小型化や低コスト化に有利なトランスファモールド技術を適用する場合であっても、角速度センサの性能や信頼性の低下を抑制することができる。言い換えれば、本実施の形態1における角速度センサは、樹脂の充填圧力、環境温度や湿度の変動による樹脂の膨張や収縮、経時的な材料物性の変化に起因にする樹脂の変形などが生じても、角速度センサの性能や信頼性への影響を抑制することができる。このため、本実施の形態1における角速度センサによれば、性能や信頼性の低下を招くことなく、トランスファモールド技術を適用できるため、角速度センサの小型化や低コスト化を図ることができる。 According to the angular velocity sensor of the first embodiment configured as described above, for example, even when the transfer mold technology advantageous for downsizing and cost reduction of the angular velocity sensor is applied, the performance of the angular velocity sensor A decrease in reliability can be suppressed. In other words, the angular velocity sensor according to the first embodiment is not affected by resin filling pressure, resin expansion and contraction due to changes in environmental temperature and humidity, and resin deformation caused by changes in material properties over time. The influence on the performance and reliability of the angular velocity sensor can be suppressed. For this reason, according to the angular velocity sensor in the first embodiment, the transfer mold technique can be applied without causing a decrease in performance and reliability, so that the angular velocity sensor can be reduced in size and cost.
(実施の形態2)
<角速度センサ素子の平面構成>
次に、本実施の形態2における角速度センサ素子について、図面を参照しながら説明する。図10は、本実施の形態2における角速度センサ素子が形成された半導体チップCHP1の構成を示す平面図である。図10において、枠部101に囲まれるように空洞部102とダミー部116とが形成されている。そして、空洞部102の内部には、固定部103が設けられており、この固定部103には、弾性変形部である支持梁104が接続されている。支持梁104は、角速度センサ素子の励振素子105と接続されている。ここで、本実施の形態2における励振素子105は、例えば、コリオリ力に基づくxy平面内の変位を検出する検出部DTU1〜DTU4と一体的に形成されており、この励振素子105と検出部DTU1〜DTU4とを含む可動部が構成される。
(Embodiment 2)
<Planar configuration of angular velocity sensor element>
Next, the angular velocity sensor element according to the second embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 10 is a plan view showing the configuration of the semiconductor chip CHP1 in which the angular velocity sensor element according to the second embodiment is formed. In FIG. 10, a
支持梁104は、例えば、固定部103からy方向に2本の梁を伸ばした構造からなる。このように支持梁104を構成する本実施の形態2における角速度センサ素子は、例えば、角速度センサ素子が衝撃を受けることにより、支持梁104に変形が加わって、2本の梁のうちの1本が破壊されると、共振周波数が1/√2倍に変化するため、角速度センサ素子の故障を把握しやすいという利点が得られる。
The
図10に示すように、本実施の形態2における角速度センサ素子は、励振素子105の一部を構成する駆動用可動電極106aと駆動用可動電極107aとを有している。駆動用可動電極106aと、図10では示されない駆動用固定電極との間、および、駆動用可動電極107aと、図10では示されない駆動用固定電極との間に電圧を印加して静電気力を発生させることにより、励振素子105は、半導体チップCHP1の厚さ方向であるz方向を含むzx平面内で駆動振動(回転振動)することになる。
As shown in FIG. 10, the angular velocity sensor element according to the second embodiment includes a driving
そして、本実施の形態2における角速度センサ素子は、図10に示すように、2つの駆動振幅モニタ部MU1〜MU2有している。このとき、駆動振幅モニタ部MU1は、励振素子105と一体的に形成された駆動振幅モニタ用可動電極108aと、支持基板に固定された駆動振幅モニタ用固定電極108bと、から構成されている。同様に、駆動振幅モニタ部MU2は、励振素子105と一体的に形成された駆動振幅モニタ用可動電極109aと、支持基板に固定された駆動振幅モニタ用固定電極109bと、から構成されている。
And the angular velocity sensor element in this Embodiment 2 has two drive amplitude monitor parts MU1-MU2 as shown in FIG. At this time, the drive amplitude monitor unit MU1 includes a drive amplitude monitor
さらに、図10に示すように、本実施の形態2における角速度センサ素子は、4つの検出部DTU1〜DTU4を有している。このとき、検出部DTU1は、励振素子105と一体的に形成された変位検出用可動電極112aと、支持基板に固定された変位検出用固定電極112bと、から構成され、検出部DTU2は、励振素子105と一体的に形成された変位検出用可動電極112cと、支持基板に固定された変位検出用固定電極112dと、から構成されている。同様に、検出部DTU3は、励振素子105と一体的に形成された変位検出用可動電極113aと、支持基板に固定された変位検出用固定電極113bと、から構成され、検出部DTU4は、励振素子105と一体的に形成された変位検出用可動電極113cと、支持基板に固定された変位検出用固定電極113dと、から構成されている。
Furthermore, as shown in FIG. 10, the angular velocity sensor element according to the second embodiment has four detection units DTU1 to DTU4. At this time, the detection unit DTU1 includes a displacement detection
また、図10に示すように、本実施の形態2における角速度センサ素子は、2つのサーボ部SVU1〜SUV2を有している。サーボ部SVU1は、励振素子105と一体的に形成されたサーボ電極可動部114aと、支持基板に固定されたサーボ電極固定部114bと、から構成され、サーボ部SVU2は、励振素子105と一体的に形成されたサーボ電極可動部115aと、支持基板に固定されたサーボ電極固定部115bと、から構成されている。
As shown in FIG. 10, the angular velocity sensor element according to the second embodiment has two servo units SVU1 to SUV2. The servo unit SVU1 includes a servo electrode
<角速度センサ素子の断面構成>
続いて、本実施の形態2における角速度センサ素子の断面構造について、図面を参照しながら説明する。図11(a)は、図10のA−A線で切断した断面図である。図11(a)に示すように、角速度センサ素子が形成される半導体チップCHP1は、例えば、単結晶シリコンからなる支持基板1Sを有している。この支持基板1Sの表面(上面、主面)には、例えば、酸化シリコン膜からなる絶縁層131が形成されており、この絶縁層131の上方にデバイス層DLが形成され、デバイス層DLの上方にキャップ層CAPLが形成されている。そして、支持基板1Sとデバイス層DLとの間、および、デバイス層DLとキャップ層CAPLとの間には、空洞部102が形成されている。
<Cross-sectional configuration of angular velocity sensor element>
Subsequently, a cross-sectional structure of the angular velocity sensor element according to the second embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 11A is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. As shown in FIG. 11A, the semiconductor chip CHP1 in which the angular velocity sensor element is formed has a
デバイス層DLには、単結晶シリコンで形成される枠部101、固定部103、励振素子105、サーボ電極可動部114a、115a、サーボ電極固定部114b、115b、駆動用可動電極106a、107a、変位検出用可動電極112a、112c、113a、113c、変位検出用固定電極112b、112d、113b、113dなどの図10に示される構成要素が形成されている。さらに、デバイス層DLには、駆動振幅モニタ用可動電極108a〜109a、駆動振幅モニタ用固定電極108b〜109b、および、支持梁104なども形成されている。
The device layer DL includes a
キャップ層CAPLは、単結晶シリコンからなるキャップ部140、絶縁層141、導電膜142、保護膜143、励振素子105をzx平面内で振動させるための電圧が印加される駆動用固定電極106b、107b、および、貫通電極などが形成されている。
The cap layer CAPL is a fixed electrode for driving 106b, 107b to which a voltage for vibrating the
本実施の形態2における角速度センサ素子では、キャップ部140とデバイス層DLとを接合し、角速度センサ素子をキャップ部140で保護する。特に、本実施の形態2における角速度センサ素子では、図11(a)に示すように、接続領域CR1で支持基板1Sとデバイス層DLとが接合され、接続領域CR2でデバイス層DLとキャップ層CAPLとが接続されている。
In the angular velocity sensor element according to the second embodiment, the
図11(a)に示すように、キャップ部140のうち、励振素子105がzx平面内で駆動振動(回転振動)する場合に最大振幅が生じる部分に相対する領域は、励振素子105に駆動力を与える駆動用固定電極106b、107bよりも、凹んだ構造となっている。少ない電極占有面積で大きな静電気力を得るためには、駆動用可動電極106aと駆動用固定電極106bとの間の距離や、駆動用可動電極107aと駆動用固定電極107bとの間の距離は、なるべく近いことが望ましい。一方、角速度センサの感度を高くするためには、励振素子105の駆動振動の振幅が大きいことが望ましい。
As shown in FIG. 11A, a region of the
この点に関し、本実施の形態2における角速度センサ素子では、駆動用固定電極106b、107bがzx平面内の回転振動軸である固定部103に近い場所に設置され、かつ、励振素子105の端部に相対するキャップ部140の領域が凹んだ構造をしている。このため、本実施の形態2における角速度センサ素子によれば、駆動用可動電極106aと駆動用固定電極106bとの間の距離や、駆動用可動電極107aと駆動用固定電極107bとの間の距離を近くしながら、励振素子105の端部での駆動振幅を大きくすることができる利点が得られる。
In this regard, in the angular velocity sensor element according to the second embodiment, the driving fixed
<駆動電極の構成>
次に、本実施の形態2における駆動電極の構成について説明する。図10において、励振素子105のうち、破線で示された領域には、駆動用可動電極106a、107aが形成されている。図11(a)に示すように、デバイス層DLに形成されている駆動用可動電極106a、107aの上方で、かつ、駆動用可動電極106a、107aと対向する位置には、駆動用固定電極106bおよび駆動用固定電極107bが形成されている。
<Configuration of drive electrode>
Next, the structure of the drive electrode in this Embodiment 2 is demonstrated. In FIG. 10, driving
このように配置することにより、駆動用可動電極106aと駆動用固定電極106bとによって容量素子が形成されるとともに、駆動用可動電極107aと駆動用固定電極107bとによって容量素子が形成される。
With this arrangement, a capacitive element is formed by the driving
例えば、本実施の形態2における角速度センサ素子では、互いに対向することにより容量素子を形成している駆動用可動電極106aと駆動用固定電極106bとの間に、Vcom+Vb+Vdで表される周期的な駆動信号が印加され、駆動用可動電極107aと駆動用固定電極107bとの間にVcom+Vb−Vdで表される周期的な駆動信号が印加される。さらに、本実施の形態2における角速度センサ素子では、励振素子105と電気的に接続されている固定部103に、貫通電極を介してVcomで表される電圧が印加される。これにより、駆動用可動電極106aと駆動用固定電極106bとの間、および、駆動用可動電極107aと駆動用固定電極107bとの間には、交互に静電気力が働く。この結果、図11(b)の破線で示すように、励振素子105は、zx平面内で駆動振動(回転振動)することになる。
For example, in the angular velocity sensor element according to the second embodiment, a periodic drive represented by Vcom + Vb + Vd is provided between the drive
ここで、例えば、電極間の対向面積をS、電極間距離をd、真空の誘電率をε0、電極間物質の比誘電率をεr、電極間の電位差をVとした場合、電極間に働く静電気力Feは、(式1)で表すことができる。 Here, for example, when the facing area between the electrodes is S, the distance between the electrodes is d, the vacuum dielectric constant is ε0, the relative dielectric constant of the interelectrode material is εr, and the potential difference between the electrodes is V, it works between the electrodes. The electrostatic force Fe can be expressed by (Formula 1).
Fe=ε0・εr・S・V2/(2・d2) ・・・(式1)
この(式1)から、少ない電極占有面積で大きな静電気力を得るためには、駆動用可動電極106aと駆動用固定電極106bとの間の距離、および、駆動用可動電極107aと駆動用固定電極107bとの間の距離は小さいことが望ましいことがわかる。
Fe = ε0 · εr · S · V 2 / (2 · d 2 ) (Formula 1)
From this (Equation 1), in order to obtain a large electrostatic force with a small electrode occupation area, the distance between the drive
一方、駆動振動している励振素子105に働くコリオリ力Fcは、入力される角速度をΩ、励振素子105の質量をm、駆動振動の周波数(角振動数)をωd、駆動振動の振幅をAdとした場合、コリオリ力Fcは、(式2)で表すことができる。
On the other hand, the Coriolis force Fc acting on the
Fc=2・m・Ω・Ad・ωd ・・・(式2)
この(式2)から、角速度センサの感度を高くするにためには、駆動振動の振幅が大きいことが望ましいことがわかる。したがって、(式1)から少ない電極占有面積で大きな静電気力を得る観点からは、電極間距離は小さくすることが望ましい一方、(式2)から角速度センサの感度を高くする観点からは、電極間距離を大きくすることにより、駆動振動の振幅を大きくすることが望ましいことになる。つまり、少ない電極占有面積で大きな静電気力を得ることと、角速度センサの感度を向上することとは、トレードオフの関係にあることになる。
Fc = 2 · m · Ω · Ad · ωd (Formula 2)
From this (Equation 2), it can be seen that it is desirable that the amplitude of the drive vibration is large in order to increase the sensitivity of the angular velocity sensor. Therefore, from the viewpoint of obtaining a large electrostatic force with a small electrode occupation area from (Equation 1), it is desirable to reduce the distance between the electrodes, while from the viewpoint of increasing the sensitivity of the angular velocity sensor from (Equation 2), It is desirable to increase the amplitude of the drive vibration by increasing the distance. In other words, obtaining a large electrostatic force with a small electrode occupation area and improving the sensitivity of the angular velocity sensor are in a trade-off relationship.
この点に関し、本実施の形態2において、図11(a)に示すように、駆動用固定電極106b、107bは、例えば、駆動振幅モニタ部MU1〜MU2よりも、zx平面内の回転振動軸である固定部103に近い場所に設置されている。したがって、本実施の形態2における角速度センサ素子は、駆動用可動電極106aと駆動用固定電極106bとの間の距離、および、駆動用可動電極107aと駆動用固定電極107bとの間の距離を小さくしながら、励振素子105の端部における駆動振動の振幅を大きく取ることができる特徴がある。
In this regard, in the second embodiment, as shown in FIG. 11A, the fixed electrodes for driving 106b and 107b have a rotational vibration axis in the zx plane, for example, more than the driving amplitude monitoring units MU1 to MU2. It is installed at a location close to a fixed
<駆動振幅モニタ部の構成>
続いて、本実施の形態2における駆動振幅モニタ部の構成について説明する。図10に示すように、励振素子105には、励振素子105と一体的に形成された駆動振幅モニタ用可動電極108a、109aが形成されている。そして、図11(a)に示すように、この駆動振幅モニタ用可動電極108a、109aのそれぞれと対向するように、励振素子105が形成されたデバイス層DLに駆動振幅モニタ用固定電極108b、109bのそれぞれが形成されている。これにより、駆動振幅モニタ用可動電極108a、109aのそれぞれと、駆動振幅モニタ用固定電極108b、109bのそれぞれによって、2つの容量素子が形成され、これらの2つの容量素子が、デバイス層DLに形成される2つの駆動振幅モニタ部MU1〜MU2となる。このとき、2つの駆動振幅モニタ部MU1〜MU2のそれぞれを構成する2つの容量素子では、励振素子105がzx平面内での駆動振動によりz方向に変位すると、容量値が変化する。
<Configuration of drive amplitude monitor unit>
Next, the configuration of the drive amplitude monitor unit in the second embodiment will be described. As shown in FIG. 10, the
ここで、図11(a)に示すように、例えば、駆動振幅モニタ用可動電極108aには、+z方向側の上端部に段差部DIF1が形成され、駆動振幅モニタ用固定電極108bには、−z方向側の下端部に段差部DIF2が形成されている。これにより、例えば、励振素子105がzx平面内で反時計回りに回転する場合、駆動振幅モニタ用可動電極108aと駆動振幅モニタ用固定電極108bとから構成される容量素子の容量値は増加する。一方、励振素子105がzx平面内で時計回りに回転する場合、駆動振幅モニタ用可動電極108aと駆動振幅モニタ用固定電極108bとから構成される容量素子の容量値は減少する。したがって、本実施の形態2によれば、上述した段差部DIF1と段差部DIF2を設けることにより、励振素子105の回転方向を区別することができる。
Here, as shown in FIG. 11A, for example, the drive amplitude monitor
また、駆動振幅モニタ用可動電極109aにも、+z方向側の上端部に段差部DIF1が形成され、駆動振幅モニタ用固定電極109bにも、−z方向側の下端部に段差部DIF2が形成されている。これにより、例えば、励振素子105がzx平面内で反時計回りに回転する場合、駆動振幅モニタ用可動電極109aと駆動振幅モニタ用固定電極109bとから構成される容量素子の容量値は減少する。一方、励振素子105がzx平面内で時計回りに回転する場合、駆動振幅モニタ用可動電極109aと駆動振幅モニタ用固定電極109bとから構成される容量素子の容量値は増加する。
Further, the stepped portion DIF1 is formed at the upper end portion on the + z direction side in the driving amplitude monitor
本実施の形態2において、励振素子105を含むデバイス層DLをシリコン深堀エッチング(DRIE)で加工する際には、励振素子105の+z方向側からイオンを照射して加工する。このため、励振素子105の−z方向側の加工形状にバラツキが生じやすい。したがって、本実施の形態2における角速度センサ素子では、段差部DIF1を励振素子105の+z方向側の上端部に形成することにより、加工バラツキに起因する励振素子105の質量バラツキを低減する効果を得ることができる。つまり、本実施の形態2における角速度センサ素子では、加工バラツキによる励振素子105の固有振動数の変動を抑制することができる。
In the second embodiment, when the device layer DL including the
なお、本実施の形態2においても、角速度センサ素子が形成された半導体チップCHP1と電気的に接続される半導体チップCHP2には、信号処理回路が形成されている。そして、この信号処理回路では、駆動振幅モニタ部MU1〜MU2から得られる容量変化に基づいて、自動振幅制御を行って、励振素子105の駆動振動の振幅を一定に保っている。また、本実施の形態2においても、駆動振幅モニタ部MU1〜MU2から得られる容量変化に基づいて、自動周波数制御を行って、励振素子105の振動周波数を一定に保っている。さらに、本実施の形態2でも、駆動振幅モニタ部MU1〜MU2の構成要素が、励振素子105と同じデバイス層DLに形成されている。このため、トランスファモールド技術を採用する点や、温度や湿度が変動する点に起因して、角速度センサ素子が形成された半導体チップCHP1に歪みが生じても、駆動振幅モニタ部MU1〜MU2を構成する容量素子の容量値も変動しにくい。つまり、本実施の形態2における角速度センサ素子も、励振素子105のzx平面内における駆動振動の振幅を検出している容量素子の容量値は、半導体チップCHP1の歪みによる影響を受けにくい。
Also in the second embodiment, a signal processing circuit is formed in the semiconductor chip CHP2 electrically connected to the semiconductor chip CHP1 in which the angular velocity sensor element is formed. In this signal processing circuit, automatic amplitude control is performed based on the capacitance change obtained from the drive amplitude monitor units MU1 to MU2, and the amplitude of the drive vibration of the
一方、角速度センサ素子が形成された半導体チップCHP1に歪みが発生して、デバイス層DLに形成されている駆動用可動電極106a、107aと、キャップ層CAPLに形成されている駆動用固定電極106b、107bとの間の距離が変動して、容量値が変動することが考えられる。ただし、この場合であっても、本実施の形態2における角速度センサ素子は、半導体チップCHP1の歪みの影響を受けにくいデバイス層DLに形成された駆動振幅モニタ部MU1〜MU2からの容量変化に基づいて、自動振幅制御を行なっているため、角速度センサの出力への影響を少なくすることができる。
On the other hand, distortion occurs in the semiconductor chip CHP1 in which the angular velocity sensor element is formed, and the driving
<検出部の構成>
次に、本実施の形態2における検出部の構成について説明する。図10に示すように、励振素子105には、励振素子105と一体的に形成された変位検出用可動電極112a、112c、113a、113cが形成されている。そして、この変位検出用可動電極112a、112c、113a、113cのそれぞれと対向するように、変位検出用固定電極112b、112d、113b、113dのそれぞれが形成されている。
<Configuration of detection unit>
Next, the structure of the detection part in this Embodiment 2 is demonstrated. As shown in FIG. 10, displacement detection
図1に示すように、変位検出用可動電極112aと、変位検出用固定電極112bとによって、検出部DTU1が構成され、変位検出用可動電極112cと、変位検出用固定電極112dとによって、検出部DTU2が構成される。つまり、検出部DTU1は、変位検出用可動電極112aと変位検出用固定電極112bとからなる容量素子を含んでおり、この容量素子は、半導体チップCHP1に入力される角速度に応じて容量値が変化する。同様に、検出部DTU2は、変位検出用可動電極112cと変位検出用固定電極112dとからなる容量素子を含んでおり、この容量素子は、半導体チップCHP1に入力される角速度に応じて容量値が変化する。
As shown in FIG. 1, a detection unit DTU1 is configured by the displacement detection
また、変位検出用可動電極113aと、変位検出用固定電極113bとによって、検出部DTU3が構成され、変位検出用可動電極113cと、変位検出用固定電極113dとによって、検出部DTU4が構成される。つまり、検出部DTU3は、変位検出用可動電極113aと変位検出用固定電極113bとからなる容量素子を含んでおり、この容量素子は、半導体チップCHP1に入力される角速度に応じて容量値が変化する。同様に、検出部DTU4は、変位検出用可動電極113cと変位検出用固定電極113dとからなる容量素子を含んでおり、この容量素子は、半導体チップCHP1に入力される角速度に応じて容量値が変化する。
Further, the detection unit DTU3 is configured by the displacement detection
図12(a)は、図10のB−B線で切断した断面図である。図12(a)に示すように、変位検出用固定電極112bには、切り欠きがないが、励振素子105と一体化されている変位検出用可動電極112aには、+z方向側と−z方向側とに切り欠きがある。言い換えれば、zx平面内において、変位検出用可動電極112aのz方向の長さは、変位検出用固定電極112bのz方向の長さよりも小さくなっているということもできる。
12A is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. As shown in FIG. 12A, the displacement detection fixed
そして、切り欠きの高さhは、励振素子105のzx平面内での駆動振動(回転振動)の振幅よりも大きくなっている。したがって、図12(b)に示すように、励振素子105がzx平面内で駆動振動(回転振動)をしていても、変位検出用可動電極112aは、変位検出用固定電極112bからはみ出さない。この結果、変位検出用可動電極112aと変位検出用固定電極112bから形成される容量素子の容量値は変動せず、半導体チップCHP1に入力される角速度に応じてのみ容量値が変動することになる。
The height h of the notch is larger than the amplitude of the drive vibration (rotational vibration) in the zx plane of the
なお、切り欠きが励振素子105と一体化されている変位検出用可動電極112aに形成されているため、励振素子105の質量を低減することができ、これによって、本実施の形態2における角速度センサ素子では、励振素子105の固有振動数を高めることができる。したがって、本実施の形態2における角速度センサ素子は、低周波帯域の機械的振動ノイズに対して、励振素子105の振動状態がロバストとなる(影響を受けにくい)特徴を有することになる。
In addition, since the notch is formed in the displacement detection
また、図10に示すように、本実施の形態2における検出部DTU1〜DTU4は、xy平面内において、駆動用可動電極106a、107aよりも、xy平面内の回転中心である固定部103から離れた位置に形成されている。このことから、本実施の形態2における検出部DTU1〜DTU4は、xy平面内の回転中心である固定部103に近い位置に形成される場合と比べて、角速度センサ素子が形成された半導体チップCHP1に印加される角速度がゼロの場合の初期容量値は同じでありながら、半導体チップCHP1に印加される角速度がゼロではない場合に生じる容量値の変化を大きくすることができる。
As shown in FIG. 10, the detection units DTU1 to DTU4 in the second embodiment are farther away from the fixed
本実施の形態2における角速度センサ素子でも、検出部DTU1〜DTU4の構成要素が、励振素子105と同じデバイス層DLに形成されている。このため、トランスファモールド技術を採用する点や、温度や湿度が変動する点に起因して、角速度センサ素子が形成された半導体チップCHP1に歪みが生じても、検出部DTU1〜DTU4のそれぞれを構成する容量素子の容量値も変動しにくい。つまり、半導体チップCHP1に印加される角速度に応じて容量値が変化する検出部DTU1〜DTU4において、検出部DTU1〜DTU4のそれぞれを構成する容量素子の容量値は、半導体チップCHP1に生じる歪みの影響を受けにくい。
In the angular velocity sensor element according to the second embodiment, the components of the detection units DTU1 to DTU4 are formed in the same device layer DL as the
<サーボ部の構成>
続いて、本実施の形態2におけるサーボ部の構成について説明する。例えば、図10に示すように、励振素子105には、励振素子105と一体的に形成されたサーボ電極可動部114a、115aが形成されている。そして、サーボ電極可動部114a、115aと対向するように、サーボ電極固定部114b、115bが形成されている。これにより、本実施の形態2における角速度センサ素子は、サーボ電極可動部114aとサーボ電極固定部114bとからなるサーボ部SVU1と、サーボ電極可動部115aとサーボ電極固定部115bとからなるサーボ部SVU2とを有している。
<Configuration of servo section>
Next, the configuration of the servo unit in the second embodiment will be described. For example, as shown in FIG. 10, servo electrode
角速度センサ素子が形成された半導体チップCHP1と電気的に接続される半導体チップには、信号処理回路が形成されている。この信号処理回路は、検出部DTU1〜DTU4のそれぞれを構成する容量素子の容量値を常に一定に保つように制御している。つまり、上述した信号処理回路は、入力されるx軸方向周りの角速度に応じて、励振素子105が変位しないように、サーボ部SVU1やサーボ部SVU2に印加する電圧を制御している。
A signal processing circuit is formed on a semiconductor chip electrically connected to the semiconductor chip CHP1 on which the angular velocity sensor element is formed. This signal processing circuit controls so that the capacitance values of the capacitive elements constituting each of the detection units DTU1 to DTU4 are always kept constant. That is, the signal processing circuit described above controls the voltage applied to the servo unit SVU1 and the servo unit SVU2 so that the
本実施の形態2における角速度センサでも、サーボ部SVU1〜SVU2の構成要素が、励振素子105と同じデバイス層DLに形成されている。このため、トランスファモールド技術を採用する点や、温度や湿度が変動する点に起因して、角速度センサ素子が形成された半導体チップCHP1に歪みが生じても、サーボ部SVU1〜SVU2のそれぞれを構成する容量素子の容量値も変動しにくい。つまり、入力される角速度に応じた励振素子105のxy平面内での変位を電圧調整により打ち消すサーボ部SVU1〜SVU2は、半導体チップCHP1に生じる歪みの影響を受けにくい。
Also in the angular velocity sensor according to the second embodiment, the components of the servo units SVU1 to SVU2 are formed in the same device layer DL as the
以上のことから、本実施の形態2における角速度センサによれば、例えば、角速度センサの小型化や低コスト化に有利なトランスファモールド技術を適用する場合であっても、角速度センサの性能や信頼性の低下を抑制することができる。言い換えれば、本実施の形態2における角速度センサは、樹脂の充填圧力、環境温度や湿度の変動による樹脂の膨張や収縮、経時的な材料物性の変化に起因にする樹脂の変形などが生じても、角速度センサの性能や信頼性への影響を抑制することができる。このため、本実施の形態2における角速度センサによれば、性能や信頼性の低下を招くことなく、トランスファモールド技術を適用できるため、角速度センサの小型化や低コスト化を図ることができる。 From the above, according to the angular velocity sensor according to the second embodiment, for example, even when the transfer mold technique advantageous for downsizing and cost reduction of the angular velocity sensor is applied, the performance and reliability of the angular velocity sensor are applied. Can be suppressed. In other words, the angular velocity sensor according to the second embodiment is not affected by resin filling pressure, resin expansion and contraction due to changes in environmental temperature and humidity, and resin deformation caused by changes in material properties over time. The influence on the performance and reliability of the angular velocity sensor can be suppressed. For this reason, according to the angular velocity sensor in the present second embodiment, the transfer mold technique can be applied without incurring a decrease in performance and reliability, so that the angular velocity sensor can be reduced in size and cost.
(実施の形態3)
<基本動作>
まず、本実施の形態3における角速度センサ素子の動作の概要について説明する。角速度センサ素子の励振素子(可動部)は、全体が一体化し、中央部にある固定部を支点として、駆動梁の変形を伴いながら、y軸方向を回転軸とするzx平面(第1平面)内で回転振動をしている。回転角度が小さいとき、励振素子の運動は、z方向の振動とみなすことができる。つまり、本実施の形態3において、励振素子は、半導体チップの厚さ方向であるz方向に振動可能なように構成されていることになる。
(Embodiment 3)
<Basic operation>
First, the outline | summary of operation | movement of the angular velocity sensor element in this Embodiment 3 is demonstrated. The excitation element (movable part) of the angular velocity sensor element is integrated as a whole, and the zx plane (first plane) with the fixed part at the center as a fulcrum and the deformation of the drive beam as the rotation axis in the y-axis direction. Rotating vibration inside. When the rotation angle is small, the movement of the excitation element can be regarded as vibration in the z direction. That is, in the third embodiment, the excitation element is configured to be able to vibrate in the z direction, which is the thickness direction of the semiconductor chip.
ここで、zx平面内の励振素子の回転振動である駆動振動を誘起する役割を担うのが駆動電極であり、駆動振動の振幅を検出する役割を担うのが駆動振幅モニタ部である。次に、角速度センサ素子が形成された半導体チップの外部からy軸方向を回転軸とする角速度が入力されると、zx平面内で駆動振動している励振素子には、x方向のコリオリ力が働く。この場合、検出梁を介して励振素子と接続されている検出部は、検出梁の変形を伴いながら、x方向に平行変位する。x方向の平行変位を検出する役割を担うのが、上述した検出部である。このx方向の平行変位を信号処理回路で演算することにより、角速度に対応した出力信号が角速度センサから出力される。 Here, it is the drive electrode that plays a role of inducing drive vibration that is rotational vibration of the excitation element in the zx plane, and a drive amplitude monitor that plays a role of detecting the amplitude of the drive vibration. Next, when an angular velocity having a rotation axis in the y-axis direction is input from the outside of the semiconductor chip on which the angular velocity sensor element is formed, the Coriolis force in the x direction is applied to the excitation element that is driving and vibrating in the zx plane. work. In this case, the detection unit connected to the excitation element via the detection beam is displaced in parallel in the x direction with deformation of the detection beam. The detection unit described above plays a role of detecting the parallel displacement in the x direction. By calculating the parallel displacement in the x direction by a signal processing circuit, an output signal corresponding to the angular velocity is output from the angular velocity sensor.
なお、MEMS構造からなる角速度センサ素子が形成された半導体チップ(第1半導体チップ)と、信号処理回路が形成された半導体チップ(第2半導体チップ)との組み合わせによって、本実施の形態3における角速度センサが構成されている。 Note that the angular velocity in the third embodiment is determined by a combination of a semiconductor chip (first semiconductor chip) on which an angular velocity sensor element having a MEMS structure is formed and a semiconductor chip (second semiconductor chip) on which a signal processing circuit is formed. A sensor is configured.
<角速度センサ素子の平面構成>
次に、本実施の形態3における角速度センサ素子の平面構成について説明する。
<Planar configuration of angular velocity sensor element>
Next, the planar configuration of the angular velocity sensor element according to the third embodiment will be described.
図13は、本実施の形態3における角速度センサ素子が形成された半導体チップCHP1の構成を示す平面図である。図13に示すように、半導体チップCHP1には、枠部101に囲まれるように空洞部102とダミー部116が形成されている。空洞部102の内部には、固定部103aと固定部103bとが設けられている。固定部103aには、弾性変形部である駆動梁104aが接続され、固定部103bには、弾性変形部である駆動梁104bが接続されている。そして、駆動梁104aおよび駆動梁104bは、励振素子105と接続されている。励振素子105は、弾性変形部である検出梁118を介して、検出部DTU1〜DTU2と接続されている。検出部DTU1と検出部DTU2とは、リンク梁119で接続されている。
FIG. 13 is a plan view showing a configuration of the semiconductor chip CHP1 in which the angular velocity sensor element according to the third embodiment is formed. As shown in FIG. 13, the
図13に示すように、本実施の形態3における角速度センサ素子は、励振素子105の一部を構成する駆動用可動電極106aと駆動用可動電極107aとを有している。駆動用可動電極106aと、図13では示されない駆動用固定電極との間、および、駆動用可動電極107aと、図13では示されない駆動用固定電極との間に電圧を印加して静電気力を発生させることにより、励振素子105は、半導体チップCHP1の厚さ方向であるz方向を含むzx平面内で駆動振動(回転振動)することになる。
As shown in FIG. 13, the angular velocity sensor element according to the third embodiment includes a driving
そして、本実施の形態3における角速度センサ素子は、図13に示すように、4つの駆動振幅モニタ部MU1〜MU4有している。このとき、駆動振幅モニタ部MU1は、励振素子105と一体的に形成された駆動振幅モニタ用可動電極108aと、支持基板に固定された駆動振幅モニタ用固定電極108bと、から構成されている。また、駆動振幅モニタ部MU2は、励振素子105と一体的に形成された駆動振幅モニタ用可動電極109aと、支持基板に固定された駆動振幅モニタ用固定電極109bと、から構成されている。同様に、駆動振幅モニタ部MU3は、励振素子105と一体的に形成された駆動振幅モニタ用可動電極110aと、支持基板に固定された駆動振幅モニタ用固定電極110bと、から構成されている。また、駆動振幅モニタ部MU4は、励振素子105と一体的に形成された駆動振幅モニタ用可動電極111aと、支持基板に固定された駆動振幅モニタ用固定電極111bと、から構成されている。
And the angular velocity sensor element in this Embodiment 3 has four drive amplitude monitor parts MU1-MU4, as shown in FIG. At this time, the drive amplitude monitor unit MU1 includes a drive amplitude monitor
さらに、図13に示すように、本実施の形態3における角速度センサ素子は、2つの検出部DTU1〜DTU2を有している。このとき、検出部DTU1は、検出梁118を介して励振素子105と接続された変位検出用可動電極112aと、支持基板に固定された変位検出用固定電極112bと、から構成され、検出部DTU2は、検出梁118を介して励振素子105と接続された変位検出用可動電極113aと、支持基板に固定された変位検出用固定電極113bと、から構成されている。
Furthermore, as shown in FIG. 13, the angular velocity sensor element according to the third embodiment has two detection units DTU1 to DTU2. At this time, the detection unit DTU1 includes a displacement detection
ここで、固定部103aと固定部103bは、導電性を有する単結晶シリコンから形成されている励振素子105と、導電性を有する単結晶シリコンから形成されている検出部DTU1〜DTU2とを介して、電気的に接続されている。したがって、固定部103aと貫通電極を介して電気的に接続される第1パッドと、固定部103bと貫通電極を介して電気的に接続される第2パッドとを設け、第1パッドと第2パッドとの間に電流を流すことにより、励振素子105および検出部DTU1〜DTU2を介した固定部103aと固定部103bとの電気的な接続を確認することができる。
Here, the
なお、励振素子105のうち、静電気力を発生させるために面積を大きくする必要のある駆動用可動電極106a、107aと、入力される角速度と質量に比例したコリオリ力を検出する検出部DTU1〜DTU2を除いて、本実施の形態3における角速度センサ素子を構成する構造体には、穴があけられて軽量化が図られており、励振素子105の固有振動数が高められている。
Of the
<角速度センサ素子の断面構成>
続いて、本実施の形態3における角速度センサ素子の断面構造について、図面を参照しながら説明する。図14(a)は、図13のA−A線で切断した断面図であり、図15(a)は、図13のB−B線で切断した断面図である。
<Cross-sectional configuration of angular velocity sensor element>
Subsequently, a cross-sectional structure of the angular velocity sensor element according to the third embodiment will be described with reference to the drawings. 14A is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 13, and FIG. 15A is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG.
図14(a)および図15(a)に示すように、角速度センサ素子が形成される半導体チップCHP1は、例えば、単結晶シリコンからなる支持基板1Sを有している。この支持基板1Sの表面(上面、主面)には、例えば、酸化シリコン膜からなる絶縁層131が形成されており、この絶縁層131の上方にデバイス層DLが形成され、デバイス層DLの上方にキャップ層CAPLが形成されている。そして、支持基板1Sとデバイス層DLとの間、および、デバイス層DLとキャップ層CAPLとの間には、空洞部102が形成されている。
As shown in FIGS. 14A and 15A, the semiconductor chip CHP1 in which the angular velocity sensor element is formed has a
デバイス層DLには、単結晶シリコンで形成される枠部101、固定部103a、103b、励振素子105、駆動用可動電極106a、107a、変位検出用可動電極112a、113a、変位検出用固定電極112b、113bなどの図13に示される構成要素が形成されている。さらに、デバイス層DLには、駆動振幅モニタ用可動電極108a〜111a、駆動振幅モニタ用固定電極108b〜111b、および、駆動梁104a、104b、検出梁118、リンク梁119なども形成されている。
The device layer DL includes a
キャップ層CAPLは、単結晶シリコンからなるキャップ部140、絶縁層141、導電膜142、保護膜143、励振素子105をzx平面内で振動させるための電圧が印加される駆動用固定電極106b、107b、および、貫通電極などが形成されている。
The cap layer CAPL is a fixed electrode for driving 106b, 107b to which a voltage for vibrating the
本実施の形態3における角速度センサ素子では、キャップ部140とデバイス層DLとを接合し、角速度センサ素子をキャップ部140で保護する。特に、本実施の形態3における角速度センサ素子では、図14(a)や図15(a)に示すように、接続領域CR1で支持基板1Sとデバイス層DLとが接合され、接続領域CR2でデバイス層DLとキャップ層CAPLとが接続されている。
In the angular velocity sensor element according to the third embodiment, the
<駆動電極の構成>
次に、本実施の形態3における駆動電極の構成について説明する。図13において、励振素子105のうち、破線で示された領域には、駆動用可動電極106a、107aが形成されている。図15(a)に示すように、デバイス層DLに形成されている駆動用可動電極106a、107aの上方で、かつ、駆動用可動電極106a、107aと対向する位置には、駆動用固定電極106bおよび駆動用固定電極107bが形成されている。
<Configuration of drive electrode>
Next, the structure of the drive electrode in this Embodiment 3 is demonstrated. In FIG. 13, driving
このように配置することにより、駆動用可動電極106aと駆動用固定電極106bとによって容量素子が形成されるとともに、駆動用可動電極107aと駆動用固定電極107bとによって容量素子が形成される。
With this arrangement, a capacitive element is formed by the driving
例えば、本実施の形態3における角速度センサ素子では、互いに対向することにより容量素子を形成している駆動用可動電極106aと駆動用固定電極106bとの間に、Vcom+Vb+Vdで表される周期的な駆動信号が印加され、駆動用可動電極107aと駆動用固定電極107bとの間にVcom+Vb−Vdで表される周期的な駆動信号が印加される。さらに、本実施の形態3における角速度センサ素子では、励振素子105と電気的に接続されている固定部103aと固定部103bに、貫通電極を介してVcomで表される電圧が印加される。これにより、駆動用可動電極106aと駆動用固定電極106bとの間、および、駆動用可動電極107aと駆動用固定電極107bとの間には、交互に静電気力が働く。この結果、図15(b)の破線で示すように、励振素子105は、zx平面内で駆動振動(回転振動)することになる。
For example, in the angular velocity sensor element according to the third embodiment, a periodic drive represented by Vcom + Vb + Vd is formed between the drive
<駆動振幅モニタ部の構成>
続いて、本実施の形態3における駆動振幅モニタ部の構成について説明する。図13に示すように、励振素子105には、励振素子105と一体的に形成された駆動振幅モニタ用可動電極108a〜111aが形成されている。そして、駆動振幅モニタ用可動電極108a〜111aのそれぞれと対向するように、励振素子105が形成されたデバイス層DLに駆動振幅モニタ用固定電極108b〜111bのそれぞれが形成されている。これにより、駆動振幅モニタ用可動電極108a〜111aのそれぞれと、駆動振幅モニタ用固定電極108b〜111bのそれぞれによって、4つの容量素子が形成され、これらの4つの容量素子が、デバイス層DLに形成される4つの駆動振幅モニタ部MU1〜MU4となる。このとき、4つの駆動振幅モニタ部MU1〜MU4のそれぞれを構成する4つの容量素子では、励振素子105がzx平面内での駆動振動によりz方向に変位すると、容量値が変化する。
<Configuration of drive amplitude monitor unit>
Next, the configuration of the drive amplitude monitor unit in the third embodiment will be described. As shown in FIG. 13, the
なお、本実施の形態3においても、角速度センサ素子が形成された半導体チップCHP1と電気的に接続される半導体チップCHP2には、信号処理回路が形成されている。そして、この信号処理回路では、駆動振幅モニタ部MU1〜MU4から得られる容量変化に基づいて、自動振幅制御を行って、励振素子105の駆動振動の振幅を一定に保っている。また、本実施の形態3においても、駆動振幅モニタ部MU1〜MU4から得られる容量変化に基づいて、自動周波数制御を行って、励振素子105の振動周波数を一定に保っている。さらに、本実施の形態3でも、駆動振幅モニタ部MU1〜MU4の構成要素が、励振素子105と同じデバイス層DLに形成されている。このため、トランスファモールド技術を採用する点や、温度や湿度が変動する点に起因して、角速度センサ素子が形成された半導体チップCHP1に歪みが生じても、駆動振幅モニタ部MU1〜MU4を構成する容量素子の容量値も変動しにくい。つまり、本実施の形態3における角速度センサ素子も、励振素子105のzx平面内における駆動振動の振幅を検出している容量素子の容量値は、半導体チップCHP1の歪みによる影響を受けにくい。
In the third embodiment, a signal processing circuit is also formed in the semiconductor chip CHP2 electrically connected to the semiconductor chip CHP1 in which the angular velocity sensor element is formed. In this signal processing circuit, automatic amplitude control is performed based on the capacitance change obtained from the drive amplitude monitor units MU1 to MU4, and the amplitude of the drive vibration of the
一方、角速度センサ素子が形成された半導体チップCHP1に歪みが発生して、デバイス層DLに形成されている駆動用可動電極106a、107aと、キャップ層CAPLに形成されている駆動用固定電極106b、107bとの間の距離が変動して、容量値が変動することが考えられる。ただし、この場合であっても、本実施の形態3における角速度センサ素子は、半導体チップCHP1の歪みの影響を受けにくいデバイス層DLに形成された駆動振幅モニタ部MU1〜MU4からの容量変化に基づいて、自動振幅制御を行なっているため、角速度センサの出力への影響を少なくすることができる。
On the other hand, distortion occurs in the semiconductor chip CHP1 in which the angular velocity sensor element is formed, and the driving
<検出部の構成>
次に、本実施の形態2における検出部の構成について説明する。図13に示すように、検出部DTU1は、検出梁118を介して励振素子105と接続される変位検出用可動電極112aと、変位検出用可動電極112aと対向するように配置されている変位検出用固定電極112bとから構成される容量素子を含んでいる。同様に、検出部DTU2は、検出梁118を介して励振素子105と接続される変位検出用可動電極113aと、変位検出用可動電極113aと対向するように配置されている変位検出用固定電極113bとから構成される容量素子を含んでいる。
<Configuration of detection unit>
Next, the structure of the detection part in this Embodiment 2 is demonstrated. As shown in FIG. 13, the detection unit DTU1 includes a displacement detection
ここで、図14(a)に示すように、変位検出用可動電極112a、113aには、段差部がないが、変位検出用固定電極112b、113bには、z方向の上端部と下端部とに、同じ形状の段差部DIFが形成されている。この段差部DIFの高さは、励振素子105のzx平面内の回転振動の振幅より大きい。したがって、図14(b)に示すように、励振素子105がzx平面内で駆動振動をしていても、変位検出用可動電極112aと変位検出用固定電極112bから構成される容量素子の容量値は、ほとんど変動せず、半導体チップCHP1に印加される角速度に応じてのみ容量値が変動する。同様に、励振素子105がzx平面内で駆動振動をしていても、変位検出用可動電極113aと変位検出用固定電極113bから構成される容量素子の容量値も、ほとんど変動せず、半導体チップCHP1に印加される角速度に応じてのみ容量値が変動する。
Here, as shown in FIG. 14A, the displacement detection
なお、図13に示すように、検出部DTU1と検出部DTU2は、y方向に延在する中心軸に対して対称な位置に配置されている。そして、検出部DTU1と検出部DTU2は、互いにリンク梁119によって接続されることにより、音叉構造が形成されている。したがって、検出部DTU1を構成する容量素子と、検出部DTU2を構成する容量素子は、半導体チップCHP1に印加される角速度に応じてのみ容量値が変動する一方、半導体チップCHP1に加わる振動ノイズに起因する容量値の変動は、キャンセルされるため、本実施の形態3における角速度センサ素子は、外乱振動にロバストな特徴がある。
As illustrated in FIG. 13, the detection unit DTU1 and the detection unit DTU2 are arranged at positions symmetrical with respect to the central axis extending in the y direction. And the detection part DTU1 and the detection part DTU2 are mutually connected by the
また、図13や図14(a)に示すように、検出部DTU1は、xy平面内で分断された2つの変位検出用固定電極112bを有し、2つ変位検出用固定電極112bのそれぞれと接続された貫通電極を介して電気的に接続されている。同様に、検出部DTU2も、xy平面内で分断された2つの変位検出用固定電極113bを有し、2つの変位検出用固定電極113bのそれぞれと接続された貫通電極を介して電気的に接続されている。したがって、検出部DTU1の形状と検出部DTU2の形状の両方が、対称構造をしているため、本実施の形態3における角速度センサ素子は、駆動振動および検出振動以外の不要な振動モードの発生を抑制できる利点を有する。
13 and 14A, the detection unit DTU1 includes two displacement detection fixed
本実施の形態3における角速度センサ素子でも、検出部DTU1〜DTU2の構成要素が、励振素子105と同じデバイス層DLに形成されている。このため、トランスファモールド技術を採用する点や、温度や湿度が変動する点に起因して、角速度センサ素子が形成された半導体チップCHP1に歪みが生じても、検出部DTU1〜DTU2のそれぞれを構成する容量素子の容量値も変動しにくい。つまり、半導体チップCHP1に印加される角速度に応じて容量値が変化する検出部DTU1〜DTU2において、検出部DTU1〜DTU2のそれぞれを構成する容量素子の容量値は、半導体チップCHP1に生じる歪みの影響を受けにくい。
Also in the angular velocity sensor element according to the third embodiment, the components of the detection units DTU1 to DTU2 are formed in the same device layer DL as the
<角速度センサの実装構成>
次に、本実施の形態3における角速度センサの実装構成について説明する。図16は、本実施の形態3における角速度センサが形成された半導体装置SA2の実装構成を示す断面図である。まず、図16に示すように、半導体装置SA2は、例えば、樹脂からなる封止体MRの内部にチップ搭載部TABが配置されるとともに、リードLDも配置されている。このリードLDの一部は、封止体MRから突き出ており、リードLDは、外部接続端子として機能する。チップ搭載部TAB上には、信号処理回路が形成された半導体チップCHP2が搭載されている。半導体チップCHP2には、信号処理回路を実現するために、トランジスタや受動素子からなる集積回路が形成されている。この半導体チップCHP2に形成されている信号処理回路は、角速度センサ素子からの出力信号を演算して、角速度センサ素子に制御信号を出力する機能を有しており、最終的に、角速度信号を出力する回路である。この角速度信号は、例えば、リードLDを介して、外部機器に出力される。
<Angular velocity sensor mounting configuration>
Next, the mounting configuration of the angular velocity sensor according to the third embodiment will be described. FIG. 16 is a cross-sectional view showing a mounting configuration of the semiconductor device SA2 in which the angular velocity sensor according to the third embodiment is formed. First, as shown in FIG. 16, in the semiconductor device SA2, for example, a chip mounting portion TAB is disposed inside a sealing body MR made of resin, and leads LD are also disposed. A part of the lead LD protrudes from the sealing body MR, and the lead LD functions as an external connection terminal. On the chip mounting portion TAB, a semiconductor chip CHP2 on which a signal processing circuit is formed is mounted. In the semiconductor chip CHP2, an integrated circuit including transistors and passive elements is formed in order to realize a signal processing circuit. The signal processing circuit formed in the semiconductor chip CHP2 has a function of calculating an output signal from the angular velocity sensor element and outputting a control signal to the angular velocity sensor element, and finally outputs an angular velocity signal. It is a circuit to do. This angular velocity signal is output to an external device via, for example, the lead LD.
図16に示すように、半導体チップCHP2に形成されているパッドPD2は、リードLDとワイヤWで電気的に接続されている。 As shown in FIG. 16, the pad PD2 formed on the semiconductor chip CHP2 is electrically connected to the lead LD by the wire W.
さらに、半導体チップCHP2上には、半導体チップCHP1が搭載されている。この半導体チップCHP1には、角速度センサ素子を構成する構造体が形成されている。具体的に、本実施の形態3では、図16に示すように、半導体チップCHP1のキャップ層CAPLと接するように突起電極BMP(バンプ電極)が形成されており、半導体チップCHP1は、突起電極BMPを半導体チップCHP2のパッドPD1に接続させながら、キャップ層CAPLを半導体チップCHP2の主面(上面)に対向させた状態で、半導体チップCHP2の上方に搭載されている。すなわち、本実施の形態3における角速度センサでは、半導体チップCHP2上に半導体チップCHP1が突起電極BMPによってフェイスダウン状態で搭載されている。 Further, the semiconductor chip CHP1 is mounted on the semiconductor chip CHP2. The semiconductor chip CHP1 is formed with a structure constituting an angular velocity sensor element. Specifically, in the third embodiment, as shown in FIG. 16, the protruding electrode BMP (bump electrode) is formed so as to be in contact with the cap layer CAPL of the semiconductor chip CHP1, and the semiconductor chip CHP1 is connected to the protruding electrode BMP. Is mounted above the semiconductor chip CHP2 with the cap layer CAPL facing the main surface (upper surface) of the semiconductor chip CHP2 while being connected to the pad PD1 of the semiconductor chip CHP2. That is, in the angular velocity sensor according to the third embodiment, the semiconductor chip CHP1 is mounted on the semiconductor chip CHP2 in a face-down state by the protruding electrodes BMP.
さらに、図16に示すように、本実施の形態3における角速度センサにおいては、半導体チップCHP1を覆うように封止体MRが形成されている。具体的に、本実施の形態3では、半導体チップCHP1の構成要素である支持基板1Sが上方(+z方向)を向くように配置されており、この支持基板1Sを覆うように封止体MRが形成されている。
Further, as shown in FIG. 16, in the angular velocity sensor according to the third embodiment, a sealing body MR is formed so as to cover the semiconductor chip CHP1. Specifically, in the third embodiment, the
ここで、封止体MRは、例えば、樹脂材料からなる。この封止体MRは、チップ搭載部TAB上に半導体チップCHP2と半導体チップCHP1とを搭載した構造体を金型に設置し、この金型内に高温で溶融した樹脂材料を1〜10MPa程度の圧力で射出した後、樹脂材料を冷却して硬化させることにより形成される。つまり、封止体MRは、トランスファモールド技術によって形成される。 Here, the sealing body MR is made of, for example, a resin material. This sealing body MR has a structure in which a semiconductor chip CHP2 and a semiconductor chip CHP1 are mounted on a chip mounting portion TAB in a mold, and a resin material melted at a high temperature in the mold is about 1 to 10 MPa. After injection with pressure, the resin material is cooled and cured. That is, the sealing body MR is formed by a transfer mold technique.
このトランスファモールド技術は、従来のセラミックパッケージ技術よりも量産性が高いため、角速度センサの製造コストを低減する上で有効な技術である。しかし、空洞部102を有する半導体チップCHP1のうち、樹脂材料からなる封止体MRと接する支持基板1Sは、樹脂材料を金型内に射出する際の圧力で圧迫されて、図16に示すように変形する。また、封止体MRを構成する樹脂材料は、温度変動と吸湿によって体積が膨張するととともに、乾燥によって体積が収縮する特徴がある。したがって、半導体装置SA2が配置される環境の温度や湿度が変動すると、封止体MRの膨張と収縮により、封止体MRの内部に配置された半導体チップCHP1に歪みが発生する。つまり、封止体MRを形成する際や、半導体装置SA2が設置される環境の温度や湿度が変動する場合、半導体チップCHP1に歪みが発生する。
This transfer mold technology is more effective in reducing the manufacturing cost of the angular velocity sensor because it has higher mass productivity than the conventional ceramic package technology. However, among the semiconductor chip CHP1 having the
この点に関し、本実施の形態3における角速度センサでは、図16に示すように、半導体チップCHP1の支持基板1Sが封止体MRと直接接触しているため、封止体MRの膨張と収縮によって、この支持基板1Sに変形(歪み)が発生する。しかし、本実施の形態3における角速度センサは、支持基板1Sではなく、デバイス層DLとキャップ層CAPLに角速度センサ素子を構成する構造体が形成されている。言い換えれば、支持基板1Sには、角速度センサ素子を構成する構造体は形成されていない。そして、たとえ、支持基板1Sに変形(歪み)が発生しても、支持基板1Sとデバイス層DLとの間には、空洞部102が形成されているため、支持基板1Sの変形がデバイス層DLに与える影響は少なくなる。つまり、本実施の形態3における角速度センサは、半導体チップCHP1に発生する歪みに起因する角速度センサの性能低下が起こりにくい構造をしているということができる。
In this regard, in the angular velocity sensor according to the third embodiment, the
以上のことから、本実施の形態3における角速度センサによれば、例えば、角速度センサの小型化や低コスト化に有利なトランスファモールド技術を適用する場合であっても、角速度センサの性能や信頼性の低下を抑制することができる。言い換えれば、本実施の形態3における角速度センサは、樹脂の充填圧力、環境温度や湿度の変動による樹脂の膨張や収縮、経時的な材料物性の変化に起因にする樹脂の変形などが生じても、角速度センサの性能や信頼性への影響を抑制することができる。このため、本実施の形態3における角速度センサによれば、性能や信頼性の低下を招くことなく、トランスファモールド技術を適用できるため、角速度センサの小型化や低コスト化を図ることができる。 From the above, according to the angular velocity sensor according to the third embodiment, for example, even when the transfer mold technology advantageous for downsizing and cost reduction of the angular velocity sensor is applied, the performance and reliability of the angular velocity sensor are achieved. Can be suppressed. In other words, the angular velocity sensor according to the third embodiment is not affected by resin filling pressure, resin expansion and contraction due to changes in environmental temperature and humidity, and resin deformation caused by changes in material properties over time. The influence on the performance and reliability of the angular velocity sensor can be suppressed. For this reason, according to the angular velocity sensor in the present third embodiment, the transfer mold technique can be applied without incurring a decrease in performance and reliability, so that the angular velocity sensor can be reduced in size and cost.
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。 As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
前記実施の形態は、下記の形態を含む。 The embodiment includes the following forms.
(付記1)
第1半導体チップを備え、
前記第1半導体チップは、
(a)支持基板、
(b)前記支持基板の上方に配置されたデバイス層、
(c)前記デバイス層の上方に配置されたキャップ層、
(d)前記支持基板と前記デバイス層との間、および、前記デバイス層と前記キャップ層との間に形成された空洞部、
を含み、
前記デバイス層には、
(b1)前記支持基板の厚さ方向を含む第1平面内で振動可能な励振素子、
(b2)前記第1平面に垂直な第2平面内に含まれる回転軸周りに角速度が印加された際、前記角速度に起因して発生するコリオリ力に基づく前記第2平面内の変位を静電容量の変化として捉える検出部、
が形成され、
前記キャップ層には、前記励振素子を前記第1平面内で振動させるための電圧が印加される駆動用固定電極が形成されている、角速度センサ。
(Appendix 1)
A first semiconductor chip;
The first semiconductor chip is
(A) a support substrate;
(B) a device layer disposed above the support substrate;
(C) a cap layer disposed above the device layer;
(D) a cavity formed between the support substrate and the device layer and between the device layer and the cap layer;
Including
In the device layer,
(B1) an excitation element capable of vibrating in a first plane including the thickness direction of the support substrate;
(B2) When an angular velocity is applied around the rotation axis included in the second plane perpendicular to the first plane, the displacement in the second plane based on the Coriolis force generated due to the angular velocity is electrostatically Detection unit that captures changes in capacity,
Formed,
The angular velocity sensor, wherein a driving fixed electrode to which a voltage for vibrating the excitation element in the first plane is applied is formed on the cap layer.
(付記2)
付記1に記載の角速度センサにおいて、
前記空洞部内の圧力は、100Pa以下である、角速度センサ。
(Appendix 2)
In the angular velocity sensor according to attachment 1,
The pressure in the cavity is an angular velocity sensor that is 100 Pa or less.
(付記3)
付記1に記載の角速度センサにおいて、
前記支持基板と前記デバイス層とは、第1接続領域において、絶縁層を介して接続され、
前記デバイス層と前記キャップ層とは、第2接続領域において、直接接続されている、角速度センサ。
(Appendix 3)
In the angular velocity sensor according to attachment 1,
The support substrate and the device layer are connected via an insulating layer in the first connection region,
The device layer and the cap layer are angular velocity sensors that are directly connected in the second connection region.
(付記4)
付記3に記載の角速度センサにおいて、
前記支持基板、前記デバイス層、および、前記キャップ層は、シリコン材料から形成されている、角速度センサ。
(Appendix 4)
In the angular velocity sensor according to attachment 3,
The support substrate, the device layer, and the cap layer are angular velocity sensors formed of a silicon material.
1S 支持基板
101 枠部
102 空洞部
103 固定部
103a 固定部
103b 固定部
104 支持梁
104a 駆動梁
104b 駆動梁
105 励振素子
106a 駆動用可動電極
106b 駆動用固定電極
107a 駆動用可動電極
107b 駆動用固定電極
108a 駆動振幅モニタ用可動電極
108b 駆動振幅モニタ用固定電極
109a 駆動振幅モニタ用可動電極
109b 駆動振幅モニタ用固定電極
110a 駆動振幅モニタ用可動電極
110b 駆動振幅モニタ用固定電極
111a 駆動振幅モニタ用可動電極
111b 駆動振幅モニタ用固定電極
112a 変位検出用可動電極
112b 変位検出用固定電極
112c 変位検出用可動電極
112d 変位検出用固定電極
113a 変位検出用可動電極
113b 変位検出用固定電極
113c 変位検出用可動電極
113d 変位検出用固定電極
114a サーボ電極可動部
114b サーボ電極固定部
115a サーボ電極可動部
115b サーボ電極固定部
116 ダミー部
118 検出梁
119 リンク梁
131 絶縁層
140 キャップ部
141 絶縁層
142 導電膜
143 保護膜
210a 駆動信号生成部
210b 駆動信号生成部
211 変調信号生成部
212 演算部
213 演算部
214a サーボ信号生成部
214b サーボ信号生成部
215 サーボ信号演算部
BMP 突起電極
CAPL キャップ層
CHP1 半導体チップ
CHP2 半導体チップ
CR1 接続領域
CR2 接続領域
C8 容量素子
C11 容量素子
C12 容量素子
C13 容量素子
DIF 段差部
DIF1 段差部
DIF2 段差部
DL デバイス層
DTU1 検出部
DTU2 検出部
LD リード
MR 封止体
MU1 駆動振幅モニタ部
MU2 駆動振幅モニタ部
MU3 駆動振幅モニタ部
MU4 駆動振幅モニタ部
PD1 パッド
PD2 パッド
SA1 半導体装置
SVU1 サーボ部
SVU2 サーボ部
TAB チップ搭載部
W ワイヤ
1S support substrate 101 frame portion 102 cavity portion 103 fixed portion 103a fixed portion 103b fixed portion 104 support beam 104a drive beam 104b drive beam 105 excitation element 106a drive movable electrode 106b drive fixed electrode 107a drive movable electrode 107b drive fixed electrode 108a Drive amplitude monitor movable electrode 108b Drive amplitude monitor fixed electrode 109a Drive amplitude monitor movable electrode 109b Drive amplitude monitor fixed electrode 110a Drive amplitude monitor movable electrode 110b Drive amplitude monitor fixed electrode 111a Drive amplitude monitor movable electrode 111b Fixed electrode for driving amplitude monitoring 112a Displaceable detection movable electrode 112b Displacement detection fixed electrode 112c Displacement detection movable electrode 112d Displacement detection fixed electrode 113a Displacement detection movable electrode 113b Displacement detection fixed electrode 13c Displacement detection movable electrode 113d Displacement detection fixed electrode 114a Servo electrode movable part 114b Servo electrode fixed part 115a Servo electrode movable part 115b Servo electrode fixed part 116 Dummy part 118 Detection beam 119 Link beam 131 Insulating layer 140 Cap part 141 Insulating layer 142 conductive film 143 protective film 210a drive signal generation unit 210b drive signal generation unit 211 modulation signal generation unit 212 calculation unit 213 calculation unit 214a servo signal generation unit 214b servo signal generation unit 215 servo signal calculation unit BMP protruding electrode CAPL cap layer CHP1 semiconductor Chip CHP2 Semiconductor chip CR1 connection region CR2 connection region C8 capacitive element C11 capacitive element C12 capacitive element C13 capacitive element DIF stepped portion DIF1 stepped portion DIF2 stepped portion DL device layer D TU1 detection unit DTU2 detection unit LD lead MR sealing body MU1 drive amplitude monitor unit MU2 drive amplitude monitor unit MU3 drive amplitude monitor unit MU4 drive amplitude monitor unit PD1 pad PD2 pad SA1 semiconductor device SVU1 servo unit SVU2 servo unit TAB chip Wire
Claims (15)
前記第1半導体チップは、
(a)支持基板、
(b)前記支持基板の上方に配置されたデバイス層、
(c)前記デバイス層の上方に配置されたキャップ層、
(d)前記支持基板と前記デバイス層との間、および、前記デバイス層と前記キャップ層との間に形成された空洞部、
を含み、
前記デバイス層には、
(b1)前記支持基板の厚さ方向を含む第1平面内で振動可能な励振素子、
(b2)前記第1平面に垂直な第2平面内に含まれる回転軸周りに角速度が印加された際、前記角速度に起因して発生するコリオリ力に基づく前記第2平面内の変位を静電容量の変化として捉える検出部、
が形成され、
前記キャップ層には、前記励振素子を前記第1平面内で振動させるための電圧が印加される駆動用固定電極が形成されている、角速度センサ。 A first semiconductor chip;
The first semiconductor chip is
(A) a support substrate;
(B) a device layer disposed above the support substrate;
(C) a cap layer disposed above the device layer;
(D) a cavity formed between the support substrate and the device layer and between the device layer and the cap layer;
Including
In the device layer,
(B1) an excitation element capable of vibrating in a first plane including the thickness direction of the support substrate;
(B2) When an angular velocity is applied around the rotation axis included in the second plane perpendicular to the first plane, the displacement in the second plane based on the Coriolis force generated due to the angular velocity is electrostatically Detection unit that captures changes in capacity,
Formed,
The angular velocity sensor, wherein a driving fixed electrode to which a voltage for vibrating the excitation element in the first plane is applied is formed on the cap layer.
さらに、前記デバイス層には、前記励振素子の振動の振幅を検出する駆動振幅モニタ部が形成されている、角速度センサ。 The angular velocity sensor according to claim 1,
Furthermore, the device layer includes an angular velocity sensor in which a drive amplitude monitor unit that detects an amplitude of vibration of the excitation element is formed.
さらに、前記デバイス層には、前記検出部における前記第2平面内の変位を打ち消す静電気力を発生させるサーボ部が形成されている、角速度センサ。 The angular velocity sensor according to claim 1,
Further, the device layer is provided with an angular velocity sensor in which a servo unit that generates an electrostatic force that cancels the displacement in the second plane in the detection unit is formed.
さらに、前記キャップ層を覆う樹脂封止体を有する、角速度センサ。 The angular velocity sensor according to claim 1,
Furthermore, the angular velocity sensor which has the resin sealing body which covers the said cap layer.
さらに、前記第1半導体チップと電気的に接続される第2半導体チップを有し、
前記第1半導体チップの前記キャップ層の上方には、突起電極が形成され、
前記第1半導体チップは、前記突起電極を介して前記キャップ層を前記第2半導体チップの主面に対向させた状態で、前記第2半導体チップの上方に搭載されている、角速度センサ。 The angular velocity sensor according to claim 1,
And a second semiconductor chip electrically connected to the first semiconductor chip,
A protruding electrode is formed above the cap layer of the first semiconductor chip,
An angular velocity sensor, wherein the first semiconductor chip is mounted above the second semiconductor chip with the cap layer facing the main surface of the second semiconductor chip via the protruding electrode.
さらに、前記第1半導体チップの前記支持基板を覆う樹脂封止体が形成されている、角速度センサ。 The angular velocity sensor according to claim 5,
Furthermore, the angular velocity sensor in which the resin sealing body which covers the said support substrate of a said 1st semiconductor chip is formed.
前記駆動振幅モニタ部は、
(e1)前記励振素子と一体的に形成された駆動振幅モニタ用可動電極、
(e2)前記駆動振幅モニタ用可動電極と対向するように、前記デバイス層に形成された駆動振幅モニタ用固定電極、
を有し、
前記第1平面内において、前記駆動振幅モニタ用可動電極の前記厚さ方向の中心位置と、前記駆動振幅モニタ用固定電極の前記厚さ方向の中心位置とがずれている、角速度センサ。 The angular velocity sensor according to claim 2,
The drive amplitude monitor unit
(E1) A movable electrode for driving amplitude monitoring formed integrally with the excitation element;
(E2) a fixed electrode for driving amplitude monitoring formed on the device layer so as to face the movable electrode for driving amplitude monitoring;
Have
An angular velocity sensor in which the center position in the thickness direction of the movable electrode for driving amplitude monitoring is shifted from the center position in the thickness direction of the fixed electrode for driving amplitude monitoring in the first plane.
前記駆動振幅モニタ部は、
(f1)前記励振素子と一体的に形成された駆動振幅モニタ用可動電極、
(f2)前記駆動振幅モニタ用可動電極と対向するように、前記デバイス層に形成された駆動振幅モニタ用固定電極、
を有し、
前記第1平面内において、前記駆動振幅モニタ用可動電極の上端部には、第1段差部が形成され、
前記第1平面内において、前記駆動振幅モニタ用固定電極の下端部には、第2段差部が形成されている、角速度センサ。 The angular velocity sensor according to claim 2,
The drive amplitude monitor unit
(F1) A movable electrode for driving amplitude monitoring formed integrally with the excitation element;
(F2) a fixed electrode for driving amplitude monitoring formed in the device layer so as to face the movable electrode for driving amplitude monitoring;
Have
In the first plane, a first step portion is formed at the upper end of the drive amplitude monitor movable electrode,
An angular velocity sensor, wherein a second step portion is formed at a lower end portion of the drive amplitude monitoring fixed electrode in the first plane.
前記検出部は、
(g1)前記励振素子と一体的に形成された変位検出用可動電極、
(g2)前記変位検出用可動電極と対向するように、前記デバイス層に形成された変位検出用固定電極、
を有し、
前記第1平面内において、前記変位検出用固定電極の上端部と下端部とには、同じ形状の段差部が形成されている、角速度センサ。 The angular velocity sensor according to claim 1,
The detector is
(G1) a displacement detecting movable electrode formed integrally with the excitation element;
(G2) a displacement detection fixed electrode formed on the device layer so as to face the displacement detection movable electrode;
Have
An angular velocity sensor in which step portions having the same shape are formed at an upper end portion and a lower end portion of the displacement detection fixed electrode in the first plane.
前記第1平面内において、前記段差部の前記厚さ方向の高さは、前記第1平面内における前記変位検出用可動電極の振動の振幅よりも大きい、角速度センサ。 The angular velocity sensor according to claim 9, wherein
In the first plane, the height of the stepped portion in the thickness direction is larger than the amplitude of vibration of the displacement detection movable electrode in the first plane.
前記検出部は、
(h1)前記励振素子と一体的に形成された変位検出用可動電極、
(h2)前記変位検出用可動電極と対向するように、前記デバイス層に形成された変位検出用固定電極、
を有し、
前記第1平面内において、前記変位検出用可動電極の前記厚さ方向の長さは、前記変位検出用固定電極の前記厚さ方向の長さよりも小さい、角速度センサ。 The angular velocity sensor according to claim 1,
The detector is
(H1) a displacement detecting movable electrode formed integrally with the excitation element;
(H2) a displacement detection fixed electrode formed on the device layer so as to face the displacement detection movable electrode;
Have
An angular velocity sensor in which the length in the thickness direction of the movable electrode for displacement detection is smaller than the length in the thickness direction of the fixed electrode for displacement detection in the first plane.
前記第1平面内において、前記変位検出用可動電極が前記第1平面内で振動する場合であっても、前記変位検出用可動電極は、前記変位検出用固定電極からはみ出さない、角速度センサ。 The angular velocity sensor according to claim 11,
In the first plane, even if the displacement detection movable electrode vibrates in the first plane, the displacement detection movable electrode does not protrude from the displacement detection fixed electrode.
前記励振素子は、弾性変形部を介して、前記支持基板に固定された固定部と接続され、
前記第1平面内において、前記駆動用固定電極は、前記固定部から最も離れた位置に配置されている、角速度センサ。 The angular velocity sensor according to claim 1,
The excitation element is connected to a fixed portion fixed to the support substrate via an elastic deformation portion,
In the first plane, the driving fixed electrode is disposed at a position farthest from the fixed portion.
前記励振素子は、弾性変形部を介して、前記支持基板に固定された固定部と接続され、
前記第1平面内において、前記駆動用固定電極は、前記駆動振幅モニタ部よりも前記固定部に近い位置に配置されている、角速度センサ。 The angular velocity sensor according to claim 2,
The excitation element is connected to a fixed portion fixed to the support substrate via an elastic deformation portion,
In the first plane, the fixed electrode for driving is an angular velocity sensor arranged at a position closer to the fixed portion than the drive amplitude monitor portion.
前記励振素子は、弾性変形部を介して、前記支持基板に固定された固定部と接続され、かつ、前記励振素子は、前記厚さ方向において、前記駆動用固定電極と対向する位置に存在する駆動用可動電極を含み、
前記第2平面内において、前記検出部は、前記駆動用可動電極よりも前記固定部から離れた位置に配置されている、角速度センサ。 The angular velocity sensor according to claim 1,
The excitation element is connected to a fixed part fixed to the support substrate via an elastic deformation part, and the excitation element exists at a position facing the fixed electrode for driving in the thickness direction. Including a movable electrode for driving,
In the second plane, the detection unit is arranged at a position farther from the fixed unit than the movable electrode for driving.
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