JP4515069B2 - Semiconductor dynamic quantity sensor - Google Patents
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Description
本発明は、半導体力学量センサに関するものである。 The present invention relates to a semiconductor dynamic quantity sensor.
特許文献１において基板の表面に直交する方向に作用する加速度を検出するセンサが開示されている。
図２７に、特許文献１に記載のＳＯＩ基板を用いた容量式加速度センサを示す。支持基板１００上において梁１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄにより可動電極部（重り部）１０２が連結支持されている。梁１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄは、卍形状であり、可動電極部１０２は基板の表面に垂直なＺ軸方向に変位する。加速度は、支持基板１００と可動電極部１０２間の容量変化から検出する。
FIG. 27 shows a capacitive acceleration sensor using the SOI substrate described in
このセンサはＳＯＩ基板（ウエハ）を利用し、異方性ドライエッチング工程で薄膜シリコン層を所望の形状にパターニングした後、埋込み酸化膜をフッ酸（ＨＦ）で除去し可動領域を形成する犠牲層エッチングにより形成される。
加速度の検出を行うためには可動電極部（重り部）１０２および支持基板１００について結線する必要がある。しかし、ＳＯＩ構造の場合、支持基板１００と結線するための工数が増大する欠点があった。具体的には、支持基板１００にパッド１１０を設けるとともにパッド１１０に対しワイヤーボンデイングを行う必要があった。
In order to detect acceleration, it is necessary to connect the movable electrode portion (weight portion) 102 and the
本発明は、上記課題に着目してなされたものであり、その目的は、支持基板の上に絶縁膜を介して薄膜半導体層を配した積層基板を用いて半導体力学量センサを構成した場合において配線ラインの簡素化を図ることができる半導体力学量センサを提供することにある。 The present invention has been made paying attention to the above-mentioned problems, and the object thereof is to configure a semiconductor dynamic quantity sensor using a laminated substrate in which a thin film semiconductor layer is disposed on a support substrate via an insulating film. An object of the present invention is to provide a semiconductor dynamic quantity sensor capable of simplifying a wiring line.
請求項１に記載の発明によれば、半導体材料よりなる支持基板の上に絶縁膜を介して薄膜半導体層を配した積層基板を用いて、第１のコンデンサ構成部と第２のコンデンサ構成部とが形成されている。第１のコンデンサ構成部においては、薄膜半導体層において梁構造体が区画形成され、この区画形成された梁構造体中の、支持基板に対し空隙を介して対向配置された領域を可動電極部としている。そして、この可動電極部が力学量の作用により支持基板の表面に直交する方向に変位することに基づいて可動電極部と支持基板との間の容量が変化する。 According to the first aspect of the present invention, the first capacitor component and the second capacitor component are formed by using a multilayer substrate in which a thin film semiconductor layer is disposed on a support substrate made of a semiconductor material via an insulating film. And are formed . In the first capacitor structure portion, the beam structure in the thin film semiconductor layer is partitioned and formed, the beam structure in which are the compartment formed, the opposed area to the movable electrode portion through a gap relative to the support substrate ing. And the capacity | capacitance between a movable electrode part and a support substrate changes based on the displacement of this movable electrode part to the direction orthogonal to the surface of a support substrate by the effect | action of a mechanical quantity.
一方、第２のコンデンサ構成部においては、薄膜半導体層においてその下面が絶縁膜と接した状態で区画形成された領域を信号取出用対向電極部としており、この信号取出用対向電極部と支持基板との間には固定容量が形成される。そして、支持基板を電気的にフローティングの状態として、第１のコンデンサ構成部の可動電極部の変位による容量の変化をこの支持基板を介して第２のコンデンサ構成部の信号取出用対向電極部から取り出すようにしている。 On the other hand, in the second capacitor component, a region of the thin film semiconductor layer that is partitioned and formed with its lower surface in contact with the insulating film is used as a signal extraction counter electrode unit, and the signal extraction counter electrode unit and the support substrate A fixed capacitance is formed between the two . Then, the support substrate is brought into an electrically floating state, and the capacitance change due to the displacement of the movable electrode portion of the first capacitor component is changed from the signal extraction counter electrode portion of the second capacitor component via the support substrate. You have to take out Suyo.
よって、力学量の検出を行うために支持基板と電気的接続する必要はなくなるので、例えば、支持基板と結線するための工数が増大することが回避される。このようにして、支持基板の上に絶縁膜を介して薄膜半導体層を配した積層基板を用いて半導体力学量センサを構成した場合において支持基板の電位をフローティングにして配線ラインの簡素化を図ることができる。 Therefore, since it is not necessary to electrically connect the support substrate in order to detect the mechanical quantity, for example, it is avoided that the number of steps for connecting to the support substrate is increased. In this way, in the case where the semiconductor dynamic quantity sensor is configured using the laminated substrate in which the thin film semiconductor layer is disposed on the support substrate via the insulating film, the potential of the support substrate is floated to simplify the wiring line. be able to.
前記薄膜半導体層における梁構造体と信号取出用対向電極部の周囲の部位に対し定電圧を印加してシールド層にすると、ノイズに強くなる。 When to sites around the beam structure and the signal take-out counter electrode portion before Symbol thin film semiconductor layer by applying a constant voltage to the shield layer, the stronger the noise.
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
本実施形態では、半導体加速度センサに具体化している。図１には半導体加速度センサの平面図を示す。また、図２に図１におけるＡ−Ａ線での縦断面を示す。図３に図１におけるＢ−Ｂ線での縦断面を示す。このセンサは、基板の表面に垂直な方向（直交する方向）に加わる加速度を検出するセンサである。
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment of the invention will be described with reference to the drawings.
In this embodiment, the semiconductor acceleration sensor is embodied. FIG. 1 shows a plan view of a semiconductor acceleration sensor. FIG. 2 shows a longitudinal section taken along line AA in FIG. FIG. 3 shows a longitudinal section taken along line BB in FIG. This sensor is a sensor that detects acceleration applied in a direction perpendicular to the surface of the substrate (a direction perpendicular to the substrate).
図２に示すように、センサチップとしてＳＯＩ基板１を用いており、単結晶シリコン基板よりなる支持基板２の上に、シリコン酸化膜よりなる絶縁膜３を介して薄膜シリコン層（単結晶シリコン層）４が配置された構造となっている。広義には、ＳＯＩ基板１は積層基板であり、支持基板２は半導体材料よりなり、薄膜シリコン層４は薄膜半導体層よりなる。薄膜シリコン層４は、支持基板２の上に絶縁膜３を介して単結晶シリコン基板を配置した後に薄膜化したものである。支持基板２と絶縁膜３の積層体は四角板状をなしている。
As shown in FIG. 2, an
このＳＯＩ基板１により、第１のコンデンサ構成部Ｅ１と第２のコンデンサ構成部Ｅ２が構成されている（ワンチップ化されている）。以下、この第１、第２のコンデンサ構成部Ｅ１，Ｅ２について説明していく。
The
薄膜シリコン層４には貫通孔５が形成され、この貫通孔５により薄膜シリコン層４が所定の形状に区画形成されている。つまり、貫通孔５により、図１のごとく、梁構造体１０と信号取出用対向電極部２０と、これら部材（１０，２０）の周囲の枠部４０が区画形成されている。梁構造体１０を用いて第１のコンデンサ構成部Ｅ１が構成されるとともに、信号取出用対向電極部２０を用いて第２のコンデンサ構成部Ｅ２が構成されている。
A through
梁構造体１０は、アンカー部１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄと梁部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄと可動電極部（重り部）１３からなる。アンカー部１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄは絶縁膜３の上に固定されている。梁部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄと可動電極部（重り部）１３は、図２，３に示すように、絶縁膜３の上において空隙１４を介して配置されている。つまり、アンカー部１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄから梁部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄが延び、梁部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの先端部において可動電極部（重り部）１３が連結支持されている。このようにして４本の卍字梁（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ）を備え、この梁部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄにより可動電極部（重り部）１３が支えられ、可動電極部（重り部）１３は支持基板２に対し空隙１４を介して対向配置されている。
The
また、図１に示すように、重り部１３には透孔１５が形成され、軽量化が図られている。そして、可動電極部（重り部）１３は支持基板２の表面に直交する方向（上下方向）に可動となっている。この可動電極部（重り部）１３と支持基板２との間に、図４に示すように容量（コンデンサ容量）Ｃ１が形成される。つまり、可動電極部（重り部）１３と支持基板２とが対向電極をなし、両対向電極の間に容量Ｃ１が形成される。
Further, as shown in FIG. 1, the
ここで、梁部１２ａ〜１２ｄは、支持基板２の表面に直交する方向（上下方向）に加速度を受けたときに可動電極部（重り部）１３を当該方向へ変位させると共に、加速度の消失に応じて元の状態に復元させるというバネ機能を備えたものである。
Here, the
図１において、薄膜シリコン層よりなるアンカー部１１ｃの上面にはワイヤボンディング用の電極パッド（アルミパッド）１６が形成されている。
図１の信号取出用対向電極部２０は、方形部２１と帯状部２２からなり、方形部２１からパッド形成用の帯状部２２が延びている。図２に示すように、信号取出用対向電極部２０はその下に絶縁膜３が存在する状態で区画され、図４に示すように、信号取出用対向電極部２０と支持基板２との間に容量（コンデンサ容量）Ｃ２が形成される。図１の薄膜シリコン層よりなる帯状部２２の上面にはワイヤボンディング用の電極パッド（アルミパッド）２３が形成されている。そして、図４に示すように、第１のコンデンサ構成部Ｅ１の可動電極部１３の変位による容量の変化が支持基板２を介して信号取出用対向電極部２０から取り出されることになる。
In FIG. 1, an electrode pad (aluminum pad) 16 for wire bonding is formed on the upper surface of an
The
また、図１の梁構造体１０および信号取出用対向電極部２０の周囲の枠部４０に関して、梁構造体１０および信号取出用対向電極部２０の周囲における薄膜シリコン層４の上面にはワイヤボンディング用の電極パッド（アルミパッド）４１が形成されている。この電極パッド（アルミパッド）４１により梁構造体１０および信号取出用対向電極部２０の周辺部における薄膜シリコン層４が一定電位に固定され、これにより梁構造体１０および信号取出用対向電極部２０がシールドされることになる。
Further, regarding the
半導体加速度センサ（センサチップ）は、次のようにして製造したものである。図５を用いて製造工程を説明する。図５は図１のＢ−Ｂ線での断面をとっている。
まず、図５（ａ）に示すように、ウエハ状のＳＯＩ基板１を用意する。そして、薄膜シリコン層４の上にフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して電極パッド１６，２３，４１（図１参照）を形成する。
The semiconductor acceleration sensor (sensor chip) is manufactured as follows. The manufacturing process will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a cross section taken along line BB in FIG.
First, as shown in FIG. 5A, a wafer-
続いて、図５（ｂ）に示すように、マスク材７をパターニングし、ドライエッチング装置により異方性ドライエッチングを実行することにより、薄膜シリコン層４に対し絶縁膜（埋込み酸化膜）３に達する貫通孔５および透孔１５を形成する（パターニングする）。さらに、マスク材７を残した状態で、絶縁膜（埋込み酸化膜）３が露出するＳＯＩ基板（ウエハ）１の表面側から、等方性ドライエッチングを施すことにより、図５（ｃ）に示すように、薄膜シリコン層４での絶縁膜（埋込み酸化膜）３と接する部分を除去する。これによって、梁構造体１０の可動電極部（重り部）１３、梁部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄが可動になる。そして、マスク材７を除去するとともにダイシングすることにより図１等に示すセンサチップが完成する。
Subsequently, as shown in FIG. 5B, the
上記のように構成された半導体加速度センサにあっては、基板２の表面に直交する方向（上下方向）の成分を含む加速度が印加されると、可動電極部（重り部）１３が当該方向へ変位するようになる。そして、その加速度に応じた変位量は、可動電極部（重り部）１３の質量と梁部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの復元力に比例したものとなる。この場合、可動電極部１３と支持基板２との間に容量Ｃ１が形成される。また、図４のごとく、支持基板２の電位はフローティング状態であり、同基板２において容量の変化が現れる。
In the semiconductor acceleration sensor configured as described above, when an acceleration including a component in a direction (vertical direction) orthogonal to the surface of the
図６には、上記のような静電容量の変化を検出するための容量変化検出回路（ＣＶ変換回路）の回路構成を示す。但し、この図６では、半導体加速度センサを等価回路で表現している。 FIG. 6 shows a circuit configuration of a capacitance change detection circuit (CV conversion circuit) for detecting the change in capacitance as described above. However, in FIG. 6, the semiconductor acceleration sensor is represented by an equivalent circuit.
梁構造体１０での電極パッド１６には、図７に示すような矩形波より成る搬送波信号（周波数；例えば１００ｋＨｚ、電圧レベルＶｃｃは例えば５ボルト）が印加される。なお、具体的には図示しないが、上記搬送波信号は、発振回路からのクロック信号に同期して形成されるものである。
A carrier wave signal (frequency; for example, 100 kHz, voltage level Vcc is, for example, 5 volts) composed of a rectangular wave as shown in FIG. 7 is applied to the
このようにして、第１のコンデンサ構成部Ｅ１において、可動電極部１３に搬送波電圧が印加されながら可動電極部１３が加速度の作用により支持基板２の表面に直交する方向に変位して可動電極部１３と支持基板２との間の容量Ｃ１が変化する。このとき容量Ｃ１が支持基板２から取り出される。
In this way, in the first capacitor component E1, the
図６においてパッド２３にはＣＶ変換回路としてのスイッチドキャパシタ回路５０が接続されている。スイッチドキャパシタ回路５０は図１に示したセンサチップとは別のチップにおいて形成されている。上記のような搬送波信号が印加された状態では、信号取出用対向電極部２０での電極パッド２３の電位レベルは、容量Ｃ１に応じたレベルになるものであり、その電位レベルをスイッチドキャパシタ回路５０により検出するようにしている。
In FIG. 6, a switched
詳しくは、スイッチドキャパシタ回路５０は、オペアンプ５１、帰還コンデンサ５２及びスイッチ要素５３を図示のように組み合わせて接続されている。上記オペアンプ５１は、反転入力端子に電極パッド２３からの信号が入力され、非反転入力端子にＶｃｃの電圧信号が与えられる構成となっている。また、上記スイッチ要素５３は、前記図示しない発振回路からのクロック信号に同期して生成されるトリガ信号によりオン／オフされるものであり、図７に示すように、搬送波信号の立ち上がりタイミングで一定時間（搬送波信号の１／２周期より短い時間）だけオンするように設定される。
Specifically, the switched
図６に示した容量変化検出回路（ＣＶ変換回路）は、以下のように動作する。
即ち、図７のタイミングチャート中のタイミングＴ１においては、梁構造体１０での電極にＶｃｃ（例えば５ボルト）の電圧が印加されることになる。このときには、スイッチ要素５３がオンされるため、スイッチドキャパシタ回路５０からの出力電圧ＶｏはＶｃｃになる。
The capacitance change detection circuit (CV conversion circuit) shown in FIG. 6 operates as follows.
That is, at timing T1 in the timing chart of FIG. 7, a voltage of Vcc (for example, 5 volts) is applied to the electrodes in the
上記タイミングＴ１から所定時間が経過したタイミングＴ２において、スイッチ要素５３がオフされたときには、電極に対する印加電圧は変化しないので、出力電圧ＶｏもＶｃｃのままである。次に、搬送波電圧が切り替わると、各電極に対する印加電圧が変化する。
When the
ここで、出力電圧Ｖｏのレベルは、容量Ｃ１、つまり、電極部（重り部）１３に作用する加速度の大きさに応じて変化することになるから、その出力電圧Ｖｏを利用して加速度の大きさを検出できる。 Here, since the level of the output voltage Vo changes according to the magnitude of the acceleration acting on the capacitor C1, that is, the electrode part (weight part) 13, the magnitude of the acceleration is obtained using the output voltage Vo. Can be detected.
つまり、可動電極と固定電極との間の容量Ｃ１および固定容量Ｃ２に関して、加速度が加わった時のセンサの出力は、可動電極と固定電極の間隔が変化し、その間の容量変化が生じることで、発生する。詳しくは、センサ出力電圧Ｖｏは、
Ｖｏ＝Ｃ１・Ｃ２・Ｖｃｃ／（Ｃ１＋Ｃ２）／Ｃｆ
となる。ただし、Ｃｆはスイッチドキャパシタ回路の帰還容量である。
That is, with respect to the capacitance C1 and the fixed capacitance C2 between the movable electrode and the fixed electrode, the output of the sensor when acceleration is applied is due to the change in the capacitance between the movable electrode and the fixed electrode, and the change in the capacitance between them. appear. Specifically, the sensor output voltage Vo is
Vo = C1 · C2 · Vcc / (C1 + C2) / Cf
It becomes. Where Cf is the feedback capacitance of the switched capacitor circuit.
ここで、Ｃ１値がＣ２値よりも十分小さいならば、
センサ出力電圧Ｖｏは、
Ｖｏ＝Ｃ１・Ｖｃｃ／Ｃｆ
となる。
Here, if the C1 value is sufficiently smaller than the C2 value,
The sensor output voltage Vo is
Vo = C1 · Vcc / Cf
It becomes.
よって、加速度により変化する容量Ｃ１に比例した出力が得られる。
以上、本実施形態は下記の特徴を有する。
・ＳＯＩ基板１を用いて第１のコンデンサ構成部Ｅ１と第２のコンデンサ構成部Ｅ２とがワンチップ化され、第１のコンデンサ構成部Ｅ１での梁構造体１０の可動電極部１３が加速度の作用により支持基板２の表面に直交する方向に変位して可動電極部１３と支持基板２との間の容量が変化する。一方、第２のコンデンサ構成部Ｅ２においては、薄膜シリコン層４において信号取出用対向電極部２０がその下に絶縁膜３が存在する状態で区画形成されている。そして、第１のコンデンサ構成部Ｅ１の可動電極部１３の変位による容量の変化が信号取出用対向電極部２０から取り出される。よって、加速度の検出を行うために支持基板２と結線する必要はなくなるので、例えば、支持基板２と結線するための工数が増大することが回避される。このようにして、ＳＯＩ基板１を用いて半導体加速度センサを構成した場合において支持基板２の電位をフローティングにして配線ラインの簡素化を図ることができる。
Therefore, an output proportional to the capacitance C1 that changes with acceleration is obtained.
As described above, the present embodiment has the following features.
The first capacitor component E1 and the second capacitor component E2 are made into one chip using the
・薄膜シリコン層４における梁構造体１０と信号取出用対向電極部２０の周囲の部位（枠部４０）に対し定電圧を印加してシールド層にしたので、ノイズに強い。
次に、別例を説明する。
Since the shield layer is formed by applying a constant voltage to a portion (frame portion 40) around the
Next, another example will be described.
図８，９，１０に示すように、薄膜シリコン層４における梁構造体１０の外周全てを信号取出用対向電極部２０としてもよい。即ち、ワンチップにおける薄膜シリコン層４での梁構造体１０の周囲を信号取出用対向電極部２０にしてもよい。
As shown in FIGS. 8, 9, and 10, the entire outer periphery of the
また、図１１，１２，１３に示す差動容量式の半導体加速度センサとしてもよい。つまり、図１に示したセンサでは可動容量式の第１のコンデンサ構成部Ｅ１と固定容量式の第２のコンデンサ構成部Ｅ２を具備していたが、図１１〜１３に示すセンサでは、可動容量式の第１のコンデンサ構成部Ｅ１と固定容量式の第２のコンデンサ構成部Ｅ２に加えて可動容量式の第３のコンデンサ構成部Ｅ３を具備している。そして、第１のコンデンサ構成部Ｅ１での容量と第３のコンデンサ構成部Ｅ３での容量の差を検出する。 Also, a differential capacitance type semiconductor acceleration sensor shown in FIGS. In other words, the sensor shown in FIG. 1 includes the movable capacitor type first capacitor component E1 and the fixed capacitor type second capacitor component E2, but the sensor shown in FIGS. In addition to the first capacitor component E1 of the formula and the second capacitor component E2 of the fixed capacitance type, the third capacitor component E3 of the movable capacitance type is provided. And the difference of the capacity | capacitance in the 1st capacitor | condenser structure part E1 and the capacity | capacitance in the 3rd capacitor | condenser structure part E3 is detected.
以下、このセンサを詳しく説明する。
ＳＯＩ基板１により、第１のコンデンサ構成部Ｅ１と第２のコンデンサ構成部Ｅ２と第３のコンデンサ構成部Ｅ３が構成されている（ワンチップ化されている）。薄膜シリコン層４に形成された貫通孔５により、図１１のごとく、左右の第１および第２の梁構造体１０，３０と、その間に配した信号取出用対向電極部２０と、これら部材（１０，２０，３０）の周囲の枠部４０が区画形成されている。第１の梁構造体１０を用いて第１のコンデンサ構成部Ｅ１が構成されるとともに、第２の梁構造体３０を用いて第３のコンデンサ構成部Ｅ３が構成され、さらに、信号取出用対向電極部２０を用いて第２のコンデンサ構成部Ｅ２が構成されている。
Hereinafter, this sensor will be described in detail.
The
第２の梁構造体３０は第１の梁構造体１０と同様の構造をなし、第２の梁構造体３０は、アンカー部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄと梁部３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄと可動電極部（重り部）３３からなる。梁部３２ａ〜３２ｄと可動電極部（重り部）３３は、図１２に示すように、絶縁膜３の上において空隙３４を介して配置され、可動電極部（重り部）３３は支持基板２に対し空隙３４を介して対向配置されている。また、図１１に示すように、可動電極部（重り部）３３には透孔３５が形成されている。この可動電極部（重り部）３３と支持基板２との間に、図１４に示すように、容量（コンデンサ容量）Ｃ３が形成される。つまり、可動電極部（重り部）３３と支持基板２とが対向電極をなし、両対向電極の間に容量Ｃ３が形成される。
The
このように第２の梁構造体３０と第１の梁構造体１０とは同様の構造をなしているが、図１１の第１の梁構造体１０における梁部の長さＬ１と第２の梁構造体３０における梁部の長さＬ２との比較において、長さＬ１に比べ長さＬ２が大きくなっている。これにより、加速度が加わったときに第１の梁構造体１０の電極部１３よりも第２の梁構造体３０の電極部３３の方が大きく変位する。このようにして、第１の梁構造体１０と第２の梁構造体３０とは、加速度が作用したときの容量変化が異なっている。そして、図１４に示すように、第１のコンデンサ構成部Ｅ１での容量Ｃ１と第３のコンデンサ構成部Ｅ３での容量Ｃ３の差（Ｃ１−Ｃ３）が支持基板２から信号取出用対向電極部２０に取り出されることになる。
As described above, the
図１１において、薄膜シリコン層よりなるアンカー部３１ｄの上面にはワイヤボンディング用の電極パッド（アルミパッド）３６が形成されている。
図１１の信号取出用対向電極部２０は、図１４に示すように、支持基板２との間に容量（コンデンサ容量）Ｃ２が形成される。
In FIG. 11, an electrode pad (aluminum pad) 36 for wire bonding is formed on the upper surface of an
As shown in FIG. 14, a capacitance (capacitor capacitance) C <b> 2 is formed between the
上記のように構成された半導体加速度センサにあっては、基板２の表面に直交する方向（上下方向）の成分を含む加速度が印加されると、可動電極部（重り部）１３，３３が当該方向へ変位するようになる。そして、その加速度に応じた変位量は、可動電極部（重り部）１３，３３の質量と梁部１２ａ〜１２ｄ，３２ａ〜３２ｄの復元力に比例したものとなる。この場合、可動電極部１３と支持基板２との間に第１の容量Ｃ１が形成され、また、可動電極部３３と支持基板２との間に第３の容量Ｃ３が形成される。
In the semiconductor acceleration sensor configured as described above, when an acceleration including a component in the direction (vertical direction) orthogonal to the surface of the
なお、上記第１及び第３の容量Ｃ１，Ｃ３は、本例の場合、加速度が印加されていない状態で互いに等しくなるように設定されている。つまり、図１１において左右に配置された梁構造体１０，３０において、Ｃ１＝Ｃ３となっている。
In the present example, the first and third capacitors C1 and C3 are set to be equal to each other when no acceleration is applied. That is, in the
図１５には、上記のような静電容量の変化を検出するための容量変化検出回路（ＣＶ変換回路）の回路構成を示す。但し、この図１５では、半導体加速度センサを等価回路で表現している。 FIG. 15 shows a circuit configuration of a capacitance change detection circuit (CV conversion circuit) for detecting the change in capacitance as described above. However, in FIG. 15, the semiconductor acceleration sensor is expressed by an equivalent circuit.
第１の梁構造体１０での電極パッド１６には、図１６に示すような矩形波より成る第１搬送波信号（周波数；例えば１００ｋＨｚ、電圧レベルＶｃｃは例えば５ボルト）が印加される。また、第２の梁構造体３０での電極パッド３６には、上記第１搬送波信号と位相が１８０°異なる矩形波より成る第２搬送波信号（周波数；例えば１００ｋＨｚ、電圧レベルＶｃｃは例えば５ボルト）が印加されるようになっている。なお、具体的には図示しないが、上記第１及び第２搬送波信号は、同一の発振回路からのクロック信号に同期して形成されるものである。
A first carrier wave signal (frequency; for example, 100 kHz, voltage level Vcc is, for example, 5 volts) composed of a rectangular wave as shown in FIG. 16 is applied to the
このようにして、第１のコンデンサ構成部Ｅ１において、可動電極部１３に搬送波電圧が印加されながら可動電極部１３が加速度の作用により支持基板２の表面に直交する方向に変位して可動電極部１３と支持基板２との間の容量Ｃ１が変化する。同様に、第３のコンデンサ構成部Ｅ３において、可動電極部３３に逆相の搬送波電圧が印加されながら可動電極部３３が加速度の作用により支持基板２の表面に直交する方向に変位して可動電極部３３と支持基板２との間の容量Ｃ３が変化する。このとき、可動電極部３３と支持基板２との間の容量Ｃ３が、第１の梁構造体１０の可動電極部１３の変位による容量Ｃ１とは異なる状態で変化し、その容量差（Ｃ１−Ｃ３）が支持基板２から取り出される。
In this way, in the first capacitor component E1, the
図１５においてパッド２３にはＣＶ変換回路としてのスイッチドキャパシタ回路５０が接続されている。上記のような各搬送波信号が印加された状態では、信号取出用対向電極部２０での電極パッド２３の電位レベルは、第１及び第３の容量Ｃ１，Ｃ３に応じたレベルになるものであり、その電位レベルをスイッチドキャパシタ回路５０により検出するようにしている。
In FIG. 15, a switched
詳しくは、オペアンプ５１は、反転入力端子に電極パッド２３からの信号が入力され、非反転入力端子にＶｃｃ／２（つまり、第１及び第３の容量Ｃ１，Ｃ３が等しい状態時に電極パッド２３に現れる電位レベルに相当）の電圧信号が与えられる構成となっている。また、上記スイッチ要素５３は、前記図示しない発振回路からのクロック信号に同期して生成されるトリガ信号によりオン／オフされるものであり、図１６に示すように、第１搬送波信号の立ち上がりタイミング（第２搬送波信号の立ち下がりタイミング）で一定時間（第１搬送波信号の１／２周期より短い時間）だけオンするように設定される。
Specifically, in the
図１５に示した容量変化検出回路（ＣＶ変換回路）は、以下のように動作する。
即ち、第１及び第３の容量Ｃ１，Ｃ３が等しい場合、図１６のタイミングチャート中のタイミングＴ１においては、第１の梁構造体１０での電極にＶｃｃ（例えば５ボルト）、第２の梁構造体３０での電極に０ボルトの電圧がそれぞれ印加されることになる。このときには、スイッチ要素５３がオンされるため、スイッチドキャパシタ回路５０からの出力電圧ＶｏはＶｃｃ／２になる。
The capacitance change detection circuit (CV conversion circuit) shown in FIG. 15 operates as follows.
That is, when the first and third capacitors C1 and C3 are equal, at the timing T1 in the timing chart of FIG. 16, Vcc (for example, 5 volts) is applied to the electrode of the
上記タイミングＴ１から所定時間が経過したタイミングＴ２において、スイッチ要素５３がオフされたときには、各電極に対する印加電圧は変化しないので、出力電圧ＶｏもＶｃｃ／２のままである。次に、搬送波電圧が切り替わると、各電極に対する印加電圧が変化する。
When the
ここで、出力電圧Ｖｏのレベルは、第１及び第３の容量Ｃ１，Ｃ３の差動的な変化量、つまり、電極部（重り部）１３，３３に作用する加速度の大きさに応じて変化することになるから、その出力電圧Ｖｏを利用して加速度の大きさを検出できる。 Here, the level of the output voltage Vo changes in accordance with the differential change amount of the first and third capacitors C1 and C3, that is, the magnitude of acceleration acting on the electrode portions (weight portions) 13 and 33. Therefore, the magnitude of acceleration can be detected using the output voltage Vo.
つまり、可動電極と固定電極との間の容量Ｃ１，Ｃ３および固定容量Ｃ２に関して、加速度が加わった時のセンサの出力は、可動電極と固定電極の間隔が変化し、その間の容量変化（Ｃ１−Ｃ３）が生じることで、発生する。詳しくは、センサ出力電圧Ｖｏは、
Ｖｏ＝Ｃ２・（Ｃ１−Ｃ３）・Ｖｃｃ／（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３）／Ｃｆ
となる。ただし、Ｃｆはスイッチドキャパシタ回路の帰還容量である。
That is, regarding the capacitances C1, C3 and the fixed capacitance C2 between the movable electrode and the fixed electrode, the output of the sensor when acceleration is applied changes the distance between the movable electrode and the fixed electrode, and changes in the capacitance (C1- Occurs when C3) occurs. Specifically, the sensor output voltage Vo is
Vo = C2 * (C1-C3) * Vcc / (C1 + C2 + C3) / Cf
It becomes. Where Cf is the feedback capacitance of the switched capacitor circuit.
ここで、Ｃ１，Ｃ３値がＣ２値よりも十分小さいならば、
センサ出力電圧Ｖｏは、
Ｖｏ＝（Ｃ１−Ｃ３）・Ｖｃｃ／Ｃｆ
となる。
Here, if the C1 and C3 values are sufficiently smaller than the C2 value,
The sensor output voltage Vo is
Vo = (C1-C3) .Vcc / Cf
It becomes.
よって、加速度により変化する容量差（Ｃ１−Ｃ３）に比例した出力が得られる。
このようにして、第１のコンデンサ構成部Ｅ１での梁構造体１０の可動電極部１３と第３のコンデンサ構成部Ｅ３での梁構造体３０の可動電極部３３とが同一方向に動き、発生した容量差（Ｃ１−Ｃ３）を検出するとともに、第２のコンデンサ構成部Ｅ２を介して上記容量差（Ｃ１−Ｃ３）が取り出される。
Therefore, an output proportional to the capacitance difference (C1-C3) that changes with acceleration is obtained.
In this way, the
また、図１〜３での支持基板２と薄膜シリコン層４の間に配する部材、即ち、平行平板電極間に配する部材として、図１，２，３においては下側電極／シリコン酸化膜／エアギャップ／上側電極であったが、次のようにしてもよい。
1-3, the member disposed between the
図１７に示すように、下側電極／シリコン酸化膜／エアギャップ／シリコン酸化膜／上側電極としてもよい。あるいは、図１８に示すように、下側電極／エアギャップ／シリコン酸化膜／上側電極としてもよい。あるいは、図１９に示すように、下側電極／シリコン酸化膜／シリコン窒化膜／エアギャップ／上側電極としてもよい。 As shown in FIG. 17, the lower electrode / silicon oxide film / air gap / silicon oxide film / upper electrode may be used. Alternatively, as shown in FIG. 18, the lower electrode / air gap / silicon oxide film / upper electrode may be used. Alternatively, as shown in FIG. 19, the lower electrode / silicon oxide film / silicon nitride film / air gap / upper electrode may be used.
また、図１１〜１３での第１のコンデンサ構成部Ｅ１での容量Ｃ１と第３のコンデンサ構成部Ｅ３での容量Ｃ３に差（Ｃ１−Ｃ３）をつける他の方法として次のようにしてもよい。つまり、図１１では梁構造体１０，３０における梁部の長さＬ１，Ｌ２を変えることにより加速度が加わったときの容量に差をつけていたが（容量変化を異ならせたが）、これに代わり次のようにしてもよい。
In addition, as another method of giving a difference (C1−C3) between the capacitance C1 in the first capacitor configuration unit E1 and the capacitance C3 in the third capacitor configuration unit E3 in FIGS. Good. That is, in FIG. 11, the capacity when acceleration is applied by changing the lengths L1 and L2 of the beam portions in the
図２０に示すように、梁構造体１０，３０における梁部の幅Ｗ（Ｗ２＞Ｗ１）を変え、これにより、梁構造体１０，３０の梁部のバネ定数ｋを変えるようにしてもよい。
あるいは、図２１に示すように、梁構造体１０，３０における可動電極部１３，３３の大きさを異ならせ（Ｗ１１＞Ｗ１０）、これにより、可動電極部１３，３３の質量ｍを変えるようにしてもよい。あるいは、図２２に示すように、梁構造体１０，３０における可動電極部１３，３３の縦横寸法が同じであり、梁構造体１０での透孔１５と梁構造体３０での透孔３５の大きさは同じであるが梁構造体３０においては更に大きな透孔６０が形成されている。これにより可動電極部１３，３３の電極面積を異ならせてもよい。この図２１，２２に示したように、第１の梁構造体１０と第２の梁構造体３０とは、可動電極部１３，３３の質量または電極面積を変えることにより加速度が作用したときの容量変化を異ならせてもよい。
As shown in FIG. 20, the beam portion width W (W2> W1) in the
Alternatively, as shown in FIG. 21, the sizes of the
あるいは、図２３，２４，２５に示すように、支持基板２における第２の梁構造体３０の可動電極部３３と対向する部位にシリコン窒化膜７０を形成することにより、第１のコンデンサ構成部Ｅ１と第３のコンデンサ構成部Ｅ３において誘電率εを異ならせる。二酸化膜以外の誘電物質として、例えばＳｉＮ、ＳｉＯＮを挙げることができ、ＳｉＯの比誘電率は「３．９」であるがＳｉＮの比誘電率は「９」である。広義には、第１の梁構造体１０と第２の梁構造体３０とは、支持基板２と薄膜シリコン層４の間の絶縁膜の材質または厚さを変えることにより加速度が作用したときの容量変化を異ならせる。
Alternatively, as shown in FIGS. 23, 24, and 25, the first capacitor component is formed by forming a
また、図１１に代わる構成として図２６に示すように、薄膜シリコン層４における梁構造体１０，３０の外周全てを信号取出用対向電極部２０としてもよい。
また、半導体加速度センサの他にも半導体ヨーレイトセンサ等の他の力学量を検出するためのセンサに適用してもよい。
Further, as shown in FIG. 26 as an alternative configuration to FIG. 11, the entire outer periphery of the
In addition to the semiconductor acceleration sensor, the present invention may be applied to other mechanical quantities such as a semiconductor yaw rate sensor.
次に、上記別例から把握できる技術的思想を以下に記載する。
（イ）請求項１に記載の半導体力学量センサにおいて、
前記第１のコンデンサ構成部（Ｅ１）の可動電極部（１３）は搬送波電圧が印加されながら力学量の作用により支持基板（２）の表面に直交する方向に変位するものであり、
前記第１および第２のコンデンサ構成部（Ｅ１，Ｅ２）と共に前記積層基板（１）にワンチップ化され、前記薄膜半導体層（４）において梁構造体（３０）が区画形成され、梁構造体（３０）の可動電極部（３３）が前記支持基板（２）に対し空隙（３４）を介して対向配置され、当該可動電極部（３３）に搬送波電圧が印加されながら当該可動電極部（３３）が力学量の作用により支持基板（２）の表面に直交する方向に変位して当該可動電極部（３３）と前記支持基板（２）との間の容量が、前記第１のコンデンサ構成部（Ｅ１）の可動電極部（１３）の変位による容量とは異なる状態で変化し、その容量差が支持基板（２）から取り出される第３のコンデンサ構成部（Ｅ３）と、
を備え、
前記容量差が前記支持基板（２）から前記第２のコンデンサ構成部（Ｅ２）の信号取出用対向電極（２０）に取り出されるようにしたことを特徴とする半導体力学量センサ。
Next, the technical idea that can be grasped from the above-mentioned another example will be described below.
(A) In the semiconductor dynamic quantity sensor according to
The movable electrode portion (13) of the first capacitor component (E1) is displaced in a direction perpendicular to the surface of the support substrate (2) by the action of a mechanical quantity while a carrier voltage is applied,
A single chip is formed on the multilayer substrate (1) together with the first and second capacitor components (E1, E2), and a beam structure (30) is defined in the thin film semiconductor layer (4). The movable electrode portion (33) of (30) is arranged to face the support substrate (2) via the gap (34), and the movable electrode portion (33) is applied while a carrier voltage is applied to the movable electrode portion (33). ) Is displaced in the direction orthogonal to the surface of the support substrate (2) by the action of the mechanical quantity, and the capacitance between the movable electrode portion (33) and the support substrate (2) is the first capacitor component. A third capacitor component (E3) that changes in a state different from the capacitance due to the displacement of the movable electrode portion (13) of (E1), and the capacitance difference is taken out from the support substrate (2);
With
The semiconductor dynamic quantity sensor characterized in that the capacitance difference is taken out from the support substrate (2) to the signal take-out counter electrode (20) of the second capacitor constituting part (E2).
この構成により、差動容量タイプとなり、外乱（ノイズ）を相殺できノイズに強い構造となる。
（ロ）前記（イ）に記載の半導体力学量センサにおいて、第１の梁構造体（１０）と第２の梁構造体（３０）とは、梁部の長さ（Ｌ１，Ｌ２）を変えることにより力学量が作用したときの容量変化を異ならせたことを特徴とする半導体力学量センサ。
（ハ）前記（イ）に記載の半導体力学量センサにおいて、第１の梁構造体（１０）と第２の梁構造体（３０）とは、梁部の幅（Ｗ１，Ｗ２）を変えることにより力学量が作用したときの容量変化を異ならせたことを特徴とする半導体力学量センサ。
（ニ）前記（イ）に記載の半導体力学量センサにおいて、第１の梁構造体（１０）と第２の梁構造体（３０）とは、可動電極部（１３，３３）の質量または電極面積を変えることにより力学量が作用したときの容量変化を異ならせたことを特徴とする半導体力学量センサ。
（ホ）前記（イ）に記載の半導体力学量センサにおいて、第１の梁構造体（１０）と第２の梁構造体（３０）とは、支持基板（２）と薄膜半導体層（４）の間の絶縁膜の材質または厚さを変えることにより力学量が作用したときの容量変化を異ならせたことを特徴とする半導体力学量センサ。
With this configuration, a differential capacitance type is obtained, and a structure that can cancel disturbance (noise) and is resistant to noise.
(B) In the semiconductor dynamic quantity sensor described in (a) above, the first beam structure (10) and the second beam structure (30) change the length (L1, L2) of the beam portion. A semiconductor mechanical quantity sensor characterized in that the change in capacitance when the mechanical quantity acts is made different.
(C) In the semiconductor dynamic quantity sensor described in (a) above, the first beam structure (10) and the second beam structure (30) change the width (W1, W2) of the beam portion. A semiconductor mechanical quantity sensor characterized in that the change in capacitance when the mechanical quantity is applied is made different.
(D) In the semiconductor dynamic quantity sensor described in (a) above, the first beam structure (10) and the second beam structure (30) are the mass or electrode of the movable electrode part (13, 33). A semiconductor dynamic quantity sensor characterized in that a change in capacitance when a dynamic quantity is applied is varied by changing an area.
(E) In the semiconductor dynamic quantity sensor according to (a), the first beam structure (10) and the second beam structure (30) include a support substrate (2) and a thin film semiconductor layer (4). A semiconductor dynamic quantity sensor characterized in that a change in capacitance when a dynamic quantity acts is made different by changing a material or a thickness of an insulating film between them.
１…ＳＯＩ基板、２…支持基板、３…絶縁膜、４…薄膜シリコン層、１０…梁構造体、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ…アンカー部、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ…梁部、１３…可動電極部、１４…空隙、２０…信号取出用対向電極部、３０…梁構造体、３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ…アンカー部、３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ…梁部、３３…可動電極部、３４…空隙、４０…枠部、Ｅ１…第１のコンデンサ構成部、Ｅ２…第２のコンデンサ構成部、Ｅ３…第３のコンデンサ構成部。
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記第１のコンデンサ構成部（Ｅ１）と共に前記積層基板（１）の前記薄膜半導体層（４）においてその下面が前記絶縁膜（３）と接した状態で区画形成され、この区画形成された領域を信号取出用対向電極部（２０）としてこの信号取出用対向電極部（２０）と前記支持基板（２）との間に固定容量が形成される第２のコンデンサ構成部（Ｅ２）と、
前記薄膜半導体層（４）における前記梁構造体（１０）と前記信号取出用対向電極部（２０）の周囲の部位（４０）に対し定電圧を印加したシールド層とを備え、
前記支持基板（２）を電気的にフローティング状態として前記第１のコンデンサ構成部（Ｅ１）の可動電極部（１３）の変位による容量の変化をこの支持基板（２）を介して前記第２のコンデンサ構成部（Ｅ２）の信号取出用対向電極部（２０）から取り出すようにしたことを特徴とする半導体力学量センサ。 A beam structure (10) is defined in a thin film semiconductor layer (4) of a laminated substrate (1) in which a thin film semiconductor layer (4) is disposed on a support substrate (2) made of a semiconductor material via an insulating film (3). The movable electrode portion (13) is defined as a movable electrode portion (13) that is formed and opposed to the support substrate (2) in the sectioned beam structure (10) via the gap (14). 13) is displaced in the direction orthogonal to the surface of the support substrate (2) by the action of the mechanical quantity, and the capacitance between the movable electrode portion (13) and the support substrate (2) changes. A capacitor component (E1);
In the thin film semiconductor layer (4) of the multilayer substrate (1) together with the first capacitor component (E1), the lower surface is partitioned and formed in contact with the insulating film (3). A second capacitor component (E2) in which a fixed capacitance is formed between the counter electrode portion (20) for signal extraction and the support substrate (2) .
A shield layer in which a constant voltage is applied to the beam structure (10) in the thin film semiconductor layer (4) and a portion (40) around the counter electrode portion for signal extraction (20) ;
The support substrate (2) is brought into an electrically floating state, and the change in capacitance due to the displacement of the movable electrode portion (13) of the first capacitor component (E1) is changed via the support substrate (2). A semiconductor mechanical quantity sensor characterized in that it is taken out from the counter electrode part (20) for signal extraction of the capacitor component (E2).
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