JP5058409B2 - 集積型マルチセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は環境センシングに最適な集積型マルチセンサに関し、特に低消費電力化を実現して超小型・低コスト化を図ったセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
環境センシングは運輸・物流、気象・地震検知、生体観測、医療分野等、さまざまな領域で求められている。
【０００３】
例えば、運輸・物流の分野では輸送・搬送中における環境の情報化の研究が行われ、環境センシングシステムの試作・検討が行われている。現在の輸送システムでは荷物にバーコード等でナンバリングし、荷物の発着状況の管理は行われているが、その途中経路の荷物の状態については管理されておらず、輸送状況の詳細な環境データが必要とされている。輸送・搬送中における環境の情報化とは輸送又は搬送中における荷物の状態、例えば温度、気圧、衝撃、天地、湿度等をリアルタイムでモニタし、その観測データを蓄積して輸送・搬送の品質を向上させようとするものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
環境センシングシステムの例としては、２つの基板と電源とを組み合わせて構成し、一方の基板上には温度センサ、湿度センサ、圧力センサ、加速度／衝撃センサ等の市販パッケージセンサを密集実装し、ディスクリート部品による周辺回路でアナログ処理を行い、他方の基板には測定データのＡ／Ｄ変換、マイコン処理、メモリによるストレージ、通信を行う機能回路を搭載するようにした方式が考えられる。
【０００５】
しかし、かかる環境センシングシステムはその構造上、消費電力が比較的大きく、電源として比較的容量の大きなバッテリを用いる必要があり，大きさ及びコストの点でプロトタイプの域を脱しておらず、実用上はより一層の小型化及び低コスト化が要求されていた。
【０００６】
本発明はかかる状況において、低消費電力化を実現して超小型・低コスト化を図った集積型マルチセンサを提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明に係る集積型マルチセンサは、シリコン支持層、中間酸化膜及び活性層の３層で構成されるシリコンオンインシュレータウエハが複数のプラットフォームに区画され、該複数の各プラットフォームには環境パラメータに応動するセンサ部又は環境パラメータを検知するセンサ回路と上記センサ部又はセンサ回路の信号を処理する周辺回路が集積回路構造に形成されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明の特徴の１つはシリコンオンインシュレータウエハ（以下、ＳＯＩウエハという）の特性、即ち均一な膜厚の単結晶シリコン構造が無応力で得られ、マイクロマシニング材料に最適であるという特性に着目し、ＳＯＩウエハ上にセンサ部又はセンサ回路とその周辺回路とを集積回路構造に形成するようにした点にある。
【０００９】
これにより、環境パラメータに応動するセンサ部をＳＯＩウエハを微細加工して作り込むことができ、しかも中間酸化膜をエッチングストップとして利用して微細加工を高精度に行うことができる。
【００１０】
また、センサ部又はセンサ回路とその周辺回路を集積回路構造に構成しているので、消費電力を大幅に低減できるとともに、マルチセンサの小型化及び低コスト化を実現でき、さまざまな領域における環境センシングに実用的に用いることが可能となる。
【００１１】
即ち、本発明に係る集積型マルチセンサは輸送・移動中におけるデータ収録・通信、人体等に対する環境負荷のデータ収録・通信又は携帯型装置の一部として用いられることが期待される。
【００１２】
環境パラメータとは温度、湿度、圧力及び加速度・衝撃の物理量の他、赤外線、超音波、ガス濃度等、センシングを求められるあらゆるパラメータを含む。
【００１３】
例えば、物理量をセンシングするマルチセンサを構成する場合、ＳＯＩウエハ上には温度、湿度、圧力及び加速度／衝撃力のうちの少なくとも２つの環境パラメータを検知するセンサ回路とその周辺回路を集積回路として構成することができる。
【００１４】
周辺回路はセンサ部やセンサ回路の特性や機能に応じて適宜選択するが、例えば低消費電流化を可能にするパワーダウン機能、増幅機能、信号補償機能、信号処理機能を実現する周辺回路を含むことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す具体例に基づいて詳細に説明する。図１ないし図１３は本発明に係る集積型マルチセンサの好ましい実施形態を示す。図１及び図２に示されるように、本例のマルチセンサ１０は横１０ｍｍ、縦１５ｍｍ、厚さ１．６ｍｍの大きさを有し、ＳＯＩウエハ２０が３つのプラットフォーム１１、１２、１３に区画され、プラットフォーム１１には加速度・衝撃センサ部３０と周辺回路３１、３６が集積回路構造に構成され、プラットフォーム１２には圧力センサ部３２、温度センサ回路３３と周辺回路３７、３９が集積回路構造に構成され、プラットフォーム１３には湿度センサ回路３４と周辺回路３５、３８、３１０が集積回路構造に構成され、いずれも基本的にはバイポーラ集積回路プロセルを用いて構成されている。
【００１６】
ＳＯＩウエハ２０はシリコン支持層２１、中間酸化膜２２及び活性層２３の３層構造をなしている。なお、本例のウエハ２０では厚さ６２５μｍのシリコン支持層２１厚さ１μｍの中間酸化膜２２及び厚さ８μｍの活性層２３の貼り合わせたＳＯＩウエハ上に埋込みパターン拡散後、１７μｍ厚のエピタキシャル成長を行っている。エピタキシャル工程の条件は通常のウエハと同一であるので、その詳細な説明は省略する。
【００１７】
プラットフォーム１１〜１３は図３に示されるように、縦５ｍｍ、横１０ｍｍの大きさをなし、左側のセンサブロック１４と右側の回路ブロック１５の２つの基本チップに区画されている。右側の回路ブロック１５では同一構成の４つのセル１８からなり、１セル当たりオペアンプ１個分程度を作製可能な回路規模の素子数が配置されるようになっている。
【００１８】
左側のセンサブロック１４では縦３ｍｍ、横４ｍｍ程度のセンサ作製領域１６がレイアウトされ、その上方には回路ブロック１５の１セル分程度の素子を配置できる回路作製領域１７が設けられ、センサと密接した信号処理を行えるようになっている。なお、基本チップは自由にダイシング可能で、回路規模やセンサ数に応じてブロックを選択することにより、汎用的な集積型センサを容易に構築できる。
【００１９】
プラットフォーム１１ではセンサブロック１４にピエゾ抵抗型３軸加速度（衝撃）センサ３０とオフセット調整回路３６、回路ブロック１５に４回路の加速度センサ用差動増幅器３１・・・が設けられている。
【００２０】
プラットフォーム１２ではセンサブロック１４にピエゾ抵抗型メンブレン式圧力センサ３２とオフセット調整回路３７、回路ブロック１５に圧力センサ用差動増幅器３３とバンドギャップ型温度センサ３９が設けられている。
【００２１】
プラットフォーム１３ではセンサブロック１４に湿度センサ用感湿ポリイミド膜３４とオフセット調整回路３８、回路ブロック１５に湿度センサ用発振器３５と２回路の標準オペアンプ３１０が設けられている。
【００２２】
図４に本例のバンドギャップ型温度センサ３３の回路構成例を示し、温度変化に対するトランジスタのバンドギャップ電圧を差動増幅し、温度変化から直接電圧出力が得られる構成となっている。なお、センサ感度の決定に拡散抵抗を用いており、拡散抵抗の温度計数の大きさが問題となるので、薄膜抵抗等も検討する必要がある。また、回路規模としては回路ブロック１５の１セルに収まるものであるが、高抵抗を必要とし、他セルの抵抗を使用する必要があるので、３セル分の面積を使用している。さらに、温度センサは他のセンサ（圧力センサや湿度センサ）の温度補償に必要不可欠であり、温度特性に優れた回路構成にするのが望ましい。
【００２３】
図５は湿度センサ部３４の構造を示し、ＳＯＩウエハ２０上には第１層目アルミ配線３４０、ポリイミド層間絶縁膜３４１、メッシュ状の第２層目アルミ配線３４２が形成されている。即ち、本例では集積回路の２層配線構造を利用し、中間絶縁膜であるポリイミド３４１の誘電率が吸湿によって変化することを利用し、湿度検出を行うようになっている。高感度化のためには広い面積を必要とするので、本例てはセンサ作製領域１６５の全体にポリイミド層間絶縁膜３４１を形成している。
【００２４】
図６はポリイミド層間絶縁膜３４１を湿度センサとして利用するための回路構成例を示す。本例では簡易なインピーダンス測定回路を用いている。発振器３５の出力をポリイミド層間絶縁膜３４１のキャパシタに入力し、出力電流を電流入力型絶対値アンプ３１２で電圧に変換し整流し、湿度に対するインピーダンス変化の非線形性を補償するために疑似対数アンプ３１１で増幅し、湿度変化に対してリニアな電圧出力を得るようになっている。
【００２５】
図７は加速度センサ部３０の構造例を示す。本例ではＳＯＩウエハ２０の膜厚２５μｍの活性層２３を十字形状のメンブレン梁３００として用い、ＩＣＰ−ＲＩＥ加工で形成された膜厚６２５μｍの支持層２１のクローバー型プルーフマス３０１を支持した構造となっている。プローフマス３０１は十字梁３００のみで支えられ、加速度の印加によって自由に変位できるようになっている。この変位を支持梁３００に形成された歪みゲージ３０２で検出し、加速度を測定するのが基本動作原理である。
【００２６】
応力が最大となる点は、十字梁３００とプローフマス３０１の接合部、十字梁３００と周囲の支持フレームの接合部であるので、その近傍に歪みゲージ３０２を形成している。本例では９０°直交対称であるので、ｘ軸方向及びｙ軸方向の加速度について応動する。
【００２７】
図８は加速度センサの検出回路の構成例を示す。差動変化を行う４組みのピエゾ抵抗（歪みゲージ３０２）の対が２組みずつｘｙ軸直交に配置された回路を表している。本センサは一般的な３軸加速度センサの構造を踏襲しており、３軸の加速度変化に対して４出力となるが、各々の出力を加減算することにより、ｘｙｚの３軸の加速度を検出することができる。歪み検出は抵抗ブリッジに電圧を印加し、加速度で作用すると中間電位が変化することを利用している。この変化は直接出力するのではなく、固定リファレンス抵抗との電位差として出力して、ピエゾ抵抗の温度特性をキャンセルするようにしている。固定リファレンス抵抗はピエゾ抵抗の面方位依存性を考慮して、ｘ軸、ｙ軸それぞれに対応した方向に同一形状で形成している。抵抗ブリッジに常時電圧を印加するのは電力消費の点から好ましくないので、正電圧印加部にトランジスタスイッチを設け、間欠的な通電・検出ができるようにしている。また、負電圧印加部は０電位に固定するのではなく、ピエゾ抵抗のバラツキによるオフセットを調整できるようにバッファアンプを介した電圧コントロール端子を設けている。
【００２８】
図９は歪みゲージ３０２とリファレンス抵抗の差動増幅に利用する回路の例を示す。
【００２９】
図１０は圧力センサ部３２の構造例を示す。本例の圧力センサ部３２ではＳＯＩウエハ２０の厚さ２５μｍの活性層２３をメンブレンとし、ガラス基板２４との接合でチャンバを形成している。その構造上、メンブレン中央部と周囲フレーム端部で大きな応力が発生するので、加速度センサの場合と同様に、リファレンス抵抗との差動抵抗変化を検出する回路（図１１参照）を用い、温度補償をおこなっている。なお、圧力センサ部３２はチャンバ内気体の熱膨張によってオフセット出力が大きく変化するので、チャンバ形成工程、即ちシリコン・ガラス基板の接合工程を真空中で行うか、又は温度センサの観測データから計算によって補正を行うのがよい。なお、図中、３２０は歪みゲージである。
【００３０】
図１２はピエゾ抵抗の作製プロセスを示す。ピエゾ抵抗はシリコン基板上の抵抗がシリコン応力に応じて変化するピエゾ抵抗効果を利用して歪み測定を行うものである。標準バイポーラ工程ではエミッタリン拡散後にリンガラス除去、ウエット酸化、最終拡散を行うが、本例のピエゾ抵抗を作製する場合にはリンガラス除去後に、ピエゾ抵抗形成用イオン注入の工程を挿入している。注入完了後のウエハはレジスト除去後に通常のバイポーラプロセスに戻し、ウエット酸化、最終拡散を行う。
【００３１】
図１３はＩＣＰ−ＲＩＥポストプロセスによるマイクロマシニング工程を示している。ＩＣＰ−ＲＩＥプロセスはドライエッチングで非常にアスペクト比の高い加工を行え、高精度のマイクロセンサの作製に適している。
【００３２】
バイポーラ集積回路工程を完了したＳＯＩウエハ２０の回路面をレジストにより保護し、裏面のマイクロマシン面のフォトリソを行う。フォトリソには厚膜レジストを用い、１０μｍのポジレジストマスクで６２５μｍの貫通エッチングを行っている。エッチングが中間酸化膜２２まで達すると、保護レジストを剥離し、基板ガラス２４に接合する。ガラス基板・シリコンの接合にはＣＹＴＯＰ（アサヒガラス社、商品名）の熱圧着プロセスを用いる。ガラス基板にＣＹＴＯＰをプリベークした後、加工したＳＯＩウエハとアライメントして密着させ、１６０°Ｃ、６０分の熱処理によって接合する。陽極接合とは異なり、低温かつ高電圧を加えることなく接合できるので、集積回路を損傷することなく接合できる。最後に、集積回路面のフォトリソを行い、ＲＩＥで活性層を貫通エッチングし、中間酸化膜をウエットエッチングにより除去して完成する。
【００３３】
次に、本例の集積型マルチセンサの用途について説明する。
〔輸送中情報の記録装置の一部として〕
海運、空輸、陸送、いずれの輸送であっても輸送中、あるいは荷役等で、衝撃や多湿、高温などの環境にさらされ、運搬物の破損、腐敗などが発生することが運輸界では大きな問題になっている。本例の集積化マルチセンサは小型軽量であり、低消費電力化が可能であるので、ディジタルプロセッサやメモリと組み合わせ、輸送荷物に取り付けることにより、輸送中における環境負荷を逐次記録し、どの時点で破損や腐敗の原因が生じたかを特定することができる。また、携帯電話などの移動端末と組み合わせる事によって、実時間で現在の（あるいはそれまでに発生した）環境をモニタすることが可能である。
【００３４】
〔要介護者、徘徊者などの遠隔モニタ〕
小型軽量化が可能であるため、本例の集積型マルチセンサを身体に取り付けることにより、身体がどのような環境下（例えば、寝ている、起きている、歩いている、寒い部屋にいる等）にあるかを収録しあるいは携帯端末と組み合わせ、実時間モニタすることが可能である。
【００３５】
〔レンタカーなどの使用記録〕
本例の集積型マルチセンサを乗用車の室内に搭載しておくことにより、加速度（加減速、悪路など）、気圧（海抜、トンネル通過など）、温度などの変化から乗用車使用中にどのような経緯をとったかを知ることができる。また、これはレンタカーに限らず、一般車に取り付けておくことによって事故の直前の状況や経緯（休息はとったか否かなども含む）を知ることができ、事故の責任の明確化、防止を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る集積型マルチセンサの好ましい実施形態を示す平面構成図である。
【図２】 上記実施形態における３つの各プラットフォームを示す断面構成図である。
【図３】 上記実施形態におけるプラットフォームを示す平面図である。
【図４】 上記実施形態におけるバンドギャップ型温度センサの回路構成例を示す図である。
【図５】 上記実施形態における湿度センサ部の構造を示す斜視図である。
【図６】 上記実施形態においてポリイミド層間絶縁膜を湿度センサとして利用するための回路構成例を示す図である。
【図７】 上記実施形態における加速度センサ部の構造例を示す斜視図である。
【図８】 上記実施形態における加速度センサの検出回路の構成例を示す図である。
【図９】 上記実施形態において歪みゲージとリファレンス抵抗の差動増幅に利用する回路例を示す図である。
【図１０】 上記実施形態における圧力センサ部の構造例を示す図である。
【図１１】 上記実施形態においてピエゾ抵抗とリファレンス抵抗との差動抵抗変化を検出する回路例を示す図である。
【図１２】 上記実施形態におけるピエゾ抵抗の作製プロセスを示す図である。
【図１３】 上記実施形態におけるマイクロマシニング工程を示す図である。
【符号の説明】
１０ 集積型マルチセンサ
１１〜１３ プラットフォーム
２０ ＳＯＩウエハ
２１ 支持層
２２ 中間酸化膜
２３ 活性層
３０ ピエゾ抵抗型３軸加速度センサ（加速度・衝撃センサ部）
３１ 加速度センサ用差動増幅器（周辺回路）
３２ ピエゾ抵抗型メンブレン式圧力センサ（圧力センサ部）
３３ 圧力センサ用差動増幅器（周辺回路）
３４ 湿度センサ部
３４１ 湿度センサ用感湿ポリイミド膜
３５ 湿度センサ用発振器（周辺回路）
３６、３７、３８ オフセット調整回路（周辺回路）
３９ バンドギャップ型温度センサ（センサ回路）
３１０ 標準オペアンプ（周辺回路）

Claims (1)

1. 温度、湿度、圧力及び加速度・衝撃のうちの少なくとも２つの環境パラメータを検出する集積型マルチセンサであって、
   シリコン支持層（２１）、中間酸化膜（２２）及び活性層（２３）の３層で構成される１枚のシリコンオンインシュレータウエハ（２０）が複数のプラットフォーム（１１，１２，１３）に区画され、該複数のプラットフォーム（１１，１２，１３）の各々はセンサブロックと回路ブロックとに区画され、
   上記複数の各プラットフォーム（１１，１２，１３）のセンサブロックには環境パラメータに応動するセンサ部（３０，３２，３４）がシリコンオンインシュレータウエハを微細加工して構成されるか又は環境パラメータを検知するセンサ回路（３９）が集積回路構造に形成され、
   上記複数の各プラットフォーム（１１，１２，１３）の回路ブロックには上記センサ部（３０，３２，３４）又はセンサ回路（３９）の信号を処理する周辺回路（３１，３３，３５，３６，３７，３８）が集積回路構造に形成されていることを特徴とする集積型マルチセンサ。

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