JP6580804B2 - Ｍｅｍｓ圧力センサとｍｅｍｓ慣性センサの集積構造 - Google Patents

Description

本発明はセンサ分野に関し、より具体的には、ＭＥＭＳ圧力センサとＭＥＭＳ慣性センサを同一チップ上に集積した集積構造に関する。

近年、科学技術の発展に伴い、携帯電話、ノートパソコンなどの電子製品の体積は日々縮小され、人々のこれら携帯用電子機器の性能に対する要求もますます高くなっており、付属する電子部品の体積もそれに伴って縮小しなければならないことが求められている。

センサは測定素子として、一般的に携帯電話、ノートパソコンなどの電子機器に応用されている。従来の工程構造において、検出原理が異なるため、ＭＥＭＳ慣性センサとＭＥＭＳ圧力センサのチップは一般的に別々であり、ＭＥＭＳ慣性センサは密閉した空間によりその微細構造を保護する必要があるのに対して、ＭＥＭＳ圧力センサの感知構造は外部と接触する必要があり、２つの素子はそれぞれ異なる技術プラットフォームに基づいて設計し加工され、異なるパッケージ形態により、独立したチップを形成するようになっている。組み立てる際、システムのメーカーは、ＭＥＭＳ慣性センサチップとＭＥＭＳ圧力センサチップを、ＳＭＴの方式により、同一のマザーボードに実装することになっているので、チップのコストが増加するとともに、実装のコストも増加した。

本発明の１つの目的は、ＭＥＭＳ圧力センサとＭＥＭＳ慣性センサの集積構造の新しい技術的解決手段を提供することである。

本発明の第１態様によれば、基板と、前記基板に形成される絶縁層と、いずれも前記絶縁層に形成される第１下部電極及び第２下部電極と、を含み、第１支持部を介して前記第１下部電極の上方に支持される第１上部電極と、第２支持部を介して前記第２下部電極の上方に支持される第２上部電極と、をさらに含み、第３支持部を介して基板の上方に支持される慣性感知構造と、慣性感知構造とともに慣性センサの慣性検出コンデンサを構成する固定極板と、をさらに含み、慣性感知構造、固定極板により構成される慣性検出コンデンサを基板にパッケージするカバーを、さらに含み、前記第１上部電極と前記第１下部電極によって圧力センサの気圧感知型コンデンサが構成されるように、前記第１上部電極は感圧膜とされ、前記第１上部電極と前記第１下部電極との間のキャビティは密閉キャビティとされており、前記第２上部電極と前記第２下部電極は静電容量が外部気圧によって変化しない標準コンデンサを構成する、ＭＥＭＳ圧力センサとＭＥＭＳ慣性センサの集積構造を提供する。

好ましくは、前記第２上部電極も感圧膜とされ、前記標準コンデンサは前記第２上部電極が外部気圧の作用によって変形することを制限するためのストッパ構造をさらに含む。

好ましくは、前記ストッパ構造を形成するために、前記標準コンデンサには前記第２上部電極を支持するための支持柱が設けられている。

好ましくは、前記ストッパ構造を形成するために、前記標準コンデンサには圧力平衡孔が設けられ、前記標準コンデンサにおける第２上部電極と第２下部電極との間に位置するキャビティは前記圧力平衡孔を介して外部に連通される。

好ましくは、前記カバーはさらに第２上部電極と第２下部電極とにより構成される標準コンデンサを基板にパッケージする。

好ましくは、前記第１上部電極と前記第２上部電極とは一体構造である。

好ましくは、前記第１支持部、第２支持部と第３支持部は同じ材質、同じ高さを有し、前記第１上部電極、第２上部電極と慣性感知構造は同じ材質、同じ高さを有し、前記第１下部電極と第２下部電極は同じ材質、同じ高さを有する。

好ましくは、前記第１上部電極、第２上部電極の下端面は慣性感知構造の下端面よりも高くなる。

好ましくは、前記第１支持部、第２支持部、第３支持部にはそれぞれ貫通孔が設けられ、前記貫通孔内にはそれぞれ第１上部電極、第２上部電極、慣性感知構造に電気的に接続される導電性材料が設けられ、第１支持部、第２支持部、第３支持部の下端には複数の対応する接続リード線が形成され、該複数の対応する接続リード線は絶縁層を介して配線され、それぞれ基板におけるボンディングパッドの集中エリアに接続される。

好ましくは、前記固定極板は絶縁層に設けられ、慣性検出コンデンサの第３下部電極とされる。

本発明の集積構造は、ＭＥＭＳ慣性センサとＭＥＭＳ圧力センサを同一基板に集積することで、チップの面積を効果的に減少させ、チップのコストを削減することができる。一回のパッケージで、チップ全体のパッケージを完了させることができ、チップパッケージのコストを削減している。また、気圧感知型コンデンサと標準コンデンサが所在する適用環境が同じであるため、外部のコモンモード干渉に対してほぼ一致する応答を生成することができる。このように、標準コンデンサの出力信号を利用すれば、少なくとも部分的に気圧感知型コンデンサの出力信号におけるコモンモード干渉信号をフィルタリングすることができ、そして、気圧感知型コンデンサの出力信号の安定性を向上させた。

本発明者らは、従来技術において、システムのメーカーはＭＥＭＳ慣性センサチップとＭＥＭＳ圧力センサチップをＳＭＴの方式により、同一のマザーボードに実装しているため、チップのコストが高くなり、パッケージのコストも高くなることを見出した。従って、本発明が実現しようとする技術的任務または解決しようとする技術的問題は、当業者が想到したこともなくまたは期待したこともないものであり、それ故、本発明は新しい技術的解決手段である。

以下、図面を参照して本発明の例示的な実施例を詳細に説明することにより、本発明のその他の特徴と利点は明らかになる。

明細書に編入され明細書の一部を構成する図面は、本発明の実施例を示し、その説明と共に本発明の原理を解釈するのに用いられる。
本発明の集積構造を模式的に示す構造図である。 本発明の集積構造の第２実施形態を模式的に示す構造図である。 本発明の集積構造の第３実施形態を模式的に示す構造図である。 本発明の集積構造の第４実施形態を模式的に示す構造図である。

以下、図面を参照しながら本発明の様々な例示的な実施例を詳細に説明する。別途に具体的な説明がない限り、これらの実施例に記載された部品とステップにおける対応配置、数式と数値は本発明の範囲を限定するものではないことに注意されたい。

以下、少なくとも１つの例示的な実施例に対する説明は、実はあくまでも説明的なものに過ぎず、決して本発明及びその適用または使用を限定するものではない。

当業者に既知の技術、方法及び設備に対しては詳細に検討していないかもしれないが、適当な場合、前記技術、方法及び設備は明細書の一部と見なされるべきである。

ここで示され検討される全ての例において、如何なる具体的な値は限定するためのものではなく、例示的なものに過ぎないと解釈されるべきである。従って、例示的な実施例のその他の例は異なる値を有することができる。

類似する符号及びアルファベットは以下の図面において類似する要素を示しているため、ある要素が一旦１つの図面に定義された場合、以降の図面においてさらに検討する必要がないことに注意されたい。

図１、図２に示すように、本発明は、基板１と、前記基板１に形成される絶縁層２と、いずれも絶縁層２に形成される第１下部電極３ａ及び第２下部電極３ｂと、を含み、さらに、第１支持部７ａを介して第１下部電極３ａの上方に支持される第１上部電極４ａと、第２支持部７ｂを介して第２下部電極３ｂの上方に支持される第２上部電極４ｂと、を含み、第１上部電極４ａと第１下部電極３ａによって圧力センサの気圧感知型コンデンサが構成されるように、該第１上部電極４ａは感圧膜とされ、第１上部電極４ａと第１下部電極３ａとの間のキャビティは密閉キャビティ９ａとされている、ＭＥＭＳ圧力センサとＭＥＭＳ慣性センサの集積構造を提供する。ここで、温度変化による気圧感知型コンデンサの検出精度に対する影響を除去し、絶対気圧を簡単に得るために、該密閉キャビティ９ａは真空キャビティであることが好ましい。第２上部電極４ｂと第２下部電極３ｂによって静電容量が外部気圧に伴って変化しない標準コンデンサが構成されている。

本発明の集積構造は、さらに、第３支持部７ｃを介して基板１の上方に支持される慣性感知構造４ｃ、及び慣性感知構造４ｃとともに慣性検出コンデンサを構成する固定極板を含む。ここで、ＭＥＭＳ慣性センサの慣性感知構造４ｃは、当業者にとって従来技術に属し、対称となる可動極板を有し、弾性梁構造を介して第３支持部７ｃに接続されてもよい。ここで、本発明の一具体的な実施形態において、前記固定極板は絶縁層２に設けられ、慣性感知構造４ｃの下方に位置し、慣性検出コンデンサの第３下部電極３ｃとされることによって、該ＭＥＭＳ慣性センサはＺ軸方向の検出を行うことができるようになる。当然ながら、当業者にとって、慣性感知構造４ｃの側面に対向する固定極板を設け、慣性感知構造４ｃとともにＸ軸、Ｙ軸方向の検出を行う慣性検出コンデンサを構成することもできる。本発明のＭＥＭＳ慣性センサは、ＭＥＭＳ加速度計、ＭＥＭＳジャイロ及びＭＥＭＳ共振器などの慣性センサであってもよい。

本発明において、絶縁層２の作用は各部品と基板１との間の絶縁を保証することであり、当業者にとって、基板１自身が絶縁材料を用いて製造可能である場合、絶縁層２を設ける必要がない。

図２、図３に示すように、本発明の集積構造は、慣性感知構造４ｃ、固定極板により構成される慣性検出コンデンサを基板１にパッケージするカバー８をさらに含む。ここで、該カバー８は基板１の上方に位置する絶縁層２に直接設けることができ、当然ながら、工程の一致性を保証するために、絶縁層２に第４支持部７ｄを設け、前記カバー８と第４支持部７ｄとを接続させ、共同で慣性検出コンデンサをパッケージするキャビティとして取り囲むことができる。図１、図４に示すように、本発明の集積構造において、気圧感知型コンデンサにおける第１上部電極４ａは外部環境と接触した場合になってはじめて作用を発揮するようになるのに対して、標準コンデンサの第２上部電極４ｂは外部環境との接触が必要とされないため、本発明のカバー８は第２上部電極４ｂと第２下部電極３ｂにより構成される標準コンデンサを基板１にパッケージすることもできる。

本発明の集積構造は、ＭＥＭＳ慣性センサとＭＥＭＳ圧力センサとを同一基板に集積することで、チップの面積を効果的に減少させることができ、それによりチップのコストを低減した。一回のパッケージ工程により、チップ全体のパッケージを完了させることができ、それによりチップパッケージのコストを低減した。そして、気圧感知型コンデンサと標準コンデンサが所在する適用環境が同じであるため、外部のコモンモード干渉信号に対しほぼ一致する応答を生成することができる。このように、標準コンデンサの出力信号を利用すれば、少なくとも部分的に気圧感知型コンデンサの出力信号におけるコモンモード干渉信号をフィルタリングすることができ、そして、気圧感知型コンデンサの出力信号の安定性を向上させた。

本発明において、基本的に同じ工程段階を通じて上記気圧感知型コンデンサと標準コンデンサを製造形成し、気圧感知型コンデンサと標準コンデンサとの外部コモンモード干渉に対する応答の一致性を向上させるために、該第２上部電極４ｂも感圧膜を採用することができる。ここで、図３に示すように、第１上部電極４ａと第２上部電極４ｂは互いに独立してもよく、一体化構造であってもよい（即ち、第１上部電極４ａと第２上部電極４ｂとは１枚の感圧膜となる）。この場合、第２上部電極４ｂが外部気圧の変化に伴って対応して変化することを回避するために、該標準コンデンサはさらに第２上部電極４ｂが外部気圧の作用によって変形することを規制するストッパ構造を含むべきである。また、該第２上部電極４ｂは本発明の圧力センサの検出範囲内で変形しない材料を採用して製造してもよく、該材料は第２上部電極４ｂと第１上部電極４ａとの温度などの非気圧要素の変化に対する応答の差異が圧力センサの誤差許容範囲内にあるようなものであることが好ましい。

本発明の一具体的な実施形態において、図１、図３、図４に示すように、上記ストッパ構造は以下のとおりである。標準コンデンサのために圧力平衡孔１２を設け、標準コンデンサにおける第２上部電極４ｂと第２下部電極３ｂとの間に位置するキャビティ９ｂは圧力平衡孔１２を介して外部に連通されるようにして、このように、キャビティ９ｂ内の気圧は外部気圧によって同じく変化し、第２上部電極４ｂが外部気圧の作用によって変形することを圧力平衡孔１２を介して規制する目的を達成し、第２上部電極４ｂの各点の位置を一定にする効果が得られる。ここで、圧力センサの製造工程を簡素化するために、該圧力平衡孔１２を第２上部電極４ｂに設けることができる。当然ながら、可能であれば、該圧力平衡孔１２を第２支持部７ｂに設けてもよく、同様に気圧平衡の目的を達成することができる。

本発明のもう１つの具体的な実施形態において、図２に示すように、上記ストッパ構造は以下のものであってもよい。支持柱１３を設置することにより、第２上部電極４ｂを支持することとなる。該支持柱１３は第２下部電極３ｂに設置してもよいが、該支持柱１３に絶縁材料を採用しなければならないため、支持柱１３の接続強度を向上させるために、該支持柱１３を絶縁層２に設置してもよい。その場合、第２下部電極３ｂに、支持柱１３が貫通する貫通孔を設置し、支持柱１３が対応する貫通孔を貫通して上方へ向けて第２上部電極４ｂの位置まで延伸するようにする必要がある。

本発明の集積構造は、簡単に製造できるように、前記第１支持部７ａ、第２支持部７ｂ、第３支持部７ｃ、第４支持部７ｄは同じ材質、同じ高さを有し、例えば二酸化ケイ素材料を採用することができる。前記第１上部電極４ａ、第２上部電極４ｂ、慣性感知構造４ｃは同じ材質、同じ高さを有し、例えば、単結晶シリコン材料を採用することができる。前記第１下部電極３ａ、第２下部電極３ｂ、第３下部電極３ｃは同じ材質、同じ高さを有し、例えば、金属材料を採用する。これによって、上記各層を一層ずつ堆積又は結合させる方式により設置し、パターン化工程を通じてそれぞれの構造を形成することが許容されていることによって、ＭＥＭＳ慣性センサの製造工程とＭＥＭＳ圧力センサの工程を完全に互換させることができる。さらに重要なのは、気圧感知型コンデンサの出力信号におけるコモンモード干渉信号を最大限にフィルタリングし、標準コンデンサの出力信号による気圧感知型コンデンサの出力信号における有効信号に対する影響を除去するために、同じ材料、工程、寸法によって、気圧感知型コンデンサと標準コンデンサとがほぼ同じ初期静電容量を有するようにすることによって、気圧感知型コンデンサと標準コンデンサとの外部のコモンモード干渉に対する応答をほぼ一致するようにすることができる。

上記製造工程の一致性に基づき、本発明の好ましい一実施形態において、気圧感知型コンデンサの感度を向上させると同時に、気圧感知型コンデンサと標準コンデンサとの一致性を保証するために、前記第１上部電極４ａ、第２上部電極４ｂの下端面を慣性感知構造４ｃの下端面より高くする。具体的には、第１上部電極４ａ、第２上部電極４ｂの下端面をエッチングして薄くすることで実現することができる。それによって、密閉キャビティ９ａ、キャビティ９ｂの容積が増大し、気圧感知型コンデンサと標準コンデンサとの一致性を保証するとともに、気圧感知型コンデンサの感度を向上させた。それと同時に、第１上部電極４ａの下端面を薄くすることで、第１上部電極４ａから第１下部電極３ａまでの距離が増大していることから、高い圧力入力の場合、第１上部電極４ａと第１下部電極３ａとが接着され、気圧感知型コンデンサが失効することを防止することができる。

本発明において、各電極の信号を導出する必要があるが、それは従来のリード線を介して実現することができる。本発明により提供される好ましい実施形態において、図１に示すように、前記第１支持部７ａ、第２支持部７ｂ、第３支持部７ｃにはそれぞれ貫通孔が設けられ、前記貫通孔内にはそれぞれ第１上部電極４ａ、第２上部電極４ｂ、慣性感知構造４ｃに電気的に接続される導電性材料６が設けられることによって、上方に位置する電極の信号を下端に導くことができ、第１支持部７ａ、第２支持部７ｂ、第３支持部７ｃの下端に複数の対応する接続リード線５を形成し、該複数の対応する接続リード線５は各下部電極のリード線とともに絶縁層２を介して配線することができ、それぞれ基板１におけるボンディングパッドの集中エリア１０に接続される。例えば、複数の接続リード線５を互いにずらすために、絶縁層２が複数層の構造を有するように設置してもよく、このような配線方式が当業者の周知技術に属し、ここで具体的な説明を省略する。

本発明はさらに上記集積構造の製造方法を提供するものである。まず、基板１に絶縁層２を堆積する。ここで、基板１は単結晶シリコン材料を採用することができ、絶縁層２は二酸化ケイ素材料を採用することができる。次に、絶縁層２の上表面に金属層を堆積し、該金属層をエッチングし、ボンディングパッドの集中エリア１０、第１下部電極３ａ、第２下部電極３ｂ、第３下部電極３ｃを形成する。その後、もう１つの絶縁層を堆積し、エッチングして第１支持部７ａ、第２支持部７ｂ、第３支持部７ｃ、第４支持部７ｄを形成する。感応膜層を結合の方式によって各支持部に結合させ、該感応膜層をエッチングし、第１上部電極４ａ、第２上部電極４ｂ及び慣性感知構造４ｃを形成する。当然ながら、必要に応じて、感応膜層をエッチングする前に、まず第１支持部７ａ、第２支持部７ｂ、第３支持部７ｃに貫通孔をエッチングし、感応膜層を結合させた後、貫通孔の位置に所在する感応膜層をエッチングし、導電性材料６を充填することによって、第１上部電極４ａ、第２上部電極４ｂ及び慣性感知構造４ｃの電気信号を下端に導き、絶縁層を介して配線することができる。後続の工程において、感応膜層の上表面にもう１つの金属層を堆積し、エッチングして導電性材料６の上方に位置する導電ボンディングパッド及び第４支持部７ｄの上方に位置する金属結合層１１を形成することができる。最後に、該金属結合層１１を介してカバー８を第４支持部７ｄに結合することができる。ここで、構造寸法の一致性を保証するために、感応膜層をエッチングする時、第４支持部７ｄの上方の感応膜層を残し、後続の金属結合層１１を介してカバー８と結合させることができる。

説明しておきたいのは、上記絶縁層２は一体的なものであってもよく、それぞれ気圧感知型コンデンサ、標準コンデンサ、慣性検出コンデンサに対応する複数の互いに独立するサブ絶縁層を含んでもよい。上記第１支持部７ａ、第２支持部７ｂ、第３支持部７ｃ、第４支持部７ｄは絶縁材料を採用し、それらは互いに独立してもよく、一体化構造であってもよい。

例を挙げて本発明の幾つかの特定の実施例を詳細に説明したが、当業者であれば、以上の例は説明するためのものに過ぎず、本発明の範囲を限定するためのものではないことを理解すべきである。当業者であれば、本発明の趣旨と範囲を逸脱しない限り、上記実施例を変更することができることを理解すべきである。本発明の範囲は添付の請求項により限定されたものである。

Claims (8)

1. ＭＥＭＳ圧力センサ、ＭＥＭＳ慣性センサの集積構造であって、
   基板（１）と、
   前記基板（１）に形成される絶縁層（２）と、
   いずれも前記絶縁層（２）に形成される第１下部電極（３ａ）及び第２下部電極（３ｂ）と、
   を含み、
   第１支持部（７ａ）を介して前記第１下部電極（３ａ）の上方に支持される第１上部電極（４ａ）と、
   第２支持部（７ｂ）を介して前記第２下部電極（３ｂ）の上方に支持される第２上部電極（４ｂ）と、
   をさらに含み、
   第３支持部（７ｃ）を介して基板（１）の上方に支持される慣性感知構造（４ｃ）と、
   慣性感知構造（４ｃ）とともに慣性センサの慣性検出コンデンサを構成する固定極板と、
   をさらに含み、
   慣性感知構造（４ｃ）、固定極板により構成される慣性検出コンデンサを基板（１）にパッケージするカバー（８）、をさらに含み、
   前記第１上部電極（４ａ）と前記第１下部電極（３ａ）によって圧力センサの気圧感知型コンデンサが構成されるように、前記第１上部電極（４ａ）は感圧膜とされ、前記第１上部電極（４ａ）と前記第１下部電極（３ａ）との間のキャビティは密閉キャビティ（９ａ）とされており、
   前記第２上部電極（４ｂ）と前記第２下部電極（３ｂ）は静電容量が外部気圧に伴って変化しない標準コンデンサを構成し、
   前記第１支持部（７ａ）、第２支持部（７ｂ）と第３支持部（７ｃ）は同じ材質、同じ高さを有し、
   前記第１上部電極（４ａ）、第２上部電極（４ｂ）と慣性感知構造（４ｃ）は同じ材質、同じ高さを有し、
   前記第１下部電極（３ａ）と第２下部電極（３ｂ）は同じ材質、同じ高さを有し、
   前記第１上部電極（４ａ）、第２上部電極（４ｂ）の下端面は慣性感知構造（４ｃ）の下端面よりも高くなる
   ことを特徴とする集積構造。
2. 前記第２上部電極（４ｂ）も感圧膜とされ、前記標準コンデンサは前記第２上部電極（４ｂ）が外部気圧の作用によって変形することを制限するためのストッパ構造をさらに含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の集積構造。
3. 前記ストッパ構造を形成するために、前記標準コンデンサには前記第２上部電極（４ｂ）を支持するための支持柱（１３）が設けられている、
   ことを特徴とする請求項２に記載の集積構造。
4. 前記ストッパ構造を形成するために、前記標準コンデンサには圧力平衡孔（１２）が設けられ、前記標準コンデンサにおける第２上部電極（４ｂ）と第２下部電極（３ｂ）との間に位置するキャビティ（９ｂ）は前記圧力平衡孔（１２）を介して外部に連通される、
   ことを特徴とする請求項２に記載の集積構造。
5. 前記カバー（８）はさらに第２上部電極（４ｂ）と第２下部電極（３ｂ）とにより構成される標準コンデンサを基板（１）にパッケージする、
   ことを特徴とする請求項１に記載の集積構造。
6. 前記第１上部電極（４ａ）と第２上部電極（４ｂ）とは一体化構造である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の集積構造。
7. 前記第１支持部（７ａ）、第２支持部（７ｂ）、第３支持部（７ｃ）にはそれぞれ貫通孔が設けられ、前記貫通孔内にはそれぞれ第１上部電極（４ａ）、第２上部電極（４ｂ）、慣性感知構造（４ｃ）に電気的に接続される導電性材料（６）が設けられ、第１支持部（７ａ）、第２支持部（７ｂ）、第３支持部（７ｃ）の下端には複数の対応する接続リード線（５）が形成され、該複数の対応する接続リード線（５）は絶縁層（２）を介して配線され、それぞれ基板（１）におけるボンディングパッドの集中エリア（１０）に接続される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の集積構造。
8. 前記固定極板は絶縁層（２）に設けられ、慣性検出コンデンサの第３下部電極（３ｃ）とされる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の集積構造。