TWI362495B - Detection circuit for variation of electrostatic capacitance and semiconductor device - Google Patents

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Description

1362495 九、發明說明： 【.發明所屬之技術領域】 、 本發明係有關將靜電電容式感測器的電容變化予以檢 測之靜電電容變化檢測電路、以及由該感測器與該靜電電 容變化檢測電路所構成之半導體裝置。 【先前技術】 作為電容式麥克風的一種，近年來，MEMS(Micr〇 Electro Mechanical SyStems ;微機電系統）麥克風係倍受屬 鲁目。此種MEMS麥克風的基本構造為由2片稱為振膜 (diaphragm)與背板（backplate)的接近並相對向配置之電極· 板所構成之電容器，該構造係使用MEMS技術來形成於矽 基板。此種MEMS麥克風係例如能夠構成為於共用的支撐 基板上载置有MEMS麥克風的半導體晶片與靜電電容變 化檢測電路的半導體晶片之併合IC(Hybrid Integrated Circuit) 〇 • 第3圖係習知的電容式麥克風裝置的電路圖。又第4 圖係構成為併合1C之習知電容式麥克風裝置的示意性斜 視圖。此裝置係由為MEMS麥克風的電容器Cm ;以及將 電容器Cm的電容變化予以檢測之靜電電容變化檢測電路 的偏壓電路2與檢測電路4所構成。 偏壓電路.2係施加偏壓電壓Vbias於電容器cm的一 方端子。檢測電路4係構成為含有運算放大器6及回授電 且器Rf的反相故大電路，且連接於電容器Cm的另一方端 子。檢測電路4係將電容器Cm依據聲音而產生的電位變 319949 5 1362495 且將該輸入信號放大 化作為輸入信號而輸入至端子Vin 並從端子Vout輸出。 晶片10上’靜電電容 12上。該些兩個半導體 封裝的支撐基板η MEMS麥克風係形成於半導體 變化檢測電路係形成於半導體晶月 晶片10、12係固定（mount)於一片 上’而構成併合1C。 如弟4圖所不’於半導濟曰^ 士 卞等餒日日片10的上表面係配置有分 別連接於構成電容器Cm的雷炻少挺腊L . 旳虿極之振膜與背板之搭接墊 (bondmg Pad)16、18。此外，於主道辨 a u ^ ^ x艰丄 Γ於+導體晶片12的上表面係 配置有分別作為偏壓電路2的輪屮 曰]跑出:¾¾子Vbias、檢測電路4 的輸入端子Vin之搭接墊2〇、？9。1^1_1_—4 侵蛩W 22。除此之外，於半導體晶 月12係尚配置有對應於電路 峪的電源Vdd、Vss及檢測電路 的輸出端子Vout之搭接墊24、26、28。 於半導體晶片10、12間係設有搭接線（bonding wire) 3〇,係用來將Vbias施加於電容器⑸的背板而連接在搭 接墊18、20間。此外，尚接設有搭接線32，係用來將電 容器Cm的振膜的電位變化輸人至w而連 16 、 22 間。 半導體晶片12的基準電位Vss係設定為接地電位 GND。此Vss的設定係例如可藉由將搭接墊％盥連接至 設於1C封裝之外部的GND之搭接墊34予以導線連接來 貫現。此外，Vss的設^亦能夠藉由將電極設於支撐基板 的表面且❹導電性轉將半導體w 12的背面 於該電極來實現。 319949 6 1362495 此處，電容器Cm的背板係藉由半導體晶片1〇的矽美 板而構成1基本域與半導體晶片1G的背面電性連接t 如上所述，由於背板施加有Vbias，因此半導體晶片1〇背 面係必須保持與支撐基板14之供給Vss的表面電極之間的 化緣。因此’半導體晶片1Q係使用絕緣性謬％ 支撐基板14上。 專利文獻1 :日本特開平n_236〇9號公報 專利文獻2.日本特開2003-148906號公報 【發明内容】 (發明所欲解決之課題） —曰在白知技術中’係、有構成有靜電電容式感測器的半導 體晶片10與構成有靜電電容變化檢測電路的半導體 12之間所需要的搭接線愈多，組裝的王序、成本便會^ 增加，而隨著接線處的增加而有發生可靠度降低的可能性 之問題。 /本發係為了解決上述問題點而研創者，其目的於 f夠削減晶片間的搭接線數之靜電電容變化檢測電路、及 由該電路與靜電電容式感測器所構成之半導體裝置。 (解決課題的手段） ★ j發Γ的靜電電容變化檢測電路’係連接於靜電電容 ^化:測器’且將構成該感測器之電容器部的靜電電容的 以檢測為電性信號者，具備有：端子’係連接於前 =將ΙζΊ—端·’偏壓電路’係連接於前述端子，且輪 :則处電容.器部予以充電的偏壓電壓；以及檢測電路，’ 319949 7 1362495 _小。因此，能夠謀求由感測器晶片及檢測電路晶片所接^ ·.之半導體裝的小型化。此外，感測器晶片係與檢測電路曰 ·_片相同地，從晶片背面取得基準電位來利用。亦即，: ，感測器晶片的背面的絕、緣，因此，能夠縮小與檢測= 晶片之間的間隔。藉由此點亦能夠謀求半導體裝置的小ο 化。 、型 【實施方式】 卩下，針對本發明的實施形態（以下，稱為實施形態）， 根據圖面進行說明。 w 第1圖係實施形態的電容式麥克風裝置的概略電路 圖。本裝置係使用MEMS麥克風來作為電容式麥克風，且 本裝置為-併合IC’係將形成有該MEMS麥克風的屬於 半導體元件之感測器晶片50、與形成有將MEMs麥克風 的靜電電容變化予以檢測之電路的屬於半導體元件之檢測 電路52搭載於1個封裝件。 “ • 形成於感測器晶片5〇的MEMS麥克風係具有以振膜 及背板作為電極板的電容器部。在電路圖的第丨圖中，詨 電容器部係以電容器Cm表示。Cm的背板側的端子= 係連接GND而接地，振膜側的端子Ncd係連接檢測電路 晶片52的端子Nd。 形成於檢測電路晶片52的靜電電容變化檢測電路係 具有：偏壓電路54，係連接於端子Nd，且輸出將Cm予 以充電的偏壓電壓Vbias ;以及檢測電路56，係經由直流 阻切（DC-cut)電容Cc而連接於端子Nd，且將Cm的端子 319949 9 1362495
Ned的電位變化予以檢測為電性信號。 _ 偏壓電路54係例如構成為含有充電泵（charge pump) 電路，且藉由從供給至檢測電路晶片52的基準電源Vdd »- 進行升壓之升壓動作，來產生作為驅動MEMS麥克風所需 要的高電壓之Vbias。所產生的Vbias係經由電阻器Rb施 加至端子Nd。此Vbias係從檢測電路晶片52施加至Cm 的端子Ned。電容器Cm係依據Ned與被施加有接地電位 GND的端子Neb之間的電壓而充電。 • 檢測電路56係構成為含有運算放大器58及回授電阻 器Rf之反相放大電路，運算放大器58的反相輸入端子係 經由電容器Cc而連接於端子Nd。當MEMS麥克風的振膜 依據聲音而變位時，Cm的電容值便會變化，充有電之Cm 其端子間電壓Vm即產生變化。而由於端子Neb的電位係 固定為GND，因此端手Ned的電位會成為Vm，且Vm係 作為MEMS麥克風的輸出信號而傳達至檢測電路晶片52 |的端子Nd。依據振膜的變位而產生之電壓信號Vm其時間 性的變化（亦即交流成分）係通過Cc且傳達至運算放大器 5 8的反相輸入端子。檢測電路5 6係以將該V m的交流成 分放大後所得的電壓信號Vout作為聲音信號而從端子 Nout輸出至後段的信號處理電.路。 附帶一提，串聯於偏壓電路54與端子Nd之間的電阻 器Rb係設定為高電阻值，而將依據Vm的變化而流通於 端子Nd與偏壓電路54之間的電流予以抑制。藉此，便防 止經由Cc而傳達至運算放大器58之交流信號的增益下 10 319949 1362495 降。 - 第2圖係構成為併合1C之本裝置的示意性斜視圖。分 .•別由矽基板形成的感測器晶片5〇及檢測電路晶片52係戴 置於共用的支撐基板70上。感測器晶片5〇的背板係透過 矽基板而與該晶片的背面電性連接，該背面係作為Cm的 端子Neb而發揮功能。相對應地，於感測器晶片％的上 表面並未設有Neb。於支撐基板7〇的表面係形成有連接至 GND的表面電極。感測器晶片5〇係使用導電性膠而接 著於支撐基板70，且從表面電極施加電位gND至感測器 晶片52的背面。藉此，端子Ncb的電位便設定為gnd。 於感測器晶月50的表面係形成有振膜，並且形成有搭 接墊76以作為與其連接之端子Ncd。 於檢測電路晶片52的表面係形成有第！圖所示的偏壓 電路54:及檢測電路56等電路。於第2圖的檢測電路52 的表面係顯示有構成該電路的端子之搭接墊8〇至％。搭 •接墊80^構成端子Nd，且搭接塾％、8〇間係以搭接線 90連接。藉此，感測器晶片5〇與檢測電路晶片之間便 連接’而能夠從偏壓電路54施加Vbias至⑼、以及能夠 以檢測電路56檢測、放大Cm的電壓^的變動。 搭接塾82、84為分別將電源Vdd、Vss供給至電路之 端子。例如，搭接墊84係α杖杜乂 μ 、 ! *係以搭接線92而連接至支撐基板 7〇上的搭接墊94’而從切基板Μ上的表面電極接受 GND的心、、、’σ以作為Vss。還有，檢測電路晶片W亦能夠 與感測器晶片5G相同地，採用從其背面接受議的供給 319949 1362495 = :s::構成。在該情形下’於支撐基板70係形成連 接感測斋晶片50及檢測電路晶片52各自的背面之表面電 極，且檢測電路晶片52,亦能夠與感測器曰曰曰卩5〇同樣地: 採用以導電性膠來將背面連接至表面電極之構成。水 此外’搭接墊82係經由未圖示的搭接線而連接於 件的引腳#，而接收從外部電路供給至該引腳的電塵 ^1。此外，搭㈣86係構成檢測電路％的輪出端子 out ’且經由未圖不的搭接線而連接於封裝件的引腳 而能夠從該引腳輸出Vout至後段電路。 ， 還有，在本實施形態中，雖然是說明使用細奶 風之構成，但本發明亦能夠適用於❹其 測器之構成。 町电电谷式感 【圖式簡單說明】 略電^圖係本發明的實施形態的電容式麥克風裝置的概 併入m為本發明的實施形態的電容式麥克風裝^ 併δ 1C的示意性斜視圖。 第3圖係習知的電容式麥克風裝置的電路圖。 第4圖係為習知的電容式麥 性斜視圖。 克風裝置之併合1C的示！ 【主要元件符號說明】 50 .感測器晶片 52 54 偏壓.電路 56 58 運算放大器 70 檢測電路晶片 檢測電路 支撐基板 319949 12 1362495 搭接墊 74 導電性膠 76、80至86、94 90、92 搭接線 Rb 電阻器 -R-f-0-授-電-阻-1--Gg----备容 Ί 一
Cm 直流阻切電容器
Neb、Ned、Nd、Nout 端子
13 319949

Claims (1)

1362495 _ " 第97105313號專利申請案 . 100年9月21日修正替換頁 * 十、申請專利範園： ~ 一 1. 一種靜電電容變化檢測電路，係連接於靜電電容式的感 測器，且將構成該感測器之電容器部的靜電電容的變化 予以檢測為電性信號，該靜電電容變化檢測電路係具備 有： 端子，係連接於前述電容器部的一端； 偏壓電路，係連接於前述端子，且輸出將前述電容 器部予以充電的偏壓電壓；以及 檢測電路，係經由直流阻切電容器而連接於前述端 子，且將前述電容器部之前述一端的電位變化予以檢測 為電性信號；並且 鈾述檢測電路係構成為含有運算放大器及回授電 阻器之反相放大電路，前述運算放大器的反相輸入端子 係經由前述直流阻切電容器而連接於前述端子。 2. —種半導體裝置，係將形成有靜電電容式的感測器之第 1半導體元件、及將前述感測器的電容器部的靜電電容 的變化予以檢測為電性信號之第2半導體元件載置於共 用的支撐基板上； 前述第2半導體元件係具備： 搭接墊，係藉由與前述第丨半導體元件之間的搭接 線連接而連接於前述電容器部的一端； 偏壓電路，係連接於前述搭接墊，且輸出將前述電 容器部予以充電的偏壓電壓；以及 檢測電路，係經由直流阻切電容器而連接於前述搭 319949修正版 14 1362495 s » 第97105313號專利申請案 100年9月21日修正替換頁 接墊’且將前述電容器部之前述一端的電位變化予以檢 測為電性信號；並且 前述檢測電路係構成為含有運算放大器及回授電 阻器之反相放大電路，前述運算放Α||的反相輸入端子 係經由前述直流阻切電容器而連接於前述搭接塾； 1半導體元件係將其背面電性連接至設於前 述支撐基板的表面之表面電極，且 用於前述電容器部的另—端之基準電位。有 3·如申請專職圍第2狀铸體 :第2半導艘元件皆使用導電…接著:前I:電 319949修正版 15
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