WO2012049825A1 - 物理量検出装置 - Google Patents

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WO2012049825A1
WO2012049825A1 PCT/JP2011/005645 JP2011005645W WO2012049825A1 WO 2012049825 A1 WO2012049825 A1 WO 2012049825A1 JP 2011005645 W JP2011005645 W JP 2011005645W WO 2012049825 A1 WO2012049825 A1 WO 2012049825A1
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semiconductor chip
substrate
sensor device
acceleration
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山中　聖子
健悟 鈴木
和典 太田
希元 鄭
雅秀 林
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日立オートモティブシステムズ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an inertial sensor.
  • a MEMS inertial sensor that is widely used includes a weight (movable part) and a support beam (elastically deformable part).
  • An acceleration sensor is a device that supports a weight with a support beam that can be displaced in one axial direction with respect to the substrate on which the MEMS inertial sensor is formed, and converts the amount of displacement of the weight due to the acceleration applied to the substrate into an electrical signal by an LSI circuit.
  • a weight is supported on a substrate on which the MEMS inertial sensor is formed by supporting beams that are displaceable in a first axial direction and a second axial direction perpendicular to each other, and the weight is vibrated in a first axial direction by vibration generating means.
  • a vibration type angular velocity sensor device converts an amount of displacement of the weight into an electric signal by an LSI circuit.
  • the sensor detection unit is constituted by a weight. Since the weight is a mechanical element, it may be displaced even when an acceleration other than the measurement signal is applied. Such a variation is also converted into an electric signal by the LSI circuit, so that the electric signal may become noise and cause a reduction in accuracy of the inertial sensor.
  • the electrical signal exceeds the range that can be handled by the LSI circuit, that is, when the LSI circuit is saturated, the electrical signal is inertial because the signal that is originally intended to be measured is buried in the saturated signal. In some cases, the sensor may stop functioning.
  • an anti-vibration part that suppresses transmission of acceleration other than measurement signals to the inertial sensor through the substrate on which the inertial sensor is mounted is installed between the substrate on which the inertial sensor is mounted and the inertial sensor. What is necessary is just to comprise.
  • the vibration transmissibility of the vibration isolator is given by Tr (%) shown by the equation (1) in FIG. Therefore, in order to reduce the vibration transmissibility Tr (%) of the anti-vibration structure for the purpose of suppressing the transmission of acceleration other than the measurement signal to the detection unit of the inertial sensor, the inertial sensor and the substrate on which the inertial sensor is mounted. It is effective to reduce the natural frequency f0 (Hz) of the vibration isolating structure constituted by the vibration isolating unit installed between the inertial sensor and the inertial sensor.
  • the natural frequency f0 is given in the form of equation (2) in FIG. Therefore, in order to lower the natural frequency f0 (Hz) of the vibration isolation structure in the sensor device having a structure in which the sensor substrate as the detection unit is mounted on the package member and integrated, first, the mass m ( It is conceivable to increase kg).
  • the mass m It is conceivable to increase kg.
  • the space in the package member is limited, so the size of the substrate on which the sensor detection unit is formed is increased. This increases the overall size of the sensor, which is not desirable from the viewpoint of manufacturing cost or sensor convenience.
  • changing the substrate material forming the sensor detection unit to a material having a high density changes the sensor manufacturing process, which is undesirable from the viewpoint of increasing the development period and increasing costs. Therefore, the method for increasing the mass of the vibration-proof structure is difficult to apply.
  • Another method is to reduce the natural frequency f0 (Hz) of the vibration-proof structure represented by the formula (2) in a sensor device having a structure in which a sensor substrate as a detection unit is mounted on a package member and integrated.
  • a method of reducing the stiffness constant k (N / m) of the vibration-proof structure is also conceivable.
  • the following methods have been conventionally proposed.
  • Patent Document 1 JP 2003-28644 In JP-A-2005-331258, in Patent Document 1, a structure in which an angular velocity detection unit is mounted on a package member is formed via an adhesive having a low Young's modulus, and the natural frequency of the structure is reduced to reduce the external frequency. A method for preventing a decrease in detection accuracy due to application of acceleration has been proposed. Moreover, in patent document 2, the structure which mounts an angular velocity detection part in a package member is formed through an adhesive film, the shape or elastic modulus of an adhesive film is adjusted, and the natural frequency of this structure is reduced. Thus, a method for preventing a decrease in detection accuracy due to application of external acceleration has been proposed.
  • a vibration isolation structure is formed in which the sensor detection unit is mounted on the package member via an adhesive having a low Young's modulus.
  • vibration necessary for wire bonding cannot be transmitted between the sensor substrate and the package member, and electrical connection cannot be made.
  • This is a bonding in which the metal is electrically bonded to each other by transmitting ultrasonic vibration of about 60 kHz to 100 kHz while applying heat and load to the contact portion between the wiring metal and the pad metal on the sensor substrate. This is due to the system.
  • the purpose of the present invention is to reduce the natural frequency of the vibration-proof structure and suppress the transmission of acceleration vibration other than the measurement signal that causes the function stop due to the sensor accuracy degradation or erroneous output to the detection unit of the inertial sensor, It is to provide a technology that ensures mounting convenience.
  • the inertial sensor device includes a package member, a substrate, a weight that is displaced with respect to the substrate, and a displacement of the weight.
  • a first semiconductor chip having a sensor detection unit provided on the substrate and provided with a detection electrode for converting into an electrical signal, and an arithmetic circuit provided on the package member and performing an operation on the electrical signal.
  • an anti-vibration structure provided between the semiconductor chips, and the periphery of the first anti-vibration part is the second anti-vibration part or the second anti-vibration part and the package member. Characterized by being surrounded by combinations To.
  • An inertial sensor device includes a package member, a substrate, a first sensor detection unit provided on the substrate and outputting a first electric signal, and the substrate.
  • a second sensor detection unit that is provided and outputs a second electrical signal; and a second semiconductor circuit that has an arithmetic circuit that performs an operation on the first electrical signal and the second electrical signal.
  • a first anti-vibration part, and a second anti-vibration part made of a material having a Young's modulus greater than that of the first anti-vibration part, and the first semiconductor chip and the second anti-vibration part An anti-vibration structure provided between the semiconductor chips, wherein the first sensor detection unit includes a first weight that vibrates in a first direction parallel to the surface of the substrate, When the substrate rotates about a third direction perpendicular to the surface, A first detection electrode that converts displacement of the first weight in a second direction parallel to the surface of the substrate and perpendicular to the first direction into the first electrical signal; The second sensor detection unit includes a second weight that vibrates in the first direction, and a change in the second weight in the first direction when acceleration is applied in the first direction.
  • a second detection electrode for converting to the second electric signal, and the periphery of the first vibration isolator is the second vibration isolator, or the second vibration isolator and the package.
  • a structure that is surrounded by a combination of substrates and that includes the first vibration isolation unit and the second vibration isolation unit has the natural frequency in the first direction or the natural frequency in the second direction as the first frequency. It is a structure which makes it differ between 1 sensor detection part and said 2nd sensor detection part.
  • the accuracy and mounting convenience of the inertial sensor can be improved.
  • Embodiment 1 an example in which the inertial sensor is an angular velocity sensor will be described with reference to the drawings.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a mounting configuration example of the angular velocity sensor device 100 according to the first embodiment.
  • a semiconductor chip 102 is mounted on the bottom of a package member 101 having a recess.
  • the package member 101 is made of ceramics, for example.
  • An integrated circuit made up of transistors and passive elements is formed on the semiconductor chip 102.
  • the integrated circuit formed on the semiconductor chip 102 has a function of processing an output signal from the angular velocity sensor detection unit, and finally outputs an angular velocity signal.
  • a semiconductor chip 104 is mounted as an anti-vibration structure via an anti-vibration part 103a and an anti-vibration part 103b.
  • the anti-vibration part 103a which forms a frame so as to surround the anti-vibration part 103b is made of, for example, a silicone rubber sheet.
  • the anti-vibration part 103b surrounded by the anti-vibration part 103a and in contact with the semiconductor chip 104 is made of, for example, a highly fluid liquid such as a silicone adhesive or silicone gel, or a material obtained by curing the liquid.
  • the vibration isolator 103a functions as a frame surrounding the material 103b having high fluidity
  • the vibration isolator 103a is made of a material having a higher Young's modulus than the vibration isolator 103b.
  • the high-vibration vibration isolator 103b is installed by being excessively poured into the frame formed by the vibration isolator 103a, and due to the surface tension of the vibration isolator 103b, the vibration isolator 103b is connected to the semiconductor chip 104. The contact surface is thinly inserted.
  • a MEMS structure constituting an angular velocity sensor is formed on the semiconductor chip 104.
  • the pad 110 formed on the semiconductor chip 104 and the pad 105a formed on the semiconductor chip 102 are connected by, for example, a metal wire 106a. Further, the pad 105b formed on the semiconductor chip 102 is connected to the terminal 107 formed on the package member 101 by a metal wire 106b, to the terminal 108 connected to the outside of the package member 101 through the internal wiring of the package member 101. And are electrically connected. In addition, the semiconductor chip 102 and the semiconductor chip 104 that are stacked in the package member 101 are sealed by sealing the upper portion of the package member 101 with a lid 109.
  • FIG. 2 is a top view showing a mounting configuration example of the angular velocity sensor device according to the first embodiment.
  • a cross section taken along line AA shown in the figure corresponds to FIG. 1, and a lid for sealing the package member is not shown.
  • a semiconductor chip 102 is mounted on the bottom of the package member 101, and a semiconductor chip 104 is mounted on the semiconductor chip 102 via a vibration isolator 103a and a vibration isolator 103b.
  • the anti-vibration part 103a which forms a frame so as to surround the anti-vibration part 103b is made of, for example, a silicone rubber sheet.
  • the new material 103b surrounded by the vibration isolator 103a and in contact with the semiconductor chip 104 is made of, for example, a highly fluid liquid such as a silicone adhesive or silicone gel, or a material obtained by curing the liquid.
  • the vibration isolator 103a functions as a frame surrounding the material 103b having high fluidity
  • the vibration isolator 103a is a material having a larger Young's modulus than the vibration isolator 103b.
  • the semiconductor chip 104 is formed with a MEMS structure for detecting the angular velocity.
  • the pad 110 formed on the semiconductor chip 104 and the pad 105a formed on the semiconductor chip 102 are connected by a metal wire 106a. Further, the pad 105b formed on the semiconductor chip 102 is connected to the terminal 107 formed on the package member 101 by a metal wire 106b, to the terminal 108 connected to the outside of the package member 101 through the internal wiring of the package member 101. And are electrically connected. Then, the semiconductor chip 102 and the semiconductor chip 104 that are stacked in the package member 101 are sealed by sealing the upper part of the package member 101 with a lid (not shown).
  • the shapes of the vibration isolator 103a and the vibration isolator 103b formed on the semiconductor chip 102 are shown in broken lines in FIG. 2 or FIG.
  • the frame portion of the vibration isolating portion 103a is positioned in a direction perpendicular to the drawing.
  • the vibration isolator 103a functions as a frame surrounding the material 103b having high fluidity
  • the vibration isolator 103a is made of a material having a higher Young's modulus than the vibration isolator 103b.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing details of the semiconductor chip 104 on which a MEMS structure for detecting the angular velocity of the angular velocity sensor device according to the first embodiment is formed.
  • the semiconductor chip 104 is formed on a SOI substrate composed of a support substrate 201, an insulating oxide film 202, and a silicon active layer 203 by using a photolithography technique and DRIE (Deep Reactive Ion Etching), and a movable portion 204 of the MEMS structure.
  • the fixed part 205 of the MEMS structure is formed.
  • the movable part 204 of the MEMS structure and the fixed part 205 of the MEMS structure are protected by a glass cap 209 bonded to the silicon active layer 203 by using an anodic bonding technique or a surface activated bonding technique. Further, the movable portion 204 of the MEMS structure and the fixed portion 205 of the MEMS structure are electrically connected to a pad 208 formed on the back surface of the support substrate through a through electrode material 206 that penetrates the support substrate 201. And connected to an integrated circuit having a function of processing an output signal from the angular velocity sensor detection unit by wire bonding.
  • FIG. 4 is a top view showing details of the semiconductor chip 104 on which a MEMS structure for detecting the angular velocity of the angular velocity sensor device according to the first embodiment is formed.
  • the upper surface in this case corresponds to the drawing in which the MEMS structure is observed from the glass cap 209 side in FIG.
  • the BB cross section in FIG. 4 corresponds to FIG.
  • a hollow portion 222 is formed so as to be surrounded by the frame portion 221, and a fixing portion 223 is provided inside the hollow portion 222, and a beam (elastically deforming portion) 224 is connected to the fixing portion 223.
  • the beam 224 is connected to the movable portions 225 and 226 which are two excitation elements serving as weights of the angular velocity sensor. That is, the movable portions 225 and 226 that are two excitation elements and the fixed portion 223 are connected by the elastically deformable beam 224, and the movable portions 225 and 226 that are excitation elements can be displaced in the x direction of FIG. It is like that.
  • the movable parts 225 and 226 which are excitation elements are connected by a link beam 227 in order to form a tuning fork vibration system sharing the mutual vibration energy.
  • the movable portions 225 and 226, which are excitation elements, are provided with a drive movable electrode 228a formed integrally with the movable portion.
  • the drive fixed electrode 228b and the drive are disposed so as to face the drive movable electrode 228a.
  • a fixed electrode 228c is formed.
  • a periodic drive signal represented by Vcom + Vb + Vd is applied between the drive movable electrode 228a and the drive fixed electrode 228b that form a capacitive element by facing each other, and the drive movable electrode 228a and the drive fixed electrode
  • a periodic drive signal represented by Vcom + Vb ⁇ Vd is applied between 228c, and Vcom is applied to the movable portions 225 and 226, which are excitation elements, via a common electrode 231, thereby driving movable electrode 228a.
  • an electrostatic force acts between the driving fixed electrode 228b and the driving movable electrode 228a and the driving fixed electrode 228c, so that the driving movable electrode 228a vibrates.
  • the movable portions 225 and 226 which are excitation elements formed integrally with the drive movable electrode 228a vibrate in reverse phase. That is, the capacitive element composed of the driving movable electrode 228a and the driving fixed electrode 228b or the driving movable electrode 228a and the driving fixed electrode 228c has the movable portions 225 and 226 which are excitation elements in the opposite phase in the x direction. It functions as a forced vibration generator for forced vibration.
  • the movable portions 225 and 226 which are excitation elements are formed with a drive amplitude monitor movable electrode 229a formed integrally with the movable portions 225 and 226 so as to face the drive amplitude monitor movable electrode 229a.
  • a drive amplitude monitor fixed electrode 229b and a drive amplitude monitor fixed electrode 229c are formed.
  • the drive amplitude monitor movable electrode 229a and the drive amplitude monitor fixed electrode 229b, or the drive amplitude monitor movable electrode 229a and the drive amplitude monitor fixed electrode 229c form a capacitive element, and the drive movable electrode 228a.
  • the capacitive element composed of the drive amplitude monitor movable electrode 229a and the drive amplitude monitor fixed electrode 229b, or the drive amplitude monitor movable electrode 229a and the drive amplitude monitor fixed electrode 229c, is a movable portion 225 that is an excitation element.
  • 226 functions as a capacitance detection unit that detects displacement in the x-direction as a capacitance change.
  • movable parts 232 and 233 as detection elements are connected to movable parts 225 and 226 as excitation elements via a beam 230.
  • the movable portions 232 and 233 which are detection elements, are formed with an angular velocity detection movable electrode 234a formed integrally with the movable portion, and the angular velocity detection fixed electrode is disposed so as to face the drive movable electrode 234a.
  • An electrode 234b is formed.
  • the angular velocity detecting movable electrode 234a and the angular velocity detecting fixed electrode 234b form a capacitive element.
  • the capacitive element composed of the angular velocity detection movable electrode 234a and the angular velocity detection fixed electrode 234b functions as a capacitance detection unit that detects displacement in the y direction of the movable parts 232 and 233, which are detection elements, as a capacitance change.
  • the capacitance change generated in each electrode pair is electrically connected to the back surface of the semiconductor chip 104 through the through electrodes 228d, 228e, 229d, 229e, 231 and 234c, and an output signal from the angular velocity sensor detection unit is signaled. It is connected to an integrated circuit having a processing function by wire bonding.
  • the semiconductor chip 104 is assumed to process an SOI substrate using photolithography technology and DRIE (Deep Reactive Ion Etching), but a silicon substrate using a glass / silicon / glass bonding technology or the like.
  • the present invention can also be applied to a bulk MEMS process in which a MEMS structure is formed by processing both the front surface and the back surface.
  • the present invention is also applicable to a surface MEMS process in which a MEMS structure is formed by repeatedly depositing a thin film on the surface of a silicon substrate on which a signal processing circuit such as a transistor is previously formed, and patterning the deposited thin film. Can do.
  • the angular velocity sensor which is the inertial sensor in the first embodiment is mounted and configured.
  • the angular velocity sensor which is an inertial sensor in the first embodiment, generates a rotational force when the entire substrate rotates about a third axis perpendicular to the substrate with respect to the semiconductor chip 104 on which the angular velocity detection unit using the MEMS structure is formed. Due to the corresponding Coriolis force, the weight vibrating in the first axial direction (X direction in FIG. 2) is displaced in the second axial direction (Y direction in FIG. 2). When the displacement amount of the weight is transmitted as an electrical signal to the semiconductor chip 102 and signal processing is performed by the integrated circuit formed on the semiconductor chip 102, an angular velocity signal is finally output.
  • acceleration is applied in the second axial direction (Y direction in FIG. 2) except when a rotational force is applied to the semiconductor chip 104 on which the angular velocity detection unit using the MEMS structure is formed.
  • the weight oscillating in the first axial direction (X direction in FIG. 2) due to this acceleration is displaced in the second axial direction (Y direction in FIG. 2), and the displacement amount of the weight is used as an electric signal.
  • the signal is transmitted to the semiconductor chip 102, and signal processing is performed by an integrated circuit in which the semiconductor chip 102 is formed.
  • the angular velocity sensor device is configured such that even if the entire sensor substrate does not rotate about the third axis perpendicular to the substrate, if acceleration is applied in the second axis direction (Y direction in FIG. 2), The amount of displacement is detected as an angular velocity.
  • the displacement amount of the weight due to this acceleration is added as noise, so that the detection accuracy of angular velocity is reduced. It seems to end.
  • the angular velocity sensor according to the first embodiment has a structure including a vibration isolator 103a having a shape as shown in FIG. 5, a vibration isolator 103b, and a semiconductor chip 104 on which an angular velocity detector using a MEMS structure is formed.
  • the semiconductor chip 104 made of a silicon substrate has a size of about 4 mm ⁇ 6 mm and a thickness of 0.5 mm, and the vibration isolator 103a is made of a silicone rubber sheet having a Young's modulus of 5 MPa (hardness 40).
  • the vibrating portion 103b is made of a silicone adhesive having a Young's modulus of 0.1 MPa
  • the frequency characteristic of the vibration transmissibility of the structure can be calculated as shown in FIG. 6 using equation (1).
  • the vibration transmissibility at the frequency fd in the second axial direction (Y direction in FIG. 2) that is the detection axis is prevented so as to satisfy the target numerical value.
  • the natural frequency of the structure in the Y-axis direction is determined by adjusting the thicknesses of the vibration unit 103a and the vibration isolation unit 103b. If the structure is composed of the anti-vibration unit 103a, the anti-vibration unit 103b having the shape shown in FIG. 5 and the semiconductor chip 104 formed with the angular velocity detection unit using the MEMS structure, the vibration transmissibility in the Y-axis direction is low.
  • the angular velocity sensor which is the inertial sensor in the first embodiment, can be applied even when acceleration vibration unnecessary for measurement is applied to the entire angular velocity sensor device by the vibration isolator 103a and the vibration isolator 103b shown in FIG.
  • This acceleration vibration is transmitted to the substrate 104 on which the angular velocity detection unit using the MEMS structure is formed, and the output accuracy of the angular velocity sensor is not lowered.
  • the invention in the present embodiment is based on the package member (101), the substrate (201), the weight that is displaced relative to the substrate (such as the movable portion 225), and the detection that converts the displacement of the weight into an electrical signal.
  • a semiconductor chip (104) having electrodes (movable electrodes 228a, fixed electrodes 228b, etc.) and provided on a substrate; and an arithmetic circuit which is provided on a package member and performs an operation on an electric signal.
  • a vibration-proof structure can be formed with a soft material having a low Young's modulus that is difficult to handle, such as a silicone adhesive or gel material having fluidity before curing, and the mounting convenience can be improved.
  • the vibration transmissibility of the vibration isolation structure can be lowered even in a limited package space, and the accuracy of the inertial sensor can be improved.
  • the projection of the bonding pad in the direction perpendicular to the surface of the substrate is positioned so as to overlap the second vibration isolator, thereby reducing the vibration transmissibility of the vibration isolator structure and the signal processing.
  • the ultrasonic vibration necessary for electrically connecting the semiconductor chip 102 to the semiconductor chip 102 by wire bonding can be transmitted to ensure mounting convenience.
  • the structure in which the hard vibration isolator 103a having a large Young's modulus surrounds the vibration isolator 103b having a small Young's modulus is not limited to the structure shown in FIG. 5, but has a structure as shown in FIGS. 7 (a) to 7 (c). Even if it exists, the effect of the anti-vibration characteristic in Example 1 can be acquired. That is, the periphery of the first anti-vibration part may be surrounded by the second anti-vibration part or a combination of the second anti-vibration part and the package member. With such a configuration, both the above-described improvement in accuracy and improvement in mounting convenience are achieved.
  • the shape of the first vibration isolator has a long side in the first direction (for example, the X direction) and in the second direction (for example, the Y direction). It is a rectangle having a short side.
  • the vibration transmissibility in the Y-axis direction can be made smaller than the vibration transmissibility in the X-axis direction.
  • the semiconductor chip 104 can have a structure in which vibration in the Y-axis direction is less likely to be transmitted than in the X-axis direction.
  • the first vibration isolation unit is divided into a plurality of parts by the second vibration isolation unit.
  • the natural frequency in the X-axis direction and the Y-axis direction of the vibration-proof structure including the vibration-proof portion 103a, the vibration-proof portion 103b, and the semiconductor chip 104 can be adjusted to a desired value.
  • FIG. 7B and FIG. 7C are characterized in that one side of the periphery of the first vibration isolator is in contact with the package member and the other part is surrounded by the second vibration isolator. And With such a feature, the ratio of the area for installing the anti-vibration part 103b having a low Young's modulus to the area for installing the anti-vibration part 103a having a high Young's modulus can be increased. As a result, the natural frequency of the anti-vibration structure composed of the anti-vibration part 103 a, the anti-vibration part 103 b, and the semiconductor chip 104 can be set lower than when not contacting the package member. That is, the vibration transmissibility can be set smaller than in the case where it does not contact the package member.
  • Embodiment 2 an example in which the inertial sensor is a combined sensor including an angular velocity sensor that detects a uniaxial rotation speed and an acceleration sensor that detects a biaxial acceleration will be described with reference to the drawings.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing a mounting configuration example of the combined sensor device 300 according to the second embodiment.
  • a semiconductor chip 302 is mounted on the bottom of a package member 301 having a recess.
  • the package member 301 is made of ceramics, for example.
  • an integrated circuit including transistors and passive elements is formed on the semiconductor chip 302, an integrated circuit including transistors and passive elements is formed.
  • the integrated circuit formed in the semiconductor chip 302 has a function of processing the output signals from the angular velocity sensor detection unit and the acceleration sensor detection unit, and is a circuit that finally outputs the angular velocity signal and the acceleration signal. is there.
  • the semiconductor chip 304 is mounted via the anti-vibration part 303a and the anti-vibration part 303b.
  • the anti-vibration part 303a which forms a frame so as to surround the anti-vibration part 303b is made of, for example, a silicone rubber sheet.
  • the anti-vibration part 303b surrounded by the anti-vibration part 303a and in contact with the semiconductor chip 304 is made of, for example, a highly fluid liquid such as a silicone adhesive or silicone gel, or a material obtained by curing the liquid.
  • the vibration isolator 303a functions as a frame surrounding the highly fluid material 303b
  • the vibration isolator 303a is a material having a larger Young's modulus than the vibration isolator 303b.
  • the vibration isolating portion 303b having high fluidity is installed by being excessively poured into a frame formed by the vibration isolating portion 303a, and the vibration isolating portion 303b is connected to the semiconductor chip 304 by the surface tension of the vibration isolating portion 303b.
  • the contact surface is thinly inserted.
  • the semiconductor chip 304 is formed with a MEMS structure constituting an angular velocity sensor and a MEMS structure constituting an acceleration sensor.
  • the pads 305a formed on the semiconductor chip 304 and the pads formed on the semiconductor chip 302 are connected by, for example, a metal wire 308a. Further, the pad 306b formed on the semiconductor chip 302 is connected to the terminal 307b formed on the package member 301 by a metal wire 308c, to the terminal 310 connected to the outside of the package member 301 through the internal wiring of the package member 301. And are electrically connected. In addition, the semiconductor chip 302 and the semiconductor chip 304 that are stacked in the package member 301 are sealed by sealing the upper portion of the package member 301 with a lid 309.
  • FIG. 9 is a top view showing a mounting configuration example of the combined sensor device according to the second embodiment.
  • the cross section taken along the line CC in the figure corresponds to FIG. 8, and the lid for sealing the package member is not shown.
  • an angular velocity detection unit of the combined sensor At the bottom of the package member 301, an angular velocity detection unit of the combined sensor, a signal processing semiconductor chip 302 of the acceleration detection unit, and a booster power supply semiconductor chip 311 of the angular velocity detection unit of the combined sensor are mounted.
  • a semiconductor chip 304 on which a MEMS structure that is a detection unit of a combined sensor is formed is mounted via the vibration isolator 303a and the vibration isolator 303b.
  • the anti-vibration part 303a which forms a frame so as to surround the anti-vibration part 303b is made of, for example, a silicone rubber sheet.
  • the anti-vibration part 303b surrounded by the anti-vibration part 303a and in contact with the semiconductor chip 304 is made of, for example, a highly fluid liquid such as a silicone adhesive or silicone gel, or a material obtained by curing the liquid.
  • a highly fluid liquid such as a silicone adhesive or silicone gel
  • the vibration isolator 303a functions as a frame surrounding the highly fluid material 303b
  • the vibration isolator 303a is a material having a larger Young's modulus than the vibration isolator 303b.
  • the semiconductor chip 304 is formed with a MEMS structure for detecting angular velocity and a MEMS structure for detecting acceleration.
  • the pad 305a formed on the semiconductor chip 304 and the pad 306a formed on the semiconductor chip 302 are connected by a metal wire 308a. Further, the pad 305b formed on the semiconductor chip 304 is connected to the terminal 307a formed on the package member 301 by the metal wire 308b, and passes through the internal wiring of the package member 301 to the terminal connected to the outside of the package member 301. Electrically connected. Further, the pad 306b formed on the semiconductor chip 302 is connected to the terminal 307b formed on the package member 301 by a metal wire 308c, and leads to a terminal connected to the outside of the package member 301 through the internal wiring of the package member 301. Electrically connected.
  • the step-up power supply semiconductor chip 311 of the angular velocity detection unit of the combined sensor is sealed by sealing the upper part of the package member 301 with a lid (not shown).
  • the shape of the vibration isolator 303a and the vibration isolator 303b formed on the semiconductor chip 302 is shown in the broken line in FIG. 9, the broken line in FIG. 12, or FIG.
  • the frame portion of the vibration isolating portion 303a is positioned in a direction perpendicular to the drawing.
  • the vibration isolator 303a functions as a frame surrounding the highly fluid material 303b
  • the vibration isolator 303a is a material having a larger Young's modulus than the vibration isolator 303b.
  • FIG. 10 shows details of the semiconductor chip 304 in which the MEMS structure for detecting the uniaxial angular velocity and the MEMS structure for detecting the biaxial acceleration are formed in the combined sensor device according to the second embodiment.
  • the semiconductor chip 304 is movable for detecting the angular velocity of the MEMS structure on the SOI substrate composed of the support substrate 401, the insulating oxide film 402, and the silicon active layer 403 by using photolithography technology and DRIE (Deep Reactive Ion Etching).
  • a portion 404a, a MEMS structure angular velocity detection fixing portion 405a, a MEMS structure acceleration detection movable portion 404b, and a MEMS structure acceleration detection movable portion 405b are formed.
  • the MEMS structure angular velocity detection movable portion 404a, the MEMS structure angular velocity detection fixed portion 405a, the MEMS structure acceleration detection movable portion 404b, and the MEMS structure acceleration detection movable portion 405b are: Each is protected in a different space by a glass cap 409 bonded to the silicon active layer 403 using an anodic bonding technique or a surface activated bonding technique.
  • the MEMS structure angular velocity detection movable portion 404a, the MEMS structure angular velocity detection fixed portion 405a, the MEMS structure acceleration detection movable portion 404b, and the MEMS structure acceleration detection movable portion 405b are: It is electrically connected to a pad 408 formed on the back surface of the support substrate through a penetrating electrode material 406 that penetrates the support substrate 401, and performs signal processing on output signals from the angular velocity sensor detection unit and the acceleration sensor detection unit. It is connected to an integrated circuit having a function by wire bonding.
  • FIG. 11 shows an angular velocity detection MEMS structure for detecting uniaxial angular velocity and an acceleration detection MEMS structure for detecting biaxial acceleration in the combined sensor device according to the second embodiment.
  • 2 is a top view showing details of the semiconductor chip 304.
  • FIG. The upper surface in this case is a drawing in which the MEMS structure is observed from the glass cap 409 side in FIG. Further, the D-D ′ section and the E-E ′ section in FIG. 11 correspond to FIG. 10.
  • a frame portion 701 is formed in the semiconductor chip 304, and a hollow portion 702 is formed so as to be surrounded by the frame portion 701.
  • a fixing portion 703 is provided inside the hollow portion 702, and a beam (elastically deforming portion) 704 that is deformed in the first axial direction (the X direction in FIG. 11) is connected to the fixing portion 703. Yes.
  • the beam 704 is connected with the movable part 705 used as the weight of an acceleration sensor.
  • the fixed portion 703 and the movable portion 705 are connected by the elastically deformable beam 704, and the movable portion 705 can be displaced in the x direction of FIG.
  • the movable portion 705 is formed with a detection movable electrode 706a formed integrally with the movable portion 705.
  • the detection fixed electrode 706b and the detection fixed electrode 706c are opposed to the detection movable electrode 706a. Is formed.
  • the detection movable electrode 706a and the detection fixed electrode 706b, or the detection movable electrode 706a and the detection fixed electrode 706c form a capacitive element, and the movable portion 705 is moved in the x direction by acceleration applied from the outside. When displaced, the capacitance of the capacitive element described above changes.
  • the capacitive element configured by the detection movable electrode 706a and the detection fixed electrode 706b or the detection movable electrode 706a and the detection fixed electrode 706c has a capacitance that detects the displacement of the movable portion 705 in the x direction as a capacitance change. Functions as a detection unit.
  • the movable portion 705 is formed with a diagnostic movable electrode 708a formed integrally with the movable portion 705.
  • the diagnostic fixed electrode 708b and the diagnostic fixed electrode are disposed so as to face the movable movable electrode 708a. 708c is formed.
  • the diagnostic movable electrode 708a and the diagnostic fixed electrode 708b, or the diagnostic movable electrode 708a and the diagnostic fixed electrode 708c each form a capacitive element.
  • the capacitive element composed of the diagnostic movable electrode 708a and the diagnostic fixed electrode 708b or the diagnostic movable electrode 708a and the diagnostic fixed electrode 708c serves as a forced displacement generation unit that forcibly displaces the movable unit 705 in the x direction. Function.
  • the structure of the acceleration sensor configured as described above is made of a semiconductor material such as silicon. Therefore, the fixed portion 703 and the movable portion 705 connected to each other via the beam 704 are electrically connected, and the potential applied to the movable portion 705 is from a through electrode 707 formed in the fixed portion. It is configured to be supplied.
  • the detection fixed electrode 706b and the detection fixed electrode 706c are also formed with a through electrode 706d and a through electrode 706e, respectively, and the detection fixed electrode due to the capacitance change caused by the displacement of the movable portion 705 in the x direction. It is configured such that electric charges can flow into or out of 706b or the detection fixed electrode 706c.
  • a through electrode 708d and a through electrode 708e are formed in the diagnostic fixed electrode 708b and the diagnostic fixed electrode 708c, respectively, and the diagnostic fixed electrode 708b and the diagnostic fixed electrode 708c are formed from the through electrode 708d and the through electrode 708e.
  • a diagnostic signal can be applied to the.
  • a beam (elastic deformation portion) 710 that is deformed in the second axial direction (Y direction in FIG. 11) is connected from the fixed portion 709, and a movable portion 711 that is a weight of the acceleration detection portion is connected from the beam 710.
  • the acceleration detecting MEMS structure in the second axial direction (Y direction in FIG. 11) having the same configuration as the above-described acceleration detecting MEMS structure in the first axial direction (X direction in FIG. 11) is the same as that described above.
  • the semiconductor chip 304 is rotated 90 degrees on the surface of the semiconductor chip 304.
  • the semiconductor chip 304 is also formed with an angular velocity detection MEMS structure for detecting a uniaxial angular velocity.
  • an angular velocity detection MEMS structure for detecting a uniaxial angular velocity.
  • a hollow portion 722 is formed so as to be surrounded by the frame portion 701 common to the frame portion of the MEMS structure for acceleration detection described above, and a fixing portion 723 is provided inside the hollow portion 722, and this fixing portion A beam (elastically deforming portion) 724 is connected to 723.
  • the beam 724 is connected to movable portions 725 and 726 that are two excitation elements that serve as the weight of the angular velocity sensor. That is, the movable parts 725 and 726 that are two excitation elements and the fixed part 723 are connected by an elastically deformable beam 724, and the movable parts 725 and 726 that are excitation elements can be displaced in the x direction in FIG. It is like that. Further, the movable parts 725 and 726 which are excitation elements are connected by a link beam 727 in order to form a tuning fork vibration system sharing the mutual vibration energy.
  • a movable movable electrode 728a formed integrally with the movable portion is formed in the movable portions 725 and 726, which are excitation elements, and the fixed driving electrode 728b and the drive are disposed so as to face the movable movable electrode 728a.
  • a fixed electrode 728c is formed.
  • a periodic drive signal represented by Vcom + Vb + Vd is applied between the drive movable electrode 728a and the drive fixed electrode 728b that form a capacitive element by facing each other, and the drive movable electrode 728a and the drive fixed electrode are applied.
  • a periodic drive signal represented by Vcom + Vb ⁇ Vd is applied during 728c, and Vcom is applied to the movable portions 725 and 726, which are excitation elements, via the common electrode 731.
  • the electrostatic force acts between the driving fixed electrode 728b and the driving movable electrode 728a and the driving fixed electrode 728c, so that the driving movable electrode 728a vibrates.
  • the drive movable electrode 728a vibrates in the x direction
  • the movable portions 725 and 726, which are excitation elements formed integrally with the drive movable electrode 728a vibrate in reverse phase.
  • the capacitive element composed of the driving movable electrode 728a and the driving fixed electrode 728b, or the driving movable electrode 728a and the driving fixed electrode 728c has the movable portions 725 and 726, which are excitation elements, in the x-phase in reverse phase. It functions as a forced vibration generator for forced vibration.
  • the movable portions 725 and 726 which are excitation elements, are provided with a drive amplitude monitor movable electrode 729a formed integrally with the movable portions 725 and 726 so as to face the drive amplitude monitor movable electrode 729a. Further, a drive amplitude monitor fixed electrode 729b and a drive amplitude monitor fixed electrode 729c are formed.
  • the drive amplitude monitor movable electrode 729a and the drive amplitude monitor fixed electrode 729b, or the drive amplitude monitor movable electrode 729a and the drive amplitude monitor fixed electrode 729c form a capacitive element, and the drive movable electrode 728a.
  • the capacitance of the capacitor element described above is increased. It is going to change. That is, the capacitive element composed of the drive amplitude monitor movable electrode 729a and the drive amplitude monitor fixed electrode 729b or the drive amplitude monitor movable electrode 729a and the drive amplitude monitor fixed electrode 729c is the movable portion 725 which is an excitation element. , 726 functions as a capacitance detection unit that detects displacement in the x direction as a capacitance change.
  • movable portions 732 and 733 that are detection elements are connected to movable portions 725 and 726 that are excitation elements via beams 730. Further, the movable portions 732 and 733, which are detection elements, are formed with an angular velocity detection movable electrode 734a formed integrally with the movable portion, and fixed to detect the angular velocity so as to face the drive movable electrode 734a. An electrode 734b is formed. The angular velocity detecting movable electrode 734a and the angular velocity detecting fixed electrode 734b form a capacitive element.
  • the capacitive element composed of the angular velocity detection movable electrode 734a and the angular velocity detection fixed electrode 734b functions as a capacitance detection unit that detects a displacement in the y direction of the movable parts 732 and 733, which are detection elements, as a capacitance change.
  • the capacitance change generated in each electrode pair is electrically connected to the back surface of the semiconductor chip 304 through the through electrodes 728d, 728e, 729d, 729e, 731 and 734c, and an output signal from the angular velocity sensor detection unit is signaled. It is connected to an integrated circuit having a processing function by wire bonding.
  • the semiconductor chip 304 is assumed to be processed by using a photolithography technique and DRIE (Deep Reactive Ion Etching), but the silicon chip 304 is formed by using a glass / silicon / glass bonding technique.
  • the present invention can also be applied to a bulk MEMS process in which a MEMS structure is formed by processing both the front surface and the back surface. Furthermore, the present invention is also applicable to a surface MEMS process in which a MEMS structure is formed by repeatedly depositing a thin film on the surface of a silicon substrate on which a signal processing circuit such as a transistor is previously formed, and patterning the deposited thin film. Can do.
  • the MEMS structure for detecting the angular velocity is formed in a region indicated by P in FIG. 12 in the semiconductor chip 304, and the MEMS structure for detecting the acceleration is in the semiconductor chip 304. Among these, it is formed in a region indicated by Q in FIG.
  • the combined sensor which is the inertial sensor in the second embodiment is mounted and configured.
  • the angular velocity sensor unit rotates with respect to the semiconductor chip 304 on which the angular velocity detection unit using the MEMS structure is formed, with the entire substrate rotating around the third axis perpendicular to the substrate. Due to the Coriolis force according to the rotational force, the weight vibrating in the first axial direction (X direction in FIG. 9) is displaced in the second axial direction (Y direction in FIG. 9).
  • the displacement amount of the weight is transmitted to the semiconductor chip 302 as an electric signal and signal processing is performed by the integrated circuit formed in the semiconductor chip 302, an angular velocity signal is finally output.
  • acceleration is applied in the second axial direction (Y direction in FIG. 9) except when a rotational force is applied to the semiconductor chip 304 on which the angular velocity detection unit using the MEMS structure is formed.
  • the weight oscillating in the first axial direction (X direction in FIG. 9) due to this acceleration is displaced in the second axial direction (Y direction in FIG. 9), and the displacement amount of this weight is used as an electric signal.
  • the signal is transmitted to the semiconductor chip 302, and signal processing is performed by the integrated circuit in which the semiconductor chip 302 is formed.
  • the angular velocity sensor unit is able to rotate the weight if the acceleration is applied in the second axis direction (Y direction in FIG. 9).
  • the amount of displacement is detected as an angular velocity.
  • the displacement amount of the weight due to the acceleration is added as noise, so that the accuracy of detecting the angular velocity is reduced. It seems to end.
  • the first axial direction (X direction in FIG. 9) acceleration sensor unit is the first in comparison with the semiconductor chip 304 in which the acceleration detection unit by the MEMS structure is formed.
  • the weight is supported by a support beam that is displaceable in the axial direction (X direction in FIG. 9), and the weight is moved in the first axial direction (FIG. 9) by acceleration in the first axial direction (X direction in FIG. 9) applied to the substrate. 9 in the X direction).
  • This weight displacement amount is transmitted as an electrical signal to the semiconductor chip 302, and signal processing is performed so that only a frequency signal of several tens of Hz is output from DC required for measurement by the integrated circuit formed in the semiconductor chip 302.
  • An acceleration signal in the first axial direction (X direction in FIG. 9) is output. Therefore, in the above-described acceleration sensor unit in the first axial direction (X direction in FIG. 9), the DC required for measurement is several tens Hz from the semiconductor chip 304 on which the acceleration detection unit using the MEMS structure is formed.
  • the structure of the acceleration detector in the first axial direction (X direction in FIG. 9) composed of the above-described weight and the support beam that can be displaced in the first axial direction (X direction in FIG. 9) at a frequency of If acceleration in a frequency band lower than the machine response frequency is applied, the weight is displaced in the first axial direction (X direction in FIG.
  • the magnitude and frequency band of the input acceleration that results in a displacement amount of the weight that exceeds the signal range that can be handled by the LSI circuit can be calculated from the mechanical frequency response of the MEMS structure of the acceleration detector shown in FIG.
  • the response magnification of the MEMS structure of the acceleration detection unit is close to 0 dB (1 time), so the input acceleration is large enough to cause a displacement of the weight that exceeds the signal range that can be handled by the LSI circuit. This is about the same as the acceleration calculation full scale range inside the LSI circuit.
  • the response magnification of the MEMS structure of the acceleration detection unit is small, so the magnitude of the input acceleration that results in the displacement of the weight exceeding the signal range that can be handled by the LSI circuit is Larger than the acceleration calculation full scale range inside the LSI circuit.
  • acceleration input can be allowed up to 10 times the acceleration calculation full scale range inside the LSI circuit.
  • the second axial direction (Y direction in FIG. 9) acceleration sensor portion is second in comparison with the semiconductor chip 304 in which the acceleration detection portion is formed by the MEMS structure.
  • the weight is supported by a support beam that is displaceable in the axial direction (Y direction in FIG. 9), and the weight is moved in the second axial direction (FIG. 9) by acceleration in the second axial direction (Y direction in FIG. 9) applied to the substrate. 9 in the Y direction).
  • This weight displacement amount is transmitted as an electrical signal to the semiconductor chip 302, and signal processing is performed so that only a frequency signal of several tens of Hz is output from DC required for measurement by the integrated circuit formed in the semiconductor chip 302.
  • An acceleration signal in the second axial direction (Y direction in FIG. 9) is output.
  • the DC required for measurement is several tens Hz from the semiconductor chip 304 on which the acceleration detection unit using the MEMS structure is formed.
  • the acceleration detecting portion in the second axial direction composed of the above-described weight and the supporting beam that can be displaced in the second axial direction (Y direction in FIG. 9) at a frequency of If acceleration in a frequency band lower than the machine response frequency is applied, the weight is displaced in the second axial direction (Y direction in FIG. 9) that can be displaced by this acceleration. Convert to electrical signal.
  • the electrical signal converted from the displacement of the weight at this time exceeds the signal range that can be handled by the LSI circuit, that is, if the signal is saturated within the LSI circuit, the second axial direction that is originally desired to be measured ( Since the acceleration signal in the frequency band of several tens Hz from DC in the Y direction in FIG. 9 is buried in the saturation signal, the acceleration in the second axis direction (Y direction in FIG. 9) cannot be output correctly, and the acceleration detection function There is a problem that stops.
  • the vibration isolator 303a, the vibration isolator 303b, the angular velocity detector using the MEMS structure, and the acceleration in the first axial direction using the MEMS structure as shown in FIG. It has a structure constituted by a semiconductor chip 304 formed from a detection unit and an acceleration detection unit in the second axial direction by a MEMS structure.
  • the vibration transmissibility at each point of the structure constituted by the semiconductor chip 304 formed from the direction acceleration detection unit can be calculated by, for example, structure calculation using a finite element method.
  • a semiconductor chip 304 composed of a silicon substrate has a dimension of about 4 mm ⁇ 9 mm and a thickness of 0.5 mm, and the vibration isolator 303a is composed of a silicone rubber sheet having a Young's modulus of 5 MPa (hardness 40).
  • the vibrating portion 303b is made of a silicone gel having a Young's modulus of 0.1 MPa
  • the second axial direction (Y direction in FIG. 9) in the region of the semiconductor chip 304 drawn by P in FIG. 15 has a frequency characteristic represented by Py in FIG. 15, and vibration transmission in the first axial direction (X direction in FIG. 9) in the region of the semiconductor chip 304 drawn by Q in FIG. 12.
  • the rate is a frequency characteristic represented by Qx in FIG.
  • the vibration transmissibility in the second axial direction (Y direction in FIG. 9) in the region of the semiconductor chip 304 drawn by Q in FIG. 12 is Q in FIG.
  • the vibration transmissibility at the frequency fd in the second axial direction (Y direction in FIG. 9) as the detection axis is prevented so as to satisfy the target numerical value.
  • the vibration transmissibility of the structure is determined by adjusting the thicknesses of the vibration part 303a and the vibration isolation part 303b.
  • the anti-vibration unit 303a, the anti-vibration unit 303b, the angular velocity detection unit using the MEMS structure, the first axial acceleration detection unit using the MEMS structure, and the second structure using the MEMS structure are shown in FIG. 12 is the second axis in the region where the angular velocity detector depicted by P in FIG. 12 is formed in the semiconductor chip 304.
  • the vibration transmissibility in the direction (Y direction in FIG. 9) is set low, a structure that does not decrease the vibration transmissibility other than in the Y-axis direction can be obtained.
  • the MEMS structure of the acceleration detection unit In a frequency band in which the body response magnification is close to 0 dB (1 time), a structure that does not exceed 100% can be obtained. Further, the vibration transmissibility in the second axial direction (Y direction in FIG. 9) in the region of the semiconductor chip 304 in which the acceleration detector depicted by Q in FIG. 12 is formed is the MEMS structure of the acceleration detector. In a frequency band in which the body response magnification is close to 0 dB (1 time), a structure that does not exceed 100% can be obtained. Further, after mounting the semiconductor chip 302 or the semiconductor chip 304 on the package member 301, when the frequency of ultrasonic vibration used in wire bonding for obtaining electrical connection is assumed to be fu, ensuring vibration transmission in the Z direction. You can also.
  • the combined sensor which is an inertial sensor in the second embodiment, includes the vibration isolator 303a and the vibration isolator 303b shown in FIG. 13, and acceleration vibration unnecessary for measurement is added to the entire combined sensor device. Even in this case, this acceleration vibration is transmitted to the substrate 304 on which the angular velocity detection unit by the MEMS structure and the acceleration detection unit by the MEMS structure are formed, and the output accuracy of the combined sensor is deteriorated or the function is stopped due to erroneous output. It has a structure that does not.
  • an explanation has been given of a structure in which an acceleration sensor in the X direction and an acceleration sensor in the Y direction are provided as acceleration sensors. However, at least the angular velocity detection sensor and any one direction (for example, the X direction) are described. If there is an acceleration sensor, the configuration of the combined sensor is sufficient, and the effect of the invention according to the present embodiment is achieved.
  • the invention includes a package member (301), a substrate (401), a first sensor detection unit (angular velocity detection unit) provided on the substrate and outputting a first electric signal.
  • the first sensor detection unit vibrates in a first direction parallel to the surface of the substrate.
  • a first detection electrode that converts a displacement of the first weight in a second direction parallel to the surface of the substrate when the plate rotates and perpendicular to the first direction into a first electrical signal; Then, the second sensor detection unit calculates the second weight that vibrates in the first direction and the change in the second weight in the first direction when acceleration is applied in the first direction.
  • a second detection electrode for converting to an electric signal, and the periphery of the first vibration isolation unit is surrounded by the second vibration isolation unit or a combination of the second vibration isolation unit and the package substrate.
  • the anti-vibration structure makes at least one of the natural frequency in the first direction or the natural frequency in the second direction different between the first sensor detection unit and the second sensor detection unit. It has a structure. Of course, both natural frequencies may be different. With such a feature, it is possible to realize a suitable frequency characteristic in each of different inertial sensors (for example, an angular velocity sensor and an acceleration sensor) in the combined sensor, and to further reduce the vibration transmission rate to each sensor.
  • a suitable frequency characteristic in each of different inertial sensors for example, an angular velocity sensor and an acceleration sensor
  • the projection of the bonding pad in the direction perpendicular to the surface of the substrate is set to a positional relationship overlapping the second vibration isolator, thereby reducing the vibration transmissibility of the vibration isolator structure and the signal processing. Similar to the first embodiment, the ultrasonic vibration necessary for electrically connecting the semiconductor chip 302 to the semiconductor chip 302 by wire bonding can be transmitted to ensure mounting convenience.
  • the structure in which the hard vibration isolating portion 303a having a large Young's modulus surrounds the vibration isolating portion 303b having a small Young's modulus is not limited to the structure shown in FIG. 13, but has a structure as shown in FIGS. 16 (a) to 16 (c). Even if it exists, it is the same as that of Example 1 that the effect of an anti-vibration characteristic can be acquired. That is, the periphery of the first anti-vibration part may be surrounded by the second anti-vibration part or a combination of the second anti-vibration part and the package member. With such a configuration, both the above-described improvement in accuracy and improvement in mounting convenience are achieved.
  • FIG. 16C a third vibration isolator (303c) having a different Young's modulus is installed for both the first vibration isolator (303b) and the second vibration isolator (303a). 13 has an inherent effect that is not shown in FIG. 13.
  • the effect is a region indicated by Q in FIG. 12 in the semiconductor chip 304. In the first axial direction (X direction in FIG. 9) and the second axial direction (Y direction in FIG. 9) in the region of the semiconductor chip 304 drawn by Q in FIG.
  • the third vibration isolator is made of a material having a higher Young's modulus than the first vibration isolator (303b) and the second vibration isolator (303a), and the vibration transmissibility of the angular velocity detector and the acceleration detector is By increasing the difference, it is possible to further improve the sensor accuracy.
  • the angular velocity sensor and the acceleration sensor even if the angular velocity sensor and the acceleration sensor are simultaneously mounted with the angular velocity sensor and the acceleration sensor having different mechanical frequency responses of the MEMS structure as the sensor detection unit by the configuration detailed above. It is possible to provide an anti-vibration structure that matches the mechanical characteristics of the MEMS structure that is the detection unit.

Abstract

　ＭＥＭＳ構造体の検出部を持つ慣性センサ装置において、外部振動印加による誤動作を抑制しながら、センサ実装時の利便性を確保する。係る目的を達成するため、慣性センサ装置において、パッケージ基板に実装された半導体チップ（１０２）と、センサ検出部を有する半導体チップ（１０４）の間に防振構造（１０３）を設ける。防振構造（１０３）は、防振部（１０３ａ）の周囲をよりヤング率の大きい材料からなる防振部（１０３ｂ）等で囲んだ構造とする。

Description

物理量検出装置
　本発明は、慣性センサに関する。
　一般に広く利用されるＭＥＭＳ慣性センサは、錘（可動部）と支持梁（弾性変形部）とで構成されている。ＭＥＭＳ慣性センサが形成された基板に対し、一軸方向に変位可能な支持梁で錘を支え、基板に印加された加速度によって錘が変位した量を、ＬＳＩ回路で電気信号に変換するものが加速度センサ装置である。ＭＥＭＳ慣性センサが形成された基板に対し、互いに直行する第一の軸方向と第二の軸方向に変位可能な支持梁で錘を支え、この錘を振動発生手段によって第一の軸方向へ振動させている状態で、基板と垂直な第三の軸を中心として基板全体が回転すると、回転力に応じたコリオリ力によって、第一の軸方向に振動している錘が第二の軸方向に変位する。この錘の変位量をＬＳＩ回路で電気信号に変換するものが振動型の角速度センサ装置である。
　これらの慣性センサは、センサ検出部が錘によって構成されている点が共通する。この錘は、機械素子であるため、計測信号以外の加速度が印加された場合であっても変位する場合がある。このような変異もＬＳＩ回路によって電気信号に変換されてしまうため、当該電気信号がノイズとなって慣性センサの精度低下をもたらす場合がある。また、電気信号がＬＳＩ回路で取り扱える範囲を超えていた場合、すなわち、ＬＳＩ回路が飽和を起こしてしまった場合には、当該電気信号は、本来計測したい信号が飽和信号に埋もれてしまうことによる慣性センサの機能停止をもたらす場合もある。
　このような、計測信号以外の加速度印加による慣性センサの誤動作や誤出力による機能停止を抑制するためには、計測信号以外の加速度印加による検出部の機械的応答を阻止すれば良い。つまり、計測信号以外の加速度が慣性センサの搭載された基板を通して慣性センサへ伝達することを抑制する防振部を、慣性センサの搭載された基板と慣性センサの間に設置し、防振構造を構成すれば良い。
　防振部の振動伝達率は、図１７の（１）式で示したＴｒ（％）で与えられる。従って、計測信号以外の加速度が慣性センサの検出部へ伝達することを抑制する目的で、防振構造の振動伝達率Ｔｒ（％）を下げるには、慣性センサと、慣性センサの搭載された基板と慣性センサの間に設置された防振部から構成される防振構造の固有振動数ｆ０（Ｈｚ）を下げることが有効である。
　ここで、固有振動数ｆ０は、図１７の（２）式の形で与えられる。そのため、検出部であるセンサ基板がパッケージ部材に実装されて一体化した構造を持つセンサ装置において防振構造の固有振動数ｆ０（Ｈｚ）を下げるには、まず、防振構造全体の質量ｍ（ｋｇ）を大きくする方法が考えられる。しかし、検出部であるセンサ基板がパッケージ部材に実装されて一体化した構造を持つセンサ装置では、パッケージ部材内の空間に限界があるため、センサ検出部を形成している基板の寸法を大きくすることは、センサ全体の寸法を大きくすることになり、製造コストの観点、もしくはセンサ利便性の観点から望ましくない。また、センサ検出部を形成している基板材料を密度の大きな材料へと変更することは、センサの製造プロセスを変更することになり、開発期間が長期化してコストが上昇する観点より望ましくない。よって、防振構造の質量を大きくする方法は、適用が難しい。
　他の方法として、検出部であるセンサ基板がパッケージ部材に実装されて一体化した構造を持つセンサ装置において、（２）式で表される防振構造の固有振動数ｆ０（Ｈｚ）を下げる他の方法として、防振構造の剛性定数ｋ（Ｎ／ｍ）を小さくする方法も考えられる。これに関して、従来、以下のような方法が提案されている。
特開２００３－２８６４４号 特開２００５－３３１２５８号　特許文献１では、低ヤング率の接着剤を介して、パッケージ部材に角速度検出部を搭載した構造体を形成し、この構造体の固有振動数を低下させることにより、外部加速度の印加による検出精度の低下を防止する方法が提案されている。また、特許文献２では、接着フィルムを介して、パッケージ部材に角速度検出部を搭載した構造体を形成し、接着フィルムの形状もしくは弾性率を調整して、この構造体の固有振動数を低下させることにより、外部加速度の印加による検出精度の低下を防止する方法が提案されている。
　しかし、低ヤング率の接着剤を介して、パッケージ部材にセンサ検出部を搭載した防振構造を形成し、この構造の固有振動数を低下させることを試みる場合、ヤング率の小さな接着剤ほど硬化前粘度も低く、流動性により接着剤が流れてしまうため、接着剤を所望の場所に適量塗布できない問題が発生する。
　また、センサ基板をパッケージ部材へ実装した後にＬＳＩ回路基板とワイヤボンディングで電気的に接続する際に、低ヤング率の接着剤を介してパッケージ部材にセンサ検出部を搭載した防振構造を形成した場合、センサ基板とパッケージ部材の間でワイヤボンディングに必要な振動伝達ができず、電気的接続が出来ない問題が発生する。これは、ワイヤボンディングが、配線金属とセンサ基板上のパッド金属の接触部に、熱と荷重を加えながら、およそ６０ｋＨｚから１００ｋＨｚの超音波振動を伝達することで金属同士を電気的に接着する接合方式であることに起因する。
　また、接着フィルムを介して、パッケージ部材にセンサ検出部を搭載した防振構造を形成し、接着フィルムの形状もしくは弾性率を調整して、この構造体の固有振動数を低下させることを試みる場合、形状を小さくするとフィルムを自動搬送するために必要な面積を満たせなくなり、実装利便性が低下する問題がある。また、弾性率を小さくしたフィルムを用いる場合、形状を維持したままフィルムを自動搬送することが出来なくなり、実装利便性が低下する問題がある。
　本発明の目的は、防振構造の固有振動数を下げて、センサの精度低下や誤出力による機能停止を引き起こす計測信号以外の加速度振動が慣性センサの検出部へ伝達することを抑制しながら、実装利便性を確保する技術を提供することである。
　本発明における課題を解決する手段のうち、代表的な例を簡単に説明すれば、慣性センサ装置であって、パッケージ部材と、基板と、前記基板に対して変位する錘および前記錘の変位を電気信号に変換する検出電極を具備し前記基板上に設けられるセンサ検出部と、を有する第１の半導体チップと、前記パッケージ部材上に設けられ、前記電気信号に対する演算を行う演算回路を有する第２の半導体チップと、第１の防振部と、前記第１の防振部よりヤング率の大きい材料からなる第２の防振部とを具備し、前記第１の半導体チップと前記第２の半導体チップの間に設けられる防振構造と、を有し、前記第１の防振部の周囲は、前記第２の防振部、または前記第２の防振部と前記パッケージ部材との組み合わせによって囲まれることを特徴とする。
　また、他の代表的な例を説明すると、慣性センサ装置であって、パッケージ部材と、基板と、前記基板に設けられ第１の電気信号を出力する第１のセンサ検出部と、前記基板に設けられ第２の電気信号を出力する第２のセンサ検出部と、を有する第１の半導体チップと、前記第１の電気信号および前記第２の電気信号に対する演算を行う演算回路を有する第２の半導体チップと、第１の防振部と、前記第１の防振部よりヤング率の大きい材料からなる第２の防振部とを有し、前記第１の半導体チップと前記第２の半導体チップの間に設けられる防振構造と、を有し、前記第１のセンサ検出部は、前記基板の表面に対して平行な第１の方向に振動する第１の錘と、前記基板の表面と垂直な第３の方向を中心として前記基板が回転したときの、前記基板の表面に対して平行かつ前記第１の方向と垂直な第２の方向における前記第１の錘の変位を前記第１の電気信号へ変換する第１の検出電極と、を有し、前記第２のセンサ検出部は、前記第１の方向に振動する第２の錘と、前記第１の方向に加速度が印加されたときの前記第１の方向における前記第２の錘の変化を前記第２の電気信号へ変換する第２の検出電極と、を有し、前記第１の防振部の周囲は、前記第２の防振部、または前記第２の防振部と前記パッケージ基板の組み合わせによって囲まれ、前記第１の防振部および前記第２の防振部からなる構造は、前記第１の方向における固有振動数または前記第２の方向における固有振動数を、前記第１のセンサ検出部と前記第２のセンサ検出部との間で異ならせる構造であることを特徴とする。
　本発明によれば、慣性センサの精度および実装利便性を向上しうる。
本発明の実施の形態１における角速度センサの実装構造の断面図である。 本発明の実施の形態１における角速度センサの実装構造の上面図である。 本発明の実施の形態１における角速度センサ検出チップの断面図である。 本発明の実施の形態１における角速度センサ検出チップの上面図である。 本発明の実施の形態１における角速度センサの実装構造の上面図である。 本発明の実施の形態１における角速度センサの防振構造の振動伝達率を示す図である。 本発明の実施の形態１における角速度センサの実装構造の上面図である。 本発明の実施の形態２におけるコンバインドセンサの実装構造の断面図である。 本発明の実施の形態２におけるコンバインドセンサの実装構造の上面図である。 本発明の実施の形態２におけるコンバインドセンサ検出チップの断面図である。 本発明の実施の形態２におけるコンバインドセンサ検出チップの上面図である。 本発明の実施の形態２におけるコンバインドセンサの実装構造の上面図である。 本発明の実施の形態２におけるコンバインドセンサの実装構造の上面図である。 本発明の実施の形態２におけるコンバインドセンサの検出部の周波数応答を示す図である。 本発明の実施の形態２におけるコンバインドセンサの振動伝達率を示す図である。 本発明の実施の形態２におけるコンバインドセンサの実装構造の上面図である。 振動伝達率および固有振動数を示す式である。
　本実施の形態１では、慣性センサが角速度センサである例について、図面を参照しながら説明する。
　図１は、本実施の形態１における角速度センサ装置１００の実装構成例を示す断面図である。
　図１に示すように、凹部を有するパッケージ部材１０１の底部に半導体チップ１０２が搭載されている。パッケージ部材１０１は、例えば、セラミクスで構成されている。半導体チップ１０２には、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１０２に形成されている集積回路は、角速度センサ検出部からの出力信号を信号処理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。
　半導体チップ１０２上には、防振構造として防振部１０３ａおよび防振部１０３ｂを介して半導体チップ１０４が搭載されている。防振部１０３ｂを囲うようにして枠体を形成する防振部１０３ａは、例えば、シリコーンゴムシートで構成されている。防振部１０３ａに囲まれて半導体チップ１０４と接する防振部１０３ｂは、例えば、シリコーン接着剤やシリコーンゲルといった流動性の高い液体、もしくはそれを硬化させた材料で構成されている。ここで防振部１０３ａは、流動性の高い材料１０３ｂを囲う枠として機能するため、防振部１０３ａのほうが防振部１０３ｂよりヤング率の大きい材料で構成される。また、流動性の高い防振部１０３ｂは、防振部１０３ａによって形成される枠体に過剰に流し込まれて設置され、防振部１０３ｂの表面張力により、防振部１０３ｂは半導体チップ１０４との接触面に薄く入り込む構造となる。半導体チップ１０４には、角速度センサを構成するＭＥＭＳ構造体が形成されている。この半導体チップ１０４に形成されているパッド１１０と、半導体チップ１０２に形成されているパッド１０５ａは、例えば、金属ワイヤ１０６ａで接続されている。さらに、半導体チップ１０２に形成されているパッド１０５ｂは、パッケージ部材１０１に形成されている端子１０７と金属ワイヤ１０６ｂで接続され、パッケージ部材１０１の内部配線を通して、パッケージ部材１０１の外部につながる端子１０８へと電気的に接続されている。また、パッケージ部材１０１内に積層して配置された半導体チップ１０２と半導体チップ１０４は、パッケージ部材１０１の上部をリッド１０９で封止することにより密閉されている。
　図２は、本実施の形態１における角速度センサ装置の実装構成例を示す上面図である。図中に示したＡ－Ａ直線による断面が図１に相当し、パッケージ部材を封止するリッドは図示していない。
　パッケージ部材１０１の底部に半導体チップ１０２が搭載されており、この半導体チップ１０２上には、防振部１０３ａや防振部１０３ｂを介して半導体チップ１０４が搭載されている。防振部１０３ｂを囲うようにして枠体を形成する防振部１０３ａは、例えば、シリコーンゴムシートで構成されている。防振部１０３ａに囲まれて半導体チップ１０４と接する防新材料１０３ｂは、例えば、シリコーン接着剤やシリコーンゲルといった流動性の高い液体、もしくはそれを硬化させた材料で構成されている。ここで防振部１０３ａは、流動性の高い材料１０３ｂを囲う枠として機能するため、防振部１０３ａのほうが防振部１０３ｂよりヤング率の大きい材料である。半導体チップ１０４には、角速度を検出するためのＭＥＭＳ構造体が形成されている。
　この半導体チップ１０４に形成されているパッド１１０と、半導体チップ１０２に形成されているパッド１０５ａは、金属ワイヤ１０６ａで接続されている。さらに、半導体チップ１０２に形成されているパッド１０５ｂは、パッケージ部材１０１に形成されている端子１０７と金属ワイヤ１０６ｂで接続され、パッケージ部材１０１の内部配線を通して、パッケージ部材１０１の外部につながる端子１０８へと電気的に接続されている。そして、パッケージ部材１０１内に積層して配置された半導体チップ１０２と半導体チップ１０４は、パッケージ部材１０１の上部を図示していないリッドで封止することにより密閉される。
　半導体チップ１０２上に形成された防振部１０３ａと防振部１０３ｂの形状を、図２中の破線、もしくは、図３に示す。半導体チップ１０４上のパッド１１０に対し、図面に垂直な方向には、防振部１０３ａの枠部が位置するような形状である。ここで防振部１０３ａは、流動性の高い材料１０３ｂを囲う枠として機能するため、防振部１０３ａのほうが防振部１０３ｂよりヤング率の大きい材料で構成される。係る構成によって、半導体チップ１０２や半導体チップ１０４をパッケージ部材１０１に実装した後、電気的接続を得るためのワイヤボンディングを実施する際、図面に垂直な方向にワイヤボンディングに必要な振動伝達を確保することが可能となる。
　図３は、本実施の形態１における角速度センサ装置の角速度を検出するためのＭＥＭＳ構造体が形成された、半導体チップ１０４の詳細を示す断面図である。半導体チップ１０４は、支持基板２０１と絶縁酸化膜２０２とシリコン活性層２０３から構成されるＳＯＩ基板上に、フォトリソグラフィ技術とＤＲＩＥ(Ｄｅｅｐ　Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ)を用いて、ＭＥＭＳ構造体の可動部２０４と、ＭＥＭＳ構造体の固定部２０５が形成されている。また、ＭＥＭＳ構造体の可動部２０４や、ＭＥＭＳ構造体の固定部２０５は、シリコン活性層２０３と陽極接合技術、もしくは表面活性化接合技術を用いて接合されたガラスキャップ２０９により保護されている。また、ＭＥＭＳ構造体の可動部２０４や、ＭＥＭＳ構造体の固定部２０５は、支持基板２０１を貫通する貫通電極材料２０６を介して支持基板の裏面に形成されたパッド２０８と電気的に接続されており、角速度センサ検出部からの出力信号を信号処理する機能を有する集積回路へとワイヤボンディングにより接続される。
　図４は、本実施の形態１における角速度センサ装置の角速度を検出するためのＭＥＭＳ構造体が形成された、半導体チップ１０４の詳細を示す上面図である。この場合の上面とは、図３におけるガラスキャップ２０９側からＭＥＭＳ構造体を観察した図面に相当する。また、図４中のＢ－Ｂ断面が、図３に相当している。
　枠部２２１に囲まれるように空洞部２２２が形成され，その空洞部２２２の内部には、固定部２２３が設けられており、この固定部２２３には、梁（弾性変形部）２２４が接続されている。そして、梁２２４は、角速度センサの錘となる２つの励振素子である可動部２２５，２２６と接続されている。つまり、２つの励振素子である可動部２２５，２２６と固定部２２３は弾性変形可能な梁２２４で接続されており、励振素子である可動部２２５，２２６は、図４のｘ方向にそれぞれ変位できるようになっている。また，励振素子である可動部２２５，２２６は互いの振動エネルギーを共有する音叉振動系をなすため，リンク梁２２７で接続されている。
　励振素子である可動部２２５，２２６には、可動部と一体に形成された駆動用可動電極２２８ａが形成されており、この駆動用可動電極２２８ａと対向するように、駆動用固定電極２２８ｂおよび駆動用固定電極２２８ｃが形成されている。互いに対向することで容量素子を形成している駆動用可動電極２２８ａと駆動用固定電極２２８ｂの間にＶｃｏｍ＋Ｖｂ＋Ｖｄで表される周期的な駆動信号を印加し，駆動用可動電極２２８ａと駆動用固定電極２２８ｃの間にＶｃｏｍ＋Ｖｂ－Ｖｄで表される周期的な駆動信号を印加し，励振素子である可動部２２５，２２６には共通の電極２３１を介してＶｃｏｍを印加することで、駆動用可動電極２２８ａと駆動用固定電極２２８ｂ、および、駆動用可動電極２２８ａと駆動用固定電極２２８ｃの間に静電気力が働き、駆動用可動電極２２８ａが振動するようになっている。この駆動用可動電極２２８ａがｘ方向に振動すると、駆動用可動電極２２８ａと一体的に形成されている励振素子である可動部２２５，２２６が逆相振動することになる。つまり、駆動用可動電極２２８ａと駆動用固定電極２２８ｂ、あるいは、駆動用可動電極２２８ａと駆動用固定電極２２８ｃから構成される容量素子は、励振素子である可動部２２５，２２６をｘ方向に逆相に強制振動させる強制振動生成部として機能する。
　また，励振素子である可動部２２５，２２６には、可動部２２５，２２６と一体に形成された駆動振幅モニタ用可動電極２２９ａが形成されており、この駆動振幅モニタ用可動電極２２９ａと対向するように、駆動振幅モニタ用固定電極２２９ｂおよび駆動振幅モニタ用固定電極２２９ｃが形成されている。この駆動振幅モニタ用可動電極２２９ａと駆動振幅モニタ用固定電極２２９ｂ、あるいは、駆動振幅モニタ用可動電極２２９ａと駆動振幅モニタ用固定電極２２９ｃは、それぞれ容量素子を形成しており、駆動用可動電極２２８ａと駆動用固定電極２２８ｂ、および、駆動用可動電極２２８ａと駆動用固定電極２２８ｃの間に働く静電気力によって励振素子である可動部２２５，２２６がｘ方向に変位すると、上述した容量素子の容量が変化するようになっている。つまり、駆動振幅モニタ用可動電極２２９ａと駆動振幅モニタ用固定電極２２９ｂ、あるいは、駆動振幅モニタ用可動電極２２９ａと駆動振幅モニタ用固定電極２２９ｃから構成される容量素子は、励振素子である可動部２２５，２２６のｘ方向の変位を容量変化として検出する容量検出部として機能する。
　また，励振素子である可動部２２５，２２６には、梁２３０を介して、検出素子である可動部２３２，２３３が接続されている。さらに、検出素子である可動部２３２，２３３には、可動部と一体に形成された角速度検出用可動電極２３４ａが形成されており、この駆動用可動電極２３４ａと対向するように、角速度検出用固定電極２３４ｂが形成されている。この角速度検出用可動電極２３４ａと角速度検出用固定電極２３４ｂは容量素子を形成している。基板と垂直なｚ軸を中心として基板全体が回転すると、回転力に応じたコリオリ力によって、検出素子である可動部２３２，２３３がｙ方向に変位し、上述した容量素子の容量が変化するようになっている。つまり、角速度検出用可動電極２３４ａと角速度検出用固定電極２３４ｂから構成される容量素子は、検出素子である可動部２３２，２３３のｙ方向の変位を容量変化として検出する容量検出部として機能する。
　また、各電極対に生じる容量変化は、貫通電極２２８ｄ、２２８ｅ、２２９ｄ、２２９ｅ、２３１、２３４ｃを通じて半導体チップ１０４の裏面へと電気的に接続されており、角速度センサ検出部からの出力信号を信号処理する機能を有する集積回路へとワイヤボンディングにより接続される。
　尚、半導体チップ１０４は、ＳＯＩ基板をフォトリソグラフィ技術とＤＲＩＥ(Ｄｅｅｐ　Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ)を用いて加工する場合を想定しているが、ガラス・シリコン・ガラスの接合技術などを使用して、シリコン基板の表面と裏面の両方を加工することでＭＥＭＳ構造体を形成する、バルクＭＥＭＳプロセスにも適用することができる。さらに、予めトランジスタなどの信号処理回路が形成されているシリコン基板の表面に薄膜を堆積し、堆積した薄膜をパターニングすることを繰り返すことでＭＥＭＳ構造体を形成する、表面ＭＥＭＳプロセスにも適用することができる。
　このようにして、本実施の形態１における慣性センサである角速度センサが実装構成されている。
　実施の形態１における慣性センサである角速度センサは、ＭＥＭＳ構造体による角速度検出部が形成された半導体チップ１０４に対し、基板と垂直な第三の軸を中心として基板全体が回転すると、回転力に応じたコリオリ力によって、第一の軸方向（図２のＸ方向）に振動している錘が第二の軸方向（図２のＹ方向）に変位する。この錘の変位量を電気信号として半導体チップ１０２へ伝達し、半導体チップ１０２形成されている集積回路によって信号処理すると、最終的に角速度信号を出力する。
　よって、上述した角速度センサ装置では、ＭＥＭＳ構造体による角速度検出部が形成された半導体チップ１０４に回転力が加わったとき以外で、第二の軸方向（図２のＹ方向）に加速度が加わった場合でも、この加速度によって第一の軸方向（図２のＸ方向）に振動している錘は第二の軸方向（図２のＹ方向）に変位し、この錘の変位量を電気信号として半導体チップ１０２へ伝達し、半導体チップ１０２形成されている集積回路によって信号処理する。すなわち、角速度センサ装置は、センサ基板全体が基板と垂直な第三の軸を中心として回転しない場合であっても、第二の軸方向（図２のＹ方向）に加速度が加われば、錘の変位量を角速度によるものとして検出する。このように、角速度センサ基板の第二の軸方向（図２のＹ方向）に加速度が加わったときには、この加速度による錘の変位量がノイズとして加わってしまうため、角速度の検出精度が低下してしまうとも思える。
　しかしながら、実施の形態１における角速度センサは、図５に示すような形状の防振部１０３ａ、防振部１０３ｂ、ＭＥＭＳ構造体による角速度検出部が形成された半導体チップ１０４から構成される構造を持つ。図５に示すような形状の防振部１０３ａ、防振部１０３ｂ、ＭＥＭＳ構造体による角速度検出部が形成された半導体チップ１０４から構成される構造の固有振動数は、例えば、有限要素法を用いた構造計算により算出できる。シリコン基板で構成される半導体チップ１０４の寸法がおよそ４ｍｍ×６ｍｍで厚さが０．５ｍｍであり、防振部１０３ａはヤング率が５ＭＰａ（硬度４０）のシリコーンゴムシートで構成されており、防振部１０３ｂはヤング率が０．１ＭＰａのシリコーン接着剤で構成されているとすると、当該構造の各軸方向の固有振動数ｆ０ｉ（ｉ＝ｘ、ｙ、ｚ）は、ｆ０ｙ＜ｆ０ｘ＜ｆ０ｚとなる。このとき、当該構造の振動伝達率の周波数特性は（１）式を用いて図６のように計算することができる。但し、ＭＥＭＳ構造体による角速度検出部の検出周波数をｆｄとするとき、検出軸である第二の軸方向（図２のＹ方向）の周波数ｆｄにおける振動伝達率が目標数値を満たすように、防振部１０３ａおよび防振部１０３ｂの厚さを調整して、当該構造のＹ軸方向の固有振動数を定めている。図５に示すような形状の防振部１０３ａ、防振部１０３ｂ、ＭＥＭＳ構造体による角速度検出部が形成された半導体チップ１０４から構成される構造であれば、Ｙ軸方向の振動伝達率は低く設定しながらも、Ｙ軸方向以外の振動伝達率を同時に低下させない構造とできる。また、半導体チップ１０２や半導体チップ１０４をパッケージ部材１０１に実装した後、電気的接続を得るためのワイヤボンディングで用いられる超音波振動の周波数をｆｕとする場合、Ｚ方向における振動伝達を確保することもできる。
　よって、本実施の形態１における慣性センサである角速度センサは、図５に示される防振部１０３ａと防振部１０３ｂによって角速度センサ装置全体に対して計測に不要な加速度振動が加わった場合でも、この加速度振動が、ＭＥＭＳ構造体による角速度検出部が形成された基板１０４に伝達して、角速度センサの出力精度が低下しない構造となっている。
　このように、本実施の形態における発明は、パッケージ部材（１０１）と、基板（２０１）と、基板に対して変位する錘（可動部２２５等）および前記錘の変位を電気信号に変換する検出電極（可動電極２２８ａと固定電極２２８ｂ等）を具備し基板上に設けられるセンサ検出部と、を有する半導体チップ（１０４）と、パッケージ部材上に設けられ、電気信号に対する演算を行う演算回路を有する半導体チップ（１０２）と、第１の防振部（１０３ｂ）と、前記第１の防振部よりヤング率の大きい材料からなる第２の防振部（１０３ａ）とを具備し、半導体チップの間に設けられる防振構造と、を有し、第１の防振部の周囲は、前記第２の防振部によって囲まれることを特徴とする。係る構造により、硬化前に流動性を有するシリコーン接着剤やゲル材料などハンドリングが困難な低ヤング率のやわらかい材料で防振構造を形成でき、実装利便性を向上しうる。そして、限られたパッケージ空間内でも防振構造の振動伝達率を下げることができ、慣性センサの精度を向上しうる。
　また、基板の表面と垂直な方向における前記ボンディングパッドの射影を、前記第２の防振部に重なる位置関係とすることによって、防振構造の振動伝達率を下げながら、半導体チップ１０４と信号処理用半導体チップ１０２とをワイヤボンディングで電気的に接続する際に必要な超音波振動を伝達し、実装利便性を確保することができる。
　また、ヤング率の大きく硬い防振部１０３ａが、ヤング率の小さい防振部１０３ｂを囲う構造は、図５に示す構造に限られず、図７（ａ）～（ｃ）に示すような構造であっても、実施例１における防振特性の効果を得ることができる。すなわち、第１の防振部の周囲は、第２の防振部、または第２の防振部とパッケージ部材との組み合わせによって囲まれていれば良い。係る構成によって、上述した精度の向上と実装利便性の向上とを両立するものである。
　その上で、特に図５と図７（ａ）は、第１の防振部の形状が第１の方向（例えばＸ方向）に長辺を有し、第２の方向（例えばＹ方向）に短辺を有する長方形であることを特徴とする。係る特徴によって、防振部１０３ａと防振部１０３ｂと半導体チップ１０４から構成される防振構造のＸ軸方向とＹ軸方向の固有振動数を異ならせることが出来る。つまり、角速度検査装置に加わった振動が、センサパッケージを経て、半導体チップ１０２を経て、防振部１０３ａと防振部１０３ｂとを経て、半導体チップ１０４に伝達する振動伝達率をＸ軸方向とＹ軸方向で異ならせる、具体的にはＸ軸方向の振動伝達率よりＹ軸方向の振動伝達率を小さくすることが出来る。この結果、半導体チップ１０４には、Ｘ軸方向よりＹ軸方向の振動が伝わりにくい構造とすることが出来る。
　また、図７（ａ）と図７（ｃ）は、第１の防振部が第２の防振部によって複数に分割された形状であることを特徴とする。係る特徴によって、防振部１０３ａと防振部１０３ｂと半導体チップ１０４から構成される防振構造のＸ軸方向とＹ軸方向の固有振動数を所望の値に調整することが出来る。この結果、半導体チップ１０４には、Ｘ軸方向よりＹ軸方向の振動が伝わりにくい割合を調整することが出来る。
　また、図７（ｂ）と図７（ｃ）は、第１の防振部の周囲のうち、一辺はパッケージ部材と接し、他の部分は前記第２の防振部によって囲まれることを特徴とする。係る特徴によって、ヤング率の大きい防振部１０３ａを設置する面積に対して、ヤング率の小さい防振部１０３ｂを設置する面積の割合を増やすことが出来る。この結果、パッケージ部材と接しない場合と比べて、防振部１０３ａと防振部１０３ｂと半導体チップ１０４から構成される防振構造の固有振動数をより低く設定することが出来る。つまり、パッケージ部材と接しない場合と比べて、振動伝達率をより小さく設定することが出来る。
　本実施の形態２では、慣性センサが一軸回転速度を検出する角速度センサと、二軸の加速度を検出する加速度センサから構成されるコンバインドセンサである例について、図面を参照しながら説明する。
　図８は、本実施の形態２におけるコンバインドセンサ装置３００の実装構成例を示す断面図である。
　図８に示すように、凹部を有するパッケージ部材３０１の底部に半導体チップ３０２が搭載されている。パッケージ部材３０１は、例えば、セラミクスで構成されている。半導体チップ３０２には、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３０２に形成されている集積回路は、角速度センサ検出部と加速度センサ検出部からの出力信号を信号処理する機能を有しており、最終的に角速度信号と加速度信号を出力する回路である。
　半導体チップ３０２上には、防振部３０３ａや防振部３０３ｂを介して半導体チップ３０４が搭載されている。防振部３０３ｂを囲うようにして枠体を形成する防振部３０３ａは、例えば、シリコーンゴムシートで構成されている。防振部３０３ａに囲まれて半導体チップ３０４と接する防振部３０３ｂは、例えば、シリコーン接着剤やシリコーンゲルといった流動性の高い液体、もしくはそれを硬化させた材料で構成されている。ここで防振部３０３ａは、流動性の高い材料３０３ｂを囲う枠として機能するため、防振部３０３ａのほうが防振部３０３ｂよりヤング率の大きい材料である。また、流動性の高い防振部３０３ｂは、防振部３０３ａによって形成される枠体に過剰に流し込まれて設置され、防振部３０３ｂの表面張力により、防振部３０３ｂは半導体チップ３０４との接触面に薄く入り込む構造となる。半導体チップ３０４には、角速度センサを構成するＭＥＭＳ構造体と、加速度センサを構成するＭＥＭＳ構造体が形成されている。この半導体チップ３０４に形成されているパッド３０５ａと、半導体チップ３０２に形成されているパッドは、例えば、金属ワイヤ３０８ａで接続されている。さらに、半導体チップ３０２に形成されているパッド３０６ｂは、パッケージ部材３０１に形成されている端子３０７ｂと金属ワイヤ３０８ｃで接続され、パッケージ部材３０１の内部配線を通して、パッケージ部材３０１の外部につながる端子３１０へと電気的に接続されている。また、パッケージ部材３０１内に積層して配置された半導体チップ３０２と半導体チップ３０４は、パッケージ部材３０１の上部をリッド３０９で封止することにより密閉されている。
　図９は、本実施の形態２におけるコンバインドセンサ装置の実装構成例を示す上面図である。図中に示したＣ－Ｃ直線による断面が図８に相当し、パッケージ部材を封止するリッドは図示していない。
　パッケージ部材３０１の底部に、コンバインドセンサの角速度検出部と加速度検出部の信号処理用半導体チップ３０２と、コンバインドセンサの角速度検出部の昇圧電源用半導体チップ３１１が搭載されている。半導体チップ３０２上には、防振部３０３ａや防振部３０３ｂを介してコンバンイドセンサの検出部であるＭＥＭＳ構造体が形成された半導体チップ３０４が搭載されている。防振部３０３ｂを囲うようにして枠体を形成する防振部３０３ａは、例えば、シリコーンゴムシートで構成されている。防振部３０３ａに囲まれて半導体チップ３０４と接する防振部３０３ｂは、例えば、シリコーン接着剤やシリコーンゲルといった流動性の高い液体、もしくはそれを硬化させた材料で構成されている。ここで防振部３０３ａは、流動性の高い材料３０３ｂを囲う枠として機能するため、防振部３０３ａのほうが防振部３０３ｂよりヤング率の大きい材料である。半導体チップ３０４には、角速度を検出するためのＭＥＭＳ構造体と、加速度を検出するためのＭＥＭＳ構造体が形成されている。
　この半導体チップ３０４に形成されているパッド３０５ａと、半導体チップ３０２に形成されているパッド３０６ａは、金属ワイヤ３０８ａで接続されている。さらに、半導体チップ３０４に形成されているパッド３０５ｂは、パッケージ部材３０１に形成されている端子３０７ａと金属ワイヤ３０８ｂで接続され、パッケージ部材３０１の内部配線を通して、パッケージ部材３０１の外部につながる端子へと電気的に接続されている。さらに、半導体チップ３０２に形成されているパッド３０６ｂは、パッケージ部材３０１に形成されている端子３０７ｂと金属ワイヤ３０８ｃで接続され、パッケージ部材３０１の内部配線を通して、パッケージ部材３０１の外部につながる端子へと電気的に接続されている。
　そして、パッケージ部材３０１内に配置された、コンバインドセンサの角速度検出部と加速度検出部の信号処理用半導体チップ３０２と、コンバンイドセンサの検出部であるＭＥＭＳ構造体が形成された半導体チップ３０４と、コンバインドセンサの角速度検出部の昇圧電源用半導体チップ３１１は、パッケージ部材３０１の上部を図示していないリッドで封止することにより密閉される。
　半導体チップ３０２上に形成された防振部３０３ａと防振部３０３ｂの形状を、図９中の破線、もしくは、図１２中の破線、もしくは、図１３に示す。半導体チップ３０４上のパッド３０５ａや３０５ｂに対し、図面に垂直な方向には、防振部３０３ａの枠部が位置するような形状である。ここで防振部３０３ａは、流動性の高い材料３０３ｂを囲う枠として機能するため、防振部３０３ａのほうが防振部３０３ｂよりヤング率の大きい材料である。係る構成によって、半導体チップ３０２や半導体チップ３０４をパッケージ部材３０１に実装した後、電気的接続を得るためのワイヤボンディングを実施する際、図面に垂直な方向にワイヤボンディングに必要な振動伝達を確保することが可能となる。
　図１０は、本実施の形態２におけるコンバインドセンサ装置における、一軸の角速度を検出するためのＭＥＭＳ構造体と、二軸の加速度を検出するためのＭＥＭＳ構造体が形成された、半導体チップ３０４の詳細を示す断面図である。半導体チップ３０４は、支持基板４０１と絶縁酸化膜４０２とシリコン活性層４０３から構成されるＳＯＩ基板上に、フォトリソグラフィ技術とＤＲＩＥ(Ｄｅｅｐ　Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ)を用いて、ＭＥＭＳ構造体の角速度検出用可動部４０４ａと、ＭＥＭＳ構造体の角速度検出用固定部４０５ａと、ＭＥＭＳ構造体の加速度検出用可動部４０４ｂと、ＭＥＭＳ構造体の加速度検出用可動部４０５ｂが形成されている。また、ＭＥＭＳ構造体の角速度検出用可動部４０４ａと、ＭＥＭＳ構造体の角速度検出用固定部４０５ａと、ＭＥＭＳ構造体の加速度検出用可動部４０４ｂと、ＭＥＭＳ構造体の加速度検出用可動部４０５ｂは、シリコン活性層４０３と陽極接合技術、もしくは表面活性化接合技術を用いて接合されたガラスキャップ４０９により、それぞれが異なる空間内に保護されている。また、ＭＥＭＳ構造体の角速度検出用可動部４０４ａと、ＭＥＭＳ構造体の角速度検出用固定部４０５ａと、ＭＥＭＳ構造体の加速度検出用可動部４０４ｂと、ＭＥＭＳ構造体の加速度検出用可動部４０５ｂは、支持基板４０１を貫通する貫通電極材料４０６を介して支持基板の裏面に形成されたパッド４０８と電気的に接続されており、角速度センサ検出部、および加速度センサ検出部からの出力信号を信号処理する機能を有する集積回路へとワイヤボンディングにより接続される。
　図１１は、本実施の形態２におけるコンバインドセンサ装置における、一軸の角速度を検出するための角速度検出用ＭＥＭＳ構造体と、二軸の加速度を検出するための加速度検出用ＭＥＭＳ構造体が形成された、半導体チップ３０４の詳細を示す上面図である。この場合の上面とは、図１０におけるガラスキャップ４０９側からＭＥＭＳ構造体を観察した図面である。また、図１１中のＤ－Ｄ‘断面とＥ－Ｅ’断面が、図１０に相当している。
　以下に，第一の軸方向（図１１のＸ方向）の加速度検出用ＭＥＭＳ構造体の構成を説明する。
　図１１に示すように、半導体チップ３０４には、枠部７０１が形成されており、この枠部７０１に囲まれるように空洞部７０２が形成されている。空洞部７０２の内部には、固定部７０３が設けられており、この固定部７０３には、第一の軸方向（図１１のＸ方向）に変形する梁（弾性変形部）７０４が接続されている。そして、梁７０４は、加速度センサの錘となる可動部７０５と接続されている。つまり、固定部７０３と可動部７０５は弾性変形可能な梁７０４で接続されており、可動部７０５は、図１１のｘ方向に変位できるようになっている。
　可動部７０５には、可動部７０５と一体に形成された検出用可動電極７０６ａが形成されており、この検出用可動電極７０６ａと対向するように、検出用固定電極７０６ｂおよび検出用固定電極７０６ｃが形成されている。この検出用可動電極７０６ａと検出用固定電極７０６ｂ、あるいは、検出用可動電極７０６ａと検出用固定電極７０６ｃは、それぞれ容量素子を形成しており、外部から印加された加速度によって可動部７０５がｘ方向に変位すると、上述した容量素子の容量が変化するようになっている。つまり、検出用可動電極７０６ａと検出用固定電極７０６ｂ、あるいは、検出用可動電極７０６ａと検出用固定電極７０６ｃから構成される容量素子は、可動部７０５のｘ方向の変位を容量変化として検出する容量検出部として機能する。
　また、可動部７０５には、可動部７０５と一体に形成された診断用可動電極７０８ａが形成されており、この診断用可動電極７０８ａと対向するように、診断用固定電極７０８ｂおよび診断用固定電極７０８ｃが形成されている。診断用可動電極７０８ａと診断用固定電極７０８ｂ、あるいは、診断用可動電極７０８ａと診断用固定電極７０８ｃは、それぞれ容量素子を形成している。この容量素子を形成している診断用可動電極７０８ａと診断用固定電極７０８ｂ、および、診断用可動電極７０８ａと診断用固定電極７０８ｃの間に診断信号を印加すると、診断用可動電極７０８ａと診断用固定電極７０８ｂの間、および、診断用可動電極７０８ａと診断用固定電極７０８ｃの間に静電気力が働き、診断用可動電極７０８ａが変位するようになっている。この診断用可動電極７０８ａがｘ方向に変位すると、診断用可動電極７０８ａと一体的に形成されている可動部７０５も変位することになる。つまり、診断用可動電極７０８ａと診断用固定電極７０８ｂ、あるいは、診断用可動電極７０８ａと診断用固定電極７０８ｃから構成される容量素子は、可動部７０５をｘ方向に強制変位させる強制変位生成部として機能する。
　このように構成された加速度センサの構造体は、シリコンなどの半導体材料から構成されている。したがって、互いに梁７０４を介して接続されている固定部７０３と可動部７０５とは電気的に接続されており、可動部７０５に印加される電位は、固定部に形成されている貫通電極７０７から供給されるように構成されている。一方、検出用固定電極７０６ｂおよび検出用固定電極７０６ｃにも、それぞれ貫通電極７０６ｄおよび貫通電極７０６ｅが形成されており、可動部７０５がｘ方向に変位することで生じる容量変化により、検出用固定電極７０６ｂや検出用固定電極７０６ｃに電荷が流入あるいは流出できるように構成されている。また、診断用固定電極７０８ｂおよび診断用固定電極７０８ｃにも、それぞれ貫通電極７０８ｄおよび貫通電極７０８ｅが形成されており、貫通電極７０８ｄや貫通電極7０８ｅから、診断用固定電極7０８ｂや診断用固定電極7０８ｃに診断信号を印加できるようになっている。
　また、固定部７０９から、第二の軸方向（図１１のＹ方向）に変形する梁（弾性変形部）７１０が接続されており、梁７１０から加速度検出部の錘となる可動部７１１が接続されている構成の第二の軸方向（図１１のＹ方向）の加速度検出用ＭＥＭＳ構造体は、前述した第一の軸方向（図１１のＸ方向）の加速度検出用ＭＥＭＳ構造体と同様のものが、半導体チップ３０４面上で９０度回転して設置されているものである。
　同時に，図１１に示すように、半導体チップ３０４には一軸の角速度を検出する角速度検出用ＭＥＭＳ構造体も形成されている。次に，角速度検出部の構成を説明する。
　前述した加速度検出用ＭＥＭＳ構造体の枠部と共通の枠部７０１に囲まれるように空洞部７２２が形成され，その空洞部７２２の内部には、固定部７２３が設けられており、この固定部７２３には、梁（弾性変形部）７２４が接続されている。そして、梁７２４は、角速度センサの錘となる２つの励振素子である可動部７２５，７２６と接続されている。つまり、２つの励振素子である可動部７２５，７２６と固定部７２３は弾性変形可能な梁７２４で接続されており、励振素子である可動部７２５，７２６は、図１１のｘ方向にそれぞれ変位できるようになっている。また，励振素子である可動部７２５，７２６は互いの振動エネルギーを共有する音叉振動系をなすため，リンク梁７２７で接続されている。
　励振素子である可動部７２５，７２６には、可動部と一体に形成された駆動用可動電極７２８ａが形成されており、この駆動用可動電極７２８ａと対向するように、駆動用固定電極７２８ｂおよび駆動用固定電極７２８ｃが形成されている。互いに対向することで容量素子を形成している駆動用可動電極７２８ａと駆動用固定電極７２８ｂの間にＶｃｏｍ＋Ｖｂ＋Ｖｄで表される周期的な駆動信号を印加し，駆動用可動電極７２８ａと駆動用固定電極７２８ｃの間にＶｃｏｍ＋Ｖｂ－Ｖｄで表される周期的な駆動信号を印加し，励振素子である可動部７２５，７２６には共通の電極７３１を介してＶｃｏｍを印加することで、駆動用可動電極７２８ａと駆動用固定電極７２８ｂ、および、駆動用可動電極７２８ａと駆動用固定電極７２８ｃの間に静電気力が働き、駆動用可動電極７２８ａが振動するようになっている。この駆動用可動電極７２８ａがｘ方向に振動すると、駆動用可動電極７２８ａと一体的に形成されている励振素子である可動部７２５，７２６が逆相振動することになる。つまり、駆動用可動電極７２８ａと駆動用固定電極７２８ｂ、あるいは、駆動用可動電極７２８ａと駆動用固定電極７２８ｃから構成される容量素子は、励振素子である可動部７２５，７２６をｘ方向に逆相に強制振動させる強制振動生成部として機能する。
　また，励振素子である可動部７２５，７２６には、可動部７２５，７２６と一体に形成された駆動振幅モニタ用可動電極７２９ａが形成されており、この駆動振幅モニタ用可動電極７２９ａと対向するように、駆動振幅モニタ用固定電極７２９ｂおよび駆動振幅モニタ用固定電極７２９ｃが形成されている。この駆動振幅モニタ用可動電極７２９ａと駆動振幅モニタ用固定電極７２９ｂ、あるいは、駆動振幅モニタ用可動電極７２９ａと駆動振幅モニタ用固定電極７２９ｃは、それぞれ容量素子を形成しており、駆動用可動電極７２８ａと駆動用固定電極７２８ｂ、および、駆動用可動電極７２８ａと駆動用固定電極７２８ｃの間に働く静電気力によって励振素子である可動部７２５，７２６がｘ方向に変位すると、上述した容量素子の容量が変化するようになっている。つまり、駆動振幅モニタ用可動電極７２９ａと駆動振幅モニタ用固定電極７２９ｂ、あるいは、駆動振幅モニタ用可動電極７２９ａと駆動振幅モニタ用固定電極７２９ｃから構成される容量素子は、励振素子である可動部７２５，７２６のｘ方向の変位を容量変化として検出する容量検出部として機能する。
　また，励振素子である可動部７２５，７２６には、梁７３０を介して、検出素子である可動部７３２，７３３が接続されている。さらに、検出素子である可動部７３２，７３３には、可動部と一体に形成された角速度検出用可動電極７３４ａが形成されており、この駆動用可動電極７３４ａと対向するように、角速度検出用固定電極７３４ｂが形成されている。この角速度検出用可動電極７３４ａと角速度検出用固定電極７３４ｂは容量素子を形成している。基板と垂直なｚ軸を中心として基板全体が回転すると、回転力に応じたコリオリ力によって、検出素子である可動部７３２，７３３がｙ方向に変位し、上述した容量素子の容量が変化するようになっている。つまり、角速度検出用可動電極７３４ａと角速度検出用固定電極７３４ｂから構成される容量素子は、検出素子である可動部７３２，７３３のｙ方向の変位を容量変化として検出する容量検出部として機能する。
　また、各電極対に生じる容量変化は、貫通電極７２８ｄ、７２８ｅ、７２９ｄ、７２９ｅ、７３１、７３４ｃを通じて半導体チップ３０４の裏面へと電気的に接続されており、角速度センサ検出部からの出力信号を信号処理する機能を有する集積回路へとワイヤボンディングにより接続される。
　尚、半導体チップ３０４は、ＳＯＩ基板をフォトリソグラフィ技術とＤＲＩＥ(Ｄｅｅｐ　Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ)を用いて加工する場合を想定しているが、ガラス・シリコン・ガラスの接合技術などを使用して、シリコン基板の表面と裏面の両方を加工することでＭＥＭＳ構造体を形成する、バルクＭＥＭＳプロセスにも適用することができる。さらに、予めトランジスタなどの信号処理回路が形成されているシリコン基板の表面に薄膜を堆積し、堆積した薄膜をパターニングすることを繰り返すことでＭＥＭＳ構造体を形成する、表面ＭＥＭＳプロセスにも適用することができる。
　また、角速度を検出するためのＭＥＭＳ構造体は、半導体チップ３０４内のうち図１２中のＰと描かれた領域に形成されており、加速度を検出するためのＭＥＭＳ構造体は、半導体チップ３０４内のうち図１２中のＱと描かれた領域に形成されている。
　このようにして、本実施の形態２における慣性センサであるコンバインドセンサが実装構成されている。
　実施の形態２におけるコンバンイドセンサのうち、角速度センサ部は、ＭＥＭＳ構造体による角速度検出部が形成された半導体チップ３０４に対し、基板と垂直な第三の軸を中心として基板全体が回転すると、回転力に応じたコリオリ力によって、第一の軸方向（図９のＸ方向）に振動している錘が第二の軸方向に（図９のＹ方向）変位する。この錘の変位量を電気信号として半導体チップ３０２へ伝達し、半導体チップ３０２形成されている集積回路によって信号処理すると、最終的に角速度信号を出力する。
　よって、上述した角速度センサ部では、ＭＥＭＳ構造体による角速度検出部が形成された半導体チップ３０４に回転力が加わったとき以外で、第二の軸方向（図９のＹ方向）に加速度が加わった場合でも、この加速度によって第一の軸方向（図９のＸ方向）に振動している錘は第二の軸方向（図９のＹ方向）に変位し、この錘の変位量を電気信号として半導体チップ３０２へ伝達し、半導体チップ３０２形成されている集積回路によって信号処理する。すなわち、角速度センサ部は、センサ基板全体が基板と垂直な第三の軸を中心として回転しない場合であっても、第二の軸方向（図９のＹ方向）に加速度が加われば、錘の変位量を角速度によるものとして検出する。このように、角速度センサ基板の第二の軸方向（図９のＹ方向）に加速度が加わったときには、この加速度による錘の変位量がノイズとして加わってしまうため、角速度の検出精度が低下してしまうとも思える。
　また、実施の形態２におけるコンバンイドセンサのうち、第一の軸方向（図９のＸ方向）の加速度センサ部は、ＭＥＭＳ構造体による加速度検出部が形成された半導体チップ３０４に対し、第一の軸方向（図９のＸ方向）に変位可能な支持梁で錘を支え、基板に印加された第一の軸方向（図９のＸ方向）の加速度によって錘が第一の軸方向（図９のＸ方向）へ変位する。この錘の変位量を電気信号として半導体チップ３０２へ伝達し、半導体チップ３０２形成されている集積回路によって計測で必要とされるＤＣから数１０Ｈｚの周波数信号のみ出力するよう信号処理し、最終的に第一の軸方向（図９のＸ方向）の加速度信号を出力する。よって、上述した第一の軸方向（図９のＸ方向）の加速度センサ部では、ＭＥＭＳ構造体による加速度検出部が形成された半導体チップ３０４に対して、計測で必要とされるＤＣから数１０Ｈｚの周波数以上で、前述した錘と第一の軸方向（図９のＸ方向）に変位可能な支持梁から構成される第一の軸方向（図９のＸ方向）の加速度検出部の構造の機械応答周波数より低い周波数帯域の加速度が加わった場合であれば、この加速度によって錘は変位可能な第一の軸方向（図９のＸ方向）に変位し、この錘の変位量をＬＳＩ回路で電気信号に変換する。このときの錘の変位量から換算された電気信号が、ＬＳＩ回路で取り扱える信号範囲を超えていた場合、つまりＬＳＩ回路内部で信号の飽和を起こした場合は、本来計測したい第一の軸方向（図９のＸ方向）のＤＣから数１０Ｈｚの周波数帯域の加速度信号が飽和信号に埋もれてしまうため、第一の軸方向（図９のＸ方向）の加速度を正しく出力できず、加速度の検出機能が停止するという問題がある。尚、ＬＳＩ回路で取り扱える信号範囲を超える錘の変位量となるような入力加速度の大きさと周波数帯域は、図１４に示す加速度検出部のＭＥＭＳ構造体の機械的な周波数応答より計算できる。入力加速度の周波数帯域が低い場合は、加速度検出部のＭＥＭＳ構造体の応答倍率が０ｄＢ（１倍）に近いため、ＬＳＩ回路で取り扱える信号範囲を超える錘の変位量となるような入力加速度の大きさは、ＬＳＩ回路内部の加速度演算フルスケール範囲と同程度である。しかし、入力加速度の周波数帯域が高い場合は、加速度検出部のＭＥＭＳ構造体の応答倍率が小さくなるため、ＬＳＩ回路で取り扱える信号範囲を超える錘の変位量となるような入力加速度の大きさは、ＬＳＩ回路内部の加速度演算フルスケール範囲より大きく取れる。具体的に、加速度検出部のＭＥＭＳ構造体の応答倍率が－２０ｄＢとなるような周波数では、ＬＳＩ回路内部の加速度演算フルスケール範囲の１０倍の大きさまで加速度入力を許容することが出来る。
　また、実施の形態２におけるコンバンイドセンサのうち、第二の軸方向（図９のＹ方向）の加速度センサ部は、ＭＥＭＳ構造体による加速度検出部が形成された半導体チップ３０４に対し、第二の軸方向（図９のＹ方向）に変位可能な支持梁で錘を支え、基板に印加された第二の軸方向（図９のＹ方向）の加速度によって錘が第二の軸方向（図９のＹ方向）へ変位する。この錘の変位量を電気信号として半導体チップ３０２へ伝達し、半導体チップ３０２形成されている集積回路によって計測で必要とされるＤＣから数１０Ｈｚの周波数信号のみ出力するよう信号処理し、最終的に第二の軸方向（図９のＹ方向）の加速度信号を出力する。
　よって、上述した第二の軸方向（図９のＹ方向）の加速度センサ部では、ＭＥＭＳ構造体による加速度検出部が形成された半導体チップ３０４に対して、計測で必要とされるＤＣから数１０Ｈｚの周波数以上で、前述した錘と第二の軸方向（図９のＹ方向）に変位可能な支持梁から構成される第二の軸方向（図９のＹ方向）の加速度検出部の構造の機械応答周波数より低い周波数帯域の加速度が加わった場合であれば、この加速度によって錘は変位可能な第二の軸方向（図９のＹ方向）に変位し、この錘の変位量をＬＳＩ回路で電気信号に変換する。このときの錘の変位量から換算された電気信号が、ＬＳＩ回路で取り扱える信号範囲を超えていた場合、つまりＬＳＩ回路内部で信号の飽和を起こした場合は、本来計測したい第二の軸方向（図９のＹ方向）のＤＣから数１０Ｈｚの周波数帯域の加速度信号が飽和信号に埋もれてしまうため、第二の軸方向（図９のＹ方向）の加速度を正しく出力できず、加速度の検出機能が停止するという問題がある。
　しかしながら、実施の形態２におけるコンバンイドセンサでは、図１３に示すような形状の防振部３０３ａ、防振部３０３ｂ、ＭＥＭＳ構造体による角速度検出部と、ＭＥＭＳ構造体による第一の軸方向の加速度検出部と、ＭＥＭＳ構造体による第二の軸方向の加速度検出部から形成された半導体チップ３０４から構成される構造を持つ。図１３に示すような形状の防振部３０３ａ、防振部３０３ｂ、ＭＥＭＳ構造体による角速度検出部と、ＭＥＭＳ構造体による第一の軸方向の加速度検出部と、ＭＥＭＳ構造体による第二の軸方向の加速度検出部から形成された半導体チップ３０４から構成される構造の各点における振動伝達率は、例えば、有限要素法を用いた構造計算により算出できる。
　シリコン基板で構成される半導体チップ３０４の寸法がおよそ４ｍｍ×９ｍｍで厚さが０．５ｍｍであり、防振部３０３ａはヤング率が５ＭＰａ（硬度４０）のシリコーンゴムシートで構成されており、防振部３０３ｂはヤング率が０．１ＭＰａのシリコーンゲルで構成されているとすると、半導体チップ３０４のうち図１２中のＰで描かれた領域における第二の軸方向（図９中のＹ方向）の振動伝達率は、図１５のＰｙで表される周波数特性となり、半導体チップ３０４のうち図１２中のＱで描かれた領域における第一の軸方向（図９中のＸ方向）の振動伝達率は、図１５のＱｘで表される周波数特性となり、半導体チップ３０４のうち図１２中のＱで描かれた領域における第二の軸方向（図９中のＹ方向）の振動伝達率は、図１５のＱｙで表される周波数特性となる。但し、ＭＥＭＳ構造体による角速度検出部の検出周波数をｆｄとするとき、検出軸である第二の軸方向（図９のＹ方向）の周波数ｆｄにおける振動伝達率が目標数値を満たすように、防振部３０３ａおよび防振部３０３ｂの厚さを調整して、当該構造の振動伝達率を定めている。
　よって、図１３に示すような形状の防振部３０３ａ、防振部３０３ｂ、ＭＥＭＳ構造体による角速度検出部と、ＭＥＭＳ構造体による第一の軸方向の加速度検出部と、ＭＥＭＳ構造体による第二の軸方向の加速度検出部から形成された半導体チップ３０４から構成される構造であれば、半導体チップ３０４のうち図１２中のＰで描かれた角速度検出部の形成された領域における第二の軸方向（図９中のＹ方向）の振動伝達率は低く設定しながらも、Ｙ軸方向以外の振動伝達率を低下させない構造とできる。また、半導体チップ３０４のうち図１２中のＱで描かれた加速度検出部の形成された領域における第一の軸方向（図９中のＸ方向）の振動伝達率は、加速度検出部のＭＥＭＳ構造体の応答倍率が０ｄＢ（１倍）に近い周波数帯域では１００％を超えない構造とできる。また、半導体チップ３０４のうち図１２中のＱで描かれた加速度検出部の形成された領域における第二の軸方向（図９中のＹ方向）の振動伝達率は、加速度検出部のＭＥＭＳ構造体の応答倍率が０ｄＢ（１倍）に近い周波数帯域では１００％を超えない構造とできる。また、半導体チップ３０２や半導体チップ３０４をパッケージ部材３０１に実装した後、電気的接続を得るためのワイヤボンディングで用いられる超音波振動の周波数をｆｕとする場合、Ｚ方向における振動伝達を確保することもできる。
　よって、本実施の形態２における慣性センサであるコンバインドセンサは、図１３に示される防振部３０３ａと防振部３０３ｂを備えており、コンバインドセンサ装置全体に対して計測に不要な加速度振動が加わった場合でも、この加速度振動が、ＭＥＭＳ構造体による角速度検出部、およびＭＥＭＳ構造体による加速度検出部が形成された基板３０４に伝達して、コンバインドセンサの出力精度の低下や、誤出力による機能停止をしない構造となっている。なお、本実施の形態においては、加速度センサとしてＸ方向の加速度センサおよびＹ方向の加速度センサが設けられた構造で説明したが、少なくとも角速度検出センサと、いずれか一方向（例えば、Ｘ方向）の加速度センサがあればコンバインドセンサの構成として十分であり、本実施の形態に係る発明の効果を奏するものである。
　このように、本実施の形態に係る発明は、パッケージ部材（３０１）と、基板（４０１）と、基板に設けられ第１の電気信号を出力する第１のセンサ検出部（角速度検出部）と、基板に設けられ第２の電気信号を出力する第２のセンサ検出部（例えば、Ｘ方向の加速度検出部）と、を有する半導体チップ（３０４）と、第１の電気信号および第２の電気信号に対する演算を行う演算回路を有する半導体チップ（３０２）と、第１の防振部（３０３ｂ）と、前記第１の防振部よりヤング率の大きい材料からなる第２の防振部（３０３ａ）とを有し、上述した半導体チップと間に設けられる防振構造と、を有し、第１のセンサ検出部は、基板の表面に対して平行な第１の方向に振動する第１の錘と、基板の表面と垂直な第３の方向を中心として基板が回転したときの基板の表面に対して平行かつ第１の方向と垂直な第２の方向における第１の錘の変位を第１の電気信号へ変換する第１の検出電極と、を有し、第２のセンサ検出部は、第１の方向に振動する第２の錘と、第１の方向に加速度が印加されたときの第１の方向における第２の錘の変化を第２の電気信号へ変換する第２の検出電極と、を有し、第１の防振部の周囲は、第２の防振部、または第２の防振部とパッケージ基板の組み合わせによって囲まれることを特徴とする。係る構造によって、硬化前に流動性を有するシリコーン接着剤やゲル材料などハンドリングが困難な低ヤング率のやわらかい材料で防振構造を形成できて実装利便性を向上し、限られたパッケージ空間内でも防振構造の振動伝達率を下げることができる。その上で、防振構造は、第１の方向における固有振動数または第２の方向における固有振動数の少なくとも一方を、第１のセンサ検出部と第２のセンサ検出部との間で異ならせる構造を有することを特徴とする。当然、両方の固有振動数が異なっていても良い。係る特徴によって、コンバインドセンサにおける異なる慣性センサ（例えば、角速度センサと加速度センサ）のそれぞれにおいて、好適な周波数特性を実現し、各センサへの振動伝達率をより低減することが可能となる。
　また、基板の表面と垂直な方向における前記ボンディングパッドの射影を、前記第２の防振部に重なる位置関係とすることによって、防振構造の振動伝達率を下げながら、半導体チップ３０４と信号処理用半導体チップ３０２とをワイヤボンディングで電気的に接続する際に必要な超音波振動を伝達し、実装利便性を確保することができる点は、実施例１と同様である。
　また、ヤング率の大きく硬い防振部３０３ａが、ヤング率の小さい防振部３０３ｂを囲う構造は、図１３に示す構造に限られず、図１６（ａ）～（ｃ）に示すような構造であっても、防振特性の効果を得ることができる点も、実施例１と同様である。すなわち、第１の防振部の周囲は、第２の防振部、または第２の防振部とパッケージ部材との組み合わせによって囲まれていれば良い。係る構成によって、上述した精度の向上と実装利便性の向上とを両立するものである。その上で、図１６（ａ）～（ｂ）は、それぞれ図１３には無い固有の効果を奏するものであるが、その効果は、図７（ａ）～（ｂ）のうち対応するものと同様である。また、図１６（ｃ）は、第１の防振部（３０３ｂ）とも、第２の防振部（３０３ａ）とも、異なるヤング率から構成される第３の防振部（３０３ｃ）を設置しており、図１３には無い固有の効果を奏するものであるが、その効果は、図７（ｃ）に対応するものに加えて、半導体チップ３０４のうち図１２中のＱで描かれた領域における第一の軸方向（図９中のＸ方向）の振動伝達率と、半導体チップ３０４のうち図１２中のＱで描かれた領域における第二の軸方向（図９中のＹ方向）の振動伝達率を、容易に調整することが可能となる効果が得られる。例えば、第３の防振部を第１の防振部（３０３ｂ）および第２の防振部（３０３ａ）よりもヤング率の大きい材料で構成し、角速度検出部と加速度検出部の振動伝達率の差を大きくすることで、よりセンサ精度を向上することが可能である。
　以上で詳述した構成によって、センサ検出部であるＭＥＭＳ構造体の機械的な周波数応答が異なる角速度センサ、および加速度センサが同時に搭載されたコンバンイドセンサチップであっても、角速度センサ、および加速度センサ検出部であるＭＥＭＳ構造体の、それぞれの機械特性にあわせた防振構造を提供することが可能となる。
100　センサ装置
101　パッケージ部材
102　半導体チップ
103a　防振部
103b　防振部
104　半導体チップ
105a　パッド
105b　パッド
106a　ワイヤ
106b　ワイヤ
107　端子
108　端子
109　リッド
110　パッド
300　センサ装置
301　パッケージ部材
302　半導体チップ
303a　防振部
303b　防振部
303c　防振部
304　半導体チップ
305a　パッド
305b　パッド
306a　パッド
306b　パッド
307a　端子
307b　端子
308a　ワイヤ
308b　ワイヤ
308c　ワイヤ
309　リッド
310　端子

Claims (15)

  1. 　パッケージ部材と、
    　基板と、前記基板に対して変位する錘および前記錘の変位を電気信号に変換する検出電極を具備し前記基板上に設けられるセンサ検出部と、を有する第１の半導体チップと、
    　前記パッケージ部材上に設けられ、前記電気信号に対する演算を行う演算回路を有する第２の半導体チップと、
    　第１の防振部と、前記第１の防振部よりヤング率の大きい材料からなる第２の防振部とを具備し、前記第１の半導体チップと前記第２の半導体チップの間に設けられる防振構造と、を有し、
    　前記第１の防振部の周囲は、前記第２の防振部、または前記第２の防振部と前記パッケージ部材との組み合わせによって囲まれることを特徴とする慣性センサ装置。
  2. 　請求項１において、
    　前記第１半導体チップは、前記電気信号を前記第２半導体チップへ伝送するワイヤを接続するボンディングパッドをさらに有し、
    　前記基板の表面と垂直な方向における前記ボンディングパッドの射影は、前記第２の防振部に重なることを特徴とする慣性センサ装置。
  3. 請求項１において、
    前記防振構造は、前記基板の表面に平行な第１の方向における固有振動数と、前記基板の表面に平行かつ前記第１の方向と垂直な第２の方向における固有振動数が、互いに異なる構造であることを特徴とする慣性センサ装置。
  4. 　請求項３において、
    　前記第１の防振部の形状は、前記第１の方向に長辺を有し、前記第２の方向に短辺を有する長方形であることを特徴とする慣性センサ装置。
  5. 　請求項１において、
    　前記第１の防振部は、前記第２の防振部によって複数に分割された形状であることを特徴とする慣性センサ装置。
  6. 　請求項１において、
    　前記第１の防振部の周囲のうち、一辺は前記パッケージ部材と接し、他の部分は前記第２の防振部によって囲まれることを特徴とする慣性センサ装置。
  7. 　請求項１において、
    　前記防振構造および前記センサ検出部からなる構造は、前記基板の表面に平行な第１の方向における固有振動数と、前記基板の表面に平行かつ前記第１の方向と垂直な第２の方向における固有振動数が、互いに異なる構造であることを特徴とする慣性センサ装置。
  8. 　パッケージ部材と、
    　基板と、前記基板に設けられ第１の電気信号を出力する第１のセンサ検出部と、前記基板に設けられ第２の電気信号を出力する第２のセンサ検出部と、を有する第１の半導体チップと、
    　前記第１の電気信号および前記第２の電気信号に対する演算を行う演算回路を有する第２の半導体チップと、
    　第１の防振部と、前記第１の防振部よりヤング率の大きい材料からなる第２の防振部とを有し、前記第１の半導体チップと前記第２の半導体チップの間に設けられる防振構造と
    、を有し、
    　前記第１のセンサ検出部は、
    　前記基板の表面に対して平行な第１の方向に振動する第１の錘と、
    　前記基板の表面と垂直な第３の方向を中心として前記基板が回転したときの、前記基板の表面に対して平行かつ前記第１の方向と垂直な第２の方向における前記第１の錘の変位を前記第１の電気信号へ変換する第１の検出電極と、を有し、
    　前記第２のセンサ検出部は、
    　前記第１の方向に振動する第２の錘と、
    　前記第１の方向に加速度が印加されたときの前記第１の方向における前記第２の錘の変化を前記第２の電気信号へ変換する第２の検出電極と、を有し、
    　前記第１の防振部の周囲は、前記第２の防振部、または前記第２の防振部と前記パッケージ基板の組み合わせによって囲まれ、
    　前記第１の防振部および前記第２の防振部からなる構造は、前記第１の方向における固有振動数または前記第２の方向における固有振動数を、前記第１のセンサ検出部と前記第２のセンサ検出部との間で異ならせる構造であることを特徴とする慣性センサ装置。
  9. 　請求項８において、
    　前記第１の半導体チップは、前記第１の電気信号を前記第２半導体チップへ伝送する第１のワイヤを接続する第１のボンディングパッドと、前記第２の電気信号を前記第２半導体チップへ伝送する第２のワイヤを接続する第２のボンディングパッドと、をさらに有し
    、
    　前記基板の表面と垂直な方向における、前記第１のボンディングパッドの射影、および前記第２のボンディングパッドの射影は、前記第２の防振部と重なることを特徴とする慣性センサ装置。
  10. 　請求項８において、
    　前記第１の半導体チップは、前記基板に設けられ第３の電気信号を出力する第３のセンサ検出部をさらに有し、
    　前記第３のセンサ検出部は、
    　前記第２の方向に振動する第３の錘と、
    　前記第２の方向に加速度が印加されたときの前記第２の方向における前記第３の錘の変化を前記第３の電気信号へ変換する第３の検出電極と、を有することを特徴とする慣性センサ装置。
  11. 　請求項８において、
    　前記防振構造の振動伝達率が、前記第１の錘の位置と、前記第２の錘の位置で、互いに異なることを特徴とする慣性センサ装置。
  12. 　請求項８において、
    　前記第１の防振部および前記第２の防振部から構成される構造の固有振動数は、前記第１の方向と、前記第２の方向において、互いに異なることを特徴とする慣性センサ装置。
  13. 　請求項１２において、
    　前記第１の防振部の形状は、前記第１の方向に長辺を有し、前記第２の方向に短辺を有する長方形であることを特徴とする慣性センサ装置。
  14. 　請求項８において、
    　前記第１の防振部は、前記第２の防振部を介して複数に分割された形状であることを特徴とする慣性センサ装置。
  15. 　請求項８において、
    　前記第１の防振部の周囲のうち、一辺は前記パッケージ部材と接し、他の部分は前記第２の防振部によって囲まれることを特徴とする慣性センサ装置。
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