WO2013046955A1 - Memsセンサ - Google Patents

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一朗 大坂
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    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0278—Temperature sensors

Definitions

  • the present invention relates to the structure of a sensor, and more particularly to the structure of a MEMS sensor using MEMS technology.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • a sensor created by applying the MEMS technology that is, the MEMS sensor is a sensor created by using a semiconductor process, so that the output signal is often a very small output. Therefore, generally, a signal processing LSI is mounted in the subsequent stage.
  • the manufacturing process of the MEMS sensor and the manufacturing process of the semiconductor have no affinity in the portion including deep etching, the handling of the sacrificial layer, etc. is also different. Since a problem also arises, the MEMS sensor chip and the signal processing LSI are often separate chips.
  • a signal processing LSI is often stacked on a MEMS sensor chip.
  • the MEMS sensor chip and the signal processing LSI chip stacked as in Patent Document 1 are bonded by an adhesive member such as an adhesive or an adhesive sheet.
  • an adhesive member such as an adhesive or an adhesive sheet.
  • the MEMS chip and the signal processing LSI chip are bonded to an arbitrary position, there is a possibility that a temperature gradient is generated on the MEMS chip depending on the position of the heat generating portion of the signal processing LSI.
  • the temperature gradient on the MEMS chip has a temperature gradient in the sensing element, which may cause performance degradation due to the influence of temperature.
  • the temperature sensor part for correcting the temperature characteristics of the sensor itself mounted on the signal processing LSI has a temperature gradient on the MEMS sensor element, the correction becomes difficult.
  • An object of the present invention is to provide a MEMS sensor in which the influence of changes in temperature characteristics due to heat is reduced.
  • a MEMS sensor of the present invention includes a signal processing LSI on which a temperature sensor for measuring a sensor temperature is mounted, and a MEMS sensor chip mounted on the signal processing LSI. And the MEMS sensor chip is mounted on the heat generating portion of the signal processing LSI.
  • the top view of the MEMS sensor in a 1st Example The perspective view of the MEMS sensor in a 1st Example.
  • the top view of the MEMS sensor in a 1st Example An example of the top view of a MEMS sensor.
  • the top view of the MEMS sensor in a 2nd Example The top view of the MEMS sensor in a 3rd Example.
  • the top view of the MEMS sensor in a 4th Example The top view of the MEMS sensor in a 5th Example.
  • the top view of the MEMS sensor in a 6th Example The figure which showed the temperature characteristic.
  • the MEMS sensor chip is arranged immediately above the position where the heat generated when the signal processing LSI performs the signal processing operation is known in advance by simulation technology or the like.
  • the performance of the sensor is improved by arranging so that the temperature gradient of the entire MEMS sensor element is minimized by the adjustment.
  • Example 1 A first embodiment which is an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
  • 1 is a signal processing LSI
  • 2 is a MEMS sensor chip
  • 3 is a temperature measurement unit
  • 10 is a heat generation unit of the signal processing LSI 1.
  • This sensor has the MEMS sensor chip 2 mounted on a signal processing LSI 1 as shown in FIG. 2 (a), and a bonding member (not shown) as shown in the perspective view of FIG. 2 (b). Fix it.
  • the MEMS sensor chip 2 when the MEMS sensor chip 2 is arranged at an arbitrary position on the signal processing LSI 1, a part of the MEMS sensor chip 2 is heated by the heating unit 10, and heat nonuniformity is generated on the MEMS sensor chip 2.
  • the temperature becomes non-uniform inside the sensor element.
  • the heat generating part 10 and the sensor chip 2 of the signal processing LSI 1 are arranged immediately above the heat generating part 10 as shown in FIG. Thereby, the temperature gradient inside the sensor element can be reduced.
  • the positional relationship between the heat generating unit 10 of the signal processing LSI 1 and the temperature measuring unit 3 is not adjacent to the heat generating unit 10 as shown in FIG. 1, but between the heat generating unit 10 of the signal processing LSI 1 and the MEMS sensor chip 2.
  • the thermal resistance of the signal processing LSI 1 and the thermal capacity of the sensor chip 2 are taken into consideration, and the thermal resistance and the thermal capacity are matched or their ratios are matched.
  • the temperature gradient on the MEMS sensor chip 2 can be reduced, and the temperature characteristics at the time of transient can be corrected, and the influence of changes in temperature characteristics due to heat can be reduced.
  • Example 2 Next, a second embodiment, which is another embodiment, will be described with reference to FIG. Constituent elements similar to those described in FIGS.
  • the heat generating part 10 and the other heat generating part 11 are on the signal processing LSI 1.
  • another heat generating portion 11 is arranged in the vicinity of the heat generating portion 10 like the other heat generating portion 12 in the semiconductor layout as shown in FIG.
  • the MEMS sensor chip 2 is disposed immediately above the heat generating unit 10 and the other heat generating unit 12.
  • the heat generating part 10 and the other heat generating part 11 are made to be another heat generating part 12 whose shape is changed by the semiconductor layout, and the signal processing LSI 1 is changed.
  • the heat generating part may be arranged collectively in the central part, and the MEMS sensor chip 2 may be mounted as shown in FIG.
  • the heat generating section 10 is divided into a plurality of parts (in this embodiment, it is divided into two as an example), and a temperature gradient is unlikely to occur in the sensor element on the MEMS sensor chip 2. As shown in FIG. 6A, the heat generating section 10 is divided into a plurality of parts (in this embodiment, it is divided into two as an example), and a temperature gradient is unlikely to occur in the sensor element on the MEMS sensor chip 2. As shown in FIG. 6A, the heat generating section 10 is divided into a plurality of parts (in this embodiment, it is divided into two as an example), and a temperature gradient is unlikely to occur in the sensor element on the MEMS sensor chip 2. As shown in FIG.
  • the heat generating portion 10 of the signal processing LSI 1 has a shape as shown in FIG. It is assumed that the shape of the MEMS sensor chip 2 is a vertically long shape as compared with the heat generating portion 10 as shown in FIG. In the case of the present embodiment, the MEMS sensor chip 2 is arranged so that the temperature gradient is minimized in the sensor element on the MEMS sensor chip 2 as shown in FIG.
  • the heat generating unit 10 and the temperature measuring unit 3 are arranged on the signal processing LSI 1 as shown in FIG.
  • the heat generation amount per unit time in the heat generation unit 10 is integrated, and the center of the heat generation unit calculated from the integrated value and the area of the heat generation unit is 101.
  • one MEMS sensor element 20 is mounted on the MEMS sensor chip 2 as shown in FIG.
  • FIG. 8B it is assumed that the MEMS sensor element 20 is arranged on the MEMS sensor chip 2 and has a center 201 calculated from the area of the sensor portion of the MEMS sensor element 20.
  • the temperature detection unit 3 on the signal processing LSI 1 measures the temperature at which the heat generated by the heat generation unit 10 is transferred on the signal processing LSI 1. Assuming that the temperature of the sensor part of the MEMS sensor element 20 has a time characteristic as shown by the characteristic 50, the detected temperature of the temperature detection part 3 has a thermal resistance, Arrange for heat capacity. Alternatively, an arrangement that is proportional to the characteristic 50 such as the characteristic 52 is adopted.
  • Such a configuration makes it possible to reduce the influence of changes in temperature characteristics due to heat.
  • the heat generating unit 10 and the temperature measuring unit 3 are arranged on the signal processing LSI 1 as shown in FIG.
  • the heat generation amount per unit time in the heat generation unit 10 is integrated, and the center of the heat generation unit calculated from the integrated value and the area of the heat generation unit is 101.
  • the MEMS sensor chip 2 has a plurality of MEMS sensor elements, and in this embodiment, there are three cases.
  • the MEMS sensor element 21, the MEMS sensor element 22, and the MEMS sensor element 23 are arranged on the MEMS sensor chip 2, and the center calculated from the area of the sensor portion of each MEMS sensor element is the same as in the fifth embodiment.
  • the center 202, the center 203, and the center 204 respectively.
  • the center calculated comprehensively from the areas of these sensor portions is 201.
  • the heat generating unit 10 is arranged as shown in FIG. 9C so that the center 101 of the heat generating part 10 and the center 201 calculated from the MEMS sensor element 21, the MEMS sensor element 22, and the MEMS sensor element 23 coincide.
  • the heat transferred from the heat generating portion 10 of the signal processing LSI 1 is transmitted relatively uniformly to the sensor portions of the MEMS sensor element 21, MEMS sensor element 22, and MEMS sensor element 23 on the MEMS sensor chip 2. . Thereby, the characteristic can be stabilized.
  • the temperature detection unit 3 on the signal processing LSI 1 measures the temperature at which the heat generated by the heat generation unit 10 is transferred on the signal processing LSI 1.
  • the detected temperature of the temperature detection part 3 has a characteristic 51 depending on the layout of the semiconductor process. The heat resistance and heat capacity are taken into consideration so as to become like this. Alternatively, an arrangement that is proportional to the characteristic 50 such as the characteristic 52 is adopted.
  • examples of the MEMS sensor of the present invention include a sensor that detects and processes an externally applied signal such as acceleration and angular velocity, but is not limited thereto. Further, the present invention can also be applied to a MEMS sensor in which an acceleration sensor and an angular velocity sensor are mounted in the same manner, or a biaxial acceleration sensor and an angular velocity sensor, in which a triaxial acceleration sensor and an angular velocity sensor are mounted in the same manner.

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Abstract

センサ温度を測定するための温度センサが搭載された信号処理用LSIと、前記信号処理用LSI上に搭載されたMEMSセンサチップと、を有し、前記MEMSセンサチップを前記信号処理用LSIの発熱部上に搭載する。これにより熱による温度特性の変化の影響を低減したMEMSセンサを提供することができる。

Description

MEMSセンサ
 本発明は、センサの構造に係り、特に、MEMS技術を応用したMEMSセンサの構造に関する。
 半導体基板上に機械的構造物を作成できるMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術は各種センサ、光応用機器に応用されている。
 そして、MEMS技術を応用して作成されたセンサ、すなわち、MEMSセンサは半導体プロセスを利用して作成したセンサであるのでそれ自身は小さく出力信号は、微小出力となることが多い。そのため、一般的には後段に信号処理用LSIを搭載する。
 一方、MEMSセンサの製造プロセスと半導体の製造プロセスとでは、深堀エッチングをはじめとした部分で親和性は無く、また犠牲層などの扱いも異なり、またMEMSセンサチップと処理回路を並べると面積的な問題も生じるため、MEMSセンサチップと信号処理用LSIは別チップとなることが多い。
 その際、例えば特許文献1に記載のように、MEMSセンサチップに信号処理用LSIを重ねるような構成とすることが多い。
特開2009-53100号公報
 特許文献1のように重ねられたMEMSセンサチップと信号処理用LSIのチップは、接着剤、接着シートなどの接着部材により接着される。一般的にMEMSチップ側の発熱はほとんど無く、主として信号処理用LSIのチップの発熱が主体となる。そのため、接着部材を介してMEMSチップ側へ熱が伝わる。
 また、MEMSチップと信号処理用LSIのチップとを任意の位置に接着すると信号処理用LSIの発熱部の位置によってMEMSチップ上に温度勾配が生じる可能性がある。MEMSチップ上の温度勾配は、センシングエレメント内に温度勾配を持つこととなり温度による影響で性能劣化の原因ともなりうる。
 さらに、信号処理用LSIに搭載しているセンサ自身の温度特性補正用の温度センサ部もMEMSセンサエレメント上に温度勾配がある場合、補正が困難となる。
 本発明の目的は、熱による温度特性の変化の影響を低減したMEMSセンサを提供することにある。
 上記目的を達成するために、本発明のMEMSセンサは、センサ温度を測定するための温度センサが搭載された信号処理用LSIと、前記信号処理用LSI上に搭載されたMEMSセンサチップと、を有し、前記MEMSセンサチップを前記信号処理用LSIの発熱部上に搭載する。
 本明細書は本願の優先権の基礎である日本国特許出願2011-215901号の明細書および/または図面に記載される内容を包含する。
 本発明によれば、熱による温度特性の変化の影響を低減したMEMSセンサを提供できる。
第1の実施例におけるMEMSセンサの上面図。 第1の実施例におけるMEMSセンサの斜視図。 第1の実施例におけるMEMSセンサの上面図。 MEMSセンサの上面図の一例。 第2の実施例におけるMEMSセンサの上面図。 第3の実施例におけるMEMSセンサの上面図。 第4の実施例におけるMEMSセンサの上面図。 第5の実施例におけるMEMSセンサの上面図。 第6の実施例におけるMEMSセンサの上面図。 温度特性を示した図。
 本発明では、信号処理用LSIが信号処理動作をするときに発生する熱がどの部位から主に発生するかがシミュレーション技術等で予め分かることからMEMSセンサチップをその直上に配置し、さらに位置関係の調整によりMEMSセンサエレメント全体の温度勾配が最小となるように配置することでセンサの性能を向上させている。
(実施例1)
 図1乃至図4を用いて本発明の一実施例である第1の実施例について説明する。
 図1において、1が信号処理用LSI、2がMEMSセンサチップ、3が温度測定部、10が信号処理用LSI1の発熱部である。図3(a)のように、信号処理用LSI1に発熱部10、温度測定部3が配置されている場合について説明する。本センサは、図2の(a)に示すよう、信号処理用LSI1上に前記MEMSセンサチップ2を搭載し図2(b)に示す斜視図のように接着用の部材(図示せず)により固定する。
 図4のように、信号処理用LSI1上の任意の位置にMEMSセンサチップ2を配置すると、MEMSセンサチップ2の一部が発熱部10によって熱せられ、MEMSセンサチップ2上に熱の不均一がおき、温度勾配により、センサエレメント内部で温度が不均一となる。これにより、特に差分を取る検出方法で測定精度低下が懸念される。そこで、信号処理用LSI1の発熱部10とセンサチップ2は、図1に示すよう発熱部10の直上にセンサチップ2を配置する。これにより、センサエレメント内部での温度勾配が減少することができる。
 また、信号処理用LSI1の発熱部10と温度測定部3の位置関係は図1に示すよう、発熱部10に隣接するのではなく、信号処理用LSI1の発熱部10とMEMSセンサチップ2の間の熱抵抗、また、信号処理用LSI1とセンサチップ2の持つ熱容量を考慮して、熱抵抗、熱容量と一致、もしくは、それぞれの比が一致するように配置する。
 以上のような構成によって、MEMSセンサチップ2上の温度勾配を減少させ、さらに過渡時の温度特性も補正でき、熱による温度特性の変化の影響を低減することが可能となる。
(実施例2)
 次に、他の一実施例である第2の実施例について図5を用いて説明する。図1乃至図4記載と同様の構成要素には同符号を付し説明を省略する。
 図5(a)のように、発熱部10と他の発熱部11が信号処理用LSI1上にあるとする。この際、図5(b)のよう半導体レイアウトで他の発熱部11を発熱部10の近傍にさらに他の発熱部12のように配置する。発熱部10とさらに他の発熱部12の直上に図5(c)のようにMEMSセンサチップ2を配置する。
 また、図5(a)であるが図5(d)のように発熱部10と他の発熱部11を半導体レイアウトで形状を変更したさらに他の発熱部12のようにし、信号処理用LSI1の中央部分に発熱部をまとめて配置し図5(e)のようにMEMSセンサチップ2を搭載してもよい。
 このようにしてMEMSセンサチップ上のセンサエレメントの温度勾配を減少させることで、熱による温度特性の変化の影響を低減することが可能となる。
(実施例3)
 次に、図6を用いて他の一実施例である第3の実施例について説明する。図1乃至図5記載と同様の構成要素には同符号を付し説明を省略する。
 本実施例では、信号処理用LSI1の発熱部10がMEMSセンサチップ2よりも小さい場合について説明する。
 信号処理用LSI1の発熱部10が小さいと発熱面積が小さいため、伝熱で伝わっていく熱によりMEMSセンサチップ2上のセンサエレメントに温度勾配ができてしまうことが多い。そこで、図6(a)のよう発熱部10を複数個に分割し(本実施例では一例として2つに分割した例とした。)、MEMSセンサチップ2上のセンサエレメントに温度勾配ができにくいように図6(b)のように配置した。
 このような構成により、信号処理用LSI1の発熱部10がMEMSセンサチップ2よりも小さい場合であっても、MEMSセンサチップ上のセンサエレメントの温度勾配を減少させ、熱による温度特性の変化の影響を低減することが可能となる。
(実施例4)
 次に、図7を用いて他の一実施例である第4の実施例について説明する。図1乃至図6に記載と同様の構成要素には同符号を付して説明を省略する。
 本実施例では、信号処理用LSI1の発熱部10とMEMSセンサチップ2との形状が大きく異なっている場合について説明する。
 信号処理用LSI1の発熱部10が図7(a)のような形状だったとする。MEMSセンサチップ2の形状が図7(b)のように発熱部10に比較して縦長の形状だったと仮定する。本実施例の場合では、図7(b)のようにMEMSセンサチップ2上のセンサエレメントに温度勾配が極小になるようにMEMSセンサチップ2を配置する。
 このような構成により、信号処理用LSI1の発熱部10とMEMSセンサチップ2との形状が大きく異なっている場合であっても、MEMSセンサチップ上のセンサエレメントの温度勾配を減少させ、熱による温度特性の変化の影響を低減することが可能となる。
(実施例5)
 次に、図8を用いて他の一実施例である第5の実施例について説明する。図1乃至図7に記載と同様の構成要素には同符号を付して説明を省略する。
 本実施例では、図8(a)のような、信号処理用LSI1上に発熱部10と温度測定部3が配置されているとする。発熱部10での単位時間当たりの発熱量を積分し、その積分値と発熱部の面積から算出した発熱部の中心を101とする。一方、図8(b)のようにMEMSセンサチップ2にMEMSセンサエレメント20にひとつ搭載されている例である。図8(b)にMEMSセンサチップ2上にMEMSセンサエレメント20が配置され、そのMEMSセンサエレメント20のセンサ部分の面積から算出した中心201のようになっているとする。
 この際、発熱部10の中心101とMEMSセンサエレメント20の中心201とが一致するように図8(c)のように配置する。これによって、信号処理用LSI1の発熱部10から伝熱した熱が比較的均一にMEMSセンサチップ2上のMEMSセンサエレメント20のセンサ部分に伝わることとなる。それにより、特性の安定が図れる。
 一方、信号処理用LSI1上の温度検出部3は、発熱部10の発熱が信号処理用LSI1上を伝熱した温度を測定する。MEMSセンサエレメント20のセンサ部の温度が時間特性が特性50のようになっているとすると、温度検出部3の検出温度は、半導体プロセスのレイアウトにより特性51のようになるように、熱抵抗、熱容量を考慮して配置する。もしくは、特性52のように特性50に比例するような配置とする。
 このような構成により、熱による温度特性の変化の影響を低減することが可能となる。
(実施例6)
 次に、図9を用いて他の一実施例である第6の実施例について説明する。図1乃至図8に記載と同様の構成要素には同符号を付して説明を省略する。
 本実施例では、図9(a)のような、信号処理用LSI1上に発熱部10と温度測定部3が配置されているとする。発熱部10での単位時間当たりの発熱量を積分し、その積分値と発熱部の面積から算出した発熱部の中心を101とする。一方、図9(b)のようにMEMSセンサチップ2にMEMSセンサエレメントが複数個、この実施例では3個の場合を示す。図9(b)にMEMSセンサチップ2上にMEMSセンサエレメント21、MEMSセンサエレメント22、MEMSセンサエレメント23が配置され、実施例5と同様それぞれのMEMSセンサエレメントのセンサ部分の面積から算出した中心をそれぞれ中心202、中心203、中心204となっているとする。これらセンサ部分の面積から総合的に算出した中心を201とする。
 この際、発熱部10の中心101とMEMSセンサエレメント21、MEMSセンサエレメント22、MEMSセンサエレメント23から算出した中心201とが一致するように図9(c)のように配置する。これによって、信号処理用LSI1の発熱部10から伝熱した熱が比較的均一にMEMSセンサチップ2上のMEMSセンサエレメント21、MEMSセンサエレメント22、MEMSセンサエレメント23、のセンサ部分に伝わることとなる。それにより、特性の安定が図れる。
 一方、信号処理用LSI1上の温度検出部3は、発熱部10の発熱が信号処理用LSI1上を伝熱した温度を測定する。MEMSセンサエレメント21、MEMSセンサエレメント22、MEMSセンサエレメント23のセンサ部の温度が時間特性が特性50のようになっているとすると、温度検出部3の検出温度は、半導体プロセスのレイアウトにより特性51のようになるように、熱抵抗、熱容量を考慮して配置する。もしくは、特性52のように特性50に比例するような配置とする。
 なお、各実施例において、本発明のMEMSセンサの一例として、加速度、角速度等の外的印加信号を検知、処理を行って出力するセンサがあげられるが、これらに限定されるものではない。また、加速度センサと角速度センサを同一に搭載したMEMSセンサや、あるいは、2軸加速度センサと角速度センサ、3軸加速度センサと角速度センサを同一に搭載したもの等にも適用可能である。
1 信号処理用LSI
2 MEMSセンサチップ
3 温度検出部
10、11、12 発熱部
20、21、22、23 MEMSセンサエレメント
101 発熱部の中心
201、202、203、204 MEMSセンサエレメントの中心
 本明細書で引用した全ての刊行物、特許および特許出願をそのまま参考として本明細書にとり入れるものとする。

Claims (8)

  1.  センサ温度を測定するための温度センサが搭載された信号処理用LSIと、
     前記信号処理用LSI上に搭載されたMEMSセンサチップと、を有し、
     前記MEMSセンサチップは前記信号処理用LSIの発熱部上に搭載したことを特徴とするMEMSセンサ。
  2.  請求項1に記載のMEMSセンサにおいて、
     前記MEMSセンサチップは、加速度センサであることを特徴とするMEMSセンサ。
  3.  請求項1に記載のMEMSセンサにおいて、
     前記MEMSセンサチップは、角速度センサであることを特徴とするMEMSセンサ。
  4.  請求項1に記載のMEMSセンサにおいて、
     前記MEMSセンサチップは、加速度センサと角速度センサからなることを特徴とするMEMSセンサ。
  5.  請求項1に記載のMEMSセンサにおいて、
     前記MEMSセンサチップは、2軸の加速度センサと角速度センサからなることを特徴とするMEMSセンサ。
  6.  請求項1に記載のMEMSセンサにおいて、
     前記MEMSセンサチップは、3軸の加速度センサと角速度センサからなることを特徴とするMEMSセンサ。
  7.  請求項1に記載のMEMSセンサにおいて、
     前記信号処理用LSIの発熱部と前記MEMSセンサのセンシング部との間の持つ熱抵抗、熱容量と同等の熱抵抗、熱容量を持つ位置に前記温度センサを配置したことを特徴とするMEMSセンサ。
  8.  請求項1に記載のMEMSセンサにおいて、
     前記信号処理用LSIの発熱部とMEMSセンサのセンシング部との間の持つ熱抵抗、熱容量とそれぞれ同一の比の熱抵抗、熱容量を持つ位置に前記温度センサ部を配置することを特徴とするMEMSセンサ。
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