(57)【要約】  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。
2012049825.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、慣性センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。【０００４】
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。【０００５】
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。【０００６】
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。【０００７】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−２８６４４号
【特許文献２】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。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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。【００１０】
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。【００１１】
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。【００１２】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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。【００１４】
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。
【発明の効果】
【００１５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】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。
【図１２】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。
【図１３】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。
【図１４】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。
【図１５】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。
【図１６】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。
【図１７】振動伝達率および固有振動数を示す式である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１７】
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。【００１８】
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。【００１９】
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。【００２０】
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。【００２１】
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。【００２２】
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。【００２３】
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。【００２４】
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。【００２５】
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。【００２６】
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。【００２７】
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。【００２８】
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。【００２９】
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。【００３０】
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。【００３１】
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。【００３２】
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。【００３３】
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。【００３４】
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。【００３５】
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。【００３６】
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。【００３７】
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。【００３８】
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。【００３９】
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。【００４０】
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。【００４１】
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。【００４２】
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。【００４３】
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。
【実施例２】
【００４４】
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。【００４５】
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。【００４６】
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。【００４７】
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。【００４８】
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。【００４９】
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。【００５０】
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。【００５１】
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。【００５２】
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。【００５３】
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。【００５４】
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。【００５５】
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。【００５６】
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。【００５７】
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。【００５８】
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。【００５９】
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。【００６０】
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。【００６１】
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。【００６２】
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。【００６３】
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。【００６４】
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。【００６５】
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。【００６６】
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。【００６７】
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。【００６８】
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。【００６９】
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。【００７０】
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。【００７１】
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。【００７２】
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。【００７３】
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。【００７４】
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。【００７５】
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。【００７６】
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。【００７７】
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。【００７８】
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。【００７９】
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。【００８０】
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。【００８１】
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。【００８２】
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。
【符号の説明】
【００８３】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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