(57)【要約】【課題】ｘ軸方向周りの角速度、あるいは、ｙ軸方向周りの角速度を検出できる面内角速度センサの性能向上を図る。【解決手段】角速度センサ素子が形成された半導体チップＣＨＰ１は、デバイス層ＤＬとキャップ層ＣＡＰＬとを含む。デバイス層ＤＬには、支持基板１Ｓの厚さ方向を含むｚｘ平面内で振動可能な励振素子１０５と、ｚｘ平面に垂直なｘｙ平面内に含まれる回転軸周りに角速度が印加された際、角速度に起因して発生するコリオリ力に基づくｘｙ平面内の変位を静電容量の変化として捉える検出部とが形成されている。キャップ層ＣＡＰＬには、励振素子１０５をｚｘ平面内で振動させるための電圧が印加される駆動用固定電極１０６ｂ、１０７ｂが形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１半導体チップを備え、
前記第１半導体チップは、
（ａ）支持基板、
（ｂ）前記支持基板の上方に配置されたデバイス層、
（ｃ）前記デバイス層の上方に配置されたキャップ層、
（ｄ）前記支持基板と前記デバイス層との間、および、前記デバイス層と前記キャップ層との間に形成された空洞部、
を含み、
前記デバイス層には、
（ｂ１）前記支持基板の厚さ方向を含む第１平面内で振動可能な励振素子、
（ｂ２）前記第１平面に垂直な第２平面内に含まれる回転軸周りに角速度が印加された際、前記角速度に起因して発生するコリオリ力に基づく前記第２平面内の変位を静電容量の変化として捉える検出部、
が形成され、
前記キャップ層には、前記励振素子を前記第１平面内で振動させるための電圧が印加される駆動用固定電極が形成されている、角速度センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の角速度センサにおいて、
さらに、前記デバイス層には、前記励振素子の振動の振幅を検出する駆動振幅モニタ部が形成されている、角速度センサ。
【請求項３】
請求項１に記載の角速度センサにおいて、
さらに、前記デバイス層には、前記検出部における前記第２平面内の変位を打ち消す静電気力を発生させるサーボ部が形成されている、角速度センサ。
【請求項４】
請求項１に記載の角速度センサにおいて、
さらに、前記キャップ層を覆う樹脂封止体を有する、角速度センサ。
【請求項５】
請求項１に記載の角速度センサにおいて、
さらに、前記第１半導体チップと電気的に接続される第２半導体チップを有し、
前記第１半導体チップの前記キャップ層の上方には、突起電極が形成され、
前記第１半導体チップは、前記突起電極を介して前記キャップ層を前記第２半導体チップの主面に対向させた状態で、前記第２半導体チップの上方に搭載されている、角速度センサ。
【請求項６】
請求項５に記載の角速度センサにおいて、
さらに、前記第１半導体チップの前記支持基板を覆う樹脂封止体が形成されている、角速度センサ。
【請求項７】
請求項２に記載の角速度センサにおいて、
前記駆動振幅モニタ部は、
（ｅ１）前記励振素子と一体的に形成された駆動振幅モニタ用可動電極、
（ｅ２）前記駆動振幅モニタ用可動電極と対向するように、前記デバイス層に形成された駆動振幅モニタ用固定電極、
を有し、
前記第1平面内において、前記駆動振幅モニタ用可動電極の前記厚さ方向の中心位置と、前記駆動振幅モニタ用固定電極の前記厚さ方向の中心位置とがずれている、角速度センサ。
【請求項８】
請求項２に記載の角速度センサにおいて、
前記駆動振幅モニタ部は、
（ｆ１）前記励振素子と一体的に形成された駆動振幅モニタ用可動電極、
（ｆ２）前記駆動振幅モニタ用可動電極と対向するように、前記デバイス層に形成された駆動振幅モニタ用固定電極、
を有し、
前記第１平面内において、前記駆動振幅モニタ用可動電極の上端部には、第１段差部が形成され、
前記第１平面内において、前記駆動振幅モニタ用固定電極の下端部には、第２段差部が形成されている、角速度センサ。
【請求項９】
請求項１に記載の角速度センサにおいて、
前記検出部は、
（ｇ１）前記励振素子と一体的に形成された変位検出用可動電極、
（ｇ２）前記変位検出用可動電極と対向するように、前記デバイス層に形成された変位検出用固定電極、
を有し、
前記第１平面内において、前記変位検出用固定電極の上端部と下端部とには、同じ形状の段差部が形成されている、角速度センサ。
【請求項１０】
請求項９に記載の角速度センサにおいて、
前記第１平面内において、前記段差部の前記厚さ方向の高さは、前記第１平面内における前記変位検出用可動電極の振動の振幅よりも大きい、角速度センサ。
【請求項１１】
請求項１に記載の角速度センサにおいて、
前記検出部は、
（ｈ１）前記励振素子と一体的に形成された変位検出用可動電極、
（ｈ２）前記変位検出用可動電極と対向するように、前記デバイス層に形成された変位検出用固定電極、
を有し、
前記第１平面内において、前記変位検出用可動電極の前記厚さ方向の長さは、前記変位検出用固定電極の前記厚さ方向の長さよりも小さい、角速度センサ。
【請求項１２】
請求項１１に記載の角速度センサにおいて、
前記第１平面内において、前記変位検出用可動電極が前記第１平面内で振動する場合であっても、前記変位検出用可動電極は、前記変位検出用固定電極からはみ出さない、角速度センサ。
【請求項１３】
請求項１に記載の角速度センサにおいて、
前記励振素子は、弾性変形部を介して、前記支持基板に固定された固定部と接続され、
前記第１平面内において、前記駆動用固定電極は、前記固定部から最も離れた位置に配置されている、角速度センサ。
【請求項１４】
請求項２に記載の角速度センサにおいて、
前記励振素子は、弾性変形部を介して、前記支持基板に固定された固定部と接続され、
前記第１平面内において、前記駆動用固定電極は、前記駆動振幅モニタ部よりも前記固定部に近い位置に配置されている、角速度センサ。
【請求項１５】
請求項１に記載の角速度センサにおいて、
前記励振素子は、弾性変形部を介して、前記支持基板に固定された固定部と接続され、かつ、前記励振素子は、前記厚さ方向において、前記駆動用固定電極と対向する位置に存在する駆動用可動電極を含み、
前記第２平面内において、前記検出部は、前記駆動用可動電極よりも前記固定部から離れた位置に配置されている、角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体微細加工技術により形成された可動体と支持梁で構成されるマイクロ振動体である角速度センサに関し、例えば、角速度の印加に応じて生起される可動体の変位に関連する物理量を検出することにより、印加された角速度を測定する微小電気機械システム（ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems））である角速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
角速度センサ（ジャイロ）の方式には、回転体の歳差運動を利用する機械式、筐体内で周回するレーザー光の筐体回転に伴う受光タイミングの変化を利用する光学式、筐体内でセンシング用のガスを熱線に噴射し、その噴射量が筐体の回転により変化する現象を熱線温度で検知する流体式などが知られている。
【０００３】
この点に関し、カーナビゲーションや車の横滑り防止システム、二足歩行ロボットや一輪乗り物などのバランス制御システムにおける車両方向や姿勢を検知する角速度センサの需要が近年急速に高まっており、上述した方式と比較して、より安価で軽量かつ小型な振動式の角速度センサ（特許文献１）が主流となりつつある。
【０００４】
振動式の角速度センサは、予め定められた駆動振動方向（ｘ方向）に振動する励振素子（振動子）にその駆動振動方向と直交する軸方向（ｚ方向）周りの角速度が印加されたとき、駆動振動方向（ｘ方向）および角速度が印加される軸方向（ｚ方向）と直交する検出方向（ｙ方向）へのコリオリ力に基づく新たな変位成分を検出し、この変位成分に基づいて角速度情報を出力するものである。
【０００５】
例えば、角速度センサの応用先として、例えば、カーナビゲーションシステムがある。ＧＰＳ（Global Positioning System）による現在位置のモニタリングは、車両のマクロな進行方向の変化を検知することはできても、交差点などにおける急な方向変化には追従することができない。したがって、カーナビゲーションシステムでは、車両の旋回運動を角速度センサで検知し、その角速度の時間的な積分により、方向転換の角度をトレースする方式が用いられている。
【０００６】
別の例として、車の横滑り防止システムがある。この横滑り防止システムでは、ハンドルに装着されている操舵角センサの値（指令値）と、横滑り防止システムに組み込まれている角速度センサの出力値（実測値）を比較することにより、車の横滑りを判定し、その結果に基づいて、エンジン出力や四輪それぞれの制動力を制御し、車体運動を適正化する制御方式が用いられている。
【０００７】
さらに、別の例として、一輪乗り物や二足歩行ロボットのバランス制御システムがある。風や、傾斜、積荷などによって、回転や重心の移動が発生した場合には、角速度センサや加速度センサで回転角度や重心の移動量を計測し、回転方向に車輪を動かす、若しくは、重心が移動した方向のアクチュエータにより強い力を発生させることにより、バランスを制御する方式が用いられている。
【０００８】
ここで、上述したそれぞれの応用先では、測定すべき角速度の軸方向と、角速度センサを取り付ける角度が異なる場合が多いと考えられる。上述した角速度センサの原理からも分かるように、励振素子の駆動振動方向と検出方向、そして、計測される角速度が印加される軸方向は、それぞれ直交する必要がある。すなわち、励振素子の駆動振動方向をｘ方向とし、角速度が印加される軸方向をｚ方向とした場合、コリオリ力は、駆動振動方向であるｘ方向と、角速度が印加された軸方向であるｚ方向とに直交するｙ方向に発生する。その反面、励振素子の駆動振動方向をｘ方向とし、角速度が印加される軸方向をｙ方向とした場合には、ｚ方向にコリオリ力が発生することになる。したがって、上述した応用先では、測定すべき角速度が印加される方向と、被測定物への角速度センサの取り付け方向を考慮して対応する角速度センサを選定する必要がある。
【０００９】
例えば、特許文献２に記載された角速度センサは、励振素子の駆動振動方向がｘ方向で、ｚ軸方向周りの角速度の印加によって、ｙ方向に変位する検出素子として構成される。
【００１０】
特許文献３と特許文献４に記載された角速度センサは、駆動振動方向がｘ方向である励振素子と、ｙ軸方向周りの角速度の印加によって、ｚ方向に変位する検出素子として構成される。また、ｘ軸方向周りの角速度を検出するためには、特許文献３と特許文献４に記載されたｙ軸方向周りの角速度センサを、ｘｙ平面内で９０度回転させて取り付けることにより実現することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許４,５２４,６１９号明細書
【特許文献２】特開２００９−００２８３４号公報
【特許文献３】国際公開第２０１２／００４８２５号
【特許文献４】特開２００６−８４３２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述した様々な応用でも同じことが言えるが、ここでは、特に、説明が明確で分かりやすい自動車の横滑りと横転とを検出する角速度センサを取り上げて説明する。
【００１３】
最近、自動車では、ブレーキやエンジン、エアバックなどを制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）を１つに統合する傾向がある。したがって、自動車の横滑りを検知する角速度センサと横転を検知する角速度センサも、１つのＥＣＵ上に実装されることが増えている。さらに、様々なＥＣＵとは別の基板上に、自動車に搭載されたＥＣＵが必要とするセンサ類を統合するセンサクラスター化の傾向もある。すなわち、１つの実装基板上に検出方向が異なる複数の角速度センサを搭載する必要がある。この場合、角速度センサの実装面積に制限があるため、より小型の角速度センサが要求される。
【００１４】
例えば、実装基板の表面に並行する平面をｘｙ平面と定義し、ｘｙ平面に垂直な方向をｚ方向と定義する場合、自動車の横滑りと横転を共に検知するために、ｚ軸方向周りの角速度を検出する面内角速度センサと、ｘｙ平面内に含まれる軸方向周りの角速度を検出する面外角速度センサとを１つの実装基板上に搭載することが考えられる。
【００１５】
ここで、本発明者は、１つの実装基板に搭載される面外角速度センサと面内角速度センサのうち、特に、面外角速度センサに着目して、面外角速度センサの性能向上を図ることを検討している。つまり、本発明の目的は、ｘ軸方向周りの角速度、あるいは、ｙ軸方向周りの角速度を検出できる面外角速度センサの性能向上を図ることにある。
【００１６】
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
一実施の形態における角速度センサは、第１半導体チップを備える。第１半導体チップは、（ａ）支持基板、（ｂ）支持基板の上方に配置されたデバイス層、（ｃ）デバイス層の上方に配置されたキャップ層、（ｄ）支持基板とデバイス層との間、および、デバイス層とキャップ層との間に形成された空洞部、を含む。ここで、デバイス層には、（ｂ１）支持基板の厚さ方向を含む第１平面内で振動可能な励振素子、（ｂ２）第１平面に垂直な第２平面内に含まれる回転軸周りに角速度が印加された際、角速度に起因して発生するコリオリ力に基づく第２平面内の変位を静電容量の変化として捉える検出部、が形成されている。さらに、キャップ層には、励振素子を第１平面内で振動させるための電圧が印加される駆動用固定電極が形成されている。
【発明の効果】
【００１８】
一実施の形態によれば、面外角速度センサの性能向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施の形態１における角速度センサ素子が形成された半導体チップの構成を示す平面図である。
【図２】（ａ）は、図１のＡ−Ａ線で切断した断面図であり、（ｂ）は、励振素子のｚｘ平面内での駆動振動を模式的に示す断面図である。
【図３】（ａ）は、図１のＢ−Ｂ線で切断した断面図であり、（ｂ）は、励振素子のｚｘ平面内での駆動振動を模式的に示す断面図である。
【図４】（ａ）は、図１のＣ１−Ｃ１線で切断した断面図であり、（ｂ）は、図１のＣ２−Ｃ２線で切断した断面図である。
【図５】（ａ）は、図１のＤ−Ｄ線で切断した断面図であり、（ｂ）は、励振素子のｚｘ平面内での駆動振動を模式的に示す断面図である。
【図６】実施の形態１における角速度センサの駆動振動に関する信号処理回路を説明する図である。
【図７】実施の形態１における角速度センサでの角速度の検出に関する信号処理回路を説明する図である。
【図８】実施の形態１における角速度センサが形成された半導体装置の実装構成を示す断面図である。
【図９】半導体装置内に含まれる半導体チップの状態を模式的に示す断面図である。
【図１０】実施の形態２における角速度センサ素子が形成された半導体チップの構成を示す平面図である。
【図１１】（ａ）は、図１０のＡ−Ａ線で切断した断面図であり、（ｂ）は、励振素子のｚｘ平面内での駆動振動を模式的に示す断面図である。
【図１２】（ａ）は、図１０のＢ−Ｂ線で切断した断面図であり、（ｂ）は、励振素子のｚｘ平面内での駆動振動を模式的に示す断面図である。
【図１３】実施の形態３における角速度センサ素子が形成された半導体チップの構成を示す平面図である。
【図１４】（ａ）は、図１３のＡ−Ａ線で切断した断面図であり、（ｂ）は、励振素子のｚｘ平面内での駆動振動を模式的に示す断面図である。
【図１５】（ａ）は、図１３のＢ−Ｂ線で切断した断面図であり、（ｂ）は、励振素子のｚｘ平面内での駆動振動を模式的に示す断面図である。
【図１６】実施の形態３における角速度センサが形成された半導体装置の実装構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
【００２２】
また、実施の形態で用いる図面においては、断面図であっても図面を見易くするためにハッチングを省略する場合もある。また、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。
【００２３】
（実施の形態１）
＜本発明に関連する検討事項＞
例えば、面内角速度センサでは、ｘ方向を励振素子の駆動振動方向とし、ｙ方向をコリオリ力に基づく変位を検出する検出方向とする構成が考えられる。一方、本発明者が着目している面外角速度センサでは、例えば、ｘ軸方向周りの角速度を検出する構成として、ｙ方向を励振素子の駆動振動方向とし、ｚ方向をコリオリ力に基づく変位を検出する検出方向とする第１構成と、ｚ方向を励振素子の駆動振動方向とし、ｙ方向をコリオリ力に基づく変位を検出する検出方向とする第２構成とが考えられる。
【００２４】
この点に関し、本発明者が検討をした結果、面外角速度センサにおいて、上述した第１構成よりも、上述した第２構成の方が性能向上を図る観点から利点があることを見出した。
【００２５】
以下では、まず、この点について説明する。例えば、システムに搭載するセンサ数の増加に伴って、各センサに対しては、低コスト化の要求が増加してきている。このようなシステム側の小型化や低コスト化の要求を満たすために、ＬＳＩのパッケージング方法として用いられている、熱硬化性樹脂を使用したパッケージ技術（トランスファモールド技術）が、ＭＥＭＳからなる角速度センサにも適用することが検討されている。
【００２６】
トランスファモールド技術とは、以下のような製造技術である。すなわち、まず、ＭＥＭＳからなる角速度センサを形成した第１半導体チップと、角速度センサの信号処理回路が形成された第２半導体チップとを積層配置したリードフレームを金型の中に設置する。そして、温めた樹脂を高圧により射出し、金型の中に充填する。続いて、この樹脂が冷却されて固まることにより、樹脂は、ＭＥＭＳからなる角速度センサが形成された第１半導体チップと、信号処理回路が形成された第２半導体チップとを積層配置したリードフレームを封止する封止体となる。このトランスファモールド技術は、ＭＥＭＳで用いられているセラミックパッケージ技術よりも量産性が高く、角速度センサの製造コストを低減する上で有効な技術である。
【００２７】
しかし、封止体となる樹脂の充填圧力は、数Ｐａから数十Ｐａと高圧であるため、ＭＥＭＳからなる角速度センサをトランスファモールド技術で製造する場合、角速度センサが形成された半導体チップに変形が発生する。また、封止体が設置される環境の温度が変動すると、封止体となる樹脂の熱膨張係数と、角速度センサが形成された半導体チップとの熱膨張係数の差により、両者の界面に歪みが発生する。さらに、封止体となる樹脂は、吸湿により体積が膨張するとともに、乾燥により体積が収縮する特徴があるため、封止体が設置される環境の湿度が変動すると、樹脂の膨張と収縮により、角速度センサが形成された半導体チップに歪みが発生する。
【００２８】
半導体チップに発生するこれらの歪みは、角速度センサのゼロ点変動や感度変動を引き起こす原因となる。温度変動によるゼロ点変動や、湿度変動によるゼロ点変動の発生は、信号処理回路で補正することができる。ところが、信号処理回路に温度センサや湿度センサを搭載すると、搭載する面積の分だけ、半導体チップの面積が増大するとともに、材料費も高くなる結果、信号処理回路の製造コストが高くなるデメリットがある。
【００２９】
また、信号処理回路に補正演算回路を追加して機能を複雑化すると、信号処理回路の開発期間が長くなり、これによって、角速度センサの製造コストが高くなるデメリットがある。さらに、補正演算を成立させるため、角速度センサの出荷前検査時に補正調整工程を追加すると、調整費用と調整時間が増大することになり、角速度センサの製造コストが高くなるデメリットがある。また、補正演算では対応が困難な経時変化は、角速度センサの性能低下につながるおそれがある。
【００３０】
例えば、特許文献２に記載された面内角速度センサは、駆動振動方向がｘ方向で、検出方向がｙ方向であるため、ｚ軸方向周りの角速度を検出することができる。したがって、車体の運動平面と並行するように設置された実装基板上に角速度センサを搭載する場合には、自動車の横滑りを検出することができる。ここで、角速度センサが搭載される実装基板の主面をｘｙ平面と定義した場合、駆動振動と検出変位とが共にｘｙ平面内の動きとなるため、駆動振動を発生させる駆動電極と、検出変位を検出する検出電極とを含むすべての構成要素を、封止体を形成する際に変形が生じやすいｚ方向ではなく、変形が生じにくいデバイス層のｘｙ平面内に形成することができる。したがって、角速度センサの製造にトランスファモールド技術を適用しても、封止体を形成する際の圧力や温度や湿度などによる角速度センサの性能や信頼性への影響が比較的に少ない。つまり、面内角速度センサでは、トランスファモールド技術の適用を妨げる要因は少ないと考えることができる。
【００３１】
一方、本発明者が着目している面外角速度センサでは、状況が一変する。例えば、特許文献３に記載された面外角速度センサは、駆動振動方向がｘ方向で、ｙ軸方向周りの角速度が印加されると、ｚ方向がコリオリ力に基づく変位が生じる検出方向となる。すなわち、特許文献１に記載された角速度センサと同じ平面上に実装する場合、自動車の横転を検知ことができる。ｚ方向の変位は、コリオリ力によってｚ方向に変位する検出可動電極と、検出可動電極と対向するように配置される検出固定電極で構成される容量素子の容量値の変化を検出することで計測することができる。すなわち、特許文献３に記載された面外角速度センサは、励振素子や検出部などが形成されるデバイス層と、このデバイス層を支持する支持基板と、検出固定電極が形成されるキャップ層と、空洞部とを備える３層の積層構造から構成される。
【００３２】
ところが、このように面外角速度センサが３層の積層構造として構成され、トランスファモールド技術で使用される樹脂により圧力を受ける側（キャップ層側）に検出部の変位を測定するための検出固定電極が形成されている場合、トランスファモールド技術で封止体を形成する際の成形圧力、樹脂に発生する内部応力、環境温度の変動、経時的な応力緩和などによって、検出固定電極が形成されたキャップ層には変形が発生し、面外角速度センサの性能や信頼性に重大な問題を発生させるおそれがある。つまり、ｚ方向を検出方向とする第１構成の面外角速度センサでは、トランスファモールド技術を適用する際、面外角速度センサの性能を向上する点で重要な位置を占める検出部に変形が発生しやすく、トランスファモールド技術を採用する場合の副作用が懸念される。
【００３３】
これに対し、ｘｙ平面内に検出方向を有する第２構成の面外角速度センサでは、トランスファモールド技術による変形が発生しやすいｚ方向に検出部が形成されないため、トランスファモールド技術を採用する場合の性能低下に代表される副作用が少ないと考えられる。このことから、面外角速度センサに着目した場合、ｚ方向に検出方向がある第１構成の面外角速度センサに比べて、ｘｙ平面内に検出方向がある第２構成の面外角速度センサは、性能低下を抑制する観点から優位性を有していると考えられる。
【００３４】
そこで、本実施の形態１では、性能向上の観点から優位性のある第２構成の面外角速度センサを実現する工夫を施している。
【００３５】
なお、特許文献４に記載された面外角速度センサは、特許文献３に記載された角速度センサと同様に、駆動振動方向がｘ方向で、ｙ軸方向周りの角速度が印加されると、ｚ方向にコリオリ力に基づく変位が発生する検出方向となる。ただし、ｚ方向の変位を検出する方法としては、キャップ層側に検出固定電極を有する特許文献３に記載の面外角速度センサとは異なり、特許文献４に記載された面外角速度センサでは、励振素子や検出可動電極などが形成されるデバイス層内に検出固定電極も有する構造となっている。
【００３６】
ところが、特許文献４に記載された面外角速度センサでは、同じ高さを有するデバイス層内に検出可動電極と、この検出可動電極との間で容量素子を形成するように一定間隔を持って検出固定電極を形成する場合、検出部でのｚ方向（デバイス層のｘｙ平面から面外に抜け出る方向）の変位の大きさは分かるが、変位の方向が分からない問題が発生する。このため、特許文献４に記載された面外角速度センサでは、デバイス層に形成されている検出固定電極の上に内部応力を強く発生させた薄膜を成膜し、検出固定電極に初期変位を作っている。これによって、検出固定電極と検出可動電極とは、同じデバイス層内に形成されながらも、検出固定電極の高さと検出可動電極の高さの間に差が発生するため、ｚ方向の変位の方向を検出することができる。
【００３７】
特許文献４に記載された面外角速度センサは、デバイス層内にすべての構成要素を有するため、トランスファモールド技術で封止体を形成する際の圧力や、その他の要因に起因する変形に影響を受けにくい。したがって、トランスファモールド技術で製造された安価な封止体を用いる場合でも、特許文献４に記載された面外角速度センサは、安定した性能を発揮することが期待できる。
【００３８】
ところが、特許文献４に記載された面外角速度センサは、デバイス層に初期変位を作るために用いられる大きい内部応力を有する薄膜の経時的な応力緩和と、この応力緩和に伴う性能変化が発生するおそれがある。さらに、大きい内部応力を有する薄膜による初期変位の制御は、各角速度センサでの個体差が大きいおそれがある。
【００３９】
以上のことから、上述した様々な現状の面外角速度センサでは、性能向上を図る観点から改善の余地が存在することがわかる。そこで、本実施の形態１では、面外角速度センサにおいて、性能向上を図る観点から優位性のある第２構成の面外角速度センサに着目し、この第２構成の面外角速度センサを実現する工夫を施している。以下では、この工夫を施した実施の形態１における面外角速度センサについて説明する。
【００４０】
＜基本動作＞
まず、本実施の形態１における角速度センサ素子の動作の概要について説明する。角速度センサ素子の励振素子（可動部）は、全体が一体化し、中央部にある固定部を支点として、支持梁の変形を伴いながら、ｙ軸方向を回転軸とするｚｘ平面（第１平面）内で回転振動をしている。回転角度が小さいとき、励振素子の運動は、ｚ方向の振動とみなすことができる。つまり、本実施の形態１において、励振素子は、半導体チップの厚さ方向であるｚ方向に振動可能なように構成されていることになる。
【００４１】
ここで、ｚｘ平面内の励振素子の回転振動である駆動振動を誘起する役割を担うのが駆動電極であり、駆動振動の振幅を検出する役割を担うのが駆動振幅モニタ部である。次に、角速度センサ素子が形成された半導体チップの外部からｘ軸方向を回転軸とする角速度が入力されると、ｚｘ平面内で駆動振動している励振素子には、ｙ方向のコリオリ力が働く。この場合、励振素子は、中央部にある固定部を支点として、支持梁の変形を伴いながら、ｚ軸方向を回転軸とするｘｙ平面（第２平面）内での回転変位を示す。ｘｙ平面内の回転変位を検出する役割を担うのが検出部である。
【００４２】
続いて、本実施の形態１における角速度センサ素子では、ｘｙ平面内の回転変位を打ち消すように、回転変位方向とは逆方向に静電気力を発生する電極が設置される。この電極に印加する電圧を角速度センサが形成された半導体チップに接続される信号処理回路用の半導体チップで演算し、最終的に角速度に対応した出力信号を得る。ｘｙ平面内における回転変位方向とは逆方向に静電気力を発生する役割を担うのがサーボ部である。
【００４３】
なお、ＭＥＭＳ構造からなる角速度センサ素子が形成された半導体チップ（第１半導体チップ）と、信号処理回路が形成された半導体チップ（第２半導体チップ）との組み合わせによって、本実施の形態１における角速度センサが構成されている。
【００４４】
＜角速度センサ素子の平面構成＞
次に、本実施の形態１における角速度センサ素子が形成される半導体チップの構成と、この半導体チップに形成される各電極の役割について、図面を参照しながら説明する。
【００４５】
図１は、本実施の形態１における角速度センサ素子が形成された半導体チップＣＨＰ１の構成を示す平面図である。図１において、本実施の形態１における角速度センサ素子には、枠部１０１に囲まれるように空洞部１０２とダミー部１１６とが形成されている。そして、この空洞部１０２の内部には、固定部１０３が設けられており、この固定部１０３には、弾性変形部である支持梁１０４が接続されている。さらに、支持梁１０４は、角速度センサ素子の励振素子１０５と接続されている。ここで、本実施の形態１における励振素子１０５は、例えば、コリオリ力に基づくｘｙ平面内の変位を検出する検出部ＤＴＵ１〜ＤＴＵ２と一体的に形成されており、この励振素子１０５と検出部ＤＴＵ１〜ＤＴＵ２とを含む可動部が構成される。
【００４６】
続いて、図１に示すように、本実施の形態１における角速度センサ素子は、励振素子１０５の一部を構成する駆動用可動電極１０６ａと駆動用可動電極１０７ａとを有している。駆動用可動電極１０６ａと、図１では示されない駆動用固定電極との間、および、駆動用可動電極１０７ａと、図１では示されない駆動用固定電極との間に電圧を印加して静電気力を発生させることにより、励振素子１０５は、半導体チップＣＨＰ１の厚さ方向であるｚ方向を含むｚｘ平面内で駆動振動（回転振動）することになる。
【００４７】
さらに、本実施の形態１における角速度センサ素子は、複数の駆動振幅モニタ部を有している。具体的に、本実施の形態１における角速度センサ素子は、図１に示すように、４つの駆動振幅モニタ部ＭＵ１〜ＭＵ４を有している。このとき、駆動振幅モニタ部ＭＵ１は、励振素子１０５と一体的に形成された駆動振幅モニタ用可動電極１０８ａと、支持基板に固定された駆動振幅モニタ用固定電極１０８ｂと、から構成されている。同様に、駆動振幅モニタ部ＭＵ２は、励振素子１０５と一体的に形成された駆動振幅モニタ用可動電極１０９ａと、支持基板に固定された駆動振幅モニタ用固定電極１０９ｂと、から構成され、駆動振幅モニタ部ＭＵ３は、励振素子１０５と一体的に形成された駆動振幅モニタ用可動電極１１０ａと、支持基板に固定された駆動振幅モニタ用固定電極１１０ｂと、から構成されている。また、駆動振幅モニタ部ＭＵ４は、励振素子１０５と一体的に形成された駆動振幅モニタ用可動電極１１１ａと、支持基板に固定された駆動振幅モニタ用固定電極１１１ｂと、から構成されている。つまり、４つの駆動振幅モニタ部ＭＵ１〜ＭＵ４のそれぞれは、駆動振幅モニタ用可動電極と駆動振幅モニタ用固定電極とからなる容量素子となっており、これらの駆動振幅モニタ部ＭＵ１〜ＭＵ４によって、励振素子１０５のｚｘ平面内での駆動振動の振幅が容量素子の容量値の変化として検出される。
【００４８】
次に、図１に示すように、本実施の形態１における角速度センサ素子は、２つの検出部ＤＴＵ１〜ＤＴＵ２を有している。このとき、検出部ＤＴＵ１は、励振素子１０５と一体的に形成された変位検出用可動電極１１２ａと、支持基板に固定された変位検出用固定電極１１２ｂと、から構成され、検出部ＤＴＵ２は、励振素子１０５と一体的に形成された変位検出用可動電極１１３ａと、支持基板に固定された変位検出用固定電極１１３ｂと、から構成されている。つまり、２つの検出部ＤＴＵ１〜ＤＴＵ２のそれぞれは、変位検出用可動電極と変位検出用固定電極とからなる容量素子となっており、これらの検出部ＤＴＵ〜ＤＴＵ２によって、コリオリ力に基づく励振素子１０５のｘｙ平面内での変位が容量素子の容量値の変化として検出される。すなわち、検出部ＤＴＵ１〜ＤＴＵ２は、ｚｘ平面に垂直なｘｙ平面内に含まれる回転軸方向周りに角速度が印加された際、この角速度に起因して発生するコリオリ力に基づくｘｙ平面内の変位を静電容量の変化として捉えるように構成されている。
【００４９】
さらに、図１に示すように、本実施の形態１における角速度センサ素子は、２つのサーボ部ＳＶＵ１〜ＳＵＶ２を有している。サーボ部ＳＶＵ１は、励振素子１０５と一体的に形成されたサーボ電極可動部１１４ａと、支持基板に固定されたサーボ電極固定部１１４ｂと、から構成され、サーボ部ＳＶＵ２は、励振素子１０５と一体的に形成されたサーボ電極可動部１１５ａと、支持基板に固定されたサーボ電極固定部１１５ｂと、から構成されている。この場合、サーボ部ＳＶＵ１〜ＳＵＶのそれぞれは、ｘｙ平面内における回転変位方向とは逆方向に静電気力を発生するように構成されることになり、これによって、コリオリ力に起因するｘｙ平面内の回転変位がサーボ部ＳＶＵ１〜ＳＵＶ２のそれぞれで発生する静電気力によって打ち消されることになる。
【００５０】
このように構成されている角速度センサ素子は、シリコン深堀エッチング（Deep Reactive Ion Etching：ＤＲＩＥ）技術を用いて加工される。
【００５１】
なお、励振素子１０５と支持梁１０４の接続角度は、ＤＲＩＥの加工バラツキに起因する固有振動数の個体差を低減する目的で、鋭角とならないように調整されている。
【００５２】
また、本実施の形態１における角速度センサ素子の励振素子１０５は、固定部１０３だけを介して支持基板と接続されており、角速度センサが置かれた環境の温度変動や実装歪みの影響によって支持基板に歪みが生じて、支持基板が変形した場合でも、励振素子１０５や支持梁１０４の変形による応力分布が生じにくい構造となっている。つまり、本実施の形態１における角速度センサ素子は、励振素子１０５の固有振動数が変動しにくい構造となっている。
【００５３】
さらに、本実施の形態１における角速度センサ素子の励振素子１０５では、ｚｘ平面内の駆動振動モード（回転振動モード）、もしくは、ｘｙ平面内の回転変位モードが、励振素子１０５の固有振動数の第１モードとなる。したがって、本実施の形態１における角速度センサ素子では、角速度センサ素子の動作周波数以下の帯域に、励振素子１０５が応答する特徴的な周波数が存在しない。このことから、本実施の形態１における角速度センサ素子は、外部からの機械的な振動ノイズに強い特徴を有していることになる。
【００５４】
なお、ダミー部１１６は、角速度センサ素子を形成する際に、エッチングによる除去面積を調整して、励振素子に代表される角速度センサの構成要素の加工バラツキを低減する役割を有するとともに、電位を固定して周辺からの電磁波ノイズを除去するシールドとしての役割も有する。さらに、本実施の形態１における角速度センサ素子において、ダミー部１１６は、トランスファモールド技術を採用する点や、温度あるいは湿度の変動などに起因する半導体チップＣＨＰ１の歪みによって、半導体チップＣＨＰ１を実装する際、封止体を構成する樹脂と接する層に設置される角速度センサの構成要素が変形しないように支持体を構成する役割も有する。
【００５５】
＜角速度センサ素子の断面構成＞
次に、本実施の形態１における角速度センサ素子の断面構造について、図面を参照しながら説明する。図２（ａ）は、図１のＡ−Ａ線で切断した断面図であり、図３（ａ）は、図１のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。
【００５６】
図２（ａ）、あるいは、図３（ａ）に示すように、角速度センサ素子が形成される半導体チップＣＨＰ１は、例えば、単結晶シリコンからなる支持基板１Ｓを有している。この支持基板１Ｓの表面（上面、主面）には、例えば、酸化シリコン膜からなる絶縁層１３１が形成されており、この絶縁層１３１の上方にデバイス層ＤＬが形成され、デバイス層ＤＬの上方にキャップ層ＣＡＰＬが形成されている。そして、支持基板１Ｓとデバイス層ＤＬとの間、および、デバイス層ＤＬとキャップ層ＣＡＰＬとの間には、空洞部１０２が形成されている。
【００５７】
デバイス層ＤＬには、単結晶シリコンで形成される枠部１０１、固定部１０３、励振素子１０５、サーボ電極可動部１１４ａ、１１５ａ、サーボ電極固定部１１４ｂ、１１５ｂ、駆動用可動電極１０６ａ、１０７ａ、変位検出用可動電極１１２ａ、１１３ａ、変位検出用固定電極１１２ｂ、１１３ｂなどの図１に示される構成要素が形成されている。さらに、デバイス層ＤＬには、駆動振幅モニタ用可動電極１０８ａ〜１１１ａ、駆動振幅モニタ用固定電極１０８ｂ〜１１１ｂ、および、支持梁１０４なども形成されている。
【００５８】
キャップ層ＣＡＰＬは、単結晶シリコンからなるキャップ部１４０、絶縁層１４１、導電膜１４２、保護膜１４３、励振素子１０５をｚｘ平面内で振動させるための電圧が印加される駆動用固定電極１０６ｂ、１０７ｂ、および、貫通電極などが形成されている。
【００５９】
本実施の形態１における角速度センサ素子では、キャップ部１４０とデバイス層ＤＬとを接合し、角速度センサ素子をキャップ部１４０で保護する。特に、本実施の形態１における角速度センサ素子では、図２（ａ）や図３（ａ）に示すように、接続領域ＣＲ１で支持基板１Ｓとデバイス層ＤＬとが接合され、接続領域ＣＲ２でデバイス層ＤＬとキャップ層ＣＡＰＬとが接続されている。
【００６０】
ここで、空洞部１０２内に配置される角速度センサ素子の励振素子１０５は、支持梁１０４を介して固定部１０３と接続され、固定部１０３は、絶縁層１３１を介して支持基板１Ｓと接続される。つまり、励振素子１０５は、支持基板１Ｓに対して完全に固定されてはおらず、変位可能なように構成されている。そして、励振素子１０５は、単結晶シリコンから形成されているため、励振素子１０５は、構造体中のいずれの場所であっても電気的に接続されている。
【００６１】
また、キャップ部１４０を貫通するように貫通電極が形成されており、この貫通電極は、キャップ部１４０に、絶縁層１４１を埋め込んで電気的に分離することにより形成される。
【００６２】
なお、励振素子１０５に印加される電位は、固定部１０３と接続される貫通電極を介して、導電膜１４２に形成されるパッドから供給される。
【００６３】
また、駆動振幅モニタ用固定電極１０８ｂ〜１１１ｂ、変位検出用固定電極１１２ｂ、１１３ｂ、および、サーボ電極固定部１１４ｂ、１１５ｂにも、それぞれ、貫通電極が形成されている。駆動振幅モニタ用固定電極１０８ｂ〜１１１ｂ、変位検出用固定電極１１２ｂ、１１３ｂ、および、サーボ電極固定部１１４ｂ、１１５ｂのそれぞれは、貫通電極を介して、導電膜１４２に形成されるパッドと電気的に接続される。このことから、駆動振幅モニタ用固定電極１０８ｂ〜１１１ｂ、変位検出用固定電極１１２ｂ、１１３ｂ、および、サーボ電極固定部１１４ｂ、１１５ｂのそれぞれの電位は、パッドの電位と等しい。このため、励振素子１０５がｚｘ平面内で駆動振動することで生じる容量変化や、励振素子１０５がｘｙ平面内で変位することで生じる容量変化に応じて、励振素子１０５および上述した各固定電極の表面には、電荷が流入あるいは流出することになる。
【００６４】
なお、本実施の形態１における角速度センサ素子が形成された半導体チップＣＨＰ１は、パッドの部分を除いて、導電膜１４２の表面が保護膜１４３によって覆われて保護されている。
【００６５】
例えば、本実施の形態１における半導体チップＣＨＰ１では、デバイス層ＤＬとキャップ層ＣＡＰＬとを貼り合せることにより接合する。具体的に、デバイス層ＤＬとキャップ層ＣＡＰＬとの貼り合せには、単結晶シリコン同士の直接接合が使用される。一方、デバイス層ＤＬと支持基板１Ｓの接合にも貼り合せが使用される。デバイス層ＤＬと支持基板１Ｓの貼り合せには、例えば、単結晶シリコンの表面を高温で酸化して得られる酸化シリコン膜と単結晶シリコンとのフュージョン接合が使用される。
【００６６】
この結果、本実施の形態１における半導体チップＣＨＰ１では、従来から使用されている接着材を用いた接合方式やガラス−シリコンの陽極接合方式と異なり、貼り合せの際に、ガスの発生源となる接着材などの有機物が不要となる。このことから、本実施の形態１における半導体チップＣＨＰ１では、空洞部１０２の内部に脱ガス成分を含まない方法で空洞部１０２を形成することができる。また、貼り合せ工程の前に実施する洗浄工程における残留液体や、フォトリソグラフィ工程における残留レジストが、空洞部１０２の内壁に付着する場合であっても、単結晶シリコン同士の直接接合は、通常１０００℃以上の熱を加えて実施されるため、上述した残留液体や残留レジストは、焼失してしまう。このことから、本実施の形態１における半導体チップＣＨＰ１では、ガスの発生源となる接着材などの有機物が不要となる点と、残留液体や残留レジストが高温の熱処理によって焼失する点から、空洞部１０２の内部に脱ガス成分を含むことなく、空洞部１０２を形成できる。
【００６７】
したがって、角速度センサ素子の励振素子１０５が配置される空洞部１０２の内部は、例えば、１００Ｐａ以下、望ましくは、１０Ｐａ以下という低い圧力で封止されることになる。この結果、本実施の形態１における半導体チップＣＨＰ１では、従来から使用されている接着材を用いた接合方式や、ガラス−シリコンの陽極接合方式と比較して、空洞部１０２内の圧力を低くすることができる。このことから、本実施の形態１における半導体チップＣＨＰ１では、空洞部１０２の内部の圧力を低くするために、励振素子１０５が設置される空洞部１０２の内部に、気体分子を吸着する吸着材であるゲッタを導入して、真空度を保つ必要がなく、ゲッタ材料を使用することによるコスト増加を抑制することができる。
【００６８】
本実施の形態１で実現される１０Ｐａ以下の圧力において、ＭＥＭＳ振動体のようにマイクロスケールの寸法を持つ構造体のエネルギー減衰は、ガスダンピングによる寄与はほとんどなく、構造ダンピングが主体となる。構造ダンピングによる減衰は、アンカーロスと呼ばれる支持部からの振動漏れによる減衰と、Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｅｌａｓｔｉｃ  Ｄａｍｐｉｎｇと呼ばれる変形部からの熱拡散による減衰とが主体であるが、これらの減衰は、ガスダンピングによる減衰と比較して、ダンピング係数が充分に小さい。したがって、励振素子１０５の質量をｍ、支持梁１０４のばね定数をｋ、ダンピング係数をＣとしたとき、Ｑ＝√ｍｋ／Ｃであるため、本実施の形態１における励振素子１０５のＱ値は、一般的に高くなる。例えば、励振素子１０５の構造や寸法にも依存するが、１０Ｐａ以下の圧力では、通常、１００００以上のＱ値を実現することができる。
【００６９】
本実施の形態１における角速度センサ素子の駆動用電極（駆動用可動電極と駆動用固定電極）は、平行平板型であり、気体中では減衰の大きなスクイズドフィルム型のダンピングを示す電極構造である。しかし、上述したように、本実施の形態１における角速度センサ素子では、従来から使用されている接着材を用いた接合方式やガラス−シリコンの陽極接合方式ではなく、封止圧力を低くすることができる単結晶シリコン同士の直接接合や、酸化シリコン膜と単結晶シリコンとのフュージョン接合が使用されている。このため、本実施の形態１における励振素子１０５は、ガスダンピングの寄与がほとんどない真空度の空洞部１０２の内部に配置されることから、駆動用電極の構成として、平行平板型の電極構造でありながら、励振素子１０５の駆動振動モードで大きなＱ値を実現できる。
【００７０】
＜駆動電極の構成＞
続いて、本実施の形態１における駆動電極の構成について説明する。図１において、励振素子１０５のうち、破線で示された領域には、駆動用可動電極１０６ａ、１０７ａが形成されている。図２（ａ）に示すように、デバイス層ＤＬに形成されている駆動用可動電極１０６ａ、１０７ａの上方で、かつ、駆動用可動電極１０６ａ、１０７ａと対向する位置には、駆動用固定電極１０６ｂおよび駆動用固定電極１０７ｂが形成されている。
【００７１】
このように配置することにより、駆動用可動電極１０６ａと駆動用固定電極１０６ｂとによって容量素子が形成されるとともに、駆動用可動電極１０７ａと駆動用固定電極１０７ｂとによって容量素子が形成される。
【００７２】
例えば、本実施の形態１における角速度センサ素子では、互いに対向することにより容量素子を形成している駆動用可動電極１０６ａと駆動用固定電極１０６ｂとの間に、Ｖｃｏｍ＋Ｖｂ＋Ｖｄで表される周期的な駆動信号が印加され、駆動用可動電極１０７ａと駆動用固定電極１０７ｂとの間にＶｃｏｍ＋Ｖｂ−Ｖｄで表される周期的な駆動信号が印加される。さらに、本実施の形態１における角速度センサ素子では、励振素子１０５と電気的に接続されている固定部１０３に、貫通電極を介してＶｃｏｍで表される電圧が印加される。これにより、駆動用可動電極１０６ａと駆動用固定電極１０６ｂとの間、および、駆動用可動電極１０７ａと駆動用固定電極１０７ｂとの間には、交互に静電気力が働く。この結果、図２（ｂ）の破線で示すように、励振素子１０５は、ｚｘ平面内で駆動振動（回転振動）することになる。
【００７３】
ここで、本実施の形態１における角速度センサ素子では、図２（ａ）に示すように、駆動用可動電極１０６ａと駆動用固定電極１０６ｂ、および、駆動用可動電極１０７ａと駆動用固定電極１０７ｂは、ｚｘ平面内での励振素子１０５の回転中心である固定部１０３から最も離れた位置に設置される。この結果、本実施の形態１における角速度センサ素子においては、駆動用可動電極１０６ａと駆動用固定電極１０６ｂとから構成される容量素子、および、駆動用可動電極１０７ａと駆動用固定電極１０７ｂから構成される容量素子の間に働く静電気力に起因する回転トルクが大きくなる。このことから、本実施の形態１における角速度センサ素子によれば、駆動用固定電極１０６ｂと駆動用固定電極１０７ｂの面積を小さくすることができ、これによって、角速度センサ素子が形成される半導体チップＣＨＰのサイズを小さくできる利点が得られる。
【００７４】
以上より、駆動用可動電極１０６ａと駆動用固定電極１０６ｂとから構成される容量素子、あるいは、駆動用可動電極１０７ａと駆動用固定電極１０７ｂとから構成される容量素子は、励振素子１０５をｚｘ平面内で強制的に駆動振動を発生させる強制振動生成部として機能することになる。
【００７５】
＜駆動振幅モニタ部の構成＞
次に、本実施の形態１における駆動振幅モニタ部の構成について説明する。図１に示すように、励振素子１０５には、励振素子１０５と一体的に形成された駆動振幅モニタ用可動電極１０８ａ〜１１１ａが形成されている。そして、この駆動振幅モニタ用可動電極１０８ａ〜１１１ａと対向するように、駆動振幅モニタ用固定電極１０８ｂ〜１１１ｂが形成されている。これにより、駆動振幅モニタ用可動電極１０８ａ〜１１１ａのそれぞれと、駆動振幅モニタ用固定電極１０８ｂ〜１１１ｂのそれぞれによって、４つの容量素子が形成され、これらの４つの容量素子が、デバイス層ＤＬに形成される４つの駆動振幅モニタ部ＭＵ１〜ＭＵ４となる。ここで、４つの駆動振幅モニタ部ＭＵ１〜ＭＵ４のそれぞれを構成する４つの容量素子では、励振素子１０５がｚｘ平面内での駆動振動によりｚ方向に変位すると、容量値が変化する。
【００７６】
ここで、図４（ａ）は、図１のＣ１−Ｃ１線で切断した断面図である。図４（ａ）に示すように、駆動振幅モニタ用可動電極１０８ａには、−ｚ方向側に切り欠きがあり、駆動振幅モニタ用可動電極１０８ｂには＋ｚ方向側に切り欠きがある。言い換えれば、ｚｘ平面内において、駆動振幅モニタ用可動電極１０８ａのｚ方向（厚さ方向）の中心位置と、駆動振幅モニタ用固定電極１０８ｂのｚ方向（厚さ方向）の中心位置とがずれていると表現することもできる。これらの切り欠きの高さは、励振素子１０５のｚｘ平面内での駆動振動の振幅よりも大きい必要がある。
【００７７】
例えば、図３（ｂ）および図４（ａ）に示すように、励振素子１０５がｚｘ平面内で反時計まわりの回転変位をする場合、駆動振幅モニタ用可動電極１０８ａが＋ｚ方向に変位するため、回転角度の増加に伴って、駆動振幅モニタ部ＭＵ１を構成する容量素子の容量値は減少する。
【００７８】
一方、図４（ｂ）は、図１のＣ２−Ｃ２線で切断した断面図である。図４（ｂ）に示すように、駆動振幅モニタ用可動電極１０９ａは、＋ｚ方向側に切り欠きがあり、駆動振幅モニタ用固定電極１０９ｂは、−ｚ方向側に切り欠きがある。したがって、励振素子１０５がｚｘ平面内で反時計まわりの回転変位をする場合には、駆動振幅モニタ用可動電極１０９ａは＋ｚ方向に変位するため、回転角度の増加に伴って、駆動振幅モニタ部ＭＵ２を構成する容量素子の容量値は増加する。
【００７９】
また、駆動振幅モニタ用可動電極１１０ａには、＋ｚ方向側に切り欠きがあり、駆動振幅モニタ用固定電極１１０ｂには、−ｚ方向側に切り欠きがある。したがって、図３（ｂ）に示すように、励振素子１０５がｚｘ平面内で反時計まわりの回転変位をする場合には、駆動振幅モニタ用可動電極１１０ａが−ｚ方向に変位するため、回転角度の増加に伴って、駆動振幅モニタ部ＭＵ３を構成する容量素子の容量値が減少する。
【００８０】
一方、駆動振幅モニタ用可動電極１１１ａには、−ｚ方向側に切り欠きがあり、駆動振幅モニタ用固定電極１１１ｂには、＋ｚ方向側に切り欠きがある。したがって、励振素子１０５がｚｘ平面内で反時計まわりの回転変位をする場合には、駆動振幅モニタ用可動電極１１１ａが−ｚ方向に変位するため、回転角度の増加に伴って、駆動振幅モニタ部ＭＵ４を構成する容量素子の容量値が増加する。
【００８１】
ここで注意が必要なのは、角速度センサ素子が形成された半導体チップＣＨＰ１に角速度が印加されてコリオリ力が発生し、コリオリ力に基づいて、励振素子１０５にｘｙ平面内での回転変位が生じる場合においても、駆動振幅モニタ用可動電極１０８ａ〜１１１ａのそれぞれと、駆動振幅モニタ用固定電極１０８ｂ〜１１１ｂのそれぞれから形成される４つの容量素子の容量値が変化することである。つまり、本実施の形態１において、４つの駆動振幅モニタ部ＭＵ１〜ＭＵ４のそれぞれを構成する容量素子は、励振素子１０５がｚｘ平面内で駆動振動する場合だけでなく、コリオリ力によって、励振素子１０５がｘｙ平面で変位する場合も、容量値が変化してしまうのである。
【００８２】
励振素子１０５がｘｙ平面内で反時計まわりに回転変位するとき、駆動振幅モニタ用可動電極１０８ａと駆動振幅モニタ用固定電極１０８ｂから構成される容量素子の容量値は増加し、駆動振幅モニタ用可動電極１０９ａと駆動振幅モニタ用固定電極１０９ｂから構成される容量素子の容量値は減少する。一方、駆動振幅モニタ用可動電極１１０ａと駆動振幅モニタ用固定電極１１０ｂから構成される容量素子の容量値は減少し、駆動振幅モニタ用可動電極１１１ａと駆動振幅モニタ用固定電極１１１ｂから構成される容量素子の容量値は増加する。したがって、励振素子１０５のｚｘ平面内での駆動振動の振幅を得るには、駆動振幅モニタ用固定電極１０８ｂと駆動振幅モニタ用固定電極１１０ｂとを電気的に接続した合計容量値と、駆動振幅モニタ用固定電極１０９ｂと駆動振幅モニタ用固定電極１１１ｂを電気的に接続した合計容量値との間で差動検出をする必要がある。この差動検出によれば、励振素子１０５のｘｙ平面内での回転変位による容量値の変化を、信号処理回路（演算回路）に入力する前にキャンセルすることができる。つまり、上述した差動検出を行なうことにより、本実施の形態１における駆動振幅モニタ部ＭＵ１〜ＭＵ４は、ｘｙ平面内での回転変位の影響をなくしながら、ｚｘ平面内での駆動振動による容量値の変化分だけを検出することができる。これにより、駆動振幅モニタ部ＭＵ１〜ＭＵ４によって、励振素子１０５のｚｘ平面内での駆動振動だけをモニタリングすることができる。
【００８３】
ここで、角速度センサ素子が形成された半導体チップＣＨＰ１と電気的に接続される半導体チップには、信号処理回路が形成されており、この信号処理回路は、上述した駆動振幅モニタ部ＭＵ１〜ＭＵ４から得られる励振素子１０５のｚｘ平面内の駆動振幅に対応する容量値の変化に基づいて、自動振幅制御（Automatic Gain Control：ＡＧＣ）によるフィードバック制御を行い、励振素子１０５の振動振幅を常に一定に保っている。この点に関し、本実施の形態１では、駆動振幅モニタ部ＭＵ１〜ＭＵ４によって、励振素子１０５のｚｘ平面内での駆動振動だけをモニタリングすることができるので、上述した自動振幅制御によるフィードバック制御の精度を向上させることができる。
【００８４】
また、駆動振幅モニタ用可動電極１０８ａ〜１１１ａと、駆動振幅モニタ用固定電極１０８ｂ〜１１１ｂは、すべて、励振素子１０５と同じ層であって、歪みの影響を受けにくいデバイス層ＤＬに形成される。このため、トランスファモールド技術を採用する点や、温度、湿度が変動する点などに起因して、角速度センサ素子が形成された半導体チップＣＨＰ１に歪みが生じる場合であっても、駆動振幅モニタ用可動電極と駆動振幅モニタ用固定電極との間の距離は変動しにくく、半導体チップＣＨＰ１の歪みによって、駆動振幅モニタ用可動電極と駆動振幅モニタ用固定電極とから構成される容量素子の容量値も変動しにくい。つまり、励振素子１０５のｚｘ平面内での回転振動の振幅を検出している容量素子の容量値は、半導体チップＣＨＰ１の歪みによる影響を受けにくい。
【００８５】
一方、本実施の形態１では、歪みの影響を受けにくいデバイス層ＤＬに駆動用可動電極１０６ａ、１０７ａが形成されているものの、歪みの影響を受けやすいキャップ層ＣＡＰＬに駆動用固定電極１０６ｂ、１０７ｂが形成されている。このことから、本実施の形態１における角速度センサ素子では、トランスファモールド技術を採用する点や、温度、湿度が変動する点などに起因して、角速度センサ素子が形成された半導体チップＣＨＰ１に歪みが発生した場合、歪みによって、駆動用可動電極１０６ａ、１０７ａと駆動用固定電極１０６ｂ、１０７ｂとの間の距離が変動するおそれがある。この場合、駆動用可動電極１０６ａと駆動用固定電極１０６ｂとから構成される容量素子の容量値や、駆動用可動電極１０７ａと駆動用固定電極１０７ｂとから構成される容量素子の容量値が変動するおそれがある。
【００８６】
この点に関し、本実施の形態１では、歪みの影響を受けにくいデバイス層ＤＬに形成されている駆動振幅モニタ部ＭＵ１〜ＭＵ４からの出力に基づいて、自動振幅制御を行なっている。つまり、本実施の形態１では、歪みの影響を受けにくいデバイス層ＤＬに形成されている駆動振幅モニタ部ＭＵ１〜ＭＵ４からの出力に基づいて、励振素子１０５の振動振幅が一定となるように印加する駆動信号Ｖｄを調整して、駆動用可動電極１０６ａ、１０７ａと駆動用固定電極１０６ｂ、１０７ｂとの間に印加される静電気力を調整している。この結果、本実施の形態１によれば、たとえ、半導体チップＣＨＰ１に発生する歪みによって、駆動用可動電極１０６ａ、１０７ａと駆動用固定電極１０６ｂ、１０７ｂとの間の距離が変動する場合であっても、半導体チップＣＨＰ１の歪みによる角速度センサの出力への影響を小さくできる利点が得られる。
【００８７】
また、本実施の形態１における角速度センサ素子の駆動用電極（駆動用可動電極と駆動用固定電極）は、平行平板型の電極構造をしている。しかし、本実施の形態１では、上述したように、励振素子１０５は、ガスダンピングの影響をほとんど受けない低い圧力の空洞部１０２の内部に設置されるため、励振素子１０５のＱ値は大きい。このことから、本実施の形態１によれば、平行平板型の電極構造において、変位と静電気力の間に線形関係が成立する線形領域での小さな静電気力を利用して励振素子１０５に駆動振動を発生させる場合であっても、大きなＱ値で励振素子１０５の駆動振動の振幅を充分に確保することができる。特に、本実施の形態１では、変位に対して駆動力（静電気力）が線形である線形領域を利用して励振素子１０５に駆動振動を発生させているため、自動振幅制御が不安定化するおそれを低減できる。また、本実施の形態１における角速度センサ素子によれば、小さな静電気力で微小変位を発生させ、大きなＱ値で励振素子１０５の駆動振動の振幅を確保しているため、駆動用電極同士がくっついてしまう、いわゆるプルイン現象の発生を抑制することができる。
【００８８】
＜検出部の構成＞
続いて、本実施の形態１における検出部の構成について説明する。図１に示すように、励振素子１０５には、励振素子１０５と一体的に形成された変位検出用可動電極１１２ａ、１１３ａが形成されている。そして、図３（ａ）に示すように、この変位検出用可動電極１１２ａ、１１３ａのそれぞれと対向するように、励振素子１０５と同じデバイス層ＤＬに、変位検出用固定電極１１２ｂ、１１３ｂのそれぞれが形成されている。図１に示すように、変位検出用可動電極１１２ａと、変位検出用固定電極１１２ｂとによって、検出部ＤＴＵ１が構成され、変位検出用可動電極１１３ａと、変位検出用固定電極１１３ｂとによって、検出部ＤＴＵ２が構成される。つまり、検出部ＤＴＵ１は、変位検出用可動電極１１２ａと変位検出用固定電極１１２ｂとからなる容量素子を含んでおり、この容量素子は、半導体チップＣＨＰ１に入力される角速度に応じて容量値が変化する。同様に、検出部ＤＴＵ２は、変位検出用可動電極１１３ａと変位検出用固定電極１１３ｂとからなる容量素子を含んでおり、この容量素子は、半導体チップＣＨＰ１に入力される角速度に応じて容量値が変化する。
【００８９】
例えば、本実施の形態１において、ｘ軸方向周りの角速度に応じて、検出部ＤＴＵ１および検出部ＤＴＵ２の容量値が変化するメカニズムは、以下の通りである。すなわち、ｚｘ平面内で駆動振動する励振素子１０５に対して、ｘ軸方向周りの角速度が入力されると、励振素子１０５のうち＋ｚ方向に速度を持つ部分には、−ｙ方向のコリオリ力が働き、励振素子１０５のうち−ｚ方向に速度を持つ部分には、＋ｙ方向のコリオリ力が働く。励振素子１０５の変位可能方向は、固定部１０３を中心としたｚｘ平面内での回転変位と、固定部１０３を中心としたｘｙ平面内での回転変位である。このため、励振素子１０５に印加された角速度に基づくコリオリ力は、振動している励振素子１０５のすべての構成部分について、固定部１０３からの距離の２乗を乗じた回転モーメントとして顕在化する。
【００９０】
この結果、励振素子１０５に印加された角速度に基づくコリオリ力は、固定部１０３に働くｚ方向のトルクとして機能する。したがって、励振素子１０５は、固定部１０３に働くｚ方向のトルクの大きさに応じて、固定部１０３を回転中心としたｘｙ平面内での回転運動をすることになる。このようにして、励振素子１０５が、ｘｙ平面内での回転運動によって、ｙ方向に変位すると、上述した検出部ＤＴＵ１を構成する容量素子の容量値と、検出部ＤＴＵ２を構成する容量素子の容量値が変化する。
【００９１】
なお、ｘｙ平面内での回転運動は、励振素子１０５のすべての構成部分からの合成トルクにより発生する。このため、本実施の形態１では、上述した駆動用可動電極１０６ａと駆動用固定電極１０６ｂとの間、あるいは、駆動用可動電極１０７ａと駆動用固定電極１０７ｂとの間で発生する静電気力が、加工バラツキや電極間距離の変動により等しくなかったとしても、励振素子１０５のｘｙ平面内での回転運動への影響は少なくなる。
【００９２】
ここで、図５（ａ）は、図１のＤ−Ｄ線で切断した断面図である。図５（ａ）に示すように、励振素子１０５と一体化されている変位検出用可動電極１１２ａには、段差部がないが、変位検出用固定電極１１２ｂには、ｚ方向の上端部と下端部とに、同じ形状の段差部ＤＩＦが形成されている。この段差部ＤＩＦの高さｈは、励振素子１０５のｚｘ平面内の回転振動の振幅より大きい。したがって、図５（ｂ）に示すように、励振素子１０５がｚｘ平面内で駆動振動をしていても、変位検出用可動電極１１２ａと変位検出用固定電極１１２ｂから構成される容量素子の容量値は、ほとんど変動せず、半導体チップＣＨＰ１に印加される角速度に応じてのみ容量値が変動する。
【００９３】
同様に、図示はしないが、励振素子１０５と一体化されている変位検出用可動電極１１３ａには、段差部がないが、変位検出用固定電極１１３ｂには、ｚ方向の上端部と下端部とに、同じ形状の段差部ＤＩＦが形成されている。この段差部ＤＩＦの高さｈは、励振素子１０５のｚｘ平面内の駆動振動の振幅より大きい。したがって、励振素子１０５がｚｘ平面内で駆動振動をしていても、変位検出用可動電極１１３ａと変位検出用固定電極１１３ｂから構成される容量素子の容量値は、ほとんど変動せず、半導体チップＣＨＰ１に印加される角速度に応じてのみ容量値が変動する。
【００９４】
つまり、本実施の形態１における検出部ＤＴＵ１および検出部ＤＴＵ２では、例えば、図５（ａ）に示すように、変位検出用可動電極１１２ａに段差部ＤＩＦを設け、かつ、段差部ＤＩＦの高さｈを、励振素子１０５のｚｘ平面内の駆動振動の振幅より大きく構成している。これにより、本実施の形態１における検出部ＤＴＵ１および検出部ＤＴＵ２は、励振素子１０５のｚｘ平面内での駆動振動の影響をほとんど受けることなく、コリオリ力に起因する励振素子１０５の変位だけを、容量素子の容量値の変化として検出することができる。
【００９５】
ここで、例えば、図１に示すように、変位検出用可動電極１１２ａ、１１３ａは、ｚｘ平面内で駆動振動する励振素子１０５のうち、振動振幅が小さい回転軸（固定部１０３）付近で、励振素子１０５と接続されている。言い換えれば、本実施の形態１における検出部ＤＴＵ１および検出部ＤＴＵ２は、ｘｙ平面において、駆動用可動電極１０６ａ、１０７ａや、駆動用可動電極１０６ａ、１０７ａとｚ方向に対向する位置に設置されている駆動用固定電極や、駆動振幅モニタ部ＭＵ１〜ＭＵ４よりも固定部１０３に近い位置に配置されている。したがって、例えば、変位検出用可動電極１１２ａ、１１３ａに段差部ＤＩＦを形成する際、変位検出用可動電極１１２ａ、１１３ａの上端部と下端部で生じる加工バラツキがあっても、変位検出用可動電極１１２ａ、１１３ａの端部からの漏れ電界の差異による容量値の変動の影響を抑制することができる。
【００９６】
また、例えば、図１に示すように、変位検出用固定電極１１２ｂ、１１３ｂは、貫通電極が形成されている位置でのみ支持基板と固定されており、固定されている部分以外の変位検出用固定電極１１２ｂ、１１３ｂの部分には、穴が開けられている。このように、本実施の形態１では、変位検出用固定電極１１２ｂ、１１３ｂを軽量化することにより、変位検出用固定電極１１２ｂ、１１３ｂの固有振動数を高めることができる。このため、本実施の形態１における検出部ＤＴＵ１および検出部ＤＴＵ２は、外部からの機械的振動ノイズに影響を受けににくい構造となっている。つまり、本実施の形態１において、変位検出用可動電極１１２ａと変位検出用固定電極１１２ｂから構成される容量素子の容量値や、変位検出用可動電極１１３ａと変位検出用固定電極１１３ｂから構成される容量素子の容量値は、外部からの機械的振動ノイズに対して変動しにくくなっている。
【００９７】
さらに、本実施の形態１における角速度センサ素子では、変位検出用可動電極１１２ａ、１１３ａと、変位検出用固定電極１１２ｂ、１１３ｂは、励振素子１０５が形成されているデバイス層ＤＬに形成されている。このことから、トランスファモールド技術を採用する点や、温度、湿度が変動する点に起因して、角速度センサ素子が形成された半導体チップＣＨＰ１に歪みが発生する場合であっても、変位検出用可動電極１１２ａと変位検出用固定電極１１２ｂとの間の距離や、変位検出用可動電極１１３ａと変位検出用固定電極１１３ｂとの間の距離は変動しにくく、容量値も変動しにくい。すなわち、本実施の形態１において、検出部ＤＴＵ１を構成する容量素子の容量値や、検出部ＤＴＵ２を構成する容量素子の容量値は、半導体チップＣＨＰ１の歪みによる影響を受けにくい特徴がある。
【００９８】
＜サーボ部の構成＞
次に、本実施の形態１におけるサーボ部の構成について説明する。例えば、図１に示すように、励振素子１０５には、励振素子１０５と一体的に形成されたサーボ電極可動部１１４ａ、１１５ａが形成されている。そして、サーボ電極可動部１１４ａ、１１５ａと対向するように、サーボ電極固定部１１４ｂ、１１５ｂが形成されている。これにより、本実施の形態１における角速度センサ素子は、サーボ電極可動部１１４ａとサーボ電極固定部１１４ｂとからなるサーボ部ＳＶＵ１と、サーボ電極可動部１１５ａとサーボ電極固定部１１５ｂとからなるサーボ部ＳＶＵ２とを有している。
【００９９】
角速度センサ素子が形成された半導体チップＣＨＰ１と電気的に接続される半導体チップには、信号処理回路が形成されている。この信号処理回路は、変位検出用可動電極１１２ａと変位検出用固定電極１１２ｂから構成される容量素子の容量値や、変位検出用可動電極１１３ａと変位検出用固定電極１１３ｂから構成される容量素子の容量値を常に一定に保つように制御している。つまり、上述した信号処理回路は、入力されるｘ軸方向周りの角速度に応じて、励振素子１０５が変位しないように、サーボ電極可動部１１４ａとサーボ電極固定部１１４ｂとの間や、サーボ電極可動部１１５ａとサーボ電極固定部１１５ｂの間に印加する電圧を制御している。
【０１００】
具体的に、信号処理回路は、互いに対向することにより容量素子を形成しているサーボ電極可動部１１４ａとサーボ電極固定部１１４ｂの間に、Ｖｃｏｍ＋Ｖｓｂ＋Ｖｓｄで表される周期的なサーボ信号を印加し、サーボ電極可動部１１５ａとサーボ電極固定部１１５ｂの間に、Ｖｃｏｍ＋Ｖｓｂ−Ｖｓｄで表される周期的なサーボ信号を印加する。そして、励振素子１０５が接続されている固定部１０３に貫通電極を介して、Ｖｃｏｍで表される電圧を印加することにより、サーボ電極可動部１１４ａとサーボ電極固定部１１４ｂとの間、および、サーボ電極可動部１１５ａとサーボ電極固定部１１５ｂとの間には、交互に静電気力が働く。このようにして、信号処理回路は、Ｖｓｄを調整して、励振素子１０５が変位しないように、言い換えれば、信号処理回路は、上述した変位検出用可動電極１１２ａと変位検出用固定電極１１２ｂから構成される容量素子の容量値と、変位検出用可動電極１１３ａと変位検出用固定電極１１３ｂから構成される容量素子の容量値を一定に保つように制御している。このとき、Ｖｓｄは、励振素子１０５に印加される角速度に比例した値を有していることから、信号処理回路でＶｓｄに適切な比例係数を乗算した出力値が角速度に対応した値となる。これは、ゼロ位法と呼ばれる制御手法である。このゼロ位法によれば、励振素子１０５がコリオリ力を受けても変位しないことから、ｘｙ平面内での回転角度の増加に起因して、支持梁１０４の内部に応力分布が生じる影響を除去することができる。このため、回転力に対する変位の非線形出力の影響を除去することができ、これによって、本実施の形態１における角速度センサ素子によれば、出力値の非線形性を低減できる。
【０１０１】
また、サーボ電極可動部１１４ａとサーボ電極固定部１１４ｂとの間、あるいは、サーボ電極可動部１１５ａとサーボ電極固定部１１５ｂとの間に働く静電気力は、温度変動によって、ほとんど変化しないとみなせるため、本実施の形態１における角速度センサの感度が温度変動に依存しない利点を得ることができる。
【０１０２】
本実施の形態１における角速度センサ素子では、サーボ電極可動部１１４ａ、１１５ａと、サーボ電極固定部１１４ｂ、１１５ｂとは、励振素子１０５と同じデバイス層ＤＬに形成されている。このことから、トランスファモールド技術を採用する点や、温度、湿度が変動する点に起因して、角速度センサ素子が形成された半導体チップＣＨＰ１に歪みが発生する場合であっても、サーボ電極可動部１１４ａとサーボ電極固定部１１４ｂとの間の距離や、サーボ電極可動部１１５ａとサーボ電極固定部１１５ｂとの間の距離は変動しにくく、容量値も変動しにくい。つまり、入力される角速度に応じた励振素子１０５のｘｙ平面内での回転運動を、信号処理回路での電圧調整により打ち消す機能を有するサーボ部ＳＶＵ１、ＳＶＵ２のそれぞれを構成する容量素子の容量値は、半導体チップＣＨＰ１に発生する歪みの影響を受けにくい特徴がある。
【０１０３】
さらに、本実施の形態１における角速度センサ素子では、図１に示すように、サーボ部ＳＶＵ１およびサーボ部ＳＶＵ２が、励振素子１０５の中でも固定部１０３に近い部分に形成されている。このため、サーボ部ＳＶＵ１やサーボ部ＳＶＵ２で発生する力は、励振素子１０５に発生するコリオリ力と比べて大きくする必要があり、本実施の形態１における角速度センサによれば、角速度センサの感度を大きくすることができる利点が得られる。
【０１０４】
＜信号処理回路の構成および動作＞
続いて、本実施の形態１における角速度センサの信号処理回路の構成と動作について、本実施の形態１における角速度センサに関連する箇所のみを抜粋して説明する。
【０１０５】
図６は、本実施の形態１における角速度センサの駆動振動に関する信号処理回路を説明する図である。図６において、半導体チップＣＨＰ２には、変調信号（搬送波）を生成する変調信号生成部２１１が形成されている。そして、変調信号生成部２１１で生成された変調信号には、バイアス電圧が印加されて、励振素子１０５に印加される。この変調信号生成部２１１は、例えば、数百ｋＨｚの変調信号を生成できるように構成されているが、数百ｋＨｚの変調信号は、角速度センサ素子の励振素子１０５の固有振動数よりも大きいため、変調信号によって励振素子１０５は変位しない。このように、変調信号を使用すると、環境ノイズを除去しながら、電極間に形成される容量素子の容量値を測定することができる。
【０１０６】
また、半導体チップＣＨＰ２には、駆動信号を生成する駆動信号生成部２１０ａ、２１０ｂが形成されている。この駆動信号生成部２１０ａ、２１０ｂは、例えば、数十ｋＨｚの駆動信号を生成できるように構成されている。駆動信号生成部２１０ｂは、駆動信号生成部２１０ａで生成された駆動信号の位相を１８０度変換した信号を生成する。駆動信号生成部２１０ａで生成された駆動信号には、バイアス電圧が印加されて、駆動用固定電極１０６ｂに印加される。また、駆動信号生成部２１０ｂで生成された駆動信号は、バイアス電圧が印加されて、駆動用固定電極１０７ｂに印加される。これにより、本実施の形態１における角速度センサ素子の励振素子１０５は、数十ｋＨｚの駆動信号によりｚｘ平面内で駆動振動することになる。
【０１０７】
さらに、半導体チップＣＨＰ２には、演算部２１２が形成されている。この演算部２１２は、駆動振幅モニタ用固定電極１０８ｂ、１１１ｂに接続され、励振素子１０５の回転振動の振幅に対応する容量変化を検出する。この演算部２１２は、容量電圧変換部（Ｃ／Ｖ変換部）、Ａ／Ｄ変換部、差動検出部、同期検波部を有している。
【０１０８】
容量電圧変換部は、容量素子Ｃ８と容量素子Ｃ１１の容量変化を電圧信号に変換するオペアンプにより構成されている。続いて、Ａ／Ｄ変換部は、容量電圧変換部から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するように構成されている。また、差動検出部は、容量素子Ｃ８の容量変化に対応した電圧信号と、容量素子Ｃ８の容量変化とは逆である容量素子Ｃ１１の容量変化に対応した電圧信号との差分を取るように構成されており、同期検波部は、変調信号生成部２１１で生成された変調信号によって高周波信号に変換された信号から、元の低い周波数の信号を復元するように構成されている。
【０１０９】
ここで、本実施の形態１において、駆動信号生成部２１０ａ、２１０ｂで生成され、励振素子１０５に印加される周期的な駆動信号は、角速度センサ素子の励振素子１０５の共振周波数とすることが望ましい。これは、共振倍率（Ｑ値）を利用して、駆動変位を増大させることにより、入力エネルギーを効率的に利用でき、これによって、本実施の形態１における角速度センサの低消費電力化を実現することができるからである。
【０１１０】
このため、半導体チップＣＨＰ２に形成されている信号処理回路では、駆動振幅モニタ用固定電極１０８ｂ、１１１ｂより得られる励振素子１０５の駆動振動の振幅に対応する容量素子Ｃ８と容量素子Ｃ１１との容量変化に基づいて、位相同期回路（Phase Locked Loop：ＰＬＬ）を用いた自動周波数制御（Automatic Frequency Control：ＡＦＣ）によるフィードバック制御を行っている。この自動周波数制御により、駆動信号生成部２１０ａ、２１０ｂで生成される駆動信号の周波数を励振素子１０５の共振周波数に追従させて、環境温度変動による共振周波数の変動を補償している。
【０１１１】
また、半導体チップＣＨＰ２に形成されている信号処理回路では、駆動振幅モニタ用固定電極１０８ｂ、１１１ｂより得られる励振素子１０５の駆動振動の振幅に対応する容量素子Ｃ８と容量素子Ｃ１１との容量変化に基づいて、自動振幅制御を行っている。この自動振幅制御により、駆動信号生成部２１０ａ、２１０ｂで生成された駆動信号の大きさ（Ｖｄ）を調整して、励振素子１０５の周期的な強制振動の振幅を常に一定に保ち、本実施の形態１における角速度センサの感度を一定に保持している。
【０１１２】
ここで、例えば、トランスファモールド技術を採用する点や、温度、湿度が変動する点に起因して、角速度センサ素子が形成された半導体チップＣＨＰ１に歪みが発生する場合を考える。このとき、駆動用可動電極１０６ａ、１０７ａは、デバイス層ＤＬに形成されている一方、駆動用固定電極１０６ｂ、１０７ｂは、歪みの影響を受けやすいキャップ層ＣＡＰＬに形成されている。このことから、駆動用可動電極１０６ａと駆動用固定電極１０６ｂとの間の距離や、駆動用可動電極１０７ａと駆動用固定電極１０７ｂとの間の距離は、変動しやすく、これによって、駆動振動を発生させる容量素子の容量値も変動しやすくなると考えられる。
【０１１３】
この点に関し、本実施の形態１では、たとえ、半導体チップＣＨＰ１に発生する歪みによって、駆動振動を発生させる容量素子の容量値が変動する場合であっても、自動振幅制御によって、励振素子１０５の周期的な回転振動の振幅を常に一定に保つことができるため、角速度センサの感度は、半導体チップＣＨＰ１の歪みによる影響を受けにくくなる。
【０１１４】
次に、図７は、本実施の形態１における角速度センサでの角速度の検出に関する信号処理回路を説明する図である。図７に示すように、半導体チップＣＨＰ２には、演算部２１３が形成されている。この演算部２１３は、変位検出用固定電極１１２ｂ、１１３ｂと電気的に接続され、コリオリ力によって生じる励振素子１０５のｘｙ平面内での回転変位に対応する容量変化を検出するように構成されている。
【０１１５】
この演算部２１３は、容量電圧変換部（Ｃ／Ｖ変換部）、Ａ／Ｄ変換部、差動検出部、同期検波部を有している。容量電圧変換部は、容量素子Ｃ１２と容量素子Ｃ１３との容量変化を電圧信号に変換するオペアンプにより構成されている。続いて、Ａ／Ｄ変換部は、容量電圧変換部から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するように構成されている。差動検出部は、容量素子Ｃ１２の容量変化に対応した電圧信号と、容量素子Ｃ１２の容量変化とは逆である容量素子Ｃ１３の容量変化に対応した電圧信号との差分を取るように構成されており、同期検波部は、変調信号生成部２１１で生成された変調信号によって高周波信号に変換された信号から、元の低い周波数の信号を復元するように構成されている。
【０１１６】
また、半導体チップＣＨＰ２に形成されている信号処理回路には、演算部２１３から出力される信号に基づいて、サーボ信号を演算するサーボ信号演算部２１５（ＳＶＯ）と、サーボ信号演算部２１５から出力される信号をＤ／Ａ変換した後、Ｄ／Ａ変換された信号をサーボ信号生成部２１４ａ、２１４ｂに出力するＤ／Ａ変換部を有している。
【０１１７】
さらに、半導体チップＣＨＰ２に形成されている信号処理回路は、サーボ信号（サーボ電圧）を生成するサーボ信号生成部２１４ａ、２１４ｂを有している。このサーボ信号生成部２１４ａ、２１４ｂは、例えば、数十ｋＨｚの駆動信号と同期した周波数の信号を生成できるように構成されている。サーボ信号生成部２１４ｂは、サーボ信号生成部２１４ａで生成されたサーボ信号の位相を１８０度変換したサーボ信号を生成する。サーボ信号生成部２１４ａで生成されたサーボ信号は、バイアス電圧が印加されて、サーボ電極固定部１１４ｂに印加される。一方、サーボ信号生成部２１４ｂで生成されたサーボ信号は、バイアス電圧が印加されて、サーボ電極固定部１１５ｂに印加される。
【０１１８】
本実施の形態１における角速度センサ素子の励振素子１０５では、数十ｋＨｚの駆動信号と同期したサーボ信号によって、コリオリ力によって生じるｘｙ平面内での回転変位が打ち消されている。なお、サーボ信号演算部２１５から出力されるサーボ信号は、ＬＰＦ低帯域通過フィルタ（ＬＰＦ）で信号処理された後、角速度センサの出力となる。
【０１１９】
＜角速度センサの実装構成＞
次に、本実施の形態１における角速度センサの実装構成について説明する。図８は、本実施の形態１における角速度センサが形成された半導体装置ＳＡ１の実装構成を示す断面図であり、図９は、半導体装置ＳＡ１内に含まれる半導体チップＣＨＰ１を示す断面図である。まず、図８に示すように、半導体装置ＳＡ１は、例えば、樹脂からなる封止体ＭＲの内部にチップ搭載部ＴＡＢが配置されるとともに、リードＬＤも配置されている。このリードＬＤの一部は、封止体ＭＲから突き出ており、リードＬＤは、外部接続端子として機能する。チップ搭載部ＴＡＢ上には、信号処理回路が形成された半導体チップＣＨＰ２が搭載されている。半導体チップＣＨＰ２には、信号処理回路を実現するために、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ＣＨＰ２に形成されている信号処理回路は、角速度センサ素子からの出力信号を演算して、角速度センサ素子に制御信号を出力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。この角速度信号は、例えば、リードＬＤを介して、外部機器に出力される。
【０１２０】
図８に示すように、半導体チップＣＨＰ２に形成されているパッドＰＤ１は、リードＬＤとワイヤＷで電気的に接続されている。
【０１２１】
さらに、半導体チップＣＨＰ２上には、半導体チップＣＨＰ１が搭載されている。この半導体チップＣＨＰ１には、角速度センサ素子を構成する構造体が形成されている。なお、半導体チップＣＨＰ１に形成されているパッドＰＤ２と、半導体チップＣＨＰ２に形成されているパッドＰＤ１とは、例えば、ワイヤＷで電気的に接続されている。
【０１２２】
封止体ＭＲは、例えば、樹脂材料からなる。この封止体ＭＲは、チップ搭載部ＴＡＢ上に半導体チップＣＨＰ２と半導体チップＣＨＰ１とを搭載した構造体を金型に設置し、この金型内に高温で溶融した樹脂材料を１〜１０ＭＰａ程度の圧力で射出した後、樹脂材料を冷却して硬化させることにより形成される。つまり、封止体ＭＲは、トランスファモールド技術によって形成される。
【０１２３】
このトランスファモールド技術は、従来のセラミックパッケージ技術よりも量産性が高いため、角速度センサの製造コストを低減する上で有効な技術である。しかし、空洞部１０２を有する半導体チップＣＨＰ１のうち、樹脂材料からなる封止体ＭＲと接するキャップ層ＣＡＰＬは、樹脂材料を金型内に射出する際の圧力で圧迫されて、図９に示すように変形する。また、封止体ＭＲを構成する樹脂材料は、温度変動と吸湿によって体積が膨張するととともに、乾燥によって体積が収縮する特徴がある。したがって、半導体装置ＳＡ１が配置される環境の温度や湿度が変動すると、封止体ＭＲの膨張と収縮により、封止体ＭＲの内部に配置された半導体チップＣＨＰ１に歪みが発生し、図９に示す変形の大きさが変動する。つまり、封止体ＭＲを形成する際や、半導体装置ＳＡ１が設置される環境の温度や湿度が変動する場合、デバイス層ＤＬに形成される駆動用可動電極１０６ａ、１０７ａと、半導体チップＣＨＰ１に発生する歪みの影響を受けやすいキャップ層ＣＡＰＬに形成されている駆動用固定電極１０６ｂ、１０７ｂとの間の距離は変動し、励振素子１０５に駆動振動を発生させる容量素子の容量値が変動する。
【０１２４】
この点に関し、本実施の形態１では、角速度センサ素子が形成された半導体チップＣＨＰ１と電気的に接続される半導体チップＣＨＰ２に信号処理回路が形成されている。そして、この信号処理回路では、駆動振幅モニタ部ＭＵ１〜ＭＵ４から得られる励振素子１０５の駆動振動の振幅に対応する容量変化に基づいて、励振素子１０５の駆動振動の振幅を常に一定に保つように自動振幅制御を行なっている。特に、本実施の形態１では、上述した駆動振幅モニタ部ＭＵ１〜ＭＵ４が、半導体チップＣＨＰ１に発生する歪みの影響を受けにくいデバイス層ＤＬに形成されているため、駆動振幅モニタ部ＭＵ１〜ＭＵ４は、半導体チップＣＨＰ１に発生する歪みの影響を受けにくく、精度の高い自動振幅制御を実現できる利点がある。つまり、本実施の形態１における角速度センサによれば、トランスファモールド技術を採用する点や、温度、湿度が変動する点に起因して、角速度センサ素子が形成された半導体チップＣＨＰ１に歪みが発生して、例えば、駆動用可動電極１０６ａと駆動用固定電極１０６ｂの間の距離が変動しても、角速度センサの出力への影響を少なくすることができる利点が得られる。
【０１２５】
また、本実施の形態１において、駆動振幅モニタ部ＭＵ１〜ＭＵ４は、励振素子１０５と同じデバイス層ＤＬに形成されるため、半導体チップＣＨＰ１に生じる歪みによって、駆動振幅モニタ部ＭＵ１〜ＭＵ４の容量値も変動しにくい。つまり、励振素子１０５のｚｘ平面内での駆動振動の振幅を検出している容量素子の容量値は、半導体チップＣＨＰ１の歪みによる影響を受けにくい。
【０１２６】
さらに、変位検出用可動電極１１２ａ、１１３ａと変位検出用固定電極１１２ｂ、１１３ｂも、励振素子１０５と同じデバイス層ＤＬに形成されるため、トランスファモールド技術を採用する点や、温度、湿度が変動する点に起因して、角速度センサ素子が形成された半導体チップＣＨＰ１に歪みが発生しても、検出部ＤＴＵ１、ＤＴＵ２のそれぞれを構成する容量素子の容量値も変動しにくい。つまり、半導体チップＣＨＰ１に印加される角速度に応じて容量値が変化する検出部ＤＴＵ１、ＤＴＵ２は、半導体チップＣＨＰ１の歪みの影響を受けにくい。
【０１２７】
同様に、サーボ電極可動部１１４ａ、１１５ａとサーボ電極固定部１１４ｂ、１１５ｂも、励振素子１０５と同じデバイス層ＤＬに形成されるため、トランスファモールド技術を採用する点や、温度、湿度が変動する点に起因して、角速度センサ素子が形成された半導体チップＣＨＰ１に歪みが発生しても、サーボ部ＳＶＵ１、ＳＶＵ２のそれぞれを構成する容量素子の容量値も変動しにくい。つまり、入力される角速度に応じた励振素子１０５のｘｙ平面内での回転運動を電圧調整によって打ち消す機能を有するサーボ部ＳＶＵ１、ＳＶＵ２は、半導体チップＣＨＰ１の歪みによる影響を受けにくい。
【０１２８】
以上のことから、本実施の形態１における角速度センサは、半導体チップＣＨＰ１の表面と並行な平面をｘｙ平面として定義する場合、ｘｙ平面に励振素子１０５、駆動振幅モニタ部ＭＵ１〜ＭＵ４、検出部ＤＴＵ１〜ＤＴＵ２、サーボ部ＳＶＵ１〜ＳＵＶ２などを有する。そして、本実施の形態１における角速度センサは、ｘｙ平面に垂直なｚｘ平面内で、励振素子１０５を駆動振動（回転振動）させながら、ｘｙ平面内に含まれる回転軸方向周りの角速度が印加された際、ｘｙ平面内において回転軸方向とは直交する検出方向に生じるコリオリ力に対応した変位を検出し、検出した変位に基づいて角速度を出力する。
【０１２９】
このように構成されている本実施の形態１における角速度センサによれば、例えば、角速度センサの小型化や低コスト化に有利なトランスファモールド技術を適用する場合であっても、角速度センサの性能や信頼性の低下を抑制することができる。言い換えれば、本実施の形態１における角速度センサは、樹脂の充填圧力、環境温度や湿度の変動による樹脂の膨張や収縮、経時的な材料物性の変化に起因にする樹脂の変形などが生じても、角速度センサの性能や信頼性への影響を抑制することができる。このため、本実施の形態１における角速度センサによれば、性能や信頼性の低下を招くことなく、トランスファモールド技術を適用できるため、角速度センサの小型化や低コスト化を図ることができる。
【０１３０】
（実施の形態２）
＜角速度センサ素子の平面構成＞
次に、本実施の形態２における角速度センサ素子について、図面を参照しながら説明する。図１０は、本実施の形態２における角速度センサ素子が形成された半導体チップＣＨＰ１の構成を示す平面図である。図１０において、枠部１０１に囲まれるように空洞部１０２とダミー部１１６とが形成されている。そして、空洞部１０２の内部には、固定部１０３が設けられており、この固定部１０３には、弾性変形部である支持梁１０４が接続されている。支持梁１０４は、角速度センサ素子の励振素子１０５と接続されている。ここで、本実施の形態２における励振素子１０５は、例えば、コリオリ力に基づくｘｙ平面内の変位を検出する検出部ＤＴＵ１〜ＤＴＵ４と一体的に形成されており、この励振素子１０５と検出部ＤＴＵ１〜ＤＴＵ４とを含む可動部が構成される。
【０１３１】
支持梁１０４は、例えば、固定部１０３からｙ方向に２本の梁を伸ばした構造からなる。このように支持梁１０４を構成する本実施の形態２における角速度センサ素子は、例えば、角速度センサ素子が衝撃を受けることにより、支持梁１０４に変形が加わって、２本の梁のうちの１本が破壊されると、共振周波数が１／√２倍に変化するため、角速度センサ素子の故障を把握しやすいという利点が得られる。
【０１３２】
図１０に示すように、本実施の形態２における角速度センサ素子は、励振素子１０５の一部を構成する駆動用可動電極１０６ａと駆動用可動電極１０７ａとを有している。駆動用可動電極１０６ａと、図１０では示されない駆動用固定電極との間、および、駆動用可動電極１０７ａと、図１０では示されない駆動用固定電極との間に電圧を印加して静電気力を発生させることにより、励振素子１０５は、半導体チップＣＨＰ１の厚さ方向であるｚ方向を含むｚｘ平面内で駆動振動（回転振動）することになる。
【０１３３】
そして、本実施の形態２における角速度センサ素子は、図１０に示すように、２つの駆動振幅モニタ部ＭＵ１〜ＭＵ２有している。このとき、駆動振幅モニタ部ＭＵ１は、励振素子１０５と一体的に形成された駆動振幅モニタ用可動電極１０８ａと、支持基板に固定された駆動振幅モニタ用固定電極１０８ｂと、から構成されている。同様に、駆動振幅モニタ部ＭＵ２は、励振素子１０５と一体的に形成された駆動振幅モニタ用可動電極１０９ａと、支持基板に固定された駆動振幅モニタ用固定電極１０９ｂと、から構成されている。
【０１３４】
さらに、図１０に示すように、本実施の形態２における角速度センサ素子は、４つの検出部ＤＴＵ１〜ＤＴＵ４を有している。このとき、検出部ＤＴＵ１は、励振素子１０５と一体的に形成された変位検出用可動電極１１２ａと、支持基板に固定された変位検出用固定電極１１２ｂと、から構成され、検出部ＤＴＵ２は、励振素子１０５と一体的に形成された変位検出用可動電極１１２ｃと、支持基板に固定された変位検出用固定電極１１２ｄと、から構成されている。同様に、検出部ＤＴＵ３は、励振素子１０５と一体的に形成された変位検出用可動電極１１３ａと、支持基板に固定された変位検出用固定電極１１３ｂと、から構成され、検出部ＤＴＵ４は、励振素子１０５と一体的に形成された変位検出用可動電極１１３ｃと、支持基板に固定された変位検出用固定電極１１３ｄと、から構成されている。
【０１３５】
また、図１０に示すように、本実施の形態２における角速度センサ素子は、２つのサーボ部ＳＶＵ１〜ＳＵＶ２を有している。サーボ部ＳＶＵ１は、励振素子１０５と一体的に形成されたサーボ電極可動部１１４ａと、支持基板に固定されたサーボ電極固定部１１４ｂと、から構成され、サーボ部ＳＶＵ２は、励振素子１０５と一体的に形成されたサーボ電極可動部１１５ａと、支持基板に固定されたサーボ電極固定部１１５ｂと、から構成されている。
【０１３６】
＜角速度センサ素子の断面構成＞
続いて、本実施の形態２における角速度センサ素子の断面構造について、図面を参照しながら説明する。図１１（ａ）は、図１０のＡ−Ａ線で切断した断面図である。図１１（ａ）に示すように、角速度センサ素子が形成される半導体チップＣＨＰ１は、例えば、単結晶シリコンからなる支持基板１Ｓを有している。この支持基板１Ｓの表面（上面、主面）には、例えば、酸化シリコン膜からなる絶縁層１３１が形成されており、この絶縁層１３１の上方にデバイス層ＤＬが形成され、デバイス層ＤＬの上方にキャップ層ＣＡＰＬが形成されている。そして、支持基板１Ｓとデバイス層ＤＬとの間、および、デバイス層ＤＬとキャップ層ＣＡＰＬとの間には、空洞部１０２が形成されている。
【０１３７】
デバイス層ＤＬには、単結晶シリコンで形成される枠部１０１、固定部１０３、励振素子１０５、サーボ電極可動部１１４ａ、１１５ａ、サーボ電極固定部１１４ｂ、１１５ｂ、駆動用可動電極１０６ａ、１０７ａ、変位検出用可動電極１１２ａ、１１２ｃ、１１３ａ、１１３ｃ、変位検出用固定電極１１２ｂ、１１２ｄ、１１３ｂ、１１３ｄなどの図１０に示される構成要素が形成されている。さらに、デバイス層ＤＬには、駆動振幅モニタ用可動電極１０８ａ〜１０９ａ、駆動振幅モニタ用固定電極１０８ｂ〜１０９ｂ、および、支持梁１０４なども形成されている。
【０１３８】
キャップ層ＣＡＰＬは、単結晶シリコンからなるキャップ部１４０、絶縁層１４１、導電膜１４２、保護膜１４３、励振素子１０５をｚｘ平面内で振動させるための電圧が印加される駆動用固定電極１０６ｂ、１０７ｂ、および、貫通電極などが形成されている。
【０１３９】
本実施の形態２における角速度センサ素子では、キャップ部１４０とデバイス層ＤＬとを接合し、角速度センサ素子をキャップ部１４０で保護する。特に、本実施の形態２における角速度センサ素子では、図１１（ａ）に示すように、接続領域ＣＲ１で支持基板１Ｓとデバイス層ＤＬとが接合され、接続領域ＣＲ２でデバイス層ＤＬとキャップ層ＣＡＰＬとが接続されている。
【０１４０】
図１１（ａ）に示すように、キャップ部１４０のうち、励振素子１０５がｚｘ平面内で駆動振動（回転振動）する場合に最大振幅が生じる部分に相対する領域は、励振素子１０５に駆動力を与える駆動用固定電極１０６ｂ、１０７ｂよりも、凹んだ構造となっている。少ない電極占有面積で大きな静電気力を得るためには、駆動用可動電極１０６ａと駆動用固定電極１０６ｂとの間の距離や、駆動用可動電極１０７ａと駆動用固定電極１０７ｂとの間の距離は、なるべく近いことが望ましい。一方、角速度センサの感度を高くするためには、励振素子１０５の駆動振動の振幅が大きいことが望ましい。
【０１４１】
この点に関し、本実施の形態２における角速度センサ素子では、駆動用固定電極１０６ｂ、１０７ｂがｚｘ平面内の回転振動軸である固定部１０３に近い場所に設置され、かつ、励振素子１０５の端部に相対するキャップ部１４０の領域が凹んだ構造をしている。このため、本実施の形態２における角速度センサ素子によれば、駆動用可動電極１０６ａと駆動用固定電極１０６ｂとの間の距離や、駆動用可動電極１０７ａと駆動用固定電極１０７ｂとの間の距離を近くしながら、励振素子１０５の端部での駆動振幅を大きくすることができる利点が得られる。
【０１４２】
＜駆動電極の構成＞
次に、本実施の形態２における駆動電極の構成について説明する。図１０において、励振素子１０５のうち、破線で示された領域には、駆動用可動電極１０６ａ、１０７ａが形成されている。図１１（ａ）に示すように、デバイス層ＤＬに形成されている駆動用可動電極１０６ａ、１０７ａの上方で、かつ、駆動用可動電極１０６ａ、１０７ａと対向する位置には、駆動用固定電極１０６ｂおよび駆動用固定電極１０７ｂが形成されている。
【０１４３】
このように配置することにより、駆動用可動電極１０６ａと駆動用固定電極１０６ｂとによって容量素子が形成されるとともに、駆動用可動電極１０７ａと駆動用固定電極１０７ｂとによって容量素子が形成される。
【０１４４】
例えば、本実施の形態２における角速度センサ素子では、互いに対向することにより容量素子を形成している駆動用可動電極１０６ａと駆動用固定電極１０６ｂとの間に、Ｖｃｏｍ＋Ｖｂ＋Ｖｄで表される周期的な駆動信号が印加され、駆動用可動電極１０７ａと駆動用固定電極１０７ｂとの間にＶｃｏｍ＋Ｖｂ−Ｖｄで表される周期的な駆動信号が印加される。さらに、本実施の形態２における角速度センサ素子では、励振素子１０５と電気的に接続されている固定部１０３に、貫通電極を介してＶｃｏｍで表される電圧が印加される。これにより、駆動用可動電極１０６ａと駆動用固定電極１０６ｂとの間、および、駆動用可動電極１０７ａと駆動用固定電極１０７ｂとの間には、交互に静電気力が働く。この結果、図１１（ｂ）の破線で示すように、励振素子１０５は、ｚｘ平面内で駆動振動（回転振動）することになる。
【０１４５】
ここで、例えば、電極間の対向面積をＳ、電極間距離をｄ、真空の誘電率をε０、電極間物質の比誘電率をεｒ、電極間の電位差をＶとした場合、電極間に働く静電気力Ｆｅは、（式１）で表すことができる。
【０１４６】
Ｆｅ＝ε０・εｒ・Ｓ・Ｖ２／（２・ｄ２）          ・・・（式１）
この（式１）から、少ない電極占有面積で大きな静電気力を得るためには、駆動用可動電極１０６ａと駆動用固定電極１０６ｂとの間の距離、および、駆動用可動電極１０７ａと駆動用固定電極１０７ｂとの間の距離は小さいことが望ましいことがわかる。
【０１４７】
一方、駆動振動している励振素子１０５に働くコリオリ力Ｆｃは、入力される角速度をΩ、励振素子１０５の質量をｍ、駆動振動の周波数（角振動数）をωｄ、駆動振動の振幅をＡｄとした場合、コリオリ力Ｆｃは、（式２）で表すことができる。
【０１４８】
Ｆｃ＝２・ｍ・Ω・Ａｄ・ωｄ                    ・・・（式２）
この（式２）から、角速度センサの感度を高くするにためには、駆動振動の振幅が大きいことが望ましいことがわかる。したがって、（式１）から少ない電極占有面積で大きな静電気力を得る観点からは、電極間距離は小さくすることが望ましい一方、（式２）から角速度センサの感度を高くする観点からは、電極間距離を大きくすることにより、駆動振動の振幅を大きくすることが望ましいことになる。つまり、少ない電極占有面積で大きな静電気力を得ることと、角速度センサの感度を向上することとは、トレードオフの関係にあることになる。
【０１４９】
この点に関し、本実施の形態２において、図１１（ａ）に示すように、駆動用固定電極１０６ｂ、１０７ｂは、例えば、駆動振幅モニタ部ＭＵ１〜ＭＵ２よりも、ｚｘ平面内の回転振動軸である固定部１０３に近い場所に設置されている。したがって、本実施の形態２における角速度センサ素子は、駆動用可動電極１０６ａと駆動用固定電極１０６ｂとの間の距離、および、駆動用可動電極１０７ａと駆動用固定電極１０７ｂとの間の距離を小さくしながら、励振素子１０５の端部における駆動振動の振幅を大きく取ることができる特徴がある。
【０１５０】
＜駆動振幅モニタ部の構成＞
続いて、本実施の形態２における駆動振幅モニタ部の構成について説明する。図１０に示すように、励振素子１０５には、励振素子１０５と一体的に形成された駆動振幅モニタ用可動電極１０８ａ、１０９ａが形成されている。そして、図１１（ａ）に示すように、この駆動振幅モニタ用可動電極１０８ａ、１０９ａのそれぞれと対向するように、励振素子１０５が形成されたデバイス層ＤＬに駆動振幅モニタ用固定電極１０８ｂ、１０９ｂのそれぞれが形成されている。これにより、駆動振幅モニタ用可動電極１０８ａ、１０９ａのそれぞれと、駆動振幅モニタ用固定電極１０８ｂ、１０９ｂのそれぞれによって、２つの容量素子が形成され、これらの２つの容量素子が、デバイス層ＤＬに形成される２つの駆動振幅モニタ部ＭＵ１〜ＭＵ２となる。このとき、２つの駆動振幅モニタ部ＭＵ１〜ＭＵ２のそれぞれを構成する２つの容量素子では、励振素子１０５がｚｘ平面内での駆動振動によりｚ方向に変位すると、容量値が変化する。
【０１５１】
ここで、図１１（ａ）に示すように、例えば、駆動振幅モニタ用可動電極１０８ａには、＋ｚ方向側の上端部に段差部ＤＩＦ１が形成され、駆動振幅モニタ用固定電極１０８ｂには、−ｚ方向側の下端部に段差部ＤＩＦ２が形成されている。これにより、例えば、励振素子１０５がｚｘ平面内で反時計回りに回転する場合、駆動振幅モニタ用可動電極１０８ａと駆動振幅モニタ用固定電極１０８ｂとから構成される容量素子の容量値は増加する。一方、励振素子１０５がｚｘ平面内で時計回りに回転する場合、駆動振幅モニタ用可動電極１０８ａと駆動振幅モニタ用固定電極１０８ｂとから構成される容量素子の容量値は減少する。したがって、本実施の形態２によれば、上述した段差部ＤＩＦ１と段差部ＤＩＦ２を設けることにより、励振素子１０５の回転方向を区別することができる。
【０１５２】
また、駆動振幅モニタ用可動電極１０９ａにも、＋ｚ方向側の上端部に段差部ＤＩＦ１が形成され、駆動振幅モニタ用固定電極１０９ｂにも、−ｚ方向側の下端部に段差部ＤＩＦ２が形成されている。これにより、例えば、励振素子１０５がｚｘ平面内で反時計回りに回転する場合、駆動振幅モニタ用可動電極１０９ａと駆動振幅モニタ用固定電極１０９ｂとから構成される容量素子の容量値は減少する。一方、励振素子１０５がｚｘ平面内で時計回りに回転する場合、駆動振幅モニタ用可動電極１０９ａと駆動振幅モニタ用固定電極１０９ｂとから構成される容量素子の容量値は増加する。
【０１５３】
本実施の形態２において、励振素子１０５を含むデバイス層ＤＬをシリコン深堀エッチング（ＤＲＩＥ）で加工する際には、励振素子１０５の＋ｚ方向側からイオンを照射して加工する。このため、励振素子１０５の−ｚ方向側の加工形状にバラツキが生じやすい。したがって、本実施の形態２における角速度センサ素子では、段差部ＤＩＦ１を励振素子１０５の＋ｚ方向側の上端部に形成することにより、加工バラツキに起因する励振素子１０５の質量バラツキを低減する効果を得ることができる。つまり、本実施の形態２における角速度センサ素子では、加工バラツキによる励振素子１０５の固有振動数の変動を抑制することができる。
【０１５４】
なお、本実施の形態２においても、角速度センサ素子が形成された半導体チップＣＨＰ１と電気的に接続される半導体チップＣＨＰ２には、信号処理回路が形成されている。そして、この信号処理回路では、駆動振幅モニタ部ＭＵ１〜ＭＵ２から得られる容量変化に基づいて、自動振幅制御を行って、励振素子１０５の駆動振動の振幅を一定に保っている。また、本実施の形態２においても、駆動振幅モニタ部ＭＵ１〜ＭＵ２から得られる容量変化に基づいて、自動周波数制御を行って、励振素子１０５の振動周波数を一定に保っている。さらに、本実施の形態２でも、駆動振幅モニタ部ＭＵ１〜ＭＵ２の構成要素が、励振素子１０５と同じデバイス層ＤＬに形成されている。このため、トランスファモールド技術を採用する点や、温度や湿度が変動する点に起因して、角速度センサ素子が形成された半導体チップＣＨＰ１に歪みが生じても、駆動振幅モニタ部ＭＵ１〜ＭＵ２を構成する容量素子の容量値も変動しにくい。つまり、本実施の形態２における角速度センサ素子も、励振素子１０５のｚｘ平面内における駆動振動の振幅を検出している容量素子の容量値は、半導体チップＣＨＰ１の歪みによる影響を受けにくい。
【０１５５】
一方、角速度センサ素子が形成された半導体チップＣＨＰ１に歪みが発生して、デバイス層ＤＬに形成されている駆動用可動電極１０６ａ、１０７ａと、キャップ層ＣＡＰＬに形成されている駆動用固定電極１０６ｂ、１０７ｂとの間の距離が変動して、容量値が変動することが考えられる。ただし、この場合であっても、本実施の形態２における角速度センサ素子は、半導体チップＣＨＰ１の歪みの影響を受けにくいデバイス層ＤＬに形成された駆動振幅モニタ部ＭＵ１〜ＭＵ２からの容量変化に基づいて、自動振幅制御を行なっているため、角速度センサの出力への影響を少なくすることができる。
【０１５６】
＜検出部の構成＞
次に、本実施の形態２における検出部の構成について説明する。図１０に示すように、励振素子１０５には、励振素子１０５と一体的に形成された変位検出用可動電極１１２ａ、１１２ｃ、１１３ａ、１１３ｃが形成されている。そして、この変位検出用可動電極１１２ａ、１１２ｃ、１１３ａ、１１３ｃのそれぞれと対向するように、変位検出用固定電極１１２ｂ、１１２ｄ、１１３ｂ、１１３ｄのそれぞれが形成されている。
【０１５７】
図１に示すように、変位検出用可動電極１１２ａと、変位検出用固定電極１１２ｂとによって、検出部ＤＴＵ１が構成され、変位検出用可動電極１１２ｃと、変位検出用固定電極１１２ｄとによって、検出部ＤＴＵ２が構成される。つまり、検出部ＤＴＵ１は、変位検出用可動電極１１２ａと変位検出用固定電極１１２ｂとからなる容量素子を含んでおり、この容量素子は、半導体チップＣＨＰ１に入力される角速度に応じて容量値が変化する。同様に、検出部ＤＴＵ２は、変位検出用可動電極１１２ｃと変位検出用固定電極１１２ｄとからなる容量素子を含んでおり、この容量素子は、半導体チップＣＨＰ１に入力される角速度に応じて容量値が変化する。
【０１５８】
また、変位検出用可動電極１１３ａと、変位検出用固定電極１１３ｂとによって、検出部ＤＴＵ３が構成され、変位検出用可動電極１１３ｃと、変位検出用固定電極１１３ｄとによって、検出部ＤＴＵ４が構成される。つまり、検出部ＤＴＵ３は、変位検出用可動電極１１３ａと変位検出用固定電極１１３ｂとからなる容量素子を含んでおり、この容量素子は、半導体チップＣＨＰ１に入力される角速度に応じて容量値が変化する。同様に、検出部ＤＴＵ４は、変位検出用可動電極１１３ｃと変位検出用固定電極１１３ｄとからなる容量素子を含んでおり、この容量素子は、半導体チップＣＨＰ１に入力される角速度に応じて容量値が変化する。
【０１５９】
図１２（ａ）は、図１０のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。図１２（ａ）に示すように、変位検出用固定電極１１２ｂには、切り欠きがないが、励振素子１０５と一体化されている変位検出用可動電極１１２ａには、＋ｚ方向側と−ｚ方向側とに切り欠きがある。言い換えれば、ｚｘ平面内において、変位検出用可動電極１１２ａのｚ方向の長さは、変位検出用固定電極１１２ｂのｚ方向の長さよりも小さくなっているということもできる。
【０１６０】
そして、切り欠きの高さｈは、励振素子１０５のｚｘ平面内での駆動振動（回転振動）の振幅よりも大きくなっている。したがって、図１２（ｂ）に示すように、励振素子１０５がｚｘ平面内で駆動振動（回転振動）をしていても、変位検出用可動電極１１２ａは、変位検出用固定電極１１２ｂからはみ出さない。この結果、変位検出用可動電極１１２ａと変位検出用固定電極１１２ｂから形成される容量素子の容量値は変動せず、半導体チップＣＨＰ１に入力される角速度に応じてのみ容量値が変動することになる。
【０１６１】
なお、切り欠きが励振素子１０５と一体化されている変位検出用可動電極１１２ａに形成されているため、励振素子１０５の質量を低減することができ、これによって、本実施の形態２における角速度センサ素子では、励振素子１０５の固有振動数を高めることができる。したがって、本実施の形態２における角速度センサ素子は、低周波帯域の機械的振動ノイズに対して、励振素子１０５の振動状態がロバストとなる（影響を受けにくい）特徴を有することになる。
【０１６２】
また、図１０に示すように、本実施の形態２における検出部ＤＴＵ１〜ＤＴＵ４は、ｘｙ平面内において、駆動用可動電極１０６ａ、１０７ａよりも、ｘｙ平面内の回転中心である固定部１０３から離れた位置に形成されている。このことから、本実施の形態２における検出部ＤＴＵ１〜ＤＴＵ４は、ｘｙ平面内の回転中心である固定部１０３に近い位置に形成される場合と比べて、角速度センサ素子が形成された半導体チップＣＨＰ１に印加される角速度がゼロの場合の初期容量値は同じでありながら、半導体チップＣＨＰ１に印加される角速度がゼロではない場合に生じる容量値の変化を大きくすることができる。
【０１６３】
本実施の形態２における角速度センサ素子でも、検出部ＤＴＵ１〜ＤＴＵ４の構成要素が、励振素子１０５と同じデバイス層ＤＬに形成されている。このため、トランスファモールド技術を採用する点や、温度や湿度が変動する点に起因して、角速度センサ素子が形成された半導体チップＣＨＰ１に歪みが生じても、検出部ＤＴＵ１〜ＤＴＵ４のそれぞれを構成する容量素子の容量値も変動しにくい。つまり、半導体チップＣＨＰ１に印加される角速度に応じて容量値が変化する検出部ＤＴＵ１〜ＤＴＵ４において、検出部ＤＴＵ１〜ＤＴＵ４のそれぞれを構成する容量素子の容量値は、半導体チップＣＨＰ１に生じる歪みの影響を受けにくい。
【０１６４】
＜サーボ部の構成＞
続いて、本実施の形態２におけるサーボ部の構成について説明する。例えば、図１０に示すように、励振素子１０５には、励振素子１０５と一体的に形成されたサーボ電極可動部１１４ａ、１１５ａが形成されている。そして、サーボ電極可動部１１４ａ、１１５ａと対向するように、サーボ電極固定部１１４ｂ、１１５ｂが形成されている。これにより、本実施の形態２における角速度センサ素子は、サーボ電極可動部１１４ａとサーボ電極固定部１１４ｂとからなるサーボ部ＳＶＵ１と、サーボ電極可動部１１５ａとサーボ電極固定部１１５ｂとからなるサーボ部ＳＶＵ２とを有している。
【０１６５】
角速度センサ素子が形成された半導体チップＣＨＰ１と電気的に接続される半導体チップには、信号処理回路が形成されている。この信号処理回路は、検出部ＤＴＵ１〜ＤＴＵ４のそれぞれを構成する容量素子の容量値を常に一定に保つように制御している。つまり、上述した信号処理回路は、入力されるｘ軸方向周りの角速度に応じて、励振素子１０５が変位しないように、サーボ部ＳＶＵ１やサーボ部ＳＶＵ２に印加する電圧を制御している。
【０１６６】
本実施の形態２における角速度センサでも、サーボ部ＳＶＵ１〜ＳＶＵ２の構成要素が、励振素子１０５と同じデバイス層ＤＬに形成されている。このため、トランスファモールド技術を採用する点や、温度や湿度が変動する点に起因して、角速度センサ素子が形成された半導体チップＣＨＰ１に歪みが生じても、サーボ部ＳＶＵ１〜ＳＶＵ２のそれぞれを構成する容量素子の容量値も変動しにくい。つまり、入力される角速度に応じた励振素子１０５のｘｙ平面内での変位を電圧調整により打ち消すサーボ部ＳＶＵ１〜ＳＶＵ２は、半導体チップＣＨＰ１に生じる歪みの影響を受けにくい。
【０１６７】
以上のことから、本実施の形態２における角速度センサによれば、例えば、角速度センサの小型化や低コスト化に有利なトランスファモールド技術を適用する場合であっても、角速度センサの性能や信頼性の低下を抑制することができる。言い換えれば、本実施の形態２における角速度センサは、樹脂の充填圧力、環境温度や湿度の変動による樹脂の膨張や収縮、経時的な材料物性の変化に起因にする樹脂の変形などが生じても、角速度センサの性能や信頼性への影響を抑制することができる。このため、本実施の形態２における角速度センサによれば、性能や信頼性の低下を招くことなく、トランスファモールド技術を適用できるため、角速度センサの小型化や低コスト化を図ることができる。
【０１６８】
（実施の形態３）
＜基本動作＞
まず、本実施の形態３における角速度センサ素子の動作の概要について説明する。角速度センサ素子の励振素子（可動部）は、全体が一体化し、中央部にある固定部を支点として、駆動梁の変形を伴いながら、ｙ軸方向を回転軸とするｚｘ平面（第１平面）内で回転振動をしている。回転角度が小さいとき、励振素子の運動は、ｚ方向の振動とみなすことができる。つまり、本実施の形態３において、励振素子は、半導体チップの厚さ方向であるｚ方向に振動可能なように構成されていることになる。
【０１６９】
ここで、ｚｘ平面内の励振素子の回転振動である駆動振動を誘起する役割を担うのが駆動電極であり、駆動振動の振幅を検出する役割を担うのが駆動振幅モニタ部である。次に、角速度センサ素子が形成された半導体チップの外部からｙ軸方向を回転軸とする角速度が入力されると、ｚｘ平面内で駆動振動している励振素子には、ｘ方向のコリオリ力が働く。この場合、検出梁を介して励振素子と接続されている検出部は、検出梁の変形を伴いながら、ｘ方向に平行変位する。ｘ方向の平行変位を検出する役割を担うのが、上述した検出部である。このｘ方向の平行変位を信号処理回路で演算することにより、角速度に対応した出力信号が角速度センサから出力される。
【０１７０】
なお、ＭＥＭＳ構造からなる角速度センサ素子が形成された半導体チップ（第１半導体チップ）と、信号処理回路が形成された半導体チップ（第２半導体チップ）との組み合わせによって、本実施の形態３における角速度センサが構成されている。
【０１７１】
＜角速度センサ素子の平面構成＞
次に、本実施の形態３における角速度センサ素子の平面構成について説明する。
【０１７２】
図１３は、本実施の形態３における角速度センサ素子が形成された半導体チップＣＨＰ１の構成を示す平面図である。図１３に示すように、半導体チップＣＨＰ１には、枠部１０１に囲まれるように空洞部１０２とダミー部１１６が形成されている。空洞部１０２の内部には、固定部１０３ａと固定部１０３ｂとが設けられている。固定部１０３ａには、弾性変形部である駆動梁１０４ａが接続され、固定部１０３ｂには、弾性変形部である駆動梁１０４ｂが接続されている。そして、駆動梁１０４ａおよび駆動梁１０４ｂは、励振素子１０５と接続されている。励振素子１０５は、弾性変形部である検出梁１１８を介して、検出部ＤＴＵ１〜ＤＴＵ２と接続されている。検出部ＤＴＵ１と検出部ＤＴＵ２とは、リンク梁１１９で接続されている。
【０１７３】
図１３に示すように、本実施の形態３における角速度センサ素子は、励振素子１０５の一部を構成する駆動用可動電極１０６ａと駆動用可動電極１０７ａとを有している。駆動用可動電極１０６ａと、図１３では示されない駆動用固定電極との間、および、駆動用可動電極１０７ａと、図１３では示されない駆動用固定電極との間に電圧を印加して静電気力を発生させることにより、励振素子１０５は、半導体チップＣＨＰ１の厚さ方向であるｚ方向を含むｚｘ平面内で駆動振動（回転振動）することになる。
【０１７４】
そして、本実施の形態３における角速度センサ素子は、図１３に示すように、４つの駆動振幅モニタ部ＭＵ１〜ＭＵ４有している。このとき、駆動振幅モニタ部ＭＵ１は、励振素子１０５と一体的に形成された駆動振幅モニタ用可動電極１０８ａと、支持基板に固定された駆動振幅モニタ用固定電極１０８ｂと、から構成されている。また、駆動振幅モニタ部ＭＵ２は、励振素子１０５と一体的に形成された駆動振幅モニタ用可動電極１０９ａと、支持基板に固定された駆動振幅モニタ用固定電極１０９ｂと、から構成されている。同様に、駆動振幅モニタ部ＭＵ３は、励振素子１０５と一体的に形成された駆動振幅モニタ用可動電極１１０ａと、支持基板に固定された駆動振幅モニタ用固定電極１１０ｂと、から構成されている。また、駆動振幅モニタ部ＭＵ４は、励振素子１０５と一体的に形成された駆動振幅モニタ用可動電極１１１ａと、支持基板に固定された駆動振幅モニタ用固定電極１１１ｂと、から構成されている。
【０１７５】
さらに、図１３に示すように、本実施の形態３における角速度センサ素子は、２つの検出部ＤＴＵ１〜ＤＴＵ２を有している。このとき、検出部ＤＴＵ１は、検出梁１１８を介して励振素子１０５と接続された変位検出用可動電極１１２ａと、支持基板に固定された変位検出用固定電極１１２ｂと、から構成され、検出部ＤＴＵ２は、検出梁１１８を介して励振素子１０５と接続された変位検出用可動電極１１３ａと、支持基板に固定された変位検出用固定電極１１３ｂと、から構成されている。
【０１７６】
ここで、固定部１０３ａと固定部１０３ｂは、導電性を有する単結晶シリコンから形成されている励振素子１０５と、導電性を有する単結晶シリコンから形成されている検出部ＤＴＵ１〜ＤＴＵ２とを介して、電気的に接続されている。したがって、固定部１０３ａと貫通電極を介して電気的に接続される第１パッドと、固定部１０３ｂと貫通電極を介して電気的に接続される第２パッドとを設け、第１パッドと第２パッドとの間に電流を流すことにより、励振素子１０５および検出部ＤＴＵ１〜ＤＴＵ２を介した固定部１０３ａと固定部１０３ｂとの電気的な接続を確認することができる。
【０１７７】
なお、励振素子１０５のうち、静電気力を発生させるために面積を大きくする必要のある駆動用可動電極１０６ａ、１０７ａと、入力される角速度と質量に比例したコリオリ力を検出する検出部ＤＴＵ１〜ＤＴＵ２を除いて、本実施の形態３における角速度センサ素子を構成する構造体には、穴があけられて軽量化が図られており、励振素子１０５の固有振動数が高められている。
【０１７８】
＜角速度センサ素子の断面構成＞
続いて、本実施の形態３における角速度センサ素子の断面構造について、図面を参照しながら説明する。図１４（ａ）は、図１３のＡ−Ａ線で切断した断面図であり、図１５（ａ）は、図１３のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。
【０１７９】
図１４（ａ）および図１５（ａ）に示すように、角速度センサ素子が形成される半導体チップＣＨＰ１は、例えば、単結晶シリコンからなる支持基板１Ｓを有している。この支持基板１Ｓの表面（上面、主面）には、例えば、酸化シリコン膜からなる絶縁層１３１が形成されており、この絶縁層１３１の上方にデバイス層ＤＬが形成され、デバイス層ＤＬの上方にキャップ層ＣＡＰＬが形成されている。そして、支持基板１Ｓとデバイス層ＤＬとの間、および、デバイス層ＤＬとキャップ層ＣＡＰＬとの間には、空洞部１０２が形成されている。
【０１８０】
デバイス層ＤＬには、単結晶シリコンで形成される枠部１０１、固定部１０３ａ、１０３ｂ、励振素子１０５、駆動用可動電極１０６ａ、１０７ａ、変位検出用可動電極１１２ａ、１１３ａ、変位検出用固定電極１１２ｂ、１１３ｂなどの図１３に示される構成要素が形成されている。さらに、デバイス層ＤＬには、駆動振幅モニタ用可動電極１０８ａ〜１１１ａ、駆動振幅モニタ用固定電極１０８ｂ〜１１１ｂ、および、駆動梁１０４ａ、１０４ｂ、検出梁１１８、リンク梁１１９なども形成されている。
【０１８１】
キャップ層ＣＡＰＬは、単結晶シリコンからなるキャップ部１４０、絶縁層１４１、導電膜１４２、保護膜１４３、励振素子１０５をｚｘ平面内で振動させるための電圧が印加される駆動用固定電極１０６ｂ、１０７ｂ、および、貫通電極などが形成されている。
【０１８２】
本実施の形態３における角速度センサ素子では、キャップ部１４０とデバイス層ＤＬとを接合し、角速度センサ素子をキャップ部１４０で保護する。特に、本実施の形態３における角速度センサ素子では、図１４（ａ）や図１５（ａ）に示すように、接続領域ＣＲ１で支持基板１Ｓとデバイス層ＤＬとが接合され、接続領域ＣＲ２でデバイス層ＤＬとキャップ層ＣＡＰＬとが接続されている。
【０１８３】
＜駆動電極の構成＞
次に、本実施の形態３における駆動電極の構成について説明する。図１３において、励振素子１０５のうち、破線で示された領域には、駆動用可動電極１０６ａ、１０７ａが形成されている。図１５（ａ）に示すように、デバイス層ＤＬに形成されている駆動用可動電極１０６ａ、１０７ａの上方で、かつ、駆動用可動電極１０６ａ、１０７ａと対向する位置には、駆動用固定電極１０６ｂおよび駆動用固定電極１０７ｂが形成されている。
【０１８４】
このように配置することにより、駆動用可動電極１０６ａと駆動用固定電極１０６ｂとによって容量素子が形成されるとともに、駆動用可動電極１０７ａと駆動用固定電極１０７ｂとによって容量素子が形成される。
【０１８５】
例えば、本実施の形態３における角速度センサ素子では、互いに対向することにより容量素子を形成している駆動用可動電極１０６ａと駆動用固定電極１０６ｂとの間に、Ｖｃｏｍ＋Ｖｂ＋Ｖｄで表される周期的な駆動信号が印加され、駆動用可動電極１０７ａと駆動用固定電極１０７ｂとの間にＶｃｏｍ＋Ｖｂ−Ｖｄで表される周期的な駆動信号が印加される。さらに、本実施の形態３における角速度センサ素子では、励振素子１０５と電気的に接続されている固定部１０３ａと固定部１０３ｂに、貫通電極を介してＶｃｏｍで表される電圧が印加される。これにより、駆動用可動電極１０６ａと駆動用固定電極１０６ｂとの間、および、駆動用可動電極１０７ａと駆動用固定電極１０７ｂとの間には、交互に静電気力が働く。この結果、図１５（ｂ）の破線で示すように、励振素子１０５は、ｚｘ平面内で駆動振動（回転振動）することになる。
【０１８６】
＜駆動振幅モニタ部の構成＞
続いて、本実施の形態３における駆動振幅モニタ部の構成について説明する。図１３に示すように、励振素子１０５には、励振素子１０５と一体的に形成された駆動振幅モニタ用可動電極１０８ａ〜１１１ａが形成されている。そして、駆動振幅モニタ用可動電極１０８ａ〜１１１ａのそれぞれと対向するように、励振素子１０５が形成されたデバイス層ＤＬに駆動振幅モニタ用固定電極１０８ｂ〜１１１ｂのそれぞれが形成されている。これにより、駆動振幅モニタ用可動電極１０８ａ〜１１１ａのそれぞれと、駆動振幅モニタ用固定電極１０８ｂ〜１１１ｂのそれぞれによって、４つの容量素子が形成され、これらの４つの容量素子が、デバイス層ＤＬに形成される４つの駆動振幅モニタ部ＭＵ１〜ＭＵ４となる。このとき、４つの駆動振幅モニタ部ＭＵ１〜ＭＵ４のそれぞれを構成する４つの容量素子では、励振素子１０５がｚｘ平面内での駆動振動によりｚ方向に変位すると、容量値が変化する。
【０１８７】
なお、本実施の形態３においても、角速度センサ素子が形成された半導体チップＣＨＰ１と電気的に接続される半導体チップＣＨＰ２には、信号処理回路が形成されている。そして、この信号処理回路では、駆動振幅モニタ部ＭＵ１〜ＭＵ４から得られる容量変化に基づいて、自動振幅制御を行って、励振素子１０５の駆動振動の振幅を一定に保っている。また、本実施の形態３においても、駆動振幅モニタ部ＭＵ１〜ＭＵ４から得られる容量変化に基づいて、自動周波数制御を行って、励振素子１０５の振動周波数を一定に保っている。さらに、本実施の形態３でも、駆動振幅モニタ部ＭＵ１〜ＭＵ４の構成要素が、励振素子１０５と同じデバイス層ＤＬに形成されている。このため、トランスファモールド技術を採用する点や、温度や湿度が変動する点に起因して、角速度センサ素子が形成された半導体チップＣＨＰ１に歪みが生じても、駆動振幅モニタ部ＭＵ１〜ＭＵ４を構成する容量素子の容量値も変動しにくい。つまり、本実施の形態３における角速度センサ素子も、励振素子１０５のｚｘ平面内における駆動振動の振幅を検出している容量素子の容量値は、半導体チップＣＨＰ１の歪みによる影響を受けにくい。
【０１８８】
一方、角速度センサ素子が形成された半導体チップＣＨＰ１に歪みが発生して、デバイス層ＤＬに形成されている駆動用可動電極１０６ａ、１０７ａと、キャップ層ＣＡＰＬに形成されている駆動用固定電極１０６ｂ、１０７ｂとの間の距離が変動して、容量値が変動することが考えられる。ただし、この場合であっても、本実施の形態３における角速度センサ素子は、半導体チップＣＨＰ１の歪みの影響を受けにくいデバイス層ＤＬに形成された駆動振幅モニタ部ＭＵ１〜ＭＵ４からの容量変化に基づいて、自動振幅制御を行なっているため、角速度センサの出力への影響を少なくすることができる。
【０１８９】
＜検出部の構成＞
次に、本実施の形態２における検出部の構成について説明する。図１３に示すように、検出部ＤＴＵ１は、検出梁１１８を介して励振素子１０５と接続される変位検出用可動電極１１２ａと、変位検出用可動電極１１２ａと対向するように配置されている変位検出用固定電極１１２ｂとから構成される容量素子を含んでいる。同様に、検出部ＤＴＵ２は、検出梁１１８を介して励振素子１０５と接続される変位検出用可動電極１１３ａと、変位検出用可動電極１１３ａと対向するように配置されている変位検出用固定電極１１３ｂとから構成される容量素子を含んでいる。
【０１９０】
ここで、図１４（ａ）に示すように、変位検出用可動電極１１２ａ、１１３ａには、段差部がないが、変位検出用固定電極１１２ｂ、１１３ｂには、ｚ方向の上端部と下端部とに、同じ形状の段差部ＤＩＦが形成されている。この段差部ＤＩＦの高さは、励振素子１０５のｚｘ平面内の回転振動の振幅より大きい。したがって、図１４（ｂ）に示すように、励振素子１０５がｚｘ平面内で駆動振動をしていても、変位検出用可動電極１１２ａと変位検出用固定電極１１２ｂから構成される容量素子の容量値は、ほとんど変動せず、半導体チップＣＨＰ１に印加される角速度に応じてのみ容量値が変動する。同様に、励振素子１０５がｚｘ平面内で駆動振動をしていても、変位検出用可動電極１１３ａと変位検出用固定電極１１３ｂから構成される容量素子の容量値も、ほとんど変動せず、半導体チップＣＨＰ１に印加される角速度に応じてのみ容量値が変動する。
【０１９１】
なお、図１３に示すように、検出部ＤＴＵ１と検出部ＤＴＵ２は、ｙ方向に延在する中心軸に対して対称な位置に配置されている。そして、検出部ＤＴＵ１と検出部ＤＴＵ２は、互いにリンク梁１１９によって接続されることにより、音叉構造が形成されている。したがって、検出部ＤＴＵ１を構成する容量素子と、検出部ＤＴＵ２を構成する容量素子は、半導体チップＣＨＰ１に印加される角速度に応じてのみ容量値が変動する一方、半導体チップＣＨＰ１に加わる振動ノイズに起因する容量値の変動は、キャンセルされるため、本実施の形態３における角速度センサ素子は、外乱振動にロバストな特徴がある。
【０１９２】
また、図１３や図１４（ａ）に示すように、検出部ＤＴＵ１は、ｘｙ平面内で分断された２つの変位検出用固定電極１１２ｂを有し、２つ変位検出用固定電極１１２ｂのそれぞれと接続された貫通電極を介して電気的に接続されている。同様に、検出部ＤＴＵ２も、ｘｙ平面内で分断された２つの変位検出用固定電極１１３ｂを有し、２つの変位検出用固定電極１１３ｂのそれぞれと接続された貫通電極を介して電気的に接続されている。したがって、検出部ＤＴＵ１の形状と検出部ＤＴＵ２の形状の両方が、対称構造をしているため、本実施の形態３における角速度センサ素子は、駆動振動および検出振動以外の不要な振動モードの発生を抑制できる利点を有する。
【０１９３】
本実施の形態３における角速度センサ素子でも、検出部ＤＴＵ１〜ＤＴＵ２の構成要素が、励振素子１０５と同じデバイス層ＤＬに形成されている。このため、トランスファモールド技術を採用する点や、温度や湿度が変動する点に起因して、角速度センサ素子が形成された半導体チップＣＨＰ１に歪みが生じても、検出部ＤＴＵ１〜ＤＴＵ２のそれぞれを構成する容量素子の容量値も変動しにくい。つまり、半導体チップＣＨＰ１に印加される角速度に応じて容量値が変化する検出部ＤＴＵ１〜ＤＴＵ２において、検出部ＤＴＵ１〜ＤＴＵ２のそれぞれを構成する容量素子の容量値は、半導体チップＣＨＰ１に生じる歪みの影響を受けにくい。
【０１９４】
＜角速度センサの実装構成＞
次に、本実施の形態３における角速度センサの実装構成について説明する。図１６は、本実施の形態３における角速度センサが形成された半導体装置ＳＡ２の実装構成を示す断面図である。まず、図１６に示すように、半導体装置ＳＡ２は、例えば、樹脂からなる封止体ＭＲの内部にチップ搭載部ＴＡＢが配置されるとともに、リードＬＤも配置されている。このリードＬＤの一部は、封止体ＭＲから突き出ており、リードＬＤは、外部接続端子として機能する。チップ搭載部ＴＡＢ上には、信号処理回路が形成された半導体チップＣＨＰ２が搭載されている。半導体チップＣＨＰ２には、信号処理回路を実現するために、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ＣＨＰ２に形成されている信号処理回路は、角速度センサ素子からの出力信号を演算して、角速度センサ素子に制御信号を出力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。この角速度信号は、例えば、リードＬＤを介して、外部機器に出力される。
【０１９５】
図１６に示すように、半導体チップＣＨＰ２に形成されているパッドＰＤ２は、リードＬＤとワイヤＷで電気的に接続されている。
【０１９６】
さらに、半導体チップＣＨＰ２上には、半導体チップＣＨＰ１が搭載されている。この半導体チップＣＨＰ１には、角速度センサ素子を構成する構造体が形成されている。具体的に、本実施の形態３では、図１６に示すように、半導体チップＣＨＰ１のキャップ層ＣＡＰＬと接するように突起電極ＢＭＰ（バンプ電極）が形成されており、半導体チップＣＨＰ１は、突起電極ＢＭＰを半導体チップＣＨＰ２のパッドＰＤ１に接続させながら、キャップ層ＣＡＰＬを半導体チップＣＨＰ２の主面（上面）に対向させた状態で、半導体チップＣＨＰ２の上方に搭載されている。すなわち、本実施の形態３における角速度センサでは、半導体チップＣＨＰ２上に半導体チップＣＨＰ１が突起電極ＢＭＰによってフェイスダウン状態で搭載されている。
【０１９７】
さらに、図１６に示すように、本実施の形態３における角速度センサにおいては、半導体チップＣＨＰ１を覆うように封止体ＭＲが形成されている。具体的に、本実施の形態３では、半導体チップＣＨＰ１の構成要素である支持基板１Ｓが上方（＋ｚ方向）を向くように配置されており、この支持基板１Ｓを覆うように封止体ＭＲが形成されている。
【０１９８】
ここで、封止体ＭＲは、例えば、樹脂材料からなる。この封止体ＭＲは、チップ搭載部ＴＡＢ上に半導体チップＣＨＰ２と半導体チップＣＨＰ１とを搭載した構造体を金型に設置し、この金型内に高温で溶融した樹脂材料を１〜１０ＭＰａ程度の圧力で射出した後、樹脂材料を冷却して硬化させることにより形成される。つまり、封止体ＭＲは、トランスファモールド技術によって形成される。
【０１９９】
このトランスファモールド技術は、従来のセラミックパッケージ技術よりも量産性が高いため、角速度センサの製造コストを低減する上で有効な技術である。しかし、空洞部１０２を有する半導体チップＣＨＰ１のうち、樹脂材料からなる封止体ＭＲと接する支持基板１Ｓは、樹脂材料を金型内に射出する際の圧力で圧迫されて、図１６に示すように変形する。また、封止体ＭＲを構成する樹脂材料は、温度変動と吸湿によって体積が膨張するととともに、乾燥によって体積が収縮する特徴がある。したがって、半導体装置ＳＡ２が配置される環境の温度や湿度が変動すると、封止体ＭＲの膨張と収縮により、封止体ＭＲの内部に配置された半導体チップＣＨＰ１に歪みが発生する。つまり、封止体ＭＲを形成する際や、半導体装置ＳＡ２が設置される環境の温度や湿度が変動する場合、半導体チップＣＨＰ１に歪みが発生する。
【０２００】
この点に関し、本実施の形態３における角速度センサでは、図１６に示すように、半導体チップＣＨＰ１の支持基板１Ｓが封止体ＭＲと直接接触しているため、封止体ＭＲの膨張と収縮によって、この支持基板１Ｓに変形（歪み）が発生する。しかし、本実施の形態３における角速度センサは、支持基板１Ｓではなく、デバイス層ＤＬとキャップ層ＣＡＰＬに角速度センサ素子を構成する構造体が形成されている。言い換えれば、支持基板１Ｓには、角速度センサ素子を構成する構造体は形成されていない。そして、たとえ、支持基板１Ｓに変形（歪み）が発生しても、支持基板１Ｓとデバイス層ＤＬとの間には、空洞部１０２が形成されているため、支持基板１Ｓの変形がデバイス層ＤＬに与える影響は少なくなる。つまり、本実施の形態３における角速度センサは、半導体チップＣＨＰ１に発生する歪みに起因する角速度センサの性能低下が起こりにくい構造をしているということができる。
【０２０１】
以上のことから、本実施の形態３における角速度センサによれば、例えば、角速度センサの小型化や低コスト化に有利なトランスファモールド技術を適用する場合であっても、角速度センサの性能や信頼性の低下を抑制することができる。言い換えれば、本実施の形態３における角速度センサは、樹脂の充填圧力、環境温度や湿度の変動による樹脂の膨張や収縮、経時的な材料物性の変化に起因にする樹脂の変形などが生じても、角速度センサの性能や信頼性への影響を抑制することができる。このため、本実施の形態３における角速度センサによれば、性能や信頼性の低下を招くことなく、トランスファモールド技術を適用できるため、角速度センサの小型化や低コスト化を図ることができる。
【０２０２】
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【０２０３】
前記実施の形態は、下記の形態を含む。
【０２０４】
（付記１）
第１半導体チップを備え、
前記第１半導体チップは、
（ａ）支持基板、
（ｂ）前記支持基板の上方に配置されたデバイス層、
（ｃ）前記デバイス層の上方に配置されたキャップ層、
（ｄ）前記支持基板と前記デバイス層との間、および、前記デバイス層と前記キャップ層との間に形成された空洞部、
を含み、
前記デバイス層には、
（ｂ１）前記支持基板の厚さ方向を含む第１平面内で振動可能な励振素子、
（ｂ２）前記第１平面に垂直な第２平面内に含まれる回転軸周りに角速度が印加された際、前記角速度に起因して発生するコリオリ力に基づく前記第２平面内の変位を静電容量の変化として捉える検出部、
が形成され、
前記キャップ層には、前記励振素子を前記第１平面内で振動させるための電圧が印加される駆動用固定電極が形成されている、角速度センサ。
【０２０５】
（付記２）
付記１に記載の角速度センサにおいて、
前記空洞部内の圧力は、１００Ｐａ以下である、角速度センサ。
【０２０６】
（付記３）
付記１に記載の角速度センサにおいて、
前記支持基板と前記デバイス層とは、第１接続領域において、絶縁層を介して接続され、
前記デバイス層と前記キャップ層とは、第２接続領域において、直接接続されている、角速度センサ。
【０２０７】
（付記４）
付記３に記載の角速度センサにおいて、
前記支持基板、前記デバイス層、および、前記キャップ層は、シリコン材料から形成されている、角速度センサ。
【符号の説明】
【０２０８】
１Ｓ  支持基板
１０１  枠部
１０２  空洞部
１０３  固定部
１０３ａ  固定部
１０３ｂ  固定部
１０４  支持梁
１０４ａ  駆動梁
１０４ｂ  駆動梁
１０５  励振素子
１０６ａ  駆動用可動電極
１０６ｂ  駆動用固定電極
１０７ａ  駆動用可動電極
１０７ｂ  駆動用固定電極
１０８ａ  駆動振幅モニタ用可動電極
１０８ｂ  駆動振幅モニタ用固定電極
１０９ａ  駆動振幅モニタ用可動電極
１０９ｂ  駆動振幅モニタ用固定電極
１１０ａ  駆動振幅モニタ用可動電極
１１０ｂ  駆動振幅モニタ用固定電極
１１１ａ  駆動振幅モニタ用可動電極
１１１ｂ  駆動振幅モニタ用固定電極
１１２ａ  変位検出用可動電極
１１２ｂ  変位検出用固定電極
１１２ｃ  変位検出用可動電極
１１２ｄ  変位検出用固定電極
１１３ａ  変位検出用可動電極
１１３ｂ  変位検出用固定電極
１１３ｃ  変位検出用可動電極
１１３ｄ  変位検出用固定電極
１１４ａ  サーボ電極可動部
１１４ｂ  サーボ電極固定部
１１５ａ  サーボ電極可動部
１１５ｂ  サーボ電極固定部
１１６  ダミー部
１１８  検出梁
１１９  リンク梁
１３１  絶縁層
１４０  キャップ部
１４１  絶縁層
１４２  導電膜
１４３  保護膜
２１０ａ  駆動信号生成部
２１０ｂ  駆動信号生成部
２１１  変調信号生成部
２１２  演算部
２１３  演算部
２１４ａ  サーボ信号生成部
２１４ｂ  サーボ信号生成部
２１５  サーボ信号演算部
ＢＭＰ  突起電極
ＣＡＰＬ  キャップ層
ＣＨＰ１  半導体チップ
ＣＨＰ２  半導体チップ
ＣＲ１  接続領域
ＣＲ２  接続領域
Ｃ８  容量素子
Ｃ１１  容量素子
Ｃ１２  容量素子
Ｃ１３  容量素子
ＤＩＦ  段差部
ＤＩＦ１  段差部
ＤＩＦ２  段差部
ＤＬ  デバイス層
ＤＴＵ１  検出部
ＤＴＵ２  検出部
ＬＤ  リード
ＭＲ  封止体
ＭＵ１  駆動振幅モニタ部
ＭＵ２  駆動振幅モニタ部
ＭＵ３  駆動振幅モニタ部
ＭＵ４  駆動振幅モニタ部
ＰＤ１  パッド
ＰＤ２  パッド
ＳＡ１  半導体装置
ＳＶＵ１  サーボ部
ＳＶＵ２  サーボ部
ＴＡＢ  チップ搭載部
Ｗ  ワイヤ
【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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