(57)【要約】【課題】センサ構造に制約を与えることなくＱ値を低減させる。【解決手段】センサチップ１００は電極１、２が形成された構造体１００ａの下を含めて全体にわたって支持基板１０２により支持され、ダンピング係数を大きくしてＱ値を低減させる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に固定電極が形成されるとともに、前記固定電極と対向するように可動電極が形成された構造体と、
前記構造体の全領域に対向するように前記半導体基板を支持する支持基板とを有する半導体力学量センサ。
【請求項２】
前記構造体厚と前記構造体−前記支持基板の距離は、ダンピング係数が大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体力学量センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固定電極と可動電極の間の容量に基づいて加速度などの力学量を検出する半導体力学量センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５を参照して１軸方向（Ｘ方向）の容量式加速度センサについて説明する。
図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のｂ−ｂ断面図、図５（ｃ）は図５（ａ）のｃ−ｃ断面図である。図５に示す容量式加速度センサは、Ｓｉなどの半導体基板１０の半導体層に溝１１を形成することにより複数組の固定電極１と可動電極２がＸ方向に対向して容量を形成するように構成されている。可動電極２は、Ｘ方向に伸びた錘３に対して±Ｙ方向に櫛歯状に複数組形成されている。
錘３の両端はＸ方向に変位可能に半導体基板１０上に形成され、錘３の両端には加速度に応じて変位可能な梁４が形成されている。そして、可動電極２に対向するように±Ｙ方向にそれぞれ配列された各固定電極１はそれぞれＡｌなどのパッド５ａ、５ｂに接続され、可動電極２はパッド５ｃに接続されている。パッド５ａ、５ｂ、５ｃはワイヤによるボンディングによりマザー基板などの不図示の他の回路チップのパッドを通して外部に接続される。
【０００３】
ここで、隣接している固定電極１ａ、１ｂの間には可動電極２ａが配置されており、このような構成において、このセンサにＸ方向の加速度が印加されると、梁４がＸ方向に変位することにより固定電極１ａ、１ｂと可動電極２ａの間の各距離が変化して、固定電極１ａと可動電極２ａの間の容量ＣＳ１と、固定電極１ｂと可動電極２ａの間の容量ＣＳ２が変化する。この半導体力学量センサの等価回路を図６の左側に示す。固定電極１ａ、１ｂにはパルス電圧Ｖｃｃが印加されている。そして、この発生した容量ＣＳ１、ＣＳ２の変化ΔＣ（＝ＣＳ１−ＣＳ２）を可動電極２から取り出し、例えば図６の右側に示すようなスイッチドキャパシタ回路５により電圧＝（ＣＳ１−ＣＳ２）・Ｖｃｃ／Ｃｆに変換して加速度を検出することができる。
【０００４】
ところで、この容量式力学量センサの構造共振周波数は、質量ｍ、バネ定数ｋから一義的に決まり、共振の鋭さを表すＱ値は、さらにダンピング定数ｃを加えた計算式から決まる。このＱ値が大きい構造体では、入力される衝撃によってはセンサの破壊を引き起こす危険性がある。そのため、構造設計時には、入力衝撃の周波数を外した構造設計を行なう必要がある。この種の従来例としては、例えば下記の特許文献１には、ダンピングの影響を受けにくくするために可動電極２などを含む可動体に対向する半導体基板１０の位置に空洞を形成する構造が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２２８６７８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、Ｑ値を低減させるためにはセンサ構造に制約を与えるという問題点がある。
本発明は上記従来例の問題点に鑑み、センサ構造に制約を与えることなくＱ値を低減させることができる半導体力学量センサを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、電極が形成された構造体の全領域に対向するように半導体基板を支持する支持基板を設けたものである。
上記構成により、ダンピング係数を大きくしてＱ値を低減させることができるので、センサ構造に制約を与えることなくＱ値を低減させることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明に係る半導体力学量センサの一実施の形態と従来例を比較して示す構成図、図２はスライドダンピングとスクイズダンピングを示す説明図、図３は構造体厚ごとの可動体−支持基板間隔とＱ値の関係を示す説明図、図４は従来例と本発明の各試作品の周波数特性を示すグラフである。
【０００９】
図１（ａ）は従来例を示し、センサチップ１００は電極１、２の下が空洞になるように支持基板１０１により支持されている。図１（ｂ）は本発明の一実施の形態を示し、センサチップ１００は電極１、２が形成された構造体１００ａの下を含めて全体にわたって支持基板１０２により支持されている。ここで、センサチップ１００を構成する部材（固定電極１、可動電極２、錘３、梁４など）の構造は、図５に示したものと同じであるのでその詳細な説明は省略する。なお、錘３のパッド５ｃと反対側の端部は、アンカ６を介して半導体基板１０上に支持されている。
【００１０】
ここで、容量式力学量センサは粘性減衰のある自由振動で表現でき、その運動方程式は式（１）で表される。
【００１１】
【数１】
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【００１２】
ここで、ｍは質量、ｃはダンピング係数、ｋはバネ定数、ｘは変位量を示す。この運動方程式（１）を解くと、
【００１３】
【数２】
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【００１４】
となる。ここで、ωは固有振動数、ξは臨界減衰係数と呼ぶ。また、減衰の程度を示す量としてＱ値は次式（２）
【００１５】
【数３】
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【００１６】
で表され、質量ｍ、バネ定数ｋに比例し、ダンピング係数ｃに反比例していることがわかる。このＱ値が大きければ共振曲線のピークが高くなり、逆に小さければ共振曲線のピークは低くなる。
【００１７】
ここで、容量式力学量センサのダンピングには、図２に示すスライドダンピングとスクイズダンピングがある。従来の裏面エッチング構造では、可動体上下に構造体が存在しないため、前者のスライドダンピングはほとんど発生しない。一方、スクイズドダンピングはほとんどが電極１、２間で発生するため、ダンピング係数ｃを大きくするには電極１、２の面積を大きくする必要がある。その結果、Ｑ値をコントロールするには構造体の寸法を調整する必要があり、構造設計上の自由度が低下する。
【００１８】
図１（ｂ）に示す本発明の構造では、構造体１００ａの裏面全体に支持基板１０２が存在するため、電極１、２が形成された構造体１００ａと支持基板１０２間にスライドダンピングが発生し、ダンピング係数ｃを大きくできる。それによりＱ値を低減させるために構造体１００ａの寸法を調整する必要がなくなり、構造設計上の自由度が向上する。
【００１９】
図３（ａ）は図３（ｂ）に示すような構造体厚ｔ１＝８μｍ、１０μｍ、１２μｍ、１４μｍにおける可動体−支持基板間隔ｔ２［μｍ］とＱ値の関係を示すグラフである。図３（ａ）に示されるように、構造体厚ｔ１が大きいほどＱ値が小さくなる。
【００２０】
また図１（ａ）に示す従来例と図１（ｂ）に示す本発明の構造体厚をｔ１＝１５μｍとしたときの各試作品における周波数特性をそれぞれ図４（ａ）、図４（ｂ）として示す。両者の比較から明らかなように、共振周波数＝６ｋＨｚ近傍における変位倍率は、本発明による試作品の方が小さくなっており、図３に示す理論計算と傾向が一致していることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体力学量センサの一実施の形態と従来例を比較して示す構成図である。
【図２】スライドダンピングとスクイズダンピングを示す説明図である。
【図３】構造体厚ごとの可動体−支持基板間隔とＱ値の関係を示す説明図である。
【図４】従来例と本発明の各試作品の周波数特性を示すグラフである。
【図５】半導体力学量センサの基本構造を示す構成図である。
【図６】半導体力学量センサの等価回路及びスイッチドキャパシタ回路を示す回路図である。
【符号の説明】
１、１ａ、１ｂ  固定電極
２、２ａ  可動電極
３  錘
４  梁
５  スイッチドキャパシタ回路
５ａ、５ｂ、５ｃ  パッド
６  アンカ
１０  半導体基板
１１  溝
１００  センサチップ
１０１、１０２  支持基板
１００ａ  構造体
【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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