(57)【要約】【課題】櫛歯状の可動電極および固定電極を有するセンサチップを回路チップに組み付けてなる容量式加速度センサ装置において、簡素な構成にて適切に両側固定電極構成を実現する。【解決手段】センサチップ１００は、半導体基板１０の一面側に、Ｙ方向へ変位可能な櫛歯状の可動電極２４およびこの可動電極２４に対向して配置された櫛歯状の固定電極３０、３１、４０、４１を有し、Ｙ方向への加速度印加に伴う可動電極と固定電極との間の容量変化に基づいて加速度を検出する。個々の可動電極２４におけるＹ方向に沿った方向の一側と他側とにそれぞれ１本ずつ固定電極３０、３１、４０、４１が対向して設けられた両側固定電極構成となっている。センサチップ１００は、基板１０の一面を回路チップと対向させて、各電極パッド２５ａ、３０ａ、３１ａ、４０ａ、４１ａと回路チップとの間をバンプ電極により、電気的に接続する。【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（１０）の一面側に、力学量の印加に応じて所定方向（Ｙ）へ変位可能な可動電極（２４）およびこの可動電極に対向して配置された固定電極（３０、３１、４０、４１）を有し、前記力学量の印加に伴う前記可動電極と前記固定電極との間の容量変化に基づいて前記力学量を検出するようにしたセンサチップ（１００）と、
前記センサチップからの出力信号を処理するための回路チップ（２００）とを備える容量式力学量センサ装置において、
前記可動電極は、前記所定方向に沿って櫛歯状に複数本配列されたものであり、
前記固定電極は、前記可動電極における櫛歯の隙間にかみ合うように櫛歯状に複数本配列されたものであり、
個々の前記可動電極に対して前記所定方向に沿った方向の一側と他側とにそれぞれ１本ずつ前記固定電極が対向して設けられており、
前記センサチップにおける前記半導体基板の一面と前記回路チップとが対向した状態で配置され、
前記固定電極および前記可動電極と前記回路チップとがバンプ電極（３００）を介して電気的に接続されていることを特徴とする容量式力学量センサ装置。
【請求項２】
前記可動電極（２４）における前記所定方向（Ｙ）に沿った方向の一側に設けられた前記固定電極（３１、４１）に対しては、１本毎に別々の前記バンプ電極（３００）が接続されており、
前記可動電極における前記所定方向に沿った方向の他側に設けられた前記固定電極（３０、４０）は、電気的に共通した配線部（３２、４２）にまとめられており、この配線部に対して前記バンプ電極が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の容量式力学量センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、櫛歯状の可動電極および固定電極を有するセンサチップを回路チップに組み付けてなる容量式力学量センサ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の容量式力学量センサ装置としては、半導体基板の一面側に、力学量の印加に応じて所定方向へ変位可能な可動電極およびこの可動電極に対向して配置された固定電極を有するセンサチップを備えたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この容量式力学量センサ装置におけるセンサチップ１００の一般的な平面構成を図６に示す。また、図７は、同容量式力学量センサ装置における概略断面図であり、図６中のＤ−Ｄ線に沿った断面にて、センサチップ１００が回路チップ２００上に積層され搭載された状態を示している。
【０００４】
このセンサチップ１００は、半導体基板１０の一面側からトレンチエッチングを施すことで溝を形成することにより、梁部２２およびこれに一体形成された可動電極２４からなる可動部と、可動電極に対向した固定電極３０、４０とが形成されたものである。
【０００５】
梁部２２は、力学量の印加に応じて図６中の矢印Ｙ方向に変位するバネ機能を有するもので、この変位方向Ｙと直交する方向に延びる梁形状を有する。可動電極２４は、梁部２２に一体に形成されるとともに、梁部２２の変位方向Ｙに沿って櫛歯状に複数本配列されたものであり、梁部２２とともに変位方向Ｙに変位可能となっている。
【０００６】
また、固定電極３０、４０は、基板１０に固定支持され、可動電極２４における櫛歯の隙間にかみ合うように櫛歯状に複数本配列されたものであり、固定電極３０、４０の側面と可動電極２４の側面とが対向して配置されている。
【０００７】
また、可動電極２４および各固定電極３０、４０は、それぞれ配線部２５、３２、４２とつながっており、各配線部２５、３２、４２上の所定位置には、それぞれワイヤボンディング用のパッド２５ａ、３０ａ、４０ａが形成されている。
【０００８】
そして、各パッド２５ａ、３０ａ、４０ａは、回路チップ２００とボンディングワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３を介して結線され電気的に接続されている。なお、図７では、可動電極２４のパッド２５ａのみについてボンディングワイヤＷ１による接続形態が示されているが、他のパッド３０ａ、４０ａも同様である。
【０００９】
ここで、図６中の左側の可動電極２４と固定電極３０との間隔（電極間隔）に形成される容量をＣＳ１、右側の可動電極２４と固定電極４０との間隔（電極間隔）に形成される容量をＣＳ２とする。
【００１０】
そして、このセンサチップ１００においては、力学量の印加に伴い、左右の可動電極２４と固定電極３０、４０との間の容量ＣＳ１、ＣＳ２が変化する。この変化した容量の差（ＣＳ１−ＣＳ２）に基づく信号がセンサチップ１００から出力信号として出力され、この信号は回路チップ２００にて処理され、最終的に出力される。こうして力学量が検出されるようになっている。
【００１１】
【特許文献１】
特開平１１−３２６３６５号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の容量式力学量センサ装置においては、上記図６に示したように、櫛歯状の可動電極２４における個々の可動電極の１本に対して、１本の固定電極３０、４０が対向して配置されたものとなっている。
【００１３】
容量式力学量センサ装置においては、感度の向上が要望されており、そのためには、可動電極と固定電極との間の容量を増大させることが必要である。そして、可動電極と固定電極との間の容量を増大させるには、これら電極間の対向面積を増大させればよい。
【００１４】
そこで、本発明者らは、櫛歯状の可動電極における個々の可動電極の１本に対して、２本の固定電極を対向して配置させることで、電極間の対向面積の増大を図ることとした。
【００１５】
具体的には、図８に示すように、可動電極２４の櫛歯の配列方向に沿って個々の可動電極２４に対して一側と他側とにそれぞれ１本ずつ固定電極３０、３１、４０、４１を対向して設けるようにする。以下、このように固定電極を２本とする構成を「両側固定電極構成」ということにする。
【００１６】
しかしながら、このような両側固定電極構成では、固定電極の本数が増えるため、ワイヤボンディングを行うべく電極を引き出そうとすると、その引き出し用の配線部のパターンが複雑化する。また、基板の内部に配線部を形成して電極の引き出しを行うことも可能であるが、やはり、構造が複雑化する。
【００１７】
そこで、図８に示すように、固定電極３０、３１、４０、４１の１本毎にワイヤボンディングを行い、それによって形成されたワイヤＷと回路チップとを接続することが考えられる。なお、図８中には回路チップは省略してある。
【００１８】
しかし、この場合も、ワイヤＷの数が多くなるため構成が複雑になる。そのため、ワイヤボンディングが行いにくくなったり、隣り合うワイヤＷ同士で接触が発生したりする可能性があり、好ましくない。
【００１９】
そこで、本発明は上記問題に鑑み、櫛歯状の可動電極および固定電極を有するセンサチップを回路チップに組み付けてなる容量式力学量センサ装置において、簡素な構成にて適切に両側固定電極構成を実現できるようにすることを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、半導体基板（１０）の一面側に、力学量の印加に応じて所定方向（Ｙ）へ変位可能な可動電極（２４）およびこの可動電極に対向して配置された固定電極（３０、３１、４０、４１）を有し、力学量の印加に伴う可動電極と固定電極との間の容量変化に基づいて力学量を検出するようにしたセンサチップ（１００）と、センサチップからの出力信号を処理するための回路チップ（２００）とを備える容量式力学量センサ装置において、可動電極は、前記の所定方向に沿って櫛歯状に複数本配列されたものであり、固定電極は、可動電極における櫛歯の隙間にかみ合うように櫛歯状に複数本配列されたものであり、個々の可動電極に対して所定方向に沿った方向の一側と他側とにそれぞれ１本ずつ固定電極が対向して設けられており、センサチップにおける半導体基板の一面と回路チップとが対向した状態で配置され、固定電極および可動電極と回路チップとがバンプ電極（３００）を介して電気的に接続されていることを特徴とする。
【００２１】
それによれば、センサチップ（１００）をフェースダウンの形で回路チップ（２００）上に搭載し、バンプ電極（３００）を介して、可動電極（２４）および固定電極（３０、３１、４０、４１）を回路チップ（２００）に接続できる。
【００２２】
そのため、固定電極（３０、３１、４０、４１）を両側固定電極構成として本数を多くしても、従来のワイヤ接続のような複雑な構成を採ることなく、固定電極（３０、３１、４０、４１）と回路チップ（２００）との電気的接続を適切に実現することができる。
【００２３】
よって、本発明によれば、櫛歯状の可動電極および固定電極を有するセンサチップを回路チップに組み付けてなる容量式力学量センサ装置において、簡素な構成にて適切に両側固定電極構成を実現することができる。
【００２４】
ここで、請求項２に記載の発明のように、可動電極（２４）における所定方向（Ｙ）に沿った方向の一側に設けられた固定電極（３１、４１）に対しては、１本毎に別々のバンプ電極（３００）が接続されており、可動電極における所定方向に沿った方向の他側に設けられた固定電極（３０、４０）は、電気的に共通した配線部（３２、４２）にまとめられており、この配線部に対してバンプ電極が接続されているものにできる。
【００２５】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。本実施形態は、容量式力学量センサ装置として、差動容量式の半導体加速度センサ装置（容量式加速度センサ装置）について本発明を適用したものである。
【００２７】
図１は本実施形態に係る容量式加速度センサ装置におけるセンサチップ１００の概略平面図、図２は図１中のＡ−Ａ線に沿ったセンサチップ１００の概略断面図、図３は図１中のＢ−Ｂ線に沿ったセンサチップ１００の概略断面図、図４はセンサチップ１００を回路チップ２００に搭載した状態を図１中のＣ−Ｃ線に沿って示す概略断面図である。
【００２８】
この容量式加速度センサ装置は、例えば、エアバッグ、ＡＢＳ、ＶＳＣ等の作動制御を行うための自動車用加速度センサやジャイロセンサ等に適用できる。
【００２９】
センサチップ１００は、半導体基板１０に周知のマイクロマシン加工を施すことにより形成される。センサチップ１００を構成する半導体基板１０は、図２および図３に示す様に、第１の半導体層としての第１シリコン基板１１と第２の半導体層としての第２シリコン基板１２との間に、絶縁層としての酸化膜１３を有する矩形状のＳＯＩ基板１０である。
【００３０】
第２シリコン基板１２には、溝１４を形成することにより、可動部２０及び固定部３０、４０よりなる櫛歯形状を有する梁構造体が形成されている。また、酸化膜１３のうち上記梁構造体２０〜４０の形成領域に対応した部位は、矩形状に除去されて開口部１５を形成している。
【００３１】
このようなセンサチップ１００は、次のように製造される。ＳＯＩ基板１０の第２シリコン基板１２にフォトリソグラフ技術を用いて梁構造体に対応した形状のマスクを形成した後、ＣＦ４やＳＦ６等のガスを用いてドライエッチング等にてトレンチエッチングを行い溝１４を形成することによって梁構造体２０〜４０を一括して形成する。続いて、フッ酸等を用いた犠牲層エッチング等により酸化膜１３の除去を行い、開口部１５を形成することで製造することができる。
【００３２】
開口部１５上を横断するように配置された可動部２０は、細長四角形状の錘部２１の両端を、梁部２２を介してアンカー部２３ａ及び２３ｂに一体に連結した構成となっている。
【００３３】
これらアンカー部２３ａ及び２３ｂは、図３に示すように、酸化膜１３における開口部１５の開口縁部に固定され、支持基板としての第１シリコン基板１１上に支持されている。これにより、錘部２１及び梁部２２は、開口部１５に臨んだ状態となっている。
【００３４】
また、梁部２２は、平行な２本の梁がその両端で連結された矩形枠状をなしており、２本の梁の長手方向と直交する方向に変位するバネ機能を有する。具体的には、梁部２２は、図１中の矢印Ｙ方向の成分を含む加速度を受けたときに錘部２１を矢印Ｙ方向へ変位させるとともに、加速度の消失に応じて元の状態に復元させるようになっている。
【００３５】
よって、可動部２０は、加速度の印加に応じて、開口部１５上にて梁部２２の変位方向すなわち上記矢印Ｙ方向へ変位可能となっている。以下、矢印Ｙ方向を梁部２２の変位方向Ｙと言うこととする。
【００３６】
また、可動部２０は、櫛歯状の可動電極２４を備えている。この可動電極２４は、梁部２２の変位方向Ｙと直交した方向にて、錘部２１の両側面から互いに反対方向へ延びる梁形状をなす複数本のものである。
【００３７】
言い換えれば、可動電極２４は、梁部２２の変位方向Ｙを配列方向とし、この変位方向Ｙに沿って櫛歯状に複数本配列されたものである。図１では、可動電極２４は、錘部２１の左側及び右側に各々４個ずつ突出して形成され、各可動電極２４は断面矩形の梁状に形成されて、開口部１５に臨んだ状態となっている。
【００３８】
このように、各可動電極２４は、梁部２２及び錘部２１と一体的に形成されることにより、梁部２２及び錘部２１とともに梁部２２の変位方向Ｙに変位可能となっている。
【００３９】
固定部３０、３１、３２、４０、４１、４２は、酸化膜１３における開口部１５の開口縁部における対向辺部のうち、アンカー部２３ａ、２３ｂが支持されていないもう１組の対向辺部に支持されている。
【００４０】
図１において、錘部２１の左側に位置する固定部３０、３１、３２は、第１の左側固定電極３０、第２の左側固定電極３１、第１の左側固定電極用配線部３２とからなる。
【００４１】
一方、図１において、錘部２１の右側に位置する固定部４０、４１、４２は、第１の右側固定電極４０、第２の右側固定電極４１、第１の右側固定電極用配線部４２とからなる。
【００４２】
各固定電極３０、３１、４０、４１は、可動電極２４における櫛歯の隙間にかみ合うように櫛歯状に複数本配列されたものである。そして、本実施形態のセンサチップ１００では、上述した「両側固定電極構成」を採用している。
【００４３】
すなわち、図１において、錘部２１の左側については、個々の可動電極２４に対して梁部２２の変位方向Ｙに沿った方向の上側に１本の第１の左側固定電極３０が設けられており、同方向の下側に１本の第２の左側固定電極３１が設けられている。
【００４４】
一方、図１において、錘部２１の右側については、個々の可動電極２４に対して梁部２２の変位方向Ｙに沿った方向の上側に１本の第２の右側固定電極４１が設けられており、同方向の下側に１本の第１の右側固定電極４０が設けられている。
【００４５】
このように、個々の可動電極２４に対して梁部２２の変位方向Ｙに沿った方向の一側と他側とにそれぞれ１本ずつ固定電極３０、３１、４０、３１が対向して設けられており、各対向間隔において、可動電極２４の側面と固定電極３０、３１、４０、４１の側面との間に容量を検出するための検出間隔が形成されている。
【００４６】
また、各固定電極３０、３１、４０、４１は、それぞれ互いに電気的に独立している。そして、各固定電極３０、３１、４０、４１は、可動電極２４に対して略平行に延びる断面矩形の梁状に形成されている。
【００４７】
ここで、第１の左側固定電極３０および第１の右側固定電極４０は、それぞれ、各固定電極用配線部３２、４２に片持ち状に支持された状態となっている。つまり、第１の左側固定電極３０および第１の右側固定電極４０については、それぞれの複数本の電極が、電気的に共通した配線部３２、４２にまとめられた形となっている。
【００４８】
一方、第２の左側固定電極３１および第２の右側固定電極４１は、それぞれ１本毎に溝１４を介して電気的に独立しているとともに、１本毎に開口部１５の開口縁部における酸化膜１３の上に片持ち状に支持されている。
【００４９】
また、第１の左側固定電極用配線部３２および第１の右側固定電極用配線部４２上の所定位置には、それぞれ固定電極パッド３０ａ、４０ａが形成されている。また、第２の左側固定電極３１および第２の右側固定電極４１については、１本毎に開口部１５の開口縁部に位置する支持部に、固定電極パッド３１ａ、４１ａが形成されている。
【００５０】
また、一方のアンカー部２３ｂと一体に連結された状態で、可動電極用配線部２５が形成されており、この配線部２５上の所定位置には、可動電極パッド２５ａが形成されている。上記の各電極パッド２５ａ、３０ａ、３１ａ、４０ａ、４１ａは、例えばアルミニウムをスパッタや蒸着する等により形成されている。
【００５１】
かかる構成を有するセンサチップ１００は、図４に示すように、センサチップ１００における半導体基板１０の一面と回路チップ２００とを対向した状態で、回路チップ２００上に配置され、実装されている。この回路チップ２００は、シリコン基板等の半導体基板にセンサチップ１００からの出力信号を処理するための検出回路（後述の図５参照）を形成したものである。
【００５２】
ここで、各固定電極３０、３１、４０、４１につながる各固定電極パッド３０ａ、３１ａ、４０ａ、４１ａおよび可動電極パッド２５ａと回路チップ２００上の図示しない電極とがバンプ電極３００を介して電気的に接続されている。このバンプ電極３００としては、はんだバンプ等の通常のバンプを採用することができる。
【００５３】
つまり、本実施形態では、両側固定電極構成を有するセンサチップ１００が回路チップ２００上にフェースダウン実装され、固定電極３０、３１、４０、４１および可動電極２５と、回路チップ２００とがバンプ電極３００を介して電気的に接続されている。
【００５４】
特に、本例では、図４に示すように、可動電極２４における梁部２２の変位方向Ｙに沿った方向の一側に設けられた固定電極３１、４１に対しては、１本毎に別々のバンプ電極３００が接続されており、可動電極２４における同方向の他側に設けられた固定電極３０、４０は、電気的に共通した配線部３２、４２にまとめられ、この配線部３２、４２に対してバンプ電極３００が接続されている。
【００５５】
このようなセンサチップ１００と回路チップ２００とを組み付けてなる本容量式加速度センサ装置は、例えば、回路チップ２００の電極上にはんだバンプを供給し、その後、センサチップ１００を回路チップ２００に搭載してはんだリフローを行うことにより、組み付けることができる。
【００５６】
次に、本容量式加速度センサ装置の検出動作について説明する。上述したように、個々の可動電極２４における梁部２２の変位方向Ｙに沿った方向の一側と他側とにそれぞれ１本ずつ固定電極３０、３１、４０、４１が対向して設けられており、これら各対向間隔において、容量を検出するための検出間隔が形成されている。
【００５７】
ここで、第１の左側固定電極３０と可動電極２４との間隔、および、第２の右側固定電極４１と可動電極２４との間隔に、第１の容量ＣＳ１が形成され、一方、第２の左側固定電極３１と可動電極２４との間隔、および、第１の右側固定電極４０と可動電極２４との間隔に第２の容量ＣＳ２が形成されているとする。
【００５８】
そして、加速度を受けると、梁部２２のバネ機能により、アンカー部を除く可動部２０全体が一体的に梁部２２の変位方向Ｙへ変位し、可動電極２４の変位に応じて上記各容量ＣＳ１、ＣＳ２が変化する。
【００５９】
例えば、図１において、可動部２０が、梁部２２の変位方向Ｙに沿って下方へ変位した時を考える。このとき、第１の左側固定電極３０と可動電極２４との間隔、および、第２の右側固定電極４１と可動電極２４との間隔は広がる。一方、第２の左側固定電極３１と可動電極２４との間隔、および、第１の右側固定電極４０と可動電極２４との間隔は狭まる。
【００６０】
よって、可動電極２４と固定電極３０、３１、４０、４１による差動容量（ＣＳ１−ＣＳ２）の変化に基づいて加速度を検出することができる。具体的には、この容量の差（ＣＳ１−ＣＳ２）に基づく信号がセンサチップ１００から出力信号として出力され、この信号は回路チップ２００にて処理され、最終的に出力される。
【００６１】
図５は、本容量式加速度センサ装置における検出回路４００を示す回路図である。検出回路４００において、４１０はスイッチドキャパシタ回路（ＳＣ回路）であり、このＳＣ回路４１０は、容量がＣｆであるコンデンサ４１１、スイッチ４１２及び差動増幅回路４１３を備え、入力された容量差（ＣＳ１−ＣＳ２）を電圧に変換するものである。
【００６２】
そして、本センサ装置においては、例えば、固定電極パッド３０ａ、４１ａから振幅Ｖｃｃの搬送波１、固定電極パッド４０ａ、３１ａから搬送波１と位相が１８０°ずれた搬送波２を入力し、ＳＣ回路４１０のスイッチ４１２を所定のタイミングで開閉する。
【００６３】
そして、印加加速度は、下記の数式１に示す様に、電圧値Ｖ０として出力される。
【００６４】
【数１】Ｖ０＝（ＣＳ１−ＣＳ２）・Ｖｃｃ／Ｃｆ
このような検出動作において、本実施形態では、両側固定電極構成を採用しているため、電極間の対向面積が増加し、第１の容量ＣＳ１および第２の容量ＣＳ２のそれぞれが、可動電極１本と固定電極１本とが対向する一般的な構成に比べて、２倍程度に大きくなる。その結果、感度のよい検出が可能となる。
【００６５】
ところで、本実施形態によれば、センサチップ１００をフェースダウンの形で回路チップ２００上に搭載し、バンプ電極３００を介して、可動電極２４および固定電極３０、３１、４０、４１を回路チップ２００に接続している。
【００６６】
そのため、固定電極３０、３１、４０、４１を両側固定電極構成として本数を多くしても、従来のワイヤ接続のような複雑な構成を採ることなく、固定電極３０、３１、４０、４１と回路チップ２００との電気的接続を適切に実現することができる。
【００６７】
よって、本実施形態によれば、櫛歯状の可動電極および固定電極を有するセンサチップを回路チップに組み付けてなる容量式力学量センサ装置において、簡素な構成にて適切に両側固定電極構成を実現することができる。
【００６８】
（他の実施形態）
なお、図示しないが、変形例として、第１の左側固定電極３０および第１の右側固定電極４０についても、電気的に共通な配線部３２、４２にまとめることをせずに、第２の左側固定電極３１および第２の右側固定電極４１と同様に、１本毎に電気的に独立させ、１本毎に開口部１５の開口縁部に片持ち支持したものとしてもよい。
【００６９】
また、本発明は加速度センサ以外にも、角速度センサ等の力学量センサに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る容量式加速度センサ装置におけるセンサチップの概略平面図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ線に沿ったセンサチップの概略断面図である。
【図３】図１中のＢ−Ｂ線に沿ったセンサチップの概略断面図である。
【図４】センサチップを回路チップに搭載した状態を図１中のＣ−Ｃ線に沿って示す概略断面図である。
【図５】上記実施形態に係る容量式加速度センサ装置の検出回路図である。
【図６】従来の一般的な容量式力学量センサ装置におけるセンサチップの概略平面構成を示す図である。
【図７】従来の一般的な容量式力学量センサ装置の概略断面図である。
【図８】両側固定電極構成を示す概略平面図である。
【符号の説明】
１０…半導体基板としてのＳＯＩ基板、２４…可動電極、
３０…第１の左側固定電極、３１…第２の左側固定電極、
３２…第１の左側固定電極用配線部、４０…第１の右側固定電極、
４１…第２の右側固定電極、４２…第１の右側固定電極用配線部、
１００…センサチップ、２００…回路チップ、３００…バンプ電極、
Ｙ…梁部の変位方向。
【図１】
2004340608.tif 000003
【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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