JP4134853B2 - 容量式力学量センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、可動電極と固定電極との間の静電容量の変化に基づき印加力学量を検出する容量式力学量センサ装置に関し、特に、多軸方向の力学量を検出可能とした容量式力学量センサ装置に関する。

一般に、容量式力学量センサ装置は、センサチップとして、半導体基板等の基板に、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可動電極に対向して配置された固定電極を形成してなるものを有し、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なっている。ここで、力学量としては、たとえば、加速度や角速度等が挙げられる。

具体的には、基板の面に水平な方向に印加される力学量を検出する容量式力学量センサ装置が知られている。

このものは、センサチップにおける固定電極が、基板の面に水平な方向において可動電極に対向して配置されており、可動電極が基板の面に水平な方向に変位するようになっている。なお、以下、基板の面に水平な方向を、単に、基板面水平方向ということにする。

ちなみに、このような基板面水平方向への力学量を検出する容量式力学量センサ装置としては、上記センサチップと、このセンサチップからのセンサ信号を処理する処理回路等を備えた回路チップとを備えたものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

この容量式力学量センサ装置においては、センサチップにおける基板の一面と当該回路チップとが対向した状態で配置され、センサチップと回路チップとがバンプ電極を介して接続されている。
特開平１１−６７８２０号公報

ところで、基板面水平方向の力学量に加えて、基板の面に垂直な方向の力学量を検出するような容量式力学量センサ装置、すなわち多軸方向の力学量を検出可能な容量式力学量センサ装置を構成したものが知られている。なお、以下、基板の面に垂直な方向を、単に、基板面垂直方向ということにする。

そして、このような多軸方向の力学量を検出可能な容量式力学量センサ装置を構成する場合には、次のような問題が生じる。

ここで、図７は、多軸方向の力学量を検出可能な容量式力学量センサ装置の一般的な構成を模式的に示す図である。

また、図８（ａ）は、図７中の水平方向検出部９００の具体的構成の一例を示す平面図、図８（ｂ）は、図７中の垂直方向検出部９１０の具体的構成の一例を示す斜視図である。

図７に示されるように、この容量式力学量センサ装置は、半導体基板１０を用い、公知の半導体製造技術やエッチング技術を駆使して製造することができる。

ここにおいて、図７では、紙面水平方向が半導体基板１０の面に対する水平方向（つまり、基板面水平方向）であり、紙面垂直方向が半導体基板１０の面に対する垂直方向（つまり、基板面垂直方向）である。

そして、図７では、半導体基板１０に、基板面水平方向に印加される加速度等の力学量によって基板面水平方向に変位可能な可動電極を有する水平方向検出部９００と、基板面垂直方向に印加される力学量によって基板面垂直方向に変位可能な可動電極を有する垂直方向検出部９１０とが示されている。

また、半導体基板１０には、これら各検出部９００、９１０から引き回された配線部９２０が形成されており、各配線部９２０とつながるパッド９３０が形成されている。これらパッド９３０は、半導体基板１０上の各検出部９００、９１０と外部回路等とを電気的に接続するためのボンディングワイヤが接続される部分である。

ここで、図８（ａ）に示されるように、水平方向検出部９００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、可動電極９０１および基板面水平方向において可動電極９０１に対向して配置された固定電極９０２を形成したものである。

ここでは、これら可動電極９０１および固定電極９０２は櫛歯形状を有し、互いの櫛歯がかみ合うように配置されている。また、可動電極９０１は、基板面水平方向に自由度を有する図示しないバネ部を介して半導体基板１０に対し連結されており、基板面水平方向に変位可能となっている。

そして、この図８（ａ）においては、基板面水平方向に力学量が印加されると、可動電極９０１が同方向に変位し、可動電極９０１と固定電極９０２との距離が変化し、それによって、可動電極９０１と固定電極９０２との間の容量が変化する。

この容量変化は、センサ信号として配線部９２０、パッド９３０および上記ボンディングワイヤを介して、外部回路に出力され、それによって基板面水平方向の印加力学量が検出できるようになっている。

一方、図８（ｂ）に示されるように、垂直方向検出部９１０は、半導体基板１０の一面側からトレンチエッチングや犠牲層エッチングさらには公知の配線形成技術等を施すことにより、可動電極９１１および基板面垂直方向において可動電極９１１に対向して配置された固定電極９１２、９１３を形成したものである。

ここで、可動電極９１１は、半導体基板１０における下側部分であるカンチレバーアーム１０ａによって支持されており、それによって基板面垂直方向に可動となっている。

また、固定電極９１２および９１３は、それぞれ可動電極９１１の上側と下側に形成されている。これら、可動電極９１１および固定電極９１２、９１３は導電層からなるものである。

そして、この図８（ｂ）においては、基板面垂直方向に力学量が印加されると、可動電極９１１が同方向に変位し、可動電極９１１と固定電極９１２との距離、および可動電極９１１と固定電極９１３との距離が変化する。

それによって、可動電極９１１と固定電極９１２との間の容量および可動電極９１１と固定電極９１３との間の容量が変化する。これら容量変化を差動容量変化として、センサ信号として外部回路に出力することによって基板面垂直方向の印加力学量が検出できるようになっている。

このように、従来の多軸方向の力学量を検出可能な容量式力学量センサ装置においては、基板面水平方向と基板面垂直方向の２軸を同時に検出するための複数個の可動電極や固定電極を設ける必要がある。つまり、１つのチップに検出方向毎に専用の検出部を設けるため、チップサイズの増大を招く。

特に、図８（ｂ）に示されるように、基板面垂直方向の力学量を検出する垂直方向検出部９１０では、固定電極９１２、９１３を下部配線や上部配線として形成するなどの複雑な構造が必要となり、コストアップの要因となりうる。

また、上記図７に示されるような１つのチップで基板面水平方向と基板面垂直方向との２軸の力学量を同時に検出するディスクリートタイプの力学量センサでは、外部回路とワイヤボンディングするにあたって、多くの配線部９２０やパッド９３０が必要となっている。

そのため一方の軸からの出力と他軸とのクロストークの可能性、すなわち、各配線部９２０などの間で電気的な影響が作用し出力にノイズが乗る可能性が大きくなるという問題が生じる。

また、配線部９２０やパッド９３０さらにはボンディングワイヤの配置が複雑化したり、それによって、ワイヤボンディングがしにくくなるなどの問題も起こりうる。

このように、従来では、多軸方向の力学量を検出可能な容量式力学量センサ装置を実現しようとすると、チップサイズの増大や、配線形成およびボンディングワイヤ形成における構成の複雑化等の問題が生じてくる。

そこで、本発明は、上記問題に鑑み、可動電極と固定電極との間の静電容量の変化に基づき印加力学量を検出する容量式力学量センサ装置において、簡単かつ小型化に適した構成によって、多軸方向の力学量を検出できるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、次の各点を主たる特徴とする容量式加速度センサ装置が提供される。

・基板（１０）の一面側に、力学量の印加に応じて所定方向（Ｘ、Ｚ）へ変位可能な可動電極（２４）、および、基板（１０）の面に水平な方向（Ｘ）において可動電極（２４）に対向して配置されたセンサチップ側固定電極（３１、４１）を有するセンサチップ（１００）と、センサチップ（１００）からの出力信号を処理するための回路チップ（２００）とを備えること。

・可動電極（２４）は、基板（１０）の面に水平な方向（Ｘ）と基板（１０）の面に垂直な方向（Ｚ）とに自由度を有するバネ部（２２）を介して基板（１０）に対し連結されており、可動電極（２４）は、所定方向として基板（１０）の面に水平な方向（Ｘ）と基板（１０）の面に垂直な方向（Ｚ）とに変位可能となっていること。

・センサチップ（１００）における基板（１０）の一面と回路チップ（２００）とが対向した状態で配置されていること。

・回路チップ（２００）における基板（１０）との対向面（２０１）のうち、可動電極（２４）に対応する部位には、回路チップ側固定電極（２１０）が設けられていること。

・センサチップ（１００）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こと。

・力学量の印加に伴う可動電極（２４）とセンサチップ側固定電極（３１、４１）との間の容量変化、および、可動電極（２４）と回路チップ側固定電極（２１０）との間の容量変化に基づいて力学量を検出するようになっていること。さらに、可動電極（２４）は、櫛歯状に複数本配列されたものであり、センサチップ側固定電極（３１、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り、回路チップ側固定電極（２１０）は、可動電極（２４）に対応した櫛歯形状を有するものであること。

これらの点を特徴としている本容量式力学量センサ装置によれば、可動電極（２４）を支持するバネ部（２２）が、基板（１０）の面に水平な方向（すなわち基板面水平方向）（Ｘ）と基板（１０）の面に垂直な方向（すなわち基板面垂直方向）（Ｚ）との両方向に自由度を持つため、共通の可動電極（２４）によって、基板面水平方向と基板面垂直方向とに変位可能な可動電極を実現することができる。

そして、センサチップ（１００）において、基板面水平方向（Ｘ）において可動電極（２４）に対向して配置されたセンサチップ側固定電極（３１、４１）が形成され、一方、回路チップ（２００）において、基板面垂直方向（Ｚ）において可動電極（２４）に対向して配置された回路チップ側固定電極（２１０）が形成されている。

そのため、本発明の容量式力学量センサ装置によれば、共通の可動電極（２４）によって、基板面水平方向（Ｘ）の力学量と基板面垂直方向（Ｚ）の力学量とを検出することが可能となる。そして、従来のように、各検出方向毎に専用の可動電極を設けることが不要になるため、チップサイズの増大を抑制することができる。

また、回路チップ側固定電極（２１０）は、回路チップ（２００）の表面、すなわち回路チップ（２００）における基板（１０）との対向面（２０１）に設ければよいので、その形成は容易なものにできる。

また、本発明では、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、これらセンサチップ（１００）および回路チップ（２００）の接続を行うことができるため、ワイヤボンディングのような複雑な接続構成を採ることなく、当該両チップ（１００、２００）の電気的接続を適切に実現することができる。

よって、本発明によれば、可動電極（２４）と固定電極（３１、４１、２１０との間の静電容量の変化に基づき印加力学量を検出する容量式力学量センサ装置において、簡単かつ小型化に適した構成によって、多軸方向の力学量を検出することができる。

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。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。本実施形態は、容量式力学量センサ装置として、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。

この容量式加速度センサ装置は、たとえば、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。

図１は、本発明の実施形態に係る容量式力学量センサ装置の全体構成を示す概略断面図である。センサチップ１００における基板１０の一面と回路チップ２００とが対向した状態で配置され、センサチップ１００と回路チップ２００とがバンプ電極３００を介して電気的・機械的にに接続されている。

まず、センサチップ１００および回路チップ２００の個々の構成について説明していくことにする。

［センサチップについて］
図２は、本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３は図２中のＡ−Ａ線に沿ったセンサチップ１００の概略断面図、図４は図２中のＢ−Ｂ線に沿ったセンサチップ１００の概略断面図である。

センサチップ１００は、基板としての半導体基板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。

本例では、センサチップ１００を構成する半導体基板１０は、図３および図４に示されるように、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。

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および固定部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。

このようなセンサチップ１００は、たとえば、次のようにして製造される。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する。

その後、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。このようにしてセンサチップ１００を製造することができる。

このセンサチップ１００において、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の両端が、バネ部２２を介してアンカー部２３ａおよび２３ｂに一体に連結された構成となっている。

これらアンカー部２３ａおよび２３ｂは、図４に示されるように、酸化膜１３における開口部１５の開口縁部に固定されており、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。これによって、錘部２１およびバネ部２２は、開口部１５に臨んだ状態となっている。

また、バネ部２２は、半導体基板１０の面に水平な方向（以下、基板面水平方向という）と半導体基板１０の面に垂直な方向（以下、基板面垂直方向という）とに自由度を有するものである。

ここでは、バネ部２２は、図２に示されるように、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ものである。

具体的に、バネ部２２は、図２中の矢印Ｘ方向の成分を含む加速度を受けたときに錘部２１を矢印Ｘ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。

一方、バネ部２２は、図３および図４中の矢印Ｚ方向の成分を含む加速度を受けたときに錘部２１を矢印Ｚ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。

よって、このようなバネ部２２を介して半導体基板１０に連結された可動部２０は、加速度の印加に応じて、開口部１５上にて上記矢印Ｘ方向すなわち基板面水平方向へ変位可能となっているとともに、上記矢印Ｚ方向すなわち基板面垂直方向へ変位可能となっている。

また、図２に示されるように、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、上記錘部２１の長手方向（矢印Ｘ方向）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。

言い換えれば、可動電極２４は、上記錘部２１の長手方向（矢印Ｘ方向）を配列方向とし、この配列方向に沿って櫛歯状に複数本配列されたものである。図２では、可動電極２４は、錘部２１の左側および右側に各々４個ずつ突出して形成されており、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。

このように、各可動電極２４は、バネ部２２および錘部２１と一体的に形成されることにより、バネ部２２および錘部２１とともに、基板面水平方向（矢印Ｘ方向）および基板面垂直方向（矢印Ｚ方向）へ変位可能となっている。

また、図２〜図４に示されるように、固定部３０、４０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。

図２において、錘部２１の左側に位置する固定部３０は、左側固定電極３１および左側固定電極用配線部３２とから構成されている。一方、図２において、錘部２１の右側に位置する固定部４０は、右側固定電極４１および右側固定電極用配線部４２とから構成されている。

各固定電極３１、４１は、センサチップ１００に形成されたセンサチップ側固定電極３１、４１として構成されるものである。本例では、図２に示されるように、各固定電極３１、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。

ここで、図２においては、錘部２１の左側については、個々の可動電極２４に対して矢印Ｘ方向に沿って上側に左側固定電極３１が設けられており一方、錘部２１の右側については、個々の可動電極２４に対して矢印Ｘ方向に沿って下側に右側固定電極４１が設けられている。

このように、基板面水平方向において個々の可動電極２４に対して、それぞれ固定電極３１、４１が対向して配置されており、各対向間隔において、可動電極２４の側面と固定電極３１、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。

また、左側固定電極３１と右側固定電極４１とは、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３１、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。

ここで、左側固定電極３１および右側固定電極４１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、左側固定電極３１および右側固定電極４１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。

また、左側固定電極用配線部３２および右側固定電極用配線部４２上の所定位置には、それぞれ、左側固定電極用パッド３０ａおよび右側固定電極用パッド４０ａが形成されている。

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、可動電極用パッド２５ａが形成されている。上記の各パッド２５ａ、３０ａ、４０ａ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。

［回路チップについて］
図５は、本容量式加速度センサ装置における回路チップ２００の概略平面図である。この回路チップ２００は、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６参照）を形成したものである。

具体的には、回路チップ２００は、シリコン基板等の半導体基板に、周知の半導体製造技術を用いて、図示しないトランジスタ等の素子や配線部を形成することにより、製造することができる。

図５には、回路チップ２００における半導体基板１０との対向面２０１が示されている。図５に示されるように、この回路チップ２００の対向面２０１のうち可動電極２４に対応する部位には、回路チップ側固定電極２１０が設けられている。

つまり、上記図１に示されるように回路チップ２００とセンサチップ１００とを対面配置させた状態において、センサチップ１００の可動電極２４が対向する回路チップ２００の対向面の部分には、回路チップ側固定電極２１０が設けられている。

ここでは、回路チップ側固定電極２１０は、可動電極２４に対応した櫛歯形状を有するものとしている。このような回路チップ側固定電極２１０は、回路チップ２００の表面（対向面２０１）に、半導体製造プロセスで採用される通常の配線形成技術を駆使して形成することができる。

限定するものではないが、たとえば、回路チップ側固定電極２１０としては、化学気相成長法（ＣＶＤ）等によって形成されるポリシリコン等からなるものや、スパッタリング法や蒸着法等によって形成されるアルミニウム等からなるものなどを採用することができる。

また、回路チップ２００の対向面２０１のうち、センサチップ１００の左側固定電極用パッド３０ａに対応する部位、センサチップ１００の右側固定電極用パッド４０ａに対応する部位には、それぞれ、回路チップ側固定電極用パッド２３０、２４０が形成されている。

また、回路チップ２００の対向面２０１のうちセンサチップ１００の可動電極用パッド２５ａに対応する部位には、回路チップ側可動電極用パッド２５０が形成されている。

これら、回路チップ２００側の各パッド２３０、２４０、２５０も、上記した回路チップ側固定電極２１０と同様に、ポリシリコンやアルミニウム等からなるものを採用することができる。

そして、これら回路チップ側固定電極２１０および回路チップ２００側の各パッド２３０、２４０、２５０は、回路チップ２００に形成されている図示しない素子や配線部とともに検出回路を構成している。

［センサチップと回路チップとの組み付け］
かかる構成を有するセンサチップ１００および回路チップ２００は、上記図１に示されるように、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の対向面２０１とを対向した状態で、バンプ電極３００を介して接続されることによって、本容量式加速度センサ装置が形成されている。

ここで、上記図２〜図５に示されるように、センサチップ１００の左側固定電極用パッド３０ａと回路チップ側固定電極用パッド２３０、センサチップ１００の右側固定電極用パッド４０ａと回路チップ側固定電極用パッド２４０、センサチップ１００の可動電極用パッド２５ａと回路チップ側可動電極用パッド２５０が、それぞれバンプ電極３００を介して電気的・機械的に接続されている。

このバンプ電極３００は、センサチップ１００側に配置されたものとして上記図２〜図４に示してあり、図２中には、その平面形状がハッチング領域として示してある。また、上記図５に示される回路チップ２００においては、バンプ電極３００の平面形状が破線にて示してある。

このようなバンプ電極３００としては、通常バンプとして適用可能なものを採用することができるが、具体的には、はんだペーストの印刷、めっきあるいは蒸着等により配置可能なはんだバンプ等を採用することができる。

さらに、図１〜図５に示されるように、センサチップ１００と回路チップ２００とは、これら両チップ１００、２００の対向部の周縁部において、はんだ３１０を介して機械的に接続されている。

このはんだ３１０は、上記図２〜図４では、センサチップ１００側に配置されたものとして示されている。ここで、はんだ３１０の平面形状は、上記図２にてハッチング領域として示されており、また、上記図５では破線として示されている。

これら図１〜図５に示されるように、はんだ３１０は、センサチップ１００と回路チップ２００とが対向する部位の周縁部において環状に配置され、これら両チップ１００、２００の接続を確実なものとしている。

このようなセンサチップ１００と回路チップ２００との組付けは、たとえば、次のようにして行うことができる。

まず、センサチップ１００および回路チップ２００のどちらか一方に、バンプ電極３００となるはんだおよびはんだ３１０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。こうして、本容量式加速度センサ装置を製造することができる。

［検出動作］
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。本実施形態では、加速度の印加に伴う可動電極２４とセンサチップ側固定電極３１、４１との間の容量変化、および、可動電極２４と回路チップ側固定電極２１０との間の容量変化に基づいて加速度を検出するようになっている。

まず、可動電極２４とセンサチップ側固定電極３１、４１との間の容量変化に基づく加速度の検出動作、すなわち、基板面水平方向に印加される加速度を検出する動作について述べる。

上述したように、センサチップ１００においては、個々の可動電極２４に対してそれぞれ固定電極３１、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。

ここで、左側固定電極３１と可動電極２４との間隔に第１の容量ＣＳ１が形成されており、一方、右側固定電極４１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。

そして、基板面水平方向すなわち上記図２中の矢印Ｘ方向へ加速度が印加されると、バネ部２２のバネ機能により、アンカー部を除く可動部２０全体が一体的に矢印Ｘ方向へ変位し、当該矢印Ｘ方向への可動電極２４の変位に応じて上記各容量ＣＳ１、ＣＳ２が変化する。

たとえば、上記図２において、可動部２０が、矢印Ｘ方向に沿って下方へ変位したときを考える。このとき、左側固定電極３１と可動電極２４との間隔は広がり、一方、右側固定電極４１と可動電極２４との間隔は狭まる。

よって、可動電極２４とセンサチップ側固定電極３１、４１による差動容量（ＣＳ１−ＣＳ２）の変化に基づいて、基板面水平方向の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。

図６は、本容量式加速度センサ装置における基板面水平方向の加速度を検出するための検出回路４００の一例を示す回路図である。この検出回路４００において、スイッチドキャパシタ回路（ＳＣ回路）４１０は、容量がＣｆであるコンデンサ４１１、スイッチ４１２および差動増幅回路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。

そして、本容量式加速度センサ装置においては、たとえば、左側固定電極用パッド３０ａから振幅Ｖｃｃの搬送波１、右側固定電極用パッド４０ａ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。

このとき、上記搬送波１、搬送波２は、それぞれ、回路チップ２００から回路チップ側固定電極用パッド２３０、２４０およびバンプ電極３００を介して左側固定電極用パッド３０ａ、右側固定電極用パッド４０ａに送られる。

そして、基板面水平方向の印加加速度は、下記の数式１に示す様に、電圧値Ｖ０として出力される。

（数１）
Ｖ０＝（ＣＳ１−ＣＳ２）・Ｖｃｃ／Ｃｆ
次に、可動電極２４と回路チップ側固定電極２１０との間の容量変化に基づく加速度の検出動作、すなわち、基板面垂直方向に印加される加速度を検出する動作について述べる。

図１に示されるように、センサチップ１００と回路チップ２００とを積層させた構成においては、センサチップ１００の個々の可動電極２４に対して、回路チップ側固定電極２１０が基板垂直方向にて対向した構成となっており、これらの対向間隔において、容量を検出するための検出間隔が形成されている。

そして、基板面垂直方向すなわち上記図３、図４中の矢印Ｚ方向へ加速度が印加されると、バネ部２２のバネ機能により、アンカー部を除く可動部２０全体が一体的に矢印Ｚ方向へ変位し、当該矢印Ｚ方向への可動電極２４の変位に応じて可動電極２４と回路チップ側固定電極２１０との間の容量が変化する。

たとえば、上記図３、図４において、可動部２０が、矢印Ｚ方向に沿って下方へ変位したときを考える。このとき、回路チップ側固定電極２１０と可動電極２４との間隔は狭まる。

よって、可動電極２４と回路チップ側固定電極２１０による容量の変化に基づいて、基板面垂直方向の加速度を検出することができる。具体的には、基板面水平方向の加速度検出と同様に、この容量変化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。

また、図示しないが、本容量式加速度センサ装置における基板面垂直方向の加速度を検出するための検出回路としては、上記図６に示した検出回路４００において、容量部分が可動電極２４と回路チップ側固定電極２１０との間の可変容量に置き換わったものとすることができる。

［特徴点等］
以上述べてきたように、本実施形態によれば、次の各点を主たる特徴とする容量式加速度センサ装置が提供される。

・基板１０の一面側に、加速度の印加に応じて所定方向Ｘ、Ｚへ変位可能な可動電極２４、および、基板１０の面に水平な方向Ｘにおいて可動電極２４に対向して配置されたセンサチップ側固定電極３１、４１を有するセンサチップ１００と、センサチップ１００からの出力信号を処理するための回路チップ２００とを備えること。

・可動電極２４は、基板１０の面に水平な方向Ｘと基板１０の面に垂直な方向Ｚとに自由度を有するバネ部２２を介して基板１０に対し連結されており、可動電極２４は、所定方向として基板１０の面に水平な方向Ｘと基板１０の面に垂直な方向Ｚとに変位可能となっていること。

・センサチップ１００における基板１０の一面と回路チップ２００とが対向した状態で配置されていること。

・回路チップ２００における基板１０との対向面２０１のうち、可動電極２４に対応する部位には、回路チップ側固定電極２１０が設けられていること。

・センサチップ１００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こと。

・加速度の印加に伴う可動電極２４とセンサチップ側固定電極３１、４１との間の容量変化、および、可動電極２４と回路チップ側固定電極２１０との間の容量変化に基づいて加速度を検出するようになっていること。

これらの各特徴を有する本実施形態の容量式加速度センサ装置によれば、可動電極２４を支持するバネ部２２が、基板面水平方向Ｘと基板面垂直方向Ｚとの両方向に自由度を持つため、共通の可動電極２４によって、基板面水平方向と基板面垂直方向とに変位可能な可動電極を実現することができる。

そして、センサチップ１００において、基板面水平方向Ｘにおいて可動電極２４に対向して配置されたセンサチップ側固定電極３１、４１が形成され、一方、回路チップ２００において、基板面垂直方向Ｚにおいて可動電極２４に対向して配置された回路チップ側固定電極２１０が形成されている。

そのため、本実施形態の容量式加速度センサ装置によれば、共通の可動電極２４によって、基板面水平方向Ｘの加速度と基板面垂直方向Ｚの加速度とを検出することが可能となる。そして、従来のように、各検出方向毎に専用の可動電極を設けることが不要になるため、チップサイズの増大を抑制することができる。

また、回路チップ側固定電極２１０は、回路チップ２００の表面、すなわち回路チップ２００における基板１０との対向面２０１に設ければよいので、その形成は容易なものにできる。

また、本実施形態では、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、これらセンサチップ１００および回路チップ２００の接続を行うことができる。そのため、ワイヤボンディングのような複雑な接続構成を採ることなく、当該両チップ１００、２００の電気的接続を適切に実現することができる。

よって、本実施形態によれば、可動電極２４と固定電極３１、４１、２１０との間の静電容量の変化に基づき印加力学量を検出する容量式加速度センサ装置において、簡単かつ小型化に適した構成によって、多軸方向の加速度を検出することができる。

また、図１に示した容量式加速度センサ装置のように、可動電極２４を櫛歯状に複数本配列されたものとした場合に、センサチップ側固定電極３１、４１を、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とし、回路チップ側固定電極２１０を、可動電極２４に対応した櫛歯形状を有するものとすることにより、上記した作用効果を適切に実現している。

可動電極２４、センサチップ側固定電極３１、４１、回路チップ側固定電極２１０としては、こういう櫛歯形状を有するものにできるが、もちろん、この形状に限定されるものではない。

（他の実施形態等）
なお、上記実施形態では、可動電極が変位する基板面水平方向は、１方向であったが、基板面水平方向の２方向に自由度を有するバネ部構成とし、このようなバネ部にて可動電極を連結支持するようにしてもよい。たとえば、バネ部を、基板面水平方向のある１方向および基板面垂直方向に自由度を有する第１のバネ部と、基板面水平方向の他の１方向および基板面垂直方向に自由度を有する第２のバネ部とから構成すればよい。

このようなバネ部構成にすることで、基板面水平方向に２方向、基板面垂直方向に１方向の３軸方向における力学量の検出を行うことの可能な容量式力学量センサ装置を実現することができる。

また、上記図２〜図４に示したセンサチップ１００は、通常の櫛歯型の容量式加速度センサに適用されるものである。本発明は、このようなセンサチップ１００において、バネ部２２が基板面垂直方向にも自由度を持つことに着目することにより、創案されたものである。

つまり、上記実施形態では、通常の加速度センサを用いて、大幅な設計変更を行うことなく、多軸方向への検出感度を有する容量式力学量センサ装置を実現することができるという利点も有する。

また、本発明は上記した容量式加速度センサ装置以外にも、力学量として角速度を検出する容量式角速度センサ等の力学量センサに対しても適用可能である。

本発明の実施形態に係る容量式力学量センサ装置の全体構成を示す概略断面構成を示す図である。 上記図１に示され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構成を示す図である。 上記図２中のＡ−Ａ線に沿ったセンサチップの概略断面図である。 上記図２中のＢ−Ｂ線に沿ったセンサチップの概略断面図である。 上記図１に示される容量式加速度センサ装置における回路チップの概略平面構成を示す図である。 上記図１に示される容量式加速度センサ装置における基板面水平方向の加速度を検出するための検出回路の一例を示す回路図である。 多軸方向の力学量を検出可能な容量式力学量センサ装置の一般的な構成を模式的に示す図である。 （ａ）は、図７中の水平方向検出部の具体的構成を示す平面図、（ｂ）は、図７中の垂直方向検出部の具体的構成を示す斜視図である。

符号の説明

１０…基板としての半導体基板、２２…バネ部、２４…可動電極、
３１…センサチップ側固定電極としての左側固定電極、
４１…センサチップ側固定電極としての右側固定電極、
１００…センサチップ、２００…回路チップ、
２０１…回路チップにおける基板との対向面、２１０…回路チップ側固定電極、
３００…バンプ電極、Ｘ…基板面水平方向、Ｚ…基板面垂直方向。

Claims (1)

1. 基板（１０）の一面側に、力学量の印加に応じて所定方向（Ｘ、Ｚ）へ変位可能な可動電極（２４）、および、前記基板（１０）の面に水平な方向（Ｘ）において前記可動電極（２４）に対向して配置されたセンサチップ側固定電極（３１、４１）を有するセンサチップ（１００）と、
   前記センサチップ（１００）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、
   前記可動電極（２４）は、前記基板（１０）の面に水平な方向（Ｘ）と前記基板（１０）の面に垂直な方向（Ｚ）とに自由度を有するバネ部（２２）を介して前記基板（１０）に対し連結されており、
   前記可動電極（２４）は、前記所定方向として前記基板（１０）の面に水平な方向（Ｘ）と前記基板（１０）の面に垂直な方向（Ｚ）とに変位可能となっており、
   前記センサチップ（１００）における前記基板（１０）の一面と前記回路チップ（２００）とが対向した状態で配置され、
   前記回路チップ（２００）における前記基板（１０）との対向面（２０１）のうち、前記可動電極（２４）に対応する部位には、回路チップ側固定電極（２１０）が設けられており、
   前記センサチップ（１００）と前記回路チップ（２００）とがバンプ電極（３００）を介して電気的に接続されており、
   前記力学量の印加に伴う前記可動電極（２４）と前記センサチップ側固定電極（３１、４１）との間の容量変化、および、前記可動電極（２４）と前記回路チップ側固定電極（２１０）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なっており、
   前記可動電極（２４）は、櫛歯状に複数本配列されたものであり、
   前記センサチップ側固定電極（３１、４１）は、前記可動電極（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、
   前記回路チップ側固定電極（２１０）は、前記可動電極（２４）に対応した櫛歯形状を有するものであることを特徴とする容量式力学量センサ装置。

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