JP4743226B2 - Semiconductor dynamic quantity sensor - Google Patents
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Description
本発明は、半導体力学量センサに関するものである。 The present invention relates to a semiconductor dynamic quantity sensor.
特許文献1において基板の表面に直交する方向に作用する加速度を検出するセンサが開示されている。
図27に、特許文献1に記載のSOI基板を用いた容量式加速度センサを示す。支持基板100上において梁101a,101b,101c,101dにより可動電極部(重り部)102が連結支持されている。梁101a,101b,101c,101dは、卍形状であり、可動電極部102は基板の表面に垂直なZ軸方向に変位する。加速度は、支持基板100と可動電極部102間の容量変化から検出する。
FIG. 27 shows a capacitive acceleration sensor using the SOI substrate described in
このセンサはSOI基板(ウエハ)を利用し、異方性ドライエッチング工程で薄膜シリコン層を所望の形状にパターニングした後、埋込み酸化膜をフッ酸(HF)で除去し可動領域を形成する犠牲層エッチングにより形成される。
加速度の検出を行うためには可動電極部(重り部)102および支持基板100について結線する必要がある。しかし、SOI構造の場合、支持基板100と結線するための工数が増大する欠点があった。具体的には、支持基板100にパッド110を設けるとともにパッド110に対しワイヤーボンデイングを行う必要があった。
In order to detect acceleration, it is necessary to connect the movable electrode portion (weight portion) 102 and the
本発明は、上記課題に着目してなされたものであり、その目的は、支持基板の上に絶縁膜を介して薄膜半導体層を配した積層基板を用いて半導体力学量センサを構成した場合において配線ラインの簡素化を図ることができる半導体力学量センサを提供することにある。 The present invention has been made paying attention to the above-mentioned problems, and the object thereof is to configure a semiconductor dynamic quantity sensor using a laminated substrate in which a thin film semiconductor layer is disposed on a support substrate via an insulating film. An object of the present invention is to provide a semiconductor dynamic quantity sensor capable of simplifying a wiring line.
請求項1に記載された発明は、半導体材料よりなる電位がフローティング状態の支持基板の一側面上に絶縁膜を配するとともに該絶縁膜上に薄膜半導体層を配したSOI構造の積層基板にて構成され、薄膜半導体層において第1の梁構造体が区画形成され、第1の梁構造体の可動電極部が共通の固定電極である支持基板に対し空隙を介して対向配置され、当該可動電極部にクロック信号に同期して生成される第1搬送波信号が印加されながら当該可動電極部が力学量の作用により共通の固定電極である支持基板の表面に直交する方向に変位して当該可動電極部と支持基板との間の容量が変化する第1のコンデンサ構成部(E1)と、第1のコンデンサ構成部(E1)と共に積層基板にワンチップ化され、薄膜半導体層において第2の梁構造体が区画形成され、第2の梁構造体の可動電極部が共通の固定電極である支持基板に対し空隙を介して対向配置され、当該可動電極部にクロック信号に同期して生成される第1搬送波信号とは逆相の第2搬送波信号が印加されながら当該可動電極部が力学量の作用により共通の固定電極である支持基板の表面に直交する方向に変位して当該可動電極部と支持基板との間の容量が、第1の梁構造体の可動電極部の変位による容量とは異なる状態で変化する第3のコンデンサ構成部(E3)と、第1および第3のコンデンサ構成部(E1,E3)と共に積層基板にワンチップ化され、薄膜半導体層において信号取出用対向電極部がその下に絶縁膜が存在する状態で区画形成され、信号取出用対向電極部が第1および第3のコンデンサ構成部の固定電極である支持基板に対し対向配置される第2のコンデンサ構成部(E2)と、信号取出用対向電極部と電気的に接続するスイッチドキャパシタ回路とを備え、スイッチドキャパシタ回路は、力学量検出時において力学量の作用により各可動電極部が変位することで第1のコンデンサ構成部(E1)と第3のコンデンサ構成部(E3)との間に生じた容量差を検出しており、スイッチドキャパシタ回路は、オペアンプと、帰還コンデンサ及びスイッチ要素とからなり、オペアンプの反転入力端子には信号取出用対向電極部からの信号が入力され、該オペアンプの非反転入力端子には、第1のコンデンサ構成部(E1)の容量C1と第3のコンデンサ構成部(E3)の容量C3とが等しい状態において信号取出用対向電極部に表れる電圧レベルが入力され、スイッチ要素は、クロック信号に同期して生成されるトリガ信号により、第1搬送波信号が立ち上がり、第2搬送波信号が立ち下がりのタイミングで一定時間だけオンするものであり、スイッチドキャパシタ回路の動作は、第1搬送波信号によりより第1の梁構造体の可動電極部にVcc、第2搬送波信号により第2の梁構造体の可動電極部に0ボルトの電圧がそれぞれ印加されるとともに、スイッチ要素がオンされ、スイッチドキャパシタ回路からの出力電圧VoがVcc/2になるタイミングT1と、タイミングT1から所定時間が経過し、スイッチ要素がオフされるタイミングT2と、タイミングT2の後、第1搬送波信号および第2搬送波信号が切り替わり、出力電圧Voが、第1のコンデンサ構成部(E1)の容量C1と第3のコンデンサ構成部(E3)の容量C3の差動的な変化量に応じて変化するタイミングT3とを有することを特徴とする。
According to the first aspect of the present invention, there is provided an SOI structure laminated substrate in which an insulating film is arranged on one side surface of a supporting substrate made of a semiconductor material and in which a potential is floating, and a thin film semiconductor layer is arranged on the insulating film. The first beam structure is defined in the thin film semiconductor layer, and the movable electrode portion of the first beam structure is disposed to face the support substrate, which is a common fixed electrode, with a gap therebetween. While the first carrier wave signal generated in synchronization with the clock signal is applied to the part, the movable electrode part is displaced in the direction perpendicular to the surface of the support substrate, which is a common fixed electrode, by the action of the mechanical quantity, and the movable electrode The first capacitor component (E1) in which the capacitance between the first substrate and the support substrate changes, and the first capacitor component (E1) together with the multilayer substrate are integrated into one chip, and the second beam structure in the thin film semiconductor layer body A first carrier wave that is formed in a divided manner and is arranged so that the movable electrode portion of the second beam structure is opposed to the support substrate, which is a common fixed electrode, via a gap, and is generated in synchronization with the clock signal on the movable electrode portion. While the second carrier wave signal having a phase opposite to that of the signal is applied, the movable electrode portion is displaced in a direction perpendicular to the surface of the support substrate, which is a common fixed electrode, by the action of the mechanical quantity, and the movable electrode portion and the support substrate The third capacitor component (E3) in which the capacitance between the first and third capacitor components changes in a state different from the capacitance due to the displacement of the movable electrode portion of the first beam structure, and the first and third capacitor components (E1, E3) is formed into a single chip on the laminated substrate, and the signal extraction counter electrode portion is defined in the thin film semiconductor layer with the insulating film below it, and the signal extraction counter electrode portion is the first and third capacitors. Fixed power of components A second capacitor component (E2) disposed opposite to the support substrate, and a switched capacitor circuit electrically connected to the counter electrode portion for signal extraction. and detecting a capacitance difference caused between the first capacitor forming portion by respective movable electrode portion is displaced (E1) and the third capacitor components (E3) by the action of a physical quantity at the time, the switch The capacitor circuit includes an operational amplifier, a feedback capacitor, and a switching element. A signal from the counter electrode portion for signal extraction is input to the inverting input terminal of the operational amplifier, and a first inverting input terminal of the operational amplifier is connected to the first operational amplifier. When the capacitance C1 of the capacitor component (E1) and the capacitance C3 of the third capacitor component (E3) are equal, the voltage level appearing at the counter electrode for signal extraction is input. The switch element is a switched capacitor circuit in which a first carrier wave signal rises and a second carrier wave signal turns on for a certain period of time by a trigger signal generated in synchronization with a clock signal. In the operation, a voltage Vcc is applied to the movable electrode portion of the first beam structure by the first carrier wave signal, and a voltage of 0 volt is applied to the movable electrode portion of the second beam structure by the second carrier wave signal. The timing at which the switch element is turned on and the output voltage Vo from the switched capacitor circuit becomes Vcc / 2, the timing T2 at which a predetermined time elapses from the timing T1 and the switch element is turned off, and the timing T2, The first carrier signal and the second carrier signal are switched, and the output voltage Vo is changed to the capacitance C1 of the first capacitor component (E1). It characterized by having a timing T3 that changes according to the difference the dynamic variation of the capacitance C3 of the capacitor components of the 3 (E3).
請求項2に記載された発明は、支持基板における第2の梁構造体の可動電極部と対向する部位にシリコン窒化膜が形成されることを特徴とする。
The invention described in
請求項3に記載された発明は、第1の梁構造体および第2の梁構造体および信号取出用対向電極部の周囲を囲む定電圧が印加されたシールド層を有することを特徴とする。
The invention described in
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment of the invention will be described with reference to the drawings.
本実施形態では、半導体加速度センサに具体化している。図1には半導体加速度センサの平面図を示す。また、図2に図1におけるA−A線での縦断面を示す。図3に図1におけるB−B線での縦断面を示す。このセンサは、基板の表面に垂直な方向(直交する方向)に加わる加速度を検出するセンサである。 In this embodiment, the semiconductor acceleration sensor is embodied. FIG. 1 shows a plan view of a semiconductor acceleration sensor. FIG. 2 shows a longitudinal section taken along line AA in FIG. FIG. 3 shows a longitudinal section taken along line BB in FIG. This sensor is a sensor that detects acceleration applied in a direction perpendicular to the surface of the substrate (a direction perpendicular to the substrate).
図2に示すように、センサチップとしてSOI基板1を用いており、単結晶シリコン基板よりなる支持基板2の上に、シリコン酸化膜よりなる絶縁膜3を介して薄膜シリコン層(単結晶シリコン層)4が配置された構造となっている。広義には、SOI基板1は積層基板であり、支持基板2は半導体材料よりなり、薄膜シリコン層4は薄膜半導体層よりなる。薄膜シリコン層4は、支持基板2の上に絶縁膜3を介して単結晶シリコン基板を配置した後に薄膜化したものである。支持基板2と絶縁膜3の積層体は四角板状をなしている。
As shown in FIG. 2, an
このSOI基板1により、第1のコンデンサ構成部E1と第2のコンデンサ構成部E2が構成されている(ワンチップ化されている)。以下、この第1、第2のコンデンサ構成部E1,E2について説明していく。
The
薄膜シリコン層4には貫通孔5が形成され、この貫通孔5により薄膜シリコン層4が所定の形状に区画形成されている。つまり、貫通孔5により、図1のごとく、梁構造体10と信号取出用対向電極部20と、これら部材(10,20)の周囲の枠部40が区画形成されている。梁構造体10を用いて第1のコンデンサ構成部E1が構成されるとともに、信号取出用対向電極部20を用いて第2のコンデンサ構成部E2が構成されている。
A through
梁構造体10は、アンカー部11a,11b,11c,11dと梁部12a,12b,12c,12dと可動電極部(重り部)13からなる。アンカー部11a,11b,11c,11dは絶縁膜3の上に固定されている。梁部12a,12b,12c,12dと可動電極部(重り部)13は、図2,3に示すように、絶縁膜3の上において空隙14を介して配置されている。つまり、アンカー部11a,11b,11c,11dから梁部12a,12b,12c,12dが延び、梁部12a,12b,12c,12dの先端部において可動電極部(重り部)13が連結支持されている。このようにして4本の卍字梁(12a,12b,12c,12d)を備え、この梁部12a,12b,12c,12dにより可動電極部(重り部)13が支えられ、可動電極部(重り部)13は支持基板2に対し空隙14を介して対向配置されている。
The
また、図1に示すように、重り部13には透孔15が形成され、軽量化が図られている。そして、可動電極部(重り部)13は支持基板2の表面に直交する方向(上下方向)に可動となっている。この可動電極部(重り部)13と支持基板2との間に、図4に示すように容量(コンデンサ容量)C1が形成される。つまり、可動電極部(重り部)13と支持基板2とが対向電極をなし、両対向電極の間に容量C1が形成される。
Further, as shown in FIG. 1, the
ここで、梁部12a〜12dは、支持基板2の表面に直交する方向(上下方向)に加速度を受けたときに可動電極部(重り部)13を当該方向へ変位させると共に、加速度の消失に応じて元の状態に復元させるというバネ機能を備えたものである。
Here, the
図1において、薄膜シリコン層よりなるアンカー部11cの上面にはワイヤボンディング用の電極パッド(アルミパッド)16が形成されている。
In FIG. 1, an electrode pad (aluminum pad) 16 for wire bonding is formed on the upper surface of an
図1の信号取出用対向電極部20は、方形部21と帯状部22からなり、方形部21からパッド形成用の帯状部22が延びている。図2に示すように、信号取出用対向電極部20はその下に絶縁膜3が存在する状態で区画され、図4に示すように、信号取出用対向電極部20と支持基板2との間に容量(コンデンサ容量)C2が形成される。図1の薄膜シリコン層よりなる帯状部22の上面にはワイヤボンディング用の電極パッド(アルミパッド)23が形成されている。そして、図4に示すように、第1のコンデンサ構成部E1の可動電極部13の変位による容量の変化が支持基板2を介して信号取出用対向電極部20から取り出されることになる。
The
また、図1の梁構造体10および信号取出用対向電極部20の周囲の枠部40に関して、梁構造体10および信号取出用対向電極部20の周囲における薄膜シリコン層4の上面にはワイヤボンディング用の電極パッド(アルミパッド)41が形成されている。この電極パッド(アルミパッド)41により梁構造体10および信号取出用対向電極部20の周辺部における薄膜シリコン層4が一定電位に固定され、これにより梁構造体10および信号取出用対向電極部20がシールドされることになる。
Further, regarding the
半導体加速度センサ(センサチップ)は、次のようにして製造したものである。図5を用いて製造工程を説明する。図5は図1のB−B線での断面をとっている。 The semiconductor acceleration sensor (sensor chip) is manufactured as follows. The manufacturing process will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a cross section taken along line BB in FIG.
まず、図5(a)に示すように、ウエハ状のSOI基板1を用意する。そして、薄膜シリコン層4の上にフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して電極パッド16,23,41(図1参照)を形成する。
First, as shown in FIG. 5A, a wafer-
続いて、図5(b)に示すように、マスク材7をパターニングし、ドライエッチング装置により異方性ドライエッチングを実行することにより、薄膜シリコン層4に対し絶縁膜(埋込み酸化膜)3に達する貫通孔5および透孔15を形成する(パターニングする)。さらに、マスク材7を残した状態で、絶縁膜(埋込み酸化膜)3が露出するSOI基板(ウエハ)1の表面側から、等方性ドライエッチングを施すことにより、図5(c)に示すように、薄膜シリコン層4での絶縁膜(埋込み酸化膜)3と接する部分を除去する。これによって、梁構造体10の可動電極部(重り部)13、梁部12a,12b,12c,12dが可動になる。そして、マスク材7を除去するとともにダイシングすることにより図1等に示すセンサチップが完成する。
Subsequently, as shown in FIG. 5B, the
上記のように構成された半導体加速度センサにあっては、基板2の表面に直交する方向(上下方向)の成分を含む加速度が印加されると、可動電極部(重り部)13が当該方向へ変位するようになる。そして、その加速度に応じた変位量は、可動電極部(重り部)13の質量と梁部12a,12b,12c,12dの復元力に比例したものとなる。この場合、可動電極部13と支持基板2との間に容量C1が形成される。また、図4のごとく、支持基板2の電位はフローティング状態であり、同基板2において容量の変化が現れる。
In the semiconductor acceleration sensor configured as described above, when an acceleration including a component in a direction (vertical direction) orthogonal to the surface of the
図6には、上記のような静電容量の変化を検出するための容量変化検出回路(CV変換回路)の回路構成を示す。但し、この図6では、半導体加速度センサを等価回路で表現している。 FIG. 6 shows a circuit configuration of a capacitance change detection circuit (CV conversion circuit) for detecting the change in capacitance as described above. However, in FIG. 6, the semiconductor acceleration sensor is represented by an equivalent circuit.
梁構造体10での電極パッド16には、図7に示すような矩形波より成る搬送波信号(周波数;例えば100kHz、電圧レベルVccは例えば5ボルト)が印加される。なお、具体的には図示しないが、上記搬送波信号は、発振回路からのクロック信号に同期して形成されるものである。
A carrier wave signal (frequency; for example, 100 kHz, voltage level Vcc is, for example, 5 volts) composed of a rectangular wave as shown in FIG. 7 is applied to the
このようにして、第1のコンデンサ構成部E1において、可動電極部13に搬送波電圧が印加されながら可動電極部13が加速度の作用により支持基板2の表面に直交する方向に変位して可動電極部13と支持基板2との間の容量C1が変化する。このとき容量C1が支持基板2から取り出される。
In this way, in the first capacitor component E1, the
図6においてパッド23にはCV変換回路としてのスイッチドキャパシタ回路50が接続されている。スイッチドキャパシタ回路50は図1に示したセンサチップとは別のチップにおいて形成されている。上記のような搬送波信号が印加された状態では、信号取出用対向電極部20での電極パッド23の電位レベルは、容量C1に応じたレベルになるものであり、その電位レベルをスイッチドキャパシタ回路50により検出するようにしている。
In FIG. 6, a switched
詳しくは、スイッチドキャパシタ回路50は、オペアンプ51、帰還コンデンサ52及びスイッチ要素53を図示のように組み合わせて接続されている。上記オペアンプ51は、反転入力端子に電極パッド23からの信号が入力され、非反転入力端子にVccの電圧信号が与えられる構成となっている。また、上記スイッチ要素53は、前記図示しない発振回路からのクロック信号に同期して生成されるトリガ信号によりオン/オフされるものであり、図7に示すように、搬送波信号の立ち上がりタイミングで一定時間(搬送波信号の1/2周期より短い時間)だけオンするように設定される。
Specifically, the switched
図6に示した容量変化検出回路(CV変換回路)は、以下のように動作する。 The capacitance change detection circuit (CV conversion circuit) shown in FIG. 6 operates as follows.
即ち、図7のタイミングチャート中のタイミングT1においては、梁構造体10での電極にVcc(例えば5ボルト)の電圧が印加されることになる。このときには、スイッチ要素53がオンされるため、スイッチドキャパシタ回路50からの出力電圧VoはVccになる。
That is, at timing T1 in the timing chart of FIG. 7, a voltage of Vcc (for example, 5 volts) is applied to the electrodes in the
上記タイミングT1から所定時間が経過したタイミングT2において、スイッチ要素53がオフされたときには、電極に対する印加電圧は変化しないので、出力電圧VoもVccのままである。次に、搬送波電圧が切り替わると、各電極に対する印加電圧が変化する。
When the
ここで、出力電圧Voのレベルは、容量C1、つまり、電極部(重り部)13に作用する加速度の大きさに応じて変化することになるから、その出力電圧Voを利用して加速度の大きさを検出できる。 Here, since the level of the output voltage Vo changes according to the magnitude of the acceleration acting on the capacitor C1, that is, the electrode part (weight part) 13, the magnitude of the acceleration is obtained using the output voltage Vo. Can be detected.
つまり、可動電極と固定電極との間の容量C1および固定容量C2に関して、加速度が加わった時のセンサの出力は、可動電極と固定電極の間隔が変化し、その間の容量変化が生じることで、発生する。詳しくは、センサ出力電圧Voは、
Vo=C1・C2・Vcc/(C1+C2)/Cf
となる。ただし、Cfはスイッチドキャパシタ回路の帰還容量である。
That is, with respect to the capacitance C1 and the fixed capacitance C2 between the movable electrode and the fixed electrode, the output of the sensor when acceleration is applied is due to the change in the capacitance between the movable electrode and the fixed electrode, and the change in the capacitance between them. appear. Specifically, the sensor output voltage Vo is
Vo = C1 · C2 · Vcc / (C1 + C2) / Cf
It becomes. Where Cf is the feedback capacitance of the switched capacitor circuit.
ここで、C1値がC2値よりも十分小さいならば、センサ出力電圧Voは、
Vo=C1・Vcc/Cf
となる。
Here, if the C1 value is sufficiently smaller than the C2 value, the sensor output voltage Vo is
Vo = C1 · Vcc / Cf
It becomes.
よって、加速度により変化する容量C1に比例した出力が得られる。 Therefore, an output proportional to the capacitance C1 that changes with acceleration is obtained.
以上、本実施形態は下記の特徴を有する。 As described above, the present embodiment has the following features.
・SOI基板1を用いて第1のコンデンサ構成部E1と第2のコンデンサ構成部E2とがワンチップ化され、第1のコンデンサ構成部E1での梁構造体10の可動電極部13が加速度の作用により支持基板2の表面に直交する方向に変位して可動電極部13と支持基板2との間の容量が変化する。一方、第2のコンデンサ構成部E2においては、薄膜シリコン層4において信号取出用対向電極部20がその下に絶縁膜3が存在する状態で区画形成されている。そして、第1のコンデンサ構成部E1の可動電極部13の変位による容量の変化が信号取出用対向電極部20から取り出される。よって、加速度の検出を行うために支持基板2と結線する必要はなくなるので、例えば、支持基板2と結線するための工数が増大することが回避される。このようにして、SOI基板1を用いて半導体加速度センサを構成した場合において支持基板2の電位をフローティングにして配線ラインの簡素化を図ることができる。
The first capacitor component E1 and the second capacitor component E2 are made into one chip using the
・薄膜シリコン層4における梁構造体10と信号取出用対向電極部20の周囲の部位(枠部40)に対し定電圧を印加してシールド層にしたので、ノイズに強い。
Since the shield layer is formed by applying a constant voltage to a portion (frame portion 40) around the
次に、別例を説明する。 Next, another example will be described.
図8,9,10に示すように、薄膜シリコン層4における梁構造体10の外周全てを信号取出用対向電極部20としてもよい。即ち、ワンチップにおける薄膜シリコン層4での梁構造体10の周囲を信号取出用対向電極部20にしてもよい。
As shown in FIGS. 8, 9, and 10, the entire outer periphery of the
また、図11,12,13に示す差動容量式の半導体加速度センサとしてもよい。つまり、図1に示したセンサでは可動容量式の第1のコンデンサ構成部E1と固定容量式の第2のコンデンサ構成部E2を具備していたが、図11〜13に示すセンサでは、可動容量式の第1のコンデンサ構成部E1と固定容量式の第2のコンデンサ構成部E2に加えて可動容量式の第3のコンデンサ構成部E3を具備している。そして、第1のコンデンサ構成部E1での容量と第3のコンデンサ構成部E3での容量の差を検出する。 Also, a differential capacitance type semiconductor acceleration sensor shown in FIGS. In other words, the sensor shown in FIG. 1 includes the movable capacitor type first capacitor component E1 and the fixed capacitor type second capacitor component E2, but the sensor shown in FIGS. In addition to the first capacitor component E1 of the formula and the second capacitor component E2 of the fixed capacitance type, the third capacitor component E3 of the movable capacitance type is provided. And the difference of the capacity | capacitance in the 1st capacitor | condenser structure part E1 and the capacity | capacitance in the 3rd capacitor | condenser structure part E3 is detected.
以下、このセンサを詳しく説明する。 Hereinafter, this sensor will be described in detail.
SOI基板1により、第1のコンデンサ構成部E1と第2のコンデンサ構成部E2と第3のコンデンサ構成部E3が構成されている(ワンチップ化されている)。薄膜シリコン層4に形成された貫通孔5により、図11のごとく、左右の第1および第2の梁構造体10,30と、その間に配した信号取出用対向電極部20と、これら部材(10,20,30)の周囲の枠部40が区画形成されている。第1の梁構造体10を用いて第1のコンデンサ構成部E1が構成されるとともに、第2の梁構造体30を用いて第3のコンデンサ構成部E3が構成され、さらに、信号取出用対向電極部20を用いて第2のコンデンサ構成部E2が構成されている。
The
第2の梁構造体30は第1の梁構造体10と同様の構造をなし、第2の梁構造体30は、アンカー部31a,31b,31c,31dと梁部32a,32b,32c,32dと可動電極部(重り部)33からなる。梁部32a〜32dと可動電極部(重り部)33は、図12に示すように、絶縁膜3の上において空隙34を介して配置され、可動電極部(重り部)33は支持基板2に対し空隙34を介して対向配置されている。また、図11に示すように、可動電極部(重り部)33には透孔35が形成されている。この可動電極部(重り部)33と支持基板2との間に、図14に示すように、容量(コンデンサ容量)C3が形成される。つまり、可動電極部(重り部)33と支持基板2とが対向電極をなし、両対向電極の間に容量C3が形成される。
The
このように第2の梁構造体30と第1の梁構造体10とは同様の構造をなしているが、図11の第1の梁構造体10における梁部の長さL1と第2の梁構造体30における梁部の長さL2との比較において、長さL1に比べ長さL2が大きくなっている。これにより、加速度が加わったときに第1の梁構造体10の電極部13よりも第2の梁構造体30の電極部33の方が大きく変位する。このようにして、第1の梁構造体10と第2の梁構造体30とは、加速度が作用したときの容量変化が異なっている。そして、図14に示すように、第1のコンデンサ構成部E1での容量C1と第3のコンデンサ構成部E3での容量C3の差(C1−C3)が支持基板2から信号取出用対向電極部20に取り出されることになる。
As described above, the
図11において、薄膜シリコン層よりなるアンカー部31dの上面にはワイヤボンディング用の電極パッド(アルミパッド)36が形成されている。
In FIG. 11, an electrode pad (aluminum pad) 36 for wire bonding is formed on the upper surface of an
図11の信号取出用対向電極部20は、図14に示すように、支持基板2との間に容量(コンデンサ容量)C2が形成される。
As shown in FIG. 14, a capacitance (capacitor capacitance) C <b> 2 is formed between the
上記のように構成された半導体加速度センサにあっては、基板2の表面に直交する方向(上下方向)の成分を含む加速度が印加されると、可動電極部(重り部)13,33が当該方向へ変位するようになる。そして、その加速度に応じた変位量は、可動電極部(重り部)13,33の質量と梁部12a〜12d,32a〜32dの復元力に比例したものとなる。この場合、可動電極部13と支持基板2との間に第1の容量C1が形成され、また、可動電極部33と支持基板2との間に第3の容量C3が形成される。
In the semiconductor acceleration sensor configured as described above, when an acceleration including a component in the direction (vertical direction) orthogonal to the surface of the
なお、上記第1及び第3の容量C1,C3は、本例の場合、加速度が印加されていない状態で互いに等しくなるように設定されている。つまり、図11において左右に配置された梁構造体10,30において、C1=C3となっている。
In the present example, the first and third capacitors C1 and C3 are set to be equal to each other when no acceleration is applied. That is, in the
図15には、上記のような静電容量の変化を検出するための容量変化検出回路(CV変換回路)の回路構成を示す。但し、この図15では、半導体加速度センサを等価回路で表現している。 FIG. 15 shows a circuit configuration of a capacitance change detection circuit (CV conversion circuit) for detecting the change in capacitance as described above. However, in FIG. 15, the semiconductor acceleration sensor is expressed by an equivalent circuit.
第1の梁構造体10での電極パッド16には、図16に示すような矩形波より成る第1搬送波信号(周波数;例えば100kHz、電圧レベルVccは例えば5ボルト)が印加される。また、第2の梁構造体30での電極パッド36には、上記第1搬送波信号と位相が180°異なる矩形波より成る第2搬送波信号(周波数;例えば100kHz、電圧レベルVccは例えば5ボルト)が印加されるようになっている。なお、具体的には図示しないが、上記第1及び第2搬送波信号は、同一の発振回路からのクロック信号に同期して形成されるものである。
A first carrier wave signal (frequency; for example, 100 kHz, voltage level Vcc is, for example, 5 volts) composed of a rectangular wave as shown in FIG. 16 is applied to the
このようにして、第1のコンデンサ構成部E1において、可動電極部13に搬送波電圧が印加されながら可動電極部13が加速度の作用により支持基板2の表面に直交する方向に変位して可動電極部13と支持基板2との間の容量C1が変化する。同様に、第3のコンデンサ構成部E3において、可動電極部33に逆相の搬送波電圧が印加されながら可動電極部33が加速度の作用により支持基板2の表面に直交する方向に変位して可動電極部33と支持基板2との間の容量C3が変化する。このとき、可動電極部33と支持基板2との間の容量C3が、第1の梁構造体10の可動電極部13の変位による容量C1とは異なる状態で変化し、その容量差(C1−C3)が支持基板2から取り出される。
In this way, in the first capacitor component E1, the
図15においてパッド23にはCV変換回路としてのスイッチドキャパシタ回路50が接続されている。上記のような各搬送波信号が印加された状態では、信号取出用対向電極部20での電極パッド23の電位レベルは、第1及び第3の容量C1,C3に応じたレベルになるものであり、その電位レベルをスイッチドキャパシタ回路50により検出するようにしている。
In FIG. 15, a switched
詳しくは、オペアンプ51は、反転入力端子に電極パッド23からの信号が入力され、非反転入力端子にVcc/2(つまり、第1及び第3の容量C1,C3が等しい状態時に電極パッド23に現れる電位レベルに相当)の電圧信号が与えられる構成となっている。また、上記スイッチ要素53は、前記図示しない発振回路からのクロック信号に同期して生成されるトリガ信号によりオン/オフされるものであり、図16に示すように、第1搬送波信号の立ち上がりタイミング(第2搬送波信号の立ち下がりタイミング)で一定時間(第1搬送波信号の1/2周期より短い時間)だけオンするように設定される。
Specifically, in the
図15に示した容量変化検出回路(CV変換回路)は、以下のように動作する。 The capacitance change detection circuit (CV conversion circuit) shown in FIG. 15 operates as follows.
即ち、第1及び第3の容量C1,C3が等しい場合、図16のタイミングチャート中のタイミングT1においては、第1の梁構造体10での電極にVcc(例えば5ボルト)、第2の梁構造体30での電極に0ボルトの電圧がそれぞれ印加されることになる。このときには、スイッチ要素53がオンされるため、スイッチドキャパシタ回路50からの出力電圧VoはVcc/2になる。
That is, when the first and third capacitors C1 and C3 are equal, at the timing T1 in the timing chart of FIG. 16, Vcc (for example, 5 volts) is applied to the electrode of the
上記タイミングT1から所定時間が経過したタイミングT2において、スイッチ要素53がオフされたときには、各電極に対する印加電圧は変化しないので、出力電圧VoもVcc/2のままである。次に、搬送波電圧が切り替わると、各電極に対する印加電圧が変化する。
When the
ここで、出力電圧Voのレベルは、第1及び第3の容量C1,C3の差動的な変化量、つまり、電極部(重り部)13,33に作用する加速度の大きさに応じて変化することになるから、その出力電圧Voを利用して加速度の大きさを検出できる。 Here, the level of the output voltage Vo changes in accordance with the differential change amount of the first and third capacitors C1 and C3, that is, the magnitude of acceleration acting on the electrode portions (weight portions) 13 and 33. Therefore, the magnitude of acceleration can be detected using the output voltage Vo.
つまり、可動電極と固定電極との間の容量C1,C3および固定容量C2に関して、加速度が加わった時のセンサの出力は、可動電極と固定電極の間隔が変化し、その間の容量変化(C1−C3)が生じることで、発生する。詳しくは、センサ出力電圧Voは、
Vo=C2・(C1−C3)・Vcc/(C1+C2+C3)/Cf
となる。ただし、Cfはスイッチドキャパシタ回路の帰還容量である。
That is, regarding the capacitances C1, C3 and the fixed capacitance C2 between the movable electrode and the fixed electrode, the output of the sensor when acceleration is applied changes the distance between the movable electrode and the fixed electrode, and changes in the capacitance (C1- Occurs when C3) occurs. Specifically, the sensor output voltage Vo is
Vo = C2 * (C1-C3) * Vcc / (C1 + C2 + C3) / Cf
It becomes. Where Cf is the feedback capacitance of the switched capacitor circuit.
ここで、C1,C3値がC2値よりも十分小さいならば、センサ出力電圧Voは、
Vo=(C1−C3)・Vcc/Cf
となる。
Here, if the C1 and C3 values are sufficiently smaller than the C2 value, the sensor output voltage Vo is
Vo = (C1-C3) .Vcc / Cf
It becomes.
よって、加速度により変化する容量差(C1−C3)に比例した出力が得られる。 Therefore, an output proportional to the capacitance difference (C1-C3) that changes with acceleration is obtained.
このようにして、第1のコンデンサ構成部E1での梁構造体10の可動電極部13と第3のコンデンサ構成部E3での梁構造体30の可動電極部33とが同一方向に動き、発生した容量差(C1−C3)を検出するとともに、第2のコンデンサ構成部E2を介して上記容量差(C1−C3)が取り出される。
In this way, the
また、図1〜3での支持基板2と薄膜シリコン層4の間に配する部材、即ち、平行平板電極間に配する部材として、図1,2,3においては下側電極/シリコン酸化膜/エアギャップ/上側電極であったが、次のようにしてもよい。
1-3, the member disposed between the
図17に示すように、下側電極/シリコン酸化膜/エアギャップ/シリコン酸化膜/上側電極としてもよい。あるいは、図18に示すように、下側電極/エアギャップ/シリコン酸化膜/上側電極としてもよい。あるいは、図19に示すように、下側電極/シリコン酸化膜/シリコン窒化膜/エアギャップ/上側電極としてもよい。 As shown in FIG. 17, the lower electrode / silicon oxide film / air gap / silicon oxide film / upper electrode may be used. Alternatively, as shown in FIG. 18, the lower electrode / air gap / silicon oxide film / upper electrode may be used. Alternatively, as shown in FIG. 19, the lower electrode / silicon oxide film / silicon nitride film / air gap / upper electrode may be used.
また、図11〜13での第1のコンデンサ構成部E1での容量C1と第3のコンデンサ構成部E3での容量C3に差(C1−C3)をつける他の方法として次のようにしてもよい。つまり、図11では梁構造体10,30における梁部の長さL1,L2を変えることにより加速度が加わったときの容量に差をつけていたが(容量変化を異ならせたが)、これに代わり次のようにしてもよい。
In addition, as another method of giving a difference (C1−C3) between the capacitance C1 in the first capacitor configuration unit E1 and the capacitance C3 in the third capacitor configuration unit E3 in FIGS. Good. In other words, in FIG. 11, the capacity when acceleration is applied by changing the lengths L1 and L2 of the beam portions in the
図20に示すように、梁構造体10,30における梁部の幅W(W2>W1)を変え、これにより、梁構造体10,30の梁部のバネ定数kを変えるようにしてもよい。
As shown in FIG. 20, the beam portion width W (W2> W1) in the
あるいは、図21に示すように、梁構造体10,30における可動電極部13,33の大きさを異ならせ(W11>W10)、これにより、可動電極部13,33の質量mを変えるようにしてもよい。あるいは、図22に示すように、梁構造体10,30における可動電極部13,33の縦横寸法が同じであり、梁構造体10での透孔15と梁構造体30での透孔35の大きさは同じであるが梁構造体30においては更に大きな透孔60が形成されている。これにより可動電極部13,33の電極面積を異ならせてもよい。この図21,22に示したように、第1の梁構造体10と第2の梁構造体30とは、可動電極部13,33の質量または電極面積を変えることにより加速度が作用したときの容量変化を異ならせてもよい。
Alternatively, as shown in FIG. 21, the sizes of the
あるいは、図23,24,25に示すように、支持基板2における第2の梁構造体30の可動電極部33と対向する部位にシリコン窒化膜70を形成することにより、第1のコンデンサ構成部E1と第3のコンデンサ構成部E3において誘電率εを異ならせる。二酸化膜以外の誘電物質として、例えばSiN、SiONを挙げることができ、SiOの比誘電率は「3.9」であるがSiNの比誘電率は「9」である。広義には、第1の梁構造体10と第2の梁構造体30とは、支持基板2と薄膜シリコン層4の間の絶縁膜の材質または厚さを変えることにより加速度が作用したときの容量変化を異ならせる。
Alternatively, as shown in FIGS. 23, 24, and 25, the first capacitor component is formed by forming a
また、図11に代わる構成として図26に示すように、薄膜シリコン層4における梁構造体10,30の外周全てを信号取出用対向電極部20としてもよい。
In addition, as shown in FIG. 26 as an alternative configuration to FIG. 11, the entire outer periphery of the
また、半導体加速度センサの他にも半導体ヨーレイトセンサ等の他の力学量を検出するためのセンサに適用してもよい。 In addition to the semiconductor acceleration sensor, the present invention may be applied to other mechanical quantities such as a semiconductor yaw rate sensor.
次に、上記別例から把握できる技術的思想を以下に記載する。
(イ)請求項1に記載の半導体力学量センサにおいて、
前記第1のコンデンサ構成部(E1)の可動電極部(13)は搬送波電圧が印加されながら力学量の作用により支持基板(2)の表面に直交する方向に変位するものであり、
前記第1および第2のコンデンサ構成部(E1,E2)と共に前記積層基板(1)にワンチップ化され、前記薄膜半導体層(4)において梁構造体(30)が区画形成され、梁構造体(30)の可動電極部(33)が前記支持基板(2)に対し空隙(34)を介して対向配置され、当該可動電極部(33)に搬送波電圧が印加されながら当該可動電極部(33)が力学量の作用により支持基板(2)の表面に直交する方向に変位して当該可動電極部(33)と前記支持基板(2)との間の容量が、前記第1のコンデンサ構成部(E1)の可動電極部(13)の変位による容量とは異なる状態で変化し、その容量差が支持基板(2)から取り出される第3のコンデンサ構成部(E3)と、
を備え、
前記容量差が前記支持基板(2)から前記第2のコンデンサ構成部(E2)の信号取出用対向電極(20)に取り出されるようにしたことを特徴とする半導体力学量センサ。
Next, the technical idea that can be grasped from the above-mentioned another example will be described below.
(A) In the semiconductor dynamic quantity sensor according to
The movable electrode portion (13) of the first capacitor component (E1) is displaced in a direction perpendicular to the surface of the support substrate (2) by the action of a mechanical quantity while a carrier voltage is applied,
A single chip is formed on the multilayer substrate (1) together with the first and second capacitor components (E1, E2), and a beam structure (30) is defined in the thin film semiconductor layer (4). The movable electrode portion (33) of (30) is arranged to face the support substrate (2) via the gap (34), and the movable electrode portion (33) is applied while a carrier voltage is applied to the movable electrode portion (33). ) Is displaced in the direction orthogonal to the surface of the support substrate (2) by the action of the mechanical quantity, and the capacitance between the movable electrode portion (33) and the support substrate (2) is the first capacitor component. A third capacitor component (E3) that changes in a state different from the capacitance due to the displacement of the movable electrode portion (13) of (E1), and the capacitance difference is taken out from the support substrate (2);
With
The semiconductor dynamic quantity sensor characterized in that the capacitance difference is taken out from the support substrate (2) to the signal take-out counter electrode (20) of the second capacitor constituting part (E2).
この構成により、差動容量タイプとなり、外乱(ノイズ)を相殺できノイズに強い構造となる。
(ロ)前記(イ)に記載の半導体力学量センサにおいて、第1の梁構造体(10)と第2の梁構造体(30)とは、梁部の長さ(L1,L2)を変えることにより力学量が作用したときの容量変化を異ならせたことを特徴とする半導体力学量センサ。
(ハ)前記(イ)に記載の半導体力学量センサにおいて、第1の梁構造体(10)と第2の梁構造体(30)とは、梁部の幅(W1,W2)を変えることにより力学量が作用したときの容量変化を異ならせたことを特徴とする半導体力学量センサ。
(ニ)前記(イ)に記載の半導体力学量センサにおいて、第1の梁構造体(10)と第2の梁構造体(30)とは、可動電極部(13,33)の質量または電極面積を変えることにより力学量が作用したときの容量変化を異ならせたことを特徴とする半導体力学量センサ。
(ホ)前記(イ)に記載の半導体力学量センサにおいて、第1の梁構造体(10)と第2の梁構造体(30)とは、支持基板(2)と薄膜半導体層(4)の間の絶縁膜の材質または厚さを変えることにより力学量が作用したときの容量変化を異ならせたことを特徴とする半導体力学量センサ。
With this configuration, a differential capacitance type is obtained, and a structure that can cancel disturbance (noise) and is resistant to noise.
(B) In the semiconductor dynamic quantity sensor described in (a) above, the first beam structure (10) and the second beam structure (30) change the length (L1, L2) of the beam portion. A semiconductor mechanical quantity sensor characterized in that the change in capacitance when the mechanical quantity acts is made different.
(C) In the semiconductor dynamic quantity sensor described in (a) above, the first beam structure (10) and the second beam structure (30) change the width (W1, W2) of the beam portion. A semiconductor mechanical quantity sensor characterized in that the change in capacitance when the mechanical quantity is applied is made different.
(D) In the semiconductor dynamic quantity sensor described in (a) above, the first beam structure (10) and the second beam structure (30) are the mass or electrode of the movable electrode part (13, 33). A semiconductor dynamic quantity sensor characterized in that a change in capacitance when a dynamic quantity is applied is varied by changing an area.
(E) In the semiconductor dynamic quantity sensor according to (a), the first beam structure (10) and the second beam structure (30) include a support substrate (2) and a thin film semiconductor layer (4). A semiconductor dynamic quantity sensor characterized in that a change in capacitance when a dynamic quantity acts is made different by changing a material or a thickness of an insulating film between them.
1…SOI基板、2…支持基板、3…絶縁膜、4…薄膜シリコン層、10…梁構造体、11a,11b,11c,11d…アンカー部、12a,12b,12c,12d…梁部、13…可動電極部、14…空隙、20…信号取出用対向電極部、30…梁構造体、31a,31b,31c,31d…アンカー部、32a,32b,32c,32d…梁部、33…可動電極部、34…空隙、40…枠部、E1…第1のコンデンサ構成部、E2…第2のコンデンサ構成部、E3…第3のコンデンサ構成部。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記薄膜半導体層(4)において第1の梁構造体(10)が区画形成され、第1の梁構造体(10)の可動電極部(13)が共通の固定電極である前記支持基板(2)に対し空隙(14)を介して対向配置され、当該可動電極部(13)にクロック信号に同期して生成される第1搬送波信号が印加されながら当該可動電極部(13)が力学量の作用により共通の固定電極である前記支持基板(2)の表面に直交する方向に変位して当該可動電極部(13)と前記支持基板(2)との間の容量が変化する第1のコンデンサ構成部(E1)と、
前記第1のコンデンサ構成部(E1)と共に前記積層基板(1)にワンチップ化され、前記薄膜半導体層(4)において第2の梁構造体(30)が区画形成され、第2の梁構造体(30)の可動電極部(33)が共通の固定電極である前記支持基板(2)に対し空隙(34)を介して対向配置され、当該可動電極部(33)に前記クロック信号に同期して生成される前記第1搬送波信号とは逆相の第2搬送波信号が印加されながら当該可動電極部(33)が力学量の作用により共通の固定電極である前記支持基板(2)の表面に直交する方向に変位して当該可動電極部(33)と前記支持基板(2)との間の容量が、前記第1の梁構造体(10)の可動電極部(13)の変位による容量とは異なる状態で変化する第3のコンデンサ構成部(E3)と、
前記第1および第3のコンデンサ構成部(E1,E3)と共に前記積層基板(1)にワンチップ化され、前記薄膜半導体層(4)において信号取出用対向電極部(20)がその下に前記絶縁膜(3)が存在する状態で区画形成され、前記信号取出用対向電極部(20)が前記第1および第3のコンデンサ構成部の固定電極である前記支持基板(2)に対し対向配置される第2のコンデンサ構成部(E2)と、
前記信号取出用対向電極部(20)と電気的に接続するスイッチドキャパシタ回路(50)とを備え、
前記スイッチドキャパシタ回路(50)は、力学量検出時において力学量の作用により前記各可動電極部(13、33)が変位することで前記第1のコンデンサ構成部(E1)と第3のコンデンサ構成部(E3)との間に生じた容量差を検出しており、
前記スイッチドキャパシタ回路(50)は、オペアンプ(51)と、帰還コンデンサ(52)及びスイッチ要素(53)とからなり、
前記オペアンプ(51)の反転入力端子には前記信号取出用対向電極部(20)からの信号が入力され、該オペアンプの非反転入力端子には、前記第1のコンデンサ構成部(E1)の容量C1と前記第3のコンデンサ構成部(E3)の容量C3とが等しい状態において前記信号取出用対向電極部(20)に表れる電圧レベルが入力され、
前記スイッチ要素(53)は、前記クロック信号に同期して生成されるトリガ信号により、前記第1搬送波信号が立ち上がり、前記第2搬送波信号が立ち下がりのタイミングで一定時間だけオンするものであり、
前記スイッチドキャパシタ回路(50)の動作は、
前記第1搬送波信号によりより前記第1の梁構造体(10)の前記可動電極部(13)にVcc、前記第2搬送波信号により前記第2の梁構造体(30)の可動電極部(33)に0ボルトの電圧がそれぞれ印加されるとともに、前記スイッチ要素(53)がオンされ、前記スイッチドキャパシタ回路(50)からの出力電圧VoがVcc/2になるタイミングT1と、
前記タイミングT1から所定時間が経過し、スイッチ要素(53)がオフされるタイミングT2と、
前記タイミングT2の後、前記第1搬送波信号および前記第2搬送波信号が切り替わり、前記出力電圧Voが、前記第1のコンデンサ構成部(E1)の容量C1と前記第3のコンデンサ構成部(E3)の容量C3の差動的な変化量に応じて変化するタイミングT3とを有することを特徴とする半導体力学量センサ。 A laminated substrate having an SOI structure in which an insulating film (3) is disposed on one side surface of a support substrate (2) in which a potential made of a semiconductor material is in a floating state, and a thin-film semiconductor layer (4) is disposed on the insulating film (3). (1)
In the thin film semiconductor layer (4), the first beam structure (10) is partitioned and the movable substrate (13) of the first beam structure (10) is a common fixed electrode. ) With the first carrier wave signal generated in synchronization with the clock signal being applied to the movable electrode portion (13) through the air gap (14). A first capacitor in which the capacitance between the movable electrode portion (13) and the support substrate (2) is changed by a displacement in a direction orthogonal to the surface of the support substrate (2), which is a common fixed electrode. A component (E1);
A single chip is formed on the multilayer substrate (1) together with the first capacitor component (E1), and a second beam structure (30) is defined in the thin film semiconductor layer (4). The movable electrode portion (33) of the body (30) is disposed to face the support substrate (2), which is a common fixed electrode, via a gap (34), and the movable electrode portion (33) is synchronized with the clock signal. The surface of the support substrate (2) in which the movable carrier part (33) is a common fixed electrode by the action of a mechanical quantity while the second carrier wave signal having a phase opposite to that of the first carrier wave signal generated is applied. The capacitance between the movable electrode portion (33) and the support substrate (2) displaced in the direction orthogonal to the capacitance is a capacitance due to the displacement of the movable electrode portion (13) of the first beam structure (10). The third capacitor component (E A),
The laminated substrate (1) is integrated into one chip together with the first and third capacitor components (E1, E3), and the signal extraction counter electrode portion (20) is disposed below the thin film semiconductor layer (4). A partition is formed in the presence of the insulating film (3), and the counter electrode portion for signal extraction (20) is disposed opposite to the support substrate (2) which is a fixed electrode of the first and third capacitor components. A second capacitor component (E2),
A switched capacitor circuit (50) electrically connected to the counter electrode portion (20) for signal extraction;
In the switched capacitor circuit (50), the first and second capacitor components (E1) and the third capacitor are displaced by the displacement of the movable electrode portions (13, 33) due to the action of the mechanical quantity when detecting the mechanical quantity. the capacitance difference caused between the components (E3) has been detected,
The switched capacitor circuit (50) includes an operational amplifier (51), a feedback capacitor (52), and a switch element (53).
A signal from the counter electrode portion for signal extraction (20) is input to the inverting input terminal of the operational amplifier (51), and the capacitance of the first capacitor component (E1) is input to the non-inverting input terminal of the operational amplifier. The voltage level appearing in the counter electrode part for signal extraction (20) in a state where C1 and the capacitance C3 of the third capacitor component (E3) are equal is input,
The switch element (53) is turned on for a predetermined time at a timing when the first carrier signal rises and the second carrier signal falls by a trigger signal generated in synchronization with the clock signal,
The operation of the switched capacitor circuit (50) is as follows.
Vcc is applied to the movable electrode part (13) of the first beam structure (10) by the first carrier wave signal, and the movable electrode part (33) of the second beam structure (30) by the second carrier wave signal. ) Is applied with a voltage of 0 volts, the switch element (53) is turned on, and the timing T1 at which the output voltage Vo from the switched capacitor circuit (50) becomes Vcc / 2,
A timing T2 at which a predetermined time elapses from the timing T1 and the switch element (53) is turned off;
After the timing T2, the first carrier signal and the second carrier signal are switched, and the output voltage Vo is changed between the capacitance C1 of the first capacitor component (E1) and the third capacitor component (E3). And a timing T3 that changes in accordance with a differential change amount of the capacitor C3 .
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