JP5427199B2 - 半導体物理量検出センサ - Google Patents

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Description

本発明は、物理量検出センサに関する。例えば本発明は、物体に働く慣性力（加速度、角速度等）に起因する物理量を検出する半導体物理量検出センサに関する。例えば本発明は、ＭＥＭＳ（微小電気機械シテスム：Micro-Electro-Mechanical Systems）技術を用いて形成される半導体物理量検出センサに関する。
慣性力を用いた物理量検出センサは、可動部と、支持基板と、可動部を支持基板に連結する梁部とから構成される。当該センサに物理量が印加されると、物理量に起因した慣性力が可動部に働き、可動部が支持基板に対して変位する。当該変位により、可動部と一体形成された可動電極と支持基板に固定された固定電極で形成される容量の容量値が変化する。物理量検出センサは、容量値の変化を電気信号に変換し、演算回路に出力する。なお、演算回路では、当該電気信号を、センサに印加された物理量に変換する演算処理が実行される。
ＭＥＭＳ技術を用い、物理量検出センサとして動作する半導体チップを形成する場合、可動電極と固定電極を、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハの同じ活性層に形成することが知られている。この種のセンサには、センサに物理量が印加され、物理量に起因した慣性力が可動部に働くと、可動部の変位が支持基板の厚さ方向に生じるものがある。
例えば可動部が支持基板から離れる方向に変位する場合、可動電極と固定電極の対向面積は減少する。つまり、可動電極と固定電極から構成される容量が減少する。一方、可動部が支持基板へ近づく方向に変位する場合、可動電極と固定電極の対向面積は減少する。つまり、可動電極と固定電極から構成される容量が減少する。
すなわち、可動電極と固定電極が同じ層に形成され、可動部の変位が支持基板の厚さ方向に生じるセンサの場合、可動電極と固定電極で形成される容量における容量値の増減の大きさで、可動部の変位の大きさを検出することができる。しかし、可動電極と固定電極で形成する容量の増減の大きさだけでは、変位の方向が支持基板から離れる方向なのか支持基板に近づく方向なのかを区別することができない。
そこで、本技術分野の背景技術として、特許文献１の技術が提案されている。この文献には、可動電極を支持基板に連結する梁部の表面に熱酸化膜、多結晶シリコン又はシリコン窒化膜からなる圧縮応力層を形成することにより、センサに物理量が印加されていない状態でも、可動電極を支持基板から離す方向に反らすことができる技術が記載されている。この種のセンサでは、センサに物理量が印加されていない状態でも、可動電極が支持基板から離れる方向に反っているので、支持基板の厚さ方向への可動電極の変位の方向及び大きさ、すなわち印加された力学量の方向及び大きさを適切に検出することができる。
また、本技術分野の背景技術として、特許文献２の技術が提案されている。この文献には、センサと接合するキャップ部（センサへの水や異物の混入等を防止する保護部材）に突起を設け、当該突起でセンサ可動部を押すことにより、センサに物理量が印加されていない状態でも、可動電極を支持基板側に移動させる技術が記載されている。この種のセンサでは、センサに物理量が印加されていない状態でも、可動電極を支持基板へ近づける方向に移動させているため、支持基板の厚さ方向への可動電極の変位の方向及び大きさ、すなわち印加された力学量の方向及び大きさを適切に検出することができる。
また、本技術分野の背景技術として、特許文献３の技術が提案されている。この文献には、可動電極と固定電極が形成されているＳＯＩウエハの活性層と支持基板の間にバイアス電圧を印加し、センサに物理量が印加されていない状態でも、静電気力を用いることにより、支持基板に対する可動電極と固定電極の距離をずらす技術が記載されている。この種のセンサの場合、センサに物理量が印加されていない状態でも、可動電極を支持基板に近づける方向に移動させることができる。このため、支持基板の厚さ方向への可動電極の変位の方向及び大きさ、すなわち印加された力学量の方向及び大きさを適切に検出することができる。
特許第４５９１０００号明細書 特開２０１０−１１２９３０号公報 特開２０１０−１２７７６８号公報
特許文献１に開示された従来技術には以下の課題が考えられる。
（１）梁部の表面に圧縮応力層を形成するには、複雑なプロセスが必要とされる。そのため、製造単価は割高となる。
（２）熱酸化膜、多結晶シリコン膜、窒化膜の形成には、数百℃から数千℃の高温プロセスが必要となる。このため、装置を高性能化（例えば検出感度の向上）する容量電圧変換回路の固定電極又は可動電極の周辺への集積化には制約が発生する。
（３）圧縮応力層の内部応力は温度特性と経時変化が大きい。このため、センサの信頼性が低くなるおそれがある。
（４）圧縮応力層の内部応力は、その膜厚に起因するウエハ面内の感度・初期オフセットなどのセンサの性能バラツキが大きい。
（５）圧縮応力層による反り量の制御はプロセス条件等によって決まる。このため、反り量をアクティブに制御することはできず、センサ性能の補正には複雑な信号処理が必要となる。
特許文献２に開示された従来技術には以下の課題が考えられる。
（１）キャップ部に突起を形成するには、複雑なプロセスが必要となる。そのため、製造単価は割高となる。
（２）キャップ部に形成される突起の高さは、可動部の変位量と同程度又はそれ以下の寸法とする必要がある。例えばＳＯＩ基板を用いて可動部を形成する場合、可動空間に相当するＢＯＸ酸化膜層の厚さは数マイクロメートル程度となる。このため、可動部の変位量は、数マイクロメートル以下となる。また、キャップ部に形成される突起の高さも、数１００ナノメートル以下となる。従って、キャップ部の母材であるシリコン基板又はガラス基板に突起を形成する際には、数１０ナノメートル以下の精度で加工しなければならない。しかし、製造時のウエハ間やウエハ面内で生じる加工バラツキが大きく、前記センサ性能の補正には複雑な工程と信号処理が必要となる。
（３）キャップ部に形成される突起は、キャップ母材とセンサ基板を貼り合わせる際に、センサ可動部を支持基板に連結する梁部と一致して貼り合わせる必要がある。そのため、キャップ母材とセンサ基板を貼り合わせる工程では、数マイクロメートル以下の位置合わせ精度が必要となり、製造歩留まりを低下させてチップ単価を上昇させる可能性がある。
特許文献３に開示された従来技術には、以下の課題が考えられる。
（１）この技術では、可動部と支持基板間にバイアス電圧を印加し、静電気力を発生させる。このため、可動部と支持基板間には、式１で与えられるように、可動部と支持基板の間の距離に対して非線形な静電引力が働く。ここで、Ｆｅは可動部と支持基板間に働く静電引力、εは可動部と支持基板間の誘電率、Ｓは可動部と支持基板間の対向面積、Ｖは可動部と支持基板間の印加電圧、ｄは可動部と支持基板間の距離である。
Figure 0005427199
つまり、可動部が支持基板から離れる方向に変位する場合と、可動部が支持基板へ近づく方向に変位する場合とで、可動部と支持基板の間に働く静電引力の大きさが異なる。このため、センサ出力を線形に補正するには、複雑な信号処理が必要となる。
これらの課題のうち少なくとも１つを解決するため、例えば特許請求の範囲に記載の構造を採用する。すなわち、本発明に係る半導体物理量検出センサは、前述した課題の少なくとも１つを解決可能な構造として、以下に示す構造を含む。当該半導体物理量検出センサは、物理量の印加により変位する可動電極と、当該可動電極と共通の第一の導電層に形成される第一の静電容量と、前記可動電極と、当該可動電極とは基板面上からの高さが異なる第二の導電層に形成された第二の固定電極とで形成される第二の静電容量と、物理量が印加されたときに生じる第一及び第二の静電容量の変化に基づいて物理量を算出する演算回路とを有する。ここで、第一の静電容量からの電気信号と第二の静電容量からの電気信号は、それぞれ演算回路に入力される。
本発明によれば、本発明は、印加された力学量の方向及び大きさを、より 低コストで検出できるセンサを提供することができる。
上記以外の課題、構成及び効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。
実施例１に係る加速度センサチップの上面構造を示す図。 実施例１に係る加速度センサチップの断面構造を示す図。 実施例１に係る加速度センサチップの断面構造を示す図。 実施例１に係る加速度センサチップの出力特性を示す図。 実施例１に係る加速度センサチップの製造工程の一部を説明する図。 実施例１に係る加速度センサチップの製造工程の一部を説明する図。 実施例１に係る加速度センサチップの製造工程の一部を説明する図。 実施例１に係る加速度センサの信号処理回路の構成を示す図。 実施例１に係る加速度センサの入出力特性を示す図。 実施例１に係る加速度センサを実装した断面構造を説明する図。 実施例２に係る角速度センサチップの上面構造を示す図。 実施例２に係る角速度センサチップの断面構造を示す図。 実施例２に係る角速度センサチップの断面構造を示す図。 実施例２に係る角速度センサチップの出力特性を示す図。 実施例２に係る角速度センサの検出回路を示す図。 実施例２に係る角速度センサを実装した断面構造を説明する図。 実施例３に係る加速度センサチップの上面構造を示す図。 実施例３に係る加速度センサチップの断面構造を示す図。
以下、図面を用い、本発明の実施例を説明する。なお、本発明の実施例は、後述する例に限定されるものではなく、その技術思想の範囲において、種々の変形が可能である。
[実施例１]
本実施例では、物理量検出センサが加速度センサである場合について説明する。まず、本実施例に係る加速度センサの基本的な構成を説明する。
＜センサ構成と上面の構成＞
図１は、半導体チップ１００に形成された加速度センサを構成する構造体を示す上面図である。
図１に示すように、センサチップ１００の枠部１０１には、その内側部分に空洞部１０２が形成されている。空洞部１０２の四隅には、固定部１０３ａ及び１０３ｂが設けられている。この固定部１０３ａ及び１０３ｂには、弾性変形する梁１０４の一端が接続されている。梁１０４の他端は、加速度センサの錘となる可動部１０５と接続されている。すなわち、固定部１０３ａ、１０３ｂと可動部１０５とは、それぞれ、弾性変形可能な４本の梁１０４を通じて連結されている。後述するように、梁１０４と可動部１０５の下部には空間が形成されている。従って、可動部１０５は、その四隅において、４本の梁１０４により支持されている。この構造により、可動部１０５は、図１のｚ方向（紙面に対して垂直な方向）に変位することができる。
可動部１０５の更に内側には、空洞部１０９が形成されている。すなわち、可動部１０５は、平面構造が略環状に形成されている。空洞部１０９と面する可動部１０５の内周部分には、可動部１０５と一体に形成された検出用可動電極１０６ａが形成されている。この実施例の場合、検出用可動電極１０６ａは、可動部１０５の内周側から中心方向に延びる凸パターンとして形成されている。
空洞部１０９のさらに内側には、固定パターンが形成される。固定パターンには、検出用可動電極１０６ａと実質的に同じ高さで対向するように、検出用固定電極１０６ｂが形成される。すなわち、検出用固定電極１０６ｂは、空洞部１０９に形成されている。この実施例の場合、検出用固定電極１０６ｂは、検出用可動電極１０６ａを実質的に同一面内で取り囲むようにＵ字状に形成されている。
ここで、検出用可動電極１０６ａと検出用固定電極１０６ｂは、同一面内において容量素子（第一の静電容量）を形成する。なお、検出用可動電極１０６ａに加速度が印加されていない状態が、第一の静電容量における初期状態である。ｚ方向への加速度が印加された場合における検出用可動電極１０６ａの変位の大きさと向きは、当該初期状態を基準に与えられる。
外部から印加された加速度によって可動部１０５がｚ方向に変位すると、上述した第一の静電容量の容量が変化する。つまり、検出用可動電極１０６ａと検出用固定電極１０６ｂから構成される容量素子は、可動部１０５のｚ方向への変位を、容量変化として検出する容量検出部として機能する。第一の静電容量は、加速度の大きさの検出に用いられる。
また、本実施例の場合、枠部１０１とｚ方向に対向する位置に配置される支持基板には、可動部１０５と対向する下部電極１１９が形成される。この下部電極１１９と可動部１０５とは、容量素子（第二の静電容量）を形成する。なお、可動部１０５に加速度が印加されていない状態が、第二の静電容量の初期状態である。ｚ方向への加速度が印加された場合における可動部１０５の変位の大きさと向きは、当該初期状態を基準に与えられる。
外部から印加された加速度によって可動部１０５がｚ方向に変位すると、第二の静電容量の容量が変化する。つまり、可動部１０５と下部電極１１９から構成される容量素子（第二の静電容量）は、可動部１０５のｚ方向への変位を容量変化として検出する容量検出部として機能する。第二の静電容量は、加速度の方向の検出に用いられる。
この加速度センサの構造体は、シリコンなどの半導体材料から構成される。従って、梁１０４を互いに介して接続されている固定部１０３ａ及び１０３ｂと可動部１０５とは、電気的に接続されている。この実施例の場合、可動部１０５に対する印加電位は、固定部１０３ａに形成された貫通電極１０７ａを介し、基板裏面のパッド１１６（図２）から供給される。なお、固定部１０３ｂに形成される貫通電極１０７ｂは、シリコン活性層で形成された枠部１０１に電気的に接続されている。この貫通電極１０７ｂによる接続は、ノイズの低減用である。
一方、検出用固定電極１０６ｂが形成されるセンサ中央の固定パターンには、貫通電極１０８ａが形成されている。貫通電極１０８ａは、可動部１０５（検出用可動電極１０６ａ）がｚ方向に変位することで生じる容量変化により、検出用固定電極１０６ｂに電荷が流入又は流出できるように基板裏面のパッド１１８（図２）と電気的に接続されている。一方、貫通電極１０８ｂは共通電位の印加用である。共通電位の印加によりノイズの低減が図られている。
ここで、貫通電極１０７ａ、１０７ｂ、１０８ａ及び１０８ｂは、いずれも絶縁酸化膜層１１１（図２）及び絶縁分離構造１２０（図２）を通じ、他の導電層から電気的に絶縁されている。
＜センサ構成及び断面＞
図２は、図１のＡ−Ａ’線で切断した断面図である。Ａ−Ａ’線は、固定部１０３ａ−検出用固定電極１０６ｂ−検出用可動電極１０６ａ−検出用固定電極１０６ｂ−固定部１０３ｂを通る。
図２に示すように、センサチップ１００では、支持基板１１０上に絶縁酸化膜層１１１が形成され、この絶縁酸化膜層１１１上に更にシリコン活性層１１２が形成されている。すなわち、本実施例１で加速度センサを構成するセンサチップ１００は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板から構成されている。
更に、シリコン活性層１１２の表面には、絶縁膜１１３と導電膜１１４が形成されている。すなわち、固定部１０３ａ、固定部１０３ｂ、可動部１０５、検出用可動電極１０６ａ、検出用固定電極１０６ｂ、梁１０４（図２では不図示）は、ＳＯＩ基板とその表面に形成される絶縁膜１１３及び導電膜１１４の加工を通じ、一体的に形成される。
なお、図２に示すように、固定部１０３ａ及び固定部１０３ｂは、絶縁酸化膜層１１１を通じて支持基板１１０に固定されている。同様に、固定パターンの外縁部に形成される検出用固定電極１０６ｂも、絶縁酸化膜層１１１を通じて支持基板１１０に固定されている。
一方、可動部１０５（検出用可動電極１０６ａ）は、シリコン活性層１１２とその表面に形成された絶縁膜１１３と導電膜１１４から形成されている。なお、可動部１０５の下部に形成されていた絶縁酸化膜層１１１は、加工の際に除去されている。このように、可動部１０５は、支持基板１１０から分離されている。同様に、図２に示されていない梁１０４の下部に形成されていた絶縁酸化膜層１１１も、加工の際に除去されている。
結果的に、可動部１０５は、空洞部１０２内に配置され、かつ、梁１０４によって支持される。すなわち、可動部１０５は、支持基板１１０に対して完全に固定されてはおらず、ｚ方向に変位可能に形成されている。
図２において、変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔは、検出用可動電極１０６ａと検出用固定電極１０６ｂの導電膜１１４から構成されている。一方、向き判定用容量素子Ｃｓｗは、可動部１０５の下面を構成するシリコン活性層１１２と、支持基板１１０中に形成された下部電極１１９により構成されている。下部電極１１９には、基板裏面のパッド１１７から電流を流入又は流出することができる。
ここでの変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔが前述の第一の静電容量に該当し、向き判定用容量素子Ｃｓｗが前述の第二の静電容量に該当する。さらに、支持基板１１０の内部では、変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔの電流経路と向き判定用容量素子Ｃｓｗの電流経路とが、絶縁分離構造１２０により電気的に分離されている。
＜センサ動作＞
続いて、実施例１に係る加速度センサの基本的な動作原理について説明する。
実施例１に係る加速度センサを、図１のＡ−Ａ’線に沿って切断した場合の断面図を図３（ａ）及び（ｂ）に示す。図３（ａ）及び（ｂ）は、加速度センサチップに対し、外部からｚ方向に加速度を印加した状態における断面図である。なお、加速度センサチップに外部からｚ方向に加速度が印加されない状態における断面図は図２に対応する。
図３（ａ）は、外部から印加された加速度によって、可動部１０５が、初期位置（加速度が印加される前に可動部１０５が位置した位置）からｚ方向について支持基板１１０から離れる方向（＋Δｚ方向）に変位した際の断面図を表している。この場合、上述した変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔ（第一の静電容量）の容量が減少する。図３（ｂ）は、外部から印加された加速度によって、可動部１０５が、初期位置からｚ方向について支持基板１１０に近づく方向（−Δｚ方向）に変位した際の断面図を表している。この場合、上述した変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔ（第一の静電容量）の容量が減少する。
このように、変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔ（検出用可動電極１０６ａの導電層１１４と検出用固定電極１０６ｂの導電層１１４により構成される）は、可動部１０５のｚ方向に対する変位の大きさを容量変化として検出する容量検出部として機能する。
一方、図３（ａ）に示すように、外部から印加された加速度によって、可動部１０５が、初期位置からｚ方向について支持基板から離れる方向（＋Δｚ方向）に変位すると、上述した向き判定用容量素子Ｃｓｗ（第二の静電容量）の容量が減少する。また、図３（ｂ）に示すように、外部から印加された加速度によって、可動部１０５が、初期位置からｚ方向について支持基板に近づく方向（−Δｚ方向）に変位すると、上述した向き判定用容量素子Ｃｓｗ（第二の静電容量）の容量は増加する。
このように、向き判定用容量素子Ｃｓｗ（シリコン活性層１１２と支持基板１１０中の下部電極エリア１１９より構成される）は、可動部１０５のｚ方向についての変位の方向を容量変化として検出する容量検出部として機能する。
＜容量変化＞
図４は、本実施例１に係る加速度センサチップの出力特性を示す。図４（ａ）に示すように、外部から印加された加速度によって、可動部１０５がｚ方向について支持基板１１０から離れる方向（＋Δｚ方向）に変位すると、上述した変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔ（第一の静電容量）の容量が減少する。また、外部から印加された加速度によって、可動部１０５がｚ方向について支持基板１１０に近づく方向（−Δｚ方向）に変位すると、上述した変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔの容量が減少する。つまり、変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔは、可動部のｚ方向の変位の大きさを、容量変化として検出する容量検出部として機能する。
一方、図４（ｂ）に示すように、外部から印加された加速度によって、可動部１０５がｚ方向について支持基板１１０から離れる方向（＋Δｚ方向）に変位すると、上述した向き判定用容量素子Ｃｓｗ（第二の静電容量）の容量が減少する。また、外部から印加された加速度によって、可動部１０５がｚ方向について支持基板１１０に近づく方向（−Δｚ方向）に変位すると、上述した向き判定用容量素子Ｃｓｗの容量は増加する。つまり、向き判定用容量素子Ｃｓｗは、可動部のｚ方向の変位の方向を、容量変化として検出する容量検出部として機能する。
＜製造プロセス＞
次に、図５〜図７を用い、本実施例１に係る加速度センサチップの製造方法について説明する。
まず、支持基板３０１の一方の表面側に、絶縁酸化膜層３０２とシリコン活性層３０３を順番に積層し、ＳＯＩ基板を形成する。次に、ＳＯＩ基板の形成面とは反対側から支持基板３０１を加工し、貫通孔３０４を形成する（図５（ａ））。なお、貫通孔３０４の形成には、シリコン単結晶の深堀エッチング技術を使用する。
次に、ＳＯＩ基板のシリコン活性層３０３の側から、シリコン単結晶の深堀エッチング技術により、シリコン活性層３０３に貫通孔３０５を形成する（図５（ｂ））。ここでの貫通孔３０５は、先に形成された貫通孔３０４の一部と絶縁酸化膜層３０２を挟んで対向する位置に形成される。
次に、ウェットエッチング法又は気相エッチング法を用い、ＳＯＩ基板の絶縁酸化層３０２の一部を除去し、ＳＯＩ基板を貫く貫通孔３０６を形成する（図５（ｃ））。形成された貫通孔３０６には、最終的に、貫通電極７ａ、７ｂ、８ａ及び８ｂが形成される。
次に、加工した貫通孔３０４及び貫通孔３０６の表面に、スパッタ法又はＣＶＤ法等により絶縁膜３０７を形成し、支持基板３０１及びシリコン活性層３０３を電気的に保護する（図６（ａ））。
次に、支持基板３０１及びシリコン活性層３０３の一部が空間に露出するように、絶縁膜３０７の一部を、ホトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて加工する（図６（ｂ））。その後、ＣＶＤ法又はめっき法等を用い、導電膜３０８を、貫通孔３０４、貫通孔３０６及びＳＯＩ基板の表面全体に形成する。
これらの工程により、支持基板３０１及びＳＯＩ基板を貫く電気的配線となる貫通電極３０９と、支持基板３０１の一部のエリアを電気的に絶縁する絶縁分離構造３１０とを形成する（図６（ｃ））。
その後、シリコン活性層３０３が形成されている側の表面にホトレジストを塗布し、加速度センサの可動部１０５となるパターンを、ホトリソグラフィ技術によって転写する。
次に、シリコン単結晶の深堀エッチング技術により、シリコン活性層３０３、その表面に形成された絶縁膜３０７及び導電膜３０８を、可動部１０５のパターンに加工する。なお、この時点において、可動部１０５の構造体の下部には、絶縁酸化層３０２が残っている。
可動部１０５のパターンが形成されると、塗布されていたホトレジストをアッシングにより除去する。更に、可動部１０５の構造体の下部にある絶縁酸化膜層３０２をウェットエッチング技術又は気相エッチング技術を用いて除去する。この工程の後、加速度センサの可動部１０５となる構造体が、支持基板３０１上に形成される（図７（ａ））。すなわち、可動部１０５が支持基板３０１から切り離される。
一方で、ガラス、単結晶シリコン又は樹脂で形成されたキャップ部材３１１に、加速度センサを配置するための空間を、化学的又は物理的なエッチング技術を用いて形成する。ここで、加速度センサを配置するための空間は、加速度の印加により想定される可動部１０５のｚ方向への変化量と取付誤差を考慮して形成される。キャップ部材３１１は、加速度センサへの水や異物の混入等を防止する保護部材である。
次に、加速度センサの可動部１０５が形成された支持基板３０１と、加速度センサを配置するための空間が形成されたキャップ部材３１１とを互いに接合する。この接合では、キャップ部材３１１が例えば樹脂の場合には接着剤を用いる方法、キャップ部材３１１が例えば単結晶シリコン又はガラスの場合には陽極接合法を用いる方法（図７（ｂ））等を使用する。
この後、ＳＯＩ基板の支持基板３０１側に配置された導電膜３０８を、ホトリソグラフィ技術とエッチング技術により加工する（図７（ｃ））。この加工により、シリコン活性層３０３に形成された加速度センサの可動部１０５及び検出電極に接続された配線を、貫通電極３０９を介してＳＯＩ基板の支持基板３０１側に形成されたワイヤボンディング用のパッド３１２及び３１４にそれぞれ接続することができる。また、この加工により、絶縁分離構造３１０によって支持基板３０１から電気的に絶縁された下部電極１１９を、ＳＯＩ基板の支持基板３０１側に形成されたワイヤボンディング用のパッド３１３に電気的に接続することができる。
以上により、本実施例１における加速度センサチップを形成することができる。
＜信号処理回路の構成＞
続いて、本実施例１に係る加速度センサの構成を、信号処理回路の側面から説明する。図８に、本実施例１において使用する信号処理回路の機能構成を示す。図８に示すように、本実施例１に係る加速度センサは、センサチップ１００と半導体チップ５００により構成される。センサチップ１００には、前述した製造プロセスを経てＭＥＭＳ構造体が形成されており、半導体チップ５００には、一般的な半導体プロセスを経て信号処理回路が形成されている。
前述したように、センサチップ１００には、変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔと向き判定用容量素子Ｃｓｗが形成されている。一方、信号処理回路は、変調信号生成部５０１、第１のＣ−Ｖ変換部５０２、第２のＣ−Ｖ変換部５０３、第１の復調回路５０４、第２の復調回路５０５、補正演算回路５０６により形成される。
なお、変調信号生成部５０１の出力配線の一方は、変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔの一方の端子と、向き判定用容量素子Ｃｓｗの一方の端子に並列的に接続される。ここで、変調信号生成部５０１は、例えば数百ｋＨｚの変調信号（搬送波）を生成する。当該変調信号にはバイアス電圧が印加されている。バイアス電圧は、変調信号（搬送波）の中心電圧を与える。バイアス電圧に重畳された変調信号は、変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔ及び向き判定用容量素子Ｃｓｗを介して可動部１０５に印加される。
変調信号の周波数は、通常、数百ｋＨｚである。この周波数は、ＭＥＭＳ構造体の固有振動数と比較してとても高い。このため、変調信号による変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔ及び向き判定用容量素子Ｃｓｗの容量変化はないとみなすことができる。
この状態で、外部から加速度が印加されると可動部１０５が初期位置から変位し、変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔ及び向き判定用容量素子Ｃｓｗの容量がそれぞれ変化する。この容量変化は、外部から印加された加速度に対応する外力応答周波数（ＤＣ〜数十Ｈｚ）の変化となる。ただし、可動部１０５には、変調信号生成部５０１で生成された変調信号が常に印加されているので、外力応答周波数（ＤＣ〜数十Ｈｚ）の容量変化は、搬送波周波数（数百ｋＨｚ）に重畳された状態で現われる。
前述の通り、半導体チップ５００は、第１のＣ−Ｖ変換部５０２、第２のＣ−Ｖ変換部５０３、第１の復調回路５０４、第２の復調回路５０５、補正演算回路５０６を有している。復調回路５０４及び５０５は、いずれもＡ／Ｄ変換部と同期検波回路を含んでいる。
なお、第１のＣ−Ｖ変換部５０２は、変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔの容量変化を電圧信号に変換するオペアンプと参照容量Ｃｆ１により構成され、変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔの容量変化を電圧信号に変換する。ここで、変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔ、参照容量Ｃｆ１、オペアンプは負帰還増幅回路を構成する。オペアンプの２つの入力電位は仮想接地の関係にある。従って、反転入力端子に現われる中心電圧（すなわち、バイアス電圧）と非反転入力端子の電圧は一致する。第１のＣ−Ｖ変換部５０２から出力された電圧信号は、第１の復調回路５０４内のＡ／Ｄ変換部に入力され、デジタル信号に変換される。
デジタル信号に変換された電圧信号は、第１の復調回路５０４内の同期検波部に入力され、変調信号生成部５０１で生成された変調信号の周波数と位相を使用して同期検波される。すなわち、搬送波周波数（数百ｋＨｚ）に外力応答周波数（ＤＣ〜数十Ｈｚ）の電圧信号が重畳された変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔのデジタル電圧信号から、外力応答周波数（ＤＣ〜数十Ｈｚ）の電圧信号が復元される。
一方、第２のＣ−Ｖ変換部５０３は、向き判定用容量素子Ｃｓｗの容量変化を電圧信号に変換するオペアンプと参照容量Ｃｆ２より構成され、向き判定用容量素子Ｃｓｗの容量変化を電圧信号へと変換する。やはり、向き判定用容量素子Ｃｓｗ、参照容量Ｃｆ２、オペアンプは、負帰還増幅回路を構成する。オペアンプの２つの入力電位は仮想接地の関係にあるので、この場合も、反転入力端子に現われる中心電圧（すなわち、バイアス電圧）と非反転入力端子の電圧は一致する。第２のＣ−Ｖ変換部５０３から出力された電圧信号は、第２の復調回路５０５内のＡ／Ｄ変換部に入力され、デジタル信号に変換される。デジタル信号に変換された電圧信号は、第２の復調回路５０５内の同期検波部に入力され、変調信号生成部５０１で生成された変調信号の周波数と位相を使用して同期検波を実施する。すなわち、搬送波周波数（数百ｋＨｚ）に外力応答周波数（ＤＣ〜数十Ｈｚ）の電圧信号が重畳された向き判定用容量素子Ｃｓｗのデジタル電圧信号から、外力応答周波数（ＤＣ〜数十Ｈｚ）の電圧信号が復元される。
次に、補正演算回路５０６には、可動部１０５の変位の大きさに相当する変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔのデジタル電圧信号が入力される。このデジタル電圧信号は、補正演算回路５０６において、加速度センサに入力された加速度の大きさに変換される。また、補正演算回路５０６には、可動部１０５の変位の方向を判定する向き判定用容量素子Ｃｓｗのデジタル電圧信号が入力される。このデジタル電圧信号は、可動部１０５の変位量の方向（正負）を判定した後、加速度センサに入力された加速度の方向を、正負又はゼロを表す符号に変換する。補正演算回路５０６は、加速度センサに入力する加速度の大きさを表すデジタル信号と、加速度センサに入力する加速度の方向を表す符号を組み合わせた演算を行い、加速度信号５０７を出力する。
出力信号が電圧である場合の入出力特性を図９に示す。横軸は加速度ベクトルであり、縦軸は加速度信号の出力値である。ベクトル量であるので、方向と絶対値の情報が保存されている。図９に示すように、加速度信号出力と加速度ベクトルの間には線形関係が認められる。
＜実装構造＞
続いて、本実施例１に係る加速度センサの実装方法を説明する。図１０に、本実施例１に係る加速度センサの実装構成例に対応する断面図を示す。図１０に示すように、パッケージ部材７０１の凹部底部に、半導体チップ５００が搭載されている。パッケージ部材７０１は、例えばセラミクスで構成されている。半導体チップ５００には、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５００に形成されている集積回路は、センサチップ１００からの出力信号を信号処理する機能を有し、最終的に加速度信号を出力する。
半導体チップ５００上には、キャップ部材３１１を挟んでセンサチップ１００が搭載されている。センサチップ１００には、前述したように、加速度センサを構成するＭＥＭＳ構造体が形成されている。このセンサチップ１００に形成されているパッド７０２と、半導体チップ５００に形成されているパッド７０３は、例えば金属ワイヤ７０４で接続されている。さらに、半導体チップ５００に形成されているパッド７０５は、パッケージ部材７０１に形成されている端子７０６と金属ワイヤ７０７で接続され、パッケージ部材７０１の内部配線を通して、パッケージ部材７０１の外部につながる端子７０８へと電気的に接続されている。また、パッケージ部材７０１内に積層配置された半導体チップ５００とセンサチップ１００は、パッケージ部材７０１の開口をリッド７０９で封止することによりパッケージ部材７０１内に密閉されている。
以上の構成により、加速度センサに物理量が印加されていない状態でも、可動電極を支持基板から離れる方向へ反らせることなく、支持基板の厚さ方向における可動電極の変位の方向及び大きさ、すなわち印加された力学量の方向及び大きさを検出することができる加速度センサを提供することが可能となる。つまり、センサに物理量が印加されていない状態でも、可動電極を支持基板から離れる方向へ反らせる必要がないため、加工精度の影響を受けることなく、歩留まりが高く製造コストの低いセンサを提供することが可能となる。また、センサに物理量が印加されていない状態でも、可動電極を支持基板から離れる方向へ反らせる必要がないため、可動部と支持基板間に電圧を印加する必要がなく、可動部の動作範囲をより広く確保でき、Ｓ／Ｎ比をより向上したセンサを提供することが可能となる。
[実施例２]
本実施例では、物理量検出センサが角速度センサである場合について説明する。まず、本実施例に係る角速度センサの基本的な構成を説明する。
＜センサ構成と上面の構成＞
図１１は、センサチップ９００に形成された角速度センサを構成する構造体を示す上面図である。
図１１に示すように、センサチップ９００の枠部９２１には、その内側部分に空洞部９２２が形成されている。空洞部９２２の内部には、２組の角速度センサが配置されている。この実施例では、検出精度向上のため、２組の角速度センサを配置しているが、角速度の検出だけであれば１組の角速度センサだけを空洞部９２２内に配置しても良い。以下では、空洞部９２２内に２組の角速度センサを配置する場合について説明を続ける。
この実施例の場合、空洞部９２２には、８個の固定部９２３を配置する。１組の角速度センサに対し、４個の固定部９２３が配置される。８個の固定部９２３には、弾性変形する８本の梁９２４が一対一に接続されている。４本の梁９２４の他端側には、角速度センサの錘となる可動部９２５及び９２６がそれぞれ接続されている。
本実施例に係る角速度センサは、可動部９２５と９２６で構成される２つの励振素子を有している。励振素子である可動部９２５及び９２６は、図１１のＸ方向にそれぞれ変位可能に構成されている。また、共に励振素子となる２つの可動部９２５及び９２６は、リンク梁９２７を介して互いに接続されている。このリンク梁９２７は、互いの振動エネルギーを共有する音叉振動系として機能する。
励振素子である可動部９２５のＸ方向に平行な一辺には、櫛歯型の駆動用可動電極９２８ａが当該可動部９２５と一体に２つ形成されている。同様に、励振素子である可動部９２６のうちＸ方向に平行な一辺には、櫛歯型の駆動用可動電極９２８ａが当該可動部９２６と一体に２つ形成されている。これら２つの駆動用可動電極９２８ａと櫛状の容量を形成するように、空洞部９２２内には、駆動用固定電極９２８ｂ及び９２８ｃが形成されている。すなわち、駆動用可動電極９２８ａの櫛歯電極と駆動用固定電極９２８ｂ及び９２８ｃの各櫛歯電極が互い違いに配置されている。
互い違いに対向する駆動用可動電極９２８ａと駆動用固定電極９２８ｂの間には、Ｖｃｏｍ＋Ｖｂ＋Ｖｄで表される周期的な駆動信号が印加される。同じく、互い違いに対向する駆動用可動電極９２８ａと駆動用固定電極９２８ｃの間には、Ｖｃｏｍ＋Ｖｂ−Ｖｄで表される周期的な駆動信号が印加される。
なお、励振素子である可動部９２５及び９２６には、共通電極９３１を介してＶｃｏｍが印加されている。このため、駆動用可動電極９２８ａと駆動用固定電極９２８ｂの間又は駆動用可動電極９２８ａと駆動用固定電極９２８ｃの間にはそれぞれ静電気力が作用し、駆動用可動電極９２８ａが振動する。
ここで、駆動用可動電極９２８ａがＸ方向に振動する際、駆動用可動電極９２８ａと一体的に形成された可動部９２５及び９２６は互いに逆相で振動する。すなわち、駆動用可動電極９２８ａと駆動用固定電極９２８ｂから構成される容量素子と駆動用可動電極９２８ａと駆動用固定電極９２８ｃから構成される容量素子のそれぞれは、励振素子である可動部９２５及び９２６をＸ方向に対して逆相に強制振動させる強制振動生成部として機能する。
また、励振素子である可動部９２５のうちＸ方向に平行な他の一辺側には、駆動振幅モニタ用可動電極９２９ａが当該可動部９２５と一体に２つ形成されている。同様に、励振素子である可動部９２６のうちＸ方向に平行な他の一辺側には、駆動振幅モニタ用可動電極９２９ａが当該可動部９２５と一体に２つ形成されている。これら２つの駆動振幅モニタ用可動電極９２８ａと櫛状の容量を形成するように、空洞部９２２内には、駆動振幅モニタ用固定電極９２９ｂ及び９２９ｃが形成されている。すなわち、駆動振幅モニタ用可動電極９２８ａの櫛歯電極と駆動振幅モニタ用固定電極９２９ｂ及び９２９ｃの各櫛歯電極が互い違いに配置されている。
ここで、駆動用可動電極９２８ａと駆動用固定電極９２８ｂの間、又は、駆動用可動電極９２８ａと駆動用固定電極９２８ｃの間に働く静電気力により、励振素子である可動部９２５及び９２６がＸ方向に変位すると、上述した２つの容量素子の容量が変化する。つまり、駆動振幅モニタ用可動電極９２９ａと駆動振幅モニタ用固定電極９２９ｂから構成される容量と駆動振幅モニタ用可動電極９２９ａと駆動振幅モニタ用固定電極９２９ｃから構成される容量素子のそれぞれは、励振素子である可動部９２５及び９２６のＸ方向への変位を容量変化として検出する容量検出部として機能する。
また、励振素子である可動部９２５及び９２６は更に内側に空洞部を有し、当該空洞部内に梁９３０を介して、検出素子として機能する可動部９３２及び９３３が接続される構成を有している。すなわち、２つの可動部９３２及び９３３はそれぞれ、錘となるパターン部分と、角速度検出用可動電極９３４ａとなる突起部分とで構成されている。ここで、角速度検出用可動電極９３４ａと同一面で対向するように、角速度検出用固定電極９３４ｂが形成されている。この角速度検出用可動電極９３４ａと角速度検出用固定電極９３４ｂは、それぞれ検出用容量素子（第一の静電容量）を形成する。
また、枠部９２１とｚ方向に対向する支持基板の間には、検出素子である可動部９３２と対向するように、角速度検出用固定電極９３５ａが形成されている。同様に、枠部９２１とｚ方向に対向する支持基板の間には、検出素子である可動部９３３と対向するように、角速度検出用固定電極９３５ｂが形成されている。すなわち、検出素子である可動部９３２及び９３３と、角速度検出用固定電極９３５ａと９３５ｂは、それぞれ向き判定用容量素子（第二の静電容量）を形成している。
図１１において、ｙ軸の周りに角速度が印加されると、角速度に応じたコリオリ力により、検出素子である可動部９３２、９３３がそれぞれｚ方向に変位し、上述した検出用容量素子と、向き判定用容量素子の容量が変化する。すなわち、角速度検出用可動電極９３４ａと角速度検出用固定電極９３４ｂから形成される検出用容量素子（第一の静電容量）と、可動部９３２と角速度検出用固定電極９３５ａから形成される向き判定用容量素子（第二の静電容量）、及び、可動部９３３と角速度検出用固定電極９３５ｂから形成される向き判定用容量素子（第二の静電容量）は、検出素子である可動部９３２、９３３のｚ方向の変位を容量変化として検出する容量検出部として機能する。
また、各電極対に生じる容量変化は、貫通電極９２８ｄ、９２８ｅ、９２９ｄ、９２９ｅ、９３６、９３４ｃを通じてセンサチップ９００の裏面へと電気的に接続されており、角速度センサ検出部からの出力信号を信号処理する機能を有する集積回路へとワイヤボンディングにより接続される。
＜センサ構成及び断面＞
図１２は、図１１のＢ−Ｂ’線に沿って、センサチップ９００を切断した断面図である。図１２に示すように、センサチップ９００は、支持基板９１０上に絶縁酸化膜層９１１が形成され、この絶縁酸化膜層９１１の更に上面にシリコン活性層９１２を形成した構成を有している。すなわち、本実施例２において角速度センサを構成するセンサチップ９００は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板から構成されている。
更に、シリコン活性層９１２の表面には、導電膜９１３が形成されている。すなわち、可動部９２５、可動部９３２、可動部９３２と一体に形成された角速度検出用可動電極９３４ａ、角速度検出用固定電極９３４ｂ、リンク梁９２７、可動部９２６、可動部９３３、可動部９３３と一体に形成された角速度検出用可動電極９３４ａ、角速度検出用固定電極９３４ｂ、図１２に示されていない固定部９２３、梁９２４、梁９３０は、ＳＯＩ基板のシリコン活性層とその表面に形成された導電膜９１３を加工して、一体的に形成されている。
例えば図１２において、角速度検出用固定電極９３４ｂは、絶縁酸化膜層９１１上に形成されており、支持基板９１０に固定されていることがわかる。一方、例えば可動部９３２や可動部９３２と一体的に形成された角速度検出用可動電極９３４ａは、シリコン活性層とその表面に形成された導電膜９１３から形成されているが、可動部９３２の下層に形成されている絶縁酸化膜層９１１は除去されている。
同様に、図１２に示されていない梁９３０の下層に形成されている絶縁酸化膜層も除去されている。従って、可動部９３２は空洞中に配置され、かつ、梁９３０によって支持されている。このことから、可動部９３２は、支持基板９１０に対して完全に固定されてはおらず、変位可能に形成されている。
また、図１２において、検出素子である可動部９３２のｚ方向の変位を、容量変化として検出する変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔ１は、可動部９３２と一体に形成された角速度検出用可動電極９３４ａと角速度検出用固定電極９３４ｂのシリコン活性層９１２と導電層９１３が一体化している導電層から構成されていることがわかる。
また、検出素子である可動部９３２のｚ方向の変位を、容量変化として検出する向き判定用容量素子Ｃｓｗ１は、可動部９３２のシリコン活性層９１２と導電層９１３が一体化している導電層と支持基板９１０中に形成された下部電極９１４より構成されていることがわかる。下部電極９１４は、支持基板９１０中に形成された絶縁分離構造９１９によって支持基板９１０の他の領域と電気的に絶縁されている。よって、下部電極９１４には、導電膜９２０と導電膜９０８から構成される裏面パッド９１６を介して、電位を与えることができる。
また、図１２において、検出素子である可動部９３３のｚ方向の変位を、容量変化として検出する変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔ２は、可動部９３３と一体に形成された角速度検出用可動電極９３４ａと角速度検出用固定電極９３４ｂのシリコン活性層９１２と導電層９１３が一体化している導電層から構成されていることがわかる。
検出素子である可動部９３３のｚ方向の変位を、容量変化として検出する向き判定用容量素子Ｃｓｗ２は、可動部９３３のシリコン活性層９１２と導電層９１３が一体化している導電層と支持基板９１０中に形成された下部電極エリア９１５より構成されていることがわかる。
下部電極９１５は、支持基板９１０中に形成された絶縁分離構造９１９によって支持基板９１０の他の領域と電気的に絶縁されている。よって、下部電極９１４には、導電膜９２０と導電膜９０８から構成される裏面パッド９１７を介して、電位を与えることができる。
＜センサ動作＞
続いて、本実施例２における角速度センサの基本的な動作原理について説明する。以下の説明では、ｙ軸の周りに角速度が印加されていない状態で可動部９３２及び９３３が位置する位置を初期位置という。
図１３は、図１１のＢ−Ｂ’線で切断した断面図であり、センサチップに外部から角速度が印加した状態の断面図である。
図１３（ａ）は、外部から印加されたｙ軸の時計周りの角速度によって、可動部９３２がｚ方向について、初期位置から支持基板９１０に対して離れる方向（＋Δｚ方向）に変位した場合を表している。この場合、上述した変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔ１の容量が減少する。同時に、外部から印加されたｙ軸の時計周りの角速度によって、他方の可動部９３３はｚ方向について、初期位置から支持基板９１０に近づく方向（−Δｚ方向）に変位する。この場合、変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔ２の容量が減少する。
一方、図１３（ｂ）は、外部から印加されたｙ軸の反時計周りの角速度によって、可動部９３２がｚ方向について、初期位置から支持基板に近づく方向（−Δｚ方向）に変位した場合を表している。この場合、上述した変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔ１の容量が減少する。同時に、外部から印加されたｙ軸の反時計周りの角速度によって、他方の可動部９３３はｚ方向について、初期位置から支持基板９１０に対して離れる方向（＋Δｚ方向）に変位する。この場合、変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔ２の容量が減少する。
すなわち、変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔ１と変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔ２は、可動部９３２、及び可動部９３３のｚ方向の変位の大きさを、容量変化として検出する容量検出部として機能する。
また、図１３（ａ）に示すように、外部から印加されたｙ軸の時計周りの角速度によって、可動部９３２がｚ方向について、初期位置から支持基板９１０に対して離れる方向（＋Δｚ方向）に変位すると、上述した向き判定用容量素子Ｃｓｗ１の容量が減少する。同時に、外部から印加されたｙ軸の時計周りの角速度によって、可動部９３３がｚ方向について、初期位置から支持基板９１０に近づく方向（−Δｚ方向）に変位すると、向き判定用容量素子Ｃｓｗ２の容量は増加する。
一方、図１３（ｂ）に示すように、外部から印加されたｚ軸の反時計周りの角速度によって、可動部９３２がｚ方向について、初期位置から支持基板９１０に近づく方向（−Δｚ方向）に変位すると、向き判定用容量素子Ｃｓｗ１の容量は増加する。同時に、外部から印加されたｙ軸の反時計周りの角速度によって、可動部９３３がｚ方向について、初期位置から支持基板９１０に対して離れる方向（＋Δｚ方向）に変位すると、向き判定用容量素子Ｃｓｗ２の容量は減少する。つまり、向き判定用容量素子Ｃｓｗ１と向き判定用容量素子Ｃｓｗ２は、可動部９３２及び可動部９３３のｚ方向についての変位の方向を、容量変化として検出する容量検出部として機能する。
＜容量変化＞
図１４は、本実施例２における角速度センサチップの出力特性を示した図である。
図１４（ａ）に示すように、外部から印加された角速度により、可動部がｚ方向について、初期位置から支持基板９１０に対して離れる方向（＋Δｚ方向）に変位すると、変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔ１及び変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔ２の容量が減少する。
また、外部から印加された角速度により、可動部がｚ方向について、所期位置から支持基板に近づく方向（−Δｚ方向）に変位しても、変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔ１及び変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔ２の容量が減少する。すなわち、変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔ１と変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔ２は、可動部のｚ方向についての変位の大きさを、容量変化として検出する容量検出部として機能する。
一方、図１４（ｂ）に示すように、外部から印加された角速度により、可動部がｚ方向について、初期位置から支持基板に対して離れる方向（＋Δｚ方向）に変位すると、向き判定用容量素子Ｃｓｗ１及び向き判定用容量素子Ｃｓｗ２の容量が減少する。
また、外部から印加された角速度により、可動部がｚ方向について、所期位置から支持基板に近づく方向（−Δｚ方向）に変位すると、向き判定用容量素子Ｃｓｗ１及び向き判定用容量素子Ｃｓｗ２の容量は増加する。つまり、向き判定用容量素子Ｃｓｗ１と向き判定用容量素子Ｃｓｗ２は、可動部のｚ方向についての変位の方向を、容量変化として検出する容量検出部として機能する。
＜信号処理回路の構成＞
続いて、本実施例２に係る角速度センサの信号処理回路としての構成を説明する。図１５は、本実施例２に係る角速度センサの信号処理回路の機能構成を示す。図１５に示すように、本実施例２に係る角速度センサは、センサチップ９００と半導体チップ１０００とによって構成される。センサチップ９００には実施例１の製造プロセスと同様の手順を経てＭＥＭＳ構造体が形成されており、半導体チップ１０００には一般的な半導体プロセスを経て信号処理回路が形成されている。
前述したように、半導体チップ１０００には、変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔ１、Ｃｄｃｔ２及び向き判定用容量素子Ｃｓｗ１、Ｃｓｗ２が形成されている。一方、信号処理回路には、変調信号生成部１００１、インバータ１００２、第１のＣ−Ｖ変換部１００３、第２のＣ−Ｖ変換部１００４、第１の復調回路１００５、第２の復調回路１００６、補正演算回路１００７が形成されている。
なお、変調信号生成部１００１の出力配線の一方は、変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔ１の一方の端子と、変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔ２の一方の端子と、向き判定用容量素子Ｃｓｗ１の一方の端子と、向き判定用容量素子Ｃｓｗ２の一方の端子に並列に接続される。ただし、変調信号生成部１００１の変調信号（搬送波）は、インバータ１００２を介して向き判定用容量素子Ｃｓｗ１に接続される。
変調信号生成部１００１は、変調信号（搬送波）を生成する。変調信号生成部１００１は、例えば数百ｋＨｚの変調信号を生成する。変調信号生成部１００１によって生成された変調信号にはバイアス電圧が印加され、変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔ１、変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔ２、向き判定用容量素子Ｃｓｗ１及び向き判定用容量素子Ｃｓｗ２を介して可動部に印加される。この変調信号の周波数は通常数百ｋＨｚである。この周波数は、ＭＥＭＳ構造体の固有振動数に比較してとても高いので、変調信号による変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔ１、変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔ２、向き判定用容量素子Ｃｓｗ１及び向き判定用容量素子Ｃｓｗ２の容量変化はないものとみなすことができる。
この状態で、外部から角速度が印加されると、センサチップ９００を構成するＭＥＭＳ構造体の可動部が変位し、変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔ１、変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔ２、向き判定用容量素子Ｃｓｗ１及び向き判定用容量素子Ｃｓｗ２の容量が変化する。この容量変化は、外部から印加された角速度に対応する外力応答周波数（〜数十Ｈｚ）の変化を含む。ただし、可動部には、変調信号生成部１００１で生成された変調信号が常に印加されているので、外力応答周波数の容量変化は、搬送波周波数（数百ｋＨｚ）に重畳される。
前述の通り、半導体チップ１０００は、第１のＣ−Ｖ変換部１００３、第２のＣ−Ｖ変換部１００４、第１の復調回路１００５、第２の復調回路１００６、補正演算回路１００７を有している。復調回路１００５及び１００６は、いずれもＡ／Ｄ変換部と同期検波回路を含んでいる。
第１のＣ−Ｖ変換部１００３は、変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔ１と変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔ２の容量変化の和を電圧信号に変換するオペアンプと、参照容量Ｃｆ１とより構成されている。このオペアンプも、反転増幅回路として機能し、変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔ１の容量変化を電圧信号に変換して出力する。第１のＣ−Ｖ変換部１００３から出力された電圧信号は、第１の復調回路１００５内のＡ／Ｄ変換部に入力され、デジタル信号に変換される。デジタル信号に変換された電圧信号は、第１の復調回路１００５内の同期検波部に入力され、変調信号生成部１００１で生成された変調信号の周波数と位相を使用して同期検波を実施する。すなわち、搬送波周波数（数百ｋＨｚ）に外力応答周波数（〜数十Ｈｚ）の電圧信号が重畳された変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔ１＋Ｃｄｃｔ２のデジタル電圧信号から、外力応答周波数（〜数十Ｈｚ）の電圧信号が復元される。
第２のＣ−Ｖ変換部１００４は、向き判定用容量素子Ｃｓｗ１と向き判定用容量素子Ｃｓｗ２の容量変化の差を電圧信号に変換するオペアンプと、参照容量Ｃｆ２とより構成されている。このオペアンプも、反転増幅回路として機能し、変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔ２の容量変化を電圧信号に変換して出力する。ただし、向き判定用容量素子Ｃｓｗ１には、インバータ１００２で位相反転された電圧信号が重畳されている。第２のＣ−Ｖ変換部１００４から出力された電圧信号は、第２の復調回路１００６内のＡ／Ｄ変換部に入力され、デジタル信号に変換される。デジタル信号に変換された電圧信号は、第２の復調回路１００６内の同期検波部に入力され、変調信号生成部１００１で生成された変調信号の周波数と位相を使用して同期検波される。すなわち、搬送波周波数（数百ｋＨｚ）に外力応答周波数（〜数十Ｈｚ）の電圧信号が重畳された向き判定用容量素子Ｃｓｗ１−Ｃｓｗ２のデジタル電圧信号から、外力応答周波数（〜数十Ｈｚ）の電圧信号が復元される。
次に、補正演算回路１００７には、可動部の変位量の大きさに相当する変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔ１＋Ｃｄｃｔ２のデジタル電圧信号が入力される。このデジタル電圧信号は、補正演算回路１００７において、角速度センサに入力する角速度の大きさに変換される。また、補正演算回路１００７には、可動部の変位方向を判定する向き判定用容量素子Ｃｓｗ１−Ｃｓｗ２のデジタル電圧信号が入力される。このデジタル電圧信号は、可動部の変位量の方向の正負が判定された後、センサに入力する加速度の方向として、正負又はゼロを表す符号に変換される。補正演算回路１００７は、角速度センサに入力する角速度の大きさに変換されたデジタル信号と、角速度センサに入力する加速度の方向を表す符号を組み合わせた演算を行い、角速度信号１００８を出力する。不図示であるが、角速度信号出力と角速度ベクトルの間には線形関係が認められる。
＜実装構造＞
続いて、本実施例２における角速度センサの実装方法について説明する。図１６は、本実施例２に係る角速度センサの実装構成例に対応する断面図を示す。図１６に示すように、パッケージ部材１２０１の凹部底部に、半導体チップ１０００が搭載される。パッケージ部材１２０１は、例えばセラミクスで構成される。半導体チップ１０００には、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１０００に形成されている集積回路は、センサチップ９００からの出力信号を信号処理する機能を有し、最終的に角速度信号を出力する。
半導体チップ１０００上には、キャップ部材３１１を挟んでセンサチップ９００が搭載されている。センサチップ９００には、前述したように、角速度センサを構成するＭＥＭＳ構造体が形成されている。このセンサチップ９００に形成されているパッド１２０２と、半導体チップ１０００に形成されているパッド１２０３は、例えば金属ワイヤ１２０４で接続されている。さらに、半導体チップ１０００に形成されているパッド１２０５は、パッケージ部材１２０１に形成されている端子１２０６と金属ワイヤ１２０７で接続されている。なお、端子１２０６の一端は、パッケージ部材１２０１の内部配線を通し、パッケージ部材１２０１の外部につながる端子１２０８に電気的に接続されている。
パッケージ部材１２０１内には、半導体チップ１０００とセンサチップ９００が積層配置されており、パッケージ部材１２０１の上部開口はリッド１２０９により封止される。これにより、パッケージ部材１２０１は密閉されている。
以上の構成により、本実施例の場合にも、実施例１と同様な効果が得られる。更に、角速度センサの全体に振動ノイズが印加された場合、２つの可動部９３２と可動部９３３は、ｚ軸の同じ方向に変位する。このため、向き判定用容量素子Ｃｓｗ１−Ｃｓｗ２のデジタル電圧信号としてゼロを出力する。従って、補正演算回路で演算されて出力される角速度信号１００２はゼロとなり、振動ノイズ耐性の高い角速度センサを提供することができる。
[実施例３]
本実施例では、物理量検出センサが、加速度センサである場合について説明する。ただし、本実施例では、可動部と対向する符号演算電極が支持基板とは反対側（上面側）に形成される例を説明する。ただし、実施例１と重複する説明箇所は省略し、得られる効果のみを説明する。
＜センサ構成と上面の構成＞
図１７は、半導体チップ１４００に形成された加速度センサを構成する構造体を示す上面図である。
図１７に示すように、センサチップ１４００の中央には、固定部１４０３が設けられている。固定部１４０３から直交する４つの方向には、弾性変形する４本の梁１４０４が延びている。各梁１４０４の他端には、加速度センサの錘となる可動部１４０５が接続されている。実施例１では、外周側の４箇所から可動部１０５を支持していたが、本実施例３では、中央側に設けた１箇所から可動部１４０５を支持している。このように、固定部１４０３と可動部１４０５は、４本の弾性変形可能な梁１４０４によって連結されている。この構成により、可動部１４０５は、図１７のｚ方向に変位可能となっている。
可動部１４０５には、可動部１４０５と一体に形成された検出用可動電極１４０６ａが形成されており、この検出用可動電極１４０６ａと略同一面内で対向するように、検出用固定電極１４０６ｂが形成されている。この検出用可動電極１４０６ａと検出用固定電極１４０６ｂは容量素子（第一の静電容量）を形成する。外部から印加された加速度によって可動部１４０５がｚ方向に変位すると、上述した容量素子の容量が変化する。
また、枠部１４０１とｚ方向に対向して形成された導電膜に、可動部１４０５と対向するように検出用固定電極１４０８が形成されている。可動部１４０５と検出用固定電極１４０８は、容量素子（第二の静電容量）を形成する。外部から印加された加速度により可動部１４０５がｚ方向に変位すると、容量素子（第二の静電容量）の容量が変化する。
このような加速度センサの構造体は、シリコンなどの半導体材料から構成されている。従って、互いに梁１４０４を介して接続されている固定部１４０３と可動部１４０５とは電気的に接続されている。可動部１４０５に印加される電位（ＣＯＭ電位）は、固定部１４０３に形成されている貫通電極１４０７ｂを介して基板裏面のパッドから供給される。
検出用固定電極１４０６ｂにも貫通電極１４０７ａが形成されている。可動部１４０５がｚ方向に変位することで容量素子（第二の静電容量）には容量変化が生じる。このように容量が変化すると、検出用固定電極１４０６ｂには、基板裏面のパッドから貫通電極１４０７ａを介して電荷が流入又は流出される。貫通電極１４０７ａは、検出電流用である。
検出用固定電極１４０８にも貫通電極１４０７ｃが形成されており、可動部１４０５がｚ方向に変位することで生じる容量変化により、検出用固定電極１４０８には貫通電極１４０７ｃを介した基板裏面のパッドから電荷が流入又は流出できるように構成されている。この貫通電極１４０７ｃは、符号電流用である。なお、貫通電極１４０７ｄは基板電位（ＳＵＢ）の供給用である。
＜センサ構成及び断面＞
図１８は、図１７のＣ−Ｃ’線に沿って、センサチップ１４００を切断した断面図である。本実施例３で加速度センサを構成するセンサチップ１４００は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板から構成されている。更に、シリコン活性層１４１２の表面には、下層側から順番に、導電膜１４１３、絶縁膜１４１４、導電膜１４１５が形成されている。
すなわち、図１８に示されている固定部１４０３、可動部１４０５、検出用可動電極１４０６ａ（図１８では不図示）、検出用固定電極１４０６ｂ、梁１４０４（図１８では不図示）は、ＳＯＩ基板のシリコン活性層１４１２、その表面に形成された導電膜１４１３、絶縁膜１４１４及び導電膜１４１５の加工を通じて一体的に形成される。
図１８より、変位量検出用容量素子Ｃｄｃｔは、可動部１４０５と一体に形成された検出用可動電極１４０６ａと、検出用固定電極１４０６ｂのシリコン活性層１４１２と、導電層１４１３から構成されていることがわかる。
また、向き判定用容量素子Ｃｓｗは、可動部１４０５のシリコン活性層１４１２と、導電層１４１３と、導電膜１４１３及び絶縁膜１４１４の表面に形成された導電膜１４１５の上部電極エリア１４０８より構成されていることがわかる。
以上の構成により、本実施例の場合にも、実施例１と同様な効果が得られる。更に、本実施例において向き判定用容量素子Ｃｓｗは、可動部１４０５は支持基板から遠ざかる方向に位置する。このため、ＳＯＩ基板の絶縁酸化層１４１１の厚さに依存することなく、符号判定容量Ｃｓｗの容量値を設定することができる。従って、印加される物理量によって発生する向き判定用容量素子Ｃｓｗの変化量を維持しながら、向き判定用容量素子Ｃｓｗの初期容量値を小さくすることができる。このため、高感度・高精度な検出が可能となる。
[他の形態例]
なお、本発明は上述した形態例に限定されるものでなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した形態例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある形態例の一部を他の形態例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の形態例の構成を加えることも可能である。また、各形態例の構成の一部について、他の構成を追加、削除又は置換することも可能である。
１００ センサチップ
１０１ 枠部
１０２ 空洞部
１０３ａ 固定部
１０３ｂ 固定部
１０４ 梁
１０５ 可動部
１０６ａ 検出用可動電極
１０６ｂ 検出用固定電極
１０７ａ 貫通電極
１０７ｂ 貫通電極
１０８ａ 貫通電極
１０８ｂ 貫通電極
１０９ 空洞部
１１０ 支持基板
１１１ 絶縁酸化膜層
１１２ シリコン活性層
１１３ 絶縁膜
１１４ 導電膜
１１５ 導電膜
１１６ 裏面パッド
１１７ 裏面パッド
１１８ 裏面パッド
１１９ 下部電極
１２０ 絶縁分離構造
３０１ 支持基板
３０２ 絶縁酸化膜層
３０３ シリコン活性層
３０４ 貫通孔
３０５ 貫通孔
３０６ 貫通孔
３０７ 絶縁膜
３０８ 導電膜
３０９ 貫通電極
３１０ 絶縁分離構造
３１１ キャップ部材
３１２ パッド
３１３ パッド
３１４ パッド
５００ 半導体チップ
５０１ 変調信号生成部
５０２ Ｃ−Ｖ変換部
５０３ Ｃ−Ｖ変換部
５０４ 復調回路
５０５ 復調回路
５０６ 補正演算回路
５０７ 加速度信号
７０１ パッケージ部材
７０２ パッド
７０３ パッド
７０４ 金属ワイヤ
７０５ パッド
７０６ 端子
７０７ 金属ワイヤ
７０８ 端子
７０９ リッド
９００ センサチップ
９０８ 導電膜
９０９ 絶縁膜
９１０ 支持基板
９１１ 絶縁酸化膜層
９１２ シリコン活性層
９１３ 導電層
９１４ 下部電極
９１５ 下部電極
９１６ 裏面パッド
９１７ 裏面パッド
９１８ 裏面パッド
９１９ 絶縁分離構造
９２０ 導電膜
９２１ 枠部
９２２ 空洞部
９２３ 固定部
９２４ 梁
９２５ 可動部
９２６ 可動部
９２７ リンク梁
９２８ａ 駆動用可動電極
９２８ｂ 駆動用固定電極
９２８ｃ 駆動用固定電極
９２８ｄ 貫通電極
９２８ｅ 貫通電極
９２９ａ 駆動振幅モニタ用可動電極
９２９ｂ 駆動振幅モニタ用固定電極
９２９ｃ 駆動振幅モニタ用固定電極
９２９ｄ 貫通電極
９２９ｅ 貫通電極
９３０ 梁
９３１ 共通電極
９３２ 可動部
９３３ 可動部
９３４ａ 角速度検出用可動電極
９３４ｂ 角速度検出用固定電極
９３４ｃ 貫通電極
９３５ａ 角速度検出用固定電極
９３５ｂ 角速度検出用固定電極
９３６ 貫通電極
１０００ 半導体チップ
１００１ 変調信号生成部
１００２ インバータ
１００３ Ｃ−Ｖ変換部
１００４ Ｃ−Ｖ変換部
１００５ 復調回路
１００６ 復調回路
１００７ 補正演算回路
１００８ 角速度信号
１２０１ パッケージ部材
１２０２ パッド
１２０３ パッド
１２０４ 金属ワイヤ
１２０５ パッド
１２０６ 端子
１２０７ 金属ワイヤ
１２０８ 端子
１２０９ リッド
１４００ センサチップ
１４０１ 枠部
１４０２ 空洞部
１４０３ 固定部
１４０４ 梁
１４０５ 可動部
１４０６ａ 検出用可動電極
１４０６ｂ 検出用固定電極
１４０７ａ 貫通電極（検出用）
１４０７ｂ 貫通電極（ＣＯＭ用）
１４０７ｃ 貫通電極（ＳＷ用）
１４０７ｄ 貫通電極（ＳＵＢ用）
１４０８ 検出用固定電極（上部電極）
１４１０ 支持基板
１４１１ 絶縁酸化層
１４１２ シリコン活性層
１４１３ 絶縁膜
１４１４ 導電膜
１４１５ 導電膜
１４１６ 裏面パッド
１４１７ 裏面パッド
１４１８ 裏面パッド
１４１９ 裏面パッド

Claims (8)

  1. 物理量の印加により変位する可動電極と、前記可動電極と共通の第一の導電層に形成された第一の固定電極とで形成される第一の静電容量と、
    前記可動電極と、前記可動電極とは基板面上からの高さが異なる第二の導電層に形成された第二の固定電極とで形成される第二の静電容量と、
    前記物理量が印加されたときに生じる前記第一及び第二の静電容量の変化に基づいて前記物理量を算出する演算回路とを有し、
    前記第一の静電容量からの電気信号と前記第二の静電容量からの電気信号が、それぞれ前記演算回路に入力される
    ことを特徴とする半導体物理量検出センサ。
  2. 請求項１に記載の半導体物理量検出センサにおいて、
    前記演算回路は、
    前記第一の静電容量の変化から前記可動部の変位の絶対値を算出し、
    前記第二の静電容量の変化から前記可動部の変位の向きを算出する、
    ことを特徴とする半導体物理量検出センサ。
  3. 請求項１に記載の半導体物理量検出センサにおいて、
    前記第一の静電容量からの電気信号と前記第二の静電容量からの電気信号が、それぞれ、前記演算回路の容量変化検出器に入力される
    ことを特徴とする半導体物理量検出センサ。
  4. 請求項１に記載の半導体物理量検出センサにおいて、
    支持基板上に絶縁酸化層を介してシリコン活性層を形成した積層基板を有し、
    前記可動電極および前記第一の固定電極は、それぞれ前記シリコン活性層に形成され、
    前記第二の固定電極は、前記可動電極と絶縁分離された前記第二の導電層に形成される
    ことを特徴とする半導体物理量検出センサ。
  5. 請求項４に記載の半導体物理量検出センサにおいて、
    前記第二の導電層は、前記支持基板である
    ことを特徴とする半導体物理量検出センサ。
  6. 請求項４に記載の半導体物理量検出センサにおいて、
    前記第一の導電層は、前記シリコン活性層の表面上に、前記可動電極から絶縁分離して形成された導電膜である
    ことを特徴とする半導体物理量検出センサ。
  7. 請求項４に記載の半導体物理量検出センサにおいて、
    前記第一の導電層は、前記シリコン活性層の表面に配置されたキャップ部材の表面上に、前記可動電極から絶縁分離して形成された導電膜である
    ことを特徴とする半導体物理量検出センサ。
  8. 物理量の印加により変位する可動電極と、前記可動電極と共通の第一の導電層に形成された第一の固定電極とで形成される第一の静電容量と、
    前記可動電極と、前記可動電極とは基板面上からの高さが異なる第二の導電層に形成された第二の固定電極とで形成される第二の静電容量と、
    前記物理量が印加されたときに生じる前記第一及び第二の静電容量の変化に基づいて前記物理量を算出する演算回路とを有し、
    前記第一の静電容量からの電気信号と前記第二の静電容量からの電気信号が、それぞれ前記演算回路に入力され、
    前記可動電極と前記第二の固定電極には中心電圧が同じ電位が印加される
    ことを特徴とする半導体物理量検出センサ。
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