专利名称：具有传感器芯片和电路芯片的物理量传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有传感器芯片和电路芯片的物理量传感器。
背景技术：
具有配置在电路芯片上的传感器芯片的物理量传感器已经在例如美国专利No.6,151,966中公开。通过粘合层，使传感器芯片层叠在电路芯片上。传感器芯片包括由衬底支持的可移动电极和固定电极。
可移动电极可在平行于衬底的方向上移动。可移动电极面对固定电极以便在它们间形成检测距离。当物理量施加到传感器上时，位移可移动电极以便改变检测距离。由电子电路测量检测距离的变化以便检测物理量。
在上述物理量传感器中，要求检测可移动电极的位移误差。因此，需要另外的结构来检测位移误差。例如，衬底在衬底的水平方向上延伸以形成用于在衬底和可移动电极间施加电势的表面电极。在衬底和可移动电极间生成的电势在它们间提供静电力以便检测位移误差。因此，传感器芯片的尺寸变大。另外，要求通过接合(bonding)线使表面电极连接到电路芯片上。因此，物理量传感器的尺寸变得更大，以及使传感器的制造工艺变复杂。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供具有传感器芯片和电路芯片的物理量传感器。该传感器能检测传感器芯片的可移动部分的位移误差，而不增加传感器的尺寸。
一种物理量传感器包括电路芯片；以及通过粘合层，配置在电路芯片上的传感器芯片。传感器芯片包括支持衬底；可在衬底的水平方向上移动的可移动电极；以及面对可移动电极、其间具有检测距离的一对固定电极。传感器芯片能根据可移动电极的位移，在检测距离的距离变化的基础上，检测施加到传感器上的物理量。可移动电极和固定电极配置在衬底上。粘合层包括非粘合区以及导电部件。非粘合区配置在通过将传感器芯片投影到电路芯片上获得的区域上。导电部件配置在非粘合区中，用于电连接在电路芯片和衬底间。
在上述传感器中，通过配置在非粘合区中的导电部件，使电路芯片和传感器芯片的支持衬底彼此电连接。因此，从电路芯片输出的电信号能通过导电部件传送到衬底，而不通过其间的导线进行接合。另外，能形成导电部件，而不增加传感器芯片的尺寸。因此，能将电信号施加到衬底，而不增加传感器芯片的大小以及不在衬底和电路芯片间形成接合线。因此，可以检测衬底的垂直方向上，可移动电极的位移误差，而不增加传感器的尺寸。
从下述参考附图的详细描述，本发明的上述和其他目的、特征和优点将更显而易见。在图中图1是表示根据本发明的优选实施例的加速度传感器的传感器芯片的平面图；图2是表示沿图1中的线II-II截取的传感器芯片的横截面视图；图3是表示沿图1中的线III-III截取的传感器芯片的横截面视图；图4是表示根据优选实施例的加速度传感器的横截面视图；图5是表示根据优选实施例的传感器的透视图；图6是表示根据优选实施例的传感器的粘合层的平面视图；图7是表示根据优选实施例的传感器的电路的电路图；图8A和8B是表示根据优选实施例的改型的粘合层的平面图；
图9是表示根据优选实施例的比较，加速度传感器的传感器芯片的平面图；图10是表示沿图9中的线X-X截取的传感器芯片的横截面视图；以及图11是表示根据优选实施例的比较的传感器的透视图。
具体实施例方式
发明人已经预先研究了如图9和10中所示的具有传感器芯片J100的作为比较的物理量传感器。传感器芯片J100包括由传统的微机械加工方法处理的半导体衬底10。衬底10由绝缘体上硅(即SOI)衬底制成，具有作为用于支持芯片J100部分的第一半导体层的第一硅层11，以及作为通过作为绝缘薄膜的氧化膜13配置在第一硅层11上的第二半导体层的第二硅层12。衬底10具有矩形形状。
传感器芯片J100进一步包括具有弹簧22和可移动电极24的可移动部分20以及具有一对固定电极31、41的固定部分30。可移动电极24与弹簧22整体形成。固定电极31、41面对可移动电极24。用蚀刻衬底10的第二硅层12以形成沟道的方式，形成可移动部分20和固定部分30。
弹簧22具有弹簧功能的特性，用于根据施加到传感器芯片J100上的物理量，在X方向上位移可移动部分20。弹簧在垂直于作为位移方向的X方向的方向上延伸。由于可移动电极24与弹簧22集成以使在X方向上，可移动电极24可与弹簧22一起移动。可移动电极24具有多个垂直于X方向的梳齿。沿X方向，并行排列这些梳齿。
固定电极31、41是固定的并且由第一硅层11支持。每个固定电极31、41具有多个梳齿，这些梳齿排列成面对可移动电极24的相应的梳齿。具体地，固定电极31、41的梳齿与可移动电极24的梳齿啮合以便固定电极31、41的一个梳齿的一侧与可移动电极24的一个梳齿的一侧相对。
可移动电极24和固定电极31、41分别连接到导线部分25、32和42。每个导线部分25、32和42具有用于导线接合的凸缘(pad)25a、30a、40a。凸缘25a、30a、40a通过接合线W1、W2、W3电连接到外部电路(未示出)。
左侧可移动电极24和固定电极31提供具有第一电容CS1的第一电容器。左侧可移动电极24和固定电极41提供具有第二电容CS2的第二电容器。在传感器芯片J100中，当物理量施加到芯片J100上时，改变在左侧和右侧可移动电极24和固定电极31、41间形成的第一和第二电容CS1、CS2。测量第一和第二电容CS1、CS2间的电容差，即(CS1-CS2)以便从芯片J100输出对应于电容差(CS1-CS2)的信号。将该信号输入到电路芯片以便在电路芯片中处理该信号。因此，由传感器检测物理量。
传感器芯片J100安装电路芯片200上以便形成具有彼此层压的传感器芯片J100和电路芯片200的物理量传感器。在这种情况下，传感器芯片J100的衬底11的下侧通过具有电绝缘属性的粘合层300接合到电路芯片200上。因此，完成层叠型物理量传感器，如图11所示。具体地，传感器芯片J100通过由粘合树脂薄膜制成的粘合层300安装在电路芯片200上。
通过接合线W1、W2、W3，使用于导线接合的传感器芯片J100的每个凸缘25a、30a、40a电连接到电路芯片200。在传感器的层叠结构中，当检测到作为支持层的第一硅层11的电势或将某一电势施加到第一硅层11时，第一硅层11有必要在水平方向上延伸以便在第一硅层11的上表面上形成表面电极J150。然后，通过接合线W4，接合表面电极J150和电路芯片200。
其中，在传感器芯片J100中，某一电势施加到第一硅层11的原因是检测可移动电极24的位移误差。位移误差是例如可移动电极24在垂直于衬底10的垂直方向上可被移动。具体地，例如，在物理量在垂直于衬底10的垂直方向上施加到芯片J100的情况下，可移动电极24移向第一硅层11。在这种情况下，如果在可移动电极24和支持衬底11间放置额外的颗粒时，可移动电极24会接触额外颗粒以致可移动电极24的位移受颗粒干扰。
因此，传感器芯片J100包括用于将电势施加到第一硅层11的表面电极J150以便提供作为支持衬底电势的第一硅层电势。通过使用表面电极J150，在第一硅层11和可移动电极24间生成电势差以便提供静电吸引力。因此，通过表面电极J150，提供可移动电极24的位移误差的上述检测。
然而，在图11所示的上述物理量传感器中，由于第一硅层11在水平方向上延伸，传感器芯片J100的尺寸变得更大。另外，要求表面电极J150通过接合线W1-W3连接到电路芯片200。因此，物理量传感器的尺寸变得更大，以及传感器的制造工艺变复杂。
鉴于上述问题，提供根据本发明的优选实施例的物理量传感器。具体地，物理量传感器是微分电容型半导体加速度传感器(即电容型加速度传感器)。该传感器适合于用作为车辆加速度传感器或陀螺仪传感器，用于控制和操作汽车中的气囊系统、ABS(即防抱死系统)、VSC(即车辆稳定性控制)系统等等。
图1至3表示物理量传感器的传感器芯片100。图4表示安装在电路芯片200上的传感器芯片100。图5表示物理量传感器。
首先，描述传感器芯片100。通过传统的微机械加工方法制造传感器芯片100。传感器芯片100包括半导体衬底10。衬底10由具有作为支持衬底的第一硅层11，即用于支持芯片100的部分的第一半导体层，以及通过作为绝缘膜的氧化膜13，放置在第一硅层11上的作为第二半导体层的第二硅层12的绝缘体上硅(即SOI)衬底制成。衬底10具有矩形形状。
第二硅层12包括凹槽14以便形成可移动部分20和一对固定部分30、40。具有梳齿状的可移动部分20和一对固定部分30、40提供一弹簧结构。在第二硅层12中形成的可移动部分20和对应于图1的虚线所示的矩形区15的固定部分30、40的部分变得更薄，用于分开氧化膜13。该矩形区15提供第二硅层12的薄部分15。
如下制造传感器芯片100。通过使用光刻法，在衬底10的第二硅层12上形成具有对应于弹簧结构的形状的掩膜。然后，通过使用CF4或sf6腐蚀气体的干蚀刻等等的沟道蚀刻方法，在第二硅层12中形成凹槽14。因此，形成由可移动部分20和固定部分30、40组成的弹簧结构。具体地，通过蚀刻工艺，即侧面蚀刻方法，去除为对应于薄部分15的下面部分的部分第二硅层12。因此，完成传感器芯片100。
在传感器芯片100中，通过弹簧22，使由薄部分15提供的可移动部分20连接到一对锚23a和23b上。具体地，可移动部分20包括平衡块(weight)部分21。平衡块部分21具有矩形和细长形状。通过弹簧22，使平衡块部分22的两侧整体地连接到锚23a、23b。锚23a、23b固定在氧化膜13上以便通过氧化膜13，在作为支持衬底的第一硅层11上支持锚23a、23b。因此，在z方向上，使平衡块部分21和弹簧22与氧化膜13分开以便可移动它们。
如图1所示，弹簧22具有一矩形框架，其由彼此平行放置的两个梁和通过两个梁设置的一对连接组成。具体地，每个梁的两侧接合在一起以便形成矩形框架。因此，弹簧能在垂直于梁的纵向方向的方向(即图1中的X方向)上移动以便弹簧提供弹性功能。因此，当作为包括平行于X方向的分量的物理量的加速度施加到传感器芯片100上时，弹簧部分22在平行于衬底10的水平方向的X方向上移动平衡块部分21。另外，当加速度未施加到传感器芯片100上时，即，加速的物理量消失时，弹簧部分22返回到预定中性位置以便也使平衡块部分21返回。因此，根据施加到传感器芯片100上的加速度，通过弹簧22被支持到半导体衬底10的可移动部分20能在X方向上移动。
可移动部分20包括具有梳齿状的可移动电极24。还通过薄部分15提供可移动电极24。可移动电极24具有从平衡块部分21的两侧延伸到图1中的Y方向上的多个梳齿。具体地，可移动电极24的左侧梳齿从平衡块部分21的左侧延伸向某一方向，以及可移动电极24的右侧梳齿从平衡块部分21的左侧延伸到与左侧梳齿的该某一方向相反的另一某一方向。与作为弹簧22的位移方向和平衡块部分21的纵向方向的梳齿排列方向的X方向平行，排列可移动电极24的梳齿。
在这一实施例中，可移动电极24包括从平衡块部分21的左右两侧延伸的两组四个梳齿。可移动电极24的每个梳齿具有矩形横截面，并与氧化膜13分开。可移动电极24、弹簧22和平衡块部分21整体形成在一起以便在是衬底10的水平方向的X方向上，可移动和位移可移动电极24连同弹簧22和平衡块部分21。
在放置在衬底10的外周的两侧，而不是锚侧上，固定部分30、40被固定到氧化膜13上。因此，锚23a、23b提供了衬底10的一对侧，以及固定部分30、40提供衬底10的另一对侧。通过氧化绝缘膜13，在第一硅层11上支持固定部分30、40。
在图1中，配置在平衡块部分21的左侧上的左侧固定部分30由左侧固定电极31和用于左侧固定电极31的导线32组成。配置在平衡块部分21的右侧上的右侧固定部分40由右侧固定电极41和用于右侧固定电极41的导线42组成。由薄部分15提供的每个固定电极31、41具有梳齿以便分别与可移动电极24的梳齿啮合。因此，固定电极31、41的梳齿以一预定距离面向可移动电极24的梳齿。
这里，在平衡块部分21的左侧，可移动电极24的梳齿配置在左侧固定电极31的梳齿的下侧以便可移动电极24的梳齿与左侧固定电极31平行。在平衡块部分21的右侧上，可移动电极24的梳齿配置在右侧固定电极41的梳齿的上侧以便可移动电极24的梳齿平行于右侧固定电极41。
因此，在衬底10的水平方向上，可移动电极24面对固定电极31、41。可移动电极24的一个梳齿和固定电极31、41的另一梳齿的相应侧间的距离提供用于检测可移动电极24和固定电极31、41间的电容的检测距离。这里，可移动电极24和固定电极31、41的每一个的梳齿的该侧是检测表面。
左侧固定电极31和右侧固定电极41彼此电子无关。固定电极31、41的每个梳齿基本上平行于可移动电极24的梳齿，以及具有矩形横截面。分别在导线部分32、42上支持左侧固定电极31和右侧固定电极41并使它们伸出悬臂以便通过氧化膜13，在衬底10上支持固定电极31、41。因此，固定电极31、41与氧化膜13分开。因此，左侧和右侧固定电极31、41的每一个被电结合和连接到公用导线部分32、42。左侧和右侧固定电极32、42具有分别用于配置在固定电极32、42的预定位置上的固定电极32、42的左侧和右侧凸缘30a、40a。
用于可移动电极24的导线部分25与锚23b整体形成。用于可移动电极24的凸缘25a形成在导线部分25上的预定位置处。凸缘25a、30a、40a通过溅射方法或蒸发方法，由铝等等制成。
如图4和5所示，以第一硅层211的下表面面对电路芯片200的上表面的方法，通过粘合层300，使传感器芯片100接合到电路芯片200上。粘合层300具有电绝缘属性。电路芯片200包括用于处理从传感器芯片100输出的信号的检测电路和用于测试传感器的测试电路。电路芯片200通过使用传统的半导体工艺，例如由半导体衬底，诸如硅衬底制成，以便在电路芯片200上形成晶体管设备，诸如MOS晶体管设备。通过接合线W1、W2、W3，使在传感器芯片100的第二硅层12上形成的凸缘25a、30a、40a电连接到电路芯片200。接合线W1至W3由金或铝制成，以及通过导线接合方法接合在其间。
粘合层300由电绝缘材料，诸如粘合薄膜或粘合材料制成。例如，粘合薄膜由聚酰亚胺树脂制成，以及粘合材料由环氧树脂或硅树脂制成。图6仅表示传感器中的粘合层300。粘合层300包括配置在粘合层300的中央上的非粘合区310。非粘合区310是一通孔以便不使配置在非粘合区310上的部分传感器芯片100采用粘合层300接合到电路芯片200上。然而，导电部件320配置在非粘合区310中，用于电连接在电路芯片200和传感器芯片100间。具体地，通过导电部件320，使传感器芯片100的第一硅层11电连接到电路芯片200。导电部件320由例如焊丘(bump)、焊料或导电粘合材料制成。因此，在传感器中，通过导电部件300，将从电路芯片200激发的电势施加到传感器芯片100的第一硅层11上。
因此，在传感器中，通过接合线W1至W3，使可移动电极24和固定电极31、41电连接到电路芯片200。另外，通过导电部件320，使第一硅层11电连接到电路芯片200。如下组装该加速度传感器。首先，将导电部件320安装在电路芯片200上。然后，在电路芯片200上形成粘合层300。在此之后，通过粘合层300，传感器芯片100安装在电路芯片200上。然后，使第一硅层11电接合到电路芯片200。因此，完成传感器。
尽管粘合层300能由粘合薄膜或粘合材料制成，最好，粘合层300由粘合薄膜制成，因为提高了传感器特性。在粘合薄膜的情况下，粘合层300仅接合在电路芯片200上。在粘合材料的情况下，粘合材料施加在电路芯片200上，然后，传感器芯片100安装在粘合材料上。在此之后，硬化粘合材料以便形成粘合层300。
另外，在粘合薄膜的情况下，初步切割粘合薄膜以便在粘合薄膜中形成作为通孔的非粘合区310。在粘合材料的情况下，通过使用具有不对应于非粘合区310的开口的掩膜，在电路芯片200上有选择地施加粘合材料。
接着，如下描述加速度传感器的检测操作。在可移动电极24和固定电极31、41间的电容变化的基础上，检测施加到传感器的加速度。具体地，可移动电极24具有梳齿的检测表面，其面对固定电极31、41的梳齿的检测表面以便获得两个检测表面间的检测距离。提供检测距离，用于检测可移动电极24和固定电极31、41间的电容。在左侧固定电极31和可移动电极24间形成具有第一电容CS1的第一电容器，以及在右侧固定电极41和可移动电极24间形成具有第二电容CS2的第二电容器。
当将具有X方向上的分量的加速度施加到传感器时，根据弹簧22的弹簧功能，除锚23a、23b外，在X方向上整体位移可移动部分20，以便根据可移动电极24的位移，改变第一和第二电容CS1和CS2。例如，当在X方向上，可移动部分20向下移动时，左侧固定电极31和可移动电极24间的检测距离变得更宽。另一方面，右侧固定电极41和可移动电极24间的检测距离变得更窄。因此，因此，改变第一和第二电容CS1和CS2间、定义为(CS1-CS2)的电容差。测量该微分电容变化以便检测在X方向上的加速度。
具体地，从传感器芯片100输出基于电容差的电信号，然后，将信号输入到电路芯片200以便在电路芯片200中处理该信号。因此，从电路芯片200输出加速度信号。
图7表示用于检测施加到传感器芯片100上的加速度的检测电路400。检测电路400包括具有电容器411、开关412和差动放大器413的开关电容器电路(即SC电路)410。电容器411具有电容Cf。SC电路410将所输入的电容差(CS1-CS2)转换成电压。在传感器中，从左侧固定电极凸缘30a输入具有振幅Vcc的第一载波1，以及从右侧固定电极凸缘40a输入具有振幅Vcc的第二载波2。第二载波2具有与第一载波1相同的振幅，以及与第一载波1相反的相位。具体地，使第二载波2的相位从第一载波1的相位移过180度。因此，根据第一和第二载波1，2，将SC电路410的开关412打开和关闭预定定时。
将在X方向上所施加的加速度输出为电压V0，其定义为公式1。
V0＝(CS1-CS2)×Vcc÷Cf (F1)因此，检测加速度。
根据优选实施例，加速度传感器包括传感器芯片100。传感器芯片具有作为支持衬底的第一硅层11、可在衬底10的水平方向上移动的可移动电极24，以及面对可移动电极24、在其间具有检测距离的固定电极31、41。当将加速度施加到传感器时，位移可移动电极24以便改变可移动电极24和固定电极31、41间的检测距离。因此，在检测距离的距离变化的基础上，检测所施加的加速度。
通过具有电绝缘属性的粘合层300，使传感器芯片接合到电路芯片200上。粘合层300包括配置在传感器芯片100下并由通孔提供的非粘合区310。在非粘合区310中，放置导电部件320，用于连接在电路芯片200和传感器芯片100的第一硅层11之间。因此，使电路芯片200和传感器芯片100的第一硅层11彼此电连接。
因此，通过导电部件320，将从电路芯片200输出的电信号传送到第一硅层11，而不通过其间的导线接合，以便将某一电势施加到第一硅层11上。
另外，使导电部件320配置在传感器芯片100下。具体地，导电部件320配置在粘合层300的非粘合区310中，其配置在通过将传感器芯片100投影到电路芯片200上获得的区域中。因此，能形成导电部件320，而不增加传感器芯片100的尺寸(即大小)。
因此，在传感器中，能将电势施加到传感器芯片100的第一硅层11，而不增加传感器芯片10的大小以及不在第一硅层11和电路芯片200间形成接合线。这里，由电路芯片200控制施加到传感器芯片100的第一硅层11上的电势。因此，根据所施加的电势，由第一硅层11和可移动电极24间的电势差生成静电力。能使用该静电力来检测在衬底10的垂直方向z中，可移动电极24的位移误差，如图2和3所示。
另外，尽管粘合层300具有配置在粘合层300的中心处的作为通孔的非粘合区310。能在粘合层300的外周上形成非粘合区310。尽管非粘合区310具有圆柱形状，非粘合区310能具有方形柱形状等。另外，导电部件320能通过焊丘提供。在这种情况下，焊丘的尺寸能与通过传统的半导体工艺形成的传统焊丘相同。另外，能尽可能小地形成非粘合区310的尺寸，只要能将导电部件320容纳在非粘合区310中则可。因此，粘合层300在传感器芯片100和电路芯片200间具有足够的接合区以便确保足够的接合强度。
(改型)图8A和8B表示根据本发明的改型的其他非粘合区311、312。图8A中所示的非粘合区311为凹状，如在粘合层300中形成的凹槽。图8B所示的非粘合区312为划分粘合层300的狭缝。另外，将粘合层300的刨床(planer)面积设置成小于传感器芯片100的刨床面积以便粘合层300的外部提供非粘合区310。因此，能在粘合层300的外部形成导电部件320。因此，导电部件320配置在传感器芯片100的外周上。
尽管可移动电极24和固定电极31、41分别具有梳齿形状，它们也能具有其他形状。另外，尽管可移动电极24和固定电极31、41由半导体制成，它们能由其他材料制成。
尽管传感器是电容型加速度传感器，传感器能是角速率传感器或其他物理量传感器。
这些变化和改型将理解为在由附加权利要求限定的本发明的范围内。
权利要求
1.一种物理量传感器，包括电路芯片(200)；以及通过粘合层(300)，配置在所述电路芯片(200)上的传感器芯片(100)，其中，所述传感器芯片(100)包括支持衬底(11)；在所述衬底(11)的水平方向上可移动的可移动电极(24)；以及面对所述可移动电极(24)、其间具有检测距离的一对固定电极(31，41)，所述传感器芯片(100)能根据所述可移动电极(24)的位移，在所述检测距离的距离变化的基础上，检测施加到所述传感器的物理量，所述可移动电极(24)和所述固定电极(31，41)配置在所述衬底(11)上，所述粘合层(300)包括非粘合区(310-312)和导电部件(320)，所述非粘合区(310-312)配置在通过将所述传感器芯片(100)投影到所述电路芯片(200)上所获得的区域上，以及所述导电部件(320)配置在所述非粘合区(310-312)中，用于电连接在所述电路芯片(200)和所述衬底(11)之间。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述电路芯片(200)能通过所述导电部件(320)，将电势施加到所述衬底(11)上，用于测试所述可移动电极(24)的位移误差。
3.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述非粘合区(310)是所述粘合层(300)中的通孔(310)。
4.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述非粘合区(311)是所述粘合层(300)中的凹槽。
5.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述非粘合区(312)是所述粘合层(300)中的狭缝。
6.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述导电部件(320)是焊丘。
7.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述导电部件(320)由焊料制成。
8.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述导电部件(320)由导电粘合材料制成。
9.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述非粘合区(310-312)配置在所述粘合层(300)的中央。
全文摘要
一种物理量传感器包括电路芯片(200)；以及通过粘合层(300)配置在电路芯片(200)上的传感器芯片(100)。传感器芯片(100)包括支持衬底(11)；可移动电极(24)；以及面对可移动电极(24)/其间具有检测距离的一对固定电极(31，41)。可移动电极(24)和固定电极(31，41)配置在衬底(11)上。粘合层(300)包括非粘合区(310－312)以及导电部件(320)。非粘合区(310－312)配置在通过将传感器芯片(100)投影到电路芯片(200)上获得的区域上。导电部件(320)配置在非粘合区(310－312)中，用于电连接在电路芯片(200)和衬底(11)之间。
文档编号H01L29/84GK1654925SQ20051000707
公开日2005年8月17日 申请日期2005年2月7日 优先权日2004年2月12日
发明者五藤敬介 申请人:株式会社电装