JP2004354074A - Semiconductor acceleration sensor - Google Patents

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JP2004354074A
JP2004354074A JP2003148979A JP2003148979A JP2004354074A JP 2004354074 A JP2004354074 A JP 2004354074A JP 2003148979 A JP2003148979 A JP 2003148979A JP 2003148979 A JP2003148979 A JP 2003148979A JP 2004354074 A JP2004354074 A JP 2004354074A
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Japan
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acceleration sensor
semiconductor acceleration
sensitivity
silicon nitride
nitride film
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Pending
Application number
JP2003148979A
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Japanese (ja)
Inventor
Daisuke Wakabayashi
大介 若林
Kazushi Kataoka
万士 片岡
Hitoshi Yoshida
仁 吉田
Akira Aoki
亮 青木
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Panasonic Electric Works Co Ltd
Original Assignee
Matsushita Electric Works Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor acceleration sensor capable of being easily adjusted in its sensitivity. <P>SOLUTION: The semiconductor acceleration sensor comprises: a weight section 1 that is displaced by receiving acceleration; a plurality of beam sections 3, 3 wherein one end is connected to the weight section 1; a frame section 2 that is connected to the other end of the beam sections 3, 3 and supports the weight section 1 via the beam sections 3, 3 so that frame section 2 can be rocked freely; piezo resistors Rx, Ry, Rz that are formed at the beam sections 2, 3 and detect the amount of deflection that is generated at the beam sections 3, 3 by the displacement of the weight section 1; and electrode pads 9X, 9Y, 9Z for taking out an electric signal from the piezo resistors Rx, Ry, Rz. The semiconductor acceleration sensor has a silicon nitride film 6 formed on the surface of the beams 3, 3 and has a film thickness that is adjusted according to the sensitivity to be set. The amount of deflection at the deflection section is controlled by an insulating film formed on the surface of the deflection section, so that the sensitivity of the acceleration sensor can be adjusted easily. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体加速度センサに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、自動車、航空機、家電製品等に搭載され、それらに加わる加速度を検出するものに、半導体基板から形成された半導体加速度センサがある。この半導体加速度センサには、その形状や検出方法の違いにより種々のものが存在する。例えば、形状に関しては、印加された加速度に応じて揺動する錘部を支持するフレーム部が、1つの梁部だけを介して支持する片持ち梁構造と、複数の梁部を介して支持する両持ち梁構造とがある。また、検出方法に関しても、錘部の揺動量に応じた梁部の撓み量を電気抵抗の変化として検出するものや、錘部の揺動量に応じ変化する静電容量の変化量を検出するものなどがある。例えば、両持ち梁構造で、その梁部3の機械的な歪みを電気抵抗の変化として検出する半導体加速度センサには、図9の斜断面図に示すようなものがある(例えば、特許文献1参照)。図10はこの半導体加速度センサの平面図である。
【0003】
この半導体加速度センサは、活性層21、中間絶縁層22、支持層23が積層された半導体基板がエッチングされて形成されており、印加される加速度に応じて変位する錘部1と、この錘部1に接続され、錘部1の変位量に応じて撓む梁部3,3‥と、この梁部3,3‥を介して錘部1を揺動自在に支持するフレーム部2と、梁部3,3‥に形成され、この梁部3,3‥の撓み量に応じて、抵抗値が変化するピエゾ抵抗Rx,Ry,Rzと、このピエゾ抵抗Rx,Ry,Rzからの電気信号を取り出す電極パッド9X,9Y,9Zとを備える。なお、錘部1は、梁部3,3‥に直接接続された中央錘部11と、この中央錘部11を介して梁部3,3‥に接続された側錘部12よりなり、また、ピエゾ抵抗Rx,Ry,Rzは、それぞれ半導体加速度センサのX軸方向に加わる加速度を検出するRx1,Rx2,Rx3,Rx4と、Y軸方向に加わる加速度を検出するRy1,Ry2,Ry3,Ry4と、Z軸方向に加わる加速度を検出するRz1,Rz2,Rz3,Rz4とからなっている。
【0004】
また、図11の等価回路に示すように、これらのピエゾ抵抗Rx,Ry,Rzは、各軸ごとにブリッジ回路が形成されており、このブリッジ回路からの出力を取り出すことで、各軸方向に加わった加速度を精度よく検出することが可能になっている。例えばX軸方向のピエゾ抵抗Rxに関する等価回路を示す図10(a)においては、X軸方向に加わった加速度は、X1とX2の電位差、すなわち出力信号Xout=X1−X2の値から求めることができる。また、図10(b)、図10(c)は、それぞれY軸、Z軸方向の加速度を検出するブリッジ回路の等価回路を示しており、各軸とも出力信号Yout=Y1−Y2、Zout=Z1−Z2の値から、それぞれの軸方向に加わった加速度を求めることができる。
【0005】
一般に、このような半導体加速度センサにおいては、加速度の検出精度の基準の一つに感度がある。この感度は、例えばX軸方向の感度に関しては、図12(a)に示す状態の半導体加速度センサを、図12(b)に示すようにY軸を中心にして90度回転させた状態における出力信号Xoutの値と、図12(c)に示すように同Y軸を中心にして270度回転させた状態における出力信号Xoutの値との差分値で求める。なお、図12(b)及び図12(c)は、図12(a)の平面図に示す半導体加速度センサを、X軸方向から見た断面図である。この求めた差分値が小さいほど、感度が高いということになり、加速度を精度よく検出することができるのであって、小さな加速度が加わったときでも敏感に検出することが可能となる。これは、感度が高い場合には、錘部1の変位に対して梁部3,3‥が大きく撓むことができるため、ピエゾ抵抗の抵抗値の変化を大きくすることができ、検出精度が上がるためである。しかし、その反面、梁部3,3‥が撓みやすいため、大きな加速度が加わったときには、錘部1が過剰に大きく変位してしまい、この錘部1を支持する梁部3を破損させてしまうことがある。逆に、感度が低い場合には、錘部1の変位に対する梁部3,3‥の撓み量が小さくなり、ピエゾ抵抗Rxの抵抗値の変化も小さくなるため、検出精度が低くなってしまうが、錘部1の受けた加速度に対する梁部3,3‥の撓み量が小さくなるので、大きな加速度が加わった場合にも、梁部3,3‥を破損させずに加速度の検出を行なうことが可能となる。
【0006】
上記のことから、検出したい加速度の大きさに応じて感度を調整することが必要となるが、この感度は、主に加速度センサの寸法、梁部の寸法、錘の寸法等に依存するため、感度を調整する際には、これらの寸法を設計変更することで行なっていた。例えば、感度を高くして小さな加速度を精度よく検出したい場合には、梁部の厚みを薄くして撓みやすくしたり、錘部を大きく形成して重量を増やしたりして調整し、逆に感度を低くして大きな加速度を検出したい場合には、梁部の厚みを厚くして撓みにくくしたり、錘部を小さく形成して軽量にしたりして調整していた。
【0007】
【特許文献1】
特開平11−135804
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようにして感度の調節を行なう場合には、半導体基板をエッチングする段階での設計変更を行なうことが必要となり、そのためには半導体プロセスのフォトリソグラフィの工程の際に用いるマスクを設計変更する必要がある。しかしこのマスクは非常に高価であり、また新たなマスクを作成する手間もかかるため、このような設計変更は容易ではなかった。
【0009】
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、感度調節を容易に行なうことのできる半導体加速度センサを提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1に係る半導体加速度センサは、加速度を受けて変位する錘部と、一端がこの錘部に接続された可撓部と、この可撓部の他端に接続され、当該可撓部を介して上記錘部を揺動自在に支持するフレーム部と、上記可撓部に形成され、上記錘部の変位により上記可撓部に生じる撓み量を検出するセンサ部とを備えた半導体加速度センサにおいて、上記可撓部の表面に形成される絶縁膜であって、設定しようとする感度に応じて、その膜厚が調整される絶縁膜を備えて成ることを特徴とする。
【0011】
請求項2に係る発明では、請求項1の発明において、上記絶縁膜は、熱酸化により形成されたシリコン酸化膜であることを特徴とする。
【0012】
請求項3に係る発明では、請求項1の発明において、上記絶縁膜は、プラズマCVD法により形成されたシリコン窒化膜であることを特徴とする。
【0013】
請求項4に係る発明では、請求項1の発明において、上記絶縁膜は、減圧CVD法により形成されたシリコン窒化膜であることを特徴とする。
【0014】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の半導体加速度センサの一実施の形態を示す側断面図であり、1は錘部、2はフレーム部、3は梁部、6はシリコン窒化膜、Rx,Ry,Rzはピエゾ抵抗、9は電極パッド、21は活性層、22は中間絶縁層、23は支持層をそれぞれ示している。また図2は、この半導体加速度センサの斜断面を示しており、図1はこの図中A−A’の断面図である。
【0015】
この半導体加速度センサは、活性層21及び中間絶縁層22及び支持層23が積層された半導体基板がエッチングされて形成されているが、この半導体基板には、例えば活性層21の厚みが数μm〜10μm程度、中間絶縁層22の厚みが0.3〜1μm程度、支持層23の厚みが300〜600μm程度に積層されたものを用いればよい。
【0016】
錘部1は、4つの梁部3,3‥に接続した中央錘部11と、この中央錘部11に連結した4つの側錘部12よりなり、外観状は略十字の形状をなしている。この側錘部12は、梁部3,3‥により中央錘部11を中心にして、3次元方向に自在に揺動できる。
【0017】
ピエゾ抵抗Rx,Ry,Rzは、半導体不純物拡散技術により梁部3,3‥に形成されており、ピエゾ抵抗Rxは半導体加速度センサのX軸方向、ピエゾ抵抗Ryは同Y軸方向、ピエゾ抵抗Rzは同Z軸方向にそれぞれ加わる加速度を検出する。これら各ピエゾ抵抗Rx,Ry,Rzは、それぞれ4つづつ梁部3,3‥上に形成されている。これらピエゾ抵抗Rx,Ry,Rzのそれぞれの配置箇所は、4つのピエゾ抵抗Rzについては、4つの梁部3,3‥のそれぞれに各1つ、4つづつのピエゾ抵抗Rx,Ryについては、4つの梁部3,3‥のうち中央錘部11を挟んで対向する2つの梁部3,3のそれぞれに2つづつ形成されている。また、4つのピエゾ抵抗Rx間は、ホイーストンブリッジ回路を構成するように、アルミ配線又は不純物拡散配線等により電気的に接続されている。また、4つづつのピエゾ抵抗Ry,Rzについても、同様にしてそれぞれホイーストンブリッジ回路が構成されている。これらホイーストンブリッジ回路が構成された、4つづつのピエゾ抵抗Rx,Ry,Rzからの電気信号は、電極パッド9X,9Y,9Zからそれぞれ取り出される。
【0018】
フレーム部2は、厚み方向の両端面が開口した断面略ロ字の筒形状を有してなり、その中空部分に配置された錘部1を、その錘部1の外周縁を離間して外囲すると共に、梁部3,3‥を介して揺動自在に支持している。このフレーム部2は、自動車や航空機等の移動体に固定される。
【0019】
梁部3,3‥は、錘部1よりも薄肉に形成してあり、その厚み方向に撓み可能であると共に、その長手方向を軸にして捻転することも可能である。この梁部3,3‥は、その長手方向の一端が錘部1に連結されると共に、他端はフレーム部2に連結され、フレーム部2に錘部1を揺動自在に支持させている。
【0020】
シリコン窒化膜6は、梁部3,3‥の表面上に形成されており、数千Å程度の厚みに形成されているが、梁部3に注目した図3に示すように、このシリコン窒化膜6と梁部3,3‥の表面との間には、活性層21上に形成される素子を電気的に分離するためのフィールド酸化膜7が形成されている。すなわち、シリコン窒化膜6は、このフィールド酸化膜7の表面に形成されている。このように梁部3,3‥の表面上にシリコン窒化膜6が形成されると、そのシリコン窒化膜6の内部には、図3に示すように、矢印の方向に膜応力F2が生じる。これにより、図4に示すように、錘部1は、力F2’の方向に向かって引っ張り上げられる。これは、シリコン窒化膜6内に生じている膜応力F2が、梁部3,3‥の撓みを少しでも小さくしようと作用しているためであり、この膜厚を調整することで、錘部1が変位した場合に撓む梁部3,3‥の撓み量を変更することができ、例えば、このシリコン窒化膜6の膜厚を厚くするほど、その膜応力F2は大きくなり、図4における錘部1はより上方へ引っ張り上げられる。逆に、その膜厚を薄くするほど膜応力F2は小さくなり、錘部1の引っ張り上げ量は小さくなる。図5に示すように、シリコン窒化膜6の膜厚が、0〜4000Å迄は、シリコン窒化膜6の膜厚と感度とは、略比例する関係となっており、半導体加速度センサの感度を所望の値に設定したい場合には、梁部3,3‥の表面上に形成するシリコン窒化膜6の膜厚を適宜調整すればよく、例えば、地震等により家電製品にかかる加速度を精度よく検出したい場合には、シリコン窒化膜6の膜厚を薄くするようにすればよく、また、飛行機等の大きな加速度のかかりやすい移動体の加速度を検出したい場合には、シリコン窒化膜6の膜厚を厚くするように調整すればよい。このシリコン窒化膜6は、プラズマCVD法により形成され、その膜厚は3000〜6000Å程度となるが、これに限定されることなく、設定したい感度に合わせて適宜その膜厚を調節すればよい。このように梁部3の表面上にシリコン窒化膜6を形成すれば、その膜厚を調整することで感度を変更することができる。またこのシリコン窒化膜6は、窒化膜であるので、半導体加速度センサ表面を保護する保護膜としても機能する。
【0021】
なお、梁部3,3‥の表面に形成した上記のフィールド酸化膜7は、例えば1100度程度で55分間ウエット酸化を行うことで形成することができる。
【0022】
また、フレーム部2の厚み方向の両端面に、ガラス材料よりなるストッパ部材を設けるようにしてもよい。このストッパ部材を設けることにより、大きな加速度を受けて、錘部1が所定の大きさ以上変位し、梁部3がその揺動量に耐えられず破損してしまう場合に、錘部1の変位量を制限することができるので、梁部3の破損を防止することが可能となる。
【0023】
上記のように、この半導体加速度センサによれば、シリコン窒化膜6の膜厚を調整することで、感度を変更することが可能となり、例えば、加速度を高精度に検出する必要のある場合には、その膜厚を薄くし、逆に高精度な検出は必要なく、大きな加速度も検出したい場合には、膜厚を厚く形成すればよい。
【0024】
また、本実施形態における別の実施形態として、図1に示したシリコン窒化膜6を減圧CVD法により形成するようにしてもよい。この減圧CVD法により形成されたシリコン窒化膜6は、図3に示したプラズマCVD法により形成されたシリコン窒化膜6と同じように、その膜内部に引っ張り応力が発生する。これにより、図4に示すように、梁部3に錘部1を上方に引き上げる引っ張り応力が生じる。図6に、この減圧CVD法により形成されたシリコン窒化膜6の膜厚と感度との関係を示している。この図6に示すように、シリコン窒化膜6の膜厚を薄くすると感度が向上し、逆に膜厚を厚くすると感度が低下するので、設定したい感度に応じてシリコン窒化膜6の膜厚を調整すればよい。このシリコン窒化膜6を減圧CVD法により形成した場合には、通常その膜厚は、500〜2000Å程度となるが、これに限定されることなく、設定したい感度に合わせて適宜その膜厚を調整すればよい。シリコン窒化膜6が減圧CVD法により形成された場合と、プラズマCVD法により形成された場合では、そのそれぞれのシリコン窒化膜6内に含まれる水素分子の量が異なる。この水素分子の含有量の違いにより、減圧CVD法により形成されたシリコン窒化膜6の方が、プラズマCVD法により形成されたシリコン窒化膜6の膜応力よりも小さくなる。そのため、この減圧CVD法により形成されたシリコン窒化膜6では、プラズマCVD法により形成されたシリコン窒化膜6よりも膜応力の調整を細かく行なうことができ、感度の調節もより細かく行なうことが可能となり好ましい。シリコン窒化膜6中に含有される水素分子は、例えば、減圧CVD法による場合は数%であるのに対し、プラズマCVD法による場合は十数%となる。
【0025】
また、本実施形態におけるさらに別の実施形態として、図7に示すように、梁部3の表面に形成する絶縁膜を熱酸化により形成されるシリコン酸化膜5としてもよい。そして、そのシリコン酸化膜5の厚みを調整して、感度を変更するようにしてもよい。シリコン酸化膜5は、熱酸化により形成するので、梁部3,3‥の表面に形成されるフィールド酸化膜7と同じ工程で形成することが可能となり、このフィールド酸化膜の機能も果たすシリコン酸化膜5が、梁部3,3‥の表面に一体に形成され、図7中の矢印の方向に向かって膜応力F1が発生する。これにより、図8に示すように、錘部1は、梁部3,3‥の膜応力F1により、力F1’の方向に引っ張り上げられる。このように、梁部3,3‥の表面に形成する絶縁膜を、熱酸化によるシリコン酸化膜5で形成すれば、フィールド酸化膜7の形成工程と同じ熱酸化を行なうことで済むので、より容易に形成することが可能となる。このシリコン酸化膜5は、例えば、900〜1100度程度で数十分間ウエット酸化を行なうことにより形成された場合には、数千Å程度の膜厚を有する。
【0026】
以上、本発明の好適な実施の形態を説明したが、本発明はこの実施の形態に限らず、種々の形態で実施することができる。
【0027】
【発明の効果】
上記のように本発明の請求項1に記載の半導体加速度センサによれば、撓み部表面に形成した絶縁膜により、撓み部の撓み量を制御することができるので、加速度センサの感度の調節を容易に行なうことができる、という効果を奏する。
【0028】
本発明の請求項2に記載の半導体加速度センサによれば、請求項1の発明による効果に加えて、より容易に絶縁膜を形成することが可能となる、という効果を奏する。
【0029】
本発明の請求項3に記載の半導体加速度センサによれば、請求項1の発明による効果に加えて、形成されたシリコン窒化膜により、半導体加速度センサの表面が保護される、という効果を奏する。
【0030】
本発明の請求項4に記載の半導体加速度センサによれば、請求項1の発明による効果に加えて、形成されたシリコン窒化膜により、半導体加速度センサの表面が保護されると共に、より精度よく感度調節を行なうことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体加速度センサにおける一実施の形態を示す図である。
【図2】上記半導体加速度センサの斜断面図である。
【図3】上記半導体加速度センサの梁部に注目し、そこに発生する力を示したイメージ図である。
【図4】上記半導体加速度センサに発生する力を示したイメージ図である。
【図5】上記半導体加速度センサにおいて絶縁膜の膜厚と感度との関係を示したグラフ図である。
【図6】上記半導体加速度センサの別の実施形態において絶縁膜の膜厚と感度の関係を示したグラフ図である。
【図7】上記半導体加速度センサのさらに別の実施形態において、梁部に注目し、そこに発生する力を示したイメージ図である。
【図8】上記半導体加速度センサに発生する力を示したイメージ図である。
【図9】従来の半導体加速度センサの斜断面図である。
【図10】上記従来の半導体加速度センサの正面図である。
【図11】上記従来の半導体加速度センサにおける、ピエゾ抵抗の等価回路図である。
【図12】上記従来の半導体加速度センサにおいて、半導体加速度センサの平面図と、その半導体加速度センサをX軸周りに90度又は270度回転させたときの断面図である。
【符号の説明】
1 錘部
2 フレーム部
3 梁部
5 シリコン酸化膜
6 シリコン窒化膜
Rx,Ry,Rz ピエゾ抵抗
9X,9Y,9Z 電極パッド
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor acceleration sensor.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, there is a semiconductor acceleration sensor formed of a semiconductor substrate, which is mounted on an automobile, an aircraft, a home electric appliance, and the like and detects acceleration applied thereto. There are various types of semiconductor acceleration sensors depending on their shapes and detection methods. For example, as for the shape, a frame supporting a weight that swings in response to an applied acceleration supports a cantilever structure supporting only one beam and a plurality of beams. There is a doubly supported structure. As for the detection method, a method of detecting the amount of deflection of the beam portion according to the amount of swing of the weight portion as a change in electric resistance, and a method of detecting the amount of change in capacitance that changes according to the amount of swing of the weight portion and so on. For example, there is a semiconductor acceleration sensor that has a doubly supported structure and detects mechanical strain of the beam portion 3 as a change in electric resistance, as shown in the oblique sectional view of FIG. reference). FIG. 10 is a plan view of the semiconductor acceleration sensor.
[0003]
This semiconductor acceleration sensor is formed by etching a semiconductor substrate on which an active layer 21, an intermediate insulating layer 22, and a support layer 23 are laminated, and a weight 1 displaced in accordance with an applied acceleration; 1, a beam portion 3, 3 # that bends according to the displacement of the weight portion 1, a frame portion 2 that swingably supports the weight portion 1 via the beam portions 3, 3 #, Piezoresistors Rx, Ry, Rz whose resistance values change in accordance with the amount of deflection of the beam portions 3, 3 #, and electrical signals from the piezoresistors Rx, Ry, Rz. Electrode pads 9X, 9Y and 9Z to be taken out are provided. The weight portion 1 includes a central weight portion 11 directly connected to the beam portions 3, 3 ′, and a side weight portion 12 connected to the beam portions 3, 3 ′ via the central weight portion 11. , Piezoresistors Rx, Ry, Rz are respectively Rx1, Rx2, Rx3, Rx4 for detecting acceleration applied in the X-axis direction of the semiconductor acceleration sensor, and Ry1, Ry2, Ry3, Ry4 for detecting acceleration applied in the Y-axis direction. , Rz1, Rz2, Rz3, and Rz4 for detecting acceleration applied in the Z-axis direction.
[0004]
As shown in the equivalent circuit of FIG. 11, a bridge circuit is formed for each of the piezoresistors Rx, Ry, and Rz. It is possible to accurately detect the applied acceleration. For example, in FIG. 10A showing an equivalent circuit relating to the piezo resistor Rx in the X-axis direction, the acceleration applied in the X-axis direction can be obtained from the potential difference between X1 and X2, that is, the value of the output signal Xout = X1-X2. it can. FIGS. 10B and 10C show equivalent circuits of a bridge circuit for detecting accelerations in the Y-axis and Z-axis directions, respectively, and output signals Yout = Y1-Y2 and Zout = From the value of Z1-Z2, the acceleration applied in each axis direction can be obtained.
[0005]
In general, in such a semiconductor acceleration sensor, sensitivity is one of the criteria for detecting accuracy of acceleration. As for the sensitivity in the X-axis direction, for example, the output is obtained by rotating the semiconductor acceleration sensor in the state shown in FIG. 12A by 90 degrees about the Y-axis as shown in FIG. 12B. The difference between the value of the signal Xout and the value of the output signal Xout in a state where the signal Xout is rotated 270 degrees around the same Y axis as shown in FIG. FIGS. 12B and 12C are cross-sectional views of the semiconductor acceleration sensor shown in the plan view of FIG. The smaller the obtained difference value is, the higher the sensitivity is. Therefore, the acceleration can be detected with high accuracy, and the detection can be performed with high sensitivity even when a small acceleration is applied. This is because when the sensitivity is high, the beam portions 3 and 3 # can be largely bent with respect to the displacement of the weight portion 1, so that the change in the resistance value of the piezoresistor can be increased and the detection accuracy can be improved. To go up. However, on the other hand, since the beams 3 are easily bent, when a large acceleration is applied, the weight 1 is excessively greatly displaced, and the beam 3 supporting the weight 1 is damaged. Sometimes. Conversely, when the sensitivity is low, the amount of deflection of the beams 3, 3 に 対 す る with respect to the displacement of the weight 1 decreases, and the change in the resistance value of the piezoresistor Rx also decreases. Since the amount of deflection of the beams 3, 3 # with respect to the acceleration received by the weight 1 is reduced, even when a large acceleration is applied, it is possible to detect the acceleration without damaging the beams 3, 3 #. It becomes possible.
[0006]
From the above, it is necessary to adjust the sensitivity according to the magnitude of the acceleration to be detected, but since this sensitivity mainly depends on the dimensions of the acceleration sensor, the dimensions of the beam, the dimensions of the weight, etc. When adjusting the sensitivity, these dimensions are changed by design change. For example, when it is desired to increase the sensitivity to accurately detect a small acceleration, the thickness of the beam is made thinner to bend easily, or the weight is made larger to increase the weight, and the sensitivity is adjusted. When it is desired to detect a large acceleration by lowering the weight, the thickness of the beam portion is increased so as not to bend easily, or the weight portion is formed small to reduce the weight.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-11-135804
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the sensitivity is adjusted as described above, it is necessary to make a design change at the stage of etching the semiconductor substrate. To this end, it is necessary to design a mask used in the photolithography process of the semiconductor process. Need to change. However, such a mask is very expensive, and it takes time and effort to create a new mask. Therefore, such a design change has not been easy.
[0009]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor acceleration sensor that can easily perform sensitivity adjustment.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor acceleration sensor which is displaced by receiving an acceleration, a flexible portion having one end connected to the weight portion, and a flexible portion connected to the other end of the flexible portion. A frame portion for swingably supporting the weight portion via a flexible portion; and a sensor portion formed on the flexible portion and detecting a bending amount generated in the flexible portion due to displacement of the weight portion. The semiconductor acceleration sensor is characterized in that the semiconductor acceleration sensor includes an insulating film formed on the surface of the flexible portion, the thickness of which is adjusted according to the sensitivity to be set.
[0011]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the insulating film is a silicon oxide film formed by thermal oxidation.
[0012]
According to a third aspect of the present invention, in the first aspect, the insulating film is a silicon nitride film formed by a plasma CVD method.
[0013]
According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect, the insulating film is a silicon nitride film formed by a low pressure CVD method.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a side sectional view showing an embodiment of a semiconductor acceleration sensor according to the present invention, wherein 1 is a weight portion, 2 is a frame portion, 3 is a beam portion, 6 is a silicon nitride film, and Rx, Ry, and Rz are Reference numeral 9 denotes an electrode pad, 21 denotes an active layer, 22 denotes an intermediate insulating layer, and 23 denotes a support layer. FIG. 2 shows an oblique section of the semiconductor acceleration sensor, and FIG. 1 is a sectional view taken along the line AA 'in FIG.
[0015]
This semiconductor acceleration sensor is formed by etching a semiconductor substrate on which an active layer 21, an intermediate insulating layer 22, and a support layer 23 are laminated. For example, the active layer 21 has a thickness of several μm to What is necessary is to use a laminate in which the thickness is about 10 μm, the thickness of the intermediate insulating layer 22 is about 0.3 to 1 μm, and the thickness of the support layer 23 is about 300 to 600 μm.
[0016]
The weight portion 1 is composed of a central weight portion 11 connected to the four beam portions 3, 3 ‥, and four side weight portions 12 connected to the central weight portion 11, and has a substantially cross shape in appearance. . The side weight portion 12 can swing freely in the three-dimensional direction around the central weight portion 11 by the beam portions 3, 3 #.
[0017]
The piezoresistors Rx, Ry, and Rz are formed in the beam portions 3, 3 'by a semiconductor impurity diffusion technique. The piezoresistors Rx are in the X-axis direction of the semiconductor acceleration sensor, the piezoresistors Ry are in the Y-axis direction, and the piezoresistors Rz. Detects acceleration applied in the Z-axis direction. Each of these piezoresistors Rx, Ry, Rz is formed on the beam portion 3, 3 #, respectively. Each of the piezoresistors Rx, Ry, and Rz has four piezoresistors Rz, one for each of the four beam portions 3, 3 #, and four for each of the four piezoresistors Rx, Ry. Two of the two beam portions 3, 3 which are opposed to each other with the central weight portion 11 therebetween are formed. Further, the four piezoresistors Rx are electrically connected by an aluminum wiring, an impurity diffusion wiring, or the like so as to form a Wheatstone bridge circuit. A Wheatstone bridge circuit is similarly configured for each of the four piezoresistors Ry and Rz. The electric signals from the four piezoresistors Rx, Ry, Rz in which these Wheatstone bridge circuits are formed are extracted from the electrode pads 9X, 9Y, 9Z, respectively.
[0018]
The frame portion 2 has a cylindrical shape having a substantially rectangular cross section with both end surfaces opened in the thickness direction, and the weight portion 1 disposed in the hollow portion is separated from the outer peripheral edge of the weight portion 1 to separate the weight portion 1 from the outer periphery. And swingably supported via beams 3, 3 '. The frame unit 2 is fixed to a moving body such as an automobile or an aircraft.
[0019]
The beam portions 3, 3 # are formed thinner than the weight portion 1, can bend in the thickness direction thereof, and can be twisted around the longitudinal direction thereof. One end of the beams 3, 3 # in the longitudinal direction is connected to the weight 1 and the other end is connected to the frame 2, so that the weight 1 is swingably supported by the frame 2. .
[0020]
The silicon nitride film 6 is formed on the surfaces of the beam portions 3 and 3 mm, and is formed to a thickness of about several thousand mm. As shown in FIG. A field oxide film 7 for electrically isolating elements formed on active layer 21 is formed between film 6 and the surfaces of beams 3, 3 #. That is, the silicon nitride film 6 is formed on the surface of the field oxide film 7. When the silicon nitride film 6 is thus formed on the surfaces of the beam portions 3, 3 #, a film stress F2 is generated in the silicon nitride film 6 in the direction of the arrow as shown in FIG. Thereby, as shown in FIG. 4, the weight portion 1 is pulled up in the direction of the force F2 ′. This is because the film stress F2 generated in the silicon nitride film 6 acts to reduce the deflection of the beam portions 3 and 3 'as much as possible. 4 can be changed when the beam 1 is displaced. For example, as the film thickness of the silicon nitride film 6 is increased, the film stress F2 is increased. The weight 1 is pulled up further. Conversely, the thinner the film thickness, the smaller the film stress F2 and the smaller the pull-up amount of the weight portion 1. As shown in FIG. 5, when the thickness of the silicon nitride film 6 is 0 to 4000 °, the thickness of the silicon nitride film 6 and the sensitivity are substantially proportional to each other. In this case, the thickness of the silicon nitride film 6 formed on the surfaces of the beams 3, 3 # may be appropriately adjusted. For example, it is desired to accurately detect the acceleration applied to the home electric appliance due to an earthquake or the like. In this case, the thickness of the silicon nitride film 6 may be reduced, and if it is desired to detect the acceleration of a moving object such as an airplane which is likely to receive a large acceleration, the thickness of the silicon nitride film 6 may be increased. It may be adjusted so that The silicon nitride film 6 is formed by a plasma CVD method and has a thickness of about 3000 to 6000 °, but is not limited to this, and may be appropriately adjusted according to the sensitivity to be set. If the silicon nitride film 6 is formed on the surface of the beam portion 3 as described above, the sensitivity can be changed by adjusting the film thickness. Since the silicon nitride film 6 is a nitride film, it also functions as a protective film for protecting the surface of the semiconductor acceleration sensor.
[0021]
The field oxide film 7 formed on the surfaces of the beam portions 3, 3 # can be formed, for example, by performing wet oxidation at about 1100 degrees for 55 minutes.
[0022]
Further, stopper members made of a glass material may be provided on both end surfaces in the thickness direction of the frame portion 2. By providing the stopper member, when the weight portion 1 is displaced by a predetermined amount or more due to a large acceleration and the beam portion 3 cannot withstand the swing amount and is broken, the displacement amount of the weight portion 1 Therefore, it is possible to prevent the beam 3 from being damaged.
[0023]
As described above, according to this semiconductor acceleration sensor, the sensitivity can be changed by adjusting the thickness of the silicon nitride film 6. For example, when the acceleration needs to be detected with high accuracy, However, if the film thickness is made small and high-precision detection is not required, and a large acceleration is also desired to be detected, the film thickness may be made large.
[0024]
Further, as another embodiment of the present embodiment, the silicon nitride film 6 shown in FIG. 1 may be formed by a low pressure CVD method. The silicon nitride film 6 formed by the low pressure CVD method generates a tensile stress inside the silicon nitride film 6 similarly to the silicon nitride film 6 formed by the plasma CVD method shown in FIG. Thereby, as shown in FIG. 4, a tensile stress is generated in the beam portion 3 to lift the weight portion 1 upward. FIG. 6 shows the relationship between the thickness of the silicon nitride film 6 formed by the low pressure CVD method and the sensitivity. As shown in FIG. 6, when the thickness of the silicon nitride film 6 is reduced, the sensitivity is improved, and when the thickness is increased, the sensitivity is reduced. Therefore, the thickness of the silicon nitride film 6 is reduced according to the sensitivity to be set. Adjust it. When the silicon nitride film 6 is formed by the low pressure CVD method, the thickness is usually about 500 to 2000 °, but is not limited thereto, and the thickness is appropriately adjusted according to the sensitivity to be set. do it. When the silicon nitride film 6 is formed by the low pressure CVD method and when it is formed by the plasma CVD method, the amount of hydrogen molecules contained in each silicon nitride film 6 is different. Due to the difference in the content of hydrogen molecules, the film stress of the silicon nitride film 6 formed by the low pressure CVD method is smaller than the film stress of the silicon nitride film 6 formed by the plasma CVD method. Therefore, in the silicon nitride film 6 formed by the low pressure CVD method, the film stress can be adjusted more finely than in the silicon nitride film 6 formed by the plasma CVD method, and the sensitivity can be adjusted more finely. Is preferable. Hydrogen molecules contained in the silicon nitride film 6 are, for example, several percent in the case of the low pressure CVD method, and are about ten and several percent in the case of the plasma CVD method.
[0025]
Further, as yet another embodiment of the present embodiment, as shown in FIG. 7, an insulating film formed on the surface of the beam portion 3 may be a silicon oxide film 5 formed by thermal oxidation. Then, the sensitivity may be changed by adjusting the thickness of the silicon oxide film 5. Since the silicon oxide film 5 is formed by thermal oxidation, it can be formed in the same step as the field oxide film 7 formed on the surfaces of the beam portions 3, 3 #, and the silicon oxide film also functions as the field oxide film. The film 5 is formed integrally on the surfaces of the beam portions 3, 3 #, and a film stress F1 is generated in the direction of the arrow in FIG. As a result, as shown in FIG. 8, the weight 1 is pulled up in the direction of the force F1 'due to the film stress F1 of the beams 3, 3 #. As described above, if the insulating film formed on the surfaces of the beam portions 3, 3 # is formed of the silicon oxide film 5 by thermal oxidation, the same thermal oxidation as in the step of forming the field oxide film 7 can be performed. It can be easily formed. This silicon oxide film 5 has a thickness of about several thousand Å when formed by wet oxidation at about 900 to 1100 degrees for several tens minutes.
[0026]
The preferred embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to this embodiment and can be implemented in various forms.
[0027]
【The invention's effect】
As described above, according to the semiconductor acceleration sensor according to the first aspect of the present invention, the amount of flexure of the flexure can be controlled by the insulating film formed on the surface of the flexure, so that the sensitivity of the acceleration sensor can be adjusted. This has the effect that it can be easily performed.
[0028]
According to the semiconductor acceleration sensor of the second aspect of the present invention, in addition to the effect of the first aspect of the present invention, it is possible to more easily form an insulating film.
[0029]
According to the semiconductor acceleration sensor of the third aspect of the present invention, in addition to the effect of the first aspect of the invention, there is an effect that the surface of the semiconductor acceleration sensor is protected by the formed silicon nitride film.
[0030]
According to the semiconductor acceleration sensor according to the fourth aspect of the present invention, in addition to the effect of the first aspect, the surface of the semiconductor acceleration sensor is protected by the formed silicon nitride film, and the sensitivity is improved with higher accuracy. Adjustments can be made.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing one embodiment of a semiconductor acceleration sensor of the present invention.
FIG. 2 is an oblique sectional view of the semiconductor acceleration sensor.
FIG. 3 is an image diagram showing a force generated therein, focusing on a beam portion of the semiconductor acceleration sensor.
FIG. 4 is an image diagram showing a force generated in the semiconductor acceleration sensor.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the thickness of an insulating film and the sensitivity in the semiconductor acceleration sensor.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the thickness of an insulating film and sensitivity in another embodiment of the semiconductor acceleration sensor.
FIG. 7 is an image diagram showing a force generated in a beam portion in still another embodiment of the semiconductor acceleration sensor.
FIG. 8 is an image diagram showing a force generated in the semiconductor acceleration sensor.
FIG. 9 is an oblique sectional view of a conventional semiconductor acceleration sensor.
FIG. 10 is a front view of the conventional semiconductor acceleration sensor.
FIG. 11 is an equivalent circuit diagram of a piezo resistor in the conventional semiconductor acceleration sensor.
FIG. 12 is a plan view of the conventional semiconductor acceleration sensor and a cross-sectional view when the semiconductor acceleration sensor is rotated by 90 degrees or 270 degrees around the X axis.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Weight part 2 Frame part 3 Beam part 5 Silicon oxide film 6 Silicon nitride film Rx, Ry, Rz Piezoresistor 9X, 9Y, 9Z Electrode pad

Claims (4)

加速度を受けて変位する錘部と、
一端がこの錘部に接続された可撓部と、
この可撓部の他端に接続され、当該可撓部を介して上記錘部を揺動自在に支持するフレーム部と、
上記可撓部に形成され、上記錘部の変位により上記可撓部に生じる撓み量を検出するセンサ部とを備えた半導体加速度センサにおいて、
上記可撓部の表面に形成される絶縁膜であって、
設定しようとする感度に応じて、その膜厚が調整される絶縁膜を備えて成ることを特徴とする半導体加速度センサ。
A weight portion that is displaced by acceleration,
A flexible portion having one end connected to the weight portion,
A frame portion connected to the other end of the flexible portion and swingably supporting the weight portion via the flexible portion;
A semiconductor acceleration sensor having a sensor portion formed on the flexible portion and detecting a bending amount generated in the flexible portion due to displacement of the weight portion;
An insulating film formed on the surface of the flexible portion,
A semiconductor acceleration sensor comprising an insulating film whose film thickness is adjusted according to sensitivity to be set.
上記絶縁膜は、熱酸化により形成されたシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項1に記載の半導体加速度センサ。The semiconductor acceleration sensor according to claim 1, wherein the insulating film is a silicon oxide film formed by thermal oxidation. 上記絶縁膜は、プラズマCVD法により形成されたシリコン窒化膜であることを特徴とする請求項1に記載の半導体加速度センサ。The semiconductor acceleration sensor according to claim 1, wherein the insulating film is a silicon nitride film formed by a plasma CVD method. 上記絶縁膜は、減圧CVD法により形成されたシリコン窒化膜であることを特徴とする請求項1に記載の半導体加速度センサ。2. The semiconductor acceleration sensor according to claim 1, wherein the insulating film is a silicon nitride film formed by a low pressure CVD method.
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