JP2008224525A - Triaxial acceleration sensor - Google Patents

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JP2008224525A
JP2008224525A JP2007065381A JP2007065381A JP2008224525A JP 2008224525 A JP2008224525 A JP 2008224525A JP 2007065381 A JP2007065381 A JP 2007065381A JP 2007065381 A JP2007065381 A JP 2007065381A JP 2008224525 A JP2008224525 A JP 2008224525A
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frame
layer
weight
acceleration sensor
beam portion
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JP2007065381A
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Japanese (ja)
Inventor
Atsushi Kazama
敦 風間
Ryoji Okada
亮二 岡田
Takanori Aono
宇紀 青野
Masakatsu Saito
正勝 斎藤
Yosuke Nobemoto
要介 延本
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Proterial Ltd
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Hitachi Metals Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce initial offsets having small offset fluctuations, into an area and at low cost of a manufactured triaxial acceleration sensor. <P>SOLUTION: The triaxial acceleration sensor has a frame section and a spindle section formed in first and second layers; a beam section formed in the first layer, and having two pairs of beams for supporting the spindle within the frame; a semiconductor piezoelectric element provided in the beam section; and wiring for connecting them. A frame protrusion and a spindle protrusion, protruded toward the center of the beam section rather than connection ends of the beam section, are formed on a plane opposite to a plane of the second layer for connecting the first layer at both ends of the beam section. Since shapes of etching grooves match at both ends of the beam section, it is easy to match shapes of connections, and fluctuations in the output due to a stress can be reduced. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、自動車、航空機、携帯端末機器、玩具等に用いられる加速度検出用の半導体
加速度センサーに関するものである。
The present invention relates to a semiconductor acceleration sensor for detecting acceleration used in automobiles, aircraft, portable terminal devices, toys and the like.

加速度センサーは、エアーバッグ作動用に多く用いられ自動車衝突した衝撃を加速度と
してとらえていた。自動車ではX軸,Y軸の加速度を測定するため1軸もしくは2軸機能
で充分であった。また、測定する加速度が非常に大きいため、加速度を検知する加速度セ
ンサー素子も頑丈に製作されている。最近は、携帯端末機器やロボット等にも使用される
ことが多くなり、空間の動きを検出するためX,Y,Z軸の加速度を測定する3軸加速度
センサーが要求されてきている。また、微小な加速度を検出するために高分解能で、小型
であることが要求されている。
Accelerometers are often used for air bag operation and capture the impact of automobile collision as acceleration. In automobiles, the 1-axis or 2-axis function was sufficient to measure the X-axis and Y-axis accelerations. Further, since the acceleration to be measured is very large, an acceleration sensor element for detecting the acceleration is also sturdily manufactured. Recently, it is often used for portable terminal devices, robots, and the like, and a three-axis acceleration sensor for measuring X-, Y-, and Z-axis accelerations has been required in order to detect spatial movement. In addition, it is required to be small with high resolution in order to detect minute acceleration.

加速度は可撓部の動きを電気信号に変換する方法で、ピエゾ抵抗型と静電容量型、圧電
型に大別され、センサーの出力の大きさや応答周波数特性、耐電磁ノイズ、出力の直線性
、静止加速度の検出、温度特性等を考慮し選ばれている。小型で高感度の要求から微細加
工が必要なため、シリコン基板にフォトリソ技術を用いて形状を形成し、半導体技術でシ
リコンに不純物を打ち込みピエゾ抵抗を形成するピエゾ抵抗型3軸加速度センサーが実用
化されてきている。
Acceleration is a method of converting the movement of the flexible part into an electrical signal. It is roughly divided into a piezoresistive type, a capacitance type, and a piezoelectric type. The sensor output size, response frequency characteristics, electromagnetic noise resistance, and output linearity It is selected considering the detection of static acceleration, temperature characteristics, etc. Since microfabrication is required due to the demand for small size and high sensitivity, a piezoresistive three-axis acceleration sensor that forms a piezoresistor by forming a shape on a silicon substrate using photolithography technology and implanting impurities into silicon using semiconductor technology is put to practical use Has been.

ピエゾ抵抗素子型3軸加速度センサーに関して出願人は広範囲に多数出願している。特
許文献1から特許文献6で、錘部の形状や梁部の形状、ピエゾ抵抗素子の配置、ピエゾ抵
抗素子の接続方法、梁部と枠部の接合部の形状等を明らかにしている。図9に3軸加速度
センサーの分解斜視図、図10a)に図9のh−h’方向の断面図、図10b)にセンサ
ーチップの平面図を示す。3軸加速度センサー20は、ケース1にセンサーチップ2と規
制板3が樹脂などの接着剤16で所定の間隔で固着されている。センサーチップ2のチッ
プ端子4はワイヤー5でケース端子6に接続され、センサーの信号は外部端子7から取り
出す。ケース1にはケース蓋8を例えばAuSuはんだ等の接着材17で固着し密封され
ている。センサーチップ2には、3軸加速度センサー素子9が形成されている。3軸加速
度センサー素子9は、方形の枠部10と錘部11と対を成す梁部12で構成され、錘部1
1が2対の梁部12で枠部10の中央に保持されている。梁部12にはピエゾ抵抗素子が
形成されている。一対の梁にはX軸ピエゾ13とZ軸ピエゾ15が、他の一対の梁にはY
軸ピエゾ14が形成されている。図10a)の錘部11の下面とケース1の内底面との間
隔g4と、錘部11の上面と規制板3の間隔g3は、衝撃の様な過度な加速度がセンサー
に加わったとき、錘部11の動き量を規制して梁部12の破損を防ぐものである。本願の
ピエゾ抵抗素子型3軸加速度センサーの基本的な構造はこれら特許文献と同じであるので
、特に断りのない限り詳細説明は省略する。
The applicant has filed a large number of applications regarding a piezoresistive element type three-axis acceleration sensor. Patent Document 1 to Patent Document 6 clarify the shape of the weight portion, the shape of the beam portion, the arrangement of the piezoresistive elements, the connection method of the piezoresistive elements, the shape of the joint between the beam portion and the frame portion, and the like. 9 is an exploded perspective view of the triaxial acceleration sensor, FIG. 10a) is a cross-sectional view in the hh ′ direction of FIG. 9, and FIG. 10b) is a plan view of the sensor chip. In the triaxial acceleration sensor 20, the sensor chip 2 and the regulating plate 3 are fixed to the case 1 with an adhesive 16 such as resin at a predetermined interval. The chip terminal 4 of the sensor chip 2 is connected to the case terminal 6 by a wire 5, and the sensor signal is taken out from the external terminal 7. A case lid 8 is fixed to the case 1 with an adhesive 17 such as AuSu solder and sealed. A triaxial acceleration sensor element 9 is formed on the sensor chip 2. The triaxial acceleration sensor element 9 includes a beam portion 12 that forms a pair with a square frame portion 10 and a weight portion 11.
1 is held in the center of the frame portion 10 by two pairs of beam portions 12. A piezoresistive element is formed on the beam portion 12. An X-axis piezo 13 and a Z-axis piezo 15 are provided for one pair of beams, and Y is provided for the other pair of beams.
A shaft piezo 14 is formed. The distance g4 between the lower surface of the weight part 11 and the inner bottom surface of the case 1 and the distance g3 between the upper surface of the weight part 11 and the regulating plate 3 in FIG. The amount of movement of the portion 11 is restricted to prevent the beam portion 12 from being damaged. Since the basic structure of the piezoresistive element type three-axis acceleration sensor of the present application is the same as those of these patent documents, detailed description will be omitted unless otherwise specified.

上記の3軸加速度センサー素子の製作方法としては、梁部の厚さを高精度に加工する必
要があるために、厚いシリコン層の表面に、シリコン酸化膜層を介して薄いシリコン層が
積層したSOI(Silicon on Insulator)ウエハを用いるのが一般
的である。シリコン酸化膜層をエッチングストップとして用い、薄いシリコン層に梁部な
どの形状を加工した後、厚いシリコン層に溝を加工して枠部と錘部を分離することで、薄
いシリコン層の厚さの梁部によって錘部が枠部に支持された構造を製作することができる
As a manufacturing method of the above three-axis acceleration sensor element, since the thickness of the beam portion needs to be processed with high accuracy, a thin silicon layer is laminated on the surface of a thick silicon layer via a silicon oxide film layer. In general, an SOI (Silicon on Insulator) wafer is used. The thickness of the thin silicon layer is obtained by using the silicon oxide film layer as an etching stop and processing the shape of the beam part etc. in the thin silicon layer, then processing the groove in the thick silicon layer to separate the frame part and the weight part. A structure in which the weight portion is supported by the frame portion by the beam portion can be manufactured.

特開2003−172745号 公報JP 2003-172745 A 特開2003−279592号 公報Japanese Patent Laid-Open No. 2003-279592 特開2004−184373号 公報JP 2004-184373 A 特開2006−098323号 公報JP 2006-098323 A 特開2006−098321号 公報JP 2006-098321 A WO2005/062060 A1WO2005 / 062060 A1

ピエゾ抵抗素子型3軸加速度センサーでは、錘に切り欠き部分を設け、その切り欠き部
分に梁部を接続することで小型化と高感度を両立できる。こうした構造の加速度センサー
に関して、例えば特許文献7から特許文献10に記載がある。その代表的な構造を図11
に示す。センサーチップ21は、錘部11の、梁部12が接続する部分に切り欠きを設け
ている。それにより、錘部11を枠部10の内部一杯に形成しても、梁部12の長さを長
くとることができ、小さい面積でも感度の高いセンサーにすることができる。
In a piezoresistive element type three-axis acceleration sensor, both a downsizing and high sensitivity can be achieved by providing a notch in the weight and connecting a beam to the notch. For example, Patent Literature 7 to Patent Literature 10 describe the acceleration sensor having such a structure. The typical structure is shown in FIG.
Shown in The sensor chip 21 has a notch in the portion of the weight portion 11 to which the beam portion 12 is connected. Thereby, even if the weight part 11 is formed inside the frame part 10, the length of the beam part 12 can be increased, and a sensor with high sensitivity can be obtained even in a small area.

特開平11−214705号 公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-214705 特開2002−296293号 公報JP 2002-296293 A 特開2003−101032号 公報JP 2003-101032 A 特開平9−237902号 公報JP-A-9-237902

梁をセンサーチップの対角線に沿って配置することでも小型化と高感度を両立できる。
こうした構造の加速度センサーに関して、例えば特許文献8および11に記載がある。対
角線上に梁を配置することにより、梁の長さを長くとることができ、同じチップ面積でも
感度を高くすることができる。
By arranging the beam along the diagonal of the sensor chip, both miniaturization and high sensitivity can be achieved.
For example, Patent Documents 8 and 11 describe the acceleration sensor having such a structure. By arranging the beams on the diagonal line, the length of the beams can be increased, and the sensitivity can be increased even with the same chip area.

特開2006−170962号 公報JP 2006-170962 A

特許文献12に記載された加速度センサーでは、梁部の枠部および錘部との付根におい
て、梁部と同じ厚さの接続領域を介して接続する。これにより、過大な加速度が印加され
た際にも、梁の付根での破壊をしにくくすることができる。
In the acceleration sensor described in Patent Document 12, the base of the beam portion is connected to the frame portion and the weight portion through a connection region having the same thickness as the beam portion. Thereby, even when an excessive acceleration is applied, it is possible to make it difficult to break at the root of the beam.

特開2004−198280号 公報JP 2004-198280 A

従来の加速度センサーの、厚みが薄い梁部の付根が厚い錘部および枠部に直接接続する
構造であると、梁部の付根に応力が集中するため耐衝撃性が低くなる課題がある。そこで
、枠部と錘部に梁部と同じ厚みの接続領域を設けることが考案されている。接続領域を梁
部よりも十分幅を広くしておけば、錘部および枠部との接続面積を大きくでき、耐衝撃性
が向上する。こうした構造に関しては特許文献12で詳しく述べている。
If the conventional acceleration sensor has a structure in which the thin base portion of the beam portion is directly connected to the thick weight portion and the frame portion, the stress is concentrated on the base portion of the beam portion, so that there is a problem that impact resistance is lowered. Therefore, it has been devised to provide a connection region having the same thickness as the beam portion in the frame portion and the weight portion. If the connection region is sufficiently wider than the beam portion, the connection area between the weight portion and the frame portion can be increased, and the impact resistance is improved. This structure is described in detail in Patent Document 12.

しかしながら、上記接続領域の形状が、センサーの特性に少なからず影響を与える。梁
部や接続領域の表面には、ピエゾ抵抗素子間を接続する配線や、配線とシリコン層との間
の絶縁またはピエゾ抵抗素子の保護のための絶縁膜、さらに配線の上の保護膜などが形成
される。配線にはアルミニウムなどの金属材料が、絶縁膜や保護膜にはシリコン酸化膜や
シリコン窒化膜などが用いられる。これらの材料はシリコンと熱膨張係数が異なるため、
成膜時に高温となった後に常温に戻ると、大きな応力を発生する。錘部および枠部は厚い
ため、このような応力に対してもほとんど変形しないが、梁部および接続領域は同じ厚み
であり、また薄いので変形が起こる。接続領域の変形は連続している梁部の変形にも影響
を与えるので、ピエゾ抵抗素子に発生する応力にも影響がある。ピエゾ抵抗素子は、応力
変化の大きい梁部の付根付近に配置されるので、錘部側と枠部側の接続領域の形状が異な
ると、両側のピエゾ抵抗素子の応力バランスが変化する恐れがある。上記従来の加速度セ
ンサーでは、対となる梁部の付根4箇所に配置したピエゾ抵抗素子で構成したブリッジ回
路のバランス変化により加速度を検知するが、上記の膜の応力による応力バランス変化は
、ブリッジ回路の初期オフセットを発生させるとともに、膜の応力が変動した場合には、
オフセットが変動する原因ともなる。
However, the shape of the connection region has a considerable influence on the characteristics of the sensor. On the surface of the beam and connection area, there are wiring that connects the piezoresistive elements, insulation between the wiring and the silicon layer, or an insulating film for protecting the piezoresistive elements, and a protective film on the wiring. It is formed. A metal material such as aluminum is used for the wiring, and a silicon oxide film or a silicon nitride film is used for the insulating film or the protective film. Because these materials have different coefficients of thermal expansion from silicon,
When the temperature rises during film formation and then returns to room temperature, a large stress is generated. Since the weight portion and the frame portion are thick, they are hardly deformed even by such stress, but the beam portion and the connection region have the same thickness and are thin, so that deformation occurs. Since the deformation of the connection region also affects the deformation of the continuous beam portion, the stress generated in the piezoresistive element is also affected. Since the piezoresistive element is arranged near the base of the beam part where the stress changes greatly, there is a possibility that the stress balance of the piezoresistive elements on both sides may change if the shape of the connection region on the weight side and the frame side is different. . In the conventional acceleration sensor, the acceleration is detected by the balance change of the bridge circuit composed of the piezoresistive elements arranged at the four bases of the beam portion to be paired. When the initial stress of the film is changed and the stress of the film fluctuates,
This also causes the offset to fluctuate.

オフセットの変動を抑えるため、梁両端の接続部の形状を同じに加工することが望まし
いが、実際上は容易ではない。前記のSOIを用いた場合は、厚いシリコン層の裏面(薄
いシリコン層との接合面の反対面)側から、錘部と枠部を分離する溝をドライエッチング
により加工することで、枠部と錘部を形成する。この際に、加工溝のパターン形状が異な
る部分では、エッチングガスの濃度などが一定にならず、加工速度が異なるという課題が
ある。梁部の付根においては、エッチング加工の終点位置により梁部両端の接続領域の形
状が決まるが、上記課題のようにエッチング速度が異なると、オーバーエッチ量に差異が
生じ、接続領域の形状が錘側と枠側で同じにならない恐れがある。図11に示した従来例
の構造では、加工溝パターンの形状が、錘側では切り欠き形状の端部であるのに対して、
枠側ではT字形状と異なるため、上記課題が発生し易い。この様な加工溝形状の差異によ
る加工速度の変化は、加工速度を極端に遅くすることで低減できるが、作業時間の増加に
よるコスト上昇が起こるため、量産工程で用いることは現実的ではない。
In order to suppress the variation of the offset, it is desirable to process the shape of the connecting portion at both ends of the beam, but it is not easy in practice. When the SOI is used, a groove that separates the weight portion and the frame portion is processed by dry etching from the back surface of the thick silicon layer (the surface opposite to the bonding surface with the thin silicon layer). A weight portion is formed. At this time, there is a problem in that the etching gas concentration is not constant and the processing speed is different at portions where the pattern shapes of the processing grooves are different. At the root of the beam part, the shape of the connection area at both ends of the beam part is determined by the end point position of the etching process. There is a risk that the side and the frame side will not be the same. In the structure of the conventional example shown in FIG. 11, the shape of the processed groove pattern is an end portion of a notch shape on the weight side,
Since the frame side is different from the T-shape, the above problem is likely to occur. Such a change in the machining speed due to the difference in the shape of the machining groove can be reduced by extremely slowing the machining speed. However, since the cost increases due to an increase in work time, it is not practical to use in the mass production process.

以上のような課題を解決し、特性のばらつきや変動の少ない加速度センサーを、小型か
つ現実的なコストで実現するのが本発明の目的である。
It is an object of the present invention to solve the above-described problems and to realize an acceleration sensor with small variations and fluctuations in characteristics at a small size and at a practical cost.

本願発明の3軸加速度センサーは、第1層および第2層よりなり、第1層から第2層に
かけて形成された枠部および錘部と、第1層に形成され、錘部を枠部内に支持する、対を
成す梁2対からなる梁部と、梁部に設けられた半導体ピエゾ抵抗素子と、それらを接続す
る配線を有する3軸加速度センサーであって、梁部の枠部および錘部との接続領域におい
て、梁部の両側に、梁部の接続端よりも梁部中央に向けて突き出した枠側突出部および錘
側突出部が、少なくとも第2層の第1層との接続面と反対の面において形成されることが
好ましい。
The triaxial acceleration sensor of the present invention is composed of a first layer and a second layer, and is formed in a frame portion and a weight portion formed from the first layer to the second layer, and in the first layer, and the weight portion is placed in the frame portion. A three-axis acceleration sensor having a beam portion composed of two pairs of beams to be supported, a semiconductor piezoresistive element provided in the beam portion, and a wiring connecting them, the frame portion and the weight portion of the beam portion In the connection region, the frame-side protruding portion and the weight-side protruding portion protruding from the connecting end of the beam portion toward the center of the beam portion on both sides of the beam portion are at least the connection surfaces with the first layer of the second layer It is preferable that it is formed on the opposite surface.

前述のSOIウエハを用いた加工方法では、薄いシリコン層が第1層に、厚いシリコン
層が第2層に相当する。第2層の溝加工を開始する第2層表面(第1層との接続面の反対
面)に、錘側突出部と枠側突出部を設けることで、枠側の加工溝形状がT字にならず、枠
部側と錘部側の接続部とも溝の端部となるため、加工パターンを類似させることができ、
加工の終点である第2層内面(第1層との接続面)においても、端部位置が錘部側と枠部
側で一致させ易い。
In the processing method using the aforementioned SOI wafer, the thin silicon layer corresponds to the first layer and the thick silicon layer corresponds to the second layer. By providing a weight-side protrusion and a frame-side protrusion on the second layer surface (the surface opposite to the connection surface with the first layer) for starting the groove processing of the second layer, the shape of the groove on the frame-side is T-shaped. Without both, the connection part on the frame part side and the weight part side becomes the end of the groove, so that the processing pattern can be made similar,
Even on the inner surface of the second layer (the connection surface with the first layer), which is the end point of processing, the end positions are easily aligned on the weight side and the frame side.

本願発明の3軸加速度センサーは、枠側突出部および錘側突出部は、梁部の両側に突き
出た部分の梁部と対向する側面間の距離が、枠側と錘側で等しいことが好ましい。
In the triaxial acceleration sensor of the present invention, it is preferable that the frame side protrusion and the weight side protrusion have the same distance between the side facing the beam portion of the portion protruding on both sides of the beam portion on the frame side and the weight side. .

枠部側と錘部側の第2層表面での溝パターンの幅が一致し、加工終端である第2層内面
での端部形状をより一致させることができる。
The widths of the groove patterns on the surface of the second layer on the frame portion side and on the weight portion side match, and the end shape on the inner surface of the second layer, which is the processing end, can be made more consistent.

本願発明の3軸加速度センサーは、梁部が枠部と錘部に対して、第1層に梁部よりも幅
が広く形成された接続領域を介して接続することが好ましい。
In the triaxial acceleration sensor of the present invention, it is preferable that the beam portion is connected to the frame portion and the weight portion via a connection region formed wider in the first layer than the beam portion.

接続領域を設けることにより、錘部と枠部との接続部の面積を梁部が直接接続する場合
よりも大きくすることができ、耐衝撃性が向上する。接続領域は、梁部の端部において第
2層内面のエッチング端部の位置を、第1層での端部位置よりも外側になるようにするこ
とで形成することができる。梁部の両端の接続領域の形状が異なると、薄膜応力の影響に
よる変形の差異が生じ、オフセットずれや変動が起こり易い。本願発明では梁部の両端の
加工溝パターンが一致していることで、第2層内面のエッチング端部位置も両端で一致さ
せることができるので、オフセットずれや変動が起き難い。
By providing the connection region, the area of the connection part between the weight part and the frame part can be made larger than when the beam part is directly connected, and the impact resistance is improved. The connection region can be formed by setting the position of the etching end portion of the inner surface of the second layer at the end portion of the beam portion to be outside the end portion position of the first layer. If the shape of the connection region at both ends of the beam portion is different, a difference in deformation due to the influence of the thin film stress occurs, and offset deviation and fluctuation are likely to occur. In the present invention, since the processing groove patterns at both ends of the beam portion are matched, the etching end position on the inner surface of the second layer can be matched at both ends, so that offset deviation and fluctuation hardly occur.

本願発明の3軸加速度センサーは、梁部の接続端から突き出した長さが、枠側突出部の
方が錘側突出部よりも短いことが好ましい。
In the triaxial acceleration sensor of the present invention, it is preferable that the length protruding from the connection end of the beam portion is shorter in the frame side protruding portion than in the weight side protruding portion.

梁部の両側の加工溝パターンを完全に一致させるには、錘側突出部および枠側突出部の
梁長手方向に沿った突き出し長さを等しくすることが好ましい。許容できるエッチング速
度の差範囲であれば、枠側突出部の方を短くすることができる。また、梁部の両側の突出
部間隔(突出部の向かい合う側面間の距離)と同じ程度の長さ以上に突出部を形成するこ
とが好ましい。枠側突出部の長さを短くすることで、枠部の大きさと梁部の長さが同じで
も、錘部の面積を大きくして感度を向上することができる。
In order to completely match the processed groove patterns on both sides of the beam portion, it is preferable to make the protruding lengths along the beam longitudinal direction of the weight side protruding portion and the frame side protruding portion equal. If it is within the allowable range of the etching rate, the frame-side protruding portion can be shortened. Moreover, it is preferable to form a protrusion part more than the length as long as the protrusion part space | interval (distance between the side surfaces which a protrusion part opposes) of the both sides of a beam part. By shortening the length of the frame-side protruding portion, even if the size of the frame portion and the length of the beam portion are the same, the area of the weight portion can be increased and the sensitivity can be improved.

本願発明の3軸加速度センサーは、枠部の内側が略正方形状であり、正方形の対角線に
沿って梁部が配置されることが好ましい。
In the triaxial acceleration sensor of the present invention, it is preferable that the inside of the frame portion is substantially square and the beam portion is arranged along a diagonal line of the square.

略正方形の枠部に対して、略正方形の各辺に垂直または平行な方向に梁部を配置した場
合、枠部に枠側突出部を形成すると枠部に梁部が突き出した構造となり、枠部の幅を全周
にわたって一定以上確保して強度を維持するためには、センサーチップのサイズが大きく
なる。そこで、梁部を対角線方向に配置することにより、枠部への梁部の突き出しを、コ
ーナーに配置できることから、センサーチップを大きくすることなく本願発明の効果を得
ることができる。
When the beam part is arranged in a direction perpendicular or parallel to each side of the substantially square with respect to the substantially square frame part, when the frame side protruding part is formed in the frame part, the beam part protrudes from the frame part. In order to maintain the strength by ensuring the width of the part over a certain circumference, the size of the sensor chip is increased. Therefore, by arranging the beam portions in the diagonal direction, the projection of the beam portions to the frame portions can be arranged at the corners, so that the effect of the present invention can be obtained without increasing the sensor chip.

梁部と枠部、錘部との接続部は直角である必要はなく、円弧形状や面取り形状とするこ
とで、接続部の破壊耐性を大きくすることができる。
The connection portion between the beam portion, the frame portion, and the weight portion does not need to be at right angles, and the fracture resistance of the connection portion can be increased by adopting an arc shape or a chamfered shape.

本願発明の加速度センサーによれば、ドライエッチングの加工速度を均一にでき、梁部
の両端の形状を同一にできるので、絶縁膜や配線などの膜の応力に起因する初期オフセッ
トやその時間変動などを小さくでき、かつ耐衝撃性に優れた小型の加速度センサーを提供
することできる。
According to the acceleration sensor of the present invention, since the dry etching processing speed can be made uniform and the shape of both ends of the beam portion can be made the same, the initial offset due to the stress of the film such as the insulating film or wiring, the time variation thereof, etc. And a small acceleration sensor excellent in impact resistance can be provided.

以下本発明を図面を参照しながら実施例に基づいて詳細に説明する。説明を判り易くす
るため、同一の部品、部位には同じ符号を用いている。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples with reference to the drawings. In order to make the explanation easy to understand, the same reference numerals are used for the same parts and parts.

本願発明の第一実施例の加速度センサーについて、図1〜図3を用いて以下説明する。
図1は、第一実施例の加速度センサーのセンサーチップの構造を示し、図1a)が断面図
、図1b)がセンサーチップの第1面から見た平面図、図1c)がセンサーチップの第2
面から見た平面図である。図2は、接続領域を説明する図である。図2a)は本第1実施
例であり、図2b)〜図2d)は本実施例の変形である。図3は接続領域の接続領域の分
解斜視図で、第1層と第2層の枠部と錘部、梁部の位置関係を示している。図1のセンサ
ーチップ30は、例えば図9の従来例のように組み立てられる加速度センサーの中のセン
サーチップであり、本願発明はこのセンサーチップの構造に特徴があるので、以下センサ
ーチップついて実施例に基づいて詳細に説明する。
The acceleration sensor according to the first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
FIG. 1 shows the structure of the sensor chip of the acceleration sensor of the first embodiment, FIG. 1a) is a sectional view, FIG. 1b) is a plan view seen from the first surface of the sensor chip, and FIG. 2
It is the top view seen from the surface. FIG. 2 is a diagram illustrating the connection area. FIG. 2a) shows the first embodiment, and FIGS. 2b) to 2d) are modifications of this embodiment. FIG. 3 is an exploded perspective view of the connection region of the connection region, and shows the positional relationship between the frame portion, the weight portion, and the beam portion of the first layer and the second layer. The sensor chip 30 of FIG. 1 is a sensor chip in an acceleration sensor assembled as in the conventional example of FIG. 9, for example. The present invention is characterized by the structure of this sensor chip. This will be described in detail.

第1実施例のセンサーチップ30は、枠部31内に錘部32がそれぞれ2本の梁から成
る第1梁部33aおよび第2梁部33bによって支持されている。第1梁部33aおよび
第2梁部33bを合わせて以下梁部33と呼ぶ。センサーチップ30の平面方向にX軸お
よびY軸、垂直方向にZ軸を設定したとき、X軸に沿って形成した第1梁部33a上にX
軸方向加速度検出用のピエゾ抵抗素子のX軸ピエゾ13を、Y軸に沿って形成した第2梁
部33b上にY軸方向加速度検出用のY軸ピエゾ14を形成した。Z軸加速度検出用のZ
軸ピエゾ15はどちらの梁部上でも良いが、本実施例では第1梁部33a上に形成した。
ピエゾ抵抗素子は各軸ごとに4つずつ対となる梁部の付根付近に形成し、図示していない
配線で接続してブリッジ回路を構成した。加速度が加わることにより錘部32に力が加わ
って変位し、梁部33が変形することでピエゾ抵抗素子の電気抵抗が変化する。各軸の4
つのピエゾ抵抗素子の抵抗変化量差により生じる電位差を、ブリッジ回路で取り出すこと
で加速度の値として検出できる。
In the sensor chip 30 of the first embodiment, a weight portion 32 is supported in a frame portion 31 by a first beam portion 33a and a second beam portion 33b each formed of two beams. The first beam portion 33a and the second beam portion 33b are hereinafter collectively referred to as a beam portion 33. When the X and Y axes are set in the plane direction of the sensor chip 30 and the Z axis is set in the vertical direction, the X is placed on the first beam portion 33a formed along the X axis.
The Y-axis piezo 14 for detecting the Y-axis direction acceleration was formed on the second beam portion 33b formed along the Y-axis, and the X-axis piezo 13 of the piezoresistive element for detecting the axial acceleration. Z for Z-axis acceleration detection
The shaft piezo 15 may be on either beam portion, but in this embodiment, it is formed on the first beam portion 33a.
Four piezoresistive elements were formed in the vicinity of the base of the pair of beams for each axis, and connected by wiring not shown to constitute a bridge circuit. When the acceleration is applied, a force is applied to the weight portion 32 to be displaced, and the beam portion 33 is deformed to change the electric resistance of the piezoresistive element. 4 for each axis
The potential difference caused by the difference in resistance change between the two piezoresistive elements can be detected as an acceleration value by taking it out with a bridge circuit.

加速度センサー素子の製造方法と寸法関係を簡単に説明する。約400μm厚のシリコ
ン層に約1μmのシリコン酸化層と約6μmのシリコン層を有するSOIウエハを使用し
た。シリコン酸化膜層はドライエッチングのエッチングストップ層として用い、構造体は
2層のシリコン層に形成した。以下、薄い方のシリコン層を第1層41、厚い方のシリコ
ン層を第2層42と称し、シリコン酸化膜層と接合していない第1層の表面を第1面43
、第2層の表面を第2面44、シリコン酸化膜層を介した接続面を第3面45と称す。フ
ォトレジストでパターニングを行い第1層にボロンを1〜3x1018原子/cm打ち
込みピエゾ抵抗素子を形成した。ピエゾ抵抗素子に接続する配線は、金属スパッタ−とド
ライエッチング装置を用いて形成した。次に、第1層の第1面にフォトレジストマスクを
形成した後、ドライエッチングにより梁部と錘部、枠部の形状を加工した。第2層の第2
面にフォトレジストマスクを形成した後、ドライエッチングにより錘部と枠部の形状を加
工した。第1層と第2層の間に残ったシリコン酸化膜層は、ウェットエッチングで除去し
た。1枚のウエハに多数のチップを作製しているので、ドライエッチングあるいはダイシ
ングにより個片化しセンサーチップ30を得た。
The manufacturing method and dimensional relationship of the acceleration sensor element will be briefly described. An SOI wafer having a silicon layer of about 1 μm and a silicon layer of about 6 μm on a silicon layer of about 400 μm thickness was used. The silicon oxide film layer was used as an etching stop layer for dry etching, and the structure was formed on two silicon layers. Hereinafter, the thinner silicon layer is referred to as the first layer 41, the thicker silicon layer is referred to as the second layer 42, and the surface of the first layer that is not bonded to the silicon oxide film layer is referred to as the first surface 43.
The surface of the second layer is referred to as a second surface 44, and the connection surface through the silicon oxide film layer is referred to as a third surface 45. Patterning was performed with a photoresist, and boron was implanted into the first layer at 1 to 3 × 10 18 atoms / cm 3 to form a piezoresistive element. The wiring connected to the piezoresistive element was formed using a metal sputtering and dry etching apparatus. Next, after forming a photoresist mask on the first surface of the first layer, the shapes of the beam portion, the weight portion, and the frame portion were processed by dry etching. 2nd layer second
After forming a photoresist mask on the surface, the shapes of the weight portion and the frame portion were processed by dry etching. The silicon oxide film layer remaining between the first layer and the second layer was removed by wet etching. Since a large number of chips are produced on one wafer, the sensor chip 30 is obtained by singulation by dry etching or dicing.

本願発明の特徴として、第2面44から見た枠部31および錘部32の形状を、梁部3
3の枠部31および錘部32との接続領域に、枠側突出部35および錘側突出部36を設
けた形状である。枠側突出部35は梁部33の枠部側にあり、梁部33の枠側接続部37
よりも錘部32側に向けて突き出している。同様に、錘側突出部36は梁部33の錘部側
にあり、梁部33の錘側接続部38よりも枠部側(梁部長手方向の中央方向側)に向けて
突き出している。
As a feature of the present invention, the shape of the frame portion 31 and the weight portion 32 viewed from the second surface 44 is changed to the beam portion 3.
The frame-side protruding portion 35 and the weight-side protruding portion 36 are provided in the connection region between the three frame portions 31 and the weight portion 32. The frame-side protruding portion 35 is on the frame portion side of the beam portion 33, and the frame-side connection portion 37 of the beam portion 33.
It protrudes toward the weight portion 32 side. Similarly, the weight side protruding portion 36 is on the weight portion side of the beam portion 33, and protrudes toward the frame portion side (the center direction side in the longitudinal direction of the beam portion) from the weight side connection portion 38 of the beam portion 33.

本実施例のような構造の加速度センサーでは、X軸およびY軸方向の加速度に対する検
出感度を十分に得るためには、錘部32の重心位置が、梁部33の位置から十分に離れて
いる必要があるため、第2層42は厚くする必要がある。厚い第2層42をドライエッチ
ング加工するとき、加工の深さが増すに従いフォトレジスト形成と加工形状間に誤差が発
生し易くなり、加工終端である第3面45における加工溝端部形状は、第2面44に形成
したフォトレジストマスクの形状と異なったものとなってしまう。特に、前述したように
加工溝の形状パターンが異なる部分では、エッチングガスの濃度などが一定とならないた
め、エッチング速度が異なるという問題がある。エッチング速度が異なるとオーバーエッ
チ量に差異が生じるため、枠部31または錘部32の加工終端部の形状が所望形状からず
れが生じる。
In the acceleration sensor having the structure as in the present embodiment, the center of gravity of the weight portion 32 is sufficiently separated from the position of the beam portion 33 in order to obtain sufficient detection sensitivity for acceleration in the X-axis and Y-axis directions. Since it is necessary, the second layer 42 needs to be thick. When the thick second layer 42 is dry-etched, an error is likely to occur between the photoresist formation and the processing shape as the processing depth increases, and the processing groove end shape on the third surface 45 that is the processing end is The shape of the photoresist mask formed on the second surface 44 is different. In particular, as described above, there is a problem that the etching rate is different because the etching gas concentration is not constant at the portion where the shape pattern of the processed groove is different. When the etching rate is different, a difference occurs in the amount of overetching, so that the shape of the processing end portion of the frame portion 31 or the weight portion 32 is deviated from the desired shape.

本実施例では、枠部側に枠側突出部35を、錘部側に錘側突出部36を設けている。梁
部33の両側に突き出した突出部間の距離である、枠側突出部間隔aと錘側突出部間隔b
を同じ値にした。また、枠側突出部長さdと錘側突出部長さeも同じ値とした。これによ
り、枠側と錘側の加工溝形状パターンを一致させてエッチング速度を同じとしたので、第
3面45での端部形状も一致させることができた。これにより、特性のばらつきや変動の
少ない加速度センサーが実現できた。
In this embodiment, a frame side protrusion 35 is provided on the frame side, and a weight side protrusion 36 is provided on the weight side. The frame-side protruding portion interval a and the weight-side protruding portion interval b, which are distances between protruding portions protruding on both sides of the beam portion 33
Were set to the same value. The frame-side protruding portion length d and the weight-side protruding portion length e were also set to the same value. As a result, the processing groove shape patterns on the frame side and the weight side are made to coincide and the etching rate is made the same, so that the end shape on the third surface 45 can also be made to coincide. As a result, an acceleration sensor with little variation and fluctuation in characteristics was realized.

さらに、錘部と枠部を分離する加工溝幅cも、上記枠側突出部間隔aおよび錘側突出部
間隔bと同じ値にすることで、加工溝パターン全体でエッチング速度を一定にできたので
、オーバーエッチングを小さくして精度の高い加工が可能になった。
Further, the processing groove width c for separating the weight portion and the frame portion is also set to the same value as the frame side protruding portion interval a and the weight side protruding portion interval b, so that the etching rate can be made constant in the entire processing groove pattern. As a result, it is possible to reduce the over-etching and process with high accuracy.

図2は、梁部の接続部周辺の構造をより詳細に説明する平面図である。第1面43にお
ける各部の外形線を実線で、第3面45における外形線を点線で示している。図2a)は
本第一実施例の形状で、枠側および錘側の加工溝の端部形状を円弧状にし、突出部の側部
においては、第1面43と第3面45とで外形線が一致している。加工溝端部は、コーナ
ー部でエッチング速度が落ちるために、第2面44での形状パターンが直線でも、第3面
45では円弧状になりやすく、また、第2面44の形状パターンをあらかじめ円弧状にし
てもよい。側部は概略一致するためには、第2層42の加工のテーパーを考慮して、第2
面44の外形パターンを第1面43の外形パターンより梁部33に近く形成した。
FIG. 2 is a plan view for explaining the structure around the connection portion of the beam portion in more detail. The outline of each part on the first surface 43 is indicated by a solid line, and the outline on the third surface 45 is indicated by a dotted line. FIG. 2 a) shows the shape of the first embodiment, wherein the end shape of the processing groove on the frame side and the weight side is an arc shape, and the first surface 43 and the third surface 45 are external shapes on the side of the protruding portion. The lines match. Since the etching rate at the end of the processed groove decreases at the corner portion, even if the shape pattern on the second surface 44 is a straight line, the third surface 45 is likely to be arcuate, and the shape pattern on the second surface 44 is previously circular. It may be arcuate. In order for the side portions to roughly match, the second layer 42 is processed in consideration of the taper of the second layer 42.
The outer shape pattern of the surface 44 was formed closer to the beam portion 33 than the outer shape pattern of the first surface 43.

図3に接続領域の分解斜視図を示し、第1層41と第2層42の枠部31と錘部32、
梁部33の位置関係を判り易く表している。梁部33の接続端部では、第2層42の加工
終端が梁の接続端よりも梁から離れた位置にあるため、梁部33と錘部32および枠部3
1との間に第1層41の厚みの接続領域を介した構造となる。第2層42の加工終端は応
力集中部となるが、梁部33より幅の広い接続領域を介して接続することにより接続面積
が大きくなり衝撃に対して破壊しにくい構造となった。
FIG. 3 shows an exploded perspective view of the connection region, and the frame portion 31 and the weight portion 32 of the first layer 41 and the second layer 42,
The positional relationship of the beam portion 33 is shown in an easily understandable manner. At the connection end portion of the beam portion 33, the processing end of the second layer 42 is located farther from the beam than the connection end of the beam, so the beam portion 33, the weight portion 32, and the frame portion 3.
1 and a connection region having a thickness of the first layer 41 is interposed therebetween. Although the processing end of the second layer 42 is a stress concentration portion, the connection area is increased by connecting via a connection region wider than the beam portion 33, and the structure is less likely to be damaged by impact.

本実施例では、枠側と錘側で加工溝の形状パターンを一致させたことで、加工終端の位
置を枠側と錘側で一致させ易くなったため、接続領域の形状も枠側と錘側で一致させるこ
とができた。それにより、接続領域の表面に形成される絶縁膜や配線の応力による変形が
枠側と錘側で同じになり、梁部上の付根付近に配置されたピエゾ抵抗に発生する応力も錘
側と枠側でバランスするため、加速度検出用のブリッジ回路のバランス変化量を最小限に
できた。この効果により、初期オフセット量と接続領域の表面に形成される絶縁膜や配線
の応力の変化によると考えられるオフセット変動量を、それぞれ従来の約1/2に小さく
することができた。
In this embodiment, since the shape pattern of the machining groove is matched on the frame side and the weight side, the position of the machining end can be easily matched on the frame side and the weight side. It was possible to match. As a result, the deformation due to the stress of the insulating film and wiring formed on the surface of the connection region becomes the same on the frame side and the weight side, and the stress generated in the piezoresistor arranged near the root on the beam part is also on the weight side. Since the balance is achieved on the frame side, the amount of change in the balance of the bridge circuit for detecting acceleration can be minimized. Due to this effect, the amount of offset variation considered to be due to the change in the initial offset amount and the stress of the insulating film or wiring formed on the surface of the connection region can be reduced to about ½ of the conventional amount.

梁部33上の絶縁膜や保護膜には、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜などが用いられる
。これら材料は梁部のシリコンに比べて熱膨張係数が小さいため、梁部の上面に絶縁膜な
どを高温下で成膜した後に常温に戻すと、応力により梁部は凸状に変形する。配線にはア
ルミニウムや銅などの金属材料が用いられるが、これら金属材料はシリコンに比べ熱膨張
係数が大きいため、温度が上がると梁部は凹状に変形する。接続領域はこのような変形を
受け、これらの変形は梁部全体に及ぶため、梁部の表面に形成されたピエゾ抵抗素子にも
応力が発生する。枠側と錘側で接続領域の変形量が異なると、枠側と錘側でピエゾ抵抗素
子に発生する応力がアンバランスになり特性変動の要因となる。本願発明では、枠側と錘
側で接続領域の形状を同じとしているので梁部33と枠部31および梁部33と錘部32
の接続条件が同じとなるため、枠部と錘部の接続領域の変形量が同じとなり、梁部の両端
でバランスが保てるためにオフセット変動量を小さくできる効果がある。
A silicon oxide film, a silicon nitride film, or the like is used as an insulating film or a protective film on the beam portion 33. Since these materials have a smaller coefficient of thermal expansion than silicon in the beam portion, when an insulating film or the like is formed on the upper surface of the beam portion at a high temperature and then returned to room temperature, the beam portion is deformed into a convex shape due to stress. Although metal materials such as aluminum and copper are used for the wiring, these metal materials have a larger coefficient of thermal expansion than silicon, so that the beam portion is deformed into a concave shape when the temperature rises. Since the connection region is subjected to such deformation, and these deformations extend over the entire beam portion, stress is also generated in the piezoresistive element formed on the surface of the beam portion. When the deformation amount of the connection region is different between the frame side and the weight side, the stress generated in the piezoresistive element on the frame side and the weight side becomes unbalanced, which causes a characteristic variation. In the present invention, since the shape of the connection region is the same on the frame side and the weight side, the beam portion 33 and the frame portion 31, and the beam portion 33 and the weight portion 32.
Since the connection conditions are the same, the amount of deformation in the connection region of the frame portion and the weight portion is the same, and the balance can be maintained at both ends of the beam portion.

梁部33の接続部周辺の形状は図2a)に限ったものではなく、例えば図2b)〜図2
d)の形状をとることができる。第2層のドライエッチング時のテーパー角を大きくした
り、オーバーエッチング量を増加させて、加工終端を第1層41の外形よりも入り込ませ
た、図2b)の形状。図2c)のように、突出部の側部において第2層42の方が第1層
よりも突き出した構造。図2d)の、加工溝の先端の幅を広くした構造とすることができ
る。
The shape of the periphery of the connecting portion of the beam portion 33 is not limited to that shown in FIG.
The shape of d) can be taken. The shape of FIG. 2 b) in which the taper angle at the time of dry etching of the second layer is increased or the amount of overetching is increased so that the processing end is inserted from the outer shape of the first layer 41. As shown in FIG. 2c), the second layer 42 protrudes beyond the first layer at the side of the protrusion. The structure of FIG. 2d) in which the width of the tip of the processing groove is widened can be obtained.

本実施例1では、梁部33と枠部31、梁部33と錘部32の接続部は略円弧形状とし
たが、これに限るものではない。直角や面取り形状、不定形な形状でも本発明の効果が得
られるものである。円弧形状や面取り形状とすることで、接続部での耐破壊強度を大きく
することができる。
In the first embodiment, the connecting portion between the beam portion 33 and the frame portion 31 and between the beam portion 33 and the weight portion 32 has a substantially arc shape, but is not limited thereto. The effects of the present invention can be obtained even with right angles, chamfered shapes, and irregular shapes. By adopting an arc shape or a chamfered shape, it is possible to increase the fracture strength at the connection portion.

本願発明の第二実施例のセンサーチップを図4に示す。図4は、センサーチップの第2
面44側から見た平面図である。枠側突出部長さdが錘側突出部長さeより短いところが
、第一実施例と異なる。第一実施例では、枠側突出部長さd=錘側突出部長さeとするこ
とで、枠部側と錘部側の加工溝パターンを略一致させることができたと述べた。しかし、
枠側突出部長さdを枠側突出部間隔aよりも長くすることで、枠側突出部長さdより錘側
突出部長さeを大きくしても、枠部側と錘部側の加工溝パターンを略一致させることがで
きる。本実施例のように枠側突出部長さdを短くすることで、枠部31の大きさおよび梁
部33の長さが同じでも、錘部32の面積を大きくすることができるため、より感度を向
上できた。
A sensor chip according to a second embodiment of the present invention is shown in FIG. FIG. 4 shows the second sensor chip.
It is the top view seen from the surface 44 side. The difference from the first embodiment is that the frame-side protruding portion length d is shorter than the weight-side protruding portion length e. In the first embodiment, it is described that the processing groove pattern on the frame side and the weight side can be substantially matched by setting the frame side protrusion length d = the weight side protrusion length e. But,
By making the frame-side protruding portion length d longer than the frame-side protruding portion interval a, even if the weight-side protruding portion length e is larger than the frame-side protruding portion length d, the processing groove pattern on the frame portion side and the weight portion side Can be substantially matched. By reducing the frame-side protruding portion length d as in the present embodiment, the area of the weight portion 32 can be increased even if the size of the frame portion 31 and the length of the beam portion 33 are the same. I was able to improve.

本願発明の第三実施例のセンサーチップを図5に示す。図5は、センサーチップの第2
面44側から見た平面図である。枠部31の内側の外形線を外側に広げ、それに沿って錘
部32の外形線も外側に膨らませたところが第一および第二実施例と異なる。第一および
第二実施例では、枠側突出部35の先端位置が、枠部31の内側の外形線の位置になって
おり、梁側接続部37が枠部31内部に突き出す構造となっていた。本実施例では、枠部
31の枠側突出部35以外の部分では、内側の外形線を梁側接続部37と同じ位置まで広
げ、それに沿って錘部32も広げた。これにより、枠部31の剛性を保つための最小幅寸
法を維持したまま、錘部32の面積を大きくでき、より感度を向上できた。
FIG. 5 shows a sensor chip according to a third embodiment of the present invention. FIG. 5 shows the second sensor chip.
It is the top view seen from the surface 44 side. The difference between the first and second embodiments is that the outer contour line on the inner side of the frame portion 31 is spread outward and the outer contour line of the weight portion 32 is expanded outward along the outer contour line. In the first and second embodiments, the position of the front end of the frame-side protruding portion 35 is the position of the outer line inside the frame portion 31, and the beam-side connecting portion 37 protrudes into the frame portion 31. It was. In the present embodiment, in the portions other than the frame-side protruding portion 35 of the frame portion 31, the inner outline is extended to the same position as the beam-side connecting portion 37, and the weight portion 32 is also extended along with it. Thereby, the area of the weight part 32 can be enlarged while maintaining the minimum width dimension for maintaining the rigidity of the frame part 31, and the sensitivity can be further improved.

本願発明の第四実施例のセンサーチップを図6に示す。図6は、センサーチップの第2
面44側から見た平面図である。略正方形の枠部31内部に、その正方形の対角線方向に
梁部33を配置することで、錘部32を効率的に配置できる。梁部33は枠部31の内側
外形線46に対して45度の角度で配置した。よって、梁部33の枠側接続部37は、第
一から第三実施例では正方形の辺の中央にあったのに対して、本実施例では正方形のコー
ナーにある。
FIG. 6 shows a sensor chip according to a fourth embodiment of the present invention. FIG. 6 shows the second sensor chip.
It is the top view seen from the surface 44 side. The weight part 32 can be efficiently arranged by arranging the beam part 33 inside the substantially square frame part 31 in the diagonal direction of the square. The beam portion 33 was arranged at an angle of 45 degrees with respect to the inner outline 46 of the frame portion 31. Therefore, the frame side connection portion 37 of the beam portion 33 is in the center of the square side in the first to third embodiments, but in the square corner in this embodiment.

第三実施例で示したように、枠部31の内部になるべく大きな面積で錘部32を配置す
ることを考えたときに、本実施例では枠側突出部35をコーナーに配置できるため、正方
形のチップ領域内に錘部32と梁部33を効率よく配置でき、同等の感度の加速度センサ
ーを実現するセンサーチップのサイズを小さくすることができた。
As shown in the third embodiment, when it is considered to arrange the weight portion 32 with an area as large as possible inside the frame portion 31, in this embodiment, the frame-side protruding portion 35 can be arranged at the corner. Thus, the weight portion 32 and the beam portion 33 can be efficiently arranged in the chip area, and the size of the sensor chip for realizing the acceleration sensor having the same sensitivity can be reduced.

本願発明の加速度センサーの全体構成は、図9に示した構成に限るものではない。第五
の実施例としてセンサーチップ30にウエハーレベルパッケージングを適用した加速度セ
ンサーを、図7および図8の断面図を用いて説明する。図7に示すように、センサーチッ
プ30の上下に第一キャップ70および第二キャップ71を接合した。第一キャップ70
および第二キャップ71は中央にキャビティ72を有し、周辺部でセンサーチップ30と
接合されている。接合部はセンサーチップ30のセンサー素子形成領域の外側に配置し、
よってセンサー素子は第一キャップ70および第二キャップ71で囲まれた気密パッケー
ジ内に保護され、湿度や異物などの影響でセンサー素子の特性が変動しないようにした。
The overall configuration of the acceleration sensor of the present invention is not limited to the configuration shown in FIG. As a fifth embodiment, an acceleration sensor in which wafer level packaging is applied to a sensor chip 30 will be described with reference to cross-sectional views of FIGS. As shown in FIG. 7, the first cap 70 and the second cap 71 were joined to the top and bottom of the sensor chip 30. First cap 70
The second cap 71 has a cavity 72 in the center, and is joined to the sensor chip 30 at the periphery. The joint portion is disposed outside the sensor element formation region of the sensor chip 30,
Therefore, the sensor element is protected in an airtight package surrounded by the first cap 70 and the second cap 71 so that the characteristics of the sensor element do not fluctuate due to the influence of humidity or foreign matter.

また、第一キャップ70および第二キャップ71は、センサー素子の錘部32との間に
適切な間隔を有し、過大な加速度が加わったときに錘部32の変位を規制して梁部33が
破損するのを防ぐ規制板の役割をする。センサーチップ30の表面にはチップ保護膜73
を形成し、気密パッケージの外部に配置されるチップ端子4と、ピエゾ抵抗素子(図示せ
ず)とをつなぐ配線74は、チップ保護膜73の下から気密パッケージ外部に引き出され
るようにした。第一キャップ70および第二キャップ71はシリコンウエハーを用い、シ
リコンの異方性エッチングまたはドライエッチングでキャビティ72を加工した。センサ
ーチップ30と第一キャップ70および第二キャップ71の接合はウエハーレベルで行い
、接合後に個々のセンサーチップパッケージ75に個片化した。接合方法はAu/Snの
はんだ接合を用い、接合部の幅は60μmとした。その他にも、各種金属のはんだ接合お
よび共晶接合、表面活性化接合、陽極接合、低融点ガラス接合などを用いることができる
。個片化の際には、チップ端子4を露出する必要があるため、第一キャップ70には、チ
ップ端子4の上方領域にもキャビティを形成しておき、第一キャップ70のみを第一ダイ
シング部76で切断することで、チップ端子4を露出した。その後、センサーチップ30
と第二キャップ71を第二ダイシング部77で切断して個片化した。
The first cap 70 and the second cap 71 have an appropriate interval between the sensor element weight part 32 and the beam part 33 by restricting the displacement of the weight part 32 when excessive acceleration is applied. Serves as a regulating plate to prevent damage. A chip protective film 73 is formed on the surface of the sensor chip 30.
The wiring 74 connecting the chip terminal 4 disposed outside the hermetic package and the piezoresistive element (not shown) is drawn from the bottom of the chip protective film 73 to the outside of the hermetic package. For the first cap 70 and the second cap 71, a silicon wafer was used, and the cavity 72 was processed by anisotropic etching or dry etching of silicon. The sensor chip 30 and the first cap 70 and the second cap 71 were joined at the wafer level, and after joining, the sensor chip package 75 was separated into individual pieces. The bonding method was Au / Sn solder bonding, and the width of the bonding portion was 60 μm. In addition, solder bonding and eutectic bonding of various metals, surface activated bonding, anodic bonding, low melting point glass bonding, and the like can be used. Since it is necessary to expose the chip terminal 4 when dividing into individual pieces, a cavity is formed in the upper region of the chip terminal 4 in the first cap 70, and only the first cap 70 is first dicing. The chip terminal 4 was exposed by cutting at the part 76. Then, sensor chip 30
The second cap 71 was cut into pieces by the second dicing part 77.

センサー素子が気密パッケージ内に保護されているので、センサー全体のパッケージに
は一般的に利用されている安価なプラスチックパッケージを適用できる。金属リードフレ
ームと樹脂封止を用いた構成例を図8に示した。金属リードフレーム85のチップ支持板
78上に樹脂製の第一接着剤79によりICチップ80を、ICチップ80上に樹脂製の
第二接着剤81によりセンサーチップパッケージ75を接着した。そして、センサーチッ
プパッケージ75のチップ端子4と、ICチップ80のIC端子82、およびIC端子8
2と金属リードフレーム85の外部端子83との間をAu製のワイヤー5により接続した
後、エポキシ製の封止樹脂84により封止した。
Since the sensor element is protected in an airtight package, an inexpensive plastic package that is generally used can be applied to the entire sensor package. A configuration example using a metal lead frame and resin sealing is shown in FIG. The IC chip 80 was bonded to the chip support plate 78 of the metal lead frame 85 with a first adhesive 79 made of resin, and the sensor chip package 75 was bonded to the IC chip 80 with a second adhesive 81 made of resin. Then, the chip terminal 4 of the sensor chip package 75, the IC terminal 82 of the IC chip 80, and the IC terminal 8
2 and the external terminal 83 of the metal lead frame 85 were connected by an Au wire 5 and then sealed with an epoxy sealing resin 84.

ウエハレベルパッケージを用いた本実装構造では、センサーチップ外周に沿って、例え
ば60μm程度の細い接合幅でキャップを接続でき、パッケージへの固定はキャップを介
して行うことができる。一方、図9に示した構造では、センサーチップ上に樹脂接着材を
最低2点以上塗布してキャップを接続する必要がある。第四実施例で示したセンサーチッ
プのように、梁を対角方向に配置してセンサーチップのコーナーを有効利用した構造では
、接着剤塗布領域を確保しにくいので、本実施例の実装構造が特に適している。
In this mounting structure using a wafer level package, a cap can be connected along the outer periphery of the sensor chip with a thin bonding width of, for example, about 60 μm, and fixing to the package can be performed via the cap. On the other hand, in the structure shown in FIG. 9, it is necessary to apply at least two resin adhesives on the sensor chip and connect the caps. As in the sensor chip shown in the fourth embodiment, in the structure in which the beams are arranged diagonally and the corners of the sensor chip are effectively used, it is difficult to secure the adhesive application area. Especially suitable.

第一実施例のセンサーチップの構造を示す断面図と第1面側と第2面側から見た平面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the sensor chip of a 1st Example, and the top view seen from the 1st surface side and the 2nd surface side. 第1面側から見た梁部周辺の平面図である。It is a top view of the beam part periphery seen from the 1st surface side. 接続領域の分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of a connection area. 第二実施例のセンサーチップの第2面側から見た平面図である。It is the top view seen from the 2nd surface side of the sensor chip of a 2nd example. 第三実施例のセンサーチップの第2面側から見た平面図である。It is the top view seen from the 2nd surface side of the sensor chip of a 3rd example. 第四実施例のセンサーチップの第2面側から見た平面図である。It is the top view seen from the 2nd surface side of the sensor chip of the 4th example. 第五実施例のセンサーチップパッケージの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the sensor chip package of 5th Example. 第五実施例の加速度センサーの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the acceleration sensor of 5th Example. 従来の3軸加速度センサーの全体構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the whole structure of the conventional triaxial acceleration sensor. 従来の3軸加速度センサーの断面図およびセンサーチップの平面図である。It is sectional drawing of the conventional triaxial acceleration sensor, and the top view of a sensor chip. 従来のセンサーチップの構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the conventional sensor chip.

符号の説明Explanation of symbols

1 ケース、2 センサーチップ、
3 規制板、4 チップ端子、
5 ワイヤー、6 ケース端子、
7 外部端子、8 ケース蓋、
9 3軸加速度センサー素子、10 枠部、
11 錘部、12 梁部、
13 X軸ピエゾ、14 Y軸ピエゾ、
15 Z軸ピエゾ、16 第1接着剤、
17 第2接着材、20 3軸加速度センサー、
21 センサーチップ、30 センサーチップ、
31 枠部、32 錘部、
33 梁部、33a 第1梁部、
33b 第2梁部、35 枠側突出部、
36 錘側突出部、37 枠側接続部、
38 錘側接続部、41 第1層、
42 第2層、43 第1面、
44 第2面、45 第3面、
46 枠部内側外形線、70 第一キャップ、
71 第二キャップ、72 キャビティ、
73 チップ保護膜、74 配線、
75 センサーチップパッケージ、76 第一ダイシング部、
77 第一ダイシング部、78 チップ支持板、
79 第一接着剤、80 ICチップ、
81 第一接着剤、82 IC端子、
83 外部端子、84 封止樹脂、
85 金属リードフレーム。
1 case, 2 sensor chip,
3 Regulatory plate, 4 chip terminal,
5 wires, 6 case terminals,
7 External terminal, 8 Case lid,
9 3-axis acceleration sensor element, 10 frame part,
11 weight, 12 beam,
13 X-axis piezo, 14 Y-axis piezo,
15 Z-axis piezo, 16 first adhesive,
17 second adhesive, 20 triaxial acceleration sensor,
21 sensor chip, 30 sensor chip,
31 frame part, 32 weight part,
33 beam portion, 33a first beam portion,
33b 2nd beam part, 35 frame side protrusion part,
36 weight side protrusion, 37 frame side connection,
38 weight side connection part, 41 1st layer,
42 second layer, 43 first surface,
44 2nd surface, 45 3rd surface,
46 frame part inner outline, 70 first cap,
71 second cap, 72 cavities,
73 Chip protection film, 74 wiring,
75 sensor chip package, 76 first dicing part,
77 first dicing part, 78 chip support plate,
79 First adhesive, 80 IC chip,
81 first adhesive, 82 IC terminal,
83 external terminals, 84 sealing resin,
85 Metal lead frame.

Claims (5)

第1層および第2層よりなり、第1層から第2層にかけて形成された枠部および錘部と
、第1層に形成され、錘部を枠部内に支持する、対を成す梁2対からなる梁部と、梁部に
設けられた半導体ピエゾ抵抗素子と、それらを接続する配線を有する3軸加速度センサー
であって、梁部の枠部および錘部との接続領域において、梁部の両側に、梁部の接続端よ
りも梁部中央に向けて突き出した枠側突出部および錘側突出部が、少なくとも第2層の第
1層との接続面と反対の面において形成されていることを特徴とする3軸加速度センサー
A frame portion and a weight portion formed from the first layer and the second layer, and formed from the first layer to the second layer, and two pairs of beams formed in the first layer and supporting the weight portion in the frame portion. And a semiconductor piezoresistive element provided on the beam portion, and a wiring for connecting the semiconductor piezoresistive elements. In a connection region between the frame portion and the weight portion of the beam portion, On both sides, a frame side protruding portion and a weight side protruding portion protruding toward the center of the beam portion from the connection end of the beam portion are formed at least on the surface opposite to the connection surface with the first layer of the second layer. A three-axis acceleration sensor.
枠側突出部および錘側突出部は、梁部の両側に突き出た部分の、梁部と対向する側面間
の距離が、枠側と錘側で等しいことを特徴とする請求項1に記載の加速度センサー。
2. The distance between the side surfaces of the frame-side protruding portion and the weight-side protruding portion that protrude from both sides of the beam portion and that face the beam portion is equal on the frame side and the weight side. Accelerometer.
梁部が枠部と錘部に対して、第1層に梁部よりも幅が広く形成された接続領域を介して
接続することを特徴とする請求項1ないし2のいずれかに記載の3軸加速度センサー。
3. The beam part according to claim 1, wherein the beam part is connected to the frame part and the weight part via a connection region formed wider in the first layer than the beam part. Axial acceleration sensor.
梁部の接続端から突き出した長さが、枠側突出部の方が錘側突出部よりも短いことを特
徴とする請求項1から3のいずれかに記載の3軸加速度センサー。
The triaxial acceleration sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein a length protruding from the connection end of the beam portion is shorter in the frame side protruding portion than in the weight side protruding portion.
枠部の内側が略正方形形状であり、正方形の対角線に沿って梁部が配置されることを特
徴とする請求項1から4のいずれかに記載の3軸加速度センサー。
5. The triaxial acceleration sensor according to claim 1, wherein the inside of the frame portion has a substantially square shape, and the beam portion is disposed along a diagonal line of the square.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2011024449A1 (en) * 2009-08-27 2011-03-03 ミツミ電機株式会社 Acceleration sensor
US8698315B2 (en) 2011-08-30 2014-04-15 Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho Semiconductor device
TWI460895B (en) * 2012-06-27 2014-11-11 中原大學 Triaxial piezoelectric sensor
CN110388906A (en) * 2018-04-12 2019-10-29 精工爱普生株式会社 Sensor unit and works monitoring arrangement

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