JP2010185781A - Acceleration sensor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoresistive element type acceleration sensor which is stable electrically and mechanically and suitable for being made compact. <P>SOLUTION: The piezoresistive element type triaxial acceleration sensor including as components: a frame part; a flexible part; a spindle part held by the frame part through the flexible part; metal wiring for connecting a piezoresistive element disposed at the flexible part to a chip terminal disposed at the frame part; and a heavily doped diffusion layer, has acceleration sensors each having a bridge circuit composed of the piezoresistive element, the metal wiring and the high-concentration diffusion layer for respective three axes perpendicularly intersecting with another, wherein shield wiring is arranged on the piezoresistive element through a second insulating film, such that the shield wiring makes up a portion of the bridge circuit as a part of the metal wiring. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、ピエゾ抵抗素子型の加速度センサー、特に自動車、航空機、携帯端末機器、
玩具等に用いられる加速度センサーに関するものである。
The present invention relates to a piezoresistive element type acceleration sensor, in particular, an automobile, an aircraft, a portable terminal device,
The present invention relates to an acceleration sensor used for toys and the like.

半導体ピエゾ抵抗素子を利用した半導体センサーとして、圧力センサー、加速度センサ
ー、歪みセンサー等が研究されている。近年特に、自動車、航空機、携帯端末機器、玩具
等に用いられる加速度センサーへの注目が集まっている。以下、半導体ピエゾ抵抗素子を
単にピエゾ抵抗素子と称する。ピエゾ抵抗素子型の半導体センサーは、シリコンに不純物
を打ち込んで形成したピエゾ抵抗素子を利用した電気回路で各種の物理量を測定するセン
サーである。測定したい物理量に反応してピエゾ抵抗素子に抵抗変化を生じさせることで
、それぞれの物理量を検出する。
As a semiconductor sensor using a semiconductor piezoresistive element, a pressure sensor, an acceleration sensor, a strain sensor, and the like have been studied. In recent years, in particular, attention has been focused on acceleration sensors used in automobiles, aircraft, portable terminal devices, toys and the like. Hereinafter, the semiconductor piezoresistive element is simply referred to as a piezoresistive element. A piezoresistive element type semiconductor sensor is a sensor that measures various physical quantities with an electric circuit using a piezoresistive element formed by implanting impurities into silicon. Each physical quantity is detected by causing a resistance change in the piezoresistive element in response to the physical quantity to be measured.

例えば、ピエゾ抵抗素子型加速度センサーは、シリコン基板にフォトリソグラフィ技術
を用いて形成した可撓部等の物理的構造体と、半導体技術でシリコンに不純物を打ち込ん
で形成したピエゾ抵抗等の電気回路からなる加速度センサーである。加速度が物理構造体
に作用すると、ピエゾ抵抗素子に歪みが生じ、この歪みがピエゾ抵抗素子の抵抗値を変化
させる。この結果、電気回路の出力値が変化するので、加速度を検出できる。
For example, a piezoresistive element type acceleration sensor is composed of a physical structure such as a flexible portion formed on a silicon substrate using a photolithography technique and an electric circuit such as a piezoresistor formed by implanting impurities into silicon using a semiconductor technique. It is an acceleration sensor. When acceleration acts on the physical structure, distortion occurs in the piezoresistive element, and this distortion changes the resistance value of the piezoresistive element. As a result, the output value of the electric circuit changes, so that acceleration can be detected.

従来、自動車のエアーバッグ作動用に、平面方向、即ち1軸もしくは2軸方向の衝突加
速度を測定する加速度センサーが多く用いられてきた。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、即ちX,Y,Z軸の加速度を測定する3
軸加速度センサーが実用化されている。さらに、微小な加速度を検出するために安定性が
高いこと、様々な機器に搭載可能であるために小型であることが要求されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, an acceleration sensor that measures a collision acceleration in a plane direction, that is, a uniaxial or biaxial direction, has been widely used for operating an air bag of an automobile. Recently, it is also frequently used for mobile terminal devices and robots, and measures spatial movement, that is, acceleration of X, Y, and Z axes.
An axial acceleration sensor has been put into practical use. Furthermore, high stability is required for detecting minute accelerations, and small size is required for mounting on various devices.

特開平08−86671号 公報Japanese Patent Laid-Open No. 08-86671 特開2003−92413号 公報JP 2003-92413 A

図20、21にピエゾ抵抗素子型加速度センサー(以下、加速度センサー)を例示した
。加速度センサーは錘部11が梁部33で支持されている構造である。梁上にピエゾ抵抗
素子13、14、15が形成され、ブリッジ回路を形成している。ピエゾ抵抗素子は歪み
によって抵抗値が変動する。従って、ブリッジ回路の出力安定化には、ブリッジ回路を形
成する配線の膜応力が影響する。
より詳細には以下の通りである。配線は母材となるシリコンと熱膨張係数が異なるので
製造時の昇温冷却過程で膜応力を生じる。さらにこの膜応力はクリープによって緩和する
こともある。このような膜応力の発生および緩和はピエゾ抵抗素子に作用するので梁に占
める配線の比率が高いとブリッジ回路の出力が変動し易くなる。特に加速度センサー20
を小型化すると、梁が小型化するので、相対的に配線の影響が大きくなる。
20 and 21 illustrate a piezoresistive element type acceleration sensor (hereinafter referred to as an acceleration sensor). The acceleration sensor has a structure in which the weight portion 11 is supported by the beam portion 33. Piezoresistive elements 13, 14, and 15 are formed on the beam to form a bridge circuit. The resistance value of the piezoresistive element varies with strain. Therefore, the film stress of the wiring forming the bridge circuit affects the stabilization of the output of the bridge circuit.
More details are as follows. Since the wiring has a coefficient of thermal expansion different from that of silicon as a base material, a film stress is generated in the process of heating and cooling during manufacturing. Furthermore, this film stress may be relaxed by creep. Since the generation and relaxation of such film stress acts on the piezoresistive element, the output of the bridge circuit tends to fluctuate if the ratio of the wiring occupying the beam is high. Especially the acceleration sensor 20
If the size of the beam is reduced, the beam is reduced in size, so that the influence of wiring is relatively increased.

表面イオンや水分の存在はピエゾ抵抗素子の抵抗値に影響を与え易いことが知られてい
る。これは加速度センサーの出力の不安定化を意味する。これを電気的な不安定化と称す
る。これに対し、特許文献1(特開平08−86671号公報)では、センサー回路の高
電位側または低電位側の電位に固定したシールド電極をピエゾ抵抗素子上に、絶縁膜を介
して、配置させることで変動を抑制する方法が開示されている。
It is known that the presence of surface ions and moisture tends to affect the resistance value of the piezoresistive element. This means that the output of the acceleration sensor becomes unstable. This is called electrical destabilization. On the other hand, in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 08-86671), a shield electrode fixed at a high potential side or a low potential side potential of a sensor circuit is disposed on a piezoresistive element via an insulating film. Thus, a method for suppressing fluctuations is disclosed.

しかしながら、特許文献1に開示された電位を固定したシールド電極を配置する方法を
加速度センサーに提供する場合、本来の検出回路用配線に加えて、シールド電極用配線を
新たに配置する必要がある。加速度センサーはピエゾ抵抗素子を梁上に配置しているので
、回路用配線とシールド電極およびシールド電極用配線を梁上に配置する必要が生じる。
However, when providing the acceleration sensor with the method of arranging the shield electrode with a fixed electric potential disclosed in Patent Document 1, it is necessary to newly arrange the shield electrode wiring in addition to the original detection circuit wiring. Since the acceleration sensor has the piezoresistive element arranged on the beam, it is necessary to arrange the circuit wiring, the shield electrode, and the shield electrode wiring on the beam.

この様に配線数が増加することは配線に起因する梁への膜応力の増大、即ち膜応力に起
因する加速度センサーの出力の不安定化を引き起こす。これを機械的な不安定化と称する
。機械的な不安定化は、特に小型化に際して影響が大きい。加えて小型化を進めると、シ
ールド電極やシールド電極用配線を付加する領域を梁上に幅広に確保すること自体が困難
になる。
Such an increase in the number of wirings causes an increase in film stress on the beam due to the wirings, that is, destabilization of the output of the acceleration sensor due to the film stress. This is called mechanical destabilization. Mechanical destabilization has a great influence especially on downsizing. In addition, when the size is further reduced, it becomes difficult to secure a wide area on the beam to which the shield electrode and the shield electrode wiring are added.

特許文献2には、配線の一部をピエゾ抵抗素子の上に突出させてシールドとすることが
開示されている。しかし、ビエゾ抵抗素子の周辺で配線が5本となっており、梁の中央付
近でも配線が5本となっている。配線数が多く、配線に起因する梁への膜応力が増大する
という問題が存在する。
Patent Document 2 discloses that a part of the wiring protrudes above the piezoresistive element to serve as a shield. However, there are five wires around the piezoresistive element and five wires near the center of the beam. There is a problem that the number of wires is large and the film stress on the beam due to the wires increases.

以上の課題に対し、小型化に適した電気的および機械的に安定なピエゾ抵抗素子型の加
速度センサーを実現することが、本発明の目的である。
In view of the above problems, an object of the present invention is to realize an electrically and mechanically stable piezoresistive element type acceleration sensor suitable for downsizing.

本発明の加速度センサーは、枠部と、可撓部と、該可撓部を介して枠部に保持される錘
部を有し、
可撓部に設けられたピエゾ抵抗素子と枠部に設けられたチップ端子の接続に用いる金属
配線および高濃度拡散層を有し、
直交する3つの加速度検出軸毎に、前記ピエゾ抵抗素子と金属配線と高濃度拡散層で構
成されるブリッジ回路を有する加速度センサーあって、
ピエゾ抵抗素子上に絶縁膜を介してシールド配線が配置されており、該シールド配線は
前記金属配線の一部としてブリッジ回路の一部を構成していることを特徴とする。別途、
シールドを付加しないので、配線応力の増大抑制に有効であり、電気的な不安定化の抑制
にも寄与する。
The acceleration sensor of the present invention has a frame part, a flexible part, and a weight part held by the frame part through the flexible part,
It has metal wiring and high-concentration diffusion layers used for connecting the piezoresistive element provided in the flexible part and the chip terminal provided in the frame part,
An acceleration sensor having a bridge circuit composed of the piezoresistive element, metal wiring, and high-concentration diffusion layer for each of three orthogonal acceleration detection axes,
A shield wiring is disposed on the piezoresistive element via an insulating film, and the shield wiring constitutes a part of a bridge circuit as a part of the metal wiring. Separately
Since no shield is added, it is effective for suppressing an increase in wiring stress, and also contributes to suppressing electrical destabilization.

ブリッジ回路内において、前記シールド配線の電位が、ブリッジ回路内の最高電位(=
入力電圧)または最低電位(=接地電圧)または両者の中間の電位のいずれか2つ以上の
電位であることを特徴とする。配線数増大を抑制し応力抑制に有効である。
In the bridge circuit, the potential of the shield wiring is the highest potential in the bridge circuit (=
Input voltage), minimum potential (= ground voltage), or an intermediate potential between them. This is effective for suppressing stress by suppressing an increase in the number of wires.

前記ブリッジ回路は4組のピエゾ抵抗素子で構成され、
高電位側の2組のピエゾ抵抗素子に対応するシールド配線の電位の組み合わせが、前記
高電位側ピエゾ抵抗素子同士で同じであり、
低電位側の2組のピエゾ抵抗素子に対応するシールド配線の電位の組み合わせが、前記
低電位側ピエゾ抵抗素子同士で同じであることを特徴とする。ここで対応するとは、絶縁
膜と介してピエゾ抵抗素子と対向して積層するように形成されていることを指す。本構成
とすることでピエゾ抵抗素子へのシールド配線電位の影響をバランスさせることで電気的
に安定する。
The bridge circuit is composed of four sets of piezoresistive elements,
The combination of the potentials of the shield wiring corresponding to the two sets of high-potential side piezoresistive elements is the same between the high-potential side piezoresistive elements,
The combination of the potentials of the shield wiring corresponding to the two sets of piezoresistive elements on the low potential side is the same between the low potential piezoresistive elements. Here, “corresponding” means that the layer is formed so as to be opposed to the piezoresistive element through the insulating film. By adopting this configuration, the effect of the shield wiring potential on the piezoresistive element is balanced, so that it is electrically stable.

前記梁部を通過する金属配線が、全ての梁部で同じ本数であることを特徴とする。応力
がバランスし安定する。前記本数は特に3本であることが好ましい。少ない本数で応力が
バランスし安定する。
The number of metal wirings passing through the beam portion is the same for all the beam portions. Stress balances and stabilizes. The number is particularly preferably 3. Stress is balanced and stable with a small number.

局所的な貫通孔を除いて、前記金属配線は絶縁膜で保護されていて、前記絶縁膜が窒化
珪素膜であることを特徴とする。前記絶縁膜は加工時の腐食防止に寄与する。窒化珪素膜
は薬品耐性が高い。
Except for local through holes, the metal wiring is protected by an insulating film, and the insulating film is a silicon nitride film. The insulating film contributes to prevention of corrosion during processing. The silicon nitride film has high chemical resistance.

前記ブリッジ回路は、高電位側のチップ端子および低電位側チップ端子の少なくとも一
方を異なるブリッジ回路同士で共有していることを特徴とする。。
The bridge circuit is characterized in that at least one of a high potential side chip terminal and a low potential side chip terminal is shared by different bridge circuits. .

本発明により、小型化に適した電気的および機械的に安定なピエゾ抵抗素子型加速度セ
ンサーを実現することできた。
According to the present invention, an electrically and mechanically stable piezoresistive element type acceleration sensor suitable for downsizing can be realized.

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.

(実施例1)
本願発明の実施例1の加速度センサーについて以下説明する。図1,2は、実施例の加
速度センサーの素子構造を示している。図1は平面図、図2は図1のk−k’断面図であ
る。図1の加速度センサー素子9は、図19,20のように組み立てられる加速度センサ
ーや、図21〜25に示したキャップで気密封止された後、樹脂パッケージに組み立てら
れる加速度センサーなどに適用できる。本願発明は加速度センサー素子の構造、特にその
配線構造に特徴があるので、以下、加速度センサー素子を実施例に基づいて詳細に説明す
る。
Example 1
The acceleration sensor according to the first embodiment of the present invention will be described below. 1 and 2 show the element structure of the acceleration sensor of the embodiment. 1 is a plan view, and FIG. 2 is a sectional view taken along the line kk ′ of FIG. The acceleration sensor element 9 of FIG. 1 can be applied to an acceleration sensor assembled as shown in FIGS. 19 and 20, an acceleration sensor assembled in a resin package after being hermetically sealed with caps shown in FIGS. Since the present invention is characterized by the structure of the acceleration sensor element, particularly the wiring structure thereof, the acceleration sensor element will be described in detail below based on examples.

実施例1の加速度センサー素子9は、支持枠部10内に錘部11が4本の梁状の可撓性
を有する梁部33の第1梁部33aと第2梁部33b、第3梁部33c、第4梁部33d
によって支持されている。図1では、第1梁部33aと第2梁部33bをX軸の加速度を
検知するものとし、第3梁部33cと第4梁部33dをY軸とZ軸の加速度を検知するも
のとした。各梁部の長手方向端部には加速度検知用ピエゾ抵抗素子13(13−1aから
13−4bの8個)、14(14−1aから14−4bの8個)、15(15−1aから
15−4bの8個)を形成した。
The acceleration sensor element 9 according to the first embodiment includes a first beam portion 33a, a second beam portion 33b, and a third beam of a beam portion 33 having four beam-shaped flexible portions 11 in a support frame portion 10. Part 33c, fourth beam part 33d
Is supported by. In FIG. 1, the first beam portion 33a and the second beam portion 33b are to detect X-axis acceleration, and the third beam portion 33c and the fourth beam portion 33d are to detect Y-axis and Z-axis acceleration. did. At the longitudinal end of each beam portion, acceleration detecting piezoresistive elements 13 (eight from 13-1a to 13-4b), 14 (eight from 14-1a to 14-4b), 15 (from 15-1a) 15-4b).

第1梁部33aと第2梁部33bには、X軸方向の加速度を検知するピエゾ抵抗素子1
3を形成した。第1梁部33aと第2梁部33bに直角に配された第3梁部33cと第4
梁部33dには、Y軸方向の加速度を検知するピエゾ抵抗素子14とZ軸方向の加速度検
知用のピエゾ抵抗素子15を形成した。Z軸加速度検出用のピエゾ抵抗素子15は、X軸
とY軸のどちらの梁部上に配置しても良いが、本実施例ではY軸の梁部上に形成した。各
軸方向の加速度を検出するための8個のピエゾ抵抗素子は2個1組(計4組)とし、4組
を金属配線31および高濃度拡散層配線38で接続して各軸毎にブリッジ回路を構成した
。高濃度拡散層配線は例えば図10に示すように金属配線以外の接続用配線として形成し
た。1つのブリッジ回路には2経路存在し、各経路に高電位側のピエゾ抵抗素子と低電位
側のピエゾ抵抗素子が存在する。一方の経路における高電位側のピエゾ抵抗素子と低電位
側のピエゾ抵抗素子の間の電位を中点Aとし、他方の経路の高電位側のピエゾ抵抗素子と
低電位側のピエゾ抵抗素子の間の電位を中点Bとした。図1において、ピエゾ抵抗素子は
ハッチングした矩形のパターンで表わし、その矩形のパターンと配線が電気的に接続され
ている箇所は小さい丸点で表わし、配線の分岐には大きい丸点で表わしている。小さい丸
点なしでピエゾ抵抗素子の上を通過している配線は、絶縁膜を介してピエゾ抵抗素子とは
絶縁されており、シールド配線となっている。
The first beam portion 33a and the second beam portion 33b include a piezoresistive element 1 that detects acceleration in the X-axis direction.
3 was formed. A third beam portion 33c and a fourth beam portion arranged at right angles to the first beam portion 33a and the second beam portion 33b;
A piezoresistive element 14 for detecting acceleration in the Y-axis direction and a piezoresistive element 15 for detecting acceleration in the Z-axis direction are formed on the beam portion 33d. The piezoresistive element 15 for detecting the Z-axis acceleration may be disposed on either the X-axis or Y-axis beam, but in this embodiment, it is formed on the Y-axis beam. Eight piezoresistive elements for detecting the acceleration in each axis direction are one set (two sets in total), and four sets are connected by metal wiring 31 and high-concentration diffusion layer wiring 38, and bridged for each axis. A circuit was constructed. For example, as shown in FIG. 10, the high concentration diffusion layer wiring is formed as a connection wiring other than the metal wiring. One bridge circuit has two paths, and each path includes a high-potential-side piezoresistive element and a low-potential-side piezoresistive element. The potential between the high-potential side piezoresistive element and the low-potential side piezoresistive element in one path is the midpoint A, and the other path between the high-potential side piezoresistive element and the low-potential side piezoresistive element Was set to the midpoint B. In FIG. 1, a piezoresistive element is represented by a hatched rectangular pattern, a portion where the rectangular pattern and the wiring are electrically connected is represented by a small round dot, and a branch of the wiring is represented by a large round dot. . The wiring passing over the piezoresistive element without a small round dot is insulated from the piezoresistive element through an insulating film, and is a shielded wiring.

外部から加速度が加わることで錘部11が変位すると、可撓性を有する梁部33が変形
するのでピエゾ抵抗素子の電気抵抗が変化する。加速度は、各軸でのブリッジ回路を構成
する4組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
すことで検出できる。
When the weight portion 11 is displaced by applying acceleration from the outside, the flexible beam portion 33 is deformed, so that the electric resistance of the piezoresistive element changes. The acceleration can be detected by extracting the potential difference caused by the resistance change amount of the four sets of piezoresistive elements constituting the bridge circuit on each axis by the bridge circuit.

加速度センサー素子9の製造方法を、図2を参照しながら簡単に説明する。加速度セン
サー素子9の製造には、約400μm厚のシリコン層に約1μmのシリコン酸化膜層と約
5μm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。
A method of manufacturing the acceleration sensor element 9 will be briefly described with reference to FIG. For manufacturing the acceleration sensor element 9, an SOI wafer having a silicon layer of about 1 μm and a silicon layer of about 5 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. Less than,
The thinner silicon layer is called the first layer 41, the thicker silicon layer is called the second layer 42, the surface of the first layer not joined to the silicon oxide film layer is the first surface 43, and the surface of the second layer is The connection surface through the second surface 44 and the silicon oxide film layer is referred to as a third surface 45.

ピエゾ抵抗素子の形状をフォトレジストでパターニングし、第1面43にボロンを打ち
込みピエゾ抵抗素子を形成した。第1面43にシリコン酸化膜を形成しピエゾ抵抗素子を
保護した。
The shape of the piezoresistive element was patterned with a photoresist, and boron was implanted into the first surface 43 to form a piezoresistive element. A silicon oxide film was formed on the first surface 43 to protect the piezoresistive element.

ピエゾ抵抗素子を金属配線31および高濃度拡散層配線38で接続し、加速度検出用の
ブリッジ回路を形成した。金属配線31は、第1面43に形成した第1の絶縁膜(シリコ
ン酸化膜)上にアルミニウム系金属をスパッタリングして形成した。高濃度拡散層配線3
8は第1面43にボロンを高濃度で打ち込み形成した拡散層である。第1面43に形成し
た第1の絶縁膜(シリコン酸化膜)36が、第1層のシリコン41と金属配線31間の絶
縁膜としても働く。第1面43に形成した第1の絶縁膜(シリコン酸化膜)36は部分的
に貫通孔を形成し、ピエゾ抵抗素子および高濃度拡散層配線38と金属配線31間を接続
した。さらに金属配線31を保護する第2の絶縁膜(保護層)37を形成した。絶縁膜お
よび金属配線はフォトリソグラフィにより所望の形状に加工した。
Piezoresistive elements were connected by metal wiring 31 and high-concentration diffusion layer wiring 38 to form a bridge circuit for detecting acceleration. The metal wiring 31 was formed by sputtering an aluminum-based metal on the first insulating film (silicon oxide film) formed on the first surface 43. High concentration diffusion layer wiring 3
A diffusion layer 8 is formed by implanting boron into the first surface 43 at a high concentration. The first insulating film (silicon oxide film) 36 formed on the first surface 43 also functions as an insulating film between the first layer silicon 41 and the metal wiring 31. The first insulating film (silicon oxide film) 36 formed on the first surface 43 partially formed a through hole, and connected between the piezoresistive element and the high concentration diffusion layer wiring 38 and the metal wiring 31. Further, a second insulating film (protective layer) 37 for protecting the metal wiring 31 was formed. The insulating film and the metal wiring were processed into desired shapes by photolithography.

ここで、ピエゾ抵抗素子13、14、15の上に第1の絶縁膜(シリコン酸化膜)36
を介して金属配線31を配置した。この部分の金属配線をシールド配線32と称する。ピ
エゾ抵抗素子上に配置したシールド配線32はピエゾ抵抗素子に対してシールド効果を与
える。ここで金属配線は、ブリッジ回路内のどの位置にあるかで異なる電位(高電位、低
電位、両者の中間の電位)を取る。金属配線の電位はピエゾ抵抗素子の抵抗値に影響する
。つまり異なる電位はピエゾ抵抗素子に異なる影響を与える。その結果、ブリッジ回路に
おいて、抵抗バランスを崩す可能性、即ち電気的な不安定化を引き起こす可能性がある。
異なる電位のシールドで電気的な不安定化を引き起こさない構成の、詳細は後述する。
Here, a first insulating film (silicon oxide film) 36 is formed on the piezoresistive elements 13, 14, 15.
The metal wiring 31 was arranged via This portion of the metal wiring is referred to as shield wiring 32. The shield wiring 32 arranged on the piezoresistive element gives a shielding effect to the piezoresistive element. Here, the metal wiring takes different potentials (high potential, low potential, or an intermediate potential between them) depending on the position in the bridge circuit. The potential of the metal wiring affects the resistance value of the piezoresistive element. That is, different potentials have different effects on the piezoresistive element. As a result, in the bridge circuit, the resistance balance may be lost, that is, electrical instability may occur.
Details of a configuration that does not cause electrical instability with shields of different potentials will be described later.

次に、第1面43にフォトレジストパターンを形成した後、ドライエッチングにより梁
部33と錘部11、支持枠部10の形状を加工した。さらに、第2面44にフォトレジス
トパターンを形成した後、ドライエッチングにより錘部11と支持枠部10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
Next, after forming a photoresist pattern on the first surface 43, the shapes of the beam portion 33, the weight portion 11, and the support frame portion 10 were processed by dry etching. Further, after forming a photoresist pattern on the second surface 44, the shapes of the weight portion 11 and the support frame portion 10 were processed by dry etching. The silicon oxide film layer remaining between the first layer and the second layer was removed by wet etching.

1枚のウエハに多数個形成した加速度センサー素子9はドライエッチングあるいはダイ
シングにより個片化(チップ化)した。個片化(チップ化)した加速度センサー素子9は
、図19,20に示したような加速度センサー20の組立てに用いることができる。ある
いは1枚のウエハに多数個形成した加速度センサー素子9をウエハ状態で上キャップチッ
プ22、下キャップチップ23と接合した後、ダイシング等により個片化(チップ化)し
MEMS組立体21を得ることができ、図23〜25に示したような加速度センサー20
の組立てに用いることができる。
A large number of acceleration sensor elements 9 formed on one wafer were separated into chips (chips) by dry etching or dicing. The acceleration sensor element 9 divided into pieces (chips) can be used for assembling the acceleration sensor 20 as shown in FIGS. Alternatively, a plurality of acceleration sensor elements 9 formed on one wafer are bonded to the upper cap chip 22 and the lower cap chip 23 in the wafer state, and then separated into chips (chips) by dicing or the like to obtain the MEMS assembly 21. Acceleration sensor 20 as shown in FIGS.
Can be used for assembling.

前述の通り金属配線31の一部はピエゾ抵抗素子13〜15に対するシールド配線32
として機能させる。構成例を図3に示す。図3においては、中央の金属配線31を分割分
岐し計4本の金属配線とし、ピエゾ抵抗素子上に配置した。
図3c)は、図3b)のAからの視野による断面であり、第1層41上にピエゾ抵抗素
子13(あるいは14、15)と高濃度拡散層配線38が形成され、ついで第1の絶縁膜
36と金属配線31が積層され、さらに第2の絶縁膜(保護層)37が被覆されている。
As described above, a part of the metal wiring 31 is a shield wiring 32 for the piezoresistive elements 13 to 15.
To function as. A configuration example is shown in FIG. In FIG. 3, the central metal wiring 31 is divided and branched into a total of four metal wirings, which are arranged on the piezoresistive element.
FIG. 3c) is a cross section of the field of view from A in FIG. 3b). The piezoresistive element 13 (or 14, 15) and the high-concentration diffusion layer wiring 38 are formed on the first layer 41, and then the first insulation. The film 36 and the metal wiring 31 are laminated, and further a second insulating film (protective layer) 37 is covered.

図4、5、6に実施例1における3軸加速度センサー内のブリッジ回路を軸ごとに抽出
して示す。実際の加速度センサーにおいては、これら3つの回路が、短絡無きよう適宜立
体交差して、ほぼ同じ面内に配置されている。なお、図4、5、6における破線は、梁上
に位置するが、各図で示したそれぞれのブリッジ回路に直接関係しない金属配線を示す。
図14、16、17、18における破線も同じ意味で表示している。
4, 5 and 6 show the bridge circuit in the triaxial acceleration sensor according to the first embodiment extracted for each axis. In an actual acceleration sensor, these three circuits are arranged in substantially the same plane so as to intersect with each other as appropriate so as not to cause a short circuit. 4, 5, and 6 indicate metal wirings that are located on the beam but are not directly related to the respective bridge circuits shown in the drawings.
The broken lines in FIGS. 14, 16, 17, and 18 are also displayed with the same meaning.

図4はX軸検出に関わるブリッジ回路を示す。図5はY軸検出に関わるブリッジ回路を
示す。図6はZ軸検出に関わるブリッジ回路を示す。
これらのブリッジ回路においては8つのピエゾ抵抗素子で1つのブリッジ回路を形成し
ている。8つのピエゾ抵抗素子は、同じ梁付け根付近に位置する2個が直列接続されてい
る。つまり4組のピエゾ抵抗素子で1つのブリッジ回路(ホイートストーンブリッジ)を
形成している。直列接続した2個のピエゾ抵抗素子は、梁の回転軸に対して対称に配置す
ることで、梁にねじり要素が発生した時のピエゾ抵抗素子の抵抗値変化を相殺させる。な
お、ピエゾ抵抗素子の抵抗値は他の抵抗、例えば金属配線の配線抵抗、に比べ支配的な抵
抗値を与えた。
ここで、X軸検出のブリッジ回路とはピエゾ抵抗素子(13)とピエゾ抵抗素子間を接
続する金属配線と高濃度拡散層配線(38)で形成させる主回路に加えて、電極パッド(
24−V、24−G、24−x)および主回路から電極パッドまでの金属配線を含んだ回
路を意味する。同様に、Y軸検出のブリッジ回路とはピエゾ抵抗素子(14)とピエゾ抵
抗素子間を接続する金属配線と高濃度拡散層配線(38)で形成させる回路に加えて、
電極パッド(24−V、24−G、24−y)および主回路から電極パッドまでの金属配
線を含んだ回路を意味する。また、Z軸検出のブリッジ回路とはピエゾ抵抗素子(14)
とピエゾ抵抗素子間を接続する金属配線と高濃度拡散層配線(38)で形成させる回路に
加えて、電極パッド(24−V、24−G、24−z)および主回路から電極パッドまで
の金属配線を含んだ回路を意味する。
FIG. 4 shows a bridge circuit related to X-axis detection. FIG. 5 shows a bridge circuit related to Y-axis detection. FIG. 6 shows a bridge circuit related to Z-axis detection.
In these bridge circuits, one piezoresistive element forms one bridge circuit. Two eight piezoresistive elements located near the same beam root are connected in series. That is, one bridge circuit (Wheatstone bridge) is formed by four sets of piezoresistive elements. The two piezoresistive elements connected in series are arranged symmetrically with respect to the rotation axis of the beam, thereby canceling a change in the resistance value of the piezoresistive element when a torsion element is generated in the beam. The resistance value of the piezoresistive element gave a dominant resistance value compared to other resistances, for example, the wiring resistance of metal wiring.
Here, the bridge circuit for X-axis detection is an electrode pad (13), in addition to the main circuit formed by the metal wiring and the high-concentration diffusion layer wiring (38) connecting the piezoresistive elements.
24-V, 24-G, 24-x) and a circuit including a metal wiring from the main circuit to the electrode pad. Similarly, the bridge circuit for Y-axis detection is in addition to the circuit formed by the metal wiring connecting the piezoresistive element (14) and the piezoresistive element and the high-concentration diffusion layer wiring (38),
It means a circuit including electrode pads (24-V, 24-G, 24-y) and metal wiring from the main circuit to the electrode pads. The bridge circuit for Z-axis detection is a piezoresistive element (14).
In addition to the circuit formed by the metal wiring and the high-concentration diffusion layer wiring (38) for connecting between the piezoresistive elements and the electrode pads (24-V, 24-G, 24-z) and the main circuit to the electrode pads It means a circuit containing metal wiring.

前述の通り、8つのピエゾ抵抗素子上には第1の絶縁膜(シリコン酸化膜)36を介し
て、ブリッジ回路を構成する金属配線31の一部を配置して、ピエゾ抵抗素子13、14
、15に対する電気的シールド効果を与えた。
金属配線31の電位はブリッジ回路内の位置に応じて最高電位、最低電位、およびそれ
らの中間電位のいずれかをとる。ピエゾ抵抗素子上のシールド配線32の電位はピエゾ抵
抗素子の抵抗値を変化させる性質をもつ。しかしながら、本発明の加速度センサーにおい
ては、ピエゾ抵抗素子近傍に位置しブリッジ回路の出力バランスを崩さない抵抗変化を与
える電位を持つ金属配線をシールド配線32として利用する。該構成とすることで、シー
ルド効果による電気的な安定化と同時に、ピエゾ抵抗素子近傍に位置する金属配線を利用
すること、即ち、ブリッジ回路とは別にシールド配線の機能を有する電極を配置する必要
がないことで、機械的な安定化を実現できる。
As described above, a part of the metal wiring 31 constituting the bridge circuit is arranged on the eight piezoresistive elements via the first insulating film (silicon oxide film) 36, and the piezoresistive elements 13, 14 are arranged.
, 15 was given an electrical shielding effect.
The potential of the metal wiring 31 takes one of a maximum potential, a minimum potential, and an intermediate potential thereof depending on the position in the bridge circuit. The potential of the shield wiring 32 on the piezoresistive element has a property of changing the resistance value of the piezoresistive element. However, in the acceleration sensor of the present invention, a metal wiring having a potential that gives a change in resistance that is located near the piezoresistive element and does not disturb the output balance of the bridge circuit is used as the shield wiring 32. With this configuration, it is necessary to use metal wiring located in the vicinity of the piezoresistive element simultaneously with electrical stabilization due to the shielding effect, that is, to arrange an electrode having a function of shielding wiring separately from the bridge circuit. In the absence of this, mechanical stabilization can be achieved.

図7から9の(a)に各軸の加速度を検出する4組(8個)のピエゾ抵抗素子で構成し
たブリッジ回路の回路図を示した。図7から9の(b)には各軸の加速度を検出する錘1
1の動作および梁部33の変形を示した。これら(図7〜9)および図1、4〜6を表1
に示した、実施例1、比較例1、比較例2に関し、ブリッジ回路を構成する8つのピエゾ
抵抗素子と、それぞれのピエゾ抵抗素子上に配置した金属配線の電位と、それによる出力
変化と出力変化の有無を示した。
FIGS. 7 to 9 (a) show circuit diagrams of a bridge circuit composed of four sets (eight) of piezoresistive elements for detecting the acceleration of each axis. 7 to 9 (b) shows a weight 1 for detecting the acceleration of each axis.
1 operation | movement and the deformation | transformation of the beam part 33 were shown. These (FIGS. 7-9) and FIGS.
In relation to Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 shown in FIG. 8, the potentials of the eight piezoresistive elements constituting the bridge circuit, the metal wiring arranged on each piezoresistive element, and the output change and output thereby The presence or absence of change was indicated.

まず、X軸加速度の検出についての理想状態について説明する。
X軸の加速度を検出するブリッジ回路において、加速度は高電位側ピエゾ抵抗素子13
−1と低電位側ピエゾ抵抗素子13−4の中間点の電位(中点A)と高電位側ピエゾ抵抗
素子13−2と低電位側ピエゾ抵抗素子13−3の中間点の電位(中点B)との差で検出
する。各ピエゾ抵抗素子の抵抗値は共通としたので、理想的には、あるいは初期設計的に
は、ピエゾ抵抗素子13−1とピエゾ抵抗素子13−4の中間点の電位は電極パッド24
−Vにおける入力電圧の半分の値となり、ピエゾ抵抗素子13−2とピエゾ抵抗素子13
−3の中間点の電位も、電極パッド24−Vにおける入力電圧の半分の値となるので、両
者の差、即ち出力はゼロとなる。電極パッドはチップ端子に相当する。
First, an ideal state for detecting the X-axis acceleration will be described.
In the bridge circuit for detecting the X-axis acceleration, the acceleration is the high potential side piezoresistive element 13.
-1 and the potential of the intermediate point between the low potential side piezoresistive element 13-4 (midpoint A) and the potential of the intermediate point between the high potential side piezoresistive element 13-2 and the low potential side piezoresistive element 13-3 (midpoint) Detection is based on the difference from B). Since the resistance values of the piezoresistive elements are common, ideally or in the initial design, the potential at the midpoint between the piezoresistive elements 13-1 and 13-4 is the electrode pad 24.
The value becomes half of the input voltage at −V, and the piezoresistive element 13-2 and the piezoresistive element 13
Since the potential at the intermediate point of −3 is also half the value of the input voltage at the electrode pad 24-V, the difference between them, that is, the output is zero. The electrode pad corresponds to a chip terminal.

次に実施例1におけるX軸加速度の検出について、シールド配線32を配置したことに
よる電気的な影響を表1をふまえて説明する。
表1に示した通り、X軸の加速度を検出するブリッジ回路において、高電位側のピエゾ
抵抗素子13−1とピエゾ抵抗素子13−2に対応するシールド配線の電位は高電位であ
る。従って、ピエゾ抵抗素子13−1とピエゾ抵抗素子13−2の抵抗値は(シールド配
線の電位がゼロ電位であるときと比較して)大きく変化(増加)する。一方、低電位側の
ピエゾ抵抗素子13−3とピエゾ抵抗素子13−4に対応するシールド配線32の電位は
低電位である。従って、ピエゾ抵抗素子13−3とピエゾ抵抗素子13−4の抵抗値は(
シールド電位が高電位であるときと比較して)変化(増加)は小さい。
Next, regarding the detection of the X-axis acceleration in the first embodiment, the electrical influence due to the arrangement of the shield wiring 32 will be described with reference to Table 1.
As shown in Table 1, in the bridge circuit that detects X-axis acceleration, the potential of the shield wiring corresponding to the piezoresistive element 13-1 and the piezoresistive element 13-2 on the high potential side is high. Therefore, the resistance values of the piezoresistive element 13-1 and the piezoresistive element 13-2 change (increase) greatly (compared to when the potential of the shield wiring is zero potential). On the other hand, the potential of the shield wiring 32 corresponding to the piezoresistive element 13-3 and the piezoresistive element 13-4 on the low potential side is low. Therefore, the resistance values of the piezoresistive element 13-3 and the piezoresistive element 13-4 are (
The change (increase) is small (compared to when the shield potential is high).

前述の通り、X軸の加速度を検出するブリッジ回路において、加速度は高電位側ピエゾ
抵抗素子13−1と低電位側ピエゾ抵抗素子13−4の中間点の電位(中点A)と高電位
側ピエゾ抵抗素子13−2と低電位側ピエゾ抵抗素子13−3の中間点の電位(中点B)
との差で検出する。ピエゾ抵抗素子13−1とピエゾ抵抗素子13−4の中間点の電位(
中点A)は、ピエゾ抵抗素子13−1の抵抗がピエゾ抵抗素子13−4の抵抗に比べ増大
したため、電極パッド24−Vにおける入力電圧の半分よりも低下する。同時に、ピエゾ
抵抗素子13−2とピエゾ抵抗素子13−3の中間点の電位(中点B)は、ピエゾ抵抗素
子13−2の抵抗がピエゾ抵抗素子13−3の抵抗に比べ増大したため、電極パッド24
−V入力電圧の半分よりも低下する。しかしながら、これらの変化率は共通であるので、
ピエゾ抵抗素子13−1とピエゾ抵抗素子13−4の中間点の電位(中点A)と、ピエゾ
抵抗素子13−2とピエゾ抵抗素子13−3の中間点の電位(中点B)の差、即ち出力は
ゼロを保つことが出来る(中点A=中点B)。表1において、Xの1,2,3,4は13
−1,13−2,13−3,13−4に相当し、Zの1,2,3,4は15−1,15−
2,15−3,15−4に相当する。
As described above, in the bridge circuit that detects the X-axis acceleration, the acceleration is the potential between the high potential side piezoresistive element 13-1 and the low potential side piezoresistive element 13-4 (middle point A) and the high potential side. Potential at the midpoint between the piezoresistive element 13-2 and the low potential side piezoresistive element 13-3 (middle point B)
It is detected by the difference between Potential at the midpoint between the piezoresistive element 13-1 and the piezoresistive element 13-4 (
The middle point A) is lower than half of the input voltage at the electrode pad 24-V because the resistance of the piezoresistive element 13-1 is increased as compared with the resistance of the piezoresistive element 13-4. At the same time, the potential of the intermediate point between the piezoresistive element 13-2 and the piezoresistive element 13-3 (middle point B) is such that the resistance of the piezoresistive element 13-2 increases compared to the resistance of the piezoresistive element 13-3. Pad 24
-V drops below half of the input voltage. However, since these rates of change are common,
The difference between the potential at the midpoint between the piezoresistive element 13-1 and the piezoresistive element 13-4 (midpoint A) and the potential at the midpoint between the piezoresistive element 13-2 and the piezoresistive element 13-3 (midpoint B) That is, the output can be kept at zero (middle point A = middle point B). In Table 1, X of 1, 2, 3, 4 is 13
-1, 13-2, 13-3, 13-4, Z 1, 2, 3, 4 are 15-1, 15-
2, 15-3, 15-4.

図8(a)、(b)および表1に示した通り、Y軸加速度の検出については、X軸加速
度検出と初期回路構成およびシールド配線32の効果が同じである。よってY軸加速度の
検出における説明は、前述のX軸加速度検出における説明と同じであるので詳細説明は省
略する。
As shown in FIGS. 8A and 8B and Table 1, the detection of the Y-axis acceleration has the same effects as the X-axis acceleration detection, the initial circuit configuration, and the shield wiring 32. Therefore, the description for detecting the Y-axis acceleration is the same as the description for detecting the X-axis acceleration described above, and a detailed description thereof will be omitted.

次に、Z軸加速度の検出についての理想状態について説明する。
Z軸の加速度を検出するブリッジ回路において、加速度は高電位側ピエゾ抵抗素子15
−1と低電位側ピエゾ抵抗素子15−3の中間点の電位(中点A)と高電位側ピエゾ抵抗
素子15−2と低電位側ピエゾ抵抗素子15−4の中間点の電位(中点B)との差で検出
する。各ピエゾ抵抗素子の抵抗値は共通としたので、理想的には、あるいは初期設計的に
は、ピエゾ抵抗素子15−1とピエゾ抵抗素子15−3の中間点の電位(中点A)は電極
パッド24−Vにおける入力電圧の半分の値となり、ピエゾ抵抗素子15−2とピエゾ抵
抗素子15−4の中間点の電位(中点B)も電極パッド24−Vにおける入力電圧の半分
の値となるので、両者の差、即ち出力はゼロとなる。
Next, an ideal state for detection of Z-axis acceleration will be described.
In the bridge circuit that detects the Z-axis acceleration, the acceleration is the high potential side piezoresistive element 15.
-1 and the low potential side piezoresistive element 15-3 (midpoint A) and the intermediate potential between the high potential piezoresistive element 15-2 and low potential piezoresistive element 15-4 (midpoint) Detection is based on the difference from B). Since the resistance values of the piezoresistive elements are common, ideally or in the initial design, the potential (middle point A) between the piezoresistive elements 15-1 and 15-3 is the electrode. The value is half the input voltage at the pad 24-V, and the potential (middle point B) between the piezoresistive element 15-2 and the piezoresistive element 15-4 is also half the value of the input voltage at the electrode pad 24-V. Therefore, the difference between them, that is, the output is zero.

次に実施例1におけるZ軸加速度の検出について、シールド配線32を配置したことに
よる電気的な影響を表1をふまえて説明する。
表1に示した通り、Z軸の加速度を検出するブリッジ回路において、高電位側ピエゾ抵
抗素子15−1と低電位側ピエゾ抵抗素子15−2を構成する各2個のピエゾ抵抗素子に
対応するシールド配線の電位はピエゾ抵抗素子15−1a及び15−2aに対しては高電
位であり、ピエゾ抵抗素子15−1b及び15−2bに対しては入力電圧の中間の電位で
ある。従って、ピエゾ抵抗素子15−1とピエゾ抵抗素子15−2の抵抗値は(シールド
電位がゼロ電位であるときと比較して)やや大きく変化(増加)する。
Next, regarding the detection of the Z-axis acceleration in the first embodiment, the electrical influence due to the arrangement of the shield wiring 32 will be described based on Table 1.
As shown in Table 1, the bridge circuit for detecting the Z-axis acceleration corresponds to each of the two piezoresistive elements constituting the high potential side piezoresistive element 15-1 and the low potential side piezoresistive element 15-2. The potential of the shield wiring is a high potential for the piezoresistive elements 15-1a and 15-2a, and is an intermediate potential of the input voltage for the piezoresistive elements 15-1b and 15-2b. Accordingly, the resistance values of the piezoresistive element 15-1 and the piezoresistive element 15-2 change (increase) somewhat greatly (compared to when the shield potential is zero).

一方、ピエゾ抵抗素子15−3と低電位側ピエゾ抵抗素子15−4に対応するシールド
配線の電位はピエゾ抵抗素子15−3a及び15−4aに対しては入力電圧の中間の電位
であり、ピエゾ抵抗素子15−3b及び15−4bに対しては低電位である。
従って、ピエゾ抵抗素子15−3とピエゾ抵抗素子15−4の抵抗値は(シールド電位
が高電位であるときと比較して)変化(増加)はやや小さい。
On the other hand, the potential of the shield wiring corresponding to the piezoresistive element 15-3 and the low potential side piezoresistive element 15-4 is an intermediate potential between the input voltages for the piezoresistive elements 15-3a and 15-4a. The resistance elements 15-3b and 15-4b are at a low potential.
Accordingly, the change (increase) in the resistance values of the piezoresistive elements 15-3 and 15-4 is slightly smaller (compared to when the shield potential is high).

前述の通り、Z軸の加速度を検出するブリッジ回路において、加速度は高電位側ピエゾ
抵抗素子15−1と低電位側ピエゾ抵抗素子15−3の中間点の電位(中点A)と高電位
側ピエゾ抵抗素子15−2と低電位側ピエゾ抵抗素子15−4の中間点の電位(中点B)
との差で検出する。ピエゾ抵抗素子15−1とピエゾ抵抗素子15−3の中間点の電位(
中点A)は、ピエゾ抵抗素子15−1の抵抗がピエゾ抵抗素子15−3の抵抗に比べ増大
したため、入力電圧の半分よりも低下する。同時に、ピエゾ抵抗素子15−2とピエゾ抵
抗素子15−4の中間点の電位は、ピエゾ抵抗素子15−2の抵抗がピエゾ抵抗素子15
−4の抵抗に比べ増大したため、電極パッド24−Vにおける入力電圧の半分よりも低下
する。しかしながら、これらの変化率は共通であるので、ピエゾ抵抗素子15−1とピエ
ゾ抵抗素子15−3の中間点の電位(中点A)と、ピエゾ抵抗素子15−2とピエゾ抵抗
素子15−4の中間点の電位(中点B)の差、即ち出力はゼロを保つことが出来る(中点
A=中点B)。
As described above, in the bridge circuit that detects the Z-axis acceleration, the acceleration is the potential at the midpoint between the high potential side piezoresistive element 15-1 and the low potential side piezoresistive element 15-3 (middle point A) and the high potential side. Potential at the midpoint between the piezoresistive element 15-2 and the low potential side piezoresistive element 15-4 (middle point B)
It is detected by the difference between Potential at the midpoint between the piezoresistive element 15-1 and the piezoresistive element 15-3 (
The middle point A) is lower than half of the input voltage because the resistance of the piezoresistive element 15-1 is increased compared to the resistance of the piezoresistive element 15-3. At the same time, the potential of the intermediate point between the piezoresistive element 15-2 and the piezoresistive element 15-4 is the same as that of the piezoresistive element 15-2.
Since the resistance is increased compared to −4, the voltage is lower than half of the input voltage at the electrode pad 24-V. However, since these rates of change are common, the potential (middle point A) between the piezoresistive element 15-1 and the piezoresistive element 15-3, the piezoresistive element 15-2, and the piezoresistive element 15-4. The difference between the potentials of the intermediate points (midpoint B), that is, the output can be kept at zero (midpoint A = midpoint B).

以上のことから、配置が容易な位置からシールド配線を配置したことで、シールド配線
32の電位がブリッジ回路内で異なることになっても(本発明の配線構成とすることで)
、出力の変動を回避できる。この結果、配線数を増大させることなく、電気的な不安定性
を回避できるので、機械的にも電気的にも安定で小型化に適した加速度センサーを実現で
きる。
From the above, even if the shield wiring is arranged from the position where the arrangement is easy, even if the potential of the shield wiring 32 is different in the bridge circuit (by using the wiring configuration of the present invention).
, Fluctuations in output can be avoided. As a result, since electrical instability can be avoided without increasing the number of wires, an acceleration sensor that is mechanically and electrically stable and suitable for downsizing can be realized.

なお表1に示したシールド配線の電位配置は一例であり、ブリッジ回路バランスを崩さ
ない範囲で(即ちブリッジ回路内の2経路において高電位側のピエゾ抵抗素子に対するシ
ールド配線の電位が同じ構成で、かつ低電位側のピエゾ抵抗素子に対するシールド配線の
電位が同じ構成である範囲で)、他の組み合わせ配置としても良い。また、本実施例にお
いては、ピエゾ抵抗素子と該ピエゾ抵抗素子上に配置するシールド配線は同じブリッジ回
路内のピエゾ抵抗素子と金属配線とした。これらは別のブリッジ回路にまたがる構成でも
良い。例えばX軸検出用のピエゾ抵抗素子をY軸検出用の金属配線をシールド配線として
も良い。ただし設計変更の自由度を確保するには、同一回路内で閉じた構成とすることが
望ましい。例えば、3軸加速度センサーから2軸加速度センサーにスケールダウンする場
合、ピエゾ抵抗素子と該ピエゾ抵抗素子に対するシールド配線が異なる回路内であれば、
不要なシールド配線を残す必要が生じ得る。このことは機械的不安定化を引き起こし得る
Note that the potential arrangement of the shield wiring shown in Table 1 is an example, and the potential of the shield wiring with respect to the piezoresistive element on the high potential side in the two paths in the bridge circuit is the same as long as the bridge circuit balance is not lost. Further, other combinations may be employed as long as the potential of the shield wiring with respect to the piezoresistive element on the low potential side is the same. In this embodiment, the piezoresistive element and the shield wiring disposed on the piezoresistive element are the piezoresistive element and the metal wiring in the same bridge circuit. These may be configured to extend over another bridge circuit. For example, the X-axis detection piezoresistive element may be used as the Y-axis detection metal wiring as the shield wiring. However, in order to ensure the degree of freedom of design change, it is desirable that the configuration be closed in the same circuit. For example, when scaling down from a 3-axis acceleration sensor to a 2-axis acceleration sensor, if the piezoresistive element and the shield wiring for the piezoresistive element are in different circuits,
It may be necessary to leave unnecessary shield wiring. This can cause mechanical instability.

Figure 2010185781
Figure 2010185781

図10から12によって、本発明の実施例1と比較例1の違いを説明する。図10から
12に示した配線において実線は高電位(入力電圧電位)の配線、破線は非高電位(低電
位、中間電位)の配線を示す。
The difference between Example 1 of the present invention and Comparative Example 1 will be described with reference to FIGS. In the wirings shown in FIGS. 10 to 12, a solid line indicates a high potential (input voltage potential) wiring, and a broken line indicates a non-high potential (low potential, intermediate potential) wiring.

図10は本発明の実施例1におけるピエゾ抵抗素子付近の配線図および断面図である。
実施例1においては、各ピエゾ抵抗素子位置において配線数は4本であり、梁の中央部に
おいては配線数は3本である。
FIG. 10 is a wiring diagram and a cross-sectional view in the vicinity of the piezoresistive element in Example 1 of the present invention.
In the first embodiment, the number of wires is four at each piezoresistive element position, and the number of wires is three at the center of the beam.

(比較例1)
図11、12は比較例1におけるピエゾ抵抗素子付近の配線図および断面図である。比
較例1はシールド電位を高電位で固定した例である。全てのシールド電位が共通であるの
で、各ピエゾ抵抗素子の抵抗変化も共通であり、電気的な要因での出力変化は生じない。
このことを表1(b)に示した。しかしながら、図11、12に示したとおり、該比較例
1においては、ピエゾ抵抗素子位置において配線数は5本(A1−A1’、A2−A2’
)または7本(A3−A3’、A4−A4’)となった。さらに梁の中央部においては、
3本(A1−A1’とA2−A2’の間)または4本(A3−A3’とA4−A4’の間
)となった。このようにシールド電位を固定した場合、特定のピエゾ抵抗素子付近におい
て、比較例1においては低電位の配線が配置されたピエゾ抵抗素子(A3−A3’やA4
−A4’付近のピエゾ抵抗素子)付近において、配線数が増大することが避けられない。
このことは機械的不安定性の要因になるとともに、配線取り回しのスペース確保が困難に
なることで、小型化の障害になる。
(Comparative Example 1)
11 and 12 are a wiring diagram and a cross-sectional view in the vicinity of the piezoresistive element in the first comparative example. Comparative Example 1 is an example in which the shield potential is fixed at a high potential. Since all shield potentials are common, the resistance change of each piezoresistive element is also common, and the output change due to electrical factors does not occur.
This is shown in Table 1 (b). However, as shown in FIGS. 11 and 12, in the comparative example 1, the number of wirings is 5 (A1-A1 ′, A2-A2 ′) at the position of the piezoresistive element.
) Or 7 (A3-A3 ′, A4-A4 ′). In the center of the beam,
There were 3 (between A1-A1 ′ and A2-A2 ′) or 4 (between A3-A3 ′ and A4-A4 ′). When the shield potential is fixed in this way, a piezoresistive element (A3-A3 ′ or A4) in which a low-potential wiring is arranged in the comparative example 1 near a specific piezoresistive element.
It is inevitable that the number of wires increases in the vicinity of the piezoresistive element in the vicinity of -A4 '.
This becomes a factor of mechanical instability, and it becomes difficult to secure a space for wiring, which becomes an obstacle to miniaturization.

なお、電極パッド24−Vにおける入力電圧が一定であれば、中点Aと中点Bの電位差
を初期オフセット値として補正することが可能である。つまり、シールド配線電位のバラ
ンスが取れていない。しかしながら、使用者の都合に合わせて電極パッド24−Vにおけ
る入力電圧はある電圧範囲、例えば2.5から5Vの範囲、で任意に設定可能であること
が望まれる。この場合、中点Aと中点Bの電位差は入力電圧に依存して変化するので、一
定の値で補正することができない。従って実施例で開示した様に、シールド配線電位のバ
ランスを取ることが必要となる。
If the input voltage at the electrode pad 24-V is constant, the potential difference between the midpoint A and the midpoint B can be corrected as the initial offset value. That is, the shield wiring potential is not balanced. However, it is desirable that the input voltage at the electrode pad 24-V can be arbitrarily set within a certain voltage range, for example, a range of 2.5 to 5V in accordance with the convenience of the user. In this case, since the potential difference between the midpoint A and the midpoint B changes depending on the input voltage, it cannot be corrected with a constant value. Therefore, as disclosed in the embodiments, it is necessary to balance the shield wiring potential.

図1において、X、Y、Z各軸の加速度を検出するブリッジ回路は、高電位側(入力電
圧側)の電極パッド24−V、および低電位側の電極パッド24−Gを共通化した。該共
通化は加速度センサー素子の小型化に寄与する。
In FIG. 1, the bridge circuit for detecting the acceleration of each axis of X, Y, and Z shares the electrode pad 24-V on the high potential side (input voltage side) and the electrode pad 24-G on the low potential side. The common use contributes to miniaturization of the acceleration sensor element.

また保護層37として窒化珪素膜(Si)を用いた。これによりSiのウェット
エッチング加工に用いる水酸化カリウム(KOH)などの薬品に対する耐性に優れた構造
とすることが出来た。一般には窒化珪素膜(Si)は帯電し易いと言われており、
ブリッジ回路への電気的ノイズ源となることが懸念されるが、本発明のシールド配線を用
いることで帯電の影響を回避できた。また、金属配線31の抵抗を考慮したブリッジ回路
構成とすることが望ましい。
A silicon nitride film (Si 3 N 4 ) was used as the protective layer 37. As a result, a structure with excellent resistance to chemicals such as potassium hydroxide (KOH) used for wet etching of Si was obtained. In general, it is said that a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) is easily charged,
Although there is a concern that it may become an electrical noise source for the bridge circuit, the influence of charging can be avoided by using the shield wiring of the present invention. Further, it is desirable to adopt a bridge circuit configuration in consideration of the resistance of the metal wiring 31.

また実施例では梁は直梁としたが、例えば、非直線形状の梁形状(梁部に応力緩衝部4
0を持つ梁形状)の加速度センサー素子に対しても適用可能である。図26に金属配線を
例示した。
In the embodiment, the beam is a straight beam. However, for example, a non-linear beam shape (a stress buffering portion 4 on the beam portion) is used.
The present invention can also be applied to an acceleration sensor element having a beam shape having zero. FIG. 26 illustrates metal wiring.

(実施例2)
図13に実施例2の加速度センサー素子9の平面図を示した。該加速度センサー素子9
は実施例1の加速度センサー素子と配線構造のみが異なる。従って、該加速度センサー素
子を用いた加速度センサーは図19、20あるいは図21〜25に示した形状とすること
ができる。
図14〜16に実施例2における3軸加速度センサー内ブリッジ回路を軸ごとに分割し
て示す。実際の加速度センサーにおいては、これら3つの回路が、短絡無きよう適宜立体
交差して、同一面内に配置されている。
本実施例の電気的な特性については実施例1と同様であるので表1への記載は省略し、
その説明も省略する。
実施例2においては、各ピエゾ抵抗素子位置において配線数は4本であり実施例1を同
様であるが、梁の中央部においては配線数は2本であり、機械的な特性の安定性は実施例
1よりも高い。
(Example 2)
FIG. 13 shows a plan view of the acceleration sensor element 9 of the second embodiment. The acceleration sensor element 9
Is different from the acceleration sensor element of the first embodiment only in the wiring structure. Therefore, an acceleration sensor using the acceleration sensor element can have the shape shown in FIGS. 19 and 20 or FIGS.
14 to 16 show the triaxial acceleration sensor internal bridge circuit according to the second embodiment divided for each axis. In an actual acceleration sensor, these three circuits are arranged in the same plane so as to intersect with each other as appropriate so as not to cause a short circuit.
Since the electrical characteristics of this example are the same as those of Example 1, the description in Table 1 is omitted.
The description is also omitted.
In the second embodiment, the number of wires is four at each piezoresistive element position, which is the same as in the first embodiment. However, the number of wires is two at the center of the beam, and the stability of the mechanical characteristics is as follows. It is higher than Example 1.

(比較例2)
図17、18に比較例2を示した。比較例2については実施例2の加速度センサー素子
9と一部の配線を除いて共通である。従って、機械的な安定性は実施例2と同等である。
ただし、ピエゾ抵抗素子14−1b、14−2a、14−4a、14−4bの上には、金
属配線から突出させた部分がシールドとして延長されているが、実施例のシールド配線の
ように電流の流路となってブリッジ回路の一部を構成するものではない。
表1(c)に比較例2の電気的特性について示した。表1(c)に示すとおり、比較例
においては、Y軸加速度検出のブリッジ回路内において、シールド電位のバランスが確保
されていないので、中点Aと中点Bとの電位差が生じる。即ち、比較例2の配線構成にお
いては、電気的な安定性が確保できない。
(Comparative Example 2)
17 and 18 show Comparative Example 2. Comparative Example 2 is common to the acceleration sensor element 9 of Example 2 except for some wiring. Therefore, the mechanical stability is equivalent to that of Example 2.
However, on the piezoresistive elements 14-1b, 14-2a, 14-4a, and 14-4b, the portion protruding from the metal wiring is extended as a shield. It does not constitute a part of the bridge circuit.
Table 1 (c) shows the electrical characteristics of Comparative Example 2. As shown in Table 1 (c), in the comparative example, since the balance of the shield potential is not ensured in the bridge circuit for Y-axis acceleration detection, a potential difference between the midpoint A and the midpoint B occurs. That is, in the wiring configuration of Comparative Example 2, electrical stability cannot be ensured.

なお、実施例や比較例の構成は、組成分析や赤外線透過等の観察手段によるピエゾ抵抗
素子位置の確認、ウェハ断面観察によるピエゾ抵抗素子と配線の位置関係の確認、回路パ
ターンの確認よるピエゾ抵抗素子上に位置するシールドのブリッジ回路内の位置付けの判
定、によって容易に確認できる。
The configuration of the example and the comparative example is that the piezoresistive element position is confirmed by observation means such as composition analysis and infrared transmission, the positional relation between the piezoresistive element and the wiring is confirmed by observing the wafer cross section, and the piezoresistor is confirmed by checking the circuit pattern. This can be easily confirmed by determining the positioning of the shield located on the element in the bridge circuit.

実施例1の加速度センサー素子の構造を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the acceleration sensor element of Example 1. FIG. 実施例1の図1のh−h’断面を示す断面図(a)と、加速度センサー素子の平面図(b)である。FIG. 2 is a cross-sectional view (a) showing a h-h ′ cross-section of FIG. 1 according to the first embodiment and a plan view (b) of an acceleration sensor element. 本発明のピエゾ抵抗素子周辺を示す平面図、一部拡大した平面図、および断面斜視図である。1 is a plan view showing the periphery of a piezoresistive element of the present invention, a partially enlarged plan view, and a cross-sectional perspective view. 実施例1の加速度センサー素子のX軸加速度検出のブリッジ回路を抽出した図である。It is the figure which extracted the bridge circuit of the X-axis acceleration detection of the acceleration sensor element of Example 1. FIG. 実施例1の加速度センサー素子のY軸加速度検出のブリッジ回路を抽出した図である。It is the figure which extracted the bridge circuit of the Y-axis acceleration detection of the acceleration sensor element of Example 1. FIG. 実施例1の加速度センサー素子のZ軸加速度検出のブリッジ回路を抽出した図である。It is the figure which extracted the bridge circuit of the Z-axis acceleration detection of the acceleration sensor element of Example 1. FIG. 本発明の加速度センサー素子のX軸加速度検出のブリッジ回路の回路図と動作モードを示す一部断面図である。It is a partial cross section figure which shows the circuit diagram and operation mode of the bridge circuit of the X-axis acceleration detection of the acceleration sensor element of this invention. 本発明の加速度センサー素子のY軸加速度検出のブリッジ回路の回路図と動作モードを示す一部断面図である。It is a partial cross section figure which shows the circuit diagram and operation mode of the bridge circuit of the Y-axis acceleration detection of the acceleration sensor element of this invention. 本発明の加速度センサー素子のZ軸加速度検出のブリッジ回路の回路図と動作モードを示す一部断面図である。It is a partial cross section figure which shows the circuit diagram and operation mode of the bridge circuit of the Z-axis acceleration detection of the acceleration sensor element of this invention. 実施例1の加速度センサー素子のピエゾ抵抗素子近辺を抽出した図(a)および断面図(b)である。FIG. 2A is a diagram illustrating a vicinity of a piezoresistive element of the acceleration sensor element according to the first embodiment, and FIG. 比較例1の加速度センサー素子のピエゾ抵抗素子近辺を抽出した図(a)および断面図(b)である。FIG. 5A is a diagram illustrating a vicinity of a piezoresistive element of the acceleration sensor element of Comparative Example 1, and FIG. 比較例1の加速度センサー素子のピエゾ抵抗素子近辺を抽出した図(a)および断面図(b)である。FIG. 5A is a diagram illustrating a vicinity of a piezoresistive element of the acceleration sensor element of Comparative Example 1, and FIG. 実施例2の加速度センサー素子の構造を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the acceleration sensor element of Example 2. FIG. 実施例2の加速度センサー素子のX軸加速度検出のブリッジ回路を抽出した図である。It is the figure which extracted the bridge circuit of the X-axis acceleration detection of the acceleration sensor element of Example 2. FIG. 実施例2の加速度センサー素子のY軸加速度検出のブリッジ回路を抽出した図である。It is the figure which extracted the bridge circuit of the Y-axis acceleration detection of the acceleration sensor element of Example 2. FIG. 実施例2の加速度センサー素子のZ軸加速度検出のブリッジ回路を抽出した図である。It is the figure which extracted the bridge circuit of the Z-axis acceleration detection of the acceleration sensor element of Example 2. FIG. 比較例2の加速度センサー素子の構造を示す平面図である。10 is a plan view showing a structure of an acceleration sensor element of Comparative Example 2. FIG. 比較例2の加速度センサー素子のY軸加速度検出のブリッジ回路を抽出した図である。It is the figure which extracted the bridge circuit of the Y-axis acceleration detection of the acceleration sensor element of the comparative example 2. 3軸加速度センサーの分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of a 3-axis acceleration sensor. 図19のh−h’断面図および加速度センサー素子の平面図である。FIG. 20 is a cross-sectional view taken along the line h-h ′ in FIG. 19 and a plan view of the acceleration sensor element. 3軸加速度センサーの加速度センサー素子の構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the acceleration sensor element of a 3-axis acceleration sensor. 3軸加速度センサーのMEMS組立体の構造(a)を示す分解斜視図(b)である。It is a disassembled perspective view (b) which shows the structure (a) of the MEMS assembly of a 3-axis acceleration sensor. 3軸加速度センサーの透過斜視図である。It is a transmission perspective view of a 3-axis acceleration sensor. 図23のA−A’の3軸加速度センサーの断面図である。FIG. 24 is a cross-sectional view of the three-axis acceleration sensor A-A ′ of FIG. 23. 図23のB−B’の3軸加速度センサーの断面図である。断面図である。FIG. 24 is a cross-sectional view of the B-B ′ triaxial acceleration sensor of FIG. 23. It is sectional drawing. 本発明の他のピエゾ抵抗素子の周辺を示す平面図である。It is a top view which shows the periphery of the other piezoresistive element of this invention.

1 ケース、
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 加速度センサー素子、
10 支持枠部、
11 錘部、
13 (13−1a〜13−4b) X軸加速度検出用ピエゾ抵抗素子、
14 (14−1a〜14−4b) Y軸加速度検出用ピエゾ抵抗素子、
15 (15−1a〜15−4b) Z軸加速度検出用ピエゾ抵抗素子、
16 接着材、
17 接着材、
20 加速度センサー、
21 MEMS組立体、
22 上キャップチップ、
23 下キャップチップ、
24,24´(24−V,24−G,) 電極パッド、
24−x,24−y,24−z 電極パッド、
25 検出用IC、
26a,26b,26c,26d リードフレーム、
27 ワイヤー、
29 モールド樹脂、
31 金属配線、
32 シールド配線、
33,33a,33b,33c,33d 梁部、
35 接合部、
36 第1の絶縁膜
37 第2の絶縁膜(保護層)、
38 高濃度拡散層配線、
40 応力緩衝部、
41 第1層、
42 第2層、
43 第1面、
44 第2面、
45 第3面、
50 空間部、
61a 上ダイアタッチフィルム、
61b 下ダイアタッチフィルム。
1 case,
3 Regulatory plate,
4 Chip terminal,
5 wires,
6 Case terminal,
7 External terminal
8 Case lid,
9 Acceleration sensor element,
10 Support frame,
11 weight,
13 (13-1a to 13-4b) X-axis acceleration detecting piezoresistive element,
14 (14-1a to 14-4b) Y-axis acceleration detecting piezoresistive element,
15 (15-1a to 15-4b) Z-axis acceleration detecting piezoresistive element,
16 Adhesive,
17 Adhesive,
20 Accelerometer,
21 MEMS assembly,
22 Upper cap tip,
23 Lower cap tip,
24, 24 '(24-V, 24-G,) electrode pad,
24-x, 24-y, 24-z electrode pads,
25 IC for detection,
26a, 26b, 26c, 26d lead frame,
27 wires,
29 Mold resin,
31 metal wiring,
32 Shield wiring,
33, 33a, 33b, 33c, 33d Beam part,
35 joints,
36 1st insulating film 37 2nd insulating film (protective layer),
38 High concentration diffusion layer wiring,
40 stress buffer,
41 1st layer,
42 second layer,
43 First side,
44 Second side,
45 Third side,
50 space part,
61a Upper die attach film,
61b Lower die attach film.

Claims (7)

枠部と、可撓部と、前記可撓部を介して枠部に保持される錘部を有し、
可撓部に設けられたピエゾ抵抗素子と枠部に設けられたチップ端子の接続に用いる金属
配線および高濃度拡散層を有し、
直交する3つの加速度検出軸毎に、前記ピエゾ抵抗素子と金属配線と高濃度拡散層で構
成されるブリッジ回路を有する加速度センサーあって、
ピエゾ抵抗素子上に絶縁膜を介してシールド配線が配置されており、前記シールド配線
は前記金属配線の一部としてブリッジ回路の一部を構成していることを特徴とする加速度
センサー。
A frame portion, a flexible portion, and a weight portion held by the frame portion via the flexible portion;
It has metal wiring and high-concentration diffusion layers used for connecting the piezoresistive element provided in the flexible part and the chip terminal provided in the frame part,
An acceleration sensor having a bridge circuit composed of the piezoresistive element, metal wiring, and high-concentration diffusion layer for each of three orthogonal acceleration detection axes,
An acceleration sensor, wherein a shield wiring is disposed on a piezoresistive element via an insulating film, and the shield wiring forms a part of a bridge circuit as a part of the metal wiring.
前記ブリッジ回路内において、前記シールド配線の電位が、ブリッジ回路内の最高電位
、最低電位または両者の中間の電位のいずれか2つ以上の電位である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 acceleration according to claim 1, wherein the potential of the shield wiring in the bridge circuit is any two or more of a maximum potential, a minimum potential, or an intermediate potential between the two in the bridge circuit. sensor.
前記ブリッジ回路は4組のピエゾ抵抗素子で構成され、
高電位側の2組のピエゾ抵抗素子に対応するシールド配線の電位の組み合わせが、前記
高電位側ピエゾ抵抗素子同士で同じであり、
低電位側の2組のピエゾ抵抗素子に対応するシールド配線の電位の組み合わせが、前記
低電位側ピエゾ抵抗素子同士で同じであることを特徴とする請求項1または2に記載の加
速度センサー。
The bridge circuit is composed of four sets of piezoresistive elements,
The combination of the potentials of the shield wiring corresponding to the two sets of high-potential side piezoresistive elements is the same between the high-potential side piezoresistive elements,
3. The acceleration sensor according to claim 1, wherein the combination of the potentials of the shield wiring corresponding to the two sets of piezoresistive elements on the low potential side is the same between the low potential side piezoresistive elements.
前記梁部を通過する金属配線が、全ての梁部で同じ本数であることを特徴とする請求項
1乃至3のいずれかに記載の加速度センサー。
The acceleration sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the number of metal wirings passing through the beam portion is the same in all the beam portions.
前記梁部を通過する金属配線が、全ての梁部で3本であることを特徴とする請求項1乃
至3のいずれかに記載の加速度センサー。
The acceleration sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the number of metal wirings passing through the beam portion is three in all the beam portions.
局所的な貫通孔を除いて、前記金属配線は絶縁膜で保護されており、前記絶縁膜が窒化
珪素膜であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の加速度センサー。
The acceleration sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the metal wiring is protected by an insulating film except for a local through hole, and the insulating film is a silicon nitride film.
前記ブリッジ回路は、高電位側のチップ端子及び低電位側チップ端子の少なくとも一方
を異なるブリッジ回路同士で共有していることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに
記載の加速度センサー。
4. The acceleration sensor according to claim 1, wherein the bridge circuit shares at least one of a high potential side chip terminal and a low potential side chip terminal between different bridge circuits.
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