JP2000187040A - 加速度センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】良好な特性を有する加速度センサを提供する。 【解決手段】センサチップ１は、シリコン基板１０の中
央部に重り部２が形成され、シリコン基板１０の主表面
側に一端が重り部２に一体連結された４つの短冊状の撓
み部３が形成され、シリコン基板１０の外周部に撓み部
３の他端が一体連結され撓み部３により重り部２を揺動
自在に支持する矩形枠状の支持部４が形成され、各撓み
部３にピエゾ抵抗（図示せず）が形成されている。セン
サチップ１の支持部４の主表面および裏面に、それぞれ
複数の断面Ｖ字状の切込み溝６ａ，６ｂが支持部４の周
方向に沿って離間して形成されている。要するに、支持
部４において、該支持部４に接合される他の部材との接
合面に、それぞれ複数の切込み溝６ａ，６ｂが形成され
ている。各切込み溝６ａ，６ｂがそれぞれ応力緩和部を
構成している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車、航空機、
家電製品などに用いられる加速度センサに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来より、加速度センサとして、単結晶
のシリコン基板などの半導体基板の中央部に重り部が形
成され、半導体基板の主表面側に一端が重り部に一体連
結された撓み部が形成され、半導体基板の外周部に撓み
部の他端が一体連結され撓み部により重り部を揺動自在
に支持する支持部が形成され、撓み部にピエゾ抵抗が形
成された加速度センサが提供されている。ここにおい
て、この種の加速度センサでは、ピエゾ抵抗の配置を工
夫することにより多軸（例えば３軸）方向の加速度を独
立して検出することができる加速度センサも提案されて
いる（例えば、特開昭６３−１６９０７８号公報および
特開平６−３３１６４６号公報参照）。

【０００３】３軸方向の加速度を独立して検出すること
ができる加速度センサ（以下、３軸加速度センサと称
す）は、例えば図５および図６に示すように、シリコン
基板１０の中央部に重り部２が形成され、シリコン基板
１０の主表面側に一端が重り部２に一体連結された４つ
の短冊状の撓み部３が形成され、シリコン基板１０の外
周部に撓み部３の他端が一体連結され撓み部３により重
り部２を揺動自在に支持する矩形枠状の支持部４が形成
され、各撓み部３にピエゾ抵抗（図示せず）が形成され
たセンサチップ１と、センサチップ１の上下（図６にお
ける上下）に陽極接合により外周部が接合された上部キ
ャップ１５および下部キャップ２０とを備えている。な
お、重り部２と撓み部３との連結部位の周囲には撓み部
３と重り部２との間を分離する溝５が形成されている。

【０００４】ところで、各キャップ１５，２０には、シ
リコン基板１に熱膨張率が近く耐熱性および電気絶縁性
に優れたガラス（例えば、パイレックスガラス：商品
名）が用いられる。また、図５および図６中の１１は、
シリコン基板１の主表面側のシリコンエピタキシャル層
を示し、該シリコンエピタキシャル層１１の一部が上記
撓み部３を構成している。

【０００５】なお、上記ピエゾ抵抗は、各撓み部３の前
記他端側の中央部に図５に示すｚ軸方向の加速度を検出
するためのピエゾ抵抗がそれぞれ形成され、前記一端側
の幅方向の両側に図５に示すｘ軸方向またはｙ軸方向の
加速度を検出するためのピエゾ抵抗がそれぞれ形成され
ている。また、上部キャップ１５および下部キャップ２
０それぞれのセンサチップ１に対向する面には、重り部
２の揺動空間を確保するとともに揺動範囲を規制する凹
所１５ａ，２０ａそれぞれが形成されている。

【０００６】ところで、上述の加速度センサは、半導体
プロセスを利用してセンサチップ１を製造することがで
き、従来の機械式の加速度センサに比べ、小型化、高感
度化、低コスト化を図ることができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来構成の加速度センサでは、センサチップ１と各キャッ
プ１５，２０あるいはパッケージとの間に応力が発生
し、センサチップ１が歪んでしまい、良好な加速度セン
サの特性を得ることが難しいという不具合があった。

【０００８】例えば、図５および図６に示す加速度セン
サでは、上部キャップ１５および下部キャップ２０それ
ぞれを陽極接合によってセンサチップ１の支持部４に接
合する際に４００℃程度の高温で接合するので、室温ま
で降温した時、各キャップ１５，２０とシリコン基板と
の熱膨張率の違いおよび接合自体での応力により、図６
に示す矢印Ｅ１，Ｅ２の向きに応力が働いてセンサチッ
プ１に歪みが生じ、感度などに影響するという不具合が
あった。

【０００９】本発明は上記事由に鑑みて為されたもので
あり、その目的は、良好な特性を有する加速度センサを
提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、上記
目的を達成するために、基板の中央部に重り部が形成さ
れ、基板の主表面側に一端が重り部に一体連結された撓
み部が形成され、基板の外周部に撓み部の他端が一体連
結され撓み部により重り部を揺動自在に支持する支持部
が形成され、撓み部にピエゾ抵抗が形成され、支持部に
は、該支持部に接合される他の部材との接合面に、前記
接合に伴う応力を緩和する応力緩和部が形成されて成る
ことを特徴とするものであり、応力緩和部が形成されて
いることにより、支持部に他の部材を接合したことによ
るセンサチップの歪を低減することができ、良好な特性
を得ることができる。

【００１１】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記応力緩和部は、支持部の前記接合面において周
方向に沿って離間して形成された複数の切込み溝より成
るので、特に支持部の周方向に沿う方向のセンサチップ
の歪を低減することができる。

【００１２】請求項３の発明は、請求項１の発明におい
て、前記応力緩和部は、支持部の前記接合面において重
り部を全周にわたって囲むように形成された切込み溝よ
り成るので、特に支持部の接合面において周方向に直交
する方向の歪を低減することができる。

【００１３】請求項４の発明は、請求項１の発明におい
て、前記基板は、単結晶シリコンよりなり、前記応力緩
和部は、前記支持部内に形成された多孔質シリコン層よ
り成るので、多孔質シリコンのヤング率が単結晶シリコ
ンのヤング率に比べて小さいことにより、センサチップ
の歪を低減することができる。

【００１４】請求項５の発明は、請求項２または請求項
３の発明において、前記応力緩和部は、前記切込み溝の
底部に連通する空洞が形成されているので、空洞が形成
されていることにより、支持部に他の部材を接合したこ
とによるセンサチップの歪を更に低減することができ
る。

【００１５】請求項６の発明は、請求項５記載の加速度
センサの製造方法であって、基板として半導体基板を用
い、前記空洞を形成するにあたって、前記空洞を形成す
る部位に高濃度不純物層よりなる犠牲層を形成し、支持
部に前記切込み溝を形成した後に、前記切込み溝を通し
て前記犠牲層をエッチングすることにより前記空洞を形
成することを特徴とし、半導体プロセスを利用して半導
体基板に空洞を形成することができ、支持部に他の部材
を接合したことによるセンサチップの歪を低減可能な加
速度センサを提供することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】（実施形態１）本実施形態の加速
度センサの基本構成は図５に示した従来構成と略同じで
あって、図１に示すように、センサチップ１の支持部４
の主表面（図１（ｃ）における上面）および裏面（図１
（ｃ）における下面）に、それぞれ複数の断面Ｖ字状の
切込み溝６ａ，６ｂが形成されている点に特徴がある。
要するに、支持部４において、該支持部４に接合される
他の部材である上部キャップ１５（図６参照）および下
部キャップ２０（図６参照）との接合面に、それぞれ複
数の切込み溝６ａ，６ｂが形成されている。ここにおい
て、各複数の切込み溝６ａ，６ｂはそれぞれ、支持部４
の各接合面において周方向に沿って離間して形成されて
いる。また、各切込み溝６ａ，６ｂは、従来構成で説明
したｘ軸方向の撓み部３に平行に形成されるものと、ｙ
軸方向の撓み部３に平行に形成されるものとがあり、い
ずれも各切込み溝６ａ，６ｂの長手方向の一端部は支持
部４の側端面に達するように形成されている。本実施形
態では、各切込み溝６ａ，６ｂがそれぞれ応力緩和部を
構成している。なお、図５に示した従来構成と同様の構
成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

【００１７】しかして、本実施形態では、支持部４の各
接合面にそれぞれ応力緩和部たる切込み溝６ａ，６ｂが
形成されていることにより、例えば上述の上部キャップ
１５および下部キャップ２０を支持部４に陽極接合によ
って接合しても、センサチップ１の歪を低減することが
でき、良好な特性を得ることができる。特に本実施形態
では、各複数の切込み溝６ａ，６ｂがそれぞれ、支持部
４の各接合面において周方向に沿って離間して形成され
ているので、支持部４の周方向に沿う方向のセンサチッ
プ１の歪を低減することができる。

【００１８】次に、本実施形態の加速度センサの製造方
法について説明する。

【００１９】まず、面方位が（１００）の単結晶のシリ
コン基板１０の主表面側において溝５を形成する部位に
高濃度不純物層よりなる犠牲層を形成する。次に、エピ
タキシャル成長法により、犠牲層が形成されたシリコン
基板１０上にシリコンエピタキシャル層１１を成長し、
シリコンエピタキシャル層１１のうち撓み部３となる部
位の主表面側の適宜位置にピエゾ抵抗および拡散配線を
形成する。

【００２０】次に、ＫＯＨなどを用いた異方性エッチン
グにより、シリコン基板１０の裏面から重り部２を形成
するための掘り込み凹所１２を形成するとともに、上述
の切込み溝６ａ，６ｂを形成する。

【００２１】続いて、弗硝酸など（例えば、弗酸：硝
酸：酢酸＝１：３：８系溶液）によって上記犠牲層をエ
ッチングすることにより溝５を形成する。

【００２２】次に、アルミニウムなどよりなる配線を形
成し、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などによって
シリコンエピタキシャル層１１の不要部分をエッチング
することにより撓み部３を形成する。

【００２３】以上説明したように、本実施形態の加速度
センサのセンサチップ１は、半導体加工技術を利用して
製造される。

【００２４】（実施形態２）本実施形態の加速度センサ
の基本構成は図５に示した従来構成と略同じであって、
図２に示すように、センサチップ１の支持部４の主表面
（図２（ｂ）における上面）および裏面（図２（ｂ）に
おける下面）に、それぞれ断面Ｖ字状の切込み溝６ａ，
６ｂが形成されている点に特徴がある。要するに、支持
部４において、該支持部４に接合される他の部材である
上部キャップ１５（図６参照）および下部キャップ２０
（図６参照）との接合面に、それぞれ切込み溝６ａ，６
ｂが形成されている。ここにおいて、各切込み溝６ａ，
６ｂはそれぞれ、支持部４の各接合面において重り部２
を全周にわたって囲むように形成されている。なお、各
切込み溝６ａ，６ｂは、従来構成で説明したｘ軸方向の
撓み部３に平行に形成される部位と、ｙ軸方向の撓み部
３に平行に形成される部位とが連続的に形成されてい
る。本実施形態では、各切込み溝６ａ，６ｂがそれぞれ
応力緩和部を構成している。なお、図５に示した従来構
成と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略
する。

【００２５】しかして、本実施形態では、支持部４の各
接合面にそれぞれ応力緩和部たる切込み溝６ａ，６ｂが
形成されていることにより、例えば上述の上部キャップ
１５および下部キャップ２０を支持部４に陽極接合によ
って接合しても、センサチップ１の歪を低減することが
でき、良好な特性を得ることができる。特に本実施形態
では、各切込み溝６ａ，６ｂがそれぞれ、支持部４の各
接合面において重り部２を全周にわたって囲むように形
成されているので、支持部４の周方向に直交する方向の
センサチップ１の歪を低減することができる。

【００２６】次に、本実施形態の加速度センサの製造方
法について説明する。

【００２７】まず、面方位が（１００）の単結晶のシリ
コン基板１０の主表面側において溝５を形成する部位に
高濃度不純物層よりなる犠牲層を形成する。次に、エピ
タキシャル成長法により、犠牲層が形成されたシリコン
基板１０上にシリコンエピタキシャル層１１を成長し、
シリコンエピタキシャル層１１のうち撓み部３となる部
位の主表面側の適宜位置にピエゾ抵抗および拡散配線を
形成する。

【００２８】次に、ＫＯＨなどを用いた異方性エッチン
グにより、シリコン基板１０の裏面から重り部２を形成
するための掘り込み凹所１２を形成するとともに、上述
の切込み溝６ａ，６ｂを形成する。

【００２９】続いて、弗硝酸など（例えば、弗酸：硝
酸：酢酸＝１：３：８系溶液）によって上記犠牲層をエ
ッチングすることにより溝５を形成する。

【００３０】次に、アルミニウムなどよりなる配線を形
成し、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などによって
シリコンエピタキシャル層１１の不要部分をエッチング
することにより撓み部３を形成する。

【００３１】以上説明したように、本実施形態の加速度
センサのセンサチップ１は、半導体加工技術を利用して
製造される。

【００３２】（実施形態３）本実施形態の加速度センサ
の基本構成は図２に示した実施形態２と略同じであっ
て、図３に示すように、センサチップ１の支持部４にお
いて、切込み溝６ａの底部に連通する空洞１６が重り部
２を全周にわたって囲むように形成されている点に特徴
がある。要するに、本実施形態では、各切込み溝６ａ，
６ｂおよび空洞１６がそれぞれ応力緩和部を構成してい
る。ここにおいて、空洞１６は、断面Ｖ字状の切込み溝
６ａの底部の開口幅（図３（ｂ）の横方向における幅）
よりも大きな開口幅を有する。なお、図２に示した実施
形態２と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を
省略する。

【００３３】しかして、本実施形態では、空洞１６が形
成されていることにより、支持部４に他の部材を接合し
たことによるセンサチップ１の歪を実施形態２に比べて
更に低減することができる次に本実施形態の加速度セン
サの製造方法について簡単に説明する。

【００３４】本実施形態の加速度センサの製造方法は実
施形態２と略同じであって、実施形態２で説明した犠牲
層（以下、第１の犠牲層と称す）となる高濃度不純物層
を形成する場合に、空洞１６を形成する部位にも高濃度
不純物層よりなる犠牲層（以下、第２の犠牲層と称す）
を形成し、実施形態２で説明した掘り込み凹所１２を形
成する際（つまり、第１の犠牲層をエッチングする際）
に、第２の犠牲層もエッチングすることにより空洞１６
を形成する点に特徴がある。なお、その他の製造方法は
実施形態２と同じなので説明を省略する。

【００３５】（実施形態４）本実施形態の加速度センサ
の基本構成は図５に示した従来構成と略同じであって、
図４に示すように、センサチップ１の支持部４におい
て、重り部２を全周にわたって囲むように多孔質シリコ
ン層２６が形成されている点に特徴がある。ここにおい
て、多孔質シリコン層２６は、単結晶シリコンよりなる
シリコン基板１０よりもヤング率が小さいので、支持部
４に他の部材（例えば図６の上部キャップ１５や下部キ
ャップ２０）を接合したことによるセンサチップ１の歪
を低減することができる。要するに、本実施形態では、
多孔質シリコン層２６が応力緩和部を構成している。な
お、図５に示した従来構成と同様の構成要素には同一の
符号を付して説明を省略する。

【００３６】次に本実施形態の加速度センサの製造方法
について簡単に説明する。

【００３７】本実施形態の加速度センサの製造方法は実
施形態２と略同じであって、実施形態２で説明した犠牲
層となる高濃度不純物層（以下、第１の高濃度不純物層
と称す）を形成する場合に、多孔質シリコン層２６を形
成する部位にも高濃度不純物層（以下、第２の高濃度不
純物層と称す）を形成し、第２の高濃度不純物層を陽極
化成（陽極酸化処理）によって多孔質化することにより
多孔質シリコン層２６を形成する点に特徴がある。な
お、その他の製造方法は実施形態２と略同じなので説明
を省略する。

【００３８】

【発明の効果】請求項１の発明は、基板の中央部に重り
部が形成され、基板の主表面側に一端が重り部に一体連
結された撓み部が形成され、基板の外周部に撓み部の他
端が一体連結され撓み部により重り部を揺動自在に支持
する支持部が形成され、撓み部にピエゾ抵抗が形成さ
れ、支持部には、該支持部に接合される他の部材との接
合面に、前記接合に伴う応力を緩和する応力緩和部が形
成されているので、応力緩和部が形成されていることに
より、支持部に他の部材を接合したことによるセンサチ
ップの歪を低減することができ、良好な特性を得ること
ができるという効果がある。

【００３９】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記応力緩和部は、支持部の前記接合面において周
方向に沿って離間して形成された複数の切込み溝より成
るので、特に支持部の周方向に沿う方向のセンサチップ
の歪を低減することができるという効果がある。

【００４０】請求項３の発明は、請求項１の発明におい
て、前記応力緩和部は、支持部の前記接合面において重
り部を全周にわたって囲むように形成された切込み溝よ
り成るので、特に支持部の接合面において周方向に直交
する方向の歪を低減することができるという効果があ
る。

【００４１】請求項４の発明は、請求項１の発明におい
て、前記基板は、単結晶シリコンよりなり、前記応力緩
和部は、前記支持部内に形成された多孔質シリコン層よ
り成るので、多孔質シリコンのヤング率が単結晶シリコ
ンのヤング率に比べて小さいことにより、センサチップ
の歪を低減することができるという効果がある。

【００４２】請求項５の発明は、請求項２または請求項
３の発明において、前記応力緩和部は、前記切込み溝の
底部に連通する空洞が形成されているので、空洞が形成
されていることにより、支持部に他の部材を接合したこ
とによるセンサチップの歪を更に低減することができる
という効果がある。

【００４３】請求項６の発明は、請求項５記載の加速度
センサの製造方法であって、基板として半導体基板を用
い、前記空洞を形成するにあたって、前記空洞を形成す
る部位に高濃度不純物層よりなる犠牲層を形成し、支持
部に前記切込み溝を形成した後に、前記切込み溝を通し
て前記犠牲層をエッチングすることにより前記空洞を形
成するので、半導体プロセスを利用して半導体基板に空
洞を形成することができ、支持部に他の部材を接合した
ことによるセンサチップの歪を低減可能な加速度センサ
を提供することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態１を示し、（ａ）は概略平面図、
（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ
−Ｂ’断面図、（ｄ）は（ａ）のＣ−Ｃ’断面図であ
る。

【図２】実施形態２を示し、（ａ）は概略平面図、
（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ
−Ｂ’断面図である。

【図３】実施形態３を示し、（ａ）は概略平面図、
（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ
−Ｂ’断面図である。

【図４】実施形態４を示し、（ａ）は概略平面図、
（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ
−Ｂ’断面図である。

【図５】従来例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は
（ａ）のＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’断
面図である。

【図６】同上に上部キャップおよび下部キャップを接合
した状態の説明図である。

【符号の説明】

１ センサチップ ２ 重り部 ３ 撓み部 ４ 支持部 ６ａ，６ｂ 切込み溝 １０ シリコン基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉田 仁 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 (72)発明者 宮島 久和 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 (72)発明者 友成 恵昭 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 Ｆターム(参考） 4M112 AA02 BA01 CA25 CA33 CA36 DA03 DA04 DA07 DA12 DA18 EA03 EA04 FA09 GA01

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板の中央部に重り部が形成され、基板
   の主表面側に一端が重り部に一体連結された撓み部が形
   成され、基板の外周部に撓み部の他端が一体連結され撓
   み部により重り部を揺動自在に支持する支持部が形成さ
   れ、撓み部にピエゾ抵抗が形成され、支持部には、該支
   持部に接合される他の部材との接合面に、前記接合に伴
   う応力を緩和する応力緩和部が形成されて成ることを特
   徴とする加速度センサ。
2. 【請求項２】 前記応力緩和部は、支持部の前記接合面
   において周方向に沿って離間して形成された複数の切込
   み溝より成ることを特徴とする請求項１記載の加速度セ
   ンサ。
3. 【請求項３】 前記応力緩和部は、支持部の前記接合面
   において重り部を全周にわたって囲むように形成された
   切込み溝より成ることを特徴とする請求項１記載の加速
   度センサ。
4. 【請求項４】 前記基板は、単結晶シリコンよりなり、
   前記応力緩和部は、前記支持部内に形成された多孔質シ
   リコン層より成ることを特徴とする請求項１記載の加速
   度センサ。
5. 【請求項５】 前記応力緩和部は、前記切込み溝の底部
   に連通する空洞が形成されて成ることを特徴とする請求
   項２または請求項３記載の加速度センサ。
6. 【請求項６】 請求項５記載の加速度センサの製造方法
   であって、基板として半導体基板を用い、前記空洞を形
   成するにあたって、前記空洞を形成する部位に高濃度不
   純物層よりなる犠牲層を形成し、支持部に前記切込み溝
   を形成した後に、前記切込み溝を通して前記犠牲層をエ
   ッチングすることにより前記空洞を形成することを特徴
   とする加速度センサの製造方法。