JP2002005954A

JP2002005954A - 半導体力学量センサ

Info

Publication number: JP2002005954A
Application number: JP2000183266A
Authority: JP
Inventors: Minoru Murata; 稔村田; Mineichi Sakai; 峰一酒井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-06-19
Filing date: 2000-06-19
Publication date: 2002-01-09

Abstract

(57)【要約】【課題】梁部により変位可能な可動電極と支持基板に
固定された固定電極との間隔の変化に基づいて印加力学
量を検出する半導体加速度センサにおいて、梁部の周囲
へ固定部を配置する場合に、この固定部の強度を向上さ
せる。【解決手段】加速度センサ１００において、支持基板
としての第１シリコン基板１１上に設けられた第２シリ
コン基板１２をエッチングすることにより、梁部２２及
び可動電極２４を有する可動部２０と、固定電極３１、
３２を有する固定部３０とが区画形成されている。固定
部３０には、梁部２２の外周形状に沿って梁部２２を取
り囲むように形成され、梁部２２と固定電極３１、３２
との間に介在する介在部３３が設けられており、この介
在部３３は、複数の矩形枠状部３４が千鳥状に連結され
たラーメン構造形状に形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、支持基板上に設け
られた半導体層をエッチングして溝を形成することによ
り、バネ機能を有する梁部、この梁部のバネ変形により
変位可能な可動電極、及び固定電極を形成し、可動電極
と固定電極との間隔の変化に基づいて印加力学量を検出
する半導体力学量センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、この種の半導体力学量センサ
として、特開平１１−３２６３６５号公報に記載のもの
が提案されている。このものは、支持基板上に設けられ
た半導体層をエッチングして溝を形成することにより、
力学量の印加により所定方向に変位するバネ機能を有す
る梁部、この梁部に連結されて梁部とともに変位可能な
錘部、この錘部に一体形成された櫛歯状の可動電極、及
び、可動電極の櫛歯と噛み合うように対向配置された櫛
歯状の固定電極を、区画形成してなる。

【０００３】そして、力学量（例えば加速度）の印加に
応じて可動電極が所定方向へ変位したとき、可動電極と
固定電極との間の間隔が変化するため、両電極間の静電
容量が変化し、この静電容量の変化に基づいて印加力学
量が検出されるようになっている。従って、力学量が印
加されたときの電極間隔の変位は、梁部の動きで決定さ
れる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者等の検討によれば、上記従来の半導体力学量センサに
おいて、梁部に関して次のような問題が生じることがわ
かった。上述のように、梁部等は、半導体層にエッチン
グを施して溝を形成することで作られるが、一般に、そ
のエッチングレートは、溝の開口幅が狭いと遅く、溝の
開口幅が広いと早い。

【０００５】そのため、エッチングレートは、半導体層
に形成される溝のうち最も開口幅の狭い部分、即ち、可
動電極と固定電極との間の間隔（検出間隔、例えば２〜
３μｍ）に合わせて設計される。ここで、上記従来の半
導体力学量センサにおいては、梁部の周囲では、エッチ
ングレートの基準となる検出間隔に比べて非常に広い開
口幅となっているため、エッチングを行った場合、梁部
のエッチング方向への加工精度は悪くなる可能性があ
る。

【０００６】このような梁部の加工ばらつきが発生する
と、均一なバネ機能が得られず、センサ特性に悪影響を
及ぼす。また、梁部は可動電極と一体に形成されてお
り、作動時において固定電極と梁部との間では電位が異
なるため、両者の間に発生する電気的な相互作用によっ
て、センサ特性が悪くなる可能性もある。

【０００７】このような問題から、半導体層に形成され
た固定部の一部を、溝を介して梁部の外周形状に沿って
梁部を取り囲むように形成することによって梁部周囲の
溝の開口幅を狭くし、梁部のエッチングレートを基準と
なる検出間隔のエッチングレートに近いものとすること
でそれにより、梁部の加工ばらつきを低減することが考
えられる。

【０００８】また、このように固定部を支持基板から梁
部周囲へと延設した形とすることにより、梁部と固定電
極との間に梁部及び固定電極とは電気的に独立した部分
を介在させることができる。そして、この部分の電位を
調整すれば、梁部と固定電極との電気的相互作用の発生
を防止することができると考えられる。

【０００９】しかしながら、このように梁部周囲へ固定
部を延設する場合、この延設された固定部（延設固定部
という）は、支持基板に片持ち状態で支持された形とな
るため、強度的に弱く、高衝撃等の過大な力に対して弱
い構造となる。特に、最近、センサの高感度化、検出範
囲の拡大（例えば、加速度センサにおいては、１５０Ｇ
〜２５０Ｇ）が要望されており、延設固定部の強度向上
の必要性は大きいものとなる。

【００１０】本発明は上記問題に鑑み、支持基板上に設
けられた半導体層をエッチングすることにより可動部と
固定部を形成し、梁部により変位可能な可動電極と支持
基板に固定された固定電極との間隔の変化に基づいて印
加力学量を検出する半導体力学量センサにおいて、梁部
の周囲へ固定部を配置する場合に、この固定部の強度を
向上させることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明においては、固定部（３０）に
は、梁部（２２）と固定電極（３１、３２）との間に介
在するとともに、該梁部及び該固定電極とは電気的に独
立する介在部（３３）を形成し、この介在部を、該梁部
の外周形状に沿って該梁部を取り囲むように形成された
ものとし、さらに、該介在部を、複数の矩形枠状部（３
４）が千鳥状に連結されたラーメン構造形状に形成され
たものとしたことを特徴としている。

【００１２】本発明によれば、梁部及び固定電極とは電
気的に独立する介在部を、梁部と固定電極との間に介在
させているため、介在部と梁部とが略同電位となるよう
に調整する等によって、梁部と固定電極との電気的相互
作用の発生を防止することができる。また、介在部が、
梁部の外周形状に沿って梁部を取り囲むように形成され
ているため、梁部周囲の溝の開口幅を狭くして梁部のエ
ッチングレートを調整でき、それによって、梁部の加工
ばらつきを低減することができる。

【００１３】さらに、介在部が、複数の矩形枠状部を千
鳥状に連結したラーメン構造形状に形成されているた
め、介在部の軽量化及び強度向上を適切に実現すること
ができる。よって、本発明によれば、センサ特性の悪化
を防止すべく、梁部の周囲へ固定部の一部として介在部
を配置する場合に、この介在部の強度を向上させること
ができる。

【００１４】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一
例である。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。本実施形態は、静電容量式の半導体
力学量センサとして、差動容量式の半導体加速度センサ
について本発明を適用したものである。図１に半導体加
速度センサ１００の平面構成を示し、図２に図１中のＡ
−Ａ線に沿った模式的な断面構造を示し、図３に図１中
のＢ−Ｂ線に沿った模式的な断面構造を示す。この半導
体加速度センサ１００は、例えば、エアバッグ、ＡＢ
Ｓ、ＶＳＣ等の作動制御を行うための自動車用加速度セ
ンサやジャイロセンサ等に適用できる。

【００１６】半導体加速度センサ（以下、単にセンサと
いう）１００は、半導体基板に周知のマイクロマシン加
工を施すことにより形成される。センサ１００を構成す
る半導体基板は、図２に示す様に、第１の半導体層とし
ての第１シリコン基板（本発明でいう支持基板）１１と
第２の半導体層としての第２シリコン基板１２との間
に、絶縁層としての酸化膜１３を有する矩形状のＳＯＩ
基板１０である。

【００１７】第２シリコン基板１２には、溝１４を形成
することにより、可動部２０、及び、この可動部２０と
溝１４を介して区画された固定部３０よりなる梁構造体
が形成されている。また、酸化膜１３及び第１シリコン
基板１１のうち上記梁構造体２０、３０の形成領域に対
応した部位は、エッチング等により矩形状に除去されて
開口部１３ａを形成している。そして、固定部３０は、
開口部１３ａの開口縁部にて、酸化膜１３を介して第１
シリコン基板１１に支持されている。

【００１８】開口部１３ａ上を横断するように配置され
た可動部２０は、矩形状の錘部２１の両端を、梁部２２
を介してアンカー部２３ａ及び２３ｂに一体に連結した
構成となっている。これらアンカー部２３ａ及び２３ｂ
は、酸化膜１３における開口部１３ａの開口縁部に固定
され、第１シリコン基板１１上に支持されている。これ
により、錘部２１及び梁部２２は開口部１３ａに臨んだ
状態となっている。

【００１９】また、梁部２２は、２本の梁がその両端で
連結された矩形枠状をなしており、梁の長手方向と直交
する方向に変位するバネ機能を有する。具体的には、梁
部２２は、図１中の矢印Ｙ方向の成分を含む加速度を受
けたときに錘部２１を矢印Ｙ方向へ変位させるととも
に、加速度の消失に応じて元の状態に復元させるように
なっている。このように、錘部２１は、加速度の印加に
応じて、開口部１３ａ上にて梁部２２の変位方向（矢印
Ｙ方向に相当、以下、変位方向Ｙという）へ変位可能と
なっている。

【００２０】また、矩形状の錘部２１における変位方向
Ｙに平行な両辺（図１中の左右両側の辺）には、それぞ
れ、櫛歯状の可動電極２４が、変位方向Ｙと直交する方
向において、互いに反対方向へ突出して形成されてい
る。図１では、可動電極２４は、錘部２１の左側及び右
側に各々４個ずつ突出して形成され、個々の可動電極２
４は断面矩形の梁状に形成されて、開口部１３ａに臨ん
だ状態となっている。このように、錘部２１と一体的に
形成された可動電極２４は、梁部２２及び錘部２１とと
もに変位方向Ｙへ変位可能となっている。

【００２１】固定部３０は、錘部２１の左右一対の櫛歯
状の可動電極２４における櫛歯の隙間に噛み合うように
対向して配置された櫛歯状の固定電極３１、３２を備え
ている。この左右一対の固定電極３１、３２は、錘部２
１を挟んで設けられ、図１中の左側に位置する第１の固
定電極３１と、右側に位置する第２の固定電極３２とよ
り成る。これら第１の固定電極３１と第２の固定電極３
２とは、互いに電気的に独立している。

【００２２】また、固定電極３１、３２における個々の
電極（図示例では４個ずつ）は断面矩形の梁状に形成さ
れており、各配線部３１ａ、３２ａにて第１シリコン基
板１１に片持ち状に支持された状態で、開口部１３ａに
臨んだ状態となっている。そして、固定電極３１、３２
における個々の電極の側面は、個々の可動電極２４の側
面と所定の間隔（検出間隔）４０を存して平行した状態
で対向配置されている。

【００２３】また、固定部３０のうち梁部２２の周囲に
位置する部位は、梁部２２と固定電極３１、３２及び可
動電極２４との間に介在する介在部３３として形成され
ている。この介在部３３は、溝１４を介して梁部２２の
外周形状に沿って梁部２２を取り囲むように形成されて
おり、梁部２２を含む可動部２０及び固定電極３１、３
２とは溝１４を介して電気的に独立している。

【００２４】そして、介在部３３は、複数の矩形枠状部
３４が千鳥状に連結して配置されたラーメン構造形状に
形成されている。各矩形枠状部３４は、第２シリコン基
板１２の厚み方向へ貫通する矩形開口部を有するもの
で、この矩形枠状部３４が複数列配置され、隣接する列
における矩形枠状部３４の位置がずれて（オフセットさ
れて）配置されている。

【００２５】また、各固定電極３１、３２の各配線部３
１ａ、３２ａ上の所定位置には、それぞれワイヤボンデ
ィング用の固定電極パッド３１ｂ、３２ｂが形成されて
いる。また、一方のアンカー部２３ｂと一体に連結され
た状態で、可動電極用配線部２５が形成されており、こ
の配線部２５上の所定位置には、ワイヤボンディング用
の可動電極パッド２５ａが形成されている。

【００２６】また、固定電極３１、３２とともに固定部
３０を構成する介在部３３上の所定位置には、ワイヤボ
ンディング用の電極パッド３３ａ、３３ｂが形成されて
いる。この介在部３３上の電極パッド３３ａ、３３ｂ
は、センサの動作中に、可動部２０に余分な信号が加わ
らないように、介在部３３を一定の電位に維持しておく
ためのものである。上記の各電極パッド２５ａ、３１
ｂ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂは、例えばアルミニウムに
より形成されている。

【００２７】更に、錘部２１、可動電極２４、及び各固
定電極３１、３２には、開口部１３ａ側から反対側に貫
通する矩形状の貫通孔５０が複数形成されており、これ
ら貫通孔５０が形成された部位は、矩形枠状部を複数個
並列に連結したラーメン構造形状が形成されている。こ
れにより、可動部２０及び各固定電極３１、３２の軽量
化、捩じり強度の向上がなされている。

【００２８】また、本センサ１００は、第１シリコン基
板１１の裏面（酸化膜１３とは反対側の面）側において
接着剤等を介してパッケージ（図示せず）に接着固定さ
れ、このパッケージには、後述する回路手段６０が収納
されている。そして、この回路手段６０と上記の各電極
パッド２５ａ、３１ｂ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂとは、
金もしくはアルミニウムのワイヤボンディング等により
形成されたワイヤ（図示せず）により電気的に接続され
るようになっている。

【００２９】このような構成においては、第１の固定電
極３１と可動電極２４との検出間隔４０に第１の容量
（ＣＳ１とする）、第２の固定電極３２と可動電極２４
との検出間隔４０に第２の容量（ＣＳ２とする）が形成
されている。そして、加速度を受けると、梁部２２のバ
ネ機能により、可動部２０全体が一体的に変位方向Ｙへ
変位し、可動電極２４の変位に応じて検出間隔４０が変
化し、上記各容量ＣＳ１、ＣＳ２が変化する。そして、
上記検出回路６０は、可動電極２４と固定電極３１、３
２による差動容量（ＣＳ１−ＣＳ２）の変化に基づいて
加速度を検出する。

【００３０】図４に、本センサ１００の検出回路図を示
す。検出回路６０において、６１はスイッチドキャパシ
タ回路（ＳＣ回路）であり、このＳＣ回路６１は、容量
がＣｆであるコンデンサ６２、スイッチ６３及び差動増
幅回路６４を備え、入力された容量差（ＣＳ１−ＣＳ
２）を電圧に変換するものである。

【００３１】なお、ＣＰ１、ＣＰ２、ＣＰ３は寄生容量
を示している。ＣＰ１は第１の固定電極３１の配線部３
１ａと支持基板１１との間の容量、ＣＰ２は第２の固定
電極３２の配線部３２ａと支持基板１１との間の容量、
ＣＰ３は可動電極２４の配線部２５と支持基板１１との
間の容量である。

【００３２】また、この検出回路６０に対するタイミン
グチャートの一例を図５に示す。上記センサ１００にお
いては、例えば、固定電極パッド３１ｂから搬送波１
（例えば、周波数１００ｋＨｚ、振幅０〜５Ｖ）、固定
電極パッド３２ｂから搬送波１と位相が１８０°ずれた
搬送波２（例えば、周波数１００ｋＨｚ、振幅０〜５
Ｖ）を入力し、ＳＣ回路６１のスイッチ６３を図に示す
タイミングで開閉する。そして、印加加速度は、下記の
数式１に示す様に、電圧値Ｖ０として出力される。な
お、数式１中、Ｖは両パッド３１ｂ、３２ｂの間の電圧
である。

【００３３】

【数１】V0＝｛（CS1 −CS2 ）+ （CP1 −CP2 ）・CP3
｝・V ／Cf また、この検出時においては、上記介在部３３上の電極
パッド３３ａ、３３ｂを介して検出回路６０から、介在
部３３へ電圧が印加され、介在部３３と可動部２０（梁
部２２）とは、ほぼ同電位の状態に保持されようになっ
ている。

【００３４】次に、上記構成に基づき、本実施形態に係
る半導体加速度センサ１００の製造方法の一例を説明す
る。まず、上記ＳＯＩ基板１０を用意し、第２シリコン
基板１２の全面にアルミニウムを蒸着した後に、そのア
ルミニウム膜をフォトリソグラフィ技術及びエッチング
技術を利用してパターニングすることにより、上記電極
パッド２５ａ、３１ｂ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂを形成
する。

【００３５】次に、ＳＯＩ基板１０の裏面（第１シリコ
ン基板１１の表面）をバックポリッシュしてから、プラ
ズマＳｉＮ膜を堆積し、そのプラズマＳｉＮ膜をエッチ
ングすることにより、開口部１３ａをエッチングにより
形成する際のマスクとする。

【００３６】続いて、ＳＯＩ基板１０の表面（第２シリ
コン基板１２の表面）に、ＰＩＱ（ポリイミド）膜を塗
布し、そのＰＩＱをエッチングして、可動部２０及び固
定部３０に対応した形状にパターニングしてから、ＰＩ
Ｑの上に、保護膜としてのレジストを塗布し、裏面のプ
ラズマＳｉＮ膜をマスクとして、ＳＯＩ基板１０を例え
ばＫＯＨ水溶液で深堀エッチングする。この深堀エッチ
ングにおいては、酸化膜１３のエッチング速度がＳｉに
比較して遅いため、酸化膜１３がエッチングストッパと
して機能する。

【００３７】この後、ＨＦ水溶液により、露出している
酸化膜１３及びプラズマＳｉＮ膜を除去してから、ＳＯ
Ｉ基板１０の表面を保護しているレジストを除去し、Ｐ
ＩＱ膜をマスクにして、ドライエッチングにより、第２
シリコン基板１２中に、溝１４、矩形枠状部３４及び貫
通孔５０を形成する。これによって、可動部２０及び固
定部３０が形成される。そして、表面のＰＩＱをＯ₂ア
ッシングによって除去することにより、上記センサ１０
０が完成する。

【００３８】ところで、本実施形態によれば、梁部２２
及び固定電極３１、３２とは電気的に独立する介在部３
３を、梁部２２と固定電極３１、３２との間に介在さ
せ、介在部３３の電位を梁部２２と同程度となるように
調整することによって、梁部２２と固定電極３１、３２
との電気的相互作用の発生を防止することができる。そ
のため、センサ１００の動作中に、梁部２２に不要な振
動が発生することなく、センサ特性を良好に維持するこ
とができる。

【００３９】また、介在部３３が、梁部２２の外周形状
に沿って梁部２２を取り囲むように形成されているた
め、従来に比べて、梁部２２周囲の溝１４の開口幅を狭
くすることができる。そして、第２シリコン基板１２を
可動部２０及び固定部３０に対応した形状にエッチング
する際に、梁部２２周囲部のエッチングレートを、基準
となる検出間隔４０の部分のエッチングレートに近づけ
ることができるため、梁部２２の加工ばらつきを低減す
ることができる。従って、梁部２２のバネ特性を適切に
保持でき、センサ特性を良好に維持することができる。

【００４０】また、過大な衝撃がセンサ１００に加わっ
て梁部２２が大きく変形しても、梁部２２を取り巻くよ
うに介在部３３が設けられているため、この介在部３３
が梁部２２に当たって止まる。そのため、梁部２２の過
大な変形を防止することができ、結果的に梁部２２の破
損防止につながる。

【００４１】さらに、本実施形態によれば、介在部３３
が、複数の矩形枠状部３４を千鳥状に連結したラーメン
構造形状に形成されているため、矩形枠状部３４を形成
せずに単に平板状とした場合に比べて、介在部３３の軽
量化を図ることができる。また、介在部３３の曲げ強度
やねじれ強度等も向上させることができる。

【００４２】このように、本実施形態では、センサ特性
の悪化を防止すべく、固定部３０において介在部３３を
設けた場合に、この介在部３３の強度を向上させたセン
サ１００を提供することができる。そして、このような
センサ１００によれば、より高感度且つ広範囲の感度を
有するセンサを実現することができる。

【００４３】なお、本発明は、梁部周囲の介在部の構成
を要部とするものであるから、他の部分は適宜設計変更
して良いことは勿論である。また、本発明は、加速度セ
ンサだけでなく、圧力センサ、角速度センサ等、種々の
力学量センサに適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る半導体加速度センサの
平面構成を示す図である。

【図２】図１中のＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。

【図３】図１中のＢ−Ｂ線に沿った概略断面図である。

【図４】図１に示す半導体加速度センサの検出回路図で
ある。

【図５】図４に示す検出回路に対するタイミングチャー
トの一例を示す図である。

【符号の説明】

１１…第１シリコン基板（支持基板）、１２…第２シリ
コン基板、１４…溝、２０…可動部、２２…梁部、２４
…可動電極、３０…固定部、３１…第１の固定電極、３
２…第２の固定電極、３３…介在部、３４…矩形枠状
部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】支持基板（１１）上に設けられた半導体
層（１２）をエッチングして溝（１４）を形成すること
により、可動部（２０）と、この可動部と前記溝を介し
て区画されるとともに前記支持基板に固定された固定部
（３０）とを形成してなるものであって、前記可動部は、力学量の印加に応じて所定方向へ変位す
るバネ機能を有する梁部（２２）と、この梁部に連結さ
れ前記梁部とともに前記梁部の変位方向（Ｙ）へ変位可
能な可動電極（２４）とを備えており、前記固定部は、前記可動電極に対向して配置された固定
電極（３１、３２）を備えており、力学量の印加に応じて前記可動電極が変位したとき、前
記可動電極と前記固定電極との間隔（４０）の変化に基
づいて印加力学量を検出する半導体力学量センサにおい
て、前記固定部には、前記梁部と前記固定電極との間に介在
するとともに、前記梁部及び前記固定電極とは電気的に
独立する介在部（３３）が形成され、この介在部は、前記梁部の外周形状に沿って前記梁部を
取り囲むように形成されており、さらに、前記介在部は、複数の矩形枠状部（３４）が千
鳥状に連結されたラーメン構造形状に形成されているこ
とを特徴とする半導体力学量センサ。