JP2002209299A

JP2002209299A - 半導体振動センサ

Info

Publication number: JP2002209299A
Application number: JP2000403444A
Authority: JP
Inventors: Yujiro Naruse; 雄二郎成瀬
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2000-12-28
Publication date: 2002-07-26

Abstract

(57)【要約】【課題】音響振動と特定微小振動を単一の半導体振動
センサで同時に検出する半導体振動センサを提供する。【解決手段】ショットキー接合からなる振動膜３とキ
ャリアを効率的に伝播するためのｐ+埋め込み層８を有
する音響振動検出部１１と、少なくとも１以上の片持ち
梁からなる微小振動検出部１２と、これらの振動検出部
を電気的に絶縁するための素子分離領域１０を有し、振
動膜３における空乏層幅の変化より音響振動を電気的振
動に変換し、特定の振動数を有する片持ち梁によって微
小振動を効率的に検出し、ｐウェル１６で微小振動を電
気的振動に変換することによって、各振動を電気的に取
り出す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動を検出する半
導体振動センサに係り、特に異なる周波数帯域で、異な
る振動レベルの複数の振動を同時に検出する半導体振動
センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】２０Ｈｚ〜２０ＫＨｚ程度の音響振動を
検出する半導体振動センサとして、シリコンを振動膜と
背電極とし、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）をスペーサとす
る構造により、コンデンサの静電容量の変化に起因する
電圧の変化を測定するコンデンサ型シリコンマイクロフ
ォンが提案されている（千葉晋一ら、日本音響学会講演
論文集、第５３３頁〜第５３４頁、１９９９年９月〜１
０月参照。）。

【０００３】又、音響振動よりも低周波の機械的振動を
検出する振動検出センサとしては、ピエゾ抵抗素子を用
いたものが提案されている。即ち、共振子中にピエゾ素
子を埋め込み、共振子が振動すると、ピエゾ抵抗素子が
歪みを受け、その有する抵抗値を変化させる。ピエゾ抵
抗素子にあらかじめ定電流を流しておくことによって、
その変化する抵抗値による電圧の変化を読みとり、機械
的振動を検出するのである。

【０００４】従来は、これらの音響振動検出用のセンサ
と、音響振動よりも低周波の機械振動検出用のセンサ
は、それぞれ独立したセンサとして、別々に開発されて
きたが、異なる周波数帯域で、異なる振動レベルの複数
の振動を同時に検出することが必要となる場合がある。
例えば、人間の健康状態や安全状態の監視モニタ等の分
野においては、音響振動と音響振動よりも低周波の機械
振動を同時に検出する装置が必要となる場合がある。人
体には各種の振動が存在し、心拍信号は、約１Ｈｚ程
度、呼吸音は、約０．１Ｈｚ程度の振動である。寒さや
恐怖に遭遇した場合だけでなく、種々の疾患において
も、通常の安静時においても、人間の身体の震え（生理
的振戦）は起こる。これとは別に、「体表面微小振動」
と呼ばれる身体表面の微細振動（マイクロバイブレーシ
ョン）が存在する。体表面微小振動のリズムは脳波のリ
ズムと良く似ており、１〜４Ｈｚのδ波、４〜８Ｈｚの
θ波、８〜１３Ｈｚのα波、１３〜２０Ｈｚのβ波、２
０〜３０Ｈｚのε波に分類されている。これらの体表面
微小振動のスペクトル強度の相対比較をすることによ
り、人間の心理・精神状態が把握出来る可能性がある。
更に、体表面微小振動と、体表面微小振動よりも高周波
で且つ振動レベルの高い周囲環境に起因した音響振動を
同時に検出するセンサが実現出来れば、対象人物の心理
状態及びその人物の周囲の環境を監視することが可能と
なる。この結果、例えば公共交通機関の運転士に装着す
ることで公共交通機関の運行の安全に資することが可能
となる。

【０００５】他にも、音響振動と音響振動とは周波数帯
域の異なる機械振動を同時に検出出来れば、各種設備や
機器の監視に役立つであろうと期待される。例えば、自
動車のエンジンの運転監視装置において、エンジン音の
他に機械的に劣化した部分が生ずる微小振動を同時に測
定すれば、エンジンのより精密な監視が可能となり、事
故防止に貢献する。

【０００６】これらの監視装置等においては、音響振動
と音響振動とは周波数帯域の異なる機械振動を同時に検
出する装置が社会的に要請されていると言える。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし音響振動と音響
振動とは周波数帯域の異なる機械振動とを同時に測定す
る場合、従来はそれぞれ個別の検出装置が実現されてい
たのみであるため、独立の振動検出センサを複数用意す
る必要があった。かかる場合、振動検出システムの小型
化に限界があり、例えば人間の心身及び周囲環境のモニ
タリング装置として人体に装着して使用する場合、利用
者の負担が大きかった。

【０００８】一方、音響振動と機械振動は振動を伝搬さ
せる媒質が一般には異なるが、振動という点では共通す
るため、音響振動と機械振動を単一の振動検出センサで
検出することも理論的には可能である。しかし、通常は
音響振動と機械振動とは振動レベル（振幅）が異なる。
検出しようとする特定の機械振動の振幅が微小な場合、
この特定の機械振動は異なる周波数帯域を有する大きな
振幅の音響振動に埋もれてしまうので、検出することが
容易でない。即ち単一の振動検出センサを用いた場合、
検出したい特定の振動数の振動に対して十分な検出感度
やＳ／Ｎ比を持たないという欠点を有する。

【０００９】又、小型化を図るため同一の半導体基板上
に複数の振動検出センサを配置した場合、一方の検出装
置の動作が他方の検出装置に影響を与えるので、半導体
基板のサイズの小型化には一定の制限がある。

【００１０】本発明はかかる事情に鑑みてなされたもの
であり、異なる周波数帯域で、異なる構造の振動検出セ
ンサを同一半導体基板上に配置することによって、音響
振動と機械的微小振動を同時に検出可能な半導体振動セ
ンサを提供することを目的とする。

【００１１】本発明の他の目的は、異なる構造の振動検
出センサを同一半導体基板上に配置することによって、
小型の半導体振動センサを提供することを目的とする。

【００１２】本発明の他の目的は、同一半導体基板上に
異なる構造の振動検出センサを高密度に配置しても、互
いに干渉しない半導体振動センサを提供することであ
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の特徴は、
半導体基板と、この半導体基板に配置された第１振動検
出部及び第２振動検出部とからなる半導体振動センサで
あることを要旨とする。「第１振動検出部」は、半導体
基板の特定の位置に配置されている。又、「第２振動検
出部」は、第１振動検出部が配置された特定の位置とは
異なる位置の半導体基板に配置されている。そして、
「第２振動検出部」は、第１振動検出部の周波数帯域よ
りも周波数帯域が高く、且つ第１振動検出部とは、基本
構造及び動作原理が異なる検出部である。

【００１４】本発明の第１の特徴によれば、周波数帯域
と振動レベルの異なる第１振動検出部及び第２振動検出
部が同一半導体基板上に配置されるため集積化が可能と
なり、小型の半導体振動センサの提供が可能となる。例
えば、同一の半導体基板上で音響振動と音響振動よりも
低周波で、振動レベルの低い機械的微小振動の検出が可
能となる。又第１振動検出部には第１振動検出部の特性
に適合した第１増幅器が接続可能で、第２振動検出部に
は第２振動検出部の特性に適合した第２１増幅器が接続
可能である。第１振動検出部及び第２振動検出部は、互
いに電気的に分離された構造とすることが好ましい。異
なる振動レベルの異なる周波数帯域を有する複数の振動
を、第１振動検出部及び第２振動検出部で検出し、検出
された振動は各振動検出部ごとに設けられた別個の増幅
回路によって、互いに同等のレベルにまで増幅出来る。
このため、複数の異なる振動レベルの異なる周波数帯域
の振動を容易に解析することが可能となる。

【００１５】本発明の第１の特徴において、第１振動検
出部は、例えば、共振子となる片持ち梁、この片持ち梁
の固定端側に配置されたピエゾ抵抗測定手段とから構成
すれば良い。片持ち梁構造の振動センサは、片持ち梁
（共振子）の長さ、片持ち梁の先端のおもり部の重さ等
の構造調整により異なる共振振動数を持たせることが可
能である。かかる場合、共振振動数付近以外の振動数を
有する振動に対し片持ち梁は応答しないため、共振振動
数を調整することによって相互の検出装置の振動による
影響を排除することが可能である。又同様の理由から、
検出しようとする振動が微弱振動であっても他の振動数
のノイズ振動の影響を受けず、容易に特定振動を検出す
ることが可能となる。

【００１６】一方、第２振動検出部は、半導体基板の一
部からなる半導体薄膜層からなる振動膜、及び、この振
動膜の振動による半導体薄膜層中に形成される空乏層の
等価回路定数の変化を測定する「回路定数測定手段」か
ら構成されることが可能である。ここで、空乏層は、半
導体薄膜層とショットキー接合をなすショットキー電
極、若しくは半導体薄膜層とｐｎ接合をなす半導体薄膜
層と反対導電型の半導体層で半導体薄膜層中に形成され
る。「回路定数測定手段」は、これらのショットキーダ
イオード、若しくはｐｎ接合ダイオードのインピーダン
スの変化、容量変化、抵抗（若しくはコンダクタンス）
の変化を測定する、ショットキーダイオード、若しくは
ｐｎ接合ダイオーの各電極、及びこれらに接続されるオ
ペアンプ、Ｉ／Ｖコンバータ等が該当する。更には、シ
ョットキーダイオード（若しくはｐｎ接合ダイオード）
の各電極と電子回路とを接続するに必要な表面配線等
も、「回路定数測定手段」に含まれる。

【００１７】本発明の第１の特徴においては、第１振動
検出部の動作原理は、共振子となる片持ち梁の振動によ
る半導体層の歪みに起因したピエゾ抵抗の変化を測定し
ているのに対し、第２振動検出部の動作原理は、空乏層
の等価回路定数の変化を測定しており、互いに動作原理
が異なる。

【００１８】本発明の第２の特徴は、振動膜と、この振
動膜の振動による振動膜中の電気的等価回路定数の変化
を測定する回路定数測定手段とを有する半導体振動セン
サであることを要旨とする。ここで、「振動膜」は、導
電性材料からなる埋め込み層、この埋め込み層の上部に
配置されたこの埋め込み層よりも高比抵抗の半導体薄膜
層とから構成されている。「回路定数測定手段」は、こ
の振動膜の振動により、高比抵抗の半導体薄膜層中に形
成される空乏層の等価回路定数の変化を測定する。「導
電性材料からなる埋め込み層」は、３×１０¹⁷ｃｍ^-3〜
１×１０²¹ｃｍ ^-3程度の高不純物密度の半導体領域、タ
ングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍ
ｏ）、コバルト（Ｃｏ）等の高融点金属、これらのシリ
サイド（ＷＳｉ_２，ＴｉＳｉ_２，ＭｏＳｉ_２，ＣｏＳｉ
_２）等で構成することが出来る。

【００１９】本発明の第２の特徴によれば、空乏層中の
等価回路定数の変化を測定することにより、振動膜の振
動を電気的信号に変換することが可能となる。又、導電
性材料からなる埋め込み層を有することにより空乏層中
で生ずる発生再結合電流を効率よく回路定数測定手段で
測定出来る。導電性材料からなる埋め込み層には、シン
カー等を介して、埋め込み層取り出し電極まで、低抵抗
で電流を取り出すように構成すれば良い。空乏層は、第
１の特徴と同様に、半導体薄膜層とショットキー接合を
なすショットキー電極、若しくは半導体薄膜層とｐｎ接
合をなす半導体薄膜層と反対導電型の半導体層により、
高比抵抗の半導体薄膜層中に形成することが可能であ
る。本発明の「回路定数測定手段」には、これらの空乏
層が形成されたショットキーダイオード（若しくはｐｎ
接合ダイオード）のインピーダンスの変化、容量変化、
抵抗（若しくはコンダクタンス）の変化を測定するため
に必要なショットキーダイオード（若しくはｐｎ接合ダ
イオード）の各電極、及びこれらに接続されるオペアン
プ、Ｉ／Ｖコンバータ等の電子回路が該当する。更に
は、ショットキーダイオード（若しくはｐｎ接合ダイオ
ード）の各電極と電子回路とを接続するに必要な表面配
線等も、「回路定数測定手段」に含まれる。

【００２０】本発明の第１及び第２の特徴において、半
導体基板の少なくとも一方の主表面に接し、第２振動検
出部に対応する位置に音波導入口を有するパッケージケ
ースとを更に有するようにしても良い。半導体基板をパ
ッケージケースで覆うことにより、半導体振動センサを
回路素子として用いることが可能となる。このパッケー
ジケースは、一体のパッケージケースでも良く、或い
は、半導体基板の一方の主表面に接した第１パッケージ
ケースと、半導体基板の他方の主表面に接し、第２振動
検出部に対応する位置に音波導入口を有する第２パッケ
ージケースとから構成するようにしても良い。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して、本発明の実
施の形態を説明する。図面の記載において同一或いは類
似部分には同一或いは類似な符号を付している。ただ
し、図面は模式的なものであり、層の厚みと幅の関係、
各層の厚みの比率などは現実のものとは異なることに留
意すべきである。又、図面の相互間においても互いの寸
法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論
である。

【００２２】（最良の実施形態）本発明の最良の実施形
態に係る半導体振動センサは、図１に示すように、低周
波振動を検出する３つの第１振動検出部４ａ，４ｂ，４
ｃと、第２振動検出部としての振動膜３とから構成され
ている。第２振動検出部は音響振動検出用であり、３つ
の第１振動検出部４ａ，４ｂ，４ｃのいずれの周波数帯
域よりも周波数帯域が高い。また、第２振動検出部は、
３つの第１振動検出部４ａ，４ｂ，４ｃのいずれともそ
の基本構造及び動作原理が異なる。３つの第１振動検出
部４ａ，４ｂ，４は、互いに共振周波数が異なるが、い
ずれも音響振動よりも低周波の振動を検出するセンサで
あり、互いに基本構造及び動作原理を共通にする。３つ
の第１振動検出部（微小振動検出部）は、それぞれ片持
ち梁４ａ，４ｂ，４ｃからなる共振子から構成されてい
る。３つの片持ち梁４ａ，４ｂ，４ｃを有するのは、片
持ち梁４ａ，４ｂ，４ｃごとに寸法を変化し、異なる共
振振動数をもたせ、異なる周波数帯域の微小振動を検出
するためである。したがって片持ち梁の個数は必ずしも
３つである必要はなく、検出したい微小振動の固有の周
波数によって決定される。

【００２３】本発明の実施形態に係る半導体振動センサ
は、半導体基板、例えば（１００）面を有するｎ型のシ
リコン（Ｓｉ）基板５上に製造されている。Ｓｉ基板５
の中央部分には、第２振動検出部となる振動膜３が配置
されている。振動膜３の左側にはＩ／Ｖコンバータ７が
配置されている。振動膜３とＩ／Ｖコンバータ７はｐ ^＋
埋め込み層８と埋め込み層取り出し電極９を介して接続
されている。又振動膜３とＩ／Ｖコンバータ７はＳｉ基
板５の表面上においても電気的に接続されている。更
に、Ｉ／Ｖコンバータ７の左側であってＳｉ基板（チッ
プ）５の周辺部近傍には外部に出力するための２つのボ
ンディングパッド２ｅ，２ｆが配置されている。Ｉ／Ｖ
コンバータ７と、これら２つのボンディングパッド２
ｅ，２ｆとはアルミニウム配線を介して接続されてい
る。又、振動膜３とＩ／Ｖコンバータ７を含む領域はＳ
ｉ基板５の内部に埋め込まれた素子分離領域１０によっ
て周囲を囲まれている。

【００２４】更に、音響振動検出部と、微小振動検出部
を素子分離領域で絶縁することで、一方の半導体振動セ
ンサで発生したキャリアが他方の半導体振動センサに流
入することを防ぐことが出来る。

【００２５】第２振動検出部（振動膜）３の上部には第
１振動検出部４ａのピエゾ抵抗測定手段に接続される
「定電流源及び増幅回路」６ａが配置されている。定電
流源及び増幅回路６ａの右側であってＳｉ基板５の右上
端には、第１振動検出部（片持ち梁）４ａが配置されて
いる。定電流源及び増幅回路６ａと片持ち梁４ａは２本
のアルミニウム配線を介して相互に電気的に接続されて
いる。又、定電流源及び増幅回路６ａの左側であってＳ
ｉ基板５の左端には、４つのボンディングパッド２ａ，
２ｂ，２ｃ，２ｄが縦に並んでいる。このうち、電圧出
力用の端子として、上部２つのボンディングパッド２
ａ，２ｂが定電流源及び増幅回路６ａと電気的に接続さ
れている。そして、定電流源及び増幅回路６ａのための
電源端子として、下の２つのボンディングパッド２ｃ，
２ｄが定電流源及び増幅回路６ａと電気的に接続されて
いる。

【００２６】図１に示す上面図において、振動膜３の下
方にも、第１振動検出部４ｂのピエゾ抵抗測定手段に接
続される「定電流源及び増幅回路」６ｂが配置されてい
る。振動膜３の右側であって、第１振動検出部（片持ち
梁）４ａの下側には第１振動検出部（片持ち梁）４ｂ、
４ｃが配置されている。定電流源及び増幅回路６ｂと片
持ち梁４ｂとの間は２本のアルミニウム配線によって電
気的に接続されている。定電流源及び増幅回路６ｂの左
側であってＳｉ基板５の左下のチップ端面付近にはボン
ディングパッド２ｇ、２ｈが２つ配置されている。この
左下のチップ端面付近のボンディングパッド２ｇ、２ｈ
は、電圧出力用端子としてアルミニウム配線を介して定
電流源及び増幅回路６ｂと電気的に接続されている。
又、定電流源及び増幅回路６ｂの下方であってＳｉ基板
５の周辺部近傍にはボンディングパッド２ｉ，２ｊが２
つ配置され、電源端子として定電流源及び増幅回路６ｂ
とアルミニウム配線を介して電気的に接続されている。
更に定電流源及び増幅回路６ｂの下であって振動膜３の
右側には第１振動検出部４ｃのピエゾ抵抗測定手段に接
続される「定電流源及び増幅回路」６ｃが配置されてい
る。定電流源及び増幅回路６ｃの右であってＳｉ基板５
の右下のチップ端面付近にはボンディングパッド２ｋ，
２ｌが２つ配置され、電圧出力用端子としてアルミニウ
ム配線を介して電気的に接続されている。又、定電流源
及び増幅回路６ｃの電源端子としては定電流源及び増幅
回路６ｂの電源端子と共通のボンディングパッド２ｉ，
２ｊを用い、定電流電源源及び増幅回路６ｃとボンディ
ングパッド２ｉ，２ｊとはアルミニウム配線を介して電
気的に接続されている。

【００２７】図２は、図１に示した本発明の実施形態に
係る半導体振動センサのＡ−Ａ方向からみた部分的な断
面図である。図２に示すように、本発明の実施形態に係
る半導体振動センサは、半導体基板（Ｓｉ基板）５と、
この半導体基板（Ｓｉ基板）５に配置された第１振動検
出部（微小振動検出部）１２及び第２振動検出部（音響
振動検出部）１１とから構成されている。第１振動検出
部（微小振動検出部）１２は、半導体基板５の右側に配
置されている。又、第２振動検出部（音響振動検出部）
１１は、第１振動検出部１２が配置された位置とは異な
る位置の半導体基板５に配置されている。Ｓｉ基板５の
下端部領域には２つの凹部が構成されている。凹部の底
部を構成する薄い部分を挟んだ左端部、中央部、右端部
においてＳｉ基板５は分厚い構造となっている。２つの
凹部の側面は、基板表面の（１００）面に対し（１１
１）面が露出し、（１００）面に対し、５４．７４°の
角度で交わる。左側の凹部の底部となる薄い部分につい
ては、音響振動を検出するための第２振動検出部（音響
振動検出部）１１を構成する必要があるからである。右
側の凹部の底部の薄い部分については機械的微小振動を
検出する第１振動検出部（微小振動検出部）１２を構成
するために、振動による応力をこの領域に集中的に付加
させるためである。図２の断面図における第２振動検出
部（音響振動検出部）１１及び第１振動検出部（微小振
動検出部）１２の詳細は後述する。

【００２８】図３は本発明の実施形態に係る半導体振動
センサのパッケージに関する断面図である。半導体基板
５の一方の主表面（表面）に接した第１パッケージケー
ス２４は半導体振動センサの表面を保護するためのもの
である。第１パッケージケース２４と半導体振動センサ
はボンディングパッド２と埋め込み層取り出し電極９と
の間の部分及び片持ち梁の右側部分で接続され、音響振
動検出部分並びに微小振動検出部分をパッケージ内部に
含むよう半導体振動センサを覆っている（図３では、図
１に示したボンディングパッド２ａ，２ｂ，ｃｃ，・・・・
・を集合的に、「ボンディングパッド２」と記す。）。
ボンディングパッド２についてはリード線２６を用いて
外部へ出力する必要があるためパッケージケース２４の
外部に位置している。半導体振動センサの下部（他方の
主表面）は第２パッケージケース２３により保護されて
おり、片持ち梁以外の半導体振動センサ下部と結合して
いる。又、音響振動を振動膜３で検出するため、第２パ
ッケージケース２３のうち、第２振動検出部１１に対応
する位置（振動膜３の下部の部分）は、音波導入口２５
が設けられている。なお、第１パッケージケース２４と
第２パッケージケース２３とを一体として構成し、その
一部が半導体基板５の一方の主表面、即ち表面か裏面の
どちらかに接するように構成しても良い（表面及び裏面
のいずれを、「一方の主表面」或いは「他方の主表面」
と呼ぶかは単なる定義の問題である。）。

【００２９】［音響振動検出部（第２振動検出部）］次
に、図２の断面図に戻り、音響振動検出部（第２振動検
出部）１１の構造を説明する。図２に示す本発明の実施
形態において、第２振動検出部（音響振動検出部）１１
は、振動膜３と、この振動膜３の振動による振動膜３中
の電気的等価回路定数の変化を測定する回路定数測定手
段（１５，９、１３）とから構成されている。Ｓｉ基板
５の下端部のうち、左側の凹部の底部を構成する薄膜部
に振動膜３が配置されている。振動膜３は、三層構造を
なし、導電性材料からなる埋め込み層８、この埋め込み
層８の上部に配置されたこの埋め込み層８よりも高比抵
抗の半導体薄膜層、及びこの高比抵抗の半導体薄膜層に
空乏層１４を形成するショットキー電極１３とから構成
されている。最下層の「導電性材料からなる埋め込み層
８」は、３×１０¹⁷ｃｍ^-3〜８×１０¹⁹ｃｍ^-3程度のｐ
型高不純物密度の半導体領域（ｐ^＋埋め込み層）であ
る。比抵抗で表すと、０．０１４Ω・ｃｍ〜０．０１３
Ω・ｃｍ程度である。ｐ^＋埋め込み層８の上部には、ｐ
^＋埋め込み層８の不純物密度よりも低不純物密度の、例
えば、５×１０¹²ｃｍ^-3〜１×１０¹⁴ｃｍ^-3程度のｐ型
層が形成されている。この場合のｐ型層の比抵抗は、
２．７ｋΩ・ｃｍ〜１４０Ω・ｃｍ程度である。ｐ型層
の比抵抗を高く（不純物密度を低く）しているのは、シ
ョットキー接合の空乏層幅を広くとるためである。比抵
抗の低い埋め込み層を設けることで、空乏層で発生した
キャリアを、効率よくＩ／Ｖコンバータへ伝導させるこ
とが出来る。

【００３０】又、ｐ型層の左端付近はｐ^＋埋め込み層８
と同等の高不純物密度を有するｐ^＋シンカー１５が配置
され、回路定数測定手段（１５，９、１３）の一部を構
成している。ｐ^＋シンカー１５が配置される場所は振動
膜３よりも左側に位置しており、Ｓｉ基板５の下端部の
うち（１１１）面が露出した部分の上部にあたる。ｐ型
層の上部であってＳｉ基板５の表面上にはショットキー
電極１３が配置されている。ショットキー電極１３の材
料は比重の重い金属が望ましい。音響振動を効率的に検
出するためである。本発明の実施形態では金（Ａｕ）を
用いている。勿論、このことはショットキー電極１３の
材料の限定を意味するものではない。ショットキー電極
１３の下部領域は前述の通り不純物密度の低いｐ型層で
あるため、ショットキー電極１３と下部のｐ型層はオー
ミック接合ではなく、ショットキー接合を形成する。し
たがって、ショットキー電極１３の下部のｐ型層には、
空乏層１４が形成される。ｐ型層の不純物密度を、５×
１０¹²ｃｍ^-3〜１×１０¹⁴ｃｍ^-3程度、若しくはこれ以
下に設定することで、拡散電位（ビルトイン・ポテンシ
ャル）のみで空乏層が広がる。このため、ショットキー
接合にバイアス電源を必要としないで、音響振動検出部
（第２振動検出部）１１を動作させることが可能とな
る。なお、ショットキー電極１３の他に、ｐ型層の上部
にｎ型層を形成し、ｐｎ接合により空乏層を形成するこ
とも可能である。この場合、ｎ型層の表面には、オーミ
ック電極が形成される。

【００３１】ｐ^＋埋め込み層８及びｐ型層（空乏層１
４）の両端には、素子分離領域１０が配置されている。
この素子分離領域１０は、Ｓｉ基板５の表面からｐ^＋埋
め込み層を貫通する深さのＵ型の溝部（トレンチ）に、
酸化膜等の素子分離絶縁膜を埋め込んで形成されてい
る。又、図１に示すように、素子分離領域１０は、ショ
ットキー電極１３を取り囲むように角形リング状に形成
されている。更に、ｐ^＋シンカー１５に接するように埋
め込み層取り出し電極９が配置されている。

【００３２】図５は音響振動検出部１１中の振動膜部分
付近の斜視図であり、振動膜３の寸法を示す。振動膜３
は縦３ｍｍ、横３ｍｍ、高さ６μｍの薄い板状の直方体
の構造となっている。図２及び図５に示す音響振動検出
部１１において、音響振動が振動膜３に入射すること
で、振動膜３は物理的に振動する。振動膜３が振動すれ
ば、空乏層１４を構成している半導体領域の物理的パラ
メータが変化し、空乏層容量や接合抵抗などの電気的等
価回路定数が変動する。又、振動により空乏層中で「発
生再結合電流」が生じるため空乏層１４中を、「発生再
結合電流」に起因した電流が流れる。この結果、上述し
た電気的等価回路定数の変動とあわせて物理的振動が電
気的振動へと変換される。その電流がｐ^＋埋め込み層８
及びｐ^＋シンカー１５を経て埋め込み層取り出し電極９
へと流れ、最終的にＩ／Ｖコンバータ７へと流れ込む。
Ｉ／Ｖコンバータ７により、電流出力が電圧出力へと変
換され、Ｉ／Ｖコンバータ７に接続されたボンディング
パッド２ｅ，２ｆを通じて外部へと出力される。なお、
ｐ^＋シンカー１５にオーミック接触する埋め込み層取り
出し電極９の電圧は、ｐ^＋シンカー１５を介してｐ^＋埋
め込み層８に印加される。したがって、ショットキー電
極１３とｐ^＋埋め込み層８との間に所望の電圧を印加す
ることが出来る。即ち、ショットキー電極１３の下部を
低不純物密度のｐ型層とし、ｐ型層で広い空乏層１４を
形成することで電気的等価回路定数の変動を大きくする
ことが出来る。更にｐ型層の下部に面積の広いｐ^＋埋め
込み層８を設けているので、空乏層１４中で発生したキ
ャリアは、効率的に取り出されＩ／Ｖコンバータ７へと
運ばれる。

【００３３】図７は音響振動検出部１１の簡略化した電
気的等価回路である。厳密なショットキーダイオードの
等価回路は、非常に複雑であるが、図７では、空乏層容
量Ｃ _ｊ、接合抵抗Ｒ_ｊ、振動による発生再結合電流igr
及び接触抵抗や寄生抵抗等のシリーズ抵抗Ｒｓのみを考
慮している。即ち、図２及び図５に示す空乏層１４の中
には、空乏層容量Ｃ_ｊ、接合抵抗Ｒ_ｊが存在し、又振動
により発生再結合電流igrが生ずるので、空乏層１４の
部分はこれらのＣ_ｊ、Ｒ_ｊ、igrの並列接続回路で表現
できる。さらに、空乏層１４以外のシリーズ抵抗Ｒｓ成
分が、空乏層１４を表現している並列回路に直列に接続
されると近似している。厳密には、ショットキーダイオ
ードの等価回路は、これ以外の複数のＣ、Ｒ成分等が複
雑な直並列回路を構成するが、第１次近似としては、図
７で表現可能である（なお、厳密なｐｎ接合ダイオード
の等価回路も、非常に複雑であるが、簡略化した表現で
は、図７と同様なＣ_ｊ、Ｒ_ｊ、igrの並列接続と、この
並列回路に直列に接続されたシリーズ抵抗Ｒｓで表現で
きる。）。図７で破線で示した音響センサ（ショットキ
ーダイオード）の等価回路２７の両端はオペアンプ回路
３０の２つの入力端子に接続されている（オペアンプ回
路３０は、図１のＩ／Ｖコンバータ７に対応する）。オ
ペアンプ回路３０の２つの入力端子の間の入力インピー
ダンスは無限大であると近似している。オペアンプ回路
３０の一方の入力端子と出力端子の間にはフィードバッ
ク抵抗Ｒｆが接続されている。このような増幅回路によ
って、外部へ出力電圧２９が出力される。したがって具
体的に出力電圧２９の値Ｖｓは、オペアンプ回路３０の
２つの入力端子間の入力電圧をV0sとして、Ｖｓ＝Ｒｆ（V0s（ｄＣ_ｊ／ｄｔ）＋V0s／（Ｒｓ＋Ｒ_ｊ）＋igr）・・・・・（１）で与えられる。即ち、空乏層１４中で発生したキャリア
に起因した電流は、オペアンプ回路３０により、出力電
圧Ｖｓに変換される。

【００３４】本発明の「回路定数測定手段」は、ショッ
トキーダイオード（若しくはｐｎ接合ダイオード）のイ
ンピーダンスの変化、容量変化、抵抗（若しくはコンダ
クタンス）の変化を測定するためのショットキーダイオ
ード（若しくはｐｎ接合ダイオード）のｐ^＋シンカー１
５、ショットキー電極１３や埋め込み層取り出し電極９
等の電極の他にこれらに接続される表面配線（図示省
略）が含まれる。更には、これらの表面配線を介して接
続されるオペアンプ回路３０も、本発明の「回路定数測
定手段」含まれる。

【００３５】［微小振動検出部（第１振動検出部）］次
に、図２に示した断面図の右側の凹部近傍の微小振動検
出部（第１振動検出部）１２の構造について説明する。
図２に示す断面図上では、右端近傍においてＳｉ基板５
は、楔型の溝部により物理的にあたかも２つの領域に分
離された形で表現されている。実際には、この部分は、
図１の上面図から理解出来るように、紙面の奥の方で連
続している。右端近傍に示した楔型の溝部は、片持ち梁
４ｂの自由端を構成するための溝部である。図２に示す
断面図上で物理的に分離された２つの領域のうち、右側
領域には特筆する構造を特に有さないため説明を除外し
以下左側の領域について説明する。

【００３６】右側の凹部の底部となるＳｉ基板５の薄く
なっている領域近傍のＳｉ基板５の内部には、ピエゾ抵
抗測定手段の一部となるｐウェル１６が配置されてい
る。ｐウェル１６の両端部付近にはｐウェル１６よりも
不純物密度が高いコンタクト領域１７ａ、１７ｂが配置
されている。コンタクト領域１７ａ、１７ｂそれぞれの
上部であってＳｉ基板５上にはピエゾ電極１９，２０が
配置されている。ｐウェル１６、コンタクト領域１７
ａ、１７ｂ、ピエゾ電極１９，２０により、ピエゾ抵抗
測定手段が構成されている。又、全体を通してＳｉ基板
５の表面上であって前述のショットキー電極１３、埋め
込み層取り出し電極９、ピエゾ電極１９，２０以外の領
域はパッシベーション膜１８で覆われている。

【００３７】図２に示す片持ち梁４ｂは、外部からの機
械的微小振動を受けて振動する共振子となる。Ｓｉ基板
５の薄くなった部分、即ち共振子（片持ち梁）４ｂの固
定端部分が共振子（片持ち梁）４ｂの振動による応力を
集中的に受ける。そのため、ｐウェル１６は強い圧力を
受け、その電気的抵抗値が変化する。ピエゾ電極１９，
２０を通してこのｐウェル１６に定電流を流すことによ
り、機械的振動を電圧の変動という電気的振動に変換す
ることが可能となる。なお図２からは明らかではない
が、ピエゾ電極１９，２０は、図１に示す定電流源及び
増幅回路６ｂへと電気的に接続されており、得られた電
気的振動はボンディングパッド２ｇ，２ｈを通して外部
に出力される。断面図を省略しているが、図１に示した
片持ち梁４ａ及び片持ち梁４ｃについても同様である。

【００３８】図４は、片持ち梁４の構造を表す斜視図で
ある（ここでは、特に言及しない限り、片持ち梁４ａ，
４ｂ，４ｃを集合的に「片持ち梁４」と記す。）。片持
ち梁４は、縦の長さｂ、横の長さｌ、高さｈのピエゾ抵
抗部となる直方体と、縦の長さｙ、横の長さｘ、高さ
ｈ’のおもり部となる直方体とが結合した構造を有して
いる。片持ち梁４はその構造に応じた共振振動数ｆ０を
有し、その共振振動数は近似的にｆ_０＝ω_０／２π＝（１／２π）（３ＥＪ／ｍｌ³）^1/2 ・・・・・（２）という式で与えられる。式（２）で、ｍは片持ち梁のお
もり部の質量であり、Ｅはヤング率、Ｊ＝ｂｈ^３／１２
である。Ｓｉの密度は２．３ｇ／ｃｍ³であり、ヤング
率が１３．１Ｎ／ｍ²であるので、図４においてｈ＝
ｈ’＝２８μｍ、ｂ＝１ｍｍ、ｌ＝3.5ｍｍ、ｘ＝３．
５ｍｍ、ｙ＝７ｍｍとすると、式（２）より、共振振動
数ｆ_０＝８０Ｈｚの片持ち梁となる。

【００３９】図６は片持ち梁４ｂと定電流源及び増幅回
路６ｂからなる部分の電気的な等価回路である。ｐウェ
ル１６によるｐ型ピエゾ抵抗層Ｒｐと定電流源及び増幅
回路６ｂ中の定電流回路ｉｃが接続され、増幅器Ａにつ
ながれている。増幅器Ａで増幅された電気的振動は出力
電圧２８として外部へ出力される。具体的な出力電圧２
８の値はＶｓ＝Ａ・Ｒｐ・ｉｃ・・・・・（３）で与えられる。ここでＡは増幅器の増幅度を意味する。
片持ち梁４ａと定電流源及び増幅回路６ａからなる部分
の電気的な等価回路、及び片持ち梁４ｃと定電流源及び
増幅回路６ｃからなる部分の電気的な等価回路も同様
に、（３）式で示される出力電圧を得ることが出来る。

【００４０】図８，図９は本発明の実施形態に係る半導
体振動センサを用いた、人間の心身及び周囲環境のモニ
タリングシステムの模式図である。図８は測定対象とな
る人物に携帯させた音響振動及び体表面微小振動検出シ
ステムに関するものである。音響振動検出部１１と、微
小振動検出部１２ａ、微小振動検出部１２ｂ、微小振動
検出部１２ｃでそれぞれ検出された振動はそれぞれ増幅
器Ａ1、Ａ2 、Ａ3、Ａ4によって同程度の強度にまで増
幅される。即ち各検出部で検出される振動の強度は振動
の種類によって異なり、その後の解析を容易に行うた
め、加算器３１で合成される前に各振動を同等のレベル
にしておく必要があるためである。体表面微小振動は、
音響振動より遙かに振動レベルが低い。その後加算器３
１で各振動が加算され、変調器３２を経てアンテナ３３
から発信される。

【００４１】図９は測定対象者の周囲の状況及び精神・
心理状況を解析するためのデータ解析センタに関するも
のである。まず測定対象者が携帯する検出システムから
発せられた電波を、受信部３４で受信する。その後受信
電波を増幅器Ａ5で増幅し、ＦＦＴ（高速フーリエ変換
器）でフーリエ変換を行う。その後α波、β波などを検
出するため、周波数スペクトラム解読装置３７で周波数
及びそのスペクトラムを分析する。その際、スペクトラ
ム解読のため知識データベース３８とデータのやりとり
を行う。その後、分析された測定対象の周囲の状況及び
精神・心理状況が表示器３９に表示される。

【００４２】図１０、図１１、図１２に示す工程断面図
を用いて、本発明の実施形態に係る半導体振動センサの
製造方法を説明する。

【００４３】（イ）まず、（１００）面を有するｎ型の
Ｓｉ基板５を用意し、スピン塗布法等を用いて（１０
０）面のＳｉ基板５の上にレジスト４０を塗布し、フォ
トリソグラフィ法を用いて、ｐ^＋埋め込み層８を形成予
定領域に開口を有するパターンのレジスト４０を形成す
る。このレジスト４０をマスクとして、Ｓｉ基板５に対
し（１００）面に対して垂直方向からボロンイオン（¹¹
Ｂ^＋）などのｐ型不純物イオンを３×１０¹⁵ｃｍ^-2〜８
×１０¹⁶ｃｍ^-2程度の高ドーズ量でイオン注入する。１
ＭｅＶ以上の高エネルギでイオン注入する場合は、レジ
スト４０の下に金属膜を蒸着法等で堆積し、レジスト／
金属膜の２層マスクでイオン注入すれば良い。例えば、
¹¹Ｂ^＋を２ＭｅＶでイオン注入すれば、その射影飛程
は、２．８μｍ程度、¹¹Ｂ^＋を３ＭｅＶでイオン注入す
れば、その射影飛程は、３．９μｍ程度になる。その
後、活性化の熱処理をすれば、図１０（ａ）に示すよう
に、所望の射影飛程の位置にｐ^＋埋め込み層８が形成さ
れる。次に、レジスト４０を除去し（或いは、レジスト
／金属膜の２層マスクならば、その下の金属膜も除去
し）、図１０（ｂ）に示すようにｐウェル層１６と、ｐ
^＋埋め込み層上部のｐ型層を形成用の拡散マスクを形成
する。スピン塗布法を用いてＳｉ基板５の上にレジスト
４１を塗布し、フォトリソグラフィ法を用いてｐウェル
層１６と、ｐ^＋埋め込み層上部のｐ型層を形成する領域
に開口を有するパターンのレジスト４１を形成する。こ
のレジスト４１をマスクとしてＳｉ基板５に対し（１０
０）面に対して垂直方向から¹¹Ｂ^＋などのｐ型不純物イ
オンを、３×１０¹³ｃｍ^-2〜８×１０¹⁴ｃｍ^-2程度の比
較的低いドーズ量でＳｉ基板５の中に注入する。この場
合の、ｐ型不純物イオン加速エネルギは５０〜１５０Ｋ
ｅＶ程度で良い。その後、レジスト４１を除去し、例え
ば１１５０℃で１〜３時間程度熱処理すれば、図１０
（ｂ）に示すように、ｐ^＋埋め込み層８、ｐウェル層１
６、及びｐ^＋埋め込み層８上部のｐ型層が形成出来る。
この段階では、ｐウェル層１６は、図１０（ｂ）に示す
ように、ｐ^＋埋め込み層８まで、到達している必要はな
い。なお、ｐ^＋埋め込み層８は、選択拡散でＳｉ基板５
にｐ^＋拡散層を形成後、このｐ^＋拡散層の上にｎ型のエ
ピタキシャル成長層を堆積しても形成出来る。

【００４４】（ロ）次に、スピン塗布法を用いてＳｉ基
板５の上にレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィ法
を用いてｐ^＋シンカー１５，コンタクト領域１７ａ、コ
ンタクト領域１７ｂの形成予定領域に開口を有するパタ
ーンのレジスト４２を形成する。このレジスト４２をマ
スクとして、Ｓｉ基板５の（１００）面に対し垂直方向
から¹¹Ｂ^＋或いは⁴⁹ＢＦ₂ ^＋などのｐ型不純物イオン
を、３×１０¹⁵ｃｍ^-2〜１×１０¹⁶ｃｍ^-2程度の高ドー
ズ量で注入する。この場合は、３０〜８０ＫｅＶ程度の
低エネルギで加速すれば良い。その後、レジスト４２を
除去し、所定の温度及び所定の時間、例えば、１１５０
℃で７〜１０時間程度熱処理すれば、図１０（ｃ）に示
すようにｐ^＋シンカー１５、コンタクト領域１７ａ、コ
ンタクト領域１７ｂが形成される。図１０（ｂ）では、
ｐウェル層１６はｐ^＋埋め込み層８まで到達している必
要はないが、この段階では、ｐウェル層１６はｐ^＋埋め
込み層８まで到達する。

【００４５】（ハ）次に、熱酸化法等によりＳｉ基板５
の表面上に二酸化シリコン（ＳｉＯ ₂）膜４３を形成す
る。更にＣＶＤ法により、二酸化シリコン膜４３の上に
窒化シリコン(Ｓｉ₃Ｎ₄)膜４３を形成する。次に、反応
性イオンエッチング（ＲＩＥ）等の異方性エッチングを
行い、図１０（ｄ）に示すようにＵ字型の溝部（トレン
チ）を形成する。その後、図１０（ｅ）に示すように、
窒化シリコン(Ｓｉ₃Ｎ ₄)膜４３を耐酸化マスクとして用
い、熱酸化することにより、ＳｉＯ₂をＵ字型の溝部の
内部に選択的に埋め込むことで素子分離領域１０を形成
する。選択酸化の終了後、耐酸化マスクとして用いた窒
化シリコン膜４３は、熱燐酸等のエッチング液で除去す
る。なお、窒化シリコン膜４３を用いた選択酸化以外に
も、ＣＶＤ法で全面に堆積し、エッチバックしたり、化
学的機械研磨（ＣＭＰ）等の平坦化工程で、ＳｉＯ₂を
Ｕ字型の溝部の内部に選択的に埋め込んでも良い。又、
素子分離領域１０は、複数の半導体振動センサの間を絶
縁するために形成するものであって、その目的を達成出
来るものであれば、ＳｉＯ₂ 以外の物質であっても素子
分離領域１０に用いることは可能である。

【００４６】（ニ）次に、スピン塗布法によって、Ｓｉ
基板５の裏面にレジスト膜を形成し、フォトリソグラフ
ィ法を用いて、振動膜３の形成予定領域に開口を有した
パターンからなるレジスト４５を形成する。その後、レ
ジスト４５をエッチングマスクとして用い、エチレンジ
アミン（Ｈ₂Ｎ・ＣＨ₂ＣＨ₂ＮＨ₂）水溶液、或いは水酸
化カリウム（ＫＯＨ）溶液等のエッチング液を用いて異
方性エッチングを行い、ｐ^＋埋め込み層８の下部のＳｉ
部分を、ｐ^＋埋め込み層８が露出するまで、Ｓｉ基板５
の裏面から除去する。この結果、図１１（ａ）に示すよ
うに、音響振動部１１の振動膜３が形成される。その
後、レジスト４５を除去する。

【００４７】（ホ）次に、スピン塗布法によって、Ｓｉ
基板５の裏面にレジスト膜４６を形成し、フォトリソグ
ラフィ法を用いてウェル１６の下部と、片持ち梁の自由
振動端の形成予定領域に開口を有しているパターンのレ
ジスト４６を形成する。その後、レジスト４６をエッチ
ングマスクとして用いて、エチレンジアミン水溶液、水
酸化カリウム等のエッチング液を用いて、異方性エッチ
ングを行う。この結果、図１１（ｂ）に示すように、
ｐウェル１６の下部のＳｉ基板５及び、片持ち梁の自由
振動端近傍のＳｉ基板５を選択的に除去する。図１１
（ｂ）におけるエッチングの深度は、図１１（ａ）にお
けるエッチングの深度とは異なるため、振動膜３を形成
するためのエッチングとは別工程で行う。

【００４８】（ヘ）次にＳｉ基板５の表面にスピン塗布
法によりレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィ法を
用いて自由端を形成する領域に開口を有しているパター
ンのレジスト４７を形成する。その後、レジスト４７を
エッチングマスクとして用い、異方性エッチングを行
い、図１１（ｃ）に示すように、片持ち梁の自由振動端
を形成する。この工程ではＳｉ基板５の裏面がエッチン
グされることを防ぐため、あらかじめＳｉ基板５の裏面
全体にスピン塗布法によってレジスト４８を形成してお
く。異方性エッチング終了後、エッチングマスクとして
用いたレジスト４７を除去する。

【００４９】（ト）次に、Ｓｉ基板５の表面にスピン塗
布法によりレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィ法
を用いて、埋め込み層取り出し電極９、ピエゾ電極２
０、ピエゾ電極１９の形成予定領域に、それぞれ開口を
有しているパターンのレジスト４９を形成する。その
後、レジスト４９をエッチングマスクとして用い、図１
１（ｄ）に示すように、二酸化シリコン膜４３に選択的
にエッチングし、埋め込み層取り出し電極９、ピエゾ電
極２０、ピエゾ電極１９用のコンタクトホールをそれぞ
れ形成する。この工程ではＳｉ基板５の裏面がエッチン
グされることを防ぐため、前工程で用いたレジスト４８
を除去しないで、あらかじめ残しておく。

【００５０】（チ）次に、二酸化シリコン膜４３に形成
されたコンタクトホールを介して、電極となるアルミニ
ウム（Ａｌ）若しくはアルミニウム合金（Ａｌ−Ｓｉ、
Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ）等の金属膜を蒸着若しくはスパッタ
リング法で堆積する。そして、図１１（ｅ）に示すよう
に、フォトリソグラフィ法及びＲＩＥ法を用いて、金属
膜をパターニングし、埋め込み層取り出し電極９、ピエ
ゾ電極２０、ピエゾ電極１９を形成する。その後、オー
ミック接合を実現するため、４００℃〜４５０℃程度
で、Ｈ２等の雰囲気中でシンタリングを行う。

【００５１】（リ）次に、Ｓｉ基板５の表面の全面に、
スピン塗布法によりレジスト膜を形成し、フォトリソグ
ラフィ法を用いてショットキー電極１３の形成予定領域
に開口を有しているパターンのレジスト５０を形成す
る。そして、レジスト５０をエッチングマスクとして用
い、図１２（ａ）に示すように、二酸化シリコン膜４３
に選択的にエッチングし、ショットキー電極１３の形成
予定領域のＳｉ基板５の表面を露出させる。次に、エッ
チングマスクとして用いたレジスト５０を、リフトオフ
用マスクとして用い、ショットキー電極１３用の金等の
金属を、蒸着若しくはスパッタリング法で堆積する。そ
の後、レジスト５０並びにレジスト５０上に付着した金
属を除去すれば、図１２（ｂ）に示すように、ショット
キー電極１３がパターニングされる。以上の工程を経
て、図１に示す半導体振動センサを製造することが出来
る。

【００５２】（変形例１）本発明の実施形態の変形例１
に係る半導体振動センサは、図１３に示すように、定電
流源と増幅回路部に必要な回路素子を、微小振動検出部
（第１振動検出部）９を構成している片持ち梁のおもり
部の表面に集積化している。定電流源と増幅回路部を、
片持ち梁のおもり部の表面に集積化することによって、
半導体振動センサを、より小型化することが可能とな
る。なお、図１３上にはＭＯＳトランジスタからなるＭ
ＯＳ集積回路の構造を例示しているが、勿論理解の助け
とするための一例にすぎず、バイポーラトランジスタ
（ＢＪＴ）集積回路や静電誘導トランジスタ（ＳＩＴ）
集積回路等の、定電流源と増幅回路部を構成する回路で
あれば、他の半導体集積回路であっても構わない。

【００５３】（変形例２）本発明の実施形態の変形例２
に係る半導体振動センサは、図１４に示すように、微小
振動検出部（第１振動検出部）５５において、片持ち梁
５２の下部に舟形のピット５４を形成している。又、片
持ち梁５２はその下部をＳｉ基板５によって覆われてい
る。図１４に示す断面図における他の部分、例えば音響
振動検出部（第２振動検出部）１１や、微小振動検出部
５５におけるピエゾ電極１９，２０，ｐウェル５３等の
配置及び特徴については、図２に示した半導体振動セン
サとほぼ同一である。

【００５４】本発明の実施形態の変形例２に係る半導体
振動センサは、片持ち梁５２がその下部をＳｉ基板５に
よって覆われることにより、片持ち梁５２がＳｉ基板５
に保護されている。

【００５５】本発明の実施形態の変形例２に係る半導体
振動センサは、基本的には、図１及び図２に示した本発
明の実施形態に係る半導体振動センサの製造方法と同様
である。しかし、舟形のピット５４を形成するために、
半導体振動センサの上部部分と下部部分を別々に製造
し、しかる後にシリコン直接接合（ＳＤＢ）法で、貼り
合わせるという点に特徴がある。この際、貼り合わされ
る面をきわめて平滑なものに加工しておく必要がある。
又、貼り合わせ工程は、１０００℃ほどの高温の下で行
う必要があるため、各金属電極や、金属配線などを形成
する以前に行う必要がある。なお、この製造方法は、本
発明の実施形態の変形例２に係る半導体振動センサの製
造方法を限定するものではなく、ピット５４を効果的に
製造出来るものであれば、他の製造方法を用いても構わ
ない。

【００５６】本発明の実施形態の変形例２に係る半導体
振動センサの特徴は、図１及び図２に示した本発明の実
施形態の半導体振動センサと同様の特徴に加え、上記の
構造をとることによって衝撃に強い半導体振動センサを
実現することが出来る点である。

【００５７】図１５は、本発明の実施形態の変形例２に
係る半導体振動センサのパッケージに関する断面図であ
る。半導体基板の一方の主表面（表面）に接して第１パ
ッケージケース５７が接続され、半導体基板の他方の主
表面（裏面）に接して第２パッケージケース５６が接続
されている。図１及び図２に示した本発明の実施形態に
係る半導体振動センサのパッケージとの相違は、半導体
振動センサの下部と接触する第２パッケージケース５６
において、図１及び図２に示した本発明の実施形態の場
合と比較し、半導体振動センサとの接触面積が広く取ら
れている点である。第２パッケージケース５６の微小振
動検出部の下の部分は微小振動の受波部としての機能も
果たすため、かかる部分が広く微小振動検出部の裏面と
接触することによって、微小振動を効率的に検出するこ
とが可能となる。音響振動を振動膜３に導くための音波
導入口２５が設けられている点などは、図１及び図２に
示した本発明の実施形態に係るパッケージと同様であ
る。

【００５８】（その他の実施形態）上記のように、本発
明は最良の実施の形態によって記載したが、この開示の
一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであ
ると理解すべきではない。この開示から当業者には様々
な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろ
う。

【００５９】既に述べた本発明の実施形態、その変形例
１及び変形例２において、ｎ型Ｓｉ基板５の代わりにｐ
型Ｓｉ基板を用い、ｐ⁺埋め込み層８の代わりにｎ⁺埋め
込み層、ｐ⁺シンカー１５の代わりにｎ⁺シンカー、ｐウ
ェル１６の代わりにｎウェルを用いても、本発明の実施
形態、その変形例１及び変形例２に係る半導体振動セン
サを実現することが可能である。

【００６０】又、図１０〜図１２に示した半導体振動セ
ンサの製造工程は、一例にすぎない。例えば、図１０
（ａ）に示した（イ）の段階でのｐ⁺埋め込み層８の形
成工程を省略し、後の段階の工程で、ｐ⁺埋め込み層８
を形成することも可能である。即ち、図１１（ａ）に示
した（ニ）の段階の異方性エッチング工程が終了した
後、異方性エッチングで形成した凹部の底部、即ち振動
膜３の裏面にｐ型不純物イオンを選択的に注入しても良
い。この場合、異方性エッチングのエッチングマスクに
用いたレジスト４５を残存させ、これをイオン注入マス
クとして用い、ｐ型不純物イオンを選択的に注入するこ
とが可能である。イオン注入後、イオン注入マスク４５
を除去し、所定の時間熱処理し、熱拡散させることによ
り、ｐ⁺埋め込み層８が形成される。変形例１及び変形
例２に係る半導体振動センサの製造工程でも、同様に、
ｐ⁺埋め込み層８の形成工程を（ニ）の段階の異方性エ
ッチング工程の後に行うことが可能である。

【００６１】また、本発明の実施形態、その変形例１及
び変形例２において、第１振動検出部として、片持ち梁
の振動による半導体層の歪みに起因したピエゾ抵抗の変
化を測定する微小振動検出部、第２振動検出部として空
乏層の等価回路定数の変化を測定する音響振動検出部に
ついて説明した。しかし、本発明は、これらの微小振動
検出部及び音響振動検出部の組み合わせに限定されるも
のではない。第１振動検出部と、この第１振動検出部よ
りも周波数帯域が高く、第１振動検出部とは動作原理の
異なる第２振動検出部とからなる組み合わせであれば、
種々の基本構造、動作原理からなる振動センサの組み合
わせが適用可能である。

【００６２】このように、本発明はここでは記載してい
ない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。した
がって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特
許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められ
るものである。

【００６３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、小
型であって、周波数帯域と振動レベルの異なる振動を同
時に検出することが出来る半導体振動センサを提供する
ことが出来る。

【００６４】又、同一半導体基板上に、第１振動検出部
と第２振動検出部とを高密度に集積化した場合におい
て、相互の干渉を防止し、特定の振動数を有する微小振
動を、バックグラウンド成分若しくはノイズ成分となる
異なる周波数帯域の振動と、簡単に分離して高感度で検
出することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る半導体振動センサの構
造を示す上面図である。

【図２】本発明の実施形態に係る半導体振動センサの構
造を示す断面図である。

【図３】本発明の実施形態に係る半導体振動センサのパ
ッケージの構造を示す断面図である。

【図４】本発明の微小振動検出部中の片持ち梁の構造を
示す斜面図である。

【図５】本発明の音響振動検出用振動膜の構造を示す斜
面図である。

【図６】本発明の微小振動検出部の電気的等価回路図で
ある。

【図７】本発明の音響振動検出部の電気的等価回路図で
ある

【図８】本発明の半導体振動センサを用いた人間の心身
及び周囲環境のモニタリングシステムの発信器部分のシ
ステム図である。

【図９】本発明の半導体振動センサを用いた人間の心身
及び周囲環境のモニタリングシステムの受信部分のシス
テム図である。

【図１０】本発明の実施形態に係る半導体振動センサの
製造方法のうち、主要な工程を示す断面図である。

【図１１】本発明の実施形態に係る半導体振動センサの
製造方法のうち、主要な工程を示す断面図である。

【図１２】本発明の実施形態に係る半導体振動センサの
製造方法のうち、主要な工程を示す断面図である。

【図１３】本発明の実施形態の変形例１に係る半導体振
動センサの構造を示す断面図である。

【図１４】本発明の実施形態の変形例２に係る半導体振
動センサの構造を示す断面図である。

【図１５】本発明の実施形態の変形例２に係る半導体振
動センサのパッケージの構造を示す断面図である。

【符号の説明】

２ａ〜２ｌボンディングパッド３振動膜４片持ち梁５Ｓｉ基板６定電流源及び増幅回路７Ｉ／Ｖコンバータ８ｐ^＋埋め込み層９埋め込み層取り出し電極１０素子分離領域１１音響振動（音波）検出部（第２振動検出部）１２微小振動検出部（第１振動検出部）１３ショットキー電極１４空乏層１５ｐ+シンカー１６ｐウェル１７コンタクト領域１８パッシベーション膜１９，２０ピエゾ電極２３，１４パッケージケース２５音波導入口２６リード線２７音響センサの等価回路２８出力電圧２９出力電圧３０オペアンプ回路３１加算器３２変調器３３アンテナ３４受信部３５復調器３６ＦＥＴ３７周波数スペクトラム解読装置３８知識データベース３９表示部４０〜４２，４５〜５０レジスト４３ＳｉＯ₂膜４４Ｓｉ₃Ｎ₄膜５２片持ち梁５３ｐウェル５４ピット５５微小振動検出部５６、５７パッケージケース５８ドレイン電極５９ソース電極６０ゲート電極６１ポリシリコン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板と、該半導体基板の特定の位置に配置された第１振動検出部
と、前記特定の位置とは異なる位置の前記半導体基板に配置
された、前記第１振動検出部よりも周波数帯域が高く、
前記第１振動検出部とは動作原理の異なる第２振動検出
部とからなることを特徴とする半導体振動センサ。
【請求項２】前記第１振動検出部は、共振子となる片
持ち梁、該片持ち梁の固定端側に配置されたピエゾ抵抗
測定手段とから構成され、前記第２振動検出部は、半導体薄膜層からなる振動膜、
該振動膜の振動による前記半導体薄膜層中に形成される
空乏層の等価回路定数の変化を測定する回路定数測定手
段とから構成されることを特徴とする請求項１記載の半
導体振動センサ。
【請求項３】導電性材料からなる埋め込み層、該埋め
込み層の上部に配置された該埋め込み層よりも高比抵抗
の半導体薄膜層とからなる振動膜と、該振動膜の振動による前記半導体薄膜層中に形成される
空乏層の等価回路定数の変化を測定する回路定数測定手
段とを有することを特徴とする半導体振動センサ。
【請求項４】前記空乏層は、前記半導体薄膜層とショ
ットキー接合をなすショットキー電極、若しくは前記半
導体薄膜層とｐｎ接合をなす前記半導体薄膜層と反対導
電型の半導体層により、前記半導体薄膜層中に形成され
ることを特徴とする請求項２又は３記載の半導体振動セ
ンサ。
【請求項５】前記半導体基板の一方の主表面に少なく
とも接し、前記第２振動検出部に対応する位置に音波導
入口を有するパッケージケースを更に有することを特徴
とする請求項１又は２記載の半導体振動センサ。