JP2004177231A

JP2004177231A - Semiconductor acceleration sensor element and acceleration sensor

Info

Publication number: JP2004177231A
Application number: JP2002342933A
Authority: JP
Inventors: Koji Goto; 浩嗣後藤; Sumio Akai; 澄夫赤井
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2002-11-26
Filing date: 2002-11-26
Publication date: 2004-06-24

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a downsizable semiconductor acceleration sensor element and an acceleration sensor. <P>SOLUTION: This acceleration sensor element formed by working a semiconductor substrate is equipped with an overlap part 3 having a rectangular surface along a principal surface of the substrate, a plurality of flexure parts 4 with one end each linked to a surface peripheral part of the overlap part 3 and the other end part each extended apart from the surface toward a center area of the surface, a support part 5 disposed in the surface center area of the overlap part 3 apart from the surface and linked to the other end of each of the flexure parts 4 to rockably support the overlap part 3, and piezoelectric resistance provided on the flexure parts 4. Since the support part 5 and the flexure parts 4 do not project from the overlap part 3 in a direction along the principal surface of the substrate, the sensor element 1 can be downsized in comparison with a case where the support part 5 is disposed so as to be aligned with the overlap part 3 in a direction along the principal surface of the substrate. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ピエゾ抵抗によって加速度を検出する半導体加速度センサエレメント及び半導体加速度センサエレメントをパッケージに収納した加速度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、アミューズメント分野やエアバッグのような車載機器分野などの様々な分野において、加速度センサが用いられている。加速度センサの中でも、１つのセンサで一度に複数方向の加速度を測定することができる多軸加速度センサの用途は近年ますます広がっている。例えばアミューズメント分野においては、３次元システムを用いたゲームにおけるコントローラへの３軸方向の操作を検知する用途や人体の移動を検知する用途、ペットロボットの姿勢制御の用途などに用いられている。こうした用途の拡大に伴い、より小型・軽量・低コストな加速度センサが求められている。
【０００３】
加速度センサとして、半導体加速度センサエレメント１をパッケージ２（図１１参照）に収納したものが提供されている（例えば、特許文献１参照）。半導体加速度センサエレメント１としては、例えば図８に示すように板状の重り部３と、重り部３の両側にそれぞれ設けられ重り部３よりも薄肉に形成されて弾性を有する撓み部４と、隙間を挟んで重り部３を囲む枠状であって撓み部４を介して重り部３を揺動自在に支持する支持部５とを備える所謂両持ち梁構造のものが用いられている。
【０００４】
撓み部４にはピエゾ抵抗（図示せず）が形成されていて、重り部３が加速度を受けて支持部５に対して変位するときに撓み部４に生じるひずみをピエゾ抵抗４１の抵抗値の変化に基づいて検出することにより加速度を検出することができる。ピエゾ抵抗４１の抵抗値は、ピエゾ抵抗４１を含むブリッジ回路を用いて測定する。また、例えば図９に示すように加速度が右向きＤ１であれば撓み部４が重り部３の左右両側において右側へ向かって上側へ傾斜するように変形し、図１０に示すように加速度が下向きＤ２であれば重り部３から離れるほど下側へ傾斜するように変形するといったように、加速度の方向によって撓み部４の変形が異なることを利用して３軸方向の加速度を検出することができる。
【０００５】
図１１に示すように、半導体加速度センサエレメント１は加熱硬化型の接着剤Ｍによってケース２１に接着固定されるとともにワイヤＷを用いたワイヤボンディングによってケース２１に電気的に接続される。ケース２１には、半導体加速度センサエレメント１を収納するパッケージ２をケース２１とともに構成するカバー２２が装着される。
【０００６】
また、半導体加速度センサエレメント１として、上述した両持ち梁構造の他に、図１２に示すように貫通穴３３が設けられた板状の重り部３と、一端が重り部３に連結された弾性を有する撓み部４と、貫通穴３３に挿通され撓み部４の他端が連結されて撓み部４を介して重り部３を揺動自在に支持する支持部５とを備える中央支持構造の半導体加速度センサエレメント１も用いられていた。中央支持構造の半導体加速度センサエレメント１も、両持ち梁構造の半導体加速度センサエレメント１と同様に３軸方向の加速度を検出することができる。例えば図１３に示すように加速度が右向きＤ３であれば支持部５の左右両側において撓み部４が右側へ向かって下側へ傾斜するように変形し、図１４に示すように加速度が下向きＤ４であれば撓み部４が支持部５から左右に離れるほど上側へ傾斜するように変形する。
【０００７】
【特許文献１】
特開平５−２０３６６７号公報（第３−４頁、第１−２図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、撓み部４は十分な強度を維持するために一定の断面積を必要とするほか必要な検出感度を確保するために一定の長さを必要とし、重り部３は必要な検出感度を確保するために一定の重量すなわち大きさを必要とする。両持ち梁構造の半導体加速度センサエレメント１においては、支持部５が重り部３を囲む枠状であるために、重り部３と撓み部４とが並ぶ方向（図８における左右方向）における半導体加速度センサエレメント１全体の長さ寸法は、重り部３の長さ寸法と両側の撓み部４の長さ寸法との合計よりもさらに大きくなる支持部５の長さ寸法によって決定していたため、小型化が難しかった。また、中央支持構造の半導体加速度センサエレメント１においては、支持部５が挿通する貫通穴３３が設けられるために重り部３が重量の割にかさばり、結果として半導体加速度センサエレメント１全体が大きくなってしまい、小型化が難しかった。言い換えると、重り部３の表面に沿った方向に支持部５と重り部３とを並べて配置していたため、半導体加速度センサエレメント１が重り部３の表面に沿った方向に大型化していた。
【０００９】
また、ワイヤボンディングによって半導体加速度センサエレメント１とパッケージ２とを電気的に接続しているため、ワイヤＷを取りまわすスペースをパッケージ２の内部に設けなければならず、従ってパッケージ２が大型化していた。
【００１０】
ワイヤボンディングに代えてフリップチップボンディングを採用することを考える。ここで、一般にパッケージ２の材料として用いられるエンジニアリングプラスチックやセラミックスは概してシリコンよりも線膨張係数が大きいから、半導体加速度センサエレメント１のパッケージ２への実装工程の後の放熱時に撓み部４が応力を受ける。また、両持ち梁構造の半導体加速度センサエレメント１においては、パッケージ２に固定される支持部５が撓み部４を挟む両側にあるから、撓み部４が受ける応力は圧縮応力となる。さらに、ワイヤボンディングでは、線膨張係数がシリコンと同程度の材料からなる図示しない台座を支持部５とパッケージ２との間に挟むことによって撓み部４が受ける応力を軽減することができるのに対し、フリップチップボンディングでは支持部５が直接パッケージ２に固定されるため、撓み部４が受ける圧縮応力が大きくなり、撓み部４が座屈するおそれがあった。以上により、両持ち梁構造の半導体加速度センサエレメント１においては、ワイヤボンディングに代えてフリップチップボンディングを採用することによる小型化はできなかった。
【００１１】
本発明は上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、小型化が可能な半導体加速度センサエレメント及び加速度センサを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、重り部と、これを支持する支持部と、これらを結合する撓み部との位置関係を工夫し、半導体基板の主面方向における重り部の２次元寸法内に支持部及び撓み部が収まるような配置構造とすることによって、半導体加速度センサエレメントの小型化を実現可能とする、という技術的思想を有している。そして、その具体的な解決手段は以下の如く構成される。
【００１３】
すなわち、請求項１の発明は、半導体基板をマイクロマシンニング加工することにより形成された加速度センサエレエメントであって、前記半導体基板において相対向する主面の一方側を表面方向、他方側を裏面側とし、且つ前記主面に垂直な方向を厚み方向と規定するとき、厚み方向からみた平眼視が矩形状となる重り部と、この重り部の表面周縁部に一端が連結され、且つ同表面とは離間して他端が同表面の中央領域に向かって延設された複数の撓み部と、前記重り部の表面中央領域に同表面と離間して配置され、前記各撓み部の他端と連結されて前記重り部を揺動自在に支持する支持部と、前記撓み部に設けられたピエゾ抵抗と、を備えたことを特徴とする。
【００１４】
請求項２の発明は、半導体基板をマイクロマシンニング加工することにより形成された加速度センサエレエメントであって、前記半導体基板において相対向する主面の一方側を表面方向、他方側を裏面側とし、且つ前記主面に垂直な方向を厚み方向と規定するとき、厚み方向からみた平眼視が矩形状となる重り部と、前記重り部の表面中央領域に同表面と離間して配置された支持部と、前記支持部と一端が連結され、且つ前記重り部の表面とは離間して外向きに延設され他端が前記重り部の表面周縁部に連結されて、前記重り部を前記支持部に対して揺動自在とする複数の撓み部と、前記撓み部に設けられたピエゾ抵抗と、を備えたことを特徴とする。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の半導体加速度センサエレメントと、該半導体加速度センサエレメントを収容する収納空間を有するとともに、前記支持部を連結固定することで前記重り部が前記収納空間内で揺動自在となるパッケージとを備えたことを特徴とする。
【００１６】
請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記パッケージは、前記撓み部が変形していないときは前記重り部と前記撓み部とがいずれも接触せず、前記撓み部が変形したとき前記撓み部が破壊に至る前に前記重り部と前記撓み部との少なくとも一方が接触する形状及び寸法に形成されたことを特徴とする。
【００１７】
請求項５の発明は、請求項３記載の発明において、前記半導体加速度センサエレメントを前記パッケージにフリップチップ実装したことを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
本実施形態は、図２に示すように、図２における上下方向（以下、「厚み方向」と呼ぶ）からみた平眼視が矩形状となる重り部３と、この重り部３の図２における上面（以下、「表面」と呼ぶ）の周縁部に一端が連結され、且つ同表面とは離間して他端が同表面の中央部付近（以下、「中央領域」と呼ぶ）に向かって延設された複数（図２においては４本）の撓み部４と、重り部３の表面中央領域に同表面と離間して配置され、各撓み部４の他端と連結されて重り部３を揺動自在に支持する支持部５とを備える。
【００２０】
言い換えると、支持部５は、重り部３の表面中央領域に同表面と離間して配置され、撓み部４は、一端が支持部５に連結され且つ重り部３の表面とは離間して外向きに延設され他端が重り部３の表面周縁部に連結されて重り部３を支持部５に対して揺動自在としている。
【００２１】
半導体加速度センサエレメント１の形状を詳しく説明すると、重り部３は矩形板状であって、重り部３の表面の周縁部には連結部４ａが突設されている。各撓み部４はそれぞれ一端が連結部４ａの表側端部の４辺の中間部に連結され、重り部３の表面に沿って重り部３の表面の中央領域に向かって延設され、他端が支持部５に連結されて全体として十字状に形成されている。つまり、各撓み部４はそれぞれ連結部４ａを介して重り部３の表面の周縁部に連結されている。
【００２２】
図１に示すように、支持部５は、重り部３から離れた側の面において、有底角筒形状のケース２１の底部に設けられた接合凸部２１ａに連結固定される。ケース２１は板状のカバー２２によって閉塞される。ここにおいて、ケース２１とカバー２２とからなるパッケージ２の内部には収納空間Ｓ１が形成される。また、半導体加速度センサエレメント１は収納空間Ｓ１に収容され、重り部３は収納空間Ｓ１の内部で揺動自在となる。
【００２３】
図３に示すように、重り部３と支持部５の間、並びに重り部３と撓み部４との間には隙間Ｓが形成されている。また、パッケージ２は、撓み部４が変形していないときは重り部３と撓み部４とがいずれも接触しない形状及び寸法に形成されている。
【００２４】
各撓み部４にはそれぞれピエゾ抵抗４１（図６（ｄ）参照）が形成されている。重り部３が加速度を受けて支持部５に対して変位するときに撓み部４に生じるひずみをピエゾ抵抗４１の抵抗値の変化に基づいて検出することにより、加速度を検出することができる。ピエゾ抵抗４１の抵抗値は、ピエゾ抵抗４１を含むブリッジ回路を用いて測定する。ここで、例えば図４に示すように加速度が右向きＤ５であれば撓み部４が支持部５の左右両側において右側へ向かって下側へ傾斜するように変形し、図５に示すように加速度が下向きＤ６であれば支持部５から離れるほど上側へ傾斜するように変形するといったように、加速度の方向によって撓み部４の変形が異なることを利用して３軸方向の加速度を検出することができる。また、パッケージ２は、撓み部４が変形したとき撓み部４が破壊に至る前に重り部３と撓み部４との少なくとも一方が接触する形状及び寸法に形成されている。つまり、重り部３が大きな加速度を受けたときにパッケージ２がストッパーの役割を果たすから、撓み部４が破壊されることを防ぐことができる。
【００２５】
支持部５と、撓み部４と、連結部４ａとは半導体基板をマイクロマシンニング加工して形成される。半導体加速度センサエレメント１の製造方法を以下に説明する。ここで、通常の半導体製造プロセスと同様に、１枚の基板上に複数個の半導体加速度センサエレメント１を形成した後にダイシングによって個々に分離することを想定する。ただし、説明においては１個の半導体加速度センサエレメント１に着目する。
【００２６】
まず、図６（ａ）に示すように、ｎ型単結晶シリコンからなるシリコン基板１ａの表裏の両側の主面に酸化膜１ｂを形成し、フォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術を用いたパターニングによってシリコン基板１ａの一方の主面（以下、「表面」と呼ぶ）のピエゾ抵抗４１並びにピエゾ抵抗４１に接続される拡散抵抗４２（図６（ｂ）参照）に対応する部位の酸化膜１ｂを除去した後、酸化膜１ｂが除去された部位に例えばボロンのようなｐ型不純物Ｐをイオン注入する。
【００２７】
次に、シリコン基板１ａを高温雰囲気中で活性化処理することにより、ピエゾ抵抗４１と拡散抵抗４２とを同時に形成する。なお、酸化膜１ｂの形成の工程とフォトレジストによるパターニングの工程、及びエッチングの工程を繰り返すことにより、ピエゾ抵抗４１と拡散抵抗４２とを別々に形成してもよい。
【００２８】
次に、図６（ｂ）に示すように、シリコン基板１ａの表裏両面に窒化膜１ｃを形成した後、シリコン基板１ａの裏面にフォトレジスト１ｄを用いたパターニングとエッチングとを施し、シリコン基板１ａの裏面において連結部４ａに囲まれる範囲の下部に相当する部位の酸化膜１ｂ及び窒化膜１ｃを除去する。
【００２９】
その後、図６（ｃ）に示すように、例えば８０℃程度の水酸化カリウム水溶液を用いた異方性エッチングによって、連結部４ａに囲まれる範囲に相当する凹部Ｈをシリコン基板１ａの裏面に形成する。その後、シリコン基板１ａの表面へのフォトレジストによるパターニングとドライエッチングとを経て撓み部４と支持部５と連結部４ａとを形成する。
【００３０】
次に、フォトレジストによるパターニングとドライエッチングとによって拡散抵抗４２上の酸化膜１ｂ及び窒化膜１ｃの一部を除去してコンタクト１ｅを形成し、コンタクト１ｅ上にアルミ膜をスパッタリング又は蒸着によって形成する。その後、図６（ｄ）に示すように、アルミ膜にフォトレジストによるパターニングとエッチングとを施すことにより、電極や配線として機能する導電膜４３を形成する。次に、導電膜４３にシンタ処理を施し、その後、例えばガラスからなる重り部３をシリコン基板１ａの裏面に４００℃、６００Ｖの条件の元で陽極接合する。ここにおいて重り部３と支持部５との間の隙間Ｓが形成される。ここで、シリコン基板１ａに接合できれば重り部３の材質は何であってもよく、例えばシリコンであってもよい。
【００３１】
その後、ダイシングによって半導体加速度センサエレメント１を個別に切り離す。ここで、半導体基板の厚み方向からみた重り部３の形状は矩形状となる。
【００３２】
ケース２１とカバー２２との少なくとも一方には、パッケージ２の外側に露出する図示しない外部端子が設けられる。ケース２１の底部には、外部端子に電気的に接続された図示しない内部電極が設けられる。図６（ｅ）に示すように、半導体加速度センサエレメント１はケース２１の接合凸部２１ａにバンプＢを介してフリップチップ実装される。その後、ケース２１にカバー２２が装着されて半導体加速度センサエレメント１を収納するパッケージ２が構成される。なお、支持強度を向上するために、電気的接続を目的としないバンプＢを設けてもよい。
【００３３】
なお、半導体加速度センサエレメント１を製造する方法としては、上述した方法に代えて、図７（ａ）乃至図７（ｅ）に示すようにシリコン基板１ａに代えてＳＯＩ基板１ｈを用いる方法を採用してもよい。詳しく説明すると、ＳＯＩ基板１ｈはｎ型シリコンからなる活性層１ｆに挟まれた酸化層１ｇを有する。図７（ａ）に示すようにＳＯＩ基板１ｈの表裏の一方の主面（以下、「表面」と呼ぶ）にｐ型不純物を注入して図７（ｂ）に示すようにピエゾ抵抗４１と拡散抵抗４２とを形成した後、図７（ｃ）に示すように、ＳＯＩ基板１ｈの表面にフォトレジスト１ｄによるパターニングとエッチングとを施すことによって支持部５と撓み部４とを上側の活性層１ｆに形成し、例えばフッ酸溶液を用いて酸化層１ｇを選択的にエッチングすることによって支持部５と重り部３との間、並びに撓み部４と重り部３との間に隙間Ｓを形成する。その後、図７（ｄ）に示すように導電膜４３を形成し、ダイシングによって半導体加速度センサエレメント１を個別に切り離し、図７（ｅ）に示すようにケース２１にフリップチップ実装する。
【００３４】
上記構成によれば、複数の撓み部４が支持部５の周囲に配置されているから、両持ち梁構造の半導体加速度センサエレメント１に比べて支持部５を小さくすることができる。また、支持部５を挿通する貫通穴３３を重り部３に設ける必要がないから、中央支持構造の半導体加速度センサエレメント１に比べて重り部３を小さくすることができる。
【００３５】
また、各撓み部４をそれぞれ重り部３の表面の周縁部において重り部３に連結し、かつ支持部５を重り部３の表面の中央領域に配置したことにより、各撓み部４は重り部３の表面の周縁部と重り部３の表面の中央領域との間にそれぞれ形成されており、半導体基板の主面に沿った方向において重り部３から突出しない。従って、半導体基板の主面に沿った方向における半導体加速度センサエレメント１の寸法は重り部３と同じになっており、両持ち梁構造や中央支持構造のように半導体基板の主面に沿った方向に重り部３と支持部５とを並べて配置する場合に比べ、半導体基板の主面に沿った方向における半導体加速度センサエレメント１の寸法を小さくすることができる。さらに、半導体基板の厚み方向における撓み部４の厚み寸法は重り部３の厚み寸法に比べて小さくすることができる。また、支持部５を重り部３の反対側において固定するから半導体基板の厚み方向における支持部５の厚み寸法を確保する必要がないため、支持部５の厚み寸法は撓み部４と同程度にしてある。つまり、半導体基板の厚み方向における半導体加速度センサエレメント１の厚み寸法は重り部３の厚み寸法に比べてほとんど大型化していない。以上より、半導体加速度センサエレメント１の全体の大きさを重り部と同程度とすることができ、半導体基板の主面に沿った方向に重り部３と支持部５とを並べて配置する場合に比べて半導体加速度センサエレメント１の小型化が可能となっている。
【００３６】
また、パッケージ２に固定される支持部５が撓み部４に挟まれているため、半導体加速度センサエレメント１をパッケージ２に実装する工程の後の放熱時に半導体加速度センサエレメント１とパッケージ２とで収縮率が異なることに起因して撓み部４にかかる応力が引っ張り応力になるから、撓み部４が座屈することがない。その上、従来よりも線膨張係数が大きな材料をパッケージ２の材料として用いることができる。
【００３７】
さらに、半導体加速度センサエレメント１がパッケージ２にフリップチップ実装されているから、半導体加速度センサエレメント１をパッケージ２にワイヤボンディングする場合に比べ、ワイヤＷを取りまわす空間をパッケージ２の内部に設ける必要がないことにより、パッケージ２の小型化が可能となる。
【００３８】
【発明の効果】
請求項１の発明は、半導体基板をマイクロマシンニング加工することにより形成された加速度センサエレエメントであって、前記半導体基板において相対向する主面の一方側を表面方向、他方側を裏面側とし、且つ前記主面に垂直な方向を厚み方向と規定するとき、厚み方向からみた平眼視が矩形状となる重り部と、この重り部の表面周縁部に一端が連結され、且つ同表面とは離間して他端が同表面の中央領域に向かって延設された複数の撓み部と、前記重り部の表面中央領域に同表面と離間して配置され、前記各撓み部の他端と連結されて前記重り部を揺動自在に支持する支持部と、前記撓み部に設けられたピエゾ抵抗と、を備えたので、各撓み部は重り部の表面の周縁部と重り部の表面中央領域との間に形成されることになり、半導体基板の主面に沿った方向において重り部から突出しない。従って、半導体基板の主面に沿った方向における半導体加速度センサエレメントの寸法は、重り部と同程度となるから、半導体基板の主面に沿った方向に重り部と支持部とを並べて配置する場合に比べて小さくすることができる。さらに、半導体基板の厚み方向における撓み部の厚み寸法は重り部の厚み寸法に比べて小さくすることができ、かつ、支持部を重り部の反対側において固定することができるから半導体基板の厚み方向における支持部の厚み寸法を確保する必要がない。つまり、半導体基板の厚み方向における半導体加速度センサエレメントの厚み寸法は重り部の厚み寸法に比べてほとんど大型化しない。従って、半導体加速度センサエレメントの大きさは重り部と同程度とすることができるから、半導体基板の主面に沿った方向に重り部と支持部とを並べて配置する場合に比べて半導体加速度センサエレメントの小型化が可能となる。
【００３９】
請求項２の発明は、半導体基板をマイクロマシンニング加工することにより形成された加速度センサエレエメントであって、前記半導体基板において相対向する主面の一方側を表面方向、他方側を裏面側とし、且つ前記主面に垂直な方向を厚み方向と規定するとき、厚み方向からみた平眼視が矩形状となる重り部と、前記重り部の表面中央領域に同表面と離間して配置された支持部と、前記支持部と一端が連結され、且つ前記重り部の表面とは離間して外向きに延設され他端が前記重り部の表面周縁部に連結されて、前記重り部を前記支持部に対して揺動自在とする複数の撓み部と、前記撓み部に設けられたピエゾ抵抗と、を備えたので、各撓み部は重り部の表面の周縁部と重り部の表面中央領域との間に形成されることになり、半導体基板の主面に沿った方向において重り部から突出しない。従って、半導体基板の主面に沿った方向における半導体加速度センサエレメントの寸法は、重り部と同程度となるから、半導体基板の主面に沿った方向に重り部と支持部とを並べて配置する場合に比べて小さくすることができる。さらに、半導体基板の厚み方向における撓み部の厚み寸法は重り部の厚み寸法に比べて小さくすることができ、かつ、支持部を重り部の反対側において固定することができるから半導体基板の厚み方向における支持部の厚み寸法を確保する必要がない。つまり、半導体基板の厚み方向における半導体加速度センサエレメントの厚み寸法は重り部の厚み寸法に比べてほとんど大型化しない。従って、半導体加速度センサエレメントの大きさは重り部と同程度とすることができるから、半導体基板の主面に沿った方向に重り部と支持部とを並べて配置する場合に比べて半導体加速度センサエレメントの小型化が可能となる。
【００４０】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の半導体加速度センサエレメントと、該半導体加速度センサエレメントを収容する収納空間を有するとともに、前記支持部を連結固定することで前記重り部が前記収納空間内で揺動自在となるパッケージとを備えたので、半導体加速度センサエレメントをパッケージに実装する工程の後の放熱時に半導体加速度センサエレメントとパッケージとで収縮率が異なることに起因して撓み部にかかる応力が引っ張り応力になるから、撓み部に座屈が生じない。さらに、両持ち梁構造を採用する場合に比べ、線膨張係数の大きな材料をパッケージの材料として用いることができる。
【００４１】
請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記パッケージは、前記撓み部が変形していないときは前記重り部と前記撓み部とがいずれも接触せず、前記撓み部が変形したとき前記撓み部が破壊に至る前に前記重り部と前記撓み部との少なくとも一方が接触する形状及び寸法に形成されたので、重り部が大きな加速度を受けたときにパッケージがストッパーの役割を果たすことにより、撓み部が破壊されることを防ぐことができる。
【００４２】
請求項５の発明は、請求項３の発明において、前記半導体加速度センサエレメントを前記パッケージにフリップチップ実装したので、ワイヤボンディングを用いる場合に比べ、ワイヤを取りまわすための空間をパッケージの内部に設ける必要がないから、小型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す一部破断した斜視図である。
【図２】同上における半導体加速度センサエレメントを示す一部破断した斜視図である。
【図３】同上を示す要部断面図である。
【図４】同上の動作を示す要部断面図である。
【図５】同上の別の動作を示す要部断面図である。
【図６】同上の製造方法を示す説明図である。
【図７】同上の別の製造方法を示す説明図である。
【図８】従来の両持ち梁構造の半導体加速度センサエレメントを示す断面図である。
【図９】同上の動作を示す断面図である。
【図１０】同上の別の動作を示す断面図である。
【図１１】従来の加速度センサを示す断面図である。
【図１２】従来の中央支持構造の半導体加速度センサエレメントを示す断面図である。
【図１３】同上の動作を示す断面図である。
【図１４】同上の別の動作を示す断面図である。
【符号の説明】
１半導体加速度センサエレメント
２パッケージ
３重り部
４撓み部
５支持部
４１ピエゾ抵抗
Ｓ隙間
Ｓ１収納空間[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor acceleration sensor element for detecting acceleration by piezoresistance and an acceleration sensor in which the semiconductor acceleration sensor element is housed in a package.
[0002]
[Prior art]
In recent years, acceleration sensors have been used in various fields such as the field of amusement and the field of in-vehicle devices such as airbags. Among the acceleration sensors, the use of a multi-axis acceleration sensor that can measure acceleration in a plurality of directions at once with one sensor has been increasingly widespread in recent years. For example, in the field of amusement, it is used for detecting an operation of a controller in a three-axis direction in a game using a three-dimensional system, detecting a movement of a human body, and controlling a posture of a pet robot. With the expansion of such applications, a smaller, lighter, and lower-cost acceleration sensor is required.
[0003]
As the acceleration sensor, a sensor in which a semiconductor acceleration sensor element 1 is housed in a package 2 (see FIG. 11) is provided (for example, see Patent Document 1). As the semiconductor acceleration sensor element 1, for example, as shown in FIG. 8, a plate-shaped weight portion 3, a flexible portion 4 provided on both sides of the weight portion 3 and formed thinner than the weight portion 3 and having elasticity, A so-called doubly supported structure having a frame-like shape surrounding the weight portion 3 with a gap therebetween and a support portion 5 that swingably supports the weight portion 3 via the bending portion 4 is used.
[0004]
A piezoresistor (not shown) is formed in the bending portion 4, and the strain generated in the bending portion 4 when the weight portion 3 is displaced with respect to the support portion 5 due to the acceleration is reduced by the resistance value of the piezoresistor 41. Acceleration can be detected by detecting based on the change. The resistance value of the piezo resistor 41 is measured using a bridge circuit including the piezo resistor 41. Further, for example, if the acceleration is rightward D1 as shown in FIG. 9, the bending portion 4 is deformed so as to incline upward to the right on both left and right sides of the weight portion 3, and as shown in FIG. In this case, it is possible to detect acceleration in three axial directions by utilizing the fact that the deformation of the bending portion 4 varies depending on the direction of the acceleration, such as deforming so as to be inclined downward as the distance from the weight portion 3 increases.
[0005]
As shown in FIG. 11, the semiconductor acceleration sensor element 1 is bonded and fixed to the case 21 by a heat-curable adhesive M and is electrically connected to the case 21 by wire bonding using a wire W. The case 21 is provided with a cover 22 that forms the package 2 accommodating the semiconductor acceleration sensor element 1 together with the case 21.
[0006]
As the semiconductor acceleration sensor element 1, in addition to the above-mentioned double-supported beam structure, a plate-shaped weight 3 having a through hole 33 as shown in FIG. A semiconductor having a central support structure, comprising: a flexible portion 4 having a bent portion; and a support portion 5 that is inserted into the through hole 33, the other end of the flexible portion 4 is connected, and the weight portion 3 is swingably supported via the flexible portion 4. The acceleration sensor element 1 has also been used. The semiconductor acceleration sensor element 1 having the central support structure can also detect acceleration in three axial directions, similarly to the semiconductor acceleration sensor element 1 having the doubly supported structure. For example, if the acceleration is rightward D3 as shown in FIG. 13, the bending portion 4 is deformed so as to incline rightward and downward on the right and left sides of the support portion 5, and the acceleration is downward D4 as shown in FIG. 14. If so, the bending portion 4 is deformed so as to incline upward as the distance from the support portion 5 to the left and right increases.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-5-203667 (page 3-4, FIG. 1-2)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the bending portion 4 needs a certain cross-sectional area in order to maintain sufficient strength, and also needs a certain length in order to secure necessary detection sensitivity, and the weight portion 3 secures a necessary detection sensitivity. Requires a certain weight or size to perform. In the semiconductor acceleration sensor element 1 having the doubly supported structure, since the supporting portion 5 is in a frame shape surrounding the weight portion 3, the semiconductor acceleration in the direction in which the weight portion 3 and the bending portion 4 are arranged (the left-right direction in FIG. 8). The length of the entire sensor element 1 is determined by the length of the support 5 which is larger than the sum of the length of the weight 3 and the length of the flexures 4 on both sides. Was difficult. Further, in the semiconductor acceleration sensor element 1 having the central support structure, since the through-hole 33 through which the support portion 5 is inserted is provided, the weight portion 3 is bulky for its weight, and as a result, the entire semiconductor acceleration sensor element 1 becomes large. Thus, miniaturization was difficult. In other words, since the support part 5 and the weight part 3 are arranged side by side in the direction along the surface of the weight part 3, the semiconductor acceleration sensor element 1 is enlarged in the direction along the surface of the weight part 3.
[0009]
Further, since the semiconductor acceleration sensor element 1 and the package 2 are electrically connected by wire bonding, a space for arranging the wires W must be provided inside the package 2, so that the size of the package 2 is increased. .
[0010]
Consider adopting flip chip bonding instead of wire bonding. Here, engineering plastics and ceramics generally used as the material of the package 2 generally have a larger linear expansion coefficient than silicon. Therefore, the bending portion 4 applies stress during the heat radiation after the semiconductor acceleration sensor element 1 is mounted on the package 2. receive. Further, in the semiconductor acceleration sensor element 1 having the doubly supported structure, since the supporting portion 5 fixed to the package 2 is on both sides of the bending portion 4, the stress received by the bending portion 4 is a compressive stress. Further, in the wire bonding, the stress applied to the bending portion 4 can be reduced by sandwiching a pedestal (not shown) made of a material having a linear expansion coefficient similar to that of silicon between the supporting portion 5 and the package 2. In the flip chip bonding, since the supporting portion 5 is directly fixed to the package 2, the compressive stress applied to the bending portion 4 increases, and the bending portion 4 may buckle. As described above, in the semiconductor acceleration sensor element 1 having the doubly supported structure, the size cannot be reduced by adopting the flip chip bonding instead of the wire bonding.
[0011]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a semiconductor acceleration sensor element and an acceleration sensor that can be reduced in size.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention contemplates the positional relationship between a weight, a support that supports the weight, and a flexure that couples the weight and a two-dimensional weight of the weight in the main surface direction of the semiconductor substrate. There is a technical idea that the semiconductor acceleration sensor element can be reduced in size by adopting an arrangement structure in which the supporting portion and the bending portion fall within the dimensions. The specific solution is configured as follows.
[0013]
That is, the invention of claim 1 is an acceleration sensor element formed by subjecting a semiconductor substrate to micromachining, wherein one side of the opposing main surfaces of the semiconductor substrate is directed to the front side, and the other side is the back side. When a direction perpendicular to the main surface is defined as a thickness direction, a weight portion having a rectangular shape as viewed in the thickness direction and one end is connected to a peripheral edge of the surface of the weight portion, and A plurality of flexures spaced apart from the surface and having the other end extending toward a central region of the surface; and a plurality of flexures disposed at a distance from the surface in a central region of the surface of the weight portion. A support portion connected to an end and swingably supporting the weight portion is provided, and a piezo resistor provided on the bending portion is provided.
[0014]
The invention according to claim 2 is an acceleration sensor element formed by subjecting a semiconductor substrate to micromachining, wherein one side of the opposing main surfaces of the semiconductor substrate is defined as a front side, and the other side is defined as a back side. And, when defining the direction perpendicular to the main surface as the thickness direction, the weight portion has a rectangular shape when viewed from the thickness direction and viewed from the thickness direction, and is disposed at a distance from the same surface in a surface central region of the weight portion. A support portion, one end of which is connected to the support portion, and extends outwardly away from the surface of the weight portion, and the other end is connected to the surface periphery of the weight portion, and the weight portion is It is characterized by comprising a plurality of flexures that can swing with respect to the support, and piezoresistors provided in the flexures.
[0015]
According to a third aspect of the present invention, there is provided the semiconductor acceleration sensor element according to the first or second aspect, and a storage space for accommodating the semiconductor acceleration sensor element. And a package that can swing in the storage space.
[0016]
According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect of the present invention, when the bending portion is not deformed, the weight portion and the bending portion do not contact each other, and the package deforms. It is characterized in that at least one of the weight portion and the bending portion is formed in a shape and a size to be in contact before the bending portion is broken.
[0017]
According to a fifth aspect of the present invention, in the third aspect, the semiconductor acceleration sensor element is flip-chip mounted on the package.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0019]
In the present embodiment, as shown in FIG. 2, a weight 3 having a rectangular shape when viewed from above and below in FIG. 2 (hereinafter, referred to as a “thickness direction”), and the weight 3 in FIG. One end is connected to the peripheral portion of the upper surface (hereinafter, referred to as “surface”), and is separated from the surface, and the other end extends toward the vicinity of the center of the surface (hereinafter, referred to as “central region”). The plurality of (four in FIG. 2) flexures 4 are arranged in the central region of the surface of the weight 3 so as to be spaced apart from the same surface. And a supporting portion 5 for swingably supporting.
[0020]
In other words, the support portion 5 is arranged in the central region of the surface of the weight portion 3 so as to be separated from the same surface, and the bending portion 4 is connected at one end to the support portion 5 and is separated from the surface of the weight portion 3 so as to be outside. The other end is connected to the peripheral portion of the surface of the weight portion 3 so that the weight portion 3 can swing with respect to the support portion 5.
[0021]
The shape of the semiconductor acceleration sensor element 1 will be described in detail. The weight portion 3 has a rectangular plate shape, and a connecting portion 4a protrudes from a peripheral portion of the surface of the weight portion 3. One end of each bending portion 4 is connected to an intermediate portion of the four sides of the front end of the connecting portion 4a, and extends along the surface of the weight portion 3 toward the central region of the surface of the weight portion 3; Are connected to the support portion 5 to form a cross shape as a whole. That is, each bending portion 4 is connected to the peripheral portion of the surface of the weight portion 3 via the connecting portion 4a.
[0022]
As shown in FIG. 1, the support portion 5 is connected and fixed to a joint convex portion 21 a provided on the bottom of a case 21 having a bottomed square tubular shape on a surface remote from the weight portion 3. The case 21 is closed by a plate-like cover 22. Here, a storage space S1 is formed inside the package 2 including the case 21 and the cover 22. Further, the semiconductor acceleration sensor element 1 is accommodated in the storage space S1, and the weight portion 3 is swingable inside the storage space S1.
[0023]
As shown in FIG. 3, gaps S are formed between the weight portion 3 and the support portion 5 and between the weight portion 3 and the bending portion 4. Further, the package 2 is formed in a shape and a size such that neither the weight portion 3 nor the bending portion 4 contacts when the bending portion 4 is not deformed.
[0024]
Each bending portion 4 is formed with a piezoresistor 41 (see FIG. 6D). The acceleration can be detected by detecting the strain generated in the bending portion 4 when the weight portion 3 is displaced with respect to the support portion 5 by receiving the acceleration based on the change in the resistance value of the piezoresistor 41. The resistance value of the piezo resistor 41 is measured using a bridge circuit including the piezo resistor 41. Here, for example, if the acceleration is to the right D5 as shown in FIG. 4, the bending portion 4 is deformed so as to incline downward toward the right side on both left and right sides of the support portion 5, and as shown in FIG. In the case of the downward direction D6, the acceleration in the three-axis direction can be detected by utilizing the fact that the deformation of the bending portion 4 differs depending on the direction of the acceleration, such that the deformation is such that the further the distance from the support portion 5 is, the higher the inclination is. . Further, the package 2 is formed in such a shape and size that at least one of the weight portion 3 and the bending portion 4 contacts before the bending portion 4 is broken when the bending portion 4 is deformed. That is, the package 2 serves as a stopper when the weight portion 3 receives a large acceleration, so that the bending portion 4 can be prevented from being broken.
[0025]
The support part 5, the bending part 4, and the connecting part 4a are formed by micromachining a semiconductor substrate. A method for manufacturing the semiconductor acceleration sensor element 1 will be described below. Here, as in a normal semiconductor manufacturing process, it is assumed that a plurality of semiconductor acceleration sensor elements 1 are formed on one substrate and then individually separated by dicing. However, the description focuses on one semiconductor acceleration sensor element 1.
[0026]
First, as shown in FIG. 6 (a), an oxide film 1b is formed on the main surfaces on both sides of a silicon substrate 1a made of n-type single crystal silicon, and silicon is formed by patterning using a photolithography technique and a dry etching technique. The oxide film 1b at a portion corresponding to the piezoresistor 41 on one main surface (hereinafter, referred to as “front surface”) of the substrate 1a and the diffusion resistor 42 (see FIG. 6B) connected to the piezoresistor 41 is removed. Thereafter, a p-type impurity P such as boron is ion-implanted into a portion where the oxide film 1b has been removed.
[0027]
Next, the piezoresistor 41 and the diffusion resistor 42 are formed simultaneously by activating the silicon substrate 1a in a high-temperature atmosphere. The piezoresistor 41 and the diffusion resistor 42 may be formed separately by repeating the process of forming the oxide film 1b, the process of patterning with a photoresist, and the process of etching.
[0028]
Next, as shown in FIG. 6B, after a nitride film 1c is formed on both the front and back surfaces of the silicon substrate 1a, patterning and etching using a photoresist 1d are performed on the back surface of the silicon substrate 1a. The oxide film 1b and the nitride film 1c at a portion corresponding to the lower portion of the area surrounded by the connecting portion 4a on the back surface of the substrate are removed.
[0029]
Thereafter, as shown in FIG. 6C, a concave portion H corresponding to the area surrounded by the connecting portion 4a is formed on the back surface of the silicon substrate 1a by anisotropic etching using a potassium hydroxide aqueous solution at about 80 ° C., for example. I do. After that, the flexible portion 4, the support portion 5, and the connecting portion 4a are formed through patterning with a photoresist on the surface of the silicon substrate 1a and dry etching.
[0030]
Next, a contact 1e is formed by removing a part of the oxide film 1b and the nitride film 1c on the diffusion resistor 42 by patterning with a photoresist and dry etching, and an aluminum film is formed on the contact 1e by sputtering or vapor deposition. . Thereafter, as shown in FIG. 6D, the aluminum film is subjected to patterning and etching using a photoresist to form a conductive film 43 functioning as an electrode or a wiring. Next, the conductive film 43 is subjected to a sintering process, and thereafter, the weight portion 3 made of, for example, glass is anodically bonded to the back surface of the silicon substrate 1a under the conditions of 400 ° C. and 600 V. Here, a gap S between the weight portion 3 and the support portion 5 is formed. Here, the material of the weight portion 3 may be any material as long as it can be bonded to the silicon substrate 1a, and may be, for example, silicon.
[0031]
Thereafter, the semiconductor acceleration sensor elements 1 are individually cut off by dicing. Here, the shape of the weight portion 3 as viewed from the thickness direction of the semiconductor substrate is rectangular.
[0032]
At least one of the case 21 and the cover 22 is provided with an external terminal (not shown) exposed outside the package 2. At the bottom of the case 21, an internal electrode (not shown) electrically connected to an external terminal is provided. As shown in FIG. 6E, the semiconductor acceleration sensor element 1 is flip-chip mounted on the joint protrusion 21a of the case 21 via the bump B. Thereafter, the cover 2 is attached to the case 21 to form the package 2 that houses the semiconductor acceleration sensor element 1. In order to improve the supporting strength, a bump B not intended for electrical connection may be provided.
[0033]
As a method for manufacturing the semiconductor acceleration sensor element 1, a method using an SOI substrate 1h instead of the silicon substrate 1a as shown in FIGS. 7A to 7E is employed instead of the above-described method. May be. More specifically, the SOI substrate 1h has an oxide layer 1g sandwiched between active layers 1f made of n-type silicon. As shown in FIG. 7A, a p-type impurity is implanted into one main surface (hereinafter, referred to as “front surface”) of the front and back of the SOI substrate 1h, and the piezo resistor 41 and the diffusion are formed as shown in FIG. 7B. After the formation of the resistor 42, as shown in FIG. 7C, the surface of the SOI substrate 1h is subjected to patterning and etching with a photoresist 1d to thereby make the supporting portion 5 and the bending portion 4 the upper active layer 1f. And a gap S is formed between the support portion 5 and the weight portion 3 and between the flexure portion 4 and the weight portion 3 by selectively etching the oxide layer 1g using a hydrofluoric acid solution, for example. . Thereafter, a conductive film 43 is formed as shown in FIG. 7D, the semiconductor acceleration sensor elements 1 are individually cut off by dicing, and flip-chip mounted on the case 21 as shown in FIG. 7E.
[0034]
According to the above configuration, since the plurality of bending portions 4 are arranged around the support portion 5, the support portion 5 can be made smaller than the semiconductor acceleration sensor element 1 having a doubly supported structure. Further, since it is not necessary to provide the through-hole 33 through which the support portion 5 is inserted in the weight portion 3, the weight portion 3 can be made smaller than the semiconductor acceleration sensor element 1 having the central support structure.
[0035]
In addition, each bending portion 4 is connected to the weight portion 3 at the peripheral edge of the surface of the weight portion 3 and the supporting portion 5 is arranged in the central region of the surface of the weight portion 3, so that each bending portion 4 becomes a weight portion. 3 is formed between the peripheral edge of the surface of the semiconductor substrate 3 and the central region of the surface of the weight 3, and does not protrude from the weight 3 in the direction along the main surface of the semiconductor substrate. Therefore, the dimension of the semiconductor acceleration sensor element 1 in the direction along the main surface of the semiconductor substrate is the same as that of the weight portion 3, and the direction along the main surface of the semiconductor substrate such as a doubly supported structure or a center support structure. The size of the semiconductor acceleration sensor element 1 in the direction along the main surface of the semiconductor substrate can be reduced as compared with the case where the weight portion 3 and the support portion 5 are arranged side by side. Furthermore, the thickness dimension of the bending portion 4 in the thickness direction of the semiconductor substrate can be made smaller than the thickness dimension of the weight portion 3. Further, since the supporting portion 5 is fixed on the opposite side of the weight portion 3, it is not necessary to secure the thickness of the supporting portion 5 in the thickness direction of the semiconductor substrate. It is. That is, the thickness of the semiconductor acceleration sensor element 1 in the thickness direction of the semiconductor substrate is hardly larger than the thickness of the weight 3. As described above, the entire size of the semiconductor acceleration sensor element 1 can be made approximately the same as the weight portion, and compared to the case where the weight portion 3 and the support portion 5 are arranged side by side in the direction along the main surface of the semiconductor substrate. Thus, the semiconductor acceleration sensor element 1 can be reduced in size.
[0036]
Further, since the supporting portion 5 fixed to the package 2 is sandwiched between the bending portions 4, the semiconductor acceleration sensor element 1 and the package 2 contract during the heat radiation after the step of mounting the semiconductor acceleration sensor element 1 on the package 2. Since the stress applied to the bent portion 4 due to the different ratio becomes a tensile stress, the bent portion 4 does not buckle. In addition, a material having a larger linear expansion coefficient than the conventional one can be used as the material of the package 2.
[0037]
Further, since the semiconductor acceleration sensor element 1 is flip-chip mounted on the package 2, it is necessary to provide a space around the wire W inside the package 2 as compared with the case where the semiconductor acceleration sensor element 1 is wire-bonded to the package 2. Because of the absence, the size of the package 2 can be reduced.
[0038]
【The invention's effect】
The invention according to claim 1 is an acceleration sensor element formed by subjecting a semiconductor substrate to micromachining, wherein one side of the opposing main surfaces of the semiconductor substrate is a front side, and the other side is a back side. And, when defining the direction perpendicular to the main surface as the thickness direction, a weight portion having a rectangular shape when viewed from the thickness direction is viewed from the thickness direction, and one end is connected to the peripheral edge of the surface of the weight portion, and the same surface. A plurality of flexures that are spaced apart and the other end of which extends toward the central region of the same surface, and are arranged separately from the same surface in the surface central region of the weight, and the other end of each of the flexures Since each of the bending portions includes a supporting portion that is connected to support the weight portion so as to swing freely, and a piezo resistor provided in the bending portion, each bending portion has a peripheral portion on the surface of the weight portion and a center of the surface of the weight portion. And the semiconductor substrate It does not protrude from the weight section in the direction along the main surface. Therefore, the dimension of the semiconductor acceleration sensor element in the direction along the main surface of the semiconductor substrate is substantially the same as the weight, so that the weight and the support are arranged side by side in the direction along the main surface of the semiconductor substrate. It can be made smaller than. Furthermore, the thickness dimension of the bending portion in the thickness direction of the semiconductor substrate can be made smaller than the thickness dimension of the weight portion, and the support portion can be fixed on the opposite side of the weight portion, so that the thickness direction of the semiconductor substrate can be reduced. It is not necessary to secure the thickness dimension of the supporting portion in the above. That is, the thickness dimension of the semiconductor acceleration sensor element in the thickness direction of the semiconductor substrate hardly becomes larger than the thickness dimension of the weight portion. Therefore, since the size of the semiconductor acceleration sensor element can be substantially the same as the weight portion, the semiconductor acceleration sensor element can be compared with a case where the weight portion and the support portion are arranged side by side in the direction along the main surface of the semiconductor substrate. Can be reduced in size.
[0039]
The invention according to claim 2 is an acceleration sensor element formed by subjecting a semiconductor substrate to micromachining, wherein one side of the opposing main surfaces of the semiconductor substrate is defined as a front side, and the other side is defined as a back side. And, when defining the direction perpendicular to the main surface as the thickness direction, the weight portion has a rectangular shape when viewed from the thickness direction and viewed from the thickness direction, and is disposed at a distance from the same surface in a surface central region of the weight portion. A support portion, one end of which is connected to the support portion, and extends outwardly away from the surface of the weight portion, and the other end is connected to the surface periphery of the weight portion, and the weight portion is Since there are provided a plurality of bending portions that can swing with respect to the support portion, and piezoresistors provided in the bending portions, each bending portion has a peripheral portion on the surface of the weight portion and a surface central region of the weight portion. Will be formed between the semiconductor substrate It does not protrude from the weight section in the direction along the main surface. Therefore, the dimension of the semiconductor acceleration sensor element in the direction along the main surface of the semiconductor substrate is substantially the same as the weight, so that the weight and the support are arranged side by side in the direction along the main surface of the semiconductor substrate. It can be made smaller than. Furthermore, the thickness dimension of the bending portion in the thickness direction of the semiconductor substrate can be made smaller than the thickness dimension of the weight portion, and the support portion can be fixed on the opposite side of the weight portion, so that the thickness direction of the semiconductor substrate can be reduced. It is not necessary to secure the thickness dimension of the supporting portion in the above. That is, the thickness dimension of the semiconductor acceleration sensor element in the thickness direction of the semiconductor substrate hardly becomes larger than the thickness dimension of the weight portion. Therefore, since the size of the semiconductor acceleration sensor element can be substantially the same as the weight portion, the semiconductor acceleration sensor element can be compared with a case where the weight portion and the support portion are arranged side by side in the direction along the main surface of the semiconductor substrate. Can be reduced in size.
[0040]
According to a third aspect of the present invention, there is provided the semiconductor acceleration sensor element according to the first or second aspect, and a storage space for accommodating the semiconductor acceleration sensor element. A package that is swingable in the storage space, so that the semiconductor acceleration sensor element and the package are bent at the time of heat release after the step of mounting the semiconductor acceleration sensor element due to a difference in shrinkage ratio between the semiconductor acceleration sensor element and the package. Since the stress applied to the portion becomes a tensile stress, no buckling occurs in the bent portion. Further, a material having a large linear expansion coefficient can be used as a material for the package as compared with a case where a doubly supported beam structure is adopted.
[0041]
According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect of the present invention, when the bending portion is not deformed, the weight portion and the bending portion do not contact each other, and the package deforms. Since the bending portion is formed in a shape and a size in which at least one of the weight portion and the bending portion is in contact with each other before breaking, the package serves as a stopper when the weight portion receives a large acceleration. Thereby, the bending portion can be prevented from being broken.
[0042]
According to a fifth aspect of the present invention, in the third aspect of the present invention, the semiconductor acceleration sensor element is flip-chip mounted on the package, so that a space for routing the wires is provided inside the package as compared with a case where wire bonding is used. Since there is no need, downsizing can be achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partially broken perspective view showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a partially broken perspective view showing the semiconductor acceleration sensor element of the above.
FIG. 3 is a sectional view of a main part showing the same.
FIG. 4 is a fragmentary cross-sectional view showing the operation of the above.
FIG. 5 is a sectional view of a main part showing another operation of the above.
FIG. 6 is an explanatory view showing a manufacturing method of the above.
FIG. 7 is an explanatory view showing another manufacturing method of the above.
FIG. 8 is a sectional view showing a conventional semiconductor acceleration sensor element having a doubly supported beam structure.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing the operation of the above.
FIG. 10 is a sectional view showing another operation of the above.
FIG. 11 is a sectional view showing a conventional acceleration sensor.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a conventional semiconductor acceleration sensor element having a center support structure.
FIG. 13 is a cross-sectional view showing the operation of the above.
FIG. 14 is a sectional view showing another operation of the above.
[Explanation of symbols]
1 semiconductor acceleration sensor element
2 Package
3 Weight
4 Flexure
5 Support
41 Piezoresistance
S gap
S1 storage space

Claims

An acceleration sensor element formed by subjecting a semiconductor substrate to micromachining processing, wherein one side of a main surface of the semiconductor substrate facing each other is a surface direction, the other side is a back surface side, and is perpendicular to the main surface. When the direction is defined as the thickness direction,
A weight portion having a rectangular shape when viewed from the thickness direction with a planer view,
A plurality of flexures, one end of which is connected to the peripheral edge of the surface of the weight, and which is separated from the surface and the other end of which extends toward a central region of the surface;
A support portion that is arranged at a distance from the same surface in a surface central region of the weight portion, is connected to the other end of each of the bending portions, and supports the weight portion swingably.
A piezoresistor provided in the bending portion,
A semiconductor acceleration sensor element comprising:

An acceleration sensor element formed by subjecting a semiconductor substrate to micromachining processing, wherein one side of a main surface of the semiconductor substrate facing each other is a surface direction, the other side is a back surface side, and is perpendicular to the main surface. When the direction is defined as the thickness direction,
A weight portion having a rectangular shape when viewed from the thickness direction with a planer view,
A support portion arranged at a distance from the surface in a central region of the surface of the weight portion,
One end is connected to the support portion, and the outer surface of the weight portion is separated from the surface of the weight portion, and the other end is connected to a peripheral portion of the surface of the weight portion. A plurality of flexures that can swing freely;
A piezoresistor provided in the bending portion,
A semiconductor acceleration sensor element comprising:

3. The semiconductor acceleration sensor element according to claim 1 or 2, and a storage space for housing the semiconductor acceleration sensor element, and the weight portion swings in the storage space by connecting and fixing the support portion. An acceleration sensor comprising: a flexible package.

When the bending portion is not deformed, the weight portion and the bending portion do not come into contact with each other, and when the bending portion is deformed, the weight portion and the weight before the bending portion breaks. The acceleration sensor according to claim 3, wherein the acceleration sensor is formed in a shape and a size at least one of which is in contact with the bending portion.

4. The acceleration sensor according to claim 3, wherein the semiconductor acceleration sensor element is flip-chip mounted on the package.