JP2005121610A - 半導体加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 高感度で小型である半導体加速度センサを提供する。
【解決手段】 本発明に係る半導体加速度センサは、半導体基板からなるフレーム１と、弾性を有しフレーム１の表面側でフレーム１に支持されるビーム２と、ビーム２に支持され作用する加速度により揺動する重り部３と、ビーム２に形成されビーム２の変形を検出するセンシング素子４と、センシング素子４からの信号を外部に出力する電極５と、重り部３の表面側に設けた支持部６と、支持部６と接合するとともに、フレーム１とはギャップＡを有して設けた第１ストッパ７と、フレーム１の表面側ではない裏面側に設けた枠状である枠部２と、枠部２の内方側に重り部３と接合するとともに、フレーム１とはギャップＢを有し、枠部８とはギャップＣ１、Ｃ２を有するように設けた第２ストッパ９とを備えた構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば自動車、航空機及び家電製品に用いられる半導体加速度センサに関するものである。

従来の半導体加速度センサは、例えば、半導体基板からなる第１の基板と、第１の基板に形成された重り部と、一端が重り部に一体連結された撓み部と、撓み部に形成され撓み部の変形を検出するセンシング素子と、第１の基板の表面側に重り部が揺動自在に接合された上部キャップと、第１の基板の裏面側に接合された第２の基板と、重り部と接合され第２の基板とは所定のギャップを有して第２の基板にて移動範囲が規制された付加重り部とを備えたものを挙げることができる（特許文献１、図１参照）。
特開２０００−２３５０４４号公報

ところが、上述のような半導体加速度センサにおいては、上部キャップと第２の基板とによって重り部の上下方向の動きを規制しようとしているため、上下方向の厚みが増すという問題があった。

本発明は上記問題点を改善するためになされたものであり、高感度で小型である半導体加速度センサを提供することを目的とするものである。

上述の目的を達成するために、本発明の請求項１に係る半導体加速度センサは、半導体基板からなるフレームと、弾性を有し前記フレームの表面側で前記フレームに支持されるビームと、該ビームに支持され作用する加速度により揺動する重り部と、前記ビームに形成され前記ビームの変形を検出するセンシング素子と、該センシング素子からの信号を外部に出力する電極と、前記重り部の前記表面側に設けた支持部と、該支持部と接合するとともに、前記フレームとは所定の第１ギャップを有して設けた第１ストッパと、前記フレームの表面側ではない裏面側に設けた枠状である枠部と、前記枠部の内方側に前記重り部と接合するとともに、前記フレームとは所定の第２ギャップを有し、前記枠部とは所定の第３ギャップを有するように設けた第２ストッパと、を備えている。

また、本発明の請求項２に係る半導体加速度センサは、請求項１に記載の半導体加速度センサにおいて、前記支持部は、前記重り部と一体形成された、又は前記重り部と同一の材料である。

また、本発明の請求項３に係る半導体加速度センサは、請求項１に記載の半導体加速度センサにおいて、前記支持部は、前記電極と同一の材料である。

また、本発明の請求項４に係る半導体加速度センサは、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体加速度センサにおいて、前記半導体基板は、ＳＯＩ基板である。

このような構成の半導体加速度センサは、表面側では、フレームとは所定の第１ギャップを備えながら第１ストッパが支持部を介して重り部と連結され、フレーム裏面側に設けた枠部の内方側には、フレームとの間に所定の第２ギャップを有し、枠部との間に所定の第３ギャップを有するように設けた第２ストッパが重り部と連結されることで、第１ストッパを上面、第２ストッパを下面と定義した場合、上下方向の厚みを薄くすることができるので、センサの小型化をはかることができる。

また、第１ストッパ及び第２ストッパにより、重り部の質量が見かけ上増加することになるので、センサ感度をあげることができる。また、第１ストッパ及び第２ストッパの重り部に対する配置形態を予め制御することで、ビームから支持される箇所の重心位置が自在に制御できるので、オフセット電圧を低減させることができる。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において、同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。

本発明の第１実施形態を図１及び図２に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体加速度センサを示す図であり、図２は、半導体加速度センサの製造工程の一例を示す図である。なお、図１（ａ）は、上面からみた要部概略平面図であり、図１（ｂ）は、概略断面図であり、図１（ｃ）は、下面から見た概略平面図である。図１（ａ）は、各部を見やすくするため、後述する第１ストッパ７及び酸化膜１１ａを透視した形で要部のみを簡略化して示した概略図である。

ここで、半導体加速度センサは、図１に示すように、半導体基板からなるフレーム１と、弾性を有しフレーム1の表面側でフレーム１に支持されるビーム２と、ビーム２に支持され作用する加速度により揺動する重り部３と、ビーム２に形成されビームの変形を検出するセンシング素子４と、センシング素子４からの信号を外部に出力する電極５と、重り部３の表面側に設けた支持部６と、支持部６と接合するとともにフレーム１とはギャップＡを有して設けた第１ストッパ７と、フレーム１の裏面側に設けた枠部８と、枠部８の内方側に重り部３と接合するとともに、フレーム１とはギャップＢを有し、枠部８とは後述のＸ軸、Ｙ軸方向のギャップであるギャップＣ１、Ｃ２を有して設けた第２ストッパ９と、重り部３の裏面側に設けた支持部１０とを備えた構成である。また、半導体加速度センサは、フレーム１と重り部３との間には貫通孔Ｐ１を備えており、半導体加速度センサは、ビーム２を例えば２本備え、これらフレーム１、ビーム２、重り部３で取り囲む領域には、図１（ａ）に示すように貫通孔Ｐ２を備えている。なお、フレーム１と重り部３との間のギャップＤ１、Ｄ２は、それぞれ後述のＸ軸、Ｙ軸方向のギャップ幅とする。

なお、図１に示すように、ビーム２の長手方向にＸ軸を定義し、平面内のＸ軸に垂直な軸をＹ軸と定義し、Ｚ軸をＸ軸、Ｙ軸ともに垂直な上下方向の軸をＺ軸と定義する。

ここで、第１実施形態においては、支持部６、支持部１０は、重り部３と一体形成された構成である。また、フレーム１を構成する半導体基板は、シリコンであり、第１ストッパ７は、ガラスで形成され、第２ストッパ９と枠部８は、ガラスで形成されている。センシング素子４は、例えばピエゾ抵抗であり、電極５は、例えばＡｌで形成されている。

また、ここで、ギャップＡ、Ｂ、Ｃ１、Ｃ２、Ｄ１、Ｄ２のサイズに関して、図１は、各構成部位の配置関係を分かりやすくするために、実際の大小関係を考慮せずに図示したものである。例えば、図１では、ギャップＡとギャップＣ１、Ｃ２とのサイズを略同じく示しているが、実際は、例えば、ギャップＡが１０μｍ程度であり、ギャップＣ１、Ｃ２が１μｍ程度である。なお、第１実施形態においては、ギャップＣ１とギャップＣ２は等しい幅であり、また、ギャップＤ１とギャップＤ２は、等しい幅であるものとする。ギャップＢは、第２ストッパ７がフレーム１に接触しないような所望の幅であればよい。第１ストッパ７及び第２ストッパ９の重量は、最大であっても重り部３の３倍程度以下であることが好ましい。なお、重り部３は、例えば、重量が７×１０^-7ｋｇで印加加速度が１Ｇである場合、第１ストッパ７及び第２ストッパ９の各々が、重り部３の３倍の重量であったとしても、ビーム２の歪み量は１μｍ程度である。

ここで、ギャップＤ１、Ｄ２は、重り部３の揺動がフレーム１から規制されずに適宜なされるような所望の距離であればよいが、この所望の距離範囲の中で、ギャップＤ１、Ｄ２をできる限り小さく設定することにより、Ｘ軸、Ｙ軸方向の耐衝撃性を向上させた半導体加速度センサを提供することができる。つまり、ギャップＤ１、Ｄ２をできる限り小さく設定することが、横方向の衝撃に強い半導体加速度センサ構造を可能にする。

ここで、半導体加速度センサの上下方向、表裏面は、実際の使用状態での方位性に依存するため一義的に規定できないが、第１実施形態の記述では説明の便宜上、図１及び図２に示すように、第１ストッパ７の配置側を上側、第２ストッパ９の配置側を下側というように上下方向を規定するものとし、また、各部位の上面側を表面側と規定し、各部位の下面側を裏面側と規定するものとする。

以下に、図２に基づいて半導体加速度センサの製造工程の一例を説明する。シリコンからなるフレーム１の表裏面にフォトリソグラフィー工程を行い、酸化膜１１ａ及び酸化膜１１ｂをエッチング除去し窓開けを行った後、異方性エッチングを行い、凸部である支持部６及び支持部１０を形成する。次に、フレーム１の表面にフォトリソグラフィー工程を行い、酸化膜１１ａの一部をエッチング除去した後、イオン注入工程、拡散工程により配線抵抗１２を形成する。そして、フレーム１の表面にフォトリソグラフィー工程を行い、酸化膜１１ａの一部をエッチング除去した後、イオン注入工程、拡散工程により拡散ゲージ抵抗であるセンシング素子４を形成する（図２（ａ）参照)。また、フレーム１の表面にフォトリソグラフィー工程を行い、酸化膜１１ａの一部をエッチング除去した後、電極５を形成する（図２（ｂ）参照)。

そして、フレーム１の裏面にフォトリソグラフィー工程を行い、酸化膜１１ｂをエッチング除去し窓開けを行った後、異方性エッチングを行いビーム２を形成する（図２（ｃ）参照）。フレーム１の表面にフォトリソグラフィー工程を行い、酸化膜１１ａをエッチング除去した後、異方性エッチングを行い、フレーム１と重り部３を切り離す（図２（ｄ）参照）。表面の酸化膜１１ａの一部を除去し、裏面の酸化膜１１ｂを除去後、第１ストッパ７、第２ストッパ相当部材９０を各々支持部６、支持部１０に接合する（図２（ｅ）参照)。最後に、例えば、レーザーダイサーにより、第２ストッパ相当部材９０を切断して前述のギャップＣ１、Ｃ２を形成することで、図１（ｂ）に示す半導体加速度センサが完成する。

第１実施形態に係る半導体加速度センサは、表面側では、フレーム１とはギャップＡを備えながら第１ストッパ７が支持部６を介して重り部３と連結され、フレーム１裏面側に設けた枠部の内方側には、フレーム１とギャップＢを備えるとともに、枠部８とギャップＣ１、Ｃ２を備えながら第２ストッパ９が重り部３と連結されることで、Ｚ軸方向の厚みを薄くすることができるので、センサの小型化をはかることができる。

また、第１ストッパ７及び第２ストッパ９を重り部３に連結させることで、重り部３の質量が見かけ上増加することになるので、センサ感度をあげることができる。また、第１ストッパ７及び第２ストッパ９を重り部３に対して所望の配置にすることで、ビーム２から支持される箇所の重心位置が自在に制御できるので、オフセット電圧を低減させることができる。

なお、第１実施形態においては、支持部６が重り部３と一体形成されているが、支持部６と重り部３とが一体形成されてはいないが同一の材料で形成されていても勿論よい。支持部６と重り部３とを同一の材料で形成することは、両者間の熱膨張係数の差がないため温度特性による半導体加速度センサの性能低下を防止することができる。

次に、第１実施形態においてフレーム１をＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｅｒ）基板で構成した実施形態を、本発明の第２実施形態として図３に基づいて説明する。図３は、本発明の第２実施形態に係る半導体加速度センサを示す概略断面図である。なお、図３において、半導体加速度センサを示す要部概略平面図、要部概略平面図は図１（ａ）、（ｃ）に示すものと略同様であるので、図示は省略する。

ここで、第２実施形態において第１実施形態との相違点は、図３に示すように、フレーム１がＳＯＩ基板で構成されている点である。ＳＯＩ基板は、表面側から活性層１００、絶縁性である埋め込み中間酸化膜１０１、支持層１０２からなり、第２実施形態では、凸部である支持部６（６−１）がＳＯＩ基板の表面側からみて活性層１００と、中間酸化膜１０１とで構成されている。

なお、第２実施形態における半導体加速度センサの製造工程は、第１実施形態の図２（ａ）に対応する工程において、凸部となる支持部相当箇所を残すようにＳＯＩ基板の表面側から活性層１００、中間酸化膜１０１を除去して、図３に示す支持部６−１を形成するが、この工程以降は、第１実施形態の図２（ａ）〜（ｅ）と略共通であるので、詳細な説明及び図示は省略する。

第２実施形態に係る半導体加速度センサは、フレーム１にＳＯＩ基板を使用することで、ギャップＡが精度良く形成できるため、センシング精度が向上する。

最後に、支持部６をフレーム１とは別部材である実施形態を、本発明の第３実施形態として図４及び図５に基づいて説明する。図４は、本発明の第２実施形態に係る半導体加速度センサを示す概略断面図であり、図５は、半導体加速度センサの製造工程の一例を示す図である。なお、図４において、半導体加速度センサを示す要部概略平面図、要部概略平面図は図１（ａ）、（ｃ）に示すものと略同様であるので、図示は省略する。

第３実施形態において、第１実施形態との相違点は、図４に示すように、第１ストッパ７と重り部３とを接続する支持部６（６−２）がフレーム１とが一体形成されておらず、電極５と同一の材料で構成されている点である。なお、支持部６−２の厚みは、１０μｍ程度である。

以下に、図５に基づいて半導体加速度センサの製造工程の一例を説明する。シリコンからなるフレーム１の裏面にフォトリソグラフィー工程を行い、異方性エッチングを行い、凸部である支持部１０を形成する。次に、フレーム１の表面にフォトリソグラフィー工程を行い、酸化膜１１ａの一部をエッチング除去した後、イオン注入工程、拡散工程により配線抵抗１２を形成する。そして、フレーム１の表面にフォトリソグラフィー工程を行い、酸化膜１１ａの一部をエッチング除去した後、イオン注入工程、拡散工程によりセンシング素子４を形成する（図５（ａ）参照)。また、フレーム１の表面にフォトリソグラフィー工程を行い、酸化膜１１ａの一部をエッチング除去した後、電極５とともに支持部６−２を同時に形成する。（図５（ｂ）参照)。

そして、以降の工程は、第１実施形態の図２の説明と同様に、フレーム１の裏面にフォトリソグラフィー工程を行い、酸化膜１１ｂをエッチング除去し窓開けを行った後、異方性エッチングを行いビーム２を形成する（図５（ｃ）参照）。そして、フレーム１の表面にフォトリソグラフィー工程を行い、酸化膜１１ａをエッチング除去した後、異方性エッチングを行い、フレーム１と重り部３を切り離す（図５（ｄ）参照）。そして、裏面の酸化膜１１ｂを除去後、第１ストッパ７、第２ストッパ相当部材９０を各々支持部６−２、支持部１０に接合する（図５（ｅ）参照)。最後に、例えば、レーザーダイサーにより、第２ストッパ相当部材９０を切断して前述のギャップＣ１、Ｃ２を形成することで、図４に示す半導体加速度センサが完成する。

第３実施形態に係る半導体加速度センサは、支持部６−２と電極５とを同一の材料とした構成にすることで、支持部６−２、電極５を一つの工程で形成することが可能になるので、製造工程の簡略化がはかれる。

なお、第１実施形態乃至第３実施形態においては、半導体加速度センサは、第１ストッパ７を上面に、第２ストッパ９を下面にした状態（以降、横置状態と称する。）を図示して説明しているが、この横置状態から半導体加速度センサを９０度回転させた状態（以降、縦置状態と称する。）で使用することもできる。このような縦置状態では、半導体加速度センサは、第１ストッパ７及び第２ストッパ９の重り部３に対する配置形態を予め制御することで、ビーム２から支持される箇所の重心位置が自在に制御できるので、オフセット電圧を低減させることができる。

また、第１実施形態乃至第３実施形態においては、重り部３の一部に凸部である支持部１０を設けて前述のギャップＢを形成しているが、重り部３と第２ストッパ９とを接合した状態で、フレーム１と第２ストッパ９とがギャップＢが備えれば、支持部１０を形成しなくても重り部３の裏面を枠部２より下側に突出するような構造にするだけでもよい。

本発明の第１実施形態に係る半導体加速度センサを示す図である。 本発明の第１実施形態に係る半導体加速度センサの製造工程の一例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る半導体加速度センサを示す図である。 本発明の第３実施形態に係る半導体加速度センサを示す図である。 本発明の第３実施形態に係る半導体加速度センサの製造工程の一例を示す図である。

符号の説明

１ フレーム
２ ビーム
３ 重り部
４ センシング素子
５ 電極
６、６−１、６−２、１０ 支持部
７、９ ストッパ
８ 枠部

Claims (4)

1. 半導体基板からなるフレームと、
   弾性を有し前記フレームの表面側で前記フレームに支持されるビームと、
   該ビームに支持され作用する加速度により揺動する重り部と、
   前記ビームに形成され前記ビームの変形を検出するセンシング素子と、
   該センシング素子からの信号を外部に出力する電極と、
   前記重り部の前記表面側に設けた支持部と、
   該支持部と接合するとともに、前記フレームとは所定の第１ギャップを有して設けた第１ストッパと、
   前記フレームの表面側ではない裏面側に設けた枠状である枠部と、
   前記枠部の内方側に前記重り部と接合するとともに、前記フレームとは所定の第２ギャップを有し、前記枠部とは所定の第３ギャップを有するように設けた第２ストッパと、
   を備えたことを特徴とする半導体加速度センサ。
2. 前記支持部は、前記重り部と一体形成された、又は前記重り部と同一の材料である請求項１に記載の半導体加速度センサ。
3. 前記支持部は、前記電極と同一の材料である請求項１に記載の半導体加速度センサ。
4. 前記半導体基板は、ＳＯＩ基板である請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体加速度センサ。

Images