JP2005337874A - 半導体加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】材料間の熱膨張係数の違いによって熱応力が生じても出力にバラツキが生じることのない半導体加速度センサを提供することを目的とする。
【解決手段】錘体４は、フレーム体３の開口部内に配置され、支持梁５ｘ、５ｙによって複数箇所でフレーム体３に連結されている。フレーム体３は、開口部を全周に亘って囲むとともに支持梁５ｘ、５ｙを介して錐体４に連結された内フレーム９と、内フレーム９の外側において厚み方向に貫通する応力分離溝を介して内フレーム９の外周を全周に亘って囲む外フレーム１０とに分割される。内フレーム９は接合部１２のみが支持基板１に接合される。フレーム体３は、応力分離溝に沿って延長され長手方向の一端部が内フレーム９に結合され他端部が外フレーム１０に結合された応力緩和梁１１を有する。応力緩和梁１１は可撓性を有し、外フレーム１０から内フレーム９に伝達される応力を緩和する。
【選択図】図１

Description

本発明は、主として自動車、航空機、家電製品等に用いられる半導体加速度センサに関するものである。

従来から、可撓性を有する支持梁で錘体を支持する構造物を半導体を用いて形成し、錘体の変位量から加速度を検出する小型の半導体加速度センサが提供されている。

半導体加速度センサは、たとえば図１５に示すように、ガラス材料を用いて正方形状に形成された支持基板１に対して、半導体基板から形成された正方形状のセンサチップ２を接合することにより構成される。センサチップ２は、正方形状に開口する開口部が厚み方向に貫設されたフレーム体３を有し、フレーム体３の開口部内に間隙を介して配置した錘体４を薄肉の支持梁５ｘ、５ｙにより支持している。図示するセンサチップ２では、支持梁５ｘ、５ｙはフレーム体３の厚み方向の一面に沿って４本設けられており、一端部がフレーム体３の各辺の内周面にそれぞれ連結され、他端部が錘体４にそれぞれ連結されている。各支持梁５ｘ、５ｙの長さ寸法を確保して撓み易くするために、すべての支持梁５ｘ、５ｙは錘体４の中央部に連結されている。ここで、錘体４がフレーム体３に対して変位可能なように錘体４と支持基板１との間には間隙を設けてある。

この半導体加速度センサのセンサチップ２は、シリコン基板の表面上にエピタキシャル層を形成して、シリコン基板から錘体４を形成するととももにエピタキシャル層から支持梁５ｘ、５ｙを形成することによって構成される。フレーム体３は、シリコン基板から形成された支持部２４と、支持部２４の表面上に形成されたエピタキシャル層からなり支持梁５ｘ、５ｙに連続する薄肉の枠部２５とで構成される。支持基板１は、フレーム体３の支持部２４と陽極接合により接合される。

図示例では、支持梁５ｘ、５ｙにはピエゾ抵抗素子（図示せず）が設けられている。半導体加速度センサは、錘体４の変位に応じた支持梁５ｘ、５ｙの撓み量をピエゾ抵抗素子によって検出する。半導体加速度センサの出力は、外部回路（図示せず）において加速度に換算される（たとえば特許文献１参照）。
特許第３１９１７７０号公報（第５頁、図１）

ところで、上述した半導体加速度センサにおいては、フレーム体３と支持基板１との材料が異なり、フレーム体３と支持基板１とで熱膨張係数が異なる。また、フレーム体３の枠部２５と支持部２４とにおいても材料が異なり、互いに熱膨張係数が異なる。したがって、たとえば周囲温度の変化時に、フレーム体３と支持基板１との接合部位や、フレーム体３における枠部２５と支持部２４との接合部位などに熱応力が生じる。そして、これらの熱応力によってフレーム体３が変形して支持梁５ｘ、５ｙに応力が生じることがある。また、支持基板１を他部材である基台に接着剤で接合して使用する場合には、接着剤に生じる応力によりフレーム体３が変形して支持梁５ｘ、５ｙに応力が生じることもある。

このように支持梁５ｘ、５ｙに応力が生じると支持梁５ｘ、５ｙが撓んで加速度に関係なく錘体４が変位するので、半導体加速度センサに同じ大きさの加速度が作用しても、周囲温度等の変化に応じて半導体加速度センサの出力の値は異なる。また、半導体加速度センサの更なる小型化を図ってフレーム体３の幅寸法および厚み寸法を小さくする場合には、フレーム体３の強度が低下し同じ大きさの熱応力でもフレーム体３の変形量が大きくなるので、熱応力による出力のバラツキが大きくなる。さらに、半導体加速度センサの更なる薄型化を図って支持梁５ｘ、５ｙの撓み量に対する出力の変化量を大きくした場合には、熱応力による出力のバラツキも大きくなる。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであって、材料間の熱膨張係数の違いによって熱応力が生じても出力にバラツキが生じることのない半導体加速度センサを提供することを目的とする。

請求項１の発明では、支持基板と、支持基板とは別材料からなる半導体基板から形成され厚み方向に貫通する開口部を有し支持基板の厚み方向の一面上に接合されるフレーム体と、フレーム体の開口部内に配置される錘体と、フレーム体と錘体とを複数箇所で連結することにより錘体をフレーム体に対して変位可能に支持する支持梁と、加速度が作用することによりフレーム体に対して変位する錘体の変位量を検出する検出部とを備え、フレーム体は、開口部を全周に亘って囲むとともに支持梁を介して錘体に連結され一部で支持基板に接合される内フレームと、内フレームの外側において厚み方向に貫通する応力分離溝を介して内フレームの外周を全周に亘って囲むとともに外部回路に接続される電極が形成され支持基板に接合される外フレームとに分割され、応力分離溝に沿って延長され長手方向の一端部が内フレームに結合され他端部が外フレームに結合された可撓性を有する応力緩和梁を応力分離溝内に有することを特徴とする。

この構成によれば、内フレームにおける支持基板との接合面積を比較的小さく抑えているので、内フレームと支持基板との接合部位に生じる応力および当該接合部位を介して支持基板から内フレームに伝達される応力が低減される。さらに、内フレームと外フレームとを応力緩和梁で連結することにより、外フレームから内フレームに伝達される応力を応力緩和梁が撓むことにより緩和することができる。すなわち、外フレームや支持基板に熱応力が生じても支持基板に連結された内フレームを変形させることはないようにしているので、熱応力により支持梁に応力が生じて支持梁が撓んでしまうことがない。したがって、熱応力によって検出部の出力にバラツキが生じることはない。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記応力緩和梁が、前記応力分離溝の幅方向で往復する蛇行状に形成されて成ることを特徴とする。

この構成によれば、応力緩和梁が応力分離溝の幅方向に撓み易いので、僅かな応力であっても外フレームから内フレームに伝達されることを防止することができる。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、板状であって前記外フレームの厚み方向における前記支持基板とは反対側の一面に接合されることにより外フレームおよび支持基板とともに前記錘体および前記内フレームを包囲する蓋体が付加され、前記電極が外フレームにおける蓋体との対向部位に形成され、蓋体が、フェースダウンボンディングにより外部回路に接続される外側電極を厚み方向における外フレームとは反対側の一面の中央部に有することを特徴とする。

この構成によれば、蓋体を外部回路の配線基板上に実装したときに蓋体における配線基板との接合部位になる外部電極が蓋体の中央部に集められているから、蓋体と配線基板との接合部位を比較的狭い範囲に収めることができ、蓋体と配線基板との接続部位に生じる応力および当該接続部位を介して配線基板から伝達される応力を低減することができる。

請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記蓋体が、加速度が作用していない状態で前記内フレームおよび前記錘体との間に間隙を有することを特徴とする。

この構成によれば、錘体の移動が蓋体によって妨げられることがない。

請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記蓋体が、前記錘体に対向する部位に突設され蓋体側への錘体の移動量を制限する移動量規制突起を有することを特徴とする。

この構成によれば、過度の加速度が作用した際に起こる錘体の過度の移動が防止されるので、過度の加速度が作用しても半導体加速度センサが破壊されることはない。

請求項６の発明は、請求項３ないし請求項５のいずれかの発明において、前記蓋体が半導体基板から形成され、前記検出部の出力を外部回路で扱う電気信号に変換する信号処理回路が蓋体に形成されて成ることを特徴とする。

この構成によれば、半導体加速度センサの出力を、他の回路を介すことなく外部回路で扱うことができる。

本発明は、フレーム体を内フレームと外フレームとに分割したものであって、内フレームにおける支持基板との接合面積を比較的小さく抑えているので、内フレームと支持基板との接合部位に生じる応力および当該接合部位を介して支持基板から内フレームに伝達される応力が低減される。さらに、内フレームと外フレームとを応力緩和梁で連結することにより、外フレームから内フレームに伝達される応力を応力緩和梁が撓むことにより緩和することができる。すなわち、外フレームや支持基板に熱応力が生じても支持基板に連結された内フレームを変形させることはないようにしているので、熱応力により支持梁に応力が生じて支持梁が撓んでしまうことがない。したがって、熱応力によって検出部の出力にバラツキが生じることはないという効果を奏する。

（実施形態１）
本実施形態の半導体加速度センサは、図１に示すように、板面が正方形状に形成された支持基板１に対して、半導体基板から形成され板面が支持基板１と略同じ形状に形成されたセンサチップ２を重ねて接合することにより構成される。支持基板１にはガラス材料を用いており、支持基板１とセンサチップ２とは陽極接合により接合される。以下ではセンサチップ２の厚み方向において支持基板１と反対側（すなわち図１（ｂ）の上側）の一面を表面と呼ぶ。

センサチップ２は、表面の中央部において外周に相似する形状に開口し厚み方向に貫通する開口部が形成されたフレーム体３と、フレーム体３の開口部内に間隙を介して配置された錘体４と、錘体４の一部とフレーム体３の一部とを連結する薄肉の支持梁５ｘ、５ｙとで構成される。本実施形態では、加速度が作用することにより変位する錘体４の変位量を検出することによって加速度を求める。詳しくは後述するが、錘体４の変位量は支持梁５ｘ、５ｙの撓み量から検出する。

錘体４は、フレーム体３の開口部内に収まった状態で支持基板１との間に間隙を有する厚み寸法の矩形板状に形成される。錘体４の表面は、中央部に正方形状の連結部６を残して支持基板１側に掘り下げられている。すなわち、錘体４は連結部６が形成された部位の厚み寸法が他の部位より大きく形成される。一方、支持梁５ｘ、５ｙは４本設けられており、それぞれ錘体４の連結部６の各辺の周面から錘体４の表面に沿って延設されフレーム体３の内周面に連結されている。詳しくは、２本の支持梁５ｘが図１（ａ）の左右方向に延長され、他の２本の支持梁５ｙが図１（ａ）の上下方向に延長され、すべての支持梁５ｘ、５ｙにおける長手方向の中心線がフレーム体３の開口部の中心で互いに交わるように、４本の支持梁５ｘ、５ｙが十字状に配置される。また、支持梁５ｘ、５ｙによって錘体４の移動を妨げることがないように、錘体４における各支持梁５ｘ、５ｙとの対向部位には各支持梁５ｘ、５ｙよりも幅広であって錘体４の厚み方向に貫通する切込７がそれぞれ形成されている。

本実施形態の半導体加速度センサは、一方向の加速度だけでなく、２本の支持梁５ｘが延長された図１（ａ）の左右方向（以下、Ｘ軸方向とする）と、他の２本の支持梁５ｙが延長された図１（ａ）の上下方向（以下、Ｙ軸方向とする）と、フレーム体３の開口部の貫通方向（以下、Ｚ軸方向とする）との互いに直交する３軸方向の加速度を同時に感知できるものである。Ｘ軸は図１（ａ）の右方を正とし、Ｙ軸は図１（ａ）の上方を正とし、Ｚ軸は図１（ｂ）の上方を正とする。

この半導体加速度センサにたとえばＸ軸の正の向きに加速度が作用したときの錘体４の移動を、左右方向にＸ軸を採り右方をＸ軸の正とした図２を参照して説明する。加速度ａが作用すると、錘体４はＸ軸の負の向きに作用する慣性力ｉによって支持梁５ｘを撓ませながら重心を図の左上方に移動させる。このとき、支持梁５ｘの表面には長手方向の中心線上において図２（ｂ）および図２（ｃ）に示すような応力がＸ軸方向に生じる。図２（ｂ）に「＋」で示すのはＸ軸方向に引っ張られる正の応力であって、図２（ｂ）に「−」で示すのはＸ軸方向に圧縮される負の応力である。図２（ｃ）は、横軸が図２（ｂ）の左右方向の位置に対応しており、縦軸でＸ軸方向の応力を示している。他の軸方向についても加速度が作用すると、各支持梁５ｘ、５ｙの表面上にそれぞれ応力が生じる。

ここにおいて、本実施形態では、図３に示すように、これらの応力が生じる支持梁５ｘ、５ｙの表面側に検出部としてのピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４、Ｒｙ１〜Ｒｙ４、Ｒｚ１〜Ｒｚ４をそれぞれ形成している。各軸の正の向きに作用する加速度に応じて、支持梁における各ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４、Ｒｙ１〜Ｒｙ４、Ｒｚ１〜Ｒｚ４を設けた部位に生じる応力は表１に示すようになる。ただし、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４はＸ軸方向に延長された支持梁５ｘに形成され、ピエゾ抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４はＹ軸方向に延長された支持梁５ｙに形成され、ピエゾ抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４は各支持梁５ｘ、５ｙにそれぞれ１個ずつ形成されている。ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４、Ｒｙ１〜Ｒｙ４、Ｒｚ１〜Ｒｚ４は長手方向に作用する応力に応じて抵抗値が変化するものであって、ピエゾ抵抗素子Ｒｚ２、Ｒｚ３の他はすべて支持梁５ｘ、５ｙの長手方向に沿って配置されている。

本実施形態では、図４に示すように、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４からなるＸ軸用ブリッジ回路Ｂｘと、ピエゾ抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４からなるＹ軸用ブリッジ回路Ｂｙと、ピエゾ抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４からなるＺ軸用ブリッジ回路Ｂｚとの合計３つのブリッジ回路Ｂｘ〜Ｂｚを形成し、すべてのブリッジ回路Ｂｘ〜Ｂｚに対して一対の電源端子Ｐ１、Ｐ２から一定電圧を印加することによって、Ｘ軸用ブリッジ回路Ｂｘの一対の出力端子Ｏｘ１、Ｏｘ２と、Ｙ軸用ブリッジ回路の一対の出力端子Ｏｙ１、Ｏｙ２と、Ｚ軸用ブリッジ回路の一対の出力端子Ｏｚ１、Ｏｚ２とのそれぞれの電圧から、各軸方向毎の加速度を求めている。電源端子Ｐ１、Ｐ２および各ブリッジ回路Ｂｘ〜Ｂｚの出力端子Ｏｘ１、Ｏｘ２、Ｏｙ１、Ｏｙ２、Ｏｚ１、Ｏｚ２はフレーム体３の表面に形成された電極８にそれぞれ電気的に接続される。

ところで、本実施形態の半導体加速度センサでは、図１に示すように、フレーム体３が、支持梁５ｘ、５ｙに連結された内フレーム９と、内フレーム９の外側において応力分離溝を介して内フレーム９を全周に亘って囲む外フレーム１０とに分割されている。上述した電極８はすべて外フレーム１０の表面に形成されている。応力分離溝は、Ｚ軸方向に貫通しており、応力分離溝の表面側には内フレーム９と外フレーム１０とを連結する応力緩和梁１１が配置されている。

応力緩和梁１１は、応力分離溝に沿って延長されており、長手方向の一端部が内フレーム９に連結され、他端部が外フレーム１０に連結されている。詳しくは、応力分離溝は、内フレーム９の外周縁における各辺に沿って長い矩形板状であって４本設けられており、それぞれ内フレーム９と外フレームとの間に配置され、長手方向の一端部が内フレーム９の外周面に連結され、他端部が外フレーム１０の内周面に連結される。ここに、各応力緩和梁１１と内フレーム９との隙間は夫々隣接する応力緩和梁１１と外フレーム１０との隙間に連続し、かつ各応力緩和梁１１と内フレーム９との連結部位の近傍においては幅寸法が広がっている。応力緩和梁１１に上述した形状を採用していることによって内フレーム体９と外フレーム体１０との距離が小さくとも応力緩和梁１１の長さを十分に確保している。

応力緩和梁１１はＺ軸方向に薄肉であって、外フレーム１０に応力が生じた際には応力緩和梁１１が撓むことにより、外フレーム１０から内フレーム９に伝達される応力を緩和する。すなわち、外フレーム１０が変形しても内フレーム９が変形することはない。この構成では、たとえば外フレーム１０の表面に設けた電極８を外部回路（図示せず）が形成された配線基板（図示せず）にフリップチップボンディングなどのフェースダウンボンディングにより接続する場合においても、配線基板と外フレーム１０との接合部位に生じる応力および当該接合部位を介して配線基板から外フレーム１０に伝達される応力によって内フレーム９が変形することはない。

さらに、本実施形態の内フレーム９は、図１（ａ）において左下端部に示す１箇所の接合部１２のみが支持基板１に接合されており、その他の部位が支持基板１に接合されていないので、支持基板１との接合部位に生じる応力および当該接合部位を介して支持基板１から伝達される応力を比較的小さく抑えることができる。

結果的に、本実施形態の半導体加速度センサは、内フレーム９においては外フレーム１０および支持基板１のいずれからも応力が伝達されることがないので、外フレーム１０と他部材や支持基板１に熱応力が生じることがあっても、この熱応力によって内フレーム９が変形して内フレーム９に連結された支持梁５ｘ、５ｙに応力を生じることはない。したがって、材料間の熱膨張係数の違いによって熱応力が生じても、支持梁５ｘ、５ｙが加速度に関係なく撓んでしまうことはなく、半導体加速度センサの出力にバラツキが生じることはない。

応力緩和梁１１の形状は上述した形状に限らず、図５に示すように、外フレーム１０の各辺における長手方向の中央部にそれぞれ２本ずつ連結された応力緩和梁１１を応力分離溝の長手方向に沿って互いに離れる向きに延長し、内フレーム９の各辺における長手方向の両端部にそれぞれ連結する構成なども考えられる。要するに、応力緩和梁１１は、外フレーム１０から内フレーム９に伝達される応力を緩和することが目的であって、内フレーム体９と外フレーム体１０との距離が小さくとも十分な長さを確保できる形状であればよい。また、図６に示すように、応力分離溝の幅方向に往復する蛇行状に応力緩和梁１１を形成すれば、応力緩和梁１１が応力分離溝の幅方向に撓み易くなるので、僅かな応力であっても外フレーム１０から内フレーム９に伝達されることを防止できる。

内フレーム９の接合部１２は、図７のように対角線上に２箇所設けたり、あるいは図８のように四隅にそれぞれ設けてあっても、内フレーム９と支持基板１との接合面積が比較的小さければ、内フレーム９と支持基板１との接合部位に生じる応力および当該接合部位を介して支持基板１から内フレーム９に伝達される応力を比較的小さく抑える効果が期待できる。

本実施形態の各構成要素の寸法を以下に示すが、これらの寸法は一例に過ぎず、適宜設定することが望ましい。

外フレーム１０および支持基板１の外周縁の一辺の長さはともに１．５〜４．０ｍｍとしている。内フレーム９および外フレーム１０においては、厚み寸法（Ｚ軸方向の寸法）が４００〜６００μｍ、幅寸法が２５０μｍ程度としている。錘体４の厚み寸法（Ｚ軸方向の寸法）は、４００〜６００μｍで内フレーム９および外フレーム１０と同程度である。支持梁５においては、長手寸法を３００〜５００μｍ程度、幅寸法を６０〜１５０μｍ程度、厚み寸法（Ｚ軸方向の寸法）を４〜１０μｍ程度としており、支持梁５の厚み寸法はフレーム体３および錘体４の厚み寸法に比べて十分に小さい。応力緩和梁１１の厚み寸法（Ｚ軸方向の寸法）は５〜２０μｍ程度に設定され、支持梁５と同様にフレーム体３および錘体４に比べて十分に小さい。支持基板１については、厚み寸法（Ｚ軸方向の寸法）が２００〜１０００μｍである。内フレーム９の支持基板１との接合部１２は１００μｍ四方としてある。

次に、上述した半導体加速度センサの製造方法について図１（ａ）のＢ−Ｂ断面図である図９を参照して説明する。

まず、半導体基板であるＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）ウエハの表面側（図９（ａ）の上側）のシリコン層１３に、検出部となるピエゾ抵抗素子および拡散層配線を不純物拡散技術などを用いて形成し、その後、ＳＯＩウエハの表面と裏面とのそれぞれに全面に亘ってシリコン酸化膜とシリコン窒化膜とからなる絶縁膜１４、１５を形成することにより、図９（ａ）に示す構造を得る。ここで、電極８および配線の一部を形成する金属層（図示せず）は、シリコン酸化膜を形成した後であってシリコン窒化膜を形成する前に形成する。

次に、表面側の絶縁膜１４のうちフレーム体３と錘体４および支持梁５ｘ、５ｙとにそれぞれ対応する部分を残してパターニングし、パターニングされた絶縁膜１４をマスクとしてシリコン層１３を表面側から絶縁層１６に達する深さまでエッチングし、図９（ｂ）に示す表側凹所１７を形成する。さらに、裏面側の絶縁膜１５をパターニングし、パターニングされた絶縁膜１５をマスクとしてシリコン基板１８を裏面側から絶縁層１６に達する深さまでエッチングし、裏側凹所１９を形成する。その後、絶縁層１６をエッチングすることにより、錘体４とフレーム体３および支持梁５ｘ、５ｙとの間の間隙になる部分に残った構造を除去して、図９（ｃ）に示すセンサチップ２を得る。

このようにしてセンサチップ２を形成したＳＯＩウエハを、支持基板１となるウエハガラスと陽極接合により接合する。ここで、ウエハガラスは、接合の前に、センサチップ２との接合面が適宜加工され、さらに支持基板１を他部材である基台（図示せず）に接着剤などで接合する場合には基台との接合面も適宜加工されている。しかして、接合したＳＯＩウエハおよびウエハガラスを、ダイシングによりチップに個別化して上述した半導体加速度センサを得る。個別化したチップを使用するときには、たとえば支持基板１を基台に対してエポキシ系もしくはシリコン系の接着剤を用いて接合し、外フレーム１０の表面に形成された電極８をワイヤボンディングなどにより外部回路に電気的に接続する。

なお、錘体４の変位量はたとえば錘体４と支持基板１との距離を錘体４と支持基板１との間の静電容量の変化から検出して求めることもできるので、本実施形態のピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４、Ｒｙ１〜Ｒｙ４、Ｒｚ１〜Ｒｚ４に代えて静電容量を検出する検出部を採用してもよい。また、図１０に示すように、内フレーム９の全面を支持基板１に接合する構成であっても、内フレーム９と外フレーム１０とを応力緩和梁１１で連結する構成によれば、少なくとも外フレーム１０から内フレーム９に伝達される応力が緩和されるという効果は期待できる。

（実施形態２）
本実施形態の半導体加速度センサは、図１１に示すように、実施形態１の半導体加速度センサに対して、センサチップ２の表面に接合されることにより外フレーム１０および支持基板１とともに錘体４および内フレーム９を包囲する蓋体２０を付加したものである。

蓋体２０は半導体基板から支持基板１と板面が略一致する形状に形成されており、外フレーム１０との対向部位には外フレーム１０に形成された電極８に接続される内側電極２１が設けられ、Ｚ軸方向においてフレーム体３と反対側の一面における中央部には外側電極２２が設けられている。厚み寸法（Ｚ軸方向の寸法）は２００〜１０００μｍであって、実施形態１で示した支持基板１の厚み寸法と同程度である。

外側電極２２は、たとえばフリップチップボンディングなどのフェースダウンボンディングにより外部回路に接続されるものであって、たとえば、外部回路の配線基板に本実施形態の半導体加速度センサを実装する場合には、蓋体２０の外側電極が設けられた一面を配線基板に対向させて実装される。このとき、蓋体２０と配線基板との接合部位は外側電極２２のみであって、外側電極２２を本実施形態のように蓋体２０の中央部に集めて蓋体２０と配線基板とが接合される範囲を比較的狭くすることにより、配線基板と半導体加速度センサとの接合部位に生じる応力および当該接合部位を介して配線基板から半導体加速度センサに伝達される応力を低減することができる。

また、本実施形態では、内フレーム９は、図１２に示すように外フレーム１０よりＺ軸方向の寸法を小さく形成されており、支持基板１側に寄せて配置されている。したがって、内フレーム９の表面は外フレーム１０の表面に対して支持基板１側に寄っている。ここで、応力緩和梁１１は、内フレーム９から外フレーム１０に向かって支持基板１から離れるように傾斜して形成される。結果的に、図１１のように加速度が作用していない状態で蓋体２０と内フレーム９および錘体４との間に間隙を有することになり、錘体４の移動が蓋体２０により妨げられてしまうことを防止している。あるいは、内フレーム９のＺ軸方向の寸法を外フレーム１０より小さくする構成に限らず、図１３に示すように、支持基板１における内フレーム１０および錘体４との対向部位に凹所２３を設けてもよい。本実施形態では蓋体２０と内フレーム９および錘体４との距離は５〜３０μｍとしている。

このように蓋体２０と錘体４との間に間隙を設けた場合には、過度の加速度が作用した際に、錘体４が過度に移動して支持梁５ｘ、５ｙなどを破壊してしまうことを防止するために、図１４に示すように、蓋体２０における錘体４との対向部位に移動量規制突起２４を突設し、蓋体２０側への錘体４の移動量を制限しておくことが望ましい。この移動量規制突起２４は、蓋体２０に突起用電極（図示せず）を形成しておいて、蓋体２０とセンサチップ２とを接合する前に突起用電極にバンプ（図示せず）を形成することにより設けている。ただし、バンプに限らず、突起状の形状を形成できる構成であればよい。

ところで、本実施形態の蓋体２０は上述したように半導体基板から形成されているので、本実施形態では、図示しないが、検出部の出力を外部回路で扱う電気信号に変換する信号処理回路を蓋体２０に形成することによって、外部回路における信号処理回路を省略している。ただし、外部回路に信号処理回路を設けるのであれば、外フレーム１０の電極８と外部電極２２とを電気的に接続する電気配線路（図示せず）を蓋体２０に形成してもよい。

なお、蓋体２０とセンサチップ２とは、ダイシングされてチップに個別化される前のウエハの状態で接合してもよい。その場合は接合された後、ダイシングによりチップに個別化される。

本発明の実施形態１を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 （ａ）は同上の要部の概略図、（ｂ）は（ａ）に加速度が作用したときの説明図、（ｃ）は（ｂ）の応力分布を示す説明図である。 同上のピエゾ抵抗素子の配置を示す概略図である。 同上のピエゾ抵抗素子の接続状態を示す回路図である。 同上の応力緩和梁の他の形状を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 同上の応力緩和梁のさらに他の形状を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 同上の２箇所に接合部を設けた構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 同上の４箇所に接合部を設けた構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 同上の製造方法を示す説明図である。 内フレームの全面を支持基板に接合した構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である 本発明の実施形態２を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 同上の蓋体を外した状態を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 同上の支持基板に凹所を設けた構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 同上の移動量規制突起を設けた構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 従来例を示す斜視図である。

符号の説明

１ 支持基板
３ フレーム体
４ 錘体
５ｘ、５ｙ 支持梁
８ 電極
９ 内フレーム
１０ 外フレーム
１１ 応力緩和梁
２０ 蓋体
２２ 外側電極
２４ 移動量規制突起

Claims (6)

1. 支持基板と、支持基板とは別材料からなる半導体基板から形成され厚み方向に貫通する開口部を有し支持基板の厚み方向の一面上に接合されるフレーム体と、フレーム体の開口部内に配置される錘体と、フレーム体と錘体とを複数箇所で連結することにより錘体をフレーム体に対して変位可能に支持する支持梁と、加速度が作用することによりフレーム体に対して変位する錘体の変位量を検出する検出部とを備え、フレーム体は、開口部を全周に亘って囲むとともに支持梁を介して錘体に連結され一部で支持基板に接合される内フレームと、内フレームの外側において厚み方向に貫通する応力分離溝を介して内フレームの外周を全周に亘って囲むとともに外部回路に接続される電極が形成され支持基板に接合される外フレームとに分割され、応力分離溝に沿って延長され長手方向の一端部が内フレームに結合され他端部が外フレームに結合された可撓性を有する応力緩和梁を応力分離溝内に有することを特徴とする半導体加速度センサ。
2. 前記応力緩和梁は、前記応力分離溝の幅方向で往復する蛇行状に形成されて成ることを特徴とする請求項１に記載の半導体加速度センサ。
3. 板状であって前記外フレームの厚み方向における前記支持基板とは反対側の一面に接合されることにより外フレームおよび支持基板とともに前記錘体および前記内フレームを包囲する蓋体が付加され、前記電極は外フレームにおける蓋体との対向部位に形成され、蓋体は、フェースダウンボンディングにより外部回路に接続される外側電極を厚み方向における外フレームとは反対側の一面の中央部に有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体加速度センサ。
4. 前記蓋体は、加速度が作用していない状態で前記内フレームおよび前記錘体との間に間隙を有することを特徴とする請求項３に記載の半導体加速度センサ。
5. 前記蓋体は、前記錘体に対向する部位に突設され蓋体側への錘体の移動量を制限する移動量規制突起を有することを特徴とする請求項４に記載の半導体加速度センサ。
6. 前記蓋体は半導体基板から形成され、前記検出部の出力を外部回路で扱う電気信号に変換する信号処理回路が蓋体に形成されて成ることを特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれか１項に記載の半導体加速度センサ。
   
   

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