JP2006145258A - 半導体加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体加速度センサの製造条件、大きさ、耐衝撃性を変更することなく、検知感度の優れた半導体加速度センサを提供すること。
【解決手段】 半導体基板よりなり、枠状をなすフレーム部１２と、フレーム部１２から内側に突設された弾性を有するビーム部１３と、ビーム部１３に支持されて揺動自在に変位する錘部１４と、ビーム部１３の表層に設けられて作用した加速度の大きさに応じた信号を出力するピエゾ抵抗素子１６と、を有するセンサ素子１と、センサ素子１の上方に設けられて錘部１４の変位を規制するストッパ１７と、を少なくとも備えた加速度センサ。錘部１４に、そのストッパ１７と相対する領域に、フレーム部１２の厚み方向に過大な加速度が作用した際にストッパ１７と当接して錘部１４の過剰変位を規制する金属からなる凸部１５を設けた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、応力を電気信号に変換することにより作用した加速度を検知する半導体加速度センサに関し、特に、耐衝撃性に優れた半導体加速度センサに関するものである。

この種の背景技術として、例えば、特開２００４−３０１７２６号公報（特許文献１）に提案されている半導体加速度センサ９があり、これを図３に示す。図３はその概略斜視図である。

このものは、センサチップ９１とガラス基板９２とを主要構成要素としており、このセンサチップ９１は、シリコン基板９３１の上部にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）９３２及びシリコン膜９３３を順に積層したＳＯＩ基板９３より形成されている。

このセンサチップ９１は、シリコン基板９３１に形成された内方に開口を有する四角形状の支持部９１１の上部に４つの開口部９１２を有する四角形状の枠体部９１３がシリコン酸化膜９３２を介して形成されている。

枠体部９１３には、それぞれの辺から突出して枠体部９１３との間で開口部９１２を囲むように薄肉状のビーム９１４が４つ形成されており、中央部９１５にて連結されている。また、ビーム９１４には、加速度を検出するためのピエゾ抵抗（図示せず）が夫々、形成されている。さらに、枠体部９１３の４隅には、片持ち梁形状のストッパ９１６が形成され、開口部９１２の内部へと突出されている。

また、中央部９１５には、シリコン基板９３１からなる質量部９１７が形成されており、シリコン酸化膜９３２からなる懸吊部９１８を介して中央部９１５に吊り下げ支持されている。

ガラス基板９２は、可動イオンを含有する耐熱ガラス等のガラス材にて形成している。そして、陽極接合によりセンサチップ９１の下面と接合されている。

このような構成の半導体加速度センサによれば、ＳＯＩ基板９３の厚み方向の加速度がセンサチップ９１に作用した場合、質量部９１７の枠体部９１３に対する下部方向の変位がガラス基板９２によって制限され、上部方向の変位はストッパ９１６により制限される。したがって、過剰な加速度が作用したときのビーム９１４の損壊を抑制することができる。

また、他の半導体加速度センサとして、例えば、特開２００１−６６３１９号公報（特許文献２）に提案されている半導体加速度センサがある。

このものは、センサチップとガラスストッパを主要構成要素としており、略四角状のフレームに、一対の薄肉状のビームがフレームの所定の一辺から突設しており、その他方の端部に重り部が揺動自在に設けられている。さらに、ビーム上には、ホイートストンブリッジを構成する複数のゲージ抵抗が形成され、電極パッドに電気的に接続されている。

ガラスストッパは、半導体基板に近い熱膨張係数を持つ耐熱ガラス等のガラス材にて形成している。また、上方のガラスストッパは、重り部を覆うようにフレーム上面の所定の位置に接合されており、下方のガラスストッパは、センサチップの下面全体を覆うようにフレーム下面の周縁部に接合されている。また、ガラスストッパにおける重り部と相対する位置には、振幅制御用の突起が形成されている。

このような構成の半導体加速度センサによれば、加速度が半導体加速度センサに作用するした場合、重り部の変位は振幅制御用の突起により制限される。したがって、過剰な加速度が作用したときのビームの損壊を抑制することができる。
特開２００４−３０１７２６号公報（第４頁〜第５頁、図１、図２） 特開２００１−０６６３１９号公報（第４頁〜第５頁、図１）

しかしながら、特許文献１の半導体加速度センサ９では、質量部９１７のストッパ９１６方向への変位量はシリコン酸化膜９３２の厚みで決定されてしまうため、加速度の検知範囲の異なる加速度センサを形成するにはシリコン酸化膜９３２の厚みの異なるＳＯＩ基板９３を用意する必要があり、製造上の複雑性を有していた。

一方、特許文献２の半導体加速度センサでは、重り部とストッパとの間隔を制御すれば加速度の検知範囲は変更可能である。しかしながら、加速度検知の感度を考慮した場合、実質的に、重り部の質量は大きいほど感度がよく、この半導体加速度センサでは、重り部の質量を大きくするためにその大きさを変更する必要があり、結果的に上述した半導体加速度センサと同じ課題が生じていた。

本発明は、上記の点に鑑みてなしたものであり、その目的とするところは、半導体加速度センサの製造条件、大きさ、耐衝撃性を変更することなく、検知感度の優れた半導体加速度センサを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明の半導体加速度センサは、半導体基板よりなり、枠状をなすフレーム部と、該フレーム部から内側に突設された弾性を有するビーム部と、該ビーム部に支持されて揺動自在に変位する錘部と、前記ビーム部の表層に設けられて作用した加速度の大きさに応じた信号を出力するピエゾ抵抗素子と、を有するセンサ素子と、前記加速度センサ素子の上方に設けられて前記錘部の変位を規制するストッパと、を少なくとも備えた半導体加速度センサであって、前記錘部は、その前記ストッパと相対する領域に、前記フレーム部の厚み方向に過大な加速度が作用した際にストッパと当接して錘部の過剰変位を規制する金属からなる凸部を設けたことを特徴とするものである。

この発明によれば、錘部におけるストッパと相対する領域に金属からなる凸部を設けることにより、錘部とストッパとの間隔を凸部の高さを自在に変更することが可能になり、加速度の検知範囲を容易に設定することができる。また、錘部の質量を重くすることができ、センサ素子の大きさを変更することなく検知感度を向上することができる。

請求項２に記載の半導体加速度センサは、請求項１記載の構成において、前記凸部を、メッキを用いて形成したものとしている。

この発明によれば、半導体プロセスのフォトリソグラフィー技術を用いて凸部の形成が可能になり、また、凸部の高さを電界条件により容易に制御することができる。

請求項３に記載の半導体加速度センサは、請求項１記載の構成において、前記凸部を、スタッドバンプ法を用いて形成したものとしている。

この発明によれば、センサ素子の形成後に容易に凸部を形成することができる。

本発明の半導体加速度センサによれば、錘部に設けた凸部により、錘部とストッパとの間隔を凸部の高さを自在に変更することが可能になり、加速度の検知範囲を容易に設定することができる。また、錘部の質量を重くすることができ、センサ素子の大きさを変更することなく検知感度を向上することができる。

［第１の実施形態］
第１の実施形態に係る半導体加速度センサについて図１に基づき説明する。図１（ａ）はその概略平面図であり、図１（ｂ）はＡ−Ａ線で切断したときの概略断面図である。

この実施形態の半導体加速度センサは、背景技術で説明したものと同じＳＯＩ基板９３を加工することにより形成しており、その主要構成要素として、フレーム部１２と、ビーム部１３と、錘部１４と、凸部１５と、ピエゾ抵抗素子１６とを有するセンサ素子１と、ストッパ１７を有するパッケージ２を備えている。

まず、センサ素子１について、そのフレーム部１２は、半導体加速度センサの基体となるものであり、ビーム部１３を介して錘部１４を支持するものである。このものは、ＳＯＩ基板９３の内方を穿設して開口部１２１を有した枠体であり、平面視において略四角形状に形成している。また、このフレーム部１２は、シリコン基板９３１、シリコン酸化膜９３２、シリコン膜９３３の３層で構成しており、そのシリコン基板９３１の表面にはピエゾ抵抗素子１６と接続した、例えば、アルミニウム（Ａｌ）からなる電極１８を形成している。

ビーム部１３は、作用する加速度に応じて錘部１４が遊動自在に動くように吊り下げ支持するものである。このものは、シリコン膜９３３にて構成しており、フレーム部１２の各辺の中央付近を基端として内方に向かって突設し、後述する主錘部１４１と連結している。また、このビーム部１３は、平面視において短冊状であり、かつその厚みをシリコン膜９３３と略同等に形成している。本実施形態ではシリコン膜９３３の厚みを５μｍ程度としており、このような厚みにおいては、ビーム部１３は作用する加速度に応じて可撓する弾性体として機能する。

錘部１４は、作用する加速度の大きさに応じて揺動してビーム部１３の撓み量を変化させるものである。このものは、ＳＯＩ基板９３のシリコン基板９３１、シリコン酸化膜９３２、シリコン膜９３３にて形成しており、主錘部１４１と４つの補助錘部１４２とから構成している。

このうち、主錘部１４１は、開口部１２１の中央付近に配置され、ビーム部１３と連結している。その形状は平面視において略四角形状であり、その厚みはＳＯＩ基板９３の厚みと略同等であり、主錘部１４１の下面がフレーム部１２の下面と同一平面を構成している。

一方、補助錘部１４２は、主錘部１４１の４つの隅角にそれぞれ一体化して形成しており、加速度が作用していない状態でシリコン膜９３３側から見たときに、隣り合うビーム部１３とそのビーム部１３を支持するフレーム部１２の辺とで囲まれた領域に位置するように形成している。その形状は、平面視において略四角形状であり、その厚みは主錘部１４１と略同等の厚みを有している。

ここにおいて、この補助錘部１４２の上面（図１の上側）には、例えば、ニッケル（Ｎｉ）よりなる円柱形状の凸部１５を形成している。この凸部１５は、４つの補助錘部１４２の中央付近に形成してあり、開口部１２１を通してＳＯＩ基板９３上に突出している。そして、後述するカバー２２との間隙をその突出量により調整して加速度の検出範囲を設定している。また、このものは、電解メッキを用いて形成しており、例えば、補助錘部１４２の上面にシード層を形成した後、リソグラフィーを用いて形成している。

ピエゾ抵抗素子１６は、応力によりビーム部１３が変形した際の撓み量を電気信号に変換するものである。このものは、ビーム部１３の表面（図１の上側）に形成しており、詳細にはビーム部１３とフレーム部１２との結合部分近傍及びビーム部１３と交差部１２２との結合部分近傍に配置している。このうち、交差部１２２の近傍にあるピエゾ抵抗素子１６は、フレーム部１２の辺と平行な方向のベクトル成分を持つ加速度に対して応答し、例えば、フレーム部１２の任意の一辺と平行な方向をＸ軸と規定し、Ｘ軸と直交してかつフレーム部１２の辺と平行な方向をＹ軸と規定すると、Ｘ軸と平行なフレーム部１２上にある４つのピエゾ抵抗素子１６で１組のホイートストンブリッジを構成し、また、Ｙ軸と平行なフレーム部１２上にある４つのピエゾ抵抗で１組のホイートストンブリッジを構成している。さらに、フレーム部１２の近傍にあるピエゾ抵抗素子１６は、Ｘ軸及びＹ軸に直交する方向のベクトル成分を持つ加速度に対して応答し、例えば、この方向をＺ軸と規定すると、ビーム部１３上にある４つのピエゾ抵抗素子１６で１組のホイートストンブリッジを構成している。

ところで、上述のセンサ素子１は、パッケージ２の内部に載置されて固着される。ここにおいて、パッケージ２は、センサ素子１を収納する基台部２１と、基台部２１の上面に固着したカバー２２とから構成している。

基台部２１は、セラミックにて形成しており、その形状は平面視において四角形状をしている。また、その中央には一方の面を開口とした平面視が四角形状の凹部２１１を形成している。この凹部２１１は、センサ素子１を収納可能に形成しており、センサ素子１のフレーム部１２の下面から凸部１５の上面までの厚さを含み、さらに、錘部１４が上方に変位できる距離を加えた深さに形成している。また、凹部２１１の底面には、その錘部１４と相対する領域に錘部１４が下方に変位可能なように空隙２１２を形成している。

カバー２２は、基台部２１と同様にセラミックにて形成しており、その形状は、基台部２１と同じ平面形状をなす平板である。また、このものは、錘部１４が上方へ変位したときに、ビーム部１３の破壊限界以内で凸部１５と当接して錘部１４の一定量以上の変位を規制するストッパを兼ねている。このカバー２２と凸部１５との距離は、加速度の検知範囲を規定する。

したがって、本実施形態の半導体加速度センサによれば、補助錘部１４２の上面に電解メッキを用いてニッケルからなる凸部１５を形成したことにより、容易に凸部１５の高さを調整できてカバー２２との距離を自在に変更することが可能になり、加速度の検知範囲を容易に設定することができる。また、この凸部１５により錘部１４の質量を重くすることができ、センサ素子１の大きさを変更することなく検知感度を向上することができる。

なお、凸部の形状は円柱形状に限定されるものではなく、カバー２２と当接したときに凸部の変形を伴わない形状であれば、例えば、角柱でもよい。

また、ストッパは、カバー２２と別体に設けてもよく、例えば、センサ素子１のシリコン膜９３３に錘部１４の変位空間を形成したガラス板を接合して設けてもよい。

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る半導体加速度センサについて図２に基づき説明する。図２は図１（ａ）と同じ位置で切断したときの概略断面図である。

本実施形態の半導体加速度センサは、凸部３１が第１の実施形態と異なるものであり、他の構成要素は第１の実施形態と実質的に同一であるので、同一部材には同一番号を付して説明を省略する。

本実施形態の凸部３１は、例えば、金よりなるバンプにて形成しており、その形状は平面視において円形状でその断面視の形状は凸字状をなしている。このものは、４つの補助錘部１４２の中央付近に形成してあり、開口部１２１を通してＳＯＩ基板９３上に突出している。そして、カバー２２との間隙をその突出量により調整して加速度の検出範囲を設定している。また、このものは、例えば、スタッドバンプを用いて形成しており、例えば、センサ素子１を基台部２１へ載置後、金ワイヤを用いた電極１８へのワイヤボンド時と同工程で形成している。

したがって、本実施形態の半導体加速度センサによれば、補助錘部１４２の上面にスタッドバンプを用いて金からなる凸部３１を形成したことにより、容易に凸部３１の形成及び高さの調整できてカバー２２との距離を自在に変更することが可能になり、加速度の検知範囲を容易に設定することができる。また、この凸部１５により錘部１４の質量を重くすることができ、センサ素子１の大きさを変更することなく検知感度を向上することができる。

本発明の第１の実施形態に係る半導体加速度センサを示すものであり、（ａ）はその概略平面図であり、（ｂ）はＡ−Ａ線で切断したときの概略断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体加速度センサを示すものであり、凸部を横断する位置で切断したときの概略断面図である。 従来の半導体加速度センサを示す概略斜視図である。

符号の説明

１ センサ素子
１２ フレーム部
１３ ビーム部
１４ 錘部
１５ 凸部
１６ ピエゾ抵抗素子
１７ ストッパ
３１ 凸部

Claims (3)

1. 半導体基板よりなり、枠状をなすフレーム部と、該フレーム部から内側に突設された弾性を有するビーム部と、該ビーム部に支持されて揺動自在に変位する錘部と、前記ビーム部の表層に設けられて作用した加速度の大きさに応じた信号を出力するピエゾ抵抗素子と、を有するセンサ素子と、
   前記加速度センサ素子の上方に設けられて前記錘部の変位を規制するストッパと、
   を少なくとも備えた半導体加速度センサであって、
   前記錘部は、その前記ストッパと相対する領域に、前記フレーム部の厚み方向に過大な加速度が作用した際にストッパと当接して錘部の過剰変位を規制する金属からなる凸部を設けたことを特徴とする半導体加速度センサ。
2. 前記凸部は、メッキを用いて形成された請求項１記載の半導体加速度センサ。
3. 前記凸部は、スタッドバンプ法を用いて形成された請求項１記載の半導体加速度センサ。

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