JP2006242594A - ３軸加速度センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】センサ感度を高く維持したままで薄型化することができ、製造工程数も少なく、簡単な構成の３軸加速度センサおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の３軸加速度センサ１は、重錘体２２と、重錘体２２を自由下垂状態に支持する重錘体支持部１５と、重錘体２２および重錘体支持部１５と所定間隔をおいて外側に設けられた枠２３と、枠２３と重錘体支持部１５とを連結するように設けられ、それぞれに所定数のピエゾ抵抗素子１３が設けられた複数の可撓性の梁とを備えている。この３軸加速度センサ１では、重錘体２２は、シリコンより比重が大きい材料、例えば、パイレックスガラスから構成されるとともに、その表面が平坦なパッケージ３０の底部上に
３軸加速度センサ本体を設置した状態において、重錘体２２とパッケージ３０の底部との間には、所定長のギャップを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、３軸加速度センサおよびその製造方法に関する。

従来より、３軸方向の加速度を検出することができる３軸加速度センサとして、可撓性を有する複数の薄肉の梁と、この複数の梁によって揺動自在に、すなわち、自由下垂状態に支持される重錘体と、複数の梁上に設けられている複数のピエゾ抵抗素子を金属配線によって接続することにより構成されるブリッジ回路とを備えたものが知られている。

このような３軸加速度センサでは、重錘体が自由下垂状態で支持されるように、台座部分に予めギャップが形成されているような構成が一般的であり、３軸加速度センサ全体の高さをある程度以下に押さえることが困難である。

この問題を解決するものとして、重錘体の底面に所定の不純物層を設け、この不純物層を除去することにより、重錘体の厚さを薄くし、上述のような台座を必要としない３軸加速度センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−２３０９８１号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の製造方法によって製造される３軸加速度センサは、薄型化が可能になったものの、重錘体部分を除去していることにより、重錘体自体の重さが軽くなってしまい、３軸加速度センサの感度が悪くなってしまうという問題がある。

また、特許文献１の製造方法では、所定の不純物層を設けた後、それを除去することにより、３軸加速度センサを製造しているので、工程数が多く、煩雑であるという問題もある。

本発明は、これらの問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、センサ感度を高く維持したままで薄型化することができ、製造工程数も少なく、簡単な構成の３軸加速度センサおよびその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一面において、本発明の３軸加速度センサは、重錘体と、該重錘体を自由下垂状態に支持する重錘体支持部と、前記重錘体および前記重錘体支持部と所定間隔をおいて外側に設けられた枠と、該枠と前記重錘体支持部とを連結するように設けられ、それぞれに所定数のピエゾ抵抗素子が設けられた複数の可撓性の梁とを備える３軸加速度センサにおいて、
前記重錘体は、シリコンより比重が大きい材料から構成されるとともに、表面が平坦なパッケージ上に前記３軸加速度センサを設置した状態において、所定長のギャップを有することを特徴とする。

このように、本発明の３軸加速度センサは、重錘体がシリコンよりも比重の大きい材料から構成されているので、所定長のギャップを構成するために、重錘体の底部が一部取り除かれているとしても、十分なセンサ感度を確保することができるとともに、３軸加速度センサを小型化・薄型化することができる。

また、本発明の３軸加速度センサでは、前記シリコンより比重が大きい材料は、パイレックスガラス（「パイレックス」は登録商標）であることが好ましい。

ピエゾ抵抗素子を備える梁部分や重錘体支持部は、通常シリコンからなる半導体基板から構成され、シリコンとパイレックスガラスとは陽極接合により容易に接合することができるので、このような３軸加速度センサを容易に製造することができる。

さらに、前記所定長は、５〜２０μｍであることが好ましい。重錘体の底部とパッケージ面との間にこの程度のギャップが存在することにより、３軸加速度センサの測定可能領域の加速度において、重錘体が十分に揺動することができるとともに、重錘体の過度の移動を抑制することができる。

また、本発明の別の面において、本発明の３軸加速度センサの製造方法は、
半導体基板に一方の表面に複数のピエゾ抵抗素子を形成する工程と、
重錘体を支持する重錘体支持部および該重錘体支持部と所定間隔をおいて外側に設けられた枠の一部とを前記半導体基板の他方の表面に形成するとともに、前記重錘体支持部と前記枠とを連結するように設けられた複数の可撓性の梁を形成する工程と、
シリコンより比重が大きい材料からなる基板の一方の表面に、所定の深さを有するギャップを形成する工程と、
前記重錘体支持部および前記枠の一部が形成された前記半導体基板の面に、前記基板の前記ギャップと反対の表面を接合する工程と、
前記基板の一部を除去することにより、前記枠と、前記重錘体支持部に自由下垂状態に支持された前記重錘体とを形成する工程と、
を有することを特徴とする。

本発明の３軸加速度センサの製造方法によれば、予めギャップを形成した台座部を形成して接合する工程を省略することができるので、製造工程を簡略化することができるとともに、重錘体がシリコンよりも比重の大きい材料から構成されるので、センサ感度を高く維持したまま、小型化・薄型化された３軸加速度センサを製造することができる。

また、本発明の３軸加速度センサの製造方法では、前記ギャップ形成工程において、前記ギャップは、ブラストにより形成されるのが好ましい。これにより、簡単な方法で重錘体を構成する基板にギャップを形成することができる。なお、このようなブラストとしては、サンドブラストなどが挙げられる。

さらに、本発明の３軸加速度センサの製造方法では、前記シリコンより比重が大きい材料は、パイレックスガラスであるのが好ましい。

ピエゾ抵抗素子を備える梁部分や重錘体支持部は、通常シリコンからなる半導体基板から構成され、シリコンとパイレックスガラスとは陽極接合により容易に接合することができるので、このような３軸加速度センサを容易に製造することができる。

また、前記接合工程では、前記ギャップの形成された位置と前記重錘体支持部の形成された位置とが鉛直方向において概ね重なるようにアライメントをとっているのが好ましい。

重錘体を形成するための基板としては、通常、上述のように、パイレックスガラスなどの透明または半透明のものを用いているので、アライメントをとる際にギャップと重錘体支持部との位置関係を視覚的に確認することができる。したがって、アライメントの際に困難な作業が要求されることがない。

上述したおよび他の本発明の目的、構成および利点は、添付図面を参照して行う以下の好適実施形態の説明からより明らかとなるであろう。

以下、本発明の３軸加速度センサについて、添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の３軸加速度センサの縦断面図である。なお、以下では、説明の都合上、図１中の上側を「上」、下側を「下」として説明する。

本発明の３軸加速度センサ１は、図１に示すように、重錘体支持部１５を備えるシリコン基板（半導体基板）１０と、この重錘体支持部１５に自由下垂状態で支持される重錘体２２と、この重錘体２２を取り囲むように、重錘体２２と所定間隔をおいて外側に設けられる枠２３と、枠２３の底面に接合されるパッケージ３０とを備えている。

シリコン基板１０では、図示していないが、重錘体支持部１５は、４本の梁によって支持されており、各梁には、所定数量のピエゾ抵抗素子１３（図１の断面では、４つのピエゾ抵抗素子１３を示している）がその表面付近に設けられている。ここで、所定方向の加速度がこの３軸加速度センサ１に加えられると、重錘体２２が対応する方向に揺動し、それによって、所定のピエゾ抵抗素子１３が弾性変形して、その抵抗値が変化する。本発明の３軸加速度センサ１は、ピエゾ抵抗素子１３の抵抗変化をブリッジ回路により検出して、３軸方向の加速度を検出することができるものである。

重錘体２２および枠２３は、本実施形態では、パイレックスガラスから構成される。パイレックスガラスは、シリコンよりも比重が大きいので、重錘体２２をシリコンから構成した場合に比べ、３軸加速度センサ１のセンサ感度を高いものとすることができる。なお、重錘体２２および枠２３の構成材料は、パイレックスガラスに限定されず、シリコンよりも比重が大きければよいが、後述する製造工程を考慮すると、透明か半透明の物質を用いるのが好ましい。

また、図１に示すように、３軸加速度センサ本体をパッケージ３０の平坦な平面上に設置した状態において、重錘体２２とパッケージ３０の底面との間には、所定長のギャップが存在している。本発明の３軸加速度センサ１では、このようなギャップを有することにより、重錘体支持部１５によって重錘体２２を自由下垂状態に支持することができる。なお、このような構成とすることにより、重錘体２２の揺動を十分に担保することができるとともに、重錘体２２の過度の移動を抑制することができる。このような観点から、このギャップは、５〜２０μｍ程度の長さであるのが好ましい。

なお、図示していないが、シリコン基板１０の上面では、梁上の複数のピエゾ抵抗素子１３は、アルミ配線（金属配線）によって相互に接続されており、端部においてはこれらのピエゾ抵抗素子１３の抵抗値を出力するための複数のアルミパッド（電極パッド）に接続されている。また、各アルミパッド（図示せず）は、ワイヤボンディングにより図示しないセンサ駆動用のＩＣなどに接続されている。

次に、本発明の３軸加速度センサ１の製造方法を、図２および図３を用いて、詳細に説明する。図２および図３は、図１に示す３軸加速度センサの製造方法を示す縦断面図である。なお、以下では、説明の都合上、図２および図３中の上側を「上」、下側を「下」として説明する。

まず、図２（ａ）に示すようなシリコン基板１０を用意する。本実施形態では、シリコン基板１０の厚さは、例えば、２００μｍである。

シリコン基板１０を酸化性雰囲気中で加熱することによって、シリコン基板１０の上下面にシリコン酸化層１１および１２を形成する。なお、シリコン酸化層１１および１２の厚さは、それぞれ０．５〜３．０μｍであることが好ましい。シリコン酸化層１１の形成後、このシリコン酸化層１１側から不純物、例えばボロンを注入し、熱処理を行うことで不純物をシリコン基板１０中に拡散させる。これにより、図２（ｂ）に示すように、シリコン酸化層１１とシリコン基板１０との界面近傍に複数のピエゾ抵抗素子１３（この断面図では、４つ）を形成する（ピエゾ抵抗素子形成工程）。

形成したピエゾ抵抗素子１３の概ね下方に位置するシリコン酸化層１２の一部をエッチングにより除去し、シリコン基板１０のシリコン酸化層１２に覆われていない部分を再度エッチングすることにより、図２（ｃ）に示すような断面略台形の凹部１４を形成する。

次いで、シリコン酸化層１１上の規定部分（すなわち、梁になる部分）に、フォトリソグラフィーによりレジスト層（図示せず）を形成し、レジスト層の存在しない部分のシリコン酸化層１１をプラズマエッチング等のドライエッチングにより除去する。これにより、図２（ｄ）に示すように、枠部分（枠の一部）と重錘体支持部１５とを連結する複数の可撓性の梁を形成する（梁形成工程）。なお、図示のように、梁部分はピエゾ抵抗素子１３の抵抗値が加速度によって変化するよう、すなわち、加速度によってピエゾ抵抗素子１３部分が弾性変形をするように、十分に薄くなっており、本実施形態では、その厚さは１４μｍ程度である。

なお、図示を省略したが、複数のピエゾ抵抗素子１３を形成した後、シリコン酸化層１１の上面側からアルミニウムを蒸着させて、蒸着したアルミニウム層上にパターニングを行った後、エッチングすることにより、アルミ配線（金属配線）およびアルミパッド（図示せず）を形成している。

次に、シリコンより比重が大きいパイレックスガラスからなるガラス基板２０を用意し、図３（ａ）に示すように、ガラス基板２０の底面側（一方の表面）に、例えば、サンドブラストなどのブラストや、ケミカルエッチング、ミリング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などのエッチングあるいは機械加工法などにより、所定の深さを有するギャップ２１を形成する（ギャップ形成工程）。これにより、後に形成される重錘体２２が揺動可能なスペースを確保することができる。なお、ガラス基板２０の厚さは、２００〜５００μｍであり、ギャップ２１の深さは５〜２０μｍであるのが好ましい。ブラストを用いた場合には、後の工程で重錘体２２を形成するガラス基板２０に簡単な方法でギャップ２１を形成することができる。

そして、図３（ｂ）に示すように、上述のように形成されたシリコン基板１０の下面、すなわち、重錘体支持部１５が形成されている面に、ギャップ２１を形成したガラス基板２０の上面（ギャップ２１と反対の表面）を陽極接合によって接合する（基板接合工程）。この場合、後述する重錘体形成工程において重錘体２２の底面とパッケージ３０の上面との間にギャップ２１を正確に形成するために、この基板接合工程では、ガラス基板２０におけるギャップ２１が形成された位置と、シリコン基板１０における重錘体支持部１５が形成された位置とが鉛直方向において概ね重なるようアライメントをとることが好ましい。重錘体２２を形成するためのガラス基板２０としては、通常、上述のように、パイレックスガラスなどの透明または半透明のものを用いているので、アライメントをとる際にギャップ２１と重錘体支持部１５との位置関係を視覚的に確認することができる。したがって、アライメントの際に困難な作業が要求されることはない。

次いで、図３（ｃ）に示すように、ガラス基板２０の下面側から、図中の上方向にダイシングすることにより、ガラス基板２０の一部を除去し、重錘体支持部１５に自由下垂状態に支持される重錘体２２と、この重錘体２２と所定間隔をおいて外側に設けられた枠２３とを形成する（重錘体形成工程）。

その後、図１に示すような所定の深さを持つ箱状のパッケージ３０内に３軸加速度センサ本体を配置して、パッケージ３０に直接接合・固定することにより、本発明の３軸加速度センサ１が完成する。上述のように、重錘体２２の底面とパッケージ３０の底部との間には、ギャップ形成工程において形成されたギャップ２１が設けられ、これにより、重錘体２２は、重錘体支持部１５によって自由下垂状態に（揺動可能に）支持されている。

以上説明したように、本実施形態の３軸加速度センサ１では、ギャップ２１を形成したガラス基板２０を用いて重錘体２２を形成しているので、予めギャップを形成した台座を必要とせず、その台座分だけ３軸加速度センサ１を小型化・薄型化することができる。また、本発明の３軸加速度センサ１の重錘体２２は、シリコンより比重が大きい材料（本実施形態では、パイレックスガラス）から構成されているので、重錘体２２を上述のようにギャップ２１分だけ薄くしたとしても、３軸加速度センサ１のセンサ感度を高い状態に維持することができる。

また、本発明の３軸加速度センサ１の製造方法では、予めギャップを形成した台座を形成する工程を必要とせず、枠２３を直接パッケージ３０に接合・固定するようにしているので、３軸加速度センサ１の製造において工程数を削減することができる（製造工程を簡略化することができる）。

さらに、本発明の３軸加速度センサ１の製造方法では、重錘体２２をパイレックスガラスから構成したので、ギャップ２１のアライメントの際には視覚的に確認することができる。

以上、本発明の３軸加速度センサおよび３軸加速度センサの製造方法を図示の好適実施形態に基づいて詳細に説明したが、本発明は、上述の実施形態の内容に限定されるものではなく、各構成は、同様の機能を発揮し得る任意のものと置換することができる。また、任意の構成のものを付加することもできる。

例えば、本実施形態では、重錘体２２および枠２３を構成する基板をパイレックスガラスからなるガラス基板２０として説明したが、本発明は、これに限定されず、タングステンなどのパイレックスガラスよりも比重の大きい金属からなる金属基板などを用いる構成としてもよい。この場合には、上述のアライメントの際に視覚的に確認できない場合も考えられるが、公知の適切な方法を用いることにより、必要十分なアライメントをとることは可能である。

本発明の３軸加速度センサの縦断面図である。 図１に示す３軸加速度センサの製造方法を示す縦断面図である。 図１に示す３軸加速度センサの製造方法を示す縦断面図である。

符号の説明

１ ３軸加速度センサ
１０ シリコン基板
１１ シリコン酸化層
１２ シリコン酸化層
１３ ピエゾ抵抗素子
１４ 断面略台形の凹部
１５ 重錘体支持部
２０ ガラス基板
２１ ギャップ用凹部
２２ 重錘体
２３ 枠
３０ パッケージ

Claims (7)

1. 重錘体と、該重錘体を自由下垂状態に支持する重錘体支持部と、前記重錘体および前記重錘体支持部と所定間隔をおいて外側に設けられた枠と、該枠と前記重錘体支持部とを連結するように設けられ、それぞれに所定数のピエゾ抵抗素子が設けられた複数の可撓性の梁とを備える３軸加速度センサにおいて、
   前記重錘体は、シリコンより比重が大きい材料から構成されるとともに、表面が平坦なパッケージ上に前記３軸加速度センサを設置した状態において、所定長のギャップを有することを特徴とする３軸加速度センサ。
2. 前記シリコンより比重が大きい材料は、パイレックスガラスである請求項１に記載の３軸加速度センサ。
3. 前記所定長は、５〜２０μｍである請求項１または２に記載の３軸加速度センサ。
4. 半導体基板に一方の表面に複数のピエゾ抵抗素子を形成する工程と、
   重錘体を支持する重錘体支持部および該重錘体支持部と所定間隔をおいて外側に設けられた枠の一部とを前記半導体基板の他方の表面に形成するとともに、前記重錘体支持部と前記枠とを連結するように設けられた複数の可撓性の梁を形成する工程と、
   シリコンより比重が大きい材料からなる基板の一方の表面に、所定の深さを有するギャップを形成する工程と、
   前記重錘体支持部および前記枠の一部が形成された前記半導体基板の面に、前記基板の前記ギャップと反対の表面を接合する工程と、
   前記基板の一部を除去することにより、前記枠と、前記重錘体支持部に自由下垂状態に支持された前記重錘体とを形成する工程と、
   を有することを特徴とする３軸加速度センサの製造方法。
5. 前記ギャップ形成工程において、前記ギャップは、ブラストにより形成される請求項４に記載の３軸加速度センサの製造方法。
6. 前記シリコンより比重が大きい材料は、パイレックスガラスである請求項４または５に記載の３軸加速度センサの製造方法。
7. 前記接合工程では、前記ギャップの形成された位置と前記重錘体支持部の形成された位置とが鉛直方向において概ね重なるようにアライメントをとっている請求項４ないし６のいずれかに記載の３軸加速度センサの製造方法。
   
   

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