JP2007132863A - Semiconductor acceleration sensor - Google Patents

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Kazuo Eda
和夫 江田
Kazushi Kataoka
万士 片岡
Akira Aoki
亮 青木
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Panasonic Electric Works Co Ltd
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Matsushita Electric Works Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To miniaturize a sensor, improve its shock resistance, and reduce the manufacturing cost by facilitating its formation. <P>SOLUTION: An upper stopper 6 and a lower stopper 7 to be jointed to a support member 1 in the shape of a rectangular frame, cover a weight portion 4, having a stepped part 45 on its upper surface 44 and having a protruded part 5 on its undersurface 46, while forming air-gaps 47, 48. Rough surface portions 62, 72 are formed on faces facing the weight portion 4 of the upper stopper 6 and the lower stopper 7. The weight portion 4 is inclined, with respect to the support member 1 so that the air-gap 47 becomes wider, as it approaches the left end from the right end, by the deflection of a bending portion 2. When acceleration α is applied, a force F=Mα (M is the weight of the weight portion 4) is produced in the weight portion 4, according to the magnitude of the acceleration α. The bending portion 2 is bent due to the rocking of the weight portion 4 by the force F. As a result, the resistance value of each gauge resistance changes, and a sensor portion 3 detects the acceleration α by converting the change in the resistance value of each gauge resistance into a voltage signal. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、例えば、自動車、航空機又は家電製品などに用いられる半導体加速度センサに関するものである。   The present invention relates to a semiconductor acceleration sensor used in, for example, an automobile, an aircraft, or a home appliance.

従来から、この種の半導体加速度センサは、例えば特許文献1などに開示されているように、矩形枠状の支持部と、撓み部を介して支持部に揺動自在に支持される重り部(錘部)と、撓み部の撓み(変形)を検出するゲージ抵抗と、撓み部及び重り部を覆う上部キャップ(第1のストッパ)及び下部キャップ(第2のストッパ)とを備えるものが提案されている。上部キャップ及び下部キャップには凹所が形成され、撓み部及び重り部との間のエアギャップ(空隙)を形成している。また、上部キャップ及び下部キャップは、重り部と衝突したときの衝撃を低減する複数のストッパ(突部)を凹所の底面に設けている。
特開2000−338124号公報(第5〜8頁及び第2図)
Conventionally, as disclosed in, for example, Patent Document 1, this type of semiconductor acceleration sensor includes a rectangular frame-shaped support portion and a weight portion (which is swingably supported by the support portion via a bending portion). (Weight part), a gauge resistor that detects the bending (deformation) of the bending part, and an upper cap (first stopper) and a lower cap (second stopper) that cover the bending part and the weight part are proposed. ing. A recess is formed in the upper cap and the lower cap to form an air gap (gap) between the bent portion and the weight portion. Further, the upper cap and the lower cap are provided with a plurality of stoppers (projections) on the bottom surface of the recess for reducing the impact when colliding with the weight portion.
JP 2000-338124 A (pages 5 to 8 and FIG. 2)

しかしながら、上記従来の半導体加速度センサは、小型化を図るために第1のストッパ又は第2のストッパと錘部との間の空隙が狭く形成されると、第1のストッパ又は第2のストッパと支持部とを接合する場合に第1のストッパ又は第2のストッパと錘部とが吸着してしまうという問題があった。また、第1のストッパ又は第2のストッパと支持部とを接合する場合に位置ずれが発生することがあり、第1のストッパ及び第2のストッパの突部が錘部の所望の位置に精度よく衝突することができなくなって耐衝撃性が低減するという問題もあった。さらに、第1のストッパの凹所を形成するときに精密な加工制御を必要とするので、製造コストの削減を図ることが難しいという問題もあった。   However, in the conventional semiconductor acceleration sensor, if the gap between the first stopper or the second stopper and the weight portion is formed narrow in order to reduce the size, the first stopper or the second stopper There is a problem in that the first stopper or the second stopper and the weight portion are adsorbed when the support portion is joined. Further, when the first stopper or the second stopper is joined to the support portion, a positional deviation may occur, and the protrusions of the first stopper and the second stopper are accurately positioned at a desired position of the weight portion. There was also a problem that the impact resistance was reduced because it could not collide well. Further, since precise machining control is required when forming the recess of the first stopper, there is a problem that it is difficult to reduce the manufacturing cost.

本発明は上記の点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、小型化を実現することができ、耐衝撃性を向上させることができるとともに、形成を容易に行うことによって製造コストを削減することができる半導体加速度センサを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above points, and the object of the present invention is to realize downsizing, improve impact resistance, and facilitate formation. An object of the present invention is to provide a semiconductor acceleration sensor capable of reducing the manufacturing cost.

請求項1に記載の発明は、半導体基板によって枠状に形成される支持部と、前記支持部の内側面から突出し、加速度が印加されると撓む撓み部と、前記撓み部の撓みに基づいて前記加速度を電気信号に変換するセンサ部と、前記支持部から離間し、一端が前記撓み部と接合して揺動自在に支持され、一の面の他端側に段差部を設ける錘部と、前記錘部の他の面に設けられる突起部と、前記錘部の前記一の面側から前記撓み部及び前記錘部を覆うように前記支持部と接合し、少なくとも前記錘部と対向する面が粗面化された板状の第1のストッパと、前記錘部の前記他の面側から前記撓み部及び前記錘部を覆うように前記支持部と接合し、少なくとも前記錘部と対向する面に、粗面化された凹部が形成された第2のストッパとを備え、前記錘部が、前記一端から前記他端に向かうにつれて前記一の面と前記第1のストッパとの間の空隙を広くするように前記支持部に対して傾斜してなることを特徴とする。   The invention according to claim 1 is based on a support portion formed in a frame shape by a semiconductor substrate, a flexure portion that protrudes from an inner surface of the support portion and bends when acceleration is applied, and a flexure of the flexure portion. A sensor part that converts the acceleration into an electrical signal, and a weight part that is spaced apart from the support part, has one end joined to the flexure part, and is swingably supported, and has a step part on the other end side of one surface And a protrusion provided on the other surface of the weight portion, and the support portion so as to cover the bent portion and the weight portion from the one surface side of the weight portion, and at least faces the weight portion A plate-like first stopper whose surface to be roughened is joined to the support portion so as to cover the flexible portion and the weight portion from the other surface side of the weight portion, and at least the weight portion A second stopper having a roughened recess formed on the opposing surface, the weight portion , And characterized by being inclined with respect to the support part so as to widen the gap between the end of the first stopper and the first surface toward the second end.

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記錘部の前記一端から前記他端までの長さaと前記錘部の前記他端から前記突起部までの距離bとの比が、0.2≦b/a≦0.5であることを特徴とする。   The invention according to claim 2 is the invention according to claim 1, wherein a length a from the one end to the other end of the weight part and a distance b from the other end of the weight part to the projection part The ratio is 0.2 ≦ b / a ≦ 0.5.

請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の発明において、前記第1のストッパと前記支持部との間に、少なくともスペーサを備え、前記撓み部が、前記第1のストッパと対向する面に、前記支持部に対して傾斜するように膜厚制御された窒化膜を備えることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, at least a spacer is provided between the first stopper and the support portion, and the flexible portion is the first stopper. A nitride film whose film thickness is controlled to be inclined with respect to the support portion is provided on the opposing surface.

請求項4に記載の発明は、請求項1〜3のいずれかに記載の発明において、前記突起部が、断面形状を台形状とし、前記錘部と一体に形成されることを特徴とする。   The invention according to claim 4 is the invention according to any one of claims 1 to 3, wherein the protrusion has a trapezoidal cross-sectional shape and is formed integrally with the weight portion.

本発明によれば、半導体加速度センサの小型化を実現することができ、耐衝撃性を向上させることができるとともに、形成を容易に行うことによって製造コストを削減することができる。   According to the present invention, the semiconductor acceleration sensor can be miniaturized, impact resistance can be improved, and manufacturing cost can be reduced by easily forming the semiconductor acceleration sensor.

本発明の本実施形態について図1,2を用いて説明する。図1は本実施形態の半導体加速度センサの概略断面図である。図2は、本実施形態の半導体加速度センサであって、上部ストッパを取り除いたときの概略平面図である。図3は、本実施形態の半導体加速度センサの撓み部の応力を示す図である。なお、図1は、図2のA−A断面を示している。また、図1と図2の寸法は必ずしも一致してはおらず、一方の図面のみに特定の構成部品が強調されている場合がある。   This embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor acceleration sensor of the present embodiment. FIG. 2 is a schematic plan view of the semiconductor acceleration sensor of the present embodiment when the upper stopper is removed. FIG. 3 is a diagram showing the stress at the bending portion of the semiconductor acceleration sensor of the present embodiment. FIG. 1 shows an AA cross section of FIG. Also, the dimensions in FIG. 1 and FIG. 2 do not necessarily match, and a specific component may be emphasized only in one drawing.

まず、本実施形態の基本的な構成について説明する。本実施形態の半導体加速度センサは、例えば自動車、航空機又は家電製品などに設置され、印加された加速度を検出するものであり、図1に示すように、支持部1と、撓み部2と、センサ部3と、錘部4と、突起部5と、上部ストッパ6と、下部ストッパ7とを備えている。   First, the basic configuration of this embodiment will be described. The semiconductor acceleration sensor of the present embodiment is installed in, for example, an automobile, an aircraft, or a home appliance, and detects applied acceleration. As shown in FIG. 1, a support portion 1, a flexure portion 2, and a sensor A portion 3, a weight portion 4, a protruding portion 5, an upper stopper 6, and a lower stopper 7 are provided.

支持部1は、例えばn型のSOI(Silicon On Insulator)基板などの半導体基板によって、図1のY軸方向から見て矩形枠状に形成されているものである。上記支持部1の高さ(図1のY軸方向の長さ)は400μmである。また、支持部1は、内側面10,10に面取り部11,11を備えている。各面取り部11の高さ(図1のX軸方向の長さ)は10μmである。上記のように面取り部11,11を備えることによって、応力が集中することを緩和することができる。   The support portion 1 is formed in a rectangular frame shape when viewed from the Y-axis direction in FIG. 1 by a semiconductor substrate such as an n-type SOI (Silicon On Insulator) substrate. The height of the support portion 1 (the length in the Y-axis direction in FIG. 1) is 400 μm. Further, the support portion 1 includes chamfered portions 11 and 11 on the inner side surfaces 10 and 10. The height of each chamfered portion 11 (the length in the X-axis direction in FIG. 1) is 10 μm. By providing the chamfered portions 11 and 11 as described above, it is possible to reduce stress concentration.

撓み部2は、図1のY軸方向の厚みが錘部4より薄肉であり、支持部1の内側面10から突出している。また、撓み部2は、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法によって、支持部1の上面12及び錘部4の上面44とともに上部ストッパ6と対向する上面20に膜厚150nm〜200nmの窒化膜82を備えている。また、より好ましい窒化膜82の膜厚は150nm〜180nmである。これにより、撓み部2は、支持部1と接合している右端から錘部4と接合している左端に向かって下方に反って傾斜し、錘部4を上部ストッパ6から離間させている。なお、傾斜角度は窒化膜82の膜厚によって制御される。   The flexure 2 is thinner than the weight 4 in the Y-axis direction in FIG. 1 and protrudes from the inner side surface 10 of the support 1. In addition, the bending portion 2 is formed, for example, by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method with a nitride film 82 having a film thickness of 150 nm to 200 nm on the upper surface 20 facing the upper stopper 6 together with the upper surface 12 of the support portion 1 and the upper surface 44 of the weight portion 4. I have. A more preferable film thickness of the nitride film 82 is 150 nm to 180 nm. Thereby, the bending part 2 inclines downward from the right end joined to the support part 1 toward the left end joined to the weight part 4, and separates the weight part 4 from the upper stopper 6. Note that the tilt angle is controlled by the thickness of the nitride film 82.

センサ部3は、図2に示すように、4つのゲージ抵抗30・・・(図2参照)と、複数の拡散抵抗配線31・・・と、複数の金属膜32・・・とを備えている。4つのゲージ抵抗30・・・は、ブリッジ接続されているものであり、撓み部2の撓み(変形)を、ピエゾ抵抗効果による抵抗値の変化として検出するように撓み部2に形成されている。さらに、4つのゲージ抵抗30・・・は、検出した撓み部2の撓みに基づいて加速度を電気信号に変換する。各拡散抵抗配線31は、p+形拡散抵抗配線であり、ゲージ抵抗30から支持部1の所定部位にわたって形成されている。各金属膜32は、支持部1に形成され、拡散抵抗配線31と接続している。また、各金属膜32は、一端が外部接続されるボンディングワイヤ(図示せず)の他端とボンディングされる。   As shown in FIG. 2, the sensor unit 3 includes four gauge resistors 30 (see FIG. 2), a plurality of diffusion resistance wirings 31, and a plurality of metal films 32. Yes. The four gauge resistors 30 are bridge-connected and are formed in the flexure 2 so as to detect the flexure (deformation) of the flexure 2 as a change in resistance value due to the piezoresistive effect. . Further, the four gauge resistors 30... Convert acceleration into an electrical signal based on the detected bending of the bending portion 2. Each diffusion resistance wiring 31 is a p + type diffusion resistance wiring, and is formed from the gauge resistance 30 to a predetermined portion of the support portion 1. Each metal film 32 is formed on the support portion 1 and connected to the diffusion resistance wiring 31. Each metal film 32 is bonded to the other end of a bonding wire (not shown) whose one end is externally connected.

錘部4は、図1に示すように、支持部1から離間し、右端が撓み部2と接合して揺動自在に支持されている。錘部4の外側面40,40と支持部1の内側面10,10との間には、スリット41,42が形成されている。本実施形態では、スリット41,42の幅(支持部1の内側面10と錘部4の外側面40との間の距離)を40〜70μmに設定しているが、上記数値範囲は一例であって限定されるものではなく、用途に応じて適宜設定されるものである。また、錘部4は、外側面40,40に面取り部43,43を備えている。各面取り部43の高さ(図1のX軸方向の長さ)は10μmである。上記のように面取り部43,43を備えることによって、応力が集中することを緩和することができる。さらに、錘部4は、上面44の左端に段差部45を設けている。このような錘部4は、撓み部2の撓みによって、右端から左端に向かうにつれて上面44と上部ストッパ6との間の空隙47が広くなるように支持部1に対して傾斜している。   As shown in FIG. 1, the weight portion 4 is separated from the support portion 1, and the right end is joined to the bending portion 2 so as to be swingably supported. Slits 41 and 42 are formed between the outer side surfaces 40 and 40 of the weight portion 4 and the inner side surfaces 10 and 10 of the support portion 1. In the present embodiment, the width of the slits 41 and 42 (the distance between the inner surface 10 of the support portion 1 and the outer surface 40 of the weight portion 4) is set to 40 to 70 μm, but the above numerical range is an example. Therefore, it is not limited, and is appropriately set according to the application. The weight portion 4 includes chamfered portions 43 and 43 on the outer side surfaces 40 and 40. The height of each chamfered portion 43 (the length in the X-axis direction in FIG. 1) is 10 μm. By providing the chamfered portions 43 and 43 as described above, it is possible to reduce stress concentration. Further, the weight portion 4 is provided with a step portion 45 at the left end of the upper surface 44. Such a weight portion 4 is inclined with respect to the support portion 1 such that a gap 47 between the upper surface 44 and the upper stopper 6 becomes wider from the right end toward the left end due to the bending of the bending portion 2.

突起部5は、例えばSOI基板などをエッチング加工することで、図1のY軸方向から見ると長方形であり、断面形状(図1のZ軸方向から見た形状)を台形状として、錘部4の下面46に、支持部1、撓み部2及び錘部4と一体に形成されて設けられている。また、突起部5は、四方すべてがテーパ状に形成されている。ここで、錘部4の右端の面取り部43の頂点から左端の面取り部43の頂点までの長さaと錘部4の左端から突起部5の下面50の左端までの距離bとの比b/aについて図3を用いて説明する。図3より、0から0.5までの範囲ではb/aが大きくなると撓み部2に発生する応力が小さくなる。反対に、b/aが小さくなると撓み部2の応力が大きくなる。上記より、b/aの範囲を0.2≦b/a≦0.5とすると撓み部2の応力が小さな値となり良好な特性を得ることができる。なお、長さaに代えて、錘部4の外側面40の右端から左端までの長さa’とし、距離bに代えて、錘部4の外側面40の左端から突起部5の側面のいずれかの位置までの距離b’としてもよい。図1のX軸方向において、面取り部43の幅や突起部5の傾斜部分の幅は、長さa,a’や距離b,b’からみて誤差程度の長さであるので、b’/a’としても、撓み部2の応力は、b’/a’に対して図3とほぼ同じ特性を得ることができる。   The protrusion 5 is rectangular when viewed from the Y-axis direction in FIG. 1 by etching the SOI substrate, for example, and has a cross-sectional shape (shape viewed from the Z-axis direction in FIG. 1) as a trapezoidal shape. 4 is formed integrally with the support portion 1, the bending portion 2, and the weight portion 4. Further, the protrusion 5 is formed in a taper shape on all four sides. Here, the ratio b between the length a from the apex of the chamfered portion 43 at the right end of the weight portion 4 to the apex of the chamfered portion 43 at the left end and the distance b from the left end of the weight portion 4 to the left end of the lower surface 50 of the projection portion 5 / A will be described with reference to FIG. From FIG. 3, in the range from 0 to 0.5, as b / a increases, the stress generated in the flexure 2 decreases. On the contrary, when b / a becomes small, the stress of the bending part 2 becomes large. From the above, when the range of b / a is 0.2 ≦ b / a ≦ 0.5, the stress of the bending portion 2 becomes a small value, and good characteristics can be obtained. Instead of the length a, the length a ′ from the right end to the left end of the outer side surface 40 of the weight part 4 is used, and instead of the distance b, the left side of the outer side surface 40 of the weight part 4 extends from the left side of the projection part 5. It is good also as distance b 'to any position. In the X-axis direction in FIG. 1, the width of the chamfered portion 43 and the width of the inclined portion of the protruding portion 5 are about an error in view of the lengths a and a ′ and the distances b and b ′. Even as a ′, the stress of the bending portion 2 can obtain substantially the same characteristics as FIG. 3 with respect to b ′ / a ′.

上部ストッパ6は、支持部1と略等しい熱膨張率を有する耐熱ガラスによって形成され、錘部4の上面44側から撓み部2及び錘部4を覆うように、支持部1の上面12に設けられた接合用アルミニウム薄膜60を介して支持部1と陽極接合によって接合している。上記上部ストッパ6は、図1のY軸方向の厚みが500μmである。また、上部ストッパ6は、HF溶液によるウエットエッチング処理、サンドブラスト処理、又はRIE(Reactive Ion Etching)などによるドライエッチング処理などを行うことによって、下面61の少なくとも錘部4と対向する部分に粗面部62を備えている。粗面部62は、錘部4の上面44と吸着することを防止するためのものであり、表面粗さが4μm以下の範囲で粗面化されている。より好ましい粗面部62の表面粗さの範囲は2μm程度である。   The upper stopper 6 is formed of heat-resistant glass having a thermal expansion coefficient substantially equal to that of the support portion 1 and is provided on the upper surface 12 of the support portion 1 so as to cover the bent portion 2 and the weight portion 4 from the upper surface 44 side of the weight portion 4. The support portion 1 is bonded by anodic bonding through the bonded aluminum thin film 60. The upper stopper 6 has a thickness in the Y-axis direction of FIG. Further, the upper stopper 6 is subjected to a wet etching process using an HF solution, a sand blast process, a dry etching process using RIE (Reactive Ion Etching), or the like, so that a rough surface portion 62 is formed on at least a portion of the lower surface 61 facing the weight portion 4. It has. The rough surface portion 62 is for preventing the surface portion 44 from adsorbing to the upper surface 44 of the weight portion 4, and is roughened in a range where the surface roughness is 4 μm or less. A more preferable range of the surface roughness of the rough surface portion 62 is about 2 μm.

接合用アルミニウム薄膜60はスペーサとしての機能があり、接合用アルミニウム薄膜60の膜厚分だけ空隙47を広くすることができる。また、上部ストッパ6が撓み部2に接触することなく撓み部2を右端まで完全に覆うように上部ストッパ6の長さを長くすることができる。これにより、上部ストッパ6によって撓み部2をより確実に保護することができる。なお、接合用アルミニウム薄膜60の膜厚は限定されるものではなく、用途に応じて適宜設定されるものである。   The bonding aluminum thin film 60 functions as a spacer, and the gap 47 can be widened by the thickness of the bonding aluminum thin film 60. Further, the length of the upper stopper 6 can be increased so that the upper stopper 6 completely covers the bent portion 2 up to the right end without contacting the bent portion 2. Thereby, the bending part 2 can be more reliably protected by the upper stopper 6. The film thickness of the bonding aluminum thin film 60 is not limited, and can be set as appropriate according to the application.

下部ストッパ7は、支持部1と略等しい熱膨張率を有する耐熱ガラスによって形成され、錘部4の下面46側から撓み部2及び錘部4を覆うように、支持部1と陽極接合によって接合している。上記下部ストッパ7は、図1のY軸方向の厚みが500μmである。また、下部ストッパ7の錘部4との対向する上面71には、例えばエッチングやサンドブラスト処理などによって凹所70が形成されている。凹所70の深さは10μmである。上記凹所70によって錘部4との間には空隙48が形成される。さらに、下部ストッパ7は、HF溶液によるウエットエッチング処理、サンドブラスト処理、又はRIE(Reactive Ion Etching)などによるドライエッチング処理などを行うことによって、上面71のうち凹所70の底面であって少なくとも錘部4と対向する部分に粗面部72を備えている。粗面部72は、錘部4の下面46や突起部5と吸着することを防止するためのものであり、表面粗さが4μm以下の範囲で粗面化されている。より好ましい粗面部72の表面粗さの範囲は2μm程度である。   The lower stopper 7 is formed of heat-resistant glass having a thermal expansion coefficient substantially equal to that of the support portion 1 and is joined to the support portion 1 by anodic bonding so as to cover the bent portion 2 and the weight portion 4 from the lower surface 46 side of the weight portion 4. is doing. The lower stopper 7 has a thickness of 500 μm in the Y-axis direction of FIG. A recess 70 is formed on the upper surface 71 of the lower stopper 7 facing the weight 4 by, for example, etching or sandblasting. The depth of the recess 70 is 10 μm. A gap 48 is formed between the recess 70 and the weight portion 4. Further, the lower stopper 7 is formed at least on the bottom surface of the recess 70 in the upper surface 71 by performing a wet etching process using an HF solution, a sand blast process, a dry etching process using RIE (Reactive Ion Etching), or the like. 4 is provided with a rough surface portion 72 at a portion facing 4. The rough surface portion 72 is for preventing the surface portion from adsorbing to the lower surface 46 of the weight portion 4 and the protruding portion 5, and the surface roughness is roughened in a range of 4 μm or less. A more preferable range of the surface roughness of the rough surface portion 72 is about 2 μm.

次に、本実施形態の半導体加速度センサの製造方法について図1を用いて説明する。まず、支持部1、撓み部2及び錘部4の製造方法について説明する。最初に、n型のSOI基板80の上下面に熱酸化によって酸化膜81を形成する。なお、SOI基板80は、Si支持基板800と、中間酸化膜801と、Si活性層802とから構成されている。酸化膜81を形成した後、フォトリソ工程を行って所望の箇所に窓を開け、p型不純物の注入、拡散工程を繰り返すことによって、ゲージ抵抗30及び拡散抵抗配線31を形成する。続いて、SOI基板80の上下面の酸化膜81上に、窒化膜82をCVD法によって膜厚200nm未満で形成する。窒化膜82を形成した後、フォトリソ工程を行ってSOI基板80の所望の箇所に窓を開ける。その後、スパッタリング法によって金属膜32及び接合用アルミニウム薄膜60を形成する。   Next, the manufacturing method of the semiconductor acceleration sensor of this embodiment is demonstrated using FIG. First, the manufacturing method of the support part 1, the bending part 2, and the weight part 4 is demonstrated. First, oxide films 81 are formed on the upper and lower surfaces of the n-type SOI substrate 80 by thermal oxidation. The SOI substrate 80 includes a Si support substrate 800, an intermediate oxide film 801, and a Si active layer 802. After the oxide film 81 is formed, a photolithographic process is performed to open a window at a desired location, and p-type impurity implantation and diffusion processes are repeated to form the gauge resistor 30 and the diffusion resistance wiring 31. Subsequently, a nitride film 82 is formed with a film thickness of less than 200 nm on the oxide films 81 on the upper and lower surfaces of the SOI substrate 80 by a CVD method. After the nitride film 82 is formed, a photolithography process is performed to open a window at a desired location on the SOI substrate 80. Thereafter, the metal film 32 and the bonding aluminum thin film 60 are formed by a sputtering method.

その後、SOI基板80の下面にフォトリソ工程を行い、下面に形成された酸化膜及び窒化膜をエッチング除去して窓を開ける。続いて、所定の深さまで異方性エッチングを行うことによって錘部4の周囲に、撓み部2を含む薄肉部を形成する。薄肉部を形成した後、錘部4の周囲に異方性エッチングをさらに行ってスリット41,42を形成する。このとき、複数の面取り部11,11,43,43も形成する。その後、SOI基板80の上面にフォトリソ工程及び異方性エッチングを行うことによって、撓み部2以外の薄肉部を除去して支持部1及び錘部4を形成する。このとき、撓み部2が反って下方に下がる。   Thereafter, a photolithography process is performed on the lower surface of the SOI substrate 80, and the oxide film and the nitride film formed on the lower surface are removed by etching to open a window. Subsequently, a thin portion including the bent portion 2 is formed around the weight portion 4 by performing anisotropic etching to a predetermined depth. After forming the thin portion, anisotropic etching is further performed around the weight portion 4 to form the slits 41 and 42. At this time, a plurality of chamfered portions 11, 11, 43, 43 are also formed. Thereafter, by performing a photolithography process and anisotropic etching on the upper surface of the SOI substrate 80, the thin portion other than the bent portion 2 is removed, and the support portion 1 and the weight portion 4 are formed. At this time, the bending part 2 warps and falls downward.

続いて、上部ストッパ6及び下部ストッパ7の製造方法について説明する。最初に、異方性エッチングを行って下部ストッパ7に凹所70を形成する。凹所70を形成した後、上部ストッパ6及び下部ストッパ7に対して、HF溶液によるウエットエッチング処理を行って、錘部4と対向する部分に粗面部62,72を形成する。粗面部62,72を形成した後、上部ストッパ6を接合用アルミニウム薄膜60と陽極接合によって接合させるとともに、下部ストッパ7を陽極接合によって支持部1の下面13と直接に接合させる。このとき、上部ストッパ6及び下部ストッパ7に粗面部62,72を形成しているので、上部ストッパ6又は下部ストッパ7と錘部4とが吸着することがない。   Then, the manufacturing method of the upper stopper 6 and the lower stopper 7 is demonstrated. First, anisotropic etching is performed to form the recess 70 in the lower stopper 7. After the recess 70 is formed, the upper stopper 6 and the lower stopper 7 are wet-etched with an HF solution to form rough surface portions 62 and 72 at portions facing the weight portion 4. After the rough surface portions 62 and 72 are formed, the upper stopper 6 is bonded to the bonding aluminum thin film 60 by anodic bonding, and the lower stopper 7 is directly bonded to the lower surface 13 of the support portion 1 by anodic bonding. At this time, since the rough surface portions 62 and 72 are formed on the upper stopper 6 and the lower stopper 7, the upper stopper 6 or the lower stopper 7 and the weight portion 4 are not adsorbed.

次に、本実施形態の半導体加速度センサの動作について図1を用いて説明する。まず、図1のY軸方向に加速度αが印加されると、上記加速度αの大きさに応じて錘部4に力F=Mα(Mは錘部4の重さとする)が発生する。続いて、上記力Fによって錘部4が揺動することで撓み部2が撓む。その結果、撓み部2に応力が生じて各ゲージ抵抗30の抵抗値が変化する。最後に、センサ部3が、各ゲージ抵抗30の抵抗値の変化を電圧信号として取り出すことによって加速度αを検出する。   Next, the operation of the semiconductor acceleration sensor of this embodiment will be described with reference to FIG. First, when the acceleration α is applied in the Y-axis direction in FIG. 1, a force F = Mα (M is the weight of the weight portion 4) is generated in the weight portion 4 in accordance with the magnitude of the acceleration α. Subsequently, the bending portion 2 is bent as the weight portion 4 is swung by the force F. As a result, a stress is generated in the bent portion 2 and the resistance value of each gauge resistor 30 changes. Finally, the sensor unit 3 detects the acceleration α by taking out the change in resistance value of each gauge resistor 30 as a voltage signal.

上記のような本実施形態の半導体加速度センサの動作時に、錘部4が上部ストッパ6に衝突したとしても段差部45によって衝撃を低減することができる。また、錘部4が下部ストッパ7に衝突したとしても突起部5によって衝撃を低減することができる。   Even when the weight portion 4 collides with the upper stopper 6 during the operation of the semiconductor acceleration sensor of the present embodiment as described above, the impact can be reduced by the step portion 45. Even if the weight portion 4 collides with the lower stopper 7, the impact can be reduced by the projection portion 5.

以上、本実施形態によれば、上部ストッパ6又は下部ストッパ7が粗面化され、突起部5及び段差部45が錘部4に設けられ、錘部4を支持部1に対して傾斜させることによって、上部ストッパ6又は下部ストッパ7と支持部1とを接合するときに上部ストッパ6又は下部ストッパ7と錘部4との吸着を防止することができ、錘部4が上部ストッパ6に衝突したときに段差部45をストッパとすることができ、撓み部2の応力を低減させることができるとともに、上部ストッパ6と錘部4との間の空隙47を形成するために上部ストッパ6を形状加工する必要がない。これらによって、上部ストッパ6又は下部ストッパ7と錘部4との間に大きな空隙を予め設ける必要がなく、錘部4の特性面から決定される設計条件に基づいて上部ストッパ6又は下部ストッパ7と錘部4との間の空隙47,48を形成することができるので、半導体加速度センサの小型化を実現することができ、耐衝撃性を向上させることができるとともに、形成を容易に行うことによって製造コストを削減することができる。   As described above, according to the present embodiment, the upper stopper 6 or the lower stopper 7 is roughened, the protrusion 5 and the step 45 are provided on the weight 4, and the weight 4 is inclined with respect to the support 1. Thus, when the upper stopper 6 or the lower stopper 7 and the support portion 1 are joined, the upper stopper 6 or the lower stopper 7 and the weight portion 4 can be prevented from being attracted, and the weight portion 4 collides with the upper stopper 6. Sometimes the step 45 can be used as a stopper to reduce the stress of the flexure 2 and to shape the upper stopper 6 in order to form a gap 47 between the upper stopper 6 and the weight 4. There is no need to do. Accordingly, it is not necessary to provide a large gap between the upper stopper 6 or the lower stopper 7 and the weight portion 4 in advance, and the upper stopper 6 or the lower stopper 7 and the Since the gaps 47 and 48 between the weight part 4 can be formed, the semiconductor acceleration sensor can be downsized, the impact resistance can be improved, and the formation can be easily performed. Manufacturing costs can be reduced.

また、錘部4の一端から他端までの長さaと錘部4の他端から突起部5までの距離bとの比を0.2≦b/a≦0.5とすることによって、撓み部2の応力をより低減することができ、耐衝撃性をより向上させることができる。   Further, by setting the ratio of the length a from one end of the weight part 4 to the other end to the distance b from the other end of the weight part 4 to the projection part 5 to be 0.2 ≦ b / a ≦ 0.5, The stress of the bending part 2 can be reduced more and impact resistance can be improved more.

さらに、撓み部2の窒化膜82によって撓み部2が反るので、錘部4の一端から他端に向かうにつれて上部ストッパ6と錘部4との間の空隙47が広くなるように、錘部4を支持部1に対して容易に傾斜させることができる。   Further, since the bent portion 2 is warped by the nitride film 82 of the bent portion 2, the weight portion is formed so that the gap 47 between the upper stopper 6 and the weight portion 4 becomes wider from one end of the weight portion 4 to the other end. 4 can be easily inclined with respect to the support portion 1.

錘部4と突起部5を一体に形成することによって、錘部4と突起部5の熱膨張率を等しくすることができるので、良好な温度特性を得ることができる。   By forming the weight part 4 and the protrusion part 5 integrally, the coefficient of thermal expansion of the weight part 4 and the protrusion part 5 can be made equal, so that favorable temperature characteristics can be obtained.

本発明による本実施形態の半導体加速度センサの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the semiconductor acceleration sensor of this embodiment by this invention. 同上の半導体加速度センサの概略平面図である。It is a schematic plan view of a semiconductor acceleration sensor same as the above. 同上の半導体加速度センサの撓み部の応力を示す図である。It is a figure which shows the stress of the bending part of a semiconductor acceleration sensor same as the above.

符号の説明Explanation of symbols

1 支持部
2 撓み部
3 センサ部
4 錘部
44 上面
45 段差部
46 下面
47,48 空隙
5 突起部
6 上部ストッパ
62 粗面部
7 下部ストッパ
72 粗面部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Support part 2 Bending part 3 Sensor part 4 Weight part 44 Upper surface 45 Step part 46 Lower surface 47, 48 Cavity 5 Projection part 6 Upper stopper 62 Rough surface part 7 Lower stopper 72 Rough surface part

Claims (4)

半導体基板によって枠状に形成される支持部と、
前記支持部の内側面から突出し、加速度が印加されると撓む撓み部と、
前記撓み部の撓みに基づいて前記加速度を電気信号に変換するセンサ部と、
前記支持部から離間し、一端が前記撓み部と接合して揺動自在に支持され、一の面の他端側に段差部を設ける錘部と、
前記錘部の他の面に設けられる突起部と、
前記錘部の前記一の面側から前記撓み部及び前記錘部を覆うように前記支持部と接合し、少なくとも前記錘部と対向する面が粗面化された板状の第1のストッパと、
前記錘部の前記他の面側から前記撓み部及び前記錘部を覆うように前記支持部と接合し、少なくとも前記錘部と対向する面に、粗面化された凹部が形成された第2のストッパと
を備え、
前記錘部が、前記一端から前記他端に向かうにつれて前記一の面と前記第1のストッパとの間の空隙を広くするように前記支持部に対して傾斜してなる
ことを特徴とする半導体加速度センサ。
A support portion formed in a frame shape by a semiconductor substrate;
Projecting from the inner surface of the support, and flexed when applied with acceleration;
A sensor unit that converts the acceleration into an electrical signal based on the deflection of the deflection unit;
A weight portion that is spaced apart from the support portion, has one end joined to the flexure portion and is swingably supported, and has a step portion on the other end side of one surface;
A protrusion provided on the other surface of the weight portion;
A plate-like first stopper that is joined to the support portion so as to cover the bent portion and the weight portion from the one surface side of the weight portion, and at least a surface facing the weight portion is roughened; ,
The second portion is joined to the support portion so as to cover the bent portion and the weight portion from the other surface side of the weight portion, and a roughened concave portion is formed at least on a surface facing the weight portion. With a stopper and
The semiconductor is characterized in that the weight portion is inclined with respect to the support portion so as to widen a gap between the one surface and the first stopper as it goes from the one end to the other end. Acceleration sensor.
前記錘部の前記一端から前記他端までの長さaと前記錘部の前記他端から前記突起部までの距離bとの比が、0.2≦b/a≦0.5であることを特徴とする請求項1記載の半導体加速度センサ。   The ratio of the length a from the one end to the other end of the weight portion and the distance b from the other end of the weight portion to the projection portion is 0.2 ≦ b / a ≦ 0.5. The semiconductor acceleration sensor according to claim 1. 前記第1のストッパと前記支持部との間に、少なくともスペーサを備え、
前記撓み部が、前記第1のストッパと対向する面に、前記支持部に対して傾斜するように膜厚制御された窒化膜を備える
ことを特徴とする請求項1又は2記載の半導体加速度センサ。
At least a spacer is provided between the first stopper and the support part,
3. The semiconductor acceleration sensor according to claim 1, wherein the bending portion includes a nitride film whose thickness is controlled so as to be inclined with respect to the support portion on a surface facing the first stopper. 4. .
前記突起部が、断面形状を台形状とし、前記錘部と一体に形成されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか記載の半導体加速度センサ。   The semiconductor acceleration sensor according to claim 1, wherein the protrusion has a trapezoidal cross-sectional shape and is formed integrally with the weight portion.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016002229A1 (en) * 2014-07-04 2016-01-07 パナソニックIpマネジメント株式会社 Sensor

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