JP2007171056A - Semiconductor acceleration sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、重り部を片持ち構造のビームで支持するとともにビームに設けたゲージ抵抗の抵抗値変化により加速度を検出す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 that supports acceleration by a beam having a cantilever structure and detects acceleration based on a change in resistance value of a gauge resistor provided on the beam.
この種の半導体加速度センサとして、半導体基板により形成したフレームの内側に重り部を配置し、並設された2本のビームによりフレームに対して片持ち構造で重り部を支持する構造のものが提供されている(たとえば、特許文献1参照)。特許文献1に記載された半導体加速度センサでは、ブリッジ回路(ホイートストンブリッジ)を構成するための4個のゲージ抵抗(ピエゾ抵抗)を各ビームに2個ずつ配置してある。この半導体加速度センサは、重り部に加速度が作用しビームに応力が生じたときのゲージ抵抗の抵抗値変化を検出することにより、重り部に作用する加速度を検出する。
ところで、特許文献1に記載された半導体加速度センサでは、2本のビーム上にそれぞれ2個ずつのゲージ抵抗が形成されているものであるから、熱応力などによって両ビームに応力差が生じたときに、各ビームに設けたゲージ抵抗の抵抗値の変化が等しくならず、重り部に加速度が作用していないにもかかわらず、出力変動を生じることがある。この種の出力変動は、外部回路によってオフセットを調節しても除去することができない。
By the way, in the semiconductor acceleration sensor described in
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、2本のビームによる片持ち構造を採用しながらも各ビームに生じる応力の差による出力誤差の発生を低減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-mentioned reasons, and its object is to employ a semiconductor acceleration sensor capable of reducing the occurrence of output error due to the difference in stress generated in each beam while adopting a cantilever structure with two beams. Is to provide.
請求項1の発明は、半導体基板からなるフレームと、フレームの内側に配置され加速度の作用により変位する重り部と、重り部を片持ち構造でフレームの内側面に連結するビームと、ビームに形成され重り部に加速度が作用したときの重り部の変位によりビームに生じる応力を抵抗値変化として検出するブリッジ回路を形成するゲージ抵抗と、フレームに配置されゲージ抵抗に電気的に接続された配線および電極とを備え、ビームは同形状の2本が並設され、1回路のブリッジ回路を構成するゲージ抵抗は1本のビームに設けられていることを特徴とする。 According to the first aspect of the present invention, there is provided a frame made of a semiconductor substrate, a weight portion disposed inside the frame and displaced by the action of acceleration, a beam connecting the weight portion to the inner side surface of the frame in a cantilever structure, and a beam A gauge resistor that forms a bridge circuit that detects the stress generated in the beam due to the displacement of the weight portion when acceleration is applied to the weight portion as a change in resistance value, wiring that is disposed on the frame and electrically connected to the gauge resistor, and And two beams having the same shape are arranged in parallel, and a gauge resistor constituting a bridge circuit of one circuit is provided in one beam.
この構成によれば、1回路のブリッジ回路を構成するゲージ抵抗を2本のビームのうちの1本に設けているから、各ビームに生じる応力に差があっても、1回路のブリッジ回路の出力にはほとんど影響がなく、たとえば信頼性試験の際に熱応力が作用しても2本のビームに発生する応力差に伴う出力変動を従来構成よりも低減することができる。 According to this configuration, since the gauge resistance constituting the bridge circuit of one circuit is provided in one of the two beams, even if there is a difference in stress generated in each beam, the bridge circuit of one circuit is provided. For example, even if a thermal stress is applied during a reliability test, output fluctuation due to a difference in stress generated between the two beams can be reduced as compared with the conventional configuration.
請求項2の発明では、請求項1の発明において、前記重り部は前記両ビームから等距離に位置する平面に対して面対称となる形状に形成され、各ビームにそれぞれ前記ブリッジ回路が形成されていることを特徴とする。 According to a second aspect of the invention, in the first aspect of the invention, the weight portion is formed in a shape that is plane-symmetric with respect to a plane that is equidistant from the two beams, and the bridge circuit is formed for each beam. It is characterized by.
この構成によれば、ブリッジ回路を形成するゲージ抵抗を2本のビームの両方にそれぞれ形成しているから、1個の半導体加速度センサを用いて2出力を得ることが可能になる。また、各ビームごとに発生する応力に対応した出力が得られるから、各ビームの応力差を検出することが可能になる。さらに、2本のビームにそれぞれブリッジ回路を設けていることにより、重り部とビームとゲージ抵抗とを対称構造にすることができ、2本のビームに発生する応力差を小さくすることができる。 According to this configuration, since the gauge resistors forming the bridge circuit are formed in both of the two beams, two outputs can be obtained using one semiconductor acceleration sensor. In addition, since an output corresponding to the stress generated for each beam is obtained, it is possible to detect the stress difference between the beams. Furthermore, by providing the bridge circuit for each of the two beams, the weight portion, the beam, and the gauge resistance can be made symmetrical, and the difference in stress generated between the two beams can be reduced.
請求項3の発明では、請求項2の発明において、前記両ビームにそれぞれ形成された前記ゲージ抵抗により構成される各ブリッジ回路のうち特性が相対的に良好な一方のブリッジ回路の出力を採用することを特徴とする。 According to a third aspect of the invention, in the second aspect of the invention, the output of one of the bridge circuits having relatively good characteristics among the bridge circuits formed by the gauge resistors respectively formed on the two beams is employed. It is characterized by that.
この構成によれば、2個形成されるブリッジ回路のうちで特性が良好な一方のブリッジ回路を利用するから、オフセット電圧や感度に関する特性のよい高精度な半導体加速度センサを得ることができる。 According to this configuration, since one of the two bridge circuits having a good characteristic is used, a highly accurate semiconductor acceleration sensor having a good characteristic regarding the offset voltage and sensitivity can be obtained.
請求項4の発明では、請求項2の発明において、前記両ビームにそれぞれ形成された前記ゲージ抵抗のうちの一方のビームに形成されたゲージ抵抗はダミーであることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the gauge resistance formed on one of the gauge resistances formed on the two beams is a dummy.
この構成によれば、一方のビームに形成したゲージ抵抗はダミーであって使用しないから、請求項3の構成にように2個のブリッジ回路の特性を比較する必要がなく、また特性を検査する際に用いるプローブの個数も請求項3の構成に比較して少なくなるから、検査の際のスループットが向上し、コストダウンを図ることができる。
According to this configuration, since the gauge resistance formed on one beam is a dummy and is not used, it is not necessary to compare the characteristics of the two bridge circuits as in the configuration of
本発明の構成によれば、1回路のブリッジ回路を1本のビームに設けているから、2本のビームに生じる応力に差があっても、1回路のブリッジ回路の出力にはほとんど影響がなく、2本のビームに発生する応力差に伴う出力変動を低減することができるという利点がある。 According to the configuration of the present invention, since one bridge circuit is provided for one beam, even if there is a difference in stress generated between the two beams, the output of the one bridge circuit is hardly affected. In addition, there is an advantage that it is possible to reduce the output fluctuation accompanying the stress difference generated between the two beams.
以下では、半導体加速度センサの要部の構造のみについて説明する。実際の半導体加速度センサでは、以下に説明する構成の厚み方向の両面にガラス基板などを貼り合わせることによって、重り部およびゲージ抵抗に他部材が接触しないように保護する構成を採用していることが多いが、これらの構成については周知であるから説明を省略する。 Below, only the structure of the principal part of a semiconductor acceleration sensor is demonstrated. An actual semiconductor acceleration sensor may employ a configuration in which a glass substrate or the like is bonded to both sides in the thickness direction of the configuration described below to protect other members from contacting the weight portion and the gauge resistance. Although many of these configurations are well known, a description thereof will be omitted.
(実施形態1)
本実施形態は、図1に示すように、平面視において矩形状である半導体基板を用いて形成される。半導体基板からは矩形枠状のフレーム1が形成され、フレーム1の内側には平面視において長方形状の重り部3が形成される。また、フレーム1と重り部3との間は2本のビーム2a,2bにより結合される。2本のビーム2a,2bは並設されており、どちらのビーム2a,2bも一端がフレーム1に連続し他端が重り部3に連続することにより重り部3を片持ち構造でフレーム1に連結する。両ビーム2a,2bから等距離に位置する平面に対して、ビーム2a,2bと重り部3とは面対称となる形状に形成されている。
(Embodiment 1)
As shown in FIG. 1, the present embodiment is formed using a semiconductor substrate that is rectangular in plan view. A
フレーム1の内側面は、図2(d)に示すように、半導体基板の厚み方向の一面(図の下面)から他面(図の上面)に向かって開口面積を小さくするように傾斜したテーパ状に形成されている。重り部3においてフレーム1の内側面に対向する部位も傾斜しており、上記一面側が上記他面側よりもフレーム1との距離が大きくなる。つまり、フレーム1の内側面と重り部3の外側面との間の隙間は、上記一面側において上記他面側よりも間隔を大きくするテーパ状に形成されている。
As shown in FIG. 2D, the inner surface of the
図示例では、フレーム1と重り部3との間の間隙を平面視においてコ字状とし、2本のビーム2a,2bの間に平面視において矩形状に開口し半導体基板を厚み方向において貫通する貫通孔4を形成してある。フレーム1と重り部3との間の間隙は平面視においてC字状に形成することも可能である。ビーム2a,2bは、フレーム1に対して重り部3が変位可能となるように可撓性を有し、重り部3の変位によりビーム2a,2bに生じる応力を検出することで重り部3に作用する加速度を検出する。
In the illustrated example, the gap between the
したがって、半導体基板の厚み方向において、ビーム2a,2bは重り部3よりも薄肉に形成されている。図2(d)に示すように、半導体基板においてビーム2a,2bに対応する部位には上記一面側に開口する溝5が形成され、半導体基板の上記他面側の一部分を残すことによってビーム2a,2bを他の部位よりも薄肉に形成してある。したがって、ビーム2a,2bは主として半導体基板の厚み方向(図2(d)の上下方向)において可撓であって、重り部3は主として上下方向に変位することになる。ここに、ビーム2a,2bを2本設けているのは、ビーム2a,2bを薄肉に形成することで、ビーム2a,2bの弾性係数を小さくして感度を高めながらも、ビーム2a,2bのねじれを抑制して半導体基板の厚み方向における加速度の検出精度を高め、かつビーム2a,2bの折損を防止する目的である。
Therefore, the
重り部3に生じる応力は、ビーム2a,2bに設けたゲージ抵抗6により検出される。ゲージ抵抗6はビーム2a,2bに生じる応力を抵抗値変化として検出するピエゾ抵抗であって、図示例では2本設けたビーム2a,2bのうちの一方のビーム2aに、ブリッジ回路(図3に示すホイートストンブリッジ)を形成する4個のゲージ抵抗6(R1〜R4)を設けている。
The stress generated in the
ゲージ抵抗6には、ビーム2aの延長方向(フレーム1と重り部3とを結ぶ方向)に長い形状のものと、ビーム2aの幅方向(2本のビーム2a,2bを結ぶ方向)に長い形状のものとが設けられている。ブリッジ回路を構成するゲージ抵抗R1〜R4を図3の接続関係とするとき(電圧が印加される各アームがそれぞれゲージ抵抗R1,R2の直列回路と抵抗R3,R4の直列回路とで構成されているものとする)、ブリッジ回路の対角位置の各2個のゲージ抵抗(ブリッジ回路において互いに直接接続されていない位置の2個のゲージ抵抗)6がそれぞれ同方向に長くなるように配置する。つまり、ゲージ抵抗R1,R3をビーム2aの延長方向に長い形状とし、ゲージ抵抗R2,R4をビーム2aの幅方向に長い形状とする。また、ビーム2aの延長方向に長いゲージ抵抗R1,R3の両側にビーム2aの幅方向に長いゲージ抵抗R2,R4を配置してある。この配置により、ビーム2aにおいて応力の集中しやすい部位に、当該応力を検出しやすい方向でゲージ抵抗R1〜R4を配置したことになり、他の配置に比較して感度を高めることができる(このことはシミュレーションによっても確認された)。また、ブリッジ回路の各アームを構成する2個のゲージ抵抗R1,R2とR3,R4はそれぞれ隣り合うように配置される。これらの条件によって、ゲージ抵抗R1〜R4は、ビーム2aの幅方向においてR2,R1,R3,R4の順に配列される。
The
フレーム1にはゲージ抵抗6を外部回路に接続するための電極7が形成される。また、図3(d)のようにゲージ抵抗6と電極7との間に拡散配線による配線8が形成される。電極7には、たとえばアルミニウムを用い、配線8はイオン注入後に熱拡散により形成する。図示例では6個の電極7を配列してあり、6個の電極7のうちの2個は、ブリッジ回路の各アームの中点(つまり、ゲージ抵抗R1,R2の接続点、ゲージ抵抗R3,R4の接続点)に接続され、残りの4個の電極は、図3に示すように、各アームの各一端に2個ずつ接続される。図3の接続形態のほか、2個のアームを独立した回路とし、ゲージ抵抗R1,R2の直列回路の両端と、ゲージ抵抗R3,R4の直列回路の両端とにそれぞれ電極7を接続する場合もある。
An
上述したように、2本のビーム2a,2bのうちの1本のビーム2aにのみブリッジ回路を構成する4個のゲージ抵抗R1〜R4を設けているから、両ビーム2a,2bに発生する応力に差があっても、応力差の影響をほとんど受けずにブリッジ回路の出力を取り出すことができる。つまり、2本のビーム2a,2bを用いながらも応力差による出力誤差の発生を抑制することができる。
As described above, since the four gauge resistors R1 to R4 constituting the bridge circuit are provided only for one of the two
以下では、上述した半導体加速度センサの製造工程について簡単に説明する。図2(a)に示すように、まず半導体基板であるシリコン基板10の厚み方向の両面に酸化膜あるいは窒化膜による絶縁膜11を形成する。その後、図2における半導体基板10の上面であって配線8を形成する部位においてフォトリソグラフィ技術を用いて絶縁膜11の一部をエッチングにより除去し、イオン注入および熱拡散を行い配線8を形成する。さらに、ゲージ抵抗6も同様の工程で形成し、その後、図2(b)に示すように、配線8の一端部に電気的に接続するように電極7を形成する(図2(b))。
Below, the manufacturing process of the semiconductor acceleration sensor mentioned above is demonstrated easily. As shown in FIG. 2A, first, insulating
次に、図2(c)のように、半導体基板10の下面であってフレーム1と重り部3との間の間隙または溝5となる部位において、フォトリソグラフィ技術を用いて絶縁膜11の一部をエッチングにより除去し、異方性エッチングを行うことによりビーム2a,2bの厚み寸法を残した凹所を形成する。この段階で、フレーム1と重り部3とはほぼ分離されるが、重り部3は全周に亘ってフレーム1と結合された状態にある。
Next, as shown in FIG. 2C, a part of the insulating
最後に、図2(d)のように、半導体基板10の上面側においてフォトリソグラフィ技術を用いて絶縁膜11の一部を除去し、異方性エッチングによりビーム2a,2bを残してフレーム1と重り部3とを切り離す。
Finally, as shown in FIG. 2D, a part of the insulating
上述の工程により、2本のビーム2a,2bのうちの1本のビーム2aにのみ1回路のブリッジ回路を形成する4個のゲージ抵抗6を設けた半導体加速度センサを形成することができ、1本のビーム2aに生じる応力のみをゲージ抵抗6の抵抗値変化として検出するから、2本のビーム2a,2bに応力差があっても、その応力差が出力誤差になることがなく、2本のビーム2a,2bにそれぞれ設けたゲージ抵抗によりブリッジ回路を構成する場合に比較すると、加速度の検出精度を高めることができる。
Through the above-described steps, a semiconductor acceleration sensor provided with four
なお、ブリッジ回路を構成するゲージ抵抗6は4個でなくてもよく、さらに多数個の抵抗は必ずしも4個のゲージ抵抗6でなくてもよく、さらに多数個のゲージ抵抗6を用いてブリッジ回路を構成してもよい。
Note that the number of
(実施形態2)
実施形態1では、2本のアーム2a,2bのうちの1本のアーム2aにのみ1回路のブリッジ回路を構成するゲージ抵抗6を設ける構成を採用したが、本実施形態では、2本のビーム2a,2bにそれぞれ1回路のブリッジ回路を構成するゲージ抵抗6を配置している。つまり、図4に示すように、実施形態1において一方のビーム2aにのみ設けていた4個のゲージ抵抗R1〜R4を、他方のビーム2bにも設けているのである。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, the configuration in which the
図4に示す例では、電極7を12個設けることにより、2回路のブリッジ回路の出力をそれぞれ取り出すことができるようにしてある。2回路のブリッジ回路の出力をそれぞれ取り出すようにすれば、各ブリッジ回路においては、ビーム2a,2bの応力差の影響はなく、両出力の比較によってビーム2a,2bの応力差を検出することが可能である。
In the example shown in FIG. 4, by providing twelve
また、通常の使用ではブリッジ回路は1回路あればよく、2回路のうちの一方は使用する必要がないから、そのような用途では2個のブリッジ回路についてオフセット電圧および感度を測定し、これらの特性について相対的に良好なほうを出力として採用すればよい。具体的には、検査工程において2個のブリッジ回路の特性を計測し、特性がより良好なブリッジ回路を構成することができる電極7にワイヤボンディングを施して外部回路と接続する。
In normal use, only one bridge circuit is required, and one of the two circuits does not need to be used. Therefore, in such an application, the offset voltage and sensitivity are measured for two bridge circuits, and these circuits are used. A relatively good characteristic may be adopted as an output. Specifically, the characteristics of the two bridge circuits are measured in the inspection process, and wire bonding is performed on the
さらにまた、実施形態1では2本のビーム2a,2bのうちの1本のビーム2aにしかゲージ抵抗6を形成していないから、ビーム2a,2bの機械的特性に差異を生じる可能性があり、このことによって両ビーム2a,2bに応力差が生じることがあるが、本実施形態の構成では、各ビーム2a,2bにそれぞれゲージ抵抗6を形成しているから、この種の応力差は実質的に生じないと言える。
Furthermore, since the
そこで、実施形態1のように、あらかじめ定めた1本のビーム2aに形成したゲージ抵抗6の出力しか用いない場合であっても、2本のビーム2a,2bにそれぞれゲージ抵抗6を形成し、ビーム2a,2bおよび重り部3とともにゲージ抵抗6および配線8も面対称となるように形成するのが望ましい。つまり、ビーム2bにはダミーとしてのゲージ抵抗6が形成されることになる。この場合、ビーム2bに形成されるゲージ抵抗6はあらかじめダミーであることが定められているから、ビーム2bに形成されたゲージ抵抗6に関する検査工程は不要である。つまり、検査のために用いるプローブ数は実施形態1と同数でよく、2回路のブリッジ回路の出力を用いる場合や、特性が良好なほうのブリッジ回路を選択する場合に比較すると、検査工程に用いるプローブ数を少なくすることができる。
Therefore, even when only the output of the
本実施形態の構成は、実施形態1の構成と比較すると、ゲージ抵抗6を1本のゲージ抵抗2aにのみ形成するか、2本のビーム2a,2bにともにゲージ抵抗6を形成するかの相違はあるが、工数に実質的な変わりは生じない。また、他の構成および機能は実施形態1と同様である。
The configuration of the present embodiment is different from the configuration of the first embodiment in that the
1 フレーム
2a,2b ビーム
3 重り部
6(R1〜R4) ゲージ抵抗
7 電極
8 配線
10 半導体基板
1
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005371027A JP2007171056A (en) | 2005-12-22 | 2005-12-22 | Semiconductor acceleration sensor |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2005371027A JP2007171056A (en) | 2005-12-22 | 2005-12-22 | Semiconductor acceleration sensor |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2013089079A1 (en) * | 2011-12-12 | 2013-06-20 | 株式会社村田製作所 | Acceleration sensor |
-
2005
- 2005-12-22 JP JP2005371027A patent/JP2007171056A/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2013089079A1 (en) * | 2011-12-12 | 2013-06-20 | 株式会社村田製作所 | Acceleration sensor |
JPWO2013089079A1 (en) * | 2011-12-12 | 2015-04-27 | 株式会社村田製作所 | Acceleration sensor |
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