JP2008122301A - 半導体加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】半導体加速度センサにおいて、ビーム部の破損を防止してセンサの耐衝撃性を向上する。
【解決手段】半導体加速度センサは、固定部２に対して薄肉のビーム部３で錘部４を連結し、錘部４に加速度が印加されると、ビーム部３が撓んで錘部４が加速度印加方向へ移動し、この錘部４の移動を電気的に検知して加速度の発生及びその大きさ等を検出する。固定部２とビーム部３との境界部分１３ａの外形が滑らかに連続した形状とされているので、衝撃によってビーム部３に応力が生じた際、応力集中が分散されることにより、ビーム部３の破損が防止され、センサの耐衝撃性が向上する。
【選択図】図２

Description

本発明は、物理的力学量を感知する物理量センサにおける半導体加速度センサにおいて、特に、耐衝撃性に優れた半導体加速度センサに関する。

一般的に、半導体加速度センサでは、固定部に対して薄肉のビーム部で錘部を連結し、錘部に加速度が印加されるとビーム部が撓んで錘部が加速度印加方向へ移動し、この錘部の移動を電気的に検知して加速度の発生及びその大きさ等を検出する構成になっている。

錘部の移動を電気的に検知する方式としては、錘部自身を電極に形成し、錘部が移動して錘部に対向して設けられた固定電極との距離が変化することにより生じる容量変化を検出する静電容量式や、ビーム部にピエゾ抵抗素子を設け、ビーム部に加えられた機械的な歪みにより生じるピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化を検出するピエゾ抵抗式等がある。

ところで、半導体加速度センサは、今日、自動車のエアバック、カーナビゲーション、ゲームコントローラ、ＣＤ／ＤＶＤ装置等多くの製品に搭載されている。これらの製品はときとして予想外の大きな衝撃が加わる可能性があるので、かかる製品に搭載されている半導体加速度センサには、過大な衝撃が印加されることがあり、高い耐衝撃性が要求される。一方で、加速度に対する検出感度をさらに高めていくことも要求されている。従って、センサの検出感度を犠牲にすることなくその耐衝撃性を向上させることが必要である。

そこで、錘部を重くするか、又はビーム部を薄く、若しくは長くすることによりビーム部を撓み易くし、同一加速度の印加に対してマス部の変位量を増加させて、センサの検出感度を向上させるとともに、衝撃が加わった際に応力が集中するビーム部の根元部分の強度を向上させて、センサの耐衝撃性を向上させた半導体加速度センサが開発されている。

例えば、特許文献１には、慣性センサにおいて、衝撃によってビーム部に生じる応力が集中する部分を避けて局所的に、厚みが薄い凹部や穴等の容易変形部を設けるとともに、固定部及び錘部とビーム部との境界部分を、上下方向に直交する平面において、ビーム部の外郭線が錘部及び固定部の外郭線とが直角に接することなく、より緩やかな角度となるように、テーパ形状やアール形状とすることが開示されている。
特開２００５−２８３４０２号公報

ところが、上述のような加速度センサにおいても、ビーム部と固定部との境界部分には、それぞれの上面及び下面と側面で構成されるエッジ部を有しており、加速度センサに印加される衝撃の方向やその大きさによっては、その部分の応力集中によりヒビやワレ等が発生してビーム部が破壊され易いという問題を有している。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、衝撃が印加された際に応力が集中するビーム部と固定部との境界部分を、エッジ部が無い、滑らかに連続した形状にし、応力集中を分散させることにより、ビーム部の破損を防止して耐衝撃性を向上した半導体加速度センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、固定部と、前記固定部に対してビーム部を介して変位自在に支持された錘部とからなる半導体加速度センサにおいて、前記固定部と前記ビーム部との境界部分の外形が滑らかに連続した形状とされているものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の発明において、前記錘部と前記ビーム部との境界部分の外形が滑らかに連続した形状とされているものである。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記錘部に対向して固定電極が設けられ、固定電極と前記錘部との間の静電容量の変化に基づいて加速度変化を検出するものである。

請求項４の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記ビーム部にピエゾ抵抗素子が設けられ、前記ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化に基づいて加速度を検出するものである。

請求項１の発明によれば、衝撃によってビーム部に応力が生じた際、応力集中が分散されるので、ビーム部の破損が防止され、センサの耐衝撃性が向上する。

請求項２の発明によれば、応力集中がより一層、分散されるので、センサの耐衝撃性が向上する。

請求項３、請求項４の発明によれば、耐衝撃性の良い加速度センサが得られる。

本発明の第１の実施形態に係る半導体加速度センサについて図１乃至図３を参照して説明する。図１は本実施形態による半導体加速度センサを示す。半導体加速度センサ１は、固定部２と、固定部２に対してビーム部３を介して変位自在に支持された錘部４とからなり、これらは、シリコン基板６をエッチング加工することにより形成される。

錘部４は導電性であるので、可動電極としての機能を有しており、錘部４と微小なギャップ５を隔てて錘部４に対向して固定電極７が設けられている。シリコン基板６の上面で、且つ両端部には信号取り出しのための電極板８が設けられており、一方の電極板８は固定電極７に接続されている。さらに、シリコン基板６の上面には、電極板８を覆って、上部ガラス９が張り合わされ、シリコン基板６の下面には、下部ガラス１０が張り合わされている。また、上部ガラス９には貫通穴１１が形成されており、この貫通穴１１に電極板８と接続される電極１２が設けられている。ここで、固定電極７及びシリコン基板６には、電極１２から電極板８を介して電圧が印加される。

このような半導体加速度センサ１に加速度が印加されると、錘部４がその加速度に応じて錘部４の厚さ方向に移動し、錘部４と固定電極７との距離が変化して、固定電極７と錘部４との間の静電容量が変化する。その結果、この静電容量の変化を電極１２より検出することにより加速度変化を検出することができる。

図２は同半導体加速度センサの固定部２とビーム部３との境界部分１３ａの形状を示している。本実施形態においては、固定部２とビーム部３との境界部分１３ａの外形と、錘部４とビーム部３との境界部分１３ｂの外形とが滑らかに連続した形状とされている。錘部４とビーム部３との境界部分１３ｂの外形も、同様の形状である。従って、衝撃によってビーム部３に応力が生じた際、応力集中が分散されることにより、ビーム部３の破損が防止され、センサの耐衝撃性が向上する。

図３は本実施形態に係る半導体加速度センサの製造工程を示す。まず、図３（ａ）に示すように、シリコン基板６の裏面に、フォトリソグラフィー工程を行い、窓開けを行った後、異方性エッチングを行い、固定部２、ビーム部３及び錘部４を形成する。

続いて、図３（ｂ）に示すように、水素アニール照射を行い、固定部２とビーム部３との境界部分１３ａの外形及び固定部２とビーム部３との境界部分１３ｂの外形を滑らかに連続した形状に形成する。例えば、水素アニール照射は、温度１１００℃で１０分間の条件下で行う。

ここで、水素アニール照射の効果について詳しく説明する。水素アニール照射を行っていないシリコン表面ではエッチングによりシリコン原子同士の繋がりが壊れた状態になっているが、上記の条件下でのアニールにより、シリコン表面の角部分で近接するシリコン原子同士の空いている手が繋がり、その内側ではシリコン原子が移動して隙間を埋めるようになる。また、繋がりの壊れた原子同士が再結合するためシリコン表面は安定した状態となる。

つまり、この表面マイグレーションによって、シリコン表面がスムースになり、固定部２、ビーム部３及び錘部４の原子レベルでの凹凸がなくなる。さらに、固定部２、ビーム部３及び錘部４の外形及びそれらの境界部分が丸みを帯びることとなるので、固定部２とビーム部３との境界部分１３ａ及び固定部２とビーム部３との境界部分１３ｂの応力集中を抑制することができる。

次に、図３（ｃ）に示すように、シリコン基板６に電極板８を２箇所形成する。このうち一方の電極板８は絶縁膜１４により、シリコン基板６と絶縁されている。なお、双方の電極板８には、例えばアルミニウムを用いる。

次に、図３（ｄ）に示すように、シリコン基板６の表面に、フォトリソグラフィー工程を行い、窓開けを行った後、異方性エッチングを行い、固定部２、ビーム部３及び錘部４を形成する。続いて、上部ガラス９の裏面に固定電極７を施すと共に、上部ガラス９に貫通穴１１を加工する。シリコン基板６の表面に、上部ガラス９を陽極接合により接合した後、シリコン基板６の裏面に下部ガラス１０を同じく陽極接合により接合する。

次に、図３（ｅ）に示すように、電極１２を形成する。以上がセンサの製造工程である。

本実施形態に係る半導体加速度センサでは、錘部４をビーム部３を介して固定部２の一側面から支持する片持ち梁構造としたものを示したが、図４に示すように、固定部２が錘部４の中央部に位置し、錘部４を２本のビーム部３を介して支持するトーションビーム構造であってもよい。

本発明の第２の実施形態に係る半導体加速度センサについて図５、図６を参照して説明する。図５は本実施形態による半導体加速度センサを示す。半導体加速度センサ１は、加速度変化を検出する際に、ビーム部３に設けられたピエゾ抵抗素子１６の抵抗値の変化を検出する点で第１の実施形態と異なる。

半導体加速度センサ１は、固定部２と、固定部２に対してビーム部３を介して変位自在に支持された錘部４とからなり、これらは、シリコン基板６から形成されている。

シリコン基板６の表面には、保護及び内部応力コントロールのために絶縁膜１４及び保護膜１５が形成されている。絶縁膜１４としては、例えばシリコン酸化膜が挙げられ、保護膜１５としては、例えばシリコン窒化膜が挙げられる。

ビーム部３に、機械的な外力を加えると結晶格子に歪みが生じ抵抗値が変化するピエゾ抵抗素子１６が４つ設けられ、これらを用いてホイートストンブリッジ回路（図示なし）が構成されている。このピエゾ抵抗素子１６上には、配線抵抗１７を介してピエゾ抵抗素子１６に電気的に接続される信号電極１８が形成され、シリコン基板６の上面には、上部ガラス９との接合のために陽極接合電極１９が設けられる。上部ガラス９は、陽極接合電極１９を介してシリコン基板６に陽極接合される。一方、シリコン基板６と下部ガラス１０との接合は、陽極接合電極１９及び信号電極１８を介さず直接陽極接合される。また、上部ガラス９及び下部ガラス１０は、錘部４が動作の際に限界以上に撓むことのないように、ストッパーとしての役割も担っている。

このような半導体加速度センサ１に加速度が印加されると、錘部４が撓み、表面に応力が発生し、表面に形成されたピエゾ抵抗素子１６のピエゾ効果により応力に伴った抵抗値の変化が生じる。その結果、ホイートストンブリッジ回路には加速度に比例した電位差が出力され、この電位差出力を検出することにより加速度を検出することができる。

本実施形態においては、第１の実施形態と同様に、固定部２とビーム部３との境界部分１３ａの外形と、錘部４とビーム部３との境界部分１３ｂの外形とが滑らかに連続した形状とされている。従って、衝撃によってビーム部３に応力が生じた際、応力集中が分散されることにより、ビーム部３の破損が防止され、センサの耐衝撃性が向上する。

図６は本実施形態に係る半導体加速度センサの製造工程を示す。まず、図６（ａ）に示すように、シリコン基板６の裏面に、フォトリソグラフィー工程を行い、窓開けを行った後、異方性エッチングを行い、固定部２、ビーム部３及び錘部４を形成する。

続いて、図６（ｂ）に示すように、水素アニール照射を行い、固定部２とビーム部３との境界部分１３ａの外形及び固定部２とビーム部３との境界部分１３ｂの外形を滑らかに連続した形状に形成する。例えば、水素アニール照射は、温度１１００℃で１０分間の条件下で行う。水素アニール照射の効果については、上述の内容と同様である。

次に、図６（ｃ）に示すように、シリコン基板６の表面に絶縁膜１４を成膜し、フォトリソグラフィー工程を行い、絶縁膜１４の一部をエッチング除去した後、イオン注入工程、拡散工程により配線抵抗１７及びピエゾ抵抗素子１６を形成する。その後、保護膜１５を形成する。次に信号電極１８及び陽極接合電極１９を同時に形成する。信号電極１８及び陽極接合電極１９には、例えばアルミニウムを用いる。

次に、図６（ｄ）に示すように、シリコン基板６の裏面にフォトリソグラフィー工程を行い、窓開けを行った後、異方性エッチングを行い、固定部２、ビーム部３及び錘部４を形成する。続いて、シリコン基板６の表面に、陽極接合電極１９を介して上部ガラス９を陽極接合により接合した後、シリコン基板６の裏面に下部ガラス１０を陽極接合により接合する。以上がセンサの製造工程である。

なお、本発明は、上記各種実施形態の構成に限られることなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した各種においては、錘部４をビーム部３を介して固定部２の一側面から支持する片持ち梁構造としたものを示したが、錘部４を４本のビーム部３を介して固定部２の４つの側面から支持する構造であってもよい。

（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体加速度センサを示す平面図、（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線断面図。 同半導体加速度センサの固定部とビーム部との境界部分の形状を示す斜視図。 （ａ）乃至（ｅ）は同半導体加速度センサの製造工程を示す断面図であって、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図。 （ａ）は同半導体加速度センサの固定部、ビーム部及び錘部の構造例を示す平面図、（ｂ）は図４（ａ）のＣ−Ｃ線断面図。 （ａ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体加速度センサを示す平面図、（ｂ）は図５（ａ）のＤ−Ｄ線断面図、（ｃ）は図５（ａ）のＥ−Ｅ線断面図。 （ａ）乃至（ｄ）は同半導体加速度センサの製造工程を示す断面図であって、図５（ａ）のＤ−Ｄ線断面図。

符号の説明

１ 半導体加速度センサ
２ 固定部
３ ビーム部
４ 錘部
５ ギャップ
６ シリコン基板
７ 固定電極
８ 電極板
９ 上部ガラス
１０ 下部ガラス
１１ 貫通穴
１２ 電極
１３ａ 固定部とビーム部との境界部分
１３ｂ 錘部とビーム部との境界部分
１４ 絶縁膜
１５ 保護膜
１６ ピエゾ抵抗素子
１７ 配線抵抗
１８ 信号電極
１９ 陽極接合電極

Claims (4)

1. 固定部と、前記固定部に対してビーム部を介して変位自在に支持された錘部とからなる半導体加速度センサにおいて、
   前記固定部と前記ビーム部との境界部分の外形が滑らかに連続した形状とされていることを特徴とする半導体加速度センサ。
2. 前記錘部と前記ビーム部との境界部分の外形が滑らかに連続した形状とされてい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. 前記錘部に対向して固定電極が設けられ、固定電極と前記錘部との間の静電容量の変化に基づいて加速度変化を検出することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体加速度センサ。
4. 前記ビーム部にピエゾ抵抗素子が設けられ、前記ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化に基づいて加速度変化を検出することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体加速度センサ。

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