JP2008197113A - 半導体加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】ビーム部が錘部を取巻くように略Ｌ字状に形成された半導体加速度センサにおいて、簡単な構造で錘部の水平移動を制限し、ビーム部の破損を防止する。
【解決手段】細長いＬ字状のビーム部４によって固定部２に支持された錘部３の底部に凹所３ａを形成し、錘部３の下方のガラス部７に凹所３ａに緩く嵌合するストッパ２１を形成する。錘部３の上下方向に直交する水平方向のいずれの方向への移動も、凹所３ａがストッパ２１に受止められることによって制限される。従って、側方からの衝撃が加速度センサ１に加えられても、錘部３は大きく変位することはなく、ビーム部４に過大な応力が掛かってビーム部４が破損してしまうことがない。
【選択図】図９

Description

本発明は半導体加速度センサに関し、詳しくは固定部に対して細長いビーム部で連結された錘部を有し、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する半導体加速度センサに関する。

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半導体加速度センサが知られている。例えば、固定部から延びる片持ち梁状の撓み部先端に錘部を連結し、加速度が印加された時に撓み部が撓んで錘部が上下動する半導体加速度センサがある（特許文献１及び特許文献２参照）。なお、錘部の移動を電気的に検知する方式としては、上記特許文献１及び特許文献２に記載の加速度センサのように、錘部を連結する撓み部にゲージ抵抗を形成し、このゲージ抵抗の抵抗値の変化を計測することによって撓み部の撓みを検出するようにしたものや、錘部自身を電極に形成し、錘部が移動して固定電極部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ようにしたもの等がある。
特開２０００−３３８１２４号公報 特開平７−１５９４３２号公報

半導体加速度センサでは、加速度が印加された時の錘部の移動の円滑を図るために、錘部の体積（重量）は大きく、撓み部は可能な限り薄肉に形成してあることから、錘部の急な移動や、通常の移動範囲を超える移動が生じた時には、撓み部が破損して加速度の検出が不能になってしまう虞があった。

そこで、上記不具合が生じないように、錘部の周りの空間に錘部の移動を制限するストッパを形成した半導体加速度センサが開発されている。例えば、上記特許文献１に記載の加速度センサでは、錘部の移動する空間の上下にストッパを形成して、本来の加速度検出方向である上下方向において錘部が一定以上変位しないように図ると共に、錘部の側方にもストッパを形成して、側方からの衝撃が加わった時に錘部は殆ど移動せず、撓み部の破損が生じないように図っている。

一方、固定部と錘部を連結するビーム部（撓み部）の長さを長くして、加速度センサとしての感度を向上させたものとして次の構造の半導体加速度センサがある。つまり、図１６に示したように、ビーム部５１を、錘部５２の対向する２辺に基端５１ａを発し、錘部５２の隣接する２辺に沿って延びるＬ字状に形成し、２本のビーム部５１が錘部５２の周囲を取り巻く構造とした半導体加速度センサ５０がある。この加速度センサ５０では、上下方向（図１６の紙面を貫く方向）に加速度が印加された時に、ビーム部５１が撓んで、錘部５２が上方又は下方へと移動する。そして、この加速度センサ５０では、ビーム部５１の長さが十分に長く形成できる分、加速度の検出感度が相当に向上する長所があるが、上記特許文献１に示されたような、錘部５２の側方への移動を制限するストッパが容易には形成できず、錘部５２の水平方向への過大な移動によってビーム部５１が破損してしまう虞があった。

また、上記のように２本のビーム部５１が錘部５２の周囲を取り巻く構造の半導体加速度センサでは、特許文献１及び特許文献２に記載の、片持ち梁状の撓み部によって連結された錘部とは異なり、錘部５２は水平方向のいずれの方向（前後左右方向）へも移動可能であり、そのいずれの方向への移動も簡易なストッパによって有効に制限することは困難であった。

そこで、本発明は、上記構造の半導体加速度センサにおいて、錘部の本来の加速度検出方向である上下方向に直交する水平方向において、錘部の移動範囲が制限され、側方のいずれの方向からの衝撃が印加された場合にも、固定部と錘部を連結するビーム部に過大な応力が掛からず、ビーム部の破損が生じない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の請求項１の発明は、固定部と、この固定部に対して細長いビーム部で連結された錘部とからなり、前記ビーム部が前記錘部の対向する２辺に基端を発し、錘部の隣接する２辺に沿って延びるＬ字状に形成されて、垂直方向の加速度が印加された時に、前記ビーム部が撓んで前記錘部の垂直移動を許容する半導体加速度センサにおいて、前記錘部の底部に凹所を形成し、前記錘部の直下方の固定部に、前記凹所に緩く嵌合するストッパを形成し、水平方向の加速度が印加された時に、前記ストッパが前記凹所の内壁に当接することによって前記錘部の水平移動及び垂直下方移動を制限することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記ストッパを裁頭円錐形状に形成し、前記凹所の内面を、前記ストッパと相似形に形成して、水平方向の加速度が印加された時に、前記ストッパが前記凹所の内面にいずれの方向から当接する場合でも、その衝撃が等しくなるようにしたことを特徴とすることを特徴とする。

請求項３の発明は、固定部と、この固定部に対して細長いビーム部で連結された錘部とからなり、前記ビーム部が前記錘部の対向する２辺に基端を発し、錘部の隣接する２辺に沿って延びるＬ字状に形成されて、垂直方向の加速度が印加された時に、前記ビーム部が撓んで前記錘部の垂直移動を許容する半導体加速度センサにおいて、前記錘部の下方の固定部に、前記錘部の底部を囲むストッパを形成し、水平方向の加速度が印加された時に、前記錘部の底部が前記ストッパの内面に当接することによって前記錘部の水平移動を制限することを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記錘部の底部を裁頭四角錐形状に形成し、前記ストッパの、前記錘部の底部に当接する内面を錘部の外周面に沿った傾斜面に形成したことを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかの発明において、前記ストッパを、前記錘部の下方の固定部上に、該固定部とは異なる材料で形成し、かつ、前記ストッパは、前記錘部よりも軟質な材料で形成したことを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記ストッパが、シリコンウエハの異方性ウエットエッチングにより形成されることを特徴とする。

請求項１及び請求項２の発明によれば、錘部の本来の加速度検出方向である上下方向に直交する水平方向において、錘部の移動範囲が制限されると共に、垂直下方への移動も制限されるので、側方からの衝撃及び錘部を直下方へ移動させる衝撃が印加された場合にも、固定部と錘部を連結するビーム部に過大な応力が掛からず、ビーム部の破損が生じない。

請求項３及び請求項４の発明によれば、錘部の本来の加速度検出方向である上下方向に直交する水平方向において、錘部の移動範囲が制限され、側方のいずれの方向からの衝撃が印加された場合にも、固定部と錘部を連結するビーム部に過大な応力が掛からず、ビーム部の破損が生じない。

請求項５の発明によれば、錘部の本来の加速度検出方向である上下方向に直交する水平方向において、錘部の移動範囲が制限され、側方のいずれの方向からの衝撃が印加された場合にも、固定部と錘部を連結するビーム部に過大な応力が掛からず、ビーム部の破損が生じない。また、ストッパが軟質な材料で形成されるので、錘部がストッパに衝突してもストッパがその衝撃を吸収して緩衝し、錘部やビーム部に損傷が生じにくい。

請求項６の発明によれば、錘部の本来の加速度検出方向である上下方向に直交する水平方向において、錘部の移動範囲が制限され、側方のいずれの方向からの衝撃が印加された場合にも、固定部と錘部を連結するビーム部に過大な応力が掛からず、ビーム部の破損が生じない。また、ストッパが軟質な材料で形成されるので、錘部がストッパに衝突してもストッパがその衝撃を吸収して緩衝し、錘部やビーム部に損傷が生じにくい。さらに、量産性に優れている。

以下、本発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。まず、本実施形態の半導体加速度センサの全体構造について、図１と図２を参照して説明する。本実施形態の半導体加速度センサ１は、固定部２、錘部３及びビーム部４を形成したシリコン基板５と、シリコン基板５を上下から挟んで接合したガラス部６、７とからなり、下側のガラス部７に形成した凹所７ａと、シリコン基板５の上面に形成した凹所５ａによって錘部３の上下移動空間が形成される（図２）。上側のガラス部６下面には導電性の薄膜により固定極８が形成され、この固定極８にスルーホール９を貫通した導通引出し金属膜１１を介して電圧が印加される。また、上側のガラス部６に形成された別のスルーホール１２を貫通した導通引出し金属膜１３を介してシリコン基板５自体に電圧が印加され、加速度α印加時に錘部３が上方へ移動して、錘部３と固定極８との距離が変化した時の容量値の変化を検出するようになっている。ガラス部６の上面に形成された金属膜１１、１３は短絡を防止するため所定の距離ｄだけ離間して形成される（図１（ａ））。固定極８の基端部８ａとシリコン基板５との間には絶縁性を高めるために酸化膜（ＳｉＯ２）１４が形成してある。なお、図１と図２は、半導体加速度センサ１の全体構造を示すために細部については省略して示してあり、シリコン基板５の正確な構造については、図３と図４を参照して次に説明する。

本実施形態のシリコン基板５は、錘部３を構成する平面視正方形の部分を取り巻くように細長いＬ字状のビーム部４を２本形成してあり、これらビーム部４の一端４ａは錘部３の対向する２辺に連結し、他端４ｂは固定部２側に連結してある。そして、本実施形態のシリコン基板５では、ビーム部４の錘部３に連結した一端４ａに隣接する箇所に、固定部２側から錘部３へ突出する凸部１５と、錘部３側から固定部２へ突出し、凸部１５を囲む受止め凹部１６とを形成してある。凸部１５の外形と受止め凹部１６の内壁はほぼ同一形状になっていて、錘部３が上下方向に直交する水平方向（図３におけるＸＹ方向）のいずれの方向への移動も、凸部１５が受止め凹部１６に受止められることによって制限されるようになっている。従って、側方からの衝撃が加速度センサ１に加えられても、錘部３は大きく変位することはなく、ビーム部４に過大な応力が掛かってビーム部４が破損してしまうことがない。

上述のようにして錘部３の水平方向移動が制限されているので、水平方向の衝撃が印加されてもビーム部４が破損して加速度センサ１が測定不能になってしまう虞がないが、衝撃力が過大であったり、衝撃が大頻度で繰り返し印加されるような場合には、凸部１５自身が破損してしまう可能性が生じる。この場合には、凸部１５又は受止め凹部１６の根元部内に次のような構造で空隙を形成して、凸部１５又は受止め凹部１６の耐衝撃性を向上させることができる。

つまり、図５に示すように、凸部１５の根元部内に、凸部１５の突出方向に直交する方向に延び、その長さがほぼ凸部１５の幅程度の空隙１７を形成する。このように構成すれば、錘部３に図５の下方向への衝撃が加わって受止め凹部１６が凸部１５に衝突する時の衝撃が、凸部１５がその長さ方向（矢印Ｃ）に撓むことによって緩衝され、凸部１５自身が破損してしまう虞を低減できる。

また、図６に示すように、凸部１５の根元部内に形成した空隙１７を、凸部１５の突出方向に沿って凸部内へも延びる略Ｔ字状に形成すれば、凸部１５の撓み性が、長さ方向（矢印Ｃ）だけではなく、幅方向（矢印Ｄ）へも付与されて、凸部１５の耐衝撃性がさらに向上する。

さらに、図７に示すように、受止め凹部１６の根元部内に、凸部１５の幅方向に延びる空隙１８を形成すれば、受止め凹部１６が凸部１５に衝突する時の、受止め凹部１６側が受ける矢印Ｅ方向の衝撃を緩衝して、凸部１５及び受止め凹部１６が破損してしまう虞を低減することができる。この受止め凹部１６の根元部内に空隙１８を形成する構造の場合には、凸部１５の根元部内に空隙１７を形成する構造に比べて、凸部１５自身の大きさを大きくすることなく同程度の耐衝撃性を得ることができるので、その分受止め凹部１６の大きさも小形にできる。従って、加速度を受ける錘部３の体積（重量）を減少しなくて済み、それだけ加速度センサとしての感度の低下を抑制できる。なお、空隙１７又は空隙１８を形成することによって、凸部１５又は受止め凹部１６の耐衝撃性を向上できると共に、錘部３に伝わる衝撃が緩衝されるので、錘部３自身の破損、さらにはビーム部４の破損も防止できる効果がある。

次に、第２の実施形態について、図８を参照して説明する。本実施形態の半導体加速度センサ１の全体構造は、第１の実施形態と同一であり、凸部１５と受止め凹部１６の形状が次のとおりのテーパ形状に形成してある。つまり、凸部１５の先端が先窄まりのテーパ状１５ａに形成してあり、凹部１６には凸部先端のテーパ形状１５ａと同一形状のテーパ状受け部１６ａを形成してある。従って、側方からの衝撃が印加されて錘部３が水平移動し、受止め凹部１６が凸部１５に向かって衝突する時、受止め凹部１６と凸部１５は、双方のテーパ面に沿って滑りながら当接し、衝撃が緩和される。つまり、受止め凹部１６が凸部１５に向かって当接する時の方向が、テーパ面に直角な方向である場合以外では、受止め凹部１６が凸部１５に及ぼす衝撃力はテーパ面に沿う分力と、テーパ面に直角な面に沿う分力とに分かれるので、凸部１５に加わる衝撃力が緩和される。従って、凸部１５自身が破損してしまう虞を低減することができる。また、衝撃が緩和されることによって、錘部３の破損、さらにはビーム部４の破損も防止できる効果がある。

次に、第３の実施形態について図９と図１０を参照して説明する。本実施形態の半導体加速度センサ１の全体構造も、第１の実施形態とほぼ同一であるが、錘部３の水平移動を制限するために凸部１５及び受止め凹部１６に代えて、錘部３の底部に方形の凹所３ａを形成し、下側のガラス部７上に凹所３ａに緩く嵌合するストッパ２１を形成してある（図９）。錘部３の凹所３ａがストッパ２１に緩く嵌合することによって、錘部３の水平移動が制限されると共に、錘部３の垂直下方への移動が制限される。従って、加速度センサ１が側方からの衝撃を受けた時に、錘部３が大きく水平方向へ移動することがなく、ビーム部４の破損が生じない。また、錘部３の垂直下方への過大な移動が制限されるので、ビーム部４の撓み量が過大になることがなく、その点でもビーム部４の破損を防止することができる。

なお、ストッパ２１は、台座であるガラス部７の上に形成したシリコン等からなるストッパ材料２２を、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング又はＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）等の異方性エッチングによって形成し、別工程で作成したシリコン基板５を陽極接合して製造する（図１０）。このようにガラス部７の上に別材料を形成し、これを加工してストッパ２１とする方が、加工が容易である。さらにストッパ２１の材料をシリコン基板５のシリコン材よりも軟質の材料とすれば、ストッパ２１自身によって、錘部３がストッパ２１に衝突する時の衝撃を吸収させることができ、錘部３及びビーム部４に伝わる衝撃を低減することによって錘部３及びビーム部４の破損を防止することができる。

また、ガラス部７の上に形成したストッパ材料２２を加工する方法は、ＩＣＰエッチング又はＲＩＥ等のドライエッチングに限らず、異方性ウエットエッチングによって行ってもよい。異方性ウエットエッチングによる方が、枚葉加工ではないため、量産性が向上する。

さらに、本実施形態では、錘部３の底部の凹所３ａが方形であり、ストッパ２１が凹所３ａに嵌合する方形であるために、加速度センサ１に加えられる側方からの衝撃のうち、ストッパ２１の外周面に垂直な方向の衝撃に対する耐衝撃性と、ストッパ２１の外周面に垂直な方向を外れる方向からの衝撃（例えば、ストッパ２１の角部への衝撃）に対する耐衝撃性が異なるが、次の構造を採用すれば、水平方向いずれの方向の衝撃に対しても均等に耐衝撃性を得ることができる。

つまり、図１１と図１２に示したように、ガラス部７の上に形成するストッパ２１を裁頭円錐形状２１ａに形成し、錘部３底面の凹所の内面３ｂを、ストッパ２１に緩く嵌合する、ストッパ２１の円錐形状２１ａと相似形に形成する。この構造であれば、ストッパ２１の外周面が円形となるので、水平方向（図１２におけるＸＹ方向）いずれの方向からの衝撃に対しても均等な耐衝撃性能が得られる。従って、ストッパ２１自身の破損を防止できる。

次に、第４の実施形態について、図１３と図１４を参照して説明する。本実施形態の半導体加速度センサ１の全体構造も、第１の実施形態とほぼ同一であるが、錘部３の水平移動を制限するために凸部１５及び受止め凹部１６に代えて、下側のガラス部７上に錘部３の底部を囲む四角枠状のストッパ２２を形成してある。錘部３の底部が四角枠状のストッパ２２に囲まれることによって錘部３の水平移動が制限される。従って、加速度センサ１が側方からの衝撃を受けた時に、錘部３が大きく水平方向へ移動することがなく、ビーム部４の破損が生じない。また、本実施形態では、第３の実施形態のように錘部３に凹所３ａを形成する必要がないので、錘部３の体積（重量）が減少することがなく、その分加速度センサとしての感度を高く維持できる利点がある。

さらに、本実施形態では、図１５に示したように、錘部３の底部を裁頭四角錘形状３ｃに形成し、ストッパ２２の内面を錘部の外周面に沿った傾斜面２２ａに形成することができる。この場合には、錘部３が水平移動して錘部３の底部とストッパ２２の内面が衝突する時に、その衝突の衝撃が傾斜面２２ａに沿った分力と傾斜面２２ａに垂直な方向の分力に分けられるので、錘部３とストッパ２２のそれぞれが受ける衝撃力が低減され、錘部３及びストッパ２２の破損を防止することができる。

また、本実施形態における下側のガラス部７上に形成したストッパ２２も、第３の実施形態におけるストッパ２１と同様に、ガラス部７とは別の材料であって、シリコン基板５のシリコン材よりも軟質の材料で形成すれば、錘部３の底部が、それを囲む四角枠状のストッパ２２に衝突する時の衝撃を、ストッパ２２自身によって吸収させることができ、錘部３及びビーム部４の破損を防止することができる。さらに、ガラス部７の上に形成したストッパ材料を加工する方法も、第３の実施形態と同様に、ＩＣＰエッチング又はＲＩＥ等のドライエッチングに限らず、異方性ウエットエッチングによって行うことができる。異方性ウエットエッチングによる方が、枚葉加工ではないため、量産性が向上する。

以上のように、固定部２と錘部３を連結するビーム部４が錘部３を取巻くように略Ｌ字状に形成された半導体加速度センサ１において、ビーム部４の錘部３への連結基端部４ａに凸部１５と、それに嵌り込む受止め凹部１６を形成したので（第１及び第２の実施形態）、簡単な構造であっても錘部３の水平方向移動が制限され、側方からの衝撃が印加された場合にも、ビーム部４に過大な応力が掛からない。従って、ビーム部４の破損が生じず、加速度の測定が不能になってしまうことがない。

また、凸部１５と、それに嵌り込む受止め凹部１６に代わる構成として、錘部３の底部に凹所３ａを形成し、ガラス部７上にストッパ２１を形成したので（第３の実施形態）、錘部３の水平方向移動が制限されると共に、垂直下方への移動が制限され、ビーム部４に過大な応力が掛からない。従って、ビーム部４の破損が生じず、加速度の測定が不能になってしまうことがない。

さらに、凸部１５と、それに嵌り込む受止め凹部１６に代わる構成として、ガラス部７上に、錘部３の底部を囲む四角枠状のストッパ２２を形成したので（第４の実施形態）、錘部３の水平方向移動が制限され、ビーム部４に過大な応力が掛からない。従って、ビーム部４の破損が生じず、加速度の測定が不能になってしまうことがない。

（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の上面図、（ｂ）は同センサを構成するシリコン基板部分の上面図。 図１におけるＡ−Ａ線断面図。 同第１の実施形態に係る半導体加速度センサのシリコン基板の上面図。 図３のＢ部の拡大図。 同第１の実施形態に係る半導体加速度センサのシリコン基板の凸部と受止め凹部の拡大図。 同凸部と受止め凹部の拡大図。 同凸部と受止め凹部の拡大図。 本発明の第２の実施形態に係る半導体加速度センサのシリコン基板の凸部と受止め凹部の拡大図。 本発明の第３の実施形態に係る半導体加速度センサの下側のガラス部とシリコン基板部分の縦断面図。 同下側のガラス部とシリコン基板部分の製造工程を示す図。 同下側のガラス部とシリコン基板部分の縦断面図。 同下側のガラス部とシリコン基板部分の横断面図。 本発明の第４の実施形態に係る半導体加速度センサの下側のガラス部とシリコン基板部分の縦断面図。 同下側のガラス部とシリコン基板部分の横断面図。 同下側のガラス部とシリコン基板部分の縦断面図。 従来の半導体加速度センサにおけるシリコン基板の上面図。

符号の説明

１ 半導体加速度センサ
２ 固定部
３ 錘部
３ａ 凹所
３ｂ 内面
４ ビーム部
４ａ 基端部
５ シリコン基板
１５ 凸部
１５ａ テーパ状
１６ 受止め凹部
１６ａ テーパ状受け部
１７ 空隙
１８ 空隙
２１ ストッパ
２１ａ 裁頭円錐形状
２２ ストッパ
２２ａ 傾斜面

Claims (6)

1. 固定部と、この固定部に対して細長いビーム部で連結された錘部とからなり、前記ビーム部が前記錘部の対向する２辺に基端を発し、錘部の隣接する２辺に沿って延びるＬ字状に形成されて、垂直方向の加速度が印加された時に、前記ビーム部が撓んで前記錘部の垂直移動を許容する半導体加速度センサにおいて、
   前記錘部の底部に凹所を形成し、前記錘部の直下方の固定部に、前記凹所に緩く嵌合するストッパを形成し、水平方向の加速度が印加された時に、前記ストッパが前記凹所の内壁に当接することによって前記錘部の水平移動及び垂直下方移動を制限することを特徴とする半導体加速度センサ。
2. 前記ストッパを裁頭円錐形状に形成し、前記凹所の内面を、前記ストッパと相似形に形成して、水平方向の加速度が印加された時に、前記ストッパが前記凹所の内面にいずれの方向から当接する場合でも、その衝撃が等しくなるようにした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. 固定部と、この固定部に対して細長いビーム部で連結された錘部とからなり、前記ビーム部が前記錘部の対向する２辺に基端を発し、錘部の隣接する２辺に沿って延びるＬ字状に形成されて、垂直方向の加速度が印加された時に、前記ビーム部が撓んで前記錘部の垂直移動を許容する半導体加速度センサにおいて、
   前記錘部の下方の固定部に、前記錘部の底部を囲むストッパを形成し、水平方向の加速度が印加された時に、前記錘部の底部が前記ストッパの内面に当接することによって前記錘部の水平移動を制限することを特徴とする半導体加速度センサ。
4. 前記錘部の底部を裁頭四角錐形状に形成し、前記ストッパの、前記錘部の底部に当接する内面を錘部の外周面に沿った傾斜面に形成したことを特徴とする請求項３に記載の半導体加速度センサ。
5. 前記ストッパを、前記錘部の下方の固定部上に、該固定部とは異なる材料で形成し、かつ、前記ストッパは、前記錘部よりも軟質な材料で形成したことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の半導体加速度センサ。
6. 前記ストッパが、シリコンウエハの異方性ウエットエッチングにより形成されることを特徴とする請求項５に記載の半導体加速度センサ。

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