JP2011247714A - Semiconductor physical quantity sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体物理量センサに関する。 The present invention relates to a semiconductor physical quantity sensor.
従来より、例えば加速度センサなどの半導体物理量センサでは、エッチングによりシリコン基板に間隙部を形成する製造過程や、センサの作動中に過大な物理量が入力された際に、可動部が動作して固定部に固着してしまう所謂スティッキングが問題視されている。 Conventionally, in a semiconductor physical quantity sensor such as an acceleration sensor, the movable part operates to operate the fixed part when an excessive physical quantity is input during the manufacturing process of forming a gap in the silicon substrate by etching or during operation of the sensor. So-called sticking that sticks to the surface is regarded as a problem.
そこで、可動部と固定部の対向壁部の何れかにストッパを形成し、当該ストッパと相手側の対向壁部を接触させることで、これらの接触面積を減少させて上記スティッキングを抑制するようにしたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。 Therefore, by forming a stopper on one of the opposing wall portions of the movable portion and the fixed portion and bringing the stopper into contact with the opposing wall portion on the other side, the contact area is reduced to suppress the sticking. Is known (for example, see Patent Document 1).
しかしながら、上記従来の半導体物理量センサにあっては、ストッパによりスティッキングの発生を抑制することができるのであるが、接触面積をより減少させるようにすることが尚好ましい。 However, in the above-described conventional semiconductor physical quantity sensor, the occurrence of sticking can be suppressed by the stopper, but it is still more preferable to reduce the contact area.
そこで、本発明は、ストッパと相手側の対向壁部の接触面積を減少させて、スティッキングの発生をより抑制可能な半導体物理量センサを得ることを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to obtain a semiconductor physical quantity sensor that can suppress the occurrence of sticking by reducing the contact area between the stopper and the opposing wall portion on the other side.
かかる課題を解決するために、本発明にあっては、エッチングにより半導体基板に間隙部を形成することで、物理量の入力により相対変位する可動部と固定部とを形成するとともに、前記可動部と固定部の対向壁部のうち少なくとも何れか一方に相手側に向けて突出するストッパを形成した半導体物理量センサにおいて、前記ストッパと相手側の対向壁部を、前記間隙部の深さ方向に沿う断面視で、互いに対向する仮想的な垂直面の各上端部および下端部から、当該上端部および下端部の範囲内で相手側に接近または離反する位置に設けた頂点をそれぞれ結ぶ線対称形状となるように形成したことを特徴とする。 In order to solve such a problem, in the present invention, by forming a gap in the semiconductor substrate by etching, a movable portion and a fixed portion that are relatively displaced by an input of a physical quantity are formed, and the movable portion and In the semiconductor physical quantity sensor, in which at least one of the opposing wall portions of the fixed portion is formed with a stopper protruding toward the other side, a cross section of the stopper and the opposite side opposing wall portion along the depth direction of the gap portion. From the upper end and the lower end of the virtual vertical surfaces facing each other, the shape of the line is symmetrical with the apex provided at a position approaching or separating from the other side within the range of the upper end and the lower end. It was formed as described above.
本発明によれば、従来と比べて同じ断面視での接触面積を減少させることができる分、ストッパと相手側の対向壁部の接触面積を減少させ易くなり、スティッキングの発生をより抑制することができる。 According to the present invention, since the contact area in the same cross-sectional view can be reduced as compared with the conventional case, the contact area between the stopper and the opposing wall portion on the other side is easily reduced, and the occurrence of sticking is further suppressed. Can do.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。以下では、半導体物理量センサとして、互いに直角となるX軸およびY軸方向の加速度を検出できる2軸加速度センサを例示する。なお、以下の複数の実施形態には、同様の構成要素が含まれている。よって、以下では、それら同様の構成要素には共通の符号を付与するとともに、重複する説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Hereinafter, as the semiconductor physical quantity sensor, a biaxial acceleration sensor capable of detecting accelerations in the X-axis and Y-axis directions perpendicular to each other will be exemplified. Note that similar components are included in the following embodiments. Therefore, in the following, common reference numerals are given to those similar components, and redundant description is omitted.
[第1実施形態]
図1〜図5は、本発明の第1実施形態にかかる加速度センサ1を示した図である。
[First Embodiment]
FIGS. 1-5 is the figure which showed the
本実施形態の加速度センサ1は、半導体素子ディバイスを形成した略正方形状のシリコン基板(半導体基板)3の両面を、その保護層となる二枚のガラス基板(図示せぬ)で挟み込み、それらシリコン基板3とガラス基板とを例えば陽極接合などにより一体に結合することで形成される。
The
シリコン基板3には、図1に示すように、シリコン基板3に公知の半導体プロセスにより複数の異なる幅の間隙部δ1〜δ5を形成することで、周縁部に形成される略矩形状の枠部2、可動部5、固定部6、ビーム(ばね部)8および当該ビーム(ばね部)8を介して可動部5を支持する支持部9を形成している。そして、シリコン基板3とガラス基板との接合面には比較的浅い凹部(図示せぬ)が形成されており、シリコン基板3各部の絶縁性や可動部5の動作性の確保が図られている。
As shown in FIG. 1, the
間隙部δ1〜δ4は、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)などにより垂直エッチング加工を行うことで、側壁面がシリコン基板3の表面と垂直となるように形成される。このように、垂直エッチング加工により形成された間隙部δ1〜δ4の側壁面同士は、互いに略平行に対向することになる。反応性イオンエッチングとしては、例えば、誘導結合型プラズマ(ICP:Inductively Coupled Plasma)を備えたエッチング装置によるICP加工を利用することができる。
The gaps δ1 to δ4 are formed so that the side wall surface is perpendicular to the surface of the
枠部2および支持部9は、シリコン基板3の四つの周縁(四辺)に沿って略一定幅で枠状に延設されている。そして、支持部9は、枠部2の内周側に、略枠状の間隙部δ3をもって隔離された状態で配置されている。なお、この枠部2および支持部9は、裏面側をガラス基板(図示せぬ)の表面に接合することで、ガラス基板に固定される。
The
支持部9の内側には、支持部9の四隅から、支持部9の各辺と平行に、かつ中途で直角に折れ曲がりながらそれぞれ中心に向けて渦巻き状に伸びる四つのビーム8が設けられている。ビーム8は、それぞれ支持部9の二辺分に亘って相互干渉することなく延設されるとともに、内側端部では可動部5の隅部に接続されており、支持部9に対して可動部5を弾性的に可動支持するバネ要素(渦巻きバネ)として機能する。
Four
すなわち、本実施形態では、可動部5に、バネ要素としてのビーム8によって可動支持される質量要素(マス)としての機能を与え、これらバネ要素と質量要素とによってバネ−マス系を構成し、質量要素としての可動部5の変位から、その加速度や角加速度を得ることができるようになっている。
That is, in the present embodiment, the
そして、この可動部5の変位を検出するために、本実施形態では、可動部5に設けた可動電極と固定部6に設けた固定電極とを間隙部δ1、δ2をもって相互に対向配置させて検出部7を構成している。この検出部7における可動電極と固定電極との静電容量を検出することで、当該間隙部δ1、δ2の変化、すなわち可動電極に対する固定電極の変位を検出するようにしている。
And in order to detect the displacement of this
具体的には、図1に示すように、可動部5は、その中心部5aから支持部9の各辺の中央部に向けてその辺と略垂直な方向に帯状に細長く伸びる櫛歯状可動電極51を備えている。本実施形態では、複数の可動側櫛歯51aが、相互に平行に一定のピッチで設けられている。
Specifically, as shown in FIG. 1, the
一方、固定部6は、可動部5の隅部5bに隣接して設けられるアンカー部63を備えており、このアンカー部63は、支持部9の各辺に沿って帯状に細長く伸びる縁部63aを備えている。そして、この縁部63aに、可動部5の中心部5a側に向けて伸びる櫛歯状固定電極61が接続されている。本実施形態では、複数の固定側櫛歯61aが、相互に平行に一定のピッチ(可動部5の可動側櫛歯51aと同一のピッチ)で設けられており、可動部5の複数の可動側櫛歯51aと間隙部δ1、δ2をもって噛み合うようにしてある。
On the other hand, the
この検出部7では、可動側櫛歯51aと固定側櫛歯61aとの間隙部δ1、δ2は、櫛歯に対して一方側で狭く(間隙部δ2)、他方側で広く(間隙部δ1)設定してあり(δ1>δ2)、狭い側の間隙部δ2を検知ギャップとして、この間隙部δ2を介して相互に対向する櫛歯51、61間の静電容量、すなわち固定電極と可動電極との間の静電容量を検出するようになっている。
In the
図1に示すように、検出部7は、枠部2の各辺の中央部に対応して設けられており、X方向検出用の検出部7X(図1では上下の検出部)とY方向検出用の検出部7Y(図1では左右の検出部)とがそれぞれ二箇所ずつ設けられている。
As shown in FIG. 1, the
なお、櫛歯状固定電極61は、アンカー部63を介してガラス基板(図示せぬ)に固定されている。このとき、アンカー部63と支持部9とは相互に絶縁されており、支持部9に外部取出し用の一方の電極5Eが設けられるとともに、アンカー部63に他方の電極6E1、6E2が設けられる。
The comb-like
そして、X軸方向の加速度(物理量)の入力により、櫛歯状可動電極51と櫛歯状固定櫛電極61との間の隙間部δ1、δ2が変化した際の静電容量変化を、電極5E、6E1から取り出して処理することにより、X軸方向の加速度を検出することができるようになっている。また、Y軸方向の加速度の入力により櫛歯状可動電極51と櫛歯状固定電極61との間の隙間部δ1、δ2が変化した際の静電容量変化を、電極5E、6E2から取り出して処理することにより、Y軸方向の加速度を検出することができるようになっている。
The capacitance change when the gaps δ1 and δ2 between the comb-like
ここで、本実施形態では、アンカー部63の側方には、当該アンカー部63に隣接してストッパー用の副アンカー部64が設けられており、この副アンカー部64も固定部6としてガラス基板(図示せぬ)に接合されるようになっている。
Here, in this embodiment, a
副アンカー部64には、図2に示すように、X軸方向およびY軸方向に沿うとともに、可動部5に向けて突出した突起状のストッパ64aが設けられている。なお、本実施形態では、固定部6としての副アンカー部64に可動部5に向けて突出するストッパ64aを形成したが、可動部5に副アンカー部64に向けて突出するストッパ64aを設けるようにしてもよい。
As shown in FIG. 2, the
このように、本実施形態では、副アンカー部64に突起状のストッパ64aを設けることで、所定の加速度が入力された際や、過大な加速度の入力により可動部5が大きく変位した際に、櫛歯状可動電極51と櫛歯状固定電極61とが接触してしまうのを抑制するようにしている。しかも、この副アンカー部64のストッパ64aは、検出部7以外で可動部5と対向する位置に設けられるため、検出部7である櫛歯状可動電極51と櫛歯状固定電極61とに直接ストッパが設けられる構成と比べて、櫛歯51、61の破損や損傷をより抑制することができるという利点がある。したがって、本実施形態では、ストッパ64aと可動部5との間の間隙部δ5が、上述した間隙部δ1〜δ5の中で、一番小さく設定されている。
As described above, in the present embodiment, by providing the
そして、図3に示すように、本実施形態ではストッパ64aと可動部5の対向壁部64b、5cを、間隙部δ5の深さ方向に沿う断面視で、互いに対向する仮想的な垂直面Sw、Twの各上端部Su、Tuおよび下端部Sd、Tdから、当該上端部Su、Tuおよび下端部Sd、Tdの範囲内で相手側に接近する位置に設けた頂点Sp、Tpをそれぞれ結ぶ線対称形状となるように形成してある。
As shown in FIG. 3, in this embodiment, the
具体的には、図4に示すように、本実施形態のストッパ64aは、その面方向であるストッパ64aの幅方向に沿って緩やかに湾曲した円弧状に形成されるとともに、その深さ方向の略中央部分に設けられた頂点Spを境にして屈曲した形となっている。一方、相手側の可動部5は、その深さ方向の略中央部分に頂点Tpを有しているとともに、その面方向に沿って湾曲せずに平坦状の傾斜面がストッパ64aに向けて突出した形となっている。このストッパ64aと可動部5との間の間隙部δ5は、上記間隙部δ1〜δ4と同様にして、ICPエッチングを用いた異方性ドライエッチングで加工される。なお、本実施形態では、ストッパ64aをその幅方向に沿って緩やかに湾曲した円弧状に形成したが、相手側の可動部5と同様にして、深さ方向に沿う断面視で略くの字状となるように平坦状の傾斜面を可動部5に向けて突出した形としてもよい。
Specifically, as shown in FIG. 4, the
このように、本実施形態では、ストッパ64aとこのストッパ64aに対向する可動部5の対向壁部64b、5cを、間隙部δ5の深さ方向に沿う断面視で互いに相手と接近する方向に屈曲した形状(略くの字状、略逆くの字状)としたので、図5(a)、(b)、(c)に示すように、可動部5が動作してストッパ64aに突き当たる際に、(b)中D部で示すように、ストッパ64aと可動部5の対向壁部64b、5cの接触面積を減少させることができる。
As described above, in this embodiment, the
ここで、図4にも示すように、シリコン基板3をエッチングすることにより形成される突起状のストッパ64aは、当該ストッパ64aの深さHに対して相手側に向けて突出した当該ストッパ64aの幅Wが小さく形成されるのが一般的である。
Here, as shown in FIG. 4, the protrusion-shaped
したがって、本実施形態のように、ストッパ64aと可動部5(相手側)の対向壁部64b、5cを、間隙部δ5の深さ方向に沿う断面視で互いに相手と接近する方向に屈曲した形状(略くの字状、略逆くの字状)となるように形成すれば、従来のストッパをその深さ方向に沿って線接触させる構成よりも、ストッパ64aと可動部5(相手側)の対向壁部64b、5cの接触面積をより減少させることができるのである。
Therefore, as in the present embodiment, the
以上、説明してきたように、本実施形態の加速度センサ1では、ストッパ64aと可動部5(相手側)の対向壁部64b、5cを、間隙部δ5の深さ方向に沿う断面視で、互いに対向する仮想的な垂直面Sw、Twの各上端部Su、Tuおよび下端部Sd、Tdから、当該上端部Su、Tuおよび下端部Sd、Tdの範囲内で相手側に接近する位置に設けた頂点Sp、Tpをそれぞれ結ぶ線対称形状となるように形成してある。
As described above, in the
したがって、従来と比べて同じ断面視での接触面積を減少させることができる分、ストッパ64aと可動部5(相手側)の対向壁部64b、5cの接触面積を減少させ易くなり、スティッキングの発生をより抑制することができる。すなわち、可動部5が動作してストッパ64aに突き当たった際に、これらの静電吸引力よりもバネ反力の方を大きくすることができ、図5(c)に示すように、可動部5を復帰させることができる。
Therefore, the contact area in the same cross-sectional view can be reduced as compared with the conventional case, so that the contact area between the
特に、本実施形態では、ストッパ64aは、当該ストッパ64aの深さに対して相手側に向けて突出した当該ストッパ64aの幅Wが小さく形成されている。そのため、従来のストッパをその深さ方向に沿って線接触させる構成よりも、ストッパ64aと可動部5(相手側)の対向壁部64b、5cの接触面積をより減少させることができる。
In particular, in this embodiment, the
さらにまた、本実施形態では、ストッパ64aは、当該ストッパ64aの幅方向に沿って湾曲した円弧状に形成されている。したがって、ストッパ64aと可動部5(相手側)の対向壁部64b、5cを点接触させることができるようになり、スティッキングの発生をより確実に抑制することができる。
Furthermore, in the present embodiment, the
[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態について図面を参照して説明する。図6は本実施形態にかかる加速度センサの図2中C部と同位置の拡大断面図、図7は図6に示すストッパの斜視図、図8はストッパと相手側の対向壁部が接触する状態を(a)、(b)、(c)に順を追って模式的に示し、(a)は接触する前の状態、(b)は接触した状態、(c)は接触した後の状態を示した断面図である。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 6 is an enlarged cross-sectional view of the acceleration sensor according to the present embodiment at the same position as portion C in FIG. 2, FIG. 7 is a perspective view of the stopper shown in FIG. 6, and FIG. The states are schematically shown in order in (a), (b), and (c), where (a) is the state before contact, (b) is the contact state, and (c) is the state after contact. It is sectional drawing shown.
本実施形態の加速度センサ1Aは、上記第1実施形態と同様にして、固定部6である副アンカー部164に、X軸方向およびY軸方向に沿うとともに、可動部105に向けて突出した突起状のストッパ164aが設けられている。
In the same manner as in the first embodiment, the
ここで、本実施形態が上記第1実施形態と主に異なる点は、ストッパ164aと可動部105の対向壁部164b、105cを、間隙部δ5の深さ方向に沿う断面視で、互いに対向する仮想的な垂直面Sw、Twの各上端部Su、Tuおよび下端部Sd、Tdから、当該上端部Su、Tuおよび下端部Sd、Tdの範囲内で相手側に離反する位置に設けた頂点Sp、Tpをそれぞれ結ぶ線対称形状となるように形成してある。
Here, this embodiment is mainly different from the first embodiment in that the
具体的には、図7に示すように、本実施形態のストッパ164aは、その面方向であるストッパ164aの幅方向に沿って緩やかに湾曲した円弧状に形成されるとともに、その深さ方向の略中央部分に設けられた頂点Spを境にして屈曲した形となっている。一方、相手側の可動部105は、その深さ方向の略中央部分に頂点Tpを有しているとともに、その面方向に沿って湾曲せずに平坦状の傾斜面がストッパ164aと離反する方向に屈曲した形となっている。なお、本実施形態では、ストッパ64aをその幅方向に沿って緩やかに湾曲した円弧状に形成したが、相手側の可動部5と同様にして、深さ方向に沿う断面視で略く字状となるように平坦状の傾斜面を可動部5と離反する方向に屈曲した形としてもよい。
Specifically, as shown in FIG. 7, the
以上の構成により、本実施形態の加速度センサ1Aによれば、ストッパ164aとこのストッパ164aに対向する可動部105の対向壁部164b、105cを、間隙部δ5の深さ方向に沿う断面視で互いに相手と離反する方向に屈曲した形状(略逆くの字状、略くの字状)としたので、図8(a)、(b)、(c)に示すように、可動部105が動作してストッパ164aに突き当たる際に、(b)中D部で示すように、ストッパ164aと可動部105の対向壁部164b、105cの接触面積を減少させることができる。
With the above configuration, according to the acceleration sensor 1A of the present embodiment, the
したがって、上記第1実施形態と同様にして、従来と比べて同じ断面視での接触面積を減少させることができる分、ストッパ164aと可動部105(相手側)の対向壁部164b、105cの接触面積を減少させ易くなり、スティッキングの発生をより抑制することができる。
Accordingly, in the same manner as in the first embodiment, the contact area in the same cross-sectional view can be reduced as compared with the conventional case, so that the contact between the
また、本実施形態では、図8(b)に示すように、可動部105が動作した際に、各上端部Su、Tuおよび下端部Sd、Tdの二点で接触させるようにすることができるため、ストッパ164aと可動部105(相手側)の対向壁部164b、105cの接触力を分散させることができるという利点もある。
Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 8B, when the
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種変更が可能である。例えば、上記実施形態では、半導体物理量センサとして2軸加速度センサを例示したが、1軸加速度センサや3軸加速度センサであってもよく、また、角速度センサ、振動センサ等、他の半導体物理量センサにあっても本発明を実施することができる。 The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. For example, in the above-described embodiment, the biaxial acceleration sensor is exemplified as the semiconductor physical quantity sensor. However, a uniaxial acceleration sensor or a triaxial acceleration sensor may be used, and other semiconductor physical quantity sensors such as an angular velocity sensor and a vibration sensor may be used. Even if it exists, this invention can be implemented.
また、上記実施形態では、半導体物理量センサとして3層構造(シリコン基板と二枚のガラス基板)のものを例示したが、単層のものや2層、4層以上の多層構造のものを用いることも可能である。 In the above embodiment, the semiconductor physical quantity sensor is exemplified by a three-layer structure (a silicon substrate and two glass substrates). However, a single-layer structure, a two-layer structure, a multilayer structure of four layers or more is used. Is also possible.
さらに、半導体物理量センサに形成される枠部、可動部、固定部、ばね部および支持部のスペック(形状、大きさ、レイアウト等)も適宜に変更可能である。 Furthermore, the specifications (shape, size, layout, etc.) of the frame part, the movable part, the fixed part, the spring part, and the support part formed in the semiconductor physical quantity sensor can be changed as appropriate.
1 加速度センサ(半導体物理量センサ)
3 シリコン基板(半導体基板)
5 可動部
5c 対向壁部
6 固定部
64a ストッパ
64b 対向壁部
δ1〜δ5 間隙部
Tw、Sw 垂直面
Tu、Su 上端部
Td、Sd 下端部
Tp、Sp 頂点
1 Acceleration sensor (Semiconductor physical quantity sensor)
3 Silicon substrate (semiconductor substrate)
5
Claims (3)
前記ストッパと相手側の対向壁部を、前記間隙部の深さ方向に沿う断面視で、互いに対向する仮想的な垂直面の各上端部および下端部から、当該上端部および下端部の範囲内で相手側に接近または離反する位置に設けた頂点をそれぞれ結ぶ線対称形状となるように形成したことを特徴とする半導体物理量センサ。 By forming a gap portion in the semiconductor substrate by etching, a movable portion and a fixed portion that are relatively displaced by the input of a physical quantity are formed, and at least one of the opposing wall portions of the movable portion and the fixed portion is on the other side In the semiconductor physical quantity sensor formed with a stopper that protrudes toward
Within the range of the upper end and the lower end from the upper end and the lower end of the virtual vertical surface facing each other, in cross-sectional view along the depth direction of the gap, the opposing wall on the other side of the stopper The semiconductor physical quantity sensor is formed so as to have a line-symmetric shape connecting the vertices provided at positions approaching or separating from each other.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712 Effective date: 20120116 |