JP2014142267A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、０点オフセットおよび他軸感度が小さく、かつＸ軸方向感度と、Ｙ軸方向感度の比を実質的に等しくできる加速度センサを提供することを目的とするものである。
【解決手段】本発明の加速度センサは、幅Ｗの梁部２６、２６′、２７、２７′と支持フレーム部２５との連結端の中心からＷ以上３Ｗ以下の半径を有する半円状の範囲内において、半導体ピエゾ抵抗素子Ｐと電極パッド２８を拡散導電層にて接続するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は自動車や航空機等の輸送機器や携帯端末等に搭載され、これらの機器に印加される加速度を検出する加速度センサに関する。

上記従来の加速度センサとしては図５（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すようなものがある。図５（ａ）は従来の加速度センサ１の上平面図であり、図５（ｂ）は前記加速度センサ１をパッケージ２に実装した状態におけるａ−ａ線断面図である。また、図５（ｃ）は図５（ｂ）のＡ部拡大図である。図５（ａ）（ｂ）（ｃ）において、加速度センサ１は、エッチング処理によりシリコン基板表裏を貫通する開口３が形成されてなるもので、矩形枠状の支持フレーム部４を備え、支持フレーム部４の内側に配置された重り部５が支持フレーム部４よりも薄肉である４本の梁部６を介して支持フレーム部４に連続一体に連結された構造を有している。ＸＹＺ軸を図のようにとった時、前記各梁部６の表面の所定の位置には、Ｘ軸およびＹ軸方向の加速度を検出する半導体ピエゾ抵抗素子Ｐがイオン打ち込みにより２個ずつ形成されている。これらの半導体ピエゾ抵抗素子Ｐは高濃度イオン打ち込み部７とアルミニウム等からなる金属配線層８を介してブリッジ回路を構成するように接続されるとともに支持フレーム部４上に設けた電極パッド９に接続されている。前記半導体ピエゾ抵抗素子Ｐと前記半導体基板の全面には酸化シリコン１０が保護膜として形成され、さらにこの酸化シリコン１０、前記金属配線層８上には窒化シリコン１１が保護膜として形成されている。

前記支持フレーム部４の裏面は全周にわたって矩形状のストッパ１２の周部に固着されており、重り部５の裏面とストッパ１２との間には重り部５の変位を可能とする隙間が形成されている。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

特開２００５−４９２０８号公報

上記従来の加速度センサ１においては、支持フレーム部４および梁部６の表面には酸化シリコン１０、金属配線層８、窒化シリコン１１の３層が設けられている。そのため、半導体ピエゾ抵抗素子Ｐ相互間および半導体ピエゾ抵抗素子Ｐと電極パッドとは低抵抗で接続できるという利点がある。しかしながら、酸化シリコン１０、金属配線層８、窒化シリコン１１は成膜時の条件によっては常温時においてもシリコン基板、特に梁部６に引張応力または圧縮応力を生ずることがあり、この応力が生ずる場合には梁部６が歪むために、半導体ピエゾ抵抗素子Ｐの抵抗値が変化し、加速度センサ１に加速度が印加されていないにもかかわらずあたかも加速度が印加されているかのような出力が現れる、いわゆる０点オフセットが発生する。さらに、シリコン基板、酸化シリコン１０、金属配線層８、窒化シリコン１１の各々が温度に対してそれぞれ異なる線膨張係数を有するため、半導体ピエゾ抵抗素子Ｐに熱応力が生じ、これにより加速度センサ１の検出電圧の温度ドリフトを招き、検出精度に悪影響を与えるという問題があった。さらに、半導体ピエゾ抵抗素子Ｐは歪がもっとも大きくなる梁部６と支持フレーム部４との連結部および梁部６と重り部５との連結部の近傍に置かれているために、支持フレーム部４から梁部６に印加される応力が等方的であるという理想的な場合以外では、梁部６が長手方向の軸の周りに捩れるために、加速度センサ１にたとえばＸ軸方向の加速度のみが印加された時に、Ｙ軸方向に沿う梁部６が捩れることにより、梁部６に配置した歪抵抗で構成されるブリッジ回路が非平衡となり、あたかもＹ軸方向の加速度が印加されたかのような出力が発生する、いわゆる他軸感度が大きくなるという問題点もあった。

本発明は上記の課題を解決するもので、０点オフセットおよび他軸感度が小さく、かつＸ軸方向の単位加速度に対する感度と、Ｙ軸方向の単位加速度に対する感度の比が実質的に等しい加速度センサを提供するものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有する。

請求項１に記載の発明は、シリコン基板表裏を貫通する開口が形成されてなる支持フレーム部と、前記支持フレーム部の開口内に形成された重り部と、前記支持フレーム部および前記重り部を接続するシリコン薄板よりなる梁部と、前記梁部上に設けられた歪検出素子と、前記支持フレーム部、前記梁部および前記重り部上に形成された金属配線層と、酸化シリコンまたは／および窒化シリコンからなる保護膜とからなる加速度センサであって、前記梁部の幅をＷとしたとき、前記梁部と前記支持フレーム部の連結端の中心からＷ以上３Ｗ以下の半径を有する半円状の範囲内においては前記金属配線層と前記保護膜を形成せず拡散導電層を設けたもので、この構成によれば、前記金属配線層と保護膜が前記梁部と前記支持フレーム部との連結部から一定の距離だけ離して配置されているため、前記金属配線層と前記保護膜が前記梁部と前記支持フレーム部との連結部から梁部基部に作用する応力が所定の範囲に収まることにより、０点オフセットおよび他軸感度が小さく、かつＸ軸方向の単位加速度に対する感度と、Ｙ軸方向の単位加速度に対する感度の比を実質的に等しくできるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項２に記載の発明は、特に、前記梁部と前記重り部との連結端の中心からＷ以上３Ｗ以下の半径を有する半円状の範囲内においては前記金属配線層と前記保護膜を形成せず拡散導電層を設けたもので、この構成によれば、前記金属配線層と保護膜が前記梁部と前記重り部との連結部から一定の距離だけ離して配置されているため、前記金属配線層と前記保護膜が前記梁部と前記重り部との連結部から梁部基部に作用する応力が所定の範囲に収まることにより、０点オフセットおよび他軸感度をさらに小さく、かつＸ軸方向の単位加速度に対する感度と、Ｙ軸方向の単位加速度に対する感度の比を実質的に等しくできるという作用効果を有するものである。

以上のように本発明の加速度センサは、シリコン基板表裏を貫通する開口が形成されてなる支持フレーム部と、前記支持フレーム部の開口内に形成された重り部と、前記支持フレーム部および前記重り部を接続するシリコン薄板よりなる梁部と、前記梁部上に設けられた歪検出素子と、前記支持フレーム部、前記梁部および前記重り部上に形成された金属配線層と、酸化シリコンまたは／および窒化シリコンからなる保護膜とからなる加速度センサであって、前記梁部の幅をＷとしたとき、前記梁部と前記支持フレーム部の連結端の中心からＷ以上３Ｗ以下の半径を有する半円状の範囲内においては前記金属配線層と前記保護膜を形成せず拡散導電層を設けたもので、前記保護膜が前記梁部と前記支持フレーム部との連結部から一定の距離だけ離して配置されているため、前記金属配線層と前記保護膜が前記梁部と前記支持フレーム部との連結部から梁部基部に作用する応力が所定の範囲に収まることにより、０点オフセットおよび他軸感度が小さく、かつＸ軸方向の単位加速度に対する感度と、Ｙ軸方向の単位加速度に対する感度の比を実質的に等しくできるという優れた効果を奏するものである。

（ａ）本発明の実施の形態１における加速度センサの平面図、（ｂ）同センサのｂ−ｂ線断面図 （ａ）本発明の実施の形態１における加速度センサのＢ部拡大平面図、（ｂ）同センサのＢ部拡大断面図 本発明の実施の形態１における加速度センサの、領域Ｒの半径ｒと、梁部の幅Ｗとの比、ｒ／Ｗに対する加速度センサの特性比の変化を示す図 本発明の実施の形態２における加速度センサの平面図 （ａ）従来の加速度センサの上平面図、（ｂ）同加速度センサをパッケージに実装した状態におけるａ−ａ線断面図、（ｃ）同加速度センサのＡ部拡大図

（実施の形態１）
以下、実施の形態１を用いて、本発明の特に請求項１に記載の発明について説明する。図１（ａ）は本発明の実施の形態１における加速度センサ２１の上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の同センサ２１におけるＸ軸に平行なｂ−ｂ線断面図を示す。また、図２（ａ）は同センサ２１におけるＢ部拡大図であり、図２（ｂ）は同センサ２１におけるＢ部のＸ軸に平行なｂ−ｂ線断面図を示す。

図１、図２において、２２は加速度センサ本体であり、ＸＹ平面に平行に配置されたｎ型シリコン単結晶基板をエッチング処理して基板表裏を貫通する開口２３を形成することにより、重り部２４とそれを囲むように配された支持フレーム部２５と、薄肉で前記重り部２４および支持フレーム部２５とを接続するＸ軸に平行な第１、第２の梁部２６、２６′と、薄肉で前記重り部２４および支持フレーム部２５とを接続するＹ軸に平行な第３、第４の梁部２７、２７′とが形成されている。支持フレーム部２５上であって、前記第１の梁部２６と支持フレーム部２５との連結端、前記第２の梁部２６′と支持フレーム部２５との連結端、前記第３の梁部２７と支持フレーム部２５との連結端、前記第４の梁部２７′と支持フレーム部２５との連結端の中心から各々後述の半径ｒを有する半円状の範囲を領域Ｒとする。

前記第１の梁部２６の両端表面部にホウ素等のイオン注入を行うことにより、Ｘ軸方向の加速度を検出するためのｐ型の半導体ピエゾ抵抗素子Ｐ１１、Ｐ１２が形成されている。同様に、前記第２の梁部２６′の両端表面部にはＸ軸方向の加速度を検出するためのｐ型の半導体ピエゾ抵抗素子Ｐ１３、Ｐ１４が形成されている。前記半導体ピエゾ抵抗素子Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３、Ｐ１４の両端にはホウ素等のイオンを高濃度に注入して構成される拡散導電層３２が形成されるとともに、前記半導体ピエゾ抵抗素子Ｐ１１およびＰ１４の支持フレーム部２５に近い側の拡散導電層３２は支持フレーム部２５上の前記領域Ｒ内に延長されている。

同様にして、前記第３、第４の梁部２７、２７′の両端表面部にホウ素等のイオン注入を行なうことにより、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の加速度を検出するためのｐ型の半導体ピエゾ抵抗素子Ｐ２１、Ｐ３１、Ｐ２２、Ｐ３２、Ｐ２３、Ｐ３３、Ｐ２４、Ｐ３４が形成されている。前記半導体ピエゾ抵抗素子Ｐ２１、Ｐ３１、Ｐ２２、Ｐ３２、Ｐ２３、Ｐ３３、Ｐ２４、Ｐ３４の両端にはホウ素等のイオンを高濃度に注入して構成される拡散導電層３２が形成されるとともに、前記半導体ピエゾ抵抗素子Ｐ２１、Ｐ３１およびＰ２４、Ｐ３４の支持フレーム部２５に近い側の拡散導電層３２は支持フレーム部２５上の前記領域Ｒ内に延長されている。

この加速度センサ本体２２の表面のうち、前記領域Ｒ以外の部分は酸化シリコン３３で被覆され、前記半導体ピエゾ抵抗素子Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３、Ｐ１４は前記領域Ｒ以外では拡散導電層３２と、前記酸化シリコン３３上に延伸するアルミニウム等からなる金属配線層３１を介して、前記領域Ｒ内では拡散導電層３２を介してブリッジ回路を構成するように接続されるとともに支持フレーム部２５上に設けた電極パッド２８に接続されている。さらに前記酸化シリコン３３と金属配線層３１上には前記領域Ｒを除いて窒化シリコン３４が形成されている。同様にして、前記半導体ピエゾ抵抗素子Ｐ２１、Ｐ３１、Ｐ２２、Ｐ３２、Ｐ２３、Ｐ３３、Ｐ２４、Ｐ３４は前記領域Ｒ以外では拡散導電層３２と、前記酸化シリコン３３上に延伸するアルミニウム等からなる金属配線層３１を介して、前記領域Ｒ内では拡散導電層３２を介してブリッジ回路を構成するように接続されるとともに支持フレーム部２５上に設けた電極パッド２８に接続されている。さらに前記酸化シリコン３３と金属配線層３１上には前記領域Ｒを除いて窒化シリコン３４が形成されている。

前記支持フレーム部２５の裏面は全周にわたって矩形状のストッパ２９の周部に固着されており、重り部２４の裏面とストッパ２９との間には重り部２４の変位を可能とする隙間が形成されている。前記ストッパ２９はエポキシ系の熱硬化性接着フィルムを熱硬化させて形成されている。

図３は前記領域Ｒの半径ｒと、前記梁部２６、２６′、２７、２７′の幅Ｗとの比、ｒ／Ｗに対する加速度センサの特性比を測定した結果である。ここで、測定した特性は０点オフセット４１、他軸感度４２、Ｘ軸方向の単位加速度に対する感度とＹ軸方向の単位加速度に対する感度の比であるＹ軸感度／Ｘ軸感度４３である。ここで、加速度センサの特性比とは、ｒ＝０、すなわち領域Ｒが設けられていない加速度センサと、所定の半径ｒの半円状の領域Ｒが設けられた加速度センサとの特性値、たとえば０点オフセット値の比である。図３から、ｒ／Ｗが大きくなるにつれて加速度センサの０点オフセット４１および他軸感度４２は低下、すなわち良化していることが分かる。特に、０点オフセット４１および他軸感度４２はｒ／Ｗが０から１までの範囲で急速に低下し、ｒ／Ｗが１以上では漸減している。これは、領域Ｒの半径ｒが大きくなるにつれ、酸化シリコン３３、金属配線層３１、窒化シリコン３４の伸張／圧縮応力の梁部２６、２６′、２７、２７′に対する影響が小さくなるためと考えられる。一方、Ｙ軸感度／Ｘ軸感度４３はｒ／Ｗが大きくなるにつれてゆっくりと低下、すなわち悪化し、ｒ／Ｗが３以上になると急速に低下している。これは、領域Ｒの半径ｒの半円状の切り欠き部が小さい時にはＹ軸感度／Ｘ軸感度４３は酸化シリコン３３、金属配線層３１、窒化シリコン３４の伸張／圧縮応力により実質的に決まるのに対して、領域Ｒの半径ｒが大きい時にはＹ軸感度／Ｘ軸感度４３は酸化シリコン３３、金属配線層３１、窒化シリコン３４の伸張／圧縮応力の影響を受けることが少なくなり、梁部２６、２６′、２７、２７′に働く応力は梁部２６、２６′、２７、２７′に形成された金属配線やパッド等の構成物からのものが支配的になるためと考えられる。本発明においては、領域Ｒの半径ｒをＷ以上から３Ｗ以下とすることにより、０点オフセット４１、他軸感度４２を効果的に低下できるとともにＹ軸感度／Ｘ軸感度４３の低下を初期値の１０％低下に抑えることができるものである。また、拡散導電層の抵抗率は金属配線層の抵抗率より大きいものの、領域Ｒを通る拡散導電層は短いため、加速度センサの特性に及ぼす影響は小さいものである。

本発明では、酸化シリコン、金属配線層、窒化シリコンが梁部と支持フレーム部との連結部から一定の距離だけ離して配置されているため、酸化シリコン、金属配線層、窒化シリコンが前記梁部と前記支持フレーム部との連結部から梁部基部に作用する応力が所定の範囲に収まることにより、０点オフセットおよび他軸感度が小さく、かつＸ軸方向の単位加速度に対する感度と、Ｙ軸方向の単位加速度に対する感度の比を実質的に等しくできるという効果が得られるものである。

（実施の形態２）
以下、実施の形態２を用いて、本発明の特に請求項２に記載の発明について説明する。図４は本発明の実施の形態２における加速度センサ５１の平面図を示す。なお、この本発明の実施の形態２における加速度センサ５１において、上記した本発明の実施の形態１における加速度センサ２１の構成と同様の構成を有するものについては、同一符号を付しており、その説明は省略する。図４において、本発明の実施の形態２における加速度センサ５１が上記した本発明の実施の形態１における加速度センサ２１と相違する点は、梁部２６、２６′、２７、２７′と前記重り部２４との連結端の中心からＷ以上３Ｗ以下の半径を有する半円状の範囲内を領域Ｒ′とすると、領域Ｒ′内では前記領域Ｒ内と同様に、前記半導体ピエゾ抵抗素子Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３、Ｐ１４は拡散導電層３２を介して接続されるとともに、支持フレーム部２５上に設けた電極パッド２８に接続されており、金属配線層３１、酸化シリコン３３、窒化シリコン３４が形成されていない点である。この構成によれば、酸化シリコン、金属配線層、窒化シリコンが梁部と重り部との連結部から一定の距離だけ離して配置されているため、酸化シリコン、金属配線層、窒化シリコンが前記梁部と前記重り部との連結部から梁部基部に作用する応力が所定の範囲に収まることにより、０点オフセットおよび他軸感度がさらに小さく、かつＸ軸方向の単位加速度に対する感度と、Ｙ軸方向の単位加速度に対する感度の比を実質的に等しくできるという効果が得られるものである。

本発明に係る加速度センサは、シリコン基板表裏を貫通する開口が形成されてなる支持フレーム部と、前記支持フレーム部の開口内に形成された重り部と、前記支持フレーム部および前記重り部を接続するシリコン薄板よりなる梁部と、前記梁部上に設けられた歪検出素子と、前記支持フレーム部、前記梁部および前記重り部上に形成された金属配線層と、酸化シリコンまたは／および窒化シリコンからなる保護膜とからなる加速度センサであって、前記梁部の幅をＷとしたとき、前記梁部と前記支持フレーム部の連結端の中心からＷ以上３Ｗ以下の半径を有する半円状の範囲内においては前記金属配線層と前記保護膜を形成せず拡散導電層を設けたもので、酸化シリコン、金属配線層、窒化シリコンが梁部と支持フレーム部との連結部から一定の距離だけ離して配置されているため、酸化シリコン、金属配線層、窒化シリコンが前記梁部と前記支持フレーム部との連結部から梁部基部に作用する応力が所定の範囲に収まることにより、０点オフセットおよび他軸感度が小さく、かつＸ軸方向の単位加速度に対する感度と、Ｙ軸方向の単位加速度に対する感度の比を実質的に等しくできるという優れた効果を有するものであり、特に、自動車や航空機等の輸送機器や携帯端末等に用いてこれらの機器に働く互いに直交する加速度を検出する加速度センサとして有用なものである。

２１ 加速度センサ
２４ 重り部
２５ 支持フレーム部
２６、２６′、２７、２７′ 梁部
３１ 金属配線層
３２ 拡散導電層
３３ 酸化シリコン
３４ 窒化シリコン

Claims (2)

1. シリコン基板表裏を貫通する開口が形成されてなる支持フレーム部と、
   前記支持フレーム部の開口内に形成された重り部と、
   前記支持フレーム部および前記重り部を接続するシリコン薄板よりなる梁部と、
   前記梁部上に設けられた歪検出素子と、
   前記支持フレーム部、前記梁部および前記重り部上に形成された金属配線層と、酸化シリコンまたは／および窒化シリコンからなる保護膜とからなる加速度センサであって、
   前記梁部の幅をＷとしたとき、
   前記梁部と前記支持フレーム部の連結端の中心からＷ以上３Ｗ以下の半径を有する半円状の範囲内においては前記金属配線層と前記保護膜を形成せず拡散導電層を設けたことを特徴とする加速度センサ。
2. 前記梁部と前記重り部との連結端の中心からＷ以上３Ｗ以下の半径を有する半円状の範囲内においては前記金属配線層と前記保護膜を形成せず拡散導電層を設けたことを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。

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