JP2624315B2

JP2624315B2 - 半導体センサ

Info

Publication number: JP2624315B2
Application number: JP63273660A
Authority: JP
Inventors: 恵三山田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1988-10-28
Filing date: 1988-10-28
Publication date: 1997-06-25
Anticipated expiration: 2012-06-25
Also published as: JPH02119270A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は容量型半導体加速度センサに関する。

（従来の技術）従来より半導体加速度センサは、作製されており、例
えば、アイトリプルイ−トランザクションズオンエレク
トロンデバイセズ（IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DE
VICES）、Vol.ED−26,P1911,1979に紹介されている様な
ものがある。

第２図は、その半導体加速度センサの構造を示す。
（ａ）は平面図であり、（ｂ）はその断面図である。通
常、加速度を検出するためには、被加速度検出物に固定
し、加速度を検出するための基準点と、外部からの振動
に追随して振動する、梁、及びおもりを必要とする。従
来の加速度センサにおいては、加速度を検出するため
の、おもり１を加速度センサのほぼ中心部分に形成し、
１つの梁２で支える構造となっている。加速度を検出す
るための梁は、先ず、基板裏面より異方性エッチングを
行ない、適当な方法で途中でエッチングを停止して、シ
リコンの薄膜を作製し、表面より再度異方性エッチング
を行なって、必要形状に形成する。加速度を効率良く検
出するために、梁の先端部分に設けられるおもりは、梁
を作製した際に、残った半導体基板を直接用いるか、も
しくはその表面に金属を厚く盛る事によって形成され
る。半導体基板より、直接おもりを作製する場合には、
基板に〈100〉面配向のシリコンを用い、異方性エッチ
ングを適用して、Ｖ溝をおもりとなる部分の周囲に基板
を貫通するまで堀、固定部分から片持ち梁の部分を除い
て、分離し作製される。更に金属を盛る場合には、金属
を付ける場所を指定するためと、シリコンは電気伝導
性、密着性に乏しく、電気鍍金に必要とされる電流を効
率良く流し、密着層を設けるために、銀もしくはニッケ
ルを予め蒸着し、その後に、電気鍍金法などにより、金
などの重量密度の大きな金属を厚く付ける事が行なわれ
ている。そしてその外周部に、半導体回路を含む加速度
検出のための、固定点28を設けている。そして、おもり
の振動によって生じた、梁の支持部分に生じる応力を、
ゲージ抵抗体29によって電気信号に交換している。

この加速度センサは、上下方向の加速度を検出するた
め、おもり26は基板面に対して上下に変位し、おもりが
振動できる空間を与えるためと、大きな加速度が加えら
れた際に、おもりの破壊を防止するためのカラスの台座
21、およびカバー20が設けられている。

（発明が解決しようとする課題）従来のピエゾ抵抗体を加速度の検出に用いる方式の半
導体加速度センサにおいては、加速度の検出は、外部か
ら加速度信号に対応して、梁の支持部分に生じる応力
を、上記抵抗体の抵抗値の変化を用いて、電気信号に変
換しているため、検出感度は梁の先端に取り付けられ
た、おもりの重量に比例する性質がある。そこで、加速
度の検出感度を上げるためには、比較的大きな質量のシ
リコン、ないしは金属のおもり、梁の先端部分に設ける
事が、必要である。そのため従来の加速度センサにおい
ては、大きなおもりを、センサの中心部分に設置してそ
れを一つの梁で支える構造を採用していた。しかし、加
速度センサは一旦装置に取り付けられた後には、長い年
月の使用に耐えなくてはいけない。よって高い加速度感
度を持つセンサは、必然的に常時梁の支持部分にかかる
応力の大きさも大きいため、長期の使用に当たっては、
信頼性が低くなると言う問題があった。又、通常、基板
にはシリコン〈100〉配向の単結晶を用い、おもり部分
は異方性エッチング法を用いて作製されるため、周囲部
分とおもりの間には、角度が54.7°より成るＶ溝の隙間
があり、必然的にその溝幅は、基板厚に相当する程度に
広い物となり場所をとるという問題があった。更に、セ
ンサを小型化していくと、中心に作製する、おもりの大
きさも小型化しなくてはいけないが、おもりの幅が、ウ
ェハーの厚み程度の長さになってくると、加速度センサ
作製のために用いた基板が〈100〉配向シリコン単結晶
の場合には、横方向の望ましくないエッチングが生じ、
異方性エッチングによって、設計値どうりに、おもりを
残すことが、困難になる。従って、この様に構造物の大
きさが小さくなって来ると、半導体加速度センサの周波
数特性を決定するのに大きな影響を持つおもり重量を、
精度良く設定することが非常に困難であるという問題が
あった。更に、エッチングが良好に実行可能な大きさを
持つおもりを、形成する場合でさえ、任意の重さを持つ
おもりを、固定点となる外周部によって制限された空間
内に、形成することは不可能であり、加速度の検出に必
要な、おもり重量を満たすためには、外周を大きく広げ
る以外に方法がないため、小型化の妨げとなっていた。

以上半導体加速度センサについてだけ述べた。しかし
半導体力センサ、圧力センサ等の力学量センサも同様の
課題がある。また検出したい物理量（例えば温度、光な
ど）をおもりや梁に加わる力学量に変換して検出する半
導体センサが考えられるが、これも同様な課題がある。

本発明の目的は、上記の問題点を除去するために、物
理量検出のために必要とされるおもりを、限られた空間
に有効に形成し、センサの検出感度を上昇させしかも高
い信頼性を持った、センサ構造を提供することにある。

（課題を解決するための手段）本発明は、容量型半導体センサにおいて、中心部分に
計測の基準点となる固定点と前記中心部分の周囲におも
りを有し、かつ、その固定点とおもりを結び付ける梁あ
るいは膜を有するとともに、これらの固定点、おもり、
及び梁あるいは膜が、半導体ウエハの加工により一体形
成されており、かつ、周囲に作られた導電性のおもり表
面とそのおもりに対向配置された基板表面に設けられた
導電体により容量が形成されていることを特徴とする半
導体センサである。

（作用）センサにおいては、計測のため被計測体に力学的接続
をするための、固定点が必要であるが、その大きさは、
物理量を検出するための梁が、十分に固定される程度の
大きさを有していれば良い。よって固定点を従来のセン
サ形状のままで、小さくしてみると、センサの対称性、
つまり重心がおもりの中に位置することが分かる。そこ
で、従来のセンサ構造とは全く逆に、力学的センサの測
定のために固定点を、センサの中心部分の小さな領域に
設定したため、重心位置に固定点を設定することが可能
であり、固定点が非常に小さいにもかかわらず、非常に
安定した構造とすることが出来る。

更に、固定点の周囲にある梁部分以外の半導体部分
は、すべておもりとして活用可能であり、従来の様にチ
ップの周り全てを固定点とした場合に比較して、全体の
チップ面積および重量に対する、おもりの割合を増加さ
せることがはるかに容易である。よって、検出感度を上
げるために必要な、おもりの重量増加が無理なく行なえ
る。更に、おもりの占める面積が大きいため従来の様に
小さな体積の場合と比較して、設計精度を出し易いた
め、素子の感度ばらつきを低減できる。また、この様に
固定点を設置すると、梁を複数設けたり、その長さを稼
ぐ事が容易となり、さらに、指向性や検出感度を上昇さ
せる事が出来る。

（実施例）第１図（ａ）に第１の実施例を示す。（ａ）は半導体
加速度センサの上面斜視図であり、（ｂ）はその側面斜
視図であり、１はおもり部分であり上下方向の加速度が
加えられると、その大きさに比例して、上下運動をす
る。２はおもり１と基準点となる固定部３とを結び付け
る梁である。６はパッケージの一部分を表しており、加
速度センサの固定部３と接続されている。パッケージ
に、任意の台座６を予め設けることにより、おもり１が
振動できる空間を与える。台座の長さは任意である。半
導体加速度センサ固定中心の高さを基板厚さとし、シリ
コンのおもり部分を削って空間を設けても良い。更に、
無加速度状態での、おもり１と台座６との間隙を、適当
に設定することにより、梁２に大きな加速度が加えられ
たときに、おもり１が破壊することを防止するためのス
トッパの役割を台座に兼ねさせることが可能である。

第３図に別の実施例である第２の実施例を示した。こ
のように、２つの梁を設けて、基板面に対して垂直以外
の加速度信号を、無視出来る構造とすることが出来る。
第３の実施例である第４図の様に梁を４つにすれば、更
に指向性を高くすることが可能になる。この様に梁の数
を増加させ、複数の梁を設けることにより、より指向性
の高い加速度センサ構造とすることが可能である。

第１図のセンサは第５図ａ〜ｃに示した製造工程を用
いて作製する。基板には〈110〉配向のＰ型単結晶シリ
コン９を用いる。表面には梁の厚さを決定するために、
Ｎ型のエピ層10を設ける（ａ図）。シリコン基板９の全
面に適当な濃度の不純物を拡散し導電層12を設ける。次
に、拡散工程で表面に形成される酸化膜のうち基板裏面
の酸化膜の一部分を取り除く（ｂ図）。これをマスクと
してKOH、ヒドラジンなどの溶液で異方性エッチングす
る（ｃ図）。エッチングはＮ型エピ層10に予め適当な、
電圧を加え続けておくことにより、自動的にエピ層10と
基板９の界面付近で停止するため、中心の固定部および
周辺のおもり部分以外の、梁となる部分がダイアフラム
状に形成される。さらに上記手法により作製されたダイ
アフラムを、梁状に成形するために、基板上面より、再
度エッチングを施し加速度センサ本体を得る。次に、別
のシリコン基板の表面に拡散もしくは、適当な方法によ
って導電体を付帯させ第１図（ｂ）に示したパッケージ
の一部とし、上記加速度センサ本体と絶縁体を介して結
び付けて、１対のコンデンサを形成し容量型加速度セン
サを得る。

なお第２図に示した従来例などではシリコンだけで
は、おもり26の重量が加速度を検出するのに不十分であ
るため、通常、金などの重量密度の大きな金属をシリコ
ンの上に更に積載している。おもりとして金属を載せる
場合には、通常めっき法が用いられるが、電解鍍金を用
いた場合には、シリコンにめっきに必要とされる良好な
電気の導通を取るためと、おもりを形成する範囲を指
定、および密着強度を向上するために、銀、ニッケルな
どを蒸着したりする。煩雑な前処理を必要とし、コスト
の上昇、歩留まりの減少を伴うという問題があった。し
かし本発明ではこのような金属のメッキは特に必要がな
くなり製造工程が短くできる。なお本発明においても、
検出感度をさらに高くしたいならば金属のメッキをすれ
ばよい。

また実施例においては、おもりの形を４角形に限って
示したが、他の多角形であっても円形、楕円形であって
も構わない。また同様に、梁の本数も、実施例において
は1,2,4本に限って示したが、他の数にしても一向に構
わない。また、対称に設置する必要もない。実施例にお
いては実際の信号を処理する回路部分の詳細な位置は示
されていないが、加速度センサはパッケージごと加速度
信号を受けるため、従来の加速度センサにおいても、お
もり部分であっても固定部分であっても同様な加速度衝
撃を受けるため、中心部分の固定部分のみらなず、周辺
に作製された、広いおもり部分に半導体回路が作製され
ていても構わない。通常、圧電体を用いたような構造の
加速度センサにおいては、等加速度運動を測定すること
が不可能であるが、容量型の場合にはその様な加速度を
測定することが可能である。

このセンサは、上記の様な加速度センサとしてだけで
はなく、おもり部分に直接荷重を加えるような使用法を
することによって、力センサとしてもそのまま機能す
る。よって、これを用いることにより、非常に微小な秤
を作製することが可能となる。直接荷重を加えるには例
えば微小な棒をおもり部分に接触させればよい。また前
述の実施例の場合より梁を厚くすればその分だけ大きな
力を測定できるようになる。例えば前記実施例ではmgオ
ーダの力した測れないとしても梁を厚くしていけばg,kg
オーダの力を測ることができる。

また本発明の半導体センサは加速度、力センサ以外に
圧力も検出できる。つまり梁を形成せずダイアフラムに
すればよい。第５図に示した装置工程でｃ図の工程で止
めれば圧力センサとなる。

さらに本発明のセンサは、何らかの方法で力学量に変
換できれば加速度、力、圧力という力学量以外の物理量
も検出することができる。例えば温度を検出したいとき
は梁の上に梁を構成する半導体と熱膨脹率の異なる材料
（金属、絶縁物など何でもよい）の膜を形成しておく
と、梁がバイメタルの役割を果たしてそりを生じる、す
なわち梁が変位するのでこの変位を容量の変化として検
出すればよい。また力センサとして使う場合微小な棒を
使うことも述べたが、温度等の力学量以外の物理量を棒
の動きに変換できれば検出が可能である。

また強い光が照射されたときに生じる温度変化を前述
の“バイメタル”構造の梁で検出すれば温度を介して光
の強度等を測定できる。すなわち検出したい物理量をい
ったん別の物理量に変換しそれをさらに力学量に変換し
て検出してもよい。

（発明の効果）本発明によれば、従来の加速度センサとは全く逆に、
加速度検出のための基準点をセンサの中心部分に設定し
ているため、固定部分が、従来に比較して小さいにもか
かわらず、センサの構造は非常に安定したものとなって
おり、加速度を検出するための、おもりを中心部分にで
はなく、外周部分に形成しているため、中心部分からの
距離の２乗に比例して、おもりの重さを、増加させるこ
とが可能であり、おもりのための場所を、非常に有効に
活用することが可能であり、おもりのための場所を、非
常に有効に活用することが可能である。よって、従来と
同じ質量のおもりを用いた場合と比較して、チップの面
積を４分の１以下に容易に出来る。この事により、１枚
の基板より作製されるセンサの個数は４倍以上になり、
コストはそれ分の１以下になる。

さらに、通常加速度センサは、用いるおもりの重さに
よって、加速度検出周波数範囲および感度などを可変出
来るが、本発明ではおもりが外周部分に存在し、しかも
従来に比べて大きいため、チップを分離するための、ス
クライプの仕方によって、容易に任意の加速度検出範
囲、および加速度感度を持った加速度センサを精度良
く、得ることが可能である。また本発明では、チップの
大きさとほぼ等しい面積を有する容量を形成できるため
に、非常に大きな加速度検出感度を持つことが出来る。

また、ピエゾ抵抗の応力による抵抗変化を利用した検
出機構とは異なり、容量型においては変位が出力に現れ
るため、梁を破壊するような大きな応力を梁にかけるこ
となく大きな出力を得ることが可能である。よってピエ
ゾ抵抗型に比較して、高い信頼性を持つ。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による第１実施例の加速度センサの斜視
図、第２図は従来の加速度センサの斜視図、第３図は本
発明による第２実施例の加速度センサの斜視図、第４図
は本発明による第３実施例の加速度センサの斜視図、第
５図は本発明の半導体加速度センサの製造工程図。 1,26……おもり、2,27……梁３……基準点（固定部）、４……アルミパッド 5,29……ゲージ抵抗、６……台座９……Ｐ型シリコン基板、10……Ｎ型エピ層 11……酸化シリコン膜、12……拡散層 20……ガラスカバー、21……ガラス台座

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】容量型半導体センサにおいて、中心部分に
計測の基準点となる固定点と前記中心部分の周囲におも
りを有し、かつ、その固定点とおもりを結び付ける梁あ
るいは膜を有するとともに、これらの固定点、おもり、
及び梁あるいは膜が、半導体ウエハの加工により一体形
成されており、かつ、周囲に作られた導電性のおもり表
面とそのおもりに対向配置された基板表面に設けられた
導電体により容量が形成されていることを特徴とする半
導体センサ。