JP2765610B2 - 半導体振動・加速度検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】この発明は、例えば自動車の加速
度状態、揺れの状態等を検出し、その検出信号を効果的
に処理して各種制御等に使用されるようにする半導体振
動・加速度検出装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】従来、加速度や振動等の外力を受けると
可動部が変位し、その変位により外力の大きさや方向を
検出する加速度センサ，振動センサ等の力学量検出セン
サが知られている。これら力学量検出センサは、機械的
に作動する可動部を有しているため、それを保護する保
護部材が必要であった。従来その保護部材として金属性
のカンが用いられており、可動部の設けられたセンサを
カンによりパッケージングするようにしている。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、保護部
材としてカンを用いることにより、溶接等のカンを取り
付けるための専用工程が必要となり、センサとしての製
造工程が複雑になってしまうといった問題が発生する。
さらに金属性のカンを用いることで、製品コストが上が
ってしまう問題、また、カンパッケージ型センサをプリ
ント基板に搭載する際には、その組み付けラインにおい
て、専用の組み付け装置が必要となるため、製造コスト
アップにつながる、あるいは、組み付け時間がかかると
いった問題点もある。 【０００４】従って、本発明は上記問題点に鑑みなされ
たものであり、従来使用のカンを用いず可動部を好適に
保護しつつ、プリント基板などに搭載する場合に特別な
専用組み付け装置を利用しなくても、搭載性を飛躍的に
向上させることができる半導体振動・加速度検出装置を
提供するこを目的とする。 【０００５】 【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本願発明は、 半導体基板に対して蓋材を配置するこ
とで得られる密閉空間を有し、この密閉空間内におい
て、前記半導体基板に物理量の作用に伴い作動する可動
部を可動状態で設けるとともにこの可動部の変位を検出
する検出手段を設けた１つのパッケージとして構成され
る密閉構造体と、 この密閉構造体が配置されるリードフ
レームと、 前記可動部が変位した際の前記検出手段の検
出作動に基づく信号を適宜前記リードフレームを介して
外部へ出力する信号導出手段と、 少なくとも前記リード
フレームの端部を残して前記密閉構造体の露出表面全体
を完全に覆う樹脂からなる封止部材と、 を備えることを
特徴とする。 【０００６】 【発明の作用効果】本発明によると、密閉空間内におい
て可動部は、被検出振動・加速度といった物理量の作用
に伴い作動する。検出手段は、可動部の作動に伴う変位
を検出作動し、この検出手段の検出作動に基づく信号は
適宜リードフレームを介して外部へ出力される。 このよ
うな本発明では、密閉構造体がリードフレームに配置さ
れ、少なくともリードフレームの端部を残して密閉構造
体の露出表面全体が樹脂からなる封止部材により完全に
覆われているので、従来使用のカンを用いず可動部を好
適に保護しつつ、プリント基板などに搭載する場合に特
別な専用組み付け装置を利用しなくても、搭載性を飛躍
的に向上させることができる。 【０００７】 【実施例】以下、図面を参照してこの発明の一実施例を
説明する。図１（Ａ），（Ｂ）及び図２（Ａ），（Ｂ）
は感知ビームのストッパ構造及び封止構造の一例を示し
ている。図１（Ａ）は後に示す図４と同様のもので、シ
リコン基板からなるＩＣチップ４０内にＸ方向検出部４
１，Ｙ方向検出部４２，Ｚ方向検出部４３，検出処理回
路部４４及び外部接続様パッド部４５，４６を有する。
特に、Ｘ，Ｙ方向検出部４１，４２において各ビーム４
１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂを夫々一個ずつ枠部にて
区画して設け、この枠部の端面をストッパー部４１ｃ，
４１ｄ，４２ｃ，４２ｄとして利用した構造をもつ。そ
の際、各ビームの先端にある質量部とストッパー部４１
ｃ，４１ｄ，４２ｃ，４２ｄとの間隔が、検出される許
容加速度や振動を考慮して適宜設定されている。そして
各ビーム４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂには図示して
いないが図８（Ｂ）に示す如きピエゾ抵抗素子が形成さ
れ、各ビーム４３ａ，４３ｂには図８（Ａ）に示す如き
ピエゾ抵抗素子が形成され、これらのピエゾ抵抗素子は
図示していない電気配線を介して検出処理回路部４４に
接続されている。またこの検出処理回路部４４と外部と
の入出力は外部接続用パッド部４５，４６を介して行わ
れる。 【０００８】また、図１（Ｂ）はＩＣチップ４０上面に
所定形状の空間５１がエッチング形成されたシリコン基
板又はシリコンと熱膨張係数の近似したガラス製の上蓋
５０が固着された状態を示す図である。図（Ｂ）中の破
線部が空間５１の外郭ラインを示し、この外郭ラインが
図１（Ａ）中の一点鎖線Ｌとー致するように組付けら
れ、この空間５１内に各検出部４１, ４２, ４３及び検
出処理回路部４４が露出するように配置されている。ま
たＩＣチップ４０の下面にはシリコン基板又はシリコン
と熱膨張係数の近似したガラス製の下蓋６０が固着され
ている。 【０００９】また図２（Ａ）は図１（Ａ）中のＣ−Ｃ断
面図で、この場合ＩＣチップ４０，上蓋５０及び下蓋６
０を含む断面図である。下蓋６０の上面にも空間６１が
エッチング形成され、この空間６１が上蓋５０側の空間
５１と連通して、１つの密閉空間が上蓋５０と下蓋６０
とによって形成されている。またビーム４３ａの質量部
４３ｅと対向する面がストッパー部４３ｃ，４３ｄとし
て設定され、両者の間隔がそれぞれ等しく設定され、か
つその間隔が許容加速度等を考慮して適宜設定されてい
る。そしてこの空間５１，６１による密閉空間にはシリ
コンオイル等の振動制動材が必要に応じて封入される。
なお、上蓋５０及び下蓋６０の固着には陽極接合，樹脂
やガラス，半田等による接着技術を利用できる。また、
図２（Ｂ）はビーム４３ａの質量部４３ｆとして半田等
の金属層を形成し、また下蓋６０の上面をエッチング処
理しない例を示す。なお、２２Ａは拡散形成されたピエ
ゾ抵抗素子、６１Ａは空間を示す。 【００１０】次に、図３は図１，２に示すように一体化
したセンサチップを樹脂封止した構造を示す。ＩＣチッ
プ４０，上蓋５０、及び下蓋６０からなるセンサチップ
をリードフレーム７０上に固着すると共に、所定部位に
ワイヤボンディング線７５を接続し、このセンサチップ
を樹脂８０にてモールド成型（樹脂封止）したもので、
一種のチップキャリア素子として構成できる。それによ
ってプリント板や印刷基板上に種々のチップ素子と同様
にして実装でき、搭載性を飛躍的に向上させ得る。 【００１１】以下、加速度を検出する検出装置の詳細を
説明する。図４は振動さらに加速度を検出する検出装置
を内蔵したＩＣチップの平面的な構成を示すものであ
り、半導体基板１１には、Ｘ方向検出部１２、Ｙ方向検
出部１３、Ｚ方向検出部１４が平面的に配列形成される
ものであり、その他に例えば上記各検出部からの検出信
号を処理する情報処理回路、増幅回路等の周辺ＩＣ回路
部１５が形成されるようになっている。 【００１２】上記各検出部１２〜１４は、それぞれ機械
的な振動、加速度によって変位され振動する可動部、す
なわちそれぞれ複数のビーム１２ａ、１２ｂ、…、１３
ａ、１３ｂ、…、１４ａ、１４ｂ、…によって構成され
ているもので、そのビーム部分は図５に取り出して示す
ように構成されている。まず、図５の（Ａ）はＺ方向す
なわちＩＣチップ１１の面に対して垂直方向の変位を検
出する検出部１４を構成するビーム部１６を示すもの
で、このビーム部１６はチップ１１を構成するシリコン
基板を、薄く細長い板状にエッチングによって切出して
形成され、チップ１１と同ーの平面部を有し、この平面
に垂直の方向の変位のみを許容できる構造となってい
る。そして、このビーム部１６の先端部分には、質量部
１７が一体的に形成され、チップ１１がその表面と垂直
方向に振動した場合、その振動によってビーム１６が振
動されるようになっている。 【００１３】また、図５の（Ｂ）はチップ１１の表面に
一致する方向の振動を検出するＸ方向およびＹ方向の検
出部１２および１３の特にＸ方向検出部１２のビーム部
１８を示すもので、このビーム１８は上記ビーム部１６
と直角の方向に平面を有する細長い板状体によって構成
される。そして、このビーム部１８の先端部分には質量
部１９が形成されている。この場合、上記検出部１２お
よび１３を構成するビームは、互いに直角の方向に延び
るように設定されているもので、チップ１１の表面に平
行なＸ方向およびＹ方向の振動および加速度によって、
これらビームが選択的に変位されるものである。 【００１４】ここで、上記各検出部１２〜１４をそれぞ
れ構成する複数のビーム１２ａ、１２ｂ、…、１３ａ、
１３ｂ、…、１４ａ、１４ｂ、…はそれぞれ各検出部内
で長さが異なるように設定されているもので、それぞれ
Ｘ、Ｙ、Ｚの各方向の広い周波数範囲の振動に対して共
振できるビームが存在するようになっている。ここで、
各ビームにおける固有の振動数ｆｏは、図６に示すよう
にビームの振動方向の厚さをａ、その長さをＬ、質量を
ｍ、ビームの幅を図５（Ｂ）で示すようにｂとした場
合、 【００１５】 【数１】 【００１６】で表現される。この固有振動数は、ビーム
幅、厚さ、長さ、さらに質量によって自由に選定できる
ものであり、また各検出部１２〜１４を構成する複数の
ビームの長さ等を組合わせることによって、検出振動ス
ペクトルを自由に設定できるものである。そして、上記
Ｘ方向検出部１２、Ｙ方向検出部１３、およびＺ方向検
出部１４によって、図７で示すＸ、Ｙ、Ｚの３次元方向
の振動および加速度状態をそれぞれ検出できるようにな
るものである。 【００１７】上記のような各検出部１２〜１４をそれぞ
れ構成するビームは、それぞれＩＣチップ１１を構成す
るシリコンウエハからエッチングによって切り出し形成
されるもので、図８はその製造過程を示している。この
例は特にＺ方向検出部１４を構成するビームを作り出す
場合を示しているもので、まず（Ａ）図で示すように厚
さ４００から６００μｍのＮ型２〜３Ω・ｃｍ（１１
０）のシリコン基板２１の主表面部に対して、通常のＩ
Ｃ製造プロセスによってＭＯＳトランジスタ、バイポー
ラトランジスタ等による周辺回路部１５と共に、変位を
検出するＰ型拡散抵抗によるピエゾ抵抗層２２を形成
し、このピエゾ抵抗層２２からの信号導出用のアルミニ
ウムによる配線層２３を形成する。この場合、上記シリ
コン基板２１の表面および裏面には、絶縁膜として酸化
膜２４、２５が形成されている。この表面側の酸化膜２
４は、詳細は図示されていないが、例えば図４で示した
Ｚ方向検出部１４の可動部材のパターンを形成されるよ
うに一部除去されているものであり、また裏面側の酸化
膜２５はビームを形成する部分に対応して除去されてい
る。具体的には検出部１４の構成範囲で除去されてい
る。そして、この酸化膜２４および２５をマスクとして
シリコン基板２１を両面から異方性アルカリエッチング
により除去し、その裏面部に（Ｂ）図で示すように空間
２６が形成される。 【００１８】シリコン基板２１の面方向（１１０）を利
用した場合、この（１１０）面に対する異方性ＫＯＨの
アルカリエッチングに対して９０°の角度をもって垂直
にシリコン基板２１がエッチングされ、（１１１）面を
もつ垂直の深い溝が形成されるような状態となる。また
このとき、（１１０）面において垂直方向にエッチング
された２つの（１１１）面の形成する角度は約１０９°
であり、Ｘ、Ｙ方向の振動、加速度の分離は可能な状態
となる。 【００１９】そして、このエッチングによって上記した
ようにシリコン基板２１の裏面に空間２６が形成される
ようになると共に、表面の酸化膜２４によるパターンに
したがって、各ビーム１４ａ、１４ｂ、…部分が切出さ
れるようになる。上記エッチング工程において異方性エ
ッチングではなく、例えばフッ酸、硝酸系のシリコンエ
ッチング液を用いれば、面方位に止どまらず、どのよう
な形状に対しても適応できるようになる。この場合、金
や白金等をマスクとして用いるようにする。 【００２０】（Ｂ）図の空間２６は加速度、振動の検出
に際して可動部分が接触しないように設定されるもの
で、１００〜２００μｍの深さで形成される。そして、
この空間２６を形成する部分に対して、ＳｉＯ₂ 、Ｓｉ
₃ Ｎ₄ 等の膜２７を形成する。次に、（Ｃ）図に示すよ
うに酸化膜２４および膜２７を部分的に除去してマスク
を形成し、配線部２３をワックス等で保護して露出した
シリコン基板２１を表面および裏面から前記したと同様
にエッチングする。このとき、表面および裏面から同時
にエッチングが進行することによって、貫通領域が形成
されたときにこのエッチングを停止させる。 【００２１】すなわち、（Ｄ）図で示すように図４で示
したビーム１４ａと１４ｂとが分離して形成されるよう
になるもので、裏面の酸化膜２７によるパターンにした
がって、肉薄のビーム部材２８ａ，２８ｂ，が形成さ
れ、また酸化膜２７が残っている部分で質量部２９ａ，
２９ｂが形成されるようになる。すなわち、このビーム
１４ａおよび１４ｂはそれぞれ矢印で示すように振動変
位できるようになるものであり、その変位状態はそれぞ
れピエゾ抵抗層２２によって電気的に検出されるように
なる。 【００２２】さらに、この成形後のシリコン基板全面に
対し、等方性のエッチングである弗硝酸系によるウェッ
トエッチングあるいは等方性のプラズマエッチングの処
理を短時間施し、ビーム部材２８ａ，２８ｂ，質量部２
９ａ，２９ｂの表面をなめらかにすると共に、ビーム部
材２８ａ，２８ｂの根元のコーナー部にまるみを形成す
るのが望ましい。このことは、前記したアルカリエッチ
ングの場合、結晶方位による異方性エッチングであり、
特にエッチング部のコーナー部が鋭角になり、応力集中
による耐強度性が低下するため、それを改善するもので
ある。 【００２３】図９の（Ａ）は上記ビーム部に対して設定
されるーピエゾ抵抗層２２の状態を示すものであるが、
この形状は、例えば４本のピエゾ抵抗素子を形成し、こ
れをブリッジ接続されるようにしてもよいものである。
その他、感度等を調整するために、種々の結晶方向にピ
エゾ抵抗素子を形成するようにしてもよいことはもちろ
んである。 【００２４】図１０はＸおよびＹ方向の振動変位を検出
する検出部１２および１３の可動部材であるビームを構
成する場合を示しているもので、図８の（Ｂ）の状態と
同様にされたシリコン基板２１に対して（Ａ）図のよう
に酸化膜２４および膜２７によるマスクパターンを形成
する。この場合、パターンは図５の（Ｂ）で示したよう
な肉薄のビーム部と質量部を有する形状に設定されるも
のである。そして、この状態でシリコン基板２１の両面
から前記同様にエッチングすると、（Ｂ）図に示すよう
に例えばビーム１２ａおよび１２ｂが形成されるもの
で、水平方向の振動および加速度を検出するビーム部３
０ａ、３０ｂ、さらに質量部３１ａ、３１ｂが形成され
るものである。そして、この場合の細条のピエゾ抵抗層
２２は、例えば、図９の（Ｂ）のようにビーム部３０ａ
の中心線に沿って形成せずに中心線から一方に外して形
成され、ビームの変位方向も識別可能にするものであ
る。この場合、上記ピエゾ抵抗素子２２は加速度の方向
を規定するために、圧縮および引張りに対して逆の抵抗
変化をするように配置してある。 【００２５】尚、これまで説明した実施例にあっては、
長さ等の異なる複数のビームによって構成した複数のビ
ームによる可動部材によって、振動、加速度等を検出す
るように構成しているものであるが、これは各ビームの
値を計算することによって検出精度が向上される。しか
し、単純に振動あるいは加速度の存在を検出するもので
あれば、Ｘ、Ｙ、Ｚ、の各方向に対応してそれぞれ１本
のビームによって各検出部を構成するようにしてもよ
い。また、実施例では各ビームを片持の状態で示してい
るが、これはもちろん両持ちビーム構造であってもよい
ものであり、その他の任意可動形状のものでも可能であ
る。 【００２６】

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の一実施例による半導体基板の封止構造
の説明に係る図である。 【図２】本発明の一実施例による半導体基板の封止構造
の説明に係る図である。 【図３】本発明の一実施例による半導体基板の封止構造
の説明に係る図である。 【図４】本発明の一実施例に係る振動・加速度検出装置
を示す平面図である。 【図５】検出装置の可動部材を構成するビーム部を示す
図である。 【図６】ビーム部の固有振動数を説明する図である。 【図７】検出振動方向を示す図である。 【図８】ビームの製造工程を示す図である。 【図９】ビームに設定されるピエゾ抵抗層の状態を示す
図である。 【図１０】他のビームの製造工程を示す図である。 【符号の説明】 ２２ ピエゾ抵抗層 ４０ ＩＣチップ ４３ａ ビーム ４３ｅ 質量部 ５０ 上蓋 ５１ 空間 ６０ 下蓋 ６１ 空間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−99356（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−92671（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−46846（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−79281（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−129318（ＪＰ，Ａ) 実開 昭55−101065（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 （１）半導体基板に対して蓋材を配置することで得られ
   る密閉空間を有し、この密閉空間内において、前記半導
   体基板に物理量の作用に伴い作動する可動部を可動状態
   で設けるとともにこの可動部の変位を検出する検出手段
   を設けた１つのパッケージとして構成される密閉構造体
   と、 この密閉構造体が配置されるリードフレームと、 前記可動部が変位した際の前記検出手段の検出作動に基
   づく信号を適宜前記リードフレームを介して外部へ出力
   する信号導出手段と、 少なくとも前記リードフレームの端部を残して前記密閉
   構造体の露出表面全体を完全に覆う樹脂からなる封止部
   材と、 を備える ことを特徴とする半導体振動・加速度検出装
   置。