JPH02309259A

JPH02309259A - 半導体加速度センサ

Info

Publication number: JPH02309259A
Application number: JP12863989A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Kaneko; 金子　洋之; Toshiaki Shinohara; 俊朗篠原
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1989-05-24
Filing date: 1989-05-24
Publication date: 1990-12-25
Anticipated expiration: 2011-03-27
Also published as: JPH0830718B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）この発明は、片持梁式の半導体加速度センサに関する。

（従来の技術）従来の片持梁式の半導体加速度センサとしては、例えば
第１０図ないし第１２図に示すようなものがある（　ｒ
　Ａ　　Ｂ　ａｔｃｈ　−Ｆ　ａｂｒｌｃａｔｅｄ　Ｓ
　ｔｌｉｅｏｎＡｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒＪ　Ｉ　Ｅ
ＥＥ　　ＥＤ−２６，ｉ、ｉ　２゜ｐ１９１１．Ｄｅｃ
、１９７９）。

第１０図中、４１はＳｔ基板であり、Ｓｉ基板４１には
、その裏面側及び表面側からエツチング加工が施されて
基板両面間にギャップ部４２が貫通され、一端が固定部
４３に支持された片持梁・４４が形成され、その片持梁４４の先端部には被検出加
速度が加わる質量部４５が形成されている。

４６は裏面エツチング用のマスクである。また、片持梁
４４上には、図示省略の拡散層抵抗により加速度検出用
のピエゾ抵抗が形成されている。このように、従来の半
導体加速度センサは、Ｓｆ基板４１上に片持梁４４及び
質量部４５等が平面的に形成されている。

そして、使用時において、質量部４５に加速度が加わる
と、質量部４５が変位して片持梁４４がたわみ、片持梁
４４の表面部に加速度に比例した応力が発生する。この
応力によりピエゾ抵抗の抵抗値が変化し、この抵抗値変
化から加速度が検出される。

このように、半導体加速度センサは、加速度が加わると
片持梁４４がたわんで質量部４５が上下に変位する。こ
のため、第１１図に示すように、Ｓｔ基板４１の表面部
及び裏面部には、過大Ｇから片持梁４４を保護するため
の上部ストッパ４７及び下部ストッパ４８が質量部４５
の変位する微小な間隔を保って取付けられている。

（発明が解決しようとする課題）従来の半導体加速度センサは、Ｓｉ基板の裏面側及び表
面側からのエツチング加工を必要とするため、両面アラ
イメント等の複雑なプロセスが必要となり、また質量部
と微小な間隔を保って取付けることの必要なストッパを
後工程で付は加えねばならず、その取付けが困難で歩留
り低下を招き、コスト高になるという問題があった。

また、片持梁及び質量部がＳｉ基板の表面部に平面的に
形成されているため、その表面に対し垂直方向の加速度
を検出する半導体加速度センサだけしか作り得ず、例え
ばＸ、Ｙの２次元方向に感度を有するセンサ部を単一の
Ｓｔ基板上に同時に形成することはできなかった。

さらに、第１２図に示すように、質量部４５の重心４９
が片持梁４４の延長上からｈだけ下方にずれた位置にあ
るため、他軸感度、即ちＸ方向の加速度Ａｘにも感度が
生じてしまう。これをさらに説明すると、ＸＳＶ方向の
感度をそれぞれ５ｘ１ｓｙとし、片持梁４４の支持部か
ら重心４９までの距離をｌとすると、他軸感度Ｓｘ５ｗ
０が望ましいにも拘らず、ＳｘｇＭ＆５ｙ−ｈ／更の他軸感度が生じてしまうという問題があった。

そこで、この発明は、ストッパを片持梁及び質量部等と
同時に形成してプロセス歩留りを向上させ、これととも
に両面アライメント等の複雑なプロセスを不要としてコ
ストを低減させることができ、また単一の半導体基板上
に２次元方向に感度を有するセンサ部を同時に形成する
゛ことができ、さらには他軸感度が生じることのない半
導体加速度センサを提供することを目的とする。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）この発明は上記課題を解決するために、半導体基板に、
当該半導体基板の表面からのエツチング加工を用いて形
成される半導体加速度センサであって、前記半導体基板
の表面から適宜の深さ位置に当該表面に垂直方向に形成
された片持梁と、該片持梁の先端部に形成され被検出加
速度が加わる質量部と、該質量部の側方部に所要間隔を
おいて形成されストッパとなる側壁部と、当該質量部及
び側壁部の対向両面部に形成され被検出加速度に応じた
前記質量部の変位を容量変化として検出する検出部とを
有することを要旨とする。

（作用）半導体基板に対し、その表面部のみからのエツチング加
工によりストッパとなる側壁部が片持梁及び質量部とと
もに同時に形成される。したがってプロセス歩留りが向
上し、これとともに両面アライメント等の複雑なプロセ
スが不要となる。また、片持梁が基板表面に垂直で、そ
の基板表面に平行な加速度を検出するため、単一の半導
体基板上に、例えばＸＳＹ等の２次元方向に感度を有す
るセンサ部を同時に形成することが可能となる。

さらに、片持梁に対し質量部を対称形状に作製すること
ができて質量部の重心を片持梁の延長上に位置させるこ
とが可能なため、他軸感度が無くなる。

そして、質量部が被検出加速度に応じて変位すると、そ
の変位が検出部から容量変化として取出されて加速度が
検出される。

（実施例）以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図ないし第３図は、この発明の第１実施例を示す図
である。

まず、半導体加速度センサの構成を説明すると、第１図
中、１はＳｉの半導体基板であり、その基板表面１ａか
らのエツチング加工により、次に述べる片持梁、質量部
及びストッパとなる側壁部が同時に形成されている。

即ち、基板表面１ａから適宜の深さ位置に、その表面に
対して垂直方向に片持梁２が形成されている。片持梁２
の先端部には被検出加速度が加わる質量部３が当該片持
梁２に対し対称形状に形成されている。また、質量部３
の両側方部には所要間隔をおいてストッパとなる側壁部
４が形成されている。ストッパは過大Ｇから片持梁２を
保護するためのものである。そして、質量部３及び側壁
部４の対向両面部には、検出部となる電極５がそれぞれ
被着されている。検出部は被検出加速度に応じた質量部
３の変位を容量変化として検出するものである。

次いで、第２図を用いて、製造方法の一例を説明するこ
とにより、その構成をさらに詳述する。

なお、以下の説明において、（ａ）〜（ｅ）の各項目記
号は、第２図の（ａ）〜（ｅ）のそれぞれに対応する。

（ａ）　　（１００）面のＳｉ半導体基板１を準備する
。

（ｂ）　　質量部予定領域等をマスクし、ＲＩＥ等の異
方性エツチングを用いて基板表面１ａに垂直にトレンチ
６を形成する。

（Ｃ）　　表面全体に熱酸化等の方法で、絶縁膜７を形
成し、コンタクト孔８を開孔した後、ＭＯＣＶＤ等の方
法で、基板表面１ａ及びトレンチ６の側壁部に電極５と
なる金属膜を形成する。

（ｄ）　　再びＲＩＥ等の異方性エツチングで、トレン
チ６ａを掘り下げる。

（ｅ）ＫＯＨ，ヒドラジン等の異方性エツチングにより
、下部のトレンチ６ａのみをエツチングし、片持梁２及
び質量部３を形成する。９はエツチングされた空隙であ
る。

このようにしてエツチング加工により、片持梁２、質量
部３及びストッパとなる側壁部４が同時に形成される。

次に、第３図を用いて作用を説明する。加速度ｇが基板
表面１ａに平行な矢印の向きに印加されると、質量部３
が変位し、検出部における電極５間の距離が変化する。

電極５間の距離の変化をそれぞれ（ｄ−δ）、（ｄ＋６
）、電極５間の間隙部（空気）の誘電率をεとし、電極
５の面積をＳとすると、（Ｃ−Ｃｓ）、（Ｃ−Ｃ２）間
の容量の変化はそれぞれ ε・Ｓ／　（ｄ−δ） ε・Ｓ／　（ｄ＋δ）となり、この差ΔＣをとれば、 ΔＣ基２ε・Ｓ・δ／ｄ２　　　　　　　　　・・・（
１）となり加速度を容量変化として検出することができ
る。

上述のように、この実施例によれば、次のような効果が
得られる。

ストッパが片持梁２及び質量部３の形成と同時に形成さ
れるので、プロセス歩留りが向上する。

このように、後工程で外部ストッパを付は加える必要が
ないので、コストが低く抑えられる。エツチング等の加
工が基板表面１ａのみから行われるため両面アライメン
ト等の複雑なプロセスが不要となる。加速度の検出方向
が基板表面１ａに平行なため、単一の半導体基板上に２
次元方向のセンサ部を同時に作ることが可能となる。さ
らに片持梁２に対し質量部３の形状が対称なため、質量
部３の重心を片持梁２の延長上に位置させることが可能
となり、他軸感度を殆んどゼロとすることができる。

次いで、第４図ないし第６図には、この発明の第２実施
例を示す。

この実施例は、片持梁の形成にｐ＋エッチストップ層を
用いて、非常に薄い高精度な片持梁を形成し、検出感度
を上げるようにしたものである。

第４図を用いて、その製造方法の一例を説明する。

像）　　ｐ”　　（１００）面のＳｔ半導体基板１１上
に、ｎ−エピタキシャル層を成長させる。

（ｂ）　　半導体基板１１に達するまで表面からＲＩＥ
等の異方性エツチングより、トレンチ１３を形成する。

トレンチ１３の開口部は＜１１０＞方向である。

（Ｃ）　　マスクバターニング後、再びＲＩＥ等により
浅いトレンチ１４を形成する。

（ω　基板表面及び各トレンチ１３．１４の側壁に高濃
度ｐ＋層１５を形成する。表面全体に絶縁膜１６を被着
し、これをバターニングした後、開孔部を介してｐ＋層
１５に接続される電極１７を形成する。半導体基板１１
の裏面にも電極１８を形成する。

（ｅ）　　前記（Ｃ）の工程で形成した浅いトレンチ１
４を、ＲＩＥ等の異方性エツチングによりｐ“半導体基
板１１に達するまでさらに掘り下げ、トレンチ１４ａを
形成する。

（ず）　　ＫＯＨ等を用いた異方性エツチングを行う。

ｐ＋層１５ではエツチングか進行しないため、このｐ＋
層１５による片持梁１５ａ及び質量部１９が形成される
。

このように、片持梁形成にｐ＋エッチストップ層を用い
ているため、非常に薄い高精度な片持梁１５ａが形成さ
れ、これと同時に質量部１９、ストッパとなる側壁部２
１及び検出部を構成する電極１５ｂが形成される。

次に、第５図を用いて作用を説明する。

質量部１９に加速度ｇが加わった場合のその先端部の変
位Δｙは次式で表される。

ΔｙＱｇ　（（２ｍ−ｇ）／　（Ｅ−ｗ−ｄ３　））・
　（２１３＋９髪２　・Ｃ＋１２斐・Ｃ２）・・・（２
）ｍ：質量部１９の質量、　Ｅ：ヤング率、Ｗ：片持梁１
５ａの幅、ｄ：片持梁１５ａの厚さ、１：片持梁１５ａの長さ、２Ｃ：質量部１９のサイズ、上記（２）式から、片持梁１５ａを非常に薄く高精度に
形成しであるので検出感度の向上が実現される。

そして、前記第１実施例の（１）式で示した場合と全く
同様にして両電極間の容量差をとることにより、加速度
を容量変化として検出することができる。

なお、この実施例では、基板表面に垂直な方向の加速度
が加わった場合、両質量部１９は第６図に示すように変
位するが、同図に示すＣ１、Ｃ２間の容量差 ΔＣＹ　−ＣＩ　−Ｃ２−０をとることにより、他軸感度はゼロにすることができる
。第６図中、２２は各質量部１９の重心である。

第７図及び第８図には、この発明の第３実施例を示す。

なお、第７図及び第８図において、前記第４図及び第５
図における部材及び部位と同一ないし均等のものは、前
記と同一符号を以って示し重複した説明を省略する。

前記（２）式で示されるように、検出感度を向上させる
ためには、片持梁の幅Ｗを狭くしてもよい。

そこで、この実施例は、前記第２実施例において片持梁
の幅Ｗを狭くして検出感度を一層高めるようにしたもの
である。

第７図中、２５は、幅Ｗを狭くした片持梁であり、その
幅Ｗは１０μｍ程度、厚さｄは０．　１μｍ程度に形成
されている。前記（２）式において、その他の値を所要
値に定めると、質量部１９の先端部の変位Δｙは次式の
ようになる。

Δｙ　ＱＩＧｏ、　　２　ｕ　ｍ／　Ｉ　Ｇ　　　　　
　　　　・＝（３）この（３）式は容量変化ΔＣｈ２ｆ
Ｆに相当する。

第８図は、この実施例の製造方法の一例を示している。

中央部のトレンチエツチングを２回に分けて行い（同図
（ｂ）、（Ｃ））、幅の狭い９４層を形成する。この狭
い９４層が片持梁２５の幅として形成される。

第９図には、この発明の第４実施例を示す。この実施例
は、前記第１実施例の半導体加速度センサにおいて、質
量部３の質量ｍを増すため、金属等の密度の大きい物質
からなる金属質量部２６をその質量部３の上部に付加し
たものである。質量部の質量ｍが増すと、前記（２）式
で示されるように、質量部先端の変位が大になって検出
感度が一層高められる。

なお、上述の各実施例では、片持梁及び質量部形成時の
エツチング（第２図＜６）等の工程）に異方性エツチン
グを用いているため、基板面の方位及びトレンチ開口部
の方向がある程度限定されて０るが、等方性エツチング
を用いて片持梁等を形成することもできる。

［発明の効果］以上説明したように、この発明によれば、半導体基板に
対し、その表面部のみからの工・ツチング加工によりス
トッパとなる側壁部を片持梁及び質量部とともに同時に
形成することができてプロセス歩留りが向上し、これと
ともに両面アライメント等の複雑なプロセスが不要とな
ってコストを低減させることができる。また、片持梁が
基板表面に垂直で、その基板表面に平行方向の加速度を
検出するようになっているため、単一の半導体基板上に
２次元方向に感度を有するセンサ部を同時１こ形成する
ことができる。さらに、片持梁に対し質量部を対称形状
に作製することができて質量部の重心を片持梁の延長上
に位置させることが可能なため、他軸感度を殆んどゼロ
とすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図はこの発明に係る半導体加速度セン
サの第１実施例を示すもので、第１図は構成断面図、第
２図は製造方法の一例を示す工程図、第３図は作用を説
明するための図、第４図ないし第６図はこの発明の第２
実施例を示すもので、第４図は製造方法の一例を示す工
程図、第５図及び第６図はそれぞれ作用を説明するため
の図、第７図はこの発明の第３実施例を示す要部斜視図
、第８図は第３実施例の製造方法の一例を示す工程図、
第９図はこの発明の第４実施例を示す構成図、第１０図
ないし第１２図は従来の半導体加速度センサを示すもの
で、第１０図はセンサチップを示す図、第１１図はセン
サチップに上部ストッパ及び下部ストッパを取付けた状
態を示す図、第１２図は問題点を説明するための図であ
る。１：半導体基板、　１ａ：基板表面、２．１５ａ、２５：片持梁、３．１９：質量部、４．２１：ストツバとなる側壁部、５．１５ｂ：検出部を構成する電極。代理人　　弁理士　　三　好　　秀　和第　１　図第　２図第５図第６図１］第７図］１第８図第９図

Claims

【特許請求の範囲】　半導体基板に、当該半導体基板の表面からのエッチン
グ加工を用いて形成される半導体加速度センサであって
、前記半導体基板の表面から適宜の深さ位置に当該表面に
垂直方向に形成された片持梁と、該片持梁の先端部に形
成され被検出加速度が加わる質量部と、該質量部の側方
部に所要間隔をおいて形成されストッパとなる側壁部と
、当該質量部及び側壁部の対向両面部に形成され被検出
加速度に応じた前記質量部の変位を容量変化として検出
する検出部とを有することを特徴とする半導体加速度セ
ンサ。