JPH03269263A - 半導体加速度センサ - Google Patents

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】 ［産業上の利用分野］ この発明は、自動車、航空機、家電製品等に用いられる
加速度検出用の半導体加速度センサに関するものである
。

［従来の技術］ 従来、加速度検出用のセンサとしては、圧電セラミック
ス、有機薄膜、シリコン単結晶等様々な材料を用いた多
種多様の加速度センサが開発され製品化されてきている
。これらの加速度センサは、ヒステリシス、クリープ、
疲労等がなく、また、構造が簡単、電圧感度が極めて大
、簡単に増幅可能等、使い勝手の而においても非常に優
れていることから、現在様々な分野で広く用いられてい
る加速度センサである。

これらの加速度センサの中でも特にシリコン単結晶を用
いた半導体加速度センサは、ンリコン自体の格子欠陥が
極めて少ないために理想的な弾性体となることと、半導
体プロセス技術をそのまま転用することができることか
ら、特に近年、注目されている加速度センサである。

この半導体加速度センサの一例としては、第５図に示す
様に半導体基板１に略Ｃ字状の空隙部２を形成し、質量
部３を片持ちの梁４で支持した構造の半導体加速度セン
サΔが知られている。梁４」二には一対のピエゾ抵抗５
．５が互いに平行に形成されており、粱４は場合によっ
ては、両持ちの梁の構造にすることもある。この種の半
導体加速度センサＡは、質量部３が加速度に応じて変位
する時の変位差を、梁４のピエゾ抵抗の抵抗値の変化に
変換することで加速度の変化を検出している。

また、ある特定の位置の３方向の加速度を別々に知りた
い場合には、第５図（ｃ）に示す様に１方向に１つのセ
ンサＡ、を対応させ、これらの３個のセンサΔ１〜Ａ３
を互いに独立かつ立体的に配置することが行なわれてい
る。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、上記の半導体加速度センサＡでは、加速度に
よる質量部３の変位を梁４のピエゾ抵抗の抵抗値の変化
として検出しているために、加速度の検出が一方向に限
られてしまうという欠点があった。従って、ある特定の
位置の３方向の加速度を検出する場合、これらの３個の
センサＡ１〜Ａ３の精度や感度を互いに調整したり、検
出位置を正確に位置決めする手間が煩４つしく、特に非
常に狭い領域の３方向の加速度を別々に検出したい場合
には現状では対応出来ない等の問題があった。

また、構造（デザイン）の問題等により質量部３の重心
が梁４の延長」−から僅かに変動するために、特定の一
方向以外の他の方向の加速度も同時に感知してしまうと
いう欠点があった。この場合、特定の一方向の加速度の
値を他と独立して得ることができず、特に、精密な値を
知りたい場合の大きな障害になるという欠点があった。

この発明は、」−記の事情に鑑みてなされたもので、以
」二の問題点を有効に解決するとともに、３次元の加速
度の大きざを検出することができる半導体加速度センサ
を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するために、この発明は次の様な半導体
加速度センサを採用した。即ち、請求項１記載の半導体
加速度センサとしては、結晶基板上に形成された質量部
と、当該質量部周囲に設けられた弾性部に複数対の長方
形のピエゾ抵抗により構成されたブリッジ回路と、この
ブリッジ回路の出力から前記ピエゾ抵抗の抵抗値変化を
検出する検出手段と、この検出手段の出力から前記ピエ
ゾ抵抗の短辺方向及びこれと互いに直交する他のそれぞ
れの方向の変位量を判別する判別手段とからなる半導体
加速度センサであって、前記弾性部は前記結晶基板の一
部を他より薄くしてなるダイアフラム部からなり、前記
ピエゾ抵抗は、これらのピエゾ抵抗を含む平面内で互い
に異なる２方向にそれぞれ並べてなることを特徴として
いる。

また、請求項２記載の半導体加速度センサとしては、前
期弾性部は複数の貫通孔の間に設けられた梁部であるこ
とに特徴がある。

（作用］ この発明に係イつる半導体加速度センサによれば、ある
加速度が作用すると、質量部はこの加速度の方向にこの
加速度の大きさに比例して変位する。

質重部周囲に設置′Ｉられた弾性部は、質量部の変位に
対応して特定方向にたわみ、同時にこの弾性部に設けら
れた複数対のピエゾ抵抗も歪む。したがって、この歪に
よりピエゾ抵抗の抵抗値が変化するため４本のピエゾ抵
抗を用いてホイートストンブリッジを構成すれば加速度
の大きさに応じた電圧出力が得られる。

これらのピエゾ抵抗により構成されたブリッジ回路では
、ピエゾ抵抗の抵抗値の変化を電圧変化として出力し、
この出力から前記ピエゾ抵抗の短辺方向及びこれと互い
に直交する他のそれぞれの方向の質量部の変位量を判別
し、加速度の大きさ及び方向を求める。

［実施例］ 以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第１図ないし第３図はこの発明の請求項Ｉ記載の一実施
例である半導体加速度センサＢを示すものである。

この半導体加速度センサＢは、半導体において多用され
ているｎ型のシリコンの結晶基板（＋００）１１中央部
を下方から口の字型にエツチングして形成された薄厚の
ダイアフラム部１２と、このダイアフラム部１２により
囲まれた肉厚の部分の質量部１３と、このダイアフラム
部１２の表面に設（′ｌられたピエゾ抵抗１４とから略
構成されている。

このピエゾ抵抗１４は、ゲージ方向＜１１０＞の横方向
のピエゾ抵抗効果を用いたもので、このピエゾ抵抗１４
はノリコンの結晶基板（１００）１１の平面内で互いに
異なる２方向にそれぞれ複数個並べられている。

即ち、第１図（ａ）及び同図（ｂ）に示す様にダイアフ
ラム部１２の表面の一方の側に、長尺の２本のピエゾ抵
抗ＲＸ　ｌ　、　ＲＸ　２が、また、他方の側に同様の
２木のピエゾ抵抗ＲＸ３．ＲＸ４か、それぞれが互いに
平行になる様に、かつ、上記ダイアフラム部１２の長手
方向と一致するように配置されている。

また、ピエゾ抵抗ＲＸＩ、ＲＸ２の間には、２本のピエ
ゾ抵抗ＲＺｌ　、　Ｒ，Ｚ２が、また、ピエゾ抵抗Ｒｘ
ＲＸ２の間には、２本のピエゾ抵抗ＲＺ３．Ｒ２，がそ
れぞれ互いに平行に配置されている。

また、第１図（ａ）及び同図（ｃ）に示す様にダイアフ
ラム部１２の表面の一方の側に、長尺の２本のピエゾ抵
抗Ｒｙ　＋　、　Ｒｙ　２が、また、他方の側に同様の
２本のピエゾ抵抗ＲＹ３．　ＲＹ４が、それぞれが互い
に平行になる様に、かつ、上記ダイアフラム部１２の長
手方向と一致するように配置されている。

次に、第３図を参照して」１記の半導体加速度センサＢ
の製造方法を説明する。

■［第３図（ａ）参照］ ｎ型のシリコンの結晶基板（１００）（以下、Ｓｉ基板
と称する）２１を用意し、表裏各々の面に鏡面研磨を施
す。

■［第３図（ｂ）参照］ Ｓｉ基板２１を拡散炉内に挿入し、表裏各々の面にシリ
コン酸化膜（以下、５ｉＯｚ膜と称する）２２．２３を
形成する。この５ｉＯ７膜２２．２３の形成は、Ｓｉ基
板２１を１０００〜１２００℃の酸化性雰囲気中で熱処
理することにより行なわれる。

■［第３図（ｃ）参照］ ホトリソグラフィにより、表面側の８１０．膜２２に不
純物拡散用窓２４，２４．　　　を形成する。

次に、このＳｉ基板２１を拡散炉内に挿入し、１０００
〜１２００°Ｃの雰囲気中で不純物拡散用窓２４．２４
　、・・・　からポウ素（ボロン）を供給し、ｐ型拡散
層（以下、ピエゾ抵抗と称する）２５．２５を形成する
。さらに、ドライブイン処理により、ピエゾ抵抗２５上
に５１ｏ２膜を成長させる。

■［第３図（ｄ）参照］ プラズマＣＶＤ法、あるいは常圧ＣＶＤ法や減圧ＣＶＤ
法により、５１０２膜２２，２３のそれぞれの面の」二
に窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）膜（以下、窒化膜と称する
）２６．２７を成長させる。

両面の窒化膜２６．２７は、共にダイアフラムエツチン
グ時のマスクとして用い、かつ、表面の窒化膜２６は外
部からの汚染に対するバリアとして用いられる。

■［第３図（ｅ）参照］ ポトリソクラフィにより、裏面の窒化膜２７の」二にダ
イアフラムのパターンを形成し、ＣＦ４プラズマエツチ
ングによりこの窒化膜２７をエツチングし、さらに弗酸
系のエツチング液により５ｉＯ７膜２３をエツチングす
る。このようにして、Ｓｉ基板２１の裏面にダイアフラ
ムエツチング用のマスク２８が形成される。

■［第３図（ｆ）参照］ 水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ液）により、Ｓｉ基板２
１をエツチングし、ダイアフラム部２９を形成する。

■［第３図（ｇ）参照］ ホトリソグラフィにより、表面の窒化膜２６の上に電気
配線用コンタクトポールのパターンを形成し、ＣＦ　４
プラズマエツチングによりこの窒化膜２６をエツチング
し、さらに弗酸系のエツチング液によりＳｉＯ２膜２２
全２２チングする。このようにして、Ｓｉ基板２Ｉ上に
形成されたピエゾ抵抗２５の」二にコンタク）・ホール
３０．３０が形成される。

■［第３図（ｈ）参照］ 」１記の様に形成されたＳｉ基板２１上面全面に、真空
蒸着またはスパッタリングによりアルミニウム膜を形成
し、その後ホトリソグラフィにより配線パターンを形成
しエツチングを行う。アルミニウム膜のエツチングは、
減圧下において熱リン酸を用いて行なイっれる。

最後に、窒素雰囲気中で熱処理を行い、オーミック特性
を有するアルミニウム電極３１．３１を形成する。

なお、上記のアルミニウム電極３１は、工程」二あるい
は動作」二において腐食等の恐れがある場合には、金（
Ａｕ）または金属の多層構造（Ａｕ−Ｍ。

Ｃｒ−Ｔｉ−Ｃｕ−Ａｕ等）等を用いてもよい。

」１記の様に構成された半導体加速度センサＢにある加
速度が作用すると、質量部１３はこの加速度の方向にこ
の加速度の大きさに比例して変位ずろこととなる。ここ
で、」１記の力ＦをＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれの方向の
成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚに分解する。

このときに各ケージ（ＲＸ　＋　−ＲＸ　４　、１Ｒ＞
’　＋　−ＲＹ　４Ｒｚ、＝Ｒｚ４）に加わる応力を、 引張力の場合・・・・　”＋” 圧縮力の場合 の符号で表ずと、ピエゾ抵抗１４のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸そ
れぞれの方向の成分Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚについて、それぞ
れ表１ないし表３の様な結果を得ることができる。

表Ｉ　　　Ｒｘ １ 表３　　　Ｒｚ ここで、ピエゾ抵抗ＲＸＩ〜ＲＸ４を用いて第２図（ａ
）に示す様なＸ軸方向等価回路、同様にピエゾ抵抗ＲＹ
＋〜Ｒｙ４を用いて同図（ｂ）に示す様なＹ軸方向等価
回路、ピエゾ抵抗Ｒｚ＋〜ＲＺ４を用いて同図（ｃ）に
示す様なＸ軸方向等価回路を組むと、これらのピエゾ抵
抗ＲＸ、〜ＲＸ４等により構成されたブリッジ回路では
、これらのピエゾ抵抗Ｒｘ＋〜Ｒｘ４等の（歪による）
抵抗値変化を電圧変化として出力し、この出力からピエ
ゾ抵抗の短辺方向及びこれと互いに直交する他のそれぞ
れの方向のダイアフラムの変形量あるいは質量部の変位
量を判別手段が判別することとなる。

以」−により、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれの方向につい
てのみ感度を有する３次元の半導体加速度センサ■３を
得ることかできる。

２ 以」−説明した様に、」１記の一実施例の半導体加速度
センサＢは、シリコンの結晶基板１１中央部を下方から
口の字型にエツチングして形成された薄厚のダイアフラ
ム部１２と、このダイアフラム部１２により囲まれた肉
厚の部分の質量部１３と、このダイアフラム部１２の表
面に設げられたピエゾ抵抗１４とから略構成されている
としたので、下記の優れた効果を奏することができる。

（イ）横力向ピエゾ抵抗を利用したゲージ配列により、
本来感度を有してはならない他軸感度を０とすることが
できるので、特定の軸方向の加速度ノ大きさを正確かつ
高精度で求めることができる。

したがって、立体軌跡を有する振動領域や静荷重・静圧
の測定領域において良好な測定結果を得ることが可能に
なる。

（ロ）　ダイアフラム部Ｉ２を設のたことから、従来の
片持梁や両持梁の構造よりも機械的な結合状態が均一か
つ良好なものとなり、測定時の周波数応答特性が改善さ
れ、構造自体の破壊強度も向」ニする。

（ハ）　ゲージのＬ／Ｗ比（長さと幅の比）をスペース
的に大きくできるので、より高濃度のゲージを形成する
ことが可能になり、感度の温度特性を向」ニさせること
ができる。

（ニ）従来の片持梁や両持梁の構造のように特別の製造
工程を取り入れる必要がなく、通常の歪ゲージ形圧カセ
ンザ等に用いられている半導体製造プロセスにより作成
することができるので、超小形の３次元加速度センザを
作成することができる。

第４図はこの発明の請求項２記載の一実施例である半導
体加速度センサＣを示すものである。

この半導体加速度センサＣにおいて上記一実施例と異な
る点は、ｎ型のシリコンの結晶基板（１００）４１中央
部の周囲に矩形の貫通孔４１，４．２を等方向に設け、
これらの隣接する貫通孔４２゜４２間に梁部４３を設け
た点であり、この構成以外」二記−実施例と全く同一で
ある。

この実施例においても、これらの梁部４３，４３、・　
により囲まれた肉厚の部分の質量部４４の周囲にピエゾ
抵抗４５　（Ｒｘ＋〜ＲＸ４＋　Ｒｌ’＋−Ｒｙ４ＲＺ
、−ＲＺ４）をゲージ配列的に配置することにより、Ｘ
軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれの方向に等節回路を組むことが
でき、これらのピエゾ抵抗ＲＸ、〜ＲＸ４等の抵抗値変
化を電圧変化として出力することでピエゾ抵抗の短辺方
向及びこれと互いに直交する他のそれぞれの方向の梁部
の変形量あるいは質量部の変位量を判別することができ
るので、」二記−実施例に示した請求項１記載の半導体
加速度センサＢと全く同一の作用、効果を得ることがで
き、したがって、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれの方向につ
いてのみ感度を有する３次元の半導体加速度センサＣを
得ることができる。

［発明の効果］ 以」二詳細に説明した様に、この発明によれば、請求項
１記載の半導体加速度センサとしては、結晶基板上に形
成された質量部と、当該質量部周囲に設けられた弾性部
に複数対の長方形のピエゾ抵抗により構成されたブリッ
ジ回路と、このブリッジ回路の出力から前記ピエゾ抵抗
の抵抗値変化を検出する検出手段と、この検出手段の出
力から前５ ６ 記ピエゾ抵抗の短辺方向及びこれと互いに直交する他の
それぞれの方向の変形量を判別する判別手段とからなる
半導体加速度センサであって、前記弾性部は前記結晶基
板の一部を他より薄くしてなるダイアフラム部からなり
、前記ピエゾ抵抗は、これらのピエゾ抵抗を含む平面内
で互いに異なる２方向にそれぞれ並べてなることとし、
また、請求項２記載の半導体加速度センサとしては、前
期弾性部は複数の貫通孔の間に設けられた梁部であるこ
ととしたので、下記の優れた効果を奏することができる
。

（イ）横力向ピエゾ抵抗を利用したゲージ配列により、
本来感度を有してはならない他軸感度を０とすることが
できるので、特定の軸方向の加速度の大きさを正確かつ
高精度で求めることができる。

したがって、立体軌跡を有する振動領域や静荷重・静圧
の測定領域において良好な測定結果を得ることが可能に
なる。

（ロ）　ダイアフラム部あるいは梁部を設けたことから
、従来の片持梁や両持梁の構造よりも機械的な結合状態
が均一かつ良好なものとなり、測定時の周波数応答特性
が改善され、構造自体の破壊強度も向上する。

（ハ）ゲージのＬ／Ｗ比（長さと幅の比）をスペース的
に大きくできるので、より高濃度のゲージを形成するこ
とが可能になり、感度の温度特性を向」ニさせることが
できる。

（ニ）通常の歪ゲージ形圧力センザ等に用いられている
半導体製造プロセスにより作成することができるので、
超小形の３次元加速度センザを作成することができる。

以」二により、従来の半導体加速度センサの有する問題
点を解決するとともに、３次元の加速度の大きさを検出
することができる半導体加速度センサを提供することが
可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図はこの発明の請求項Ｉ記載の一実施
例を示す図であって、第１図（ａ）は半導体加速度セン
サの平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）の■−■線に沿う
断面図、同図（ｃ）は同図（ａ）のＩＶ−ＩＶ線に沿う
断面図、第２図（ａ）〜（ｃ）はピエゾ抵抗の各軸方向
の等価回路図、第３図（ａ）〜（ｈ）は半導体加速度セ
ンサの製造方法を説明するための工程図、第４図はこの
発明の請求項２記載の一実施例を示す図であって、同図
（ａ）は半導体加速度センサの平面図、同図（ｂ）は同
図（ａ）の■−■線に沿う断面図、同図（ｃ）は同図（
ａ）のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図、第５図は従来の半導
体加速度センサを示す図であって、同図（ａ）は半導体
加速度センサの斜視図、同図（ｂ）は同図（ａ）の■−
■線に沿う断面図、同図（ｃ）はこの半導体加速度セン
サを立体的に配置した状態を示す説明図である。 Ｂ、Ｃ・・・・・・半導体加速度センサ、１１．４１　
　・・・・・結晶基板、 １２　・・・・・ダイアフラム部、 １３．４４　　・・・・・質量部、 １４．４５　　・・・　・・・　ピエゾ抵抗、４２　・
・・・貫通孔、 ４３　・・・・・・梁部、 ＲＸｌ〜ＲＸ４．　Ｒ＞’＋−Ｒｙ４．　ＲＺ＋−ＲＺ
４−　−　　ピエゾ抵抗。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）結晶基板上に形成された質量部と、当該質量部周
   囲に設けられた弾性部に複数対の長方形のピエゾ抵抗に
   より構成されたブリッジ回路と、このブリッジ回路の出
   力から前記ピエゾ抵抗の抵抗値変化を検出する検出手段
   と、この検出手段の出力から前記ピエゾ抵抗の短辺方向
   及びこれと互いに直交する他のそれぞれの方向の変位量
   を判別する判別手段とからなる半導体加速度センサであ
   って、前記弾性部は前記結晶基板の一部を他より薄くし
   てなるダイアフラム部からなり、前記ピエゾ抵抗は、こ
   れらのピエゾ抵抗を含む平面内で互いに異なる２方向に
   それぞれ並べてなることを特徴とする半導体加速度セン
   サ。
2. （２）前期弾性部は複数の貫通孔の間に設けられた梁部
   であることを特徴とする請求項１記載の半導体加速度セ
   ンサ。