JPH03269369A - 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〕 本発明は半導体加速度センサに関するもので、車両、航
空機、家電製品なとの加速度検出に使用されるものであ
る。

〔従来の技術〕

近年、シリコンウェハのような半導体基板に異方性エツ
チング加工を行い、片持ちはり式に重り部を形威して、
その片持ちはり部にピエゾ抵抗を不純物拡散又はイオン
注入等により形威し、或いは両持ちはり式に重り部を形
成して、その両持ちはり部にそれぞれピエゾ抵抗を不純
物拡散又はイオン注入等により形成して、重り部の変位
に伴うはり部の応力に対応するピエゾ抵抗の抵抗値変化
から加速度を検出する半導体加速度センサが開発されて
いる。

片持ちはり式の従来例を第９図（平面図）に示す。

図において、１は半導体基板、２は半導体基板１に穿設
された平面はぼＣ字状の切欠空間部にして、該切欠空間
部２により、片持ちはり部３と、該片持ちはり部３の先
端に連続して重り部４とが形成されている。

５．６は上記片持ちはり部３の上面に、該はり部３の延
出方法（撓み方向）に平行して並列に形成したピエゾ抵
抗にして、これと同抵抗値の２個の外付は抵抗とにより
ホイートストンブリッジ回路を構成している。

而して、第１０図（第９図のＸ−Ｘ線断面図）および第
１１図（第９図の一部切欠斜視図）に示すように、」１
記の片持ちはり部３は小１１ノで肉薄状に、重り部４は
肉厚状に形成されている。

次に、両持ちはり式の従来例を第１２図（平面図）に示
す。

図において、半導体基板１に、一対のコ字状の切欠空間
部７を、そのコ字状両端部にはり部相当の間隔を介在し
て対向穿設することにより、左右一対の両持ちはり部８
ａ、８ｂと、該はり部８ａ。

８ｂの各内端に連続して重り部９とが形成され、両持ち
はり部８ａ、８ｂの上面に一対あてのピエゾ抵抗１０．
１１と１．２．１３とが、上記はり部８ａ、８ｂの延出
方向（撓み方向）に直列的に形成されており、これら４
個のピエゾ抵抗１０〜１３によりホイートストンブリッ
ジ回路を構成している。

面して、第１３図（第１２図のＸ−Ｘ線断面図）および
第１４図（第１２図の一部切欠斜視図）に示すように、
上記の両持ちはり部８ａ、８ｂは小中で肉薄状に、重り
部９は肉厚状に形成されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記した従来の片持ちはり式および両持ちはり式の各半
導体加速度センサは、第１０図および第１３図に示すよ
うに、重り部４．９の重心ＣＧの位置（重り部４，９の
ほぼ中心位置にある）が片持ちはり部３の軸心３　ａ　
ｓ両持ちはり部８ａ、８ｂの軸心８ａ　１，８ｂ　１よ
り下方にあるので、重り部４，９に上下方向の加速度（
本来の加速度を検知すべきＺ軸方向の加速度）以外の加
速度（Ｘ軸、Ｙ軸方向の加速度）が加わったときにも、
片持ちはり部３、両持ちはり部８ａ、８ｂにねしれが生
じてホイートストンブリッジ回路に出力が現れ、必要と
する加速度の検出に正確性を欠・くという問題があった
。

そして、かかる問題点を除くため、従来、第１５図（Ａ
）（Ｂ）に示すように、重り部４．９の表面に金又は銀
などの比重の大きな金属材料１４を形威し、重り部４．
９の重心ＣＧの位置を片持ちはり部３、両持ちはり部８
ａ、８ｂの軸心３ａ、８ａｌ、８ｂｌの近くまで上昇さ
せる手段が提案されている。

この手段によれば、Ｚ軸方向以外の加速度を受けても、
片持ちはり部３、両持ちはり部８ａ、８ｂのねじれ現象
は抑制されるが、一方において、金属材料１４の量が重
心ＣＧの位置規制に関連するので、加工精度が要求され
ると共に、金、銀などの金属材料１４の使用により、コ
スト高となって量産性を阻害するという問題があった。

また、抵抗ρを有するピエゾ抵抗のピエゾ抵抗変化Δρ
と応力Ｔは、Δρ＝ρ丁Ｔ（丁：ピエゾ抵抗係数）の関
係を有する。

よって、ピエゾ抵抗の抵抗値が大きいほど、またはり部
に加わる応力が大きいほど、ピエゾ抵抗変化が大きいこ
とから、ピエゾ抵抗の長さ対ｉＩ比　− （ｊ！／ω）を大きくし、またはり部の断面積を小さく
することが検出精度の向上を期しうるものである。

かかる事情からみると、上記従来の片持ちはり部３およ
び両持ちはり部８ａ、８ｂは、構造上延出長さおよび「
１１が制約され、機械的強度の見地から厚さにも限度が
あるために長さおよびＩｌｌを小さく　（細く）形成さ
れるので、ピエゾ抵抗５，６および１０．１１と１２．
１３の長さも小さく形成せざるを得す、したがって上記
のρ／ωが小さくなって、検出精度の点において問題が
あった。

本発明は、上記の問題点に鑑みなされたもので、必要と
する加速度のみを精度よく検出しうる半導体加速度セン
サの提供を目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記の目的を遠戚するために、半導体基板の
中央部に形成した重り部と、該重り部を囲むように形成
した枠部と、該枠部に前記重り部を接続支持するように
重り部より延出形成した少くとも２個の弾性変形可能な
撓み部と、該撓み部のそれぞれに並列形成され、ホイー
トストンブリッジ回路を構成するピエゾ抵抗と、からな
る加速度センサにおいて、前記各ピエゾ抵抗は、長さ対
巾比を大きく形成し、それぞれの長手方向を前記撓み部
の延出方向と直交し、かつ前記重り部側と枠部側とに形
成したことを特徴とする。

また、前記弾性変形可能な撓み部は、前記重り部の全外
周より延出形成して、環状のダイヤフラム部を構成し、
又は重り部の一組の対向する両側面に延出形成すると共
に、地組の対向する両側面に長方形の切欠空間部を形成
して両持ちはり部を構成したことを特徴とする。

さらに、−組の対向する２個の撓み部２２ａ。

２２ｃの重り部２１側に形成したピエゾ抵抗Ｒ２゜Ｒ３
がホイートストンブリッジ回路の一方の対辺を、また枠
部２３側に形成したピエゾ抵抗Ｒ１゜Ｒ４が上記ブリッ
ジ回路の他方の対辺をそれぞれ構成するよう接続したこ
とを特徴とする。

〔作　用〕

加速度を受Ｉｊて重り部が変位すると、重り部の１組の
対向側面に形成されている各撓み部の重り部側と枠部側
とで発生する応力の方向が逆になり、各撓み部に形成さ
れている一対あての各ピエゾ抵抗の抵抗変化の符号が逆
となることから、必要とする上下方向の加速度を受けた
ときに最大出力が出るようにホイートストンブリッジ回
路を組んで、不必要な加速度には感度をもたないように
する。

〔実施例〕

本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は一実施例の構成を示す平面図であり、シリコン
ウェハのような半導体基板２０に異方性エツチング加工
を行って、中央部に重り部２１、該重り部２１の全外周
にダイヤフラム部２２（弾性変形可能な撓み部２２ａ〜
２２ｄの延出形成）、該ダイヤフラム部２２の全外周に
枠部２３（枠辺２３ａ〜２３ｄの連続形成）が一体形成
されている。

而して、第２図（第１図のＸ−Ｘ線断面図）および第３
図（第１図の一部切欠斜視図）に示すように、上記の重
り部２１と枠部２３は同一の肉厚に形成され、ダイヤフ
ラム部２２は肉薄に形成されている。

さらに、前記ダイヤフラム部２２の一組の対向する一方
の撓み部２２ａの表面には、枠部２３の枠辺２３ａ側に
長方形のピエゾ抵抗Ｒ１が、重り部２１側に長方形のピ
エゾ抵抗Ｒ２がそれぞれ不純物拡散又はイオン注入等に
より形成されており、また他方の撓み部２２ｃの表面に
は、重り部２１側に長方形のピエゾ抵抗Ｒ３が、枠辺２
３ｃ側に長方形のピエゾ抵抗Ｒ４がそれぞれ不純物拡散
又はイオン注入等により形成されている。

上記のピエゾ抵抗Ｒｔ　、　Ｒ２とＲａ　、　Ｒ４は、
いずれもその長平方向か撓み部２２ａ、２２ｃの延出方
向と直交して並列に形成されている。

第４図は他の実施例の構成を示す平面図である。

図のように、本実施例は前記実施例の弾性変形可能な撓
み部２２ｂと２２ｄに代えて長方形の切欠空間部２４を
形成し、撓み部２２ａと２２ｃとにより両持ちはり式に
構成したものである。

そして、上記の切欠空間部２４の形成以外□は前　９ ０ 記実施例と同一であるので、第４図（平面図）、第５図
（第４図のＸ−Ｘ線断面図）および第６図（第４図の一
部切欠斜視図）における各部品に前記実施例の各部品と
同一の符号を付して、構成の説明を省略する。

上記各実施例のように、重り部２１をダイヤフラム部２
２で支持、或いは重り部２１を両持ちはり式に支持した
構成であるので、第７図（Ａ）に示すように、重り部２
１に２軸方向（上下方向）の速度ＦＺが加わった場合に
は、撓み部２２ａと２２ｃにおける応力分布は、重り部
２１側と枠辺２３ａ、２３ｃ側とでは応力の方向が逆と
なり（重り部２１側には引張り応力（＋）が働き、枠辺
２３ａ、２３ｃ側には圧縮応力（＝）が働く）、重り部
２１近くと枠辺２３ａ、２３ｃ近くで最大となる。

また第７図（Ｂ）に示すように、重り部２１にＸ軸方向
の加速度ＦＸが加わった場合には、撓み部２２ａにおけ
る重り部２１側には圧縮応力（−）が、枠辺２３ａ側に
は引張り応力（＋）がそれぞれ働き、撓み部２２ｃにお
ける重り部２１側には引張り応力（＋）が、枠辺２３ｃ
側には圧縮応力（−）がそれぞれ働く。

また、第７図（Ｃ）に示すように、重り部２１にＹ軸方
向の加速度ＦＹが加わった場合には、撓み部２２ａ、２
２ｃにおけるそれぞれの重り部２１側と枠辺２３ａ、２
３ｃ側とで応力を打消す方向の引張応力（＋）と圧縮応
力（−）が働く。

よって、加速度Ｆ　　、　Ｆ　ｘ　、　　Ｆ　ｖが加っ
た場合のピエゾ抵抗Ｒ−Ｒ４の抵抗変化の符号は下記表
１に示すようになる。

表　　１ したがって、第８図に示すように、ピエゾ抵抗ＲとＲ４
とを一方の対辺とし、ピエゾ抵抗Ｒ２ とＲ３とを他方の対辺としたホイートストンブリッジ回
路を構成することにより、Ｘ軸方向の加速度Ｆ２にのみ
感度を有する出力が得られ、検出精度が向上する。

また、撓み部２２ａ、２２ｃの巾は、ピエゾ抵抗Ｒ１〜
Ｒ４の長手方向の長さに制約されず、並列配置する一対
のピエゾ抵抗を任意の長さに形成することができるので
、ρ／ωを大きくとれ、感度が向上する。

なお、本実施例では、ピエゾ抵抗の形を、前記撓み部の
応力分布にみられるように、重り部と枠辺とのそれぞれ
の近傍で応力が最大になり、そしてＤ／ωを大きくする
ことから、長方形のものを示したが、これに限定されず
、コ字形のもの或いは数回階段状に折り返した形のもの
などの使用も可能である。

〔発明の効果〕

本発明は次の効果を有する。

（ａ）　　ダイヤフラム支持或いは両持ちはり支持の重
り部の一組の対向す、る両側撓み部に、長さ対巾比（ｐ
／ω）の大きい一対のピエゾ抵抗をその長手方向を撓み
部の延出方向と直交して並列に形成したので、必要とす
る上下方向の加速度のみに高い感度を有する加速度セン
サを提供できる。

（ｂ）　　　ピエゾ抵抗のρ／ωを大きくとれるので、
抵抗値が大きくなり、ホイートストンブリッジ回路の駆
動電流を小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の平面図、 第２図は第１図のｘ−Ｘ線断面図、 第３図は第１図の一部切欠斜視図、 第４図は本発明の他の実施例の平面図、第５図は第４図
のＸ−Ｘ線断面図、 第６図は第４図の一部切欠斜視図、 第７図（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は加速度の印加方向に対する
発生応力の説明図、 第８図はホイートストンブリッジ回路の構成図、第９図
は従来の片持ちはり式の平面図、第１０図は第９図のＸ
−Ｘ線断面図、 ３ １４ 第１１図は第９図の一部切欠斜視図、 第１２図は従来の両持ちはり式の平面図、第１３図は第
１２図のＸ−Ｘ線断面図、第１４図は第１２図の一部切
欠斜視図、第１５図（Ａ）（Ｂ）は従来の問題点除去手
段の説明図である。 ２０・・・半導体基板、２１・・・重り部、２２・・・
ダイヤフラム部、２２ａ〜２２ｄ・・・撓み部、２３・
・・枠部、２３ａ〜２３ｄ・・・枠辺、２４・・・切欠
空間部、Ｒ１−Ｒ４・・・ピエゾ抵抗。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体基板の中央部に形成された重り部と、該重り
   部を囲むように形成された枠部と、該枠部に前記重り部
   を接続支持するように重り部より延出形成された少くと
   も２個の弾性変形可能な撓み部と、該撓み部のそれぞれ
   に並列に形成され、ホイートストンブリッジ回路を構成
   するピエゾ抵抗と、からなる加速度センサにおいて、 前記各ピエゾ抵抗は、長さ対巾比を大きく形成され、そ
   れぞれの長手方向を前記撓み部の延出方向と直交し、か
   つ前記重り部側と枠部側とに形成されていることを特徴
   とする半導体加速度センサ。 ２、前記弾性変形可能な撓み部が、前記重り部の全外周
   より延出形成され、環状のダイヤフラム部を構成した請
   求項１記載の半導体加速度センサ。 ３、前記弾性変形可能な撓み部が、前記重り部の一方の
   対向する両側面に延出形成されると共に他方の対向する
   両側面に長方形の切欠空間部を形成して両持ちはりを構
   成した請求項１記載の半導体加速度センサ。 ４、対向する２個の撓み部２２ａ、２２ｃの重り部２１
   側にピエゾ抵抗Ｒ＿２、Ｒ＿３が、また枠部２３側にピ
   エゾ抵抗Ｒ＿１、Ｒ＿４が形成されている請求項１、２
   又は３記載の半導体加速度センサ。 ５、ピエゾ抵抗Ｒ＿１、Ｒ＿４がホイートストンブリッ
   ジ回路の一方の対辺を、またピエゾ抵抗Ｒ＿２、Ｒ＿３
   が上記ブリッジ回路の他方の対辺を、それぞれ構成する
   ように接続されている請求項４記載の半導体加速度セン
   サ。