JPH04130276A

JPH04130276A - 半導体加速度センサ

Info

Publication number: JPH04130276A
Application number: JP2250363A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Kaneko; 金子　洋之
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1990-09-21
Filing date: 1990-09-21
Publication date: 1992-05-01
Anticipated expiration: 2012-01-29
Also published as: JP2575939B2; US5239870A

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）本発明は、半導体加速度センサに係り、特に半導体基板
上に形成した抵抗体のピエゾ抵抗効果を利用した半導体
加速度センサに関する。

（従来の技術）近年、半導体基板上に形成された半導体領域のピエゾ抵
抗効果による抵抗変化や変位による微小な容量変化を検
出することにより、加速度等を検出するようにした超小
形の半導体歪検出装置が注目されている。

このような半導体加速度センサは、集積回路技術を用い
て形成されるため、例えば、振動部分の長さが１００μ
ｍ程度、厚さが１μｍ程度、チップ全体の大きさが１１
角程度と極めて小形の素子を形成することができる。ま
た、集積回路によって他の素子と同一基板上に形成する
ことができるという優れた特徴を有している。

この半導体加速度センサは、いろいろな用途に用いられ
る。その−例として、車両などの加速度を測定する加速
度センサは、通常第６図および第７図に示すように、先
端に重り部３を有し固定部近傍にピエゾ抵抗５を配設し
てなる片持ち梁２が、該重り部３の下側への変位を制限
するための下部ストッパ７と該重りの上側への変位を制
限するための上部ストッパ８との間に形成された溝１０
内で変位可能なようになっている。

そして、この固定部４の上にも該ピエゾ抵抗５と同一の
ピエゾ抵抗６が形成されており、ブリッジ回路を形成し
ている。

そして、この加速度センサでは、センサチップに対して
垂直な方向に加速度がかかるように設置し、加速度によ
る片持ち梁２の変位をピエゾ抵抗５の抵抗値変化として
検出するようにしている。

ここで上部および下部ストッパ８．７は過大な加速度が
加わった場合にも片持ち梁の変位を制限しその破壊を防
止するために設けられているものである。

このようなセンサは、シリコン基板１をＩＣの製造プロ
セスによってエツチングし、バッチ処理で作ることがで
きるようになっている。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、このような加速度センサではウェハ表面
から半導体基板をエツチング加工し、質量部、片持ち梁
などの構造物を形成した場合、第８図に示すように質量
部の重心３１を片持ち梁の延長線上に設定することが困
難であり、ずれろうと他軸感度が生じてしまうという問
題があった。

すなわち、質量部の重心３１が片持ち梁の延長線からδ
Ｌだけ離れていると、Ｓ　ｃｒｏｓｓ−δＬ／Ｌだけ、Ｘ軸方向にも感度をもってしまう。

そこで、第９図に示すように金属製の重り４１を質量部
３上に付加し、重心を梁の延長線上に一致させるような
構成も考えられているが、製造工程が複雑となると同時
に、異種の材料を付加することによって発生する熱応力
が深刻な問題となっている。

あるいはまた、第１０図に示すようにウェハの両面から
エツチングを行い、重心を梁の延長線上に一致させるよ
うな構成も考えられているが、この場合、ウェハ両面か
ら深いエツチングを行わなければならず、やはり製造プ
ロセスが複雑となる。

また、高精度な厚みをもつシリコン片持ち梁を実現する
ため、水酸化カリウム（ＫＯＨ）などの強アルカリ液中
で電解エツチングを行う電解エッチストップ法、あるい
は高濃度のｐ型拡散層を用いたエッチストップ法等を用
いる事も可能であるが、これらに必要なエピタキシャル
層や高濃度ｐ型拡散層の形成が非常に困難となる。

さらにピエゾ抵抗および金属配線等の形成を行うための
フォトリソグラフィーが非常に困難であった。

本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、他軸感度を
低減し、高精度の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）そこで本発明では、形状の等しい２個の片持ち梁部が同
一平面上に互いに逆向きに並設されており、各月持ち梁
部に形成された各ピエゾ抵抗によりブリッジ回路を構成
している。

（作用）本発明は、形状の等しい２個の片持ち梁部を同一平面上
に互いに逆向きに位置するように２個設置し、各ピエゾ
抵抗によりブリッジを構成しているため、各ピエゾ抵抗
の抵抗値のずれは相殺されて、ブリッジ回路の出力値は
ほとんど変化しないものである。

（実施例）以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ詳細に
説明する。

この半導体加速度センサは、第１図（ａ）に平面図を示
すと共に、第１図（ｂ）に等価回路図を示すように、シ
リコン基板をウェハの下面からのエツチングによって形
成されるもので、先端に第１の質量部６０３を有する第
１の片持ち梁６９と、該片持ち梁６９上の固定部近傍に
形成されたピエゾ抵抗６７．６８とからなる第１のセン
サ部Ａと、先端に第２の質量部６０４を有する第２の片
持ち梁６０１と、該片持ち梁６０１上の固定部近傍に形
成されたピエゾ抵抗６６．６５とからなる第２のセンサ
部Ｂとから構成されている。

そして各ピエゾ抵抗は、配線６０２によって、第１のセ
ンサ部Ａのピエゾ抵抗６７と第２のセンサ部Ｂのピエゾ
抵抗６５とが直列に接続され、さらに第１のセンサ部Ａ
のピエゾ抵抗６８と第２のセンサ部Ｂのピエゾ抵抗６６
とが直列に接続されて、ブリッジ回路を構成している。

６１０．６２０は外部抵抗である。

次に、この半導体加速度センサの形状加工工程について
第２図（ａ）乃至第２図（ｄ）を参照しつつ説明する。

まず、第２図（５１）に示すように、ｐ型シリコン基板
７１表面にエピタキシャル成長法により、ｎ型エピタキ
シャル成長層７２を形成し、このｎ型エピタキシャル成
長層７２内にｐ型拡散層７３を形成する（この部分は後
に分離されてギャップとなる部分である。）そして、第２図（ｂ）に示すように、不純物拡散を行い
、後に梁２となる部分にピエゾ抵抗５を形成し、半導体
基板裏面にエツチング用保護膜７４を形成する。

この後、第２図（ｅ）に示すように、表面にアルミニウ
ム等の配線６０２を形成する。

さらに、第２図（ｄ）に示すように、ｎ型エピタキシャ
ル成長層７２に正電圧を印加しながらＫＯＨ等の強アル
カリ液中でウェハ裏面からｐ型シリコン基板の一部をエ
ツチング除去し、質量部３゜片持ち梁部２を形成する。

このようにして形成された半導体加速度センサは、配線
により、第１図（ｂ）に等価回路を示すようにハーフブ
リッジ回路が容易に実現できる。

次に、この回路の作用について説明する。

第３図（ａ）および第３図（ｂ）は、第１図（ａ）　ノ
ｘｔ　−ｘｔｏ、　　Ｘ２−Ｘ２’断面図である。

第３図（ａ）に示すように、検出軸Ｚに加速度が加わっ
た場合を考える。

この場合両方のセンサはＺ軸に対して同じ方向に質量部
が変異し、片持ち梁上のピエゾ抵抗６７．６８．６５．
６６は同じ向きの応力をうける。ここでピエゾ抵抗の結
線を第１図（ｂ）に示したようにしておけば、ＶＢＩ　　ＶＢ２−　（ＡＲ／２Ｒ）ＸＶｂｒで示され
る出力電圧を得ることができる。

ここで外部抵抗６１０，６２０はＲ，ピエゾ抵抗６５．
６６．６７．６８は（ΔＲ＋Ｒ）／２とする。ΔＲは加
速度印加によって生ずるピエゾ抵抗値の変化分を示す。

また、第３図（ｂ）に示すように非検出軸Ｘ軸方向に加
速度が加わった場合は、第１のセンサと第２のセンサと
はＺ軸に対して反対方向に質量部が変位し、片持ち梁上
のピエゾ抵抗６７．６８は６５．６６と同時に逆向きの
応力を受ける。従って、例えば第３図（ｂ）におけるピ
エゾ抵抗６７．６８は抵抗値が増加し、ピエゾ抵抗６５
．６６は抵抗値が減少するので、結果としてブリッジの
出力値は変化しない。

また、非検出軸Ｙ軸方向に加速度が加わった場合は両方
のセンサ共に肉薄部（梁部）の厚み（１）を幅（Ｗ）に
比べ小さくしておけば、Ｙ軸方向の感度が非常に低くな
り、ピエゾ抵抗６５〜６８の抵抗値はほとんど変化しな
い。

このように、全く形状の等しい半導体加速度センサを逆
向きに配置し抵抗ブリッジを組むことにより、非検出軸
（他軸）の感度を大幅に低減することができる。

本発明の第２の実施例として、ピエゾ抵抗の配置を一部
変更したものについて説明する。

この加速度センサは、第４図（ａ）および第４図（ｂ）
に示すように、第２のセンサＢのピエゾ抵抗９１．９２
を第１のセンサＡのピエゾ抵抗９３゜９４の抵抗配置に
比べて直角となるように配置したことを特徴とするもの
である。

仮に梁の向きを［１１０１方向とすると、一定応力に対
して垂直方向の抵抗Ｒｒ、平行方向の抵抗Ｒｓはその大
きさは符号は逆で絶対値が等しくなるように変化するた
めこれらのピエゾ抵抗を第４図（ｂ）に示すようにブリ
ッジ接続すると、検出軸方向の加速度に対しては、ＶＢＩ−ＶＢ２−　　（ΔＲ／Ｒ）ｘＶ、。

で示される出力かえられる。

また、非検出軸Ｘ軸方向に加速度が加わった場合は、第
１のセンサと第２のセンサとはＺ軸に対して反対方向に
質量部が変位し、片持ち梁上のピエゾ抵抗９１．９２は
９３．９４と同時に逆向きの応力を受ける。ここでピエ
ゾ抵抗９１．９２と９３．９４とのなす角は９０度であ
るため、全てのピエゾ抵抗は同じ値だけその抵抗値が増
減し、結果としてブリッジの出力値は変化しない。

この構造ではフルブリッジ構成をとっているため、前記
第１の実施例に比べて感度が倍になるという利点がある
。

従来の構造でこのようなフルブリッジ構成をとった場合
、ピエゾ抵抗の対称性が悪いため、完全には他軸感度を
キャンセルすることができないという欠点があったが、
本発明の構造をとることにより、他軸感度を大幅に低減
することができる。

なお、前記実施例では同一基板上に２つのセンサをモノ
リシックに形成した例について説明した第５図に示すよ
うに、別々につくられた加速度センサを互いに逆向きに
並べるようにしても、２個のセンサの対称性が優れてい
れば、前記実施例と同様他軸感度を大幅に低減すること
ができる。

い。

この例では、パッケージ基板１０５上にそれぞれ台座１
０３．１０４を介して、第１の片持ち梁６９と、第２の
片持ち梁６０１とが固着され、それぞれ先端に重り１０
１．１０２が配設されている。そしてこの片持ち粱６９
上の固定部近傍に形成されたピエゾ抵抗６７．６８と、
第２の片持ち梁６０１の固定部近傍に形成されたピエゾ
抵抗６６．６５とによって実施例１と同様にハーフブリ
ッジ回路を構成するように結線されている。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の半導体加速度センサによ
れば、形状の等しい２個の片持ち梁部を同一平面上に互
いに逆向きに並設し、各ピエゾ抵抗によりブリッジを構
成しているため、他軸感度を低減することができ、信頼
性が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）および第１図（ｂ）は本発明の第１の実施
例の半導体加速度センサを示す図、第２図（ａ）乃至第
２図（ｄ）は第１図に示した半導体加速度センサの製造
工程を示す図、第３図は同センサの作用を説明する説明
図、第４図は本発明の第２の実施例の半導体加速度セン
サを示す図、第５図は本発明の第３の実施例の半導体加
速度センサを示す図、第６図および第７図は従来例の半
導体加速度センサを示す図、第８図は他軸感度の発生を
示す説明図、第９図および第１０図は他の従来例の半導
体加速度センサを説明する図である。１・・・シリコン基板、３・・・重り部、５・・・ピエゾ抵抗、８・・・上部ストッパ、３１・・・重心、２・・・片持ち梁、４・・・固定部、７・・・下部ストッパ、１０・・・溝、４１・・・金属重り、６１〜６４・・・電極、６５〜６８．９１〜９４・・・ピエゾ抵抗、６０２・・
・配線、６０３・・・第１の質量部、６０４・・・第２の質量部、６１０．６２０・・・外部抵抗、７１・・・ｐ型シリコン基板、７２・・・ｎ型エピタキシャル層、７３・・・ｐ型拡散層、７４・・・エツチング用保護膜。

Claims

【特許請求の範囲】

半導体基板から構成される固定部と、前記固定部に接続
され先端に質量部を有する片持ち梁と、該片持ち梁上の
固定部近傍に形成されたピエゾ抵抗とからなり、加速度
変化を該ピエゾ抵抗の抵抗値変化として検出する半導体
加速度センサにおいて、形状の等しい２個の上記片持ち
梁部が同一平面上に互いに逆向きに並設されており、各
ピエゾ抵抗によりブリッジ回路を構成したことを特徴と
する半導体加速度センサ。