JPH0479420B2 - - Google Patents

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JPH0479420B2
JPH0479420B2 JP58208408A JP20840883A JPH0479420B2 JP H0479420 B2 JPH0479420 B2 JP H0479420B2 JP 58208408 A JP58208408 A JP 58208408A JP 20840883 A JP20840883 A JP 20840883A JP H0479420 B2 JPH0479420 B2 JP H0479420B2
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    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、半導体加速度度センサーに関し、特
に詳しくは、単一結晶シリコンの圧抵抗効果（ピ
エゾ抵抗効果）を用いる上記のようなセンサーに
関する。
半導体加速度センサーは特に生体医用工学、航
空宇宙産業及び自動車産業での応用に特に有効で
ある。従来技術の基本的な半導体加速度センサー
は、片持ちばり構造のシリコンの梁及び梁に注入
して作つた抵抗素子を持つ質量部とを有してい
た。この抵抗素子は梁に加えられる圧力によつて
加速度と共に抵抗値を変化させる。第２の抵抗素
子は、温度の補償の為に構造の圧力の加えられて
いない部分に形成され、２つの抵抗器は、１つに
接続され半ブリツジ回路を形成する。このような
装置の１つは、L.Roylance et al：“Ａ Batch
−Fabricated Silicon Accelerometer”、I.E.E.
E.Transactions on Electron Devices、Vol.ED
−26、No.12、December1979、pp.1911−1917に
開示されている。
他の従来の加速度センサーは、二つの質量部を
持ちひつぱり及び圧縮による抵抗のローデイング
を同時に用いる。しかしながら、この結果非対称
な反応を示し装置の柔軟部分に於る金属は、熱変
形を起こし、この熱変形は、直線性、正確性を低
下させる。
故に標準のプレーナプロセス技術を用いる大量
生産の可能な低価格で正確で且つ感度の高い半導
体加速度センサーが必要とされている。
発明の概要 従つて、本発明は、従来の加速度センサーの多
数の欠点を解消した半導体加速度センサーを提供
する。
本発明の一実施例では、長方形のシリコンの中
央の質量部は、中央質量部の端部とは平行で近接
する梁に対し直角に位置するシリコンの梁によつ
て各々の角で支持されていて、各々の梁は、エツ
チストツプ半導体層を有すると共に、その梁の固
定端部に注入によつて作られた抵抗素子を有す
る。中央質量部が移動すると２つの抵抗素子が常
に同じ量づつ抵抗値を増加しまたは減少するよう
に抵抗器の結晶面及びそれに関連する抵抗素子の
位置方向は選択される。これによつてこれら抵抗
素子は、対称な差出力を持つホイートストーンブ
リツジ回路内で接続される。又、エツチストツプ
半導体層の存在により、梁部材の厚さ精度を正確
に且つ柔軟性を確保することができるという顕著
な作用効果を奏するものであります。
実施態様の説明 ここで図面を参照すると、第１図には、本発明
に従つた半導体加速度センサー１０が図示されて
いる。第２図にも示す加速度センサー１０は、シ
リコンで形成され、長方形の中心の質量部１２を
有している。この質量部１２は薄く柔軟性のある
直角にのびる４本の梁１４で支持されている。こ
れらの各々の梁は、一方の端で中央質量部１２に
とりつけられ他方の端で圧力が加わつても変わら
ない縁部１６に接続される。各々の梁１４の変形
しない縁部の近い位置に梁１４、中央質量部１２
及び縁部１６と反対の導電型の半導体材料からな
る抵抗素子１８が配置される。各々の抵抗素子１
８は、好ましくは、第１図に示す平行する二部分
から形成され所望の値を持つ小型な抵抗素子を提
供する。加速度センサー１０の表面には、電極パ
ツド２０，２２，２４，２６及び２６及び２８
と、金属相互接続線３０も位置される。これらの
電極及び配線は抵抗１８とオーミツク接続を形成
しパツケージ内に組立てられた時に抵抗素子１８
及び外部装置に対する電極を提供する。相互接続
線３０は、各々の抵抗素子１８の別個の構成部を
接続する電極も提供する。
中央の質量部１２の周辺に梁１４を対称に形成
することによつて安定していて小型な構成を提供
することができる。この構成は、質量部１２の表
面に対し直角な加速度には高感度であるが、特に
この軸に交差する加速度の影響はうけにくい。さ
らに梁１４の固定端部に抵抗素子１８を位置して
寄生熱応力による影響及びバイメタル効果の発生
をとりのぞいている。
第３図は、抵抗素子１８をもつと詳細に示して
いる。各々の抵抗素子は、第２導電型のエピタキ
シヤル層に第１導電型のドープ材を注入すること
によつて形成される。例えばｎ型エピタキシヤル
層３４内にｐ型領域３２が形成される。酸化物層
３８に設けた電極用開口３６は、上記で説明した
通り、金属相互接続線３０によつてＰ型領域３２
の各々の端部とのオーミツク電極を形成する為に
作られる。第１図の線Ｂ−Ｂに沿つて切りとつた
断面図に相当する第４ａ図から第４ｄ図を参照す
ると、第１図から第３図に示す構成は以下に示す
方法で形成される。出発材料は（１、０、０）の
結晶方位と、約１−10Ω−cmの抵抗率を持つｎ型
シリコン基板４０である。高レベルにドープされ
たP++領域４２は、例えば約1150℃の温度下でボ
ロンをデポジツトすることによつて基板４０内に
形成される。領域４２は以下で説明する通り、エ
ツチストツプとして働く。次に第４ｂ図で示す通
り基板４０の表面上に領域４２をおおつてｎ型エ
ピタキシヤル層４４が成長される。層４４は、ほ
ぼ0.5−1.0Ω−cmの抵抗率を持ち、約10ミクロン
の厚みを持つ。この厚みが梁１４の厚みを規定し
抵抗素子１８を作る基板を提供する。例えば、二
酸化シリコンのような絶縁層４６が次に層４４の
上に約3000Åの厚さまで約1000℃の温度で熱成長
させられる。開口４８が、既知の方法によつて酸
化物層４６に形成され抵抗素子１８を規定するパ
ターンを形成する。これらの抵抗素子は第４ｃ図
に示す通り約1014原子１cm2の密度でボロン注入す
ることによつて形成される。Ｐ型抵抗素子１８
は、上記で説明した通り領域３２を含んでいる。
酸化物層３８は、プラズマデポジシヨンによつて
約3000Åまで形成され、その後でほぼ950℃のア
ニール工程によつて前に注入したものをアニール
する。開口３６は、上記で説明した通り第４ｄ図
に示す通り、酸化物層３８内に形成され第３図に
示す金属相互接続層３０を作る為の電極を形成す
る。
第１図の線Ａ−Ａに沿つて切つた断面図に相当
する第４ｅ図から第４ｇ図は、梁１４及び中央の
質量部１２の形成に於る各段階を示している。基
板４０、P++領域４２及びエピタキシヤルｎ型層
４４は上記の説明で第４ａ図から第４ｄ図で示し
た抵抗素子１８の相当する部分と同時に形成され
る。窒化物層５０は、スライスの両面に2000Åの
厚さまでデポジツトされ、次に開口５２が第４ｅ
図に示す通りその層の中に形成される。好ましく
は、層５０は、約350℃の低温デポジシヨンで形
成されるという利点を持つ圧縮された窒化層で形
成される。故に窒化物は、金属層のパターンニン
グを行つた後でデポジツトされ、スライスが比較
的薄くこわれやすい時に必要とされる工程段階数
を最小にすることができる。内圧する圧縮応力の
為層５０は、実質上ピンホール欠陥を持たないの
で従来の窒化物に比べひび割れ発生の虞れをなく
しもつと厚い厚みで形成されることを可能にす
る。さらに圧縮窒化物は、プラズマエツチングの
後で容易にとり除かれる。プラズマエツチング
は、酸化物層３８、金属相互接続３０及び２０−
２８で止まり、これらは、そのままでなくてはな
らない。圧縮窒化物層５０は、例えばA.K.Sinha
他によつてJournal of Electrochemistry
Vol.125、1978の601頁以降に説明されている工程
のような当業者に既知の方法で形成される。
裏側面の窒化物層５０に設けた開口５２は、ス
ライスの表側面の上に前もつて形成されている抵
抗素子１８のパターンに正確に整合させなければ
ならず抵抗素子１８が梁の固定端部に適当に位置
されるようにする。パターンを整合させる方法の
１つとしては、スライスを慣通する位置あわせ用
の孔（図示せず）を設ける方法がある。しかしな
がら、好ましい方法では、赤外線整合装置を使用
し、これによつてスライスの両面にあるパターン
は、同時に整合される。このような赤外線整合装
置の１つはリサーチデバイセスインクから入手す
ることができる。
第４ｆ図を参照すると、中央の質量部１２と梁
１４の底部分を形成する穴５４が方向性依存エツ
チング（ODE）を使つてスライスの裏面にあけ
られ形成される。ODEエツチ材は、シリコン結
晶の種々の軸の向きに沿つたエツチングに対し異
つたエツチグレートを持つ。特に有効なエツチ材
の１つとしては、約５時間を要し、ほぼ80℃の温
度で用いるｎ−プロパノールが溶解する水に15％
混合するKOHを含むことがわかつている。エツ
チ材は、結晶の（１、１、１）平面に沿つて自動
的に浸透し第４ｆ図に示す通りの斜面を持つ壁面
を作りだす。KOHエツチ材は、P++層４２に達
すると止まる。次にスライスの裏側は、フオトレ
ジスト層５６でコーテイングされ、スライスの表
面の上の窒化物層５０内にはパターンが形成され
る。このパターンは、第４ｇ図、第１図及び第２
図で示す複数の切り込み溝５８をエツチングする
為に使用され梁１４と質量部１２とが溝５８によ
り画成される。最初に圧縮窒化物層５０はプラズ
マエツチングが行われ、その下の酸化物層をいず
れもウエツトエツチングする工程が次いで行われ
る。さらにエピタキシヤル層４４及びP++領域４
２を例えば消酸とフツ化水素の混合物のようなシ
リコンエツチ材でエツチングすることによつて切
りこみ溝は形成される。レジスト層５６及び表側
面の窒化物層５０が次にとり除かれ、第２図に示
す構成ができ上る。裏側面の窒化物層５０は、そ
のまま残しておくか又はパツケージ内に加速度セ
ンサーを組み立てる前にとり除かれる。
第５図は、パツケージ内に加速度センサー１０
を組立てる方法の１つを図示している。最初に加
速度センサー１０はヘツダー６０に取りつけられ
次にカバー６２が加速度センサーの上に取りつけ
られる。これらは両方ともシリコンである。従来
のパツケージング技術は、質量部１２が動けるよ
うにヘツダー６０及びカバー６２をエツチングし
切りこみ又はくぼみを設ける必要があつた。第５
図に示す好ましい実施例では一般に参照番号６４
で示す直径約２−４ミル（50.8〜101.6μｍ）のガ
ラスの粉末を含むエポキシ化合物を使用する。さ
らにヘツダー６０及びカバー６２は中央質量部１
２から自動的にまた適当に離隔しているので質量
部はさらに自由に移動することが可能であり過剰
な加速度による圧力が加わり所定点を超えて質量
部が移動しないように制限するオーバーロード保
護装置を提供している。
上記の通り製造した加速度センサーの感度は、
ほぼ0.2ｍＶ／Ｖ／ｇである。加速度センサーの
感度及び周波数応答も、当分野で知られる例えば
上記で示したRoylance et alの文献だけでなく
T.Nunn：“Ａ Silicon Absolute Pressure
Transducer For Biomedical Applications”、
Stanford Electronics Laboratories Technical
Report No.4610−１、October1977に記載される
装置の寸法を変えることによつて変化可能である
ことは容易に理解されよう。故に本発明に従うと
標準のプレーナ半導体プロセス技術を用いて大量
生産に適した低価格で高感度且つ正確な半導体加
速度センサーを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の一実施例に従つた半導体加
速度センサーの平面図である。第２図は、第１図
の加速度センサーをＡ−Ａで切りとつた断面図で
ある。第３図は、抵抗素子の構造をさらに詳細に
示す第１図の加速度センサーをＢ−Ｂで切りとつ
た断面図である。第４ａ図から第４ｇ図は、製造
における種々の段階を示す第１図の加速度センサ
ーの断面図である。第５図は、パツケージ内に組
立てられた本発明の加速度センサーの断面図であ
る。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 単一結晶シリコンの半導体基板を含む支持フ
    レームと、 一端が上記支持フレームから延在しエツチスト
    ツプ半導体層を含む少なくとも２つの柔軟性のあ
    る梁部材と、 上記支持フレームに対して移動可能で上記梁部
    材の他端部に形成された上記基板より成る偏向質
    量部と、 上記梁部材に加わる圧力を検出する圧抵抗手段
    であつて、該梁部材の屈曲の量及び方向の関数で
    ある差出力を提供する上記圧抵抗手段と、 を有する加速度センサー。 ２ 上記差出力がホイートストンブリツジ回路に
    よりなされる特許請求の範囲第１項のセンサー。 ３ 上記センサーにおいて、上記梁部材が４つの
    梁である特許請求の範囲第１項のセンサー。 ４ 上記センサーにおいて、上記圧抵抗手段が
    （１、０、０）結晶面に形成され、（１、１、０）
    結晶面及び（１、０、０）結晶面の交線と整合さ
    れている特許請求の範囲第３項のセンサー。 ５ 上記センサーにおいて、上記エツチストツプ
    層の上にｎ型導電性の単一結晶シリコン層を有
    し、上記圧抵抗手段はその中にｐ型領域が形成さ
    れている特許請求の範囲第４項のセンサー。 ６ 半導体支持フレームと、 一端部が上記支持フレームから延びている少な
    くとも２つの柔軟性のある半導体梁部材と、 上記支持フレームに対して移動可能で上記梁部
    材の他端部に一体に形成される半導体偏向質量部
    と、上記梁部材に加えられる圧力を検出するため
    の圧抵抗手段であつて、該梁部材の上記一端部の
    近傍に位置し、該梁部材の屈曲の量及び方向の関
    数として差出力を提供する上記圧抵抗手段と、 を有する加速度センサー。 ７ 上記センサーにおいて、４つの梁部材がほぼ
    長方形の偏向質量部を支持していて各々の上記梁
    部材が上記偏向質量部の角部に一体に形成され、
    各々の近接する梁部材に対しほぼ直角に位置され
    る特許請求の範囲第６項のセンサー。 ８ 上記センサーにおいて、上記差出力がホイー
    トストンブリツジ回路によりなされる特許請求の
    範囲第７項のセンサー。 ９ 上記センサーにおいて、上記圧抵抗手段が
    （１、０、０）結晶面に形成され、（１、１、０）
    結晶面及び（１、０、０）結晶面の交線と整合さ
    れる特許請求の範囲第９項のセンサー。 １０ 上記センサーにおいて、上記半導体梁部材
    がｎ型導電性を有し、上記圧抵抗手段がその中に
    形成されているｐ型領域を有する特許請求の範囲
    第９項のセンサー。 １１ 上記センサーにおいて、上記ｐ型領域の１
    つが、上記支持フレームから延びている上記一端
    部近傍の各々の上記梁部材内に位置される特許請
    求の範囲第１０項のセンサー。
JP58208408A 1982-11-09 1983-11-08 半導体加速度計 Granted JPS5999356A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

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US440462 1982-11-09
US06/440,462 US4553436A (en) 1982-11-09 1982-11-09 Silicon accelerometer

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JPS5999356A JPS5999356A (ja) 1984-06-08
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