JPH05126843A - 半導体式加速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体基板の上下に半導体基板並みの構造体
を持たないモノリシック型半導体式加速度センサにおい
て、半導体製のストッパの破壊防止と用いる半導体基板
の構造を簡単化する。 【構成】 エピタキシャル基板を用いず、半導体基板の
上下の不純物拡散すると共に半導体製ストッパの代わり
に弾性のある金属膜製のストッパを半導体基板の上下に
設けてビーム部の動きを緩慢に停止させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体式加速度センサ、
特に過大な加速度に対するクッション性を有する半導体
式加速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から半導体式加速度センサにおい
て、加速度検出を高感度に行うようにするために感歪素
子を設けるビーム薄肉部を薄く形成している。

【０００３】そのため、高感度を達成させると過大な加
速度を受けた時にビーム部に作用する力により、ビーム
部が破断してしまうという問題があった。

【０００４】そこで、ビーム部の上下に所定の間隔を置
いて、二枚のストッパ用基板で挟む方式も考えられた。

【０００５】ところが、二枚のストッパ基板を半導体基
板に取り付けることにより際にビーム部に機械的な歪み
が残留したり、取り付けによる加速度センサの組立の複
雑化という難点があった。

【０００６】最近、一枚の半導体基板のみでビーム部と
上下のストッパを構成する構造が提案された（特開平２
−８１４７７号公報）。

【０００７】図１０は一枚の半導体基板だけで上下のス
トッパを構成した半導体式加速度センサの平面図であ
る。

【０００８】図１０において、斜線部で示されたビーム
部１とビーム部の周辺に間隙を挟んで支持部２とが配置
されており、支持部からの突起部としてストッパ３が全
て半導体で構成されている。

【０００９】ビーム部の支持部への固定端付近のビーム
薄肉部４上に加速度により抵抗値が変動するピエゾ抵抗
５が形成されている。

【００１０】図１０のｐ−ｑ−ａ線上のビーム部は平面
を上から下に動き過ぎた場合に下のストッパにより停止
させられる。

【００１１】ｐ−ｑ−ａ線における半導体式加速度セン
サの断面図を図１１のａに示す。

【００１２】図１０のｐ−ｒ−ｂ線上のビーム部は平面
を下から上に動き過ぎた場合に上のストッパにより停止
させられる。

【００１３】ｐ−ｒ−ｂ線における半導体式加速度セン
サの断面図を図１１のｂに示す。

【００１４】図１１のａでビーム部１はストッパ３の上
を覆う構造になっており、下向きの過度の加速度が加わ
ったときに衝突する。

【００１５】図１１のｂでストッパ３はビーム部１の上
を覆う構造になっており、上向きの過度の加速度が加わ
ったときに衝突する。

【００１６】図１２に一枚の基板からストッパとビーム
部を構成する半導体基板の断面図を示す。

【００１７】図１２において、Ｐ型のＳｉ基板６内に高
濃度Ｎ型拡散層７を設け、Ｓｉ基板上にＮ型のエピタキ
シャル層８を成長させる。

【００１８】成長させたエピタキシャル層８に高濃度Ｎ
型拡散層７まで届くＰ型拡散層９と表面だけに拡散させ
たピエゾ抵抗１０が形成されている。

【００１９】Ｐ型拡散層と高濃度Ｎ型拡散層はエッチン
グされて図１１のａに示すような空隙を形成する。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、半導体基板だ
けでビーム部とストッパを構成するとビーム部とストッ
パの間の加速度方向の空隙を形成するために半導体基板
としてエピタキシャル基板を使用する必要があった。

【００２１】また、通常用いられるＳｉに弾性が少なく
加速度が大きな場合、ストッパの突起部が破壊される惧
れがあった。

【００２２】本発明は上記問題点に鑑みてなされたもの
で簡単な構造でビーム部がストッパで確実に停止できる
半導体式加速度センサを提供することを目的とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために起歪領域として薄肉状に形成されると共に歪
み量を検出するために半導体感歪素子が形成されたビー
ム薄肉部と、このビーム薄肉部から延在して荷重領域と
して厚肉状に形成されたビーム部と、このビーム薄肉部
とビーム部とからなるビームの変位量を規定して該変位
を停止させるストッパとを有し、前記ビーム部に印加さ
れた加速度に応じた前記ビーム薄肉部の歪み量を前記半
導体感歪素子が検出することにより、前記加速度を検出
する半導体式加速度センサにおいて、ストッパを金属で
構成するものである。

【００２４】

【作用】本発明のストッパを片持ち梁とすると変形量δ
は梁の厚さをｔ、梁の幅をｓ、梁の長さを２ｌ、ビーム
部を長さａ、ｂ、ｃの直方体、ビーム部の密度をρ、加
速度をα、梁のずり弾性率をＧとして式で近似され
る。

【００２５】 δ＝ｌ・α・ρ・ａ・ｂ・ｃ／（Ｇ・ｔ・ｓ）−−−−−−−−−−−−− ２ｌ＝２００μｍ、Ｇ＝２５．６×１０⁹ｋｇ^-1・ｍ^-1
・ｓ^-2、α＝１００ｇ＝９．８×１０²ｍ・ｓ^-2、ρ・
ａ・ｂ・ｃ＝２．３３ｇ・ｃｍ^-3×０．５ｍｍ×１ｍｍ
×０．１ｍｍ＝１．１７×１０^-7ｋｇ、ｔ＝１×１０^-6
ｍ、ｓ＝１００×１０^-6ｍの場合、変形量δは０．００
４μｍ程度に収まる。

【００２６】実際は０．１μｍのオーダーで金属製スト
ッパがたわむのでビーム部は衝撃なく停止させられる。

【００２７】上記構成において、ストッパは金属で構成
されているため、簡単な構造の半導体基板を使用するこ
とができ、加速度により動くビーム部を緩慢に停止させ
られる。

【００２８】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づき、詳述する。

【００２９】（第一実施例）図１は裏面と表面に長さの
異なるストッパを設けた本発明の半導体式加速度センサ
の斜視図である。

【００３０】Ｓｉ製のビーム部１を囲む同じ材質のＳｉ
製の支持部２の上に金属製のストッパ３が設けられてい
る。

【００３１】金属製のストッパ３は加速度によりビーム
薄肉部４に応力を加えるビーム部１の変位を緩衝しなが
ら停止させる。

【００３２】ビーム部と支持部との間隙はＳｉ基板の裏
側からのＫＯＨのような無機アルカリまたは水酸化四級
アンモニウムのような有機アルカリ水溶液により異方性
エッチングされる。

【００３３】ストッパ３の金属膜はＳｉ基板の両面に一
旦形成され、所定形状にエッチングされる。

【００３４】表面の支持部上のストッパ３は左右に二個
形成されており、裏面の支持部上のストッパはビーム部
の自由端を覆うように一個形成されている。

【００３５】表面のストッパの形状をわかりやすくする
ため、図１のｐ−ｑ−ａ線での半導体式加速度センサの
断面図を図２のａに示す。

【００３６】同様に図１のｐ−ｑ−ｂ線での半導体式加
速度センサの断面図を図２のｂに示し、裏面のストッパ
の構成を明示した。

【００３７】図２は本発明の上下の金属製のストッパの
長さが異なる半導体式加速度センサの断面図である。

【００３８】図２のａで、ビーム部と支持部との間の貫
通穴１１は半導体基板の裏面からの異方性エッチングに
より形成されている。

【００３９】ビーム部１の固定端となるビーム薄肉部に
あるピエゾ抵抗５の下方に異方性エッチングにより凹み
１２がある。

【００４０】ストッパ３は半導体基板の表面に設けられ
ており、ビーム部の上方への過度の移動を制限してい
る。

【００４１】図２のｂで、ストッパ３はＳｉ基板の裏面
に設けられており、裏面のストッパの長さは表面のスト
ッパの長さよりも長くなっている。

【００４２】図２の半導体基板に設けられた貫通穴及び
凹みは共に裏面からの異方性エッチングにより形成され
る。

【００４３】（第二実施例）図３は裏面と表面に長さの
同じストッパを設けた本発明の半導体式加速度センサの
斜視図である。

【００４４】図３は半導体式加速度センサを裏面から見
た構造になっており、ビーム部１と支持部２との間の間
隙は三方向は裏面からのエッチング、他の一方向は表面
からのエッチングにより形成されている。

【００４５】図３の半導体式加速度センサのｐ−ｑ−ａ
線での断面図を図４のａに示し、図３のｐ−ｑ−ｂ線で
の断面図を図４のｂに示す。

【００４６】図４は本発明の上下の金属製のストッパの
長さが等しい半導体式加速度センサの断面図である。

【００４７】図４のａにおいて、ピエゾ抵抗５のあるＳ
ｉ基板の表面からエッチングにより貫通穴１１が裏面の
ストッパ３に達するように形成されている。

【００４８】凹み１２は貫通穴１１の形成方向と異な
り、半導体基板の裏面からエッチングにより形成されて
いる。

【００４９】図４のｂにおいて、凹み１２と貫通穴１１
は共に半導体基板の裏側から形成されている。

【００５０】ストッパ３は半導体基板の表面に貫通穴１
１の一部を覆うように設置されている。

【００５１】上下のストッパの長さが等しい場合、式
で梁の長さ（２ｌ）が等しくなるので加速度の測定限界
を上下方向で同じにすることができる。

【００５２】図５に本発明の半導体式加速度センサの製
造工程図を示す。

【００５３】図５のａは厚さ０．１ｍｍ、不純物濃度２
×１０¹⁷ｃｍ^-3、比抵抗１×１０^-1Ω・ｃｍのＮ型のＳ
ｉ基板６の断面図である。

【００５４】図５のｂでＳｉ基板の表面にＢ（ホウ素）
が不純物濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-3にて拡散されて、ピエゾ
抵抗５とＰ型拡散層９を形成している。

【００５５】Ｓｉ基板の裏面に表面と同じ濃度に拡散さ
れた比抵抗１．５×１０^-3Ω・ｃｍのＰ型拡散層と不純
物濃度１×１０²⁰ｃｍ^-3、比抵抗２×１０^-4Ω・ｃｍの
高濃度Ｐ型拡散層１３とが設けられる。

【００５６】高濃度Ｐ型拡散層は不純物の二回拡散やイ
オン注入を複数回繰り返すことによって形成される。

【００５７】図５のｃでＳｉ基板の表面に表面のＰ型拡
散層９を一部分覆うように第一金属１４を食刻する。

【００５８】図５のｄで第一金属を覆い、一部が支持部
の表面に接するように第二金属１５をパタニングする。

【００５９】図５のｅでＳｉ基板の裏面から温度１００
℃、ｐＨ１１〜１２に調整し、ピラジンを添加した没食
子酸約４〜６ｍｏｌ％、モノエタノールアミン約３９〜
５６ｍｏｌ％、水約５７〜３８ｍｏｌ％の混合水溶液中
で異方性エッチングして凹み１２と貫通穴１１を形成す
る。

【００６０】第５のｆでＳｉ基板のビーム部と支持部と
の間の貫通穴を利用して第一金属を除去して金属製のス
トッパが半導体式加速度センサに付与されている。

【００６１】第一金属をＣｒ、第二金属をＭｏとした場
合、ＣｒのパタニングはＨＣｌ水溶液で行いＭｏのパタ
ニングは濃硫酸水溶液で行い、Ｃｒ／Ｍｏの積層膜のＣ
ｒの選択エッチングには稀塩酸水溶液を用いる。

【００６２】第一金属をＭｏ、第二金属をＣｒとした場
合、Ｍｏのパタニングは濃硫酸水溶液で行いＣｒのパタ
ニングは稀硫酸水溶液で行い、Ｍｏ／Ｃｒの積層膜のＭ
ｏの選択エッチングには濃硫酸水溶液を用いる。

【００６３】第一金属をＡｌ、第二金属をＣｕとした場
合、Ａｌのパタニングは温度２５℃、５％の塩化第二鉄
水溶液で行いＣｕのパタニングは稀硫酸水溶液で行い、
Ａｌ／ＣｕのＡｌの選択エッチングには稀塩酸水溶液を
用いる。

【００６４】第一金属をＡｌ、第二金属をＩＴＯとした
場合、Ａｌのパタニングは硝酸第二セリウムアンモニウ
ム水溶液で行いＩＴＯのパタニングは温度７０℃の過硫
酸アンモニウム水溶液で行い、Ａｌ／ＩＴＯの積層膜の
Ａｌの選択エッチングにはＫＯＨ水溶液を用いる。

【００６５】第一金属をＩＴＯ、第二金属をＡｌとした
場合、ＩＴＯのパタニングはＺｎを添加したＨＣＩ水溶
液で行いＡｌのパタニングは燐酸水溶液で行い、ＩＴＯ
／Ａｌの積層膜のＩＴＯの選択エッチングには過硫酸ア
ンモニウム水溶液を用いる。

【００６６】第一金属をＴｉ、第二金属をＩＴＯとした
場合、Ｔｉのパタニングは過酸化水素水と酢酸アンモニ
ウムの混合水溶液で行いＩＴＯのパタニングはＺｎ添加
塩酸水溶液で行い、Ｔｉ／ＩＴＯの積層膜のＴｉの選択
エッチングには温度６０℃で３０％の過酸化水素水を二
部、３０％のアンモニア水を一部、純水を三部の割合で
混合した水溶液を用いる。

【００６７】同様に第一金属をＴｉ−Ｗ（Ｔｉ１０ｗｔ
％、Ｗ９０ｗｔ％）、第二金属をＡｌとしたＴｉ−Ｗ／
Ａｌの積層膜のＴｉ−Ｗの選択エッチングにはｐＨ４．
０、温度２２℃、１００％酢酸を６０ｇ、酢酸アンモニ
ウムを７７ｇ、３０％過酸化水素水を８８０ｍｌの量で
混合した水溶液を用いる。

【００６８】（第三実施例）図６はビーム部に金属膜か
らなるビーム電極を設けた本発明の半導体式加速度セン
サの斜視図である。

【００６９】図６において、加速度により上下に変位す
るビーム部１にＡｌ製のビーム電極１６が設けられてい
る。

【００７０】半導体基板の表面にあるピエゾ抵抗５の周
辺または絶縁膜を介して上方にビーム配線１７が設置さ
れ、ビーム電極１６に接続されている。

【００７１】半導体基板の支持部２にストッパ配線１８
がＡｌで形成されており、ストッパ３に接続されてい
る。

【００７２】ピエゾ抵抗への入出力端子と同様にビーム
配線１７とストッパ配線１８は外部回路に接続されてい
る。

【００７３】外部回路により、ビーム電極とストッパと
の間のショート状況により、正常時の半導体式加速度セ
ンサの検出限界と異常時の半導体式加速度センサの破壊
状況を知らせる。

【００７４】（第四実施例）図７はビーム部に電荷を蓄
積する誘電体を設けた本発明の半導体式加速度センサの
斜視図である。

【００７５】図７において、ビーム部１に酸化チタンか
らなる誘電体１９が設けられている。

【００７６】酸化アルミニウム、酸化銅の比誘電率はそ
れぞれ９．３と１８．１なので誘電体として有効であ
る。

【００７７】支持部２上のストッパ配線１８から金属製
のストッパ３に正（＋）の高い電圧を印加し、ビーム部
上の誘電体に負（−）の電荷を誘起させる。

【００７８】一旦、ストッパへの給電を停止し再びスト
ッパに負（−）の低い電圧を印加する。

【００７９】ビーム部が加速度により上方に移動すると
誘電体１９とストッパ３が互いに接近して静電反発力が
発生し、ビーム部は停止させられる。

【００８０】尚、誘電体内の電荷は次第に減少していく
ので一定時間毎にストッパ配線１８からの充電が必要で
ある。

【００８１】（第五実施例）図８はビーム部に磁性体を
設けた本発明の半導体式加速度センサの斜視図である。

【００８２】図８において、ストッパ３により一部上方
を覆われたビーム部１上に少し酸化された金属からなる
磁性体２０が設けられている。

【００８３】磁性体として不完全な酸化物であるＦｅ₃
Ｏ₄、ＣｒＯ₂、ＣｏＯなどの鉄族元素の酸化物が好まし
い。

【００８４】ストッパと磁性体は同一極性で構成され、
上下に少なくとも一組のストッパが形成されている。

【００８５】（第六実施例）図９に熱膨張率の異なる二
種類の金属を表面処理済と未処理のＳｉ基板表面に被着
させる本発明の半導体式加速度センサの斜視図を示す。

【００８６】図９のａで貫通穴１１を挟んでビーム部１
と支持部２が配置されている。

【００８７】ビーム部１にシリコーン油で処理して表面
処理部２１を形成した後、第一金属１４として線膨張率
２．３×１０^-5Ｋ^-1のＡｌを被着させる（図９のｂ）。

【００８８】次に図９のｃのように第二金属１５として
線膨張率８．４×１０^-6Ｋ^-1のＣｒを被着させる。

【００８９】第一金属と第二金属とを個別にエッチング
するかまたは同時にエッチングしてストッパを形成した
後、加熱によりビーム部から第一金属を分離させる（図
９のｄ）。

【００９０】Ａｌを第一金属とした場合、第二金属とし
て線膨張率５．２×１０^-6Ｋ^-1のＭｏなどの熱膨張率の
低い材料との組み合わせが望ましい。

【００９１】

【発明の効果】本発明の半導体式加速度センサの構成に
よれば、過度の加速度によるビーム部及びストッパの破
壊がなくなり、使用される半導体基板を簡単な構造にす
ることができセンサの体積も小型化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体式加速度センサの表面からの斜
視図である。

【図２】本発明のストッパ長さの異なる半導体式加速度
センサの断面図である。

【図３】本発明の半導体式加速度センサの裏面からの斜
視図である。

【図４】本発明のストッパ長さの等しい半導体式加速度
センサの斜視図である。

【図５】本発明の半導体式加速度センサの製造工程図で
ある。

【図６】本発明のビーム電極のある半導体式加速度セン
サの斜視図である。

【図７】本発明の誘電体のある半導体式加速度センサの
斜視図である。

【図８】本発明の磁性体のある半導体式加速度センサの
斜視図である。

【図９】本発明の熱歪みストッパのある半導体式加速度
センサの斜視図である。

【図１０】半導体製ストッパのある半導体式加速度セン
サの平面図である。

【図１１】半導体製ストッパのある半導体式加速度セン
サの断面図である。

【図１２】半導体製ストッパ用の半導体基板の断面図で
ある。

【符号の説明】

１ ビーム部 ２ 支持部 ３ ストッパ ４ ビーム薄肉部 ５ ピエゾ抵抗 ６ Ｓｉ基板 ７ 高濃度Ｎ型拡散層 ８ エピタキシャル層 ９ Ｐ型拡散層 １０ ピエゾ抵抗 １１ 貫通穴 １２ 凹み １３ 高濃度Ｐ型拡散層 １４ 第一金属 １５ 第二金属 １６ ビーム電極 １７ ビーム配線 １８ ストッパ配線 １９ 誘電体 ２０ 磁性体 ２１ 表面処理部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 起歪領域として薄肉状に形成されるとと
   もに歪み量を検出するために半導体感歪素子が形成され
   たビーム薄肉部と、このビーム薄肉部から延在して荷重
   領域として厚肉状に形成されたビーム部と、このビーム
   薄肉部とビーム部とからなるビームの変位量を規定して
   該変位を停止させるストッパとを有し、前記ビ−ム部に
   印加された加速度に応じた前記ビーム薄肉部の歪み量を
   前記半導体感圧素子が検出することにより、前記加速度
   を検出する半導体式加速度センサにおいて、前記ストッ
   パは金属で構成されていることを特徴とする半導体式加
   速度センサ。