JPH05256869A - 半導体式加速度センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ストッパの作製が容易で、かつ、高感度で信
頼性が高く安価な半導体式加速度センサを提供する。 【構成】 第１の基板１をエッチング加工して第１の厚
肉部27と第２の厚肉部28と薄肉部２を形成する。この薄
肉部２の表面上に歪検出素子５を形成する。第２の基板
15をエッチング加工して段差34を形成し、第１の基板１
と第２の基板15を陽極接合により接合する。次いで、第
２の基板15に形成した段差34の周端側にかけて第２の基
板15の厚さだけダイシングし、重り35と台座11とを同時
に切り離し、第２の厚肉部28の内端縁部を第１のストッ
パ36として形成し、切断溝51を介して重り35の周端面50
の対向面を第２のストッパ52として同時に形成する。ま
た、上記基板１，15を第３の基板に接合し、隙間37を介
して重り35の対向面を第３のストッパ46として形成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体のピエゾ抵抗効
果を利用した半導体式加速度センサおよびその製造方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体式加速度センサは例えば車両の加
速度を検出して発進時や減速時のサスペンション機構の
バネ定数を調整して車両走行の安定を保つ制御などに用
いられ、その半導体式加速度センサの一例として従来よ
り半導体のピエゾ効果を利用したものが知られている。

【０００３】図16には公開特許公報昭６２−１９０７７
５号に公開された従来の半導体式加速度センサの断面説
明図が示されている。同図において、シリコン（Ｓｉ）
単結結基板１にはこの基板１の下面側からエッチング加
工が施されて中央部側に重りとしての第１の厚肉部３が
形成され、周端縁側には第２の厚肉部４が形成されてい
る。この第１の厚肉部３と第２の厚肉部４とは前記エッ
チング加工によって形成された片持ちばりの薄肉部２を
介して連結されている。この薄肉部２の表面にはピエゾ
抵抗からなる歪検出素子５が形成されており、この歪検
出素子５はブリッヂ回路を構成している。この加速度セ
ンサに加速度が加わると、その加速度に対応して重り３
が変位し、その変位に応じて薄肉部２にたわみを生ず
る。このたわみの応力変化によって歪検出素子５に抵抗
変化が引き起こされ、その変化量を前記ブリッヂ回路か
ら電圧として取り出すことにより、加速度を検知するこ
とができる。この加速度センサに過大な加速が加わった
ときに片持ちの薄肉部２が破壊されるのを防ぐために上
部ストッパ６と下部ストッパ７が設けられている。な
お、下部ストッパ７はセラミック基板12と接着されてい
る。

【０００４】図14には公開特許公報平２−１３５７８４
号に公開された従来の他構成の半導体式加速度センサの
断面説明図が示されている。同図において、第１の基板
１の下面中央部側にはエッチング加工によってエッチン
グ溝８が形成され、これに伴って片持ちばりの薄肉部２
が形成され、周端縁側には厚肉部４が形成されている。
また、この厚肉部の基端部側は固定部９としている。前
記薄肉部２の上面にはピエゾ抵抗からなる歪検出素子５
が形成され、この歪検出素子５はブリッヂ回路を構成し
ている。この第１の基板１の裏面側にはエッチング溝８
に対応した穴部32を形成した第２の基板15が陽極接合に
よって接合されてセンサ素子16が形成されている。

【０００５】図15は前記センサ素子16の加工工程を示す
もので、まず、一枚のシリコンウエハ20の裏面にエッチ
ング溝８に対応する複数の掘り込み溝41を形成する。次
いで、この溝41に対応する穴部32を設けたガラス基板30
を形成し、このガラス基板30とシリコンウエハ20とを重
ね合わせて陽極接合により接合させる。この接合したシ
リコンウエハ20とガラス基板30を所期通りダイシングし
て個々に分離し、所望構成の台座11と重り10とを同時に
形成してセンサ素子16が形成される。そしてこのセンサ
素子16は台座11を介して基台13と接合されて半導体式加
速度センサが作製される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図16に
示す従来例の加速度センサでは、第１の基板１一枚の厚
肉部で重り３を形成しているので、重り３の厚さが薄く
軽いため、どうしても感度が小さくなる。厚さが薄く軽
い重り３で感度を高めるには歪検出素子５が配設されて
いる薄肉部２をさらに薄く、かつ、小さくして応力を集
中させればよいが、この場合には薄肉部２の機械的強度
が弱くなり、薄肉部２の折損等が起こり易く、素子の信
頼性が低下するという問題がある。また、この加速度セ
ンサに過度の加速度が加わったときに重り３の変位によ
って薄肉部２の破壊を防止するための上部、下部ストッ
パ６，７が取り付けられているが、これらのストッパを
別の工程で作製しなければならず、さらに面倒なその取
り付け作業が必要となるという問題があった。

【０００７】また、図14に示す他構成の従来例の加速度
センサでは、重り10は厚さが２倍となって重くなり感度
は高められるが、このセンサに過度の加速度が加えられ
ると、重り10の変位に対してストッパがないため薄肉部
２の折損が起き易く信頼性が低いという問題がある。薄
肉部２の折損を防止してセンサの信頼性を高めるために
はストッパを付加すればよいが、そのためにはストッパ
を別工程で作製しなければならず、さらにそのストッパ
の面倒が取り付け作業を追加しなければならないという
問題がある。

【０００８】本発明は上記の課題を解決するためになさ
れたものであり、その目的は、ストッパの作製が容易
で、かつ、高感度で信頼性の高い安価な半導体式加速度
センサおよびその製造方法を提供することにある。

【０００９】

【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、次のように構成されている。すなわち、半
導体式加速度センサの第１の発明は、第１の基板の中央
側には第１の厚肉部が、周端縁側には第２の厚肉部がそ
れぞれ形成され、この第１の厚肉部と第２の厚肉部は１
個所以上の位置で薄肉部によってのみ連結され、この任
意の薄肉部の面には歪検出素子が形成されており、この
第１の基板には前記第１および第２の厚肉部を接合部と
して第２の基板が重ね合わされるとともに、前記第１の
厚肉部との接合部を囲む部分で第２の基板の一部が分離
切断されて第１の厚肉部に重りが形成されている半導体
式加速度センサであって、前記第２の厚肉部の内端縁部
は前記重りの面に対向されており、この第２の厚肉部と
重りの対向面の少なくとも一方側には段差が設けられて
第２の厚肉部と重りとの対向面間に隙間が形成され、第
２の厚肉部の前記対向面は重りが第１の基板方向へ変位
するのを規制する第１のストッパとして機能されている
ことを特徴として構成されている。また、半導体式加速
度センサの第２の発明は、第１の発明の半導体式加速度
センサに加えて重りの周端面は該重りの分離切断形成時
の切断溝隙間を介して１個所以上の位置で第２の基板の
内周側端面に対向されており、この内周側端面は重りの
水平方向への変位を規制する第２のストッパとして機能
されていることを特徴として構成されている。さらに、
半導体式加速度センサの第３の発明は第１および第２の
発明の半導体式加速度センサに加えて重りを挟んで第１
の基板と反対側には、重りが第１の基板と反対方向に変
位するのを規制する第３のストッパが重りに対して隙間
を介して設けられていることを特徴として構成されてい
る。さらに、また、本発明の半導体式加速度センサの製
造方法は、第１の基板の少なくとも片面側からエッチン
グ加工を施して中央側には第１の厚肉部を、周端縁側に
は第２の厚肉部をそれぞれ形成して、第１の厚肉部と第
２の厚肉部とを１個所以上の位置で薄肉部のみによって
連結し、この薄肉部には歪検出素子を設け、第１の基板
の第２の厚肉部の面又はこの第２の厚肉部に対向する第
２の基板の面の少なくとも一方側に段差面を形成して、
前記第１の基板と第２の基板を前記第１の基板の第１の
厚肉部および第２の厚肉部を接合部として重ね合わせて
接合し、然る後に、第２の基板の表面から前記段差面に
かけて切り込みを入れて前記第１の厚肉部との接合部を
囲む部分をその周りと分離して第２の基板の中央部を第
１の厚肉部と一体化した重りとしたことを特徴として構
成されている。

【００１０】

【作用】加速度センサに加速度が加わると重りが変位し
てその変位に応じて薄肉部にたわみを生ずる。このたわ
みの応力変化から加速度を検知するが、この加速度セン
サに過度の加速度が第１の基板の方向に加わったとき、
第２の厚肉部と重りの少なくとも一方側の段差の対向面
が第１のストッパとして重りの変位を規制する。

【００１１】また、この加速度センサの水平方向に過度
の加速度が加わったとき第２の基板の内周側端面は第２
のストッパとして重りの水平方向への変位を規制する。

【００１２】さらに、この加速度センサの第１の基板の
反対方向に過度の加速度が加わったとき重りの表面の対
向面側は第３のストッパとして重りが第１の基板の反対
方向へ変位するのを規制する。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１には第１の実施例に係わる半導体式加速度セ
ンサの平面図が示され、図２には図１のＡ−Ａ断面が示
されている。これらの図において、シリコン基板からな
る第１の基板１の裏面にはエッチング加工が施されて、
基板１の中央部側には第１の厚肉部27が形成され、周端
縁側には第２の厚肉部28が形成されている。また、第１
の厚肉部27の周囲には同様にエッチング加工により貫通
溝29が形成されている。この第１の厚肉部27と第２の厚
肉部28とは前記エッチング加工によって形成された薄肉
部２によってのみ連結されており、この薄肉部２は片持
ち支えとして第１の厚肉部27を支えている。前記薄肉部
２の表面にはピエゾ抵抗素子からなる歪検出素子５が形
成され、この歪検出素子５はブリッヂ回路を構成してい
る。また、この第１の基板１の表面には出入力端の電極
パターン26とリードパターン31が形成されている。

【００１４】前記第１の基板１の裏面側（下側）にはエ
ッチング加工が施された段差34が形成されたガラス基板
からなる第２の基板15が重ね合わされ、陽極接合によっ
て接合されている。そして前記第１の厚肉部27との接合
部を囲む部分で第２の基板15の一部が分離切断されて第
１の厚肉部27に重り35が形成されている。この重り35の
接合面側と第２の厚肉部28の内端縁部は対向されてお
り、重り35の接合面側の周端縁部には段差34が周設され
ている。この重り35の段差34と第２の厚肉部28との対向
面は重り35が第１の基板１の方向へ過度に変位するのを
規制する第１のストッパ36として機能している。

【００１５】また、前記第２の基板15の表面側にはセラ
ミック等適宜の材料からなる第３の基板12が接着され、
重り35の表面側と第３の基板12との対向面には隙間37が
形成され、この対向面は重り35が第３の基板12の方向へ
過度に変位するのを規制する第３のストッパ46として機
能している。

【００１６】さらに、重り35の周端面はこの重り35の分
離切断形成時の切断溝の隙間51を介して第２の基板15の
内周側端面52に対向されており、この内周端面52は重り
35の水平方向への過度の変位を規制する第２のストッパ
52として機能している。なお、第１の基板１の表面に形
成された入出力端の電極パターン26と第３の基板12上に
設けられた信号処理回路40とがボンディングワイヤ39で
接続されて、半導体式加速度センサが作製される。

【００１７】次に、この半導体式加速度センサの製造工
程を図面に基づいて説明する。図３には第１の実施例に
係わる半導体式加速度センサの第１の基板の加工工程が
示されている。まず、電極パターン26を配設したシリコ
ン基板からなる第１の基板１の両面に基板１の上面の一
部（Ａ部）を残して図３の（ａ）に示されるように窒化
膜45を全面マスクする。この基板１をテトラメチルアン
モニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）を用いて、前
記図２に示す薄肉部２と同じ厚みまでエッチングを行
い、図３の（ｂ）に示すようにＡ部に溝を形成する。次
に、図３の（ｃ）のようにＢ部、Ｃ部を残して基板両面
を窒化膜45でマスクし、再度エッチングを行って図３の
（ｄ）のように第１の厚肉部27と第２の厚肉部28と薄肉
部２と貫通溝29とを形成する。

【００１８】次に、図４に示すように、ガラス基板から
なる第２の基板15の両面にレジスト44をＤ，Ｅ，Ｆ部を
残してマスクして、エッチングし、図４の（ｂ）に示す
ように段差34と凹部33を形成する。次いで、このエッチ
ング加工した第２の基板15を前記エッチング加工した第
１の基板１と重ね合わせて図４の（ｃ）のように接合す
る。この接合方法としては第１の基板１の厚肉部の裏面
と第２の基板15の接合面を陽極接合を利用して接合が行
われる。図５には第１の基板１と第２の基板15の接合状
態が示されており、ハッチングした領域が両基板１，15
の接合面を示している。この第２の基板15の表面53側
（図６の（ｂ）では下面側）から図６の（ａ）に示され
る点線に沿って段差34の周端側にかけての厚み分だけダ
イシングして台座11とストッパ支持台43と重り35を切り
離すと、図６の（ｂ）のセンサ素子47が得られる。この
センサ素子47を図２に示されるように信号処理回路40を
設けた第３の基板12に接着し、ボンディングワイヤ39で
接続することにより半導体式加速度センサが形成され
る。

【００１９】この第１の実施例では、従来例と同様に、
この加速度センサに加速度が加わると、重り35が加速度
に対応して変位し、この変位によって第１の基板１の薄
肉部２にたわみを生ずる。このたわみによる応力変化に
よって歪検出素子５に抵抗変化が引き起こされ、その変
化量をブリッヂ回路から電圧として取り出すことにより
加速度を検知するものである。この第１の実施例によれ
ば、この加速度センサに過度の加速度が第１の基板１の
方向に加わっても段差34の対向面が第１のストッパ36と
なって重り35の変位を規制し、また、過度の加速度がこ
の加速度センサの水平方向に加わっても第２の基板15の
内周側端面が第２のストッパ52となって重り35の水平方
向への変位を規制する。さらに、過度の加速度が第１の
基板１の反対方向に加わっても、重り35表面側の対向面
が第３のストッパ46となり、重り35の変位を規制するこ
とができる。これにより過度の加速度が加わっても薄肉
部２が破断することなく、半導体式加速度センサの信頼
性を向上することができる。

【００２０】さらにまた、第２の基板15に重り35を形成
し、この重り35を第１の厚肉部と接合したので、重りは
厚く、かつ、重くすることができ、センサの感度を上げ
ることができる。

【００２１】さらにまた、第２の基板15をエッチングし
て段差34を形成し、第１の基板１と第２の基板15を接合
することにより、段差34の対向面の第２の厚肉部28の内
端縁部が第１のストッパ36として機能し、重り35を形成
するために第２の基板15をダイシングするだけで切断溝
51の外壁が第２のストッパ52として機能する。さらにま
た、エッチングして凹部33を形成した第２の基板15と第
３の基板12を接着するだけで、その凹部33に対向する第
３の基板の面が第３のストッパ46として機能することに
なる。したがって、ストッパを別工程で作製する必要が
なく、さらに、その別個に作製したストッパを接着等し
ていちいち組み込むという面倒な作業がなくなるので、
作業工程が大幅に簡素化され製造コストを低減すること
ができる。

【００２２】図７には第２の実施例に係わる半導体式加
速度センサの断面説明図が示されている。この第２の実
施例に係わる半導体式加速度センサはこの加速度センサ
に過度の加速度が加わったとき重り35の変位を規制する
ためのストッパとして段差34を第１の基板１側に形成し
たもので、その他の構成は第１の実施例と同様である。
この第２の実施例の半導体式加速度センサの製造工程を
図８〜図10に基づいて説明する。図８の（ａ）〜図８の
（ｂ）の工程は第１の実施例と全く同様である。図８の
（ｃ）ではＤ部、Ｅ部を残して両面を窒化膜45でマスク
し、これをエッチングして図８の（ｄ）に示されるよう
に基板１の段差34を形成する。これを図８の（ｅ）のよ
うにＦ部、Ｇ部を残して両面をマスクしてエッチング処
理し、図８の（ｆ）に示されるように、第１の厚肉部27
と第２の厚肉部28と薄肉部２および貫通溝29を形成す
る。次いで、図９に示すように、第２の基板15のＨ部を
残して両面をレジスト44でマスクしてエッチングを施
し、図９の（ｂ）に示すように凹部33を形成する。この
第２の基板15と前記エッチング処理した第１の基板１と
を陽極接合により接合した状態が図10に示されている。
このものを第２の基板15の表面53側から第１の実施例と
同様に段差34の周端面に向かってダイシングし、重り35
と台座11とストッパ支持台43とを切り離してセンサ素子
47を形成する。このセンサ素子47の表面側を第３の基板
12に接着して図７に示される第２の実施例の半導体式加
速度センサが形成される。

【００２３】この第２の実施例も第１の実施例と同様
に、第１のストッパ36と第２のストッパ52と第３のスト
ッパ46を設けたので、過度の加速度が加わっても薄肉部
２が破断されることなく、第１の実施例と同様に半導体
式加速度センサの信頼性を向上することができる。ま
た、ストッパを別工程で作製する必要がなく、さらにス
トッパを組み込む作業がなくなり、作業工程が大幅に簡
素化され、製造コストを低減することができる。

【００２４】図11には第３の実施例の半導体式加速度セ
ンサの平面図が示されており、図12には図11のＢ−Ｂ断
面が示されている。これらの図において、この加速度セ
ンサの第１の基板１の中央側には複数の薄肉部２（この
実施例では４個）が形成され、これら各薄肉部２の表面
には歪検出素子５が形成されており、各歪検出素子５を
用いてそれぞれのブリッヂ回路が構成されている。その
他の構成は第１の実施例や第２の実施例と同様である。

【００２５】この実施例も第１，第２の実施例と同様に
ストッパや重り35をエッチングやダイシングによって形
成することができるため、工程が少なく製造コストを低
減することができる。

【００２６】なお、本発明は上記実施例に限定されるこ
とはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば、上記
実施例では、図４の（ｂ）に示されるように第２の基板
15をエッチング加工して凹部33を設けたが、この第２の
基板15に凹部33を形成せず、図13に示されるように、第
３の基板12側にエッチングによって凹部21を設けて隙間
37を形成してもよい。また、第２の基板15と第３の基板
12の両方にエッチング加工を施して凹部を設けてもよ
い。

【００２７】また、信号処理回路40を第３の基板12に設
けたが、例えば第１の基板１に設けてもよい。

【００２８】さらに、歪検出素子５としてピエゾ抵抗素
子を用いていたが、これに替えて、例えば、電界効果ト
ランジスタ（Field Effect Transistor ）を用いてもよ
く、加速度による応力変化を電気的特性変化に転換でき
る素子ならば任意の素子を用いてもよい。

【００２９】さらにまた、第１の基板１にシリコン基板
を用い、第２の基板15にガラス基板を用い、第３の基板
12にセラミック基板を用いたが、これら基板は他の材質
でもよい。

【００３０】さらにまた、第２のストッパ52を重り35の
全周端面の対向面全域に形成したが、これを１個所以上
の位置としてもよい。

【００３１】さらに、上記各実施例では第３の基板を第
３のストッパとして機能させたが、この第３のストッパ
は別部材によって形成してもよい。ただ、上記各実施例
のように、第３の基板をそのまま第３のストッパとして
機能させることにより、このストッパの製造組み立てを
より容易化することができる。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、第２の基板をエッチン
グ加工して重りを形成し、この重りを第１の厚肉部に接
合したので、重りは厚く、かつ、重くすることができる
ため、感度を高めることができる。また、ストッパを設
けたので、過度の加速度が加わっても薄肉部が破断する
ことがなく、加速度センサの信頼性を向上することがで
きる。さらに第２の基板をエッチングして段差を形成
し、第１の基板と第２の基板を接合することにより段差
の対向面の第２の厚肉部が第１のストッパとして機能
し、重りを形成するために第２の基板をダイシングする
ことにより切断溝の外壁が第２のストッパとして機能す
るので、ストッパを別工程で作製する必要がなく、その
別個に作製したストッパを接着等していちいち組み込む
という面倒な作業もなくなり、作業工程が大幅に簡素化
されて製造コストを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例に係わる半導体式加速度センサの
平面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ断面の説明図である。

【図３】同半導体式加速度センサの第１の基板の加工工
程の説明図である。

【図４】同半導体式加速度センサの第２の基板の加工工
程の説明図である。

【図５】同半導体式加速度センサの第１の基板と第２の
基板の接合状態を示す説明図である。

【図６】同半導体式加速度センサの第２の基板のダイシ
ング加工状態を示す説明図である。

【図７】第２の実施例に係わる半導体式加速度センサの
断面説明図である。

【図８】同半導体式加速度センサの第１の基板の加工工
程の説明図である。

【図９】同半導体式加速度センサの第２の基板の加工工
程の説明図である。

【図10】同半導体式加速度センサの第１の基板と第２の
基板との接合状態の説明図である。

【図11】第３の実施例に係わる半導体式加速度センサの
平面図である。

【図12】図11のＢ−Ｂ断面の説明図である。

【図13】本発明に係わる半導体式加速度センサの他構造
の説明図である。

【図14】従来の半導体式加速度センサの断面説明図であ
る。

【図15】同半導体式加速度センサの加工工程の説明図で
ある。

【図16】従来の半導体式加速度センサの他構成の断面説
明図である。

【符号の説明】

１ 第１の基板 ２ 薄肉部 ５ 歪検出素子 11 台座 12 第３の基板 15 第２の基板 27 第１の厚肉部 28 第２の厚肉部 34 段差 35 重り 37 隙間

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の基板の中央側には第１の厚肉部
   が、周端縁側には第２の厚肉部がそれぞれ形成され、こ
   の第１の厚肉部と第２の厚肉部は１個所以上の位置で薄
   肉部によってのみ連結され、この任意の薄肉部の面には
   歪検出素子が形成されており、この第１の基板には前記
   第１および第２の厚肉部を接合部として第２の基板が重
   ね合わされるとともに、前記第１の厚肉部との接合部を
   囲む部分で第２の基板の一部が分離切断されて第１の厚
   肉部に重りが形成されている半導体式加速度センサであ
   って、前記第２の厚肉部の内端縁部は前記重りの面に対
   向されており、この第２の厚肉部と重りの対向面の少な
   くとも一方側には段差が設けられて第２の厚肉部と重り
   との対向面間に隙間が形成され、第２の厚肉部の前記対
   向面は重りが第１の基板方向へ変位するのを規制する第
   １のストッパとして機能されていることを特徴とする半
   導体式加速度センサ。
2. 【請求項２】 重りの周端面は該重りの分離切断形成時
   の切断溝隙間を介して１個所以上の位置で第２の基板の
   内周側端面に対向されており、この内周側端面は重りの
   水平方向への変位を規制する第２のストッパとして機能
   されている請求項１記載の半導体式加速度センサ。
3. 【請求項３】 重りを挟んで第１の基板と反対側には、
   重りが第１の基板と反対方向に変位するのを規制する第
   ３のストッパが重りに対して隙間を介して設けられてい
   る請求項１又は請求項２記載の半導体式加速度センサ。
4. 【請求項４】 第１の基板の少なくとも片面側からエッ
   チング加工を施して中央側には第１の厚肉部を、周端縁
   側には第２の厚肉部をそれぞれ形成して、第１の厚肉部
   と第２の厚肉部とを１個所以上の位置で薄肉部のみによ
   って連結し、この薄肉部には歪検出素子を設け、第１の
   基板の第２の厚肉部の面又はこの第２の厚肉部に対向す
   る第２の基板の面の少なくとも一方側に段差面を形成し
   て、前記第１の基板と第２の基板を前記第１の基板の第
   １の厚肉部および第２の厚肉部を接合部として重ね合わ
   せて接合し、然る後に、第２の基板の表面から前記段差
   面にかけて切り込みを入れて前記第１の厚肉部との接合
   部を囲む部分をその周りと分離して第２の基板の中央部
   を第１の厚肉部と一体化した重りとした半導体式加速度
   センサの製造方法。