JPH0623782B2 - 静電容量式加速度センサ及び半導体圧力センサ - Google Patents

静電容量式加速度センサ及び半導体圧力センサ

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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、半導体を用いた加速度センサ及び圧力センサ
に係り、特に、自動車の車体制御やエンジン制御に好適
な静電容量式加速度センサ及び歪みゲージ式圧力センサ
に関する。
［従来の技術］ 自動車用の加速度センサとしては、比較的低レベル（0
〜±1.0Ｇ）、低周波数(０〜１０Hz)の加速度を高精度
で検出する必要がある。なお、ここで、１Ｇ＝9.8ｍ／
Ｓ2である。
ところで、このような加速度センサとしては、従来から
圧電材料の圧電効果を利用した圧電式、電磁力フイード
バツク機構を有する電磁サーボ式、作動トランスを利用
した磁気式、フオトインタラプタを利用した光式、シリ
コンの微細加工技術を利用した歪ゲージ式や静電容量式
などが知られているが、この中でも、低レベル，低周波
の加速度を高精度に検出でき、安価なセンサを提供でき
る方式として、シリコンの微細加工技術を利用した静電
容量式（以下、単に容量式という）が最も有望と考えら
れている。
［発明が解決しようとする課題］ 容量式加速度センサの実装上の最も大きな課題は、電極
用リードの実装方法であり、このため、いくつかの方法
が知られている。
第１の例は特開昭58−10661に示されているように、Ｐ+
拡散領域を介して可動電極や固定電極のリードを取り出
す方法である。この方法は複雑でエツチングや接着時の
歩留りが良くないこと、Ｐ+拡散領域部が大きな浮遊容
量となり、その電圧依存性も大きいことから、検出制度
を低下させるなど問題的があつた。
第２の例はTransducers′８７（The ４th Internatio
nal Conference on Solid−State Sensors and A
ctuators）のｐ３３６〜３３９に示されているように、
シリコン板とガラス台の接着部の隙間からリードを取り
出す方法である。この方法はウエハ状態で接着した後、
通常のダイシング・ソーで検出チップにダイシングする
とき、前記隙間を介して電極部周囲の空間へ水分や切粉
などが侵入するため、加速度センサとしての性能が得ら
れなくなるなどの問題点があつた。
第３の例はＩ Mech Ｅ １９８１のｐ255〜260「Minia
ture Silicon capacitance absolute pressure se
nsor」に示されているように、ガラス台中に貫通させた
孔を介してリードを取り出す方法である。この例は圧力
センサに適用したものであるが、メタライズ条件の変動
による一方の孔端部でのリード接続不良、他方の孔端部
に封入した半田とガラス台との大きな熱膨張率差に起因
する温度特性の悪化などの問題点が考えられる。
第４の例はＶＳＰ4,609,968に示されているように、固
定電極にシリコン板を使用し、シリコン板自身をリード
の一部として実装する方法である。この例は固定電極と
なるシリコン板の周囲に粉末ガラスを塗布して焼成を行
なつた後、その面を鏡面状態に研磨する。そして、可動
電極と、それを支えるビーム（梁状部材）とを有するシ
リコン板と積層して、陽極接合にて両者を接着したもの
であるが、陽極接合は高温で高電圧を印加してガラスと
シリコンを接着する方法であり、高電圧下の静電気力に
よつて可動電極は変位し、固定電極のシリコン板と接触
して放電するため、両者を接合することができない。こ
れを避けるためには、可動電極と固定電極間の空隙の寸
法を予め大きく設計するか、あるいはビームのバネ定数
を大きく（つまり、単位加速度に対する可動電極の変形
量を小さく）設計しなければならない。この結果、容量
式加速度センサが本質的に具有している高感度性を大き
く犠牲にしなければならない問題点があつた。
上記従来技術は電極リードの実装方法について配慮がさ
れておらず、生産性あるいは検出精度あるいは感度のい
ずれかについて問題があつた。
本発明の目的は、生産性に優れ、高性能で低コストの加
速度センサを提供するにある。
［課題を解決するための手段］ 上記目的は、次の方法により達成される。
第１の手法は、シリコンビームと可動電極を有するシリ
コン板の上面（一方の面）と下面（他方の面）に、熱酸
化膜を介して固定電極を兼用するシリコン板を積層し、
これらを高温で直接的に接合する方法である。
第２の手法は、シリコンビーム，可動電極及び浅い溝を
有するシリコン板の上面と下面に、固定電極を有するガ
ラス板をウエハ状態で陽極接合し、接合部の溝部より固
定電極のリードを取り出す構造とし、レーザ・ダイシン
グによつて検出チツプを得る方法である。
第３の手法は、固定電極を形成したガラス板の一部に浅
い溝を加工し、その溝の底部に固定電極のリード部を形
成した後、溝の一部を絶縁材料で封止する方法である。
第４の手法は、シリコンビームと可動電極を有するシリ
コン板の上面と下面に、固定電極を兼用するシリコン板
を低融点ガラス接着剤で接合する方法である。
第５の手法は、シリコンビームと可動電極を有するシリ
コン板の上面と下面に、固定電極を有するガラス板を陽
極接合したものにおいて、ガラス板にあけた貫通孔へ導
電材料を封入することによつてリードを取り出す方法で
ある。
第６の手法は、シリコンビームと可動電極を有するシリ
コン板の上面と下面に、固定電極を有するガラス板を陽
極整合するものにおいて、シリコン板上に形成した熱酸
化膜上の多結晶シリコン層を介して前記ガラス板を陽極
接合し、固定電極のリード引出し部を前記多結晶シリコ
ン層と接触させつつ取り出す方法である。
第７の手法は、シリコンビームと可動電極を有するシリ
コン板の上面と下面に、固定電極を有するガラス板を陽
極接合するものにおいて、シリコン板上へ極小的に形成
した熱酸化膜上を固定電極のリードを引き出す方法であ
る。
［作用］ 第１の手法の場合、シリコン板が固定電極を兼用する
故、シリコン板それ自身が固定電極のリード引出し部に
なり、リードの実装方法が簡単になる。この結果、生産
性に優れ、低コストな加速度センサを実現できる。な
お、接着技術に陽極接合方法を使用しないため、可動電
極と固定電極間の空隙の寸法を数ミクロン以下に小さく
できると共に、シリコンビームのバネ定数も小さくでき
る故、容量式加速度センサが本質的に所有している高感
度化を達成でき、高性能な加速度センサを実現すること
ができる。
第２の手法の場合、溝部より固定電極のリードを取り出
す故、リード部とシリコン板を空気によつて絶縁できる
故、リードの実装方法が簡単になる。なお、レーザによ
つてダイシングを行なうため、電極部周囲の空間への水
や切粉などの侵入はなくなる。この結果、生産性に優
れ、低コストな加速度センサを実現することができる。
第３の手法の場合、溝の底部へリード部を形成し、その
一部を絶縁材料で封止している故、ダイシング・ソーで
検出チツプにダイシングしても、電極部周囲の空間への
水分や切粉の侵入を防止できる。この結果、生産性に優
れ、低コストな加速度センサを実現することができる。
第４の手法の場合、シリコン板が固定電極を兼用する
故、第１の手法と同じ理由で同様な効果が得られる。
第５の手法の場合、ガラス板中の貫通孔へ導電材料を完
全に封入する故、孔端部でのリード部の接続不良はなく
なり、生産時の歩留りが向上する。また、貫通孔が完全
に密封されている故、ダイシング・ソーで検出チツプに
切断しても、電極部周囲の空間への水や切粉の侵入を防
止できる。
第６の手法の場合、固定電極のリード部と多結晶シリコ
ン層が接触しても、その下部に熱酸化膜がある故、シリ
コン板と電気的絶縁をとりながら、リードを引き出すこ
とができる。リード部と多結晶シリコン層が接触しても
良いため、リード部の厚さを薄くすることにより、シリ
コン板とガラス板を陽極接合したときに生ずるリード部
近傍の隙間は無視できるほど小さくなり、ダイシング・
ソーで検出チツプに切断しても、電極部周囲の空間への
水分や切粉の侵入を防止できる。
第７の手法の場合、固定電極のリード部とシリコン板を
絶縁する熱酸化膜が極小的であり、陽極接合後にこの近
傍へ発生する隙間は小さくなり、ダイシング・ソーで検
出チツプに切断しても、電極部周囲の空間への水や切粉
の侵入を防止できる。
［実施例］ 以下、本発明によるセンサについて、図示の実施例によ
り詳細に説明する。
第１図は本発明の一実施例で、上記した第１の手法を具
体化したもので、この第１の実施例による容量式加速度
センサの検出部は、シリコン板Ａ１，シリコン板Ｂ２及
びシリコン板Ｃ３を電気絶縁用の熱酸化膜４，５を介し
て直接的に張り合わせ、接合したものよりなる。シリコ
ン板Ｂ２には、エツチング加工により、接合前にシリコ
ンビーム（梁状部）６と可動電極７が予め形成されてい
る。重錘の機能を有する可動電極７はシリコンビーム６
によつて支持されており、これに作用する、図の上下方
向の加速度の大きさに応じて、可動電極７とシリコン板
Ａ１およびシリコン板Ｃ３間の空隙８の寸法が変化す
る。シリコン板Ａ１とシリコン板Ｃ３は導電材料である
ため、可動電極７に対向したシリコン板Ａ１とシリコン
板Ｃ３の部分は加速度に対して全く移動しない電極、即
ち固定電極になり得る。検出部に作用する加速度に応じ
て、空隙８部の電極間容量が変化する故、これを利用し
て加速度を検出するものである。
可動電極７はシリコンビーム６，ボンデイング・パツド
９を介して、外部の電子回路（図中には示されていな
い）と電気的に結線される。
前述のように、シリコン板Ａ１とシリコン板Ｃ３が固定
電極を兼用する故、シリコン板Ａ１とＣ３それ自身が固
定電極のリード引出し部として利用でき、リードの実装
方法が極めて簡単になる。
一方、この実施例の場合、シリコン板Ｂ２とシリコン板
Ａ１，Ｃ３間の接着部（図では熱酸化膜４と５の部分）
の電気容量が空隙８部の電気容量に対して並列に挿入さ
れる。しかして、この接着部の容量は加速度変化に全く
影響されない浮遊容量となり、従つて、この部分の電気
容量はできるだけ小さい方が望ましく、このためには、
接着部の面積を可能な限り小さく、他方、熱酸化膜４，
５の厚さは可能な限り大きくなるようにすればよい。
この第１図に示した検出部の概略製造プロセスを第２図
に示す。エツチング加工その他の前工程を終えたウエハ
状態のシリコン板Ａ１，Ｂ２及びＣ３を十分に洗浄し
て、接着部の汚れやゴミを除去する。次に、ウエハ状態
でこれらシリコン板の位置合わせを行なつた後、積層す
る。そして、酸素雰囲気中、８００℃で２時間の熱処理
を行なう。この熱処理によつて、熱酸化膜を介してシリ
コン板同志を完全に、直接的に接合することができた。
最後に、シリコンの３層接合ウエハをダイシング・ソー
によつてカツテイングすることにより、第１図に示した
検出部分を同時に、多数個製作することができる。
高電圧を印加する陽極接合法とは異なり、熱処理のみで
シリコン板を直接的に接合する本実施例の場合、空隙８
の寸法やシリコンビーム６のバネ定数を小さくしても製
造時のトラブル発生はなく、高感度な加速度センサを得
ることは容易である。
本発明による検出部の他の実施例を第３図及び第４図に
示す。なお、本図以下で、同一番号は同一機能のものを
示すこととする。
第２図に示した手法でシリコン板同志を直接的に接合す
るとき、熱処理温度までの昇温速度や熱処理時の雰囲気
ガスの種類によつては、可動電極７とシリコンビーム６
の周囲の空間に閉じ込められたガスが膨張し、積層した
シリコン板Ａ１，シリコン板Ｂ２及びシリコン板Ｃ３の
接着されるべき部分に隙間が発生し、熱処理時のウエハ
状態の接合が部分的に不良になることがある。
このためには、第３図に示す実施例のように、膨張した
ガスを周囲へ逃す役目をなす孔１０をシリコン板Ａ１中
にあけておくのが極めて有効であつた。
次に、シリコン容量式加速度センサの高感度化を徹底的
に向上させたいときは、第４図に示す検出部の構造が有
効である。この第４図の実施例は、可動電極７に対向し
たシリコン板Ａ１とシリコン板Ｃ３の部分へ、多結晶シ
リコン層１１，１２を形成したものである。ここで、多
結晶シリコン層１１，１２は導電材料であり、実質的に
可動電極７に対向した固定電極となる。
従つて、この第４図の実施例によれば、可動電極７と多
結晶シリコン層１１，１２間の空隙の寸法を小さくでき
るので、高感度な加速度センサを得ることができる。ま
た、この実施例によれば、熱酸化膜４，５の厚さより空
隙の寸法を小さくできる故、熱酸化膜４，５の部分の浮
遊容量の問題も相対的に少なくなる。なお、多結晶シリ
コン層１１，１２のところは基本的に導電体層であれば
良く、白金などの金属層で構成されていても良い。
第１図の実施例に示した検出部構造の積層される前の展
開図を第５図〜第８図に示す。
第５図は、シリコン板Ａ１とシリコン板Ｃ３の接合面に
のみ、予め電気絶縁用の熱酸化膜４，５を形成した場合
の実施例であり、これら熱酸化膜の厚さは少なくとも１
ミクロン以上に作られている。
これに対して、第６図の実施例は、熱酸化膜４，５をシ
リコン板Ｂ２の接合面にのみ形成したものである。
第７図は、シリコン板Ａ１，シリコン板Ｂ２及びシリコ
ン板Ｃ３のいずれにも熱酸化膜４，５を予め形成してお
いた実施例であり、接着後のこの部分の浮遊容量を小さ
くするのに第５図，第６図の実施例より有利である。
第８図は、シリコン板Ａ１上の熱酸化膜４とシリコン板
Ｃ３上の熱酸化膜５の上に、スピンコートで薄いガラス
層１３，１４を予め形成した実施例である。これらのガ
ラス層１３，１４はそれぞれ熱酸化膜４，５間に挿入さ
れることになり、接着時の熱処理工程において一種の
「のり」の役目を果たし、より低温でのシリコン板同志
の接合が可能であつた。
本発明によるシリコン容量式加速度センサの検出部展開
図の平面図を第９図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示す。本
図は第７図に示した実施例における展開図の平面図を示
したもので、図において、斜線部はシリコン板同志の接
着部となる熱酸化膜の部分である。９ａ，９及び９ｃは
それぞれシリコン板Ａ１（固定電極の機能を有する）、
可動電極７及びシリコン板Ｃ３（固定電極の機能を有す
る）のボンデイング・パツドであり、このパツドを介し
てこれらの電極は外部の信号処理回路と接続される。
本発明による加速度センサ検出部の立体図を第１０図に
示す。検出部は導線１５，１６，１７を介して、外部の
信号処理回路と電気的に結線される。
検出部の等価回路を第１１図に示す。第１１図（Ａ）に
おいて、容量１８と１９は電極間の空隙８での容量であ
り、加速度の大きさに応じて変化する。これに対して、
容量２０と２１はシリコン板接着部の熱酸化膜による容
量であり、加速度の影響を全く受けない。そこで、容量
２０と２１の大きさが、容量１８と１９の値より充分に
小さくなるように作り、等価回路が実質的に第１１図
（Ｂ）で示されることが望ましい。このためには、前述
の如く接着部の面積を小さくすること、熱酸化膜を厚く
すること、可動電極の面積を大きくすること、及び電極
間の空隙の寸法を小さくすることが有効である。
次に、熱処理にてシリコン板をウエハ状態で直接的に接
合するときの、シリコンウエハの位置決め方法について
説明する。
第１２図（Ａ）はウエハ状態のシリコン板２５の概略図
を示したもので、図において、２３は検出チツプであ
り、１枚のウエハより数百個の加速度センサを製作でき
る。そして、シリコン板２５にはエツチングによつて、
複数の貫通孔２２が加工されている。
次に、第１２図（Ｂ）に示すように、貫通孔22へ案内ピ
ン２４を挿入することによつて、ウエハ状態のシリコン
板Ａ１，シリコン板Ｂ２及びシリコン板Ｃ３を積層する
と同時に位置決めを行なう。
従つて、この実施例では、シリコン板間の位置決め精度
は貫通孔２２と案内ピン２４の公差によつて定まり、±
数１０ミクロン以下の精度で位置決めを行なうことがで
きる。
本発明によるシリコン容量式加速度センサの検出部の他
の実施例を第１３図，第１４図（断面図）及び第１５
図，第１６図（平面図）に示す。
まず、第１３図は、可動電極７がシリコンビーム６によ
つて片持支持構造で保持された例であり、第１図に示し
た実施例とは、可動電極７の重心軸上へシリコンビーム
６が配置されていない点が異なる。
次に、第１４図は、可動電極７が２本のシリコンビーム
６によつて両物支持構造で保持されるようにした実施例
である。
さらに、第１５図及び第１６図は、可動電極７が４本の
シリコンビーム６による両物支持構造及び２本のシリコ
ンビーム６による片物支持構造による検出部を備えた実
施例を示している。
次に、本発明による容量式加速度センサの電極リードの
他の実装方法（第２の手法）を採用した実施例について
説明する。
この実施例の場合の検出部の断面構造を第１７図及び第
１８図に示す。まず、第１７図において、固定電極２８
及び２９は、それぞれガラス板Ａ26及びガラス板Ｃ２７
上へ、アルミなどの金属をスパツタその他の手法によつ
て形成した導電層よりなる。シリコン板Ｂ２の上面と下
面へ、ガラス板Ａ２６とガラス板Ｃ２７を接着する技術
には陽極接合法を用いている。即ち、高温で高電圧（例
えば、３８０℃で２００ボルト）を印加して、シリコン
板Ｂ２の両面へガラス板を電気化学的に接着するのであ
る。
第１８図は、第１７図に示した構造のものにおいて、ガ
ラス板Ａ２６とガラス板Ｃ２７上へ、それぞれシリコン
板Ｄ３０とシリコン板Ｅ３１を陽極接合にて接着した実
施例である。ガラス板にはシリコン板と熱膨張係数の近
いホウケイ酸系のガラスを用いている。しかし、両者の
熱膨張係数は完全には等しくないため、検出部周囲の温
度が変つたとき、電極間の空隙８の寸法が若干変化す
る。この結果、加速度センサの出力信号は温度影響を受
け、その零点やスパンが少し変化する。この点、第１８
図に示した実施例のものは、ガラス板Ａ26とガラス板Ｃ
２７の厚さを薄くすることにより、全体として実質的に
は、検出部がシリコン積層体だけで構成したのと等価に
なり、温度特性の良好な容量式加速度センサを得ること
ができる。なお、以下に説明する如く、固定電極２８と
２９のリードの取り出し方法は第１７図の実施例の場合
と同じにしてある。
第１７図に示した検出部の展開平面図を第１９図(Ａ),
(Ｂ),(Ｃ)に示す。シリコン板Ｂ２の破線で示した部分
が接着部である。
この第１９図において、３２，３３は、固定電極２８及
び２９を外部の信号処理回路と電気的に結線するための
引出しリード部である。このリード引出し部３２，３３
をシリコン板Ｂ２と接触させないため、即ち、固定電極
２８，２９とシリコン板Ｂ２の電気的絶縁を図るため、
シリコン板Ｂ２を浅くエツチングして、上面に溝３４、
下面に溝３５を形成している。シリコン板Ｂ２の上面と
下面にガラス板Ａ２６，ガラス板Ｃ２７を接着したとき
に生ずる接着部の隙間、即ち溝３４と溝35へ対向した位
置にリード引出し部３２，３３を配置している。なお、
エツチングによつて加工された溝３２と３３の深さは、
少なくとも可動電極７と固定電極２８，２９間の空隙８
の寸法より小さい値にしてある。
シリコン板Ｂ２の上面と下面に、ガラス板Ａ26とガラス
板Ｃ２７をウエハ状態で陽極接合した後、レーザダイシ
ングにより検出チツプに切断する。それ故、溝３４，３
５を介して可動電極７周囲の空間部分へ、ダイシング時
の水や切粉は侵入することはない。
第１７図に示した検出部の立体図を第２０図に示す。リ
ード引出し部３２、シリコン板Ｂ２及びリード引出し部
３３は、それぞれ導電ペースト部３７，３８及び３９を
介して、ボンデイング・パツド９ａ，９及び９ｃと電気
的に結線される。なお、導電ペースト部は導電ペースト
以外の電気的結線手段でも良い。また、２個の導電ペー
スト部３９は導線４０などの手段で電気的に接続されて
いる。
このように、導線１５，１６及び１７を介して、検出部
は外部の信号処理回路と接続される。
検出部と外部の信号処理回路を結線する別の実施例を第
２１図に示す。図において、ボンデイング・パッド９
ａ，９及び９ｃは端子板Ｇ４１上に形成されている。そ
して、端子板Ｇ４１の側面には導電ペースト部４２，４
３及び４４が形成されている。
この実施例では、まず、端子板Ｇ４１を前図に示した検
出部の左端に配置して、導電ペースト部３７，３８及び
３９をそれぞれ４２，４３及び４４へ接触させる。その
後、これらの導電ペースト部を低温で焼成して、検出部
４５の中の電極部とボンデイング・パツド部を電気的に
接続するのである。
本発明による検出部のリード実装方法の他の実施例を第
２２図に示す。本図は本発明により第３の手法を示した
もので、第１９図に示したものとは下記の点において異
なる。即ち、シリコン板Ｂ２中へ固定電極のリード引出
し部のために設けた溝３４と３５をなくし、代りにこれ
らの溝をガラス板Ａ２６とガラス板Ｃ２７へ配置するの
である。
第２２図の実施例において、ガラス板Ｃ２７中に溝２７
が加工してあり、この溝４７の底部にリード引出し部３
３を配置する。そして、図に示すように、溝４７の一部
へ絶縁材料４６を封止している。なお、絶縁材料４６は
ガラス質のものなどで構成される。
この第２２図の断面Ａ−Ａ，断面Ｂ−Ｂ及び断面Ｃ−Ｃ
を第２３図(Ａ),(Ｂ),(Ｃ)に示す。第23図(Ａ)〜(Ｃ)に
示すように、絶縁材料４６は溝47の一部を完全に封止し
ており、絶縁材料４６の上面とガラス板Ｃ２７の上面は
凹凸なしに一致している。それ故、このガラス板Ｃ２７
とシリコン板Ｂ２を陽極接合する際の障害はなく、両者
を接合した後にこの部分へ隙間が生ずることはない。こ
の結果、シリコン板Ｂ２の両面へガラス板Ａ２６とガラ
ス板Ｃ２７をウエハ状態で陽極接合にて接着した後、複
数の検出チツプへ通常のダイシング・ソーで切断して
も、可動電極７の周辺の空間部分へ水や切粉などが侵入
することはない。
本発明による検出部のリード実装方法の他の実施例を第
２４図に示す。本図は第４の手法を示したものである。
検出部の基本構造は第１図に示したものと良く似てお
り、下記の点が異なるのみである。即ち、熱酸化膜４，
５の代りに、低融点ガラス接着剤４８，４９を設け、高
温にて低融点ガラスを溶融し、シリコン板Ｂ２の両面へ
シリコ板Ａ１とシリコン板Ｃ３をウエハ状態で接合する
方法である。なお、低融点ガラス接着剤４８，49は、そ
れぞれシリコン板Ａ１とシリコン板Ｃ３を浅くエツチン
グした部分へ、スクリーン印刷その他の手法で形成され
る。
この実施例において、シリコン板Ａ１とシリコン板Ｃ３
は固定電極を兼用できる故、第１図に示した第１の手法
と同様な効果が得られる。
本発明による検出部のリード実装方法の他の実施例を第
２５図に示す。本図は第５の手法を示したものである。
シリコンビーム６と可動電極７を有するシリコン板Ｂ２
の上面と下面へ、それぞれ固定電極２８，２９をスパツ
タその他の手法で形成したガラス板Ａ２６，ガラス板Ｃ
２７を陽極接合にて接着している。これらのガラス板に
は、サンドブラストや超音波加工によつて、貫通孔５
０，５１が形成されている。この貫通孔５０と５１を密
封するように導電材料が封入され、この上にリード引出
し部５２，５３を設けている。
この実施例によれば、ガラス板中の貫通孔へ導電材料を
完全に封入する故、孔端部でのリード部の接続不良はな
くなり、生産時の歩留りが向上する。また、貫通孔が完
全に密封されている故、ダイシング・ソーで検出チツプ
に切断しても、電極部周囲の空間への水や切粉の侵入を
防止できる。
第２５図に示した検出部の展開平面図を第２６図(Ａ),
(Ｂ),(Ｃ)に示す。図において、シリコン板Ｂ２の斜線
で示した部分はガラス板との接着部を示している。固定
電極２８，２９のリード引出し部分５２，５３は、それ
ぞれガラス板Ａ２６，ガラス板Ｃ２７上へ図のように引
き回される。
本発明による検出部のリード実装方法の他の実施例を第
２７図に示す。第２７図の検出部構造は、第２５図に示
したもののガラス板Ａ２６及びガラス板Ｃ２７の上へ、
それぞれ板Ｄ３０及びＥ３１を陽極接合にて接着したも
のと考えて良い。貫通孔５０と５１へ封入した導電材料
によつて、固定電極２８及び２９をそれぞれシリコン板
Ｄ３０及びＥ３１へ電気的に結線する方法である。
ウエハ状態での陽極接合は次の順序で行なう。まず、シ
リコン板Ｂ２の上面と下面に、ガラス板Ａ２６とガラス
板Ｃ２７を陽極接合にて接着する。次に、シリコン板Ｄ
３０及びシリコン板Ｅ３１を、それぞれガラス板２６及
びガラス板Ｃ２７上へ陽極接合にて接着する。
ところで、この実施例で、陽極接合の順序を変更すると
きは、検出部の構造に工夫を施さなければならない。即
ち、ガラス板Ａ２６とシリコン板Ｄ３０及びガラス板Ｃ
２７とシリコン板Ｅ３１を、それぞれ別個に陽極接合に
て接着した部組を作る。次に、これらの部組をシリコン
板Ｂ２の上面と下面に陽極接合で接着する場合である。
この接合方法を第２７図の検出部構造へ適用した場合
は、陽極接合時の高電圧印加によつて、可動電極７は静
電気力によつて固定電極２８もしくは２９のいずれかへ
吸引されて、これらの電極と接触して放電する故、陽極
接合を行なうことができなくなる。
この場合は、検出部の構造を第２８図のように変更して
対策を行なう。即ち、貫通孔５０と５１へ対向した部分
のシリコン板Ｄ３０及びシリコン板Ｅ３１へ、エツチン
グによつてエツチング孔54及び５５を形成している。ま
ず、シリコン板Ｄ30とガラス板Ａ２６，シリコン板Ｅ３
１とガラス板Ｃ２７を別個に陽極接合する。そして、こ
れらの部組をシリコン板Ｂ２の上面と下面に陽極接合で
接着する。このとき、シリコン板Ｂ２とシリコン板Ｄ３
０，シリコン板Ｅ３１間へ高電圧を印加しても、シリコ
ン板Ｄ３０とシリコン板Ｅ３１は固定電極２８，２９と
は電気的２８，２９とは電気的に絶縁されているため、
陽極接合の障害は何ら発生しない。陽極接合が完了した
時点で、スパツタその他の手法によつてエツチング孔５
４，５５の内側へ導電材料部56,５７を形成して、シリ
コン板Ｄ３０と固定電極28及びシリコン板Ｅ３１と固定
電極２９を電気的に接続すればよい。
なお、第２７図及び第２８図に示した検出部の固定電極
のリード実装方法は第２５図に示した検出部と、生産性
上同等の効果を有する。むしろ、第２７図と第２８図の
実施例による検出部は、実質的に、シリコン積層体に近
づけることも可能であり、温度特性の良好な加速度セン
サを実現できる。
本発明による検出部のリードの実装方法の他の実施例を
第２９図に示す。本図は本発明による第６の手法を示し
たものである。シリコンビーム６と可動電極７を有する
シリコン板Ｂ２の接着部には、熱酸化膜４と５、その上
には多結晶シリコン層５８と５９が形成してある。この
多結晶シリコン層５８，５９を介して、シリコン板Ｂ２
の上面と下面に、それぞれ固定電極２８と２９を有する
ガラス板Ａ２６とガラス板Ｃ２７を陽極接合にて接合す
るのである。
ガラス板Ｃ２７の平面図を第３０図に示す。図におい
て、斜線部６０は多結晶シリコン層５９を介して、シリ
コン板Ｂ２と接着される部分を示している。固定電極２
９のリード引出し部３３は交叉部６１において、導電材
料である多結晶シリコン層５９と電気的に接触する。し
かし、この多結晶シリコン層５９の下部には熱酸化膜５
が形成されているため、リード引出し部３３即ち固定電
極２９はシリコン板Ｂ２と電気的に絶縁されることにな
る。この場合、固定電極のリード引出しのために、シリ
コン板Ｂ２と絶縁する目的で、シリコン板及びガラス板
のいずれにもリード引出し部へ対向した位置へ溝を形成
する必要はない。従つて、リード引出し部３３が薄けれ
ば、接合後に交叉部６１に生ずる隙間は極めて小さなも
のになる。この結果、ウエハ状態で接合後、通常のダイ
シング・ソーで検出チツプに切断しても、可動電極周囲
の空間へ水や切粉などが侵入することはない。
本発明による検出部のリードの実装方法の他の実施例を
第３１図に示す。本図は本発明による第７の手法を示し
たものである。検出部の断面構造は第１７図と類似の構
造を有したものに適用してある。しかし、リードの実装
方法は下記の点で異なる。即ち、固定電極２８及び２９
のリード引出し部３２及び３３に対応したシリコン板Ｂ
２の位置には、溝の代りに熱酸化膜６２及び６３を形成
している。リード引出し部とシリコン板を電気的に絶縁
する目的のこれらの熱酸化膜を極小的に設計すると、陽
極接合後にこの近傍へ発生する隙間は極めて小さいもの
で済む。この結果、ダイシング・ソーで検出チツプに切
断しても、可動電極周辺の空間部へ切粉が侵入すること
はない。
本発明によるシリコン容量式加速度センサを信号処理回
路と接続し、その特性評価を行なつた例を以下に示す。
第３２図に信号処理回路の構成を示す。図に示されてい
る検出部は、第１図にて説明したものと本質的には同じ
である。検出すべき加速度をＧとし、矢印方向の加速度
を正、矢印と逆向き方向の加速度を負と定義することに
する。シリコン板Ａ１，シリコン板Ｂ２及びシリコン板
Ｃ３はそれぞれ導線１５，１６及び１７を介して、ΔＣ
検出器６４へ接続される。ΔＣ検出器６４はスイツチト
・キヤパシタで構成され、可動電極７とシリコン板（固
定電極兼用）間の空隙８部の容量の差ΔＣが零になるよ
うに、増幅器６５がパルス幅変調器66を制御する。そし
て、パルス状の出力電圧ＶEはシリコン板Ａ１へ、イン
バータ６７によつて反転された出力電圧−ＶEはシリコ
ン板Ｃ３へ、フイードバツク制御的に印加される。な
お、シリコン板Ｂ２へは一定の直流電圧（図において
は、５ボルト）が印加されている。シリコンビーム６に
よつて支持された重錘の機能を有する可動電極７は、加
速度Ｇの大きさに応じて変位しようとする。しかし、信
号処理回路によつてΔＣ→０となるように、可動電極の
位置を電極間に作用する静電気力によつて、フイードバ
ツク的に制御している。それ故、電極間に供給した静電
気エネルギーは、検出すべき加速度Ｇそのものを表わす
ことになる。そこで、パルス幅変調器６６のパルス状の
出力電圧波形ＶEをローパスフイルタ６８で処理し、差
動増幅器６９を介して加速度センサとしての出力電圧Ｖ
0を取り出すのである。
パルス幅変調器の出力電圧ＶEの波形を第３３図に示
す。この図から明らかなように、出力電圧ＶEは周期５
０μｓのパルス状の電圧波形で、そのＬOWレベルは０ボ
ルト、Highレベルは５ボルトである。パルス幅は正の加
速度に対しては線形に減少、負の加速度に対しては増加
するように、フイードバツク制御されている。
シリコン容量式加速度センサの出力特性の一例を第３４
図に示す。この図は第３２図に示した方法で測定して結
果を示したものであり、これら明らかなように、０〜±
１Ｇの加速度を直線性良く、高精度に検出することがで
きた。
本発明によるシリコン容量式加速度センサの実装技術
を、圧力センサに適用した場合の実施例を第３５図及び
第３６図に示す。
従来のこのような圧力センサでは、歪ゲージを有する検
出チツプは陽極接合でガラス製の台座に接着されるか、
あるいは半田接合でシリコン製の台座に接着されてい
た。しかして、ガラス製の台座や半田はシリコンと熱膨
張係数が全く同じではないため、接着部に生じた熱応力
によつて、従来の圧力センサは周囲温度の影響を強く受
け、出力の温度特性が良くなかつた。
そこで、第３５図の実施例においては、検出チツプ７５
（シリコン板）は、ダイアフラム状に形成した部分、す
なわちダイアフラム部７２と、その表面に形成した歪ゲ
ージ７１やボンデイング・パツド７４よりなる。そし
て、歪ゲージ７１は熱酸化膜７０で保護されている。そ
して、この実施例では、圧力導入孔７８を有するシリコ
ン台座77上へ、熱酸化膜７６を介して検出チツプ７５を
直接的に接合してある。
熱酸化膜７６は約１μｍと薄く、従つて、この実施例に
よれば、検出部実質的にシリコン積層体だけで構成され
たのと等価になり、このため、温度特性の良好な圧力セ
ンサが得られる。
第３６図は、ダイアフラム部７２の圧力室７３と反対側
へ、熱酸化膜７０を介してシリコンキヤツプ８０を接着
することにより、基準真空室７９を形成したことを特徴
とするもので、この実施例によれば、絶対圧センサを得
ることができる。
［発明の効果］ 本発明によれば、電極リードの実装に何らの問題を生じ
ることなく、容易に、しかも確実に検出部と外部との接
続を行なうことが出来るから、生産性に優れ、高性能
で、かつローコストの静電容量式加速度センサや半導体
圧力センサを容易に提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明による加速度センサの一実施例を示す基
本構成図、第２図は概略製造プロセスの説明図、第３図
及び第４図はそれぞれ本発明の一実施例による検出部の
断面図、第５図，第６図，第７図及び第８図は検出部の
各実施例の展開図、第９図は検出部の一実施例の平面展
開図、第１０図は検出部の一実施例の立体図、第１１図
は検出部の等価回路図、第１２図は本発明の一実施例に
おけるウエハ状態のシリコン板の位置決め方法の説明
図、第１３図，第１４図，第１５図及び第１６図は本発
明による検出部の各実施例を示す断面図と平面図、第１
７図及び第１８図は本発明による電極リードの他の実施
例を示す断面図、第１９図はその展開平面図、第２０図
はその立体図、第２１図は端子板の一実施例を示す概略
図、第２２図は本発明による電極リードの他の実施例を
示す平面図、第23図はその展開図、第２４図及び第２５
図はそれぞれ本発明による電極リードの他の実施例を示
す断面図、第２６図は第２５図の平面展開図、第２７図
及び第２８図はそれぞれ本発明による電極リードの他の
実施例を示す断面図、第２９図は本発明による電極リー
ドの他の実施例を示す断面図、第３０図はその平面図、
第３１図は本発明による電極リードの他の実施例を示す
平面図、第３２図はシリコン容量式加速度センサの信号
処理回路の一例を示す回路図、第３３図はパルス幅変調
器の電圧波形図、第３４図は出力特性図、第３５図及び
第３６図はそれぞれ本発明の実装方法を圧力センサへ適
用した実施例を示す断面図である。 １……シリコン板Ａ、２……シリコン板Ｂ、３……シリ
コン板Ｃ、４，５……熱酸化膜、６……シリコンビー
ム、７……可動電極、８……空隙、９ａ，９，９ｃ……
ボンデイング・パツド、１１，１２……多結晶シリコン
層、１３，１４……ガラス層、２２……貫通孔、２４…
…案内ピン、２６……ガラス板Ａ，２７……ガラス板
Ｃ、２８，29……固定電極、３０……シリコン板Ｄ、３
１……シリコン板Ｅ、３２，３３……リード引出し部、
３４，３５……溝、３７，３８，３９，４２，４３，４
４……導電ペースト部、４１……端子板Ｇ。46……絶縁
材料、４７……溝、４８，４９……低融点ガラス接着
剤、５０，５１……貫通孔、５２，５３……リード引出
し部、５４，５５……エツチング孔、５６，５７……導
電材料、５８，５９……多結晶シリコン層、６２，６３
……熱酸化膜、７１……歪ゲージ、７２……ダイアフラ
ム、７５……検出チツプ（シリコン板）、７６……熱酸
化膜、７７……シリコン台、７９……基準真空室、８０
……シリコンキヤツプ。

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】加速度に応じて変位する可動電極部が形成
    されたシリコン板を用い、このシリコン板の可動電極部
    に所定の間隙を介して対向させた固定電極部材との間で
    の静電容量変化により加速度を検出する方式の静電容量
    式加速度センサにおいて、上記シリコン板の両面にシリ
    コンの熱酸化膜を介して張り合わせた２枚のシリコン板
    を設け、これら２枚のシリコン板を上記電極部材として
    加速度を検出するように構成したことを特徴とする静電
    容量式加速度センサ。
  2. 【請求項２】請求項１の発明において、上記シリコンの
    熱酸化膜が、上記張り合わせる前の上記シリコン板のい
    ずれかの接合面に予め形成してあることを特徴とする静
    電容量式加速度センサ。
  3. 【請求項３】請求項２の発明において、上記張り合わせ
    る前の上記シリコン板の接合面に、予めスピンコートに
    よるガラス層が形成してあることを特徴とする静電容量
    式加速度センサ。
  4. 【請求項４】請求項１の発明において、上記可動電極部
    と固定電極部材との間隙が、上記シリコンの熱酸化膜の
    存在により形成されるように構成したことを特徴とする
    静電容量式加速度センサ。
  5. 【請求項５】請求項１の発明において、上記２枚のシリ
    コン板の、少なくとも上記可動電極部に対向する部分
    に、上記固定電極部材として機能する多結晶シリコン層
    が形成されていることを特徴とする静電容量式加速度セ
    ンサ。
  6. 【請求項６】加速度に応じて変位する可動電極部が形成
    されたシリコン板と、このシリコン板の可動電極部に所
    定の間隙を介して対向させた固定電極として、上記シリ
    コン板の両面に陽極接合された２枚のガラス板の表面に
    形成した導電層とを用い、これら可動電極部と固定電極
    との間での静電容量変化により加速度を検出する方式の
    静電容量式加速度センサにおいて、上記シリコン板と上
    記ガラス板との接合面に溝を形成し、この溝を介して上
    記固定電極のリード引出し部が設けられていることを特
    徴とする静電容量式加速度センサ。
  7. 【請求項７】請求項６の発明において、上記溝が上記ガ
    ラス板に形成されていることを特徴とする静電容量式加
    速度センサ。
  8. 【請求項８】請求項６の発明において、上記溝が上記シ
    リコン板に形成されていることを特徴とする静電容量式
    加速度センサ。
  9. 【請求項９】請求項６の発明において、上記ガラス板が
    シリコン板の裏打ちによる張り合わせ板材で構成されて
    いることを特徴とする静電容量式加速度センサ。
  10. 【請求項１０】請求項６又は７の発明において、上記リ
    ード引出し部が、導電性ペーストによる導電路により外
    部接続端子に接続されていることを特徴とする静電容量
    式加速度センサ。
  11. 【請求項１１】請求項６の発明において、上記ガラス板
    に貫通孔設け、この貫通孔に封入した導電部材を介して
    上記固定電極と外部とのリード部が形成されるように構
    成したことを特徴とする静電容量式加速度センサ。
  12. 【請求項１２】請求項６の発明において、上記シリコン
    板と上記ガラス板との接合面に熱酸化膜と多結晶シリコ
    ン層とを設け、上記固定電極に対するリード引出し部
    が、この多結晶シリコン層により形成されるように構成
    したことを特徴とする静電容量式加速度センサ。
  13. 【請求項１３】シリコン板を感圧ダイアフラムとして用
    い、このシリコン板に形成した半導体歪み検出機能によ
    り圧力を検出する方式の半導体圧力センサにおいて、上
    記感圧ダイアフラムが、熱酸化膜を介してシリコン材か
    らなる基台に高温で直接接合されていることを特徴とす
    る半導体圧力センサ。
  14. 【請求項１４】請求項１３の発明において、上記感圧ダ
    イアフラムが、その一方の面に熱酸化膜を介して高温で
    直接接合された、シリコン材からなるキヤツプ部材を備
    え、このキヤツプ部材を基準真空室として絶対圧力を検
    出するように構成されていることを特徴とする半導体圧
    力センサ。
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