JPH0658949A - 半導体加速度・振動センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 衝撃による破壊及び検出感度の低下を防止し
つつ小形化を達成する。 【構成】 半導体からなる第１の基板１の下面をエッチ
ングすることにより、第１の支持部１ａの枠内で梁部１
ｃに支持されつつ変動する第１の重り部１ｂが形成され
ている。この第１の基板１の下面には、第２の基板２が
接合され、第１の支持部１ａ及び第１の重り部１ｂと接
合する第２の支持部２ａ及び第２の重り部２ｂを残しつ
つ第２の基板２に貫通部２ｃが形成されている。さら
に、第１及び第２の基板１，２に一対の第３の基板３，
３´が挟み込んだ状態で接合されているとともに、第３
の基板３，３´には、第１及び第２の重り部１ｂ，２ｂ
と対向する固定電極４，４’が設けられている。そし
て、加速度等に応じて第１及び第２の重り部１ｂ，２ｂ
が変動する時、これら重り部１ｂ，２ｂと固定電極４，
４´との間における静電容量の変化を計測することで加
速度等が検出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体基板に形成され
る重り部の変位に基づき加速度または振動を検出する半
導体加速度・振動センサに関し、特に高加速度または高
振動の検出に好適な小型化された半導体加速度・振動セ
ンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、この種の半導体加速度・振動セン
サ（以下、センサという）としては、エアバッグ作動時
の衝撃を感知するセンサが知られており、このようなセ
ンサは、小型・軽量のチップサイズで形成されるととも
に、半導体プロセスにより低コストで大量に製造されて
いる。

【０００３】そこで、従来のセンサは、図５に示すよう
に半導体基板１０の下面をエッチングすることにより、
枠形の支持部１０ａ、支持部１０ａの枠内で変動する重
り部１０ｂ、及び支持部１０ａと重り部１０ｂとを連結
する梁部１０ｃが一体に形成されているとともに、この
重り部１０ｂを挟み込んだ状態で支持部１０ａの上下面
に一対の基板１１，１１´が接合されている。

【０００４】さらに、重り部１０ｂと対向する基板１１
の対向面に固定電極１２を設け、加速度または振動に応
じて変動する重り部１０ｂの変位量をこの重り部１０ｂ
と固定電極１２との間で計測される静電容量の変化とし
てとらえることにより、変位量に基づく加速度または振
動を検出している。

【０００５】一方、加速度または振動を検出する他の検
出方式としては、図示しないが梁部１０ｃにピエゾ抵抗
からなるホイストーン・ブリッジ回路を形成し、重り部
１０ｂの変動に応じて弾性変形する梁部１０ｃの変形量
を、ホイストーン・ブリッジ回路で計測される電圧の変
化としてとらえることにより、変形量に基づく加速度ま
たは振動を検出する方式もある。

【０００６】このような構造のセンサを高加速度または
高振動の検出に適用する場合、高加速度または高振動時
の衝撃による破壊を防止するために梁部の厚みを厚く形
成するとともに、これにつれて生じる検出感度の低下を
防止するために重り部１０ｂの面積を大きく形成して重
り部１０ｂの重さを増加させている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のセンサでは、高加速度または高振動の検出に適用す
る場合、衝撃による破壊及び検出感度の低下を防止する
観点から、梁部１０ｃを厚く形成しつつ、重り部１０ｂ
の面積を大きく形成しなければならないので、大きなチ
ップ面積のセンサとなってしまい、高加速度または高振
動を検出するチップサイズのセンサとしては大形化して
しまうという問題点があった。

【０００８】そこで、本発明は上記問題点に着目してな
されたもので、その目的とするところは、高加速度また
は高振動時の衝撃による破壊及び検出感度の低下を防止
しつつ、小形化された半導体加速度・振動センサを提供
することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１記載の発明は、第１の基板の下面をエッチン
グすることにより、枠形の第１の支持部、第１の支持部
の枠内で変動する第１の重り部、及び第１の支持部と第
１の重り部とを連結する梁部が一体に形成されており、
当該第１の重り部の変位に基づき加速度または振動を検
出する半導体加速度・振動センサにおいて、上記第１の
基板の下面に第２の基板を接合し、上記第１の支持部及
び第１の重り部と接合する第２の支持部及び第２の重り
部を残して当該第２の基板を貫通させることを特徴とす
る。

【００１０】また、請求項２記載の発明は、請求項１記
載の発明において、第２の支持部の下面に第３の基板を
接合するとともに、当該第３の基板に固定電極を設け、
この固定電極と第２の重り部との間に空間層を形成した
ことを特徴とする。

【００１１】また、請求項３記載の発明は、請求項１記
載の発明において、第１及び第２の基板に一対の第３の
基板をサンドイッチ状に挟み込んだ状態で接合するとと
もに、当該一対の第３の基板のうち少なくとも一方に固
定電極を設けたことを特徴とする。

【００１２】

【作用】請求項１記載の発明では、第２の重り部が重さ
増加の役割をはたしており、梁部が厚く形成されていて
も第１及び第２の重り部は、加速度または振動発生時、
梁部に支持されつつ一体となって変動することができる
とともに、第１及び第２の重り部の変位に基づき加速度
またを振動を検出することができる。

【００１３】よって、高加速度または高振動時に破壊す
ることのないよう梁部が厚く形成されていても、検出感
度が低下することなく、しかも第１及び第２の重り部は
厚さ方向に大きく形成されているので、センサの小形化
を達成することができる。

【００１４】また、請求項２記載の発明では、加速度ま
たは振動発生時、一体化された第１及び第２の重り部が
空間層内で厚さ方向に変動することができるとともに、
固定電極と第２の重り部との間における静電容量の変化
を計測することにより加速度または振動を検出すること
ができ、しかも、固定電極と第２の重り部との間に静電
引力を発生させて第１及び第２の重り部が変動するかど
うかのセルフテストを行うことも可能である。

【００１５】また、請求項３記載の発明では、加速度ま
たは振動発生時、一体化された第１及び第２の重り部が
一対の第３の基板間で梁部に支持されつつ変動するとと
もに、この一対の第３の基板のうち少なくとも一方に設
けられた固定電極と第１及び第２の重り部との間におけ
る静電容量の変化を計測することにより加速度または振
動を検出することができる。

【００１６】

【実施例】以下、請求項１乃至３記載の発明にかかる半
導体加速度・振動センサ（以下、センサという）の実施
例について図１乃至図４に基づき詳細に説明する。

【００１７】図１の（ａ）〜（ｄ）は、請求項１乃至３
記載の発明の一実施例にかかるセンサの製造方法を工程
順に示した断面図である。

【００１８】この図の（ｄ）に示すように、最終工程を
経たセンサは、第１の支持部１ａ、第１の重り部１ｂ、
及び一対の梁部１ｃ，１ｃからなる第１の基板１の下面
に、第２の支持部２ａ及び第２の重り部２ｂからなる第
２の基板２が接合され、かつ、第１及び第２の基板１，
２に一対の第３の基板３，３´がサンドイッチ状に挟み
込んだ状態で接合されており、その全体がチップサイズ
に形成されている。

【００１９】工程順にしたがって説明すると、図１の
（ａ）に示すように第１の基板１は、シリコン等の半導
体からなるものであり、その下面をエッチングすること
により、枠形の第１の支持部１ａ、第１の支持部１ａの
枠内で変動する第１の重り部１ｂ、及び第１の支持部１
ａと第１の重り部１ｂとを連結する一対の梁部１ｃ，１
ｃが一体に形成されているとともに、エッチングされた
部分がエッチング部１ｄとして形成されている。

【００２０】ここでのエッチングの方法は、まず、アル
カリ溶液等で時間制御や不純物層形成により第１の基板
１の下面をエッチングした後、電気化学エッチングを行
うことにより第１の支持部１ａ、第１の重り部１ｂ、及
び一対の梁部１ｃ，１ｃを形成する方法である。

【００２１】ここで、一対の梁部１ｃ，１ｃは、各々が
独立したものであるが、第１の支持部１ａ及び第１の重
り部１ｂの厚さに比較して均一で薄膜状の梁部でも良
い。

【００２２】次に、同図の（ｂ）に示すように第２の基
板２は、シリコンやガラス等からなるものであるととも
に、第１の基板１の下面に陽極接合や直接接合等の接合
法により接合されるものである。

【００２３】次に、同図の（ｃ）に示すように第１の基
板１に接合状態の第２の基板２は、第１の支持部１ａ及
び第１の重り部１ｂと接合する部分、すなわち第２の支
持部２ａ及び第２の重り部２ｂとなる部分を残しつつ下
面から第１の基板１のエッチング部１ｄにかけて貫通さ
れており、第２の支持部２ａ及び第２の重り部２ｂは、
この貫通の結果形成されるものであるとともに、貫通さ
れた部分が貫通部２ｃとして形成されている。

【００２４】ここでのエッチングの方法は、まず第２の
重り部２ｂとなる部分が第２の支持部２ａとなる部分よ
りいくぶん低くなるよう、第２の重り部２ｂとその周辺
部分を浅くエッチングした後、さらに貫通部２ｃをエッ
チングする方法であり、２段階に分けてエッチングを行
う方法である。このようなエッチングにより形成された
第２の支持部２ａ、及び第２の重り部２ｂは、それぞれ
第１の支持部１ａ及び第１の重り部１ｂに接合された状
態で一体化されたものとなる。

【００２５】次に、同図の（ｄ）に示すように１対の第
３の基板３，３´は、シリコンやガラス等からなるもの
であり、一方の第３の基板３は第１の基板１の上面に接
合されるとともに、他方の第３の基板３´は第２の基板
２の下面に接合されており、ここでの接合法としては上
述の陽極接合や直接接合等が用いられる。

【００２６】また、一対の第３の基板３，３´は、第１
及び第２の重り部１ｂ，２ｂと対向する面に固定電極
４，４´が設けられており、第１の基板１の上面に接合
される第３の基板３では、固定電極４が設けられる周辺
部分が浅くエッチングされている。これにより、第１の
重り部１ｂと固定電極４との間に空間層５が形成される
とともに、上記浅いエッチングの後形成された第２の重
り部２ｂと固定電極４´との間に空間層ｂが形成される
ことになる。

【００２７】ここで、固定電極４，４´は、第３の基板
３，３´の両方に設けられているが、どちらか一方の第
３の基板３，３´に設けるだけでも良く、また、第３の
基板３，３´がシリコン等の半導体である場合、第３の
基板３，３´と固定電極４，４´との間には、図示はし
ないが絶縁層が設けられることになる。

【００２８】次に、この実施例にかかる半導体加速度・
振動センサの動作について図１の（ｂ）に基づき説明す
る。

【００２９】まず、加速度または振動が発生すると、こ
の加速度または振動に応じて第１及び第２の重り部１
ｂ，２ｂが一体となって一対の梁部１ｃ，１ｃに支持さ
れつつ変動するが、この変動時の第１及び第２の重り部
１ｂ，２ｂの変位量は、加速度または振動の大きさに応
じたものとなる。

【００３０】そこで、この第１及び第２の重り部１ｂ，
２ｂの変位量を、第３の基板３，３´に設けた固定電極
４，４´と第１及び第２の重り部１ｂ，２ｂとの間にお
ける静電容量の変化として計測することにより、第１及
び第２の重り部１ｂ，２ｂの変位量が検出され、該変位
量に基づいた加速度または振動の大きさが検出される。

【００３１】また、一方の固定電極４，４´と第１及び
第２の重り部１ｂ，２ｂとの間に静電引力を発生させる
と、第１及び第２の重り部１ｂ，２ｂは静電引力の大き
さに応じて変動するので、他方の固定電極４，４´によ
り静電引力発生時の静電容量の変化を計測することによ
り、第１及び第２の重り部１ｂ，２ｂが変動するかしな
いかのセルフテストを行うことも可能である。

【００３２】したがって、この実施例によれば、高加速
度または高振動を検出するセンサとして衝撃による破壊
を防止するために梁部１ｃ，１ｃを厚く形成しても、加
速度または振動に応じて変動する第１及び第２の重り部
１ｂ，２ｂは、その重さが増加されているので、検出感
度が低下することなく、しかも、第１及び第２の重り部
１ｂ，２ｂは面積を大きく形成することなく厚さ方向に
大きく形成されているので、センサの小形化を達成する
ことができる。

【００３３】なお、この図には示さないが、それぞれの
固定電極を４分割することもでき、この場合は、４分割
された固定電極それぞれから静電容量の変化を計測し、
この４つの静電容量の変化を比較することにより、第１
及び第２の重り部１ｂ，２ｂがどちらかに傾いて変動し
ていることが検出されるので、３軸方向の加速度または
振動を検出することも可能である。

【００３４】次に、図２の（ａ）〜（ｄ）は、他の実施
例に係わるセンサの製造方法を工程順に示した断面図で
あり、この図に示されるセンサは、上述の図１の（ａ）
〜（ｄ）に示されるセンサとほぼ同様の構成であるが、
第２の基板２の貫通部２ｃの形成方法が異なる。

【００３５】すなわち、図２の（ｂ）に示すように第２
の基板２には、第１の基板１のエッチング部１ｄと対向
する部分に予め切り溝２ｄが形成されており、この切り
溝２ｄとエッチング部１ｄとが対向するように第１の基
板１の下面に第２の基板２が接合される。

【００３６】そして、図２の（ｃ）に示すように第２の
基板２は、その下面の切り溝２ｄで囲まれる部分が浅く
エッチングされることにより、第２の支持部２ａ、第２
の重り部２ｂ、及び貫通部２ｃが形成されている。

【００３７】さらに、センサの他の実施例としては、図
３及び図４の断面図に示すようなものもある。

【００３８】図３に示されるセンサは、上述の図１に示
されるセンサとほぼ同様の構成であるが、貫通部２ｃの
形成方法と、一対の第３の基板３，３´が異なる。

【００３９】すなわち、第２の基板２は、第１の基板１
のエッチング部１ｄと対向する部分に予めエッチング部
２ｅが形成されており、このエッチング部２ｅと第１の
基板１のエッチング部１ｄとが対向するように第１の基
板１の下面に第２の基板２が接合される。

【００４０】そして、第１の基板１に接合された第２の
基板２は、その下面をエッチング部２ｅに沿って切断さ
れることにより切断部２ｆを形成し、この切断部２ｆと
エッチング部２ｅで貫通部２ｃが形成されている。

【００４１】また、一対の第３の基板３，３´のうち、
第２の基板２に接合される第３の基板３´にのみ固定電
極４´を設けており、さらに、第２の重り部２ｂには浅
いエッチングが施されていないので、この第２の重り部
２ｂと対向する固定電極４´の設けられた第３の基板３
´を浅くエッチングすることにより空間層６が形成され
ている。

【００４２】一方、図４に示されるセンサも上述の図１
に示されるセンサとほぼ同様の構成であるが、第１ない
し第３の基板１，２，３が少し異なる。

【００４３】すなわち、第１の基板１は、第３の基板３
の固定電極４と対向する面が予め浅くエッチングされて
おり、このエッチングにより固定電極４と第１の重り部
１ｂとの間に空間層５が形成されるとともに、エッチン
グされた部分で一対の梁部１ｃ，１ｃの表面部分には、
ピエゾ抵抗７によりホイストーン・ブリッジ回路が形成
されている。

【００４４】また、第２の基板２は、第１の基板１のエ
ッチング部１ｄと対向する部分に予め第１のエッチング
部２ｇが形成されており、このエッチング部２ｇと第１
の基板１のエッチング部１ｄとが対向するように第１の
基板１の下面に第２の基板２が接合される。

【００４５】そして、第１の基板１に接合された第２の
基板２は、その下面の第１のエッチング部２ｇで囲まれ
る部分が浅くエッチングされた後、さらに第１のエッチ
ング部２ｇに沿って第２のエッチング部２ｈを形成する
ことにより第１及び第２のエッチング部２ｇ，２ｈで貫
通部２ｃを形成している。

【００４６】よって、この実施例のセンサでは、第１及
び第２の重り部１ｂ，２ｂと固定電極４，４´との間に
おける静電容量の変化を計測するだけでなく、梁部１
ｃ，１ｃの変形に基づきピエゾ抵抗７から電圧の変化を
計測することができるので、加速度等を検出する方式と
して、静電容量方式または電圧方式のどちらでも選択す
ることができる。

【００４７】なお、この実施例によっても、ピエゾ抵抗
７を４つの位置に配置することで、それぞれの位置にお
ける梁部１ｃ，１ｃの変形量を検出することができるの
で、上述の固定電極４，４´を４分割する場合と同様に
３軸方向の加速度等を検出することが可能となる。

【００４８】

【発明の効果】したがって、以上の説明から明らかなよ
うに、請求項１ないし３記載の発明によれば、加速度ま
たは振動に応じて変動する第１及び第２の重り部は、一
体化されて重さが増加されているので、衝撃による破壊
を防止するために梁部を厚く形成したとしても検出感度
が低下することなく、しかも重り部の面積は従来と同等
の大きさに保たれているので、高加速度または高振動の
検出に好適なセンサの小形化を達成することができる。

【００４９】また、請求項２記載の発明によれば、固定
電極と第２の重り部との間に空間層が形成されているの
で、加速度または振動発生時、この空間層内で第２の重
り部が変動することができ、この変動により静電容量の
変化を計測して加速度または振動を検出することができ
る。

【００５０】また、請求項３記載の発明によれば、一対
の第３の基板のうち少なくとも一方に固定電極が設けら
れているので、この固定電極と重り部との間の静電容量
の変化を計測することにより重り部の変位に基づく加速
度または振動を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の一実施例にかかる
半導体加速度・振動センサの製造方法を工程順に示した
断面図。

【図２】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の他の実施例にかか
る半導体加速度・振動センサの製造方法を工程順に示し
た断面図。

【図３】本発明の他の実施例にかかる半導体加速度・振
動センサを示した断面図。

【図４】本発明の他の実施例にかかる半導体加速度・振
動センサの他の実施例を示した断面図。

【図５】従来の半導体加速度・振動センサの構造を示し
た断面図。

【符号の説明】

１ 第１の基板 １ａ 第１の支持部 １ｂ 第１の重り部 １ｃ 梁部 １ｄ エッチング部 ２ 第２の基板 ２ａ 第２の支持部 ２ｂ 第２の重り部 ２ｃ 貫通部 ３，３´ 第３の基板 ４，４´ 固定電極 ５ 空間層 ６ 空間層 ７ ピエゾ抵抗 １０ 半導体基板 １０ａ 支持部 １０ｂ 重り部 １０ｃ 梁部 １１，１１´ 基板 １２ 固定電極

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の基板の下面をエッチングすること
   により、枠形の第１の支持部、第１の支持部の枠内で変
   動する第１の重り部、及び第１の支持部と第１の重り部
   とを連結する梁部が一体に形成されており、当該第１の
   重り部の変位に基づき加速度または振動を検出する半導
   体加速度・振動センサにおいて、 上記第１の基板の下面に第２の基板を接合し、上記第１
   の支持部及び第１の重り部と接合する第２の支持部及び
   第２の重り部を残して当該第２の基板を貫通させること
   を特徴とする半導体加速度・振動センサ。
2. 【請求項２】 第２の支持部の下面に第３の基板を接合
   するとともに、当該第３の基板に固定電極を設け、この
   固定電極と第２の重り部との間に空間層を形成したこと
   を特徴とする請求項１記載の半導体加速度・振動セン
   サ。
3. 【請求項３】 第１及び第２の基板に一対の第３の基板
   をサンドイッチ状に挟み込んだ状態で接合するととも
   に、当該一対の第３の基板のうち少なくとも一方に固定
   電極を設けたことを特徴とする請求項１記載の半導体加
   速度・振動センサ。