JPH0712932Y2

JPH0712932Y2 - 半導体加速度センサ

Info

Publication number: JPH0712932Y2
Application number: JP1990101411U
Authority: JP
Inventors: 通昭山県
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1990-09-27
Filing date: 1990-09-27
Publication date: 1995-03-29
Anticipated expiration: 2005-03-29
Also published as: JPH0459471U

Description

【考案の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は半導体加速度センサに関し、特に、互いに直交
するX,Y,Zの３軸の方向の加速度を検出可能な三次元加
速度センサに関するものである。

（従来の技術）従来の加速度センサは、第８図に示すように、重みを与
える質量部20と、肉厚が薄いたわみ部21と、このたわみ
部21の主面に形成された拡散抵抗からなるピエゾ抵抗素
子（歪みゲージ）22を有している。

この加速度センサは、歪みゲージの形成面に垂直な方向
の加速度Ｇを検出するものであり、加速度Ｇが加わると
たわみ部21が変形し、この変形により生じるピエゾ抵抗
素子22の抵抗値の変化を検出することにより、加速度Ｇ
を測定するものである。

このセンサを用いてX,Y,Zの３方向の加速度を検出する
場合は、第９図に示すように、鋼ブロック（台座）30の
３つの面上に１個ずつセンサを固定して行う。

（考案が解決しようとする課題）上述した従来の技術は、３次元加速度センサを実現する
ためには３個のセンサを組み合わさなければならず、組
み立てが面倒である。また、このセンサの取り付け時に
誤差が生じて各センサの歪みゲージ面が直交しなくなる
と、検知感度（ゲイン）がばらつき、検出精度が低下す
る。また、センサのサイズが大きく、取り付け場所に制
限が生じるという問題点がある。

本考案はこのような問題点に鑑みてなされたものであ
り、その目的は、感知精度が高く、かつ小型で使いやす
い３次元加速度センサを提供することにある。

（課題を解決するための手段）本考案は、同一半導体チップに３軸に感応するカンチレ
バーを有し、固定面に含まれる、互いに垂直な２方向
（Ｘ軸,Y軸）の構造が線対称となっている。

カンチレバーは半導体チップの一部をエッチング除去す
ることにより構成され、X,Y軸方向の加速度を検出する
カンチレバーは、加速度を受けて容易に変形する薄い梁
を有し、この梁上にピエゾ抵抗素子が形成される。各方
向の梁は、例えば全て（100）面で囲まれている。ま
た、検出信号を外部に導出するためのワイヤが接続され
るパッドは、固定面上における線対称軸の近傍に集中し
て配置される。

また、本考案は、同一半導体チップに３軸に感応する３
つのカンチレバーを有し、該３つのカンチレバーのうち
の２つの構造が、半導体チップの中心点に関して点対称
の関係にある。

この構造は、加工再現性のよい異方性エッチングを利用
して形成される。例えば、（100）面を主面とするシリ
コンウエハをKOHやヒドラジン等を用いてエッチング
し、両サイドが（111）面からなる梁を少なくとも３個
形成し、この梁上にピエゾ抵抗素子が形成される。

（作用）ワンチップ化されているため、小型かつ軽量であり、取
り付けが容易である。

線対称のセンサは、センサ取付け面（固定面）を含む２
方向（ＸおよびＹ軸方向）のバランスがよく、構造的に
安定であり、かつ、ボンディングパッドを集中的に配置
できるため、外部接続の方向が明確となり、組立てが容
易となる。また、各方向の梁は全て（100）面で囲まれ
ているため、X,Y,Z軸センサの方位は正確に直交し、検
出精度が高い。

点対称のセンサは、構造が密であり、全体のバランスが
よい。また、（111）面のエッチングレートが（100）等
価面のエッチングレートに比べて極端に小さい（約1/10
0）であることを利用して梁を形成するため、梁の幅の
制御性が良好である。

（実施例）次に、本考案の実施例について図面を参照して説明す
る。

実施例１（線対称）（ａ）構造第１図は本考案の第１の実施例の構成を示す平面図（対
応する一部断面図も併記されている）である。

本実施例は、半導体基板を一部除去して３軸方向のそれ
ぞれに感応する３つのカンチレバーを形成したワンチッ
プセンサであり、Ａ−Ａ線に関して対称の構造を有して
いる。

質量部１と、これに連接するダイアフラム（たわみ部）
４とを有するカンチレバーはＺ方向（紙面に垂直な方
向）の加速度を検出する。また、質量部２と、（010）
面で囲まれた２つの梁ア，イを有するカンチレバーは、
Ｘ方向（紙面上では左右方向）の加速度を検出する。ま
た、質量部３と、（001）面で囲まれた２つの梁ウ，エ
を有するカンチレバーは、Ｘ方向（紙面上では上下方
向）の加速度を検出する。

ダイアフラム（たわみ部）４上にはピエゾ抵抗（歪みゲ
ージ）R5が形成されており、梁ア，イ，ウ，エにはそれ
ぞれ、ピエゾ抵抗R1,R2,R3,R4が形成されている。ま
た、ボンディングパッドP1〜P6は固定面６上において、
線Ａ−Ａに関してほぼ対称に配置されており、各パッド
にはワイヤW1〜W6が接続されている。

（ｂ）動作第２図はＹ方向の加速度を検出する場合の動作を説明す
るための図である。図中、斜線により拡散パターンが示
されている。

このカンチレバーに加速度Ｇが加わると、質量部３がそ
の加速度の方向に変形し、これに伴って梁ウ，エが弾性
変形する。これにより、ピエゾ抵抗R3,R4が左右に引っ
張られ、横幅が減少して抵抗値が増大する。この変化
を、抵抗R3,R4を構成要素の一つとするブリッジ（抵抗R
10,R20,R30を有する）により検出し、検出信号を出力ア
ンプ７により増幅して出力する。Ｘ軸方向の加速度検出
動作も同様である。また、Ｚ方向については、従来と同
様に、たわみ部４の変形をピエゾ抵抗R5で検出する。

本実施例では、各梁は（100）等価面で囲まれているた
め、正確に直交し、検出精度が高い。

（ｃ）製造方法第３図（ａ），（ｂ），（ｃ）は第１図のＢ−Ｂ線に沿
う断面構造（梁ウの断面構造）が形成されるプロセスを
示す図である。

まず、Ｐ型半導体基板100の上下面にプラズマCVD等によ
りシリコン窒化膜（SiN）200,300を形成する。次に、フ
ォトリソグラフィー技術により、上面のシリコン窒化膜
200の一部に各辺が（100）方向に選択的に開口部400,50
0を形成する（第３図（ａ））。

次に、開口部400,500よりエッチング液を浸透させ、半
導体基板100を部分的に除去する。このとき、異方性エ
ッチングのため、縦，横がほぼ1:1の比でエッチングさ
れていく（第３図（ｂ））。

その後、上下面のシリコン窒化膜200,300を除去して、
梁ウが形成される（第３図（ｃ））。

実施例２（点対称）第４図は本考案の第２の実施例の構成を示す図である。

（ａ）構成本実施例はシリコンの（100）面をKOHあるいはヒドラジ
ンによりエッチングし、４つの梁オ，カ，キ，ケを形成
したものであり、各カンチレバーの配置が、チップの中
心Ｄに対して点対称の関係となっている。梁ケは、本実
施例では無効であり、梁オがＸ軸方向の加速度を検出
し、梁キがＹ方向の加速度を検出し、梁カがＺ軸方向の
加速度を検出するようになっている。また、本実施例で
は、パッドP7〜P12はチップの隅に分散して配置されて
いる。

各梁の両サイドの面は、（111）面となっており、この
面のエッチングレートは極めて小さいため、制御性がよ
く、梁の幅はほぼホトリソグラフィーに使用されるマス
クパターンによって精度よく決定できる。

（ｂ）動作第５図に示されるように、梁（斜線が施されており、便
宜上、一対の梁A,Bを示してある）は、半導体基板主面
と54°の角度をなしており、その加速度の検知感度特性
は、第６図のようになる。すなわち、加速度αの重力ｇ
に対する角度をθとすると、梁A,Bの歪みの対加速度感
度は正弦関数で表され、出力電圧V_A，V_Bは、 V_A＝αG₀cos（θ−θ₀） ……（１） V_B＝αG₀cos（θ＋θ₀）……（２）で表される。αは
加速度であり、G₀は係数である。

上記（１），（２）式より、加速度αの大きさは、次式
によって求められる。

｜α｜＝（1/2G）［｛（V_A＋V_B）/cosθ₀｝²＋｛（V_A−
V_B）/sinθ₀｝²］^1/2 … （３）ここで、θ＝COS^-1｛（V_A＋V_B）／（２αＧ₀）｝であ
る。

（ｃ）製造方法第７図（ａ），（ｂ），（ｃ）は第４図のＣ−Ｃ線に沿
う断面構造が形成されるプロセスを示す図である。

まず、Ｐ型半導体基板100の上下面にプラズマCVD等によ
りシリコン窒化膜（SiN）200,300を形成する。次に、フ
ォトリソグラフィー技術により、上下面のシリコン窒化
膜20,300の一部に選択的に開口部600,700,800を形成す
る（第７図（ａ））。

次に、これらの開口部よりエッチング液を浸透させ、半
導体基板100を部分的に除去する。このとき、（100）等
価面に対して（111）面のエッチングレートは極めて小
さいため、すりばち状にエッチングされていく（第７図
（ｂ））。

その後、上下面のシリコン窒化膜200,300を除去して、
梁が形成される（第７図（ｃ））。

（考案の効果）以上説明したように本考案によれば、以下の効果が得ら
れる。

（１）対称性のよい、安定な構造の３次元加速度ワンチ
ップセンサを実現できる。このため、小型かつ軽量であ
り、取扱いが便利である。

（２）X,Y軸方向の加速度を検出するセンサの構造を対
称としたものは、構造の方位が結晶方位によって正確に
決定されるため、X,Y軸の感度が全く等しく、バランス
がよい。

（３）カンチレバーを点対称に配置したものは、梁の両
サイドの面がエッチングレートが小さい（111）面であ
るため、幅がマスク寸法で精度よく決定され、加工性が
よい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の第１の実施例の構造を示す図、第２図は第１の実施例の加速度検出動作を説明するため
の図、第３図（ａ），（ｂ），（ｃ）は第１図のＢ−Ｂ線に沿
う断面構造（梁ウの断面構造）が形成されるプロセスを
示す図、第４図は本考案の第２の実施例の構造を示す図、第５図および第６図は第２の実施例の動作を説明するた
めの図、第７図（ａ），（ｂ），（ｃ）は第４図のｃ−ｃ線に沿
う断面構造が形成されるプロセスを示す図、第８図および第９図は従来例の構成を説明するための図
である。 1,2,3…質量部４…ダイアフラム（たわみ部）６…固定（センサ取付け）面７…出力アンプア〜ケ…梁 R1〜R4…ピエゾ抵抗

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】互いに直交するX,Y,Zの３軸の方向の加速
度をそれぞれ検出する第1,第2,第３のカンチレバーを一
つの半導体チップに有し、該半導体チップの取付け面に
平行な上記２軸の方向のカンチレバーの構造が線対称と
なっていることを特徴とする半導体加速度センサ。
【請求項２】互いに直交するX,Y,Zの３軸の方向の加速
度をそれぞれ検出する第1,第2,第３のカンチレバーを一
つの半導体チップに有し、該３つのカンチレバーのうち
の２つの構造が、半導体チップの中心点に関して点対称
の関係にあることを特徴とする半導体加速度センサ。