JPH07306221A - 半導体加速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 固定電極の反りを防止するとともに、加速度
検出方向でない半導体基板の表面に垂直な方向に加速度
が作用しても容量変化が生じない半導体加速度センサを
提供することにある。 【構成】 シリコン基板１上の絶縁膜２の上方に所定の
間隔を隔てて可動部が配置され、可動部は帯状の可動電
極１６を有している。絶縁膜２上には所定の長さを有す
る固定電極２５が固定され、可動電極１６と対向してい
る。この固定電極２５は、その長さ方向に連続的に絶縁
膜２に固定されるとともに、固定電極２５における可動
電極１６との対向面を、シリコン基板１の表面に垂直な
加速度を受けたときの可動電極１６の変位範囲より大き
く形成している。シリコン基板１の表面に平行な方向に
加速度を受けると、可動電極１６と固定電極２５との間
の距離が変化し、同電極間の静電容量の変化により加速
度が検出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は半導体加速度センサに
係り、詳しくは容量式半導体加速度センサに関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、容量式の半導体加速度センサは、
特表平４−５０４００３号公報に開示されているよう
に、加速度が印加されると位置が変位する可動電極と加
速度に対し位置が静止的である固定電極を有し、加速度
が印加されると可動電極と固定電極間の距離が変わるこ
とによる容量変化を検出するものである。この代表的な
構成を図１４，１５，１６に示す。図１４は平面図であ
り、図１５は図１４のＡ−Ａ断面図であり、図１６は図
１４のＢ−Ｂ断面図である。シリコン基板４０の上方に
は一定間隔を隔てて梁構造の可動部４１が配置されてい
る。つまり、可動部４１は４つのアンカー部４２から梁
４３がそれぞれ延び、重り部４４を支持している。この
重り部４４から可動電極４５が突出している。一方、シ
リコン基板４０上には所定の長さを有する固定電極４７
が設けられ、固定電極４７はその一端のアンカー部４６
にて支持されている。この固定電極４７は可動電極４５
を両側から挟むように可動電極４５と同じ高さで対向配
置されている。梁４３，重り部４４，可動電極４５，固
定電極４７は同じ膜厚のポリシリコン部材からなる。そ
して、シリコン基板４０の表面に平行な方向（図１４で
Ｙで示す方向）に加速度が加わると、可動電極４５が変
位して可動電極４５と固定電極４７との間の距離が変化
し、そのときの同電極間の静電容量の変化により加速度
が検出される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、梁４３，重
り部４４，可動電極４５，固定電極４７は同じ膜厚のポ
リシリコン部材からなるので、ポリシリコン部材内に膜
内応力が存在すると、図１７，１８に示すように固定電
極４７に反りが発生し、可動電極４５と固定電極４７と
が上下方向にズレて、可動電極４５と固定電極４７で構
成される電極間容量が設計値と大きく異なる結果とな
る。又、シリコン基板４０の表面に垂直な方向（上下方
向）に加速度が印加された場合、可動電極４５と固定電
極４７の厚さが同じであるため、これらの電極間容量が
変化してしまう。その結果、シリコン基板４０の表面に
垂直な方向の他軸感度が大きくなり、加速度検出方向
（Ｙ方向）での加速度を正確に検出できなかった。特
に、自動車におけるエアバックシステム用の加速度セン
サとして使用する場合には、走行方向の加速度の他にも
車両が石等を乗り越える際にその他の方向から加速度を
受けるので、エアバックシステム用の加速度センサとし
て使用することが困難である。

【０００４】そこで、この発明の目的は、固定電極の反
りを防止するとともに、加速度検出方向でない半導体基
板の表面に垂直な方向に加速度が作用しても容量変化が
生じない半導体加速度センサを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、半導体基板と、前記半導体基板の上方に所定の間隔
を隔てて配置された可動電極と、前記半導体基板上に固
定され、前記可動電極と対向して配置された所定の長さ
を有する固定電極とを備え、加速度検出方向である前記
半導体基板の表面に平行な方向に加速度を受けると、前
記可動電極と前記固定電極との間の距離の変化に伴う同
電極間の静電容量の変化により加速度を検出するように
した半導体加速度センサにおいて、前記固定電極をその
長さ方向に連続的に前記半導体基板に固定するととも
に、前記固定電極における可動電極との対向面を、前記
半導体基板の表面に垂直な方向に加速度を受けたときの
可動電極の変位範囲より大きく形成した半導体加速度セ
ンサをその要旨とする。

【０００６】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の発明における前記半導体基板の表面に垂直な方向の固
定電極の厚さを、前記半導体基板の表面に垂直な方向の
可動電極の厚さと、可動電極と半導体基板との間隔と、
前記半導体基板の表面に垂直な方向に加速度を受けたと
きの半導体基板から離間する方向での最大変位量との合
計の値以上にした半導体加速度センサをその要旨とす
る。

【０００７】請求項３に記載の発明は、半導体基板と、
前記半導体基板の上方に所定の間隔を隔てて配置された
可動電極と、前記半導体基板上に固定され、前記可動電
極と対向して配置された所定の長さを有する固定電極と
を備え、加速度検出方向である前記半導体基板の表面に
平行な方向に加速度を受けると、前記可動電極と前記固
定電極との間の距離の変化に伴う同電極間の静電容量の
変化により加速度を検出するようにした半導体加速度セ
ンサにおいて、前記固定電極をその長さ方向での両端部
を含む２箇所以上で前記半導体基板に固定するととも
に、前記固定電極における可動電極との対向面を、前記
半導体基板の表面に垂直な方向に加速度を受けたときの
可動電極の変位範囲より大きく形成した半導体加速度セ
ンサをその要旨とする。

【０００８】

【作用】請求項１，２に記載の発明は、固定電極がその
長さ方向に連続的に半導体基板に固定される。よって、
固定電極の反りが防止される。又、加速度検出方向でな
い半導体基板の表面に垂直な方向に加速度が作用して
も、可動電極の変位範囲より大きく固定電極の対向面が
形成されているので、可動電極と固定電極との対向面
積、即ち、コンデンサ電極面積は変化しない。よって、
半導体基板の表面に垂直な方向に加速度が作用しても、
可動電極と固定電極との間の静電容量が変化しない。

【０００９】請求項３に記載の発明は、固定電極がその
長さ方向での両端部を含む２箇所以上で半導体基板に固
定される。よって、固定電極の反りが防止される。又、
加速度検出方向でない半導体基板の表面に垂直な方向に
加速度が作用しても、可動電極の変位範囲より大きく固
定電極の対向面が形成されているので、可動電極と固定
電極との対向面積、即ち、コンデンサ電極面積は変化し
ない。よって、半導体基板の表面に垂直な方向に加速度
が作用しても、可動電極と固定電極との間の静電容量が
変化しない。

【００１０】

【実施例】

（第１実施例）以下、この発明を具体化した第１実施例
を図面に従って説明する。

【００１１】本実施例の半導体加速度センサを図１，
２，３，４に示す。図１は半導体加速度センサの平面図
であり、図２は図１のＣ−Ｃ断面図、図３は図１のＤ−
Ｄ断面図、図４は図１のＥ−Ｅ断面図である。本センサ
は、作用する加速度に応じた信号を出力するものであ
り、例えば、自動車に搭載され、エアバックシステムや
ＡＢＳ（アンチロックブレーキシステム）に用いられる
ものである。

【００１２】シリコン基板１の上面にはＳｉＮ等の絶縁
膜２が形成されている。本実施例では、シリコン基板１
と絶縁膜２とから半導体基板が構成されている。絶縁膜
２上にはアンカー部３，４，５，６により梁構造の可動
部７がシリコン基板１の上方に所定間隔を隔てて配置さ
れている。この可動部７はポリシリコン薄膜よりなり、
梁８，９，１０，１１と重り部１２と可動電極１３，１
４，１５，１６，１７，１８から構成されている。つま
り、アンカー部３，４，５，６から梁８，９，１０，１
１が延び、その梁８，９，１０，１１により所定幅を有
する帯状の重り部１２が支持されている。この重り部１
２からは所定幅を有する帯状の可動電極１３，１４，１
５，１６，１７，１８が突設されている。ここで、本半
導体加速度センサの加速度検出方向は、図１においてＸ
で示すシリコン基板１の表面に平行な方向となってい
る。

【００１３】又、シリコン基板１の絶縁膜２上には、所
定の長さを有する固定電極１９，２０，２１，２２，２
３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０がその
長さ方向に連続的に全面で固定されている。この固定電
極１９〜３０はポリシリコンよりなる。又、固定電極１
９，２０は可動電極１３を両側から挟むように配置さ
れ、かつ、固定電極１９と可動電極１３、および固定電
極２０と可動電極１３とが一定距離だけ離間している。
固定電極２１，２２は可動電極１４を両側から挟むよう
に配置され、かつ、固定電極２１と可動電極１４、およ
び固定電極２２と可動電極１４とが一定距離だけ離間し
ている。以下同様に、可動電極１５に対し固定電極２
３，２４が、可動電極１６に対し固定電極２５，２６
が、可動電極１７に対し固定電極２７，２８が、可動電
極１８に対し固定電極２９，３０が配置されている。

【００１４】図４に示すように、シリコン基板１の表面
に垂直方向の固定電極１９〜３０の厚さｔ１は、可動電
極１３〜１８の厚さｔ２と、可動電極１３〜１８とシリ
コン基板１の絶縁膜２との間隔ｔ３と、シリコン基板１
の表面に垂直な方向に印加される加速度により可動電極
１３〜１８がシリコン基板１の表面に垂直な方向に変位
する量のうちの上方への最大変位量ｔ４との合計値（＝
ｔ２＋ｔ３＋ｔ４）よりも大きくなっている。つまり、
固定電極１９〜３０における可動電極１３〜１８との対
向面を、シリコン基板１の表面に垂直な方向に加速度を
受けたときの可動電極１３〜１８の変位範囲より大きく
形成している。

【００１５】次に、このように構成した半導体加速度セ
ンサの製造方法、特に、可動電極１３〜１８と固定電極
１９〜３０の製造方法を図５〜図１２を用いて説明す
る。尚、本工程は、図１２に示すように、固定電極１
９，２０と可動電極１３を例にとって説明する。

【００１６】図５に示すように、信号処理回路（周辺回
路）等（図示せず）を形成したシリコン基板１を用意
し、図６に示すように、シリコン基板１上にＳｉＮ等の
絶縁膜２を形成する。そして、図７に示すように、この
絶縁膜２上に固定電極となる第１のポリシリコン膜３１
を形成する。ここで、ポリシリコン膜３１の膜厚ｔ１
は、後で形成する可動電極となる第２のポリシリコン膜
３３の厚さｔ２（図１０参照）と、犠牲層３２の厚さｔ
３（図１０参照）と、シリコン基板１の表面に垂直な方
向に印加される加速度により可動電極がシリコン基板１
の表面に垂直な方向に変位する量のうちの上方への最大
変位量ｔ４（図４参照）との合計値（＝ｔ２＋ｔ３＋ｔ
４）よりも大きくなっている。

【００１７】次に、図７に示すような第１のポリシリコ
ン膜３１をトレンチエッチングにて加工し、図８に示す
ような固定電極１９，２０を形成する。その後、図９に
示すように、固定電極１９，２０および絶縁膜２上にＳ
ｉＯ₂ よりなる犠牲層３２を形成する。

【００１８】次に、図１０に示すように、犠牲層３２上
に可動電極となる第２のポリシリコン膜３３を形成す
る。さらに、図１１に示すように、第２のポリシリコン
膜３３をトレンチエッチングして加工し、可動電極１３
を形成する。引き続き、図１２に示すように、犠牲層３
２をフッ酸を用いて除去し可動電極１３を片持ち梁構造
とする。

【００１９】このように構成した半導体加速度センサの
動作を説明する。シリコン基板１の表面に平行な方向
（図１にＸで示す方向）に加速度が加わると、可動電極
１３〜１８がシリコン基板１の表面に平行な方向に変位
する。すると、可動電極１３〜１８と固定電極１９〜３
０との間の距離が変化し、可動電極１３〜１８と固定電
極１９〜３０との間の静電容量が変化する。この静電容
量の変化により加速度が検出される。

【００２０】このとき、固定電極１９〜３０がその長さ
方向に連続的に絶縁膜２（シリコン基板１）に固定され
ているので、固定電極１９〜３０が反ることはない。よ
って、可動電極１３〜１８と固定電極１９〜３０との対
向面積、即ち、コンデンサ電極面積が一定となる。

【００２１】又、図４に示すように、加速度検出方向で
ないシリコン基板１の表面に垂直な方向に加速度が作用
しても、固定電極１９〜３０における可動電極１３〜１
８との対向面が可動電極１３〜１８の変位範囲より大き
く形成されているので、可動電極１３〜１８と固定電極
１９〜３０との対向面積、即ち、コンデンサ電極面積は
変化しない。よって、シリコン基板１の表面に垂直な方
向に加速度が作用しても、可動電極１３〜１８と固定電
極１９〜３０との間の静電容量が変化しない。従って、
シリコン基板１の表面に平行な方向の加速度を正確に測
定できる。

【００２２】つまり、固定電極１９〜３０が長さ方向の
全長にわたり絶縁膜２に固定されているとともに、固定
電極１９〜３０の厚さが可動電極１３〜１８の上下方向
変位量よりも厚いため、シリコン基板１の表面に垂直な
方向に加速度が印加された場合、可動電極１３〜１８が
シリコン基板１の表面に垂直な方向に変位しても固定電
極１９〜３０と可動電極１３〜１８との側壁で形成され
るコンデンサの電極面積に差が生じない。そのため、シ
リコン基板１の表面に垂直な方向の他軸感度を、従来の
固定電極が片持ち梁構造で、かつ可動電極と固定電極が
同一膜厚のものに比べ大幅に低減できる。その結果、例
えば、自動車におけるエアバックシステム用の加速度セ
ンサとして使用する場合には、走行方向の加速度の他に
も車両が石等を乗り越える際にその他の方向から加速度
を受けるが、走行方向の加速度を正確に検出でき、車載
用加速度センサとして好ましいものになる。

【００２３】このように本実施例では、固定電極１９〜
３０をその長さ方向に連続的に絶縁膜２（シリコン基板
１）に固定するとともに、固定電極１９〜３０における
可動電極１３〜１８との対向面を、シリコン基板１の表
面に垂直な方向に加速度を受けたときの可動電極１３〜
１８の変位範囲より大きく形成した。よって、固定電極
１９〜３０が移動不能に固定され、又、加速度検出方向
でないシリコン基板１の表面に垂直な方向に加速度が作
用しても可動電極１３〜１８と固定電極１９〜３０との
対向面積（コンデンサ電極面積）が変化しない。その結
果、固定電極１９〜３０の反りを防止するとともに、加
速度検出方向でないシリコン基板１の表面に垂直な方向
に加速度が作用しても容量変化が生じず、正確に加速度
検出方向での加速度を検出することができることとな
る。 （第２実施例）次に、第２実施例を第１実施例との相違
点を中心に説明する。

【００２４】上記第１実施例では固定電極１９〜３０を
その長さ方向に連続的にシリコン基板１に固定したが、
本実施例では、図１３に示す構成としている。この図１
３は、第１実施例の図４に対応するものである。固定電
極３４に対しその長さ方向での両端部にアンカー部３
５，３６を設けて絶縁膜２（シリコン基板１）に固定す
るとともに、固定電極３４における可動電極３７との対
向面を、シリコン基板１の表面に垂直な方向に加速度を
受けたときの可動電極３７の変位範囲より大きく形成し
ている。つまり、シリコン基板１の表面に垂直な方向の
固定電極３４の厚さｔ１を、シリコン基板１の表面に垂
直な方向の可動電極３７の厚さｔ２と、シリコン基板１
の表面に垂直な方向に加速度を受けたときの可動電極３
７の上側最大変位量ｔ４と下側最大変位量ｔ５との合計
の値（＝ｔ２＋ｔ４＋ｔ５）以上にしている。

【００２５】このようにすることより、固定電極３４が
移動不能に固定され、又、加速度検出方向でないシリコ
ン基板１の表面に垂直な方向に加速度が作用しても可動
電極３７と固定電極３４との対向面積（コンデンサ電極
面積）が変化しない。その結果、固定電極３４の反りを
防止するとともに、加速度検出方向でないシリコン基板
１の表面に垂直な方向に加速度が作用しても容量変化が
生じず、正確に加速度検出方向での加速度を検出するこ
とができる。

【００２６】本実施例の応用例としては、図１３におい
て固定電極３４のアンカー部は、アンカー部３５，３６
を含む２箇所以上であってもよい。尚、この発明は上記
各実施例に限定されるものではなく、例えば、上記実施
例では固定電極・可動電極となる材料としてポリシリコ
ンを用いたが、可動電極としてアモルファスシリコンや
ポリシリコンをレーザアニール法等により単結晶化した
シリコンを用いてもよい。さらに、固定電極として、ア
モルファスシリコンやポリシリコンをレーザアニール法
等により単結晶化したシリコンを用いたり、シリコン系
以外のＡｌ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ａｕ等の金属膜を用いてもよ
い。

【００２７】

【発明の効果】以上詳述したように請求項１，２，３に
記載の発明によれば、固定電極の反りを防止するととも
に、加速度検出方向でない半導体基板の表面に垂直な方
向に加速度が作用しても容量変化が生じない優れた効果
を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の半導体加速度センサの平面図である。

【図２】図１のＣ−Ｃ断面図である。

【図３】図１のＤ−Ｄ断面図である。

【図４】図１のＥ−Ｅ断面図である。

【図５】第１実施例の半導体加速度センサの製造工程を
示す断面図である。

【図６】第１実施例の半導体加速度センサの製造工程を
示す断面図である。

【図７】第１実施例の半導体加速度センサの製造工程を
示す断面図である。

【図８】第１実施例の半導体加速度センサの製造工程を
示す断面図である。

【図９】第１実施例の半導体加速度センサの製造工程を
示す断面図である。

【図１０】第１実施例の半導体加速度センサの製造工程
を示す断面図である。

【図１１】第１実施例の半導体加速度センサの製造工程
を示す断面図である。

【図１２】第１実施例の半導体加速度センサの製造工程
を示す断面図である。

【図１３】第２実施例の半導体加速度センサの断面図で
ある。

【図１４】従来の半導体加速度センサの平面図である。

【図１５】図１４のＡ−Ａ断面図である。

【図１６】図１４のＢ−Ｂ断面図である。

【図１７】従来の半導体加速度センサを説明するための
図１４のＡ−Ａ断面図である。

【図１８】従来の半導体加速度センサを説明するための
図１４のＢ−Ｂ断面図である。

【符号の説明】

１…半導体基板を構成するシリコン基板、２…半導体基
板を構成する絶縁膜、７…可動部、１３〜１８…可動電
極、１９〜３０…固定電極、３４…固定電極、３５，３
６…アンカー部、３７…可動電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 利貴 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装 株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板と、 前記半導体基板の上方に所定の間隔を隔てて配置された
   可動電極と、 前記半導体基板上に固定され、前記可動電極と対向して
   配置された所定の長さを有する固定電極とを備え、加速
   度検出方向である前記半導体基板の表面に平行な方向に
   加速度を受けると、前記可動電極と前記固定電極との間
   の距離の変化に伴う同電極間の静電容量の変化により加
   速度を検出するようにした半導体加速度センサにおい
   て、 前記固定電極をその長さ方向に連続的に前記半導体基板
   に固定するとともに、前記固定電極における可動電極と
   の対向面を、前記半導体基板の表面に垂直な方向に加速
   度を受けたときの可動電極の変位範囲より大きく形成し
   たことを特徴とする半導体加速度センサ。
2. 【請求項２】 前記半導体基板の表面に垂直な方向の固
   定電極の厚さを、前記半導体基板の表面に垂直な方向の
   可動電極の厚さと、可動電極と半導体基板との間隔と、
   前記半導体基板の表面に垂直な方向に加速度を受けたと
   きの半導体基板から離間する方向での最大変位量との合
   計の値以上にした請求項１に記載の半導体加速度セン
   サ。
3. 【請求項３】 半導体基板と、 前記半導体基板の上方に所定の間隔を隔てて配置された
   可動部と、 前記半導体基板上に固定され、前記可動電極と対向して
   配置された所定の長さを有する固定電極とを備え、加速
   度検出方向である前記半導体基板の表面に平行な方向に
   加速度を受けると、前記可動電極と前記固定電極との間
   の距離の変化に伴う同電極間の静電容量の変化により加
   速度を検出するようにした半導体加速度センサにおい
   て、 前記固定電極をその長さ方向での両端部を含む２箇所以
   上で前記半導体基板に固定するとともに、前記固定電極
   における可動電極との対向面を、前記半導体基板の表面
   に垂直な方向に加速度を受けたときの可動電極の変位範
   囲より大きく形成したことを特徴とする半導体加速度セ
   ンサ。