JPH07318583A

JPH07318583A - 静電容量式加速度センサ

Info

Publication number: JPH07318583A
Application number: JP7067700A
Authority: JP
Inventors: Kiyomitsu Suzuki; 清光鈴木; Shigeki Tsuchiya; 茂樹土谷; Masayuki Miki; 政之三木; Masahiro Matsumoto; 昌大松本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-03-27
Filing date: 1995-03-27
Publication date: 1995-12-08
Anticipated expiration: 2013-03-18
Also published as: JP2728237B2

Abstract

(57)【要約】【目的】生産性に優れ、高性能で低コストの静電容量
式加速度センサを提供すること。【構成】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２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
加速センサにおいて、上記シリコン板２のダイシング面
に導電ペースト部３７を設け、これにより、ボンディン
グ・パッド９との間に、外部の信号処理回路との電気的
接続手段が形成されるようにしたもの。【効果】導電ペースト部３７は、加速度センサの端子
接続部となるボンディング・パッド９を、シリコン板２
以外の部分、つまりガラス板２６の表面に形成すること
ができるようにするので、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。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体を用いた加速度
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に関する。

【０００２】

【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＝９.８／Ｓ²である。

【０００３】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
磁力フィードバック機構を有する電磁サーボ式、差動ト
ランスを利用した電気式、フォ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。

【０００４】

【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号公報に示されている
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ッチン
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、検出精度を低下させるなどの問題点があった。

【０００５】第２の例は、Ｔransducers’８７(Ｔhe ４
th Ｉnternational Ｃonference onＳolid−Ｓtate Ｓe
nsors and Ａctuators)の３３６頁〜３３９頁に示され
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った。

【０００６】第３の例はＩＭech Ｅ１９８１の２２５
頁〜２６０頁、「Ｍiniature Ｓilicon capacitance ab
solute pressure sensor」に示されるように、ガラス台
中に貫通させ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
えられている。

【０００７】第４の例は、ＵＳＰ４，６０９，９６８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った後、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っ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。

【０００８】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
高感度性を大きく擬制にしなければならない問題点があ
った。

【０００９】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った。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。

【００１０】

【課題を解決するための手段】第１の本発明によれば、
上記目的は、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、上記シリコン板のダイシング面
に、外部の信号処理回路との電気的接続手段を設けるこ
とにより達成される。

【００１１】第２の本発明によれば、上記目的は、加速
度に応じて変位する可動部が形成された基板と、上記可
動部の変位を検出する検出部とを備えた静電容量式加速
度センサにおいて、上記基板のダイシング面に、上記検
出部と外部の信号処理回路との電気的接続手段を設ける
ことにより達成される。

【００１２】

【作用】シリコン板のダイシング面に設けた電気的接続
手段は、可動電極と外部の信号処理回路の間の接続路を
形成するように働く。従って、加速度センサの端子接続
部を、シリコン板以外の部分に形成することができる。

【００１３】また、基板のダイシング面に設けた電気的
接続手段は、固定電極と外部の信号処理回路の間の接続
路を形成するように働く。従って、加速度センサの端子
接続部を、基板の任意の位置に形成することができる。

【００１４】

【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。図１は本発明の一例で、
この図１の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。

【００１５】シリコン板Ｂ２には、エッチング加工によ
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によって支持されており、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及びシリコン板Ｃ３間の空隙８の
寸法が変化する。

【００１６】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かする故、こ
れを利用して加速度を検出するものである。

【００１７】可動電極７はシリコンビーム６、ボンディ
ング・パット(端子接続部)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それ自身を固定電
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。

【００１８】一方、この例の場合、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、従って、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、切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。

【００１９】この図１に示した検出部の概略製造プロセ
スを図２に示す。エッ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、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った後、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。この熱処理によって、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装接合ウエハをダイシング・
ソーによってカッティングすることにより、図１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。

【００２０】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
くしても製造時で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。

【００２１】本発明による検出部の他の例を図３及び図
４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。図２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っては、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とシリコン板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。

【００２２】このためには、図３の例のように、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った。

【００２３】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には、図４に示す検出
部の構造が有効である。この図４の例は、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。

【００２４】従って、この図４の例によれば、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。

【００２５】図１の例に示した検出部構造の積層される
前の展開図を図５〜図８に示す。

【００２６】図５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、図
６の例は、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。

【００２７】図７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
を小さくするのには図５、図６の例より有利である。

【００２８】図８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った。

【００２９】上記シリコン容量式加速度センサにおける
検出部の平面図を図９(Ａ)、(Ｂ)、(Ｃ)に示す。本図は
図７に示した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。

【００３０】これらの図において、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)のボンディング・パッドであり、このパッドを
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。

【００３１】本発明による加速度センサ検出部の立体図
を図１０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
の等価回路を図１１に示す。図１１(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２
１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。

【００３２】そこで、容量２０と２１の大きさが、容量
１８と１９の値より十分に小さくなるように作り、等価
回路が実質的に図１１(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。

【００３３】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。図１２(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
は検出チップであり、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にはエッ
チングによって、複数の貫通孔２２が加工されている。

【００３４】次に、図１２(Ｂ)に示すように、貫通孔２
２へ案内ピン２４を挿入することによって、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。従って、この例
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の公差によって定まり、±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。

【００３５】本発明によるシリコン容量式加速度センサ
の検出部の他の例を図１３、図１４(断面図)、図１５、
及び図１６(平面図)に示す。まず、図１３は、可動電極
７がシリコンビーム６によって片持支持構造で保持され
た例であり、図１に示した例とは、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。

【００３６】次に、図１４は、可動電極７が２本のシリ
コンビーム６によって両持支持構造で保持されるように
した例である。さらに、図１５及び図１６は、可動電極
７が４本のシリコンビーム６による両持支持構造及び２
本のシリコンビーム６による片持支持構造による検出部
を備えた例を示している。

【００３７】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図１７
及び図１８に示す。まず、図１７において、固定電極２
８及び２９は、それぞれガラス板Ａ２６及びガラス板Ｃ
２７上へ、アルミなどの金属をスパッタその他の手法に
よって形成した導電層よりなる。

【００３８】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。

【００３９】図１８は、図１７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。

【００４０】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
度が変ったとき、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。

【００４１】この点、図１８に示した実施例のものは、
ガラス板Ａ２６とガラス板Ｃ２７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
法は図１７の実施例の場合と同じにしてある。

【００４２】図１７に示した検出部の展開平面図を図１
９(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。この図１９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。

【００４３】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を浅くエッチングして、上面に溝３４、下面に溝３
５を形成している。

【００４４】シリコン板Ｂ２の上面と下面にガラス板Ａ
２６、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、エッチングによ
って加工された溝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。

【００４５】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ップに切断する。そ
れ故、溝３４、３５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。

【００４６】図１７に示した検出部の立体図を図２０に
示す。本発明の実施例においては、リード引出し部３
２、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
ィング・パッド９ａ、９及び９ｃと電気的に結線されて
いる。ここで、これらの導電ペースト部３７、３８及び
３９は、図示のように、それぞれガラス板Ａ２６とシリ
コン板Ｂ２、それにガラス板Ｃ２７のダイシング面、す
なわち、ダイシング・ソーによってカッテイングされた
面に形成されている。

【００４７】なお、これらの導電ペースト部３７〜３９
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。

【００４８】検出部と外部の信号処理回路を結線する別
の実施例を図２１に示す。図において、ボンディング・
パッド９ａ、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、４３及び４４が形成されている。

【００４９】この図２１の実施例では、まず、端子板Ｇ
４１を前図に示した検出部の左端に配置し、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ィング・
パッド部を電気的に接続するのである。

【００５０】本発明による検出部のリード実装方法の他
の実施例を図２２に示す。この例は、図１９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。図２２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３３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。

【００５１】この図２２における断面Ａ−Ａと断面Ｂ−
Ｂ、及び断面Ｃ−Ｃを図２３(Ａ)、(Ｂ)、(Ｃ)に示す。
図２３図(Ａ)〜(Ｃ)に示すように、絶縁材料４６は溝４
７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。

【００５２】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、複数の検出チップへ通常のダイシング・ソ
ーにより切断しても、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。

【００５３】本発明による検出部のリード実装方法の他
の例を図２４に示す。この例における検出部の基本構造
は図１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の両面へシリコン板Ａ１とシリ
コン板Ｃ３をウエハ状態で接合する方法である。

【００５４】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を浅くエッチ
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、図１に示した手法と同
様な効果が得られる。

【００５５】本発明による検出部のリード実装方法の他
の例を図２５に示す。この例では、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をスパッタその他の手法で形
成したガラス板Ａ２６、ガラス板Ｃ２７を陽極接合にて
接着している。

【００５６】これらのガラス板には、サンドブラストや
超音波加工によって、貫通孔５０、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。

【００５７】この例によれば、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
出チップに切断しても、電極部周囲の空間への水や切粉
の侵入を防止できる。

【００５８】図２５に示した検出部の展開平面図を、図
２６(Ａ)、(Ｂ)、(Ｃ)に示す。これらの図において、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
を示しており、固定電極２８、２９のリード引出し部５
２、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。

【００５９】本発明による検出部のリード実装方法の他
の例を図２７に示す。この図２７の検出部構造は、図２
５に示したもののガラス板Ａ２６及びガラス板Ｃ２７の
上へ、それぞれシリコン板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へ密
封した導電材料によって、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。

【００６０】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Ａ
２６とガラス板Ｃ２７を陽極接合にて接着する。次に、
シリコン板Ｄ３０及びシリコン板Ｅ３１を、それぞれガ
ラス板Ａ２６及びガラス板Ｃ２７上へ陽極接合にて接着
する。

【００６１】ところで、この例で、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Ｃ２７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ので
ある。

【００６２】この接合方法を図２７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って、可動電
極７は静電気力によって固定電極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。

【００６３】この場合は、検出部の構造を図２８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、エッチングによってエッチング孔５４及び５５を形
成している。

【００６４】まず、シリコン板Ｄ３０とガラス板Ａ２
６、シリコン板Ｅ３１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Ｂ
２とシリコン板Ｄ３０、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。

【００６５】陽極接合が完了したら、スパッタその他の
手法によってエッチング孔５４、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。

【００６６】なお、図２７及び図２８に示した検出部の
固定電極のリード実装方法は、図２５に示した検出部
と、生産性上同等の効果を有する。むしろ、図２７と図
２８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。

【００６７】本発明による検出部のリードの実装方法の
他の実施例を図２９に示す。この例では、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が、それらの上には多結晶シリコン層５
８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。

【００６８】ガラス板Ｃ２７の平面図を図３０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２９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。

【００６９】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。従って、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・ソーで検出チップに切断しても、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。

【００７０】本発明による検出部のリードの実装方法の
他の実施例を図３１に示す。この例では、検出部の断面
構造は図１７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３
３に対応したシリコン板Ｂ２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。

【００７１】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・ソーで検出チップに
切断しても、可動電極周辺り空間部へ切粉が侵入するこ
とはない。

【００７２】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った例を
以下に示す。

【００７３】図３２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、図１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。

【００７４】ΔＣ検出器６４はスイッチド・キャパシタ
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６
５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Ｖ_Eはシリコン板Ａ１へ、インバータ６７に
よって反転された出力電圧−Ｖ_Eはシリコン板Ｃ３へ、
フィードバッ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。

【００７５】シリコンビーム６によって支持された重錘
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、信号処理回路によってΔ
Ｃ→０となるように、可動電極の位置を電極間に作用す
る静電気力によって、フィードバック的に制御してい
る。

【００７６】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
Ｖ_Eをローパスフィルタ６８で処理し、作動増幅器６９
を介して加速度センサとしての出力電圧Ｖ₀を取り出す
のである。

【００７７】パルス幅変調器の出力電圧Ｖ_Eの波形を図
３３に示す。この図から明らかなように、出力電圧Ｖ_E
は周期５０μｍ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、フィードバック制御されて
いる。

【００７８】シリコン容量式加速度センサの出力特性の
一例を図３４に示す。この図は、図３２に示した方法で
測定して結果を示したものであり、これから明らかなよ
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。

【００７９】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例を図３５
及び図３６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ッ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って、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った。

【００８０】そこで、図３５の例においては、検出チッ
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やボンディング・パッド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。

【００８１】そして、この例では、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
チップ７５を直接的に接合してある。熱酸化膜７６は約
１μｍと薄く、従って、この例によれば、検出部は実質
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。

【００８２】図３６は、ダイアフラム部７２の圧力室７
３と反対側へ、熱酸化膜７０を介してシリコンキャップ
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、この例によれば、絶対圧セン
サを得ることができる。

【００８３】

【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
ンサを容易に提供することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による加速度センサの一例を示す基本構
成図である。

【図２】本発明の概略製造プロセスの説明図である。

【図３】本発明の一例による検出部の断面図である。

【図４】本発明の一例による検出部の断面図である。

【図５】本発明による検出部の展開図である。

【図６】本発明による検出部の展開図である。

【図７】本発明による検出部の展開図である。

【図８】本発明による検出部の展開図である。

【図９】本発明による検出部の平面展開図である。

【図１０】本発明による検出部の立体図である。

【図１１】本発明による検出部の等価回路図である。

【図１２】本発明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である。

【図１３】本発明による検出部の断面図である。

【図１４】本発明による検出部の断面図である。

【図１５】本発明による検出部の平面図である。

【図１６】本発明による検出部の平面図である。

【図１７】本発明による電極リードの例を示す断面図で
ある。

【図１８】本発明による電極リードの例を示す断面図で
ある。

【図１９】本発明による電極リードの例を示す説明図で
ある。

【図２０】本発明の一実施例を示す立体図である。

【図２１】本発明の一実施例における端子板の概略図で
ある。

【図２２】本発明による電極リードの例を示す平面図で
ある。

【図２３】本発明による電極リードの展開図である。

【図２４】本発明による電極リードの他の例を示す断面
図である。

【図２５】本発明による電極リードの他の例を示す断面
図である。

【図２６】本発明による電極リードの平面展開図であ
る。

【図２７】本発明による電極リードの他の例を示す断面
図である。

【図２８】本発明による電極リードの他の例を示す断面
図である。

【図２９】本発明による電極リードの他の例を示す断面
図である。

【図３０】本発明による電極リードの他の例を示す平面
図である。

【図３１】本発明による電極リードの他の例を示す平面
図である。

【図３２】容量式加速度センサの信号処理回路の一例を
示す回路図である。

【図３３】パルス幅変調器の電圧波形図である。

【図３４】加速度センサの出力特性図である。

【図３５】本発明の実装方法を圧力センサへ適用した例
を示す断面図である。

【図３６】本発明の実装方法を圧力センサへ適用した例
を示す断面図である。

【符号の説明】

１シリコン板Ａ２シリコン板Ｂ３シリコン板Ｃ４、５熱酸化膜６シリコンビーム７可動電極８空隙９ａ、９、９ｃボンディング・パッド１１、１１２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Ａ２７ガラス板Ｃ２８、２９固定電極３０シリコン板Ｄ３１シリコン板Ｅ３２、３３リード引出し部３４、３５溝３７、３８、３９、４２、４３、４４導電ペースト４１端子板Ｇ４６絶縁材料４７溝４８、４９低溶融点ガラス接着剤５０、５１貫通孔５２、５３リード引出し部５４、５５エッチング孔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検出チップ(シリコン板) ７６熱酸化膜７７シリコン台７９基準真空室８０シリコンキャップ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松本昌大茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【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、上記シリコン板のダイシング面に、外部の信号処理回路
との電気的接続手段を設けたことを特徴とする静電容量
式加速度センサ。
【請求項２】請求項１の発明において、上記固定電極
部は基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。
【請求項３】請求項２の発明において、上記基板はガ
ラス板であることを特徴とする静電容量式加速度セン
サ。
【請求項４】請求項２の発明において、上記基板のダ
イシング面に外部の信号処理回路との電気的接続手段を
設けたことを特徴とする静電容量式加速度センサ。
【請求項５】加速度に応じて変位する可動部が形成さ
れた基板と、上記可動部の変位を検出する検出部とを備
えた静電容量式加速度センサにおいて、上記基板のダイシング面に、上記検出部と外部の信号処
理回路との電気的接続手段を設けたことを特徴とする静
電容量式加速度センサ。
【請求項６】請求項５の発明において、上記基板はシ
リコン板であることを特徴とする静電容量式加速度セン
サ。