JPH0923015A - 半導体力学量センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】力学量検出方向以外の方向に変位しにくくする
ことができる半導体力学量センサを提供する。 【解決手段】可動部４はシリコン基板１の上方に所定の
間隔を隔てて配置されている。可動部４の梁部６はコ字
状をなし、梁部６の一部である第３帯状部６３において
は他の領域よりも幅が広く（Ｗ３＞Ｗ１，Ｗ３＞Ｗ
２）、かつ、長さが短く（Ｌ３＜Ｌ１，Ｌ３＜Ｌ２）な
っており、加速度検出方向であるＹ方向に直交するＸ方
向（非検出方向）に可動部４が変位しにくい構造となっ
ている。従って、可動部４にＰ型シリコン基板１の表面
に平行な方向に加速度が作用した場合においても、他軸
方向（Ｘ方向）のバネ定数が大きいために他軸方向の変
位は小さくなり、これにより極めて正確に加速度を検出
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体基板上に梁を
有し、加速度，振動，ヨーレート等を検出する半導体力
学量センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体ヨーレートセンサとして、従来例
（例えば、平成６年、マイクロマシン技術 研究開発成
果発表会予稿集、ｐ５５〜５８）を図５に示す。又、図
６は図５におけるＣ−Ｃ断面図を示している。基板３０
の上面には所定の間隔を隔てて梁構造をなす可動部３１
が配置されるとともに、この可動部３１の一部をなす可
動電極３２に対し、固定電極３３が対向配置されてい
る。より詳細には、アンカー部３４から屈曲形成された
梁部３５が延び、この梁部３５に重り部３６が支持さ
れ、重り部３６から可動電極３２が突出している。一
方、基板３０の上面には可動電極３２に対向するように
固定電極３３が固定されている。又、重り部３６の下方
における基板３０の上面には下部電極３７が対向するよ
うに配置されている。そして、固定電極３３と可動電極
３２間に所定の周波数で電圧を印加することにより、可
動部３１を図中に示すＸ方向に振動させて、そこにＹで
示した軸を中心とする回転角速度が作用すると、図６中
に示すＺ方向にコリオリ力が生じる。それに伴って可動
部３１と下部電極３７間の空隙部３８が変化する。その
変化を静電容量変化で検出することにより、角速度が検
出される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような構
成の半導体ヨーレートセンサにおいては、梁部３５は屈
曲形成されており、そのために検出方向以外の変位によ
る他軸感度を生じてしまうことが問題となっている。そ
もそも、梁部３５が直線的に延びている場合には他軸方
向の変位は生じていなかったが、梁部３５が反る等の問
題があった。しかし、その原因である応力を解放するた
めに梁部３５を屈曲形成したことによって、新たに他軸
方向の変位が生じてしまうことが問題となっている。

【０００４】そこで、この発明の目的は、力学量検出方
向以外の方向に変位しにくくすることができる半導体力
学量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、屈曲形成された梁部とを備え、力学
量の作用に伴う前記梁部の変位に基づいて力学量を検出
するようにした半導体力学量センサであって、前記梁部
の一部に、力学量検出方向以外の方向でのバネ定数を大
きくするための領域を設けた半導体力学量センサをその
要旨とする。

【０００６】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の発明において前記バネ定数を大きくするための領域
は、断面積が他の領域より大きいものである半導体力学
量センサをその要旨とする。

【０００７】請求項３に記載の発明は、請求項２に記載
の発明において前記バネ定数を大きくするための領域
は、その幅が他の領域より広いものである半導体力学量
センサをその要旨とする。

【０００８】請求項４に記載の発明は、請求項１に記載
の発明において前記バネ定数を大きくするための領域
は、ヤング率が他の領域より大きい材質を用いた半導体
力学量センサをその要旨とする。

【０００９】請求項５に記載の発明は、請求項１に記載
の発明において前記バネ定数を大きくするための領域
は、長さが他の領域の長さより短い半導体力学量センサ
をその要旨とする。

【００１０】請求項６に記載の発明は、請求項３に記載
の発明において前記バネ定数を大きくするための領域
は、エッチング液侵入用の開口部を有する半導体力学量
センサをその要旨とする。

【００１１】

【作用】請求項１に記載の発明によれば、力学量が作用
すると、梁部が変位し、この変位に基づいて力学量が検
出される。つまり、梁部の変位を電流や静電容量などの
変化として取り出す。

【００１２】ここで、梁部の一部の領域が、力学量検出
方向以外の方向（他軸方向）でのバネ定数を大きくする
ための領域となっているので、この領域により力学量検
出方向以外の方向の変位が抑えられる。

【００１３】請求項２に記載の発明によれば、請求項１
に記載の発明の作用に加え、断面積を大きくすることに
より、容易にバネ定数が大きくなる。請求項３に記載の
発明によれば、請求項２に記載の発明の作用に加え、幅
を広くすることにより、容易に断面積が大きくなる。

【００１４】請求項４に記載の発明によれば、請求項１
に記載の発明の作用に加え、ヤング率が大きい材質を用
いることにより、容易にバネ定数が大きくなる。請求項
５に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の作用
に加え、長さを短くすることにより、容易にバネ定数が
大きくなる。

【００１５】請求項６に記載の発明によれば、請求項３
に記載の発明の作用に加え、幅が広くなっても、梁部形
成のためにその下に配置した犠牲層をエッチングする、
いわゆる犠牲エッチングの際に開口部を通してエッチン
グ液が侵入して犠牲層エッチングが容易に行われる。

【００１６】

【実施例】

（第１実施例）以下、この発明を半導体加速度センサに
具体化した第１実施例を図面に従って説明する。

【００１７】図１は、本実施例の加速度センサの平面図
を示し、加速度の検出にトランジスタを利用したもので
ある。図２は図１におけるＡ−Ａ断面図、図３は図１に
おけるＢ−Ｂ断面図である。

【００１８】図２に示すように、半導体基板としてのＰ
型シリコン基板１の主表面上には絶縁膜２が全面に形成
され、その上には四角形状の絶縁膜３が４箇所にわたり
形成されている。絶縁膜２及び絶縁膜３はＳｉＯ₂ ，Ｓ
ｉ₃ Ｎ₄ 等よりなる。絶縁膜３には両持ち梁構造の可動
部４が架設されている。可動部４は、厚さが２μｍ程度
の膜厚が均一なポリシリコン薄膜よりなり、絶縁膜２の
上方に所定の間隔を隔てて配置されている。この可動部
４は、その下の犠牲層をエッチングすることにより形成
したものであり、犠牲層の膜厚分だけエアギャップ（空
隙）１５が形成される。

【００１９】可動部４は、４つのアンカー部５と４本の
梁部６と重り部７と可動ゲート電極部８，９とからな
る。絶縁膜３の上に、この絶縁膜３と同一寸法のアンカ
ー部５が配置され、アンカー部５から帯状の梁部６が延
び、この梁部６により四角形状の重り部７が支持されて
いる。重り部７には相反する方向に可動ゲート電極部
８，９が突設されている。

【００２０】梁部６はコ字状をなし、第１帯状部６１と
第２帯状部６２と第３帯状部６３とからなる。第１帯状
部６１は、図１中、Ｘ方向に延び、一端がアンカー部５
に固定されている。第２帯状部６２は、同じくＸ方向に
延び、一端が重り部７に連結されている。第３帯状部６
３は、図１中、Ｙ方向に延び、第１帯状部６１の端部お
よび第２帯状部６２の端部と連結されている。第１帯状
部６１の幅Ｗ１と第２帯状部６２の幅はＷ２は等しく
（Ｗ２＝Ｗ１）、第３帯状部６３の幅Ｗ３は、第１およ
び第２帯状部の幅Ｗ１，Ｗ２より大きくなっている。つ
まり、梁部６の一部領域である第３帯状部６３が幅広と
なっている。

【００２１】又、梁部６における第１帯状部６１の長さ
Ｌ１と第２帯状部６２の長さＬ２は等しく（Ｌ２＝Ｌ
１）、第３帯状部６３の長さＬ３は、第１および第２帯
状部の長さＬ１，Ｌ２より短くなっている。

【００２２】このように本実施例においては、コ字状を
なす梁部６においてＹ方向に延びる第３帯状部６３が他
の領域よりも幅が広く断面積が他の領域より大きく、か
つ、長さが短くなっており、力学量検出方向以外の方向
でのバネ定数を大きくした構成となっている。即ち、加
速度検出方向であるＹ方向に直交するＸ方向（非検出方
向）に可動部４が変位しにくくなっている。換言するな
らば、第１および第２帯状部６１，６２の幅を狭くする
ことにより、加速度検出方向であるＹ方向に変位しやす
くなっているとともに、Ｗ３＞Ｗ１，Ｗ３＞Ｗ２，Ｌ３
＜Ｌ１，Ｌ３＜Ｌ２とすることにより、加速度検出方向
でないＸ方向に変位しにくくなっている。

【００２３】尚、梁部６における第１および第２帯状部
６１，６２の幅Ｗ１，Ｗ２及び第３帯状部６３の幅Ｗ３
は、検出すべき加速度の大小、可動部４に必要とされる
強度の大小に応じて適宜の値にしてもよい。又、可動部
４の材料もポリシリコンの他にタングステン等の高融点
金属を用いてもよい。

【００２４】図３に示すように、可動ゲート電極部８
（９）の下方両側には不純物層からなる固定電極１０，
１ｌ（１２，１３）（ソース・ドレイン部）が形成され
ている。この固定電極１０，１ｌ（１２，１３）はＰ型
シリコン基板１にイオン注入等によりＮ型不純物を導入
することにより形成したものである。

【００２５】このように本実施例では、ソース・ドレイ
ンである固定電極１０，１ｌ（１２，１３）と可動部４
及び絶縁膜２、空隙部１５とで電界効果トランジスタ
（ＭＩＳＦＥＴ）を構成している。従って、可動部４及
び固定電極１０，１ｌ（１２，１３）間に電圧が印加さ
れるとＰ型シリコン基板１における固定電極１０，１ｌ
（１２，１３）の間にはチャネル領域１６が形成される
ため、固定電極１０，１ｌ（１２，１３）間にはドレイ
ン電流が流れることになる。

【００２６】次に、上記のように構成された半導体加速
度センサの作動について説明する。可動部４とＰ型シリ
コン基板１との間、及び固定電極１０，１ｌ（１２，１
３）間に電圧をかけると、チャネル領域１６が形成さ
れ、固定電極１０，１ｌ（１２，１３）間に電流が流れ
る。ここで本加速度センサが加速度を受けて、図中のＹ
方向（基板の表面に平行な方向）に可動部４が変位した
場合には、両固定電極１０，１ｌ（１２，１３）間のチ
ャネル領域１６と可動ゲート電極部８（９）の重なり面
積が変化することにより、固定電極１０，１ｌ間に流れ
る電流は減少し、逆に固定電極１２，１３間に流れる電
流は増加する。

【００２７】また、本加速度センサが加速度を受けて図
中に示すＺ方向（基板の表面に垂直な方向）に可動部４
が変位した場合には電界強度の変化によってチャネル領
域１６のキャリア濃度が増大し、固定電極１０，１ｌ
（１２，１３）間に流れる電流が増大する。

【００２８】このように本加速度センサは、加速度によ
る可動ゲート電極部８，９と固定電極１０，１ｌ，１
２，１３との相対的位置の変化により固定電極１０，１
ｌ間と固定電極１２，１３間に流れる電流が変化し、こ
の電流変化の大きさ及び位相により二次元の加速度が検
出される。

【００２９】ここで、図１に示すように、本実施例の加
速度センサは重り部７および可動ゲート電極８，９を支
持する梁部６において、第３帯状部６３が、他の領域よ
りも幅が広く（Ｗ３＞Ｗ１，Ｗ３＞Ｗ２）、かつ、長さ
が短く（Ｌ３＜Ｌ１，Ｌ３＜Ｌ２）、加速度検出方向で
あるＹ方向に直交するＸ方向（非検出方向）に可動部４
が変位しにくい構造となっているので、可動部４にＰ型
シリコン基板１の表面に平行な方向に加速度が作用した
場合においても、他軸方向のバネ定数が検出方向のバネ
定数よりも大きいために、他軸方向（図中Ｘ方向）の感
度を小さくし、検出方向（図中Ｙ方向）の加速度だけを
検出することができる。よって、極めて正確な加速度検
出ができる。

【００３０】このように本実施例においては、梁部６の
一部である第３帯状部３３を他の領域より幅広にし、か
つ、長さを短くして、力学量検出方向以外の方向でのバ
ネ定数を大きくしたので、梁部６における加速度検出方
向以外の方向（他軸方向）の変位が抑えられ、力学量検
出感度が上がる。 （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。

【００３１】図４は本実施例に係る半導体加速度センサ
を示す平面図である。図４において梁部６における幅広
な第３帯状部６３には矩形の開口部１４が多数並設さ
れ、格子状となっている。又、開口部１４の周りにおけ
るＸ，Ｙ方向の幅と、第１および第２帯状部６１，６２
の幅とは等しく、Ｗ４となっている。この開口部１４に
より犠牲層エッチングの際にエッチング液が浸透しやす
くなっている。

【００３２】つまり、第１実施例のセンサにおいては、
梁部６における第３帯状部６３は幅広となり、梁部６に
おける他の領域（第１および第２帯状部６１，６２）よ
りもエッチング液が浸透しにくい構造となっているが、
矩形の開口部１４を多数設けることにより、第３帯状部
６３におけるエッチング浸透方向の距離を第１および第
２帯状部６１，６２の幅と等しくすることができる。よ
って、梁部６における第３帯状部６３のエッチング時間
を梁部６における他の領域（第１および第２帯状部６
１，６２）のエッチング時間と等しくできる。従って、
必要最小限の時間でエッチングを完了できるので生産性
を向上させることができる。

【００３３】この発明の他の態様を以下に説明する。上
記実施例では梁部６におけるＹ方向に延びる第３帯状部
６３の幅を広くし、かつ、長さも短くしたが、コ字状を
なす梁部６においてＹ方向に延びる第３帯状部６３が、
他の領域よりも幅を広くし（Ｗ３＞Ｗ１，Ｗ３＞Ｗ
２）、かつ、長さは等しく又は長く（Ｌ３≧Ｌ１，Ｌ３
≧Ｌ２）してもよい。あるいは、コ字状をなす梁部６に
おいてＹ方向に延びる第３帯状部６３が、他の領域より
も長さが短く（Ｌ３＜Ｌ１，Ｌ３＜Ｌ２）、かつ、幅が
同一（Ｗ３＝Ｗ１＝Ｗ２）としてもよい。

【００３４】又、ポリシリコン薄膜よりなる梁部６にお
ける第３帯状部６３の厚さを他の領域の厚さよりも厚く
することにより断面積を他の領域より大きくして他軸方
向のバネ定数を大きくしてもよい。

【００３５】さらに、ポリシリコン薄膜よりなる梁部６
における第３帯状部６３を改質して第３帯状部６３を他
の領域よりもヤング率を大きくした材質にすることによ
り、他軸方向のバネ定数を大きくしてもよい。ここで、
改質として、イオン注入などの表面改質が挙げられる。

【００３６】さらには、上記実施例で説明した半導体加
速度センサにおいては、基板としてＰ型半導体を用いて
説明したが、基板としてＮ型半導体で構成してもよく、
この場合には拡散電極（固定電極１０〜１３）はＰ型で
構成することになる。

【００３７】又、上記実施例では両持ち梁構造としたが
片持ち梁構造であってもよい。さらに、上記実施例では
梁部６に重り部７を設けた構造としたが、重り部７が無
い構造としてもよい。

【００３８】さらには、梁部６の屈曲形状として、コ字
状以外にも、「Ｕ」の字状等の他の形状であってもよ
い。又、上記実施例においては半導体加速度センサにつ
いて述べたが、図５，６に示したヨーレートセンサに具
体化してもよい。この場合は静電容量の変化によりヨー
レートを検出することとなる。又、この他にも振動等を
検出するセンサに適用できる。

【００３９】

【発明の効果】以上詳述したように請求項１に記載の発
明によれば、力学量検出方向以外の方向に変位しにくく
することができる優れた効果を発揮する。

【００４０】請求項２に記載の発明によれば、請求項１
に記載の発明の効果に加え、容易にバネ定数を大きくす
ることができる。請求項３に記載の発明によれば、請求
項２に記載の発明の効果に加え、容易に断面積を大きく
することができる。

【００４１】請求項４に記載の発明によれば、請求項１
に記載の発明の効果に加え、ヤング率が大きい材質を用
いることにより、容易にバネ定数を大きくすることがで
きる。

【００４２】請求項５に記載の発明によれば、請求項１
に記載の発明の作用に加え、容易にバネ定数を大きくす
ることができる。請求項６に記載の発明によれば、請求
項２に記載の発明の効果に加え、犠牲エッチングを容易
に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例の半導体加速度センサを示す平面
図。

【図２】図１のＡ−Ａ断面図。

【図３】図１のＢ−Ｂ新面図。

【図４】第２実施例の半導体加速度センサを示す平面
図。

【図５】従来の半導体加速度センサを示す平面図。

【図６】図５のＣ−Ｃ断面図。

【符号の説明】

１…半導体基板としてのＰ型シリコン基板、６…梁部、
６１…第１帯状部、６２…第２帯状部、６３…第３帯状
部

Claims (6)

【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、
   屈曲形成された梁部とを備え、力学量の作用に伴う前記
   梁部の変位に基づいて力学量を検出するようにした半導
   体力学量センサであって、 前記梁部の一部に、力学量検出方向以外の方向でのバネ
   定数を大きくするための領域を設けたことを特徴とする
   半導体力学量センサ。
2. 【請求項２】 前記バネ定数を大きくするための領域
   は、断面積が他の領域より大きいものである請求項１に
   記載の半導体力学量センサ。
3. 【請求項３】 前記バネ定数を大きくするための領域
   は、その幅が他の領域より広いものである請求項２に記
   載の半導体力学量センサ。
4. 【請求項４】 前記バネ定数を大きくするための領域
   は、ヤング率が他の領域より大きい材質を用いたもので
   ある請求項１に記載の半導体力学量センサ。
5. 【請求項５】 前記バネ定数を大きくするための領域
   は、長さが他の領域の長さより短いものである請求項１
   に記載の半導体力学量センサ。
6. 【請求項６】 前記バネ定数を大きくするための領域
   は、エッチング液侵入用の開口部を有する請求項３に記
   載の半導体力学量センサ。