JPH0980070A - 半導体加速度センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 錘の位置合わせが容易で、しかも重心が中央
に位置する錘を容易に形成できる半導体加速度センサ及
びその製造方法を提供する。 【解決手段】 固定部１Ａと、錘３Ａが接合され加速度
により力を受ける作用部１Ｂと、これら固定部１Ａと作
用部１Ｂとを接続すると共に、ピエゾ抵抗素子が形成さ
れる可撓部１Ｃとを備え、前記錘３Ａは前記作用部１Ｂ
の所定位置に設けた金属薄膜２上に配設される低融点金
属体３の溶着により形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加速度センサに関
し、とりわけ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、加速度センサの内でも半導体加速
度センサは、小型軽量という利点を生かして種々の応用
分野に適用されている。例えば、自動車の加速度を検出
してダンパーや空気バネの特性を変えるサスペンション
制御に応用される他、車両の加速度を検出して制御に応
用するアンチスキッドブレーキや、さらにロボットに取
付けて加速度を制御する用途も実用化されている。この
ような半導体加速度センサは、ダイアフラムの中心やカ
ンチレバーの先端に錘を付け、変形量をピエゾ抵抗素子
で検出する構成となっている。

【０００３】図１３は、このような従来の半導体加速度
センサの製造工程の説明図である。また図１４は、図１
３の製造工程の斜視図である。半導体加速度センサ１個
は、１個のチップ５２上に形成され、さらにこのチップ
５２に接して下端に錘が接着される。したがって各チッ
プと錘を位置合わせする必要があり、従来ではこの位置
合わせは各チップが切り離されないウエハー５１の状態
で、同様に各錘が切り離されない錘ウエハー５４と重ね
て接着されている。そしてこのウエハー状態での位置合
わせのため、Ｌ字形のオリエンテーションフランジ５３
が使用されている。

【０００４】また図１５は、従来の、他の半導体加速度
センサの製造工程を説明する図である。この製造工程で
は、ウエハー５１側に太い十字状の位置マーク５１Ａ
を、他方のウエハー５４側に細い十字状のマーク５４Ａ
の所謂トンボを設けて、ウエハー５１とウエハー５４を
重ねた時に前記両マーク５１Ａ、５４Ａの合致を光学的
に確認するものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
オリエンテーションフランジ５３を用いる位置合わせ
は、手作業でしかも機械的原理によるため、高い精度が
得られない上、手作業も操作が難しく、例えば図１４に
示すような、ずれ分ｄが生じやすいという問題点があっ
た。さらに前記図１５の光学的確認によるものについて
も、赤外線透過等の装置が必要な上、ウエハーの微調整
移動の作業はやはり個々の作業者の技量に依存してお
り、品質管理において問題があるうえ、作業コスト削減
が困難であるといった不都合が生じていた。

【０００６】本発明はこのような課題や欠点を解決する
ためなされたもので、その目的は錘の位置合わせが容易
で、しかも重心が中央に位置する錘を容易に形成可能な
半導体加速度センサ及びその製造方法を提供することに
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の本発明に係る半導体加速度センサは、固定部と、錘が
接合されると共に加速度により力を受ける作用部と、こ
れら固定部と作用部とを接続すると共に感歪素子を備え
る可撓部とを有する半導体加速度センサにおいて、前記
錘は金属薄膜を介して前記作用部に接合されたことを特
徴とする。

【０００８】あるいは、本発明に係る半導体加速度セン
サの製造方法は、固定部と、錘が接合されると共に加速
度により力を受ける作用部と、これら固定部と作用部と
を接続すると共に感歪素子を備える可撓部とを有する半
導体加速度センサの製造方法において、前記作用部の所
定位置に金属薄膜を形成すると共に該金属薄膜上に前記
錘となる低融点金属体を配設し、さらに、前記低融点金
属体を溶融して生じる該低融点金属体の表面張力作用に
て前記金属薄膜に対して該錘の位置を自己位置合わせす
ることを特徴とする。

【０００９】あるいは、本発明に係る半導体加速度セン
サの製造方法は、固定部と、錘が接合されると共に加速
度により力を受ける作用部と、これら固定部と作用部と
を接続すると共に感歪素子を備える可撓部とを有する半
導体加速度センサの製造方法において、前記作用部の所
定位置に金属薄膜を形成すると共に該金属薄膜上に低融
点金属体を配設し、さらに、前記低融点金属体上に前記
錘を配設し、前記低融点金属体を溶融して生じる該低融
点金属体の表面張力作用にて前記金属薄膜に対して該錘
の位置を自己位置合わせすることを特徴とする。

【００１０】本発明に係る半導体加速度センサによれ
ば、ダイアフラムあるいはカンチレバーを有するチップ
上に、金属薄膜がエッチングや蒸着あるいは印刷によっ
て所定の位置に精度よく設けられる。したがって、加速
度センサの製造過程において、金属薄膜上に低融点金属
が置かれて溶融されるか、あるいは溶融状態の低融点金
属が置かれると、低融点金属の表面張力により溶融状態
の低融点金属は金属薄膜上で対称な形となる。この状態
で冷却固化されると、重心に対して対称形である金属塊
が金属薄膜上に自然に形成され、しかもこの重心は、金
属薄膜の中心と同位置にある。このようにして、良好な
バランスの錘が形成された半導体加速度センサが容易に
製造される。

【００１１】しかも、製造時において低融点金属量を変
更することにより、感度調節が出来る。あるいは、加速
度センサの製造過程において、金属薄膜上に低融点金属
が置かれて溶融されるか、あるいは溶融状態の低融点金
属が置かれた状態で、この溶融状態の低融点金属の上に
別体の錘が置かれると、低融点金属の表面張力が金属薄
膜の縁部ならびに別体の錘の縁部の両方に作用し、よっ
て別体の錘は金属薄膜の中心に位置することになる。こ
の状態で冷却固化されると、良好な位置に錘が連接され
た半導体加速度センサが容易に製造される。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、この発明の好ましい実施の
形態を添付図面に基づいて説明する。図１〜図３は、本
発明に係る半導体加速度センサの一実施の形態の製造段
階を説明する模式図であり、図１はセンサチップを形成
する半導体ウエハーの一部を示し、図２は図１に続く製
造段階で、ダイアフラム形成を示す。さらに、図３は本
発明に係る半導体加速度センサのチップを説明する模式
図である。

【００１３】図１に示されるようなシリコン製のセンサ
チップ１は、ウエハー上に複数個が連なった、切り離さ
れていない状態で加工される。まず、センサチップ１に
は、リソグラフィや拡散またはイオン注入等によって感
歪素子であるピエゾ抵抗素子（図６〜図８、Ｒ１〜Ｒ８
参照）が一面に形成される。更に、リソグラフィーやエ
ッチングによって前記のピエゾ抵抗素子を形成した面と
反対側の面がエッチングされ、図２のようなダイアフラ
ム１００が形成される。

【００１４】ついで図３に示されるように、ダイアフラ
ム１００の表側の面（ピエゾ抵抗素子形成面）上の、後
述する錘が配設される位置１５の中心と、中心を同じに
して金属薄膜２が蒸着、エッチング、あるいは印刷とい
った既存の技術によって形成される。又、金属薄膜２は
その中心が、円形もしくは多角形のダイアフラム１００
の中心と高い精度で一致するよう形成される。例えばリ
ソグラフィーやエッチングで金属薄膜２を形成する場合
には、金属薄膜２の位置決めは高い精度で比較的容易で
ある。このようにして金属薄膜２が形成されると、図３
に示されるように半導体加速度センサチップ１は、両側
に、台座（図７の符号１１及び図８の符号２２参照）に
固設される固定部１Ａと、該固定部１Ａ間に形成され、
かつ錘が接合されて加速度により力を受ける作用部１Ｂ
と、固定部１Ａと作用部１Ｂとを接続すると共に、ピエ
ゾ抵抗素子が設けられた可撓部１Ｃを有して出来上が
る。

【００１５】つぎに図４と図５の模式図に基づき、前記
図３の半導体加速度センサチップを用いて、本発明に係
る半導体加速度センサを製造する過程を説明する。図４
で、半導体加速度センサチップ１の上に、透孔５Ａを設
けた治具５が該透孔５Ａ内に金属薄膜２が略位置するよ
うに大まかに位置合わせされた状態で置かれ、適当な量
の低融点金属体３が、透孔５Ａ内の金属薄膜２の上に置
かれる。低融点金属体３としては、例えばビーズ状の半
田合金が適用される。なお、ビーズ状の半田合金の外
に、クリーム半田を適用することもできる。この後、治
具５を除去しつつ加熱すると低融点金属体３は溶融して
液状を呈し、表面張力の作用で上方が球状になり、一
方、下端の金属薄膜２に接する部分では金属薄膜２の縁
部から表面張力の作用で曲面状に立ち上がる。この結
果、円形の金属薄膜２の上には略球状で対称形の溶融金
属部が形成される。このまま冷却すると、金属薄膜２上
には略球状固体の低融点金属が溶着し、これが図５に示
される錘３Ａとなる。

【００１６】図５は、本発明に係る半導体加速度センサ
１０を説明する模式図である。同図で、半導体加速度セ
ンサ１０の錘３Ａの重心の、左右前後方向の位置は、前
記のように金属薄膜２の中心位置と一致している。この
ように、たとえ低融点金属体３が粗い精度で金属薄膜２
上に置かれていても、金属薄膜２の存在と表面張力の作
用とによって、溶融の過程で位置は自動的に修正され、
溶融時においてはすべて所定の中心位置になり、そのま
ま冷却固化される。したがって、加熱と冷却のサイクル
を課するだけで、位置決めが自動的に、しかも高精度で
なされ、位置決めに関する手作業は不要となる。

【００１７】また、製造時において、低融点金属体３の
質量を調整することにより、半導体加速度センサの感度
調節が可能である。

【００１８】図６は、図５の半導体加速度センサ１０の
平面図である。同図に示されるように、可撓部１Ｃの、
左右方向のダイアフラム１００の付け根部分ならびに金
属薄膜２の端部に重畳する部分には、４個のピエゾ抵抗
素子Ｒ１〜Ｒ４が配設されている。さらに、上下方向の
ダイアフラム１００の付け根部分、ならびに金属薄膜２
の端部に重畳する部分には、４個のピエゾ抵抗素子Ｒ５
〜Ｒ８が配設されている。これら８個のピエゾ抵抗素子
Ｒ１〜Ｒ４、Ｒ５〜Ｒ８は、後述する２個のホイートス
トンブリッジ回路に接続される。

【００１９】図７は、図６の半導体加速度センサ１０に
台座１１を取り付けて、加速度を加えた状態を示す断面
図である。同図に示されるように、錘３Ａの重心に、加
速度に起因する力Ｆが下方向に作用した場合、ピエゾ抵
抗素子Ｒ２、Ｒ３は圧縮応力が加わり、ピエゾ抵抗素子
Ｒ１、Ｒ４は伸張応力が加わり抵抗値が変化する。他の
４個のピエゾ抵抗素子Ｒ５〜Ｒ８についても同様であ
る。これら抵抗値の変化に基づいて、加速度の存在と方
向が検出される。

【００２０】また図８は、本発明に係る半導体加速度セ
ンサの他の実施形態のものに加速度を加えた状態を示す
断面図である。同図に示されるように、半導体加速度セ
ンサ２０は固定部２１Ａが台座２２に固設されて、錘３
Ａが下方を向いて取付けられている。各ピエゾ抵抗素子
Ｒ１〜Ｒ４、Ｒ５〜Ｒ８の動作は前記と略同じである。

【００２１】図９は、加速度検出のためのホイートスト
ンブリッジ回路の説明図である。同図では、左右方向に
配設された４個のピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４のホイート
ストンブリッジ回路を示している。このほかに、前後方
向に配設された４個のピエゾ抵抗素子Ｒ５〜Ｒ８のホイ
ートストンブリッジ回路が設けられている。錘に加速度
が加わらず、センサチップのダイアフラムに変形がない
と、電圧計Ｖには電圧が発生しないが、錘に前後／左右
／上下の加速度が加わると、ピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ８
には変位に対応した抵抗値の変化が生じるので、これを
電圧計Ｖの値によって検出するものである。

【００２２】図１０は、本発明に係る半導体加速度セン
サの別の実施形態の平面図である。同図に示されるよう
に、半導体加速度センサ３０はカンチレバー型であり、
細首状のレバー部３１Ｃを備えるカンチレバー型チップ
３１Ａの錘３Ａが配設される位置に金属薄膜２が配設さ
れる。ここで、金属薄膜２はその中心線がカンチレバー
型チップ３１Ａの中心線３１Ｂと高い精度で合致するよ
う設けられる。この結果、前記と同様に形成される錘３
Ａの中心線３Ｂがカンチレバー型チップ３１Ａの中心線
３１Ｂと高い精度で合致することになり、無荷重時のレ
バー部３１Ｃによじれ等が発生しない。

【００２３】図１１は、本発明に係る半導体加速度セン
サのさらに別の実施形態の製造を説明する模式図であ
る。さらに図１２は、図１１の半導体加速度センサの完
成状態を説明する模式図である。両図において、半導体
加速度センサチップ１の、金属薄膜２上には溶融部４１
が配されている。溶融部４１は前記実施形態の低融点金
属と同等の素材からなるが、質量的には前記実施形態の
低融点金属よりも少ない。

【００２４】この溶融部４１を溶融させて、その上部に
別体の錘４３を載せる。これにより、溶融部４１の表面
張力が金属薄膜２と錘４３の両方に作用することで、錘
４３は金属薄膜２の中心に位置するようになる。よって
冷却時に、錘４３は金属薄膜２の中心位置において定着
する。この結果、溶融部４１を介して別体の錘４３が連
接され、かつ該別体の錘４３の中心と金属薄膜２の中心
とが高い精度で一致している半導体加速度センサ４０が
完成する。

【００２５】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明に係る半導体
加速度センサは、錘の取付け位置に相当する位置に、金
属薄膜が高い精度で形成された構成であるから、低融点
金属体が金属薄膜上に溶融状態におかれると、表面張力
の働きにより低融点金属体は金属薄膜の中心に対称の状
態となる。よって冷却時に、低融点金属体は錘となって
固化し、金属薄膜の中心位置に固定される。一方、金属
薄膜の中心は高い精度でチップの中心と一致して形成さ
れているから、錘も高い精度でチップの中心に固定され
る。

【００２６】同様に、金属薄膜上に溶融状態におかれた
低融点金属体の上面に接して、別体の錘が置かれた場合
も、低融点金属体の表面張力が金属薄膜と錘の両方に作
用することで、錘は金属薄膜の中心に位置するようにな
る。よって冷却時に、錘は金属薄膜の中心位置に固定さ
れる。このようにして、錘の位置合わせが正確に、しか
も容易になされ、よって信頼性にすぐれた半導体加速度
センサが、低コストで製造可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る半導体加速度センサの一実施形態
の製造段階を説明する模式図で、最初のウエハー状態の
チップを示す。

【図２】図１に続く製造段階を説明する模式図で、ダイ
アフラム形成を示す。

【図３】本発明に係る半導体加速度センサに用いるチッ
プを説明する模式図である。

【図４】図３の半導体加速度センサチップを用いて本発
明に係る半導体加速度センサを製造する過程を説明する
模式図である。

【図５】本発明に係る半導体加速度センサを説明する模
式図である。

【図６】図５の半導体加速度センサの平面図である。

【図７】図６の半導体加速度センサに台座を取り付け、
加速度を加えた状態を示す断面図である。

【図８】本発明に係る半導体加速度センサの他の実施形
態に加速度荷重を加えた状態を示す断面図である。

【図９】加速度検出のためのホイートストンブリッジ回
路の説明図である。

【図１０】本発明に係る半導体加速度センサの別の実施
形態の平面図である。

【図１１】本発明に係る半導体加速度センサのさらに別
の実施例の製造を説明する模式図である。

【図１２】図１１の半導体加速度センサを説明する模式
図である。

【図１３】従来の半導体加速度センサの製造工程の説明
図である。

【図１４】図１３の製造工程の斜視図である。

【図１５】従来の、他の半導体加速度センサの製造工程
を説明する図である。

【符号の説明】 １ センサチップ ２ 金属薄膜 ３ 低融点金属体 ３Ａ 錘 ５ 治具 １０、２０、３０、４０ 半導体加速度センサ Ｒ１〜Ｒ８ ピエゾ抵抗素子 １００ ダイアフラム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 納谷 六郎 神奈川県秦野市曽屋1204番地 日本インタ ー株式会社内 (72)発明者 鈴木 章悟 神奈川県秦野市曽屋1204番地 日本インタ ー株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固定部と、錘が接合されると共に加速度
   により力を受ける作用部と、これら固定部と作用部とを
   接続すると共に感歪素子を備える可撓部とを有する半導
   体加速度センサにおいて、 前記錘は金属薄膜を介して前記作用部に接合されたこと
   を特徴とする半導体加速度センサ。
2. 【請求項２】 固定部と、錘が接合されると共に加速度
   により力を受ける作用部と、これら固定部と作用部とを
   接続すると共に感歪素子を備える可撓部とを有する半導
   体加速度センサの製造方法において、 前記作用部の所定位置に金属薄膜を形成すると共に該金
   属薄膜上に前記錘となる低融点金属体を配設し、さら
   に、前記低融点金属体を溶融して生じる該低融点金属体
   の表面張力作用にて前記金属薄膜に対して該錘の位置を
   自己位置合わせすることを特徴とする半導体加速度セン
   サの製造方法。
3. 【請求項３】 固定部と、錘が接合されると共に加速度
   により力を受ける作用部と、これら固定部と作用部とを
   接続すると共に感歪素子を備える可撓部とを有する半導
   体加速度センサの製造方法において、 前記作用部の所定位置に金属薄膜を形成すると共に該金
   属薄膜上に低融点金属体を配設し、さらに、前記低融点
   金属体上に前記錘を配設し、前記低融点金属体を溶融し
   て生じる該低融点金属体の表面張力作用にて前記金属薄
   膜に対して該錘の位置を自己位置合わせすることを特徴
   とする半導体加速度センサの製造方法。