JPH10300772A - 半導体加速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 エアダンピング構造を用いた半導体加速度セ
ンサにおいて、重り部と台座間の静電誘導現象による出
力変動を防止する。 【解決手段】 半導体センサチップ１０は、Ｐ型のシリ
コン基板１上にＮ型のエピタキシャル層２が形成され、
Ｐ型基板１をエッチングすることによって、フレーム部
１１と、ビーム部１２と、重り部１３が構成されてい
る。フレーム部１１のエピタキシャル層２には、Ｐ型基
板１に貫通するＰ型拡散層４が形成されていいる。そし
て、このＰ型拡散層４と台座２０を接地電位に固定し
て、重り部１３と台座２０の対向する部分を同電位にす
る。このことによって、重り部１３と台座２０間の静電
誘導現象の発生が防止され、それによる加速度センサの
出力変動を防止することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体加速度セン
サに関し、特にエアダンピング構造を用いた半導体加速
度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、加速度センサの耐衝撃性を向上さ
せるため、半導体センサチップの重り部と、半導体セン
サチップを固定する台座との間にエアギャップを設けて
重り部をエアダンピングさせるように構成した加速度セ
ンサが提案されている（TECHNICAL DIGEST OF THE 14TH
SENIOR SYMPOSIUM, 1996. PP.23〜26参照）。

【０００３】このようなエアダンピング構造を用いた加
速度センサについて本発明者等が試作検討したものを図
８に示す。半導体センサチップ１０を構成するＮ型シリ
コンの半導体基板８には、フレーム部１１からビーム部
（梁部）１２を介して支持される重り部１３が構成され
ており、ビーム部１２にはピエゾ抵抗３が形成されてい
る。半導体センサチップ１０は、樹脂ビーズ３１が混入
された可撓性接着剤３０によりシリコンの台座２０に接
着固定されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この図８に示す加速度
センサにおいて、重り部１３と台座２０との間のエアギ
ャップは数μｍ程度である。このため、センサの組付け
工程（例えば、加速度センサを恒温槽に入れて温度調整
を行う工程など）、あるいは実使用時において、重り部
１３と台座２０に図に示すような静電気が帯電すると、
静電誘導現象により重り部１３が変位し、加速度センサ
の出力が変動してしまうという問題が発生することが分
かった。

【０００５】本発明は上記問題に鑑みたもので、重り部
と台座間の静電誘導現象による出力変動を防止すること
を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明においては、台座（２０）と
重り部（１３）の間にエアギャップが設けられて重り部
（１３）がエアダンピングを行うように構成された半導
体加速度センサにおいて、重り部（１３）と台座（２
０）の対向する部分を同電位にしたことを特徴としてい
る。

【０００７】従って、重り部（１３）と台座（２０）の
対向する部分を同電位にすることにより、重り部（１
３）と台座（２０）間に静電誘導現象が発生するのを防
止し、それによる加速度センサの出力変動を防止するこ
とができる。このように重り部（１３）と台座（２０）
の対向する部分を同電位にする手段としては、具体的に
は、請求項２乃至４に記載した構成を採用することがで
きる。

【０００８】まず、請求項２に記載の発明においては、
半導体センサチップ（１０）を、第１導電型の半導体基
板（１）と、この半導体基板（１）上に形成された第２
導電型の半導体層（２）により、フレーム部（１１）
と、このフレーム部（１１）からビーム部（１２）を介
して支持される重り部（１３）とを有するように構成
し、フレーム部（１１）の半導体層（２）に、重り部
（１３）の電位を固定するための第１導電型の拡散層
（４）を形成することによって、重り部（１３）と台座
（２０）の対向する部分を同電位にすることができる。

【０００９】また、請求項３に記載の発明においては、
重り部（１３）の半導体層（２）に、重り部（１３）の
電位を固定するための第１導電型の第１拡散層（５）
と、この第１拡散層（５）からビーム部（１２）を通っ
てフレーム部（１１）の半導体層（２）に至る第１導電
型の第２拡散層（６）を形成することによって、ビーム
部（１２）の裏面の半導体基板（１）を介してフレーム
部（１１）から重り部（１３）の電気的な導通がとれな
い場合でも、フレーム部（１１）から第２拡散層（６）
および第１拡散層（５）を介して重り部（１３）の電位
を固定することができる。

【００１０】さらに、請求項４に記載の発明において
は、半導体センサチップ（１０）を台座（２０）に電気
的に導通するように接着固定することによって、重り部
（１３）と台座（２０）の対向する部分を同電位にする
ことができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。 （第１実施形態）図１に本発明の第１実施形態に係る半
導体加速度センサの断面構成を示し、図２に平面構成を
示す。なお、図１は図２のＡ−Ａ断面を示している。

【００１２】半導体センサチップ１０は、Ｐ型のシリコ
ン基板１と、このＰ型基板１上に形成されたＮ型のエピ
タキシャル層２にて構成されている。そして、Ｐ型基板
１をエッチングすることによって、フレーム部１１と、
ビーム部１２と、重り部１３が構成されている。重り部
１３はビーム部１２によって支持されており、加速度が
生じたとき重り部１３が変位する。

【００１３】ビーム部１２のＮ型エピタキシャル層２に
はピエゾ抵抗３（３ａ〜３ｈ）が形成されている。そし
て、重り部１３が変位したときピエゾ抵抗３の抵抗値が
変化して、加速度が検知される。すなわち、ビーム部１
２の各ビームには、図２に示すように、一対のピエゾ抵
抗（３ａと３ｂ、３ｃと３ｄ、３ｅと３ｆ、３ｇと３
ｈ）が形成されており、重り部１３の変位に応じて、一
方のピエゾ抵抗（３ａ、３ｄ、３ｅ、３ｈ）は縮み変形
し、他方のピエゾ抵抗（３ｂ、３ｃ、３ｆ、３ｇ）は伸
び変形する。そして、同一方向に変形する２個ずつのピ
エゾ抵抗（３ａと３ｄ、３ｂと３ｃ、３ｆと３ｇ、３ｅ
と３ｈ）を１辺として図３に示すブリッジ回路が構成さ
れ、出力端子Ｖ₊ 、Ｖ_- から加速度に応じた電圧が出力
されて、加速度の検知が行われる。

【００１４】半導体センサチップ１０は、フレーム部１
１においてシリコンの台座２０に固定されている。この
場合、フレーム部１１は、スペーサとしての複数個の樹
脂ビーズ３１を配合した可撓性接着剤３０により、台座
２０に接着されている。そして、その接着固定により、
重り部１３を台座２０に近接させて両者間にエアギャッ
プを形成し、重り部１３の振動を、重り部１３および台
座２０間のエアダンピングにより減衰させる構成として
いる。この場合、樹脂ビーズ３１の直径を選択すること
によって、エアギャップを所定の大きさに設定すること
ができる。

【００１５】なお、樹脂ビーズ３１の弾性率は、１０Ｇ
Ｐａ以下のものが好ましく、このような要求を満たすも
のとして、ポリジニビルベンゼン樹脂、シリコン樹脂、
ウレタン樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、可撓性
エポキシ樹脂、ビニル樹脂などを用いることができる。
また、可撓性接着剤３０としては、弾性率が５００ＭＰ
ａ以下であることが望ましく、例えば、シリコン樹脂、
ウレタン樹脂、アクリル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイ
ミド樹脂、可撓性エポキシ樹脂などを用いることができ
る。

【００１６】本実施形態に係る加速度センサは、自動車
の横すべり防止装置に用いられ、±１Ｇ前後以下の加速
度が検知できるように構成されている。このため、重り
部１３および台座２０間のエアギャップ寸法を７〜１５
μｍの範囲、好ましくは８〜１５μｍの範囲に設定して
いる、また、重り部１３の重さを１．４ｍｇ前後に設定
するとともに、ビーム部１２の厚さ、幅、長さの各寸法
を、それぞれ４〜７μｍ、１４０〜１８０μｍ、５３０
〜５７０μｍ程度に設定している。

【００１７】また、図１に示すように、フレーム部１１
のエピタキシャル層２には、Ｐ型基板１に貫通するＰ型
拡散層４が形成されている。このＰ型拡散層４を形成す
ることによって、ビーム部１２の裏面のＰ型基板１を介
し重り部１３の電気的な導通をとることができる。そし
て、Ｐ型拡散層４と台座２０を接地電位に固定して、重
り部１３と台座２０の対向する部分を同電位にしてい
る。このことによって、重り部１３と台座２０間の静電
誘導現象の発生を防止し、それによる加速度センサの出
力変動を防止することができる。

【００１８】なお、Ｐ型拡散層４と台座２０の電位は、
図に示すように接地電位に固定されるものに限らず、所
定電位に固定されるものであってもよい。但し、その固
定電位をピエゾ抵抗３に印加する最高電位より高くする
と、Ｐ型基板１とＮ型エピタキシャル層２間が導通して
しまうため、固定電位を最高電位より低くする必要があ
る。

【００１９】次に、図１に示す半導体センサチップ１０
の製造方法を、図４に示す工程図を用いて説明する。な
お、図中の左側に断面構成、右側に平面構成を示す。ま
ず、Ｐ型基板１上にＮ型エピタキシャル層２を形成し、
Ｎ型エピタキシャル層２の表面にＰ型基板１に貫通する
Ｐ型拡散層４をフレーム部１１に形成する（図４（ａ）
参照）。なお、Ｎ型エピタキシャル層２の形成前におい
て、Ｐ型基板１の表面に予めＰ型拡散層を形成してお
く、いわゆる埋め込み拡散を行っておいてもよい。

【００２０】この後、ビーム部１２にピエゾ抵抗３（３
ａ〜３ｈ）を拡散形成する（図４（ｂ）参照）。そし
て、Ｐ型基板１をエッチングし、またＰ型基板１および
Ｎ型エピタキシャル層２を部分的に貫通させて、重り部
１３およびビーム部１２を形成する（図４（ｃ）参
照）。

【００２１】このようにして形成された半導体センサチ
ップ１０は、樹脂ビーズ３１が配合された可撓性接着剤
３０により台座２０に接着固定され、さらに、図示しな
いハウジング内に収納されて自動車に搭載される。 （第２実施形態）図５に本発明の第２実施形態に係る半
導体加速度センサの断面構成を示す。第１実施形態で
は、フレーム部１１にＰ型拡散層４を形成して重り部１
３の電位を固定するものを示したが、図５に示すように
ビーム部１２の裏面にＰ型基板１が形成されていない場
合には、第１実施形態の構成では、フレーム部１１から
重り部１３の電位固定を行うことができない。

【００２２】そこで、この実施形態においては、重り部
１３にＮ型エピタキシャル層２を貫通するＰ型拡散層５
を形成し、このＰ型拡散層５に接続してビーム部１２を
通りフレーム部１１に至る配線用のＰ型拡散層６を形成
している。なお、センサに電圧を印加して作動させたと
きに、電位を固定していない部分が存在すると、電荷が
集まり静電効果が生じることがあるため、フレーム部１
１にも深いＰ型拡散層７を形成している。

【００２３】このような構成にすることにより、ビーム
部１２の裏面のＰ型基板１を介してフレーム部１１から
重り部１３の電気的な導通がとれない場合でも、ワイヤ
ボンディングなどの結線が可能なフレーム部１１から、
Ｎ型エピタキシャル層２の表面に形成されたＰ型拡散層
６および重り部１３に形成された深いＰ型拡散層５を介
して重り部１３の電位を固定することができる。

【００２４】なお、この第２実施形態において、上述し
た構成以外の部分は第１実施形態と同様である。次に、
図５に示す半導体センサチップ１０の製造方法を、図６
に示す工程図を用いて説明する。なお、図中の左側に断
面構成、右側に平面構成を示す。まず、Ｐ型基板１上に
Ｎ型エピタキシャル層２を形成し、Ｎ型エピタキシャル
層２の表面にＰ型基板１に貫通するＰ型拡散層５、７を
フレーム部１１および重り部１３に形成する（図６
（ａ）参照）。

【００２５】この後、ビーム部１２を通って重り部１３
のＰ型拡散層５とフレーム部１１のＰ型拡散層７を接続
するＰ型拡散層６を形成するとともに、ビーム部１２に
ピエゾ抵抗３（３ａ〜３ｈ）を拡散形成する（図６
（ｂ）参照）。そして、第１実施形態と同様、Ｐ型基板
１をエッチングし、またＰ型基板１およびＮ型エピタキ
シャル層２を部分的に貫通させて、重り部１３およびビ
ーム部１２を形成する（図６（ｃ）参照）。 （第３実施形態）図７に本発明の第３実施形態に係る半
導体加速度センサの断面構成を示す。この実施形態で
は、半導体センサチップ１０を構成するＮ型のシリコン
基板８と台座２０を電気的に導通させて接着することに
よってＮ型基板８と台座２０を同電位にしている。具体
的には、接着剤３２中に導電性のフィラー等を混入す
る、あるいは接着ギャップを制御するビーズ３３表面に
導電性金属膜のメッキを施すことにより、Ｎ型基板８と
台座２０を同電位にすることができる。

【００２６】この場合、半導体センサチップ１０が第１
実施形態のような構成の場合であっても上述した接着を
用いることによって、重り部１３と台座２０を同電位に
することができる。なお、上述した種々の実施形態にお
いて、台座１０の全ての部分を重り部１０と同電位にす
る必要はなく、重り部１３と対向する部分においてのみ
同電位にするようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体加速度セン
サの断面構成図である。

【図２】本発明の第１実施形態に係る半導体加速度セン
サの平面図である。

【図３】半導体センサチップ１０に形成されるブリッジ
回路の構成を示す図である。

【図４】図１に示す半導体センサチップ１０の製造方法
を示す工程図である。

【図５】本発明の第２実施形態に係る半導体加速度セン
サの断面構成図である。

【図６】図５に示す半導体センサチップ１０の製造方法
を示す工程図である。

【図７】本発明の第３実施形態に係る半導体加速度セン
サの断面構成図である。

【図８】本発明者等が試作した半導体加速度センサの問
題点を説明するための図である。

【符号の説明】

１…Ｐ型基板、２…Ｎ型エピタキシャル層、３…ピエゾ
抵抗、４〜７…Ｐ型拡散層、８…Ｎ型基板、１０…半導
体センサチップ、１１…フレーム部、１２…ビーム部、
１３…重り部、２０…シリコン台座、３０、３２…接着
剤、３１、３３…ビーズ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ビーム部（１２）により支持される重り
   部（１３）を有し、前記ビーム部（１３）にピエゾ抵抗
   （３）が形成された半導体センサチップ（１０）と、 この半導体センサチップ（１０）を固定する台座（２
   ０）とを備え、 前記台座（２０）と前記重り部（１３）の間にエアギャ
   ップが設けられて前記重り部（１３）がエアダンピング
   を行うように構成されており、 前記ピエゾ抵抗（３）の抵抗値に基づいて加速度を検知
   するようにした半導体加速度センサにおいて、 前記重り部（１３）と前記台座（２０）の対向する部分
   を同電位にしたことを特徴とする半導体加速度センサ。
2. 【請求項２】 前記半導体センサチップ（１０）は、第
   １導電型の半導体基板（１）と、この半導体基板（１）
   上に形成された第２導電型の半導体層（２）により、フ
   レーム部（１１）と、このフレーム部（１１）から前記
   ビーム部（１２）を介して支持される前記重り部（１
   ３）とが構成されたものであって、 前記フレーム部（１１）の前記半導体層（２）に、前記
   重り部（１３）の電位を固定するための第１導電型の拡
   散層（４）が形成されていることを特徴とする請求項１
   に記載の半導体加速度センサ。
3. 【請求項３】 前記半導体センサチップ（１０）は、第
   １導電型の半導体基板（１）と、この半導体基板（１）
   上に形成された第２導電型の半導体層（２）により、フ
   レーム部（１１）と、このフレーム部（１１）から前記
   ビーム部（１２）を介して支持される前記重り部（１
   ３）とが構成されたものであって、 前記重り部（１３）の前記半導体層（２）に、前記重り
   部（１３）の電位を固定するための第１導電型の第１拡
   散層（５）が形成され、さらにこの第１拡散層（５）か
   ら前記ビーム部（１２）を通って前記フレーム部（１
   １）の前記半導体層（２）に至る第１導電型の第２拡散
   層（６）が形成されていることを特徴とする請求項１に
   記載の半導体加速度センサ。
4. 【請求項４】 前記半導体センサチップ（１０）が前記
   台座（２０）に電気的に導通するように接着固定され
   て、前記重り部（１３）と前記台座（２０）の対向する
   部分が同電位になっていることを特徴とする請求項１に
   記載の半導体加速度センサ。