JPH11218543A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 アンカ部を支点としておもり可動電極を梁部
によって支持し、水平方向に加速度が生じたときにおも
り可動電極が固定電極と接触して加速度を検出する加速
度センサにおいて、垂直方向に加速度が生じたときの誤
検出を防止する。 【解決手段】 シリコン基板２６の上に、アンカ部１
１、固定電極１４が固定され、おもり可動電極１２が梁
部１３によってアンカ部１１に支持されている。水平方
向に加速度が生じると、おもり可動電極１２と固定電極
１４が接触し、おもり可動電極１２から固定電極１４に
電流が流れて加速度が検出される。ここで、垂直方向に
加速度が生じたとき、おもり可動電極１２と梁部１３に
よる可動部が垂直方向に変位するが、シリコン基板２６
の表面に酸化膜２５、窒化膜２３が形成されているた
め、可動部からシリコン基板２６に電流が流れることは
ない。従って、垂直方向に加速度が生じてもそれによる
誤検出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、加速度センサに関
するものであり、例えばガス等の流量メータに内蔵され
て地震等の振動を感知し、ガス配管のバルブを閉塞する
センサとして用いることができる。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の加速度センサとして、特
開平９−１４５７４０号公報に示されるものがある。こ
のものにおいては、シリコン基板上に絶縁膜を介して、
アンカ部、バネ部、おもり可動電極および固定電極が形
成されており、シリコン基板の表面に平行な方向（以
下、水平方向という）に所定値以上の加速度が生じたと
き、バネ部が弾性変形して、おもり可動電極を水平方向
に変位させ、おもり可動電極と固定電極のそれぞれの円
周側面が接触するように構成されている。また、加速度
を検出する検出回路は、おもり可動電極と固定電極の間
に電位差を設定し、上記した接触によって、おもり可動
電極から固定電極に電流が流れると、所定値以上の加速
度が生じたことを検出する。

【０００３】この加速度センサにおいては、おもり可動
電極と固定電極のそれぞれの円周側面が対向して配置さ
れているため、加速度がシリコン基板の表面と平行な何
れの方向から生じても、加速度の検出を行うことができ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た構成においては、おもり可動電極をバネ部で支持して
いるため、シリコン基板の表面に垂直な方向（以下、垂
直方向という）に加速度が生じたとき、おもり可動電極
とバネ部による可動部が、その方向に変位してシリコン
基板と接触する可能性がある。このような接触が生じる
と、可動部からシリコン基板に電流が流れ、検出回路が
誤検出してしまうという問題が生じる。

【０００５】本発明は上記問題に鑑みたもので、垂直方
向に加速度が生じたときの誤検出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、おもり可動電極
（１２）とバネ部（１３）による可動部と半導体基板
（２６、３３、４０）との間に、可動部と半導体基板と
が接触して可動部から半導体基板に電流が流れるのを防
止する部材（２３、２５、３２、４２）を設けたことを
特徴としている。

【０００７】従って、垂直方向に加速度が生じても可動
部から半導体基板に電流が流れるのが防止されるため、
垂直方向に加速度が生じたときの誤検出を防止すること
ができる。また、請求項２に記載の発明においては、お
もり可動電極（１２）とバネ部（１３）による可動部と
半導体基板（２６、３３、４０）の相対向する表面のう
ち少なくとも一方の表面に絶縁膜（２３、２５、３２、
４２）を形成したことを特徴としている。この発明にお
いても、垂直方向に加速度が生じたときに可動部から半
導体基板に電流が流れるのが防止されるため、そのとき
の誤検出を防止することができる。

【０００８】また、請求項３に記載の発明のように、ア
ンカ部（１１）、おもり可動電極（１２）、バネ部（１
３）および固定電極（１４）を同一の金属材料で形成す
れば、おもり可動電極（１２）と固定電極（１４）の接
触回数が多くなっても接点不良が生じないようにするこ
とができる。さらに、請求項４に記載の発明において
は、おもり可動電極（１２）とバネ部（１３）による可
動部の下に空洞領域（５４）を形成したことを特徴とし
ている。この発明の場合、垂直方向に加速度が生じて可
動部が変位してもその方向に空洞領域（５４）が形成さ
れているため、可動部と半導体基板（５０）が接触する
ことがなく、従って垂直方向に加速度が生じたときの誤
検出を防止することができる。

【０００９】なお、上記した括弧内の符号は、後述する
実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものであ
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）図１に、本発明
の第１実施形態にかかる加速度センサの構成を示す。
（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ断面図であ
る。図１（ａ）に示すように、加速度センサは、中央部
にアンカ部１１が固定して配設され、その周囲におもり
可動電極１２が３本の梁部（バネ部）１３がよって支持
された構成になっている。梁部１３は、一端がアンカ部
１１に固定され、他端がおもり可動電極１２に固定され
ており、おもり可動電極１２をアンカ部１１に対して支
持し、水平方向に加速度が生じたとき弾性変形しておも
り可動電極１２を水平方向に変位させる。おもり可動電
極１２は、垂直方向に略円柱状の側面、すなわち円周状
に形成された円周側面を有しており、その円周側面に接
点電極１２ａが形成されている。

【００１１】おもり可動電極１２の外周には、固定電極
１４が配設されている。この固定電極１４は、おもり可
動電極１２の円周側面に対向する円周側面を有してお
り、その円周側面には接点電極１４ａが形成されてい
る。上記したアンカ部１１、おもり可動電極１２、梁部
１３および固定電極１４は、シリコン基板を加工して形
成されたものであって、それぞれの下側表面には抵抗を
低くするためにＮ⁺ 拡散層２１が形成されている。ま
た、アンカ部１１は、シリコン基板２６の上に酸化膜２
５、ポリシリコン膜２４を介して固定されており、固定
電極１４は、シリコン基板２６の上に酸化膜２５、窒化
膜２３、酸化膜２２を介して固定されている。

【００１２】なお、ポリシリコン膜２４は、アンカ部１
１の下部からパッド１５の下部まで延設して形成されて
いる。このことにより、パッド１５から、その下部のポ
リシリコン膜２４、アンカ部１１、梁部１３を介して、
おもり可動電極１２（接点電極１２ａ）の電位を設定す
ることができる。また、固定電極１４における接点電極
１４ａはパッド１６に電気的に接続されており、パッド
１６から固定電極１４（接点電極１４ａ）の電位を設定
することができる。

【００１３】図２に、加速度検出を行うための電気的な
構成を示す。検出回路１００は、パッド１５を介してお
もり可動電極１２を高電位に設定し、またパッド１６を
介して固定電極１４を低電位に設定している。従って、
おもり可動電極１２と固定電極１４の間には、所定の電
位差が設定されている。この状態において、水平方向に
所定値以上の加速度が生じると、おもり可動電極１２が
変位して、おもり可動電極１２と可動電極１４のそれぞ
れの円周側面（接点電極１２ａと接点電極１４ａが形成
されているそれぞれの面）が接触する。このとき、おも
り可動電極１２と固定電極１４の間に電位差が設定され
ているため、おもり可動電極１２から固定電極１４に電
流が流れ、検出回路１００は所定値以上の加速度が生じ
たことを検出する。

【００１４】なお、上記したおもり可動電極１２と梁部
１３は、加速度を受けて可動する可動部を構成してお
り、上記した水平方向の変位のみならず、垂直方向に加
速度が生じたときその方向にも変位する。この場合、図
１（ｂ）に示すように、可動部の下には、窒化膜２３、
酸化膜２５が形成されているため、可動部が垂直方向に
変位しても可動部とシリコン基板２６の間は電気的に絶
縁されており、可動部からシリコン基板２６に電流が流
れることはない。従って、垂直方向に加速度が生じた場
合に検出回路１００が誤検出するのを防止することがで
きる。

【００１５】次に、上記した加速度センサの製造方法
を、図３、図４に示す工程図に従って説明する。 〔図３（ａ）の工程〕まず、単結晶のシリコン基板（第
１の半導体基板）２０を用意する。このシリコン基板２
０は、（１００）、（１１０）、（１１１）のいずれの
面方位のものであってもよい。このシリコン基板２０の
表面に、コンタクト抵抗を低くするために、リンあるい
はひ素にてＮ⁺ 拡散層２１を形成する。 〔図３（ｂ）の工程〕次に、酸化膜２２、窒化膜２３を
堆積し、開口部を形成した後、その開口部にリンドープ
されたポリシリコン膜２４を厚さ０．２〜１．０μｍで
パターニング形成する。 〔図３（ｃ）の工程〕この後、ポリシリコン膜２４上に
酸化膜２５を堆積し、表面をＣＭＰ処理にて平坦化す
る。 〔図３（ｄ）の工程〕別の単結晶シリコン基板（第２の
半導体基板）２６を用意し、酸化膜２５とシリコン基板
２６とを貼り合わせる。さらに、シリコン基板２０、２
６を表裏逆にして、シリコン基板２０側を機械的研磨等
によって薄膜化する。 〔図４（ａ）の工程〕梁構造体のパターンのフォトリソ
グラフィによってシリコン基板２０にトレンチを形成
し、アンカ部１１、おもり可動電極１２、梁部１３、固
定電極１４を形成する。 〔図４（ｂ）の工程〕所定箇所に選択的にＴｉＷを堆積
し、接点電極１２ａ、１４ａ、パッド１５、１６、パッ
ド１６と接点電極１４ａ間の配線を形成する。 〔図４（ｃ）の工程〕次に、ＨＦ系のエッチング液を用
いた犠牲層エッチングにより、所定領域の酸化膜２２を
除去し、おもり可動電極１２、梁部１３を可動とする。
このようにして、図１に示す加速度センサを製造するこ
とができる。

【００１６】なお、上記した実施形態において、梁１３
は、所望のバネ定数が得られれば他の形状のものであっ
てもよく、例えば図５、図６に示すような形状のもので
あってもよい。また、可動電極１４の円周側面に形成す
る接点電極１４ａは、図１に示すように分離されている
必要はなく、図７に示すように１つの繋がった形状をし
ていてもよい。この場合、パッド１６は１つのみとな
る。

【００１７】また、おもり可動電極１２と可動電極１４
のそれぞれの円周側面による接触において所望の接点抵
抗を得ることができるのであれば、図８に示すように、
接点電極１２ａ、１４ａをなくした構成とすることもで
きる。さらに、パッド１５の周囲のトレンチを図９に示
すように酸化膜２７で埋め戻した構造としてもよい。こ
の埋め戻し酸化膜２７は、シリコン基板２０を研磨する
時のストッパ層として用いられる。なお、図９におい
て、（ａ）は加速度センサの平面構成、（ｂ）は（ａ）
中のＡ−Ａ断面を示す。

【００１８】図１０に、このものの製造工程を示す。ま
ず、図１０（ａ）の工程において、シリコン基板２０の
表面にＮ⁺ 拡散層２１を形成し、この後トレンチを形成
して、酸化膜２７で埋め戻す。次に、図１０（ｂ）の工
程において、酸化膜２２、窒化膜２３を堆積し、開口部
を形成した後、その開口部にポリシリコン膜２４を形成
する。この後、図１０（ｃ）の工程において、ポリシリ
コン膜２４上に酸化膜２５を堆積し、表面を平坦化す
る。そして、図１０（ｄ）の工程において、シリコン基
板２０をシリコン基板２６と貼り合わせ、シリコン基板
２０、２６を表裏逆にして、シリコン基板２０側を機械
的研磨等で薄膜化する。このとき、埋め込み酸化膜２５
が研磨時のストッパ層となる。この後の工程は、図４に
示すものと同じである。 （第２実施形態）上記第１実施形態においては、犠牲層
エッチングを用いて梁構造体を形成するものを示した
が、犠牲層エッチングを用いると梁構造体が基板側に付
着する可能性がある。そこで、この第２実施形態では、
犠牲層エッチングを用いずに梁構造体を形成している。

【００１９】図１１に、この第２実施形態にかかる加速
度センサの構成を示す。（ａ）は平面図、（ｂ）は
（ａ）中のＡ−Ａ断面図である。また、図１２に、この
ものの製造工程を示す。まず、図１２（ａ）の工程にお
いて、単結晶シリコン基板３０に凹部３１を形成する。
次に、図１２（ｂ）の工程において、シリコン基板３０
を、熱酸化膜３２が形成された単結晶シリコン基板３３
と貼り合わせる。そして、図１２（ｃ）の工程におい
て、シリコン基板３０側を機械的研磨等によって薄膜化
する。また、シリコン基板３０にリン拡散等により不純
物を導入して、シリコン基板３０を電極とする。そし
て、図１２（ｄ）の工程において、パッド（図示せず）
を形成した後、シリコン基板３０における凹部３１が形
成された領域にトレンチを形成し、アンカ部１１、おも
り可動電極１２、梁部１３、固定電極１４を形成する。

【００２０】この実施形態においても、図２に示す検出
回路１００から図示しないパッドを介しておもり可動電
極１２と固定電極１４の間に所定の電位差を設定してお
き、水平方向の加速度が生じておもり可動電極１２と固
定電極１４が接触したときに電流が流れることを利用し
て、水平方向の加速度を検出することができる。また、
おもり可動電極１２、梁部１３による可動部の下に酸化
膜３２が形成されているため、垂直方向の加速度が生じ
ても可動部がシリコン基板３３に接触することがなく、
従って垂直方向に加速度が生じても検出回路１００が誤
検出するのを防止することができる。

【００２１】なお、この第２実施形態においても、第１
実施形態と同様、おもり可動電極１２、固定電極１４の
それぞれの円周側面に接点電極を形成してもよく、また
梁部１３も所望のバネ定数を得ることができればその形
状を種々に変形することができる。また、上記した第
１、第２実施形態において、絶縁膜をシリコン基板の表
面に形成するものを示したが、おもり可動電極１２、梁
部１３の下側表面に形成するようにしてもよい。 （第３実施形態）上記した第１、第２実施形態において
は、アンカ部１１、おもり可動電極１２、梁部１３およ
び可動電極１４をシリコン基板を加工することによって
形成するものを示したが、金属材料を用いて形成するこ
ともできる。この場合の加速度センサの構成を図１３に
示す。（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ断面
図である。

【００２２】この実施形態においては、アンカ部１１、
おもり可動電極１２、梁部１３、可動電極１４をＮｉ膜
４４にて構成している。また、そのＮｉ膜４４の下側表
面には窒化膜４２が形成されている。図１４に、この実
施形態における加速度センサの製造工程を示す。まず、
図１４（ａ）の工程において、単結晶シリコン基板４０
の上に酸化膜４１を堆積し、パターニングを行い、さら
に酸化膜４１の上に窒化膜４２を堆積し、パターニング
を行う。この後、図１４（ｂ）の工程において、ＳＵ−
８レジストといった高アスペクト比のレジスト４３を形
成し、梁構造体のパターンでパターニングを行う。そし
て、図１４（ｃ）の工程において、Ｎｉメッキを行いＮ
ｉ膜４４を形成する。この後、図１４（ｄ）の工程にお
いて、Ｏ₂ アッシングによりレジスト４３を除去し、さ
らに窒化膜４２を除去した後、ＨＦ系のエッチング液を
用いた犠牲層エッチングにより酸化膜４２を除去する。
このようにして、アンカ部１１、おもり可動電極１２、
梁部１３、可動電極１４をＮｉ膜４４にて構成すること
ができる。

【００２３】この実施形態においても、図２に示す検出
回路１００をおもり可動電極１２、固定電極１４に電気
的に接続することにより、検出回路１００によって水平
方向の加速度を検出することができる。また、おもり可
動電極１２、梁部１３の下側表面に窒化膜４２が形成さ
れているため、可動部が垂直方向に変位しても可動部と
シリコン基板４０の間は電気的に絶縁されており、従っ
て垂直方向に加速度が生じても検出回路１００が誤検出
するのを防止することができる。

【００２４】また、この実施形態の場合、おもり可動電
極１２と固定電極１４を金属材料で形成しているため、
両者の接触回数が多くなっても磨耗等による接点不良が
生じないようにすることができる。すなわち、第１実施
形態のように接点電極１２ａ、１４ａを設けた場合、接
触回数が多くなると接点電極１２ａ、１４ａの剥がれ、
磨耗等により接点不良が生じる可能性があるが、この実
施形態のようにおもり可動電極１２と固定電極１４を金
属材料で形成すれば、そのような不具合をなくすことが
できる。

【００２５】なお、この実施形態において、絶縁膜をお
もり可動電極１２、梁部１３の下側表面に形成するもの
を示したが、シリコン基板４０の表面に形成するように
してもよい。 （第４実施形態）上記第１乃至第３実施形態において
は、おもり可動電極１２と梁部１３による可動部の下に
絶縁膜を介在させてシリコン基板と接触しないようにし
て垂直方向の加速度による誤検出を防止していたが、可
動部の下にシリコン基板を存在させないようにしても、
垂直方向の加速度による誤検出を防止することができ
る。この場合の加速度センサの構成を図１５に示す。
（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ断面図であ
る。

【００２６】この実施形態においては、シリコン基板５
０のうち、おもり可動電極１２と梁部１３による可動部
の下の領域が空洞領域５４になっており、可動部が垂直
方向に変位してもシリコン基板５０に接触することがな
いようになっている。図１６に、この実施形態における
加速度センサの製造工程を示す。まず、図１６（ａ）の
工程において、シリコン基板５０、５１の間に酸化膜５
２が介在したＳＯＩ基板を用意し、シリコン基板５０の
裏面に、所定部分が開口したガラス板５３を陽極接合す
る。次に、図１６（ｂ）の工程において、裏面からＫＯ
Ｈ液にてエッチングを行い、シリコン基板５０および酸
化膜５２のうち可動部の下の領域５４を除去する。そし
て、図１６（ｃ）の工程において、シリコン基板５１に
トレンチを形成し、アンカ部１１、おもり可動電極１
２、梁部１３、固定電極１４を形成する。

【００２７】この方法によれば、第２実施形態と同様、
犠牲層エッチングを用いずに梁構造体を形成することが
できる。なお、この実施形態において、シリコン基板５
０を貫通して空洞領域５４を形成するものを示したが、
貫通していない構造の空洞領域としてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態にかかる加速度センサの
構成を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）中の
Ａ−Ａ断面図である。

【図２】図１に示す加速度センサにおいて加速度検出を
行うための電気的な構成を示す図である。

【図３】図１に示す加速度センサの製造工程を示す図で
ある。

【図４】図３に続く製造工程を示す図である。

【図５】図１に示す加速度センサの変形例を示す平面図
である。

【図６】図１に示す加速度センサの変形例を示す平面図
である。

【図７】図１に示す加速度センサの変形例を示す平面図
である。

【図８】図１に示す加速度センサの変形例を示す平面図
である。

【図９】図１に示す加速度センサの変形例を示す図で、
（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ断面図であ
る。

【図１０】図９に示す加速度センサの製造工程を示す図
である。

【図１１】本発明の第２実施形態にかかる加速度センサ
の構成を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）中
のＡ−Ａ断面図である。

【図１２】図１１に示す加速度センサの製造工程を示す
図である。

【図１３】本発明の第３実施形態にかかる加速度センサ
の構成を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）中
のＡ−Ａ断面図である。

【図１４】図１３に示す加速度センサの製造工程を示す
図である。

【図１５】本発明の第４実施形態にかかる加速度センサ
の構成を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）中
のＡ−Ａ断面図である。

【図１６】図１５に示す加速度センサの製造工程を示す
図である。

【符号の説明】

１１…アンカ部、１２…おもり可動電極、１３…梁部、
１４…固定電極、１５、１６…パッド、２２、２５…酸
化膜、２３…窒化膜、２４…ポリシリコン膜、２６…シ
リコン基板、１００…検出回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石王 誠一郎 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 村田 稔 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板（２６、３３、４０）と、 前記半導体基板の上に固定して配設されたアンカ部（１
   １）と、 円周側面を有するおもり可動電極（１２）と、 一端が前記アンカ部に固定され他端が前記おもり可動電
   極に固定されており、前記半導体基板の表面に平行な方
   向に加速度が生じたとき弾性変形して前記おもり可動電
   極を前記半導体基板の表面に平行な方向に変位させるバ
   ネ部（１３）と、 前記半導体基板の上に固定して配設され、前記可動電極
   の前記円周側面と所定間隔を隔てて対向する円周側面を
   有する固定電極（１４）と、 前記おもり可動電極と前記固定電極の間に電位差を与
   え、前記おもり可動電極の前記円周側面と前記固定電極
   の前記円周側面とが接触して前記おもり可動電極から前
   記固定電極に電流が流れたとき前記加速度を検出する検
   出回路（１００）とを備え、 前記おもり可動電極と前記バネ部による可動部と前記半
   導体基板との間に、前記可動部と前記半導体基板とが接
   触して前記可動部から前記半導体基板に電流が流れるの
   を防止する部材（２３、２５、３２、４２）が設けられ
   ていることを特徴とする加速度センサ。
2. 【請求項２】 半導体基板（２６、３３、４０）と、 前記半導体基板の上に固定して配設されたアンカ部（１
   １）と、 円周側面を有するおもり可動電極（１２）と、 一端が前記アンカ部に固定され他端が前記おもり可動電
   極に固定されており、前記半導体基板の表面に平行な方
   向に加速度が生じたとき弾性変形して前記おもり可動電
   極を前記半導体基板の表面に平行な方向に変位させるバ
   ネ部（１３）と、 前記半導体基板の上に固定して配設され、前記可動電極
   の前記円周側面と所定間隔を隔てて対向する円周側面を
   有する固定電極（１４）と、 前記おもり可動電極と前記固定電極の間に電位差を与
   え、前記おもり可動電極の前記円周側面と前記固定電極
   の前記円周側面とが接触して前記おもり可動電極から前
   記固定電極に電流が流れたとき前記加速度を検出する検
   出回路（１００）とを備え、 前記おもり可動電極と前記バネ部による可動部と前記半
   導体基板の相対向する表面のうち少なくとも一方の表面
   に絶縁膜（２３、２５、３２、４２）が形成されている
   ことを特徴とする加速度センサ。
3. 【請求項３】 前記アンカ部、前記おもり可動電極、前
   記バネ部および前記固定電極が、同一の金属材料で形成
   されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の加
   速度センサ。
4. 【請求項４】 半導体基板（５０）と、 前記半導体基板の上に固定して配設されたアンカ部（１
   １）と、 円周側面を有するおもり可動電極（１２）と、 一端が前記アンカ部に固定され他端が前記おもり可動電
   極に固定されており、前記半導体基板の表面に平行な方
   向に加速度が生じたとき弾性変形して前記おもり可動電
   極を前記半導体基板の表面に平行な方向に変位させるバ
   ネ部（１３）と、 前記半導体基板の上に固定して配設され、前記可動電極
   の前記円周側面と所定間隔を隔てて対向する円周側面を
   有する固定電極（１４）と、 前記おもり可動電極と前記固定電極の間に電位差を与
   え、前記おもり可動電極の前記円周側面と前記固定電極
   の前記円周側面とが接触して前記おもり可動電極から前
   記固定電極に電流が流れたとき前記加速度を検出する検
   出回路（１００）とを備え、 前記半導体基板は、前記おもり可動電極と前記バネ部に
   よる可動部の下に空洞領域（５４）を有していることを
   特徴とする加速度センサ。