(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部と、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加速度センサにおいて、前記作用部に、内部へ向かって狭くなる傾斜した側壁を有する有底状の穴を有する第１の錘と、
該第１の錘よりも大きな比重を有し、かつ前記有底状穴の底面に接合される第２の錘を備え、該第２の錘の前記第１の錘の有底状穴への接合面の形状と前記有底状穴の底面の形状が一致していることを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】
前記有底状穴が、作用部の面を異方性エッチングすることによって形成される請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項３】
前記有底状穴の開口部側が、第３の錘体で塞がれている請求項１または請求項２に記載の加速度センサ。
【請求項４】
第１の錘が、台座を形成する補助基板から切り離されて形成される請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロマシーニング技術を用いて加速度センサを製造する方法およびその製造方法によって得られた加速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体基板上にピエゾ抵抗素子を形成し、該抵抗素子に加速度等の外力が加えられることによって生じる抵抗素子の機械的変形を電気抵抗の変化として検出して、加えられた外力の大きさを知る加速度センサがある。このような加速度センサとして、例えば、特開平３−２５３５号公報に示される加速度センサは、図１２および図１３に示す構造を有している。
【０００３】
図１２は、加速度センサの縦断面図であり、図１３は、半導体基板上の抵抗素子の配置状況を示す平面図である。この加速度センサは、半導体ペレット１０と錘体２１と台座２２と下部制限基板３０と上部制限基板５０とからなる該素子部１を、パッケージ４０に収容して構成されている。
半導体ペレット１０は、中央に作用部１１が、その周囲に環状溝１４によって肉薄に形成された可撓部１２と、その外周に固定部１３とが形成されており、この可撓部１２の上面には、抵抗素子（ＲX1〜ＲX4、ＲY1〜ＲY4、ＲZ1〜ＲZ4）１５が図示のように形成されている。
【０００４】
作用部１１の下面には、錘体２１が接合されており、固定部１３の下面は台座２２の上面に接合されている。
さらに、台座２２の底面は、下部制限基板３０を介してパッケージ４０の内側底面に接合されており、半導体ペレット１０と錘体２１は、台座２２によって支持され、パッケージ４０には蓋４３が被せられている。
各抵抗素子は、ボンディングパッド１６に電気的に接続され、ボンディングワイヤ４２によってパッケージ側方に設けられたリード４１に接続されている。
上部制限基板５０と下部制限基板３０とにはそれぞれ浅い窪み３８，５１が設けられており、それぞれ錘体２１の上下方向の変位を許容範囲に制限する。
【０００５】
この加速度センサに、加速度が加えられると、錘体２１に外力が作用して作用部１１を経由して可撓部１２を変形させる。これにより、可撓部１２に形成された抵抗素子１５の電気抵抗に変化が生じ、この変化量を演算処理することによって加速度の方向と大きさを知ることができる。
【０００６】
この加速度センサの製造法を図１４を用いて説明する。
まず、半導体基板を準備し、基板の一方の主面に所望のパターンのピエゾ抵抗素子１５を設けたのち、基板の他方の面をエッチングして環状溝１４を設け、作用部１１および可撓部１２ならびに固定部１３を形成した半導体ペレット１０を準備する（図１４（Ａ））。
【０００７】
次いで、最終的に錘体２１と台座２２とに分離する縦横の溝２５を形成した半導体やガラス等からなる補助基板２０を準備する。前記半導体ペレット１０の固定部１３の下面と補助基板２０の台座２２の上面ならびに半導体ペレット１０の作用部の１１の下面と補助基板２０の錘体２１の上面とをそれぞれ接合した（図１４（Ｂ））後、補助基板２０の溝２５の下部をダイシングブレードを用いて切断溝２６を形成して、錘体２１と台座２２とを分離する（図１４（Ｃ））。これによって、錘体２１は、台座２２に対して可撓部１２を介して自由に運動できるように吊り下げられた状態となる。
【０００８】
次いで、錘体２１に対応する位置に窪み３８を設けた下部制限基板３０を準備し、補助基板２０の台座２２の下面と下部制限基板３０の上面とを接合する（図１４（Ｄ））。次いで、半導体ペレット１０の可動部分の上面に対応する浅い窪み５１を設けた上部制限基板５０を準備し、半導体ペレット１０の固定部１３の上面と該上部制限基板５０の周囲を接合した後、各素子間にダイシングブレードを用いて切断溝５２を形成して切断分離し、それぞれの加速度センサ素子１を得る（図１４（Ｅ））。
【０００９】
このような従来の加速度センサにおいては、錘体２１の製造は、台座２２を構成するシリコン基板やガラスからなる補助基板２０を切り出すことによって形成していることから、質量が小さく感度が低かった。この加速度センサの検出感度を上げるためには錘体２１の重量を大きくすること、例えば、錘体２１を大きくする必要があるが、センサ自体が大きくなるとともにコストが嵩むという問題があった。
【００１０】
このような問題を解決する手段として、錘体２１を比重の大きな材料例えば金属を用いて別途形成し、作用部１１に接合することが考えられる。しかしながら、この方法は、作用部１１へ錘体２１を個別に接合する工程が必要となって一括処理することが難しくなり、量産が困難である。また、この方法は、接合位置精度を高くすることが難しく重心位置がずれやすいため、干渉出力に大きな影響を及ぼしやすく、加速度の方向によってセンサ自体の出力にバラツキを生じてしまい、これに対する補正が必要であった。
さらに、錘体２１に金属を用いた場合には、錘体２１と作用部１１との熱膨張係数が異なるので、錘体２１を接合した作用部１１に温度変化による歪などが生じ可撓部１２へ影響を与え、温度特性が悪化することがあった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の点を解決するものであり、量産に適するとともに、精度の高い加速度センサを得ることを目的とする。
さらに、本発明は、小型で精度の高い構造を持ち、なおかつ高感度の加速度センサを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
図１〜図４に、本発明にかかる加速度センサの第１の実施例の形態を示す。図１は、加速度センサの構成の概要を示す縦断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線で示す半導体ペレット１０の平面図であり、ピエゾ抵抗素子の配置状況を示している。図３は、図１のＢ−Ｂ線での横断面図であり、錘体と台座の位置関係を示す図である。図４は、図１のＣ−Ｃ線での横断面図であり、錘体と金属錘との位置関係を示す図である。
【００１３】
本発明は、錘体２１の中央部に金属等からなる比重の大きな第２の錘２４を固定して錘体の質量を大きくした点に特徴を有している。
本発明にかかる加速度センサ素子１は、半導体ペレット１０と錘体２１と台座２２と下部制限基板３０とからなる。
半導体ペレット１０は、中央に作用部１１が、その周囲に環状溝１４によって肉薄に形成された可撓部１２と、その外周に固定部１３とが形成されている。図２に示すように可撓部１２の上面には、ピエゾ抵抗素子（ＲX1〜ＲX4、ＲY1〜ＲY4、ＲZ1〜ＲZ4）１５、固定部１３の上面にはボンディングパッド１６が形成されている。各ピエゾ抵抗素子１５とボンディングパッド１６とは図示を省略した配線パターンによって電気的に接続されている。
作用部１１の下面には、錘体２１が接合されており、固定部１３の下面は台座２２の上面に接合されている。
さらに、台座２２の底面は、下部制限基板３０に接合されている。
なお、錘体２１の底面部分は浅くエッチングしてあるので、下側制限基板３０と錘体２１との間には空隙３４を有する。
【００１４】
錘体２１の下面には、底面が矩形で開口部が広いエッチング穴２３が設けられている。このエッチング穴２３の底面の形状と大きさは、第２の錘２４の上面の形状と大きさにほぼ一致するように形成されている。
このエッチング穴２３の底面には第２の錘２４の上面が接合される。この接合に当たっては、エッチング穴２３に第２の錘２４を押し込むことによって高い精度で自動的に位置を合わせることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図５〜図８を用いて、本発明にかかる加速度センサの第１の実施例の製造方法を説明する。
まず、シリコンなどからなる半導体基板を準備する。この半導体基板の上面に、図２に示すピエゾ抵抗素子１５およびボンディングパッド１６を形成する。
次いで、その下面に例えば図７に示すマスクパターン６０を形成し異方性エッチングを行って環状溝１４を形成し、作用部１１および可撓部１２ならびに固定部１３を形成する。これにより半導体ペレット１０を複数個形成した半導体基板５が得られる（図５（Ａ））。
【００１６】
一方、シリコン等の半導体からなる補助基板２０を用意し、この基板の上面を異方性エッチングして取付部２７を形成する。補助基板２０は、シリコンやガラス等の、加工がしやすくシリコンと熱膨張係数が近い物質が好ましい。この取付部２７は前記の作用部１１と対向する部分であり、この作用部１１に接合される部分である。
【００１７】
次に、補助基板２０の裏面にほぼ正方形の窪み３４を異方性エッチングにより形成した後、前記取付部２７が中央に位置するように異方性エッチングしエッチング穴２３を形成する。
【００１８】
このエッチングは、図８に示すマスクパターン６０´を用いて基板に（１００）面を用いると、およそ５５度の傾斜面をもつピラミッドの先端近傍を水平に切り取った形状のエッチング穴を形成できる。
その後、さらに、補助基板２０の上面からダイシングブレードによって分離用の溝２５を形成する（図５（Ｂ））。
【００１９】
次に、前記補助基板２０に形成したエッチング穴２３の底部に別途形成した第２の錘２４を接合する（図５（Ｃ））。この接合に当たって、第２の錘２４の位置決めは、エッチング穴２３の側面が傾斜していることから、エッチング穴２３に第２の錘２４を落し込むことによって自然に案内され、正確に位置決めされる。
第２の錘２４は、比重の大きく、かつ熱膨張係数の小さなものが好ましく、例えば、タングステンやモリブデンを用いることができる。
この、補助基板２０と第２の錘２４との接合はガラス溶着等によって行われるが、その他に後工程の熱処理に耐え、熱膨張係数の小さなものであればよい。
【００２０】
次いで、半導体基板５と補助基板２０を作用部１１と取付部２７ならびに固定部１３と台座２２とが向きあうように位置決めして対向させた後、例えば陽極接合によって接合される（図５（Ｄ）。この接合によって、第２の錘２４が錘体２１を介して半導体ペレット１０の取付部１１に取り付けられるとともに、固定部１３は台座２２に取り付けられる。
【００２１】
次に、補助基板２０の底面側から溝２５の位置する部分をダイシングブレードを用いて切断することによって切断溝２６を形成し、錘体２１と台座２２とを切り離す（図５（Ｅ））。これにより、錘体２１は可撓部１２によってのみ支持される。
【００２２】
次いで、台座２２の底面にガラスもしくはシリコンからなる下部制限基板３０を接合する（図６（Ａ））。
【００２３】
次に、半導体基板５および補助基板２０ならびに下部制限基板３０を個々の半導体ペレット１０が得られるように切断溝３１で切断して加速度センサ素子１とに分離する（図６（Ｂ））。
【００２４】
このようにして得られた加速度センサ素子１をパッケージ４０に固定した後、素子１のボンディングパッド１６とパッケージ４０に設けたリード４１をボンディングワイヤ４２で接続して、加速度センサを得る（図６（Ｃ））。
【００２５】
上記製造方法によれば、図５（Ａ）〜図６（Ｂ）までは、ウエハ単位でバッチ処理で製造でき、加速度センサ素子を大量生産方式で低コストで製造することができる。
【００２６】
このような方法によって得た加速度センサは、Ｘ軸およびＹ軸方向への錘体２１の移動およびＺ軸方向への錘体２１の移動は、錘体２１と台座２２または下部制限基板３０との接触または、両者の間の流体の粘性によって制限されるので、過大な衝撃から保護することができる。
【００２７】
【実施例】
図９においてダンピング効果を高めた、本発明にかかる加速度センサの第２の実施例を説明する。
この例では、錘体２１の下面の開口が、ガラスもしくはシリコンからなるふさぎ板３５によって閉じられており、さらにその下部に下部制限基板３０が設けられている点に特徴がある。下部制限基板３０には錘体２１の底面より少し大きな窪み３２が設けられている。錘体２１と台座２２とは、切断溝３６によって切り離される。
【００２８】
この実施例によれば、エッチング穴２３がふさぎ板３５によって塞がれているので、ダンピング面積Ｓを大きくすることができ、ダンピング効果を向上させることができる。
すなわち、ダンピング効果は、下記（１）式で示される粘性力Ｆに比例している。ここで、ｕは流体の粘性係数、Ｓはダンピング面積（ふさぎ板３５の下面と下部制限基板３０が対向する面積）、ｄはふさぎ板３５の下面と下部制限基板３０との間隔、Ｖは速度である。
Ｆ＝ｕＳＶ／ｄ…（１）
【００２９】
このような構成とすることによって、錘体２１の共振を防ぐことができるとともに耐衝撃性を向上させることができる。また検出周波数を制限することができるので、例えば車両用のアンチスキッドブレーキシステム（ＡＢＳ）のセンサに用いる場合、２０Ｈｚ以上の周波数を制限することができる。さらに耐衝撃性を向上させることができる。
【００３０】
図１０および図１１を用いて第３の実施例を説明する。
この実施例は、２枚のウエハ内に設けた中空部内に第２の錘を設けた点に特徴がある。
まず、第１のウエハ２８、および第２のウエハ２９と、第２の錘２４を準備する（図１０（Ａ））。第１のウエハ２８には、第１の実施例で説明したと同様なエッチング穴（錘体空間）２３が設けられており、同様に第２のウエハ２９には、エッチング穴（錘体空間）２３´が設けられている。
【００３１】
次いで、第１のウエハ２８のエッチング穴（錘体空間）２３の底面３７にタングステンなどからなる第２の錘２４を位置合わせし接合する（図１０（Ｂ））。この接合は、例えばガラス接合によってなされる。
【００３２】
次に、第１のウエハ２８の下面と第２のウエハ２９の上面とを突合せてその当接面３３を接合する（図１０（Ｃ））。この接合は、陽極接合またはガラス接合などによって行われる。
この接合によって、錘体を含む補助基板２０が形成される。
【００３３】
次いで、この補助基板２０の上面に補助基板の分離用溝２５を形成した後、この分離用溝２５によって形成された台座２２の上面に第１実施例に示したと同様な半導体ペレット１０の固定部１３および作用部１１を接合する（図１１（Ａ））。
【００３４】
次に、分離用溝２５に対向する底面から切断溝２６を形成して錘体２１を台座２２から分離した後、台座２２の下面と、窪み３８と周辺突起部３９を有する下部制限基板３０の周辺突起部３９とを接合する（図１１（Ｂ））。
【００３５】
次に、半導体ペレット１０の固定部１３と台座２２と下部制限基板３０の周辺突起部３９を切断して加速度センサ素子１を分離する（図１１（Ｃ））。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、比重の大きな物質を用いて錘体を形成することができるので、加速度センサの感度を高く、かつ小型にすることができる。
【００３７】
また、本発明によれば、簡単な工程により質量の大きな第２の錘を高い位置精度で位置決めし固定させることができるので、大量生産（バッチ処理）に適した小型の高精度で高感度な加速度センサを提供することができる。
【００３８】
さらに、本発明によれば、金属等の熱膨張係数の大きくことなる錘を直接作用部に取り付けていないので、温度による作用部の歪を減少させ、温度特性を向上させることができる。
また、第２，第３の実施例によれば、ダンピング効果を大きくすることができるので、周波数特性や、耐衝撃性を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる加速度センサの第１の実施例の構造の概要を示す縦断面図。
【図２】本発明にかかる加速度センサの構造の概要を示す図１のＡ−Ａ線での上面図。
【図３】本発明にかかる加速度センサの構造の概要を示す図１のＢ−Ｂ線での横断面図。
【図４】本発明にかかる加速度センサの構造の概要を示す図１のＣ−Ｃ線での横断面図。
【図５】本発明にかかる加速度センサの第１の実施例の製造工程を説明する縦断面工程図（その１）。
【図６】本発明にかかる加速度センサの第１の実施例の製造工程を説明する縦断面工程図（その２）。
【図７】ダイヤフラム作成に用いるマスクパターンの形状を説明する平面図。
【図８】本発明にかかるエッチング穴用のマスクパターンの形状を説明する平面図。
【図９】本発明にかかる加速度センサの第２の実施例構造の概要を示す縦断面図。
【図１０】本発明にかかる加速度センサの第３の実施例の製造工程を説明する縦断面工程図（その１）。
【図１１】本発明にかかる加速度センサの第３の実施例の製造工程を説明する縦断面工程図（その２）。
【図１２】従来の加速度センサの構造の概要を示す縦断面図。
【図１３】従来の加速度センサの構造の概要を示す図１２のＡ−Ａ線での横断面図。
【図１４】従来の加速度センサの製造工程を説明する縦断面工程図。
【符号の説明】
１  加速度センサ素子
５  半導体基板
１０  半導体ペレット
１１  作用部
１２  可撓部
１３  固定部
１４  環状溝
１５  ピエゾ抵抗素子
１６  ボンディングパッド
２０  補助基板
２１  錘体
２２  台座
２３，２３´  エッチング穴（錘体空間）
２４  第２の錘（金属錘）
２５  溝
２６，３１，３６，５２  切断溝
２７  取付部
２８  第１のウエハ
２９  第２のウエハ
３０  下部制限基板
３２，３４，３８，５１  窪み
３３  当接面
３４  空隙
３５  ふさぎ板
３７  底面
３９  周辺突起部
４０  パッケージ
４１  リード
４２  ボンディングワイヤ
４３  蓋
５０  上部制限基板
６０  マスクパターン
【図１】
0003686147.tif 000002
【図２】
0003686147.tif 000003
【図３】
0003686147.tif 000004
【図４】
0003686147.tif 000005
【図５】
0003686147.tif 000006
【図６】
0003686147.tif 000007
【図７】
0003686147.tif 000008
【図８】
0003686147.tif 000009
【図９】
0003686147.tif 000010
【図１０】
0003686147.tif 000011
【図１１】
0003686147.tif 000012
【図１２】
0003686147.tif 000013
【図１３】
0003686147.tif 000014
【図１４】
0003686147.tif 000015