(57)【要約】【課題】  半導体型３軸加速度センサで、高感度化のためにピエゾ抵抗体を短くして応力集中部に配置すると消費電力が大きくなる問題があった。また可撓部上の構成材が複雑形状でアンバランスな配置のため、オフセット電圧やオフセット電圧の温度特性がばらつく問題があった。【解決手段】  複数本の短いピエゾ抵抗体を応力集中部に配し、高濃度拡散層で直列に接続することで、耐衝撃性を損なわずに高感度化を実現する。また、ピエゾ抵抗素子や金属配線を可撓部上にバランス配置し、ピエゾ抵抗素子と金属配線の接続部を可撓部外に配置することで、可撓部の異常変形を抑えオフセット電圧やオフセット電圧の温度特性を改善する。【選択図】      図１
2006098321.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン単結晶基板の周縁部に形成された支持枠部と、中央部に形成された質量部と、
前記質量部及び前記支持枠部の上方側に設けられ、該質量部及び支持枠部を接続する薄肉
梁状の可撓部と、該弾性部の上面側に形成された複数対のピエゾ抵抗素子および配線部と
を具備してなる半導体型３軸加速度センサであって、複数本のピエゾ抵抗素子を可撓部の
中心線に対称の位置に配し、該複数本のピエゾ抵抗素子の一方の端は支持枠部と可撓部の
境界領域もしくは質量部と可撓部の境界領域に配され、該複数本のピエゾ抵抗素子は可撓
部上では高濃度拡散層で直列になるように接続され、ピエゾ抵抗素子と金属配線の接続部
は質量部もしくは支持枠部に設けられたことを特徴とする半導体型３軸加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車、航空機、家電製品、ゲーム機、ロボット、セキュリティーシステム
等に使用される、半導体型の３軸加速度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のピエゾ抵抗型３軸加速度センサの構造について詳細に説明する。図８に、特許文
献１に記載されている加速度センサの展開斜視図を示す。加速度センサ１０は、加速度セ
ンサ素子１がケース２に接着剤で固定され、蓋３がケース２に接着剤で固定されている。
加速度センサ素子１の端子７とケース２の端子５は金属線４で接続され、外部端子６から
加速度センサ素子の出力が外部に取り出されるものである。本願では、加速度センサ素子
１を加速度センサと称することもある。
【０００３】
加速度センサ素子１の斜視図を図９に、ピエゾ抵抗素子の配置を図１０に示す。図１０
はピエゾ抵抗素子の配置が判り易くなるように、金属配線１７や端子７の記載は省略して
いる。シリコン単結晶基板の厚肉部から成る質量部１３とそれを取り囲むように配された
支持枠部１１と、該質量部１３および支持枠部１１とを接続するシリコン単結晶基板の薄
肉部より成る２対の互いに直交する梁状の可撓部２１、２１’、２２、２２’と該可撓部
上の２つの直交する方向（ＸとＹ）及び該可撓部２１、２１’、２２、２２’に垂直な方
向（Ｚ）に対応するように設けられた各軸複数のピエゾ抵抗素子５１と５１’、５２と５
２’、６１と６１’、６２と６２’、７１と７１’、７２と７２’とから構成される。ま
た、可撓部２１、２１’、２２、２２’は薄肉部に貫通穴１４を設けることによって梁形
状となっており、変形しやすく、高感度化に向いた構造となっている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１８４３７３  図３
【０００５】
加速度の検出原理は、中央の質量部１３が加速度に比例した力を受けて変位したとき、
可撓部２１、２１’、２２、２２’の撓みを、可撓部に形成されたピエゾ抵抗素子群５１
と５１’、５２と５２’、６１と６１’、６２と６２’、７１と７１’、７２と７２’の
抵抗値変化として検出することで、３軸方向の加速度を検出するものである。ここで、可
撓部２１、２１’上の４つのピエゾ抵抗素子５１、５１’、５２、５２’はＸ軸方向の加
速度を、また、他の４つのピエゾ抵抗素子７１、７１’、７２、７２’は素子面に垂直な
Ｚ軸方向の加速度を検出し、また可撓部２２、２２’上の４つのピエゾ抵抗素子６１、６
１’、６２、６２’はＸ軸方向と直交するＹ軸方向の加速度を検出する。これら各軸４つ
のピエゾ抵抗素子は、独立してブリッジ回路を構成するように金属配線で結線されており
、Ｘ軸においては５１と５１’および５２と５２’をそれぞれピエゾ抵抗素子対と呼び、
同様にＹ軸においては６１と６１’および６２と６２’、Ｚ軸においては７１と７１’お
よび７２と７２’がピエゾ抵抗素子対を成す。また、Ｘ，Ｙ軸は出力検出原理、結線方法
およびピエゾ抵抗素子の配置が同じであり、それぞれ他方の軸と入れ替えることができる
ため、以降Ｘ軸およびＹ軸を、特に断りの無い限りＸ軸と表記することとする。
【０００６】
従来の３軸加速度センサにおけるピエゾ抵抗素子の配置について説明する。図１０に示
すように、Ｘ軸用ピエゾ抵抗素子対とＺ軸用ピエゾ抵抗素子対の片端が、可撓部と支持枠
部の境界領域および可撓部と質量部の境界領域に配される構造となっていた。これは可撓
部が加速度を受けて撓んだとき、可撓部における支持枠部および質量部近傍の領域に応力
が集中するため、最大のセンサ出力が得られるためである。本願では、ピエゾ抵抗素子の
ブリッジ出力を、出力電圧や感度、出力と称している。
【０００７】
図１１に、従来の３軸加速度センサ可撓部の構造を示す。図１１ａ）に、可撓部に形成
されたピエゾ抵抗素子と金属配線のＸ，Ｚ軸の接続図を、図１１ｂ）に、Ｙ軸接続図を示
す。可撓部２２の両端に配置されたピエゾ抵抗素子対６１，６１’は、その内側端同士を
金属配線１７で接続し、可撓部中央から金属配線１７を分岐して支持枠部１１上へと引き
出している。またピエゾ抵抗素子対の外側端は支持枠部１１上または質量部１３上へと引
き出している。これらの金属配線１７は可撓部外の領域でブリッジ結線を成している。図
１１ｃ）は、Ｙ軸のｃ−ｃ’断面図で、ピエゾ抵抗素子と金属配線の接続方法を説明する
。可撓部のシリコン４５に形成されたピエゾ抵抗素子６１、６１’の両端に高濃度拡散層
４１が形成される。シリコン４５と金属配線１７の電気的絶縁を得るため全面に絶縁層３
１を設ける。高濃度拡散層４１上の絶縁層３１にスルーホールを形成し、金属配線１７を
付与することで高濃度拡散層４１と電気的に接続している。ピエゾ抵抗素子６１，６１と
金属配線１７を接続する部位に高濃度拡散層４１を設けることで、ピエゾ抵抗素子６１、
６１’と金属配線１７の間の良好な電気的接続（オーミックコンタクト）が得られる。ピ
エゾ抵抗素子と金属配線を直接接続すると接触抵抗が大きくなり良好な接続が得られない
が、高濃度拡散層を介することでピエゾ抵抗素子および金属配線の何れとも良好な接続が
得られる。図１１ｃ）の電気的接続経路は図の左側から、金属配線−高濃度拡散層−ピエ
ゾ抵抗体−高濃度拡散層−金属配線−高濃度拡散層−ピエゾ抵抗体−高濃度拡散層−金属
配線となる。
【０００８】
ピエゾ抵抗素子や高濃度拡散層４１はＮ型のシリコン基板にＰ型のボロン等を部分的に
拡散することにより形成される。ピエゾ抵抗素子については、応力に対する抵抗変化が大
きく、温度にしては抵抗変化の小さいことが求められるため、拡散濃度は２×１０１９原
子／ｃｍ３程度としている。高濃度拡散層は、シート抵抗値が小さく、応力に対しても抵
抗変化が小さいことが求められるため、ピエゾ抵抗素子よりも３桁程度拡散濃度を高くし
ている。ピエゾ抵抗素子は、Ｎ型のシリコン基板にＰ型のボロン等を拡散させても、Ｐ型
のシリコン基板にＮ型のリン等を拡散させても作ることができ、これらの高濃度拡散層の
呼称は前者をＰ＋、後者をＮ＋としている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
加速度センサの出力電圧を上げるために、Ｘ軸用ピエゾ抵抗素子対とＺ軸用ピエゾ抵抗
素子対の片端が、可撓部と支持枠部の境界領域および可撓部と質量部の境界領域に配され
た構造としていた。可撓部の応力は、支持枠部端および質量部端に集中しており、両端か
ら離れるに従い急激に低下し、可撓部中央では応力が零となっている。ピエゾ抵抗素子の
抵抗変化はピエゾ抵抗素子の長さ全体の平均応力変化に対応するため、センサの高感度化
のためにはピエゾ抵抗素子の長さを短くして、支持枠部端領域もしくは質量部端領域の応
力集中部に選択的に配置するのが効率的である。しかし、単純にピエゾ抵抗素子を短くす
ると素子抵抗値が低くなり消費電力が大きくなってしまう問題がある。また、ピエゾ抵抗
素子の幅を狭くすると、製造プロセスに起因する寸法ばらつきによる抵抗値ばらつきが大
きくなってしまう問題があった。このことから、短くした複数本のピエゾ抵抗素子を応力
集中部に配して、直列に結ぶことで出力電圧を大きくすることが好ましいことが理解でき
る。
【００１０】
しかし、従来のピエゾ抵抗素子と金属配線の方法を用いて、短くした複数本のピエゾ抵
抗素子を接続すると、従来品に比べて出力電圧が大きくなり感度は向上するが、オフセッ
ト電圧とオフセット電圧の温度変化率が悪化すると言う結果しか得られなかった。原因と
して考えられるのは、可撓部上でのピエゾ抵抗素子と金属配線の接続部が増えたためと考
えられる。接続部は絶縁層にスルーホールを開けて、ピエゾ抵抗素子と金属配線を形成す
る構成となっており、接続部近傍は熱膨張係数や応力の異なる材料が複雑な形状で組み合
わされている。このため、可撓部が変形した時に接続部がピエゾ抵抗素子に加わる変形を
阻害する方向に働き、ブリッジを構成するピエゾ抵抗素子のバランスを崩し、加速度セン
サのオフセット電圧をばらつかせる大きな要因となっていたと考えられる。同様に、加速
度センサ素子の温度が変化し、可撓部が熱膨張収縮することでピエゾ抵抗素子に不必要な
力を与え、オフセット電圧を発生させることになる。特に、質量部が上下するＺ軸方向で
オフセット電圧のばらつきが大きくなる。Ｘ軸，Ｙ軸もオフセット電圧は大きくなるがＺ
軸に比べると小さいため、特にＺ軸のオフセット電圧を抑えることが重要である。温度に
よって各材料の伸び縮みの量に微妙な差が生じるため、温度を変化させたときのオフセッ
ト電圧の直線性を乱す要因ともなっていた。温度変化時のオフセット電圧の直線性が悪い
と、オフセット電圧を補正する回路が複雑となり、技術的にもコスト的にも難しくなる。
【００１１】
本発明の目的は、高出力でオフセット電圧が小さく、オフセット電圧の温度特性が良好
な半導体型３軸加速度センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の半導体型３軸加速度センサは、シリコン単結晶基板の周縁部に形成された支持
枠部と、中央部に形成された質量部と、前記質量部及び前記支持枠部の上方側に設けられ
、該質量部及び支持枠部を接続する薄肉梁状の可撓部と、該弾性部の上面側に形成された
複数対のピエゾ抵抗素子および配線部とを具備し、複数本のピエゾ抵抗素子を可撓部の中
心線に対称の位置に配し、該複数本のピエゾ抵抗素子の一方の端は支持枠部と可撓部の境
界領域もしくは質量部と可撓部の境界領域に配され、該複数本のピエゾ抵抗素子は可撓部
上では高濃度拡散層で直列になるように接続し、ピエゾ抵抗素子と金属配線の接続部は質
量部もしくは支持枠部に設けることが望ましい。
【００１３】
境界領域とは、支持枠部と可撓部が接する境界から、支持枠側および可撓部側にピエゾ
抵抗素子の幅方向の２倍程度の寸法範囲を言い、略境界±１０μｍの範囲を指すものであ
る。質量部と可撓部の境界領域も同様である。ピエゾ抵抗素子の一方の端を境界領域外に
配すると、可撓部の支持枠部および質量部近傍の部位に集中した応力を、出力電圧に変換
する効率が低下してしまい、出力の低下つまり感度の低下を起こす。境界領域は固定され
た範囲ではなく、可撓部の幅やピエゾ抵抗素子の幅等が異なる加速度センサ素子では、境
界領域幅は異なっていても良いものである。
【００１４】
本発明の半導体型３軸加速度センサは、可撓部上では複数のピエゾ抵抗素子は高濃度拡
散層で接続され、ピエゾ抵抗素子と金属配線を直接接続することはない。そのため、絶縁
層にスルーホールを開ける必要が無く、ピエゾ抵抗素子をスルーホールの無い均一な絶縁
層で覆うことができる。スルーホールや金属配線等の形状によって引き起こされていたと
考える、接続部でのピエゾ抵抗素子に加わる変形を阻害する変形を大幅に低減でき、オフ
セット電圧を下げることができる。ピエゾ抵抗素子と高濃度拡散層は、不純物濃度が異な
るだけで同じシリコンであるため、金属配線等との熱膨張係数の差によって生ずると考え
られる、オフセット電圧や温度変化によるオフセット電圧の直線性を改善できるものであ
る。
【００１５】
ピエゾ抵抗素子の長さは、ピエゾ抵抗素子幅の５倍以上とするのが望ましい。可撓部の
長さ方向の変形による応力変化を、ピエゾ抵抗素子の長さ方向の抵抗変化で検知している
。しかし、可撓部は長さ方向だけでなく幅方向にも応力変化をしており、ピエゾ抵抗素子
の幅が長さの１／５以上あると、可撓部の幅方向の応力変化に伴うピエゾ抵抗素子の抵抗
変化分が無視できなくなり、ノイズを増加させることになる。また、ピエゾ抵抗素子の幅
は２μｍ以上で可撓部の幅の１／１０未満とするのが好ましい。２μｍ未満のピエゾ抵抗
素子幅の形成は、フォトリソグラフィー工程やピエゾ抵抗素子形成時のイオン打ち込み工
程でのプロセス安定性が悪くなり、出力電圧やオフセット電圧のばらつきを大きくしてし
まう。ピエゾ抵抗素子の幅を可撓部の幅の１／１０以上とすると、可撓部の捻れ等による
幅方向の応力変化の影響が出やすくなってしまうためである。
【００１６】
ピエゾ抵抗素子を複数本とするメリットについて、２本の場合を例に挙げ説明する。同
じ幅のピエゾ抵抗素子の場合、長さが半分のピエゾ抵抗素子２本を直列に繋ぐことにより
１本の場合と同じ抵抗値とすることができる。半分の長さのピエゾ抵抗素子を２本可撓部
上の応力集中部に隣合せて配置することで、可撓部の最大応力は同じでも検出感度をより
高めることができる。同じ抵抗値なので、消費電力や耐衝撃性は変わらず検出感度を高め
ることができる。可撓部の幅の制約がなければ、ピエゾ抵抗素子数を３本以上とすること
で、検出感度をより高めることが可能となる。複数本のピエゾ抵抗素子の配置については
、全てのピエゾ抵抗素子の片端が可撓部と支持枠部の境界および、可撓部と質量部の境界
と一致するように配置するのが望ましい。可撓部が加速度を受けて撓んだとき、可撓部に
おける支持枠部および質量部近傍の部位に応力集中するため、最大のセンサ出力が得られ
るためである。
【００１７】
ピエゾ抵抗素子の本数は偶数が好ましい。偶数本とすることでピエゾ抵抗素子の可撓部
中央側端を高濃度拡散層で直列に接続でき、ピエゾ抵抗素子の他の端部は支持枠部もしく
は質量部上で高濃度拡散層と金属配線を、スルーホールを介して接続することできる。ピ
エゾ抵抗素子を偶数本とすることで簡易な接続パターンで、可撓部上からピエゾ抵抗素子
と金属配線の接続部を無くすことができる。
【００１８】
ピエゾ抵抗素子の配置は可撓部の中心線に対称とするのが望ましい。可撓部に加速度と
して検出したくない捻れ（他軸の加速度）が発生したとき、中心線に対称に配置されたピ
エゾ抵抗素子にはそれぞれ逆方向の応力が加わることになる。逆方向に応力が加わったピ
エゾ抵抗素子を直列に接続することで、応力を相殺することができるため、他軸感度の影
響を最小限に抑えることができる。ピエゾ抵抗素子を奇数本とすると中心線に対称に配置
するのが難しくまた、ピエゾ抵抗素子の接続も難しくなる。奇数本のピエゾ抵抗素子の場
合、可撓部上で金属配線との接続部を無くすため、高濃度拡散層をピエゾ抵抗素子の代わ
り挿入し、偶数本とすることも考えられる。しかし、高濃度拡散層は配線抵抗が金属配線
より３桁程度高いため、配線に用いるとブリッジ抵抗が極端に大きくなってしまい、ピエ
ゾ抵抗の抵抗変化率は同じでもブリッジ回路としての抵抗変化率、すなわち検出感度を著
しく低下させることとなる。ピエゾ抵抗素子を接続する高濃度拡散層の長さは短いことが
好ましいし、不必要に多用は避けることが好ましいものでる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明により、可撓部上の応力集中部に従来の半分以下の長さのピエゾ抵抗素子を、可
撓部中心線に対し対称配置し、高濃度拡散層で接続することで、センサの耐衝撃性に影響
する可撓部の最大応力は変えずに、センサの高感度化が実現できた。ピエゾ抵抗素子と金
属配線の接続部を可撓部外に配することで、可撓部自体は均質なシリコンと絶縁膜、対称
配置した配線構造とできた。これにより、可撓部を異常変形させる応力を著しく低減する
ことができ、オフセット電圧ばらつきが小さくオフセット電圧の温度特性が良好な半導体
型３軸加速度センサを提供することができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施例について、図を用いて詳細に説明する。説明を判り易くするため
、同じ部品、部位には同一の符号を用いている。
【実施例１】
【００２１】
図１は、本発明の加速度センサ素子の斜視図である。半導体型３軸加速度センサの基本
的な構成、構造は加速度センサ素子が異なるだけで、図８に示した従来例の展開斜視図と
同じであるので図示は省略している。本願で実施した加速度センサの構成、構造を簡単に
述べる。加速度センサ素子１は、ケース２にφ１０μｍの硬質プラスチック球を含有した
接着剤で固着した。加速度センサ素子１の質量部１３の底面と、ケース２の内底との間隔
ｇは、硬質プラスチックの球径で規制し１０μｍとした。この間隔ｇは、過度の加速度が
加わった時に、質量部１３の動きを規制し可撓部の破損を防ぐものである。加速度センサ
素子１の端子７とケース２の端子５は金属線４で接続した。金属線４はφ２５μｍの金の
裸線を超音波ボンディングで端子５，７に熔接した。図示はしていないが、加速度センサ
素子１の上にφ１０μｍの硬質プラスチック球を含有した接着剤でストッパーを固着した
。ストッパーには、厚さ０．３ｍｍの青板ガラスを用いた。このストッパーと加速度セン
サとの間隔ｇも、質量部１３の過度の動きを規制し可撓部の破損を防ぐものである。ケー
スの蓋３をケース２にエポキシ系の樹脂で固着して加速度センサ１０を得た。図１に示す
本願の加速度センサ素子１は、周縁部に設けられた支持枠部１１と、中央部に形成された
質量部１３と、質量部と支持枠部を接続する薄肉梁状の可撓部２１，２２からなり、可撓
部２１，２２の上面側には複数対の高濃度拡散層で接続された、ピエゾ抵抗素子５１，５
２，６１，６２，７１，７２を形成している。配線パターンおよび端子の図示は省略した
。
【００２２】
図２にピエゾ抵抗素子の配置を示す。可撓部２１，２１’にはＸ軸用のピエゾ抵抗素子
５１，５１’，５２，５２’とＺ軸用のピエゾ抵抗素子７１，７１’，７２，７２’を、
可撓部２２，２２’にはＹ軸用のピエゾ抵抗素子６１，６１’，６２，６２’を設けてい
る。応力集中部である可撓部と質量部、支持枠部の境界部にピエゾ抵抗素子の端部を配置
した。これらのピエゾ抵抗素子は、従来ピエゾ抵抗素子と幅が同じで長さが半分のピエゾ
抵抗素子を高濃度拡散層で直列に接続した。Ｘ軸用ピエゾ抵抗素子２本を可撓部中心軸対
称に配置し、Ｚ軸用のピエゾ抵抗素子２本は、Ｘ軸用ピエゾ抵抗素子を挟むように配置し
た。逆に、Ｚ軸用のピエゾ抵抗素子を挟むようにＸ軸用のピエゾ抵抗素子を配することも
可能である。本実施例では、Ｘ軸用ピエゾ抵抗素子の位置をＹ軸のピエゾ抵抗素子の位置
に合わせることで、Ｘ軸とＹ軸のピエゾ抵抗素子位置によって発生する可能性のある、出
力電圧やオフセット電圧の値を排除して測定精度を上げた。各軸用の２本のピエゾ抵抗素
子は可撓部内側端を高濃度拡散層で接続し、外側端は支持枠部または質量部上でスルーホ
ールを介し金属配線に接続した。
【００２３】
図３に、ピエゾ抵抗素子の配置の詳細と断面構造を示す。図３ａ）はＸ，Ｚ軸であり、
図３ｂ）はＹ軸、図３ｃ）はＹ軸のｄ−ｄ’断面図である。図３ｃ）では、ピエゾ抵抗素
子６１と６１’の接続部４０間を繋ぐ金属配線の図示は省略している。図３ａ）のＸ，Ｚ
軸は、可撓部２１の中心線に対して対称にＸ軸用のピエゾ抵抗素子５１を配し、ピエゾ抵
抗素子を高濃度拡散層４１で接続している。Ｚ軸のピエゾ抵抗素子７１はＸ軸用のピエゾ
抵抗素子５１を挟むように配し、高濃度拡散層４１で接続した。金属配線１７とピエゾ抵
抗素子との接続部４０は、質量部１３と支持枠部１１の領域に形成している。図３ｂ）の
Ｙ軸用も、同じ構成である。ピエゾ抵抗素子や高濃度拡散層を図示しているが、シリコン
内の不純物濃度が異なるだけで、肉眼的には他のシリコン部と区別できるものではない。
そのため、可撓部にはシリコン４５上に絶縁層３１と金属配線１７があるのみで、接続部
４０はない。
【００２４】
図４に、Ｘ，Ｚ軸の可撓部上のピエゾ抵抗素子や高濃度拡散層、これらの配置関係の寸
法を示す。可撓部の幅Ｌ１は７５μｍで長さＬ２は５４０μｍである。ピエゾ抵抗素子の
幅Ｌ３は５μｍで長さＬ４は５０μｍである。ピエゾ抵抗素子の幅方向端からの高濃度拡
散層のはみ出し量Ｌ５は１μｍで各素子とも同じとした。Ｘ軸用のピエゾ抵抗素子の間隔
Ｌ６は１１μｍ、Ｚ軸用のピエゾ抵抗素子の間隔Ｌ７は３３μｍとした。Ｘ軸用のピエゾ
抵抗素子を接続する高濃度拡散層の幅Ｌ８は１２μｍ、Ｚ軸用のＬ９は５６μｍとした。
Ｘ軸用とＺ軸用の高濃度拡散層の間隔Ｌ１０は８μｍとした。
【００２５】
実施した加速度センサ素子１の製造方法を説明する。６２５μｍ厚のシリコン板に１μ
ｍ程度のシリコン酸化層と６μｍのシリコン層の積層構造を有するＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏ
ｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェファーを使用した。フォトレジストでパターニング
を行い、シリコン層にボロンを１〜３×１０１９原子／ｃｍ３打ち込みピエゾ抵抗素子を
作製した。高濃度拡散層はシリコン層にボロンを１〜３×１０２１原子／ｃｍ３打ち込ん
だ。ピエゾ抵抗素子を外部のイオンから保護するためと、シリコンとアルミ配線、電極の
絶縁を確保するために、０．２〜０．５μｍ厚に酸化シリコンの絶縁層を形成した。ピエ
ゾ抵抗素子に接続するアルミ配線と電極、可撓部等を、フォトレジストのパターニングと
スパッタリング成膜装置、ドライエッチング装置等を用いて形成した。ＳＯＩウェファー
のシリコン酸化層がエッチングストッパーとなるため、エッチングされるのはシリコン層
のみである。ピエゾ素子面側を下にして、熱伝導の高い金属粉末を樹脂に混錬したものを
用いて、ダミー基板に接着した。ＳＯＩウェファーのシリコン板部分の６２５μｍをドラ
イエッチングするには、ＳＦ６と酸素を導入したプラズマ内で長時間行うため、被加工物
の冷却が重要であり、熱伝導の良い接着剤で放熱性の高いダミー基板に接着するものであ
る。ドライエッチングされるのはシリコンのみであるので、シリコン板はエッチングされ
るが、シリコン酸化層は残っている。ダミー基板に付けたまま弗酸溶液に漬け、シリコン
酸化層を化学エッチングで除去した。可撓部と質量部、支持枠部が形成されたＳＯＩウェ
ファーがダミー基板に接着された状態で、切断砥石を使って加速度センサ素子のチップに
分離した後、溶剤で接着剤を除去し加速度センサ素子単体を得た。
【００２６】
本願の可撓部上からピエゾ抵抗素子と金属配線の接続部を廃した加速度センサ素子と、
従来の加速度センサ素子を用いた加速度センサを各１０００個製作し、感度とオフセット
電圧、オフセット電圧の温度特性、耐衝撃性の測定評価を行った。加振器に加速度センサ
を取り付け、５Ｖの駆動電圧を印加した状態で３Ｇの加速度を加え、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の出力
を測定し１Ｇ当りの感度を求めた。感度は１Ｇ当りの出力電圧ｈ（ｍＶ）で表している。
オフセット電圧は、５Ｖの駆動電圧を印加した状態で加速度センサを傾け、傾きにより生
じる１Ｇの重力加速度を用いて測定した。オフセット電圧の温度特性は、５Ｖの駆動電圧
を印加した状態で加速度センサを傾けた状態で保持し恒温槽に入れ、温度を−４０℃から
９５℃まで変化させて測定した。オフセット電圧の温度特性は、加速度換算誤差Ｙ（％）
で表している。基準とする２５℃での１Ｇ当たりの出力電圧ｈ（ｍＶ）と、所定温度での
オフセット電圧ｊ（ｍＶ）と２５℃のオフセット電圧ｋ（ｍＶ）の差から求めた。Ｙ＝（
ｊ−ｋ）／ｈ（％）である。例を挙げると、１Ｇ当たりの出力電圧ｈが３．６（ｍＶ）の
加速度センサで、２５℃でのオフセット電圧ｋが２（ｍＶ）、８０℃でのオフセット電圧
ｊが３（ｍＶ）の場合、Ｙ＝（３−２）／３．６≒０．２８＝２８（％）と計算される。
この２８％は、言い換えると８０℃と２５℃の温度差で、０．２８Ｇの検出誤差が生じる
と言うことになる。オフセット電圧の温度特性の測定に供した加速度センサの個数は各３
０個である。Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の出力電圧ｈを測定した加速度センサを、厚さ１００ｍｍの板
に高さ１ｍから自然落下させ耐衝撃性を測定した。この高さから落下させると、約１５０
０から２０００Ｇの衝撃が加速度センサに加わることになる。耐衝撃性試験の後、加振器
で３Ｇの加速度を加え、出力が出るか否かで判断し、出力が出ない加速度センサは破壊し
たと判定した。耐衝撃性試験に供した加速度センサの個数は各３０個である。
【００２７】
図５に、３Ｇの加速度を加えた時のＸ，Ｙ，Ｚ軸の１Ｇ当りの出力電圧ｈ（ｍＶ）を示
す。Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の出力電圧ｈ（ｍＶ）の分布状態は同じであったので、Ｘ軸の値を代表
して記載している。図中の白棒は本実施例１で、黒棒が従来品の結果である。従来品の加
速度センサの出力電圧の平均値は３．６（ｍＶ）で、本実施例の出力電圧の平均値は４．
４（ｍＶ）と、約１．２２倍大きな値が得られた。これは、ピエゾ抵抗素子を短くして応
力が集中する領域に配して直列に接続し、全体的にピエゾ抵抗素子が受ける応力を従来の
加速度センサ素子より大きくできた効果である。また、本実施例で、加速度センサの出力
電圧ｈ（ｍＶ）の分布幅は小さくなっている。出力電圧のばらつきが小さくなったのは、
ピエゾ抵抗素子を絶縁層のスルーホールを介して金属配線で繋ぐ接続部を、可撓部上から
廃した効果と考えられる。接続部を無くすことで、スルーホール形状、寸法や金属配線の
厚み等のばらつき等が起因と考えられる、出力電圧のばらつき要因を排除できた効果と考
えられる。
【００２８】
図６に、オフセット電圧の分布を示す。図６ａ）は本実施例で、図６ｂ）は従来品の結
果である。本実施例の加速度センサのオフセット電圧は、−４．２（ｍＶ）から４．６（
ｍＶ）の範囲に入ったが、従来品は−９．７（ｍＶ）から９．５（ｍＶ）と約２倍のばら
つきであった。可撓部上から、熱膨張係数や応力の異なる材料が複雑な形状で組み合わさ
れた接続部を廃することで、可撓部が変形した時に接続部がピエゾ抵抗素子に加える変形
を阻害する方向に働き、ブリッジを構成するピエゾ抵抗素子のバランスを崩す、不必要な
抵抗変化を小さくすることができた効果と考えられる。
【００２９】
図７にオフセット電圧の温度特性を示す。図７ａ）は本実施例で、図７ｂ）は従来品の
結果である。各々８試料のデーターを記載している。加速度センサの温度を、−４０℃か
ら９５℃まで変化させた時の各温度でのオフセット電圧を、２５℃のオフセット電圧を基
準にして加速度換算誤差（％）で表している。温度の上昇に伴い加速度換算誤差が増える
方向のものと減る方向に変化するものが出現している。一義的な増減の方向であれば、補
正回路で容易に処理できるので、増減の方向に付いては特に論じない。本実施例の加速度
センサは従来品に比べ、加速度換算誤差の量が半分以下になっていることが判る。また、
従来品は加速度換算誤差が非直線的に変化しているが、実施例では一次関数近似ができる
程度まで直線化されていることが判る。一次関数化できたことで、簡易な補正回路で容易
に補正することができた。温度変化に対する加速度換算誤差の変化量を減らし、変化を一
次関数で近似できる程度まで直線化できたのは、可撓部上から接続部を廃した効果である
と考えられる。
【００３０】
耐衝撃性試験の結果に付いて述べる。自然落下衝撃を加えた後で、３０個全ての加速度
センサで出力電圧が確認でき、破壊したものは無かった。可撓部から接続部を廃した本願
の加速度センサ素子は、従来品と同等の耐衝撃性を有することが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】実施例１の加速度センサ素子の斜視図である。
【図２】実施例１のピエゾ抵抗素子の配置を示す図である。
【図３】実施例１のピエゾ抵抗素子の配置を示す図である。
【図４】実施例１のピエゾ抵抗素子等の寸法関係を示す図である。
【図５】実施例１の出力電圧ｈの分布状態を示す図である。
【図６】実施例１のオフセット電圧の分布を示す図である。
【図７】実施例１のオフセット電圧の温度特性を示す図である。
【図８】従来の加速度センサの展開斜視図である。
【図９】従来の加速度センサ素子の斜視図である。
【図１０】従来のピエゾ抵抗素子の配置を示す図である。
【図１１】従来の加速度センサ素子の可撓部の詳細図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  加速度センサ素子、２  ケース、３  蓋、４  金属線、５  端子、６  外部端子、
７  端子、１０  加速度センサ、１１  支持枠部、１３  質量部、１４  貫通穴、
１７  金属配線、２１，２２  可撓部、３１  絶縁層、４０  接続部、
４１  高濃度拡散層、４２  スルーホール、４５  シリコン、
５１，５２，６１，６２，７１，７２  ピエゾ抵抗素子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年9月8日(2005.9.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
ピエゾ抵抗素子や高濃度拡散層４１はＮ型のシリコン基板にＰ型のボロン等を部分的に
拡散することにより形成される。ピエゾ抵抗素子については、応力に対する抵抗変化が大
きく、温度にしては抵抗変化の小さいことが求められるため、拡散濃度は２×１０１８原
子／ｃｍ３程度としている。高濃度拡散層は、シート抵抗値が小さく、応力に対しても抵
抗変化が小さいことが求められるため、ピエゾ抵抗素子よりも３桁程度拡散濃度を高くし
ている。ピエゾ抵抗素子は、Ｎ型のシリコン基板にＰ型のボロン等を拡散させても、Ｐ型
のシリコン基板にＮ型のリン等を拡散させても作ることができ、これらの高濃度拡散層の
呼称は前者をＰ＋、後者をＮ＋としている。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
ピエゾ抵抗素子の配置は可撓部の中心線に対称とするのが望ましい。可撓部に加速度と
して検出したくない捻れ（他軸の加速度）が発生したとき、中心線に対称に配置されたピ
エゾ抵抗素子にはそれぞれ逆方向の応力が加わることになる。逆方向に応力が加わったピ
エゾ抵抗素子を直列に接続することで、応力を相殺することができるため、他軸感度の影
響を最小限に抑えることができる。ピエゾ抵抗素子を奇数本とすると中心線に対称に配置
するのが難しくまた、ピエゾ抵抗素子の接続も難しくなる。奇数本のピエゾ抵抗素子の場
合、可撓部上で金属配線との接続部を無くすため、高濃度拡散層をピエゾ抵抗素子の代わ
り挿入し、偶数本とすることも考えられる。しかし、高濃度拡散層は配線抵抗が金属配線
より３桁程度高いため、配線に用いるとブリッジ抵抗が極端に大きくなってしまい、ピエ
ゾ抵抗の抵抗変化率は同じでもブリッジ回路としての抵抗変化率、すなわち検出感度を著
しく低下させることとなる。ピエゾ抵抗素子を接続する高濃度拡散層の長さは短いことが
好ましいし、不必要に多用することは避けたほうが好ましいものでる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
実施した加速度センサ素子１の製造方法を説明する。６２５μｍ厚のシリコン板に１μ
ｍ程度のシリコン酸化層と６μｍのシリコン層の積層構造を有するＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏ
ｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェファーを使用した。フォトレジストでパターニング
を行い、シリコン層にボロンを１〜３×１０１８原子／ｃｍ３打ち込みピエゾ抵抗素子を
作製した。高濃度拡散層はシリコン層にボロンを１〜３×１０２１原子／ｃｍ３打ち込ん
だ。ピエゾ抵抗素子を外部のイオンから保護するためと、シリコンとアルミ配線、電極の
絶縁を確保するために、０．２〜０．５μｍ厚に酸化シリコンの絶縁層を形成した。ピエ
ゾ抵抗素子に接続するアルミ配線と電極、可撓部等を、フォトレジストのパターニングと
スパッタリング成膜装置、ドライエッチング装置等を用いて形成した。ＳＯＩウェファー
のシリコン酸化層がエッチングストッパーとなるため、エッチングされるのはシリコン層
のみである。ピエゾ素子面側を下にして、熱伝導の高い金属粉末を樹脂に混錬したものを
用いて、ダミー基板に接着した。ＳＯＩウェファーのシリコン板部分の６２５μｍをドラ
イエッチングするには、ＳＦ６と酸素を導入したプラズマ内で長時間行うため、被加工物
の冷却が重要であり、熱伝導の良い接着剤で放熱性の高いダミー基板に接着するものであ
る。ドライエッチングされるのはシリコンのみであるので、シリコン板はエッチングされ
るが、シリコン酸化層は残っている。ダミー基板に付けたまま弗酸溶液に漬け、シリコン
酸化層を化学エッチングで除去した。可撓部と質量部、支持枠部が形成されたＳＯＩウェ
ファーがダミー基板に接着された状態で、切断砥石を使って加速度センサ素子のチップに
分離した後、溶剤で接着剤を除去し加速度センサ素子単体を得た。
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図７】
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