(57)【要約】【課題】小型で耐衝撃性に優れた半導体加速度センサを提供する。【解決手段】センサ本体１は、矩形枠状のフレーム部１１の内側に重り部１２が配置されている。重り部１２は、４つの撓み部１３を介してフレーム部１１に支持された直方体状のコア領域１２ａと、コア領域１２ａを囲むようにコア領域１２ａと一体に形成され且つフレーム部１１の内側面および撓み部１３と離間された付随領域１２ｂとを有し、付随領域１２ｂが撓み部１３に対応する部位に穿設された区切り間隙１８により４つのブロック領域１２ｂｂに区切られている。また、重り部１２は、フレーム部１１の周方向に沿って隣り合うブロック領域１２ｂｂ，１２ｂｂ同士を撓み部１３の裏面側においてフレーム部１１近傍で繋ぎ重り部１２の厚み方向への規定量を超える変位を制限するストッパ部１２ｃが設けてある。【選択図】　　　図１
2004061193.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側に空間を有するフレーム部と、該フレーム部の内側空間に配置された重り部と、該重り部の厚み方向の一端部の外周面から前記フレーム部に延長され前記重り部を支持するように十字状に配置された４つの撓み部とを有し、前記重り部の変位により前記撓み部に生じる歪みを検出する抵抗素子が前記撓み部に設けられた半導体加速度センサであって、前記重り部は、前記撓み部に連結されたコア領域と、該コア領域を囲むように該コア領域と一体に形成され且つ前記フレーム部の内側面および前記撓み部と離間された付随領域とを有し、該付随領域が前記撓み部に対応する部位に穿設された区切り間隙により４つのブロック領域に区切られ、前記区切り間隙を挟んで隣り合うブロック領域同士を前記撓み部近傍にて部分的に繋ぎ前記厚み方向への前記重り部の変位を制限するストッパ部が設けられていることを特徴とする半導体加速度センサ。
【請求項２】
前記ストッパ部は、前記フレーム部の内側面の近傍側にて設けられていることを特徴とする請求項１記載の半導体加速度センサ。
【請求項３】
内側に空間を有するフレーム部と、該フレーム部の内側空間に配置された重り部と、該重り部の厚み方向の一端部の外周面から前記フレーム部に延長され前記重り部を支持するように十字状に配置された４つの撓み部とを有し、前記重り部の変位により前記撓み部に生じる歪みを検出する抵抗素子が前記撓み部に設けられた半導体加速度センサであって、前記重り部は、前記撓み部に連結されたコア領域と、該コア領域を囲むように該コア領域と一体に形成され且つ前記フレーム部の内側面および前記撓み部と離間された付随領域とを有し、該付随領域は前記各撓み部に対応する部位において当該重り部を厚み方向に貫設された複数の並行するスリットにより４つのブロック領域に区切られ、隣り合う前記スリット間に薄肉の隔壁部分が前記重り部と一体に存することにより前記厚み方向への前記重り部の変位を制限するストッパ部が設けられていることを特徴とする半導体加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、自動車、家電製品などに用いられる半導体加速度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から提供されている半導体加速度センサとしては、ピエゾ抵抗式のものや静電容量式のものなどがある。ここにおいて、ピエゾ抵抗式の半導体加速度センサの一例として、特開平９−２８９３２７号公報には、複数方向それぞれの加速度に感度を有する半導体加速度センサが提案されている。この公報に開示されている半導体加速度センサは、図１１に示すように、シリコン基板２０１上にシリコンエピタキシャル層２０２を成長した所謂エピ基板２００を用いて形成したセンサ本体１’の裏面にガラス製のカバー２’が接合されている。なお、図１１は一部破断した概略斜視図である。
【０００３】
センサ本体１’は、矩形枠状のフレーム部１１’を備え、フレーム部１１’の内側に配置された重り部１２’がフレーム部１１’よりも薄肉である４つの撓み部１３’を介してフレーム部１１’に連続一体に連結された構造を有している。なお、４つの撓み部１３’は十字状に配置されている。
【０００４】
各撓み部１３には、それぞれひずみ検出素子として２個ずつのピエゾ抵抗Ｒが形成されている。ピエゾ抵抗Ｒは、ブリッジ回路を構成するように配線（図示せず）によって接続されている。また、ブリッジ回路の各端子となるパッド１６はフレーム部１１’に形成されている。
【０００５】
ここにおいて、図１１の左側に示したように、センサ本体１’の厚み方向をｚ軸方向、ｚ軸方向に直交する平面においてフレーム部１１’の一辺に沿った方向をｘ軸方向、この一辺に直交する辺に沿った方向をｙ軸方向、と規定すれば、重り部１２’は、ｘ軸方向に延長された２つ１組の撓み部１３’，１３’と、ｙ軸方向に延長された２つ１組の撓み部１３’，１３’とを介してフレーム部１１’に支持されていることになり、ｘ軸方向に延長された２つの撓み部１３’，１３’に形成された合計４つのピエゾ抵抗Ｒがブリッジ回路を構成するように配線によって電気的に接続され、ｙ軸方向に延長された２つの撓み部１３’，１３’に形成された合計４つのピエゾ抵抗Ｒが別のブリッジ回路を構成するように配線によって電気的に接続されている。
【０００６】
上述のカバー２’は、外形が矩形状であって、センサ本体１’の裏面に周部が陽極接合により接合されており、重り部１２’との対向面に重り部１２’の移動範囲を確保するための凹所２ａ’が形成されている。
【０００７】
したがって、センサ本体１’にｘ軸方向ないしｙ軸方向の成分を含む外力（すなわち、加速度）が作用すると、重り部１２’の慣性によってフレーム部１１’に対して重り部１２’が変位し、結果的に撓み部１３’が撓んで当該撓み部１３’に形成されているピエゾ抵抗Ｒの抵抗値が変化することになる。つまり、ピエゾ抵抗Ｒの抵抗値の変化を検出することによりセンサ本体１’に作用したｘ軸方向ないしｙ軸方向の加速度をそれぞれ検出することができる。
【０００８】
ところで、図１１におけるセンサ本体１’では、フレーム部１１’と重り部１２’とを分離するために、水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）などのアルカリ系溶液を用い上記エピ基板２００の裏面側からエッチング速度の結晶方位依存性を利用してウェットエッチングによる異方性エッチングを行っているので、センサ本体１’の小型化が上記異方性エッチングを行う際に上記エピ基板２００の裏面に形成するマスクの開口寸法に応じて制限されてしまい、撓み部１３’の長さが短くなり高感度化が難しくなってしまう。そこで、図１１におけるセンサ本体１’では、上記異方性エッチングを行った後に切込溝２０３を形成することで撓み部１３’の長さを長くすることによって、高感度化を図っている。
【０００９】
これに対して、近年のシリコンマイクロマシンニング技術の進展に伴い、ウェットエッチングによる異方性エッチングの代わりに、ドライエッチングによりシリコンの結晶方位に依存せずに垂直に深掘り加工する技術が利用できるようになり、図１２に示すような半導体加速度センサが提案されている。
【００１０】
図１２に示す構成の半導体加速度センサは、厚み方向の中間部にシリコン酸化膜からなる埋込酸化膜１０２を有するＳＯＩ基板１００を用いて形成したセンサ本体１の裏面にガラス製のカバー２を陽極接合した構造を有する。なお、ＳＯＩ基板１００は、シリコン基板からなる支持基板１０１とｎ形のシリコン層（シリコン活性層）１０３との間に絶縁膜である埋込酸化膜１０２が形成された所謂ＳＯＩウェハの一部により構成される。
【００１１】
センサ本体１は、矩形枠状のフレーム部１１を備え、フレーム部１１の内側に配置された重り部１２がフレーム部１１よりも薄肉である４つの撓み部１３を介してフレーム部１１に連続一体に連結された構造を有している。ここにおいて、センサ本体１は、重り部１２における埋込酸化膜１０２よりも裏面側の部分の厚さがフレーム部１１における埋込酸化膜１０２よりも裏面側の部分の厚さに比べて薄くなっており、フレーム部１１の裏面が全周にわたって矩形状のカバー２の周部に接合されている。したがって、重り部１２の裏面とカバー２との間には重り部１２の厚さ方向への重り部１２の変位を可能とする隙間が形成されている。なお、各撓み部１３は、上述のシリコン層１０３の一部により構成されている。また、４つの撓み部１３は十字状に配置されている。
【００１２】
重り部１２は、上述の４つの撓み部１３を介してフレーム部１１に支持された直方体状のコア領域１２ａと、コア領域１２ａを囲むようにコア領域１２ａと一体に形成され且つフレーム部１１の内側面および撓み部１３と離間された付随領域１２ｂとを有し、付随領域１２ｂがセンサ本体１の厚み方向において撓み部１３に対応する部位に穿設された区切り間隙１８により４つのブロック領域１２ｂｂに区切られている。つまり、各ブロック領域１２ｂｂは、フレーム部１１とコア領域１２ａと互いに直交する方向に延長された２つの撓み部１３，１３とで囲まれる４つの空間それぞれに配置され、各ブロック領域１２ｂｂそれぞれの周囲にはコア領域１２ａとの連結部位を除いてスリット１４が形成されている。
【００１３】
図１２に示した構成の半導体加速度センサでは、上述のドライエッチングにより垂直に深掘り加工する技術を利用して重り部１２を形成しているので、図１１に示した構成の半導体加速度センサのようにウェットエッチングによる異方性エッチングを利用して重り部１２’を形成したものに比べて、小型化を図る（チップサイズの小型化を図る）ことができるという利点がある。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図１２に示した半導体加速度センサでは、同図の左側に示したように、図１１の従来例と同様にｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向を規定した場合、ｚ軸方向の加速度が作用したときに重り部１２がセンサ本体１の厚み方向においてカバー２から離れる向き（図１３中の矢印Ｃの向き）に変位するが、撓み部１３の裏面側が空洞となっているので、ｚ軸方向に過大な加速度が作用したときに撓み部１３が破損してしまうという不具合があった。そこで、センサ本体１の厚み方向においてカバー２とは反対側にも別途にカバーを接合する必要があり、センサ全体としての厚さ寸法が大きくなってしまうという不具合があった。
【００１５】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、小型で耐衝撃性に優れた半導体加速度センサを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、上記目的を達成するために、内側に空間を有するフレーム部と、該フレーム部の内側空間に配置された重り部と、該重り部の厚み方向の一端部の外周面から前記フレーム部に延長され前記重り部を支持するように十字状に配置された４つの撓み部とを有し、前記重り部の変位により前記撓み部に生じる歪みを検出する抵抗素子が前記撓み部に設けられた半導体加速度センサであって、前記重り部は、前記撓み部に連結されたコア領域と、該コア領域を囲むように該コア領域と一体に形成され且つ前記フレーム部の内側面および前記撓み部と離間された付随領域とを有し、該付随領域が前記撓み部に対応する部位に穿設された区切り間隙により４つのブロック領域に区切られ、前記区切り間隙を挟んで隣り合うブロック領域同士を前記撓み部近傍にて部分的に繋ぎ前記厚み方向への前記重り部の変位を制限するストッパ部が設けられていることを特徴とする。請求項１の発明の構成によれば、重り部とフレーム部とを撓み部を介して連結する部位を除いて分離する際にドライエッチングによる深掘り加工技術を利用することでセンサ本体の小型化を図ることができ、しかも、重り部に、隣り合うブロック領域同士を繋ぎ重り部の厚み方向への重り部の変位を制限するストッパ部が設けられていることにより、重り部の厚み方向へ過大な加速度が作用してもストッパ部が撓み部に接することで重り部の変位が制限されて撓み部の破損が防止されるから、耐衝撃性を高めることができ、従来のようにセンサ本体の厚み方向の両側にカバーを設ける場合に比べてセンサ全体の厚さ寸法を小さくすることができて小型化を図れる。
【００１７】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記ストッパ部は、前記フレーム部の内側面の近傍側にて設けられていることを特徴とする。請求項２の発明の構成によれば、前記コア領域から遠い位置に前記ストッパ部が位置することになり、前記重り部が大きく変位して前記撓み部に当たった時に前記ストッパ部に作用する慣性モーメントが大きくなり、より良好な前記重り部の変位制限効果が得られる。
【００１８】
請求項３の発明は、内側に空間を有するフレーム部と、該フレーム部の内側空間に配置された重り部と、該重り部の厚み方向の一端部の外周面から前記フレーム部に延長され前記重り部を支持するように十字状に配置された４つの撓み部とを有し、前記重り部の変位により前記撓み部に生じる歪みを検出する抵抗素子が前記撓み部に設けられた半導体加速度センサであって、前記重り部は、前記撓み部に連結されたコア領域と、該コア領域を囲むように該コア領域と一体に形成され且つ前記フレーム部の内側面および前記撓み部と離間された付随領域とを有し、該付随領域は前記各撓み部に対応する部位において当該重り部を厚み方向に貫設された複数の並行するスリットにより４つのブロック領域に区切られ、隣り合う前記スリット間に薄肉の隔壁部分が前記重り部と一体に存することにより前記厚み方向への前記重り部の変位を制限するストッパ部が設けられていることを特徴とする。請求項３の発明の構成によれば、重り部とフレーム部とを撓み部を介して連結する部位を除いて分離する際にドライエッチングによる深掘り加工技術を利用することでセンサ本体の小型化を図ることができ、しかも、重り部に、重り部の厚み方向への重り部の変位を制限するストッパ部が設けられていることにより、重り部の厚み方向へ過大な加速度が作用してもストッパ部が撓み部に接することで重り部の変位が制限されて撓み部の破損が防止されるから、耐衝撃性を高めることができ、従来のようにセンサ本体の厚み方向の両側にカバーを設ける場合に比べてセンサ全体の厚さ寸法を小さくすることができて小型化を図れる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
本実施形態の半導体加速度センサは、図１に示すように、厚み方向の中間部にシリコン酸化膜からなる埋込酸化膜１０２を有するＳＯＩ基板１００を用いて形成したセンサ本体１の裏面にガラス製のカバー２を陽極接合した構造を有する。なお、ＳＯＩ基板１００は、シリコン基板からなる支持基板１０１とｎ形のシリコン層（シリコン活性層）１０３との間に絶縁膜である埋込酸化膜１０２が形成された所謂ＳＯＩウェハの一部により構成される。
【００２０】
センサ本体１は、図１ないし図３に示すように、内側に空間を有する矩形枠状のフレーム部１１を備え、フレーム部１１の内側空間に配置された重り部１２がフレーム部１１よりも薄肉である４つの撓み部１３を介してフレーム部１１に連続一体に連結された構造を有している。ここにおいて、センサ本体１は、重り部１２における埋込酸化膜１０２よりも裏面側の部分の厚さがフレーム部１１における埋込酸化膜１０２よりも裏面側の部分の厚さに比べて薄くなっており、フレーム部１１の裏面が全周にわたって矩形状のカバー２の周部に接合されている。したがって、重り部１２の裏面とカバー２との間には重り部１２の厚さ方向への重り部１２の変位を可能とする隙間が形成されている。なお、各撓み部１３は、上述のシリコン層１０３の一部により構成されている。また、４つの撓み部１３は十字状に配置されている。
【００２１】
重り部１２は、上述の４つの撓み部１３を介してフレーム部１１に支持された直方体状のコア領域１２ａと、コア領域１２ａを囲むようにコア領域１２ａと一体に形成され且つフレーム部１１の内側面および撓み部１３と離間された付随領域１２ｂとを有し、付随領域１２ｂがセンサ本体１の厚み方向において撓み部１３に対応する部位に穿設された区切り間隙１８により４つのブロック領域１２ｂｂに区切られている。つまり、各ブロック領域１２ｂｂは、フレーム部１１とコア領域１２ａと互いに直交する方向に延長された２つの撓み部１３，１３とで囲まれる４つの空間それぞれに配置され、各ブロック領域１２ｂｂそれぞれの周囲にはコア領域１２ａとの連結部位を除いてスリット１４が形成されている。なお、重り部１２については後で詳述する。
【００２２】
ところで、図１の左側に示したように、センサ本体１の厚み方向をｚ軸方向、ｚ軸方向に直交する平面において矩形枠状のフレーム部１１の一辺に沿った方向をｘ軸方向、この一辺に直交する辺に沿った方向をｙ軸方向と規定すれば、重り部１２は、ｘ軸方向に延長されてコア領域１２ａを挟む２つ１組の撓み部１３，１３と、ｙ軸方向に延長されてコア領域１２ａを挟む２つ１組の撓み部１３，１３とを介してフレーム部１１に支持されていることになる。
【００２３】
ｘ軸方向に延長された２つの撓み部１３，１３のうち図２の左側の撓み部１３は延長方向においてコア領域１２ａ近傍に撓み部１３に２つのピエゾ抵抗Ｒ１ｘ，Ｒ３ｘが形成されるとともにフレーム部１１近傍に１つのピエゾ抵抗Ｒ４ｚが形成され、図２の右側の撓み部１３は延長方向においてコア領域１２ａ近傍に２つのピエゾ抵抗Ｒ２ｘ，Ｒ４ｘが形成されるとともにフレーム部１１近傍に１つのピエゾ抵抗Ｒ２ｚが形成されている。ここに、コア領域１２ａ近傍の４つのピエゾ抵抗Ｒ１ｘ，Ｒ２ｘ，Ｒ３ｘ，Ｒ４ｘは、ｘ軸方向の加速度を検出するために形成されたものであり、長手方向を撓み部１３の延長方向に一致させてあり、図４に示す左側のブリッジ回路を構成するように接続されている。なお、ピエゾ抵抗Ｒ１ｘ〜Ｒ４ｘは、重り部１２の変位により撓み部１３に生じる歪みを検出する抵抗素子であって、ｘ軸方向の加速度が作用したときに撓み部１３において最大応力が発生する領域に形成されている。また、図１および図２では各ピエゾ抵抗Ｒ１ｘ〜Ｒ４ｘに電気的に接続された配線の図示を省略してある。
【００２４】
ｙ軸方向に延長された２つの撓み部１３，１３のうち図２の上側の撓み部１３は延長方向においてコア領域１２ａ近傍に２つのピエゾ抵抗Ｒ１ｙ，Ｒ３ｙが形成されるとともにフレーム部１１近傍に１つのピエゾ抵抗Ｒ１ｚが形成され、図２の下側の撓み部１３は延長方向においてコア領域１２ａ近傍に２つのピエゾ抵抗Ｒ２ｙ，Ｒ４ｙが形成されるとともにフレーム部１１近傍に１つのピエゾ抵抗Ｒ３ｚが形成されている。ここに、コア領域１２ａ近傍の４つのピエゾ抵抗Ｒ１ｙ，Ｒ２ｙ，Ｒ３ｙ，Ｒ４ｙは、ｙ軸方向の加速度を検出するために形成されたものであり、長手方向を撓み部１３の延長方向に一致させてあり、図４に示す中央のブリッジ回路を構成するように接続されている。なお、ピエゾ抵抗Ｒ１ｙ〜Ｒ４ｙは、重り部１２の変位により撓み部１３に生じる歪みを検出する抵抗素子であって、ｙ軸方向の加速度が作用したときに撓み部１３において最大応力が発生する領域に形成されている。また、図１および図２では各ピエゾ抵抗Ｒ１ｙ〜Ｒ４ｙに電気的に接続された配線の図示を省略してある。
【００２５】
また、フレーム部１１近傍の４つのピエゾ抵抗Ｒ１ｚ，Ｒ２ｚ，Ｒ３ｚ，Ｒ４ｚは、ｚ軸方向の加速度を検出するために形成されたものであり、図４に示す右側のブリッジ回路を構成するように接続されている。ただし、ピエゾ抵抗Ｒ１ｚ〜Ｒ４ｚは、重り部１２の変位により撓み部１３に生じる歪みを検出する抵抗素子であって、ｚ軸方向の加速度が作用したときに撓み部１３において最大応力が発生する領域に形成されている。また、２つ１組となる撓み部１３，１３のうち一方の組の撓み部１３，１３に形成したピエゾ抵抗Ｒ１ｚ，Ｒ４ｚは長手方向が撓み部１３，１３の延長方向（長手方向）に一致するように形成されているのに対して、他方の組の撓み部１３，１３に形成したピエゾ抵抗Ｒ２ｚ，Ｒ３ｚは長手方向が撓み部１３，１３の幅方向（短手方向）に一致するように形成されている。なお、図１および図２では各ピエゾ抵抗Ｒ１ｚ〜Ｒ４ｚに電気的に接続された配線の図示を省略してある。
【００２６】
ところで、フレーム部１１には、８個のパッド１６を設けてある（なお、図１はセンサ本体１を一部破断している関係上、６個のパッド１６しか見えていない）。すなわち、上述の各ブリッジ回路それぞれの出力端子となるパッド１６は各ブリッジ回路ごとに設けてあるが、各ブリッジ回路の入力端子となるパッド１６は３つのブリッジ回路で共通化されている（つまり、３つのブリッジ回路に対して入力端子としては２つのパッド１６のみ設けてある）。図４の回路においては、ｘ軸方向の加速度を検出するためのブリッジ回路の２つの出力端子Ｘ１，Ｘ２、ｙ軸方向の加速度を検出するためのブリッジ回路の２つの出力端子Ｙ１，Ｙ２、ｚ軸方向の加速度を検出するためのブリッジ回路の２つの出力端子Ｚ１，Ｚ２がそれぞれパッド１６に対応している。また、図４の回路においては、各ブリッジ回路に共通の２つの入力端子ＶＤＤ，ＧＮＤがそれぞれパッド１６に対応している。なお、入力端子ＶＤＤと入力端子ＧＮＤとの間には外部電源（図示せず）から電圧が印加されが、入力端子ＶＤＤが外部電源の高電位側、入力端子ＧＮＤが低電位側（グランド側）に接続される。
【００２７】
次に、加速度の検出原理について図５ないし図７を参照しながら説明するが、検出原理については周知なので簡単に説明する。なお、図５は上述の各ブリッジ回路を示しており、ｘ軸方向の加速度を検出するためのブリッジ回路の場合には図５のピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４が上述のピエゾ抵抗Ｒ１ｘ〜Ｒ４ｘとなるとともに図５の出力端子Ｖ１，Ｖ２が上述の出力端子Ｘ１，Ｘ２となり、ｙ軸方向の加速度を検出するためのブリッジ回路の場合には図５中のピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４が上述のピエゾ抵抗Ｒ１ｙ〜Ｒ４ｙとなるとともに図５の出力端子Ｖ１，Ｖ２が上述の出力端子Ｙ１，Ｙ２となり、ｚ軸方向の加速度を検出するためのブリッジ回路の場合には図５中のピエゾ抵抗Ｒ１がピエゾ抵抗Ｒ１ｚ、ピエゾ抵抗Ｒ２がＲ４ｚ、ピエゾ抵抗Ｒ３がピエゾ抵抗Ｒ２ｚ、ピエゾ抵抗Ｒ４がピエゾ抵抗Ｒ３ｚとなるとともに図５の出力端子Ｖ１，Ｖ２が上述の出力端子Ｚ１，Ｚ２となる。
【００２８】
いま、センサ本体１にｘ軸方向の成分を含む外力（すなわち、加速度）が作用したとすると、図６に示すように、重り部１２の慣性によってフレーム部１１に対して重り部１２が変位し、結果的に撓み部１３が撓んで当該撓み部１３に形成されているピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４（Ｒ１ｘ〜Ｒ４ｘ）の抵抗値が変化することになる（なお、図６中の矢印Ｂは重り部１２が変位した向きを示している）。この場合、ピエゾ抵抗Ｒ１，Ｒ３（Ｒ１ｘ，Ｒ３ｘ）は引張応力を受け、ピエゾ抵抗Ｒ２，Ｒ４は圧縮応力を受ける。図６中において「＋」を丸で囲んだ記号は当該直下に形成されているピエゾ抵抗が引張応力を受けることを示し、「−」を丸で囲んだ記号は当該記号直下に形成されているピエゾ抵抗が圧縮応力を受けることを示している。一般的にピエゾ抵抗は引張応力を受けると抵抗値が増大し、圧縮応力を受けると抵抗値が減少する特性を有しているので、ピエゾ抵抗Ｒ１，Ｒ３は抵抗値が増大し、ピエゾ抵抗Ｒ２，Ｒ４は抵抗値が減少することになる。したがって、図５における出力端子Ｖ１，Ｖ２（Ｘ１，Ｘ２）間に電位差が生じる。ここに、出力端子Ｖ１の電位をｖ１、出力端子Ｖ２の電位をｖ２、ブリッジ回路の出力電圧をｖとすれば、ｖ＝ｖ１−ｖ２となるから、ピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値の変化を検出することによりセンサ本体１に作用したｘ軸方向の加速度を検出することができるのである。なお、ｘ軸方向の加速度が作用したときには、ｙ軸方向の加速度を検出するためのブリッジ回路およびｚ軸方向の加速度を検出するためのブリッジ回路では抵抗値の増減が相殺されて出力端子Ｖ１，Ｖ２間に電位差は生じない。
【００２９】
同様に、センサ本体１にｙ軸方向の成分を含む外力（すなわち、加速度）が作用した場合にも、図６に示すように、重り部１２の慣性によってフレーム部１１に対して重り部１２が変位し、結果的に撓み部１３が撓んで当該撓み部１３に形成されているピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４（Ｒ１ｙ〜Ｒ４ｙ）の抵抗値が変化することになり、出力端子Ｖ１，Ｖ２（Ｙ１，Ｙ２）間に電位差が生じるので、出力端子Ｖ１の電位をｖ１、出力端子Ｖ２の電位をｖ２、ブリッジ回路の出力電圧をｖとすれば、ｖ＝ｖ１−ｖ２となるから、ピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値の変化を検出することによりセンサ本体１に作用したｙ軸方向の加速度を検出することができるのである。
【００３０】
また、センサ本体１にｚ軸方向の成分を含む外力（すなわち、加速度）が作用した場合には、図７に示すように、重り部１２の慣性によってフレーム部１１に対して重り部１２が変位し、結果的に撓み部１３が撓んで当該撓み部１３に形成されているピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４（Ｒ１ｚ〜Ｒ４ｚ）の抵抗値が変化することになる（なお、図７中の矢印Ｃは重り部１２が変位した向きを示している）。ここにおいて、ピエゾ抵抗Ｒ１ｚ〜Ｒｚ４は同じ応力（図示例では圧縮応力）を受けるが、ピエゾ抵抗Ｒ１ｚ，Ｒ３ｚでは撓み部１３の延長方向に沿った向きで電流が流れるのに対してピエゾ抵抗Ｒ２ｚ，Ｒ４ｚでは撓み部１３の幅方向に沿った向きで電流が流れることによりピエゾ抵抗Ｒ１ｚ，Ｒ３ｚとピエゾ抵抗Ｒ２ｚ，Ｒ４ｚとで抵抗値の増減が逆となり、出力端子Ｖ１，Ｖ２（Ｚ１，Ｚ２）間に電位差が生じるので、出力端子Ｖ１の電位をｖ１、出力端子Ｖ２の電位をｖ２、ブリッジ回路の出力電圧をｖとすれば、ｖ＝ｖ１−ｖ２となるから、ピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値の変化を検出することによりセンサ本体１に作用したｚ軸方向の加速度を検出することができるのである。
【００３１】
ところで、上述の説明から分かるように、センサ本体１では、ピエゾ抵抗Ｒ１ｘ〜Ｒ４ｘ，Ｒ１ｙ〜Ｒ４ｙ，Ｒ１ｚ〜Ｒ４ｚが上記各ブリッジ回路を構成するように配線により電気的に接続されるとともにパッド１６に電気的に接続されるが、本実施形態では、ピエゾ抵抗Ｒ１ｘ〜Ｒ４ｘ，Ｒ１ｙ〜Ｒ４ｙ，Ｒ１ｚ〜Ｒ４ｚに電気的に接続された配線として拡散層配線と金属配線（例えば、アルミニウム配線）との２種類があり、少なくとも各撓み部１３に形成される部分が拡散層配線により構成されている。なお、各ピエゾ抵抗Ｒ１ｘ〜Ｒ４ｘ，Ｒ１ｙ〜Ｒ４ｙ，Ｒ１ｚ〜Ｒ４ｚに電気的に接続された配線のうちフレーム部１１に形成される部分の配線の大部分は金属配線により構成されているが、各ピエゾ抵抗Ｒ１ｘ〜Ｒ４ｘ，Ｒ１ｙ〜Ｒ４ｙ，Ｒ１ｚ〜Ｒ４ｚおよび各パッド１６のレイアウトの関係上配線を交差させる必要がある場合には、互いに交差する配線の一方を拡散層配線により構成するとともに他方を金属配線により構成するようにしてある。ただし、金属配線は、上述のシリコン層１０３上に形成した絶縁膜（図示せず）上に形成してあり、金属配線と拡散層配線とはコンタクト部において電気的に接続されている。ここに、上記絶縁膜はシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜からなり、コンタクト部は、上記絶縁膜に開孔したコンタクトホールに金属配線の一部を埋め込むことにより形成されている。
【００３２】
なお、本実施形態では、上述のシリコン層１０３の導電形がｎ形なので、各ピエゾ抵抗Ｒ１ｘ〜Ｒ４ｘ、Ｒ１ｙ〜Ｒ４ｙ、Ｒ１ｚ〜Ｒ４ｚの導電形をｐ形としてあり、拡散層配線の導電形を高濃度のｐ形としてあるが、シリコン層１０３の導電形がｐ形の場合には各ピエゾ抵抗Ｒ１ｘ〜Ｒ４ｘ，Ｒ１ｙ〜Ｒ４ｙ，Ｒ１ｚ〜Ｒ４ｚの導電形をｎ形とするとともに、拡散層配線の導電形を高濃度のｎ形とすればよい。また、ＳＯＩ基板１００については、支持基板１０１の厚さが４００〜６００μｍ程度、埋込酸化膜１０２の厚さが０．３〜１．０μｍ、シリコン層１０３の厚さが４〜６μｍ程度に設定してあればよい。
【００３３】
ところで、上述の重り部１２は、４つの撓み部１３を介してフレーム部１１に支持された直方体状のコア領域１２ａと、コア領域１２ａを囲むようにコア領域１２ａと一体に形成され且つフレーム部１１の内側面および撓み部１３と離間された付随領域１２ｂとを有し、付随領域１２ｂがセンサ本体１の厚み方向において撓み部１３に対応する部位（撓み部１３に重なる部位）に穿設された区切り間隙１８により４つのブロック領域１２ｂｂに区切られているが、さらに、区切り間隙１８は挟んで隣り合うブロック領域１２ｂ，１２ｂ（つまり、フレーム部１１の周方向に沿って隣り合うブロック領域１２ｂｂ，１２ｂｂ）同士を撓み部１３の裏面側においてフレーム部１１の内側面近傍で繋ぎ重り部１２の厚み方向への規定量を超える変位（カバー２から離れる向きの変位）を制限するストッパ部１２ｃが設けてある。ここにおける規定量は重り部１２の厚み方向へ重り部１２が変位したときに撓み部１３が破損しないような変位に応じて設定してある。また、ストッパ部１２ｃは、撓み部１３の延長方向における厚さがブロック領域１２ｂｂよりも薄く設定されている。ここに、コア領域１２ａと互いに隣り合う２つのブロック領域１２ｂｂ，１２ｂｂとストッパ１２ｃとで囲まれた空間は重り部１２の厚み方向に貫通する貫通孔１２ｄとなっている。なお、加速度が作用していない状態での撓み部１３とストッパ部１２ｃとの間の距離は埋込酸化膜１０２の厚さと略等しく設定されている。
【００３４】
ところで、上述の各ピエゾ抵抗Ｒ１ｘ〜Ｒ４ｘ，Ｒ１ｙ〜Ｒ４ｙ，Ｒｚ１〜Ｒ４ｚおよび各拡散層配線は例えばイオン注入装置を用いてボロンなどのｐ形不純物を注入することにより形成してもよいし、ボロンなどのｐ形不純物のプレデポジションを行った後にドライブインを行うことにより形成してもよい。
【００３５】
また、重り部１２は、例えば、ＳＯＩ基板１００の支持基板１０１においてスリット１４および貫通孔１２ｄに対応する部位を裏面側から誘導結合プラズマ型のドライエッチング装置により埋込酸化膜１０２に達するまで垂直にエッチングする支持基板エッチング工程を行った後、ＳＯＩ基板１００のシリコン層１０３においてスリット１４に対応する部位をＳＯＩ基板１００の主表面から埋込酸化膜１０２に達する深さまでエッチング（ドライエッチングないしウェットエッチング）するシリコン層エッチング工程を行い、その後、ＳＯＩ基板１００の埋込酸化膜１０２においてスリット部１４および撓み部１３に対応する部位をウェットエッチングして除去する埋込酸化膜エッチング工程を行うことにより形成すればよい。ここに、埋込酸化膜１０２のうち撓み部１３に対応する部位は犠牲層となり貫通孔１２ｄを通して導入されるエッチング液によりエッチングされる。したがって、撓み部１３の延長方向におけるストッパ部１２ｃの厚さは上記犠牲層のエッチング時にエッチング時間がセンサ本体１の主表面側のパッドや配線などが耐え得る時間内に収まるように設定してある。このような製造方法によれば、撓み部１３はシリコン層１０３の一部により構成されることになり、ＳＯＩ基板１００の裏面側および主表面側それぞれからのエッチング時に埋込酸化膜１０２をエッチングストッパとして利用することで、撓み部１３の厚さ寸法を高精度に管理することが可能となって、歩留まりの向上が図れ、結果的に低コスト化を図れる。また、従来のようにＫＯＨなどのアルカリ系溶液を用いたシリコンの異方性エッチングを利用して重り部１２を形成する場合に比べて、重り部１２の外周面とフレーム部１１の内周面との間の間隔を小さくすることができるので、センサ本体１の小型化を図れ、カバー２を含めたセンサチップの小型化を図ることができる。また、上述した製造方法では、支持基板エッチング工程を行った後にシリコン層エッチング工程を行っているが、シリコン層エッチング工程を行った後に支持基板エッチング工程を行うようにしてもよい。
【００３６】
しかして、本実施形態の半導体加速度センサでは、重り部１２ａとフレーム部１１とを撓み部１３を介して連結する部位を除いて分離する際にドライエッチングによる深掘り加工技術を利用することで図１１に示した従来例に比べてセンサ本体１の小型化を図ることができる。しかも、重り部１２に、フレーム部１１の周方向に沿って隣り合うブロック領域１２ｂｂ，１２ｂｂ同士を撓み部１３の裏面側においてフレーム部１１近傍で繋ぎ重り部１２の厚み方向への規定量を超える変位を制限するストッパ部１２ｃが設けられているので、重り部１２の厚み方向へ過大な加速度が作用しても図８に示すようにストッパ部１２ｃが撓み部１３に接することで重り部１２の変位が制限されて撓み部１３の破損が防止されるから、耐衝撃性を高めることができ、センサ本体１の表面側にストッパを兼ねるカバーを別途に設ける必要がなく、従来のようにセンサ本体１の厚み方向の両側にカバーを設ける場合に比べてセンサ全体１の厚さ寸法を小さくすることができて小型化を図れる。
【００３７】
また、ストッパ部１２ｃは、フレーム部１１の内側面の近傍側にて設けられているので、コア領域１２ａから遠い位置にストッパ部１２ｃが位置することになり、重り部１２が大きく変位して撓み部１３に当たった時にストッパ部１２ｃに作用する慣性モーメントが大きくなり、より良好な重り部１２の変位制限効果が得られる。
【００３８】
（実施形態２）
本実施形態の半導体加速度センサの基本構成は実施形態１と略同じであって、図９および図１０に示すように、重り部１２が４つの撓み部１３を介してフレーム部１１に支持された直方体状のコア領域１２ａと、コア領域１２ａを囲むようにコア領域１２ａと一体に形成され且つフレーム部１１の内側面および撓み部１３と離間された付随領域１２ｂとを有している。ここに、付随領域１２ｂは、センサ本体１の厚み方向において各撓み部１３それぞれに対応する部位に、厚み方向に貫設されフレーム部１１側が開放された複数の並行するスリット１２ｆが形成されている。したがって、重り部１２は、付随領域１２ｂが各撓み部１３においておいて厚み方向に貫設された複数のスリット１２ｆにより４つのブロック領域１２ｂｂに区切られ、隣り合うスリット１２ｆ間に薄肉の隔壁部分１２ｇが重り部１２と一体に存することにより上記厚み方向への重り部１２の規定量を越える変位を制限するストッパ部１２ｅが設けられている。スリット１２ｆはフレーム部１１側が開放されているが、必ずしもフレーム部１１側が開放されている必要はない。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００３９】
しかして、本実施形態の半導体加速度センサでは、実施形態１と同様、重り部１２とフレーム部１１とを撓み部１３を介して連結する部位を除いて分離する際にドライエッチングによる深掘り加工技術を利用することでセンサ本体１の小型化を図ることができる。しかも、重り部１２に、撓み部１３の裏面側に複数のスリット１２ｆが形成され重り部１２の厚み方向への規定量を越える変位を制限するストッパ部１２ｅが設けられていることにより、重り部１２の厚み方向へ過大な加速度が作用してもストッパ部１２ｅが撓み部１３に接することで重り部１２の変位が制限されて撓み部３の破損が防止されるから、耐衝撃性を高めることができ、センサ本体１の表面側にストッパを兼ねるカバーを別途に設ける必要がなく、従来のようにセンサ本体１の厚み方向の両側にカバーを設ける場合に比べてセンサ全体１の厚さ寸法を小さくすることができて小型化を図れる。また、重り部１２にストッパ１２ｅが設けられていることにより、図１２に示した従来例に比べてセンサ本体１のサイズを変更することなしに重り部１２の重量を大きくできるので、高感度化を図ることができる。さらに、スリット１２ｆの幅を調整することでエアダンピング効果も期待でき、周波数特性および耐衝撃性の向上が期待できる。
【００４０】
なお、上記実施形態では、ＳＯＩウェハにセンサ本体１を形成しているが、ＳＯＩウェハに限らず、シリコンウェハ（所謂エピタキシャルウェハを含む）にセンサ本体１を形成するようにしてもよい。また、上記実施形態におけるカバー２としてはパイレックス（登録商標）を用いているが、カバー２の材料は陽極接合や共晶接合などによりセンサ本体１との接合が可能な材料であればよく、例えばカバー２をシリコン基板により構成してもよい。また、重り部１２の変位により撓み部１３に生じる歪みを検出する抵抗素子についても特にピエゾ抵抗に限定するものではない。
【００４１】
【発明の効果】
請求項１の発明は、上記構成を採用したことにより、重り部とフレーム部とを撓み部を介して連結する部位を除いて分離する際にドライエッチングによる深掘り加工技術を利用することでセンサ本体の小型化を図ることができ、しかも、重り部１２に、隣り合うブロック領域同士を繋ぎ重り部の厚み方向への重り部の変位を制限するストッパ部が設けられていることにより、重り部の厚み方向へ過大な加速度が作用してもストッパ部が撓み部に接することで重り部の変位が制限されて撓み部の破損が防止されるから、耐衝撃性を高めることができ、従来のようにセンサ本体の厚み方向の両側にカバーを設ける場合に比べてセンサ全体の厚さ寸法を小さくすることができて小型化を図れるという効果がある。
【００４２】
請求項２の発明は、上記構成を採用したことにより、前記コア領域から遠い位置に前記ストッパ部が位置することになり、前記重り部が大きく変位して前記撓み部に当たった時に前記ストッパ部に作用する慣性モーメントが大きくなり、より良好な前記重り部の変位制限効果が得られるという効果がある。
【００４３】
請求項３の発明は、上記構成を採用したことにより、重り部とフレーム部とを撓み部を介して連結する部位を除いて分離する際にドライエッチングによる深掘り加工技術を利用することでセンサ本体の小型化を図ることができ、しかも、重り部に、重り部の厚み方向への重り部の変位を制限するストッパ部が設けられていることにより、重り部の厚み方向へ過大な加速度が作用してもストッパ部が撓み部に接することで重り部の変位が制限されて撓み部の破損が防止されるから、耐衝撃性を高めることができ、従来のようにセンサ本体の厚み方向の両側にカバーを設ける場合に比べてセンサ全体の厚さ寸法を小さくすることができて小型化を図れるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１の半導体加速度センサの一部破断した概略斜視図である。
【図２】同上におけるセンサ本体に形成されたピエゾ抵抗の配置説明図である。
【図３】同上の半導体加速度センサの概略断面図である。
【図４】同上におけるセンサ本体に形成された回路の回路図である。
【図５】同上の動作説明図である。
【図６】同上の動作説明図である。
【図７】同上の動作説明図である。
【図８】同上の動作説明図である。
【図９】実施形態２の半導体加速度センサの一部破断した概略斜視図である。
【図１０】同上におけるセンサ本体を示し、（ａ）は下面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’断面図、（ｄ）は（ａ）のＣ−Ｃ’断面図である。
【図１１】従来例を示す半導体多軸加速度センサの一部破断した概略斜視図である。
【図１２】他の従来例を示す半導体多軸加速度センサの一部破断した概略斜視図である。
【図１３】同上の動作説明図である。
【符号の説明】
１　センサ本体
１１　フレーム部
１２　重り部
１２ａ　コア領域
１２ｂ　付随領域
１２ｂｂ　ブロック領域
１２ｃ　ストッパ部
１２ｄ　貫通孔
１３　撓み部
１４　スリット
１８　区切り間隙
【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】
2004061193.tif 000008
【図７】
2004061193.tif 000009
【図８】
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【図９】
2004061193.tif 000011
【図１０】
2004061193.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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