(57)【要約】【課題】２本のビームによる片持ち構造を採用しながらも各ビームに生じる応力の差による出力誤差の発生を低減できる半導体加速度センサを提供する。【解決手段】半導体基板からなる矩形枠状のフレーム１の内側に重り部３が配置され、フレーム１と重り部３とは可撓性を有した２本のビーム２ａ，２ｂにより連結される。重り部３は加速度が作用すると変位し、重り部３の変位によりビーム２ａ，２ｂに応力が生じる。ビーム２ａ，２ｂは片持ち構造であって、２本のビーム２ａ，２ｂのうちの一方のビーム２ａにのみブリッジ回路を形成するゲージ抵抗６が配置される。ゲージ抵抗６は、ビーム２ａ，２ｂに生じた応力を抵抗値変化として検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板からなるフレームと、フレームの内側に配置され加速度の作用により変位する重り部と、重り部を片持ち構造でフレームの内側面に連結するビームと、ビームに形成され重り部に加速度が作用したときの重り部の変位によりビームに生じる応力を抵抗値変化として検出するブリッジ回路を形成するゲージ抵抗と、フレームに配置されゲージ抵抗に電気的に接続された配線および電極とを備え、ビームは同形状の２本が並設され、１回路のブリッジ回路を構成するゲージ抵抗は１本のビームに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】
前記重り部は前記両ビームから等距離に位置する平面に対して面対称となる形状に形成され、各ビームにそれぞれ前記ブリッジ回路が形成さ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】
前記両ビームにそれぞれ形成された前記ゲージ抵抗により構成される各ブリッジ回路のうち特性が相対的に良好な一方のブリッジ回路の出力を採用することを特徴とする請求項２記載の半導体加速度センサ。
【請求項４】
前記両ビームにそれぞれ形成された前記ゲージ抵抗のうちの一方のビームに形成されたゲージ抵抗はダミーであることを特徴とする請求項２記載の半導体加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、重り部を片持ち構造のビームで支持するとともにビームに設けたゲージ抵抗の抵抗値変化により加速度を検出する半導体加速度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の半導体加速度センサとして、半導体基板により形成したフレームの内側に重り部を配置し、並設された２本のビームによりフレームに対して片持ち構造で重り部を支持する構造のものが提供されている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された半導体加速度センサでは、ブリッジ回路（ホイートストンブリッジ）を構成するための４個のゲージ抵抗（ピエゾ抵抗）を各ビームに２個ずつ配置してある。この半導体加速度センサは、重り部に加速度が作用しビームに応力が生じたときのゲージ抵抗の抵抗値変化を検出することにより、重り部に作用する加速度を検出する。
【特許文献１】特開平８−１０７２１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、特許文献１に記載された半導体加速度センサでは、２本のビーム上にそれぞれ２個ずつのゲージ抵抗が形成されているものであるから、熱応力などによって両ビームに応力差が生じたときに、各ビームに設けたゲージ抵抗の抵抗値の変化が等しくならず、重り部に加速度が作用していないにもかかわらず、出力変動を生じることがある。この種の出力変動は、外部回路によってオフセットを調節しても除去することができない。
【０００４】
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、２本のビームによる片持ち構造を採用しながらも各ビームに生じる応力の差による出力誤差の発生を低減できる半導体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】
【０００５】
請求項１の発明は、半導体基板からなるフレームと、フレームの内側に配置され加速度の作用により変位する重り部と、重り部を片持ち構造でフレームの内側面に連結するビームと、ビームに形成され重り部に加速度が作用したときの重り部の変位によりビームに生じる応力を抵抗値変化として検出するブリッジ回路を形成するゲージ抵抗と、フレームに配置されゲージ抵抗に電気的に接続された配線および電極とを備え、ビームは同形状の２本が並設され、１回路のブリッジ回路を構成するゲージ抵抗は１本のビームに設けられていることを特徴とする。
【０００６】
この構成によれば、１回路のブリッジ回路を構成するゲージ抵抗を２本のビームのうちの１本に設けているから、各ビームに生じる応力に差があっても、１回路のブリッジ回路の出力にはほとんど影響がなく、たとえば信頼性試験の際に熱応力が作用しても２本のビームに発生する応力差に伴う出力変動を従来構成よりも低減することができる。
【０００７】
請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記重り部は前記両ビームから等距離に位置する平面に対して面対称となる形状に形成され、各ビームにそれぞれ前記ブリッジ回路が形成されていることを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、ブリッジ回路を形成するゲージ抵抗を２本のビームの両方にそれぞれ形成しているから、１個の半導体加速度センサを用いて２出力を得ることが可能になる。また、各ビームごとに発生する応力に対応した出力が得られるから、各ビームの応力差を検出することが可能になる。さらに、２本のビームにそれぞれブリッジ回路を設けていることにより、重り部とビームとゲージ抵抗とを対称構造にすることができ、２本のビームに発生する応力差を小さくすることができる。
【０００９】
請求項３の発明では、請求項２の発明において、前記両ビームにそれぞれ形成された前記ゲージ抵抗により構成される各ブリッジ回路のうち特性が相対的に良好な一方のブリッジ回路の出力を採用することを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、２個形成されるブリッジ回路のうちで特性が良好な一方のブリッジ回路を利用するから、オフセット電圧や感度に関する特性のよい高精度な半導体加速度センサを得ることができる。
【００１１】
請求項４の発明では、請求項２の発明において、前記両ビームにそれぞれ形成された前記ゲージ抵抗のうちの一方のビームに形成されたゲージ抵抗はダミーであることを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、一方のビームに形成したゲージ抵抗はダミーであって使用しないから、請求項３の構成にように２個のブリッジ回路の特性を比較する必要がなく、また特性を検査する際に用いるプローブの個数も請求項３の構成に比較して少なくなるから、検査の際のスループットが向上し、コストダウンを図ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の構成によれば、１回路のブリッジ回路を１本のビームに設けているから、２本のビームに生じる応力に差があっても、１回路のブリッジ回路の出力にはほとんど影響がなく、２本のビームに発生する応力差に伴う出力変動を低減することができるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下では、半導体加速度センサの要部の構造のみについて説明する。実際の半導体加速度センサでは、以下に説明する構成の厚み方向の両面にガラス基板などを貼り合わせることによって、重り部およびゲージ抵抗に他部材が接触しないように保護する構成を採用していることが多いが、これらの構成については周知であるから説明を省略する。
【００１５】
（実施形態１）
本実施形態は、図１に示すように、平面視において矩形状である半導体基板を用いて形成される。半導体基板からは矩形枠状のフレーム１が形成され、フレーム１の内側には平面視において長方形状の重り部３が形成される。また、フレーム１と重り部３との間は２本のビーム２ａ，２ｂにより結合される。２本のビーム２ａ，２ｂは並設されており、どちらのビーム２ａ，２ｂも一端がフレーム１に連続し他端が重り部３に連続することにより重り部３を片持ち構造でフレーム１に連結する。両ビーム２ａ，２ｂから等距離に位置する平面に対して、ビーム２ａ，２ｂと重り部３とは面対称となる形状に形成されている。
【００１６】
フレーム１の内側面は、図２（ｄ）に示すように、半導体基板の厚み方向の一面（図の下面）から他面（図の上面）に向かって開口面積を小さくするように傾斜したテーパ状に形成されている。重り部３においてフレーム１の内側面に対向する部位も傾斜しており、上記一面側が上記他面側よりもフレーム１との距離が大きくなる。つまり、フレーム１の内側面と重り部３の外側面との間の隙間は、上記一面側において上記他面側よりも間隔を大きくするテーパ状に形成されている。
【００１７】
図示例では、フレーム１と重り部３との間の間隙を平面視においてコ字状とし、２本のビーム２ａ，２ｂの間に平面視において矩形状に開口し半導体基板を厚み方向において貫通する貫通孔４を形成してある。フレーム１と重り部３との間の間隙は平面視においてＣ字状に形成することも可能である。ビーム２ａ，２ｂは、フレーム１に対して重り部３が変位可能となるように可撓性を有し、重り部３の変位によりビーム２ａ，２ｂに生じる応力を検出することで重り部３に作用する加速度を検出する。
【００１８】
したがって、半導体基板の厚み方向において、ビーム２ａ，２ｂは重り部３よりも薄肉に形成されている。図２（ｄ）に示すように、半導体基板においてビーム２ａ，２ｂに対応する部位には上記一面側に開口する溝５が形成され、半導体基板の上記他面側の一部分を残すことによってビーム２ａ，２ｂを他の部位よりも薄肉に形成してある。したがって、ビーム２ａ，２ｂは主として半導体基板の厚み方向（図２（ｄ）の上下方向）において可撓であって、重り部３は主として上下方向に変位することになる。ここに、ビーム２ａ，２ｂを２本設けているのは、ビーム２ａ，２ｂを薄肉に形成することで、ビーム２ａ，２ｂの弾性係数を小さくして感度を高めながらも、ビーム２ａ，２ｂのねじれを抑制して半導体基板の厚み方向における加速度の検出精度を高め、かつビーム２ａ，２ｂの折損を防止する目的である。
【００１９】
重り部３に生じる応力は、ビーム２ａ，２ｂに設けたゲージ抵抗６により検出される。ゲージ抵抗６はビーム２ａ，２ｂに生じる応力を抵抗値変化として検出するピエゾ抵抗であって、図示例では２本設けたビーム２ａ，２ｂのうちの一方のビーム２ａに、ブリッジ回路（図３に示すホイートストンブリッジ）を形成する４個のゲージ抵抗６（Ｒ１〜Ｒ４）を設けている。
【００２０】
ゲージ抵抗６には、ビーム２ａの延長方向（フレーム１と重り部３とを結ぶ方向）に長い形状のものと、ビーム２ａの幅方向（２本のビーム２ａ，２ｂを結ぶ方向）に長い形状のものとが設けられている。ブリッジ回路を構成するゲージ抵抗Ｒ１〜Ｒ４を図３の接続関係とするとき（電圧が印加される各アームがそれぞれゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ２の直列回路と抵抗Ｒ３，Ｒ４の直列回路とで構成されているものとする）、ブリッジ回路の対角位置の各２個のゲージ抵抗（ブリッジ回路において互いに直接接続されていない位置の２個のゲージ抵抗）６がそれぞれ同方向に長くなるように配置する。つまり、ゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３をビーム２ａの延長方向に長い形状とし、ゲージ抵抗Ｒ２，Ｒ４をビーム２ａの幅方向に長い形状とする。また、ビーム２ａの延長方向に長いゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３の両側にビーム２ａの幅方向に長いゲージ抵抗Ｒ２，Ｒ４を配置してある。この配置により、ビーム２ａにおいて応力の集中しやすい部位に、当該応力を検出しやすい方向でゲージ抵抗Ｒ１〜Ｒ４を配置したことになり、他の配置に比較して感度を高めることができる（このことはシミュレーションによっても確認された）。また、ブリッジ回路の各アームを構成する２個のゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ２とＲ３，Ｒ４はそれぞれ隣り合うように配置される。これらの条件によって、ゲージ抵抗Ｒ１〜Ｒ４は、ビーム２ａの幅方向においてＲ２，Ｒ１，Ｒ３，Ｒ４の順に配列される。
【００２１】
フレーム１にはゲージ抵抗６を外部回路に接続するための電極７が形成される。また、図３（ｄ）のようにゲージ抵抗６と電極７との間に拡散配線による配線８が形成される。電極７には、たとえばアルミニウムを用い、配線８はイオン注入後に熱拡散により形成する。図示例では６個の電極７を配列してあり、６個の電極７のうちの２個は、ブリッジ回路の各アームの中点（つまり、ゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続点、ゲージ抵抗Ｒ３，Ｒ４の接続点）に接続され、残りの４個の電極は、図３に示すように、各アームの各一端に２個ずつ接続される。図３の接続形態のほか、２個のアームを独立した回路とし、ゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ２の直列回路の両端と、ゲージ抵抗Ｒ３，Ｒ４の直列回路の両端とにそれぞれ電極７を接続する場合もある。
【００２２】
上述したように、２本のビーム２ａ，２ｂのうちの１本のビーム２ａにのみブリッジ回路を構成する４個のゲージ抵抗Ｒ１〜Ｒ４を設けているから、両ビーム２ａ，２ｂに発生する応力に差があっても、応力差の影響をほとんど受けずにブリッジ回路の出力を取り出すことができる。つまり、２本のビーム２ａ，２ｂを用いながらも応力差による出力誤差の発生を抑制することができる。
【００２３】
以下では、上述した半導体加速度センサの製造工程について簡単に説明する。図２（ａ）に示すように、まず半導体基板であるシリコン基板１０の厚み方向の両面に酸化膜あるいは窒化膜による絶縁膜１１を形成する。その後、図２における半導体基板１０の上面であって配線８を形成する部位においてフォトリソグラフィ技術を用いて絶縁膜１１の一部をエッチングにより除去し、イオン注入および熱拡散を行い配線８を形成する。さらに、ゲージ抵抗６も同様の工程で形成し、その後、図２（ｂ）に示すように、配線８の一端部に電気的に接続するように電極７を形成する（図２（ｂ））。
【００２４】
次に、図２（ｃ）のように、半導体基板１０の下面であってフレーム１と重り部３との間の間隙または溝５となる部位において、フォトリソグラフィ技術を用いて絶縁膜１１の一部をエッチングにより除去し、異方性エッチングを行うことによりビーム２ａ，２ｂの厚み寸法を残した凹所を形成する。この段階で、フレーム１と重り部３とはほぼ分離されるが、重り部３は全周に亘ってフレーム１と結合された状態にある。
【００２５】
最後に、図２（ｄ）のように、半導体基板１０の上面側においてフォトリソグラフィ技術を用いて絶縁膜１１の一部を除去し、異方性エッチングによりビーム２ａ，２ｂを残してフレーム１と重り部３とを切り離す。
【００２６】
上述の工程により、２本のビーム２ａ，２ｂのうちの１本のビーム２ａにのみ１回路のブリッジ回路を形成する４個のゲージ抵抗６を設けた半導体加速度センサを形成することができ、１本のビーム２ａに生じる応力のみをゲージ抵抗６の抵抗値変化として検出するから、２本のビーム２ａ，２ｂに応力差があっても、その応力差が出力誤差になることがなく、２本のビーム２ａ，２ｂにそれぞれ設けたゲージ抵抗によりブリッジ回路を構成する場合に比較すると、加速度の検出精度を高めることができる。
【００２７】
なお、ブリッジ回路を構成するゲージ抵抗６は４個でなくてもよく、さらに多数個の抵抗は必ずしも４個のゲージ抵抗６でなくてもよく、さらに多数個のゲージ抵抗６を用いてブリッジ回路を構成してもよい。
【００２８】
（実施形態２）
実施形態１では、２本のアーム２ａ，２ｂのうちの１本のアーム２ａにのみ１回路のブリッジ回路を構成するゲージ抵抗６を設ける構成を採用したが、本実施形態では、２本のビーム２ａ，２ｂにそれぞれ１回路のブリッジ回路を構成するゲージ抵抗６を配置している。つまり、図４に示すように、実施形態１において一方のビーム２ａにのみ設けていた４個のゲージ抵抗Ｒ１〜Ｒ４を、他方のビーム２ｂにも設けているのである。
【００２９】
図４に示す例では、電極７を１２個設けることにより、２回路のブリッジ回路の出力をそれぞれ取り出すことができるようにしてある。２回路のブリッジ回路の出力をそれぞれ取り出すようにすれば、各ブリッジ回路においては、ビーム２ａ，２ｂの応力差の影響はなく、両出力の比較によってビーム２ａ，２ｂの応力差を検出することが可能である。
【００３０】
また、通常の使用ではブリッジ回路は１回路あればよく、２回路のうちの一方は使用する必要がないから、そのような用途では２個のブリッジ回路についてオフセット電圧および感度を測定し、これらの特性について相対的に良好なほうを出力として採用すればよい。具体的には、検査工程において２個のブリッジ回路の特性を計測し、特性がより良好なブリッジ回路を構成することができる電極７にワイヤボンディングを施して外部回路と接続する。
【００３１】
さらにまた、実施形態１では２本のビーム２ａ，２ｂのうちの１本のビーム２ａにしかゲージ抵抗６を形成していないから、ビーム２ａ，２ｂの機械的特性に差異を生じる可能性があり、このことによって両ビーム２ａ，２ｂに応力差が生じることがあるが、本実施形態の構成では、各ビーム２ａ，２ｂにそれぞれゲージ抵抗６を形成しているから、この種の応力差は実質的に生じないと言える。
【００３２】
そこで、実施形態１のように、あらかじめ定めた１本のビーム２ａに形成したゲージ抵抗６の出力しか用いない場合であっても、２本のビーム２ａ，２ｂにそれぞれゲージ抵抗６を形成し、ビーム２ａ，２ｂおよび重り部３とともにゲージ抵抗６および配線８も面対称となるように形成するのが望ましい。つまり、ビーム２ｂにはダミーとしてのゲージ抵抗６が形成されることになる。この場合、ビーム２ｂに形成されるゲージ抵抗６はあらかじめダミーであることが定められているから、ビーム２ｂに形成されたゲージ抵抗６に関する検査工程は不要である。つまり、検査のために用いるプローブ数は実施形態１と同数でよく、２回路のブリッジ回路の出力を用いる場合や、特性が良好なほうのブリッジ回路を選択する場合に比較すると、検査工程に用いるプローブ数を少なくすることができる。
【００３３】
本実施形態の構成は、実施形態１の構成と比較すると、ゲージ抵抗６を１本のゲージ抵抗２ａにのみ形成するか、２本のビーム２ａ，２ｂにともにゲージ抵抗６を形成するかの相違はあるが、工数に実質的な変わりは生じない。また、他の構成および機能は実施形態１と同様である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施形態１を示す平面図である。
【図２】同上の製造工程を示す工程図である。
【図３】同上に用いるゲージ抵抗の接続関係を示す回路図である。
【図４】本発明の実施形態２を示す平面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  フレーム
２ａ，２ｂ  ビーム
３  重り部
６（Ｒ１〜Ｒ４）  ゲージ抵抗
７  電極
８  配線
１０  半導体基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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