(57)【要約】【課題】小型化を実現し、耐衝撃性を向上させるとともに、形成を容易に行うことによって製造コストを削減する。【解決手段】矩形枠状の支持部１と接合する上部ストッパ６及び下部ストッパ７は、段差部４５を上面４４に設けるとともに突起部５を下面４６に設ける錘部４を、空隙４７，４８を形成して覆っている。上部ストッパ６及び下部ストッパ７の錘部４との対向面には粗面部６２，７２が設けられている。錘部４は、撓み部２の撓みによって、右端から左端に向かうにつれて空隙４７が広くなるように支持部１に対して傾斜している。加速度αが印加されると、上記加速度αの大きさに応じて錘部４に力Ｆ＝Ｍα（Ｍは錘部４の重さとする）が発生する。力Ｆによって錘部４が揺動することで撓み部２が撓む。その結果、各ゲージ抵抗の抵抗値が変化し、センサ部３が、各ゲージ抵抗の抵抗値の変化を電圧信号に変換することによって加速度αを検出する。【選択図】図１
2007132863.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板によって枠状に形成される支持部と、
前記支持部の内側面から突出し、加速度が印加されると撓む撓み部と、
前記撓み部の撓みに基づいて前記加速度を電気信号に変換するセンサ部と、
前記支持部から離間し、一端が前記撓み部と接合して揺動自在に支持され、一の面の他端側に段差部を設ける錘部と、
前記錘部の他の面に設けられる突起部と、
前記錘部の前記一の面側から前記撓み部及び前記錘部を覆うように前記支持部と接合し、少なくとも前記錘部と対向する面が粗面化された板状の第１のストッパと、
前記錘部の前記他の面側から前記撓み部及び前記錘部を覆うように前記支持部と接合し、少なくとも前記錘部と対向する面に、粗面化された凹部が形成された第２のストッパと
を備え、
前記錘部が、前記一端から前記他端に向かうにつれて前記一の面と前記第１のストッパとの間の空隙を広くするように前記支持部に対して傾斜してなる
ことを特徴とする半導体加速度センサ。
【請求項２】
前記錘部の前記一端から前記他端までの長さａと前記錘部の前記他端から前記突起部までの距離ｂとの比が、０．２≦ｂ／ａ≦０．５であ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】
前記第１のストッパと前記支持部との間に、少なくともスペーサを備え、
前記撓み部が、前記第１のストッパと対向する面に、前記支持部に対して傾斜するように膜厚制御された窒化膜を備える
ことを特徴とする請求項１又は２記載の半導体加速度センサ。
【請求項４】
前記突起部が、断面形状を台形状とし、前記錘部と一体に形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか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、例えば、自動車、航空機又は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。
【背景技術】
【０００２】
従来から、この種の半導体加速度センサは、例えば特許文献１などに開示されているように、矩形枠状の支持部と、撓み部を介して支持部に揺動自在に支持される重り部（錘部）と、撓み部の撓み（変形）を検出するゲージ抵抗と、撓み部及び重り部を覆う上部キャップ（第１のストッパ）及び下部キャップ（第２のストッパ）とを備えるものが提案されている。上部キャップ及び下部キャップには凹所が形成され、撓み部及び重り部との間のエアギャップ（空隙）を形成している。また、上部キャップ及び下部キャップは、重り部と衝突したときの衝撃を低減する複数のストッパ（突部）を凹所の底面に設けている。
【特許文献１】特開２０００−３３８１２４号公報（第５〜８頁及び第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記従来の半導体加速度センサは、小型化を図るために第１のストッパ又は第２のストッパと錘部との間の空隙が狭く形成されると、第１のストッパ又は第２のストッパと支持部とを接合する場合に第１のストッパ又は第２のストッパと錘部とが吸着してしまうという問題があった。また、第１のストッパ又は第２のストッパと支持部とを接合する場合に位置ずれが発生することがあり、第１のストッパ及び第２のストッパの突部が錘部の所望の位置に精度よく衝突することができなくなって耐衝撃性が低減するという問題もあった。さらに、第１のストッパの凹所を形成するときに精密な加工制御を必要とするので、製造コストの削減を図ることが難しいという問題もあった。
【０００４】
本発明は上記の点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、小型化を実現することができ、耐衝撃性を向上させることができるとともに、形成を容易に行うことによって製造コストを削減することが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に記載の発明は、半導体基板によって枠状に形成される支持部と、前記支持部の内側面から突出し、加速度が印加されると撓む撓み部と、前記撓み部の撓みに基づいて前記加速度を電気信号に変換するセンサ部と、前記支持部から離間し、一端が前記撓み部と接合して揺動自在に支持され、一の面の他端側に段差部を設ける錘部と、前記錘部の他の面に設けられる突起部と、前記錘部の前記一の面側から前記撓み部及び前記錘部を覆うように前記支持部と接合し、少なくとも前記錘部と対向する面が粗面化された板状の第１のストッパと、前記錘部の前記他の面側から前記撓み部及び前記錘部を覆うように前記支持部と接合し、少なくとも前記錘部と対向する面に、粗面化された凹部が形成された第２のストッパとを備え、前記錘部が、前記一端から前記他端に向かうにつれて前記一の面と前記第１のストッパとの間の空隙を広くするように前記支持部に対して傾斜してなることを特徴とする。
【０００６】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記錘部の前記一端から前記他端までの長さａと前記錘部の前記他端から前記突起部までの距離ｂとの比が、０．２≦ｂ／ａ≦０．５であることを特徴とする。
【０００７】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記第１のストッパと前記支持部との間に、少なくともスペーサを備え、前記撓み部が、前記第１のストッパと対向する面に、前記支持部に対して傾斜するように膜厚制御された窒化膜を備えることを特徴とする。
【０００８】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記突起部が、断面形状を台形状とし、前記錘部と一体に形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、半導体加速度センサの小型化を実現することができ、耐衝撃性を向上させることができるとともに、形成を容易に行うことによって製造コストを削減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の本実施形態について図１，２を用いて説明する。図１は本実施形態の半導体加速度センサの概略断面図である。図２は、本実施形態の半導体加速度センサであって、上部ストッパを取り除いたときの概略平面図である。図３は、本実施形態の半導体加速度センサの撓み部の応力を示す図である。なお、図１は、図２のＡ−Ａ断面を示している。また、図１と図２の寸法は必ずしも一致してはおらず、一方の図面のみに特定の構成部品が強調されている場合がある。
【００１１】
まず、本実施形態の基本的な構成について説明する。本実施形態の半導体加速度センサは、例えば自動車、航空機又は家電製品などに設置され、印加された加速度を検出するものであり、図１に示すように、支持部１と、撓み部２と、センサ部３と、錘部４と、突起部５と、上部ストッパ６と、下部ストッパ７とを備えている。
【００１２】
支持部１は、例えばｎ型のＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などの半導体基板によって、図１のＹ軸方向から見て矩形枠状に形成されているものである。上記支持部１の高さ（図１のＹ軸方向の長さ）は４００μｍである。また、支持部１は、内側面１０，１０に面取り部１１，１１を備えている。各面取り部１１の高さ（図１のＸ軸方向の長さ）は１０μｍである。上記のように面取り部１１，１１を備えることによって、応力が集中することを緩和することができる。
【００１３】
撓み部２は、図１のＹ軸方向の厚みが錘部４より薄肉であり、支持部１の内側面１０から突出している。また、撓み部２は、例えばＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって、支持部１の上面１２及び錘部４の上面４４とともに上部ストッパ６と対向する上面２０に膜厚１５０ｎｍ〜２００ｎｍの窒化膜８２を備えている。また、より好ましい窒化膜８２の膜厚は１５０ｎｍ〜１８０ｎｍである。これにより、撓み部２は、支持部１と接合している右端から錘部４と接合している左端に向かって下方に反って傾斜し、錘部４を上部ストッパ６から離間させている。なお、傾斜角度は窒化膜８２の膜厚によって制御される。
【００１４】
センサ部３は、図２に示すように、４つのゲージ抵抗３０・・・（図２参照）と、複数の拡散抵抗配線３１・・・と、複数の金属膜３２・・・とを備えている。４つのゲージ抵抗３０・・・は、ブリッジ接続されているものであり、撓み部２の撓み（変形）を、ピエゾ抵抗効果による抵抗値の変化として検出するように撓み部２に形成されている。さらに、４つのゲージ抵抗３０・・・は、検出した撓み部２の撓みに基づいて加速度を電気信号に変換する。各拡散抵抗配線３１は、ｐ＋形拡散抵抗配線であり、ゲージ抵抗３０から支持部１の所定部位にわたって形成されている。各金属膜３２は、支持部１に形成され、拡散抵抗配線３１と接続している。また、各金属膜３２は、一端が外部接続されるボンディングワイヤ（図示せず）の他端とボンディングされる。
【００１５】
錘部４は、図１に示すように、支持部１から離間し、右端が撓み部２と接合して揺動自在に支持されている。錘部４の外側面４０，４０と支持部１の内側面１０，１０との間には、スリット４１，４２が形成されている。本実施形態では、スリット４１，４２の幅（支持部１の内側面１０と錘部４の外側面４０との間の距離）を４０〜７０μｍに設定しているが、上記数値範囲は一例であって限定されるものではなく、用途に応じて適宜設定されるものである。また、錘部４は、外側面４０，４０に面取り部４３，４３を備えている。各面取り部４３の高さ（図１のＸ軸方向の長さ）は１０μｍである。上記のように面取り部４３，４３を備えることによって、応力が集中することを緩和することができる。さらに、錘部４は、上面４４の左端に段差部４５を設けている。このような錘部４は、撓み部２の撓みによって、右端から左端に向かうにつれて上面４４と上部ストッパ６との間の空隙４７が広くなるように支持部１に対して傾斜している。
【００１６】
突起部５は、例えばＳＯＩ基板などをエッチング加工することで、図１のＹ軸方向から見ると長方形であり、断面形状（図１のＺ軸方向から見た形状）を台形状として、錘部４の下面４６に、支持部１、撓み部２及び錘部４と一体に形成されて設けられている。また、突起部５は、四方すべてがテーパ状に形成されている。ここで、錘部４の右端の面取り部４３の頂点から左端の面取り部４３の頂点までの長さａと錘部４の左端から突起部５の下面５０の左端までの距離ｂとの比ｂ／ａについて図３を用いて説明する。図３より、０から０．５までの範囲ではｂ／ａが大きくなると撓み部２に発生する応力が小さくなる。反対に、ｂ／ａが小さくなると撓み部２の応力が大きくなる。上記より、ｂ／ａの範囲を０．２≦ｂ／ａ≦０．５とすると撓み部２の応力が小さな値となり良好な特性を得ることができる。なお、長さａに代えて、錘部４の外側面４０の右端から左端までの長さａ’とし、距離ｂに代えて、錘部４の外側面４０の左端から突起部５の側面のいずれかの位置までの距離ｂ’としてもよい。図１のＸ軸方向において、面取り部４３の幅や突起部５の傾斜部分の幅は、長さａ，ａ’や距離ｂ，ｂ’からみて誤差程度の長さであるので、ｂ’／ａ’としても、撓み部２の応力は、ｂ’／ａ’に対して図３とほぼ同じ特性を得ることができる。
【００１７】
上部ストッパ６は、支持部１と略等しい熱膨張率を有する耐熱ガラスによって形成され、錘部４の上面４４側から撓み部２及び錘部４を覆うように、支持部１の上面１２に設けられた接合用アルミニウム薄膜６０を介して支持部１と陽極接合によって接合している。上記上部ストッパ６は、図１のＹ軸方向の厚みが５００μｍである。また、上部ストッパ６は、ＨＦ溶液によるウエットエッチング処理、サンドブラスト処理、又はＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）などによるドライエッチング処理などを行うことによって、下面６１の少なくとも錘部４と対向する部分に粗面部６２を備えている。粗面部６２は、錘部４の上面４４と吸着することを防止するためのものであり、表面粗さが４μｍ以下の範囲で粗面化されている。より好ましい粗面部６２の表面粗さの範囲は２μｍ程度である。
【００１８】
接合用アルミニウム薄膜６０はスペーサとしての機能があり、接合用アルミニウム薄膜６０の膜厚分だけ空隙４７を広くすることができる。また、上部ストッパ６が撓み部２に接触することなく撓み部２を右端まで完全に覆うように上部ストッパ６の長さを長くすることができる。これにより、上部ストッパ６によって撓み部２をより確実に保護することができる。なお、接合用アルミニウム薄膜６０の膜厚は限定されるものではなく、用途に応じて適宜設定されるものである。
【００１９】
下部ストッパ７は、支持部１と略等しい熱膨張率を有する耐熱ガラスによって形成され、錘部４の下面４６側から撓み部２及び錘部４を覆うように、支持部１と陽極接合によって接合している。上記下部ストッパ７は、図１のＹ軸方向の厚みが５００μｍである。また、下部ストッパ７の錘部４との対向する上面７１には、例えばエッチングやサンドブラスト処理などによって凹所７０が形成されている。凹所７０の深さは１０μｍである。上記凹所７０によって錘部４との間には空隙４８が形成される。さらに、下部ストッパ７は、ＨＦ溶液によるウエットエッチング処理、サンドブラスト処理、又はＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）などによるドライエッチング処理などを行うことによって、上面７１のうち凹所７０の底面であって少なくとも錘部４と対向する部分に粗面部７２を備えている。粗面部７２は、錘部４の下面４６や突起部５と吸着することを防止するためのものであり、表面粗さが４μｍ以下の範囲で粗面化されている。より好ましい粗面部７２の表面粗さの範囲は２μｍ程度である。
【００２０】
次に、本実施形態の半導体加速度センサの製造方法について図１を用いて説明する。まず、支持部１、撓み部２及び錘部４の製造方法について説明する。最初に、ｎ型のＳＯＩ基板８０の上下面に熱酸化によって酸化膜８１を形成する。なお、ＳＯＩ基板８０は、Ｓｉ支持基板８００と、中間酸化膜８０１と、Ｓｉ活性層８０２とから構成されている。酸化膜８１を形成した後、フォトリソ工程を行って所望の箇所に窓を開け、ｐ型不純物の注入、拡散工程を繰り返すことによって、ゲージ抵抗３０及び拡散抵抗配線３１を形成する。続いて、ＳＯＩ基板８０の上下面の酸化膜８１上に、窒化膜８２をＣＶＤ法によって膜厚２００ｎｍ未満で形成する。窒化膜８２を形成した後、フォトリソ工程を行ってＳＯＩ基板８０の所望の箇所に窓を開ける。その後、スパッタリング法によって金属膜３２及び接合用アルミニウム薄膜６０を形成する。
【００２１】
その後、ＳＯＩ基板８０の下面にフォトリソ工程を行い、下面に形成された酸化膜及び窒化膜をエッチング除去して窓を開ける。続いて、所定の深さまで異方性エッチングを行うことによって錘部４の周囲に、撓み部２を含む薄肉部を形成する。薄肉部を形成した後、錘部４の周囲に異方性エッチングをさらに行ってスリット４１，４２を形成する。このとき、複数の面取り部１１，１１，４３，４３も形成する。その後、ＳＯＩ基板８０の上面にフォトリソ工程及び異方性エッチングを行うことによって、撓み部２以外の薄肉部を除去して支持部１及び錘部４を形成する。このとき、撓み部２が反って下方に下がる。
【００２２】
続いて、上部ストッパ６及び下部ストッパ７の製造方法について説明する。最初に、異方性エッチングを行って下部ストッパ７に凹所７０を形成する。凹所７０を形成した後、上部ストッパ６及び下部ストッパ７に対して、ＨＦ溶液によるウエットエッチング処理を行って、錘部４と対向する部分に粗面部６２，７２を形成する。粗面部６２，７２を形成した後、上部ストッパ６を接合用アルミニウム薄膜６０と陽極接合によって接合させるとともに、下部ストッパ７を陽極接合によって支持部１の下面１３と直接に接合させる。このとき、上部ストッパ６及び下部ストッパ７に粗面部６２，７２を形成しているので、上部ストッパ６又は下部ストッパ７と錘部４とが吸着することがない。
【００２３】
次に、本実施形態の半導体加速度センサの動作について図１を用いて説明する。まず、図１のＹ軸方向に加速度αが印加されると、上記加速度αの大きさに応じて錘部４に力Ｆ＝Ｍα（Ｍは錘部４の重さとする）が発生する。続いて、上記力Ｆによって錘部４が揺動することで撓み部２が撓む。その結果、撓み部２に応力が生じて各ゲージ抵抗３０の抵抗値が変化する。最後に、センサ部３が、各ゲージ抵抗３０の抵抗値の変化を電圧信号として取り出すことによって加速度αを検出する。
【００２４】
上記のような本実施形態の半導体加速度センサの動作時に、錘部４が上部ストッパ６に衝突したとしても段差部４５によって衝撃を低減することができる。また、錘部４が下部ストッパ７に衝突したとしても突起部５によって衝撃を低減することができる。
【００２５】
以上、本実施形態によれば、上部ストッパ６又は下部ストッパ７が粗面化され、突起部５及び段差部４５が錘部４に設けられ、錘部４を支持部１に対して傾斜させることによって、上部ストッパ６又は下部ストッパ７と支持部１とを接合するときに上部ストッパ６又は下部ストッパ７と錘部４との吸着を防止することができ、錘部４が上部ストッパ６に衝突したときに段差部４５をストッパとすることができ、撓み部２の応力を低減させることができるとともに、上部ストッパ６と錘部４との間の空隙４７を形成するために上部ストッパ６を形状加工する必要がない。これらによって、上部ストッパ６又は下部ストッパ７と錘部４との間に大きな空隙を予め設ける必要がなく、錘部４の特性面から決定される設計条件に基づいて上部ストッパ６又は下部ストッパ７と錘部４との間の空隙４７，４８を形成することができるので、半導体加速度センサの小型化を実現することができ、耐衝撃性を向上させることができるとともに、形成を容易に行うことによって製造コストを削減することができる。
【００２６】
また、錘部４の一端から他端までの長さａと錘部４の他端から突起部５までの距離ｂとの比を０．２≦ｂ／ａ≦０．５とすることによって、撓み部２の応力をより低減することができ、耐衝撃性をより向上させることができる。
【００２７】
さらに、撓み部２の窒化膜８２によって撓み部２が反るので、錘部４の一端から他端に向かうにつれて上部ストッパ６と錘部４との間の空隙４７が広くなるように、錘部４を支持部１に対して容易に傾斜させることができる。
【００２８】
錘部４と突起部５を一体に形成することによって、錘部４と突起部５の熱膨張率を等しくすることができるので、良好な温度特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明による本実施形態の半導体加速度センサの概略断面図である。
【図２】同上の半導体加速度センサの概略平面図である。
【図３】同上の半導体加速度センサの撓み部の応力を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  支持部
２  撓み部
３  センサ部
４  錘部
４４  上面
４５  段差部
４６  下面
４７，４８  空隙
５  突起部
６  上部ストッパ
６２  粗面部
７  下部ストッパ
７２  粗面部
【図１】
2007132863.tif 000003
【図２】
2007132863.tif 000004
【図３】
2007132863.tif 000005