(57)【要約】【課題】製造が容易であり、フレームからの応力影響を抑制することのできる加速度センサを提供する【解決手段】半導体基板からなるフレーム１と、フレーム１の内側に配置され加速度の作用により変位する錘部２と、錘部２を片持ち梁構造でフレーム１の内側面に連結するビーム３と、ビーム３に形成され錘部２に加速度が作用したときの錘部２の変位によりビーム３に生じる応力を抵抗値変化として検出するピエゾ抵抗４と、フレーム１に配置されピエゾ抵抗４からの信号を取り出す電極５と、を備える加速度センサにおいて、フレーム１とビーム３との間にビーム構造からなる応力緩和用ビーム６を形成するようになした。【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錘部と、錘部を片持ち梁構造でフレームの内側面に連結するビームと、ビームに形成され錘部に加速度が作用したときの錘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ピエゾ抵抗と、フレームに配置されピエゾ抵抗からの信号を取り出す電極と、を備える加速度センサにおいて、前記フレームと前記ビームとの間にビーム構造からなる応力緩和用ビームを形成したことを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】
前記応力緩和用ビームの厚さを前記ビームの厚さと同一にしたことを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
【請求項３】
前記応力緩和用ビームの厚さを前記ビームの厚さより厚くしたことを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
【請求項４】
前記応力緩和用ビームの長さを前記ビームの長さより長くしたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項記載の加速度センサ。
【請求項５】
前記応力緩和用ビームを前記フレームや前記ビームと連続して形成したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項記載の加速度センサ。
【請求項６】
前記加速度センサは、前記フレームの内側面に連結するビームを複数備え、前記応力緩和用ビームは、各ビームの延長部を含んで前記フレームと一体に形成されたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項記載の加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、錘部を片持ち梁構造のビームで支持するとともに、ビームに設けたピエゾ抵抗の抵抗値変化により加速度を検出する加速度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、特開２００４−３５４０７３号公報に示されるように、錘部を片持ち梁構造のビームで支持するとともに、ビームに設けたピエゾ抵抗の抵抗値変化により加速度を検出する加速度センサが知られている。この加速度センサは、図７に示すように、半導体基板からなるフレーム１と、フレーム１の内側に配置され加速度の作用により変位する錘部２と、錘部２を片持ち梁構造でフレーム１の内側面に連結するビーム３と、ビーム３に形成され錘部２に加速度が作用したときの錘部２の変位によりビーム３に生じる応力を抵抗値変化として検出するピエゾ抵抗４と、フレーム１に配置されピエゾ抵抗４からの信号を取り出す電極５並びに、フレーム１の厚み方向の両端面に陽極接合され、錘部２の所定の大きさ以上の変位を制限するストッパ部材７、８とを備えている。
【０００３】
この場合、ストッパ部材７、８を設けることにより、錘部２が上下方向へ遊動することを制限することができる。
【特許文献１】特開２００４−３５４０７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来例である加速度センサにあっては、ガラス材料よりなるストッパ部材７、８とシリコンよりなるフレーム１の線膨張係数の差によって熱応力が発生してビーム３に応力影響が達し、加速度センサの特性を変動させるものである。また、加速度センサの外部からの応力がフレーム１を経由することにより、ビーム３に応力影響が発生し、特性不安定の要因ともなる。
【０００５】
本願発明は、上記背景技術に鑑みてなしたものであり、その目的は、製造が容易であり、フレームからの応力影響を抑制することのできる加速度センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本願請求項１記載の発明は、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錘部と、錘部を片持ち梁構造でフレームの内側面に連結するビームと、ビームに形成され錘部に加速度が作用したときの錘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ピエゾ抵抗と、フレームに配置されピエゾ抵抗からの信号を取り出す電極と、を備える加速度センサにおいて、前記フレームと前記ビームとの間にビーム構造からなる応力緩和用ビームを形成している。
【０００７】
本願請求項２記載の発明は、上記請求項１記載の加速度センサにおいて、前記応力緩和用ビームの厚さをビームの厚さと同一にしたことを特徴としている。
【０００８】
本願請求項３記載の発明は、上記請求項１記載の加速度センサにおいて、前記応力緩和用ビームの厚さを前記ビームの厚さより厚くしたことを特徴としている。
【０００９】
本願請求項４記載の発明は、上記請求項１乃至３のいずれか一項記載の加速度センサにおいて、前記応力緩和用ビームの長さを前記ビームの長さより長くしたことを特徴としている。
【００１０】
本願請求項５記載の発明は、上記請求項１乃至４のいずれか一項記載の加速度センサにおいて、前記応力緩和用ビームを前記フレームや前記ビームと連続して形成したことを特徴としている。
【００１１】
本願請求項６記載の発明は、上記請求項１乃至５のいずれか一項記載の加速度センサにおいて、前記加速度センサは、前記フレームの内側面に連結するビームを複数備え、前記応力緩和用ビームは、各ビームの延長部を含んで前記フレームと一体に形成されたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本願請求項１記載の発明の加速度センサにおいては、フレームとビームとの間にビーム構造からなる応力緩和用ビームを形成することで、フレームを経由してくる応力がビームへ伝搬することを抑制して、特性の変動を招くことのない、安定した加速度センサを提供することができる。
【００１３】
本願請求項２記載の発明の加速度センサにおいては、特に、応力緩和用ビームの厚さをビームの厚さと同一にすることで、応力緩和用ビームをビームと同時に形成するようにしたものであるから、簡単な構造で特性の安定した加速度センサを効率的に製造することができる。
【００１４】
本願請求項３記載の発明の加速度センサにおいては、特に、応力緩和用ビームの厚さをビームの厚さより厚くすることで、応力緩和用ビームの強度を上げることができる。
【００１５】
本願請求項４記載の発明の加速度センサにおいては、特に、応力緩和用ビームの長さをビームの長さより長くすることで、応力緩和効果をより高めることができ、特性の変動を招くことのない、より安定した加速度センサを容易に提供することができる。
【００１６】
本願請求項５記載の発明の加速度センサにおいては、特に、応力緩和用ビームをフレームやビームと連続して形成することで、簡単な構造で特性の安定した加速度センサを効率的に製造することができるとともに、応力緩和用ビームの強度を上げることができる。
【００１７】
本願請求項６記載の発明の加速度センサにおいては、特に、応力緩和用ビームをビームの延長部を含んで前記フレームと一体に形成することで、応力緩和用ビームの強度を上げるものであるから、高精度な加速度センサを容易に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１及び図２は、本願発明の第１の実施形態である加速度センサを示している。この加速度センサは、図１に示すように、半導体基板からなるフレーム１と、フレーム１の内側に配置され加速度の作用により変位する錘部２と、錘部２を片持ち梁構造でフレーム１の内側面に連結するビーム３と、ビーム３に形成され錘部２に加速度が作用したときの錘部２の変位によりビーム３に生じる応力を抵抗値変化として検出するピエゾ抵抗４と、フレーム１に配置されピエゾ抵抗４からの信号を取り出す電極５と、を備える加速度センサにおいて、フレーム１とビーム３との間にビーム構造からなる応力緩和用ビーム６を形成するようになしている。また、応力緩和用ビーム６の厚さをビーム３の厚さと同一に、応力緩和用ビーム６の長さをビーム３の長さより短くしている。さらに、応力緩和用ビーム６をフレーム１やビーム３と連続して形成している。
【００１９】
以下、この実施形態の加速度センサを、より具体的詳細に説明する。図１に示すように、加速度センサは、半導体基板から形成された加速度センサチップと、ガラス材料よりなるストッパ部材７、８とが陽極接合されて形成されている。加速度センサチップは、半導体基板からなる短形枠状のフレーム１と、平面視において長方形状からなる錘部２と、２本のビーム３と、ビーム３に形成されるピエゾ抵抗４と、フレーム１に配置されピエゾ抵抗４からの信号を取り出す電極５と、上部ストッパ７を陽極接合するための接合用電極１０とを備え、フレーム１とビーム３との間にはビーム構造からなる応力緩和用ビーム６が形成されている。ここで、フレーム１と錘部２との間の間隙は平面視においてコ字形状とし、ビーム３と応力緩和用ビーム６のそれぞれの間には、平面視において短形状に開口し、半導体基板を厚み方向において貫通する貫通孔９が形成されている。さらに、ビーム３、ピエゾ抵抗４、電極５、応力緩和用ビーム６、貫通孔９、接合用電極１０のそれぞれは、ビーム３の長さ方向と平行であり、錘部２の重心を通るフレーム１に垂直な面に対して、対称となるように配置されている。この場合、フレーム１やビーム３と連続的に形成されている応力緩和用ビーム６のそれぞれは、貫通孔９により分離されている。
【００２０】
フレーム１は、厚み方向の両端面が開口した断面略ロ字の筒形状を有してなり、その中空部分に配置された錘部２を、その錘部２の外周縁を離間して外囲すると共に、ビーム３、応力緩和用ビーム６を介して揺動自在に支持している。
【００２１】
錘部２は、ビーム３よりも厚肉に形成されており、厚み方向の断面は略四角形状を有する。この錘部２は、加速度センサに印加された加速度に応じて変位する。
【００２２】
ビーム３は、薄肉に形成されており、その厚み方向に撓むことが可能であると共に、その長さ方向を軸にして捻転することも可能である。このビーム３は、その長さ方向の一端部が錘部２に連結され、他端部は応力緩和用ビーム６を介して、フレーム１に連結されており、フレーム１に錘部２を揺動自在に支持させている。
【００２３】
ピエゾ抵抗４は、半導体不純物拡散技術によりビーム３に形成されており、ビーム３の撓み量に応じてその抵抗値が変化し、撓み量が大きくなるほど抵抗値の変化量も大きくなる。この変化する抵抗値に対応した電圧が、電極５を介して外部に出力される。ここで、ピエゾ抵抗４は、ビーム３の長さ方向に長い形状を有するものと、ビーム３の幅方向に長い形状を有するものとからなり、ブリッジ回路を構成している（図示せず）。
【００２４】
電極５は、ピエゾ抵抗４を外部回路に接続するためにフレーム１に備えられ、ピエゾ抵抗４と電極５との間には拡散配線による配線１１が形成される。
【００２５】
応力緩和用ビーム６は、フレーム１とビーム３との間にビーム構造を有してなり、ビーム３と同じ厚さで、ビーム３より短く形成されている。また、応力緩和用ビーム６は、フレーム１やビーム３と連続して形成されている。
【００２６】
ストッパ部材７、８は、ガラス材料が平板状に形成されたものよりなり、フレーム１の厚み方向の両端面に陽極接合されている。錘部２がフレーム１の厚み方向に、所定の大きさ以上変位したときには、その錘部２は、フレーム１の厚み方向の両端面に接合されたストッパ部材７、８に当接して、それ以上変位できないようになるので、ビーム３が過剰に撓んで破壊されるのを防止することが可能となる。
【００２７】
次に、本実施形態の加速度センサを製造する工程を説明する。図２（ａ）に示すように、半導体基板は、表面側であるＳｉ活性層２１と、中間酸化膜層であるＳｉＯ2層２２と、裏面層であるＳｉ支持基板２３から構成されている。まず、半導体基板の上下に、熱酸化によって酸化膜２４を形成する。次に、酸化膜２４の一部をエッチング除去した後、イオン注入工程、拡散工程によりピエゾ抵抗４と、配線１１を形成する。次に、半導体基板の表面にフォトリソグラフィー工程を行い、酸化膜２４の一部をエッチング除去した後、電極５と、接合用電極１０とを形成する。そして、図２（ｂ）に示すように、半導体基板の裏面にフォトリソグラフィー工程を行い、酸化膜２４の一部をエッチング除去した後、ドライエッチング、例えばＤＲＩＥ（ディープ  リアクティブ  イオン  エッチング）により半導体基板の裏面側からＳｉＯ2層２２が露出するまで垂直に掘り込む。その後、図２（ｃ）に示すように、半導体基板の表面側から、錘部２の外周に相当する箇所に対して、Ｓｉ層２１をＳｉＯ2層２２が露出するまで異方性エッチングした後、ＳｉＯ2層２２のエッチングによりフレーム１と錘部２とを切り離して２本のビーム３と応力緩和用ビーム６を形成する。最後に、半導体基板の裏面側からＳｉ支持基板２３に形成された酸化膜２４を除去した後、上部ストッパ７を接合用電極１０に陽極接合し、下部ストッパ８をフレーム１に直接陽極接合する。
【００２８】
したがって、フレーム１とビーム３との間にビーム構造からなる応力緩和用ビーム６を形成することにより、フレーム１を経由してくる応力がビーム３へ伝搬することを抑制するものであるから、特性の変動を招くことのない、安定した加速度センサを提供することができる。また、応力緩和用ビーム６の厚さをビーム３の厚さと同一にし、応力緩和用ビーム６をフレーム１やビーム３と連続して形成することにより、簡単な構造で特性の安定した加速度センサを効率的に製造することができる。
【００２９】
図３及び４は、本願発明の第２の実施形態である加速度センサを示している。ここでは、上記第１の実施形態と相違する事項についてのみ説明し、その他の事項（構成、作用効果等）については、上記第１の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。この加速度センサは、図３に示すように、応力緩和用ビーム６の厚さをビーム３の厚さより厚くし、長さをビーム３より短くしている。これにより、応力緩和用ビーム６は厚み方向の長さが増し、ビーム構造の強度が上がる。
【００３０】
次に、本実施形態の加速度センサを製造する工程を説明する。図４（ａ）に示すように、半導体基板は、表面側であるＳｉ活性層２１と、中間酸化膜層であるＳｉＯ2層２２と、裏面層であるＳｉ支持基板２３から構成されている。まず、半導体基板の上下に、熱酸化によって酸化膜２４を形成する。次に、酸化膜２４の一部をエッチング除去した後、イオン注入工程、拡散工程によりピエゾ抵抗４と、配線１１を形成する。次に、半導体基板の表面にフォトリソグラフィー工程を行い、酸化膜２４の一部をエッチング除去した後、電極５と、接合用電極１０とを形成する。そして、半導体基板の裏面に錘部２とビーム３を形成するためのフォトリソグラフィー工程を行い、酸化膜２４の一部をエッチング除去した後、ドライエッチングにより半導体基板の裏面側から所定の深さまで垂直に掘り込む。さらに、図４（ｂ）に示すように、半導体基板の裏面に応力緩和用ビーム６を形成するためのフォトリソグラフィー工程を行い、酸化膜２４の一部をエッチング除去した後、ドライエッチングにより半導体基板の裏面側から錘部２の外周、ビーム３、応力緩和用ビーム６に相当する箇所を垂直に掘り込み、錘部２の外周とビーム３に相当する箇所のＳｉＯ2層２２が露出した時点で、ドライエッチングを終了する。その後、図４（ｃ）に示すように、半導体基板の表面側から、錘部２の外周に相当する箇所に対して、Ｓｉ層２１をＳｉＯ2層２２が露出するまで異方性エッチングした後、ＳｉＯ2層２２のエッチングによりフレーム１と錘部２とを切り離して２本のビーム３と応力緩和用ビーム６を形成する。最後に、半導体基板の裏面側からＳｉ支持基板２３に形成された酸化膜２４を除去した後、上部ストッパ７を接合用電極１０に陽極接合し、下部ストッパ８をフレーム１に直接陽極接合する。
【００３１】
よって、応力緩和用ビーム６の厚さをビーム３の厚さより厚くすることで、応力緩和用ビーム６の強度を上げることができる。
【００３２】
図５は、本願発明の第３の実施形態である加速度センサを示している。ここでは、上記第２の実施形態と相違する事項についてのみ説明し、その他の事項（構成、作用効果等）については、上記第２の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。この加速度センサは、応力緩和用ビーム６の厚さをビーム３の厚さより厚くし、長さをビーム３の長さより長くしている。これにより、応力緩和用ビーム６はビーム３の長さ方向の距離が増し、ビーム構造の応力緩和効果が高まる。
【００３３】
つまり、応力緩和用ビーム６の長さをビーム３の長さより長くすることで、応力緩和効果をより高めることができ、特性の変動を招くことのない、安定した加速度センサを容易に提供することができる。
【００３４】
図６は、本願発明の第４の実施形態である加速度センサを示している。ここでは、上記第１の実施形態と相違する事項についてのみ説明し、その他の事項（構成、作用効果等）については、上記第１の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。この加速度センサは、フレーム１の内側面に連結するビーム３を複数備え、応力緩和用ビーム６は、各ビームの延長部を含んでフレーム１と一体に形成されている。
【００３５】
加速度センサチップは、半導体基板からなる短形枠状のフレーム１と、平面視において長方形状からなる錘部２と、２本のビーム３と、ビーム３に形成されるピエゾ抵抗４と、フレーム１に配置されピエゾ抵抗４からの信号を取り出す電極５と、上部ストッパ７を陽極接合するための接合用電極１０とを備え、フレーム１とビーム３との間にはビーム構造からなる応力緩和用ビーム６が形成されている。ここで、フレーム１と錘部２との間の間隙は平面視においてコ字形状とし、２本のビーム３の間には、平面視において短形状に開口し、半導体基板を厚み方向において貫通する貫通孔９が形成されている。さらに、ビーム３、ピエゾ抵抗４、電極５、応力緩和用ビーム６、貫通孔９、接合用電極１０のそれぞれは、ビーム３の長さ方向と平行であり、錘部２の重心を通るフレーム１に垂直な面に対して、対称となるように配置されている。この場合、フレーム１やビーム３と連続的に形成されている応力緩和用ビーム６は、貫通孔９により分離されることなく、ビーム３の延長部を含んでフレーム１と一体に形成されている。これにより、応力緩和用ビーム６はビーム３の幅方向に長い形状を有するものとなり、ビーム構造の強度を上げることができる。
【００３６】
なお、本実施形態の応力緩和用ビーム６は、厚さをビーム３の厚さと同一に、長さをビーム３の長さより短くしているが、これに限定されるものではなく、例えば、第２又は第３の実施形態で示すように、厚さをビーム３より厚くしたり、長さをビーム３より長くしたりしてもよい。
【００３７】
したがって、応力緩和用ビーム６をビーム３の延長部を含んでフレーム１と一体に形成することで、応力緩和用ビーム６の強度を上げることができるので、高精度な加速度センサを容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本願発明の第１の実施形態である加速度センサであって、（ａ）は平面図、（ｂ）はＸ−Ｘ断面図をそれぞれ示している。
【図２】同加速度センサの製造工程を示す工程図。
【図３】本願発明の第２の実施形態である加速度センサを示す側断面図。
【図４】同加速度センサの製造工程を示す工程図。
【図５】本願発明の第３の実施形態である加速度センサを示す側断面図。
【図６】本願発明の第４の実施形態である加速度センサであって、（ａ）は平面図、（ｂ）はＸ−Ｘ断面図をそれぞれ示している。
【図７】従来例である加速度センサを示す側断面図。
【符号の説明】
【００３９】
１  フレーム
２  錘部
３  ビーム
４  ピエゾ抵抗
５  電極
６  応力緩和用ビーム
【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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