JPH0295264A - 半導体センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は半導体センサに関する。

（従来の技術） 従来より半導体加速度センサは、作製されており、例え
ばアイトリプルイートランザクションズオンエレクトロ
ンデバイセス（ＩＥＥＥＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ　Ｏ
Ｎ　ＥＬＥＣＴＲＯＮ　ＤＥＶＩＣＥＳ）ＶＯＬ、　Ｅ
Ｄ−２６，Ｐ１９１１．１９７９　＆、：紹介されテイ
ル様なものがある。

第２図は、従来の半導体加速度センサの一つである。上
記半導体加速度センサの構造を示す。（ａ）は平面図で
あり、（ｂ）はその断面図である。

通常、加速度を検出するためには、被加速度検出物に固
定し、加速度を検出するための基準点と、外部からの振
動に追髄して振動する、梁、及びおもりを必要とする。

従来の加速度センサにおいては、加速度を検出するため
の１．おもり１を加速度センサのチップ外周部ではなく
、その中心部分に形成し、１つの梁２で支える構造とな
っている。

加速度を検出するための梁２は、先ず、基板裏面より異
方性エツチングを行ない、適当な方法で途中でエツチン
グを停止して、シリコンの薄膜を作製し、表面より再度
異方性エツチングを行なって、必要形状に形成される。

加速度を効率良く検出するために、梁２の先端部分に設
けられるおもり１は、梁を作製した際に、残った半導体
基板を直接用いるか、もしくはその表面に金属を厚く盛
る事によって形成される。半導体基板より、直接おもり
を作製する場合には、基板に＜　１００　＞面配向のシ
リコンを用い、異方性エツチングを適用して、■溝をお
もりとなる部分の周囲に基板を貫通するまで掘り、固定
部分から片持ち梁の部分を除いて、分離し作製される。

更に金属を盛る場合には、金属を付ける場所を指定する
ためと、シリコンは電気伝導性、密着性に乏しく、電気
鍍金に必要とされる電流を効率良く流し、密着層を設け
るために、銀もしくはニッケルを予め蒸着し、その後に
、電気鍍金法などにより、金などの重量密度の大きな金
属を厚く付ける事が行なわれている。そしてその外周部
に、半導体回路を含む加速度検出のための、固定部３を
設けた構造により成っている。そして、おもりの振動に
よって生じた、梁の支持部分に生じる応力をゲージ抵抗
体５によって電気信号に変換している。通常支持部分に
形成されたゲージ抵抗体は、梁のある場所とは他の場所
に作られた、同様の抵抗値を持つ抵抗体と接続され、抵
抗体ブリッジを形成している。抵抗体ブリッジは次の様
に入力された加速度信号を電圧の形に変換する。加速度
センサに加速度が加わると、加えられた加速度の大きさ
に従って、梁がたわみ支持部分に応力が生じる。その応
力は、半導体ゲージ抵抗体のバンド構造に変化をもたら
し、いわゆるピエゾ抵抗効果によって、ゲージ抵抗体の
抵抗値が広い範囲の応力値に対して比例して変化する。

この効果は、基板に単結晶を用いた場合には、異方性を
持ち、結晶の面方位の違いによって加えられた力によっ
て、もたらされる抵抗値変化の符号が異なる性質がある
。ブリッジ回路では、第６図に示したように、初期値の
等しいピエゾ抵抗体を４つの環状につなぎ、４つの端子
の内、１つのび同志を、２組に分け、各々を入力、出力
端子とする。■＋、■−と示された入力端子に一定の電
圧をかけておくと、出力端子にはＲ１卆Ｒ２−Ｒ３−Ｒ
４に比例する出力電圧が現れるため、抵抗体の内いずれ
が１つが・、加速度に比例した抵抗値の変化を起こせば
、加速度に比例した電気信号を取り出すことが出来る。

よって、加えられた加速度によって、相隣あう抵抗体の
抵抗値が初期値から異なれば異なるほど、大きな電圧変
化を持つ電気信号に変換される。従来で片持ち梁が、固
定部分に対して固定される側の支持部分のみに加速度検
出のためのゲージ抵抗体が設けられており１、同じ位相
を持つ、応力のみを加速度の検出に用いており、ブリッ
ジを構成する４つの抵抗体の内、Ｒ１のみ多くてＲ１、
Ｒ２の２つの抵抗体だけを加速度入力に対して可変とし
た構造をとっている。

この加速度センサは、上下方向の加速度を検出するため
、振動子１．２は基板面に対して上下に変位し、振動子
の運動可能な空間を与えるためと、大きな加速度が加え
られた際に、振動子の破壊を防止するためガラスの台座
８、およびガラスカバー７が設けられている。

（発明が解決しようとする課題） 従来の加速度センサ構造においては、上記の様に、大き
な重量をもったおもりを作製することが非常に困難であ
り、軽いおもりを採用していたために、梁に生じる応力
の殆ど梁が、固定部分に対して支持されている部分のみ
に、生じていた。そのため、外部からの加速度信号を有
効に応力変化に変換可能なのは、片持ち梁の支持部分だ
けであり、加速度検出用のゲージ抵抗をその支持部分に
しか形成しなかった。そのため４つの抵抗体を全て可変
としたフルブリッジ構成を採用することが出来ず、感度
が劣るという問題があった。またこの構成のまま感度を
増加しようとすれば、応力を電圧に変換できる効率は同
じなので、同じ加速度入力に対する出力電圧を、上昇さ
せるためには梁を薄くするか、おもりを重くするかして
加速度を大きな応力に変換するしかなく、両者とも、採
用した場合には、梁の支持部分に生じる応力の大きさを
増加させるように作用し、衝撃に対する破壊強度の低下
を招くため信頼性が低下する。よって高信頼性を要求さ
れる用途には使用が不可能であった。また従来の加速度
センサにおいても、複数の梁をもたせ、１つ乃至は、２
つの抵抗体を可変としたブリッジをいくつも作製する、
もしくはピエゾ抵抗効果の異方性を用いて４つの梁に第
７図で示したように抵抗体を配置することによって全て
の抵抗体を可変とした構成にし、感度を上昇させること
が原理的には可能であるが、従来の構造のまま梁を複数
作製すると、共振周波数が上昇それに伴って、定加速度
人力に対する梁の振動振幅が減少し、結果的にゲージ抵
抗体数の増加によって見込まれる感度の上昇分と、梁を
多く設けたことによって生じる、振幅の減少分が打ち消
しあい、出力感度の上昇は期待できないという問題があ
った。更に、導電性の異なるピエゾ抵抗体は同じ応力変
化に対して逆の抵抗値変化を示すため、それらを組み合
せることによって、全ての抵抗体を可変にした構成も可
能であるが、両者の間で温度に対する特性が異なるため
に、温度特性が劣化するなどの問題があった。また、異
なった不純物を打ち込まなくてはいけないため、製造プ
ロセスが複雑になると言う欠点があった。更にシリコン
基板は高温での熱処理プロセスを経て作製され、その上
に載せられる回路も同様の高温プロセスを経て形成され
るために、基板内に大きな熱応力を内蔵している。その
ため、梁の様に膜厚の薄いものを作製すると、内部応力
がそこに集中し、梁部分に形成された抵抗体は、外部か
ら加速度信号を加えない場合においても、無応力の場合
の抵抗値から大きく変化している。そのため、直線性、
オフセットなどの点で特性が劣ってしまうという問題が
あった。

以上半導体加速度センサについてだけ述べた。

しかし半導体力センサ、圧力センサ等の力学量センサも
同様の課題がある。また検出したい物理量（例えば温度
、光など）をおもりや梁に加わる力学量に変換して検出
する半導体センサが考えられるがこれも同様な課題があ
る。

本発明の目的は発明の構造がおもりを有効に作製可能で
あることを利用し、物理量検出のために使用される梁を
固定中心に対して対称に複数設置することによる指向性
向上効果、高い周波数で起こる不要な振動モードの抑圧
効果、更には、梁の相対する支持部分にゲージ抵抗体を
設け、抵抗体ブリッジを構成するゲージ抵抗体をすべて
可変とした構成によって生じる実質的な感度上昇を実現
可能にして、上記問題点を解決し、感度、直線性、オフ
セットなどの緒特性を改善できるセンサ構造を提供する
ことにある。

（課題を解決するための手段） センサ中心部分に、計測の基準点となる固定部を有し前
記中心部分の周囲におもりを有し、かつ両者を結び付け
る梁または膜を持つ半導体センサであって前記固定部よ
り１つもしくは、対称に複数の梁を有し、かつ、前記膜
または少なくとも１つの梁のおもりの付け根の付近およ
び前記膜または梁を支える支持部分付近に、各々少なく
とも１つの半導体ゲージを有することを特徴とする、半
導体センサ。

（作用） 本発明の半導体センサにおいては、従来のセンサ構造と
は全く逆に、力学量センサの測定のための固定部を、セ
ンサ中心部分の重心位置に設定している。このことによ
り固定部が非常に小さいにもかかわらず、非常に安定し
た構造を持ち固定部の周囲にある梁部分以外の半導体部
分は、すべておもりとして活用可能であり、検出感度を
上昇させるために必要な、おもりの重量の増加が無理無
く行なえる。通常センサが、共振周波数成分を含んだ振
動に出会うと、そのモードに応じた振動を行なうが、ね
じれ振動が起こると、梁が破壊され易い。本発明では梁
を固定中心に対して対称になる様に設けたため、高い周
波数で見られる不要なねじれ振動モードを抑圧すること
が可能である。

また、ねじれ振動が起こった場合にも、形状が対称でな
いと特定の方向に大きな振動が継続し、特定の梁に集中
的な応力が生じるが、構造に対称性が存在すると、特定
の梁に応力の集中が継続することを回避できるため、耐
久性の向上が図れる。

更に従来の構造においては重量の重いおもりを作製する
ことが困難であり、小さな重量のおもりを用いていたた
めに、検出すべき物理量に対応してそれを応力に変換で
きるのは、梁が固定部に固定されている支持部分のみで
あった。しかし、上記の様に重量の重いおもりの作製が
可能になると、梁の支持部分のみならず、おもりが梁と
結ばれている場所にも、梁の支持部分に生じる応力と同
様の大きさでしかも、逆位相の応力が引き起こされる。

そこで従来の片持ち梁の構造では不可能であった、抵抗
体ブリッジを構成するゲージ抵抗を全て可変にした構造
を採用することが可能になる。よって１つの梁を用いた
場合で従来の２倍もしくは４倍の感度が得られる。更に
、梁の本数を複数にしていくと、梁の本数倍の出力感度
を上昇させることが可能である。従来のセンサ構造にお
いて同様な事を行なうと、課題の項で述べたように、出
力感度を有効に上昇させることが不可能である。その理
由は従来の構造においては小さな空間内に物理量を十分
に検出できるだけの重量を備えたおもりを作製すること
が困難であるためである。本発明の場合には、おもりを
外側に作製しているため、梁を増やしたことによる振幅
の低下に見合うだけの、力を生じさせるおもりを、容易
に積載することが可能であり、梁の本数に比例して感度
を上昇させることが可能である。更に、抵抗体ブリッジ
を構成するゲージ抵抗を全て梁の上に作製しているため
、全てのゲージ抵抗体は半導体が高温での製造プロセス
によって、内蔵してきた内部応力を均一に受ける。その
ため可変以外の抵抗体を梁以外の部分に形成した場合に
比べて、オフセット電圧は小さくなり、温度変化に対す
る内部応力によるドリフトも小さな値とすることが可能
である。通常基板に生じている内部応力の分布は一定で
はなく、各チップごとに異なった値をとるため、半導体
センサを作製した後に、トリミングによってオフセット
電圧を調節することは非常に大変であり、コストもかか
るが、本発明の場合にはその必要は無い。

（実施例） 第１図に本発明の第１の実施例である加速度センサの斜
視図を示した。１は加速度を検出するためのおもり、２
は固定部とおもりを結び付ける梁、３は固定部、４はア
ルミパッド、５は加速度を電気信号に変換するためのゲ
ージ抵抗（歪みゲージ）である。

本実施例の加速度センサは、固定部３がらおもりｌに向
かって、１つの梁２が形成され、梁には、おもりの付け
根付近、および梁２の支持部分に加速度を検出するため
の、ゲージ抵抗５が形成されている。

この様にゲージ抵抗を配置すると、梁の固定部分とおも
りと梁との付け根には、同一の振動に対して位相が１８
０度異むつた応力が生じるため、１つの梁において、抵
抗体ブリッジを構成する、全ての抵抗体が加速度入力に
対して可変となる様な、抵抗体フルブリッジを構成する
ことが可能である。

シリコンの破壊強度はどこの場所でも同じと考えると、
各々の抵抗体に同じ応力が生じるように設計した場合が
一番耐久性の高い構造となる。そこで、実際に作製され
た梁に生じる応力が固定部とおもり部分で異なる場合に
は、応力値の小さい方の梁の幅を対称に減らして、両者
を同じ応力値にすることが望ましい。このセンサは第５
図に示した製造工程を用いて作製される。第５図は第１
図のＸ−Ｘ′に沿っての断面を表しているただし歪みゲ
ージを一つ省略しである。基板には基板には＜　１００
　＞配向のＰ型車結晶シリコン９を用いる。表面には梁
の厚さを決定するために、Ｎ型のエビ層１０を設ける。

最初に通常の半導体製造プロセスを用いてゲージ部分を
作製する。基板両面に酸化シリコン膜１１を形成する。

次に表面の酸化膜をエツチングにより一部分を除き、イ
オン打ち込みによってゲージ抵抗を作製するための窓と
する。その窓に対してホウ素を打ち込んで、Ｎ型エビ層
中にＰ型不純物打ち込み層１２、つまり、第１図で言う
ところの、加速度検出のためのＰ型歪みゲージ抵抗体５
を得る（ａ図）。次に、上記Ｐ型紙抗体の両脇にＰ十拡
散１３を行ない、電気信号を取り出すためのオーミック
コンタクトの形成を行なう（ｂ図）。その上にＣＶＤに
より酸化シリコンを堆積させ、上記コンタクト部分の酸
化シリコンを開口した後アルミの蒸着を行ない、エツチ
ングを施して、配線１４およびパッド４の形成を行なう
（０図）。その後に、半導体基板裏面の酸化膜の一部分
を取り除いて、これをマスクとしてＫＯＨ、ヒドラジン
などの溶液を用いて異方性エッチングする。エツチング
はＮ型エピ層に予め適当な電圧を加え続けておくことに
より、自動的にエビ層と基板の界面付近で停止するため
中心固定部分および周辺のおもり部分以外の梁と成る部
分がダイアフラム状に形成される（ｄ図）。さらに上記
手法により作製されたダイアフラムを、梁状に成形する
ために基板上面より、再度エツチングを施し加速度セン
サを得る（ｅ図）。第１図（ａ）に第１の実施例を示す
。

（ａ）は本発明の半導体加速度センサの上面斜視図であ
り、（ｂ）はその側面斜視図である。１はおもり部分で
あり上下方向の加速度が加えられると、その大きさに比
例して、上下運動をする。２はおもりと基準点を結び付
ける梁である。梁の支持部分に作製された、５で示され
るピエゾ抵抗の変化より、加速度を電気信号に変換する
。６はパッケージの一部分を表しており、加速度センサ
の固定点３と接続されている。パッケージに、任意の台
座６を予め設けることにより、おもりｌが振動できる空
間を与えることが可能である。台座の長さは任意である
。半導体加速度センサ固定中心の高さを基板厚さとし、
シリコンのおもり部分を削って空間を設けても良い。更
に、無加速度状態での、おもりと台座との間隙を、適当
に設定することにより、梁に大きな加速度が加えられた
ときに、振動子が破壊することを防止するための、スト
ッパの役割を台座に、兼ねさせることが可能である。

第１図では抵抗体を縦に並べた例についてのみ示しであ
るが、第８図（ａ）〜（Ｃ）に示したように抵抗体を配
列しても同様な効果がある。ａは第４の実施例であり、
抵抗体を全て梁に対して縦に並べたもの、ｂは第５の実
施例で抵抗体を並列に横に並べたもの、Ｃは第６の実施
例であり抵抗体を縦と横に組み合わして配列した例であ
る。どの例でも同様に感度向上を期待することが可能で
ある。

次に梁に関する別の実施例である第２の実施例を第３図
に示した。この様に梁５を２つ設けると、ねじり運動に
対しての抵抗力が、高まり加速度センサの耐久性は向上
する。この場合２つの梁にピエゾ抵抗体を作製すること
が可能であるため、同じ耐久性のままで、感度を２倍上
昇させることが出来る。

第３の実施例である第４図の様に、梁を４つにして、梁
にすべて同じ様にゲージを形成し、加算器で足し合わせ
れば、少なくとも従来の８倍の感度を得ることが可能で
ある。このことは、同じ感度を持たせた場合には、１つ
の梁の支持部分に加えられる応力の値を、従来構造の８
分の１に小さく出来ることを意味しており、梁の破壊お
よび劣化を防ぐのに、非常に有効である。上記複数の梁
を持つ実施例においては、縦方向に抵抗を配列したもの
しか示されていないが、第１図、第８図で示した種々の
配列の組み合せてもよい。

さらに、梁が対称に設置されているために、基板面に垂
直な方向の、加速度には応答するが、それ以外の加速度
には非常に応答特性が低いため、１軸方向の指向性に優
れた、加速度センサを得ることが出来る。

またこのセンサは、上記の様な加速度センサとしてだけ
でなく、おもり部分に直接荷重を加えることによって、
力センサとしてもそのまま機能する。よって、これを用
いることにより非常に微小な秤を作製することが可能と
なる。直接荷重を加えるには例えば微小な棒をおもり部
分に接触させればよい。また前述の実施例の場合より梁
を厚くすればその分だけ大きな力を測定できるようにな
る。例えば前記実施例ではｍｇオーダの力しか測れない
としても梁を厚くしていけばｇ、ｋｇオーダーの力を測
ることができる。

また本発明の半導体センサは加速度、力センサ以外に圧
力も検出できる。つまり梁を形成せずダイアフラムにす
ればよい。第５図に示した製造工程でｄ図の工程で止め
れば圧力センサとなる。

さらに本発明のセンサは、何らかの方法で力学量に変換
できれば加速度、力、圧力という力学量以外の物理量も
検出することができる。例えば温度を検出したいときは
梁の上に梁を構成する半導体と熱膨張率の異なる材料（
金属、絶縁物など何でもよい）の膜を形成しておくと、
梁がバイメタルの役割を果たしゲージ抵抗に応力が発生
するのでこれを測定すればよい。また力センサとして使
う場合微小な棒を使うことを述べたが、温度等の力学量
以外の物理量を棒の動きに変換できれば検出が可能であ
る。

また強い光が照射されたときに生じる温度変化を前述の
“バイメタル″構造の梁で検出すれば温度を介して光の
強度等を測定できる。すなわち検出したい物理量をいっ
たん別の物理量に変換しそれをさらに力学量に変換して
検出してもよい。

（発明の効果） 以上説明した用に、本発明では従来のセンサとは全く逆
に、物理量検出のための基準点を、センサの中心部分に
設定しているため、容易に大きな重量を持つおもりを積
載可能である。固定部分が、重心位置にあるので従来に
比較して小さいにもかかわらず、センサの構造は非常に
安定してものとなっている。上記の様に大きな重量のお
もりを積載可能であり、検出すべき物理量に対応する応
力は、固定部分に対する梁の支持部分だけでなく、おも
りと梁の付け根部分にも有効に生じるため、本発明にお
いては物理量を検出するためのゲージ抵抗を、従来の様
に固定部分に対する支持部分のみ成らず、おもりと梁の
付け根付近にも配置し、検出する物理量に対して全ての
抵抗体を可変としたことにより、検出感度を向上出来る
。更に４つの抵抗体が可変であると、ピエゾ抵抗素子が
持っている非線型性を打ち消し、直線性の向上を図るこ
とが出来る。更には梁を複数持つ構造を採用しているた
め、梁の振動の自由度を制限し、指向性を高めることが
出来る。また、１つの梁に加えられる定常的な応力の値
を減らしたままで、同じ感度が得られるため、耐衝撃性
の高いセンサを容易に得ることが可能である。

更に、対称性の良い形にすることによって、非定常的に
高い周波数領域で起こる、梁の破壊に寄与するような、
不要な振動モードを抑圧し耐久性を向上する事が可能で
ある。梁部分とおもりの部分ではシリコンの厚さが異な
るため急激な温度変化が生じた場合には、両者の間で温
度差が生じその温度差が、加速度を検出するためのゲー
ジ抵抗体の抵抗値変化に結び付き、問題になるが、梁の
上に全ての抵抗体を配置した場合には、その影響が無視
できる。よって温度に対するドリフトは小さく出来ると
いう効果がある。さらに、抵抗体を梁の上にすべて配置
したため、全ての抵抗体は同じ内部応力を受け、半導体
センサ作製中に生じる半導体基板の内部応力発生に起因
する、出力電圧のオフセットを小さく出来る効果がある
。実施例においては、梁の全てに抵抗体を設けたが、複
数梁のある場合にはその内のいずれがのみに抵抗体を設
けることも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａＸｂ）は本発明による第１実施例の加速度セ
ンサの斜視図、第２図（ａＸｂ）は従来の加速度センサ
の斜視図、第３図は本発明による第２実施例の加速度セ
ンサの斜視図、第４図は本発明による第３実施例の加速
度センサの斜視図、第５図（ａ）〜（ｅ）は本発明の半
導体加速度センサの製造工程図、第６図は抵抗体ブリッ
ジの構成図、第７図は従来の加速度センサの上面図、第
８図（ａ）〜（ｅ）は本発明による第４、第５第６の実
施例の加速度センサの斜視図。 １・・・おもり、２・・・梁、３・・・固定部、４・・
・アルミパッド、５・・・ゲージ抵抗、６．００台座、
７・・・ガラスカバー、８・・・ガラス台座、９・・・
Ｐ型シリコン半導体基板、１０・・・Ｎ型エピ層、１１
０．・酸化シリコン膜、１２・・・イオン注入層、１３
・・・Ｐ十拡散層、１４・・・アルミ配線。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　センサ中心部分に、計測の基準点となる固定部を有し
   前記中心部分の周囲におもりを有し、かつ両者を結び付
   ける梁または膜を持つ半導体センサであって、前記固定
   部より１つもしくは、対称に複数の梁を有し、かつ、前
   記膜または少なくとも１つの梁のおもりの付け根付近お
   よび前記膜または梁を支える支持部分付近に、各々、す
   くなくとも１つの半導体ゲージを有することを特徴とす
   る半導体センサ。