JPH0425764A

JPH0425764A - 半導体加速度センサ

Info

Publication number: JPH0425764A
Application number: JP13092190A
Authority: JP
Inventors: Yuji Kondo; 祐司近藤
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1990-05-21
Filing date: 1990-05-21
Publication date: 1992-01-29

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〕本発明は半導体加速度センサに関し、特にＭＯＳトラン
ジスタを用いた半導体加速度センサに関する。

〔従来の技術〕

従来、かかる半導体加速度センサは加速度を検出する素
子にゲージ抵抗を用いるものが知られている。

第５図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ従来の一例を示す半導
体加速度センサの断面図およびそのＣ−Ｃ線断面図であ
る。

第５図（ａ）、（ｂ）に示すように、従来の半導体加速
度センサはシリコン基板２０と、このシリコン基板２０
の中にマイクロマシーニング加工により形成したカンチ
レバー２１と、カンチレバー２１とシリコン基板２０の
接合部に配置した複数のゲージ抵抗２４と、これらのゲ
ージ抵抗２４を通るように基板２０上に形成された配線
２３およびパッド２２とを有しており、カンチレバー２
１の周囲には渭２５が形成されている。尚、２６はシリ
コン基板２０を搭載するためのパッケージである。

かかる半導体加速度センサの動作についてみると、カン
チレバー２１がシリコン基板２０と一面でのみ接続され
ているので、加速度が加わるとこの一面を中心としてカ
ンチレバー２１が振動する。このカンチレバー２１の周
辺部にゲージ抵抗２４がホイーストンブリッジを構成す
るように４個形成しているが、このゲージ抵抗２４はシ
リコン基板２０に不純物を拡散して形成した拡散抵抗で
ある。また、各抵抗間はアルミニウム等の導電性物質の
配線２３で接続されているので、拡散抵抗であるゲージ
抵抗２４の抵抗値が加速度によって励起されたカンチレ
バー上の歪みにより変化すると、ホイートストンブリッ
ジのバランスが変化し、加速度に比例しな出力が得られ
る。

かかる半導体加速度センサは、シリコン基板２０にカン
チレバー２１を形成し、このカンチレバー２１の上部に
加速度検出素子としてゲージ抵抗２４を形成しているた
め、加速度に対する感度は、カンチレバーの厚さと重量
ＣＭ４造条件）およびゲージ抵抗値と駆動電流（電気条
件）の２条件により決定されている。

〔発明が解決しようとする課題〕上述した従来の半導体加速度センサを高感度化するには
それぞれの構造条件および電気条件を以下のようにする
手段が考えられる。

第一の構造条件についてみると、カンチレバーの根本の
部分の厚さを薄くするか、またはおもりの部分の体積を
大きくし、重量を増す構造が考えられる。しかしながら
、カンチレバーの厚さは、加速度に対する感度の直線性
や測定範囲により下限値が約１０μｍ程度に規定されて
おり、また、カンチレバーのおもり部の体積もチップサ
イズとウェハの厚さにより上限が決っている。

一方、第二の電気条件についてみると、センサ出力は駆
動電圧とゲージ抵抗の変化率の積になる。このゲージ抵
抗の変化率は抵抗の不純物濃度と位置により調節可能で
あるが、最大でもせいぜい約数％でしかない、また、駆
動電圧については、センサの仕様からその上限値が決定
されている。

従って、以上のことから従来の半導体加速度センサの高
感度化には、構造条件および電気条件いずれにも限度が
あり、大幅な高感度化を実現出来ないという欠点がある
。

本発明の目的は、かかる高感度化を実現し、その上低消
費電力化および測定精度の向上等を実現することのでき
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〕

本発明の半導体加速度センサは、シリコン基板をマイク
ロマシーニング加工した加速度検出基板と、ソース電極
及びドレイン電極を形成した半導体基板とを有して構成
される。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

第１ｅ！Ｉｆ（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の第一の
実施例を示す半導体加速度センサの平面図およびそのＡ
−Ａ線断面図である。

第１図（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施例はカンチ
レバー２を形成した加速度検出基板１と、ｐ型半導体基
板７とを有している。まず、カンチレバー２は加速度検
出基板１中にマイクロマシーニング加工により形成し、
次にこのカンチレバー２の上部にゲート電極３をアルミ
ニウム等の導電性物質により形成し、さらに外部から配
線６によりバイアス電圧を印加できるようにする。

方、Ｐ型半導体基板７に形成されるソース電極８とドレ
イン電極９は、Ｐ型の半導体基板７にりん等の不純物を
拡散して形成する。また、これらソース電極８とドレイ
ン電極９もアルミニウム等の導電性物質により形成され
た配線４，５により外部と接続する。尚、カンチレバー
２はその周囲に溝１０が形成される。

第２図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ第１図（ａ）。

（ｂ）に示す半導体加速度センサの加速度検出回路図お
よび動作特性図である。

まず、第２図（ａ）に示すように、Ｎ型ＭＯ６トランジ
スタ１２は、第１図（ａ＞に示すゲート電極３と、ソー
ス電極８およびドレイン９を有し、ゲートとソースおよ
びドレインの各電圧は、ＭＯＳトランジスタ１２が飽和
領域で動作するように、ゲート・ソース間電圧電源１４
と、ドレイン・ソース間電圧電源１５とを印加する。こ
のときのドレイン電流ＩＤを電流計１３で計測する。

次に、第２図（ｂ）に示すように、上述した半導体加速
度センサに第１図（ｂ）の下部、すなわちパッケージ１
１側から加速度が加わった状態で説明する。加速度によ
りゲート電極３とＰ型半導体基板７間の距離が縮まると
、等測的に第２図（ａ）に示すゲート・ソース間電圧電
源１４の電圧が増加したことになる。これにより、動作
点１６はゲート電圧ＶＧＳが増加する方向、すなわち右
側になってドレイン電流ＩＤが増加する。このドレイン
電流Ｉｏの増加は電流計１３により計測される。

一方、加速度が上方より加わった場合には、上述の説明
と反対に動作点１６を左方向へ推移し、ドレイン電流■
Ｄが減少する。

このように、本実施例の半導体加速度センサは加速度の
変化をＮ型ＭＯＳトランジスタのゲート電圧ＶＧＳの変
化に置き換え、ドレイン電流Ｉ。の変化として計測する
。

第３図（ａ＞、（ｂ）はそれぞれ本発明の第二の実施例
を示す半導体加速度センサの平面図およびそのＢ−Ｂ線
である。

第３図（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施例もカンチ
レバー２を加速度検出基板１にマイクロマシーニング技
術により形成し、このカンチレバー２の上部にゲート電
極３を形成する。形成方法は蒸着もしくはスパッタリン
グにより金属膜を付けるか、イオン注入もしくは熱拡散
により不純物を拡散して形成する。また、ソース電極８
およびドレイン電極９は、Ｎ型半導体基板１７にボロン
等を拡散して形成し、さらにこれらソース電極８および
ドレイン電極９を効能度のボロン拡散により形成された
配線４，５によりバッド１８と接続する。

本実施例は前述した第一の実施例に比較し、Ｐ型の半導
体基板の代りにＮ型の半導体基板１７を使用しているこ
と、および配線４にアルミニウム等の金属の代りに高濃
度拡散配線を使用していることの２点が構造的に異なっ
ており、その動作原理は同様である。

第４図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ第３図（ａン。

第４図（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施例における
動作は第２図（ａ）、（ｂ）における動作と比較し、異
なっている点はＮ型ＭＯＳトランジスタ１２をＰ型ＭＯ
Ｓ）ランジスタ１９にしたことにある。これは半導体基
板としてＮ型半導体基板１７を使用したことにより、そ
の使用方法も電圧および電流の向きが反対になる点を除
けば同様である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の半導体加速度センサは、
加速度検知素子にトランジスタを使用することにより、
加速度によるカンチレバーの微小な位置変化をゲート電
圧の変化として感知するので、高感度な加速度検知を実
現でき、しかも入力インピーダンスを極めて高く設定で
きるので、低消費電力化を実現できるとともに、出力イ
ンピーダンスは約数十Ωと低いので、測定精度を向上で
き且つ加速度が加わらなくても一定のドレイン電流が流
れているので、常に動作チエツクを行なうことができる
ので高信頼性が得られるという各種の効果がある６

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の第一の実施例
を示す半導体加速度センサの平面図およびそのＡ−Ａ線
断面図、第２図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ第１図（ａ）
、（ｂ）に示す半導体加速度センサの加速度検出回路図
および動作特性図、第３図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本
発明の第二の実施例を示す半導体加速度センサの平面図
およびそのＢ−Ｂ線断面図、第４図（ａ）、（ｂ）はそ
れぞれ第３図（ａ）、（ｂ）に示す半導体加速度センサ
の加速度検出回路図および動作特性図、第５図（ａ）、
（ｂ）はそれぞれ従来の一例を示す半導体加速度センサ
の断面図およびそのＣ−Ｃ線断面図である。１・・・加速度検出基板、２・・・カンチレバー　３・
・・ゲート電極、４〜６・・・配線、７・・・Ｐ型半導
体基板、８・・・ソース電極、９・・・ドレイン電極、
１０・・・溝、１１・・・パッケージ、１２・・・Ｎ型
ＭＯＳトランジスタ、１３・・・電流計、１４・・・ゲ
ートソース間電圧電源（第一の電源）、１５・・・ドレ
インソース間電圧電源（第二の電源）　１６・・・動作
点、１７・・・Ｎ型半導体基板、１８・・・パッド、１
９・・・Ｐ型ＭＯＳ）ランジスタ、ＩＤ・・・ドレイン
電流。

Claims

【特許請求の範囲】

１．シリコン基板をマイクロマシーニング加工した加速
度検出基板と、ソース電極及びドレイン電極を形成した
半導体基板とを有することを特徴とする半導体加速度セ
ンサ。
２．請求項１記載の半導体加速度センサにおいて、加速
度検出基板と半導体基板によりＭＯＳ型トランジスタを
構成することを特徴とする半導体加速度センサ。
３．請求項２記載のＭＯＳ型トランジスタは、測定対象
の加速度をゲート電位の変化に変換して検出することを
特徴とする半導体加速度センサ。