JPS62213280A - 半導体加速度センサ - 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】 ［発明の技術分野］ この発明は半導体片持ちばりを有し、ピエゾ（氏族効果
を利用して加速度を測定する半導体加速度センサに関す
る。

［充用の技術的背景とその問題点］ 従来の半導体加速度センサとしては例えば第５図に示す
ようなものがある。これは文献ｒＩＥＥＥ、　Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｎ　　Ｄｅｖｉｃｅｓ、　ＶｏｌＥＤ−２６，Ｎ
ｏ、１２．Ｐ１９１１．Ｄｅｃ、１９７９Ｊに詳しい説
明があるが、ここで第５図及び第６図に基づいてその概
略を説明する。

第５図は半導体加速度センサの平面図。第６図は第５図
のｖ−ｖ１ｇｉ面図である。第５図及び第６図において
、シリコン単結晶基板（以下「基板」と略記する）１上
に空隙３が形成されることによって、上下の圧力差によ
り敏感に凹凸変形するような凹陥部５と、基板１の一部
で形成されたおちり７とを有する片持ちばり９が基板１
に形成されている。この片持ちばり９の凹陥部５の表面
には、Ｐ型の不純物拡散によりピエゾ抵抗１１ａ、１１
ｂが形成され、さらに基板１上には、ピエゾ抵抗１１ａ
、１１ｂに隣接してＰ型の不純物拡散によりピエゾ抵抗
１１ｃ、１１ｄが形成されている。

また、それぞれのピエゾ抵抗１１ａ〜１１ｄには、引き
出しリード線となるＰ＋型の拡散領域１３が形成されて
おり、それぞれのピエゾ抵抗１１ａ〜ｌｉｄはこの拡散
領ｂ１．１３を介して外部と電気的に接続されている。

この片持ちばり９を有する半導体加速度センサは、基板
１の両面を中空のガラスパッケージで覆い、その内部に
適当なダンピングコントロール用の液体あるいは気体を
封入して用いられる。

このような半導体加速度センサを用いて加速度を測定す
るには次のようにして行なわれる。

このセンサが加速度Ｇを受けると片持ちばり９にたわが
発生する。これにより片持ちばり９の表面に形成された
ピエゾ抵抗１１ａ〜１１ｄが伸縮して、ピエゾ抵抗１１
ａ〜１１ｄの抵抗値がたわｍに応じて変化する。この抵
抗値の変化量を出力電圧あるいは出力電流として取り出
して加速度が測定される。

ところで、このような構成の半導体加速度センサにあっ
ては、基板１表面が露出した状態にあるので、ピエゾ抵
抗間においてリークＮ流が発生して、長期間にわたり安
定した測定を行なうことが困難となり信頼性の低下を沼
いていた。

そこで、これを改善するために、ブレーナ技術を用いて
基板１の表面にＳｉＯ２膜を形成して、リーク電流を防
止していた。しかしながら、このようにすることでリー
ク電流は防止される反面、シリコンの基板１とＳｉＣｈ
ｇｌとの熱膨張率の相違により、厚みの異なる領域に形
成されたピエゾ抵抗１１ａ、１１ｂと１１ｃ、１１ｄと
では、温度変化に対してたわみ量が異なることになる。

このため、ピエゾ抵抗１１ａ、１１ｂと１１ｃ、１１ｄ
の出力の温度ドリフトに差が生じて、正確な測定ができ
ないという同居があった。

［発明の目的］ この発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的と
するところは、温度特性を向上させて加速度を高精度に
測定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。

［発明の概要］ 上記目的を達成するために、一端が半導体基板で支持さ
れ他端に前記半導体基板で形成されたおもりを有する第
１の片持ちばつの表面に、保護膜で覆われ加速度による
たわみに応じて抵抗値が変化するピエゾ抵抗が形成され
、このピエゾ抵抗の抵抗値の変化に基づいて加速度を検
出する半導体加速度センサにおいて、この発明は、表面
に加速度に対して＠度の低いピエゾ抵抗が形成された第
２の片持ちばりを設け、該第２の片持ちばつで前記第１
の片持ちばりの湿度特性を補償したことを要旨とする。

［発明の実施例］ 以下、図面を用いてこの発明の一実施例を説明する。

第１図はこの発明の一実施例に係る半導体加速度センサ
の構造を示す図であり、同図位）は半導体加速度センサ
の平面図、同図■は同図Ｇ）の１−１断面図、同図（Ｃ
）は同口広）の１−−１′断面図である。同図において
、第５図及び第６図に示した従来の半導体加速度センサ
と同一の機能を果たすものには同一の番号を付している
。

この実施例において、基板１には加速度を検知するため
の加速度検知用片持ちばり１３と、この加速度検知用片
持ちばり１３の近傍に、温度変化に対して温度補償を行
なうための温度補償用片持ちばり１５とが形成されてい
る。

加速度検知用片持らばり１３は、その端部におちり７を
有し、基板１に形成されたＮ型のエピタキシャル層１７
中にあって凹陥部５の上部に位置する領域に、加速度に
対して感度が大きくＰ型に不純物拡散されたピエゾ抵抗
１９ａ、１９ｂが形成されている。温度補償用片持ちば
り１５は、エツチング処理により基板１が除去された領
域に形成され、この領域のＮ型のエピタキシャル層１７
中には、加速度に対する感度が小さくＰ型に不純物拡散
されたピエゾ抵抗１９ｃ、１９ｄが形成されている。加
速度検知用片持ちばり１３及び温度補償用片持ちばり１
５が形成された側の基板１の表面は、５ｔ（ｈ膜２１が
形成され絶縁されている。それぞれのピエゾ抵抗１９ａ
〜１９ｄは、ブリッジ回路を構成するように接続され、
その出力電圧を外部にとり出すための配線２３が、それ
ぞれのピエゾ抵抗１９ａ〜１９ｄに接続形成されており
、基板１の表面全体にはＰＳＧ　＜リンガラス）笠を用
いた保護膜２５が形成されている。

次に、この半導体加速度センサの製造工程を第２図（Ａ
）〜第２図（Ｇ）を用いて説明する。

■比抵抗５Ω・Ｃ１ｍ程度、厚さ４００μｍ程度で面方
位を（１００）とするＰ型の基板１上に、比抵抗１０Ω
・ＣＩ程度のＮ型のエピタキシャル層１７を例えば厚さ
が１０μ■程度となるように成長形成させる。なお、エ
ピタキシャル層１７の厚さは、センサの感度に応じて適
宜選択される（第２図（Ａ））。

■エピタキシャル１１７の表面に熱酸化により形成され
た５ｉＯｚの酸化１！２７をマスクとして、空隙３とな
る部分にＰ型の拡散領域を形成する（第２図（Ｂ））。

■さらに、後述するエレクトロケミカルエツチング用の
電極と全てのＮ型のエピタキシャル層１７を接続するた
めのＮ型の拡散領域２９を、上述したと同様な方法によ
り全てのＮ型のエピタキシャル層１７に形成する（第２
図（Ｃ））。

■同様にして、エピタキシャル層１７の表面の所定の？
ｒ４域に、例えばｌＸｌ０”ｃ剛゛３程度のＰ型の不純
物を選択的に拡散してピエゾ抵抗１９ａ〜１９ｄを形成
する。なおピエゾ抵抗１９ａ〜１９ｄの感歪特性は拡散
される不純物ｉ１度が低濃度になるほど感度が高くなる
が、不純物濃度のバラツキは、ピエゾ抵抗１９ａ〜１９
ｄの出力のバラツキの原因となるので、不純物濃度は拡
散処理のＩＩＪ１２Ｉｌ製を考慮して便宜選択される（
第２図（Ｄ））０次に、第２図（Ｂ）に示した工程で形
成されたＳｉＯ２の酸化膜２７を除去した後、新たにＳ
ｉ　Ｃ２の酸化膜２１を例えば厚さが１μ鴫程度に、基
板１の両表面に形成して、Ｎ”型の拡散領域２９及びピ
エゾ抵抗１９ａ〜１９ｄに配線２３を形成する（第２図
（Ｅ））。

■次に、表面に厚さが７０００人程度程度ＳＧ等を用い
た絶縁Ｉ！３１を形成して、Ｎ＋型の拡散領域２９に形
成された配線２３に、エレクトロケミカルエツチング用
の電極３１を形成する。また、基板１の裏面に形成され
、片持ちばつが形成される領域の５ｉ０２の酸化膜２１
を除去して、エレクトロケミカルエツチング用の開口部
を形成する。

そして、ＫＯ日水溶液あるいはエチレンジアミン、ビテ
カルフール、水の混合液等のエツチング処理に異方性を
有するアルカリエツチング液中で、エレクトロケミカル
エツチング用の電極３３を陽極、Ｐｔ等の金属を陽極と
して、エレクトロケミカルエツチング処理を行ない、開
口部からＰ型の基板１をＮ型のエピタキシャル層１７と
のＰＮ接合面まで除去するとともに、空隙３となるＰ型
の領域を除去する。このエレクトロケミカルエツチング
処理を用いることにより、電圧が印加されていないＰ型
の基板１は化学的にエツチング処理されるが、陽極酸化
作用によりエツチング処理はＰＮ接合面で停止する。こ
のため、片持ちばつの厚さを正確に制御することが可能
となり、極めて高精度の片持ちばりを形成することがで
きる（第２図（Ｆ））。

■最後に空隙３の上部の酸化膜２１及び絶縁膜３１を除
去した後にエッチラング用の電極３３を除去し、再びＰ
ＳＧ等を用いた保１１９２５を形成して、外部配線用バ
ット（図示Ｕず）を形成して、上述した半導体加速度セ
ンサが完成する（第２図（Ｇ））。

このように半導体加速度センサは、通常の半導体製造プ
ロセスと類似した製造方法を用いて形成されるために、
均一性にすぐれ品質のそろったものを製造することがで
きる。

第３図は加速度検知用片持ちばり１３に形成されたピエ
ゾ抵抗１９ａ、１９ｂと、温度補償用片持ちばり１５に
形成されたピエゾ抵抗１９Ｃ，１９ｄをブリッジ接続し
て、ピエゾ抵抗１９ａとピエゾ抵抗１９０との接続点と
、ピエゾ抵抗１９ｂとピエゾ抵抗１９ｄとの接続点との
間の電位差を出力電圧ｖＯとして得るブリッジ回路の構
成図である。

加速度Ｇが加速度検知用片持ちばり１３及び湯度補償用
片持ちばり１５のそれぞれの重心に加わると、加速度検
知用片持らばり１３はおもり７を有しているので、大き
くたわむことになるが、温度補償用片持ちばり１５のた
わみは極めて小さなものとなる。このため、ピエゾ抵抗
１９ａ、１９ｂの抵抗値の変化が大きくなり出力電圧Ｖ
ｏが発生することになる。したがって、片持ちばりのた
わみ儂は加速度Ｇに比例するので、加速度Ｇに比例した
出力電圧Ｖｏが得られ加速度が検出されることになる。

以上説明したような半導体加速度センサにあっては、そ
れぞれの片持らぼりは第４図に示すように異なった熱膨
張率を有するＳｉと５ｉ（ｈとから形成されているため
に、一種のバイメタルと考えられ温度変化によりその温
度変化量に応じたたわみを発生する。このたわみの曲率
ｒは次式により表わされる。

ここで、べ１は３ｉの熱膨張率（４２，４Ｘ１０づ７℃
） べ２は５ｉ０２の熱膨張率（”ｐｏ、４Ｘ１０−６／’
Ｃ） ＥｌはＳｉのヤング率（＝Ｆ１．９Ｘ１０１２　ｄｙｎ
／ｃｏ＋２） Ｅｌは５ｉ０２のＶレグ率（−〇、７Ｘ１０１２６Ｖｎ
　　／ｃｍ２　　） ｄ、はＳｉの厚さ　ｄ２はＳｉｇｈの厚さ６丁はたわみ
量が零（γ−ｏｏ）となる温度と測定温度との温度差 である。上式から明らかなように、湿度変化による片持
らばつのたわみ量は、構造的な要因において厚さ方向の
寸法で決定され、片持ちばりの長さ、幅に影響されない
ことがわかる。したがって、加速度検知用片持ちばり１
３と温度補償用片持ちばり１５とを同じ厚みとなるよう
に形成したので、加速度検知用片持ちばり１３に形成さ
れたピエゾ抵抗１９ａ、１９ｂと、温度補償用片持ちば
り１５に形成されたピエゾ抵抗１９ｃ、１９ｄ、！は、
温度変化に対して同一のたわみを受けることになる。こ
のため、それぞれのピエゾ抵抗１９ａ、１９ｄの抵抗変
化も同じとなり、ブリッジ回路の出力電圧Ｖｏは温度に
よって変化することはなく、温度変化の影響を受けるこ
となく加速度を正確に測定することができる。

なお、ブリッジ回路の出力電圧Ｖｏを加速度に対して精
度良く得るためには、温度補償用片持ちばり１５に形成
されたピエゾ抵抗１９８〜１９ｄは、加速度に対して感
度が低いほうがよいので、ピエゾ抵抗１９ａ〜１９ｄの
幅を広く長さを短く形成することが好ましい。さらに、
同様な理由から温度補償用片持ちばり１５の端部に余分
な質１を残存させないことが好ましい。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明によれば、加速度検知用
のピエゾ抵抗が形成された片持ちばっと同じ厚みを有す
る片持らばりの表面に、加速度に対して感度の低いピエ
ゾ抵抗を形成してその表面を保護膜で多い、このピエゾ
抵抗と加速度検知用のピエゾ抵抗とが温度に対して同一
のたわみを受けるようにしたので、温度依存性を低減し
て広い温度範囲にわたって高精度で安定な測定を行なう
ことが可能な半導体加速度センサを提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１回毎）はこの発明の一実施例に係る半導体加速度セ
ンサの平面図、第１図■は第１図（２）のＩ−■断面図
、第１図（０は第１図Ｇ）の１”−Ｉ−断面図、第２図
（Ａ）〜（Ｇ）は第１図の製造工程を示す図、第３図は
ピエゾ抵抗のブリッジ回路図、第４図は片持ちばつのた
わみを示す断面図、第５図は半導体加速度センサの一従
来例を示す平面図、第６図は第５図の断面図である。 （図の主要な部分を表わす符号の説明）１・・・基板 １３・・・加速度検知用片持ちぼり １５・・・温度補償用片持ちぼり １９ａ〜１９ｄ・・・ピエゾ抵抗 ２３・・・保護膜 第１　囚　（ａｔ 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 一端が半導体基板で支持され他端に前記半導体基板で形
   成されたおもりを有する第１の片持ちばりの表面に、保
   護膜で覆われ加速度によるたわみに応じて抵抗値が変化
   するピエゾ抵抗が形成され、このピエゾ抵抗の抵抗値の
   変化に基づいて加速度を検出する半導体加速度センサに
   おいて、表面に加速度に対して感度の低いピエゾ抵抗が
   形成された第２の片持ちばりを設け、該第２の片持ちば
   りで前記第１の片持ちばりの温度特性を補償したことを
   特徴とする半導体加速度センサ。