JP3234652B2 - 加速度センサおよびその製造方法 - Google Patents
加速度センサおよびその製造方法Info
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Description
等の手振れによる角度変化の検知に好適な加速度センサ
(角加速度センサも含む)およびその製造方法に関す
る。
は、圧電効果を用いた圧電型、金属抵抗体または半導体
を用いた歪ゲージ型などがある。またシリコンのマイク
ロメカニクス技術によりカンチレバーを作製し、先端に
重りを付加し、小型の加速度センサを作る試みもなされ
ている。例えば K. E. Petersen 等("Michromechanica
l Accelerometer Integrated with Mos Detection Circ
uity" IEEE Trans. Electron Devices ,vol.ED-29, p2
3, 1982)により、静電容量変化を用いて加速度を検知
する方式が提案されている。
斜視図である。この加速度センサは、シリコン基板10
1の上に電極104と弾性支持梁103をマイクロファ
ブリケーションにより形成したものである。弾性支持梁
103は酸化膜から成り、上面に金属電極105が形成
され、先端に設けた重り102により加速度に対する感
度を高めている。電極104と金属電極105の間の静
電容量変化を検出回路106で検出し加速度を検出す
る。また、金属電極105の配置形態として、重り10
2の上面にも金属電極を配置した構成のものも提案され
ている(Suzuki,"Semiconductor Capacitance-type Acc
elerometer with PWM Electrostatic Servo Techniqu
e",Sensors and Actuators,A21-A23(1990),pp316-31
9)。
サは、フォトリソグラフィ技術により量産性に優れた安
価なものとなる。一方、角加速度の検出は、例えばこの
様な並進の2個の加速度センサを一定距離だけ離して複
数個配置し、検知された加速度の差から求める等されて
いる。この場合、2個以上の加速度センサの重り102
の質量および弾性支持梁103のバネ定数等の機械的特
性は、ほぼ同一にすることが必要となる。
に基材として使用するシリコンウエハは、現行の機械研
磨や表面反応を利用する研磨では、ウエハ間で数μm程
度の厚み誤差が生じる。それ故に、加速度センサの重り
102の質量にばらつきが現れ、個々の加速度センサの
特性にばらつきが生じる。
速度センサでは、弾性支持梁はシリコン基板を水酸化カ
リウム水溶液等のアルカリエッチャントで結晶方位面の
エッチング速度差を利用する異方性エッチングを採用す
るが、弾性支持梁103の厚みはエッチャント濃度、加
熱温度等により決定されるため、厚み誤差精度を向上さ
せるには高精度にアルカリエッチャントを管理する必要
がある。
部の一例を示す斜視図である。この角加速度センサの主
要部は、枠状シリコン基体111と、重り112と、重
りの重心をほぼ通る回転軸上に重りの両側で回転を支持
する弾性支持梁113とを有する。この様な主要部に、
電極や検出回路などを組み込むことによって、角加速度
センサが得られる。図8は、図7に示した主要部の両面
を電極付ガラス板に挟み込んで構成する角加速度センサ
を例示する分解斜視図である。この図において、114
は角加速度の検出方向、115はガラス板、116はガ
ラス板上に形成された浅い溝、117は固定電極であ
る。角加速度を受けると弾性支持梁113がねじれ、重
り112が検出方向114に回転する。この時シリコン
基板と両電極との間で容量変化がおこり、この容量変化
を検出回路で検出し加速度が求められる。
は、重り112と弾性支持梁113を形成する際のアラ
イメント精度が回転軸中心のずれとして現れることとな
り、これにより左右の重り112のバランスが不均衡と
なり角加速度の検出精度が下がることとなる。この為、
角加速度センサでは、加速度センサ以上にアライメント
精度の向上が不可欠となる。
な従来技術における各課題を解決することを目的として
なされたものである。
角加速度を簡便に精度良く直接に検出できる加速度セン
サ(角加速度センサも含む)、およびこれを簡易に製造
できる方法を提供することにある。
本発明により達成できる。
体に支持する弾性支持梁とが一体のシリコン基材から形
成されてなる加速度センサであって、該重りに該重りの
質量を調整する為の溝または膜を設け、且つ、該基体の
溝または膜側の面に、貫通穴を有する部材を、該溝また
は膜と対応する位置に該貫通穴が位置するよう接合した
ことを特徴とする加速度センサ、または該弾性支持梁に
該弾性支持梁のバネ定数を調整する為の溝または膜を設
けたことを特徴とする加速度センサである。更にはこの
溝または膜を、その部材の貫通穴を通して気相エッチン
グまたは成膜して形成する工程を有する加速度センサの
製造方法である。
語は、特に言及しない限り単なる加速度センサのみなら
ず角加速度センサも含む意味で用いる。角加速度センサ
の構成とする場合は、例えば弾性支持梁を、重りの重心
をほぼ通る回転軸上にあって重りの両側で前記重りを回
転自在に支持する弾性支持梁とすればよい。
トにより、加速度または軸回りの角加速度に比例したト
ルクが重りに働き、支持梁の撓みまたは捻じれに対する
弾性力に抗して重りが変位または回転することにより加
速度を検出するものである。そして、本発明の加速度セ
ンサは、製造誤差やシリコン基材の誤差等が有っても、
重りの質量や弾性支持梁のバネ定数に関しその機械的特
性を溝または膜で調製したので、特性が均一で検出精度
の高いセンサとなっている。
により詳細に説明する。
を設けた加速度センサの実施例を例示する断面図であ
る。この加速度センサは、シリコン基材を異方性エッチ
ングすることにより、所望の形状の重り12と弾性支持
梁13を形成し、残部をシリコン基体11とし、その下
部に別途のシリコン板14を接着して成る。シリコン板
14は貫通穴15を有しており、重り12には貫通穴1
5に対応する位置に溝が形成されている。これが質量調
整用溝17である。この質量調製用溝17は、貫通穴1
5を通じて重り12の下面を一部エッチング除去するこ
とによって形成されたものである。さらに、シリコン板
14の下面にガラス板16を接着して貫通穴15をふさ
いでいる。
調整用溝17を形成する為のプロセスを例示する断面図
である。このプロセスの概略は(a)〜(c)に示す様
に、貫通穴15を通して重り12をエッチング除去する
ことにより質量調製用溝17を形成することから成る。
この様な貫通穴15を介したエッチング等のプロセスは
工程上簡易であり、本発明における溝や膜等を形成する
方法として好適である。以下、具体的に実施した事項を
各工程ごとに示す。
り12と、重りを基体に支持する弾性支持梁13とから
成る加速度センサの主要部をまず用意した。これは板状
シリコン基材に公知の異方性エッチングを施すことによ
り作製したものである。弾性支持梁13はn型拡散層か
ら成る。この弾性支持梁13上には、重り12にかかる
加速度を梁の撓みによって検出するためのひずみゲージ
となるp型拡散層がイオン注入法により形成されてい
る。更に、シリコン基体11の表面には、アンモニアと
ジクロルシランガスとの混合ガス雰囲気中で減圧CVD
法によりシリコン窒化膜が形成してある。
は、次の様にして行った。シリコン窒化膜に重りのパタ
ーンを形成したシリコン基材を80℃に加熱した水酸化
カリウム30%水溶液中に浸漬し、n型拡散層に電圧を
1.5V印加しながら電解エッチングを行い、n型拡散
層のみをpn接合によるエッチストップ技術(R. Huste
r, Sensors and Actuators, A21-A23 (1990) pp899-90
3)により残し、同時に重りを形成した。次に、シリコ
ン基材の他の面からエッチングガスにCF4 を用い、重
り12および梁13を残すようにフォトリソグラフィを
用いてレジストをパターニングして前記n型拡散層の一
部をエッチング除去した。最後に、熱リン酸によりシリ
コン窒化膜を除去し、所望の形状の重り12と弾性支持
梁13を得た。
13から成る部材の基体11の下面に、貫通穴15を有
するシリコン板(板状部材)14を、貫通穴15が重り
12の下部に配置するよう接合し、図2(a)に示す加
速度センサ(溝は未形成)を得た。この貫通穴15は、
シリコンの結晶異性エッチングにより、シリコン窒化膜
の貫通穴用のパターンを介して80℃に加熱した水酸化
カリウム30%水溶液中でエッチングすることにより形
成した。また、シリコン窒化膜は、熱リン酸により除去
した。更に、シリコン基体11とシリコン板14を接合
する方法としては、シリコン直接接合技術(M. Shimbo,
J. Appl. Phys., 60(8), 15, 1986, pp2987-2989 )に
より、1000℃の炉中で1時間加熱することにより行
った。
作製した加速度センサ(溝未形成)の貫通穴15を通じ
て、重り12を部分的にエッチング除去した。このエッ
チング除去は、重り12の質量を所望値に調製するため
に行ったものである。エッチングガスにはSF6 を用
い、シリコン板14をマスクに、反応性エッチングによ
り20分間エッチングした。エッチング時のガス圧力は
5Pa、投入電力は150Wで、その時のシリコンエッ
チング速度は4500Å/分であった。この様な条件に
よって、質量調製用溝17を形成し、重り12の重量を
調製した。なお、ここで図示した態様においては、質量
調整用溝17の深さは、基体11の厚みを予め測定する
ことにより決定したが、これ以外にも例えば基体11の
質量を予め測定する方法なども適用可能である。
溝17を形成した加速度センサについて、所望によりシ
リコン板14の下面にガラス板16を接合することによ
って貫通穴15を塞いだ。ここでガラス板16として
は、熱膨張係数がシリコンと近似するパイレックスガラ
スを用いた。ガラス板16をシリコン板14に接合する
方法としては、いわゆる陽極接合法を用いた。この陽極
接合は、約400℃の温度に熱してパイレックスガラス
(ガラス板16)側に負の電圧(300V)を印加し、
ガラスとシリコン界面に働く静電力により接合させるも
のである。
によって、図1に示した加速度センサが得られた。この
シリコン基体11はp型で505μm厚みであり、一方
の面にはイオン注入法により燐を5μm注入し拡散され
ており、弾性支持梁13はこのn型拡散層より構成され
ている。本実施例により得た加速度センサは、500μ
m厚みのシリコン基体から作製した溝17を有さない従
来の加速度センサと同一の感度を有するものであった。
すなわち、例えば基材の厚みに+5μm程度の誤差が有
っても、適正な500μm厚の基材から作製した加速度
センサと同様な機械的特性となるように溝17を形成し
て重り12の質量を調製し、均一かつ精密なものが得ら
れる。
ッチング法として反応性エッチングを採用したが、本発
明はこれに限定されるものではない。すなわち、プラズ
マエッチング(PE)、光励起プロセスを用いた気相エ
ッチングなど各種の方法が、貫通穴15を通じてエッチ
ングを行う方法として採用可能である。
しては、例えば反応性ガスとして塩素ガス中にシリコン
基体を配置し、Arレーザーにより反応性ガスを励起し
シリコンとの反応を行いエッチングする(D. J. Ehrlic
h, Applied Physics Letters, No.38, 1981, p1018)、
あるいはSF6 ガスとArF、KrF等のエキシマレー
ザーによりエッチングする(藤井、第18回固体素子国
際会議論文集、1986,p201)等の光励起プロセスを用い
ることによってなされる。使用する光源としては、反応
性ガスを励起するに十分なエネルギーを有するか、シリ
コン基体を加熱し反応性ガスと反応させるに十分なパワ
ーを有する光源であればよい。また気相エッチングで
は、シリコンと反応しうるBr、Cl、Fを有するCl
2 、Br2、CF4 、NF3 、SF6 、CF2Cl2等の
反応性ガス種が用いられる。
の溝を形成したが、所望により溝の代わりに膜を形成し
てもよい。
数調整用膜を設けた加速度センサの実施例を例示する断
面図である。この加速度センサは、シリコン基材を異方
性エッチングすることにより、所望の形状の重り22と
弾性支持梁23を形成し、残部をシリコン基体11と
し、その下部に別途のシリコン板24を接着して成る。
シリコン板24は貫通穴25を有しており、弾性支持梁
23には貫通穴25に対応する位置に膜が形成されてい
る。これがバネ定数調製用膜28である。この膜28
は、貫通穴25を通じて弾性支持梁23の下面に成膜工
程を施すことにより形成されたものである。さらに、シ
リコン基体21の下面にガラス板26を接着して貫通穴
25をふさいでいる。
定数調整用膜23を形成する為のプロセスを例示する断
面図である。このプロセスの概略は(a)〜(c)に示
す様に、貫通穴25を通してバネ定数調整用膜23の下
面に公知の成膜法によりバネ定数調整用膜23を成膜す
ることからなる。以下、具体的に実施した点を各工程ご
とに示す。
り22と、重りを基体に支持する弾性支持梁23とから
成る加速度センサの主要部をまず用意した。シリコン基
体21は、実施例1と同様にひずみゲージとなるp型拡
散層がイオン注入法により形成されており、更にシリコ
ン膣化膜を減圧CVDにて成膜してある。重り22およ
び弾性支持梁23は、電解エッチングする以外は実施例
1と同様の方法により作製した。ただし、弾性支持梁2
3の厚みは、異方性エッチングしたシリコンの厚みが約
5μmになるところでエッチングを終了することにより
作製した。
子顕微鏡により断面観察したところ4.5μmであっ
た。弾性支持梁の厚み制御は、エッチング時間、水酸化
カリウム水溶液濃度および水溶液温度に依存し、高精度
な厚み調整は困難となる。シリコン板24の貫通穴25
の形成およびシリコン基体21とシリコン板24との接
合方法は、実施例1と同様の方法を採用した。貫通穴2
5は、弾性支持梁23の下部に配置してある。
5を通じて、弾性支持梁23のバネ定数が所望値になる
迄、バネ定数調製用膜28を弾性支持梁23の下面に堆
積した。膜の堆積方法としては、SiO2 ターゲットを
用いスパッタ法により12mTorrのアルゴン雰囲気
中でSiO2 膜を堆積した。シリコン板24をマスクと
することで、弾性支持梁部23以外への膜堆積はない。
SiO2 膜の堆積速度は250Å/分であり、3000
Å堆積した。なお、ここで図示した態様においては、バ
ネ定数調整用膜28の厚みは、重り部22を有する弾性
支持梁23の固有振動数を測定して所望値のずれから求
めた。
膜28を形成した加速度センサについて、所望によりS
iO2膜が堆積したシリコン板24の下面にガラス板2
6を接合することによって貫通穴15を塞いだ。ここで
ガラス板26としては、熱膨張係数がシリコンと近似す
るパイレックスガラスを用いた。ガラス板26をシリコ
ン板24に接合する方法としては陽極接合法を用いた。
この陽極接合は、約400℃の温度に熱してパイレック
スガラス(ガラス板)26側に負の電圧(800V)を
印加することにより行った。
によって、図3に示した加速度センサが得られた。この
シリコン基体21はn型の500μm厚みである。本実
施例により得た加速度センサは、pn接合によるエッチ
ストップ技術を用いて形成したn型拡散層からなる弾性
支持梁を持つシリコン基板を用いて作製する加速度セン
サと同一の加速度に対する感度を有するものとなってい
た。すなわち、弾性支持梁形成の際に生じる梁23の厚
み誤差が存在していても、バネ定数調整用膜28を設け
ることでこれを調製し、均一かつ精密な加速度センサと
なる。
の調整のために膜形成を行ったが、所望により膜の代わ
りに溝を形成してもよい。
作製した。すなわち、長方形の平板状の重りが、枠状の
シリコン基体の内側に重りの2つの長辺のそれぞれの中
点で弾性支持梁を介して支持されている。重りと弾性支
持梁と枠状基体は、シリコン基材から異方性エッチング
により一体形成されており、弾性支持梁の厚みは、実施
例1と同様の電解エッチングを用いることにより膜厚制
御されている。用いたシリコン基材は500m厚みであ
る。
挟んだ構成を示す断面図である。本実施例においては、
枠状シリコン基体31の上下にガラス板36が接着して
ある。ガラス板36には、重り32と面合わせする部分
がわずかにエッチングしてあり、ガラス板36および重
り32の対向する面には電極39,39’が形成されて
いる。角加速度の検出方法としては対向する電極39の
間隔変化に対応する静電容量変化を検出することにより
検出する。また、下側のガラス板36には貫通穴35が
形成されており、貫通穴35を通じて重り32の片側の
下面の一部に質量調整用膜37が形成してある。弾性支
持梁33は、重りの対称となる位置から3μm、電極3
9側にずらして形成してある。以下、具体的に実施した
点を工程順に示す。
工、サンドブラスト、水酸化カリウム溶液中での電解放
電加工(S. Shoji, Technical Digest of the 9th Sens
or Symposium, 1990, pp27-30 )等の方法で形成でき
る。基体31と両ガラス板36の接着は陽極接合法によ
り行った。ガラス板36としてはシリコンと熱膨張係数
の近似したパイレックスガラスを用いた。この時の陽極
接合の温度は400℃であり、電圧は300Vとした。
この様にして形成した角加速度センサ(膜未形成)にお
いては上下の電極39の静電容量と電極39’との静電
容量に差が生じていた。これは、弾性支持梁の位置をず
らしたことにより重りの重心位置と梁による支持の位置
がずれた為に起きたものである。
の下面に、真空蒸着法の1つである電子ビーム蒸着法に
よりアルミニウム(A1)を5μm堆積し、これを質量
調整用膜37とした。なお、貫通穴35を有するガラス
板36をマスクとすることで重り32の片側以外への膜
堆積をなくした。これにより、上記静電容量の差は改善
され、重りの中点と弾性支持梁の配置をフォトリソグラ
フィでのアライメント精度範囲となる0.5μmに一致
させた際の静電容量差と同等の値となった。
質量調整用膜の厚みを調整することによりフォトリソグ
ラフィに伴うアライメント精度誤差の大小に係らず、高
精度に重りの質量を調整することが可能となる。
みに貫通穴35を設け、重りの片側に質量調整用膜を形
成したが、ガラス板に貫通穴を2個設けることで重りの
左右に個別に質量調整用膜を形成してもよい。
為の質量調整用膜37としてアルミニウムを電子ビーム
蒸着法で堆積したが、薄膜作製技術で薄膜形成できる材
料であれば半導体、セラミックス、アルミニウム以外の
他の金属を堆積することができる。主な薄膜作製方法と
しては、抵抗加熱、電子ビーム等を用いた真空蒸着法、
スパッタ法、減圧CVDやプラズマCVD等のCVD法
を用いても良い。ここで示した膜堆積方法は、弾性支持
梁のバネ定数調整用膜に用いてもよいことは言うまでも
無い。
膜を形成したが、その代わりに実施例1と同様にして溝
を形成してもよい。
更に所定の電極、検出回路など組み込んで、シリコンよ
りなる半導体(角)加速度センサとして非常に有用なも
のとなる。
加速度センサも含む)は、重りまたは弾性支持梁の一部
に溝または膜を形成したことにより、小型かつ簡素な構
成で機械的特性が均一で、加速度または角加速度を直接
に精度良く検出することができる。また、貫通穴を通し
たエッチングや成膜による製造法によれば簡易にこの加
速度センサを製造することができる。
断面図である。
断面図である。
る。
る。
視図である。
斜視図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 基体(11)と、重り(12)と、該重
りを該基体に支持する弾性支持梁(13)とが一体のシ
リコン基材から形成されてなる加速度センサであって、
該重り(12)に該重りの質量を調整する為の溝(1
7)または膜を設け、且つ、該基体(11,21)の溝
または膜側の面に、貫通穴(15,25)を有する部材
(14,24)を、該溝または膜と対応する位置に該貫
通穴が位置するよう接合したことを特徴とする加速度セ
ンサ。 - 【請求項2】 基体(21)と、重り(22)と、該重
りを該基体に支持する弾性支持梁(23)とが一体のシ
リコン基材から形成されてなる加速度センサであって、
該弾性支持梁(23)に該弾性支持梁のバネ定数を調整
する為の溝または膜(28)を設け、且つ、該基体(1
1,21)の溝または膜側の面に、貫通穴(15,2
5)を有する部材(14,24)を、該溝または膜と対
応する位置に該貫通穴が位置するよう接合したことを特
徴とする加速度センサ。 - 【請求項3】 請求項1又は2記載の加速度センサを製
造するための方法であって、部材の貫通穴(15,2
5)を通して該重りまたは該弾性支持梁を気相エッチン
グして溝を形成する工程を有する加速度センサの製造方
法。 - 【請求項4】 請求項1又は2記載の加速度センサを製
造するための方法であって、部材の貫通穴(15,2
5)を通して該重りまたは該弾性支持梁上に該膜を成膜
する工程を有する加速度センサの製造方法。
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