JPH04130277A

JPH04130277A - 半導体加速度センサ

Info

Publication number: JPH04130277A
Application number: JP2250364A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Kaneko; 金子　洋之
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1990-09-21
Filing date: 1990-09-21
Publication date: 1992-05-01

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】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、半導体加速度センサに係り、特に半導体基板
上に形成した容量式の半導体加速度センサに関する。

（従来の技術）近年、半導体基板上に形成された半導体領域のピエゾ抵
抗効果による抵抗変化や変位による微小な容量変化を検
出することにより、加速度等を検出するようにした超小
形の半導体歪検出装置が注目されている。

このような半導体加速度センサは、集積回路技術を用い
て形成されるため、例えば、振動部分の長さが１００μ
ｍ程度、厚さが１μｍ程度、チップ全体の大きさが１ｍ
ｌ角程度と極めて小形の素子を形成することができる。

また、集積回路によって他の素子と同一基板上に形成す
ることができるという優れた特徴を有している。

この半導体加速度センサは、いろいろな用途に用いられ
る。その−例として、車両などの加速度を測定する加速
度センサは、通常第６図および第７図に示すように、先
端に重り部３を有し固定部近傍にピエゾ抵抗５を配設し
てなる片持ち梁２が、該重り部３の下側への変位を制限
するための下部ストッパ７と該重りの上側への変位を制
限するための上部ストッパ８との間に形成された溝ｌｏ
内で変位可能なようになっている。

そして、この固定部４の上にも該ピエゾ抵抗５と同一の
ピエゾ抵抗６が形成されており、ブリッジ回路を形成し
ている。

そして、この加速度センサでは、センサチップに対して
垂直な方向に加速度がかかるように設置し、加速度によ
る片持ち梁２の変位をピエゾ抵抗５の抵抗値変化として
検出するようにしている。

ここで上部および下部ストッパ８．７は過大な加速度が
加わった場合にも片持ち梁の変位を制限しその破壊を防
止するために設けられているものである。

このようなセンサは、シリコン基板１をＩＣの製造プロ
セスによってエツチングし、バッチ処理で作ることがで
きるようになっている。

しかしながら、このようなピエゾ抵抗検出型センサでは ■ピエゾ抵抗係数の温度依存性が大きく、周囲の温度変
化によって、感度が大幅に変化してしまうので、ブリッ
ジ駆動電圧に温度依存性をもたせるなど、外部の補正回
路が必要である。

■ピエゾ抵抗の安定した動作を確保するためには、ピエ
ゾ抵抗上に酸化膜を形成するなど絶縁保護膜の形成が不
可欠となるが、一般に形成された絶縁保護膜（例えば酸
化膜）と、シリコン単結晶でできた肉薄の片持ち梁とで
は熱膨張係数が異なるため、温度変化によって生じる片
持ち梁上の熱応力がピエゾ抵抗の抵抗値を変化させ、温
度特性を悪化させるという問題がある。

■質量部の重心が片持ち梁の延長線上にないため、非検
出軸方向の加速度に対して感度（他軸感度）をもつ。

等の問題がある。

そこで、ピエゾ抵抗を用いた検出ではなく、第８図に示
す如く、加速度によって変位する可動部と固定電極との
間の静電容量の変化を検出する容量式半導体加速度セン
サが考案されている（　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ’８９　
Ｊｕｎｅ　２−３０．１９８９．Ｍｏｎｔｒｅｕｙ、５
ｖｌｔｚｅｒｌａｎｄ　ＡＢＳＴＲＡＣＴＳ　Ｂ１０．
５．ｐ、１Ｂ５　）。

この構造では、シリコンから構成される質量部３および
片持ち梁５が、シリコンウニｔ＼の表裏両面よりエツチ
ングされ、質量部の重心が片持ち梁の延長線上に位置す
るように形成されており、質量部の上方および下方には
上部電極３１および下部電極３２が対向して配置され、
加速度に応じた質量部３の変位が質量部３と上部電極３
１および下部電極３２間の静電容量として検出される。

このような構成によって温度特性がよく、他軸感度の小
さい加速度センサを実現することができる。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、このような容量式加速度センサでは質量
部の重心を片持ち梁の延長線上に一致させるような形状
を実現するために、シリコンウェハの両面から数百μ厘
にわたってエツチングをおこなわなければならず、片持
ち梁の厚さを精度よく制御することは困難である。

このような半導体加速度センサでは、加速度に対する質
量部の変位量は片持ち梁の厚みの３乗に反比例するため
、片持ち梁の厚み制御は非常に重要である。

片持ち梁の高精度な厚み制御を行う方法として、ｐｎ接
合に逆バイアスを印加しながら、水酸化カリウム（ＫＯ
Ｈ）などの強アルカリ液中でエツチングを行い、ｐｎ接
合でエツチングを停止させる方法や、強アルカリ液中で
のシリコンのエツチングレートが高濃度ｐ型拡散層で急
激に低下することを利用した高濃度ｐ型拡散エッチスト
ップ法等があるが、いずれもｎ型エピタキシャル層や、
ｐ型高濃度不純物層が必要であり、これらをシリコンウ
ェハの中央部に形成することは極めて困難である。

本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、温度依存性
を低減するとともに他軸感度を低減し、高精度の加速度
センサを提供することを目的とする。〔発明の構成〕（課題を解決するための手段）そこで本発明では、両持ち梁成半導体加速度センサの上
下を電極で挾み、質量部との間に形成される２個の静電
容量から加速度検出を行うようにしている。

（作用）本発明は、両持ち梁成半導体加速度センサの上下を電極
で挾み、質量部との間に形成される夫々の静電容量から
加速度検出を行うようにしているため、質量部の重心が
ずれていても、他軸感度は低減される。

また、容量式であるため、ピエゾ抵抗式の場合に比べて
、温度変化に依存することなく高精度の加速度検出を行
うことができる。

（実施例）以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ詳細に
説明する。

この半導体加速度センサは、第１図に平面図を示すと共
に、第２図に等価回路図を示すように、シリコン基板を
ウェハの下面からのエツチングによって形成される質量
部４４と、この両側に形成された薄い梁４９と、固定部
４１とからなるセンサ本体が、質量部４４の下側への変
位を制限するための下部ストッパ４３と該質量部４４の
上側への変位を制限するための上部ストッパ４２との間
にギャップＧをもつように挟持され絶縁膜４５を介して
固着されており、このギャップ内で変位可能なようにな
っている。

そして、この下部ストッパ４３および上部ストッパ４２
にはそれぞれ下部電極４７および上部電極４６とが設置
されており、質量部４４と下部電極４７および上部電極
４６との間の容量を別々に検出するように構成されてい
る。

そして、これら質量部４４と下部電極４７および上部電
極４６との間の容量５１．５２は、第２図に等価回路を
示すように、容量検出器５３．５４で検出され、両出力
は減算器５５に人力され両信号の差を取り出すように構
成されている。ここで４８は外部端子である。

そして、この加速度センサでは、センサチップに対して
垂直な方向に加速度がかかるように設置し、加速度によ
る両持ち梁４９の変位として検出するようにしている。

ここで上部および下部ストッパ４３．４２は過大な加速
度が加わった場合にも片持ち梁の変位を制限しその破壊
を防止する作用もある。

次にこの半導体加速度センサの作用について説明する。

第３図（ａ）および第３図（ｂ）は、第１図（ａ＞のＸ
ｉ　−Ｘｉｏ、　　Ｘ２−Ｘ２°断面図である。

第３図（ａ）に示すように、検出軸Ｚに加速度が加わっ
た場合を考える。

この場合、質量部４４はＺ軸に対して平行に変位し、容
量５１．５２の検出値は逆向きにその値が変化する。従
ってこれらの差をとることによって出力は加速度に応じ
て増減する。

また、非検出軸Ｘ軸方向に加速度が加わった場合は、質
量部は第３図（ｂ）に示すように変位し、容量５１．５
２の検出値は等しい。従ってその差をとることにより出
力は常に０となる。

このように、２つの容量の差を検出することにより、他
軸感度を大幅に低減することができる。

ちなみに、従来のように片方の容量だけを検出しても加
速度検出は可能であるが、１つのセンサだけを用いれば
、非検出軸Ｘ軸方向に加速度が加わった場合、質量部は
第３図（ｂ）に示すように変位し容量５１はＯの場合に
比べてその値が増加し、他軸感度が生じてしまう。

また、質量部と電極とが非常に狭い間隔で電極を形成し
ているため、梁の過大変位を抑えることができる。

さらに、検出軸方向については、電極に電圧を印加し静
電気りょくて質量部の変位を抑えるように制御すること
により高感度化をはかることができる。

このように本発明の加速度センサによれば、従来の容量
式加速度センサの特徴を維持しつつ、質量部の重心を梁
の延長線上に一致させる必要がないため、製造が極めて
容易である。

また、半導体技術を用いることにより、梁の厚さを高精
度に制御することができ、製造歩留まりの向上をはかる
ことができる。

また、センサの高感度化および小型化も容易となる。

次に本発明の他の実施例として、両持ち梁の変形例を示
す。

第４図（ａ）は質量部４４の４方から梁４９が固定部４
１に向けで伸長しているものであり、第４図（ｂ）は質
量部４４の２方から粱４９が固定部４１に向けて伸長し
ているものである。

同じ感度設計で梁の長さ、厚みが等しいとき、第４図（
ｂ）のように質量部４４の２方から梁４９が固定部４１
に向けて伸長しているものの場合は、第４図（ａ）のよ
うに質量部４４の４方から梁４９が固定部４１に向けて
伸長しているものに比べて、Ｙ軸方向に加速度が印加さ
れた場合質量部の変位が大きくなるが、第５図に断面図
を示すように容量５１．５２の値は等しく変化し、差を
とることによって出力は０となり、他軸感度を大幅に減
少させることができる。

なお、前記実施例では、梁を基板のエツチングによって
形成したが、薄膜形成後、裏面からエツチングを行い、
この薄膜を梁として用いることにより極めて小形で高感
度のセンサを得ることもできる。

さらに前記実施例に限定されることなく、本発明の趣旨
を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

〔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によ
れば、固定部から複数のの梁で支持された質量部の上下
を複数の電極で挾み、該質量部とそれぞれの電極との間
に生じる容量を検出することにより加速度を検出するよ
うにしているため、質量部の重心を梁の延長線上に位置
させることなく、他軸感度を低域し信頼性の高い出力を
得ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の半導体加速度センサを明実施例
の半導体加速度センサの平面配置例を示す図、第５図は
Ｙ軸方向の加速度が掛かった場合の断面状態を示す図、
第６図および第７図は従来例の半導体加速度センサを示
す図、第８図は他の従来例の半導体加速度センサを説明
する図である。１・・・シリコン基板、　２・・・片持ち梁、３・−・
重り部、　　　　４・・・固定部、５・・・ピエゾ抵抗
、　　　７・・・下部ストッパ、８・・・上部ストッパ
、　３１・・・上部電極、３２・・・下部電極、　　４
１・・・固定部、４２・・・上部ストッパ、４３・・・
下部ストッパ、４４・・・質量部、　　　４６・・・上
部電極、４７・・・下部電極、　　５１．５２・・・容
量、５３．５４・・・容量検出器、５５・・・減算器。

Claims

【特許請求の範囲】

加速度を受けて変位するように構成された質量部と、前
記質量部に接続された複数の肉薄の梁と、前記質量部の
上方および下方から前記質量部を挾むように配設された
上部電極および下部電極とを具備し、前記質量部と前記
上部電極および下部電極との間の各容量を測定し、これ
らの容量に基づいて加速度を検出するようにしたことを
特徴とする半導体加速度センサ。