JPH06342007A - 半導体加速度センサおよびその試験方法 - Google Patents
半導体加速度センサおよびその試験方法Info
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Abstract
加工され、おもり、支持体部およびおもりと支持体部と
を連結する梁を有し、さらに梁の上面に半導体ストレイ
ンゲージが形成されているシリコン検出体と、シリコン
検出体の上部に設けられ、おもりが変位可能なように窪
みを有する上部ガラスと、シリコン検出体の下部に設け
られ、おもりが変位可能なように窪みを有する下部ガラ
スとを具えている。シリコン検出体の支持体部が上部ガ
ラスおよび下部ガラスとそれぞれ静電接合されており、
下部ガラスの窪みには導体膜が形成されており、下部ガ
ラスには導体膜から外部配線を取り出すための開口部が
設けられている。 【効果】 キャリブレーションを振動試験および設備が
無くても、簡単に実現することが可能で、製造コストを
下げることができる。
Description
加速度センサに関し、特に半導体ストレインゲージを用
いて、加速度検出回路を構成している半導体加速度セン
サおよびその試験方法に関するものである。
だ小型の半導体加速度センサが知られている。通常、半
導体加速度センサの試験は大型の振動試験機を用いて行
われる。均一な特性の半導体加速度センサを製作するた
めには、振動試験機による振動試験(加速度試験)によ
って得られたセンサ感度を補正回路によって調整する方
法が採られている。しかしながら、量産的にこれらの試
験を行うには複数の振動試験設備を並列に運転する必要
があり、多くの時間を要し、かつ生産コストを膨大にす
る。
国特許5,103,667号に提案されている。図6は
同特許による半導体加速度センサの一例で、加速度セン
サはシリコンフレーム120に梁(可撓部)112,1
14を介して支持されたシリコンのおもり110,キャ
ップ140およびシリコンベース150からなってい
る。梁112,114の上面にはピエゾレジスタ13
0,132が形成されている。キャップ140はエアギ
ャップ142を形成するようにフレーム120と対向
し、その内面には偏位電極160が設けられている。お
もり110はシリコンベース150とエアギャップ15
2を構成するように対向している。161はパッドであ
り、180は金属導体である。
120およびシリコンキャップ140はそれぞれ接合あ
るいは接着されている。接着剤を用いて接着しても、あ
るいははんだなどを用いて接合しても、これら接着層あ
るいは接合層は劣化のおそれがあり、信頼性の面で問題
がある。また接着あるいは接合層の厚さを制御しなけれ
ばならないという問題がある。
法に静電接合法(陽極接合法)がある。これはシリコン
とガラスの接合に用いられる方法で、シリコンとガラス
とを密接させ、300〜500℃の加熱下で電圧を印加
してガラス中のアルカリイオンを移動させてシリコンと
の界面近傍に空間電荷層を形成させ、これによってシリ
コン側との間に大きな静電力を生じさせ、界面で化学結
合を起させる方法である。化学結合は静電気力によるガ
ラスの変形、あるいは電界によってガラス中のO- が移
動し、Siと結合することによって、界面でSiO2 が
形成されることによると考えられている。
同士を静電接合する場合には、接合させる両面に湿式酸
化によってSiO2 膜を形成し、同時にSiOH基をS
iO2 膜内に多く形成する。これは次式の反応
リコンの静電接合は900℃という高温で行われるた
め、通常配線に使用されるアルミニウムは使用できず、
さらに回路が形成されたデバイスを高温に加熱すること
による悪影響もあり、半導体加速度センサに適用するこ
とは現実には困難である。
40にガラスを使用し、300〜500℃の低温でシリ
コンフレーム120と静電接合することが考えられる。
板300をガラスで構成し、シリコン検出体100との
3層構造を低温度で静電接合させた例を示す。図7にお
いて、(a)は加速度センサ全体の断面図、(b)はそ
の部分拡大図である。
電膜202が形成されていて、そこから外部まで接合あ
るいは接着面400を通過して、シリコン検出体100
へと配線を接続している。ここで、梁101の上面に
は、半導体ストレインゲージ104によってホイートス
トンブリッジが形成されていて、シリコン検出体100
とおもり102は、このブリッジ回路のグランドと接続
されている。シリコン検出体100はその支持体部10
3において、基板300と静電接合され、窪み301を
形成している。
の構成を実現するためには、キャップ200の窪み20
1から、接合あるいは接着面400を通過してシリコン
検出体100へと配線を取り出す必要がある。そのた
め、接合あるいは接着面400の平坦度を保つことが困
難となり、その部分が機械的強度の点で信頼性を損なう
危険性がある。特に、このような加速度センサが車のエ
アバッグなどの衝突検出用センサとして利用される場
合、センサの構造体には高度の信頼性が要求され、この
ような危険性は致命的なセンサ不良に発展する可能性が
ある。また、その問題を回避するためには、接着および
接合面積を大きくすることで可能であるが、チップサイ
ズが大きくなり、コストも増加する、等の課題がある。
めに、本発明による半導体加速度センサは、シリコン基
体から一体加工され、おもり、支持体部および該おもり
と支持体部とを連結する梁を有し、さらに該梁の上面に
半導体ストレインゲージが形成されているシリコン検出
体と、該シリコン検出体の上部に設けられ、前記おもり
が変位可能なように窪みを有する上部ガラスと、前記シ
リコン検出体の下部に設けられ、前記おもりが変位可能
なように窪みを有する下部ガラスとを具え、前記シリコ
ン検出体の支持体部が前記上部ガラスおよび前記下部ガ
ラスとそれぞれ静電接合されており、前記下部ガラスの
窪みに導体膜が形成されており、該下部ガラスには前記
導体膜から外部配線を取り出すための開口部が設けられ
ていることを特徴とする。
出体の基板と前記下部ガラスの窪みとに電位差が発生す
るように該下部ガラスの導体膜に直流電位を印加し、前
記シリコン検出体のおもりの下面と前記下部ガラスの窪
みに形成された導電膜との間に発生する静電力によっ
て、擬似加速度を発生させて、半導体加速度センサのキ
ャリブレーションを行うことを特徴とする。
コン検出体の基板と前記下部ガラスの窪みとに電位差が
発生するように該下部ガラスの導体膜に交流電位を印加
し、前記シリコン検出体のおもりの下面と前記下部ガラ
スの窪みに形成された導電膜との間に発生する静電力に
よって、擬似加速度を発生させて、半導体加速度センサ
のキャリブレーションを行うことを特徴とする。
ホイートストーンブリッジへの供給電源あるいはグラン
ド電位に接続され、下部のガラスの窪みに導電膜を形成
し、例えばワイヤボンディングなどによって、導体膜か
ら外部へ配線が取り出せるように、シリコンより下部の
ガラスの寸法を大きくして構成する。
部ガラスとの間に電位差が発生するように電位を与える
ことにより、おもり下面と下部ガラスとの間に静電力が
発生し、これを擬似加速度として、半導体加速度センサ
のキャリブレーションを行うことができる。
に説明する。
第1の実施例の断面図である。図2は図1に示した断面
構造を説明するための図であって、(a)は外観斜視
図、(b),(c)および(d)はそれぞれ上部ガラス
20,シリコン検出体10および下部ガラス30の分解
斜視図である。図2(a)の上部ガラス20は上下を反
転した形状を、図2(b)のシリコン検出体10は部分
破断図を示している。図1は図2(a)における破線A
に沿った断面図である。
ージ14が形成された片持ちの梁(可撓部)11,おも
り12および支持体部13が一体加工されたシリコン検
出体10の支持体部13上部には、梁11によって支持
されたおもり12が加速度によって変位可能なように、
おもり12に対向する側に窪み21が形成された上部ガ
ラス20が静電接合されている。また、同様に梁11に
よって支持されたおもり12が加速度によって変位可能
なように、おもり12に対向する側に窪み31を有し、
この窪み31に蒸着やスパッタなどによって表面に薄膜
導電膜32が形成され、薄膜導電膜32からワイヤボン
ディングなどによって配線が取り出せるように、シリコ
ン検出体10よりやや大きめの下部ガラス30が、シリ
コン検出体10の支持体部13の下側に静電接合されて
いる。また、梁11の上面に形成された複数の半導体ス
トレインゲージ14によって、加速度が発生した場合
に、差出力が発生するようにホイートストーンブリッジ
回路が組まれていて、シリコン検出体10の基板電位
は、このホイートストーンブリッジ回路への供給電源ま
たはグランド電位に接続されている。
の方法によって形成することができる。15はパッドで
ある。梁(可撓部)11に発生する歪はストレインゲー
ジ14によって抵抗変化としてパッド15を通じて外部
へ出力される。この半導体加速度センサも、通常の半導
体デバイスと同様に配線部分はSiO2 またはSiNな
どのパッシベーション膜によって保護されている。従っ
てシリコン検出体10と上部ガラス20との静電接合は
配線あるいはパッシベーション膜を避けて行われてお
り、図1におけるシリコン検出体の上面左端は開放され
ている。このことは静電接合を確実にすると共に、配線
の安全性を高めるものでもである。同様に、下部ガラス
30には切込み部33が設けられており、薄膜導電体3
2の外部への接続を容易かつ確実にすると共に、シリコ
ン検出体10と下部ガラス30との静電接合を確実にし
ている。なお、薄膜導電体32からの配線を取り出すた
めの切込み部の形状は図2に示した形状に限られない。
下部ガラス30の寸法をシリコン検出体10の寸法より
大きくし、例えば図2におけるシリコン検出体の右端の
全長に近い大きな開口部を設けてもよい。
第2の実施例の断面図で、第1の実施例の構成のうち、
片持ち梁を両持ち梁に置き換えた例である。本実施例の
全体の外観は図2(a)と同様であり、図3は図2
(a)の破線Aに沿った断面図である。上部ガラス20
および下部ガラス30の形状はそれぞれ図2(b)およ
び(d)に示したと同様である。図4は両持ち梁構造の
シリコン検出体の部分破断斜視図であって、図4(a)
は2本梁両持ち構造、図4(b)は4本梁両持ち構造を
示す。シリコン検出体10と上部ガラス20および下部
ガラス30との接合は第1の実施例と同じく静電接合に
よっている。
加速度センサは、上部ガラス20および下部ガラス30
は、過大加速度によって梁11が破損しないようにおも
り12の変位を強制的に止めることができ、さらに、お
もり12と両ガラスとの隙間に発生するスクイーズフィ
ルム効果によって、梁11とおもり12の構造体の共振
点で発生する過大振動を抑えることができる。
ャリブレーションの方法を次に述べる。
電膜32に電圧Vを印加すると、おもり12の下面と下
部ガラス30の薄膜導電膜32との間に、次式で表され
る静電力Fvが働き、梁11によって発生するバネ力F
kとΔx変位した地点で釣り合うことになる。この時の
釣合式は次のように表される。
の間に存在する媒体の比誘電率、ε0 は真空の誘電率
(F/m)、Sはおもり12の下面の面積(m2)、d
は窪み31の深さ(m)、Δxは静電力によって発生し
たおもり12の変位、Kは梁11のバネ定数である。
速度が発生した場合の変位として置き換えることが可能
であり、静電力を擬似加速度として感度補正、つまりキ
ャリブレーションを行うことができる。
1.9mm、厚さ0.03mm、おもり12の下面の面
積を2.25mm2 、窪み31の深さを0.012mm
とした時、静電力を発生する印加電圧Vと擬似加速度G
との関係を図5に示す。従って図5の曲線を較正曲線と
して加速度センサの感度補正を行うことができる。
示したが、交流電圧を印加してもよい。この場合には、
おもりの質量と梁のバネ定数によって決まる固有振動数
に近い周波数の電圧を印加することによって、低い電圧
の印加で高い擬似加速度を得ることができる。
次のような効果を得ることができる。
び設備が無くても、簡単に実現することが可能で、製造
コストを下げることができる。
よび下部ガラスとシリコン検出体との接合部分が、平坦
に保つことができるため、機械的強度の信頼性を高める
ことができる。
る。
図である。
る。
Claims (3)
- 【請求項1】 シリコン基体から一体加工され、おも
り、支持体部および該おもりと支持体部とを連結する梁
を有し、さらに該梁の上面に半導体ストレインゲージが
形成されているシリコン検出体と、該シリコン検出体の
上部に設けられ、前記おもりが変位可能なように窪みを
有する上部ガラスと、前記シリコン検出体の下部に設け
られ、前記おもりが変位可能なように窪みを有する下部
ガラスとを具え、前記シリコン検出体の支持体部が前記
上部ガラスおよび前記下部ガラスとそれぞれ静電接合さ
れており、前記下部ガラスの窪みに導体膜が形成されて
おり、該下部ガラスには前記導体膜から外部配線を取り
出すための開口部が設けられていることを特徴とする半
導体加速度センサ。 - 【請求項2】 請求項1に記載の半導体加速度センサの
試験方法において、前記シリコン検出体の基板と前記下
部ガラスの窪みとに電位差が発生するように該下部ガラ
スの導体膜に直流電位を印加し、前記シリコン検出体の
おもりの下面と前記下部ガラスの窪みに形成された導電
膜との間に発生する静電力によって、擬似加速度を発生
させて、半導体加速度センサのキャリブレーションを行
うことを特徴とする半導体加速度センサの試験方法。 - 【請求項3】 請求項1に記載の半導体加速度センサの
試験方法において、前記シリコン検出体の基板と前記下
部ガラスの窪みとに電位差が発生するように該下部ガラ
スの導体膜に交流電位を印加し、前記シリコン検出体の
おもりの下面と前記下部ガラスの窪みに形成された導電
膜との間に発生する静電力によって、擬似加速度を発生
させて、半導体加速度センサのキャリブレーションを行
うことを特徴とする半導体加速度センサの試験方法。
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