KR100499970B1 - 가속도 센서 - Google Patents

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KR100499970B1
KR100499970B1 KR10-2003-0008738A KR20030008738A KR100499970B1 KR 100499970 B1 KR100499970 B1 KR 100499970B1 KR 20030008738 A KR20030008738 A KR 20030008738A KR 100499970 B1 KR100499970 B1 KR 100499970B1
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히타치 긴조쿠 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 고감도이고 초소형·박형인 반도체 가속도 센서를 제공한다. 가속도 센서는 실리콘 반도체 기판의 중앙부에 형성된 질량부와 그 기판의 주변부에 형성된 프레임과, 질량부 및 프레임의 위쪽에 설치되어 이들 질량부 및 프레임을 접속하는 얇은 탄성 지지 암과 탄성 지지 암의 상면 측에 형성된 복수 쌍의 피에조 저항 소자를 갖는다. 질량부와 두꺼운 프레임 중 적어도 한 쪽이, 그 상면에 수직한 단면에서, 그 상면에서 저면을 향하여 폭이 넓어져 있다. 탄성 지지 암을 설치하고 있는 부분에서의 질량부의 변의 길이가 및/또는 두꺼운 프레임의 폭이 짧아지기 때문에, 탄성 지지 암의 길이를 크게 할 수 있어, 감도를 증가시킬 수 있다.

Description

가속도 센서 {Acceleration sensor}
본 발명은 완구, 자동차, 항공기, 휴대 단말 기기 등에 사용되는 가속도 검출용 가속도 센서, 특히 반도체 기술을 사용하여 제조할 수 있는 가속도 센서에 관한 것이다.
종래부터, 가속도 센서로서는, 피에조 저항 효과, 정전 용량 변화 등의 물리량 변화를 이용한 것이 개발되어 제품화되고 있다. 이들 가속도 센서는 각종 분야에서 널리 이용할 수 있지만, 최근에는 소형, 고감도이며, 다축 방향의 가속도를 동시에 검출할 수 있는 것이 요구되고 있다.
실리콘 단결정은 격자 결함이 극히 적기 때문에 이상적인 탄성체가 되는 것과, 반도체 프로세스 기술을 그대로 전용할 수 있는 것 등의 특징을 갖기 때문에, 실리콘 단결정 기판에 얇은 탄성 지지부를 설치하고, 이 얇은 탄성 지지부에 가해지는 응력을 스트레인 게이지(strain gauge), 예를 들면 피에조 저항 효과 소자에 의해 전기 신호로 변환하여 출력으로 하는 피에조 저항 효과형 반도체 가속도 센서가 특히 주목받고 있다.
종래의 3축의 가속도 센서로서는, 예를 들면, 일본 특허 공개 공보 특개소 63-169078호에 기재되어 있는 것이 있으며, 그 평면도를 도 11에, 또한 도 11의 XⅡ-XⅡ 선을 따른 단면도를 도 12에, 사시도를 도 13에 도시한다. 가속도 센서(200)는 실리콘 단결정 기판의 얇은 부분으로 이루어지는 다리 구조의 탄성 지지 암(230)을 가지고, 실리콘 단결정 기판의 두꺼운 부분으로 이루어지는 중앙의 질량부(220)와 주변의 프레임(210)은 그 탄성 지지 암(230)으로 접속되며, 탄성 지지 암(230) 상에는 각 축방향으로 복수 개의 스트레인 게이지(240)가 형성되어 있다.
전체 구조에 대해서 도 11, 도 12, 도 13을 사용하여 설명한다. 이것은 실리콘 단결정 기판의 두꺼운 부분으로 이루어지는 질량부(220)와 그것을 둘러싸도록 배치한 프레임(210)과, 질량부(220) 및 프레임(210)을 연결하는 실리콘 단결정 기판의 얇은 부분으로 이루어지는 2쌍의 서로 직교하는 다리 형상의 탄성 지지 암(230)을 갖는다. 가속도가 작용하였을 때에 질량부가 프레임 내에서 이동하여 탄성 지지 암을 변형시키기 때문에, 그 변형을 탄성 지지 암 상에 설치한 스트레인 게이지에 의해 검출하여 작용한 가속도를 구한다. 도 11의 X축 방향의 가속도는 X축 방향으로 연장된 탄성 지지 암 상에 설치한 4개의 스트레인 게이지(240)로 측정되며, Y축 방향의 가속도는 Y축 방향으로 연장된 탄성 지지 암 상에 설치한 4개의 스트레인 게이지(240)로 측정된다. 또한 Z축 방향의 가속도는 모든 스트레인 게이지(240)에 의해 측정된다. 이러한 가속도 센서는 프레임(210)의 크기를 갖는 실리콘 단결정 기판에 4개의 L자형 관통 구멍(250)을 형성함으로써, 중앙의 질량부(220)와 주위에 있는 프레임(210)과 그들 사이에 위치되는 지지 암(230)을 형성하고, 지지 암의 부분을 얇게 함으로써 변형하기 쉬워, 고감도의 구조로 하고 있다.
상기 가속도 센서에서는, 고감도화를 위해서는, 질량부(220)의 체적을 크게 하여 질량을 증가시키거나, 또는 탄성 지지 암(230)의 길이를 길게 하는 것이 효과적이며, 감도는 질량부의 질량 및 지지 암의 길이에 거의 비례하여 증가한다는 것은 일반적으로 잘 알려진 바이다. 즉, 질량부(220)의 체적을 크게 하거나, 또는 탄성 지지 암(230)의 길이를 길게 함으로써, 탄성 지지 암(230)은 보다 변형하기 쉬워지고 스트레인 게이지에 응력을 효과적으로 전할 수 있어 감도가 올라간다. 그런데, 질량부(220)를 크게 하는 것과 탄성 지지 암(230)의 길이를 길게 하는 것은 상반하는 것으로, 특히 칩 사이즈를 일정하게 유지한다는 조건 하에서, 또는 보다 소형화를 도모할 경우에, 양자를 양립시킬 수는 없었다. 즉, 질량부(220)를 크게 하면, 탄성 지지 암(230)의 길이는 짧아져, 감도적으로는 큰 개선은 불가능하였다. 그래서 질량부(220)의 체적(즉, 무게)을 증가시키기 위해 조립 공정에 있어서 질량부(220)의 이면에 글래스 부재 등을 접착함으로써 감도를 상승시켰었다. 즉, 탄성 지지 암(230)의 길이를 길게 할 수는 없지만, 칩을 두께 방향(실리콘 단결정 기판의 두께 방향)으로 크게 함으로써 질량부(220)의 질량을 크게 하여 감도를 상승시켰었다. 따라서, 종래는 소형, 박형이고 고감도인 가속도 센서를 실현할 수 없었다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 상술한 과제를 효과적으로 해결하여, 소형이며 박형이고, 고감도화가 가능한 가속도 센서를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 다음과 같은 가속도 센서를 채용하였다. 즉, 본 발명의 가속도 센서는 그 중앙에 있는 질량부와,
질량부에서 소정 거리 떨어져 질량부를 둘러싸고 있는 두꺼운 프레임과,
질량부 상면의 단부로부터 연장되어 있고, 질량부 상면 단부와 두꺼운 프레임 상면의 내측 단부를 연결하여 질량부를 두꺼운 프레임의 내측에서 매달고 있는 복수의 탄성 지지 암과,
탄성 지지 암 상에 형성된 복수의 스트레인 게이지를 갖는다. 질량부는 상면과, 그 상면과 대향한 저면과, 상면과 저면 사이에서 질량부를 둘러싸고 있는 복수의 측벽을 갖는다. 두꺼운 프레임은 상면과, 그 상면과 대향한 저면과, 상면과 저면 사이에서 질량부와 대향하고 있는 두꺼운 프레임의 내측에 있는 내측벽을 갖는다.
가속도 센서는 실리콘 단결정 웨이퍼 바람직하게는 S0I(Silicon-on-insulator) 웨이퍼로 만들어져 있으며, 그 평면 형상을 거의 정사각형으로 한 두꺼운 프레임과, 두꺼운 프레임의 중앙에 설치된 거의 정사각형의 질량부와, 질량부의 상면에 있는 정사각형의 각 변 중앙과 두꺼운 프레임의 상면에 있는 정사각형의 두꺼운 프레임 내측 변 각각의 중앙을 연결하는 4개의 탄성 지지 암을 갖고 있는 것으로 할 수 있다. 실리콘 단결정 웨이퍼 또는 SOI 웨이퍼로 만들어진 가속도 센서는, 두꺼운 프레임 상면과 질량부 상면과 4개의 탄성 지지 암의 상면은 웨이퍼의 한쪽 면을 이용하여 형성되어 있기 때문에, 거의 동일면으로 되어 있다. 두꺼운 프레임 저면과 질량부 저면은 웨이퍼의 다른 한쪽 면을 이용하여 형성되어 있기 때문에, 거의 동일면으로 되어 있다. 탄성 지지 암은 웨이퍼의 상기 다른 한쪽 면에서 에칭 등으로 깎여 얇게 형성되어 있기 때문에, SOI 웨이퍼로 만들어진 경우는 남겨진 SiO2층 또는 SiO2층과 실리콘층과의 적층품으로 형성된다.
본 발명의 가속도 센서에서, 질량부와 두꺼운 프레임 중 적어도 한 쪽이, 그 상면에 수직한 단면에서, 그 상면으로부터 그 저면을 향하여 폭이 넓어져 있다. 정사각형인 질량부의 상면에 대한 수직 단면이 그 상면으로부터 그 저면을 향하여 폭이 넓어져 있을 때에는, 상면에 있는 정사각형의 한 변보다도 저면에 있는 정사각형의 한 변이 긴 것이다. 두꺼운 프레임의 수직 단면이 그 상면으로부터 그 저면을 향하여 폭이 넓어져 있을 때에는, 두꺼운 프레임의 상면에서의 폭보다도 저면에서의 폭이 긴 것이다. 본 발명의 가속도 센서에서, 질량부가, 그 상면에 수직한 단면에서, 그 상면으로부터 그 저면을 향하여 폭이 넓어져 있음과 동시에, 두꺼운 프레임이, 그 상면에 수직한 단면에서, 그 상면으로부터 그 저면을 향하여 폭이 넓어져 있는 것이 바람직하다.
질량부 및/또는 두꺼운 프레임의 상면에서의 치수를 작게 하고 저면에서의 치수를 크게 함으로써, 질량부의 질량을 줄이지 않고, 탄성 지지 암의 길이를 길게 할 수 있기 때문에, 가속도를 검출하는 감도를 상승시킬 수 있다. 질량부와 두꺼운 프레임 모두 상면에서의 치수를 작게 하고 저면에서의 치수를 크게 하면, 탄성 지지 암을 질량부 측과 두꺼운 프레임 측 모두 연장시킬 수 있다. 또는 질량부와 두꺼운 프레임의 한 쪽에만 대해서, 상면에서의 치수를 작게 하고 저면에서의 치수를 크게 할 수 있다. 그러나, 이들 한쪽 치수를 바꿀 경우는, 질량부 측에 본 발명을 적용하는 것이 바람직하다. 두꺼운 프레임의 상면에서의 치수를 작게 하고 저면에서의 치수를 크게 하면, 두꺼운 프레임의 탄성 지지 암을 설치하고 있는 곳에 일종의 노치가 형성되게 된다. 상면에서의 치수를 저면에서의 치수에 비하여 극히 작게 하면, 탄성 지지 암을 설치하고 있는 두꺼운 프레임의 부분에 생기는 노치가 깊어져, 탄성 지지 암을 지지하고 있는 뿌리 부분의 기계 강도가 작아질 우려가 있다.
본 발명의 가속도 센서를 바꾸어 말하면, 질량부의 각 측벽과 두꺼운 프레임의 각 내측벽 중 적어도 한쪽 상에서, 벽 상의 탄성 지지 암이 설치되어 있는 장소를 지나 그 벽과 그 벽에 대응하는 저면과의 교선을 통과하는 평면이, 그 벽에 대응하는 저면과 이루는 각이 80° 이상 90° 미만이다. 바람직하게는, 질량부의 각 측벽 상에서 벽 상의 탄성 지지 암이 설치되어 있는 장소를 지나 그 벽과 그 벽에 대응하는 저면과의 교선을 통과하는 평면이 그 벽에 대응하는 저면과 이루는 각이 80° 이상 90° 미만이며, 두꺼운 프레임의 각 내측벽 상에서 벽 상의 탄성 지지 암이 설치되어 있는 장소를 지나 그 벽과 그 벽에 대응하는 저면과의 교선을 통과하는 평면이 그 벽에 대응하는 저면과 이루는 각이 80° 이상 90° 미만이다.
본 발명의 가속도 센서를, 다시 바꾸어 말하면, 질량부의 각 측벽과 두꺼운 프레임의 각 내측벽 중 적어도 한 쪽이, 그 벽에 대응하는 저면과 이루는 각이 80° 이상 90° 미만이다. 바람직하게는, 질량부의 각 측벽이, 그 벽에 대응하는 저면과 이루는 각이 80° 이상 90° 미만이며,
두꺼운 프레임의 각 내측벽이, 그 벽에 대응하는 저면과 이루는 각이 80° 이상 90° 미만이다.
본 발명의 실시예의 가속도 센서를 도 1과 도 2를 참조하면서 설명한다. 도 1은 가속도 센서의 평면도이다. 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 단면도이다.
본 발명의 가속도 센서는 탄성 지지 암의 두께를 고정밀도로 제어할 수 있도록 SiO2 절연층을 개재시켜 SOI층을 형성한 실리콘 단결정 기판, 즉 SOI 웨이퍼를 사용하였다. SOI란 Silicon On Insulator의 약자이다. 이 예에서는 약 625㎛ 두께의 Si 웨이퍼 상에 에칭 스토퍼가 되는 SiO2 절연층을 얇게(약 1㎛) 형성하고, 그 위에 약 10㎛ 두께의 N형 실리콘 단결정층을 형성한 웨이퍼를 기판으로서 사용하였다. 실시예의 가속도 센서(100)에서는, 프레임(110)의 크기를 갖는 정사각형 형상의 실리콘 단결정 기판에 4개의 L자형 관통 구멍(150)을 형성함으로써, 중앙의 질량부(120)와, 그 주위에 있는 두꺼운 프레임(110)과, 그들 사이를 건너고 있는 지지 암을 형성하며, 지지 암의 부분을 얇게 하여 탄성 지지 암(131, 132, 133, 134)으로 하고 있다. 가속도 센서(100)는 2개의 직교하는 검출 축(X와 Y축) 및 가속도 센서 상면에 수직한 검출 축(Z축)에 대응하여, 탄성 지지 암 상에 설치한 각 축 각각 4개의 스트레인 게이지(이하의 설명에 있어서는, 스트레인 게이지의 일례로서의 「피에조 저항 소자」를 사용하고 있기 때문에, 「피에조 저항 소자」라 한다)(11, 12, …, 33, 34)를 갖고 있다. 즉, X축 방향으로 연장되어 있는 탄성 지지 암(131, 133) 상에 각 2개의 피에조 저항 소자(11과 12, 13과 14)가 설치되어 있어 X축 방향의 가속도를 검출한다. Y축 방향으로 연장된 탄성 지지 암(132, 134) 상에 각 2개의 피에조 저항 소자(21과 22, 23과 24)가 설치되어 있어 Y축 방향의 가속도를 검출한다. X축 방향으로 연장되어 있는 탄성 지지 암(131, 133) 상에 더욱이 각 2개의 피에조 저항 소자(31과 32, 33과 34)가 설치되어 있어, Z축 방향의 가속도를 검출한다. 본 예에서는 Z축 방향의 가속도를 탄성 지지 암(131, 133) 상에 설치한 피에조 저항 소자로 검출하고 있지만, Z축 방향의 가속도를 검출하는 소자는 탄성 지지 암(132, 134) 상에 설치되어 있어도 된다. 각 축 방향의 가속도를 검출하는 4개의 피에조 저항 소자는 각각의 풀 브리지 검출 회로를 구성하고 있다.
도 2를 주로 참조하면서, 가속도 센서의 상면에 수직한 단면 형상을 설명한다. 가속도 센서(100)에서 질량부(120)의 단면 형상 및 두꺼운 프레임(110)의 단면 형상은 탄성 지지 암(131, 133)이 접속되어 있는 상면으로부터 저면을 향하여 각도 θ를 가지고 서서히 넓어져 있다. 질량부의 측벽(123) 및 두꺼운 프레임의 질량부와 마주보고 있는 내측벽(113)이 각각의 저면(122, 112)에 대하여 각도 θ를 갖고 있기 때문에, 탄성부(131, 133)의 길이를 길게 할 수 있다.
설명을 위해, 도 2에 있어서는, 가속도 센서의 외부 프레임(110)의 한 변의 길이를 w, 질량부(120)의 상면에서의 변의 길이, 저면에서의 변의 길이 및 중간 높이에서의 변의 길이를 각각 f, f', f" 하고, 탄성 지지 암(131, 133)의 길이를 k로 하고, 그리고 두꺼운 프레임(110)의 상면에서의 폭과 저면에서의 폭을 각각 j, j'로 하고 있다. 두꺼운 프레임의 한 변의 길이(w)는 질량부(120)의 상면에서의 변의 길이(f)와, 탄성 지지 암의 길이(k)의 배와, 프레임부의 상면에서의 폭(j)의 배와의 합이 된다. 질량부의 측벽(123)이 저면(122)에 대하여 임의의 각도를 가지고 넓어져 있기 때문에 f < f" < f'이고, 두꺼운 프레임(110)의 내측벽(113)이 저면(112)에 대하여 임의의 각도를 가지고 넓어져 있기 때문에 j < j'이다.
질량부(120)의 저면에 있는 변의 길이(f')를 고정시키고 있으면, 질량부의 측벽(123)이 저면(122)에 대하여 각도 θ를 가짐으로써 질량부의 상면에 있는 변의 길이(f)는 짧아진다. 두꺼운 프레임(110)의 하면 폭(j')을 고정시키고 있으면, 두꺼운 프레임의 내측벽(113)이 저면(112)에 대하여 각도 θ를 가짐으로써 두꺼운 프레임의 저면에서의 폭(j)은 짧아진다. 가속도 센서의 두꺼운 프레임의 한 변의 길이(w)를 고정시키고 있으면, 질량부의 측벽 및 프레임의 내측벽이 저면에 대하여 각도 θ를 가짐에 따라, 질량부의 상면 변의 길이(f)와 프레임의 하면 폭(j)이 짧아지기 때문에, 탄성 지지 암의 길이(k)는 그만큼 길어진다.
질량부의 측벽(123) 및 두꺼운 프레임의 내측벽(113)이 각각의 저면(122, 112)에 대하여 각도 θ만큼 기울어 있을 때에, 질량부(120)의 질량을 측벽(123)이 기울고 있지 않을 때의 질량과 거의 같게 유지하기 때문에, 질량부의 중간 높이에 있어서의 변의 길이(f")를 고정시켜 두고, 그 중간 높이에 있어서의 변의 단부를 중심으로 하여 질량부(120)의 측벽(123)을 기울여, 질량부의 상면 변의 길이(f)를 짧게 하고, 질량부 저면 변의 길이(f')를 길게 한다. 두꺼운 프레임(110)은 내측벽(113)을 기울여 체적이 변하여도 가속도 센서의 검출 감도에 영향을 주지 않기 때문에, 두꺼운 프레임의 저면 폭(j')을 고정시켜 두고 내측벽(113)을 기울여, 저면(112)에 대하여 각도 θ를 갖도록 한다. 질량부(120)의 측벽(123)과 두꺼운 프레임(110)의 내측벽(113)을 각각의 저면(122, 112)에 대하여 각도 θ만큼 기울이면, 질량부 상면 변의 길이(f)와 두꺼운 프레임 상면 폭(j)이 작아지기 때문에, 가속도 센서의 프레임의 변 길이(w)를 고정시키고 있어도 탄성 지지 암(131, 133)의 길이(k)는 그만큼 길어진다.
625㎛ 두께의 실리콘웨이퍼를 사용하여 만든 가속도 센서에서, 질량부의 측벽과 두꺼운 프레임의 내측벽이 각각의 저면에 대하여 기울어 있는 각도 θ를 90°에서 81°까지 바꾼 경우의, 탄성 지지 암의 길이(상대치)와 측벽 및 내측벽의 그들의 저면에 대한 기울기 각도(θ)와의 관계를 도 3에 도시한다. 625㎛ 두께의 실리콘웨이퍼를 사용하여 만든 가속도 센서에서는, 그 상면에 있는 탄성 지지 암의 두께는 10㎛ 정도이기 때문에, 그 질량부와 두꺼운 프레임의 높이가 거의 625㎛가 된다. 그래서, 측벽 및 내측벽의 바닥에 대한 기울기 각도 θ를 84°로 작게 하면, 질량부의 저면 변 길이를 고정시키고 있으면, 탄성 지지 암의 길이를 약 130㎛ 길게 할 수 있다. 질량부의 측벽 및 두꺼운 프레임의 내측벽이 각각의 저면에 대하여 수직으로 되어 있는 가속도 센서의 탄성 지지 암의 길이(k)가 400㎛라고 하면, 각 탄성 지지 암의 길이가 약 1.3배가 된 것이 된다. 가속도 센서의 감도에 미치는 탄성 지지 암의 길이의 영향은 도 4에 도시하는 바와 같이, 탄성 지지 암의 길이에 비례한다. 본 실시예에서는 탄성 지지 암의 길이를 30% 증가시킬 수 있었기 때문에, 검출 감도를 약 30% 향상시킬 수 있었다.
또한, 질량부의 질량을 일정하게 하기 위해, 질량부의 중간 높이에서의 변 길이를 고정시켜 그 변 단부를 중심으로 하여 질량부 측벽을 기울여 그 저면에 대한 각도 θ를 84°로 작게 하면, 탄성 지지 암의 길이를 약 100㎛ 길게 할 수 있었다. 측벽이 수직한 때의 탄성부의 길이(k)를 400㎛라고 하면, 각 탄성 지지 암의 길이는 약 1.25배가 되었다.
위의 설명에 있어서, 질량부의 측벽과 프레임의 내측벽을 같은 각도만큼 기울이고 있다고 설명하였지만, 질량부 측벽 각도와 두꺼운 프레임 내측벽 각도를 다르게 하는 것은 당연히 가능한 것이고, 이들을 다르게 하더라도 위에 서술한 본 발명의 효과를 얻을 수 있다.
질량부의 측벽과 프레임의 내측벽은 각각의 저면에 대하여 80° 이상 90° 미만의 각도인 것이 바람직하다. 기울기 각도를 80° 미만으로 하는 것은 드라이 에칭으로 측벽을 형성하는 데 있어서 어렵다. 또한 기울기 각도를 80° 미만으로 하면, 탄성 지지 암을 설치하고 있는 측벽의 부분에 탄성 지지 암과 측벽과의 사이에 생기는 노치가 깊어져, 그 부분에서 기계 강도가 저하하는 일이 있다. 기울기 각도를 90° 미만으로 하는 것이 바람직한 것은 분명하지만, 88° 미만으로 하는 것은 더욱 바람직한 것으로, 88° 미만으로 하면 탄성 지지 암의 길이가 1.1배 이상이 된다.
탄성 지지 암에 설치된 피에조 저항 소자의 동작에 대해서 여기서 설명한다. X축 방향으로 연장되어 있는 탄성 지지 암(131, 133)에는 X축 방향의 가속도를 측정하기 위한 피에조 저항 소자(11과 12 및 13과 14)가 설치되어 있다. Y축 방향으로 연장되어 있는 탄성 지지 암(132, 134)에는 Y축 방향의 가속도를 측정하기 위한 피에조 저항 소자(21과 22 및 23과 24)가 설치되어 있다. X축 방향으로 연장되어 있는 탄성 지지 암(131, 133)에는 더욱이 Z축 방향의 가속도를 측정하기 위한 피에조 저항 소자(31과 32 및 33과 34)가 설치되어 있다.
질량부(120)에 X축 방향의 가속도가 걸리면, 질량부(120)의 중심에 힘(Fx)이 작용하기 때문에, 도 5에 도시하는 바와 같이, 질량부(120)의 상면의 좌측은 하향으로, 상면의 우측은 상향으로 기운다. 그 때문에, 탄성 지지 암(131) 상의 피에조 저항 소자(11)는 신장하고, 피에조 저항 소자(12)는 수축한다. 도 6의 회로에서는 피에조 저항 소자(11)의 저항을 R11, 피에조 저항 소자(12)의 저항을 R12로 표시하고 있기 때문에, 도 5에 있어서도 이해하기 쉽도록 피에조 저항 소자(11, 12)를 각각 저항 R11, R12로 표시하여, 신장, 수축을 「+」, 「-」로 표시하고 있다. 도 5와 도 7에서는 이들과 동일한 표시를 사용하고 있다. 또한, 탄성 지지 암(133) 상의 피에조 저항 소자(13)는 신장하고, 피에조 저항 소자(14)는 수축한다. 피에조 저항 소자가 이와 같이 신장하거나 수축함으로써, 그들의 저항(R11, R12, R13, R14)은 변화한다. 피에조 저항 소자의 저항을 도 6에 도시하는 바와 같이 풀 브리지 회로에 장착하여 일정한 전압(Vin)을 인가해 두면, 피에조 저항 소자의 저항 변화를 출력(Vout)에 의해 측정할 수 있다. Y축 방향의 가속도에 대해서는, Y축 방향으로 연장된 탄성 지지 암에 대해서 X축 방향과 동일하게 생각하면 된다.
질량부(120)에 Z축 방향의 가속도가 걸리면, 힘(Fz)이 작용하기 때문에, 도 7에 도시하는 바와 같이, 질량부(120)의 상면의 좌우 모두 상향으로 움직인다. 그 때문에 탄성 지지 암(131) 상의 피에조 저항 소자(31)는 수축하고, 피에조 저항 소자(32)는 신장한다. 마찬가지로, 탄성 지지 암(133) 상의 피에조 저항 소자(33)는 신장하고, 피에조 저항 소자(34)는 수축한다. 피에조 저항 소자의 저항(R11, R12, R13, R14)을 도 8에 도시하는 바와 같이 풀 브리지 회로에 장착하여 일정한 전압(Vin)을 인가해 두면, 피에조 저항 소자의 저항 변화를 출력(Vout)에 의해 측정할 수 있다. Z축 방향의 가속도를 검출하기 위한 브리지 회로와 X축 방향의 가속도를 검출하기 위한 브리지 회로는 저항의 결선을 바꾸는 편이 좋기 때문에, 실시예에서는 다른 피에조 저항 소자를 사용하고 있다.
이하, 실시예의 가속도 센서(100)의 제조 방법에 대해서 설명한다. 도 9a에서 9e는 주요 공정을 설명하기 위한 도 1의 X축 방향 단면(Ⅱ-Ⅱ 단면)의 일부(좌측 절반)를 도시하고 있다. SOI 웨이퍼란 도 9a에 도시한 바와 같이, Si의 베이스 기판(60), Si 활성층인 표면의 SOI층(80) 및 양자간에 있어서 에칭 스토퍼로서 사용되는 SiO2층(7O)으로 구성된 Si 단결정 기판이다. 각각의 두께로서는, 본 실시예에서는, 베이스 기판(60)은 625㎛, SiO2층은 1㎛, 그리고 SOI층은 약 10㎛로 하였다.
제조 프로세스의 처음에는, 먼저, SOI층(80)의 표면에 포토 레지스트 또는 열 산화 SiO2막 등을 마스크로 하여 소정 형상의 패턴을 만들고, 이온 주입 등의 불순물 확산 공정에 의해 붕소를 확산한 피에조 저항 소자(11, 12)를 만든다(도 9a). 표면 불순물 농도로서는, 온도 특성 및 감도의 양쪽 관점에서 약 2 ×1018원자/㎤으로 하였다.
다음으로, 피에조 저항 소자(11, 12)의 보호를 위해, 보호막(41)을 제작한다(도 9b). 보호막(41)으로서는, 일반적으로 반도체에서 사용되고 있는 SiO2와 PSG(Phosphorous silicated glass)의 다층막을 사용하여 가동 이온의 게터링(gettering) 효과를 갖게 하고 있다. SiO2와 PSG의 2층막 대신 SiO2와 SiN의 2층막을 사용하여도 된다. 보호막(41)의 두께는 가능한 한 얇게 하여 응력을 작게 한 쪽이 고감도화 점에서는 바람직하여, 0.3 내지 0.5㎛으로 하였다.
다음으로, 피에조 저항 소자(11, 12)의 양단부 상의 보호막(41)에 전극 접속용의 스루 홀(40a)을 불산을 주체로 한 습식 에칭에 의해 형성하였다(도 9c).
전극 배선을 만들기 위해, 우선 스패터(spatter)에 의해 알루미늄 합금(알루미늄, 구리, Si 등이 주요 조성)을 성막한다. 두께는 0.3 내지 0.5㎛으로 하였다. 포토 에칭에 의해 인출 전극(40)을 형성하였다(도 9d).
다음으로, 도시하고 있지는 않지만, SOI층(80)을 드라이 에칭법 등에 의해 에칭하여, 도 1에 도시한 두꺼운 부분에 관통 패턴(150)을 형성한다.
다음으로, 이면의 베이스 기판(60)에 양면 얼라이너(aligner) 장치를 사용하여 표면의 피에조 저항 소자(11, 12)나 SOI층(80)에의 관통 패턴(150) 등과의 위치를 맞추어 질량부(120) 및 두꺼운 프레임(110)의 형상으로 포토 레지스트 마스크를 형성하고, 드라이 에칭법으로 베이스 기판(60)을 에칭하며, 더욱이 에칭 스토퍼의 SiO2층(70)을 습식 에칭으로 제거하였다(도 9e). 질량부(120)의 측벽(123) 및 두꺼운 프레임(110)의 내측벽(113) 각각의 저면(122 및 112)과의 각도 θ를 84°로 하였다. 드라이 에칭에서는, SF6 가스를 주체로 하는 에칭 프로세스와 C4F8 가스를 주체로 하는 폴리머를 측벽에 부착시키는 프로세스를 반복하였다. SiO2층에의 에칭액에는 버퍼드(buffered) 불산을 사용하였다. 이 드라이 에칭 공정에서 탄성 지지 암(131, 132, 133, 134)이 형성되지만, 에칭 스토퍼의 SiO2층(70)을 제거하지 않고 남겨, 탄성 지지 암으로서 SiO2층과 실리콘층과의 적층품을 형성하는 편이 전체의 응력 밸런스를 잡는 데 좋은 경우도 있으며, 에칭 스토퍼의 SiO2층(70)을 탄성 지지 암의 뒤쪽에 일부 남기는 것도 적용 가능하다.
그 후에, 웨이퍼 상에 형성한 다수의 가속도 센서 소자를 다이서(dicer) 등을 사용하여, 1개 1개의 센서 칩으로 절단하고, 패키징 등의 조립 공정을 거쳐, 반도체 가속도 센서를 완성시켰다.
본 발명에 의한 가속도 센서에 의하면, 칩 사이즈를 바꾸지 않고, 중앙에 있는 질량부(120)의 체적을 유지한 채로, 탄성 지지 암의 길이를 약 1.3배로 할 수 있어, 그로써 센서 감도를 약 30% 향상시킬 수 있었다.
본 발명의 다른 실시예에 의한 가속도 센서를 도 10a 내지 10d에 단면도로 도시한다. 위에 서술한 실시예와 동일한 부분을 도시하는 데 같은 부호를 사용하고 있다. 도 10a에 도시하는 가속도 센서(100)는 질량부 측벽(123)과 프레임 내측벽(113)을 오목한 곡면으로 한 것이다. 도 10b에 도시하는 가속도 센서(100)는 질량부 측벽(123)과 프레임 내측벽(113)을 볼록한 곡면으로 한 것이다. 도 10c에 도시하는 가속도 센서(100)는 질량부 측벽(123)과 프레임 내측벽(113)을 계단형으로 한 것이다. 도 10d에 도시하는 가속도 센서(100)는 질량부 측벽(123)과 프레임 내측벽(113)을 다곡면으로 한 것이다.
질량부(120)와 두꺼운 프레임(110)의 측벽(123, 113)이 도 10a 내지 10d에 도시하는 바와 같이 요철이 붙은 형상으로 되어 있어도, 측벽(123) 또는 내측벽(113) 상에서 탄성 지지 암(131, 133)이 설치되어 있는 장소를 지나 측벽(123) 또는 내측벽(113)과 각각의 저면(122, 112)과의 교선(125, 115)을 통과하는 평면(예를 들면, 128)이 저면(122, 112)과 이루는 각도 θ가 80 내지 90°로 되고 있으면 좋다.
이상 설명한 바와 같이, 질량부 또는 두꺼운 프레임의 단면이 탄성 지지 암에 접속되는 상면 측보다도 저면 측에서 크게 되어 있음으로써, 프레임 치수가 동일하여도 탄성 지지 암의 길이를 크게 할 수 있어, 질량부의 체적을 크게 할 수 있기 때문에, 소형 박형으로 양호한 감도의 가속도 센서를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예의 가속도 센서를 도시하는 평면도.
도 2는 도 1의 가속도 센서를 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 도시하는 단면도.
도 3은 본 발명의 가속도 센서로 탄성 지지 암의 길이와 측벽, 내측벽의 저면과의 각도와의 관계를 도시하는 그래프.
도 4는 본 발명의 가속도 센서의 감도와 탄성 지지 암의 길이와의 관계를 도시하는 그래프.
도 5는 X축(Y축) 방향의 가속도가 작용하였을 때의 가속도 센서의 변형을 설명하는 모식도.
도 6은 X축(Y축) 방향의 가속도를 측정하는 브리지 회로의 일례를 도시하는 도면.
도 7은 Z축 방향의 가속도가 작용하였을 때의 가속도 센서의 변형을 설명하는 모식도.
도 8은 Z축 방향의 가속도를 측정하는 브리지 회로의 일례를 도시하는 도면.
도 9a 내지 9e는 본 발명의 실시예의 가속도 센서의 제조 프로세스를 도시하는 설명도.
도 10a 내지 10d는 본 발명의 다른 실시예의 가속도 센서를 도시하는 단면도.
도 11은 일본 특허 공개 공보에 도시되어 있는 가속도 센서를 도시하는 평면도.
도 12는 도 11의 가속도 센서를 도 11의 XⅡ-XⅡ선을 따라 도시하는 단면도.
도 13은 도 11의 가속도 센서의 사시도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100 : 가속도 센서 110 : 두꺼운 프레임
120 : 질량부 131, 132, 133, 134 : 탄성 지지 암
150 : L자형 관통 구멍

Claims (8)

  1. 중앙에서, 상면과 그 상면과 대향한 저면을 갖는 질량부와,
    상기 질량부에서 소정 거리 떨어져서 그 질량부를 둘러싸고 있는 것으로, 상면과 그 상면과 대향한 저면을 갖는 두꺼운 프레임과,
    상기 질량부 상면의 단부로부터 연장되어 있고, 상기 질량부 상면 단부와 상기 두꺼운 프레임 상면의 내측 단부를 연결하여 상기 질량부를 상기 두꺼운 프레임의 내측에서 매달고 있는 복수의 탄성 지지 암과,
    상기 탄성 지지 암 상에 형성된 스트레인 게이지를 구비하고,
    상기 질량부와 상기 두꺼운 프레임 중 적어도 한 쪽이, 그 상면에 수직한 단면에서, 그 상면으로부터 그 저면을 향하여 폭이 넓어져 있는, 가속도 센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 질량부가, 그 상면에 수직한 단면에서, 그 상면으로부터 그 저면을 향하여 폭이 넓어져 있음과 동시에,
    상기 두꺼운 프레임이, 그 상면에 수직한 단면에서, 그 상면으로부터 그 저면을 향하여 폭이 넓어져 있는, 가속도 센서.
  3. 중앙에서, 상면과, 그 상면과 대향한 저면과, 상기 상면과 상기 저면 사이에서 질량부를 둘러싸고 있는 복수의 측벽을 갖는 질량부와,
    상기 질량부에서 소정 거리 떨어져서 질량부를 둘러싸고 있는 두꺼운 프레임으로서, 두꺼운 프레임 상면과, 그 상면과 대향한 두꺼운 프레임 저면과, 상기 두꺼운 프레임 상면과 상기 두꺼운 프레임 저면 사이에서 질량부와 대향하고 있는, 두꺼운 프레임의 내측에 있는 내측벽을 갖는 상기 두꺼운 프레임과,
    상기 질량부 측벽 상에서 상기 질량부 상면의 단부로부터 연장되어 있고, 상기 질량부 상면 단부와 상기 두꺼운 프레임 내측벽 상에서 상기 두꺼운 프레임 상면의 내측 단부를 연결하여 상기 질량부를 상기 두꺼운 프레임의 내측에서 매달고 있는 복수의 탄성 지지 암과,
    상기 탄성 지지 암 상에 형성된 스트레인 게이지를 구비하고,
    상기 질량부의 각 측벽과 상기 두꺼운 프레임의 각 내측벽 중 적어도 한 쪽 상에서, 벽 상의 탄성 지지 암이 설치되어 있는 장소를 지나 그 벽과 그 벽에 대응하는 저면과의 교선을 통과하는 평면이, 그 벽에 대응하는 저면과 이루는 각이 80° 이상 90° 미만인, 가속도 센서.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 질량부의 각 측벽 상에서 벽 상의 탄성 지지 암이 설치되어 있는 장소를 지나 그 벽과 그 벽에 대응하는 저면과의 교선을 통과하는 평면이, 그 벽에 대응하는 저면과 이루는 각이 80° 이상 90° 미만이며,
    상기 두꺼운 프레임의 각 내측벽 상에서 벽 상의 탄성 지지 암이 설치되어 있는 장소를 지나 그 벽과 그 벽에 대응하는 저면과의 교선을 통과하는 평면이, 그 벽에 대응하는 저면과 이루는 각이 80° 이상 90° 미만인, 가속도 센서.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 질량부의 각 측벽과 상기 두꺼운 프레임의 각 내측벽 중 적어도 한 쪽이, 그 벽에 대응하는 저면과 이루는 각이 80° 이상 90° 미만인, 가속도 센서.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 질량부의 각 측벽이, 그 벽에 대응하는 저면과 이루는 각이 80° 이상 90° 미만이며,
    상기 두꺼운 프레임의 각 내측벽이, 그 벽에 대응하는 저면과 이루는 각이 80° 이상 90° 미만인, 가속도 센서.
  7. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항 또는 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가속도 센서는 실리콘 단결정으로 만들어져 있는, 가속도 센서.
  8. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항 또는 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가속도 센서는 S0I 웨이퍼로 만들어져 있으며, 상기 복수의 탄성 지지 암은 SiO2층, 또는 SiO2층과 실리콘층의 적층품으로 이루어져 있는, 가속도 센서.
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