| 【発明の名称】 |
半導体加速度センサ |
| 【発明者】 |
【氏名】友成 恵昭
【氏名】中邑 卓郎
【氏名】石田 拓郎
【氏名】吉田 仁
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| 【要約】 |
【課題】梁部の幅を長くすることなく、高感度で温度特性に優れた半導体加速度センサを提供する。
【解決手段】加速度を受けて変位する重り部１と、中央部２ａと中央部２ａの外縁から四方に延在する梁部２ｂとを有し、中央部２ａの下面に重り部１が連結された撓み部２と、撓み部２を支持する支持部材３と、重り部１の変位により撓み部２に生じる歪みを少なくともＸ，Ｙ軸の２方向で検出するピエゾ抵抗RX1〜RX4，RY1〜RY4とを有し、ピエゾ抵抗RX1〜RX4，RY1〜RY4が中央部２ａと梁部２ｂとの連結部位近傍に配置され、各軸方向のピエゾ抵抗RX1〜RX4，RY1〜RY4がブリッジ回路で構成されている。そして、各軸方向の中央部２ａを挟んで設けられたピエゾ抵抗RX1〜RX4，RY1〜RY4間を接続する配線４が中央部２ａ上に設けられ、各軸方向の配線４が直交交差され、各軸方向の配線４の中点が、異なる軸方向の梁部２ｂ上を介して支持部材３上に電気的に引き出されている。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 加速度を受けて変位する重り部と、中央部と該中央部の外縁から四方に延在する梁部とを有し、前記中央部の下面に前記重り部が連結された撓み部と、前記撓み部を支持する支持部材と、前記重り部の変位により前記撓み部に生じる歪みを少なくともＸ，Ｙ軸の２方向で検出するピエゾ抵抗とを有し、該ピエゾ抵抗が前記中央部と前記梁部との連結部位近傍に配置され、各軸方向の前記ピエゾ抵抗がブリッジ回路で構成された半導体加速度センサにおいて、各軸方向の前記中央部を挟んで設けられた前記ピエゾ抵抗間を接続する配線が前記中央部上に設けられ、各軸方向の該配線が直交交差され、各軸方向の前記配線の中点が、異なる軸方向の梁部上を介して前記支持部材上に電気的に引き出されて成ることを特徴とする半導体加速度センサ。
【請求項２】 前記直交交差する配線の一方の配線を、少なくとも前記直交交差する部分で前記中央部内に形成された不純物拡散層を介して直交交差させて、前記直交交差する各々の配線が導通しないようにしたことを特徴とする請求項１記載の半導体加速度センサ。
【請求項３】 前記重り部は、前記中央部にネック部を介して連結され、前記重り部と前記梁部との間に切り込み溝が設けられて成ることを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体加速度センサ。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体加速度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図７，図８は、従来例に係る半導体加速度センサを示す概略構成図であり、（ａ）は上面から見た状態を示す該略平面図であり、（ｂ）は概略断面図である。図７に示す半導体加速度センサは、シリコンから成る半導体基板の所望の箇所を半導体エッチング技術を用いて加工することにより、重り部１と薄肉状の撓み部２と枠状の支持部材３とが形成されて成る。ここで、重り部１は、十字型の撓み部２の中央部２ａの下面に接続され、中央部２ａの外縁からは４本のビーム状の梁部２ｂ（撓み部２の端末部）が延在して支持部材３の内側側面（波線にて示す）に接続されている。
【０００３】梁部２ｂには、重り部１の変位により生じる梁部２ｂの歪みからＸ，Ｙ，Ｚの各軸方向の加速度を検出するためのピエゾ抵抗RX1〜RX4，RY1〜RY4，RZ1〜RZ4が形成されている。
【０００４】また、支持部材３の下面側には、重り部１に対応する箇所に凹部を有する、シリコンまたはガラスから成る下部ストッパ（図示せず）が陽極接合等により接合されている。
【０００５】図８に示す半導体加速度センサは、図７に示す半導体加速度センサにおいて、重り部１の中央をネック部１ａを介して撓み部２の中央部２ａに接続し、重り部１と梁部２ｂとの間に切り込み溝５を設けた構成である。この切り込み溝５を設けることにより、同じチップサイズの場合に、図７に示す半導体加速度センサよりも長い梁部２ｂを得ることができ、小型，高感度な半導体加速度センサを実現することができる。
【０００６】上述の半導体加速度センサにおいて、高感度な出力を得るためのピエゾ抵抗の配置として特開平6ー331646号公報に記載のものがある。この発明は、梁部に形成するピエゾ抵抗の内、Ｘ，Ｙ軸方向の歪みを検出するピエゾ抵抗を撓み部の中央部近傍の梁部に配置し、この配置箇所以外にＺ軸方向の歪みを検出するピエゾ抵抗を配置している。これにより、Ｘ，Ｙ軸方向の加速度が印加された場合に、大きな応力が生じる撓み部の中央部近傍の歪みをピエゾ抵抗で検出することができるため、Ｘ，Ｙ軸方向に対し高感度な加速度検出が可能となる。
【０００７】以下、ピエゾ抵抗RX1〜RX4，RY1〜RY4，RZ1〜RZ4の具体的な配置について説明する。図７，図８に示すように、梁部２ｂのＹ軸方向の中心線上の支持部材３との連結部位にそれぞれＺ軸方向の加速度検出用のピエゾ抵抗RZ1，RZ3が、ピエゾ抵抗RZ1，RZ3の長手方向がＹ軸方向と平行となるように配置され、梁部２ｂのＸ軸方向の中心線上の支持部材3との連結部位にそれぞれＺ軸方向の加速度検出用のピエゾ抵抗RZ2，RZ4が、ピエゾ抵抗RZ2，RZ4の長手方向がＹ軸方向と平行となるように配置されている。
【０００８】また、Ｙ軸方向の梁部２ｂの、中央部２ａとの連結部位には、それぞれＹ軸方向の加速度検出用のピエゾ抵抗RY1〜RY4が配置され、Ｘ軸方向の梁部２ｂの、中央部２ａとの連結部位には、それぞれＸ軸方向の加速度検出用のピエゾ抵抗RX1〜RX4が配置されている。
【０００９】上記Ｘ，Ｙ軸方向の加速度検出用のピエゾ抵抗RX1〜RX4，RY1〜RY4としては、梁部２ｂの長手方向に対しピエゾ抵抗の長手方向が平行（例えば、ピエゾ抵抗RY1〜RY4の長手方向がＹ軸方向と平行）となるように配置されているピエゾ抵抗（以下、「縦ピエゾ抵抗」という）と、梁部２ｂの長手方向に対しピエゾ抵抗の長手方向が垂直（例えば、ピエゾ抵抗RY1〜RY4の長手方向がＹ軸方向と垂直）となるように配置されているピエゾ抵抗（以下、「横ピエゾ抵抗」という）とがある。
【００１０】ここで、縦ピエゾ抵抗を用いた場合には、横ピエゾ抵抗を用いた場合に比べ梁部２ｂの幅を短くすることができる利点がある。加速度センサの感度Ｓは、梁部２ｂの幅ｂとＳ∝１／ｂの関係があるため、縦ピエゾ抵抗を用いることにより更なる高感度化が期待できるものである。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上述のように配置されたピエゾ抵抗から出力を取り出すためには、図８に示すようなブリッジ回路を形成しなければならない。ここで問題となるのは、隣り合うピエゾ抵抗（例えばRX1とRX3）をブリッジ回路上では対向して接続しなければならない点である。特開平6-331646号公報においては、ピエゾ抵抗の配置とブリッジ回路の接続方法までは開示されているが、具体的にパターン上にてどのように個々のピエゾ抵抗を接続配線していくかについては開示されていない。
【００１２】本発明は、上記の点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、梁部の幅を長くすることなく、高感度で温度特性に優れた半導体加速度センサを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、加速度を受けて変位する重り部と、中央部と該中央部の外縁から四方に延在する梁部とを有し、前記中央部の下面に前記重り部が連結された撓み部と、前記撓み部を支持する支持部材と、前記重り部の変位により前記撓み部に生じる歪みを少なくともＸ，Ｙ軸の２方向で検出するピエゾ抵抗とを有し、該ピエゾ抵抗が前記中央部と前記梁部との連結部位近傍に配置され、各軸方向の前記ピエゾ抵抗がブリッジ回路で構成された半導体加速度センサにおいて、各軸方向の前記中央部を挟んで設けられた前記ピエゾ抵抗間を接続する配線が前記中央部上に設けられ、各軸方向の該配線が直交交差され、各軸方向の前記配線の中点が、異なる軸方向の梁部上を介して前記支持部材上に電気的に引き出されて成ることを特徴とするものである。
【００１４】請求項２記載の発明は、請求項１記載の半導体加速度センサにおいて、前記直交交差する配線の一方の配線を、少なくとも前記直交交差する部分で前記中央部内に形成された不純物拡散層を介して直交交差させて、前記直交交差する各々の配線が導通しないようにしたことを特徴とするものである。
【００１５】請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の半導体加速度センサにおいて、前記重り部は、前記中央部にネック部を介して連結され、前記重り部と前記梁部との間に切り込み溝が設けられて成ることを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について図面に基づき説明する。
【００１７】＝実施形態１＝図１は、本発明の一実施形態に係る半導体加速度線センサを示す概略構成図であり、（ａ）は概略平面図であり、（ｂ）は概略断面図である。この半導体加速度センサは、少なくともＸ軸，Ｙ軸の加速度を検出するために、互いに直交する４本の梁部２ｂにより構成される撓み部２と、撓み部２の矩形状の中央部２ａの下面に接続されている重り部１と、撓み部２を支持する枠状の支持部材３とを有する。ここで、Ｘ軸方向の梁部２ｂの、中央部２ａとの連結部位近傍の一方側にはピエゾ抵抗RX1，RX3が配置され、他方側にはピエゾ抵抗RX2，RX4が配置されている。また、Ｙ軸方向の梁部２ｂの、中央部２ａとの連結部位近傍の一方側にはピエゾ抵抗RY1，RY3が配置され、他方側にはピエゾ抵抗RY2，RY4が配置されている。
【００１８】次に、印加された加速度を検出するためには、各軸毎にそれぞれ４つのピエゾ抵抗を使ってホイートストンブリッジ回路を構成しなければならない。この場合、高い検出出力を得るためには１つの梁部２ｂ上で隣り合って配置されたピエゾ抵抗（例えばRX1とRX3）を回路上で対向するように配線しなければならない。
【００１９】図２は、本実施形態に係る半導体加速度センサのピエゾ抵抗の概略配線図であり、（ａ）はＸ軸方向の加速度を検出するためのピエゾ抵抗RX1〜RX4の概略配線図であり、（ｂ）はＹ軸方向の加速度を検出するためのピエゾ抵抗RY1〜RY4の概略配線図である。先ず、ピエゾ抵抗RX1とピエゾ抵抗RX2とは、中央部２ａ上に形成された配線４により接続され、ピエゾ抵抗RX1，RX2の他端は、梁部２ｂ上に形成された配線４により支持部材３上まで引き出され、支持部材３上に設けられた端子X3，X4に各々接続されている。また、ピエゾ抵抗RX3とピエゾ抵抗RX4とは、中央部２ａ上に形成された配線４により接続され、ピエゾ抵抗RX3，RX4の他端は、梁部２ｂ上に形成された配線４により支持部材３上まで引き出され、支持部材３上に設けられた端子X5，X6に各々接続されている。
【００２０】次に、加速度の検出出力を取り出すための各ピエゾ抵抗間の配線４の中間点の端子への配線は以下のようにして行われる。ピエゾ抵抗RX1とピエゾ抵抗RX2とを結ぶ配線４を中央部２ａ上で分岐し、その配線４は、Ｙ軸方向の加速度を検出するために形成されたピエゾ抵抗RY1，RY3間を通すようにして梁部２ｂ上に形成され、支持部材３上まで引き出されて、支持部材３上に設けられた端子X1に接続されている。同様にして、ピエゾ抵抗RX3とピエゾ抵抗RX4とを結ぶ配線４を中央部２ａ上で分岐し、その配線４は、Ｙ軸方向の加速度を検出するために形成されたピエゾ抵抗RY2，RY4間を通すようにして梁部２ｂ上に形成され、支持部材３上まで引き出されて、支持部材３上に設けられた端子X2に接続されている。
【００２１】Ｙ軸方向のピエゾ抵抗RY1〜RY4についても同様な配線が行われる。先ず、ピエゾ抵抗RY1とピエゾ抵抗RY2とは、中央部２ａ上に形成された配線４により接続され、ピエゾ抵抗RY1，RY2の他端は、梁部２ｂ上に形成された配線４により支持部材３上まで引き出され、支持部材３上に設けられた端子Y3，Y4に各々接続されている。また、ピエゾ抵抗RY3とピエゾ抵抗RY4とは、中央部２ａ上に形成された配線４により接続され、ピエゾ抵抗RY3，RY4の他端は、梁部２ｂ上に形成された配線４により支持部材３上まで引き出され、支持部材３上に設けられた端子Y5，Y6に各々接続されている。
【００２２】次に、ピエゾ抵抗RY1とピエゾ抵抗RY2とを結ぶ配線４を中央部２ａ上で分岐し、その配線４は、Ｘ軸方向の加速度を検出するために形成されたピエゾ抵抗RX1，RX3間を通すようにして梁部２ｂ上に形成され、支持部材３上まで引き出されて、支持部材３上に設けられた端子Y1に接続されている。同様にして、ピエゾ抵抗RY3とピエゾ抵抗RY4とを結ぶ配線４を中央部２ａ上で分岐し、その配線４は、Ｘ軸方向の加速度を検出するために形成されたピエゾ抵抗RX2，RX4間を通すようにして梁部２ｂ上に形成され、支持部材３上まで引き出されて、支持部材３上に設けられた端子Y2に接続されている。
【００２３】ここで、各配線４の交差部分では、各配線４が電気的に接続されないように、交差部分にシリコン酸化膜，シリコン窒化膜等の絶縁膜を介した多層配線や、中央部２ａに形成された不純物拡散層を利用した多層配線が用いられる。
【００２４】＝実施形態２＝図３は、本発明の他の実施形態に係る半導体加速度センサを示す概略構成図であり、（ａ）は上面から見た状態を示す概略平面図であり、（ｂ）は配線４の交差部分の一部を示す概略断面図である。本実施形態に係る半導体加速度センサは、実施形態１として図１に示す半導体加速度センサにおいて、各配線４の交差部分を不純物拡散層５を用いて多層配線にした構成である。
【００２５】具体的には、図３（ｂ）に示すように、重り部１，撓み部２及び支持部材３を構成する半導体基板６の配線４が交差する部分及びその近傍に、半導体基板６と逆の導電型の不純物拡散層５が形成され、半導体基板６の不純物拡散層５が形成された面側にはシリコン酸化膜，シリコン窒化膜等の絶縁膜７が形成されている。そして、交差する配線４の両側の、不純物拡散層５上の絶縁膜７の一部が除去されてコンタクトホールが形成され、コンタクトホールを埋込形成して、不純物拡散層５と電気的に接続されるようにアルミニウム（Ａｌ）等の配線４が形成されて、多層配線にされている。
【００２６】なお、不純物拡散層５の不純物濃度としては、配線間の抵抗を低抵抗にでき、かつ、温度変化の小さいものを得るために1×1020cm-3以上であることが望ましい。
【００２７】＝実施形態３＝図４は、本発明の他の実施形態に係る半導体加速度センサを示す概略構成図であり、（ａ）は上面から見た状態を示す概略平面図であり、（ｂ）は配線４の交差部分の一部を示す概略断面図である。本実施形態に係る半導体加速度センサは、実施形態２として図３に示す半導体加速度センサにおいて、ピエゾ抵抗間の配線４の中間点との配線４を不純物拡散層５を介して接続した構成である。
【００２８】具体的には、図４（ｂ）に示すように、重り部１，撓み部２及び支持部材３を構成する半導体基板６の配線４が交差する部分及びその近傍に、半導体基板６と逆の導電型の不純物拡散層５が形成され、半導体基板６の不純物拡散層５が形成された面側にはシリコン酸化膜，シリコン窒化膜等の絶縁膜７が形成されている。そして、不純物拡散層５上の絶縁膜７の所定の箇所がエッチング除去されてコンタクトホールが形成され、コンタクトホールを埋込形成して、不純物拡散層５と電気的に接続されるようにアルミニウム（Ａｌ）等の配線４が形成される。これにより、配線４が交差する部分においては半導体基板６に形成された不純物拡散層５を介して電気的に接続されて多層配線が行われている。この時、ピエゾ抵抗間の配線の中間点との接続のための配線４も不純物拡散層５と電気的に接続されている。
【００２９】なお、不純物拡散層５の不純物濃度としては、配線間の抵抗を低抵抗にでき、かつ、温度変化の小さいものを得るために1×1020cm-3以上であることが望ましい。
【００３０】従って、実施形態１〜３においては、配線４の交差する部分で各配線４が電気的に接続されないように、交差部分にシリコン酸化膜，シリコン窒化膜等の絶縁膜を介した多層配線や、中央部２ａに形成された不純物拡散層５を利用した多層配線が用いられているので、梁部の幅を長くすることなく、高感度で温度特性に優れた半導体加速度センサを構成することができる。
【００３１】なお、上述の全ての実施形態において、半導体加速度センサとして図５に示すように、重り部１をネック部１ａを介して中央部２ａの下面に接続し、ネック部１ａを外囲する箇所の重り部１と撓み部２との間に切り込み溝８を形成するようにしても良い。これにより、上述の全ての実施形態とチップサイズが同一の場合には、半導体加速度センサの感度を向上させることができ、上述の全ての実施形態と感度が同じ場合にはチップサイズを小型化することができる。ただし、切り込み溝８は、ネック１ａを外囲する箇所に必ずしも形成する必要はなく、少なくとも梁部２ｂの下部及びその近傍に形成されていれば良い。
【００３２】
【発明の効果】請求項１記載の発明は、加速度を受けて変位する重り部と、中央部と中央部の外縁から四方に延在する梁部とを有し、中央部の下面に重り部が連結された撓み部と、撓み部を支持する支持部材と、重り部の変位により撓み部に生じる歪みを少なくともＸ，Ｙ軸の２方向で検出するピエゾ抵抗とを有し、ピエゾ抵抗が中央部と梁部との連結部位近傍に配置され、各軸方向のピエゾ抵抗がブリッジ回路で構成された半導体加速度センサにおいて、各軸方向の中央部を挟んで設けられたピエゾ抵抗間を接続する配線が中央部上に設けられ、各軸方向の配線が直交交差され、各軸方向の配線の中点が、異なる軸方向の梁部上を介して支持部材上に電気的に引き出されて成るので、梁部の幅を長くすることなく、高感度で温度特性に優れた半導体加速度センサを提供することができた。
【００３３】請求項２記載の発明は、請求項１記載の半導体加速度センサにおいて、直交交差する配線の一方の配線を、少なくとも直交交差する部分で中央部内に形成された不純物拡散層を介して直交交差させて、直交交差する各々の配線が導通しないようにしたので、ピエゾ抵抗を形成する際に不純物拡散層を形成することができ、工程数を増やすことなく各配線が導通しないようにすることができる。
【００３４】請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の半導体加速度センサにおいて、中央部にネック部を介して連結され、重り部と梁部との間に切り込み溝が設けられて成るので、更なる小型化，高感度化を図ることができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５８３２
【氏名又は名称】松下電工株式会社
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| 【出願日】 |
平成９年（１９９７）１１月２８日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】安藤 淳二 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開平１１−１６０３４８ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）６月１８日 |
| 【出願番号】 |
特願平９−３２９１６４ |
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