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JP2006133161A - 加速度センサー - Google Patents

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JP2006133161A JP2004324864A JP2004324864A JP2006133161A JP 2006133161 A JP2006133161 A JP 2006133161A JP 2004324864 A JP2004324864 A JP 2004324864A JP 2004324864 A JP2004324864 A JP 2004324864A JP 2006133161 A JP2006133161 A JP 2006133161A
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Atsushi Machida
敦司 町田
Sumio Yamada
澄夫 山田
Hiroshi Tanaka
浩 田中
Hisanori Aizawa
尚徳 愛澤
Kenji Nagata
憲治 永田
Tsutomu Miyashita
勉 宮下
Hiroshi Ishikawa
寛 石川
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Fujitsu Ltd
Fujitsu Media Devices Ltd
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Fujitsu Ltd
Fujitsu Media Devices Ltd
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Abstract

【課題】オフセット電圧の変動を抑制し、温度特性が改善された加速度センサーを提供することにある。
【解決手段】半導体基板の中央部に形成された錘部と、前記錘部の周辺部に形成した枠部と、前記錘部と枠部を接続するビーム部若しくはダイヤフラム部と,前記ビーム部もしくはダイヤフラム部に形成された,印加される加速度に対応した前記ビーム部もしくはダイヤフラム部の撓みを検出する検出素子と,前記ビーム部若しくはダイヤフラム部上に形成され,前記検出素子の検出出力を前記枠部に設けたパッドに導くリードとを有し,更に,前記ビーム部もしくはダイヤフラム上に形成されたリードと少なくとも電気的に独立した複数のドットパターンからなるダミーリードが,前記ビーム部もしくはダイヤフラム上に形成されている。
【選択図】図5

Description

本発明は,加速度センサーに関する。特に温度によるオフセット電圧の変動を抑制した,3軸のそれぞれの加速度を検出可能な加速度センサーに関する。
自動車、航空機、玩具、携帯端末等に用いられる加速度検出用の半導体加速度センサーには、ピエゾ抵抗効果、圧電効果、静電容量変化等を利用したものと様々な検出手段を用いたものが開発されている。これらの加速度センサーには、小型で且つ高性能なものが要求されている。
さらに1チップで多軸検出が可能とするセンサーの開発が進み、既に製品化されている。中でも、半導体基板を用いて一般的な半導体技術を使用して製造可能なピエゾ抵抗型の多軸加速度センサーの開発が進んでいる。
一般的な加速度センサーは、錘部とそれを取り囲むように配置した枠部と、枠部と錘部を連結する複数本のビーム部(Beam)で支えたビーム部構造か、薄い膜で錘部を支えているダイヤフラム構造が一般的である。そして,加速度が印加した場合の検出は,ビーム部或いは,ダイヤフラムに生じた撓みを検出素子で検出するものである。
検出素子として,ピエゾ抵抗素子をビーム部或いは,ダイヤフラムに形成し,加速度が印加した場合、錘部が上下、左右に振れ、錘部を支えているビーム部若しくダイヤフラム部に応力が加わり,加速度を応力によるビームの撓みに応じたピエゾ抵抗素子の抵抗変化としてとらえることができる。
図1は加速度センサーの主要部であるセンシング部の一構造を説明するための概念図である。図1Aはセンシング部の斜視図、図1Bはセンシング部の平面図、そして、図1Cはセンシング部をガラス基板上に載置した状態の断面図である。
図1A、図1Bにおいて、加速度センサーのセンシング部を作製するための基板であるSOI基板10は、枠部14、後述するプロセスによりSOI基板10に作り込まれたピエゾ抵抗素子11、センシング部の可動部である錘部12、錘部12と枠部14を繋ぎ、錘部12の動きを支えるビーム部13を有して構成される。さらに、図1Cに示すように、ガラス基板15が、錘部12の軸方向の一端面に対向するように、ビーム部13を支持し錘部12を保持するための枠体14に固着される。
かかる構成において、可動部である錘部12が動くと、その動きはビーム部13の振れや撓みとなりビーム部13上に設けられたピエゾ抵抗素子11の抵抗値が変化し、この抵抗値の変化がホイーストン・ブリッジ回路を用いて電気信号出力として検出される。
ここで,図1に示したようにピエゾ抵抗素子を検出素子として用いる構成では、ビーム部13の撓みをピエゾ抵抗素子の抵抗変化としてとらえるものであり,ピエゾ抵抗素子の抵抗変化を検出するために外部の検出回路とピエゾ抵抗素子とを繋ぐ引き出し配線(リード)を設けることが必要である。
図2は,図1Bの平面図を拡大して,ピエゾ抵抗素子と配線リードとの接続関係を一般的な構成として示す図である。
図2において,4本のビーム部13a〜13d上のそれぞれに検出素子としてピエゾ抵抗素子が形成配置されている。
図2に示す実施例では,ビーム部13a上にピエゾ抵抗素子11a1,11a2が,ビーム部13b上にピエゾ抵抗素子11b1〜11b4が,ビーム部13c上にピエゾ抵抗素子11c1,11c2が,ビーム部13d上にピエゾ抵抗素子11d1〜11d4が形成されている。
ビーム部13a上のピエゾ抵抗素子11a1,11a2とビーム部13c上のピエゾ抵抗素子11c1,11c2に接続されるリードにパッド16を通して繋がる外部検出部においてブリッジ回路に接続されて,Y軸方向の加速度が検知される。同様にビーム部13b上のピエゾ抵抗素子11b1と11b2とビーム部13d上のピエゾ抵抗素子11d3,11d4に接続される配線リードにパッド16を通して繋がる外部検出部においてブリッジ回路に接続されて,X軸方向の加速度が検知される。また,ビーム部13b上のピエゾ抵抗素子11b3と11b4とビーム部13d上のピエゾ抵抗素子11d1,11d2に接続される配線リードにパッド16を通して繋がる外部検出部においてブリッジ回路に接続されて,Z軸方向の加速度が検知される。
ここで,上記のような加速度センサーにおいて問題となるのが、温度特性に起因するオフセット値の存在である。
すなわち,温度特性に起因する要因として、ピエゾ抵抗素子の温度特性や抵抗ばらつき、配線の内部応力や、熱応力、素子を形成する半導体基板と、それに陽極接合等を用いて接続したガラス基板等の熱膨張係数の違い等、様々な要因が挙げられる。
特に,検出素子(ピエゾ抵抗素子)11とパッド16を繋ぐリード(配線)が検出軸(X軸方向あるいは,Y軸方向)において又は、検出素子(ピエゾ抵抗素子)を中心とする対称とはなっていない場合、配線による膜応力(分布)がビーム部13a〜13dにおいて異なるものとなる。
図3は,かかる様子を理解するために,図2のビーム部13aの部分を拡大して示す図である。図4は,図2のビーム部13bの部分を拡大して示す図である。
図3において,ビーム部13a上に形成されるピエゾ抵抗素子11a1,11b1を中心とすると,その両側に配置されるリード(配線)が非対称に形成されている。一方,図4において,ビーム部13b上に形成されるピエゾ抵抗素子11b1,11b3及び,11b2,11b4との間では,それらの両側に配置されるリード(配線)が非対称に形成されている。
このような,ビーム部13a,13b上の配線リードの非対象配置により,各ピエゾ抵抗素子の近傍では膜応力バランスが微妙に異なり、抵抗値にもズレが生じる。したがって、結果としてブリッジ回路の抵抗バランスがくずれ、オフセット電圧が増加する。また、配線に用いている純Alや、Al合金(Al-Si, Al-Cu等)の熱応力に関しても、同様にオフセット電圧が増加する。
そのため、かかる問題の解決のために種々の提案がされている。
第1の例として,特許文献1に示される発明では,配線抵抗とは別にダミーの配線を形成し,ビーム部上の配線パターンを検出軸と検出軸に垂直な方向に対して対称となるようにしている。
第2の例として,特許文献2に示される発明は,Z軸方向の加速度を検出するための,ビーム部上に配置されるピエゾ抵抗素子の当該配置位置を応力の集中する点から離す方法であり,1本のビーム部上にビーム部の軸方向に配置した2つのピエゾ抵抗素子の間隔を広げたり、狭めたりして出力を調整する方法を取っている。
また、第3の例として,特許文献3では、別の観点からSi基板と陽極接合したガラス基板との熱膨張係数の違いによる温度特性への影響を問題とし,この影響を減らすために,溝をガラス基板に形成して熱膨張係数の違いにより発生する応力を吸収または軽減させている。
特開2003-92413号公報 特開2003-279592号公報 特開平11-311631号公報
上記の特許文献1,2に記載されるダミー配線を設ける方法やピエゾ抵抗素子位置を応力の集中する点から離す方法によっては、ダミー配線を設ける際に、配線とは異なる材料を用いなければ工程が増えることはない。したがって,生産性、コストの面で従来工程に比べて悪化することはない。
しかし,特許文献1に記載されるダミー配線を設ける場合、対称性を考慮して配置しなくてはならず、例えば、ビーム部の幅寸法を決める時に、ダミー配線の幅と引き出し線(配線リード)との間隔分のスペースが必要となり、ビーム部幅を細くすることが難しくなる。
また、特許文献2に記載されるピエゾ抵抗位置のシフトに関しても、ピエゾ抵抗素子の間隔を狭くする場合は,ピエゾ抵抗素子形状を変えないとビーム部長を短くすることが難しい。逆にビーム部長を長くすることはできるが、長すぎると製造バラツキが大きくなり、望ましくない。さらに、ビーム部長を変えると、ビーム部等の膜応力に対する変形量も変わる。このため、その都度、膜応力の厚さや成膜方法(条件)を変える必要が生じる。
さらに,ピエゾ抵抗素子11を枠部14側、錘部12側の方向にシフトさせ,ピエゾ抵抗素子の間隔を広げた場合(ビームの中心に対して外側の方向にシフト),枠部14上の配線をピエゾ抵抗素子のシフト量分,そのまま外側にシフトさせることは枠部の配線レイアウトの変更を伴う。この時,枠サイズが固定の場合,配線を引き回すスペースが制限され,配線の変更が困難となる。また、配線を引き回すことのできるスペースが制限されるということは、枠部を小さくすることが難しくなり、小型化の面でも難しくなる。
また,特許文献3に記載の発明による半導体基板で作製した素子もしくはガラス基板に応力緩和のための溝を形成する方法では、陽極接合用ガラス基板に溝を掘る工程が追加される為にコスト高は避けられない。
したがって,本発明の目的はかかる点に鑑みて,上記特許文献1乃至3に記載の発明における問題を解決し,オフセット電圧の変動を抑制し、温度特性が改善された加速度センサーを提供することにある。
さらに,本発明の目的は、上記のような問題点を改善するために素子寸法、製造条件等を大きく変えることなく、設計自由度を確保しつつ、温度特性、特にオフセット電圧の温度特性を改善した加速度センサーを提供することにある。
上記の課題を達成する本発明に従う加速度センサーの第1の態様は,半導体基板の中央部に形成された錘部と、前記錘部の周辺部に形成した枠部と、前記錘部と枠部を接続するビーム部若しくはダイヤフラム部と,前記ビーム部もしくはダイヤフラム部に形成された,印加される加速度に対応した前記ビーム部もしくはダイヤフラム部の撓みを検出する検出素子と,前記ビーム部若しくはダイヤフラム部上に形成され,前記検出素子の検出出力を前記枠部に設けたパッドに導く配線リードとを有し,更に,前記ビーム部もしくはダイヤフラム上に形成された配線リードと独立した複数のドットパターンからなるダミーリードが,前記ビーム部もしくはダイヤフラム上に形成されていることを特徴とする。
上記の課題を達成する本発明に従う加速度センサーの第2の態様は,第1の態様において,前記配線リードとは独立したダミーリードのパターンは、前記配線リードの形成と同一工程で形成したことを特徴とする。
上記の課題を達成する本発明に従う加速度センサーの第3の態様は,第1の態様において,前記ダミーリードの複数のドットパターンが直線上に配置されていることを特徴とする。
上記の課題を達成する本発明に従う加速度センサーの第4の態様は,半導体基板の中央部に形成された錘部と,前記錘部の周辺部に形成した枠部と、前記錘部と枠部を接続するビーム部若しくはダイヤフラム部と,前記ビーム部もしくはダイヤフラム部に形成された,印加される加速度に対応した前記ビーム部もしくはダイヤフラム部の撓みを検出するピエゾ抵抗素子とを有し,前記ピエゾ抵抗素子は,第1の領域と,前記第1の領域より幅の狭い第2の領域を有し,前記第1の領域が前記錘部とビーム部若しくはダイヤフラム部との境界,又は前記枠部とビーム部若しくはダイヤフラム部との境界を跨ぐ位置に形成され,前記前記第2の領域が前記ビーム部若しくはダイヤフラム部上に形成されていることを特徴とする。
上記の課題を達成する本発明に従う加速度センサーの第5の態様は,第4の態様において,前記ピエゾ抵抗素子の第1の領域における前記境界位置は,前記第1の領域の前記錘部又は枠部に位置する領域よりも前記ビーム部若しくはダイヤフラム部に位置する領域の割合が大きくなる様に位置決めされていることを特徴とする。
本発明により,オフセットドリフトの温度特性の優れた加速度センサーを提供することができる。
以下に,本発明の実施例を図面に従い説明する。なお,図面に示される実施例は,本発明の説明のためのものであり,本発明の技術的範囲がこれらに限定されるものではない。
[第1の実施例]
図5は,本発明の第1の実施例を説明する図であり、図5Aは図2に対応する平面図である。また、図5Bは,図5Aの太線で囲ったビーム部13bの部分の拡大図である。図5において,図2と参照番号を同じにする部位は,同様のものを指している。
本実施例の特徴は、各ビーム部上にピエゾ抵抗素子11a1-11a2,11b1-11b4,11c1-11c2,11d1-11d4に対し、これらと接続したリード,及びダミーのリード17a,リード17b,リード17c,リード17dが設けられている点にある。
さらに,ビーム部13aとビーム部13dとを繋ぐ配線リード18a,ビーム部13bとビーム部13cとを繋ぐ配線リード18bとバランスするために,ビーム部13aとビーム部13bとの間にダミーのリード18a1,ビーム部13cとビーム部13dとの間にダミーのリード18b1が形成されている。
特に,本発明において,これらのダミーのリードは,図5Bに拡大して示すように複数のドット状を成している。そして,ドット状のために,ドット間隔,各ドットの長さ,及びドット数を調整することによりダミーリードの等価的な長さを調整することが可能である。
例えば,ダミーリードを説明する図6に示されるように,必要とするダミーリードのパターン長が260μmである時(図6B参照),このままビーム部上に形成する場合は,ビーム部上に偏在する即ち,錘部12側,中央部あるいは,枠部14側のいずれかの方向に偏って配置せざるを得ない。かかる場合は,ビーム部の歪みとなって現れる可能性が大きい。
これに対し,本発明では,図6Aに示されるように,リードパターン長が260μmのダミーリードを,複数のL1のドットパターンに分割し間隔を空けて,ビーム部上に均等に配置することができる。これによりビーム部上にダミーリードが偏在することを避けることができる。
図7,図8は,第1の実施例の効果を説明する図である。図7は,図5Bを再掲して示す図である。図8は,ビーム部13bに形成されたダミーのリード17bの形態を変えたときのZ軸センサーのオフセットドリフト特性を示す図である。
図8において,特性Aは,図7に示すように,ビーム部13b上にパターン長260μmを,複数の長さL1のドットパターンに分割し,分散配置した実施例である。
特性Bは,図6Bに示す様にパターン長260μmを分割せずにビーム部13b上に配置した例である。特性Cは,ダミーパターンを形成しない場合の特性である。
いずれの特性も,温度25℃を基準にして温度を変化したときのオフセットドリフト(mV)をプロットしたものである。
この図8から,ダミーリードをそれぞれの長さがL1の複数のドットパターンに分割し,分散配置した本発明の実施例が比較例に対し,温度特性が良好であることが理解できる。
上記の様に,第1の実施例において,ピエゾ抵抗素子の配置により、完全なパターンの対称は難しいが、図8に示したように完全に対称にしなくともビーム部やダイヤフラムに加わる膜応力の分布を均一とする様に改善され、その結果、温度特性が改善されることが理解できる。
ここで,前記複数のドットによるダミーリードの形成は,配線リードの形成と同一行程で形成することが可能である。
さらに,上記第1の実施例において検出素子として専らピエゾ抵抗素子を用いる例を説明した。しかし,本発明の第1の実施例はこれに限定されず,検出素子として、例えば,圧電素子を用いたものや,検出方法として静電容量の変化を利用したものによっても同様に適用可能である。
[第2の実施例]
図9は,本発明の第2の実施例を説明する図である。この第2の実施例は,加速度センサーの温度特性の改善という意味において,前記第1の実施例と独立に実施することもまた,第1の実施例の構成を有することを前提として以下に説明する第2の実施例特徴を単独で備える様に構成することも可能である。
この第2の実施例の特徴は,検出素子であるピエゾ抵抗素子を第1の領域と第2の領域を有する構成とし,応力の集中する錘部12とビーム部13の境界もしくは枠部14とビーム部13の境界上に跨る様に,第1のピエゾ抵抗素子領域を配置することにある。さらに,第1のピエゾ抵抗素子領域の幅を,他の第2のピエゾ抵抗素子領域の幅より大きい形状とする。これにより,第1のピエゾ抵抗素子領域部分の抵抗値を小さくすることができる。
すなわち,応力の集中する錘部12とビーム部13の境界もしくは枠部14とビーム部13の境界近傍での感度を低くすることができる。したがって,この第1のピエゾ抵抗素子領域部分での感度は下がるものの、温度による変動幅が減り、結果として,ピエゾ抵抗素子全体における温度特性が改善される。
図9に示す実施例では,第1の領域11Aは,丸で囲んだように,枠部14とビーム部13の境界19を跨る様に位置している。なお,図9に示すようにピエゾ抵抗素子は,アルミ配線20によりリードに接続されている。Z軸方向加速度を検知するピエゾ抵抗素子11b4について第1の領域11Aと第2の領域11Bを有するようにし,第1の領域11Aは,第2の領域11Bよりも広い幅を有している(図9B参照)。
図10は,図9に示す実施例における応力分布を示している。応力ピーク点Pを1として規格化して示す図である。
図10Aに示す様に応力のピークPは,枠部14とビーム部13の境界19で最大となっている。かかる応力が最大となる領域で,ピエゾ抵抗素子11b4は幅の広い第1の領域11Aを形成している。したがって,この第1の領域部分11Aの抵抗値が下がり,結果として,ピエゾ抵抗素子全体における感度の温度変化による変動幅が減少し,温度特性が改善される。
図11は,かかる第2の実施例の具体例として,ビーム部13b上のピエゾ抵抗素子11b3を第1の領域と第2の領域を有する様に構成した例である。そして,ピエゾ抵抗素子11b3の第1の領域11Aは,錘部12とビーム部13の境界19を跨るように配置形成される。
図11において,図11Bに拡大して示すように,ピエゾ抵抗素子11b3の第1の領域11Aは,錘部12とビーム部13bの境界19を跨るように形成されている。
すなわち,ピエゾ抵抗素子11b3の第1の領域11Aは,境界19を基準にして錘部12側に所定長さ(実施例として25μm:−25μmと表示)を有し,アルミ配線20により枠部14上の図示しないリードに接続される。
さらに,ピエゾ抵抗素子11b3の第1の領域11Aは,境界19を基準にしてピエゾ抵抗素子11b3の第2の領域11B側にオフセット(offset)量の部分を有している。
したがって,図11において,第1の領域11Aの長さは,境界19を基準にして錘部12側の所定長さと第2の領域側に伸びたオフセット量を加えたものである。
今,境界19を基準にして錘部12側の所定長さを(-25μm)とし,幅を10μmとして,第2の領域側(実施例として幅は7μm)に伸びたオフセット量を変えて測定した結果が図12に示される。
図12は,図11に示す構成において,ビーム13bに形成されたピエゾ抵抗素子11b3の第1の領域11Aが第2の領域11Bに伸びるオフセット量を変えたときの各温度におけるZ軸オフセットドリフト(mV)を示すものである。
図12において,測定例aは,オフセット量を−25μmとした例であり,即ち,この場合は,第1の領域11Aは存在せず,ピエゾ抵抗素子11b3の幅は均一であり,従来例と同様である。
測定例b〜dは,それぞれオフセット量を+5,+15,+25μmとした例である。図12から容易に理解できる様に,温度25℃を基準として温度を変化する時オフセット量が小さいほどZ軸オフセットドリフトの温度変動が大きいことが理解できる。すなわち,第1の領域11Aを境界19を基準として,第2の領域11Bに伸びる領域を大きくすることにより,より好ましい温度変動が得られることが理解できる。
なお,上記第2の実施例説明において,Z軸オフセットドリフトに関し説明したが,X軸,Y軸についても同様に,ピエゾ抵抗素子に第1の領域及び第2の領域を設けてオフセットドリフトを調整可能であることは言うまでもない。
上記実施例に従い本発明を説明したように,本発明により簡単な構成でオフセットドリフトの温度特性の優れた加速度センサーを提供することができるので,コストパフォーマンスに優れ,且つ信頼性が向上した加速度センサーが提供可能である。
加速度センサーの主要部であるセンシング部の一構造を説明するための概念図である。 図1Bの平面図を拡大して,ピエゾ抵抗素子とリードとの接続関係を一般的な構成として示す図である。 図2のビーム部13aの部分を拡大して示す図である。 図2のビーム部13bの部分を拡大して示す図である。 本発明の第1の実施例を説明する図である。 ダミーのリードを説明する図である。 図5Bを再掲して示す図である。 ビーム部13bに形成されたダミーのリード17bの形態を変えたときのZ軸センサのオフセットドリフト特性を示す図である。 本発明の第2の実施例を説明する図である。 図9に示す実施例における応力分布を示している。 第2の実施例として,ビーム部13b上のピエゾ抵抗素子11b3を第1の領域と第2の領域を有する様に構成した例である。 図11の構成において,第1の領域が第2の領域に伸びるオフセット量を変えたときの各温度におけるZ軸オフセットドリフト(mV)を示すものである。
符号の説明
11 検出素子
11a1,11a2,11b1〜11b4,11c1,11c2,11d1〜11d4 ピエゾ抵抗素子
12 錘部
13a〜13d ビーム部
14 枠部
15 ガラス基板
16 パッド

Claims (5)

  1. 半導体基板の中央部に形成された錘部と、
    前記錘部の周辺部に形成した枠部と、
    前記錘部と枠部を接続するビーム部若しくはダイヤフラム部と,
    前記ビーム部もしくはダイヤフラム部に形成された,印加される加速度に対応した前記ビーム部もしくはダイヤフラム部の撓みを検出する検出素子と,
    前記ビーム部若しくはダイヤフラム部上に形成され,前記検出素子の検出出力を前記枠部に設けたパッドに導く配線リードとを有し,更に,
    前記ビーム部もしくはダイヤフラム上に形成された配線リードと独立した複数のドットパターンからなるダミーリードが,前記ビーム部もしくはダイヤフラム上に形成されている
    ことを特徴とする加速度センサー。
  2. 請求項1において,
    前記配線リードとは独立したダミーリードのパターンは、前記配線リードの形成と同一工程で形成したことを特徴とする請求項1記載の加速度センサー。
  3. 請求項1において,
    前記ダミーリードの複数のドットパターンが直線上に配置されていることを特徴とする加速度センサー。
  4. 半導体基板の中央部に形成された錘部と、
    前記錘部の周辺部に形成した枠部と、
    前記錘部と枠部を接続するビーム部若しくはダイヤフラム部と,
    前記ビーム部もしくはダイヤフラム部に形成された,印加される加速度に対応した前記ビーム部もしくはダイヤフラム部の撓みを検出するピエゾ抵抗素子とを有し,
    前記ピエゾ抵抗素子は,第1の領域と,前記第1の領域より幅の狭い第2の領域を有し,
    前記第1の領域が前記錘部とビーム部若しくはダイヤフラム部との境界,又は前記枠部とビーム部若しくはダイヤフラム部との境界を跨ぐ位置に形成され,
    前記前記第2の領域が前記ビーム部若しくはダイヤフラム部上に形成されている
    ことを特徴とする加速度センサー。
  5. 請求項4において,
    前記ピエゾ抵抗素子の第1の領域における前記境界位置は,前記第1の領域の前記錘部又は枠部に位置する領域よりも前記ビーム部若しくはダイヤフラム部に位置する領域の割合が大きくなる様に位置決めされていることを特徴とする加速度センサー。
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