JPH0821722B2

JPH0821722B2 - 半導体振動・加速度検出装置

Info

Publication number: JPH0821722B2
Application number: JP61236911A
Authority: JP
Inventors: 哲夫藤井; 治伊藤
Original assignee: 日本電装株式会社
Priority date: 1985-10-08
Filing date: 1986-10-03
Publication date: 1996-03-04
Anticipated expiration: 2011-03-04
Also published as: US4891984A; JPS62174978A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、例えば自動車の加速度状態、揺れの状態
等を検出し、その検出信号を効果的に処理して各種制御
等に使用されるようにするもので、特に３次元の振動あ
るいは加速度を効果的に検出するように構成することが
でき、シリコンウエハ等の半導体基板に対して、集積回
路等と共に構成されるようにする半導体振動・加速度検
出装置に関する。

［背景技術］例えば、加速度の状態を３次元的に検出しようとする
場合には、３次元の各次元にそれぞれ対応する振動およ
び加速度の状態をそれぞれ検出する手段が必要となる。

第８図はこのような３次元的な加速度検出機構の例を
示すもので、基台111に対して例えば三角錐状の取付け
台112を設定し、この取付け台112の各面に対応して、３
次元の各方向Ｘ、Ｙ、Ｚにそれぞれ直交する方向に延び
るような振動板113、114、115を取付け設定する。この
場合、この各振動板113〜115に対しては、それぞれその
先端に質量116〜118を取付け、上記各振動板113〜11が
３次元のＸ、Ｙ、Ｚの振動によってそれぞれ励振される
ようにする。この場合、上記振動板113〜115に対して
は、それぞれ歪みゲージ等を取付け、その振動状態を電
気的に検出できるようにしているものである。

このような加速度検出装置にあっては、各振動板113
〜115をそれぞれ異なる方向に延びる状態で設定しなけ
ればならず、その相互角度関係も所定の状態に正確に設
定しなければならない。したがって、この検出装置はそ
の構造が複雑な状態となるばかりでなく、実質的に手作
りに近い状態で動作特性の調整設定を行わなければなら
ないものであり、大型であり且つ高価なものとなってい
た。

また、半導体基板の表面部分に、例えばポリシリコン
等によって片持ちビームを上記表面との間に微小間隔が
設定される状態で形成し、このビームが振動した場合に
変化する、このビームと上記基板との間隔を静電容量に
よって検出する手段が考えられている。しかし、このよ
うな構成のものでは３次元的な振動・加速度を検出する
装置を構成することができないものであり、また温度変
化等によって反りが発生したような場合には、このビー
ムと半導体基板表面との間隔が変化し、その間の容量が
変化して安定した検出出力を得ることが困難である。

上記ビーム機構は複数本の組合わせによって構成し、
その各ビームの長さを変化設定することによってそれぞ
れ固有の振動数が設定されるようになるものであり、振
動スペクトルの検出を行うことが可能となる。しかし、
ビームと基板表面との間隔が微小な状態にあるものであ
るため、その間隔部分にごみ等が入り込んだ場合、上記
ビームの共振周波数が変化するようになり、振動検出動
作が不安定な状態となる。

［発明が解決しようとする問題点］この発明は上記のような点に鑑みてなされたもので、
充分簡単な構成で振動および加速度状態が検出できるよ
うにすると共に、温度等の条件に影響されることなく安
定した検出特性が設定され、また、互いに直交する３次
元的な方向の振動、加速度等も効果的に検出できるよう
にするものであり、小型であり且つ軽量に構成して、例
えば量産性にも富むようにすることのできる半導体振動
・加速度検出装置を提供することである。

［問題点を解決するための手段］すなわち、この発明に係る半導体振動・加速度検出装
置にあっては、集積回路等が形成されるような半導体基
板に対して、エッチング等によって可動部材を形成す
る。この可動部材はビームによって構成され、このビー
ムの先端には質量が設定されるようになっている。そし
て、このビームの基端部分に対して、このビームの変位
状態に対応して電気信号を発生するピエゾ抵抗素子を設
定するものである。

また、本発明の半導体振動・加速度検出装置にあって
は、半導体基板の面に対して平行な方向に延びるように
形成されるとともに、前記面に対して平行な方向に振動
されるように設定され、互いに直交する方向に延びる状
態で設定した第１および第２のビーム部と、および半導
体基板の面に対して平行な方向に延びるように形成され
るとともに、前記面に対して垂直な方向に振動されるよ
うに設定された第３のビーム部を有している。

〔作用〕

上記可動部材を構成するビームは、半導体基板に対し
て通常の半導体回路の製造過程において使用されるエッ
チングによって簡単に形成されるものであり、このビー
ムに対して質量部を設定することによって、このビーム
の延びる方向と直交する方向の振動によって変位するよ
うになる。そして、この変位状態はピエゾ抵抗素子によ
って電気信号の状態で検出されるものであり、必要に応
じて上記半導体基板に形成された集積回路部による信号
処理回路を追加すれば効果的に処理出力し得るようにな
る。そして、本発明においては、上記ビームはその変位
する方向が特定されるものであり、上記半導体基板の表
面に対して直行する状態でビームを設定し、且つこのビ
ームが上記表面に平行な方向に変位できるように形成し
ているため、直交するＸおよびＹ方向の２次元の振動お
よび加速度が検出されるようになる。さらに、半導体基
板の表面に対して直行するＺ方向に変位できるようにビ
ームを設定しているので、Ｚ方向の変位を検出でき、１
つの半導体基板に対して３次元の振動および加速度の検
出機構が設定されるようになるものである。

［発明の実施例］以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説明す
る。第１図は振動さらに加速度を検出する検出装置を内
蔵したICチップの平面的な構成を示すものであり、半導
体基板11には、Ｘ方向検出部12、Ｙ方向検出部13、Ｚ方
向検出部14が平面的に配列形成されるものであり、その
他に例えば上記各検出部からの検出信号を処理する情報
処理回路、増幅回路等の周辺IC回路部15が形成されるよ
うになっている。

上記各検出部12〜14は、それぞれ機械的な振動、加速
度によって変位され振動する可動部材、すなわちそれぞ
れ複数のビーム12a、12b、…、13a、13b、…、14a、14b
…によって構成されているもので、そのビーム部分は第
２図に取り出して示すように構成されている。

まず、第２図の（Ａ）はＺ方向すなわちICチップ11の
面に対して垂直方向の変位を検出する検出部14を構成す
るビーム部16を示すもので、このビーム部16はチップ11
を構成するシリコン基板を、薄く細長い板状にエッチン
グによって切出して形成され、チップ11と同一の平面部
を有し、この平面に垂直の方向の変位のみを許容できる
構造となっている。そして、このビーム部16の先端部分
には、質量部17が一体的に形成され、チップ11がその表
面と垂直方向に振動した場合、その振動によってビーム
16が振動されるようになっている。

また、第２図の（Ｂ）はチップ11の表面に一致する方
向の振動を検出するＸ方向およびＹ方向の検出部12およ
び13の特にＸ方向検出部12のビーム部18を示すもので、
このビーム18は上記ビーム部16と直角の方向に平面を有
する細長い板状体によって構成される。そして、このビ
ーム部18の先端部分には質量部19が形成されている。こ
の場合、上記検出部12および13を構成するビームは、互
いに直角の方向に延びるように設定されているもので、
チップ11の表面に平行なＸ方向およびＹ方向の振動およ
び加速度によって、これらビームが選択的に変位される
ものである。

ここで、上記各検出部12〜14をそれぞれ構成する複数
のビーム12a、12b、…、13a、13b、…、14a、14b、…
は、それぞれ各検出部内で長さが異なるように設定され
ているもので、それぞれＸ、Ｙ、Ｚの各方向の広い周波
数範囲の振動に対して共振できるビームが存在するよう
になっている。

ここで、各ビームにおける固有の振動数foは、第３図
に示すようにビームの振動方向の厚さをａ、その長さを
Ｌ、質量をｍ、ビームの幅を第２図（Ｂ）で示すように
ｂした場合、で表現される。

この固有振動数は、ビームの幅、厚さ、長さ、さらに
質量によって自由に選定できるものであり、また各検出
部12〜14を構成する複数のビームの長さ等を組合わせる
ことによって、検出振動スペクトルを自由に設定できる
ものである。そして、上記Ｘ方向検出部12、Ｙ方向検出
部13、およびＺ方向検出部14によって、第４図で示す
Ｘ、Ｙ、Ｚの３次元方向の振動および加速度状態をそれ
ぞれ検出できるようになるものである。

上記のような各検出部12〜14をそれぞれ構成するビー
ムは、それぞれICチップ11を構成するシリコンウエハか
らエッチングによって切り出し形成されるもので、第５
図はその製造過程を示している。

この例は特にＺ方向検出部14を構成するビームを作り
出す場合を示しているもので、まず（Ａ）図で示すよう
に厚さ400〜600μｍのＮ型２〜３Ω・cm（110）のシリ
コン基板21の主表面部に対して、通常のIC製造プロセス
によってMOSトランジスタ、バイポーラトランジスタ等
による周辺回路部15と共に、変位を検出するＰ型拡散抵
抗によるピエゾ抵抗層22を形成し、このピエゾ抵抗層22
からの信号導出用のアルミニウムによる配線層23を形成
する。この場合、上記シリコン基板21の表面および裏面
には、絶縁膜として酸化膜24、25が形成されている。こ
の表面側の酸化膜24は、詳細は図示されていないが、例
えば第１図で示したＺ方向検出部14の可動部材のパター
ンを形成されるように一部除去されているものであり、
また裏面側の酸化膜25はビームを形成する部分に対応し
て除去されている。具体的には検出部14の構成範囲で除
去されている。そして、この酸化膜24および25をマスク
としてシリコン基板21を両面から異方性アルカリエッチ
ングにより除去し、その裏面部に（Ｂ）図で示すように
空間26が形成される。

シリコン基板21の面方向（110）を利用した場合、こ
の（110）面に対する異方性KOHのアルカリエッチングに
対して90゜の角度をもって垂直にシリコン基板218がエ
ッチングされ、（111）面をもつ垂直の深い溝が形成さ
れるような状態となる。またこのとき、（110）面にお
いて垂直方向にエッチングされた２つの（111）面の形
成する角度は約109゜であり、Ｘ、Ｙ方向の振動、加速
度の分離は可能な状態となる。

そして、このエッチングによって上記したようにシリ
コン基板21の裏面に空間26が形成されるようになると共
に、表面の酸化膜24によるパターンにしたがって、各ビ
ーム14a、14b、…部分が切出されるようになる。

上記エンチング工程において異方性エッチグではな
く、例えばフッ酸、硝酸系のシリコンエッチング液を用
いれば、面方位に止どまらず、どのような形状に対して
も適応できるゆようになる。この場合、金や白金等をマ
スクとして用いるようにする。

（Ｂ）図の空間26は加速度、振動の検出に際して可動
部分が接触しないように設定されるもので、100〜200μ
ｍの深さで形成される。そして、この空間26を形成する
部分に対して、SiO₂、Si₃N₄等の膜27で形成する。

次に、（Ｃ）図に示すように酸化膜24および膜27を部
分的に除去してマスクを形成し、配線部23をワックス等
で保護して露出したシリコン基板21を表面および裏面か
ら前記したと同様にエッチングする。このとき、表面お
よび裏面から同時にエッチングが進行することによっ
て、貫通領域が形成されたときにこのエッチングを停止
させる。

すなわち、（Ｄ）図で示すように第１図で示したビー
ム14aと14bとが分離して形成されるようになるもので、
裏面の酸化膜27によるパターンにしたがって、肉薄のビ
ーム部材28a,28b,が形成され、また酸化膜27が残ってい
る部分で質量部29a,29bが形成されるようになる。すな
わち、このビーム14aおよび1bはそれぞれ矢印で示すよ
うに振動変位できるようになるものであり、その変位状
態はそれぞれピエゾ抵抗層22によって電気的に検出され
るようになる。

さらに、この成形後のシリコン基板全面に対し、等方
性のエッチングである弗硝酸系によるウェットエッチン
グあるいは等方性のプラズマエッチングの処理を短時間
施こし、ビーム部材28a,28b,質量部29a,29bの表面をな
めらかにすると共に、ビーム部材28a,28bの根元のコー
ナー部にまるみを形成するのが望ましい。このことは、
前記したアルカリエッチングの場合、結晶方位による異
方性エッチングであり、特にエッチング部のコーナー部
が鋭角になり、応力集中による耐強度性が低下するた
め、それを改善するものである。

第６図の（Ａ）は上記ビーム部に対して設定されるピ
エゾ抵抗層22の状態を示すものであるが、この形状は、
例えば４本のピエゾ抵抗素子を形成し、これをブリッジ
接続されるようにしてもよいものである。その他、感度
等を調整するために、種々の結晶方向にピエゾ抵抗素子
を形成するようにしてもよいことはもちろんである。

第７図はＸおよびＹ方向の振動変位を検出する検出部
12および13の可動部材であるビームを構成する場合を示
しているもので、第５図の（Ｂ）の状態と同様にされた
シリコン基板21に対して（Ａ）図のように酸化膜24およ
び膜27によるマスクパターンを形成する。この場合、パ
ターンは第２図の（Ｂ）で示したような肉薄のビーム部
と質量部を有する形状に設定されるものである。そし
て、この状態でシリコン基板21の両面から前記同様にエ
ッチングすると、（Ｂ）図に示すように例えばビーム12
aおよび12bが形成されるもので、水平方向の振動および
加速度を検出するビーム部30a、30b、さらに質量部31
a、31bが形成されるものである。そして、この場合の細
条のピエゾ抵抗層22は、例えば第６図の（Ｂ）のように
ビーム部30aの中心線に沿って形成せずに中心線から一
方に外して形成され、ビームの変位方向も識別可能にす
るものである。この場合、上記ピエゾ抵抗素子22は加速
度の方向を規定するために、圧縮および引張りに対して
逆の抵抗変化をするように配置してある。

尚、これまで説明した実施例にあっては、長さ等の異
る複数のビームによって構成した複数のビームによる可
動部材によって、振動、加速度等を検出するように構成
しているものであるが、これは各ビームの値を計算する
ことによって検出精度が向上される。しかし、単純に振
動あるいは加速度の存在を検出するものであれば、Ｘ、
Ｙ、Ｚ、の各方向に対応してそれぞれ１本のビームによ
って各検出部を構成するようにしてもよい。また、実施
例では各ビームを片持の状態で示しているが、これはも
ちろん両持ちビーム構造であってもよいものであり、そ
の他の任意可動形状のものでも可能である。

次に、本発明の他の実施例について説明する。第９図
（Ａ），（Ｂ）及び第10図（Ａ），（Ｂ）は感知ビーム
のストッパ構造及び封止構造の一例を示している。第９
図（Ａ）は第１図と同様のもので、シリコン基板からな
るICチップ40内にＸ方向検出部41,Y方向検出部42,Z方向
検出部43,検出処理回路部44及び外部接続用パッド部45,
46を有する。特に、X,Y方向検出部41,42において各ビー
ム41a,41b,42a,42bを夫々一個ずつ枠部にて区画して設
け、この枠部の端面をストッパー部41c,41d,42c,42dと
して利用した構造をもつ。その際、各ビームの先端にあ
る質量部とストッパー部41c,41d,42c,42dとの間隔が、
検出される許容加速度や振動を考慮して適宜設定されて
いる。そして各ビーム41a,41b,42a,42bには図示してな
いが第５図（Ｂ）に示す如きピエゾ抵抗素子が形成さ
れ、各ビーム43a,43bには第５図（Ａ）に示す如きピエ
ゾ抵抗素子が形成され、これらのピエゾ抵抗素子は図示
してない電気配線を介して検出処理回路部44に接続され
ている。またこの検出処理回路部44と外部との入出力は
外部接続用パッド部45,46を介して行われる。

また、第９図（Ｂ）はICチップ40上面に所定形状の空
間が51がエッチング形成されたシリコン基板又はシリコ
ンと熱膨張係数の近似したガラス製の上蓋50が固着され
た状態を示す図である。図（Ｂ）中の破線部が空間51の
外郭ラインを示し、この外郭ラインが図（Ａ）中の一点
鎖線Ｌと一致するように組付けられ、この空間51内に各
検出部41,42,43及び検出処理回路部44が露出するように
配置されている。またICチップ40の下面にはシリコン基
板又はシリコンと熱膨張係数の近似したガラス製の下蓋
60が固着されている。

また第10図（Ａ）は第９図（Ａ）中のＣ−Ｃ断面図
で、この場合ICチップ40,上蓋50及び下蓋60を含む断面
図である。下蓋60の上面にも空間61がエッチング形成さ
れ、この空間61が上蓋50側の空間51と連通して、１つの
密閉空間が上蓋50と下蓋60とによって形成されている。
またビーム43aの質量部43eと対向する面がストッパー部
43c,43dとして設定され、両者の間隔がそれぞれ等しく
設定され、かつその間隔が許容加速度等を考慮して適宜
設定されている。そしてこの空間51,61による密閉空間
にはシリコンオイル等の振動制動材が必要に応じて封入
される。なお、上蓋50及び下蓋60の固着には陽極接合，
樹脂やガラス，半田等による接着技術を利用できる。ま
た、第10（Ｂ）はビーム43aの質量部43fとして半田等の
金属層を形成し、また下蓋60の上面をエッチング処理し
ない例を示す。なお、22Aは拡散形成されたピエゾ抵抗
素子、61Aは空間を示す。

次に、第11図は第9,10図に示すように一体化したセン
サチップを樹脂封止した構造を示す。ICチップ40,上蓋5
0、及び下蓋60からなるセンサチップをリードフレーム7
0上に固着すると共に、所定部位にワイヤボンディング
線を接続し、このセンサチップを樹脂80にてモールド成
型（樹脂封止）したもので、一種のチップキャリア素子
として構成できる。それによってプリント板や印刷基板
上に種々のチップ素子と同様にして実装でき、搭載性を
比躍的に向上させ得る。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明によれば、通常のIC回路等を製
造する工程と同様な工程によってシリコン基板に対して
振動，加速度等を検出する可動部材を形成できるもので
あり、必要に応じて検出信号の処理回路等と共に１つの
チップ上に振動・加速度検出装置が組込み設定できるよ
うになる。この場合、各振動および加速度を検出する素
子部分は通常のエッチング工程によって形成されるもの
であり、その振動変位状態はピエゾ抵抗素子によって確
実に検出されるようになる。また、その検出用の可動部
材の変位方向は、シリコン基材に対して同一平面の方向
並びに垂直方向に任意に設定できるものであるため、１
つのシリコン基板に対して３次元の振動および加速度を
検出する検出部が一体的に組込み構成できる。しかも、
この３次元方向の検出可動部材は、通常のエッチング工
程によって同時に且つ高精度に加工できるものであり、
小型であり且つ信頼性に富む３次元振動・加速度度検出
装置が容易に実現できるようになるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る振動・加速度検出装
置を説明する平面から見た図、第２図は上記検出装置の
可動部材を構成するビーム部を取出して示す図、第３図
は上記ビーム部の固有振動数を説明するための図、第４
図は検出振動方向を示す図、第５図は上記ビームの製造
工程を説明する図、第６図は上記ビームに設定されるピ
エゾ抵抗層の状態を示す図、第７図はさらに他のビーム
の製造工程を説明する図、第８図は従来の３次元の振動
検出装置の例を示す図、第９図，第10図、及び第11図は
本発明の他の実施例を示す図である。 11……ICチップ、12……Ｘ方向検出部、13……Ｙ方向検
出部、14……Ｚ方向検出部、12a、12b、…、13a、13b、
…、14a、14b、……ビーム、15……周辺回路部、16、18
……ビーム部、18、19……質量部、21……シリコン基
板、22……ピエゾ抵抗層。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板に形成され、且つ該半導体基板
の面に対して平行な方向に延びるように形成されるとと
もに、前記面に対して平行な方向に振動されるように設
定され、互いに直交する方向に延びる状態で設定した第
１および第２のビーム部と、前記半導体基板に形成され、且つ該半導体基板の面に対
して平行な方向に延びるように形成されるとともに、前
記面に対して垂直な方向で振動されるように設定された
第３のビーム部と、前記第１、第２および第３のビーム部の前記半導体基板
の固定端部分に、それぞれ形成されたピエゾ抵抗素子とを具備し、前記第１、第２および第３のビーム部の振動
に対応した信号が前記ピエゾ抵抗素子によって検出され
るようにしたことを特徴とする半導体振動・加速度検出
装置。
【請求項２】上記ビーム部は、それぞれ質量部を設定し
た長さの異なる複数本の平行状態にしたビームによって
構成されるようにした特許請求の範囲第１項記載の半導
体振動・加速度検出装置。
【請求項３】上記ビーム部とともに、前記半導体基板に
形成された半導体集積回路装置を有することを特徴とす
る特許請求の範囲第１項乃至第２項のいずれかに記載の
半導体振動・加速度検出装置。