JPS6378577A - 半導体式加速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半４体基牟反上あるいは該基板内に半導体歪
ゲージを形成し、弾性変化時に発生ずる半導体歪ゲージ
の抵抗値変化を電気信号として出力する半導体式加速度
センサに関する。

〔従来の技術〕

従来、振動やカロ速度等を検知するのに一般的に用いら
れている構造としては、半２５体基板の自由端の先端部
に受感質■を持った片持梁（カンチレバー）、又は中央
部に受感買足を持った両方同定型等の薄肉状のダイヤフ
・ラム部に半導体歪ゲージを形成し、その抵抗値変化に
応して被測定力を検知するものが知られている。そして
、そのようなセンサにおいてはその測定感度を向上する
目的で、受感質Ｍを増量する為に、半田又は接着剤等に
より負荷を接着するか、あるいは負荷としての半田を接
着して、その受感質量の慣性力が大きくなるように工夫
されていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、片持梁型の半導体式加速度センサを例に
とってみると、第５図（ａｌ、（ｂｌの側面図に示すよ
うに、半導体基板４の自由端１の接着面２の全面を半田
のぬれ性を良くする為に表面処理を施こし、下地層３を
形成し、その下地層３に半田５が接着している構成であ
り、同図（ａｌに示すように、接着面２を下側にして半
田５をリフローすると、半導体基板４の傾きに応じてリ
フロー後の半田５が図中点線で示すように片寄ってしま
い、又、半田５の計が多過ぎる場合には半田５が落ちて
しまう。又、同図（ｂｌに示すように、接着面２を上側
にしてリフローすると、半田５の謂によっては半田５が
半導体基板４の側面に垂れるという不具合が生じる。

さらに、半田５を接着層として介し、負荷を接着する場
合には、負荷を位置合わせする手段として治具等を用い
ないと、接着した負荷に偏りを生じ、その事が原因でね
しりモーメントが発生し、測定精度が悪化するという不
具合が生じる。特に、上述したような半田５がその形状
に片寄りを存する場合には負荷に偏りを生じ易く、その
影響は大きくなる。

そこで本発明は、上記の問題点に鑑みなされたものであ
り、リフロ一時に半田の垂れ、片寄りを極力抑える事が
可能であり、又、半田を接着層として介し、負荷を接着
する場合に、該負荷の位置精度を高める事が可能である
ような半田層を有する半導体式加速度センサを提供する
事を目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成する為に、本発明は、半導体歪ゲージ
を有する薄肉状のダイヤフラム部及び厚肉部とを形成し
た半導体基板と、該半導体基板の一部であって、振動す
る部分に設けた半田層とから成り、しかも、該半田層が
前半導体基板の複数箇所に形成している事を特徴とする
半導体式加速度センサを採用している。

〔作用〕

そして本発明によると、半田層は複数箇所に形成されて
おり、その各々の半田層における半田量を調整する事に
より、半導体基板上には略等しい厚さの半田層が形成可
能となる。そして、仮に半導体基板が傾いたとしても、
各々の半田層における半田量は従来と比較して少量であ
るので、その影響は低減される。

又、半田層を接着層として介し、負荷を接着する場合に
は、各々の半田層に半田の表面張力によるセルフアライ
メント効果が作用し、ある程度の偏りは自己１１ｒ正さ
れ、負荷の位置精度は向上する。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に示す実施例を用いて説明する。

第１図は本発明をカンチレバー型の半導体式加速度セン
サに適用した一実施例であり、同図（ａｌにその上面図
、同図（ｂ）にｆａ）におけるＡ　　Ａ％Ｑ断面図を示
す。図において、４ａは例えばＮ型シリコン単結晶基板
から成るカンチレバーであり、薄肉状のダイヤフラム部
７、自由端１、自由端１を保護する為に自由端１の周り
に配置するガード部４ａ＋　、支持体８とから成る。尚
、自由端１とガード部４ａ、との間隙４ａｚを形成する
為のスクライブはカンチレバー４ａを両面エツチングす
る事により行われ、例えば、カンチレバー４ａのスクラ
イブする箇所の表面（第１図（ｂｌにおける上面）を予
め溝堀りエツチングしておき、その後のダイヤフラム部
７の形成時に裏面よりエツチングを行う事でダイヤフラ
ム部７の形成とスクライブとを同時に行う。

支持体８及びガード部４ａ＋の所定領域の表面には後述
する下地層３ｂが形成されており、同じく下地層３ｂの
形成されている台座６と半田層５ｂを介して接着してい
る。尚、台座６にはカンチレバー４ａが被測定加速度に
応じて変位できるように所定の深さの凹部が形成されて
いる。この四部の深さは自由端１の変位の最大値を決定
するものであり、強い衝撃が加わった場合に、自由端１
の変位における機械的ストッパとして働きカンチレバー
４ａの破壊を防止している。自由端１の一生面（接着面
）２には複数箇所（図では７箇所）に下地層３ａが形成
されており、その下地層３ａを介して負荷としての半田
層５ａを接着している。

尚、下地Ｎ　３　ａ及び半田層５ａは、支持体８又はガ
ード部４ａ、の表面上に形成される下地層３ｂ及び半田
層５ｂとそれぞれ同時に同じ工程で形成可能である。

又、ダイヤフラム部７内あるいはダイヤフラム部７上（
図は前者）に公知の半導体加工技術、例えばボロン等の
Ｐ型不純物を熱拡散又はイオン注入する事によりダイヤ
プラム部７内にｍ人し、形成した４個の半導体歪ゲージ
９が存在しており、Ｐ型不純物を高濃度で導入して形成
した配線層１１ａ、及びＡｌ蒸着膜等から成る配線部材
１１ｂにより各々の半導体歪ゲージ９は互いに電気的接
続されておりフルブリッジを構成している。尚、１０は
シリコン酸化膜等の保護膜である。

そして、上記の半導体式加速度センサは、自由端１に加
速度を加えるとダイヤフラム部７に歪を生じ、加速度の
大きさに応じて半導体歪ゲージ９の抵抗値が変化し、ブ
リフジ回路に予め電圧を印加してくことによりブリッジ
出力として不平衡電圧を生じ、その電圧値に応じて被検
出加速度を検知するものである。

次に、本実施例の要部である自由端１上の下地層３ａ及
び半田Ｆ５　ａの構成について第２図の部分的斜視図を
用いて説明する。尚、下地層３ａ及び半田層５ａは生産
性を考↓Ｑするとシリコンｊ１【結晶のウェハ状態に形
成されるのが望ましいものであるが、第２図は理解を簡
単にするため各々の半芯体式加速度センサの自由端１に
ついて措いている。

まず、自分端１の接着面２上に、半田ぬれ性を良くする
為に例えばＮ　ｉ　層をめっき又は草着する。

より具体的に説明すると、例えばガラスマスクを用いて
レジスト膜を形成し、接着面２上にＴｉ（あるいはＣｒ
　）　、Ｎ　ｒ　−、Ａ　ｕの順で蒸着させ、その後レ
ジスト膜を除去し、下地層３ａを形成する。この下地ｔ
？Ｊ　３　ａのパターンは複数個に分離しており、例え
ば第２図に示すように、各々の下地層３ａは同面積の短
冊形状であり、その長手方向が自由端１の長手方向Ｉに
直交する方向ｙを向いて互いに平行に等間隔に配置して
いる。又、下地層３ａの端部は自由端１の端部より内側
に形成されている。すなわち、図中距離ａ、ｂはａ＞Ｑ
、ｂ＞Ｑとなっている。尚、下地層３ａは上述のように
レジスト膜を用いて所定のパターンだけ形成してもよく
、又、接着面２全面に一度形成し、その後、所定のパタ
ーンだけ残し、他の部分を剥離する事によって形成して
もよい。

そして、下地層３　ａ上に、ステンレスマスク等を用い
て半田を印刷し半田層５ａを形成し、その後、半田のり
フローを行う。

そこで本実施例によると、半田層５ａは複数個に分かれ
ており、その各々における半田量は略等しくなるので、
自由端ｌ上には略等しい厚さの半田層が形成されている
。従って、自由端１の長手方向Ｉにおいて半田量のばら
つきがなくなる。又、仮に自由端１が傾いたとしても、
各々の半田層５ａにおける半田量は比較的少量であるの
で、その影響は低減され、半田層５ａの長手方向ｙにお
ける半田量のばらつきは小さくなるので測定精度の良い
半導体式加速度センサを提供でき、また、同時に半田の
垂れを防止できる。

又、半田層５ａの端部が自由端１の端部より内側に形成
されているので半田の自由端ｌの側面への垂れをより確
実に防止できる。

さらに、下地ｐ３３　ａのＮｉ膜は応力が非常に大きい
ために、微小な応力変化を検出する半導体式加速度セン
サにとってはその出力値の初期値変動が生じる可能性が
あるが、本実施例によると、下地層３ａを複数個に分割
する事によりその占有面積を小さくでき、又、下地層３
８間は応力の桜街帯となるので、応力の半導体式加速度
センサに対する影響を低減できる。

次に、半田層５ａを接着層として介し、よりＵｔ！１定
感度を上げる為に池の負荷を接着する本発明の他の実施
例を第３図を用いて説明する。尚、第３図において第１
図のものと同一構成要素には同一符号を付してその説明
は省略する。同図（ａｌは本実施例の部分的側面図であ
り、負荷１２には接着面２上の下地層３ａ及び半田層５
ａに相対する位置に、同様の方法により下地層３ａ及び
半Ｙ口層５ａが予め形成されている。そして、自由端１
と負荷１２との接着は半田をリフローする事によって行
われるが、同図（ｂ）の模式的拡大側面図に示すように
、その際、自由端１と負荷１２との位置合わせがある程
度ずれたとしても、各々の半田層５ａに半田の表面張力
によるセルフ７ライメント効果が作用し、図中矢印方向
へ移動し、ある程度の負荷１２の偏りは自己修正され、
負荷１２の位置精度は向上する。尚、負荷１２の材質と
しては、コバール、ガラス等が考えられるが、コバール
のように直接半田付けが可能な部材を採用する場合には
負ｒ：１１２例の下地層３ａは必要がなくなる。

尚、本発明は上記２つの実施例に限定される事なく、そ
の主旨を逸脱しない限り例えば以下に示す如く種々変形
可能である。

（１）言うまでもなく、半田ｆｆ１５ａの数は限定され
る事な（複数であればよい。又、その形状、配置は本発
明の目的である半田の片寄りを抑え、ねじりをモーメン
トをなくすという事から考えて、自由端ｌの長手方向（
第２図におけるＸ方向）で自由端１の中心を通る直線に
対して線対称になっておればよく、例えば第４図の部分
的平面図に示すようにマトリックス状に配置してもよい
。

（２）上記実施例はカンチレバー型の半導体式加速度セ
ンサについて適用したが、本発明は慣性を増加して測定
感度を向上する目的で形成された半田層を有する半導体
式加速度センサであれば通用可能であり、例えば第６図
の模式的断面図に示すような両方固定梁型の半導体式加
速度センサに適用してもよい。尚、図において２１は薄
肉のダイヤフラム部２１ａに半導体歪ゲージ２２を形成
したシリコン基板であり、Ｐ型不純物を高濃度に拡散し
た配線層２３により外部取出し電極２４と半導体歪ゲー
ジ２２とが電気接続している。２５は絶縁層であり、ダ
イヤフラム部２１ａで半導体歪ゲージ２２に相対しない
位置の絶縁層２５上に、下地層２６を介して負荷として
の半田層２７が複数個形成している。ここで、本例のよ
うに、両方固定４′諺型の半導体式加速度センサに本発
明を適用する場合には、半田層２７はダイヤフラム部２
１ａの中心に対して点対称になるように配置していれば
よい。

（３）第１図又は第３図に示す実施例では、カンチレバ
ー４ａのダ・ｒヤフラム部７を形成するためにエツチン
グされ形成された凹部のある側の表面に半田層５ａを形
成しているが、反対の表面に形成してもよい。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、半田層を複数箇所
に分けて形成しているので半Ｉｎの垂れ、片寄りを極力
抑える事が可能となる。

又、半田を接着層として介し、他の負荷を接着する場合
に、負荷の位置精度を高める事が可能であるので測定精
度の高い半４体式加速度センサを提供できるという効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａｌは本発明をカンチレバー型の半導体式加速
度センサに適用した一実施例の上面図、第１図（ｂｌは
そのＡ−Ａ線断面図、第２図は第１図における実施例の
部分的斜視図、第３図（ａｌは本発明の１１！１の実施
例の部分的側面図、第３図ｔｂ）はその模式的拡大側面
図、第４図は半田層の配置の他の例を示す部分的平面図
、第５図（ａｌ、（ｂｌは従来の半導体式加速度センサ
の側面図、第６図は本発明を両方固定梁型の半導体式加
速度センサに適用した実施例の模式的断面図である。 １・・・自由端、３ａ、３ｂ・・・下地層、４ａ・・・
カンチレバー、５ａ、５ｂ・・・半田層、７・・・ダイ
ヤフラム部、８・・・支持体、８・・・半導体歪ゲージ
、１２・・・負荷。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体歪ゲージを有する薄肉状のダイヤフラム部
   及び厚肉部とを形成した半導体基板と、該半導体基板の
   一部であって、振動する部分に設けた半田層とから成り
   、しかも、該半田層が前半導体基板の複数箇所に形成し
   ている事を特徴とする半導体式加速度センサ。
2. （２）上記半田層が前記半導体基板の端部より内側に形
   成されている特許請求の範囲第１項記載の半導体式加速
   度センサ。
3. （３）上記半田層の下地層が複数に分かれている特許請
   求の範囲第１項または第２項記載の半導体式加速度セン
   サ。
4. （４）上記半田層に、より慣性を増加する為に負荷を接
   着した特許請求の範囲第１項乃至第３項のいずれかに記
   載の半導体式加速度センサ。