JP2008172011A - Piezoresistive structure and external force detection sensor using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば外力検知センサの検知部等として設けられるピエゾ抵抗構造およびそれを用いた外力検知センサに関するものである。 The present invention relates to a piezoresistive structure provided as, for example, a detection unit of an external force detection sensor and an external force detection sensor using the same.
図5(a)には外力検知センサの一つである加速度センサの主要構成部分の一例が模式的な平面図により示され、図5(b)には図5(a)に示されるA−A部分に対応する位置の加速度センサの模式的な断面図が示されている。図5(a)、(b)に示される加速度センサ30は、浮いた状態で配設されている重り部31と、当該重り部31の周面を間隔を介して囲む形態で配設されている固定部32と、重り部31を図5(b)に示されるZ軸方向に変位可能な状態で固定部32に支持固定させるための片持ち梁33と、片持ち梁33に形成される検知部34と、検知部34等を電気的に外部と接続させるための外部接続手段35と、重り部31の図5(b)に示す上方側と下方側のそれぞれに重り部31と間隔を介して配置され重り部31の収容配置用の閉空間を形成するための封止用部材36とを有して構成されている。
FIG. 5A is a schematic plan view showing an example of main components of an acceleration sensor that is one of the external force detection sensors, and FIG. 5B shows an A- shown in FIG. 5A. A schematic cross-sectional view of the acceleration sensor at a position corresponding to the portion A is shown. The
この例では、重り部31と固定部32と片持ち梁33は、SOI(Silicon-On-Insulator)基板38を加工して形成されている。つまり、SOI基板38は、シリコンから成る支持層39と、SiO2から成る酸化層40と、シリコンから成る活性層41とが積層一体化されている基板である。このSOI基板38における予め定められた重り部31の形成領域の周囲に、支持層39側から活性層41側に貫通する貫通孔42が片持ち梁33の形成領域を避けて形成されて重り部31および固定部32が形作られている。また、SOI基板38における片持ち梁33の形成領域の支持層39が除去されて、片持ち梁33が酸化層40および活性層41により形成されている。つまり、片持ち梁33は、重り部31や固定部32よりも薄く形成され撓み変形し易くなっている。
In this example, the
上記のように重り部31と固定部32と片持ち梁33が形成されたSOI基板38の上下両側には当該SOI基板38を挟み込む形態でガラス基板である封止用部材36が配置されている。固定部32の支持層39側の表面と活性層41側の表面にはそれぞれ接着層43が重り部31の形成領域の全周を囲む形態で積層形成されており、封止用部材36はその接着層43によりSOI基板38と接合一体化されている。この封止用部材36と接着層43と固定部32によって、重り部31および片持ち梁33をZ軸方向に可動可能な状態で収容する閉空間が形成されている。なお、図5(b)中の符号44は、活性層41の表面に形成される絶縁膜(例えば、SiO2膜や、SiNx膜など)を示している。
As described above, sealing
この例では、重り部31と片持ち梁33は、検知対象の外力によって変形する可動部と成している。すなわち、検知対象の図5(b)に示すZ軸方向の加速度が発生すると、そのZ軸方向の加速度に起因した力によって重り部31がZ軸方向に変位し、また、片持ち梁33は撓み変形する。その重り部31の変位量や、片持ち梁33の撓み変形量は、加速度が大きくなるにつれて大きくなるというように加速度の大きさに応じたものである。
In this example, the
この加速度センサ30の構成では、その片持ち梁33の撓み変形量を検出して加速度の大きさを検知するための構成を備えている。つまり、片持ち梁33には次に示すような検知部34が形成されている。検知部34は、図6に表されている拡大図のように、片持ち梁33の表面側に形成された四つのピエゾ抵抗部45を有して構成されている。それら四つのピエゾ抵抗部45は、四角形状の各辺の位置にそれぞれ配置され四角形状を形作るように電気的に接続されてブリッジ回路を構成している。そのブリッジ回路の四つの接続部46のうちの一つの接続部46(Vdd)は、電圧印加手段の高電位側(例えば5Vの電圧供給側)に、また、その接続部46(Vdd)の対角位置にある接続部46(Vgnd)は、その電圧印加手段の低電位側(例えばグランド)に、それぞれ、接続される。さらに残りの二つの接続部46(Vo1,Vo2)は、それぞれ、外力検出手段(図示せず)に電気的に接続される。
The configuration of the
図7には、ピエゾ抵抗部45の一構成例が周辺の構成部分と共に模式的な断面図により示されている。この加速度センサ30の構成では、SOI基板38の活性層(シリコン層)41はn型半導体と成しており、ピエゾ抵抗部45は、その活性層41の表面の一部分に不純物をドープして形成されたp型半導体により構成されている。ピエゾ抵抗部45は、応力変化に応じて電気抵抗の大きさが変化するものである。ピエゾ抵抗部45の両端はそれぞれ別々の端子部48に接続されている。
FIG. 7 shows a configuration example of the
端子部48は、活性層41の表面の一部分に形成された端子用部位49と、当該端子用部位49に接合され電気的に導通している電極50とを有して構成されている。端子用部位49は、活性層41の表面の一部分に不純物をドープして形成されたp型半導体により構成されており、当該端子用部位49はピエゾ抵抗部45よりも電気抵抗が小さくなるように不純物のドープ量が調整されて形成されている。電極50は、活性層41に積層形成された絶縁膜44の表面上に形成されており、当該電極50の一部は、絶縁膜44に設けられた貫通孔であるコンタクトホール51を通って絶縁膜44の表面側から活性層41の表面側に伸長形成されて活性層41の端子用部位49に接合している。端子部48は上記のように構成されている。この端子部48の電極50は配線パターン52に電気的に接続されている。
The
四つのピエゾ抵抗部45は、上記のような端子部48と配線パターン52を介して電気的に接続して図6に示すようなブリッジ回路を構成している。また、固定部32に積層形成されている絶縁層44の表面上には、ブリッジ回路の四つの接続部46にそれぞれ一対一の関係で配線パターン(図示せず)を介して接続する四つの電極パッド35Aが互いに間隔を介して形成されている。また、封止用部材36および接着層43には表面側から電極パッド35Aに達する貫通孔35Bが形成され、当該貫通孔35Bの内壁面、および、封止用部材36の表面における貫通孔35Aの開口端縁部には導体膜35Cが形成されている。上記電極パッド35Aと貫通孔35Bと導体膜35Cと配線パターンは、閉空間内に収容配置されている検知部であるブリッジ回路を外部と電気的に接続させるための外部接続手段35を構成している。また、この外部接続手段35と接続部46と配線パターン52と端子部48を介して、ピエゾ抵抗部45には電圧が印加される。さらに、この例では、図示しない外部接続手段によって活性層41には、例えば、ブリッジ回路の接続部46(Vdd)に印加される電圧と同電位の電圧が印加される。
The four
加速度センサ30の構成では、Z軸方向の加速度が発生していない状態のときには、ブリッジ回路の四つのピエゾ抵抗部45の電気抵抗が平衡状態となって接続部46(Vo1,Vo2)の電位に差が生じないように形成されている。これに対して、Z軸方向の加速度が発生して片持ち梁33が撓み変形すると、その片持ち梁33の撓み変形による応力変化によって各ピエゾ抵抗部45の電気抵抗の大きさが変化する。図6に示すピエゾ抵抗部45a,45cは、通電する電流の向きがX軸方向に沿う方向であるのに対して、ピエゾ抵抗部45b,45cは、通電する電流の向きがY軸方向に沿う方向であるというように、ピエゾ抵抗部45の電流の通電方向に差違がある。この差違と、ピエゾ抵抗部45の形成位置の差違とによって、Z軸方向の加速度による片持ち梁33の撓み変形によって各ピエゾ抵抗部45の電気抵抗の大きさが変化すると、図6のブリッジ回路の四つのピエゾ抵抗部45の電気抵抗の平衡状態が崩れる。これにより、ブリッジ回路の接続部46(Vo1,Vo2)の電位に差が生じる。この差は、片持ち梁33の撓み変形量が大きくなると大きくなるというように、接続部46(Vo1,Vo2)の電位差と片持ち梁33の撓み変形量(加速度の大きさ)との間には相関関係があることから、ブリッジ回路の接続部46(Vo1,Vo2)に接続されている外力検出手段は接続部46(Vo1,Vo2)の電位差に基づいてZ軸方向の加速度の大きさを検出することができる。
In the configuration of the
ところで、加速度センサ30の構成では、図6に示されるように、各ピエゾ抵抗部45は、それぞれ、一端側から他端側に掛けて等幅である。また、各ピエゾ抵抗部45は、それぞれ、一端側から他端側に掛けてほぼ均等に不純物を活性層41にドープして形成されており、電圧が印加されていない状態では、各ピエゾ抵抗部45は、その一端側から他端側に掛けて厚み(深さ)が等しくなるように形成されている。
By the way, in the configuration of the
しかしながら、ピエゾ抵抗部45に電圧を印加すると、PN接合の空乏層に起因した次に示すような問題が発生する。すなわち、活性層41はn型半導体であり、ピエゾ抵抗部45はp型半導体であることから、活性層41とピエゾ抵抗部45はPN接合となり、当該PN接合部分には空乏層が形成される。このため、PN間の電位差が大きくなるに従って空乏層の厚みが厚くなっていき、この空乏層の厚みが厚くなるにつれてピエゾ抵抗部45の厚み(深さ)が薄くなるものである。例えば、図7において、ピエゾ抵抗部45における端子部48H側の端部は高電位側と成し、ピエゾ抵抗部45における端子部48L側の端部は低電位側と成しており、活性層41には、端子部48Hに印加される電圧と同程度の電圧が印加される構成と成している。ピエゾ抵抗部45に電圧が印加されている状態のときには、ピエゾ抵抗部45の端子部48L側(低電位側)と活性層41との間の電位差(PN間の電位差)は、ピエゾ抵抗部45の端子部48H側(高電位側)と活性層41との間の電位差よりも大きくなる。このため、図7に示されるように、空乏層Hの厚みDは、端子部48H側から端子部48L側に向かうに従って厚くなり、この空乏層Hの厚みDの変化に伴ってピエゾ抵抗部45の厚みは、端子部48H側から端子部48L側に向かうに従って薄くなる。
However, when a voltage is applied to the
つまり、ピエゾ抵抗部45の一端側から他端側に掛けて(端子部48H側から端子部48L側に掛けて)等幅で、かつ、厚みが同じとなるように形成したのにも拘わらず、ピエゾ抵抗部45の両端間に電圧を印加すると、ピエゾ抵抗部45と活性層41のPN接合部分の空乏層Hの厚みDが端子部48H側から端子部48L側に向かうに従って厚くなる方向に変化して、ピエゾ抵抗部45の厚みは、端子部48H側から端子部48L側に向かうに従って薄くなる方向に変化し、同じ厚みではなくなる。つまり、ピエゾ抵抗部45に電圧が印加されている状態では、ピエゾ抵抗部45に流れている電流の導通路の実効断面積は、端子部48H側から端子部48L側に向かうに従って狭くなる。このために、ピエゾ抵抗部45の電気抵抗の大きさは、端子部48H側から端子部48L側に向かうに従って大きくなり、均一ではなくなる。なお、ピエゾ抵抗部45の断面積は、上述したように、電圧印加の有無によって変化することから、ここでは、ピエゾ抵抗部45に電圧が印加されて電流が通電しているときのピエゾ抵抗部45の電流導通路の断面積を実効断面積と記している。
In other words, the
上記のように、ピエゾ抵抗部45の電気抵抗の大きさがピエゾ抵抗部45の全体に渡って均一でないと、ピエゾ抵抗部45に設定の電気抵抗値を持たせることが難しくなる。また、例えば、図6に示されるようなブリッジ回路を構成する四つのピエゾ抵抗部45の電気抵抗の平衡状態をとることが難しくなるし、さらに、ブリッジ回路の接続部46(Vo1,Vo2)の電位差(つまり、ブリッジ回路の出力値)と、加速度の大きさとの関係がばらつきやすくなり、加速度センサ30の性能向上を妨げてしまう。
As described above, if the magnitude of the electrical resistance of the
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は、設計が容易となり、また、性能の向上を図ることができるピエゾ抵抗構造および外力検知センサを提供することにある。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a piezoresistive structure and an external force detection sensor that can be easily designed and can improve performance.
上記目的を達成するために、この発明は次に示す構成をもって前記課題を解決するための手段としている。すなわち、この発明のピエゾ抵抗構造は、
半導体から成るベースの表面の一部分に形成され応力変化に応じて電気抵抗の大きさが変化するピエゾ抵抗部を有するピエゾ抵抗構造であって、
上記ベースとピエゾ抵抗部とのうちの一方はp型半導体と成し、他方はn型半導体と成しており、
ピエゾ抵抗部は、その一端側が電圧印加手段の高電位側に、また、他端側が上記電圧印加手段の低電位側に、それぞれ電気的に接続されて電圧が印加される構成と成しており、ピエゾ抵抗部に電圧が印加されている状態のときには、ピエゾ抵抗部とその下側のベース部分とのPN接合部分の領域に、当該PN間の電位差が大きくなるにつれて厚みが厚くなる空乏層が形成され、ピエゾ抵抗部の厚みは、空乏層の厚みが厚くなるに従って薄くなるものであり、
ピエゾ抵抗部は、上記電圧印加手段により電圧が印加されている状態において、高電位側の端部から低電位側の端部にかけて電流導通路の実効断面積が等しくなるように連続的に又は段階的に幅あるいは厚みを変化させて形成されていることを特徴としている。
In order to achieve the above object, the present invention has the following configuration as means for solving the above problems. That is, the piezoresistive structure of the present invention is
A piezoresistive structure having a piezoresistive portion that is formed on a part of a surface of a base made of a semiconductor and changes in magnitude according to a stress change,
One of the base and the piezoresistive portion is a p-type semiconductor, and the other is an n-type semiconductor.
The piezoresistive portion is configured such that one end side is electrically connected to the high potential side of the voltage applying means, and the other end side is electrically connected to the low potential side of the voltage applying means, and the voltage is applied. When a voltage is applied to the piezoresistive portion, a depletion layer whose thickness increases as the potential difference between the PNs increases in the PN junction region between the piezoresistive portion and the base portion below the piezoresistive portion. Formed, the thickness of the piezoresistive portion becomes thinner as the thickness of the depletion layer increases,
The piezoresistor is continuously or stepwise so that the effective cross-sectional area of the current conduction path becomes equal from the high potential end to the low potential end in a state where the voltage is applied by the voltage applying means. It is characterized by being formed by changing the width or thickness.
また、この発明の外力検知センサは、
半導体により構成され検知対象の外力によって変形する可動部と、
可動部に加えられた外力の大きさが大きくなるにつれて大きくなる可動部の変形量を検出して外力の大きさを検知するための検知部と、
を有する外力検知センサであって、
上記検知部は、可動部をベースとして形成された上述した本発明のピエゾ抵抗構造を構成するピエゾ抵抗部であり、ピエゾ抵抗部の電気抵抗の変化による電圧の変化量を外力の大きさとして検出することを特徴としている。
The external force detection sensor of the present invention is
A movable part configured by a semiconductor and deformed by an external force to be detected;
A detector for detecting the magnitude of the external force by detecting the amount of deformation of the movable part that increases as the magnitude of the external force applied to the movable part increases;
An external force detection sensor having
The detection unit is a piezoresistive unit that constitutes the piezoresistive structure of the present invention formed based on the movable unit, and detects the amount of change in voltage due to the change in the electrical resistance of the piezoresistive unit as the magnitude of the external force. It is characterized by doing.
この発明では、ピエゾ抵抗部に電圧が印加されている状態において、ピエゾ抵抗部の高電位側の端部から低電位側の端部にかけて連続的に又は段階的に電流導通路の実効断面積が等しくなるようにピエゾ抵抗部が形成されている。つまり、ピエゾ抵抗部への電圧印加により厚みが変化する空乏層の厚みを考慮して、ピエゾ抵抗部の高電位側の端部から低電位側の端部にかけて連続的に又は段階的に電流導通路の実効断面積が等しくなるようにピエゾ抵抗部が形成されている。このため、ピエゾ抵抗部は、電圧が印加されている状態において、全体に渡って電気抵抗の大きさを均一化することができる。これにより、設計通りの電気抵抗値を持つピエゾ抵抗部を形成することが容易となる。また、この発明のピエゾ抵抗構造を検知部として設けた外力検知センサにあっては、検知部の出力値と、外力の大きさとの相関関係のばらつきが小さくなるので、外力検知センサの外力検知の性能に対する信頼性を高めることができる。 In the present invention, in a state where a voltage is applied to the piezoresistive portion, the effective cross-sectional area of the current conduction path is continuously or stepwise from the high potential end to the low potential end of the piezoresistive portion. Piezoresistive portions are formed to be equal. In other words, considering the thickness of the depletion layer whose thickness changes due to voltage application to the piezoresistive portion, current conduction is performed continuously or stepwise from the high potential end to the low potential end of the piezoresistive portion. The piezoresistive portion is formed so that the effective cross-sectional areas of the passages are equal. For this reason, the piezoresistive portion can make the magnitude of the electrical resistance uniform throughout the entire state in the state where a voltage is applied. Thereby, it becomes easy to form a piezoresistive portion having an electrical resistance value as designed. Further, in the external force detection sensor provided with the piezoresistive structure of the present invention as the detection unit, the variation in the correlation between the output value of the detection unit and the magnitude of the external force is reduced, so that the external force detection sensor detects the external force. Reliability for performance can be increased.
また、外力検知センサの検知部が、本発明において特有な構成を持つ四つのピエゾ抵抗部からなるブリッジ回路により形成されている構成を備えることにより、そのブリッジ回路の四つのピエゾ抵抗部の電気抵抗のバランスをとることが容易となる。また、ブリッジ回路の出力値と、外力の大きさとの相関関係のばらつきを抑制することができる。これにより、外力検知センサの性能に対する信頼性を向上させることができる。 In addition, since the detection unit of the external force detection sensor has a configuration formed by a bridge circuit including four piezoresistive units having a configuration unique to the present invention, the electrical resistance of the four piezoresistive units of the bridge circuit It becomes easy to balance. In addition, it is possible to suppress variation in the correlation between the output value of the bridge circuit and the magnitude of the external force. Thereby, the reliability with respect to the performance of the external force detection sensor can be improved.
以下に、この発明に係る実施形態例を図面に基づいて説明する。 Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1(a)には本発明に係る一実施形態例のピエゾ抵抗構造を構成するピエゾ抵抗部が模式的な平面図により示され、図1(b)には図1(a)のA−A部分に対応する位置のピエゾ抵抗構造1の模式的な断面図が示されている。この実施形態例のピエゾ抵抗構造1のピエゾ抵抗部2は、n型半導体から成るベース3の表面の一部分に不純物をドープして形成されたp型半導体により構成されており、応力変化に応じて電気抵抗の大きさが変化するものである。このピエゾ抵抗部2の両端側2H,2Lは、それぞれ、図1(b)に示されるように、端子部4(4H,4L)に接合されている。端子部4H,4Lは、図7に示される端子部48(48H,48L)と同様な構成を有するものであり、この実施形態例では、端子部4Hは電圧印加手段(図示せず)の高電位側(例えば5Vの電圧供給側)に、また、端子部4Lは上記電圧印加手段の低電位側(例えばグランド)に、それぞれ、接続される。ピエゾ抵抗部2は、その電圧印加手段から端子部4H,4Lを介して電圧が印加される。
FIG. 1A is a schematic plan view showing a piezoresistive portion constituting a piezoresistive structure according to an embodiment of the present invention, and FIG. A schematic cross-sectional view of the piezoresistive structure 1 at a position corresponding to the portion A is shown. The
この実施形態例では、ベース3は、上記電圧印加手段の高電位側に電気的に接続されるものである。このため、上記電圧印加手段によってピエゾ抵抗部2およびベース3に電圧が印加されている状態のときには、ピエゾ抵抗部2とベース3の電位差(つまり、PN間の電位差)は、ピエゾ抵抗部2の高電位側である端部2H側から低電位側である端部2L側に向かうに従って大きくなる。これにより、ピエゾ抵抗部2およびベース3に電圧が印加されている状態のときには、ピエゾ抵抗部2とベース3のPN接合部分に形成される空乏層Hの厚みDは、ピエゾ抵抗部2の端部2H側から端部2L側に向かうに従って厚くなり、この空乏層Hの厚みDのために、ピエゾ抵抗部2の厚みdは、ピエゾ抵抗部2の端部2H側から端部2L側に向かうに従って薄くなる。
In this embodiment, the
この実施形態例では、ピエゾ抵抗部2およびベース3に電圧が印加されてピエゾ抵抗部2とベース3のPN接合部分の空乏層Hの厚みDが、ピエゾ抵抗部2の端部2H側から端部2L側に向かうに従って厚くなり、これに伴い、ピエゾ抵抗部2の厚みdが端部2H側から端部2L側に向かうに従って薄くなっても、ピエゾ抵抗部2の電気抵抗の大きさが全体に渡って均一となる構成を備えている。すなわち、ピエゾ抵抗部2は、図1(a)に示されるように、端部2H側から端部2L側に向かうに従って連続的に広幅化しており、ピエゾ抵抗部2に電圧が印加されている状態において、端部2H側から端部2L側に向かうに従って電流導通路の実効断面積が等しくなって電気抵抗の大きさが同じになるように形成されている。
In this embodiment, a voltage is applied to the
この実施形態例のピエゾ抵抗構造1は上記のように構成されている。次に、そのピエゾ抵抗構造1を備えた外力検知センサの一実施形態例を説明する。その外力検知センサは加速度センサであり、当該加速度センサの検知部に特有な構成を備え、それ以外の構成は、前述した図5の加速度センサ30と同様の構成となっている。なお、この実施形態例の加速度センサの説明において、前述した加速度センサ30と同一構成部分には同一符号を付し、その共通部分の重複説明は省略する。
The piezoresistive structure 1 according to this embodiment is configured as described above. Next, an embodiment of an external force detection sensor including the piezoresistive structure 1 will be described. The external force detection sensor is an acceleration sensor, and has a configuration unique to the detection unit of the acceleration sensor. Other configurations are the same as those of the
この実施形態例の加速度センサの検知部は、上述したピエゾ抵抗構造1のピエゾ抵抗部2を四つ有している。それら四つのピエゾ抵抗部2は、SOI基板38の活性層41をベース3として片持ち梁33に形成され、図2に示されるようなブリッジ回路6を構成している。つまり、四つのピエゾ抵抗部2(2a〜2d)は、四角形状の各辺の位置にそれぞれ配置され四角形状を形作るように端子部4(図2では端子部4の図示は省略)を介して電気的に接続されている。四つの接続部7の一つの接続部7(Vdd)は電圧印加手段(図示せず)の高電位側(例えば、5Vの電圧供給側)に接続され、当該接続部7(Vdd)の対角位置の接続部7(Vgnd)は上記電圧印加手段の低電位側(例えばグランド)に接続されている。また、残りの接続部7(Vo1,Vo2)は、当該接続部7(Vo1,Vo2)により出力される電位の差に基づいて外力である加速度の大きさを検出する外力検出手段(図示せず)に接続されている。
The detection part of the acceleration sensor of this embodiment has four
このブリッジ回路6において、電圧印加手段によって接続部7(Vdd),7(Vgnd)間に電圧を印加すると、ピエゾ抵抗部2(2a〜2d)と、ベース3である活性層41とのPN接合部分の空乏層Hの厚みDは、ピエゾ抵抗部2(2a,2d)の高電位側である端部2H側から低電位側である端部2L側に向かうにつれ、さらに、ピエゾ抵抗部2(2b,2c)の高電位側である端部2H側から低電位側である端部2L側に向かうにつれて、厚くなる。このため、ピエゾ抵抗部2(2a〜2d)の厚みdは、ピエゾ抵抗部2(2a,2d)の端部2H側から端部2L側に向かうにつれ、さらに、ピエゾ抵抗部2(2b,2c)の端部2H側から端部2L側に向かうにつれて薄くなる。この実施形態例では、電圧印加時の空乏層Hの厚みDを考慮して、全てのピエゾ抵抗部2(2a〜2d)の電気抵抗の大きさが全体に渡って均一となるように、図2の平面図に示されるように、ピエゾ抵抗部2(2a,2d)はその端部2H側から端部2L側に向かうにつれて広幅化され、さらに、ピエゾ抵抗部2(2b,2c)はその端部2H側から端部2L側に向かうにつれて、より広幅化されており、電圧が印加されている状態において、全てのピエゾ抵抗部2(2a〜2d)はその全体に渡って電流導通路の実効断面積が同じとなるように形成されている。
In this
以下に、この実施形態例の加速度センサの製造工程の一例を図3、図4に基づいて説明する。 Below, an example of the manufacturing process of the acceleration sensor of this embodiment is demonstrated based on FIG. 3, FIG.
まず、図3(a)に示すようなSOI基板38の活性層41におけるピエゾ抵抗構造1のピエゾ抵抗部2や端子部4(端子部48の接合用部位49)等の形成領域が定められ、それら各形成領域に活性層41の表面側から不純物をドープして、図3(b)の拡大図に示されるように、ピエゾ抵抗部2や端子部4(49)等を形成する。この工程で、ピエゾ抵抗部2が、図1(a)に示されるように、一端2H側から他端2L側に向かうに従って広幅化する形態となるように、不純物のドープ領域が制御されてピエゾ抵抗部2が形成される。この工程における不純物のドープ手法としては、例えば、気層拡散手法や、固層拡散手法や、イオン注入手法等の様々な手法があり、ここでは、何れの手法を用いてもよい。
First, formation regions such as the
次に、図3(c)に示されるように、SOI基板38の活性層41の表面に絶縁層44を形成する。この絶縁層44は、活性層41の表面を保護すると共に、絶縁層44の表面上に形成される電極や配線と、活性層41とを絶縁させるためのものである。例えば、絶縁層44としてSiO2等の酸化膜を形成する場合には、例えば熱酸化手法により活性層41の表面部分を酸化させて絶縁層44が形成される。また、絶縁層44としてSiNx膜が形成される場合には、例えばp−CVD法により絶縁層44が活性層41上に積層形成される。
Next, as shown in FIG. 3C, an insulating
絶縁層44の形成後には、図3(d)に示されるように、その絶縁層44の予め定められた位置にコンタクトホール51(例えば図7参照)を開口形成する。そのコンタクトホール51は、例えばフォトリソ技術を用いて形成することができる。つまり、まず、絶縁層44の表面全面にレジスト膜を形成し、その後、そのレジスト膜の上方側に配置したコンタクトホール形成位置規制用のマスクを利用してコンタクトホール形成領域以外のレジスト膜部分を紫外線照射により硬化させる。そして、レジスト膜の硬化してない部分、つまり、コンダクタホール形成領域のレジスト膜部分を除去してレジスト膜に貫通孔を形成する。その後、そのレジスト膜の貫通孔を利用して当該貫通孔が配設されている絶縁膜44の部位を例えばドライエッチング手法やウエットエッチング手法により除去してコンタクトホール51を形成する。その後、レジスト膜を例えばアッシング手法により除去する。このようにして、コンタクトホール51を形成することができる。
After the formation of the insulating
絶縁膜44にコンタクトホール51を形成した後には、図3(e)に示すように、絶縁層44の表面に電極50や配線パターン52や電極パッド35A等と成す導体パターンを形成する。この導体パターンも例えばフォトリソ技術を利用して形成することができる。例えば、絶縁層44の表面全面に例えばスパッタ等の成膜形成技術により導体膜を形成し、次に、その導体膜の表面全面にレジスト膜を形成する。そして、そのレジスト膜の上方側に配置した導体パターン形成用のマスクを利用して導体パターン形成領域のレジスト膜部分を紫外線照射により硬化させる。そして、レジスト膜の硬化してない部分、つまり、導体パターン形成領域以外のレジスト膜部分を除去する。その後、レジスト膜が形成されていない導体膜の部位を例えばドライエッチング手法やウエットエッチング手法により除去して導体パターンを形作る。このようにして、絶縁層44の表面上に電極50や配線パターン52や電極パッド35A等と成る導体パターンを形成する。なお、絶縁層44の表面全面に導体膜を形成する工程でその導体膜を形成する導体材料の一部はコンタクトホール51の内部に入り込む。そのコンタクトホール51の内部に入り込んだ導体材料によって、絶縁層44の表面に形成された導体膜(電極50)と、SOI基板38の活性層41に形成された例えば端子部4の端子用部位49とを電気的に接続させる導通路が構成される。
After the
絶縁層44の表面に導体パターンを形成した後には、図4(a)に示されるように、SOI基板38に貫通孔42をドライエッチングあるいはウェットエッチングにより形成して重り部31を形作ると共に、SOI基板38における片持ち梁33の形成領域の支持層39をドライエッチングあるいはウェットエッチングにより除去して片持ち梁33を形成する。このようにして、SOI基板38に重り部31と固定部32と片持ち梁33を形成する。なお、Si層である支持層39および活性層41と、SiO2層である酸化層40とは、層を構成する材料が異なるため、同じエッチング工程で除去することは難しい。このことから、支持層39および活性層41のエッチングと、酸化層40のエッチングとは別工程で行われる。なお、図4(a)〜(d)では、ピエゾ抵抗部2と端子部4と電極50と導体パターン52の図示は省略されている。
After the conductor pattern is formed on the surface of the insulating
その後、図4(b)に示されるように、固定部32の活性層41側の表面と支持層39側の表面との両面全面に接着層43を積層形成する。そして、重り部31と固定部32と片持ち梁33が形成されたSOI基板38の上下両側にガラス基板から成る封止用部材36をそれぞれ配置し接着層43によりSOI基板38に接合する。
Thereafter, as shown in FIG. 4B, the
その後、図4(c)に示されるように、封止用部材36の表面から電極パッド35Aに至る貫通孔35Bを形成し、図4(d)に示されるように、その貫通孔35Bの内壁面および開口端縁部に導体膜35Cを形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 4 (c), a through
上記のような製造工程を経て、外力検知センサである加速度センサを製造することができる。 Through the manufacturing process as described above, an acceleration sensor that is an external force detection sensor can be manufactured.
なお、この発明は上記実施形態例の形態に限定されるものではなく、様々な実施の形態を採り得る。例えば、この実施形態例では、ピエゾ抵抗構造1のピエゾ抵抗部2は、電圧が印加されている状態において、電流導通路の実効断面積が全体に渡って均一となるように、一端2H側から他端2L側に向かうに従って連続的に広幅化する形態であったが、例えば、ピエゾ抵抗部2の一端2H側とベース3との電位差と、他端2L側とベース3との電位差との差異が小さくてピエゾ抵抗部2の一端2H側から他端2L側に向かうにつれて変化する空乏層Hの厚みの変化が緩やかである場合等のときには、ピエゾ抵抗部2は、一端2H側から他端2L側に向かうに従って段階的に広幅化する形態であってもよい。また、この実施形態例では、ピエゾ抵抗部2の電流導通路の実効断面積をピエゾ抵抗部2の全体に渡って均一化するためにピエゾ抵抗部2の幅を一端2H側から他端2L側に向かうに従って連続的に又は段階的に広幅化する構成とした。つまり、ピエゾ抵抗部2の幅を調整することで、電圧が印加されているときのピエゾ抵抗部2の電流導通路の実効断面積の均一化を図ってピエゾ抵抗部2の全体に渡って電気抵抗の大きさが等しくなるようにしたが、例えば、ピエゾ抵抗部2の深さを調整することで、ピエゾ抵抗部2の全体に渡って電気抵抗の大きさが等しくなるように形成してもよい。
In addition, this invention is not limited to the form of the said embodiment, Various embodiments can be taken. For example, in this embodiment example, the
また、この実施形態例では、ピエゾ抵抗構造1は外力検知センサである加速度センサの検知部として設けられる例を示したが、例えば、ピエゾ抵抗構造1は外力検知センサである角速度センサに検知部として設けられていてもよく、ピエゾ抵抗構造1を設ける外力検知センサは加速度センサに限定されるものではなく、加速度センサ以外の外力検知センサに設けてもよい。さらに、この実施形態例では、外力検知センサ(加速度センサ)の検知部は、四つのピエゾ抵抗部2から成るブリッジ回路により構成されていたが、ピエゾ抵抗部2はブリッジ回路以外の構成で外力検知センサの検知部を構成してもよい。
In this embodiment, the piezoresistive structure 1 is provided as a detection unit of an acceleration sensor that is an external force detection sensor. For example, the piezoresistive structure 1 is provided as a detection unit for an angular velocity sensor that is an external force detection sensor. The external force detection sensor provided with the piezoresistive structure 1 is not limited to the acceleration sensor, and may be provided in an external force detection sensor other than the acceleration sensor. Further, in this embodiment, the detection unit of the external force detection sensor (acceleration sensor) is configured by a bridge circuit including four
さらに、この実施形態例では、加速度センサにおいて、SOI基板38と、ガラス基板である封止用部材36とは接着層43により接合されていたが、SOI基板38のシリコン層である支持層39および活性層41と、ガラス基板である封止用部材36とは、陽極接合手法により接合してもよい。この場合には、例えば、重り部31と、封止用部材36との間に空隙を形成するために、封止用部材36には、重り部31に対向する部分に、凹部が形成される。
Furthermore, in this embodiment, in the acceleration sensor, the
さらに、この実施形態例における外力検知センサである加速度センサの構成では、活性層41(ベース3)には、ブリッジ回路の接続部7(Vdd)に印加される高電位側の電圧と同じ電圧が印加される構成であったが、例えば、活性層41(ベース3)はグランドに接地されている構成としてもよい。この場合には、ピエゾ抵抗部2に電圧が印加されている状態において、ピエゾ抵抗部2の低電位側(端部2L側)よりも高電位側(端部2H側)の方が、ピエゾ抵抗部2とベース3とのPN接合部分の空乏層Hの厚みDが厚くなる。このため、この場合には、ピエゾ抵抗部2は、電圧が印加されている状態における電流導通路の実効断面積の均一化を図るために、例えば、端部2L側から端部2H側に向かうに従って連続的に又は段階的に広幅化する形態とする。
Furthermore, in the configuration of the acceleration sensor which is an external force detection sensor in this embodiment, the active layer 41 (base 3) has the same voltage as the high potential side voltage applied to the connection portion 7 (Vdd) of the bridge circuit. For example, the active layer 41 (base 3) may be grounded to the ground. In this case, in a state where a voltage is applied to the
さらに、この実施形態例では、外力検知センサである加速度センサの検知部は、四つのピエゾ抵抗部2を有するブリッジ回路により構成されていたが、例えば、それら四つのピエゾ抵抗部2のうちの少なくとも一つのピエゾ抵抗部に別のピエゾ抵抗部が直列に接続されて四角形状の一つの辺を形成する構成としてもよい。さらにまた、例えば、加速度センサの検知部は唯一つのピエゾ抵抗部により構成されていてもよく、外力検知センサの検知部は少なくとも一つのピエゾ抵抗部を有していれば、その構成はブリッジ回路に限定されるものではない。
Furthermore, in this embodiment, the detection unit of the acceleration sensor that is an external force detection sensor is configured by a bridge circuit having four
さらに、この実施形態例では、ピエゾ抵抗部2はp型半導体と成し、ベース3(活性層41)はn型半導体と成していたが、ピエゾ抵抗部2はn型半導体と成し、ベース3(活性層41)はp型半導体と成していてもよい。
Further, in this embodiment example, the
1 ピエゾ抵抗構造
2 ピエゾ抵抗部
3 ベース
6 ブリッジ回路
7 接続部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (3)
上記ベースとピエゾ抵抗部とのうちの一方はp型半導体と成し、他方はn型半導体と成しており、
ピエゾ抵抗部は、その一端側が電圧印加手段の高電位側に、また、他端側が上記電圧印加手段の低電位側に、それぞれ電気的に接続されて電圧が印加される構成と成しており、ピエゾ抵抗部に電圧が印加されている状態のときには、ピエゾ抵抗部とその下側のベース部分とのPN接合部分の領域に、当該PN間の電位差が大きくなるにつれて厚みが厚くなる空乏層が形成され、ピエゾ抵抗部の厚みは、空乏層の厚みが厚くなるに従って薄くなるものであり、
ピエゾ抵抗部は、上記電圧印加手段により電圧が印加されている状態において、高電位側の端部から低電位側の端部にかけて電流導通路の実効断面積が等しくなるように連続的に又は段階的に幅あるいは厚みを変化させて形成されていることを特徴とするピエゾ抵抗構造。 A piezoresistive structure having a piezoresistive portion that is formed on a part of a surface of a base made of a semiconductor and changes in magnitude according to a stress change,
One of the base and the piezoresistive portion is a p-type semiconductor, and the other is an n-type semiconductor.
The piezoresistive portion is configured such that one end side is electrically connected to the high potential side of the voltage applying means, and the other end side is electrically connected to the low potential side of the voltage applying means, and the voltage is applied. When a voltage is applied to the piezoresistive portion, a depletion layer whose thickness increases as the potential difference between the PNs increases in the PN junction region between the piezoresistive portion and the base portion below the piezoresistive portion. Formed, the thickness of the piezoresistive portion becomes thinner as the thickness of the depletion layer increases,
The piezoresistor is continuously or stepwise so that the effective cross-sectional area of the current conduction path becomes equal from the high potential end to the low potential end in a state where the voltage is applied by the voltage applying means. A piezoresistive structure characterized in that it is formed by changing its width or thickness.
可動部に加えられた外力の大きさが大きくなるにつれて大きくなる可動部の変形量を検出して外力の大きさを検知するための検知部と、
を有する外力検知センサであって、
上記検知部は、可動部をベースとして形成された請求項1記載のピエゾ抵抗部であり、ピエゾ抵抗部の電気抵抗の変化による電圧の変化量を外力の大きさとして検出することを特徴とした外力検知センサ。 A movable part configured by a semiconductor and deformed by an external force to be detected;
A detector for detecting the magnitude of the external force by detecting the amount of deformation of the movable part that increases as the magnitude of the external force applied to the movable part increases;
An external force detection sensor having
The piezoresistive portion according to claim 1, wherein the detecting portion is formed based on a movable portion, and detects a change amount of a voltage due to a change in electric resistance of the piezoresistive portion as a magnitude of an external force. External force detection sensor.
上記電圧印加手段によりブリッジ回路の四つのピエゾ抵抗部に電圧が印加されている状態のときに、全てのピエゾ抵抗部の電流導通路の実効断面積が等しくなるように各ピエゾ抵抗部が形成されていることを特徴とする請求項2記載の外力検知センサ。 The detection unit is configured to include at least four piezoresistive units, and these four piezoresistive units are arranged at respective positions constituting each side of the quadrangular shape so as to form a square shape. To form a bridge circuit, and one of the four connection parts of the piezoresistive part of the bridge circuit is on the high potential side of the voltage application means and on the diagonal position of the connection part. The connecting portions are electrically connected to the low potential side of the voltage applying means, respectively, and the remaining two connecting portions detect the magnitude of the external force based on the potential difference detected by the two connecting portions. A configuration connected to the external force detection means,
Each of the piezoresistive portions is formed so that the effective cross-sectional areas of the current conduction paths of all the piezoresistive portions are equal when the voltage is applied to the four piezoresistive portions of the bridge circuit by the voltage applying means. The external force detection sensor according to claim 2, wherein:
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