JP2004177233A - 半導体加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】ビーム自身が有する機械的強度以上の応力が加わることを制限し、許容範囲以上で作用する加速度に対して耐衝撃性の優れた半導体加速度センサを提供すること。
【解決手段】半導体基板からなるフレーム１からその内方に向かって突設された弾性を有するビーム２により遊動自在に支持された重り部４と、ビーム２に設けられて作用する加速度に応じて抵抗値の変化するピエゾ抵抗３と、ピエゾ抵抗３からの信号を取り出す電極５とを有する半導体加速度センサ。重り部４は、ビーム２に接合された主重り部４１と、それと連結して少なくとも２本のビーム２とフレーム１とにより囲まれた空間に配設された補助重り部４２と、隣り合う補助重り部４２を結合する連結部４３とを有してなり、ビーム２は、重り部４が所定量遊動した際にその外縁及び連結部４３と当接する位置に遊動規制手段６，７を有する
【選択図】 図１

Description

【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し、特に３軸の方向それぞれに作用する加速度を検出するピエゾ抵抗素子を利用した半導体加速度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体加速度センサとしては、例えば、特開平６−１０９７５５号公報（特許文献１）に提案されているものがあり、これを図３に示す。図３（ａ）は全体概略斜視図、（ｂ）はＡ−Ａ線で切断したときの断面図である。このものは、シリコン基板からなる略四角形状のフレーム１０１と、ビーム１０２と、重り部１０３と、ガラスからなる台座１０４とを備えている。
【０００３】
このうち、ビーム１０２は、フレーム１０１を構成する４辺の上面（図３の上側）からその内方にそれぞれ突設されており、フレーム１０１の内方の中央付近で交差して交差部１０２ａを形成している。また、このビーム１０２は、弾性を有するように薄肉状に形成されている。
【０００４】
また、ビーム１０２の交差部１０２ａ近傍及び４つの基端部１０２ｂの表面には、それぞれ複数のピエゾ抵抗１０５が配設されている。これらのピエゾ抵抗１０５は、フレーム１０１の任意の一辺と平行な方向にＸ軸、そのＸ軸と９０°の角度で交差する他の一辺と平行な方向にＹ軸、Ｘ軸とＹ軸の両方と９０°の角度で交差する方向をＺ軸と規定したときに、それぞれの軸方向に作用する加速度を検出するためにＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対応する４つを一組としてホイートストンブリッジを構成している。また、これらのピエゾ抵抗１０５は、フレーム１０１上に形成された電極１０６に接続されている。
【０００５】
重り部１０３は、ビーム１０２の交差部１０２ａの下面（図３の下側）に吊り下げられた状態に接合されることにより、ビーム１０２は弾性を有するので遊動自在にフレーム１０１に支持されている。また、その断面形状は、シリコン基板から台座１０４に向かうＺ軸方向に向かって幅が狭くなる台形状をしている。
【０００６】
台座１０４は、重り部１０３の遊動量を制限する機能を有するものである。その形状は、平面視においてフレーム１０１の外形と略同じ大きさをした四角形状である。また、台座１０４のフレーム１０１と接合される面の内方には、平面視において、重り部１０３の上面と略同じ大きさの範囲を有する凹部１０４ａが形成され、重り部１０３がその凹部１０４ａの内部で作用する加速度に応じて遊動できるように設けられている。
【０００７】
したがって、上記構成の半導体加速度センサによれば、加速度が半導体加速度センサに作用すると、重り部１０３は、フレーム１０１とビーム１０２により遊動自在に支持されているため作用した加速度の方向と大きさに応じて前後左右及び上下に移動する。このとき、ビーム１０２に撓みが生じて複数のピエゾ抵抗１０５に応力がかかりその抵抗値が変化する。その結果、ホイートストンブリッジの平衡がくずれ、各軸に対応するホイートストンブリッジから作用した加速度に応じた電気信号が出力される。この電気信号を電極１０６から取り出すことにより加速度を検出することができるのである。また、ビーム１０２の耐破壊強度を超える加速度が作用した場合には、台座１０４の凹部１０４ａの底面が重り部１０３の遊動を制限するのでその破壊を防止することができるのである。
【０００８】
【特許文献１】
特開平６−１０９７５５号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような半導体加速度センサにおいては、Ｚ軸における台座１０４からフレーム１０１へ向かう方向（図３の下から上）における重り部１０３の遊動に対しては遊動の制限を行うことができず、許容範囲以上の加速度が作用するとビーム１０２を破壊してしまう恐れがある。
【００１０】
このような問題を解決する一つの手段としてフレーム１０１のピエゾ抵抗１０５形成面側にストッパ（図示せず）を設ける方法が上記特許文献１に記載されている。ところが、この方法ではストッパをフレーム１０１に接合した際に半導体加速度センサに与える影響、詳しくは、ストッパとフレーム１０１との線膨張係数の違いにより発生する応力がビーム１０２に歪みをもたらし、結果的に、半導体加速度センサの感度特性等を低下させてしまう。
【００１１】
本発明は、上記の点に鑑みてなしたものであり、その目的とするところは、ビーム自身が有する機械的強度以上の応力が加わることを制限し、許容範囲以上で作用する加速度に対して耐衝撃性の優れた半導体加速度センサを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明の半導体加速度センサは、半導体基板からなるフレームと、フレームからその内方に向かって突設された弾性を有するビームにより遊動自在に支持された重り部と、ビームに設けられて作用する加速度に応じて抵抗値の変化するピエゾ抵抗と、ピエゾ抵抗からの信号を取り出す電極と、を有する半導体加速度センサであって、前記重り部は、前記ビームに接合された主重り部と、主重り部と連結して少なくとも２本のビームと前記フレームとにより囲まれた空間に配設された補助重り部と、隣り合う補助重り部を結合する連結部とを有してなり、前記ビームは、前記重り部が所定量遊動した際にその外縁及び前記連結部と当接する位置に遊動規制手段を有することを特徴としている。
【００１３】
この構成により、作用した加速度により重り部がピエゾ抵抗形成面側に変位した際、ビームに形成した補強手段が補助重り部の外縁及び連結部と当接して重り部の一定量以上の変位を制限するので、加速度によりビームの機械的強度を超える応力が作用してもその歪み量を抑制して破損を低減する、すなわち、耐衝撃性を向上させることができる。
【００１４】
請求項２に係る発明の半導体加速度センサは、請求項１記載の構成において、前記遊動規制手段は、前記重り部との当接位置の幅を前記ビームの他の幅より広くしてなるものとしている。
【００１５】
この構成により、従来のビーム形成方法と同等の工程で補強手段を設けることができるので、耐衝撃性の向上した半導体加速度センサを比較的簡単に実現することができる。
【００１６】
請求項３に係る発明の半導体加速度センサは、請求項１記載の構成において、前記遊動規制手段は、前記フレームから前記ビームと平行に突設した補強片を設けてなるものとしている。
【００１７】
この構成により、ビームの幅を一定にすることができるので、加速度の感度、特にＺ軸の感度を低下させることなく耐衝撃性の向上した半導体加速度センサを比較的簡単に実現することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
［第１の実施形態］
第１の実施形態に係る半導体加速度センサを図１に基づいて説明する。図１（ａ）はその全体概略平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線で切断したときの断面図である。
【００１９】
この半導体加速度センサは、例えば、ＳＯＩ基板のような半導体基板からなるフレーム１と、ビーム２と、ピエゾ抵抗３と、重り部４とを主要構成要素としている。
【００２０】
フレーム１は、後述するビーム２に接合された同じく後述する重り部４を支持するものである。このものは、ＳＯＩ基板の内方を穿設して枠状に形成しており、平面視において略四角形状をしている。また、フレーム１上には、後述するピエゾ抵抗３に接続された、例えば、アルミニウム（Ａｌ）からなる電極５を形成して電気信号に変換された加速度を取り出している。
【００２１】
フレーム１は、ＳＯＩ基板の支持層１１、中間酸化膜層１２、活性層１３の３層を積層してなり、後述するビーム２に接合された同じく後述する重り部４を支持する。このものは、直方体状のＳＯＩ基板の内方を活性層１３及び中間酸化膜層１２の一部を残した状態に穿設して大略枠状に形成しており、平面視における外郭は略四角形状としている。そして、フレーム１上には、後述するピエゾ抵抗３に接続された、例えば、アルミニウム（Ａｌ）からなる電極５を形成して電気信号に変換された加速度を取り出す。
【００２２】
ビーム２は、作用する加速度に応じて遊動できるように重り部４を吊り下げ支持する。このものは、前述の一部を残した活性層１３の所定の位置を、弾性を有するよう薄肉の短冊状に形成したものであり、フレーム１を構成する４辺の上方部からそれぞれその内方に突設し、中央付近で互いに結合して交差部２１としている。また、その基端部２２をビーム２からフレーム１に向かって幅が広くなる台形状に形成した幅広の遊動規制手段６を形成しており、その広がりの形状は、後述する連結部４３と略同等以上になるようにしている。そして、重要なことは、この遊動規制手段６は、重り部４が所定量遊動した際にその外縁及び連結部４３と当接する位置に形成していることである。
【００２３】
ピエゾ抵抗３は、ビーム２の表面に、基端部２２とフレーム１との境界及びビーム２と交差部２１との境界に形成している。このうち、交差部２１との境界にあるピエゾ抵抗３は、Ｘ軸及びＹ軸方向に対して作用する加速度に反応し、Ｘ軸と平行なビーム２上にある４個で１組のホイートストンブリッジを、同じくＹ軸と平行なビーム２上にある４個で１組のホイートストンブリッジをそれぞれ構成している。また、フレーム１との境界にあるピエゾ抵抗３は、Ｚ軸方向に対して作用する加速度に反応し、同じく４個でホイートストンブリッジを構成している。なお、基端部２２の形状は前述した台形状に限定されるものではなく、例えば、フレーム１からその内方に向かって半球状を含む曲面状に突出する形状でもよく、つまりは、ビーム２の幅が重り部４が遊動した際にビーム２と当接する位置（本実施形態の場合は基端部２２）で広く形成されていればよい。
【００２４】
重り部４は、ビーム２により遊動自在に支持され、作用する加速度に応じてビーム２の撓み量を変換するものである。言い換えると、重り部４が受けた加速度をニュートンの運動方程式（Ｆ＝ｍα、Ｆは力、ｍは質量、αは加速度）で導き出される力に変換してビーム２を撓ませるものである。このものは、フレーム１の内方の空間に位置する支持層１１に形成し、平面視における外郭を略四角形状にしている。
【００２５】
さらに詳しくは、重り部４は、主重り部４１と、４個の補助重り部４２と、４個の連結部４３とを有して構成している。このうち、主重り部４１は、平面視における外郭を略四角形状とし、その厚みをフレーム１の厚みよりビーム２のＺ軸に対する許容変位量分だけ短く形成して交差部２１の直下に形成している。また、このものは、前述の一部を残したＳＯＩ基板の中間酸化膜層１２を介して交差部２１と結合している。そして、主重り部４１の隅角には主重り部４１と同等の厚みを有した、平面視における外郭を略四角形状とする補助重り部４２を結合している。この補助重り部４２は、加速度が作用していない状態で隣り合う２本のビーム２とフレーム１とに囲まれた空間内に位置している。さらに、このものには、隣り合う補助重り部４２を結合するための連結部４３を形成している。この連結部４３は、補助重り部４２を結合すると同時に重り部４の外縁の一部を構成するように形成しており、その厚みは補助重り部４と同等にしている。
【００２６】
つまり、本実施形態のような構成を採用することにより、重り部４がＺ軸方向の成分を有する許容範囲以上の加速度を受けて変位した際、特に、ＳＯＩ基板の活性層１３から支持層１１へ向かう方向、すなわち、半導体加速度センサのビーム２形成面側からその反対面側へ向かう方向のみの加速度を受けた際、連結部４３が幅広の遊動規制手段６に接触することにより重り部４のそれ以上の変位を制限できるのである。
【００２７】
したがって、以上説明した第１の実施形態の半導体加速度センサによると、重り部４をビームに接合された主重り部４１と、主重り部４１の隅角に連結した補助重り部４２と、隣り合う補助重り部４２を結合する連結部４３で構成し、かつ、ビーム２の基端部２２にビームの機械的強度を増す幅広の遊動規制手段６を設けることにより、Ｚ軸方向、特に、ＳＯＩ基板の活性層１３から支持層１１へ向かう方向の加速度を受けた際に連結部４３が幅広の遊動規制手段６に接触することにより重り部４の変位を制限できるので、ビーム２に機械的強度以上の応力が加わらず、その破壊を低減して耐衝撃性を向上させることができる。また、ビーム２は、遊動規制手段７を設けることにより、自身の機械的強度を高めることとなる。
【００２８】
なお、ＳＯＩ基板の支持層１１から活性層１３へ向かう方向の加速度を受けた場合は、フレーム１に接合される台座（図示せず）或いはパッケージ（図示せず）が重り部４の許容量以上の変位に対するストッパの機能を有するので、前述したようにその破壊を低減して耐衝撃性を向上させることができる。
【００２９】
［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る半導体発光素子を図２に基づいて説明する。図２は半導体加速度センサの全体概略平面図である。
【００３０】
この実施形態の半導体加速度センサは、遊動規制手段が第１の実施形態と異なるものであり、他の構成要素は第１の実施形態のものと実質的に同一であるので、同一部材には同一の番号を付して説明を省略する。
【００３１】
本実施形態の遊動規制手段は、ビーム２の幅を一定にするとともに、フレーム１からビーム２と平行に遊動規制手段７を突設したことが第１の実施形態と異なっている。
【００３２】
その遊動規制手段７は、形状を短冊状としており、ビーム２から離間した状態でビーム２を挟むように形成している。その厚みは、ＳＯＩ基板の活性層１３と同等、すなわち、ビーム２と同等にしている。また、その幅は、１０μｍ程度としているが、これはビーム２の機械的強度に応じて適宜設定できるものである。
【００３３】
つまり、本実施形態のような構成を採用することにより、重り部４がＺ軸方向の成分を有する許容範囲以上の加速度を受けて変位した際、特に、ＳＯＩ基板の活性層１３から支持層１１へ向かう方向、すなわち、半導体加速度センサのビーム２形成面側からその反対面側へ向かう方向のみの加速度を受けた際、連結部４３がビーム２の基端部２２及び遊動規制手段７に接触することにより重り部４のそれ以上の変位を制限できるのである。
【００３４】
以上説明した第２の実施形態の半導体発光素子によると、フレーム１からビーム２と平行に突設した遊動規制手段７を設けることにより、ビーム２の幅を一定にして重り部４の変位を制限できるので、加速度の感度、特にＺ軸の感度の低下を抑制してビーム２の破壊を低減し、耐衝撃性を向上させることができる。
【００３５】
【発明の効果】
請求項１に係る発明の半導体加速度センサは、半導体基板からなるフレームと、フレームからその内方に向かって突設された弾性を有するビームにより遊動自在に支持された重り部と、ビームに設けられて作用する加速度に応じて抵抗値の変化するピエゾ抵抗と、ピエゾ抵抗からの信号を取り出す電極と、を有する半導体加速度センサであって、前記重り部は、前記ビームに接合された主重り部と、主重り部と連結して少なくとも２本のビームと前記フレームとにより囲まれた空間に配設された補助重り部と、隣り合う補助重り部を結合する連結部を有してなり、前記ビームは、前記重り部が所定量遊動した際にその外縁及び前記連結部と当接する位置に遊動規制手段を有することにより、ビームの機械的強度を超える重り部の変位を制限することができるので、その破壊を低減して耐衝撃性を向上させることができる。
【００３６】
請求項２に係る発明の半導体加速度センサは、請求項１記載の構成において、前記遊動規制手段は、前記重り部との当接位置の幅を前記ビームの他の幅より広くしてなることにより、請求項１の効果に加え、従来のビーム形成方法と同等の工程で補強手段を設けることができるので、耐衝撃性の向上した半導体加速度センサを比較的簡単に実現することができる。
【００３７】
請求項３に係る発明の半導体加速度センサは、請求項１又は２記載の構成において、前記遊動規制手段は、前記フレームから前記ビームと平行に突設した補強片を設けてなることにより、請求項１の効果に加え、ビームの幅を一定にして重り部の変位を制限できるので、加速度の感度、特にＺ軸の感度の低下を抑制してビームの破壊を低減し、耐衝撃性を向上させることができる
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体加速度センサを示すものであり、（ａ）はその全体概略断面図、（ｂ）はＡ−Ａ線で切断したときの断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る半導体加速度センサを示す全体概略断面図である。
【図３】従来の半導体加速度センサを示すものであり、（ａ）はその全体概略斜視図、（ｂ）はＡ−Ａ線で切断したときの断面図である。
【符号の説明】
１ フレーム
２ ビーム
３ ピエゾ抵抗
４ 重り部
４１ 主重り部
４２ 補助重り部
４３ 連結部
５ 電極
６ 遊動規制手段（第１の実施形態）
７ 遊動規制手段（第２の実施形態）

Claims (3)

1. 半導体基板からなるフレームと、フレームからその内方に向かって突設された弾性を有するビームにより遊動自在に支持された重り部と、ビームに設けられて作用する加速度に応じて抵抗値の変化するピエゾ抵抗と、ピエゾ抵抗からの信号を取り出す電極と、を有する半導体加速度センサであって、
   前記重り部は、前記ビームに接合された主重り部と、主重り部と連結して少なくとも２本のビームと前記フレームとにより囲まれた空間に配設された補助重り部と、隣り合う補助重り部を結合する連結部とを有してなり、
   前記ビームは、前記重り部が所定量遊動した際にその外縁及び前記連結部と当接する位置に遊動規制手段を有することを特徴とする半導体加速度センサ。
2. 前記遊動規制手段は、前記重り部との当接位置の幅を前記ビームの他の幅より広くしてなる請求項１記載の半導体加速度センサ。
3. 前記遊動規制手段は、前記フレームから前記ビームと平行に突設した補強片を設けてなる請求項１記載の半導体加速度センサ。

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