JP2004233080A - Semiconductor acceleration sensor - Google Patents
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Abstract
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2に示す。図2(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2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2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は、台座104からフレーム101へ向かうZ軸方向(図2の下から上)における重り部103の遊動に対してはその制限を行うことが困難であり、許容範囲以上の加速度が作用すると応力の集中するビーム102の両端を破壊してしまう恐れがある。
【0010】
また、上記特許文献1にはフレーム101のピエゾ抵抗105形成面側にストッパ(図示せず)を設けた記載がある。この手段を用いることにより、台座104からフレーム101へ向かうZ軸方向の遊動を制限することができるが、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、加速度に対する感度特性等の低下を抑制するとともに、許容範囲を上回る加速度に対してビームに掛かる応力を分散し、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4本の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、主重り部と連結されるとともに少なくとも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からなり、隣り合う補助重り部の間隙には、ビームの略中央部と当接して重り部の遊動を制限する制動部を有したことを特徴としている。
【0013】
この構成によれば、許容範囲を上回る加速度により重り部が変位した際に、補助重り部に設けられた制動部がビームの略中央部と当接することにより、重り部の一定量以上の変位を制限するとともにビームに加わる応力を略中央部からビームの端部に向かって分散させて緩和するので、ビームに掛かる応力が局所的な部分、特にビームの端部に集中することを抑制できるようになり破壊を低減できる、すなわち、耐衝撃性を向上することができる。また、半導体加速度センサのピエゾ抵抗形成面側には不要な応力を発生させるものを有していないので、その感度特性等の低下を抑制することができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
本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。
【0015】
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。
【0016】
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を支持するものである。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がフレーム1の略中央部で直交するように略十字状に残した状態で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を形成しており、このものから電気信号に変換された加速度を取り出している。
【0017】
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ものである。このものは、フレーム1の形成の際に略十字状に残した領域の活性層13にて構成しており、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、中央付近の交差部21で互いに結合している。
【0018】
ピエゾ抵抗3は、ビーム2の表面に設けており、ビーム2の一端とフレーム1との境界及びビーム2の他端と交差部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。
【0019】
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の撓み量を変化させるものである。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。
【0020】
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個の制動部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、交差部21の中間酸化膜層12を介して活性層13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を結合するための制動部43を形成している。この制動部43は、重り部4がZ軸方向に変位した際にビーム2の略中央部と当接するような位置に形成しており、その幅はビーム2の長さの1/20から1/3程度であり、厚みは補助重り部4と略同等としている。
【0021】
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許容変位量を超える加速度を受けた際、制動部43は重り部4の一定量以上の変位を制限するとともに、ビーム2の略中央と当接することによりビーム2が受ける応力をビーム2の全体に均等に分散するのである。
【0022】
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2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を結合する制動部43で構成し、かつ、それをビーム2の略中央部と当接する位置に設けることにより、Z軸方向、特に、SOI基板の活性層13から支持層11へ向かう方向の許容変位量を超える加速度を受けた際に制動部43がビーム2の略中央部に当接して重り部4の変位を制限できるので、ビーム2のフレーム1との連結部分及びビーム2と交差部21との連結部分に応力が集中せず、応力をビーム2全体に分散してその破壊を低減し、耐衝撃性を向上させることができる。もちろん、フレーム1のビーム2の形成面側には不要な応力を発生させる、例えば、前述したストッパ(図示せず)のようなものがないので、その感度特性等を低下させることもない。
【0023】
また、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。
【0024】
【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4本の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、主重り部と連結されるとともに少なくとも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からなり、隣り合う補助重り部の間隙には、ビームの略中央部と当接して重り部の遊動を制限する制動部を有しているので、過度に作用した加速度により重り部が変位した際に、補助重り部に設けられた制動部がビームの略中央部と当接することにより、重り部の一定量以上の変位を制限するとともにビームに加わる応力を略中央部からビームの端部に向かって分散させて緩和することができ、ビームに加わる応力が局所的な部分に集中することを抑制して破壊を低減、すなわち、耐衝撃性を向上することができる。また、ピエゾ抵抗形成面側には不要な応力を発生させるものを有していないので、その感度特性等の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明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】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 制動部
5 電極[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor acceleration sensor, and more particularly, to a semiconductor acceleration sensor using a piezoresistive element that detects acceleration acting in each of three axial directions.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art As a conventional semiconductor acceleration sensor, for example, there is one proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-109755 (Patent Document 1), which is shown in FIG. FIG. 2A is an overall schematic perspective view, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line AA. This apparatus includes a substantially
[0003]
Of these, the
[0004]
In addition, a plurality of
[0005]
The
[0006]
The
[0007]
Therefore, according to the semiconductor acceleration sensor having the above configuration, when the acceleration acts on the semiconductor acceleration sensor, the
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-6-109755
[Problems to be solved by the invention]
However, with such a semiconductor acceleration sensor, it is difficult to limit the movement of the
[0010]
Further,
[0011]
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to suppress a decrease in sensitivity characteristics to acceleration and the like, and to disperse a stress applied to a beam for acceleration exceeding an allowable range. Another object of the present invention is to provide a semiconductor acceleration sensor having excellent shock resistance.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a semiconductor acceleration sensor according to the first aspect of the present invention comprises a frame made of a semiconductor substrate and four beams having elasticity protruding from the frame toward the inside thereof so as to be freely movable. A semiconductor acceleration sensor having a supported weight portion, a piezoresistor having a resistance value that changes according to acceleration acting on the beam, and an electrode for extracting a signal from the piezoresistance, wherein the weight portion is A main weight portion joined to the beam, and an auxiliary weight portion connected to the main weight portion and disposed in a space surrounded by at least two beams and the frame. In the gap between the sections, there is provided a braking section which abuts a substantially central section of the beam to limit the movement of the weight section.
[0013]
According to this configuration, when the weight portion is displaced by an acceleration exceeding the allowable range, the braking portion provided in the auxiliary weight portion abuts the substantially central portion of the beam, thereby displacing a certain amount or more of the weight portion. Limiting and dispersing the stress applied to the beam by dispersing it from the center to the end of the beam, so that the stress applied to the beam can be suppressed from being concentrated on local parts, especially on the end of the beam That is, breakage can be reduced, that is, impact resistance can be improved. In addition, since there is no component that generates unnecessary stress on the piezoresistor forming surface side of the semiconductor acceleration sensor, it is possible to suppress a decrease in sensitivity characteristics and the like.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
A semiconductor acceleration sensor according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1A is an overall schematic plan view, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AA.
[0015]
This semiconductor acceleration sensor mainly includes a
[0016]
The
[0017]
The
[0018]
The
[0019]
The
[0020]
More specifically, the
[0021]
That is, by adopting the configuration as in the present embodiment, when the
[0022]
Therefore, according to the semiconductor acceleration sensor of the first embodiment described above, the
[0023]
When an acceleration is applied in the direction from the
[0024]
【The invention's effect】
The semiconductor acceleration sensor according to the first aspect of the present invention includes a frame formed of a semiconductor substrate, a weight portion movably supported by four elastic beams protruding inward from the frame, and a beam. A piezo-resistor having a resistance value that changes according to an acceleration acting on the electrode, and an electrode for extracting a signal from the piezo-resistor, wherein the weight portion includes a main body joined to the beam. A weight portion, an auxiliary weight portion connected to the main weight portion and disposed in a space surrounded by at least two beams and the frame, and a gap between the adjacent auxiliary weight portions is provided in a gap between the adjacent auxiliary weight portions. Since the brake unit has a braking unit that abuts the substantially central portion to limit the movement of the weight unit, when the weight unit is displaced due to excessively applied acceleration, the braking unit provided on the auxiliary weight unit is activated. By contacting with the approximate center of the beam, it is possible to limit the displacement of the weight portion by a certain amount or more, and to distribute and reduce the stress applied to the beam from the approximate center to the end of the beam, and to apply to the beam. It is possible to suppress the stress from being concentrated on a local portion and reduce the destruction, that is, to improve the impact resistance. In addition, since there is no component that generates unnecessary stress on the piezoresistor forming surface side, it is possible to suppress a decrease in sensitivity characteristics and the like.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B show a semiconductor acceleration sensor according to the present invention, in which FIG. 1A is an overall schematic sectional view, and FIG. 1B is a sectional view taken along line AA.
FIGS. 2A and 2B show a conventional semiconductor acceleration sensor, in which FIG. 2A is an overall schematic perspective view, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line AA.
[Explanation of symbols]
1
Claims (1)
前記重り部は、前記ビームに接合された主重り部と、主重り部と連結されるとともに少なくとも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からなり、隣り合う補助重り部の間隙には、ビームの略中央部と当接して重り部の遊動を制限する制動部を有したことを特徴とする半導体加速度センサ。A frame made of a semiconductor substrate, a weight portion movably supported by four elastic beams protruding inward from the frame, and a resistance value provided in accordance with an acceleration acting on the beam; A semiconductor acceleration sensor having a piezoresistor that changes and an electrode for extracting a signal from the piezoresistor,
The weight portion includes a main weight portion joined to the beam, and an auxiliary weight portion connected to the main weight portion and disposed in a space surrounded by at least two beams and the frame, A semiconductor acceleration sensor having a braking portion in a gap between adjacent auxiliary weight portions to abut a substantially central portion of a beam and to limit play of the weight portion.
Priority Applications (1)
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Publications (1)
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ID=32948898
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2003
- 2003-01-28 JP JP2003018880A patent/JP2004233080A/en active Pending
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