JP2004340616A

JP2004340616A - 半導体加速度センサ

Info

Publication number: JP2004340616A
Application number: JP2003134727A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Hattori; 泰服部
Original assignee: Yokohama Rubber Co Ltd
Current assignee: Yokohama Rubber Co Ltd
Priority date: 2003-05-13
Filing date: 2003-05-13
Publication date: 2004-12-02

Abstract

【課題】ダイアフラムの面に垂直な方向に過度の力が加わったときにもダイアフラムの面に平行な方向の加速度を検出することができる半導体加速度センサを提供する。
【解決手段】ダイアフラム１３の他面側に、ダイアフラム１３の中央部表面から所定の間隔をあけた位置に固定され、ダイアフラム１３の中央部に対向して突出する突起部１６４が設けられている半導体加速度センサ１０を構成する。ダイアフラム１３の面に垂直な方向に生ずる加速度により所定値以上の力が加わった場合、ダイアフラム１３は力の働く方向に歪んで伸びるが、ダイアフラム１３の変位は突起部１６４によって制限されるため、ダイアフラム１３が最大限に伸びきることがなく、突起部１６４の頂点が支点となって重錘１５の位置が変位するので、ダイアフラム１３の面に平行な方向の加速度を検出することができる。
【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、特にセンサが回転したときにも検出感度の低下を生じ難い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、自動車等の車両やタイヤ内に設けられ、車両の姿勢制御を行うため或いはタイヤの歪みを検知するために半導体加速度センサが用いられるようになってきている。
【０００３】
この種の半導体加速度センサの一例を図１４及び図１５を参照して説明する。図１４は外観斜視図、図１５は図１４に示すＡ−Ａ線矢視方向断面図である。図に示すように、半導体加速度センサ２０は、矩形の枠型をなした台座２１を備え、台座２１の一開口面上にシリコン基板２２が取り付けられて加速度センサ２０が作成されている。
【０００４】
また、台座２１の開口部に対応するシリコン基板２２の中央部は十字形状をなす薄膜のダイアフラム２３が形成されており、各ダイアフラム片２３ａ〜２３ｄの上面にピエゾ抵抗体２６が形成されている。さらに、ダイアフラム片２３ａ〜２３ｄの交差部には、ダイアフラム２３の中央部の一方の面側に厚膜部２４が形成され、この厚膜部２４の表面には例えばガラス等からなる直方体形状の重錘２５が取り付けられている。
【０００５】
上記構成をなす半導体加速度センサ２０は、加速度に伴って発生する力が重錘２５に加わると、各ダイアフラム片２３ａ〜２３ｄに歪みが生じ、これによってピエゾ抵抗体２６の抵抗値が変化する。従って、所定のダイアフラム片２３ａ〜２３ｄに設けられたピエゾ抵抗体２６によって抵抗ブリッジ回路を形成することにより所定方向、例えば互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の加速度を検出することができる。
【０００６】
上記のような半導体加速度センサの一例としては、例えば、特開平８−７５７７５号公報、特開２０００−２０６２３８号公報、特開２０００−２８６３３号公報に開示されている半導体加速度センサが知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した従来の半導体加速度センサにおいては、図１６に示すように、ダイアフラム２３の面に垂直な方向２７に過度の力が加わると、ダイアフラム片２３ａ〜２３ｄの歪みが多大となりダイアフラム片２３ａ〜２３ｄが伸びきってしまい、ダイアフラム２３の面に平行な方向の加速度も検出することができなくなるという問題点があった。
【０００８】
本発明の目的は上記の問題点に鑑み、ダイアフラムの面に垂直な方向に過度の力が加わったときにもダイアフラムの面に平行な方向の加速度を検出することができる半導体加速度センサを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するために、ウェハ外周枠部内にダイアフラム部が形成されたシリコンウェハと、前記ウェハ外周枠部を固定する台座と、前記ダイアフラム部の一方の面の中央部に設けられた重錘とを備えた半導体加速度センサにおいて、前記ダイアフラムの一面側或いは他面側のうちの少なくとも何れか一方の側に、ダイアフラムの中央部表面若しくは該中央部に対応する前記重錘の表面から所定の間隔をあけた位置に固定され、該中央部に対向して突出する突起部が設けられている半導体加速度センサを提案する。
【００１０】
本発明によれば、前記ダイアフラムの面に垂直な方向に生ずる加速度により所定値以上の力が加わった場合、前記ダイアフラムは前記力の働く方向に歪んで伸びるが、その変位は前記突起部によって制限されるため、ダイアフラムが最大限に伸びきることがない。これにより、前記ダイアフラムの面に垂直な方向に過度の加速度が生じた場合も、前記突起部の頂点が支点となって前記重錘の位置が変位するので、前記ダイアフラムの面に平行な方向の加速度を検出することができる。
【００１１】
また、本発明上記構成の半導体加速度センサにおいて、前記突起部は、前記ウェハ外周枠部または前記台座のうちの少なくとも何れか一方に固定されて支持され、前記ダイアフラムの他方の面の中央部に対向して突出するように、前記ダイアフラムの他方の面の中央部から所定の間隔をあけた位置に設けられている半導体加速度センサを提案する。
【００１２】
本発明によれば、前記ダイアフラムの面に垂直な方向に生ずる加速度により、前記ダイアフラムの他方の面の側に所定値以上の力が加わった場合、前記ダイアフラムは前記力の働く方向に歪んで伸びるが、その変位は前記突起部によって制限されるため、ダイアフラムが最大限に伸びきることがない。これにより、前記ダイアフラムの他方の面の側に所定値以上の力が加わった場合も、前記突起部の頂点が支点となって前記重錘の位置が変位するので、前記ダイアフラムの面に平行な方向の加速度を検出することができる。
【００１３】
また、本発明上記構成の半導体加速度センサにおいて、前記突起部は、前記ウェハ外周枠部または前記台座のうちの少なくとも何れか一方に連結固定されて支持され、前記重錘の表面に対向して突出するように、該重錘の中央部から所定の間隔をあけた位置に設けられている半導体加速度センサを提案する。
【００１４】
本発明によれば、前記ダイアフラムの面に垂直な方向に生ずる加速度により、前記ダイアフラムの一方の面の側に所定値以上の力が加わった場合、前記ダイアフラムは前記力の働く方向に歪んで伸びるが、その変位は前記突起部によって制限されるため、ダイアフラムが最大限に伸びきることがない。これにより、前記ダイアフラムの一方の面の側に所定値以上の力が加わった場合も、前記突起部の頂点が支点となって前記重錘の位置が変位するので、前記ダイアフラムの面に平行な方向の加速度を検出することができる。
【００１５】
また、本発明上記構成の半導体加速度センサにおいて、前記ダイアフラムの中央部表面若しくは該中央部に対応する前記重錘の表面に対応する前記突起部の先端は錐形の先端形状をなしている半導体加速度センサを提案する。
【００１６】
本発明によれば、前記ダイアフラムの面に垂直な方向に生ずる加速度により所定値以上の力が加わった場合、前記ダイアフラムは前記力の働く方向に歪んで伸びるが、その変位は前記突起部の錐形をなす先端によって支持されて制限されるため、ダイアフラムが最大限に伸びきることがないと共に、前記ダイアフラムの面に垂直な方向に過度の加速度が生じた場合も、前記突起部の頂点が支点となって前記重錘の位置が変位するので、前記ダイアフラムの面に平行な方向の加速度を検出することができる。
【００１７】
また、本発明上記構成の半導体加速度センサにおいて、前記ダイアフラムの面に対して平行で且つ互いに直交するＸ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれの加速度並びに前記ダイアフラムの面に対して垂直なＺ軸方向の加速度を検出可能なように、前記ダイアフラムの面の中心から該面と平行な互いに直交する４方向のそれぞれに沿って拡散抵抗体が配置されていると共に前記４方向のそれぞれに対応する前記ウェハ外周枠部上に前記拡散抵抗体に接続された接続用の電極を備えている半導体加速度センサを提案する。
【００１８】
本発明によれば、前記ダイアフラムの面に対して平行で且つ互いに直交するＸ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれの加速度並びに前記ダイアフラムの面に対して垂直なＺ軸方向の加速度を検出可能なように、前記ダイアフラムの面の中心から該面と平行な互いに直交する４方向のそれぞれに沿って拡散抵抗体が配置されている。さらに、これらの拡散抵抗体は前記ウェハ外周枠部上に設けられた電極に接続されている。これにより、前記電極を介して前記拡散抵抗体に外部回路を接続することができ、前記ダイアフラムの変形に伴って前記拡散抵抗体の抵抗値が変化する。
【００１９】
また、本発明上記構成の半導体加速度センサにおいて、前記ダイアフラムはシリコンピエゾ型のダイアフラムである半導体加速度センサを提案する。
【００２０】
本発明によれば、前記ダイアフラムの変形によってピエゾ抵抗体の抵抗値が変化する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の一実施形態を説明する。
【００２２】
図１は本発明の第１実施形態における半導体加速度センサを示す外観斜視図、図２は図１におけるＢ−Ｂ線矢視方向断面図、図３は図１におけるＣ−Ｃ線矢視方向断面図、図４は分解斜視図である。
【００２３】
図において、１０は半導体加速度センサで、台座１１と、シリコン基板１２、支持体１６とから構成されている。
【００２４】
台座１１は矩形の枠型をなし、台座１１の一開口面上にシリコン基板（シリコンウェハ）１２が取り付けられている。また、台座１１の外周部には支持体１６の外枠部１６１が固定されている。
【００２５】
台座１１の開口部にシリコン基板１２が設けられ、ウェハ外周枠部１２ａ内の中央部には十字形状をなす薄膜のダイアフラム１３が形成されており、各ダイアフラム片１３ａ〜１３ｄの上面にピエゾ抵抗体（拡散抵抗体）Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４，Ｒｚ１〜Ｒｚ４が形成されている。
【００２６】
詳細には、一直線上に配置されたダイアフラム片１３ａ，１３ｂのうちの一方のダイアフラム片１３ａにはピエゾ抵抗体Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｚ１，Ｒｚ２が形成され、他方のダイアフラム片１３ｂにはピエゾ抵抗体Ｒｘ３，Ｒｘ４，Ｒｚ３，Ｒｚ４が形成されている。また、ダイアフラム片１３ａ，１３ｂに直交する一直線上に配置されたダイアフラム片１３ｃ，１３ｄのうちの一方のダイアフラム片１３ｃにはピエゾ抵抗体Ｒｙ１，Ｒｙ２が形成され、他方のダイアフラム片１３ｄにはピエゾ抵抗体Ｒｙ３，Ｒｙ４が形成されている。さらに、これらのピエゾ抵抗体Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４，Ｒｚ１〜Ｒｚ４は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の加速度を検出するための抵抗ブリッジ回路を構成できるように、図５に示すように接続され、シリコン基板１２の外周部表面に設けられた接続用の電極１２１に接続されている。
【００２７】
さらに、ダイアフラム片１３ａ〜１３ｄの交差部には、ダイアフラム１３の中央部の一方の面側に厚膜部１４が形成され、この厚膜部１４の表面には例えばガラス等からなる直方体形状の重錘１５が取り付けられている。
【００２８】
一方、上記支持体１６は、矩形の枠型をなした外枠部１６１と、固定部の４隅に立設された４つの支柱１６２、各支柱の先端部を連結するように設けられた十字形状の梁部１６３、梁部１６３の中央交差部分に設けられた円錐形状をなす突起部１６４とから構成されている。
【００２９】
外枠部１６１は、突起部１６４がダイアフラム１３の他面側すなわち重錘１５が存在しない側に位置するように、台座１１の外周部に嵌合して固定されている。ここで、突起部１６４の先端１６４ａがダイアフラム１３の表面から距離Ｄ１の位置になるように設定されている。この距離Ｄ１は、ダイアフラム１３の面に垂直な方向に加速度が生じ、この加速度によりダイアフラム１３の他方の面の側に所定値以上の力が加わった場合においても、各ダイアフラム片１３ａ〜１３ｄが伸びきらないように、その変位が突起部１６４によって制限できる値に設定されている。
【００３０】
上記構成の半導体加速度センサ１０を用いる場合は、図６乃至図８に示すように３つの抵抗ブリッジ回路を構成する。即ち、Ｘ軸方向の加速度を検出するためのブリッジ回路としては、図６に示すように、ピエゾ抵抗体Ｒｘ１の一端とピエゾ抵抗体Ｒｘ２の一端との接続点に直流電源３２Ａの正極を接続し、ピエゾ抵抗体Ｒｘ３の一端とピエゾ抵抗体Ｒｘ４の一端との接続点に直流電源３２Ａの負極を接続する。さらに、ピエゾ抵抗体Ｒｘ１の他端とピエゾ抵抗体Ｒｘ４の他端との接続点に電圧検出器３１Ａの一端を接続し、ピエゾ抵抗体Ｒｘ２の他端とピエゾ抵抗体Ｒｘ３の他端との接続点に電圧検出器３１Ａの他端を接続する。
【００３１】
また、Ｙ軸方向の加速度を検出するためのブリッジ回路としては、図７に示すように、ピエゾ抵抗体Ｒｙ１の一端とピエゾ抵抗体Ｒｙ２の一端との接続点に直流電源３２Ｂの正極を接続し、ピエゾ抵抗体Ｒｙ３の一端とピエゾ抵抗体Ｒｙ４の一端との接続点に直流電源３２Ｂの負極を接続する。さらに、ピエゾ抵抗体Ｒｙ１の他端とピエゾ抵抗体Ｒｙ４の他端との接続点に電圧検出器３１Ｂの一端を接続し、ピエゾ抵抗体Ｒｙ２の他端とピエゾ抵抗体Ｒｙ３の他端との接続点に電圧検出器３１Ｂの他端を接続する。
【００３２】
また、Ｚ軸方向の加速度を検出するためのブリッジ回路としては、図８に示すように、ピエゾ抵抗体Ｒｚ１の一端とピエゾ抵抗体Ｒｚ２の一端との接続点に直流電源３２Ｃの正極を接続し、ピエゾ抵抗体Ｒｚ３の一端とピエゾ抵抗体Ｒｚ４の一端との接続点に直流電源３２Ｃの負極を接続する。さらに、ピエゾ抵抗体Ｒｚ１の他端とピエゾ抵抗体Ｒｚ３の他端との接続点に電圧検出器３１Ｃの一端を接続し、ピエゾ抵抗体Ｒｚ２の他端とピエゾ抵抗体Ｒｚ４の他端との接続点に電圧検出器３１Ｃの他端を接続する。
【００３３】
上記構成の半導体加速度センサ１０によれば、センサ１０に加わる加速度に伴って発生する力が重錘１５に加わると、各ダイアフラム片１３ａ〜１３ｄに歪みが生じ、これによってピエゾ抵抗体２６の抵抗値が変化する。従って、各ダイアフラム片１３ａ〜１３ｄに設けられたピエゾ抵抗体Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４，Ｒｚ１〜Ｒｚ４によって抵抗ブリッジ回路を形成することにより、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の加速度を検出することができる。
【００３４】
さらに、図９及び図１０に示すように、ダイアフラム１３の面に垂直な方向の力成分を含む力４１，４２が働くような加速度が加わった場合、ダイアフラム１３の他方の面の側に所定値以上の力が加わったとき、ダイアフラム１３は力４１，４２の働く方向に歪んで伸びるが、その変位は突起部１６４の頂点１６４ａによって支持されて制限されるため、各ダイアフラム片１３ａ〜１３ｄが最大限に伸びきることがない。これにより、ダイアフラム１３の他方の面の側に所定値以上の力が加わった場合も、突起部１６４の頂点１６４ａが支点となって重錘１５の位置が変位するので、ダイアフラム１３の面に平行な方向の加速度を検出することができる。
【００３５】
次に、本発明の第２実施形態を説明する。
【００３６】
図１１本発明の第２実施形態における半導体加速度センサを示す外観斜視図、図１２はその側面断面図である。図において、前述した第１実施形態と同一構成部分は同一符号を持って表しその説明を省略する。また、第２実施形態と第１実施形態との相違点は、第２実施形態では、第１実施形態の構成に加えて、重錘１５の側に突起部を配置した支持体５０を設けたことである。
【００３７】
図において、１０Ｂは半導体加速度センサで、台座１１と、シリコン基板１２、支持体１６，５０とから構成されている。
【００３８】
支持体５０は、矩形の枠型をなした外枠部５０１と、外枠部５０１の４隅に立設された４つの支柱５０２、各支柱５０２の先端部を連結するように設けられた十字形状の梁部５０３、梁部５０３の中央交差部分に設けられた円錐形状をなす突起部５０４とから構成されている。
【００３９】
外枠部５０１は、突起部５０４が重錘１５の底面側に位置するように、台座１１の外周部に固定されている。ここで、突起部５０４の先端５０４ａが重錘１５の底面から距離Ｄ１の位置になるように設定されている。この距離Ｄ１は、第１実施形態と同様に、ダイアフラム１３の面に垂直な方向に加速度が生じ、この加速度によりダイアフラム１３の一方の面の側すなわち重錘１５が設けられている側に所定値以上の力が加わった場合においても、各ダイアフラム片１３ａ〜１３ｄが伸びきらないように、その変位が突起部５０４によって制限できる値に設定されている。
【００４０】
上記構成よりなる第２実施形態の半導体加速度センサ１０Ｂによれば、前述した第１実施形態の効果に加えて次の効果を得ることができる。即ち、図１２において下方向の力成分を含む力が働くような加速度が加わった場合、重錘１５の底面１５ａの側に所定値以上の力が加わったとき、ダイアフラム１３は力の働く方向に歪んで伸びるが、その変位は突起部５０４の頂点５０４ａによって支持されて制限されるため、各ダイアフラム片１３ａ〜１３ｄが最大限に伸びきることがない。これにより、ダイアフラム１３の他方の面の側に所定値以上の力が加わった場合も、突起部５０４の頂点５０４ａが支点となって重錘１５の位置が変位するので、ダイアフラム１３の面に平行な方向の加速度を検出することができる。
【００４１】
尚、支持体１６を必要としない場合は、図１３に示す第３実施形態のように支持体５０のみを設けた半導体加速度センサ１０Ｃを構成しても良い。
【００４２】
また、上記実施形態の構成は、本願発明の一具体例にすぎず、本願発明が上記実施形態の構成のみに限定されることはない。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ダイアフラムの面に垂直な方向に生ずる加速度により所定値以上の力が加わった場合、ダイアフラムは力の働く方向に歪んで伸びるが、その変位は突起部によって制限されるため、ダイアフラムが最大限に伸びきることがないため、ダイアフラムの面に垂直な方向に過度の加速度が生じた場合も、突起部の頂点が支点となって重錘の位置が変位するので、ダイアフラムの面に平行な方向の加速度を検出することができるという非常に優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における半導体加速度センサを示す外観斜視図
【図２】図１におけるＢ−Ｂ線矢視方向断面図
【図３】図１におけるＣ−Ｃ線矢視方向断面図
【図４】本発明の第１実施形態における半導体加速度センサを示す分解斜視図
【図５】本発明の第１実施形態における半導体加速度センサの電気系回路を示す構成図
【図６】本発明の第１実施形態における半導体加速度センサを用いたＸ軸方向の加速度を検出するブリッジ回路を示す図
【図７】本発明の第１実施形態における半導体加速度センサを用いたＹ軸方向の加速度を検出するブリッジ回路を示す図
【図８】本発明の第１実施形態における半導体加速度センサを用いたＺ軸方向の加速度を検出するブリッジ回路を示す図
【図９】本発明の第１実施形態における半導体加速度センサの動作を説明する図
【図１０】本発明の第１実施形態における半導体加速度センサの動作を説明する図
【図１１】本発明の第２実施形態における半導体加速度センサを示す分解斜視図
【図１２】本発明の第２実施形態における半導体加速度センサを示す側断面図
【図１３】本発明の第３実施形態における半導体加速度センサを示す分解斜視図
【図１４】従来例の半導体加速度センサを示す外観斜視図
【図１５】図１４におけるＡ−Ａ線矢視方向断面図
【図１６】従来例の半導体加速度センサの問題点を説明する図
【符号の説明】
１０，１０Ｂ，１０Ｃ…半導体加速度センサ、１１…台座、１２…シリコン基板、１３…ダイアフラム、１３ａ〜１３ｄ…ダイアフラム片、１４…厚膜部、１５…重錘、１６…支持体、１６１…外枠部、１６２…支柱、１６３…梁部、１６４…突起部、１６４ａ…突起部先端、３１Ａ〜３１Ｃ…電圧検出器、３２Ａ〜３２Ｃ…直流電源、５０…支持体、５０１…外枠部、５０２…支柱、５０３…梁部、５０４…突起部、５０４ａ…突起部先端、Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４，Ｒｚ１〜Ｒｚ４…ピエゾ抵抗体（拡散抵抗体）。

Claims

ウェハ外周枠部内にダイアフラム部が形成されたシリコンウェハと、前記ウェハ外周枠部を固定する台座と、前記ダイアフラム部の一方の面の中央部に設けられた重錘とを備えた半導体加速度センサにおいて、
前記ダイアフラムの一面側或いは他面側のうちの少なくとも何れか一方の側に、ダイアフラムの中央部表面若しくは該中央部に対応する前記重錘の表面から所定の間隔をあけた位置に固定され、該中央部に対向して突出する突起部が設けられている
ことを特徴とする半導体加速度センサ。
前記突起部は、前記ウェハ外周枠部または前記台座のうちの少なくとも何れか一方に固定されて支持され、前記ダイアフラムの他方の面の中央部に対向して突出するように、前記ダイアフラムの他方の面の中央部から所定の間隔をあけた位置に設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体加速度センサ。
前記突起部は、前記ウェハ外周枠部または前記台座のうちの少なくとも何れか一方に連結固定されて支持され、前記重錘の表面に対向して突出するように、該重錘の中央部から所定の間隔をあけた位置に設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体加速度センサ。
前記ダイアフラムの中央部表面若しくは該中央部に対応する前記重錘の表面に対応する前記突起部の先端は錐形の先端形状をなしている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の半導体加速度センサ。
前記ダイアフラムの面に対して平行で且つ互いに直交するＸ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれの加速度並びに前記ダイアフラムの面に対して垂直なＺ軸方向の加速度を検出可能なように、前記ダイアフラムの面の中心から該面と平行な互いに直交する４方向のそれぞれに沿って拡散抵抗体が配置されていると共に前記４方向のそれぞれに対応する前記ウェハ外周枠部上に前記拡散抵抗体に接続された接続用の電極を備えている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載の半導体加速度センサ。
前記ダイアフラムはシリコンピエゾ型のダイアフラムであることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載の半導体加速度センサ。