JP2006098323A

JP2006098323A - 半導体型３軸加速度センサ

Info

Publication number: JP2006098323A
Application number: JP2004287079A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Hosoda; 雅之細田; Yoshio Ikeda; 由夫池田; Masakatsu Saito; 正勝斎藤
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2006-04-13

Abstract

【課題】Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の出力差を減らすため、Ｚ軸の感度を下げてＸ，Ｙ軸の感度に合
わる方式では、感度を下げて使用することになり高感度化ができない。また、Ｘ，Ｙ，Ｚ
軸の出力差が大きいと、出力増幅率が異なる増幅器を各軸毎に準備する必要があるため高
価となる。
【解決手段】ピエゾ抵抗素子が設けられた部位ｂの断面積、ピエゾ抵抗素子がない部位
ａの断面積の比ｂ／ａが１．１以上３．５未満、より好ましくは１．５以上２．５以下と
、可撓部のピエゾ抵抗素子がない部位の断面積を小さくすることで、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の感度
差を小さくすることができるとともに、耐衝撃性も確保できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、携帯端末機器や玩具、自動車、航空機等に用いられる加速度検出用の半導体
加速度センサに関するものである。

従来のピエゾ抵抗型３軸加速度センサの構造について詳細に説明する。図１１に、加速
度センサの展開斜視図を示す。加速度センサ１０は、加速度センサ素子１がケース２に接
着剤で固定され、蓋３がケース２に接着剤で固定されている。加速度センサ素子１の端子
７とケース２の端子５は金属線４で接続され、外部端子６から加速度センサ素子１の出力
が外部に取り出されるものである。本願では、加速度センサ素子１を加速度センサと称す
ることもある。また、ピエゾ抵抗素子をピエゾ抵抗体やピエゾ抵抗体対等と称することも
ある。

加速度センサ素子１の斜視図を図１２に、ピエゾ抵抗体の配置を図１３に示す。図１３
ａ）はピエゾ抵抗素子の配置が判り易くなるように、配線１７や端子７の記載は省略して
いる。シリコン単結晶基板の厚肉部から成る質量部１３とそれを取り囲むように配された
支持枠部１１と、該質量部１３および支持枠部１１とを接続するＳｉ単結晶基板の薄肉部
より成る２対の互いに直交する梁状の可撓部２１、２１’、２２、２２’と該可撓部上の
２つの直交する方向（ＸとＹ）及び該可撓部２１、２１’、２２、２２’に垂直な方向（
Ｚ）に対応するように設けられた各軸複数のピエゾ抵抗体群５１と５１’、５２と５２’
、６１と６１’、６２と６２’、７１と７１’、７２と７２’とから構成される。また、
可撓部２１、２１’、２２、２２’は薄肉部に貫通穴１４を設けることによって梁形状と
されており、変形しやすく、高感度化に向いた構造となっている。

加速度の検出原理は、中央の質量部１３が加速度に比例した力を受けて変位したときの
可撓部２１、２１’、２２、２２’の撓みを、可撓部に形成されたピエゾ抵抗体群５１と
５１’、５２と５２’、６１と６１’、６２と６２’、７１と７１’、７２と７２’の抵
抗値変化として検出することで３軸方向の加速度を検出するものである。ここで、可撓部
２１、２１’上の４つのピエゾ抵抗素子５１、５１’、５２、５２’はＸ軸方向の加速度
を、また、他の４つのピエゾ抵抗素子７１、７１’、７２、７２’は素子面に垂直なＺ軸
方向の加速度を検出し、また可撓部２２、２２’上の４つのピエゾ抵抗素子６１、６１’
、６２、６２’はＸ軸方向と直交するＹ軸方向の加速度を検出するように、それぞれ各軸
４つのピエゾ抵抗素子は独立してブリッジ回路を構成するように結線されており、Ｘ軸に
おいては５１と５１’および５２と５２’をそれぞれピエゾ抵抗体対と呼び、同様にＹ軸
においては６１と６１’および６２と６２’、Ｚ軸においては７１と７１’および７２と
７２’がピエゾ抵抗体対をなす。また、Ｘ，Ｙ軸は出力検出原理、結線方法およびピエゾ
抵抗体の配置が同じであり、それぞれ他方の軸と入れ替えることができるため、以降、Ｘ
およびＹ軸を、特に断りの無い限りＸ軸と表記することとする。

従来の３軸加速度センサにおけるピエゾ抵抗体の配置について説明する。図１３ｂ）に
示すように、Ｘ軸用ピエゾ抵抗体対５１，５１’とＺ軸用ピエゾ抵抗体対７１，７１’の
片端が可撓部２１と支持枠部１１の境界および可撓部１１と質量部１３の境界と一致する
構造となっていた。これは可撓部が加速度を受けて撓んだとき、可撓部における支持枠部
および質量部近傍の部位に応力集中するため、最大のセンサ出力が得られるためである。

ピエゾ抵抗体が図１３のように配置されている場合にはＸ軸とＺ軸の感度（加速度１Ｇ
、駆動電圧１Ｖに対する出力）には、図１４に示すような関係があることが一般に知られ
ている。Ｘ軸方向に１Ｇの加速度が加えられた場合には、可撓部に加わる曲げモーメント
は、可撓部２１、２１’、２２、２２’を通る平面から質量部１３の重心までの距離（ｓ
１とする）と質量部の質量（ｍとする）の積で表される。従って質量部の厚さが変化した
場合、曲げモーメントはｓ１およびｍに比例するため、Ｘ軸の感度は２次関数的に変化す
る。これに対しＺ軸方向に１Ｇの加速度が加えられた場合には、可撓部に加わる曲げモー
メントは、可撓部の長さ（ｓ２とする）と質量部の質量ｍの積で表される。従って質量部
の厚さが変化した場合、曲げモーメントはｍにのみ比例するため、Ｚ軸の感度は１次関数
的に変化する。このため、Ｘ軸とＺ軸の感度に差が生じることになる。この差を無くす方
法として質量部の厚みやピエゾ抵抗体自身の感度変更、ピエゾ抵抗体の配置方法等が考え
られる。これらの方法に付いて以下簡単に説明する。

質量部の厚みでＸ軸とＺ軸の感度差を減らす方法に付いて説明する。図１４から判るよ
うに、Ｘ軸とＺ軸の出力差をなくすためには、Ｘ軸とＺ軸の感度の値が同じとなる質量部
の厚さを８００μｍ程度にすれば良い。しかし、半導体等で使用されるＳｉ単結晶基板の
厚みは、６２５μｍと５２５μｍが主流となっているため、約８００μｍのＳｉ単結晶基
板は特注となり、高コストとなるだけでなく、納期が不安定となる問題があるため、質量
部の厚さによって出力調整を行うのは好ましい方法ではない。

ピエゾ抵抗体自身の感度変更してＸ軸とＺ軸の感度差を減らす方法に付いて説明する。
ピエゾ抵抗体はシリコン基板に不純物を打ち込んで形成している。この不純物濃度を変え
ることでピエゾ抵抗体自身の感度を変えることができるが、不純物濃度を変えるためには
少なくとも２回の不純物打ち込み作業工程が必要となる。そのため、製造コストの上昇を
招くことになるだけでなく、設備能力の低下となってしまい好ましい方法ではない。

ピエゾ抵抗体の配置方法でＸ軸とＺ軸の感度差を減らす方法に付いて説明する。可撓部
が加速度を受けて撓んだとき、可撓部における支持枠部および質量部近傍の部位に応力を
集中させ、最大のセンサ出力を得られるように、各軸のピエゾ抵抗体の片端が可撓部と支
持枠部の境界および可撓部と質量部の境界と一致する構造となっていた。そのため、Ｘ，
Ｙ軸の出力をより高めることは難しいため、Ｚ軸の出力を下げてＸ，Ｙ，Ｚ軸の出力差を
小さくする方法が特許文献１および２に提案されている。

特許文献１には、図１５ａ）およびｂ）に示すようにＸ軸５１，５１’のピエゾ抵抗体
の片端は可撓部と支持枠部の境界および可撓部と質量部の境界と一致させるが、Ｚ軸のピ
エゾ抵抗体７１，７１’の片端は、可撓部と支持枠部の境界および可撓部と質量部の境界
と一致させず、Ｚ軸の出力を低下させるものである。特許文献２には、図１５ｃ）に示す
ように、Ｚ軸のピエゾ抵抗体７１，７１’を可撓部の中心線に対して一定角度傾斜させて
、Ｚ軸の出力を低下させるものである。

特開２００３−２７９５９２号公報図１，２，４，５特開２００３−２９４７８１号公報図１，２，４

Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の出力差を無くすために、ピエゾ抵抗体の配置方法を変える等の方法で、
Ｚ軸の出力を下げてＸ，Ｙ軸の出力に合わせていた。出力の低いＸ，Ｙ軸に合わせる方法
では感度を低下させていることになり、高感度の３軸加速度センサを作製する上での障害
となっていた。従来の加速度センサでは、Ｘ軸の出力と比較してＺ軸の出力が大きくなっ
てしまう構造であったため、軸間の出力差が大きくなっていた。軸間の出力差が大きい場
合、出力増幅率が異なる増幅器を各軸毎に準備する必要があり、コスト高になる欠点があ
った。

本発明は、Ｚ軸の出力を下げずにＸ，Ｙ軸の出力を高くすることで、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の出
力差を小さくし、出力増幅率が異なる増幅器を各軸毎に準備する必要を無くし、安価で高
感度な半導体型３軸加速度センサを得ることを目的とする。

本発明の半導体型３軸加速度センサは、シリコン単結晶基板の周縁部に形成された支持
枠部と、中央部に形成された質量部と、該質量部及び支持枠部の上方側に設けられ、該質
量部及び支持枠部を接続する薄肉梁状の可撓部と、該可撓部の上面側に形成された複数対
のピエゾ抵抗素子および配線部とを具備し、ピエゾ抵抗素子が設けられた部位の可撓部断
面積に比べて、ピエゾ抵抗素子が配されていない部位の可撓部断面積が小さいことが望ま
しい。

Ｘ軸方向に加速度が加えられた場合、それに対応する可撓部に曲げモーメントが加わり
変形することにより加速度が検出される。Ｘ軸以外の可撓部はその剛性によりＸ軸の変形
を阻害する方向に働く。Ｘ軸の変形を阻害する力を低減することで、Ｘ軸の感度向上を期
待するものである。Ｘ軸以外の可撓部の剛性を下げる方策として、ピエゾ抵抗体が配され
ていない部分の可撓部断面積を小さくする。ピエゾ抵抗素子が配されていない部分の可撓
部断面積を小さくすることで、Ｘ軸の変形を阻害する力を減じることができ、容易にＸ軸
に変形を起こさせることができる様になり、Ｘ軸の出力が大きくなるつまり、Ｘ軸感度を
向上させることができる。Ｙ軸についても同様である。

ピエゾ抵抗素子が配されていない部分の可撓部断面積を小さくすることで、Ｘ軸の感度
は略直線的に増加させることができる。Ｚ軸も非常に僅かではあるが感度は略直線的に増
加する。Ｚ軸の感度増加量は、Ｘ軸の感度増加量に比べ数％以下であるため、Ｚ軸とＸ軸
の感度の差を望まれる範囲に入れることができる。Ｘ軸の感度ＥｘとＺ軸の感度Ｅｚの比
率を、感度比Ｅｘ／Ｅｚとし、感度比Ｅｘ／Ｅｚを０．８３から１．２５に入れることで
、出力増幅率が異なる増幅器を各軸毎に準備する必要が無くなり、コストの上昇を抑える
ことができる。

可撓部はシリコン薄板と保護膜、アルミ配線からなっている。可撓部断面積は、可撓部
長手方向と垂直方向断面の面積である。可撓部断面形状が方形とは限らないため、シリコ
ンと絶縁膜、アルミ配線の幅が異なる場合は、各々の断面積を計算し和した値を可撓部断
面積とする。

ピエゾ抵抗素子は可撓部内の支持枠部及び質量部近傍に配置され、その片端は支持枠部
または質量部との境界接している。支持枠部側のピエゾ抵抗素子と質量部側のピエゾ抵抗
素子はアルミ配線で繋がれており、このアルミ配線で繋がれている領域がピエゾ抵抗素子
が配されていない部分となる。ピエゾ抵抗素子の領域とピエゾ抵抗素子が配されていない
部分の接合部に応力集中が起き、測定範囲を大きく超えるような加速度が加わった時に該
接合部で可撓部が破損しないように。接合部は曲面やテーパーとすることが好ましい。零
Ｇ電圧を小さくするため、可撓部形状は可撓部中心線に対し対称とすることが好ましい。
ピエゾ抵抗素子が配されていない部分の全域に渡り、断面積がピエゾ抵抗素子の領域より
小さい必要はないものである。断面積を小さくする領域の大きさは、可撓部の長さやピエ
ゾ抵抗体素子の大きさ等を考慮して決めることができる。

本発明の半導体型３軸加速度センサは、質量部及び支持枠部を接続する薄肉梁状の可撓
部の、ピエゾ抵抗素子がない部位の幅を狭くおよび／もしくは厚みを薄くして可撓部断面
積を小さくすることが望ましい。

可撓部はエッチングにより形成するので、断面形状は方形または台形形状になり、角部
には極小の曲率が形成される。可撓部の幅か厚みもしくは両方を小さくし、可撓部の断面
積を小さくすることができる。可撓部の形成は、シリコン板にシリコン酸化層とシリコン
層を有するＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェファーにピエゾ抵
抗素子と配線を形成した後、質量部と可撓部をドライエッチングで形成する。ドライエッ
チングはシリコン板のみをエッチングし、シリコン酸化膜層はエッチングされないため、
ＳＯＩウェファーのシリコン酸化膜層がストッパーとなるため、ＳＯＩウェファーで決ま
る可撓部厚さとなる。この可撓部を更に薄くするには、フォトリソ加工とエッチングを再
度行う必要がある。可撓部の厚みを薄くするのは、加工工数の増加になるため製造コスト
を押し上げることになる。このことから、可撓部の幅を狭くする方が製造面からは好まし
いと言える。

本発明の半導体型３軸加速度センサは、可撓部のピエゾ抵抗素子が配されていない部位
の断面積ａ、ピエゾ抵抗素子が設けられた部位の断面積ｂの比ｂ／ａが、１．１以上３．
５未満であることが望ましい。

従来の加速度センサ素子のＺ軸の感度は、Ｘ軸の感度に対し１．２〜１．５倍である。
ピエゾ抵抗素子が配されていない部分の可撓部断面積を小さくしても、Ｚ軸の感度は数％
程度の変化しか起こさずほぼ一定と見て良い。Ｘ軸はピエゾ抵抗素子が配されていない部
分の面積ａを小さくし、ピエゾ抵抗素子が設けられた部位の断面積ｂとの、断面積比ｂ／
ａを大きくすることで感度を大きくすることができる。ｂ／ａが１は従来のセンサ素子形
状であり、Ｘ軸の感度向上は得られない。断面積比ｂ／ａを１．１以上とすることでＸ軸
の感度を上げることができる。ｂ／ａが４以上では、ピエゾ抵抗素子が配されていない部
分の面積が小さくなり過ぎ強度低下を起こし、測定範囲を大きく超えるような加速度が加
わった時に該接合部で可撓部が破損したり、製造工程での素子の取り扱いが難しくなる。
これらのことから、断面積の比ｂ／ａが１．１以上３．５未満が好ましいものである。断
面積の比ｂ／ａが２．０近傍で、Ｘ軸の感度とＺ軸の感度の比率が略１になるので、より
好ましいｂ／ａは１．５以上２．５以下の範囲である。

ピエゾ抵抗素子が設けられた部位の可撓部断面積ｂに比べて、ピエゾ抵抗素子が配され
ていない部位の可撓部断面積ａを小さくすることで、Ｘ，Ｙ軸の感度向上が得られ、全体
の感度低下させることなくＸ，Ｙ，Ｚ軸の感度を合わせることができる。また、Ｘ，Ｙ，
Ｚ軸の感度を合わせることで、出力増幅率が異なる増幅器を各軸毎に準備する必要が無く
なるため、安価で高感度な半導体型３軸加速度センサを提供できる。

以下、本発明の実施例について、図を用いて詳細に説明する。説明を判り易くするため
、同じ部品、部位には同一の符号を用いている。

図１は本発明の加速度センサ素子の斜視図である。半導体型３軸加速度センサの基本的
な構成、構造は加速度センサ素子が異なるだけで、図１１に示した従来例の展開斜視図と
同じであるので図示は省略している。本願で実施した加速度センサの構成、構造を簡単に
述べる。加速度センサ素子１は、ケース２にφ１０μｍの硬質プラスチック球を含有した
接着剤で固着した。加速度センサ素子１の質量部１３の底面と、ケース２の内底との間隔
ｇは、硬質プラスチック球径で規制し１０μｍとした。この間隔ｇは、過度の加速度が加
わった時に、質量部１３の動きを規制し可撓部の破損を防ぐものである。加速度センサ素
子１の端子７とケース２の端子５は金属線４で接続した。金属線４はφ２５μｍの金の裸
線を超音波ボンディングで端子５，７に熔接した。図示はしていないが、加速度センサ素
子１の上にφ１０μｍの硬質プラスチック球を含有した接着剤でストッパーを固着した。
ストッパーには、厚さ０．３ｍｍの青板ガラスを用いた。このストッパーと加速度センサ
との間隔ｇも、質量部１３の動きを規制し可撓部の破損を防ぐものである。ケースの蓋３
をケース２にエポキシ系の樹脂で固着して加速度センサ１０を得た。図１に示す本願の加
速度センサ素子１は、周縁部に設けられた支持枠部１１と、中央部に形成された質量部１
３と、質量部と支持枠部を接続する薄肉梁状の可撓部２１，２２からなり、可撓部２１，
２２の上面側には複数対のピエゾ抵抗素子５１，５２，６１，６２，７１，７２を形成し
ている。

図２ａ）に、可撓部の部分拡大図を示す。可撓部２１は、ピエゾ抵抗素子が設けられた
ｂ部に比べて、ピエゾ抵抗素子がないａ部の断面積が小さい構造としている。実施した加
速度センサ素子の主要部の寸法を説明する。加速度センサ素子１の外観寸法は、３．３ｍ
ｍ角×厚み約０．６ｍｍとした。質量部１３の一辺の長さは１０００μｍ、支持枠部１１
の幅は４５０μｍである。可撓部２１，２２の長さＬｗを７００μｍとし、ピエゾ抵抗素
子が設けられたｂ部の幅Ｌｆは１１０μｍとした。図２ｂ）に厚み方向の構造を示すよう
に、６μｍ厚のシリコン８２上に酸化シリコンの絶縁層８３を０．５μｍ、アルミ配線８
１を０．３μｍ厚で形成した。ピエゾ抵抗の無いａ部の可撓部幅の幅を、２５μｍ程度ま
で細くして行き、断面積の比ｂ／ａを１から５まで変化させた。アルミ配線８１の幅はａ
部とｂ部で同じとしているので断面積は変わらないが、シリコン８２と絶縁膜８３の部分
の断面積は変わるので、ａ部の幅の比が断面積の比ｂ／ａにはならない。詳細説明は省略
するが、アルミ配線の剛性はシリコンや酸化シリコンに比べ非常に小さいので、断面積の
比を幅の比と置き換えても感度比Ｅｘ／Ｅｚでは殆んど差のない結果が得られている。こ
のことから、ｂ部とａ部でアルミ配線幅を変えても良いと言える。

断面積の比ｂ／ａを１から５まで変えた試料の、可撓部の長さＬｗとピエゾ抵抗の無い
ａ部の長さＬｎ、ピエゾ抵抗素子が設けられたｂ部の長さＬｆの関係に付いて述べる。可
撓部の長さＬｗは７００μｍでａ部の長さＬｎは２３０μｍ、ｂ部の幅Ｌｆは１１０μｍ
である。ａ部とｂ部の間の距離Ｌｓは１２５μｍとして傾斜角度を変えて作製した。

実施した加速度センサ素子１の製造方法を説明する。６２５μｍ厚のシリコン板に１μ
ｍ程度のシリコン酸化層と６μｍのシリコン層の積層構造を有するＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏ
ｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェファーを使用した。フォトレジストでパターニング
を行い、シリコン層にボロンを１〜３×１０^１８原子／ｃｍ^３を打ち込みピエゾ抵抗素子
を作製した後、ピエゾ抵抗素子を外部のイオンから保護するためと、シリコンとアルミ配
線、電極の絶縁を確保するために、０．２〜０．５μｍ厚に酸化シリコンの絶縁膜を形成
した。ピエゾ抵抗素子に接続するアルミ配線と電極、可撓部等を、フォトレジストのパタ
ーニングとスパッタリング成膜装置、ドライエッチング装置等を用いて形成した。シリコ
ン酸化層がエッチングストッパーとなるため、エッチングされるのはシリコン層のみであ
る。ピエゾ素子面側を下にして、熱伝導の高い金属粉末を樹脂に混錬したものを用いて、
ダミー基板に接着した。ＳＯＩウェファーのシリコン板部分の６２５μｍをドライエッチ
ングするには、ＳＦ_６と酸素を導入したプラズマ内で長時間行うため、被加工物の冷却が
重要であるので、熱伝導の良い接着剤で放熱性の高いダミー基板に接着するものである。
ドライエッチングされるのはシリコンのみであるので、シリコン板はエッチングされるが
、シリコン酸化層は残っている。ダミー基板に付けたまま弗酸溶液に漬け、シリコン酸化
層を化学エッチングで除去した。可撓部と質量部、支持枠部が形成されたＳＯＩウェファ
ーがダミー基板に接着された状態で、切断砥石を使って加速度センサ素子のチップに分離
した後、溶剤で接着剤を加速度センサ素子単体を得た。

断面積の比ｂ／ａを１から５まで変えた加速度センサ素子を用いて加速度センサを各２
０個作製し、感度と耐衝撃性の測定評価を行った。加振器に加速度センサを取り付け２０
Ｇの加速度を加えた時のＸ，Ｙ，Ｚ軸の出力を測定し、感度比Ｅｘ／Ｅｚを求め感度比の
平均値を求めた。感度比を測定した後、厚さ１００ｍｍの板に高さ１ｍから加速度センサ
を自然落下させ耐衝撃性を測定した。この高さから落下させると約１５００から２０００
Ｇの衝撃が加速度センサに加わる。耐衝撃性試験の後加振器で２０Ｇの加速度を加え、出
力が有るか否かで判断し、出力が無い加速度センサは破壊したと判定した。

図３に、断面積の比ｂ／ａと感度比Ｅｘ／Ｅｚの関係を示す。断面積の比が１は従来の
可撓部の構造のものであり感度比は０．８３である。断面積の比を上げて行くとＺ軸の感
度は殆んど上がらずＸ軸の感度が大きく上がるため、感度比は１以上の値を示す様になる
。約２．１の断面積の比で感度比は１となり、約３．６の断面積の比で１．２になる。こ
の１．２は従来品の感度比０．８３と感度の差（ＥｘとＥｚの差の絶対値）と同じである
。断面積の比が、３．６を越えると感度比Ｅｘ／Ｅｚは大きくなり過ぎ、従来品より特性
が悪くなる。
このことからも、断面積の比ｂ／ａを１．１以上３．５未満とすることで、従来の構造に
比べ良い感度比Ｅｘ／Ｅｚが得られることが確認できた。

耐衝撃性試験の結果に付いて述べる。衝撃を加えた後で出力が無い加速度センサは、断
面積の比が４．２で１／２０個、断面積の比が５．０で４／２０個であったが、断面積の
比が３．６以下では破損したものはなかった。ピエゾ抵抗素子の無いａ部を細くして断面
積の比を３．５以上にするのは、感度比と耐衝撃性を悪化させるものである。

図４に、本発明の可撓部の部分拡大図を示す。可撓部は、実施例で感度比が約１となる
断面積の比を２．１として、ピエゾ抵抗素子がないａ部の長さＬｎと感度比の関係を検討
した。可撓部の長さＬｗは７００μｍで、ａ部とｂ部の間の距離Ｌｓは半径２５μｍの曲
率を有するｒとしている。ａ部の長さＬｎは２００μｍから４００μｍまで変化させた。
ａ部の長さＬｎの変化量はｂ部の長さＬｆで調整した。ａ部の幅やｂ部の幅、ピエゾ素子
の幅と長さ、アルミ配線の幅と厚み、絶縁膜の厚み等は実施１と同じとした。

ａ部の長さＬｎを変えた加速度センサ素子を用いて加速度センサを各２０個作製し、感
度と耐衝撃性の測定評価を行った。評価測定方法は実施例１と同じである。図５にａ部の
長さＬｎと感度比の関係を示す。ａ部の長さＬｎを２００μｍから４００μｍまで変化さ
せても、感度比は１±０．１の範囲に入っている。断面積の比の変化による感度比の変化
量に比べ、ａ部の長さＬｎの変化による感度比の変化量は非常に小さいので、ａ部の長さ
Ｌｎが２００μｍから４００μｍの範囲では、感度比に影響しないとして扱うことができ
る。このことから、可撓部の形状の設計範囲が大きく取れることになった。

図６に、可撓部の厚みを変えた加速度センサ素子を示す。図７に、可撓部の部分拡大図
を示す。加速度センサ素子の作製方法は、可撓部の背面の一部を薄くする工程が追加され
る以外は実施例１と同様である。実施例１と形状で異なる部位は、可撓部の幅がｂ部のみ
で細くなったａ部がなく、ａ部に当たるｃ部の厚みが薄くなっているものである。その他
の寸法関係は実施例１と同じである。ｃ部はシリコン８２と絶縁膜８３、アルミ配線８１
から形成されているが、薄くできるのはシリコン８２だけである。８μｍのシリコンを４
μｍ程度まで薄くして、断面積の比ｂ／ｃを１から４．６まで変化させた。

図８に、断面積の比ｂ／ｃと感度比Ｅｘ／Ｅｚの関係を示す。実施例１で示した結果と
略同じ結果が得られている。断面積の比が１は従来の可撓部の構造のものであり感度比は
０．８３である。断面積の比を上げて行くとＺ軸の感度は殆んど上がらずＸ軸の感度が大
きく上がるため、感度比は１以上の値を示す様になる。約２．１の断面積の比で感度比は
１となり、約３．６の断面積の比で１．２になる。この１．２は従来品の感度比０．８３
と感度の差（ＥｘとＥｚの差の絶対値）と同じである。断面積の比が、３．６を越えると
感度比Ｅｘ／Ｅｚは大きくなり過ぎ、従来品より特性が悪くなる。このことからも、断面
積の比ｂ／ａを１．１以上３．５未満とすることで、従来の構造に比べ良い感度比Ｅｘ／
Ｅｚが得られることが確認できた。最適な断面積の比を実現するのは、実施例１の可撓部
の幅を変えても本実施例の可撓部の厚みを変えても良いことが確認できた。

耐衝撃性試験の結果に付いて述べる。衝撃を加えた後で出力が無い加速度センサは、断
面積の比が４．２で２／２０個、断面積の比が４．５で６／２０個であったが、断面積の
比が３．６以下では破損したものはなかった。ピエゾ抵抗の無いｃ部を細くして断面積の
比を３．５以上にするのは、感度比と耐衝撃性を悪化させるものである。

図９に、可撓部の幅と厚みをかえた加速度センサ素子の可撓部の部分拡大図を示す。図
９ａ）は幅が細くなったａ部、図９ｂ）は厚みが薄くなったｃ部を示す図である。ａ部と
ｃ部の寸法の積が断面積ｓとなり、断面積の比はｂ／ｓとなる。ａ部とｃ部の寸法を除い
ては、実施例１と同じ寸法、構成としている。断面積の比ｂ／ｓを１から４．７まで変化
させた。

図１０に、断面積の比ｂ／ｓと感度比Ｅｘ／Ｅｚの関係を示す。実施例１と実施例３で
示した結果と略同じ結果が得られている。断面積の比が１は従来の可撓部の構造のもので
あり感度比は０．８３である。断面積の比を上げて行くとＺ軸の感度は殆んど上がらずＸ
軸の感度が大きく上がるため、感度比は１以上の値を示す様になる。約２．１の断面積の
比で感度比は１となり、約３．６の断面積の比で１．２になる。この１．２は従来品の感
度比０．８３と感度の差（ＥｘとＥｚの差の絶対値）と同じである。断面積の比が、３．
６を越えると感度比Ｅｘ／Ｅｚは大きくなり過ぎ、従来品より特性が悪くなる。このこと
からも、断面積の比ｂ／ａを１．１以上３．５未満とすることで、従来の構造に比べ良い
感度比Ｅｘ／Ｅｚが得られることが確認できた。最適な断面積の比を実現するのは、実施
例１の可撓部の幅を変える、実施例３の可撓部の厚みを変えるの結果と、本実施例の可撓
部の幅と厚み変えても、断面積の比をあわせることで良いことが確認できた。

耐衝撃性試験の結果に付いて述べる。衝撃を加えた後で出力が無い加速度センサは、断
面積の比ｂ／ｓが４．３で３／２０個、断面積の比が４．７で５／２０個であったが、断
面積の比が３．６以下では破損したものはなかった。ピエゾ抵抗の無いｓ部を細くして断
面積の比を３．５以上にするのは、感度比と耐衝撃性を悪化させるものである。

実施例１の加速度センサ素子の斜視図である。実施例１の可撓部の部分拡大図である。実施例１の断面積の比ｂ／ａと感度比の関係を示す図である。実施例２の可撓部の部分拡大図である。実施例２のａ部の長さＬｎと感度比の関係を示す図である。実施例３の加速度センサ素子の斜視図である。実施例３の可撓部の部分拡大図である。実施例３の断面積の比ｂ／ｃと感度比の関係を示す図である。実施例４の可撓部の部分拡大図である。実施例４の断面積の比ｂ／ｓと感度比の関係を示す図である。従来の加速度センサの展開斜視図である。従来の加速度センサ素子１の斜視図である。従来のピエゾ抵抗体の配置を説明する図である。従来の加速度センサ素子のＸ軸とＺ軸の感度の関係を説明する図である。ピエゾ抵抗体の配置で感度差を減らす方法を説明する図である。

符号の説明

１加速度センサ素子、２ケース、３蓋、４金属線、５端子、６外部端子、
７端子、１０加速度センサ、１１支持枠部、１３質量部、１４貫通穴、１７配線、
２１，２２可撓部、５１，５２，６１，６２，７１，７２ピエゾ抵抗体、
８１アルミ配線、８２シリコン、８３絶縁膜。

Claims

シリコン単結晶基板の周縁部に形成された支持枠部と、中央部に形成された質量部と、
該質量部及び支持枠部の上方側に設けられ、該質量部及び支持枠部を接続する薄肉梁状の
可撓部と、該可撓部の上面側に形成された複数対のピエゾ抵抗素子および配線部とを具備
してなる半導体型３軸加速度センサであって、ピエゾ抵抗素子が設けられた部位の可撓部
断面積に比べて、ピエゾ抵抗素子がない部位の可撓部断面積が小さいこと特徴とする半導
体型３軸加速度センサ。
質量部及び支持枠部を接続する薄肉梁状の可撓部の、ピエゾ抵抗素子がない部位の幅を
狭くおよび／もしくは厚みを薄くして可撓部断面積を小さくしたことを特徴とする請求項
１に記載の半導体型３軸加速度センサ。
可撓部のピエゾ抵抗素子がない部位の断面積ａ、ピエゾ抵抗素子が設けられた部位の断
面積ｂの比ｂ／ａが、１．１以上３．５未満であることを特徴とする請求項１および２に
記載の半導体型３軸加速度センサ。
可撓部のピエゾ抵抗素子がない部位の断面積ａ、ピエゾ抵抗素子が設けられた部位の断
面積ｂの比ｂ／ａが、１．５以上２．５以下であることを特徴とする請求項１および２に
記載の半導体型３軸加速度センサ。