JP2006284441A - 物理量センサおよび物理量センサの検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 接着強度の向上および電極数の増加が可能な物理量センサおよび物理量センサの検出方法を提供する。
【解決手段】 コア部４と、少なくとも１本の梁部７と、重錘部２と、少なくとも１以上の補助部５を備える。コア部４は支持部３を構成する。少なくとも１本の梁部７は、コア部４から延びるように形成される。重錘部２は、梁部７においてコア部４と接続された一方端部と反対側に位置する他方端部に接続されることにより、支持部３に支持される。補助部５は、梁部７と間隙９を介して配置されると共に、コア部４と連結された支持部３を構成する。
【選択図】 図１

Description

この発明は物理量センサおよび物理量センサの検出方法に関し、より特定的にはピエゾ抵抗式の物理量センサおよび物理量センサの検出方法に関する。

近年、加速度センサなどの物理量センサは、車載用途のみでなく、携帯情報機器の傾斜や落下検出に採用が始まっており、市場が急速に拡大している。具体的には、物理量センサは、自動車等の動的加速度検出、重力に対する傾き角度や姿勢を検出する傾斜検出、地震の振動検出や万歩計（登録商標）の振動検出、および落下検出等に用いられている。落下検出は、たとえば携帯型ハードディスクプレーヤのヘッド部の保護などに使用されている。

従来の物理量センサは、一般的に、図１１に示すように、錘２０１の周辺部に支持部２０２を備え、錘２０１と支持部２０２とに接触する梁２０３により、物理量を検出する形状であった。

携帯情報機器へ搭載するためには、物理量センサの小型化、高感度化、および低コスト化の要求が、より大きくなっている。物理量センサの小型化を図ると、搭載機器が省サイズ化されると共に、低コスト化を実現することができる。しかし、物理量センサの感度が低下するという問題が発生する。すなわち、物理量センサの感度は、梁の長さと錘の重さとに比例し、梁の厚みに反比例する。そこで、従来は、物理量センサを小型化すると共に、感度を向上させるために、錘を重く(厚く)する手法、梁の厚みを薄くする手法、および特定の結晶方位を使用する方法が採用されてきた。

しかしながら、錘を重くする手法は、錘の加工に時間を要するため、コストアップになるという問題がある。また、錘を厚くする必要があるため、パッケージ厚の増大につながる。次に、梁の厚みを薄くする手法は、電気配線膜や保護膜等との相対膜厚が低下することになるため、熱応力による反りの問題が大きくなってくる。また、物理量センサの強度が低下するという問題が発生する。次に、特定の結晶方位を使用する方法は、ウェハ価格が高価であるため、コストアップの問題がある。また、通常使用される十字梁式の物理量センサでは、十字梁で検知に使用する結晶方位が９０度異なるため、ピエゾ抵抗係数やヤング率等の物性が梁の方向により異なるという問題がある。

そこで、厚みを大きくすることなく感度を向上する物理量センサとして、たとえば特開平３−６７１７７号公報（特許文献１）に記載の半導体加速度センサが開示されている。

図１２は、上記特許文献１に開示された半導体加速度センサ１００の断面図である。図１３は、図１２における線分ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩでの断面図である。半導体加速度センサ１００は、ピエゾ抵抗層１０４を有する梁部１１２と、重錘部１１３と、バンプ１０９、１１９と、シリコン基板１１５と、電極部１１８とを備えている。

半導体加速度センサ１００において、可動部は、半導体チップの片面においてピエゾ抵抗層１０４を有する梁部１１２と重錘部１１３とからなる。この可動部がシリコン基板１１５に対向する状態で、所定高さのバンプ１０９、１１９を介して半導体チップをシリコン基板１１５上にボンディングする。そして、加速度が加わると、その加速度でピエゾ抵抗層１０４のピエゾ効果により、印加された加速度の大きさに応じた信号がバンプ１０９、１１９を介して基板シリコンのＩＣ回路に送られ、増幅等の信号処理が行なわれて、電極部１１８から外部に出力される。ここで、過大な加速度が印加された場合には、可動部に対し上下、左右、前後方向においてストッパが機能して、その破損を防止する。

半導体加速度センサ１００は、重錘部１１３を周辺に、支持部を中央に配置している。そのため、周辺部が中央部より面積が大きくなり、周辺部に重錘部１１３を配置することにより、錘重量の増大が可能となる。よって、半導体加速度センサ１００は、厚みを大きくすることなく、感度の向上を図ることができる。
特開平３−６７１７７号公報

しかしながら、従来技術の物理量センサ２００では、周辺部にある錘２０１のさらに周辺部に支持部２０２を設けて、その部分で搭載用部材との接着強度を確保している。そのため、物理量センサ２００のサイズが大きくなり、小型化が図れない。また、物理量センサ２００のサイズを小さくすると、支持部２０２の面積は低下する。そのため、物理量センサ２００と搭載部材との接着強度が確保できない。また、物理量センサの面積に応じて、配線取出し用の電極数には制限がある。そのため、８個以上の電極が要求される３軸加速度センサ等の電極数が多いものには、採用できないという欠点があった。

また、特許文献１に開示された半導体加速度センサ１００は、感度向上のために梁の長さを長くすると、半導体加速度センサ１００の外形サイズが一定の場合は、支持部の面積が小さくなる。そのため、支持部と搭載用部材との接着強度の低下が発生する。また、支持部の面積が小さくなることから、設けることができる電極の数が減少する。さらに、外部との電気接続をバンプ１１９により行なっている。そのため、バンプ１１９を取り付ける工程はコストがかかる。また、バンプ１１９に応力が発生して、半導体加速度センサ１００の全体としての寿命も短くなる。

それゆえ本発明の目的は、接着強度の向上および電極数の増加が可能な物理量センサおよび物理量センサの検出方法を提供することである。

この発明に従った物理量センサは、コア部と、少なくとも１本の梁部と、重錘部と、少なくとも１以上の補助部とを備える。コア部は支持部を構成する。少なくとも１本の梁部は、コア部から延びるように形成される。重錘部は、梁部においてコア部と接続された一方端部と反対側に位置する他方端部に接続されることにより、支持部に支持される。補助部は、梁部と間隙を介して配置されると共に、コア部と連結された支持部を構成する。

本発明の物理量センサによれば、コア部と連結された支持部を構成する補助部を有している。この結果、支持部の面積の増加により、物理量センサを搭載する部材と支持部とを接着部材で接着する場合、支持部と接着部材との接着面積が増加するので、接着強度を上げることが可能となる。また、支持部の面積が増加した分、搭載できる電極を増加させることができる。

また、同一サイズの物理量センサと比較すると、重錘部の表面積を増加させることができる。よって、高感度な物理量センサとすることが可能となる。一方、同一感度の物理量センサと比較すると、補助部の分だけ支持部の面積を拡大することができるため、小さい範囲で支持部を設けることができる。そのため、重錘部の表面積を維持したままで、物理量センサのサイズを小さくすることが可能となる。よって、この発明に従った物理量センサは、高感度で、かつ小型化とすることができる。

上記の物理量センサにおいて好ましくは、重錘部が、開口部が形成された環状であり、支持部は重錘部の開口部の内側に配置されている。

これにより、重錘部の表面積をより大きくすることができる。また、重錘部が安定した形状となるため、物理量センサは、感度がさらに向上する。

上記の物理量センサにおいて好ましくは、補助部のうち少なくとも１以上に、外部との電気的接続用の電極が設けられている。

これにより、物理量センサに搭載できる電極数が増える。よって、３軸検知型等多数の電極数が要求される加速度センサにも対応できる。また、外部との接続の自由度が大きくなる。

上記の物理量センサにおいて好ましくは、重錘部において、開口部の平面形状が少なくとも２箇所に角を有しており、梁部が、重錘部の角とコア部とを結ぶように配置されている。

これにより、同一サイズの物理量センサと比較すると、梁部の長さを長くできる。そのため、物理量センサの感度が向上する。また、物理量センサの耐衝撃性が強くなる。

なお、「開口部の平面形状」とは、開口の延びる方向に垂直な平面における重錘部の断面の開口部の形状を意味する。また、「角」とは、開口部の平面形状において延びる方向が交差している点を意味する。よって、ある角と他の角とを結ぶ開口部の平面形状は、直線であっても曲線であっても良い。

上記の物理量センサにおいて好ましくは、重錘部において、開口部の平面形状が三角形である。

これにより、梁部に発生する応力が高くなる。よって、物理量センサの小型化および感度の向上がさらに可能となる。

上記の物理量センサにおいて好ましくは、重錘部において、開口部の形状が正三角形である。

これにより、梁部に発生する応力がさらに高くなる。よって、物理量センサの一層の小型化および感度の向上が可能となる。

上記の物理量センサにおいて好ましくは、梁部が少なくとも２つ以上あり、梁部が重錘部における開口部の形状である三角形の頂点とコア部とを結ぶように配置されている。

これにより、同一サイズの物理量センサと比較すると、梁部の長さをさらに長くできる。また、物理量センサの感度がさらに向上する。さらに、物理量センサの耐衝撃性が一層強くなる。

上記の物理量センサにおいて好ましくは、物理量センサを搭載する部材と、物理量センサとを接着部材により接合する。

これにより、接着部材が間隙の中にも入り込み、アンカー効果で一層の接着強度の向上が可能となる。

なお、接着部材により接合するのは、物理量センサと物理量センサを搭載する部材のみに特に限られない。たとえば、物理量センサと物理量センサを封止する部材とを接合しても良い。

上記の物理量センサにおいて好ましくは、梁部が少なくとも２つ以上あり、梁部が重錘部における開口部の形状である三角形の頂点とコア部とを結ぶように配置されており、梁部においてピエゾ抵抗素子が重錘部の近傍側とコア部の近傍側にそれぞれ少なくとも１つずつ形成され、２つの梁部と重錘部の一部とにより囲まれた空間に面する、２つの梁部の側面側に配置された４本のピエゾ抵抗素子を用いて物理量を検出する。

これにより、少なくとも１方向の物理量を検出することができる。また、物理量センサが高感度のものであるため、感度良く物理量を検出することができる。

上記の物理量センサにおいて好ましくは、梁部が３つあり、梁部が重錘部における開口部の形状である三角形の頂点とコア部とを結ぶように配置されており、梁部において、ピエゾ抵抗素子を並列に２つずつ重錘部の近傍側とコア部の近傍側に形成し、２つの梁部と重錘部の一部とにより囲まれた空間に面する、２つの梁部の側面側に配置された４本のピエゾ抵抗素子を用いて３軸方向の物理量を検出する。

これにより、３の梁部のみで、各ピエゾ抵抗素子の組合せで形成されたブリッジ回路における抵抗の出力がゼロとなることを検知することにより、落下を検知することが可能となる。

この発明に従った物理量センサは、上記構成とすることにより、接着強度の向上および電極数の増加が可能な物理量センサとすることができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による物理量センサを示す斜視図である。図１（Ａ）は上方から見た時の斜視図であり、図１（Ｂ）は、下方から見た時の斜視図である。図２は、図１（Ａ）における線分ＩＩ−ＩＩでの断面図であり、図３は、図１（Ａ）における線分ＩＩＩ−ＩＩＩでの断面図である。図１〜３を参照して、実施の形態１による物理量センサを説明する。実施の形態１による物理量センサ１は、図１に示すように、重錘部２と、コア部４と、補助部５と、電極６と、梁部７とを備えている。

コア部４は支持部３を構成している。梁部７は、コア部４から外側に延びるように形成されており、実施の形態１では４の梁部７が設けられている。重錘部２は、コア部４と接続された一方端部と反対側に位置する他方端部に接続されることにより、支持部３に支持されている。補助部５は、梁部７と間隙９を介して配置されると共に、コア部４と連結された支持部３を構成し、実施の形態１では４の補助部５が設けられている。

重錘部２は、開口部が形成された環状であり、支持部３は重錘部２の開口部の内側に配置されている。実施の形態１では、開口部の平面形状を四角形としている。

補助部５の表面に、電極６が設けられている。電極６としては、外部との電気的接続用の電極が設けられている。実施の形態１では、４の補助部５に、それぞれ２つずつ電極６が設けられている。電極６は、たとえば信号や電力出力用の電極として用いられる。

梁部７の表面において、ピエゾ抵抗素子８が重錘部２の近傍側とコア部４の近傍側にそれぞれ形成されている。ピエゾ抵抗素子８は、配線パターン（図示されていない）により、電極６と電気的に接続される。実施の形態１では、ある方向（図１においてコア部４から横方向）に延在している梁部７にそれぞれ２つずつ、他の方向（図１においてコア部４から縦方向）に延在している梁部７にそれぞれ１つずつ、ピエゾ抵抗素子８が形成されている。

したがって、実施の形態１の物理量センサ１は、可撓性の梁部７で支持された重錘部２より構成される変位部１０を、重錘部２に内包される形で形成し、可撓性の梁部７に繋がる支持部３により、変位部１０が保持される基本構造をとる。支持部３と重錘部２との間には、可動用の空間１１が形成されている。

次に、物理量センサ１の動作方法について説明する。図１を参照して、物理量として重力等の加速度が、物理量センサ１に印加されたとき、重錘部２が、加速度の方向と大きさに応じて動作する（移動する）。次いで、重錘部２に接続される梁部７が変形する。その際、ピエゾ抵抗素子８において、加速度の方向と大きさに応じた応力が発生する。その応力をピエゾ抵抗値の変化として測定して、加速度の方向と大きさを検出している。

実施の形態１では、３軸方向の加速度の分解能向上や加速度検知の感度向上策として、一般的なピエゾ抵抗型の３軸加速度センサの検出原理と同じ手法でホイートストーンブリッジが組まれている。そのブリッジ回路により、加速度を検出している。

次に、物理量センサ１の仕様について説明する。物理量センサ１を構成する主材料は、半導体ピエゾ抵抗効果を示す材料であれば特に限定されない。入手の容易さ、価格、加工性から、単結晶シリコン基板を用いるのが好ましい。シリコン基板を使用する場合には、重錘部２、支持部３、および梁部７はシリコンで形成される。シリコン基板の加工は、シリコンの湿式エッチング、またはＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いたドライエッチングで行うことが好ましい。また、ピエゾ抵抗素子８は、不純物のドーピングにより形成されることが好ましい。配線や電極６を構成する材料としては、スパッタや蒸着法で形成したＡｌ（アルミニウム）またはＡｌ−Ｓｉ（アルミニウム−シリコン合金）が用いられることが好ましい。シリコン基板の厚みは、３００μｍ以上１ｍｍ以下が好ましく、さらには４５０μｍ以上５５０μｍ以下が好ましい。３００μｍ以上、好ましくは４５０μｍ以上とするのは、強度的に問題がないからである。一方、１ｍｍ以下、好ましくは５５０μｍ以下とするのは、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥによる加工時間の観点からである。また４５０μｍ以上５５０μｍ以下の基板厚みのウエハは入手し易い。シリコン基板としては、単結晶基板若しくはＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板が用いられるのが好ましい。なお、支持部３、重錘部２の厚みは、その基板厚みと略同様の厚みとする。

また、物理量センサ１の実装時の可動空間を形成するため、支持部３をギャップ分だけ厚く形成しておくことが好ましい。あるいは、スペーサや接着層により可動空間を形成しても良い。

また、梁部７の厚みは、５μｍ以上１０μｍ以下とするのが好ましい。この範囲内とすると強度と感度の観点から好ましいからである。なお、梁部７の厚みは、特に限定されず、物理量センサ１全体の寸法配分により最適値に設定することができる。

物理量センサ１の平面サイズは、重錘部２の輪郭の各辺の長さＬ１を、感度の観点から１ｍｍ以上、コストおよび小型化の観点から３ｍｍ以下とするのが好ましい。保持性の観点から、コア部４の巾Ｌ２は、０．２ｍｍ以上とするのが好ましい。保持性の観点から、重錘部２の枠巾Ｌ３は、０．２ｍｍ以上とするのが好ましい。なお、これらの長さは特に限定されず、空間１１や間隙９の巾は使用目的に応じて決めることができる。

なお、携帯機器用途の場合は、重錘部２の変位量は５μｍ以内とするのが好ましい。よって、空間１１の巾Ｌ４は５μｍ以上１００μｍ以下とするのが好ましい。１００μｍより大きいと、大きい加速度が働いたときに梁部７が破損するためである。

実施の形態１では、上述した各寸法を、たとえば以下のようにしている。重錘部２の輪郭の各辺の長さＬ１を１．５ｍｍ、重錘部２の枠巾Ｌ３を０．２２ｍｍ、コア部４の巾Ｌ２を０．２２ｍｍ、補助部５の巾Ｌ５を０．３４ｍｍ、物理量センサ１の厚みＤ１を０．５６ｍｍ、梁部７の巾Ｌ７を０．０７ｍｍ、梁部７の長さＬ６を０．３９ｍｍ、梁部７の厚みＤ２を０．００５ｍｍ、空間１１の巾Ｌ４を０．０５ｍｍとしている。

従来の物理量センサに１Ｇの加速度が印加されたときのセンサ出力を１とした場合、重錘部２が支持部３の外側にある物理量センサ１のセンサ出力は、２．２となる。その理由としては、支持部３の厚みと重錘部２の厚みとは略同じであるため、支持部３の体積よりも重錘部２の体積が大きくなる。そのため、周囲に支持部、中央に重錘部が形成されている従来の加速度センサより、重錘部２の面積が増加する分だけ感度が向上している。

なお、従来の物理量センサは、周囲に支持部、中央に重錘部が形成された形状とし、図１において、重錘部２と支持部３との位置が反転したものとしている。具体的には、支持部の輪郭の各辺の長さを１．５ｍｍ、支持部の枠巾を０．２２ｍｍ、重錘部のコア部の巾を０．２２ｍｍ、重錘部の補助部の巾を０．３４ｍｍ、加速度センサの厚みを０．５６ｍｍ、梁部の巾を０．０７ｍｍ、梁部の長さを０．３９ｍｍ、梁部の厚みを０．００５ｍｍ、間隙の巾を０．０５ｍｍとしている。

以上、説明したように、実施の形態１による物理量センサ１は、支持部３をコア部４とコア部４に連結された補助部５とで形成している。そのため、補助部５により、支持部３の表面積が増える。よって、物理量センサ１を搭載する部材と支持部３とを接着部材で接着する場合、支持部３と物理量センサ１とを搭載する部材との接着面積が増加するため、接着強度が向上する。また、間隙９に接着部材が入り込み、アンカー効果により接着面積から生じる効果よりも大きい接着強度の向上を図ることができる。さらに、間隙９は、接着部材の広がりからの緩衝部としても働き、接着時において接着部材が回り込んで重錘部２に付着することが防止できる。

また、表面積が増加した補助部５の上にパッケージ等の外部との電気的接続用の電極６を形成することが可能となる。よって、多数の電極数が必要な３軸検知型等複数軸検知が必要な物理量センサにも対応可能となる。

さらに、物理量センサ１は、重錘部２を周辺部に、支持部３を中央部に備えている。よって、中央にある支持部３より、周囲の重錘部２の表面積が圧倒的に大きいことを利用して、感度を向上している。

次に、実施の形態１による物理量センサ１の変形例を説明する。図４は、実施の形態１による物理量センサ１の変形例である物理量センサ２０を示す。図４（Ａ）は上方から見た時の斜視図であり、図４（Ｂ）は、下方から見た時の斜視図である。

図４を参照して、変形例にかかる物理量センサ２０は、基本的には図１に示した物理量センサ１と同様の構成を備えるが、重錘部２における開口部の角とコア部２４とを結ぶように梁部７が配置されている点において、図１に示した物理量センサ１と異なる。

具体的には、重錘部２の開口部の平面形状が四角形であり、四角形の頂点である角とコア部２４とを結ぶように梁部２７が４つ配置されている。また、補助部２５は、梁部２７と間隙２９を介して４つ配置されている。物理量センサ２０における補助部２５は、三角柱の形状をしている。

物理量センサ２０の動作方法については、実施の形態１による物理量センサ１と同様であるので、その説明は繰り返さない。

次に、物理量センサ２０の仕様について説明する。上述したように、物理量センサ２０において、梁部２７は、重錘部２における開口部の角とコア部２４とを結ぶように配置されている。そのため、実施の形態１による物理量センサ１と重錘部２が同じ形状で正方形の場合、物理量センサ２０における梁部２７の長さは、物理量センサ１における梁部７の長さの２^0.5倍となる。よって、より一層の感度の向上が図れる。また、梁部の長さが長い程破損しにくいため、梁部２７の長さが長い物理量センサ２０は、耐衝撃性についてもより向上している。

具体的には、実施の形態１にかかる物理量センサ１について、上述したサイズと同様とし、物理量センサ１と物理量センサ２０の重錘部２が同じ形状の場合、物理量センサ１における梁部７の長さは０．３９ｍｍであるのに対し、物理量センサ２０における梁部２７の長さは０．５５ｍｍとなる。

例えば、物理量センサ１に１Ｇの加速度が印加された場合の物理量センサ１の出力を１とすると、物理量センサ２０の出力は１．４となる。その理由は、梁部の長さに物理量センサの感度が比例するからである。

物理量センサ２０の梁部２７の破断強度に関しては、以下のシミュレーション結果が得られている。物理量センサ１は、Ｚ方向へ２０μｍの変位を超えると梁部７が破断する危険性が生じる。一方、物理量センサ２０は、Ｚ方向へ３０μｍの変位までは梁部２７が破断する危険性がない。物理量センサ２０は物理量センサ１の梁部７の長さが２^0.5倍である梁部２７を有しているため、破断強度に優れたものとなる。

また、補助部２５を備えていない物理量センサが、物理量センサ２０と同様の感度を有するためには、物理量センサ２０の支持部２３と同様の表面積を有する必要がある。物理量センサ２０において重錘部２の輪郭の各辺の長さ（外形サイズ）を１．５ｍｍとすると、補助部を備えていない物理量センサの外形サイズは１．８ｍｍとなる。よって、物理量センサ２０は、小型化で、かつ高感度のものとなる。

以上説明したように、実施形態１の変形例による物理量センサ２０によれば、梁部２７は重錘部２の角とコア部２４とを結ぶように配置されている。そのため、梁部２７の長さが長くなる。よって、小型化、高感度、破断強度に優れたものとなる。

次に、物理量センサ２０をパッケージに入れた小型センサ４０について説明する。図５は小型センサ４０を示す平面図であり、図６は図５における線分ＶＩ−ＶＩでの断面図である。

図５、６に示すように、小型センサ４０は、物理量センサ２０と、パッケージ本体４１と、ストッパ４２と、電極４３と、ボンディングワイヤ４４とスペーサ４５とを備える。

パッケージ本体４１は、物理量センサ２０を内包する。パッケージ本体４１は、セラミックス、トランスファーモールド樹脂、またはガラエポ（ガラスエポキシ）等を使用するのが好ましい。ストッパ４２は、重錘部２が垂直方向に変位するのを制限する。電極４３は、パッケージ本体４１側の電極である。ボンディングワイヤ４４は、物理量センサ２０の電極６と、パッケージ本体４１側の電極４３とを接続する。スペーサ４５は、支持部２３とパッケージ本体４１との間に空間４６を設けている。スペーサ４５とパッケージ本体４１とは、接着部材により接着されている。

また、ストッパ４２を配置することにより、空間４７が形成される。空間４７の範囲内で、重錘部２は変位に応じて可動できる。Ｚ方向（図において上下方向）への重錘部２の変位は、たとえば図６に示すように、スペーサ４５とパッケージ本体４１とによる空間４６の範囲内で行なわれる。また、水平方向（図において左右方向）への重錘部２の変位は、空間１１で行なわれても良い。あるいは、水平方向への重錘部２の変位は、パッケージ本体４１と物理量センサ２０との間の空間４８で行なわれても良い。

次に、小型センサ４０の動作方法について説明する。図５、６を参照して、たとえば重力等の加速度が、物理量センサ２０に印加されたとき、重錘部２が、加速度の方向と大きさに応じて空間１１、４６、４７、４８の範囲内で動作する。次いで、重錘部２に接続される梁部２７が変形する。その際、ピエゾ抵抗素子８において、加速度の方向と大きさに応じた応力が発生する。その応力をピエゾ抵抗値の変化として測定して、加速度の方向と大きさを検出している。

以上説明したように、実施形態１の変形例による物理量センサ２０をパッケージングした小型センサ４０によれば、支持部２３の表面積が大きい。そのため、物理量センサ２０とパッケージ本体４１との接着できる面積が増加する。よって、物理量センサ２０とパッケージ本体４１との接着がより強固になる。

また、小型センサ４０では、物理量センサ２０に備えている電極６を補助部２５上に設けている。そのため、支持部がコア部しかないセンサと比べて、小型センサ４０は、搭載できる電極数を増加することができる。さらに、パッケージ本体４１の電極４３と補助部２５の電極２６との距離が短くなるため、ボンディングワイヤ４４の長さを短くすることが可能となる。よって、小型センサ４０は、衝撃によるボンディングワイヤ４４の変形を防止することができる。

（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２における物理量センサを示す斜視図である。図７を参照して、実施の形態２による物理量センサ５０を説明する。図７を参照して、実施の形態２による物理量センサ５０の構成は、基本的には図４に示した本発明の実施の形態１の変形例と同様の構成を備えるが、重錘部５２の開口部の平面形状が正三角形としている点において図４に示した物理量センサ２０と異なる。

具体的には、重錘部５２において、開口部の平面形状および外周側の平面形状が正三角形である。また、梁部５７は、開口部の平面形状である正三角形の各頂点とコア部５４とを結ぶように３つ配置されている。補助部５５の形状は、三角柱である。また、ピエゾ抵抗素子８は、梁部５７において重錘部５２の近傍側とコア部５４の近傍側にそれぞれ２本ずつ形成されている。

図７を参照して、物理量センサ５０の平面形状を正三角形にしているので、重錘部とコア部の面積比が、平面形状が四角形である実施の形態１に係る物理量センサ１より大きくなる。そのため、重錘部５２の質量を大きく取れることとなる。よって、実施の形態２による平面形状が正三角形の物理量センサ５０は、小型化で、かつ高感度化をより図ることができる。

一方、図７に示した物理量センサ５０では、支持部５３の表面積が実施の形態１に係る物理量センサ１に対して少なくなる。そのため、物理量センサ５０を物理量センサ５０を搭載する部材へ実装する時に、接着強度は物理量センサ１と比較して低下する。しかしながら、接着部材が間隙５９内への充填されるので、アンカー効果により、接着強度を十分な大きさとすることができる。

次に、物理量センサ５０の仕様について説明する。まず、物理量センサ５０の材料について説明する。物理量センサ５０の材料は、基本的には物理量センサ１と同様である。好ましくは、使用する基板は、１２０°ずれた方向のピエゾ抵抗係数が等しくなる（１１１）面のシリコンウェハを使用するのが良い。異方性があるため、感度の均一性を図ることができるからである。

なお、一般に、半導体で製造された物理量センサはＬＳＩとよく似た工程で作製される。個々のチップに分断する際は、スライシングと呼ばれる方法で回転する刃物で一直線状に分断される。チップ形状で無駄なくスライシングできるのは、基本的に四角形であるが、四角形以外で三角形が唯一該当する。よって、重錘部５２の形状を上記の様にしても、材料に無駄が生じない。

次に、物理量センサ５０の各サイズについて説明する。実施の形態１における物理量センサ１と同様に、物理量センサ５０の各サイズを、図７を参照して、たとえば以下のようにしている。なお、物理量センサ１および物理量センサ５０は上述したサイズのものを用いている。

重錘部５２の輪郭の各辺の長さを１．５ｍｍ、重錘部５２の枠巾を０．２２ｍｍ、コア部４の巾を０．２２ｍｍ、間隙９の巾を０．０５ｍｍ、物理量センサ５０の厚みを０．５６ｍｍ、梁部５７の巾を０．０７ｍｍ、梁部５７の厚みを０．００５ｍｍとしている。このように規定すると、梁部５７の長さは０．４５ｍｍとなる。なお、支持部５３を構成する補助部５５の大きさは、前記寸法より補助部５５を設けることができる空間により決定することができる。

次に、実施の形態１にかかる物理量センサ１と、実施の形態２にかかる物理量センサ５０との感度について検討する。

物理量センサ１における重錘部２の面積は１．１２６４ｍｍ²である。一方、物理量センサ２０における重錘部５２の面積は０．７３８２ｍｍ²である。物理量センサ１の質量を１としたとき物理量センサ５０の質量は０．６５５となる。また、物理量センサ１における梁部７の長さを１としたとき、物理量センサ５０における梁部５７の長さは１．１５３である。梁部５７は両端固定梁としているため、梁部７の長さを１としたときの実質上の梁部５７の長さは、１．１５３×(１＋１×ｓｉｎ３０°)／２で求められる。すなわち、梁部５７の長さは、梁部７の長さの０．８６５倍となる。物理量センサの感度は、構造が同じ場合には、梁長さと重錘部の質量に比例する。実施の形態１における重錘部２の質量と梁部７の長さとの積を１としたとき、実施の形態２の重錘部５２の質量と梁部５７との長さの積は、０．６５５×０．８６５で求められる。すなわち、物理量センサ５０の感度は物理量センサ１の０．５６７倍となる。

ピエゾ抵抗出力に関係する梁部の応力は、曲げモーメント／断面係数で表される。梁部の断面係数は、実施の形態１と実施の形態２とは同じである。しかし、実施の形態２の梁部５７は３本に対し実施の形態１の梁部７が４本となっている。重錘部の質量および梁部の長さを同じと仮定すると、実施の形態２における梁部５７の１つ当たりの負荷は、実施の形態１における梁部７の１つ当たりの負荷を１とすると、曲げモーメントの４／３倍となる。よって、重錘部の質量および梁部の長さを同じと仮定した場合、実施の形態１における梁部７に発生する応力を１とすると、実施の形態２における梁部５７に発生する応力は４／３となる。

実施の形態２にかかる物理量センサ５０の出力は、重錘部５２の質量と梁部５７の長さとの積と、重錘部の質量および梁部の長さを同じと仮定したときの応力との積で決定される。具体的には、実施の形態１の物理量センサ１の出力を１としたとき、実施の形態２にかかる物理量センサ５０の出力は、０．５６７×４／３で求められる。すなわち、物理量センサ５０の出力は約０．７６となり、実施の形態１における物理量センサ１の約０．７６倍の出力が得られることになる。

ここで、実施の形態２における物理量センサ５０の形状は正三角形であり、物理量センサ５０の重錘部５２の表面積は、実施の形態１における物理量センサ１の重錘部２の表面積の半分である。実施の形態２における物理量センサ５０に従うと、実施の形態１における重錘部２の半分の面積で約０．７６倍の出力が得られることになる。同一出力に換算する場合、すなわち同一感度のセンサを得る場合には、重錘部５２の表面積を１／０．７６倍、すなわち、約４／３倍にすればよいことがわかる。重錘部５２の表面積は０．７３８２ｍｍ²であり、１／０．７６倍すると０．９７１３ｍｍ²となる。物理量センサ５０全体の表面積は０．９７４２ｍｍ²であり、重錘部５２の表面積を１／０．７６倍した場合、物理量センサ５０全体の表面積は、０．９７４２＋（０．９７１３−０．７３８２）で、１．２０７３ｍｍ²となる。物理量センサ全体の表面積の比較では、実施の形態１の物理量センサ１の表面積は２．２５ｍｍ²のため、物理量センサ１と同一感度の物理量センサを得るため、重錘部５２の表面積を１／０．７６倍した場合、物理量センサ全体の表面積の比較で、１．２０７３／２．２５で０．５４倍の面積となる。よって、実施の形態２の物理量センサ５０を使用することにより、同一サイズのウエハから実施の形態１の１／０．５４倍、すなわち、１．８５倍の数の物理量センサが得られることになる。よって、物理量センサ５０は、より一層の小型化、感度の向上、およびコストダウンが可能となる。

物理量センサ５０の動作方法については実施の形態１による物理量センサ１と同様であるので、その説明は繰り返さない。

物理量センサ５０の外形が正三角形の構造の場合、水平方向の測定には感度の完全な分離が必要である。そのため、梁部７が十字の構造である実施の形態１による物理量センサ１に比べて、物理量センサ５０は複雑な演算処理が必要である。しかしながら、物理量センサで最も使用される用途の１つである落下検出には、後述する方法で簡単に使用することができる。落下検出は、落下時に重錘部５２が支持部５３に対して、無重力と同じ状態になるため、物理量センサ出力がゼロとなることを利用して検出している。落下検出で使用されている、落下時に出力がゼロとなることの検知には、実施の形態１の梁部５７が十字である構造と比べてなんら遜色なく使用可能である。そこで、以下、物理量センサ５０の検出方法について説明する。

物理量センサ５０のピエゾ抵抗素子の出力の検出方法に関して、図８〜１０を用いて説明する。物理量として、たとえば加速度を検出することとする。図８（Ａ）は、物理量センサ５０の上面図である。図８（Ｂ）は、検出回路において電極を接続したときの模式図である。図８（Ｃ）は、加速度を検出するための回路図である。図９（Ａ）は、ｚ軸方向の加速度を検出する回路である。図９（Ｂ）は、ｂ軸方向の加速度を検出する回路である。図９（Ｃ）は、ｃ軸方向の加速度を検出する回路である。図１０（Ａ）は、ｚ軸方向に加速度が印加されたときの物理量センサ５０の動作を示す図である。図１０（Ｂ）は、水平方向に加速度が印加されたときの物理量センサ５０の動作を示す図である。なお、ｚ軸方向は、図８において紙面に垂直な方向を意味する。ａ軸方向、ｂ軸方向およびｃ軸方向は、図８（Ａ）に示す方向であり、３回回転対称である。

３つの梁部５７において、１つ目の梁部５７（図８（Ａ）において上方に延びる梁部５７）上にピエゾ抵抗抵抗ｒａ１、ｒａ２、ｒｃ３、ｒｃ４を、２つ目の梁部５７（図８（Ａ）において左に延びる梁部５７）上にピエゾ抵抗素子ｒｂ１、ｒｂ２、ｒａ３、ｒａ４を、３つ目の梁部５７（図８（Ａ）において右に延びる梁部５７）上にピエゾ抵抗素子ｒｃ１、ｒｃ２、ｒｂ３、ｒｂ４を設ける。

物理量センサ５０に、たとえばｚ軸方向の加速度が働いた場合は、図１０（Ａ）に示すように、梁部５７は重錘部５２の慣性によってｚ軸とは反対の方向、すなわちｚ軸の負の方向に応力が作用して変形する。つまり、ｒａ１、ｒａ４に圧縮応力、ｒａ２とｒａ３に引張応力が発生する。よって、梁部５７の表面はこの応力により変形することにより歪みが生じる。

したがって、梁部５７の表面に形成されたピエゾ抵抗素子８は、この応力によって変形した歪みにより抵抗変化を生じることとなる。このとき、ピエゾ抵抗素子ｒａ１、ｒａ２、ｒａ３、ｒａ４の４つのピエゾ抵抗素子８を用いて、図９（Ａ）に示すブリッジ回路を形成する。

詳細には、図８（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、電源の相対的な正極Ｖｄｄをｒａ１とｒａ２との間に接続し、電源の相対的な負極Ｇｎｄをｒａ３とｒａ４との間に接続している。そして、図８（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、電圧検出器の一端Ｖａｏｕｔをｒａ２とｒａ４との間に接続し、電圧検出器の他端Ｖａｏｕｔをｒａ１とｒａ３との間に接続している。これにより、図９（Ａ）に示すブリッジ回路が構成される。

ブリッジ回路から、数１に基づき、ｚ軸方向の加速度がＶａｏｕｔに出力される。ｒａ３とｒａ４に発生する応力の方向が正負逆になるので、数１に基づきｚ軸方向の加速度がＶａｏｕｔに出力可能である。

一方、水平方向に加速度が働いた場合は、梁部５７は図１０（Ｂ）に示すように変形する。つまり、ｒａ３とｒａ４は同じ方向に略同じ大きさの応力が印加されている。そのため、数１のブリッジ回路においてｒａ３とｒａ４が相殺され、Ｖａｏｕｔの出力はゼロ、またはｚ軸方向の加速度出力と比べて小さくなる。また、加速度が働いていない状態では、梁部５７に応力が発生しないため、Ｖａｏｕｔ出力はゼロとなる。

物理量センサ５０に、たとえばｂ軸方向の加速度が働いた場合は、図１０（Ｂ）に示すように、梁部５７は重錘部５２の慣性により応力が生じる。つまり、ｒｂ１、ｒｂ３に圧縮応力、ｒｂ２とｒｂ４に引張り応力が発生する。したがって、梁部５７に形成されたピエゾ抵抗素子８は、この応力によって変形した歪みにより抵抗変化を生じる。

図８（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、電源の相対的な正極Ｖｄｄをｒｂ１とｒｂ２との間に接続し、電源の相対的な負極Ｇｎｄをｒｂ３とｒｂ４との間に接続している。そして、図８（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、電圧検出器の一端Ｖｂｏｕｔをｒｂ２とｒｂ４との間に接続し、電圧検出器の他端Ｖａｏｕｔをｒｂ１とｒｂ３との間に接続している。これにより、図９（Ｂ）に示すブリッジ回路が構成される。

ブリッジ回路から、数２に基づき、ｂ軸方向の加速度がＶｂｏｕｔに出力される。ｒｂ３とｒｂ４に発生する応力の方向が正負逆になるので、数２に基づきｂ軸方向の加速度がＶｂｏｕｔに出力可能である。

一方、ｚ軸方向に加速度が働いた場合は、梁部５７は図１０（Ａ）に示すように変形する。そのため、数２のブリッジ回路においてｒｂ３とｒｂ４が相殺され、Ｖｂｏｕｔの出力はゼロまたはｂ軸方向の加速度出力と比べて小さくなる。また、加速度が働いていない状態では、梁部５７に応力が発生しないため、Ｖｂｏｕｔの出力はゼロとなる。

物理量センサ５０に、たとえばｃ軸方向の加速度が働いた場合は、同様に、図８（Ｂ）、（Ｃ）に示すピエゾ抵抗素子ｒｃ１、ｒｃ２、ｒｃ３、ｒｃ４により、図９（Ｃ）に示すブリッジ回路を構成する。図９（Ｃ）に示すブリッジ回路により、ピエゾ抵抗素子ｒｃ１、ｒｃ２、ｒｃ３、ｒｃ４では、数３に基づきｃ軸方向に沿った加速度がＶｃｏｕｔに出力される。

一方、ｚ軸方向の加速度が働いた場合は、ピエゾ抵抗素子ｒｂ１、ｒｂ２、ｒｂ３、ｒｂ４と同様に、梁部５７は図１０（Ａ）に示すような状態となり、Ｖｃｏｕｔの出力はゼロまたはｃ軸方向の加速度出力と比べて小さくなる。また、加速度が働いていない状態では、梁部５７に応力が発生しないため、Ｖｃｏｕｔの出力はゼロとなる。

物理量センサ５０に、たとえばａ軸方向の加速度が働いた場合は、重錘部５２は図１０（Ｂ）に示すような変位が生じる。図９（Ｂ）に示すピエゾ抵抗素子ｒｂ１、ｒｂ２、ｒｂ３、ｒｂ４のブリッジ回路の出力Ｖｂｏｕｔと、図９(Ｃ)に示すピエゾ抵抗素子ｒｃ１、ｒｃ２、ｒｃ３、ｒｃ４のブリッジ回路の出力Ｖｃｏｕｔに出力電圧が発生する。

また、加速度が働いていない状態では、梁部５７に応力が発生しないためＶｂｏｕｔの出力およびＶｃｏｕｔの出力はゼロとなる。

よって、落下時には、物理量センサ５０において、Ｖａｏｕｔ、Ｖｂｏｕｔ、Ｖｃｏｕｔの全出力がゼロとなることを検知することにより、落下検出が可能となる。

以上説明したように、実施の形態２による物理量センサ５０によれば、重錘部５２において開口部の形状を正三角形としている。そのため、より一層の小型化、高感度の物理量センサとすることができる。

また、物理量センサ５０の検出方法を上記のようにしているため、３の梁部のみで３軸方向の加速度を検出することができる。

なお、実施の形態１、２では、物理量の例示として加速度を挙げているが、本発明が対象とする物理量は加速度のみに限られるものではなく、たとえば傾斜、振動、変位等が含まれる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態１における物理量センサを示し、（Ａ）は、上方から見た時の斜視図であり、（Ｂ）は、下方から見た時の斜視図である。 図１における線分ＩＩ−ＩＩでの断面図である。 図１における線分ＩＩＩ−ＩＩＩでの断面図である。 実施の形態１の変形例における物理量センサを示し、（Ａ）は、上方から見た時の斜視図であり、（Ｂ）は、下方から見た時の斜視図である。 小型センサを示す平面図である。 図５における線分ＶＩ−ＶＩでの断面図である。 本発明の実施の形態２における物理量センサを示す上方から見た時の斜視図である。 （Ａ）は、本発明の実施の形態２における物理量センサを示す上面図である。（Ｂ）は、検出回路において電極を接続した時の模式図である。（Ｃ）は、物理量を検出するための回路図である。 本発明の実施の形態２の物理量センサのピエゾ抵抗によるブリッジ回路を示し、（Ａ）は、ｚ軸方向の加速度を検出するブリッジ回路を示す図であり、（Ｂ）は、ｂ方向の加速度を検出するブリッジ回路を示す図であり、（Ｃ）は、ｃ方向の加速度を検出するブリッジ回路を示す図である。 実施の形態２における物理量センサの動作を示し、（Ａ）は、ｚ方向に加速度が印加された時の側面からみた時の模式図であり、（Ｂ）は水平方向に加速度が印加された時の側面から見た時の模式図である。 従来の加速度センサ構造を示す平面図である。 従来の加速度センサ構造を示す断面図である。 図１２における線分ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩでの断面図である。

符号の説明

１ 物理量センサ、２ 重錘部、３ 支持部、４ コア部、５ 補助部、６ 電極、７ 梁部、８ ピエゾ抵抗素子、９ 間隙、１０ 変位部、１１ 空間、２０ 物理量センサ、２３ 支持部、２４ コア部、２５ 補助部、２７ 梁部、２９ 間隙、４０ 小型センサ、４１ パッケージ本体、４２ ストッパ、４３ 電極、４４ ボンディングワイヤ、４５ スペーサ、４６，４７，４８ 空間、５０ 物理量センサ、５２ 重錘部、５３ 支持部、５４ コア部、５５ 補助部、５７ 梁部。

Claims (10)

1. 支持部を構成するコア部と、
   前記コア部から外側に延びるように形成された少なくとも１本の梁部と、
   前記梁部において前記コア部と接続された一方端部と反対側に位置する他方端部に接続されることにより、前記支持部に支持される重錘部と、
   前記梁部と間隙を介して配置されると共に、前記コア部と連結された前記支持部を構成する少なくとも１以上の補助部とを備える、物理量センサ。
2. 前記重錘部が、開口部が形成された環状であり、
   前記支持部は前記重錘部の開口部の内側に配置されている、請求項１に記載の物理量センサ。
3. 前記補助部のうち少なくとも１以上に、外部との電気的接続用の電極が設けられていることを特徴とする、請求項１または２に記載の物理量センサ。
4. 前記重錘部において、前記開口部の平面形状が少なくとも２箇所に角を有しており、
   前記梁部が、前記重錘部の前記角と前記コア部とを結ぶように配置されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の物理量センサ。
5. 前記重錘部において、前記開口部の平面形状が三角形であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の物理量センサ。
6. 前記重錘部において、前記開口部の平面形状が正三角形であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の物理量センサ。
7. 前記梁部が少なくとも２つ以上あり、
   前記梁部が、前記重錘部における前記開口部の形状である三角形の頂点と前記コア部とを結ぶように配置されている、請求項５または６に記載の物理量センサ。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の物理量センサを搭載する部材と、前記物理量センサとを、接着部材により接合することを特徴とする、物理量センサ。
9. 請求項７に記載の物理量センサであって、
   前記梁部において、ピエゾ抵抗素子が前記重錘部の近傍側と前記コア部の近傍側にそれぞれ少なくとも１つずつ形成され、
   前記２つの梁部と前記重錘部の一部とにより囲まれた空間に面する、前記２つの梁部の側面側に配置された４本のピエゾ抵抗素子を用いて物理量を検出する、物理量センサの検出方法。
10. 請求項７に記載の物理量センサであって、
    前記梁部が３つあり、
    前記梁部において、ピエゾ抵抗素子を並列に２つずつ前記重錘部の近傍側と前記コア部の近傍側に形成し、
    前記２つの梁部と前記重錘部の一部とにより囲まれた空間に面する、前記２つの梁部の側面側に配置された４本のピエゾ抵抗素子を用いて３軸方向の物理量を検出する、物理量センサの検出方法。

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