JP2007171057A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】センサチップの厚み方向の加速度に対応する出力電圧におけるオフセット電圧の温度変動を抑制できる加速度センサを提供することにある。
【解決手段】加速度センサは、フレーム部１０と、フレーム部１０の内側に配置される重り部１１と、重り部１１の四方からそれぞれ延設されて、重り部１１をフレーム部１０に揺動自在に支持させる４つの撓み部１２とを備えて半導体基板から形成されるセンサチップ１を有し、該センサチップ１には、センサチップ１の厚み方向の加速度検出に用いられる厚み方向用圧電素子である４つのピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４と、前記厚み方向に直交する方向の加速度検出に用いられる各４つのピエゾ抵抗Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４とが設けられ、これらピエゾ抵抗Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４，Ｒｚ１〜Ｒｚ４は、センサチップ１の撓み部１２において重り部１１側の端部Ｐに形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車、航空機、家電製品等に用いる加速度センサに関するものであり、特に、ゲージ抵抗のひずみによる抵抗値の変化により加速度を検出する加速度センサに関するものである。

従来から、小型の加速度センサとして、加速度をピエゾ抵抗からなるゲージ抵抗のひずみによる抵抗値の変化として検出する方式の半導体加速度センサが提供されており、この種の半導体加速度センサとしては、図４に示すようなセンサチップ１００を有しているものがある（特許文献１）。

この加速度センサに用いられているセンサチップ１００は、図４に示すように、シリコン基板から形成され、フレーム部１１０と、フレーム部１１０の内側に配置される重り部１１１と、重り部１１１の四方からそれぞれ延設されて、重り部１１１をフレーム部１１０に揺動自在に支持させる４つの撓み部１１２とを備えている。但し、以下の説明では、図４に示すように、センサチップ１００の一表面（図４における上面）に平行な面内でフレーム部１１０の一辺に沿った一方向をｘ軸の正方向、この一辺に直交する辺に沿った一方向をｙ軸の正方向、センサチップ１００の厚み方向の一方向をｚ軸方向と規定する。また、上述のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の３軸により規定した直交座標では、センサチップ１００の一表面における重り部１１１の中心位置を原点としている。

そして、上記のセンサチップ１００には、ｚ軸方向の加速度検出に用いられる４つのピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４と、ｘ軸方向の加速度検出に用いられる４つのピエゾ抵抗Ｒｘ１〜Ｒｘ４と、ｙ軸方向の加速度検出に用いられる４つのピエゾ抵抗Ｒｙ１〜Ｒｙ４とが設けられている。ここで、ピエゾ抵抗Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４は、センサチップ１００の撓み部１１２において重り部１１１側の端部に形成され、ピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４は、センサチップ１００の撓み部１１２においてフレーム部１１１側の端部に形成されている。

これら各４つのピエゾ抵抗Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４，Ｒｚ１〜Ｒｚ４は、それぞれブリッジ回路を構成しており、センサチップ１００にかかる加速度に応じてその抵抗値が変化するため、各ブリッジ回路それぞれの出力電圧の変化を検出することにより、センサチップ１００に作用したｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向それぞれの加速度を検出することができるようになっている。
特開平１１−２４２０５０号公報（第１図）

ところで、図４に示す加速度センサでは、周囲温度の変動によって、例えばシリコンとガラスとの熱膨張係数差に起因した熱応力や、パッケージとガラスとの熱膨張係数差に起因した熱応力や、パッケージと回路基板との熱膨張係数差に起因した熱応力等が撓み部１１２のピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４（の形成部位）に伝達されて、ピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４にひずみが生じ、これによりピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４の抵抗値が増減してしまう。

ここで、図４に示す加速度センサは、上述したようにピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４の抵抗値の変化によってｚ軸方向の加速度の検出を行うものであり、しかもピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４それぞれの抵抗値変動の増減方向がｚ軸方向の加速度の印加により生じるピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４それぞれの抵抗値変動の増減方向と同じであるから、上記のような周囲温度の変動によってピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４の抵抗値が増減した際には、加速度とは関係がない熱応力によって、ブリッジ回路の出力電圧が変動することになる。

つまり、従来の加速度センサでは、周囲温度の変動（熱応力）によって、ｚ軸方向の加速度に対応するブリッジ回路の出力電圧におけるオフセット電圧（加速度センサに加速度が印加されていないときのブリッジ回路の出力電圧）が変動してしまい、これが高精度な加速度検出の妨げとなるという問題があった。このような問題は、加速度センサの小型化及び薄型化を図ったときに顕著であり、フレーム部１１０の幅を狭くすることによる機械的な強度の低下や、薄型化による応力発生源からピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４までの応力伝達距離の短縮化等によって、さらに温度特性が悪化してしまうという問題が生じていた。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、センサチップの厚み方向の加速度に対応する出力電圧におけるオフセット電圧の温度変動を抑制できる加速度センサを提供することにある。

上述の課題を解決するために、請求項１の加速度センサの発明では、フレーム部と、フレーム部の内側に配置される重り部と、重り部の四方からそれぞれ延設されて、重り部をフレーム部に揺動自在に支持させる４つの撓み部とを備えて半導体基板から形成されるセンサチップを有し、該センサチップには、センサチップの厚み方向の加速度検出に用いられる厚み方向用圧電素子と、前記厚み方向に直交する方向の加速度検出に用いられる直交方向用圧電素子とが設けられ、前記厚み方向用圧電素子及び前記直交方向用圧電素子は、センサチップの撓み部において重り部側の端部に形成されていることを特徴とする。

請求項２の加速度センサの発明では、請求項１の構成に加えて、前記圧電素子は、ピエゾ抵抗であることを特徴とする。

請求項３の加速度センサの発明では、請求項１又は２の構成に加えて、前記撓み部には、厚み方向用圧電素子と、直交方向用圧電素子とが、１つの厚み方向用圧電素子を２つの直交方向用圧電素子で挟んだ状態で設けられていることを特徴とする。

請求項１の加速度センサの発明は、厚み方向用圧電素子に生じる熱応力の影響を低減することができ、これによりセンサチップの厚み方向の加速度に対応する出力電圧（厚み方向用圧電素子の出力電圧）におけるオフセット電圧の温度変動を抑制できるという効果を奏する。

請求項２の加速度センサの発明は、各圧電素子としてピエゾ抵抗を用いた加速度センサを得ることができるという効果を奏する。

請求項３の加速度センサの発明は、各圧電素子を撓み部における重り部側の端部に集中して配置することができるという効果を奏する。

本発明の加速度センサは、図１に示すように、フレーム部１０と、フレーム部１０の内側に配置される重り部１１と、重り部１１の四方からそれぞれ延設されて、重り部１１をフレーム部１０に揺動自在に支持させる４つの撓み部１２とを備えて半導体基板から形成されるセンサチップ１を有している。但し、以下の説明では、図１に示すように、センサチップ１の一表面（図１における上面）に平行な面内でフレーム部１０の一辺に沿った一方向をｘ軸の正方向、この一辺に直交する辺に沿った一方向をｙ軸の正方向、センサチップ１の厚み方向の一方向をｚ軸方向と規定する。また、上述のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の３軸により規定した直交座標では、センサチップ１の一表面における重り部１１の中心位置を原点としている。

そして、上記のセンサチップ１には、図１に示すように、センサチップ１の厚み方向（上述で規定したｚ軸方向）の加速度検出に用いられる厚み方向用圧電素子である４つのピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４と、ｚ軸方向に直交する方向（上述で規定したｘ軸方向）の加速度検出に用いられる直交方向用圧電素子である４つのピエゾ抵抗Ｒｘ１〜Ｒｘ４と、ｚ軸方向に直交する方向（上述で規定したｙ軸方向）の加速度検出に用いられる直交方向用圧電素子である４つのピエゾ抵抗Ｒｙ１〜Ｒｙ４とが設けられ、これらピエゾ抵抗Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４，Ｒｚ１〜Ｒｚ４は、センサチップ１の撓み部１２において重り部１１側の端部Ｐに形成されている。

以下、センサチップ１についてさらに詳細に説明する。センサチップ１は、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、シリコン基板からなる支持基板２０上のシリコン酸化膜からなる絶縁層（埋込酸化膜）２１上にｎ形のシリコン層（活性層）２２を有するＳＯＩウェハ２である半導体基板を加工することにより形成され、上記のフレーム部１０と、重り部１１と、４つの短冊状の撓み部１２とを備えている。尚、ＳＯＩウェハ２には、後述する絶縁層３，４が形成されている。

ここで、フレーム部１０は、ＳＯＩウェハ２の支持基板２０、絶縁層２１、及びシリコン層２２を利用して略矩形枠状に形成されており、その内側の開口部１０ａに重り部１１が配置される。

重り部１１は、上述の４つの撓み部１２を介してフレーム部１０に支持された直方体状のコア部１１ａと、センサチップ１の一表面側から見てコア部１１ａの四隅それぞれに連続一体に連結された直方体状の４つの付随部１１ｂとを有している。言い換えれば、重り部１１は、フレーム部１０の内側面に一端側が連結された各撓み部１２の他端側が外側面に連結されたコア部１１ａと、コア部１１ａと一体に形成されコア部１１ａとフレーム部１０との間の空間に配置される４つの付随部１１ｂとを有している。付随部１１ｂは、センサチップ１の一表面側から見て、フレーム部１０と、コア部１１ａと、互いに直交する方向に延長された２つの撓み部１２，１２とで囲まれる空間に配置されている。ここで、各付随部１１ｂとフレーム部１１及び撓み部１２との間には、隙間が設けられており、この隙間は、加速度を受けて重り部１１が揺動した際に、付随部１１ｂがフレーム部１０や撓み部１２と接触しない程度の大きさに形成されている。

以上述べた重り部１１は、ｘ軸方向に延長されてコア部１１ａを挟む２つ１組の撓み部１２，１２と、ｙ軸方向に延長されてコア部１１ａを挟む２つ１組の撓み部１２，１２との計４つの撓み部１２を用いてフレーム部１０に揺動自在に支持される。

撓み部（ビーム、梁部ともいう）１２は、重り部１１をフレーム部１０に揺動自在に支持させるためのものであり、一端側がフレーム部１０の内側面に一体に連結され、他端側が重り部１１のコア部１１ａの外側面に一体に連結されている。尚、撓み部１２は、ＳＯＩウェハ２におけるシリコン層２２を利用して短冊状に形成してあり、フレーム部１０よりも薄肉となっている。

そして、この撓み部１２には、上記のピエゾ抵抗Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４，Ｒｚ１〜Ｒｚ４が次のようにして形成されている。

すなわち、重り部１１のコア部１１ａからｘ軸の正方向に延長された撓み部（図１の右側の撓み部１２）における重り部１１側の端部Ｐには、ピエゾ抵抗Ｒｚ３，Ｒｘ２，Ｒｘ４が、１つのピエゾ抵抗Ｒｚ３を２つのピエゾ抵抗Ｒｘ２，Ｒｘ４で挟んだ状態で設けられている。同様に、重り部１１のコア部１１ａからｘ軸の負方向に延長された撓み部（図１の左側の撓み部１２）における重り部１１側の端部Ｐには、ピエゾ抵抗Ｒｚ２，Ｒｘ１，Ｒｘ３が、１つのピエゾ抵抗Ｒｚ２を２つのピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ３で挟んだ状態で設けられている。

また、重り部１１のコア部１１ａからｙ軸の正方向に延長された撓み部（図１の上側の撓み部１２）における重り部１１側の端部Ｐには、ピエゾ抵抗Ｒｚ１，Ｒｙ１，Ｒｙ３が、１つのピエゾ抵抗Ｒｚ１を２つのピエゾ抵抗Ｒｙ１，Ｒｙ３で挟んだ状態で設けられている。同様に、重り部１１のコア部１１ａからｙ軸の負方向に延長された撓み部（図１の下側の撓み部１２）における重り部１１側の端部Ｐには、ピエゾ抵抗Ｒｚ４，Ｒｙ２，Ｒｙ４が、１つのピエゾ抵抗Ｒｚ４を２つのピエゾ抵抗Ｒｙ２，Ｒｙ４で挟んだ状態で設けられている。

ここで、４つのピエゾ抵抗Ｒｘ１〜Ｒｘ４は、ｘ軸方向の加速度を検出するために用いられるものであり、平面形状が細長の長方形状であって、シリコン層２２の表面側のシリコン層２２内に、長手方向が撓み部１２の長手方向に一致するように形成されている。また、これらピエゾ抵抗Ｒｘ１〜Ｒｘ４は、図３に示すブリッジ回路Ｂｘを構成するように配線（センサチップ１に形成されている図示しない拡散層配線、金属配線等）によって接続されている。加えて、ピエゾ抵抗Ｒｘ１〜Ｒｘ４は、加速度がかかっていない状態で、ピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ３の抵抗値の積と、ピエゾ抵抗Ｒｘ２，Ｒｘ４の抵抗値の積とが等しくなってブリッジ回路Ｂｘの抵抗バランスがとれるように設計している（本実施形態では、ピエゾ抵抗Ｒｘ１〜Ｒｘ４の各抵抗値がいずれも同じ値となるように設計している）。ここで、ピエゾ抵抗Ｒｘ１〜Ｒｘ４の各抵抗値を同じ値にするには、具体的には、ピエゾ抵抗Ｒｘ１〜Ｒｘ４を、同じサイズ（長さ、幅、拡散深さ）且つ同じ不純物濃度にすればよい。

また、４つのピエゾ抵抗Ｒｙ１〜Ｒｙ４は、ｙ軸方向の加速度を検出するために用いられるものであり、上記ピエゾ抵抗Ｒｘ１〜Ｒｘ４と同様に、平面形状が細長の長方形状であって、シリコン層２２の表面側のシリコン層２２内に、長手方向が撓み部１２の長手方向に一致するように形成されている。また、これらピエゾ抵抗Ｒｙ１〜Ｒｙ４は、図３に示すブリッジ回路Ｂｙを構成するように配線（センサチップ１に形成されている図示しない拡散層配線、金属配線等）によって接続されている。加えて、ピエゾ抵抗Ｒｙ１〜Ｒｙ４は、上記ピエゾ抵抗Ｒｘ１〜Ｒｘ４と同様に、加速度がかかっていない状態で、ピエゾ抵抗Ｒｙ１，Ｒｙ３の抵抗値の積と、ピエゾ抵抗Ｒｙ２，Ｒｙ４の抵抗値の積とが等しくなってブリッジ回路Ｂｙの抵抗バランスがとれるように設計している（本実施形態では、ピエゾ抵抗Ｒｙ１〜Ｒｙ４の各抵抗値がいずれも同じ値となるように設計している）。つまり、ピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４においても、同じサイズ（長さ、幅、拡散深さ）且つ同じ不純物濃度にしてある。

一方、４つのピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４は、ｚ軸方向の加速度を検出するために用いられるものであり、いずれも平面形状が細長の長方形状に形成されている。そして、ピエゾ抵抗Ｒｚ１，Ｒｚ４は、シリコン層２２の表面側のシリコン層２２内に、長手方向が撓み部１２の長手方向に一致するように形成され、ピエゾ抵抗Ｒｚ２，Ｒｚ３は、シリコン層２２の表面側のシリコン層２２内に、長手方向が撓み部１２の短手方向に一致するように形成されている。また、これらピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４は、図３に示すブリッジ回路Ｂｚを構成するように配線（センサチップ１に形成されている図示しない拡散層配線、金属配線等）によって接続されている。加えて、ピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４は、上記ピエゾ抵抗Ｒｘ１〜Ｒｘ４と同様に、加速度がかかっていない状態で、ピエゾ抵抗Ｒｚ１，Ｒｚ４の抵抗値の積と、ピエゾ抵抗Ｒｚ２，Ｒｚ３の抵抗値の積とが等しくなってブリッジ回路Ｂｚの抵抗バランスがとれるように設計している（本実施形態では、ピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４の各抵抗値がいずれも同じ値となるように設計している）。つまり、ピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４においても、同じサイズ（長さ、幅、拡散深さ）且つ同じ不純物濃度にしてある。但し、図１では、図面の簡略化のために、ピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４のサイズは異ならせている。

尚、各４つのピエゾ抵抗Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４，Ｒｚ１〜Ｒｚ４は、それぞれｘ，ｙ，ｚ軸方向の加速度がかかったときに撓み部１２の端部Ｐにおいて応力が集中する応力集中領域（応力分布のピークに対応した部位）に形成されている。

ところで、本実施形態の加速度センサでは、図３に示すように、上述の３つのブリッジ回路Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚに共通の２つの入力端子ＶＤＤ，ＧＮＤと、ブリッジ回路Ｂｘの２つの出力端子Ｘ１，Ｘ２と、ブリッジ回路Ｂｙの２つの出力端子Ｙ１，Ｙ２と、ブリッジ回路Ｂｚの２つの出力端子Ｚ１，Ｚ２とを備えており、これらの各入力端子ＶＤＤ，ＧＮＤ及び各出力端子Ｘ１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２，Ｚ１，Ｚ２はセンサチップ１のフレーム部１０に図示しないパッドとして設けられている。

以上により本実施形態の加速度センサに用いるセンサチップ１は構成されており、以下にセンサチップ１の製造方法について簡単に説明する。

まず、ＳＯＩウェハ２の一表面側（シリコン層２２の表面側、以下、「主表面側」と称する）に上記各ピエゾ抵抗Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４，Ｒｚ１〜Ｒｚ４及び上記各拡散層配線（図示せず）をリソグラフィ技術、不純物拡散技術等を利用して形成し、その後、ＳＯＩウェハ２の主表面側及び他表面側（以下、「裏面側」と称する）のそれぞれの全面に、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜からなる前述の絶縁膜３，４を形成する。尚、上述の金属配線（図示せず）を形成する工程は、シリコン酸化膜を形成する工程と、シリコン窒化膜を形成する工程との間に設け、上述のパッド（図示せず）は、シリコン窒化膜の形成後に、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して、シリコン窒化膜から露出させた上記金属配線（図示せず）の一部により形成される。

その後、ＳＯＩウェハ２の主表面側に、上述の絶縁膜３においてフレーム部１０、重り部１１、各撓み部１２それぞれに対応する部位を覆い他の部位を露出させるようにパターニングされたレジスト層（図示せず）を形成し、当該レジスト層をエッチングマスクとして、絶縁膜３の露出部分をエッチングすることで絶縁膜３をパターニングし、ＳＯＩウェハ２を主表面側から絶縁層２１に達する深さまで絶縁層２１をエッチングストッパ層としてエッチングする表面側パターニング工程を行う。この表面側パターニング工程を行うことによって、ＳＯＩウェハ２におけるシリコン層２２は、フレーム部１０に対応する部位と、重り部１１ａに対応する部位と、各撓み部１２に対応する部位とが残る。尚、この表面側パターニング工程におけるエッチングに際しては、例えば、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）型のドライエッチング装置を用いてドライエッチングを行えばよく、エッチング条件としては、絶縁層２１がエッチングストッパとして機能するような条件を設定する。

上述の表面側パターニング工程の後、ＳＯＩウェハ２の裏面側に、支持基板２０においてフレーム部１０に対応する部位と重り部１１に対応する部位とを覆い且つ他の部位を露出させるようにパターニングされたレジスト層（図示せず）を形成し、当該レジスト層をエッチングマスクとして、絶縁膜４の露出部分をエッチングすることで絶縁膜４をパターニングし、ＳＯＩウェハ２を裏面側から絶縁層２１に達する深さまで絶縁層２１をエッチングストッパ層として略垂直にドライエッチングする裏面側パターニング工程を行い、続いて、レジスト層を除去する。

この裏面側パターニング工程を行うことにより、ＳＯＩウェハ２における支持基板２０は、フレーム部１０に対応する部位と、重り部１１に対応する部位とが残る。尚、この裏面側パターニング工程におけるエッチング装置としては、例えば、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）型のドライエッチング装置を用いればよく、エッチング条件としては、絶縁層２１がエッチングストッパとして機能するような条件を設定する。

裏面側パターニング工程の後、上記絶縁膜３，４をエッチングマスクとして、絶縁層２１のうちフレーム部１０に対応する部位及び重り部１１に対応する部位を残して不要部分をエッチング除去することでフレーム部１０、重り部１１、及び撓み部１２を形成することによって、図２（ａ）〜（ｃ）に示す構造を得る。

その後、ＳＯＩウェハ２をダイシング工程により個々のセンサチップ１に分離し、例えば、パッケージ（図示せず）へダイボンディングするダイボンディング工程、センサチップ１の各パッドとパッケージの電極とをボンディングワイヤ（図示せず）により電気的に接続するワイヤボンディング工程、パッケージにパッケージ蓋（図示せず）を気密的に封着する封止工程を順次行えばよい。尚、センサチップ１の裏面側にガラス製のカバーを必要とする場合には、カバーを多数形成したガラス基板とＳＯＩウェハ２とを陽極接合により固着してから、ダイシング工程により個々のチップに分離すればよい。

次に、本実施形態の加速度センサの動作について説明する。本実施形態の加速度センサは、センサチップ１に加速度が作用すると、加速度の方向及び大きさに応じて重り部１１がフレーム部１０に対して相対的に変位し、結果的に撓み部１２が撓んでピエゾ抵抗Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４，Ｒｚ１〜Ｒｚ４の抵抗値が変化することになる。したがって、例えば、上述の入力端子ＶＤＤ，ＧＮＤ間に外部電源から一定の直流電圧を印加して使用すればよく、センサチップ１にｘ軸方向の加速度がかかった場合にはブリッジ回路Ｂｘの抵抗バランスが崩れて出力端子Ｘ１，Ｘ２間の電位差がｘ軸方向の加速度の大きさに応じて変化し、ｙ軸方向の加速度がかかった場合にはブリッジ回路Ｂｙの抵抗バランスが崩れて出力端子Ｙ１，Ｙ２間の電位差がｙ軸方向の加速度の大きさに応じて変化し、ｚ軸方向の加速度がかかった場合にはブリッジ回路Ｂｚの抵抗バランスが崩れて出力端子Ｚ１，Ｚ２間の電位差がｚ軸方向の加速度の大きさに応じて変化する。

要するに、本実施形態の加速度センサは、各ブリッジ回路Ｂｘ〜Ｂｚそれぞれの出力電圧の変化を検出することにより、センサチップ１に作用したｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向それぞれの加速度を検出することができる。

以上述べた本発明の加速度センサは、図４に示す従来例と、撓み部１２におけるピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４の形成位置が異なっている他は略同じ構成である。つまり、本発明の加速度センサでは、センサチップ１の厚み方向（ｚ軸方向）の加速度検出に用いられる厚み方向用圧電素子であるピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４が、センサチップ１の撓み部１２において重り部１１側の端部Ｐに形成されているが、図４に示す従来例の加速度センサでは、ピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４が、センサチップ１の撓み部１２においてフレーム部１０側の端部に形成されているのである。

したがって、本発明の加速度センサによれば、センサチップ１の厚み方向（ｚ軸方向）の加速度検出に用いられる厚み方向用圧電素子であるピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４を、センサチップ１の撓み部１２において重り部１１側の端部Ｐに形成しているので、従来例に比べて、ピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４に熱応力（例えばシリコンとガラスとの熱膨張係数差に起因した熱応力や、パッケージとガラスとの熱膨張係数差に起因した熱応力や、パッケージと回路基板との熱膨張係数差に起因した熱応力等）が伝達しにくくなり、これによりピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４に生じる熱応力の影響を低減することができて、センサチップ１の厚み方向の加速度に対応する出力電圧におけるオフセット電圧の温度変動を抑制できるという効果を奏し、その結果、加速度の検出を高精度に行えるようになるという効果を奏する。

ところで、本発明の加速度センサと、従来例の加速度センサとのブリッジ回路Ｂｚの出力電圧（センサチップの厚み方向の加速度に対応する出力電圧）におけるオフセット電圧（オフセット値）の温度変動のシミュレーション解析を行い、本発明の加速度センサによって、前記の出力電圧におけるオフセット電圧の温度変動を従来に比べてどの程度低減できるかを調べた結果、温度変動を約５．５％程度にまで低減できるという結果が得られた。

以下、このシミュレーション解析について説明する。このシミュレーション解析では、ピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４の熱応力の変化に起因する抵抗値の変化を用いてブリッジ回路Ｂｚの出力電圧を求め、この出力電圧の値を比較することによって、オフセット電圧の温度変動の評価を行ったものであり、次のような計算式を用いて解析を行った。

まず、温度ｔ１時におけるピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４の各抵抗値をそれぞれＲ１〜Ｒ４、温度ｔ２時におけるピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４の各抵抗値をそれぞれＲ１´〜Ｒ４´、ピエゾ抵抗の短手方向におけるピエゾ抵抗係数をπｔ、ピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４の長手方向におけるピエゾ抵抗係数をπｌとすると、抵抗値Ｒ１´〜Ｒ４´は、次式で表わすことができる。尚、ピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４は、厚みが非常に薄いものであるため、厚み方向におけるピエゾ抵抗係数については無視する。

ここで、σｘ１〜σｘ４は、各ピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４において、撓み部１２の短手方向に生じる熱応力の差分値（変化値）であって、温度ｔ２時に撓み部１２の短手方向に生じる熱応力から、温度ｔ１時に撓み部１２の短手方向に生じる熱応力を引いた値である。また、σｙ１〜σｙ４は、各ピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４において、撓み部１２の長手方向に生じる熱応力の差分値（変化値）であって、温度ｔ２時に撓み部１２の長手方向に生じる熱応力から、温度ｔ１時に撓み部１２の長手方向に生じる熱応力を引いた値である。

また、ブリッジ回路Ｂｚの出力電圧をＶｏｕｔ、入力端子ＶＤＤ，ＧＮＤ間に印加する入力電圧をＶｉｎとすると、出力電圧Ｖｏｕｔは次式で表わすことができる。

したがって、ピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４の各抵抗値Ｒ１〜Ｒ４と、ピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４の各ピエゾ抵抗係数πｔ，πｌと、熱応力の変化値σｘ１〜σｘ４，σｙ１〜σｙ４と、入力電圧Ｖｉｎとが与えられれば、加速度センサに加速度が与えられていないときの出力電圧Ｖｏｕｔ、つまりは出力電圧におけるオフセット電圧の値を算出することができる。

ここで、本発明の加速度センサ及び従来例の加速度センサのそれぞれについて、温度ｔ１を２０℃、温度ｔ２を１２５℃とした際の各ピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４に生じる熱応力の変化値σｘ１〜σｘ４，σｙ１〜σｙ４を測定した結果、次のような結果が得られた。すなわち、本発明の加速度センサにおいては、σｘ１＝σｘ２＝σｘ３＝σｘ４＝４．５８×１０^−５ｋｇｆ／ｍｍ^２（ここで、ｋｇｆ／ｍｍ^２≒９．８０６６５×１０^６Ｎ／ｍ^２（＝Ｐａ））、σｙ１＝σｙ２＝σｙ３＝σｙ４＝２．３６×１０^−４ｋｇｆ／ｍｍ^２という値が得られ、従来例の加速度センサにおいては、σｘ１＝σｘ２＝σｘ３＝σｘ４＝−３．０７×１０^−３ｋｇｆ／ｍｍ^２、σｙ１＝σｙ２＝σｙ３＝σｙ４＝４．０９×１０^−４ｋｇｆ／ｍｍ^２という値が得られた。この測定結果からも、本発明の加速度センサによれば、従来例の加速度センサに比べてピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４に生じる熱応力の変動を低減できていることがわかる。尚、この測定に用いた本発明の加速度センサと従来例の加速度センサとは、ピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４の形成位置以外は、同一の構成としたものを用いている。

また、上記の測定に用いた本発明の加速度センサ及び従来例の加速度センサでは、各ピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４の抵抗値Ｒ１〜Ｒ４は、いずれも温度が２０℃である際に２８５０Ωであり、ピエゾ抵抗係数πｔは、−５．１０×１０^−６ｍｍ^２／ｇｆ（ここで、ｍｍ^２／ｇｆ≒１／９．８０６６５×１０^−３ｍ^２／Ｎ（＝１／Ｐａ））であり、ピエゾ抵抗係数πｌは、５．４９×１０^−６ｍｍ^２／ｇｆである。

そして、入力電圧Ｖｉｎを、５Ｖであるとして、本発明の加速度センサ及び従来例の加速度センサの各出力電圧Ｖｏｕｔを算出すると、従来例の加速度センサでは、出力電圧Ｖｏｕｔが−９．２１×１０^−２ｍＶとなったのに対して、本発明の加速度センサでは、出力電圧Ｖｏｕｔが−５．０１×１０^−３ｍＶとなった。

したがって、本発明の加速度センサによれば、ブリッジ回路Ｂｚの出力電圧におけるオフセット電圧の変動を、従来の約５．５％程度にまで低減できるのである。

一方、本発明の加速度センサによれば、重り部１１のコア部１１ａからｘ軸の正方向に延長された撓み部（図１の右側の撓み部１２）における重り部１１側の端部Ｐに、ピエゾ抵抗Ｒｚ３，Ｒｘ２，Ｒｘ４が、１つのピエゾ抵抗Ｒｚ３を２つのピエゾ抵抗Ｒｘ２，Ｒｘ４で挟んだ状態で設けているので、撓み部１２における重り部１１側の端部Ｐに、ピエゾ抵抗Ｒｚ１，Ｒｘ２，Ｒｘ４を集中して配置することができるという効果を奏する。この点は、他の撓み部１２においても同様であり、重り部１１のコア部１１ａからｘ軸の負方向に延長された撓み部（図１の左側の撓み部１２）の端部Ｐには、ピエゾ抵抗Ｒｚ２，Ｒｘ１，Ｒｘ３を集中して配置でき、重り部１１のコア部１１ａからｙ軸の正方向に延長された撓み部（図１の上側の撓み部１２）の端部Ｐには、ピエゾ抵抗Ｒｚ１，Ｒｙ１，Ｒｙ３を集中して配置でき、重り部１１のコア部１１ａからｙ軸の負方向に延長された撓み部（図１の下側の撓み部１２）の端部Ｐには、ピエゾ抵抗Ｒｚ４，Ｒｙ２，Ｒｙ４を集中して配置できる。

尚、ＳＯＩウェハ２については、支持基板２０の厚さを４００〜６００μｍ程度、絶縁層２１の厚さを０．３〜１．５μｍ程度、シリコン層２２の厚さを４〜１０μｍ程度に設定してあり、センサチップ１の各部の寸法については、フレーム部１０の厚さを４００〜６００μｍ程度、フレーム部１０の４辺それぞれの幅を２５０μｍ程度とし、重り部１１の厚さを４００μｍ〜６００μｍ程度とし、撓み部１２の延長方向の長さ（つまり、撓み部１２の長手方向の長さ）を３００〜７００μｍ、センサチップ１の上記一表面内で撓み部１２における延長方向に直交する方向の長さ（つまり、撓み部１２の幅寸法）を６０〜１５０μｍ、撓み部１２の厚さを４〜１０μｍ程度としてあるが、これらの数値は特に限定するものではない。

また尚、図１に示す加速度センサは、所謂３軸加速度センサであるが、本発明の加速度センサとしては、さらに多くの方向の加速度を検出できる多方向加速度センサであってもよく、つまるところ、センサチップ１の厚み方向の他に、前記厚み方向と直交する方向の加速度を検出するものであればよい。

ところで、上記の例では、圧電素子としてひずみにより抵抗値が増減するゲージ抵抗の一種であるピエゾ抵抗を用いているが、この他、ゲージ抵抗としては、カーボンナノチューブであってもよい。また、本実施形態では、重り部１１をコア部１１ａと４つの付随部１１ｂとで構成してあるが、コア部１１ａのみで重り部１１を構成してもよい。

本発明の加速度センサの概略平面図である。 （ａ）は、図１のＡ−Ａ線における概略断面図であり、（ｂ）は、図１のＢ−Ｂ線における概略断面図であり、（ｃ）は、図１のＣ−Ｃ線における概略断面図である。 本発明の加速度センサの回路図である。 従来の加速度センサの概略平面図である。

符号の説明

１ センサチップ
１０ フレーム部
１１ 重り部
１２ 撓み部
Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４，Ｒｚ１〜Ｒｚ４ ピエゾ抵抗

Claims (3)

1. フレーム部と、フレーム部の内側に配置される重り部と、重り部の四方からそれぞれ延設されて、重り部をフレーム部に揺動自在に支持させる４つの撓み部とを備えて半導体基板から形成されるセンサチップを有し、該センサチップには、センサチップの厚み方向の加速度検出に用いられる厚み方向用圧電素子と、前記厚み方向に直交する方向の加速度検出に用いられる直交方向用圧電素子とが設けられ、前記厚み方向用圧電素子及び前記直交方向用圧電素子は、センサチップの撓み部において重り部側の端部に形成されていることを特徴とする加速度センサ。
2. 前記圧電素子は、ピエゾ抵抗であることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
3. 前記撓み部には、厚み方向用圧電素子と、直交方向用圧電素子とが、１つの厚み方向用圧電素子を２つの直交方向用圧電素子で挟んだ状態で設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の加速度センサ。

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