JP2008070312A - Multi-range acceleration sensor - Google Patents
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Abstract
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
加速度センサーに関するものである。
The present invention relates to a semiconductor acceleration sensor for detecting acceleration used in portable terminal devices, toys, automobiles, airplanes and the like.
加速度センサーは、自動車のエアーバッグ作動用に多く用いられ、自動車が衝突した衝
撃を加速度としてとらえていた。自動車ではX軸とY軸の加速度を測定するため、1軸も
しくは2軸機能で充分であった。また、測定する加速度が非常に大きいため、加速度を検
知する加速度センサー素子も頑丈に製作されている。最近は、携帯端末機器やロボット等
にも加速度センサーが使用されることが多くなって来ている。3次元空間の動きを検出す
るためX,Y,Z軸の加速度が測定できる3軸加速度センサーが要求されてきている。こ
れらの用途では、数Gから数十Gの小さな加速度の検出が要求されるだけでなく、高分解
能であることが求められる。
The acceleration sensor is often used for the operation of an air bag of an automobile, and captures the impact of the collision of the automobile as acceleration. In automobiles, a one-axis or two-axis function is sufficient to measure the X-axis and Y-axis accelerations. Further, since the acceleration to be measured is very large, an acceleration sensor element for detecting the acceleration is also sturdily manufactured. Recently, acceleration sensors are increasingly used for portable terminal devices and robots. In order to detect movement in a three-dimensional space, a three-axis acceleration sensor capable of measuring X, Y, and Z-axis acceleration has been required. In these applications, not only detection of a small acceleration of several G to several tens of G is required, but also high resolution is required.
加速度センサーは、可撓部の構造で梁型とダイアフラム型に、変位の検出方式でピエゾ
抵抗型と静電容量型に大別される。
Accelerometers are roughly classified into a beam type and a diaphragm type according to the structure of a flexible portion, and a piezoresistive type and a capacitance type according to a displacement detection method.
梁型のピエゾ抵抗素子型3軸加速度センサーに関して出願人は広範囲に多数出願してい
る。特許文献1から特許文献6で、錘部の形状や梁部の形状、ピエゾ抵抗素子の配置、ピ
エゾ抵抗素子の接続方法、梁部と枠部の接合部の形状等を明らかにしている。図9に3軸
加速度センサーの分解斜視図、図10a)に図9のh−h’方向の断面図、図10b)に
センサーチップの平面図を示す。3軸加速度センサー20は、ケース1にセンサーチップ
2と規制板3が樹脂などの接着剤16で所定の間隔で固着されている。センサーチップ2
のチップ端子4はワイヤー5でケース端子6に接続され、センサーの信号は外部端子7か
ら取り出す。ケース1にはケース蓋8を例えばAuSuはんだ等の接着剤17で固着し密
封されている。センサーチップ2には、梁型3軸加速度センサー素子9が形成されている
。梁型3軸加速度センサー素子9は、方形の枠部10と錘部11と対を成す梁部12で構
成され、錘部11が2対の梁部12で枠部10の中央に保持されている。梁部12にはピ
エゾ抵抗素子が形成されている。一対の梁にはX軸ピエゾ13とZ軸ピエゾ15が、他の
一対の梁にはY軸ピエゾ14が形成されている。図10a)の錘部11の下面とケース1
の内底面との間隔g4と、錘部11の上面と規制板3の間隔g3は、衝撃の様な過度な加
速度がセンサーに加わったとき、錘部11の動き量を規制して梁部12の破損を防ぐもの
である。本願の梁型3軸加速度センサー素子の基本的な構造はこれら特許文献と同じであ
るので、特に断りのない限り詳細説明は省略する。
The applicant has filed a large number of applications regarding a beam-type piezoresistive element type three-axis acceleration sensor.
The
The distance g4 between the inner bottom surface and the distance g3 between the upper surface of the
ダイアフラム型3軸加速度センサー素子のダイアフラム構造やピエゾ抵抗素子の配置方
法等が、特許文献7から9に開示されている。円形や多角形をしたダイアフラムの外縁を
支持枠で支持し、ダイアフラムの中心部に錘を配している。外力で錘が変位するとダイア
フラムに設けられたピエゾ抵抗素子が変形し、電気信号が得られるものである。梁型3軸
加速度センサー素子に比べ、ピエゾ抵抗素子の配置の自由度が高いと言う利点がある。図
10c)に、ダイアフラム型の3軸加速度センサー素子9’の平面図を示す。方形の枠部
10と錘部11と可撓部となるダイアフラム19で構成され、錘部11がダイアフラム1
9の中央に保持されている。ダイアフラム19にはピエゾ抵抗素子が、X軸ピエゾ13と
Y軸ピエゾ14、Z軸ピエゾ15が形成されている。本願のダイアフラム型ピエゾ抵抗素
子型3軸加速度センサーおよびダイアフラム型3軸加速度センサー素子の基本的な構造は
これら特許文献と略同じであるので、特に断りのない限り詳細説明は省略する。
9 is held in the center. The
携帯型小型機器の落下状態検知や振って操ると言う様なユーザーインターフェースなど
の用途では数Gレベルであるが、衝撃検知の様な用途では数百から数千Gの値となる。例
えば、磁気ディスクを内蔵する携帯機器においては、落下時の衝撃で磁気ディスクが破壊
しないように、落下を検知した時点でヘッドを待避させ、衝撃時の破壊を防止するという
用途がある。それに加え、製品の損傷時の修理に際しては、製品がどのような衝撃を受け
たかという来歴を知りたいという要求がある。落下検知と組み合わせて衝撃加速度の来歴
を効率的に記録する手法についても出願人は特許文献10で明らかにしている。このよう
に、一つの製品で、数Gレベルの落下検知と、数百から数千Gレベルの衝撃検知を行いた
いという要求がある。その場合、数Gと数百から数千Gの加速度を高い精度で得るには、
1つの加速度センサーでは難しい。これは、数百から数千Gの加速度を測定する加速度セ
ンサーで、数Gの加速度を検出する場合、検出の分解能(精度)が得られないためである
。
It is several G level for applications such as detecting the fall state of portable small devices and user interfaces such as shaking and operating, but for applications such as impact detection, the value is several hundred to several thousand G. For example, in a portable device incorporating a magnetic disk, there is a use in which the head is retracted when a drop is detected so that the magnetic disk is not destroyed by an impact at the time of dropping, thereby preventing destruction at the time of the impact. In addition, when repairing a damaged product, there is a need to know the history of how the product was impacted. The applicant also clarifies in Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-228707 about a method for efficiently recording the history of impact acceleration in combination with fall detection. As described above, there is a demand to detect a drop of several G level and an impact detection of several hundred to several thousand G levels with one product. In that case, in order to obtain acceleration of several G and several hundred to several thousand G with high accuracy,
It is difficult with one acceleration sensor. This is because the resolution (accuracy) of detection cannot be obtained when an acceleration of several G is detected by an acceleration sensor that measures acceleration of several hundred to several thousand G.
数百から数千Gの大きな値の加速度と数G程度の小さな値の加速度を同じ分解能で検知
するには、数百から数千Gを測定する加速度センサーと数Gを測定する加速度センサーを
別個に準備する必要があった。図11は、数G、数十G、数百Gの測定レンジを持つ加速
度センサー21、22、23各1個を回路基板24に実装して、高分解能で数Gから数百
Gの加速度を測定できる加速度センサー装置25である。加速度センサーを3個使用して
いるため、少なくとも加速度センサー装置の価格は、加速度センサーの数倍になることは
容易に理解できる。また、小型化も難しいことも容易に理解できる。
In order to detect acceleration of a large value of several hundred to several thousand G and acceleration of a small value of about several G with the same resolution, an acceleration sensor that measures several hundred to several thousand G and an acceleration sensor that measures several G are separated. There was a need to prepare. FIG. 11 shows that
複数の加速度センサーを用いた加速度センサー装置25では、加速度センサー間の検出
軸方向の合わせが非常に難しい。回路基板に半田で加速度センサーを接続するときに、加
速度センサー間で加速度センサー素子の検出軸の角度ずれを略ゼロとするとすることは難
しい。加速度センサーの外形の一部を基準に組み立てたとしても、その外形基準と加速度
センサー素子の軸が一致していなければ軸ずれは発生してしまう。加速度センサー間で検
出軸の角度ずれがあると、例えば数Gの加速度センサーの測定値と数十Gの加速度センサ
ーの測定値が、同じ軸方向の加速度として測定できないことが起こる。
In the
小型化と低価格化を実現し、検出軸の角度ずれをなくすことが出来るマルチレンジ加速
度センサーが、特許文献11に開示されている。図12にその構造を示す。マルチレンジ
加速度センサー30は、枠31内に2つ以上のセンサー素子を設けた構造で、センサー素
子は梁32の一方の端を枠31に、他方は錘33に接続されている。梁32は枠31との
接続点を支点として錘33が力点となった片持梁の構造となっている。錘33の動きを、
錘33と所定の間隔をあけて配された電極34との間の静電容量変化により測定し、加速
度を検出するものである。センサー素子は梁の長さや錘の質量を変えることで、測定する
加速度の範囲を決めている。
The acceleration is measured by measuring the capacitance change between the weight 33 and the
特許文献11の加速度センサーは、ワンチップに測定範囲の異なるセンサー素子を形成
しているので、センサー素子間で軸のずれをなくすことができる。軸ずれはフォトリソ用
のフォトマスクとフォトリソ時の誤差で発生するが、殆んど無視して良いレベルであり軸
ずれはなしと考えて良い。しかし、特許文献11は1軸のセンサー素子であるため、3軸
の加速度を測定するには、3個のセンサー素子を各90度異なった位置に配置する必要が
ある。X,Y,Z軸を正確に出して3個のセンサー素子を配置するのが非常に難しいこと
は理解できる。また、3個のセンサー素子を組み合わせる必要があるので、小型化が難し
いことも容易に理解できる。この特許文献11のマルチレンジ1軸加速度センサーを用い
て、マルチレンジ3軸加速度センサーを得るのは、実質的に図11で示した従来の加速度
センサー装置と、加速度センサーの数や価格、大きさ的に大差がないものである。
In the acceleration sensor of
特許文献11の加速度センサー構造では、センサー素子間で干渉する恐れがあり、その
対策も必要となる。枠31の1つの辺に複数の梁32が形成されているため、一方のセン
サー素子の動きが、他方のセンサー素子の測定に影響を与えてしまいやすい。また、梁3
2の幅方向に加速度が加わったときに他のセンサー素子と錘33がぶつからないようにす
る必要があり、センサー素子間を開ける等の配慮も必要となる。
In the acceleration sensor structure of
When acceleration is applied in the
本発明の目的は、ワンチップに測定範囲の異なるセンサー素子を形成し、測定範囲の異
なるセンサー素子間で各軸のずれがない、高精度で小型なマルチレンジ3軸加速度センサ
ーを安価に提供するものである。
An object of the present invention is to provide a high-precision and small-sized multi-range three-axis acceleration sensor at low cost by forming sensor elements having different measurement ranges on one chip and causing no deviation of each axis between sensor elements having different measurement ranges. Is.
本願発明のマルチレンジ3軸加速度センサーは、枠部と、可撓部を介して枠部に保持さ
れる錘部と、可撓部に設けられた半導体ピエゾ抵抗素子と、それらを接続する配線を有し
、可撓部が形成された面内の2軸と、前記面に略垂直な軸の3軸の加速度を検出可能なダ
イアフラム型3軸加速度センサー素子を、2つ以上同一チップに形成したマルチレンジセ
ンサーチップを有するマルチレンジ3軸加速度センサーであって、マルチレンジセンサー
チップの複数のダイアフラム型3軸加速度センサー素子は、第一から第nのダイアフラム
型3軸加速度センサー素子まで順に単位加速度当たりの出力電圧が小さくなることが好ま
しい。
The multi-range triaxial acceleration sensor of the present invention includes a frame, a weight held by the frame via the flexible part, a semiconductor piezoresistive element provided in the flexible part, and a wiring connecting them. Two or more diaphragm-type three-axis acceleration sensor elements that can detect acceleration in three axes, that is, two axes in the plane where the flexible part is formed and an axis substantially perpendicular to the plane, are formed on the same chip. A multi-range triaxial acceleration sensor having a multi-range sensor chip, wherein a plurality of diaphragm type triaxial acceleration sensor elements of the multirange sensor chip are per unit acceleration in order from the first to the nth diaphragm type triaxial acceleration sensor element. The output voltage is preferably small.
前記ダイアフラム型3軸加速度センサー素子は、加速度が錘部に作用することで可撓部
が変形し、梁部に形成した半導体ピエゾ抵抗素子に応力が発生して電気抵抗が変化し、そ
れを電位差(出力電圧)に変換して出力する仕組みである。第一から第nのダイアフラム
型3軸加速度センサー素子は、単位加速度に対する出力電圧が順に小さくなるように形成
する。
In the diaphragm type three-axis acceleration sensor element, the flexible part is deformed due to the acceleration acting on the weight part, and stress is generated in the semiconductor piezoresistive element formed on the beam part, and the electric resistance is changed. This is a mechanism for converting to (output voltage) and outputting. The first to nth diaphragm type triaxial acceleration sensor elements are formed so that the output voltage with respect to the unit acceleration decreases in order.
例えば測定レンジ±3Gの第1のダイアフラム型3軸加速度センサー素子は、加速度1
Gあたりの出力電圧を1Vに、測定レンジ300Gの第nのダイアフラム型3軸加速度セ
ンサー素子は、加速度1Gあたりの出力電圧を0.01Vにすることで、各ダイアフラム
型3軸加速度センサー素子の測定レンジに対応する出力電圧のフルレンジを±3Vに合わ
せることができ、それぞれ±3Vを同じ分解能で検出すれば、異なる加速度レンジのそれ
ぞれで高精度な検出が可能になる。
For example, the first diaphragm type three-axis acceleration sensor element having a measurement range of ± 3 G has an acceleration of 1
The output voltage per G is set to 1V, and the nth diaphragm type triaxial acceleration sensor element of the measurement range 300G sets the output voltage per acceleration 1G to 0.01V, thereby measuring each diaphragm type triaxial acceleration sensor element. The full range of the output voltage corresponding to the range can be adjusted to ± 3 V, and if each ± 3 V is detected with the same resolution, highly accurate detection can be performed in each of the different acceleration ranges.
各加速度センサー素子の単位加速度あたりの出力は、測定レンジにおいて出力電圧が直
線性を保つ領域になるように設定される。測定レンジの広いセンサー素子に対して、単位
加速度あたりの出力電圧を高く設定しすぎると、測定レンジ内で可撓部の変形が非線形の
領域に達してしまい、出力電圧の直線性が保たれない恐れがある。
The output per unit acceleration of each acceleration sensor element is set so that the output voltage is in a region where the linearity is maintained in the measurement range. If the output voltage per unit acceleration is set too high for a sensor element with a wide measurement range, the deformation of the flexible part reaches a non-linear region within the measurement range, and the linearity of the output voltage cannot be maintained. There is a fear.
前記第一から第nのダイアフラム型3軸加速度センサー素子は、同一チップ内に形成す
る。そのため、それぞれの素子の形成に個別の工程を必要とせず、フォトマスクに各素子
の形状を描画しておき、フォトリソやエッチングの工程を用いて一括形成することで、低
コストに製造できる。
The first to nth diaphragm type triaxial acceleration sensor elements are formed in the same chip. Therefore, an individual process is not required for forming each element, and the shape of each element is drawn on a photomask and can be formed at a low cost by using a photolithographic process or an etching process.
また、第一から第nのダイアフラム型3軸加速度センサー素子は、同一のチップ面に形
成されるため、チップ面に垂直な方向の検出軸(Z軸)を高精度に一致させることが容易
に可能である。さらに、チップ面に平行な2つの検出軸(X、Y軸)についても、フォト
リソのマスク精度に従って、高精度に一致させることが容易に可能である。
In addition, since the first to nth diaphragm type triaxial acceleration sensor elements are formed on the same chip surface, it is easy to match the detection axis (Z axis) in the direction perpendicular to the chip surface with high accuracy. Is possible. Furthermore, two detection axes (X and Y axes) parallel to the chip surface can be easily matched with high accuracy according to the photolithography mask accuracy.
マルチレンジセンサーチップの上下に規制板を配置することにより、測定レンジを超え
る加速度が発生した場合に、錘部が規制板に当たることでそれ以上の変位を規制し、可撓
部の破壊を防ぐことができ、信頼性の高いマルチレンジ加速度センサーを実現できる。
By arranging the restriction plates above and below the multi-range sensor chip, when acceleration exceeding the measurement range occurs, the weight part hits the restriction plate to restrict further displacement and prevent destruction of the flexible part It is possible to realize a highly reliable multi-range acceleration sensor.
上下の規制板は、マルチレンジセンサーチップと熱膨張率が近い材料が望ましく、例え
ばガラスやシリコン、セラミック、FeNi合金などの材質を用いることができる。3軸
加速度センサー素子との間にギャップを形成するように、接着剤や金属接合などを用いて
接着される。
The upper and lower regulating plates are preferably made of a material having a thermal expansion coefficient close to that of the multi-range sensor chip, and for example, a material such as glass, silicon, ceramic, or FeNi alloy can be used. Bonding is performed using an adhesive or metal bonding so as to form a gap between the three-axis acceleration sensor element.
また、上の規制板は、検出回路として用いるICチップを用いてもよい。また、マルチ
レンジ加速度センサーをケース内に設置して上部に蓋をしたパッケージに納める場合、ケ
ースの内底を下の規制板の代わりとすることができる。
Further, an IC chip used as a detection circuit may be used for the upper regulating plate. In addition, when the multi-range acceleration sensor is installed in a case and housed in a package with a lid on the top, the inner bottom of the case can be used instead of the lower regulating plate.
各ダイアフラム型3軸加速度センサー素子の錘部と規制板との間隔を同じにすることで
、規制板が平坦でよく製造のし易さの点で望ましい。その際は、全てのダイアフラム型3
軸加速度センサー素子について、上記間隔が、測定レンジ内において錘部が規制板に衝突
せず、かつ錘部が規制板に衝突する前に可撓部が破損しないような間隔となるようにする
。また、上記を満たす間隔が得られない、あるいはより信頼性を重視する場合には、測定
レンジが大きいほど、錘部と規制板の間隔が狭くなるように規制板を配置する。その際は
、例えば規制板に深さの異なるキャビティー部を形成することで実現できる。また、測定
レンジが大きい第nから逆順にいくつかのダイアフラム型3軸加速度センサー素子につい
ては、発生が想定される加速度に対して可撓部が破損する恐れがない場合に、その上下に
規制板が配置されていなくてもよい。
By making the distance between the weight portion of each diaphragm type triaxial acceleration sensor element and the restriction plate the same, the restriction plate is flat and desirable in terms of ease of manufacture. In that case, all
With respect to the axial acceleration sensor element, the interval is set such that the weight portion does not collide with the restricting plate in the measurement range and the flexible portion is not damaged before the weight portion collides with the restricting plate. In addition, when the interval satisfying the above cannot be obtained or when more importance is attached to the reliability, the restriction plate is arranged so that the distance between the weight part and the restriction plate becomes narrower as the measurement range is larger. In that case, it is realizable by forming the cavity part from which a depth differs, for example in a control board. In addition, for some diaphragm type triaxial acceleration sensor elements in reverse order from the nth measurement range having a large measurement range, when there is no possibility that the flexible part is damaged due to the acceleration that is expected to occur, the restriction plates are vertically May not be arranged.
本願発明のマルチレンジ3軸加速度センサーは、第一から第nのダイアフラム型3軸加
速度センサー素子の少なくとも1つの3軸加速度センサー素子が、枠部と、対を成す梁部
2対を介して枠部に保持される錘部と、梁部に設けられた半導体ピエゾ抵抗素子と、それ
らを接続する配線を有する梁型3軸加速度センサー素子に置き換えることができる。
In the multi-range triaxial acceleration sensor of the present invention, at least one triaxial acceleration sensor element of the first to nth diaphragm type triaxial acceleration sensor elements has a frame portion and a pair of beam portions that form a pair. It can be replaced with a beam type triaxial acceleration sensor element having a weight part held by the part, a semiconductor piezoresistive element provided on the beam part, and a wiring connecting them.
ダイアフラム型3軸加速度センサー素子と梁型3軸加速度センサー素子の何れを用いる
かは、加速度の測定範囲やセンサー素子の外形寸法、製造のやり易さ等から、決めること
ができる。第一をダイアフラム型、第二を梁型、第三をダイアフラム型の様な組合せや、
第一を梁型、第二と第三をダイアフラム型とする組合せもできるものである。梁型3軸加
速度センサー素子は、薄いシリコン層に対してエッチング加工することにより梁部を形成
する。加工プロセスが増えるものの、ダイアフラム型3軸加速度センサー素子の加工しな
い状態のダイアフラム状の可撓部と比較して、梁部の曲げ剛性を小さくでき、単位加速度
あたりの出力を大きくすることができる。第一の3軸加速度センサー素子に梁型を適用す
ることで、第一の3軸加速度センサー素子のサイズを小さくして、マルチレンジ加速度セ
ンサーチップ全体のサイズを小さくすることができる。以降、特に断りのない限り、ダイ
アフラム型3軸加速度センサー素子と梁型3軸加速度センサー素子を合わせて、3軸加速
度センサー素子と称する。
Which of the diaphragm type triaxial acceleration sensor element and the beam type triaxial acceleration sensor element is used can be determined from the measurement range of the acceleration, the external dimensions of the sensor element, the ease of manufacture, and the like. The first is a diaphragm type, the second is a beam type, the third is a combination like a diaphragm type,
A combination in which the first is a beam type and the second and third are diaphragm types is also possible. The beam-type triaxial acceleration sensor element forms a beam portion by etching a thin silicon layer. Although the machining process is increased, the bending rigidity of the beam portion can be reduced and the output per unit acceleration can be increased as compared with the diaphragm-shaped flexible portion of the diaphragm type triaxial acceleration sensor element that is not processed. By applying a beam shape to the first triaxial acceleration sensor element, the size of the first triaxial acceleration sensor element can be reduced, and the size of the entire multi-range acceleration sensor chip can be reduced. Hereinafter, unless otherwise specified, the diaphragm type triaxial acceleration sensor element and the beam type triaxial acceleration sensor element are collectively referred to as a triaxial acceleration sensor element.
本願発明のマルチレンジ3軸加速度センサーは、マルチレンジセンサーチップの第一か
ら第nの3軸加速度センサー素子は、第一の3軸加速度センサー素子を構成する枠部の少
なくとも1つ以上の枠辺の中に、第二から第nの3軸加速度センサー素子を形成すること
が好ましい。
In the multi-range triaxial acceleration sensor of the present invention, the first to n-th triaxial acceleration sensor elements of the multi-range sensor chip are at least one frame side of the frame portion constituting the first triaxial acceleration sensor element. It is preferable to form the second to nth triaxial acceleration sensor elements.
第二から第nの3軸加速度センサー素子を第一の3軸加速度センサー素子の枠部の枠辺
の中に形成することにより、各3軸加速度センサー素子が枠部を共有し、小さな面積の中
に複数のレンジの3軸加速度センサー素子を配置することができる。また、各3軸加速度
センサー素子はそれぞれの枠部により分離されており、各々の振動が他の3軸加速度セン
サー素子に影響を与えることがなく、また錘部が他の加速度センサー素子の錘部に干渉す
ることがない。
By forming the second to nth triaxial acceleration sensor elements in the frame side of the frame portion of the first triaxial acceleration sensor element, each triaxial acceleration sensor element shares the frame portion and has a small area. A plurality of ranges of three-axis acceleration sensor elements can be disposed therein. In addition, each triaxial acceleration sensor element is separated by a respective frame portion, so that each vibration does not affect other triaxial acceleration sensor elements, and the weight portion is the weight portion of the other acceleration sensor element. There is no interference.
本願発明のマルチレンジ3軸加速度センサーは、全ての3軸加速度センサー素子の可撓
部の厚みが同じであることが好ましい。
In the multi-range triaxial acceleration sensor of the present invention, it is preferable that the thickness of the flexible portion of all the triaxial acceleration sensor elements is the same.
本願の3軸加速度センサー素子においては、可撓部の厚みが変化すると、単位加速度に
対する出力電圧が敏感に変化するため、可撓部の厚みを精度よく形成することが望ましい
。そこで薄いシリコン層と厚いシリコン層をシリコン酸化膜層を介して積層したSOI(
Silicon on Insulator)基板を用いて加工することが望ましい。厚
いシリコン層を加工して錘部を形成し、加工によりシリコン層が除去された部分は薄いシ
リコン層が残り、可撓部が形成される。本願のマルチレンジ3軸加速度センサーでは、全
ての3軸加速度センサー素子の可撓部の厚さを同じにすることで、薄いシリコン層に厚さ
の異なる可撓部を形成する必要がないので、薄いシリコン層の厚みをそのまま利用して、
全ての3軸加速度センサー素子の可撓部を一括して形成でき、製造工数を少なくできるの
で低コストで製造できる。
In the triaxial acceleration sensor element of the present application, when the thickness of the flexible portion changes, the output voltage with respect to the unit acceleration changes sensitively. Therefore, it is desirable to form the thickness of the flexible portion with high accuracy. Therefore, SOI (a thin silicon layer and a thick silicon layer stacked via a silicon oxide film layer)
It is desirable to process using a silicon on insulator substrate. A thick silicon layer is processed to form a weight portion, and a thin silicon layer remains in a portion where the silicon layer is removed by processing, thereby forming a flexible portion. In the multi-range triaxial acceleration sensor of the present application, it is not necessary to form flexible portions having different thicknesses in a thin silicon layer by making the thicknesses of the flexible portions of all the triaxial acceleration sensor elements the same. Using the thickness of the thin silicon layer as it is,
The flexible portions of all the three-axis acceleration sensor elements can be formed at once, and the number of manufacturing steps can be reduced, so that it can be manufactured at low cost.
本願発明のマルチレンジ3軸加速度センサーは、全ての3軸加速度センサー素子の錘部
の厚みが同じであることが好ましい。
In the multi-range triaxial acceleration sensor of the present invention, it is preferable that the thicknesses of the weight portions of all the triaxial acceleration sensor elements are the same.
本願発明のマルチレンジ3軸加速度センサーは、全ての3軸加速度センサー素子の錘部
および枠部の厚みが同じであることが好ましい。
In the multi-range triaxial acceleration sensor of the present invention, it is preferable that the thicknesses and the frame portions of all the triaxial acceleration sensor elements have the same thickness.
可撓部と同様に枠部と錘部も全ての3軸加速度センサー素子で厚みを同じにすることで
、厚いシリコン層の厚みをそのまま利用して、全ての3軸加速度センサー素子の錘部を一
度のエッチングで一括して形成できる。これにより、製造工数を少なくできるので低コス
トで製造できる。
Like the flexible part, the frame part and the weight part have the same thickness in all the three-axis acceleration sensor elements, and the weight part of all the three-axis acceleration sensor elements is used by using the thickness of the thick silicon layer as it is. It can be formed all at once with a single etching. Thereby, since a manufacturing man-hour can be reduced, it can manufacture at low cost.
また、枠部と錘部の下面の位置が同一面内に揃うことから、枠部の少なくとも3箇所に
おいて、同じ高さのスペーサを介してマルチレンジ加速度センサーチップと下の規制板を
配置することで、錘下面と規制板の間隔を全ての3軸加速度センサー素子で同一にするこ
とが容易に可能である。
In addition, since the positions of the lower surface of the frame portion and the weight portion are aligned within the same plane, the multi-range acceleration sensor chip and the lower regulating plate are disposed via spacers of the same height in at least three positions of the frame portion. Thus, the distance between the lower surface of the weight and the regulating plate can be easily made the same for all the three-axis acceleration sensor elements.
本願発明のマルチレンジ3軸加速度センサーは、第一から第nの3軸加速度センサー素
子まで順に、錘部の質量が小さくなることが好ましい。
In the multi-range triaxial acceleration sensor of the present invention, it is preferable that the mass of the weight portion decreases in order from the first to the nth triaxial acceleration sensor element.
錘部の質量を小さくすることにより、単位加速度に対して錘部に作用する力が小さくな
るので、単位加速度あたりの出力電圧を小さくできる。本願発明のマルチレンジ3軸加速
度センサーにおいては、前述のように錘部の厚さを同じにすることが望ましいので、チッ
プ面内における寸法を小さくすることで錘部の質量を小さくするのが望ましい。
By reducing the mass of the weight portion, the force acting on the weight portion with respect to the unit acceleration is reduced, so that the output voltage per unit acceleration can be reduced. In the multi-range three-axis acceleration sensor of the present invention, it is desirable that the thickness of the weight part is the same as described above. Therefore, it is desirable to reduce the mass of the weight part by reducing the dimensions in the chip surface. .
本願発明のマルチレンジ3軸加速度センサーは、第一から第nの3軸加速度センサー素
子まで順に、錘部と枠部との間の距離が短くなることが好ましい。
In the multi-range triaxial acceleration sensor of the present invention, it is preferable that the distance between the weight portion and the frame portion becomes shorter in order from the first to the nth triaxial acceleration sensor element.
錘部と枠部との間の距離を短くすることで、両者の間を接続している可撓部の曲げ剛性
が大きくなるので、単位加速度に対して可撓部に発生する応力が小さくなり、単位加速度
に対する出力電圧を小さくできる。
By shortening the distance between the weight part and the frame part, the bending rigidity of the flexible part connecting the two parts increases, so the stress generated in the flexible part with respect to unit acceleration decreases. The output voltage per unit acceleration can be reduced.
本願発明のマルチレンジ3軸加速度センサーは、第一から第nの3軸加速度センサー素
子まで順に、可撓部と枠部の接続部で囲まれた面積が小さくなることが好ましい。
In the multi-range triaxial acceleration sensor of the present invention, it is preferable that the area surrounded by the connection portion between the flexible portion and the frame portion is reduced in order from the first to the nth triaxial acceleration sensor element.
可撓部と枠部の接続部で囲まれた面積とは、すなわち枠部の内部領域の寸法であり、3
軸加速度センサー素子のチップ面内に占める寸法と言い換えられる。その寸法が小さいほ
ど、錘部の寸法が小さく、また錘部と枠部との間の距離が短くなるため、錘部に作用する
力が小さくなり、また可撓部の曲げ剛性が高くなり、単位加速度あたりの出力電圧を小さ
くできる。
The area surrounded by the connection portion between the flexible portion and the frame portion is the size of the inner region of the frame portion, and 3
In other words, the dimension occupying the chip surface of the axial acceleration sensor element. The smaller the dimension, the smaller the dimension of the weight part, and the shorter the distance between the weight part and the frame part, the smaller the force acting on the weight part, and the higher the bending rigidity of the flexible part, The output voltage per unit acceleration can be reduced.
本願発明のマルチレンジ3軸加速度センサーは、第二から第nのうち少なくとも1つの
3軸加速度センサー素子が、枠部と、対を成す梁部で枠部に保持される錘部と、梁部に設
けられた半導体ピエゾ抵抗素子と、それらを接続する配線を有し、梁部が形成される面内
の第一の軸と、前記面に略垂直な第二の軸の加速度を検出可能な梁型2軸加速度センサー
素子2個を、第一の軸同士が互いに直交するように配置してなる3軸加速度センサー素子
により構成されていることが好ましい。
The multi-range triaxial acceleration sensor according to the present invention includes at least one triaxial acceleration sensor element from the second to the nth, a frame portion, a weight portion held by the frame portion by a pair of beam portions, and a beam portion The semiconductor piezoresistive element provided on the substrate and the wiring connecting them can detect the acceleration of the first axis in the plane where the beam portion is formed and the second axis substantially perpendicular to the plane. It is preferable that two beam-type two-axis acceleration sensor elements are constituted by a three-axis acceleration sensor element in which the first axes are arranged so as to be orthogonal to each other.
梁型2軸加速度センサー素子は、梁対を2つ有する梁型3軸加速度センサー素子と比較
して、梁部全体の曲げ剛性が小さくなるので、同じ出力を得るのに錘部を小さくできる。
また、梁対がない方向の寸法が小さくなる。例えば最も外形寸法の大きい第一の3軸加速
度センサー素子の周囲に配置することで、マルチレンジ加速度センサーチップの寸法を小
さくすることができる。
Compared with a beam-type triaxial acceleration sensor element having two beam pairs, the beam-type biaxial acceleration sensor element has a smaller bending rigidity in order to obtain the same output since the bending rigidity of the entire beam portion is reduced.
Further, the dimension in the direction where there is no beam pair is reduced. For example, the size of the multi-range acceleration sensor chip can be reduced by arranging it around the first three-axis acceleration sensor element having the largest outer dimension.
本願発明のマルチレンジ3軸加速度センサーは、全ての梁型2軸加速度センサー素子の
梁部と3軸加速度センサー素子の可撓部の厚みが同じであることが好ましい。
In the multi-range triaxial acceleration sensor of the present invention, it is preferable that the beam portions of all the beam type biaxial acceleration sensor elements and the flexible portions of the triaxial acceleration sensor elements have the same thickness.
全ての、梁型2軸加速度センサー素子と3軸加速度センサー素子の可撓部の厚さを同じ
にすることで、薄いシリコン層に厚さの異なる可撓部を形成する必要がないので、薄いシ
リコン層の厚みをそのまま利用して、全ての2軸と3軸の加速度センサー素子の可撓部を
一括して形成できるので、製造工数を少なくできるので低コストで製造できる。
All the beam-type 2-axis acceleration sensor elements and 3-axis acceleration sensor elements have the same thickness, so that it is not necessary to form flexible parts having different thicknesses in a thin silicon layer. By using the thickness of the silicon layer as it is, the flexible portions of all the biaxial and triaxial acceleration sensor elements can be formed in a lump, so that the number of manufacturing steps can be reduced and the production can be performed at low cost.
本願発明のマルチレンジ3軸加速度センサーは、全ての梁型2軸加速度センサー素子と
3軸加速度センサー素子の錘部の厚みが同じであることが好ましい。
In the multi-range triaxial acceleration sensor of the present invention, it is preferable that the thicknesses of the weight portions of all the beam type biaxial acceleration sensor elements and the triaxial acceleration sensor elements are the same.
可撓部と同様に枠部と錘部も、全ての梁型2軸加速度センサー素子と3軸加速度センサ
ー素子で厚みが同じにすることにより、厚いシリコン層の厚みをそのまま利用して、全て
の梁型2軸加速度センサー素子と3軸加速度センサー素子の錘部を一度のエッチングで一
括して形成できることから、製造工数を少なくできるので低コストで製造できる。
Like the flexible part, the frame part and the weight part have the same thickness in all beam-type biaxial acceleration sensor elements and triaxial acceleration sensor elements, so that the thickness of the thick silicon layer is used as it is. Since the beam-shaped two-axis acceleration sensor element and the weight part of the three-axis acceleration sensor element can be formed at a time by one etching, the number of manufacturing steps can be reduced, so that it can be manufactured at low cost.
本願発明のマルチレンジ3軸加速度センサーは、全ての梁型2軸加速度センサー素子と
3軸加速度センサー素子の錘部および枠部の厚みが同じであることが好ましい。
In the multi-range triaxial acceleration sensor of the present invention, it is preferable that the thicknesses of the weight portion and the frame portion of all the beam type biaxial acceleration sensor elements and the triaxial acceleration sensor elements are the same.
可撓部と同様に枠部と錘部も全ての梁型2軸加速度センサー素子と3軸加速度センサー
素子で厚みを同じにすることにより、厚いシリコン層の厚みをそのまま利用して、全ての
梁型2軸加速度センサー素子と3軸加速度センサー素子の錘部を一度のエッチングで一括
して形成できることから、製造工数を少なくできるので低コストで製造できる。
Like the flexible part, the frame part and the weight part have the same thickness for all beam-type two-axis acceleration sensor elements and three-axis acceleration sensor elements. Since the weight portions of the mold 2-axis acceleration sensor element and the 3-axis acceleration sensor element can be formed all at once by a single etching, the number of manufacturing steps can be reduced and the manufacturing can be performed at low cost.
本願発明のマルチレンジ加速度センサーによれば、複数の3軸加速度センサー素子を同
一チップに一括形成できることから、素子ごとに個別の加工工程を必要とせず、枠部も共
有化できて、複数レンジの3軸加速度検出可能なマルチレンジ加速度センサーを小型かつ
安価に提供できる。
According to the multi-range acceleration sensor of the present invention, since a plurality of three-axis acceleration sensor elements can be collectively formed on the same chip, individual processing steps are not required for each element, and the frame portion can also be shared, A multi-range acceleration sensor capable of detecting three-axis acceleration can be provided in a small and inexpensive manner.
以下本発明を図面を参照しながら実施例に基づいて詳細に説明する。説明を判り易くす
るため、同一の部品、部位には同じ符号を用いている。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples with reference to the drawings. In order to make the explanation easy to understand, the same reference numerals are used for the same parts and parts.
本発明の第1の実施例のマルチレンジ加速度センサーについて、図1から図3を用いて
以下説明する。図1は、実施例1のマルチレンジ加速度センサーの展開斜視図、図2はマ
ルチレンジセンサーチップの斜視図である。図3は図1のj−j’断面図である。図1に
おいて、マルチレンジ加速度センサー40は、ダイアフラム型3軸加速度センサー素子が
形成されたマルチレンジセンサーチップ41と、検出回路が形成され、センサー素子の動
きを規制する役割も持つIC規制板42を、アルミナ製のケース1内に設置し、アルミナ
製のケース蓋8で封止した構成とした。マルチレンジセンサーチップ41のチップ端子4
と、IC規制板のIC端子43の間、およびケース1の外部端子7と接続しているケース
端子6と、IC端子43との間を、ワイヤー5で接続することで、センサーの検出信号が
外部端子7から取り出せる。
A multi-range acceleration sensor according to a first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 is a developed perspective view of the multi-range acceleration sensor according to the first embodiment, and FIG. 2 is a perspective view of the multi-range sensor chip. 3 is a cross-sectional view taken along the line j ′ of FIG. In FIG. 1, a
And the
図3に示すように、マルチレンジセンサーチップ41はケース1の内底に、接着剤16
を用いて固着した。接着剤16にはプラスチック球が混練されており、センサー素子の錘
部47とケース3内底の間に一定の間隔が形成される。IC規制板42も同様にプラスチ
ック球が混練された接着材16によりマルチレンジセンサーチップ41上に接着し、セン
サー素子の錘部とIC規制板42の間も一定の間隔が形成されるようにした。ケース蓋8
をケース1に接着剤17で固着して密封し、マルチレンジ3軸加速度センサー40を形成
した。
As shown in FIG. 3, the
It was fixed using. Plastic balls are kneaded in the adhesive 16, and a constant interval is formed between the
Was fixed to the
図2を用いてマルチレンジセンサーチップ41の構造を説明する。マルチレンジセンサ
ーチップ41には、第一のダイアフラム型3軸加速度センサー素子44と第二のダイアフ
ラム型3軸加速度センサー素子44’が形成されている。ダイアフラム型3軸加速度セン
サー素子44は、枠部46内に錘部47が、枠部46および錘部47よりも薄く形成され
たダイアフラム状の可撓部48によって支持されている。マルチレンジセンサーチップ4
1の平面方向にX軸およびY軸、垂直方向にZ軸を設定したとき、可撓部48上に、X軸
方向加速度検出用のピエゾ抵抗素子であるX軸ピエゾ13をX軸に沿って形成し、Y軸方
向加速度検出用のY軸ピエゾ14をY軸に沿って形成した。Z軸加速度検出用のZ軸ピエ
ゾ15はどちらの軸方向でもよいが、ここではX軸に沿って形成した。ピエゾ抵抗素子は
各軸ごとに4本形成し、図示していない配線により接続してブリッジ回路を構成した。加
速度により錘部に力がかかって変位し、可撓部が変形することでピエゾ抵抗素子の電気抵
抗が変化し、4本のピエゾ抵抗素子の抵抗変化量差による電位差をブリッジ回路で取り出
すことで、加速度を検出できる。
The structure of the
When the X-axis and Y-axis are set in the
第二のダイアフラム型3軸加速度センサー素子44’も同様の構成となっているが、第
二のダイアフラム型3軸加速度センサー素子44’は第一のダイアフラム型3軸加速度セ
ンサー素子44の枠部46の一つの枠辺に形成している。
The second diaphragm type triaxial
第二のダイアフラム型3軸加速度センサー素子44’は、第一のダイアフラム型3軸加
速度センサー素子44と比べて、単位加速度あたりの出力電圧が小さくなるようにした。
すなわち出力電圧のフルスケールに対して、第二のダイアフラム型3軸加速度センサー素
子44’の方が測定レンジが広くなるようにした。例えば、第一のダイアフラム型3軸加
速度センサー素子44の測定レンジを±数Gとして落下検出に用い、第二のダイアフラム
型3軸加速度センサー素子44’の測定レンジを±数百Gとして衝撃検知に用いることが
できる。またマルチレンジセンサーチップ上には、チップ端子4を複数形成した。
The second diaphragm type triaxial
That is, the second diaphragm type triaxial
加速度センサー素子の製造方法を簡単に説明する。約400μm厚のシリコン板に数μ
mのシリコン酸化層と6μmのシリコン層を有するSOI(Silicon on In
sulator)ウエハーを使用した。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1〜3x1018原子/cm3打ち込みピエゾ抵抗を形成し、ピエゾ抵抗に接
続する配線を、金属スパッタ−とドライエッチング装置を用いて形成した。シリコン板を
フォトリソとドライエッチング装置を用いて加工し、錘部の形状を作成した。シリコン板
の除去された部分はシリコン層の厚みが残り、この部分が可撓部となる。シリコン酸化層
はシリコンのドライエッチングの際にエッチングストッパーとして機能する。1枚のウエ
ハーに多数のチップを作製し、ドライエッチングあるいはダイシングにより単体チップに
分離した。
A method for manufacturing the acceleration sensor element will be briefly described. Several microns on a silicon plate with a thickness of about 400
SOI (Silicon on In) having a silicon oxide layer of m and a silicon layer of 6 μm
sulator) wafers were used. Patterning was performed with a photoresist, boron was implanted into the silicon layer at 1 to 3 × 10 18 atoms / cm 3 to form a piezoresistor, and a wiring connected to the piezoresistor was formed using a metal sputtering and dry etching apparatus. The silicon plate was processed using photolithography and a dry etching apparatus to create the shape of the weight portion. The removed portion of the silicon plate retains the thickness of the silicon layer, and this portion becomes a flexible portion. The silicon oxide layer functions as an etching stopper during dry etching of silicon. A large number of chips were produced on one wafer and separated into single chips by dry etching or dicing.
本実施例のマルチレンジ加速度センサーにおいては、第一のダイアフラム型3軸加速度
センサー素子44および第二のダイアフラム型3軸加速度センサー素子44’を、一つの
マルチレンジセンサーチップ41に一括して形成可能である。シリコンドライエッチング
のマスクに両者の形状を作りこみ、同時に加工して形成することで、プロセスの追加なく
測定レンジの異なる2つのセンサー素子を形成でき、製造コストを低くできる。また、第
一のダイアフラム型3軸加速度センサー素子44の枠部46内に、第二のダイアフラム型
3軸加速度センサー素子44’を形成するため、2つのセンサー素子の枠部を共通化して
小さい面積に収めることができるので、マルチレンジ加速度センサーを小型化できる。ま
た、2つのセンサー素子の梁部の方向をマスクパターンにより合わせられるので、2つの
センサー素子の加速度検出軸を高精度に一致させることができた。第一のダイアフラム型
3軸加速度センサー素子44と第二のダイアフラム型3軸加速度センサー素子44’の、
枠部46と錘部47、可撓部48の厚みは同じとした。
In the multi-range acceleration sensor of the present embodiment, the first diaphragm type triaxial
The
第二のダイアフラム型3軸加速度センサー素子44’の方が、第一のダイアフラム型3
軸加速度センサー素子44よりも単位加速度あたりの出力電圧を小さくするために、可撓
部の幅、すなわち錘部と枠部間の距離を短くして、可撓部の曲げ剛性を高くすることが望
ましい。また、錘の外形寸法を小さくし、錘の重量を軽くすることが望ましい。それによ
り、錘部と梁部が配置される領域は、第二のダイアフラム型3軸加速度センサー素子44
’の方が小さくなることが望ましい。すなわち枠部内部の空間領域が小さくなることが望
ましい。
The second diaphragm type three-axis acceleration sensor element 44 'is the
In order to make the output voltage per unit acceleration smaller than that of the axial
It is desirable that 'is smaller. That is, it is desirable that the space area inside the frame portion is small.
また、衝撃加速度の検出の場合、加速度センサーが搭載された機器の衝突の衝撃により
、加速度センサーの共振周波数付近の振動が加速度センサーに与えられると、共振周波数
での振動が減衰されずに残留して、検出波形に不具合を生じる恐れがある。そのため、衝
撃検知では、共振周波数を高くする必要がある。高加速度レンジを測定する第二の3軸加
速度センサー素子44’は、可撓部の曲げ剛性を高く、錘の重量を軽くするため、センサ
ー素子の共振周波数も高くなることから、衝撃検出に用いやすいという特徴が得られた。
In the case of impact acceleration detection, if vibration near the resonance frequency of the acceleration sensor is applied to the acceleration sensor due to the impact of a collision of a device equipped with the acceleration sensor, the vibration at the resonance frequency remains without being attenuated. As a result, there is a risk of malfunction in the detected waveform. Therefore, it is necessary to increase the resonance frequency in impact detection. The second three-axis
低加速度レンジを測定する第一のダイアフラム型3軸加速度センサー素子44は、測定
レンジを大きく超える加速度が与えられると、ダイアフラム状の可撓部に過大な応力がか
かり、可撓部が破損する恐れがある。そのため、センサー素子の錘部の上下に所定の間隔
を与えて規制板を配置した。本実施例では、錘部の上方には検出回路を形成したICチッ
プであるIC規制板42を配置し、錘部の下方はケース1の内底を規制板として用いた。
IC規制板42およびケース1の内底を用いることで、別に独立した規制板を設置するよ
りもセンサー全体の厚さを薄くできる。規制板と錘部との間隔は、測定レンジ内で錘部が
規制板に衝突することがなく、かつ可撓部が破損するほど可撓部が変形する前に錘部が規
制板に衝突するような間隔とする。間隔を精度良く形成するため、接着剤16に外径がほ
ぼ一定なプラスチック球を混練しておき、プラスチック球をスペーサとして間隔を規制で
きるようにした。測定レンジが大きい第二のダイアフラム型3軸加速度センサー素子44
’は、想定される最大の加速度がかかっても可撓部が破壊に至らない場合があり、そのと
きは第二のダイアフラム型3軸加速度センサー素子44’の上下には規制板がなくてもよ
い。すなわちIC規制板42は第一のダイアフラム型3軸加速度センサー素子44上方を
カバーし、第二のダイアフラム型3軸加速度センサー素子44’上方はカバーしない領域
に配置しても良い。
In the first diaphragm type triaxial
By using the
'May cause the flexible part not to be destroyed even when the assumed maximum acceleration is applied, in which case there is no restriction plate above and below the second diaphragm type triaxial acceleration sensor element 44'. Good. That is, the
本発明の第2の実施例のマルチレンジ3軸加速度センサーについて以下説明する。図4
は実施例2のマルチレンジセンサーチップ51の構造を示す。実施例1の低加速度レンジ
を測定する第一のダイアフラム型3軸加速度センサー素子44を、梁型3軸加速度センサ
ー素子45に変更したものである。マルチレンジセンサーチップ51は低加速度レンジを
測定する梁型3軸加速度センサー素子45と、高加速度レンジを測定するダイアフラム型
3軸加速度センサー素子44を有する。ダイアフラム型3軸加速度センサー素子44は、
枠部46内に錘部47を可撓部48によって支持した構造で、梁型3軸加速度センサー素
子44は、枠部46内に錘部11を2対の2本の梁から成る梁部12によって支持した。
梁部12上に、図10b)に示したようにX軸ピエゾ13とY軸ピエゾ14、Z軸ピエゾ
15を形成した。ダイアフラム型3軸加速度センサー素子44は梁型3軸加速度センサー
素子45の枠部46の一つの枠辺に形成している。低加速度レンジを測定する梁型3軸加
速度センサー素子45と、高加速度レンジを測定するダイアフラム型3軸加速度センサー
素子44の、枠部46と錘部11と47、可撓部12と48は同じ厚みとした。
A multi-range triaxial acceleration sensor according to the second embodiment of the present invention will be described below. FIG.
These show the structure of the
In the structure in which the
An X-axis piezo 13, a Y-
3軸加速度センサー素子の可撓部を梁形状とすることで、可撓部の曲げ剛性が低下して
単位加速度当たりの出力を増加させることができた。そのため、実施例1に比べ低加速度
レンジを測定する梁型3軸加速度センサー素子45と高加速度レンジを測定するダイアフ
ラム型3軸加速度センサー素子44の両センサー素子の単位加速度当たりの出力の比を大
きくすることができた。
By making the flexible part of the triaxial acceleration sensor element into a beam shape, the bending rigidity of the flexible part was lowered, and the output per unit acceleration could be increased. Therefore, the output ratio per unit acceleration of the beam type triaxial
本発明の第3の実施例は、加速度検出のレンジをさらに追加して、3つの異なる加速度
レンジで3軸加速度が検出できるマルチレンジ加速度センサーである。マルチレンジセン
サーチップ52の概略構造を図5に示す。第一のダイアフラム型3軸加速度センサー素子
44の枠部46の枠辺内に、第二のダイアフラム型3軸加速度センサー素子44’に加え
て、第三のダイアフラム型3軸加速度センサー素子44”を配置した。第一から第三のダ
イアフラム型3軸加速度センサー素子44,44’、44”は、第一から第三にかけて、
単位加速度に対する出力電圧が小さくなるようにして、第一から第三の順に加速度測定レ
ンジが大きくなるようにした。例えば、第一のダイアフラム型3軸加速度センサー素子を
±3G、第二のダイアフラム型3軸加速度センサー素子を±30G、第三のダイアフラム
型3軸加速度センサー素子を±600Gというようにする。第一から第三まで順に単位加
速度に対する出力電圧を小さくするため、第一から第三まで順に錘部の寸法を小さく、ま
た可撓部の長さも短くした。
The third embodiment of the present invention is a multi-range acceleration sensor capable of detecting triaxial acceleration in three different acceleration ranges by further adding an acceleration detection range. A schematic structure of the multi-range sensor chip 52 is shown in FIG. In addition to the second diaphragm type triaxial
The output voltage with respect to the unit acceleration was decreased, and the acceleration measurement range was increased from the first to the third. For example, the first diaphragm type triaxial acceleration sensor element is ± 3G, the second diaphragm type triaxial acceleration sensor element is ± 30G, and the third diaphragm type triaxial acceleration sensor element is ± 600G. In order to reduce the output voltage with respect to the unit acceleration in order from the first to the third, the dimension of the weight portion was made smaller in order from the first to the third, and the length of the flexible portion was also made shorter.
本実施例では、第一のダイアフラム型3軸加速度センサー素子は方形で、第二のダイア
フラム型3軸加速度センサー素子44’は多角形、第三のダイアフラム型3軸加速度セン
サー素子44”は円形の可撓部とし、それに合わせて枠部46と錘部47も形状を変えて
いる。このように、方形に限らず、多角形や円形を選択することができる。また、第一か
ら第三のダイアフラム型3軸加速度センサー素子の、枠部46と錘部47、可撓部48は
同じ厚みとした。
In this embodiment, the first diaphragm type triaxial acceleration sensor element is square, the second diaphragm type triaxial acceleration sensor element 44 'is polygonal, and the third diaphragm type triaxial
本発明の第4の実施例のマルチレンジ3軸加速度センサーについて以下説明する。図6
に、実施例4のマルチレンジセンサーチップ53の構造を示す。本実施例は、低加速度レ
ンジを測定する梁型3軸加速度センサー素子45、中加速度レンジを測定する2個の梁型
2軸加速度センサー61と61’高加速度レンジを測定するダイアフラム型3軸加速度セ
ンサー素子44の構成である。梁型2軸加速度センサー61と61’は、錘部62と枠部
64を1対の梁部63で繋いでいる。梁型2軸加速度センサー61の梁部63にはX軸用
ピエゾとZ軸用ピエゾを形成し、梁型2軸加速度センサー61’の梁部63にはY軸用ピ
エゾを形成した。ダイアフラム型3軸加速度センサー素子44と2個の梁型2軸加速度セ
ンサー61と61’は、梁型3軸加速度センサー素子45の枠部46の2つの枠辺に形成
した。
A multi-range triaxial acceleration sensor according to the fourth embodiment of the present invention will be described below. FIG.
The structure of the
梁型2軸加速度センサー素子61,61’は対を成す梁部63が1対であるところが梁
型3軸加速度センサー素子45と異なる。梁部63に形成した半導体ピエゾ抵抗素子(符
号は省略している)により、梁部63の長手方向である第一の軸(X軸)と、チップ面に
垂直な第二の軸(Z軸)の加速度を検出可能である。この2軸加速度センサー素子2個を
第一の軸が直交するように配置することで、2個の素子それぞれの第一の軸方向である2
軸(X軸およびY軸)と、Z軸の3軸を検出することができる。Z軸の検出は、2つの素
子のどちらか一方で行ってもよいし、両方の素子を用いてもよい。本実施例では、第一の
梁型2軸加速度センサー素子61の梁部62をX軸に沿って配置し、X軸ピエゾおよびZ
軸ピエゾを形成した。そして、第二の梁型2軸加速度センサー素子61’の梁部63をY
軸に沿って配置してY軸ピエゾを形成した。
The beam-type two-axis
An axis (X axis and Y axis) and three axes of the Z axis can be detected. The detection of the Z axis may be performed by either one of the two elements, or both elements may be used. In this embodiment, the
An axial piezo was formed. Then, the
A Y axis piezo was formed along the axis.
梁型2軸加速度センサー素子は梁部が1対であるため、梁部が2対ある梁型3軸加速度
センサー素子よりも梁部の合計の曲げ剛性が小さく、単位加速度あたりの出力電圧を同じ
にするための錘部の寸法を小さくできる。梁部も一方向にしか伸びていないため、より小
さい枠部内に収めることができた。
Since the beam type biaxial acceleration sensor element has a pair of beam portions, the total bending rigidity of the beam portion is smaller than that of the beam type triaxial acceleration sensor element having two pairs of beam portions, and the output voltage per unit acceleration is the same. The dimension of the weight part for making can be reduced. Since the beam also extends in only one direction, it could fit within a smaller frame.
本発明の第5の実施例について説明する。マルチレンジ加速度センサーの全体構成は、
実施例1に示した構成に限るものではない。マルチレンジセンサーチップ41にウエハー
レベルパッケージング技術を適用した実施例について、図7および図8の断面図を用いて
説明する。図7に示すように、マルチレンジセンサーチップ41の上下に第一キャップ7
0および第二キャップ71を接合した。第一キャップ70および第二キャップ71は中央
部にキャビティーを72有し、周辺部でマルチレンジセンサーチップ41と接合して、セ
ンサーチップパッケージ75を得た。接合部はマルチレンジセンサーチップ41のセンサ
ー素子部形成領域の外側の枠部46に配置した。センサー素子部は第一キャップ70およ
び第二キャップ71で囲まれた気密パッケージ内に保護されており、湿度や異物などの影
響によるセンサー素子の特性の変動を抑えている。
A fifth embodiment of the present invention will be described. The overall configuration of the multi-range acceleration sensor is
The configuration is not limited to that shown in the first embodiment. An embodiment in which the wafer level packaging technology is applied to the
0 and the
また、第一キャップ70および第二キャップ71は、センサー素子部の錘部と第一キャ
ップ70および第二キャップ71の間に適切な間隔を有し、過大な加速度が加わったとき
に錘部の変位量を規制して可撓部が破損するのを防ぐ規制板の役割をする。マルチレンジ
センサーチップ41の表面にはチップ保護膜73を形成し、気密パッケージの外部に配置
されるチップ端子4と、ピエゾ抵抗素子とをつなぐ配線74は、チップ保護膜73の下か
ら気密パッケージ外部に引き出されるようにした。第一キャップ70および第二キャップ
71はシリコンウエハーを用い、シリコンの異方性エッチングまたはドライエッチングで
キャビティー72を加工した。マルチレンジセンサーチップ41と第一キャップ70およ
び第二キャップ71の接合はウエハーレベルで行い、接合後に個々のセンサーチップパッ
ケージ75に個片化した。接合方法はAu/Snのはんだ接合を用いた。その他にも、各
種金属のはんだ接合や共晶接合、表面活性化接合、陽極接合、低融点ガラス接合などを用
いることができる。個片化の際には、チップ端子4を露出する必要があるため、第一キャ
ップ70にはチップ電極の上方領域にもキャビティー72を形成しておき、第一キャップ
70のみを矢印で示した第一ダイシング部76で切断することで、チップ端子4を露出し
た。その後、マルチレンジセンサーチップ41と第二キャップ71を第二ダイシング部7
7で切断して個片化し、センサーチップパッケージ75を得た。
The
7 was cut into individual pieces, and a
センサー素子部が気密パッケージ内に保護されているので、センサー全体のパッケージ
には一般的に利用されている安価なプラスチックパッケージを適用した。金属リードフレ
ームと樹脂封止を用いた実施例を図8に示す。金属リードフレーム85のチップ支持板7
8上に樹脂製の接着剤79によりICチップ80を、ICチップ80上に樹脂製の接着剤
81によりセンサーチップパッケージ75を接着した。センサーチップパッケージ75の
チップ端子4とICチップ80のIC端子82、およびIC端子82と金属リードフレー
ム85の外部端子83との間をAu製のワイヤー5により接続した後、エポキシ製の封止
樹脂84により封止し、マルチレンジ加速度センサー88を得た。
Since the sensor element part is protected in an airtight package, an inexpensive plastic package that is generally used is applied to the entire sensor package. An embodiment using a metal lead frame and resin sealing is shown in FIG.
The
1 ケース、2 センサーチップ、
3 規制板、4 チップ端子、
5 ワイヤー、6 ケース端子、
7 外部端子、8 ケース蓋、
9 梁型3軸加速度センサー素子、9’ ダイアフラム型3軸加速度センサー素子、
10 枠部、11 錘部、
12 梁部、13 X軸ピエゾ、
14 Y軸ピエゾ、15 Z軸ピエゾ、
16,17 接着剤、19 ダイアフラム、
20 3軸加速度センサー、21,22,23 加速度センサー、
24 回路基板、25 加速度センサー装置、
30 マルチレンジ加速度センサー、31 枠、
32 梁、33 錘、
34 電極、40 マルチレンジ加速度センサー、
41 マルチレンジセンサーチップ、42 IC規制板、
43 IC端子、44,44’,44” ダイアフラム型3軸加速度センサー素子、
45 梁型3軸加速度センサー素子、 46 枠部、
47 錘部、48 可撓部、
51,52,53 マルチレンジセンサーチップ、
61,61’ 梁型2軸加速度センサー素子、62 錘部、
63 梁部、64 枠部、
70 第一キャップ、71 第二キャップ、
72 キャビティー、73 チップ保護膜、
74 配線、75 センサーチップパッケージ、
76 第一ダイシング部、77 第二ダイシング部、
78 チップ支持板、79 接着剤、
80 ICチップ、81 接着剤、
82 IC端子、83 外部端子、
84 封止樹脂、85 金属リードフレーム、
88 マルチレンジ加速度センサー。
1 case, 2 sensor chip,
3 Regulatory plate, 4 chip terminal,
5 wires, 6 case terminals,
7 External terminal, 8 Case lid,
9 Beam type triaxial acceleration sensor element, 9 'Diaphragm type triaxial acceleration sensor element,
10 frame, 11 weight,
12 beam, 13 X-axis piezo,
14 Y-axis piezo, 15 Z-axis piezo,
16, 17 Adhesive, 19 Diaphragm,
20 3-axis acceleration sensor, 21, 22, 23 acceleration sensor,
24 circuit board, 25 acceleration sensor device,
30 multi-range acceleration sensor, 31 frame,
32 beams, 33 weights,
34 electrodes, 40 multi-range acceleration sensors,
41 Multi-range sensor chip, 42 IC regulation plate,
43 IC terminal, 44, 44 ', 44 "diaphragm type triaxial acceleration sensor element,
45 Beam type triaxial acceleration sensor element, 46 Frame part,
47 weight parts, 48 flexible parts,
51, 52, 53 Multi-range sensor chip,
61, 61 'beam type biaxial acceleration sensor element, 62 weight part,
63 Beam, 64 Frame,
70 first cap, 71 second cap,
72 cavity, 73 chip protection film,
74 wiring, 75 sensor chip package,
76 1st dicing part, 77 2nd dicing part,
78 Chip support plate, 79 Adhesive,
80 IC chips, 81 adhesives,
82 IC terminals, 83 external terminals,
84 sealing resin, 85 metal lead frame,
88 Multi-range acceleration sensor.
Claims (13)
抗素子と、それらを接続する配線を有し、可撓部が形成された面内の2軸と、前記面に略
垂直な軸の3軸の加速度を検出可能なダイアフラム型3軸加速度センサー素子を、2つ以
上同一チップに形成したマルチレンジセンサーチップを有するマルチレンジ3軸加速度セ
ンサーであって、マルチレンジセンサーチップの複数のダイアフラム型3軸加速度センサ
ー素子は、第一から第nのダイアフラム型3軸加速度センサー素子まで順に単位加速度当
たりの出力電圧が小さくなることを特徴とするマルチレンジ3軸加速度センサー。 A surface having a frame, a weight portion held by the frame via the flexible portion, a semiconductor piezoresistive element provided in the flexible portion, and a wiring connecting them, on which the flexible portion is formed Multi-range triaxial acceleration having a multi-range sensor chip in which two or more diaphragm type triaxial acceleration sensor elements capable of detecting triaxial acceleration of an axis substantially perpendicular to the surface are formed on the same chip. The plurality of diaphragm type triaxial acceleration sensor elements of the multi-range sensor chip are characterized in that the output voltage per unit acceleration decreases in order from the first to the nth diaphragm type triaxial acceleration sensor element. Multi-range triaxial acceleration sensor.
センサー素子が、枠部と、対を成す梁部2対を介して枠部に保持される錘部と、梁部に設
けられた半導体ピエゾ抵抗素子と、それらを接続する配線を有する梁型3軸加速度センサ
ー素子に置き換えられたことを特徴とするマルチレンジ3軸加速度センサー。 At least one triaxial acceleration sensor element of the first to nth diaphragm type triaxial acceleration sensor elements includes a frame portion, a weight portion held by the frame portion via two pairs of beam portions, and a beam portion. A multi-range triaxial acceleration sensor, which is replaced with a beam type triaxial acceleration sensor element having a semiconductor piezoresistive element provided on the substrate and wiring for connecting them.
加速度センサー素子を構成する枠部の少なくとも1つ以上の枠辺の中に、第二から第nの
3軸加速度センサー素子が形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載のマ
ルチレンジ3軸加速度センサー。 The first to n-th three-axis acceleration sensor elements of the multi-range sensor chip have second to n-th three in the at least one frame side of the frame part constituting the first three-axis acceleration sensor element. The multi-range triaxial acceleration sensor according to claim 1, wherein an axial acceleration sensor element is formed.
から3いずれかに記載のマルチレンジ3軸加速度センサー。 2. The thickness of the flexible part of all three-axis acceleration sensor elements is the same.
The multi-range triaxial acceleration sensor according to any one of 3 to 3.
ら3いずれかに記載のマルチレンジ3軸加速度センサー。 The multi-range triaxial acceleration sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein all the triaxial acceleration sensor elements have the same thickness of the weight portion.
請求項1から3いずれかに記載のマルチレンジ3軸加速度センサー。 The multi-range triaxial acceleration sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein all the triaxial acceleration sensor elements have the same thickness and frame thickness.
なることを特徴とする請求項1または3に記載のマルチレンジ加速度センサー。 4. The multi-range acceleration sensor according to claim 1, wherein the mass of the weight portion decreases in order from the first to the n-th diaphragm type triaxial acceleration sensor element.
距離が短くなることを特徴とする請求項1または3に記載のマルチレンジ加速度センサー
。 4. The multi-range acceleration sensor according to claim 1, wherein a distance between the weight portion and the frame portion becomes shorter in order from the first to the n-th diaphragm type triaxial acceleration sensor element.
部で囲まれた面積が小さくなることを特徴とする請求項1または3に記載のマルチレンジ
加速度センサー。 4. The multi-range acceleration sensor according to claim 1, wherein an area surrounded by a connection portion between the flexible portion and the frame portion decreases in order from the first to the n-th diaphragm type triaxial acceleration sensor element. .
部で枠部に保持される錘部と、梁部に設けられた半導体ピエゾ抵抗素子と、それらを接続
する配線を有し、梁部が形成される面内の第一の軸と、前記面に略垂直な第二の軸の加速
度を検出可能な梁型2軸加速度センサー素子2個を、第一の軸同士が互いに直交するよう
に配置してなる3軸加速度センサー素子により構成されていることを特徴とする請求項1
または2に記載のマルチレンジ3軸加速度センサー。 At least one of the second to n-th three-axis acceleration sensor elements includes a frame part, a weight part held by the frame part in a pair of beam parts, a semiconductor piezoresistive element provided in the beam part, and Two beam-type two-axis acceleration sensor elements capable of detecting the acceleration of the first axis in the plane on which the beam portion is formed and the second axis substantially perpendicular to the plane, 2. A three-axis acceleration sensor element formed by arranging the first axes so as to be orthogonal to each other.
Or the multi-range triaxial acceleration sensor of 2.
同じであることを特徴とする請求項10に記載のマルチレンジ3軸加速度センサー。 11. The multi-range triaxial acceleration sensor according to claim 10, wherein the thicknesses of the beam portions of all the beam type biaxial acceleration sensor elements and the flexible portions of the triaxial acceleration sensor elements are the same.
ることを特徴とする請求項10に記載のマルチレンジ3軸加速度センサー。 The multi-range three-axis acceleration sensor according to claim 10, wherein the thicknesses of the weight portions of all the beam-type two-axis acceleration sensor elements and the three-axis acceleration sensor elements are the same.
が同じであることを特徴とする請求項10に記載のマルチレンジ3軸加速度センサー。 11. The multi-range triaxial acceleration sensor according to claim 10, wherein the thicknesses of the weight portion and the frame portion of all the beam type biaxial acceleration sensor elements and the triaxial acceleration sensor elements are the same.
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JPWO2015052926A1 (en) * | 2013-10-09 | 2017-03-09 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Acceleration sensor |
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2006
- 2006-09-15 JP JP2006251006A patent/JP2008070312A/en active Pending
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