JP2010014734A - 半導体加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体センサ素子の内部空間内に重錘の少なくとも一部を配置して重錘の重量を増大させても、半導体センサ素子が破損することのない半導体加速度センサを提供する。
【解決手段】 切頭角錐形の空間の外周面に倣うように、実質的に同形状の４つの台形状の傾斜面１３…を環状に組み合わせて支持部９の内周面を構成する。重錘３は、重錘３が可撓部１１側に最大限変位したときに支持部９の内周面の傾斜面１３…と当接する線状の当接部３ｄを有するように構成する。当接部３ｄは重錘固定部７が位置する側から見た輪郭形状が円形になる形状を有している。支持部９の傾斜面１３…と重錘３の当接部３ｄとにより重錘３が可撓部１１側に変位する変位量の範囲を規制するストッパ構造を構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体加速度センサに関するものである。

特許第３２９００４７号公報（特許文献１）の第６頁第１図には、加速度センサ本体の内部空間内に重錘の一部を配置した構成の半導体加速度センサが開示されている。この半導体加速度センサでは、内部空間を囲む支持部の内周面と重錘の外周面とを平行に並ぶ傾斜面としてそれぞれ形成して、重錘の質量を増大させている。

特許第３２９００４７号公報（第６頁、第１図）

しかしながら、このような半導体加速度センサでは、重量の増した重錘に半導体センサ素子本体側に向かう方向の加速度（垂直軸方向の加速度）が加わった際に、重錘の動きを規制して半導体センサ素子の可撓部が損傷を受けるのを阻止する工夫はなされていない。そのため重量の増した重錘に大きな加速度が加わると、半導体センサ素子が破損してしまう問題があった。またこの従来の加速度センサでは、半導体センサ素子の内周面と重錘の外周面との間の平行度を出すためと半導体センサ素子と重錘の中心とを合わせるために、複雑な製造工程を必要としていた。

本発明の目的は、半導体センサ素子の内部空間内に重錘の少なくとも一部を配置して重錘の重量を増大させても、半導体センサ素子が破損することのない半導体加速度センサを提供することにある。

本発明の他の目的は、複雑な製造工程を用いて加速度センサ本体の支持部に対する重錘の位置合わせを行う必要がない半導体加速度センサを提供することにある。

本発明の他の目的は、支持部または重錘の製造上の寸法誤差が生じても、重錘が可撓部側に変位する変位量のずれを小さくして、性能のばらつきを少なくできる半導体加速度センサを提供することにある。

本発明の他の目的は、加速度センサ本体に対する重錘の中心合わせを容易且つ正確に行うことができる半導体加速度センサ及びその製造方法を提供することにある。

本発明が改良の対象とする半導体加速度センサは、半導体結晶基板にエッチングが施されて形成され、中心部に重錘固定部が位置し、外周部に筒状の支持部が位置し、重錘固定部と支持部との間に可撓性を有する可撓部を有する半導体センサ本体と、可撓部に拡散抵抗が形成されて構成された加速度センサ素子と、重錘固定部の中心を通り可撓部が延びる方向と直交する方向に延びる中心線上に中心が位置するように固定された重錘とを具備している。本発明では、支持部の内周面は、切頭角錐形の内部空間の外周面に倣うように、実質的に同形状の４つの台形状の傾斜面が環状に組み合わされて構成されている。そして重錘は、重錘が可撓部側に最大限変位したときに支持部の内周面と当接する線状の当接部を有している。そして、当接部は重錘固定部が位置する側から見た輪郭形状が円形になる形状を有しており、支持部の内周面と当接部とにより重錘が可撓部側に変位する変位量の範囲を規制するストッパ構造が構成されている。本発明のように、支持部の内周面と重錘の当接部とによりストッパ構造を構成すれば、重錘が可撓部側に大きく変位したときに、重錘に形成されたほぼ円形の線状の当接部が支持部の４つの台形状の傾斜面と当接することになる。そのため加速度センサに、垂直方向の加速度が印加されたときには、重錘の当接部が支持部の内周面と当接することにより、可撓部を破壊するほどに大きな変位が可撓部に加わるのを防ぐことができる。特に、本発明では、当接部の輪郭形状が線状なので、支持部の内周面と当接部とが接触する内周面の位置がほぼ一定の位置となる。そのため大量生産をした場合でも、各センサの性能のバラツキが大きくならないという利点が得られる。

またこのような構成にすると、重錘の当接部を４つの傾斜面と接触する位置まで、重錘を半導体センサ本体側に近づける作業をするだけで、４つの傾斜面に添って重錘が変位し、結果として重錘の中心が重錘が重錘固定部の中心を通る中心線と一致するようになるセルフアライメント効果を得ることができる。したがって本発明によれば、特別な装置を用いて加速度センサ本体の支持部に対する重錘の位置合わせを行う必要がない。

当接部と傾斜面との接触位置は、理論的には任意である。しかしながら当接部と傾斜面との接触位置が、傾斜面の支持部の厚み方向の中央位置よりも支持部の底面側に位置するようにすると、可撓部と支持部との境界部に接触部から伝わる衝撃力を小さくすることができる。

重錘の重量を重くするためには、重錘を金属により形成するのが好ましい。その場合でも、比重が高く安価なタングステンによって重錘を形成すると、センサの厚みが薄く、感度の高い半導体加速度センサを安価に提供することができる。

本発明では、加速度センサ本体を支持するための台座を設けても設けなくてもよい。そしてこの場合に、重錘を支持部内の内部空間と台座内の内部空間とに跨って２つの内部空間内に配置される形状にすると、センサ全体の厚みは増すものの、重錘の体積を大きくすることができるので、重錘の重量を増大させることができて、感度を上げることができる。

線状の当接部を形成するための構造は任意である。例えば、支持部の内部空間内に位置する重錘の部分を、可撓部に沿う方向に延びる第１の面と、支持部の内周面と交差する方向に延びる第２の面との交差点によって当接部を構成する形状にする。このようにすると単純な形状で線状の当接部を形成することができる。

本発明の実施の形態の半導体加速度センサの断面図である。 図１のII−II線断面図である。 図１に示す半導体加速度センサの加速度センサ本体の平面図である。 図１に示す半導体加速度センサの加速度センサ本体の裏面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、図１に示す半導体加速度センサにおいて、重錘を加速度センサ本体に固定する方法を説明するために用いる図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態の半導体加速度センサの断面図であり、図２は、図１のII−II線断面図である。両図に示すように、本発明の実施の形態の半導体加速度センサは、加速度センサ本体１と、加速度センサ本体１に固定された重錘３と、加速度センサ本体１を支持するガラス製の台座５とを有している。

図３及び図４は、加速度センサ本体１の平面図及び裏面図である。図１〜図４に示すように、加速度センサ本体１は、中心部に重錘固定部７が位置し、外周部に筒状の支持部９が位置し、重錘固定部７と支持部９との間に可撓性を有する可撓部１１を有するように単結晶シリコンからなる半導体結晶基板に異方性エッチングが施されて形成されている。加速度センサ本体１の表面の可撓部１１上には、加速度検出用拡散抵抗からなる複数のセンサ素子が形成されており、支持部９上には、複数の電極８…が形成されている（図３）。本例の半導体加速度センサは、外部から加えられた力による加速度、または傾斜させた静止状態で加わる重力加速度に基づく力により重錘３が動いて可撓部１１が撓むことにより、センサ素子を構成する各拡散抵抗の抵抗値が変化して歪み量に応じた２軸方向の加速度を検出する。

重錘固定部７は、支持部９の内部空間１０内に可撓部１１から重錘３に向かって突出した形状を有しており、重錘固定部７の中心を通り可撓部１１が延びる方向と直交する方向に延びる中心線Ｃ上に中心が位置するように、先端に重錘３が固定されている。この重錘固定部７は、多角形の横断面を有しており、その外周面は、可撓部１１が位置する側から離れるに従って中心線Ｃに近づくように傾斜する傾斜面として形成されている。

支持部９は、矩形の環状を有しており、内周面は、切頭角錐形の空間の外周面に倣うように、実質的に同形状の４つの台形状の傾斜面１３…が環状に組み合わされて構成されている。傾斜面１３…は、可撓部１１が位置する側に向かうに従って中心線Ｃに近づくように傾斜しており、後述するストッパ構造の一部を構成している。本例では、傾斜面１３の中心線Ｃに対する傾斜角度θは３５．３°を有している。このような支持部９の内周面の構造により、重錘固定部７を含む支持部９の内部空間１０は、可撓部１１に向かって横断面形状が小さくなる切頭角錐形状を有することになる。

重錘３は、円板状に近い輪郭を有するタングステンにより形成されている。この重錘は、一端が重錘固定部７に接着剤により固定された状態で、支持部９内の内部空間１０と台座５内の内部空間１２とに跨って２つの内部空間内に配置されており、支持部９内の内部空間１０には、環状の部分３ａが入り込んでいる。本例では、環状の部分３ａは、可撓部１１に沿う方向に延びる第１の面３ｂと、支持部９の内周面と交差する方向に延びる第２の面３ｃと、第１の面３ｂと第２の面３ｃとの交差点（角部）からなる当接部３ｄと、可撓部１１との反対側に位置する底面３ｅとを有している。当接部３ｄは、重錘固定部７が位置する側から見た輪郭形状が円形を有するようにほぼ円形の線状に延びている。そのため、図２に示すように、当接部３ｄは支持部９の４つの傾斜面１３…のそれぞれのほぼ中央に対向することになる。本例では、当接部３ｄと傾斜面１３…との接触位置は、傾斜面１３…の支持部９の厚み方向の中央位置よりも支持部９の底面側に位置している。また、当接部３ｄと前述した支持部９の４つの傾斜面１３…とにより重錘のストッパ構造が構成されている。そのため、重錘３の変位量が所定の範囲を超えると、当接部３ｄが傾斜面１３…に当接して重錘３の変位量が規制される。

次に本例の半導体加速度センサにおいて重錘３を加速度センサ本体１に接合する方法について説明する。まず、図５（Ａ）に示すように、台座５が固定された加速度センサ本体１の重錘固定部７に嫌気性接着剤１７を塗布し、真空吸着機Ｖに重錘３を吸着させて、重錘３を重錘固定部７の接着剤１７を塗布した上に載置する。次に、図５（Ｂ）に示すように、真空吸着機Ｖによる吸引を解除してから、真空吸着機Ｖを用いて重錘３を加速度センサ本体１側に押し付ける。このようにすると、可撓部１１が撓んで、重錘３の当接部３ｄが支持部９の傾斜面１３…と接触して、重錘３の中心線Ｃと加速度センサ本体の中心線とが合わせられる。なお、図５（Ｂ）では、図面上では確認し難いが、可撓部１１は、僅かに撓んでいる。次に、真空吸着機Ｖを重錘３から離して、重錘３が支持部９から離れるように戻して、重錘３を加速度センサ本体１に接合する。本例のように、重錘３の当接部３ｄと支持部９の傾斜面１３…とによりストッパ構造を構成すれば、重錘３が可撓部１１側に大きく変位すると、重錘３に形成されたほぼ円形の線状の当接部３ｄが支持部の４つの台形状の傾斜面１３…のほぼ中心と当接することになる。そのため、可撓部１１を破壊するほどに大きな変位が可撓部１１に加わるのを防ぐことができる。特に当接部３ｄの輪郭形状は線状を有しているので、支持部９の内周面と当接部３ｄとが接触する内周面の位置がほぼ一定の位置となる。そのため大量生産をした場合でも、各センサの性能のバラツキが大きくならないという利点が得られる。

また、重錘３の当接部３ｄを傾斜面１３…と接触する位置まで、重錘３を半導体センサ本体１側に近づける作業をするだけで、傾斜面１３…に添って重錘３が変位し、重錘３の中心が重錘固定部７の中心線Ｃと一致するようになるセルフアライメント効果を得ることができる。

なお、本例では、第１の面３ｂと第２の面３ｃとの交差点（角部）により当接部３ｄを形成したが、本発明は、このようなものに限定されるものではなく、突起状または曲面の一部により当接部を形成できるのは勿論である。

本発明によれば、加速度センサに、垂直方向の加速度が印加されたときには、重錘の当接部が支持部の内周面と当接するため、可撓部を破壊するほどに大きな変位が可撓部に加わるのを防ぐことができる。また、当接部の輪郭形状が線状を有しているので、支持部の内周面と当接部とが接触する内周面の位置がほぼ一定の位置となる。そのため大量生産をした場合でも、各センサの性能のバラツキが大きくならないという利点が得られる。また、重錘の当接部を４つの傾斜面と接触する位置まで、重錘を半導体センサ本体側に近づける作業をするだけで、４つの傾斜面に添って重錘が変位し、結果として重錘の中心が重錘が重錘固定部の中心を通る中心線と一致するようになるセルフアライメント効果を得ることができる。したがって本発明によれば、特別な装置を用いて加速度センサ本体の支持部に対する重錘の位置合わせを行う必要がない。

１ 加速度センサ本体
３ 重錘
３ｄ 当接部
５ 台座
７ 重錘固定部
９ 支持部
１１ 可撓部
１３ 傾斜面

Claims (6)

1. 半導体結晶基板に異方性エッチングが施されて一体に形成され、中心部に重錘固定部を有し、外周部に筒状の支持部を有し、前記重錘固定部と前記支持部との間に可撓性を有する可撓部を有する半導体センサ本体と、
   前記可撓部に形成された拡散抵抗により構成された加速度センサ素子と、
   前記重錘固定部の中心を通り前記可撓部が延びる方向と直交する方向に延びる中心線上に中心が位置するように前記重錘固定部に固定された重錘とを具備し、
   前記支持部の内周面が、切頭角錐形の内部空間の外周面に倣うように、同形状の４つの台形状の傾斜面が環状に組み合わされて構成されている半導体加速度センサであって、
   前記重錘は前記重錘が前記可撓部側に最大限変位したときに前記内周面を構成する４つの傾斜面と当接する線状の当接部を有しており、
   前記当接部は前記重錘固定部が位置する側から見た輪郭形状が円形になる形状を有しており、
   前記支持部の内周面と前記当接部とにより前記重錘が前記可撓部側に変位する変位量の範囲を規制するストッパ構造が構成されており、
   前記当接部と前記傾斜面との接触位置は、前記傾斜面の前記支持部の厚み方向の中央位置よりも前記支持部の底面側に位置していることを特徴とする半導体加速度センサ。
2. 半導体結晶基板に異方性エッチングが施されて一体に形成され、中心部に重錘固定部を有し、外周部に筒状の支持部を有し、前記重錘固定部と前記支持部との間に可撓性を有する可撓部を有する半導体センサ本体と、
   前記可撓部に形成された拡散抵抗により構成された加速度センサ素子と、
   前記重錘固定部の中心を通り前記可撓部が延びる方向と直交する方向に延びる中心線上に中心が位置するように前記重錘固定部に固定された重錘とを具備し、
   前記重錘固定部が前記筒状の支持部の内部空間内に突出しており、
   前記重錘固定部を含む前記内部空間が、前記可撓部に向かって横断面形状が小さくなる切頭角錐形状を有しており、
   前記支持部の内周面が、前記内部空間の外周面に添う４つの台形状の傾斜面から構成され、
   前記重錘の少なくとも一部が前記内部空間内に位置する形状を有している半導体加速度センサであって、
   前記重錘は、前記内部空間内に位置する部分に、前記重錘が前記可撓部側に最大限変位したときに前記内周面を構成する４つの傾斜面と当接する線状の当接部を有しており、
   前記当接部は前記重錘固定部が位置する側から見た輪郭形状が円形になる形状を有しており、
   前記支持部の内周面と前記当接部とにより前記重錘が前記可撓部側に変位する変位量の範囲を規制するストッパ構造が構成されており、
   前記当接部と前記傾斜面との接触位置は、前記傾斜面の前記支持部の厚み方向の中央位置よりも前記支持部の底面側に位置していることを特徴とする半導体加速度センサ。
3. 前記当接部が曲面の一部により形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体加速度センサ。
4. 前記支持部が載せられる筒状の台座を更に備えており、
   前記重錘は前記支持部内の前記内部空間と前記台座内の内部空間とに跨って２つの前記内部空間内に配置される形状を有している請求項１または２に記載の半導体加速度センサ。
5. 前記支持部の前記内部空間内に位置する前記重錘の部分は、
   前記可撓部に沿う方向に延びる第１の面と、前記支持部の前記内周面と交差する方向に延びる第２の面との交差部によって前記当接部を構成する形状を有している請求項１または２に記載の半導体加速度センサ。
6. 前記重錘が、タングステンによって形成されている請求項１または２に記載の半導体加速度センサ。

Images