JP2010085143A

JP2010085143A - 加速度センサー

Info

Publication number: JP2010085143A
Application number: JP2008252153A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Kazama; 敦風間; Masakatsu Saito; 正勝斎藤; Ryoji Okada; 亮二岡田; Yasuhiro Hamaguchi; 康博濱口
Original assignee: Torex Semiconductor Ltd
Current assignee: Torex Semiconductor Ltd
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2010-04-15

Abstract

【課題】
製品基板への実装前後でセンサー出力のオフセット変化が小さい加速度センサーを実現する。
【解決手段】
可撓性を有し錘部を支持する複数の梁部と、前記錘部の周囲を囲みそれぞれの梁部と接続する支持枠部と、前記梁部の上に複数設けられたピエゾ抵抗素子と、を有する加速度センサー素子と、この加速度センサー素子を内部に設けた保護パッケージ部と、を備えた加速度センサーにおいて、前記梁部の幅よりも広い幅を有する前記枠側接続部を有し、前記支持枠部は、前記枠側接続部を介して前記梁部と接続する。樹脂製の保護パッケージおよびそれを実装する製品基板の熱変形により加速度センサー素子が受ける外力に対して、錘部に近いピエゾ抵抗素子と梁部に近いピエゾ抵抗素子の横方向応力の変化の差を低減し、オフセット出力の変化を抑制できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車，航空機，携帯端末機器，玩具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。

加速度センサーは、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検知する。自動車ではＸ軸，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かった。

最近は、加速度センサーが携帯端末機器やロボット等にも使用されることが多くなり、空間の動きを検出するためＸ，Ｙ，Ｚ軸の加速度を測定する３軸加速度センサーが要求されてきている。また、微小な加速度を検出するために高分解能で、小型であることが要求されている。

多くの加速度センサーは錘や可撓部の動きを電気信号に変換する方法を採用している。これらには、錘の動きを錘と連結した可撓部に設けたピエゾ抵抗素子の抵抗変化から検出するピエゾ抵抗素子型，錘の動きを固定電極との間の静電容量変化で検出する静電容量型などがある。

特許文献１及び特許文献２に示す従来の３軸加速度センサーに関して簡単に説明する。従来の３軸加速度センサー１０１として、分解斜視図を図９に、図９におけるＡ−Ａ′方向の断面図を図１０に示す。

３軸加速度センサー１０１は、セラミック製のケース１０２内に３軸加速度センサー素子１０３と、３軸加速度センサー素子１０３からの信号の増幅や温度補償等を行う制御用のＩＣ１０４を積層して固定し、蓋１０５とケース１０２を接合し、加速度センサー素子１０３とＩＣ１０４をケース１０２内に密封する。

図１０に示すように、３軸加速度センサー素子１０３は樹脂接着材１０６を用いてケース１０２に固着され、ＩＣ１０４は樹脂接着材１０７を用いて３軸加速度センサー素子１０３上に固着される。

３軸加速度センサー素子１０３はセンサー端子１０８を、ＩＣ１０４はＩＣ端子１０９を、ケース１０２はケース端子１１０をそれぞれ有し、センサー端子１０８とＩＣ端子１０９、およびＩＣ端子１０９とケース端子１１０の間をワイヤー１１１で接続される。こうしてセンサーの信号はケース１０２に設けたケース端子１１０と接続する出力端子１１２から外部に取り出される。蓋１０５は例えばＡｕＳｕ半田などの接着材１０２ａでケース１０２に固着される。

図１１は、３軸加速度センサー素子１０３の構造を示す平面模式図である。方形の支持枠部１１３と錘部１１４と対を成す梁部１１５とを有し、錘部１１４が２対の梁部１１５で支持枠部１１３の中央に保持されている。梁部１１５にはピエゾ抵抗素子が設けられている。

一対の梁部１１５にはＸ軸ピエゾ抵抗素子１１６とＺ軸ピエゾ抵抗素子１１８が、他の一対の梁部１１５にはＹ軸ピエゾ抵抗素子１１７が設けられている。一対の梁部１１５の各付根部４ヶ所にピエゾ抵抗素子を配し、これらを配線でつないでブリッジ回路を構成することで、ピエゾ抵抗素子の均一な抵抗変化はキャンセルでき、またブリッジ回路の接続の仕方を変えることで、ＸおよびＹ軸とＺ軸の加速度を分離して検出することができる。また、支持枠部１１３上にはセンサー端子１０８が配列している。

ブリッジ回路による加速度検出の仕組みについて図１２（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。図１２（ａ），図１２（ｂ）はそれぞれ、Ｘ方向とＺ方向に加速度がかかったときの錘部１１４の動きをＸＺ断面で示している。

例えば図１２（ａ）のようにＸ方向に加速度が与えられたとき、錘部１１４は上端中央あたりを中心に回転し、梁部１１５が変形する。梁部１１５の変形に伴って、梁部１１５上面に設けられた４つのＸ軸ピエゾ抵抗素子Ｘ１〜Ｘ４に加わる応力が変化し、抵抗も変化する。この場合、Ｘ１，Ｘ３が引張、Ｘ２，Ｘ４が圧縮の応力変化となり、図１２（ｃ）に示すＸ軸検出用ブリッジ回路の中点電位に差が生じ、加速度の大きさに応じた出力が得られる。

一方、図１２（ｂ）に示すようにＺ方向の加速度がかかった場合には、ピエゾ抵抗素子Ｚ２，Ｚ３が引張、Ｚ１，Ｚ４が圧縮の応力変化となり、図１２（ｄ）のＺ軸検出用ブリッジ回路により出力が得られる。Ｘ軸ピエゾ抵抗素子Ｘ１〜Ｘ４と、Ｚ軸ピエゾ抵抗素子Ｚ１〜Ｚ４は同じ梁部１１５上に形成されるが、例えばＸ方向加速度に対して図１２（ａ）のように梁部１１５が変形しても、図１２（ｄ）のＺ軸検出用ブリッジ回路では抵抗変化がキャンセルされ、出力は変化しない。すなわち、Ｘ軸加速度とＺ軸加速度を分離して検出することができる。Ｙ軸加速度の検出は、Ｘ軸と同様にして、もう一対の梁部１１５に形成したピエゾ抵抗素子で行う。

一方、特許文献３に示すように、半導体実装技術でよく用いられている樹脂製の保護パッケージ技術を用いて、小型かつ安価な加速度センサーを実現する方法が知られている。その方法では、可動部を有する３軸加速度センサー素子１０３をモールド樹脂から保護するため、３軸加速度センサー素子の上下に蓋を接合して封止しておく技術が用いられる。

図１３（ａ）は、この方法で上下に蓋を接合した３軸加速度センサー素子の組み立て構造の断面図を、図１３（ｂ）は３軸加速度センサー素子１２０の平面図を示す。３軸加速度センサー素子１２０の上下に上蓋１２１および下蓋１２２を接合し、３軸加速度センサー素子１２０の可動部を密閉空間内に封止する。３軸加速度センサー素子１２０と上蓋１２１および下蓋１２２との接合は、金属接合や陽極接合など様々な方法がある。ここでは、一例に金属接合を示す。

図１３（ｂ）に示すような接合金属領域１２３を３軸加速度センサー素子１２０の表裏両面に形成しておく（裏面の接合金属領域は図示せず）。上蓋１２１および下蓋１２２にも接合金属領域（図示せず）を形成し、これらを重ねあわせ、加圧，加熱して接合する。この接合工程は、シリコンウエハから３軸加速度センサー素子１２０を個片化する前に、３軸加速度センサー素子１２０が多数形成されたシリコンウエハ（図示せず）と、同じピッチで上蓋１２１を多数形成した上蓋シリコンウエハ（図示せず）、下蓋１２２を多数形成した下蓋シリコンウエハと（図示せず）を接合する。そのため、ウエハレベルパッケージ（Wafer Level Packing）と称する（以後、ＷＬＰと表記する）。ＷＬＰで密閉空間を形成後、ダイシングによって、一つ一つのチップに個片化する。以後、ＷＬＰにより封止した後に個片化したチップの名称をセンサー組立体１２４と表記する。

次いで、樹脂でパッケージ化された３軸加速度センサー１２５について図１４の断面図を用いて説明する。リードフレーム１２６上に、制御用ＩＣ１２７を、制御用ＩＣ１２７の上にセンサー組立体１２４をそれぞれ接着材１２８，１２９で固定する。

センサー組立体１２４のセンサー端子１３０と制御用ＩＣ１２７のＩＣ端子１３１をワイヤー１３２を用いて接続し、同じくＩＣ端子１３１とリードフレーム１２６の端子間をワイヤーで接続する（図示せず）。

センサー組立体１２４と制御用ＩＣ１２７，リードフレーム１２６が組み立てられた構造体を、トランスファーモールド法を用いモールド樹脂１３３でモールドする。金型内で樹脂を硬化させた後、金型から取り出し３軸加速度センサー１２５が得られる。複数の３軸加速度センサーを樹脂モールドまで一括して処理し、金型から離型後にダイシングして個々の３軸加速度センサーに分離する方法も取られる。

上記のＷＬＰと樹脂モールドパッケージを用いた加速度センサーでは、シリコンウエハの段階で、３軸加速度センサー素子１２０の可動部を保護することができるので、以後の工程において取り扱いが容易であり、厳しい異物管理を必要としない。また、３軸加速度センサー素子１２０の可動部が守られているため、トランスファーモールド法により周囲を封止することができる。こうして高価なセラミックパッケージを用いることなく、従来のＩＣチップによく用いられる樹脂モールドパッケージの技術でパッケージ組み立てができ、小型で安価な３軸加速度センサーを実現できる。

特開２００３−１７２７４５号公報特開２００６−０９８３２１号公報特開平１０−１７０３８０号公報

しかしながら、図１４に示す３軸加速度センサー１２５には、図９に示す３軸加速度センサー１０１と比べて、以下の課題がある。

３軸加速度センサー１２５は、使用する製品の基板（以後、製品基板と表記する）に半田接合して搭載する。保護パッケージを構成するモールド樹脂やリードフレームと、製品基板とは熱膨張率が異なるため、温度変化による膨張・収縮により、製品基板から半田接合部を介して３軸加速度センサー１２５に力が加わる。

図１１に示したセラミックパッケージの３軸加速度センサー１０１では、パッケージ内部の空間内に３軸加速度センサー素子１０３が保持されているので、樹脂１０７を柔軟な材料とすることで、製品基板からの力が３軸加速度センサー素子１０３に伝わりにくくすることができた。

一方、図１４に示した樹脂でパッケージされた３軸加速度センサー１２５の構造では、センサー組立体１２４がモールド樹脂１３３に周囲を覆われているため、製品基板からの力が３軸加速度センサー素子１２０に伝わりやすい。３軸加速度センサー素子１２０に外部から力が加わったとき、各軸の４つのピエゾ抵抗素子に均一でない応力変化がもたらされると、センサーの出力が変化してしまう。つまり、出力のゼロレベルが変動してしまう（以後、このゼロレベルの変動をオフセット変化と表記する）。

温度変化に対するオフセット変化は、製品基板への搭載前には、検出用ＩＣにより補正が可能である。しかし、製品基板からの力の影響を受けてしまうと、様々な異なる製品基板に搭載された場合、温度に対する変化の特性が変わってしまうことになる。

配線基板や保護パッケージからの外力がセンサー組立体１２４に加わる場合、センサー組立体１２４がパッケージの中心付近に配置されていれば、外力による変形はほぼ左右対称になる。こうした場合、Ｘ軸およびＹ軸の出力は変化しない。

しかしながら、枠部に近いピエゾ抵抗素子（以降は枠側ピエゾ抵抗素子と表記する）と、錘部に近いピエゾ抵抗素子（以降は錘側ピエゾ抵抗素子と表記する）の間で差が生じると、Ｚ軸の出力が変化してしまう。応力変化に対する抵抗変化の割合を示すピエゾ抵抗係数には、電流方向の応力に対する縦ピエゾ抵抗係数と、電流に垂直な方向に対する横ピエゾ抵抗係数がある。図に示した加速度センサー素子１２０においては、梁の長さ方向に電流が流れるので、梁の長さ方向の応力に対しては縦ピエゾ抵抗係数で、梁の幅および厚さ方向の応力に対しては横ピエゾ抵抗係数で、抵抗変化を計算する。加速度センサーによく用いられるのはｐ型シリコンの＜１１０＞方向のピエゾ抵抗素子であり、縦ピエゾ抵抗係数７.１８×１０^-4／ＭＰａ，横ピエゾ抵抗係数−６.６３×１０^-4／ＭＰａという値が知られている。このように、正負逆転したほぼ同程度の絶対値のピエゾ抵抗係数を有する。

梁部１１５の幅方向の応力（以降は横方向応力と表記する）について考えると、加速度センサー素子１２０に圧縮や反りの外力が加わったとき、支持枠部１１３には応力が発生するが、錘部１１４は梁部１１５に支持されて浮いているため、錘部１１４までは外力がほとんど伝達しない。よって、錘側ピエゾ抵抗素子の横方向応力は変化しにくいが、枠側ピエゾ抵抗素子は支持枠部１１３の応力が伝達して変化しやすい。枠側ピエゾ抵抗だけが変化すると、Ｚ軸のオフセット変化が発生する。ピエゾ抵抗素子を支持枠部１１３から離して、すなわち梁部１１５の中心に近づけて配置するほど支持枠部１１３の応力が伝わりにくくなるが、支持枠部１１３から離れるほど単位加速度に対する応力変化が小さくなるので、センサーの感度が低下してしまう。

本発明の目的は、樹脂でパッケージ化された加速度センサーにおいて製品基板からの力が伝わった場合など、加速度センサー素子に外力が加わっても、オフセット変化が発生しにくい加速度センサーを実現することである。

上記目的を達成するために本発明の加速度センサーは、支持枠部および錘部と、錘部を支持枠部内に支持する可撓性を有する梁部と、梁部上に設けられたピエゾ抵抗素子と、を有する加速度センサー素子を保護パッケージ内に保持した加速度センサーにおいて、梁部よりも幅が広い枠側接続部を介して梁部が支持枠部に接続することが好ましい。

また、上記目的を達成するために本発明の加速度センサーは、上記構成に加え、梁部よりも幅の広い錘側接続部を介して梁部が錘部に接続することが好ましい。

また、上記構成に対して本発明の加速度センサーは、錘側接続部の形状が枠側接続部と同形状であることが好ましい。

また、上記目的を達成するために本発明の加速度センサーは、支持枠部の内周に接続して第１層に形成される縁部を有し、縁部に形成された２つのスリットにより分離された部分により前記枠側接続部を構成することが好ましい。

枠側接続部と同様に、第１層に設けられ、支持枠部から突き出した縁部を、枠側接続部以外の部分に形成してもよい。上記縁部上に配線などを形成することができ、支持枠部の領域を節約でき、加速度センサー素子を小型化することができる。加速度センサー素子を小型化できると、１枚のシリコンウエハから取れる加速度センサー素子の数を増やすことができ、製造コストを低減できる。

本発明の加速度センサーによれば、温度変化に対する樹脂製の保護パッケージ、およびその保護パッケージを製品基板に実装した実装構造体に加わる外力に対して、Ｚ軸出力のオフセット変化を小さくすることができる。それにより、製品基板への実装前後でＺ軸出力のオフセット変化が小さい加速度センサーを実現できる。

以下、図面を参照しながら発明の一実施例における加速度センサーについて説明する。図１，図２は、本実施例の加速度センサーにおける加速度センサー素子１０の構造を示している。図１は平面図、図２は図１のｋ−ｋ′断面図である。

図１の加速度センサー素子１０は、例えば従来例で示した図９のように組み立てられる加速度センサーや、図１２に示した蓋を接合して気密封止された後、樹脂製の保護パッケージに組み立てられる加速度センサーなどに適用できる。本実施例では特に加速度センサー素子１０を中心に詳細に説明する。

本実施例の加速度センサー素子１０は、支持枠部１１内に、錘部１２が、可撓性を有する４本の梁部１３によって支持されている。錘部１２は、４つの本体部とその４つの本体部と接続して梁部１３と接続する中間部とからなる。

４本の梁部１３をそれぞれ第１梁部１３ａ，第２梁部１３ｂ，第３梁部１３ｃ，第４梁部１３ｄと表記する。図１における加速度センサー素子１０では、Ｘ軸方向に伸びる第１梁部１３ａと第２梁部１３ｂがＸ軸とＺ軸方向の加速度を検知するために用いられる。

第１梁部１３ａと第２梁部１３ｂの支持枠部１１側と錘部１２側の付根付近には、Ｘ軸ピエゾ抵抗素子１４とＺ軸ピエゾ抵抗素子１６が、図１２で説明したように、それぞれ４つずつ設けられている。Ｙ方向に伸びる第３梁部１３ｃと第４梁部１３ｄは、Ｙ軸ピエゾ抵抗素子１５をそれぞれ二つずつ有している。Ｚ軸ピエゾ抵抗素子１６は、Ｘ方向とＹ方向のどちらの梁部上に配置しても良いが、本実施例ではＸ方向の第１梁部１３ａと第２梁部１３ｂ上に形成した。従って、図１に示すように、ピエゾ抵抗素子１４〜１６は各軸毎に梁部１３の付根付近に設けられている。各軸のピエゾ抵抗素子は、図示していない配線で接続してブリッジ回路を構成した。

外力により加速度が加わることで錘部１２が図１２に示したように変位し、梁部１３が変形することでピエゾ抵抗素子の電気抵抗が変化する。各軸の４つのピエゾ抵抗素子の抵抗変化量の差により生じる電位差を、ブリッジ回路で取り出すことで加速度の値として検出できる。ブリッジ回路の構成方法は図１２に示したのと同様である。図１においては、各梁部１３は空隙部１９を有する略矩形状の応力緩衝部１７を有している。各梁部において、応力緩衝部１７は、梁部の長手方向に対する中心線１８よりも錘部１２に近く配置した。各梁部１３は、梁部１３と同じ厚みの枠側接続部４０を介して支持枠部１１と、錘側接続部４１を介して錘部１２と接続した。尚、支持枠部加工端線４３と錘部加工端線４４については追って説明する。

加速度センサー素子１０の製造方法を、図２を参照しながら簡単に説明する。図２は図１のｋ−ｋ′断面図である。加速度センサー素子１０は、約４００μｍ厚のシリコン層に約１μｍのシリコン酸化層を挟んで約６μｍのシリコン層を有するＳＯＩウエハを使用して加工した。シリコン酸化膜層はドライエッチングのエッチングストップ層として用い、構造体は２層のシリコン層に形成した。以下、薄い方の第１シリコン層を第１層２０，厚い方の第２シリコン層を第２層２１と称し、シリコン酸化膜層と接合していない第１層の表面を第１面２２，第２層の表面を第２面２３，シリコン酸化膜層を介した接続面を第３面２４と称す。

半導体ピエゾ抵抗素子の形状をフォトレジストでパターニングし、第１面２２にボロンを１〜３×１０¹⁸原子／cm³打ち込み半導体ピエゾ抵抗素子を形成した。同様に、ピエゾ抵抗素子よりも高濃度でボロンを打ち込んだＰ型配線をピエゾ抵抗素子に接続するように形成した。さらに、第１面２２にシリコン酸化膜を形成しピエゾ抵抗素子を保護した。シリコン酸化膜上にアルミニウム系金属をスパッタリングして金属配線を形成し、シリコン酸化膜に形成したスルーホールを介して、Ｐ型配線と接続した。ピエゾ抵抗素子上に形成したシリコン酸化膜は、第１層２０のシリコンと金属配線間の絶縁膜としても働く。シリコン酸化膜および金属配線はフォトリソグラフィにより所望の形状に加工した。

次に、第１面２２にフォトレジストパターンを形成した後、ドライエッチングにより梁部１３，枠側接続部４０，錘側接続部４１と、錘部１２，支持枠部１１の形状を加工した。さらに、第２面２３にフォトレジストパターンを形成した後、ドライエッチングにより錘部１２と支持枠部１１の形状を加工した。第１層２０と第２層２１との間に残ったシリコン酸化膜層は、ウェットエッチングで除去した。

以上の処理により、錘部１２と、錘部１２の周囲を囲む支持枠部１１は、第１層２０から第２層２１にかけて形成される。また、梁部１３，枠側接続部４０、及び錘側接続部４１は第１層２０に形成される。

従来例で示したように、ＷＬＰ技術によって加速度センサー素子１０の上下を、例えばシリコンからなる蓋部で封止して、センサー組立体１２４とした（図３参照）。そのため、上記ドライエッチング工程の前に、金属接合に用いる金属薄膜をウエハの第１面２２および第２面２３に形成しておき、蓋となるウエハ２枚には同様の金属薄膜と金属半田を設けておき、３枚のウエハを重ねて加圧，加熱して接合した後、ダイシングにより個辺化し、センサー組立体１２４を得た。

本実施例の特徴として、梁部１３と支持枠部１１との間をつなぐ枠側接続部４０と、梁部１３と錘部１２の間をつなぐ錘側接続部４１を有する。枠側接続部４０と錘側接続部４１は第１層２０に形成し、梁部１３と同じ厚みとした。

また、梁部１３の長手方向に対する中心線１８（図１中では点線）よりも錘部１２に近い位置に応力緩衝部１７を設けた。第一実施例の加速度センサー素子１０は、図１に示すように各梁部１３に応力緩衝部１７を有している。応力緩衝部１７は矩形形状をしており、中央に空隙部１９を有する。応力緩衝部１７は梁部１３と同様に第１層２０に形成し、梁部１３と同じ厚みとした。図２に示す様に、ｋ−ｋ′断面部は応力緩衝部１７を境に、梁部１３が枠側梁部２５と錘側梁部２６とに分かれた形となる。

図３に本実施例の加速度センサー素子１０を用いた加速度センサー実装構造体１３６の断面模式図を示す。３軸加速度センサー素子１０にＷＬＰで蓋を接合したセンサー組立体１２４に、図１４で示したようにリードフレーム１２６と制御用ＩＣ１２７とに電気的に接続した状態で、加速度センサー素子１０を内部に内包するように樹脂でパッケージ化した樹脂パッケージ部である保護パッケージに組み立てた３軸加速度センサーを、製品基板１３４に半田１３５で接合した状態を示している。

半田接合の際には２４０℃程度に加熱された後、常温まで冷却されるため、加速度センサー実装構造体１３６には各所に熱応力が発生する。構成部材のおよその熱膨張係数は、センサー組立体１２４および制御用ＩＣ１２７を構成するシリコンが２.５×１０^-6／℃、モールド樹脂１３３が６〜９×１０^-6／℃、リードフレーム１２６は銅製で１５×１０^-6／℃、製品基板１３４が１５〜２０×１０^-6／℃である。

冷却時の熱収縮の際には、センサー組立体１２４は、モールド樹脂１３３からの圧縮力を受け、また下方にあるリードフレーム１２６および製品基板１３４はさらに収縮するため、センサー組立体１２４はさらに圧縮力を受けるとともに、上凸方向に反らされる。３軸加速度センサー素子１０にこうした外力が加わることによって、ブリッジ回路を構成する４つのピエゾ抵抗素子に抵抗変化が発生し、それらが均一な変化でなければ、３軸の出力の少なくともいずれかの出力が変化してしまい、オフセット変化が発生してしまう。

本実施例では、梁部１３と支持枠部１１の間に枠側接続部４０を介在させることにより、製品基板への実装前後のオフセット変化を小さくできた。

前述のようにオフセット変化はブリッジ回路を構成する４つのピエゾ抵抗素子の抵抗変化が異なる場合に発生する。３軸加速度センサーを製品基板に実装したとき、製品基板から受ける力の影響によってピエゾ抵抗素子の応力が変化する。４つのピエゾ抵抗素子の応力変化を均一にできればオフセット変化をゼロにできるが、製品基板は適用される製品により厚さや熱膨張係数が変わるため、いつもゼロにすることは困難である。そこで製品基板の仕様がばらついても、オフセット変化が小さくなるような構造にすることが望ましい。

発明者らは、熱応力シミュレーションおよび試作評価の結果から、加速度センサー素子１０にかかる圧縮外力および反り変形の影響で、支持枠部１１に近いピエゾ抵抗素子（図１２（ｂ）のＺ１，Ｚ４。以下枠側ピエゾ抵抗素子２７と表記する）と、錘部１２に近いピエゾ抵抗素子（図１２（ｂ）のＺ２，Ｚ３。以下錘側ピエゾ抵抗素子２８と表記する）の応力変化に差が生じ、Ｚ軸のオフセット変化が発生していることを見出した。さらに、ピエゾ抵抗素子の電流方向と垂直な向き（梁部の幅方向）の応力（横方向応力）の変化が、枠側ピエゾ抵抗素子２７と錘側ピエゾ抵抗素子２８で異なることを発見した。

すなわち、３軸加速度センサー素子１０に圧縮や反りの外力が加わったとき、支持枠部１１には応力が発生するが、錘部１２は梁部１３に支持されて浮いているため、錘部１２までは外力がほとんど伝達しない。よって、錘側ピエゾ抵抗素子２８の横方向応力は変化しにくいが、枠側ピエゾ抵抗素子２７は支持枠部１１の応力が伝達するため変化しやすい。枠側ピエゾ抵抗素子２７だけが変化すると、Ｚ軸のオフセット変化が発生する。枠側ピエゾ抵抗素子２７を支持枠部１１から離して、すなわち梁部１３の中心に近づけて配置するほど支持枠部１１の応力が伝わりにくくなるが、支持枠部から離れるほど単位加速度に対する応力変化が小さくなるので、センサーの感度が低下してしまう。

そこで本実施例における加速度センサーでは、梁部１３と支持枠部１１の間に梁側接続部４０を介在させることで、支持枠部１１の横応力が枠側ピエゾ抵抗素子２７に伝わりにくくして、３軸加速度センサー素子１０に加わる外力の影響によるＺ軸オフセット変化を小さくできた。枠側接続部４０は第１層２０に梁部１３と同じ厚さで設けたため可撓性を有し、枠側ピエゾ抵抗素子２７を支持枠部１１から離したのと同様の効果で、支持枠部１１の横応力が枠側ピエゾ抵抗素子２７に伝わりにくくできる。また、枠側接続部４０は梁部１３よりも十分に幅が広く形成されており、梁部１３に対して厚さ方向に曲げ変形しにくいので、センサーの感度の低下は小さい。

また、枠側接続部４０を有することで、第２層へのドライエッチング加工の際の終点位置に誤差が発生しても、センサー感度の変化を小さくすることができた。梁部１３が直接支持枠部１１に接続していると、上記終点位置の誤差により、梁部の長さが変化してしまい、センサーの感度が変化してしまう恐れがある。枠側接続部４０が介在することにより、上記誤差により長さが変化するのは枠側接続部４０になり、枠側接続部４０は梁部１３よりも十分に幅が広く形成されているので、長さが変化してもセンサーの感度への影響が小さい。枠側接続部４０は、枠側ピエゾ抵抗素子２７の感度低下をある程度抑えて、Ｚオフセット変化の低減効果が得られる適度な幅に設定するのが良い。例えば、梁幅の４倍程度がよい。

応力緩衝部１７の効果について説明する。梁部１３に応力緩衝部１７を形成したことにより、加速度センサー素子１０が圧縮の外力を受け、梁部１３の長さ方向に圧縮力がかかった場合においても、応力緩衝部１７の変形によって外力を吸収できた。応力緩衝部１７がないと、圧縮の外力により梁部１３が座屈変形し、錘部１２がＺ方向に大きく変位して、大きなオフセット変化が発生してしまう恐れがあるが、応力緩衝部１７により外力を吸収することで、座屈変形によるオフセット変化を抑えることができる。また、座屈変形が発生すると、単位加速度に対する錘部１２の変位量が変化する。センサー出力は錘部１２の変位量に比例するので、座屈変形によりセンサー感度が変化してしまう。応力緩衝部１７の効果により、外力によるセンサー感度の変化を抑えることができた。

また、応力緩衝部１７を梁部１３の長手方向に対する中心線１８よりも錘部１２に近く配置したことで、製品基板への実装前後のオフセット変化を小さくできた。発明者らは、圧縮外力および反り変形に対するオフセット変化の程度が、応力緩衝部１７の梁部長手方向の位置に影響されることを発見した。本実施例のように、加速度センサー素子１０が圧縮力を受け、上凸に反らされている場合には、応力緩衝部１７の位置を錘部１２の方向にシフトすることで、圧縮外力および反り変形の変化に対するオフセット変化の感度を低減することができた。前述のように樹脂製の保護パッケージに組み立てた時点で加速度センサー素子１０は圧縮外力と上凸反り変形を受けており、製品基板への実装により、圧縮外力と上凸反り変形の量が変化していると考えられるので、応力緩衝部１７を錘部１２の方向にシフトすることで、基板実装前後のオフセット変化を小さくできた。

図４に、第１のシリコン層（第１層２０）により形成された梁部１３の詳細形状を示す。また、図５は枠側接続部４０周辺の形状を示す斜視図である。なお、図４では、梁部１３周辺のみを表示し、波線から先は省略している。後出の図６〜図８においても同様である。図５では、梁部１３の手前における断面から先を表示しており、波線から先は省略している。梁部１３は、応力緩衝部１７と、その両側の枠側梁部２５、および錘側梁部２６とを有する。支持枠部１１と枠側梁部２５の間を枠側接続部４０が、錘部１２と錘側梁部２６の間を錘側接続部４１がつないでいる。図に点線で示す、支持枠部加工端線４３および錘部加工端線４４は、第２シリコン層である第２層２１の溝加工の終点であり、支持枠部加工端線４３は第３面（第１層と第２層の接合面）における支持枠部１１の端部、錘部加工端線４４は第３面における錘部１２の端部を示す。

枠側接続部４０は、支持枠部加工端線４３から梁部１３側の領域を指す。本実施例では、第１層２０に２つのスリット４２を設け、スリット４２で挟まれた領域を枠側接続部４０とした。ドライエッチングの加工誤差により支持枠部加工端線４３の位置はずれる恐れがある。本実施例では、スリット４２の長さＬ１３を、梁部１３の端部からの支持枠部加工端線４３の位置Ｌ１４の設計値よりも短くした。この構造では、横応力の伝達を抑制する効果に対して有効な枠側接続部４０の長さはスリット４２の長さＬ１３により規定される。逆に、Ｌ１３がＬ１４よりも長くなるように設計しても、十分に横応力伝達を抑制する効果が得られる。

一方、錘部１２の側では、第１層２０の加工溝が行き止まりの部分にあたり、錘部加工端線４４は図のような円弧形状になりやすい。錘部加工端線４４から錘側梁部２６までの部分が錘側接続部４１である。

応力緩衝部１７は、梁部１３の長手方向への曲げ変形およびねじり変形しやすい形状であるほど、梁部１３の長手方向に加わる外力の吸収効果が大きい。そのため、空隙部１９の幅Ｌ３は、梁部の幅Ｌ２より大きくし、応力緩衝部１７の枠辺のうち、梁部１３の幅方向に伸びた部分（幅方向枠辺２９と表記する）がなるべく長くなるようにした。ピエゾ抵抗素子は枠側梁部２５および錘側梁部２６上で、支持枠部１１および錘部１２に近い位置に形成した。支持枠部１１および錘部１２に近い位置にするほど、錘部１２の変位に対するピエゾ抵抗素子の応力変化が大きくなり、センサー感度が高くなるためである。

枠側梁部２５および錘側梁部２６は、支持枠部１１および錘部１２に近い部分の幅Ｌ１と、応力緩衝部１７に近い部分の幅Ｌ２が異なる形状とした。Ｘ方向に伸びる梁部にはＸ軸ピエゾ抵抗素子およびＺ軸ピエゾ抵抗素子を設けたので、それらを配置するのに十分な幅を有するようにＬ１が決めた。一方、応力緩衝部１７に近い部分は、ピエゾ抵抗素子を設けないので幅を狭くできる。Ｌ２を短くするほど、幅方向枠辺２９を長くして外力を吸収しやすくできるので、Ｌ２はＬ１よりも短くして、間をテーパー形状でつないだ形状とした。

また、幅方向枠辺２９の幅Ｌ５を細くするほど、外力吸収効果が大きくなる。梁部１３の形状は、梁部１３の幅方向に対する中心線ｎ−ｎ′に対して線対称に形成した。梁部１３の長さ方向に対する中心線ｍ−ｍ′（中心線１８）に対しては、応力緩衝部１７の中心線ｐ−ｐ′が錘部１２の方向にシフトした形状とした。つまり、枠側梁部２５の長さＬ７を錘側梁部２６の長さＬ８より長くした。

本実施例では各部の寸法は次の様にした。枠側接続部４０の幅Ｌ１１は１００μｍ、スリット４２の幅は４０μｍ、長さは２５μｍ、支持枠部加工端線４３および錘部加工端線４４の梁部１３端部からの距離Ｌ１４およびＬ１５の設計値はともに３０μｍとした。付根付近の梁幅Ｌ１は２８μｍ、応力緩衝部１７付近の梁幅Ｌ２は１８μｍ、空隙部１９の幅Ｌ３は７２μｍ、応力緩衝部１７の梁幅方向長さＬ４は１００μｍ、幅方向枠辺２９の幅Ｌ５は１１μｍ、応力緩衝部１７の梁長手方向の長さＬ６は５２μｍ、枠側梁部２５の長さＬ７は１１６.５μｍ、錘側梁部２６の長さＬ８は１４６.５μｍ、梁部１３の長さＬ９は３１５μｍ、応力緩衝部１７の錘部１２の方向へのシフト量Ｌ１０は１５μｍとした。また、変形時の応力集中を防ぐため、梁部１３の付根および応力緩衝部１７の各コーナー部には適度なＲ形状を形成した。

図６にピエゾ抵抗素子，Ｐ型配線，金属配線の配置を模式的に示す。図中において、応力緩衝部１７のシフト，コーナー部のＲ形状などは省略した。Ｘ軸ピエゾ抵抗素子１４およびＺ軸ピエゾ抵抗素子１６を配置した第１梁部１３ａまたは第２梁部１３ｂを示している。梁部１３の梁幅方向に対する中心線ｎ−ｎ′に対して対称とするために、Ｘ軸ピエゾ抵抗素子１４は中心線ｎ−ｎ′に対称に２箇所に形成し、Ｐ型配線３０で接続した。Ｚ軸ピエゾ抵抗素子１６はＸ軸ピエゾ抵抗素子１４の外側に同様に２箇所に形成し、Ｐ型配線３０で接続した。Ｘ軸ピエゾ抵抗素子１４およびＺ軸ピエゾ抵抗素子１６の残りの端部は、Ｐ型配線３０に接続して、梁部１３の外側まで引き出した。錘部１２側から支持枠部１１側への配線引き出しのために、梁部１３上には３本の金属配線３１を形成した。金属配線３１の残留応力の影響を考慮し、金属配線３１のパターンも中心線ｎ−ｎ′に対して対称とすることが望ましい。本実施例のように金属配線が奇数本の場合には、応力緩衝部１７において１本の配線を分岐することで対称にできる。図６では、中央の金属配線を、応力緩衝部１７で両側に分岐するようにした。

本実施例においては、支持枠部１１の内周全域にわたって、支持枠部１１の側面から第１層２０の厚みで突き出した部分を形成し、そこに形成したスリット４２で挟まれた部分を枠側接続部４０とした。この突き出し部のうち、枠側接続部４０以外の部分を縁部４５と表記する。縁部４５を有することにより、支持枠部１１上に配置する必要のある金属配線を、縁部４５上も用いて配置することができ、支持枠部の面積を節約できる。よって、支持枠部の面積を小さくすることができ、３軸加速度センサー素子を小型化することができる。すると、１枚のシリコンウエハから取れる３軸加速度センサー素子１０の数を増やすことができ、製造コストを低減できる。尚、図１３（ｂ）におけるセンサー端子１０８は支持枠部１１の外周側端部に設けたが図１において省略した。

応力緩衝部１７の形状は本実施例で示した形状に限定されるものではない。例えば、複数並べて形成してもよい。応力緩衝部１７の効果を高めるために、枠型形状を３つ連続して形成した梁部形状の例を図７の平面図に示す。図７に示した応力緩衝部１７と同じ寸法の形状を直列に３つ配置した。ただし、枠側梁部２５および錘側梁部２６のテーパー部を形成する領域が取りにくいので、枠側梁部２５および錘側梁部２６の幅は、付根付近の幅Ｌ１で一定とし、その幅で応力緩衝部１７に接続するようにした。略矩形形状の応力緩衝部１７が３つあることで、１つの場合よりも外力の吸収効果が高くなり、外力変化に対する感度の変化、およびオフセット変化をさらに小さくすることができた。

本実施例の加速度センサー素子１０は、従来例の図１３，図１４に示したような方法で樹脂モールドパッケージに組み立てた加速度センサーとすることができる。図７に示した３つの略矩形形状を並べた形状の応力緩衝部１７を有する梁部１３を持つ加速度センサー素子１０を、図１４に示す構造の、サイズ２.５×２.５mm，厚さ１.０mmの樹脂製の保護パッケージに組み立てた場合について、応力シミュレーションにより本実施例の効果を検証した。

上記の加速度センサー素子１０を、厚さ０.６mmの製品基板にはんだ実装したときの、枠側ピエゾ抵抗素子２７と錘側ピエゾ抵抗素子２８の横方向応力の変化を計算した。図７の梁構造において、スリット４２がなく、枠側接続部４０が縁部４５と連続した形状の場合、横方向応力の変化は枠側ピエゾ抵抗素子２７が０.２０ＭＰａ、錘側ピエゾ抵抗素子２８が−０.０４ＭＰａであった。

一方、図７のようにスリット４２を有し、幅Ｌ１１＝１００μｍの枠側接続部４０を有する場合の横方向応力変化は、枠側ピエゾ抵抗素子２７が０.０５ＭＰａ、錘側ピエゾ抵抗素子２８が−０.０４ＭＰａであった。このように、錘側は変化がなく、枠側においては、枠側接続部４０の効果により横方向応力の変化を１／４に低減できた。

本実施例の加速度センサー素子１０における錘側接続部４１の形状を枠側接続部４０と同形状としてもよい。図８を用いて説明する。

第１層２０に錘側スリット４６を形成し、錘側加工端線４４から先の錘側スリット４６で挟まれた部分を錘側接続部４１とした。図８において、錘側接続部４１の幅Ｌ１６を枠側接続部４０の幅Ｌ１１と同じにし、錘側スリット４６の長さＬ１７をスリット４２の長さＬ１３と同じにすることで、錘側接続部４１の形状が、枠側接続部４０の形状とほぼ一致するようにした。

本実施例における３軸加速度センサー素子１０は、第１層２０の上にシリコン酸化膜などの絶縁膜や金属配線が形成され、これらは第１層２０の材料であるシリコンと熱膨張係数が異なるため、絶縁膜や金属配線の成膜温度やアニール温度から常温に冷却されるまでの温度変化に応じて熱応力を発生し、ピエゾ抵抗素子の応力も変化させる。各ピエゾ抵抗素子の配置部の断面構成は一様であるため、上記熱応力によるピエゾ抵抗素子の応力変化もほぼ一様で、センサー出力のオフセット変化は発生しにくい。ただし、梁部１３および枠側接続部４０，錘側接続部４１は、厚さが薄いため、熱応力により変形し応力状態も変化する。枠側接続部４０と錘側接続部４１の形状が異なると、熱応力による変形も異なり、枠側ピエゾ抵抗素子２７と錘側ピエゾ抵抗素子２８の応力変化に微小な差異を発生して、オフセット変化の原因となる恐れがある。本実施例のように枠側接続部４０と錘側接続部４１の形状を一致させることで、上記熱応力によるＺ軸オフセット変化を抑制することができる。

以上説明したように、本実施例における加速度センサーは、梁側接続部を介して梁部と支持枠部とを接続したことで、支持枠部の横応力が、支持枠部側に設けたピエゾ抵抗素子に伝わりにくくなり、加速度センサー素子に加わる外力の影響によるＺ軸オフセット変化を小さくできる。

枠側接続部は梁部と同じ厚さに設けられるため、可撓性を有し、枠側ピエゾ抵抗素子を枠部から離したのと同様の効果で、支持枠部の横応力が支持枠部側のピエゾ抵抗素子に伝わりにくくできる。

また、枠側接続部は梁部よりも幅が広いため、梁部に対して厚さ方向に曲げ変形しにくいので、感度の低下は小さくできる。

例えば枠側接続部を梁部と同じ幅に設けると、梁部を延長して枠側ピエゾ抵抗素子を支持枠部から離したのと同じになるので、Ｚオフセット変化を小さくする効果が得られるが、感度の低下が大きい。逆に枠側接続部の幅を大きくしすぎると、感度の低下はほとんどないが、Ｚオフセット変化の低減効果が小さくなる。感度低下をある程度抑えて、Ｚオフセット変化の低減効果が得られる適度な幅に設定するのが良い。例えば、梁幅の４倍程度がよく、２倍〜８倍程度の範囲で形成される。

また、錘部を支持枠部と分離する第２層への溝の加工には通常ドライエッチングを用いるが、溝加工の終点位置には誤差が発生する場合が多い。低速度の加工で丁寧に行えば誤差を小さくできるが、コストがかかるため、量産時には高速の加工をする場合が多い。

溝加工の終点は、錘部と枠側接続領域の境界を定めるので、上記加工誤差により、枠側接続領域の長さが変化する。前述のように枠側接続領域の幅を梁幅と同程度にしてしまうと、枠側接続領域の長さの変化により、センサー感度が変化してしまう。梁部よりも十分に幅が広い枠側接続領域を有することで、枠側接続領域の長さに誤差が生じても、センサー感度が変化しにくい。

また、加工誤差に対してセンサー感度を変化しにくくする観点から、錘部の側でも、錘側接続部を有することが好ましい。第２層への溝加工の終点位置に誤差が生じた場合にも、梁部よりも十分に幅が広い錘側接続部を有することで、枠側接続領域の長さに誤差が生じても、センサー感度が変化しにくい。錘部の側においては、枠側接続部と異なり、横方向応力を伝えにくくする必要性がないので、十分な幅を有することが重要である。あるいは、幅方向の端部が錘部と接続していても構わない。また、梁部側の側面が開放しており、他の側面は円弧形状で錘部と接続した形状でも構わない。

また、加速度センサー素子に外部から加わる力に対しては、梁部が変形するのに対して錘部は変形しないため、枠側ピエゾ抵抗素子と錘側ピエゾ抵抗素子に与える影響に差異を生じるが、加速度センサー素子そのものの熱変形においては、同等に影響する。第１層の表面にはシリコン酸化膜などの絶縁膜が形成され、第１層のシリコンと熱膨張係数に差があるため、絶縁膜形成時に高温でアニールした後、常温まで温度を下げると、大きな熱応力を発生する。この熱応力により梁が変形し、ピエゾ抵抗素子にも応力変化をもたらす。枠側接続部と錘側接続部を同じ形状としておくことにより、上記熱応力による枠側ピエゾ抵抗素子と錘側ピエゾ抵抗素子の応力変化も同等になり、Ｚ軸オフセット変化を小さくできる。

本発明の一実施例における加速度センサー素子の構造を示す平面図である。図１のｋ−ｋ′断面を示す断面図である。保護パッケージに組み立てた加速度センサーの課題を説明する断面図である。梁部の形状を示す平面図である。梁部の枠側接続部周辺の構造を説明する斜視図である。梁部のピエゾ抵抗素子と配線の配置を示す平面図である。応力緩衝部の他の実施形状を示す平面図である。梁部の他の形状を示す平面図である。従来の３軸加速度センサーを説明する分解斜視図である。従来の３軸加速度センサーを説明する断面図である。従来の３軸加速度センサー素子構造の一例を示す平面図である。従来の３軸加速度センサー素子の検出原理を説明する図である。蓋で封止した従来の３軸加速度センサー素子を示す図である。保護パッケージに組み立てた従来の３軸加速度センサーの構造を示す断面図である。

符号の説明

１０加速度センサー素子
１１支持枠部
１２錘部
１３梁部
１３ａ第１梁部
１３ｂ第２梁部
１３ｃ第３梁部
１３ｄ第４梁部
１４Ｘ軸ピエゾ抵抗素子
１５Ｙ軸ピエゾ抵抗素子
１６Ｚ軸ピエゾ抵抗素子
１７応力緩衝部
１８中心線
１９空隙部
２０第１層
２１第２層
２２第１面
２３第２面
２４第３面
２５枠側梁部
２６錘側梁部
２７枠側ピエゾ抵抗素子
２８錘側ピエゾ抵抗素子
２９幅方向枠辺
３０Ｐ型配線
３１金属配線
４０枠側接続部
４１錘側接続部
４２スリット
４３支持枠部加工端線
４４錘部加工端線
４５縁部
４６錘側スリット
１２０センサー素子
１２１上蓋
１２２下蓋
１２３接合金属領域
１２４センサー組立体
１２５加速度センサー
１２６リードフレーム
１２７制御用ＩＣ
１２８，１２９接着材
１３０センサー端子
１３１ＩＣ端子
１３２ワイヤー
１３３モールド樹脂
１３４製品基板
１３５半田
１３６加速度センサー実装構造体

Claims

可撓性を有し錘部を支持する複数の梁部と、前記錘部の周囲を囲みそれぞれの梁部と接続する支持枠部と、前記梁部の上に複数設けられたピエゾ抵抗素子と、を有する加速度センサー素子と、この加速度センサー素子を内部に設けた保護パッケージ部と、を備えた加速度センサーにおいて、前記梁部の幅よりも広い幅を有する枠側接続部を有し、前記支持枠部は、前記枠側接続部を介して前記梁部と接続する加速度センサー。
請求項１記載の加速度センサーにおいて、前記梁部よりも幅の広い錘側接続部を介して前記梁部と前記錘部とが接続する加速度センサー。
請求項２記載の加速度センサーにおいて、前記錘側接続部の形状が前記枠側接続部と同形状である加速度センサー。
請求項１又は３記載の加速度センサーにおいて、前記梁部と前記錘部とを囲む前記支持枠部の内側には前記梁部と前記錘部とに伸びる縁部を有し、前記枠側接続部は該縁部とスリットにより分離された加速度センサー。
請求項１記載の加速度センサーにおいて、前記ピエゾ抵抗素子は各梁部の前記錘部側と前記支持枠側に設けられている加速度センサー。
第１層と、この第１層よりも厚い第２層とを有し、前記第１層から前記第２層にかけて設けられた支持枠部および錘部と、第１層に設けられ前記錘部を前記支持枠部内に支持する可撓性を有する梁部と、この梁部上に設けられたピエゾ抵抗素子と、このピエゾ抵抗素子と接続する配線と、を有する加速度センサー素子と、前記ピエゾ抵抗素子の抵抗変化から加速度を検出する加速度センサー素子を保持する保護パッケージとを有する加速度センサーにおいて、
第１層に設けられ前記梁部よりも幅が広い枠側接続部を介して前記梁部が前記支持枠部に接続することを特徴とする加速度センサー。
請求項６記載の加速度センサーにおいて、前記第１層に設けられ前記梁部よりも幅の広い錘側接続部を介して前記梁部が前記錘部に接続することを特徴とする加速度センサー。
請求項７記載の加速度センサーにおいて、前記錘側接続部の形状が前記枠側接続部と同形状であることを特徴とする加速度センサー。
請求項６記載の加速度センサーにおいて、前記支持枠部の内周に接続して前記第１層に設けられた縁部を有し、この縁部に設けられた２つのスリットにより分離された部分により前記枠側接続部を構成することを特徴とする加速度センサー。
請求項６記載の加速度センサーにおいて、前記ピエゾ抵抗素子は各梁部の前記錘部側と前記支持枠側に設けられている加速度センサー。
錘部と該錘部の周囲を囲む支持枠部とが第一のシリコン層とこの第一のシリコン層よりも厚い第二のシリコン層とを有し、前記錘部を前記支持枠部内に支持する前記第一のシリコン層に設けられた複数の梁部と、この梁部の上に設けられたピエゾ抵抗素子と、を有する加速度センサー素子と、この加速度センサー素子を内部に有するパッケージ部と、を備え、第一のシリコン層に設けられ前記梁部と前記支持枠部とを接続して前記梁部の幅よりも広い幅を有する枠側接続部を有する加速度センサー。