JP2010276508A - 加速度センサー素子およびこれを有する加速度センサー - Google Patents
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Abstract
【解決手段】錘部と、錘部を取り囲む支持枠部と、錘部を支持枠部に接続して保持する可撓性を有する複数の梁部と、梁部上に設けられたピエゾ抵抗素子とそれらをつなぐ配線を有し、支持枠部とともに錘部の周囲を囲む上蓋と下蓋が支持枠部の表裏面に接合され、ピエゾ抵抗素子の抵抗変化から、接合厚さ方向の第1軸と、それに垂直な平面内の第2軸および前記平面内で第2軸に垂直な第3軸の3つの軸方向、あるいはそれらのいずれかの軸方向の加速度を検出する蓋付き加速度センサー素子であって、支持枠部は分離溝によって内枠と外枠とに分離され、上蓋および下蓋は外枠に接合され、内枠は可撓性を有する複数の内枠支持部により外枠に接続され、前記梁部は第2軸と第3軸に沿って錘部の両側に接続し、内枠支持部は第2軸と第3軸から略45度回転した方向で内枠の両側に接続する蓋付き加速度センサー素子を構成する。
【選択図】図1
Description
前記支持枠部は分離溝によって内枠と内枠の周囲を囲む外枠とに分離され、前記上蓋および下蓋は前記外枠に接合されており、前記内枠は可撓性を有する複数の内枠支持部により前記外枠に接続して保持され、前記梁部は、前記第2軸と第3軸の少なくとも一方に沿って錘部の両側に接続され、内枠支持部は前記第2軸と第3軸の少なくとも一方から、外枠の変形の影響を梁部に伝えにくい方向に所定角度回転して内枠の両側に接続されたことを特徴とする。
<基本構造>
実施例1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によって四方から支持されている。支持枠部11は第1分離溝14により内枠15とそれを取り囲む外枠16に分離されており、梁部13は内枠15に接続している。内枠15は内枠支持部17により四方から外枠16に保持されている。錘部12は、第2分離溝29により内枠15から分離され、4つの本体部と、本体部および梁部13と接続する中間部とからなる。
<製造方法>
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。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24、厚い方の第2シリコン層を第2層25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26、第2層の表面を第2面27、シリコン酸化膜層を介した接続面を第3面28と称す。
<樹脂パッケージ構造>
図4に実施例1の蓋付き加速度センサー素子30を樹脂パッケージに組み立てた加速度センサー40を、製品基板49に実装した加速度センサー実装構造体41の断面模式図を示す。制御用のICチップ42をリードフレーム43上に接着材44で接着し、ICチップ42の上に蓋付き加速度センサー素子30を接着材45で接着し、蓋付き加速度センサー素子30の電極パッド18とICチップ42の電極パッド46間、およびICチップ42の電極パッド46とリードフレーム43間をワイヤーボンディングにより金属ワイヤー47で接続した後、全体をモールド樹脂48で封止して加速度センサー40を得た。接着材44および45には、ダイシングテープと接着材を兼ねたダイアタッチフィルム(DAF)が利用できる。加速度センサー40の下面に露出したリードフレーム表面に半田めっきを施し、製品基板49に半田50で接合し、加速度センサー実装構造体41を得た。
<内枠支持部>
本発明の蓋付き加速度センサー素子30は、図2に示すように、内枠15が外枠16および上蓋19、下蓋22から分離しており、図1に示すように、可撓性を有する内枠支持部17により対角方向の4箇所で外枠16に支持されているのみである。そのため、樹脂パッケージに組み立てた際の熱応力、および製品基板に実装した際の熱応力などで、外枠16および上蓋19、下蓋22に外力が加わって変形しても、その変形が内枠15に伝わりにくく、出力変化を起こしにくい。外枠16の変形は、内枠支持部17を通して内枠15に多少は伝わるが、内枠支持部17は、梁部13に対して対角の方向に配置しているため、内枠支持部17付近の内枠15の変形は、梁部13上のピエゾ抵抗素子の応力に変化を及ぼしにくい。
<内枠支持部の剛性>
加速度センサーの応答性を確保するため、内枠支持部17は梁部13と比べて剛性を高くすることが望ましい。梁部13の剛性と錘部12の重量とから決まる錘部共振周波数と、内枠支持部17の剛性と内枠15および錘部12の合計した重量とから決まる内枠共振周波数を比較したとき、内枠共振周波数が錘部共振周波数と比べて十分に高いことが望ましい。そうでなければ、比較的早い加速度変化に対して、内枠15が錘部と一緒に変位して梁部13の変形が妨げられ、正しい感度が得られなくなる。周波数特性の位相特性とゲイン特性が、互いに連成しない程度に離れるように、内枠支持部17の形状を決めることが望ましい。
<内枠の対称支持>
また、実施例1は内枠15が周囲四方から支持されているので対称性がよい。内枠15が、例えば1つの内枠支持部17で支持されていたり、内枠15の一点で下蓋22に接続されていたりすると、外枠16および下蓋22の変形に対して、内枠15が片持ちで変位するため、上蓋19および下蓋22との相対変位が大きくなりやすい。すると内枠15および錘部12が上蓋19および下蓋22と接触してしまわないように、ギャップを大きくする必要がある。本実施例では、内枠15が周囲四方から支持されているので、上蓋19および下蓋22との相対変位を小さく抑えられ、上記ギャップを小さくできる。そのため、加速度センサーに衝撃が加わったとき、錘部12が上蓋19あるいは下蓋22に衝突するまでの距離が短く加速しにくい効果と、空気ダンピングを大きくできる効果とで、梁部13に発生する応力を小さくすることができ、耐衝撃性を高くできる。また、空気ダンピングを大きくできることで、高周波の振動を抑えることができ、錘部12の共振の振動を抑えられ、ノイズを小さくできる効果もある。
<蓋体の接合>
さらに、実施例1は内枠15を下蓋22に接合する場合と比べて製造工程が容易である。上記のように、上蓋19と下蓋22を金属半田で接合する際には、加圧しながら加熱する必要があるが、内枠15を下蓋22のみと接合しようとすると、内枠15は外枠16に柔軟に接続されているため、内枠15の接合部に十分な加圧力を与えることができない。そのため、まず加速度センサー素子10と下蓋22を接合し、その後上蓋19を接合というように2段階にせざるを得ず、加速度センサー素子10と下蓋22の接合の際には、壊れやすい加速度センサー素子10の表面を直接加圧しなくてはならなくなる。実施例1のように、接合部が外枠16のみにあり、上蓋19の接合部と下蓋22の接合部の位置が重なっていれば、接合部に十分な加圧力を与えることができる。
<設計例の解析結果>
図5の実施例2における設計例を示す。加速度センサー素子10のサイズはX方向1.32mm、Y方向1.18mmで、錘部のXY寸法560μm、梁部13は長さ240μm、ピエゾ抵抗形成部の幅28μm、内枠支持部17は長さ50μm、外枠16側の接続幅160μm、内枠15側の接続幅150μmとした。また、第1層の厚さ4μm、第2層の厚さ400μmとした。内枠15の幅は70μmとした。
<変形実施例>
本発明において、内枠支持部17を梁部13と略45度の方向、あるいは略90度の方向に配置するとしたが、正確に45度、および90度でなくても、梁部13の内枠15部との接続部から、内枠支持部17の内枠15との接続部が十分に離れるように配置することで同様の効果が得られる。例えば両者を45度の方向に配置する場合、45度±15度の角度の範囲に対称に配置しても一定の効果がある。45度±5度の範囲に対称に配置した場合には、要求される仕様特性によっては45度の場合と同等に使用することができる。
101 3軸加速度センサー、 102 ケース、 103 加速度センサー素子、 104 IC、 105 蓋、 106 樹脂接着材、 107 樹脂接着材、111 ワイヤー、113 支持枠部、 114 錘部、 115 梁部13、 116 X軸ピエゾ抵抗、 117 Y軸ピエゾ抵抗、 118 Z軸ピエゾ抵抗、 120 3軸加速度センサー素子、 121 上蓋、 122 下蓋、 123 接合金属領域、 124 蓋付き加速度センサー素子、 125 3軸加速度センサー、 126 リードフレーム、 127 IC、132 ワイヤー、 133 モールド樹脂、134 製品基板、P ピエゾ抵抗素子
Claims (9)
- 錘部と、錘部を取り囲む支持枠部と、錘部を支持枠部に接続して保持する可撓性を有する複数の梁部と、梁部上に設けられたピエゾ抵抗素子とそれらをつなぐ配線を有し、支持枠部とともに錘部の周囲を囲む上蓋と下蓋が支持枠部の表裏面に接合され、ピエゾ抵抗素子の抵抗変化から、上蓋、支持枠、下蓋が積層する厚さ方向の第1軸方向の加速度と、それに垂直な平面内の第2軸および前記平面内で第2軸に垂直な第3軸の少なくとも一つの軸方向の加速度を検出する蓋付き加速度センサー素子において、
前記支持枠部は分離溝によって内枠と内枠の周囲を囲む外枠とに分離され、前記上蓋および下蓋は前記外枠に接合されており、前記内枠は可撓性を有する複数の内枠支持部により前記外枠に接続して保持され、
前記梁部は、前記第2軸と第3軸の少なくとも一方に沿って錘部の両側に接続され、内枠支持部は前記第2軸と第3軸の少なくとも一方から、外枠の変形の影響を梁部に伝えにくい方向に所定角度回転して内枠の両側に接続されたことを特徴とする蓋付き加速度センサー素子。 - 請求項1に記載された蓋付き加速度センサー素子において、前記梁部は、前記第2軸と第3軸の両方に沿って各々錘部の両側に接続され、内枠支持部は前記第2軸と第3軸の両方から、外枠の変形の影響を梁部に伝えにくい方向に所定角度回転して内枠の両側に接続されたことを特徴とする蓋付き加速度センサー素子。
- 請求項2に記載された蓋付き加速度センサー素子において、前記梁部は、前記第2軸と第3軸の両方に沿って各々錘部の両側に接続され、内枠支持部は前記第2軸と第3軸の両方から、略45度回転して内枠の両側に接続されたことを特徴とする蓋付き加速度センサー素子。
- 請求項1に記載された蓋付き加速度センサー素子において、前記第1軸と第2軸の加速度を検出するとともに、前記梁部は、第2軸に沿って錘部の両側に接続し、内枠支持部は前記平面内で第2軸から略45度回転した方向で内枠の両側に接続することを特徴とする蓋付き加速度センサー素子。
- 請求項1に記載された蓋付き加速度センサー素子において、前記第1軸と第2軸の加速度を検出するとともに、前記梁部は、第2軸に沿って錘部の両側に接続し、内枠支持部は前記平面内で第2軸と垂直な第3軸の方向で内枠の両側に接続することを特徴とする蓋付き加速度センサー素子。
- 請求項1乃至5のいずれか1項に記載された蓋付き加速度センサー素子において、前記内枠支持部または梁部の少なくとも一方に、圧縮応力吸収部を設けたことを特徴とする蓋付き加速度センサー素子。
- 請求項1乃至5のいずれか1項に記載された蓋付き加速度センサー素子において、前記梁部および内枠支持部は同じ厚さを有し、かつその厚さは前記錘部および支持枠部よりも薄いことを特徴とする蓋付き加速度センサー素子。
- 請求項1乃至5のいずれか1項に記載された蓋付き加速度センサー素子において、前記内枠支持部の曲げ剛性が、前記梁部よりも高いことを特徴とする蓋付き加速度センサー素子。
- 請求項1乃至5のいずれか1項に記載された蓋付き加速度センサー素子と、制御用のICチップをリードフレーム上に接着し、金属ワイヤーによりリードフレームと、ICチップの電極と、蓋付き加速度センサー素子の電極の間を接続し、モールド樹脂により封止したことを特徴とする加速度センサー。
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