JP2723958B2 - 加速度センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、加速度センサに関し、特に熱応力による
オフセットドリフトの低減に関するものである。

〔従来の技術〕

加速度センサとして、半導体加速度センサを例にと
り、以下説明する。

このセンサの原理は、一端が固定され、加速度を受け
たときにたわむ片持ちばりなどの伸状部材に歪検出素子
を取り付け、たわみに応じた曲げ応力を検出して加速度
を知るものである。このとき、素子が位置する部位を薄
くすれば、曲げ応力が大きくなり検出感度が向上する。

第３図は、例えば特開昭62−213280号公報に記載され
ている従来の半導体加速度センサの斜視図である。この
センサは、Si基板にエッチング加工が施されて形成され
たものである。図において、（21）は一端がフレーム
（22）に支持され、先端部にSi錘（23）を有する加速度
検出用片持ちばかり、（24）はこれと並行して一端がフ
レーム（22）に支持され、先端部に錘を持たない温度補
償用片持ちばりである。

次に、動作について説明する。

Si錘（23）に加速度が加わると、加速度検出用片持ち
ばかり（21）がたわみ、その表面部に形成されている加
速度検出用ピエゾ抵抗（25a）に曲げ応力が加わり抵抗
値が変化する。これに対し、先端部に錘を持たない温度
補償用片持ちばかり（24）の表面部に形成されている温
度補償用ピエゾ抵抗（25b）には殆ど曲げ応力が加わら
ず、そのため抵抗値も変化しない。これらの抵抗値の変
化を、第４図に示すブリッジ回路で検出する。ピエゾ抵
抗（25a），（25b）の初期抵抗値をＲ、加速度に対する
抵抗変化分をΔＲとするとブリッジ回路の出力Voutは次
式で表される。

このセンサを、例えば自動車用などに適用する場合に
は周期温度を−30〜100℃の範囲になるので、フレーム
とSiとの熱膨張係数の差に起因する熱応力を考慮する必
要がある。このようなセンサにおいて、フレーム（22）
を台座に止着し、この台座をパッケージに固定するもの
では、台座、パッケージ、接着に用いている接着剤とSi
との熱膨張係数に差があれば熱応力が発生する。このと
き、各ピエゾ抵抗に対して熱応力の加わり方が異なれ
ば、ブリッジ回路の出力Voutには、温度によるオフセッ
トドリフトが生じる。

さらに、両片持ちばり（21），（24）はフレーム（2
2）の内縁部の一部に接続されているため、その接着部
に応力集中領域（26）が生じ、破壊に対して弱い構造に
なっていた。

これに対し、同一出願人らは特願昭63−218517号に示
しているが、上記のような熱応力を軽減でき、しかもエ
ッチングプロセスが簡単な半導体加速度センサを開発し
ている。すなわち、固定部に対し両方向に第一の片持ち
ばかりと第二の片持ちばりとを一直線上に形成し、第一
の片持ちばりの先端部には被検出加速度が加わる錘を、
両片持ちばりの表面部には不純物拡散層によりそれぞれ
略同一レイアウトで歪検出素子を形成したものである。
第５図及び第６図は、この半導体加速度センサの一例の
平面及び断面側面をそれぞれ示す図であり、（31）はそ
の先端に錘（36）を有する加速度検出用の第一の片持ち
ばり、（32）は温度補償用の第二の片持ちばり、（33）
は両片持ちばり（31），（32）の基点であるSi固定部、
（34）はSiもしくはSiと熱膨張係数の近い材質からな
り、Si固定部を接着面（35）を介して止着している台座
（支持部）である。また、両片持ちばかり（31），（3
2）の表面に、同一レイアウトで歪検出素子、例えばピ
エゾ抵抗（37a），（37b）が形成され、前述したのと同
様なブリッジ回路を構成している。（38）はブリッジ回
路の各端子を取り出す電極である。

この加速度センサにおいて、加速度が印加されたとき
には、第３図の場合と同様に、加速度検出用片持ちばり
（31）表面のピエゾ抵抗（37a）は加速度に応じて抵抗
値が変化し、温度補償用片持ちばり（32）表面のピエゾ
抵抗（37b）の抵抗値はほとんど変化しない。これら抵
抗値の変化は上記と同様にブリッジ回路で検出できる。

次に、熱応力について説明する。通常、Si表面には保
護膜が形成されているので、この保護膜とSiとの熱膨張
係数の差に起因して熱応力が発生する。しかし、同図の
構成では、固定部（33）から両片持ちばり（31），（3
2）表面のピエゾ抵抗（37a），（37b）までの幾何学的
形状（距離、厚み等）が略同等に配置されている。すな
わち、同図で、中心Ｏからの距離はＡ≒Ｂとなるので、
発生する熱応力もほぼ同一になる。その結果、ブリッジ
回路の出力には、熱応力を原因とするオフセットドリフ
トはほとんど現れなくなる。一方、実装時において、台
座、パッケージもしくはこれらの接着に用いられる接着
材とSiとの熱膨張係数の差に起因する熱応力について
も、幾何学的形状が同じであれば等しくなり、この熱応
力を原因とするオフセットドリフトがなくなりオフセッ
ト温度特性が改善される。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記のような従来の加速度センサでは、実装すると
き、第６図に破線で示すように、台座（34）とSi固定部
（33）との止着時にずれが生じると、接着面からの両片
持ちばかり（31），（32）上のピエゾ抵抗（37a），（3
7b）までの位置が対称でなくなる。すなわち、接着面の
中心がＯからＯ′にずれて中心からの距離はＡ′≠Ｂ′
となり、台座接着を原因とした熱応力は、等しくなくな
る。従って、この熱応力の差を原因としたオフセットド
リフトが発生するとともに、センサ毎にSi固定部の接着
領域が異なると、センサ毎のオフセット特性にばらつき
が生じるなどの問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされた
もので、支持部への止着を原因とした熱応力によるオフ
セットドリフトを低減した加速度センサを得ることを目
的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る加速度センサは、固定部を基点として
二方に対称形に伸び、一方を加速度が加わったときにた
わみ、他方は殆んどたわまない２つの伸状部材、この一
方の伸状部材にありたわみに応じた曲げ応力に応動する
第一の歪検出素子、伸状部材の他方にあり、第一の歪検
出素子と対称位置に設けられ、温度変化に対して第一の
歪検出素子と略同じ特性変化を呈する第二の歪検出素
子、第一、第二の歪検出素子をブリッジ接続可能な接続
端子、及び伸状部材の固定部を止着する支持部を備え、
固定部の接着面を支持部の接着面より小さくして、支持
部接着面内で止着したものである。

〔作用〕

この発明に係る加速度センサは、止着面から第一、第
二の歪検出素子での幾何学的形状が略同等となり、第
一、第二の歪検出素子部位で生じる熱応力が殆ど等しく
なる。

〔実施例〕

第１図は、この発明の一実施例を示す半導体加速度セ
ンサの断面側面図であり、図において（31）〜（37b）
は従来と同様のものである。（43）は両片持ちばり（3
1），（32）の基点となるSi固定部、（44）はSiもしく
はSiと熱膨張係数と近い材質からなり、Si固定部を接着
面（45）を介して止着している台座（支持部）である。
このとき、Si固定部（43）の接着面（Ｃ）を台座（44）
の接着面（Ｄ）より小さくするとともに、固定部（43）
の中心Ｏからピエゾ抵抗（37a），（37b）までの幾何学
的形状（距離、厚み等）を略同等に、すなわちＡ≒Ｂに
配置している。

次に、動作について説明する。

この加速度センサは、上記のように構成されているの
で、実装時に台座への止着が多少ずれても（同図に、右
にずれた場合は破線で示す。）Si固定部（43）の接着面
は台座（44）の接着面（Ｄ′）内で止着し、その中心か
ら両ピエゾ抵抗（37a），（37b）までの距離はほぼ等し
い。このため、支持部への止着を原因とする熱応力は、
両ピエゾ抵抗（37a），（37b）上でほぼ等しくなり、こ
れを起因とするオフセットドリフトが低減できる。ま
た、センサ毎のオフセット特性のばらつきも少なくな
る。

第２図は、この発明の他の実施例を示す半導体加速度
センサの断面側面図である。この実施例では、Si固定部
（46）に、中心Ｏから対称の位置に溝部（47）を設け、
この溝部間を接着面（Ｃ）にしている。尚、接着面
（Ｃ）の中心は、前述の実施例と同様に、両ピエゾ抵抗
（37a），（37b）に対してほぼ中央になるように、すな
わちＡ≒Ｂにし、台座接着面（Ｅ）内で止着している。
この場合でも、破線で示すように、実装時に台座への止
着がずれたとしても、台座接着面（Ｅ′）内で止着させ
ることができる。尚、上記溝部（47）は、片持ちばりを
形成するエッチング時に同時に形成できる。

上記各実施例では、歪検出素子としてピエゾ抵抗素子
で説明したが、ピエゾ抵抗を用いた四端子ゲージ、圧電
薄膜を用いた圧電素子、感圧ダイオード、感圧トランジ
スターなど曲げ応力を検出できるものであればよい。

なお、Si基板にエッチング加工したもので説明した
が、これに限られるものではない。

〔発明の効果〕

この発明に係る加速度センサによれば、固定部を基点
として二方に対称形に伸び、一方を加速度が加わったと
きにたわみ、他方は殆んどたわまない２つの伸状部材、
この一方の伸状部材にありたわみに応じた曲げ応力に応
動する第一の歪検出素子、伸状部材の他方にあり、第一
の歪検出素子と対称位置に設けられ、温度変化に対して
第一の歪検出素子と略同じ特性変化を呈する第二の歪検
出素子、第一、第二の歪検出素子をブリッジ接続可能な
接続端子、及び伸状部材の固定部を止着する支持部を備
え、固定部の接着面を支持部の接着面より小さくして、
支持部接着面内で止着したので、止着面から第一、第二
の歪検出素子までの幾何学的形状が略同等となり、第
一、第二の歪検出素子部位で生じる熱応力が殆ど等しく
なるので、第一、第二の歪検出素子部位で生じる熱応力
の影響が打ち消され、支持部への止着を原因とした熱応
力によるオフセットドリフトを低減できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す加速度センサの断面
側面図、第２図はこの発明の他の実施例を示す加速度セ
ンサの断面側面図、第３図は従来の加速度センサの斜視
図、第４図は加速度センサにおけるピエゾ抵抗の配線の
一例を示す図、第５図及び第６図は従来の加速度センサ
の平面及び断面側面をそれぞれ示す図である。 図において、（31），（32）は伸状部材（片持ちばか
り）、（37a）は第一の歪検出素子、（37b）は第二の歪
検出素子、（43），（46）は固定部、（44）は支持部
（台座）である。 なお、図中、同一符号は同一、または相当部分を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 別所 三樹生 兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電機株式会社産業システム研究所内 (72)発明者 番 政広 兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電機株式会社産業システム研究所内 (56)参考文献 特開 昭62−213280（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−19482（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−67965（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固定部を基点として二方に対称形に伸び、
   一方を加速度が加わったときにたわみ、他方は殆んどた
   わまない２つの伸状部材、この一方の伸状部材にあり前
   記たわみに応じた曲げ応力に応動する第一の歪検出素
   子、前記伸状部材の他方にあり、前記第一の歪検出素子
   と対称位置に設けられ、温度変化に対して前記第一の歪
   検出素子と略同じ特性変化を呈する第二の歪検出素子、
   前記第一、第二の歪検出素子をブリッジ接続可能な接続
   端子、及び前記伸状部材の固定部を止着する支持部を備
   え、前記固定部の接着面を前記支持部の接着面より小さ
   くして、支持部接着面内で止着することを特徴とする加
   速度センサ。