JP3429073B2 - 半導体加速度センサ - Google Patents

半導体加速度センサ

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JP3429073B2 JP18520594A JP18520594A JP3429073B2 JP 3429073 B2 JP3429073 B2 JP 3429073B2 JP 18520594 A JP18520594 A JP 18520594A JP 18520594 A JP18520594 A JP 18520594A JP 3429073 B2 JP3429073 B2 JP 3429073B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体加速度センサに関
し、特に、圧力、加速度ならびに機械的振動等の物理的
外力によって生じる応力を検出し、この応力を電気信号
に変換して前記外力を代表する信号として出力する半導
体加速度センサに関する。
【0002】
【従来の技術】近年、加速度や減速度(以下、これらを
総括して「加速度」という)を検出するセンサとして、
加速度情報を電気信号として直接出力することができる
半導体加速度センサが広く用いられている。この半導体
加速度センサは小型、軽量であり、例えば、自動車用エ
ア・バッグ・システムにおける衝突検知センサとして採
用されている。
【0003】図3および図4に半導体加速度センサの一
例を示す。図3において、加速度センサ1は、GaAs
の基板をエッチングで所望の形状に加工して製作され
る。該加速度センサ1は枠11と該枠11から片持ち梁
形式で内方に張出したたわみ部12とからなる。図3
(b)の断面図に示すように、たわみ部12の先端に
は、その根元部13よりも厚みを大きくした重り部分
(以下、「マス」という)14が形成されていて、加速
度によるたわみ量を大きくとれるようにしている。前記
根元部13の表面つまり応力発生部分には半導体の層を
重ねて形成されたFET等の応力検知素子13aが設け
られる。
【0004】上述のようにマス14を設け、かつ発生応
力が最大となる根元部13の表面に応力検知素子を設け
るようにしているのは、同一の加速度に対して発生応力
を大きくとれるようにして感度または出力信号/ノイズ
比(S/N比)を大きくするためである。
【0005】この加速度センサ1に対し、矢印A方向の
加速度が与えられると、前記根元部13にたわみが発生
する。このたわみにより、たわみに応じて前記FET1
3aのドレイン(ソース)電流IDSが変化する。電流I
DSの変化量は電圧値に変換され、加速度の大きさを代表
する電気信号として取出される。
【0006】図4は、たわみ部12を枠11に両端支持
梁形式で支持した構造の加速度センサである。この加速
度センサ1では矢印A方向に加速度が与えられると、た
わみ部12のたわみにより、枠11の2か所の根元部1
5,16の他、マス14の根元部17,18でも大きい
応力が発生するため、加速度サンプル数を多く取れると
いう特徴がある。つまり、応力検知素子としてのFET
13aを前記4か所の根元部またはその近傍に設けるこ
とができる。但し、根元部15,16と17,18とで
は、検出される応力に引張応力と圧縮応力との違いがあ
る。
【0007】上述のように、従来の加速度センサでは、
S/N比を大きくとることができるようにしているが、
一方で、加速度の大きさの割りにたわみ部12の破壊応
力よりも発生応力が大き過ぎると、たわみ部12はその
根元部13から折損するおそれがある。そこで、発生応
力が前記破壊応力を超えないように安全度を見越してた
わみ部12等の形状・寸法等が設計されている。
【0008】しかし、従来の構造では、前記根元部1
3,15〜18で断面形状が変化し、厚さが変化してい
るため、この厚さ変化部分に応力が集中し、容易に破壊
応力を超えるおそれがある。応力の集中は、例えば角部
の開き角度や曲率等の形状依存性が高い。
【0009】このような応力集中による不具合を解消す
るため、前記厚さの変化部分に、アール部つまり円弧部
を形成して応力の集中を回避するようにした加速度セン
サが提案されている(特開昭64−18063号公報,
特開平1−302167号公報)。これらの公報に記載
された加速度センサでは、等方性エッチングで隅の角を
落として滑らかな円弧部を形成するようにしている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】ところが、エッチング
加工では加工精度のばらつきが大きく、必ずしも正確に
所望の円弧形状を得ることが容易ではなかった。このた
めに、安全率や材料の強度ばらつきの他、エッチング加
工の精度ばらつきによる集中応力の大きさの程度にも配
慮しなければならない。その結果、マス14を小さくす
る等して応力の低減を図らなければならなくなり、S/
N比が低下するという問題点があった。
【0011】本発明の目的は、上記の問題点を解消し、
エッチング加工の精度ばらつきが応力集中に与える影響
を小さくし、S/N比が大きい構造をとることができる
半導体加速度センサを提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決し、目
的を達成するための本発明は、 エッチング加工で一体
に形成されたたわみ方向の厚さが一様なたわみ部と、
たわみ部を取り囲む該たわみ部より厚い支持枠と、物理
的外力によって該たわみ部に生じる応力を検出する応力
検知部とを有する半導体加速度センサにおいて、前記た
わみ部に、該たわみ部と前記支持枠とを連結する挟小部
を設け、該挟小部は、前記支持枠側端部において該支持
枠に向かって前記たわみ方向に直交する方向に幅を拡大
させてあり、前記応力検知部が、前記たわみ部と支持枠
との境界部からオフセットされた前記挟小部の幅拡大の
起点に設けられた点に特徴がある。
【0013】
【作用】上記の特徴によれば、たわみ部は厚さが一様で
あるので、それ自体には応力集中箇所がない。また、応
力検知部はたわみ部の狭小部に設けられ、かつ、たわみ
部と支持枠との境界つまり唯一の応力集中部である厚さ
変化部は幅広にしてある。したがって、応力検知部が設
けられた狭小部で最大の応力が発生する。その結果、前
記応力検知部で設計上の公称最大応力を設定しておけ
ば、たわみ部と支持枠との境界の形状変化部では、応力
の集中を考慮しても、そこで発生する応力が公称最大応
力を上回るおそれが少ない。
【0014】
【実施例】以下、図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。図1(a)は、本発明の実施例に係る半導体加速度
センサの平面図、図1(b)は図1(a)のB−B位置
での断面図である。また、図1(c),(d)は半導体
加速度センサのたわみ部に発生する応力の分布図であ
る。図1において、GaAsを素材とする基板をエッチ
ングで加工した半導体加速度センサ1の枠11には、そ
の内側に片持ち梁形式で張り出したたわみ部12が形成
されている。なお、たわみ部12の範囲を明確にするた
め、図1に符号x0 で範囲を示した。該たわみ部12
は、マス121および該マス121を枠11に支持する
狭小部122からなる。図中、狭小部122の範囲を符
号x1 で示した。図1(b)に示した断面図に見られる
ように、マス121と狭小部122の間には厚さ変化部
分がなく、S/N比を高くするためにマス121に対し
て狭小部122の幅を小さくしている他は、たわみ部1
2全体の厚さは一様である。一方、狭小部122は枠1
1側に向かって幅を漸次拡大させてあり、根元部123
でその幅が最大となっている。このように、前記マス1
21と狭小部122とは厚さの変化をなくしてあるた
め、エッチングのばらつきに起因する応力の集中を避け
ることができる。
【0015】一方、たわみ部12と枠11との境界つま
り根元部123において厚さ変化による断面形状変化が
発生するのは避けられない。本実施例では、枠11方向
に向かって狭小部122の幅を徐々に大きくするように
形成したことによって、応力が集中する断面形状変化部
の幅が大きくしてあるので、応力集中に対する抵抗力が
増大する。
【0016】一方、応力検知素子19は、たわみ部分の
根元部123から距離OSだけ偏倚させて狭小部122
の最小幅部分に配置するようにした。この配置位置はた
わみ部分12のうち幅および厚さが共に最小の部分であ
ってかつ根元部123にも近いため、図1(c)に示す
ように最大の引張応力σmax が発生する。これに対し
て、前記応力集中部分つまり根元部123では狭小部1
22の幅が広いために、応力集中を考慮しても、この部
分で発生する応力σxは相対的に応力検知素子19の配
置部で発生する応力σmax よりも小さい。したがって、
前記応力σmax を設計上の最大公称応力とすれば、根元
部123には該半導体加速度センサ1の最大公称応力よ
りも小さい応力σxしか発生しないため、最大公称応力
以下の応力を発生させる加速度で破壊することはない。
【0017】なお、前記応力検知素子19の配置位置と
しては、図示の位置が最適であるが、これに限定され
ず、狭小部122のうち、たわみ部分12と枠11との
境界部つまり根元部123から一定量のオフセットを有
する位置であればよい。
【0018】次に、本実施例の半導体加速度センサとの
比較のため、従来の半導体加速度センサの応力分布を図
2に示す。同図において、図3と同符号は同一または同
等部分を示す。図2のように、特に、たわみ部12の裏
面根元部13およびマス14の根元部20で応力の集中
が大きく、根元部20の表面側での応力を最大公称応力
σmax が発生した場合、根元部20の裏面側およびマス
14の根元部13の裏面側での発生応力σzは、前記最
大公称応力σmax を上回るようになる。この最大公称応
力σmax が破壊応力であった場合、根元部13の裏面お
よびマス14の根元部20の裏面での応力集中の結果、
表面部の応力が最大公称応力以下であってもその小さい
応力でたわみ部12は破壊することがある。このような
応力分布から、従来の加速度センサでは、たわみ部12
の裏面の集中応力が破壊応力以下となるように最大公称
応力を設定する必要があり、その結果としてたわみ部1
2の表面の応力検知部では、小さい応力つまり小さい加
速度しか測定できないということになる。
【0019】なお、本実施例では、片持ち狭小部を例に
説明したが、本発明は、この実施例に限らず、枠11に
向けて等角度間隔で狭小部122を放射状に複数形成し
た形式、つまり両端支持梁形式、またはたわみ部を4方
向から支持した4方向支持梁形式等についても同様に適
用できる。要は、たわみ部の厚さが一様であり、該たわ
み部には支持枠寄りに狭小部が設けられていて、かつ該
狭小部の幅を前記支持枠側で増大させて形成するととも
に、前記たわみ部と支持枠との境界部からオフセットさ
れた前記狭小部の予定位置に応力検知部が設けられてい
ればよい。この場合にも、材料ばらつき等を考慮した安
全率を乗じた応力及びオフセットの量等を設定するのは
いうまでもない。
【0020】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
では、たわみ部と支持枠との境界部つまり形状変化部と
応力検知部とをずらすようにし、かつ前記形状変化部の
幅を応力検知部の幅より大きくした。したがって、形状
変化部での応力集中を緩和することができるため、エッ
チングによる加工精度にばらつきがあっても、形状変化
部の応力を応力検知部で検知される最大応力以下に制限
でき、その結果として、最大公称応力以下の応力でたわ
み部が破壊することを防止できる。
【0021】また、形状変化部での応力集中を緩和でき
るので、最大公称応力を大きくでき、その結果、S/N
比の向上をはかることができる。
【0022】さらに、たわみ部は厚さが一様な平坦形状
であるため、たわみ部の厚さによってマスを形成してい
る場合に比べて、たわみ部に対して横方向にかかる加速
度による曲げモーメントが作用しない。したがって、指
向性の高い加速度センサとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例を示す加速度センサの平面
図、断面図ならびに応力分布図である。
【図2】 従来の加速度センサの平面図、断面図ならび
に応力分布図である。
【図3】 片持ち狭小部形式の従来の加速度センサの平
面図および断面図である。
【図4】 両端支持狭小部形式の従来の加速度センサの
平面図および断面図である。
【符号の説明】
1…加速度センサ、 11…支持枠、 12…たわみ
部、 19…検知素子、121…マス、 122…狭小
部、 123…根元部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−258175(JP,A) 特開 平2−62967(JP,A) 特開 平4−353770(JP,A) 特開 平2−95264(JP,A) 特開 平4−301770(JP,A) 特開 昭64−18063(JP,A) 特開 平4−315056(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01P 15/02 G01P 15/12

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 エッチング加工で一体に形成されたたわ
    み方向の厚さが一様なたわみ部と、該たわみ部を取り囲
    む該たわみ部より厚い支持枠と、物理的外力によって該
    たわみ部に生じる応力を検出する応力検知部とを有する
    半導体加速度センサにおいて、 前記たわみ部に、該たわみ部と前記支持枠とを連結する
    挟小部を設け、該挟小部は、前記支持枠側端部において
    該支持枠に向かって前記たわみ方向に直交する方向に
    を拡大させてあり、前記応力検知部が、前記たわみ部と
    支持枠との境界部からオフセットされた前記挟小部の幅
    拡大の起点に設けられたことを特徴とする半導体加速度
    センサ。
  2. 【請求項2】 前記挟小部が、前記支持枠に向けて等角
    度間隔で放射状に複数形成されていることを特徴とする
    請求項1記載の半導体加速度センサ。
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