JP3642054B2 - ピエゾ抵抗型3軸加速度センサ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、玩具、自動車、航空機、携帯端末機器等に用いられる加速度検出用の半導体加速度センサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来のピエゾ抵抗型3軸加速度センサの構造について詳細に説明する。加速度センサの平面図を図7に、図7のA−A’線に沿った断面図を図8に示す。シリコン単結晶基板(以下、Si単結晶基板と言う)の厚肉部から成る質量部1とそれを取り囲むように配された外枠部3と、該質量部1および外枠部3とを接続するSi単結晶基板の薄肉部より成る2対の互いに直交する梁状の可撓部21、21’、22、22’と該可撓部上の2つの直交する方向(XとY)及び該可撓部21、21’、22、22’に垂直な方向(Z)に対応するように設けられた各軸複数のピエゾ抵抗体群51と51’、52と52’、61と61’、62と62’、71と71’、72と72’とから構成される。また、可撓部21、21’、22、22’は図7に符号4で示したように薄肉部に貫通穴を設けることによって梁形状とされており、変形しやすく、高感度化に向いた構造となっている。
【0003】
加速度の検出原理は、中央の質量部1が加速度に比例した力を受けて変位したときの可撓部21、21’、22、22’の撓みを、可撓部に形成されたピエゾ抵抗体群51と51’、52と52’、61と61’、62と62’、71と71’、72と72’の抵抗値変化として検出することで3軸方向の加速度を検出するものである。ここで、可撓部21、21’上の4つのピエゾ抵抗素子51、51’、52、52’はX軸方向の加速度を、また、他の4つのピエゾ抵抗素子71、71’、72、72’は素子面に垂直なZ軸方向の加速度を検出し、また可撓部22、22’上の4つのピエゾ抵抗素子61、61’、62、62’はX軸方向と直交するY軸方向の加速度を検出するように、それぞれ各軸4つのピエゾ抵抗素子は独立してブリッジ回路を構成するように結線されており、X軸においては51と51’および52と52’をそれぞれピエゾ抵抗体対と呼び、同様にY軸においては61と61’および62と62’、Z軸においては71と71’および72と72’がピエゾ抵抗体対をなす。また、X,Y軸は出力検出原理、結線方法およびピエゾ抵抗体の配置が同じであり、それぞれ他方の軸と入れ替えることができるため、以降、XおよびY軸を、特に断りの無い限りX軸と表記することとする。
【0004】
従来の3軸加速度センサにおけるピエゾ抵抗体の配置について説明する。図9に示すように、X軸用ピエゾ抵抗体対とZ軸用ピエゾ抵抗体対の片端が可撓部と外枠部の境界および可撓部と質量部の境界と一致する構造となっていた。これは可撓部が加速度を受けて撓んだとき、可撓部における外枠部および質量部近傍の部位に応力集中するため、最大のセンサ出力が得られるためである。
【0005】
ピエゾ抵抗体が図9のように配置されている場合にはX軸とZ軸の感度(加速度1G、駆動電圧1Vに対する出力)には、図10に示すような関係があることが一般に知られている。X軸方向に1Gの加速度が加えられた場合には、可撓部に加わる曲げモーメントは、可撓部21、21’、22、22’を通る平面から質量部1の重心までの距離(s1とする)と質量部の質量(mとする)の積で表される。従って質量部の厚さが変化した場合、曲げモーメントはs1およびmに比例するため、X軸の感度は2次関数的に変化する。これに対しZ軸方向に1Gの加速度が加えられた場合には、可撓部に加わる曲げモーメントは、可撓部の長さ(s2とする)と質量部の質量mの積で表される。従って質量部の厚さが変化した場合、曲げモーメントはmにのみ比例するため、Z軸の感度は1次関数的に変化する。
【0006】
図10から判るように、X軸とZ軸の出力差をなくすためには質量部の厚さを800μm程度にすれば良い。しかし、半導体等で使用されるSi単結晶基板の厚みは、625μmと525μmが主流となっているため、約800μmのSi単結晶基板は特注となり、高コストとなるだけでなく、納期が不安定となる問題があるため、質量部の厚さによって出力調整を行うのは好ましい方法ではない。
【0007】
【発明の解決しようとする課題】
従来の加速度センサのピエゾ抵抗体の配置では、X軸の出力と比較してZ軸の出力が大きくなってしまう。軸間の出力差が大きい場合、出力増幅率が異なる増幅器を各軸毎に準備する必要があり、コスト高になる欠点がある。
【0008】
Z軸のピエゾ抵抗体群と他群の不純物濃度を変え、ピエゾ特性を変化させZ軸の出力を下げてX軸とY軸の出力を同等にすることは可能である。しかしピエゾ抵抗体を形成するときに不純物の打ち込みを、Z軸だけ別に行う必要があり、工程増によるコスト高となる。またX軸用ピエゾ抵抗体とZ軸用ピエゾ抵抗体の温度特性が異なってしまうという問題がある。
【0009】
Z軸用ピエゾ抵抗体対間隔を変えずにピエゾ抵抗体対を可撓部長さ方向に対して平行移動させることによってもZ軸の出力は下げることはできるが、オフセット電圧(各軸に加速度が加わっていない状態のZ軸の出力)および他軸感度(他の軸に加速度が加わった場合のZ軸の出力)が悪化する問題がある。
【0010】
Z軸のピエゾ抵抗体の形状を変えて、Z軸の出力を下げることも可能だが、ピエゾ抵抗体の抵抗値が変わり、ブリッジバランスをとることが難しくなるため、ピエゾ抵抗体はすべて同形状であることが好ましい。
【0011】
そこで、本発明ではX,Y,Zの3軸の出力差が小さく、3軸のピエゾ抵抗体の抵抗値や温度特性が同じで、小型薄型で製造コストが安い3軸加速度センサを提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明のピエゾ抵抗型3軸加速度センサは、厚肉部から成る質量部と、該質量部を取り囲むように配された外枠部と、該質量部と該外枠部を接続する薄肉部より成る2対の互いに直交する梁状の可撓部と、該可撓部上の直交するX軸及びY軸方向と該可撓部に垂直なZ軸方向に対応するように設けられた各軸複数のピエゾ抵抗体で加速度を検出する3軸加速度センサであって、X軸およびY軸用のピエゾ抵抗体対は、それぞれのピエゾ抵抗体の片端が可撓部と外枠部の境界および可撓部と質量部の境界に一致するようにして可撓部上に配され、Z軸用のピエゾ抵抗体対は、それぞれのピエゾ抵抗体の少なくとも一部が外枠部もしくは質量部上に位置するように配され、X軸およびY軸用のピエゾ抵抗体対間隔とZ軸用のピエゾ抵抗体対間隔に差を設け、3軸方向の出力差を小さくしたことを特徴とする。
【0013】
本発明のピエゾ抵抗型3軸加速度センサとは、平面方向の加速度と垂直方向の3方向の加速度を検出する能力を有するセンサのことを言う。3軸検出能力中の1軸を使用せずX軸とZ軸もしくはY軸とZ軸、X軸とY軸の2軸を検出するように用いることもできる。また、2軸を使用せずX軸もしくはY軸、Z軸の1軸を検出するように用いることもできる。
【0014】
ピエゾ抵抗体対の配置は、出力を最大限に得るために3軸とも、可撓部上でピエゾ抵抗体の片端が応力集中する可撓部の端部と一致させるように形成されていた。しかしこの構造ではX軸の出力と比較してZ軸の出力が大きくなってしまうため、X軸用ピエゾ抵抗体対間隔に対してZ軸用ピエゾ抵抗体対間隔が異なるようにピエゾ抵抗体を配し、X軸とY軸の出力レベルを保ち、Z軸の出力レベルを下げることでX軸とZ軸の出力差を小さくしたものである。ここで言う、ピエゾ抵抗体対間隔とは可撓部上に形成されたそれぞれの軸における一対のピエゾ抵抗体の可撓部長さ方向に対する中心間距離のことである。
【0016】
Z軸用ピエゾ抵抗体対間隔がX軸用ピエゾ抵抗体対間隔より大きく、Z軸用ピエゾ抵抗体の少なくとも一部が外枠部と質量部上に配置されている。これはピエゾ抵抗体の一部を可撓部外に配することによりピエゾ抵抗体に不感領域を発生させ、ピエゾ抵抗体の感度を下げるものである。
【0017】
本発明のピエゾ抵抗型3軸加速度センサは、Z軸用ピエゾ抵抗体対間隔とXもしくはY軸用ピエゾ抵抗体対間隔の差がピエゾ抵抗体の長さLに対し、0.6L以上1.0L以下であることが望ましい。
【0018】
本発明のピエゾ抵抗型3軸加速度センサは、厚肉部から成る質量部と、該質量部を取り囲むように配された外枠部と、該質量部と該外枠部を接続する薄肉部より成る2対の互いに直交する梁状の可撓部と、該可撓部上の直交するX軸及びY軸方向と該可撓部に垂直なZ軸方向に対応するように設けられた各軸複数のピエゾ抵抗体で加速度を検出する3軸加速度センサであって、X軸およびY軸用のピエゾ抵抗体対は、それぞれのピエゾ抵抗体の片端が可撓部と外枠部の境界および可撓部と質量部の境界に一致するようにして可撓部上に配され、Z軸用のピエゾ抵抗体対は、それぞれのピエゾ抵抗体が可撓部上に配され、X軸およびY軸用のピエゾ抵抗体対間隔とZ軸用のピエゾ抵抗体対間隔に差を設けることが望ましい。
以 上
【0019】
Z軸用ピエゾ抵抗体対間隔がX軸用ピエゾ抵抗体対間隔より小さく、Z軸用ピエゾ抵抗体は可撓部上に配され、Z軸用ピエゾ抵抗体の片端が可撓部と外枠部の境界もしくは可撓部と質量部の境界と距離を有する。X軸用ピエゾ抵抗体は出力を最大限に得るために応力集中する外枠部および質量部との接続境界部にピエゾ抵抗体の片端が配されているのに対し、Z軸用ピエゾ抵抗体は応力集中領域の寄与が少ない位置に配することで、Z軸用ピエゾ抵抗体の感度を下げるものである。
【0020】
本発明のピエゾ抵抗型3軸加速度センサは、Z軸用ピエゾ抵抗体対間隔とXもしくはY軸用ピエゾ抵抗体対間隔の差がピエゾ抵抗体の長さLに対し、1.2L以上1.6L以下であることが望ましい。
以 上
【0021】
本発明のピエゾ抵抗型3軸加速度センサは、次の主な工程を経て作製される。Si単結晶基板にピエゾ抵抗体群を形成する工程。ピエゾ抵抗体はSi単結晶基板にボロンを不純物としてイオン打込み法により作製される。ピエゾ抵抗体群の位置を形状はパターニングに使用するフォトマスクのマスクパターンによって決められ、可撓部上のX軸とZ軸のピエゾ抵抗体対の間隔が異なるようにしておく。ピエゾ抵抗体群を保護する保護膜を形成し、ピエゾ抵抗体群とアルミ配線を導通させるためのコンタクトホールをウエットエッチング等によって形成する工程。可撓部上のピエゾ抵抗体群が3軸それぞれブリッジ回路を構成するようにアルミ配線を形成する工程。可撓部が薄い梁形状となるようにSi単結晶基板を表裏面からドライエッチングする工程。Si単結晶基板を切断して、ピエゾ抵抗型3軸加速度センサ素子を得る工程。ピエゾ抵抗型3軸加速度センサ素子を、パッケージに入れ配線等を行う組立て工程を経て、ピエゾ抵抗型3軸加速度センサを得る。尚、本明細書では、ピエゾ抵抗型3軸加速度センサ素子をピエゾ抵抗型3軸加速度センサと表記している。
【0022】
【発明の実施の形態】
本発明のピエゾ抵抗型3軸加速度センサの実施例について図1、2を用いて説明する。図1は本発明のピエゾ抵抗型3軸加速度センサの平面図であり、図2は可撓部上に配されたX軸およびZ軸のピエゾ抵抗体の配置を表した部分拡大平面図である。
【0023】
本実施例の加速度センサは、ピエゾ抵抗体の長さを110μm、可撓部の長さを500μm、幅を100μm、厚さを7μm、質量部および外枠部の厚さを550μmとした。ピエゾ抵抗体は、Si単結晶に不純物であるボロンを、表面不純物濃度で2×1018atoms/cm3となるように条件設定した。X軸用ピエゾ抵抗体の片端は可撓部端部と一致させて配置した。X軸とZ軸用ピエゾ抵抗体対間隔の差を、ピエゾ抵抗体の長手方向の長さLに対して0.2Lから2.4Lまで、0.2Lピッチで変化させた。比較のために従来形状の差なしも作製し、X軸とZ軸の出力比を測定した。Z軸用ピエゾ抵抗体対は、可撓部の長さ方向に垂直な二等分線に対して対称に配置されているので、Z軸用ピエゾ抵抗体71′、72の一部が外枠部に、71’、72’の一部が質量部上に配される図2の構造となる。
【0024】
X軸とZ軸の出力比(Z/X)を図3に示す。比較に入れた従来構造の出力比はピエゾ抵抗体対間隔とZ軸用ピエゾ抵抗体対間隔の差は0であったため、出力比は1.5である。Z軸ピエゾ抵抗体対間隔とX軸ピエゾ抵抗体対間隔の差が大きくなるに従ってZ軸の出力が下がり、その差が約0.8LでX軸とZ軸の出力差がなくなり、さらに差を大きくするとZ軸の出力がX軸より低くなってしまった。この事から、差を0.8L近傍とすることでX軸とZ軸の出力比をほぼ1とすることができる。
【0025】
本発明の他の実施例について図4、5を用いて説明する。図4はピエゾ抵抗型3軸加速度センサの平面図で、図5は可撓部上に配されたX軸およびZ軸のピエゾ抵抗体の配置を表した部分拡大平面図である。
【0026】
本実施例の加速度センサは、ピエゾ抵抗体の長さを110μm、可撓部の長さを500μm、幅を100μm、厚さを7μm、質量部および外枠部の厚さを550μmとした。ピエゾ抵抗体は、Si単結晶に不純物であるボロンを、表面不純物濃度で2×1018atoms/cm3となるように条件設定した。X軸用ピエゾ抵抗体の片端は可撓部端部と一致させて配置した。X軸とZ軸用ピエゾ抵抗体対間隔の差を、ピエゾ抵抗体の長手方向の長さLに対して0.2Lから2.4Lまで、0.2Lピッチで変化させた。比較のために従来形状の差なしも作製し、X軸とZ軸の出力比を測定した。Z軸用ピエゾ抵抗体対は、可撓部の長さ方向に垂直な二等分線に対して対称に配置されており、Z軸用ピエゾ抵抗体71、72は可撓部上に配された図5の構造となる。
【0027】
X軸とZ軸の出力比(Z/X)を図6に示す。比較に入れた従来構造の出力比は1.5である。Z軸用ピエゾ抵抗体対間隔とX軸用ピエゾ抵抗体対間隔の差が大きくなるに従ってZ軸の出力が下がり、その差が約1.4LでX軸とZ軸の出力差がなくなり、さらに差を大きくするとZ軸の出力がX軸より低くなってしまった。この事から、差を1.4L近傍とすることでX軸とZ軸の出力比をほぼ1とすることができる。
【0028】
本発明のピエゾ抵抗型3軸加速度センサは従来のピエゾ抵抗型3軸加速度センサと比較して、従来X軸の出力に対して50%あったX軸とZ軸の出力差を小さくすることができた。特にX軸とZ軸用ピエゾ抵抗体対間隔の差を、ピエゾ抵抗体の長手方向の長さLに対して、0.6L以上1.0L以下の範囲で、Z軸用ピエゾ抵抗体対間隔をX軸用ピエゾ抵抗体対間隔より大きく、また、1.2L以上1.6L以下の範囲でZ軸用ピエゾ抵抗体対間隔をX軸用ピエゾ抵抗体対間隔より小さくすることで、X軸とZ軸の出力差を20%以下に改善することができた。
【0029】
【発明の効果】
以上説明したように、X軸用ピエゾ抵抗体対間隔とZ軸用ピエゾ抵抗体対間隔が異なるようにピエゾ抵抗体を配することで、Z軸の出力を下げ3軸の出力差を20%以下にすることができた。ピエゾ抵抗体の抵抗値や温度特性が同じとなるので、軸毎に増幅器を準備する必要もないため小型で安価なピエゾ抵抗型3軸加速度センサを提供できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のピエゾ抵抗型3軸加速度センサの平面図
【図2】本発明のピエゾ抵抗型3軸加速度センサの部分拡大平面図
【図3】本発明のピエゾ抵抗型3軸加速度センサのX軸とZ軸の出力比を示すグラフ
【図4】本発明の他のピエゾ抵抗型3軸加速度センサの平面図
【図5】本発明の他のピエゾ抵抗型3軸加速度センサの部分拡大平面図
【図6】本発明のピエゾ抵抗型3軸加速度センサのX軸とZ軸の出力比を示すグラフ
【図7】従来のピエゾ抵抗型3軸加速度センサの平面図
【図8】従来のピエゾ抵抗型3軸加速度センサのA−A’断面図
【図9】従来のピエゾ抵抗型3軸加速度センサの部分拡大平面図
【図10】従来の加速度センサの質量部厚さとX軸およびZ軸の感度の関係を示すグラフ
【符号の説明】
1 質量部、21, 21’ 22 22’ 可撓部、3 外枠部、
4 貫通穴、51 51’ 52 52’ X軸のピエゾ抵抗体群、
61 61’ 62 62’ Y軸のピエゾ抵抗体群、
71 71’ 72 72’ Z軸のピエゾ抵抗体群。
Claims (4)
- 厚肉部から成る質量部と、該質量部を取り囲むように配された外枠部と、該質量部と該外枠部を接続する薄肉部より成る2対の互いに直交する梁状の可撓部と、該可撓部上の直交するX軸及びY軸方向と該可撓部に垂直なZ軸方向に対応するように設けられた各軸複数のピエゾ抵抗体で加速度を検出する3軸加速度センサであって、X軸およびY軸用のピエゾ抵抗体対は、それぞれのピエゾ抵抗体の片端が可撓部と外枠部の境界および可撓部と質量部の境界に一致するようにして可撓部上に配され、Z軸用のピエゾ抵抗体対は、それぞれのピエゾ抵抗体の少なくとも一部が外枠部もしくは質量部上に位置するように配され、X軸およびY軸用のピエゾ抵抗体対間隔とZ軸用のピエゾ抵抗体対間隔に差を設け、3軸方向の出力差を小さくしたことを特徴とするピエゾ抵抗型3軸加速度センサ。
- Z軸用ピエゾ抵抗体対間隔とXもしくはY軸用ピエゾ抵抗体対間隔の差がピエゾ抵抗体の長さLに対し、0.6L以上1.0L以下であることを特徴とする請求項1に記載のピエゾ抵抗型3軸加速度センサ。
- 厚肉部から成る質量部と、該質量部を取り囲むように配された外枠部と、該質量部と該外枠部を接続する薄肉部より成る2対の互いに直交する梁状の可撓部と、該可撓部上の直交するX軸及びY軸方向と該可撓部に垂直なZ軸方向に対応するように設けられた各軸複数のピエゾ抵抗体で加速度を検出する3軸加速度センサであって、X軸およびY軸用のピエゾ抵抗体対は、それぞれのピエゾ抵抗体の片端が可撓部と外枠部の境界および可撓部と質量部の境界に一致するようにして可撓部上に配され、Z軸用のピエゾ抵抗体対は、それぞれのピエゾ抵抗体が可撓部上に配され、X軸およびY軸用のピエゾ抵抗体対間隔とZ軸用のピエゾ抵抗体対間隔に差を設け、3軸方向の出力差を小さくしたことを特徴とするピエゾ抵抗型3軸加速度センサ。
- Z軸用ピエゾ抵抗体対間隔とXもしくはY軸用ピエゾ抵抗体対間隔の差がピエゾ抵抗体の長さLに対し、1.2L以上1.6L以下であることを特徴とする請求項3に記載のピエゾ抵抗型3軸加速度センサ。
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