JP4337099B2 - 加速度センサ - Google Patents

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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
加速度センサに関するものである。
加速度センサは、自動車のエアーバッグ作動用の大きな衝撃力を検出する用途やブレー
キ制御システムなどの車両制御用途向けの小さな加速度の検出に使用されてきた。これら
の自動車用途では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。最近は、携帯端末機器、ロボットや人体動作の検出による各種制御等の新しい用途向
けに開発、実用化が進んできている。このような新用途では空間の動きを検出することが
多いためX、Y、Z軸の加速度を測定できる3軸加速度センサ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、薄型であることも要求されている
加速度センサは可撓部の動きを電気信号に変換する方法で、ピエゾ抵抗型、静電容量型
、圧電型に大別される。用途によって使い分けられるが、静止加速度の検出用途ではピエ
ゾ抵抗型と静電容量型に絞られ、これら2つのタイプはシリコン基板に半導体技術やマイ
クロマシン技術により立体的な構造を形成することにより小型で高感度の加速度センサを
一度に大量に製造できる。特に、ピエゾ抵抗型は構造および製造プロセスが単純であり小
型・薄型で低価格化に向いた加速度センサである。
従来の加速度センサ素子構造として特開昭63−169078に記載されているものが
ある。その構造を図18示す。加速度センサ素子10は、中央に錘部1、周辺に支持枠3
があり、錘部1は可撓部2に接続され、可撓部2は支持枠3に接続され、可撓部2には複
数個の半導体ピエゾ抵抗素子4が設けられている。半導体ピエゾ抵抗素子4は端子5に配
線パターン(図示せず)で接続されている。加速度に比例した外力が加速度センサ素子1
0に加わると錘部1が動き、それに伴って可撓部2が変形し半導体ピエゾ抵抗素子4に加
わる応力が変化し抵抗値が変わる。半導体ピエゾ抵抗素子の抵抗変化は微小であるため、
可撓部2に4個のピエゾ素子を配してフルブリッジ回路を構成し、この抵抗変化を電圧変
化として検出するものである。
この構造において、加速度センサ素子10の感度は、可撓部の長さを長く、幅を狭く、
厚みを薄くするほど向上するものである。例えば、高感度品では可撓部500〜700μ
m、幅は80〜120μm、厚みは5〜10μmと非常に薄くなっている。このため、シ
リコンで形成された可撓部2は強度的に弱く、大きな衝撃力が加わると簡単に破損してし
まう。そこで、高感度で高耐衝撃性を確保するために、錘部1の動きを規制する構造が採
用されている。
特開昭63−169078 図7
錘部1の動きを規制する構造として特開平8−233851に一例が記載されており、
その構造を図19に示す。上部ストッパー基板7と下部ストッパー基板8を球形微粒子を
混練した接着剤9でセンサチップ6に固着することによって、錘部1の動きを規制し可撓
部2の破損を防止するものである。説明を判り易くするため、同一の機能を有する部品、
部位は同じ名称、符合を用いている。過度の衝撃が加わり錘部1と上下ストッパー基板7
、8の隙間g3とg4以上に、錘部1が動いた時錘部が上下ストッパー基板7,8と接触
して動きが規制され、可撓部2の破損を防ぐものである。下部ストッパー基板8と錘部1
の下面の隙間g4は、下部ストッパー基板8に設けられた深さh1の凹み部と球形微粒子
を混練した接着剤9の厚みh2の合計である。上部ストッパー基板7と隙間g3の関係も
同様である。上下ストッパー基板に設けられた凹み部は、樹脂9に混練する球形微粒子径
を小さくすることができるのと、樹脂が錘部側に流れ出した場合でも隙間を正確に保持で
きる様にするものである。
特開平8−233851 図4、15
錘部1の動きを規制する構造の他の例が、特開平6−242141に記載されており、
その構造を図20に示す。錘部1の動きを隙間g5、g6で規制するものである。特開平
6−242141が特許文献2と異なる点は、上部ストッパーがICチップ11であるこ
とと、ICチップ11とセンサチップ6が密封状態になるように接着剤12で接着されて
いることである。上部ストッパーをICチップ11に置き換えることで、従来の上部スト
ッパー部品を無くすことができる。半導体ピエゾ抵抗素子の抵抗変化を電気的に処理する
のに不可欠なICチップ11を、上部ストッパーとすることで加速度センサの小型化には
非常に有効である。ICチップ11とセンサチップ6を密封状態に保持し密閉された狭い
領域内でダンパー効果により、錘部1の急激な移動を抑制するものである。密閉された狭
い領域内の圧力の変化で抑制するものであり、錘部1とICチップ11が接触して動きを
規制するものではない。
特開平6−242141 図1
特許文献2、3では上部ストッパーの錘部との対向面を凹ませている。凹ませる目的は
隙間を正確に制御するためと、密閉された空間を得るもので僅かではあるが異なっている
。しかし、錘部の対向面を凹ませるには、シリコンのエッチング工程を追加する必要があ
りコストの上昇は避けられ無い。錘部との対向面が平らなICチップを上部ストッパー基
板として使用できればコスト低減が図れることは容易に理解できる。
特許文献3では、密閉された狭い領域内でダンパー効果を利用するため、ICチップと
センサチップを接着剤で密封状態にすることが必要である。有機系接着剤を用いた場合気
密を維持することは難しく、接着剤の吸湿による膨潤等によって気密の信頼性が低下する
。ガラス等の無機系接着剤を使うことも考えられるが、ガラスの軟化点以上の温度で処理
する必要があり容易に採用できるものではない。そのため、信頼性を犠牲にしても接着力
が強く作業性の良い有機系接着剤であるエポキシ系樹脂を使う事が多くなる。
有機,無機系の接着剤を用いても、接着部位全域に接着剤を塗布する必要がある。IC
チップやセンサチップの主となる材料はシリコンであり、その線熱膨張係数は2.4×1
−6(deg−1)である。エポキシ系樹脂の線熱膨張係数は90×10−6(deg
−1)、鉛系ガラスでも9.8×10−6(deg−1)とシリコンに比べて差が大きい
。加速度センサの周囲環境温度の変化や、加速度センサ自体の温度上昇等により、この線
熱膨張の差によって、可撓部に応力が加わり感度の低下やオフセット電圧の増加などが生
じてしまう。
特許文献2,3には記載がないが、高精度な加速度センサには、オフセット電圧および
出力感度のバラツキ、さらに出力温度特性を補償する補償回路を増幅回路とともに付加す
ることが必要である。特に、温度補償は加速度センサチップの温度変化をICチップ内に
ある温度センサで検知して出力を補正する方法を取ることから、加速度センサチップとI
Cチップの温度差は小さいことが望ましいものである。ICチップ内にある温度センサの
位置とセンサチップの位置、接着剤の位置等を詳細に検討して配する事が必要になってく
る。これら、高性能化に必要な技術の開示は今までなされていない。
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、加速度センサの周囲および
自己温度の変化に対しても、特性への影響を最小限に抑え、小型・薄型で高性能、低価格
の加速度センサを提供することを目的とする。
本発明の加速度センサは、支持枠と支持枠に可撓部を介して保持される錘部、可撓部に
設けられた半導体ピエゾ抵抗素子と配線よりなる加速度センサ素子とセンサ端子部からな
る加速度センサチップと、保護ケースと、加速度センサ素子の錘部上方で錘部の動きを規
制するIC規制板とを備える加速度センサであって、
保護ケースは保護ケース蓋と保護ケース箱を接合して構成され、保護ケース箱の凹部に
は加速度センサチップが配置され、前記凹部は底面と内壁で構成され、保護ケース箱及び
保護ケース蓋に囲われた空間の中にIC規制板を有し
前記空間には空気が満たされており、
加速度センサチップは、支持枠の下面で保護ケースに設けられており、支持枠の上面に
IC規制板を設けており、
センサ端子部と接する加速度センサ素子の1辺を除いた3辺の少なくとも1辺以上の支
持枠端より、前記空間内にIC規制板がはみ出して設けられており、IC規制板のはみ出
し部が保護ケース内壁から離れており、
加速度センサチップとIC規制板は、加速度センサ素子の錘部に対称位置となる四隅に
設けられた樹脂溜りに、プラスチック球を含むシリコンゴム系の樹脂を用いて接合されて
おり、
IC規制板は温度センサを有し、
加速度センサ素子の上面に直交する向きにおいて、温度センサが、前記樹脂溜りの1つ
と少なくとも一部で重なるように配置されていることを特徴とする。
IC規制板は最低限錘部を覆う大きさが有ればストッパー機能としての効果は得られる
し、IC規制板を小さくすることでIC規制板のコストを下げることが出来る訳であるの
で、IC規制板を小さくするのは当然の流れである。しかし、本願は逆にIC規制板を加
速度センサ素子より大きくし、センサ端子部と接する加速度センサ素子の辺を除いた3辺
の少なくとも一辺以上の加速度センサ素子端よりIC規制板をはみ出して設けることで、
次に示すような優れた効果を奏するものである。個々の効果については次項以降で詳細に
述べるが、主な効果として、a)IC規制板のはみ出し部で、保護ケース内の空気の流れ
を阻害することになり温度の変化が緩慢になり、IC規制板と加速度センサ素子の温度差
を小さくすることができる。b)また、加速度センサ素子とIC規制板とで挟まれた内部
の空気の流れを阻害することでダンパー効果も得られ、加速度センサに過度な振動が加わ
った時に、加速度センサ素子の振幅を小さくしたり、減衰速度を上げる効果がある。c)
IC規制板をはみ出させることで、IC規制板と保護ケースの間隔を狭くすることができ
るので、外部温度の変化に対して追従性が良くなる。d)IC規制板をはみ出させ、はみ
出した部位にIC端子Bを配することで、IC端子Bと保護ケース端子をワイヤーボンデ
ィング接続するワイヤーBの長さを短くすることができるので、ワイヤーの取廻しによる
ワイヤー高さを低くすることができ、加速度センサの薄型化や小型化が可能となる。e)
IC規制板をはみ出させることで、IC規制板の切断端から発生し易いシリコンの欠片に
よる、錘部や可撓部の動きを阻害する危険性を下げることができる。f)正方平面形状の
加速度センサ素子の四隅で、IC規制板を接着するので、支持枠等への応力を均等にする
ことができ、特性が安定する。また、IC規制板に設けられた温度センサを接着部近傍に
配することができるようになり、温度補正の精度が上がる。g)IC規制板を大きくする
ことができるので、集積度を下げることができIC回路設計の自由度が上がるだけでなく
、放熱性の良いIC規制板ができるので、IC規制板を薄くすることも可能となり加速度
センサの薄型化も図れる。
本発明の加速度センサの、加速度センサチップは、正方平面形状を有する加速度センサ
素子と長方平面形状を有するセンサ端子部が一体に形成されていることが望ましい。加速
度センサ素子の上面に直交する向きでみたときに、IC規制板のはみ出し部が保護ケース
の内壁から離れており、IC規制板の加速度センサ素子からのはみ出し量d1は、加速度
センサチップの端と保護ケースの内壁との間隔d2よりも小さく、d1/d2が0.2以
上であることが好ましい。更にd1/d2が0.2以上且つ0.9以下であることがより
好ましい。
X,Y,Zの3軸方向の加速度を検知する加速度センサ素子の、錘部や可撓部、支持枠
を対称位置に配することで、配置のアンバランスが起因として発生するノイズを排するこ
とができるので、加速度センサ素子は、正方平面形状とすることが好ましい。センサ端子
部は支持枠と一体化されていることが好ましい。一体化とは接着剤等で接合されているの
ではなく、加速度センサ素子とセンサ端子部は同一部材から同一工程を通して形成されて
いるものである。
加速度センサ素子の厚みに対し、センサ端子部の厚みは同等以下である必要がある。セ
ンサ端子部の厚みが厚いと、保護ケース箱の平らな底面に加速度センサチップを接着した
時、加速度センサ素子の錘部底面と保護ケース箱の底面との隙間が得られないためである
。支持枠とセンサ端子部の間に切り込みを設けたり、センサ端子部を削り込んで薄くした
り、センサ端子部の側面を傾斜させたりすることもできる。センサ端子部を削り込んだり
傾斜させたりして、極僅かでもあるが加速度センサの重量を下げることが可能となる。
本発明の加速度センサは、加速度センサチップとIC規制板は、加速度センサ素子の錘
部に対称位置となる四隅に設けられた樹脂溜りに、プラスチック球を含むシリコンゴム系
の樹脂を用いて接合されていることが好ましい。プラスチック球はシリコンゴム系の樹脂
より硬い。
正方平面形状を有する加速度センサ素子の四隅でIC規制板を接着することで、支持枠
や可撓部に不要な応力を与えることがないので、感度の低下やオフセット電圧の増加を最
小限にすることができる。加速度センサ素子の形状や接着位置だけでは、感度の低下やオ
フセット電圧の増加をなくすことはできない。その原因の一つとして、各部材の線熱膨張
係数の違いがある。加速度センサ素子とIC規制板は3.2x10−6(deg−1)、
硬質プラスチック球は98x10−6(deg−1)、エポキシ系樹脂は90x10−6
(deg−1)と大きく異なっている。室温硬化のエポキシ系樹脂を用いても、硬化時の
収縮応力が残留応力として残ることは避けられない。したがって、感度の低下やオフセッ
ト電圧の増加などを生じる。また、温度が変わった場合には、当然この線熱膨張係数差に
より特性のドリフトが生じてしまう。
エポキシ系樹脂は使い勝手も良いため使いたい樹脂であるが、硬化後硬いため先に述べ
た温度変化によって支持枠や可撓部に不要な応力を与えることになる。線熱膨張係数がシ
リコンと同じ接着剤を用いれば良いわけであるが、硬質プラスチック球の線熱膨張係数ま
で合わせることは難しい。そのため、硬化しても柔らかい樹脂を用いることで、応力を吸
収することが好ましくなる。接着剤としてのシリコンゴム系樹脂は一般的にヤング率が非
常に小さいために硬化後でも柔らかく、線膨張係数差による応力などを軽減できる。特に
ヤング率が10−2GPaより小さい場合にはその効果が大きく、線熱膨張係数が大きく
異なる材料を接着した場合でも加速度センサの特性への影響を非常に小さいものにするこ
とができるものである。
正方平面形状を有する加速度センサ素子の四隅に、樹脂溜りを設けることが好ましい。
樹脂溜りの深さは、可撓部の厚さとすることで可撓部を形成する時に樹脂溜りも同時に形
成することができるので製造工程的に好ましいものである。樹脂溜りは接着剤の接着位置
を安定化させるためであり、不要な部位への接着剤の付着を防ぐものである。特に、シリ
コンゴム系の接着剤は粘度が低く水のように流れ易いため、接着剤だけで接着面積を一定
に制御することは難しいため、樹脂溜りを設けることが有効である。シリコンゴム系の接
着剤に混練する硬質プラスチック球は重量比で約10%とすることが好ましい。
(削除)
加速度センサ素子の一辺の両端に略同じ長さで接着剤が塗布されており、両端の接着剤
の長さの合計長を樹脂の塗布されている長さbとしている。樹脂の塗布されている長さb
が小さいとIC規制板との接合強度が得られなくなるので下限が決まる。上限は空気の出
入りによる温度特性の悪化が許容される範囲と、接着剤の応力を最小限にする範囲で決め
ることができる。加速度センサ素子の一辺の長さaが1.9mmで0.3mm位のIC規
制板はみ出し量とした時、接着強度を得るには樹脂の塗布されている長さbを0.45m
m程度とすることが好ましく、比cは0.24程度となる。加速度センサ素子とIC規制
板との間の空気の出入りを大きくするのが良いのか小さくするのが良いのかは一概に説明
できないが、温度補償のやり易い範囲を求めたところ、比cは0.7以下が良いことが確
認されている。
本発明の加速度センサの、加速度センサチップのセンサ端子とIC規制板のIC端子A
はワイヤーA、保護ケース端子とIC端子BはワイヤーBでボンディング接続されている
ことが好ましい。
特に、保護ケース端子とIC端子BをワイヤーBで接続する時、ワイヤーを交差させな
いことが重要である。対向する保護ケース端子とIC端子Bを最短距離で接続し、対向し
ていない端子をワイヤーBで接続することは好ましくない。交差させたり接続距離を長く
すると、ワイヤー間の短絡だけでなく、ワイヤーの取廻し高さが高くなり加速度センサの
薄型化を阻害することになる。また、本発明では、加速度センサチップのセンサ端子は1
辺でのみICチップの端子にワイヤボンド接続されている。これによって、加速度センサ
チップのセンサ素子部へのワイヤボンド時の応力の影響をほとんどなくすことができる。
本発明の加速度センサは、加速度センサ素子端よりIC規制板がはみ出して設けられた
位置に、保護ケース端子と接続されるIC端子Bが設けられていることが好ましい。
加速度センサ素子端よりIC規制板がはみ出して設けられた位置に、保護ケース端子と
接続されるIC端子Bを設けることで、ワイヤーBの長さを短くすることができる。ワイ
ヤーBの長さを短くすることができる事で、ワイヤーの取廻し高さを低くすることができ
、加速度センサの薄型化や小型化が図れるものである。
本発明の加速度センサは、IC規制板は温度センサを有し、
加速度センサ素子の上面に直交する向きにおいて、温度センサが、前記樹脂溜りの1つ
と少なくとも一部で重なるように配置されていることが望ましい。
本願のIC規制板は加速度センサ素子の四隅の位置でのみ加速度センサチップに接着さ
れており、接着部位以外の部分は空間に浮かんだ状態になっている。また、IC規制板の
錘部と対向しない面の表面には、酸化シリコン(SiO2)や窒化シリコン(SiN)な
どの絶縁膜や、アルミニウム合金からなる配線パターンなどシリコン基板とは線熱膨張係
数の異なる材料からなる膜や処理回路、配線パターンが形成されている。そのため、環境
温度の変化などで熱応力のために、IC規制板は微妙な変形を容易に生じてしまう。特に
接着されていない部位においての変形は顕著である。本願IC規制板の設けられた処理回
路には、加速度センサの特性の一つである温度ドリフトを補正するために、温度センサも
設けている。温度センサとしては、例えば抵抗体を梯子状に組んだラダー抵抗方式があり
、ラダー抵抗体をフルブリッジ状に組んで温度検出をする。この温度センサの抵抗値は一
般的に応力によって抵抗値が変化し易いものである。そのため、温度出力が応力によって
誤差を生じることになり、加速度センさの温度特性を十分に補正しきないことになってし
まう。このような実装形態に起因する温度センサの検出誤差を最小限にするため、熱応力
によるIC規制板の変形に伴う、温度センサに加わる応力変化の少ない接着部位に温度セ
ンサを配置することが望ましい。
本発明の加速度センサは、IC規制板の厚さdが0.06〜0.25mmの範囲内にあ
り、加速度センサチップが0.35〜0.85mmの範囲内にあり、厚さeの比f=d/
eが、0.1以上0.4以下であることが好ましい。
加速度センサの用途として携帯端末機器などへの応用研究が盛んになりつつあるが、携
帯端末機器などを落下させた場合には、容易に1000Gを超えるような大きな衝撃力が
加わる場合がある。この場合でも錘部がぶつかってIC規制板が割れては機能を果たせな
いことになる。また、薄くすることで温度による応力で変形し易いことになり、変形する
ことで温度補償回路等の機能低下を起こすことになる。これらを防ぐために必要以上にI
C規制板を厚くすると、加速度センサの薄型化ができないことになり、携帯端末機器用途
などで要求される薄型化を実現できなくなる。勿論、測定する加速度範囲により錘部の重
さが異なるため、必然的にそれに合わせてIC規制板の厚の適正化をする必要はある。I
C規制板の厚さdと加速度センサチップの厚さeの比f=d/eを、0.1以上0.4以
下とすることで過度の加速度が加わっても、IC規制板の破損が防げ、加速度センサの薄
型化が達成できるものである。
本発明により、a)IC規制板のはみ出し部で、保護ケース内の空気の流れを阻害する
ことになり温度の変化が緩慢になり、IC規制板と加速度センサ素子の温度差を小さくす
ることができる。b)また、保護ケース内の空気の流れを阻害することでダンパー効果も
得られ、加速度センサに過度な振動が加わった時に、加速度センサ素子の振幅を小さくし
たり、減衰速度を上げる効果がある。c)IC規制板をはみ出させることで、IC規制板
と保護ケースの間隔を狭くすることができるので、外部温度の変化に対して追従性が良く
なる。d)IC規制板をはみ出させ、はみ出した部位にIC端子Bを配することで、IC
端子Bと保護ケース端子をワイヤーボンディング接続するワイヤーBの長さを短くするこ
とができるので、ワイヤーの取り回しによるワイヤー高さを低くすることができ、加速度
センサの薄型化や小型化が可能となる。e)IC規制板をはみ出させることで、IC規制
板の切断端から発生し易いシリコンの欠片による、錘部や可撓部の動きを阻害する危険性
を下げることができる。f)正方平面形状の加速度センサ素子の四隅で、IC規制板を接
着するので、支持枠等への応力を均等にすることができ、特性が安定する。また、IC規
制板に設けられた温度センサを接着部近傍に配することができる様になり、温度補正の精
度が上がる。g)IC規制板を大きくすることができるので、集積度を下げることができ
IC回路設計の自由度が上がるだけでなく、放熱性の良いIC規制板ができるので、IC
規制板を薄くすることも可能となり加速度センサの薄型化も図れる。これらのことから、
加速度センサの周囲および自己温度の変化に対しても、特性への影響を最小限に抑え、小
型・薄型で高性能、低価格の加速度センサを提供することができた。
以下、本発明の実施例について、図を用いて詳細に説明する。説明を判り易くするため
、同じ部品、部位には同一の符号を用いている。
(参考例1)
参考例の加速度センサについて説明する。説明を判りやすくするため図で、従来例と同
一の部品、部位には同じ符号を用いている。図1は、参考例の加速度センサの展開斜視図
、図4は図1のk−k’断面図である。図2は用いた加速度センサチップの斜視図で、図
3は加速度センサチップとIC規制板の組立て状態を示す斜視図である。図1で加速度セ
ンサ20は、保護ケース箱13の内底に加速度センサチップ15が硬質プラスチック球が
混練された接着剤(図示せず)で所定の間隔を有して固着されている。加速度センサチッ
プ15の加速度センサ素子10の部位にIC規制板16の3辺をはみ出させて、硬質プラ
スチック球が混練された接着剤(図示せず)で所定の間隔を有して固着されている。IC
規制板16のIC端子A17と加速度センサチップ15のセンサ端子18はワイヤ−A1
9で電気的に接続されている。IC規制板16のIC端子B21と保護ケース箱13の保
護ケース端子22はワイヤーB23で電気的に接続される。保護ケース端子22は保護ケ
ース箱内を通して外部端子24に接続されている。保護ケース箱13と保護ケース蓋14
を接着剤で接着することで加速度センサ20を得た。
図2に加速度センサチップ15の斜視図を示す。加速度センサチップ15は、正方平面
形状の加速度センサ素子10と長方平面形状のセンサ端子部25からなっている。本参考
では、正方平面形状の加速度センサ素子10の一辺は1.9mmとした。センサ端子部
25は0.2mmとしたので、加速度センサチップ15は2.1×1.9mmの長方平面
形状となっている。加速度センサ素子10の可撓部2の寸法は長さ500μm、幅70μ
m、厚み10μm、錘部1の一辺の長さは500μm、支持枠3の幅は200μmとした
。正方平面形状の加速度センサ素子10の四隅には、IC規制板16を固着する接着剤を
塗布するための樹脂溜り26を形成している。樹脂溜り26の深さは、可撓部2を形成す
ると同時に形成したので可撓部の厚さ10μmと同じとしている。可撓部2には半導体ピ
エゾ抵抗素子4が形成され、配線でセンサ端子18に繋がれている。図2では、配線の図
示は省略しているのと、センサ端子の員数は任意の数で描いている。
半導体ピエゾ抵抗素子4の製造方法を簡単に説明する。約600μm厚のシリコン板に
数μmのシリコン酸化層と10μm程度のシリコン層を有するSOIウェファーを使用し
た。フォトレジストでパターニングを行いシリコン層にボロンを1〜3x1018原子/
cm打ち込み半導体ピエゾ抵抗素子4を作製、半導体ピエゾ抵抗素子に接続する配線を
、金属スパッタ−、ドライエッチング装置を用いて形成した。シリコン層に可撓部2と錘
部1、支持枠3をフォトリソとドライエッチング装置を用いて形成した。シリコン酸化層
がエッチングストッパーとなるため、エッチングされるのはシリコン層のみである。半導
体ピエゾ素子面を下にしてSOIウェファーをダミー基板に、熱伝導の高い金属粉末を樹
脂に混練したもの等を用いて接着した。SOIウェファーのシリコン板の約600μmを
ドライエッチングするには、SFと酸素を導入したプラズマ内で行うため、被加工物の
冷却が重要である。そのため、被加工物のSOIウェファーとダミー基板の接着は重要で
ある。可撓部2と錘部1、支持枠3、センサ端子部25が形成されたウェファーがダミー
基板に接着された状態で、ウェファーを切断機でチップに分離したのち、溶剤を用い接着
樹脂を溶かし加速度センサチップ15をダミー基板から取り外した。
図3に、加速度センサチップとIC規制板の組立て状態の斜視図を示す。加速度センサ
チップ15の加速度センサ素子10を覆い被せるようにIC規制板16を接着している。
接着は樹脂溜り26に硬質プラスチック球を混練したシリコンゴム系樹脂を塗布した。I
C規制板16は、2.6mm×2.2mmとしたので、IC規制板16の加速度センサ素
子10からのはみ出し量は両側に0.35mm、センサ端子18の反対側には0.3mm
とした。IC規制板16に設けられたIC端子B21は、はみ出し部に設けている。IC
端子B21は100μm角としている。IC端子Bの員数は任意の数で描いている。
図4に、図1の加速度センサのk−k’断面を示す。保護ケース箱13に硬質プラスチ
ック球が混練されたシリコンゴム系接着剤28で支持枠3を固着し、隙間g2を得ている
。センサ端子部25の底面には接着剤28は塗布しなかった。センサ端子部25の底面に
接着剤28を塗布することで、接着面積のばらつきにより発生する応力による感度の低下
やオフセット電圧の増加を防ぐためである。加速度センサ素子10の樹脂溜り26にも、
硬質プラスチック球が混練されたシリコンゴム系接着剤28でIC規制板16を固着し、
隙間g1を得ている。本参考例では、g1は10μm、g2も10μmとした。
(実施例1)
図5を用いて、IC規制板16の加速度センサ素子10からのはみ出し量d1の効果に
ついて説明する。センサ端子18の反対側にはみ出した量は0.3mmと一定として、両
側にはみ出した量d1を0mm〜0.45mmまで変化させて特性を測定した。はみ出し
量d1=0mmは加速度センサチップ15の端とIC規制板16の端を一致させた状態で
ある。加速度センサチップ15の端と保護ケース箱13の内壁との間隔d2は、0.5m
mである。d2が0.5mmであるので、d1を0.45mmまでとした。本実施例では
、IC規制板16の横幅は、切断砥石の厚みを変えて、ICウェファーの切り代部を最大
限に活用し、不足する場合には、隣接チップを切断して実験に供した。はみ出し量d1を
大きくするとIC規制板とセンサチップ間の狭ギャップからの空気の流れが阻害されるよ
うになるために、ダンピング効果が生じるようになる。その結果、機械的な共振周波数に
おける梁の変位量を低減できるため耐衝撃性向上や加速度の大きさが変化した瞬間の出力
の減衰時間を短縮できるなどの効果が得られた。
図6に、はみ出し量d1を変えた時の減衰時間の評価結果を示す。横軸は、IC規制板
のはみ出し量d1とセンサ素子端からパッケージ内壁までの距離d2との比d1/d2と
した。減衰時間の測定は、可速度センサを糸で吊るし、糸を切断して自由落下させた時に
加速度が1Gから0Gに変化する時の出力を、モニターして出力がゼロになる時間を測定
した。図6より、はみ出し量d1が大きくなると減衰時間が小さくなることがわかる。d
1/d2=0つまり、はみ出しがない時の減衰時間が約22msに比べ、d1/d2=0
.6とIC規制板を支持枠端よりはみ出させることで、減衰時間を約14msと約40%
短縮できることが確認できた。
また、IC規制板のはみ出し量が大きくなると空気の流れを阻害することになるため、
IC規制板と加速度センサ素子の温度差が小さくなり、温度特性の精度が向上するという
効果も得られた。本願の、IC規制板に設けられたIC回路は、感度やオフセット電圧の
温度ドリフトを補正する機能を装備している。IC回路には処理回路と同時に温度センサ
も設けられ、この温度センサの出力をフィードバックして温度ドリフトを補正している。
温度ドリフトを補正する機能を正常に動作させ、補正後の特性を高精度にするためには、
IC規制板と加速度センサ素子との温度差を極力小さくすることが重要である。前述した
ように、IC規制板のはみ出し量を大きくすると空気の流れを阻害するようになり、IC
規制板と加速度センサ素子との温度差を小さくできるので、温度ドリフトを小さくできる
図7に、実施例1で用いた加速度センサを使ってオフセット電圧の温度ドリフトを評価
した結果を示す。図7で、温度ドリフト範囲として示している曲線の範囲に、全ての測定
値が分布しており、図の曲線は測定値の上限および下限値を繋いで範囲を表現しているも
のである。図7から判るように、支持枠端からのIC規制板のはみ出し量が大きいほど、
オフセット電圧の温度ドリフトが小さくなることが判る。実装時のマウント精度も考慮す
ると、d1/d2は0.2以上とすることが好ましい。d1/d2は0.4以上とするこ
とがより好ましい。d1/d2を0.2以上とすることで、100mm角のIC端子Bを
IC規制板のはみ出し部に設けることも可能となる。d1/d2を大きくすることで、I
C規制板と加速度センサ素子の温度差が小さくなったのと、IC規制板と加速度センサ素
子が同じ様な温度になる速度、言い換えると温度追従性が良くなり、図7に示したように
オフセット電圧の温度ドリフトが改善されたものと考えられる。
(実施例2)
図8を用いて、IC規制板の温度センサ30と樹脂溜り26の位置関係による、温度補
償精度に付いて説明する。樹脂溜り26の中心点と温度センサ30の中心点の位置をずら
し、ずれ量(w1、w2)と温度補償精度の関係を測定した。ずれ量は温度センサ30の
中心点が加速度センサ素子10の中心に近づく方向をプラス側w1、w2、遠退く方向を
マイナス側w1、w2とした。
温度補償精度の評価として、温度センサと樹脂溜り位置をずらして組立た時の温度セン
サの出力電圧と周囲温度との関係を測定し、この結果から補正後のオフセット電圧の温度
ドリフト範囲を算出した。結果を図9に示す。オフセット電圧の温度ドリフト範囲を±2
0mVと±40、±60mVで囲ったものである。温度センサと樹脂溜り位置のずれによ
って、温度センサ出力の周囲温度に対するリニアリティが悪くなり、(例えば温度による
特性変化を直線近似で補正する場合には、)このために補正後のオフセット電圧の温度ド
リフトには調整誤差が大きく含まれ、精度が悪くなったものと考えられる。加速度センサ
のずれ量としては、オフセット電圧の温度ドリフト量が、±20mV以内に入る±100
μm以内が好ましい。
(参考例2)
図10を用いて、加速度センサ素子10とIC規制板16を接着する樹脂の領域の長さ
bと、加速度センサ素子の一辺の長さaの比c=b/aとオフセット電圧の温度ドリフト
の関係に付いて説明する。本参考例で用いた加速度センサ素子10の一辺の長さaは1.
9mmとしたので、接着領域の長さbを変化させて比cを、0.02から1.0まで変化
させた。樹脂溜りの寸法は変えずに接着剤をはみ出させる様に塗布した。比cが1.0は
加速度センサ素子10とIC規制板16を完全に接着した状態である。
IC規制板をはみ出させることで、IC規制板と加速度センサ素子との温度差を小さく
出来、その結果補正後のオフセット電圧の温度ドリフトを低減できることを実施例1等で
述べた。これと同じ効果が、IC規制板と加速度センサ素子を接着する樹脂の、接着長さ
によっても得られる。図11に、接着樹脂の長さを変えた加速度センサを作製して、オフ
セット電圧の温度ドリフトを測定した結果を示す。図11で、温度ドリフト範囲として示
している曲線の範囲に、全ての測定値が分布しており、図の曲線は測定値の上限および下
限値を繋いで範囲を表現しているものである。横軸は、上記した接着樹脂の長さbと加速
度センサ素子の1辺の長さの比c=b/aとした。b/aが大きくなると接着樹脂の応力
が大きく影響してくるため、オフセット電圧の温度ドリフトは悪くなってくる。また、b
/aが極端に小さくなると逆に、空気の流れが良くなってくるために温度差が大きくなり
、逆に補正後の温度ドリフトが悪くなると同時に、接着樹脂面積が小さくなると耐衝撃性
が低下する。本結果から比c=b/aは、0.2から0.7の範囲が良いことが確認でき
た。
(実施例3)
図12を用いて、IC端子Bの位置とワイヤーBの取廻し高さhの関係に付いて説明す
る。IC端子B21の中心位置が加速度センサ素子の支持枠3の端部と一致した位置を基
準として、IC端子Bが保護ケース箱13の内壁に近づく方向をプラス側、遠退く方向を
マイナス側として、プラス側に0.5mm、マイナス側に0.2mm変化させた。ワイヤ
ーB23の取廻し高さhは、IC端子B21の表面からワイヤーB23の上面までの距離
を、拡大投影機を用いて測定した。用いたワイヤーBの径は40μmである。
IC端子Bの位置とワイヤーBの取廻し高さhとの関係を図13に示す。プラス方向、
つまり保護ケース箱の内壁に近づけるほどワイヤーの取廻し高さは低く出来る。プラス側
0.5mmにずらすと、ワイヤーの取廻し高さhは約0.12mmまで低くすることが出
来た。逆に、マイナス側に0.2mmずらすと、取廻し高さhは約0.5mmにもなる。
IC規制板を加速度センサ素子の支持枠端よりはみ出させて、そのはみ出し部分にIC端
子Bを設けることで、ワイヤーBの取廻し高さを低くでき、その分保護ケース蓋の内部高
さを低くすることができ、保護ケース全体の厚さ言い換えると加速度センサの薄型化に効
果がある。しかし、あまり短いワイヤ−Bにすると、逆にIC規制板の端部と保護ケース
側の接続端子が近すぎると作業効率が落ちるなどの問題が出てきた。IC端子Bと保護ケ
ース箱の内壁の間隔を、0.2mm以上とすることで、作業効率を落さずにワイヤ−ボン
ディングができることも判った。
(実施例4)
図14を用いて、IC規制板を加速度センサ素子より大きくし、IC規制板をはみ出さ
せるように構成することで、IC規制板の切断端から発生し易いシリコンの欠片による、
錘部や可撓部の動きを阻害する危険性を下げることができることに付いて説明する。IC
規制板は、シリコンウェファーをダイヤモンド砥石等で切断して各片としている。シリコ
ン単結晶は硬く劈開性を有するため、欠け31が出易いものである。完全に欠けてしまえ
ば良いのであるが、ルーズチップと言われる不完全な欠けが問題である。不完全な欠けは
僅かな外力で脱落する危険性があり、脱落してしまった欠片が加速度センサ素子の特に錘
部や可撓部とIC規制板との間に入ってしまうと、正確な加速度を測定できなくなってし
まう。図14a)に示す参考例1のIC規制板をはみ出させた加速度センサ1000個と
、図14b)に示す、IC規制板を略1/3幅にした加速度センサ1000個作製した。
10cm厚みの板に1mの高さから10回落下させた後に検出加速度範囲の1.3倍の大
きさである4Gの加速度を加えて、正常な測定値が得られるか否かを参考例1のIC規制
板をはみ出させた加速度センサについては行った。IC規制板を略1/3幅にした加速度
センサは、IC規制板が回路として働かないため分解して、IC規制板と錘部の間に挟ま
っている欠片の大きさを実測し、欠片の大きさから正常な測定値が得られる加速度センサ
か否か判断した。
図14a)に示す参考例1のIC規制板をはみ出させた加速度センサは、1000個全
て正常な値を示した。図14b)に示す幅の狭いIC規制板を用いた加速度センサは、分
解調査でIC規制板と錘部間に欠片が挟まったものが7個見つかった。7個の欠片の大き
さを測定し、図4に示した隙間g1の値との比を求めた。欠片の高さをg1の50%以下
、50〜80%、81〜100%で分類したところ、50%以下が5個、50〜80%、
81〜100%が各1個であった。模擬的にg1を狭めた加速度センサの結果から81〜
100%に分類され加速度センサは、加速度の測定上限が下がってしまうので正常でない
と判断した。50〜80%に分類される加速度センサは正常か異常か灰色領域であるが、
今回は異常と判断した。そのため、IC規制板の大きさを図14b)のように小さくする
と、約0.2%の不具合発生の危険があることが判った。図14a)に示す参考例1のI
C規制板をはみ出させた加速度センサは、IC規制板の不完全な欠けに対して信頼性が高
いことが確認できた。
(参考例3)
図15を用いて、IC規制板の厚さdと加速度センサチップの厚さeの関係に付いて述
べる。過度の加速度が加わって、錘部1がIC規制板16にぶつかってIC規制板が割れ
ては機能を果たせないことになる。また、薄くすることで温度による応力で変形し易いこ
とになり、変形することで温度補償回路等の機能低下を起こすことになる。これらを防ぐ
ために必要以上にIC規制板を厚くすると、加速度センサの薄型化ができないことになる
。測定する加速度範囲により錘部の重さが異なり、必然的にそれに合わせてIC規制板の
厚みを適正化する必要がある。IC規制板の厚みを0.06mm〜0.25mmまで変化
させ、加速度センサ素子の厚みを0.35mm〜0.85mmまで変化させた。加速度セ
ンサ素子の厚みを変えると、錘部の質量が変化するので錘部の幅wを変えて質量を一定と
した。質量を一定とするために可撓部の長さを変化させたため、加速度センサ素子の感度
は一定となっていない。そのため、感度の違いについては無視して評価している。
IC規制板の厚さdと加速度センサ素子の厚さeの違うものを組合せ、比f=d/eを
0.07〜0.71まで変化させた。振子式衝撃試験機に加速度センサのX,Y,Z軸に
当る面の表裏で順次取り付け(6回取り付けて試験したことになる)各面に3回衝撃を印
加後、正常な測定値が得られたものはIC規制板が破損していないと判断した。印加した
衝撃値は約6000Gである。IC規制板や加速度センサ素子は、薄くすることで温度に
よる応力で変形し易いことになり、変形することで温度補償回路等の機能低下を起こすこ
とになる。そのため、加速度センサを室温と60℃にした状態で、温度補償回路の機能を
測定し室温と60℃での差が少ない比fを求めた。IC規制板の厚さdと加速度センサチ
ップの厚さeの比f=d/eを、0.1以上0.4以下とすることで過度の加速度が加わ
っても、IC規制板の破損が防げ、温度補償回路の機能低下も起こさず、加速度センサの
薄型化が達成できた。IC規制板の機能を損なわない薄さにすることで、IC規制板の温
度センサと加速度センサ素子の温度差を小さくでき、温度補償回路の機能を低下させずに
済んだものと考えられる。
(実施例5)
図16a)からd)に、加速度センサチップとIC規制板の接合方法の他の実施例を示
す。図16a)は、加速度センサチップ15の両端からIC規制板16をはみ出させたも
のである。図16b)は、加速度センサチップの片端からとセンサ端子18と反対側にI
C規制板をはみ出させたものである。図16c)は、センサ端子と反対側にのみIC規制
板をはみ出させたものである。図16d)は、加速度センサチップの片端からのみIC規
制板をはみ出させたものである。何れも、IC端子B21はIC規制板のはみ出し部に設
けられている。IC端子部の員数は任意の数で描いている。何れの加速度センサチップと
IC規制板の組合せにおいても、IC規制板を加速度センサ素子の支持枠端からはみ出さ
せることで、詳細は略すが前述して来た効果は、程度の差はあるが得られた。
(参考例4)
図17a)からc)に、センサ端子部の下部形状の他の実施例を示す。加速度センサチ
ップの支持枠下面は保護ケース箱13の内底と所定の隙間を保ち、接着剤で固着される。
接着剤の応力による特性の変化を最小限にするため、支持枠3の所定の位置以外に接着剤
を塗布しないことが好ましい。接着剤の位置を制御し易くするため、図17a)に示すよ
うに支持枠とセンサ端子部間に切り込み32を入れたり、b)に示すようにセンサ端子部
に段差33を設けたり、c)に示すようにセンサ端子部の側面を傾斜面34としたもので
ある。
参考例1で示したセンサ端子部下面と支持枠下面を同一面にしたものに比べ、接着剤の
制御は容易であることが確認できた。しかし、加速度センサ素子の上面の接着剤に比べ下
面の接着剤の影響は無視できる程度であることも確認できたので、何れの形状も採用する
ことができることが確認できた。図17a)からc)に示すように、センサ端子部の一部
を切り欠くことで、極僅かであるが軽量化に効果がある。センサ端子部の一部を切り欠く
工数によるコスト上昇分と比較して、センサ端子部の一部を切り欠くか否かを決めること
ができる。
参考例1の加速度センサの展開斜視図である。 参考例1の加速度センサチップの斜視図である。 参考例1の加速度センサチップとIC規制板の組立て状態を示す斜視図である。 参考例1の加速度センサのk−k’断面図である。 実施例1の保護ケースと加速度センサチップ、IC規制板の関係を示す図である。 実施例1のはみ出し量と減衰時間の関係図である。 実施例1のはみ出し量とオフセット電圧の温度ドリフトの関係図である。 実施例2のIC規制板の温度センサと樹脂溜りの位置関係を示す図である。 実施例2の温度センサと樹脂溜り位置とオフセット電圧の温度ドリフトの関係図である。 参考例2の加速度センサ素子とIC規制板を接着する樹脂の領域を説明する図である。 参考例2の接着樹脂領域とオフセット電圧の温度ドリフトの関係図である。 実施例3のIC端子B位置とワイヤーB取廻し高さhを示す図である。 実施例3のIC端子B位置とワイヤーB取廻し高さhの関係を示す図である。 実施例4のIC規制板と加速度センサ素子の大きさ関係を説明する図である。 参考例3のIC規制板の厚さdと加速度センサチップの厚さeの関係を示す図である。 実施例5の加速度センサチップとIC規制板の他の接合方法を示す図である。 参考例4のセンサ端子部の他の下部形状を示す図である。 従来の加速度センサ素子の斜視図である。 従来の加速度センサの錘部の動き規制方法を説明する断面図である。 従来の加速度センサの錘部の動き規制方法を説明する断面図である。
符号の説明
1 錘部、2 可撓部、3 支持枠、4 半導体ピエゾ抵抗素子、5 端子、
6 センサチップ、7 上部ストッパー基板、8 下部ストッパー基板、9 接着剤、
10 加速度センサ素子、11 ICチップ、12 接着剤、13 保護ケース箱、
14 保護ケース蓋、15 加速度センサチップ、16 IC規制板、
17 IC端子A、18 センサ端子、19 ワイヤーA、20 加速度センサ、
21 IC端子B、22 保護ケース端子、23 ワイヤーB、24 外部端子、
25 センサ端子部、26 樹脂溜り、28 接着剤、29 樹脂、30 温度センサ、
31 欠け、32 切り込み、33 段差、34 傾斜面。

以 上

Claims (4)

  1. 支持枠と支持枠に可撓部を介して保持される錘部、可撓部に設けられた半導体ピエゾ抵
    抗素子と配線よりなる加速度センサ素子とセンサ端子部からなる加速度センサチップと、
    保護ケースと、加速度センサ素子の錘部上方で錘部の動きを規制するIC規制板とを備
    える加速度センサであって、
    保護ケースは保護ケース蓋と保護ケース箱を接合して構成され、保護ケース箱の凹部に
    は加速度センサチップが配置され、前記凹部は底面と内壁で構成され、保護ケース箱及び
    保護ケース蓋に囲われた空間の中にIC規制板を有し
    前記空間には空気が満たされており、
    加速度センサチップは、支持枠の下面で保護ケースに設けられており、支持枠の上面に
    IC規制板を設けており、
    センサ端子部と接する加速度センサ素子の1辺を除いた3辺の少なくとも1辺以上の支
    持枠端より、前記空間内にIC規制板がはみ出して設けられており、
    IC規制板のはみ出し部が保護ケース内壁から離れており、
    加速度センサチップとIC規制板は、加速度センサ素子の錘部に対称位置となる四隅に
    設けられた樹脂溜りに、プラスチック球を含むシリコンゴム系の樹脂を用いて接合されて
    おり、
    IC規制板は温度センサを有し、
    加速度センサ素子の上面に直交する向きにおいて、温度センサが、前記樹脂溜りの1つ
    と少なくとも一部で重なるように配置されていることを特徴とする加速度センサ。
  2. 加速度センサ素子の上面に直交する向きでみたときに、IC規制板のはみ出し部が保護
    ケースの内壁から離れており、IC規制板の加速度センサ素子からのはみ出し量d1は、
    加速度センサチップの端と保護ケースの内壁との間隔d2よりも小さく、d1/d2が0
    .2以上且つ0.9以下であることを特徴とする請求項1に記載の加速度センサ。
  3. 加速度センサチップは正方形状を有する加速度センサ素子と長方形状を有するセンサ端
    子部が一体に形成されており、加速度センサチップのセンサ端子とIC規制板のIC端子
    AはワイヤーA、保護ケース端子とIC端子BはワイヤーBでボンディング接続されてい
    ことを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の加速度センサ。
  4. 加速度センサチップは正方形状を有する加速度センサ素子と長方形状を有するセンサ端
    子部が一体に形成されており、加速度センサ素子端よりIC規制板がはみ出して設けられ
    た位置に、保護ケース端子と接続されるIC端子が設けられていることを特徴とする請求
    項1ないしのいずれかに記載の加速度センサ。
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