JP4379858B2

JP4379858B2 - 加速度センサ

Info

Publication number: JP4379858B2
Application number: JP2003018715A
Authority: JP
Inventors: 正勝斎藤; 眞治古市; 孝佐藤
Original assignee: トレックス・セミコンダクター株式会社
Priority date: 2003-01-28
Filing date: 2003-01-28
Publication date: 2009-12-09
Anticipated expiration: 2023-01-28
Also published as: JP2004233072A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
従来の加速度センサの展開図を図６に示す。図６において加速度センサ素子１はワイヤー４で保護ケース２の端子５に接続され外部端子６に接続される。保護ケース蓋３が保護ケース２に固着密封され加速度センサ１０が構成されている。加速度センサ素子のピエゾ抵抗素子の図示は省略している。図７に図６のｊ−ｊ’断面を示す。加速度センサ素子１は、錘部１１と支持部１２、可撓部１３から成っている。可撓部１３のワイヤー４接続面にはピエゾ抵抗素子９が形成されている。保護ケース２に支持部１２および保護ケース蓋３が接着剤７および７７により固着されている。加速度センサ素子に外力が加わると、可撓部１３に吊り下げられた錘部１１が動き可撓部１３を撓ませ、その撓み量をピエゾ抵抗素子９で感知し電圧として出力するものである。
【０００５】
加速度センサ素子の拡大図を図８ａ）に示す。加速度センサ素子１は、錘部１１を支える可撓部１３、可撓部１３を支える支持部１２から構成され、可撓部１３にはピエゾ抵抗素子９が設けられている。ピエゾ抵抗素子は端子１４にパターニングされた配線（図示せず）で接続されている。外力を加速度センサ素子が受けた時の錘部と可撓部の動きを、図８ａ）のｋ−ｋ’断面を使って図８ｂ）からｄ）に示す。図８ｂ）は外力が加わっていない状態で可撓部１３はほぼ水平の状態である。このときの錘部の角部位置をＡ０とする。図８ｃ）は加速度センサ素子の横方向から外力が加わったときの、錘部と可撓部の形状を模式的に表している。錘部が左右に動かされ一方の可撓部が下に、他方が上に撓みピエゾ抵抗素子の抵抗が変化してＸ軸方向、Ｙ軸方向の加速度に応じた電圧として検出される。このときの錘部の角部位置をＡ１とする。図８ｄ）は、加速度センサ素子の上下方向から外力が加わったときの、錘部と可撓部の形状を模式的に表している。このときの錘部の角部位置をＡ２とする。左右の可撓部は同一方向に撓みＺ軸方向の加速度を検知することができる。可撓部の寸法や印加された加速度によって決まるが、加速度センサ素子１に１０００ＧかかるとＡ０とＡ１の位置は約４０μｍ、Ａ０とＡ２の位置は約２５μｍと大きく変動することとなる。
【０００６】
加速度センサ素子１の感度は、可撓部１３の撓み易さで決まるため、可撓部１３の長さが長く、幅が狭く、厚みが薄いほど向上するものである。そのため、高感度品では可撓部１３の長さは５００〜７００μｍ、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１３は２０μｍ程度変形すると折れてしまい、加速度センサ素子１としての機能が失われてしまう。加速度センサの感度を上げることと、測定できる加速度の上限は相反することとなる。加速度センサが携帯機器等に用いられ落下衝撃に耐えられる様にするには、加速度センサの感度を下げざるを得なかった。
【０００７】
そこで、高感度で落下衝撃に耐えられる加速度センサを得るため、錘部１１の動く量を５〜１０μｍに強制的に抑えるための規制板を設ける構造が、特開平５−４１１４８号、特開平４−２７４００５号、特開平８−２３３８５１号公報などに記載されている。錘部１１の動きを規制した従来の加速度センサの断面構造例を図９に示す。本図は図８ａ）に示した加速度センサ素子１を接着剤７により保護ケース２に、また同じく接着剤７１により上部規制板２１とに接着し、最後に保護ケースの蓋３と保護ケース２とを接着剤７７で接着して完成するものである。加速度センサ素子1の電極と保護ケース２の外部電極（いずれも図示せず）はワイヤボンドで接続されるがこれも図では省略している。この構造では加速度センサ素子１の下側の規制板は保護ケース２の内底を利用するものであり、その分薄型に向いた構造である。この構造においては、加速度センサ素子1と保護ケース２、上部規制板２１とは接着剤で固着されるが、このとき可撓部１３すなわちピエゾ抵抗素子９への接着剤の残留応力の影響を減らし、加速度検出特性への悪影響を抑えるために、接着剤としては硬化後でも柔らかいシリコンゴム系の樹脂を用いることが好ましいことを発明者らは見出し既に出願している。本従来例では、支持部１２の４角において、加速度センサ素子裏面と保護ケース２および加速度センサ表面と上部規制板２１とを接着している。直径５〜１０μｍの硬質プラスチック球のスペーサを接着樹脂に混合することによって、加速度センサ素子１と上部規制板２１とのギャップおよび加速度センサ素子１と保護ケース２とのギャップを５〜１０μｍほどに制御している。
【０００８】
【発明の解決しようとする課題】
上述したように錘部１１の動きを５〜１０μｍに規制するため従来は５〜１０μｍ径のスペーサをシリコンゴム系樹脂に混合して用いていた。ところが、シリコンゴム系樹脂は水のように流れやすく、スペーサとして硬質プラスチック球を混合したとしても、その直径が５〜１０μｍと非常に小さい場合には、混合後の状態でもシリコンゴム系樹脂はやはり非常に流れやすい性質を維持している。このため、塗布量を極く少量で制御することが難しく接着面積を制御することが困難であった。実際にスペーサ径を変えて混合したシリコンゴム系樹脂により２枚のシリコン基板同士を接着する模擬実験で接着面積のばらつきを評価した。その結果を表１に示す。×はばらつき大、○はばらつき小、△は両者の中間を示す。この結果よりスペーサ径として１５μｍ以上が良好であることがわかる。しかし、これでは上記した所望のギャップ５〜１０μｍは得られないことになる。
【０００９】
表１スペーサ径と接着面積のばらつきの関係

【００１０】
すなわち、図１０ａ）に示した加速度センサ素子１の支持部表面と上部規制板２１の固着においては、破線で示す位置にシリコンゴム系樹脂７１を塗布しても、実線で示すようにシリコンゴム系樹脂は広がっていた。広がったシリコンゴム系の樹脂の形状や面積はばらばらで、また支持部内側にはみ出しているものも多数見受けられた。４個所の接着面積を制御できず、接着樹脂の残留応力がばらつくため加速度センサの特性がばらつくという問題があった。次に、図１０ｂ）に示した加速度センサ素子１の支持部裏面と保護ケース２とを固着する場合について述べる。すなわち、同図に破線で示すシリコンゴム系樹脂７塗布位置で、加速度センサ素子１の支持部裏面と保護ケース２とが固着される。固着される支持部裏面は可撓部やピエゾ抵抗素子から離れているため、５〜１０μｍの硬質プラスチックを混練した樹脂の接着面積が、実線で示すように多少ばらついても、樹脂の残留応力が加速度検出特性に影響を与えることは殆どなかった。そのため、支持部裏面側の接着面積のばらつきは支持部表面側ほど、接着面積の制御は必要とならなかった。
【００１１】
このように、所望の狭ギャップ長を得るためにギャップ長と同等の径を有する硬質プラスチック球をスペーサとして使用した場合には、従来技術では上部規制板と加速度センサ素子との接着において、接着面積のばらつきが大きくなり、加速度センサの特性、例えば、感度やオフセット電圧のばらつき、あるいは温度特性のばらつきなどが大きくなることが避けられなかった。
【００１２】
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、大きな衝撃力に対して錘の動きを抑制する規制板を設置した構造の加速度センサにおいて、加速度センサ素子と上部規制板とを接着するシリコンゴム系樹脂の接着面積のばらつきに起因する加速度検出特性のばらつきを抑え、ギャップを小さくし高耐衝撃性、高性能を実現した小型・薄型の加速度センサを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の加速度センサは、チップ中央に錘部、周辺に支持部があり両者を薄肉の可撓部で接続し、可撓部上に複数個のピエゾ抵抗素子から成る加速度検出部を配した加速度センサ素子に、錘部の過度な変位を抑制する上部規制板と下部規制板を有する加速度センサであって、上部規制板側の支持部表面に偶数個の凹部を設け、凹部深さｄ１と上部規制板と錘部の間隔ｇの和（ｄ１＋ｇ）の直径を有する球形スペーサを混練したシリコンゴム系樹脂を該凹部に塗布し、加速度センサ素子と上部規制板とを固着することが望ましい。
【００１４】
加速度センサ素子と上部規制板との固着個所において、支持部表面側に凹部を設けることによって大きな直径の球形スペーサを使用できるようにしたものである。シリコンゴム系樹脂の接着面積ばらつきが小さくなる、スペーサ径１５μｍ以上の硬質プラスチック球を用いた場合、球スペーサ径１５μｍ、支持部の凹部深さｄ１を１０〜１５μｍとすれば、所定のギャップｇを５〜１０μｍとすることができる。これによって、樹脂接着面積をコントロールすることが容易にでき、残留応力を最小とすることができる。偶数個所に凹部を設けることで、可撓部に加わる接着応力を均一にすることができ、加速度検出特性への影響を最小限に抑えることができる。
【００１５】
本発明の加速度センサは、支持部表面に設けた凹部の深さｄ１が、球形スペーサ径の０．３以上０．９以下であることが望ましい。
【００１６】
凹部深さｄ１は球形スペーサの径より浅いことが必要である。しかし、あまり浅いとシリコンゴム系樹脂が溢れ、接着面積のばらつきとなってしまう。また、ｄ１が球形スペーサ径の０．９以上に深くなると、樹脂量が多くなるため樹脂の残留応力の影響を考慮する必要が出てくる。そのため、凹部深さｄ１は球形スペーサ径の０．３から０．９の範囲にすることが好ましいものである。
【００１７】
本発明の加速度センサは、支持部表面に設けた凹部の深さｄ１が、可撓部厚みと同等であることが望ましい。
【００１８】
加速度センサ素子の製造方法の安定化、高効率化などの観点からＳＯＩウエハが一般に使われている。ＳＯＩウエハとはＳｉｌｉｃｏｎｏｎｉｎｓｕｌａｔｏｒの略で、表面側のシリコン単結晶層、中間にあるシリコン酸化膜層および裏面側にあるシリコンベース基板からなる。高感度な加速度センサではＳＯＩ層として５〜１０μｍ、シリコンベース基板の厚さは約４００〜６００μｍのものが通常用いられる。加速度センサ素子は、例えばマイクロマシン技術の１つであるディープドライエッチング技術を用いてＳＯＩ層に可撓部、錘部および支持部を、裏面側のシリコンベース基板に錘部および支持部をそれぞれ所定形状で所定位置に形成する。支持部表面の凹部深さを可撓部厚さと同等にすることによって、製造プロセスの簡略化を図ることができる。すなわち、同一のフォトマスクに可撓部と凹部パターンの両方を入れることで、ＳＯＩ層に可撓部を形成するときに同時に凹部も形成でき、新たに工程を追加する必要はない。
【００１９】
本発明の加速度センサは、支持部表面に設けた凹部は、支持部の内側端部から５μｍ以上離れて形成されていることが望ましい。
【００２０】
少なくとも支持部表面の内側端部側に他の支持部表面と同一高さの土手を残して凹部を形成したものである。このような凹部の配置とすることによって、塗布した樹脂が支持部内側に流れ込むことを防止でき特性への影響も防止できる効果がある。樹脂が支持部内側に流れ込むと接着個所が変わるため、残留応力の影響が接着個所によって変わるためである。凹部の土手幅を５μｍ以上とすることで、支持部表面に上部規制板を接着するとき、接着剤が横方向（土手方向）に与える力によって、土手が壊れることを防ぐことができる。
【００２１】
本発明の加速度センサは、支持部表面に設けられた凹部の少なくとも１辺の一部位が支持枠外側に開放されていることが望ましい。
【００２２】
支持部表面に設けられた凹部にシリコンゴム系接着剤を塗布し上部規制板を固着した時、接着剤の量が僅かでも多いと支持部と上部規制板の間に樹脂が流れ込んでしまうことがある。５から１０μｍ程度のギャップｇでは毛細管現象も働き、樹脂の面積つまり接着面積がばらつく要因にもなる。凹部の少なくとも一辺の一部もしくは辺全域を支持部外側に切り欠くことで、溢れた樹脂を支持部外側側面に逃すことが可能となり、支持部内側への樹脂の流れ込みも確実に抑えることができる。凹部の一辺が支持部外側に重なるように凹部を形成することで、工程を増やすことなく凹部の一辺を切り欠くことができる。もしくは凹部面積を大きくして、ウェファから加速度センサ素子を切り離す際、凹部の一部を切り代にして切り欠くこともできる。
【００２３】
本発明の加速度センサは、支持部に設けられた凹部の総面積が、支持部面積の１／２０以上１／１０以下であることが望ましい。
【００２４】
支持部に設けられた凹部の開口部形状は四角に限られることは無く、丸から多角形や不定形の形状でも良い。しかし、偶数個設けられた個々の凹部の面積と形状は同じであることが好ましい。同一面積でも正方形と長方形では可撓部に与える接着剤の応力が異なることがあるため、好ましくない。偶数個設けられた凹部の総面積（総開口面積）が支持部表面積の１／２０以上あれば、支持部と上部規制板の接着強度は充分確保できる。また、異常な衝撃力が加わっても支持部と上部規制板が剥がれることもない。同様、１／１０以下とすることで、接着剤の応力の影響を最小限にすることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の加速度センサの実施例について図１から図４を用いて説明する。説明を判りやすくするため、従来例と同一の部品には同じ符号を用いている。図１は、本発明の加速度センサの展開図、図２は図１のＢ−Ｂ’断面図である。図３は図１に示した加速度センサ素子１００の斜視図、図４は図１の展開図における上部規制板２１の固着位置を示している。図１において加速度センサ素子１００はワイヤー４で保護ケース２の端子５に接続され外部端子６に接続される。規制板２１を加速度センサ素子１００の支持部上面の４角部に形成した凹部１２０において、硬質プラスチック球が混練された接着剤７１を用いて固着する。また、加速度センサ素子１００の支持部１２の下面も硬質プラスチック球が混練された接着剤７を用いて保護ケース２に固着し、錘部１１の下面方向の動きは保護ケース２の内底によって規制する構造とした。最後に保護ケース蓋３を低融点ガラスやエポキシ樹脂などの接着剤７７を用いて保護ケース２に固着密封して加速度センサを形成した。
【００２６】
ピエゾ抵抗素子９や加速度センサ素子１００の製造方法および加速度センサ素子１００の寸法関係を簡単に説明する。約６００μｍ厚のシリコンベース基板に１μｍのシリコン酸化層と１０μｍ程度のＳＯＩ層を有するＳＯＩウエハを使用した。フォトレジストでパターニングを行いＳＯＩ層にボロンを１〜３ｘ１０^１８原子／ｃｍ^３打ち込みピエゾ抵抗素子９を作製、ピエゾ抵抗素子９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。ＳＯＩ層に可撓部１３と錘部１１、支持部１２をフォトリソとディープ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ＳＯＩ層のみである。このＳＯＩ層のドライエッチング時に図３に示したように、支持部１２の４つの角部に凹部１２０を同時に形成している。ピエゾ素子面を下にしてＳＯＩウエハをダミー基板に、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ウエハのシリコンベース基板約６００μｍをドライエッチング技術により錘部１１を形成するには、ＳＦ_６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。可撓部１３と錘部１１、支持部１２が形成されたウエハがダミー基板に接着された状態で、ウエハ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素子１００をダミー基板から取り外した。高感度な加速度センサを得るため、可撓部１３の寸法は長さ７００μｍ、幅１１０μｍ、厚み１０μｍと非常に薄く平板なものとなっている。錘部１１は、一辺の長さを１０００μｍ、支持部１２の幅は４５０μｍとし、加速度センサ素子１００の外観形状は３ｍｍ角で厚み約０．６ｍｍとしている。
【００２７】
支持部１２表面に形成した４箇所の凹部は図３に示したように、略正方形で支持部外側の二辺を切り欠いた構造とした。支持部１２の内側端部側には他の支持部表面と同一高さのＳＯＩ層部分を所定幅で残して形成した。４箇所の凹部の総面積（開口部総面積）は、支持部表面の面積の１／１５とした。また、図４に示したようにプラスチック球を混練した樹脂７１を支持部１２に形成した凹部１２０内に塗布して上部規制板２１と固着した。この時に用いたプラスチック球は直径が１５μｍのものであり、凹部深さは１０μｍであるから、上部規制板２１と加速度センサ素子１００とのギャップは５μｍである。また、加速度センサ素子１００と保護ケース２との固着に用いたものと同じ直径が２０μｍのプラスチック球を上部規制板２１との接着樹脂に混合すれば、ギャップは１０μｍとできた。
【００２８】
上述の本発明では、凹部の深さは可撓部の厚さ、すなわちＳＯＩ層の厚さに等しくすることで一度のフォトエッチング工程で済ませられるという効果がある。しかし、可撓部や支持部などと凹部とを別々の工程で形成してもよい。この場合には、凹部の深さも任意に選べる為、プラスチック球は種々の直径のものを選ぶことができる。また、支持部の内側端部には所定幅にＳＯＩ層を残こすことによって、樹脂の塗布位置精度を上げることができた。
【００２９】
実施した他の凹部形状の例を図５に示す。同図ａ）は、凹部１２１として支持部外側の二辺を切り欠きＳＯＩ層を全てドライエッチングで除去したもの、ｄ）は凹部の一辺を切り欠いた構造である。いずれの凹部形状においても、シリコンゴム系樹脂の接着面積はほぼ凹部の開口面積と同じで、ばらつきもほとんど無視できる程度でしかなかった。
【００３０】
接着面積のばらつきを低減できたため、従来の凹部を有しない加速度センサと比べ、感度のばらつきは１０ポイント、オフセット電圧のばらつきは２３ポイント低減できた。ばらつきは最大感度と最小感度を示した加速度センサの値の差を平均感度で除して百分率で求めている。従来と本発明のばらつきの百分率の差をポイントと表現したものである。オフセット電圧も同様である。評価に用いた加速度センサの数は、各々１００個である。また、加速度センサを１ｍの高さから１０ｃｍの厚みの杉板上に自然落下させ耐衝撃性を評価した。自然落下させた加速度センサに１０Ｇ程度の加速度を加え出力の有無で判断した。いずれの加速度センサとも自然落下後も出力は得られた。支持部表面に凹部を設けシリコンゴム系樹脂の接着面積を制御することで、耐衝撃性は得られ加速度検出特性も向上させられることが実証された。
【００３１】
以上、実施例により説明したように、直径が１５μｍ以上のプラスチック球をスペーサとして使用しながら、加速度センサ素子と上部規制板とのギャップを小さくすることができるため、高耐衝撃性を確保しながら、加速度センサ素子と上部規制板の接着において、接着面積のばらつきを小さくコントロールすることができるため残留応力の特性への影響を許容範囲におさえ、高性能を実現することができた。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、大きな衝撃力に対して錘の動きを抑制する規制板を設置した構造の加速度センサにおいて、加速度センサ素子と規制板とのギャップを小さくし耐衝撃性を高めた構造において、特性への影響を最小限に抑え、小型・薄型で高性能な加速度センサを提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加速度センサの展開図である。
【図２】本発明の加速度センサの断面図である。
【図３】本発明の加速度センサ素子の斜視図である。
【図４】本発明の加速度センサ素子と上部規制板の接着位置を示す正面図である。
【図５】本発明の他の凹部形状を示す正面図である。
【図６】従来の加速度センサの展開図である。
【図７】従来の加速度センサの断面図である。
【図８】加速度センサ素子と錘部と可撓部の動きを説明する図である。
【図９】従来の規制板付き加速度センサ素子部の断面図である。
【図１０】従来の規制板付き加速度センサの接着樹脂の塗布位置を示す正面図である。
【符号の説明】
１，１００加速度センサ素子、２保護ケース、３保護ケース蓋、
４ワイヤー、５端子、６外部端子、７，７１，７７接着剤、
９ピエゾ抵抗素子、１１錘部、１２支持部、１３可撓部、
２１規制板、１２０，１２１凹部。

Claims

チップ中央に錘部、周辺に支持部があり両者を薄肉の可撓部で接続し、可撓部上に複数個のピエゾ抵抗素子から成る加速度検出部を配した加速度センサ素子に、錘部の過度な変位を抑制する上部規制板と下部規制板を有する加速度センサであって、上部規制板側の支持部表面に偶数個で少なくとも１辺の一部位が支持枠外側に開放され、可撓部厚みと同等の深さｄ１を有する凹部を設け、凹部深さｄ１と上部規制板と錘部の間隔ｇの和（ｄ１＋ｇ）の直径を有する球形スペーサを混練したシリコンゴム系樹脂を該凹部に塗布し、加速度センサ素子と上部規制板とを固着してなることを特徴とする加速度センサ。
支持部表面に設けた凹部は、支持部の内側端部から５μｍ以上離れて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。