JP4416460B2 - 加速度センサー - Google Patents
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- G01P2015/0822—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass
- G01P2015/084—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass the mass being suspended at more than one of its sides, e.g. membrane-type suspension, so as to permit multi-axis movement of the mass
- G01P2015/0842—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass the mass being suspended at more than one of its sides, e.g. membrane-type suspension, so as to permit multi-axis movement of the mass the mass being of clover leaf shape
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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
速度センサーに関するものである。
速度センサーに関するものである。
加速度センサーは、自動車のエアーバッグ作動用に多く用いられ、自動車が衝突した衝
撃を加速度としてとらえていた。自動車ではＸ軸と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。また、測定する加速度が非常に大きいため、加速度を検
知する加速度センサー素子も頑丈に製作されている。最近は、携帯端末機器やロボット等
にも加速度センサーが使用されることが多くなって来ている。３次元空間の動きを検出す
るためＸ，Ｙ，Ｚ軸の加速度が測定できる３軸加速度センサーが要求されてきている。こ
れらの用途では、数Ｇから数１０Ｇの小さな加速度の検出が要求されるだけでなく、高分
解能であることが求められる。1軸もしくは２軸機能の加速度センサーを組み合わせて３
次元の加速度を測定することは可能であるが、取り付け部位の制約が多いため小型の３軸
加速度センサーの要求が強いものである。
撃を加速度としてとらえていた。自動車ではＸ軸と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。また、測定する加速度が非常に大きいため、加速度を検
知する加速度センサー素子も頑丈に製作されている。最近は、携帯端末機器やロボット等
にも加速度センサーが使用されることが多くなって来ている。３次元空間の動きを検出す
るためＸ，Ｙ，Ｚ軸の加速度が測定できる３軸加速度センサーが要求されてきている。こ
れらの用途では、数Ｇから数１０Ｇの小さな加速度の検出が要求されるだけでなく、高分
解能であることが求められる。1軸もしくは２軸機能の加速度センサーを組み合わせて３
次元の加速度を測定することは可能であるが、取り付け部位の制約が多いため小型の３軸
加速度センサーの要求が強いものである。
加速度センサーは、加速度を受けた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。センサーの出力の大きさや応答周波数特性、
耐電磁ノイズ、出力の直線性、静止加速度の検出、温度特性等を考慮しこれら方式のなか
から、要求に合った変換方式が選ばれている。３軸で小型、高感度の要求から微細加工が
必要なため、シリコン基板にフォトリソ技術を用い形状を形成し、半導体技術でシリコン
に不純物を打ち込みピエゾ抵抗を形成するピエゾ抵抗型３軸加速度センサーが実用化され
てきている。
抵抗型、静電容量型、圧電型に大別される。センサーの出力の大きさや応答周波数特性、
耐電磁ノイズ、出力の直線性、静止加速度の検出、温度特性等を考慮しこれら方式のなか
から、要求に合った変換方式が選ばれている。３軸で小型、高感度の要求から微細加工が
必要なため、シリコン基板にフォトリソ技術を用い形状を形成し、半導体技術でシリコン
に不純物を打ち込みピエゾ抵抗を形成するピエゾ抵抗型３軸加速度センサーが実用化され
てきている。
従来の加速度センサーの展開図を図５に示す。図５において加速度センサー素子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ーが構成されている。加速度センサー素子のピ
エゾ抵抗素子の図示は省略している。図６に図５のｊ−ｊ’断面を示す。加速度センサー
素子１は、錘部１１と支持枠１２、可撓部１３（図示せず）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（図示せず）が形成されている。保護ケース２に
支持枠１２および保護ケース蓋３が接着剤７により固着されている。加速度センサー素子
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で感知し電圧として出力するものである。
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ーが構成されている。加速度センサー素子のピ
エゾ抵抗素子の図示は省略している。図６に図５のｊ−ｊ’断面を示す。加速度センサー
素子１は、錘部１１と支持枠１２、可撓部１３（図示せず）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（図示せず）が形成されている。保護ケース２に
支持枠１２および保護ケース蓋３が接着剤７により固着されている。加速度センサー素子
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で感知し電圧として出力するものである。
加速度センサー素子の拡大図を図７ａ）に示す。加速度センサー素子１は、錘部１１を
支える可撓部１３、可撓部１３を支える支持枠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。加速度センサーは錘部の重量が大きいほど、可撓部１３が
変形し易くなるため、大きな出力が得られる。図７ａ）に示すように錘部１１は４本の可
撓部１３と支持枠１２に接触しない空間に張り出した形状とし、少しでも体積を大きくす
るのが一般的である。ピエゾ抵抗素子９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。
支える可撓部１３、可撓部１３を支える支持枠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。加速度センサーは錘部の重量が大きいほど、可撓部１３が
変形し易くなるため、大きな出力が得られる。図７ａ）に示すように錘部１１は４本の可
撓部１３と支持枠１２に接触しない空間に張り出した形状とし、少しでも体積を大きくす
るのが一般的である。ピエゾ抵抗素子９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ー素子が受けた時の錘部と可撓部の動きを、図７のｋ−ｋ’断面を
使って図７ｂ）からｄ）に示す。図７ｂ）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７ｃ）は加速度センサ
ー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７ｄ）は、加速度センサー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、加速度センサー素子に１０００ＧかかるとＡ０
とＡ１の位置は水平方向に約４０μｍ、Ａ０とＡ２の位置は垂直方向に約２５μｍと大き
く変動することとなる。
使って図７ｂ）からｄ）に示す。図７ｂ）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７ｃ）は加速度センサ
ー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７ｄ）は、加速度センサー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、加速度センサー素子に１０００ＧかかるとＡ０
とＡ１の位置は水平方向に約４０μｍ、Ａ０とＡ２の位置は垂直方向に約２５μｍと大き
く変動することとなる。
加速度センサー素子の感度は、可撓部の撓み易さで決まるため、可撓部の長さが長く、
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の長さは
５００〜７００μｍ、幅は８０〜１２０μｍ、厚みは５〜１０μｍと非常に薄っぺらくな
っている。このため、シリコンで形成された可撓部は２０μｍ程度変形すると折れてしま
い、加速度センサー素子としての機能が失われてしまう。加速度センサーの感度を上げる
ことと、測定できる加速度の上限は相反することとなる。加速度センサーが携帯機器等に
用いられ落下衝撃に耐えられる様にするには、加速度センサーの感度を下げざるを得なか
った。
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の長さは
５００〜７００μｍ、幅は８０〜１２０μｍ、厚みは５〜１０μｍと非常に薄っぺらくな
っている。このため、シリコンで形成された可撓部は２０μｍ程度変形すると折れてしま
い、加速度センサー素子としての機能が失われてしまう。加速度センサーの感度を上げる
ことと、測定できる加速度の上限は相反することとなる。加速度センサーが携帯機器等に
用いられ落下衝撃に耐えられる様にするには、加速度センサーの感度を下げざるを得なか
った。
高感度で落下衝撃に耐えられる加速度センサーを得るため、錘部の動く量を強制的に抑
える規制板を設ける構造が特許文献１から３に記載されている。特許文献１は加速度セン
サー素子の錘部および可撓部の上部に一定の隙間ができるように規制板にエッチング加工
を施したものである。特許文献２は平板状の規制板と加速度センサー素子を、均一な粒径
をもった球状微粒子を混練した接着剤で接着することで、規制板の加工工程をなくして規
制板と加速度センサー素子の間に球状微粒子の粒径で規制された一定の隙間を設けたもの
である。特許文献３は規制板と加速度センサー素子の間に隙間ができるようにエッチング
加工を施した規制板を、均一な粒径をもった球状微粒子が混錬された接着剤で接着するも
のである。
特開平５−０４１１４８号（図２）
特開平４−２７４００５号（図１）
特開平８−２３３８５１号（図４）
える規制板を設ける構造が特許文献１から３に記載されている。特許文献１は加速度セン
サー素子の錘部および可撓部の上部に一定の隙間ができるように規制板にエッチング加工
を施したものである。特許文献２は平板状の規制板と加速度センサー素子を、均一な粒径
をもった球状微粒子を混練した接着剤で接着することで、規制板の加工工程をなくして規
制板と加速度センサー素子の間に球状微粒子の粒径で規制された一定の隙間を設けたもの
である。特許文献３は規制板と加速度センサー素子の間に隙間ができるようにエッチング
加工を施した規制板を、均一な粒径をもった球状微粒子が混錬された接着剤で接着するも
のである。
加速度センサーの製造は、φ６インチ程度のシリコンウェファー上に加速度センサー素
子をフォトリソ技術を用い多数形成した後、個別に切り離して加速度センサー素子を得る
工程。加速度センサー素子を保護ケースに固着し、電極とワイヤーを接続する工程。規制
板を付加する工程、保護ケース蓋を保護ケースに固着する工程からなっている。
子をフォトリソ技術を用い多数形成した後、個別に切り離して加速度センサー素子を得る
工程。加速度センサー素子を保護ケースに固着し、電極とワイヤーを接続する工程。規制
板を付加する工程、保護ケース蓋を保護ケースに固着する工程からなっている。
シリコンウェファーから加速度センサー素子を得るには、フォトレジストの塗布、現像
、洗浄だけでなく、電極の作製にスパッタ−装置、ピエゾ素子作製にイオン打ち込み装置
、シリコンをエッチングするドライエッチング装置等を用いる。特にドライエッチング装
置では、シリコンウェファーを冷却するためダミー基板上に接着する必要がある。加工終
了後接着剤除去作業では、可撓部の長さは５００〜７００μｍ、幅は８０〜１２０μｍ、
厚みは５〜１０μｍと非常に薄っぺったく容易に壊れてしまうため、機械的な力を加えて
の接着剤除去はできず、溶剤で溶かすことしかできない。そのため、極僅かであるが接着
剤の残りが発生した。電極等のスパッタ−作業でもごみの飛散等から凸部分が発生するこ
とがある。接着剤残りで発生する凸部（以下、異物という）の大多数は一辺１０μｍ以上
あるが、高さは数μｍ以下と低くまた、軟らかい材質であるので可撓部の撓みに影響を及
ぼすことはなく、出力電圧や感度を悪くすることはなかった。スパッターで発生する異物
は樹脂に比べ硬い材料であるが、大きさは一辺数μｍから大きくても１０μｍ程度と面積
的には小さいが、高さは０．１〜５μｍと高いものである。しかし、スパッターで発生す
る異物も可撓部の撓みに影響を及ぼす程ではなかった。これら、異物の体積が小さく重量
も小さいことから、加速度測定結果には影響しないものであると考えられる。数多くの異
物の高さを測定したが、５μｍを超えるものはなかった。
、洗浄だけでなく、電極の作製にスパッタ−装置、ピエゾ素子作製にイオン打ち込み装置
、シリコンをエッチングするドライエッチング装置等を用いる。特にドライエッチング装
置では、シリコンウェファーを冷却するためダミー基板上に接着する必要がある。加工終
了後接着剤除去作業では、可撓部の長さは５００〜７００μｍ、幅は８０〜１２０μｍ、
厚みは５〜１０μｍと非常に薄っぺったく容易に壊れてしまうため、機械的な力を加えて
の接着剤除去はできず、溶剤で溶かすことしかできない。そのため、極僅かであるが接着
剤の残りが発生した。電極等のスパッタ−作業でもごみの飛散等から凸部分が発生するこ
とがある。接着剤残りで発生する凸部（以下、異物という）の大多数は一辺１０μｍ以上
あるが、高さは数μｍ以下と低くまた、軟らかい材質であるので可撓部の撓みに影響を及
ぼすことはなく、出力電圧や感度を悪くすることはなかった。スパッターで発生する異物
は樹脂に比べ硬い材料であるが、大きさは一辺数μｍから大きくても１０μｍ程度と面積
的には小さいが、高さは０．１〜５μｍと高いものである。しかし、スパッターで発生す
る異物も可撓部の撓みに影響を及ぼす程ではなかった。これら、異物の体積が小さく重量
も小さいことから、加速度測定結果には影響しないものであると考えられる。数多くの異
物の高さを測定したが、５μｍを超えるものはなかった。
しかし、加速度センサー素子に対向して付加された規制板と素子上面における錘部との
間隔ｇ３が１５μｍ程度と小さいため、間隔に対しては無視することができなかった。配
線部厚み以下の異物高さのものが、配線部以外の領域にあるものは間隔ｇ３に影響しない
ため許容されるが、異物の高さ分布から見て殆んどのものは使用できない。そのため、規
制板と対向する面に異物があるものは、不良素子として廃棄せざるを得なかった。それに
より、加速度センサー素子の歩留り低下を招き、ひいては加速度センサーの価格を押し上
げることとなっていた。
間隔ｇ３が１５μｍ程度と小さいため、間隔に対しては無視することができなかった。配
線部厚み以下の異物高さのものが、配線部以外の領域にあるものは間隔ｇ３に影響しない
ため許容されるが、異物の高さ分布から見て殆んどのものは使用できない。そのため、規
制板と対向する面に異物があるものは、不良素子として廃棄せざるを得なかった。それに
より、加速度センサー素子の歩留り低下を招き、ひいては加速度センサーの価格を押し上
げることとなっていた。
図６に示すように、従来構造では錘部における配線部上面と平規制板との間隔ｇ３に対
して、非配線部上面と平規制板との間隔ｇ４は配線厚さ分だけ大きくなっている。しかし
配線厚さは大きくても１μｍ程度であり、付着した異物高さの高いものは５μｍ程度であ
るので、錘部が過度の加速度を受けて変位したとき、錘部のいずれの部位に異物が付着し
た場合でも、異物が最初に平規制板に接触する可能性が極めて高く、測定可能な加速度範
囲でも出力が飽和してしまう。
して、非配線部上面と平規制板との間隔ｇ４は配線厚さ分だけ大きくなっている。しかし
配線厚さは大きくても１μｍ程度であり、付着した異物高さの高いものは５μｍ程度であ
るので、錘部が過度の加速度を受けて変位したとき、錘部のいずれの部位に異物が付着し
た場合でも、異物が最初に平規制板に接触する可能性が極めて高く、測定可能な加速度範
囲でも出力が飽和してしまう。
本発明の目的は、従来に比べて異物に対して許容範囲が広く、異物と平規制板が接触し
て測定可能な加速度範囲が狭まることがなく、また耐衝撃性も低下させずに加速度センサ
ーを安価に提供するものである。
て測定可能な加速度範囲が狭まることがなく、また耐衝撃性も低下させずに加速度センサ
ーを安価に提供するものである。
本発明の加速度センサーは、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３軸加速度センサー素子を、保護ケース内に保持し、錘部上方には錘部の動きを規制する平規制板を備える３軸加速度センサーであって、前記３軸加速度センサー素子は、シリコン層とシリコン酸化層、シリコン板か らなるＳＯＩウェファーより一体形成され、配線部と錘可撓部領域はシリコン層のエッチ ングにより形成され、錘部における配線部上面と平規制板との間隔ｇ３に対して、錘部の可撓部と接する錘可撓部領域と配線部を除いた非配線部の少なくとも一部の上面と平規制板との間隔ｇ４が、配線厚さと可撓部厚さの合計分大きく、非配線部上のシリコン層はエ ッチングで除去されていることを特徴とする。
錘部は配線がある領域の配線部と、錘と可撓部が接する領域の錘可撓部、配線部と錘可
撓部を除いた領域の非配線部からなる。錘可撓部は非配線部を可撓部厚分凹ましたとき、
錘部と可撓部が分離しないために必要なものである。撓み易くなっている可撓部は、外力
に対して最も弱いところである。当然、錘可撓部は可撓部より機械強度的に強くする必要
があるため、可撓部の長さ方向に少なくとも可撓部厚みと同等以上錘部に凹まさない領域
の錘可撓部を設けることが良い。錘可撓部を大きくすると異物の影響を受けやすくなるの
で、機械的強度が得られる最小領域とすることが好ましく、可撓部の長さ方向に１０μｍ
程度、幅方向は可撓部幅と同等以上とすることがより好ましい。
撓部を除いた領域の非配線部からなる。錘可撓部は非配線部を可撓部厚分凹ましたとき、
錘部と可撓部が分離しないために必要なものである。撓み易くなっている可撓部は、外力
に対して最も弱いところである。当然、錘可撓部は可撓部より機械強度的に強くする必要
があるため、可撓部の長さ方向に少なくとも可撓部厚みと同等以上錘部に凹まさない領域
の錘可撓部を設けることが良い。錘可撓部を大きくすると異物の影響を受けやすくなるの
で、機械的強度が得られる最小領域とすることが好ましく、可撓部の長さ方向に１０μｍ
程度、幅方向は可撓部幅と同等以上とすることがより好ましい。
錘部における配線部上面と平規制板との間隔ｇ３に対して、非配線部上面の少なくとも
一部と平規制板との間隔ｇ４が、配線厚と可撓部厚の合計分大きい構造とすることにより
、非配線部に付着した異物高さの許容範囲を広げることができる。異物の高さは数多く調
べたが最大５μｍであるので、可撓部厚みの５〜１０μｍ非配線部を凹ますことで、可撓
部厚が５μｍでも配線厚み分余裕が得られる。このように異物の最大高さ分以上非配線部
を凹ますことで、異物の検査領域を配線部と錘可撓部に限定することが可能となり、検査
時間の大幅な短縮が可能となる。これにより、異物と平規制板の接触を防止することがで
き、測定可能な加速度範囲が狭まることはない。非配線部全域を可撓部厚分凹ます必要は
なく一部を凹ますことでも良い。例えば配線と配線の間の狭い領域は凹まさない方が洗浄
はやり易くなる。洗浄がやり易いと言うことは、異物の付着数を減らすことにもなる。非
配線部は凹まさない方が良い領域を除き、でき得る限り凹ますことが異物許容範囲を広げ
る点で好ましいし、異物検査領域を減らすことができる。
一部と平規制板との間隔ｇ４が、配線厚と可撓部厚の合計分大きい構造とすることにより
、非配線部に付着した異物高さの許容範囲を広げることができる。異物の高さは数多く調
べたが最大５μｍであるので、可撓部厚みの５〜１０μｍ非配線部を凹ますことで、可撓
部厚が５μｍでも配線厚み分余裕が得られる。このように異物の最大高さ分以上非配線部
を凹ますことで、異物の検査領域を配線部と錘可撓部に限定することが可能となり、検査
時間の大幅な短縮が可能となる。これにより、異物と平規制板の接触を防止することがで
き、測定可能な加速度範囲が狭まることはない。非配線部全域を可撓部厚分凹ます必要は
なく一部を凹ますことでも良い。例えば配線と配線の間の狭い領域は凹まさない方が洗浄
はやり易くなる。洗浄がやり易いと言うことは、異物の付着数を減らすことにもなる。非
配線部は凹まさない方が良い領域を除き、でき得る限り凹ますことが異物許容範囲を広げ
る点で好ましいし、異物検査領域を減らすことができる。
非配線部の少なくとも一部を凹ます量が可撓部厚さと異なる場合は、可撓部を形成する
工程以外に非配線部をエッチングで凹ます工程を追加する必要がある。非配線部の少なく
とも一部を可撓部厚分凹ませるのは、可撓部をエッチングで形成する工程と同時に行うこ
とが好ましく、フォトマスクのパターンを変更するだけで済み、非配線部を凹ませる工程
を追加する必要がない。前述したが異物の高さは可撓部厚と同等以下であるので、可撓部
厚以上にエッチングで非配線部を凹ませても加速度センサー素子の歩留り増加は見込めな
いだけでなく、エッチング時間の増加を招くだけでコスト的に不利になるものである。こ
のことからも、可撓部の加工と同時に可撓部厚分非配線部を凹ますことは、加速度センサ
ーの特性面とコスト面で有益であることが判る。
工程以外に非配線部をエッチングで凹ます工程を追加する必要がある。非配線部の少なく
とも一部を可撓部厚分凹ませるのは、可撓部をエッチングで形成する工程と同時に行うこ
とが好ましく、フォトマスクのパターンを変更するだけで済み、非配線部を凹ませる工程
を追加する必要がない。前述したが異物の高さは可撓部厚と同等以下であるので、可撓部
厚以上にエッチングで非配線部を凹ませても加速度センサー素子の歩留り増加は見込めな
いだけでなく、エッチング時間の増加を招くだけでコスト的に不利になるものである。こ
のことからも、可撓部の加工と同時に可撓部厚分非配線部を凹ますことは、加速度センサ
ーの特性面とコスト面で有益であることが判る。
平規制板とは、少なくとも錘部および可撓部と対向する面が平面であるものを言い、他
の面は特に平面である必要はない。材質は、加速度センサー素子と熱膨張係数の近いガラ
スやセラミックを用いることができる。保護ケースの内底は加速度センサー素子と樹脂で
固着するので、加速度センサー素子と熱膨張係数の近い材質とすることが好ましく、セラ
ミックや低熱膨張係数の金属材を用いることができる。保護ケース蓋は特に材質を限定す
る必要は無いが、保護ケースと同じ材質を用いるのが、樹脂接着が容易であるので好まし
い。
の面は特に平面である必要はない。材質は、加速度センサー素子と熱膨張係数の近いガラ
スやセラミックを用いることができる。保護ケースの内底は加速度センサー素子と樹脂で
固着するので、加速度センサー素子と熱膨張係数の近い材質とすることが好ましく、セラ
ミックや低熱膨張係数の金属材を用いることができる。保護ケース蓋は特に材質を限定す
る必要は無いが、保護ケースと同じ材質を用いるのが、樹脂接着が容易であるので好まし
い。
錘部における配線部上面と平規制板との間隔ｇ３に対して、錘部の非配線部上面の少な
くとも一部と平規制板との間隔ｇ４を、配線厚さと可撓部厚さの合計分大きくすることで
、非配線部の異物高さの許容幅を大きくすることができるうえ、加速度センサー素子の異
物検査時間を短縮することができる。異物の許容範囲が大きくなることで、加速度センサ
ー素子の歩留まりが向上し、耐衝撃性に優れた加速度センサーを安価に提供することがで
きる。特に、配線厚と可撓部厚の合計分大きくすることで、可撓部と同時に非配線部を凹
ますことが可能となり、フォトマスクの変更だけで加工工程を増加させることはない。
くとも一部と平規制板との間隔ｇ４を、配線厚さと可撓部厚さの合計分大きくすることで
、非配線部の異物高さの許容幅を大きくすることができるうえ、加速度センサー素子の異
物検査時間を短縮することができる。異物の許容範囲が大きくなることで、加速度センサ
ー素子の歩留まりが向上し、耐衝撃性に優れた加速度センサーを安価に提供することがで
きる。特に、配線厚と可撓部厚の合計分大きくすることで、可撓部と同時に非配線部を凹
ますことが可能となり、フォトマスクの変更だけで加工工程を増加させることはない。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
本発明の加速度センサーの実施例について図１、２を用いて説明する。説明をわかりや
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１ａ）は、本発明の加
速度センサーの展開図、図１ｂ）は加速度センサー素子の拡大図である。図２は図１ａ）
のｈ−ｈ’断面図である。図１において加速度センサー素子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。ガラス製の平規制板１７を加速度センサ
ー素子上面にプラスチック球が混練された接着剤７を用いて固着、アルミナ製の保護ケー
ス蓋３をアルミナ製の保護ケース２に樹脂８で固着密封して加速度センサーを形成した。
平規制板１７の各辺の一部にワイヤー逃げ溝１６を設けている。錘部の素子下面方向の動
きの規制は、保護ケース２の内底を利用し、プラスチック球が混練された接着剤７’を用
いてｇ２の間隔を持って保護ケース内底と支持枠下面が固着された、図２に示した構造と
した。また、ピエゾ抵抗素子の図示は省略している。
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１ａ）は、本発明の加
速度センサーの展開図、図１ｂ）は加速度センサー素子の拡大図である。図２は図１ａ）
のｈ−ｈ’断面図である。図１において加速度センサー素子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。ガラス製の平規制板１７を加速度センサ
ー素子上面にプラスチック球が混練された接着剤７を用いて固着、アルミナ製の保護ケー
ス蓋３をアルミナ製の保護ケース２に樹脂８で固着密封して加速度センサーを形成した。
平規制板１７の各辺の一部にワイヤー逃げ溝１６を設けている。錘部の素子下面方向の動
きの規制は、保護ケース２の内底を利用し、プラスチック球が混練された接着剤７’を用
いてｇ２の間隔を持って保護ケース内底と支持枠下面が固着された、図２に示した構造と
した。また、ピエゾ抵抗素子の図示は省略している。
ピエゾ抵抗素子の製造方法と寸法関係を簡単に説明する。約６００μｍ厚のシリコン板
に数μｍのシリコン酸化層と７μｍ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
３打ち込みピエゾ抵抗素子を作製、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。配線の厚さは１μｍとした。シリコン層に可撓
部と錘部、支持枠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。可撓部形成工
程において、錘部の非配線部も同時にエッチングするようにした。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。
に数μｍのシリコン酸化層と７μｍ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
３打ち込みピエゾ抵抗素子を作製、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。配線の厚さは１μｍとした。シリコン層に可撓
部と錘部、支持枠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。可撓部形成工
程において、錘部の非配線部も同時にエッチングするようにした。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。
ピエゾ素子面を下にしてＳＯＩウェファーをダミー基板に、樹脂を用いて接着した。Ｓ
ＯＩ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、ＳＦ６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。可撓部と錘部、支持枠が形成された
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ー素子をダミー基板から取り外した。高感
度な加速度センサーを得るため、可撓部の寸法は長さ７００μｍ、幅１１０μｍ、厚み７
μｍと非常に薄く平板なものとなっている。そのため、可撓部が壊れやすく化学エッチン
グやその後の水洗、溶剤等では、加速度センサー素子に超音波や遠心力の様な機械的な力
を加えることができないため、接着剤の汚れや水洗時の水しみ、ごみ等の異物を完全に除
去することが難しい。支持枠の幅は４５０μｍとし、加速度センサー素子外観形状は３．
３ｍｍ角厚み約０．６ｍｍとしている。
ＯＩ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、ＳＦ６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。可撓部と錘部、支持枠が形成された
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ー素子をダミー基板から取り外した。高感
度な加速度センサーを得るため、可撓部の寸法は長さ７００μｍ、幅１１０μｍ、厚み７
μｍと非常に薄く平板なものとなっている。そのため、可撓部が壊れやすく化学エッチン
グやその後の水洗、溶剤等では、加速度センサー素子に超音波や遠心力の様な機械的な力
を加えることができないため、接着剤の汚れや水洗時の水しみ、ごみ等の異物を完全に除
去することが難しい。支持枠の幅は４５０μｍとし、加速度センサー素子外観形状は３．
３ｍｍ角厚み約０．６ｍｍとしている。
本実施例の配線部と錘可撓部領域、非配線部を図３を用いて詳細に説明する。錘部１１
の錘可撓部４２と配線部の配線と配線の間４４を除いた非配線部４３を可撓部１３の厚分
凹ませた。配線は可撓部１３と錘部１１に渡って設けられているが、錘部１１の領域にあ
る配線を配線部４１としている。もちろん、錘可撓部領域にも配線は施されている。配線
の厚みは１μｍ、可撓部の厚は７μｍとした。錘可撓部領域は可撓部長手方向は７μｍで
幅方向は可撓部幅と同じ１１０μｍとした。
の錘可撓部４２と配線部の配線と配線の間４４を除いた非配線部４３を可撓部１３の厚分
凹ませた。配線は可撓部１３と錘部１１に渡って設けられているが、錘部１１の領域にあ
る配線を配線部４１としている。もちろん、錘可撓部領域にも配線は施されている。配線
の厚みは１μｍ、可撓部の厚は７μｍとした。錘可撓部領域は可撓部長手方向は７μｍで
幅方向は可撓部幅と同じ１１０μｍとした。
配線部上面と平規制板１７との間隔ｇ３は、１４μｍとした。効果を確認するため、非
配線部の凹みが無い従来の加速度センサー素子（試料＃Ａ）と、別工程で非配線部の凹み
量を１μｍ（試料＃Ｂ）、３μｍ（試料＃Ｃ）、５μｍ（試料＃Ｄ）、１０μｍ（試料＃
Ｆ）、１３μｍ（試料＃Ｇ）と、可撓部の加工と同時に可撓部厚分凹ました７μｍ（試料
＃Ｅ）の加速度センサー素子を製作した。これらのｇ４は、１５μｍ（試料＃Ａ）、１６
μｍ（試料Ｂ）１８μｍ（試料＃Ｃ）、２０μｍ（試料＃Ｄ）、２２μｍ（試料＃Ｅ）、
２５μｍ（試料＃Ｆ）、２８μｍ（試料＃Ｇ）である。
配線部の凹みが無い従来の加速度センサー素子（試料＃Ａ）と、別工程で非配線部の凹み
量を１μｍ（試料＃Ｂ）、３μｍ（試料＃Ｃ）、５μｍ（試料＃Ｄ）、１０μｍ（試料＃
Ｆ）、１３μｍ（試料＃Ｇ）と、可撓部の加工と同時に可撓部厚分凹ました７μｍ（試料
＃Ｅ）の加速度センサー素子を製作した。これらのｇ４は、１５μｍ（試料＃Ａ）、１６
μｍ（試料Ｂ）１８μｍ（試料＃Ｃ）、２０μｍ（試料＃Ｄ）、２２μｍ（試料＃Ｅ）、
２５μｍ（試料＃Ｆ）、２８μｍ（試料＃Ｇ）である。
これら非配線部の凹み量を変えた７種類の加速度センサー素子を、各々２８００個製作
して異物の発生頻度を調べた。従来の試料Ａは２８００個の加速度センサー素子の可撓部
と錘部の上面に発生した異物が一つでもある素子は、８２４個であり素子全体の約３０％
である。他の非配線部を僅かでも凹ました試料＃Ｂ〜Ｇの５種類は、ほぼ同じ様な発生頻
度で、可撓部と錘部の上面に発生した異物が一つでもある素子は３００個前後であった。
これは非配線部をエッチングすることで、非配線部にあるスパッター工程で発生したと見
られる異物の大多数がエッチング時に溶けたか脱落したものと考えられる。異物のある加
速度センサー素子の内、可撓部と配線部、錘可撓部領域にいずれにも異物の無いものは、
約半数の１５０個前後であった。この異物を調べたところ、異物の幅や長さは２〜１００
μｍと形状も千差万別であり、高さも０．１〜５μｍであった。素子下面は接着剤に直接
接していないためか、異物の付着はほとんど認められていないので異物は素子上面のみを
対象としている。従来不良としていた８２４個が、非配線部を僅かでもエッチングするこ
とで３００個前後に、非配線部の異物が許容できれば１５０個前後まで不良とする加速度
センサー素子が減少することになる。異物で見た加速度センサー素子の歩留りは、従来約
７０％であったものが、非配線部をエッチングすることで約９０％、非配線部の異物が許
容できれば約９５％まで改善できることになる。
して異物の発生頻度を調べた。従来の試料Ａは２８００個の加速度センサー素子の可撓部
と錘部の上面に発生した異物が一つでもある素子は、８２４個であり素子全体の約３０％
である。他の非配線部を僅かでも凹ました試料＃Ｂ〜Ｇの５種類は、ほぼ同じ様な発生頻
度で、可撓部と錘部の上面に発生した異物が一つでもある素子は３００個前後であった。
これは非配線部をエッチングすることで、非配線部にあるスパッター工程で発生したと見
られる異物の大多数がエッチング時に溶けたか脱落したものと考えられる。異物のある加
速度センサー素子の内、可撓部と配線部、錘可撓部領域にいずれにも異物の無いものは、
約半数の１５０個前後であった。この異物を調べたところ、異物の幅や長さは２〜１００
μｍと形状も千差万別であり、高さも０．１〜５μｍであった。素子下面は接着剤に直接
接していないためか、異物の付着はほとんど認められていないので異物は素子上面のみを
対象としている。従来不良としていた８２４個が、非配線部を僅かでもエッチングするこ
とで３００個前後に、非配線部の異物が許容できれば１５０個前後まで不良とする加速度
センサー素子が減少することになる。異物で見た加速度センサー素子の歩留りは、従来約
７０％であったものが、非配線部をエッチングすることで約９０％、非配線部の異物が許
容できれば約９５％まで改善できることになる。
試料＃ＡからＧの加速度センサー素子で非配線部にのみ異物があるものを用い、各々１
００個の加速度センサーを作製した。図２の錘部底面と保護ケースの間隔ｇ２は１９μｍ
とした。平規制板は、厚み１５０μｍの青板ガラスを機械加工で製作した。
００個の加速度センサーを作製した。図２の錘部底面と保護ケースの間隔ｇ２は１９μｍ
とした。平規制板は、厚み１５０μｍの青板ガラスを機械加工で製作した。
加速度センサーに５Ｇ、１０Ｇ、２０Ｇの加速度を加えた時の出力、ノイズレベルを測
定した後、厚さ１００ｍｍの板に高さ１ｍから加速度センサーを自然落下させ耐衝撃性を
測定した。この高さから落下させると約１５００から２０００Ｇの衝撃が加速度センサー
に加わる。加速度印加時の出力、ノイズレベルは仕様値に入っていれば良品とした。耐衝
撃性は落下後の出力が有るか否かで判断し、出力が無い加速度センサーは破壊したと判定
し、出力のあるものを良品と判断した。
定した後、厚さ１００ｍｍの板に高さ１ｍから加速度センサーを自然落下させ耐衝撃性を
測定した。この高さから落下させると約１５００から２０００Ｇの衝撃が加速度センサー
に加わる。加速度印加時の出力、ノイズレベルは仕様値に入っていれば良品とした。耐衝
撃性は落下後の出力が有るか否かで判断し、出力が無い加速度センサーは破壊したと判定
し、出力のあるものを良品と判断した。
図４に結果を示す。試料番号Ａ〜Ｇに付いて結果の考察をおこなう。図中の測定結果の
欄は良品の数を示している。従来品の試料＃Ａは１０Ｇで出力とノイズレベルで２０％、
２０Ｇで３６％の不良が発生している。これは、非配線部に付着した異物が規制板に接触
し発生したものと考えられる。試料＃Ｂも印加加速度が大きくなるに従い不良が発生して
いるが、従来品に対して不良率は２０Ｇで２４ポイント減少している。非配線部を１μｍ
凹ませるだけでも、加速度センサーの不良率が２４ポイント改善と良い効果が得られてい
る。同様に、試料Ｃでも２０Ｇで２７ポイント不良率が低下している。試料＃Ｄは非配線
部を５μｍ凹ましたもので、２０Ｇ印加しても不良の発生はなかった。付着している異物
の高さが最大でも５μｍであったことから、配線厚み分１μｍの余裕を持って異物が規制
板に接触するのが防げたものと考えられる。試料＃Ｄよりもｇ４の値の大きな試料＃Ｅか
らＧ共、不良の発生はなかった。このことから、試料ＤからＧのｇ４を取るつまり非配線
部を５μｍ以上凹ますことで、加速度センサーの歩留りを大幅に上げることができた。し
かし、試料＃ＤとＦ，Ｇは、非配線部を凹ますのに可撓部の加工工程とは別の加工工程が
必要となるため、加速度センサー素子の製造コストが、本発明の試料Ｅに比べ上がること
は避けられない。このことからも、非配線部の凹み量を可撓部厚と同等にすることが、利
点であるのは容易に理解できる。
欄は良品の数を示している。従来品の試料＃Ａは１０Ｇで出力とノイズレベルで２０％、
２０Ｇで３６％の不良が発生している。これは、非配線部に付着した異物が規制板に接触
し発生したものと考えられる。試料＃Ｂも印加加速度が大きくなるに従い不良が発生して
いるが、従来品に対して不良率は２０Ｇで２４ポイント減少している。非配線部を１μｍ
凹ませるだけでも、加速度センサーの不良率が２４ポイント改善と良い効果が得られてい
る。同様に、試料Ｃでも２０Ｇで２７ポイント不良率が低下している。試料＃Ｄは非配線
部を５μｍ凹ましたもので、２０Ｇ印加しても不良の発生はなかった。付着している異物
の高さが最大でも５μｍであったことから、配線厚み分１μｍの余裕を持って異物が規制
板に接触するのが防げたものと考えられる。試料＃Ｄよりもｇ４の値の大きな試料＃Ｅか
らＧ共、不良の発生はなかった。このことから、試料ＤからＧのｇ４を取るつまり非配線
部を５μｍ以上凹ますことで、加速度センサーの歩留りを大幅に上げることができた。し
かし、試料＃ＤとＦ，Ｇは、非配線部を凹ますのに可撓部の加工工程とは別の加工工程が
必要となるため、加速度センサー素子の製造コストが、本発明の試料Ｅに比べ上がること
は避けられない。このことからも、非配線部の凹み量を可撓部厚と同等にすることが、利
点であるのは容易に理解できる。
厚さ１００ｍｍの板に高さ１ｍから加速度センサーを自然落下させ耐衝撃性の結果、非
配線部を１０μｍと１３μｍ凹ました試料＃ＦとＧで１個の不良が発生した。錘可撓部の
可撓部長手方向は試料＃Ｂ〜Ｇは７μｍと同じである。錘可撓部の高さが１０μｍ，１３
μｍと可撓部厚みより大きくなったため、加速度センサーにＸ方向（可撓部の長手方向）
に加わった力で破損したものと考えられる。破損した錘可撓部と直角方向（Ｙ方向）の錘
可撓部は破損していなかった。これらのことから、錘可撓部の可撓部長手方向の長さは可
撓部厚以上とすることと、可撓部厚みと同等以下の高さにすることが耐衝撃性を上げる上
で重要であることが判る。
配線部を１０μｍと１３μｍ凹ました試料＃ＦとＧで１個の不良が発生した。錘可撓部の
可撓部長手方向は試料＃Ｂ〜Ｇは７μｍと同じである。錘可撓部の高さが１０μｍ，１３
μｍと可撓部厚みより大きくなったため、加速度センサーにＸ方向（可撓部の長手方向）
に加わった力で破損したものと考えられる。破損した錘可撓部と直角方向（Ｙ方向）の錘
可撓部は破損していなかった。これらのことから、錘可撓部の可撓部長手方向の長さは可
撓部厚以上とすることと、可撓部厚みと同等以下の高さにすることが耐衝撃性を上げる上
で重要であることが判る。
以上説明したように、非配線部の少なくとも一部を凹まし、規制板と配線部ｇ３と非配
線部ｇ４で間隔を変えることで、規制板と対向する加速度センサー素子面に付着した異物
が、加速度センサー特性に与える影響を排除でき、大幅に歩留りを上げることができるも
のである。ｇ３とｇ４の差を可撓部厚と配線厚の合計分とすることで、非配線部の凹みを
可撓部加工と同時に形成できる。また、落下に対しても充分なる耐衝撃性を得ることがで
きた。これらのことから、信頼性の高い加速度センサーを安価に提供できるようになった
。
線部ｇ４で間隔を変えることで、規制板と対向する加速度センサー素子面に付着した異物
が、加速度センサー特性に与える影響を排除でき、大幅に歩留りを上げることができるも
のである。ｇ３とｇ４の差を可撓部厚と配線厚の合計分とすることで、非配線部の凹みを
可撓部加工と同時に形成できる。また、落下に対しても充分なる耐衝撃性を得ることがで
きた。これらのことから、信頼性の高い加速度センサーを安価に提供できるようになった
。
１ 加速度センサー素子、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、７’接着剤、８ 接着剤、９ ピエゾ抵抗素子、
１０ 加速度センサー、１１ 錘部、１２ 支持枠、１３ 可撓部、１４ 電極、
１５ 配線、１６ ワイヤー逃げ溝、１７ 平規制板、４１ 配線部、４２ 錘可撓部、
４３ 非配線部、４４ 配線と配線の間。
５ 端子、６ 外部端子、７、７’接着剤、８ 接着剤、９ ピエゾ抵抗素子、
１０ 加速度センサー、１１ 錘部、１２ 支持枠、１３ 可撓部、１４ 電極、
１５ 配線、１６ ワイヤー逃げ溝、１７ 平規制板、４１ 配線部、４２ 錘可撓部、
４３ 非配線部、４４ 配線と配線の間。
Claims (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３軸加速度センサー素子を、保護ケース内に保持し、錘部上方には錘部の動きを規制する平規制板を備える３軸加速度センサーであって、
前記３軸加速度センサー素子は、シリコン層とシリコン酸化層、シリコン板からなるＳ ＯＩウェファーより一体形成され、配線部と錘可撓部領域はシリコン層のエッチングによ り形成され、
錘部における配線部上面と平規制板との間隔ｇ３に対して、錘部の可撓部と接する錘可撓部領域と配線部を除いた非配線部の少なくとも一部の上面と平規制板との間隔ｇ４が、配線厚さと可撓部厚さの合計分大きく、非配線部上のシリコン層はエッチングで除去され ていることを特徴とする加速度センサー。
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|---|---|
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|---|---|---|---|
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| TW200813431A (en) * | 2006-08-09 | 2008-03-16 | Hitachi Metals Ltd | Multi-range three-axis acceleration sensor device |
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