JP4466344B2 - Acceleration sensor - Google Patents
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Description
本発明は、自動車、航空機、家電製品などに用いる加速度センサに関するものであり、特に、ゲージ抵抗のひずみによる抵抗値の変化により加速度を検出する加速度センサに関するものである。 The present invention relates to an acceleration sensor used for automobiles, airplanes, home appliances, and the like, and more particularly to an acceleration sensor that detects acceleration by a change in resistance value due to strain of gauge resistance.
従来から、小型の加速度センサとして、加速度をピエゾ抵抗からなるゲージ抵抗のひずみよる抵抗値の変化として検出する方式の半導体加速度センサや、加速度を固定電極と可動電極との間の静電容量の変化として検出する方式の半導体加速度センサなどが提供されている。ここにおいて、前者の半導体加速度センサとしては、枠状のフレーム部の内側に配置される重り部が一方向へ延長された撓み部を介してフレーム部に揺動自在に支持された片持ち式のものや、枠状のフレーム部の内側に配置される重り部が相反する2方向へ延長された一対の撓み部を介してフレーム部に揺動自在に支持された両持ち式のものなどが提案されており、近年では、枠状のフレーム部の内側に配置される重り部が四方へ延長された4つの撓み部を介してフレーム部に揺動自在に支持され、互いに直交する3方向の加速度を検出可能で各方向の加速度に対応する出力値が個別に得られる半導体加速度センサが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, as a small acceleration sensor, a semiconductor acceleration sensor that detects acceleration as a change in resistance value due to strain of a gauge resistor consisting of a piezoresistor, or a change in capacitance between a fixed electrode and a movable electrode A semiconductor acceleration sensor or the like that detects the above is provided. Here, the former semiconductor acceleration sensor is a cantilever type in which a weight portion arranged inside a frame-like frame portion is supported by a frame portion so as to be swingable through a bending portion extended in one direction. Proposals include a double-sided type that is swingably supported by the frame part through a pair of flexure parts that are extended in two opposite directions with the weight part arranged inside the frame-like frame part. In recent years, a weight part disposed inside a frame-like frame part is supported by the frame part through four flexible parts extended in four directions so as to be swingable, and accelerations in three directions orthogonal to each other are supported. A semiconductor acceleration sensor has been proposed in which the output value corresponding to the acceleration in each direction can be obtained individually (see, for example, Patent Document 1).
上記特許文献1に開示された半導体加速度センサは、例えば、図8および図9に示す構造のセンサチップ1’を備え、センサチップ1’の裏面にガラス製のカバー2’を陽極接合により固着した構造を有する。なお、センサチップ1’は、シリコン基板からなる支持基板101上のシリコン酸化膜からなる絶縁層(埋込酸化膜)102上にn形のシリコン層(活性層)103を有するSOIウェハ100を加工することにより1枚のSOIウェハ100に多数形成し、カバー2’を多数形成したガラス基板を陽極接合により固着した後で、個々のチップに分割されている。
The semiconductor acceleration sensor disclosed in
センサチップ1’は、矩形枠状のフレーム部11’を備え、フレーム部11’の内側に配置された重り部12’がフレーム部11’よりも薄肉である4つの撓み部13’を介してフレーム部11’に連続一体に連結された構造を有している。ここにおいて、センサチップ1’は、重り部12’における埋込酸化膜102よりも裏面側の部分の厚さがフレーム部11’における埋込酸化膜102よりも裏面側の部分の厚さに比べて薄くなっており、フレーム部11’の裏面が全周にわたって矩形状のカバー2’の周部に接合されている。したがって、重り部12’の裏面とカバー2’との間にはセンサチップ1’の厚さ方向への重り部12’の変位を可能とする隙間が形成されている。なお、各撓み部13’は、上述のシリコン層103の一部と当該一部に積層されたシリコン酸化膜からなる絶縁膜(図示せず)とで構成されている。
The
重り部12’は、上述の4つの撓み部13’を介してフレーム部11’に支持された直方体状のコア部12a’と、センサチップ1’の一表面側から見てコア部12a’の四隅それぞれに連続一体に連結された直方体状の4つの付随部12b’とを有している。つまり、各付随部12b’は、フレーム部11’とコア部12a’と互いに直交する方向に延長された2つの撓み部13’,13’とで囲まれる空間に配置され、各付随部12b’それぞれの周囲にはコア部12a’との連結部位を除いてスリット14’が形成されている。
The
ところで、図8の左上に示したように、センサチップ1’の上記一表面に平行な面内でフレーム部11’の一辺に沿った一方向をx軸の正方向、この一辺に直交する辺に沿った一方向をy軸の正方向、センサチップ1’の厚み方向の一方向をz軸方向と規定すれば、重り部12’は、x軸方向に延長されてコア部12a’を挟む2つ1組の撓み部13’,13’と、y軸方向に延長されてコア部12a’を挟む2つ1組の撓み部13’,13’とを介してフレーム部11’に支持されていることになる。なお、ここにおけるx軸、y軸、z軸の3軸により規定した直交座標では、センサチップ1’の上記一表面における重り部12’の中心位置を原点としている。
By the way, as shown in the upper left of FIG. 8, one direction along one side of the
重り部12’のコア部12a’からx軸の正方向に延長された撓み部(図9の右側の撓み部13’)は、コア部12a’近傍に2つ1組のピエゾ抵抗Rx2,Rx4が形成されるとともに、フレーム部11’近傍に1つのピエゾ抵抗Rz2が形成されている。一方、重り部12’のコア部12a’からx軸の負方向に延長された撓み部13’(図9の左側の撓み部13’)は、コア部12a’近傍に2つ1組のピエゾ抵抗Rx1,Rx3が形成されるとともに、フレーム部11’近傍に1つのピエゾ抵抗Rz4が形成されている。ここに、コア部12a’近傍に形成された4つのピエゾ抵抗Rx1,Rx2,Rx3,Rx4は、x軸方向の加速度を検出するために形成されたもので、平面形状が細長の長方形状であって、長手方向が撓み部13’の長手方向に一致するように形成してあり、図10における左側のブリッジ回路を構成するように配線(センサチップ1’に形成されている拡散層配線、金属配線など)によって接続されている。なお、ピエゾ抵抗Rx1〜Rx4は、x軸方向の加速度がかかったときに撓み部13’において応力が集中する応力集中領域に形成されている。
The bent portion (the
また、重り部12’のコア部12a’からy軸の正方向に延長された撓み部13’(図9の上側の撓み部13’)はコア部12a’近傍に2つ1組のピエゾ抵抗Ry1,Ry3が形成されるとともに、フレーム部11’近傍に1つのピエゾ抵抗Rz1が形成されている。一方、重り部12’のコア部12a’からy軸の負方向に延長された撓み部13’(図9の下側の撓み部13’)はコア部12a’近傍に2つ1組のピエゾ抵抗Ry2,Ry4が形成されるとともに、フレーム部11’側の端部に1つのピエゾ抵抗Rz3が形成されている。ここに、コア部12a’近傍に形成された4つのピエゾ抵抗Ry1,Ry2,Ry3,Ry4は、y軸方向の加速度を検出するために形成されたもので、平面形状が細長の長方形状であって、長手方向が撓み部13’の長手方向に一致するように形成してあり、図10における中央のブリッジ回路を構成するように配線(センサチップ1’に形成されている拡散層配線、金属配線など)によって接続されている。なお、ピエゾ抵抗Ry1〜Ry4は、y軸方向の加速度がかかったときに撓み部13’において応力が集中する応力集中領域に形成されている。
Further, the
また、フレーム部11’近傍に形成された4つのピエゾ抵抗Rz1,Rz2,Rz3,Rz4は、z軸方向の加速度を検出するために形成されたものであり、図10における右側のブリッジ回路を構成するように配線(センサチップ1’に形成されている拡散層配線、金属配線など)によって接続されている。ただし、2つ1組となる撓み部13’,13’のうち一方の組の撓み部13’,13’に形成したピエゾ抵抗Rz1,Rz3は長手方向が撓み部13’,13’の延長方向(長手方向)と一致するように形成されているのに対して、他方の組の撓み部13’,13’に形成したピエゾ抵抗Rz2,Rz4は長手方向が撓み部13’,13’の幅方向(短手方向)と一致するように形成されている。
Further, the four piezoresistors Rz1, Rz2, Rz3, and Rz4 formed in the vicinity of the
上述の加速度センサの動作の一例について図11を参照しながら説明する。 An example of the operation of the acceleration sensor described above will be described with reference to FIG.
いま、図11(a)に示すようにセンサチップ1’に加速度がかかっていない状態で、センサチップ1’に図11(b)中の矢印B1の向き(つまり、x軸方向の向き)に加速度がかかったとすると、図11(b)に示すように、同図中の矢印B2の向きに作用する重り部12’の慣性力によってフレーム部11’に対して重り部12’が変位し、結果的にx軸方向を長手方向とする撓み部13’,13’が撓んで当該撓み部13’,13’に形成されているピエゾ抵抗Rx1〜Rx4の抵抗値が変化することになる。この場合、ピエゾ抵抗Rx1,Rx3は引張応力を受け、ピエゾ抵抗Rx2,Rx4は圧縮応力を受ける。図11(b)中における「+」の記号は当該記号直下に形成されているピエゾ抵抗が引張応力を受けることを示し、「−」の記号は当該記号直下に形成されているピエゾ抵抗が圧縮応力を受けることを示しており、図11(c)には図11(b)の状態におけるx軸方向の応力分布を示してある。一般的にピエゾ抵抗は引張応力を受けると抵抗値(抵抗率)が増大し、圧縮応力を受けると抵抗値(抵抗率)が減少する特性を有しているので、ピエゾ抵抗Rx1,Rx3は抵抗値が増大し、ピエゾ抵抗Rx2,Rx4は抵抗値が減少することになる。したがって、図10に示した一対の入力端子VDD,GND間に外部電源から一定の直流電圧を印加しておけば、図10に示した左側のブリッジ回路の出力端子X1,X2間の電位差がx軸方向の加速度の大きさに応じて変化する。
Now, as shown in FIG. 11A, the
上述の加速度センサでは、y軸方向の加速度がかかった場合には図10に示した中央のブリッジ回路の出力端子Y1,Y2間の電位差がy軸方向の加速度の大きさに応じて変化し、z軸方向の加速度がかかった場合には図10に示した右側のブリッジ回路の出力端子Z1,Z2間の電位差がz軸方向の加速度の大きさに応じて変化する。 In the acceleration sensor described above, when acceleration in the y-axis direction is applied, the potential difference between the output terminals Y1 and Y2 of the central bridge circuit shown in FIG. 10 changes according to the magnitude of acceleration in the y-axis direction. When acceleration in the z-axis direction is applied, the potential difference between the output terminals Z1 and Z2 of the right bridge circuit shown in FIG. 10 changes according to the magnitude of the acceleration in the z-axis direction.
なお、上述の各入力端子VDD,GNDおよび各出力端子X1,X2,Y1,Y2,Z1,Z2はセンサチップ1’のフレーム部11’に図示しないパッドとして設けられている。また、上述の加速度センサは、例えば、センサチップ1’に固着されたカバー2’の裏面がパッケージにシリコーン樹脂などによりダイボンドされた後、上述のパッドがパッケージに設けられた電極とボンディングワイヤを介して接続され、パッケージが回路基板(例えば、プリント基板)に実装される。
ところで、図8および図9に示した構成の半導体加速度センサでは、z軸方向の加速度を検出するブリッジ回路の出力電圧のオフセット値が加速度以外の要因である熱応力により変動してしまうという不具合があった。すなわち、上述の半導体加速度センサでは、例えばシリコンとガラスとの熱膨張係数差に起因した熱応力や、パッケージとガラスとの熱膨張係数差に起因した熱応力や、パッケージと回路基板との熱膨張係数差に起因した熱応力などが撓み部13’のピエゾ抵抗Rz1〜Rz4の形成部位へ伝達されてひずみを生じピエゾ抵抗Rz1〜Rz4の抵抗値が変化し、ピエゾ抵抗Rz1〜Rz4それぞれの抵抗値変動の増減方向が、z軸方向の加速度の印加により生じるピエゾ抵抗Rz1〜Rz4それぞれの抵抗値変動の増減方向と同じなので、図10における右側のブリッジ回路のオフセット電圧が周囲温度によって変動してしまう。特に、加速度センサの小型化および薄型化を図ったとき、フレーム部11’の幅を狭くすることによる機械的な強度の強度の低下や、薄型化による応力発生源からピエゾRz1〜Rz4までの応力伝達距離の短縮化などによって、温度特性が悪化してしまうという不具合があった。
By the way, in the semiconductor acceleration sensor having the configuration shown in FIGS. 8 and 9, there is a problem that the offset value of the output voltage of the bridge circuit that detects the acceleration in the z-axis direction is fluctuated due to thermal stress that is a factor other than the acceleration. there were. That is, in the above-described semiconductor acceleration sensor, for example, thermal stress due to the difference in thermal expansion coefficient between silicon and glass, thermal stress due to the difference in thermal expansion coefficient between the package and glass, thermal expansion between the package and the circuit board. Thermal stress or the like resulting from the coefficient difference is transmitted to the formation site of the piezoresistors Rz1 to Rz4 of the deflecting
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、センサチップの厚み方向の加速度を検出するブリッジ回路のオフセット電圧の温度変動を抑制することができる加速度センサを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described reasons, and an object thereof is to provide an acceleration sensor capable of suppressing temperature fluctuation of an offset voltage of a bridge circuit that detects acceleration in the thickness direction of a sensor chip. is there.
請求項1の発明は、枠状のフレーム部の内側に配置される重り部が重り部から四方へ延長された4つの撓み部を介してフレーム部に揺動自在に支持されたセンサチップを備え、センサチップの厚み方向の加速度を検出するブリッジ回路を有する加速度センサであって、センサチップは、各撓み部それぞれの延長方向においてフレーム部近傍および重り部近傍それぞれにブリッジ回路の構成要素である平面視形状が細長の長方形状のゲージ抵抗が設けられ、フレーム部近傍および重り部近傍それぞれにおいて前記長方形状の長手方向を撓み部の長手方向に一致させる形で配置されたゲージ抵抗と前記長方形状の長手方向を撓み部の幅方向に一致させる形で配置されたゲージ抵抗との数が同数であり、ブリッジ回路は、フレーム部近傍において配置されたゲージ抵抗に関して前記厚み方向の加速度に起因した抵抗値の増減方向の同じゲージ抵抗が対辺上に存在するとともに、重り部近傍において配置されたゲージ抵抗に関して前記厚み方向の加速度に起因した抵抗値の増減方向の同じゲージ抵抗が対辺上に存在し、且つ、各辺それぞれに、センサチップへの熱応力に起因した抵抗値の増減方向の異なるゲージ抵抗が存在するように接続されてなり、センサチップは、各撓み部ごとにフレーム部近傍に配置されるゲージ抵抗と重り部近傍に配置されるゲージ抵抗との向きが直交しており、ブリッジ回路の同一辺に存在するゲージ抵抗が同一の撓み部に配置されたゲージ抵抗であることを特徴とする。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a sensor chip in which a weight portion disposed inside a frame-like frame portion is swingably supported by the frame portion via four flexure portions extending from the weight portion in all directions. , a acceleration sensor having a bridge circuit for detecting the acceleration in the thickness direction of the sensor chip, the sensor chip is Ru component der of the bridge circuit to the frame portion and near the weight portion near each in the extension direction of each of the flexures planar shape is rectangular gauge resistor is provided elongated, were placed in a manner to match the longitudinal direction of the body portion Te frame portion and near the weight portion near each odor wrinkles longitudinal direction of the rectangular gauges the number of gauge resistors placed in a manner to match the resistance to the longitudinal direction of the rectangular shape flexures in the width direction of the body portion is equal, the bridge circuit arrangement in the frame portion near The same gauge resistance in the increase / decrease direction due to the acceleration in the thickness direction with respect to the gauge resistance is present on the opposite side, and the resistance value due to the acceleration in the thickness direction with respect to the gauge resistance arranged in the vicinity of the weight portion the present in increasing or decreasing direction of the same gauge resistance on opposite sides, and each respective sides, increasing or decreasing directions of different gauge resistors of the resistance value due to the thermal stress on the sensor chip is connected to presence sensor In the chip, the direction of the gauge resistance arranged in the vicinity of the frame part and the gauge resistance arranged in the vicinity of the weight part are orthogonal to each other for each bending part, and the bending resistance in the same side of the bridge circuit is the same. It is the gauge resistance arranged in the part .
この発明によれば、センサチップへの熱応力に起因したゲージ抵抗の抵抗値の増減がブリッジ回路全体で相殺されるから、センサチップの厚み方向の加速度を検出するブリッジ回路のオフセット電圧の温度変動を抑制することができる。また、この発明によれば、各撓み部ごとにフレーム部近傍に配置されるゲージ抵抗と重り部近傍に配置されるゲージ抵抗とをより短い配線で接続することが可能となり、ブリッジ回路の同一辺に存在するゲージ抵抗が互いに異なる撓み部に配置されている場合に比べて、配線の抵抗値を小さくすることが可能となり、配線の抵抗値がブリッジ回路の出力電圧に与える影響を低減することが可能となる。 According to the present invention, since the increase and decrease of the resistance value of the gauge resistance due to the thermal stress to the sensor chip is canceled out in the entire bridge circuit, the temperature fluctuation of the offset voltage of the bridge circuit that detects the acceleration in the thickness direction of the sensor chip Can be suppressed . In addition, according to the present invention, it is possible to connect the gauge resistor disposed near the frame portion and the gauge resistor disposed near the weight portion for each bending portion with a shorter wiring, and the same side of the bridge circuit. The resistance value of the wiring can be reduced compared to the case where the gauge resistances existing in the wiring are arranged at different bending portions, and the influence of the wiring resistance value on the output voltage of the bridge circuit can be reduced. It becomes possible.
請求項2の発明は、枠状のフレーム部の内側に配置される重り部が重り部から四方へ延長された4つの撓み部を介してフレーム部に揺動自在に支持されたセンサチップを備え、センサチップの厚み方向の加速度を検出するブリッジ回路を有する加速度センサであって、センサチップは、各撓み部それぞれの延長方向においてフレーム部近傍および重り部近傍それぞれにブリッジ回路の構成要素である平面視形状が細長の長方形状のゲージ抵抗が設けられ、フレーム部近傍および重り部近傍それぞれにおいて前記長方形状の長手方向を撓み部の長手方向に一致させる形で配置されたゲージ抵抗と前記長方形状の長手方向を撓み部の幅方向に一致させる形で配置されたゲージ抵抗との数が同数であり、ブリッジ回路は、フレーム部近傍において配置されたゲージ抵抗に関して前記厚み方向の加速度に起因した抵抗値の増減方向の同じゲージ抵抗が対辺上に存在するとともに、重り部近傍において配置されたゲージ抵抗に関して前記厚み方向の加速度に起因した抵抗値の増減方向の同じゲージ抵抗が対辺上に存在し、且つ、各辺それぞれに、センサチップへの熱応力に起因した抵抗値の増減方向の異なるゲージ抵抗が存在するように接続されてなり、センサチップは、各撓み部ごとにフレーム部近傍に配置されるゲージ抵抗と重り部近傍に配置されるゲージ抵抗との向きが同じであり、ブリッジ回路の同一辺に存在するゲージ抵抗が互いに異なる撓み部に配置されたゲージ抵抗であることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention , there is provided a sensor chip in which a weight portion disposed inside a frame-shaped frame portion is swingably supported by the frame portion via four flexure portions extending from the weight portion in all directions. An acceleration sensor having a bridge circuit for detecting acceleration in the thickness direction of the sensor chip, wherein the sensor chip is a plane that is a component of the bridge circuit in the vicinity of the frame portion and in the vicinity of the weight portion in the extending direction of each flexure portion. An elongated rectangular gauge resistor is provided, and the rectangular resistor is arranged in such a manner that the longitudinal direction of the rectangular shape coincides with the longitudinal direction of the bent portion in the vicinity of the frame portion and the weight portion, respectively. The number of gauge resistors arranged so that the longitudinal direction coincides with the width direction of the bent portion is the same, and the bridge circuit is arranged near the frame portion. The same gauge resistance in the increase / decrease direction due to the acceleration in the thickness direction with respect to the gauge resistance is present on the opposite side, and the resistance value due to the acceleration in the thickness direction with respect to the gauge resistance arranged in the vicinity of the weight portion The same gauge resistance in the increasing / decreasing direction is present on the opposite side, and each side is connected so that there is a different gauge resistance in the increasing / decreasing direction due to the thermal stress to the sensor chip. Nsachippu the orientation of the gauge resistors disposed near the gauge resistor and a weight portion disposed on the frame portion near each flexure is the same, try FLEXIBLE gauge resistance present on the same side of the bridge circuit are different from each other It is the gauge resistance arranged in the part.
この発明によれば、センサチップへの熱応力に起因したゲージ抵抗の抵抗値の増減がブリッジ回路全体で相殺されるから、センサチップの厚み方向の加速度を検出するブリッジ回路のオフセット電圧の温度変動を抑制することができる。 According to the present invention, since the increase and decrease of the resistance value of the gauge resistance due to the thermal stress to the sensor chip is canceled out in the entire bridge circuit, the temperature fluctuation of the offset voltage of the bridge circuit that detects the acceleration in the thickness direction of the sensor chip Can be suppressed.
請求項3の発明は、請求項1または請求項2の発明において、ブリッジ回路は、各辺それぞれにおいて、センサチップへの熱応力に起因した抵抗値の増減方向の異なるゲージ抵抗が直列接続されてなることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the bridge circuit is configured such that gauge resistances having different resistance increasing / decreasing directions caused by thermal stress on the sensor chip are connected in series on each side. It is characterized by becoming.
この発明によれば、ブリッジ回路の各辺ごとに、センサチップへの熱応力に起因したゲージ抵抗の抵抗値の増減分に対する相殺量を大きくすることが可能となり、センサチップの厚み方向の加速度を検出するブリッジ回路のオフセット電圧の温度変動をより低減できる。また、各辺それぞれにおいてセンサチップへの熱応力に起因した抵抗値の増減方向の異なるゲージ抵抗が並列接続されている場合に比べて、ブリッジ回路の出力電圧を大きくすることができる。 According to the present invention, for each side of the bridge circuit, it is possible to increase the amount of offset with respect to the increase / decrease of the resistance value of the gauge resistance caused by the thermal stress to the sensor chip, and the acceleration in the thickness direction of the sensor chip can be increased. The temperature fluctuation of the offset voltage of the bridge circuit to be detected can be further reduced. In addition, the output voltage of the bridge circuit can be increased as compared with a case where gauge resistors having different resistance value increasing / decreasing directions due to thermal stress to the sensor chip are connected in parallel on each side.
請求項4の発明は、請求項1ないし請求項3の発明において、センサチップは、前記厚み方向に直交する面内において、フレーム部近傍の各ゲージ抵抗それぞれの中心位置とフレーム部との間の各距離が等距離に設定されるとともに、重り部近傍の各ゲージ抵抗それぞれの中心位置と重り部との間の各距離が等距離に設定されてなることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the first to third aspects of the present invention, the sensor chip is located between the center position of each gauge resistor near the frame portion and the frame portion in a plane orthogonal to the thickness direction. Each distance is set to an equal distance, and each distance between the center position of each gauge resistor near the weight portion and the weight portion is set to an equal distance.
この発明によれば、センサチップへの熱応力に起因したゲージ抵抗の抵抗値の増減分に対する相殺量をより大きくすることが可能となる。 According to the present invention, it is possible to increase the amount of offset with respect to the increase / decrease of the resistance value of the gauge resistance caused by the thermal stress on the sensor chip.
請求項5の発明は、請求項1ないし請求項4の発明において、センサチップは、前記厚み方向に直交する面内において重り部の中心位置を原点とし互いに直交する方向をx軸およびy軸と規定するとき、ブリッジ回路を構成するゲージ抵抗がx軸対称且つy軸対称に配置されてなることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the first to fourth aspects of the present invention, the sensor chip has a center position of the weight portion as an origin in a plane orthogonal to the thickness direction, and the directions orthogonal to each other are defined as an x-axis and a y-axis. When defined, the gauge resistors constituting the bridge circuit are arranged symmetrically with respect to the x axis and the y axis.
この発明によれば、センサチップへの熱応力に起因したゲージ抵抗の抵抗値の増減分に対する相殺量をより大きくすることが可能となる。 According to the present invention, it is possible to increase the amount of offset with respect to the increase / decrease of the resistance value of the gauge resistance caused by the thermal stress on the sensor chip.
請求項6の発明は、請求項5の発明において、センサチップは、ブリッジ回路を構成するゲージ抵抗を接続する配線のうち撓み部に形成される配線が、x軸対称且つy軸対称に配置されてなることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the sensor chip according to the fifth aspect of the present invention, the wiring formed in the flexible portion of the wiring connecting the gauge resistors constituting the bridge circuit is arranged symmetrically in the x axis and in the y axis. It is characterized by.
この発明によれば、配線に起因した熱応力の分布をx軸対称且つy軸対称とすることが可能となり、配線がx軸に対して非対称に配置されるとともにy軸に対して非対称に配置されている場合に比べて、配線に起因した熱応力によるオフセット電圧の変動を抑制することができる。 According to the present invention, it is possible to make the distribution of thermal stress caused by the wirings symmetric with respect to the x-axis and the y-axis, and the wiring is arranged asymmetrically with respect to the x-axis and asymmetrically with respect to the y-axis. Compared with the case where it is, the fluctuation | variation of the offset voltage by the thermal stress resulting from wiring can be suppressed.
請求項7の発明は、請求項1ないし請求項6の発明において、前記長方形状の長手方向を撓み部の長手方向に沿って配置された各ゲージ抵抗は、それぞれ複数のゲージ抵抗に分割されてなることを特徴とする。
The invention of
この発明によれば、前記長方形状の長手方向を撓み部の長手方向に沿って配置された各ゲージ抵抗それぞれについて撓み部の長手方向に沿った長さを短くすることが可能となって、各ゲージ抵抗の応力分布範囲を狭めることが可能となるから、ブリッジ回路全体として、センサチップへの熱応力に起因したゲージ抵抗の抵抗値の増減分に対する相殺量をより大きくすることが可能となる。 According to the present invention, it is possible to shorten the rectangular longitudinal wrinkles length along the longitudinal direction of the bending portion with respect to each of the gauge resistors arranged along the longitudinal direction of the body portion, Since it becomes possible to narrow the stress distribution range of each gauge resistance, it is possible to increase the amount of offset for the increase and decrease of the resistance value of the gauge resistance due to the thermal stress to the sensor chip as the entire bridge circuit. .
請求項1の発明では、センサチップの厚み方向の加速度を検出するブリッジ回路のオフセット電圧の温度変動を抑制することができるという効果がある。 According to the first aspect of the present invention, there is an effect that the temperature fluctuation of the offset voltage of the bridge circuit that detects the acceleration in the thickness direction of the sensor chip can be suppressed.
(実施形態1)
本実施形態の加速度センサは、図1(a)および図2に示すセンサチップ1を備えており、例えば、図示しないパッケージの内底面にダイボンドされる。ここにおいて、センサチップ1は、図3(a)に示すように、シリコン基板からなる支持基板101上のシリコン酸化膜からなる絶縁層(埋込酸化膜)102上にn形のシリコン層(活性層)103を有するSOIウェハ100を加工することにより形成してある。
(Embodiment 1)
The acceleration sensor of this embodiment includes a
センサチップ1は、枠状(本実施形態では、矩形枠状)のフレーム部11を備え、フレーム部11の矩形状の開口窓内に配置される重り部12が一表面(図2における上面)側において可撓性を有する4つの短冊状の撓み部13を介してフレーム部11に揺動自在に支持されている。言い換えれば、センサチップ1は、枠状のフレーム部11の内側に配置される重り部12が重り部12から四方へ延長された4つの撓み部13を介してフレーム部11に揺動自在に支持されている。なお、フレーム部11は、SOIウェハ100の支持基板101、絶縁層102、シリコン層103それぞれを利用して形成してある。これに対して、撓み部13は、SOIウェハ100におけるシリコン層103を利用して形成してあり、フレーム部11よりも薄肉となっている。ここで、SOIウェハ100については、支持基板101の厚さを400〜600μm程度、絶縁層102の厚さを0.3〜1.5μm程度、シリコン層103の厚さを4〜10μm程度に設定してあり、センサチップ1の各部の寸法については、フレーム部11の厚さを400〜600μm程度、フレーム部11の4辺それぞれの幅を250μm程度とし、重り部12の厚さを400μm〜600μm程度とし、撓み部13の延長方向の長さ(つまり、撓み部13の長手方向の長さ)を300〜700μm、センサチップ1の上記一表面内で撓み部13における延長方向に直交する方向の長さ(つまり、撓み部13の幅寸法)を60〜150μm、撓み部13の厚さを4〜10μm程度としてあるが、これらの数値は特に限定するものではない。
The
重り部12は、上述の4つの撓み部13を介してフレーム部11に支持された直方体状のコア部12aと、センサチップ1の上記一表面側から見てコア部12aの四隅それぞれに連続一体に連結された直方体状の4つの付随部12bとを有している。言い換えれば、重り部12は、フレーム部11の内側面に一端部が連結された各撓み部13の他端部が外側面に連結されたコア部12aと、コア部12aと一体に形成されコア部12aとフレーム部11との間の空間に配置される4つの付随部12bとを有している。つまり、各付随部12bは、センサチップ1の上記一表面側から見て、フレーム部11とコア部12aと互いに直交する方向に延長された2つの撓み部13,13とで囲まれる空間に配置されており、各付随部12bそれぞれとフレーム部11との間にはスリット14が形成され、撓み部13を挟んで隣り合う付随部12b間の間隔が撓み部13の幅寸法よりも長くなっている。ここにおいて、コア部12aは、上述のSOIウェハ100の支持基板101、絶縁層102、シリコン層103それぞれを利用して形成し、各付随部12bは、SOIウェハ100の支持基板101を利用して形成してある。しかして、センサチップ1の上記一表面側において各付随部12bの表面(図2における上面)は、コア部12aの表面(図2における上面)を含む平面からセンサチップ1の他表面(図2における下面)側へ離間して位置している。
The
ところで、図1(a)の右側に示したように、センサチップ1の上記一表面に平行な面内でフレーム部11の一辺に沿った一方向をx軸の正方向、この一辺に直交する辺に沿った一方向をy軸の正方向、センサチップ1の厚み方向の一方向をz軸方向と規定すれば、重り部12は、x軸方向に延長されてコア部12aを挟む2つ1組の撓み部13,13と、y軸方向に延長されてコア部12aを挟む2つ1組の撓み部13,13とを介してフレーム部11に支持されていることになる。なお、上述のx軸、y軸、z軸の3軸により規定した直交座標では、センサチップ1において上述のシリコン層103により形成された部分の表面における重り部12の中心位置を原点としている。
By the way, as shown on the right side of FIG. 1A, one direction along one side of the
重り部12のコア部12aからx軸の正方向に延長された撓み部(図1(a)の右側の撓み部13)は、コア部12a近傍に2つ1組のピエゾ抵抗Rx2,Rx4および1つのピエゾ抵抗Rz22が形成されるとともに、フレーム部11近傍に1つのピエゾ抵抗Rz12が形成されている。一方、重り部12のコア部12aからx軸の負方向に延長された撓み部13(図1(a)の左側の撓み部13)は、コア部12a近傍に2つ1組のピエゾ抵抗Rx1,Rx3および1つのピエゾ抵抗Rz23が形成されるとともに、フレーム部11近傍に1つのピエゾ抵抗Rz13が形成されている。ここに、コア部12a近傍に形成された4つのピエゾ抵抗Rx1,Rx2,Rx3,Rx4は、x軸方向の加速度を検出するために形成されたもので、平面形状が細長の長方形状であって、長手方向が撓み部13の長手方向に一致するように配置されており、図1(b)における左側のブリッジ回路Bxを構成するように配線(センサチップ1に形成されている拡散層配線、金属配線など)によって接続されている。ピエゾ抵抗Rz22,Rz12,Rz23,Rz13については後述する。なお、ピエゾ抵抗Rx1〜Rx4は、x軸方向の加速度がかかったときに撓み部13,13において応力が集中する応力集中領域(応力分布のピークに対応した部位)に形成されている。ここで、ピエゾ抵抗Rx1〜Rx4は、上述のシリコン層103の表面側でシリコン層103内に形成されており、加速度がかかっていない状態で、Rx1・Rx3−Rx2・Rx4=0となってブリッジ回路Bxの抵抗バランスがとれるように、抵抗値が同じ値となるように設計してある。具体的には、ピエゾ抵抗Rx1〜Rx4は、同じサイズ(長さ、幅、拡散深さ)且つ同じ不純物濃度に設計してある。
The bending portion (the bending
また、重り部12のコア部12aからy軸の正方向に延長された撓み部13(図1(a)の上側の撓み部13)はコア部12a近傍に2つ1組のピエゾ抵抗Ry1,Ry3および1つのピエゾ抵抗Rz21が形成されるとともに、フレーム部11近傍に1つのピエゾ抵抗Rz11が形成されている。一方、重り部12のコア部12aからy軸の負方向に延長された撓み部13(図1(a)の下側の撓み部13)はコア部12a近傍に2つ1組のピエゾ抵抗Ry2,Ry4および1つのピエゾ抵抗Rz24が形成されるとともに、フレーム部11近傍に1つのピエゾ抵抗Rz14が形成されている。ここに、コア部12a近傍に形成された4つのピエゾ抵抗Ry1,Ry2,Ry3,Ry4は、y軸方向の加速度を検出するために形成されたもので、平面形状が細長の長方形状であって、長手方向が撓み部13の長手方向に一致するように配置されており、図1(b)における中央のブリッジ回路Byを構成するように配線(センサチップ1に形成されている拡散層配線、金属配線など)によって接続されている。ピエゾ抵抗Rz21,Rz11,Rz24,Rz14については後述する。なお、ピエゾ抵抗Ry1〜Ry4は、y軸方向の加速度がかかったときに撓み部13,13において応力が集中する応力集中領域(応力分布にピークに対応した部位)に形成されている。ここで、ピエゾ抵抗Ry1〜Ry4は、上述のシリコン層103の表面側でシリコン層103内に形成されており、加速度がかかっていない状態で、Ry1・Ry3−Ry2・Ry4=0となってブリッジ回路Byの抵抗バランスがとれるように、抵抗値が同じ値となるように設計してある。具体的には、ピエゾ抵抗Ry1〜Ry4は、同じサイズ(長さ、幅、拡散深さ)且つ同じ不純物濃度に設計してある。
Further, the bending portion 13 (the
上述のように4つの撓み部13それぞれのコア部12a近傍に1つずつ形成された合計4つのピエゾ抵抗Rz21,Rz22,Rz23,Rz24およびフレーム部11近傍に1つずつ形成された合計4つのピエゾ抵抗Rz11,Rz12,Rz13,Rz14はz軸方向の加速度を検出するために形成されたもので、平面形状が細長の長方形状としてある。ここにおいて、コア部12a近傍の4つのピエゾ抵抗Rz21,Rz22,Rz23,Rz24のうちの2つ(半数)のピエゾ抵抗Rz22,Rz23およびフレーム部11近傍の4つのピエゾ抵抗Rz11,Rz12,Rz13,Rz14のうちの2つ(半数)のピエゾ抵抗Rz11,Rz14が撓み部13の長手方向に沿って配置されており(つまり、ピエゾ抵抗Rz22,Rz23,Rz11,Rz14は長手方向を撓み部13の長手方向に一致させるように配置されており)、コア部12a近傍の4つのピエゾ抵抗Rz21,Rz22,Rz23,Rz24のうちの残りの2つのピエゾ抵抗Rz21,Rz24およびフレーム部11近傍の4つのピエゾ抵抗Rz11,Rz12,Rz13,Rz14のうちの残りの2つのピエゾ抵抗Rz12,Rz13が撓み部13の幅方向に沿って配置されており(つまり、ピエゾ抵抗Rz21,Rz24,Rz12,Rz13は長手方向を撓み部13の幅方向に一致させるように配置されており)、図1(b)における右側のブリッジ回路Bzを構成するように配線(センサチップ1に形成されている拡散層配線、金属配線など)によって接続されている。なお、ピエゾ抵抗Rz21〜Rz24およびRz11〜Rz14は、z軸方向の加速度がかかったときに撓み部13において応力が集中する応力集中領域(応力分布のピークに対応する部位)に形成されている。ここで、ピエゾ抵抗Rz21〜Rz24,Rz11〜Rz14は、上述のシリコン層103の表面側でシリコン層103内に形成されており、加速度がかかっていない状態で、(Rz11+Rz12)・(Rz14+Rz24)−(Rz12+Rz22)・(Rz13+Rz23)=0となってブリッジ回路Bzの抵抗バランスがとれるように、抵抗値が同じ値となるように設計してある。具体的には、ピエゾ抵抗Rz21〜Rz24,Rz11〜Rz14は、同じサイズ(長さ、幅、拡散深さ)且つ同じ不純物濃度に設計してある。
As described above, a total of four piezoresistors Rz21, Rz22, Rz23, Rz24 formed one by one in the vicinity of the
なお、本実施形態の加速度センサでは、図1(b)に示すように、上述の3つのブリッジ回路Bx,By,Bzに共通の2つの入力端子VDD,GNDと、ブリッジ回路Bxの2つの出力端子X1,X2と、ブリッジ回路Byの2つの出力端子Y1,Y2と、ブリッジ回路Bzの2つの出力端子Z1,Z2とを備えており、これらの各入力端子VDD,GNDおよび各出力端子X1,X2,Y1,Y2,Z1,Z2はセンサチップ1のフレーム部11に図示しないパッドとして設けられている。
In the acceleration sensor of the present embodiment, as shown in FIG. 1B, the two input terminals VDD and GND common to the three bridge circuits Bx, By and Bz described above and the two outputs of the bridge circuit Bx are provided. It has terminals X1, X2, two output terminals Y1, Y2 of the bridge circuit By, and two output terminals Z1, Z2 of the bridge circuit Bz. These input terminals VDD, GND and output terminals X1, X2, Y1, Y2, Z1, and Z2 are provided as pads (not shown) on the
以下、上述の図1(a)および図2に示したセンサチップ1の製造方法について図3(a)〜(c)を参照しながら説明するが、図3(a)〜(c)は図1(a)のC−C’断面に対応する部分の断面を示してある。
Hereinafter, a method for manufacturing the
まず、SOIウェハ100の一表面側(シリコン層103の表面側)に上記各ピエゾ抵抗Rx1〜Rx4,Ry1〜Ry4,Rz21〜Rz24,Rz11〜Rz14および上記各拡散層配線をリソグラフィ技術、不純物拡散技術などを利用して形成し、その後、SOIウェハ100の上記一表面側(以下、主表面側と称す)および他表面側(以下、裏面側と称す)それぞれの全面に、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜からなる絶縁膜104,105を形成することによって、図3(a)に示す構造を得る。なお、上述の金属配線を形成する工程は、シリコン酸化膜を形成する工程と、シリコン窒化膜を形成する工程との間に設け、上述のパッドはシリコン窒化膜の形成後に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して、上記金属配線の一部を露出させることにより上記金属配線の一部により形成される。
First, the piezoresistors Rx1 to Rx4, Ry1 to Ry4, Rz21 to Rz24, Rz11 to Rz14 and the diffusion layer wirings on one surface side of the SOI wafer 100 (the surface side of the silicon layer 103) and the diffusion layer wirings are lithography technology and impurity diffusion technology. Thereafter, a silicon oxide film and a silicon nitride film are formed on the entire surface of the one surface side (hereinafter referred to as a main surface side) and the other surface side (hereinafter referred to as a back surface side) of the
その後、SOIウェハ100の主表面側に、上述の絶縁膜104においてフレーム部11、コア部12a、各撓み部13それぞれに対応する部位を覆い他の部位を露出させるようにパターニングされたレジスト層(図示せず)を形成し、当該レジスト層をエッチングマスクとして、絶縁膜104の露出部分をエッチングすることで絶縁膜104をパターニングし、SOIウェハ100を主表面側から絶縁層102に達する深さまで絶縁層102をエッチングストッパ層としてエッチングする表面側パターニング工程を行う。この表面側パターニング工程を行うことによって、SOIウェハ100におけるシリコン層103は、フレーム部11に対応する部位231(図3(b)参照)と、コア部12aに対応する部位と、各撓み部13それぞれに対応する部位233(図3(b)参照)とが残る。なお、この表面側パターニング工程におけるエッチングに際しては、例えば、誘導結合プラズマ(ICP)型のドライエッチング装置を用いてドライエッチングを行えばよく、エッチング条件としては、絶縁層102がエッチングストッパとして機能するような条件を設定する。
Thereafter, on the main surface side of the
上述の表面側パターニング工程の後、SOIウェハ100の裏面側に、支持基板101においてフレーム部11に対応する部位211(図3(b)参照)とコア部12aに対応する部位と各付随部12bそれぞれに対応する部位213(図3(b)参照)とを覆い且つ他の部位を露出させるようにパターニングされたレジスト層(図示せず)を形成し、当該レジスト層をエッチングマスクとして、絶縁膜105の露出部分をエッチングすることで絶縁膜105をパターニングし、SOIウェハ100を裏面側から絶縁層102に達する深さまで絶縁層102をエッチングストッパ層として略垂直にドライエッチングする裏面側パターニング工程を行い、続いて、レジスト層を除去することによって、図3(b)に示す構造を得る。この裏面側パターニング工程を行うことにより、SOIウェハ100における支持基板101は、フレーム部11に対応する部位211と、コア部12aに対応する部位と、各付随部12bそれぞれに対応する部位213とが残る。なお、この裏面側パターニング工程におけるエッチング装置としては、例えば、誘導結合プラズマ(ICP)型のドライエッチング装置を用いればよく、エッチング条件としては、絶縁層102がエッチングストッパとして機能するような条件を設定する。
After the surface-side patterning process described above, on the back surface side of the
裏面側パターニング工程の後、上記絶縁膜104,105をエッチングマスクとして、絶縁層102のうちフレーム部11に対応する部位221(図3(c)参照)およびコア部12aに対応する部位を残して不要部分をエッチング除去することでフレーム部11、各撓み部13、重り部12を形成することによって、図3(c)に示す構造を得る。
After the back side patterning step, using the insulating
その後、SOIウェハ100をダイシング工程により個々のセンサチップ1に分離し、例えば、パッケージへダイボンディングするダイボンディング工程、センサチップ1の各パッドとパッケージの電極とをボンディングワイヤにより電気的に接続するワイヤボンディング工程、パッケージにパッケージ蓋を気密的に封着する封止工程を順次行えばよい。なお、センサチップ1の裏面側にガラス製のカバーを必要とする場合には、カバーを多数形成したガラス基板とSOIウェハ100とを陽極接合により固着してから、ダイシング工程により個々のチップに分離すればよい。
Thereafter, the
以下、本実施形態の加速度センサの動作について説明する。 Hereinafter, the operation of the acceleration sensor of the present embodiment will be described.
本実施形態の加速度センサは、センサチップ1に加速度が作用すると、加速度の方向および大きさに応じて重り部12がフレーム部11に対して相対的に変位し、結果的に撓み部13が撓んでピエゾ抵抗Rx1〜Rx4,Ry1〜Ry4,Rz11〜Rz14,Rz21〜Rz24の抵抗値が変化することになる。したがって、例えば、上述の入力端子VDD,GND間に外部電源から一定の直流電圧を印加して使用すればよく、センサチップ1にx軸方向の加速度がかかった場合には図1(b)における左側のブリッジ回路Bxの抵抗バランスが崩れて出力端子X1,X2間の電位差がx軸方向の加速度の大きさに応じて変化し、y軸方向の加速度がかかった場合には図1(b)における中央のブリッジ回路Byの抵抗バランスが崩れて出力端子Y1,Y2間の電位差がy軸方向の加速度の大きさに応じて変化し、z軸方向の加速度がかかった場合には図1(b)における右側のブリッジ回路Bzの抵抗バランスが崩れて出力端子Z1,Z2間の電位差がz軸方向の加速度の大きさに応じて変化する。要するに、本実施形態の加速度センサは、各ブリッジ回路Bx〜Bzそれぞれの出力電圧の変化を検出することにより、センサチップ1に作用したx軸方向、y軸方向、z軸方向それぞれの加速度を検出することができる。本実施形態では、各ピエゾ抵抗Rx1〜Rx4,Ry1〜Ry4,Rz11〜Rz14,Rz21〜Rz24それぞれが、フレーム部11に対する重り部12の変位により撓み部13に生じるひずみによって抵抗率の変化するゲージ抵抗を構成している。
In the acceleration sensor of this embodiment, when acceleration acts on the
ここにおいて、センサチップ1にx軸の正方向(+方向)の加速度がかかった場合、y軸の正方向(+方向)の加速度がかかった場合、z軸の正方向(+方向)の加速度がかかった場合それぞれについて、各ピエゾ抵抗Rx1〜Rx4,Ry1〜Ry4,Rz11〜Rz14,Rz21〜Rz24それぞれの受ける応力を図1(c)に示す。ただし、図1(c)では、受ける応力が引張応力であるピエゾ抵抗の欄には「+」、受ける応力が圧縮応力であるピエゾ抵抗の欄には「−」、応力を受けないピエゾ抵抗の欄には「0」を記してある。
Here, when acceleration in the positive direction (+ direction) of the x axis is applied to the
ところで、本実施形態の加速度センサは、図8〜図11で説明した従来例と略同じ構成であって、図1(b),(c)から分かるように、x軸方向、y軸方向、z軸方向それぞれの加速度を独立且つ同時に検出することができるものであり、z軸方向の加速度を検出するブリッジ回路Bzおよびその構成要素であるピエゾ抵抗Rz11〜Rz14,Rz21〜Rz24の配置に特徴がある。 By the way, the acceleration sensor of the present embodiment has substantially the same configuration as the conventional example described in FIGS. 8 to 11, and as can be seen from FIGS. 1B and 1C, the x-axis direction, the y-axis direction, Each of the accelerations in the z-axis direction can be detected independently and simultaneously, and the bridge circuit Bz that detects the acceleration in the z-axis direction and the arrangement of the piezo resistors Rz11 to Rz14 and Rz21 to Rz24 that are constituent elements thereof are characteristic. is there.
図1(a)〜(c)および上述の説明から分かるように、本実施形態の加速度センサでは、z軸方向の加速度を検出するブリッジ回路Bzについて見れば、重り部12のコア部12a近傍において撓み部13の長手方向に沿って配置されたピエゾ抵抗Rz22,Rz23と撓み部13の幅方向に沿って配置されたピエゾ抵抗Rz21,Rz24との数が同数(2つずつ)となり、フレーム部11近傍において撓み部13の長手方向に沿って配置されたピエゾ抵抗Rz11,Rz14と撓み部13の幅方向に沿って配置されたピエゾ抵抗Rz12,Rz13との数が同数(2つずつ)となっている。
As can be seen from FIGS. 1A to 1C and the above description, in the acceleration sensor of this embodiment, in the bridge circuit Bz that detects acceleration in the z-axis direction, in the vicinity of the
また、ブリッジ回路Bzは、8つのピエゾ抵抗Rz11〜Rz14,Rz21〜Rz24およびこれらを接続する配線によって構成されているが、センサチップ1のフレーム部11近傍に配置された4つのピエゾ抵抗Rz11〜Rz14に着目すれば、センサチップ1の厚み方向の加速度に起因した抵抗値の増減方向の同じピエゾ抵抗Rz11,Rz14が一方の対辺上に存在し、ピエゾ抵抗Rz12,Rz13が他方の対辺上に存在するように配線によって接続してある。ここで、ピエゾ抵抗Rz11〜Rz14のみをブリッジ接続した第1の仮想ブリッジ回路では、正のオフセット電圧変動特性を有する。
The bridge circuit Bz is configured by eight piezoresistors Rz11 to Rz14, Rz21 to Rz24 and wirings connecting them, but four piezoresistors Rz11 to Rz14 arranged in the vicinity of the
一方、センサチップ1の重り部12のコア部12a近傍に配置されたピエゾ抵抗Rz21〜Rz24について着目すれば、センサチップ1の厚み方向の加速度に起因した抵抗値の増減方向の同じピエゾ抵抗Rz21,Rz24が一方の対辺上に存在し、ピエゾ抵抗Rz22,Rz23が他方の対辺上に存在するように配線によって接続してある。ここで、ピエゾ抵抗Rz21〜Rz24のみをブリッジ接続した第2の仮想ブリッジ回路では、負のオフセット電圧変動特性を有する。要するに、第1の仮想ブリッジ回路と第2の仮想ブリッジ回路とでオフセット電圧変動特性の正負が逆になる。
On the other hand, if attention is paid to the piezoresistors Rz21 to Rz24 disposed in the vicinity of the
また、ブリッジ回路Bzの各辺それぞれについて着目すれば、ブリッジ回路Bzの各辺それぞれに、センサチップ1への熱応力に起因した抵抗値の増減方向の異なる2つのゲージ抵抗が存在しており、各辺ごとに抵抗値の増減方向の異なる2つのゲージ抵抗が直列接続されている。具体的に説明すれば、ブリッジ回路Bzの左上の辺では、フレーム部11近傍で撓み部13の長手方向に沿って配置されたピエゾ抵抗Rz11とコア部12a近傍で撓み部13の幅方向に沿って配置されたピエゾ抵抗Rz21とが直列接続され、ブリッジ回路Bzの左下の辺では、フレーム部11近傍で撓み部13の幅方向に沿って配置されたピエゾRz13と重り部12のコア部12a近傍で撓み部13の長手方向に沿って配置されたピエゾRz23とが直列接続され、ブリッジ回路Bzの右上の辺では、フレーム部11近傍で撓み部13の幅方向に沿って配置されたピエゾRz12と重り部12のコア部12a近傍で撓み部13の長手方向に沿って配置されたピエゾRz22とが直列接続され、ブリッジ回路Bzの右下の辺では、フレーム部11近傍で撓み部13の長手方向に沿って配置されたピエゾRz14と重り部12のコア部12a近傍で撓み部13の幅方向に沿って配置されたピエゾ抵抗Rz24とが直列接続されている。なお、以下では説明の便宜上、ピエゾ抵抗Rz11〜Rz14、Rz21〜Rz24をゲージ抵抗と称する。
Further, if attention is paid to each side of the bridge circuit Bz, there are two gauge resistors having different resistance increasing / decreasing directions due to thermal stress to the
以上説明した本実施形態の加速度センサでは、ブリッジ回路Bzについて見れば、フレーム部11近傍において配置されたゲージ抵抗に関して、センサチップ1の厚み方向の加速度に起因した抵抗値の増減方向の同じゲージ抵抗が対辺上に存在するとともに、重り部12aのコア部12a近傍において配置されたゲージ抵抗に関して、センサチップ1の厚み方向の加速度に起因した抵抗値の増減方向の同じゲージ抵抗が対辺上に存在し、且つ、各辺それぞれに、センサチップ1への熱応力に起因した抵抗値の増減方向の異なるゲージ抵抗が存在するように、8つのゲージ抵抗を接続してあるので、センサチップ1への熱応力に起因したゲージ抵抗の抵抗値の増減がブリッジ回路Bz全体で相殺されるから、ブリッジ回路Bzのオフセット電圧の温度変動を抑制することができる。ここで、ブリッジ回路Bzは、各辺それぞれにおいて、センサチップ1への熱応力に起因した抵抗値の増減方向の異なるゲージ抵抗が直列接続されているので、ブリッジ回路Bzの各辺ごとに、センサチップ1への熱応力に起因したゲージ抵抗の抵抗値の増減分に対する相殺量を大きくすることが可能となり、ブリッジ回路Bzのオフセット電圧の温度変動をより低減できる。具体的には、ブリッジ回路Bzの構成要素である各ゲージ抵抗の抵抗値をR、熱応力による各ゲージ抵抗の抵抗値変化量をΔRとし、配線の抵抗値を無視すれば、センサチップ1に熱応力がかかっていないときのブリッジ回路Bzの各辺それぞれの抵抗値はR+R=2Rとなり、熱応力がかかったときのブリッジ回路Bzの各辺それぞれの抵抗値は(R+ΔR)+(R−ΔR)=2Rとなって熱応力によるゲージ抵抗の抵抗値変化量ΔRの成分が全て相殺され、ブリッジ回路Bzの出力電圧は、(2R)・(2R)−(2R)・(2R)=0となる。
In the acceleration sensor according to the present embodiment described above, when viewed with respect to the bridge circuit Bz, the gauge resistance arranged in the vicinity of the
なお、本実施形態では、各辺それぞれにおいてセンサチップ1への熱応力に起因した抵抗値の増減方向の異なるゲージ抵抗を直列接続してあるが、並列接続してもよく、並列接続した場合にも、ブリッジ回路Bz全体としてゲージ抵抗の抵抗値変化量ΔRの成分が全て相殺され出力電圧が0となる。ただし、各辺それぞれにおいてセンサチップ1への熱応力に起因した抵抗値の増減方向の異なるゲージ抵抗を直列接続した構成の方が、並列接続した構成を採用する場合に比べて、ブリッジ回路Bzの出力電圧を大きくすることができる。
In the present embodiment, the gauge resistors having different resistance increasing / decreasing directions due to the thermal stress applied to the
ところで、ブリッジ回路Bzの構成要素である8つのゲージ抵抗(ピエゾ抵抗Rz11〜Rz14、Rz21〜Rz24)のセンサチップ1上での配置は図1(a)に示した例に限らず、例えば、図4〜図6のいずれかの配置を採用してもよい。
By the way, the arrangement on the
ただし、図1(a)に示したセンサチップ1のように、各撓み部13ごとにフレーム部11近傍に配置されるゲージ抵抗と重り部12のコア部12a近傍に配置されるゲージ抵抗との向きが直交していれば、ブリッジ回路Bzの同一辺に存在する2つのゲージ抵抗を同一の撓み部13に配置されたゲージ抵抗とすることができるから、各撓み部13ごとにフレーム部11近傍に配置されるゲージ抵抗と重り部12のコア部12a近傍に配置されるゲージ抵抗とをより短い配線で接続することが可能となり、図4〜図6のセンサチップ1のようにブリッジ回路Bzの同一辺に存在するゲージ抵抗が互いに異なる撓み部13に配置されている場合に比べて、配線長を短くすることができて配線の抵抗値を小さくすることが可能となり、配線の抵抗値がブリッジ回路Bzの出力電圧に与える影響を低減することが可能となる。
However, as in the
また、図1(a),図4〜図6のいずれのセンサチップ1においても、センサチップは、厚み方向に直交する面内において、フレーム部11近傍の各ゲージ抵抗それぞれの中心位置とフレーム部11との間の各距離が等距離に設定されるとともに、重り部12のコア部12a近傍の各ゲージ抵抗それぞれの中心位置と重り部12のコア部12aとの間の各距離が等距離に設定されているので、前者の各距離が4つの撓み部13で異なる場合や、後者の各距離が4つの撓み部13で異なる場合に比べて、センサチップ1への熱応力に起因したゲージ抵抗の抵抗値の増減分に対する相殺量をより大きくすることが可能となる。
Further, in any of the
また、図1(a),図4〜図6のいずれのセンサチップ1も、センサチップ1の厚み方向に直交する面内(つまり、x軸とy軸とで規定されるxy平面内)でブリッジ回路Bzを構成するゲージ抵抗がx軸対称且つy軸対称に配置されているので、センサチップ1への熱応力に起因したゲージ抵抗の抵抗値の増減分に対する相殺量をより大きくすることが可能となる。なお、ブリッジ回路Bxを構成するピエゾ抵抗Rz1〜Rx4およびブリッジ回路Byを構成するピエゾ抵抗Ry1〜Ry4についてもx軸対称且つy軸対称に配置されている。
Further, any of the
また、センサチップ1は、ブリッジ回路Bzを構成するゲージ抵抗を接続する配線(図示せず)のうち4つの撓み部13に形成される配線が、x軸対称且つy軸対称に配置されており、配線に起因した熱応力の分布をx軸対称且つy軸対称とすることが可能となるので、配線がx軸に対して非対称に配置されるとともにy軸に対して非対称に配置されている場合に比べて、配線に起因した熱応力によるオフセット電圧の変動を抑制することができる。
In the
(実施形態2)
本実施形態の加速度センサの基本構成は実施形態1と略同じであり、図1(a)において撓み部13の長手方向に沿って配置されて各ピエゾ抵抗Rz11,Rz14,Rz22,Rz23が、図7に示すように、それぞれ複数(図示例では、2つ)のピエゾ抵抗Rz11,Rz14,Rz22,Rz23に分割され、各撓み部13において配線15の一部により接続されている点(言い換えれば、実施形態1において撓み部13の長手方向に沿って配置されていた各ゲージ抵抗それぞれを複数のピエゾ抵抗により構成している点)が相違する。なお、図7では、ピエゾ抵抗Rx1〜Rx4,Ry1〜Ry4の図示は省略してある。また、他の構成は実施形態1と同じなので説明を省略する。
(Embodiment 2)
The basic configuration of the acceleration sensor of the present embodiment is substantially the same as that of the first embodiment, and the piezoresistors Rz11, Rz14, Rz22, Rz23 arranged along the longitudinal direction of the bending
図7に示した個々のピエゾ抵抗Rz11,Rz14,Rz22,Rz23は長手方向の寸法が図1(a)に示したピエゾ抵抗Rz11,Rz14,Rz22,Rz23の半分の寸法に設定してあり、ブリッジ回路Bzの各辺の抵抗値は実施形態1と同じになっている。 Each of the piezoresistors Rz11, Rz14, Rz22, and Rz23 shown in FIG. 7 has a longitudinal dimension set to half that of the piezoresistors Rz11, Rz14, Rz22, and Rz23 shown in FIG. The resistance value of each side of the circuit Bz is the same as that of the first embodiment.
しかして、本実施形態では、各撓み部13それぞれの長手方向に沿って配置された各ピエゾ抵抗Rz11,Rz14,Rz22,Rz23それぞれについて撓み部13の長手方向に沿った長さを短くすることが可能となって、各ピエゾ抵抗Rz11,Rz14,Rz22,Rz23の応力分布範囲を狭めることが可能となるから、ブリッジ回路Bz全体として、センサチップ1への熱応力に起因したゲージ抵抗の抵抗値の増減分に対する相殺量をより大きくすることが可能となる。
Thus, in the present embodiment, the length along the longitudinal direction of the
なお、上記各実施形態では、重り部12をコア部12aと4つの付随部12bとで構成してあるが、コア部12aのみで重り部12を構成してもよい。また、上記各実施形態では、ゲージ抵抗としてピエゾ抵抗を採用しているが、ゲージ抵抗としてカーボンナノチューブを採用してもよい。
In each of the above embodiments, the
1 センサチップ
11 フレーム部
12 重り部
12a コア部
12b 付随部
13 撓み部
14 スリット
Rx1〜Rx4 ピエゾ抵抗
Ry1〜Ry4 ピエゾ抵抗
Rz11〜Rz14 ピエゾ抵抗
Rz21〜Rz24 ピエゾ抵抗
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