JPH04339266A - 加速度センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、基板の温度ドリフトへ
の影響を小さくし、かつ加速度の検出感度を向上させる
のに好適な加速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】加速度センサの検出感度を高める為に、
チップに一体成形されている振動を感知するマスに異な
る材質からなる質量を付加した加速度センサが提案され
ている。この種の加速度センサとしては、（ａ）特開昭
６３−１６９０７８号公報および（ｂ）特開昭６４−６
９９１５号公報がある。特に（ｂ）の第１図には付加質
量の熱膨張によるセンサの温度オフセットの影響を少な
くするために所定間隔を置いて設けられた２つの付加質
量を有する加速度センサが開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記（
ａ）にあっては、付加質量はその一面の全面と基板と固
着されているため、付加質量の熱膨張に起因してセンサ
にオフセット温度特性が発生する可能性が考えられる。 また上記（ｂ）にあっては、付加質量を２つの必要とす
るので、部品点数が増加するという問題がある。更にそ
の製造に関しては、これら２つの付加質量の相互の位置
関係に配慮して固着する必要があるので、その位置の設
定が面倒である。

【０００４】本発明の目的は、付加質量による熱膨張の
影響を少なくした加速度センサを提供することである。 また他の目的は、付加質量をマス面に容易に固着するた
めの加速度センサの製造方法を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の加速度センサは振動を感知するマスを有
するカンチレバーを設け、前記カンチレバーの応力発生
部位に歪ゲージが配置されていると共に、前記マス面に
球形の付加質量が固着されていることを特徴とするもの
である。また他の発明に係る加速度センサの製造方法は
、振動を感知するマスを有するカンチレバーを設け、前
記カンチレバーの応力発生部位に歪ゲージが配置されて
いるセンサチップであって、球形の付加質量の外径より
若干大きい径の孔が穿設されたマスクを、前記マス面に
前記孔を合わせて位置させ、前記孔に球形の付加質量を
入れて位置決めした後に前記付加質量をマス面に固着す
ることを特徴とするものである。

【０００６】

【作用】マスに固着された付加質量により、マスの質量
は大きくなるため、加速度による振動に対して素早く応
動してカンチレバーに変形を起こさせ、歪ゲージによっ
て加速度が検出される。付加質量とマスとの固着は球体
と平面との接触で、その接触面積が小さくなっているた
め、付加質量の熱膨張してもマスに与える影響が小さく
なり、センサにオフセット温度特性が発生する可能性が
小さくなる。またセンサチップはマス面にマスクの孔を
合わせて位置させ、この孔に球形の質量部を入れて位置
決めし、次いでマス面と質量部とを固着することにより
作製される。

【０００７】

【実施例】本発明の実施例を図面に基づいて説明する。 図１は本発明の第１実施例である一次元加速度センサの
センサチップ１の基本構成を示す。一次元加速度センサ
は、半導体製造技術により作製されるセンサチップ１を
備えている。センサチップ１は、シリコンウエハ上に振
動による応力歪みを検知する拡散歪ゲージ２（以下「歪
ゲージ」という）、歪ゲージ２を増幅回路等の処理回路
に接続するための配線、ボンディング用パッド等の電極
パターン（図示せず）を形成した後、ウエハの両面から
異方性エッチングによりＵ形の貫通部３が形成され、こ
の貫通部３により四方が周辺厚肉部４に囲われた振動を
感知するマスとなる中央厚肉部５が設けられている。中
央厚肉部５は貫通部の終端部分が形成するカンチレバー
７によって周辺厚肉部４に連結された片持構造になって
いる。また中央厚肉部５の上面または下面にはマスの質
量を増加させるための付加質量８が固着されている。こ
のタイプのカンチレバー７は、チップ面の垂直方向に作
用する振動に対して変形し易く、またチップ面の平行方
向に作用する振動に対して変形しにくい構造になってい
る。以下に、上記センサチップ１の基本構成をもつ変形
例を説明する。

【０００８】カンチレバー７は、図１Ａまたは１Ｂに示
すように、周辺厚肉部４との連結部分をチップ下面から
異方性エッチングにより形成される薄肉部９によって構
成され、振動による変形を起こし易くして感度を上げて
いる。付加質量８はカンチレバー９の最大衝撃強度を考
慮した重量のものが適用される。この付加質量８の取り
付け位置は、チップの下面（図１Ａ）または上面（図１
Ｂ）のいずれかに固着される。またカンチレバー７は、
図１Ｃまたは１Ｄに示すように、薄肉部を持たず、チッ
プの厚みをそのまま利用し、高い衝撃強度を持たせてい
る。付加質量８は、カンチレバー７の高い衝撃強度を考
慮して大きい重量のもの選択される。この付加質量８の
取り付け位置は、マスの下面（図１Ｃ）または上面（図
１Ｄ）のいずれでも良い。

【０００９】本実施例によれば、図示の矢印方向の振動
Ｇが加わったとき、図１Ａ，１Ｂではカンチレバー９と
周辺厚肉部４の連結部分、または図１Ｃ，１Ｄでは周辺
厚肉部４との連結部分に歪み応力が発生する。この歪み
応力を検知するため、歪ゲージ２（Ｒ１〜Ｒ４）が図４
Ａに示す如く配置されている。この歪ゲージＲ１〜Ｒ４
は、図４Ｃに示すブリッジ回路を構成している。

【００１０】図２は本発明の第２実施例である一次元加
速度センサのセンサチップ１０の基本構成を示す。セン
サチップ１０は上記同様の半導体製造技術により作製さ
れ、対向する２つのＵ字形の貫通部１３により四方が周
辺厚肉部１４に囲われたマスを構成する中央厚肉部１５
が設けられており、この中央厚肉部１５は貫通部１３の
両端部分により形成される一対のカンチレバー１７によ
って周辺厚肉部１４に連結された両持構造になっている
。また中央厚肉部１５の上面または下面にはマスの質量
を増加させるための付加質量８が固着されている。この
タイプのカンチレバー１７は、上記第１実施例とほぼ同
じ振動に対する変形特性を示す。以下に、上記センサチ
ップ１０の基本構成をもつ変形例を説明する。

【００１１】カンチレバー１７は、図２Ａまたは２Ｂに
示すように、周辺厚肉部１４との連結部分をチップ下面
から異方性エッチングにより形成される薄肉部１９、ま
たは図２Ｃまたは２Ｄに示すように、薄肉部１９を持た
ず、チップ１０の厚みをそのまま利用して構成されてい
る。付加質量８は上記第１実施例と同じように、衝撃強
度を考慮した重量のものが選択され、またその取り付け
位置はチップ１０の下面（図２Ａ，２Ｃ）または上面（
図２Ｂ，２Ｄ）のいずれかに固着される。

【００１２】本実施例によれば、マス１５は２つのカン
チレバー１７によって両持構造で支持されているため、
両カンチレバー１７と周辺厚肉部１４の連結部分に歪み
応力が発生する。この歪み応力を検知するため、各カン
チレバー１７には振動感知方向に並べた対の歪ゲージ２
（Ｒ１〜Ｒ４）が配置されている。この歪ゲージＲ１〜
Ｒ４は電気的に接続され、ブリッジ回路を構成している
。例えば、図４Ｂの如く、一方のカンチレバー１７に歪
ゲージＲ１，Ｒ２を、また他方のカンチレバー１７に歪
ゲージＲ３，Ｒ４とする歪ゲージ２を配置の場合、図４
Ｃに示されるように、歪ゲージＲ１とＲ３およびＲ２と
Ｒ４を対辺配置とするブリッジ回路が構成される。ここ
で、歪ゲージの抵抗変化は引張応力に対して増加（記号
「↑」）し、一方圧縮応力に対して減少（記号「↓」）
する。例えば、図４Ｂに示す矢印方向に加速度Ｇが印加
されたとき、歪ゲージＲ２，Ｒ４は引張応力により抵抗
が増加し、また歪ゲージＲ１，Ｒ３は圧縮応力により抵
抗が減少する。このときの抵抗変化を図４Ｃに示す。

【００１３】図３は本発明の第３実施例である三次元加
速度センサのセンサチップ２０の基本構成を示す。セン
サチップ２０は、フォトリソ技術を用いて異方性エッチ
ング等により方形の四隅に貫通部２３および方形の各辺
にカンチレバー２７を設け、この貫通部２３とカンチレ
バー２７に囲われた内側にはカンチレバー２７の先端と
なる厚肉部２５が形成されている。この厚肉部２５はＺ
軸方向の加速度を感知するためのマスとなる。カンチレ
バー２７には拡散歪ゲージ２がＺ軸に直交するＸ軸とＹ
軸線上のマスの中心から等距離に対向した位置に作製さ
れている。また厚肉部２５には、図３Ｂに示すように、
拡散歪ゲージ側とは反対側（下面）に球形の付加質量８
が固着されている。以下に、上記センサチップ２０の基
本構成をもつ変形例を説明する。

【００１４】カンチレバー２７は、図３Ａまたは３Ｂに
示すように、周辺厚肉部２４との連結部分をチップ下面
から異方性エッチングにより形成される薄肉部２９、ま
たは図３Ｃまたは３Ｄに示すように、薄肉部２９を持た
ず、チップ２０の厚みをそのまま利用して構成されてい
る。付加質量８は上記第１実施例と同じように、衝撃強
度を考慮した重量のものが選択され、またその取り付け
位置はチップ２０の下面（図３Ａ，３Ｃ）または上面（
図３Ｂ，３Ｄ）のいずれかに固着される。

【００１５】付加質量をマスに固着した場合、マスの質
量は付加質量が加えられて大きくなり、しかも重心点は
付加質量側に移動する。したがって、センサチップが、
例えば図３Ａに示す水平方向（矢印ａ）の加速度Ｇを受
けたとき、支点Ｏを中心としたねじりモーメントＭを積
極的に発生させ、Ｘ，Ｙ軸方向の加速度を合成値として
検出する。またＺ軸上に付加質量があるため、Ｚ軸方向
の加速度も当然検出される。

【００１６】本実施例によれば、マス２５は４つのカン
チレバー２７によって両持構造で支持されているため、
各カンチレバー２７と周辺厚肉部２４の連結部分に歪み
応力が発生する。この歪み応力を検知するため、各カン
チレバー２７には、図５に示すように、振動感知方向に
並べた歪ゲージｒ１〜ｒ１２が配置されている。この歪
ゲージｒ１〜ｒ１２は電気的に接続され、ブリッジ回路
を構成している。例えば、図５Ａに示す如く、Ｙ方向の
カンチレバーには周辺厚肉部側にｒ３とｒ８、中央厚肉
部側にｒ４とｒ７を、またＸ方向のカンチレバーには周
辺厚肉部側にｒ１とｒ６、中央厚肉部側にｒ２とｒ５が
それぞれ配置されている。これらの歪ゲージは貫通部終
端から等しい距離のカンチレバーに形成されると共に、
各方向の歪ゲージは一直線上に配置される。そして、Ｘ
方向のカンチレバーにおいて、一方には更に周辺厚肉部
側でかつ貫通部寄りにｒ９を、中央厚肉部側でかつ貫通
部寄りにＲＳ１０を，また他方には中央厚肉部の中心点
を対称とする周辺厚肉部側と中央厚肉部側にｒ１１，ｒ
１２がそれぞれ配置されている。

【００１７】上記歪ゲージの配置において、Ｚ方向に加
速度が印加されると、ｒ１，ｒ３，ｒ６，ｒ８の抵抗が
小さくなり、ｒ２，ｒ４，ｒ５，ｒ７の抵抗が大きくな
る。またＸ方向に加速度が印加されると、ｒ３，ｒ４，
ｒ７，ｒ８の抵抗は変わらず、ｒ２とｒ６は小さくなり
、ｒ１とｒ５は大きくなる。同様にＹ方向に加速度が印
加されると、ｒ１，ｒ２，ｒ５，ｒ６は変わらず、ｒ３
とｒ７は小さくなり、ｒ４とｒ８は大きくなる。ところ
で、上記歪ゲージを図５Ｂに示すブリッジ回路に構成し
た場合、Ｘ，ＹおよびＺ方向の加速度に対して図６に示
す出力変化が得られる。ＸＹ方向については出力ＶＸ，
ＶＹにより加速度の方向と大きさが分かる。またＺ方向
についてはＶＸ，ＶＹの出力変化がないときのみ加速度
の方向と大きさが分かる。またｒ９〜ｒ１２を図５Ｃに
示すブリッジ回路に構成した場合、出力ＶＺ１は表１に
示すようにＸ，Ｙ方向の加速度に独立して検出できる。

【００１８】次に上記センサチップの製造方法を説明す
る。複数のチップに球形の付加質量８を位置決めして同
時に接着処理するために、図７に示すように、所定ピッ
チで複数の孔３１が穿設されたマスク３０が用意される
。このマスク３０は、図８に示すように、付加質量８を
固着する側を上にして並べられた複数のチップ（図には
１チップのみ示す）のマス面に孔３１を位置させる。 次いで球形の付加質量８として、例えば直径０．１ｍｍ
の銅ボールやガラスボールをマスク３０の孔３１に入れ
る。そして銅ボール（ニッケルメッキ、ハンダメッキ）
ではハンダ付けにより固着され、またガラスボールでは
アノーディックボンドにより接着される。

【００１９】

【発明の効果】上述のとおり、本発明によれば、マスの
質量が付加質量により増加するため、加速度の検出方向
の感度が向上される。特にマスの重心点を移動させるこ
とにより、ねじりモーメントＭを積極的に発生させ、直
交する２軸方向の加速度を合成値として検出できる。ま
た付加質量を球体としたので、マスとの固着面積が少な
くなり、付加質量の熱膨張による基板への影響を抑える
ことができる。

【００２０】また本発明の製造方法によれば、マス面に
質量部を固着する際に、球形の付加質量を用いることに
よりマスクでの位置決めができるので、ハンダやボンド
による接合が容易となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例である一次元加速度センサ
のセンサチップの基本構成を示す図で、図１Ａ〜１Ｄは
変形例を示すＡーＡ線に沿った断面図である。

【図２】本発明の第２実施例である一次元加速度センサ
のセンサチップの基本構成を示す図で、図２Ａ〜２Ｄは
変形例を示すＡーＡ線に沿った断面図である。

【図３】本発明の第３実施例である一次元加速度センサ
のセンサチップの基本構成を示す図で、図３Ａ〜３Ｄは
変形例を示すＡーＡ線に沿った断面図である。

【図４】第１及び２実施例の歪ゲージ配置及びブリッジ
回路の一例を説明する図である。

【図５】第３実施例の歪ゲージ配置及びブリッジ回路の
一例を説明する図である。

【図６】図５に示すブリッジ回路に構成した場合のＸ，
ＹおよびＺ方向の加速度に対する出力変化を説明する図
である。

【図７】本発明の加速度センサのセンサチップの製造方
法を説明する図である。

【図８】センサチップの製造方法に使用するマスクの平
面図である。

【符号の説明】

１，１０，２０　　センサチップ ２　　歪ゲージ ４，１４，２４　　周辺厚肉部 ５，１５，２５　　中央厚肉部（マス）７，１７，２７
　　カンチレバー ８　　球形の付加質量 ３０　　マスク

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　振動を感知するマスを有するカンチレ
   バーを設け、前記カンチレバーの応力発生部位に歪ゲー
   ジが配置されていると共に、前記マス面に球形の付加質
   量が固着された加速度センサ。
2. 【請求項２】　　振動を感知するマスを有するカンチレ
   バーを設け、前記カンチレバーの応力発生部位に歪ゲー
   ジが配置されている加速度センサであって、球形の付加
   質量の外径より若干大きい径の孔が穿設されたマスクを
   、前記マス面に前記孔を合わせて位置させ、前記孔に球
   形の付加質量を入れて位置決めした後に前記付加質量を
   マス面に固着することを特徴とする加速度センサの製造
   方法。