KR101113011B1 - 가속도 센서 - Google Patents

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KR101113011B1
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마사카츠 사이토
료지 오카다
타카노리 아오노
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히타치 긴조쿠 가부시키가이샤
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Abstract

센서 칩에 가해지는 외란력에 대하여 감도 등의 특성이 변동하기 어려운 가속도 센서를 실현한다. 지지 프레임과 가요성 빔을 사이에 두고 지지 프레임 내에 지지된 추와, 빔에 형성된 반도체 피에조 저항 소자와 이들을 접속하는 배선을 가지고, 피에조 저항 소자의 저항 변화로부터 가속도를 검출하는 가속도 센서이다. 빔의 피에조 저항 소자가 형성된 부분 이외의 부분에 응력 완충부가 형성되어 있다. 응력 완충부가 빔의 길이 중심선과 폭 중심선의 교점에 관하여 대칭이다. 센서 소자에 외란력이 빔 전체가 연장되어 있는 방향으로 가해져도, 응력 완충부에서 외란력을 흡수한다. 빔 전체가 연장되어 있는 방향의 응력이 변화되기 어렵기 때문에, 빔의 변형 용이성도 변화되기 어려워져, 외란력의 영향에 의한 감도의 변화를 저감시킬 수 있다.

Description

가속도 센서{ACCELERATION SENSOR}
본 발명은 자동차, 항공기, 휴대 단말기기, 완구 등에 사용되는 가속도 검출용 반도체 가속도 센서에 관한 것이다.
가속도 센서는 에어백 작동용으로 많이 사용되며 자동차가 충돌하였을 때의 충격을 가속도로서 받아들이고 있었다. 자동차에서는 X축 방향 및/또는 Y축 방향의 가속도를 측정하는 1축 또는 2축 기능으로 충분하였다. 또한, 측정하는 가속도가 매우 크기 때문에, 가속도를 검지하는 가속도 센서 소자도 튼튼하게 제작되고 있다. 최근에는 휴대 단말기기나 로봇 등에도 사용되는 경우가 많아져, 공간의 움직임을 검출하기 위해서 X, Y, Z축 방향의 가속도를 측정하는 3축 가속도 센서가 요구되고 있다. 또한, 미소한 가속도를 검출하기 위해서 고분해능이며, 소형인 것이 요구되고 있다.
가속도 센서는 가요성 빔(beam)의 움직임을 전기신호로 변환하는 방법으로, 피에조 저항형과 정전 용량형, 압전형으로 대별되고, 센서의 출력 크기나 응답 주파수 특성, 내(耐)전자 노이즈, 출력의 직선성, 정지 가속도의 검출, 온도 특성 등을 고려하여 선택된다. 소형이며 고감도의 요구로부터 미세 가공이 필요하기 때문에, 실리콘 기판에 포토리소그래피 기술을 사용하여 형성하고, 반도체 기술로 실리콘에 불순물을 주입하여 피에조 저항을 형성한 반도체 피에조 저항 소자형 3축 가속도 센서가 실용화되어 있다.
반도체 피에조 저항 소자형 3축 가속도 센서에 관하여 출원인은 광범위하게 다수 특허 출원하고 있다. 특허문헌 1 내지 특허문헌 6에서, 추의 형태, 빔의 형태, 반도체 피에조 저항 소자의 배치, 반도체 피에조 저항 소자의 접속, 빔과 지지 프레임의 접합부의 형태 등을 명시하고 있다. 3축 가속도 센서를 분해 사시도로 도 15에, 도 15의 XVI A-XVI A선에 따른 단면도를 도 16a에 도시하고, 또한 그 3축 가속도 센서에 사용하고 있는 가속도 센서 소자를 평면도로 도 16b에 도시한다. 3축 가속도 센서(200)에서, 케이스(190) 내에 가속도 센서 소자(100)와 규제판(180)이 수지 등의 접착재(54)로 소정의 간격으로 접착되어 있다. 가속도 센서 소자(100)의 칩 단자(104)가 와이어(58)로 케이스 단자(192)에 접속되고, 센서의 신호가 외부 단자(194)로부터 추출된다. 케이스 덮개(195)가 예를 들면 AuSn 땜납 등의 접착재(55)로 케이스(190) 위에 접착되어 밀봉되어 있다. 3축 가속도 센서 소자(100)가 사각형인 지지 프레임(10), 추(20) 및 2쌍의 빔(30)으로 구성되고, 추(20)가 2쌍의 빔(30)에서 지지 프레임(10)의 중앙에 보유되어 있다. 빔(30)에 반도체 피에조 저항 소자(31x, 31y, 31z)가 형성되어 있다. 1쌍의 빔에는 X축 반도체 피에조 저항 소자(31x)와 Z축 반도체 피에조 저항 소자(31z)가, 다른 1쌍의 빔에는 Y축 반도체 피에조 저항 소자(31y)가 형성되어 있다. 1쌍의 빔의 4개의 끝에 반도체 피에조 저항 소자를 배치하고, 이들로 브리지 회로를 구성하고 있으므로, 온도 변화 등에 의한 반도체 피에조 저항 소자의 균일한 저항 변화는 취소할 수 있고, 또 브리지 회로의 접속 방법을 바꿈으로써, X축, Y축과 Z축의 가속도를 분리하여 검지할 수 있다. 도 16a에 있어서 추(20)의 하면과 케이스(190)의 내측 저면의 간격(g4)과, 추(20)의 상면과 규제판(180)의 간격(g3)은, 충격 등의 과도한 가속도가 센서에 가해졌을 때, 추(20)의 움직임을 규제하여 빔(30)의 파손을 막는다. 본 발명의 반도체 피에조 저항 소자형 3축 가속도 센서의 기본적인 구조는 이들 특허문헌에 있는 것과 같으므로, 특히 미리 양해가 없는 한 상세한 설명을 생략한다. 이후, 반도체 피에조 저항 소자형 3축 가속도 센서 및 소자를, 단지 가속도 센서 또는 가속도 센서 소자라고 부르는 경우가 있다. 또한, 가속도 센서와 가속도 센서 소자를 같은 뜻으로 사용하는 경우도 있다.
상기 가속도 센서 소자의 제작에는, 빔의 두께를 고정밀도로 가공할 필요가 있으므로, 두꺼운 실리콘층의 표면에, 실리콘 산화막층을 사이에 두고 얇은 실리콘층이 적층된 SOI(Silicon on Insulator) 웨이퍼를 사용하는 것이 일반적이다. 실리콘 산화막층을 에칭 스토퍼로서 사용하여, 얇은 실리콘층에 빔 등의 형태를 가공한 후, 두꺼운 실리콘층에 홈을 가공하여 지지 프레임과 추를 분리하고, 얇은 실리콘층으로 이루어지는 빔에 의해 추가 지지 프레임에 지지된 구조를 제작할 수 있다.
반도체 피에조 저항 소자형 3축 가속도 센서에서는, 추에 노치 부분을 형성하고, 그 노치 부분에 빔을 접속함으로써 소형화와 고감도를 양립시킬 수 있다. 이러한 구조의 가속도 센서에 관하여, 예를 들면 특허문헌 7 내지 특허문헌 10에 기재가 있다. 그 대표적인 구조를 도 17에 사시도로 도시한다. 가속도 센서 소자(100')에서, 추(20')의 빔(30)이 접속하고 있는 부분에 노치(22)를 형성하고, 노치(22)의 안쪽 깊숙이에서 추(20')에 빔(30)이 접속하고 있다. 따라서, 추(20')를 지지 프레임(10)의 내부 가득 차게 형성하여도, 빔(30)을 노치(22)의 길이만큼 길게 할 수 있고, 작은 면적이라도 감도가 높은 센서를 얻을 수 있다.
특허문헌1:특개2003-172745호공보 특허문헌2:특개2003-279592호공보 특허문헌3:특개2004-184373호공보 특허문헌4:특개2006-098323호공보 특허문헌5:특개2006-098321호공보 특허문헌6:WO2005/062060A1 특허문헌7:특개평11-214705호공보 특허문헌8:특개2002-296293호공보 특허문헌9:특개2003-101032호공보 특허문헌10:특개평9-237902호공보 특허문헌11:특개평3-2535호공보 특허문헌12:특개평10-170380호공보 특허문헌13:특개2000-46862호공보
도 15에 도시한 가속도 센서(200)에서는, 가속도 센서 소자(100)를 구성하고 있는 센서 칩을 케이스에 접착하는 접착재의 경화 수축, 케이스와 센서 칩의 열팽창 계수의 차이에 의한 열 변형, 센서를 실장 기판에 실장한 후에 실장 기판이 굴곡되는 등에 의해, 센서 칩에 외력이 가해진다. 외력이 가해지면 센서 칩의 빔에, 빔이 연장되어 있는 방향의 응력이 발생한다. 예를 들어 센서 칩에 상측 방향으로 볼록하게 굴곡하는 힘이 작용하면 빔에는 인장 응력이, 하측 방향으로 볼록하게 굴곡되었을 때에 빔에 압축 응력이 걸린다. 빔에 빔이 연장되어 있는 방향의 응력이 걸리면, 빔의 변형 용이성이 변화되기 때문에, 단위 가속도당의 피에조 저항 소자의 응력 변화가 바뀌고, 센서 감도가 변화될 우려가 있다.
특허문헌 11에는, 가속도 센서 칩을 웨이퍼 레벨 패키징 기술을 사용하여 패키징한 구조가 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 12에는, 반도체 센서를 수지 몰딩하는 기술이 개시되어 있다. 이들의 기술을 사용함으로써, 도 18의 단면도에 도시하는 바와 같은 웨이퍼 레벨 패키징을 행하여 수지로 몰딩한 가속도 센서(300')가 검토되어 있다. 가속도 센서 소자(100')의 상하로부터 상부 캡 칩(150) 및 하부 캡 칩(160)을 접합하고, 가속도 센서 소자(100')의 가동부를 기밀 밀봉한 MEMS 가속도 센서 조립체(170')를 구성하고 있다. 가속도 센서 소자(100')의 전극 패드(174)는 상부 캡 칩(150)에 노출되어 있고, 와이어 본딩할 수 있도록 되어 있다. 전극 패드(174)와 외부 단자(56)를 와이어(58)로 와이어 본딩하여 전기적으로 접속한 후, 몰드 수지(60)로 밀봉하면 수지 패키지된 가속도 센서가 얻어진다.
특허문헌 11의 가속도 센서에서는, 센서 칩과 캡 칩은 같은 재료를 사용하여 열 팽창 차이가 없도록 하고 있지만, 센서 칩과 캡 칩의 표면에 형성된 절연막 및 금속막 때문에 휘어짐 변형이 발생하므로, 캡 칩의 접합 시에 센서 칩에 외력이 걸리고, 빔이 연장되어 있는 방향의 응력이 변화될 우려가 있다. 또한, 도 18에 도시한 수지 패키지에 조립하였을 때에도, 몰드 수지의 경화 수축과 열팽창 계수 차이에 의한 열 변형이 영향을 주고, 또 실장 후에는 실장 기판의 굴곡 때문에, 센서 칩에 외력이 걸려 감도가 변화될 우려가 있다. 특허문헌 13에 감도에 영향을 주는 외력의 변화를 저감하기 위해서, 빔의 대략 중앙에 한쪽으로 돌출한 볼록 형상의 굴곡부를 형성하고, 이 굴곡부의 돌출이 다른 방향이 되도록 2개의 빔을 형성하는 것이 개시되어 있다. 2개의 빔을 형성하고 있기 때문에, 지지 프레임과 추의 중심선과 빔의 중심선이 동일선 상에 없어 대칭성이 부족하여, 외력의 완화는 충분하지 않았다. 또한, 지지 프레임과 접속하는 빔의 중심선과, 추와 접속하는 빔의 중심선을 이동시켜 배치하여 그 사이를 빔으로 연결하는 형상이 개시되어 있지만, 지지 프레임과 추의 중심선에 관하여 대칭성이 부족한 구조로 되어 있기 때문에, 외력의 완화는 충분하지 않았다. 특히, 도 18에 도시하는 바와 같은 수지 몰딩을 한 가속도 센서에서는, 가해지는 외력이 크기 때문에, 감도 변화를 저감하는 것이 어려웠다.
이상과 같은 과제를 해결하여, 센서 칩에 외력이 가해져도, 센서 감도가 변화되기 어려운 구조를 실현하고, 특성의 변동이 적은 가속도 센서를 실현하는 것이 본 발명의 목적이다.
본 발명의 가속도 센서는, 지지 프레임, 외부로부터 가속도가 인가되었을 때에 지지 프레임에 대하여 움직일 수 있는 추, 추와 지지 프레임을 연결하여 추를 지지하고 있는 복수의 가요성이 있는 빔, 빔이 추 또는 지지 프레임에 연결되어 있는 근처에서 빔 위에 형성된 반도체 피에조 저항 소자(이하, 「피에조 저항 소자」라고 부름.), 및 피에조 저항 소자에 접속되어 빔에 형성된 배선을 가진, 피에조 저항 소자의 저항 변화에 의해 외부로부터 인가된 가속도를 검지하는 가속도 센서 소자를 가진다. 복수의 빔 중, 빔의 두께 방향의 가속도를 검지하는 피에조 저항 소자가 형성되어 있는 빔 각각이 적어도 1개의 응력 완충부를 가진다.
가속도 센서 소자에 외력이 가해지면 X, Y, Z축 방향 모두 가속도 검지 감도가 변화하지만, 특히 Z축 방향의 가속도 검지 감도가 영향을 받는다. 가속도 센서 소자의 상면을 X-Y면으로 하면, Z축은 빔의 두께 방향이며, 외란력을 받아서 휘어짐이 그 방향으로 생기므로, X,Y축 방향보다도 약 1자리수 큰 감도 변화를 발생한다. 따라서, 적어도 Z축의 가속도를 검지하는 피에조 저항 소자가 형성된 빔에 응력 완충부를 형성한다. Z축 이외의 빔에도 응력 완충부를 형성할 수 있다. 가속도 센서에 가해지는 본래 측정해야 할 외력과, 감도 변화를 가져오는 외력을 구별하기 위해서, 측정해야 할 가속도를 부여하는 외력을 외력, 불필요한 외력을 외란력이라고 부른다.
빔에 응력 완충부를 형성한다는 본 발명의 개념을, X, Y, Z축 중 어느 1축을 측정할 수 있는 1축 가속도 센서, X, Y, Z축 중 어느 2축을 측정할 수 있는 2축 가속도 센서, X, Y, Z축 모두를 측정할 수 있는 3축 가속도 센서의 어느 것이라도 적용할 수 있다.
가속도 센서 소자에 외란력이 가해져 빔에 빔이 연장되어 있는 방향으로 잡아당기거나 또는 압축하는 힘이 가해져도, 빔에 응력 완충부가 형성되어 있으면, 응력 완충부에서 그 힘을 흡수할 수 있다. 응력 완충부에서 외란력을 흡수하므로, 빔이 연장되어 있는 방향으로 가해지는 응력이 변화되기 어려워져 빔의 변형 용이성도 변화되기 어려워진다. 그래서, 가속도 센서 소자의 특히 빔에 가해지는 외란력에 의한 감도의 변화를 저감시킬 수 있다. 응력 완충부가 없는 종래의 가속도 센서에서는, 외란력에 의해 Z축의 감도가 20 내지 50% 변화하는 경우가 있었지만, 응력 완충부가 형성되어 있으면 Z축의 감도 변화를 1자리수 가까이 낮출 수 있다.
본 발명의 가속도 센서에서, 응력 완충부가 형성되어 있는 빔의 피에조 저항 소자가 형성된 영역 외의 빔 위에 응력 완충부가 형성되어 있고, 빔이, 빔의 길이 중심선과 빔의 폭 중심선의 교점에 관하여 대칭인 것이 바람직하다.
가속도 센서 소자를 보유하는 보호 케이스로서, 세라믹 또는 금속으로 제작된 상자모양의 바닥과 덮개로 나누어진 케이스를 사용하고, 그 중에 가속도 센서 소자를 밀봉한 가속도 센서로 할 수 있다. 또는, 보호 케이스로서 웨이퍼 레벨 패키지를 행한 가속도 센서 소자를 몰드 수지에 의해 밀봉한 수지 패키지 가속도 센서를 사용할 수 있다.
빔에 형성된 적어도 1개의 응력 완충부가, 빔의 길이 중심선과 빔의 폭 중심선에 관하여 대칭으로 배치되어 있는 것이 바람직하다. 복수개의 응력 완충부의 배치 간격을, 빔의 길이와 응력 완충부의 치수를 고려하여 정할 수 있다.
응력 완충부가 형성된 빔이, 추와 응력 완충부를 연결하고 있는 제 1 부분과, 지지 프레임과 응력 완충부를 연결하고 있는 제 2 부분을 가지고, 제 1 부분과 제 2 부분이 빔 전체가 연장되어 있는 방향으로 연장되어 이들이 실질적으로 동일한 두께를 하고 있다. 빔의 제 1 부분과 제 2 부분이 빔에 외부로부터 인가된, 빔 전체가 연장되어 있는 방향의 응력에 의해 동일한 방향으로 굴곡되는 것이 바람직하다.
가속도 센서 소자가 외란력을 받아 빔이 변형할 때, 추와 응력 완충부 사이에 있는 빔의 제 1 부분의 길이가 지지 프레임과 응력 완충부 사이에 있는 제 2 부분의 길이에 일치하면, 응력 완충부를 끼운 빔의 제 1 부분과 제 2 부분의 변형이 대칭으로 된다. 빔의 제 1 부분과 제 2 부분의 변형을 대칭으로 함으로써, 빔의 양단 근처에 배치된 피에조 저항 소자에 가해지는 응력 변화를 일치시키기 쉽다. 빔의 양단 근처에 배치된 피에조 저항 소자가 대략 같도록 저항 변화함으로써, 외란력에 의한 저항 변화의 차이를 작게 할 수 있다. 저항의 변화가 같고, 밸런스가 변화하지 않으면, 브리지 회로의 출력이 변화하지 않으므로, 가속도 센서 소자에 가해지는 외란력에 의한 출력 변화를 작게 할 수 있다.
빔의 표면에는 알루미나 또는 산화 실리콘의 절연막, 금속 배선 등이 형성되어 있고, 빔과 이들 다른 재료가 다른 영률(Young's modulus) 및 열팽창 계수를 가지므로, 빔이 두께 방향으로 휘어지는 응력을 원래 가지고 있다. 1개의 연속된 재료로 빔이 구성되어 있으면, 빔의 어떤 부분이 응력이 가해지고 있는 방향과 반대로 휘어진다. 이러한 형태는 불안정하며, 빔이 연장되어 있는 방향으로 외란력이 가해졌을 때의 감도 변화를 조장한다. 응력 완충부가 비틀림 변형함으로써, 응력 완충부를 휘어짐의 곡률의 불연속점으로 하고, 응력 완충부의 양측에 있는 빔의 제 1 부분과 제 2 부분이 응력이 가해지고 있는 방향으로 휘어진 형상으로 할 수 있고, 빔의 변형이 안정하게 되어 외란력에 의한 감도 변화를 작게 할 수 있다. 응력 완충부의 비틀림 효과의 크기에 따라서는, 빔의 응력 완화층과의 접속부의 근처에서는, 응력이 가해지고 있는 방향과 반대의 휘어짐으로 되는 부분이 생기지만, 빔의 대부분이 자연스러운 휘어짐으로 됨으로써, 불안정한 변형을 해소하는 효과를 충분히 기대할 수 있다.
본 발명의 가속도 센서에서, 응력 완충부가, 추에 접속된 끝과 반대에 있는 빔의 제 1 부분의 끝과, 지지 프레임에 접속된 끝과 반대에 있는 빔의 제 2 부분의 끝이 접속되고, 중앙에 개구를 가지는 프레임일 수 있다.
프레임을 가진 응력 완충부를 빔에 형성함으로써, 빔 전체가 연장되어 있는 방향에 걸리는 외란력을 흡수할 수 있다. 프레임을 가진 응력 완충부의 변형으로 빔이 연장되어 있는 방향으로 신축하는 응력을 흡수하고, 프레임을 가진 응력 완충부가 비틀어짐으로써 응력 완충부의 양측에 있는 빔의 제 1 부분과 제 2 부분이 빔의 두께 방향으로 굴곡되는 변형이 쉬워진다. 프레임을 가진 응력 완충부가 변형함으로써, 빔이 연장되어 있는 방향에 걸리는 외란력에 대하여, 빔이 연장되어 있는 방향의 응력이 변화하기 어려워져, 감도 변화를 작게 할 수 있다. 프레임을 가진 응력 완충부를 사용함으로써, 빔이 그 폭 방향으로 굴곡되는 변형을 막을 수 있다.
본 발명의 가속도 센서에서, 프레임을 가진 응력 완충부가 사각형, 짝수변을 가진 다각형, 원형, 타원형 및 이들의 변형일 수 있다.
프레임은 액자와 같이 외측 가장자리와 내측 가장자리를 가지는 형태를 하며, 외측 가장자리의 형태와 내측 가장자리의 형태는 대략 서로 비슷하다. 대략 비슷하다란, 가장자리 폭이 장소에 따라 다를 수 있고, 예를 들어 외측 가장자리를 정사각형으로 내측 가장자리를 직사각형으로 할 수 있다. 사각형에는 직사각형, 정사각형, 평행사변형을 포함한다. 다각형은 짝수 변을 가지는 것이 바람직하고, 홀수 변을 가지는 삼각형이나 오각형은 변형이나 비틀림이 균등하게 되지 않기 때문에 사용하는 것은 바람직하지 않다. 다각형의 모서리부에, 곡률을 형성할 수 있다. 원형은 빔이 연장되어 있는 방향으로 신축하는 변형은 하기 어렵지만, 비틀어짐으로써 빔의 두께 방향으로 굴곡되는 변형을 쉽게 하는 효과를 기대할 수 있다. 타원형은 프레임의 변형과 비틀어짐을 발생시킬 수 있기 때문에, 원형보다 효율이 좋다. 또한, 외측 가장자리가 원형이며 내측 가장자리가 타원형 또는 이들의 반대 조합으로 하면, 직선부를 가지지 않는 응력 완충부를 형성할 수 있다. 변형이란, 예를 들어 사각형의 대향하는 변이 내측에 곡률을 가진 북형(鼓型)이나, 직선과 곡선이 조합된 경기트랙 형상 등이다.
본 발명에 사용한 프레임으로 된 응력 완충부가, 추에 접속되어 있는 끝과 반대에 있는 응력 완충부가 형성되어 있는 빔의 제 1 부분의 끝에 접속되고, 빔의 폭 방향으로 연장되는 제 1 프레임 변과, 지지 프레임에 접속되어 있는 끝과 반대에 있는 빔의 제 2 부분의 끝에 접속되고, 빔의 폭 방향으로 연장된 제 2 프레임 변과, 이들 제 1 및 제 2 프레임 변의 끝들을 연결하여, 빔 전체가 연장되어 있는 방향으로 연장된 제 3 및 제 4 프레임 변으로 이루어지는 사변형 프레임인 것이 바람직하다.
본 발명에서, 프레임으로 된 응력 완충부가 가지는, 제 3 및 제 4 프레임 변 사이의 내측 거리가, 응력 완충부가 형성되어 있는 빔의 폭보다도 큰 것이 바람직하다.
제 3 및 제 4 프레임 변 사이의 내측 거리가 빔의 폭보다 큰 것이 중요하다. 프레임의 외측의 폭이 빔 폭과 같고 내측의 폭이 빔 폭보다 작은, 즉 빔에 사각형의 구멍을 형성한 것으로는, 변형을 거의 기대할 수 없기 때문에 응력 완충부로서의 효과가 없다. 빔 폭의 측편 모서리보다도 외측에 응력 완충부의 프레임 변의 내측 모서리를 배치함으로써, 변형이나 비틀림이 발생하기 쉬워져 응력 완화 효과를 나타낼 수 있다.
본 발명에서 사용한 프레임으로 된 응력 완충부가 가지는, 제 1 및 제 2 프레임 변 각각과, 제 3 및 제 4 프레임 변 각각과, 응력 완충부가 형성되어 있는 빔이 서로 폭에서 다른 것이 바람직하다. 또한, 상기 응력 완충부가 가지는 프레임 변 각각이, 응력 완충부가 형성되어 있는 빔보다도 얇은 것이 바람직하다.
본 발명의 가속도 센서에서, 복수의 빔 중, 빔의 두께 방향의 가속도를 검지하는 반도체 피에조 저항 소자가 형성되어 있는 빔 각각이 복수의 응력 완충부를 가지는 경우에는, 복수의 응력 완충부가 형성된 빔이, 추와 응력 완충부를 연결하고 있는 제 1 부분과, 지지 프레임과 다른 응력 완충부를 연결하고 있는 제 2 부분과, 복수의 응력 완충부 중 인접한 2개를 연결하고 있는 적어도 1개의 제 3 부분을 가진다. 제 1, 제 2 및 제 3 부분이 빔 전체가 연장되어 있는 방향으로 연장되고, 실질적으로 동일한 두께를 하고 있다. 복수의 응력 완충부 각각이, 제 1 부분 또는 제 2 부분과 1개의 제 3 부분의 사이, 또는 2개의 제 3 부분 사이에 형성되고, 제 3 부분의 한쪽 끝과, 추 또는 지지 프레임에 접속된 끝과 반대에 있는 제 1 부분 또는 제 2 부분의 끝 또는 다른 제 3 부분의 한쪽 끝이 접속되고, 중앙에 개구를 가지는 프레임일 수 있다.
그리고, 복수의 응력 완충부 각각이, 추에 접속되어 있는 끝과 반대에 있는 복수의 응력 완충부가 형성되어 있는 빔의 제 1 부분의 끝 또는 빔의 제 3 부분의 한쪽 끝에 접속되고, 빔의 폭 방향으로 연장된 제 1 프레임 변과, 제 3 부분의 한쪽 끝 또는 지지 프레임에 접속되어 있는 끝과 반대에 있는 빔의 제 2 부분의 끝에 접속되고, 빔의 폭 방향으로 연장된 제 2 프레임 변과, 이들 제 1 및 제 2 프레임 변의 끝들을 연결하여, 빔 전체가 연장되어 있는 방향으로 연장된 제 3 및 제 4 프레임 변으로 이루어지는 사변형 프레임일 수 있다.
본 발명의 가속도 센서에서, 응력 완충부가, 빔의 제 1 부분과 제 2 부분의 사이에 있고, 추에 접속된 끝과 반대에 있는 제 1 부분의 끝으로부터, 지지 프레임에 접속된 끝과 반대에 있는 제 2 부분의 끝에 연속하여 꾸불꾸불하게 접속된 변으로 구성되어 있을 수 있다.
그 꾸불꾸불하게 접속된 변이, 추에 접속되어 있는 끝과 반대에 있는 응력 완충부가 형성되어 있는 빔의 제 1 부분의 끝에 접속되고, 빔의 폭 방향으로 연장된 제 1 변과, 지지 프레임에 접속되어 있는 끝과 반대에 있는 빔의 제 2 부분의 끝에 접속되고, 빔의 폭 방향에서 제 1 변과 반대로 연장된 제 2 변과, 제 1 변의 외측단으로부터 빔 전체가 연장되어 있는 방향으로 연장된 제 3 변과, 제 2 변의 외측단으로부터 빔 전체가 연장되어 있는 방향으로 연장된 제 4 변과, 제 1 변을 제 1 부분에 접속하고 있는 점과 제 2 변을 제 2 부분에 접속하고 있는 점의 중앙에 있어서의 빔의 폭 방향으로 그은 선 상에 있으며, 제 3 변과 제 4 변의 끝 끼리를 접속하고 있는 제 5 변으로 이루어질 수 있다.
꾸불꾸불하게 접속된 변을 가지는 응력 완충부를 빔에 형성함으로써, 빔 전체가 연장되어 있는 방향에 걸리는 외란력을 흡수할 수 있다. 빔 전체가 연장되어 있는 방향으로 신축하는 응력을 응력 완충부의 변의 변형으로 흡수하고, 응력 완충부가 비틀어짐으로써 응력 완충부의 양측에 있는 빔의 제 1 부분과 제 2 부분이 빔의 두께 방향으로 굴곡되기 쉬워진다. 응력 완충부의 변이 변형함으로써, 빔 전체가 연장되어 있는 방향에 걸리는 외란력에 대하여, 빔 전체가 연장되어 있는 방향의 응력이 변화되기 어려워져, 감도 변화를 작게 할 수 있다. 꾸불꾸불하게 접속된 변을 가지는 응력 완충부는 프레임을 가진 것과 비교하여 빔 전체가 연장되어 있는 방향으로 신축하는 응력의 흡수 효과가 크다. 꾸불꾸불하게 접속된 변을 일 방향인 것만으로 하면 빔의 폭 방향의 굴곡이 발생하기 쉽지만, 폭 방향에 서로 반대 방향으로 돌출한 꾸불꾸불하게 접속된 변으로 함으로써, 일 방향으로 치우친 변형을 방지할 수 있다.
본 발명의 가속도 센서가, 복수의 빔 중, 빔의 두께 방향의 가속도를 검지하는 피에조 저항 소자가 형성되어 있는 빔 각각이 복수의 응력 완충부를 가질 수 있다. 복수의 응력 완충부가 형성된 빔이, 추와 응력 완충부를 연결하고 있는 제 1 부분과, 지지 프레임과 다른 응력 완충부를 연결하고 있는 제 2 부분과, 복수의 응력 완충부 중 인접한 2개를 연결하고 있는 적어도 1개의 제 3 부분을 가지고, 제 1, 제 2 및 제 3 부분이 빔 전체가 연장되어 있는 방향으로 연장되고, 이들이 동일한 두께를 하고 있다. 복수의 응력 완충부 각각이, 빔의 제 1 부분 또는 제 2 부분과 1개의 제 3 부분의 사이, 또는 2개의 제 3 부분 사이에 형성되고, 1개의 제 3 부분의 한쪽 끝으로부터, 추 또는 지지 프레임에 접속된 끝과 반대에 있는 제 1 부분 또는 제 2 부분의 끝 또는 다른 제 3 부분의 한쪽 끝에 연속하여 꾸불꾸불하게 접속된 변으로 구성되어 있다.
그 꾸불꾸불하게 접속된 변이, 추에 접속되어 있는 끝과 반대에 있는 복수의 응력 완충부가 형성되어 있는 빔의 제 1 부분의 끝 또는 빔의 제 3 부분의 한쪽 끝에 접속되고, 빔의 폭 방향으로 연장된 제 1 변과, 제 3 부분의 한쪽 끝 또는 지지 프레임에 접속되어 있는 끝과 반대에 있는 제 2 부분의 끝에 접속되고, 빔의 폭 방향에서, 제 1 변과 반대로 연장된 제 2 변과, 제 1 변의 외측단으로부터 빔 전체가 연장되어 있는 방향으로 연장된 제 3 변과, 제 2 변의 외측단으로부터 빔 전체가 연장되어 있는 방향으로 연장된 제 4 변과, 제 1 변을 제 1 부분 또는 제 3 부분에 접속하는 점과 제 2 변을 제 3 부분 또는 제 2 부분에 접속하는 점의 중앙에 있어서의 빔의 폭 방향으로 그은 선 상에 있으며, 제 3 변과 제 4 변의 끝들을 접속하고 있는 제 5 변으로 이루어질 수 있다.
꾸불꾸불하게 접속된 변의 수를 많게 하여 필요 이상으로 응력 흡수 효과를 높일 필요는 없다. 꾸불꾸불하게 접속된 변의 수를 늘리면 빔의 길이가 길어지고, 그것에 따라 반도체 피에조 저항 소자를 연결하는 금속 배선의 길이가 길어진다. 금속 배선이 길어지면 전기 저항이 커지기 때문에, 소비 전력의 증가로 연결되므로 바람직하지 않다. 또한, 빔이 과잉으로 유연해져 공진 주파수가 저하하는 등, 바람직하지 않는 부작용이 생길 우려가 있다. 그래서, 최소의 변 개수로 응력 완충부를 형성하는 것이 바람직하다.
응력 완충부로서, 직선의 조합을 대신하여, 대략 S자형과 같이 곡선으로 형성할 수 있다. 또한, 직선과 곡선을 조합한 꾸불꾸불한 변을 사용할 수 있다.
본 발명의 가속도 센서에서, 꾸불꾸불하게 접속된 변 중 제 3 변과 제 4 변 사이의 내측 거리가 응력 완충부가 형성되어 있는 빔의 폭보다도 큰 것이 바람직하다.
본 발명의 가속도 센서에서, 꾸불꾸불하게 접속된 변의 제 1 변과 제 2 변 각각과, 제 3 변과 제 4 변 각각과, 응력 완충부가 형성되어 있는 빔이 서로 폭이 다를 수 있다.
프레임으로 된 응력 완충부의 경우, 프레임 변 폭이 부위에 따라 다를 수 있고, 또 빔의 폭과도 다를 수 있다. 단, 빔의 폭 중심선 및 길이 중심선에 관하여 대칭일 필요가 있다. 대칭을 무너뜨리면, 가속도 센서 소자가 외란력을 받아 응력 완충부가 변형할 때, 응력 완충부를 끼운 좌우의 빔의 제 1 부분과 제 2 부분의 변형이 비대칭으로 되기 쉬워진다. 빔의 변형이 비대칭으로 되면 빔의 양단에 있는 피에조 저항 소자에 걸리는 힘의 밸런스가 무너지고, 브리지의 저항 밸런스가 무너지기 때문에 외란력에 의한 출력 변화를 작게 하는 것이 어려워진다. 꾸불꾸불하게 접속된 변으로 이루어지는 응력 완충부의 경우도 마찬가지이며, 응력 완충부의 중심에 관하여 대칭으로 되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 가속도 센서에서, 꾸불꾸불하게 접속된 변 각각이 응력 완충부가 형성되어 있는 빔보다도 얇은 것이 바람직하다.
응력 완충부의 두께를 빔의 두께보다 얇게 함으로써, 응력 완충 효과를 보다 향상시킬 수 있다. 본 발명과 같은 응력 완충부를 형성하지 않더라도, 빔의 중앙 부분의 빔 두께를 얇게 함으로써, 빔이 굴곡되기 쉬워져 외란력을 흡수하는 효과를 기대할 수 있지만, 빔이 연장되어 있는 방향으로 가해지는 외란력을 빔의 신축으로 흡수할 수 없기 때문에 효과가 작다. 빔의 중앙 부분의 빔 두께를 얇게 하는 것으로는 프레임 또는 꾸불꾸불함을 가진 응력 완충부에 비하여, Z축의 감도 변화를 억제하는 효과가 떨어지고, 종래의 응력 완충부가 없는 가속도 센서의 약 20 내지 50%의 Z축의 감도 변화를, 반분 정도까지 낮추는 정도의 효과밖에 얻어지지 않는다. 그러나, 프레임 또는 꾸불꾸불함을 가진 응력 완충부를 얇게 함으로써, 보다 큰 응력 완충을 기대할 수 있다. 그러나, 응력 완충부의 두께를 얇게 하면, 제조 면에서 공정 수가 늘어나게 되어, 제조상으로는 그다지 바람직하지 않다. 빔과 동일한 두께로 프레임 또는 꾸불꾸불함을 가진 응력 완충부를 형성하는 경우는, 포토리소그래피의 마스크를 변경하는 것만으로 대응할 수 있으므로, 제조 공정수가 증가하는 일은 없다.
프레임을 가진 응력 완충부에 형성된 금속 배선이, 응력 완충부가 형성된 빔의 폭 중심선에 관하여 대칭인 것이 바람직하다.
피에조 저항 소자 사이를 접속하고 있는 금속 배선, 특히 빔의 추측의 연결목부에 형성되어 있는 피에조 저항 소자로부터 인출된 금속 배선이, 빔 위를 통과하여 지지 프레임 상으로 인출된다. 금속 배선에 의해 발생하는 응력의 영향을 빔의 길이 중심선 및 폭 중심선에 관하여 대칭인 것이 바람직하다. 짝수개의 금속 배선이 빔 위에 배치되어 있는 경우, 프레임을 가진 응력 완충부의 2개의 프레임 변 각각에 같은 수의 금속 배선이 형성되어 있는 것으로써, 가속도 센서 소자가 외란력을 받아 응력 완충부가 변형할 때, 응력 완충부를 끼우고 있는 좌우에 있는 제 1 부분과 제 2 부분의 변형이 대칭으로 되어 쉬워진다. 그 효과로, 빔의 양단에 있는 피에조 소자에 걸리는 힘도 같아지고, 브리지를 형성하여도 저항 밸런스가 크게 무너지는 일이 없어, 외란력에 의한 출력 변화를 작게 할 수 있다.
본 발명의 가속도 센서에서, 반도체 피에조 저항 소자에 접속되어 있지 않는 더미의 금속 배선을 프레임을 가진 응력 완충부의 프레임 변에 형성하고, 빔의 폭 중심선에 관하여 금속 배선을 응력 완충부의 양 프레임 변 위에 대칭으로 배치하는 것이 바람직하다.
홀수개의 금속 배선이 빔 위에 형성되어 있는 경우, 중앙의 1개를 2개로 분할 분기하여 프레임을 가진 응력 완충부의 각각의 프레임 변 위의 금속 배선수를 동일하게 하여 대칭으로 할 수 있다. 1개의 금속 배선을 2개로 분기할 때, 분기된 금속 배선의 폭이 분기 전의 금속 배선의 폭과 같은 것이 바람직하다. 금속 배선을 2 분할하면, 금속 배선 폭이 좁아지기 때문에 금속 배선의 단선의 위험이 증가한다. 또한, 분할 분기를 행하지 않고 예를 들어 2개와 1개로 하여, 1개측에 반도체 피에조 저항 소자에 접속하지 않은 더미 배선을 형성함으로써, 프레임의 구조를 대칭으로 할 수 있다.
본 발명의 가속도 센서에서, 응력 완충부가 형성된 빔의 제 1 부분과 제 2 부분 각각이, 추 또는 지지 프레임에 제 1 또는 제 2 부분을 접속하고 있는 제 1 연결목부와, 응력 완충부에 제 1 또는 제 2 부분을 접속하고 있는 제 2 연결목부와, 제 1 연결목부로부터 제 2 연결목부까지 폭이 점차 바뀌고 있는 폭 변화부로 이루어지고, 제 1 연결목부가 상기 빔이 갖는 피에조 저항 소자를 가지고, 제 1 연결목부의 폭(W32a)이, 제 1 및 제 2 프레임 변 각각의 빔 전체가 연장되어 있는 방향의 폭(W6)보다도 큰 것이 바람직하다.
응력 완충부는 외력이 걸렸을 때에 변형하여 빔 전체가 연장되어 있는 방향으로 가해지는 외란력을 흡수하므로, 빔 전체가 연장되어 있는 방향으로 가해지는 외란력에 의해 변형하기 쉬운 형태인 것이 바람직하다. 응력 완충부의 프레임 변의 중 빔의 폭 방향으로 연장되어 있는 프레임 변이, 폭이 좁고 길이가 길수록 변형하기 쉽다. 피에조 저항 소자가 형성되어 있고, 많은 금속 배선이 형성되어 있는 제 1 연결목부와 비교하여, 응력 완충부의 프레임 변은 분기된 금속 배선이 형성되어 있기 때문에 폭을 좁힐 수 있다. 프레임 변의 폭을 좁게 함으로써, 빔 전체가 연장되어 있는 방향으로 가해지는 외란력에 의해 프레임 변이 변형하기 쉬워져, 응력 완충부에 의한 응력 완충 효과를 높일 수 있다.
본 발명의 가속도 센서에서, 제 1 연결목부의 폭(W32a)이, 제 2 연결목부의 폭(W32b)보다도 크고, 제 2 연결목부의 폭(W32b)이 제 1 및 제 2 프레임 변 각각의 빔 전체가 연장되어 있는 방향의 폭(W6)보다도 큰 것이 보다 바람직하다.
빔의 제 1 연결목부와 제 2 연결목부에 같은 개수의 금속 배선이 형성되어 있다. 그러나, 제 1 연결목부에는, 피에조 저항 소자를 형성하고, 피에조 저항 소자 사이를 접속하기 위해서 고농도로 이온을 주입하여 도전성을 높인 P형 배선 및 금속 배선을 형성하므로, 빔의 제 2 연결목부의 폭(W32b)보다도 제 1 연결목부의 폭(W32a)을 넓게 할 필요가 있다. 즉, 제 1 연결목부보다도 제 2 연결목부의 폭을 좁게 할 수 있다. 그래서, 제 1 연결목부보다도 폭이 좁은 제 2 연결목부를 형성하고, 제 2 연결목부와 응력 완충부를 접속함으로써, 응력 완충부의 치수를 바꾸지 않아도, 빔의 폭 방향으로 연장되어 있는 프레임 변의 길이를 제 2 연결목부를 좁힌 만큼 길게 할 수 있다. 이것은, 실질적으로 응력 완충부를 빔의 폭 방향으로 신장하게 된다. 응력 완충부를 추와 접촉하지 않도록 형성할 필요가 있기 때문에, 응력 완충부의 빔의 폭 방향의 폭을 크게 하면, 추로부터 추출하고 있는 빔의 부분에서 추에 형성한 노치의 폭을 빔에 형성한 응력 완충부의 폭보다도 크게 할 필요가 있으므로, 그 만큼 추의 체적이 감소하여 감도가 저하한다. 프레임 변의 폭(W6)＜제 2 연결목부의 폭(W32b)＜제 1 연결목부의 폭(W32a)의 관계를 만족시킴으로써, 추의 체적을 감소시키지 않고, 응력 완충부에 의해 응력 완충 효과를 보다 높일 수 있다.
본 발명의 가속도 센서가 꾸불꾸불하게 접속된 변으로 이루어지는 응력 완충부를 가지고 있는 경우, 응력 완충부가 형성된 빔의 제 1 부분과 제 2 부분 각각이, 추 또는 지지 프레임에 제 1 또는 제 2 부분을 접속하고 있는 제 1 연결목부와, 응력 완충부에 제 1 또는 제 2 부분을 접속하고 있는 제 2 연결목부와, 제 1 연결목부로부터 제 2 연결목부까지 폭이 점차 바뀌고 있는 폭 변화부로 이루어지고, 제 1 연결목부가 빔이 갖는 반도체 피에조 저항 소자를 가지고, 제 1 연결목부의 폭(W32a)이, 제 1 및 제 2 변 각각의 빔 전체가 연장되어 있는 방향의 폭(W6')보다도 큰 것이 바람직하다.
또한, 제 1 연결목부의 폭(W32a)이, 제 2 연결목부의 폭(W32b)보다도 크고, 제 2 연결목부의 폭(W32b)이 제 1 및 제 2 변 각각의 빔 전체가 연장되어 있는 방향의 폭(W6')보다도 큰 것이 바람직하다.
꾸불꾸불하게 접속된 변으로 이루어지는 응력 완충부의 경우, 빔의 제 1 연결목부와 제 2 연결목부 각각에 같은 수의 금속 배선이 형성되어 있다. 그러나, 제 1 연결목부에는 피에조 저항 소자를 형성하고 있는 동시에, 피에조 저항 소자 사이를 접속하기 위해서 고농도로 이온을 주입하여 도전성을 높인 P형 배선과 금속 배선을 형성할 필요가 있으므로, 제 2 연결목부보다도 빔의 제 1 연결목부의 폭을 넓게 할 필요가 있다. 즉, 제 1 연결목부보다도 제 2 연결목부의 폭을 좁게 할 수 있다. 그래서, 제 1 연결목부의 폭(W32a)보다도 제 2 연결목부의 폭(W32b)을 좁게 함으로써, 응력 완충부의 치수를 유지한 채로, 꾸불꾸불하게 된 응력 완충부의 빔 폭 방향으로 연장된 변을 길게 할 수 있다. 이것은, 실질적으로 응력 완충부를 빔의 폭 방향으로 신장하게 된다. 응력 완충부는 추와 접촉하지 않도록 형성할 필요가 있기 때문에, 응력 완충부를 빔의 폭 방향의 폭을 크게 하면, 추로부터 추출되어 있는 빔의 부분에서 추에 형성한 노치의 폭을 빔에 형성한 응력 완충부의 폭보다도 크게 할 필요가 있으므로, 그만큼 추의 체적이 감소하여 감도가 저하한다. 변의 폭(W6')＜제 1 연결목부의 폭(W32a)의 관계를 만족시킴으로써, 추의 체적을 감소시키지 않고, 응력 완충부에 의한 응력 완충 효과를 보다 높일 수 있다. 또한, 꾸불꾸불하게 접속된 변 중 빔의 폭 방향으로 연장된 변의 폭(W6')을 좁게 함으로써, 빔 전체가 연장되어 있는 방향으로 가해지는 외란력에 대하여 변형하기 쉬워져, 응력 완충 효과를 보다 높게 할 수 있다.
본 발명의 가속도 센서는, 가속도 센서 소자가 2개 이상 동일 칩에 형성된 다중범위 센서 칩(다중 범위(multi range)형 가속도 센서 소자)이며, 다중 범위 센서 칩의 복수의 가속도 센서 소자는, 제 1로부터 제 n 가속도 센서 소자까지 순서대로 단위 가속도당의 출력 전압을 작게 할 수 있다.
가속도 센서 소자는, 가속도가 추에 작용함으로써 빔이 변형하고, 빔에 형성한 피에조 저항 소자에 응력이 발생하여 그 전기 저항이 변화되고, 그것을 전위차(출력 전압)로 변환하여 출력한다. 제 1 내지 제 n 가속도 센서 소자는, 단위 가속도당의 출력 전압이 차례대로 작아지도록 형성하고 있다. 예를 들면 측정 범위 ±3G의 제 1 가속도 센서 소자는, 가속도 1G 당의 출력 전압을 1V로, 측정 범위 300G의 제 n 가속도 센서 소자는, 가속도 1G 당의 출력 전압을 0.01V로 함으로써, 각각의 가속도 센서 소자의 측정 범위에 대응하는 출력 전압의 전체 범위를 ±3V에 맞출 수 있고, 각각 ±3V를 같은 분해능으로 검출하면, 다른 가속도 범위의 각각에서 고정밀도의 검출이 가능하게 된다. 각각의 가속도 센서 소자의 단위 가속도당의 출력은, 측정 범위에 있어서 출력 전압이 직선성을 유지하는 영역으로 되도록 설정한다. 측정 범위가 넓은 센서 소자에 대하여, 단위 가속도당의 출력 전압을 지나치게 높게 설정하면, 측정 범위 내에서 빔의 변형이 비선형의 영역에 이르러, 출력 전압의 직선성이 유지되지 않을 우려가 있다.
제 1 내지 제 n 가속도 센서 소자는, 동일 칩 내에 형성되어 있다. 따라서, 각각의 소자의 형성에 개별의 제조 공정을 필요로 하지 않고, 포토 마스크에 각 소자의 형태를 묘화(描畵)해 두고, 포토리소그래피 및 에칭 공정을 사용하여 일괄적으로 형성함으로써, 저비용으로 제조할 수 있다. 또한, 동일 칩 내의 가속도 센서 소자의 빔이 동일한 두께인 것이 바람직하다. 또한, 추와 지지 프레임이 동일한 두께인 것이 바람직하다. 이들 두께를 각 소자 사이에서 같게 함으로써, 공정의 간략화를 도모할 수 있을 수 있어 저비용으로 제조할 수 있다.
제 1로부터 제 n 가속도 센서 소자까지 순서대로, 추의 질량이 작고, 빔의 길이가 짧고, 및/또는 빔의 폭이 넓은 것이 바람직하다.
제 2 내지 제 n 중 적어도 1개 이상의 가속도 센서 소자가, 지지 프레임과, 쌍으로 된 빔에 의해 지지 프레임에 보유되어 있는 추와, 빔에 형성된 피에조 저항 소자와, 이들을 접속하는 배선을 가지고, 빔이 형성되어 있는 면 내의 제 1 축과, 상기 면에 대략 수직인 제 2 축의 가속도를 검출할 수 있는 2축 가속도 센서 소자 2개를, 제 1 축끼리가 서로 직교하도록 배치되어 있는 것이 바람직하다. 2축 가속도 센서 소자는 쌍을 이루는 빔이 1쌍인 점이 3축 가속도 센서 소자와 다르다. 빔에 형성한 반도체 피에조 저항 소자에 의해, 빔 전체가 연장되어 있는 방향인 제 1 축(X축)의 가속도와, 칩면에 수직인 제 2 축(Z축)의 가속도를 검출할 수 있다. 2축 가속도 센서 소자 2개를 이들의 제 1 축이 직교하도록 배치함으로써, 2개의 소자 각각의 제 1 축 방향인 2축(X, Y축)과, Z축과의 3축의 가속도를 검출할 수 있다. Z축 가속도의 검출은, 2개의 소자의 어느 한쪽에서 행할 수 있다. 또는, 양쪽의 소자를 사용하여 Z축 가속도를 검출할 수 있다. 한편으로, 3축 가속도 센서 소자는, 직교한 2쌍의 빔을 가지고, 각각의 빔 전체가 연장되어 있는 방향인 2개의 축(X, Y축)과, 칩면에 수직인 축(Z축)의 가속도를 검출할 수 있다. Z축 가속도의 검출은, 2개의 빔 쌍의 어느 한쪽에서 행할 수 있다. 또는, 양쪽의 소자를 사용하여 검출할 수 있다.
2축 가속도 센서 소자는, 빔이 1쌍이기 때문에, 빔이 2쌍 있는 3축 가속도 센서 소자보다도 빔의 합계의 굴곡 강성이 작아, 단위 가속도당 같은 출력 전압을 얻기 위해서는 추의 치수를 작게 할 수 있다. 빔도 일 방향으로 밖에 신장되어 있지 않기 때문에, 보다 작은 범위 내에 넣을 수 있다. 2 소자의 합계로는 3축 가속도 센서 소자보다도 면적이 크지만, 제 2 이후의 가속도 센서 소자를 2축 소자 2개로 하고, 가장 치수가 큰 제 1 3축 가속도 센서의 주위에 배치함으로써, 다중 범위 가속도 센서 소자 전체의 치수를 작게 할 수 있다. 즉, 제 1 가속도 센서 소자는 1 소자에서 3축으로 하고, 제 2 가속도 센서 소자 이후의 소자는, 1 소자에서 3축으로 할지, 2축 가속도 센서 소자를 2개로 할지를 선택할 수 있다.
빔이 2쌍 있는 것보다도 1쌍인 쪽이 빔의 합계의 굴곡 강성이 작아지지만, X 및 Y축과, Z축에서는 그 정도가 다르다. X, Y축 방향에 관해서는, 빔이 2쌍인 경우, 1쌍은 굴곡 변형하지만 다른 1쌍은 비틀림 변형한다. 비틀림 변형에서는 강성이 작기 때문에, 빔이 1쌍으로부터 2쌍으로 되는 것에 의한 빔 전체의 강성 증가는, Z축은 2배인 것에 대하여 X, Y축은 10 내지 20% 정도의 증가에 머문다. 따라서, Z축의 검출만을 빔이 1쌍의 가속도 센서 소자에서 행하고, X, Y축을 빔이 2쌍인 다른 1개의 가속도 센서 소자에서 검출하는 구성으로 하여도 좋다. 1개의 가속도 센서 소자에서 X 또는 Y축과 Z축의 감도를 일치시키는 것이 어려운 경우에, X 또는 Y축과, Z축을 별도의 가속도 센서 소자에서 검출함으로써, 개별적으로 치수를 조절할 수 있어, 3축의 감도를 일치시키기 쉽다.
또, 빔형 가속도 센서 소자에서 설명하였지만, 다이어프램형 가속도 센서 소자를 사용할 수도 있고, 다이어프램형과 빔형을 조합할 수도 있다.
본 발명의 가속도 센서에 의하면, 빔에 형성한 응력 완충부에 의해, 빔 전체가 연장되어 있는 방향에 걸리는 외란력을 흡수할 수 있으므로, 가속도 센서 소자에 가해지는 외란력의 영향을 작게 할 수 있다. 외란력의 영향을 작게 함으로써, 가속도 센서의 감도 변화를 작게 할 수 있고, 외란력에 대하여 특성이 안정된 가속도 센서를 제공할 수 있게 되었다.
도 1은 본 발명에 의한 실시예 1의 가속도 센서 소자를 도시하는 평면도.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선에 있어서의 단면도.
도 3은 본 발명에 의한 실시예 1의 가속도 센서 소자의 빔의 상세를 도시하고, 도 3a가 빔의 확대 평면도이며, 도 3b가 빔에 형성되어 있는 프레임을 가진 응력 완충부를 도시하는 평면도이며, 도 3c가 다른 프레임을 가진 응력 완충부를 도시하는 평면도.
도 4a는 빔에 압축 외란력이 가해졌을 때의 응력 완충부의 변형을 모식적으로 도시하는 실시예 1에 사용된 빔의 사시도이며, 도 4b는 빔에 압축 외란력이 가해졌을 때의 응력 완충부의 변형을 모식적으로 도시하는 실시예 1에 사용된 빔의 평면도.
도 5a는 빔에 압축 외란력이 가해졌을 때의 빔의 변형을 모식적으로 도시하는 실시예 1에 사용된 빔의 측면도이며, 도 5b는 빔에 압축 외란력이 가해졌을 때의 빔의 변형을 모식적으로 도시하는 종래의 빔의 단면도.
도 6은 본 발명에 의한 실시예 2에 사용되고 있는 꾸불꾸불하게 접속된 변으로 이루어지는 응력 완충부를 가지는 빔을 도시하는 평면도.
도 7은 본 발명에 의한 실시예 3의 가속도 센서에 사용된 빔을 도시하고, 도 7a는 꾸불꾸불하게 접속된 변으로 이루어지는 2개의 응력 완충부를 가지는 빔의 평면도이며, 도 7b는 도 7a에 도시하는 빔에 압축 외란력이 가해졌을 때의 빔을 도시하는 측면도.
도 8은 실시예 4의 가속도 센서에 사용된 빔을 도시하고, 도 8a는 프레임을 한 3개의 응력 완충부를 가지는 빔의 평면도이며, 도 8b는 도 8a에 도시하는 빔에 압축 외란력이 가해졌을 때의 빔의 변형을 도시하는 측면도.
도 9는 실시예 4의 가속도 센서 소자를 평면도로 도시하고, 도 9a의 가속도 센서 소자에서는 실시예 1에서 설명한 프레임을 가진 응력 완충부가 Z축 방향의 가속도를 검지하는 반도체 피에조 저항 소자를 가지는 빔에만 형성되어 있고, 도 9b의 가속도 센서 소자에서는 실시예 2에서 설명한 꾸불꾸불하게 접속된 변으로 이루어지는 응력 완충부가 Z축 방향의 가속도를 검지하는 반도체 피에조 저항 소자를 가지는 빔에만 형성되어 있는 제 4 실시예의 가속도 센서 소자의 구조를 도시하는 평면도.
도 10a, 도 10b 및 도 10c는 본 발명에 의한 응력 완충부를 적용한 실시예 5의 다중 범위형 가속도 센서 소자를 평면도로 도시하는 도면.
도 11a 내지 도 11h는 실시예 6으로서 다른 형태를 한 응력 완충부의 평면도.
도 12는 실시예 7에서 설명하고 있는, 프레임을 가진 응력 완충부를 형성한 빔 상에 있어서의 피에조 저항 소자, 금속 배선 및 P형 배선의 배치를 도시하는 평면도.
도 13은 실시예 8에서 설명하고 있는, 꾸불꾸불하게 접속된 변으로 이루어지는 응력 완충부를 형성한 빔 상에 있어서의 피에조 저항 소자, 금속 배선 및 P형 배선의 배치를 도시하는 평면도.
도 14는 실시예 9에서 설명하고 있는 수지 몰딩 가속도 센서를 단면도로 도시하는 도면.
도 15는 3축 가속도 센서의 분해 사시도.
도 16a는 도 15의 XVI A-XVI A선에 있어서의 단면도이며, 도 16b는 도 15에 사용되고 있는 가속도 센서 소자의 평면도.
도 17은 종래의 3축 가속도 센서의 가속도 센서 소자의 구조를 도시하는 사시도.
도 18은 종래의 3축 가속도 센서의 수지 패키지 조립 구조를 도시하는 단면도.
이하 도면을 참조하면서 실시예에 기초하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 설명을 알기 쉽게 하기 위해서, 동일한 부품, 부위에는 같은 부호를 사용한다.
실시예 1
본 발명의 실시예 1의 가속도 센서에 대해서 이하 설명한다. 도 1 및 도 2는 실시예 1의 가속도 센서에 사용되고 있는 가속도 센서 소자의 구조를 도시한다. 도 1은 가속도 센서 소자(100a)의 평면도이며, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선에 있어서의 단면도이다. 가속도 센서 소자는, 예를 들면 도 15의 분해 사시도에 도시하는 바와 같이 조립된 가속도 센서(200) 및 도 14에 도시한 캡으로 기밀 밀봉된 후 수지 패키지에 조립된 가속도 센서(300)에 적용할 수 있다. 본 발명은 특히 가속도 센서 소자의 구조에 특징이 있으므로, 이하 가속도 센서 소자에 관하여 상세하게 설명한다.
가속도 센서 소자(100a)에서, 지지 프레임(10)으로 둘러싸인 공간(15)의 중앙에 추(20)가 형성되어 있고, 추(20)의 주위에 있는 각각의 변의 중앙에 노치(22)가 형성되어 있다. 추(20)의 주위의 변에 형성된 노치(22)의 안쪽 깊숙이까지 지지 프레임(10)의 내측 변으로부터 연장된 가요성을 가지는 제 1 빔(30a), 제 2 빔(30b), 제 3 빔(30c), 제 4 빔(30d)(이들을 통합하여 빔(30)으로 참조함.)에 의해서 추(20)가 지지 프레임(10)에 지지되어 있다. 도 1에서, 제 1 빔(30a)과 제 2 빔(30b)이 X축과 Z축 방향의 가속도를 검지하고, 이들 빔(30)의 끝에 X축 가속도 검지용 반도체 피에조 저항 소자(31x)(이하,「X축 피에조 저항 소자(31x)」 또는 「피에조 저항 소자(31x)」로 참조함.)와 Z축 가속도 검지용 반도체 피에조 저항 소자(31z)(이하, 「Z축 피에조 저항 소자(31z)」 또는 「피에조 저항 소자(31z)」라고 부름.)가 형성되어 있다. 제 1 빔(30a)과 제 2 빔(30b)에 수직(Y 방향)으로 배치된 제 3 빔(30c)과 제 4 빔(30d)에 Y축 방향의 가속도를 검지하는 반도체 피에조 저항 소자(31y)(이하, 「Y축 피에조 저항 소자(31y)」 또는 「피에조 저항 소자(31y)」라고 부름.)가 형성되어 있다. Z축 피에조 저항 소자(31z)는, X축과 Y축 중 어느 하나의 빔 위에 배치할 수 있지만, 본 실시예에서는 X축의 제 1 빔(30a)과 제 2 빔(30b) 위에 형성하였다. 피에조 저항 소자(31x, 31y, 31z)(이들을 통합하여 「피에조 저항 소자(31)」로 참조하는 경우가 있음.)는 각각의 축 빔의 연결목부 부근에 형성하였다. 각각의 축의 가속도를 검지하는 4개의 피에조 저항 소자는, 도시하지 않는 금속 배선으로 접속하여 브리지 회로를 구성하였다. 외력에 의해 가속도가 가속도 센서 소자(100a)에 가해지면 추(20)가 변위하고, 빔(30)이 변형함으로써 피에조 저항 소자의 전기 저항이 변화된다. 각각의 축의 가속도를 검지하는 4개의 피에조 저항 소자의 저항 변화량의 차이에 의해 생기는 전위차를 브리지 회로에서 추출함으로써 가속도의 값으로서 검출할 수 있다. 제 1 빔(30a) 내지 제 4 빔(30d) 각각의 길이의 대략 중앙에, 프레임을 가진 응력 완충부(40)가 형성되어 있다. 프레임을 가진 응력 완충부(40)는 프레임의 중앙에 개구(48)를 가진다.
가속도 센서 소자(100a)의 제조를, 도 2를 참조하면서 간단히 설명한다. 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선에 있어서의 단면도이다. 약 400㎛ 두께의 실리콘층에 약 1㎛두께의 실리콘 산화막층과 약 6㎛의 실리콘층을 적층한 SOI 웨이퍼를 사용하였다. 실리콘 산화막층은 건식 에칭의 에칭 스톱층으로서 사용하고, 가속도 센서 소자를 2층인 실리콘층에 형성하였다. 이하, 얇은 실리콘층을 제 1 층(92), 두꺼운 실리콘층을 제 2 층(94)이라고 부르고, 실리콘 산화막층에 접합하고 있지 않는 제 1 층의 표면을 제 1 면(96), 제 2 층의 표면을 제 2 면(97), 실리콘 산화막층을 통한 접속면을 제 3 면(98)이라고 부른다. 피에조 저항 소자의 형태를 포토레지스트로 패터닝하고, 제 1 면(96)에 붕소를 1 내지 3×1018원자/㎤ 주입 피에조 저항 소자를 형성하였다. 제 1 면(96)에 실리콘 산화막을 형성하여 피에조 저항 소자를 보호하였다. 피에조 저항 소자를 접속하는 금속 배선은, 실리콘 산화막 위에 알루미늄계 금속을 스퍼터링하여 형성하였다. 제 1 면(96)에 형성한 실리콘 산화막이 제 1 층의 실리콘과 금속 배선 사이의 절연막으로서도 작용한다. 절연막 및 금속 배선은 포토리소그래피에 의해 원하는 형상으로 가공하였다. 다음에, 제 1 면(96)에 포토레지스트 패턴을 형성한 후, 건식 에칭에 의해 지지 프레임(10), 추(20), 및 빔(30)의 형태로 가공하였다. 또한, 제 2 면(97)에 포토레지스트 패턴을 형성한 후, 건식 에칭에 의해 추(20)와 지지 프레임(10)의 형태를 가공하였다. 제 1 층과 제 2 층 사이에 남은 실리콘 산화막층은, 습식 에칭으로 제거하였다. 1장의 웨이퍼에 다수의 가속도 센서 소자를 형성하기 때문에, 건식 에칭 또는 다이싱에 의해 개편화(個片化)하고, 칩화된 가속도 센서 소자(100a)를 얻었다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 응력 완충부(40)가 피에조 저항 소자가 형성되어 있는 영역 외의 빔 상에서, 빔(30)의 길이의 거의 중앙에 형성되어 있다. 프레임을 가진 응력 완충부(40)를 빔(30)과 마찬가지로 제 1 층(92)에 형성하고, 빔(30)과 동일한 두께로 한다. 도 3a를 참조하여, 프레임을 가진 응력 완충부(40)는, 빔(30)의 폭 방향으로 연장된 2개의 제 1 및 제 2 프레임 변(42a, 42b)과 빔(30)이연장되어 있는 방향으로 연장된 2개의 제 3 및 제 4 프레임 변(42c, 42d)으로 이루어지는 사변형 프레임이며, 프레임의 중앙에 개구(48)를 가진다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선에 있어서의 단면도에서는, 응력 완충부(40)의 프레임에 있는 개구(48)에 의해 빔(30)이 제 1 부분(32)과 제 2 부분(34)으로 나누어져 있다. 응력 완충부(40)는, 도 3a에 도시하는 바와 같이, 빔(30)의 길이 중심선(m-m')과 빔(30)의 폭 중심선(n-n')의 교점(p)에 관하여 대칭으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 외란력을 받아 빔(30)이 변형할 때, 응력 완충부(40)가 빔(30)의 중심에 관하여 대칭으로 형성되어 있으면, 응력 완충부(40)를 끼운 빔의 제 1 부분(32)과 제 2 부분(34)의 변형이 대칭으로 되므로, 빔(30)의 양단에 배치된 피에조 저항 소자(31)의 응력 변화를 일치시키기 쉬워진다. 피에조 저항 소자의 균일한 저항 변화는, 브리지 회로에 의해 취소할 수 있기 때문에, 외란력에 의한 출력 변화를 작게 할 수 있다.
도 3a에 프레임을 가진 응력 완충부(40)를 가지는 빔(30)을 확대하여 도시한다. 응력 완충부(40)가 빔(30)이 연장되어 있는 방향으로의 굴곡 변형과 비틀림 변형을 하기 쉬운 형태를 하고 있으면 외란력의 흡수 효과가 크다. 빔이 연장되어 있는 방향(X 방향)으로 연장된 제 3 프레임 변(42c)과 제 4 프레임 변(42d) 사이의 내측 거리(L1)가 빔(30)의 폭(W30)보다 크다. 응력 완충부(40)가 빔(30)의 길이 중심선(m-m')과 폭 중심선(n-n')의 교점(p)에 관하여 대칭으로 되어 있다. 빔의 폭 방향(Y 방향)으로 연장된 제 1 프레임 변(42a)과 제 2 프레임 변(42b) 사이의 내측 거리(L4)가 18㎛이며, 이들의 외측 거리(L3)가 40㎛, 빔이 연장되어 있는 방향(X 방향)으로 연장되는 제 3 프레임 변(42c)과 제 4 프레임 변(42d) 사이의 내측 거리(L1)가 60㎛이며, 이들의 외측 거리(L5)가 80㎛이었다. 또한, 빔의 폭 방향으로 연장된 제 1 및 제 2 프레임 변(42a, 42b) 각각의 폭(W6)이 11㎛, 빔이 연장되어 있는 방향으로 연장된 제 3 및 제 4 프레임 변(42c, 42d) 각각의 폭(W5)이 11㎛, 또한 빔(30)의 폭(W30)이 22㎛였다. 지지 프레임(10)과 추(20) 사이의 거리, 즉 빔(30)의 길이가 400㎛이며, 빔의 제 1 부분(32)과 제 2 부분(34)이 모두 180㎛ 길이였다.
피에조 저항 소자와 외부로 끌어내기 위한 전극 패드 사이를 접속하고 있는 금속 배선(38a, 38b, 38c)을 도 3b와 도 3c에 부분적으로 도시한다. 빔(30)의 추측의 연결 부위에 형성되어 있는 피에조 저항 소자로부터 인출된 금속 배선이 빔(30) 위를 통과하여 지지 프레임 상으로 인출되고 있다. 금속 배선(38a 내지 38c)에 의해 발생하는 응력이 빔의 길이 중심선(m-m') 및 폭 중심선(n-n')에 관하여 대칭인 것이 바람직하다. 도 3b가 실시예 1의 빔 위에 형성된 금속 배선을 도시하고, 홀수개의 금속 배선의 중앙의 금속 배선(38b)이 상하의 프레임 변으로 분할 배치되어 있다. 도 3c는 실시예 1의 다른 실시형태에서, 한쪽의 프레임 변에 피에조 저항 소자에 접속하고 있지 않은 더미 금속 배선(39)을 형성하고 있다. 각각, 금속 배선이 3개(38a 내지 38c)인 경우를 도시한다. 도 3b에서는, 응력 완충부(40)의, 도면의 상방에 도시하는 프레임 변에 금속 배선(38a)과 분할 배치한 한쪽의 금속 배선(38b)을 배치하고, 응력 완충부(40)의, 도면의 하방에 도시하는 프레임 변에 금속 배선(38c)과 분할 배치한 다른쪽의 금속 배선(38b)을 배치하였다. 도 3c에서는, 응력 완충부(40)의, 도면의 상측에 도시하는 프레임 변에 금속 배선(38a)과 금속 배선(38b)을, 응력 완충부(40)의, 도면의 하측에 도시하는 프레임 변에 금속 배선(38c)과 더미 금속 배선(39)을 형성하였다. 더미 금속 배선(39)의 재질과 배선 폭, 배선 두께는, 금속 배선(38a 내지 38c)과 같았다.
본 실시예의 가속도 센서 소자는, 빔이 연장되어 있는 방향으로 외란력이 가해졌을 때에, 응력 완충부가 외란력을 흡수하므로, 가속도 센서의 검출 감도의 변화를 작게 억제할 수 있었다. 응력 완충부(40)의 작용에 대하여, 이하 도 4와 도 5를 사용하여 상세하게 설명한다. 도 4a는, 빔이 연장되어 있는 방향으로 압축의 외란력이 가해졌을 때의 응력 완충부(40)의 변형을 모식적으로 도시하는 사시도이다. 응력 완충부(40)의 모식 평면도를 도 4b에 도시한다. 프레임을 가진 응력 완충부(40)의, 빔의 각 부분과 접속하고 있는 프레임 변이 굴곡 변형하므로 빔의 제 1 부분(32)과 제 2 부분(34)에 생긴 빔이 연장되어 있는 방향의 압축력을 흡수한다. 도 5a와 도 5b에 빔의 단면 모식도를 도시한다. 도 5a는 실시예 1의 빔(30)의 대략 중앙에 프레임을 가진 응력 완충부(40)를 가지는 빔(30)의 단면 모식도이다. 도 5b는 종래의 추(20)로부터 지지 프레임(10)까지 연속된 빔(12)을 단면 모식도로 도시한다. 도 5a와 도 5b를 비교하면 빔의 변형의 차이를 잘 알 수 있다. 본 실시예의 빔(30)은 도 5a에 도시하는 바와 같이, 프레임을 가진 응력 완충부(40)가 비틀림 변형함으로써, 응력 완충부(40)의 양측에 있는 빔의 제 1 부분(32)과 제 2 부분(34)을 두께 방향으로 굴곡 변형하기 쉽게 하고 있고, 이들이 변형함으로써 보다 압축력을 놓치기 쉽게 하는 효과가 있다. 외란력에 의해 빔이 연장되어 있는 방향으로 인장 또는 압축의 응력이 가해지면, 추에 걸리는 가속도에 의해서 빔의 변형의 용이성이 변화되기 때문에, 단위 가속도당의 센서 출력, 즉 감도가 변화된다. 본 발명의 가속도 센서에서는, 빔이 연장되어 있는 방향으로 외란력이 가해지더라도, 응력 완충부에 의해 그 외란력을 흡수하고, 빔이 연장되어 있는 방향의 응력이 변화되기 어렵게 할 수 있으므로, 외란력에 대하여 감도가 변화되기 어려운 가속도 센서를 얻을 수 있었다.
가속도 센서 소자에서는, 빔의 표면에 절연막이나 배선이 형성되어 있고, 이들은 빔 재료인 실리콘과 열팽창 계수가 다르기 때문에, 절연막이나 배선의 막 형성 온도로부터 상온으로 냉각될 때까지의 온도 변화에 따라서 열 응력을 발생한다. 이 열 응력이 외란력으로 된다. 절연막의 응력 쪽이 지배적이며, 실리콘 산화막은 실리콘보다도 열팽창 계수가 작기 때문에, 빔은 절연막의 어떤 표면측이 볼록하게 되는 방향으로 휘어지기 쉽다. 응력 완충부가 없고 연속된 빔의 경우에는, 빔의 곡률이 연속하고 있으므로, 빔의 어떤 부분(응력의 크기에 따라 다르므로 특별히 지정할 수 없지만)에서는 자연스러운 휘어짐 방향과는 반대 방향으로 휘어진다. 빔의 중앙이 반대의 휘어짐으로 되었을 때는, 도 5b와 같은 하향의 볼록으로 된다. 이 형태는 불안정하며, 가속도가 가해지는 방향에 따라서는, 상향의 볼록 또는 추가 상하로 변위하는 형태로 이행하기 쉽다. 이러한 상태에서 외란력이 변화되면, 빔의 변형의 용이성이 쉽게 변화되므로, 외란력에 의한 감도 변화가 조장된다. 본 실시예의 가속도 센서에서는, 응력 완충부의 비틀림 변형의 효과에 의해, 도 5a에 도시한 바와 같이, 응력 완충부(40)가 변곡점으로 되어 빔의 제 1 부분(32)과 제 2 부분(34)의 대부분이 자연스러운 휘어짐 방향으로 변형한 안정된 형태로 되기 때문에, 다른 변형으로 이행하기 어려워져, 외란력에 의한 감도 변화를 작게 할 수 있다.
실시예 2
본 발명의 실시예 2의 가속도 센서에 대하여 이하 설명한다. 실시예 1과 다른 것은, 응력 완충부가 꾸불꾸불한 구조를 하고 있는 것이다. 실시예 2의 빔 구조를 평면도로 도 6에 도시한다. 빔과 마찬가지로, 응력 완충부가 SOI 웨이퍼의 제 1 층에 형성되어 있으므로, 빔과 동일한 두께이다. 응력 완충부(40')가 복수의 직선의 변을 이들의 끝에서 직각으로 접속한 꾸불꾸불한 구조를 하고 있고, 중심에 관하여 대칭이다. 즉, 응력 완충부(40')가 빔(30)의 길이 중심선(m-m')과 빔(30)의 폭 중심선(n-n')의 교점(p)에 관하여 대칭이다.
도 6을 참조하여, 꾸불꾸불한 응력 완충부(40')를 상세하게 설명한다. 지지 프레임(10)과 추(20) 사이를 연결하고 있는 빔(30)이, 그 빔 중앙에 형성된 응력 완충부(40'), 추(20)와 응력 완충부(40')를 연결하고 있는 빔의 제 1 부분(32), 및 응력 완충부(40')와 지지 프레임(10)을 연결하고 있는 빔의 제 2 부분(34)으로 구성되어 있고, 제 1 부분(32)이 추(20)에 접속하고 있는 근처에서 제 1 부분(32) 위에 피에조 저항 소자(도시하지 않음)가 형성되어 있고, 제 2 부분(34)이 지지 프레임(10)에 접속하고 있는 근처에서 제 2 부분(34) 위에 피에조 저항 소자(도시하지 않음)가 형성되어 있다. 추(20)가 접속되어 있는 끝과 반대의 제 1 부분(32)의 끝으로부터 빔의 폭 방향(Y 방향)으로 제 1 변(42a')이 상향으로 연장되어 있다. 그 변의 상단으로부터 빔이 연장되어 있는 방향(X 방향)으로 상측의 제 3 변(42c')이 빔(30)의 길이 중심선(m-m')까지 연장되어 있다. 다른 한편, 지지 프레임(10)이 접속되어 있는 끝과 반대의 빔의 제 2 부분(34)의 끝으로부터 빔의 폭 방향(Y 방향)으로 제 2 변(42b')이 하향으로 연장되고 있다. 그 제 2 변(42b')의 하단으로부터 빔이 연장되어 있는 방향(X 방향)으로 하측의 제 4 변(42d')이 빔(30)의 길이 중심선(m-m')까지 연장되어 있다. 상측의 제 3 변(42c')의 중심선(m-m') 위에 있는 끝과 하측의 제 4 변(42d')의 중심선(m-m') 위에 있는 끝을 빔의 폭 방향(Y 방향)으로 연장된 제 5 변(42e')이 접속하고 있다. 응력 완충부(40')가 빔이 연장되어 있는 방향으로의 굴곡 변형 및 비틀림 변형을 하기 쉬운 형태를 하고 있으면, 외란력의 흡수 효과가 크다. 꾸불꾸불하게 접속된 변 중 제 3 변(42c')과 제 4 변(42d') 사이의 내측 거리(L1')가 빔(30)의 폭(W30)보다도 크다. 꾸불꾸불하게 접속된 변이 응력 완충부(40')의 중심에 관하여 대칭인 것이 바람직하므로, 각 부분의 치수를 다음과 같이 하였다. 빔이 연장되어 있는 방향으로 연장된 제 3 변(42c')과 제 4 변(42d') 사이의 내측 거리(L1')가 60㎛, 빔의 폭(W30)이 22㎛, 빔의 폭 방향과 상향으로 연장된 제 1 변(42a')과 하향으로 연장된 제 2 변(42b') 사이의 내측 거리(L4')가 46㎛, 동일한 2변 사이의 외측 거리(L3'; 응력 완충부(40')의 길이)가 90㎛, 빔이 연장되어 있는 방향으로 연장된 제 3 변(42c')과 제 4 변(42d') 각각의 폭(W5')이 22㎛, 빔의 폭 방향으로 연장된 제 1 변(42a')과 제 2 변(42b') 각각의 폭(W6')이 22㎛이다. 꾸불꾸불하게 접속된 변 사이의 접속부에 있는 코너에 반경 5㎛의 곡률을 형성하였다.
프레임을 가진 응력 완충부와 마찬가지로, 꾸불꾸불한 응력 완충부가 빔이 연장되어 있는 방향의 굴곡 변형, 및 비틀림 변형을 하기 때문에, 빔에 빔이 연장되어 있는 방향에 걸리는 힘을 흡수할 수 있고, 외란력에 의한 감도 변화를 작게 할 수 있었다. 실시예 1의 프레임을 가진 응력 완충부에서는, 외란력에 대하여 응력 완충부의 프레임이 하나로 되어 전체가 변형하지만, 본 실시예의 꾸불꾸불한 응력 완충부에서는, 양측에 있는 제 3 변(42c')과 제 4 변(42d')의 접속부가 각각 단독으로 변형할 수 있다. 바꿔 말하면, 꾸불꾸불하게 접속된 변이 빔을 2개소로 나누고 있기 때문에, 외란력의 흡수 효과를 크게 할 수 있다. 그 한편, 빔 폭 방향으로의 굴곡에 대한 강성이 작기 때문에, 빔이 빔 폭 방향으로 굴곡 변형하기 쉬워진다. 그러한 굴곡 변형이 발생하면, 빔의 길이 중심선(m-m')에 관한 대칭성을 잃어버리기 때문에 바람직하지 않지만, 양측에 꺾임부를 형성함으로써 일 방향으로 치우쳐서 빔 폭 방향의 굴곡이 발생하는 것을 막을 수 있다.
응력 완충부(40')가 빔의 길이 중심선(m-m')과 빔의 폭 중심선(n-n')의 교점(p)에 관하여 대칭으로 되어 있으므로, 외력을 받아 빔(30)이 변형할 때, 응력 완충부(40')를 끼운 빔의 제 1 부분(32)과 제 2 부분(34)의 변형이 대칭으로 된다. 좌우의 빔의 각 부분의 변형을 같게 하면, 빔의 양단에 배치된 피에조 저항 소자의 응력 변화가 같아지기 쉽고, 외란력에 의한 출력 변화를 작게 할 수 있다.
실시예 3
본 발명의 실시예 3의 가속도 센서에 대해서 이하 설명한다. 실시예 3의 빔의 구조를 평면도로 도 7a에 도시한다. 도 7a의 빔(30)이 2개의 꾸불꾸불하게 접속된 변으로 이루어지는 응력 완충부(40')를 가지고 있고, 여기에서는 이들의 응력 완충부(40') 각각을 제 1 응력 완충부, 제 2 응력 완충부라고 부른다. 빔(30)이, 추와 제 1 응력 완충부를 연결하고 있는 빔의 제 1 부분(32)과, 제 2 응력 완충부와 지지 프레임을 연결하고 있는 제 2 부분(34)과, 2개의 응력 완충부(40')를 연결하고 있는 제 3 부분(36)으로 나누어져 있다. 꾸불꾸불한 각각의 응력 완충부(40')가 도 6을 참조하여 설명한 실시예 2의 응력 완충부와 같다. 빔의 길이 중심선(m-m')과 폭 중심선(n-n')의 교점(p)에 관하여 2개의 응력 완충부(40')를 가지는 빔(30)이 대칭으로 형성되어 있다. 빔의 길이 중심선(m-m')과 각각의 응력 완충부(40')의 중앙까지의 거리가 55㎛이었다.
빔이 연장되어 있는 방향으로 압축의 외란력이 가해졌을 때의 이들의 응력 완충부의 변형을 모식적으로 도시하는 측면도가 도 7b이다. 2개의 응력 완충부(40')에서 외란력이 흡수되므로, 2개의 응력 완충부(40') 사이의 빔의 제 3 부분(36)은 대부분 변형하고 있지 않다. 추와 제 1 응력 완충부(40') 사이에 있는 제 1 부분(32)과, 지지 프레임과 제 2 응력 완충부(40') 사이에 있는 제 2 부분(34)은, 외란력에 의해 빔의 길이 중심선(m-m')에 관하여 대칭으로 변형한다. 대칭으로 변형하기 때문에, 추측과 지지 프레임측에 형성한 피에조 저항 소자의 응력 변화가 일치되기 쉬워져, 외란력에 의한 출력 변화를 작게 할 수 있었다.
실시예 4
본 발명의 실시예 4의 가속도 센서에 대해서 이하 설명한다. 실시예 4의 빔의 구조를 평면도로 도 8a에 도시한다. 도 8a에 도시하는 빔(30)이 3개의 프레임을 가진 응력 완충부(40)를 가지고, 여기에서는 이들 응력 완충부를 각각 제 1 응력 완충부, 제 2 응력 완충부, 제 3 응력 완충부라고 부른다. 빔(30)이, 추와 제 1 응력 완충부를 연결하고 있는 빔의 제 1 부분(32)과, 제 3 응력 완충부와 지지 프레임을 연결하고 있는 제 2 부분(34)과, 제 1 및 제 2 응력 완충부 사이와 제 2와 제 3 응력 완충부 사이 각각을 연결하고 있는 2개의 제 3 부분(36)으로 나누어져 있다. 각각의 응력 완충부(40)가 도 3을 참조하여 설명한 실시예 1의 응력 완충부와 같다. 빔의 길이 중심선(m-m')과 빔의 폭 중심선(n-n')의 교점(p)에 관하여 3개의 응력 완충부(40)를 가지는 빔(30)이 대칭으로 형성되어 있다. 중심선(m-m')으로부터 제 1 및 3 응력 완충부(40)의 중심까지의 거리를 30㎛로 하였다.
도 8b에, 빔이 연장되어 있는 방향으로 압축의 외란력이 가해졌을 때의 빔의 변형을 모식적으로 도시한다. 외측에 있는 제 1 및 제 3 응력 완충부(40)에서 외란력이 흡수되므로, 외측의 2개의 제 1 및 제 3 응력 완충부와 중앙의 제 2 응력 완충부를 연결하는 2개의 빔의 제 3 부분(36)은 거의 변형하지 않는다. 추와 제 1 응력 완충부(40) 사이의 빔의 제 1 부분(32)과, 지지 프레임과 제 3 응력 완충부(40) 사이의 빔의 제 2 부분(34)은, 외란력에 의해 빔의 길이 중심선(m-m')에 관하여 대칭으로 변형한다. 대칭으로 변형하기 때문에, 추측과 지지 프레임측에 형성한 피에조 저항 소자의 응력 변화가 일치하기 쉬워져, 외란력에 의한 출력 변화를 작게 할 수 있었다. 하나의 응력 완충부에서 흡수할 수 없는 외란력이라도, 복수의 응력 완충부를 형성함으로써 외란력에 의한 변형을 흡수할 수 있다.
실시예 5
본 발명의 실시예 5의 가속도 센서에 대해서 이하 설명한다. 실시예 5의 가속도 센서 소자의 구조를 도 9a와 도 9b의 평면도에 도시한다. 이 가속도 센서 소자는, 2개인 쌍으로 된 빔의 한쪽의 쌍에만 응력 완충부(40, 40')를 형성하고 있다. 빔이 연장되어 있는 방향에 걸리는 외란력에 의한 감도 변화는, 빔의 두께 방향(Z방향)의 가속도에 의해 현저하게 영향을 받고, X, Y축 방향의 가속도에 의한 영향은 Z축 만큼 크지 않다. 그래서, 도 9에 도시하는 바와 같이 Z축을 검지하는 피에조 저항 소자를 가지는 빔(30a, 30b)에만 응력 완충부(40, 40')를 형성하였다. 도 9a는 프레임을 가진 응력 완충부(40)를, 도 9b는 꾸불꾸불한 응력 완충부(40')를 빔(30a, 30b)에 형성한 가속도 센서 소자이다.
실시예 6
도 10은 응력 완충부를 적용한 다중 범위형 가속도 센서 소자를 평면도로 도시한다. 다중 범위형 가속도 센서 소자(100b)란, 예를 들면 ±수G의 낮은 범위와 ±수100G의 높은 범위의 가속도를 측정하는 복수의 가속도 센서 소자를 단일 칩 소자 내에 형성한 것이다. 복수의 가속도 센서 소자의 배치를 빽빽하게 행하기 위해서, 높은 범위의 가속도 센서 소자는 1축 및 2축의 가속도 센서 소자를 조합하여 형성하는 것이 많다.
도 10a에 평면도로 도시하는 다중 범위형 가속도 센서 소자(100b)에서는, ±수G의 낮은 범위 가속도 센서 소자(110)와 ±수100G의 높은 범위 가속도 센서가 단일 칩에 형성되어 있다. 낮은 범위 가속도 센서 소자(110)는, 실시예 1과 마찬가지로, X 및 Z축의 가속도를 검지하는 빔과 Y축의 가속도를 검지하는 빔이 크로스하고, 각각 X축 방향, Y축 방향에 형성되어 있고, 각각의 빔(30)에 프레임을 가진 응력 완충부(40)가 형성되어 있다. ±수100G의 높은 범위 가속도 센서는, X축 방향으로 형성된 빔을 가진 X 및 Z축의 가속도를 검지하는 2축 가속도 센서(122)와, Y축 방향에 형성된 빔을 가진 Y축의 가속도를 검지하는 1축 가속도 센서(124)를 조합하고 있고, 1축 가속도 센서(124)와 2축 가속도 센서(122)에, 각각의 빔에 프레임을 가진 응력 완충부(40)가 형성되어 있다. 도 10b에 평면도로 도시하는 다중 범위형 가속도 센서 소자(100b')에서는, ±수G의 낮은 범위 가속도 센서 소자(110)와 높은 범위 가속도 센서가 단일 칩에 형성되어 있다. 낮은 범위 가속도 센서 소자(110)는, 도 10a에 도시하는 것과 같다. 높은 범위 가속도 센서는, X축의 가속도를 검지하는 빔과 Y축의 가속도를 검지하는 빔을 크로스하여 각각 X축 방향, Y축 방향에 형성된 2축 가속도 센서(126)와, 1쌍만의 빔을 X축 방향에 형성하여 Z축의 가속도를 검지하는 1축 가속도 센서(128)를 조합하고 있고, 2축 가속도 센서(126)의 4개의 빔과 1축 가속도 센서(128)의 2개의 빔에 프레임을 가진 응력 완충부(40)가 형성되어 있다. 2축 가속도 센서(126)는 4개의 빔을 가지고 있으므로, 도 10a에 도시하는 가속도 센서(124)보다도 면적이 커지지만, 2축 가속도 센서(126)가 X축의 가속도와 Y축의 가속도를 검지하고, 1축 가속도 센서(128)가 Z축의 가속도를 검지하므로, 이들을 독립적으로 설계, 제조할 수 있고, X, Y, Z의 3축의 검지 감도를 조정하는 것이 용이하게 된다. 도 10c에 평면도로 도시하는 다중 범위형 가속도 센서 소자(100b")에서는 ±수G의 낮은 범위 가속도 센서 소자(110)와 ±수10G 중간 범위 가속도 센서 소자(130)와 ±수100G의 높은 범위 가속도 센서가 단일 칩에 형성되어 있다. 낮은 범위 가속도 센서 소자(110)는, X 및 Z축의 가속도를 검지하는 빔과 Y축의 가속도를 검지하는 빔이 크로스하여, 각각 X축 방향, Y축 방향에 형성되어 있고, 각각의 빔에 2개의 프레임을 가진 응력 완충부(40)가 형성되어 있다. 중간 범위 가속도 센서 소자(130)는 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자이며, 그것에는 응력 완충부가 형성되어 있지 않다. ±수100G의 높은 범위 가속도 센서는 Y축 방향으로 형성된 빔을 가진 Y와 Z축의 가속도를 검지하는 2축 가속도 센서(132)와 X축 방향으로 형성된 빔을 가진 X축의 가속도를 검지하는 1축 가속도 센서(134)를 조합하고 있고, 2축 가속도 센서(132)와 1축 가속도 센서(134) 모두 각각의 빔에 프레임을 가진 응력 완충부(40)가 형성되어 있다.
다중 범위형 가속도 센서 소자(100b,100b',100b")는, 실시예 1과 같은 약 400㎛ 두께의 실리콘층에 약 1㎛의 실리콘 산화막층과 약 6㎛의 실리콘층을 적층한 SOI 웨이퍼를 사용하여 만들어져 있다. 각각의 범위의 가속도 센서 소자는 동시에, 포토리소그래피, 막제조, 에칭 등을 행하고, 추, 빔, 지지 프레임은 각각 동일한 두께로 하고 있다. 또한, 추와 지지 프레임은 동일한 두께이다.
실시예 7
응력 완충부의 다른 실시형태에 대해서 도 11을 도시하여 설명한다. 도 11a는, 실시예 2에서 설명한 꾸불꾸불하게 접속된 변으로 이루어지는 응력 완충부 2개를 연속하여 접속한 꾸불꾸불하게 한 응력 완충부이고, 도 11b는 곡선부에서 형성된 꾸불꾸불하게 한 것이다. 도 11c는 원형 프레임, 도 11d는 타원 프레임, 도 11e는 팔각형 프레임, 도 11f는 북(鼓) 모양 프레임을 한 것이다. 도 11g는 사각형 프레임을 한 것이지만 빔이 연장되어 있는 방향으로 평행한 프레임 변이 광폭이며, 그것에 직교하는 프레임 변이 협소 폭으로 되어 있다. 도 11h는 응력 완충부의 두께를 빔보다 얇게 한 것을 평면도와 측면도로 도시한다. X축 방향에 형성된 빔과 Y축 방향에 형성된 빔에서 다른 형태의 응력 완충부를 사용할 수 있거나, 또는 같은 빔에 다른 형태를 한 복수의 응력 완충부를 형성할 수도 있다.
실시예 8
프레임을 가진 응력 완충부의 응력 완충 효과를 보다 높게 한 빔 구조를 가진 실시예 8의 가속도 센서 소자에 대해서 도 12의 평면도에 기초하여 설명한다. 지지 프레임(10)과 추(30) 사이의 빔(30; 30b)의 대략 중앙에 프레임을 가진 응력 완충부(40)가 형성되어 있고, 빔(30b)이, 제 1 부분(32)과, 프레임을 가진 응력 완충부(40)와, 제 2 부분(34)으로 이루어지고, 빔 제 1 부분(32)과 제 2 부분(34) 각각이 추(20) 또는 지지 프레임(10)에 접속하고 있는 제 1 연결목부(32a), 응력 완충부(40)에 접속하고 있는 제 2 연결목부(32b), 및 제 1 연결목부(32a)와 제 2 연결목부(32b)를 접속하고 있는 폭 변화부(32c)로 구성되어 있다. 제 1 연결목부(32a)가 50㎛ 길이, 제 2 연결목부(32b)가 60㎛ 길이, 폭 변화부(32c)가 30㎛ 길이, 응력 완충부(40)가 30㎛ 길이이므로, 지지 프레임(10)과 추(20) 사이의 빔(30b)의 길이가 310㎛이다. 빔(30b)의 치수에 관하여, 제 1 연결목부(32a)의 폭(W32a)이 30㎛, 제 2 연결목부(32b)의 폭(W32b)이 20㎛이다. 제 1 연결목부(32a)와 제 2 연결목부(32b)를 연결하고 있는 폭 변화부(32c)는 제 1 연결목부(32a)로부터 제 2 연결목부(32b)까지 폭이 점차 바뀐다. 그리고, 응력 완충부(40)의 빔의 폭 방향(Y 방향)으로 연장된 제 1 및 제 2 프레임 변(42a, 42b)의 폭(W6)이 12㎛, 빔 전체가 연장되어 있는 방향(X 방향)으로 연장된 제 3 및 제 4 프레임 변(42c, 42d)의 폭(W5)이 12㎛이었다. 도 12에는, X축과 Z축의 가속도를 검출하는 피에조 저항 소자(31x, 31z)가 형성된 빔(30b)을 도시하고, 피에조 저항 소자(31x, 31z), 금속 배선(38)과 P형 배선(38')의 배치도 도시한다. 2개의 X축 피에조 저항 소자(31x)를 빔(30b)의 폭 중심선(n-n')에 관하여 대칭으로 배치하고, 2개의 X축 피에조 저항 소자(31x)의 응력 완충부(40)측의 끝들을 P형 배선(38')으로 직렬로 접속하고, 다른 끝은 P형 배선(38')으로 빔(30b) 외에 인출 금속 배선(38)에 접속하였다(도시하지 않음). X축 피에조 저항 소자(31x)의 외측에 Z축 피에조 저항 소자(31z)를 배치하고, 2개의 Z축 피에조 저항 소자(31z)를 금속 배선(38)과 P형 배선(38')으로 X축 피에조 저항 소자(31x)와 동일하게 접속하였다. 추(20)측으로부터 빔(30b) 위를 지나서 지지 프레임(10)측으로 연장된 금속 배선(38)이 3개 있다. 3개의 금속 배선 중 1개가 빔(30b)의 폭 중심선(n-n') 위를, 다른 2개가 빔(30b)의 폭 중심선(n-n')에 관하여 대칭으로 배치되어 있다. 피에조 저항 소자(31x, 31z) 및 P형 배선(38')을 형성한 빔면에 0.2㎛ 두께의 실리콘 산화막을 형성하여 전기적 절연막(도시하지 않음)으로 하였다. 금속 배선(38)은 절연막 위에 형성하였다.
피에조 저항 소자가 형성되어 있는 제 1 연결목부(32a)의 폭(W32a)이 좁을수록, 단위 가속도당의 추 변위가 커지고, 피에조 저항 소자에 발생하는 응력이 커지고, 감도를 크게 할 수 있으므로 폭(W32a)은 좁은 쪽이 바람직하다. 피에조 저항 소자의 저항치에 따라서 피에조 저항 소자의 길이와 폭이, 인접하는 P형 배선 사이의 절연 확보로부터 피에조 저항 소자의 간격이 결정되므로, 이들을 고려하여, 본 실시예에서는 제 1 연결목부(32a)의 폭(W32a)을 30㎛로 하였다. 응력 완충부(40)에서, 빔의 폭 방향(Y 방향)으로 연장된 제 1 및 제 2 프레임 변(42a, 42b)의 폭(W6)이 좁아 빔(30b)의 측변으로부터 빔이 연장되어 있는 방향(X 방향)으로 연장된 제 3 및 제 4 프레임 변(42c, 42d)까지인 제 1 및 제 2 프레임 변(42a, 42b)의 길이가 길수록, 빔이 연장되어 있는 방향에 걸리는 힘에 의해 응력 완충부가 변형하기 쉬워, 응력 완충 효과를 높일 수 있다. 3개의 금속 배선 중 중앙에 있는 금속 배선은 응력 완충부에서 2개로 분기되고, 프레임 변 위의 배선을 각각 2개로 하였다. 분기시키지 않고 한쪽을 2개, 다른쪽을 1개로 하면 금속 배선의 개수의 차이에 의한 빔의 굴곡 응력 차이가 생기므로 바람직하지 않다. 중앙의 금속 배선을 분기시킴으로써, 배선이 3개 통과하는 빔보다도 응력 완충부의 프레임 변의 폭을 좁게 할 수 있었기 때문에, 응력 완충 효과를 높일 수 있었다.
또, 피에조 저항 소자와 P형 배선을 가지지 않는 제 2 연결목부(32b)를 제 1 연결목부(32a)보다도 폭을 좁게 하고 있으므로, 빔의 폭 방향(Y 방향)으로 연장된 응력 완충부의 프레임 변의 전체 길이, 즉 응력 완충부의 폭을 유지한 채로, 외란력을 완충하는 작용이 있는, 빔의 폭 방향(Y 방향)으로 연장된 제 1 및 제 2 프레임 변(42a, 42b)의 길이를 길게 할 수 있었으므로, 응력 완충 효과를 높일 수 있었다. 큰 가속도가 가해져 빔과 빔에 형성한 응력 완충부가 변형하였을 때에도 응력 완충부가 추에 접촉하지 않는 간격을 추와 응력 완충부 사이에 확보할 필요가 있다. 이 간격을 크게 하기 위해서 추의 빔이 접속하고 있는 부분에 형성한 노치의 폭을 넓게 하면 추의 체적이 감소하므로, 감도 저하를 초래하게 된다. 빔에 폭을 좁게 한 제 2 연결목부를 형성함으로써, 감도 저하를 초래하지 않고 응력 완충 효과를 높게 할 수 있었다.
실시예 9
꾸불꾸불하게 접속된 변으로 이루어지는 응력 완충부의 응력 완충 효과를 보다 높게 한 빔 구조를 가진 실시예 9의 가속도 센서 소자에 대해서 도 13의 평면도에 기초하여 설명한다. 지지 프레임(10)과 추(20) 사이의 빔(30; 30b)의 대략 중앙에 꾸불꾸불한 응력 완충부(40')가 형성되어 있고, 빔(30b)이, 제 1 부분(32)과, 꾸불꾸불한 응력 완충부(40')와, 제 2 부분(34)으로 이루어지고, 빔의 제 1 부분(32)과 제 2 부분(34) 각각이, 지지 프레임(10) 또는 추(20)에 접속하고 있는 제 1 연결목부(32a)와, 응력 완충부(40')에 접속하고 있는 제 2 연결목부(32b)와, 제 1 연결목부(32a)와 제 2 연결목부(32b) 사이를 접속하고, 제 1 연결목부(32a)로부터 제 2 연결목부(32b)까지 폭이 점차 바뀌고 있는 폭 변화부(32c)로 구성되어 있다. 제 1 연결목부(32a)가 50㎛ 길이, 제 2 연결목부(32b)가 40㎛ 길이, 폭 변화부(32c)가 30㎛ 길이, 응력 완충부(40')가 70㎛ 길이이므로, 지지 프레임(10)과 추(20) 사이의 빔(30b)의 길이가 310㎛이었다. 빔(30b)의 폭 방향의 치수에 관하여, 제 1 연결목부(32a)의 폭(W32a)이 30㎛, 제 2 연결목부(32b)의 폭(W32b)이 20㎛이다. 그리고, 응력 완충부(40')의 빔의 폭 방향(Y 방향)으로 연장된 제 1 및 제 2 변(42a',42b')의 폭(W6')이 20㎛, 빔 전체가 연장되어 있는 방향(X 방향)으로 연장된 제 3 및 제 4 변(42c', 42d')의 폭(W5')이 20㎛이었다. 제 1 연결목부(32a)의 피에조 저항 소자(31x, 31z), 금속 배선(38) 및 P형 배선(38')이 실시예 8에서 설명한 것과 같았다. 실시예 8의 도 12에 도시하는 프레임을 가진 응력 완충부와 달리, 도 13에 도시하는 꾸불꾸불한 응력 완충부(40')는 분기를 가지지 않기 때문에 3개의 금속 배선(38)이 응력 완충부(40') 위에 형성되어 있다. 그래서, 응력 완충부(40')의 빔의 폭 방향(Y 방향)으로 연장된 제 1 및 제 2 변(42a',42b')의 폭(W6')과 빔 전체가 연장되어 있는 방향(X 방향)으로 연장된 제 3 및 제 4 변(42c', 42d')의 폭(W5')이 제 2 연결목부(32b)의 폭(W32b)과 같아서, 20㎛이었다. 꾸불꾸불하게 한 응력 완충부에서는, 응력 완충부(40')의 빔의 폭 방향(Y 방향)으로 연장된 제 1 및 제 2 변(42a',42b')의 폭(W6')이 좁고, 빔 전체가 연장되어 있는 방향(X 방향)으로 연장된 응력 완충부의 제 3 및 제 4 변(42c', 42d')의 사이에 있는 빔의 폭 방향(Y 방향)으로 연장된 제 5 변(42e')의 길이가 길수록, 빔 전체가 연장되어 있는 방향에 걸리는 응력에 의해 응력 완충부가 변형하기 쉽고, 응력 완충 효과를 높게 할 수 있다. 응력 완충부의 변 폭(W6')을 제 1 연결목부(32a)의 폭(W32a)보다도 좁게 하고 있으므로 응력 완충 효과를 높게 할 수 있었다. 또한, 제 2 연결목부(32b)의 폭(W32b)을 제 1 연결목부(32a)의 폭(W32a)보다도 좁게 하고 있으므로, 응력 완충부의 전체 폭을 유지한 채로, 빔 전체가 연장되어 있는 방향(X 방향)으로 연장된 응력 완충부의 제 3 및 제 4 변(42c', 42d')의 사이에 있는 빔의 폭 방향(Y 방향)으로 연장된 제 5 변(42e')의 길이를 길게 할 수 있었으므로, 응력 완충 효과를 높일 수 있었다. 큰 가속도가 가해져서 빔과 빔에 형성한 응력 완충부가 변형하였을 때에도 응력 완충부가 추에 접촉하지 않게 하는 간격을 확보하는 것이 필요하다. 이 간격을 크게 하기 위해서 추의 빔이 접속하고 있는 부분에 형성한 노치의 폭을 넓게 하면 추의 체적이 감소하므로, 감도 저하를 초래하게 된다. 빔에 폭을 좁게 한 좁힘부를 형성함으로써, 감도 저하를 초래하지 않고 응력 완충 효과를 높게 할 수 있었다.
실시예 10
수지 몰딩한 가속도 센서(300)의 실시예에 대하여 도 14의 단면도에 기초하여 설명한다. 두께 200㎛의 리드 프레임(50) 위에 가속도 센서 소자로부터의 신호의 증폭이나 온도 보상 등을 행하는 검출용 IC(52)를 접착제(54)로 고정하고 있다. 실시예 1에서 설명한, 프레임형을 한 응력 완충부가 4개의 빔에 형성된 가속도 센서 소자(100a)를 사용하여, 그 가속도 센서 소자(100a) 위에 상부 캡 칩(150)을, 아래에 하부 캡 칩(160)을 접합한 MEMS 조립체(170)를 검출용 IC(52) 위에 접착제(54)로 고정하고 있다. MEMS 조립체(170)의 전극 패드(174)와 검출용 IC(52) 사이, 검출용 IC(52)와 프레임 단자(56) 사이를 25㎛ 직경의 금(金)의 배어 와이어(58; bare wire)로 초음파 본더를 사용하여 접속하고 있다. MEMS 조립체(170)와 검출용 IC(52)가 리드 프레임(50) 위에 조립된 구조체를, 트랜스퍼 몰드법을 사용하여 에폭시 수지(60)로 형성되어 있다. MEMS 조립체(170) 내에서, 가속도 센서 소자(100a)의 추와 빔이 지지 프레임과 상부 캡 칩(150)과 하부 캡 칩(160)으로 둘러싸인 공간에 보유되고 있고, MEMS 조립체(170)의 주위가 에폭시 수지(60)로 몰딩되어 있으므로, 기밀이 유지된 공간 내에서 가속도 센서 소자(100a)가 작용할 수 있다.
실시예 11
실시예 1의 프레임을 가진 응력 완충부를 가지는 가속도 센서 소자와 실시예 2의 꾸불꾸불한 응력 완충부를 가지는 가속도 센서 소자를 사용하여, 각각의 외란력과 Z축의 감도 변화를 측정하였다. 가속도 센서 소자는, 도 15에 도시한 바와 같은 패키지를 사용한 가속도 센서(200; 케이스 타입이라고 부름)와 도 14에 도시한 바와 같은 웨이퍼 레벨 패키징을 행한 후, 개편화하여 수지 몰딩한 가속도 센서(300; WLP 타입이라고 부름)를 제작하였다. 비교를 위해, 종래의 응력 완충부를 갖지 않는 가속도 센서 소자(종래품이라고 부름)도 공시(供試)하였다. 각각 300 내지 500개 가속도 센서를 제작하고, Z축의 감도를 측정하여 그 평균치를 구하였다. 외란력은, 케이스 타입에서는 가속도 센서 소자를 케이스나 규제판에 접착하는 접착재로부터의 응력이나 와이어 용접의 열 등이 있다. WLP 타입에서는, 웨이퍼 레벨 패키징 시의 캡 칩의 가압력이나 접합 재료로부터의 응력, 온도 변화에 의한 열 응력, 수지 몰딩 시의 몰드 재료의 응력 등이 있다. 케이스 타입의 접착재는 탄성 계수가 낮은 것을 사용하고 있으므로, 외란력이 작다. 이것에 대하여, WLP 타입에서는 접합의 힘 등이 크고, 외란력의 영향이 커지고, 종래품에서는, 케이스 타입에 대하여 WLP 타입의 Z축 감도가 34% 증가하였다. 한편, 프레임 및 꾸불꾸불한 응력 완충부를 형성한 가속도 센서에서는, Z축 감도의 증가를 3%로 억제할 수 있었다. 응력 완충부의 형성은, WLP 타입의 가속도 센서의 감도 변화량의 억제에 특히 유효한 것을 확인할 수 있었다.
100a: 가속도 센서 소자 10: 지지 프레임
20: 추 30, 30a, 30b, 30c, 30d: 빔
31, 31x, 31y, 31z: 반도체 피에조 저항 소자 32: (빔의 )제 1 부분
32a: 제 1 연결목부 32b: 제 2 연결목부
32c: 폭 변화부 34: (빔의 )제 2 부분
36: (빔의 )제 3 부분 38, 38a, 38b, 38c: 배선
40, 40': 응력 완충부 42a: 제 1 프레임 변
42b: 제 2 프레임 변 42c: 제 3 프레임 변
42d: 제 4 프레임 변 42a': 제 1 변
42b': 제 2 변 42c': 제 3 변
42d': 제 4 변 42e': 제 5 변
48: 개구 m-m': 빔의 길이 중심선
n-n': 빔의 폭 중심선 p: 교점

Claims (28)

  1. 지지 프레임,
    외부로부터 가속도가 인가되었을 때에 지지 프레임에 대하여 움직일 수 있는 추,
    추와 지지 프레임을 연결하여 추를 지지하고 있는 복수의 가요성이 있는 빔,
    빔이 추 또는 지지 프레임에 연결되어 있는 근처에서 빔 위에 형성된 반도체 피에조 저항 소자, 및
    반도체 피에조 저항 소자에 접속되어 빔에 형성된 배선을 가지며,
    반도체 피에조 저항 소자의 저항 변화에 의해 외부로부터 인가된 가속도를 검지하는 가속도 센서 소자를 가지고,
    상기 복수의 빔 중, 빔의 두께 방향의 가속도를 검지하는 반도체 피에조 저항 소자가 형성되어 있는 빔 각각이 적어도 1개의 응력 완충부를 갖는, 가속도 센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 응력 완충부가, 상기 응력 완충부가 형성되어 있는 빔의 반도체 피에조 저항 소자가 형성된 영역 외의 빔 위에 형성되어 있고, 상기 빔이, 상기 빔의 길이 중심선과 상기 빔의 폭 중심선의 교점에 관하여 대칭인, 가속도 센서.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 응력 완충부가 형성된 빔이, 추와 상기 응력 완충부를 연결하고 있는 제 1 부분과, 지지 프레임과 상기 응력 완충부를 연결하고 있는 제 2 부분을 가지고, 제 1 부분과 제 2 부분은 빔 전체가 연장되어 있는 방향으로 연장되어 실질적으로 동일한 두께를 하고 있으며,
    상기 빔의 제 1 부분과 제 2 부분이, 외부로부터 인가된 응력에 의해, 빔 전체가 연장되어 있는 방향과 동일한 방향으로 굴곡하는, 가속도 센서.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 응력 완충부가 형성된 빔이, 추와 상기 응력 완충부를 연결하고 있는 제 1 부분과, 지지 프레임과 상기 응력 완충부를 연결하고 있는 제 2 부분을 가지고, 제 1 부분과 제 2 부분은 빔 전체가 연장되어 있는 방향으로 연장되어 실질적으로 동일한 두께를 하고 있으며,
    상기 응력 완충부가, 상기 제 1 부분과 상기 제 2 부분의 사이에 있고, 추에 접속된 끝과 반대에 있는 상기 제 1 부분의 끝과, 지지 프레임에 접속된 끝과 반대에 있는 상기 제 2 부분의 끝이 접속되고, 중앙에 개구를 가지는 프레임인, 가속도 센서.
  5. 제 4 항에 있어서, 중앙에 개구를 가지는 상기 프레임에 형성된 배선이, 상기 응력 완충부가 형성된 빔의 폭 중심선에 관하여 대칭인, 가속도 센서.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 응력 완충부가, 추에 접속되어 있는 끝과 반대에 있는 빔의 제 1 부분의 끝에 접속되고, 상기 빔의 폭 방향으로 연장된 제 1 프레임 변과, 지지 프레임에 접속되어 있는 끝과 반대에 있는 상기 빔의 제 2 부분의 끝에 접속되고, 상기 빔의 폭 방향으로 연장된 제 2 프레임 변과, 이들 제 1 및 제 2 프레임 변의 끝들을 연결하고, 상기 빔 전체가 연장되어 있는 방향으로 연장된 제 3 및 제 4 프레임 변으로 이루어지는 사변형 프레임인, 가속도 센서.
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 복수의 빔 중, 빔의 두께 방향의 가속도를 검지하는 반도체 피에조 저항 소자가 형성되어 있는 빔 각각이 복수의 응력 완충부를 가지고,
    상기 복수의 응력 완충부가 형성된 빔이, 추와 응력 완충부를 연결하고 있는 제 1 부분과, 지지 프레임과 다른 응력 완충부를 연결하고 있는 제 2 부분과, 상기 복수의 응력 완충부 중 인접한 2개를 연결하고 있는 적어도 1개의 제 3 부분을 가지고,
    제 1, 제 2 및 제 3 부분이 상기 빔 전체가 연장되어 있는 방향으로 연장되고, 실질적으로 동일한 두께를 하고 있으며,
    상기 복수의 응력 완충부 각각이 제 1 부분 또는 제 2 부분과 1개의 제 3 부분의 사이, 또는 2개의 제 3 부분 사이에 형성되고, 제 3 부분의 한쪽 끝과, 추 또는 지지 프레임에 접속된 끝과 반대에 있는 제 1 부분 또는 제 2 부분의 끝 또는 다른 제 3 부분의 한쪽 끝이 접속되고, 중앙에 개구를 가지는 프레임인, 가속도 센서.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 복수의 응력 완충부 각각이, 추에 접속되어 있는 끝과 반대에 있는 상기 복수의 응력 완충부가 형성되어 있는 빔의 제 1 부분의 끝 또는 상기 빔의 제 3 부분의 한쪽 끝에 접속되고, 상기 빔의 폭 방향으로 연장된 제 1 프레임 변과, 제 3 부분의 한쪽 끝 또는 지지 프레임에 접속되어 있는 끝과 반대에 있는 상기 빔의 제 2 부분의 끝에 접속되고, 상기 빔의 폭 방향으로 연장된 제 2 프레임 변과, 이들 제 1 및 제 2 프레임 변의 끝들을 연결하고, 상기 빔 전체가 연장되어 있는 방향으로 연장된 제 3 및 제 4 프레임 변으로 이루어지는 사변형 프레임인, 가속도 센서.
  9. 제 2 항에 있어서, 상기 응력 완충부가 형성된 빔이, 추와 상기 응력 완충부를 연결하고 있는 제 1 부분과, 지지 프레임과 상기 응력 완충부를 연결하고 있는 제 2 부분을 가지고, 제 1 부분과 제 2 부분이 빔 전체가 연장되어 있는 방향으로 연장되고, 실질적으로 동일한 두께를 하고 있으며,
    상기 응력 완충부가, 상기 제 1 부분과 상기 제 2 부분의 사이에 있고, 추에 접속된 끝과 반대에 있는 상기 제 1 부분의 끝으로부터, 지지 프레임에 접속된 끝과 반대에 있는 상기 제 2 부분의 끝에 연속하여 꾸불꾸불하게 접속된 변으로 구성되어 있는, 가속도 센서.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 꾸불꾸불하게 접속된 변이, 추에 접속되어 있는 끝과 반대에 있는 상기 응력 완충부가 형성되어 있는 빔의 제 1 부분의 끝에 접속되고, 상기 빔의 폭 방향으로 연장된 제 1 변과, 지지 프레임에 접속되어 있는 끝과 반대에 있는 빔의 제 2 부분의 끝에 접속되고, 상기 빔의 폭 방향에서 제 1 변과 반대로 연장된 제 2 변과, 상기 제 1 변의 외단으로부터 상기 빔 전체가 연장되어 있는 방향으로 연장된 제 3 변과, 제 2 변의 외단으로부터 상기 빔 전체가 연장되어 있는 방향으로 연장된 제 4 변과, 상기 제 1 변을 상기 제 1 부분에 접속하고 있는 점과 상기 제 2 변을 상기 제 2 부분에 접속하고 있는 점의 중앙에 있어서의 상기 빔의 폭 방향으로 그은 선 상에 있으며, 상기 제 3 변과 상기 제 4 변의 끝들을 접속하고 있는 제 5 변으로 이루어지는, 가속도 센서.
  11. 제 2 항에 있어서, 상기 복수의 빔 중, 빔의 두께 방향의 가속도를 검지하는 반도체 피에조 저항 소자가 형성되어 있는 빔 각각이 복수의 응력 완충부를 가지고,
    상기 복수의 응력 완충부가 형성된 빔이, 추와 응력 완충부를 연결하고 있는 제 1 부분과, 지지 프레임과 다른 응력 완충부를 연결하고 있는 제 2 부분과, 상기 복수의 응력 완충부 중 인접한 2개를 연결하고 있는 적어도 1개의 제 3 부분을 가지고, 제 1, 제 2 및 제 3 부분이 상기 빔 전체가 연장되어 있는 방향으로 연장되고, 동일한 두께를 하고 있으며,
    상기 복수의 응력 완충부 각각이 상기 제 1 부분 또는 상기 제 2 부분과 1개의 제 3 부분의 사이, 또는 2개의 제 3 부분 사이에 형성되고, 1개의 제 3 부분의 한쪽 끝으로부터, 추 또는 지지 프레임에 접속된 끝과 반대에 있는 상기 제 1 부분 또는 상기 제 2 부분의 끝 또는 다른 제 3 부분의 한쪽 끝에 연속하여 꾸불꾸불하게 접속된 변으로 구성되어 있는, 가속도 센서.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 꾸불꾸불하게 접속된 변이, 추에 접속되어 있는 끝과 반대에 있는 상기 복수의 응력 완충부가 형성되어 있는 빔의 제 1 부분의 끝 또는 상기 빔의 제 3 부분의 한쪽 끝에 접속되고, 상기 빔의 폭 방향으로 연장된 제 1 변과, 제 3 부분의 한쪽의 끝 또는 지지 프레임에 접속되어 있는 끝과 반대에 있는 상기 제 2 부분의 끝에 접속되고, 상기 빔의 폭 방향에서, 상기 제 1 변과 반대로 연장된 제 2 변과, 제 1 변의 외단으로부터 상기 빔 전체가 연장되어 있는 방향으로 연장된 제 3 변과, 상기 제 2 변의 외단으로부터 상기 빔 전체가 연장되어 있는 방향으로 연장된 제 4 변과, 상기 제 1 변을 상기 제 1 부분 또는 제 3 부분에 접속하는 점과 제 2 변을 제 3 부분 또는 제 2 부분에 접속하는 점 중앙에 있어서의 빔의 폭 방향으로 그은 선의 위에 있으며, 상기 제 3 변과 상기 제 4 변의 끝들을 접속하고 있는 제 5 변으로 이루어지는, 가속도 센서.
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