KR20040097929A - 가속도 센서 장치 - Google Patents

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사카구치이사오
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히타치 긴조쿠 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 처리 회로를 IC 칩화한 가속도 센서 장치를 개시하고 있다. IC 칩을 가속도 센서 칩과 일체화하고 있다. 가속도 센서 장치는 탄성 지지 암(arm)과 질량부와 두꺼운 틀로 이루어지는 가속도 센서 칩과 질량부의 움직임을 규제하는 규제판과 보호 케이스로 이루어진다. 규제판은 가속도 센서 칩으로부터의 검출 신호를 전기적으로 처리하는 처리 회로를 갖는 IC 칩으로, 그 규제판을 겸한 IC 칩은 가속도 센서 칩 상부에 소정의 틈으로 배치되어, 가속도 센서 칩과 전기적으로 접속되고, 규제판을 겸한 IC 칩과 보호 케이스가 전기적으로 접속되어 있다.

Description

가속도 센서 장치{Acceleration sensor device}
본 발명은 완구, 자동차, 항공기, 휴대 단말 기기 등에 사용되는 가속도 검출용 가속도 센서 장치, 특히 반도체 기술을 사용하여 제조할 수 있는 가속도 센서 장치에 관한 것이다.
가속도 센서로서는 피에조 저항 효과, 정전 용량 변화 등의 물리량 변화를 이용한 것이 개발되어 제품화되고 있다. 이 가속도 센서는 여러가지 분야에서 널리 사용할 수 있지만, 최근에는 소형, 고감도이며, 다축 방향의 가속도를 동시에 검출할 수 있는 것이 요구되고 있다.
실리콘 단결정은 격자 결함이 지극히 적기 때문에 이상적인 탄성체가 되는 것, 반도체 프로세스 기술을 그대로 전용할 수 있는 것 등의 특징을 갖기 때문에, 실리콘 단결정 기판에 얇은 탄성 지지부를 설치하고, 상기 얇은 탄성 지지부에 가해지는 응력을 왜곡 게이지, 예를 들면 피에조 저항 효과 소자에 의해서 전기 신호로 변환하여 출력하는 피에조 저항 효과형 반도체 가속도 센서가 특히 주목되고 있다.
3축의 가속도 센서로서, 실리콘 단결정 기판의 얇은 부위로 이루어지는 교량 구조의 탄성 지지 암을 갖고, 실리콘 단결정 기판의 두꺼운 틀로 이루어지는 중앙의 질량부와 주변의 틀은 그 탄성 지지 암으로 접속되고, 탄성 지지 암상에는 각 축 방향에 복수개의 왜곡 게이지가 형성된 것이 사용되고 있다. 작은 가속도를 감도 좋게 검출하기 위해서는 탄성 지지 암을 길고, 얇게 하고, 진자가 되는 질량부를 무겁게 하는 것이 행하여진다. 작은 가속도를 검출할 수 있다는 것은 큰 충격이 가해지면질량부의 진폭이 지나치게 커져, 탄성 지지 암이 꺾이는 것으로 이어졌다. 그래서 큰 충격이 가해져도 탄성 지지 암이 꺾이지 않도록, 가속도 센서의 위와 아래에 규제판을 설치하고, 질량부의 진폭을 규제판으로 규제하는 것이 행하여지고 있다.
규제판과 가속도 센서 칩의 질량부의 틈을 소정의 값으로 관리하기 위해서, 틈과 거의 같은 직경을 한 미소 볼을 접착제로 혼련하고, 미소 볼을 섞은 접착제를 사용하여 규제판을 가속도 센서 칩에 접착하는 것이 일본 특개평 4-274005 및 일본 특개평 8-233851에 개시되어 있다. 규제판과 가속도 센서 칩의 틈이 미소 볼의 지름에 의해서 결정할 수 있기 때문에, 그 틈을 소정의 값으로 유지할 수 있다. 이와 같이 미소 볼을 포함하는 접착제를 사용하는 것으로, 규제판과 가속도 센서 칩의 틈을 관리할 수 있다.
가속도 센서는 가속도에 비례한 직류 전압 신호를 출력하지만, 이 출력 전압은 수mV 내지 수10mV로 작다. 그래서 출력 전압을 증폭하는 회로를 조합하는 것이 폭 넓은 응용분야에 대응하기 위해서 필요하다. 일본 특개 2003-28891에 기재되어있는 증폭 회로 등을 가진 IC 칩을 가속도 센서와 함께 기판상에 설치한 가속도 센서 장치가 사용된다.
피에조 저항 효과형 반도체 가속도 센서에서는 가속도가 가해지지 않았을 때의 출력 전압(이하, 오프셋 전압이라고 함)이 변동하거나, 가속도에 대한 출력 전압의 감도(이하, 출력 감도라고 함)가 변동되는 경우가 있다. 또한, 환경 온도에 의해서 출력 전압의 특성(이하, 출력 온도 특성이라고 함)이 변화하는 경우가 있다. 고정밀도로 가속도를 측정하기 위해서는 오프셋 전압 및 출력 감도의 불균일함, 또한 출력 온도 특성을 보상하는 보상 회로를 증폭 회로와 함께 가속도 센서에 설치할 필요가 있다.
증폭이나 보상 등의 처리 회로를 1개의 IC 칩에 수용할 수 있지만, 처리 회로의 IC와 가속도 센서의 양쪽을 기판상에 설치하여 가속도 센서 장치를 구성하면, 그 가속도 센서 장치의 설치 면적·부피가 커진다. 이 때문에, 휴대 단말 등에 탑재할 때 요구되는 소형, 박형으로, 낙하시의 충격에 견딜 수 있는 구조를 가진 가속도 센서 장치를 제공하는 것이 어렵다.
본 발명은 처리 회로를 IC 칩화하여, IC 칩과 가속도 센서 칩을 일체로 한, 소형, 박형을 가능하게 하여 내충격성이 뛰어나고, 신뢰성이 높고, 고정밀도이며 고감도의 가속도 센서 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 가속도 센서 장치는 중앙에 있는 질량부와 그 질량부로부터 소정거리 떨어져 그 질량부를 둘러싸고 있는 두꺼운 틀과 질량부 상측면과 두꺼운 틀 상측 면을 연결하고 있는 복수의 탄성 지지 암과 탄성 지지 암상에 형성된 왜곡 게이지를 가진 가속도 센서 칩과, 질량부 상측면과의 사이에 소정의 틈을 갖고, 가속도 센서 칩 상측면을 덮도록 설치되어 있는 동시에 페이스트에 의해서 두꺼운 틀에 접착 고정되어 있는 상부 규제판과, 가속도 센서 칩을 내부에 넣은 보호 케이스를 갖는다. 가속도 센서 칩은 그 위에 상부 규제판을 갖고, 보호 케이스의 바닥판상에 보호 케이스 바닥판과 질량부 하측면 사이에 있는 틈을 가진 두꺼운 틀 하측면이 접착 고정되어 있다. 상부 규제판은 왜곡 게이지로부터의 검출 신호를 처리하는 IC 회로를 갖고, 그 회로의 단자를 상부 규제판상에 갖고 있는 IC 칩이다. 가속도 센서 칩은 두꺼운 틀에 설치되는 동시에, 상부 규제판상에 있는 처리 회로의 몇개의 단자와 복수의 제 1 도체로 전기적으로 접속되어 있는 왜곡 게이지용 단자를 갖고, 보호 케이스는 보호 케이스에 설치되어 있는 동시에, 상부 규제판상에 있는 처리 회로의 몇개의 단자와 복수의 제 2 도체로 전기적으로 접속되어 있는 단자를 가진다.
본 발명에 의한 상기 가속도 센서 장치에서, 상부 규제판은 Si 기판으로 만들어져 있고, 그 Si 기판에 검출 신호를 처리하는 IC 회로가 형성되어 있는 것이 바람직하다. 본 발명의 가속도 센서 장치에서, 상부 규제판의 가속도 센서 칩과 대향하고 있는 면에 절연층이 형성되어 있는 것은 더욱 바람직하다. 또는, 가속도 센서 칩의 상측면, 즉 상부 규제판과 대향하고 있는 면에 절연층을 형성할 수 있다.
본 발명의 가속도 센서 장치에서, 상부 규제판과 질량부 상측면 사이의 틈은 3에서 35㎛인 것이 바람직하다. 또한, 보호 케이스 바닥판과 질량부 하측면 사이의 틈이 3에서 35㎛인 것이 바람직하다. 그리고, 복수의 제 1 도체는 적어도 4개 있고, 복수의 제 2 도체는 적어도 5개 있으면, 가속도 센서 장치의 작동 중의 발열을 방지할 수 있다.
상부 규제판과 질량부 상측면 사이의 틈의 상한치는 가속도 센서의 내 충격성과 가속도 센서 칩과 IC 칩의 온도차를 실용 소비전력 하에서 최소로 하기 위해서 결정된다. 한편, 그 틈의 하한치는 질량부가 움직이는 범위를 한정하기 때문에, 큰 가속도를 측정하는 가속도 센서는 그 틈을 크게, 작은 가속도를 측정하는 고감도의 가속도 센서는 탄성 지지 암의 강도도 작기 때문에 그 틈을 작게 설정한다. 또한, 보호 케이스 바닥판과 질량부 하측면 사이의 틈도 같은 이유로 3㎛ 이상 35㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.
종래의 규제판으로서, 질량부의 움직임을 규제하기 위해서 유리나 세라믹 또는 금속으로 이루어지는 플레이트가 사용되었다. 본 발명에서는 가속도 센서의 고정밀도화에 필수적인 처리 회로를 갖는 IC 칩을 가속도 센서 칩 상부에 설치하고, 신호 처리와 틈의 규제 2가지의 기능을 상부 규제판에 갖게 한다. 본 발명에 의해 부품수를 증가시키지 않고 내충격성을 유지하면서 고정밀도로 소형의 가속도 센서 장치를 실현할 수 있다. 또한, IC 칩의 전자 회로가 없는 면을 연삭하여 두께 0.3mm 이하로 얇게 할 수 있기 때문에, 상부 규제판의 두께를 종래의 규제판 두께와 거의 동등하게 할 수 있다. 처리 회로를 가속도 센서에 설치하고 있음에도 불구하고, 종래의 가속도 센서와 같은 크기의 가속도 센서 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 가속도 센서 장치는 IC 칩이 허공에 떠 있기 때문에, IC 칩으로부터의 발열을 충분히 방출할 수 없는 것이 우려된다. 방열성이 나쁘면 보호 케이스 내의 온도가 상승하여 처리 회로 수명을 단축하게 되어 신뢰성의 면에서 문제가 있다. 또한, 가속도 센서 칩과 IC 칩의 온도차를 작게 할 필요가 있다. 온도 보상을 하기 위해서, 가속도 센서 칩의 온도를 IC 칩 내에 있는 온도 센서로 검지하여 출력을 보정하고 있기 때문에, 가속도 센서 칩과 IC 칩의 온도차를 작게 하는 것이 바람직하다. 가속도 센서 칩과 IC 칩의 온도차를 작게 하기 위해서, 보호 케이스 및 보호 케이스 덮개에 방열성이 좋은 세라믹을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 가속도 센서 칩과 IC 칩을 접착하는 접착제에 열전도율이 높은 것을 사용하는 것, 접착제에 혼련되어 있는 틈 규제용 볼로서 열전도율이 높은 것을 사용하는 것이 바람직하다.
가속도 센서 칩과 IC 칩의 틈을 극력 좁게 하여, 가속도 센서 칩과 IC 칩간, IC 칩과 보호 케이스간에 전기적 접속부를 형성하고, 전기적 접속부로부터 열을 전도시키는 것과 보호 케이스에 방열성이 좋은 세라믹재를 사용하여 열을 외부로 방산하는 것으로, 가속도 센서 칩과 IC 칩의 온도차를 작게 할 수 있다. 구체적으로는 가속도 센서 칩과 IC 칩의 틈은 3㎛ 이상 35㎛ 이하로 하고, 가속도 센서 칩과 IC 칩간의 전기적 접속은 적어도 4개소 이상, IC 칩과 보호 케이스간의 전기적 접속은 5개소 이상으로 하며, 전기적 접속에 선 직경 20㎛ 이상의 금 와이어를 사용하는 것으로, 열 저항은 100℃/W 이하로 할 수 있다. 실제 사용에서의 소비전력은많이 어림하더라도 30mW 이하이기 때문에 보호 케이스 내의 온도 상승은 3℃ 정도로 문제없는 레벨로 억제할 수 있다. 소비전력이 30mW일 때에, 가속도 센서 칩과 IC 칩의 온도차를 2℃ 이하로 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 가속도 센서 장치의 전개 사시도.
도 2는 본 발명의 가속도 센서 장치에 사용하고 있는 가속도 센서 칩의 사시도.
도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ선에 따른 단면도.
도 4는 나금선 접속 후의 본 발명의 가속도 센서 장치의 평면도.
도 5는 도 4에 도시한 본 발명의 가속도 센서 장치를 변형한 나금선 접속 후의 가속도 센서 장치의 평면도.
도 6은 본 발명의 가속도 센서 장치로, IC 칩의 온도와 가속도 센서 칩의 온도를 측정한 결과를 도시하는 그래프.
도 7은 본 발명의 가속도 센서 장치로 IC 칩과 가속도 센서 칩의 온도차를 전력소비에 대하여 도시하고 있는 그래프.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10: 가속도 센서 칩 11: 질량부
14: 틀 20: IC 칩
15: 탄성 지지 암 16: 왜곡 게이지
30: 보호 케이스 52: 접착제
100: 가속도 센서 장치
본 발명의 가속도 센서 장치의 실시예에 관해서 도 1 내지 4를 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 가속도 센서 장치의 전개 사시도, 도 2는 본 발명의 가속도 센서 장치에 사용하고 있는 가속도 센서 칩을 도시하는 사시도, 도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ선에 따른 단면도를 도시한다. 또한 도 4는 도 1의 가속도 센서 장치로, 덮개를 제거하여 도시하는 평면도이다. 본 발명의 가속도 센서 장치(100)에서는 가속도 센서 칩(10)의 상측면에 IC 칩(20)이 그 회로 실장면을 위로 하여, 경질 플라스틱 볼의 혼련된 접착제(52)를 사용하여 접착되어 있고, 가속도 센서 칩(10)이 보호 케이스(30) 내에 삽입 접착되어 있다. 가속도 센서 칩(10)을 보호 케이스(30) 내에 접착할 때에, 보호 케이스 내 바닥면(31)의 접착 부위에 경질 플라스틱 볼이 혼련된 접착제(52)를 미리 도포하여 두었다. 지름 15㎛의 경질 플라스틱 볼을 실리콘계 수지 중에 약 10wt% 혼합하여 접착재(52)로 하였다. 경질 플라스틱 볼에 의해 IC 칩(20)과 가속도 센서 칩(10) 사이의 틈(g1) 및, 보호 케이스 내 바닥면(31)과 가속도 센서 칩(10) 사이의 틈(g2)은 15㎛로 정밀도 좋게 규제되어 있다.
본 발명에 사용되고 있는 가속도 센서 칩(10)은 탄성 지지 암(15)의 두께를고정밀도로 제어할 수 있도록 SiO2절연층을 개재하여 SOI층을 형성한 실리콘 단결정 기판, 즉 SOI 웨이퍼를 사용하여 제작되었다. SOI는 Silicon on insulator의 약자이다. 이 예에서는 약 600㎛ 두께의 Si 웨이퍼상에 에칭 스토퍼가 되는 SiO2절연층을 얇게(약 1㎛) 형성하고, 그 위에 약 7㎛ 두께의 N형의 실리콘 단결정 기판을 형성한 웨이퍼를 기판으로서 사용하였다. 가속도 센서 칩(10)은 실리콘 단결정 기판의 두꺼운 틀로 이루어지는 중앙의 질량부(11)와 질량부(11)를 둘러싸도록 주변에 배치한 정방형 틀(14)과 질량부(11)의 상측면과 틀(14)의 상측면을 연결하는 실리콘 단결정 기판의 얇은 부위로 이루어지는 2쌍의 교량형의 탄성 지지 암(15)과 2개의 직교하는 검출축(X와 Y축) 및 가속도 센서 칩 상측면에 수직의 검출축(Z축)에 대응하여, 탄성 지지 암상에 설치한 각각의 축의 각각 4개의 왜곡 게이지(16; 이하의 설명에 있어서는 왜곡 게이지의 일례로서 피에조 저항 소자를 사용하고 있기 때문에, 「피에조 저항 소자」라고 함)로 이루어진다. 즉, X축 방향으로 연장되어 있는 탄성 지지 암(15)상에 각 2개의 피에조 저항 소자(16)가 설치되어 있고 X축 방향의 가속도를 검출한다. Y축 방향으로 연장되어 있는 탄성 지지 암(15)상에 각 2개의 피에조 저항 소자(16)가 설치되어 있고 Y축 방향의 가속도를 검출한다. Y축 방향으로 연장되어 있는 탄성 지지 암(15)상에 또한 각 2개의 피에조 저항 소자(16)가 설치되어 있고, Z축 방향의 가속도를 검출한다. 이 예에서는 Z축 방향의 가속도를 Y축 방향으로 연장되어 있는 탄성 지지 암(15)상에 설치한 피에조 저항 소자로 검출하고 있지만, Z축 방향의 가속도를 검출하는 소자는 X축 방향으로 연장되어 있는 탄성 지지 암(15)상에 설치되어 있어도 좋다. 각 축 방향의 가속도를 검출하는 4개의 피에조 저항 소자는 풀브리지 검출 회로를 구성하고 있다. 피에조 저항 소자는 SOI 웨이퍼의 표면(7㎛ 두께의 실리콘상)에 포토레지스트로 패터닝을 하고, 실리콘층에 붕소를 1 내지 3×1018원자/cm3넣어 형성하였다. 저항 소자의 배선은 금속 스퍼터, 드라이 에칭장치 등을 사용하여 형성하였다.
가속도 센서 칩(10)의 두꺼운 틀(14)의 상측면에는 복수의 피에조 저항 소자용 입출력 단자(12)가 설치되어 있다. 입출력 단자(12)는 배선의 편리를 위해 가속도 센서 칩(10)의 1변에 배열하여 설치되어 있는 것이 바람직하다. 이들 입출력 단자(12)는 탄성 지지 암 상측면으로부터 두꺼운 틀 상측 면에 걸쳐서 설치된 복수의 도체 각각에 의하여, 탄성 지지 암상에 설치된 12개의 피에조 저항 소자의 단자와 접속되어 있다. 도 2에는 입출력 단자(12)와 피에조 저항 소자(16)를 접속하고 있는 이들의 도체를 생략하고 있다.
가속도 센서 칩(10) 상측면에는 상측면을 덮도록 IC 칩(20)이 설치되어 있다. IC 칩(20)의 하측면과 가속도 센서 칩(10)의 질량부(11) 상측면 사이에 소정의 틈, 예를 들면 3 내지 35㎛의 틈(g1)이 형성되어 있다. 가속도 센서 칩(10)의 두꺼운 틀(14) 상측면, 이 실시예에서는 정방형을 한 두꺼운 틀 상측 면의 각 코너의 부분에서 접착제(52)에 의해서, IC 칩(20)을 가속도 센서 칩(10) 상측면에 고정하였다.
IC 칩(20)의 하측면과 가속도 센서 칩(10)의 질량부(11) 상측면 사이에 소정의 틈(g1)을 가지고 있다. 가속도 센서 칩(10)에 외부로부터 가속도가 가해지면 질량부(11)가 이동하지만, 질량부(11)의 변위는 그 틈(g1) 내로 규제되기 때문에, IC 칩(20)은 상부 규제판으로서 작용한다.
IC 칩(20)의 하측면에는 SiO2층이 절연층(24)으로서 설치되어 있다. IC 칩(20)의 하측면은 가속도가 가속도 센서 장치에 작용하였을 때, 가속도 센서 칩(10)의 질량부(11)가 접촉 또는 충돌하는 것이 있기 때문에, IC 칩 바닥면으로부터 가속도 센서 칩으로의 전하의 누설을 막기 위해서 절연층이 형성되어 있다. 이 절연층(24)은 SiO2층 대신에 Al2O3층을 사용할 수 있다. 또는, IC 칩 바닥면의 절연층 대신에, 가속도 센서 칩 상측면에 절연층을 형성할 수 있다.
피에조 저항 소자용 단자(12)는 가속도 센서 칩(10)의 두꺼운 틀(14)의 1변 상측면에 설치되어 있다. 가속도 센서 칩에 설치된 12개의 피에조 저항 소자(16)에 의해서 3세트(X, Y, Z축 각각 1세트)의 풀브리지 검출 회로를 구성하고 있기 때문에, 적어도 4개의 단자(12)가 필요하고, 바람직하게는 8개의 단자(12)가 두꺼운 틀(14)의 상측면에 설치되어 있다. 이 단자(12) 각각은 IC 칩(20)에 설치되어 있는 처리 회로 단자(22) 중의 몇개와 도체(41)(「제 1 도체」라고 하는 경우가 있음)에 의해서 전기적으로 접속되어 있다. 도체(41)로서 예를 들면 20㎛ 직경을 한 0.5mm 길이의 나금선을 사용하고, 나금선의 일단을 단자(12) 각각과 나금선의 타단을 처리 회로 단자(22) 각각과 초음파 본더로 용접되어 있다.
보호 케이스(30)는 가로 틀과 내부 바닥면(31)을 가지고 있고, 가속도 센서칩(10)의 두꺼운 틀 하측면이 내부 바닥면(31)상에 접착 고정되어 있다. 가속도 센서 칩(10)을 내부 바닥면(31)에 고정한 상태로, 가속도 센서 칩(10)의 중앙에 있는 질량부(11)는 보호 케이스(30)의 바닥면(31)과 접촉하지 않고 소정의 틈(g2; 이 틈은 질량부 상측면과 상부 규제판의 틈과 다른 길이를 가질 수 있음)을 가지고 있다. 내부 바닥면(31)은 질량부(11) 하측면과의 사이에 있는 틈을 갖고, 질량부(11)의 아래 쪽으로의 진동을 그 틈의 크기 내로 제한하기 때문에, 하부 규제판으로서 작용한다.
보호 케이스(30)의 가로 틀에는 복수의 입출력 단자(32)를 갖고, IC 칩(20)에 설치한 단자(22) 중의 몇개가 각각 이들 입출력 단자(32)와 도체(42; 「제 2 도체」라고 하는 경우가 있음)로 전기적으로 접속되어 있다. 다음에 단자(32) 각각은 보호 케이스(30)의 측면에 설치한 복수의 외부 단자(34)와 가로 틀 내에서 도선(도시하지 않음)으로 연결되어 있다. 보호 케이스(30)가 가지고 있는 입출력 단자(32)는 적어도 5개 있고, 바람직하게는 12개 있다. 보호 케이스(30)의 12개의 단자(32)를 IC 칩의 단자(22)와 전기적으로 접속하고 있는 제 2 도체(42)로서 20㎛ 직경의 나금선을 사용하고, 그 끝이 각 단자에 초음파 본더로 용접되어 있다. 보호 케이스(30)는 예를 들면 알루미나세라믹스로 형성되어 있고, 그 상부에 알루미나세라믹스로 만든 덮개(38)가 접착제(39)로 고정되어 있다.
가속도 센서 칩(10)의 크기를 여기서 설명한다. 정방형 가속도 센서 칩의 종횡의 길이는 거의 2200㎛이고, 두꺼운 틀(14)은 600㎛ 두께이며, 300㎛ 폭이다. 중앙의 질량부(11)는 종횡의 길이가 거의 600㎛이고, 그 두께가 600㎛이다. 4개의탄성 지지 암(15)은 500㎛ 길이이고, 90㎛ 폭이고, 그것들은 SiO2절연층상의 실리콘으로 만들어져 있기 때문에, 그 두께는 약 7㎛이다.
규제판으로서의 기능을 겸비한 IC 칩의 처리 회로는 입력축을 바꾸는 멀티플랙서, 신호를 증폭하는 연산증폭기, 보정 데이터를 보존하여 두는 EEPROM, 환경 온도를 검출하는 온도 센서, 그 온도 센서 출력에 근거하여 EEPROM로부터 조정 코드를 부여하여 연산증폭기의 게인 및 오프셋에 피드백을 거는 기능을 갖는 저항 루더(rudder) 등으로 구성되어 있다. 사이즈는 가속도 센서 칩으로부터의 와이어를 꺼낼 수 있도록, 패드부(단자)의 어떤 1변을 피하도록, 1.9mm 폭×2.2mm 길이×0.2mm 두께로 하였다.
도 4는 가속도 센서 칩(10)과 IC 칩(20)을 접착하여, 보호 케이스(30)에 실장하여 제 1과 제 2 도체(41, 42)를 접속한 것으로, 보호 케이스 덮개(38)를 설치하기 전의 가속도 센서 장치(100)의 평면도이다. 이 실시예에서는 도 4에 도시하는 바와 같이 IC 칩(20)을 센서 칩(10)상에 겹쳤을 때, IC 칩(20)이 센서 칩(10)으로부터 돌출하지 않는 치수로 되어 있다. 그러나, 도 5에 변형한 가속도 센서 장치(200)의 평면도를 도시하는 바와 같이, IC 칩(20)이 센서 칩(10)으로부터 돌출한 구조로 할 수도 있다.
제작한 본 발명의 가속도 센서 장치의 외측 사이즈는 증폭기 및 온도 보상 등의 처리 회로 기능을 부가하였음에도 불구하고 종래의 가속도 센서와 거의 같은 4.8mm 각, 두께 1.3mm를 실현할 수 있다.
실험
100개의 본 발명의 가속도 센서 장치를 제작하여, 진자식 충격 시험기로 충격 테스트를 하였다. 충격 시험 전에 20G의 가속도를 가진기(加振機)로 가하였을 때의 출력 V1을 측정한 후, 진자식 충격 시험기로 충격 가속도 5000G를 가하였다. 충격 시험 후에 다시 20G의 가속도를 가하여 출력 V2를 측정하였다. 충격을 가하기 전의 출력 V1에 대하여 충격을 가한 후의 출력 V2가 5% 이상 저하된 가속도 센서 장치는 파괴되었다고 판정하였다. 결과, 충격 가속도 5000G에서 가속도 센서 장치가 파괴되지 않았다. 가속도 5000G는 낙하 높이 1.5m에서 콘크리트로 된 마루에 자연낙하시켰을 때의 충격에 상당하여, IC 칩이 가속도 센서 칩의 탄성 지지 암의 파손을 막는 규제판으로서의 기능을 다하는 것이 증명되었다.
방열성을 확인하기 위해서 열 저항을 측정하였다. 내장의 온도 센서 출력을 모니터하여 IC 칩 온도를 계측하였다. 온도 센서 출력의 온도 환산은 가속도 센서 장치를 화로에 넣어 환경 온도와 온도 센서 출력의 상관식을 구하여 행하였다. 가속도 센서 칩 온도의 계측은 피에조 소자 저항의 온도 의존성을 이용하여, 저항치를 측정하는 것으로 구하였다. 가속도 센서 장치를 화로에 넣어 환경 온도와 저항의 상관식을 구하여 저항치로부터의 온도 환산을 하였다.
도 6에 전력소비와 IC 칩 온도, 가속도 센서 칩 온도의 측정 결과를 도시한다. IC 칩의 온도 상승은 그래프의 경사로부터
(온도)=99.04·(소비전력)+38.444
로 구해지고, 1W당 99℃이었다. 요컨대 본 실시예의 가속도 센서 장치의 열 저항은 99℃이고, 실제로 사용하는 소비전력 30mW에서의 온도 상승은 약 3℃로 추정된다. 도 7에, IC 칩과 가속도 센서 칩의 온도차를 도시한다. 전력소비가 많아질 수록 IC 칩과 가속도 센서 칩의 온도차는 커지지만, 전력소비 30mW에서는 2℃이하이었다. IC 칩의 온도 상승은 3℃에서, IC 칩과 가속도 센서 칩의 온도차는 2℃ 이하로 실용상 문제없는 레벨로 할 수 있었다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의해 가속도 센서의 고정밀도화에 필수적인 증폭기 및 보상 회로를 부가하여, 휴대 단말 등에 탑재 가능한 소형 및 박형을 가지며, 낙하시의 충격에 견딜 수 있는 신뢰성이 높은 처리 회로 부착의 가속도 센서 장치를 얻을 수 있다.

Claims (5)

  1. 중앙에 위치한 질량부와;
    상기 질량부로부터 소정 거리 떨어져 그 질량부를 둘러싸고 있는 두꺼운 틀과;
    상기 질량부 상측면과 상기 두꺼운 틀 상측 면을 연결하고 있는 복수의 탄성 지지 암과;
    상기 탄성 지지 암상에 형성된 왜곡 게이지를 갖는 가속도 센서 칩과;
    상기 질량부 상측면과의 사이에 소정의 틈을 갖고, 가속도 센서 칩 상측면을 덮도록 설치되어 있는 동시에 페이스트에 의해서 두꺼운 틀에 접착 고정되어 있는 상부 규제판; 및
    상기 가속도 센서 칩을 내부에 넣은 보호 케이스를 포함하며,
    상기 상부 규제판은 왜곡 게이지로부터의 검출 신호를 처리하는 IC 회로를 가지며, 그 회로의 단자를 상기 상부 규제판상에 갖는 IC 칩이며,
    상기 가속도 센서 칩은 상기 두꺼운 틀에 설치되는 동시에, 상부 규제판상에 있는 처리 회로의 몇개의 단자와 복수의 제 1 도체로 전기적으로 접속되어 있는 왜곡 게이지용 단자를 가지며,
    상기 보호 케이스는 보호 케이스에 설치되어 있는 동시에, 상부 규제판상에 있는 처리 회로의 몇개의 단자와 복수의 제 2 도체로 전기적으로 접속되어 있는 단자를 갖는 가속도 센서 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 규제판은 Si 기판으로 만들어지며, 그의 Si 기판에 검출 신호를 처리하는 IC 회로가 형성되어 있는 가속도 센서 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상부 규제판과 상기 질량부 상측면 사이의 소정의 틈은 3 내지 35㎛인 가속도 센서 장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 복수의 제 1 도체는 적어도 4개 있고, 상기 복수의 제 2 도체는 적어도 5개 있는 가속도 센서 장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 복수의 제 1 도체는 적어도 4개 있고, 상기 복수의 제 2 도체는 적어도 5개 있는 가속도 센서 장치.
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