KR20080013824A - 멀티 레인지 ３축 가속도 센서장치 - Google Patents

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Abstract

단일의 실리콘 칩에 가속도 측정 범위가 다르고 그 축간의 어긋남이 없는 복수의 3축 가속도 센서 소자를 설치한 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치를 개시하고 있다. 복수의 센서 소자 각각은, 추와, 그것을 둘러싸는 프레임과, 추와 프레임을 연결하고 있는 빔 또는 다이어프램으로 이루어지는 가요 멤버를 갖는다. 복수의 센서 소자는 서로 단위 가속도당의 출력 전압이 다르다. 복수의 센서 소자 중 제1의 3축 가속도 센서 소자의 범위 내에 다른 센서 소자가 설치되어 있고, 제1의 3축 가속도 센서 소자의 단위 가속도당의 출력 전압이 다른 센서 소자보다도 크다.
실리콘 칩, 가속도 센서 소자, 추, 프레임, 가요 멤버

Description

멀티 레인지 ３축 가속도 센서장치{MULTI-RANGE THREE-AXIS ACCELERATION SENSOR DEVICE}
본 발명은, 휴대 단말 기기나 완구, 자동차, 항공기 등에 사용되는 가속도 검출용의 반도체 가속도 센서에 관한 것이다.
가속도 센서는, 자동차의 에어백 작동용으로 많이 사용되고, 자동차가 충돌한 충격을 가속도로서 파악한다. 자동차에서는 X축 방향 및/또는 Y축 방향의 가속도를 측정하기 위해서, 1축 또는 2축 기능으로 충분하였다. 또한, 측정하는 가속도가 매우 크기 때문에, 가속도를 검지하는 가속도 센서 소자도 튼튼히 제작되어 있다. 최근에는, 휴대 단말 기기나 로봇에 가속도 센서가 사용되는 것이 많아지고 있다. 3차원 공간의 움직임을 검출하기 위해서 X축 방향, Y축 방향 및 Z축 방향의 가속도를 측정할 수 있는 3축 가속도 센서가 요구되고 있다. 이들의 용도로는, 수 G로부터 수십 G의 작은 가속도의 검출을 할 수 있는 동시에, 고분해능인 것이 요구된다.
가속도 센서는, 가해지는 가속도로 변형하는 가요 멤버의 구조로 빔형과 다이어프램형으로, 변위의 검출방식으로 피에조 저항형과 정전 용량형으로 대별된다.
빔형의 피에조 저항형 3축 가속도 센서에 관하여 출원인은 광범위하게 다수 출원하고 있다. 일본 공개특허공보 2003-172745호, 일본 공개특허공보 2003-279592호, 일본 공개특허공보 2004-184373호, 일본 공개특허공보 2006-098323호, 일본 공개특허공보 2006-098321호 및 국제공개 WO2005/062060 A1에서, 추의 형상이나 빔의 형상, 피에조 저항 소자의 배치, 피에조 저항 소자의 접속, 빔과 프레임의 접합부의 형상 등을 밝히고 있다. 도 18에 3축 가속도 센서의 분해 사시도, 도 19에 도 18의 IXX-IXX선에 있어서의 단면도, 도 20에 센서 칩의 평면도를 도시한다. 3축 가속도 센서(100)에서는, 케이스(1) 내에 규제판(3)이 센서 칩(40)으로부터 소정의 간격을 개재하여 수지 등의 접착제(16)로 고정되어 있다. 센서 칩(40)에 칩 단자(41)가 리드 와이어(15)로 케이스 단자(12)에 접속되고, 센서의 신호를 외부단자(11)로부터 추출한다. 케이스(1)에는 케이스 덮개(2)가 AuSn 땜납 등의 접착제(17)로 고정하여 밀봉되어 있다. 센서 칩(40)에는, 빔형 3축 가속도 센서 소자(50)가 형성되어 있다. 빔형 3축 가속도 센서 소자(50)에서는, 방형(方形)의 프레임(52)과 추(51)와 빔(53)으로 구성되고, 추(51)가 2쌍의 빔(53)으로 프레임(52)의 중앙에 보유되어 있다. 빔(53)에는 피에조 저항 소자가 설치되어 있다. 1쌍의 빔에는 X축 피에조 저항 소자(55)와 Z축 피에조 저항 소자(57)가, 다른 한 쌍의 빔에는 Y축 피에조 저항 소자(56)가 설치되어 있다. 도 19에서, 충격 등 과도한 가속도가 센서에 가해졌을 때, 추(51)의 하면과 케이스(1)의 내측 바닥면의 간격(g4)과, 추(51)의 상면과 규제판(3)의 간격(g3)에, 추(51)의 움직임을 규제하여 빔(53)의 파손을 막는다. 본 발명에서 사용하는 빔형 3축 가속도 센서 소자의 기본적인 구조는 이들 특허문헌에 개시된 것과 같고, 특히 한정이 없는 한 상세 설명을 생략한다.
다이어프램형 3축 가속도 센서 소자의 다이어프램 구조와 피에조 저항 소자의 배치가, 일본 공개특허공보 제(평)3-2535호, 일본 공개특허공보 제(평)6-174571호 및 일본 공개특허공보 제(평)7-191053호에 개시되어 있다. 원형 또는 다각형을 한 다이어프램의 외측 가장자리를 프레임으로 지지하고, 다이어프램의 중심에 추를 배치하고 있다. 외력으로 추가 변위하면 다이어프램에 설치된 피에조 저항 소자가 변형하여, 전기신호가 얻어진다. 빔형 3축 가속도 센서 소자와 비교하여, 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자에서는 피에조 저항 소자의 배치의 자유도가 높다. 도 21에, 다이어프램형의 3축 가속도 센서 소자(70)의 평면도를 도시한다. 방형의 프레임(72)과 추(71)와 가요 멤버인 다이어프램(73)으로 구성되고, 추(71)가 다이어프램(73)의 중앙에 보유되어 있다. 다이어프램(73)에는 X축 피에조 저항 소자(75)와 Y축 피에조 저항 소자(76) 및 Z축 피에조 저항 소자(77)가 설치되어 있다. 본 발명에서 사용하는 다이어프램형 피에조 저항 소자형 3축 가속도 센서 소자 및 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자의 기본적인 구조는 이들 특허문헌에 개시된 것과 거의 같기 때문에, 특히 한정이 없는 한 상세 설명을 생략한다.
휴대형 소형기기의 낙하로 가해지는 가속도 및 유저 인터페이스 등에 가해지는 가속도는 수 G 레벨이지만, 충격의 가속도는 수백으로부터 수천 G이다. 예를 들면, 자기디스크를 내장하는 휴대기기에서는, 낙하 시의 충격으로 자기디스크가 파괴되지 않도록, 낙하를 검지한 시점에서 자기헤드를 대피시키고, 충격 시의 파괴 를 방지하기 위해서 가속도를 측정한다. 그것에 더하여, 제품 손상 시의 수리 시에는, 제품이 어떠한 충격을 받았는가와 같은 내력의 요구가 있다. 낙하 검지와 맞추어 충격 가속도의 내력을 효율적으로 기록하는 수법에 대해서도 출원인은 일본 공개특허공보 2005-241503호에서 밝히고 있다. 이와 같이, 1개 제품에 대하여, 수 G 레벨의 낙하 검지와, 수백으로부터 수천 G 레벨의 충격 검지를 하는 요구가 있다. 수 G와 수백으로부터 수천 G의 가속도를 높은 정밀도로 얻기 위해서는, 1개의 가속도 센서로서는 어렵다. 수백으로부터 수천 G의 가속도를 측정하는 가속도 센서에서, 수 G의 가속도를 검출하면 검출의 분해능(정밀도)을 얻을 수 없다.
수백으로부터 수천 G의 큰 가속도와 수 G 정도의 작은 가속도를 같은 분해능으로 검지하는 것이 어렵기 때문에, 수백으로부터 수천 G를 측정하는 가속도 센서와 수 G를 측정하는 가속도 센서를 별개로 준비할 필요가 있었다. 도 22는, 수 G, 수십 G, 수백 G의 측정 레인지를 가지는 각각의 가속도 센서(21, 22, 23)를 회로기판(24)에 실장하고, 고분해능으로 수 G로부터 수백 G의 가속도를 측정할 수 있는 가속도 센서장치(200)이다. 가속도 센서를 3개 사용하고 있기 때문에, 가속도 센서장치의 가격은, 가속도 센서의 수배가 된다. 또한, 소형화도 어렵다.
복수의 가속도 센서를 사용한 가속도 센서장치(200)에서는, 가속도 센서 간의 검출 축을 일치시키는 것이 대단히 어렵다. 회로기판에 땜납으로 가속도 센서를 접속할 때에, 가속도 센서 간에서 가속도 센서 소자의 검출 축의 각도 어긋남을 대략 제로로 하는 것이 어렵다. 가속도 센서의 외변을 기준으로 부착하였다고 해도, 그 외변과 가속도 센서 소자의 축이 일치하고 있을 필요가 있다. 가속도 센서 간에서 검출 축의 각도 어긋남이 있으면, 예를 들면 수 G의 가속도 센서의 측정치와 수십 G의 가속도 센서의 측정치가, 같은 축 방향의 가속도로서 측정할 수 없는 경우가 발생한다.
소형화와 저가격화를 실현하여, 검출 축의 각도 어긋남을 없앨 수 있는 멀티 레인지 가속도 센서가, 일본 공개특허공보 제(평)8-136574호에 개시되어 있다. 도 23에 그 구조를 도시한다. 멀티 레인지 가속도 센서장치(300)는, 프레임(31) 내에 2개 이상의 센서 소자를 설치한 구조이며, 센서 소자는 빔(32)의 한쪽의 끝을 프레임(31)에, 다른 쪽은 추(33)에 접속되어 있다. 빔(32)은 프레임(31)과의 접속점을 지점으로 하여 추(33)가 역점(力点)이 된 편측 지지 빔의 구조로 되어 있다. 추(33)의 움직임을, 추(33)와 소정의 간격을 두고 배치된 전극(34)과의 사이의 정전 용량 변화에 의해 측정하여, 가속도를 검출한다. 센서 소자는 빔의 길이나 추의 질량을 바꿈으로써, 측정하는 가속도의 범위를 정하고 있다.
일본 공개특허공보 제(평)8-136574호에 기재된 가속도 센서는, 원칩에 측정 범위가 다른 센서 소자를 형성하고 있기 때문에, 센서 소자 간에서 축의 어긋남을 없앨 수 있다. 축 어긋남은 포토리소그래피용의 포토마스크와 포토리소그래프 시의 오차로 발생하지만, 거의 무시할 수 있다. 그러나, 그 가속도 센서는 1축의 센서 소자이기 때문에, 3축의 가속도를 측정하기 위해서는, 3개의 센서 소자를 각 90도 다른 위치에 배치할 필요가 있다. X, Y, Z축에 관하여 정확하게 3개의 센서 소자를 배치하는 것이 대단히 어렵다. 또한, 3개의 센서 소자를 짜맞출 필요가 있으므로, 소형화가 어렵다. 그 멀티 레인지 1축 가속도 센서를 사용하여, 멀티 레인 지 3축 가속도 센서장치를 얻는 것은, 실질적으로 도 22에 도시한 종래의 가속도 센서장치와, 가속도 센서의 수나 가격, 크기적으로 큰 차가 없다.
그 특허문헌에 제시된 가속도 센서 구조에서는, 센서 소자 간에서 간섭할 우려가 있어, 그 대책이 필요해진다. 프레임(31)의 1개의 변에 복수의 빔(32)이 형성되어 있기 때문에, 한쪽의 센서 소자의 움직임이, 다른 쪽의 센서 소자의 측정에 영향을 주기 쉽다. 또한, 빔(32)의 폭 방향으로 가속도가 가해졌을 때에 다른 센서 소자와 추(33)가 간섭하는 것을 피하기 위해서, 센서 소자 간에 스페이스를 벌릴 필요가 있다.
본 발명의 목적은, 원칩에 가속도 측정 범위가 다른 복수의 센서 소자를 형성하고, 이들 사이에서 각 축의 어긋남이 없는, 고정밀도로 소형인 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치를 저원가로 제공하는 것이다.
본 발명의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치는, 단일의 실리콘 칩에 형성된 복수의 3축 가속도 센서 소자를 갖는다. 복수의 3축 가속도 센서 소자 각각은, 추와, 추를 둘러싸고 대향하는 프레임 변을 가지는 프레임과, 대향하는 프레임 변 상부와 추 상부를 연결하고, 프레임 변 상부의 사이에 추를 지지하고 있는, 추 및 프레임보다도 얇은 가요 멤버와, 가요 멤버 상에 설치된 피에조 저항 소자를 갖고, 가요 멤버 상면 내의 직교하는 2축 방향의 가속도와 가요 멤버 상면에 수직인 방향 의 가속도를 측정한다. 복수의 3축 가속도 센서 소자 중 제1의 3축 가속도 센서 소자의 프레임에 다른 3축 가속도 센서 소자가 설치되어 있다. 복수의 3축 가속도 센서 소자는 서로 단위 가속도당의 출력 전압이 다르고, 제1의 3축 가속도 센서 소자의 단위 가속도당의 출력 전압이 다른 3축 가속도 센서 소자의 단위 가속도당의 출력 전압보다도 크다.
본 발명의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치가 가지는 복수의 3축 가속도 센서 소자가 단일의 실리콘 칩에 형성되어 있기 때문에, 포토마스크에 각 소자의 패턴을 형성해둠으로써, 동시에 복수의 가속도 센서 소자를 포토리소그래피와 에칭으로 만들 수 있다. 복수의 3축 가속도 센서 소자 각각의 추에 가속도가 작용하여 가요 멤버가 변형하고, 가요 멤버에 형성되어 있는 피에조 저항 소자에 응력이 생겨 전기저항이 변화하고, 그것을 전위차(출력 전압)로 변환하여 출력한다.
복수의 3축 가속도 센서 소자 중 제1의 3축 가속도 센서 소자의 프레임에 다른 3축 가속도 센서 소자가 설치되어 있다. 즉, 제1의 3축 가속도 센서 소자의 범위 내에 다른 3축 가속도 센서 소자가 들어가고 있기 때문에, 다른 3축 가속도 센서 소자가 제1의 3축 가속도 센서 소자보다도 작다. 복수의 3축 가속도 센서 소자 전체의 크기가 제1의 3축 가속도 센서 소자의 사이즈와 동일하게 되어 있다.
다른 3축 가속도 센서 소자를 제1의 3축 가속도 센서 소자의 범위 내에 형성함으로써, 복수의 3축 가속도 센서 소자가 프레임을 공유하고, 작은 면적 속에 복수 레인지의 3축 가속도 센서 소자를 배치할 수 있다. 또한, 3축 가속도 센서 소자는 각각의 프레임에 의해서 분리되어 있고, 각각의 진동이 다른 3축 가속도 센서 소자에 영향을 주지 않고, 또한 추가 다른 가속도 센서 소자의 추와 간섭하는 경우가 없다.
그리고, 복수의 3축 가속도 센서 소자는 서로 단위 가속도당의 출력 전압이 다르고, 제1의 3축 가속도 센서 소자의 단위 가속도당의 출력 전압이 다른 3축 가속도 센서 소자의 단위 가속도당의 출력 전압보다도 크다.
예를 들면 측정 레인지 ±3G의 제1의 3축 가속도 센서 소자의 단위 가속도(1G)당의 출력 전압이 1V이고, 다른 3축 가속도 센서 소자의 측정 레인지가 300G 이었을 때에, 상기 다른 3축 가속도 센서 소자의 단위 가속도당의 출력 전압을 0.01V로 함으로써, 각 3축 가속도 센서 소자의 측정 레인지에 대응하는 출력 전압의 풀 레인지를 ±3V에 맞출 수 있고, 각각 ±3V를 같은 분해능으로 검출하면, 다른 가속도 레인지의 3축 가속도 센서 소자에서 고정밀도인 가속도 검출이 가능해진다.
각 가속도 센서 소자의 단위 가속도당의 출력은, 측정 레인지에 있어서 출력 전압이 직선성을 유지하는 영역이 되도록 설정되어 있다. 측정 레인지가 넓은 센서 소자로 단위 가속도당의 출력 전압을 너무 높게 설정하면, 측정 레인지 내에서 가요 멤버의 변형이 비선형의 영역에 도달하여 출력 전압의 직선성이 유지되지 않을 우려가 있다.
또한, 복수의 3축 가속도 센서 소자가 동일의 칩면에 형성되어 있기 때문에, 칩면에 수직인 방향의 검출 축(Z축)을 고정밀도로 일치시키는 것이 용이하게 가능하다. 더욱이, 칩면 내의 2개의 검출 축(X, Y축)에 대해서도, 포토리소그래프의 마스크 정밀도에 따라서, 고정밀도로 일치시키는 것이 가능하다.
멀티 레인지 센서 칩의 상하에 규제판을 배치하여, 측정 레인지를 초과하는 가속도가 가해진 경우에, 추의 움직임이 규제판으로 규제되기 때문에, 가요 멤버의 파괴를 막을 수 있고, 신뢰성이 높은 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치를 실현할 수 있다.
상하의 규제판은, 멀티 레인지 센서 칩과 열팽창률이 가까운 재료가 바람직하고, 예를 들면 유리나 실리콘, 세라믹, FeNi 합금 등의 재료를 사용할 수 있다. 3축 가속도 센서 소자와의 사이에 갭을 형성하도록, 접착제나 금속 접합 등을 사용하여 규제판이 센서 소자에 접착되어 있다.
또, 상부 규제판은, 검출회로를 가진 IC 칩을 사용할 수 있다. 또한, 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치를 케이스 내에 설치하여 상부에 덮개를 덮은 패키지에 넣고, 케이스의 내측 바닥을 하부 규제판으로서 사용할 수 있다.
모든 3축 가속도 센서 소자의 추와 규제판의 간격을 같게 함으로써 규제판이 평탄하여 제조하기 쉬운 점에서 바람직하다. 그 때는, 모든 3축 가속도 센서 소자에 대하여, 규제판과의 간격이, 측정 레인지 내에서 추가 규제판에 충돌하지 않고, 또 추가 규제판에 충돌하기 전에 가요 멤버가 파손되지 않는 간격으로 한다. 보다 신뢰성을 중시하는 경우에는, 측정 레인지가 클수록, 추와 규제판의 간격이 좁아지도록 규제판을 배치한다. 그 때는, 예를 들면 규제판에 깊이가 다른 캐버티를 설치해둠으로써 실현할 수 있다. 또한, 측정 레인지가 큰 순서로 몇 개인가의 3축 가속도 센서 소자에 대해서는, 가해지는 것이 상정되는 가속도에 대하여 가요 멤버 가 파손될 우려가 없는 경우에, 그 센서 소자의 상하에 규제판을 배치할 필요는 없다.
본 발명의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치에서, 보다 큰 단위 가속도당 출력 전압을 가지는 3축 가속도 센서 소자가 보다 큰 대향하는 프레임 변 간의 거리를 가지는 것이 바람직하다. 제1의 3축 가속도 센서 소자가 다른 3축 가속도 센서 소자보다도 큰 단위 가속도당 출력 전압을 가지기 때문에, 제1의 3축 가속도 센서 소자가 다른 3축 가속도 센서 소자보다도 큰 대향하는 프레임 변 간 거리를 가진다. 보다 큰 대향하는 프레임 변 간 거리를 가질 때에 같은 크기의 가속도가 가해졌을 때에 가요 멤버가 보다 크게 변형을 일으키기 때문에, 가요 멤버에 설치되어 있는 피에조 저항 소자의 변형이 크고 출력 전압이 커진다.
본 발명의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치가 갖는 복수의 3축 가속도 센서 소자가, 가요 멤버로서, 대향하는 프레임 변 상부와 추 상부를 연결하고 있는 복수의 빔 또는, 프레임 상부로 둘러싸인 영역에 설치되어 있어 그 중앙에 추를 지지하고 있는 다이어프램을 가질 수 있다.
그리고, 본 발명의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치에 있어서, 복수의 3축 가속도 센서 소자 중 적어도 1개가, 가요 멤버로서, 대향하는 프레임 변 상부와 추 상부를 연결하고 있는 복수의 빔을 갖고, 나머지의 3축 가속도 센서 소자가, 가요 멤버로서, 각각의 프레임 상부로 둘러싸인 영역에 설치되어 있어 그 중앙에 추를 지지하고 있는 다이어프램을 가질 수 있다.
3축 가속도 센서 소자가 빔을 가지고 있는 경우는, 3축 가속도 센서 소자가 그 소자 상면 내의 2개의 직각 방향 각각 연장된 1쌍의 빔을 2세트 가질 수 있다.
3축 가속도 센서 소자가 다이어프램을 가지고 있는 경우는, 프레임 상부로 둘러싸인 영역 전체에 다이어프램이 설치되어 있고, 다이어프램 중앙에 추를 가질 수 있다.
본 발명의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치에서 제1의 3축 가속도 센서 소자가, 가요 멤버로서, 대향하는 프레임 변 상부와 추 상부를 연결하고 있는 복수의 빔을 가질 수 있다.
또 본 발명의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치에서 복수의 3축 가속도 센서 소자 각각이, 가요 멤버로서, 대향하는 프레임 변 상부와 추 상부를 연결하고 있는 복수의 빔을 가질 수 있다.
본 발명의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치에서 제1의 3축 가속도 센서 소자가, 가요 멤버로서, 그 프레임 상부로 둘러싸인 영역에 설치되어 그 중앙에 추를 지지하고 있는 다이어프램을 가질 수 있다.
또 본 발명의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치에서 복수의 3축 가속도 센서 소자 각각이, 가요 멤버로서, 각각의 프레임 상부로 둘러싸인 영역에 설치되어 그 중앙에 추를 지지하고 있는 다이어프램을 가질 수 있다.
다이어프램형 3축 가속도 센서 소자와 빔형 3축 가속도 센서 소자의 어느 것을 사용할지는, 가속도의 측정 범위나 센서 소자의 외형 치수, 제조의 용이함 등으로부터, 정할 수 있다. 제1 센서 소자를 다이어프램형, 제1 보다도 작은 제2 센서 소자를 빔형, 제2 보다도 더욱 작은 제3 센서 소자를 다이어프램형으로 한 조합으 로 하거나, 또는 제1 센서 소자를 빔형, 제2 와 제3 센서 소자를 다이어프램형으로 할 수 있다. 빔형 3축 가속도 센서 소자는, 얇은 실리콘층을 에칭 가공하여 빔을 형성한다. 빔형의 가요 멤버는, 가공 프로세스가 늘어나지만, 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자에서 사용하고 있는 가공하지 않은 상태의 다이어프램 상의 가요 멤버와 비교하여, 빔의 굴곡 강성을 작게 할 수 있고, 단위 가속도당의 출력을 크게 할 수 있다. 제1의 3축 가속도 센서 소자에 빔형을 적용함으로써, 제1의 3축 가속도 센서 소자의 사이즈를 작게 하여, 멀티 레인지 가속도 센서 칩 전체의 사이즈를 작게 할 수 있다. 본 발명에서는, 특히 한정이 없는 한, 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자와 빔형 3축 가속도 센서 소자를 합쳐서, 3축 가속도 센서 소자라고 부른다.
본 발명의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치에서, 모든 3축 가속도 센서 소자의 가요 멤버의 두께가 같은 것이 바람직하다.
본 발명의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치는, 얇은 실리콘층과 두꺼운 실리콘층을 실리콘 산화막층을 개재하여 적층한 SOI(Silicon on Insulator) 기판으로 형성하는 것이 바람직하다. 두꺼운 실리콘층을 가공하여 추를 형성하고, 가공에 의해 실리콘층이 제거된 부분은 얇은 실리콘층이 남고, 가요 멤버가 형성된다. 본 발명에서는, 모든 3축 가속도 센서 소자의 가요 멤버의 두께를 같게 하면 얇은 실리콘층에 두께가 다른 가요 멤버를 형성할 필요가 없기 때문에, 얇은 실리콘층의 두께를 그대로 이용하여, 모든 3축 가속도 센서 소자의 가요 멤버를 일괄하여 형성할 수 있고, 제조 공정 수를 적게 할 수 있어 저비용으로 제조할 수 있다.
본 발명의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치에서 모든 3축 가속도 센서 소자의 추의 두께가 같은 것이 바람직하다.
본 발명의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치에서 모든 3축 가속도 센서 소자의 추 및 프레임의 두께가 같은 것이 바람직하다.
가요 멤버와 마찬가지로 프레임과 추도 모든 3축 가속도 센서 소자에서 두께를 같게 함으로써, 두꺼운 실리콘층의 두께를 그대로 이용하고, 모든 3축 가속도 센서 소자의 추를 한번의 에칭으로 일괄하여 형성할 수 있다. 이것에 의해, 제조 공정 수를 적게 할 수 있어 저비용으로 제조할 수 있다.
또한, 프레임과 추의 하면의 위치가 동일 면 내에 일정하기 때문에, 프레임의 적어도 3개소에서, 같은 높이의 스페이서를 개재하여 멀티 레인지 가속도 센서 칩과 하부 규제판을 배치하고, 추 하면과 하부 규제판 간격을 모든 3축 가속도 센서 소자에서 동일하게 하는 것이 용이하게 가능하다.
본원 발명의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치는, 보다 큰 단위 가속도당 출력 전압의 3축 가속도 센서 소자가 보다 큰 질량의 추를 가지는 것이 바람직하다.
추의 질량을 작게 하면, 단위 가속도에 의해서 추에 작용하는 힘이 커지기 때문에, 단위 가속도당의 출력 전압을 크게 할 수 있다. 본 발명의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치에 있어서는, 상술한 바와 같이 추의 두께를 같게 하는 것이 바람직하기 때문에, 칩면 내에서의 치수를 바꾸어 추의 질량을 크게 또는 작게 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치는, 보다 큰 단위 가속도당 출력 전압의 3축 가속도 센서 소자가 보다 큰 대향하는 프레임 변 간의 거리를 가지는 것이 바람직하다.
추와 프레임의 사이의 거리를 길게 하면, 양자 간을 접속하고 있는 가요 멤버의 굴곡 강성이 작아지고, 단위 가속도에 의해서 가요 멤버에 발생하는 응력이 커져, 단위 가속도당의 출력 전압을 크게 할 수 있다.
본 발명의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치는, 보다 큰 단위 가속도당 출력 전압의 3축 가속도 센서 소자가, 가요 멤버와 프레임의 접속부로 둘러싸인 면적이 보다 큰 것이 바람직하다.
가요 멤버와 프레임과의 접속부로 둘러싸인 면적은, 프레임의 내부영역의 치수이고, 3축 가속도 센서 소자의 칩면 내에 차지하는 치수라고 바꿔 말할 수 있다. 그 치수가 클수록, 추의 치수를 크게 할 수 있고, 또한 추와 프레임의 사이의 거리가 길어지기 때문에, 추에 작용하는 힘이 커지고, 또한 가요 멤버의 굴곡 강성이 작아지고, 단위 가속도당의 출력 전압을 크게 할 수 있다.
또 본 발명의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치에서 제1의 3축 가속도 센서 소자 이외의 3축 가속도 센서 소자 중 적어도 1개가, 2개의 2축 가속도 센서 소자로 이루어지고, 2개의 2축 가속도 센서 소자 각각이 추와, 추를 둘러싸고, 대향하는 프레임 변을 가진 프레임과, 대향하는 프레임 변 상부와 추 상부를 연결하여 대향하는 프레임 상부 간에 추를 지지하고 있는, 추 및 프레임보다도 얇은 한 쌍의 빔과, 빔 상에 설치되어 빔이 연장된 방향으로 연장되어 있는 피에조 저항 소자를 가질 수 있다. 그 2개의 2축 가속도 센서 소자가 가지는 한 쌍의 빔이 연장된 방향이 빔 상면 내에서 서로 직교하고 있고, 그 2개의 2축 가속도 센서 소자의 한쪽이, 그 빔 상면 내에서 빔이 연장된 방향의 가속도와 빔 상면에 수직인 가속도를 측정하고, 2개의 2축 가속도 센서 소자의 다른 쪽이, 그 빔 상면 내에서 빔이 연장된 방향의 가속도를 적어도 측정한다.
빔형 2축 가속도 센서 소자는, 2세트의 빔쌍을 가지는 빔형 3축 가속도 센서 소자와 비교하여, 빔 전체의 굴곡 강성이 작아지기 때문에, 같은 출력을 얻기 위해서 추를 작게 할 수 있다. 또한, 빔쌍이 설치되어 있지 않은 방향의 치수를 작게 할 수 있다. 예를 들면 가장 외형치수가 큰 제1의 3축 가속도 센서 소자의 주위에 빔형 2축 가속도 센서 소자를 배치하면, 멀티 레인지 가속도 센서 칩의 치수를 작게 할 수 있다.
본 발명의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치는, 모든 빔형 2축 가속도 센서 소자의 빔과 3축 가속도 센서 소자의 다이어프램의 두께가 같은 것이 바람직하다.
모든, 빔형 2축 가속도 센서 소자와 3축 가속도 센서 소자의 다이어프램의 두께를 같게 함으로써, 얇은 실리콘층에 두께가 다른 다이어프램을 형성할 필요가 없기 때문에, 얇은 실리콘층의 두께를 그대로 이용하여, 모든 2축과 3축의 가속도 센서 소자의 가요 멤버를 일괄하여 형성할 수 있기 때문에, 제조 공정 수를 적게 할 수 있어 저비용으로 제조할 수 있다.
본 발명의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치는, 모든 빔형 2축 가속도 센서 소자와 3축 가속도 센서 소자의 추의 두께가 같은 것이 바람직하다.
가요 멤버와 마찬가지로 프레임과 추도, 모든 빔형 2축 가속도 센서 소자와 3축 가속도 센서 소자에서 두께가 같게 함으로써, 두꺼운 실리콘층의 두께를 그대로 이용하여, 모든 빔형 2축 가속도 센서 소자와 3축 가속도 센서 소자의 추를 한번의 에칭으로 일괄하여 형성할 수 있기 때문에, 제조 공정 수를 적게 할 수 있어 저비용으로 제조할 수 있다.
본 발명의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치에 의하면, 복수의 3축 가속도 센서 소자를 동일 칩에 일괄 형성할 수 있기 때문에, 소자마다 개별의 가공 공정을 필요로 하지 않고, 프레임도 공유화할 수 있고, 복수 레인지의 3축 가속도 검출 가능한 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치를 소형 또한 저가로 제공할 수 있다.
이하 도면을 참조하면서 실시예에 기초하여 본 발명을 상세하게 설명한다. EXAMPLE 1
본 발명의 실시예 1의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치에 관해서, 도 1로부터 도 3을 사용하여 이하 설명한다. 도 1은, 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치의 분해 사시도이고, 도 2는 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치에 사용하고 있는 멀티 레인지 센서 칩의 확대도이고, 도 3은 도 1의 III-III선에 있어서의 단면도이다. 도 1에 있어서, 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치(100a)는, 센서 소자가 형성된 멀티 레인지 센서 칩(40a)과, 검출회로가 형성되고, 센서 소자의 움직임을 규제하는 역할도 가지는 IC 규제판(3a)을, 알루미나제의 케이스(1a) 내에 설치하고, 알루미 나제의 케이스 덮개(2a)로 밀봉한 구성이다. 멀티 레인지 센서 칩(40a)의 칩 단자(41a)와 IC 규제판(3a)의 IC 단자(31a)의 사이, 및 케이스(1a)의 외부단자(11a)와 접속하고 있는 케이스 단자(12a)와 IC 단자(31a)의 사이를, 리드 와이어(15a)로 접속되어 있고, 센서의 검출신호가 외부단자(11a)로부터 추출된다.
도 3에 도시하는 바와 같이, 멀티 레인지 센서 칩(40a)은 케이스(1a)의 내측 바닥에, 제1 접착제(16a)를 사용하여 고정되어 있다. 제1 접착제(16a)는 플라스틱 구가 혼련되어 있고, 센서 소자의 추와 케이스(1a) 내측 바닥의 사이에 어떤 간격이 형성되어 있다. IC 규제판(3a)이 마찬가지로 플라스틱 구(球)가 혼련된 제1 접착제(16a')에 의해서 멀티 레인지 센서 칩(40a) 상에 접착되고, 센서 소자의 추와 IC 규제판(3a)의 사이에 어떤 간격이 형성되도록 하였다. 케이스 덮개(2a)를 케이스(1a)에 제2 접착제(17a)로 밀봉하고, 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치(100a)가 형성되어 있다.
도 2를 사용하여 멀티 레인지 센서 칩(40a)의 구조를 설명한다. 멀티 레인지 센서 칩(40a)에는, 제1의 3축 가속도 센서 소자(50a)와 제2의 3축 가속도 센서 소자(50a')가 형성되어 있다. 제1의 3축 가속도 센서 소자(50a)는, 제1 소자 프레임(52a) 내에 제1 소자 추(51a)가, 각각 2개의 빔으로 이루어지는 제1 소자 제1 빔(53a) 및 제1 소자 제2빔(54a)에 의해서 지지되어 있다. 멀티 레인지 센서 칩(40a)의 상면 내에 X축과 Y축, 상면에 수직 방향으로 Z축을 설정하였을 때, X축을 따라서 형성한 제1 소자 제1 빔(53a) 상에 X축 방향 가속도 검출용의 X축 피에조 저항 소자(55a)가, Y축을 따라서 형성한 제1 소자 제2 빔(54a) 상에 Y축 방향 가속도 검출용의 Y축 피에조 저항 소자(56a)가 형성되어 있다. Z축 가속도 검출용의 Z축 피에조 저항 소자(57a)는 어느 빔 상이어도 좋지만, 여기에서는 제1 소자 제1 빔(53a) 상에 형성되어 있다. 피에조 저항 소자는 축마다 4개 설치하고, 도시하지 않는 배선에 의해 접속하여 브리지 회로를 구성하였다. 가속도에 의해서 추에 힘이 걸려 변위하고, 빔이 변형함으로써 피에조 저항 소자의 전기저항이 변화하여, 4개의 피에조 저항 소자의 저항 변화량 차에 의한 전위차를 브리지 회로로부터 추출함으로써, 가속도를 검출할 수 있다.
마찬가지로 제2의 3축 가속도 센서 소자(50a')는, 제2 소자 프레임(52a') 내에 제2 소자 추(51a')가, 각각 2개의 빔으로 이루어지는 제2 소자 제1 빔(53a') 및 제2 소자 제2 빔(54a')에 의해서 지지되어 있다. X축에 따른 제2 소자 제1 빔(53a') 상에 X축 피에조 저항 소자 및 Z축 피에조 저항 소자가, Y축에 따른 제2 소자 제2 빔(54a') 상에 Y축 피에조 저항 소자가 형성되어 있다.
제2의 3축 가속도 센서 소자(50a')는, 제1의 3축 가속도 센서 소자(50a)와 비교하여, 단위 가속도당의 출력 전압이 작다. 즉 출력 전압의 풀 스케일에 대하여, 제2의 3축 가속도 센서 소자(50a')가 보다 넓은 측정 레인지가 되도록 하였다. 예를 들면, 제1의 3축 가속도 센서 소자(50a)의 측정 레인지를 ±수 G로서 낙하 검출에 사용하고, 제2의 3축 가속도 센서 소자(50a')의 측정 레인지를 ±수백 G로서 충격 검지에 사용할 수 있다. 또한 멀티 레인지 센서 칩(40a) 상에는, 칩 단자(41a)가 복수 형성되어 있다.
가속도 센서 소자의 제조방법과 치수를 간단히 설명한다. 약 400㎛ 두께의 실리콘판에 수㎛ 두께의 실리콘 산화층과 6㎛ 두께의 실리콘층을 갖는 SOI(Silicon on Insulator) 웨이퍼를 사용하였다. 포토레지스트로 패터닝을 하여 실리콘층에 붕소를 1 내지 3x1018원자/㎤ 주입하여 피에조 저항 소자를 형성하고, 피에조 저항 소자에 접속하는 배선을 금속 스퍼터과 드라이 에칭장치를 사용하여 형성하였다. 실리콘층과 실리콘판을 포토리소그래피와 드라이 에칭장치를 사용하여 가공하여, 실리콘층에 형성된 빔 및 실리콘층으로부터 실리콘판에 걸쳐서 형성된 추를 형성하였다. 실리콘 산화층은 실리콘의 드라이 에칭 시에 에칭 스토퍼로서 기능한다. 1장의 웨이퍼에 다수의 칩을 제작하여, 드라이 에칭 또는 다이싱에 의해 단체 칩으로 분리하였다.
본 실시예의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치에 있어서는, 제1의 3축 가속도 센서 소자(50a) 및 제2의 3축 가속도 센서 소자(50a')를, 1개의 멀티 레인지 센서 칩(40a)에 일괄하여 형성 가능하다. 실리콘 드라이 에칭의 마스크에 양자의 형상을 만들고, 동시에 가공하여 형성함으로써, 프로세스의 추가 없이 측정 레인지가 다른 2개의 센서 소자를 형성할 수 있고, 제조 비용을 저렴하게 할 수 있다. 또한, 제1의 3축 가속도 센서 소자(50a)의 프레임(52a)을 구성하는 4개의 프레임 변 중의 하나에, 제2의 3축 가속도 센서 소자(50a')를 형성하고 있기 때문에, 2개의 센서 소자의 프레임을 공통화하여 작은 면적에 넣을 수 있고, 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치를 소형화할 수 있다. 또한, 2개의 센서 소자의 빔의 방향을 마스크 패턴에 의해 맞출 수 있기 때문에, 2개의 센서 소자의 가속도 검출 축을 고정밀도 로 일치시키는 것이 가능하다.
실시예 1의 멀티 레인지 센서 칩(40a)의 개략 치수를 설명한다. 제1의 3축 가속도 센서 소자(50a)는, 1개의 빔의 길이를 400㎛, 폭을 40㎛로 하고, 추는 외형치수를 900㎛×900㎛로 하였다. 추와 빔을 작은 면적에 넣기 위해서, 추를, 빔의 접속 부분을 도려낼 수 있는 형상으로 하였다. 그것에 의해 추는 도 2에 도시한 바와 같은 클로버형으로 하였다. 제2의 3축 가속도 센서 소자(50a')는, 빔의 길이를 120㎛, 폭을 100㎛로 하고, 추의 외형치수를 200㎛×200㎛로 하였다. 제2의 3축 가속도 센서 소자에 대해서는, 추를 클로버 형상으로 하는 것에 의한 면적 저감 효과가 작기 때문에, 추는 사각형으로 하였다. 빔의 두께는, 2개의 센서 소자 모두 SOI 웨이퍼의 실리콘층의 두께로 6㎛, 추의 두께는 2개의 센서 소자 모두 SOI 웨이퍼의 전체의 두께가 되고, 실리콘 산화막층이 1㎛이기 때문에 407㎛ 이었다.
입력전압 3V일 때의 가속도 1G 당의 출력 전압은, 제1의 3축 가속도 센서 소자(50a)에서는 X, Y, Z축 모두 약 2.0mV, 제2의 3축 가속도 센서 소자(50a')에서는 X, Y축이 약 0.015mV, Z축이 약 0.01mV 이었다. 출력 전압을 비교하면, 차가 큰 Z축으로 비교하여, 제1의 3축 가속도 센서 소자(50a)가 약 200배 커졌다. 앰프회로에 의해 같은 증폭률로 증폭하고, 풀 스케일의 출력 전압도 같게 한 경우, 제1의 3축 가속도 센서 소자(50a)의 측정 레인지는, 제2의 3축 가속도 센서 소자(50a')의 1/200이 된다. 예를 들면 증폭률을 150배, 풀 스케일 출력 전압을 ±900mV로 하면, 측정 레인지는 제1의 3축 가속도 센서 소자(50a)가 ±3G, 제2의 3축 가속도 센 서 소자(50a')가 ±600G가 된다. 이러한 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치에 의해, 1G 이하의 작은 가속도로부터, 수백 G의 큰 가속도까지, 여러 가지 강도의 가속도를 측정한 바, ±3G의 범위는 제1의 3축 가속도 센서 소자(50a)를, ±600G의 범위는 제2의 3축 가속도 센서 소자(50a')를 사용하여, 각각 직선성 좋게 측정할 수 있었다.
상기 치수예와 같이, 제1의 3축 가속도 센서 소자(50a)보다도 제2의 3축 가속도 센서 소자(50a')의 단위 가속도당의 출력 전압을 작게 하기 위해서는, 빔의 길이를 짧게, 빔의 폭을 넓게 하여, 빔의 굴곡 강성을 높게 하는 것이 바람직하다. 또한, 추의 외형치수를 작게 하고, 추의 중량을 가볍게 하는 것이 바람직하다. 그것에 의하여, 추와 빔이 배치되는 영역은, 제2의 3축 가속도 센서 소자(50a')쪽이 작아지는 것이 바람직하다. 즉 범위 내부의 공간 영역이 작아지는, 즉 2개의 빔의 프레임과의 접속점을 연결하는 거리가 작아지는 것이 바람직하다.
또, 상기 치수의 센서 소자로 하였을 때의, 제1의 3축 가속도 센서 소자(50a)의 공진 주파수는 약 1.5kHz이고, 제2의 3축 가속도 센서 소자(50a')에서는 약 25kHz이었다. 충격 가속도의 검출의 경우, 센서가 탑재된 기기의 충돌의 충격에 의해, 가속도 센서의 공진 주파수 부근의 진동이 가속도 센서에 가해지면, 공진 주파수에서의 진동이 감쇠되지 않고 잔류하여 검출 파형에 불량이 생길 우려가 있다. 그 때문에, 충격 검지에서는, 공진 주파수를 높게 할 필요가 있다. 고가속도 레인지를 측정하는 제2의 3축 가속도 센서 소자(50a')는, 빔의 굴곡 강성을 높게, 추의 중량을 가볍게 하고 있기 때문에, 센서 소자의 공진 주파수도 높아져서 충격 검출에 사용하기에 적합하다.
저가속도 레인지를 측정하는 제1의 3축 가속도 센서 소자(50a)는, 측정 레인지를 크게 초과하는 가속도가 가해지면, 빔에 과대한 응력이 걸리고, 빔이 파손될 우려가 있다. 그 때문에, 센서 소자의 추의 상하에, 어떤 간격을 주어 규제판을 배치하였다. 이 실시예에서는, 추의 상방에는 검출회로를 형성한 IC 칩인 IC 규제판(3a)을 배치하고, 추의 하방은 케이스(1a)의 내측 바닥을 규제판으로서 사용하였다. IC 규제판(3a) 및 케이스(1a)와는 별도로 독립한 규제판을 설치하는 것보다도 센서 전체의 두께를 얇게 할 수 있다. 규제판과 추의 간격은, 측정 레인지 내에서 추가 규제판에 충돌하지 않고, 또한 빔이 파손될 정도로 빔이 변형하기 전에 추가 규제판에 충돌하는 간격으로 한다. 본 실시예에서는 15㎛로 하였다. 간격을 정밀도 좋게 형성하기 위해서, 제1 접착제(16a, 16a')에 외부 직경이 거의 일정한 플라스틱 구를 혼련하여 두고, 플라스틱 구를 스페이서로서 간격을 규제할 수 있도록 하였다. 측정 레인지가 큰 제2의 3축 가속도 센서 소자(50a')는, 상정되는 최대의 가속도가 걸리더라도 빔이 파괴에 도달하지 않은 경우가 있고, 그 때는 제2의 3축 가속도 센서 소자(50a')의 상하에는 규제판이 없어도 좋다. 즉 IC 규제판(3a)은 제1의 3축 가속도 센서 소자(50a) 상방을 커버하고, 제2의 3축 가속도 센서 소자(50a') 상방은 커버하지 않는 영역에 배치하여도 좋다.
EXAMPLE 2
본 발명의 실시예 2의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치에 관해서, 도 4 내지 도 6을 사용하여 설명한다. 도 4는, 실시예 2의 멀티 레인지 3축 가속도 센서 장치의 분해 사시도이고, 도 5는 멀티 레인지 센서 칩의 사시도이다. 도 6은 도 4의 VI-VI선에 있어서의 단면도이다. 도 4에 있어서, 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치(100b)는, 2개의 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자가 형성된 멀티 레인지 센서 칩(40b)과, 검출회로가 형성되고, 센서 소자의 움직임을 규제하는 역할도 가지는 IC 규제판(3b)을, 알루미나제의 케이스(1b) 내에 설치하여, 알루미나제의 케이스 덮개(2b)로 밀봉된 구성이다. 멀티 레인지 센서 칩(40b)의 칩 단자(41b)와 IC 규제판(3b)의 IC 단자(31b)의 사이, 및 케이스(1b)의 외부단자(11b)와 접속하고 있는 케이스 단자(12b)와 IC 단자(31b)의 사이를, 리드 와이어(15b)로 접속되어 있고, 센서의 검출신호가 외부단자(11b)로부터 추출할 수 있다.
도 6에 도시하는 바와 같이, 멀티 레인지 센서 칩(40b)은 케이스(1b)의 내측 바닥에, 제1 접착제(16b)를 사용하여 고정되어 있다. 제1 접착제(16b)에는 플라스틱 구가 혼련되어 있고, 센서 소자의 추(71b, 71b')와 케이스(1b) 내측 바닥의 사이에 어떤 간격이 형성되어 있다. IC 규제판(3b)이 마찬가지로 플라스틱 구가 혼련된 제1 접착제(16b')에 의해서 멀티 레인지 센서 칩(40b) 상에 접착되고, 센서 소자의 추(71b, 71b')와 IC 규제판(3b)의 사이에 어떤 간격이 형성되어 있다. 케이스 덮개(2b)를 케이스(1b)에 제2 접착제(17b)로 밀봉하고, 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치(100b)가 형성되어 있다.
도 5를 사용하여 멀티 레인지 센서 칩(40b)의 구조를 설명한다. 멀티 레인지 센서 칩(40b)에는, 제1 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70b)와 제2 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70b')가 형성되어 있다. 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70b, 70b')는, 프레임(72b, 72b') 내에 추(71b, 71b')가, 프레임(72b, 72b') 및 추(71b, 71b')보다도 얇게 형성된 다이어프램 상의 가요 멤버(73b, 73b')에 의해서 지지되어 있다. 멀티 레인지 센서 칩(40b)의 상면 내에 X축과 Y축, 상면에 수직 방향으로 Z축을 설정하였을 때, 가요 멤버(73b) 상에, X축 방향 가속도 검출용의 피에조 저항 소자(75b)가 X축을 따라서 형성되고, Y축 방향 가속도 검출용의 피에조 저항 소자(76b)가 Y축을 따라서 형성되어 있다. Z축 가속도 검출용의 피에조 저항 소자(77b)는 어느 쪽의 축 방향에서도 좋지만, 여기에서는 X축을 따라서 형성되어 있다. 피에조 저항 소자는 축마다 4개 설치하고, 도시하지 않는 배선에 의해 접속하여 브리지 회로를 구성하였다. 가속도에 의해서 추에 힘이 걸려 변위하고, 가요 멤버가 변형함으로써 피에조 저항 소자의 전기저항이 변화하여, 4개의 피에조 저항 소자의 저항 변화량 차에 의한 전위차를 브리지 회로에서 추출함으로써, 가속도를 검출할 수 있다.
제2 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70b')도 같은 구성으로 되어 있지만, 제2 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70b')는 제1 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70b)의 프레임(72b)의 하나의 프레임 변에 형성되어 있다.
제2 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70b')는, 제1 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70b)와 비교하여, 단위 가속도당의 출력 전압이 작다. 즉 출력 전압의 풀 스케일에 대하여, 제2 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70b')의 측정 레인지가 넓다. 예를 들면, 제1 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70b)의 측정 레인지를 ±수 G로서 낙하 검출에 사용하고, 제2 다이어프램형 3축 가속도 센서 소 자(70b')의 측정 레인지를 ±수백 G로서 충격 검지에 사용할 수 있다. 또한 멀티 레인지 센서 칩 상에는, 복수의 칩 단자(41b)가 형성되어 있다.
본 실시예의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치에 있어서는, 제1 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70b) 및 제2 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70b')를, 하나의 멀티 레인지 센서 칩(40b)에 일괄하여 형성 가능하다. 실리콘드라이 에칭의 마스크에 양자의 형상을 만들어, 동시에 가공하여 형성함으로써, 프로세스의 추가 없이 측정 레인지가 다른 2개의 센서 소자를 형성할 수 있고, 제조 비용을 낮게 할 수 있다. 또한, 제1 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70b)의 프레임(72b) 내에, 제2 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70b')를 형성하고 있기 때문에, 2개의 센서 소자의 프레임을 공통화하여 작은 면적에 넣을 수 있고, 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치를 소형화할 수 있다. 또한, 2개의 센서 소자의 빔의 방향을 마스크 패턴에 의해 맞출 수 있기 때문에, 2개의 센서 소자의 가속도 검출 축을 고정밀도로 일치시킬 수 있었다. 제1 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70b)와 제2 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70b')의, 프레임(72b, 72b')과 추(71b, 71b')의 두께를 같게 하고, 또한 다이어프램으로 이루어지는 가요 멤버(73b, 73b')의 두께를 같게 하였다.
제2 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70b')의 단위 가속도당의 출력 전압을 제1 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70b)보다도 작게 하기 위해서, 제2 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자의 다이어프램의 폭, 즉 추와 프레임 간의 거리를 짧게 하고, 그 다이어프램의 굴곡 강성을 높게 하는 것이 바람직하다. 또한, 추의 외형치수를 작게 하고, 추의 중량을 가볍게 하는 것이 바람직하다. 그것에 의하여, 제2 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70b')의 추와 빔이 배치되는 영역을 보다 작게 하는 것이 바람직하다. 즉 범위 내부의 공간영역이 보다 작은 것이 바람직하다.
또, 충격 가속도의 검출의 경우, 가속도 센서가 탑재된 기기의 충돌의 충격에 의해, 가속도 센서의 공진 주파수 부근의 진동이 가속도 센서에 더하면, 공진 주파수에서의 진동이 감쇠되지 않고서 잔류하여, 검출 파형에 불량이 생길 우려가 있다. 그 때문에, 충격 검지에서는, 공진 주파수를 높게 할 필요가 있다. 고가속도 레인지를 측정하는 제2의 3축 가속도 센서 소자(70b')는, 가요 멤버의 굴곡 강성을 높게, 추의 중량을 가볍게 하고 있기 때문에, 센서 소자의 공진 주파수도 높아져서 충격 검출에 사용하기에 적합하다.
저가속도 레인지를 측정하는 제1 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70b)는, 측정 레인지를 크게 초과하는 가속도가 가해지면, 다이어프램형의 가요 멤버에 과대한 응력이 걸려, 가요 멤버가 파손될 우려가 있다. 그 때문에, 센서 소자의 추의 상하에 소정의 간격을 주어 규제판을 배치하였다. 이 실시예에서는, 추의 상방에는 검출회로를 형성한 IC 칩인 IC 규제판(3b)을 배치하고, 추의 하방은 케이스(1b)의 내측 바닥을 규제판으로서 사용하여 IC 규제판(3b) 및 케이스(1b)의 내측 바닥을 사용함으로써, 별도로 독립한 규제판을 설치하는 것보다도 센서 전체의 두께를 얇게 할 수 있다. 규제판과 추의 간격은, 측정 레인지 내에서 추가 규제판에 충돌하지 않고, 또한 가요 멤버가 파손될 정도로 가요 멤버가 변형하기 전에 추가 규제판에 충돌하는 간격으로 한다. 간격을 정밀도 좋게 형성하기 위해서, 제1 접착제(16b, 16b')에 외부 직경이 거의 일정한 플라스틱 구를 혼련해 두고, 플라스틱 구를 스페이서로서 간격을 규제할 수 있도록 하였다. 측정 레인지가 큰 제2 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70b')는, 상정되는 최대의 가속도가 걸리더라도 가요 멤버가 파괴에 도달하지 않는 경우가 있고, 그 때는 제2 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70b')의 상하에는 규제판이 없어도 좋다. 즉 IC 규제판(3b)은 제1 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70b) 상방을 커버하여, 제2 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70b') 상방은 커버하지 않은 영역에 배치할 수 있다.
EXAMPLE 3
본 발명의 실시예 3의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치에 관해서 이하 설명한다. 도 7은 실시예 3의 멀티 레인지 센서 칩(40c)을 도시하는 사시도이다. 실시예 2에서 저가속도 레인지를 측정하는 데 사용한 제1 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70b) 대신에, 제1 빔형 3축 가속도 센서 소자(50c)로 한 것이다. 멀티 레인지 센서 칩(40c)은 저가속도 레인지를 측정하는 제1 빔형 3축 가속도 센서 소자(50c)와, 고가속도 레인지를 측정하는 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70c)를 갖는다. 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70c)는, 프레임(72c) 내에 추(71c)를 다이어프램(73c)에 의해서 지지한 구조로, 빔형 3축 가속도 센서 소자(50c)는, 프레임(52c) 내에 추(51c)를 2쌍의 빔(53c, 54c)에 의해서 지지하고 있다. 빔(53c, 54c) 상에, 도 2를 참조하면서 실시예 1에서 설명한 것처럼, X축 피에조 저항 소자와, Y축 피에조 저항 소자, Z축 피에조 저항 소자가 설치되어 있다. 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70c)는 빔형 3축 가속도 센서 소자(50c)의 프레임(52c)의 하나의 프레임 변에 형성되어 있다. 저가속도 레인지를 측정하는 빔형 3축 가속도 센서 소자(50c)와, 고가속도 레인지를 측정하는 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70c)의, 프레임(52c, 72c)과 추(51c, 71c)의 두께를 같게 하고, 가요 멤버인 빔(53c, 54c)과 다이어프램(73c)을 같은 두께로 하였다.
EXAMPLE 4
본 발명의 실시예 4의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치에 관해서 이하 설명한다. 도 8은 실시예 4의 멀티 레인지 센서 칩(40d)을 도시하는 사시도이다. 실시예 2에서 고가속도 레인지를 측정하는 데 사용한 제2 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70b') 대신에, 멀티 레인지 센서 칩(40d)에서는 빔형 3축 가속도 센서 소자(50d)로 한 것이다. 멀티 레인지 센서 칩(40d)은 저가속도 레인지를 측정하는 제1 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70d)와, 고가속도 레인지를 측정하는 빔형 3축 가속도 센서 소자(50d)를 갖는다. 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70d)는, 프레임(72d) 내에 추(71d)를 다이어프램(73d)에 의해서 지지한 구조이며, 빔형 3축 가속도 센서 소자(50d)는, 프레임(52d) 내에 추(51d)를 2쌍의 빔(53d, 54d)에 의해서 지지하고 있다. 빔형 3축 가속도 센서 소자(50d)는 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70d)의 프레임(72d)의 하나의 프레임 변에 형성되어 있다. 저가속도 레인지를 측정하는 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70d)와, 고가속도 레인지를 측정하는 빔형 3축 가속도 센서 소자(50d)의, 프레임(52d, 72d)과 추(51d, 71d)의 두께를 같게 하여, 가요 멤버인 빔(53d, 54d)과 다이어프램(73d)을 같은 두께로 하 였다.
EXAMPLE 5
본 발명의 실시예 5는, 가속도 검출 레인지를 더 추가하여, 3개의 다른 가속도 레인지에서 3축 가속도를 검출할 수 있는 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치이다. 멀티 레인지 센서 칩(40e)의 개략 구조를 도 9에 사시도로 도시한다. 제1 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70e)의 프레임(72e) 변 내에, 제2 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70e')에 더하여, 제3 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70e")를 배치하였다. 제1 로부터 제3 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70e, 70e', 70e")는, 제1 로부터 제3 에 걸쳐서, 단위 가속도당의 출력 전압이 차례로 작아지도록 하고, 제1 로부터 제3의 순으로 가속도 측정 레인지가 커지도록 하였다. 예를 들면, 제1 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자를 ±3G, 제2 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자를 ±30G, 제3 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자를 ±600G로 한다. 제1로부터 제3까지 차례로 단위 가속도에 대한 출력 전압을 작게 하기 위해서, 제1로부터 제3까지 차례로 추의 치수를 작고, 또한 가요 멤버의 길이도 짧게 하였다.
본 실시예에서는, 제1 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70e)는 방형이고, 제2 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70e')는 다각형, 제3 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70e")는 원형의 다이어프램으로 하고, 그것에 맞추어서 프레임(72e, 72e', 72e")과 추(71e, 71e', 71e")의 형상을 바꾸고 있다. 이와 같이, 방형에 한정되지 않고, 다각형이나 원형을 선택할 수 있다. 또한, 제1로부터 제3 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자의, 프레임(72e, 72e', 72e")과 추(71e, 71e', 71e")를 같은 두께로 하고, 그 가요 멤버(73e, 73e',73e")는 서로 같은 두께로 하였다.
EXAMPLE 6
실시예 6은, 3개의 다른 가속도 검출의 레인지에 3축 가속도를 검출할 수 있는 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치이다. 멀티 레인지 센서 칩(40f)의 개략구조를 도 10에 도시한다. 실시예 1과 동일한 제1의 3축 가속도 센서 소자(50f)의 프레임 변 내에, 제2의 3축 가속도 센서 소자(50f') 및 제3의 3축 가속도 센서 소자(50f")를 배치하였다. 제1 내지 제3의 3축 가속도 센서 소자에 걸쳐서, 순차 단위 가속도당의 출력 전압이 작게 되어 있다. 제1로부터 제3의 순으로, 가속도 측정 레인지가 커진다. 예를 들면, 제1을 ±3G, 제2를 ±30G, 제3을 ±600G와 같게 한다. 제1로부터 제3까지 차례로 단위 가속도당의 출력 전압이 작아지게 하기 위해서, 제1로부터 제3까지 차례로 추의 치수가 작아지도록 하고, 또한 빔의 길이가 짧고, 또한 폭이 넓게 되도록 하였다.
EXAMPLE 7
본 발명의 실시예 7의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치에 관해서 설명한다. 도 11은 실시예 7의 멀티 레인지 센서 칩(40g)의 구조를 사시도로 도시한다. 제2의 3축 가속도 센서 소자(50g')를, 2개의 2축 가속도 센서 소자(60g, 60g')로 구성하였다. 멀티 레인지 센서 칩(40g)은, 실시예 1과 마찬가지로, 제1 소자 프레임(52g) 내에 제1 소자 추(51g)를, 각각 2개의 빔으로 이루어지는 제1 소자 제1 빔(53g) 및 제1 소자 제2 빔(54g)에 의해서 지지한 구조의, 제1의 3축 가속도 센서 소자(50g)를 갖는다. 한편, 제2의 3축 가속도 센서 소자(50g')는, 제2 소자 제1 프레임(62g) 내에 제2 소자 제1 추(61g)를, 2개의 빔으로 이루어지는 제2 소자 제1 빔(63g)에 의해서 지지한 구조의 제1의 2축 가속도 센서 소자(60g)와, 제2 소자 제2 프레임(62g') 내에 제2 소자 제2 추(61g')를, 2개의 빔으로 이루어지는 제2 소자 제2 빔(63g')에 의해서 지지한 구조의 제2의 2축 가속도 센서 소자(60g')로 구성하였다.
2축 가속도 센서 소자는 1쌍이 된 빔을 가지는 점에서 3축 가속도 센서 소자와 다르다. 빔에 형성한 피에조 저항 소자에 의해, 빔이 연장된 방향인 제1 축(X축)과, 칩면에 수직인 제2 축(Z축)의 가속도를 검출 가능하다. 2개의 2축 가속도 센서 소자를 제1 축끼리가 직교하도록 배치하고 있기 때문에, 2개의 소자 각각의 제1 축 방향인 2축(X축 및 Y축)과, Z축의 3축을 검출할 수 있다. Z축의 검출은, 2개의 소자의 어느 한쪽에서 할 수 있다. 본 실시예에서는, 제1의 2축 가속도 센서 소자(60g)의 빔(63g)을 X축을 따라서 배치하고, X축 피에조 저항 소자 및 Z축 피에조 저항 소자를 설치하였다. 그리고, 제2의 2축 가속도 센서 소자(60g')의 빔(63g')을 Y축을 따라서 배치하고, Y축 피에조 저항 소자를 설치하였다.
2축 가속도 센서 소자는, 빔이 한 쌍이기 때문에, 2쌍의 빔을 가지는 3축 가속도 센서 소자보다도 빔의 굴곡 강성이 전체로서 작고, 단위 가속도당의 출력 전압을 동일하게 하기 위해서 추의 치수를 작게 할 수 있다. 빔이 한 방향만으로 연장되어 있기 때문에, 보다 작은 범위 내에 넣을 수 있다. 2소자의 합계에서는, 3 축 가속도 센서 소자보다도 면적이 크지만, 제2 이후의 가속도 센서 소자를 2축 소자 2개로 하고, 가장 치수가 큰 제1의 3축 가속도 센서 소자의 프레임 변 내에 배치함으로써, 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치 전체의 치수를 작게 할 수 있다. 즉, 제1의 3축 가속도 센서 소자는 1소자에서 3축으로 하고, 제2 이후의 3축 가속도 센서 소자는, 1소자에서 3축으로 하거나, 2축 가속도 센서 소자를 2개로 하는지를 선택 가능하다.
실시예 7의 멀티 레인지 센서 칩의 개략 치수를 나타낸다. 제1의 3축 가속도 센서 소자(50g)는 실시예 1의 제1의 3축 가속도 센서 소자(50a)와 같은 크기로 같은 구조이다. 제1의 2축 가속도 센서 소자(60g) 및 제2의 2축 가속도 센서 소자(60g')는 같은 치수이고, 이들의 빔의 길이를 120㎛, 폭을 100㎛으로 하여, 추의 외형치수를 150㎛×150㎛로 하였다. 이 때, 입력전압 3V일 때의 가속도 1G 당의 출력 전압은, 제1의 3축 가속도 센서 소자에서는 X, Y, Z축 모두 약 2.0mV, 제1 및 제2의 2축 가속도 센서 소자에서는 X, Y, Z축 모두 약 0.01mV이었다. 제1 및 제2의 2축 가속도 센서 소자는, 실시예 1의 제2의 3축 가속도 센서 소자(50a')의 추형상 보다 작은 면적의 추로, 단위 가속도당의 출력 전압을 동등하게 할 수 있었다. 상기 치수의 제1 및 제2의 2축 가속도 센서 소자를, 도 11에 도시하는 바와 같이, 제1의 3축 가속도 센서 소자(50g)의 프레임 변 내에 배치함으로써, 실시예 1보다도 멀티 레인지 센서 칩 전체의 사이즈를 작게 할 수 있었다.
EXAMPLE 8
실시예 8은, 도 12에 도시하는 바와 같이, 실시예 7과 동일한 제1 및 제2의 2축 가속도 센서 소자(60h 및 60h')를 제1의 3축 가속도 센서 소자(50h)의 프레임 변 중의 2개에 각각 배치한 구조이다. X방향으로 연장된 빔을 가지는 제1의 2축 가속도 센서 소자(60h)는, 제1의 3축 가속도 센서(50h)의 X축에 평행한 프레임 변 내에, Y 방향으로 연장된 빔을 가지는 제2의 2축 가속도 센서 소자(60h')는, 제1의 3축 가속도 센서 소자(50h)의 Y축에 평행한 프레임 변 내에 설치하였다. 제1 및 제2의 2축 가속도 센서 소자(60h, 60h')는, 소자 전체의 치수가, 빔의 긴변 방향으로 길기 때문에, 멀티 레인지 센서 칩(40h) 전체의 평면 종횡 치수에 대하여, 긴쪽의 치수를 가능한 한 짧게 할 수 있기 때문에 이 구성이 바람직하다. 즉, 멀티 레인지 센서 칩을 대략 정방형으로 하는 경우는, 이 실시예의 구성으로 하면 면적이 최소가 된다.
EXAMPLE 9
도 10에 도시한 실시예 6의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치에 있어서 제2 및 제3의 3축 가속도 센서 소자(50f' 및 50f")를 2개의 2축 가속도 센서 소자로 구성할 수 있다. 예를 들면, 실시예 9의 멀티 레인지 센서 칩(40i)에서는, 도 13에 도시하는 바와 같이, 제3의 3축 가속도 센서 소자(50i")를, X, Z축 가속도를 검출하는 제1의 2축 가속도 센서 소자(60i)와, Y축 가속도를 검출하는 제2의 2축 가속도 센서 소자(60i')로 이루어지는 구성으로 하였다. 제1의 2축 가속도 센서 소자(60i)를 제2의 3축 가속도 센서 소자(50i')와 같이, 제1의 3축 가속도 센서 소자(50i)의 X축에 따른 프레임 변 내에, 제2의 2축 가속도 센서 소자(60i')를 Y축에 따른 별도의 프레임 변 내에 배치하였다.
EXAMPLE 10
또 도 14에 도시하는 실시예 10의 멀티 레인지 센서 칩(40j)에서는, 제2의 3축 가속도 센서 소자(50j')를, X, Z축 가속도를 검출하는 제1의 2축 가속도 센서 소자(60j')와, Y축 가속도를 검출하는 제2의 2축 가속도 센서 소자(60j')로 이루어지는 구성으로 하고, 마찬가지로 제3의 3축 가속도 센서 소자(50j")를, X, Z축 가속도를 검출하는 제3의 2축 가속도 센서 소자(65j)와, Y축 가속도를 검출하는 제4의 2축 가속도 센서 소자(65j')로 이루어지는 구성으로 하였다. 제1 및 제3의 2축 가속도 센서 소자(60j' 및 65j)를, 제1의 3축 가속도 센서 소자(50j)의 X축에 따른 프레임 변 내에, 제2 및 제4의 2축 가속도 센서 소자(60j'' 및 65j')를, 제1의 3축 가속도 센서 소자(50j)의 프레임의 Y축에 따른 프레임 변 내에 배치하였다.
이들 실시예의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치에 있어서도, 1G 이하부터 수백 G까지 여러 가지 강도의 가속도에 대하여, 가속도 강도에 적합한 3축 가속도 센서 소자를 사용하여, 그 측정 레인지 내에서 양호한 직선성을 갖고 가속도를 측정할 수 있다.
EXAMPLE 11
본 발명의 실시예 11의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치에 관해서 이하 설명한다. 도 15에, 실시예 11의 멀티 레인지 센서 칩(40k)의 구조를 사시도로 도시한다. 본 실시예는, 저가속도 레인지를 측정하는 빔형 3축 가속도 센서 소자(50k), 중가속도 레인지를 측정하는 2개의 빔형 2축 가속도 센서(60k와 60k') 및 고가속도 레인지를 측정하는 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70k)로 구성되어 있다. 빔형 2축 가속도 센서(60k와 60k')는, 추(61k, 61k')와 프레임(62k, 62k')을 1쌍의 빔(63k, 63k')으로 연결하고 있다. 빔형 2축 가속도 센서(60k)의 빔(63k)에는 X축용 피에조 저항 소자와 Z축용 피에조 저항 소자를 형성하고, 빔형 2축 가속도 센서(60k')의 빔(63k')에는 Y축용 피에조 저항 소자를 형성하였다. 다이어프램형 3축 가속도 센서 소자(70k)와 2개의 빔형 2축 가속도 센서(60k와 60k')는, 빔형 3축 가속도 센서 소자(50k)의 2개의 프레임 변(52k)에 형성하였다.
빔형 2축 가속도 센서 소자(60k, 60 k') 각각이 1쌍의 빔(63k, 63k')을 가지는 점에서 빔형 3축 가속도 센서 소자(50k)와 다르다. 빔(63k, 63k')에 형성한 피에조 저항 소자에 의해, 빔의 긴변 방향인 제1 축(X축)과, 칩면에 수직인 제2 축(Z축)의 가속도를 검출 가능하다. 이 2축 가속도 센서 소자 2개를 제1 축끼리가 직교하도록 배치하고 있기 때문에, 2개의 소자 각각의 빔이 연장된 축 방향의 2축(X축 및 Y축)과 Z축에서 합계 3축의 가속도를 검출할 수 있다. Z축 가속도의 검출은, 2개의 소자의 어느 한쪽에서 행하여도 좋고, 양쪽의 소자를 사용하여도 좋다. 본 실시예에서는, 제1 빔형 2축 가속도 센서 소자(60k)의 빔(63k)을 X축을 따라서 배치하고, X축 피에조 저항 소자 및 Z축 피에조 저항 소자를 형성하였다. 그리고, 제2 빔형 2축 가속도 센서 소자(60k')의 빔(63k')을 Y축을 따라서 배치하여 Y축 피에조 저항 소자를 형성하였다.
빔형 2축 가속도 센서 소자는 빔이 1쌍이기 때문에, 빔이 2쌍 있는 빔형 3축 가속도 센서 소자보다도 합계의 양 굴곡 강성이 작고, 단위 가속도당의 출력 전압을 같게 하기 위한 추의 치수를 작게 할 수 있다. 빔이 한 방향만으로 연장되어 있기 때문에, 보다 작은 범위 내에 넣을 수 있었다.
EXAMPLE 12
실시예 12의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치는, 실시예 1에서 설명한 멀티 레인지 센서 칩(40a)의 센서 소자 형성영역의 외측에 웨이퍼 레벨 패키징을 적용한 것이다. 실시예 12의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치를 도 16과 도 17에 단면도로 도시한다. 도 16에 도시하는 바와 같이, 멀티 레인지 센서 칩(40a)의 상하에 제1 캡(3m) 및 제2 캡(3m')을 접합하였다. 제1 캡(3m) 및 제2 캡(3m')은 중앙에 캐버티(32m)를 갖고, 주변부에서 멀티 레인지 센서 칩(40a)과 접합되어 있다. 접합부는 멀티 레인지 센서 칩(40a)의 센서 소자 형성영역의 외측에 배치하고 있기 때문에 센서 소자는 제1 캡(3m) 및 제2 캡(3m')으로 둘러싸인 기밀 패키지 내에 보호되고, 습도나 이물 등의 영향으로 센서 소자의 특성이 변동하지 않도록 되어 있다.
또한, 센서 소자의 추(51a, 51a')와 제1 캡(3m) 및 제2 캡(3m')의 사이에 적절한 간격을 갖고, 과대한 가속도가 걸렸을 때에 추의 변위를 규제하여 빔이 파손되는 것을 막는 규제판의 역할을 한다. 멀티 레인지 센서 칩(40a)의 상측 표면에는 칩 보호막(45a)을 형성하고, 기밀 패키지의 외부에 배치되는 칩 단자(41a)와, 피에조 저항 소자를 연결하는 배선은, 칩 보호막(45a)의 아래를 통하여 기밀 패키지의 밖으로 끌려나오고 있다. 제1 캡(3m) 및 제2 캡(3m')은 실리콘 웨이퍼로 형성하여, 실리콘의 이방성 에칭 또는 드라이 에칭으로 캐버티(32m)를 가공하였다. 멀티 레인지 센서 칩(40a)과 제1 캡(3m) 및 제2 캡(3m')의 접합은 웨이퍼의 상태에 서 행하고, 접합 후에 개개의 센서 칩 패키지(100m)에 개편화하였다. 접합은 AuSn의 땜납을 사용하였다. 그 외에도, 각종 금속의 땜납 접합 및 공정(共晶) 접합, 표면 활성화 접합, 양극 접합, 저융점 유리 접합 등을 사용할 수 있다. 개편화 시는, 칩 전극을 노출할 필요가 있기 때문에, 제1 캡에는, 칩 전극의 상방 영역에도 캐버티를 형성해 두고, 제1 캡(3m)만을 제1 다이싱부(A)로 절단함으로써, 칩 전극(41a)을 노출하였다. 그 후, 멀티 레인지 센서 칩(40a)과 제2 캡(3m')을 제2 다이싱부(B)로 절단하여 개편화하였다.
센서 소자가 기밀 패키지 내에 보호되어 있기 때문에, 센서 전체의 패키지에는 일반적으로 이용되고 있는 저가인 플라스틱 패키지를 적용할 수 있다. 금속리드 프레임과 수지 밀봉을 사용한 구성예를 도 17에 도시하였다. 금속리드 프레임(85)의 칩 지지판(78) 상에 수지제의 제1 접착제(79)에 의해 IC 칩(80)을, IC 칩(80) 상에 수지제의 제2 접착제(81)에 의해 센서 칩 패키지(100m)를 접착하였다. 그리고, 센서 칩 패키지(100m)의 칩 단자(41a)와, IC 칩(80)의 IC 단자(82), 및 IC 단자(82)와 금속리드 프레임(85)의 외부단자(83)의 사이를 Au제의 와이어(15)에 의해 접속한 후, 에폭시제의 밀봉 수지(84)에 의해 밀봉하였다. 또, 여기에서는 멀티 레인지 센서 칩으로서 실시예 1에서 설명한 것을 사용하고 있지만, 실시예 2 내지 실시예 11에서 설명한 것을 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치의 분해 사시도.
도 2는 실시예 1의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치에 사용하고 있는 멀티 레인지 센서 칩의 사시도.
도 3은 도 1의 III-III선에 있어서의 단면도.
도 4는 본 발명의 실시예 2의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치의 분해 사시도.
도 5는 실시예 2의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치에 사용하고 있는 멀티 레인지 센서 칩을 도시하는 사시도.
도 6은 도 3의 VI-VI선에 있어서의 단면도.
도 7은 실시예 3의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치에 사용하는 멀티 레인지 센서 칩의 사시도.
도 8은 실시예 4의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치에 사용하는 멀티 레인지 센서 칩의 사시도.
도 9는 실시예 5의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치에 사용하는 멀티 레인지 센서 칩의 사시도.
도 10은 실시예 6의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치에 사용하는 멀티 레인지 센서 칩의 사시도.
도 11은 실시예 7의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치에 사용하는 멀티 레인 지 센서 칩의 사시도.
도 12는 실시예 8의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치에 사용하는 멀티 레인지 센서 칩의 사시도.
도 13은, 실시예 9의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치에 사용하는 멀티 레인지 센서 칩의 사시도.
도 14는 실시예 10의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치에 사용하는 멀티 레인지 센서 칩의 사시도.
도 15는 실시예 11의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치에 사용하는 멀티 레인지 센서 칩의 사시도.
도 16은 실시예 12의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치에서 웨이퍼 레벨 패키지를 도시하는 단면도.
도 17은 실시예 12의 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치의 단면도.
도 18은 종래의 3축 가속도 센서장치의 분해 사시도.
도 19는 도 18의 IXX-IXX선에 있어서의 단면도.
도 20은 도 18에 도시한 3축 가속도 센서장치에 사용되고 있는 빔형 센서 칩의 평면도.
도 21은 종래의 3축 가속도 센서장치에 사용되고 있는 다이어프램형 센서 칩의 평면도.
도 22는 종래의 멀티 레인지 가속도 센서장치를 도시하는 사시도.
도 23은 종래의 별도의 멀티 레인지 가속도 센서장치를 도시하는 사시도.

Claims (16)

  1. 단일의 실리콘 칩에 형성된 복수의 3축 가속도 센서 소자를 갖고, 상기 복수의 3축 가속도 센서 소자 각각은, 추와, 추를 둘러싸고 대향하는 프레임 변을 가지는 프레임과, 대향하는 프레임 변 상부와 추 상부를 연결하고, 프레임 변 상부의 사이에 추를 지지하고 있는, 추 및 프레임보다도 얇은 가요 멤버와, 가요 멤버 상에 설치된 피에조 저항 소자를 갖고, 가요 멤버 상면 내의 직교하는 2축 방향의 가속도와 가요 멤버 상면에 수직인 방향의 가속도를 측정하고,
    상기 복수의 3축 가속도 센서 소자 중 제1의 3축 가속도 센서 소자의 프레임에 다른 3축 가속도 센서 소자가 설치되어 있고,
    상기 복수의 3축 가속도 센서 소자는 서로 단위 가속도당의 출력 전압이 다르고,
    제1의 3축 가속도 센서 소자의 단위 가속도당의 출력 전압이 다른 3축 가속도 센서 소자의 단위 가속도당의 출력 전압보다도 큰, 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치.
  2. 제1항에 있어서,
    보다 큰 단위 가속도당 출력 전압을 가지는 3축 가속도 센서 소자가 보다 큰 대향하는 프레임 변 간의 거리를 가지는, 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 3축 가속도 센서 소자 각각이 다른 것과 같은 두께의 가요 멤버를 가지는, 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 3축 가속도 센서 소자 각각이 다른 것과 같은 두께의 추를 가지는, 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 3축 가속도 센서 소자 각각이 다른 것과 같은 두께의 프레임을 가지는, 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 3축 가속도 센서 소자 각각이 다른 것과 같은 두께의 프레임을 가지는, 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 3축 가속도 센서 소자 중 적어도 1개가, 상기 가요 멤버로서, 대향하는 프레임 변 상부와 추 상부를 연결하고 있는 복수의 빔을 갖고, 나머지의 3축 가속도 센서 소자가, 상기 가요 멤버로서, 각각의 프레임 상부로 둘러싸인 영 역에 설치되어 그 중앙에 추를 지지하고 있는 다이어프램을 가지는, 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 3축 가속도 센서 소자 모든 빔과 다이어프램의 두께가 같은, 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 3축 가속도 센서 소자 모든 추와 프레임의 두께가 같은, 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제1의 3축 가속도 센서 소자가, 상기 가요 멤버로서, 대향하는 프레임 변 상부와 추 상부를 연결하고 있는 복수의 빔을 가지는, 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치.
  11. 제10항에 있어서,
    단위 가속도당 보다 큰 출력 전압을 가지는 3축 가속도 센서 소자가 보다 긴 빔을 가지는, 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치.
  12. 제10항에 있어서,
    단위 가속도당 보다 큰 출력 전압을 가지는 3축 가속도 센서 소자가 보다 폭이 좁은 빔을 가지는, 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 제1의 3축 가속도 센서 소자가, 상기 가요 멤버로서, 그 프레임 상부로 둘러싸인 영역에 설치되어 그 중앙에 추를 지지하고 있는 다이어프램을 가지는, 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 3축 가속도 센서 소자 각각이, 상기 가요 멤버로서, 대향하는 프레임 변 상부와 추 상부를 연결하고 있는 복수의 빔을 가지는, 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 3축 가속도 센서 소자 각각이, 상기 가요 멤버로서, 각각의 프레임 상부로 둘러싸인 영역에 설치되어 그 중앙에 추를 지지하고 있는 다이어프램을 가지는, 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 다른 3축 가속도 센서 소자 중 적어도 1개가, 2개의 2축 가속도 센서 소자로 이루어지고, 2개의 2축 가속도 센서 소자 각각이 추와, 추를 둘러싸고, 대향하는 프레임 변을 가진 프레임과, 대향하는 프레임 변 상부와 추 상부를 연결하여 대향하는 프레임 상부 간에 추를 지지하고 있는, 추 및 프레임보다도 얇은 한 쌍의 빔과, 빔 상에 설치되어 빔이 연장된 방향으로 연장되어 있는 피에조 저항 소자를 갖고,
    상기 2개의 2축 가속도 센서 소자가 가지는 상기 한 쌍의 빔이 연장된 방향이 빔 상면 내에서 서로 직교하고 있고, 상기 2개의 2축 가속도 센서 소자의 한쪽이, 그 빔 상면 내에서 빔이 연장된 방향의 가속도와 빔 상면에 수직인 가속도를 측정하고, 상기 2개의 2축 가속도 센서 소자의 다른 쪽이, 그 빔 상면 내에서 빔이 연장된 방향의 가속도를 적어도 측정하는, 멀티 레인지 3축 가속도 센서장치.
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