WO1999042843A1 - Capteur d'acceleration a semi-conducteur et son diagnostic automatique - Google Patents

Description

明 細 書 半導体加速度センサ及びその自己診断法

技術分野

本発明は、 半導体加速度センサ及びその自己診断法であり、 特に、 スクイーズ ドフィルム効果を利用する半導体加速度センサ及びその自己診断法に関する。 背景技術

従来、 加速度センサとしては、 ボール （鉄球等） を使用し、 所定値以上の加速 度を受けるとボールが移動し、 スイッチングさせて検知するものや、 水銀スイツ チを利用するものが知られている （実開平 4 - 1 3 6 5 7 5号公報、 実開平 4 一 1 2 7 5 7 4号公報等参照） 。 これらの加速度センサは、 外形が大きく、 構造部 品が多いため、 加速度センサを搭載する場所を特別に確保する必要が有り、 又、 コスト高であった。

本発明は、 小型、 軽量で、 製造が容易、 低コスト、 高精度、 そして、 スィ ッチ 0 N時間を一定時間維持することにより、 作動を安定化した半導体加速度センサ を提供するものである。 発明の開示

本発明は、 中央接点部を有する中央基板と、 少なく とも一方は外側接点部を有 する外側基板と、 を積層した半導体加速度センサにおいて、 前記中央基板は中央 接点部近傍に重錘体を有し、 一方、 前記外側接点部を有する外側基板は前記重錘 体に対向する重錘体対向部を有する半導体加速度センサである。

また、 本発明は、 上記重錘体は、 上記重錘体対向部とでスクイーズドダンピン グ効果を奏する半導体加速度センサである。

そして、 本発明は、 上記重錘体は中央電極部を有し、 一方、 上記重錘体対向部 は外側電極部を有する半導体加速度センサである。

更に、 本発明は、 上記半導体加速度センサを診断する自己診断法であって、 上 記中央電極部と外側電極部とに電圧を印加して自己診断する半導体加速度センサ の自己診断法である。

また、 本発明は、 中央接点部を有する中央基板と、 少なく とも一方は外側接点 部を有する外側基板と、 を積層した半導体加速度センサにおいて、 前記中央接点 部と外側接点部とは、 接触すると溶着される半導体加速度センサである。 図面の簡単な説明

図 1は実施例 1の半導体加速度センサの説明図。

図 2は実施例 1の半導体加速度センサの動作説明図。

図 3は実施例 1の半導体加速度センサの作動の説明図。

図 4は実施例 1の半導体加速度センサの両方向動作説明図。

図 5は実施例 1の半導体加速度センサの中央基板の製造工程説明図。

図 6は実施例 1の半導体加速度センサの中央基板 （第 1層） の製造工程説明図 o

図 7は実施例 1の半導体加速度センサの外側基板 （第 3層） の製造工程説明図 図 8は実施例 1の半導体加速度センサの組立て工程説明図。

図 9は実施例 2の半導体加速度センサの説明図。

図 1 0は実施例 3の半導体加速度センサの動作説明図。 発明を実施するための最良の形態

本発明の発明の実施の形態を説明する。

本発明の半導体加速度センサ及びその自己診断法について、 実施例を用いて説 明する。 図 1は、 実施例 1の半導体加速度センサの説明図である。 図 2は、 実施 例 1の半導体加速度センサの動作説明図である。 図 3は、 実施例 1の半導体加速 度センサの作動の説明図である。 図 4は、 実施例 1の半導体加速度センサの両方 向動作説明図である。 図 5は、 実施例 1の半導体加速度センサの中央基板の製造 工程説明図である。 図 6は、 実施例 1の半導体加速度センサの外側基板 （第 1層 ) の製造工程説明図である。 図 7は、 実施例 1の半導体加速度センサの外側基板 (第 3層） の製造工程説明図である。 図 8は、 実施例 1の半導体加速度センサの 組立て工程説明図である。 図 9は、 実施例 2の半導体加速度センサの説明図であ る。 図 1 0は、 実施例 3の半導体加速度センサの動作説明図である。

実施例 1について、 図 1〜図 8を用いて説明する。 本実施例の半導体加速度セ ンサは、 積層体積層方向の加速度が所定値以上であるかを検知するものであり、 図 1に示すように、 積層体を構成する中央基板 1及び外側基板 2 a， 2 bと、 封 止絶縁部 3 a , 3 bと、 を具備している。 中央基板 1は、 例えば S iからなり、 中央接点部 1 1、 重綞体 1 2及び中央端子部 1 3を有する。 外側基板 2 a , 2 b は、 例えば S iからなり、 外側接点部 2 1 a , 2 1 b、 重錘体対向部 2 2 a , 2 2 b及び外側端子部 2 3 a , 2 3 bを有する。 中央基板 1及び外側基板 2は導電 材料の S iを使用するので、 中央接点部 1 1及び外側接点部 2 1は、 それぞれ中 央端子部 1 3及び外側端子部 2 3と接続されている。 中央接点部 1 1及び重錘体

1 2は、 高さが中央接点部 1 1の方が重錘体 1 2よりも高く、 そして、 面積が中 央接点部 1 1の方が重錘体 1 2より狭くなるよう、 中央基板 1に溝、 孔等をェッ チング等で形成されている。 重錘体 1 2は、 例えば 0字形であり、 そして、 中央 接点部 1 1の近傍に設けられている。 外側接点部 2 1及び重錘体対向部 2 2は、 中央接点部 1 1及び重錘体 1 2と対向しており、 そして、 重錘体対向部 2 2には ストッノ、° 2 4が設けられている。 図 1では、 外側接点部 2 l a , 2 1 b等は、 外 側基板 2 a， 2 bの両方に形成されていて上下に対称であるが、 一方のみに形成 することも可能である。 中央基板 1 と外側基板 2 a， 2 b間は、 封止絶縁部 3 a ， 3 により、 所定の間隔に保持され、 そして、 密封されて、 センサ空間 4を形 成している。 センサ空間 4には、 気体、 例えば窒素、 不活性ガス等が封入されて おり、 所定の圧力に調整されている。 中央接点部 1 1及び外側接点部 2 1は、 そ れぞれ重錘体 1 2に形成された中央配線部及び重錘体対向部 2 2に形成された外 側配線部 2 6、 中央端子部 1 3及び外側端子部 2 3を介して半導体加速度センサ の外に引き出され、 外部の回路装置 （図示していない。 ） に接続されている。 本実施例の半導体加速度センサによる加速度の検知方法を説明する。 半導体加 速度センサに加速度が働く と、 中央接点部 1 1及び重錘体 1 2はその加速度によ る力を受けて移動し、 そして、 所定値以上であると外側接点部 2 1に接触する （ 図 2参照） ため、 中央配線部と外側配線部 2 6とが導通したことが外部の回路装 置により判別することができる。 これにより、 半導体加速度センサに所定値以上 の加速度が働いたことがわかる。 そして、 中央接点部 1 1は、 加速度の値が所定 値以下になると、 外側接点部 2 1から離れることになる。 しかし、 本実施例では 、 中央接点部 1 1の近傍に重錘体 1 2を有しているため、 重錘体 1 2も加速度に よる力により積層方向に移動して、 外側基板 2の重錘体対向部 2 2に接近し、 そ して、 スクイ一ズドダンピング効果により、 多少の位相ずれ （作動遅れ） を生じ てストッパ 2 4に接触する。 なお、 ストツバ 2 4により、 重錘体対向部 2 2とは 所定の間隔を有する。 そして、 加速度が減少したとき、 この重錘体 1 2とストツ パ 2 4との接触は、 スクイ一ズドダンピング効果を奏するため、 すぐに離れるこ とはなく、 そのため、 重錘体 1 2近傍にある中央接点部 1 1 も外側接点部 2 1か らすぐに離れることはない。 このため、 外部の回路装置にとって、 半導体加速度 センサ内での導通時間を長くすることができる。 スクイーズドダンピング効果は 、 重錘体対向部 2 2の面積、 ストッパ 2 4の高さ、 センサ空間 4の圧力により、 設定することが出来る。 中央接点部 1 1 としては、 重錘体 1 2より高く、 そして 、 溝、 孔等をエッチング等で加工して、 又は、 面を小さく して、 スクイーズドダ ンビング効果が小さいようにすることが好ましい。 （それにより、 ある力積を伴 わないと O N又は O F Fとはならない。 ）

スクイーズドダンピング （スクイ一ズドフイルム） 効果について、 説明する。 ミ クロンオーダのデバイスやシステムでは、 微小な流路における流体の性質に よる影響を受ける場合があり、 そして、 流路が狭いと体積に比べて表面積が大き くなるので、 流路の壁面部分による粘性力や存在する流体自体の粘性を考慮する 必要がある。 スクイ一ズドダンピング効果は、 その 1つであり、 対向する狭い面 の間隔を変更すると、 その間に存在する流体により、 変更方向の力とは反対方向 の力が働き、 ダンピング効果を奏するようになる。 これを式で表現すると、 ダンピング効果 （係数） =粘着力 Fと考えると、 一般的に、 Fは

F = u s V / d

u ：拈性係数、 s ：面積、 V ：速度、 d ：距離、

となる。 しかし、 ここで、 dが非常に小さいとき （ミ クロンオーダ一） には、 F = u s v/d³ となることが知られている。

つまり、 隙間の間隔 dが小さくなると、 粘着力 Fは非常に大きくなることがわ かる。 これをスクイーズドフイルム効果とよび、 この効果を利用して隙間の間隔 dを変更するのに大きな力を必要としてダンピングすることをスクイ一ズドダン ビングとよぶ。

実施例 1の半導体加速度センサの作動について、 図 3を用いて詳しく説明する o

(1) 加速度 0のとき〜 t。 （図 3 a)

加速度が 0のとき、 半導体加速度センサには力が働かず、 したがって、 中央接 点部 1 1及び重錘体 1 2は移動しない。

(2) 加速度が印加され、 スィッチが ONした瞬間あるいはスィッチが OFFした とき t , (図 3 b)

加速度が印加されると、 半導体加速度センサに力が働き、 そして、 所定の値以 上になると、 中央接点部 1 1は外側接点部 2 1に接触し、 そのため、 外部回路は 半導体加速度センサが導通したことがわかる。 その際、 重錘体 1 2は、 中央接点 部 1 1より高さが低いため、 ストッノヽ °24に接触しない。 なお、 中央接点部 1 1 に作用するスクイーズドフイルム効果は、 中央接点部 1 1の面積が小さいため、 作動遅れは少なく、 その際のダンピングによる遅れは通常の機械的なもののみを 考慮すれば良い。

(3) 更に、 加速度が印加されたとき t , 〜 t ₂ (図 3 c)

重錘体 1 2もストツバ 24に接触する。 ストツバ 24により、 重錘体 1 2と重 錘体対向部 22とは所定の間隔を有する。

(4) 加速度が減少するとき t ₂ 〜t ₃ (図 3 c)

隙間に存在する流体によるスクイーズドフィルム効果により、 中央接点部 1 1 及び重錘体 1 2の接触は続くため、 スィッチ （sw) の OFFとなるのが遅れ、 所定値以上の加速度の作動時間 （ t ₂ - t , ) より、 スィッチ ON時間 （ t ₃ - t 1 ) の方が長くなる。

(5) 更に、 加速度が減少するとき t ₃ 〜t ₄ (図 3 a)

重錘体 1 2及び中央接点部 1 1は、 重錘体対向部 22及び外側接点部 2 1から 離れ、 スィツチは OF Fとなる。

図 1に示すように上下対称に形成した半導体加速度センサの作動の一例につい て、 図 4を用いて説明する。

上下対称に形成した半導体加速度センサは、 積層体の積層方向のどちら向きで も加速度を受けると検知することができる。 図 4に示すような加速度を受けたと き、 及び t ₂ においては加速度の値が所定値未満であるため、 半導体加速度 センサのスィッチは ONとはならない。 t ₃ で上方向のスィッチが ONとなり、 t ₄ でスィッチが〇F Fとなり、 t ₅ で下方向のスィッチが ONとなり、 t _s で スィツチが OF Fとなる。

次に、 実施例 1の半導体加速度センサの製造方法の一例を図 5〜図 8を用いて 説明する。 1 ) 中央基板 1、 2) 外側基板 （第 1層） 2 a、 3) 外側基板 （第 2 層） 2 bの各製造工程、 及び 4) 半導体加速度センサの組立の順に説明する。

1 ) 中央基板 1の製造工程 （図 5参照）

S i基板を用意し （図 5 a) 、 エッチング等により中央接点部 1 し 重錘体 1 2等を所定の形状に加工し （図 5 b) 、 中央接点部 1 1に A l， A u等を蒸着、 スパッ夕等により形成して、 中央基板 1 とする （図 5 c) 。

2 ) 外側基板 （第 1層） 2 aの製造工程 （図 6参照）

S i基板を用意し （図 6 a) 、 その上に S i 0₂ 、 ガラス等の層をスパッ夕又 は蒸着等し、 フォ トリソにより封止絶縁部 3 aを形成する （図 6 b) 。 次に、 ェ ツチング等で配線する貫通孔 25 aを形成し、 S i 0₂ 等で、 ストツバ 24 aを 設ける （図 6 c) 。 A 1， Au等を蒸着、 スパッ夕等により外側端子部 2 3 aを 形成して、 外側基板 （第 1層） 2 aとする （図 6 d) 。

3) 外側基板 （第 3層） 2 bの製造工程 （図 7参照）

S i基板を用意し （図 7 a) 、 S i〇₂ 、 ガラス等をスパッタ又は蒸着等し、 フォ ト リ ソにより封止絶縁部 3 bを形成し、 S i 0₂ 等で、 ス トツバ 24 aを設 ける （図 7 b) 。 A 1 , Au等を蒸着、 スパッ夕等により外側端子部 2 3 bを形 成して、 外側基板 （第 3層） 2 bとする （図 7 c) 。

4) 半導体加速度センサの組立 （図 8参照）

外側基板 （第 3層） 2 b、 中央基板 1、 外側基板 （第 1層） 2 aの順に積層し (図 8 a) 、 陽極接合により、 封止絶縁部 3 a 3 bを用いて接合する （図 8 b ) 。 ダイシングし、 端子部 1 3 2 3 a, 2 3 bとの配線等をワイヤボンディ ン グし、 ケージングすることにより、 半導体加速度センサを組立てることがで きる （図 8 c )

実施例 2を説明する。 本実施例の半導体加速度センサは、 図 9に示すように、 積層体を構成する中央基板 1及び外側基板 2 a, 2 bを具備している。 実施例 1 と比較すると、 重錘体 1 2は中央電極部となり、 そして、 外側基板 2 a, 2 bが 相違する。 本実施例の外側基板 2 a, 2 bは、 ガラス等の絶縁材料からなり、 そ して、 外側端子部 2 3 a, 2 3 bまでの配線として、 基板 2に形成された孔 2 5 a, 2 5 bに導電性エポキシ等で外側配線部 2 6 a, 2 6 bを形成する。 また、 本実施例の半導体加速度センサは、 メタル （A l , Au, C r等） を蒸着又はス パッタ等により自己診断電極部 2 7 a, 2 7 b及び自己診断配線部 2 8 a 2 8 bを形成する。 自己診断電極部 2 7 a 2 7 b及び自己診断配線部 2 8 a, 2 8 bは、 外側配線部 2 6 a 2 6 bとは接続しないようにする。

自己診断法について、 説明する。 中央基板 1 と外側基板 2 aとで説明する。 重 錘体 1 2の中央電極部と外側電極部 2 7 aとに電圧を印加すると、 重錘体 1 2は 、 外側電極部 2 7 a側に引きつけられて変位するため静電容量が変化する。 印加 電圧と静電容量の変化との関係から、 重錘体 1 2等が正しく形成されたか等を半 導体加速度センサの製造時等に実施して自己診断することができる。 外側基板 2 aは絶縁材料からなるため、 自己診断時に静電容量に影響を与えることはない。 また、 製造時及び使用時において、 重錘体 1 2の中央電極部と外側電極部 2 7 a により高い電圧を印加すると、 重錘体 1 2は外側電極部 2 7 a側に引きつけられ て変位し、 中央接点部 1 1が外側接点部 2 1 aに接触してスィッチが ONする。 これにより、 半導体加速度センサ及び外部の回路装置の作動を自己診断すること が出来る。 なお、 外側電極部 2 7 aは、 実施例 1における半導体加速度センサス トツ °2 4 aの役割をなすことも可能である。

実施例 3を図 1 0を用いて説明する。 本実施例の半導体加速度センサは、 積層 体を構成する中央基板 1及び外側基板 2 a, 2 bと、 封止絶縁部 3 a 3 bと、 を具備している。 本実施例では、 作動電流で接点が溶着するように、 中央接点部 1 1及び外側接点部 2 1 aの電気容量を小さく設定する。 例えば、 接点の面積を 小さくすることにより、 可能である。 これにより、 加速度が増加して中央接点部 1 1 と外側接点部 2 1 aとが接触すると、 スィッチが O Nとなるカ、 接点が溶着 されるため、 その後のチヤ夕リングはなくなり、 半導体加速度センサの作動を安 定なものとすることができる。 例えば、 エアバッグ用スィッチとして使用すると き、 加速度センサに要求されることは、 1回かぎりの作動で良いため、 採用する ことができる。 なお、 自己診断時は、 小電流で検査を行えば、 問題は生じること はない。 本実施例では、 接点の電流容量を大きくする必要がないため、 ローコス トな半導体加速度センサとすることができる。 産業上の利用可能性

本発明によれば、 小型、 柽量で、 製造が容易、 低コスト、 高精度、 そして、 ス ィツチ O N時間を一定時間維持して、 作動を安定化した半導体加速度センサを得 ることができる。

Claims

請 求 の 範 囲

. 中央接点部を有する中央基板と、 少なく とも一方は外側接点部を有する外側 基板と、 を積層した半導体加速度センサにおいて、

前記中央基板は中央接点部近傍に重錘体を有し、 一方、 前記外側接点部を有 する外側基板は前記重錘体に対向する重錘体対向部を有することを特徴とする 半導体加速度センサ。

. 請求の範囲 1に記載の半導体加速度センサにおいて、

上記重錘体は、 上記重錘体対向部とでスクイーズドダンピング効果を奏する ことを特徴とする半導体加速度センサ。

. 請求の範囲 1又は 2に記載の半導体加速度センサにおいて、

上記重錘体は中央電極部を有し、 一方、 上記重錘体対向部は外側電極部を有 することを特徴とする半導体加速度センサ。

. 請求の範囲 3に記載の半導体加速度センサを診断する自己診断法であって、 上記中央電極部と外側電極部とに電圧を印加して自己診断することを特徴とす る半導体加速度センサの自己診断法。

. 中央接点部を有する中央基板と、 少なく とも一方は外側接点部を有する外側 基板と、 を積層した半導体加速度センサにおいて、

前記中央接点部と外側接点部とは、 接触すると溶着されることを特徴とする 半導体加速度センサ。