WO2005062060A1

WO2005062060A1 - 半導体型３軸加速度センサ

Info

Publication number: WO2005062060A1
Application number: PCT/JP2004/019326
Authority: WO
Inventors: Tokuhisa Takeyari; Yoshio Ikeda
Original assignee: Hitachi Metals, Ltd.
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2004-12-24
Publication date: 2005-07-07
Also published as: CN1898571A; US7331230B2; KR20060126741A; KR100824926B1; US20070089514A1; CN100565211C; JPWO2005062060A1

Abstract

　耐衝撃性が高く、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸ピエゾ抵抗素子の出力の差が小さく、小型で高感度、高出力の半導体型３軸加速度センサを提供する。　可撓腕が可撓幅広部と可撓平行部で構成され、可撓幅広部に最大応力部があり、最大応力部にピエゾ抵抗素子の一端が来るように可撓腕上面上にピエゾ抵抗素子を設ける。可撓腕の幅中心線の近傍にＺ軸ピエゾ抵抗素子、幅中心線から離れてＸ軸／Ｙ軸ピエゾ抵抗素子を設ける。また、最大応力部から可撓腕の長さ方向にＺ軸ピエゾ抵抗素子をずらすことで、Ｘ軸とＹ軸、Ｚ軸ピエゾ抵抗素子間の出力差を小さくする。

Description

明細書

半導体型 3軸加速度センサ

技術分野

[0001] 本発明は、自動車、航空機、家電製品、ゲーム機、ロボット、セキュリティーシステム等に使用される半導体型の 3軸加速度センサに関するものである。

背景技術

[0002] ピエゾ抵抗型 3軸加速度センサの構造について説明する。図 14に、特許文献 1に記載されている加速度センサの分解斜視図を示す。加速度センサ 1は、センサ素子 2が保護ケース 3に接着剤で固定され、保護ケース蓋 4が保護ケース 3に接着剤で固定されて!/、る。センサ素子のセンサ端子 6と保護ケースのケース端子 7はワイヤー 5で接続され、外部端子 8からセンサ素子 2の出力が外部に取り出される。

[0003] 従来のピエゾ抵抗型 3軸加速度センサに用いられて、るセンサ素子にっ、て説明する。以下、特に断わりの無い限り説明を判り易くするため、同じ部品、部位には同一の符号を用いている。図 15 (A)および図 15 (B)に、特許文献 2に記載されているセンサ素子 2の平面模式図とピエゾ抵抗素子の配置を示す。図 15では、ピエゾ抵抗素子の配置が判り易くなるように、ピエゾ抵抗素子間やセンサ端子を繋ぐ金属配線やセンサ端子の記載を省略している。シリコン単結晶基板の厚肉部から成る錘 11とそれを取り囲むように配された支持枠 10と、錘 11および支持枠 10とを接続するシリコン単結晶基板の薄肉部より成る 2対の互いに直交する梁状の可撓腕 12と可撓腕上の 2 つの直交する方向 (Xと Y)及び可撓腕に垂直な方向（Z)に対応するように設けられたピエゾ抵抗素子、図 15では、 X軸ピエゾ抵抗素子 14と Y軸ピエゾ抵抗素子 15、 Z軸ピエゾ抵抗素子 16とから構成される。また、可撓腕 12はシリコン単結晶基板の薄肉部に貫通穴 13を設けることによって梁形状となっており、変形しやすぐ高感度化に適した構造となっている。また、 X軸と Y軸では出力検出原理、結線方法およびピエゾ抵抗素子の配置が同じであり、それぞれ他方の軸と入れ替えることができる。以降、特に断りの無い限り図面の横方向の可撓腕を X軸、 X軸に設けられたピエゾ抵抗素子を X軸ピエゾ抵抗素子 14とし、 Z軸ピエゾ抵抗素子 16は X軸ピエゾ抵抗素子 14と同じ可撓腕に設けられているとして説明する。なお、図 15 (B)は図 15 (A)の部分拡大図である。

[0004] センサ素子の加速度検出感度（出力）を上げるには、可撓腕 12の長さを長ぐ可撓腕の幅を小さぐ厚みを薄ぐ錘 11の重量を重くし、可撓腕が僅かな外力で大きく変形するよう〖こする。可撓腕の変形量を効率良ぐ各軸のピエゾ抵抗素子の抵抗変化として取り出すため、各軸のピエゾ抵抗素子の端は最大応力部である可撓腕の接続端 17に合わせて配置している。可撓腕の接続端 17は支持枠と可撓腕、あるいは錘と可橈腕の接続部であり、外力で橈む可撓腕と外力が加わっても橈まず動力ない支持枠あるいは錘との境界であり、可撓腕に加わる最大の応力点となる。 X軸ピエゾ抵抗素子 14と Z軸ピエゾ抵抗素子 16とは同じ可撓腕に配置しているため、可撓腕の幅中心線に関して対称に、 Y軸ピエゾ抵抗素子 15は幅中心線上に配置することが多い。各軸のピエゾ抵抗素子を幅中心線に関して対称に配することで、ピエゾ抵抗素子間を繋ぐ金属配線の設計や製作が容易になる。

[0005] モパイル機器等に搭載される加速度センサでは、要求される検出加速度は数 Gレベルである力モパイル機器の落下時に 3000G近!、衝撃が加速度センサに加わつても、センサ素子が壊れないことが重要である。センサ素子の加速度検出感度を上げるには可撓腕を橈みやすぐ耐衝撃性を上げるには可撓腕の機械的強度を上げて、変形を少なくすると言う、相反する要求を満たす必要がある。

[0006] 耐衝撃性を上げるために Z軸方向の動きを規制する構成が特許文献 3に記載されている。それは、図 16に断面図で示すように、センサ素子の上下に規制板 18, 19を所定の間隔 gl、 g2を開けて固定している。加速度センサに衝撃が加わったとき、可橈腕 12が破損するような変形をする前に、錘 11が規制板 18, 19に接触し可撓腕の破損を防ぐ。 Z軸方向の動き量は gl, g2の値以内に規制される。 X, Y軸方向の動き量の規制は、錘の角が規制板 19と接触して規制する。可撓腕の捻れ方により錘 11 の角が規制板 19と接触するまでに動く量が異なってくるため、 X, Y軸方向に最適な g2を設定するのは難しい点があるが、耐衝撃性を上げる構成としては有効である。

[0007] また、センサ素子の錘等の一部を他の部位に接触させて可撓腕の動きを規制する構成が、特許文献 4に記載されている。特許文献 4に開示されたセンサ素子 2を図 17 に斜視図で示す。基本的には先に説明した図 15のセンサ素子と同じ構成であるが、錘 11に花弁状に補助錘 22を設けている。 X, Y軸方向に衝撃が加わったとき、可撓腕 12が破損するような変形をする前に、補助錘 22の側面が支持枠 10の側壁と接触し、可撓腕の破損を防ぐ。補助錘 22が加わっているために、錘全体の質量が増しセンサ素子の加速度検出感度（出力）を上げるには好都合であるが、それだけ可撓腕が破損し易くなる。特に、補助錘 22を追加しただけでは、 Z軸方向の過剰な動きは止めることが出来ないので、特許文献 3にあるような規制板を併用する必要が出てくる。

[0008] 特許文献 3と 4に開示されている耐衝撃性を向上した構成は、可撓腕の機械的強度そのものを上げるものではない。特許文献 5に可撓腕の機械的強度を上げた構成として、可撓腕 12と支持枠 10、あるいは可撓腕 12と錘 11との接合部に湾曲部を設けた構造が開示されている。図 18 (A)に平面図、図 18 (B)に図 18 (A)の 18B-18B 線での断面を示す斜視図、図 18 (C)に他の実施平面図を示す。図 18 (A)、図 18 ( B)は、可撓腕 12の厚み方向に湾曲部 24を設けた構造を示しており、図 18 (C)は可橈腕 12の平面方向に湾曲部 25を設けた構造を示している。湾曲部 24, 25を設け湾曲部分に加わる応力を、湾曲部分全体に一様に分散させることで、可撓腕 12の機械的強度を向上させている。図 18では、応力を検知するのに、歪ゲージ 23を用いている力歪ゲージ 23と湾曲部 24, 25の位置関係等に付いて何ら触れられていない。

[0009] 特許文献 5と同様に、可撓腕の平面方向に湾曲部 (形状変化部 26)を設け、ピエゾ抵抗素子との位置関係等もより明確にした加速度センサが、特許文献 6に示されている。その加速度センサの平面図および 19B— 19B断面図をそれぞれ図 19 (A)と図 19 (B)に示す。錘 11を支えている可撓腕 12と支持枠 10とを形状変化部 26を介して繋ぐことで、可撓腕 12と形状変化部 26との境界に最大応力部を出現させ、その部位にピエゾ抵抗素子 27を配している。可撓腕と支持枠との間に形状変化部を介させることで、支持枠と形状変化部との境界の応力を下げて、耐衝撃性を改善している。可橈腕 12と形状変化部 26との境界に最大応力部があることからも、形状変化部は外力が加わっても橈まず動かない部分として扱っている。特許文献 2では橈む部分が可撓腕、橈まない部分が支持枠、特許文献 6では橈む部分が可撓腕、橈まない部分が形状変化部と支持枠なので、最大応力部の位置やそれに伴うピエゾ抵抗素子の配置が同じであることが理解できる。

[0010] 先行技術文献で開示されている耐衝撃性を向上した加速度センサ構造を上で説明した。しかし、これらの構成でも耐衝撃性の向上策としては一長一短がある。特許文献 3にあるように規制板を設けた構成では、部品として規制板を追加する必要があるのと、規制板を精度良く組立てる必要がある。規制板を入れることで、加速度センサの薄型化が難しくなる。特許文献 4の構成では、錘の厚み分にあたる厚いシリコン基板で、補助錘と支持枠との僅かな間隔を精度良く製作することが難しいことは容易に理解できる。特許文献 6の構成では、最大応力部にピエゾ抵抗素子を配することで、出力を最大限引出すようにしているが、形状変化部を橈まない部分としているため、センサ素子の外寸ゃ支持枠の幅が同じであれば可撓腕の長さを実質的に短くしてしまい、出力の絶対値を下げてしまっていることになる。出力の絶対値を戻すには、センサ素子の外寸を大きくする必要があり、小型化が難しくなつていた。

[0011] 3軸の加速度センサでは、各軸の出力値のバランスをとる必要がある。軸間の出力に大きな差があると、異なった増幅率を持った増幅器を各軸毎に準備する必要が生じコスト高になる。また、回路面積が大きくなり小型化への障害となることがある。 X軸（ Y軸）と Z軸との出力の差が特に問題となっている。図 20に、錘の厚みと X軸と Z軸との出力の関係を示す。錘の厚さに対し Z軸は一次関数的に、 X軸は二次関数的に出力が変化する。略 800 m厚で X軸と Z軸の出力が略同じとなる。しかし、半導体製造等で使用されるシリコン単結晶基板は、 625 m厚以下が主流であり略 800 m 厚の基板は、価格や納期の点で不利である。また、センサ素子の薄型化は必須の流れであり、薄型化により益々 X軸と Z軸の出力差は大きくなる。

特許文献 1：特開 2004-184081号公報

特許文献 2：特開 2003— 279592号公報

特許文献 3：特開平 4-274005号公報

特許文献 4:特開 2002— 296293号公報

特許文献 5：特開昭 64-18063号公報

特許文献 6：特開平 8— 29446号公報

発明の開示発明が解決しょうとする課題

[0012] 本発明の目的は、耐衝撃性が高ぐ X軸と Y軸、 Z軸の出力の差が小さぐ小型で高感度、高出力の半導体型 3軸加速度センサを提供することにある。

課題を解決するための手段

[0013] 本発明の半導体型 3軸加速度センサは、

中央にあって、外部からの加速度が力かる錘と、

錘を支持するための支持枠と、

錘と支持枠との間で、両端にある 2つの接続端 (可撓腕の両端にある接続端それぞれを以下「第一の接続端」、うことがある）のそれぞれにお、て錘上面と支持枠上面とを連結している少なくとも 1つの薄肉梁状の可撓腕と、

可撓腕上面上で可撓腕上面に沿って可撓腕長さ方向に並べて設けられ、加速度の 3軸成分のうち各軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子と、

可撓腕上面上で前記複数のピエゾ抵抗素子端の間を接続している配線とを有する。そして、可撓腕は、両端にそれぞれ接続端 (可撓平行部の両端にある接続端それぞれを以下「第二の接続端」、うことがある）を有し実質的に一様な幅を持って、る可橈平行部と、可撓平行部の第二の接続端の 1つと支持枠 Z錘との第一の接続端との間を連結するとともに、可撓平行部の第二の接続端力も第一の接続端に向力つて幅が次第に広くなつて、る 2つの可撓幅広部とからなつて、る。可撓腕上面上に設けられた複数のピエゾ抵抗素子のそれぞれはその可撓腕の第一の接続端カゝら離れて配置されているとともに、加速度の 3軸成分のうち少なくとも 1軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子の各々は第二の接続端を跨!、で可撓幅広部から可撓平行部に亘つて延びている。

[0014] 本発明の上で述べた半導体型 3軸加速度センサにおいて、可撓腕は、可撓幅広部上にその可撓腕の最大応力部を持ち、外部力も力かった加速度の 3軸成分のうち少なくとも 1軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子の各々はピエゾ抵抗素子の一端を可撓幅広部上の最大応力部に位置しており、最大応力部から第二の接続端を跨、で可撓平行部に亘つて延びて、ることが好ま、。

[0015] 本発明の半導体型 3軸加速度センサでは、錘上面と支持枠上面と可撓腕上面とが実質的に同一平面となっていて、その平面内に X軸と Y軸とを持つ直交座標系では、 Z軸がその平面に垂直となっているとすることができる。その直交座標系を用いると、加速度の 3軸成分とは外部から加速度センサに力かる加速度の X軸方向成分 (X軸成分)、 Y軸方向成分 (Y軸成分)および、 Z軸方向成分 (Z軸成分)とを意味する。

[0016] 本発明の半導体型 3軸加速度センサは、具体的には、中央にある錘から X軸方向に延びて、る 2つの可撓腕と Y軸方向に延びて、る 2つの可撓腕とを持つことができる。

[0017] 本発明では薄肉梁状の可撓腕が可撓幅広部と可撓平行部とから構成されている。

すなわち、可撓幅広部は可撓腕の一部である。前述した特許文献 6では、本発明の可撓幅広部に相当する形状変化部は支持枠もしくは錘の一部として、る。特許文献 6には詳細な形状変化部の寸法、形状の記載は無いが、外力で橈まない充分な機械的強度を持った構造とする必要があることが判る。本発明における可撓幅広部は可撓腕の一部なので、外力で橈むことが必要なため可撓腕の破損が起こらな、最小限の大きさにすることが好ましい。

[0018] 特許文献 2や 6の従来のセンサ素子では錘に外力が加わった時の最大応力部は、橈まない部分と可撓腕との境界にあるため、可撓腕の端にピエゾ抵抗素子の一端を一致させてピエゾ抵抗素子を可撓腕上に配置することにより最大の検出感度（出力）を得て、た。本発明のように可撓腕が可撓幅広部と可撓平行部とを有する構造では、可撓幅広部が可撓性を有するために可撓幅広部長さ内に最大応力部ができる。可橈幅広部長さ内に生じる最大応力部の位置 (可撓腕端もしくは可撓平行部端力最大応力部までの距離)は、可撓腕接続端の幅や可撓腕の稜線の形状で異なってくる。また、可撓幅広部の形状に応じて、最大応力部から可撓腕接続端側での応力の変化度合と可撓平行部端側での応力の変化度合は大きく異なる。そのため、最大応力部にピエゾ抵抗素子の一端を一致させ配置することが好ましい。最大応力部を跨いでピエゾ抵抗素子を配した場合には、ピエゾ抵抗素子は支持枠 Z錘の上面にその一部が設けられることがあり、外力によって可撓腕が変形しても、支持枠 Z錘の上面にはみ出したピエゾ抵抗素子は、抵抗変化を起こさないので、ピエゾ抵抗素子の出力ばらつきの原因となる。最大応力部にピエゾ抵抗素子の一端を一致させて配置することで、 1つのセンサ素子内の軸間でのピエゾ抵抗素子の抵抗変化量のばらつき力、さくなり、センサ素子の設計も容易になる。

[0019] 本発明のセンサ素子では、可撓幅広部長さ内に最大応力部があり、最大応力部にピエゾ抵抗素子の一端を一致させて可撓腕上面上に配置させるため、可撓腕接続端カゝら離れて可撓腕上面上にピエゾ抵抗素子の両端が位置する。

[0020] 本発明の半導体型 3軸加速度センサは、可撓幅広部はその上面の両側端に連続した曲線もしくは直線力もなる稜線を持ち、両側端の稜線は可撓腕の幅中心線に関して互、に対称となって!/、ることが好ま U、。

[0021] 可撓幅広部の形状により最大応力部の位置が変わるが、可撓幅広部の形状は可橈腕接続端の端点と可撓平行部接続端の端点とを繋ぐ稜線で決まる。可撓幅広部は加速度が力かって橈む力可撓平行部に比べれば橈み度合いは少ない。そのため、可撓幅広部長さを極力小さくすることで効果的に働く可撓腕の長さを確保し、出力を得ることが好ましい。相反する要求になるが可撓腕接続端での強度を確保するためには、可撓腕接続端の幅を大きくすることが好ましい。これらの要求から、可撓幅広部形状は、可撓平行部接続端の端点から可撓腕接続端の端点まで連続した直線もしくは曲線からなる稜線を側端に持ち、稜線が曲線の場合その曲率は可撓平行部接続端近傍での変化が少なく可撓腕接続端近傍で急激に変化することが望ましい。具体的なイメージとしては裾野に当る可撓腕接続端での幅が大きぐ標高に当る可橈幅広部長さは小さな山形状が好ましぐ釣鐘形の様に可撓平行部との接続端近傍まで可撓幅広部の幅が可撓腕接続端の幅のままで維持されるような形状は、最大応力部が可撓腕接続端の近くになるので好ましくなヽ。可撓腕接続端の端点と可撓平行部接続端の端点とを結ぶ稜線が可撓腕接続端とで成す角度が 45度以内であることが好ましい。

[0022] 可撓幅広部形状は、耐衝撃性が得られれば支持枠側と錘側とで互いに変えてそれぞれ最適な形状とすることができる。しかし、形状設計やフォトリソ、エッチング等の製造面力も支持枠側と錘側との可撓幅広部の形状は同じにすることが好ましい。

[0023] 可撓腕を可撓平行部と可撓幅広部とで構成することで、センサ素子の出力の低下を最小限に抑え、機械強度を上げることが出来る。センサ素子の耐衝撃性をより確実に得るために、センサ素子に規制板を組み合わせることがより好ましい。規制板は、ガラス、セラミックあるいは IC基板を用いることができる。

[0024] 本発明の半導体型 3軸加速度センサでは、可撓幅広部の第一の接続端 (可撓腕接続端）のところの幅 W1に対する可撓平行部の幅 W2の比 W2ZW1が 0. 2以上 0. 6 以下であることが好ましい。

[0025] 可撓平行部の幅 W2を可撓腕接続端のところの幅 W1で除した値は、可撓幅広部の広がりの比率を示している。 W2ZW1の値が、大きくなると可撓腕に対する可撓腕接続端近傍での幅広部の広がり方が小さくなり、耐衝撃性は劣るが、出力の低下は小さくなる。 W2ZW1が 0. 2未満では出力の低下が著しぐまた 0. 6を越えると耐衝撃性の改善効果が得難くなる。

[0026] 本発明の半導体型 3軸加速度センサは、可撓腕の全長 LOに対する可撓平行部長 L2の比 L2ZL0が 0. 4以上 0. 9以下であることが好ましい。

[0027] 可撓平行部長 L2を可撓腕全長 LOで除した値は、可撓腕全長に対する可撓幅広部を除、た長さの比率を示して、る。小さくなると可撓腕に占める可撓幅広部の割合が大きくなり、耐衝撃性は改善されるが、出力の低下が大きくなる。 L2ZL0が 0. 4未満では出力の低下が著しぐまた 0. 9を超えると耐衝撃性の改善効果が得難くなる。

[0028] 本発明の半導体型 3軸加速度センサでは、外部力力かる加速度の 3軸成分のうち少なくとも 1軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子の各々はその両端が可撓幅広部上の最大応力部力可撓腕の長さ方向にはずれた位置に設けられていることがでさる。

[0029] 可撓幅広部長をでき得る限り小さくすることで、効果的に働く可撓腕の長さを確保し、出力が得られる。ピエゾ抵抗素子は変形したときの抵抗変化を測定するので初期の抵抗値を 10 &Ω )以上とすること力電気的処理をする上で好ましぐほぼ 80 m の長さである。可撓幅広部に生じる最大応力部にピエゾ抵抗素子の一端を合わせ、可撓幅広部長をでき得る限り小さくし、また、センサ素子そのものの小型化を考慮すると、ピエゾ抵抗素子は可撓幅広部と可撓平行部との境界である可撓平行部接続端を跨、で配置することが好ま、。

[0030] しかし、 X, Υ, Z軸全てのピエゾ抵抗素子が可撓平行部接続端を跨ぐ必要はな、。最大応力部からピエゾ抵抗素子を離して、ピエゾ抵抗素子の出力を下げることができる。 Z軸ピエゾ抵抗素子の出力は通常 X軸ピエゾ抵抗素子の出力および Y軸ピエゾ抵抗素子の出力よりも大きいので、 Z軸出力を下げて X, Y, Z軸間の出力差を小さくするために、 Z軸ピエゾ抵抗素子の両端を最大応力部力可撓腕の長さ方向にはずれた位置に設けることができる。例えば、 Z軸ピエゾ抵抗素子のみを可撓平行部あるいは可撓幅広部内に設けることができる。

[0031] 支持枠側 Z軸ピエゾ抵抗素子と錘側 Z軸ピエゾ抵抗素子とを異なった方向に最大応力部から外すことができる。しかし、支持枠側と錘側との z軸ピエゾ抵抗素子を同方向に最大応力部力も外すことが z軸ピエゾ抵抗素子をブリッジに組んだ時の、オフセット電圧等の発生を抑えやす、ので好まし、。

[0032] 本発明の半導体型 3軸加速度センサでは、外部力も力かった加速度の 3軸成分のうち少なくとも 1軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子の各々は可撓腕上面上で可撓腕の幅中心線から可撓腕の側端にはずれた位置に設けられていることができる。

[0033] また、外部からかかった加速度の 3軸成分のうち錘上面に垂直な軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子の各々は可撓腕上面上で可撓腕の幅中心線の上に設けられて、ることが好ま U、。

[0034] 可撓腕は長さ方向だけでなく幅方向にも橈み、幅方向の橈みは可撓腕の幅中心線を軸として生じるので、幅中心線上の応力が小さく可撓腕幅方向に幅中心線から離れるに従、応力が大きくなる。 X軸 ZY軸ピエゾ抵抗素子に比べて通常 Z軸ピエゾ抵抗素子の出力が大きいため、 Z軸ピエゾ抵抗素子の出力を下げて X, Y, Z軸間の出力差を小さくするために、幅中心線近傍に Z軸ピエゾ抵抗素子、幅中心線から可撓腕幅方向の外側に X軸ある、は Y軸ピエゾ抵抗素子を配することが好ま Uヽ。

[0035] X軸 ZY軸ピエゾ抵抗素子を可撓腕幅方向の外側に配する場合、可撓腕の側端から少なくともピエゾ抵抗素子幅程度離して配置することが好ましい。側端に近付け過ぎると、ピエゾ抵抗素子と金属配線との接続が可撓平行部の側端に位置するために、要らぬ応力を発生させたり応力のバランスを崩すことがある。

[0036] このように、 X軸 ZY軸ピエゾ抵抗素子を可撓腕の幅中心線力も外して設け、 Z軸ピェゾ抵抗素子を可撓腕の幅中心線上に設けるとともに、 z軸ピエゾ抵抗素子を幅中心線上で可撓幅広部上の最大応力部から可撓腕の長さ方向にはずれた位置に設けると更に Z軸ピエゾ抵抗素子の出力を低くすることができる。

[0037] 本発明の半導体型 3軸加速度センサにおいて、可撓腕上面上で幅中心線上に Z 軸ピエゾ抵抗素子を配し、 X軸および Y軸ピエゾ抵抗素子は、可撓腕上面上で幅中心線から可撓腕幅方向の外側に配されており、幅中心線に関して対称の位置に X軸および Y軸ピエゾ抵抗素子および金属配線等のダミーが設けられていることができる

[0038] X, Υ, Z軸ピエゾ抵抗素子の出力差を小さくするため、可撓腕上面上で幅中心線上に Z軸ピエゾ抵抗素子、可撓腕幅方向の外側に X軸ピエゾ抵抗素子を配すると、可撓腕上面上で幅中心線の片側だけにそれらピエゾ抵抗素子が偏って配されることになる。また、ピエゾ抵抗素子を繋ぐ金属配線等も偏って配置される。ピエゾ抵抗素子を可撓腕上面上で幅中心線から偏って配置すると、可撓腕の幅方向で外力によつて生じる応力の発生が不均一になる。また、センサ温度が上がったとき、可撓腕を構成するシリコンや絶縁層、金属配線等の熱膨張率の違いにより、可撓腕に応力が発生することもある。そのため、可撓腕上面上で幅中心線に関して対称に部品を配置することが好ましい。幅中心線上に Z軸ピエゾ抵抗素子を配置して、 X軸 ZY軸ピエゾ抵抗素子を幅中心線からはずれて配置することができる。また、 X, Y, Z軸すベてのピエゾ抵抗素子ともに幅中心線からはずれて配置することができる。幅中心線からはずれて配置したピエゾ抵抗素子は、幅中心線に関してその素子と対称なピエゾ抵抗素子を持つことが好ましい。幅中心線に関してその素子と対称に配置されたピエゾ抵抗素子として、その素子と同じものとすることができる。対称に同じ素子を配置する場合、必要とするピエゾ抵抗素子の 1Z2あるいは 1Z4の長さを持ったピエゾ抵抗素子片の 2個あるいは 4個を幅中心線に関して対称に可撓腕上面上に設けて、 2個あるいは 4個のピエゾ抵抗素子片の端同士を直列に配線して、必要とするピエゾ抵抗素子とすることができる。

[0039] このように各軸のピエゾ抵抗素子を、 2分割もしくは 4分割の偶数分割とすることが好ましい。偶数分割とすることで、それら分割されたピエゾ抵抗素子片の一端同士を直線的な金属配線で接続でき、反対側の端は横方向に最短の距離で繋ぐことができる。奇数分割とするとこの様な簡単な接続はできず、一部を分割したピエゾ抵抗素子と略同じ長さの金属配線をピエゾ抵抗素子と並行に設ける必要が出てくる。製造上の理由カゝら分割数を 4分割までと限ることが好ましい。 X, Z軸のピエゾ抵抗素子を持つ可撓腕では、 4分割の場合 8本のピエゾ抵抗素子片が、可撓腕の幅方向に並ぶことになる。加速度の出力を上げるため、ますます可撓腕の幅は小さくなる方向であるので、ピエゾ抵抗素子片の数を多くし過ぎると製造歩留りが下がるので好ましくない。

[0040] X, Υ, Z軸ピエゾ抵抗素子は、ピエゾ抵抗素子の長さ方向に 2もしくは 4分割されており、 2もしくは 4分割された 2個もしくは 4個のピエゾ抵抗素子片を幅中心線に関して対称位置に配置することができる。その場合、 Z軸ピエゾ抵抗素子片を幅中心線に近く設けて、 X軸および Y軸ピエゾ抵抗素子片は、 Z軸ピエゾ抵抗素子片カも可撓腕幅方向の外側で、可撓腕長さ中心線に関して対称の位置に配されていることが好ましい。

[0041] X, Y軸ピエゾ抵抗素子に比べ Z軸ピエゾ抵抗素子の出力を下げるため、 Z軸ピエゾ抵抗素子は分割せず X, Y軸ピエゾ抵抗素子のみ分割することができる。 Z軸ピエゾ抵抗素子は分割せず幅中心線上に配置し、 X軸 ZY軸ピエゾ抵抗素子は幅中心線に関して対称の位置に配置することができる。 X軸ピエゾ抵抗素子の可撓腕接続端力も遠い側の端を短絡する必要があるため、 Z軸ピエゾ抵抗素子は可撓腕接続端側に極力ずらすことが良い。しかし、 Z軸ピエゾ抵抗素子を可撓腕接続端側にずらしても、 X軸ピエゾ抵抗素子を接続する金属配線等が長くなることは避け難いため、でき得る限り Z軸ピエゾ抵抗素子も X軸 ZY軸ピエゾ抵抗素子と同じ長さになるように分割することが好ましい。 X軸 ZY軸ピエゾ抵抗素子は 2分割、 Z軸ピエゾ抵抗素子は 4 分害 ijとすることちでさる。

[0042] そこで、加速度の 3軸成分のうち少なくとも 1軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子の各々をその両端が可撓幅広部力可撓腕の長さ方向にはずれた位置に設けることができる。例えば、 Z軸ピエゾ抵抗素子を最大応力部からずらすことで出力を下げることができる。分割された Z軸ピエゾ抵抗素子片の一方を可撓腕接続端に近い側に他方を可撓腕接続端力遠い長さ中心線側にずらすこともできるが、 Z軸ピエゾ抵抗素子片を接続する配線が長くなることは避け難!ヽ。 z軸用ピエゾ抵抗素子片のずらす方向は、可撓腕接続端に近、側もしくは遠、側の、ずれかに合わすことが好ましい。

[0043] ピエゾ抵抗素子と金属配線を直接接続すると接触抵抗が大きくなり良好な接続が得られな!/ゝが、高濃度拡散層を介することでピエゾ抵抗素子および金属配線の何れとも良好な接続が得られる。そのため、分割されたピエゾ抵抗素子の接続は、センサ端子 -金属配線 -高濃度拡散層 -ピエゾ抵抗素子 -高濃度拡散層 -接続用金属配線 -高濃度拡散層 -ピエゾ抵抗体 -高濃度拡散層 -金属配線 -センサ端子となる。この接続用金属配線を高濃度拡散層で形成することで、ピエゾ抵抗素子と金属配線間にある、絶縁層に穴をあけるスルーホール形成が不要となる。可撓腕接続端から遠 V、側のピエゾ抵抗素子端をスルーホールを用いずに接続できることで、 Z軸ピエゾ抵抗素子片と X軸ピエゾ抵抗素子片との配置ずれ量が設定し易くなるだけでなぐ可撓平行部からスルーホールを無くすことができるので，可撓腕の変形時にノイズの原因となる形状による応力の発生を最小限にすることができる。高濃度拡散層は、シート抵抗値が小さぐ応力に対しても抵抗変化が小さいことが求められるので、ピエゾ抵抗素子よりも 3桁程度シリコンと異なる価数の元素の拡散濃度を高くする。高濃度拡散層を分割したピエゾ抵抗素子片の接続線と使用することで、製造工数を増やすことなぐノイズの発生を少なくできると言う効果が得られる。

[0044] 上の説明では、ピエゾ抵抗素子片同士を幅中心線に関して対称に可撓腕上面上に設けていたが、対称に設けるピエゾ抵抗素子片としてダミー素子を用いることができる。配置するダミーは、 X軸， Y軸ピエゾ抵抗素子片だけでなぐ接続される金属配線、接続部位等を含んだものとすることが好ましい。ダミーの金属配線は素子端子に接続する必要がない。よって、ダミーのピエゾ抵抗素子や金属配線等の材質、幅、厚み等はでき得る限り、実際のピエゾ抵抗素子や金属配線等と同じとすることが好ましい。

発明の効果

[0045] 本発明により、耐衝撃性が高ぐ X軸 (Y軸)ピエゾ抵抗素子と Z軸ピエゾ抵抗素子との出力の差が小さぐ小型で高感度、高出力の半導体型 3軸加速度センサを提供することがでさた。

図面の簡単な説明

[図 1]本発明に用いて、るセンサ素子の平面概略図である。

[図 2]本発明の加速度センサの分解斜視図である。

[図 3]本発明の加速度センサの断面図である。

[図 4]本発明で用いたセンサ素子の寸法関係を説明する図で、図 4 (A)はセンサ素子の平面図、図 4 (B)は可撓腕の拡大平面図、図 4 (C)は可撓腕の一部を示す断面図である。

[図 5]可撓幅広部の稜線の半径 Rをパラメタ一として、出力と最大応力部位置との関係を説明するグラフである。

[図 6]耐衝撃性と可撓幅広部長さ L1との関係を示すグラフである。

[図 7]耐衝撃性、出力と W2ZW1との関係を示すグラフである。

[図 8]耐衝撃性、出力と L2ZL0との関係を示すグラフである。

[図 9]出力と幅中心線力もの距離との関係を説明するグラフである。

[図 10]出力と基準位置力もの距離 L4, L4' との関係を説明するグラフである。

[図 11]ダミー素子、ダミー金属配線の配置を説明する可撓腕の拡大平面図である。

[図 12]2分割して直列接続したピエゾ抵抗素子片を説明するための可撓腕の拡大平面図である。

[図 13]Z軸ピエゾ抵抗素子片を可撓腕長さ方向にずらした実施例を説明する可撓腕の拡大平面図である。

[図 14]従来の加速度センサの分解斜視図である。

[図 15]従来のセンサ素子の平面模式図である。

[図 16]従来の加速度センサの断面図である。

[図 17]従来のセンサ素子の斜視図である。

[図 18]従来のセンサ素子の平面図と断面斜視図である。

[図 19]従来のセンサ素子の平面図と断面図である。

[図 20]出力と錘厚さとの関係を説明するグラフである。

符号の説明 [0047] 1 加速度センサ

2 センサ素子

10 支持枠

11 錘

12 可撓腕

14 X軸ピエゾ抵抗素子

15 Y軸ピエゾ抵抗素子

16 Z軸ピエゾ抵抗素子

17 第一の接続端 (可撓腕接続端）

28 第二の接続端 (可撓平行部接続端)

29 (可撓腕の)幅中心線

30 (可撓腕の)長さ中心線

31 可撓幅広部

32 可撓平行部

発明を実施するための最良の形態

[0048] 以下、本発明の実施例について、図を用いて以下に詳細に説明する。説明を判り易くするため、同じ部品、部位には同一の符号を用いている。

[0049] 図 1に本発明の実施例による加速度センサに用いて、るセンサ素子の平面概略図を示す。図 2に加速度センサの分解斜視図、図 3に加速度センサの断面図を示す。図 1の平面図に示すように、センサ素子 2はシリコン単結晶基板の周縁部に形成された支持枠 10と中央部に形成された錘 11とが、薄肉梁状の可撓腕 12で接続されている。可撓腕 12は可撓平行部 32と可撓幅広部 31とで構成している。可撓平行部 32の両端に可撓幅広部 31を設け、可撓腕で支持枠上面と錘上面とを接続している。可撓腕 12が支持枠 10および錘 11に接続している部分を可撓腕接続端 17と呼び、可撓平行部 32が可撓幅広部 31と接続している部分を可撓平行部接続端 28と呼んでいる。 X軸ピエゾ抵抗素子 14と Z軸ピエゾ抵抗素子 16とを同じ可撓腕 12上面上に設け、 Y軸ピエゾ抵抗素子 15は別の可撓腕 12上面上に設けた。 Z軸ピエゾ抵抗素子 16 は可撓腕の幅中心線 29上に、 X軸ピエゾ抵抗素子 14および Y軸ピエゾ抵抗素子 15 は幅中心線 29から可撓腕幅方向の外側に位置をずらして配置した。センサ素子 2の断面形状は、図 3から判るように、錘 11及び支持枠 10の上方側に可撓腕 12を設けた。可撓腕の上面に各軸複数対のピエゾ抵抗素子と金属配線を設けた。しかしそれらの図示は図 3では省略した。

[0050] 本発明の加速度センサ 1を、図 2の分解斜視図と図 3の断面図を用いて説明する。

センサ素子 2は、保護ケース 3内に 10 m径の硬質プラスチック球を含有した接着剤 33で固定した。センサ素子 2の錘 11の底面と保護ケース 3の内底面との間隔 g"は、硬質プラスチックの球径で規制され 10 mとなっている。この間隔 g"は、過度の加速度が加速度センサ 1に加わった時に、錘 11の動きを規制し可撓腕 12の破損を防ぐ。センサ素子のセンサ端子 6と保護ケースのケース端子 7との間はワイヤー 5で接続した。ワイヤー 5は 25 m径の金の裸線を超音波ボンディングでセンサ端子 6とケース端子 7とに熔接した。センサ素子の上に 10 m径の硬質プラスチック球を含有した接着剤 33で規制板 9を固定した。規制板 9として 0. 2mm厚の青板ガラスを用いた。規制板 9と錘 11との間隔 g'も、錘の過度の動きをその間隔 g'に規制し可撓腕の破損を防ぐ。保護ケース 3に保護ケース蓋 4を、エポキシ系の接着剤 34で固定して加速度センサ 1を組み立てた。

[0051] 図 4 (A)、（B)、（C)に、本発明の以下の実験で用いたセンサ素子の主な寸法を示す。センサ素子 2の外寸 W7は 2000 m、支持枠 10の幅 W8は 250 m、錘 11の幅 W6は 700 /z mとした。可撓腕 12の可撓平行部 32の幅 W2は 75 m、可撓幅広部 3 1の可撓腕接続端における幅 W1は検討寸法であり実験で変化させている。可撓腕 1 2の長さ L0は 400 /z m、可撓幅広部 31の長さ L1は検討寸法であり実験で変化させている。ピエゾ抵抗素子 14 (15, 16)の幅は 4 /z mとし、長さ L5は 80 mとした。可橈腕接続端 17からピエゾ抵抗素子 14 (15, 16)の端部までの距離 (最大応力部) L3 は検討寸法であり実験で変化させている。可撓腕の厚み hiは 6 mで、支持枠 10および錘 11の厚み hOは約 632 /z mとした。特に、断わりの無い限り、本実施例ではこれら寸法のセンサ素子を用いて、る。

[0052] センサ素子 2の製造方法を簡単に説明する。 625 μ m厚のシリコン板に 1 μ m程度のシリコン酸化層と 6 μ mのシリコン層の積層構造を有する SOI (Silicon on Insulat or)ウェファ一を使用した。フォトレジストでパター-ングを行い、シリコン層にボロンを 1一 3 X 10¹⁹原子 Zcm³打ち込みピエゾ抵抗素子を作製した。高濃度拡散層はシリコン層にボロンを 1一 3 X 10²¹原子 Zcm³打ち込んだ。ピエゾ抵抗素子を外部のィォンカゝら保護するためと、シリコンとアルミ配線、電極の絶縁を確保するために、 0. 2— 0. 5 m厚に酸ィ匕シリコンの絶縁層を形成した。ピエゾ抵抗素子に接続するアルミ配線と電極、可撓腕等を、フォトレジストのパターユングとスパッタリング成膜装置、ドライエッチング装置等を用いて形成した。 SOIウェファ一のシリコン酸ィ匕層がエッチングストッパーとなるため、エッチングされるのはシリコン層のみである。ピエゾ抵抗素子面側を下にして、熱伝導の高い金属粉末を榭脂に混鍊したものを用いて、ダミー基板に接着した。 SOIウェファ一のシリコン板部分の 625 mをドライエッチングするには、 SFと酸素を導入したプラズマ内で長時間行うため、被加工物の冷却が重要であり

6

、熱伝導の良い接着剤で放熱性の高いダミー基板に接着している。ドライエッチングされるのはシリコンのみなので、シリコン板はエッチングされる力シリコン酸化層は残つている。ダミー基板に付けたまま弗酸溶液に漬け、シリコン酸ィ匕層をィ匕学エツチングで除去した。可撓腕と錘、支持枠が形成された SOIウェファ一がダミー基板に接着された状態で、切断砲石を使って加速度センサ素子のチップに分離した後、溶剤で接着剤を除去し加速度センサ素子単体を得た。

実験 1

可撓幅広部稜線の半径 Rをパラメータとして出力と最大応力部の位置 (L3)との関係を図 5のグラフに示す。図 5では、可撓幅広部 31の稜線が 1Z4円弧となっている場合を示している。稜線を直線や非円弧としたものも同じ様な傾向だったので、代表として 1Z4円弧の場合を示した。図 5で半径 R=0 mは可撓幅広部 31がない形状で、可撓平行部 32のみの従来のセンサ素子である。従来のセンサ素子の最大応力部が L3 = 0 mとなった可撓腕接続端 17にあり、その位置にピエゾ抵抗素子 14 (15 , 16)の一端を設けた時の出力を 100%とした。半径 Rを 20、 50、 80 mと変化させ、最大応力部を示す位置 (L3)を求めた。また、ピエゾ抵抗素子出力を測定し、 R=0 μ mの最大応力部の出力に対する比を求めた。出力は 3Gの加速度を Z軸方向にカロえて柳』定した。 [0054] 図 5から判るように、可撓腕接続端 17から半径 Rの略半分の距離の位置に最大応力部 L3が生じ、出力も半径 Rが大きくなるに従い低下している。最大応力部 L3が半径 _Rの略半分の位置にあることは、可撓幅広部内に最大応力部があることを意味しており、可撓幅広部は可撓腕として扱えることが確認できた。半径 Rが大きくなるに従い出力が低下しているのは、半径 Rが大きくなると可撓幅広部が橈み難くなることを表している。詳細は省略したが、稜線を直線で結んだ形状や釣鐘状の形状では、 L3はより大きくなり出力の低下も大きかった。半径 Rの中心をずらした円弧で、可撓平行部接続端 28近傍での変化は少なく可撓腕接続端 17近傍で急激に変化する形状が、 L 3を小さくし出力の低下を小さくできることが判った。

実験 2

[0055] 可撓幅広部を設けることで耐衝撃性が向上することを説明する。図 6に、可撓幅広部の稜線を 1Z4円弧 (R)あるいは直線で形成し、円弧の場合はその半径 Rを 0から 70 μ m程度まで、直線では角度 Θを 45度一定とし、可撓腕接続端 17と可撓平行部接続端 28と間の距離 (可撓幅広部長 L1)を 0カゝら 45 μ m程度まで変えて耐衝撃性の変化をグラフに示している。各 20個の加速度センサを作製し、耐衝撃性試験を行つた。耐衝撃性試験には振子式衝撃試験機を使用し、衝撃作用時間は 0. 2msecに固定し、 1000Gから 5000Gまで 100G間隔で測定した。方向による耐衝撃性の違いが考えられるため、本実験においては 1条件につき XYZ各軸正負両方向の計 6方向について 3回ずつ、計 18回の衝撃を印加した。耐衝撃性試験の後、加振器で 3Gの加速度を加え、出力が出るか否かで判断し、出力が出ない加速度センサは破壊したと判定した。 20個の加速度センサの内 1個でも破損したと判断された加速度値 (KG) を、その試料グループの持つ耐衝撃性値とした。

[0056] 図 6の L1 = 0である可撓幅広部を持たない従来のセンサ素子では、 800G程度の耐衝撃性であった。可撓幅広部長さ L1を 20 m程度とすることで耐衝撃性は、 300 OG以上が得られることが確認できた。 100mm厚の木板に lmの高さ力加速度センサを自然落下させた時に加わる衝撃値は 1500— 2000Gであることから、 3000Gは携帯装置に搭載する加速度センサとしては充分な耐衝撃性を有していると言える。可撓幅広部長さが同じの場合、稜線の形が直線の方が耐衝撃性は上がっているのは、円弧に比べ可撓平行部接続端近傍での可撓腕幅が大きいためと思われる。実験 3

[0057] 07 (A)に、可撓平行部 32の幅 W2の可撓腕接続端 17のところでの可撓幅広部の幅 W1に対する比 W2ZW1と、耐衝撃性 (KG)と出力（％)との関係を示している。可撓平行部 32の幅 W2は 75 mで一定とし、幅広部 31の稜線を、図 7 (B)凡例に示すように、半径 Rの 1Z4円弧 (記号國、口で表示）、直線 (記号參、〇で表示）、可撓腕接続端近傍で急激に形状が変化する山型 (記号▲、△で表示)、可撓平行部接続端近傍で急激に形状が変化する釣鐘型 (記号♦、◊で表示）と変えた。これらの稜線を持った加速度センサ試料を各 20個製作し、耐衝撃性は実験 2と同様の評価方法を用いた。出力は加振器で 3Gの加速度を加え、 W2ZW1 = 1つまり、可撓幅広部を持たない従来の加速度センサの出力を 100%として、 W2ZW1を変えた各幅広部を持った加速度センサ 20個の出力平均値を図 7 (A)のグラフにプロットしている。全体傾向として、 W2ZW1の値が大きくなるに従い耐衝撃性は低下している力出力は増力!]している。また、可撓平行部接続端 28近傍で可撓腕 12が太くなる釣鐘型形状は耐衝撃性で、可撓腕接続端 17の近傍で可撓腕 12が太くなる山型形状では、出力の点で有利である。これらの結果から、加速度センサに求められる耐衝撃値や出力値の観点から、可撓幅広部の寸法や形状を選ぶことができることが確かめられた。

[0058] W2ZW1の値が、 0. 6より大きいと 3000G以上の耐衝撃性を得難くなり、 0. 2より小さくなると出力の低下が 35%以上になるので好ましくない。これらから、 W2/W1 の値は、 0. 2以上 0. 6以下が良いことが確認できた。

実験 4

[0059] 図 8 (A)に、可撓平行部 32の長さ L2の可撓腕 12の全長 LOに対する比 L2ZL0を変えたときの、耐衝撃性と出力をグラフにして示している。図 8 (B)に示す可撓腕の平面図において、可撓腕 12の全長 LOを 400 mで一定とし、可撓腕接続端における可撓幅広部 31の幅を 160 mで一定として、可撓幅広部稜線の傾斜 Θを変えて可橈平行部 32の長さ L2を変化させた。データを取りやり易くするため稜線は直線とした。稜線の傾斜 Θを変えて可撓平行部 32の長さ L2を変化させた試料について、それぞれの長さについて試料を各 20個製作し、耐衝撃性は実験 2と同様の評価方法を用いた。出力は、加振器で 3Gの L2ZL0= 1つまり、可撓幅広部を持たない従来のセンサ素子の出力を 100%として、 20個の出力平均値を図 8 (A)のグラフにプロットしている。

[0060] L2ZL0の値力 0. 9より大きいと 3000G以上の耐衝撃性が得難くなり、 0. 4より小さくなると出力の低下が 35%以上になるので好ましくない。これらから、 L2ZL0の値は、 0. 4以上 0. 9以下が良いことが確認できた。

実験 5

[0061] ピエゾ抵抗素子の可撓腕幅中心線からの距離と出力の関係について、図 9のダラフを用いて説明する。幅中心線から 5 μ mピッチで 25 μ mまでピエゾ抵抗素子の位置を変えて出力を測定した。可撓幅広部の稜線は半径 Κ40 /ζ πιの 1Z4円弧とし、可橈腕接続端から 30 μ m離れた位置にピエゾ抵抗素子の一端が位置するようにしてそこから可撓平行部接続端を跨ヽで可撓平行部上にピエゾ抵抗素子を配置した。カロ振器で 3Gの加速度を与え、ピエゾ抵抗素子が幅中心線上に在る時の出力を 100% とし、各々の位置での 20個の出力平均値を百分率で表した。

[0062] 幅中心線力離れるに従い出力は増加し、ピエゾ抵抗素子を幅中心線から 25 μ m 離すと出力を約 9%高くすることができた。 Z軸ピエゾ抵抗素子は X軸ピエゾ抵抗素子に比べ出力が高いため、 X軸ピエゾ抵抗素子の出力を上げる力、 Z軸ピエゾ抵抗素子の出力を下げて Z軸ピエゾ抵抗素子と X軸 (Y軸)ピエゾ抵抗素子との出力差を少なくすることが望ましい。 Z軸ピエゾ抵抗素子の出力を下げる、つまり性能を落として X 軸ピエゾ抵抗素子のレベルと同じにすることは比較的容易である力これでは加速度センサの性能を低下させることになる。可撓腕上面上で幅中心線上に Z軸ピエゾ抵抗素子を形成して、 X軸ピエゾ抵抗素子を可撓腕上面上で幅中心線カゝら離した位置に形成することで、 Z軸ピエゾ抵抗素子の出力を下げずに X軸ピエゾ抵抗素子の出力を上げることができ、加速度センサの性能をより向上させることができた。

実験 6

[0063] 可撓腕長さ中心線 30からの距離を変えて可撓腕上面上にピエゾ抵抗素子 14 (15 , 16)を設けた場合、ピエゾ抵抗素子の出力と基準位置力ゝらの距離 L4、 L4'の関係について、図 10を用いて説明する。可撓腕 12の幅中心線 29上で最大応力部にピェゾ抵抗素子の一端を位置させて、そこから可撓平行部接続端を跨ヽで可撓腕上に配置されたピエゾ抵抗素子を基準として、ピエゾ抵抗素子を可撓腕接続端 17側（ L4' )と可撓腕長さ中心線 30側 (L4)とに 100 μ m以内まで位置を変えた時の出力の関係である。可撓幅広部 31の稜線は半径 RSO /z mの 1Z4円弧とし、ピエゾ抵抗素子の長さを 80 mとした。加振器で 3Gの加速度を与え、ピエゾ抵抗素子 14 (15, 16)が可撓腕 12の幅中心線 29上でかつピエゾ抵抗素子の一端が最大応力部に在る時の出力を 100%とし、最大応力部力も離れた位置に設けたピエゾ抵抗素子について、各位置で 20個の出力平均値を百分率で表した。

[0064] 基準となるピエゾ抵抗素子の位置から、可撓腕接続端 17側 (L4' )と可撓腕長さ中心線 30側 (L4)にピエゾ抵抗素子 14 (15, 16)がずれるに従い出力は低下し、 100 m程度ずれると出力は約 25%低下した。可撓腕接続端 17側 (L4' )にずれた位置にあるピエゾ抵抗素子と同じ距離だけ長さ中心線 30側 (L4)にずれた位置にあるピェゾ抵抗素子との出力の差は数％であったので図 10では L4方向と L4'方向で符合は変えていない。図 9のグラフに関して幅中心線 29から可撓腕の幅方向外側に X軸ピエゾ抵抗素子を配置することで、 X軸ピエゾ抵抗素子の出力を約 9%上げることが可能と説明した。 Z軸ピエゾ抵抗素子を幅中心線上で、最大応力部から 100 mずらすことで約 25%出力を下げることができる。これらを組み合わせることで、 X軸ピエゾ抵抗素子の出力を変えず X軸ピエゾ抵抗素子と Z軸ピエゾ抵抗素子の出力差を約 35%縮めることができることが確かめられた。

[0065] 可撓腕上面上で Z軸ピエゾ抵抗素子は幅中心線 29上、 X, Y軸のピエゾ抵抗素子は幅中心線 29から可撓腕 12の幅方向に離して配置することが、各軸の出力差を小さくする上で有効であることを図 9のグラフに関して説明した。図 9のグラフで説明した可撓腕上でのピエゾ抵抗素子と金属配線との配置を、図 11 (A)に Z軸ピエゾ抵抗素子 16と X軸ピエゾ抵抗素子 14、図 11 (C)に Y軸ピエゾ抵抗素子 15をそれぞれ図示している。図 11 (A)、図 11 (C)とも、図で幅中心線 29より下側にはピエゾ抵抗素子 1 4, 15, 16と金属配線 37がある力上側は無い。図 4 (C)の断面図に示したように、可撓腕はシリコンと絶縁層 36との上に金属配線 37が積層された構造をしている。つまり、図 11 (A)、図 11 (C)とも、図で幅中心線 29より下側は、シリコンと絶縁層と金属配線 37の 3層構造を持つ力上側はシリコンと絶縁層との 2層構造となっている。この様に可撓腕の幅中心線 29を境に、積層構成が異なると橈み易さ等に微妙な差が生じる。また、センサ素子の温度が上がった場合、これら構成部材の熱膨張係数の違いにより可撓腕に不要な応力が発生し、ノイズ成分が増加することになる。

[0066] 図 9に関連して説明した可撓腕上でのピエゾ抵抗素子と金属配線との配置（図 11 ( A)、図 11 (C) )を更に改善した配置をここでは説明する。ダミー X軸ピエゾ抵抗素子 39と 2本のダミー金属配線 38とを幅中心線 29に関して X軸ピエゾ抵抗素子 14と金属配線 37との対称位置に設けて図 11 (B)に示す構成とする。ダミーを形成することで、幅中心線 29の上下で同じ構成とすることができ、幅中心線 29の両側での可撓腕の橈み具合や熱による不要な応力の発生を抑えることができる。ピエゾ抵抗素子のダミーには、絶縁層に形成したスルーホールをも含む。 Y軸ピエゾ抵抗素子 15については、 011 (D)に示すように、ダミー Y軸ピエゾ抵抗素子 40とダミー金属配線 38とを幅中心線 29に関して Y軸ピエゾ抵抗素子 15と金属配線 37とに対称に設けることができる。また、図 11 (E)に示すように、ダミー Z軸ピエゾ抵抗素子 41やダミー金属配線 38を追加することもできる。図 11 (E)は実質的に図 11 (B)と同じ構成である。出力特性に対するダミーの効果についての詳細な説明は省略するが、オフセット電圧やオフセット電圧の温度特性が良くなつている。出力特性の改善以外に、可撓腕の幅中心線 29に関して対称の形状とすることで、フォトリソゃ製膜、エッチング作業の安定性が増し、寸法精度が向上すると言う効果も得られた。

[0067] 本発明の更なる他の実施例として、図 12 (A)と (B)に、ピエゾ抵抗素子を 2分割して直列配置した可撓腕の拡大平面図を示す。図 12 (A)は X, Z軸ピエゾ抵抗素子を持った X軸可撓腕で、図 12 (B)は Y軸ピエゾ抵抗素子を持った Y軸可撓腕である。本実施例以前で用いて、た 80 μ mの長さのピエゾ抵抗素子を、 40 μ m長と半分のピエゾ抵抗素子片 2本に分割し、幅中心線 29を挟んで配置した。可撓腕接続端 17 側の一端は最大応力部に位置させ、長さ中心線 30側の端部は高濃度拡散層 42でピエゾ抵抗素子片が直列になるように接続した。 Z軸ピエゾ抵抗素子片 1 、 16グは幅中心線 29に近ぐ X, Y軸ピエゾ抵抗素子 14' 、 14,, 、 15, 、 15,, は幅中心線 29から離し幅中心線 29に関して対称位置に配置することで、 X, Y軸ピエゾ抵抗素子の出力を上げるようにした。

[0068] ピエゾ抵抗素子を分割して直列配置する効果につ!ヽて簡単に述べる。分割して直列に接続したため分割前とピエゾ抵抗素子の電気抵抗は同じなため消費電力の増加はない。分割した本数のピエゾ抵抗素子片の端部を最大応力部に配置することができるので、出力を約 15%増加させることができた。ピエゾ抵抗素子を分割して幅中心線 29に対称配置することで、幅中心線 29の上下で同じ構成とすることができるので、ダミーのピエゾ抵抗素子や金属配線を設けたのと同等の効果が得られた。

[0069] 図 13に、ピエゾ抵抗素子を分割して直列配置した構成で、 Z軸ピエゾ抵抗素子片 1 、 16"を可撓腕長さ方向にずらして出力を下げた例を示す。図 13 (A)は Z軸ピェゾ抵抗素子片 16^ 、 16"を長さ中心線 30側にずらしたもので、図 13 (B)は可撓腕接続端 17側にずらしたもの、図 13 (C)は長さ中心線 30側と可撓腕接続端 17側とに分けて配置したものである。長さ中心線 30側と可撓腕接続端 17側との何れにずらすかは、適宜決めれば良い。図 13 (B)は、 X軸ピエゾ抵抗素子片 14' , 14グの長さ中心線 30側にある端を直列に接続する高濃度拡散層 42の長さを短くできるので、好ましい。

Claims

請求の範囲

[1] 中央にあって、外部からの加速度が力かる錘と、

錘を支持するための支持枠と、

錘と支持枠との間で、両端にある 2つの第一の接続端のそれぞれにおいて錘上面と支持枠上面とを連結している少なくとも 1つの薄肉梁状の可撓腕と、

可撓腕上面上で可撓腕上面に沿って可撓腕長さ方向に並べて設けられ、加速度の

3軸成分のうち各軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子と、

可撓腕上面上で前記複数のピエゾ抵抗素子端の間を接続している配線とを有し、可撓腕は、両端にそれぞれ第二の接続端を有し実質的に一様な幅を持っている可橈平行部と、可撓平行部の第二の接続端の 1つと支持枠 Z錘との第一の接続端との間を連結するとともに、可撓平行部の第二の接続端力も第一の接続端に向力つて幅が次第に広くなつている 2つの可撓幅広部とからなつており、

可撓腕上面上に設けられた前記複数のピエゾ抵抗素子のそれぞれはその可撓腕の第一の接続端力離れて配置されているとともに、

前記加速度の 3軸成分のうち少なくとも 1軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子の各々は第二の接続端を跨いで可撓幅広部から可撓平行部に亘つて延びている

半導体型 3軸加速度センサ。

[2] 可撓腕は、可撓幅広部上にその可撓腕の最大応力部を持ち、

前記加速度の 3軸成分のうち少なくとも 1軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子の各々はピエゾ抵抗素子の一端を可撓幅広部上の最大応力部に位置しており

、最大応力部力第二の接続端を跨いで可撓平行部に亘つて延びている請求項 1記載の半導体型 3軸加速度センサ。

[3] 可撓幅広部はその上面の両側端に連続した曲線もしくは直線力なる稜線を持ち

、両側端の稜線は可撓腕の幅中心線に関して互いに対称となっている

請求項 2記載の半導体型 3軸加速度センサ。

[4] 可撓部幅広部の第一の接続端のところでの可撓腕の幅 W1に対する可撓平行部の幅 W2の比 W2ZW1が 0. 2以上 0. 6以下である請求項 2記載の半導体型 3軸加速度センサ。

[5] 可撓腕の全長 LOに対する可撓平行部長 L2の比 L2ZL0が 0. 4以上 0. 9以下である

請求項 2記載の半導体型 3軸加速度センサ。

[6] 前記加速度の 3軸成分のうち少なくとも 1軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子の各々はその両端が可撓幅広部上の最大応力部力可撓腕の長さ方向にはずれた位置に設けられて!/ヽる

請求項 2記載の半導体型 3軸加速度センサ。

[7] 前記加速度の 3軸成分のうち少なくとも 1軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子の各々は可撓腕上面上で可撓腕の幅中心線力可撓腕の側端にはずれた位置に設けられている

請求項 2記載の半導体型 3軸加速度センサ。

[8] 前記加速度の 3軸成分のうち錘上面に垂直な軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子の各々は可撓腕上面上で可撓腕の幅中心線の上に設けられている請求項 7記載の半導体型 3軸加速度センサ。

[9] 前記加速度の 3軸成分のうち少なくとも 1軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子の各々はその両端が可撓幅広部上の最大応力部力可撓腕の長さ方向にはずれた位置に設けられて!/ヽる

請求項 8記載の半導体型 3軸加速度センサ。

[10] 可撓腕上面上で可撓腕の幅中心線力可撓腕の側端にはずれた位置に設けられているピエゾ抵抗素子の各々は、可撓腕上面上で幅中心線に関して対称に設けられた他のピエゾ抵抗素子を持って!/、る

請求項 7記載の半導体型 3軸加速度センサ。

[11] 前記加速度の 3軸成分のうち錘上面に垂直な軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子の各々は可撓腕上面上で可撓腕の幅中心線の上に設けられている請求項 10記載の半導体型 3軸加速度センサ。

[12] 可撓腕上面上で可撓腕の幅中心線力可撓腕の側端にはずれた位置に設けられているピエゾ抵抗素子の各々と、そのピエゾ抵抗素子に対して可撓腕上面上で幅中心線に関して対称に設けられた前記他のピエゾ抵抗素子とは、配線で直列に接続されている

請求項 10記載の半導体型 3軸加速度センサ。

[13] 可撓腕上面上で可撓腕の幅中心線力可撓腕の側端にはずれた位置に設けられているピエゾ抵抗素子の各々と、そのピエゾ抵抗素子に対して可撓腕上面上で幅中心線に関して対称に設けられた前記他のピエゾ抵抗素子とは、それらピエゾ抵抗素子の可撓腕の長さ中心線側にある端同士が高濃度拡散層で直列に接続されている請求項 12記載の半導体型 3軸加速度センサ。

[14] 前記加速度の 3軸成分のうち錘上面に垂直な軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子の各々が、前記加速度の 3軸成分のうち他の軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子よりも可撓腕の幅中心線に近い位置に設けられている請求項 12記載の半導体型 3軸加速度センサ。

[15] 前記加速度の 3軸成分のうち少なくとも 1軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子の各々はその両端が可撓幅広部上の最大応力部力可撓腕の長さ方向にはずれた位置に設けられて!/ヽる

請求項 10記載の半導体型 3軸加速度センサ。

[16] 前記他のピエゾ抵抗素子がダミー素子であるとともに、そのダミー素子はダミー配線で接続されている

請求項 10記載の半導体型 3軸加速度センサ。