JP2004257832A

JP2004257832A - 半導体加速度センサ

Info

Publication number: JP2004257832A
Application number: JP2003048064A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Saito; 宏齊藤; Kazushi Kataoka; 万士片岡; Hitoshi Yoshida; 仁吉田; Daisuke Wakabayashi; 大介若林
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2003-02-25
Filing date: 2003-02-25
Publication date: 2004-09-16

Abstract

【課題】加速度に対する感度特性等の低下を抑制するとともに、許容範囲を上回る加速度に対してビームに掛かる応力を分散して耐衝撃性の優れた半導体加速度センサを提供すること。
【解決手段】半導体基板からなるフレーム１と、フレーム１からその内方に向かって突設された弾性を有する４本のビーム２により遊動自在に支持された重り部４と、ビーム２に設けられて作用する加速度に応じて抵抗値の変化するピエゾ抵抗３と、ピエゾ抵抗３からの信号を取り出す電極５と、を有する半導体加速度センサ。重り部４は、ビーム２に接合された主重り部４１と、主重り部４１と連結されるとともに２本のビーム２とフレーム１とにより囲まれた空間に配設された補助重り部４２と、隣り合う補助重り部４２を結合する連結部４３とからなり、その連結部４３には重り部４の表裏を貫通する複数の貫通孔４４を備えた。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体加速度センサに関し、特に３軸の方向それぞれに作用する加速度を検出するピエゾ抵抗素子を利用した半導体加速度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体加速度センサとしては、例えば、特開平６−１０９７５５号公報（特許文献１）に提案されているものがあり、これを図４に示す。図５（ａ）は全体概略斜視図、（ｂ）はＡ−Ａ線で切断したときの断面図である。このものは、シリコン基板からなる略四角形状のフレーム１０１と、ビーム１０２と、重り部１０３と、ガラスからなる台座１０４とを備えている。
【０００３】
このうち、ビーム１０２は、フレーム１０１を構成する４辺の上面（図５の上側）からその内方にそれぞれ突設されており、フレーム１０１の内方の中央付近で交差して交差部１０２ａを形成している。また、このビーム１０２は、弾性を有するように薄肉状に形成されている。
【０００４】
また、ビーム１０２の交差部１０２ａ近傍及び４つの基端部１０２ｂの表面には、それぞれ複数のピエゾ抵抗１０５が配設されている。これらのピエゾ抵抗１０５は、フレーム１０１の任意の一辺と平行な方向にＸ軸、そのＸ軸と９０°の角度で交差する他の一辺と平行な方向にＹ軸、Ｘ軸とＹ軸の両方と９０°の角度で交差する方向をＺ軸と規定したときに、それぞれの軸方向に作用する加速度を検出するためにＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対応する４つを一組としてホイートストンブリッジを構成している。また、これらのピエゾ抵抗１０５は、フレーム１０１上に形成された電極１０６に接続されている。
【０００５】
重り部１０３は、ビーム１０２の交差部１０２ａの下面（図５の下側）に吊り下げられた状態に接合されることにより、ビーム１０２は弾性を有するので遊動自在にフレーム１０１に支持されている。また、その断面形状は、シリコン基板から台座１０４に向かうＺ軸方向に向かって幅が狭くなる台形状をしている。
【０００６】
台座１０４は、重り部１０３の遊動量を制限する機能を有するものである。その形状は、平面視においてフレーム１０１の外形と略同じ大きさをした四角形状である。また、台座１０４のフレーム１０１と接合される面の内方には、平面視において、重り部１０３の上面と略同じ大きさの範囲を有する凹部１０４ａが形成され、重り部１０３がその凹部１０４ａの内部で作用する加速度に応じて遊動できるように設けられている。
【０００７】
したがって、上記構成の半導体加速度センサによれば、加速度が半導体加速度センサに作用すると、重り部１０３は、フレーム１０１とビーム１０２により遊動自在に支持されているため作用した加速度の方向と大きさに応じて前後左右及び上下に移動する。このとき、ビーム１０２に撓みが生じて複数のピエゾ抵抗１０５に応力がかかりその抵抗値が変化する。その結果、ホイートストンブリッジの平衡がくずれ、各軸に対応するホイートストンブリッジから作用した加速度に応じた電気信号が出力される。この電気信号を電極１０６から取り出すことにより加速度を検出することができるのである。また、ビーム１０２の耐破壊強度を超える加速度が作用した場合には、台座１０４の凹部１０４ａの底面が重り部１０３の遊動を制限するのでその破壊を防止することができるのである。
【０００８】
【特許文献１】
特開平６−１０９７５５号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような半導体加速度センサは、台座１０４からフレーム１０１へ向かうＺ軸方向（図５の下から上）における重り部１０３の遊動に対してはその制限を行うことが困難であり、許容範囲以上の加速度が作用すると応力の集中するビーム１０２の両端を破壊してしまう恐れがある。
【００１０】
また、上記特許文献１にはフレーム１０１のピエゾ抵抗１０５形成面側にストッパ（図示せず）を設けた記載がある。この手段を用いることにより、台座１０４からフレーム１０１へ向かうＺ軸方向の遊動を制限することができるが、この方法ではストッパをフレーム１０１に接合した際に半導体加速度センサに与える影響、詳しくは、ストッパとフレーム１０１との線膨張係数の違いにより発生する応力がビーム１０２に歪みをもたらし、結果的に、半導体加速度センサの感度特性等を低下させてしまう。
【００１１】
本発明は、上記の点に鑑みてなしたものであり、その目的とするところは、加速度に対する感度特性等の低下を抑制するとともに、許容範囲を上回る加速度に対してビームに掛かる応力を分散して耐衝撃性の優れた半導体加速度センサを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明の半導体加速度センサは半導体基板からなるフレームと、フレームからその内方に向かって突設された弾性を有する４本のビームにより遊動自在に支持された重り部と、ビームに設けられて作用する加速度に応じて抵抗値の変化するピエゾ抵抗と、ピエゾ抵抗からの信号を取り出す電極と、を有する半導体加速度センサであって、前記重り部は、前記ビームに接合された主重り部と、主重り部と連結されるとともに２本のビームと前記フレームとにより囲まれた空間に配設された補助重り部と、隣り合う補助重り部を結合する連結部とからなり、その連結部には重り部の表裏を貫通する複数の貫通孔を備えたことを特徴としている。
【００１３】
この構成により、許容範囲を上回る加速度により重り部が変位した際に、補助重り部に設けられた連結部がビームと当接することにより、重り部の一定量以上の変位を制限し、また、ビームと連結部との間の空間に存在する空気が貫通孔を通過する際の粘性抵抗により、エアダンビング効果を発生させて連結部がビームに当接する際の衝撃を緩和するので、ビームに掛かる応力が局所的な部分、特にビームの端部に集中することを抑制できるようになり破壊を低減できる、すなわち、耐衝撃性を向上することができる。また、半導体加速度センサのピエゾ抵抗形成面側には不要な応力を発生させるものを備えないので、その感度特性等の低下を抑制することができる。
【００１４】
請求項２に係る発明の半導体加速度センサは、請求項１記載の構成において、前記貫通孔の開口部の形状を略四角形状に形成してなるものとしている。
【００１５】
この構成により、ビームと連結部との当接面の形状に合わせて効率よく貫通孔を配設できるので、エアダンビングを効果的に発生させてビームの耐衝撃性を向上することができる。
【００１６】
請求項３に係る発明の半導体加速度センサは、請求項１記載の構成において、前記貫通孔の開口部の形状をハニカム状に形成してなるものとしている。
【００１７】
この構成により、ビームと連結部との当接面の形状に合わせて効率よく貫通孔を配設できるとともに、ハニカム構造により連結部に作用する衝撃を効率よく分散させるので、エアダンビングをより効果的に発生させてビームの耐衝撃性を向上することができるとともに、連結部の機械的強度の低下を抑制することができる。
【００１８】
請求項４に係る発明の半導体加速度センサは、請求項１乃至３いずれかに記載の構成において、前記開口部の開口径を重り部のビームと相対する面とその反対側の面とで異なるように形成してなるものとしている。
【００１９】
この構成により、ビームと連結部との間の空間に存在する空気が貫通孔を通過する際の粘性抵抗がより増加するので、エアダンビングをさらに効果的に発生させてビームの耐衝撃性を向上することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
［第１の実施形態］
第１の実施形態に係る半導体加速度センサを図１に基づいて説明する。図１（ａ）はその全体概略平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線で切断したときの断面図である。
【００２１】
この半導体加速度センサは、例えば、ＳＯＩ基板のような半導体基板からなり、フレーム１と、ビーム２と、ピエゾ抵抗３と、重り部４とを主要構成要素としている。
【００２２】
フレーム１は、ＳＯＩ基板の支持層１１、中間酸化膜層１２、活性層１３の３層を積層してなり、後述するビーム２に接合された同じく後述する重り部４を支持するものである。このものは、直方体状のＳＯＩ基板の内方を、活性層１３及び中間酸化膜層１２がフレーム１の略中央部で直交するように略十字状に残した状態で穿設して大略枠状に形成しており、平面視における外郭は略四角形状としている。そして、フレーム１上には、後述するピエゾ抵抗３に接続された、例えば、アルミニウム（Ａｌ）からなる電極５を形成しており、このものから電気信号に変換された加速度を取り出している。
【００２３】
ビーム２は、作用する加速度に応じて遊動できるように重り部４を吊り下げ支持するものである。このものは、フレーム１の形成の際に略十字状に残した領域の活性層１３にて構成しており、フレーム１を構成する４辺の上方部からそれぞれその内方に突設し、中央付近の交差部２１で互いに結合している。
【００２４】
ピエゾ抵抗３は、ビーム２の表面に設けており、ビーム２の一端とフレーム１との境界及びビーム２の他端と交差部２１との境界に形成している。このうち、交差部２１との境界にあるピエゾ抵抗３は、Ｘ軸及びＹ軸方向に対して作用する加速度に反応し、Ｘ軸と平行なビーム２上にある４個で１組のホイートストンブリッジを、同じくＹ軸と平行なビーム２上にある４個で１組のホイートストンブリッジをそれぞれ構成している。また、フレーム１との境界にあるピエゾ抵抗３は、Ｚ軸方向に対して作用する加速度に反応し、同じく４個でホイートストンブリッジを構成している。
【００２５】
重り部４は、ビーム２により遊動自在に支持され、作用する加速度に応じてビーム２の撓み量を変化させるものである。言い換えると、重り部４が受けた加速度をニュートンの運動方程式（Ｆ＝ｍα、Ｆは力、ｍは質量、αは加速度）で導き出される力に変換してビーム２を撓ませるものである。このものは、フレーム１の内方の空間に位置する支持層１１に形成し、平面視における外郭を略四角形状にしている。
【００２６】
さらに詳しくは、重り部４は、主重り部４１と、４個の補助重り部４２と、４個の連結部４３とを有して構成している。このうち、主重り部４１は、平面視における外郭を略四角形状とし、その厚みをフレーム１の厚みよりビーム２のＺ軸に対する許容変位量分だけ短く形成して交差部２１の直下に形成している。また、このものは、交差部２１の中間酸化膜層１２を介して活性層１３と結合している。そして、主重り部４１の隅角には主重り部４１と同等の厚みを有した、平面視における外郭を略四角形状とする補助重り部４２を結合している。この補助重り部４２は、加速度が作用していない状態で隣り合う２本のビーム２とフレーム１とに囲まれた空間内に位置している。
【００２７】
さらに、補助重り部４２には隣り合う補助重り部４２を結合するための連結部４３を形成している。この連結部４３は、重り部４がＺ軸方向に変位した際にビーム２と当接して重り部４の変位を制限するものである。このものは、その幅を補助重り部４２のビーム２と平行な辺と略同等に形成しており、厚みを補助重り部４２と略同等としている。また、連結部４３には開口部４４ａを略四角形状として重り部４の表裏を貫通する貫通孔４４を形成している。この貫通孔４４は、ビーム２と連結部４３とが当接する領域内に複数個形成して、格子状となるように配設している。
【００２８】
つまり、本実施形態のような構成を採用することにより、重り部４がＺ軸方向の成分を有する加速度を受けて変位した際、特に、ＳＯＩ基板の活性層１３から支持層１１へ向かう方向、すなわち、半導体加速度センサのビーム２形成面側からその反対面側へ向かう方向の許容変位量を超える加速度を受けた際、連結部４３がビーム２に当接して重り部４の一定量以上の変位を制限できるとともに、空気の持つ粘性抵抗により、空気が貫通孔４４を通過する際にエアダンピング効果を発生させて連結部４３がビーム２に当接する際の衝撃を緩和することができるのである。
【００２９】
したがって、以上説明した第１の実施形態の半導体加速度センサによると、重り部４をビーム２に接合された主重り部４１と、主重り部４１の隅角に連結した補助重り部４２と、隣り合う補助重り部４２を結合する連結部４３で構成し、連結部４３に重り部４の表裏を貫通する開口部４４ａが略四角形状をした複数の貫通孔４４を格子状に設けたことにより、Ｚ軸方向、特に、ＳＯＩ基板の活性層１３から支持層１１へ向かう方向の許容変位量を超える加速度に対して重り部４の変位を制限し、また、連結部４３がビーム２と当接する際の衝撃を空気が貫通孔４４を通過するときのエアダンピング効果により緩和するので、ビーム２に加わる衝撃を低減でき、その耐衝撃性を向上させることができる。もちろん、フレーム１のビーム２の形成面側には不要な応力を発生させる、例えば、前述したストッパ（図示せず）のようなものがないので、その感度特性等の低下を抑制することができる。
【００３０】
また、ＳＯＩ基板の支持層１１から活性層１３へ向かう方向の加速度を受けた場合は、フレーム１に接合される台座（図示せず）或いはパッケージ（図示せず）が重り部４の許容量以上の変位に対するストッパの機能を有するので、前述したようにその破壊を低減して耐衝撃性を向上させることができる。さらに、台座或いはパッケージと重り部４との間に存在する空気のダンピング効果も期待できる。
【００３１】
なお、貫通孔４４の個数は、所望のエアダンピング効果の程度及び連結部４３の機械的強度に応じて適宜設定できるものである。
【００３２】
また、図２は貫通孔４４のその他の実施形態について示したものである。このように、連結部４３は貫通孔４４を格子状に配設したものに限定されるものではなく、例えば、その開口部４４ａの形状を略長四角形状として長辺がビーム２と略直交する方向に並設してもよく（図２（ａ））、或いはビーム２と略平行する方向に並設してもよい（図２（ｂ））。
【００３３】
さらに、図３は貫通孔４４の断面形状の実施形態について示したものである。このように、開口部４４ａの開口径を重り部４の上下面（図１（ｂ）の上下方向）で異なる大きさに形成してもよい（図３（ａ）〜（ｄ））。この場合、上面側が下面側より大きくてもよく、反対に上面側が下面側より小さくてもよい。
【００３４】
［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る半導体加速度センサを図４に基づいて説明する。図４はその全体概略平面図である。
【００３５】
この実施形態の半導体加速度センサは、貫通孔４５が第１の実施形態と異なるものであり、他の構成要素は第１の実施形態のものと実質的に同一であるので、同一部材には同一の番号を付して説明を省略する。
【００３６】
本実施形態の貫通孔４５は、特にその開口部４５ａの形状が第１の実施形態と異なっている。その開口部４５ａは形状を略六角形としており、ビーム２と連結部４３とが当接する領域内でハニカム構造を構成している。
【００３７】
つまり、本実施形態のような構成を採用することにより、重り部４がＺ軸方向の成分を有する加速度を受けて変位した際、特に、ＳＯＩ基板の活性層１３から支持層１１へ向かう方向、すなわち、半導体加速度センサのビーム２形成面側からその反対面側へ向かう方向の許容変位量を超える加速度を受けた際、連結部４３がビーム２に当接して重り部４の一定量以上の変位を制限できるとともに、空気の持つ粘性抵抗により、空気が貫通孔４４を通過する際にエアダンピング効果を発生させて連結部４３がビーム２に当接する際の衝撃を緩和することができるまた、貫通孔４５の開口部４５ａがハニカム構造をなしているので、連結部４３に作用する衝撃を効率よく分散してその機械的強度の低下を抑制することができる。
【００３８】
したがって、以上説明した第２の実施形態の半導体加速度センサによると、重り部４をビーム２に接合された主重り部４１と、主重り部４１の隅角に連結した補助重り部４２と、隣り合う補助重り部４２を結合する連結部４３で構成し、連結部４３に重り部４の表裏を貫通する開口部４４ａが略六角形状をした複数の貫通孔４４をハニカム状に設けたことにより、Ｚ軸方向、特に、ＳＯＩ基板の活性層１３から支持層１１へ向かう方向の許容変位量を超える加速度に対して重り部４の変位を制限し、また、連結部４３がビーム２と当接する際の衝撃を空気が貫通孔４４を通過するときのエアダンピング効果により緩和するので、ビーム２に加わる衝撃を低減でき、その耐衝撃性を向上させることができる。さらに、貫通孔４５の開口部４５ａがハニカム構造をなしているので、連結部４３に作用する衝撃を効率よく分散してその機械的強度の低下を抑制することができる。
【００３９】
【発明の効果】
請求項１に係る発明の半導体加速度センサは、半導体基板からなるフレームからその内方に向かって突設された弾性を有する４本のビームにより遊動自在に支持された重り部と、ビームに設けられて作用する加速度に応じて抵抗値の変化するピエゾ抵抗と、ピエゾ抵抗からの信号を取り出す電極とを有したものであって、その重り部をビームに接合された主重り部と、主重り部と連結されるとともに２本のビームとフレームとにより囲まれた空間に配設された補助重り部と、隣り合う補助重り部を結合する連結部とから構成し、その連結部には重り部の表裏を貫通する複数の貫通孔を備えているので、許容範囲を上回る加速度により重り部が変位した際に、補助重り部に設けられた連結部がビームと当接して重り部の一定量以上の変位を制限し、また、空気が貫通孔を通過する際の粘性抵抗によりエアダンビング効果を発生させて連結部がビームに当接する際の衝撃を緩和するので、ビームに掛かる応力が局所的な部分、特にビームの端部に集中することを抑制できるようになり破壊を低減できる、すなわち、耐衝撃性を向上することができる。
【００４０】
請求項２に係る発明の半導体加速度センサは、請求項１記載の効果に加えて、貫通孔の開口部の形状を略長四角形状に形成してなるので、ビームと連結部との当接面の形状に合わせて効率よく貫通孔を配設でき、エアダンビングを効果的に発生させてビームの耐衝撃性を向上することができる。
【００４１】
請求項３に係る発明の半導体加速度センサは、請求項１記載の効果に加えて、貫通孔の開口部の形状をハニカム状に形成してなるので、ビームと連結部との当接面の形状に合わせて効率よく貫通孔を配設できるとともに、ハニカム構造により連結部に作用する衝撃を効率よく分散させるので、エアダンビングをより効果的に発生させてビームの耐衝撃性を向上することができるとともに、連結部の機械的強度の低下を抑制することができる。
【００４２】
請求項４に係る発明の半導体加速度センサは、請求項１乃至３いずれかに記載の効果に加えて、開口部の開口径を重り部のビームと相対する面とその反対側の面とで異なるように形成してなるので、ビームと連結部との間の空間に存在する空気が貫通孔を通過する際の粘性抵抗がより増加し、エアダンビングをさらに効果的に発生させてビームの耐衝撃性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体加速度センサを示すものであり、（ａ）はその全体概略平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線で切断したときの断面図である。
【図２】同上の他の実施形態に係る半導体加速度センサを示す全体概略平面図である。
【図３】同上の開口部の実施形態を示す断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る半導体加速度センサを示すものであり、（ａ）はその全体概略平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線で切断したときの断面図である。
【図５】従来の半導体加速度センサを示すものであり、（ａ）はその全体概略斜視図、（ｂ）はＡ−Ａ線で切断したときの断面図である。
【符号の説明】
１フレーム
２ビーム
３ピエゾ抵抗
４重り部
４１主重り部
４２補助重り部
４３連結部
４４貫通孔（第１の実施形態）
４４ａ開口部（第１の実施形態）
４５貫通孔（第２の実施形態）
４５ａ開口部（第２の実施形態）
５電極

Claims

半導体基板からなるフレームと、フレームからその内方に向かって突設された弾性を有する４本のビームにより遊動自在に支持された重り部と、ビームに設けられて作用する加速度に応じて抵抗値の変化するピエゾ抵抗と、ピエゾ抵抗からの信号を取り出す電極と、を有する半導体加速度センサであって、
前記重り部は、前記ビームに接合された主重り部と、主重り部と連結されるとともに２本のビームと前記フレームとにより囲まれた空間に配設された補助重り部と、隣り合う補助重り部を結合する連結部とからなり、その連結部には重り部のビームと相対する面からその反対側の面に貫通する複数の貫通孔を備えたことを特徴とする半導体加速度センサ。
前記貫通孔は、その開口部の形状を略長四角形状に形成してなる請求項１記載の半導体加速度センサ。
前記貫通孔は、その開口部の形状をハニカム状に形成してなる請求項１記載の半導体加速度センサ。
前記開口部は、その開口径を重り部のビームと相対する面とその反対側の面とで異なるように形成してなる請求項１乃至３いずれかに記載の半導体加速度センサ。