JP2016206062A

JP2016206062A - Sensor

Info

Publication number: JP2016206062A
Application number: JP2015089548A
Authority: JP
Inventors: 旗手　淳雄; Atsuo Kishu; 淳雄旗手; 徳一山地; Tokuichi Yamaji
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-04-24
Filing date: 2015-04-24
Publication date: 2016-12-08

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small type sensor capable of detecting stress with higher accuracy.SOLUTION: A sensor includes: a quadrangular weight body in a planar view; a frame body disposed so as to surround the weight body; a connection body that extends along one edge of the weight body and has flexibility for connecting the weight body with the frame body; and a detector that is disposed at a portion facing the end portion of one edge of the weight body in the connection body to detect deformation of the connection body as an electrical signal.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、加速度、角速度等の応力を検出するセンサに関する。 The present invention relates to a sensor that detects stress such as acceleration and angular velocity.

従来、加速度や角速度等の応力を検出するセンサが知られている。特許文献１には、半導体基板にピエゾ抵抗素子を形成してなる加速度センサが記載されている。 Conventionally, sensors that detect stress such as acceleration and angular velocity are known. Patent Document 1 describes an acceleration sensor formed by forming a piezoresistive element on a semiconductor substrate.

このようなセンサは、重錘体と、その周囲を取り囲むフレーム部（枠体）との間を、可撓性をもった可撓部（接続体）で繋いだ構造をもつ。 Such a sensor has a structure in which a weight body and a frame portion (frame body) surrounding the weight body are connected by a flexible portion (connecting body) having flexibility.

特開２０１０−２１６８３６号公報JP 2010-216836 A

電子機器等に搭載される上記センサは、さらなる高精度化が要求されている。本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、より高い精度で応力を検出することが可能な小型のセンサを提供することを目的とする。 The above sensors mounted on electronic devices and the like are required to have higher accuracy. The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a small sensor capable of detecting stress with higher accuracy.

本発明の一態様に係るセンサは、平面視して四角形状の重錘体と、平面視して前記重錘体を囲むように位置する枠体と、平面視して前記重錘体の一辺に沿って延びており、前記重錘体と前記枠体とを接続する可撓性を有する接続体と、該接続体における前記一辺の端部に対向する部位に配置されており、前記接続体の変形を電気信号として検出する検出部とを具備している。 A sensor according to one aspect of the present invention includes a square weight body in plan view, a frame body positioned to surround the weight body in plan view, and one side of the weight body in plan view. And a flexible connecting body for connecting the weight body and the frame body, and a portion facing the end of the one side of the connecting body. And a detector for detecting the deformation of the signal as an electrical signal.

本発明によれば、高い精度で応力を検出することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to detect stress with high accuracy.

本発明の１つの実施形態に係るセンサの概略構成を示す上面図である。It is a top view which shows schematic structure of the sensor which concerns on one Embodiment of this invention. 図１のセンサのＩ−Ｉ線での断面図である。It is sectional drawing in the II line of the sensor of FIG. 図１のセンサのII−II線での断面図である。It is sectional drawing in the II-II line of the sensor of FIG.

本発明のセンサの一実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図１〜図２には、右手系のＸＹＺ座標系が付されており、以下では、便宜上、Ｚ軸方向を上下方向として説明をする。 An embodiment of the sensor of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 to 2 are provided with a right-handed XYZ coordinate system, and hereinafter, for convenience, the Z-axis direction will be described as the vertical direction.

＜センサの構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係るセンサ１００の上面図であり、図２は図１のＩ−Ｉ線における断面図であり、図３は図１のII−II線における断面図である。センサ１００は、枠体１０と、枠体１０の内側に位置する重錘体２０と、枠体１０と重錘体２０とを接続する接続体３０と、加速度や角速度等を検出する検出部Ｒａとを有する。以下、各部位について詳述する。 <Configuration of sensor>
1 is a top view of a sensor 100 according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II of FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line II-II of FIG. is there. The sensor 100 includes a frame body 10, a weight body 20 positioned inside the frame body 10, a connection body 30 that connects the frame body 10 and the weight body 20, and a detection unit Ra that detects acceleration, angular velocity, and the like. And have. Hereinafter, each part will be described in detail.

センサ１００に加速度が加わると、加速度に応じた力が重錘体２０に作用し、重錘体２０が動くことで接続体３０が撓むようになっている。そして、接続体３０の撓み量に応じた電気信号を検出部Ｒａにより検出し、不図示の電気配線によりその電気信号を取出し演算することにより加速度を検出することができる。 When acceleration is applied to the sensor 100, a force corresponding to the acceleration acts on the weight body 20, and the connection body 30 is bent by the movement of the weight body 20. Then, the acceleration can be detected by detecting an electrical signal corresponding to the amount of deflection of the connection body 30 by the detection unit Ra, and extracting and calculating the electrical signal by an electrical wiring (not shown).

重錘体２０は、平面視形状が正方形等の四角形状であり、四角形状の一辺の長さが例えば０．１ｍｍ〜０．７ｍｍに設定される。また、重錘体２０の厚みは、例えば０．２ｍｍ〜０．７ｍｍに設定される。 The weight body 20 has a square shape such as a square in plan view, and the length of one side of the square shape is set to 0.1 mm to 0.7 mm, for example. Moreover, the thickness of the weight body 20 is set to 0.2 mm-0.7 mm, for example.

そして、このような重錘体２０を囲繞するように枠状の枠体１０が設けられている。枠体１０は、平面視形状が正方形等の四角形状をなし、中央部に重錘体２０より若干大きい四角形状の開口部を有している。枠体１０は、その一辺の長さが例えば０．５ｍｍ〜３ｍｍに設定され、枠体１０を構成するアームの幅（アームの長手方向と直交する方向の幅）は例えば０．０５ｍｍ〜１．８ｍｍに設定される。また枠体１０の厚みは、例えば０．２ｍｍ〜０．７ｍｍに設定される。 A frame-like frame body 10 is provided so as to surround the weight body 20. The frame 10 has a quadrangular shape such as a square shape in plan view, and has a quadrangular opening that is slightly larger than the weight body 20 at the center. The length of one side of the frame body 10 is set to 0.5 mm to 3 mm, for example, and the width of the arm constituting the frame body 10 (width in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the arm) is, for example, 0.05 mm to 1 mm. It is set to 8 mm. Moreover, the thickness of the frame 10 is set to 0.2 mm-0.7 mm, for example.

このような枠体１０と重錘体２０との間には図１に示すように接続体３０が設けられている。接続体３０は可撓性を有し、センサ１００に加速度が加わると重錘体２０が動き、重錘体２０の動きに伴って接続体３０が撓むようになっている。ここで、接続体３０は、重錘体２０の側面に沿って（平面視における重錘体２０の一辺に沿って）、重錘体２０と間隔をあけて延びている。そして、接続体３０の一方端が枠体１０の内周面の上側の部位に連結され、他方端が重錘体２０の側面の上側の部位に連結されている。このように、接続体３０が、平面視における重錘体２０の一辺に沿って延びていることによって、重錘体２０の動きに対する接続体３０の撓み量を大きくすることができる。 A connection body 30 is provided between the frame body 10 and the weight body 20 as shown in FIG. The connection body 30 has flexibility, and when the acceleration is applied to the sensor 100, the weight body 20 moves, and the connection body 30 bends as the weight body 20 moves. Here, the connection body 30 extends along the side surface of the weight body 20 (along one side of the weight body 20 in a plan view) with a space from the weight body 20. Then, one end of the connection body 30 is connected to the upper part of the inner peripheral surface of the frame body 10, and the other end is connected to the upper part of the side surface of the weight body 20. As described above, the connecting body 30 extends along one side of the weight body 20 in plan view, so that the bending amount of the connecting body 30 with respect to the movement of the weight body 20 can be increased.

接続体３０は、例えば、幅（長手方向と直交する方向の長さ、つまり図２における接続体３０のＸ軸方向の長さ）が０．０４ｍｍ〜０．２ｍｍに設定され、厚み（図２における接続体３０のＺ軸方向の長さ）が５μｍ〜２０μｍに設定されている。このように接続体３０を細長く且つ薄く形成することによって可撓性が発現される。 For example, the width of the connection body 30 (the length in the direction perpendicular to the longitudinal direction, that is, the length of the connection body 30 in FIG. 2 in the X-axis direction) is set to 0.04 mm to 0.2 mm, and the thickness (FIG. 2). The length of the connecting body 30 in the Z-axis direction) is set to 5 μm to 20 μm. Thus, flexibility is expressed by forming the connection body 30 to be elongated and thin.

接続体３０はまっすぐな直線状であってもよいが、図１に示すように、重錘体２０の隣接する第１の辺２０ａおよび第２の辺２０ｂに沿って延びる折れ曲がった形状であってもよい。このような構成によって、接続体３０の長手方向の長さを長くして重錘体２０の動きに対する接続体３０の撓み量をさらに大きくすることができ、より精度よく加速度や角速度等を検出することが可能となる。 The connecting body 30 may be a straight straight line, but as shown in FIG. 1, the connecting body 30 has a bent shape extending along the adjacent first side 20 a and second side 20 b of the weight body 20. Also good. With such a configuration, the length of the connecting body 30 in the longitudinal direction can be increased to further increase the amount of bending of the connecting body 30 with respect to the movement of the weight body 20, and the acceleration, angular velocity, and the like can be detected more accurately. It becomes possible.

以上のような枠体１０、重錘体２０および接続体３０は、Ｓｉ等から成る基板を、従来周知の半導体微細加工技術、例えばフォトリソグラフィ法やディープドライエッチングを用いて所定の形状にパターニングすることによって形成することができる。 The frame body 10, the weight body 20, and the connection body 30 as described above are used to pattern a substrate made of Si or the like into a predetermined shape using a well-known semiconductor microfabrication technique such as photolithography or deep dry etching. Can be formed.

なお、上記基板はＳｉ等の単一材料から成るものに限らず、ＳＯＩ基板（Silicon on Insulator）のような、エッチング等の加工性が異なる材料の複合体であってもよい。その場合、基板材料の加工性の違いを利用して、より複雑なパターニングが容易となる。 The substrate is not limited to a single material such as Si, but may be a composite of materials having different processability such as etching, such as an SOI substrate (Silicon on Insulator). In that case, more complicated patterning is facilitated by utilizing the difference in workability of the substrate material.

接続体３０における重錘体２０の一辺２０ａ、２０ｂの端部に対向する部位には、抵抗素子である検出部Ｒａが配されている。図１においては、検出部Ｒａは複数個形成されており、それぞれ検出部Ｒａｘ１〜Ｒａｘ４，Ｒａｙ１〜Ｒａｙ４，Ｒａｚ１〜Ｒａｚ４で表されている。検出部Ｒａｘ１〜Ｒａｘ４は図１に示した３次元直行座標系におけるＸ軸方向の加速度等の応力を検出できるように接続体３０の所定の位置に形成された上、ブリッジ回路を構成するように結線されている。また、検出部Ｒａｙ１〜Ｒａｙ４はＹ軸方向
の加速度等の応力を検出できるように接続体３０の所定の位置に形成された上、ブリッジ回路を構成するように結線されている。また、検出部Ｒａｚ１〜Ｒａｚ４はＺ軸方向の加速度等の応力を検出できるように接続体３０の所定の位置に形成された上、ブリッジ回路を構成するように結線されている。 A detection portion Ra, which is a resistance element, is disposed at a portion of the connection body 30 that faces the ends of the sides 20a and 20b of the weight body 20. In FIG. 1, a plurality of detection units Ra are formed, which are represented by detection units Rax1 to Rax4, Ray1 to Ray4, and Raz1 to Raz4, respectively. The detection units Rax1 to Rax4 are formed at predetermined positions on the connection body 30 so as to detect stresses such as acceleration in the X-axis direction in the three-dimensional orthogonal coordinate system shown in FIG. 1, and constitute a bridge circuit. Connected. The detection units Ray1 to Ray4 are formed at predetermined positions of the connection body 30 so as to detect stresses such as acceleration in the Y-axis direction, and are connected so as to constitute a bridge circuit. The detection units Raz1 to Raz4 are formed at predetermined positions of the connection body 30 so as to detect stresses such as acceleration in the Z-axis direction, and are connected so as to form a bridge circuit.

このように検出部Ｒａが、接続体３０における重錘体２０の一辺の端部に対向する部位（すなわち、平面視して四角形状である重錘体２０の角部近傍）に設けられていることによって、加速度や角速度等をさらに精度よく検出することが可能となる。つまり、接続体３０は、重錘体２０の一辺の中央部に対向する部位に比べ、重錘体２０の一辺の端部に対向する部位の方が撓み量が大きくなるため、検出部Ｒａの検出感度が高くなる。そして、図１のように、重錘体２０の一辺の両端に対向するそれぞれの部位に複数の検出部Ｒａを有することで検出感度の高いブリッジ回路を構成でき、より精度よく加速度や角速度等を検出することが可能となる。 In this way, the detection unit Ra is provided at a portion of the connection body 30 that faces the end of one side of the weight body 20 (that is, in the vicinity of the corner of the weight body 20 that is square in plan view). As a result, acceleration, angular velocity, and the like can be detected with higher accuracy. That is, the connecting body 30 has a larger amount of deflection at the portion facing the end of one side of the weight body 20 than the portion facing the center of one side of the weight body 20, so Detection sensitivity is increased. As shown in FIG. 1, a bridge circuit with high detection sensitivity can be configured by having a plurality of detection portions Ra at each portion facing both ends of one side of the weight body 20, and acceleration, angular velocity, etc. can be more accurately determined. It becomes possible to detect.

なお、平面視した時の重錘体２０の一辺の端部とは、一辺を４等分したときの一番端にある領域である。 Note that the end of one side of the weight body 20 in plan view is a region at the end when the side is divided into four equal parts.

また、検出部Ｒａｘ１〜Ｒａｘ４，Ｒａｙ１〜Ｒａｙ４，Ｒａｚ１〜Ｒａｚ４は、例えば、上層部がＳｉから成る接続体３０の上面にボロンを打ち込むことにより抵抗体膜を形成した後、抵抗体膜をエッチングなどにより所定の形状にパターニングすることにより形成することができる。これによりピエゾ抵抗素子からなる検出部Ｒａを形成することができる。 The detection units Rax1 to Rax4, Ray1 to Ray4, Raz1 to Raz4, for example, form a resistor film by implanting boron into the upper surface of the connection body 30 whose upper layer portion is made of Si, and then etch the resistor film. Can be formed by patterning into a predetermined shape. As a result, a detection unit Ra made of a piezoresistive element can be formed.

ピエゾ抵抗素子からなる検出部Ｒａを用いた場合には、接続体３０の撓みに起因する変形に応じて抵抗値が変化し、この抵抗値の変化に基づく出力電圧の変化を電気信号として取り出し、これを外部のＩＣで演算処理することによって印加された加速度の方向並びに大きさや圧力の増減および大きさを検知することができる。 When the detection unit Ra made of a piezoresistive element is used, the resistance value changes according to the deformation caused by the bending of the connection body 30, and the change in the output voltage based on the change in the resistance value is taken out as an electrical signal. By calculating this with an external IC, it is possible to detect the direction and magnitude of the applied acceleration, and the increase and decrease and magnitude of the pressure.

なお、検出部Ｒａから電気的に接続された配線および外部のＩＣ等へ取り出すためのパッド電極４０等が、枠体１０や接続体３０の上面に設けられており、これらを介して電気信号の外部への取り出しなどを行っている。 Note that a wiring electrode electrically connected from the detection unit Ra and a pad electrode 40 for taking out to an external IC or the like are provided on the upper surface of the frame body 10 or the connection body 30, and the electrical signal is transmitted through these. Taking out to the outside.

これらの配線は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金などからなり、これらの材料をスパッタリングなどにより成膜した後、所定の形状にパターニングすることにより枠体１０，接続体３０の上面に形成される。 These wirings are made of, for example, aluminum or an aluminum alloy, and are formed on the upper surfaces of the frame body 10 and the connection body 30 by forming a film of these materials by sputtering or the like and then patterning them into a predetermined shape.

なお、本実施形態のセンサ１００において、角速度を検出するセンサとするためには、重錘体２０をＸＹ平面内で回旋運動させればよい。重錘体２０を回旋運動させるためには、例えば、互いに向き合う重錘体２０の側面と枠体１０の内周面とに電極を設けて静電引力により実現してもよいし、センサ１００の外側に磁力を発生させて実現してもよい。 In the sensor 100 of the present embodiment, the weight body 20 may be rotated in the XY plane in order to obtain a sensor that detects the angular velocity. In order to rotate the weight body 20, for example, electrodes may be provided on the side surfaces of the weight body 20 and the inner peripheral surface of the frame body 10 facing each other, and may be realized by electrostatic attraction. It may be realized by generating a magnetic force on the outside.

以上より、本実施形態のセンサ１００によれば、加速度や角速度等の応力を、高い精度で検出することが可能となる。 As described above, according to the sensor 100 of the present embodiment, stress such as acceleration and angular velocity can be detected with high accuracy.

本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良などが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and improvements can be made without departing from the scope of the present invention.

１０：枠体
２０：重錘体
３０：接続体
１００：センサ
Ｒａ（Ｒａｘ１〜Ｒａｘ４、Ｒａｙ１〜Ｒａｙ４、Ｒａｚ１〜Ｒａｚ４）：検出部 10: Frame body 20: Weight body 30: Connection body 100: Sensor Ra (Rax1-Rax4, Ray1-Ray4, Raz1-Raz4): Detection unit

Claims

平面視して四角形状の重錘体と、
平面視して前記重錘体を囲むように位置する枠体と、
平面視して前記重錘体の一辺に沿って延びており、前記重錘体と前記枠体とを接続する可撓性を有する接続体と、
該接続体における前記一辺の端部に対向する部位に配置されており、前記接続体の変形を電気信号として検出する検出部と
を具備しているセンサ。 A square weight in plan view,
A frame positioned so as to surround the weight body in plan view;
A connection body that extends along one side of the weight body in plan view and has flexibility to connect the weight body and the frame body;
A sensor that is disposed at a portion of the connection body that faces the end of the one side and that detects a deformation of the connection body as an electrical signal.

前記検出部は、前記一辺の両端部に対向するぞれぞれの部位に配置されている、請求項１に記載のセンサ。 The sensor according to claim 1, wherein the detection unit is disposed at each part facing both end portions of the one side.

前記接続体は、平面視して前記重錘体の隣接する第１の辺および第２の辺に沿って延びる折れ曲がった形状である、請求項１または２に記載のセンサ。 The sensor according to claim 1, wherein the connection body has a bent shape extending along adjacent first and second sides of the weight body in plan view.

前記検出部は、前記接続体における前記第１の辺の両端部に対向するそれぞれの部位および前記第２の辺の両端部に対向するそれぞれの部位に配置されている、請求項３に記載のセンサ。 The said detection part is arrange | positioned in each site | part which opposes the both ends of the said 1st edge | side in the said connection body, and each site | part which opposes the both ends of the said 2nd edge | side, respectively. Sensor.