JP3120721U - 加速度センサー - Google Patents

Abstract

【課題】 セラミックやガラス、シリコンで形成された保護ケースを用いた加速度センサ
ーで、加速度センサー素子の錘部の下面側の角部や稜部の欠けを防ぎ、高耐衝撃性、高性
能を実現した加速度センサーを提供する。
【解決手段】 シリコンで形成された錘部の下面側に１．０μｍ以上２．２μｍ以下の厚
さで金属膜を形成し、金属膜端部を錘部下面端部から１μｍ以上２０μｍ以下後退させ、
過度な加速度が加わっても錘部の下面側の角部や稜部が直接保護ケース内底と接触しない
様にする。

【選択図】 図１

Description

本考案は、自動車や航空機、携帯端末機器、玩具等に用いられる加速度検出用の半導体
加速度センサーに関するものである。

加速度センサーは、エアーバッグ作動用に多く用いられ自動車が衝突した衝撃を加速度
としてとらえていた。自動車ではＸ軸，Ｙ軸の加速度を測定するため１軸もしくは２軸機
能で充分であった。また、測定する加速度が非常に大きいため、加速度を検知する加速度
センサー素子も頑丈に製作されている。最近は、携帯端末機器やロボット等にも使用され
ることが多くなり、空間の動きを検出するためＸ，Ｙ，Ｚ軸の加速度を測定する３軸加速
度センサーが要求されてきている。また、携帯電話に代表されるような携帯機器用途では
、小型で微小な加速度を検出するために数１０ｍＧの高分解能が要求され一方、機器の落
下衝撃に耐えられる高耐衝撃性を要求されている。機器の落下衝突時の衝撃は、落下高さ
や機器の材質、衝突相手の材質など種々の条件で変るが、容易に２０００〜３０００Ｇ以
上になる。このような大きい衝撃加速度にも耐えられることが必要とされる。

加速度センサーは可撓部の動きを電気信号に変換する方法で、ピエゾ抵抗型、静電容量
型、圧電型に大別され、加速度センサーの出力の大きさや応答周波数特性、耐電磁ノイズ
、出力の直線性、静止加速度の検出、温度特性等を考慮し選ばれている。小型で高感度の
要求から微細加工が必要なため、シリコン基板にフォトリソ技術を用い所定の形状を形成
し、半導体技術でシリコンに不純物を打ち込みピエゾ抵抗を形成するピエゾ抵抗型３軸加
速度センサーが実用化されてきている。

従来の加速度センサーの展開斜視図を図４に示す。図４において加速度センサー素子１
はワイヤー４で保護ケース２の端子５に接続され外部端子６に接続される。保護ケース蓋
３が保護ケース２に固着密封され加速度センサー１０が構成されている。加速度センサー
素子のピエゾ抵抗素子の図示は省略している。図５に図４のｊ−ｊ’断面を示す。加速度
センサー素子１は、錘部１１と支持枠部１２、可撓部１３から成っている。可撓部１３の
ワイヤー４接続面にはピエゾ抵抗素子９が形成されている。保護ケース２に支持枠部１２
および保護ケース蓋３が接着剤７および８により固着されている。加速度センサー素子に
外力が加わると、可撓部１３に吊り下げられた錘部１１が動き可撓部１３を撓ませ、その
撓み量をピエゾ抵抗素子９で感知し電圧として出力するものである。

加速度センサー素子の拡大図を図６ａ）に示す。加速度センサー素子１は、錘部１１を
支える可撓部１３、可撓部１３を支える支持部１２から構成され、可撓部１３にはピエゾ
抵抗素子９が設けられている。ピエゾ抵抗素子は端子１４にパターニングされた配線（図
示せず）で接続されている。外力を加速度センサー素子１が受けた時の錘部と可撓部の動
きを、図６ａ）のｎ−ｎ’断面を使って図６ｂ）からｄ）に示す。図６ｂ）は、外力が加
わっていない状態で可撓部１３はほぼ水平の状態である。このときの錘部１１の角部と保
護ケース２の内底の間隔をＡ０とする。図６ｃ）は、加速度センサー素子の横方向から外
力が加わったときの、錘部と可撓部の形状を模式的に表している。錘部１１が左右に動か
され一方の可撓部１３が下に、他方が上に撓みピエゾ抵抗素子の抵抗が変化してＸ軸方向
、Ｙ軸方向の加速度に応じた電圧として検出される。このときの錘部の角部と保護ケース
２の内底の間隔をＡ１とする。図６ｄ）は、加速度センサー素子の上下方向から外力が加
わったときの、錘部と可撓部の形状を模式的に表している。このときの錘部の角部と保護
ケース２の内底の間隔をＡ２とする。左右の可撓部は同一方向に撓みＺ軸方向の加速度を
検知することができる。可撓部の寸法や印加された加速度によって決まるが、加速度セン
サー素子１に例えば１０００Ｇという大きな加速度が加わるとＡ０とＡ１の位置の差は約
４０μｍ、Ａ０とＡ２の位置の差は約２５μｍと大きく変動することとなる。

加速度センサー素子１の感度は、可撓部１３の撓み易さで決まるため、可撓部１３の長
さが長く、幅が狭く、厚みが薄いほど向上するものである。そのため、高感度品では可撓
部１３の長さは５００〜７００μｍ、幅は８０〜１２０μｍ、厚みは５〜１０μｍと非常
に薄くなっている。このため、シリコンで形成された可撓部１３は、前述した落下衝撃の
ような数１０００Ｇという大きな加速度が加わった場合には、変形量が数１０μｍを超え
るため可撓部が破損し、加速度センサー素子１としての機能が失われてしまう。加速度セ
ンサーの感度を上げることと、測定できる加速度の上限を上げること言い換えると耐衝撃
性を上げることは相反することとなる。加速度センサーが携帯機器等に用いられ落下衝撃
に耐えられる様にするには、加速度センサーの感度を下げざるを得なかった。

そこで、高感度で落下衝撃に耐えられる加速度センサーを得るため、錘部１１の動く量
を５〜１０μｍに強制的に抑えるための規制板１５を設ける構造が、特許文献１から３に
記載されている。規制板を設けた加速度センサーの展開斜視図を図７に示す。また、図８
に図７のｋ−ｋ’断面を示す。図８は図６ａ）に示した加速度センサー素子１を接着剤７
により保護ケース２の内底に接着固定した。規制板１５を加速度センサー素子１の可撓部
１３側の支持枠部１２の一部に接着剤７’で固定している。最後に保護ケースの蓋３と保
護ケース２とを接着剤８で接着して完成するものである。加速度センサー素子１の電極と
保護ケース２の外部電極（いずれも図示せず）はワイヤーボンドで接続されるがこれも図
では省略している。この構造では加速度センサー素子１の下側の規制板は保護ケース２の
内底を利用するものであり、その分薄型に向いた構造である。錘部１１の下面と保護ケー
ス内底の間隔ｇ２、錘部１１の上面と規制板１５との間隔ｇ１が、錘部が動くことのでき
る距離であり、これら間隔ｇ１、ｇ２では可撓部の破損は起きないものである。間隔ｇ１
、ｇ２は精度が求められるため、接着剤７，７’には直径５〜１０μｍの硬質プラスチッ
ク球のスペーサを接着樹脂に混合して用いている。硬質プラスチックの球径を変えること
で、間隔ｇ１、ｇ２を変えることができる。

特開平５−４１１４８号 公報

特開平４−２７４００５号 公報

特開平８−２３３８５１号 公報

図８に示した様に、錘１１の上面と規制板１５間、錘１１の下面と保護ケース２の内底
間で、錘の過度な動きを規制することで可撓部１３の損傷を防ぐことができた。しかし、
数多くの加速度センサーを製造するなかで、シリコンで形成されている錘部１１の下部の
稜部や角部が欠けると言う問題が、非常に低い発生頻度であるが出てきた。図９に、観察
された欠け易い部分１６を破線で示す。欠けた破片が間隔ｇ１やｇ２に挟まると、正常な
錘の動きを阻害することとなり、加速度の検出値が不正確となる。錘の下面側の角部と稜
部が、保護ケースの内底と角度を持ってぶつかった時つまり、錘がＸ，Ｙ方向に大きな加
速度を受けた時に、欠けが発生していると見られる。

錘の下面側の角部や稜部が保護ケースの内底とぶつかっても、欠けないように角部や稜
部に面取りやｒ付けを行なうことが考えられるが、加工が難しく実用化には向いていなか
った。ぶつかっても錘の下面側の角部や稜部が欠けない様に、保護ケースを軟らかい材質
である金属やプラスチックで製作することが考えられるが、大部分がシリコンからなる加
速度センサー素子１と、金属やプラスチックでは熱膨張係数の差が大きい。加速度センサ
ーの周囲の温度変化で、加速度センサー素子の可撓部を引っ張ったり押し込んだりする力
が働き、加速度が加わっていないにも係わらず、ピエゾ抵抗素子の抵抗が変化して出力が
出る。この出力は、加速度センサーのノイズとなる。このような理由から、保護ケースの
材質は加速度センサー素子１のシリコンと同程度の熱膨張係数を有する、セラミックやガ
ラスあるいは加速度センサー素子と同じ材質のシリコンが主に用いられている。

本考案は上記問題点を解決するためになされたものであり、セラミックやガラス、シリ
コンで形成された保護ケースを用いた加速度センサーで、加速度センサー素子の錘部の下
面側の角部や稜部の欠けを防ぎ、高耐衝撃性、高性能を実現した加速度センサーを提供す
ることを目的とする。

本考案の加速度センサーは、支持枠部と支持枠部に可撓部を介して保持される錘部、可
撓部に設けられた半導体ピエゾ抵抗素子と配線よりなる加速度センサー素子を、セラミッ
クや金属で形成された保護ケース内に保持し、加速度センサー素子の錘部上面側には錘部
の動きを規制する規制板を備える加速度センサーであって、錘部下面側に１．０μｍ以上
２．２μｍ以下厚の金属膜が設けられ、金属膜端部は錘部下面端部から１μｍ以上２０μ
ｍ以下後退した位置にあることが好ましい。

加速度センサーに大きな加速度が加わり、錘部下面が保護ケース内底に衝突しても、錘
部下面に設けた金属膜が保護ケース内底と衝突し、錘部を形成するシリコンが保護ケース
内底と直接衝突することを防ぐことができる。錘部のシリコンの衝突による欠け易い部位
は、錘部下面の稜部と角部であり、これらの部位が保護ケース内底と衝突することを防ぐ
ことで、欠けの発生を防ぐ事ができる。

錘部下面全域に金属膜を形成しても良いが、フォトリソ技術に用いるレジストの位置合
わせを容易にするため、金属膜端部を錘部下面端部から１μｍ以上２０μｍ以下後退させ
ることが好ましいものである。金属膜端部を錘部下面端部から後退させても、錘部の下面
稜部や角部が保護ケース内底と接触しないように、金属膜の厚みを決めることができる。
金属膜の厚みが１．０μｍ未満では、緩衝材としての効果が得られない。また、金属膜を
厚くし過ぎると、製膜時間が掛かるため余り好ましいとは言えない。そのため、金属膜の
厚みは１．０μｍ以上２．２μｍ以下とすることが好ましい。

本考案の加速度センサーは、金属膜はアルミニウム、銅、金のいずれかの金属もしくは
これらの合金であることが好ましい。

ピエゾ抵抗素子を繋ぐ配線に使用される金属と同じものを用いることで、スパッターの
ターゲットの種類が増えることを防ぐことができる。配線を作製するスパッター装置で錘
部下面の金属膜を作製することで、錘部下面金属膜用スパッター装置を設ける必要がなく
なり、製造コスト面で有利となる。

加速度センサー素子の錘部下面側に金属膜を設けることで、セラミックやガラス、シリ
コンで形成された保護ケースを用いた加速度センサーで、衝撃により過度の加速度が加わ
っても加速度センサー素子の錘部下面側の角部や稜部の欠けを防ぎ、高耐衝撃性、高性能
を実現した加速度センサーを提供することができた。

以下、本考案の実施例について、図を用いて詳細に説明する。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。

図１は、本考案の加速度センサー断面図である。半導体型３軸加速度センサーの基本的
な構成、構造は加速度センサー素子の錘部下面に金属膜が形成されている点が異なるだけ
で、図６ａ）に示した従来の加速度センサー素子構造、また、図７に示した従来例の展開
斜視図と同じであるので図示は省略している。本願で実施した加速度センサーの構成、構
造を簡単に述べる。加速度センサー素子１は、保護ケース２にφ１２μｍの硬質プラスチ
ック球を含有した接着剤７で固着した。錘部に付加したアルミニウムの金属膜２０の厚み
は１．８μｍとした。加速度センサー素子１の錘部１１に付加した金属膜の下面と、保護
ケース２の内底との間隔ｇ２は、硬質プラスチックの球径１２μｍから衝撃緩衝材の厚み
１．８μｍを差し引いた１０．２μｍである。この間隔ｇ２は、過度の加速度が加わった
時に、錘部１１の動きを規制し可撓部１３の破損を防ぐものである。図１では図示を省略
したが、加速度センサー素子１の端子１４と保護ケース２の端子５はワイヤー４で接続し
た。ワイヤー４はφ２５μｍの金の裸線を超音波ボンディングで端子５，１４に熔接した
。加速度センサー素子１の上にφ１０μｍの硬質プラスチック球を含有した接着剤７’で
規制板１５を固着した。規制板１５には、厚さ０．３ｍｍの青板ガラスを用いた。この規
制板と加速度センサー素子との間隔ｇ１も、質量部１３の過度の動きを規制し可撓部の破
損を防ぐものである。保護ケース蓋３を保護ケース２にエポキシ系の接着剤８で固着して
加速度センサー１０を得た。

実施した加速度センサー素子１の製造方法を説明する。６２５μｍ厚のシリコン板３０
に１μｍ程度のシリコン酸化層と６μｍのシリコン層の積層構造を有するＳＯＩ（Ｓｉｌ
ｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェファーを使用した。フォトレジストでパター
ニングを行い、シリコン層にボロンを１〜３×１０^１９原子／ｃｍ^３打ち込みピエゾ抵抗
素子９を作製した。ピエゾ抵抗素子９を保護するためと、シリコンとアルミニウム配線電
極の絶縁を確保するために、０．２〜０．５μｍ厚に酸化シリコンの絶縁層を形成した。
ピエゾ抵抗素子９に接続するアルミニウム配線（図示せず）と端子１４、可撓部１３等を
、フォトレジストのパターニ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ウェファーのシリコン酸化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。ここまでの工程で、加速度センサー素子
上面の形成が終了する。

次に、加速度センサー素子の下面の形成である。図２に、本考案の加速度センサー素子
１の素子下面側から見た斜視図を示す。図２のｋ−ｋ’断面を示しながら、加速度センサ
ー素子の下面側の工程を図３に示す。図３ａ）に、加速度センサー素子上面の形成が終了
した状態を示す。シリコン板３０に金属膜２０をスパッター装置を用い１．８μｍの厚み
で形成した［図３ｂ］］。金属膜はアルミニウムとした。金属膜２０の面にフォトレジス
トパターン３２を形成［図３ｃ］］した後、イオンミリング装置を用い露出部分の金属膜
を除去［図３ｄ］］、フォトレジストパターン３２も有機溶剤で除去した［図３ｅ］］。
錘部１１に相当する部位にはフォトレジストパターン３２’、支持枠部１２に相当する部
位にはフォトレジストパターン３２”を形成した［図３ｆ］］。フォトレジストパターン
３２’は金属膜２０を被うように形成している。金属膜２０の側面を被うフォトレジスト
パターンの厚みｗが、金属膜の端部が錘部の端部から後退した距離となる。本実施例では
、ｗを５．７μｍとした。ＳＦ_６と酸素を導入したプラズマ内でドライエッチングを行い
、錘部と支持枠部を形成した［図３ｇ］］。このドライエッチングではシリコン板３０は
エッチングされるが、シリコン酸化層３１はエッチングされない。フォトレジストパター
ンを有機溶剤で除去し［図３ｈ］］、弗酸溶液を用いてシリコン酸化層３１を除去し、図
２に示した加速度センサー素子１を得た［図３ｉ）］。

実施例１で製造した加速度センサー素子を用い、加速度センサーを２０００個製作し金
属膜の効果を検証した。比較のため、金属膜を具備しない従来の加速度センサーも２００
０個作製し供試した。供試数を多くしているのは、錘部の欠け発生率が低いためである。
供試加速度センサー１００個を金属板に固定し、所定の加速度を与え出力ｖ０を測定した
後、金属板に固定した状態で、１ｍの高さから厚さ１０ｃｍの木の板上に自然落下させて
衝撃を与えた。図６ｃ）で示した様なＸ，Ｙ方向に加速度が加わる方向に自然落下させた
。２０回自然落下させた後、所定の加速度を与え出力ｖ１を測定し、ｖ１とｖ０で２０％
以上の差が有ったものを、欠けが発生した疑いのある加速度センサーとした。欠けが発生
した疑いのある加速度センサーは分解して欠けの有無を検査し、視覚的に欠けが確認され
たものを欠けが発生した加速度センサーとした。錘部の角部や稜部が欠けるような衝撃が
一回加わった時に、欠けが発生する割合を欠け発生率としている。欠け発生率＝欠けが発
生した加速度センサー素子数／（供試加速度センサー素子数×２０回）×１００％で求め
ている。欠け発生率が低いため、効果を確認するには分母を大きくする必要があるためで
ある。本実験の自然落下によって、加速度センサーに加わる加速度は４０００〜５０００
（Ｇ）と測定されている。

金属膜の無い従来の加速度センサー素子の欠け発生率は、０．０３６％であった。金属
膜を有する本加速度センサー素子で欠け発生率は０％であった。欠け発生した加速度セン
サーを分解し、錘部の稜部と角部を観察したところ、稜部もしくは角部に２０μｍ角程度
の欠けが観察された。これらの結果から、錘部下面稜部と角部が保護ケース内底と衝突し
ないように、金属膜を錘部下面に形成することは有効であることが確かめられた。

本考案の加速度センサーの断面図である。 本考案の加速度センサー素子の素子下面側から見た斜視図である。 本考案の加速度センサー素子１の製造方法を説明する図である。 従来の加速度センサーの展開斜視図である。 従来の加速度センサーの断面図である。 加速度センサー素子の拡大図と錘部の動きを説明する図である。 規制板を設けた加速度センサーの展開斜視図である。 規制板を設けた加速度センサーの断面図である。 観察された欠け易い部分を示す図である。

符号の説明

１ 加速度センサー素子、２ 保護ケース、
３ 保護ケース蓋、４ ワイヤー、
５ 端子、６外部端子、
７，８接着剤、９ ピエゾ抵抗素子、
１０ 加速度センサー、１１ 錘部、
１２ 支持枠部、１３ 可撓部、
１４ 端子、１５ 規制板、
１６ 欠け易い部分、２０ 金属膜、
３０ シリコン板、３１ シリコン酸化層、
３２ フォトレジストパターン。

Claims (2)

1. 支持枠部と支持枠部に可撓部を介して保持される錘部、可撓部に設けられた半導体ピエ
   ゾ抵抗素子と配線よりなる加速度センサー素子を、セラミックや金属で形成された保護ケ
   ース内に保持し、加速度センサー素子の錘部上面側には錘部の動きを規制する規制板を備
   える加速度センサーであって、錘部下面側に１．０μｍ以上２．２μｍ以下厚の金属膜が
   設けられ、金属膜端部は錘部下面端部から１μｍ以上２０μｍ以下後退した位置にあるこ
   とを特徴とする加速度センサー。
2. 金属膜はアルミニウム、銅、金のいずれかの金属もしくはこれらの合金であることを特
   徴とする請求項１に記載の加速度センサー。
   

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