JP3846170B2 - 半導体加速度センサ - Google Patents
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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するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体加速度センサとして、図５および図６に示すように、矩形枠状の支持部１６に一対の薄肉の撓み部４を介して揺動自在に支持された重り部５を有し、各撓み部４にそれぞれ撓み部４の変形を検出する２つのゲージ抵抗６が形成され、各ゲージ抵抗６から支持部１６の所定部位にわたってｐ+形拡散抵抗配線１１が形成されたセンシングエレメント１を備えたものが提案されている。なお、上述の撓み部４は、一般的に、ビームあるいはカンチレバーと称されている。
【０００３】
ここにおいて、センシングエレメント１における重り部５と、撓み部４と、支持部１６とはシリコン基板１ａをエッチング加工することで一体に形成されている。すなわち、センシングエレメント１は、シリコン基板１ａの裏面側において重り部５を全周にわたって囲む凹所１０ａが異方性エッチングなどを利用して形成され、シリコン基板１ａの主表面側において撓み部４を残して重り部５を略全周にわたって囲み且つ凹所１０ａに連通するスリット１０が形成されている。要するに、シリコン基板１ａの主表面側において、支持部１６の内周面と重り部５の外周面との間には、スリット１０の幅だけの隙間があることになる。なお、ゲージ抵抗６はシリコン基板１ａの一部よりなる撓み部４の主表面側の適宜位置にｐ形不純物を拡散させることにより形成されている。
【０００４】
また、センシングエレメント１の主表面側（図５における上面側）には、支持部１６においてｐ+形拡散抵抗配線１１にコンタクト部１２を介して接続されたアルミニウム配線１３が設けられており、さらに、支持部１６の表面には、アルミニウム配線１３に接続された入出力用のパッド１４が設けられている。ここに、パッド１４は、矩形枠状の支持部１６において撓み部４を挟んで重り部５に対向する部位の表面上に形成されており、別途に設けられた導電パターン２０にボンディングワイヤ７を介して電気的に接続して使用される。
【０００５】
なお、この半導体加速度センサでは、上述の４つのゲージ抵抗６がブリッジ接続されており、センシングエレメント１の厚み方向（図５における上下方向）に加速度αが印加されると、その加速度αの大きさに応じて重り部５（以下、重り部５の重さをｍとする）に力Ｆ＝ｍαが発生し重り部５が揺動することで撓み部４が撓み、その結果、撓み部４に歪みによる応力が生じ、ピエゾ抵抗効果によって各ゲージ抵抗６の抵抗値が変化するので、この抵抗値変化を電圧信号として取り出すことで、印加された加速度を検出できるようになっている。言い換えれば、加速度に比例した電圧信号を取り出すことができる。
【０００６】
また、センシングエレメント１の主表面側（図５における上面側）には、シリコンと略等しい熱膨張率を有する耐熱ガラスからなる上部キャップ２が陽極接合により接合されている。ここに、上部キャップ２は、センシングエレメント１の主表面側に設けられたアルミニウム薄膜よりなる接合用薄膜９（図６参照）を介してセンシングエレメント１に接合されているが、上記パッド１４に対応する部位が開放されている。接合用薄膜９は支持部１６において撓み部４の延出方向に平行な部位に当該部位の長手方向に沿って形成されている。すなわち、支持部１６と撓み部４と重り部５とを結ぶ直線に平行な方向（図６における左右方向）に沿って形成されている。したがって、図５における右端部では、上部キャップ２の端面とセンシングエレメント１の端面とで囲まれた開放部１５が形成されている。なお、接合用薄膜９の膜厚は１μｍ〜２μｍ程度の範囲で適宜設定されている。
【０００７】
さらに、センシングエレメント１の裏面側（図５における下面側）には、シリコンと略等しい熱膨張率を有する耐熱ガラスからなる下部キャップ３が陽極接合により接合されている。ここに、下部キャップ３は、周部が全周にわたって支持部１６に接合されている。
【０００８】
上部キャップ２および下部キャップ３は、それぞれ重り部５との対向面に重り部５の揺動空間（重り部５との間のエアギャップ）を確保するための凹所２ａ，３ａがエッチングやサンドブラスト加工などにより形成されている。
【０００９】
上述の半導体加速度センサでは、上記エアギャップを形成してエアダンピングを大気圧下で行わせるようにし、エアダンピング効果によって重り部５の揺動範囲を抑制してセンシングエレメント１の破壊を防止している。ここに、センシングエレメント１は、エアダンピング効果によって減衰特性を持たせセンサ自体の周波数特性が最適になるように各凹所２ａ，３ａの底面と重り部５と距離などを設定してある。つまり、共振を起こさないようにエアダンピング効果を利用して減衰特性を持たせてある。要するに、センシングエレメント１の撓み部４と重り部５とを上部キャップ２及び下部キャップ３にて囲まれた空間に収納しエアダンピングを大気圧下で行わせることにより、重り部５の移動を抑制して撓み部４の破壊を防止している。
【００１０】
さらに、上部キャップ２および下部キャップ３は、それぞれ凹所２ａ，３ａの底面において重り部５に対向する部位の適宜位置に、過大な加速度が印加された時に重り部５の変位範囲を規制する微小なストッパ２ｂ，３ｂが突設されている。要するに、過大な加速度が印加された場合には、重り部５がストッパ２ｂ，３ｂに当接することにより、それ以上変位することがないから、重り部５が過大に変位することによる撓み部４の破壊を防止することができるのである。
【００１１】
なお、上述のボンディングワイヤ７およびパッド１４は、ＪＣＲ（Junction Coating Resin）１９により保護されている。したがって、振動や衝撃によりボンディングワイヤ７とパッド１４との接続部にかかるストレスが緩和されるので、ボンディングワイヤ７の接続信頼性が向上する。また、上部キャップ２は、ＪＣＲ１９が撓み部４上へ流動するのを防ぐための樹脂侵入防止突起１７が凹所２ａの底面からセンシングエレメント１の支持部１６に向かって突設されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来構成の半導体加速度センサでは、エアダンピング効果を利用して減衰特性を持たせ、ストッパ２ｂ，３ｂにより重り部５が一定以上変位しないようにすることができるので、主感度方向（センシングエレメント１の厚み方向、つまり、図５における上下方向）に過大な加速度が印加されたときには、重り部５の移動範囲が微小なストッパ２ｂ，３ｂにより規制されるから、撓み部４にかかる応力が緩和され、撓み部４の破壊を防止することができる。
【００１３】
しかしながら、上記従来構成の半導体加速度センサでは、撓み部４を支持部１６側へ圧縮する向き（図７における左向き）に過大な振動や衝撃が加わると、図７や図８に示すように重り部５の撓み部４側の部位がセンシングエレメントの厚み方向に大きく変位し撓み部４が破壊されてしまうという不具合があった。
【００１４】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、低コストで感度が高く且つ信頼性が高い半導体加速度センサを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、上記目的を達成するために、半導体基板よりなる矩形枠状の支持部の内側に薄肉の撓み部を介して揺動自在に支持され支持部から離間した重り部を有し、撓み部の変形を検出するゲージ抵抗が撓み部に形成され且つ支持部の表面に入出力用のパッドが形成されたセンシングエレメントと、センシングエレメントの主表面側において少なくともパッドを露出させた形で支持部に接合されセンシングエレメントとの対向面に重り部の揺動空間を確保するための第１の凹所が形成された矩形板状の第１のキャップと、センシングエレメントの裏面側において撓み部および重り部を覆うように支持部の全周にわたって接合されセンシングエレメントとの対向面に重り部の揺動空間を確保するための第２の凹所が形成された矩形板状の第２のキャップとを備え、センシングエレメントは、支持部において撓み部の延出方向に平行な部位に第１のキャップとの接合用薄膜が設けられ、且つ、撓み部の延出方向の両側の部位が開放され、第１のキャップは、過大な加速度が印加されたときに重り部が一定以上変位しないように規制する第１のストッパが第１の凹所の底面に形成され、且つ、第１の凹所の底面において少なくとも撓み部に対向する部位からセンシングエレメントに向かって突出する樹脂侵入防止突起が突設され、第２のキャップは、過大な加速度が印加されたときに重り部が一定以上変位しないように規制する第２のストッパが第２の凹所の底面に形成され、且つ、第２の凹所内において重り部の撓み部側の部位との距離を他の部位に比べて小さくする段差部が形成されてなることを特徴とするものであり、第１のキャップおよび第２のキャップが設けられていることにより、エアダンピング効果を持たせることができ、第１のストッパおよび第２のストッパが設けられていることにより、センシングエレメントの厚み方向における重り部の変位範囲を規制することができ、また、センシングエレメントは、支持部において撓み部の延出方向に平行な部位に第１のキャップとの接合用薄膜が設けられ、且つ、撓み部の延出方向の両側の部位が開放されていることにより、センシングエレメントの外周形状を変更することなしに撓み部の延出方向における重り部の重心距離を長くすることが可能となって感度を向上させることができ、第１の凹所の底面において少なくとも撓み部に対向する部位からセンシングエレメントに向かって樹脂侵入防止突起が突設されていることにより、パッドとボンディングワイヤとの接続部とボンディングワイヤを保護する封止樹脂が第１の凹所に侵入するのを防ぐことができ、さらに、第２の凹所内において重り部の撓み部側の部位との距離を他の部位に比べて小さくする段差部が形成されていることにより、撓み部を圧縮する向きの過大な振動や衝撃が加わった場合には、重り部の撓み部側の部位の変位が段差部により規制されるとともに撓み部の変位が樹脂侵入防止突起により規制されるので、撓み部にかかる応力を抑制することができて、撓み部が破壊されるのを防止することができ、信頼性が高くなり、しかも、収率が高くなって低コスト化を図ることができる。
【００１６】
また、請求項１の発明では、樹脂侵入防止突起とセンシングエレメントとの間の距離は、接合用薄膜の膜厚と同じ値に設定されているので、例えば、製造時において樹脂侵入防止突起とセンシングエレメントとの間に接合用薄膜と同時に犠牲層を形成しておき、犠牲層を除去することで樹脂侵入防止突起とセンシングエレメントとの間に隙間を形成するようにすれば、樹脂侵入防止突起とセンシングエレメントとの間の距離を制御しやすくなる。
【００１８】
また、請求項１の発明では、樹脂侵入防止突起は、重り部の撓み部側の部位の上方まで延設されているので、撓み部を圧縮する向きの振動や衝撃が加わった場合には、重り部の撓み部側の部位の変位が段差部および樹脂侵入防止突起により規制されるので、撓み部にかかる応力をより抑制することができて、撓み部が破壊されるのをより確実に防止することができ、信頼性がさらに高くなり、しかも、収率がより高くなってより一層の低コスト化を図ることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（参考例１）
本参考例の半導体加速度センサは、図１および図２に示すように、図５および図６に示した従来構成と同様、矩形枠状の支持部１６に一対の薄肉の撓み部４を介して揺動自在に支持された重り部５を有し、各撓み部４にそれぞれ撓み部４の変形を検出する２つのゲージ抵抗６が形成され、各ゲージ抵抗６から支持部１６の所定部位にわたってｐ＋形拡散抵抗配線１１が形成されたセンシングエレメント１を備えている。
【００２１】
センシングエレメント１における重り部５と、撓み部４と、支持部１６とはシリコン基板１ａをエッチング加工することで一体に形成されている。すなわち、センシングエレメント１は、シリコン基板１ａの裏面側において重り部５を全周にわたって囲む凹所１０ａが異方性エッチングなどを利用して形成され、シリコン基板１ａの主表面側において撓み部４を残して重り部５を略全周にわたって囲み且つ凹所１０ａに連通するスリット１０が反応性イオンエッチングなどを利用して形成されている。要するに、シリコン基板１ａの主表面側において、支持部１６の内周面と重り部５の外周面との間には、スリット１０の幅だけの隙間があることになる。なお、ゲージ抵抗６はシリコン基板１ａの一部よりなる撓み部４の主表面側の適宜位置にｐ形不純物を拡散させることにより形成されている。
【００２２】
また、センシングエレメント１の主表面側（図１における上面側）には、支持部１６において上記ｐ+形拡散抵抗配線１１にコンタクト部１２を介して接続されたアルミニウム配線１３が設けられており、さらに、支持部１６の表面には、アルミニウム配線１３に接続された入出力用のパッド１４が設けられている。ここに、パッド１４は、矩形枠状の支持部１６において撓み部４を挟んで重り部５に対向する部位の表面上に形成されており、別途に設けられた導電パターン２０にボンディングワイヤ７を介して電気的に接続して使用される。なお、上述の４つのゲージ抵抗６は上記従来構成と同様にブリッジ接続されている。
【００２３】
また、センシングエレメント１の主表面側（図１における上面側）には、シリコンと略等しい熱膨張率を有する耐熱ガラスからなる上部キャップ２が陽極接合により接合されている。ここに、上部キャップ２は、センシングエレメント１の主表面側に設けられたアルミニウム薄膜よりなる接合用薄膜９（図２参照）を介してセンシングエレメント１に接合されているが、上記パッド１４に対応する部位が開放されている。接合用薄膜９は支持部１６において撓み部４の延出方向に平行な部位に当該部位の長手方向に沿って形成されている。すなわち、支持部１６と撓み部４と重り部５とを結ぶ直線に平行な方向（図６における左右方向）に沿って形成されている。言い換えれば、上部キャップ２はブリッジ状の形状に形成され、接合用薄膜９は、撓み部４に平行なｎ形シリコン基板１ａの主表面側において、重り部５を囲むように配設されている。したがって、接合用薄膜９を重り部５を囲む全周にわたって形成する場合に比べてセンシングエレメント１における接合用薄膜９の占有面積が小さくなるので、センシングエレメント１のチップ面積を変えることなしに撓み部４の延出方向における重り部５のサイズを大きくすることができて、重心距離を長くすることができ、センサの感度を向上させることができる。
【００２４】
さらに、センシングエレメント１の裏面側（図１における下面側）には、シリコンと略等しい熱膨張率を有する耐熱ガラスからなる下部キャップ３が陽極接合により接合されている。ここに、下部キャップ３は、周部が全周にわたって支持部１６に接合されている。
【００２５】
上部キャップ２および下部キャップ３は、それぞれ重り部５との対向面に重り部５の揺動空間（重り部５との間のエアギャップ）を確保するための凹所２ａ，３ａがエッチングやサンドブラスト加工などにより形成されている。
【００２６】
また、本参考例の半導体加速度センサでも、上記エアギャップを形成してエアダンピングを大気圧下で行わせるようにし、エアダンピング効果によって重り部５の揺動範囲を抑制してセンシングエレメント１の破壊を防止している。ここに、センシングエレメント１は、エアダンピング効果によって減衰特性を持たせセンサ自体の周波数特性が最適になるように各凹所２ａ，３ａの底面と重り部５と距離などを設定してある。
【００２７】
さらに、上部キャップ２および下部キャップ３は、それぞれ凹所２ａ，３ａの底面の適宜位置に、過大な加速度が印加された時に重り部５の変位範囲を規制するストッパ２ｂ，３ｂ（図１参照）が４つずつ突設されている。要するに、センシングエレメント１の厚み方向（図１における上下方向）に過大な加速度が印加された場合には、重り部５がストッパ２ｂ，３ｂに当接することにより、それ以上変位することがないから、重り部５が過大に変位することによる撓み部４の破壊を防止することができるのである。ここに、本参考例では、撓み部４の延出方向に沿ったセンシングエレメント１の一端部（図１における右端部）において上部キャップ２と接合されていない部位があり、図１における上部キャップ２の右端面とセンシングエレメント１の右端面とで囲まれた開放部１５が形成されているが、凹所２ａ，３ａの深さおよびストッパ２ａ，３ｂの高さを適切に調整することにより、開放部１５からの空気の流動による影響を無くすことができ、十分なエアダンピング効果を得ることができる。本参考例では、上部キャップ２に形成する凹所２ａの深さ寸法を例えば数１０μｍに設定し、ストッパ２ｂの突出高さは凹所２ａの深さ寸法よりも数μｍ〜１０μｍ弱程度低くした寸法に設定してある。また、ストッパ２ｂは四角柱状の形状に形成されており、先端面の各辺の長さは約１００μｍ程度に設定してある。なお、本参考例では、上部キャップ２が第１のキャップを構成し、下部キャップ３が第２のキャップを構成している。
【００２８】
上述のセンシングエレメント１の支持部１６の表面に形成されたパッド１４およびボンディングワイヤ７は、振動や衝撃によりパッド１４とボンディングワイヤ７との接続部にかかるストレスを緩和して接続部やボンディングワイヤ７を保護するための封止樹脂であるＪＣＲ（Junction Coating Resin）１９を塗布して保護されている。
【００２９】
ところで、上部キャップ２は、ＪＣＲ１９が上部キャップ２の凹所２ａ内に侵入するのを防ぐための樹脂侵入防止突起１７が凹所２ａの底面からセンシングエレメント１に向かって突設されている。ここにおいて、樹脂侵入防止突起１７は、撓み部４との対向部位から支持部１６との対向部位の一部にわたって突設されている。ＪＣＲ１９としては、シリコーン樹脂を用いており、シリコーン樹脂の表面張力によって上部キャップ２の凹所２ａ内に侵入しようとするが、樹脂侵入防止突起１７がセンシングエレメント１に向かって突設されているので、シリコーン樹脂が上部キャップ２の凹所２ａ内に侵入するのを防ぐことができる。ここに、シリコーン樹脂の粘度は１００Ｐ〜６００Ｐ程度、硬度は２０〜３０程度である。なお、ＪＣＲ１９として用いる樹脂はシリコーン樹脂に限定されるものではない。
【００３０】
ここにおいて、例えば、撓み部４の厚さ（図１における上下方向の厚さ）を約６〜８μｍ、撓み部４の延出方向の長さ（図１における左右方向の長さ）を約５０〜１００μｍとして、重り部５の表面形状を正方形状として１辺の長さを２ｍｍとし、重り部５の厚さ（図１における上下方向の厚さ）を約４００μｍとした場合、重り部５は、図１における上下方向に約１．５Ｇの加速度が印加されると、重り部５の先端部（撓み部４と反対側の部分）で約１０〜２０μｍほど反り、重り部５の撓み部４との連結部位近傍では約０．５〜２μｍ程度反ることが実験により確認されたので、上部キャップ２の樹脂侵入防止突起１７と撓み部４の間の距離は、約０．５〜２μｍ程度の値に設計すればよい。ここに、上述の接合用薄膜９の膜厚は従来、約１〜２μｍ程度に設定されているので、接合用薄膜９の膜厚を０．５μｍ〜１μｍ程度に設定し、樹脂侵入防止突起１７の先端面を上部キャップ２における接合用薄膜９との対向面と同一面内に揃えておけば、上部キャップ２の樹脂侵入防止突起１７と撓み部４の間の距離を接合用薄膜９の膜厚と略同等の値にすることができる。したがって、樹脂侵入防止突起１７とセンシングエレメント１との間の距離を接合用薄膜９の膜厚に対応させておけば、例えば、製造時において樹脂侵入防止突起１７とセンシングエレメント１との間に接合用薄膜９と同時に犠牲層を形成しておき、犠牲層を除去することで樹脂侵入防止突起１７とセンシングエレメント１との間に隙間を形成するようにすれば、樹脂侵入防止突起１７とセンシングエレメント１との間の距離を制御しやすくなり、樹脂侵入防止突起１７と撓み部４の間の距離の製品間のばらつきを小さくすることができる。
【００３１】
また、下部キャップ３は、凹所３ａ内において重り部５の撓み部４側の部位との距離を凹所３ａの底面と重り部５との距離に比べて小さくする段差部１８が形成されている。ここにおいて、段差部１８と重り部５の撓み部４側の部位との距離は、例えば、約１〜３μｍの範囲で適宜設定することが望ましい。なお、この範囲は、重り部５の撓み部４との連結部位近傍では上下方向に約１．５Ｇの加速度が印加されると約０．５〜２μｍ程度反ることと、図１に示す上下方向を上下方向として設置した場合、重り部５が重り部５の自重のために０．５〜１μｍ程度下方に下がっていることを考慮して設定してある。このように段差部１８において重り部５の撓み部４側の部位に対向する面と重り部５との距離を、接合用薄膜９の膜厚に、重り部５の自重により重り部５の撓み部４側の部位が下部キャップ３側へ反る寸法を加算して設定しておけば、下部キャップ３がセンシングエレメント１の下方に位置するように配置されて使用される場合に、重り部５の揺動空間が狭くなり過ぎるのを防ぐことができる。
【００３２】
しかして、本参考例の半導体加速度センサでは、センシングエレメント１との対向面に凹所２ａが形成された上部キャップ２およびセンシングエレメント１との対向面に凹所３ａが形成された下部キャップ３が設けられていることにより、エアダンピング効果を持たせることができ、凹所２ａ，３ａの底面にストッパ２ｂ，３ｂが設けられていることにより、センシングエレメント１の厚み方向における重り部５の変位範囲を規制することができる。
【００３３】
また、センシングエレメント１は、支持部１６において撓み部４の延出方向に平行な部位に上部キャップ２との接合用薄膜９（図２参照）が設けられ、且つ、撓み部４の延出方向の両側の部位において上部キャップ２が開放されていることにより、センシングエレメント１の外周形状を変更することなしに撓み部４の延出方向における重り部５の重心距離を長くすることが可能となって感度を向上させることができる。
【００３４】
さらに、上部キャップ２の凹所２ａの底面において撓み部４および支持部４における撓み部４周辺に対向する部位からセンシングエレメント１に向かって樹脂侵入防止突起１７が突設され、下部キャップ３の凹所３ａ内において重り部５の撓み部４側の部位との距離を凹所３ａの底面と重り部５との距離に比べて小さくする段差部１８が形成されているので、撓み部４を圧縮する向きの過大な振動や衝撃が加わった場合には、重り部５の撓み部４側の部位の変位が段差部１８により規制されるとともに撓み部４の変位が樹脂侵入防止突起１７により規制されるので、撓み部４にかかる応力を抑制することができて、撓み部４が破壊されるのを防止することができ、信頼性が高くなり、しかも、収率が高くなって低コスト化を図ることができる。
【００３５】
（実施形態）
本実施形態の半導体加速度センサの基本構成は参考例１と略同じであって、図３に示すように、樹脂侵入防止突起１７が重り部５における撓み部４側の部位の上方まで延設されている点に特徴がある。すなわち、本実施形態では、樹脂侵入防止突起１７が支持部１６と撓み部４と重り部５とに跨って突設されており、上部キャップ２の凹所２ａの底面から重り部５の撓み部４側の部位に向かって突設された部分は重り部５を挟んで下部キャップ３の段差部１８とほぼ相対する位置に設けられている。なお、参考例１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００３６】
しかして、本実施形態の半導体加速度センサでは、樹脂侵入防止突起１７が重り部５の撓み部４側の部位の上方まで延設されているので、撓み部４を圧縮する向きの過大な振動や衝撃が加わった場合には、重り部５の撓み部４側の部位の変位が段差部１８および樹脂侵入防止突起１７により規制されるので、重り部５の撓み部４側の部位が図３における上下方向へ大きく振れるのを防ぐことができ、撓み部４にかかる応力をより抑制することができて、撓み部４が破壊されるのをより確実に防止することができ、信頼性がさらに高くなり、しかも、収率がより高くなってより一層の低コスト化を図ることができる。
【００３７】
（参考例２）
本参考例の半導体加速度センサの基本構成は参考例１と略同じであって、図４に示すように、樹脂侵入防止突起１７が撓み部４にほぼ対応する部位にのみ突設されている点に特徴がある。ところで、参考例１で説明した半導体加速度センサでは、パッド１４にボンディングされるボンディングワイヤ７（図１参照）の接続信頼性を確保するためにパッド１４およびボンディングワイヤ７を覆うようにＪＣＲのような封止樹脂を塗布していたが、ワイヤボンドがそのセンサの特定の使用環境下で耐え得るのに十分な強度があれば、上述の封止樹脂を省略することができる。本参考例の半導体加速度センサは、上述の封止樹脂を省略したものであり、ワイヤボンドの強度として使用環境下において十分な強度が得られる場合に使用されるものである。なお、参考例１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００３８】
しかして、本参考例の半導体加速度センサでは、樹脂侵入防止突起１７が撓み部４にほぼ対向する部位からのみ突設されているので、第１のキャップたる上部キャップ２の撓み部４の延出方向に平行な方向の長さを短くすることができ、延出方向におけるセンサの小型化を図ることができる。
【００３９】
【発明の効果】
請求項１の発明は、半導体基板よりなる矩形枠状の支持部の内側に薄肉の撓み部を介して揺動自在に支持され支持部から離間した重り部を有し、撓み部の変形を検出するゲージ抵抗が撓み部に形成され且つ支持部の表面に入出力用のパッドが形成されたセンシングエレメントと、センシングエレメントの主表面側において少なくともパッドを露出させた形で支持部に接合されセンシングエレメントとの対向面に重り部の揺動空間を確保するための第１の凹所が形成された矩形板状の第１のキャップと、センシングエレメントの裏面側において撓み部および重り部を覆うように支持部の全周にわたって接合されセンシングエレメントとの対向面に重り部の揺動空間を確保するための第２の凹所が形成された矩形板状の第２のキャップとを備え、センシングエレメントは、支持部において撓み部の延出方向に平行な部位に第１のキャップとの接合用薄膜が設けられ、且つ、撓み部の延出方向の両側の部位が開放され、第１のキャップは、過大な加速度が印加されたときに重り部が一定以上変位しないように規制する第１のストッパが第１の凹所の底面に形成され、且つ、第１の凹所の底面において少なくとも撓み部に対向する部位からセンシングエレメントに向かって突出する樹脂侵入防止突起が突設され、第２のキャップは、過大な加速度が印加されたときに重り部が一定以上変位しないように規制する第２のストッパが第２の凹所の底面に形成され、且つ、第２の凹所内において重り部の撓み部側の部位との距離を他の部位に比べて小さくする段差部が形成されてなるものであり、第１のキャップおよび第２のキャップが設けられていることにより、エアダンピング効果を持たせることができ、第１のストッパおよび第２のストッパが設けられていることにより、センシングエレメントの厚み方向における重り部の変位範囲を規制することができ、また、センシングエレメントは、支持部において撓み部の延出方向に平行な部位に第１のキャップとの接合用薄膜が設けられ、且つ、撓み部の延出方向の両側の部位が開放されていることにより、センシングエレメントの外周形状を変更することなしに撓み部の延出方向における重り部の重心距離を長くすることが可能となって感度を向上させることができ、第１の凹所の底面において少なくとも撓み部に対向する部位からセンシングエレメントに向かって樹脂侵入防止突起が突設されていることにより、パッドとボンディングワイヤとの接続部とボンディングワイヤを保護する封止樹脂が第１の凹所に侵入するのを防ぐことができ、さらに、第２の凹所内において重り部の撓み部側の部位との距離を他の部位に比べて小さくする段差部が形成されていることにより、撓み部を圧縮する向きの過大な振動や衝撃が加わった場合には、重り部の撓み部側の部位の変位が段差部により規制されるとともに撓み部の変位が樹脂侵入防止突起により規制されるので、撓み部にかかる応力を抑制することができて、撓み部が破壊されるのを防止することができ、信頼性が高くなり、しかも、収率が高くなって低コスト化を図ることができるという効果がある。
【００４０】
また、請求項１の発明では、樹脂侵入防止突起とセンシングエレメントとの間の距離は、接合用薄膜の膜厚と同じ値に設定されているので、例えば、製造時において樹脂侵入防止突起とセンシングエレメントとの間に接合用薄膜と同時に犠牲層を形成しておき、犠牲層を除去することで樹脂侵入防止突起とセンシングエレメントとの間に隙間を形成するようにすれば、樹脂侵入防止突起とセンシングエレメントとの間の距離を制御しやすくなるという効果がある。
【００４２】
また、請求項１の発明では、樹脂侵入防止突起は、重り部の撓み部側の部位の上方まで延設されているので、撓み部を圧縮する向きの振動や衝撃が加わった場合には、重り部の撓み部側の部位の変位が段差部および樹脂侵入防止突起により規制されるので、撓み部にかかる応力をより抑制することができて、撓み部が破壊されるのをより確実に防止することができ、信頼性がさらに高くなり、しかも、収率がより高くなってより一層の低コスト化を図ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 参考例１を示す概略断面図である。
【図２】 同上におけるセンシングエレメントの概略平面図である。
【図３】 実施形態を示す概略断面図である。
【図４】 参考例２を示す概略断面図である。
【図５】 従来例を示す概略断面図である。
【図６】 同上におけるセンシングエレメントの概略平面図である。
【図７】 同上における問題点の説明図である。
【図８】 同上における問題点の説明図である。
【符号の説明】
１ センシングエレメント
１ａ シリコン基板
２ 上部キャップ
２ａ 凹所
２ｂ ストッパ
３ 下部キャップ
３ａ 凹所
３ｂ ストッパ
４ 撓み部
５ 重り部
６ ゲージ抵抗
７ ボンディングワイヤ
１１ ｐ＋形拡散抵抗配線
１４ パッド
１６ 支持部
１７ 樹脂侵入防止突起
１８ 段差部
１９ ＪＣＲ
【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するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体加速度センサとして、図５および図６に示すように、矩形枠状の支持部１６に一対の薄肉の撓み部４を介して揺動自在に支持された重り部５を有し、各撓み部４にそれぞれ撓み部４の変形を検出する２つのゲージ抵抗６が形成され、各ゲージ抵抗６から支持部１６の所定部位にわたってｐ+形拡散抵抗配線１１が形成されたセンシングエレメント１を備えたものが提案されている。なお、上述の撓み部４は、一般的に、ビームあるいはカンチレバーと称されている。
【０００３】
ここにおいて、センシングエレメント１における重り部５と、撓み部４と、支持部１６とはシリコン基板１ａをエッチング加工することで一体に形成されている。すなわち、センシングエレメント１は、シリコン基板１ａの裏面側において重り部５を全周にわたって囲む凹所１０ａが異方性エッチングなどを利用して形成され、シリコン基板１ａの主表面側において撓み部４を残して重り部５を略全周にわたって囲み且つ凹所１０ａに連通するスリット１０が形成されている。要するに、シリコン基板１ａの主表面側において、支持部１６の内周面と重り部５の外周面との間には、スリット１０の幅だけの隙間があることになる。なお、ゲージ抵抗６はシリコン基板１ａの一部よりなる撓み部４の主表面側の適宜位置にｐ形不純物を拡散させることにより形成されている。
【０００４】
また、センシングエレメント１の主表面側（図５における上面側）には、支持部１６においてｐ+形拡散抵抗配線１１にコンタクト部１２を介して接続されたアルミニウム配線１３が設けられており、さらに、支持部１６の表面には、アルミニウム配線１３に接続された入出力用のパッド１４が設けられている。ここに、パッド１４は、矩形枠状の支持部１６において撓み部４を挟んで重り部５に対向する部位の表面上に形成されており、別途に設けられた導電パターン２０にボンディングワイヤ７を介して電気的に接続して使用される。
【０００５】
なお、この半導体加速度センサでは、上述の４つのゲージ抵抗６がブリッジ接続されており、センシングエレメント１の厚み方向（図５における上下方向）に加速度αが印加されると、その加速度αの大きさに応じて重り部５（以下、重り部５の重さをｍとする）に力Ｆ＝ｍαが発生し重り部５が揺動することで撓み部４が撓み、その結果、撓み部４に歪みによる応力が生じ、ピエゾ抵抗効果によって各ゲージ抵抗６の抵抗値が変化するので、この抵抗値変化を電圧信号として取り出すことで、印加された加速度を検出できるようになっている。言い換えれば、加速度に比例した電圧信号を取り出すことができる。
【０００６】
また、センシングエレメント１の主表面側（図５における上面側）には、シリコンと略等しい熱膨張率を有する耐熱ガラスからなる上部キャップ２が陽極接合により接合されている。ここに、上部キャップ２は、センシングエレメント１の主表面側に設けられたアルミニウム薄膜よりなる接合用薄膜９（図６参照）を介してセンシングエレメント１に接合されているが、上記パッド１４に対応する部位が開放されている。接合用薄膜９は支持部１６において撓み部４の延出方向に平行な部位に当該部位の長手方向に沿って形成されている。すなわち、支持部１６と撓み部４と重り部５とを結ぶ直線に平行な方向（図６における左右方向）に沿って形成されている。したがって、図５における右端部では、上部キャップ２の端面とセンシングエレメント１の端面とで囲まれた開放部１５が形成されている。なお、接合用薄膜９の膜厚は１μｍ〜２μｍ程度の範囲で適宜設定されている。
【０００７】
さらに、センシングエレメント１の裏面側（図５における下面側）には、シリコンと略等しい熱膨張率を有する耐熱ガラスからなる下部キャップ３が陽極接合により接合されている。ここに、下部キャップ３は、周部が全周にわたって支持部１６に接合されている。
【０００８】
上部キャップ２および下部キャップ３は、それぞれ重り部５との対向面に重り部５の揺動空間（重り部５との間のエアギャップ）を確保するための凹所２ａ，３ａがエッチングやサンドブラスト加工などにより形成されている。
【０００９】
上述の半導体加速度センサでは、上記エアギャップを形成してエアダンピングを大気圧下で行わせるようにし、エアダンピング効果によって重り部５の揺動範囲を抑制してセンシングエレメント１の破壊を防止している。ここに、センシングエレメント１は、エアダンピング効果によって減衰特性を持たせセンサ自体の周波数特性が最適になるように各凹所２ａ，３ａの底面と重り部５と距離などを設定してある。つまり、共振を起こさないようにエアダンピング効果を利用して減衰特性を持たせてある。要するに、センシングエレメント１の撓み部４と重り部５とを上部キャップ２及び下部キャップ３にて囲まれた空間に収納しエアダンピングを大気圧下で行わせることにより、重り部５の移動を抑制して撓み部４の破壊を防止している。
【００１０】
さらに、上部キャップ２および下部キャップ３は、それぞれ凹所２ａ，３ａの底面において重り部５に対向する部位の適宜位置に、過大な加速度が印加された時に重り部５の変位範囲を規制する微小なストッパ２ｂ，３ｂが突設されている。要するに、過大な加速度が印加された場合には、重り部５がストッパ２ｂ，３ｂに当接することにより、それ以上変位することがないから、重り部５が過大に変位することによる撓み部４の破壊を防止することができるのである。
【００１１】
なお、上述のボンディングワイヤ７およびパッド１４は、ＪＣＲ（Junction Coating Resin）１９により保護されている。したがって、振動や衝撃によりボンディングワイヤ７とパッド１４との接続部にかかるストレスが緩和されるので、ボンディングワイヤ７の接続信頼性が向上する。また、上部キャップ２は、ＪＣＲ１９が撓み部４上へ流動するのを防ぐための樹脂侵入防止突起１７が凹所２ａの底面からセンシングエレメント１の支持部１６に向かって突設されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来構成の半導体加速度センサでは、エアダンピング効果を利用して減衰特性を持たせ、ストッパ２ｂ，３ｂにより重り部５が一定以上変位しないようにすることができるので、主感度方向（センシングエレメント１の厚み方向、つまり、図５における上下方向）に過大な加速度が印加されたときには、重り部５の移動範囲が微小なストッパ２ｂ，３ｂにより規制されるから、撓み部４にかかる応力が緩和され、撓み部４の破壊を防止することができる。
【００１３】
しかしながら、上記従来構成の半導体加速度センサでは、撓み部４を支持部１６側へ圧縮する向き（図７における左向き）に過大な振動や衝撃が加わると、図７や図８に示すように重り部５の撓み部４側の部位がセンシングエレメントの厚み方向に大きく変位し撓み部４が破壊されてしまうという不具合があった。
【００１４】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、低コストで感度が高く且つ信頼性が高い半導体加速度センサを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、上記目的を達成するために、半導体基板よりなる矩形枠状の支持部の内側に薄肉の撓み部を介して揺動自在に支持され支持部から離間した重り部を有し、撓み部の変形を検出するゲージ抵抗が撓み部に形成され且つ支持部の表面に入出力用のパッドが形成されたセンシングエレメントと、センシングエレメントの主表面側において少なくともパッドを露出させた形で支持部に接合されセンシングエレメントとの対向面に重り部の揺動空間を確保するための第１の凹所が形成された矩形板状の第１のキャップと、センシングエレメントの裏面側において撓み部および重り部を覆うように支持部の全周にわたって接合されセンシングエレメントとの対向面に重り部の揺動空間を確保するための第２の凹所が形成された矩形板状の第２のキャップとを備え、センシングエレメントは、支持部において撓み部の延出方向に平行な部位に第１のキャップとの接合用薄膜が設けられ、且つ、撓み部の延出方向の両側の部位が開放され、第１のキャップは、過大な加速度が印加されたときに重り部が一定以上変位しないように規制する第１のストッパが第１の凹所の底面に形成され、且つ、第１の凹所の底面において少なくとも撓み部に対向する部位からセンシングエレメントに向かって突出する樹脂侵入防止突起が突設され、第２のキャップは、過大な加速度が印加されたときに重り部が一定以上変位しないように規制する第２のストッパが第２の凹所の底面に形成され、且つ、第２の凹所内において重り部の撓み部側の部位との距離を他の部位に比べて小さくする段差部が形成されてなることを特徴とするものであり、第１のキャップおよび第２のキャップが設けられていることにより、エアダンピング効果を持たせることができ、第１のストッパおよび第２のストッパが設けられていることにより、センシングエレメントの厚み方向における重り部の変位範囲を規制することができ、また、センシングエレメントは、支持部において撓み部の延出方向に平行な部位に第１のキャップとの接合用薄膜が設けられ、且つ、撓み部の延出方向の両側の部位が開放されていることにより、センシングエレメントの外周形状を変更することなしに撓み部の延出方向における重り部の重心距離を長くすることが可能となって感度を向上させることができ、第１の凹所の底面において少なくとも撓み部に対向する部位からセンシングエレメントに向かって樹脂侵入防止突起が突設されていることにより、パッドとボンディングワイヤとの接続部とボンディングワイヤを保護する封止樹脂が第１の凹所に侵入するのを防ぐことができ、さらに、第２の凹所内において重り部の撓み部側の部位との距離を他の部位に比べて小さくする段差部が形成されていることにより、撓み部を圧縮する向きの過大な振動や衝撃が加わった場合には、重り部の撓み部側の部位の変位が段差部により規制されるとともに撓み部の変位が樹脂侵入防止突起により規制されるので、撓み部にかかる応力を抑制することができて、撓み部が破壊されるのを防止することができ、信頼性が高くなり、しかも、収率が高くなって低コスト化を図ることができる。
【００１６】
また、請求項１の発明では、樹脂侵入防止突起とセンシングエレメントとの間の距離は、接合用薄膜の膜厚と同じ値に設定されているので、例えば、製造時において樹脂侵入防止突起とセンシングエレメントとの間に接合用薄膜と同時に犠牲層を形成しておき、犠牲層を除去することで樹脂侵入防止突起とセンシングエレメントとの間に隙間を形成するようにすれば、樹脂侵入防止突起とセンシングエレメントとの間の距離を制御しやすくなる。
【００１８】
また、請求項１の発明では、樹脂侵入防止突起は、重り部の撓み部側の部位の上方まで延設されているので、撓み部を圧縮する向きの振動や衝撃が加わった場合には、重り部の撓み部側の部位の変位が段差部および樹脂侵入防止突起により規制されるので、撓み部にかかる応力をより抑制することができて、撓み部が破壊されるのをより確実に防止することができ、信頼性がさらに高くなり、しかも、収率がより高くなってより一層の低コスト化を図ることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（参考例１）
本参考例の半導体加速度センサは、図１および図２に示すように、図５および図６に示した従来構成と同様、矩形枠状の支持部１６に一対の薄肉の撓み部４を介して揺動自在に支持された重り部５を有し、各撓み部４にそれぞれ撓み部４の変形を検出する２つのゲージ抵抗６が形成され、各ゲージ抵抗６から支持部１６の所定部位にわたってｐ＋形拡散抵抗配線１１が形成されたセンシングエレメント１を備えている。
【００２１】
センシングエレメント１における重り部５と、撓み部４と、支持部１６とはシリコン基板１ａをエッチング加工することで一体に形成されている。すなわち、センシングエレメント１は、シリコン基板１ａの裏面側において重り部５を全周にわたって囲む凹所１０ａが異方性エッチングなどを利用して形成され、シリコン基板１ａの主表面側において撓み部４を残して重り部５を略全周にわたって囲み且つ凹所１０ａに連通するスリット１０が反応性イオンエッチングなどを利用して形成されている。要するに、シリコン基板１ａの主表面側において、支持部１６の内周面と重り部５の外周面との間には、スリット１０の幅だけの隙間があることになる。なお、ゲージ抵抗６はシリコン基板１ａの一部よりなる撓み部４の主表面側の適宜位置にｐ形不純物を拡散させることにより形成されている。
【００２２】
また、センシングエレメント１の主表面側（図１における上面側）には、支持部１６において上記ｐ+形拡散抵抗配線１１にコンタクト部１２を介して接続されたアルミニウム配線１３が設けられており、さらに、支持部１６の表面には、アルミニウム配線１３に接続された入出力用のパッド１４が設けられている。ここに、パッド１４は、矩形枠状の支持部１６において撓み部４を挟んで重り部５に対向する部位の表面上に形成されており、別途に設けられた導電パターン２０にボンディングワイヤ７を介して電気的に接続して使用される。なお、上述の４つのゲージ抵抗６は上記従来構成と同様にブリッジ接続されている。
【００２３】
また、センシングエレメント１の主表面側（図１における上面側）には、シリコンと略等しい熱膨張率を有する耐熱ガラスからなる上部キャップ２が陽極接合により接合されている。ここに、上部キャップ２は、センシングエレメント１の主表面側に設けられたアルミニウム薄膜よりなる接合用薄膜９（図２参照）を介してセンシングエレメント１に接合されているが、上記パッド１４に対応する部位が開放されている。接合用薄膜９は支持部１６において撓み部４の延出方向に平行な部位に当該部位の長手方向に沿って形成されている。すなわち、支持部１６と撓み部４と重り部５とを結ぶ直線に平行な方向（図６における左右方向）に沿って形成されている。言い換えれば、上部キャップ２はブリッジ状の形状に形成され、接合用薄膜９は、撓み部４に平行なｎ形シリコン基板１ａの主表面側において、重り部５を囲むように配設されている。したがって、接合用薄膜９を重り部５を囲む全周にわたって形成する場合に比べてセンシングエレメント１における接合用薄膜９の占有面積が小さくなるので、センシングエレメント１のチップ面積を変えることなしに撓み部４の延出方向における重り部５のサイズを大きくすることができて、重心距離を長くすることができ、センサの感度を向上させることができる。
【００２４】
さらに、センシングエレメント１の裏面側（図１における下面側）には、シリコンと略等しい熱膨張率を有する耐熱ガラスからなる下部キャップ３が陽極接合により接合されている。ここに、下部キャップ３は、周部が全周にわたって支持部１６に接合されている。
【００２５】
上部キャップ２および下部キャップ３は、それぞれ重り部５との対向面に重り部５の揺動空間（重り部５との間のエアギャップ）を確保するための凹所２ａ，３ａがエッチングやサンドブラスト加工などにより形成されている。
【００２６】
また、本参考例の半導体加速度センサでも、上記エアギャップを形成してエアダンピングを大気圧下で行わせるようにし、エアダンピング効果によって重り部５の揺動範囲を抑制してセンシングエレメント１の破壊を防止している。ここに、センシングエレメント１は、エアダンピング効果によって減衰特性を持たせセンサ自体の周波数特性が最適になるように各凹所２ａ，３ａの底面と重り部５と距離などを設定してある。
【００２７】
さらに、上部キャップ２および下部キャップ３は、それぞれ凹所２ａ，３ａの底面の適宜位置に、過大な加速度が印加された時に重り部５の変位範囲を規制するストッパ２ｂ，３ｂ（図１参照）が４つずつ突設されている。要するに、センシングエレメント１の厚み方向（図１における上下方向）に過大な加速度が印加された場合には、重り部５がストッパ２ｂ，３ｂに当接することにより、それ以上変位することがないから、重り部５が過大に変位することによる撓み部４の破壊を防止することができるのである。ここに、本参考例では、撓み部４の延出方向に沿ったセンシングエレメント１の一端部（図１における右端部）において上部キャップ２と接合されていない部位があり、図１における上部キャップ２の右端面とセンシングエレメント１の右端面とで囲まれた開放部１５が形成されているが、凹所２ａ，３ａの深さおよびストッパ２ａ，３ｂの高さを適切に調整することにより、開放部１５からの空気の流動による影響を無くすことができ、十分なエアダンピング効果を得ることができる。本参考例では、上部キャップ２に形成する凹所２ａの深さ寸法を例えば数１０μｍに設定し、ストッパ２ｂの突出高さは凹所２ａの深さ寸法よりも数μｍ〜１０μｍ弱程度低くした寸法に設定してある。また、ストッパ２ｂは四角柱状の形状に形成されており、先端面の各辺の長さは約１００μｍ程度に設定してある。なお、本参考例では、上部キャップ２が第１のキャップを構成し、下部キャップ３が第２のキャップを構成している。
【００２８】
上述のセンシングエレメント１の支持部１６の表面に形成されたパッド１４およびボンディングワイヤ７は、振動や衝撃によりパッド１４とボンディングワイヤ７との接続部にかかるストレスを緩和して接続部やボンディングワイヤ７を保護するための封止樹脂であるＪＣＲ（Junction Coating Resin）１９を塗布して保護されている。
【００２９】
ところで、上部キャップ２は、ＪＣＲ１９が上部キャップ２の凹所２ａ内に侵入するのを防ぐための樹脂侵入防止突起１７が凹所２ａの底面からセンシングエレメント１に向かって突設されている。ここにおいて、樹脂侵入防止突起１７は、撓み部４との対向部位から支持部１６との対向部位の一部にわたって突設されている。ＪＣＲ１９としては、シリコーン樹脂を用いており、シリコーン樹脂の表面張力によって上部キャップ２の凹所２ａ内に侵入しようとするが、樹脂侵入防止突起１７がセンシングエレメント１に向かって突設されているので、シリコーン樹脂が上部キャップ２の凹所２ａ内に侵入するのを防ぐことができる。ここに、シリコーン樹脂の粘度は１００Ｐ〜６００Ｐ程度、硬度は２０〜３０程度である。なお、ＪＣＲ１９として用いる樹脂はシリコーン樹脂に限定されるものではない。
【００３０】
ここにおいて、例えば、撓み部４の厚さ（図１における上下方向の厚さ）を約６〜８μｍ、撓み部４の延出方向の長さ（図１における左右方向の長さ）を約５０〜１００μｍとして、重り部５の表面形状を正方形状として１辺の長さを２ｍｍとし、重り部５の厚さ（図１における上下方向の厚さ）を約４００μｍとした場合、重り部５は、図１における上下方向に約１．５Ｇの加速度が印加されると、重り部５の先端部（撓み部４と反対側の部分）で約１０〜２０μｍほど反り、重り部５の撓み部４との連結部位近傍では約０．５〜２μｍ程度反ることが実験により確認されたので、上部キャップ２の樹脂侵入防止突起１７と撓み部４の間の距離は、約０．５〜２μｍ程度の値に設計すればよい。ここに、上述の接合用薄膜９の膜厚は従来、約１〜２μｍ程度に設定されているので、接合用薄膜９の膜厚を０．５μｍ〜１μｍ程度に設定し、樹脂侵入防止突起１７の先端面を上部キャップ２における接合用薄膜９との対向面と同一面内に揃えておけば、上部キャップ２の樹脂侵入防止突起１７と撓み部４の間の距離を接合用薄膜９の膜厚と略同等の値にすることができる。したがって、樹脂侵入防止突起１７とセンシングエレメント１との間の距離を接合用薄膜９の膜厚に対応させておけば、例えば、製造時において樹脂侵入防止突起１７とセンシングエレメント１との間に接合用薄膜９と同時に犠牲層を形成しておき、犠牲層を除去することで樹脂侵入防止突起１７とセンシングエレメント１との間に隙間を形成するようにすれば、樹脂侵入防止突起１７とセンシングエレメント１との間の距離を制御しやすくなり、樹脂侵入防止突起１７と撓み部４の間の距離の製品間のばらつきを小さくすることができる。
【００３１】
また、下部キャップ３は、凹所３ａ内において重り部５の撓み部４側の部位との距離を凹所３ａの底面と重り部５との距離に比べて小さくする段差部１８が形成されている。ここにおいて、段差部１８と重り部５の撓み部４側の部位との距離は、例えば、約１〜３μｍの範囲で適宜設定することが望ましい。なお、この範囲は、重り部５の撓み部４との連結部位近傍では上下方向に約１．５Ｇの加速度が印加されると約０．５〜２μｍ程度反ることと、図１に示す上下方向を上下方向として設置した場合、重り部５が重り部５の自重のために０．５〜１μｍ程度下方に下がっていることを考慮して設定してある。このように段差部１８において重り部５の撓み部４側の部位に対向する面と重り部５との距離を、接合用薄膜９の膜厚に、重り部５の自重により重り部５の撓み部４側の部位が下部キャップ３側へ反る寸法を加算して設定しておけば、下部キャップ３がセンシングエレメント１の下方に位置するように配置されて使用される場合に、重り部５の揺動空間が狭くなり過ぎるのを防ぐことができる。
【００３２】
しかして、本参考例の半導体加速度センサでは、センシングエレメント１との対向面に凹所２ａが形成された上部キャップ２およびセンシングエレメント１との対向面に凹所３ａが形成された下部キャップ３が設けられていることにより、エアダンピング効果を持たせることができ、凹所２ａ，３ａの底面にストッパ２ｂ，３ｂが設けられていることにより、センシングエレメント１の厚み方向における重り部５の変位範囲を規制することができる。
【００３３】
また、センシングエレメント１は、支持部１６において撓み部４の延出方向に平行な部位に上部キャップ２との接合用薄膜９（図２参照）が設けられ、且つ、撓み部４の延出方向の両側の部位において上部キャップ２が開放されていることにより、センシングエレメント１の外周形状を変更することなしに撓み部４の延出方向における重り部５の重心距離を長くすることが可能となって感度を向上させることができる。
【００３４】
さらに、上部キャップ２の凹所２ａの底面において撓み部４および支持部４における撓み部４周辺に対向する部位からセンシングエレメント１に向かって樹脂侵入防止突起１７が突設され、下部キャップ３の凹所３ａ内において重り部５の撓み部４側の部位との距離を凹所３ａの底面と重り部５との距離に比べて小さくする段差部１８が形成されているので、撓み部４を圧縮する向きの過大な振動や衝撃が加わった場合には、重り部５の撓み部４側の部位の変位が段差部１８により規制されるとともに撓み部４の変位が樹脂侵入防止突起１７により規制されるので、撓み部４にかかる応力を抑制することができて、撓み部４が破壊されるのを防止することができ、信頼性が高くなり、しかも、収率が高くなって低コスト化を図ることができる。
【００３５】
（実施形態）
本実施形態の半導体加速度センサの基本構成は参考例１と略同じであって、図３に示すように、樹脂侵入防止突起１７が重り部５における撓み部４側の部位の上方まで延設されている点に特徴がある。すなわち、本実施形態では、樹脂侵入防止突起１７が支持部１６と撓み部４と重り部５とに跨って突設されており、上部キャップ２の凹所２ａの底面から重り部５の撓み部４側の部位に向かって突設された部分は重り部５を挟んで下部キャップ３の段差部１８とほぼ相対する位置に設けられている。なお、参考例１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００３６】
しかして、本実施形態の半導体加速度センサでは、樹脂侵入防止突起１７が重り部５の撓み部４側の部位の上方まで延設されているので、撓み部４を圧縮する向きの過大な振動や衝撃が加わった場合には、重り部５の撓み部４側の部位の変位が段差部１８および樹脂侵入防止突起１７により規制されるので、重り部５の撓み部４側の部位が図３における上下方向へ大きく振れるのを防ぐことができ、撓み部４にかかる応力をより抑制することができて、撓み部４が破壊されるのをより確実に防止することができ、信頼性がさらに高くなり、しかも、収率がより高くなってより一層の低コスト化を図ることができる。
【００３７】
（参考例２）
本参考例の半導体加速度センサの基本構成は参考例１と略同じであって、図４に示すように、樹脂侵入防止突起１７が撓み部４にほぼ対応する部位にのみ突設されている点に特徴がある。ところで、参考例１で説明した半導体加速度センサでは、パッド１４にボンディングされるボンディングワイヤ７（図１参照）の接続信頼性を確保するためにパッド１４およびボンディングワイヤ７を覆うようにＪＣＲのような封止樹脂を塗布していたが、ワイヤボンドがそのセンサの特定の使用環境下で耐え得るのに十分な強度があれば、上述の封止樹脂を省略することができる。本参考例の半導体加速度センサは、上述の封止樹脂を省略したものであり、ワイヤボンドの強度として使用環境下において十分な強度が得られる場合に使用されるものである。なお、参考例１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００３８】
しかして、本参考例の半導体加速度センサでは、樹脂侵入防止突起１７が撓み部４にほぼ対向する部位からのみ突設されているので、第１のキャップたる上部キャップ２の撓み部４の延出方向に平行な方向の長さを短くすることができ、延出方向におけるセンサの小型化を図ることができる。
【００３９】
【発明の効果】
請求項１の発明は、半導体基板よりなる矩形枠状の支持部の内側に薄肉の撓み部を介して揺動自在に支持され支持部から離間した重り部を有し、撓み部の変形を検出するゲージ抵抗が撓み部に形成され且つ支持部の表面に入出力用のパッドが形成されたセンシングエレメントと、センシングエレメントの主表面側において少なくともパッドを露出させた形で支持部に接合されセンシングエレメントとの対向面に重り部の揺動空間を確保するための第１の凹所が形成された矩形板状の第１のキャップと、センシングエレメントの裏面側において撓み部および重り部を覆うように支持部の全周にわたって接合されセンシングエレメントとの対向面に重り部の揺動空間を確保するための第２の凹所が形成された矩形板状の第２のキャップとを備え、センシングエレメントは、支持部において撓み部の延出方向に平行な部位に第１のキャップとの接合用薄膜が設けられ、且つ、撓み部の延出方向の両側の部位が開放され、第１のキャップは、過大な加速度が印加されたときに重り部が一定以上変位しないように規制する第１のストッパが第１の凹所の底面に形成され、且つ、第１の凹所の底面において少なくとも撓み部に対向する部位からセンシングエレメントに向かって突出する樹脂侵入防止突起が突設され、第２のキャップは、過大な加速度が印加されたときに重り部が一定以上変位しないように規制する第２のストッパが第２の凹所の底面に形成され、且つ、第２の凹所内において重り部の撓み部側の部位との距離を他の部位に比べて小さくする段差部が形成されてなるものであり、第１のキャップおよび第２のキャップが設けられていることにより、エアダンピング効果を持たせることができ、第１のストッパおよび第２のストッパが設けられていることにより、センシングエレメントの厚み方向における重り部の変位範囲を規制することができ、また、センシングエレメントは、支持部において撓み部の延出方向に平行な部位に第１のキャップとの接合用薄膜が設けられ、且つ、撓み部の延出方向の両側の部位が開放されていることにより、センシングエレメントの外周形状を変更することなしに撓み部の延出方向における重り部の重心距離を長くすることが可能となって感度を向上させることができ、第１の凹所の底面において少なくとも撓み部に対向する部位からセンシングエレメントに向かって樹脂侵入防止突起が突設されていることにより、パッドとボンディングワイヤとの接続部とボンディングワイヤを保護する封止樹脂が第１の凹所に侵入するのを防ぐことができ、さらに、第２の凹所内において重り部の撓み部側の部位との距離を他の部位に比べて小さくする段差部が形成されていることにより、撓み部を圧縮する向きの過大な振動や衝撃が加わった場合には、重り部の撓み部側の部位の変位が段差部により規制されるとともに撓み部の変位が樹脂侵入防止突起により規制されるので、撓み部にかかる応力を抑制することができて、撓み部が破壊されるのを防止することができ、信頼性が高くなり、しかも、収率が高くなって低コスト化を図ることができるという効果がある。
【００４０】
また、請求項１の発明では、樹脂侵入防止突起とセンシングエレメントとの間の距離は、接合用薄膜の膜厚と同じ値に設定されているので、例えば、製造時において樹脂侵入防止突起とセンシングエレメントとの間に接合用薄膜と同時に犠牲層を形成しておき、犠牲層を除去することで樹脂侵入防止突起とセンシングエレメントとの間に隙間を形成するようにすれば、樹脂侵入防止突起とセンシングエレメントとの間の距離を制御しやすくなるという効果がある。
【００４２】
また、請求項１の発明では、樹脂侵入防止突起は、重り部の撓み部側の部位の上方まで延設されているので、撓み部を圧縮する向きの振動や衝撃が加わった場合には、重り部の撓み部側の部位の変位が段差部および樹脂侵入防止突起により規制されるので、撓み部にかかる応力をより抑制することができて、撓み部が破壊されるのをより確実に防止することができ、信頼性がさらに高くなり、しかも、収率がより高くなってより一層の低コスト化を図ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 参考例１を示す概略断面図である。
【図２】 同上におけるセンシングエレメントの概略平面図である。
【図３】 実施形態を示す概略断面図である。
【図４】 参考例２を示す概略断面図である。
【図５】 従来例を示す概略断面図である。
【図６】 同上におけるセンシングエレメントの概略平面図である。
【図７】 同上における問題点の説明図である。
【図８】 同上における問題点の説明図である。
【符号の説明】
１ センシングエレメント
１ａ シリコン基板
２ 上部キャップ
２ａ 凹所
２ｂ ストッパ
３ 下部キャップ
３ａ 凹所
３ｂ ストッパ
４ 撓み部
５ 重り部
６ ゲージ抵抗
７ ボンディングワイヤ
１１ ｐ＋形拡散抵抗配線
１４ パッド
１６ 支持部
１７ 樹脂侵入防止突起
１８ 段差部
１９ ＪＣＲ
Claims (1)
- 半導体基板よりなる矩形枠状の支持部の内側に薄肉の撓み部を介して揺動自在に支持され支持部から離間した重り部を有し、撓み部の変形を検出するゲージ抵抗が撓み部に形成され且つ支持部の表面に入出力用のパッドが形成されたセンシングエレメントと、センシングエレメントの主表面側において少なくともパッドを露出させた形で支持部に接合されセンシングエレメントとの対向面に重り部の揺動空間を確保するための第１の凹所が形成された矩形板状の第１のキャップと、センシングエレメントの裏面側において撓み部および重り部を覆うように支持部の全周にわたって接合されセンシングエレメントとの対向面に重り部の揺動空間を確保するための第２の凹所が形成された矩形板状の第２のキャップとを備え、センシングエレメントは、支持部において撓み部の延出方向に平行な部位に第１のキャップとの接合用薄膜が設けられ、且つ、撓み部の延出方向の両側の部位が開放され、第１のキャップは、過大な加速度が印加されたときに重り部が一定以上変位しないように規制する第１のストッパが第１の凹所の底面に形成され、且つ、第１の凹所の底面において少なくとも撓み部に対向する部位からセンシングエレメントに向かって突出する樹脂侵入防止突起が突設され、第２のキャップは、過大な加速度が印加されたときに重り部が一定以上変位しないように規制する第２のストッパが第２の凹所の底面に形成され、且つ、第２の凹所内において重り部の撓み部側の部位との距離を他の部位に比べて小さくする段差部が形成されてなり、樹脂侵入防止突起とセンシングエレメントとの間の距離は、接合用薄膜の膜厚と同じ値に設定されてなり、樹脂侵入防止突起は、重り部の撓み部側の部位の上方まで延設されてなることを特徴とする半導体加速度センサ。
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