JP4416460B2 - 加速度センサー - Google Patents
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Description
速度センサーに関するものである。
撃を加速度としてとらえていた。自動車ではX軸と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
にも加速度センサーが使用されることが多くなって来ている。3次元空間の動きを検出す
るためX,Y,Z軸の加速度が測定できる3軸加速度センサーが要求されてきている。こ
れらの用途では、数Gから数10Gの小さな加速度の検出が要求されるだけでなく、高分
解能であることが求められる。1軸もしくは2軸機能の加速度センサーを組み合わせて3
次元の加速度を測定することは可能であるが、取り付け部位の制約が多いため小型の3軸
加速度センサーの要求が強いものである。
抵抗型、静電容量型、圧電型に大別される。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これら方式のなか
から、要求に合った変換方式が選ばれている。3軸で小型、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。
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6に図5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12、可撓部13(図示せず)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(図示せず)が形成されている。保護ケース2に
支持枠12および保護ケース蓋3が接着剤7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で感知し電圧として出力するものである。
支える可撓部13、可撓部13を支える支持枠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。加速度センサーは錘部の重量が大きいほど、可撓部13が
変形し易くなるため、大きな出力が得られる。図7a)に示すように錘部11は4本の可
撓部13と支持枠12に接触しない空間に張り出した形状とし、少しでも体積を大きくす
るのが一般的である。ピエゾ抵抗素子9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。
使って図7b)からd)に示す。図7b)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。このときの錘部の角部位置をA0とする。図7c)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。
錘部が左右に動かされ一方の可撓部が下に、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
位置をA1とする。図7d)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位置を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に1000GかかるとA0
とA1の位置は水平方向に約40μm、A0とA2の位置は垂直方向に約25μmと大き
く変動することとなる。
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の長さは
500〜700μm、幅は80〜120μm、厚みは5〜10μmと非常に薄っぺらくな
っている。このため、シリコンで形成された可撓部は20μm程度変形すると折れてしま
い、加速度センサー素子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。
える規制板を設ける構造が特許文献1から3に記載されている。特許文献1は加速度セン
サー素子の錘部および可撓部の上部に一定の隙間ができるように規制板にエッチング加工
を施したものである。特許文献2は平板状の規制板と加速度センサー素子を、均一な粒径
をもった球状微粒子を混練した接着剤で接着することで、規制板の加工工程をなくして規
制板と加速度センサー素子の間に球状微粒子の粒径で規制された一定の隙間を設けたもの
である。特許文献3は規制板と加速度センサー素子の間に隙間ができるようにエッチング
加工を施した規制板を、均一な粒径をもった球状微粒子が混錬された接着剤で接着するも
のである。
子をフォトリソ技術を用い多数形成した後、個別に切り離して加速度センサー素子を得る
工程。加速度センサー素子を保護ケースに固着し、電極とワイヤーを接続する工程。規制
板を付加する工程、保護ケース蓋を保護ケースに固着する工程からなっている。
、洗浄だけでなく、電極の作製にスパッタ−装置、ピエゾ素子作製にイオン打ち込み装置
、シリコンをエッチングするドライエッチング装置等を用いる。特にドライエッチング装
置では、シリコンウェファーを冷却するためダミー基板上に接着する必要がある。加工終
了後接着剤除去作業では、可撓部の長さは500〜700μm、幅は80〜120μm、
厚みは5〜10μmと非常に薄っぺったく容易に壊れてしまうため、機械的な力を加えて
の接着剤除去はできず、溶剤で溶かすことしかできない。そのため、極僅かであるが接着
剤の残りが発生した。電極等のスパッタ−作業でもごみの飛散等から凸部分が発生するこ
とがある。接着剤残りで発生する凸部(以下、異物という)の大多数は一辺10μm以上
あるが、高さは数μm以下と低くまた、軟らかい材質であるので可撓部の撓みに影響を及
ぼすことはなく、出力電圧や感度を悪くすることはなかった。スパッターで発生する異物
は樹脂に比べ硬い材料であるが、大きさは一辺数μmから大きくても10μm程度と面積
的には小さいが、高さは0.1〜5μmと高いものである。しかし、スパッターで発生す
る異物も可撓部の撓みに影響を及ぼす程ではなかった。これら、異物の体積が小さく重量
も小さいことから、加速度測定結果には影響しないものであると考えられる。数多くの異
物の高さを測定したが、5μmを超えるものはなかった。
間隔g3が15μm程度と小さいため、間隔に対しては無視することができなかった。配
線部厚み以下の異物高さのものが、配線部以外の領域にあるものは間隔g3に影響しない
ため許容されるが、異物の高さ分布から見て殆んどのものは使用できない。そのため、規
制板と対向する面に異物があるものは、不良素子として廃棄せざるを得なかった。それに
より、加速度センサー素子の歩留り低下を招き、ひいては加速度センサーの価格を押し上
げることとなっていた。
して、非配線部上面と平規制板との間隔g4は配線厚さ分だけ大きくなっている。しかし
配線厚さは大きくても1μm程度であり、付着した異物高さの高いものは5μm程度であ
るので、錘部が過度の加速度を受けて変位したとき、錘部のいずれの部位に異物が付着し
た場合でも、異物が最初に平規制板に接触する可能性が極めて高く、測定可能な加速度範
囲でも出力が飽和してしまう。
て測定可能な加速度範囲が狭まることがなく、また耐衝撃性も低下させずに加速度センサ
ーを安価に提供するものである。
撓部を除いた領域の非配線部からなる。錘可撓部は非配線部を可撓部厚分凹ましたとき、
錘部と可撓部が分離しないために必要なものである。撓み易くなっている可撓部は、外力
に対して最も弱いところである。当然、錘可撓部は可撓部より機械強度的に強くする必要
があるため、可撓部の長さ方向に少なくとも可撓部厚みと同等以上錘部に凹まさない領域
の錘可撓部を設けることが良い。錘可撓部を大きくすると異物の影響を受けやすくなるの
で、機械的強度が得られる最小領域とすることが好ましく、可撓部の長さ方向に10μm
程度、幅方向は可撓部幅と同等以上とすることがより好ましい。
一部と平規制板との間隔g4が、配線厚と可撓部厚の合計分大きい構造とすることにより
、非配線部に付着した異物高さの許容範囲を広げることができる。異物の高さは数多く調
べたが最大5μmであるので、可撓部厚みの5〜10μm非配線部を凹ますことで、可撓
部厚が5μmでも配線厚み分余裕が得られる。このように異物の最大高さ分以上非配線部
を凹ますことで、異物の検査領域を配線部と錘可撓部に限定することが可能となり、検査
時間の大幅な短縮が可能となる。これにより、異物と平規制板の接触を防止することがで
き、測定可能な加速度範囲が狭まることはない。非配線部全域を可撓部厚分凹ます必要は
なく一部を凹ますことでも良い。例えば配線と配線の間の狭い領域は凹まさない方が洗浄
はやり易くなる。洗浄がやり易いと言うことは、異物の付着数を減らすことにもなる。非
配線部は凹まさない方が良い領域を除き、でき得る限り凹ますことが異物許容範囲を広げ
る点で好ましいし、異物検査領域を減らすことができる。
工程以外に非配線部をエッチングで凹ます工程を追加する必要がある。非配線部の少なく
とも一部を可撓部厚分凹ませるのは、可撓部をエッチングで形成する工程と同時に行うこ
とが好ましく、フォトマスクのパターンを変更するだけで済み、非配線部を凹ませる工程
を追加する必要がない。前述したが異物の高さは可撓部厚と同等以下であるので、可撓部
厚以上にエッチングで非配線部を凹ませても加速度センサー素子の歩留り増加は見込めな
いだけでなく、エッチング時間の増加を招くだけでコスト的に不利になるものである。こ
のことからも、可撓部の加工と同時に可撓部厚分非配線部を凹ますことは、加速度センサ
ーの特性面とコスト面で有益であることが判る。
の面は特に平面である必要はない。材質は、加速度センサー素子と熱膨張係数の近いガラ
スやセラミックを用いることができる。保護ケースの内底は加速度センサー素子と樹脂で
固着するので、加速度センサー素子と熱膨張係数の近い材質とすることが好ましく、セラ
ミックや低熱膨張係数の金属材を用いることができる。保護ケース蓋は特に材質を限定す
る必要は無いが、保護ケースと同じ材質を用いるのが、樹脂接着が容易であるので好まし
い。
くとも一部と平規制板との間隔g4を、配線厚さと可撓部厚さの合計分大きくすることで
、非配線部の異物高さの許容幅を大きくすることができるうえ、加速度センサー素子の異
物検査時間を短縮することができる。異物の許容範囲が大きくなることで、加速度センサ
ー素子の歩留まりが向上し、耐衝撃性に優れた加速度センサーを安価に提供することがで
きる。特に、配線厚と可撓部厚の合計分大きくすることで、可撓部と同時に非配線部を凹
ますことが可能となり、フォトマスクの変更だけで加工工程を増加させることはない。
すくするため、従来例と同一の部品には同じ符号を用いている。図1a)は、本発明の加
速度センサーの展開図、図1b)は加速度センサー素子の拡大図である。図2は図1a)
のh−h’断面図である。図1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。ガラス製の平規制板17を加速度センサ
ー素子上面にプラスチック球が混練された接着剤7を用いて固着、アルミナ製の保護ケー
ス蓋3をアルミナ製の保護ケース2に樹脂8で固着密封して加速度センサーを形成した。
平規制板17の各辺の一部にワイヤー逃げ溝16を設けている。錘部の素子下面方向の動
きの規制は、保護ケース2の内底を利用し、プラスチック球が混練された接着剤7’を用
いてg2の間隔を持って保護ケース内底と支持枠下面が固着された、図2に示した構造と
した。また、ピエゾ抵抗素子の図示は省略している。
に数μmのシリコン酸化層と7μmのシリコン層を有するSOI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1〜3x1018原子/cm
3打ち込みピエゾ抵抗素子を作製、ピエゾ抵抗素子に接続する配線を、金属スパッタ−、
ドライエッチング装置を用いて形成した。配線の厚さは1μmとした。シリコン層に可撓
部と錘部、支持枠をフォトリソとドライエッチング装置を用いて形成した。可撓部形成工
程において、錘部の非配線部も同時にエッチングするようにした。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。
OIウェファーのシリコン板の約600μmをドライエッチングするには、SF6と酸素
を導入したプラズマ内で行うため、被加工物の冷却が重要である。そのため、被加工物の
SOIウェファーとダミー基板の接着は重要である。可撓部と錘部、支持枠が形成された
ウェファーがダミー基板に接着された状態で、ウェファーを切断機でチップに分離したの
ち、溶剤を用い接着樹脂を溶かし加速度センサー素子をダミー基板から取り外した。高感
度な加速度センサーを得るため、可撓部の寸法は長さ700μm、幅110μm、厚み7
μmと非常に薄く平板なものとなっている。そのため、可撓部が壊れやすく化学エッチン
グやその後の水洗、溶剤等では、加速度センサー素子に超音波や遠心力の様な機械的な力
を加えることができないため、接着剤の汚れや水洗時の水しみ、ごみ等の異物を完全に除
去することが難しい。支持枠の幅は450μmとし、加速度センサー素子外観形状は3.
3mm角厚み約0.6mmとしている。
の錘可撓部42と配線部の配線と配線の間44を除いた非配線部43を可撓部13の厚分
凹ませた。配線は可撓部13と錘部11に渡って設けられているが、錘部11の領域にあ
る配線を配線部41としている。もちろん、錘可撓部領域にも配線は施されている。配線
の厚みは1μm、可撓部の厚は7μmとした。錘可撓部領域は可撓部長手方向は7μmで
幅方向は可撓部幅と同じ110μmとした。
配線部の凹みが無い従来の加速度センサー素子(試料#A)と、別工程で非配線部の凹み
量を1μm(試料#B)、3μm(試料#C)、5μm(試料#D)、10μm(試料#
F)、13μm(試料#G)と、可撓部の加工と同時に可撓部厚分凹ました7μm(試料
#E)の加速度センサー素子を製作した。これらのg4は、15μm(試料#A)、16
μm(試料B)18μm(試料#C)、20μm(試料#D)、22μm(試料#E)、
25μm(試料#F)、28μm(試料#G)である。
して異物の発生頻度を調べた。従来の試料Aは2800個の加速度センサー素子の可撓部
と錘部の上面に発生した異物が一つでもある素子は、824個であり素子全体の約30%
である。他の非配線部を僅かでも凹ました試料#B〜Gの5種類は、ほぼ同じ様な発生頻
度で、可撓部と錘部の上面に発生した異物が一つでもある素子は300個前後であった。
これは非配線部をエッチングすることで、非配線部にあるスパッター工程で発生したと見
られる異物の大多数がエッチング時に溶けたか脱落したものと考えられる。異物のある加
速度センサー素子の内、可撓部と配線部、錘可撓部領域にいずれにも異物の無いものは、
約半数の150個前後であった。この異物を調べたところ、異物の幅や長さは2〜100
μmと形状も千差万別であり、高さも0.1〜5μmであった。素子下面は接着剤に直接
接していないためか、異物の付着はほとんど認められていないので異物は素子上面のみを
対象としている。従来不良としていた824個が、非配線部を僅かでもエッチングするこ
とで300個前後に、非配線部の異物が許容できれば150個前後まで不良とする加速度
センサー素子が減少することになる。異物で見た加速度センサー素子の歩留りは、従来約
70%であったものが、非配線部をエッチングすることで約90%、非配線部の異物が許
容できれば約95%まで改善できることになる。
00個の加速度センサーを作製した。図2の錘部底面と保護ケースの間隔g2は19μm
とした。平規制板は、厚み150μmの青板ガラスを機械加工で製作した。
定した後、厚さ100mmの板に高さ1mから加速度センサーを自然落下させ耐衝撃性を
測定した。この高さから落下させると約1500から2000Gの衝撃が加速度センサー
に加わる。加速度印加時の出力、ノイズレベルは仕様値に入っていれば良品とした。耐衝
撃性は落下後の出力が有るか否かで判断し、出力が無い加速度センサーは破壊したと判定
し、出力のあるものを良品と判断した。
欄は良品の数を示している。従来品の試料#Aは10Gで出力とノイズレベルで20%、
20Gで36%の不良が発生している。これは、非配線部に付着した異物が規制板に接触
し発生したものと考えられる。試料#Bも印加加速度が大きくなるに従い不良が発生して
いるが、従来品に対して不良率は20Gで24ポイント減少している。非配線部を1μm
凹ませるだけでも、加速度センサーの不良率が24ポイント改善と良い効果が得られてい
る。同様に、試料Cでも20Gで27ポイント不良率が低下している。試料#Dは非配線
部を5μm凹ましたもので、20G印加しても不良の発生はなかった。付着している異物
の高さが最大でも5μmであったことから、配線厚み分1μmの余裕を持って異物が規制
板に接触するのが防げたものと考えられる。試料#Dよりもg4の値の大きな試料#Eか
らG共、不良の発生はなかった。このことから、試料DからGのg4を取るつまり非配線
部を5μm以上凹ますことで、加速度センサーの歩留りを大幅に上げることができた。し
かし、試料#DとF,Gは、非配線部を凹ますのに可撓部の加工工程とは別の加工工程が
必要となるため、加速度センサー素子の製造コストが、本発明の試料Eに比べ上がること
は避けられない。このことからも、非配線部の凹み量を可撓部厚と同等にすることが、利
点であるのは容易に理解できる。
配線部を10μmと13μm凹ました試料#FとGで1個の不良が発生した。錘可撓部の
可撓部長手方向は試料#B〜Gは7μmと同じである。錘可撓部の高さが10μm,13
μmと可撓部厚みより大きくなったため、加速度センサーにX方向(可撓部の長手方向)
に加わった力で破損したものと考えられる。破損した錘可撓部と直角方向(Y方向)の錘
可撓部は破損していなかった。これらのことから、錘可撓部の可撓部長手方向の長さは可
撓部厚以上とすることと、可撓部厚みと同等以下の高さにすることが耐衝撃性を上げる上
で重要であることが判る。
線部g4で間隔を変えることで、規制板と対向する加速度センサー素子面に付着した異物
が、加速度センサー特性に与える影響を排除でき、大幅に歩留りを上げることができるも
のである。g3とg4の差を可撓部厚と配線厚の合計分とすることで、非配線部の凹みを
可撓部加工と同時に形成できる。また、落下に対しても充分なる耐衝撃性を得ることがで
きた。これらのことから、信頼性の高い加速度センサーを安価に提供できるようになった
。
5 端子、6 外部端子、7、7’接着剤、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、13 可撓部、14 電極、
15 配線、16 ワイヤー逃げ溝、17 平規制板、41 配線部、42 錘可撓部、
43 非配線部、44 配線と配線の間。
Claims (1)
- 支持枠と支持枠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3軸加速度センサー素子を、保護ケース内に保持し、錘部上方には錘部の動きを規制する平規制板を備える3軸加速度センサーであって、
前記3軸加速度センサー素子は、シリコン層とシリコン酸化層、シリコン板からなるS OIウェファーより一体形成され、配線部と錘可撓部領域はシリコン層のエッチングによ り形成され、
錘部における配線部上面と平規制板との間隔g3に対して、錘部の可撓部と接する錘可撓部領域と配線部を除いた非配線部の少なくとも一部の上面と平規制板との間隔g4が、配線厚さと可撓部厚さの合計分大きく、非配線部上のシリコン層はエッチングで除去され ていることを特徴とする加速度センサー。
Priority Applications (6)
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---|---|---|---|
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