JPH08114622A

JPH08114622A - フルモールド実装型加速度センサ

Info

Publication number: JPH08114622A
Application number: JP6249033A
Authority: JP
Inventors: Kiyomitsu Suzuki; 清光鈴木; Norio Ichikawa; 範男市川; Akio Yasukawa; 彰夫保川; Masayuki Sato; 雅之佐藤; Shigemasa Umemura; 茂正梅村; Keiji Hanzawa; 恵二半沢; Masayoshi Suzuki; 政善鈴木; Satoshi Shimada; 嶋田　　智; Masayuki Miki; 政之三木; Masahiro Matsumoto; 昌大松本
Original assignee: Hitachi Automotive Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 1994-10-14
Filing date: 1994-10-14
Publication date: 1996-05-07
Anticipated expiration: 2018-03-04
Also published as: JP3382030B2

Abstract

(57)【要約】【目的】自動車の車両制御システムやエアバッグシステ
ムに適用可能な小型，低コストで表面実装に適した高性
能な加速度センサを提供すること。【構成】加速度センサの気密型検出部構造体とディジタ
ル調整機能付き信号処理回路をリードプレーム上に固定
し、検出部構造体，信号処理回路およびリードフレーム
間のワイヤボンディングを行った後、その周囲へプラス
チック材料を完全にモールドする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車の安全システム
用加速度センサ、特にアンチロック・ブレーキ制御シス
テムやエアバッグシステムなどに使用される加速度セン
サに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の加速度センサとして半導
体歪ゲージ式，静電容量式，圧電式など数多くのものが
知られている。例えば、特開平1−152369 号公報に記載
されているように、これらの加速度センサの検出部構造
体は金属パッケージ内に収納されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】検出部構造体は金属パ
ッケージ内に実装されるため、加速度センサの実装コス
トが高くなると共に、パッケージ前にセンサの出力特性
を調整しなければならなかった。また、加速度センサの
寸法が大きく、重量もおもくなるので、自動車応用シス
テムのコントロールユニットへ表面実装したとき共振な
どの問題が生じる。一方、プラスチック材料のフルモー
ルド実装は汎用ＩＣの低コストな実装方法の一つとして
広く知られている。本実装方法を適用したとき、従来型
加速度センサの検出部構造体は汎用ＩＣとは異なり、一
般的に熱応力の影響を受けやすい構造になっているの
で、加速度センサの温度特性が極端に悪くなるという問
題点があった。さらに、プラスチック材料の吸湿による
変形によって、加速度センサの出力特性が変化するとい
う問題点もあった。また、金属パッケージでないため、
外部からの電気的ノイズの影響を受け易いという問題点
もあった。

【０００４】本発明の目的は、低コストでパッケージ後
に出力特性が調整でき、また表面実装が可能な小型，軽
量で高性能な加速度センサを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】加速度センサの気密型検
出部構造体とディジタル調整機能付き信号処理回路をリ
ードフレーム上に固定し、検出部構造体，信号処理回路
およびリードフレーム間のワイヤボンディングを行った
後、その周囲へプラスチック材料を完全にモールドす
る。このとき、検出部構造体とモールドプラスチック部
に種々の熱応力緩和機構を設ける。そして、モールド終
了後にプラスチック部の表面を半導電性の材料や疎水性
の材料でコーティングする。

【０００６】

【作用】加速度センサの気密型検出部構造体とディジタ
ル調整機能付き信号処理回路をリードフレーム上に固定
した後、その周囲をプラスチック材料でフルモールドす
る実装方法により低コスト化を図る。フルモールド実装
により加速度センサの小型，軽量化が図れ、加速度セン
サの表面実装が可能になる。モールドプラスチック部の
外表面を半導電性の材料でコーティングすることによ
り、電気的ノイズに強い加速度センサが得られる。検出
部構造体とフルモールドプラスチック部に熱応力緩和機
構を設けることにより、検出部構造体とプラスチック材
料との間の熱膨張係数の差による熱応力によって引き起
こされる検出部構造体自体の変形を極少化し、加速度セ
ンサの温度特性を改善する。この熱応力緩和機構は、プ
ラスチック材料の吸湿変形によって引き起こされる出力
特性の変化を防止することに対しても効果がある。モー
ルドプラスチックの表面を疎水性の材料でコーティング
すればプラスチックの吸湿による変形を極少化でき、加
速度センサの出力変化を防止できる。信号処理回路に結
線されたリード端子をフルモールドプラスチック部の外
部に引出すことにより、この端子を利用して加速度セン
サの出力特性の調整をフルモールド終了後にできるよう
にする。

【０００７】

【実施例】本発明によるフルモールド実装型加速度セン
サの実施例を図１に示す。ビームで支持されたマス
（錘）を有する加速度検出部構造体２と前記マスの変位
を静電容量の変化あるいは歪ゲージの抵抗値変化から検
出して加速度に対応した信号を外部に出力する信号処理
回路１をＦｅ−Ｎｉなどの金属材料よりなるリードフレ
ーム３へ接着剤（図には示していない）を介して固定し
た後、信号処理回路１と検出部構造体２間を金線などの
導線７，信号処理回路１と出力調整端子５間を導線２０
０，信号処理回路１と電源および出力端子４間を導線６
を介してワイヤボンディング作業により電気的に結線し
ている。なお、加速度検出部構造体２の詳細構造につい
ては後述する。ワイヤボンディング作業が終わった後、
検出部構造体２と信号処理回路１の周囲へ図に示すよう
にプラスチック材料８を完全にフルモールドする。な
お、プラスチック材料８のモールド作業は７０気圧，１
７０℃の条件下で行われた。プラスチック材料８の熱膨
張係数はビームとマスの材料であるシリコンと同じであ
ることが望ましいが、モールド作業時のプラスチック材
料８の流動性から適用できる熱膨張係数の下限値は８pp
m／℃ であった。なお、シリコンの熱膨張係数は約３pp
m／℃ である。このように、検出部構造体２を構成する
材料とプラスチック材料８間の熱膨張係数の差は約５pp
m／℃ と大きく、この熱膨張係数の差によって検出部構
造体２は大きな熱応力である圧縮と曲げ作用を受けて変
形する。この変形によって、加速度センサのゼロ点や感
度が温度によって大きく変化する。この温度影響を改善
する種々の熱応力緩和機構を本図および以下に示す図で
説明する。プラスチック材料８が吸湿で変形したときの
影響は、見かけ上プラスチック材料８の熱膨張係数が部
分的に変化したものと等価である故、この熱応力緩和機
構はプラスチック材料８の吸湿変形の影響をなくすこと
に対しても有効な結果をもたらす。出力調整端子５，電
源および出力端子４はリードフレーム３と同じ材料で構
成され、これらはプラスチック材料８をモールドする前
は外部の外枠で機械的に連結している。プラスチック材
料８をフルモールドした後、外枠を切断しこれらの機械
的および電気的な連結をなくする。本加速度センサは孔
９を介してネジなどにより、自動車システムのコントロ
ールユニットヘ固定される。あるいは、プラスチック材
料８の下部１０でコントロールユニットへ表面実装され
る。本図における熱応力緩和機構は、リードフレーム３
の上部におけるプラスチック材料８の厚さＴpaを下部に
おけるプラスチック材料８の厚さＴpbにほぼ等しくした
ことである。こうすることによって、リードフレーム３
を中心とするプラスチック材料８の温度変化による曲げ
変形は極少になり、加速度センサの温度影響の改善に大
きく寄与できた。なお、以下に示す図において、同一の
番号は同一の要素を示すものとする。

【０００８】本発明による検出部構造体のフルモールド
時における熱応力緩和機構を図２に示す。検出部構造体
はシリコン板１１，ガラス板１２，シリコン板１３およ
びガラス板１４の４層積層構造よりなり、これらの４枚
の板はウエハ状態で積層された後、良く知られた陽極接
合方法で接着され各検出部構造体にダイサーなどの方法
によってダイシングされる。シリコン板１３にはエッチ
ング加工によって、ビーム１５に支持されたマス１６を
形成している。（なお、シリコン板１３の平面構造を参
考までに図８に示している。）マス１６に対向したガラ
ス板１２の表面へ金属膜よりなる固定電極１７をスパッ
タや蒸着などの方法で形成している。この固定電極１７
はガラス板１２にあけたスルーホール１９の内面とガラ
ス板１２の上部表面に設けたリード部２０によってシリ
コン板１１と電気的に接続されている。リード部２０の
一部はシリコン板１１とガラス板１２の間に、図に示す
ように挾みこまれている。本検出部構造体に加速度が作
用すると、ビーム１５で支持されたマス１６は錘の機能
を有し、加速度の大きさに応じて上下に変位する。シリ
コン板１３は導電性の材料であり、マス１６は可動電極
となる。マス１６と固定電極１７間のギャップ１８の寸
法変化を静電容量の変化から計測して、加速度に応じた
マス１６の変位を検出することができる。即ち、本図に
示した加速度検出部構造体は静電容量式の検出部構造体
である。シリコン板１１の上にパッド２１，シリコン板
１３の上にパッド２２が形成され、これらのパッドを介
して検出部構造体は前述したワイヤボンディング作業に
より信号処理回路と電気的に結線される。本図に示した
検出部構造体のチップサイズは約数ミリ角で、各４枚の
板の厚さは約数百ミクロン（但し、後述するようにガラ
ス板１４の厚さは厚いほど良い）、マス１６とビーム１
５の厚さは約数十ミクロン，ギャップ１８は約数ミクロ
ンである。次に、本検出部構造体における熱応力緩和機
構について述べる。静電容量式加速度センサにおけるゼ
ロ点や感度の温度特性はマス１６と固定電極１８間のギ
ャップ１８によって決まる故、熱応力緩和機構の目的は
温度が変化してもギャップ１８の寸法が変化しないよう
にすることにある。このためには、ガラス板１２とマス
１６を支持するビーム１５の熱応力による変形を極少化
すれば良い。シリコン板１１に空所２１を形成すること
により、検出部構造体が周囲のプラスチック材料から圧
縮，引っ張り，曲げなどの熱応力を受けても、加速度セ
ンサの温度特性に問題を起こさない程度までガラス板１
２の変形を小さくすることができた。なお、空所２１は
シリコン板１１の表面にエッチングによって加工された
凹みである。また、ガラス板１２とシリコン板１１の接
合部のダイシング面からの距離Ｌａをガラス板１２とシ
リコン板１３の接合部のダイシング面からの距離Ｌｂよ
り小さくすることにより、ガラス板１２とビ−ム１５の
曲げ変形を小さくすることができた。前述したように、
シリコン板１１の厚さＴsa，ガラス板１２の厚さＴga，
シリコン板１３の厚さＴsbは約数百ミクロンと似たよう
な厚さである。これに対して、検出部構造体自体が熱膨
張係数の異なるリードフレームに接着される面となるガ
ラス板１４の厚さＴgbを前記３枚の板より約２倍程度以
上に厚くすることが、熱応力緩和機構として有効であっ
た。

【０００９】本発明による検出部構造体のフルモールド
時における熱応力緩和機構の他の実施例を図３に示す。
検出部構造体はシリコン板２３，ガラス板２４，シリコ
ン板２５，ガラス板２６，シリコン板２７の５層構造よ
りなり、陽極接合によって接合されている。中央のシリ
コン板２５には、ビーム２８で支持されたマス２９がエ
ッチングによって形成されている。このマス２９に対向
して、上下のガラス板２４，２６には固定電極３２，３
４が形成されている。これらの固定電極３２，３４はそ
れぞれスルーホール３０，３１の内面およびガラス板２
４，２６の表面に形成したリード部３３，３５を介して
シリコン板２３，２７と電気的に結線されている。本検
出部構造体は前図と同様、静電容量式であり、可動電極
であるマス２９の両面に固定電極を形成し、マス２９の
厚さがビーム２８の厚さより厚くなっていることが特徴
である。次に、本検出部構造体における熱応力緩和機構
を説明する。熱応力緩和機構として、（１）シリコン板
２３と２７に空所３６，３７を設けること、（２）ビー
ム２８の固定端側におけるシリコン板２５とガラス板２
４，２６との接合部のダイシング面からの距離をガラス
板２４，２６とシリコン板２３，２７との接合部のダイ
シング面から空所３６，３７までの距離より大きくする
こと、（３）シリコン板２７の厚さを他の４枚の板の厚
さより約２倍以上厚くすることが有効であった。なお、
空所３６，３７はシリコン板２３，２７の表面をエッチ
ングすることによって得られる凹みであり、その深さは
前図と同様に約１０ミクロンである。

【００１０】本発明による検出部構造体のフルモールド
時における熱応力緩和機構の他の実施例を図４に示す。
検出部構造体はシリコン板３８，３９，４０，４１およ
び４２の５層構造よりなり、熱酸化膜４３，４４，４５
および４６を介して良く知られたシリコン板の直接接合
技術によって気密に接合されている。本検出部構造体も
静電容量式であり、中央のシリコン板４０にはビーム４
８に支持されたマス４７がエッチングにより形成されて
いる。可動電極であるマス４７に対向したシリコン板３
９，４１は導電性の材料であり、このまま固定電極とし
て使用される。なお、固定電極用のパッドは図には示し
ていないものの、これらのシリコン板３９，４１上に設
けられる。この場合も前図と同様、熱応力緩和機構とし
て、（１）シリコン板３８，４２へ空所４９，５０を設
けること、（２）ビーム４８の固定端側におけるシリコ
ン板４０の接合寸法をダイシング面から空所４９，５０
までの距離より大きくすること、（３）シリコン板４２
の厚さを他の４枚のシリコン板の厚さの約２倍以上にす
ることが有効であった。

【００１１】本発明による検出部構造体のフルモールド
時における熱応力緩和機構の他の実施例を図５に示す。
検出部構造体はシリコン板５１，５２および５３の３層
構造よりなり、熱酸化膜５４及び５５を介して気密に接
合されている。本検出部構造体は静電容量式であり、中
央のシリコン板５２にはビーム５７に支持されたマス５
６がエッチング加工により形成されている。あらかじ
め、シリコン板５１と５３の表面にボロンを高濃度にド
ーピングし、この高濃度部が他の部分よりエッチング速
度が極端に遅いことを利用して、シリコン板５１および
５３の表面に両端支持構造の薄板５８および５９を形成
している。この薄板部分５８，５９がボロンの高濃度部
である。あらかじめドライエッチであけた孔６０及び６
１を介して、異方性エッチングによりシリコン板５１お
よび５３に空所６２及び６３をそれぞれ形成している。
可動電極であるマス５６に対向した薄板５８および５９
は固定電極となる。この場合の熱応力緩和機構として
は、（１）両端支持構造の薄板５８および５９を固定電
極とし、空所６２および６３をそれぞれシリコン板５１
および５３に設けること、（２）ビーム５７の固定端側
のみならず、全周囲におけるシリコン板５２とシリコン
板５１および５３の接合部のダイシング面からの距離が
ダイシング面から凹み６２および６３までの寸法より大
きいこと、（３）シリコン板５３の厚さを他のシリコン
板の厚さの約２倍以上にすることが有効である。

【００１２】本発明による検出部構造体の熱応力緩和機
構の他の実施例を図６に示す。検出部構造体はシリコン
板６４，６５および６６の３層構造よりなり、熱酸化膜
６７および６８を介して気密に接合されている。中央の
シリコン板６５には、ビーム７０で支持されたマス６９
をエッチング加工により形成している。シリコン板６４
および６６にはそれぞれ、固定電極となる片側支持構造
の薄板７１および７２，空所７３および７４がエッチン
グにより形成されている。熱応力緩和機構として、
（１）固定電極を片側支持構造の薄板とし、空所を設け
たこと、（２）中央シリコン板のビーム固定端側の接合
寸法をダイシング面から凹みまでの距離より大きくした
こと、（３）最下部のシリコン板の厚さを他のシリコン
板の厚さの約２倍以上にしたことが有効である。プラス
チック材料から検出部構造体が熱応力を受けて変形して
も、ビーム７０および片側支持構造の薄板７１，７２の
変形は極少化される。ビーム７０と薄板７１，７２が変
形しても、同じビーム形状である故、マス６９と薄板７
１，７２間のギャップの変化は極めて小さいものにな
る。

【００１３】本発明による検出部構造体のフルモールド
時における熱応力緩和機構の他の実施例を図７に示す。
検出部構造体はガラス板７５，シリコン板７６およびガ
ラス板７７の３層構造よりなり、陽極接合によって気密
に接合されている。中央のシリコン板７６には、ビーム
７９で支持されたマス７８がエッチングにより形成され
ている。ビーム７９の固定端近傍に、歪ゲージ８０が拡
散によって形成され、熱酸化膜８２で保護されている。
本検出部構造体は、加速度によるマス７８の変位を歪ゲ
ージの抵抗値変化から検出する歪ゲージ式である。熱酸
化膜８２の上にはポリシリコン層８３が形成されてお
り、このポリシリコン層８３を利用して空所８１を有す
るガラス板７５がシリコン板７６へ陽極接合により気密
に接着されている。なお、空所８１はガラス板７５にエ
ッチングその他の方法で形成された深さ約１０ミクロン
の凹みである。歪ゲージ８０はシリコン板７６上に形成
したパッド８４を介して、信号処理回路と電気的に結線
される。図に示すように、ダイシング面から空所８１ま
での距離をＬａ、ビーム７９の上部固定端までの距離を
Ｌｂ、下部固定端までの距離をＬｃとする。寸法Ｌａが
寸法ＬｂおよびＬｃに対して小さくなるように空所８１
のサイズを決めることが、熱応力緩和機構として有効で
あった。また、静電容量式の場合と同様、リードフレー
ムへ接着されるガラス板７７の厚さが他の２枚の板の厚
さの約２倍以上であることも有効であった。

【００１４】図２に示した検出部構造体のシリコン板１
３の平面図を図８に示す。図８に示すように、マス１６
は２本のビーム１５で支持されている。領域８５はガラ
ス板１２と接合される部分およびそれと同一平面の部
分、領域８６はパッド２２の形成される部分、領域８７
はエッチング深さが約１００ミクロンの部分、領域８８
はビーム１５およびマス１６と同一のエッチング深さ
（数ミクロンのエッチング量でギャップ寸法を決める）
の部分である。

【００１５】本発明による検出部構造体のフルモールド
時における熱応力緩和機構の他の実施例を図９に示す。
ＳＯＩ基板の犠牲層エッチング技術を利用して、シリコ
ン基板９０の表面にビーム・マス系９３を形成してい
る。ビーム・マス系９３の下部のギャップ９４は熱酸化
膜９１を犠牲層エッチングによって除去した部分であ
る。熱酸化膜９１の上に形成したポリシリコン層９２を
介して、空所９５を有するガラス板８９をシリコン板９
０へ陽極接合により気密に接着している。空所９５はガ
ラス板８９にエッチングなどによって加工した凹みであ
る。シリコン板９０はパッド９７を介して、ビーム・マ
ス系９３はポリシリコン層９２，パッド９６を介して信
号処理回路と電気的に結線される。本検出部構造体はＹ
−Ｙ軸方向の加速度を検出するものである。プラスチッ
ク材料からの熱応力によってビーム・マス系９３および
シリコン板９０が変形しないように、シリコン板９０の
厚さをビーム・マス系９３の厚さの少なくとも約１００
倍以上に厚くすることが熱応力緩和機構として有効であ
った。なお、ビーム・マス系９３の厚さは数ないし数十
ミクロンの値である。ビーム・マス系９３の平面図を図
１０に示す。ビーム・マス系は４本のビーム９９で支持
されたマス１００よりなり、各ビーム９９は固定端９８
部で熱酸化膜９１の上に固着されている。本検出部構造
体はマス１００を可動電極、シリコン板９０を固定電極
として使用すれば静電容量式に、ビーム９９に歪ゲージ
を形成してこれを利用すれば歪ゲージ式の検出部にな
る。

【００１６】本発明による検出部構造体の熱応力緩和機
構の他の実施例を図１１に示す。本検出部構造体は図９
に示した構造体と同様な手法で製作され、図９とはビー
ム・マス系の形状が異なり、Ｘ−Ｘ方向の加速度を検出
するところに特徴がある。可動電極であるマス１０２と
固定電極１０１間のギャップ１０３の寸法変化を静電容
量の変化から検出して加速度を計測するものである。熱
応力緩和機構の内容は、図９に示した検出部構造体の場
合と同じである。ビーム・マス系の平面図を図１２に示
した。ビーム１０５で支持されたマス１０２と固定電極
１０１は櫛歯形状になっている。櫛歯形状にしているの
は、ギャップ１０３の対向面積を大きくして感度を増加
させるためである。ビーム１０５および固定電極１０１
は固定端１０４部で熱酸化膜９１の上に固着されてい
る。

【００１７】本発明による検出部構造体の熱応力緩和機
構の他の実施例を図１３に示す。シリコン板１０８，シ
リコン板１０９およびシリコン板１１０が熱酸化膜１１
１および１１２を介して気密に接合された３層構造より
なり、中央のシリコン板109にビーム１０７で支持され
たマス１０６がエッチング加工によって形成されてい
る。マス１０６を可動電極、これに対向した上下のシリ
コン板１０８と１１０を固定電極とする静電容量式の検
出部構造体である。プラスチック材料からの熱応力によ
るビーム１０７と上下のシリコン基板１０８および１１
０の変形を極少化できれば、加速度センサの温度特性を
改善することができる。このためには、上下のシリコン
板を厚くして検出部構造体の全体形状をサイコロのよう
に立方体に近い形にし、ビーム固定端の接合寸法を十分
に大きくすれば良い。検出部構造体の横幅、即ち中央シ
リコン板１０９の横幅寸法をＬとすると、熱応力緩和機
構としてシリコン板１０８の厚さＴｕおよびシリコン板
１１０の厚さＴｄを少なくとも横幅寸法Ｌの半分以上に
することが有効であった。また、ビーム１０７の固定端
側における中央のシリコン板１０９と上下のシリコン板
１０８および１１０との間の接合寸法Ｗは少なくとも横
幅寸法Ｌの１０％以上にすることも極めて有効であっ
た。

【００１８】本発明による検出部構造体の熱応力緩和機
構の他の実施例を図１４に示す。シリコン板１０８，１
０９および１１０が厚さ約数十ミクロンのガラス層１１
３および１１４を介して陽極接合で気密に接合された３
層構造よりなり、中央のシリコン板１０９にビーム１０
７で支持されたマス１０６をエッチング加工で形成した
静電容量式の検出部構造体である。マス１０６に対向し
たガラス層１１３および１１４の表面にはそれぞれ金属
薄膜よりなる固定電極１１５および１１６が形成されて
おり、それぞれシリコン板１０８および１１０と電気的
に接続されている。本検出部構造体は前図に示したもの
に対して接合方法が異なるだけであり、前図と同じ熱応
力緩和機構を適用できた。

【００１９】本発明によるモールドプラスチック部の熱
応力緩和機構の実施例を図１５に示す。プラスチック材
料部８が検出部構造体２に及ぼす熱応力を低減させるた
めには、図に示すようにプラスチック材料部８に溝ある
いは凹み１１７，１１８を設ければ良い。これらの溝は
温度特性を向上させるための熱応力緩和機構として有効
であった。

【００２０】本発明によるモールドプラスチック部の熱
応力緩和機構の他の実施例を図１６に示す。信号処理回
路１の厚さ（高さ）は約数百ミクロンであるのに対し
て、検出部構造体２は１ミリ以上と厚い場合が多い。こ
の場合の熱応力緩和機構としては、検出部構造体２の上
部のプラスチック材料８を凸型部１１９とするのが有効
である。信号処理回路１と検出部構造体２の上部のプラ
スチック材料の厚さが同じになり、フルモールド時のプ
ラスチック材料の流動性を確保できる。結果として、プ
ラスチック材料８の局所的な熱膨張係数の差異はなくな
り、プラスチック材料部８が検出部構造体２に及ぼす熱
応力を全体的に均一化することができる。本発明による
モールドプラスチック部の熱応力緩和機構の他の実施例
を図１７に示す。加速度センサを使用するシステムの装
着方法によっては、プラスチック材料部８の下部に金属
板１２０を設けて同時にフルモールドするほうが都合が
良い場合がある。このとき、プラスチック材料部８がバ
イメタル効果によって全体的にそらないようにする必要
がある。この場合の熱応力緩和機構として、プラスチッ
ク材料部８のリードフレーム下部の厚さＴpbをリードフ
レーム上部の厚さＴpaより厚くすることが有効である。

【００２１】本発明によるモールドプラスチック部の熱
応力緩和機構の他の実施例を図１８に示す。本図は信号
処理回路１と検出部構造体２の相対位置関係を示したも
のである。信号処理回路１はシリコン基板よりなるＩＣ
であり、プラスチック材料８より剛性の高い材料であ
る。この剛性の高い材料によって検出部構造体２の内部
構造が曲げなどの変形を受けないように、マス１２１を
支持するビーム１２２の固定端側を信号処理回路１の反
対側にくるように検出部構造体２を配置するのが熱応力
緩和機構として有効であった。

【００２２】本発明によるモールドプラスチック部の熱
応力緩和機構の他の実施例を図１９に示す。プラスチッ
ク材料部８の周囲に疎水性の材料１２３をコーティング
したものである。これによって、プラスチック材料部８
の吸湿による変形を防止できる故、熱応力緩和機構とし
て有効である。また、コーティング膜１２３が導電性も
しくは半導電性の材料であれば、加速度センサは外部か
らの電気的なノイズの影響を受けにくくなる。

【００２３】本発明によるフルモールド型加速度センサ
の実装方法の他の実施例を図２０に示す。本図は信号処
理回路と検出部構造体を一体に集積化したもので、１２
４は集積化検出部構造体を示している。このような場合
でも、これまでに述べてきた検出部構造体およびプラス
チック材料部の熱応力緩和機構の手法がそのまま適用で
きる。

【００２４】本発明によるフルモールド型加速度センサ
の実装方法の他の実施例を図２１に示す。電源や出力端
子であるリードフレーム４を厚く、例えば０.５ミリ以
上にしてリードフレームの剛性を上げれば、このリード
フレーム４を介して加速度センサを各種自動車応用シス
テムのコントロールユニットへ直接的に表面実装するこ
とができる。

【００２５】本発明によるフルモールド型加速度センサ
の実装方法の他の実施例を図２２に示す。良く知られた
汎用ＩＣと同じ実装方法であり、信号処理回路部１と検
出部構造体２をプラスチック材料８内に封入した後、電
源および出力端子であるリードフレーム４と出力調整端
子であるリードフレーム５を図に示すように直角に曲げ
ている。

【００２６】本発明によるフルモールド実装型加速度セ
ンサの製造工程図を図２３に示す。検出部構造体と信号
処理回路を厚さが約数十ミクロンのエポキシ接着剤でリ
ードフレームの上に接着する。検出部構造体，信号処理
回路およびリードフレーム間をワイヤボンディングで電
気的に結線した後、これらをモールド治具内に装着し、
１７０℃，７０気圧の雰囲気下でプラスチックをモール
ドする。次に、本モールド品のリードフレームの外枠を
切断によって除去し、電源，出力端子および調整端子を
各々電気的に分離する。調整端子を利用して、加速度セ
ンサの出力特性をディジタル的に調整する。最後に、製
品としての検査を行う。

【００２７】信号処理回路の概略構成を図２４に示す。
信号処理回路１は検出部構造体２における静電容量の変
化（あるいは歪ゲージの抵抗値変化）を検出する部分１
２５，前記検出部の信号を増幅する部分１２６およびゼ
ロ点や感度などの特性を調整して出力信号Ｖｏを出力す
る部分１２７よりなる。

【００２８】本発明によるフルモールド実装型加速度セ
ンサの温度特性の評価結果の一例を図２５に示す。本図
は測定範囲が０〜±５０Ｇ用の加速度センサの感度誤差
を示したものである。ここで、１Ｇ＝９.８ｍ／ｓ²であ
る。図２に示した検出部構造体を図１８に述べた手法で
モールドしたときの温度特性を対策後として記載した。
−４０℃〜＋８５℃の広い温度範囲で、感度誤差は±１
％以下と高精度であった。対策前と記載したものは本発
明による熱応力緩和機構を何ら適用しなかった場合であ
り、感度誤差は約±２５％と大きかった。なお、測定範
囲が０〜±１Ｇと小さい加速度センサについても、本発
明による熱応力緩和機構の効果を確認した。マスを支持
するビーム系の最適なバネ定数を測定範囲に合致させる
ことにより、測定範囲にあまり係り無く温度特性を図２
５のように改善することができた。

【００２９】

【発明の効果】前述したように、本発明により小型，低
コストで表面実装に適した高性能な加速度センサが得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるフルモールド実装型加速度センサ
の実施例を示した図。

【図２】本発明による検出部構造体の熱応力緩和機構の
実施例を示した図。

【図３】本発明による検出部構造体の熱応力緩和機構の
他の実施例を示した図。

【図４】本発明による検出部構造体の熱応力緩和機構の
他の実施例を示した図。

【図５】本発明による検出部構造体の熱応力緩和機構の
他の実施例を示した図。

【図６】本発明による検出部構造体の熱応力緩和機構の
他の実施例を示した図。

【図７】本発明による検出部構造体の熱応力緩和機構の
他の実施例を示した図。

【図８】図２に示した検出部構造体の中央シリコン板の
平面図。

【図９】本発明による検出部構造体の熱応力緩和機構の
他の実施例を示した図。

【図１０】図９に示した検出部構造体のビーム・マス系
の平面図。

【図１１】本発明による検出部構造体の熱応力緩和機構
の他の実施例を示した図。

【図１２】図１１に示した検出部構造体のビーム・マス
系の平面図。

【図１３】本発明による検出部構造体の熱応力緩和機構
の他の実施例を示した図。

【図１４】本発明による検出部構造体の熱応力緩和機構
の他の実施例を示した図。

【図１５】本発明によるプラスチック部の熱応力緩和機
構の実施例を示した図。

【図１６】本発明によるプラスチック部の熱応力緩和機
構の他の実施例図。

【図１７】本発明によるプラスチック部の熱応力緩和機
構の他の実施例図。

【図１８】本発明によるプラスチック部の熱応力緩和機
構の他の実施例図。

【図１９】本発明によるプラスチック部の熱応力緩和機
構の他の実施例図。

【図２０】本発明によるフルモールド型加速度センサの
実装方法の他の実施例図。

【図２１】本発明によるフルモールド型加速度センサの
実装方法の他の実施例図。

【図２２】本発明によるフルモールド型加速度センサの
実装方法の他の実施例図。

【図２３】本発明によるフルモールド実装型加速度セン
サの製造工程図。

【図２４】信号処理回路の概略構成図。

【図２５】本発明によるフルモールド実装型加速度セン
サの温度特性を示した図。

【符号の説明】

１…信号処理回路、２…検出部構造体、３…リードフレ
ーム、４…電源，出力端子、５…出力調整端子、６，
７，２００…導線、８…プラスチック材料部、９，６
０，６１…孔、１０…下部、１１，１３，２３，２５，
２７，３８，３９，４０，４１，４２，５１，５２，５
３，６４，６５，６６，７６，９０，１０８，１０９，
１１０…シリコン板、１２，１４，２４，２６，７５，
７７，８９…ガラス板、１５，２８，４８，５７，７
０，７９，９９，１０５,１０７,１２２…ビーム、１
６，２９，４７，５６，６９，７８，１００，１０２，
１０６，１２１…マス、１７，３２，３４，１０１，１
１５，１１６…固定電極、１８，９４，１０３…ギャッ
プ、１９，３０，３１…スルーホール、２０，３３，３
５…リード部、２１，３６，３７，４９，５０，６２，
６３，７３，７４，８１，９５…空所、２２，８４，９
６，９７…パッド、４３，４４，４５，４６，５４，５
５，６７，６８，８２，９１，１１１，１１２…熱酸化
膜、５８，５９，７１，７２…薄板、８０…歪ゲージ、
８３，９２…ポリシリコン層、８５，８６，８７，８８
…領域、９３…ビーム・マス系、９８，１０４…固定
端、１１３，１１４…ガラス層、１１７，１１８…溝，
凹み、１１９…凸型部、１２０…金属板、１２３…コー
ティング材、１２４…集積化検出部構造体、１２５…静
電容量の変化検出部、１２６…増幅部、１２７…調整
部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者市川範男茨城県勝田市大字高場字鹿島谷津2477番地３日立オートモティブエンジニアリング株式会社内 (72)発明者保川彰夫茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者佐藤雅之茨城県勝田市大字高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者梅村茂正茨城県勝田市大字高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者半沢恵二茨城県勝田市大字高場字鹿島谷津2477番地３日立オートモティブエンジニアリング株式会社内 (72)発明者鈴木政善茨城県勝田市大字高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者嶋田智茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者三木政之茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者松本昌大茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者小出晃茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン板をエッチング加工してビームで
支持されたマスを形成し、前記マスの変位をマスに対向
して配置した固定電極とマスとの間の静電容量の変化あ
るいはビームに配置した歪ゲージの抵抗値変化から加速
度を検出できる加速度検出部構造体と有し、前記検出部
構造体をプラスチック材料で完全にモールド実装する方
式の加速度センサにおいて、前記マスとビームからなる
検出部構造体自体が完全に気密構造であり、検出部構造
体とプラスチック材料との間の熱膨張係数の差による熱
応力によって引き起こされる検出部構造体自体の変形を
極小化するように検出部構造体あるいは検出部構造体を
囲むプラスチック構造体に熱応力緩和機構を設けたこと
を特徴とするフルモールド実装型加速度センサ。
【請求項２】請求項１記載の加速度センサにおいて、検
出部構造体はリードフレーム上に固定され、静電容量の
変化あるいは抵抗値変化を検出して加速度に対応した信
号を外部に出力する信号処理回路を有し、前記信号処理
回路は前記検出部構造体に一体に集積化されるかあるい
は前記検出部構造体とは別体で前記検出部構造体近傍の
リードフレーム上に固定されていることを特徴とする加
速度センサ。
【請求項３】請求項２記載の加速度センサにおいて、熱
応力緩和機構として検出部構造体におけるビームの固定
端が相対的に信号処理回路の反対側の位置にくるよう
に、検出部構造体と信号処理回路をリードフレーム上に
固定したことを特徴とする加速度センサ。
【請求項４】請求項２記載の加速度センサにおいて、リ
ードフレームからなる電源，入出力端子及び調整用端子
が外部に引き出されており、信号処理回路部に設けたデ
ィジタルメモリの内容を前記調整用端子を利用してディ
ジタル的に変更することにより、ゼロ点や感度などの出
力特性をプラスチック材料をモールドした後に調整でき
るようにしたことを特徴とする加速度センサ。
【請求項５】請求項２記載の加速度センサにおいて、熱
応力緩和機構としてリードフレーム上，下のプラスチッ
クの厚さをほぼ等しくしたことを特徴とする加速度セン
サ。
【請求項６】請求項２記載の加速度センサにおいて、リ
ードフレーム下部のプラスチック表面に金属製の板を装
着したとき、熱応力緩和機構としてリードフレーム下部
のプラスチックの厚さをリードフレーム上部のプラスチ
ックの厚さより厚くしたことを特徴とする加速度セン
サ。
【請求項７】請求項１記載の加速度センサにおいて、熱
応力緩和機構としてプラスチック部に少なくとも１個以
上の溝もしくは凹みを設けたことを特徴とする加速度セ
ンサ。
【請求項８】請求項１記載の加速度センサにおいて、プ
ラスチック表面の一部を半導電性の材料あるいは疎水性
の材料でコーティングしたことを特徴とする加速度セン
サ。
【請求項９】請求項２記載の加速度センサにおいて、電
源，入出力端子などのリードフレームを介して加速度セ
ンサを使用するシステムのコントロールユニットへ加速
度センサ自身を直接的に表面実装できることを特徴とす
る加速度センサ。
【請求項１０】請求項９記載の加速度センサにおいて、
リードフレームは水平あるいは途中でほぼ直角に曲げら
れていることを特徴とする加速度センサ。
【請求項１１】請求項１記載の加速度センサにおいて、
検出部構造体はビームで支持されたマスの変位を静電容
量の変化から検出する方式のものであり、ビームとマス
を形成した第１のシリコン板の上面と下面にそれぞれ第
１と第２のガラス板を接合し、さらに上部の第１のガラ
ス板に第２のシリコン板を接合した４層構造よりなり、
可動電極であるマスに対向した第１のガラス板の表面部
分に固定電極を配置した構造体よりなり、熱応力緩和機
構として第２のシリコン板と第１のガラス板の間に空所
を設けたことを特徴とする加速度センサ。
【請求項１２】請求項１１記載の加速度センサにおい
て、空所は第１のガラス板あるいは第２のシリコン板の
表面の少なくとも一方に加工した凹みであることを特徴
とする加速度センサ。
【請求項１３】請求項１２記載の加速度センサにおい
て、第２のシリコン板と第１のガラス板のダイシング面
からの接合寸法が第１のシリコン板と第１のガラス板の
ダイシング面からの接合寸法より小さくなるように空所
の大きさを決めたことを特徴とする加速度センサ。
【請求項１４】請求項１１記載の加速度センサにおい
て、リードフレームと直接的に固定される第２のガラス
板の厚さが検出部構造体を構成する４枚の板の中で最も
厚いことを特徴とする加速度センサ。
【請求項１５】請求項１記載の加速度センサにおいて、
検出部構造体はビームで支持されたマスの変位を静電容
量の変化から検出する方式のものであり、ビームとマス
を形成した第１のシリコン板の上面と下面にそれぞれ第
２と第３の板を接合、前記第２と第３の板の逆側の面に
それぞれ第４と第５の板を接合した５層構造よりなり、
熱応力緩和機構として前記第２と第４の板の間および前
記第３と第５の板の間に空所をそれぞれ設けたことを特
徴とする加速度センサ。
【請求項１６】請求項１５記載の加速度センサにおい
て、空所は第２と第４の板および第３と第５の板の表面
の少なくとも一方に加工した凹みであることを特徴とす
る加速度センサ。
【請求項１７】請求項１６記載の加速度センサにおい
て、第４および第５の板のダイシング面からの接合寸法
が第１の板のダイシング面からの接合寸法より小さくな
るように空所の大きさを決めたことを特徴とする加速度
センサ。
【請求項１８】請求項１５記載の加速度センサにおい
て、リードフレームと直接的に固定される第５の板の厚
さが検出部構造体を構成する５枚の板の中で最も厚いこ
とを特徴とする加速度センサ。
【請求項１９】請求項１５記載の加速度センサにおい
て、第２および第３の板はガラス板，第４および第５の
板はシリコン板で構成され、５枚の板を積層した検出部
構造体は前記５枚の板を同時に陽極接合することによっ
て組み立てられ、可動電極であるマスの両面に対向した
前記第２および第３の板の表面部分にそれぞれ固定電極
を配置したことを特徴とする加速度センサ。
【請求項２０】請求項１５記載の加速度センサにおい
て、第１，第２，第３，第４および第５の板は全てシリ
コン板で構成され、これらのシリコン板を積層した検出
部構造体はシリコンを酸化させた熱酸化膜によって高温
で接合することによって組み立てられ、可動電極である
マスと対向した前記第２と第３の板は導電性の材料であ
るためそのまま固定電極として使用することができるこ
とを特徴とする加速度センサ。
【請求項２１】請求項１記載の加速度センサにおいて、
検出部構造体はビームで支持されたマスの変位を静電容
量の変化から検出する方式のものであり、ビームとマス
を形成した第１のシリコン板の上面と下面にそれぞれ第
２と第３のシリコン板を熱酸化膜を介して接合した３層
構造よりなり、可動電極である前記マスの両面に対向し
た前記第２，第３のシリコン板の少なくとも一方に、熱
応力緩和機構として両端支持あるいは片側支持のシリコ
ン薄板よりなる固定電極をエッチング加工により形成し
たことを特徴とする加速度センサ。
【請求項２２】請求項２１記載の加速度センサにおい
て、エッチング加工前に第２，第３のシリコン板の少な
くとも一方の表面にボロンを高濃度にドープし、このド
ーピング部分によってシリコン薄板よりなる固定電極が
形成され、この薄板形状の固定電極によって前記第２，
第３のシリコン板の少なくとも一方に空所が構成されて
いることを特徴とする加速度センサ。
【請求項２３】請求項２２記載の加速度センサにおい
て、ダイシング面から空所までの距離が第１のシリコン
板のダイシング面からの接合寸法より小さくなるように
空所の大きさを決めたことを特徴とする加速度センサ。
【請求項２４】請求項２１記載の加速度センサにおい
て、３枚のシリコン板を積層した検出部構造体の中で熱
応力緩和機構として、リードフレームと固定される第３
のシリコン板の厚さが最も厚いことを特徴とする加速度
センサ。
【請求項２５】請求項１記載の加速度センサにおいて、
検出部構造体はビームで支持されたマスの変位を静電容
量の変化から検出する方式のものであり、前記ビームと
マスはシリコン板の表面を犠牲層を利用したエッチング
加工によって製作され、且つ前記シリコン板とは熱酸化
膜を介して電気的に絶縁されており、熱応力緩和機構と
して前記シリコン板の厚さを前記ビームとマスの厚さよ
り約１００倍以上厚くし、前記ビームとマスを空所内に
囲むように前記熱酸化膜の上に形成したポリシリコン層
へガラス板よりなるキャップを気密に接合したことを特
徴とする加速度センサ。
【請求項２６】請求項２５記載の加速度センサにおい
て、シリコン板自体が固定電極材料になっていることを
特徴とする加速度センサ。
【請求項２７】請求項２５記載の加速度センサにおい
て、可動電極であるマスに対向した固定電極を前記マス
と同様、犠牲層を利用したエッチング加工によって前記
シリコン板の表面に形成したことを特徴とする加速度セ
ンサ。
【請求項２８】請求項２７記載の加速度センサにおい
て、可動電極であるマスおよび固定電極は共に櫛歯の形
状を有していることを特徴とする加速度センサ。
【請求項２９】請求項１記載の加速度センサにおいて、
検出部構造体はビームで支持されたマスの変位をビーム
に形成された歪ゲージの抵抗値変化から検出する方式の
ものであり、前記ビームとマスを形成した第１のシリコ
ン板の上面と下面にそれぞれ第１，第２のガラス板を陽
極接合した３層構造よりなり、熱応力緩和機構として前
記シリコン板表面の熱酸化膜上に形成したポリシリコン
層を介して陽極接合される前記第１のガラス板の表面に
空所となる凹みを設けたことを特徴とする加速度セン
サ。
【請求項３０】請求項２９記載の加速度センサにおい
て、歪ゲージを形成したビーム固定端における第１のシ
リコン板と第２のガラス板間のダイシング面からの接合
距離が第１のシリコン板と第１のガラス板間のダイシン
グ面からの接合距離より大きいことを特徴とする加速度
センサ。
【請求項３１】請求項２９記載の加速度センサにおい
て、３層積層構造の検出部構造体において、第２のガラ
ス板の厚さが最も厚いことを特徴とする加速度センサ。
【請求項３２】請求項１記載の加速度センサにおいて、
検出部構造体はビームで支持されたマスの変位をビーム
に形成された歪ゲージの抵抗値変化から検出する方式の
ものであり、前記ビームとマスはシリコン板の表面を犠
牲層を利用したエッチング加工によって製作され、熱応
力緩和機構として前記シリコン板自体の厚さを前記ビー
ムとマスの厚さより約１００倍以上厚くし、前記ビーム
とマスを空所内に囲むように前記シリコン板の表面に形
成したポリシリコン層へガラス板よりなるキャップを気
密に接合したことを特徴とする加速度センサ。
【請求項３３】請求項１記載の加速度センサにおいて、
検出部構造体はビームで支持されたマスを有する第１の
シリコン板の上下にそれぞれ第２のシリコン板と第３の
シリコン板を気密に積層したものよりなり、熱応力緩和
機構として前記第２及び第３のシリコン板の厚さを前記
第１のシリコン板の横幅寸法の少なくとも半分以上に、
また前記第１のシリコン板と前記第２及び第３のシリコ
ン板との接合しろを前記第１のシリコン板の横幅寸法の
少なくとも１０％以上にしたことを特徴とする加速度セ
ンサ。