(57)【要約】【課題】外力に対して出力が変化しにくく、高い感度と耐衝撃性を両立できる加速度センサーを実現する。【解決手段】錘部と、錘部を取り囲む支持枠部と、錘部を支持枠部に接続して保持する可撓性を有する複数の梁部と、梁部上に設けられたピエゾ抵抗素子とそれらをつなぐ配線を有し、支持枠部とともに錘部の周囲を囲む上蓋と下蓋が支持枠部の表裏面に接合され、ピエゾ抵抗素子の抵抗変化から、接合厚さ方向の第１軸と、それに垂直な平面内の第２軸および前記平面内で第２軸に垂直な第３軸の３つの軸方向、あるいはそれらのいずれかの軸方向の加速度を検出する蓋付き加速度センサー素子であって、支持枠部は分離溝によって内枠と外枠とに分離され、上蓋および下蓋は外枠に接合され、内枠は可撓性を有する複数の内枠支持部により外枠に接続され、前記梁部は第２軸と第３軸に沿って錘部の両側に接続し、内枠支持部は第２軸と第３軸から略４５度回転した方向で内枠の両側に接続する蓋付き加速度センサー素子を構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
錘部と、錘部を取り囲む支持枠部と、錘部を支持枠部に接続して保持する可撓性を有する複数の梁部と、梁部上に設けられたピエゾ抵抗素子とそれらをつなぐ配線を有し、支持枠部とともに錘部の周囲を囲む上蓋と下蓋が支持枠部の表裏面に接合され、ピエゾ抵抗素子の抵抗変化から、上蓋、支持枠、下蓋が積層する厚さ方向の第１軸方向の加速度と、それに垂直な平面内の第２軸および前記平面内で第２軸に垂直な第３軸の少なくとも一つの軸方向の加速度を検出する蓋付き加速度センサー素子において、
前記支持枠部は分離溝によって内枠と内枠の周囲を囲む外枠とに分離され、前記上蓋および下蓋は前記外枠に接合されており、前記内枠は可撓性を有する複数の内枠支持部により前記外枠に接続して保持され、
前記梁部は、前記第２軸と第３軸の少なくとも一方に沿って錘部の両側に接続され、内枠支持部は前記第２軸と第３軸の少なくとも一方から、外枠の変形の影響を梁部に伝えにくい方向に所定角度回転して内枠の両側に接続されたことを特徴とする蓋付き加速度センサー素子。
【請求項２】
請求項１に記載された蓋付き加速度センサー素子において、前記梁部は、前記第２軸と第３軸の両方に沿って各々錘部の両側に接続され、内枠支持部は前記第２軸と第３軸の両方から、外枠の変形の影響を梁部に伝えにくい方向に所定角度回転して内枠の両側に接続されたことを特徴とする蓋付き加速度センサー素子。
【請求項３】
請求項２に記載された蓋付き加速度センサー素子において、前記梁部は、前記第２軸と第３軸の両方に沿って各々錘部の両側に接続され、内枠支持部は前記第２軸と第３軸の両方から、略４５度回転して内枠の両側に接続されたことを特徴とする蓋付き加速度センサー素子。
【請求項４】
請求項１に記載された蓋付き加速度センサー素子において、前記第１軸と第２軸の加速度を検出するとともに、前記梁部は、第２軸に沿って錘部の両側に接続し、内枠支持部は前記平面内で第２軸から略４５度回転した方向で内枠の両側に接続することを特徴とする蓋付き加速度センサー素子。
【請求項５】
請求項１に記載された蓋付き加速度センサー素子において、前記第１軸と第２軸の加速度を検出するとともに、前記梁部は、第２軸に沿って錘部の両側に接続し、内枠支持部は前記平面内で第２軸と垂直な第３軸の方向で内枠の両側に接続することを特徴とする蓋付き加速度センサー素子。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載された蓋付き加速度センサー素子において、前記内枠支持部または梁部の少なくとも一方に、圧縮応力吸収部を設けたことを特徴とする蓋付き加速度センサー素子。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載された蓋付き加速度センサー素子において、前記梁部および内枠支持部は同じ厚さを有し、かつその厚さは前記錘部および支持枠部よりも薄いことを特徴とする蓋付き加速度センサー素子。
【請求項８】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載された蓋付き加速度センサー素子において、前記内枠支持部の曲げ剛性が、前記梁部よりも高いことを特徴とする蓋付き加速度センサー素子。
【請求項９】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載された蓋付き加速度センサー素子と、制御用のＩＣチップをリードフレーム上に接着し、金属ワイヤーによりリードフレームと、ＩＣチップの電極と、蓋付き加速度センサー素子の電極の間を接続し、モールド樹脂により封止したことを特徴とする加速度センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車、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。
【背景技術】
【０００２】
加速度センサーは、自動車のエアーバッグ作動用センサーに多く用いられ、自動車が衝突した衝撃を加速度として検知する。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軸検出機能で充分であった。また、測定する加速度が非常に大きかった。最近では、加速度センサーが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、微小な加速度を検出するために高分解能で、小型であることが要求されている。
【０００３】
多くの加速度センサーは錘部や可撓部の動きを電気信号に変換する構成を採用している。これらには、錘部の動きを錘部と連結した可撓部に設けたピエゾ抵抗素子の抵抗変化から検出するピエゾ抵抗素子型、錘部の動きを固定電極との間の静電容量変化で検出する静電容量型などがある。
【０００４】
特許文献１及び特許文献２に示す従来の３軸加速度センサーについて、以下に説明する。図１１、図１２において、３軸加速度センサー１０１は、セラミック製のケース１０２内に３軸加速度センサー素子１０３と、センサー素子信号の増幅や温度補償等を行う制御用のＩＣ１０４を積層して固定し、蓋１０５とケース１０２を接合してケース１０２内に密封する。図１２に示すように、３軸加速度センサー素子１０３は樹脂接着材１０６を用いてケース１０２に固着され、ＩＣ１０４は樹脂接着材１０７を用いて３軸加速度センサー素子１０３上に固着される。
【０００５】
３軸加速度センサー素子１０３はセンサー端子１０８、ＩＣ１０４はＩＣ端子１０９、ケース１０２はケース端子１１０をそれぞれ有する。センサー端子１０８とＩＣ端子１０９、およびＩＣ端子１０９とケース端子１１０の間がワイヤー１１１で接続され、センサーの信号はケース１０２に設けたケース端子１１０と接続する出力端子１１２から外部に取り出される。蓋１０５は例えばＡｕＳｎ半田などの接着材１０２ａでケース１０２に固着される。
【０００６】
図１３に示す平面図において、３軸加速度センサー素子１０３は方形の支持枠部１１３と錘部１１４と、錘部１１４を挟んで対を成す梁部１１５とを有し、錘部１１４が２対の梁部１１５で支持枠部１１３の中央に保持されている。梁部１１５にはピエゾ抵抗素子が設けられている。
【０００７】
一対の梁部１１５にはＸ軸ピエゾ抵抗素子１１６とＺ軸ピエゾ抵抗素子１１８が設けられ、他の一対の梁部１１５にはＹ軸ピエゾ抵抗素子１１７が設けられている。一対の梁部１１５の各付根部４ヶ所にピエゾ抵抗素子を配し、これらを配線でつないでブリッジ回路を構成してピエゾ抵抗素子の均一な抵抗変化をキャンセルし、またブリッジ回路の接続の仕方を変えてＸおよびＹ軸とＺ軸の加速度を分離して検出する。また、支持枠部１１３上にはセンサー端子１０８が配列されている。
【０００８】
ブリッジ回路による加速度検出の原理について図１４Ａ〜１４Ｄを用いて説明する。図１４Ａ、図１４Ｂはそれぞれ、Ｘ方向とＺ方向に加速度がかかったときの錘部１１４の動きをＸＺ断面で示している。例えば図１４ＡのようにＸ方向に加速度が与えられたとき、錘部１１４は上端中央近傍を中心に回転し、梁部１１５が変形する。梁部１１５の変形に伴って、梁部１１５上面に設けられた４つのＸ軸ピエゾ抵抗素子Ｘ１〜Ｘ４に加わる応力が変化し、抵抗も変化する。この場合、Ｘ１、Ｘ３に引張応力、Ｘ２、Ｘ４に圧縮応力が加わり、図１４Ｃに示すＸ軸検出用ブリッジ回路の中点電位に差が生じ、加速度の大きさに応じた出力が得られる。一方、図１４Ｂに示すようにＺ方向の加速度が掛かった場合には、ピエゾ抵抗素子Ｚ２、Ｚ３に引張応力、Ｚ１、Ｚ４に圧縮応力が加わり、図１４ＤのＺ軸検出用ブリッジ回路により出力が得られる。
【０００９】
Ｘ軸ピエゾ抵抗素子Ｘ１〜Ｘ４と、Ｚ軸ピエゾ抵抗素子Ｚ１〜Ｚ４は同じ梁部１１５上に形成されるが、ブリッジ回路の構成が異なるため例えばＸ方向加速度に対して図１４Ａのように梁部１１５が変形しても、図１４ＤのＺ軸検出用ブリッジ回路では抵抗変化がキャンセルされ、出力は変化しない。これにより、Ｘ軸加速度とＺ軸加速度を分離して検出することができる。Ｙ軸加速度の検出は、Ｘ軸と同様にＸ軸と直交するもう一対の梁部１１５に形成したピエゾ抵抗素子で行う。
【００１０】
一方、特許文献３に示すように、半導体実装技術でよく用いられている樹脂製の保護パッケージ技術を用いて、小型かつ安価な加速度センサーを実現する方法が知られている。その方法では、可動部を有する３軸加速度センサー素子１０３をモールド樹脂から保護するため、３軸加速度センサー素子の上下に蓋を接合して封止する技術が用いられる。
【００１１】
図１５Ａは、この方法で上下に蓋を接合した３軸加速度センサー素子の組み立て構造の断面図を、図１５Ｂは３軸加速度センサー素子１２０の平面図を示す。３軸加速度センサー素子１２０の上下に上蓋１２１および下蓋１２２を接合し、３軸加速度センサー素子１２０の可動部を密閉空間内に封止する。３軸加速度センサー素子１２０と上蓋１２１および下蓋１２２との接合は、金属接合や陽極接合など様々な方法があるが、ここでは一例として金属接合を示す。
【００１２】
図１５Ｂに示すような接合金属領域１２３を３軸加速度センサー素子１２０の表裏両面に形成しておく。上蓋１２１および下蓋１２２にも接合金属領域を形成し、これらを重ねあわせ、加圧、加熱して接合する。この接合工程は、シリコンウエハから３軸加速度センサー素子１２０を個片化する前に、３軸加速度センサー素子１２０が多数形成されたシリコンウエハと、同じピッチで上蓋１２２を多数形成した上蓋シリコンウエハ、下蓋１２３を多数形成した下蓋シリコンウエハとを接合する。この行程をウエハレベルパッケージ（Ｗａｆｅｒ  Ｌｅｖｅｌ  Ｐａｃｋａｇｅ：以後ＷＬＰと表記する）と称する。ＷＬＰで密閉空間を形成後、ダイシングによって個々のチップに個片化する。以後、ＷＬＰにより封止した後に個片化したチップを蓋付き加速度センサー素子１２４と表記する。
【００１３】
次いで、樹脂でパッケージに組み立てられた３軸加速度センサー１２５について図１６の断面図を用いて説明する。リードフレーム１２６上に、制御用のＩＣ１２７を、ＩＣ１２７の上に蓋付き加速度センサー素子１２４をそれぞれ接着材１２８、１２９で固定する。蓋付き加速度センサー素子１２４のセンサー端子１３０とＩＣ１２７のＩＣ端子１３１をワイヤー１３２を用いて接続し、同じくＩＣ端子１３１とリードフレーム１２６の端子間をワイヤーで接続する。蓋付き加速度センサー素子１２４とＩＣ１２７、リードフレーム１２６が組み立てられた構造体を、トランスファーモールド法を用いモールド樹脂１３３でモールドする。金型内で樹脂を硬化させた後、金型から取り出し３軸加速度センサー１２５が得られる。複数の３軸加速度センサーを樹脂モールドまで一括して処理し、金型から離型後にダイシングして個々の３軸加速度センサーに分離する方法も取られる。
【００１４】
上記のＷＬＰと樹脂モールドパッケージを用いた加速度センサーでは、シリコンウエハの段階で、３軸加速度センサー素子１２０の可動部を保護することができるので、以後の工程において取り扱いが容易であり、厳しい異物管理を必要としない。また、３軸加速度センサー素子１２０の可動部が守られているため、トランスファーモールド法により周囲を封止することができる。こうして高価なセラミックパッケージを用いることなく、従来のＩＣチップによく用いられる樹脂モールドパッケージの技術でパッケージ組み立てができ、小型で安価な３軸加速度センサーを実現できる。
【００１５】
しかしながら、図１６に示す３軸加速度センサー１２５には、図１２に示す３軸加速度センサー１０１と比べて、以下の課題がある。
【００１６】
３軸加速度センサー１２５に用いられるモールド樹脂やリードフレームは、蓋付き加速度センサー素子の材料であるシリコンと熱膨脹係数が異なるため、温度変化により熱応力が発生し蓋付き加速度センサー素子に外力が加わり、ピエゾ抵抗を変化させてしまう。また、３軸加速度センサー１２５を、センサーを実装する対象製品の製品基板に半田接合して搭載すると、製品基板の熱膨脹の影響が半田接合部を介して３軸加速度センサー１２５および蓋付き加速度センサー素子へと伝わる。
【００１７】
図１２に示したセラミックパッケージの３軸加速度センサー１０１では、パッケージ内部の空間内に３軸加速度センサー素子１０３が保持されているので、樹脂１０７を柔軟な材料とすることで、製品基板からの力が３軸加速度センサー素子１０３に伝わりにくくすることができた。
【００１８】
一方、図１６に示した樹脂でパッケージされた３軸加速度センサー１２５では、蓋付き加速度センサー素子１２４がモールド樹脂１３３に周囲を覆われているため、製品基板からの力が３軸加速度センサー素子１２０に伝わりやすい。３軸加速度センサー素子１２０に外部から力が加わったとき、各軸の４つのピエゾ抵抗素子に均一でない応力変化がもたらされると、出力のゼロレベルが変動してセンサーの出力が変化してしまう（以後、このゼロレベルの変動をオフセット変化と表記する）。
【００１９】
加速度センサーの温度変化に対するオフセット変化は、製品基板への搭載前には検出用ＩＣにより補正が可能である。しかし、製品実装時に製品基板からの力の影響を受けると、様々な対象製品の製品基板に搭載された場合に、温度に対する変化の特性が変わってしまうという結果をもたらす。
【００２０】
配線基板や保護パッケージからの外力が蓋付き加速度センサー素子１２４に加わる場合、蓋付き加速度センサー素子１２４がパッケージの中心付近に配置されていれば、外力による変形はほぼ左右対称になり、Ｘ軸およびＹ軸の出力は変化しない。
【００２１】
しかしながら、枠部に近いピエゾ抵抗素子（以降は枠側ピエゾ抵抗素子と表記する）と、錘部に近いピエゾ抵抗素子（以降は錘部側ピエゾ抵抗素子と表記する）の間で差が生じると、Ｚ軸の出力が変化してしまう。
【００２２】
外力の影響に対し出力を変化しにくくする加速度センサーについて特許文献４に記載がある。フレーム体に応力分離溝を形成して外フレームと内フレームに分離し、両者を可撓性を有する応力緩和梁で接続する。外フレームは支持基板に接続され、内フレームは部分的な接合部により支持基板に接合される。支持基板、外フレームとともに内フレームおよび錘部を包囲する蓋体が外フレームに接合される。内フレームの支持基板との接合面積を比較的小さく抑え、外フレームとは応力緩和梁で接続しているので、外フレームや支持基板に熱応力が発生しても、内フレームを変形させにくく、出力のばらつきを生じにくくできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】特開２００３−１７２７４５号公報
【特許文献２】特開２００６−０９８３２１号公報
【特許文献３】特開平１０−１７０３８０号公報
【特許文献４】特開２００５−３３７８７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
一般に、感度のよい加速度センサーを実現するために錘部の重量に対して梁部の剛性を低く設計しているため、梁部は衝撃などに対して破壊しやすくなる。前記ＷＬＰにて封止した蓋付き加速度センサー素子においては、上蓋および下蓋が錘部の過度な変位を規制するストッパーの役割を果たしている。高い耐衝撃性を得るには、錘部と上蓋および下蓋との間のギャップを非常に小さくすると、錘部が加速する前に蓋に衝突するため衝突時の発生応力を小さくすることができる。また、ギャップが小さいほど空気ダンピング作用を大きくできる。空気ダンピング作用の増加は、センサーの共振によるノイズを低減する効果もある。
【００２５】
特許文献４の加速度センサーにおいては、内フレームが１点で支持基板に接合されているため、支持基板が反り変形すると内フレームが接合部を基点に変位し、支持基板あるいは蓋体と接触しやすくなるという課題がある。近年、加速度センサー全体の厚さを薄くする顧客要求が強いが、そのために支持基板を薄くすると反り変形しやすくなるので、上記課題の影響が大きくなる。本発明の目的は、外力に対して出力が変化しにくく、高い感度と耐衝撃性を両立できる加速度センサーを実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明は、錘部と、錘部を取り囲む支持枠部と、錘部を支持枠部に接続して保持する可撓性を有する複数の梁部１３と、梁部１３上に設けられたピエゾ抵抗素子とそれらをつなぐ配線を有し、支持枠部とともに錘部の周囲を囲む上蓋と下蓋が支持枠部の表裏面に接合され、ピエゾ抵抗素子の抵抗変化から、上蓋、支持枠、下蓋が積層する厚さ方向の第１軸方向の加速度と、それに垂直な平面内の第２軸および前記平面内で第２軸に垂直な第３軸の少なくとも一つの軸方向の加速度を検出する蓋付き加速度センサー素子において、
前記支持枠部は分離溝によって内枠と内枠の周囲を囲む外枠とに分離され、前記上蓋および下蓋は前記外枠に接合されており、前記内枠は可撓性を有する複数の内枠支持部により前記外枠に接続して保持され、前記梁部は、前記第２軸と第３軸の少なくとも一方に沿って錘部の両側に接続され、内枠支持部は前記第２軸と第３軸の少なくとも一方から、外枠の変形の影響を梁部に伝えにくい方向に所定角度回転して内枠の両側に接続されたことを特徴とする。
【００２７】
上記の構成により、内枠が外枠および上蓋、下蓋から分離しており、可撓性を有する内枠支持部により支持されているので、樹脂パッケージに組み立てた際の熱応力、および製品基板に実装した際の熱応力などで、外枠および上蓋、下蓋に外力が加わって変形しても、その変形が内枠に伝わりにくく、出力変化を起こしにくい。外枠の変形は、内枠支持部を通して内枠に多少は伝わるが、内枠支持部は、梁部に対して影響を伝えにくい方向に配置されているため、内枠支持部付近の内枠の変形は、梁部上のピエゾ抵抗素子の応力に変化を及ぼしにくい。
【００２８】
また、内枠が周囲四方から支持された場合は、対称性がよいので外枠が変形した際に内枠の上蓋および下蓋との相対変位を小さく抑えられ、錘部と上蓋および下蓋とのギャップを小さくできる。そのため、加速度センサーに衝撃が加わったとき、錘部が上蓋あるいは下蓋に衝突するまでの距離が短く加速しにくい効果と、空気ダンピングを大きくできる効果とで、梁に発生する応力を小さくすることができ、耐衝撃性を高くできる。また、空気ダンピングを大きくできることで、高周波の振動を抑えることができ、錘部の共振の振動を抑えられ、ノイズを小さくできる効果もある。
【００２９】
前記梁部は、第２軸に沿って錘部の両側に接続し、第１軸と第２軸の２つの軸方向を検出する蓋付き加速度センサー素子とし、内枠支持部は第２軸から略４５度回転した方向に内枠１５の両側に接続する構成としてもよい。梁部を第２軸方向のみに有する２軸検出の加速度センサー素子においても、同様の効果が得られる。
【００３０】
前記梁部は、第２軸に沿って錘部の両側に接続し、第１軸と第２軸の２つの軸方向を検出する蓋付き加速度センサー素子とし、内枠支持部は第２軸と垂直な第３軸に沿って内枠の両側に接続する構成としてもよい。梁部を第２軸方向のみに有する２軸検出の加速度センサー素子においては、内枠支持部は第３軸に沿って配置することで、最も遠い配置となり、外枠の変形の影響を梁部により伝えにくくすることができる。
【００３１】
また望ましくは、梁部および内枠支持部は同じ厚さで、錘部および支持枠部よりも薄くする。加速度センサーの感度を高くするには、錘部を重くし、梁部の剛性を低くすることが望ましい。薄いシリコン層と厚いシリコン層から構成し、梁部を薄いシリコン層のみに、錘部を薄いシリコン層と厚いシリコン層に渡って形成することで、そうした構成を実現しやすい。支持枠部は十分な剛性が必要なので錘部と同様にし、内枠支持部は可撓性が必要なので、梁部と同様に形成するとよい。
【００３２】
また望ましくは、内枠支持部の曲げ剛性は、梁部よりも高くする。梁部の剛性と錘部の重量とから決まる錘部共振周波数と、内枠支持部の剛性と内枠および錘部の合計した重量とから決まる内枠共振周波数を比較したとき、内枠共振周波数が錘部共振周波数と比べて十分に高いことが望ましい。そうでなければ、比較的早い加速度変化に対して、内枠が錘部と一緒に変位して梁部の変形が妨げられ、正しい感度が得られない恐れがある。少なくとも内枠の共振周波数が錘部の共振周波数よりも高くなるように内枠支持部の形状を決めるのがよい。
【００３３】
また上記の蓋付き加速度センサー素子を、制御用のＩＣチップとともにリードフレーム上に接着し、金属ワイヤーによりリードフレームと、ＩＣチップの電極と、蓋付き加速度センサー素子の電極の間を接続し、モールド樹脂により封止した加速度センサーを構成する。加速度センサーの下面に露出したリードフレーム表面に半田を形成し、製品基板に半田リフローで容易に実装できる加速度センサーを構成できる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明の加速度センサーによれば、梁部の内枠との接続部からなるべく遠い位置に内枠支持部の内枠との接続部を配置することによって、加速度センサーを樹脂パッケージに組み立てた際の熱応力、および製品基板に実装した際の熱応力などの外力の影響による出力変化を抑えることができる。また、錘部と蓋との間のギャップが上記応力により狭まるのを抑えることができ、ギャップを小さくできるため、耐衝撃強度を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施例における加速度センサー素子の構造を示す平面図である。
【図２】蓋付き加速度センサー素子の構造を示す図１のｋ−ｋ線断面図である。
【図３】蓋付き加速度センサー素子の構造を示す図１のｍ−ｍ線断面図である。
【図４】樹脂パッケージに組み立てた加速度センサーを製品基板に実装した状態を示す模式図である。
【図５】リング形状梁部を有する加速度センサー素子を示す平面図である。
【図６】リング形状内枠支持部を有する加速度センサー素子を示す平面図である。
【図７】支持枠部に対して梁部および内枠支持部を略４５度回転した加速度センサー素子を示す平面図である。
【図８】内枠支持部を１方向のみに配置した加速度センサー素子を示す平面図である。
【図９】梁部を１方向のみに配置した加速度センサー素子を示す平面図である。
【図１０】梁部と内枠支持部を互いに垂直な方向に配置した加速度センサー素子を示す平面図である。
【図１１】従来の３軸加速度センサーを説明する分解斜視図である。
【図１２】従来の３軸加速度センサーを説明する断面図である。
【図１３】従来の３軸加速度センサー素子構造の一例を示す平面図である。
【図１４Ａ】従来の３軸加速度センサー素子の検出原理の説明図である。
【図１４Ｂ】従来の３軸加速度センサー素子の検出原理の説明図である。
【図１４Ｃ】従来の３軸加速度センサー素子の検出原理の説明図である。
【図１４Ｄ】従来の３軸加速度センサー素子の検出原理の説明図である。
【図１５Ａ】蓋で封止した従来の３軸加速度センサー素子を示する断面図である。
【図１５Ｂ】蓋で封止した従来の３軸加速度センサー素子を示する平面図である。
【図１６】従来の３軸加速度センサーの保護パッケージを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、図面を参照しながら発明の一実施例における加速度センサーについて説明する。
【実施例１】
【００３７】
図１は、実施例１の蓋付き加速度センサー素子３０における加速度センサー素子１０の構造を示す平面図である。図２および図３は実施例１の蓋付き加速度センサー素子３０の断面図で、図２は図１のｋ−ｋ断面図、図３は図１のｍ−ｍ断面図である。
【００３８】
実施例１の蓋付き加速度センサー素子１０は、例えば従来例の図１６に示した樹脂製の保護パッケージに組み立てられる加速度センサーなどに適用できる。そこで実施例１では特に蓋付き加速度センサー素子３０を中心に詳細に説明する。
＜基本構造＞
実施例１の加速度センサー素子１０は、支持枠部１１内に、錘部１２が、可撓性を有する４本の梁部１３によって四方から支持されている。支持枠部１１は第１分離溝１４により内枠１５とそれを取り囲む外枠１６に分離されており、梁部１３は内枠１５に接続している。内枠１５は内枠支持部１７により四方から外枠１６に保持されている。錘部１２は、第２分離溝２９により内枠１５から分離され、４つの本体部と、本体部および梁部１３と接続する中間部とからなる。
【００３９】
４本の梁部１３をそれぞれ第１梁部１３ａ、第２梁部１３ｂ、第３梁部１３ｃ、第４梁部１３ｄと表記する。図１における加速度センサー素子１０では、図１３で説明したように、梁部１３の付根付近にピエゾ抵抗素子Ｐを形成した。Ｘ軸方向に伸びる第１梁部１３ａと第２梁部１３ｂにＸ軸とＺ軸方向の加速度を検知するためのピエゾ抵抗素子Ｐを配置し、Ｙ軸方向に伸びる第３梁部１３ｃと第４梁部１３ｄにＹ軸方向の加速度を検知するためのピエゾ抵抗素子Ｐを配置した。Ｚ軸用は第３梁部１３ｃと第４梁部１３ｄに配置しても構わない。各ピエゾ抵抗素子Ｐは、図１４に示したブリッジ回路を形成するように、図示していない配線により接続した。配線は内枠支持部１７上を通して外枠１６上へ引き出され、外枠１６上に形成された電極パッド１８に接続する。
【００４０】
加速度センサー素子１０のピエゾ抵抗素子Ｐを形成した側の面には、上蓋１９が接合される。外枠１６上の上蓋接合領域２０に合わせて、接合部材２１を用いて接合する。同様に、反対側の面には下蓋２２が接合材２３を用いて接合される。上蓋１９および下蓋２２は外枠１６のみに接合されており、外枠１６、上蓋１９、下蓋２２で内枠１５の周囲を取り囲むようになっている。
＜製造方法＞
加速度センサー素子１０の製造方法を、図２を参照しながら簡単に説明する。加速度センサー素子１０は、約４００μｍ厚のシリコン層に約１μｍのシリコン酸化層を挟んで約６μｍのシリコン層を有するＳＯＩウエハを使用して加工した。シリコン酸化膜層はドライエッチングのエッチングストップ層として用い、構造体は２層のシリコン層に形成した。以下、薄い方の第１シリコン層を第１層２４、厚い方の第２シリコン層を第２層２５と称し、シリコン酸化膜層と接合していない第１層の表面を第１面２６、第２層の表面を第２面２７、シリコン酸化膜層を介した接続面を第３面２８と称す。
【００４１】
半導体ピエゾ抵抗素子の形状をフォトレジストでパターニングし、第１面２６にボロンを１〜３ｘ１０１８原子／ｃｍ３の濃度で打ち込み、半導体ピエゾ抵抗素子を形成した。同様に、ピエゾ抵抗素子よりも高濃度でボロンを打ち込んだＰ型配線をピエゾ抵抗素子に接続するように形成した。さらに、第１面２６にシリコン酸化膜を形成しピエゾ抵抗素子を保護した。シリコン酸化膜上にアルミニウム系金属をスパッタリングして金属配線を形成し、シリコン酸化膜に形成したスルーホールを介して、Ｐ型配線と接続した。ピエゾ抵抗素子上に形成したシリコン酸化膜は、第１層２４のシリコンと金属配線間の絶縁膜としても働く。さらにその上に、金属配線上の保護膜として、窒化シリコン膜を化学気相蒸着により形成した。シリコン酸化膜、金属配線、窒化シリコン膜はフォトリソグラフィにより所望の形状に加工した。
【００４２】
次に、第１面２６にフォトレジストパターンを形成した後、ドライエッチングにより図１に示した形状、すなわち梁部１３と内枠支持部１７を残して、内枠１５と外枠１６を分離する第１分離溝１４と、錘部と内枠１５を分離する第２分離溝２９を加工した。さらに、第２面２７にフォトレジストパターンを形成した後、ドライエッチングにより第１分離溝１４と第２分離溝２９を加工した。第１層２４と第２層２５との間に残ったシリコン酸化膜層の露出した部分をウェットエッチングで除去し、第１分離溝１４と第２分離溝２９はＳＯＩウエハを貫通する。以上の製造工程により、錘部１２と内枠１５、外枠１６は、第１層２４から第２層２５にかけて形成される。また、梁部１３と内枠支持部１７は第１層２４に形成される。
【００４３】
次に、ＷＬＰ技術によって加速度センサー素子１０の表裏面に、シリコンからなる上蓋１９および下蓋２２を金属接合で接合して封止した。そのため、加速度センサー素子には、上記ドライエッチング工程の前に、金属接合に用いる金属薄膜をウエハの第１面２６および第２面２７に形成しておき、蓋となるウエハ２枚には同様の金属薄膜と金属半田を設けておき、３枚のウエハを重ねて加圧、加熱して接合した。金属半田には金−錫合金を用いた。
【００４４】
次に上蓋１９および下蓋２２を研削して全体を薄くした。上蓋１９には、加速度センサー素子１０と接合される面側に、研削後の上蓋の厚さより深く溝を形成しておき、研削後に加速度センサー素子１０の電極パッド１８が露出するようにする。下蓋２２側には上記溝は不要だが、上蓋１９と同じ構造に合わせてもよい。また、上蓋１９および下蓋２２には、加速度センサー素子１０と接合される面側の錘部１２と向かい合う部分に、キャビティを形成しておく。錘部１２と上蓋１９および下蓋２２との間のギャップ３１は、上記キャビティの深さ（キャビティ深さ３２）と接合材の厚さ（接合材厚さ３３）の和となる。接合材厚さ３３をそのままギャップ３１にしてよい場合は、上記キャビティを形成する必要はない。
【００４５】
以上の研削工程までをウエハの状態で行い、最後にダイシングして、個々の蓋付き加速度センサー素子３０に分離した。以上の製造工程により、外枠１６および上蓋１９、下蓋２２によって構成される気密容器の中に、内枠１５および錘部１２が支持された蓋付き加速度センサー素子３０を得た。
＜樹脂パッケージ構造＞
図４に実施例１の蓋付き加速度センサー素子３０を樹脂パッケージに組み立てた加速度センサー４０を、製品基板４９に実装した加速度センサー実装構造体４１の断面模式図を示す。制御用のＩＣチップ４２をリードフレーム４３上に接着材４４で接着し、ＩＣチップ４２の上に蓋付き加速度センサー素子３０を接着材４５で接着し、蓋付き加速度センサー素子３０の電極パッド１８とＩＣチップ４２の電極パッド４６間、およびＩＣチップ４２の電極パッド４６とリードフレーム４３間をワイヤーボンディングにより金属ワイヤー４７で接続した後、全体をモールド樹脂４８で封止して加速度センサー４０を得た。接着材４４および４５には、ダイシングテープと接着材を兼ねたダイアタッチフィルム（ＤＡＦ）が利用できる。加速度センサー４０の下面に露出したリードフレーム表面に半田めっきを施し、製品基板４９に半田５０で接合し、加速度センサー実装構造体４１を得た。
＜内枠支持部＞
本発明の蓋付き加速度センサー素子３０は、図２に示すように、内枠１５が外枠１６および上蓋１９、下蓋２２から分離しており、図１に示すように、可撓性を有する内枠支持部１７により対角方向の４箇所で外枠１６に支持されているのみである。そのため、樹脂パッケージに組み立てた際の熱応力、および製品基板に実装した際の熱応力などで、外枠１６および上蓋１９、下蓋２２に外力が加わって変形しても、その変形が内枠１５に伝わりにくく、出力変化を起こしにくい。外枠１６の変形は、内枠支持部１７を通して内枠１５に多少は伝わるが、内枠支持部１７は、梁部１３に対して対角の方向に配置しているため、内枠支持部１７付近の内枠１５の変形は、梁部１３上のピエゾ抵抗素子の応力に変化を及ぼしにくい。
【００４６】
図１において、外力によるピエゾ抵抗素子の応力変化は、梁部１３に長手方向に圧縮・引張がかかったり、梁部１３が反らされたりすることで発生しやすい。また、梁部１３の接続部付近で内枠１５の応力が変化すると、内枠１５に近い側のピエゾ抵抗素子のみが変化して、錘部に近い側のピエゾ抵抗素子があまり変化しないので、Ｚ軸のオフセット変化を発生しやすい。実施例１では、内枠支持部１７の接続部は梁部１３の接続部から離れており、外力により内枠１５にもたらされる応力変化は梁部１３に直接影響を及ぼすものではないので、出力変化を非常に小さくできる。
＜内枠支持部の剛性＞
加速度センサーの応答性を確保するため、内枠支持部１７は梁部１３と比べて剛性を高くすることが望ましい。梁部１３の剛性と錘部１２の重量とから決まる錘部共振周波数と、内枠支持部１７の剛性と内枠１５および錘部１２の合計した重量とから決まる内枠共振周波数を比較したとき、内枠共振周波数が錘部共振周波数と比べて十分に高いことが望ましい。そうでなければ、比較的早い加速度変化に対して、内枠１５が錘部と一緒に変位して梁部１３の変形が妨げられ、正しい感度が得られなくなる。周波数特性の位相特性とゲイン特性が、互いに連成しない程度に離れるように、内枠支持部１７の形状を決めることが望ましい。
＜内枠の対称支持＞
また、実施例１は内枠１５が周囲四方から支持されているので対称性がよい。内枠１５が、例えば１つの内枠支持部１７で支持されていたり、内枠１５の一点で下蓋２２に接続されていたりすると、外枠１６および下蓋２２の変形に対して、内枠１５が片持ちで変位するため、上蓋１９および下蓋２２との相対変位が大きくなりやすい。すると内枠１５および錘部１２が上蓋１９および下蓋２２と接触してしまわないように、ギャップを大きくする必要がある。本実施例では、内枠１５が周囲四方から支持されているので、上蓋１９および下蓋２２との相対変位を小さく抑えられ、上記ギャップを小さくできる。そのため、加速度センサーに衝撃が加わったとき、錘部１２が上蓋１９あるいは下蓋２２に衝突するまでの距離が短く加速しにくい効果と、空気ダンピングを大きくできる効果とで、梁部１３に発生する応力を小さくすることができ、耐衝撃性を高くできる。また、空気ダンピングを大きくできることで、高周波の振動を抑えることができ、錘部１２の共振の振動を抑えられ、ノイズを小さくできる効果もある。
＜蓋体の接合＞
さらに、実施例１は内枠１５を下蓋２２に接合する場合と比べて製造工程が容易である。上記のように、上蓋１９と下蓋２２を金属半田で接合する際には、加圧しながら加熱する必要があるが、内枠１５を下蓋２２のみと接合しようとすると、内枠１５は外枠１６に柔軟に接続されているため、内枠１５の接合部に十分な加圧力を与えることができない。そのため、まず加速度センサー素子１０と下蓋２２を接合し、その後上蓋１９を接合というように２段階にせざるを得ず、加速度センサー素子１０と下蓋２２の接合の際には、壊れやすい加速度センサー素子１０の表面を直接加圧しなくてはならなくなる。実施例１のように、接合部が外枠１６のみにあり、上蓋１９の接合部と下蓋２２の接合部の位置が重なっていれば、接合部に十分な加圧力を与えることができる。
【実施例２】
【００４７】
図５は実施例２の加速度センサー素子１０の構造を示す平面模式図である。梁部１３の中央に、圧縮応力吸収部としてリング部５１を設けた形状とした。加速度センサー素子１０の表面に形成するシリコン酸化膜などはシリコンよりも熱膨張係数が小さく、また成膜時に例えば９５０℃程度の高温でアニールを行うため、常温まで冷却される際に熱応力を発生する。錘部１２と内枠１５は第１層２４から第２層２５にかけて形成され、第２層２５は厚いためほぼシリコンの熱膨脹係数で収縮するが、梁部１３は第１層２４のみからなるので、シリコン酸化膜の比率が高く、熱収縮が小さくなる。そのため梁部１３は内枠１５と錘部１２の間で圧縮を受ける。センサーの感度を高くするため梁部１３を薄くすると、上記圧縮力により梁部１３が座屈して、感度の不安定増大や、大きなオフセット変化を発生する恐れがある。
【００４８】
実施例２のように梁部１３にリング部５１を設けることで、上記圧縮力を吸収し、座屈を防ぐことができ、感度の高い加速度センサー素子を設計できる。リング部５１の形状は、例えば３つのリングをつなげた形状などさまざま考えられる。圧縮力を変形により吸収できるように、またリングのＲ部などに応力集中しないように形状を決めるとよい。
＜設計例の解析結果＞
図５の実施例２における設計例を示す。加速度センサー素子１０のサイズはＸ方向１．３２ｍｍ、Ｙ方向１．１８ｍｍで、錘部のＸＹ寸法５６０μｍ、梁部１３は長さ２４０μｍ、ピエゾ抵抗形成部の幅２８μｍ、内枠支持部１７は長さ５０μｍ、外枠１６側の接続幅１６０μｍ、内枠１５側の接続幅１５０μｍとした。また、第１層の厚さ４μｍ、第２層の厚さ４００μｍとした。内枠１５の幅は７０μｍとした。
【００４９】
この加速度センサー素子１０を用いて樹脂パッケージに組み立てた加速度センサー４０について、厚さ０．６ｍｍの製品基板４９に実装したときの、実装前後の特性変化をＦＥＭ解析を用いて評価した。加速度センサー素子のサイズが同じで、支持枠部が外枠と内枠に分離していない従来の構造例では、実装前後のＺ軸出力変化がＺ軸感度に対する比で約２３％だったのに対して、上記の加速度センサーの設計例では約４％に抑えることができた。本設計例での錘部共振周波数はＸ、Ｙ方向２．０ｋＨｚ、Ｚ方向３．２ｋＨｚに対して、内枠共振周波数は約４６ｋＨｚとなり、内枠共振周波数が十分高く、センサー感度に影響を与えることはない。
【実施例３】
【００５０】
図６は実施例３の加速度センサー素子１０の構造を示す平面模式図である。内枠支持部１７に圧縮応力吸収部としてリング部５２を設けた形状とした。実施例２と同様に内枠支持部１７が座屈するのを防ぐ効果がある。内枠支持部１７が座屈すると、内枠１５が変位して上蓋１９あるいは下蓋２２に近づくので、ギャップ３１を小さくしにくい。内枠支持部１７にリング部５２を形成することで、座屈を防ぐことができる。また、外枠１６の変形の影響を吸収する効果があり、より出力変化しにくくすることができる。
【実施例４】
【００５１】
図７は実施例４の加速度センサー素子１０の構造を示す平面模式図である。梁部１３と内枠支持部１７の配置を略４５度回転したものである。内枠支持部１７がＸ、Ｙ軸の方向に配置され、梁部１３が内枠支持部１７に対し略４５度の方向に配置され、内枠支持部１７と梁部１３の相対的な関係は維持されている。方形状の加速度センサー素子１０の対角線方向に梁部１３を配置することで、梁部１３を長くすることができ、センサーの感度を高くしやすい。
【００５２】
また、実施例４の構造において、内枠支持部１７を２つとしてもよい。Ｙ方向の２箇所のみに内枠支持部１７を形成した例を図８に示す。本例のように、電極パッドをＹ軸に沿った１辺に沿って配置した場合、その辺のみが飛び出した形状となるので、Ｙ軸に対する対称性が悪くなっている。図４の樹脂パッケージに組み立てる際にも上記辺のみワイヤーボンディングを行うため、上記辺の側を広くとるようにシフトして配置される。以上のように、実施例４の場合、Ｘ軸に対しては対称だが、Ｙ軸に対する対称性は悪化する。そこで、内枠１５をＹ軸方向のみで外枠１６と接続することで、対称性の悪いＸ方向の変形の影響を内枠１５に伝えにくくして、梁部１３に伝わる外力の影響の対称性を向上することができる。Ｘ軸およびＹ軸に対称な変形はＸ軸出力、Ｙ軸出力には影響しないので、特にＸ軸、Ｙ軸の出力変化の抑制に効果がある。
【実施例５】
【００５３】
図９は実施例５の加速度センサー素子１０の構造を示す平面模式図である。実施例１〜４までは梁部１３を４本持つ例を示したが、梁部１３を１方向２本のみとした２軸検出の加速度センサー素子にも本発明を適用できる。実施例５では、梁部１３をＹ軸方向の２本とし、Ｙ軸方向とＺ軸方向の加速度を検出できるようにした。同様にＸ方向の２本のみとし、Ｘ軸方向とＺ軸方向を検出できるようにしてもよい。
【００５４】
また、梁部１３が２本の加速度センサー素子１０については、図１０に示すように内枠支持部１７を梁部１３に対して略９０度の方向に配置してもよい。本発明の主要な効果は、梁部１３の内枠１５との接続部からなるべく遠い位置に内枠支持部１７の内枠１５との接続部を配置することによって得られるものである。従って実施例５のように梁部１３がＹ方向の２本の場合には、内枠支持部１７はＸ方向の２つとすることで、最も遠い配置となり、外枠１６の変形の影響を梁部１３により伝えにくくすることができる。
＜変形実施例＞
本発明において、内枠支持部１７を梁部１３と略４５度の方向、あるいは略９０度の方向に配置するとしたが、正確に４５度、および９０度でなくても、梁部１３の内枠１５部との接続部から、内枠支持部１７の内枠１５との接続部が十分に離れるように配置することで同様の効果が得られる。例えば両者を４５度の方向に配置する場合、４５度±１５度の角度の範囲に対称に配置しても一定の効果がある。４５度±５度の範囲に対称に配置した場合には、要求される仕様特性によっては４５度の場合と同等に使用することができる。
【００５５】
また、第１実施例から第５実施例までで示した内枠支持部１７の配置やリング部の付加の特徴は、それぞれ組み合わせて使用できるものである。
【符号の説明】
【００５６】
１０：加速度センサー素子、  １１：支持枠部、１２：錘部、  １３  梁部、  １３ａ  第１梁部、  １３ｂ  第２梁部、  １３ｃ  第３梁部、  １３ｄ  第４梁部、  １４  第１溝部、１５  内枠、  １６  外枠、１７  内枠支持部、  １９  上蓋、２２  下蓋、２９  第２分離溝、  ３０  蓋付き加速度センサー素子、  ３１  ギャップ、  ３２  キャビティ深さ、４０  加速度センサー、  ４１  加速度センサー実装構造体、  ４２  ＩＣチップ、  ４３  リードフレーム、  ４４  接着材、  ４５  接着材、４７  金属ワイヤー、  ４８  モールド樹脂、  ４９  製品基板、５１  リング部、  ５２  リング部、  
１０１  ３軸加速度センサー、  １０２  ケース、  １０３  加速度センサー素子、  １０４  ＩＣ、  １０５  蓋、  １０６  樹脂接着材、  １０７  樹脂接着材、１１１  ワイヤー、１１３  支持枠部、  １１４  錘部、  １１５  梁部１３、  １１６  Ｘ軸ピエゾ抵抗、  １１７  Ｙ軸ピエゾ抵抗、  １１８  Ｚ軸ピエゾ抵抗、  １２０  ３軸加速度センサー素子、  １２１  上蓋、  １２２  下蓋、  １２３  接合金属領域、  １２４  蓋付き加速度センサー素子、  １２５  ３軸加速度センサー、  １２６  リードフレーム、  １２７  ＩＣ、１３２  ワイヤー、  １３３  モールド樹脂、１３４  製品基板、Ｐ  ピエゾ抵抗素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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