(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚肉部から成る質量部と、該質量部を取り囲むように配された外枠部と、該質量部と該外枠部を接続する薄肉部より成る２対の互いに直交する梁状の可撓部と、該可撓部上の直交するＸ軸及びＹ軸方向と該可撓部に垂直なＺ軸方向に対応するように設けられた各軸複数のピエゾ抵抗体で加速度を検出する３軸加速度センサであって、Ｘ軸およびＹ軸用のピエゾ抵抗体対は、それぞれのピエゾ抵抗体の片端が可撓部と外枠部の境界および可撓部と質量部の境界に一致するようにして可撓部上に配され、Ｚ軸用のピエゾ抵抗体対は、それぞれのピエゾ抵抗体の少なくとも一部が外枠部もしくは質量部上に位置するように配され、Ｘ軸およびＹ軸用のピエゾ抵抗体対間隔とＺ軸用のピエゾ抵抗体対間隔に差を設け、３軸方向の出力差を小さくしたことを特徴とするピエゾ抵抗型３軸加速度センサ。
【請求項２】
Ｚ軸用ピエゾ抵抗体対間隔とＸもしくはＹ軸用ピエゾ抵抗体対間隔の差がピエゾ抵抗体の長さＬに対し、０．６Ｌ以上１．０Ｌ以下であることを特徴とする請求項１に記載のピエゾ抵抗型３軸加速度センサ。
【請求項３】
厚肉部から成る質量部と、該質量部を取り囲むように配された外枠部と、該質量部と該外枠部を接続する薄肉部より成る２対の互いに直交する梁状の可撓部と、該可撓部上の直交するＸ軸及びＹ軸方向と該可撓部に垂直なＺ軸方向に対応するように設けられた各軸複数のピエゾ抵抗体で加速度を検出する３軸加速度センサであって、Ｘ軸およびＹ軸用のピエゾ抵抗体対は、それぞれのピエゾ抵抗体の片端が可撓部と外枠部の境界および可撓部と質量部の境界に一致するようにして可撓部上に配され、Ｚ軸用のピエゾ抵抗体対は、それぞれのピエゾ抵抗体が可撓部上に配され、Ｘ軸およびＹ軸用のピエゾ抵抗体対間隔とＺ軸用のピエゾ抵抗体対間隔に差を設け、３軸方向の出力差を小さくしたことを特徴とするピエゾ抵抗型３軸加速度センサ。
【請求項４】
Ｚ軸用ピエゾ抵抗体対間隔とＸもしくはＹ軸用ピエゾ抵抗体対間隔の差がピエゾ抵抗体の長さＬに対し、１．２Ｌ以上１．６Ｌ以下であることを特徴とする請求項３に記載のピエゾ抵抗型３軸加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、玩具、自動車、航空機、携帯端末機器等に用いられる加速度検出用の半導体加速度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のピエゾ抵抗型３軸加速度センサの構造について詳細に説明する。加速度センサの平面図を図７に、図７のＡ−Ａ’線に沿った断面図を図８に示す。シリコン単結晶基板（以下、Ｓｉ単結晶基板と言う）の厚肉部から成る質量部１とそれを取り囲むように配された外枠部３と、該質量部１および外枠部３とを接続するＳｉ単結晶基板の薄肉部より成る２対の互いに直交する梁状の可撓部２１、２１’、２２、２２’と該可撓部上の２つの直交する方向（ＸとＹ）及び該可撓部２１、２１’、２２、２２’に垂直な方向（Ｚ）に対応するように設けられた各軸複数のピエゾ抵抗体群５１と５１’、５２と５２’、６１と６１’、６２と６２’、７１と７１’、７２と７２’とから構成される。また、可撓部２１、２１’、２２、２２’は図７に符号４で示したように薄肉部に貫通穴を設けることによって梁形状とされており、変形しやすく、高感度化に向いた構造となっている。
【０００３】
加速度の検出原理は、中央の質量部１が加速度に比例した力を受けて変位したときの可撓部２１、２１’、２２、２２’の撓みを、可撓部に形成されたピエゾ抵抗体群５１と５１’、５２と５２’、６１と６１’、６２と６２’、７１と７１’、７２と７２’の抵抗値変化として検出することで３軸方向の加速度を検出するものである。ここで、可撓部２１、２１’上の４つのピエゾ抵抗素子５１、５１’、５２、５２’はＸ軸方向の加速度を、また、他の４つのピエゾ抵抗素子７１、７１’、７２、７２’は素子面に垂直なＺ軸方向の加速度を検出し、また可撓部２２、２２’上の４つのピエゾ抵抗素子６１、６１’、６２、６２’はＸ軸方向と直交するＹ軸方向の加速度を検出するように、それぞれ各軸４つのピエゾ抵抗素子は独立してブリッジ回路を構成するように結線されており、Ｘ軸においては５１と５１’および５２と５２’をそれぞれピエゾ抵抗体対と呼び、同様にＹ軸においては６１と６１’および６２と６２’、Ｚ軸においては７１と７１’および７２と７２’がピエゾ抵抗体対をなす。また、Ｘ，Ｙ軸は出力検出原理、結線方法およびピエゾ抵抗体の配置が同じであり、それぞれ他方の軸と入れ替えることができるため、以降、ＸおよびＹ軸を、特に断りの無い限りＸ軸と表記することとする。
【０００４】
従来の３軸加速度センサにおけるピエゾ抵抗体の配置について説明する。図９に示すように、Ｘ軸用ピエゾ抵抗体対とＺ軸用ピエゾ抵抗体対の片端が可撓部と外枠部の境界および可撓部と質量部の境界と一致する構造となっていた。これは可撓部が加速度を受けて撓んだとき、可撓部における外枠部および質量部近傍の部位に応力集中するため、最大のセンサ出力が得られるためである。
【０００５】
ピエゾ抵抗体が図９のように配置されている場合にはＸ軸とＺ軸の感度（加速度１Ｇ、駆動電圧１Ｖに対する出力）には、図１０に示すような関係があることが一般に知られている。Ｘ軸方向に１Ｇの加速度が加えられた場合には、可撓部に加わる曲げモーメントは、可撓部２１、２１’、２２、２２’を通る平面から質量部１の重心までの距離（ｓ１とする）と質量部の質量（ｍとする）の積で表される。従って質量部の厚さが変化した場合、曲げモーメントはｓ１およびｍに比例するため、Ｘ軸の感度は２次関数的に変化する。これに対しＺ軸方向に１Ｇの加速度が加えられた場合には、可撓部に加わる曲げモーメントは、可撓部の長さ（ｓ２とする）と質量部の質量ｍの積で表される。従って質量部の厚さが変化した場合、曲げモーメントはｍにのみ比例するため、Ｚ軸の感度は１次関数的に変化する。
【０００６】
図１０から判るように、Ｘ軸とＺ軸の出力差をなくすためには質量部の厚さを８００μｍ程度にすれば良い。しかし、半導体等で使用されるＳｉ単結晶基板の厚みは、６２５μｍと５２５μｍが主流となっているため、約８００μｍのＳｉ単結晶基板は特注となり、高コストとなるだけでなく、納期が不安定となる問題があるため、質量部の厚さによって出力調整を行うのは好ましい方法ではない。
【０００７】
【発明の解決しようとする課題】
従来の加速度センサのピエゾ抵抗体の配置では、Ｘ軸の出力と比較してＺ軸の出力が大きくなってしまう。軸間の出力差が大きい場合、出力増幅率が異なる増幅器を各軸毎に準備する必要があり、コスト高になる欠点がある。
【０００８】
Ｚ軸のピエゾ抵抗体群と他群の不純物濃度を変え、ピエゾ特性を変化させＺ軸の出力を下げてＸ軸とＹ軸の出力を同等にすることは可能である。しかしピエゾ抵抗体を形成するときに不純物の打ち込みを、Ｚ軸だけ別に行う必要があり、工程増によるコスト高となる。またＸ軸用ピエゾ抵抗体とＺ軸用ピエゾ抵抗体の温度特性が異なってしまうという問題がある。
【０００９】
Ｚ軸用ピエゾ抵抗体対間隔を変えずにピエゾ抵抗体対を可撓部長さ方向に対して平行移動させることによってもＺ軸の出力は下げることはできるが、オフセット電圧（各軸に加速度が加わっていない状態のＺ軸の出力）および他軸感度（他の軸に加速度が加わった場合のＺ軸の出力）が悪化する問題がある。
【００１０】
Ｚ軸のピエゾ抵抗体の形状を変えて、Ｚ軸の出力を下げることも可能だが、ピエゾ抵抗体の抵抗値が変わり、ブリッジバランスをとることが難しくなるため、ピエゾ抵抗体はすべて同形状であることが好ましい。
【００１１】
そこで、本発明ではＸ，Ｙ，Ｚの３軸の出力差が小さく、３軸のピエゾ抵抗体の抵抗値や温度特性が同じで、小型薄型で製造コストが安い３軸加速度センサを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明のピエゾ抵抗型３軸加速度センサは、厚肉部から成る質量部と、該質量部を取り囲むように配された外枠部と、該質量部と該外枠部を接続する薄肉部より成る２対の互いに直交する梁状の可撓部と、該可撓部上の直交するＸ軸及びＹ軸方向と該可撓部に垂直なＺ軸方向に対応するように設けられた各軸複数のピエゾ抵抗体で加速度を検出する３軸加速度センサであって、Ｘ軸およびＹ軸用のピエゾ抵抗体対は、それぞれのピエゾ抵抗体の片端が可撓部と外枠部の境界および可撓部と質量部の境界に一致するようにして可撓部上に配され、Ｚ軸用のピエゾ抵抗体対は、それぞれのピエゾ抵抗体の少なくとも一部が外枠部もしくは質量部上に位置するように配され、Ｘ軸およびＹ軸用のピエゾ抵抗体対間隔とＺ軸用のピエゾ抵抗体対間隔に差を設け、３軸方向の出力差を小さくしたことを特徴とする。
【００１３】
本発明のピエゾ抵抗型３軸加速度センサとは、平面方向の加速度と垂直方向の３方向の加速度を検出する能力を有するセンサのことを言う。３軸検出能力中の１軸を使用せずＸ軸とＺ軸もしくはＹ軸とＺ軸、Ｘ軸とＹ軸の２軸を検出するように用いることもできる。また、２軸を使用せずＸ軸もしくはＹ軸、Ｚ軸の１軸を検出するように用いることもできる。
【００１４】
ピエゾ抵抗体対の配置は、出力を最大限に得るために３軸とも、可撓部上でピエゾ抵抗体の片端が応力集中する可撓部の端部と一致させるように形成されていた。しかしこの構造ではＸ軸の出力と比較してＺ軸の出力が大きくなってしまうため、Ｘ軸用ピエゾ抵抗体対間隔に対してＺ軸用ピエゾ抵抗体対間隔が異なるようにピエゾ抵抗体を配し、Ｘ軸とＹ軸の出力レベルを保ち、Ｚ軸の出力レベルを下げることでＸ軸とＺ軸の出力差を小さくしたものである。ここで言う、ピエゾ抵抗体対間隔とは可撓部上に形成されたそれぞれの軸における一対のピエゾ抵抗体の可撓部長さ方向に対する中心間距離のことである。
【００１６】
Ｚ軸用ピエゾ抵抗体対間隔がＸ軸用ピエゾ抵抗体対間隔より大きく、Ｚ軸用ピエゾ抵抗体の少なくとも一部が外枠部と質量部上に配置されている。これはピエゾ抵抗体の一部を可撓部外に配することによりピエゾ抵抗体に不感領域を発生させ、ピエゾ抵抗体の感度を下げるものである。
【００１７】
本発明のピエゾ抵抗型３軸加速度センサは、Ｚ軸用ピエゾ抵抗体対間隔とＸもしくはＹ軸用ピエゾ抵抗体対間隔の差がピエゾ抵抗体の長さＬに対し、０．６Ｌ以上１．０Ｌ以下であることが望ましい。
【００１８】
本発明のピエゾ抵抗型３軸加速度センサは、厚肉部から成る質量部と、該質量部を取り囲むように配された外枠部と、該質量部と該外枠部を接続する薄肉部より成る２対の互いに直交する梁状の可撓部と、該可撓部上の直交するＸ軸及びＹ軸方向と該可撓部に垂直なＺ軸方向に対応するように設けられた各軸複数のピエゾ抵抗体で加速度を検出する３軸加速度センサであって、Ｘ軸およびＹ軸用のピエゾ抵抗体対は、それぞれのピエゾ抵抗体の片端が可撓部と外枠部の境界および可撓部と質量部の境界に一致するようにして可撓部上に配され、Ｚ軸用のピエゾ抵抗体対は、それぞれのピエゾ抵抗体が可撓部上に配され、Ｘ軸およびＹ軸用のピエゾ抵抗体対間隔とＺ軸用のピエゾ抵抗体対間隔に差を設けることが望ましい。
以  上
【００１９】
Ｚ軸用ピエゾ抵抗体対間隔がＸ軸用ピエゾ抵抗体対間隔より小さく、Ｚ軸用ピエゾ抵抗体は可撓部上に配され、Ｚ軸用ピエゾ抵抗体の片端が可撓部と外枠部の境界もしくは可撓部と質量部の境界と距離を有する。Ｘ軸用ピエゾ抵抗体は出力を最大限に得るために応力集中する外枠部および質量部との接続境界部にピエゾ抵抗体の片端が配されているのに対し、Ｚ軸用ピエゾ抵抗体は応力集中領域の寄与が少ない位置に配することで、Ｚ軸用ピエゾ抵抗体の感度を下げるものである。
【００２０】
本発明のピエゾ抵抗型３軸加速度センサは、Ｚ軸用ピエゾ抵抗体対間隔とＸもしくはＹ軸用ピエゾ抵抗体対間隔の差がピエゾ抵抗体の長さＬに対し、１．２Ｌ以上１．６Ｌ以下であることが望ましい。
以  上
【００２１】
本発明のピエゾ抵抗型３軸加速度センサは、次の主な工程を経て作製される。Ｓｉ単結晶基板にピエゾ抵抗体群を形成する工程。ピエゾ抵抗体はＳｉ単結晶基板にボロンを不純物としてイオン打込み法により作製される。ピエゾ抵抗体群の位置を形状はパターニングに使用するフォトマスクのマスクパターンによって決められ、可撓部上のＸ軸とＺ軸のピエゾ抵抗体対の間隔が異なるようにしておく。ピエゾ抵抗体群を保護する保護膜を形成し、ピエゾ抵抗体群とアルミ配線を導通させるためのコンタクトホールをウエットエッチング等によって形成する工程。可撓部上のピエゾ抵抗体群が３軸それぞれブリッジ回路を構成するようにアルミ配線を形成する工程。可撓部が薄い梁形状となるようにＳｉ単結晶基板を表裏面からドライエッチングする工程。Ｓｉ単結晶基板を切断して、ピエゾ抵抗型３軸加速度センサ素子を得る工程。ピエゾ抵抗型３軸加速度センサ素子を、パッケージに入れ配線等を行う組立て工程を経て、ピエゾ抵抗型３軸加速度センサを得る。尚、本明細書では、ピエゾ抵抗型３軸加速度センサ素子をピエゾ抵抗型３軸加速度センサと表記している。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明のピエゾ抵抗型３軸加速度センサの実施例について図１、２を用いて説明する。図１は本発明のピエゾ抵抗型３軸加速度センサの平面図であり、図２は可撓部上に配されたＸ軸およびＺ軸のピエゾ抵抗体の配置を表した部分拡大平面図である。
【００２３】
本実施例の加速度センサは、ピエゾ抵抗体の長さを１１０μｍ、可撓部の長さを５００μｍ、幅を１００μｍ、厚さを７μｍ、質量部および外枠部の厚さを５５０μｍとした。ピエゾ抵抗体は、Ｓｉ単結晶に不純物であるボロンを、表面不純物濃度で２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３となるように条件設定した。Ｘ軸用ピエゾ抵抗体の片端は可撓部端部と一致させて配置した。Ｘ軸とＺ軸用ピエゾ抵抗体対間隔の差を、ピエゾ抵抗体の長手方向の長さＬに対して０．２Ｌから２．４Ｌまで、０．２Ｌピッチで変化させた。比較のために従来形状の差なしも作製し、Ｘ軸とＺ軸の出力比を測定した。Ｚ軸用ピエゾ抵抗体対は、可撓部の長さ方向に垂直な二等分線に対して対称に配置されているので、Ｚ軸用ピエゾ抵抗体７１′、７２の一部が外枠部に、７１’、７２’の一部が質量部上に配される図２の構造となる。
【００２４】
Ｘ軸とＺ軸の出力比（Ｚ／Ｘ）を図３に示す。比較に入れた従来構造の出力比はピエゾ抵抗体対間隔とＺ軸用ピエゾ抵抗体対間隔の差は０であったため、出力比は１．５である。Ｚ軸ピエゾ抵抗体対間隔とＸ軸ピエゾ抵抗体対間隔の差が大きくなるに従ってＺ軸の出力が下がり、その差が約０．８ＬでＸ軸とＺ軸の出力差がなくなり、さらに差を大きくするとＺ軸の出力がＸ軸より低くなってしまった。この事から、差を０．８Ｌ近傍とすることでＸ軸とＺ軸の出力比をほぼ１とすることができる。
【００２５】
本発明の他の実施例について図４、５を用いて説明する。図４はピエゾ抵抗型３軸加速度センサの平面図で、図５は可撓部上に配されたＸ軸およびＺ軸のピエゾ抵抗体の配置を表した部分拡大平面図である。
【００２６】
本実施例の加速度センサは、ピエゾ抵抗体の長さを１１０μｍ、可撓部の長さを５００μｍ、幅を１００μｍ、厚さを７μｍ、質量部および外枠部の厚さを５５０μｍとした。ピエゾ抵抗体は、Ｓｉ単結晶に不純物であるボロンを、表面不純物濃度で２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３となるように条件設定した。Ｘ軸用ピエゾ抵抗体の片端は可撓部端部と一致させて配置した。Ｘ軸とＺ軸用ピエゾ抵抗体対間隔の差を、ピエゾ抵抗体の長手方向の長さＬに対して０．２Ｌから２．４Ｌまで、０．２Ｌピッチで変化させた。比較のために従来形状の差なしも作製し、Ｘ軸とＺ軸の出力比を測定した。Ｚ軸用ピエゾ抵抗体対は、可撓部の長さ方向に垂直な二等分線に対して対称に配置されており、Ｚ軸用ピエゾ抵抗体７１、７２は可撓部上に配された図５の構造となる。
【００２７】
Ｘ軸とＺ軸の出力比（Ｚ／Ｘ）を図６に示す。比較に入れた従来構造の出力比は１．５である。Ｚ軸用ピエゾ抵抗体対間隔とＸ軸用ピエゾ抵抗体対間隔の差が大きくなるに従ってＺ軸の出力が下がり、その差が約１．４ＬでＸ軸とＺ軸の出力差がなくなり、さらに差を大きくするとＺ軸の出力がＸ軸より低くなってしまった。この事から、差を１．４Ｌ近傍とすることでＸ軸とＺ軸の出力比をほぼ１とすることができる。
【００２８】
本発明のピエゾ抵抗型３軸加速度センサは従来のピエゾ抵抗型３軸加速度センサと比較して、従来Ｘ軸の出力に対して５０％あったＸ軸とＺ軸の出力差を小さくすることができた。特にＸ軸とＺ軸用ピエゾ抵抗体対間隔の差を、ピエゾ抵抗体の長手方向の長さＬに対して、０．６Ｌ以上１．０Ｌ以下の範囲で、Ｚ軸用ピエゾ抵抗体対間隔をＸ軸用ピエゾ抵抗体対間隔より大きく、また、１．２Ｌ以上１．６Ｌ以下の範囲でＺ軸用ピエゾ抵抗体対間隔をＸ軸用ピエゾ抵抗体対間隔より小さくすることで、Ｘ軸とＺ軸の出力差を２０％以下に改善することができた。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、Ｘ軸用ピエゾ抵抗体対間隔とＺ軸用ピエゾ抵抗体対間隔が異なるようにピエゾ抵抗体を配することで、Ｚ軸の出力を下げ３軸の出力差を２０％以下にすることができた。ピエゾ抵抗体の抵抗値や温度特性が同じとなるので、軸毎に増幅器を準備する必要もないため小型で安価なピエゾ抵抗型３軸加速度センサを提供できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のピエゾ抵抗型３軸加速度センサの平面図
【図２】本発明のピエゾ抵抗型３軸加速度センサの部分拡大平面図
【図３】本発明のピエゾ抵抗型３軸加速度センサのＸ軸とＺ軸の出力比を示すグラフ
【図４】本発明の他のピエゾ抵抗型３軸加速度センサの平面図
【図５】本発明の他のピエゾ抵抗型３軸加速度センサの部分拡大平面図
【図６】本発明のピエゾ抵抗型３軸加速度センサのＸ軸とＺ軸の出力比を示すグラフ
【図７】従来のピエゾ抵抗型３軸加速度センサの平面図
【図８】従来のピエゾ抵抗型３軸加速度センサのＡ−Ａ’断面図
【図９】従来のピエゾ抵抗型３軸加速度センサの部分拡大平面図
【図１０】従来の加速度センサの質量部厚さとＸ軸およびＺ軸の感度の関係を示すグラフ
【符号の説明】
１  質量部、２１，  ２１’  ２２  ２２’  可撓部、３  外枠部、
４  貫通穴、５１  ５１’  ５２  ５２’  Ｘ軸のピエゾ抵抗体群、
６１  ６１’  ６２  ６２’  Ｙ軸のピエゾ抵抗体群、
７１  ７１’  ７２  ７２’  Ｚ軸のピエゾ抵抗体群。
【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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