(57)【要約】【課題】本発明は、過大な加速度が印加されても梁部に折損を生ずることがないとともに、０点オフセットおよび他軸感度が小さく、かつＸ軸方向感度と、Ｙ軸方向感度の比を実質的に等しくできる加速度センサを提供することを目的とする。【解決手段】本発明の加速度センサは、支持フレーム部２５と、幅Ｗの梁部２６、２６′、２７、２７′と、支持フレーム部２５の表面上に設けられた第１のフィルム３１と、第１のフィルム３１上に設けられた第２のフィルム３２とからなり、第１のフィルム３１は梁部２６、２６′、２７、２７′と支持フレーム部２５の連結端の中心からＷ以上３Ｗ以下の半径を有する半円状の切り欠き部を有するものである。【選択図】図１
2014062752.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板表裏を貫通する開口が形成されてなる支持フレーム部と、
前記支持フレーム部の開口内に形成された重り部と、
前記支持フレーム部および前記重り部を接続する薄肉よりなる梁部と、
前記梁部上に設けられた歪検出素子と、
前記支持フレーム部の表面上に設けられ前記開口を囲繞する第１のフィルムと、
前記第１のフィルム上に設けられ前記開口を蓋被する第２のフィルムとからなる加速度センサであって、
前記梁部の幅をＷとしたとき、
前記第１のフィルムは前記梁部と前記支持フレーム部の連結端の中心からＷ以上３Ｗ以下の半径を有する半円状の切り欠き部を有することを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】
前記支持フレーム部の裏面上に設けられ前記開口を囲繞する第３のフィルムと、
前記第３のフィルム上に設けられ前記開口を蓋被する第４のフィルムをさらに備え、
前記第３および第４のフィルムの形状が各々前記第１、第２のフィルムの形状と同一であることを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
【請求項３】
前記第１、第２のフィルムがドライフィルムからなることを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は自動車や航空機等の輸送機器や携帯端末等に搭載され、これらの機器に印加される加速度を検出する加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の加速度センサとしては図５（ａ）（ｂ）に示すようなものが提案されている。図５（ａ）は従来の加速度センサ１の上平面図である。また、図５（ｂ）は前記加速度センサ１をパッケージ２に実装した状態におけるａ−ａ線断面図である。図５（ａ）（ｂ）において、加速度センサ１は、エッチング処理によりシリコン等の半導体基板表裏を貫通する開口３が形成されてなるもので、矩形枠状の支持フレーム部４を備え、支持フレーム部４の内側に配置された重り部５が支持フレーム部４よりも薄肉である４本の梁部６を介して支持フレーム部４に連続一体に連結された構造を有している。ＸＹＺ軸を図のようにとった時、Ｘ軸方向を長手方向とする２本の梁部６の表面には、Ｘ軸方向の加速度を検出するための歪抵抗（図示せず）が２個ずつ形成されており、金属配線等（図示せず）を介して第１のブリッジ回路を構成するように接続されている。同様に、Ｙ軸方向を長手方向とする２本の梁部６の表面には、Ｙ軸方向の加速度を検出するための歪抵抗（図示せず）が２個ずつ形成されており、金属配線等（図示せず）を介して第２のブリッジ回路を構成するように接続されている。
【０００３】
前記支持フレーム部４の裏面は全周にわたって矩形状のストッパ７の周部に固着されており、重り部５の裏面とストッパ７との間には重り部５の変位を可能とする隙間が形成されている。前記ストッパ７はエポキシ系の熱硬化性接着フィルムを熱硬化させて形成されている。この加速度センサ１のＺ軸の負方向に過大な加速度がかかっても、重り部５の変位がストッパ７により制限されるとともに、エポキシ系の熱硬化性接着フィルムからなるストッパ７の縦弾性率（約１〜５ＧＰａ）は、半導体基板からなるセンサ本体１の縦弾性率（約１００ＧＰａ）よりも１桁以上小さいために、重り部５がストッパ７に衝突したとしてもストッパ７が変形して衝撃を緩和することができる。これにより、梁部６の折損を有効に防止することができ、高い信頼性を得ることができる。また、前記ストッパ７を加速度センサ１本体とパッケージ２との間に介在させ、所定の加熱および加圧処理を行うことにより、接着することができるため、接着剤等の部材を削減することができるものである。
【０００４】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−４９２０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の加速度センサ１においては、Ｚ軸の正方向に過大な加速度が印加された場合には、重り部５の変位を制限するストッパが設けられていないため、梁部６が折損するという問題点がある。発明者らはこの問題を解決するために、図６に示すような加速度センサ１１を試作した。図６（ａ）は試作した加速度センサ１１の上平面図である。また、図６（ｂ）は前記加速度センサ１１の縦断面図である。加速度センサ１１の図６（ａ）（ｂ）において、図５と共通する部分については同一の符号をつけて説明を省略する。１２は感光性レジストからなる枠状ドライフィルムであり、開口３および重り部５と梁部６とを枠内に収めた状態で支持フレーム部４上に接着されている。１３は感光性レジストからなる平板状ドライフィルムであり、前記枠状ドライフィルム１２上に接着されている。枠状ドライフィルム１２の厚みは、たとえば１５μｍとすることができ、この加速度センサ１１のＺ軸の正方向に過大な加速度が印加されても、重り部５の変位は平板状ドライフィルム１３により制限されるとともに、感光性レジストからなる平板状ドライフィルム１３の縦弾性率（約４ＧＰａ）は、半導体基板からなる重り部５の縦弾性率（約１００ＧＰａ）よりも１桁以上小さいために、重り部５が平板状ドライフィルム１３に衝突したとしても平板状ドライフィルム１３が変形してこの衝撃を緩和することができる。これにより、加速度センサ１１にＺ軸の負方向のみならず正方向に過大な加速度が印加された場合にも梁部６の折損を有効に防止することができ、信頼性が向上できることを確認した。
【０００７】
しかしながら、加速度センサ１１の０点オフセットおよび他軸感度が大きいという問題点があった。０点オフセットとは、加速度センサ１１に加速度が印加されない状態であるにもかかわらず、梁部６に組立時等に生じた歪が残留している場合に梁部６に配置した歪抵抗で構成されるブリッジ回路が平衡せず、あたかも加速度が印加されているかのような出力が発生するものである。また、他軸感度とは、加速度センサ１１にたとえばＸ軸方向の加速度のみが印加された時に、Ｙ軸方向に沿う梁部６が捩れることにより、梁部６に配置した歪抵抗で構成されるブリッジ回路が非平衡となり、あたかもＹ軸方向の加速度が印加されたかのような出力が発生するものである。そして、加速度センサ１１においてはこの０点オフセットおよび他軸感度が従来の加速度センサ１よりも大きくなることが判明したのである。
【０００８】
本発明は上記の課題を解決するもので、過大な加速度が印加されても梁部に折損を生ずることがないとともに、０点オフセットおよび他軸感度が小さく、かつＸ軸方向の単位加速度に対する感度と、Ｙ軸方向の単位加速度に対する感度の比が実質的に等しい加速度センサを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有する。
【００１０】
請求項１に記載の発明は、基板表裏を貫通する開口が形成されてなる支持フレーム部と、前記支持フレーム部の開口内に形成された重り部と、前記支持フレーム部および前記重り部を接続する薄肉よりなる梁部と、前記梁部上に設けられた歪検出素子と、前記支持フレーム部の表面上に設けられ前記開口を囲繞する第１のフィルムと、前記第１のフィルム上に設けられ前記開口を蓋被する第２のフィルムとからなる加速度センサであって、前記梁部の幅をＷとしたとき、前記第１のフィルムは前記梁部と前記支持フレーム部の連結端の中心からＷ以上３Ｗ以下の半径を有する半円状の切り欠き部を有するもので、この構成によれば、過大な加速度が印加されても梁部に折損を生ずることがないとともに、第１のフィルムが梁部と支持フレーム部との連結点から一定の距離だけ離して配置されているため、梁部基部に作用する、ドライフィルムの硬化収縮に伴う残留応力が所定の範囲に収まることにより、０点オフセットおよび他軸感度が小さく、かつＸ軸方向の単位加速度に対する感度と、Ｙ軸方向の単位加速度に対する感度の比を実質的に等しくできるという作用効果を有するものである。
【００１１】
本発明の請求項２に記載の発明は、特に、前記支持フレーム部の裏面上に設けられ前記開口を囲繞する第３のフィルムと、前記第３のフィルム上に設けられ前記開口を蓋被する第４のフィルムをさらに備え、前記第３および第４のフィルムの形状が各々前記第１、第２のフィルムの形状と同一であるもので、この構成によれば、前記第１、第２のフィルムの硬化収縮に伴い支持フレーム部の表面に印加される残留応力と、前記第３、第４のフィルムの硬化収縮に伴い支持フレーム部の裏面に印加される残留応力を等しくすることで、支持フレーム部の表裏に印加される応力を相殺することができ、これにより、０点オフセットおよび他軸感度をさらに小さく、かつＸ軸方向の単位加速度に対する感度と、Ｙ軸方向の単位加速度に対する感度の比を実質的に等しくできるという作用効果を有するものである。
【００１２】
本発明の請求項３に記載の発明は、特に、前記第１、第２のフィルムがドライフィルムからなるもので、この構成によれば、精密に制御された厚みを有するとともに、フォトリソ加工により精密なパターニングを行なうことができ、これにより、０点オフセットおよび他軸感度をさらに小さく、かつＸ軸方向の単位加速度に対する感度と、Ｙ軸方向の単位加速度に対する感度の比を実質的に等しくできるという作用効果を有するものである。
【発明の効果】
【００１３】
以上のように本発明の加速度センサは、基板表裏を貫通する開口が形成されてなる支持フレーム部と、前記支持フレーム部の開口内に形成された重り部と、前記支持フレーム部および前記重り部を接続する薄肉よりなる梁部と、前記梁部上に設けられた歪検出素子と、前記支持フレーム部の表面上に設けられ前記開口を囲繞する第１のフィルムと、前記第１のフィルム上に設けられ前記開口を蓋被する第２のフィルムとからなる加速度センサであって、前記梁部の幅をＷとしたとき、前記第１のフィルムは前記梁部と前記支持フレーム部の連結端の中心からＷ以上３Ｗ以下の半径を有する半円状の切り欠き部を有するもので、過大な加速度が印加されても梁部に折損を生ずることがないとともに、第１のフィルムが梁部と支持フレーム部との連結点から一定の距離だけ離して配置されているため、梁部基部に作用する、ドライフィルムの硬化収縮に伴う残留応力が所定の範囲に収まることにより、０点オフセットおよび他軸感度が小さく、かつＸ軸方向の単位加速度に対する感度と、Ｙ軸方向の単位加速度に対する感度の比を実質的に等しくできるという優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１における加速度センサの平面図、（ｂ）同センサのｃ−ｃ線断面図
【図２】（ａ）本発明の実施の形態１における加速度センサのＡ部拡大図、（ｂ）切り欠き部の半径ｒと、梁部の幅Ｗとの比、ｒ／Ｗに対する加速度センサの特性比の変化を示す図
【図３】（ａ）〜（ｇ）本発明の実施の形態１における加速度センサの製造過程を示す縦断面図
【図４】（ａ）本発明の実施の形態２における加速度センサの平面図、（ｂ）同センサのｄ−ｄ線断面図
【図５】（ａ）従来の加速度センサの上平面図、（ｂ）同加速度センサをパッケージに実装した状態におけるａ−ａ線断面図
【図６】（ａ）試作した加速度センサの上平面図、（ｂ）同加速度センサのｂ−ｂ線断面図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（実施の形態１）
以下、実施の形態１を用いて、本発明の特に請求項１に記載の発明について説明する。図１（ａ）は本発明の実施の形態１における加速度センサ２１の上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の同センサ２１におけるＸ軸に平行なｃ−ｃ線断面図を示す。
【００１６】
図１（ａ）（ｂ）において、２２は加速度センサ本体であり、ＸＹ平面に平行に配置されたシリコン単結晶基板をエッチング処理して基板表裏を貫通する開口２３を形成することにより、重り部２４とそれを囲むように配された支持フレーム部２５と、薄肉で前記重り部２４および支持フレーム部２５とを接続するＸ軸に平行な第１、第２の梁部２６，２６′と、薄肉で前記重り部２４および支持フレーム部２５とを接続するＹ軸に平行な第３、第４の梁部２７，２７′とが形成されている。前記第１、第２の梁部２６，２６′の表面には、Ｘ軸方向の加速度を検出するための歪抵抗（図示せず）が２個ずつ形成されており、金属配線等（図示せず）を介して第１のブリッジ回路を構成するように接続されている。同様に、前記第３、第４の梁部２７，２７′の表面には、Ｙ軸方向の加速度を検出するための歪抵抗（図示せず）が２個ずつ形成されており、金属配線等（図示せず）を介して第２のブリッジ回路を構成するように接続されている。前記支持フレーム部２５の裏面は全周にわたって矩形状のストッパ３０の周部に固着されており、重り部２４の裏面とストッパ３０との間には重り部２４の変位を可能とする隙間が形成されている。前記ストッパ３０はエポキシ系の熱硬化性接着フィルムを熱硬化させて形成されている。
【００１７】
３１は感光性レジストからなる厚さ１５μｍの枠状ドライフィルムである第１のフィルムであり、開口２３および重り部２４と梁部２６，２６′，２７，２７′とを枠内に収めた状態で支持フレーム部２５上に接着されている。３２は感光性レジストからなる厚さ１５μｍの平板状ドライフィルムである第２のフィルムであり、前記第１のフィルム３１上に接着されている。そして、前記第１のフィルム３１は梁部２６，２６′，２７，２７′の各々と支持フレーム部２５との連結端近傍において、切り欠き部を有するものである。
【００１８】
前記切り欠き部に関して、図２を用いて説明する。図２（ａ）は図１（ａ）のＡ部拡大図である。図２（ａ）において、前記第１のフィルム３１は、幅Ｗの梁部２６′と支持フレーム部２５との連結端の中心から半径ｒの半円状の切り欠き部を有している。同様に、前記第１のフィルム３１は、幅Ｗの梁部２６，２７，２７′と支持フレーム部２５との各連結端の中心から半径ｒの半円状の切り欠き部を有している。
【００１９】
図２（ｂ）は前記半径ｒと、前記梁部２６，２６′，２７，２７′の幅Ｗとの比、ｒ／Ｗに対する加速度センサの特性比を測定した結果である。ここで、測定した特性は０点オフセット５１、他軸感度５２、Ｘ軸方向の単位加速度に対する感度とＹ軸方向の単位加速度に対する感度の比であるＹ軸感度／Ｘ軸感度５３である。ここで、加速度センサの特性比とは、ｒ＝０、すなわち切り欠き部が設けられていない加速度センサと、所定の半径ｒの半円状の切り欠き部が設けられた加速度センサとの特性値、たとえば０点オフセット値の比である。図２（ｂ）から、ｒ／Ｗが大きくなるにつれて加速度センサの０点オフセット５１および他軸感度５２は低下、すなわち良化していることが分かる。特に、０点オフセット５１および他軸感度５２はｒ／Ｗが０から１までの範囲で急速に低下し、ｒ／Ｗが１以上では漸減している。これは、第１のフィルム３１の半円状の切り欠き部が大きくなるにつれ、第１のフィルム３１の硬化収縮に伴う残留応力の梁部２６，２６′，２７，２７′に対する影響が小さくなるためと考えられる。一方、Ｙ軸感度／Ｘ軸感度５３はｒ／Ｗが大きくなるにつれてゆっくりと低下、すなわち悪化し、ｒ／Ｗが３以上になると急速に低下している。これは、第１のフィルム３１の半円状の切り欠き部が小さい時にはＹ軸感度／Ｘ軸感度５３は第１のフィルム３１の硬化収縮に伴う残留応力により実質的に決まるのに対して、第１のフィルム３１の半円状の切り欠き部が大きい時にはＹ軸感度／Ｘ軸感度５３は第１のフィルム３１の硬化収縮に伴う残留応力の影響を受けることが少なくなり、梁部２６，２６′，２７，２７′に働く応力は梁部２６，２６′，２７，２７′に形成された金属配線やパッド等の構成物からのものが支配的になるためと考えられる。本発明においては、第１のフィルム３１の半円状の切り欠き部の半径ｒをＷ以上から３Ｗ以下とすることにより、０点オフセット５１、他軸感度５２を効果的に低下できるとともにＹ軸感度／Ｘ軸感度５３の低下を初期値の１０％低下に抑えることができるものである。
【００２０】
図３（ａ）〜（ｇ）を用いて、本発明の実施の形態１における加速度センサの製造過程を説明する。図３（ａ）はＸＹ平面に平行に配置されたシリコン単結晶基板をエッチング処理するとともに開口２３を形成することにより、重り部２４とそれを囲むように配された支持フレーム部２５と、薄肉で前記重り部２４および支持フレーム部２５とを接続するＸ軸に平行な第１、第２の梁部２６，２６′と、薄肉で前記重り部２４および支持フレーム部２５とを接続するＹ軸に平行な第３、第４の梁部２７，２７′とが形成された加速度センサ本体２２の縦断面図である。前記第１、第２の梁部２６，２６′の表面には、Ｘ軸方向の加速度を検出するための歪抵抗（図示せず）が２個ずつ形成されており、金属配線等（図示せず）を介して第１のブリッジ回路を構成するように接続されている。同様に、前記第３、第４の梁部２７，２７′の表面には、Ｙ軸方向の加速度を検出するための歪抵抗（図示せず）が２個ずつ形成されており、金属配線等（図示せず）を介して第２のブリッジ回路を構成するように接続されている。図３（ｂ）は厚み１５μｍの感光性レジスト３１ａと、ベースフィルムと、カバーフィルム３１ｂとからなるドライフィルムのベースフィルムを取り外して感光性レジスト３１ａを前記支持フレーム部２５の上表面にラミネートした状態を示す縦断面図である。図３（ｃ）は所定のマスク（図示せず）を用いて、前記感光性レジスト３１ａの一部を所定の形状を有する枠状に露光した状態を示す。これにより、露光され重合硬化した部分が形成される。次に、図３（ｄ）に示すように、カバーフィルム３１ｂを剥離した後、現像処理を施すことにより、第１のフィルム３１が形成される。この第１のフィルム３１には梁部２６，２６′，２７，２７′と支持フレーム部２５との各連結端の中心から半円状の切り欠き部が形成されている。次に、図３（ｅ）に示すように、厚み１５μｍの感光性レジスト３２ａと、ベースフィルムと、カバーフィルム３２ｂとからなるドライフィルムのベースフィルムを取り外して感光性レジスト３２ａを前記第１のフィルム３１上にラミネートする。次に、図３（ｆ）に示すように、前記感光性レジスト３２ａを露光し、重合硬化させて第２のフィルム３２が形成される。次に、図３（ｇ）に示すように、前記カバーフィルム３２ｂを剥離する。最後に、図１（ｂ）に示すように、前記支持フレーム部２５の裏面の全周を熱硬化性接着フィルムからなる矩形状のストッパ３０の周部に固着することにより、加速度センサ２１が完成するものである。
【００２１】
本発明では、精密に制御された厚みを有するとともに、第１のフィルム３１、第２のフィルム３２として、感光性レジストからなるドライフィルムを使用しているため、フォトリソ加工により精密なパターニングを行なうことができ、これにより、過大な加速度が印加されても梁部に折損を生ずることがないとともに、０点オフセットおよび他軸感度が小さく、かつＸ軸方向の単位加速度に対する感度と、Ｙ軸方向の単位加速度に対する感度の比を実質的に等しくできるという効果が得られるものである。
【００２２】
（実施の形態２）
以下、実施の形態２を用いて、本発明の特に請求項２に記載の発明について説明する。図４（ａ）は本発明の実施の形態２における加速度センサ５１の上面図、図４（ｂ）は図４（ａ）の同センサ５１におけるＸ軸に平行なｄ−ｄ線断面図を示す。なお、この本発明の実施の形態２における加速度センサ５１において、上記した本発明の実施の形態１における加速度センサ２１の構成と同様の構成を有するものについては、同一符号を付しており、その説明は省略する。図４（ａ）（ｂ）において、本発明の実施の形態２における加速度センサ５１が上記した本発明の実施の形態１における加速度センサ２１と相違する点は、加速度センサ５１が前記支持フレーム部２５の裏面上に設けられ前記開口２３を囲繞する第３のフィルム４１と、前記第３のフィルム４１上に設けられ前記開口２３を蓋被する第４のフィルム４２をさらに備え、前記第３のフィルム４１、第４のフィルム４２の形状が各々前記第１のフィルム３１、第２のフィルム３２の形状と同一である点である。この構成によれば、第１、第２のフィルム３１、３２の硬化収縮に伴い支持フレーム部の表面に印加される残留応力と、第３、第４のフィルム４１、４２の硬化収縮に伴い支持フレーム部の裏面に印加される残留応力を等しくすることで、支持フレーム部の表裏に印加される応力を相殺することができ、これにより、０点オフセットおよび他軸感度をさらに小さく、かつＸ軸方向の単位加速度に対する感度と、Ｙ軸方向の単位加速度に対する感度の比を実質的に等しくできるという効果が得られるものである。
【００２３】
なお、第３のフィルム４１、第４のフィルム４２として、感光性レジストからなるドライフィルムを使用することにより、フォトリソ加工により精密なパターニングを行なうことができ、これにより、０点オフセットおよび他軸感度をさらに小さく、かつＸ軸方向の単位加速度に対する感度と、Ｙ軸方向の単位加速度に対する感度の比を実質的に等しくできるという効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明に係る加速度センサは、基板表裏を貫通する開口が形成されてなる支持フレーム部と、前記支持フレーム部の開口内に形成された重り部と、前記支持フレーム部および前記重り部を接続する薄肉よりなる梁部と、前記梁部上に設けられた歪検出素子と、前記支持フレーム部の表面上に設けられ前記開口を囲繞する第１のフィルムと、前記第１のフィルム上に設けられ前記開口を蓋被する第２のフィルムとからなる加速度センサであって、前記梁部の幅をＷとしたとき、前記第１のフィルムは前記梁部と前記支持フレーム部の連結端の中心からＷ以上３Ｗ以下の半径を有する半円状の切り欠き部を有するもので、過大な加速度が印加されても梁部に折損を生ずることがないとともに、第１のフィルムが梁部と支持フレーム部との連結点から一定の距離だけ離して配置されているため、梁部基部に作用する、ドライフィルムの硬化収縮に伴う残留応力が所定の範囲に収まることにより、０点オフセットおよび他軸感度が小さく、かつＸ軸方向の単位加速度に対する感度と、Ｙ軸方向の単位加速度に対する感度の比を実質的に等しくできるという優れた効果を有するものであり、特に、自動車や航空機等の輸送機器や携帯端末等に用いてこれらの機器に働く互いに直交する加速度を検出する加速度センサとして有用なものである。
【符号の説明】
【００２５】
２１  加速度センサ
２４  重り部
２５  支持フレーム部
２６、２６′、２７、２７′  梁部
３１  第１のフィルム
３２  第２のフィルム
４１  第３のフィルム
４２  第４のフィルム
【図１】
2014062752.tif 000003
【図２】
2014062752.tif 000004
【図３】
2014062752.tif 000005
【図４】
2014062752.tif 000006
【図５】
2014062752.tif 000007
【図６】
2014062752.tif 000008