(57)【要約】【課題】  熱応力の影響が少なく検出精度が良好で、かつ生産性の高いセンサを提供することにある。【解決手段】  矩形のセンサチップ１１１は、その四辺を構成するフレームの内フレーム１１７Ａの一辺のみが基板と接着して固定しており、センサチップ１１１の残りの三辺は基板と離れていて自由に動くことができ、接着剤１２１の硬化収縮や基板１１２とセンサチップ１１１の線膨張係数差によって発生する応力を緩和することができる。また、センサチップ１１１に設けた出力用の電極パッド１２２は基板１１２と固定されたフレーム１１７Ａ上に設置されており、ワイヤーボンディング時にワイヤーの接合強度が弱くなることもない。【選択図】      図１
2006250550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサチップを基板の表面に実装したセンサであって、
前記センサチップの実装面と平行な面を前記センサチップの中心を通るある直線によって２つの区域に分けたとき、前記センサチップの前記基板への固定領域が、前記直線で分けられたいずれか一方の区域にのみ属していることを特徴とするセンサ。
【請求項２】
前記センサチップは垂直上方から見たとき、辺の数が４以上の多角形をなし、その下面の外周部領域の一辺の全体若しくは一部のみが前記基板に固定されていることを特徴とする、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記センサチップは垂直上方から見たとき、前記センサチップの上面に設けられた信号取り出し用電極は、前記直線で分けられた２つの区域のうち、前記センサチップの固定領域が属する区域と同じ区域に属していることを特徴とする、請求項１に記載のセンサ。
【請求項４】
前記センサチップの上面に設けられた信号取り出し用電極は、前記センサチップの固定領域の真上に位置していることを特徴とする、請求項１に記載のセンサ。
【請求項５】
前記センサチップの固定領域以外の領域が前記基板から所定距離以上浮き上がらないようにするためのストッパ部品を設けたことを特徴とする、請求項１〜４に記載のセンサ。
【請求項６】
前記センサチップの固定領域以外の領域と前記基板をダミーワイヤーによって接続したことを特徴とする、請求項１〜４に記載のセンサ。
【請求項７】
センサチップを基板の表面に実装したセンサであって、
前記センサチップの実装面と平行な面を前記センサチップの中心を通るある直線によって２つの区域に分けたとき、前記直線で分けられたいずれか一方の区域の一部或いは全域を硬度の高い接着剤で前記基板に固定し、他方の区域の一部或いは全域を柔軟な接着剤を用いて固定していることを特徴とするセンサ。
【請求項８】
前記センサチップは垂直上方から見たとき、辺の数が４以上の多角形をなし、その下面の外周部領域の一辺の全体若しくは一部のみが前記基板に硬度の高い接着剤で接着され、他方の区域の一部或いは全域を柔軟な接着剤で接着されていることを特徴とする、請求項７に記載のセンサ。
【請求項９】
前記センサチップは垂直上方から見たとき、前記センサチップの上面に設けられた信号取り出し用電極は、前記直線で分けられた２つの区域のうち、前記センサチップの前記硬度の高い接着剤で接着された領域が属する区域と同じ区域に属していることを特徴とする、請求項７に記載のセンサ。
【請求項１０】
前記センサチップの上面に設けられた信号取り出し用電極は、前記センサチップの前記硬度の高い接着剤で接着された領域の真上に位置していることを特徴とする、請求項７に記載のセンサ。
【請求項１１】
請求項１〜１０に記載のセンサで、かつ、加速度を検出するためのセンサであって、
前記センサは外力の変化に応じて変位する可動部と、
静止部材と、
前記可動部を前記静止部材に支持させるための弾性支持部と、
前記弾性支持部材の変位量を計測するための測定手段を備えたセンサチップと、
前記センサチップを実装して固定した基板からなることを特徴とするセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサに関し、特に熱応力の影響を小さくできる構造を有するセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
図２４は、従来の加速度センサ１１の概略断面図である。この加速度センサ１１は、センサチップ１２、基板１３、カバー１４によって構成されており、カバー１４は、センサチップ１２を覆うようにして基板１３に固定されており、センサチップ１２を外部と隔離している。センサチップ１２は、錘１７の周囲にフレーム１５が設置され、錘１７とフレーム１５を繋ぐようにして複数のビーム１６が設けられている。またビーム１６には半導体抵抗素子からなるピエゾ抵抗１８などが設けられており、加速度によって錘１７が変位してビーム１６が撓むと、ピエゾ抵抗１８に応力が作用して抵抗値が変化する。従って、その抵抗値の変化を出力電圧の変化に変換することにより、各軸ごとの加速度を検出することができるようになっている。センサチップ１２は、フレーム１５全体を基板１３に接着剤１９で接着して固定されている。また、センサチップ１２には、ピエゾ抵抗１８と電気的に接続された電極パッド２０が設けられ、基板１３に設けられた電極パッド２１とワイヤー２２で電気的に接続されている。
【０００３】
しかしながら、従来の加速度センサ１１においては、フレーム１５全体が基板１３に接着剤１９で接着されて拘束されているので、線膨張係数の違う基板１３とセンサチップ１２の間で環境温度の変化により発生する応力や接着剤の硬化収縮により発生する応力などの検出対象（加速度）以外の要因でビーム１６にも応力が作用してしまい、零点出力値の変動及び検出精度の低下をもたらすという問題があった。
【０００４】
環境温度の変化や接着剤の硬化収縮によって発生する応力の影響を小さくする方法として、特許文献１記載の発明には、接着面積、接着位置、接着剤の構成について提案されている。詳しくは、センサチップと基板の接着において、接着面積は接着強度が得られる程度まで接着面積を縮小し、その接着位置は応力が均等に作用するように基板面で対称となるように接着し、さらに接着剤には弾性率が小さい接着剤を用いることが記載されている。しかしながら、このように接着位置が対称となるように接着すると、センサチップと基板との熱変形等による相対変位が規制されることには変わりがないため、応力による出力変動は依然として大きくなる。また、上記のように弾性率の小さい接着剤で接着すると、ワイヤボンディングでセンサチップにワイヤを接続する際の超音波振動により、ビームが大きく揺れ、ビーム折れやビーム上の配線が変形してしまうなどの破損が発生しやすく、歩留まりが低下するという問題があった。この回避策として、ワイヤーボンディング時の超音波振動のエネルギーを小さくするとワイヤーの固着強度が低くなってしまうという問題があった。
【特許文献１】特開２００４−２１２２４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、熱応力の影響が少なく検出精度が良好で、かつ生産性の高いセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明にかかるセンサは、センサチップを基板の表面に実装したセンサであって、前記センサチップの実装面と平行な面を前記センサチップの中心を通るある直線によって２つの区域に分けたとき、前記センサチップの前記基板への固定領域が、前記直線で分けられたいずれか一方の区域にのみ属していることを特徴としている。
【０００７】
本発明のセンサは、少なくとも片側半分は基板と接着されていないので、基板と接着されていない側がずれることによって環境温度の変化に伴いセンサチップと基板の線膨張差や接着剤の硬化収縮によって発生する応力を緩和することができる。また、センサの検出部に不要な応力が伝わることなく、それに起因する検出精度などの特性変動を抑えることができる。また、センサチップの中心には、センサチップの上面視における重心や、センサチップの重量中心からセンサチップの上面に垂線を引いた時の交点などを用いることができる。
【０００８】
本発明にかかるセンサの実施態様によれば、前記センサチップは垂直上方から見たとき、辺の数が４以上の多角形をなし、その下面の外周部領域の一辺の全体若しくは一部のみが前記基板に固定されていることを特徴としている。
【０００９】
本発明の実施態様は、センサチップの一辺のみが前記基板と接着固定されて、残りの辺は基板から離れて自由に動くことができるので、その残りの辺が動くことにより応力を緩和できる。
【００１０】
本発明にかかるセンサの別な実施態様によれば、前記センサチップは垂直上方から見たとき、前記センサチップの上面に設けられた信号取り出し用電極は、前記直線で分けられた２つの区域のうち、前記センサチップの固定領域が属する区域と同じ区域に属していることを特徴としている。
【００１１】
また、本発明にかかるセンサのさらに別な実施態様によれば、前記センサチップの上面に設けられた信号取り出し用電極は、前記センサチップの固定領域の真上に位置していることを特徴としている。
【００１２】
本発明の実施態様は、センサチップに設けられた信号取り出し用電極の直下或いは直下の近傍が基板と固定されているので、ワイヤーボンディングによりワイヤー（配線）を信号取り出し用電極に接続する際に固着強度不良などが発生しにくくなる。
【００１３】
本発明にかかるセンサの別な実施態様によれば、前記センサチップの固定領域以外の領域が前記基板から所定距離以上浮き上がらないようにするためのストッパ部品を設けたことを特徴としている。
【００１４】
本発明の実施態様は、ストッパ部品によってセンサチップを基板の基板面と垂直な方向に可動可能な距離を制限しているので、落下などにより強い衝撃が加えられた場合でも、必要以上にセンサチップの基板と接着していない領域が基板から所定距離以上浮き上がることがなく、センサチップの破損が発生しにくくなる。
【００１５】
また、本発明にかかるセンサのさらに別な実施態様によれば、前記センサチップの固定領域以外の領域と前記基板をダミーワイヤーによって接続したことを特徴としている。
【００１６】
本発明の実施態様は、センサチップの固定領域以外の領域にダミーワイヤーを設けているので、落下などにより強い衝撃が加えられた場合でも、ダミーワイヤーの弾性によってセンサチップの基板と接着していない領域が基板から浮き上がりにくくなり、センサチップの破損を防止できる。さらに、ダミーワイヤの上部がセンサチップを覆うカバーの内面と接するようにすれば、カバーによってダミーワイヤがセンサチップ側に力を受けるので、より浮き上がりにくくなる。
【００１７】
本発明にかかるセンサの別な実施態様によれば、センサチップを基板の表面に実装したセンサであって、
前記センサチップの実装面と平行な面を前記センサチップの中心を通るある直線によって２つの区域に分けたとき、前記直線で分けられたいずれか一方の区域の一部或いは全域を硬度の高い接着剤で前記基板に固定し、他方の区域の一部或いは全域を柔軟な接着剤を用いて固定していることを特徴としている。
【００１８】
本発明の実施態様は、センサチップの硬度の高い接着剤で基板と接着された領域以外の領域の全て或いは一部を柔軟な接着剤で基板と接着しているので、落下などにより強い衝撃が加えられた場合でも、必要以上にセンサチップが基板から浮き上がることがなく、センサチップの破損が発生しにくくなる。また、環境温度の変化や接着剤の硬化収縮によって発生した応力は柔軟な接着剤が変形して緩和することができるので、その応力がセンサの検出部に伝わることがなく、それに起因する検出精度などの特性変動を抑えることができる。
【００１９】
本発明にかかるセンサの別な実施態様によれば、前記センサチップは垂直上方から見たとき、辺の数が４以上の多角形をなし、その下面の外周部領域の一辺の全体若しくは一部のみが前記基板に硬度の高い接着剤で接着され、他方の区域の一部或いは全域を柔軟な接着剤で接着されていることを特徴としている。
【００２０】
本発明の実施態様は、センサチップの硬度の高い接着剤で前記基板と接着固定された一辺以外の残りの辺は柔軟な接着剤で固定されているので、柔軟な接着剤が変形することにより応力を緩和することができる。
【００２１】
本発明にかかるセンサの別な実施態様によれば、前記センサチップは垂直上方から見たとき、前記センサチップの上面に設けられた信号取り出し用電極は、前記直線で分けられた２つの区域のうち、前記センサチップの前記硬度の高い接着剤で接着された領域が属する区域と同じ区域に属していることを特徴としている。
【００２２】
本発明にかかるセンサの別な実施態様によれば、前記センサチップの上面に設けられた信号取り出し用電極は、前記センサチップの前記硬度の高い接着剤で接着された領域の真上に位置していることを特徴としている。
【００２３】
本発明の実施態様は、センサチップに設けられた信号取り出し用電極の直下或いは直下の近傍が基板と硬度の高い接着剤で固定されているので、ワイヤーボンディングによりワイヤー（配線）を信号取り出し用電極に接続する際に固着強度不良などが発生しにくくなる。
【００２４】
本発明にかかるセンサの別な実施態様によれば、請求項１〜１０に記載のセンサで、かつ、加速度を検出するためのセンサであって、前記センサは外力の変化に応じて変位する可動部と、静止部材と、前記可動部を前記静止部材に支持させるための弾性支持部と、前記弾性支持部材の変位量を計測するための測定手段を備えたセンサチップと、前記センサチップを実装して固定した基板からなることを特徴としている。
【００２５】
本発明の実施態様は、環境温度の変化や基板の反りなどに起因する基板の変形の影響がセンサチップに伝達されにくいので、検出対象以外の外部応力の影響を受けにくく、検出精度よく加速度を測定することができる。
【００２６】
なお、本発明の以上説明した構成要素は、可能な限り任意に組み合わせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施例を図面に従って詳細に説明する。ただし、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものでないことは勿論である。
【実施例１】
【００２８】
図１に本発明の一実施例における加速度センサ１０１の概略断面を示す。加速度センサ１０１は、基板１１２と、基板１１２上に固定されたセンサチップ１１１と、カバー１１３で構成されている。センサチップ１１１は、基板１１２に固定されており、基板１１２とカバー１１３によって形成された空間内に収められて外部と隔離されている。
【００２９】
図２にセンサチップ１１１の平面図、図３にセンサチップの概略断面図を示す。センサチップ１１１は、フレーム１１７Ａ〜１１７Ｈ（静止部材）の中央部に可動部材１１９が位置しており、フレーム１１７Ａ、１１７Ｃ、１１７Ｅ、１１７Ｇと可動部材１１９とは可撓性を有する４本のビーム１１８Ａ〜１１８Ｄによってつながっている。つまり、可動部材１１９は、ビーム１１８Ａ〜１１８Ｄによってフレーム１１７Ａ、１１７Ｃ、１１７Ｅ、１１７Ｇに支持されており、その下面には錘１２０が設けられている。センサチップ１１１は、ガラス基板１１５とシリコン基板１１４との２層構造となっている。フレーム１１７Ａ〜１１７Ｈはガラス基板１１５及びシリコン基板１１４の２層によって構成され、可動部材１１９及びビーム１１８Ａ〜１１８Ｄはシリコン基板１１４によって形成され、錘１２０はガラス基板１１５の一部をフレーム部分から分離させることによって形成されており、可動部材１１９に固定されてる。また、フレーム１１７Ａ〜１１７Ｈはガラス基板１１５の部分では互いに分離しており、シリコン基板１１４の部分でつながっている。
【００３０】
４本のビーム１１８Ａ〜１１８Ｄは可動部材１１９の上面と平行な平面内で十字状に配置されており、一対のビーム１１８Ａ、１１８Ｃに平行な方向をＸ軸方向といい、他の一対のビーム１１８Ｂ、１１８Ｄに平行な方向をＹ軸方向といい、これらのビーム１１８Ａ〜１１８Ｄに垂直な方向をＺ軸方向というものとする。Ｘ軸方向に延びた一方のビーム１１８Ａの上面には、本発明にかかる半導体抵抗素子からなるピエゾ抵抗Ｒｘ１、Ｒｘ２、Ｒｚ１、Ｒｚ２が作り込まれている。ここで、ピエゾ抵抗Ｒｘ１とＲｚ１はビーム１１８Ａのフレーム１１７Ａ側の端部において並列に配置されており、ピエゾ抵抗Ｒｘ２とＲｚ２はビーム１１８Ａの可動部材１１９側の端部において並列に配置されている。同様に、Ｘ軸方向に延びた他方のビーム１１８Ｃの上面には、本発明にかかる半導体素子からなるピエゾ抵抗Ｒｘ３、Ｒｘ４、Ｒｚ３、Ｒｚ４が作り込まれている。ピエゾ抵抗Ｒｘ３とＲｚ３はビーム１１８Ｃの可動部材１１９側の端部において並列に配置されており、ピエゾ抵抗Ｒｘ４とＲｚ４はビーム１１８Ｃのフレーム１１７Ｅ側の端部において並列に配置されている。また、Ｙ軸方向に延びた一方のビーム１１８Ｂの上面には、本発明にかかる半導体抵抗素子からなるピエゾ抵抗Ｒｙ１、Ｒｙ２が作り込まれており、ピエゾ抵抗Ｒｙ１はビーム１１８Ｂのフレーム１１７Ｃ側の端部に配置されており、ピエゾ抵抗Ｒｙ２はビーム１１８Ｂの可動部材１１９側の端部に配置されている。同様に、Ｙ軸方向に延びた他方のビーム１１８Ｄの上面には、本発明にかかる半導体抵抗素子からなるピエゾ抵抗Ｒｙ３、Ｒｙ４が作り込まれており、ピエゾ抵抗Ｒｙ４はビーム１１８Ｄのフレーム１１７Ｇ側の端部に配置されており、ピエゾ抵抗Ｒｙ３はビーム１１８Ｄの可動部材１１９側の端部に配置されている。
【００３１】
また、シリコン基板１１４の上面は周囲を残して浅くエッチングすることによって凹部１３１が設けられており、凹部１３１のフレーム１１７Ａ上には複数の電極パッド１２２が設けられている。フレーム１１７Ａ〜１１７Ｈ、可動部材１１９及びビーム１１８Ａ〜１１８Ｄの上面は絶縁膜１３２によって覆われており、各ピエゾ抵抗Ｒｘ１〜Ｒｘ４、Ｒｙ１〜Ｒｙ４、Ｒｚ１〜Ｒｚ４及び電極パッド１２２は絶縁膜１３２の上に形成されたＡｌ配線１３３によって接続されている（図２では図示せず）。
【００３２】
また、センサチップ１１１は、フレーム１１７Ａ（図２に梨地を施した箇所）のみが接着剤１２１によって基板１１２と接着して固定されている。したがって、フレーム１１７Ｂ〜１１７Ｈは基板１１２に接着されておらず基板１１２と独立して動くことができ、環境温度の変化などにより基板１１２とセンサチップ１１１の線膨張量に差が生じても基板１１２に拘束されることはないようになっている。従って、図４ａに示した従来の加速度センサ１１では、フレーム１５全体が接着剤１９で固定されているので温度変化などにより基板１３とセンサチップ１２の間で線膨張量に差が生じた場合、センサチップ１２も基板１３の変形に追従して変形するため、ビーム１６が凸状或いは凹状に変形してしまい、環境温度による零点出力の変化や検出精度低下などの問題が発生する。これに対し、図４ｂに示すようにフレーム１１７Ａ〜１１７Ｈのうちフレーム１１７Ａのみが基板１１２と接着されている場合には、フレーム１１７Ｂ〜１１７Ｈが基板１１２に拘束されていないのでセンサチップ１１１は基板１１２に追従して変形せず、ビーム１１８Ａ〜１１８Ｄへの影響も小さくなる。なお、センサチップ１１１と基板１１２の固定に使用する接着剤１２１には、接着力が強固なエポキシ系接着剤を用いることが望ましい。また、接着剤１２１の硬化収縮などを考慮すると、硬化収縮量の小さい常温硬化タイプ、無溶剤タイプのものが好ましい。
【００３３】
次に、図５に基板１１２の平面図を示す。基板１１２は、矩形平板状でアルミナ系セラミックス、金属リッドなどで形成されており、基板１１２のセンサチップ１１１及びカバー１１３の実装面には、カバー１１３を半田付けするためのカバー実装部１３６及びセンサチップ１１１の電極パッド１２２から引き出した配線を接続するための電極パッド１２４が形成されている。電極パッド１２２と電極パッド１２４は、ワイヤボンディングによって金などのワイヤ１２３などで接続されている。また、センサチップ１１１を実装する位置を記したチップ実装部１３７及び接着剤を塗布する場所を示した接着剤塗布部１３８に位置確認用のマーク（図４中では破線で表示）が付けられており、接着剤塗布部１３８はチップ実装部１３７にセンサチップ１１１が実装されたときにフレーム１１７Ａが位置する場所にマークされている。つまり、センサチップ１１１の実装時にセンサチップ１１１と基板１１２はフレーム１１７Ａのみで接着固定される。また、接着剤１２１によって基板１１２と固定されるフレーム１１７Ａ上に電極パット１２２が配置されているのでワイヤーボンディングによるワイヤ１２３の接続を強固に接続することができるようになっている。さらに、特に図示していないが電極パッド１２４は、基板１１２の裏面（センサチップ１１１の実装されている面と逆側の面）に形成された親基板に実装するための実装用電極と配線によって電気的に接続されている。
【００３４】
カバー１１３は、図１に示すように断面がコの字型をしており、金属やセラミックスなどの材料で形成されている。カバー１１３は、基板１１２に接着されたセンサチップ１１１をコの字部分で覆うようにして基板１１２に設置されており、周囲を基板１１２に設けられたカバー実装部１３６に半田などで接合することによって、センサチップ１１１を外部と隔離している。これによって、センサチップ１１１が外部の湿気を含んだ空気や腐食ガスなどとの接触を防止し、特性の劣化が起こりにくいようになっている。
【００３５】
次に、図６〜１１を用いてＸＹＺ各軸の加速度を検出する方法について説明する。図６はＸ軸方向の加速度を検出するためのＸ軸方向加速度検出回路を示しており、ビーム１１８Ａ及び１１８Ｃの上に形成されたピエゾ抵抗Ｒｘ１、Ｒｘ２、Ｒｘ３、Ｒｘ４を用いて図６に示すようにしてフルブリッジ回路を構成することにより加速度を検出することができる。すなわち、ピエゾ抵抗Ｒｘ１及びＲｘ４が直列に接続された枝とピエゾ抵抗Ｒｘ２及びＲｘ３が直列に接続された枝とが並列に接続されてフルブリッジ回路が構成されており、フルブリッジ回路の両端には電源１３４から電圧が印加されるようになっている。従って、電位差計１３５Ｘによって計測されるピエゾ抵抗Ｒｘ１及びＲｘ４の中点の電位とピエゾ抵抗Ｒｘ２及びＲｘ３の中点の電位との差Ｖｘは、次の数式（１）で表わされる。ただし、Ｖoは電源１３４の出力電圧であり、各ピエゾ抵抗Ｒｘ１、Ｒｘ２、Ｒｘ３、Ｒｘ４の抵抗値は、同じ記号を用いて表わしている（以下、同様）。
【数１】
2006250550.tif 000003
【００３６】
同様に、図７はＹ軸方向の加速度を検出するためのＹ軸方向加速度検出回路を示しており、ビーム１１８Ｂ及び１１８Ｄの上に形成されたピエゾ抵抗Ｒｙ１、Ｒｙ２、Ｒｙ３、Ｒｙ４は、図７に示すようにしてフルブリッジ回路を構成することにより加速度を検出することができる。よって、この回路でも、電位差計１３５Ｙによって計測されるピエゾ抵抗Ｒｙ１及びＲｙ４の中点の電位とピエゾ抵抗Ｒｙ２及びＲｙ３の中点の電位との差Ｖｙは、次の数式（２）で表わされる。
【数２】
2006250550.tif 000004
【００３７】
また、図８はＺ軸方向の加速度を検出するためのＺ軸方向加速度検出回路を示しており、ビーム１１８Ａ及び１１８Ｃの上に形成されたピエゾ抵抗Ｒｚ１、Ｒｚ２、Ｒｚ３、Ｒｚ４は、図８に示すようにしてフルブリッジ回路を構成することにより加速度を検出することができる。すなわち、ピエゾ抵抗Ｒｚ１及びＲｚ３が直列に接続された枝とピエゾ抵抗Ｒｚ２及びＲｚ４が直列に接続された枝とが並列に接続されてフルブリッジ回路が構成されており、フルブリッジ回路の両端には電源１３４から電圧が印加されるようになっている。従って、電位差計１３５Ｚによって計測されるピエゾ抵抗Ｒｚ１及びＲｚ３の中点の電位とピエゾ抵抗Ｒｚ２及びＲｚ４の中点の電位との差Ｖｚは、次の数式（３）で表わされる。
【数３】
2006250550.tif 000005
【００３８】
なお、上記各フルブリッジ回路は、センサチップ１１１内で構成してもよいし、センサチップ１１１と基板１１２、或いは加速度センサ１０１が実装される親基板の配線まで含めて構成してもよい。ただし、フルブリッジ回路を構成するピエゾ抵抗以外の配線が長くなると配線抵抗が大きくなり、その影響が大きくなるので、センサチップ１１１でフルブリッジ回路を構成することが望ましい。
【００３９】
図９はセンサチップ１１１に−Ｘ軸方向の加速度が働いている場合を表わしており、図１０はそのビーム１１８Ａ、１１８Ｃの部分を拡大して表わしている。このように、センサチップ１１１に−Ｘ方向の加速度が働いたとすると、錘１２０は慣性力によってＸ方向に引かれる。よって、ビーム１１８Ａ、１１８Ｃはいずれも図９に示すようにＳ字状に湾曲する。このとき、図１０に表わしているように、ピエゾ抵抗Ｒｘ１、Ｒｘ３が延びて引張応力を受け、その抵抗値が増加する。また、ピエゾ抵抗Ｒｘ２、Ｒｘ４が縮んで圧縮応力を受け、その抵抗値が減少する。よって、Ｘ軸方向加速度検出回路においては、ビーム１１８Ａ、１１８Ｃの曲がりの大きさに応じてピエゾ抵抗Ｒｘ１及びＲｘ４間の電位が下がり、ピエゾ抵抗Ｒｘ２及びＲｘ３間の電位が上がり、図６又は数式（１）から分かるように、電位差計１３５Ｘで加速度の大きさに応じた電位差が計測される。
【００４０】
また、−Ｘ方向に加速度が働いている場合には、図１０に表わしているように、ピエゾ抵抗Ｒｚ１、Ｒｚ３が引張応力を受けて抵抗値が増加し、ピエゾ抵抗Ｒｚ２、Ｒｚ４が圧縮応力を受けて抵抗値が減少する。よって、Ｚ軸方向加速度検出回路においては、ビーム１１８Ａ、１１８Ｃが変形してもピエゾ抵抗Ｒｚ１とＲｚ３は同じように抵抗値が増加するので両者の間の電位は変化せず、ピエゾ抵抗Ｒｚ２及びＲｚ４は同じように抵抗値が減少するので両者の間の電位は変化せず、従って、図８又は数式（３）から分かるように、電位差計１３５Ｚでは電位差は検出されない。よって、Ｘ方向の加速度は、Ｚ軸方向加速度検出回路によっては検知されない。さらに、Ｙ軸方向のビーム１１８Ｂ、１１８Ｄは捻れるだけであるから、そのピエゾ抵抗Ｒｙ１〜Ｒｙ４は同じように抵抗値が変化するに過ぎず、図７又は数式（１２）から分かるように、Ｙ軸方向加速度検出回路ではＸ方向の加速度は検出されない。
【００４１】
加速度センサ１０１にＹ軸方向の加速度が働いた場合も、上記の場合と同様にしてＹ軸方向加速度検出回路によってＹ軸方向の加速度が検出される。一方、Ｙ軸方向の加速度が働いてもビーム１１８Ａ、１１８Ｃは捻れるだけであるので、Ｘ軸方向加速度検出回路でもＺ軸方向加速度検出回路でもＹ軸方向の加速度は検出されない。
【００４２】
次に、図１１に示すように、加速度センサ１０１に−Ｚ方向の加速度が働いている場合を考えると、錘１２０は慣性力によって＋Ｚ方向に変位する。このとき、各ビーム１１８Ａ〜１１８Ｄは図１１に示すように変形するので、ピエゾ抵抗Ｒｘ１、Ｒｘ４、Ｒｙ１、Ｒｙ４、Ｒｚ１、Ｒｚ４が圧縮応力を受けて抵抗値が下がり、ピエゾ抵抗Ｒｘ２、Ｒｘ３、Ｒｙ２、Ｒｙ３、Ｒｚ２、Ｒｚ３が引張応力を受けて抵抗値が上がる。よって、Ｚ軸方向加速度検出回路においては、ピエゾ抵抗Ｒｚ１及びＲｚ３間の電位が上がり、ピエゾ抵抗Ｒｚ２及びＲｚ４間の電位が下がり、図８又は数式（３）から分かるように、電位差計１３５ＺによりＺ方向の加速度の大きさに応じた電位差が検出される。また、Ｚ軸方向の加速度が働いている場合には、Ｘ方向加速度検出回路では、ピエゾ抵抗Ｒｘ１及びＲｘ４間の電位が変化せず、ピエゾ抵抗Ｒｘ２及びＲｘ３間の電位も変化しないので、Ｚ方向の加速度はＸ軸方向加速度検出回路では検出されない。同様に、Ｙ軸方向加速度検出回路では、ピエゾ抵抗Ｒｙ１及びＲｙ４間の電位が変化せず、ピエゾ抵抗Ｒｙ２及びＲｙ３間の電位も変化しないので、Ｚ方向の加速度はＹ軸方向加速度検出回路では検出されない。
【００４３】
以上説明したように、かかる加速度センサ１０１によれば、Ｘ軸方向の加速度、Ｙ軸方向の加速度及びＺ軸方向の加速度をそれぞれＸ軸方向加速度検出回路、Ｙ軸方向加速度検出回路、Ｚ軸方向加速度検出回路によってそれぞれ独立して計測することができる。
【００４４】
図１２〜１６は上記加速度センサ１０１の製造工程を説明する概略図である。以下、図１２〜図１６に従って、加速度センサ１０１の製造工程を説明する。まず、ｐ型シリコン基板（ウエハ）１１４の上面を浅くエッチングして凹部１３１を形成する（図１２（ａ））。ついで、シリコン基板１１４の上面のうちフレーム１１７Ａ〜１１７Ｈ、可動部材１１９及びビーム１１８Ａ〜１１８Ｄとなる領域にＰ（リン）等のｎ型不純物をイオン注入し、拡散アニールを施してシリコン基板１１４の表面層にｎ型の拡散層１４１を形成する（図１２（ｂ））。この拡散層１４１の拡散深さにより、ビーム１１８Ａ〜１１８Ｄの厚みは制御される。
【００４５】
このシリコン基板１１４の裏面に酸化膜や窒化膜等の被覆１４２を形成した後、拡散層１４１の表面層にＢ（硼素）等のｐ型不純物をイオン注入してピエゾ抵抗Ｒｘ１〜Ｒｘ４、Ｒｙ１〜Ｒｙ４、Ｒｚ１〜Ｒｚ４となるｐ型の抵抗素子領域１４３を形成する。さらに、拡散層１４１の上に絶縁膜１３２を形成し、抵抗素子領域１４３の両端に対向する位置で絶縁膜１３２に開口部を設け、Ａｌ配線１３３を形成する。こうして形成されたＡｌ配線１３３は各抵抗素子領域１４３の両端と各電極パッド１２２に接続されている（図１３（ａ））。
【００４６】
ついで、シリコン基板１１４を裏面研磨してシリコン基板１１４の厚みを薄くした後、シリコン基板１１４の裏面に窒化膜からなるマスク１４４を形成する。マスク１４４は、フレーム１１７Ａ〜１１７Ｈのシリコン基板部分になる領域と可動部材１１９の下面になる領域を覆うように形成される（図１３（ｂ））。また、フレーム１１７Ａ〜１１７Ｈ、可動部材１１９及びビーム１１８Ａ〜１１８Ｄ以外の領域においては、上面の絶縁膜１３２をエッチング除去してシリコン基板１１４を露出させておく。
【００４７】
この後、拡散層１４１とシリコン基板１１４の下面との間に逆バイアスとなるように電圧を印加した状態でシリコン基板１１４の下面にエッチング液を接触させ、マスク１４４の開口を通してシリコン基板１１４を下面側からエッチングする。このとき拡散層１４１はエッチングストップ層として働き、エッチングはシリコン基板１１４と拡散層１４１の間のｐｎ接合面で停止させられるので、エッチング深さひいてはビーム１１８Ａ〜１１８Ｄの厚みを精度よく制御することができる。この技法は、ＥＣＥ（Electro Chemical Etchstop）として知られているものである。この場合に、ビーム１１８Ａ〜１１８Ｄとなる領域ではｐｎ接合面でエッチングが停止するが、ビーム１１８Ａ〜１１８Ｄ以外の領域ではシリコン基板１１４を上下に貫通して開口される。また、シリコン基板１１４のエッチング異方性により、可動部材１１９の側面及びフレーム１１７Ａ〜１１７Ｈの内周面には傾斜が施される（図１４（ａ））。
【００４８】
シリコン基板１１４の下面のマスク１４４を除いた後、このシリコン基板１１４をガラス基板１１５の上に重ね、３００〜４００℃の温度に保った状態でシリコン基板１１４とガラス基板１１５との間に５００〜１０００ボルトの電圧を印加し、陽極接合によってシリコン基板１１４とガラス基板１１５を一体に貼り合わせる（図１４（ｂ））。次に、個々の加速度センサ１０１の領域においてガラス基板１１５をフレーム部分と錘１２０とに切り離すと共に、シリコン基板（ウエハ）１１４上に複数個作製されたセンサチップ１１１をダイシングによって１つずつ切り離す（図１５（ａ））。
【００４９】
図５に示した基板１１２の接着剤塗布部１３８に接着剤１２１を塗布した後、センサチップ１１１をチップ実装部１３７に実装し、接着剤１２１を硬化させる（図１５（ｂ））。次に、センサチップ１１１に形成された電極パッド１２２と基板１１２に形成された電極パッド１２４をワイヤーボンディングによって金ワイヤー１２３で電気的に接続する（図１６（ａ））。最後にカバー１１３を基板１１２上に形成されたカバー実装部１３６に実装し、半田付けして固定する（図１６（ｂ））。
【００５０】
図１７は実施例１の加速度センサ１０１及び比較例のフレーム１１７Ａ〜１１７Ｈ全てを固定した加速度センサを用いて図６〜図８のようなフルブリッジ回路を組み、そのブリッジ回路の零点出力の温度特性を比較評価した結果を示す図である。図１７中には、実施例１の加速度センサ１０１の測定結果をα、従来例の加速度センサの測定結果をβで示した。比較例１の加速度センサ１０１においては、図１７に示すように、従来の加速度センサと比較して、温度変化した際の零点出力の変動が約１０〜２０分の１程度になることが分かった。このように本発明の加速度センサ１０１を用いてフルブリッジ回路を組めば、温度変化に対して安定して信号検出をできることから、複雑な回路を付加することなく、温度特性のすぐれた高精度な加速度センサを製作することができる。
【００５１】
以上説明したように、センサチップ１１１と基板１１２の固定箇所をセンサチップ１１１の片側のみに限定することによって、接着剤の硬化収縮や温度変化によって発生した応力を固定されていない箇所がずれて緩和することができるので応力の検出精度への影響が小さく、従来の加速度センサと製造工程が変わらないため、歩留まりが良くコストが高くなることもない加速度センサ１０１を提供することができる。
【００５２】
なお、本実施例では、フレーム１１７Ａのみで基板１１２と接着しているのでフレーム１１７Ａは、他のフレーム１１７Ｂ〜１１７Ｈよりも接着剤の厚さ分高くなる。しかし、本実施例では大きさが２．５ｍｍ角のセンサチップ１１１を使用し、これに対してフレーム１１７Ａと基板１１２の接着に用いた接着剤の厚さは２０μｍ以下（傾きにすると０．４５°程度）であるので、接着剤の厚みの差によるセンサチップ１１１の傾きが出力に与える影響は、０．０１％以下であり、センサ出力に与える影響は問題になるものではない。
【００５３】
また、本実施例でセンサチップ１１１と基板１１２はフレーム１１７Ａのみで接着したが、図１８ａ及び図１８ｂに示したようにセンサチップ１１１の平面視においてセンサチップ１１１をセンサチップ１１１の重心（中心Ｏ）を通る任意の直線（Ｐ−Ｐ’）で２分割した片側に存在するフレーム（梨地を施して示した領域）の全ての領域或いは一部の領域を接着してもよい。なお、図１８ａ及び図１８ｂは、センサチップ１１１の下面図である。
【００５４】
また、本実施例ではフレームは８つに分割（フレーム１１７Ａ〜１１７Ｈ）されていたが、図１９ａ及び図１９ｂに示すように、一体となったようなフレーム１５１を有するセンサチップ１５０であっても本発明を適用することができる。なお、センサチップ１５０と基板１１２の接着領域に梨地を施して示してある。さらには、センサチップが矩形に限らず円形や多角形などその他の形状であっても上記発明を適用することが可能である。
【００５５】
また、本実施例で基板１１２とカバー１１３は、半田付けすることによって固定したが接着剤などで固定するようにしてもかまわない。接着剤で固定する場合は、カバー実装部１３６が半田付け可能になっている必要が無く位置合わせ時に位置がわかるようになっていればよい。
【実施例２】
【００５６】
実施例１に示した加速度センサ１０１においては、センサチップ１１１の片側しか基板１１２に固定されていないので、落下などにより強い衝撃が加わると、固定されていないフレーム１１７Ｂ〜１１７Ｈが基板１１２から大きく浮き上がってしまい、ビーム１１８Ａ〜１１８Ｄが破損することがある。本実施例は、この問題を解決するために提案されたものである。
【００５７】
本実施例の加速度センサ１０２は、接着剤１２１で基板１１３に固定されていないフレーム（実施例１ではフレーム１１７Ｄ〜１１７Ｆ）に上方向の移動を制限するためのストッパを設けたものである。詳しくは、図２０ａ及び図２０ｂに示すように逆Ｌ字型断面を有する構造体１６１を設け、構造体１６１の張り出し部１６２がセンサチップ１１１の接着剤１２１で固定されていないフレーム１１７Ｅの上方にかかるようにして設置されている。この構造体１６１は、金属或いは樹脂などで形成されており、半田接合あるいは接着剤で基板１１２に固定されている。したがって、落下などで加速度センサ１０２に強い衝撃が加わったとしてもセンサチップ１１１が基板１１２からセンサチップ１１１の上面と張り出し部１６２の底面の間の距離以上浮き上がることがなく、ビーム１１８Ａ〜１１８Ｄが破損することはない。なお、構造体１６１の設置はフレーム１１７Ｅだけに限らず、落下などの強い衝撃でビーム１１８Ａ〜１１８Ｄが破損しないように接着剤１２１で固定されていないフレームのいずれか１つ或いは複数個に対して、性能（信頼性）を確保できるように設置すればよい。
【００５８】
また、変形例として、図２１ａ及び図２１ｂに示すように、センサチップ１１１の基板１１２と接着されていない側のフレームの上部とカバー１１３の間に構造体１６１の代わりにクッション材１６３を設置してもよく、クッション材１６３によって衝撃が吸収されると共にセンサチップ１１１と基板１１２が離れないように支えられる。したがって、落下などの衝撃が加えられてもクッション材１６３によって衝撃を吸収されるので、センサチップ１１１が基板１１２から浮き上がらず、ビーム１１８Ａ〜１１８Ｄが破損することはない。なお、このクッション材１６３には、弾力性のあるゲルやスポンジ状の素材などを利用することができる。
【００５９】
さらに、別な変形例として、図２２ａ及び図２２ｂに示すように、センサチップ１１１の接着されていない側の上面と基板１１２にダミー電極１６４及び１６５を設けて、ダミー電極１６４及び１６５をワイヤーボンディングなどによりダミーワイヤー１６６で接続すると共に、ダミーワイヤー１６６の一部がカバー１１３に接するように形成してもよい。このようにすれば、ダミーワイヤー１６６の弾性とダミーワイヤー１６６がカバー１１３によって基板１１２側に押されていることで、落下などの衝撃が加えられても基板１１２からセンサチップ１１１が浮き上がらず、ビーム１１８Ａ〜１１８Ｄが破損することはない。
【００６０】
以上説明したように、センサチップ１１１の基板１１２と固定されていないフレーム（本実施例ではフレーム１１７Ｂ〜１１７Ｈ）に浮き上がらないようにストッパとなるものを設置することにより、ストッパに落下などの衝撃が加えられても限界以上にセンサチップ１１１が基板１１２から浮き上がらず、ビーム１１８Ａ〜１１８Ｄが限界以上に変形せず破損することがなく信頼性の高い加速度センサを提供することができる。
【実施例３】
【００６１】
本実施例は、実施例２の加速度センサ１０２と同様に実施例１に記載した加速度センサ１０１の耐衝撃性を高くするためになされたものであり、実施例１に記載した加速度センサ１０１のセンサチップ１１１と基板１１２の接着方法が異なるだけである。
【００６２】
図２３ａは、本実施例の加速度センサ１０３の概略断面図、図２３ｂは、本実施例の加速度センサ１０３のカバー１１３を実装前の状態の平面図を示す。加速度センサ１０３が、実施例１に記載した加速度センサ１０１と異なる箇所は、フレーム１１７Ｄ及び１１７Ｆを接着剤１６７で基板１１２と接着したことである。さらに、その接着剤１６７は、フレーム１１７Ａと基板１１２を固定するために使用した接着剤１２１よりも接着力が弱く弾性のある（弾性率の小さい）ものを用いている。
【００６３】
このように、接着剤１２１で固定したフレーム（本実施例ではフレーム１１７Ａ、図中にハッチングで表示）以外の全てのフレーム或いは一部のフレームを接着剤１２１よりも接着力が弱く弾性のある接着剤１６７で固定している（図中の梨地で表示）ので、環境温度の変化によって基板１１２とセンサチップ１１１の線膨張差により発生する応力は、接着剤１６７が変形によって緩和することができる。また、落下などの強い衝撃が加えられてもセンサチップ１１１が基板１１２から浮き上がってビーム１１８Ａ〜１１８Ｄが破損することがない。なお、接着剤１６７には、シリコーン樹脂などの弾性のある接着剤を使用することができる。
【００６４】
なお、本願ではピエゾ抵抗を利用した加速度センサについて説明したが、これに限らず、応力或いは変形に変換される物理量を検出するセンサであれば適用することができる。例えば静電容量型及び圧電型の加速度センサ、圧力センサ、角速度センサなどに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の実施例の加速度センサの概略断面図である。
【図２】同上の加速度センサに用いられているセンサチップの平面図である。
【図３】図１の加速度センサに用いられているセンサチップの概略断面図である。
【図４】（ａ）は、従来の加速度センサの環境温度の変化による変形を説明する図である。（ｂ）は、実施例１の加速度センサの環境温度の変化による変形を説明する図である。
【図５】図１の加速度センサに用いられている基板の平面図である。
【図６】Ｘ軸方向の加速度を検出するためのＸ軸方向加速度検出回路を示す回路図である。
【図７】Ｙ軸方向の加速度を検出するためのＹ軸方向加速度検出回路を示す回路図である。
【図８】Ｚ軸方向の加速度を検出するためのＺ軸方向加速度検出回路を示す回路図である。
【図９】加速度センサにＸ軸方向の加速度が働いている状態を示す概略図である。
【図１０】図１４の一部を拡大して示す概略図である。
【図１１】加速度センサにＺ方向の加速度が働いている状態を示す概略図である。
【図１２】（ａ）（ｂ）は本発明の実施例１にかかる加速度センサの製造工程を説明する概略図である。
【図１３】（ａ）（ｂ）は図１２に示した工程の後の工程を説明する概略図である。
【図１４】（ａ）（ｂ）は図１３に示した工程の後の工程を説明する概略図である。
【図１５】（ａ）（ｂ）は図１４に示した工程の後の工程を説明する概略図である。
【図１６】（ａ）（ｂ）は図１５に示した工程の後の工程を説明する概略図である。
【図１７】本発明にかかる加速度センサを用いて構成したフルブリッジ回路における、零点出力の温度特性を評価した結果を示す図である。
【図１８】（ａ）（ｂ）は、センサチップと基板の接着位置を説明する概略図である。
【図１９】（ａ）（ｂ）は、実施例１の変形例を示す図である。
【図２０】（ａ）は本発明の実施例２にかかる加速度センサの概略断面図である。（ｂ）は本発明の実施例２にかかる加速度センサのカバーを外した状態の概略平面図である。
【図２１】（ａ）は図２０の加速度センサとは別な実施例２にかかる加速度センサの概略断面図である。（ｂ）は図２０の加速度センサとは別な実施例２にかかる加速度センサのカバーを外した状態の概略平面図である。
【図２２】（ａ）は図２０の加速度センサとは別な加速度センサの概略断面図である。（ｂ）は図２０の加速度センサとは別な実施例２にかかる加速度センサのカバーを外した状態の概略平面図である。
【図２３】（ａ）は、本発明の実施例３にかかる加速度センサ１０３の概略断面図である。（ｂ）は、実施例３の加速度センサ１０３のカバーを外した状態の概略平面図である。
【図２４】従来の加速度センサの概略断面図である。
【符号の説明】
【００６６】
１０１  加速度センサ
１１１  センサチップ
１１２  基板
１１３  カバー
１１４  シリコン基板
１１５  ガラス基板
１１７Ａ〜１１７Ｈ  フレーム
１１８Ａ〜１１８Ｄ  ビーム
１１９  可動部材
１２０  錘
１２１  接着剤
１２２、１２４  電極パッド
１２３  ワイヤ
１３１  凹部
１３２  絶縁膜
１３３  Ａｌ配線
１３６  カバー実装部
１３７  チップ実装部
１３８  接着剤塗布部
１５０  センサチップ
１５１  フレーム
１６１  構造体
１６２  張り出し部
１６３  クッション材
１６４  ダミー電極
１６５  ダミー電極
１６６  ダミーワイヤー
１６７  接着剤
【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１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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