(57)【要約】【課題】  測定レンジの大きく異なる複数の３軸加速度センサーを小さい面積に低コストで製造する。また、複数のセンサーの加速度検出軸の向きを高精度に一致させる。【解決手段】  枠部と、可撓部を介して枠部に保持される錘部と、可撓部に設けられた半導体ピエゾ抵抗素子からなる第一３軸加速度センサー素子の枠部内に、第一３軸加速度センサー素子より単位加速度あたりの出力電圧が小さい第二３軸加速度センサー素子を形成する。枠部を共有するため小型化でき、フォトリソやエッチングなどの工程で一つのチップに一括形成できるので製造コストが低く、かつ複数のセンサー素子の加速度検出軸をフォトリソマスク精度で高精度に一致させることができる。【選択図】      図１
2008070312.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
枠部と、可撓部を介して枠部に保持される錘部と、可撓部に設けられた半導体ピエゾ抵
抗素子と、それらを接続する配線を有し、可撓部が形成された面内の２軸と、前記面に略
垂直な軸の３軸の加速度を検出可能なダイアフラム型３軸加速度センサー素子を、２つ以
上同一チップに形成したマルチレンジセンサーチップを有するマルチレンジ３軸加速度セ
ンサーであって、マルチレンジセンサーチップの複数のダイアフラム型３軸加速度センサ
ー素子は、第一から第ｎのダイアフラム型３軸加速度センサー素子まで順に単位加速度当
たりの出力電圧が小さくなることを特徴とするマルチレンジ３軸加速度センサー。
【請求項２】
第一から第ｎのダイアフラム型３軸加速度センサー素子の少なくとも１つの３軸加速度
センサー素子が、枠部と、対を成す梁部２対を介して枠部に保持される錘部と、梁部に設
けられた半導体ピエゾ抵抗素子と、それらを接続する配線を有する梁型３軸加速度センサ
ー素子に置き換えられたことを特徴とするマルチレンジ３軸加速度センサー。
【請求項３】
マルチレンジセンサーチップの第一から第ｎの３軸加速度センサー素子は、第一の３軸
加速度センサー素子を構成する枠部の少なくとも１つ以上の枠辺の中に、第二から第ｎの
３軸加速度センサー素子が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のマ
ルチレンジ３軸加速度センサー。
【請求項４】
全ての３軸加速度センサー素子の可撓部の厚みが同じであることを特徴とする請求項１
から３いずれかに記載のマルチレンジ３軸加速度センサー。
【請求項５】
全ての３軸加速度センサー素子の錘部の厚みが同じであることを特徴とする請求項１か
ら３いずれかに記載のマルチレンジ３軸加速度センサー。
【請求項６】
全ての３軸加速度センサー素子の錘部および枠部の厚みが同じであることを特徴とする
請求項１から３いずれかに記載のマルチレンジ３軸加速度センサー。
【請求項７】
第一から第ｎのダイアフラム型３軸加速度センサー素子まで順に、錘部の質量が小さく
なることを特徴とする請求項１または３に記載のマルチレンジ加速度センサー。
【請求項８】
第一から第ｎのダイアフラム型３軸加速度センサー素子まで順に、錘部と枠部との間の
距離が短くなることを特徴とする請求項１または３に記載のマルチレンジ加速度センサー
。
【請求項９】
第一から第ｎのダイアフラム型３軸加速度センサー素子まで順に、可撓部と枠部の接続
部で囲まれた面積が小さくなることを特徴とする請求項１または３に記載のマルチレンジ
加速度センサー。
【請求項１０】
第二から第ｎのうち少なくとも１つの３軸加速度センサー素子が、枠部と、対を成す梁
部で枠部に保持される錘部と、梁部に設けられた半導体ピエゾ抵抗素子と、それらを接続
する配線を有し、梁部が形成される面内の第一の軸と、前記面に略垂直な第二の軸の加速
度を検出可能な梁型２軸加速度センサー素子２個を、第一の軸同士が互いに直交するよう
に配置してなる３軸加速度センサー素子により構成されていることを特徴とする請求項１
または２に記載のマルチレンジ３軸加速度センサー。
【請求項１１】
全ての梁型２軸加速度センサー素子の梁部と３軸加速度センサー素子の可撓部の厚みが
同じであることを特徴とする請求項１０に記載のマルチレンジ３軸加速度センサー。
【請求項１２】
全ての梁型２軸加速度センサー素子と３軸加速度センサー素子の錘部の厚みが同じであ
ることを特徴とする請求項１０に記載のマルチレンジ３軸加速度センサー。
【請求項１３】
全ての梁型２軸加速度センサー素子と３軸加速度センサー素子の錘部および枠部の厚み
が同じであることを特徴とする請求項１０に記載のマルチレンジ３軸加速度センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯端末機器や玩具、自動車、航空機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に多く用いられ、自動車が衝突した衝
撃を加速度としてとらえていた。自動車ではＸ軸とＹ軸の加速度を測定するため、１軸も
しくは２軸機能で充分であった。また、測定する加速度が非常に大きいため、加速度を検
知する加速度センサー素子も頑丈に製作されている。最近は、携帯端末機器やロボット等
にも加速度センサーが使用されることが多くなって来ている。３次元空間の動きを検出す
るためＸ，Ｙ，Ｚ軸の加速度が測定できる３軸加速度センサーが要求されてきている。こ
れらの用途では、数Ｇから数十Ｇの小さな加速度の検出が要求されるだけでなく、高分解
能であることが求められる。
【０００３】
加速度センサーは、可撓部の構造で梁型とダイアフラム型に、変位の検出方式でピエゾ
抵抗型と静電容量型に大別される。
【０００４】
梁型のピエゾ抵抗素子型３軸加速度センサーに関して出願人は広範囲に多数出願してい
る。特許文献１から特許文献６で、錘部の形状や梁部の形状、ピエゾ抵抗素子の配置、ピ
エゾ抵抗素子の接続方法、梁部と枠部の接合部の形状等を明らかにしている。図９に３軸
加速度センサーの分解斜視図、図１０ａ）に図９のｈ−ｈ’方向の断面図、図１０ｂ）に
センサーチップの平面図を示す。３軸加速度センサー２０は、ケース１にセンサーチップ
２と規制板３が樹脂などの接着剤１６で所定の間隔で固着されている。センサーチップ２
のチップ端子４はワイヤー５でケース端子６に接続され、センサーの信号は外部端子７か
ら取り出す。ケース１にはケース蓋８を例えばＡｕＳｕはんだ等の接着剤１７で固着し密
封されている。センサーチップ２には、梁型３軸加速度センサー素子９が形成されている
。梁型３軸加速度センサー素子９は、方形の枠部１０と錘部１１と対を成す梁部１２で構
成され、錘部１１が２対の梁部１２で枠部１０の中央に保持されている。梁部１２にはピ
エゾ抵抗素子が形成されている。一対の梁にはＸ軸ピエゾ１３とＺ軸ピエゾ１５が、他の
一対の梁にはＹ軸ピエゾ１４が形成されている。図１０ａ）の錘部１１の下面とケース１
の内底面との間隔ｇ４と、錘部１１の上面と規制板３の間隔ｇ３は、衝撃の様な過度な加
速度がセンサーに加わったとき、錘部１１の動き量を規制して梁部１２の破損を防ぐもの
である。本願の梁型３軸加速度センサー素子の基本的な構造はこれら特許文献と同じであ
るので、特に断りのない限り詳細説明は省略する。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１７２７４５号  公報
【特許文献２】特開２００３−２７９５９２号  公報
【特許文献３】特開２００４−１８４３７３号  公報
【特許文献４】特開２００６−０９８３２３号  公報
【特許文献５】特開２００６−０９８３２１号  公報
【特許文献６】ＷＯ２００５／０６２０６０  Ａ１
【０００６】
ダイアフラム型３軸加速度センサー素子のダイアフラム構造やピエゾ抵抗素子の配置方
法等が、特許文献７から９に開示されている。円形や多角形をしたダイアフラムの外縁を
支持枠で支持し、ダイアフラムの中心部に錘を配している。外力で錘が変位するとダイア
フラムに設けられたピエゾ抵抗素子が変形し、電気信号が得られるものである。梁型３軸
加速度センサー素子に比べ、ピエゾ抵抗素子の配置の自由度が高いと言う利点がある。図
１０ｃ）に、ダイアフラム型の３軸加速度センサー素子９’の平面図を示す。方形の枠部
１０と錘部１１と可撓部となるダイアフラム１９で構成され、錘部１１がダイアフラム１
９の中央に保持されている。ダイアフラム１９にはピエゾ抵抗素子が、Ｘ軸ピエゾ１３と
Ｙ軸ピエゾ１４、Ｚ軸ピエゾ１５が形成されている。本願のダイアフラム型ピエゾ抵抗素
子型３軸加速度センサーおよびダイアフラム型３軸加速度センサー素子の基本的な構造は
これら特許文献と略同じであるので、特に断りのない限り詳細説明は省略する。
【０００７】
【特許文献７】特開平３−２５３５号  公報
【特許文献８】特開平６−１７４５７１号  公報
【特許文献９】特開平７−１９１０５３号  公報
【０００８】
携帯型小型機器の落下状態検知や振って操ると言う様なユーザーインターフェースなど
の用途では数Ｇレベルであるが、衝撃検知の様な用途では数百から数千Ｇの値となる。例
えば、磁気ディスクを内蔵する携帯機器においては、落下時の衝撃で磁気ディスクが破壊
しないように、落下を検知した時点でヘッドを待避させ、衝撃時の破壊を防止するという
用途がある。それに加え、製品の損傷時の修理に際しては、製品がどのような衝撃を受け
たかという来歴を知りたいという要求がある。落下検知と組み合わせて衝撃加速度の来歴
を効率的に記録する手法についても出願人は特許文献１０で明らかにしている。このよう
に、一つの製品で、数Ｇレベルの落下検知と、数百から数千Ｇレベルの衝撃検知を行いた
いという要求がある。その場合、数Ｇと数百から数千Ｇの加速度を高い精度で得るには、
１つの加速度センサーでは難しい。これは、数百から数千Ｇの加速度を測定する加速度セ
ンサーで、数Ｇの加速度を検出する場合、検出の分解能（精度）が得られないためである
。
【０００９】
【特許文献１０】特開２００５−２４１５０３号  公報
【００１０】
数百から数千Ｇの大きな値の加速度と数Ｇ程度の小さな値の加速度を同じ分解能で検知
するには、数百から数千Ｇを測定する加速度センサーと数Ｇを測定する加速度センサーを
別個に準備する必要があった。図１１は、数Ｇ、数十Ｇ、数百Ｇの測定レンジを持つ加速
度センサー２１、２２、２３各１個を回路基板２４に実装して、高分解能で数Ｇから数百
Ｇの加速度を測定できる加速度センサー装置２５である。加速度センサーを３個使用して
いるため、少なくとも加速度センサー装置の価格は、加速度センサーの数倍になることは
容易に理解できる。また、小型化も難しいことも容易に理解できる。
【００１１】
複数の加速度センサーを用いた加速度センサー装置２５では、加速度センサー間の検出
軸方向の合わせが非常に難しい。回路基板に半田で加速度センサーを接続するときに、加
速度センサー間で加速度センサー素子の検出軸の角度ずれを略ゼロとするとすることは難
しい。加速度センサーの外形の一部を基準に組み立てたとしても、その外形基準と加速度
センサー素子の軸が一致していなければ軸ずれは発生してしまう。加速度センサー間で検
出軸の角度ずれがあると、例えば数Ｇの加速度センサーの測定値と数十Ｇの加速度センサ
ーの測定値が、同じ軸方向の加速度として測定できないことが起こる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
小型化と低価格化を実現し、検出軸の角度ずれをなくすことが出来るマルチレンジ加速
度センサーが、特許文献１１に開示されている。図１２にその構造を示す。マルチレンジ
加速度センサー３０は、枠３１内に２つ以上のセンサー素子を設けた構造で、センサー素
子は梁３２の一方の端を枠３１に、他方は錘３３に接続されている。梁３２は枠３１との
接続点を支点として錘３３が力点となった片持梁の構造となっている。錘３３の動きを、
錘３３と所定の間隔をあけて配された電極３４との間の静電容量変化により測定し、加速
度を検出するものである。センサー素子は梁の長さや錘の質量を変えることで、測定する
加速度の範囲を決めている。
【００１３】
【特許文献１１】特開平８−１３６５７４号  公報
【００１４】
特許文献１１の加速度センサーは、ワンチップに測定範囲の異なるセンサー素子を形成
しているので、センサー素子間で軸のずれをなくすことができる。軸ずれはフォトリソ用
のフォトマスクとフォトリソ時の誤差で発生するが、殆んど無視して良いレベルであり軸
ずれはなしと考えて良い。しかし、特許文献１１は１軸のセンサー素子であるため、３軸
の加速度を測定するには、３個のセンサー素子を各９０度異なった位置に配置する必要が
ある。Ｘ，Ｙ，Ｚ軸を正確に出して３個のセンサー素子を配置するのが非常に難しいこと
は理解できる。また、３個のセンサー素子を組み合わせる必要があるので、小型化が難し
いことも容易に理解できる。この特許文献１１のマルチレンジ１軸加速度センサーを用い
て、マルチレンジ３軸加速度センサーを得るのは、実質的に図１１で示した従来の加速度
センサー装置と、加速度センサーの数や価格、大きさ的に大差がないものである。
【００１５】
特許文献１１の加速度センサー構造では、センサー素子間で干渉する恐れがあり、その
対策も必要となる。枠３１の１つの辺に複数の梁３２が形成されているため、一方のセン
サー素子の動きが、他方のセンサー素子の測定に影響を与えてしまいやすい。また、梁３
２の幅方向に加速度が加わったときに他のセンサー素子と錘３３がぶつからないようにす
る必要があり、センサー素子間を開ける等の配慮も必要となる。
【００１６】
本発明の目的は、ワンチップに測定範囲の異なるセンサー素子を形成し、測定範囲の異
なるセンサー素子間で各軸のずれがない、高精度で小型なマルチレンジ３軸加速度センサ
ーを安価に提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本願発明のマルチレンジ３軸加速度センサーは、枠部と、可撓部を介して枠部に保持さ
れる錘部と、可撓部に設けられた半導体ピエゾ抵抗素子と、それらを接続する配線を有し
、可撓部が形成された面内の２軸と、前記面に略垂直な軸の３軸の加速度を検出可能なダ
イアフラム型３軸加速度センサー素子を、２つ以上同一チップに形成したマルチレンジセ
ンサーチップを有するマルチレンジ３軸加速度センサーであって、マルチレンジセンサー
チップの複数のダイアフラム型３軸加速度センサー素子は、第一から第ｎのダイアフラム
型３軸加速度センサー素子まで順に単位加速度当たりの出力電圧が小さくなることが好ま
しい。
【００１８】
前記ダイアフラム型３軸加速度センサー素子は、加速度が錘部に作用することで可撓部
が変形し、梁部に形成した半導体ピエゾ抵抗素子に応力が発生して電気抵抗が変化し、そ
れを電位差（出力電圧）に変換して出力する仕組みである。第一から第ｎのダイアフラム
型３軸加速度センサー素子は、単位加速度に対する出力電圧が順に小さくなるように形成
する。
【００１９】
例えば測定レンジ±３Ｇの第１のダイアフラム型３軸加速度センサー素子は、加速度１
Ｇあたりの出力電圧を１Ｖに、測定レンジ３００Ｇの第ｎのダイアフラム型３軸加速度セ
ンサー素子は、加速度１Ｇあたりの出力電圧を０．０１Ｖにすることで、各ダイアフラム
型３軸加速度センサー素子の測定レンジに対応する出力電圧のフルレンジを±３Ｖに合わ
せることができ、それぞれ±３Ｖを同じ分解能で検出すれば、異なる加速度レンジのそれ
ぞれで高精度な検出が可能になる。
【００２０】
各加速度センサー素子の単位加速度あたりの出力は、測定レンジにおいて出力電圧が直
線性を保つ領域になるように設定される。測定レンジの広いセンサー素子に対して、単位
加速度あたりの出力電圧を高く設定しすぎると、測定レンジ内で可撓部の変形が非線形の
領域に達してしまい、出力電圧の直線性が保たれない恐れがある。
【００２１】
前記第一から第ｎのダイアフラム型３軸加速度センサー素子は、同一チップ内に形成す
る。そのため、それぞれの素子の形成に個別の工程を必要とせず、フォトマスクに各素子
の形状を描画しておき、フォトリソやエッチングの工程を用いて一括形成することで、低
コストに製造できる。
【００２２】
また、第一から第ｎのダイアフラム型３軸加速度センサー素子は、同一のチップ面に形
成されるため、チップ面に垂直な方向の検出軸（Ｚ軸）を高精度に一致させることが容易
に可能である。さらに、チップ面に平行な２つの検出軸（Ｘ、Ｙ軸）についても、フォト
リソのマスク精度に従って、高精度に一致させることが容易に可能である。
【００２３】
マルチレンジセンサーチップの上下に規制板を配置することにより、測定レンジを超え
る加速度が発生した場合に、錘部が規制板に当たることでそれ以上の変位を規制し、可撓
部の破壊を防ぐことができ、信頼性の高いマルチレンジ加速度センサーを実現できる。
【００２４】
上下の規制板は、マルチレンジセンサーチップと熱膨張率が近い材料が望ましく、例え
ばガラスやシリコン、セラミック、ＦｅＮｉ合金などの材質を用いることができる。３軸
加速度センサー素子との間にギャップを形成するように、接着剤や金属接合などを用いて
接着される。
【００２５】
また、上の規制板は、検出回路として用いるＩＣチップを用いてもよい。また、マルチ
レンジ加速度センサーをケース内に設置して上部に蓋をしたパッケージに納める場合、ケ
ースの内底を下の規制板の代わりとすることができる。
【００２６】
各ダイアフラム型３軸加速度センサー素子の錘部と規制板との間隔を同じにすることで
、規制板が平坦でよく製造のし易さの点で望ましい。その際は、全てのダイアフラム型３
軸加速度センサー素子について、上記間隔が、測定レンジ内において錘部が規制板に衝突
せず、かつ錘部が規制板に衝突する前に可撓部が破損しないような間隔となるようにする
。また、上記を満たす間隔が得られない、あるいはより信頼性を重視する場合には、測定
レンジが大きいほど、錘部と規制板の間隔が狭くなるように規制板を配置する。その際は
、例えば規制板に深さの異なるキャビティー部を形成することで実現できる。また、測定
レンジが大きい第ｎから逆順にいくつかのダイアフラム型３軸加速度センサー素子につい
ては、発生が想定される加速度に対して可撓部が破損する恐れがない場合に、その上下に
規制板が配置されていなくてもよい。
【００２７】
本願発明のマルチレンジ３軸加速度センサーは、第一から第ｎのダイアフラム型３軸加
速度センサー素子の少なくとも１つの３軸加速度センサー素子が、枠部と、対を成す梁部
２対を介して枠部に保持される錘部と、梁部に設けられた半導体ピエゾ抵抗素子と、それ
らを接続する配線を有する梁型３軸加速度センサー素子に置き換えることができる。
【００２８】
ダイアフラム型３軸加速度センサー素子と梁型３軸加速度センサー素子の何れを用いる
かは、加速度の測定範囲やセンサー素子の外形寸法、製造のやり易さ等から、決めること
ができる。第一をダイアフラム型、第二を梁型、第三をダイアフラム型の様な組合せや、
第一を梁型、第二と第三をダイアフラム型とする組合せもできるものである。梁型３軸加
速度センサー素子は、薄いシリコン層に対してエッチング加工することにより梁部を形成
する。加工プロセスが増えるものの、ダイアフラム型３軸加速度センサー素子の加工しな
い状態のダイアフラム状の可撓部と比較して、梁部の曲げ剛性を小さくでき、単位加速度
あたりの出力を大きくすることができる。第一の３軸加速度センサー素子に梁型を適用す
ることで、第一の３軸加速度センサー素子のサイズを小さくして、マルチレンジ加速度セ
ンサーチップ全体のサイズを小さくすることができる。以降、特に断りのない限り、ダイ
アフラム型３軸加速度センサー素子と梁型３軸加速度センサー素子を合わせて、３軸加速
度センサー素子と称する。
【００２９】
本願発明のマルチレンジ３軸加速度センサーは、マルチレンジセンサーチップの第一か
ら第ｎの３軸加速度センサー素子は、第一の３軸加速度センサー素子を構成する枠部の少
なくとも１つ以上の枠辺の中に、第二から第ｎの３軸加速度センサー素子を形成すること
が好ましい。
【００３０】
第二から第ｎの３軸加速度センサー素子を第一の３軸加速度センサー素子の枠部の枠辺
の中に形成することにより、各３軸加速度センサー素子が枠部を共有し、小さな面積の中
に複数のレンジの３軸加速度センサー素子を配置することができる。また、各３軸加速度
センサー素子はそれぞれの枠部により分離されており、各々の振動が他の３軸加速度セン
サー素子に影響を与えることがなく、また錘部が他の加速度センサー素子の錘部に干渉す
ることがない。
【００３１】
本願発明のマルチレンジ３軸加速度センサーは、全ての３軸加速度センサー素子の可撓
部の厚みが同じであることが好ましい。
【００３２】
本願の３軸加速度センサー素子においては、可撓部の厚みが変化すると、単位加速度に
対する出力電圧が敏感に変化するため、可撓部の厚みを精度よく形成することが望ましい
。そこで薄いシリコン層と厚いシリコン層をシリコン酸化膜層を介して積層したＳＯＩ（
Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いて加工することが望ましい。厚
いシリコン層を加工して錘部を形成し、加工によりシリコン層が除去された部分は薄いシ
リコン層が残り、可撓部が形成される。本願のマルチレンジ３軸加速度センサーでは、全
ての３軸加速度センサー素子の可撓部の厚さを同じにすることで、薄いシリコン層に厚さ
の異なる可撓部を形成する必要がないので、薄いシリコン層の厚みをそのまま利用して、
全ての３軸加速度センサー素子の可撓部を一括して形成でき、製造工数を少なくできるの
で低コストで製造できる。
【００３３】
本願発明のマルチレンジ３軸加速度センサーは、全ての３軸加速度センサー素子の錘部
の厚みが同じであることが好ましい。
【００３４】
本願発明のマルチレンジ３軸加速度センサーは、全ての３軸加速度センサー素子の錘部
および枠部の厚みが同じであることが好ましい。
【００３５】
可撓部と同様に枠部と錘部も全ての３軸加速度センサー素子で厚みを同じにすることで
、厚いシリコン層の厚みをそのまま利用して、全ての３軸加速度センサー素子の錘部を一
度のエッチングで一括して形成できる。これにより、製造工数を少なくできるので低コス
トで製造できる。
【００３６】
また、枠部と錘部の下面の位置が同一面内に揃うことから、枠部の少なくとも３箇所に
おいて、同じ高さのスペーサを介してマルチレンジ加速度センサーチップと下の規制板を
配置することで、錘下面と規制板の間隔を全ての３軸加速度センサー素子で同一にするこ
とが容易に可能である。
【００３７】
本願発明のマルチレンジ３軸加速度センサーは、第一から第ｎの３軸加速度センサー素
子まで順に、錘部の質量が小さくなることが好ましい。
【００３８】
錘部の質量を小さくすることにより、単位加速度に対して錘部に作用する力が小さくな
るので、単位加速度あたりの出力電圧を小さくできる。本願発明のマルチレンジ３軸加速
度センサーにおいては、前述のように錘部の厚さを同じにすることが望ましいので、チッ
プ面内における寸法を小さくすることで錘部の質量を小さくするのが望ましい。
【００３９】
本願発明のマルチレンジ３軸加速度センサーは、第一から第ｎの３軸加速度センサー素
子まで順に、錘部と枠部との間の距離が短くなることが好ましい。
【００４０】
錘部と枠部との間の距離を短くすることで、両者の間を接続している可撓部の曲げ剛性
が大きくなるので、単位加速度に対して可撓部に発生する応力が小さくなり、単位加速度
に対する出力電圧を小さくできる。
【００４１】
本願発明のマルチレンジ３軸加速度センサーは、第一から第ｎの３軸加速度センサー素
子まで順に、可撓部と枠部の接続部で囲まれた面積が小さくなることが好ましい。
【００４２】
可撓部と枠部の接続部で囲まれた面積とは、すなわち枠部の内部領域の寸法であり、３
軸加速度センサー素子のチップ面内に占める寸法と言い換えられる。その寸法が小さいほ
ど、錘部の寸法が小さく、また錘部と枠部との間の距離が短くなるため、錘部に作用する
力が小さくなり、また可撓部の曲げ剛性が高くなり、単位加速度あたりの出力電圧を小さ
くできる。
【００４３】
本願発明のマルチレンジ３軸加速度センサーは、第二から第ｎのうち少なくとも１つの
３軸加速度センサー素子が、枠部と、対を成す梁部で枠部に保持される錘部と、梁部に設
けられた半導体ピエゾ抵抗素子と、それらを接続する配線を有し、梁部が形成される面内
の第一の軸と、前記面に略垂直な第二の軸の加速度を検出可能な梁型２軸加速度センサー
素子２個を、第一の軸同士が互いに直交するように配置してなる３軸加速度センサー素子
により構成されていることが好ましい。
【００４４】
梁型２軸加速度センサー素子は、梁対を２つ有する梁型３軸加速度センサー素子と比較
して、梁部全体の曲げ剛性が小さくなるので、同じ出力を得るのに錘部を小さくできる。
また、梁対がない方向の寸法が小さくなる。例えば最も外形寸法の大きい第一の３軸加速
度センサー素子の周囲に配置することで、マルチレンジ加速度センサーチップの寸法を小
さくすることができる。
【００４５】
本願発明のマルチレンジ３軸加速度センサーは、全ての梁型２軸加速度センサー素子の
梁部と３軸加速度センサー素子の可撓部の厚みが同じであることが好ましい。
【００４６】
全ての、梁型２軸加速度センサー素子と３軸加速度センサー素子の可撓部の厚さを同じ
にすることで、薄いシリコン層に厚さの異なる可撓部を形成する必要がないので、薄いシ
リコン層の厚みをそのまま利用して、全ての２軸と３軸の加速度センサー素子の可撓部を
一括して形成できるので、製造工数を少なくできるので低コストで製造できる。
【００４７】
本願発明のマルチレンジ３軸加速度センサーは、全ての梁型２軸加速度センサー素子と
３軸加速度センサー素子の錘部の厚みが同じであることが好ましい。
【００４８】
可撓部と同様に枠部と錘部も、全ての梁型２軸加速度センサー素子と３軸加速度センサ
ー素子で厚みが同じにすることにより、厚いシリコン層の厚みをそのまま利用して、全て
の梁型２軸加速度センサー素子と３軸加速度センサー素子の錘部を一度のエッチングで一
括して形成できることから、製造工数を少なくできるので低コストで製造できる。
【００４９】
本願発明のマルチレンジ３軸加速度センサーは、全ての梁型２軸加速度センサー素子と
３軸加速度センサー素子の錘部および枠部の厚みが同じであることが好ましい。
【００５０】
可撓部と同様に枠部と錘部も全ての梁型２軸加速度センサー素子と３軸加速度センサー
素子で厚みを同じにすることにより、厚いシリコン層の厚みをそのまま利用して、全ての
梁型２軸加速度センサー素子と３軸加速度センサー素子の錘部を一度のエッチングで一括
して形成できることから、製造工数を少なくできるので低コストで製造できる。
【発明の効果】
【００５１】
本願発明のマルチレンジ加速度センサーによれば、複数の３軸加速度センサー素子を同
一チップに一括形成できることから、素子ごとに個別の加工工程を必要とせず、枠部も共
有化できて、複数レンジの３軸加速度検出可能なマルチレンジ加速度センサーを小型かつ
安価に提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５２】
以下本発明を図面を参照しながら実施例に基づいて詳細に説明する。説明を判り易くす
るため、同一の部品、部位には同じ符号を用いている。
【実施例１】
【００５３】
本発明の第１の実施例のマルチレンジ加速度センサーについて、図１から図３を用いて
以下説明する。図１は、実施例１のマルチレンジ加速度センサーの展開斜視図、図２はマ
ルチレンジセンサーチップの斜視図である。図３は図１のｊ−ｊ’断面図である。図１に
おいて、マルチレンジ加速度センサー４０は、ダイアフラム型３軸加速度センサー素子が
形成されたマルチレンジセンサーチップ４１と、検出回路が形成され、センサー素子の動
きを規制する役割も持つＩＣ規制板４２を、アルミナ製のケース１内に設置し、アルミナ
製のケース蓋８で封止した構成とした。マルチレンジセンサーチップ４１のチップ端子４
と、ＩＣ規制板のＩＣ端子４３の間、およびケース１の外部端子７と接続しているケース
端子６と、ＩＣ端子４３との間を、ワイヤー５で接続することで、センサーの検出信号が
外部端子７から取り出せる。
【００５４】
図３に示すように、マルチレンジセンサーチップ４１はケース１の内底に、接着剤１６
を用いて固着した。接着剤１６にはプラスチック球が混練されており、センサー素子の錘
部４７とケース３内底の間に一定の間隔が形成される。ＩＣ規制板４２も同様にプラスチ
ック球が混練された接着材１６によりマルチレンジセンサーチップ４１上に接着し、セン
サー素子の錘部とＩＣ規制板４２の間も一定の間隔が形成されるようにした。ケース蓋８
をケース１に接着剤１７で固着して密封し、マルチレンジ３軸加速度センサー４０を形成
した。
【００５５】
図２を用いてマルチレンジセンサーチップ４１の構造を説明する。マルチレンジセンサ
ーチップ４１には、第一のダイアフラム型３軸加速度センサー素子４４と第二のダイアフ
ラム型３軸加速度センサー素子４４’が形成されている。ダイアフラム型３軸加速度セン
サー素子４４は、枠部４６内に錘部４７が、枠部４６および錘部４７よりも薄く形成され
たダイアフラム状の可撓部４８によって支持されている。マルチレンジセンサーチップ４
１の平面方向にＸ軸およびＹ軸、垂直方向にＺ軸を設定したとき、可撓部４８上に、Ｘ軸
方向加速度検出用のピエゾ抵抗素子であるＸ軸ピエゾ１３をＸ軸に沿って形成し、Ｙ軸方
向加速度検出用のＹ軸ピエゾ１４をＹ軸に沿って形成した。Ｚ軸加速度検出用のＺ軸ピエ
ゾ１５はどちらの軸方向でもよいが、ここではＸ軸に沿って形成した。ピエゾ抵抗素子は
各軸ごとに４本形成し、図示していない配線により接続してブリッジ回路を構成した。加
速度により錘部に力がかかって変位し、可撓部が変形することでピエゾ抵抗素子の電気抵
抗が変化し、４本のピエゾ抵抗素子の抵抗変化量差による電位差をブリッジ回路で取り出
すことで、加速度を検出できる。
【００５６】
第二のダイアフラム型３軸加速度センサー素子４４’も同様の構成となっているが、第
二のダイアフラム型３軸加速度センサー素子４４’は第一のダイアフラム型３軸加速度セ
ンサー素子４４の枠部４６の一つの枠辺に形成している。
【００５７】
第二のダイアフラム型３軸加速度センサー素子４４’は、第一のダイアフラム型３軸加
速度センサー素子４４と比べて、単位加速度あたりの出力電圧が小さくなるようにした。
すなわち出力電圧のフルスケールに対して、第二のダイアフラム型３軸加速度センサー素
子４４’の方が測定レンジが広くなるようにした。例えば、第一のダイアフラム型３軸加
速度センサー素子４４の測定レンジを±数Ｇとして落下検出に用い、第二のダイアフラム
型３軸加速度センサー素子４４’の測定レンジを±数百Ｇとして衝撃検知に用いることが
できる。またマルチレンジセンサーチップ上には、チップ端子４を複数形成した。
【００５８】
加速度センサー素子の製造方法を簡単に説明する。約４００μｍ厚のシリコン板に数μ
ｍのシリコン酸化層と６μｍのシリコン層を有するＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎ
ｓｕｌａｔｏｒ）ウエハーを使用した。フォトレジストでパターニングを行いシリコン層
にボロンを１〜３ｘ１０１８原子／ｃｍ３打ち込みピエゾ抵抗を形成し、ピエゾ抵抗に接
続する配線を、金属スパッタ−とドライエッチング装置を用いて形成した。シリコン板を
フォトリソとドライエッチング装置を用いて加工し、錘部の形状を作成した。シリコン板
の除去された部分はシリコン層の厚みが残り、この部分が可撓部となる。シリコン酸化層
はシリコンのドライエッチングの際にエッチングストッパーとして機能する。１枚のウエ
ハーに多数のチップを作製し、ドライエッチングあるいはダイシングにより単体チップに
分離した。
【００５９】
本実施例のマルチレンジ加速度センサーにおいては、第一のダイアフラム型３軸加速度
センサー素子４４および第二のダイアフラム型３軸加速度センサー素子４４’を、一つの
マルチレンジセンサーチップ４１に一括して形成可能である。シリコンドライエッチング
のマスクに両者の形状を作りこみ、同時に加工して形成することで、プロセスの追加なく
測定レンジの異なる２つのセンサー素子を形成でき、製造コストを低くできる。また、第
一のダイアフラム型３軸加速度センサー素子４４の枠部４６内に、第二のダイアフラム型
３軸加速度センサー素子４４’を形成するため、２つのセンサー素子の枠部を共通化して
小さい面積に収めることができるので、マルチレンジ加速度センサーを小型化できる。ま
た、２つのセンサー素子の梁部の方向をマスクパターンにより合わせられるので、２つの
センサー素子の加速度検出軸を高精度に一致させることができた。第一のダイアフラム型
３軸加速度センサー素子４４と第二のダイアフラム型３軸加速度センサー素子４４’の、
枠部４６と錘部４７、可撓部４８の厚みは同じとした。
【００６０】
第二のダイアフラム型３軸加速度センサー素子４４’の方が、第一のダイアフラム型３
軸加速度センサー素子４４よりも単位加速度あたりの出力電圧を小さくするために、可撓
部の幅、すなわち錘部と枠部間の距離を短くして、可撓部の曲げ剛性を高くすることが望
ましい。また、錘の外形寸法を小さくし、錘の重量を軽くすることが望ましい。それによ
り、錘部と梁部が配置される領域は、第二のダイアフラム型３軸加速度センサー素子４４
’の方が小さくなることが望ましい。すなわち枠部内部の空間領域が小さくなることが望
ましい。
【００６１】
また、衝撃加速度の検出の場合、加速度センサーが搭載された機器の衝突の衝撃により
、加速度センサーの共振周波数付近の振動が加速度センサーに与えられると、共振周波数
での振動が減衰されずに残留して、検出波形に不具合を生じる恐れがある。そのため、衝
撃検知では、共振周波数を高くする必要がある。高加速度レンジを測定する第二の３軸加
速度センサー素子４４’は、可撓部の曲げ剛性を高く、錘の重量を軽くするため、センサ
ー素子の共振周波数も高くなることから、衝撃検出に用いやすいという特徴が得られた。
【００６２】
低加速度レンジを測定する第一のダイアフラム型３軸加速度センサー素子４４は、測定
レンジを大きく超える加速度が与えられると、ダイアフラム状の可撓部に過大な応力がか
かり、可撓部が破損する恐れがある。そのため、センサー素子の錘部の上下に所定の間隔
を与えて規制板を配置した。本実施例では、錘部の上方には検出回路を形成したＩＣチッ
プであるＩＣ規制板４２を配置し、錘部の下方はケース１の内底を規制板として用いた。
ＩＣ規制板４２およびケース１の内底を用いることで、別に独立した規制板を設置するよ
りもセンサー全体の厚さを薄くできる。規制板と錘部との間隔は、測定レンジ内で錘部が
規制板に衝突することがなく、かつ可撓部が破損するほど可撓部が変形する前に錘部が規
制板に衝突するような間隔とする。間隔を精度良く形成するため、接着剤１６に外径がほ
ぼ一定なプラスチック球を混練しておき、プラスチック球をスペーサとして間隔を規制で
きるようにした。測定レンジが大きい第二のダイアフラム型３軸加速度センサー素子４４
’は、想定される最大の加速度がかかっても可撓部が破壊に至らない場合があり、そのと
きは第二のダイアフラム型３軸加速度センサー素子４４’の上下には規制板がなくてもよ
い。すなわちＩＣ規制板４２は第一のダイアフラム型３軸加速度センサー素子４４上方を
カバーし、第二のダイアフラム型３軸加速度センサー素子４４’上方はカバーしない領域
に配置しても良い。
【実施例２】
【００６３】
本発明の第２の実施例のマルチレンジ３軸加速度センサーについて以下説明する。図４
は実施例２のマルチレンジセンサーチップ５１の構造を示す。実施例１の低加速度レンジ
を測定する第一のダイアフラム型３軸加速度センサー素子４４を、梁型３軸加速度センサ
ー素子４５に変更したものである。マルチレンジセンサーチップ５１は低加速度レンジを
測定する梁型３軸加速度センサー素子４５と、高加速度レンジを測定するダイアフラム型
３軸加速度センサー素子４４を有する。ダイアフラム型３軸加速度センサー素子４４は、
枠部４６内に錘部４７を可撓部４８によって支持した構造で、梁型３軸加速度センサー素
子４４は、枠部４６内に錘部１１を２対の２本の梁から成る梁部１２によって支持した。
梁部１２上に、図１０ｂ）に示したようにＸ軸ピエゾ１３とＹ軸ピエゾ１４、Ｚ軸ピエゾ
１５を形成した。ダイアフラム型３軸加速度センサー素子４４は梁型３軸加速度センサー
素子４５の枠部４６の一つの枠辺に形成している。低加速度レンジを測定する梁型３軸加
速度センサー素子４５と、高加速度レンジを測定するダイアフラム型３軸加速度センサー
素子４４の、枠部４６と錘部１１と４７、可撓部１２と４８は同じ厚みとした。
【００６４】
３軸加速度センサー素子の可撓部を梁形状とすることで、可撓部の曲げ剛性が低下して
単位加速度当たりの出力を増加させることができた。そのため、実施例１に比べ低加速度
レンジを測定する梁型３軸加速度センサー素子４５と高加速度レンジを測定するダイアフ
ラム型３軸加速度センサー素子４４の両センサー素子の単位加速度当たりの出力の比を大
きくすることができた。
【実施例３】
【００６５】
本発明の第３の実施例は、加速度検出のレンジをさらに追加して、３つの異なる加速度
レンジで３軸加速度が検出できるマルチレンジ加速度センサーである。マルチレンジセン
サーチップ５２の概略構造を図５に示す。第一のダイアフラム型３軸加速度センサー素子
４４の枠部４６の枠辺内に、第二のダイアフラム型３軸加速度センサー素子４４’に加え
て、第三のダイアフラム型３軸加速度センサー素子４４”を配置した。第一から第三のダ
イアフラム型３軸加速度センサー素子４４，４４’、４４”は、第一から第三にかけて、
単位加速度に対する出力電圧が小さくなるようにして、第一から第三の順に加速度測定レ
ンジが大きくなるようにした。例えば、第一のダイアフラム型３軸加速度センサー素子を
±３Ｇ、第二のダイアフラム型３軸加速度センサー素子を±３０Ｇ、第三のダイアフラム
型３軸加速度センサー素子を±６００Ｇというようにする。第一から第三まで順に単位加
速度に対する出力電圧を小さくするため、第一から第三まで順に錘部の寸法を小さく、ま
た可撓部の長さも短くした。
【００６６】
本実施例では、第一のダイアフラム型３軸加速度センサー素子は方形で、第二のダイア
フラム型３軸加速度センサー素子４４’は多角形、第三のダイアフラム型３軸加速度セン
サー素子４４”は円形の可撓部とし、それに合わせて枠部４６と錘部４７も形状を変えて
いる。このように、方形に限らず、多角形や円形を選択することができる。また、第一か
ら第三のダイアフラム型３軸加速度センサー素子の、枠部４６と錘部４７、可撓部４８は
同じ厚みとした。
【実施例４】
【００６７】
本発明の第４の実施例のマルチレンジ３軸加速度センサーについて以下説明する。図６
に、実施例４のマルチレンジセンサーチップ５３の構造を示す。本実施例は、低加速度レ
ンジを測定する梁型３軸加速度センサー素子４５、中加速度レンジを測定する２個の梁型
２軸加速度センサー６１と６１’高加速度レンジを測定するダイアフラム型３軸加速度セ
ンサー素子４４の構成である。梁型２軸加速度センサー６１と６１’は、錘部６２と枠部
６４を１対の梁部６３で繋いでいる。梁型２軸加速度センサー６１の梁部６３にはＸ軸用
ピエゾとＺ軸用ピエゾを形成し、梁型２軸加速度センサー６１’の梁部６３にはＹ軸用ピ
エゾを形成した。ダイアフラム型３軸加速度センサー素子４４と２個の梁型２軸加速度セ
ンサー６１と６１’は、梁型３軸加速度センサー素子４５の枠部４６の２つの枠辺に形成
した。
【００６８】
梁型２軸加速度センサー素子６１，６１’は対を成す梁部６３が１対であるところが梁
型３軸加速度センサー素子４５と異なる。梁部６３に形成した半導体ピエゾ抵抗素子（符
号は省略している）により、梁部６３の長手方向である第一の軸（Ｘ軸）と、チップ面に
垂直な第二の軸（Ｚ軸）の加速度を検出可能である。この２軸加速度センサー素子２個を
第一の軸が直交するように配置することで、２個の素子それぞれの第一の軸方向である２
軸（Ｘ軸およびＹ軸）と、Ｚ軸の３軸を検出することができる。Ｚ軸の検出は、２つの素
子のどちらか一方で行ってもよいし、両方の素子を用いてもよい。本実施例では、第一の
梁型２軸加速度センサー素子６１の梁部６２をＸ軸に沿って配置し、Ｘ軸ピエゾおよびＺ
軸ピエゾを形成した。そして、第二の梁型２軸加速度センサー素子６１’の梁部６３をＹ
軸に沿って配置してＹ軸ピエゾを形成した。
【００６９】
梁型２軸加速度センサー素子は梁部が１対であるため、梁部が２対ある梁型３軸加速度
センサー素子よりも梁部の合計の曲げ剛性が小さく、単位加速度あたりの出力電圧を同じ
にするための錘部の寸法を小さくできる。梁部も一方向にしか伸びていないため、より小
さい枠部内に収めることができた。
【実施例５】
【００７０】
本発明の第５の実施例について説明する。マルチレンジ加速度センサーの全体構成は、
実施例１に示した構成に限るものではない。マルチレンジセンサーチップ４１にウエハー
レベルパッケージング技術を適用した実施例について、図７および図８の断面図を用いて
説明する。図７に示すように、マルチレンジセンサーチップ４１の上下に第一キャップ７
０および第二キャップ７１を接合した。第一キャップ７０および第二キャップ７１は中央
部にキャビティーを７２有し、周辺部でマルチレンジセンサーチップ４１と接合して、セ
ンサーチップパッケージ７５を得た。接合部はマルチレンジセンサーチップ４１のセンサ
ー素子部形成領域の外側の枠部４６に配置した。センサー素子部は第一キャップ７０およ
び第二キャップ７１で囲まれた気密パッケージ内に保護されており、湿度や異物などの影
響によるセンサー素子の特性の変動を抑えている。
【００７１】
また、第一キャップ７０および第二キャップ７１は、センサー素子部の錘部と第一キャ
ップ７０および第二キャップ７１の間に適切な間隔を有し、過大な加速度が加わったとき
に錘部の変位量を規制して可撓部が破損するのを防ぐ規制板の役割をする。マルチレンジ
センサーチップ４１の表面にはチップ保護膜７３を形成し、気密パッケージの外部に配置
されるチップ端子４と、ピエゾ抵抗素子とをつなぐ配線７４は、チップ保護膜７３の下か
ら気密パッケージ外部に引き出されるようにした。第一キャップ７０および第二キャップ
７１はシリコンウエハーを用い、シリコンの異方性エッチングまたはドライエッチングで
キャビティー７２を加工した。マルチレンジセンサーチップ４１と第一キャップ７０およ
び第二キャップ７１の接合はウエハーレベルで行い、接合後に個々のセンサーチップパッ
ケージ７５に個片化した。接合方法はＡｕ／Ｓｎのはんだ接合を用いた。その他にも、各
種金属のはんだ接合や共晶接合、表面活性化接合、陽極接合、低融点ガラス接合などを用
いることができる。個片化の際には、チップ端子４を露出する必要があるため、第一キャ
ップ７０にはチップ電極の上方領域にもキャビティー７２を形成しておき、第一キャップ
７０のみを矢印で示した第一ダイシング部７６で切断することで、チップ端子４を露出し
た。その後、マルチレンジセンサーチップ４１と第二キャップ７１を第二ダイシング部７
７で切断して個片化し、センサーチップパッケージ７５を得た。
【００７２】
センサー素子部が気密パッケージ内に保護されているので、センサー全体のパッケージ
には一般的に利用されている安価なプラスチックパッケージを適用した。金属リードフレ
ームと樹脂封止を用いた実施例を図８に示す。金属リードフレーム８５のチップ支持板７
８上に樹脂製の接着剤７９によりＩＣチップ８０を、ＩＣチップ８０上に樹脂製の接着剤
８１によりセンサーチップパッケージ７５を接着した。センサーチップパッケージ７５の
チップ端子４とＩＣチップ８０のＩＣ端子８２、およびＩＣ端子８２と金属リードフレー
ム８５の外部端子８３との間をＡｕ製のワイヤー５により接続した後、エポキシ製の封止
樹脂８４により封止し、マルチレンジ加速度センサー８８を得た。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本願発明の実施例１のマルチレンジ３軸加速度センサーの分解斜視図である。
【図２】本願発明の一実施例１のマルチレンジセンサーチップの斜視図である。
【図３】本願発明の実施例１の図１のｊ−ｊ’断面図である。
【図４】本願発明の実施例２のマルチレンジセンサーチップの斜視図である。
【図５】本願発明の実施例３のマルチレンジセンサーチップの斜視図である。
【図６】本願発明の実施例４のマルチレンジセンサーチップの斜視図である。
【図７】本願発明の実施例５のセンサーチップパッケージの断面図である。
【図８】本願発明の実施例５のマルチレンジ加速度センサーの断面図である。
【図９】従来の３軸加速度センサーの分解斜視図である。
【図１０】従来の３軸加速度センサーの図９のｈ−ｈ’断面図およびセンサーチップの平面図である。
【図１１】従来のマルチレンジ加速度センサーの構造を示す斜視図である。
【図１２】従来のマルチレンジ加速度センサーの構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００７４】
１  ケース、２  センサーチップ、
３  規制板、４  チップ端子、
５  ワイヤー、６  ケース端子、
７  外部端子、８  ケース蓋、
９  梁型３軸加速度センサー素子、９’  ダイアフラム型３軸加速度センサー素子、
１０  枠部、１１  錘部、
１２  梁部、１３  Ｘ軸ピエゾ、
１４  Ｙ軸ピエゾ、１５  Ｚ軸ピエゾ、
１６，１７  接着剤、１９  ダイアフラム、
２０  ３軸加速度センサー、２１，２２，２３  加速度センサー、
２４  回路基板、２５  加速度センサー装置、
３０  マルチレンジ加速度センサー、３１  枠、
３２  梁、３３  錘、
３４  電極、４０  マルチレンジ加速度センサー、
４１  マルチレンジセンサーチップ、４２  ＩＣ規制板、
４３  ＩＣ端子、４４，４４’，４４”  ダイアフラム型３軸加速度センサー素子、
４５  梁型３軸加速度センサー素子、  ４６  枠部、
４７  錘部、４８  可撓部、
５１，５２，５３  マルチレンジセンサーチップ、
６１，６１’  梁型２軸加速度センサー素子、６２  錘部、
６３  梁部、６４  枠部、
７０  第一キャップ、７１  第二キャップ、
７２  キャビティー、７３  チップ保護膜、
７４  配線、７５  センサーチップパッケージ、
７６  第一ダイシング部、７７  第二ダイシング部、
７８  チップ支持板、７９  接着剤、
８０  ＩＣチップ、８１  接着剤、
８２  ＩＣ端子、８３  外部端子、
８４  封止樹脂、８５  金属リードフレーム、
８８  マルチレンジ加速度センサー。
【図１】
2008070312.tif 000003
【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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