(57)【要約】【課題】衝撃に対する信頼性を向上した半導体加速度センサを提供する。【解決手段】本発明は、支持枠の表裏に貫通する矩形の開口窓内に開口窓の各辺に対してそれぞれの辺が略平行に配置される矩形部を有する錘部が略平行に複数設けられる可撓性を有する矩形の梁部を介して支持枠の一辺に一体に連結され、錘部への加速度の作用により梁部に生じる応力を検出する歪検出素子が設けられたセンサ本体と、支持枠に接合されて錘部が動作する範囲を制限するカバーとを備えた半導体加速度センサにおいて、両端の梁部の外側側面と錘部の矩形部の側面とが同一平面上となるものであることを特徴としている。【選択図】図２
2004085390.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持枠の表裏に貫通する矩形の開口窓内に開口窓の各辺に対してそれぞれの辺が略平行に配置される矩形部を有する錘部が、略平行に複数設けられる可撓性を有する矩形の梁部を介して支持枠の一辺に一体に連結され、錘部への加速度の作用により梁部に生じる応力を検出する歪検出素子が設けられたセンサ本体と、支持枠に接合されて錘部が動作する範囲を制限するカバーとを備えた半導体加速度センサにおいて、両端の梁部の外側側面と錘部の矩形部の側面とが同一面上で連続するものであることを特徴とする半導体加速度センサ。
【請求項２】
両端の梁部と支持枠の間に形成される溝を錘部から梁部に向かう方向に延長したものであることを特徴とする請求項１記載の半導体加速度センサ。
【請求項３】
センサ本体は、複数の層を積層して形成され、両端の梁部と支持枠の間に形成される溝を表面の一部の層のみにおいて錘部から梁部に向かう方向に延長したものであることを特徴とする請求項１記載の半導体加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加速度を応力の変化により検出する半導体加速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、マイクロマシン加工により形成された半導体加速度センサが提供されている。この種の半導体加速度センサは、特開平１１−２３７４００などに構造が開示されており、図５、図６に示すように、シリコン基板のような半導体基板を用いて形成したセンサ本体１の厚み方向の両面にガラス製のカバー２，３を積層した構造を有するものがある。センサ本体１は、矩形枠状の支持枠１１を備え、支持枠１１の中央に厚み方向の表裏に貫通する形で形成された開口窓１１ａの中に錘部１２が配置されるとともに、錘部１２の周囲の一辺が他の部位よりも薄肉である梁部１３を介して支持枠１１に一体に連結された構造を有する。したがって、錘部１２の周囲には、梁部１３を除いて支持枠１１との間に溝１４が形成されている。また、梁部１３は錘部１２の一辺に沿う方向に離間して２箇所に形成されている。各梁部１３には、それぞれ歪検出素子として２個ずつのゲージ抵抗（図示せず）が形成されている。ゲージ抵抗は、ピエゾ抵抗であり、ブリッジ回路を構成するように接続されている。また、図６（ａ）のように、ブリッジ回路の各端子となるパッド１６は支持枠１１に形成されている。
【０００３】
したがって、このものは、センサ本体１の厚み方向（主軸方向）の加速度が作用すると、錘部１２の慣性によって支持枠１１と錘部１２とがセンサ本体１の厚み方向に相対的に変位し、結果的に梁部１３が撓んでゲージ抵抗の抵抗値が変化することになる。つまり、ゲージ抵抗の抵抗値の変化を検出することによりセンサ本体１に作用した加速度を検出することができる。このセンサ本体１は、錘部１２が片持ち梁としての梁部１３を介して支持枠１１に結合されている。
【０００４】
センサ本体１の厚み方向の裏面側（図５の下面側）にはガラス製のカバー２が積層され、センサ本体１の厚み方向の表面側（図５の上面側）にはカバー２とともに錘部１２を囲む空間を形成するガラス製のカバー３が積層されている。カバー２とカバー３との間に形成される空間は密封する必要はないが、錘部１２が支持枠１１に対して相対的に移動する際に、錘部１２に対して空気による制動力（いわゆるエアダンプ）が作用するように構成してある。両カバー２，３において錘部１２との対向面にはそれぞれ錘部１２の移動範囲を確保するための凹所２ａ，３ａが形成され、各凹所２ａ，３ａの底面に錘部１２の移動量を規制するための突起状のストッパ２ｂ，３ｂが形成されており、錘部１２に過大な加速度が作用したときの支持枠１１に対する錘部１２の移動量をストッパ２ｂ，３ｂで規制することによって梁部１３の折損を防止している。
【０００５】
ところで、支持枠１１とカバー２とを接合するためにカバー２の表面には全周に亘ってアルミニウム薄膜からなる接合部２７が形成されている。そして、支持枠１１とカバー３とを接合するためにセンサ本体１の表面には錘部１２の両側の縁に沿った２辺にアルミニウム薄膜からなる接合部１７がそれぞれ形成されている。ここにおいて、センサ本体１と各カバー２，３とは陽極接合により接合される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の半導体加速度センサにおいては、衝撃力などによって梁部１３，１３を結ぶ方向のように主軸方向以外の加速度が作用するときには、錘部１２の重心が梁部１３と同一面内にないので、梁部１３にはねじれ方向の応力が発生する。また、このようなときには、両側の梁部１３の外側側面と支持枠１１との接続部に形成される角部や、両側の梁部１３の外側側面と錘部１２との接続部に形成される角部に錘部１２の慣性力による応力が集中する。したがって、梁部１３には、大きな応力が加わるため、衝撃に対する信頼性を向上させることが困難であった。
【０００７】
本発明は、上記事由に鑑みてなしたもので、その目的とするところは、衝撃に対する信頼性を向上した半導体加速度センサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、支持枠の表裏に貫通する矩形の開口窓内に開口窓の各辺に対してそれぞれの辺が略平行に配置される矩形部を有する錘部が、略平行に複数設けられる可撓性を有する矩形の梁部を介して支持枠の一辺に一体に連結され、錘部への加速度の作用により梁部に生じる応力を検出する歪検出素子が設けられたセンサ本体と、支持枠に接合されて錘部が動作する範囲を制限するカバーとを備えた半導体加速度センサにおいて、両端の梁部の外側側面と錘部の矩形部の側面とが同一面上で連続するものであることを特徴としている。
【０００９】
したがって、梁部は、ねじれ方向の運動の回転軸から離れた位置で錘部と支持枠とを連結することになるので、錘部が梁部を結ぶ方向のように主軸方向以外の加速度が作用するときの慣性力によるねじれ方向の変位と応力は低減される。そして、両端の梁部の外側側面と錘部の矩形部の側面は、同一平面上になるようにしているので、梁部の外側側面と錘部との接続部に形成される角部をなくし、錘部の慣性力による応力の集中が緩和される。このため、衝撃に対する信頼性を向上した半導体加速度センサを提供することができる。
【００１０】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の半導体加速度センサにおいて、両端の梁部と支持枠の間に形成される溝を錘部から梁部に向かう方向に延長したものであることを特徴としている。
【００１１】
したがって、両側の梁部の外側側面と支持枠との接続部に形成される角部を支持枠の内部に設けることになり、梁部の拘束が弱くなるため、この角部における応力の集中が緩和される。このため、衝撃に対する信頼性を向上した半導体加速度センサを提供することができる。
【００１２】
請求項３に係る発明は、請求項１記載の半導体加速度センサにおいて、センサ本体は、複数の層を積層して形成され、両端の梁部と支持枠の間に形成される溝を表面の一部の層のみにおいて錘部から梁部に向かう方向に延長したものであることを特徴としている。
【００１３】
したがって、表面の一部の層において、両側の梁部の外側側面と支持枠との接続部に形成される角部を支持枠の内部に設けることになり、梁部の拘束が弱くなるため、この角部における応力の集中が緩和される。そして、センサ本体の厚み方向すべての層で溝を錘部から梁部に向かう方向に延長するには、精度の良いエッチングを行う必要があり、歩留まりが悪くなるが、梁部１３を形成しているような薄い層についてのみの加工であれば歩留まりはほとんど変化しない。このため、加工時の歩留まりを落とすことなく、衝撃に対する信頼性を向上した半導体加速度センサを提供することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
次に、請求項１の発明に係る一実施形態を、図１、図２、図６に基づいて説明する。このものは、従来の構成と梁部１３の構成を除いて略同じであり、Ａ−Ａ断面については、従来の構成のＣ−Ｃ断面である図６（ｂ）を用いて説明する。このものは、図１に示すように、シリコン基板のような半導体基板を用いて形成したセンサ本体１の厚み方向の両面にガラス製のカバー２，３とを備え、センサ本体１の厚み方向の両面にカバー２，３を積層した構造を有する。
【００１５】
センサ本体１は、支持枠１１と、錘部１２と、梁部１３と、パッド１６、接続部１７を有して構成される。支持枠１１は、矩形枠状に形成され、この中央に図６（ｂ）のように厚み方向の表裏に貫通するように上面視で矩形の開口窓１１ａが形成されている。
【００１６】
錘部１２は、矩形の板状である矩形部の下面に底面が台形の角柱の平行線の長い側の側面が接続された形状に形成されている。このものは、矩形部の各辺が開口窓１１ａの対向する各辺と略平行となり、支持枠１１の上面と矩形部の上面が同一平面上に存在するように開口窓１１ａ内に配置される。
【００１７】
梁部１３は、可撓性を有するように他の部位よりも薄肉で矩形の板状に形成されている。このものは、その外側側面が錘部１２の矩形部の側面と同一平面上となるようにそれぞれが略平行となるように２つ設けられ、錘部１２の矩形部の一辺と支持枠１１の一辺を一体に連結している。したがって、錘部１２の周囲には梁部１３を除いて支持枠１１との間に溝１４が形成されている。このものは、上述の位置で錘部１２を支持枠１１の一辺と一体に連結することにより、主軸方向以外の加速度が作用するときのねじれ方向の運動の回転軸から離れた位置で錘部１２と支持枠１１とを連結することになるので、錘部１２が梁部１３，１３を結ぶ方向のように主軸方向以外の加速度が作用するときの慣性力によるねじれ方向の変位と応力を低減することができる。また、梁部１３の外側側面と錘部１２の矩形部の側面は、同一平面上になるようにしているので、梁部１３の外側側面と錘部１２との接続部に形成される角部をなくし、錘部１２の慣性力による応力の集中が緩和される。この梁部１３には、それぞれ歪検出素子として２個ずつのゲージ抵抗（図示せず）が形成されている。これらのゲージ抵抗はピエゾ抵抗であり、ブリッジ回路を構成するように接続されている。
【００１８】
パッド１６は、ブリッジ回路の各端子となるものであり、図２のように、支持枠１１に形成されている。接続部１７は、アルミニウム薄膜により支持枠１１の梁部１３が設けられた辺と対向しない部分の両側に矩形に設けられるものであり、後述のカバー３を陽極接合により接合する。
【００１９】
カバー２は、ガラスでセンサ本体１の厚み方向の裏面側（図１の下面側）にセンサ本体１と同形状の矩形の板状に形成されている。このものは、錘部１２の対向面に錘部１２の移動範囲を確保するための凹所２ａが形成され、凹所２ａの底面に錘部１２の移動量を規制するための突起状のストッパ２ｂが形成されている。このストッパ２ｂは、錘部１２に過大な加速度が作用したときの支持枠１１に対する錘部１２の移動量を規制することによって梁部１３の折損を防止している。また、カバー２は、凹所２ａの周囲に全周に亘ってアルミニウム薄膜で形成された接合部２７により、センサ本体１に陽極接合している。
【００２０】
カバー３は、ガラスでセンサ本体１の厚み方向の表面側（図１の上面側）に上面視でセンサ本体１と同形状の矩形でアーチ状に形成されている。このものは、錘部１２の対向面に錘部１２の移動範囲を確保するための凹所３ａが形成され、凹所３ａの上面に錘部１２の移動量を規制するための突起状のストッパ３ｂが形成されている。このストッパ３ｂは、錘部１２に過大な加速度が作用したときの支持枠１１に対する錘部１２の移動量を規制することによって梁部１３の折損を防止している。このカバー２とカバー３との間に形成される空間は、密封する必要はないが、錘部１２が支持枠１１に対して相対的に移動する際に、錘部１２に対して空気による制動力（いわゆるエアダンプ）が作用するように構成している。
【００２１】
次に、第１の実施形態の動作について説明する。通常に使用するときのように、センサ本体１の主軸方向の加速度が作用すると、錘部１２の慣性によって支持枠１１と錘部１２とがセンサ本体１の厚み方向に相対的に変位し、梁部１３が撓んでゲージ抵抗であるピエゾ抵抗の抵抗値が変化する。パッド１６は、この抵抗の変化をブリッジ回路により電気信号として取り出しているので、センサ本体１に作用した加速度を電気信号として検出することができる。このとき、ストッパ２ｂ，３ｂは、錘部１２に過大な加速度が作用したときの支持枠１１に対する錘部１２の移動量を規制しているので梁部１３は、許容できる範囲内の応力となっている。
【００２２】
一方、衝撃力が加わるときのように、主軸方向以外の加速度が作用すると、梁部１３には、ねじれ方向の変位が生じる。しかしながら、梁部１３の外側側面が錘部１２の矩形部の側面と同一平面上となるように設けているので、従来の構成と比較してねじれ方向の変位と応力が低減される。そして、梁部１３の外側側面と錘部１２との接続部に形成される角部がなくなることにより、錘部１２の慣性力による応力の集中が緩和される。したがって、従来の構成に対して衝撃に対する信頼性が向上する。
【００２３】
このように、第１の実施形態においては、梁部１３は、ねじれ方向の運動の回転軸から離れた位置で錘部１２と支持枠１１とを連結することになるので、錘部１２が梁部１３，１３を結ぶ方向のように主軸方向以外の加速度が作用するときの慣性力によるねじれ方向の変位と応力は低減される。そして、両端の梁部１３の外側側面と錘部１２の矩形部の側面は、同一平面上になるようにしているので、梁部１３の外側側面と錘部１２との接続部に形成される角部をなくし、錘部１２の慣性力による応力の集中が緩和される。このため、衝撃に対する信頼性を向上した半導体加速度センサを提供することができる。
【００２４】
（第２の実施形態）
次に、請求項２の発明に係る一実施形態を、図３に基づいて説明する。このものは、第１の実施形態と両端の梁部１３と支持枠１１の間に形成される溝１４を錘部１２から梁部１３に向かう方向に延長している点が異なり、その他は第１の実施形態と同じである。
【００２５】
このような構成にすることにより、溝１４は、支持枠１１と錘部１２との間の幅のまま、支持枠１１と梁部１３との接続部を越えて延長される。このことにより、両側の梁部１３の外側側面と支持枠１１との接続部に形成される角部を支持枠１１の内部に設けることになり、梁部１３の拘束が弱くなる。このため、衝撃力などによる主軸方向以外の加速度により、梁部１３にねじれ方向の変位が生じたときにも、この角部における応力の集中が緩和される。このため、衝撃に対する信頼性を向上した半導体加速度センサを提供することができる。溝１４の延長する長さは、長いほど応力を緩和する効果は大きいので、梁部１３に設けられたゲージ抵抗（図示せず）とパッド１６の間の電気配線（図示せず）が接続できる範囲内で長くしている。
【００２６】
このように、第２の実施形態においては、両側の梁部１３の外側側面と支持枠１１との接続部に形成される角部を支持枠１１の内部に設けることになり、梁部１３の拘束が弱くなるため、この角部における応力の集中が緩和される。このため、衝撃に対する信頼性を向上した半導体加速度センサを提供することができる。
【００２７】
（第３の実施形態）
次に、請求項３の発明に係る一実施形態を、図４に基づいて説明する。このものは、第１の実施形態とセンサ本体１は、複数の層を積層して形成され、梁部１３と支持枠１１の間に形成される溝１４を表面の一部の層のみ錘部１２から梁部１３に向かう方向に延長している点で異なり、その他は第１の実施形態と同じである。
【００２８】
センサ本体１は、上部シリコン層ｕと酸化膜層ｍと下部シリコン層ｌの順に積層された積層部材で形成されている。このものは、図４（ｂ）のように、上部シリコン層ｕと酸化膜層ｍとで、支持枠１１の上部と、錘部１２の矩形部と、梁部１３を形成している。また、下部シリコン層ｌでは、支持枠１１の下部と、錘部１２の矩形部を除く部分とを形成している。梁部１３と支持枠１１との間に形成される溝１４を上部シリコン層ｕと酸化膜層ｍにおいて、錘部１２から梁部１３に向かう方向に延長している。このことにより、表面の一部の層において、両側の梁部１３の外側側面と支持枠１１との接続部に形成される角部を支持枠１１の内部に設けることになり、梁部１３の拘束が弱くなるため、この角部における応力の集中が緩和される。
【００２９】
このものは、センサ本体１の厚み方向すべてにおいて溝１４を錘部１２から梁部１３に向かう方向に延長するときと比較して、応力の集中を緩和する効果は小さくなる。しかしながら、エッチングによる加工でセンサ本体１の厚み方向すべての層で溝１４を錘部１２から梁部１３に向かう方向に延長するには、垂直エッチングなど、精度の良い加工が必要であり、歩留まりが悪くなる。ところが、梁部１３を形成しているような薄い層についてのみ、溝１４の加工を行うのであれば、歩留まりはほとんど変化しない。このため、加工時の歩留まりを落とすことなく、衝撃に対する信頼性を向上した半導体加速度センサを提供することができるのである。
【００３０】
このように、第３の実施形態においては、表面の一部の層において、両側の梁部１３の外側側面と支持枠１１との接続部に形成される角部を支持枠１１の内部に設けることになり、梁部１３の拘束が弱くなるため、この角部における応力の集中が緩和される。そして、センサ本体１の厚み方向すべての層で溝１４を錘部１２から梁部１３に向かう方向に延長するには、精度の良いエッチングを行う必要があり、歩留まりが悪くなるが、梁部１３を形成しているような薄い層についてのみの加工であれば歩留まりはほとんど変化しない。このため、加工時の歩留まりを落とすことなく、衝撃に対する信頼性を向上した半導体加速度センサを提供することができる。
【００３１】
なお、実施形態において、梁部１３が２つのものについて説明したが、２つに限るものではなく、主軸方向の加速度を受けたときにねじれ方向の運動を行わないようにすれば、３つ以上であってもよい。
【００３２】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、梁部がねじれ方向の運動の回転軸から離れた位置で錘部と支持枠とを連結して、主軸方向以外の加速度が作用するときの慣性力によるねじれ方向の変位と応力は低減する。そして、両端の梁部の外側側面と錘部の矩形部の側面を同一平面上にして、梁部の外側側面と錘部との接続部に形成される角部をなくし、錘部の慣性力による応力の集中を緩和する。このため、衝撃に対する信頼性を向上した半導体加速度センサを提供することができる。
【００３３】
請求項２に係る発明によれば、両側の梁部の外側側面と支持枠との接続部に形成される角部を支持枠の内部に設け、梁部の拘束が弱くし、この角部における応力の集中を緩和する。このため、衝撃に対する信頼性を向上した半導体加速度センサを提供することができる。
【００３４】
請求項３に係る発明によれば、表面の一部の層において、両側の梁部の外側側面と支持枠との接続部に形成される角部を支持枠の内部に設けることになり、梁部の拘束が弱くして、この角部における応力の集中を緩和する。そして、薄い層についてのみの加工のため、歩留まりはほとんど変化しない。このため、加工時の歩留まりを落とすことなく、衝撃に対する信頼性を向上した半導体加速度センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態を示す分解斜視図である。
【図２】第１の実施形態のセンサ本体を示す上面図である。
【図３】第２の実施形態のセンサ本体を示す上面図である。
【図４】第３の実施形態を示すものであり、（ａ）はセンサ本体の上面図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図である。
【図５】従来例を示す分解斜視図である。
【図６】従来例を示すものであり、（ａ）は上面図、（ｂ）はＣ−Ｃ断面図である。
【符号の説明】
１　　　センサ本体
１１　　支持枠
１２　　錘部
１３　　梁部
１４　　溝
２，３　カバー
【図１】
2004085390.tif 000003
【図２】
2004085390.tif 000004
【図３】
2004085390.tif 000005
【図４】
2004085390.tif 000006
【図５】
2004085390.tif 000007
【図６】
2004085390.tif 000008