(57)【要約】【課題】  厚み寸法を小さくして、体積を小さくできる半導体センサを提供する。【解決手段】  重錘３の本体部６はダイアフラム部１１の裏面と対向する上面６ａと、上面６ａと対向する下面６ｂと、上面６ａと下面６ｂとの間に位置する側面６ｃとを有している。上面６ａの外周縁部の一部と側面６ｂの上側縁部の一部とを構成するように第１のストッパ面６ｄを形成する。第１のストッパ面６ｄは、センサ本体１の第２のストッパ面１５に向かって凸となる湾曲面により形成する。湾曲面の形状は、第１のストッパ面６ｄが第２のストッパ面１５と衝突したときに支持部９に発生する応力が、支持部９とダイアフラム部１１との境界部にクラックを発生することがないように支持部９内に分散して伝搬するように定める。第１のストッパ面６ｄとセンサ本体１の第２のストッパ面１５により重錘３の変位量を所定の範囲内に規制するストッパ構造を構成する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心部に重錘固定部、外周部に筒状の支持部、そして前記重錘固定部と前記支持部との間にダイアフラム部を有し且つ前記ダイアフラム部にセンサ素子が形成されたセンサ本体と、
前記重錘固定部の中心を通り前記ダイアフラム部が延びる方向と直交する方向に延びる中心線が重心を通るように前記重錘固定部に固定された重錘と、
前記重錘の変位量を所定の範囲内に規制するストッパ構造とを備え、
前記重錘がその外周面に前記ストッパ構造の一部を構成する第１のストッパ面を有し、
前記支持部がその内周面に前記ストッパ構造の一部を構成し且つ前記第１のストッパ面と対向して規制時に前記第１のストッパ面と接触する第２のストッパ面を有する半導体センサにおいて、
前記重錘は前記重錘固定部に固定される被固定部と、前記ダイアフラム部との間に間隔を開けて配置された本体部とを有しており、
前記本体部は前記ダイアフラム部に沿って延びて前記ダイアフラム部の裏面と対向する上面と、前記上面と前記中心線が延びる方向で対向する下面と、前記上面と前記下面との間に位置する側面とを有しており、
前記第１のストッパ面は、前記上面の外周縁部の一部と前記側面の上側縁部の一部とを構成するように形成されており、
前記第１のストッパ面は、前記第２のストッパ面に向かって凸となる湾曲面により形成されており、
前記湾曲面の形状は、前記第１のストッパ面が前記第２のストッパ面と衝突したときに前記支持部に発生する応力が、前記支持部と前記ダイアフラム部との境界部にクラックを発生することがないように前記支持部内に分散して伝搬するように定められていることを特徴とする半導体センサ。
【請求項２】
中心部に重錘固定部、外周部に筒状の支持部、そして前記重錘固定部と前記支持部との間にダイアフラム部を有し且つ前記ダイアフラム部にセンサ素子が形成されたセンサ本体と、
前記支持部に連結されて前記支持部が載せられる台座部と、
前記重錘固定部の中心を通り前記ダイアフラム部が延びる方向と直交する方向に延びる中心線が重心を通るように前記重錘固定部に固定された重錘と、
前記重錘の変位量を所定の範囲内に規制するストッパ構造とを備え、
前記重錘がその外周面に前記ストッパ構造の一部を構成する第１のストッパ面を有し、
前記支持部、または前記支持部と前記台座部との内周面に、前記ストッパ構造の一部を構成し且つ前記第１のストッパ面と対向して規制時に前記第１のストッパ面と接触する第２のストッパ面を有する半導体センサにおいて、
前記重錘は前記重錘固定部に固定される被固定部と、前記ダイアフラム部との間に間隔を開けて配置された本体部とを有しており、
前記本体部は前記ダイアフラム部に沿って延びて前記ダイアフラム部の裏面と対向する上面と、前記上面と前記中心線が延びる方向で対向する下面と、前記上面と前記下面との間に位置する側面とを有しており、
前記第１のストッパ面は、前記上面の外周縁部の一部と前記側面の上側縁部の一部とを構成するように形成されており、
前記第１のストッパ面は、前記第２のストッパ面に向かって凸となる湾曲面により形成されており、
前記湾曲面の形状は、前記第１のストッパ面が前記第２のストッパ面と衝突したときに前記支持部に発生する応力が、前記支持部と前記ダイアフラム部との境界部にクラックを発生することがないように前記支持部内に分散して伝搬するように定められていることを特徴とする半導体センサ。
【請求項３】
前記重錘固定部は前記ダイアフラム部よりも前記重錘側に突出しており、前記重錘の前記被固定部と前記上面とは面一になっていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体センサ。
【請求項４】
前記重錘固定部の裏面と前記ダイアフラム部の前記裏面とは面一になっており、前記重錘の前記被固定部が前記上面よりも前記重錘固定部側に突出していることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体センサ。
【請求項５】
前記第１のストッパ面は、前記中心線を含んで前記中心線が延びる方向に前記重錘を切断したときの切断面の輪郭形状が円弧形状をなすように形成されている請求項１または２に記載の半導体センサ。
【請求項６】
前記円弧状の曲率半径Ｒが、２０μｍ以上であることを特徴とする請求項５に記載の半導体センサ。
【請求項７】
前記第１のストッパ面は、前記中心線を含んで前記中心線が延びる方向に前記重錘を切断したときの切断面の輪郭形状が、曲率半径２０μｍの仮想最小円弧面と曲率半径２００μｍの仮想最大円弧面と間に位置する湾曲形状をなすように形成されている請求項１または２に記載の半導体センサ。
【請求項８】
前記第２のストッパ面は、前記ダイアフラム部が位置する側に向かうにしたがって前記中心線に近づくように傾斜する傾斜面により形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体センサ。
【請求項９】
前記第１のストッパ面上には、前記第１のストッパ面と第２のストッパ面との接触を緩衝する１層以上の緩衝層が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体センサ。
【請求項１０】
前記緩衝層は、珪素樹脂、フッ素樹脂または前記重錘より軟らかい軟質金属により形成されていることを特徴とする請求項９に記載の半導体センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体センサに関するものであり、特に、外部から加えられた力による所定方向の加速度や、傾斜させることにより静止状態で加わる所定方向の重力加速度を測定できる半導体センサ、またはジャイロとして用いる半導体センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特開２００２−３７２５４９号公報（特許文献１）等には、センサ本体と重錘を備えた半導体センサの一例が示されている。センサ本体は、中心部に重錘固定部、外周部に筒状の支持部、そして重錘固定部と支持部との間にダイアフラム部を有している。この種の半導体加速度センサでは、外部から加えられた力による加速度またはセンサを傾斜させている状態で加わる重力加速度に基づいて、重錘が動いてダイヤフラム部が歪むことにより、ダイヤフラム部に形成されたセンサ素子が歪み量に応じた加速度の検出信号を出力する。しかしながら、この種の半導体センサでは、重錘に過大な加速度が加わって、重錘がセンサ本体の支持部（または支持部の下に台座が配置される場合に支持部及び／または台座）に大きな衝撃力を加えると、この衝撃力がセンサ本体を破損することがある。そこで特開２００２−３７２５４９号公報（特許文献１）に示された半導体センサでは、支持部の下に台座を設けて、重錘を球形とし、球形に形成した重錘に過剰な加速度が加わったときには、台座の内周面に重錘を接触させて、台座において重錘から加わる衝撃力を吸収しようとしている。
【特許文献１】特開２００２−３７２５４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、この従来の半導体センサでは、重錘が球形を有しているため、重錘の体積が大きくなる。そのため、半導体センサの厚み寸法が大きくなり、体積が増加するという問題があった。
【０００４】
本発明の目的は、センサ本体の破損を防止することができる半導体センサを提供することにある。
【０００５】
本発明の他の目的は、厚み寸法を小さくして、体積を小さくできる半導体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】
本発明の第１の態様の半導体センサは、センサ本体と、重錘とストッパ機構とを有している。センサ本体は、中心部に重錘固定部、外周部に筒状の支持部、そして重錘固定部と支持部との間にダイアフラム部を有している。そしてダイアフラム部にはセンサ素子が形成されている。また重錘は、重錘固定部の中心を通りダイアフラム部が延びる方向と直交する方向に延びる中心線が重心を通るように重錘固定部に固定されている。ストッパ構造は、重錘の変位量を所定の範囲内に規制するものである。重錘は、その外周面にストッパ構造の一部を構成する第１のストッパ面を有している。また支持部は、その内周面にストッパ構造の一部を構成し且つ第１のストッパ面と対向して規制時に第１のストッパ面と接触する第２のストッパ面を有している。また重錘は、重錘固定部に固定される被固定部と、ダイアフラム部との間に間隔を開けて配置された本体部とを有している。本体部は、ダイアフラム部に沿って延びてダイアフラム部の裏面と対向する上面と、この上面と前述の中心線が延びる方向で対向する下面と、上面と下面との間に位置する側面とを有している。そして第１のストッパ面は、上面の外周縁部の一部と側面の上側縁部の一部とを構成するように形成されている。本発明においては、第１のストッパ面が、第２のストッパ面に向かって凸となる湾曲面により形成されている。この湾曲面は、第１のストッパ面が第２のストッパ面と衝突したときに支持部に発生する応力が、支持部とダイアフラム部との境界部にクラックを発生することがないように支持部内に分散して伝搬するように定められている。なお、ここでいうダイアフラム部は、重錘固定部と支持部との間の領域全体に亘って形成されているもの、及び領域の一部に形成されているものの両方を含むものである。領域の一部に形成されているものとしては、例えば、重錘固定部から支持部に放射状に延びるいわゆるビーム等がある。
【０００７】
本発明で用いる重錘は、上面と下面と側面とを有するものであり、厚み（側面の高さ）を薄くすることが可能である。しかしながらこの種の重錘では、重錘の上面と側面との間の角部がセンサ本体の支持部の内面に集中的に当たることになる。発明者は、センサ本体の破壊の大きな原因が、重錘から支持部に加わる応力が、支持部とダイアフラム部との境界部に集中することにあることを見い出した。そこで本発明では、この応力の集中を分散させるために、第２のストッパ面に向かって凸となる第１のストッパ面を湾曲面により形成している。特に、湾曲面の形状を、第１のストッパ面が第２のストッパ面と衝突したときに支持部に発生する応力が、支持部とダイアフラム部との境界部にクラックを発生することがないように支持部内に分散して伝搬するように定めている。鋳造等で重錘を形成した場合、面と面との間の角部には、必ずアールまたは丸み（通常５μｍ程度の曲率半径）が付く。しかしながらこの程度のアールまたは丸みでは、重錘が支持部の内面に衝突した際に、非常に狭い範囲で重錘が支持部の内面に当たることになる。そのため衝突の際に発生する応力は、ある程度集中して支持部内を伝搬することになる。そのためこの集中した応力で支持部とダイアフラム部にクラックが発生する。重錘がセンサ本体の内周面に衝突した場合、センサ本体の支持部の内周面の表面は一度窪んだ状態になって元に戻る。したがって衝突時における支持部の内周面と重錘との接触面積は、理論的な接触面積よりも大きくなる。本発明では、この点を考慮して、第１のストッパ面を構成する湾曲面を前述のような集中した応力の伝搬が支持部内に発生しないように定めている。なお、湾曲面が支持部の内周面と平行に近い状態になると、実際には、衝突時に、広い面で接触することがなくなって、点または線で両者が接触するようになる。このため、湾曲面が極端に大きくなるのは好ましくないと考える。
【０００８】
以上のように、本発明によれば、重錘が支持部と衝突した場合であっても、センサ本体が壊れるのを有効に防止することができる。そのため、本発明では、重錘の厚み（側面の高さ）を調整して薄くすることにより、重錘を支持部に接触させるストッパ機構を構成できるので、半導体センサの体積を小さくできる。
【０００９】
上記効果は、センサ本体の支持部の下に台座を設け、支持部及び台座の両方に第２のストッパ面を形成する本発明の第２の態様においても、同様に得られる。
【００１０】
重錘固定部及び重錘は、種々の形態のものを採用できる。例えば、重錘固定部がダイアフラム部よりも重錘側に突出しており、重錘の被固定部と上面とが面一になっていれば、重錘の形状を単純にすることができる。
【００１１】
重錘固定部の裏面とダイアフラム部の裏面とが面一になっており、重錘の被固定部が重錘の上面よりも重錘固定部側に突出していれば、重錘をセンサ本体の支持部に囲まれた空間内に配置することができるため、半導体センサの体積を大幅に小さくすることができる。
【００１２】
なお第１のストッパ面は、中心線を含んで中心線が延びる方向に重錘を切断したときの切断面の輪郭形状が円弧形状をなすように形成するのが好ましい。
【００１３】
第１のストッパ面を円弧状にした場合、円弧状の曲率半径Ｒは、２０μｍ以上であることが好ましい。なお上限は前述のように点接触または線接触が発生しないレベルである。ちなみ鋳造で得られる二つの面の角に形成されるアールまたは丸みの曲率半径は５μｍ程度である。
【００１４】
第１のストッパ面は、中心線を含んで中心線が延びる方向に重錘を切断したときの切断面の輪郭形状が、曲率半径２０μｍの仮想最小円弧面と曲率半径２００μｍの仮想最大円弧面と間に位置する湾曲形状をなすように形成することができる。このように形成すれば、現在需用者が要求している衝撃試験の大部分を満たすことができる。
【００１５】
第２のストッパ面は、ダイアフラム部が位置する側に向かうにしたがって中心線に近づくように傾斜する傾斜面により形成するのが好ましい。このようにすれば、第１のストッパ面が第２のストッパ面に対してすべるように接触するので、両ストッパ面の衝撃を更に和らげることができる。
【００１６】
重錘の少なくとも第１のストッパ面上には、第１のストッパ面と第２のストッパ面との接触を緩衝する１層以上の緩衝層が形成さるのが好ましい。このようにすれば、緩衝層により、第１のストッパ面と第２のストッパ面との衝突の衝撃を更に和らげることができる。
【００１７】
緩衝層としては、珪素樹脂、フッ素樹脂または重錘より軟らかい軟質金属により形成することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、重錘が支持部と衝突した場合であっても、センサ本体が壊れるのを有効に防止することができる。そのため、上面と下面と側面とを有する重錘の厚み（側面の高さ）を調整して薄くすることにより、重錘を支持部に接触させるストッパ機構を構成できるので、半導体センサの体積を小さくできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、加速度センサに適用した本発明の第１の実施の形態の半導体センサの平面図であり、図２は、図１のII−II線断面図である。両図に示すように、本例の半導体センサは、センサ本体１と、センサ本体１に固定された重錘３と、センサ本体１を載せるガラス製の台座部５とを有している。
【００２０】
センサ本体１は、中心部に重錘固定部７が位置し、外周部に筒状の支持部９が位置し、重錘固定部７と支持部９との間に可撓性を有するダイアフラム部１１を有するように単結晶シリコンからなる半導体結晶基板に異方性エッチングが施されて形成されている。センサ本体１の表面のダイアフラム部１１上には、加速度検出用拡散抵抗からなる複数のセンサ素子が形成されており、支持部９上には複数の電極１３が形成されている。本例の半導体センサでは、外部から加えられた力による加速度、または傾斜させた静止状態で加わる重力加速度に基づく力により重錘３が動いてダイアフラム部１１が撓むことにより、センサ素子を構成する各拡散抵抗の抵抗値が変化して歪み量に応じた３軸方向の加速度を検出する。
【００２１】
重錘固定部７は、ダイアフラム部１１より重錘３側に突出した形状を有している。この重錘固定部７は、多角形の横断面を有しており、その外周面はダイアフラム部１１が位置する側から離れるに従って支持部９から離れるように傾斜している。
【００２２】
支持部９は、矩形の環状を有しており、内周面は、切頭角錐形の空間の外周面に倣うように、実質的に同形状の４つの台形状の傾斜面１５が環状に組み合わされて構成されている。傾斜面１５は、ダイアフラム部１１が位置する側に向かうにしたがって後述する中心線Ｃに近づくように傾斜しており、後述するストッパ構造の第２のストッパ面を構成している。本例では、傾斜面１５の中心線Ｃに対する傾斜角度θ１は、８０°以下である。このような支持部９の内周面の構造により、重錘固定部７を含む支持部９の内部空間は、ダイアフラム部１１に向かって横断面面積が小さくなる切頭角錐形状を有することになる。
【００２３】
重錘３は、円板状に近い輪郭を有するタングクテンにより形成されている。この重錘は、重錘固定部７の中心を通りダイアフラム部１１が延びる方向と直交する方向に延びる中心線Ｃが重心を通るように重錘固定部７に固定されている。この重錘３は、重錘固定部７に固定される被固定部４とダイアフラム部１１との間に間隔を開けて配置される本体部６とを一体に有している。被固定部４は、円柱状を有しており、上面が重錘固定部７に固定されている。本体部６は、ほぼ円筒状を有しており、ダイアフラム部１１に沿って延びてダイアフラム部１１の裏面と対向する円環状の上面６ａと、該上面６ａと中心線Ｃが延びる方向で対向する下面６ｂと、上面６ａと下面６ｂとの間に位置する側面６ｃとを有している。本例では、上面６ａは被固定部４と面一になっている。そして、上面６ａの外周縁部の一部と側面６ｃの上側縁部の一部とからストッパ構造の第１のストッパ面６ｄが構成されている。第１のストッパ面６ｄは、センサ本体１の第２のストッパ面１５と対向しており、第２のストッパ面１５に向かって凸となる湾曲面により形成されている。より具体的には、図３に示すように、中心線Ｃを含んで中心線Ｃが延びる方向に重錘３を切断したときの切断面の輪郭形状が、曲率半径Ｒ１が２０μｍの仮想最小円弧面ＭＰ１と曲率半径Ｒ２が２００μｍの仮想最大円弧面円ＭＰ２と間に位置する湾曲形状をなすように形成されている。この湾曲面の形状は、第１のストッパ面６ｄが第２のストッパ面１５と衝突したときに支持部９に発生する応力が、支持部９とダイアフラム部１１との境界部にクラックを発生することがないように支持部９内に分散して伝搬するように定められている。
【００２４】
重錘３の第１のストッパ面６ｄ及び上面全体上には、第１のストッパ面６ｄと第２のストッパ面１５との接触を緩衝する厚み１〜５０μｍの緩衝層１７が形成されている。緩衝層１７は、珪素樹脂、フッ素樹脂または重錘より軟らかい亜鉛、銅合金、銅、アルミ、ニッケル等の軟質金属により形成することができる。この緩衝層１７は、少なくとも湾曲面６ｄ上に形成されていればよい。緩衝層は、複数層により形成してもよい。また、基板上に緩衝層が形成されたクラッド板をプレス等により折り曲げて重錘を形成してもよい。
【００２５】
台座部５は、矩形の環状を有しており、支持部９に連結されて支持部９を載せている。台座部５の内周面は、切頭角錐形の空間の外周面に倣うように、実質的に同形状の４つの台形状の傾斜面１９が環状に組み合わされて構成されている。傾斜面１９は、ダイアフラム部１１が位置する側に向かうにしたがって中心線Ｃに近づくように傾斜している。本例では、傾斜面１５の中心線Ｃに対する傾斜角度θ２は、８０°以下である。
【００２６】
本例の半導体センサでは、第１のストッパ面６ｄと第２のストッパ面１５とによりストッパ構造が構成されている。そのため、重錘３が必要以上に動こうとすると、第１のストッパ面６ｄが第２のストッパ面１５と接触して、重錘３の変位量が所定の範囲内に規制される。第１のストッパ面６ｄは、断面が円弧状の湾曲面により構成されており、この湾曲面の形状は、第１のストッパ面６ｄが第２のストッパ面１５と衝突したときに支持部９に発生する応力が、支持部９とダイアフラム部１１との境界部にクラックを発生することがないように支持部９内に分散して伝搬するように定められているので、重錘３が支持部９と衝突した場合であっても、センサ本体１が壊れるのを有効に防止することができる。特に、本例では、重錘３が上面６ａと下面６ｂと側面６ｃとを有しているので、重錘３の厚み（側面の高さ）を調整して薄くすることにより、重錘を支持部に接触させるストッパ機構を構成できる。そのため、半導体センサの体積を小さくできる。
【００２７】
なお、第１の実施の形態の半導体センサでは、第２のストッパ面を支持部９の傾斜面１５により構成したが、第２のストッパ面を台座５の傾斜面１９、または傾斜面１５と傾斜面１９との境界部の傾斜面により構成することもできる。
【００２８】
図４は、加速度センサに適用した本発明の第２の実施の形態の半導体センサの断面図である。本例の半導体センサでは、センサ本体１０１の重錘固定部１０７がダイアフラム部１１１と同じ厚み寸法を有している。このため、センサ本体１０１の重錘固定部１０７の裏面とダイアフラム部１１１の裏面とが面一になっている。そして、重錘１０３の被固定部１０４が本体部１０６の上面１０６ａよりも重錘固定部１０７側に突出している。本例の半導体センサでは、重錘１０３をセンサ本体１０１の支持部１０９に囲まれた空間内に配置することができるため、半導体センサの体積を大幅に小さくすることができる。
【００２９】
なお、上記各例では、重錘固定部と支持部との間の領域全体に亘ってダイアフラム部を形成した半導体センサに本発明を適用した例であるが、図５に示すように、ダイアフラム部２１１が重錘固定部２０７から支持部２０９に放射状に延びるいわゆるビームにより形成された半導体センサにも本発明を適用できるのは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】加速度センサに適用した本発明の第１の実施の形態の半導体センサの平面図である。
【図２】図１のII−II線断面図である。
【図３】図１の部分拡大図である。
【図４】加速度センサに適用した本発明の第２の実施の形態の半導体センサの断面図である。
【図５】加速度センサに適用した本発明の第３の実施の形態の半導体センサの断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  センサ本体
３  重錘
４  被固定部
５  台座
６  本体部
６ａ  上面
６ｂ  下面
６ｃ  側面
６ｄ  湾曲面（第１のストッパ面）
７  重錘固定部
９  支持部
１１  ダイアフラム部
１５  傾斜面（第２のストッパ面）
Ｃ  中心線
１７  緩衝層
【図１】
2005351716.tif 000003
【図２】
2005351716.tif 000004
【図３】
2005351716.tif 000005
【図４】
2005351716.tif 000006
【図５】
2005351716.tif 000007