(57)【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可撓部を残すように半導体結晶基板にエッチングが施されて形成され且つ前記可撓部にセンサ素子が形成された加速度センサ本体と、
一端が前記重錘固定部に固定され且つ他端が前記支持部によって囲まれた空間の外部に位置するような形状寸法を有する重錘と、
前記支持部を支持し且つ前記重錘に作用する加速度に基づく力により前記重錘が動くのを許容するようにして前記加速度センサ本体から突出する前記重錘の周囲を囲む筒状の台座とを具備し、
前記重錘と前記台座との間に形成された間隙内に、前記重錘の動きを著しく拘束せず且つ前記重錘の動きにより前記加速度センサ本体の前記可撓部が損傷を受けるのを阻止する緩衝材が配置されている半導体加速度センサであって、
前記緩衝材は前記間隙内にのみ位置し且つ前記空間を密閉しないように前記間隙内に配置されている複数の部分緩衝部から構成されており、
前記台座は、前記重錘に加速度に基づく力が加わっていない状態において、前記重錘固定部及び前記重錘の中心をそれぞれ通って前記重錘固定部及び前記重錘が並ぶ方向に延びる方向をＺ軸方向とし、該Ｚ軸方向と直交する二つの方向をＸ軸方向及びＹ軸方向とする三軸方向を仮定したときに、前記重錘に作用する加速度に基づく力により前記重錘が前記三軸方向に変位するのを許容するように前記支持部を支持しており、
前記複数の部分緩衝部が、前記Ｘ軸方向に延びる仮想Ｘ軸線及び前記Ｙ軸方向に延びる仮想Ｙ軸線上に位置する前記間隙内の複数の間隙部分に配置されており、
前記複数の部分緩衝部がゲル状物質から形成されており、
前記重錘及び前記台座は、前記間隙内における前記複数の部分緩衝部が配置される前記複数の間隙部分の幅寸法が他の間隙部分の幅寸法よりも小さくなる形状を有している半導体加速度センサ。
【請求項２】
前記複数の部分緩衝部が配置される複数の間隙部分の幅寸法が０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍであり、前記ゲル状物質がウレタンゲルまたはシリコンゲルである請求項１に記載の半導体加速度センサ。
【請求項３】
前記重錘の前記三軸方向への変位量を所定の範囲内に規制するストッパ構造を更に備え、
前記重錘は、前記可撓部に対向する上面部と、前記仮想Ｚ軸線に平行に延びる側面部と、前記上面部と前記側面部とに亘る傾斜面部とを有し、
前記台座は、前記側面部と対向する対向内面部と、前記傾斜面部と対向する対向傾斜面部とを有し、
前記緩衝材は、前記側面部と前記対向内面部との間の間隙部に配置されており、
前記傾斜面部により前記ストッパ構造の一部を構成する第１のストッパ面が形成され、
前記対向傾斜面部により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のストッパ面が形成され、
前記第１及び第２のストッパ面は、それぞれ周方向に連続してまたは間隔をあけて形成され且つ前記加速度センサ本体が位置する側に向かうに従って前記Ｚ軸方向に延びる仮想Ｚ軸線に近づくように傾斜する傾斜面として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、外部から加えられた力による加速度または傾斜させることにより静止状態で加わる重力加速度を測定できる半導体加速度センサ及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
重錘固定部と筒状の支持部との間に可撓部を残すように半導体結晶基板にエッチングが施されて形成された加速度センサ本体と、重錘固定部に固定された重錘と、重錘の周囲を囲むように配置されて支持部を支持する筒状の台座とを具備する半導体加速度センサが知られている。この種の半導体加速度センサは、外部から加えられた力による加速度または傾斜させることにより静止状態で加わる重力加速度に基づく力により重錘が動いて可撓部が歪むことにより、可撓部に形成されたセンサ素子が歪み量に応じた加速度を検出する。しかしながら、このような半導体加速度センサは、加速度センサ本体の可撓部の厚み寸法が小さいため、半導体加速度センサに加わる力の量によっては、可撓部が損傷するおそれがある。そこで、重錘が必要以上に大きく変位しないように、重錘と台座との間に形成された間隙を数μｍに設定して重錘と台座とが当接しやすくすることが提案された。また、半導体加速度センサ全体をシリコンオイルからなる緩衝材が充填された密閉容器内に配置して、可撓部に加わる力を緩衝することが提案された。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、重錘と台座との間に形成された間隙を数μｍという極めて小さい寸法に形成するのは、技術的に難しく、量産に適さない。また、半導体加速度センサ全体をシリコンオイルからなる緩衝材が充填された密閉容器内に配置すると、センサ素子がシリコンオイルによって温度変化の影響を受けやすくなり、センサ素子の精度が低下するという問題があった。
【０００４】
本発明の目的は、センサ素子の精度が低下したり、製造を困難にすることなく、可撓部の損傷を防ぐことができる半導体加速度センサ及びその製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明が改良の対象とする半導体加速度センサは、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可撓部を残すように半導体結晶基板にエッチングが施されて形成され且つ可撓部にセンサ素子が形成された加速度センサ本体と重錘と台座とを具備している。重錘は、一端が重錘固定部に固定され且つ他端が支持部によって囲まれた空間の外部に位置するような形状寸法を有している。台座は、支持部を支持し且つ重錘に作用する加速度に基づく力により重錘が動くのを許容するようにして加速度センサ本体から突出する重錘の周囲を囲む筒状を有している。そして、重錘と台座との間に形成された間隙内に、重錘の動きを著しく拘束せず且つ重錘の動きにより加速度センサ本体の可撓部が損傷を受けるのを阻止する緩衝材が配置されている。本発明の半導体加速度センサでは、重錘と台座との間に形成された間隙内にのみ位置し且つ支持部によって囲まれた空間を密閉しないように緩衝材を間隙内に配置する。本発明の半導体加速度センサでは、加速度に基づく力により重錘が大きく動こうとすると、重錘と台座との間の間隙内に配置された緩衝材により重錘の動きが抑制されるため、重錘が必要以上に動くことがなく、可撓部の損傷を防ぐことができる。そのため、本発明によれば、従来のように、重錘と台座との間に形成された間隙を小さい寸法に形成する必要はなく、製造を容易に行うことができる。また、緩衝材は、重錘と台座との間に形成された間隙内にのみ位置しているため、従来のように、緩衝材によりセンサ素子が温度変化の影響を受けることがなく、センサ素子の精度が低下するのを防ぐことができる。なお、緩衝材は、支持部によって囲まれた空間を密閉しないように配置されているので、緩衝材の配置により可撓部の動きが損なわれることがない。
【０００６】
緩衝材は、重錘の動きにより生ずる可撓部の歪みが重錘に加わる加速度の方向によって不平衡にならないような位置に配置されている複数の部分緩衝部から構成するのが好ましい。
【０００７】
台座は、重錘に加速度に基づく力が加わっていない状態において、重錘固定部及び重錘の中心をそれぞれ通って重錘固定部及び重錘が並ぶ方向に延びる方向をＺ軸方向とし、該Ｚ軸方向と直交する二つの方向をＸ軸方向及びＹ軸方向とする三軸方向を仮定したときに、重錘に作用する加速度に基づく力により重錘が三軸方向に変位するのを許容するように支持部を支持することができる。この場合、複数の部分緩衝部は、重錘と台座との間に形成された間隙内のＸ軸方向に延びる仮想Ｘ軸線及びＹ軸方向に延びる仮想Ｙ軸線に対応する部分に配置するのが好ましい。このようにすれば、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に加わる加速度を正確に測定できる上、緩衝材の数及び量を少なくすることができる。
【０００８】
このような、緩衝材は、例えば、ゲル状物質から形成することができる。この場合、重錘及び台座は、重錘と台座との間に形成された間隙内における複数の部分緩衝部が配置される複数の間隙部分（以下、緩衝部配置部分と言う）の幅寸法が他の間隙部分の幅寸法よりも小さくなる形状に形成するのが好ましい。ゲル状物質を間隙寸法が均等でない間隙部に配置した場合、ゲル状物質は寸法が大きい間隙部分から小さい間隙部分に移動しやすいので、緩衝部配置部分の寸法を他の間隙部分の幅寸法よりも小さくすれば、ゲル状物質からの緩衝材は、緩衝部配置部分内に容易に配置することができる。
【０００９】
この場合、緩衝部配置部分の幅寸法は、０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍとし、ゲル状物質は、ウレタンゲルまたはシリコンゲルとするのが好ましい。緩衝部配置部分の幅寸法が０．０１ｍｍを下回ると、緩衝部配置部分の形成が難しくなる。また、緩衝部配置部分の間隙の幅寸法が０．１ｍｍを上回ると、緩衝材（シリコンゲル）が緩衝部配置部分内から脱落するおそれがある。
【００１０】
加速度に基づく力が加速度センサ本体に対して重錘が位置する側とは反対側に向かって働くと、重錘が移動する際の移動量は特に大きくなる。そこで、重錘の三軸方向への変位量を所定の範囲内に規制するストッパ構造を更に備えるのが好ましい。例えば、重錘は、可撓部に対向する上面部と、仮想Ｚ軸線に平行に延びる側面部と、上面部と側面部とに亘る傾斜面部とを有し、台座は、側面部と対向する対向内面部と、傾斜面部と対向する対向傾斜面部を有するように構成することができる。この場合、緩衝材は、側面部と対向内面部との間の間隙部に配置し、傾斜面部によりストッパ構造の一部を構成する第１のストッパ面を形成し、対向傾斜面部により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のストッパ面を形成する。そして、第１及び第２のストッパ面は、それぞれ周方向に連続してまたは間隔をあけて形成され且つ加速度センサ本体が位置する側に向かうに従ってＺ軸方向に延びる仮想Ｚ軸線に近づくように傾斜する傾斜面として形成する。このようにすれば、緩衝材の抑制に加えて重錘及び台座の相互の当接によって重錘の移動が規制されて、可撓部の損傷をより確実に防ぐことができる。
【００１１】
本発明の半導体加速度センサの緩衝材は、間隙内にのみ位置し且つ空間を密閉しないように重錘と台座とに亘って液状シリコンを塗布により配置し、この液状シリコンを加熱して硬化させてシリコンをゲル化して形成すればよい。このようにすれば、緩衝材を半導体加速度センサ内に簡単に配置できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
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、本発明の実施の形態の半導体加速度センサの断面図であり、図２は、図１のII−II線断面図である。両図に示すように、本実施の形態の半導体加速度センサは、加速度センサ本体１と重錘３と台座５とを有している。加速度センサ本体１は、中心部に重錘固定部７、外周部に筒状の支持部９、そして重錘固定部７と支持部９との間に可撓部１１を残すように半導体結晶基板にエッチングが施されて形成されている。可撓部１１の重錘固定部７及び支持部９が位置する側と反対の面（表面）には、図示しないセンサ素子が形成されている。このセンサ素子は、重錘３に加速度に基づく力が加わっていない状態において、重錘固定部７及び重錘３の中心Ｃをそれぞれ通って重錘固定部７及び重錘３が並ぶ方向に延びる方向をＺ軸方向とし、該Ｚ軸方向と直交する二つの方向をＸ軸方向及びＹ軸方向とする三軸方向を仮定したときに、Ｘ軸方向に延びる仮想Ｘ軸線ＸＬ、Ｙ軸方向に延びる仮想Ｙ軸線ＹＬ及びＺ軸方向に延びる仮想Ｚ軸線ＺＬの方向の加速度をそれぞれ検出するＸ軸方向加速度検出用拡散抵抗、Ｙ軸方向加速度検出用拡散抵抗及びＺ軸方向加速度検出用拡散抵抗とから構成されている。本実施の形態の半導体加速度センサは、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が動いて可撓部１１が歪むことにより、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加速度を検出する。
【００１３】
重錘３は、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、タングステンにより形成されており、一端が重錘固定部７に固定され且つ他端が支持部９によって囲まれた空間の外部に位置している。この重錘３は、円柱形の本体部３ａと本体部３ａの側面から台座５に向かって仮想Ｘ軸線ＸＬ及び仮想Ｙ軸線ＹＬが延びる方向に突出する４つの突出部３ｂ…とにより一体に成形されている。本体部３ａは、可撓部１１に対向する円形の上面部３ｃを有しており、上面部３ｃの中心に重錘固定部７が固定されている。突出部３ｂは、仮想Ｘ軸線ＸＬまたは仮想Ｙ軸線ＹＬ近傍で台座５側に突出する横断面が円弧状の対向湾曲面３ｄと、対向湾曲面３ｄの両側に位置して台座５側からくぼむ横断面が円弧状の２つの側方湾曲面３ｅ，３ｅと、対向湾曲面３ｄ及び側方湾曲面３ｅと上面部３ｃとの間に亘って形成された傾斜面部３ｆとを有している。対向湾曲面３ｄは、４つの対向湾曲面３ｄ…が上面部３ｃと同心の同一の仮想円上に位置するように形成されている。側方湾曲面３ｅは、隣接する突出部３ｂの側方湾曲面３ｅと共に１つの円弧を形成するように湾曲している。本実施の形態では、対向湾曲面３ｄと側方湾曲面３ｅとにより仮想Ｚ軸線ＺＬに平行に延びる側面部３ｇが形成されている。傾斜面部３ｆは、加速度センサ本体１が位置する側に向かうに従って仮想Ｚ軸線ＺＬに近づくように傾斜している。
【００１４】
台座５は、図１及び図２に示すように、ガラスにより形成されており、横断面の外周部側の輪郭が正方形で、内周部側の輪郭が円形の筒状の形状を有している。この台座５は、重錘３に作用する加速度に基づく力により重錘３がＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の三軸方向に変位するのを許容するように支持部９を支持し且つ重錘３に作用する加速度に基づく力により重錘３が動くのを許容するように重錘３の周囲を囲んで配置されている。これにより重錘３と台座５との間には、間隙１３が形成されることになる。台座５の内周部は、重錘３の側面部３ｇと対向する対向内面部５ａと、重錘３の傾斜面部３ｆに沿って対向して規制時に傾斜面部３ｆと接触する対向傾斜面部５ｂとを有している。対向傾斜面部５ｂも傾斜面部３ｆと同様に、加速度センサ本体１が位置する側に向かうに従って仮想Ｚ軸線ＺＬに近づくように傾斜しており、切頭円錐面形状を有している。重錘３に加速度が加わっていない状態において、対向傾斜面部５ｂと傾斜面部３ｆとの間の間隙は、周方向にほぼ等しく形成されている。本実施の形態では、傾斜面部３ｆまたは対向傾斜面部５ｂが延長する仮想面と仮想Ｚ軸線ＺＬとが交差する鋭角角度θは３０°〜６０°が好ましい。本実施の形態では、傾斜面部３ｆ及び対向傾斜面部５ｂにより、第１のストッパ面及び第２のストッパ面が構成されており、これら第１のストッパ面及び第２のストッパ面により重錘３の三軸方向への変位量を所定の範囲内に規制するストッパ構造が構成されている。
【００１５】
前述したように、重錘３の対向湾曲面３ｄは、仮想Ｘ軸線ＸＬまたは仮想Ｙ軸線ＹＬ近傍で台座５側に突出しているので、仮想Ｘ軸線ＸＬ及び仮想Ｙ軸線ＹＬに対応する位置の近傍における台座５の対向内面部５ａと重錘３の対向湾曲面３ｄとの間隙部分１３ａの幅寸法Ｌ１は、他の部分の間隙部分の幅寸法よりも小さくなっている。本実施の形態では、間隙部分１３ａの幅寸法Ｌ１は０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍである。間隙部分１３ａ内には、重錘３の周方向に等しい間隔をあけて４つの部分緩衝部１５Ａ〜１５Ｄからなる緩衝材１５が配置されている。言い換えるならば、間隙１３内における４つの部分緩衝部１５Ａ〜１５Ｄが配置される４つの間隙部分（緩衝部配置部分）１３ａの幅寸法Ｌ１が他の間隙部分の幅寸法よりも小さくなる形状に形成されている。４つの部分緩衝部１５Ａ〜１５Ｄは、シリコンゲルからなるゲル状物質により形成されており、重錘３の動きを著しく拘束せず且つ重錘３の動きにより加速度センサ本体１の可撓部１１が損傷を受けるのを阻止する程度の弾性及び柔軟性を有している。これら部分緩衝部１５Ａ〜１５Ｄは、間隙部分１３ａ内にのみ位置し且つ支持部９によって囲まれた空間を密閉しないように、重錘３と台座５の両方にそれぞれ接合して配置されている。本実施の形態では、信越シリコン株式会社からシリコーンゲルＫＥ１０５５の商品名で販売されている液状シリコーンを間隙部分１３ａ内の所定位置に塗布等により配置し、この液状シリコンを１５０℃で１時間加熱して液状シリコンを硬化させてシリコンゲルからなる緩衝材１５を形成した。
【００１６】
本実施の形態の半導体加速度センサでは、加速度に基づく力により重錘３が大きく動こうとすると、緩衝材１５により重錘３の動きが抑制されるため、重錘３が必要以上に動くことがなく、可撓部１１の損傷を防ぐことができる。そのため、従来のように、重錘３と台座５との間に形成された間隙１３を小さい寸法に形成する必要はなく、半導体加速度センサの製造を容易に行うことができる。また、緩衝材１５は、間隙１３内にのみ位置しているため、従来のように、緩衝材１５によりセンサ素子が温度変化の影響を受けることがなく、センサ素子の精度が低下するのを防ぐことができる。
【００１７】
図４は、本発明の他の実施の形態の半導体加速度センサの断面図である。本実施の形態の半導体加速度センサは、台座２５の形状を除いて図１に示す半導体加速度センサと同じ構造を有しているので、図１に示す半導体加速度センサと同じ部材には、該部材の符号に２０を加えた符号を付してその説明を省略する。本実施の形態では、台座２５は、横断面の外周部側の輪郭が正方形で、内周部側の輪郭が八角形の筒状の形状を有している。台座２５の対向内面部２５ａは、仮想Ｘ軸線ＸＬまたは仮想Ｙ軸線ＹＬと直交して交差して重錘２３の４つの対向湾曲面２３ｄ…に対向する４つの軸上対向面２５ｃ…と、仮想Ｘ軸線ＸＬまたは仮想Ｙ軸線ＹＬと交差せずに重錘２３の４つの側方湾曲面２３ｅ…に対向する４つの非軸上対向面２５ｄ…とを有している。台座２５の重錘２３の傾斜面部（図１の符号３ｆに相当する部分）に対向する対向傾斜面部（図１の符号５ｂに相当に相当する部分）は、切頭八角錐面形状を有している。
【００１８】
前述したように、軸上対向面２５ｃは仮想Ｘ軸線ＸＬまたは仮想Ｙ軸線ＹＬと直交し、重錘２３の対向湾曲面２３ｄは、仮想Ｘ軸線ＸＬまたは仮想Ｙ軸線ＹＬ近傍で台座２５側に突出しているので、仮想Ｘ軸線ＸＬまたは仮想Ｙ軸線ＹＬ近傍に近づくにつれて重錘２３と台座２５との間隙３３の幅寸法は小さくなる。言い換えるならば、間隙３３内における４つの部分緩衝部３５Ａ〜３５Ｄが配置される４つの間隙部分（緩衝部配置部分）３３ａの幅寸法が仮想Ｘ軸線ＸＬまたは仮想Ｙ軸線ＹＬ近傍に近づくにつれて他の間隙部分の幅寸法よりも小さくなる形状に重錘２３及び台座２５は形成されており、最小部分の幅寸法Ｌ２は０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍである。本実施の形態の半導体加速度センサでは、液状シリコーンを間隙３３内に塗布等により配置する際に、より仮想Ｘ軸線ＸＬまたは仮想Ｙ軸線ＹＬの近傍に液状シリコンを配置できる。
【００１９】
なお、重錘、台座は、上記例の形状に限られるものではなく、種々の形状のものを採用できる。例えば、台座の内周部側の仮想Ｘ軸線ＸＬまたは仮想Ｙ軸線ＹＬ近傍部分が重錘側に突出する形状に台座を形成することができる。
【００２０】
また、上記例では、傾斜面部３ｆと対向傾斜面部５ｂとからなるストッパ構造を設けたが、ストッパ構造を設け無くてもよいのは勿論である。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、可撓部の損傷を防ぐことができる半導体加速度センサをセンサ素子の精度を低下させることなく容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態の半導体加速度センサの断面図である。
【図２】  図１のII−II線断面図である。
【図３】  （Ａ）及び（Ｂ）は図１に示す半導体加速度センサの重錘の側面図及び平面図である。
【図４】  本発明の他の実施の形態の半導体加速度センサの断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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