(57)【要約】耐衝撃性が高く、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸ピエゾ抵抗素子の出力の差が小さく、小型で高感度、高出力の半導体型３軸加速度センサを提供する。  可撓腕が可撓幅広部と可撓平行部で構成され、可撓幅広部に最大応力部があり、最大応力部にピエゾ抵抗素子の一端が来るように可撓腕上面上にピエゾ抵抗素子を設ける。可撓腕の幅中心線の近傍にＺ軸ピエゾ抵抗素子、幅中心線から離れてＸ軸／Ｙ軸ピエゾ抵抗素子を設ける。また、最大応力部から可撓腕の長さ方向にＺ軸ピエゾ抵抗素子をずらすことで、Ｘ軸とＹ軸、Ｚ軸ピエゾ抵抗素子間の出力差を小さくする。【特許請求の範囲】
【請求項１】
中央にあって、外部からの加速度がかかる錘と、
錘を支持するための支持枠と、
錘と支持枠との間で、両端にある２つの第一の接続端のそれぞれにおいて錘上面と支持枠上面とを連結している少なくとも１つの薄肉梁状の可撓腕と、
可撓腕上面上で可撓腕上面に沿って可撓腕長さ方向に並べて設けられ、加速度の３軸成分のうち各軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子と、
可撓腕上面上で前記複数のピエゾ抵抗素子端の間を接続している配線とを有し、
可撓腕は、両端にそれぞれ第二の接続端を有し実質的に一様な幅を持っている可撓平行部と、可撓平行部の第二の接続端の１つと支持枠／錘との第一の接続端との間を連結するとともに、可撓平行部の第二の接続端から第一の接続端に向かって幅が次第に広くなっている２つの可撓幅広部とからなっており、
可撓腕上面上に設けられた前記複数のピエゾ抵抗素子のそれぞれはその可撓腕の第一の接続端から離れて配置されているとともに、
前記加速度の３軸成分のうち少なくとも１軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子の各々は第二の接続端を跨いで可撓幅広部から可撓平行部に亘って延びている
半導体型３軸加速度センサ。
【請求項２】
可撓腕は、可撓幅広部上にその可撓腕の最大応力部を持ち、
前記加速度の３軸成分のうち少なくとも１軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子の各々はピエゾ抵抗素子の一端を可撓幅広部上の最大応力部に位置しており、最大応力部から第二の接続端を跨いで可撓平行部に亘って延びている
請求項１記載の半導体型３軸加速度センサ。
【請求項３】
可撓幅広部はその上面の両側端に連続した曲線もしくは直線からなる稜線を持ち、両側端の稜線は可撓腕の幅中心線に関して互いに対称となっている
請求項２記載の半導体型３軸加速度センサ。
【請求項４】
可撓部幅広部の第一の接続端のところでの可撓腕の幅Ｗ１に対する可撓平行部の幅Ｗ２の比Ｗ２／Ｗ１が０．２以上０．６以下である
請求項２記載の半導体型３軸加速度センサ。
【請求項５】
可撓腕の全長Ｌ０に対する可撓平行部長Ｌ２の比Ｌ２／Ｌ０が０．４以上０．９以下である
請求項２記載の半導体型３軸加速度センサ。
【請求項６】
前記加速度の３軸成分のうち少なくとも１軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子の各々はその両端が可撓幅広部上の最大応力部から可撓腕の長さ方向にはずれた位置に設けられている
請求項２記載の半導体型３軸加速度センサ。
【請求項７】
前記加速度の３軸成分のうち少なくとも１軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子の各々は可撓腕上面上で可撓腕の幅中心線から可撓腕の側端にはずれた位置に設けられている
請求項２記載の半導体型３軸加速度センサ。
【請求項８】
前記加速度の３軸成分のうち錘上面に垂直な軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子の各々は可撓腕上面上で可撓腕の幅中心線の上に設けられている
請求項７記載の半導体型３軸加速度センサ。
【請求項９】
前記加速度の３軸成分のうち少なくとも１軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子の各々はその両端が可撓幅広部上の最大応力部から可撓腕の長さ方向にはずれた位置に設けられている
請求項８記載の半導体型３軸加速度センサ。
【請求項１０】
可撓腕上面上で可撓腕の幅中心線から可撓腕の側端にはずれた位置に設けられているピエゾ抵抗素子の各々は、可撓腕上面上で幅中心線に関して対称に設けられた他のピエゾ抵抗素子を持っている
請求項７記載の半導体型３軸加速度センサ。
【請求項１１】
前記加速度の３軸成分のうち錘上面に垂直な軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子の各々は可撓腕上面上で可撓腕の幅中心線の上に設けられている
請求項１０記載の半導体型３軸加速度センサ。
【請求項１２】
可撓腕上面上で可撓腕の幅中心線から可撓腕の側端にはずれた位置に設けられているピエゾ抵抗素子の各々と、そのピエゾ抵抗素子に対して可撓腕上面上で幅中心線に関して対称に設けられた前記他のピエゾ抵抗素子とは、配線で直列に接続されている
請求項１０記載の半導体型３軸加速度センサ。
【請求項１３】
可撓腕上面上で可撓腕の幅中心線から可撓腕の側端にはずれた位置に設けられているピエゾ抵抗素子の各々と、そのピエゾ抵抗素子に対して可撓腕上面上で幅中心線に関して対称に設けられた前記他のピエゾ抵抗素子とは、それらピエゾ抵抗素子の可撓腕の長さ中心線側にある端同士が高濃度拡散層で直列に接続されている
請求項１２記載の半導体型３軸加速度センサ。
【請求項１４】
前記加速度の３軸成分のうち錘上面に垂直な軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子の各々が、前記加速度の３軸成分のうち他の軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子よりも可撓腕の幅中心線に近い位置に設けられている
請求項１２記載の半導体型３軸加速度センサ。
【請求項１５】
前記加速度の３軸成分のうち少なくとも１軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子の各々はその両端が可撓幅広部上の最大応力部から可撓腕の長さ方向にはずれた位置に設けられている
請求項１０記載の半導体型３軸加速度センサ。
【請求項１６】
前記他のピエゾ抵抗素子がダミー素子であるとともに、そのダミー素子はダミー配線で接続されている
請求項１０記載の半導体型３軸加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、自動車、航空機、家電製品、ゲーム機、ロボット、セキュリティーシステム等に使用される半導体型の３軸加速度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】  ピエゾ抵抗型３軸加速度センサの構造について説明する。図１４に、特許文献１に記載されている加速度センサの分解斜視図を示す。加速度センサ１は、センサ素子２が保護ケース３に接着剤で固定され、保護ケース蓋４が保護ケース３に接着剤で固定されている。センサ素子のセンサ端子６と保護ケースのケース端子７はワイヤー５で接続され、外部端子８からセンサ素子２の出力が外部に取り出される。【０００３】  従来のピエゾ抵抗型３軸加速度センサに用いられているセンサ素子について説明する。以下、特に断わりの無い限り説明を判り易くするため、同じ部品、部位には同一の符号を用いている。図１５（Ａ）および図１５（Ｂ）に、特許文献２に記載されているセンサ素子２の平面模式図とピエゾ抵抗素子の配置を示す。図１５では、ピエゾ抵抗素子の配置が判り易くなるように、ピエゾ抵抗素子間やセンサ端子を繋ぐ金属配線やセンサ端子の記載を省略している。シリコン単結晶基板の厚肉部から成る錘１１とそれを取り囲むように配された支持枠１０と、錘１１および支持枠１０とを接続するシリコン単結晶基板の薄肉部より成る２対の互いに直交する梁状の可撓腕１２と可撓腕上の２つの直交する方向（ＸとＹ）及び可撓腕に垂直な方向（Ｚ）に対応するように設けられたピエゾ抵抗素子、図１５では、Ｘ軸ピエゾ抵抗素子１４とＹ軸ピエゾ抵抗素子１５、Ｚ軸ピエゾ抵抗素子１６とから構成される。また、可撓腕１２はシリコン単結晶基板の薄肉部に貫通穴１３を設けることによって梁形状となっており、変形しやすく、高感度化に適した構造となっている。また、Ｘ軸とＹ軸では出力検出原理、結線方法およびピエゾ抵抗素子の配置が同じであり、それぞれ他方の軸と入れ替えることができる。以降、特に断りの無い限り図面の横方向の可撓腕をＸ軸、Ｘ軸に設けられたピエゾ抵抗素子をＸ軸ピエゾ抵抗素子１４とし、Ｚ軸ピエゾ抵抗素子１６はＸ軸ピエゾ抵抗素子１４と同じ可撓腕に設けられているとして説明する。なお、図１５（Ｂ）は図１５（Ａ）の部分拡大図である。【０００４】  センサ素子の加速度検出感度（出力）を上げるには、可撓腕１２の長さを長く、可撓腕の幅を小さく、厚みを薄く、錘１１の重量を重くし、可撓腕が僅かな外力で大きく変形するようにする。可撓腕の変形量を効率良く、各軸のピエゾ抵抗素子の抵抗変化として取り出すため、各軸のピエゾ抵抗素子の端は最大応力部である可撓腕の接続端１７に合わせて配置している。可撓腕の接続端１７は支持枠と可撓腕、あるいは錘と可撓腕の接続部であり、外力で撓む可撓腕と外力が加わっても撓まず動かない支持枠あるいは錘との境界であり、可撓腕に加わる最大の応力点となる。Ｘ軸ピエゾ抵抗素子１４とＺ軸ピエゾ抵抗素子１６とは同じ可撓腕に配置しているため、可撓腕の幅中心線に関して対称に、Ｙ軸ピエゾ抵抗素子１５は幅中心線上に配置することが多い。各軸のピエゾ抵抗素子を幅中心線に関して対称に配することで、ピエゾ抵抗素子間を繋ぐ金属配線の設計や製作が容易になる。【０００５】  モバイル機器等に搭載される加速度センサでは、要求される検出加速度は数Ｇレベルであるが、モバイル機器の落下時に３０００Ｇ近い衝撃が加速度センサに加わっても、センサ素子が壊れないこと���重要である。センサ素子の加速度検出感度を上げるには可撓腕を撓みやすく、耐衝撃性を上げるには可撓腕の機械的強度を上げて、変形を少なくすると言う、相反する要求を満たす必要がある。【０００６】  耐衝撃性を上げるためにＺ軸方向の動きを規制する構成が特許文献３に記載されている。それは、図１６に断面図で示すように、センサ素子の上下に規制板１８，１９を所定の間隔ｇ１、ｇ２を開けて固定している。加速度センサに衝撃が加わったとき、可撓腕１２が破損するような変形をする前に、錘１１が規制板１８，１９に接触し可撓腕の破損を防ぐ。Ｚ軸方向の動き量はｇ１，ｇ２の値以内に規制される。Ｘ，Ｙ軸方向の動き量の規制は、錘の角が規制板１９と接触して規制する。可撓腕の捻れ方により錘１１の角が規制板１９と接触するまでに動く量が異なってくるため、Ｘ，Ｙ軸方向に最適なｇ２を設定するのは難しい点があるが、耐衝撃性を上げる構成としては有効である。【０００７】  また、センサ素子の錘等の一部を他の部位に接触させて可撓腕の動きを規制する構成が、特許文献４に記載されている。特許文献４に開示されたセンサ素子２を図１７に斜視図で示す。基本的には先に説明した図１５のセンサ素子と同じ構成であるが、錘１１に花弁状に補助錘２２を設けている。Ｘ，Ｙ軸方向に衝撃が加わったとき、可撓腕１２が破損するような変形をする前に、補助錘２２の側面が支持枠１０の側壁と接触し、可撓腕の破損を防ぐ。補助錘２２が加わっているために、錘全体の質量が増しセンサ素子の加速度検出感度（出力）を上げるには好都合であるが、それだけ可撓腕が破損し易くなる。特に、補助錘２２を追加しただけでは、Ｚ軸方向の過剰な動きは止めることが出来ないので、特許文献３にあるような規制板を併用する必要が出てくる。【０００８】  特許文献３と４に開示されている耐衝撃性を向上した構成は、可撓腕の機械的強度そのものを上げるものではない。特許文献５に可撓腕の機械的強度を上げた構成として、可撓腕１２と支持枠１０、あるいは可撓腕１２と錘１１との接合部に湾曲部を設けた構造が開示されている。図１８（Ａ）に平面図、図１８（Ｂ）に図１８（Ａ）の１８Ｂ−１８Ｂ線での断面を示す斜視図、図１８（Ｃ）に他の実施平面図を示す。図１８（Ａ）、図１８（Ｂ）は、可撓腕１２の厚み方向に湾曲部２４を設けた構造を示しており、図１８（Ｃ）は可撓腕１２の平面方向に湾曲部２５を設けた構造を示している。湾曲部２４，２５を設け湾曲部分に加わる応力を、湾曲部分全体に一様に分散させることで、可撓腕１２の機械的強度を向上させている。図１８では、応力を検知するのに、歪ゲージ２３を用いているが、歪ゲージ２３と湾曲部２４，２５の位置関係等に付いて何ら触れられていない。【０００９】  特許文献５と同様に、可撓腕の平面方向に湾曲部（形状変化部２６）を設け、ピエゾ抵抗素子との位置関係等もより明確にした加速度センサが、特許文献６に示されている。その加速度センサの平面図および１９Ｂ−１９Ｂ断面図をそれぞれ図１９（Ａ）と図１９（Ｂ）に示す。錘１１を支えている可撓腕１２と支持枠１０とを形状変化部２６を介して繋ぐことで、可撓腕１２と形状変化部２６との境界に最大応力部を出現させ、その部位にピエ��抵抗素子２７を配している。可撓腕と支持枠との間に形状変化部を介させることで、支持枠と形状変化部との境界の応力を下げて、耐衝撃性を改善している。可撓腕１２と形状変化部２６との境界に最大応力部があることからも、形状変化部は外力が加わっても撓まず動かない部分として扱っている。特許文献２では撓む部分が可撓腕、撓まない部分が支持枠、特許文献６では撓む部分が可撓腕、撓まない部分が形状変化部と支持枠なので、最大応力部の位置やそれに伴うピエゾ抵抗素子の配置が同じであることが理解できる。【００１０】  先行技術文献で開示されている耐衝撃性を向上した加速度センサ構造を上で説明した。しかし、これらの構成でも耐衝撃性の向上策としては一長一短がある。特許文献３にあるように規制板を設けた構成では、部品として規制板を追加する必要があるのと、規制板を精度良く組立てる必要がある。規制板を入れることで、加速度センサの薄型化が難しくなる。特許文献４の構成では、錘の厚み分にあたる厚いシリコン基板で、補助錘と支持枠との僅かな間隔を精度良く製作することが難しいことは容易に理解できる。特許文献６の構成では、最大応力部にピエゾ抵抗素子を配することで、出力を最大限引出すようにしているが、形状変化部を撓まない部分としているため、センサ素子の外寸や支持枠の幅が同じであれば可撓腕の長さを実質的に短くしてしまい、出力の絶対値を下げてしまっていることになる。出力の絶対値を戻すには、センサ素子の外寸を大きくする必要があり、小型化が難しくなっていた。【００１１】  ３軸の加速度センサでは、各軸の出力値のバランスをとる必要がある。軸間の出力に大きな差があると、異なった増幅率を持った増幅器を各軸毎に準備する必要が生じコスト高になる。また、回路面積が大きくなり小型化への障害となることがある。Ｘ軸（Ｙ軸）とＺ軸との出力の差が特に問題となっている。図２０に、錘の厚みとＸ軸とＺ軸との出力の関係を示す。錘の厚さに対しＺ軸は一次関数的に、Ｘ軸は二次関数的に出力が変化する。略８００μｍ厚でＸ軸とＺ軸の出力が略同じとなる。しかし、半導体製造等で使用されるシリコン単結晶基板は、６２５μｍ厚以下が主流であり略８００μｍ厚の基板は、価格や納期の点で不利である。また、センサ素子の薄型化は必須の流れであり、薄型化により益々Ｘ軸とＺ軸の出力差は大きくなる。
【特許文献１】特開２００４−１８４０８１号公報
【特許文献２】特開２００３−２７９５９２号公報
【特許文献３】特開平４−２７４００５号公報
【特許文献４】特開２００２−２９６２９３号公報
【特許文献５】特開昭６４−１８０６３号公報
【特許文献６】特開平８−２９４４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】  本発明の目的は、耐衝撃性が高く、Ｘ軸とＹ軸、Ｚ軸の出力の差が小さく、小型で高感度、高出力の半導体型３軸加速度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】
【００１３】  本発明の半導体型３軸加速度センサは、
中央にあって、外部からの加速度がかかる錘と、
錘を支持するための支持枠と、
錘と支持枠との間で、両端にある２つの接続端（可撓腕の両端にある接続端それぞれを以下「第一の接続端」ということがある）のそれぞれにおいて錘上面と支持枠上面とを連結している少なくとも１つの薄肉梁状の可撓腕と、
可撓腕上面上で可撓腕上面に沿って可撓腕長さ方向に並べて設けられ、加速度の３軸成分のうち各軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子と、
可撓腕上面上で前記複数のピエゾ抵抗素子端の間を接続している配線とを有する。そして、可撓腕は、両端にそれぞれ接続端（可撓平行部の両端にある接続端それぞれを以下「第二の接続端」ということがある）を有し実質的に一様な幅を持っている可撓平行部と、可撓平行部の第二の接続端の１つと支持枠／錘との第一の接続端との間を連結するとともに、可撓平行部の第二の接続端から第一の接続端に向かって幅が次第に広くなっている２つの可撓幅広部とからなっている。可撓腕上面上に設けられた複数のピエゾ抵抗素子のそれぞれはその可撓腕の第一の接続端から離れて配置されているとともに、加速度の３軸成分のうち少なくとも１軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子の各々は第二の接続端を跨いで可撓幅広部から可撓平行部に亘って延びている。【００１４】  本発明の上で述べた半導体型３軸加速度センサにおいて、可撓腕は、可撓幅広部上にその可撓腕の最大応力部を持ち、外部からかかった加速度の３軸成分のうち少なくとも１軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子の各々はピエゾ抵抗素子の一端を可撓幅広部上の最大応力部に位置しており、最大応力部から第二の接続端を跨いで可撓平行部に亘って延びていることが好ましい。【００１５】  本発明の半導体型３軸加速度センサでは、錘上面と支持枠上面と可撓腕上面とが実質的に同一平面となっていて、その平面内にＸ軸とＹ軸とを持つ直交座標系では、Ｚ軸がその平面に垂直となっているとすることができる。その直交座標系を用いると、加速度の３軸成分とは外部から加速度センサにかかる加速度のＸ軸方向成分（Ｘ軸成分）、Ｙ軸方向成分（Ｙ軸成分）および、Ｚ軸方向成分（Ｚ軸成分）とを意味する。【００１６】  本発明の半導体型３軸加速度センサは、具体的には、中央にある錘からＸ軸方向に延びている２つの可撓腕とＹ軸方向に延びている２つの可撓腕とを持つことができる。【００１７】  本発明では薄肉梁状の可撓腕が可撓幅広部と可撓平行部とから構成されている。すなわち、可撓幅広部は可撓腕の一部である。前述した特許文献６では、本発明の可撓幅広部に相当する形状変化部は支持枠もしくは錘の一部としている。特許文献６には詳細な形状変化部の寸法、形状の記載は無いが、外力で撓まない充分な機械的強度を持った構造とする必要があることが判る。本発明における可撓幅広部は可撓腕の一部なので、外力で撓むことが必要なため可撓腕の破損が起こらない最小限の大きさにすることが好ましい。【００１８】  特許文献２や６の従来のセンサ素子では錘に外力が加わった時の最大応力部は、撓まない部分と可撓腕との境界にあるため、可撓腕の端にピエゾ抵抗素子の一端を一致させてピエゾ抵抗素子を可撓腕上に配置することにより最大の検出感度（出力）を得ていた。本発明のように可撓腕が可撓幅広部と可撓平行部とを有する構造では、可撓幅広部が可撓性を有するために可撓幅広部長さ内に最大応力部ができる。可撓幅広部長さ内に生じる最大応力部の位置（可撓腕端もしくは可撓平行部端から最大応力部までの距離）は、可撓腕接続端の幅や可撓腕の稜線の形状で異なってくる。また、可撓幅広部の形状に応じて、最大応力部から可撓腕接続端側での応力の変化度合と可撓平行部端側での応力��変化度合は大きく異なる。そのため、最大応力部にピエゾ抵抗素子の一端を一致させ配置することが好ましい。最大応力部を跨いでピエゾ抵抗素子を配した場合には、ピエゾ抵抗素子は支持枠／錘の上面にその一部が設けられることがあり、外力によって可撓腕が変形しても、支持枠／錘の上面にはみ出したピエゾ抵抗素子は、抵抗変化を起こさないので、ピエゾ抵抗素子の出力ばらつきの原因となる。最大応力部にピエゾ抵抗素子の一端を一致させて配置することで、１つのセンサ素子内の軸間でのピエゾ抵抗素子の抵抗変化量のばらつきが小さくなり、センサ素子の設計も容易になる。【００１９】  本発明のセンサ素子では、可撓幅広部長さ内に最大応力部があり、最大応力部にピエゾ抵抗素子の一端を一致させて可撓腕上面上に配置させるため、可撓腕接続端から離れて可撓腕上面上にピエゾ抵抗素子の両端が位置する。【００２０】  本発明の半導体型３軸加速度センサは、可撓幅広部はその上面の両側端に連続した曲線もしくは直線からなる稜線を持ち、両側端の稜線は可撓腕の幅中心線に関して互いに対称となっていることが好ましい。【００２１】  可撓幅広部の形状により最大応力部の位置が変わるが、可撓幅広部の形状は可撓腕接続端の端点と可撓平行部接続端の端点とを繋ぐ稜線で決まる。可撓幅広部は加速度がかかって撓むが、可撓平行部に比べれば撓み度合いは少ない。そのため、可撓幅広部長さを極力小さくすることで効果的に働く可撓腕の長さを確保し、出力を得ることが好ましい。相反する要求になるが可撓腕接続端での強度を確保するためには、可撓腕接続端の幅を大きくすることが好ましい。これらの要求から、可撓幅広部形状は、可撓平行部接続端の端点から可撓腕接続端の端点まで連続した直線もしくは曲線からなる稜線を側端に持ち、稜線が曲線の場合その曲率は可撓平行部接続端近傍での変化が少なく可撓腕接続端近傍で急激に変化することが望ましい。具体的なイメージとしては裾野に当る可撓腕接続端での幅が大きく、標高に当る可撓幅広部長さは小さな山形状が好ましく、釣鐘形の様に可撓平行部との接続端近傍まで可撓幅広部の幅が可撓腕接続端の幅のままで維持されるような形状は、最大応力部が可撓腕接続端の近くになるので好ましくない。可撓腕接続端の端点と可撓平行部接続端の端点とを結ぶ稜線が可撓腕接続端とで成す角度が４５度以内であることが好ましい。【００２２】  可撓幅広部形状は、耐衝撃性が得られれば支持枠側と錘側とで互いに変えてそれぞれ最適な形状とすることができる。しかし、形状設計やフォトリソ、エッチング等の製造面から支持枠側と錘側との可撓幅広部の形状は同じにすることが好ましい。【００２３】  可撓腕を可撓平行部と可撓幅広部とで構成することで、センサ素子の出力の低下を最小限に抑え、機械強度を上げることが出来る。センサ素子の耐衝撃性をより確実に得るために、センサ素子に規制板を組み合わせることがより好ましい。規制板は、ガラス、セラミックあるいはＩＣ基板を用いることができる。【００２４】  本発明の半導体型３軸加速度センサでは、可撓幅広部の第一の接続端（可撓腕接続端）のところの幅Ｗ１に対する可撓平行部の幅Ｗ２の比Ｗ２／Ｗ１が０．２以上０．６以下であることが好ましい。【０��２５】  可撓平行部の幅Ｗ２を可撓腕接続端のところの幅Ｗ１で除した値は、可撓幅広部の広がりの比率を示している。Ｗ２／Ｗ１の値が、大きくなると可撓腕に対する可撓腕接続端近傍での幅広部の広がり方が小さくなり、耐衝撃性は劣るが、出力の低下は小さくなる。Ｗ２／Ｗ１が０．２未満では出力の低下が著しく、また０．６を越えると耐衝撃性の改善効果が得難くなる。【００２６】  本発明の半導体型３軸加速度センサは、可撓腕の全長Ｌ０に対する可撓平行部長Ｌ２の比Ｌ２／Ｌ０が０．４以上０．９以下であることが好ましい。【００２７】  可撓平行部長Ｌ２を可撓腕全長Ｌ０で除した値は、可撓腕全長に対する可撓幅広部を除いた長さの比率を示している。小さくなると可撓腕に占める可撓幅広部の割合が大きくなり、耐衝撃性は改善されるが、出力の低下が大きくなる。Ｌ２／Ｌ０が０．４未満では出力の低下が著しく、また０．９を超えると耐衝撃性の改善効果が得難くなる。【００２８】  本発明の半導体型３軸加速度センサでは、外部からかかる加速度の３軸成分のうち少なくとも１軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子の各々はその両端が可撓幅広部上の最大応力部から可撓腕の長さ方向にはずれた位置に設けられていることができる。【００２９】  可撓幅広部長をでき得る限り小さくすることで、効果的に働く可撓腕の長さを確保し、出力が得られる。ピエゾ抵抗素子は変形したときの抵抗変化を測定するので初期の抵抗値を１０（ｋΩ）以上とすることが、電気的処理をする上で好ましく、ほぼ８０μｍの長さである。可撓幅広部に生じる最大応力部にピエゾ抵抗素子の一端を合わせ、可撓幅広部長をでき得る限り小さくし、また、センサ素子そのものの小型化を考慮すると、ピエゾ抵抗素子は可撓幅広部と可撓平行部との境界である可撓平行部接続端を跨いで配置することが好ましい。【００３０】  しかし、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸全てのピエゾ抵抗素子が可撓平行部接続端を跨ぐ必要はない。最大応力部からピエゾ抵抗素子を離して、ピエゾ抵抗素子の出力を下げることができる。Ｚ軸ピエゾ抵抗素子の出力は通常Ｘ軸ピエゾ抵抗素子の出力およびＹ軸ピエゾ抵抗素子の出力よりも大きいので、Ｚ軸出力を下げてＸ，Ｙ，Ｚ軸間の出力差を小さくするために、Ｚ軸ピエゾ抵抗素子の両端を最大応力部から可撓腕の長さ方向にはずれた位置に設けることができる。例えば、Ｚ軸ピエゾ抵抗素子のみを可撓平行部あるいは可撓幅広部内に設けることができる。【００３１】  支持枠側Ｚ軸ピエゾ抵抗素子と錘側Ｚ軸ピエゾ抵抗素子とを異なった方向に最大応力部から外すことができる。しかし、支持枠側と錘側とのＺ軸ピエゾ抵抗素子を同方向に最大応力部から外すことがＺ軸ピエゾ抵抗素子をブリッジに組んだ時の、オフセット電圧等の発生を抑えやすいので好ましい。【００３２】  本発明の半導体型３軸加速度センサでは、外部からかかった加速度の３軸成分のうち少なくとも１軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子の各々は可撓腕上面上で可撓腕の幅中心線から可撓腕の側端にはずれた位置に設けられていることができる。【００３３】  また、外部からかかった加速度の３軸成分のうち錘上面に垂直な軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子の各々は可撓腕上面上で可撓腕の���中心線の上に設けられていることが好ましい。【００３４】  可撓腕は長さ方向だけでなく幅方向にも撓み、幅方向の撓みは可撓腕の幅中心線を軸として生じるので、幅中心線上の応力が小さく可撓腕幅方向に幅中心線から離れるに従い応力が大きくなる。Ｘ軸／Ｙ軸ピエゾ抵抗素子に比べて通常Ｚ軸ピエゾ抵抗素子の出力が大きいため、Ｚ軸ピエゾ抵抗素子の出力を下げてＸ，Ｙ，Ｚ軸間の出力差を小さくするために、幅中心線近傍にＺ軸ピエゾ抵抗素子、幅中心線から可撓腕幅方向の外側にＸ軸あるいはＹ軸ピエゾ抵抗素子を配することが好ましい。【００３５】  Ｘ軸／Ｙ軸ピエゾ抵抗素子を可撓腕幅方向の外側に配する場合、可撓腕の側端から少なくともピエゾ抵抗素子幅程度離して配置することが好ましい。側端に近付け過ぎると、ピエゾ抵抗素子と金属配線との接続が可撓平行部の側端に位置するために、要らぬ応力を発生させたり応力のバランスを崩すことがある。【００３６】  このように、Ｘ軸／Ｙ軸ピエゾ抵抗素子を可撓腕の幅中心線から外して設け、Ｚ軸ピエゾ抵抗素子を可撓腕の幅中心線上に設けるとともに、Ｚ軸ピエゾ抵抗素子を幅中心線上で可撓幅広部上の最大応力部から可撓腕の長さ方向にはずれた位置に設けると更にＺ軸ピエゾ抵抗素子の出力を低くすることができる。【００３７】  本発明の半導体型３軸加速度センサにおいて、可撓腕上面上で幅中心線上にＺ軸ピエゾ抵抗素子を配し、Ｘ軸およびＹ軸ピエゾ抵抗素子は、可撓腕上面上で幅中心線から可撓腕幅方向の外側に配されており、幅中心線に関して対称の位置にＸ軸およびＹ軸ピエゾ抵抗素子および金属配線等のダミーが設けられていることができる。【００３８】  Ｘ，Ｙ，Ｚ軸ピエゾ抵抗素子の出力差を小さくするため、可撓腕上面上で幅中心線上にＺ軸ピエゾ抵抗素子、可撓腕幅方向の外側にＸ軸ピエゾ抵抗素子を配すると、可撓腕上面上で幅中心線の片側だけにそれらピエゾ抵抗素子が偏って配されることになる。また、ピエゾ抵抗素子を繋ぐ金属配線等も偏って配置される。ピエゾ抵抗素子を可撓腕上面上で幅中心線から偏って配置すると、可撓腕の幅方向で外力によって生じる応力の発生が不均一になる。また、センサ温度が上がったとき、可撓腕を構成するシリコンや絶縁層、金属配線等の熱膨張率の違いにより、可撓腕に応力が発生することもある。そのため、可撓腕上面上で幅中心線に関して対称に部品を配置することが好ましい。幅中心線上にＺ軸ピエゾ抵抗素子を配置して、Ｘ軸／Ｙ軸ピエゾ抵抗素子を幅中心線からはずれて配置することができる。また、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸すべてのピエゾ抵抗素子ともに幅中心線からはずれて配置することができる。幅中心線からはずれて配置したピエゾ抵抗素子は、幅中心線に関してその素子と対称なピエゾ抵抗素子を持つことが好ましい。幅中心線に関してその素子と対称に配置されたピエゾ抵抗素子として、その素子と同じものとすることができる。対称に同じ素子を配置する場合、必要とするピエゾ抵抗素子の１／２あるいは１／４の長さを持ったピエゾ抵抗素子片の２個あるいは４個を幅中心線に関して対称に可撓腕上面上に設けて、２個あるいは４個のピエゾ抵抗素子片の端同士を直列に配線して、必要とするピエゾ抵抗素子とすることができる。【００３９】  このよ���に各軸のピエゾ抵抗素子を、２分割もしくは４分割の偶数分割とすることが好ましい。偶数分割とすることで、それら分割されたピエゾ抵抗素子片の一端同士を直線的な金属配線で接続でき、反対側の端は横方向に最短の距離で繋ぐことができる。奇数分割とするとこの様な簡単な接続はできず、一部を分割したピエゾ抵抗素子と略同じ長さの金属配線をピエゾ抵抗素子と並行に設ける必要が出てくる。製造上の理由から分割数を４分割までと限ることが好ましい。Ｘ，Ｚ軸のピエゾ抵抗素子を持つ可撓腕では、４分割の場合８本のピエゾ抵抗素子片が、可撓腕の幅方向に並ぶことになる。加速度の出力を上げるため、ますます可撓腕の幅は小さくなる方向であるので、ピエゾ抵抗素子片の数を多くし過ぎると製造歩留りが下がるので好ましくない。【００４０】  Ｘ，Ｙ，Ｚ軸ピエゾ抵抗素子は、ピエゾ抵抗素子の長さ方向に２もしくは４分割されており、２もしくは４分割された２個もしくは４個のピエゾ抵抗素子片を幅中心線に関して対称位置に配置することができる。その場合、Ｚ軸ピエゾ抵抗素子片を幅中心線に近く設けて、Ｘ軸およびＹ軸ピエゾ抵抗素子片は、Ｚ軸ピエゾ抵抗素子片から可撓腕幅方向の外側で、可撓腕長さ中心線に関して対称の位置に配されていることが好ましい。【００４１】  Ｘ，Ｙ軸ピエゾ抵抗素子に比べＺ軸ピエゾ抵抗素子の出力を下げるため、Ｚ軸ピエゾ抵抗素子は分割せずＸ，Ｙ軸ピエゾ抵抗素子のみ分割することができる。Ｚ軸ピエゾ抵抗素子は分割せず幅中心線上に配置し、Ｘ軸／Ｙ軸ピエゾ抵抗素子は幅中心線に関して対称の位置に配置することができる。Ｘ軸ピエゾ抵抗素子の可撓腕接続端から遠い側の端を短絡する必要があるため、Ｚ軸ピエゾ抵抗素子は可撓腕接続端側に極力ずらすことが良い。しかし、Ｚ軸ピエゾ抵抗素子を可撓腕接続端側にずらしても、Ｘ軸ピエゾ抵抗素子を接続する金属配線等が長くなることは避け難いため、でき得る限りＺ軸ピエゾ抵抗素子もＸ軸／Ｙ軸ピエゾ抵抗素子と同じ長さになるように分割することが好ましい。Ｘ軸／Ｙ軸ピエゾ抵抗素子は２分割、Ｚ軸ピエゾ抵抗素子は４分割とすることもできる。【００４２】  そこで、加速度の３軸成分のうち少なくとも１軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子の各々をその両端が可撓幅広部から可撓腕の長さ方向にはずれた位置に設けることができる。例えば、Ｚ軸ピエゾ抵抗素子を最大応力部からずらすことで出力を下げることができる。分割されたＺ軸ピエゾ抵抗素子片の一方を可撓腕接続端に近い側に他方を可撓腕接続端から遠い長さ中心線側にずらすこともできるが、Ｚ軸ピエゾ抵抗素子片を接続する配線が長くなることは避け難い。Ｚ軸用ピエゾ抵抗素子片のずらす方向は、可撓腕接続端に近い側もしくは遠い側のいずれかに合わすことが好ましい。【００４３】  ピエゾ抵抗素子と金属配線を直接接続すると接触抵抗が大きくなり良好な接続が得られないが、高濃度拡散層を介することでピエゾ抵抗素子および金属配線の何れとも良好な接続が得られる。そのため、分割されたピエゾ抵抗素子の接続は、センサ端子−金属配線−高濃度拡散層−ピエゾ抵抗素子−高濃度拡散層−接続用金属配線−高濃度拡散層−ピエゾ抵抗体−高濃度拡散層−金属配線−センサ端子となる。この接��用金属配線を高濃度拡散層で形成することで、ピエゾ抵抗素子と金属配線間にある、絶縁層に穴をあけるスルーホール形成が不要となる。可撓腕接続端から遠い側のピエゾ抵抗素子端をスルーホールを用いずに接続できることで、Ｚ軸ピエゾ抵抗素子片とＸ軸ピエゾ抵抗素子片との配置ずれ量が設定し易くなるだけでなく、可撓平行部からスルーホールを無くすことができるので，可撓腕の変形時にノイズの原因となる形状による応力の発生を最小限にすることができる。高濃度拡散層は、シート抵抗値が小さく、応力に対しても抵抗変化が小さいことが求められるので、ピエゾ抵抗素子よりも３桁程度シリコンと異なる価数の元素の拡散濃度を高くする。高濃度拡散層を分割したピエゾ抵抗素子片の接続線と使用することで、製造工数を増やすことなく、ノイズの発生を少なくできると言う効果が得られる。【００４４】  上の説明では、ピエゾ抵抗素子片同士を幅中心線に関して対称に可撓腕上面上に設けていたが、対称に設けるピエゾ抵抗素子片としてダミー素子を用いることができる。配置するダミーは、Ｘ軸，Ｙ軸ピエゾ抵抗素子片だけでなく、接続される金属配線、接続部位等を含んだものとすることが好ましい。ダミーの金属配線は素子端子に接続する必要がない。よって、ダミーのピエゾ抵抗素子や金属配線等の材質、幅、厚み等はでき得る限り、実際のピエゾ抵抗素子や金属配線等と同じとすることが好ましい。
【発明の効果】
【００４５】  本発明により、耐衝撃性が高く、Ｘ軸（Ｙ軸）ピエゾ抵抗素子とＺ軸ピエゾ抵抗素子との出力の差が小さく、小型で高感度、高出力の半導体型３軸加速度センサを提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に用いているセンサ素子の平面概略図である。
【図２】本発明の加速度センサの分解斜視図である。
【図３】本発明の加速度センサの断面図である。
【図４】本発明で用いたセンサ素子の寸法関係を説明する図で、図４（Ａ）はセンサ素子の平面図、図４（Ｂ）は可撓腕の拡大平面図、図４（Ｃ）は可撓腕の一部を示す断面図である。
【図５】可撓幅広部の稜線の半径Ｒをパラメターとして、出力と最大応力部位置との関係を説明するグラフである。
【図６】耐衝撃性と可撓幅広部長さＬ１との関係を示すグラフである。
【図７】耐衝撃性、出力とＷ２／Ｗ１との関係を示すグラフである。
【図８】耐衝撃性、出力とＬ２／Ｌ０との関係を示すグラフである。
【図９】出力と幅中心線からの距離との関係を説明するグラフである。
【図１０】出力と基準位置からの距離Ｌ４，Ｌ４′との関係を説明するグラフである。
【図１１】ダミー素子、ダミー金属配線の配置を説明する可撓腕の拡大平面図である。
【図１２】２分割して直列接続したピエゾ抵抗素子片を説明するための可撓腕の拡大平面図である。
【図１３】Ｚ軸ピエゾ抵抗素子片を可撓腕長さ方向にずらした実施例を説明する可撓腕の拡大平面図である。
【図１４】従来の加速度センサの分解斜視図である。
【図１５】従来のセンサ素子の平面模式図である。
【図１６】従来の加速度センサの断面図である。
【図１７】従来のセンサ素子の斜視図である。
【図１８】従来のセンサ素子の平面図と断面斜視図である。
【図１９】従来のセンサ素子の平面図と断面図である。
【図２０】出力と錘厚さとの関係を説明するグラフである。
【符号の説明】
【００４７】１  加速度センサ
２  センサ素子
１０  支持枠
１１  錘
１２  可撓腕
１４  Ｘ軸ピエゾ抵抗素子
１５  Ｙ軸ピエゾ抵抗素子
１６  Ｚ軸ピエゾ抵抗素子
１７  第一の接続端（可撓腕接続端）
２８  第二の接続端（可撓平行部接続端）
２９  （可撓腕の）幅中心線
３０  （可撓腕の）長さ中心線
３１  可撓幅広部
３２  可撓平行部
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】  以下、本発明の実施例について、図を用いて以下に詳細に説明する。説明を判り易くするため、同じ部品、部位には同一の符号を用いている。【００４９】  図１に本発明の実施例による加速度センサに用いているセンサ素子の平面概略図を示す。図２に加速度センサの分解斜視図、図３に加速度センサの断面図を示す。図１の平面図に示すように、センサ素子２はシリコン単結晶基板の周縁部に形成された支持枠１０と中央部に形成された錘１１とが、薄肉梁状の可撓腕１２で接続されている。可撓腕１２は可撓平行部３２と可撓幅広部３１とで構成している。可撓平行部３２の両端に可撓幅広部３１を設け、可撓腕で支持枠上面と錘上面とを接続している。可撓腕１２が支持枠１０および錘１１に接続している部分を可撓腕接続端１７と呼び、可撓平行部３２が可撓幅広部３１と接続している部分を可撓平行部接続端２８と呼んでいる。Ｘ軸ピエゾ抵抗素子１４とＺ軸ピエゾ抵抗素子１６とを同じ可撓腕１２上面上に設け、Ｙ軸ピエゾ抵抗素子１５は別の可撓腕１２上面上に設けた。Ｚ軸ピエゾ抵抗素子１６は可撓腕の幅中心線２９上に、Ｘ軸ピエゾ抵抗素子１４およびＹ軸ピエゾ抵抗素子１５は幅中心線２９から可撓腕幅方向の外側に位置をずらして配置した。センサ素子２の断面形状は、図３から判るように、錘１１及び支持枠１０の上方側に可撓腕１２を設けた。可撓腕の上面に各軸複数対のピエゾ抵抗素子と金属配線を設けた。しかしそれらの図示は図３では省略した。【００５０】  本発明の加速度センサ１を、図２の分解斜視図と図３の断面図を用いて説明する。センサ素子２は、保護ケース３内に１０μｍ径の硬質プラスチック球を含有した接着剤３３で固定した。センサ素子２の錘１１の底面と保護ケース３の内底面との間隔ｇ”は、硬質プラスチックの球径で規制され１０μｍとなっている。この間隔ｇ”は、過度の加速度が加速度センサ１に加わった時に、錘１１の動きを規制し可撓腕１２の破損を防ぐ。センサ素子のセンサ端子６と保護ケースのケース端子７との間はワイヤー５で接続した。ワイヤー５は２５μｍ径の金の裸線を超音波ボンディングでセンサ端子６とケース端子７とに熔接した。センサ素子の上に１０μｍ径の硬質プラスチック球を含有した接着剤３３で規制板９を固定した。規制板９として０．２ｍｍ厚の青板ガラスを用いた。規制板９と錘１１との間隔ｇ’も、錘の過度の動きをその間隔ｇ’に規制し可撓腕の破損を防ぐ。保護ケース３に保護ケース蓋４を、エポキシ系の接着剤３４で固定して加速度センサ１を組み立てた。【００５１】  図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に、本発明の以下の実験で用いたセンサ素子の主な寸法を示す。センサ素子２の外寸Ｗ７は２０００μｍ、支持枠１０の幅Ｗ８は２５０μｍ、錘１１の幅Ｗ６は７００μｍとした。可撓腕１２の可撓平行部３２の幅Ｗ２は７５μｍ、可撓幅広部３１の可撓腕接続端における幅Ｗ１は検討寸法であり実験で変化させている。可撓腕１２の長さＬ０は４００μｍ、可撓幅広部３１の長さＬ１は検討寸法であり実験で変化させている。ピエゾ抵抗素子１４（１５，１６）の幅は４μｍとし、長さＬ５は８０μｍとした。可撓腕接続端１７からピエゾ抵抗素子１４（１５，１６）の端部までの距離（最大応力部）Ｌ３は検討寸法であり実験で変化させている。可撓腕の厚みｈ１は６μｍで、支持枠１０および錘１１の厚みｈ０は約６３２μｍとした。特に、断わりの無い限り、本実施例ではこれら寸法のセンサ素子を用いている。【００５２】  センサ素子２の製造方法を簡単に説明する。６２５μｍ厚のシリコン板に１μｍ程度のシリコン酸化層と６μｍのシリコン層の積層構造を有するＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェファーを使用した。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１〜３×１０１９原子／ｃｍ３打ち込みピエゾ抵抗素子を作製した。高濃度拡散層はシリコン層にボロンを１〜３×１０２１原子／ｃｍ３打ち込んだ。ピエゾ抵抗素子を外部のイオンから保護するためと、シリコンとアルミ配線、電極の絶縁を確保するために、０．２〜０．５μｍ厚に酸化シリコンの絶縁層を形成した。ピエゾ抵抗素子に接続するアルミ配線と電極、可撓腕等を、フォトレジストのパターニングとスパッタリング成膜装置、ドライエッチング装置等を用いて形成した。ＳＯＩウェファーのシリコン酸化層がエッチングストッパーとなるため、エッチングされるのはシリコン層のみである。ピエゾ抵抗素子面側を下にして、熱伝導の高い金属粉末を樹脂に混錬したものを用いて、ダミー基板に接着した。ＳＯＩウェファーのシリコン板部分の６２５μｍをドライエッチングするには、ＳＦ６と酸素を導入したプラズマ内で長時間行うため、被加工物の冷却が重要であり、熱伝導の良い接着剤で放熱性の高いダミー基板に接着している。ドライエッチングされるのはシリコンのみなので、シリコン板はエッチングされるが、シリコン酸化層は残っている。ダミー基板に付けたまま弗酸溶液に漬け、シリコン酸化層を化学エッチングで除去した。可撓腕と錘、支持枠が形成されたＳＯＩウェファーがダミー基板に接着された状態で、切断砥石を使って加速度センサ素子のチップに分離した後、溶剤で接着剤を除去し加速度センサ素子単体を得た。
実験１【００５３】  可撓幅広部稜線の半径Ｒをパラメータとして出力と最大応力部の位置（Ｌ３）との関係を図５のグラフに示す。図５では、可撓幅広部３１の稜線が１／４円弧となっている場合を示している。稜線を直線や非円弧としたものも同じ様な傾向だったので、代表として１／４円弧の場合を示した。図５で半径Ｒ＝０μｍは可撓幅広部３１がない形状で、可撓平行部３２のみの従来のセンサ素子である。従来のセンサ素子の最大応力部がＬ３＝０μｍとなった可撓腕接続端１７にあり、その位置にピエゾ抵抗素子１４（１５，１６）の一端を設けた時の出力を１００％とした。半径Ｒを２０、５０、８０μｍと変化させ、最大応力部を示す位置（Ｌ３）を求めた。また、ピエゾ抵抗素子出力を測定し、Ｒ＝０μｍの最大応力部の出力に対する比を求めた。出力は３Ｇの加速度をＺ軸方向に加えて測定した。【００５４】  図５から判るように、可撓腕接続端１７から半径Ｒの略半分の距離の位置に最大応力部Ｌ３が生じ、出力も半径Ｒが大きくなるに従い低下している。最大応力部Ｌ３が半径Ｒの略半分の位置にあることは、可撓幅広部内に最大応力部があることを意味しており、可撓幅広部は可撓腕として扱えることが確認できた。半径Ｒが大きくなるに従い出力が低下しているのは、半径Ｒが大きくなると可撓幅広部が撓み難くなることを表している。詳細は省略したが、稜線を直線で結んだ形状や釣鐘状の形状では、Ｌ３はより大きくなり出力の低下も大きかった。半径Ｒの中心をずらした円弧で、可撓平行部接続端２８近傍での変化は少なく可撓腕接続端１７近傍で急激に変化する形状が、Ｌ３を小さくし出力の低下を小さくできることが判った。
実験２【００５５】  可撓幅広部を設けることで耐衝撃性が向上することを説明する。図６に、可撓幅広部の稜線を１／４円弧（Ｒ）あるいは直線で形成し、円弧の場合はその半径Ｒを０から７０μｍ程度まで、直線では角度θを４５度一定とし、可撓腕接続端１７と可撓平行部接続端２８と間の距離（可撓幅広部長Ｌ１）を０から４５μｍ程度まで変えて耐衝撃性の変化をグラフに示している。各２０個の加速度センサを作製し、耐衝撃性試験を行った。耐衝撃性試験には振子式衝撃試験機を使用し、衝撃作用時間は０．２ｍｓｅｃに固定し、１０００Ｇから５０００Ｇまで１００Ｇ間隔で測定した。方向による耐衝撃性の違いが考えられるため、本実験においては１条件につきＸＹＺ各軸正負両方向の計６方向について３回ずつ、計１８回の衝撃を印加した。耐衝撃性試験の後、加振器で３Ｇの加速度を加え、出力が出るか否かで判断し、出力が出ない加速度センサは破壊したと判定した。２０個の加速度センサの内１個でも破損したと判断された加速度値（ＫＧ）を、その試料グループの持つ耐衝撃性値とした。【００５６】  図６のＬ１＝０である可撓幅広部を持たない従来のセンサ素子では、８００Ｇ程度の耐衝撃性であった。可撓幅広部長さＬ１を２０μｍ程度とすることで耐衝撃性は、３０００Ｇ以上が得られることが確認できた。１００ｍｍ厚の木板に１ｍの高さから加速度センサを自然落下させた時に加わる衝撃値は１５００〜２０００Ｇであることから、３０００Ｇは携帯装置に搭載する加速度センサとしては充分な耐衝撃性を有していると言える。可撓幅広部長さが同じの場合、稜線の形が直線の方が耐衝撃性は上がっているのは、円弧に比べ可撓平行部接続端近傍での可撓腕幅が大きいためと思われる。
実験３【００５７】  図７（Ａ）に、可撓平行部３２の幅Ｗ２の可撓腕接続端１７のところでの可撓幅広部の幅Ｗ１に対する比Ｗ２／Ｗ１と、耐衝撃性（ＫＧ）と出力（％）との関係を示している。可撓平行部３２の幅Ｗ２は７５μｍで一定とし、幅広部３１の稜線を、図７（Ｂ）凡例に示すように、半径Ｒの１／４円弧（記号■、□で表示）、直線（記号●、○で表示）、可撓腕接続端近傍で急激に形状が変化する山型（記号▲、△で表示）、可撓平行部接続端近傍で急激に形状が変化する釣鐘型（記号◆、◇で表示）と変えた。これらの稜線を持った加速度センサ試料を各２０個製作し、耐衝撃性は実験２と同様の評価方法を用いた。出力は加振器で３Ｇの加速度を加え、Ｗ２／Ｗ１＝１つまり、可撓幅広部を持たない従来の加速度センサの出力を１００％として、Ｗ２／Ｗ１を変えた各幅広部を持った加速度センサ２０個の出力平均値を図７（Ａ）のグラフにプロットしている。全体傾向として、Ｗ２／Ｗ１の値が大きくなるに従い耐衝撃性は低下しているが、出力は増加している。また、可撓平行部接続端２８近傍で可撓腕１２が太くなる釣鐘型形状は耐衝撃性で、可撓腕接続端１７の近傍で可撓腕１２が太くなる山型形状では、出力の点で有利である。これらの結果から、加速度センサに求められる耐衝撃値や出力値の観点から、可撓幅広部の寸法や形状を選ぶことができることが確かめられた。【００５８】  Ｗ２／Ｗ１の値が、０．６より大きいと３０００Ｇ以上の耐衝撃性を得難くなり、０．２より小さくなると出力の低下が３５％以上になるので好ましくない。これらから、Ｗ２／Ｗ１の値は、０．２以上０．６以下が良いことが確認できた。
実験４【００５９】  図８（Ａ）に、可撓平行部３２の長さＬ２の可撓腕１２の全長Ｌ０に対する比Ｌ２／Ｌ０を変えたときの、耐衝撃性と出力をグラフにして示している。図８（Ｂ）に示す可撓腕の平面図において、可撓腕１２の全長Ｌ０を４００μｍで一定とし、可撓腕接続端における可撓幅広部３１の幅を１６０μｍで一定として、可撓幅広部稜線の傾斜θを変えて可撓平行部３２の長さＬ２を変化させた。データを取りやり易くするため稜線は直線とした。稜線の傾斜θを変えて可撓平行部３２の長さＬ２を変化させた試料について、それぞれの長さについて試料を各２０個製作し、耐衝撃性は実験２と同様の評価方法を用いた。出力は、加振器で３ＧのＬ２／Ｌ０＝１つまり、可撓幅広部を持たない従来のセンサ素子の出力を１００％として、２０個の出力平均値を図８（Ａ）のグラフにプロットしている。【００６０】  Ｌ２／Ｌ０の値が、０．９より大きいと３０００Ｇ以上の耐衝撃性が得難くなり、０．４より小さくなると出力の低下が３５％以上になるので好ましくない。これらから、Ｌ２／Ｌ０の値は、０．４以上０．９以下が良いことが確認できた。
実験５【００６１】  ピエゾ抵抗素子の可撓腕幅中心線からの距離と出力の関係について、図９のグラフを用いて説明する。幅中心線から５μｍピッチで２５μｍまでピエゾ抵抗素子の位置を変えて出力を測定した。可撓幅広部の稜線は半径Ｒ４０μｍの１／４円弧とし、可撓腕接続端から３０μｍ離れた位置にピエゾ抵抗素子の一端が位置するようにしてそこから可撓平行部接続端を跨いで可撓平行部上にピエゾ抵抗素子を配置した。加振器で３Ｇの加速度を与え、ピエゾ抵抗素子が幅中心線上に在る時の出力を１００％とし、各々の位置での２０個の出力平均値を百分率で表した。【００６２】  幅中心線から離れるに従い出力は増加し、ピエゾ抵抗素子を幅中心線から２５μｍ離すと出力を約９％高くすることができた。Ｚ軸ピエゾ抵抗素子はＸ軸ピエゾ抵抗素子に比べ出力が高いため、Ｘ軸ピエゾ抵抗素子の出力を上げるか、Ｚ軸ピエゾ抵抗素子の出力を下げてＺ軸ピエゾ抵抗素子とＸ軸（Ｙ軸）ピエゾ抵抗素子との出力差を少なくすることが望ましい。Ｚ軸ピエゾ抵抗素子の出力を下げる、つまり性能を落としてＸ軸ピエゾ抵抗素子のレベルと同じにすることは比較的容易であるが、これでは加速度センサの性能を低下させることになる。可撓腕上面上で幅中心線上にＺ軸ピエゾ抵抗素子を形成して、Ｘ軸ピエゾ抵抗素子を可撓腕上面上で幅中心線から離した位置に形成することで、Ｚ軸ピエゾ抵抗素子の出力を下げずにＸ軸ピエゾ抵抗素子の出力を上げることができ、加速度センサの性能をより向上させることができた。
実験６【００６３】  可撓腕長さ中心線３０からの距離を変えて可撓腕上面上にピエゾ抵抗素子１４（１５，１６）を設けた場合、ピエゾ抵抗素子の出力と基準位置からの距離Ｌ４、Ｌ４’の関係について、図１０を用いて説明する。可撓腕１２の幅中心線２９上で最大応力部にピエゾ抵抗素子の一端を位置させて、そこから可撓平行部接続端を跨いで可撓腕上に配置されたピエゾ抵抗素子を基準として、ピエゾ抵抗素子を可撓腕接続端１７側（Ｌ４’）と可撓腕長さ中心線３０側（Ｌ４）とに１００μｍ以内まで位置を変えた時の出力の関係である。可撓幅広部３１の稜線は半径Ｒ５０μｍの１／４円弧とし、ピエゾ抵抗素子の長さを８０μｍとした。加振器で３Ｇの加速度を与え、ピエゾ抵抗素子１４（１５，１６）が可撓腕１２の幅中心線２９上でかつピエゾ抵抗素子の一端が最大応力部に在る時の出力を１００％とし、最大応力部から離れた位置に設けたピエゾ抵抗素子について、各位置で２０個の出力平均値を百分率で表した。【００６４】  基準となるピエゾ抵抗素子の位置から、可撓腕接続端１７側（Ｌ４’）と可撓腕長さ中心線３０側（Ｌ４）にピエゾ抵抗素子１４（１５，１６）がずれるに従い出力は低下し、１００μｍ程度ずれると出力は約２５％低下した。可撓腕接続端１７側（Ｌ４’）にずれた位置にあるピエゾ抵抗素子と同じ距離だけ長さ中心線３０側（Ｌ４）にずれた位置にあるピエゾ抵抗素子との出力の差は数％であったので図１０ではＬ４方向とＬ４’方向で符合は変えていない。図９のグラフに関して幅中心線２９から可撓腕の幅方向外側にＸ軸ピエゾ抵抗素子を配置することで、Ｘ軸ピエゾ抵抗素子の出力を約９％上げることが可能と説明した。Ｚ軸ピエゾ抵抗素子を幅中心線上で、最大応力部から１００μｍずらすことで約２５％出力を下げることができる。これらを組み合わせることで、Ｘ軸ピエゾ抵抗素子の出力を変えずＸ軸ピエゾ抵抗素子とＺ軸ピエゾ抵抗素子の出力差を約３５％縮めることができることが確かめられた。【００６５】  可撓腕上面上でＺ軸ピエゾ抵抗素子は幅中心線２９上、Ｘ，Ｙ軸のピエゾ抵抗素子は幅中心線２９から可撓腕１２の幅方向に離して配置することが、各軸の出力差を小さくする上で有効であることを図９のグラフに関して説明した。図９のグラフで説明した可撓腕上でのピエゾ抵抗素子と金属配線との配置を、図１１（Ａ）にＺ軸ピエゾ抵抗素子１６とＸ軸ピエゾ抵抗素子１４、図１１（Ｃ）にＹ軸ピエゾ抵抗素子１５をそれぞれ図示している。図１１（Ａ）、図１１（Ｃ）とも、図で幅中心線２９より下側にはピエゾ抵抗素子１４，１５，１６と金属配線３７があるが、上側は無い。図４（Ｃ）の断面図に示したように、可撓腕はシリコンと絶縁層３６との上に金属配線３７が積層された構造をしている。つまり、図１１（Ａ）、図１１（Ｃ）とも、図で幅中心線２９より下側は、シリコンと絶縁層と金属配線３７の３層構造を持つが、上側はシリコンと絶縁層との２層構造となっている。この様に可撓腕の幅中心線２９を境に、積層構成が異なると撓み易さ等に微妙な差が生じる。また、センサ素子の温度が上がった場合、これら構成部材の熱膨張係数の違いにより可撓腕に不要な応力が発生し、ノイズ成分が増加することになる。【００６６】  図９に関連して説明した可撓腕上でのピエゾ抵抗素子と金属配線との配置（図１１（Ａ）、図１１（Ｃ））を更に改善した配置をここでは説明する。ダミーＸ軸ピエゾ抵抗素子３９と２本のダミー金属配線３８とを幅中心線２９に関してＸ軸ピエゾ抵抗素子１４と金属配線３７との対称位置に設けて図１１（Ｂ）に示す構成とする。ダミーを形成することで、幅中心線２９の上下で同じ構成とすることができ、幅中心線２９の両側での可撓腕の撓み具合や熱による不要な応力の発生を抑えることができる。ピエゾ抵抗素子のダミーには、絶縁層に形成したスルーホールをも含む。Ｙ軸ピエゾ抵抗素子１５については、図１１（Ｄ）に示すように、ダミーＹ軸ピエゾ抵抗素子４０とダミー金属配線３８とを幅中心線２９に関してＹ軸ピエゾ抵抗素子１５と金属配線３７とに対称に設けることができる。また、図１１（Ｅ）に示すように、ダミーＺ軸ピエゾ抵抗素子４１やダミー金属配線３８を追加することもできる。図１１（Ｅ）は実質的に図１１（Ｂ）と同じ構成である。出力特性に対するダミーの効果についての詳細な説明は省略するが、オフセット電圧やオフセット電圧の温度特性が良くなっている。出力特性の改善以外に、可撓腕の幅中心線２９に関して対称の形状とすることで、フォトリソや製膜、エッチング作業の安定性が増し、寸法精度が向上すると言う効果も得られた。【００６７】  本発明の更なる他の実施例として、図１２（Ａ）と（Ｂ）に、ピエゾ抵抗素子を２分割して直列配置した可撓腕の拡大平面図を示す。図１２（Ａ）はＸ，Ｚ軸ピエゾ抵抗素子を持ったＸ軸可撓腕で、図１２（Ｂ）はＹ軸ピエゾ抵抗素子を持ったＹ軸可撓腕である。本実施例以前で用いていた８０μｍの長さのピエゾ抵抗素子を、４０μｍ長と半分のピエゾ抵抗素子片２本に分割し、幅中心線２９を挟んで配置した。可撓腕接続端１７側の一端は最大応力部に位置させ、長さ中心線３０側の端部は高濃度拡散層４２でピエゾ抵抗素子片が直列になるように接続した。Ｚ軸ピエゾ抵抗素子片１６′、１６″は幅中心線２９に近く、Ｘ，Ｙ軸ピエゾ抵抗素子１４′、１４″、１５′、１５″は幅中心線２９から離し幅中心線２９に関して対称位置に配置することで、Ｘ，Ｙ軸ピエゾ抵抗素子の出力を上げるようにした。【００６８】  ピエゾ抵抗素子を分割して直列配置する効果について簡単に述べる。分割して直列に接続したため分割前とピエゾ抵抗素子の電気抵抗は同じなため消費電力の増加はない。分割した本数のピエゾ抵抗素子片の端部を最大応力部に配置することができるので、出力を約１５％増加させることができた。ピエゾ抵抗素子を分割して幅中心線２９に対称配置することで、幅中心線２９の上下で同じ構成とすることができるので、ダミーのピエゾ抵抗素子や金属配線を設けたのと同等の効果が得られた。【００６９】  図１３に、ピエゾ抵抗素子を分割して直列配置した構成で、Ｚ軸ピエゾ抵抗素子片１６′、１６″を可撓腕長さ方向にずらして出力を下げた例を示す。図１３（Ａ）はＺ軸ピエゾ抵抗素子片１６′、１６″を長さ中心線３０側にずらしたもので、図１３（Ｂ）は可撓腕接続端１７側にずらしたもの、図１３（Ｃ）は長さ中心線３０側と可撓腕接続端１７側とに分けて配置したものである。長さ中心線３０��と可撓腕接続端１７側との何れにずらすかは、適宜決めれば良い。図１３（Ｂ）は、Ｘ軸ピエゾ抵抗素子片１４′，１４″の長さ中心線３０側にある端を直列に接続する高濃度拡散層４２の長さを短くできるので、好ましい。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成17年6月10日(2005.6.10)
【手続補正００１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】（補正後）中央にあって、外部からの加速度がかかる錘と、
錘を支持するための支持枠と、
錘と支持枠との間で、両端にある２つの第一の接続端のそれぞれにおいて錘上面と支持枠上面とを連結している少なくとも１つの薄肉梁状の可撓腕と、
可撓腕上面上で可撓腕上面に沿って可撓腕長さ方向に並べて設けられ、加速度の３軸成分のうち各軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子と、
可撓腕上面上で前記複数のピエゾ抵抗素子端の間を接続している配線とを有し、
可撓腕は、両端にそれぞれ第二の接続端を有し実質的に一様な幅を持っている可撓平行部と、可撓平行部の第二の接続端の１つと支持枠／錘との第一の接続端との間を連結するとともに、可撓平行部の第二の接続端から第一の接続端に向かって幅が次第に広くなっている２つの可撓幅広部とからなっており、可撓幅広部上にその可撓腕の最大応力部を持ち、
可撓腕上面上に設けられた前記複数のピエゾ抵抗素子のそれぞれはその可撓腕の第一の接続端から離れて配置されているとともに、
前記加速度の３軸成分のうち少なくとも１軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子の各々は可撓幅広部上の最大応力部から可撓腕の長さ方向にはずれた位置に設けられていて、
前記加速度の３軸成分のうち他の少なくとも１軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子の各々はピエゾ抵抗素子の一端を可撓幅広部上の最大応力部に位置していて、最大応力部から第二の接続端を跨いで可撓幅広部から可撓平行部に亘って延びている
半導体型３軸加速度センサ。
【請求項２】（補正後）可撓幅広部上の最大応力部から可撓腕の長さ方向にはずれた位置に設けられている複数のピエゾ抵抗素子は前記加速度の３軸成分のうち錘上面に垂直な軸成分を測定するためものである
請求項１記載の半導体型３軸加速度センサ。
【請求項３】可撓幅広部はその上面の両側端に連続した曲線もしくは直線からなる稜線を持ち、両側端の稜線は可撓腕の幅中心線に関して互いに対称となっている
請求項２記載の半導体型３軸加速度センサ。
【請求項４】可撓部幅広部の第一の接続端のところでの可撓腕の幅Ｗ１に対する可撓平行部の幅Ｗ２の比Ｗ２／Ｗ１が０．２以上０．６以下である
請求項２記載の半導体型３軸加速度センサ。
【請求項５】可撓腕の全長Ｌ０に対する可撓平行部長Ｌ２の比Ｌ２／Ｌ０が０．４以上０．９以下である
請求項２記載の半導体型３軸加速度センサ。
【請求項６】（削除）
【請求項７】（補正後）前記加速度の３軸成分のうち前記他の少なくとも１軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子の各々は可撓腕上面上で可撓腕の幅中心線から可撓腕の側端にはずれた位置に設けられている
請求項２記載の半導体型３軸加速度センサ。
【請求項８】前記加速度の３軸成分のうち錘上面に垂直な軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子の各々は可撓腕上面上で可撓腕の幅中心線の上に設けられている
請求項７記載の半導体型３軸加速度センサ。
【請求項９】（削除）
【請求項１０】可撓腕上面上で可撓腕の幅中心線から可撓腕の側端にはずれた位置に設けられているピエゾ抵抗素子の各々は、可撓腕上面上で幅中心線に関して対称に設けられた他のピエゾ抵抗素子を持っている
請求項７記載の半導体型３軸加速度センサ。
【請求項１１】前記加速度の３軸成分のうち錘上面に垂直な軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子の各々は可撓腕上面上で可撓腕の幅中心線の上に設けられている
請求項１０記載の半導体型３軸加速度センサ。
【請求項１２】可撓腕上面上で可撓腕の幅中心線から可撓腕の側端にはずれた位置に設けられているピエゾ抵抗素子の各々と、そのピエゾ抵抗素子に対して可撓腕上面上で幅中心線に関して対称に設けられた前記他のピエゾ抵抗素子とは、配線で直列に接続されている
請求項１０記載の半導体型３軸加速度センサ。
【請求項１３】可撓腕上面上で可撓腕の幅中心線から可撓腕の側端にはずれた位置に設けられているピエゾ抵抗素子の各々と、そのピエゾ抵抗素子に対して可撓腕上面上で幅中心線に関して対称に設けられた前記他のピエゾ抵抗素子とは、それらピエゾ抵抗素子の可撓腕の長さ中心線側にある端同士が高濃度拡散層で直列に接続されている
請求項１２記載の半導体型３軸加速度センサ。
【請求項１４】前記加速度の３軸成分のうち錘上面に垂直な軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子の各々が、前記加速度の３軸成分のうち他の軸成分を測定するための複数のピエゾ抵抗素子よりも可撓腕の幅中心線に近い位置に設けられている
請求項１２記載の半導体型３軸加速度センサ。
【請求項１５】（削除）
【請求項１６】前記他のピエゾ抵抗素子がダミー素子であるとともに、そのダミー素子はダミー配線で接続されている
請求項１０記載の半導体型３軸加速度センサ。
２８
【国際調査報告】
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