JP2004198280A

JP2004198280A - 加速度センサ

Info

Publication number: JP2004198280A
Application number: JP2002367835A
Authority: JP
Inventors: Daigo Otoyo; 大吾大豊; Masakatsu Saito; 正勝斎藤
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2004-07-15
Also published as: CN100347863C; US6892579B2; KR20040054548A; EP1431764A3; US20040123664A1; KR100715644B1; EP1431764A2; CN1508547A

Abstract

【課題】高感度型の加速度センサは、感度を確保するため可撓部が変形しやすくなる様に作られているため、加速度センサに測定範囲を大きく外れる様な衝撃力が加わると、可撓部が変形し過ぎて破壊すると言う問題があり、高感度と高耐衝撃性は相反するものであった。
【解決手段】錘板部および支持枠部に切り欠き部を設け、可撓部に錘板部および可撓部に支持枠部が接しない構造とすることで、高感度を維持し、加速度センサを搭載した機器等が落下した際、加速度センサに異常な衝撃力が作用しても、加速度センサ素子の作用部と可撓部および固定部と可撓部の境界部分の耐破壊性を大きくすることができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
携帯端末機器、玩具等に用いられる加速度検出用の半導体加速度センサ。
【０００２】
【従来の技術】
加速度センサは加速度を検出する方式でピエゾ抵抗効果型や圧電効果型、静電容量型等に大別されている。いずれも、加速度が加わった状態で変形する可撓部を有し、可撓部の変位量をピエゾ抵抗や圧電素子、静電容量の変化を電気信号として得ているものである。加速度センサの用途は、自動車分野におけるエアバックや車両制御など、平面方向の検出が主であった。これら用途の加速度センサとしては、検出方向は１軸もしくは２軸で済み、また、高加速度値の検出であるために高分解能が要求されることは少なかった。
【０００３】
近年、携帯端末機器等に加速度センサを搭載し、人間の手の微小な変位を検出してその動きで端末の操作をすると言った用途など、これまでに加速度センサが使用されていなかった分野への応用が考え出されている。このような用途では、空間の動きを検出するために３軸の検出が可能であること、検出する加速度の大きさは２Ｇ程度までと低く微小な加速度を高精度で検出する必要があることから、検出の分解能が高い高感度品であることが要求される。３軸方向の加速度検出は、１軸または２軸の加速度センサを複数組み合せることで可能であるが、携帯端末機器等に加速度センサを用いる場合には、実装スペースが狭いこともあることから、１個の加速度センサで３軸検出が可能で小型、高感度であることが要求される。
【０００４】
可撓部の変位量をピエゾ抵抗や、圧電素子、静電容量の変化を電気信号として得るため、可撓部の材質の選定が重要になってくる。シリコン単結晶は、格子欠陥が極めて少ないために弾性変形領域が広いという特徴がある。さらに、半導体プロセス技術を利用することができるため、加速度センサ素子を小型で安価に多数製造することが可能となる。これらのことから、シリコン単結晶を母体として薄肉の可撓部を設け、この薄肉の可撓部に加わる応力をピエゾ抵抗効果素子によって電気信号に変換して出力とするピエゾ抵抗効果型加速度センサが特に注目され、開発、製造されている。
【０００５】
従来のピエゾ抵抗効果型加速度センサの基本構造を、図８を使って説明する。一般的に加速度センサ１０は、加速度センサ素子１をケース等に封止した構造となっている。図８ａ）は、加速度センサ１０の分解斜視図を示す。保護ケース２に加速度センサ素子１が固着され、加速度センサ素子１の端子３と保護ケース２の端子５はワイヤー４で電気的に接続される。保護ケース２に保護ケース蓋７を接着した構造となっている。保護ケース２の外部端子６は端子５は保護ケース内で接続されている。図８ｂ）は加速度センサ素子１の分解斜視図である。図９は図８ｂ）の点線ｋ−ｋ’で切ったベース基板と錘板部および支持枠の接合界面の断面図である。加速度センサ素子１の基本構造は、田の字型に形成されたベース基板１６の十字形に交差する部位に形成された作用部１４、作用部以外の十字形領域の可撓部１３、可撓部を囲むロ字形の固定部１５からなる。作用部１４は図１０の平面図に示すように十字形の交差する部分を中心として、交差領域より大きい構造でも良い。可撓部１３の一方の面には、加速度によって可撓部に発生する応力を電気信号に変換するための複数個のピエゾ抵抗素子１７が形成され、ピエゾ抵抗素子１７と端子３は配線パターン９で接続されている。ピエゾ抵抗素子形成面の背面の作用部に錘板部１１、固定部に支持枠部１２が配されている。錘板部１１の大きさは作用部１４の大きさと同じでかつ同一部位になる様に製造されている。また、固定部１５と支持枠部１２も同様に構成されているため、可撓部に錘板部および支持枠部が接した構造となっている。作用部１４と錘板１１、固定部１５に支持枠１２が接着剤（図示せず）で固着されている。また、ピエゾ抵抗素子１７は、応力集中が大きく変位の最も大きい作用部と可撓部および固定部と可撓部の接続部近傍に配置されている。図面を見易くするため、図８ｂ）と図１０は配線パターン９および端子３、図９では配線パターン９は図示していない。
【０００６】
加速度センサ素子１に加速度が作用すると、作用部１４が力を受け可撓部１３が変形し、可撓部１３に設けられたピエゾ抵抗素子１７に応力が作用する。ピエゾ抵抗素子１７が受けた応力に比例して抵抗が変化するため、この抵抗変化量から加速度を求めることが可能となる。ピエゾ抵抗素子１７で発生する抵抗変化は微小なものであるため、１方向の加速度検出あたり作用部の両端にある可撓部上に各々２個づつピエゾ抵抗素子を配置し、計４個のピエゾ抵抗素子を用いたフルブリッジ回路を形成して、ブリッジ回路内の平衡電圧を検出している。
【０００７】
高感度な加速度センサを得る方法は、僅かな力で加速度センサ素子の可撓部１３の変形が起こり易くすることであり、可撓部１３の長さを長くする、幅を狭くする、または厚みを薄くするもしくは、作用部１４と錘板部１１の重量を重くする事が上げられる。当然であるが可撓部の機械的強度は低下するため、大きな加速度が加速度センサに加わると可撓部が壊れてしまうため、使用できる加速度範囲は限られてしまう。高感度型の加速度センサを携帯端末機器等に組込んで使用すると、機器の落下等で使用加速度範囲を大きく超えるような衝撃が加わることがある。携帯端末機器が地面に落下すると携帯端末機器内に組込まれた加速度センサには、１０００から３０００Ｇに達する急激な加速度、すなわち衝撃力が加わってしまう。高感度型の加速度センサは、小さな加速度を測定するため加速度センサ素子の可撓部が変形しやすく出来ていることから機械的強度が低く、応力集中の最も大きい作用部１４と可撓部１３の接続部や固定部１５と可撓部１３の接続部で破壊してしまい、加速度センサとしての機能を失いひいては、携帯端末機器の機能に障害を及ぼすことになる。高感度化と耐衝撃性は相反するものであった。
【０００８】
高感度型の加速度センサの耐衝撃性を上げる方策として、特開平４−２７４００５号と特開平８−２３３８５１号公報に開示されている。図１１に示す。加速度センサ素子に硬質プラスチック球を含有する接着剤１９で、ストッパー１８を加速度センサ素子の上下に付加した構造となっている。硬質プラスチックの球径が加速度センサ素子とストッパー１８の間隔ｇを規制しているものである。使用範囲の加速度が加わって可撓部が変形しても作用部１４の上面と錘板部１１の底面はストッパー１８には接触しない様な間隔ｇが設定されている。可撓部１３が破壊する様な衝撃が加速度センサに加わると、作用部１４の上面もしくは錘板部１１の底面、可撓部１３の一部がストッパー１８と接触し、可撓部１３の変形を規制するものである。加速度センサ素子下側のストッパーは、保護ケースの内底を利用した構造としても良い。ストッパーを設け作用部と錘板部の動きを規制することで耐衝撃性を上げているが、これだけでは高感度型の加速度センサの耐衝撃対策としては未だ不十分であり、より高い耐衝撃性を有する加速度センサが求められている。
【０００９】
【発明の解決しようとする課題】
より高い耐衝撃性を得るにはストッパーを用いる方法に加え、加速度センサ素子自体の耐衝撃性上げることが必要である。加速度センサ素子の耐衝撃性を上げるには、可撓部の強度を増加させるか作用部と錘板部の重量を下げることである。可撓部の長さを短く幅を広く厚みを厚くすることが必要となる。しかしながら、これらは加速度センサの感度を低下させることにつながってしまう。また、作用部と錘板部の重量を軽くすることも同様に加速度センサの感度を低下させるものである。すなわち、高感度と高耐衝撃性とは相反するものであり、従来の技術では相反するこの２つの項目を両立させることができず、高感度で高耐衝撃性を備えた加速度センサを作ること難しかった。
【００１０】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、加速度センサ素子自体の耐衝撃性を向上させ、小型で高感度な加速度センサを安価に提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の加速度センサは、田の字型に形成されたベース基板の十字形に交差する部位に形成された作用部、作用部以外の十字形領域の可撓部、十字形を囲むロ字形の固定部からなり、可撓部の一方の面には複数個のピエゾ抵抗素子が形成され、ピエゾ抵抗素子形成面の反対面の作用部には錘板部、固定部には支持枠部が配された加速度センサであって、可撓部と隣接する錘板部および支持枠部に切り欠き部を設け、可撓部と錘板部および可撓部と支持枠部が接しない構造としたことを特徴とする。
【００１２】
加速度センサ素子の作用部の形状は、十字形の交差する部分で形成される正方形、または交差部分を中心として大きな相似形であっても良い。前記正方形より大きな相似形の四隅部に不定形状の出っ張りを設けても良い。しかし、付加された出っ張り部は可撓部や固定部と物理的に離れているだけでなく、加速度が加わり可撓部が変形しても出っ張り部が可撓部や固定部に接触しないことが重要である。接触してしまうと出力信号にノイズとして現れるため加速度センサの性能を低下させたり、可撓部の破損を助長することになる。
【００１３】
錘板部の可撓部と隣接する部分に設ける切り欠き部は、可撓部の長手方向への切り欠き長さＬ、可撓部の幅方向への切り欠き長さＷ、可撓部の厚み方向への切り欠き長さＴによって定義される。可撓部と隣接する作用部と錘板部の接合部位にＬｘＷｘＴの空間領域が形成される。同様に、支持枠部の可撓部と隣接する部分に設ける切り欠き部は、可撓部の長手方向への切り欠き長さＬ’、可撓部の幅方向への切り欠き長さＷ’、可撓部の厚み方向への切り欠き長さＴ’よって定義される。可撓部と隣接する固定部と支持枠部の接合部位にＬ’ｘＷ’ｘＴ’の空間領域が形成される。これらの空間領域で可撓部と錘板部および可撓部と支持枠部の稜は接することがなくなり加速度センサ素子の耐衝撃性を上げることができる。
【００１４】
シリコン基板をフォトリソ、エッチング技術等を用い、可撓部および作用部、固定部を形成した後、切り欠き部を有する錘板部および支持枠部を接着剤で接合することで加速度センサ素子が得られる。錘板部および支持枠部はシリコンもしくは他の材質を用いることができる。シリコンとの熱膨張係数が離れすぎると加速度センサ素子の温度が上がった時、可撓部および作用部、固定部の変形が起こり加速度が加わっていないにも係わらずピエゾ抵抗素子の抵抗変化が起こりノイズの原因となる。特に支持枠部の材質の熱膨張率の影響は大きいため、錘板部の材質より選定に注意が必要である。出来得る限り、同じシリコンを使用することが好ましい。錘板部および支持枠部は、複数枚接合することもできる。シリコン基板に酸化層を有するＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎｏｎｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を使用することで錘板部、支持枠部を一体で作ることもできる。ＳＯＩはシリコン層−シリコン酸化層−シリコン板で構成されている。シリコン層に可撓部および作用部、固定部を形成し、シリコン板に支持枠部および錘板部を位置を合わせて形成する。シリコン酸化層は弗酸等でエッチング除去する。ＳＯＩ基板に形成された加速度センサ素子パターンを砥石等で切断し、加速度センサ素子を得ることができる。ＳＯＩ基板を用いた加速度センサ素子では、シリコン酸化層は作用部と錘板部および固定部と支持枠部の接着剤の役目をするものである。
【００１５】
３軸加速度センサ素子においては、可撓部が４本あるため錘板部および支持枠部に設けられる切り欠き部は、各々４箇所となる。これら各々４箇所の切り欠き部寸法は、出来得る限り同一とすることが好ましい。特に錘板部に設けられる切り欠き部の寸法で、前記Ｌ，Ｗのばらつきは、オフセット電圧のばらつきを発生させることと、検出電圧の精度に影響するためばらつきをなくすために重要である。厚み方向の切り欠き寸法ＴはＬ，Ｗに比べオフセット電圧等に与える影響が小さいため、少々のばらつきは許容されるものである。支持枠部の切り欠き寸法でばらつきがあっても、オフセット電圧等への影響は殆ど無視できるため、錘板部ほどＬ’，Ｗ’，Ｔ’のばらつきを厳密に形成する必要はない。大きな衝撃力が加わっても、錘板部および支持枠部に設けた切り欠き部で、可撓部と作用部、可撓部と固定部の接続部位の応力を分散させることができ、加速度センサ素子の耐衝撃性を上げることができるものである。
【００１６】
本発明の加速度センサは、錘板部および支持枠部の切り欠き部寸法は、可撓部の長手方向には１μｍ以上１００μｍ以下、可撓部の幅方向は可撓部幅と同等以上、可撓部の厚み方向は１μｍ以上であることが望ましい。
【００１７】
錘板部および支持枠部に設ける切り欠き部の可撓部の長手方向の長さＬ，Ｌ’は１μｍ以上１００μｍ以下が好ましい。Ｌ，Ｌ’の長さが１μｍ以上あれば、加速度センサに衝撃力が作用した場合にも十分な応力緩和の効果が得られ、作用部と可撓部の接続部分および固定部と可撓部の接続部分が破壊し難くなり、耐衝撃性が向上する。錘板部に設ける切り欠き部のＬの長さを１００μｍ以上とすると、錘板部の質量が減少し、加速度センサの感度の低下が生じる。支持枠部に設ける切り欠き部Ｌ’は１００μｍ以上でも錘板部のような感度低下は発生しない。しかし、支持枠部は加速度センサ素子に機械的強度を与えるものであり、Ｌ’を大きくすると強度が低下してしまう。また、強度を維持するため固定部の寸法を大きくすることは加速度センサ素子の小型化に反するだけでなく、シリコン基板から採れる加速度センサ素子数の減少につながりコストの上昇を招くことになる。
【００１８】
錘板部および支持枠部の可撓部の幅方向への切り欠き長さＷおよびＷ’は、可撓部幅と同等以上あれば良いものである。作用部および固定部の辺全域に渡って錘板部および支持枠部に切り欠き部を設けても良いが、錘板部の質量の低下や支持枠部の強度低下を起こすため、幅方向は出来る限り小さいほうが好ましい。
【００１９】
錘板部および支持枠部の可撓部の厚み方向への切り欠き長さＴ，Ｔ’は、１μｍ以上であることが好ましい。Ｔ，Ｔ’の長さが１μｍ以上あれば、加速度センサに衝撃力が作用した場合にも十分な応力緩和の効果が得られ、作用部と可撓部の接続部分および固定部と可撓部の接続部分が破壊し難くなり、耐衝撃性が向上する。Ｔ，Ｔ’を錘板部と支持枠部の高さ方向全域に渡って設けても良いが、錘板部の質量の低下や支持枠部の強度低下を起こすため、１μｍから３０μｍ程度とすることがより好ましいものである。
【００２０】
シリコン基板をフォトリソ、エッチング技術等を用い、可撓部および作用部、固定部を形成した後、切り欠き部を有する錘板部および支持枠部を接着剤で接合する加速度センサ素子の場合、接着剤のはみ出しが起こる場合がある。この場合ははみ出し固化した接着剤は錘板部および支持枠部の一部として作用するため、切り欠き部寸法Ｌ，Ｗ，ＴおよびＬ’，Ｗ’，Ｔ’は固化した接着剤から測定した値と規定されるものである。接着剤のはみ出しを制御することは難しい作業であるので、ＳＯＩ基板を用いて接着剤を用いない加速度センサ素子を作製することが、コスト的に有利であると言える。ＳＯＩ基板を用いた場合は、シリコン酸化層が接着剤として作用するため、シリコン酸化層は錘板部および支持枠部の一部として扱うものである。
【００２１】
作用部と錘板部および固定部と支持枠部を接着する接着剤を、錘板部および支持枠部の端面から引っ込めて固着することで、錘板部および支持枠部に切り欠き部を設けたと同じ効果を奏することができるものである。また、シリコン酸化層をオーバーエッチングして錘板部および支持枠部の端面から引っ込めることで、錘板部および支持枠部に切り欠き部を設けたと同じ効果を奏することができるものである。錘板部および支持枠部の切り欠きと接着剤を引っ込めることを併用することも可能であることは言うまでもない。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について図を用いて詳細に説明する。判り易くするため同一の部位には同じ符号を用いている。図１ａ）は本発明の加速度センサ１０の分解斜視図、図１ｂ）は本発明の加速度センサ素子１の分解斜視図である。図１ａ）の保護ケース２に加速度センサ素子１をφ１０μｍの硬質プラスチック球を含有した接着剤（図示せず）で固着した。加速度センサ素子１の錘板部５１の底面とストッパーとして機能する保護ケース２の内底との間隔ｇは、硬質プラスチック球径の１０μｍとした。加速度センサ素子１の端子３と保護ケース２の端子５はワイヤ−４で接続した。ワイヤー４はφ２５μｍの金裸線を超音波ボンディングで端子に熔接した。加速度センサ素子の上にφ１０μｍの硬質プラスチック球を含有した接着剤（図示せず）でストッパー１８を固着した。ストッパー１８には、厚さ０．３ｍｍの青板ガラスを用いた。保護ケース蓋7を保護ケース２にエポキシ系の樹脂で固着して加速度センサ１０を得た。図１ｂ）に示す加速度センサ素子１は、田の字型したベース基板１６の十字形に交差する部位に形成した作用部１４、作用部以外の十字形領域の可撓部１３、可撓部を囲む固定部１５からなり、可撓部１３の一方の面には複数個のピエゾ抵抗素子１７を形成した。配線パターン９および端子３の図示は省略した。ピエゾ抵抗素子形成面の背面側の作用部に切り欠き部を有する錘板部５１、固定部１５に切り欠き部を有する支持枠部５２を接着剤で固着して加速度センサ素子１を得た。図２に図１ｂ）のｊ−ｊ’断面図を示す。田の字型ベース基板１６の作用部１４に切り欠き部５４を有する錘板部５１、固定部１５に切り欠き部５５を有する支持枠部５２が付加され、作用部１４と可撓部１３の接合部ｃ点と錘板部のｄ点、固定部１５と可撓部１３の接合部ｅ点と支持枠部のｆ点は切り欠き部５４，５５により所定の距離を有する構造となっている。
【００２３】
実施した加速度センサ素子の主要部の寸法を説明する。高感度な加速度センサを得るため、可撓部の寸法は長さ７００μｍ、幅１１０μｍ、厚み６μｍと非常に薄く平板なものとなっている。錘板部は、一辺の長さを１０００μｍ、支持枠部の幅は４５０μｍとし、加速度センサ素子外観形状は３．３ｍｍ角厚み約０．６ｍｍとし、図１０ａ）に示す形状とした。錘板部の切り欠き５４の寸法は可撓部の長手方向Ｌ、可撓部の幅方向Ｗ、可撓部の厚み方向Ｔ、および支持枠部の切り欠き５５のＬ’、Ｗ’、Ｔ’をそれぞれ０から１５０μｍ、０から錘板部外辺長および０から支持枠部内辺長まで、０から錘板部厚みまで変化させて製作した。製作した加速度センサの感度、耐衝撃性を測定した。これら加速度センサ素子を作るのに、所定の切り欠き部寸法を得るため２種類の製造方法を併用した。一つの基材から田の字型のベース基板と錘板部、支持枠部を形成する一体型と、田の字型のベース基板に別工程で製作された錘板部、支持枠部を接着する複合型である。以下、製造方法について説明する。
【００２４】
一体型の加速度センサ素子の製造方法を図３を用いて説明する。６００μｍ厚のシリコン板６１に１から１０μｍのシリコン酸化層と６μｍのシリコン層を有するＳＯＩ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１〜３ｘ１０^１８原子／ｃｍ^３打ち込みピエゾ抵抗素子を作製したのち、ピエゾ抵抗素子を外部のイオンから保護するためと、シリコンと配線パターン、電極の絶縁を確保するため０．２〜０．５μｍ厚に保護膜を形成した（ステップ１）。ピエゾ抵抗素子に接続する配線パターンと電極を、金属スパッタ−、ドライエッチング装置を用いて形成した（ステップ２）。配線パターンの図示は省略している。シリコン層に可撓部と作用部、固定部をフォトリソとドライエッチング装置を用いて形成した（ステップ３）。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。ピエゾ素子面を下にしてＳＯＩウェファーをダミー基板に、熱伝導の高い金属粉末を樹脂に混練したもの等を用いて接着した。ＳＯＩウェファーのシリコン板の約６００μｍをドライエッチングするには、ＳＦ_６と酸素を導入したプラズマ内で行うため、被加工物の冷却が重要である。（ステップ４）ドライエッチングされるのはシリコン板のみで、シリコン酸化層６３は残っている。ステップ４’にステップ４のｑ−ｑ’断面図を示す。ダミー基板に付けたまま弗酸溶液に浸け、シリコン酸化層を化学エッチング除去した（ステップ５）。化学エッチング時間を長くして、作用部と錘板部の間および固定部と支持枠部の間にあるシリコン酸化層が、へっこん状態を作った。へっこんだ量が切り欠き部のＬ、Ｌ’に相当するものである。シリコン酸化層厚が切り欠き部Ｔ、Ｔ’に相当する。マスク材を用いず化学エッチングを行うため切り欠き部Ｗ、Ｗ’は、錘板部の外辺、支持枠部の内辺の長さとなる。可撓部と作用部、固定部、錘板部、支持枠部が形成されたＳＯＩウェファーがダミー基板に接着された状態で、ＳＯＩウェファーを切断機でチップに分離したのち、溶剤を用い接着樹脂を溶かし加速度センサ素子をダミー基板から取り外した加速度センサ素子１を得た（ステップ６）。化学エッチングの時間を変えることでＬおよびＬ’を変更した。また、シリコン酸化層厚の異なるＳＯＩ基板を用いることで、ＴおよびＴ’を変更した。勿論、シリコン板のドライエッチング時に用いるマスクの寸法をかえることでも、Ｌ、Ｌ’、Ｗ、Ｗ’、Ｔ、Ｔ’を変えることも出きるので、この様な方法も用いて加速度センサ素子を製作した。
【００２５】
複合型の製造方法を説明する。複合型は一体型では出来ない切り欠き部形状や異形状、異材質を有する錘板部や支持枠部を有する加速度センサ素子の製作に適した製造方法である。図６ａ）からｄ）に複合型に適した切り欠き部の形状を示す。図６ａ）はＬ，Ｌ’方向に曲面を有する切り欠き部、ｂ）はＴ，Ｔ’方向に傾斜を有する切り欠き部、ｃ）はＬ，Ｌ’方向で略台形形状を有する切り欠き部、ｄ）はＬ，Ｌ’方向に不定形な切り欠き部である。ａ）〜ｄ）いずれもＷ，Ｗ’方向は可撓部の幅以上で錘板部の外辺、支持枠部の内辺の長さ以下である。図７ａ）ｂ）は錘板部および支持枠部の厚み方向に角度を有する、ｃ）ｄ）は錘板部および支持枠部の厚み方向に曲面を有する構造である。図６ａ）〜ｄ）と図７ａ）〜ｄ）の組み合わせも可能である。製造方法は、田の字型したベース基板１６の十字形に交差する部位に形成した作用部１４、作用部以外の十字形領域の可撓部１３、可撓部を囲むロ字形の固定部１５からなり、可撓部１３の一方の面には複数個のピエゾ抵抗素子１７を形成するまでは図３ステップ１からステップ３までと同じである。使用するウェファーがシリコンだけで出来ている点が異なるだけである。ベース基板とは別個に製作した錘板部と支持枠部を接着剤を用い接着したのち、ウェファーを切断して加速度センサ素子を得た。ベース基板に切断した後、錘板部と支持枠部を接着剤で接着しても良い。固化した接着剤は、錘板部と支持枠部の一部として機能するので、切り欠き部寸法は樹脂の面から測定した。感度に影響するため、錘板部の重量は±３％以内になる様に調整した。
【００２６】
可撓部の寸法は幅１１０μｍ、長さ７００μｍ、厚み６μｍ一定として、錘板部、一辺の長さを１０００μｍ、支持枠部の幅は４５０μｍとし、加速度センサ素子外観形状は３．３ｍｍ角厚み約０．６ｍｍとした。以下、断りのない限り上記寸法値を用いている。錘板部および支持枠部に設ける切り欠き部の可撓部の長手方向への長さＬ、Ｌ’を０から１５０μｍまで変化させた加速度センサを製作した。この場合の錘板部および支持枠部に設ける切り欠き部の可撓部の幅方向への長さＷ，Ｗ’は２００μｍ、可撓部の厚み方向への長さＴ、Ｔ’は２μｍとした。ＬおよびＬ’が０μｍは比較のため入れた従来の加速度センサ素子である。
【００２７】
前記加速度センサ素子を用い加速度センサを組立たのち、感度と耐衝撃性の測定を行った。感度は加速度センサに２Ｇの加速度を与えて出力電圧を測定した。耐衝撃性は加速度センサを１００ｍｍの板上に自然落下させた後、出力の有無で評価した。自然落下する高さと衝撃力の相関を事前に求めておき、自然落下させる高さを変えて耐衝撃性を求めた。図４ａ）に感度、図５ａ）に耐衝撃性の結果を示す。Ｌ，Ｌ’が０μｍの従来の加速度センサ素子の感度との比で表している。Ｌ，Ｌ’が０μｍから１５０μｍの間では感度の低下は見られなかった。耐衝撃性は図５ａ）に示すようにＬ，Ｌ’が１μｍ以上で一定となり、その値は０μｍの従来品と比較して約２倍となった。しかし、Ｌが１００μｍ以上となると、錘板部と作用部の接着面積が小さくなるためか、可撓部の破損だけでなく錘板部が作用部から剥がれるものが出てきた。したがって、感度を維持し耐衝撃性を向上させるＬおよびＬ’の長さは１μｍ以上１００μｍ以下が好ましいことが判った。
【００２８】
錘板部および支持枠部に設ける切り欠き部の可撓部の厚み方向への長さＴ，Ｔ’を０から錘板部および支持枠部長ｎまで変化させた加速度センサ素子用い加速度センサを製作した。Ｗ，Ｗ’は錘板部の外辺および支持枠部の内辺全域とした。可撓部の長手方向への長さＬは５μｍとした。加速度センサ素子の作りやすさから、ＴおよびＴ’が０〜１０μｍは一体型、１０μｍ以上は複合型とした。図４ｂ）に感度、図５ｂ）に耐衝撃性の結果を示す。感度はほとんど変化しなかった。耐衝撃性では、ＴおよびＴ’が１μｍ以上で値がほぼ一定となり、従来品に比べ耐衝撃性はほぼ２倍の値を得た。
【００２９】
錘板部および支持枠部に設ける切り欠き部の可撓部の幅方向への長さＷおよびＷ’を、０から錘板部および支持枠部長ｍまで変化させた加速度センサ素子用い加速度センサを製作した。ここで、Ｗ，Ｗ’が０μｍとは切り欠き部幅と可撓部幅が同一であるものである。Ｔ，Ｔ’は１μｍ、Ｌ，Ｌ’は１０μｍとした。図４ｃ）に感度、図５ｃ）に耐衝撃性の結果を示す。感度はほとんど変化しなかった。耐衝撃性では切り欠き部のない従来品に対しほぼ２倍の値を得た。つまり、幅方向は可撓部と同等以上の長さを有すれば良いことが言える。この結果から、可撓部の下部辺と錘板部の上部辺が接していなければ耐衝撃性は向上すると言える。
【００３０】
切り欠き部の効果を確かめるため、一体型および複合型で各々１０００個の加速度センサを製作した。加速度センサ素子は可撓部の寸法は長さ７００μｍ、幅１１０μｍ、厚み６μｍとした。錘板部は、一辺の長さを１０００μｍ、支持枠部の幅は４５０μｍとし、加速度センサ素子外観形状は３．３ｍｍ角厚み約０．６ｍｍとした。ストッパーとの間隔ｇは１０μｍとした。一体型の切り欠き部寸法はＬ＝１０μｍ、Ｗ＝作用部外辺全域、Ｔ＝３μｍとした。複合型も同様の仕様で製作した。錘板部および支持枠部は図２に示した形状とした。比較のため、従来の切り欠き部を持たない加速度センサも２００個製作し、感度と耐衝撃性を測定した。
【００３１】
感度は加速度センサに２Ｇの加速度を与えて出力電圧を測定した。耐衝撃性は加速度センサを１００ｍｍの板上に１ｍの高さから自然落下させた後、出力の有無で評価した。従来品の２００個と一体型１０００個、複合型１０００個は、同じ様な感度の値を示し問題ないことを確認した。耐衝撃性試験で落下後出力の出ない加速度センサは、従来品が１１３個、一体品が０個、複合品が２個であった。複合品の２個を詳細に調査したところ、錘板部の切り欠き部に樹脂がはみ出し可撓部と錘板部が接していたことが判った。はみ出した樹脂が切り欠き部で固着し、切り欠き部を塞いだため切り欠き部の役目を果たさなかったものと考えられる。これからも、可撓部の下部辺と錘板部の上部辺が接していなければ耐衝撃性は向上することが確認できた。
【００３２】
本発明の他の実施例として、図６および図７に記載の切り欠き部の形状、錘板部および支持枠部の形状を組み合わせて加速度センサを製作し、感度と耐衝撃性を測定した。切り欠き部寸法等は他の実施例と同じとした。いずれの加速度センサにおいても自然落下試験後も出力が得られ、耐衝撃性の向上が確認された。感度においては、図７ａ）からｃ）は錘板部の重量が減ったため、５〜１０％程度感度低下を起こした。図７ｄ）は錘板部の重量が増加する形状であるため、感度は５０〜７０％上昇した。
【００３３】
本発明の他の実施例として、図７ｂ）の錘板部をシリコンより比重の高いチタンにしたものを製作した。錘板部がチタンの加速度センサ素子は複合型で製作し、錘板部がシリコンの加速度センサ素子は一体型で製作した。切り欠き部寸法等は他の実施例と同じとした。シリコンの比重は２．３４であるがチタンの比重は４．５４と約１．９４倍の重さとなる。感度はシリコンに比べ約７０％上昇した。いずれの加速度センサにおいても自然落下試験後も出力が得られ、耐衝撃性の向上が確認された。しかし、チタンの錘板部の製造コストと複合型を作るコストが、一体型に比べ高いため一体型に比べ約３０％製造コストがアップした。
【００３４】
【発明の効果】
錘板部および支持枠部に切り欠き部を設け、可撓部に錘板部および支持枠部が接しない構造とすることで、高感度を維持し、加速度センサを搭載した機器等が落下した際、加速度センサに異常な衝撃力が作用しても、加速度センサ素子の作用部と可撓部および固定部と可撓部の境界部分の耐破壊性を大きくすることができた。これにより、小型で高感度、高耐衝撃性の加速度センサを安価に提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加速度センサおよび加速度センサ素子の分解斜視図である。
【図２】本発明の加速度センサ素子の断面図である。
【図３】本発明の一体型加速度センサ素子の製造工程を示す図である。
【図４】切り欠き部寸法と感度の関係を示す図である。
【図５】切り欠き部寸法と耐衝撃性の関係を示す図である。
【図６】本発明の他の切り欠き部形状の図である。
【図７】本発明の他の錘板部および支持枠部形状の図である。
【図８】従来の加速度センサの分解斜視図である。
【図９】従来の加速度センサ素子の断面図である。
【図１０】従来の他の加速度センサ素子の平面図である。
【図１１】従来の耐衝撃性向上方法例を示す図である。
【符号の説明】
１加速度センサ素子、２保護ケース、３端子、４ワイヤー、
５端子、６外部端子、７保護ケース蓋、９配線パターン、
１０加速度センサ、１１錘板部、１２支持枠部、１３可撓部、
１４作用部、１５固定部、１６ベース基板、１７ピエゾ抵抗素子、
１８ストッパー、１９接着剤、５１錘板部、５２支持枠部、
５４，５５切り欠き部、６２シリコン層、６３シリコン酸化層、
６４シリコン板。

Claims

田の字型に形成されたベース基板の十字形に交差する部位に形成された作用部、作用部以外の十字形領域の可撓部、十字形を囲むロ字形の固定部からなり、可撓部の一方の面には複数個のピエゾ抵抗素子が形成され、ピエゾ抵抗素子形成面の反対面の作用部には錘板部、固定部には支持枠部が配された加速度センサであって、可撓部と隣接する錘板部および支持枠部に切り欠き部を設け、可撓部と錘板部および可撓部と支持枠部が接しない構造であることを特徴とした加速度センサ。
錘板部および支持枠部の切り欠き部寸法は、可撓部の長手方向には１μｍ以上１００μｍ以下、可撓部の幅方向は可撓部幅と同等以上、可撓部の厚み方向は１μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。