WO2008038537A1

WO2008038537A1 - Acceleration sensor

Info

Publication number: WO2008038537A1
Application number: PCT/JP2007/068048
Authority: WO
Inventors: Hiroyuki Hatano; Atsushi Mieno; Masakatsu Saitoh; Yoshio Ikeda
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2007-09-18
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2009-03-28
Also published as: TW200825416A; US20090223292A1

Description

明細書

加速度センサー

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加速度検出用のピエゾ抵抗素子型加速度センサーに関する。背景技術

[0002] 加速度センサーは、自動車のエアーバッグ作動用の大きな衝撃力を検出する用途や、ブレーキ制御システムなどの車両制御用途の小さな加速度の検出に使用されてきた。これらの自動車用途では X軸方向および/または Y軸方向の加速度を測定するため 1軸もしくは 2軸機能で充分であった。最近は、携帯端末機器やロボット、人体動作の検出による各種制御等の新しい用途向けに実用化が進んできている。このような新用途では 3次元の動きを検出するため X、 Y、 Ζ軸の加速度を測定できる 3軸加速度センサーが要求されている。また、微小な加速度を検出するために高分解能を持ち、小型で薄型であることも要求されている。

[0003] 加速度センサーは可撓部の動きを電気信号に変換する方式で、ピエゾ抵抗素子型、静電容量型、圧電型に大別される。用途によってこれらの方式が使い分けられるが、静止加速度の検出用途ではピエゾ抵抗素子型と静電容量型に絞られ、これら 2つのタイプはシリコン基板に半導体技術やマイクロマシン技術により、立体的な構造を形成することにより小型で高感度の加速度センサーを一度に大量に製造できる。特に、ピエゾ抵抗素子型の加速度センサーは構造および製造プロセスの構築がし易く小型、薄型で低価格化に適している。また、可撓部の構造で、ダイヤフラム型と梁（可橈腕)型に大別される。電気信号の検出方式と可撓部の構造、更に検出軸数を組み合わせることで、種々の加速度センサーを得ることができる。

[0004] 可撓腕を持ったピエゾ抵抗素子型 3軸加速度センサーに関して、多数の特許出願力る。特許文献 1から特許文献 6に錘の形状、可撓腕の形状、ピエゾ抵抗素子の配置、ピエゾ抵抗素子の接続、可撓腕と支持枠との接合部の形状等が開示されている。 3軸加速度センサーで、ケース内にセンサーチップと上部規制板が樹脂などの接着剤で所定の間隔を介して接着されている。ケース上にケース蓋が例えば金錫はんだ等の接着剤で接着密封されている。センサーチップには、可撓腕を持った 3軸加速度センサー素子が形成されており、 3軸加速度センサー素子は、矩形の支持枠と錘と対になった可撓腕で構成され、錘が 2対の可撓腕で支持枠の中央に保持されている。可撓腕上にピエゾ抵抗素子が形成されている。 1対の可撓腕に X軸ピエゾ抵抗素子と Z軸ピエゾ抵抗素子力 S、他の 1対の可撓腕に Y軸ピエゾ抵抗素子が形成され、金属配線で接続されている。錘の下面とケースの内底面との間隔と、錘の上面と上部規制板との間隔は、衝撃の様な過度な加速度が加速度センサーに加わったとき、錘の動きを規制して薄い可撓腕の破損を防ぐ。

[0005] ダイヤフラムを持った 3軸加速度センサーのダイヤフラム構造とピエゾ抵抗素子の配置が、特許文献 7から特許文献 9に開示されている。可撓部として円形あるいは多角形をしたダイヤフラムをその外縁で支持枠に取り付け、ダイヤフラムの内縁に錘を配して!/、る。外力で錘が変位するとダイヤフラムに設けられたピエゾ抵抗素子が変形し電気信号が得られる。梁型 3軸加速度センサー素子に比べ、ダイヤフラムを持った 3軸加速度センサーはピエゾ抵抗素子の配置の自由度が高いと言う利点がある。正方形の支持枠、錘およびダイヤフラムで構成され、錘がダイヤフラムの中央に保持されている。ダイヤフラムにはピエゾ抵抗素子 (X軸ピエゾ抵抗素子、 Y軸ピエゾ抵抗素子および Z軸ピエゾ抵抗素子）が形成されて金属配線で接続されて!/、る。

[0006] 錘が外力を受けて動くと可撓部が変形する。可撓部の変形をピエゾ抵抗素子の抵抗変化として測定して、外力の方向と大きさを知ること力 Sできる。しかし、ピエゾ抵抗素子の抵抗変化が微小なため、可撓部上に各軸当たり 4個のピエゾ抵抗素子を配してフルブリッジ回路を構成し、微小な抵抗変化を電圧変化として検出している。フルブリッジを構成して!/、る 4個のピエゾ抵抗素子の電気抵抗が同じであれば、ブリッジからの出力が無い。しかし、実際には 4個のピエゾ抵抗素子間でピエゾ抵抗素子の不純物濃度のばらつき、素子の寸法ばらつき、素子に加わる応力の違い等、種々の要因により、 4個のピエゾ抵抗素子の抵抗が異なるため、加速度も加わらず可撓部が変形していない状態でブリッジの出力が出る。この出力電圧をオフセット電圧と称している。加速度センサーに補正回路を設けオフセット電圧をキャンセルしてオフセット電圧を略ゼロにしている。

[0007] 規制板の効果確認試験で過剰な衝撃を加速度センサーに加えると、オフセット電圧を補正した加速度センサーにおいても許容範囲を超えるオフセット電圧が生じることがあった。これは加速度センサーに加わった過剰な衝撃によって可撓部が上部規制板に衝突し可撓部に設けられた金属配線の一部が変形したことによると考えられる。金属配線が変形したために電気抵抗が変わりオフセット電圧が発生したものであつた。

[0008] 消費電力ゃ耐衝撃性を変えないで検出感度を高めるために、ピエゾ抵抗素子を複数本に分割することが特許文献 10で提案されている。例えば、ピエゾ抵抗素子を 2 分割して同じ幅をした 2本のピエゾサブ抵抗素子を直列に繋ぐことにより 1本のピエゾ抵抗素子の場合と同じ抵抗とすることができる。半分の長さの 2本のピエゾサブ抵抗素子を可撓部の応力集中部に隣合せて配置することで、可撓部の変形が同じであつても検出感度を高めることができる。ピエゾ抵抗素子を複数個に分割しても、抵抗が変わらないので消費電力は変わらず検出感度を高めることができる。しかし、分割することでそれらを接続する金属配線の数が増えるため、金属配線が上部規制板と衝突して変形しオフセット電圧が発生することも増える。

[0009] 可撓部が上部規制板に衝突しても金属配線が変形しな!/、ように、金属配線をアルミナゃ酸化シリコンのような、硬い電気絶縁膜で厚く被覆することが考えられる。しかし、この様な膜を厚くつけると可撓部の変形度合いが変わる。可撓部はシリコンで構成されており、電気絶縁膜や金属配線とは異なった熱膨張係数を持つ材料で形成されている。構成材料の熱膨張係数の違いから、ピエゾ抵抗素子に加わる応力が変化しオフセット電圧の発生原因の一つとなっていた。更に、金属配線を硬い電気絶縁膜で厚く覆うと、オフセット電圧をより大きくする。

特許文献 1：特開 2003— 172745号公報

特許文献 2：特開 2003— 279592号公報

特許文献 3：特開 2004— 184373号公報

特許文献 4 :特開 2006— 098323号公報

特許文献 5 :特開 2006— 098321号公報特許文献 6 : WO2005/062060A1公報

特許文献 7 :特開平 3— 2535号公報

特許文献 8：特開平 6— 174571号公報

特許文献 9：特開平 7— 191053号公報

特許文献 10 :特開 2006— 098321号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0010] 本発明は、上述の問題を解決するためになされたもので、オフセット電圧補正後に過度の衝撃が加わっても新たなオフセット電圧の発生が起こらな！/、、小型で薄型の 3 軸加速度センサーを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0011] 本発明の加速度センサーは、

中央にある錘と、

錘から所定間隔を置!/、て錘を取り囲んで!/、る支持枠と、

錘上部と支持枠上部とを連結して錘を吊り下げている可撓部と、

可撓部内の可撓部上面近くに形成された複数のピエゾ抵抗素子と、

支持枠上面に設けられたセンサー端子と、および

ピエゾ抵抗素子間およびピエゾ抵抗素子とセンサー端子間を結んでいる金属配線とを有し、

金属配線の可撓部に設けられた部分が可撓部上面に形成された矩形あるいは逆台形断面をした溝のなかに設けられて!/、て、

可撓部上面に形成された溝のなかに設けられた金属配線の上面が可撓部上面よりも低くなつている。

[0012] 本発明の前記加速度センサーにおいて、錘上面が有する金属配線が、錘上面に形成された矩形あるいは逆台形断面をした溝のなかに設けられていて、錘上面に形成された溝のなかに設けられた金属配線の上面が錘上面よりも低くなつていることが好ましい。

[0013] 本発明の前記加速度センサーにおいて、複数のピエゾ抵抗素子のうち支持枠側に設けられているピエゾ抵抗素子の支持枠側の端よりも錘側にある金属配線の部分の上面が可撓部上面よりも低!/、ことが好まし!/、。

[0014] 本発明の前記加速度センサーにおいて、可撓部上面に形成された溝のなかに設けられた金属配線の上面が可撓部上面よりも 0· 05 111〜0. 5 m低いことが好ましい。また、錘上面に形成された溝のなかに設けられた金属配線の上面が錘上面よりも少なくとも 0. 05 m低いことが好ましい。

[0015] 本発明の前記加速度センサーにおいて、可撓部がシリコン層とシリコン層上面を覆う電気絶縁層から構成されており、その電気絶縁層が可撓部上面と可撓部上面にある溝の両内側壁と底面を覆っていることが好ましい。その溝がシリコン層上面に形成されていること力 Sできる。あるいは、可撓部上面に形成された溝がシリコン層上面に積層された電気絶縁層に形成されていることができる。

[0016] 本発明の前記加速度センサーにおいて、錘がシリコン層とシリコン層上面を覆う電気絶縁層を持ち、その電気絶縁層が錘上面にある溝の両内側壁と底面を覆っていることが好ましい。その溝がシリコン層上面に形成されていることができる。あるいは、錘上面に形成された溝が錘のシリコン層上面に積層された電気絶縁層に形成されていること力 Sでさる。

[0017] 本発明の前記加速度センサーにおいて、可撓部上面に形成された溝が可撓部上面から錘上面と支持枠上面に延びて!/、ることが好まし!/、。その溝の錘上面ある!/、は支持枠上面の部分に複数の金属配線が設けられていることができる。

[0018] 本発明の前記加速度センサーにおいて、

可撓部が、錘上部と支持枠上部とを連結している複数の可撓腕からなり、複数の可撓腕それぞれが、

可撓部上面に形成された少なくとも 1つの前記溝を有し、

シリコン層と、シリコン層上面を覆う電気絶縁層から構成されており、その電気絶縁層が可撓腕上面と前記溝の両内側壁と底面を覆っていて、

可撓腕長手方向に延びたセンターラインに関して構造上対称であることが好ましい。可撓腕それぞれが少なくとも 2つの溝を持ち、ピエゾ抵抗素子が溝の間のシリコン層上面に設けられていることができる。発明の効果

[0019] 本発明の加速度センサーでは、錘と支持枠を連結している可撓部の上面に設けられた金属配線が可撓部上面に形成された溝のなかに入れられており、金属配線上面が可撓部上面よりも低くなつているので、加速度センサーに過剰な加速度あるいは衝撃が作用した際に、金属配線が上部規制板に衝突することがない。そのために、金属配線が変形することがなぐ加速度センサーにオフセット電圧が新たに生じることがない。

図面の簡単な説明

[0020] [図 1]図 1は、本発明の実施例 1の加速度センサーを有する加速度センサー装置の分解斜視図で、

[図 2]図 2は、実施例 1の加速度センサーの平面図で、

[図 3]図 3は、実施例 1の加速度センサーの X軸方向に延びている可撓腕のうち 1本の拡大平面図で、

[図 4]図 4は、実施例 1の加速度センサーの Y軸方向に延びている可撓腕のうち 1本の拡大平面図で、

[図 5]図 5は、図 2の V— V線における拡大断面図で、

[図 6]図 6は、図 2の VI— VI線における拡大断面図で、

[図 7]図 7は、図 2の VII— VII線における拡大断面図で、

[図 8]図 8は、図 2の ΠΧ— ΠΧ線における拡大断面図で、

[図 9]図 9は、図 2の IX— IX線における拡大断面図で、

[図 10]図 10は、実施例 1の加速度センサ一の配線を説明する平面図で、

[図 11]図 11は、図 10における X軸ピエゾ抵抗素子 (Y軸ピエゾ抵抗素子）のフルブリッジ回路を説明する図で、

[図 12]図 12は、図 10における Z軸ピエゾ抵抗素子のフルブリッジ回路を説明する図で、

[図 13]図 13は、実施例 2の加速度センサーの Y軸方向に延びている 2本の可撓腕の拡大平面図で、

[図 14]図 14は、図 13の XIV— XIV線における拡大断面図で、 [図 15]図 15は、実施例 3の加速度センサーの Y軸方向に延びている可撓腕の拡大断面図で、

[図 16]図 16は、図 15の XVI— XVI線における縦断面図で、

[図 17]図 17は、図 15の XVII— XVII線における縦断面図で、そして

[図 18]図 18は、実施例 4の加速度センサーの平面図である。

符号の説明

[0021] 10 :錘

l it, 12t, 13t, 14t, 21t, 23t, 31t, 33t :センサー端子

16, 26, 26^f , 36 : If

21 , 2 , 21〃， 22, 22^; , 23, 23 ：可撓腕

24 :シリコン層

25, 25c, 25c , 25d :金属酉己線

28, 28 ：電気絶縁層

29 :ダイヤフラム

30 :支持枠

XI , X2, X3, X4, Yl , Y2, Y3, Y4, Zl , Z2, Z3, Z4 :ピエゾ抵抗素子

発明を実施するための最良の形態

[0022] 以下、図面を参照しながら実施例に基づいて本発明の加速度センサーを詳細に説明する。

実施例 1

[0023] 図 1から図 12を参照して本発明の実施例 1の加速度センサーを持った加速度センサー装置を説明する。図 1は本発明の実施例 1の加速度センサー装置の分解斜視図で、図 2は実施例 1の加速度センサー装置に用いている加速度センサーの平面図で、図 3は加速度センサーの X軸方向に延びている可撓腕のうち 1本の拡大平面図で、図 4は加速度センサーの Y軸方向に延びている可撓腕のうち 1本の拡大平面図で、図 5は図 2の V—V線における拡大断面図で、図 6は図 2の VI— VI線における拡大断面図で、図 7は図 2の VII— VII線における拡大断面図で、図 8は図 2の ΠΧ— II X線における拡大断面図で、図 9は図 2の IX— IX線における拡大断面図で、図 10は図 2の加速度センサーの配線を説明する平面図で、図 11は図 10における X軸ピエゾ抵抗素子 (Y軸ピエゾ抵抗素子）のフルブリッジ回路を説明する図で、そして図 12 は図 10における Z軸ピエゾ抵抗素子のフルブリッジ回路を説明する図である。

[0024] 図 1の加速度センサー装置において、加速度センサー 100はケース 80内でケース内底面 84上に加速度センサー 100の支持枠 30の底が内底面 84から小さな間隙を介して、内底面 84上に接着されており、ケース内底面 84が加速度センサー 100の錘 10との間に小さな間隙を持っている。加速度センサー 100のセンサー端子 12t, l it , 13t, 31t, 33t, 23t, 21t, 14tそれぞれがケース 80の端子 86に導線 70で接続され、ケースの端子 86がケースの外部端子 88にケース内部で接続されて、加速度センサー 100のピエゾ抵抗素子に外部端子 88から測定用電圧を印加し、あるいはカロ速度センサー 100の出力を外部端子 88から取り出す。加速度センサー 100の上にその全面を覆うように上部規制板 60が加速度センサー 100との間に小さな間隙を介して取り付けられており、錘 10の過剰な振動 ·動きを防ぐ。加速度が錘 10に加わった際にその加速度がある範囲内の場合には錘 10が振動 ·動きをする力 S、過剰な加速度が加わっても錘が上部規制板 60との間およびケース内底面 84との間にある小さな間隙以上には振動しないようになっている。ケース 80の上にケース蓋 90が取り付けられている。

[0025] 加速度センサー 100は、中央に錘 10、錘 10から所定間隔を置いて錘 10を取り囲んでいる支持枠 30、錘上部と支持枠上部とを連結して錘 10を吊り下げている可撓部を持っている。この実施例では可撓部として 4本の可撓腕 21 , 21' , 22, 22' を持つ。加速度センサー 100は、 SOI層を形成したシリコン単結晶基板、すなわち SOI ェファーで作られている。 SOIとは Silicon On Insulatorの略である。この例では、約 410 m厚の Siウェファ一上にエッチングストッパーとなる Si〇2絶縁層を薄く（例えば、約 1 [I m)形成し、その上に約 6 H m厚の N型シリコン単結晶層を形成したゥェファーを基板として使用した。支持枠 30の大きさをした正方形のシリコン単結晶基板に 4個の L字状貫通孔 150を開けて、中央の錘 10とその周囲にある支持枠 30とそれらの間を渡している可撓腕 21 , 21' , 22, 22' を形成し、可撓腕の部分を薄くしている。 [0026] 加速度センサー 100は、 2つの直交する検出軸（X軸と Y軸）および加速度センサ一上面に垂直な検出軸（Z軸）に対応して、可撓腕上に各軸それぞれにピエゾ抵抗素子を持っている。すなわち、 X軸方向に延びている可撓腕 21 , 21' 上にピエゾ抵抗素子 XI , X2, X3, X4が設けられていて X軸方向の加速度を検出する。 Y軸方向に延びている可撓腕 22, 22' 上にピエゾ抵抗素子 Yl , Y2, Y3, Y4が設けられていて Y軸方向の加速度を検出する。 X軸方向に延びている可撓腕 21 , 21' 上に更にピエゾ抵抗素子 Zl , Z2, Z3, Z4が設けられていて Z軸方向の加速度を検出する。この例では、 Z軸方向の加速度を可撓腕 21 , 21' 上に設けたピエゾ抵抗素子で検出している力 Z軸方向の加速度を検出する素子が可撓腕 22, 22' 上に設けられていること力 Sできる。各軸方向の加速度を検出するピエゾ抵抗素子はそれぞれ図 1 1あるいは図 12に示すフルブリッジ検出回路を構成している。

[0027] この実施例の加速度センサー 100では、ピエゾ抵抗素子 XI ,……， X4, Y1 ,…… , Y4 , Z1 ,…… , Z4それぞれが分割されてピエゾサブ抵抗素子 Xl a, Xlb,…… , X4a, X4b, Yl a, Ylb,……， Y4a, Y4b, Zl a, Zlb,……， Z4a, Z4bで構成されており、錘 10と支持枠 30を結んでいる可撓腕は錘に加速度力 Sかかったときに錘 10 あるいは支持枠 30に近いところで変形が大きいので、加速度に対する感度を上げるために、各ピエゾサブ抵抗素子が可撓腕と錘との境界近くあるいは可撓腕と支持枠との境界近くの可撓腕上の変形の大きい部分に設けられる。その配置を図 2、図 3、図 4および図 10に示す。各ピエゾサブ抵抗素子は可撓腕を構成しているシリコン層にボロンを濃度 1〜3 X 10¹⁸原子 /cm³に打ち込み形成する。各ピエゾ抵抗素子を構成している 2個のピエゾサブ抵抗素子の可撓腕中央側端子間を結んで高濃度拡散層 Xlc , X2c , X3c, X4c, Yl c, Y2c , Y3c, Y4c , Zlc , Z2c, Z3c , Z4cカ成されている。これら高濃度拡散層はピエゾサブ抵抗素子よりも高い濃度、例えば;!〜 3 X 10²¹原子 /cm³でボロンを打ち込んで形成されている。ピエゾサブ抵抗素子と高濃度拡散層はシリコン層にボロンを拡散して形成しているので、それらは可撓腕の他の部分と機械的性質で全く同じである。高濃度拡散層 Xlc,…… Z4cで結ばれた 2 個のピエゾサブ抵抗素子 Xl aと Xlb,……， Z4aと Z4bがピエゾ抵抗素子 XI ,……， Z4を構成しており、 X軸のピエゾ抵抗素子 XI , X2, X3, X4が図 1 1に示すフルブリッジ検出回路を構成し、そのセンサー端子 12tと 14t間に測定用直流電圧 Vccを印加してブリッジ出力 Voutをセンサー端子 l itと 13t間から取り出す。 Y軸のピエゾ抵抗素子 Yl , Y2, Y3, Y4が図 11に示すフルブリッジ検出回路を構成し、そのセンサ一端子 12tと 14t間に測定用直流電圧 Vccを印加してブリッジ出力 Voutをセンサー端子 21tと 23t間から取り出す。 Z軸のピエゾ抵抗素子 Zl , Z2, Z3, Z4が図 12に示すフルブリッジ検出回路を構成し、そのセンサー端子 12tと 14t間に測定用直流電圧 Vccを印加してブリッジ出力 Voutをセンサー端子 31tと 33t間から取り出す。 X軸のピエゾサブ抵抗素子、 γ軸のピエゾサブ抵抗素子および Z軸のピエゾサブ抵抗素子とセンサー端子 l it, 12t, 13t, 14t, 21t, 23t, 31t, 33tを加速度センサー 100の上面に描いた平面図を図 10に示し、図 11と図 12にあるセンサー端子それぞれが図 10に示すセンサー端子それぞれに対応する。これらピエゾ抵抗素子の端子間とピエゾ抵抗素子の端子とセンサー端子間を結んでいるのはアルミニウムなどの金属配線 25である。

[0028] 図 2に図 10とよく似た図を示している力 S、図 2では金属配線 25が可撓腕 21 , 21' , 22, 22' 上で可撓腕 21 , 21' , 22, 22' に形成された溝 26の中に入れて描いている。また、金属配線 25が支持枠 30の上面で支持枠 30の上面に形成された溝 36 のな力、に、錘 10の上で錘 10の上面に形成された溝 16の中に入れられている。なお、図 10は図 2と同じ構造を示している力図 10ではピエゾサブ抵抗素子の参照符号を示すために、溝 16, 26, 36の図示を省略している。図 3と図 4それぞれに図 2の可撓腕 21と可撓腕 22の拡大平面図を示し、図 5から図 9に図 2の V—V線、 VI— VI線、 Vll—VIl泉、 IIX— IIX線および IX— IX線それぞれにおける拡大断面図を示す。それらの断面図から明らかなように、ここでは溝 26, 36の断面形状が矩形であるが、溝の上部が開いた逆台形とすることができる。なお、錘 10の断面図を示していないが、錘 10上面にある溝 16の断面形状が矩形となっている。溝 16の上部が開いた逆台形とすることあでさる。

[0029] 図 5から図 7の断面図に示すように、可撓腕 21を構成しているシリコン層 24 (図 5に示しているピエゾサブ抵抗素子 Zla, Xla, Xlb, Zlbおよび図 6に示している高濃度拡散層 Zlcを含んで）の周囲に二酸化シリコンの電気絶縁層 28が形成されている。可撓腕を構成している単結晶シリコンは通常 N型あるいは P型で、電気抵抗が；!〜

100 Ω ' cmと小さいので、金属配線 25を設けた溝 26の底と側壁に電気絶縁層 28を形成し、シリコン層 24から金属配線 25を絶縁する必要がある。ここでは電気絶縁層 2

8力 0. 1〃111厚でぁるカ 0. 02-0. 8〃m厚とすることカできる。？冓 26のな力、に、スノクタ一で形成したアルミニウムの金属配線 ₂₅を設けてレ、る。ピエゾサブ抵抗素子と金属配線 25との接続部、例えば図 3のピエゾサブ抵抗素子 XI aの左端では接続すべきピエゾサブ抵抗素子端の上にある電気絶縁層 28にスルーホールを開けて、アルミニゥムの金属配線 25をスパッターで形成することで、金属配線 25とピエゾサブ抵抗素子との接続を確保できる。この実施例では、溝 26の底幅が 4 mで、深さが 0. 3 μ mであった。電気絶縁層 28が可撓腕 21のシリコン層 24の上にも形成されているので、電気絶縁層 28上面からの溝 26の深さが 0. 3 mであった。、溝 26のな力、に幅 3 mで厚さ 0. 2 mの金属配線 25が形成されているので、金属配線 25の上面が可撓腕 21の上面にある電気絶縁層 28上面から 0. 1 m低くなつていた。本発明では、金属配線 25の上面が可撓腕の電気絶縁層 28上面から少なくとも 0. 05 m低くなつていることが好ましい。金属配線 25の上面が可撓腕の電気絶縁層 28上面から少なくとも 0. 05 m低くなつていれば、可撓腕が変形したときに、金属配線 25が上部規制板 60に接触することがない。金属配線 25の上面が可撓腕上面からいくら低くなつていても、金属配線 25の上部規制板 60との接触を防ぐ上では問題がないが、低くするには溝 26の深さを深くする必要がある。そこで、可撓腕上面からの金属配線 25上面の深さを 0. 5 m以内とすることが好ましい。

[0030] 溝 26の深さがこの実施例では 0. 3 ,1 mであった。可撓腕が Si〇2層上に積層された 6 m厚の N型シリコン単結晶層、すなわちシリコン層で形成されている。溝深さの可撓腕厚さに対する比が約 5 %であった。本発明では溝深さの可撓腕厚さに対する比が 15%以下であることが好ましい。この比が 15 %を超えると可撓腕強度が低下す

[0031] また、上に説明したように底幅 4 H mの溝 26に 3 μ m幅の金属配線 25が形成されている。金属配線が溝の側壁と接触していると、温度変化によって金属配線に応力が生じ、また溝の底隅にある電気絶縁層の薄い部分に金属配線が設けられることになりそれを避けることが好ましいので、本発明では溝の底幅の金属配線幅に対する比が 110%以上であることが好まし!/、。

[0032] 図 6の断面図に示すように、溝 26が高濃度拡散層 Zlcを横切って形成されているがシリコン層 24に形成された高濃度拡散層 Zlcの可撓腕上面からの深さが溝 26の深さ、例えば 0· 3 111よりもかなり大きく；!〜 1 · 5 mなので、溝 26によって高濃度拡散層 Zlcが切断されることがない。また、高濃度拡散層 Zlcと金属配線 25の間に電気絶縁層 28が設けられているので、これらの間の電気絶縁が確保される。

[0033] 図 4と図 8に示すように、 Y軸方向の可撓腕 22には 2個のピエゾ抵抗素子 Yl , Y2 ( ピエゾサブ抵抗素子としては Yla, Ylb, Y2a, Y2b)と 2本の金属配線 25が設けられている。可撓腕 22を図示している図 4と図 8は、 X軸方向の可撓腕 21を図示している図 3と図 5とピエゾサブ抵抗素子の数と金属配線の数を除いて同じ構造をしているので、説明を省略する。

[0034] 加速度センサー 100の中央にある錘 10は、 Siウェファ一上に Si〇2絶縁層と N型シリコン単結晶層（シリコン層）が積層された SOIウェファ一で構成されている。シリコン層上面に電気絶縁層が形成されている。図 2、図 3、図 4および図 10に示すように、可撓腕上の金属配線が錘 10上面に延びていて、錘 10上面で金属配線および/あるいは高濃度拡散層で接続されている。錘 10上にある金属配線の部分に沿って溝 1 6が形成されており、金属配線 25がそのなかに設けられている。この実施例では、錘上のシリコン層に溝が形成されている。電気絶縁層が溝 16の両内側壁と底面とに設けられて、金属配線とシリコン層との間を電気絶縁している。加速度センサーに加速度が作用したときに、加速度センサー 100の錘 10上面が上部規制板と衝突する可能性が最も高い。そこで、錘上面の金属配線上面が錘上面から低くなつている。可撓腕上面におけるのと同じように、錘上面においても金属配線上面が錘の電気絶縁層上面から少なくとも 0. 05 m低くなつていることが好ましい。

[0035] 金属配線 25を支持枠 30の上面に引き出した部分では、支持枠断面を図 9に示すように、必要により複数の金属配線 25を収容する幅の広い溝 36を設けることができる。なお、図 3から図 8に図示した可撓腕 21 , 22のように、各可撓腕はその長さ方向に延びたセンターライン CLに関して対称な構造をしている。図 3の金属配線 25の配置力、ら理解できるように、電気配線としては一番上の金属配線と二番面のうちどちらか 1 本で十分である力 S、センターライン CLに関して対称構造とするために 2本の金属配線をセンターライン CLの両側それぞれに配置している。図 2における右側にある可橈腕 21' についても同様である。

[0036] ここで述べた実施例 1の加速度センサー 100は、錘上および可撓腕上の金属配線が錘あるいは可撓腕に形成された溝のなかに設けられており、溝のなかに設けられた金属配線の上面が錘上面および可撓腕上面よりも低くなつて!/、るので、加速度センサ一に過剰な加速度あるいは衝撃が作用して錘と可撓腕が上部規制板に激しく衝突することがあっても金属配線に変形が生じることがなぐオフセット電圧の発生がない。

実施例 2

[0037] 図 13と図 14を参照して、本発明の実施例 2の加速度センサーを説明する。実施例 2の加速度センサーは、実施例 1の加速度センサー 100にあった Y軸方向の可撓腕 22, 22' に代えて、図 13と図 14に示す Y軸方向の可撓腕 23, 23 を持つ。図 13 に示す 2本の可撓腕 23, 23' はそのセンターライン CLに沿った溝 26のなかに金属配線 25c, 25c' が配置されており、ピエゾサブ抵抗素子 Ylaの支持枠側の端子が可撓腕 23のセンターライン CLに沿った金属配線 25cを通って可撓腕 23' のセンタ一ラインに沿った金属配線 25c' に導かれ、更に反対側の支持枠 30に形成されたセンサー端子 21tに結ばれている。可撓腕 23の右側の金属配線 25dはダミーでそれの一端が開放されている。 2本の可撓腕 23, 23 に形成された溝 26、金属配線 25 , 25c, 25c' , 25d力 S可撓腕 23, 23' のセンターライン CLに関して対称である。実施例 1ではピエゾサブ抵抗素子 Yl aの支持枠側の端子から弓 Iき出された金属配線が支持枠 30の上を加速度センサーの周りを半周してセンサー端子 21tに結ばれていたが、実施例 2ではピエゾサブ抵抗素子 Ylaの支持枠側の端子から引き出された金属配線が Y軸方向に延びた 2本の可撓腕 23, 23' の上を通ってセンサー端子 21 tに結ばれている。

実施例 3

[0038] 実施例 3の加速度センサーの外観は図 1に示したものと同じなので、図 1を参照してその加速度センサーを説明する。実施例 3の加速度センサーでは、シリコン層 24の上面に 0. 8 m厚の二酸化シリコンの電気絶縁層 28' を持ち、電気絶縁層 28' に溝 26' が形成されている。図 15にその加速度センサーの Y軸方向に延びている可橈腕 21 の断面図を示している。溝 26' は底幅が 6 mで深さが 0. 4 mの逆台形をしており、そのなかに幅 3 mで厚さ 0· 15 mの金属配線 25が設けられている。金属配線 25の上面が電気絶縁層 28' 上面から 0. 25 111低くなつている。溝 26 ' の底においてもシリコン層 24との間に 0. 4〃 m厚の電気絶縁層 28' があるので、金属配線 25とシリコン層 24との電気絶縁がされている。ピエゾサブ抵抗素子 Yla, Y lbがシリコン層 24の上面近くに形成されている力 S、ピエゾサブ抵抗素子 Yla, Ylb の上も電気絶縁層 28' で覆われている。錘の上面に可撓腕 21〃と同様に 0. 8 111 厚の二酸化シリコンの電気絶縁層 28' が形成されていて、電気絶縁層 28' に溝が形成され、その溝のなかに金属配線が設けられている。錘上面の金属配線上面が電気絶縁層上面から 0· 25 m低くなつている。

[0039] 図 15の XVI— XVI線における縦断面図を図 16に、その XVII— XVII線における縦断面図を図 17に示している。図 16に示すように、ピエゾサブ抵抗素子 Ylaの支持枠 30側の端では、ピエゾサブ抵抗素子 Ylaの上部にある電気絶縁層 28' にスルーホールが開けられて電気絶縁層 28' の溝 26' のなかに形成された金属配線 25の底の一部がスルーホールを介してピエゾサブ抵抗素子 Ylaの端に接続している。この図に示すように金属配線 25の上面がピエゾサブ抵抗素子 Ylaの支持枠 30側の端においては電気絶縁層 28' の上面よりも低くなつていて、支持枠 30の中央側では電気絶縁層 28' の上面と同じレベルとなっている。錘と可撓腕は外部から作用する加速度によって変位するが、支持枠 30は変位しないので、支持枠 30のところでは金属配線 25の上面が支持枠 30上で電気絶縁層 28' 上面と同じレベルであっても、金属配線 25が上部規制板と衝突することがない。図 17は中央の金属配線 25cの縦断面図で、 2個のピエゾサブ抵抗素子 Ylaと Ylb間を結んでいる高濃度拡散層 Ylcと金属配線 25cの間に電気絶縁層 28' が介在していることを示している。

実施例 4

[0040] 図 18に、実施例 4の加速度センサー 400を平面図で示している。加速度センサー 4 00は可撓部としてダイヤフラム 29を持ち、錘 10をダイヤフラム 29で支持枠 30の中央に保持している。可撓腕に代えて、可撓部としてダイヤフラム 29を持つ加速度センサ一 400においても、実施例 1の加速度センサー 100と同様に働くので、詳しい説明を省略する。

実施例 5

[0041] 実施例 1の加速度センサーを備えた加速度センサー装置 100個と、加速度センサ一上面に溝がなく錘上面と可撓腕上面に金属配線が設けられている従来の加速度センサーを備えた加速度センサー装置 100個を製作し、それらの試料について、（a) オフセット電圧の測定 (加速度が加えられていない状態での出力電圧の測定）し、 (b )衝撃を印加し、その後（c)オフセット電圧の測定をした。衝撃印加後のオフセット電圧の測定で、オフセット電圧が当初の値に比べて ± 10%以上変化した試料は分解して金属配線の様子を調べた。オフセット電圧の変化が ± 10%未満の試料は、衝撃の印加とオフセット電圧の測定を 50回繰り返した。衝撃試験では、加速度センサー装置を 2mm厚の鉄製ジグに固定し、それを lmの高さから 100mm厚の木板上に自由落下させて、 1500〜2000Gの衝撃を力 Qえた。衝撃の方向を加速度センサーの Z 軸方向とした。

[0042] 実施例 1の加速度センサー装置では 50回の繰り返し衝撃試験によっても、オフセット電圧が ± 10%以上変化したものがな力、つた。しかし、従来の加速度センサー装置のうち 6個でオフセット電圧の変動が ± 10%を超えた。これら 6個の加速度センサー装置を分解して調査したところ、いずれも金属配線の一部が変形していた。そのうち 5個が可撓腕上の錘に近いところで金属配線が変形し、残り 1個が錘上の金属配線が変形していた。この結果から、本発明の加速度センサーでは過剰な衝撃が加わつても金属配線の変形が生じず、オフセット電圧の発生を防ぐことができることが確認できた。

[0043] 実施例 1の加速度センサーで上部規制板として ICチップを用いた加速度センサー装置を 100個製作し、過剰な加速度が加わったときにラッチアップ現象が生じるかどうかを評価した。上と同様な衝撃試験を行い、出力を測定しラッチアップ現象の有無を見た。 10回の繰り返し衝撃試験によっても、ラッチアップ現象が生じな力た。このことから本発明の加速度センサーでは、金属配線が上部規制板に接触しない構造をしているので、金属配線の変形によるオフセット電圧の発生だけでなぐラッチアップ現象の発生をも防止することができた。

産業上の利用可能性

ピエゾ抵抗素子を用いて加速度を検出する加速度センサーは、自動車、航空機、家庭用電気機器、産業機械などに広く用いられている。加速度センサーに加速度が作用していないときにもある出力が出る。その出力、オフセット電圧が一定であれば補償回路を用いて打ち消すことができる。しかし、過剰な衝撃が加速度センサーに作用した際にオフセット電圧が変動することがある。本発明の加速度センサーでは、錘あるいは可撓部上の金属配線を溝あるいは可撓部上に形成した溝に入れて、錘が上部規制板に衝突しても、金属配線が上部規制板に衝突しない構造をしているので、オフセット電圧の変動を防ぐことができる。力、かる構造をした加速度センサーは産業界で待たれて!/、たものである。

Claims

請求の範囲

[1] 中央にある錘と、

錘から所定間隔を置!/、て錘を取り囲んで!/、る支持枠と、

支持枠上面に設けられたセンサー端子と、および

金属配線の可撓部に設けられた部分が可撓部上面に形成された矩形あるいは逆台形断面をした溝のなかに設けられていて、可撓部上面に形成された溝のなかに設けられた金属配線の上面が可撓部上面よりも低くなつている加速度センサー。

[2] 金属配線の錘上面に設けられた部分が錘上面に形成された矩形あるいは逆台形断面をした溝のなかに設けられていて、錘上面に形成された溝のなかに設けられた金属配線の上面が可撓部上面よりも低くなつている請求項 1記載の加速度センサー。

[3] 複数のピエゾ抵抗素子のうち支持枠側に設けられたピエゾ抵抗素子の支持枠側の端よりも錘側にある金属配線の部分の上面が可撓部上面よりも低い請求項 1記載の加速度センサー。

[4] 可撓部上面に形成された溝のなかに設けられた金属配線の上面が可撓部上面よりも 0. 05 111〜0. 5 m低い請求項 1記載の加速度センサー。

[5] 前記可撓部がシリコン層とシリコン層上面を覆う電気絶縁層から構成されており、その電気絶縁層が可撓部上面と前記溝の両内側壁と底面を覆っている請求項 1記載の加速度センサー。

[6] 前記溝がシリコン層上面に形成されている請求項 5記載の加速度センサー。

[7] 可撓部上面の溝がシリコン層上面に積層された電気絶縁層に形成されている請求項 5記載の加速度センサー。

[8] 可撓部上面の溝が錘上面と支持枠上面に延びている請求項 1記載の加速度センサ

〇

[9] 前記溝の錘上面あるレ、は支持枠上面の部分に複数の金属配線が設けられて!/、る請求項 8記載の加速度センサー。

[10] 錘上面に形成された溝のなかに設けられた金属配線の上面が錘上面よりも少なくとも 0. 05 μ m低!/、請求項 2記載の加速度センサー。

[11] 前記錘がシリコン層とシリコン層上面を覆う電気絶縁層を持ち、その電気絶縁層が錘上面に形成された溝の両内側壁と底面を覆っている請求項 2記載の加速度センサー

[12] 錘上面の溝がシリコン層上面に形成されている請求項 11記載の加速度センサー。

[13] 錘上面の溝がシリコン層上面に積層された電気絶縁層に形成されている請求項 11 記載の加速度センサー。

[14] 前記可撓部が、錘上部と支持枠上部とを連結している複数の可撓腕からなり、複数の可撓腕それぞれが、

可撓部上面に形成された少なくとも 1つの前記溝を有し、

可撓腕長手方向に延びたセンターラインに関して構造上対称である請求項 1記載の加速度センサー。

[15] 可撓腕それぞれが少なくとも 2つの前記溝を持ち、ピエゾ抵抗素子が溝の間のシリコン層上面に設けられている請求項 14記載の加速度センサー。