加速度センサー
【課題】
製品基板への実装前後でセンサー出力のオフセット変化が小さい加速度センサーを実現する。
【解決手段】
支持枠部と支持枠部に可撓性を有する梁部を介して保持される錘部、梁部上に設けられたピエゾ抵抗素子とそれらをつなぐ配線を有し、ピエゾ抵抗素子の抵抗変化から少なくとも梁部の厚さ方向の加速度を検出できる加速度センサー素子を、保護パッケージ内に保持した加速度センサーであって、加速度センサー素子の梁部は、梁部の長手方向にかかる外力を吸収できる応力緩衝部と、支持枠部と応力緩衝部をつなぐ枠側梁部、錘部と応力緩衝部をつなぐ錘側梁部からなり、ピエゾ抵抗素子は枠側梁部および錘側梁部上に形成され、枠側梁部が錘側梁部よりも長くする。
製品基板への実装前後でセンサー出力のオフセット変化が小さい加速度センサーを実現する。
【解決手段】
支持枠部と支持枠部に可撓性を有する梁部を介して保持される錘部、梁部上に設けられたピエゾ抵抗素子とそれらをつなぐ配線を有し、ピエゾ抵抗素子の抵抗変化から少なくとも梁部の厚さ方向の加速度を検出できる加速度センサー素子を、保護パッケージ内に保持した加速度センサーであって、加速度センサー素子の梁部は、梁部の長手方向にかかる外力を吸収できる応力緩衝部と、支持枠部と応力緩衝部をつなぐ枠側梁部、錘部と応力緩衝部をつなぐ錘側梁部からなり、ピエゾ抵抗素子は枠側梁部および錘側梁部上に形成され、枠側梁部が錘側梁部よりも長くする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車，航空機，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ーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
加速度センサーは、エアーバッグ作動用に多く用いられ、自動車が衝突した衝撃を加速度として検知する。自動車ではＸ軸，Ｙ軸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。また、測定する加速度が非常に大きかった。
【０００３】
最近は、加速度センサーが携帯端末機器やロボット等にも使用されることが多くなり、空間の動きを検出するためＸ，Ｙ，Ｚ軸の加速度を測定する３軸加速度センサーが要求されてきている。また、微小な加速度を検出するために高分解能で、小型であることが要求されている。
【０００４】
多くの加速度センサーは錘や可撓部の動きを電気信号に変換する方法を採用している。これらには、錘の動きを錘と連結した可撓部に設けたピエゾ抵抗素子の抵抗変化から検出するピエゾ抵抗素子型，錘の動きを固定電極との間の静電容量変化で検出する静電容量型などがある。
【０００５】
特許文献１及び特許文献２に示す従来の３軸加速度センサーに関して簡単に説明する。従来の３軸加速度センサー１０１として、分解斜視図を図１３に、図１３におけるＡ−Ａ′方向の断面図を図１４に示す。
【０００６】
３軸加速度センサー１０１は、セラミック製のケース１０２内に３軸加速度センサー素子１０３と、３軸加速度センサー素子１０３からの信号の増幅や温度補償等を行う制御用のＩＣ１０４を積層して固定し、蓋１０５とケース１０２を接合し、加速度センサー素子１０３とＩＣ１０４をケース１０２内に密封する。
【０００７】
図１４に示すように、３軸加速度センサー素子１０３は樹脂接着材１０６を用いてケース１０２に固着され、ＩＣ１０４は樹脂接着材１０７を用いて３軸加速度センサー素子１０３上に固着される。
【０００８】
３軸加速度センサー素子１０３はセンサー端子１０８を、ＩＣ１０４はＩＣ端子１０９を、ケース１０２はケース端子１１０をそれぞれ有し、センサー端子１０８とＩＣ端子１０９、およびＩＣ端子１０９とケース端子１１０の間をワイヤー１１１で接続される。こうしてセンサーの信号はケース１０２に設けたケース端子１１０と接続する出力端子１１２から外部に取り出される。蓋１０５は例えばＡｕＳｕ半田などの接着材１０２ａでケース１０２に固着される。
【０００９】
図１５は、３軸加速度センサー素子１０３の構造を示す平面模式図である。方形の支持枠部１１３と錘部１１４と対を成す梁部１１５とを有し、錘部１１４が２対の梁部１１５で支持枠部１１３の中央に保持されている。梁部１１５にはピエゾ抵抗素子が設けられている。
【００１０】
一対の梁部１１５にはＸ軸ピエゾ抵抗素子１１６とＺ軸ピエゾ抵抗素子１１８が、他の一対の梁部１１５にはＹ軸ピエゾ抵抗素子１１７が設けられている。一対の梁部１１５の各付根部４ヶ所にピエゾ抵抗素子を配し、これらを配線でつないでブリッジ回路を構成することで、ピエゾ抵抗素子の均一な抵抗変化はキャンセルでき、またブリッジ回路の接続の仕方を変えることで、ＸおよびＹ軸とＺ軸の加速度を分離して検出することができる。また、支持枠部１１３上にはセンサー端子１０８が配列している。
【００１１】
ブリッジ回路による加速度検出の仕組みについて図１６（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。図１６（ａ），図１６（ｂ）はそれぞれ、Ｘ方向とＺ方向に加速度がかかったときの錘部１１４の動きをＸＺ断面で示している。
【００１２】
例えば図１６（ａ）のようにＸ方向に加速度が与えられたとき、錘部１１４は上端中央あたりを中心に回転し、梁部１１５が変形する。梁部１１５の変形に伴って、梁部１１５上面に設けられた４つのＸ軸ピエゾ抵抗素子Ｘ１〜Ｘ４に加わる応力が変化し、抵抗も変化する。この場合、Ｘ１，Ｘ３が引張、Ｘ２，Ｘ４が圧縮の応力変化となり、図１６（ｃ）に示すＸ軸検出用ブリッジ回路の中点電位に差が生じ、加速度の大きさに応じた出力が得られる。
【００１３】
一方、図１６（ｂ）に示すようにＺ方向の加速度がかかった場合には、ピエゾ抵抗素子Ｚ２，Ｚ３が引張、Ｚ１，Ｚ４が圧縮の応力変化となり、図１６（ｄ）のＺ軸検出用ブリッジ回路により出力が得られる。Ｘ軸ピエゾ抵抗素子Ｘ１〜Ｘ４と、Ｚ軸ピエゾ抵抗素子Ｚ１〜Ｚ４は同じ梁部１１５上に形成されるが、例えばＸ方向加速度に対して図１６（ａ）のように梁部１１５が変形しても、図１６（ｄ）のＺ軸検出用ブリッジ回路では抵抗変化がキャンセルされ、出力は変化しない。すなわち、Ｘ軸加速度とＺ軸加速度を分離して検出することができる。Ｙ軸加速度の検出は、Ｘ軸と同様にして、もう一対の梁部１１５に形成したピエゾ抵抗素子で行う。
【００１４】
一方、特許文献３に示すように、半導体実装技術でよく用いられている樹脂製の保護パッケージ技術を用いて、小型かつ安価な加速度センサーを実現する方法が知られている。その方法では、可動部を有する３軸加速度センサー素子１０３をモールド樹脂から保護するため、３軸加速度センサー素子の上下に蓋を接合して封止しておく技術が用いられる。
【００１５】
図１７（ａ）は、この方法で上下に蓋を接合した３軸加速度センサー素子の組み立て構造の断面図を、図１３（ｂ）は３軸加速度センサー素子１２０の平面図を示す。３軸加速度センサー素子１２０の上下に上蓋１２１および下蓋１２２を接合し、３軸加速度センサー素子１２０の可動部を密閉空間内に封止する。３軸加速度センサー素子１２０と上蓋１２１および下蓋１２２との接合は、金属接合や陽極接合など様々な方法がある。ここでは、一例に金属接合を示す。
【００１６】
図１７（ｂ）に示すような接合金属領域１２３を３軸加速度センサー素子１２０の表裏両面に形成しておく（裏面の接合金属領域は図示せず）。上蓋１２１および下蓋１２２にも接合金属領域（図示せず）を形成し、これらを重ねあわせ、加圧，加熱して接合する。この接合工程は、シリコンウエハから３軸加速度センサー素子１２０を個片化する前に、３軸加速度センサー素子１２０が多数形成されたシリコンウエハ（図示せず）と、同じピッチで上蓋１２１を多数形成した上蓋シリコンウエハ（図示せず）、下蓋１２２を多数形成した下蓋シリコンウエハと（図示せず）を接合する。そのため、ウエハレベルパッケージ（Wafer Level Packing）と称する（以後、ＷＬＰと表記する）。ＷＬＰで密閉空間を形成後、ダイシングによって、一つ一つのチップに個片化する。以後、ＷＬＰにより封止した後に個片化したチップの名称をセンサー組立体１２４と表記する。
【００１７】
次いで、樹脂でパッケージ化された３軸加速度センサー１２５について図１８の断面図を用いて説明する。リードフレーム１２６上に、制御用のＩＣ１２７を、ＩＣ１２７の上にセンサー組立体１２４をそれぞれ接着材１２８，１２９で固定する。
【００１８】
センサー組立体１２４のセンサー端子１３０とＩＣ１２７のＩＣ端子１３１をワイヤー１３２を用いて接続し、同じくＩＣ端子１３１とリードフレーム１２６の端子間をワイヤーで接続する（図示せず）。
【００１９】
センサー組立体１２４とＩＣ１２７，リードフレーム１２６が組み立てられた構造体を、トランスファーモールド法を用いモールド樹脂１３３でモールドする。金型内で樹脂を硬化させた後、金型から取り出し３軸加速度センサー１２５が得られる。複数の３軸加速度センサーを樹脂モールドまで一括して処理し、金型から離型後にダイシングして個々の３軸加速度センサーに分離する方法も取られる。
【００２０】
上記のＷＬＰと樹脂モールドパッケージを用いた加速度センサーでは、シリコンウエハの段階で、３軸加速度センサー素子１２０の可動部を保護することができるので、以後の工程において取り扱いが容易であり、厳しい異物管理を必要としない。また、３軸加速度センサー素子１２０の可動部が守られているため、トランスファーモールド法により周囲を封止することができる。こうして高価なセラミックパッケージを用いることなく、従来のＩＣチップによく用いられる樹脂モールドパッケージの技術でパッケージ組み立てができ、小型で安価な３軸加速度センサーを実現できる。
【００２１】
【特許文献１】特開２００３−１７２７４５号公報
【特許文献２】特開２００６−０９８３２１号公報
【特許文献３】特開平１０−１７０３８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
しかしながら、図１８に示す３軸加速度センサー１２５には、図１３に示す３軸加速度センサー１０１と比べて、以下の課題がある。
【００２３】
３軸加速度センサー１２５は、使用する製品の基板（以後、製品基板と表記する）に半田接合して搭載する。保護パッケージを構成するモールド樹脂やリードフレームと、製品基板とは熱膨張率が異なるため、温度変化による膨張・収縮により、製品基板から半田接合部を介して３軸加速度センサー１２５に力が加わる。
【００２４】
図１４に示したセラミックパッケージの３軸加速度センサー１０１では、パッケージ内部の空間内に３軸加速度センサー素子１０３が保持されているので、樹脂１０７を柔軟な材料とすることで、製品基板からの力が３軸加速度センサー素子１０３に伝わりにくくすることができた。
【００２５】
一方、図１８に示した樹脂でパッケージされた３軸加速度センサー１２５の構造では、センサー組立体１２４がモールド樹脂１３３に周囲を覆われているため、製品基板からの力が３軸加速度センサー素子１２０に伝わりやすい。３軸加速度センサー素子１２０に外部から力が加わったとき、各軸の４つのピエゾ抵抗素子に均一でない応力変化がもたらされると、センサーの出力が変化してしまう。つまり、出力のゼロレベルが変動してしまう（以後、このゼロレベルの変動をオフセット変化と表記する）。
【００２６】
温度変化に対するオフセット変化は、製品基板への搭載前には、検出用ＩＣにより補正が可能である。しかし、製品基板からの力の影響を受けてしまうと、様々な異なる製品基板に搭載された場合、温度に対する変化の特性が変わってしまうことになる。
【００２７】
配線基板や保護パッケージからの外力がセンサー組立体１２４に加わる場合、センサー組立体１２４がパッケージの中心付近に配置されていれば、外力による変形はほぼ左右対称になる。こうした場合、Ｘ軸およびＹ軸の出力は変化しない。
【００２８】
しかしながら、枠部に近いピエゾ抵抗素子（以降は枠側ピエゾ抵抗素子と表記する）と、錘部に近いピエゾ抵抗素子（以降は錘側ピエゾ抵抗素子と表記する）の間で差が生じると、Ｚ軸の出力が変化してしまう。
【００２９】
本発明の目的は、樹脂でパッケージ化された加速度センサーにおいて製品基板からの力が伝わった場合など、加速度センサー素子に外力が加わっても、オフセット変化が発生しにくい加速度センサーを実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
支持枠部と支持枠部に可撓性を有する梁部を介して保持される錘部，梁部上に設けられたピエゾ抵抗素子とそれらをつなぐ配線を有し、ピエゾ抵抗素子の抵抗変化から少なくとも梁部の厚さ方向の加速度を検出できる加速度センサー素子を、保護パッケージ内に保持した加速度センサーであって、加速度センサー素子の梁部は、梁部の長手方向にかかる外力を吸収できる応力緩衝部と、支持枠部と応力緩衝部をつなぐ枠側梁部、錘部と応力緩衝部をつなぐ錘側梁部からなり、ピエゾ抵抗素子は枠側梁部および錘側梁部上に形成され、枠側梁部が錘側梁部よりも長いことが好ましい。
【００３１】
上記の応力緩衝部を有する梁部の構成は、梁部の厚さ方向をＺ軸、それに垂直な面内の２軸をＸ軸，Ｙ軸として、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の全てを測定できる３軸加速度センサー、Ｘ，ＹのいずれかとＺ軸の２軸を測定できる２軸加速度センサー、Ｚ軸のみを測定できる１軸加速度センサーに適用できる。３軸加速度センサーの場合、梁部はＸ軸に沿って１対（２本）、Ｙ軸に沿って１対（２本）の合計４本を有する。２軸加速度センサーおよび１軸加速度センサーの場合には、梁部が１対でも構わない。
【００３２】
本発明の加速度センサーは、応力緩衝部が枠型形状、あるいは枠型形状を梁部の長手方向に複数配列した形状を有することが好ましい。
【００３３】
また、枠型の応力緩衝部の中央に形成される空隙の梁幅方向の長さが、枠側梁部および錘側梁部の応力緩衝部との接続部付近における幅よりも大きいことが好ましい。
【００３４】
また、応力緩衝部は、梁部の長手方向にかかる外力を吸収しやすい形状であることが好ましい。枠型形状とは、方形，円形，楕円形などで、中央に空隙を有する形状である。
【００３５】
枠型形状の中で、梁部の幅方向に伸びる枠辺（梁幅方向枠辺と表記する）が梁部長手方向に曲げ変形することで、上記外力を吸収できる。また、梁幅方向枠辺がねじれ変形することで、応力緩衝部の両側の枠側梁部および錘側梁部が厚さ方向に曲げ変形しやすくなり、上記外力を吸収しやすい効果もある。梁幅方向枠辺が長く、幅が狭いほど変形しやすく、外力吸収効果も高い。梁幅方向枠辺を長くするため、応力緩衝部内の空隙の梁幅方向の長さは、梁幅よりも長くし、なるべく長くすることが好ましい。枠型形状を２つ，３つと梁部長手方向に並べた形状の応力緩衝部とすることで、さらに外力吸収効果を高めることができる。
【００３６】
本発明の加速度センサーは、応力緩衝部が九十九折型であることが好ましい。
【００３７】
九十九折型の形状とは、上記枠型の形状の幅方向の片側の形状（Ｕ字形状と表記する）が、左右交互に連続した形状で、分岐点を持たずに連続した形状である。左右のＵ字形状を対とし、それを複数個並べた形状としてもよい。枠型では左右両側のＵ字形状が一体で変型するが、九十九折型では、Ｕ字形状が個々に変型できるため、外力の吸収効果が高い。一方、梁幅方向に曲がりやすくなり、梁幅方向に対する対称性が失われやすいが、左右の折り返し数を同じにすることで、片方に偏った曲げ変型を防止することができる。
【００３８】
また、本発明の加速度センサーは、枠側梁部と錘側梁部は、梁部の厚さ方向に反りを有し、その反り方向は同じであり、応力緩衝部が変曲点となっていることが好ましい。
【００３９】
梁部の表面には酸化シリコンなどの絶縁膜が形成されおり、これらと梁を構成するシリコンとの熱膨張係数の違いの影響で、梁部が厚み方向に反るような応力を有している。しかし、梁部の両端は支持枠部と錘部に固定されているため、従来の直線的な梁形状では、梁部の中央付近が、上記応力により自然に反りたい方向と逆の方向に反っている。こうした形状は不安定で、錘部が上下に変位するなど別な変型形状に移行しやすく、周囲からの外力が変化したときに、センサーの感度やオフセットの変化が大きくなってしまう。本発明では、ねじり変形しやすい応力緩衝部を有することにより、応力緩衝部が変曲点となり、枠側梁部および錘側梁部の大部分が自然な方向に反ることができ、安定した変形形状にできる。そのため、外力の変化に対して、センサー感度やオフセットの変化の小さい加速度センサーが実現できる。
【発明の効果】
【００４０】
本発明の加速度センサーによれば、温度変化に対する樹脂製の保護パッケージ、およびその保護パッケージを製品基板に実装した実装構造体に加わる外力に対して、Ｚ軸出力のオフセット変化を小さくすることができる。それにより、製品基板への実装前後でＺ軸出力のオフセット変化が小さい加速度センサーを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下、図面を参照しながら発明の一実施例における加速度センサーについて説明する。図１，図２は、本実施例の加速度センサーにおける加速度センサー素子１０の構造を示している。図１は平面図、図２は図１のｋ−ｋ′断面図である。
【００４２】
図１の加速度センサー素子１０は、例えば従来例で示した図１３及び図１４のように組み立てられる加速度センサーや、図１８に示した蓋を接合して気密封止された後、樹脂製の保護パッケージに組み立てられる加速度センサーなどに適用できる。そこで本実施例では特に加速度センサー素子１０を中心に詳細に説明する。
【００４３】
本実施例の加速度センサー素子１０は、支持枠部１１内に、錘部１２が、可撓性を有する４本の梁部１３によって支持されている。錘部１２は、４つの本体部とその４つの本体部と接続して梁部１３と接続する中間部とからなる。
【００４４】
４本の梁部１３をそれぞれ第１梁部１３ａ，第２梁部１３ｂ，第３梁部１３ｃ，第４梁部１３ｄと表記する。図１における加速度センサー素子１０では、Ｘ軸方向に伸びる第１梁部１３ａと第２梁部１３ｂがＸ軸とＺ軸方向の加速度を検知するために用いられる。
【００４５】
第１梁部１３ａと第２梁部１３ｂの支持枠部１１側と錘部１２側の付根付近には、Ｘ軸ピエゾ抵抗素子１４とＺ軸ピエゾ抵抗素子１６が、図１６で説明したように、一対の梁部１３にそれぞれ４つずつ設けられている。Ｙ方向に伸びる第３梁部１３ｃと第４梁部１３ｄは、Ｙ軸ピエゾ抵抗素子１５をそれぞれ二つずつ有している。Ｚ軸ピエゾ抵抗素子１６は、Ｘ方向とＹ方向のどちらの梁部上に配置しても良いが、本実施例ではＸ方向の第１梁部１３ａと第２梁部１３ｂ上に形成した。従って、図１に示すように、ピエゾ抵抗素子１４〜１６は各軸毎に梁部１３の付根付近に設けられている。各軸のピエゾ抵抗素子は、図１では図示していない配線で接続してブリッジ回路を構成した。
【００４６】
外力により加速度が加わることで錘部１２が図１６に示したように変位し、梁部１３が変形することでピエゾ抵抗素子の電気抵抗が変化する。各軸の４つのピエゾ抵抗素子の抵抗変化量の差により生じる電位差を、ブリッジ回路で取り出すことで加速度の値として検出できる。ブリッジ回路の構成方法は図１６に示したのと同様である。図１においては、各梁部１３は空隙部１９を有する略矩形状の応力緩衝部１７を有している。各梁部において、応力緩衝部１７は、梁部の長手方向に対する中心線１８よりも錘部１２に近く配置した。
【００４７】
加速度センサー素子１０の製造方法を、図２を参照しながら簡単に説明する。図２は図１のｋ−ｋ′断面図である。加速度センサー素子１０は、約４００μｍ厚のシリコン層に約１μｍのシリコン酸化層を挟んで約６μｍのシリコン層を有するＳＯＩウエハを使用して加工した。シリコン酸化膜層はドライエッチングのエッチングストップ層として用い、構造体は２層のシリコン層に形成した。以下、薄い方の第１シリコン層を第１層２０，厚い方の第２シリコン層を第２層２１と称し、シリコン酸化膜層と接合していない第１層の表面を第１面２２，第２層の表面を第２面２３，シリコン酸化膜層を介した接続面を第３面２４と称す。
【００４８】
半導体ピエゾ抵抗素子の形状をフォトレジストでパターニングし、第１面２２にボロンを１〜３×１０18原子／cm3打ち込み半導体ピエゾ抵抗素子を形成した。同様に、ピエゾ抵抗素子よりも高濃度でボロンを打ち込んだＰ型配線をピエゾ抵抗素子に接続するように形成した。さらに、第１面２２にシリコン酸化膜を形成しピエゾ抵抗素子を保護した。シリコン酸化膜上にアルミニウム系金属をスパッタリングして金属配線を形成し、シリコン酸化膜に形成したスルーホールを介して、Ｐ型配線と接続した。ピエゾ抵抗素子上に形成したシリコン酸化膜は、第１層２０のシリコンと金属配線間の絶縁膜としても働く。シリコン酸化膜および金属配線はフォトリソグラフィにより所望の形状に加工した。
【００４９】
次に、第１面２２にフォトレジストパターンを形成した後、ドライエッチングにより梁部１３，錘部１２，支持枠部１１の形状を加工した。さらに、第２面２３にフォトレジストパターンを形成した後、ドライエッチングにより錘部１２と支持枠部１１の形状を加工した。第１層２０と第２層２１との間に残ったシリコン酸化膜層は、ウェットエッチングで除去した。
【００５０】
以上の処理により、錘部１２と、錘部１２の周囲を囲む支持枠部１１は、第１層２０から第２層２１にかけて形成される。また、梁部１３は第１層２０に形成される。
【００５１】
従来例で示したように、ＷＬＰ技術によって加速度センサー素子１０の上下を、例えばシリコンからなる蓋部で封止して、センサー組立体１２４とした（図３参照）。そのため、上記ドライエッチング工程の前に、金属接合に用いる金属薄膜をウエハの第１面２２および第２面２３に形成しておき、蓋となるウエハ２枚には同様の金属薄膜と金属半田を設けておき、３枚のウエハを重ねて加圧，加熱して接合した後、ダイシングにより個辺化し、センサー組立体１２４を得た。
【００５２】
また、梁部１３の長手方向に対する中心線１８（図１中では一点鎖線）よりも錘部１２に近い位置に応力緩衝部１７を設けた。加速度センサー素子１０は、図１に示すように各梁部１３に応力緩衝部１７を有している。応力緩衝部１７は矩形形状をしており、中央に空隙部１９を有する。応力緩衝部１７は梁部１３と同様に第１層２０に形成し、梁部１３と同じ厚みとした。図２に示す様に、ｋ−ｋ′断面部は応力緩衝部１７を境に、梁部１３が枠側梁部２５と錘側梁部２６とに分かれた形となる。
【００５３】
図３に本実施例の加速度センサー素子１０を用いた加速度センサー実装構造体１３６の断面模式図を示す。３軸加速度センサー素子１０にＷＬＰで蓋を接合したセンサー組立体１２４に、図１８で示したようにリードフレーム１２６と制御用ＩＣ１２７とに電気的に接続した状態で、加速度センサー素子１０を内部に内包するように樹脂でパッケージ化した樹脂パッケージ部である保護パッケージに組み立てた３軸加速度センサーを、製品基板１３４に半田１３５で接合した状態を示している。
【００５４】
半田接合の際には２５０℃程度に加熱された後、常温まで冷却されるため、加速度センサー実装構造体１３６には各所に熱応力が発生する。構成部材のおよその熱膨張係数は、センサー組立体１２４および制御用ＩＣ１２７を構成するシリコンが２.５×１０-6／℃、モールド樹脂１３３が６〜９×１０-6／℃、リードフレーム１２６は銅製で１５×１０-6／℃、製品基板１３４が１５〜２０×１０-6／℃である。
【００５５】
冷却時の熱収縮の際には、センサー組立体１２４は、モールド樹脂１３３からの圧縮力を受け、また下方にあるリードフレーム１２６および製品基板１３４はさらに収縮するため、センサー組立体１２４はさらに圧縮力を受けるとともに、上凸方向に反らされる。３軸加速度センサー素子１０にこうした外力が加わることによって、ブリッジ回路を構成する４つのピエゾ抵抗素子に抵抗変化が発生し、それらが均一な変化でなければ、３軸の出力の少なくともいずれかの出力が変化してしまい、オフセット変化が発生してしまう。
【００５６】
本実施例では、梁部１３に応力緩衝部１７を設けたことにより、加速度センサー素子１０が圧縮の外力を受け、梁部１３の長さ方向に圧縮力がかかった場合においても、応力緩衝部１７の変形によって外力を吸収できた。応力緩衝部１７がないと、圧縮の外力により梁部１３が座屈変形し、錘部１２がＺ方向に大きく変位して、大きなオフセット変化が発生してしまう恐れがあるが、応力緩衝部１７により外力を吸収することで、座屈変形によるオフセット変化を抑えることができる。また、座屈変形が発生すると、単位加速度に対する錘部１２の変位量が変化する。センサー出力は錘部１２の変位量に比例するので、座屈変形によりセンサー感度が変化してしまう。応力緩衝部１７の効果により、外力によるセンサー感度の変化を抑えることができた。
【００５７】
さらに本実施例では、応力緩衝部１７を梁部１３の長手方向に対する中心線１８よりも錘部１２に近く配置したことで、製品基板への実装前後のオフセット変化を小さくできた。
【００５８】
前述のようにオフセット変化はブリッジ回路を構成する４つのピエゾ抵抗素子の抵抗変化が異なる場合に発生する。３軸加速度センサーを製品基板に実装したとき、製品基板から受ける力の影響によってピエゾ抵抗素子の応力が変化する。４つのピエゾ抵抗素子の応力変化を均一にできればオフセット変化をゼロにできるが、製品基板は適用される製品により厚さや熱膨張係数が変わるため、いつもゼロにすることは困難である。製品基板の仕様がばらついても、オフセット変化が小さくなるような構造にすることが望ましい。
【００５９】
発明者らは、熱応力シミュレーションおよび試作評価の結果から、加速度センサー素子１０にかかる圧縮外力および反り変形の影響で、支持枠部１１に近いピエゾ抵抗素子（図１６（ｂ）のＺ１，Ｚ４。以下枠側ピエゾ抵抗素子２７と表記する）と、錘部１２に近いピエゾ抵抗素子（図１６（ｂ）のＺ２，Ｚ３。以下錘側ピエゾ抵抗素子２８と表記する）の応力変化に差が生じ、Ｚ軸のオフセット変化が発生していることを見出した。さらに、圧縮外力および反り変形に対するオフセット変化の程度が、応力緩衝部１７の梁部長手方向の位置に影響されることを発見した。
【００６０】
本実施例のように、加速度センサー素子１０が圧縮力を受け、上凸に反らされている場合には、応力緩衝部１７の位置を錘部１２の方向にシフトすることで、圧縮外力および反り変形の変化に対するオフセット変化の感度を低減することができた。
【００６１】
前述のように樹脂製の保護パッケージに組み立てた時点で加速度センサー素子１０は圧縮外力と上凸反り変形を受けており、製品基板への実装により、圧縮外力と上凸反り変形の量が変化していると考えられるので、応力緩衝部１７を錘部１２の方向にシフトすることで、基板実装前後のオフセット変化を小さくできた。
【００６２】
図４に梁部１３の詳細寸法を示す。梁部１３は、応力緩衝部１７と、支持枠部１１と応力緩衝部１７をつなぐ枠側梁部２５と、錘部１２と応力緩衝部１７をつなぐ錘側梁部２６からなる。応力緩衝部１７は、梁部１３の長手方向への曲げ変形およびねじり変形しやすい形状であるほど、梁部１３の長手方向に加わる外力の吸収効果が大きい。
【００６３】
そのため、空隙部１９の幅Ｌ３は、梁部１３の幅Ｌ２より大きくし、応力緩衝部１７の枠辺のうち、梁部１３の幅方向に伸びた部分（幅方向枠辺２９と表記する）がなるべく長くなるようにした。ピエゾ抵抗素子は枠側梁部２５および錘側梁部２６上で、支持枠部１１および錘部１２に近い位置に形成される。支持枠部１１および錘部１２に近い位置にするほど、錘部１２の変位に対するピエゾ抵抗素子の応力変化が大きくなり、センサー感度が高くなるためである。
【００６４】
枠側梁部２５および錘側梁部２６は、支持枠部１１および錘部１２に近い部分の幅Ｌ１と、応力緩衝部１７に近い部分の幅Ｌ２が異なる形状とした。Ｘ方向に伸びる梁部ではＸ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るので、それらを配置するのに十分な幅を有するようにＬ１が決められる。
【００６５】
一方、応力緩衝部１７に近い部分は、ピエゾ抵抗素子が形成されないので幅を狭くできる。Ｌ２を短くするほど、幅方向枠辺２９を長くして外力を吸収しやすくできるので、Ｌ２はＬ１よりも短くして、間をテーパー形状でつないだ形状とした。
【００６６】
また、幅方向枠辺２９の幅Ｌ５を細くするほど、外力吸収効果が大きくなる。梁部１３の形状は、梁部の幅方向に対する中心線ｎ−ｎ′に対して線対称に形成した。梁部の長さ方向に対する中心線ｍ−ｍ′（中心線１８）に対しては、応力緩衝部１７の中心線ｐ−ｐ′が錘部１２の方向にシフトした形状とした。つまり、枠側梁部２５の長さＬ７を錘側梁部２６の長さＬ８より長くした。
【００６７】
本実施例では各部の寸法は次の様にした。付根付近の梁幅Ｌ１は２８μｍ、応力緩衝部１７付近の梁幅Ｌ２は１８μｍ、空隙部１９の幅Ｌ３は７２μｍ、応力緩衝部１７の梁幅方向長さＬ４は１００μｍ、幅方向枠辺２９の幅Ｌ５は１１μｍ、応力緩衝部１７の梁長手方向の長さＬ６は５２μｍ、枠側梁部２５の長さＬ７は１１６.５μｍ、錘側梁部２６の長さＬ８は１４６.５μｍ、梁部１３の長さＬ９は３１５μｍ、応力緩衝部１７の錘部１２の方向へのシフト量Ｌ１０は１５μｍとした。また、変形時の応力集中を防ぐため、梁部の付根および枠型の応力緩衝部の各コーナー部には適度なＲ形状を形成した。
【００６８】
図５にピエゾ抵抗素子，Ｐ型配線，金属配線の配置を模式的に示す。図中において、応力緩衝部１７のシフト，コーナー部のＲ形状などは省略した。
【００６９】
Ｘ軸ピエゾ抵抗素子１４およびＺ軸ピエゾ抵抗素子１６を配置した第１梁部１３ａまたは第２梁部１３ｂを示している。梁部１３の梁幅方向に対する中心線ｎ−ｎ′に対して対称とするために、Ｘ軸ピエゾ抵抗素子１４は中心線ｎ−ｎ′に対称に２箇所に形成し、Ｐ型配線３０で接続した。Ｚ軸ピエゾ抵抗素子１６はＸ軸ピエゾ抵抗素子１４の外側に同様に２箇所に形成し、Ｐ型配線３０で接続した。Ｘ軸ピエゾ抵抗素子１４およびＺ軸ピエゾ抵抗素子１６の残りの端部は、Ｐ型配線３０に接続して、梁部１３の外側まで引き出した。
【００７０】
錘部１２側から支持枠部１１側への配線引き出しのために、梁部１３上には３本の金属配線３１を形成した。金属配線３１の残留応力の影響を考慮し、金属配線３１のパターンも中心線ｎ−ｎ′に対して対称とすることが望ましい。本実施例のように金属配線が奇数本の場合には、応力緩衝部１７において１本の配線を分岐することで対称にできる。図５では、中央の金属配線を、応力緩衝部１７で両側に分岐するようにした。
【００７１】
応力緩衝部１７の働きに付いて、以下図を用いて詳細に説明する。図６（ａ）は、梁部１３の長手方向に圧縮力が加わったときの応力緩衝部１７の変形状態を模式的に示した斜視図である。同様に平面の模式図を図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）のように、応力緩衝部１７の幅方向枠辺２９が曲げ変形することで梁部１３の長手方向にかかる圧縮力を吸収できる。また、図６（ａ）のように、応力緩衝部１７がねじり変形することで、枠側梁部２５および錘側梁部２６が厚さ方向に曲げ変形しやすくして、上記圧縮力を吸収する効果もある。
【００７２】
図７（ａ）と図７（ｂ）に梁部の断面方向の模式図を示す。図７（ａ）は枠型の応力緩衝部を有する本実施例の梁部の断面方向の模式図である。図７（ｂ）は錘部１２から支持枠部１１まで直線的につながった従来の梁部３２の断面方向の模式図である。本実施例の梁部１３は図７（ａ）に示すように、枠型の応力緩衝部１７がねじり変形することにより、枠側梁部２５，錘側梁部２６を厚み方向に曲げ変形し易くして、圧縮力を逃がし易くする効果がある。
【００７３】
本実施例の加速度センサー素子１０では、梁部１３の表面にシリコン酸化膜などの絶縁膜や金属配線が形成されており、これらは梁部１３の材料であるシリコンと熱膨張係数が異なるため、絶縁膜や金属配線の成膜温度から常温に冷却されるまでの温度変化に応じて熱応力を発生する。
【００７４】
本実施例では、金属配線よりも絶縁膜の応力が支配的であり、シリコン酸化膜はシリコンよりも熱膨張係数が小さいため、梁部１３は絶縁膜のある表面側（第１面２２側）が凸になる方向に反りやすい。応力緩衝部がなく直線的な従来の梁部３２の場合には、曲率が連続しなければいけないので、梁部３２の中央部が自然な反り方向とは反対向きに反り、図７（ｂ）のような下向きの凸の形状になる。この形状は不安定であり、錘部が上下に変位した形状など、別の形状へ移行しやすい。こうした状態で梁部の長手方向にかかる外力が変化すると、センサー感度の変化が大きくなってしまう。本実施例の加速度センサー素子１０では、応力緩衝部１７のねじり変形の効果により、図７（ａ）に示したように、応力緩衝部１７が変曲点になり枠側梁部２５，錘側梁部２６の大部分が自然な反り方向に変形した安定な形状になるため、他の変形形状に移行し難くなり、センサー感度の変化を小さくできる。
【００７５】
さらに、本実施例の加速度センサー素子１０では、応力緩衝部１７を、梁部１３の長手方向に対する中心線１８よりも錘部１２に近く配置することで、加速度センサー素子１０にかかる圧縮力および上凸反りの変化に対するオフセット変化を小さくできた。そのメカニズムの詳細を図８を用いて説明する。
【００７６】
図８は加速度センサー素子１０が圧縮力および上凸反りを受けたときの変形形状を示す断面模式図である。上凸反りを受けた状態で圧縮力が加わると、錘部１２が上方向に移動していき、各ピエゾ抵抗素子の応力変化は、枠側ピエゾ抵抗素子２７よりも錘側ピエゾ抵抗素子２８の方が、引張方向の応力変化が大きくなる。一方、梁部１３が圧縮を受けるほど、枠側梁部２５と錘側梁部２６は変曲点である応力緩衝部１７との接続端部において下向きの力を受ける。
【００７７】
ここで、応力緩衝部１７が錘部１２の方向にシフトしていると、錘側梁部２６よりも枠側梁部２５の方が長いため、前記下向きの力のモーメントの作用が、枠側ピエゾ抵抗素子２７の方が大きくなり、引張方向の応力変化が大きくなる。このように、応力緩衝部１７をシフトした効果は、錘部１２の変位によるピエゾ抵抗素子応力変化の差異をキャンセルする方向に働き、トータルでピエゾ抵抗素子の応力変化が均一になる方向に働いて、オフセット変化を小さくできる。
【００７８】
枠型の応力緩衝部１７の形状は本実施例で示した形状に限定されるものではない。例えば、枠型形状を複数並べて形成してもよい。応力緩衝部１７の効果を高めるために、枠型形状を３つ連続して形成した梁部形状の例を図９の平面図に示す。
【００７９】
図９に示した応力緩衝部１７と同じ寸法の形状を直列に３つ配置した。ただし、枠側梁部２５および錘側梁部２６のテーパー部を形成する領域が取りにくいので、枠側梁部２５および錘側梁部２６の幅は、付根付近の幅Ｌ１で一定とし、その幅で応力緩衝部１７に接続するようにした。枠型形状が３つあることで、１つの場合よりも外力の吸収効果が高くなり、外力変化に対する感度の変化、およびオフセット変化をさらに小さくすることができた。
【００８０】
応力緩衝部１７の他の実施形態について以下説明する。前述の応力緩衝部１７と異なるのは、応力緩衝部１７が九十九折形状である点である。この九十九折形状の応力緩衝部１７を備えた梁部１３の構造を示す平面図を図１０に示す。
【００８１】
九十九折形状の応力緩衝部１７は、応力緩衝部１７の中心点に対して点対称の形状をしている。応力緩衝部１７は、前述したように梁部の長手方向への曲げ変形およびねじり変形しやすい形状であるほど、外力の吸収効果が大きい。梁幅方向の九十九折内辺間の距離Ｌ１１は、梁部の応力緩衝部付近での幅Ｌ２より大きくした。九十九折部の角部には適度なＲ形状を設けた。
【００８２】
前述の実施形態と同様に、九十九折部が梁部１３の長手方向の曲げ変形、およびねじり変形することで、梁部１３の長手方向にかかる外力を吸収でき、圧縮や反りに対して感度およびオフセットの変化を小さくできた。枠型の応力緩衝部１７では、梁幅方向に両側に張り出した枠型形状が一体となって変形するのに対して、九十九折型の応力緩衝部１７は、片側の折り返し部がそれぞれ単独に変形することができ、外力の吸収効果を大きくできる。その一方で、梁幅方向への曲げに対して剛性が小さいため、梁部が梁幅方向に曲げ変形しやすくなる。そうした曲げ変形が発生すると、梁部の長手方向の中心線ｍ−ｍ′に対する対称性を失うため望ましくないが、両側に折り返し部を設けることで一方向に偏って梁幅方向の曲げ変形が発生することを防ぐことができる。なお、枠型の応力緩衝部１７では、梁幅方向への曲げに対する剛性は従来の直梁に比べても高くなるので、上記梁幅方向の曲げ変形の影響を小さくできる。また、枠型の応力緩衝部１７では、中心線ｍ−ｍ′に対して対称な形状であり、変形の偏りからくる出力変化を迎えられる。
【００８３】
図１１にピエゾ抵抗素子，Ｐ型配線，金属配線の配置を模式的に示す。図１１において、応力緩衝部のシフト、コーナー部のＲ形状などは省略した。Ｘ軸ピエゾ抵抗素子およびＺ軸ピエゾ抵抗素子を配置した第１梁部１３ａまたは第２梁部１３ｂを示している。ピエゾ抵抗素子を配置した梁部１３の付根付近は第一実施例と同様であるが、応力緩衝部１７における金属配線３１のパターンが異なる。枠型の応力緩衝部では梁幅方向の両側に分岐するのに対して、九十九折形状では分岐しないので、３本の配線を応力緩衝部１７の形状に沿って形成した。
【００８４】
本実施例の九十九折形状の応力緩衝部１７も、枠型形状を複数並べて形成してもよい。応力緩衝部１７の効果を高めるために、九十九折形状を２つ連続して形成した梁部形状の例を図１２の平面図に示す。図１１に示した応力緩衝部と同じ寸法の形状を直列に２つ配置した。九十九折形状が２つあることで、１つの場合よりも外力の吸収効果が高くなり、外力変化に対する感度の変化、およびオフセット変化をさらに小さくすることができた。
【００８５】
本発明の加速度センサー素子は、従来例の図１７，図１８に示したような方法で樹脂モールドパッケージに組み立てた加速度センサーとすることができる。図９に示した３つの枠型形状を並べた形状の応力緩衝部を有する梁部を持つ加速度センサー素子を、図１８に示す構造の、サイズ２.５×２.５mm，厚さ１.０mmの樹脂製の保護パッケージに組み立て、特性を評価した。応力緩衝部の位置が梁部長手方向の中心にあるサンプル１と、図９に示したように錘部の方向に１５μｍシフトしたサンプル２を製作し、厚さ０.６mmの製品基板に搭載して、搭載前後のＺ軸オフセット変化を比較した。その結果、温度２５℃でのＺ軸オフセット変化は、サンプル２がサンプル１の約１／３にまで低減できた。
【００８６】
以上により、本発明の実施例における加速度センサーは、例えば、従来例で示した樹脂製の保護パッケージに本発明を適用した加速度センサー素子を使用して加速度センサーを組み立てた場合においても、製品基板への実装前後でセンサー出力のオフセット変化が小さい加速度センサーを実現できる。
【００８７】
すなわち、梁部において、枠側梁部を錘側梁部より長くする、すなわち応力緩衝部を錘側に近く配置することにより、温度変化に対する保護パッケージ、および保護パッケージを製品基板に実装した実装構造体の特徴的な変形に対して、Ｚ軸出力のオフセット変化を小さくすることができる。
【００８８】
本発明の対象となる加速度センサーは、製品基板への半田実装時、半田溶融温度まで加熱した後に常温まで冷却されるので、その間に熱応力を受ける。センサー組立体，モールド樹脂，リードフレームの熱膨張係数の違いから、冷却時に３軸加速度センサー素子は周囲からの力を受けて、圧縮および上凸反り方向に変形する。
【００８９】
さらに製品基板に実装すると、製品基板の熱収縮による力も加わり、上記圧縮および上凸反りの量が変化する。
【００９０】
本実施例の加速度センサーによれば、応力緩衝部を錘側に近く配置したことにより、圧縮および上凸反りの外力変化に対して、梁部の支持枠に近いピエゾ抵抗素子と、錘部に近いピエゾ抵抗素子の応力変化が均一になるようにできるので、上記外力変化に対してＺ軸オフセット変化が小さい加速度センサーを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明の一実施例における加速度センサー素子の構造を示す平面図である。
【図２】図１のｋ−ｋ′断面を示す断面図である。
【図３】保護パッケージに組み立てた加速度センサーの課題を説明する断面図である。
【図４】枠型の応力緩衝部を有する梁部の詳細形状を示す平面図である。
【図５】梁部のピエゾ抵抗素子と配線の配置を示す平面図である。
【図６】応力緩衝部の変形状態を示す斜視図および平面図である。
【図７】梁部の曲げ変形状態を従来の梁部と比較して示す側面図である。
【図８】３軸加速度センサー素子の変形状態を示す側面図である。
【図９】応力緩衝部の他の実施形状を示す平面図である。
【図１０】九十九折型の応力緩衝部を有する梁部の詳細形状を示す平面図である。
【図１１】九十九折型応力緩衝部を有する梁部のピエゾ抵抗素子と配線の配置を示す平面図である。
【図１２】応力緩衝部の他の実施形状を示す平面図である。
【図１３】従来の３軸加速度センサーを説明する分解斜視図である。
【図１４】従来の３軸加速度センサーを説明する断面図である。
【図１５】従来の３軸加速度センサー素子構造の一例を示す平面図である。
【図１６】従来の３軸加速度センサー素子の検出原理を説明する図である。
【図１７】蓋で封止した従来の３軸加速度センサー素子を示す図である。
【図１８】保護パッケージに組み立てた従来の３軸加速度センサーの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００９２】
１０ 加速度センサー素子
１１ 支持枠部
１２ 錘部
１３ 梁部
１３ａ 第１梁部
１３ｂ 第２梁部
１３ｃ 第３梁部
１３ｄ 第４梁部
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 応力緩衝部
１８ 中心線
１９ 空隙部
２０ 第１層
２１ 第２層
２２ 第１面
２３ 第２面
２４ 第３面
２５ 枠側梁部
２６ 錘側梁部
２７ 枠側ピエゾ抵抗素子
２８ 錘側ピエゾ抵抗素子
２９ 幅方向枠辺
３０ Ｐ型配線
３１ 金属配線
３２ 従来の梁部
１２０ センサー素子
１２１ 上蓋
１２２ 下蓋
１２３ 接合金属領域
１２４ センサー組立体
１２５ 加速度センサー
１２６ リードフレーム
１２７ ＩＣ
１２８，１２９ 接着材
１３０ センサー端子
１３１ ＩＣ端子
１３２ ワイヤー
１３３ モールド樹脂
１３４ 製品基板
１３５ 半田
１３６ 加速度センサー実装構造体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車，航空機，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ーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
加速度センサーは、エアーバッグ作動用に多く用いられ、自動車が衝突した衝撃を加速度として検知する。自動車ではＸ軸，Ｙ軸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。また、測定する加速度が非常に大きかった。
【０００３】
最近は、加速度センサーが携帯端末機器やロボット等にも使用されることが多くなり、空間の動きを検出するためＸ，Ｙ，Ｚ軸の加速度を測定する３軸加速度センサーが要求されてきている。また、微小な加速度を検出するために高分解能で、小型であることが要求されている。
【０００４】
多くの加速度センサーは錘や可撓部の動きを電気信号に変換する方法を採用している。これらには、錘の動きを錘と連結した可撓部に設けたピエゾ抵抗素子の抵抗変化から検出するピエゾ抵抗素子型，錘の動きを固定電極との間の静電容量変化で検出する静電容量型などがある。
【０００５】
特許文献１及び特許文献２に示す従来の３軸加速度センサーに関して簡単に説明する。従来の３軸加速度センサー１０１として、分解斜視図を図１３に、図１３におけるＡ−Ａ′方向の断面図を図１４に示す。
【０００６】
３軸加速度センサー１０１は、セラミック製のケース１０２内に３軸加速度センサー素子１０３と、３軸加速度センサー素子１０３からの信号の増幅や温度補償等を行う制御用のＩＣ１０４を積層して固定し、蓋１０５とケース１０２を接合し、加速度センサー素子１０３とＩＣ１０４をケース１０２内に密封する。
【０００７】
図１４に示すように、３軸加速度センサー素子１０３は樹脂接着材１０６を用いてケース１０２に固着され、ＩＣ１０４は樹脂接着材１０７を用いて３軸加速度センサー素子１０３上に固着される。
【０００８】
３軸加速度センサー素子１０３はセンサー端子１０８を、ＩＣ１０４はＩＣ端子１０９を、ケース１０２はケース端子１１０をそれぞれ有し、センサー端子１０８とＩＣ端子１０９、およびＩＣ端子１０９とケース端子１１０の間をワイヤー１１１で接続される。こうしてセンサーの信号はケース１０２に設けたケース端子１１０と接続する出力端子１１２から外部に取り出される。蓋１０５は例えばＡｕＳｕ半田などの接着材１０２ａでケース１０２に固着される。
【０００９】
図１５は、３軸加速度センサー素子１０３の構造を示す平面模式図である。方形の支持枠部１１３と錘部１１４と対を成す梁部１１５とを有し、錘部１１４が２対の梁部１１５で支持枠部１１３の中央に保持されている。梁部１１５にはピエゾ抵抗素子が設けられている。
【００１０】
一対の梁部１１５にはＸ軸ピエゾ抵抗素子１１６とＺ軸ピエゾ抵抗素子１１８が、他の一対の梁部１１５にはＹ軸ピエゾ抵抗素子１１７が設けられている。一対の梁部１１５の各付根部４ヶ所にピエゾ抵抗素子を配し、これらを配線でつないでブリッジ回路を構成することで、ピエゾ抵抗素子の均一な抵抗変化はキャンセルでき、またブリッジ回路の接続の仕方を変えることで、ＸおよびＹ軸とＺ軸の加速度を分離して検出することができる。また、支持枠部１１３上にはセンサー端子１０８が配列している。
【００１１】
ブリッジ回路による加速度検出の仕組みについて図１６（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。図１６（ａ），図１６（ｂ）はそれぞれ、Ｘ方向とＺ方向に加速度がかかったときの錘部１１４の動きをＸＺ断面で示している。
【００１２】
例えば図１６（ａ）のようにＸ方向に加速度が与えられたとき、錘部１１４は上端中央あたりを中心に回転し、梁部１１５が変形する。梁部１１５の変形に伴って、梁部１１５上面に設けられた４つのＸ軸ピエゾ抵抗素子Ｘ１〜Ｘ４に加わる応力が変化し、抵抗も変化する。この場合、Ｘ１，Ｘ３が引張、Ｘ２，Ｘ４が圧縮の応力変化となり、図１６（ｃ）に示すＸ軸検出用ブリッジ回路の中点電位に差が生じ、加速度の大きさに応じた出力が得られる。
【００１３】
一方、図１６（ｂ）に示すようにＺ方向の加速度がかかった場合には、ピエゾ抵抗素子Ｚ２，Ｚ３が引張、Ｚ１，Ｚ４が圧縮の応力変化となり、図１６（ｄ）のＺ軸検出用ブリッジ回路により出力が得られる。Ｘ軸ピエゾ抵抗素子Ｘ１〜Ｘ４と、Ｚ軸ピエゾ抵抗素子Ｚ１〜Ｚ４は同じ梁部１１５上に形成されるが、例えばＸ方向加速度に対して図１６（ａ）のように梁部１１５が変形しても、図１６（ｄ）のＺ軸検出用ブリッジ回路では抵抗変化がキャンセルされ、出力は変化しない。すなわち、Ｘ軸加速度とＺ軸加速度を分離して検出することができる。Ｙ軸加速度の検出は、Ｘ軸と同様にして、もう一対の梁部１１５に形成したピエゾ抵抗素子で行う。
【００１４】
一方、特許文献３に示すように、半導体実装技術でよく用いられている樹脂製の保護パッケージ技術を用いて、小型かつ安価な加速度センサーを実現する方法が知られている。その方法では、可動部を有する３軸加速度センサー素子１０３をモールド樹脂から保護するため、３軸加速度センサー素子の上下に蓋を接合して封止しておく技術が用いられる。
【００１５】
図１７（ａ）は、この方法で上下に蓋を接合した３軸加速度センサー素子の組み立て構造の断面図を、図１３（ｂ）は３軸加速度センサー素子１２０の平面図を示す。３軸加速度センサー素子１２０の上下に上蓋１２１および下蓋１２２を接合し、３軸加速度センサー素子１２０の可動部を密閉空間内に封止する。３軸加速度センサー素子１２０と上蓋１２１および下蓋１２２との接合は、金属接合や陽極接合など様々な方法がある。ここでは、一例に金属接合を示す。
【００１６】
図１７（ｂ）に示すような接合金属領域１２３を３軸加速度センサー素子１２０の表裏両面に形成しておく（裏面の接合金属領域は図示せず）。上蓋１２１および下蓋１２２にも接合金属領域（図示せず）を形成し、これらを重ねあわせ、加圧，加熱して接合する。この接合工程は、シリコンウエハから３軸加速度センサー素子１２０を個片化する前に、３軸加速度センサー素子１２０が多数形成されたシリコンウエハ（図示せず）と、同じピッチで上蓋１２１を多数形成した上蓋シリコンウエハ（図示せず）、下蓋１２２を多数形成した下蓋シリコンウエハと（図示せず）を接合する。そのため、ウエハレベルパッケージ（Wafer Level Packing）と称する（以後、ＷＬＰと表記する）。ＷＬＰで密閉空間を形成後、ダイシングによって、一つ一つのチップに個片化する。以後、ＷＬＰにより封止した後に個片化したチップの名称をセンサー組立体１２４と表記する。
【００１７】
次いで、樹脂でパッケージ化された３軸加速度センサー１２５について図１８の断面図を用いて説明する。リードフレーム１２６上に、制御用のＩＣ１２７を、ＩＣ１２７の上にセンサー組立体１２４をそれぞれ接着材１２８，１２９で固定する。
【００１８】
センサー組立体１２４のセンサー端子１３０とＩＣ１２７のＩＣ端子１３１をワイヤー１３２を用いて接続し、同じくＩＣ端子１３１とリードフレーム１２６の端子間をワイヤーで接続する（図示せず）。
【００１９】
センサー組立体１２４とＩＣ１２７，リードフレーム１２６が組み立てられた構造体を、トランスファーモールド法を用いモールド樹脂１３３でモールドする。金型内で樹脂を硬化させた後、金型から取り出し３軸加速度センサー１２５が得られる。複数の３軸加速度センサーを樹脂モールドまで一括して処理し、金型から離型後にダイシングして個々の３軸加速度センサーに分離する方法も取られる。
【００２０】
上記のＷＬＰと樹脂モールドパッケージを用いた加速度センサーでは、シリコンウエハの段階で、３軸加速度センサー素子１２０の可動部を保護することができるので、以後の工程において取り扱いが容易であり、厳しい異物管理を必要としない。また、３軸加速度センサー素子１２０の可動部が守られているため、トランスファーモールド法により周囲を封止することができる。こうして高価なセラミックパッケージを用いることなく、従来のＩＣチップによく用いられる樹脂モールドパッケージの技術でパッケージ組み立てができ、小型で安価な３軸加速度センサーを実現できる。
【００２１】
【特許文献１】特開２００３−１７２７４５号公報
【特許文献２】特開２００６−０９８３２１号公報
【特許文献３】特開平１０−１７０３８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
しかしながら、図１８に示す３軸加速度センサー１２５には、図１３に示す３軸加速度センサー１０１と比べて、以下の課題がある。
【００２３】
３軸加速度センサー１２５は、使用する製品の基板（以後、製品基板と表記する）に半田接合して搭載する。保護パッケージを構成するモールド樹脂やリードフレームと、製品基板とは熱膨張率が異なるため、温度変化による膨張・収縮により、製品基板から半田接合部を介して３軸加速度センサー１２５に力が加わる。
【００２４】
図１４に示したセラミックパッケージの３軸加速度センサー１０１では、パッケージ内部の空間内に３軸加速度センサー素子１０３が保持されているので、樹脂１０７を柔軟な材料とすることで、製品基板からの力が３軸加速度センサー素子１０３に伝わりにくくすることができた。
【００２５】
一方、図１８に示した樹脂でパッケージされた３軸加速度センサー１２５の構造では、センサー組立体１２４がモールド樹脂１３３に周囲を覆われているため、製品基板からの力が３軸加速度センサー素子１２０に伝わりやすい。３軸加速度センサー素子１２０に外部から力が加わったとき、各軸の４つのピエゾ抵抗素子に均一でない応力変化がもたらされると、センサーの出力が変化してしまう。つまり、出力のゼロレベルが変動してしまう（以後、このゼロレベルの変動をオフセット変化と表記する）。
【００２６】
温度変化に対するオフセット変化は、製品基板への搭載前には、検出用ＩＣにより補正が可能である。しかし、製品基板からの力の影響を受けてしまうと、様々な異なる製品基板に搭載された場合、温度に対する変化の特性が変わってしまうことになる。
【００２７】
配線基板や保護パッケージからの外力がセンサー組立体１２４に加わる場合、センサー組立体１２４がパッケージの中心付近に配置されていれば、外力による変形はほぼ左右対称になる。こうした場合、Ｘ軸およびＹ軸の出力は変化しない。
【００２８】
しかしながら、枠部に近いピエゾ抵抗素子（以降は枠側ピエゾ抵抗素子と表記する）と、錘部に近いピエゾ抵抗素子（以降は錘側ピエゾ抵抗素子と表記する）の間で差が生じると、Ｚ軸の出力が変化してしまう。
【００２９】
本発明の目的は、樹脂でパッケージ化された加速度センサーにおいて製品基板からの力が伝わった場合など、加速度センサー素子に外力が加わっても、オフセット変化が発生しにくい加速度センサーを実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
支持枠部と支持枠部に可撓性を有する梁部を介して保持される錘部，梁部上に設けられたピエゾ抵抗素子とそれらをつなぐ配線を有し、ピエゾ抵抗素子の抵抗変化から少なくとも梁部の厚さ方向の加速度を検出できる加速度センサー素子を、保護パッケージ内に保持した加速度センサーであって、加速度センサー素子の梁部は、梁部の長手方向にかかる外力を吸収できる応力緩衝部と、支持枠部と応力緩衝部をつなぐ枠側梁部、錘部と応力緩衝部をつなぐ錘側梁部からなり、ピエゾ抵抗素子は枠側梁部および錘側梁部上に形成され、枠側梁部が錘側梁部よりも長いことが好ましい。
【００３１】
上記の応力緩衝部を有する梁部の構成は、梁部の厚さ方向をＺ軸、それに垂直な面内の２軸をＸ軸，Ｙ軸として、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の全てを測定できる３軸加速度センサー、Ｘ，ＹのいずれかとＺ軸の２軸を測定できる２軸加速度センサー、Ｚ軸のみを測定できる１軸加速度センサーに適用できる。３軸加速度センサーの場合、梁部はＸ軸に沿って１対（２本）、Ｙ軸に沿って１対（２本）の合計４本を有する。２軸加速度センサーおよび１軸加速度センサーの場合には、梁部が１対でも構わない。
【００３２】
本発明の加速度センサーは、応力緩衝部が枠型形状、あるいは枠型形状を梁部の長手方向に複数配列した形状を有することが好ましい。
【００３３】
また、枠型の応力緩衝部の中央に形成される空隙の梁幅方向の長さが、枠側梁部および錘側梁部の応力緩衝部との接続部付近における幅よりも大きいことが好ましい。
【００３４】
また、応力緩衝部は、梁部の長手方向にかかる外力を吸収しやすい形状であることが好ましい。枠型形状とは、方形，円形，楕円形などで、中央に空隙を有する形状である。
【００３５】
枠型形状の中で、梁部の幅方向に伸びる枠辺（梁幅方向枠辺と表記する）が梁部長手方向に曲げ変形することで、上記外力を吸収できる。また、梁幅方向枠辺がねじれ変形することで、応力緩衝部の両側の枠側梁部および錘側梁部が厚さ方向に曲げ変形しやすくなり、上記外力を吸収しやすい効果もある。梁幅方向枠辺が長く、幅が狭いほど変形しやすく、外力吸収効果も高い。梁幅方向枠辺を長くするため、応力緩衝部内の空隙の梁幅方向の長さは、梁幅よりも長くし、なるべく長くすることが好ましい。枠型形状を２つ，３つと梁部長手方向に並べた形状の応力緩衝部とすることで、さらに外力吸収効果を高めることができる。
【００３６】
本発明の加速度センサーは、応力緩衝部が九十九折型であることが好ましい。
【００３７】
九十九折型の形状とは、上記枠型の形状の幅方向の片側の形状（Ｕ字形状と表記する）が、左右交互に連続した形状で、分岐点を持たずに連続した形状である。左右のＵ字形状を対とし、それを複数個並べた形状としてもよい。枠型では左右両側のＵ字形状が一体で変型するが、九十九折型では、Ｕ字形状が個々に変型できるため、外力の吸収効果が高い。一方、梁幅方向に曲がりやすくなり、梁幅方向に対する対称性が失われやすいが、左右の折り返し数を同じにすることで、片方に偏った曲げ変型を防止することができる。
【００３８】
また、本発明の加速度センサーは、枠側梁部と錘側梁部は、梁部の厚さ方向に反りを有し、その反り方向は同じであり、応力緩衝部が変曲点となっていることが好ましい。
【００３９】
梁部の表面には酸化シリコンなどの絶縁膜が形成されおり、これらと梁を構成するシリコンとの熱膨張係数の違いの影響で、梁部が厚み方向に反るような応力を有している。しかし、梁部の両端は支持枠部と錘部に固定されているため、従来の直線的な梁形状では、梁部の中央付近が、上記応力により自然に反りたい方向と逆の方向に反っている。こうした形状は不安定で、錘部が上下に変位するなど別な変型形状に移行しやすく、周囲からの外力が変化したときに、センサーの感度やオフセットの変化が大きくなってしまう。本発明では、ねじり変形しやすい応力緩衝部を有することにより、応力緩衝部が変曲点となり、枠側梁部および錘側梁部の大部分が自然な方向に反ることができ、安定した変形形状にできる。そのため、外力の変化に対して、センサー感度やオフセットの変化の小さい加速度センサーが実現できる。
【発明の効果】
【００４０】
本発明の加速度センサーによれば、温度変化に対する樹脂製の保護パッケージ、およびその保護パッケージを製品基板に実装した実装構造体に加わる外力に対して、Ｚ軸出力のオフセット変化を小さくすることができる。それにより、製品基板への実装前後でＺ軸出力のオフセット変化が小さい加速度センサーを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下、図面を参照しながら発明の一実施例における加速度センサーについて説明する。図１，図２は、本実施例の加速度センサーにおける加速度センサー素子１０の構造を示している。図１は平面図、図２は図１のｋ−ｋ′断面図である。
【００４２】
図１の加速度センサー素子１０は、例えば従来例で示した図１３及び図１４のように組み立てられる加速度センサーや、図１８に示した蓋を接合して気密封止された後、樹脂製の保護パッケージに組み立てられる加速度センサーなどに適用できる。そこで本実施例では特に加速度センサー素子１０を中心に詳細に説明する。
【００４３】
本実施例の加速度センサー素子１０は、支持枠部１１内に、錘部１２が、可撓性を有する４本の梁部１３によって支持されている。錘部１２は、４つの本体部とその４つの本体部と接続して梁部１３と接続する中間部とからなる。
【００４４】
４本の梁部１３をそれぞれ第１梁部１３ａ，第２梁部１３ｂ，第３梁部１３ｃ，第４梁部１３ｄと表記する。図１における加速度センサー素子１０では、Ｘ軸方向に伸びる第１梁部１３ａと第２梁部１３ｂがＸ軸とＺ軸方向の加速度を検知するために用いられる。
【００４５】
第１梁部１３ａと第２梁部１３ｂの支持枠部１１側と錘部１２側の付根付近には、Ｘ軸ピエゾ抵抗素子１４とＺ軸ピエゾ抵抗素子１６が、図１６で説明したように、一対の梁部１３にそれぞれ４つずつ設けられている。Ｙ方向に伸びる第３梁部１３ｃと第４梁部１３ｄは、Ｙ軸ピエゾ抵抗素子１５をそれぞれ二つずつ有している。Ｚ軸ピエゾ抵抗素子１６は、Ｘ方向とＹ方向のどちらの梁部上に配置しても良いが、本実施例ではＸ方向の第１梁部１３ａと第２梁部１３ｂ上に形成した。従って、図１に示すように、ピエゾ抵抗素子１４〜１６は各軸毎に梁部１３の付根付近に設けられている。各軸のピエゾ抵抗素子は、図１では図示していない配線で接続してブリッジ回路を構成した。
【００４６】
外力により加速度が加わることで錘部１２が図１６に示したように変位し、梁部１３が変形することでピエゾ抵抗素子の電気抵抗が変化する。各軸の４つのピエゾ抵抗素子の抵抗変化量の差により生じる電位差を、ブリッジ回路で取り出すことで加速度の値として検出できる。ブリッジ回路の構成方法は図１６に示したのと同様である。図１においては、各梁部１３は空隙部１９を有する略矩形状の応力緩衝部１７を有している。各梁部において、応力緩衝部１７は、梁部の長手方向に対する中心線１８よりも錘部１２に近く配置した。
【００４７】
加速度センサー素子１０の製造方法を、図２を参照しながら簡単に説明する。図２は図１のｋ−ｋ′断面図である。加速度センサー素子１０は、約４００μｍ厚のシリコン層に約１μｍのシリコン酸化層を挟んで約６μｍのシリコン層を有するＳＯＩウエハを使用して加工した。シリコン酸化膜層はドライエッチングのエッチングストップ層として用い、構造体は２層のシリコン層に形成した。以下、薄い方の第１シリコン層を第１層２０，厚い方の第２シリコン層を第２層２１と称し、シリコン酸化膜層と接合していない第１層の表面を第１面２２，第２層の表面を第２面２３，シリコン酸化膜層を介した接続面を第３面２４と称す。
【００４８】
半導体ピエゾ抵抗素子の形状をフォトレジストでパターニングし、第１面２２にボロンを１〜３×１０18原子／cm3打ち込み半導体ピエゾ抵抗素子を形成した。同様に、ピエゾ抵抗素子よりも高濃度でボロンを打ち込んだＰ型配線をピエゾ抵抗素子に接続するように形成した。さらに、第１面２２にシリコン酸化膜を形成しピエゾ抵抗素子を保護した。シリコン酸化膜上にアルミニウム系金属をスパッタリングして金属配線を形成し、シリコン酸化膜に形成したスルーホールを介して、Ｐ型配線と接続した。ピエゾ抵抗素子上に形成したシリコン酸化膜は、第１層２０のシリコンと金属配線間の絶縁膜としても働く。シリコン酸化膜および金属配線はフォトリソグラフィにより所望の形状に加工した。
【００４９】
次に、第１面２２にフォトレジストパターンを形成した後、ドライエッチングにより梁部１３，錘部１２，支持枠部１１の形状を加工した。さらに、第２面２３にフォトレジストパターンを形成した後、ドライエッチングにより錘部１２と支持枠部１１の形状を加工した。第１層２０と第２層２１との間に残ったシリコン酸化膜層は、ウェットエッチングで除去した。
【００５０】
以上の処理により、錘部１２と、錘部１２の周囲を囲む支持枠部１１は、第１層２０から第２層２１にかけて形成される。また、梁部１３は第１層２０に形成される。
【００５１】
従来例で示したように、ＷＬＰ技術によって加速度センサー素子１０の上下を、例えばシリコンからなる蓋部で封止して、センサー組立体１２４とした（図３参照）。そのため、上記ドライエッチング工程の前に、金属接合に用いる金属薄膜をウエハの第１面２２および第２面２３に形成しておき、蓋となるウエハ２枚には同様の金属薄膜と金属半田を設けておき、３枚のウエハを重ねて加圧，加熱して接合した後、ダイシングにより個辺化し、センサー組立体１２４を得た。
【００５２】
また、梁部１３の長手方向に対する中心線１８（図１中では一点鎖線）よりも錘部１２に近い位置に応力緩衝部１７を設けた。加速度センサー素子１０は、図１に示すように各梁部１３に応力緩衝部１７を有している。応力緩衝部１７は矩形形状をしており、中央に空隙部１９を有する。応力緩衝部１７は梁部１３と同様に第１層２０に形成し、梁部１３と同じ厚みとした。図２に示す様に、ｋ−ｋ′断面部は応力緩衝部１７を境に、梁部１３が枠側梁部２５と錘側梁部２６とに分かれた形となる。
【００５３】
図３に本実施例の加速度センサー素子１０を用いた加速度センサー実装構造体１３６の断面模式図を示す。３軸加速度センサー素子１０にＷＬＰで蓋を接合したセンサー組立体１２４に、図１８で示したようにリードフレーム１２６と制御用ＩＣ１２７とに電気的に接続した状態で、加速度センサー素子１０を内部に内包するように樹脂でパッケージ化した樹脂パッケージ部である保護パッケージに組み立てた３軸加速度センサーを、製品基板１３４に半田１３５で接合した状態を示している。
【００５４】
半田接合の際には２５０℃程度に加熱された後、常温まで冷却されるため、加速度センサー実装構造体１３６には各所に熱応力が発生する。構成部材のおよその熱膨張係数は、センサー組立体１２４および制御用ＩＣ１２７を構成するシリコンが２.５×１０-6／℃、モールド樹脂１３３が６〜９×１０-6／℃、リードフレーム１２６は銅製で１５×１０-6／℃、製品基板１３４が１５〜２０×１０-6／℃である。
【００５５】
冷却時の熱収縮の際には、センサー組立体１２４は、モールド樹脂１３３からの圧縮力を受け、また下方にあるリードフレーム１２６および製品基板１３４はさらに収縮するため、センサー組立体１２４はさらに圧縮力を受けるとともに、上凸方向に反らされる。３軸加速度センサー素子１０にこうした外力が加わることによって、ブリッジ回路を構成する４つのピエゾ抵抗素子に抵抗変化が発生し、それらが均一な変化でなければ、３軸の出力の少なくともいずれかの出力が変化してしまい、オフセット変化が発生してしまう。
【００５６】
本実施例では、梁部１３に応力緩衝部１７を設けたことにより、加速度センサー素子１０が圧縮の外力を受け、梁部１３の長さ方向に圧縮力がかかった場合においても、応力緩衝部１７の変形によって外力を吸収できた。応力緩衝部１７がないと、圧縮の外力により梁部１３が座屈変形し、錘部１２がＺ方向に大きく変位して、大きなオフセット変化が発生してしまう恐れがあるが、応力緩衝部１７により外力を吸収することで、座屈変形によるオフセット変化を抑えることができる。また、座屈変形が発生すると、単位加速度に対する錘部１２の変位量が変化する。センサー出力は錘部１２の変位量に比例するので、座屈変形によりセンサー感度が変化してしまう。応力緩衝部１７の効果により、外力によるセンサー感度の変化を抑えることができた。
【００５７】
さらに本実施例では、応力緩衝部１７を梁部１３の長手方向に対する中心線１８よりも錘部１２に近く配置したことで、製品基板への実装前後のオフセット変化を小さくできた。
【００５８】
前述のようにオフセット変化はブリッジ回路を構成する４つのピエゾ抵抗素子の抵抗変化が異なる場合に発生する。３軸加速度センサーを製品基板に実装したとき、製品基板から受ける力の影響によってピエゾ抵抗素子の応力が変化する。４つのピエゾ抵抗素子の応力変化を均一にできればオフセット変化をゼロにできるが、製品基板は適用される製品により厚さや熱膨張係数が変わるため、いつもゼロにすることは困難である。製品基板の仕様がばらついても、オフセット変化が小さくなるような構造にすることが望ましい。
【００５９】
発明者らは、熱応力シミュレーションおよび試作評価の結果から、加速度センサー素子１０にかかる圧縮外力および反り変形の影響で、支持枠部１１に近いピエゾ抵抗素子（図１６（ｂ）のＺ１，Ｚ４。以下枠側ピエゾ抵抗素子２７と表記する）と、錘部１２に近いピエゾ抵抗素子（図１６（ｂ）のＺ２，Ｚ３。以下錘側ピエゾ抵抗素子２８と表記する）の応力変化に差が生じ、Ｚ軸のオフセット変化が発生していることを見出した。さらに、圧縮外力および反り変形に対するオフセット変化の程度が、応力緩衝部１７の梁部長手方向の位置に影響されることを発見した。
【００６０】
本実施例のように、加速度センサー素子１０が圧縮力を受け、上凸に反らされている場合には、応力緩衝部１７の位置を錘部１２の方向にシフトすることで、圧縮外力および反り変形の変化に対するオフセット変化の感度を低減することができた。
【００６１】
前述のように樹脂製の保護パッケージに組み立てた時点で加速度センサー素子１０は圧縮外力と上凸反り変形を受けており、製品基板への実装により、圧縮外力と上凸反り変形の量が変化していると考えられるので、応力緩衝部１７を錘部１２の方向にシフトすることで、基板実装前後のオフセット変化を小さくできた。
【００６２】
図４に梁部１３の詳細寸法を示す。梁部１３は、応力緩衝部１７と、支持枠部１１と応力緩衝部１７をつなぐ枠側梁部２５と、錘部１２と応力緩衝部１７をつなぐ錘側梁部２６からなる。応力緩衝部１７は、梁部１３の長手方向への曲げ変形およびねじり変形しやすい形状であるほど、梁部１３の長手方向に加わる外力の吸収効果が大きい。
【００６３】
そのため、空隙部１９の幅Ｌ３は、梁部１３の幅Ｌ２より大きくし、応力緩衝部１７の枠辺のうち、梁部１３の幅方向に伸びた部分（幅方向枠辺２９と表記する）がなるべく長くなるようにした。ピエゾ抵抗素子は枠側梁部２５および錘側梁部２６上で、支持枠部１１および錘部１２に近い位置に形成される。支持枠部１１および錘部１２に近い位置にするほど、錘部１２の変位に対するピエゾ抵抗素子の応力変化が大きくなり、センサー感度が高くなるためである。
【００６４】
枠側梁部２５および錘側梁部２６は、支持枠部１１および錘部１２に近い部分の幅Ｌ１と、応力緩衝部１７に近い部分の幅Ｌ２が異なる形状とした。Ｘ方向に伸びる梁部ではＸ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るので、それらを配置するのに十分な幅を有するようにＬ１が決められる。
【００６５】
一方、応力緩衝部１７に近い部分は、ピエゾ抵抗素子が形成されないので幅を狭くできる。Ｌ２を短くするほど、幅方向枠辺２９を長くして外力を吸収しやすくできるので、Ｌ２はＬ１よりも短くして、間をテーパー形状でつないだ形状とした。
【００６６】
また、幅方向枠辺２９の幅Ｌ５を細くするほど、外力吸収効果が大きくなる。梁部１３の形状は、梁部の幅方向に対する中心線ｎ−ｎ′に対して線対称に形成した。梁部の長さ方向に対する中心線ｍ−ｍ′（中心線１８）に対しては、応力緩衝部１７の中心線ｐ−ｐ′が錘部１２の方向にシフトした形状とした。つまり、枠側梁部２５の長さＬ７を錘側梁部２６の長さＬ８より長くした。
【００６７】
本実施例では各部の寸法は次の様にした。付根付近の梁幅Ｌ１は２８μｍ、応力緩衝部１７付近の梁幅Ｌ２は１８μｍ、空隙部１９の幅Ｌ３は７２μｍ、応力緩衝部１７の梁幅方向長さＬ４は１００μｍ、幅方向枠辺２９の幅Ｌ５は１１μｍ、応力緩衝部１７の梁長手方向の長さＬ６は５２μｍ、枠側梁部２５の長さＬ７は１１６.５μｍ、錘側梁部２６の長さＬ８は１４６.５μｍ、梁部１３の長さＬ９は３１５μｍ、応力緩衝部１７の錘部１２の方向へのシフト量Ｌ１０は１５μｍとした。また、変形時の応力集中を防ぐため、梁部の付根および枠型の応力緩衝部の各コーナー部には適度なＲ形状を形成した。
【００６８】
図５にピエゾ抵抗素子，Ｐ型配線，金属配線の配置を模式的に示す。図中において、応力緩衝部１７のシフト，コーナー部のＲ形状などは省略した。
【００６９】
Ｘ軸ピエゾ抵抗素子１４およびＺ軸ピエゾ抵抗素子１６を配置した第１梁部１３ａまたは第２梁部１３ｂを示している。梁部１３の梁幅方向に対する中心線ｎ−ｎ′に対して対称とするために、Ｘ軸ピエゾ抵抗素子１４は中心線ｎ−ｎ′に対称に２箇所に形成し、Ｐ型配線３０で接続した。Ｚ軸ピエゾ抵抗素子１６はＸ軸ピエゾ抵抗素子１４の外側に同様に２箇所に形成し、Ｐ型配線３０で接続した。Ｘ軸ピエゾ抵抗素子１４およびＺ軸ピエゾ抵抗素子１６の残りの端部は、Ｐ型配線３０に接続して、梁部１３の外側まで引き出した。
【００７０】
錘部１２側から支持枠部１１側への配線引き出しのために、梁部１３上には３本の金属配線３１を形成した。金属配線３１の残留応力の影響を考慮し、金属配線３１のパターンも中心線ｎ−ｎ′に対して対称とすることが望ましい。本実施例のように金属配線が奇数本の場合には、応力緩衝部１７において１本の配線を分岐することで対称にできる。図５では、中央の金属配線を、応力緩衝部１７で両側に分岐するようにした。
【００７１】
応力緩衝部１７の働きに付いて、以下図を用いて詳細に説明する。図６（ａ）は、梁部１３の長手方向に圧縮力が加わったときの応力緩衝部１７の変形状態を模式的に示した斜視図である。同様に平面の模式図を図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）のように、応力緩衝部１７の幅方向枠辺２９が曲げ変形することで梁部１３の長手方向にかかる圧縮力を吸収できる。また、図６（ａ）のように、応力緩衝部１７がねじり変形することで、枠側梁部２５および錘側梁部２６が厚さ方向に曲げ変形しやすくして、上記圧縮力を吸収する効果もある。
【００７２】
図７（ａ）と図７（ｂ）に梁部の断面方向の模式図を示す。図７（ａ）は枠型の応力緩衝部を有する本実施例の梁部の断面方向の模式図である。図７（ｂ）は錘部１２から支持枠部１１まで直線的につながった従来の梁部３２の断面方向の模式図である。本実施例の梁部１３は図７（ａ）に示すように、枠型の応力緩衝部１７がねじり変形することにより、枠側梁部２５，錘側梁部２６を厚み方向に曲げ変形し易くして、圧縮力を逃がし易くする効果がある。
【００７３】
本実施例の加速度センサー素子１０では、梁部１３の表面にシリコン酸化膜などの絶縁膜や金属配線が形成されており、これらは梁部１３の材料であるシリコンと熱膨張係数が異なるため、絶縁膜や金属配線の成膜温度から常温に冷却されるまでの温度変化に応じて熱応力を発生する。
【００７４】
本実施例では、金属配線よりも絶縁膜の応力が支配的であり、シリコン酸化膜はシリコンよりも熱膨張係数が小さいため、梁部１３は絶縁膜のある表面側（第１面２２側）が凸になる方向に反りやすい。応力緩衝部がなく直線的な従来の梁部３２の場合には、曲率が連続しなければいけないので、梁部３２の中央部が自然な反り方向とは反対向きに反り、図７（ｂ）のような下向きの凸の形状になる。この形状は不安定であり、錘部が上下に変位した形状など、別の形状へ移行しやすい。こうした状態で梁部の長手方向にかかる外力が変化すると、センサー感度の変化が大きくなってしまう。本実施例の加速度センサー素子１０では、応力緩衝部１７のねじり変形の効果により、図７（ａ）に示したように、応力緩衝部１７が変曲点になり枠側梁部２５，錘側梁部２６の大部分が自然な反り方向に変形した安定な形状になるため、他の変形形状に移行し難くなり、センサー感度の変化を小さくできる。
【００７５】
さらに、本実施例の加速度センサー素子１０では、応力緩衝部１７を、梁部１３の長手方向に対する中心線１８よりも錘部１２に近く配置することで、加速度センサー素子１０にかかる圧縮力および上凸反りの変化に対するオフセット変化を小さくできた。そのメカニズムの詳細を図８を用いて説明する。
【００７６】
図８は加速度センサー素子１０が圧縮力および上凸反りを受けたときの変形形状を示す断面模式図である。上凸反りを受けた状態で圧縮力が加わると、錘部１２が上方向に移動していき、各ピエゾ抵抗素子の応力変化は、枠側ピエゾ抵抗素子２７よりも錘側ピエゾ抵抗素子２８の方が、引張方向の応力変化が大きくなる。一方、梁部１３が圧縮を受けるほど、枠側梁部２５と錘側梁部２６は変曲点である応力緩衝部１７との接続端部において下向きの力を受ける。
【００７７】
ここで、応力緩衝部１７が錘部１２の方向にシフトしていると、錘側梁部２６よりも枠側梁部２５の方が長いため、前記下向きの力のモーメントの作用が、枠側ピエゾ抵抗素子２７の方が大きくなり、引張方向の応力変化が大きくなる。このように、応力緩衝部１７をシフトした効果は、錘部１２の変位によるピエゾ抵抗素子応力変化の差異をキャンセルする方向に働き、トータルでピエゾ抵抗素子の応力変化が均一になる方向に働いて、オフセット変化を小さくできる。
【００７８】
枠型の応力緩衝部１７の形状は本実施例で示した形状に限定されるものではない。例えば、枠型形状を複数並べて形成してもよい。応力緩衝部１７の効果を高めるために、枠型形状を３つ連続して形成した梁部形状の例を図９の平面図に示す。
【００７９】
図９に示した応力緩衝部１７と同じ寸法の形状を直列に３つ配置した。ただし、枠側梁部２５および錘側梁部２６のテーパー部を形成する領域が取りにくいので、枠側梁部２５および錘側梁部２６の幅は、付根付近の幅Ｌ１で一定とし、その幅で応力緩衝部１７に接続するようにした。枠型形状が３つあることで、１つの場合よりも外力の吸収効果が高くなり、外力変化に対する感度の変化、およびオフセット変化をさらに小さくすることができた。
【００８０】
応力緩衝部１７の他の実施形態について以下説明する。前述の応力緩衝部１７と異なるのは、応力緩衝部１７が九十九折形状である点である。この九十九折形状の応力緩衝部１７を備えた梁部１３の構造を示す平面図を図１０に示す。
【００８１】
九十九折形状の応力緩衝部１７は、応力緩衝部１７の中心点に対して点対称の形状をしている。応力緩衝部１７は、前述したように梁部の長手方向への曲げ変形およびねじり変形しやすい形状であるほど、外力の吸収効果が大きい。梁幅方向の九十九折内辺間の距離Ｌ１１は、梁部の応力緩衝部付近での幅Ｌ２より大きくした。九十九折部の角部には適度なＲ形状を設けた。
【００８２】
前述の実施形態と同様に、九十九折部が梁部１３の長手方向の曲げ変形、およびねじり変形することで、梁部１３の長手方向にかかる外力を吸収でき、圧縮や反りに対して感度およびオフセットの変化を小さくできた。枠型の応力緩衝部１７では、梁幅方向に両側に張り出した枠型形状が一体となって変形するのに対して、九十九折型の応力緩衝部１７は、片側の折り返し部がそれぞれ単独に変形することができ、外力の吸収効果を大きくできる。その一方で、梁幅方向への曲げに対して剛性が小さいため、梁部が梁幅方向に曲げ変形しやすくなる。そうした曲げ変形が発生すると、梁部の長手方向の中心線ｍ−ｍ′に対する対称性を失うため望ましくないが、両側に折り返し部を設けることで一方向に偏って梁幅方向の曲げ変形が発生することを防ぐことができる。なお、枠型の応力緩衝部１７では、梁幅方向への曲げに対する剛性は従来の直梁に比べても高くなるので、上記梁幅方向の曲げ変形の影響を小さくできる。また、枠型の応力緩衝部１７では、中心線ｍ−ｍ′に対して対称な形状であり、変形の偏りからくる出力変化を迎えられる。
【００８３】
図１１にピエゾ抵抗素子，Ｐ型配線，金属配線の配置を模式的に示す。図１１において、応力緩衝部のシフト、コーナー部のＲ形状などは省略した。Ｘ軸ピエゾ抵抗素子およびＺ軸ピエゾ抵抗素子を配置した第１梁部１３ａまたは第２梁部１３ｂを示している。ピエゾ抵抗素子を配置した梁部１３の付根付近は第一実施例と同様であるが、応力緩衝部１７における金属配線３１のパターンが異なる。枠型の応力緩衝部では梁幅方向の両側に分岐するのに対して、九十九折形状では分岐しないので、３本の配線を応力緩衝部１７の形状に沿って形成した。
【００８４】
本実施例の九十九折形状の応力緩衝部１７も、枠型形状を複数並べて形成してもよい。応力緩衝部１７の効果を高めるために、九十九折形状を２つ連続して形成した梁部形状の例を図１２の平面図に示す。図１１に示した応力緩衝部と同じ寸法の形状を直列に２つ配置した。九十九折形状が２つあることで、１つの場合よりも外力の吸収効果が高くなり、外力変化に対する感度の変化、およびオフセット変化をさらに小さくすることができた。
【００８５】
本発明の加速度センサー素子は、従来例の図１７，図１８に示したような方法で樹脂モールドパッケージに組み立てた加速度センサーとすることができる。図９に示した３つの枠型形状を並べた形状の応力緩衝部を有する梁部を持つ加速度センサー素子を、図１８に示す構造の、サイズ２.５×２.５mm，厚さ１.０mmの樹脂製の保護パッケージに組み立て、特性を評価した。応力緩衝部の位置が梁部長手方向の中心にあるサンプル１と、図９に示したように錘部の方向に１５μｍシフトしたサンプル２を製作し、厚さ０.６mmの製品基板に搭載して、搭載前後のＺ軸オフセット変化を比較した。その結果、温度２５℃でのＺ軸オフセット変化は、サンプル２がサンプル１の約１／３にまで低減できた。
【００８６】
以上により、本発明の実施例における加速度センサーは、例えば、従来例で示した樹脂製の保護パッケージに本発明を適用した加速度センサー素子を使用して加速度センサーを組み立てた場合においても、製品基板への実装前後でセンサー出力のオフセット変化が小さい加速度センサーを実現できる。
【００８７】
すなわち、梁部において、枠側梁部を錘側梁部より長くする、すなわち応力緩衝部を錘側に近く配置することにより、温度変化に対する保護パッケージ、および保護パッケージを製品基板に実装した実装構造体の特徴的な変形に対して、Ｚ軸出力のオフセット変化を小さくすることができる。
【００８８】
本発明の対象となる加速度センサーは、製品基板への半田実装時、半田溶融温度まで加熱した後に常温まで冷却されるので、その間に熱応力を受ける。センサー組立体，モールド樹脂，リードフレームの熱膨張係数の違いから、冷却時に３軸加速度センサー素子は周囲からの力を受けて、圧縮および上凸反り方向に変形する。
【００８９】
さらに製品基板に実装すると、製品基板の熱収縮による力も加わり、上記圧縮および上凸反りの量が変化する。
【００９０】
本実施例の加速度センサーによれば、応力緩衝部を錘側に近く配置したことにより、圧縮および上凸反りの外力変化に対して、梁部の支持枠に近いピエゾ抵抗素子と、錘部に近いピエゾ抵抗素子の応力変化が均一になるようにできるので、上記外力変化に対してＺ軸オフセット変化が小さい加速度センサーを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明の一実施例における加速度センサー素子の構造を示す平面図である。
【図２】図１のｋ−ｋ′断面を示す断面図である。
【図３】保護パッケージに組み立てた加速度センサーの課題を説明する断面図である。
【図４】枠型の応力緩衝部を有する梁部の詳細形状を示す平面図である。
【図５】梁部のピエゾ抵抗素子と配線の配置を示す平面図である。
【図６】応力緩衝部の変形状態を示す斜視図および平面図である。
【図７】梁部の曲げ変形状態を従来の梁部と比較して示す側面図である。
【図８】３軸加速度センサー素子の変形状態を示す側面図である。
【図９】応力緩衝部の他の実施形状を示す平面図である。
【図１０】九十九折型の応力緩衝部を有する梁部の詳細形状を示す平面図である。
【図１１】九十九折型応力緩衝部を有する梁部のピエゾ抵抗素子と配線の配置を示す平面図である。
【図１２】応力緩衝部の他の実施形状を示す平面図である。
【図１３】従来の３軸加速度センサーを説明する分解斜視図である。
【図１４】従来の３軸加速度センサーを説明する断面図である。
【図１５】従来の３軸加速度センサー素子構造の一例を示す平面図である。
【図１６】従来の３軸加速度センサー素子の検出原理を説明する図である。
【図１７】蓋で封止した従来の３軸加速度センサー素子を示す図である。
【図１８】保護パッケージに組み立てた従来の３軸加速度センサーの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００９２】
１０ 加速度センサー素子
１１ 支持枠部
１２ 錘部
１３ 梁部
１３ａ 第１梁部
１３ｂ 第２梁部
１３ｃ 第３梁部
１３ｄ 第４梁部
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 応力緩衝部
１８ 中心線
１９ 空隙部
２０ 第１層
２１ 第２層
２２ 第１面
２３ 第２面
２４ 第３面
２５ 枠側梁部
２６ 錘側梁部
２７ 枠側ピエゾ抵抗素子
２８ 錘側ピエゾ抵抗素子
２９ 幅方向枠辺
３０ Ｐ型配線
３１ 金属配線
３２ 従来の梁部
１２０ センサー素子
１２１ 上蓋
１２２ 下蓋
１２３ 接合金属領域
１２４ センサー組立体
１２５ 加速度センサー
１２６ リードフレーム
１２７ ＩＣ
１２８，１２９ 接着材
１３０ センサー端子
１３１ ＩＣ端子
１３２ ワイヤー
１３３ モールド樹脂
１３４ 製品基板
１３５ 半田
１３６ 加速度センサー実装構造体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持枠部と支持枠部に可撓性を有する梁部を介して保持される錘部，梁部上に設けられたピエゾ抵抗素子とそれらをつなぐ配線を有し、ピエゾ抵抗素子の抵抗変化から少なくとも梁部の厚さ方向の加速度を検出する加速度センサー素子を保護パッケージ内に保持した加速度センサーにおいて、
加速度センサー素子の梁部は、梁部の長手方向にかかる外力を吸収できる応力緩衝部と、支持枠部と応力緩衝部をつなぐ枠側梁部，錘部と応力緩衝部をつなぐ錘側梁部からなり、ピエゾ抵抗素子は枠側梁部および錘側梁部上に設けられ、枠側梁部が錘側梁部よりも長いことを特徴とする加速度センサー。
【請求項２】
請求項１記載の加速度センサーにおいて、応力緩衝部が枠型形状、あるいは枠型形状を梁部の長手方向に複数配列した形状であることを特徴とする加速度センサー。
【請求項３】
請求項２記載の加速度センサーにおいて、枠型の応力緩衝部の中央に形成される空隙の梁幅方向の長さが、枠側梁部および錘側梁部の応力緩衝部との接続部付近における幅よりも大きいことを特徴とする加速度センサー。
【請求項４】
請求項１記載の加速度センサーにおいて、前記応力緩衝部が九十九折型であることを特徴とする加速度センサー。
【請求項５】
請求項１記載の加速度センサーにおいて、前記枠側梁部と錘側梁部は、前記梁部の厚さ方向に反りを有し、その反り方向は等しく、前記応力緩衝部が変曲点となっていることを特徴とする加速度センサー。
【請求項１】
支持枠部と支持枠部に可撓性を有する梁部を介して保持される錘部，梁部上に設けられたピエゾ抵抗素子とそれらをつなぐ配線を有し、ピエゾ抵抗素子の抵抗変化から少なくとも梁部の厚さ方向の加速度を検出する加速度センサー素子を保護パッケージ内に保持した加速度センサーにおいて、
加速度センサー素子の梁部は、梁部の長手方向にかかる外力を吸収できる応力緩衝部と、支持枠部と応力緩衝部をつなぐ枠側梁部，錘部と応力緩衝部をつなぐ錘側梁部からなり、ピエゾ抵抗素子は枠側梁部および錘側梁部上に設けられ、枠側梁部が錘側梁部よりも長いことを特徴とする加速度センサー。
【請求項２】
請求項１記載の加速度センサーにおいて、応力緩衝部が枠型形状、あるいは枠型形状を梁部の長手方向に複数配列した形状であることを特徴とする加速度センサー。
【請求項３】
請求項２記載の加速度センサーにおいて、枠型の応力緩衝部の中央に形成される空隙の梁幅方向の長さが、枠側梁部および錘側梁部の応力緩衝部との接続部付近における幅よりも大きいことを特徴とする加速度センサー。
【請求項４】
請求項１記載の加速度センサーにおいて、前記応力緩衝部が九十九折型であることを特徴とする加速度センサー。
【請求項５】
請求項１記載の加速度センサーにおいて、前記枠側梁部と錘側梁部は、前記梁部の厚さ方向に反りを有し、その反り方向は等しく、前記応力緩衝部が変曲点となっていることを特徴とする加速度センサー。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１０−８５１４２（Ｐ２０１０−８５１４２Ａ）
【公開日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２５２１５２（Ｐ２００８−２５２１５２）
【出願日】平成２０年９月３０日（２００８．９．３０）
【出願人】（５０６３３４１７１）トレックス・セミコンダクター株式会社 (19)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月３０日（２００８．９．３０）
【出願人】（５０６３３４１７１）トレックス・セミコンダクター株式会社 (19)
【Ｆターム（参考）】
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