专利名称：加速度传感器元件及具有该元件的加速度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于汽车、航空器、便携式终端设备、玩具等的加速度检测用的半导体 加速度传感器。
背景技术：
加速度传感器多用于汽车的安全气囊动作用传感器，作为加速度检测出汽车碰撞 的冲击。在汽车中，具有测定X轴、Y轴的加速度用的单轴或双轴检测功能就足够了。另外， 所测定的加速度非常大。最近，加速度传感器越来越多地用于便携式终端设备和机器人等， 为了检测出空间的运动，需要测定x、Y、z轴的加速度的三轴加速度传感器。另外，为了检测 出微小的加速度，需要高分辨率、小型化的加速度传感器。大多数加速度传感器，采用将重锤部及挠性部的运动变换成电信号的结构。其中， 有根据设置在与重锤部连接的挠性部上的压电电阻元件的电阻变化而检测出重锤部的运 动的压电电阻元件型的加速度传感器，和根据与固定电极之间静电容量的变化检测出重锤 部的运动的静电容量型加速度传感器等。下面，对于专利文献1及专利文献2所述的现有技术的三轴加速度传感器进行说 明。在图11、图12中，三轴加速度传感器101，将加速度传感器元件103和进行传感器元件 信号的放大及温度补偿等控制用的IC104叠层固定到陶瓷制的壳体102内，将盖105和壳 体102接合，密封到壳体102内。如图12所示，三轴加速度传感器元件103利用树脂粘结 材料106固定到壳体102上，利用树脂粘结材料107将IC104固定到三轴加速度传感器103 上。三轴加速度传感器元件103具有传感器端子108，IC104具有IC端子109，壳体102 具有壳体端子110。传感器端子108与IC端子109之间，以及IC端子109与壳体端子110 之间，用导线111连接，传感器信号从与设置在壳体102上的壳体端子110连接的输出端子 112输出到外部。盖105例如利用AuSn软钎料等粘结材料102a固定到壳体102上。在图13所示的俯视图中，三轴加速度传感器元件103包括方形的支承框部113和 重锤部114、夹持重锤部114的成对的梁部15，重锤部114被2对梁部115保持在支承框部 113的中央。在梁部115上，设置压电电阻元件。在一对梁部115上，设置X轴压电电阻元件116和Z轴压电电阻元件118，在另外 一对梁部115上，设置Y轴压电电阻元件117。在一对梁部115的各个根部的四个部位处配 置压电电阻元件，利用配线将它们连接起来，构成电桥电路，消除压电电阻元件的均勻的电 阻变化，另外，改变电桥电路的连接方法，分离并检测出X轴及Y轴和Z轴的加速度。另外， 在支承框部113上，配置传感器端子108。下面，利用图14A 14D，对于电桥电路的加速度检测原理进行说明。图14A、图 14B分别是在XZ截面上表示沿X方向和Z方向上受到加速度时的重锤部114的运动。例 如，如图14A所示，当在X方向上给予加速度时，重锤部114以上端中央附近为中心旋转，梁 部115变形。伴随着梁部115的变形，施加到设于梁部115的上表面的四个X轴压电电阻
3元件Xl X4上的应力变化，电阻也变化。在这种情况下，向X1、X3上施加拉伸应力，向X2、 X4上施加压缩应力，图14C所示的X轴检测用电桥电路的中点电位中产生差异，获得对应于 加速度大小的输出。另一方面，如图14B所示，在受到Z方向的加速度的情况下，在压电电 阻元件Z2、Z3上施加拉伸应力，向Z1、Z4上施加压缩应力，借助图14D所示的Z轴检测用电 桥电路获得输出。X轴压电电阻元件Xl X4和Z轴压电电阻元件Zl Z4，形成在相同的梁部115 上，但是，由于电桥电路的结构不同，所以，例如，对于X方向的加速度而言，即使如图14A所 示，梁部115变形，在图14D的Z轴检测用电桥电路中，电阻的变化被消除，输出不会发生变 化。从而，可以将X轴加速度和Z轴加速度分离并检测。Y轴加速度的检测和X轴同样，利 用形成在与X轴正交的另外一对梁部115上的压电电阻元件进行。另一方面，如专利文献3所述，已知有采用在半导体安装技术中经常使用的树脂 制的保护封装技术，实现小型并且廉价的加速度传感器的方法。在这种方法中，为了利用模 塑树脂保护具有可动部的三轴加速度传感器元件103，采用将盖接合到三轴加速度传感器 元件的上下并进行密封的技术。图15A是表示利用这种方法将盖接合到上下的三轴加速度传感器元件的组装结 构的剖视图，图15B是表示三轴加速度传感器元件120的俯视图。将上盖121及下盖122 接合到三轴加速度传感器元件120的上下、将三轴加速度传感器元件120的可动部密封到 密闭空间内。三轴加速度传感器元件120与上盖121及下盖122的接合，有金属接合及阳 极接合等各种方法，但是，这里作为一个例子，列举了金属接合。在三轴加速度传感器元件120的表面和背面两面上形成图15B所示的接合金属区 域123。在上盖121及下盖122上也形成接合金属区域，将它们重叠、加压、加热进行接合。 该接合工艺，在由硅片将三轴加速度传感器元件120单片化之前，将形成多个三轴加速度 传感器元件120的硅片和以相同的间距形成多个上盖122的上盖硅片、形成多个下盖123 的下盖硅片接合。将这一过程称之为晶片级封装(WaferLevel Package 后面称之为WLP)。 在通过WLP形成密闭空间之后，通过切割，单片化成单独的芯片。以后，将通过WLP密封之 后单片化的芯片称之为带盖的加速度传感器元件124。其次，利用图16的剖视图，对于利用树脂组装成封装的三轴加速度传感器125进 行说明。分别利用粘结材料128、129将控制用的IC127固定到引线框126上，将带盖的加 速度传感器元件124固定到IC127上。利用导线132将带盖的加速度传感器元件124的传 感器端子130和IC127的IC端子131连接起来，同样地，利用导线将该端子131和引线框 126的端子之间连接起来。采用传递模塑法，用模塑树脂133模塑由带盖的加速度传感器元 件124和IC127、引线框126组装成的结构体。在金属模具内使树脂硬化之后，从金属模具 中取出，获得三轴加速度传感器125。也可以采用将多个三轴加速度传感器汇总处理、一直 到树脂模塑之前，在从金属模具脱模之后，进行切割，分离成单独的三轴加速度传感器的方 法。在利用上述WLP和树脂模塑封装的加速度传感器中，在硅片的阶段，由于可以保 护三轴加速度传感器元件120的可动部，所以，在以后的工序中，容易进行处理，没有必要 进行严格的异物管理。另外，为了保护三轴加速度传感器元件120的可动部，可以借助传递 模塑法将周围密封。这样，无需采用高价的陶瓷封装，可以利用现有的IC芯片中常用的树脂模塑封装技术，进行封装的组装，可以实现小型廉价的三轴加速度传感器。但是，在图16所示的三轴加速度传感器125中，与图12所示的三轴加速度传感器 101相比，存在着以下的课题。由于用于三轴加速度传感器125的模塑树脂及引线框，与作为带盖的加速度传感 器元件的材料的硅的热膨胀系数不同，所以，由于温度的变化，产生热应力，在带盖的加速 度传感器元件上施加外力，会使压电电阻发生变化。另外，当通过软钎焊将三轴加速度传感 器125接合、搭载到安装传感器的对象制品的制品基板上时，制品基板的热膨胀的影响经 由软钎焊接合部向三轴加速度传感器125及带盖的加速度传感器元件上传递。在图12所示的陶瓷封装的三轴加速度传感器101中，由于三轴加速度传感器元件 103被保持在封装内部的空间内，所以，通过使树脂107成为柔软的材料，来自于制品基板 的力，难以向三轴加速度传感器元件103上传递。另一方面，在图16所示的利用树脂封装的三轴加速度传感器125中，由于带盖加 速度传感器元件124的周围被模塑树脂133覆盖，所以，来自于基板的力容易传递到三轴加 速度传感器元件120上。当从外部向三轴加速度传感器元件120上施加力时，如果在各个 轴的四个压电电阻元件上导致不均勻的应力变化，则输出的零电平变动，传感器的输出会 发生变化(下面，将这种零电平的变动称之为偏移)。相对于加速度传感器的温度变化的偏移的变化，在向制品基板上搭载之前，可以 利用检测用IC进行修正。但是，在制品安装时，当受到来自于制品基板的力的影响时，在搭 载到各种对象制品的制品基板上的情况下，会导致相对于温度的变化而特性改变的结果。在来自于配线基板及保护封装的外力施加到带盖的加速度传感器元件124上的 情况下，如果带盖的加速度传感器元件124配置在封装的中心附近的话，则由外力引起的 变形基本上是左右对称的，X轴及Y轴的输出不变化。但是，当在框部附近的压电电阻元件(下面称之为框侧压电电阻元件)与重锤部 附近的压电电阻元件(下面称之为重锤部侧压电电阻元件)之间产生差异时，Z轴的输出 会发生变化。对于相对于外力的影响输出不容易变化的加速度传感器，在专利文献4中有记 载。在框架体上形成应力分离槽，使外框架和内框架分离，利用具有挠性的应力缓和梁将两 者连接。将外框架连接到支承基板上，通过部分的接合部将内框架接合到支承基板上。将 包围支承基板、外框架、内框架及重锤部的盖体接合到外框架上。由于将内框架与支承基板 的接合面积抑制得比较�。⑶依糜α汉土河胪饪蚣芰樱裕词乖谕饪蚣芗爸С� 板上发生热应力，也不容易使内框架变形，不容易产生输出的波动。现有技术文献专利文献专利文献1日本特开2003-172745号公报专利文献2日本特开2006-098321号公报专利文献3日本特开平10-170380号公报专利文献4日本特开2005-337874号公报一般地，由于为了实现灵敏度高的加速度传感器，相对于重锤部的重量，将梁部的 刚性设计得低，所以，对于冲击等，梁部容易破坏。在利用前述WLP密封的带盖的加速度传感器元件中，上盖及下盖起着限制重锤部的过度位移的止动件的作用。为了获得高的耐冲 击性，当将重锤部及上盖及下盖之间的间隙缩小得非常小时，由于在重锤部加速之前碰撞 盖，所以能够缩小碰撞时产生的应力。另外，间隙越�。娇梢栽龃罂掌枘嶙饔�。空气阻 尼作用的增加，也具有降低由于传感器的共振引起的噪音的效果。在专利文献4的加速度传感器中，由于内框架在一个点接合到支承基板上，所以， 当支承基板弯曲变形时，内框架以接合部为基点位移，存在着容易与支承基板或者盖体接 触的问题。近年来，顾客强烈要求将加速度传感器的整体厚度减薄，因此，由于当将支承基 板减薄时容易弯曲变形，所以，上述课题的影响变大。本发明的目的是实现一种相对于外力 输出不容易发生变化、高灵敏度和耐冲击性可兼顾的加速度传感器。
发明内容
本发明是一种带盖的加速度传感器元件，包括重锤部，包围重锤部的支承框部， 将重锤部连接并保持到支承框部上的具有挠性的多个梁部13，设置在梁部13上的压电电 阻元件以及连接它们的配线，将和支承框部一起包围重锤部的周围的上盖及下盖接合到支 承框部的表面和背面上，根据压电电阻元件的电阻的变化，检测出上盖、支承框、下盖叠层 的厚度方向的第一轴方向的加速度以及在与之垂直的平面内的第二轴及在前述平面内垂 直于第二轴的第三轴中的至少一个轴向方向的加速度，其特征在于，前述支承框部被分离槽分离成内框和包围内框周围的外框，前述上盖及下盖被接 合到前述外框上，前述内框被具有挠性的多个内框支承部连接保持到前述外框上，前述梁 部，沿着前述第二轴和第三轴的至少其中的一个，连接到重锤部的两侧，内框支承部，从前 述第二轴和第三轴至少其中的一个，沿着外框的变形的影响难以传递给梁部的方向旋转规 定的角度，连接到内框的两侧。借助上述结构，由于内框与外框及上盖、下盖分离，并被具有挠性的内框支承部支 承，所以，即使由组装成树脂封装时的热应力以及安装到制品基板上时的热应力等向外框 及上盖、下盖施加外力而变形，该变形也难以传递给内框，难以引起输出变化。外框的变形， 通过内框支承部稍微传递给内框，但是，由于内框支承部沿着难以对梁部传递影响的方向 配置，所以，内框支承部附近的内框的变形，不容易对梁部上的压电电阻元件的应力引起变 化。另外，在内框被从周围四方支承的情况下，由于对称性好，所以，在外框变形时，抑 制内框的上盖及下盖的相对位移，可以缩小重锤部和上盖及下盖的间隙。因此，在向加速度 传感器上施加冲击时，具有缩短重锤部碰撞上盖或下盖之前的距离而难以加速的效果以及 能够加大空气阻尼的效果，由此，可以缩小在梁上产生的应力，可以提高耐冲击性。另外，由 于能够加大空气阻尼，可以抑制高频振动，抑制重锤部的共振振动，具有能够减小噪音的效^ ο前述梁部，沿着第二轴连接到重锤部的两侧，作为检测第一轴和第二轴的两个轴 向方向的带盖的加速度传感器元件，可以制成内框支承部在从第二轴旋转大致45度的方 向上连接到内框15的两侧的结构。在只在第二轴方向上具有梁部的双轴检测的加速度传 感器元件中，也获得同样的效果。前述梁部，沿着第二轴连接到重锤部的两侧，作为检测第一轴和第二轴的两个轴
6向方向的带盖加速度传感器元件，也可以具有内框支承部沿着与第二轴垂直的第三轴连接 到内框的两侧的结构。在只在第二轴方向上具有梁部的双轴检测的加速度传感器元件中， 通过沿着第三轴配置内框支承部，变成最远的配置，难以通过梁部传递外框变形的影响。另外，优选地，梁部及内框支承部具有相同的厚度，比重锤部及支承框部薄。为了 提高加速度传感器的灵敏度，优选地，增加重锤部的重量，降低梁部的刚性。通过由薄的硅 层和厚的硅层构成，只在薄的硅层上形成梁部，在薄的硅层和厚的硅层的范围内形成重锤 部，容易实现这种结构。由于支承框部需要足够的刚性，所以，和重锤部一样，内框支承部需 要挠性，所以，也可以和梁部同样地形成。另外，优选地，内框支承部的弯曲刚度比梁部的弯曲刚度高。在比较由梁部的刚性 和重锤部的重量决定的重锤部的共振频率与由内框支承部的刚性和内框以及重锤部的总 计重量决定的内框共振频率时，希望内框共振频率与重锤部的共振频率相比足够高。不然 的话，相对于比较快的加速度的变化，内框和重锤部一起位移，妨碍梁部的变形，存在不能 获得正确的灵敏度的危险。至少，可以以内框的共振频率变得比重锤部的共振频率高的方 式，决定内框支承部的形状。另外，将上述带盖的加速度传感器元件和控制用IC芯片一起粘结到引线框上，利 用金属导线连接引线框、IC芯片的电极和带盖的加速度传感器元件的电极之间，构成利用 模塑树脂密封的加速度传感器。在从加速度传感器的下表面露出的引线框的表面上形成软 钎料，构成能够很容易地利用软钎料的回流安装于制品基板的加速度传感器。发明的效果根据本发明的加速度传感器，通过在距离梁部与内框的连接部尽可能远的位置上 配置内框支承部与内框的连接部，可以抑制在将加速度传感器组装成树脂封装时的热应力 以及安装到制品基板上时的热应力等外力的影响引起的输出的变化。另外，由于可以抑制 重锤部与盖之间的间隙由于上述应力而变窄，并且能够缩小间隙，所以，可以提高耐冲击强度。
图1是表示本发明的一个实施例中的加速度传感器元件的结构的俯视图。图2是表示带盖的加速度传感器元件的结构的沿着图1的k_k线的剖视图。图3是表示带盖的加速度传感器元件的结构的沿着图1的m-m线的剖视图。图4是表示将组装成树脂封装的加速度传感器元件安装到制品基板上的状态的 示意图。图5是表示具有环形梁部的加速度传感器元件的俯视图。图6是表示具有环形内框支承部的加速度传感器元件的俯视图。图7是表示相对于支承框部将梁部及内框支承部大致旋转45度的加速度传感器 元件的俯视图。图8是表示只在一个方向上配置内框支承部的加速度传感器元件的俯视图。图9是表示只在一个方向上配置梁部的加速度传感器元件的俯视图。图10是表示在相互垂直的方向上配置梁部和内框支承部的加速度传感器的元件 的俯视图。
图11是说明现有技术的三轴加速度传感器的分解立体图。图12是说明现有技术的三轴加速度传感器的剖视图。图13是表示现有技术的三轴加速度传感器元件的结构的一个例子的俯视图。图14A是现有技术的三轴加速度传感器元件的检测原理的说明图。图14B是现有技术的三轴加速度传感器元件的检测原理的说明图。图14C是现有技术的三轴加速度传感器元件的检测原理的说明图。图14D是现有技术的三轴加速度传感器元件的检测原理的说明图。图15A是表示利用盖密封的现有技术的的三轴加速度传感器元件的剖视图。图15B是表示利用盖密封的现有技术的的三轴加速度传感器元件的俯视图。图16是表示现有技术的三轴加速度传感器的保护封装的剖视图。
具体实施例方式下面，参照附图对发明的一个实施例的加速度传感器进行说明。实施例1图1是表示实施例1的带盖的加速度传感器元件30中的加速度传感器元件10的 结构的俯视图。图2及图3是实施例1的带盖的加速度传感器元件30的剖视图，图2是图 1的k-k剖视图，图3是图1的m-m剖视图。实施例1的带盖的加速度传感器元件10，例如，可以应用于现有技术例的图16所 示的组装成树脂制的保护封装的加速度传感器等。因此，在实施例1中，特别以带盖的加速 度传感器元件30为中心进行详细说明。<基本结构>在实施例1的加速度传感器元件10中，重锤部12被具有挠性的四个梁部13从四 方支承在支承框部11内。支承框部11被分离槽14分离成内框15和将其包围的外框16， 梁部13连接到内框15上。内框15被内框支承部17从四方保持在外框16上。重锤部12 被第二分离槽29从内框15上分离，由四个本体部和与本体部及梁部13连接的中间部构 成。将四个梁部13分别表示为第一梁部13a、第二梁部13b、第三梁部13c、第四梁部 13d。在图1所示的加速度传感器元件10中，如图13所说明的，在梁部13的根部附近形成 压电电阻元件P。在沿X轴方向延伸的第一梁部13a和第二梁部13b上，配置检测X轴和 Z轴方向的加速度用的压电电阻元件P，在沿Y轴方向延伸的第三梁部13c和第四梁部13d 上，配置检测Y轴方向的加速度用的压电电阻元件P。Z轴加速度检测用的压电电阻元件也 可以配置在第三梁部13c和第四梁部13d上。各个压电电阻元件P，为了形成图14所示的 电桥电路，利用图中未示出的配线连接。配线通过内框支承部17的上方，被向外框16上引 出，连接到形成在外框16上的电极台18上。上盖19接合到形成加速度传感器元件10的压电电阻元件P的一侧的面上。与外 框16上的上盖接合区域20相一致，利用接合材料21进行接合。同样地，在相反侧的面上， 利用接合材料23接合下盖22。上盖19及下盖22，只接合到外框16上，利用外框16、上盖 19、下盖22包围内框15的周围。<制造方法>
下面参照图2简单说明加速度传感器元件10的制造方法。使用在厚度约400 μ m 的硅层上具有夹持约1 μ m的硅氧化层的厚度约为6 μ m的硅层的SOI晶片加工加速度传感 器元件10。硅氧化膜层作为干法蚀刻的蚀刻阻止层使用，结构体形成在两层硅层上。下面， 将薄的第一硅层称作第一层24，将厚的第二硅层称作第二层25，将不与硅氧化膜层接合的 第一层的表面称作第一面26，将第二层的表面称作第二面27，将经由硅氧化膜层的连接面 称作第三面28。利用光致抗蚀剂将半导体压电电阻元件的形状形成图形，在第一面26上以1 3X IO18原子/cm3的浓度打入硼，形成半导体压电电阻元件。同样地，以连接到压电电阻元 件上的方式形成打入比压电电阻元件的浓度高的硼的P型配线。进而，在第一面26上，形 成硅氧化膜，保护压电电阻元件。在硅氧化膜上，溅射铝系金属，形成金属配线，经由形成在 硅氧化膜上的通孔，与P型配线连接。形成在压电电阻元件上的硅氧化膜，也起着第一层24 的硅与金属配线之间的绝缘膜的作用。进而，在其上，作为金属配线上的保护膜，通过化学 气相蒸镀形成氮化硅膜。硅氧化膜、金属配线、氮化硅膜，借助光刻加工成所希望的形状。其次，在第一面26上形成光致抗蚀剂图形之后，通过干法蚀刻，残留图1所示的形 状，即，残留梁部13和内框支承部17，加工成将内框15和外框16分离的第一分离槽14和 将重锤部和内框15分离的第二分离槽29。进而，在第二面27上形成光致抗蚀剂图形之后， 借助干法蚀刻，加工第一分离槽14和第二分离槽29。通过湿法蚀刻，除去残留在第一层24 与第二层25之间的硅氧化膜层的露出部分，第一分离槽14和第二分离槽29贯通SOI晶 片。借助上述制造工序，从第一层24 —直到第二层25形成重锤部12和内框15、外框16。 另外，梁部13和内框支承部17形成在第一层24上。其次，借助WLP技术，在加速度传感器元件10的表面和背面上，通过金属接合，接 合并密封由硅构成的上盖19及下盖22。因此，在加速度传感器元件上，在上述干法蚀刻工 序之前，在晶片的第一面26及第二面27上，形成用于金属接合的金属薄膜，在构成盖的两 个晶片上，设置同样的金属薄膜和金属软钎料，将三个晶片重叠加压、加热，进行接合。对于 金属软钎料，利用金-锡合金。其次，磨削上盖19及下盖22，将其整个减薄。在上盖19上，在与加速度传感器元 件10接合的面的一侧，形成比磨削后的上盖的厚度深的槽，在磨削之后，使加速度传感器 元件10的电极台18露出。在下盖22侧，不需要上述槽，但是，也可以与上盖19具有相一 致的结构。另外，在上盖19和下盖22上，在面对与加速度传感器元件10接合的面的一侧 的重锤部12的部分上，形成空腔。重锤部12和上盖19及下盖22之间的间隙31，为上述空 腔的深度(空腔深度32)和接合材料的厚度(接合材料厚度33)之和。在可以将接合材料 的厚度33原封不动地作为间隙31的情况下，没有必要形成上述空腔。以晶片的状态，一直进行到上面所述的磨削工序为止，最后切割，分离成各个带盖 的加速度传感器元件30。通过以上的制造工序，在由外框16及上盖19、下盖22构成的气 密性的容器中，获得内框15及重锤部12被支承的带盖的加速度传感器元件30。<树脂封装的结构>图4表示将实施例1的带盖的加速度传感器元件30组装成树脂封装的加速度传 感器40安装到制品基板49上的加速度传感器安装结构体41的剖视示意图。利用粘结材 料44将控制用IC芯片42粘结到引线框43上，利用粘结材料45将带盖的加速度传感器元件30粘结到IC芯片42上，在借助引线接合法利用金属引线47将带盖的加速度传感器元 件30的电极台18和IC芯片42的电极台46之间，以及IC芯片42的电极台46与引线框 43之间连接之后，将其整体用模塑树脂48密封，获得加速度传感器40。对于粘结材料44 及45，可以利用兼作切割胶带和粘结材料的粘片膜(DAF :die attach film)。在从加速度 传感器40的下表面露出的引线框的表面上，施行软钎料镀敷，利用软钎料50接合到制品基 板49上，获得加速度传感器安装结构体41。<内框支承部>本发明的带盖的加速度传感器元件30如图2所示，内框15从外框16及上盖19、 下盖22上分离，如图1所示，利用具有挠性的内框支承部17，在对角方向的四个部位处，只 被外框16支承。因此，即使由于组装成树脂封装时的热应力以及安装到制品基板上时的热 应力等，向外框16及上盖19、下盖22上施加外力而变形，该变形也不容易传递给内框15， 不容易引起输出的变化。外框16的变形，通过内框支承部17会少量传递给内框15，但是， 由于内框支承部17相对于梁部13沿对角方向配置，所以，内框支承部17附近的内框15的 变形，不易给梁部13上的压电电阻元件的应力带来变化。 在图1中，通过在梁部13上沿长度方向进行压缩、伸长，或者使梁部13弯曲，容易 发生由外力引起的压电电阻元件的应力变化。另外，在梁部13的连接部附近，由于当内框 15的应力变化时只有靠近内框15侧的压电电阻元件发生变化，在靠近重锤部侧的压电电 阻元件不会发生大的变化，所以，容易发生Z轴的偏移变化。在实施例1中，内框支承部17 的连接部从梁部13的连接部分离，由外力导致的内框15的应力变化不会对梁部13造成直 接的影响，所以，可以使输出变化变得非常小。<内框支承部的刚性>为了确保加速度传感器的响应性，优选地令内框支承部17的刚性比梁部13的刚 性高。当对由梁部13的刚性和重锤部12的重量决定的重锤部共振频率与由内框支承部17 的刚性和内框15及重锤部12的总计重量决定的内框共振频率进行比较时，优选地，与重锤 部的共振频率相比，内框的共振频率足够高。不然的话，对于比较快的加速度变化，内框15 和重锤部一起位移，妨碍梁部13的变形，不能获得正确的灵敏度。优选地，以频率特性的相 位特性和增益特性分离成相互不耦合的程度的方式，决定内框支承部17的形状。<内框的对称支承>另外，实施例1由于内框15被从周围四方支承，所以，对称性良好。内框15，例如 当被一个内框支承部17支承或者在内框15的一点上被连接到下盖22上时，由于相对于外 框16及下盖22的变形，内框15被单臂支承位移，所以，上盖19及下盖22的相对位移容易 变大。这样，为了使内框15及重锤部12不与上盖19及下盖22接触，有必要加大间隙。在 本实施例中，由于内框15被从周围四方支承，所以，将上盖19及下盖22的相对位移抑制得 较�。梢运跣∩鲜黾湎�。因此，当向加速度传感器上施加冲击时，借助如下效果，即，当重 锤部12碰撞上盖19或下盖22之前的距离短而不容易加速的效果，以及可以增大空气阻尼 的效果，可以缩小在梁部13上产生的应力，可以提高耐冲击性。另外，由于能够增大空气阻 尼，还可以抑制高频振动，抑制重锤部12的共振振动，具有可以减小噪音的效果。<盖体的接合>此外，实施例1与将内框15接合到下盖22上的情况相比，制造工艺容易。如上所述，在将上盖19和下盖22用金属软钎料接合时，有必要一面加压一面加热，但是，当想要将 内框15只接合到下盖22上时，由于内框15柔软地连接到外框16上，所以，不能给予内框 15的接合部以足够大的加压力。因此，不得不分成两个阶段，即，首先，将加速度传感器元 件10和下盖22接合，之后接合上盖19，在加速度传感器元件10与下盖22接合时，必须对 容易损坏的加速度传感器元件10的表面直接加压。如实施例1所述，接合部只位于外框16 上，如果上盖19的接合部和下盖22的接合部的位置重合的话，可以给予接合部以足够的加 压力。实施例2图5是表示实施例2的加速度传感器元件10的结构的平面示意图。在梁部13的 中央，形成作为压缩应力吸收部而设置环形部51的形状。形成在加速度传感器元件10的 表面上的硅氧化膜等，比硅的热膨胀系数�。硗猓诔赡な保捎诶缭�950°C左右的高温 进行退火，所以，在冷却到常温时，产生热应力。重锤部12和内框15从第一层24 —直形成 到第二层25，由于第二层25的厚度厚，所以，基本上以硅的热膨胀系数收缩，但是，由于梁 部13只由第一层24构成，所以，硅氧化膜的比例高，热收缩变小。因此，梁部13在内框15 与重锤部12之间受到压缩。为了提高传感器的灵敏度，当将梁部13减薄时，由于上述压缩 力，梁部13压曲，存在着灵敏度不稳定性增大或发生大的偏移变化的危险性。如实施例2所述，通过在梁部13上设置环形部51，吸收上述压缩力，可以防止压 曲，可以设计灵敏度高的加速度传感器元件。环形部51的形状，例如，可以设想连接三个环 形的各种各样的形状。为了能够通过变形吸收压缩力，并以应力不集中到环形的R部等上 的方式，决定其形状。〈设计例的分析结果〉下面，列举图5的实施例2中的设计例。加速度传感器元件10的尺寸，在X方向为 1. 32mm，在Y方向为1. 18mm，重锤部的XY尺寸为560 μ m，梁部13的长度为240 μ m，压电电 阻形成部的宽度为28 μ m,内框支承部17的长度为50 μ m,外框16侧的连接宽度为160 μ m, 内框15侧的连接宽度为150 μ m。另外，第一层的厚度为4 μ m，第二层的厚度为400 μ m，。 内框15的宽度为70 μ m。对于利用该加速度传感器元件10组装成树脂封装的加速度传感器40，利用FEM分 析评价安装到厚度0. 6mm的制品基板49上时的、安装前后的特性变化。在加速度传感器元 件的尺寸相同、支承框部未分离为外框和内框的现有技术的结构例中，安装前后的Z轴输 出变化相对于Z轴灵敏度之比约为23%，与此相对，在上述加速度传感器的设计例中，可以 抑制到约为4%。在本设计例中的重锤部的共振频率，在X、Y方向为2. 0kHz，在Z方向为 3. 2kHz，与此相对，内框共振频率约为46kHz，内框共振频率十分高，对于传感器灵敏度不会 产生影响。实施例3图6是表示实施例3的加速度传感器元件10的结构的平面示意图。在内框支承 部17上形成设置作为压缩应力吸收部的环形部52的形状。与实施例2 —样，具有防止内 框支承部17压曲的效果。当内框支承部17压曲时，由于内框15位移，接近上盖19或下盖 22，所以，难以缩小间隙31。通过在内框支承部17上形成环形部52，可以防止压曲。另外， 具有吸收外框16的变形的影响的效果，更难发生输出的变化。
实施例4图7是表示实施例4的加速度传感器元件10的结构的平面示意图。将梁部13和 内框支承部17的配置大致旋转45度。内框支承部17沿X、Y方向配置，梁部13相对于内 框支承部17大致沿45度方向配置，保持内框支承部17和梁部13的相对关系。通过在方 形的加速度传感器元件10的对角线方向上配置梁部13，可以加长梁部13，易于提高传感器 灵敏度。另外，在实施例4的结构中，可以将内框支承部17制成两个。图8表示只在Y方 向的两个部位上形成内框支承部17的例子。如本例所示，在沿着沿着Y轴的一个边配置电 极台的情况下，由于变成只有该边突出的形状，所以，相对于Y轴的对称性变差。在组装成 图4的树脂封装时，由于只进行上述边的引线接合，所以，以将上述边的一侧扩大的方式， 偏移地配置。如上所述，在实施例4的情况下，相对于X轴对称，但是，相对于Y轴的对称性 变差。因此，通过只在Y轴方向上将内框15与外框16连接，对称性差的X方向的变形的影 响难以传递给内框15，可以提高传递给梁部13的外力的影响的对称性。由于在X轴及Y轴 上的对称的变形对X轴输出、Y轴输出没有影响，所以，对于X轴、Y轴的输出变化的抑制特 别有效。实施例5图9是表示实施例5的加速度传感器元件10的结构的俯视示意图。实施例1 4，表示了具有四个梁部13的例子，但是，对于在一个方向上只有两个梁部13的双轴检测用 加速度传感器元件，也可以应用本发明。在实施例5中，在Y轴方向上具有两个梁部13，可 以检测Y轴方向和Z轴方向的加速度。同样地，也可以在X方向上只设两个梁部来检测X 轴方向和Z轴方向。另外，对于梁部13为两个的加速度传感器元件10，如图10所示，可以将内框支承 部17相对于梁部13沿大致90度的方向配置。本发明的主要效果，可以通过在距离梁部13 与内框15的连接部尽可能远的位置上配置内框支承部17与内框15的连接部而获得。从 而，如实施例5所述，在梁部13在Y方向为两个的情况下，由于内框支承部17在X方向上 为两个，变成最远的配置，外框16的变形的影响难以通过梁部13传递。〈变形例〉在本发明中，将内框支承部17与梁部13成大致45的方向或者大致90度的方向 配置，但是，即使不是精准的45度及90度，通过以内框支承部17与内框15的连接部充分 远离梁部13与内框15的连接部的方式进行配置，可以获得同样的效果。例如，在沿着45 度的方向配置两者的情况下，即使在45度士 15度的角度范围内对称地配置，也具有一定的 效果。在45度士5度的范围内对称地配置的情况下，根据所要求的规格特性，可以和45度 时的情况同等的使用。另外，从第一个实施例到第五个实施例所示的内框支承部17的配置及环形部的 附加特征，可以分别组合使用。符号说明10 加速度传感器元件，11 支承框部，12 重锤部，13 梁部，13a 第一梁部，13B 第二梁部，13c 第三梁部，13d 第四梁部，14 第一槽部，15 内框，16 外框，17 内框支承 部，19 上盖，22 下盖，29 第二分离槽，30 带盖的加速度传感器元件，31 间隙，32 空腔
12深度，40 加速度传感器，41 加速度传感器安装结构体，42 =IC芯片，43 引线框，44 粘结 材料，45 粘结材料，47 金属导线，48 模塑树脂，49 制品基板，51 环形部，52 环形部， 101 三轴加速度传感器，102外壳，103 加速度传感器元件，104 :IC，105 盖，106 树脂粘 结材料，107 树脂粘结材料，111 导线，113 支承框部，114 重锤部，115 梁部13，116 =X轴 压电电阻，117 :Y轴压电电阻，118 :Ζ轴压电电阻，120 三轴加速度传感器元件，121 上盖， 122 下盖，123 接合金属区域，124 带盖的加速度传感器元件，125 三轴加速度传感器， 126 引线框，127 =IC, 132 导线，133 模塑树脂，134 制品基板，P 压电电阻元件。
权利要求
一种带盖的加速度传感器元件，包括重锤部，包围重锤部的支承框部，将重锤部连接并保持到支承框部上的具有挠性的多个梁部，设置在梁部上的压电电阻元件以及连接它们的配线，将和支承框部一起包围重锤部的周围的上盖及下盖接合到支承框部的表面和背面上，根据压电电阻元件的电阻的变化，检测出上盖、支承框、下盖叠层的厚度方向的第一轴方向的加速度以及在与之垂直的平面内的第二轴及在前述平面内垂直于第二轴的第三轴中的至少一个轴向方向的加速度，其特征在于，前述支承框部被分离槽分离成内框和包围内框周围的外框，前述上盖及下盖被接合到前述外框上，前述内框被具有挠性的多个内框支承部连接保持到前述外框上，前述梁部，沿着前述第二轴和第三轴中的至少一方，连接到重锤部的两侧，内框支承部，从前述第二轴和第三轴的至少一方，沿着外框的变形的影响难以传递给梁部的方向旋转规定的角度，连接到内框的两侧。
2.如权利要求1所述的带盖的加速度传感器元件，其特征在于，前述梁部，沿着前述第 二轴和第三轴的双方分别连接到重锤部的两侧，内框支承部从前述第二轴和第三轴的双方 沿着外框的变形的影响难以传递给梁部的方向旋转规定的角度，连接到内框的两侧上。
3.如权利要求2所述的带盖的加速度传感器元件，其特征在于，前述梁部沿着前述第 二轴和第三轴的双方分别连接到重锤部的两侧，内框支承部从前述第二轴和第三轴的双方 旋转大致45度，连接到内框的两侧上。
4.如权利要求1所述的带盖的加速度传感器元件，其特征在于，在检测前述第一轴和 第二轴的加速度的同时，前述梁部沿着第二轴连接到重锤部的两侧，内框支承部在前述平 面内在从第二轴旋转大致45度的方向上连接于内框的两侧。
5.如权利要求1所述的带盖的加速度传感器元件，其特征在于，在检测前述第一轴和 第二轴的加速度的同时，前述梁部沿着第二轴连接到重锤部的两侧，内框支承部在前述平 面内在与第二轴垂直的第三轴的方向上，连接到内框的两侧。
6.如权利要求1至5中任何一项所述的带盖的加速度传感器元件，其特征在于，在前述 内框支承部或梁部中的至少一个上，设置压缩应力吸收部。
7.如权利要求1至5中任何一项所述的带盖的加速度传感器元件，其特征在于，前述梁 部及内框支承部具有相同的厚度，并且，其厚度比前述重锤部及支承框部薄。
8.如权利要求1至5中任何一项所述的带盖的加速度传感器元件，其特征在于，前述内 框支承部的弯曲刚度比前述梁部高。
9.一种加速度传感器，其特征在于，将如权利要求1至5中任何一项所述的带盖的加速 度传感器元件和控制用IC芯片粘结到引线框上，利用金属导线将引线框、IC芯片的电极和 带盖的加速度传感器元件的电极之间连接，并利用模塑树脂将其密封。全文摘要
本发明实现相对于外力输出不容易变化、可以兼顾高的灵敏度和耐冲击性的加速度传感器。一种带盖的加速度传感器元件，包括重锤部，包围重锤部的支承框部，将重锤部连接并保持到支承框部上的具有挠性的多个梁部，设置在梁部上的压电电阻元件以及连接它们的配线，将和支承框部一起包围重锤部的周围的上盖及下盖接合到支承框部的表面和背面上，根据压电电阻元件的电阻的变化，检测出接合厚度方向的第一轴、在与之垂直的平面内的第二轴及在前述平面内垂直于第二轴的第三轴这三个轴向方向或者这些方向其中的一个的轴向方向的加速度，其中，支承框部被分离槽分离成内框和外框，上盖及下盖被接合到外框上，内框被具有挠性的多个内框支承部连接到外框上，前述梁部沿着第二轴和第三轴连接到重锤部的两侧，内框支承部在从第二轴和第三轴旋转大致45度的方向上，连接到内框的两侧。
文档编号G01P15/12GK101900746SQ201010194129
公开日2010年12月1日 申请日期2010年5月28日 优先权日2009年5月29日
发明者冈田亮二, 斋藤正胜, 滨口康博, 风间敦 申请人:特瑞仕半导体有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
