JPH09243654A

JPH09243654A - 加速度センサ

Info

Publication number: JPH09243654A
Application number: JP8079373A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Hosoya; 克己細谷; Masatoshi Oba; 正利大場
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1996-03-08
Filing date: 1996-03-08
Publication date: 1997-09-19

Abstract

(57)【要約】【課題】周波数応答性が良好で、信頼性の高い加速度
センサを提供すること【解決手段】加速度により変位する可動電極付きの重
り部を有するシリコン基板１の両側に固定電極を有する
ガラス基板２，３を接合して形成されるセンサチップ１
１を、ベースプレート１３の上に固定し、ベースプレー
トの上部にカバー１４を被せ、両者１３，１４をハーメ
チックシールし密封する。この密封処理を減圧空間内で
行うことにより、パッケージの内部を減圧状態にする。
センサチップに形成されたスルーホール９を介してセン
サチップの周囲と内部が導通されているが、そのセンサ
チップの内部は、パッケージ内の減圧状態となるので、
重り部が変位する際に気体の粘性を受けにくくなり、周
波数応答性が良好となる。また、パッケージの外部の雰
囲気の状態に関係なく内部空間は安定しているので、長
期にわたって、安定した特性が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、加速度センサに関する
もので、例えば自動車等の加速度や振動を検知するため
に用いられる加速度センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の加速度センサとしては、例えば、
図６に示すような構造のものがある。図示のものは容量
型の加速度センサで、シリコン基板１の下面に、第１の
ガラス基板２が接合され、シリコン基板１の上面に第２
のガラス基板３が接合されている。第１のガラス基板２
はシリコン基板１と略同一の平面形状を有し、第２のガ
ラス基板３は、シリコン基板１よりも長辺方向が短くな
っている。これにより、シリコン基板１の上面の一部が
露出する。

【０００３】そして、同図（Ｂ）に示すように、シリコ
ン基板１は、エッチング加工により平面がロ字状に形成
された支持枠１ａに重り部１ｂが梁部１ｃを介して片持
ち支持状に連結された構造に形成されている。さらに、
重り部１ｂの上下両面と、対向する両ガラス基板２，３
の対向面との間には、所定の隙間を形成している。これ
により、加速度を受けると梁部１ｃが撓み、重り部１ｂ
が変位し、前記隙間の距離が変化するようにしている。

【０００４】そして、重り部１ｂの両表面が可動電極５
となっている。この可動電極５と対向するように、第１
のガラス基板２と第２のガラス基板３の内側面にそれぞ
れ第１の固定電極６と第２の固定電極７が形成されてい
る。従って、上記したように、重り部１ｂが変位して隙
間の距離が変化すると、可動電極５と第１の固定電極６
間の距離並びに可動電極５と第２の固定電極７間の距離
が変化し、両者間の静電容量も変化する。よって、その
静電容量の変化を検出することにより、重り部１ｂの変
位量、すなわち、加速度を検出することができるように
なる。

【０００５】そして、各電極間の静電容量の変化に基づ
く信号を外部に取り出すための構造としては、まず、可
動電極５は一体となったシリコン基板１に接続されたボ
ンディングワイヤ８ａに導通され、そのボンディングワ
イヤ８ａを介して外部回路（信号処理回路等）に接続可
能となる。また、第１の固定電極６は、第１のガラス基
板２に形成されたスルーホール９を介して第１のガラス
基板２の下面に成膜された電極薄膜１０ａに導通され、
その第１のガラス基板２の下面を基板上に面実装するこ
とにより外部回路と接続可能となる。さらに、第２の固
定電極７は、第２のガラス基板３に形成されたスルーホ
ール９を介して第１のガラス基板３の上面に成膜された
電極薄膜１０ｂに導通され、その第２のガラス基板３の
電極薄膜１０ｂに接続されたボンディングワイヤ８ｂを
介して外部回路に接続可能となっている。そして、この
構成のセンサでは、スルーホール９を介してセンサ内部
が大気開放している。

【０００６】また、容量型加速度センサの別の構造の１
例としては、図７に示すようなものもある。この図示の
センサは、上記した図６のタイプと相違して、センサ内
部が外気と遮断された密閉型のものである。

【０００７】すなわち、同図に示すように、シリコン基
板１の両面に第１のガラス基板２，第２のガラス基板３
を陽極接合して一体化する点では、共通する。そして、
可動電極５及び両固定電極６，７は、ガラス基板に形成
されたスルーホール９ａ，９ｂ，…を介して第２のガラ
ス基板３の上面に形成された電極薄膜１０に接続され、
その電極薄膜１０に接続されたボンディングワイヤ８
ａ，８ｂ等を介して外部回路と導通するようになってい
る。

【０００８】具体的には、可動電極５は、一体となった
支持枠１ａに接続されたスルーホール９ａを介してボン
ディングワイヤ８ａに接続される。そして、スルーホー
ル９ａの底面は、支持枠１ａにより塞がれる。また、第
２の固定電極７は、スルーホール９ｂを介してボンディ
ングワイヤ８ｂに接続される。そして、スルーホール９
ｂの底面は、シリコン基板１を加工する際に同時に形成
された封止ブロック１ｄにより塞がれる。さらに、図示
省略するが、第１の固定電極６は、例えば図６に示すも
のと同様にスルーホール９ｂと対向しない第１のガラス
基板２の所定位置に形成されたスルーホールを介して第
１のガラス基板２の下面の電極薄膜に接続させるととも
に、そのスルーホールを封止ブロックで塞ぐように構成
する。

【０００９】なお、封止ブロックはシリコンで形成され
導電性を有するので、固定電極とスルーホールとの電気
的接続は、封止ブロックの接触面を介してより確実に行
われる。さらに、封止ブロックが固定電極とスルーホー
ルとの接続経路の一部の機能を有するため、第１の固定
電極６を外部に接続するためのスルーホールを第２のガ
ラス基板側に設けることもできる。これにより、各電極
の取出し面を第２のガラス基板３の上面に統一できるよ
うにすることもできる。

【００１０】そして、いずれの構成をとった場合でも、
上記したようにセンサ内部と外部をつなぐスルーホール
が支持枠１ａ，封止ブロック１ｄによって閉塞している
ので、センサ内部は密閉されている。よって、センサを
組み立てる際に減圧された室内で行うことによりセンサ
内部も減圧状態にすることが可能となる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の容量型加速度センサでは、以下に示す問題があ
る。すなわち、図６に示す容量型加速度センサでは、セ
ンサ内部が解放されており、センサ内部には空気等の気
体が存在する。そのため、加速度を受けて重り部１ｂが
変位しようとした際に、その気体の粘性によりその変位
が遅れるので、周波数応答特性は劣化してしまう。ま
た、粘性は気体の状態、すなわち、周囲の雰囲気により
左右されるので、同一の加速度が加わっても周囲の雰囲
気の状態によって出力が変動するおそれもある。

【００１２】一方、図７に示す密閉型の容量型加速度セ
ンサでは、センサの周囲の雰囲気の影響を受けにくいた
め、特性は図６に示す構造のものに比べると安定する。
そして、センサ内部を減圧すると、気体の粘性の影響も
受けにくくなり、応答特性も良好となる。

【００１３】しかし、シリコン基板１とガラス基板２，
３の陽極接合を行う場合、対向する基板の接合面全面に
均一に電圧が印加されず（電流が流れず）、接合不良部
分が存在することがある。すると、時間の経過ととも
に、接合不良の部分からセンサ内部に徐々にセンサ周囲
の気体が侵入してしまう。すると、開放状態となり上記
したのと同様の問題を生じる。

【００１４】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、上記した問題点を解
決し、センサ内部を減圧状態にして周波数応答特性を良
好にするとともに、係る減圧状態を保持して、長期にわ
たって加速度センサの信頼性を高めることができる容量
型加速度センサを提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ため、本発明に係る加速度センサでは、加速度を受けて
変位する重り部を有し、その重り部の変位量に応じた信
号を出力可能としたセンサチップを、密閉されたパッケ
ージの内部に封入し、前記パッケージの内部が減圧状態
に保持するように構成した（請求項１）。

【００１６】センサチップとしては、重り部の変位に基
づいて加速度が検出できるものであれば、その構造は問
わず、空気抵抗（粘性）により変位量が影響されやすい
容量型の半導体加速度センサ，ピエゾ抵抗型の半導体加
速度センサ等の半導体センサが特に好ましい。また、第
３の実施の形態で一例を例示したように、部品を組み立
てるタイプのものでも、全体的に小型で板バネが変形し
やすいような場合にも本発明が有効に機能する。

【００１７】また、検出対象の加速度は、文字通り物体
が移動などしたときに生じる加速度はもちろんのこと、
振動のように連続的に発生する加速度を時系列的に検出
するようなものや、傾きのように重力加速度を検出する
ものなど多種のものを含む。

【００１８】そして、好ましくは、前記センサチップ
が、前記重り部を密閉状態で内蔵した構造からなり、前
記センサチップの内部も所定の減圧状態に保持するよう
に構成することである（請求項２）。なお、センサチッ
プ内部の減圧の程度とパッケージ内部の減圧の程度は同
じにしていてもよく、或いは異ならせていてもよい。

【００１９】加速度を検出する機能を持つセンサチップ
を、内部が減圧状態にされたパッケージに封入すると、
たとえセンサチップが開放しており、センサチップの周
囲の期待がセンサ内部に侵入可能としたタイプであって
も、そのセンサチップの内部の状態は、パッケージ内部
の同様の減圧状態になる。

【００２０】従って、大気に開放されることはなく、空
気の粘性は減少する。そのため、重り部は与えられた加
速度に対して敏速に反応（移動）することができ、加速
度センサの周波数応答特性は良好となる。

【００２１】また、センサチップ自体を密閉するものに
比べ、パッケージを密封することは容易かつ確実に行う
ことができる。従って、従来の密閉型タイプの加速度セ
ンサよりも長期にわたる信頼性が確保できる。

【００２２】また、請求項２に記載したように構成する
と、センサチップ自体でも減圧状態にあるので、請求項
１と同様に周波数応答性がよくなる。さらに、センサチ
ップとパッケージで二重の減圧状態の密閉空間を構成し
ているので、減圧状態の保持の確実性が増す。そして、
仮にセンサチップの気密状態が解除されたとしても、そ
のセンサチップの周囲には、パッケージで形成された減
圧状態となっているので、従来のようにすぐに大気開放
することはない。

【００２３】

【発明の実施の形態】図１，図２は、本発明に係る加速
度センサの第１の実施の形態を示している。本実施の形
態では、センサチップ１１をパッケージ１２により封入
するようにしている。

【００２４】センサチップ１１は、可動電極５付きの重
り部１ｃが形成されたシリコン基板１の上下に固定電極
６，７を設けたガラス基板２，３を接合して一体化した
もので、図６に示した従来のセンサチップと同様の構成
である。そして、このセンサチップ１１は、内部がスル
ーホール９を介して外部に開放されたタイプのものであ
る。なお、具体的なセンサチップの詳細な構造は、上記
した従来ものと同様であるので、同一符号を付して説明
を省略する。

【００２５】パッケージ１２は、センサチップ１１を設
置するベースプレート１３と、そのベースプレート１３
に取り付けられ、ベースプレート１３の上方空間を閉塞
するカバー１４とを有している。

【００２６】ベースプレート１３は、平面が略正方形状
の扁平な板体からなり、その上面の外周縁１３ａは、１
段低くなっている。そしてこのベースプレートの４隅の
近傍に上下に貫通するようにリードピン１５を取り付け
ている。なお、リードピン１５とベースプレート１３と
の間に形成されるわずかな隙間は、例えば樹脂封入した
り、両者を固定する接着剤或いはハンダ等により封止さ
れ、気密性が確保されている。

【００２７】センサチップ１１は、ベースプレート１３
の上面中央に導電性接着剤などを用いて固定されてい
る。そして第１のガラス基板２の下面が面実装され、ベ
ースプレート１３の上面に形成されたプリント配線パタ
ーンと直接導通されるようになっており、そのプリント
範囲線パターンを介して所定のリードピンに導通するよ
うになっている。また、センサチップ１１の所定位置に
接続されるボンディングワイヤ８ａ，８ｂの他端は、そ
れぞれ所定のリードピン１５の上端にボンディングされ
ている。これにより、センサチップ１１の可動電極５と
第１，第２の固定電極６，７間の静電容量の変化が、リ
ードピン１５を介して、外部に取り出すことができるよ
うになっている。

【００２８】一方、カバー１４は、下方が開口した矩形
の箱状からなり、その底面が全周にわたって外側に突出
するフランジ部１４ａが形成されている。そして、その
フランジ部１４ａが、ベースプレート１３の外周縁１３
ａと符合して面接触するように形成されている。

【００２９】そして、上記した構造のベースプレート１
３とカバー１４を一体化する際に、センサチップ１１を
設置したベースプレート１３を減圧された作業空間に配
置し、係るカバー１４をベースプレート１３の上面に被
せる。このとき、フランジ部１４ａとベースプレート１
３の外周縁１３ｂとを面接触させる。そしてその接合部
分をハーメチックシールすることにより、密着状態で接
合一体化する。これにより、ベースプレート１３及びカ
バー１４内を完全に密閉し、センサチップ１１の配置空
間を完全に密封するパッケージ１２を形成する。

【００３０】なお、ベースプレート１３とカバー１４と
を気密に一体化する手法は、上記以外に例えば、接着剤
を用いたり、所定の圧力で両者１３ａ，１４ａを挟持し
た状態で加熱して接触面を溶融させた後冷却して一体化
したり、ハンダ付けを行ったり、溶接したりするなどの
他種々の方式をとることができる。そして、ベースプレ
ート１３とカバー１４の材質等を考慮し、簡単かつ確実
に長期にわたって気密状態を保持することができるもの
を適宜選択することになる。

【００３１】そして、上記した作業は減圧された空間で
行われるので、パッケージ１２内部は減圧状態のまま密
閉される。そのため、スルーホール９によりセンサチッ
プ１１内部も減圧状態であるので、可動電極５が形成さ
れた重り部１ｂは空気の粘性による影響を受けにくくな
る。よって、本加速度センサが加速度や振動を受ける
と、瞬時に位置が変化されるので、周波数応答特性は良
好となる。

【００３２】また、パッケージ１２には未接着箇所が存
在しないので、時間の経過によって、パッケージ１２の
外部の空気がパッケージ１２内部に侵入することはな
く、係る容量型加速度センサは信頼性が高くなる。

【００３３】図３は、本発明に係る加速度センサの第２
の実施の形態を示している。本形態では、図７に示した
従来の加速度センサ（センサ内部を密閉した型）を構成
するセンサチップ１１′を、第１の実施の形態で用いら
れたパッケージ１２で内包している。

【００３４】本実施の形態では、センサチップ１１′自
身で減圧状態を有するものの、各種の原因によりその減
圧状態が、解除されてしまっても、上記した第１の実施
の形態と同様の動作原理に従い、パッケージ１２により
減圧状態が保持される。従って、より確実に長期にわた
ってセンサチップ１１′内の減圧状態が保持されるの
で、信頼性が向上する。

【００３５】さらに、センサチップ１１′の内部の減圧
状態の方を高く（気圧が低い）すると、当初は、センサ
チップ１１′自体が保持する高い減圧状態で、高性能な
センシングが可能となり、その後何らかの原因により、
センサチップ１１′の気密性がなくなっても、パッケー
ジ１２内で形成される減圧状態になるので、従来のよう
にすぐに大気開放されることはなく、比較的高性能なセ
ンシングができる。

【００３６】図４は、本発明に係る加速度センサの第３
の実施の形態を示している。上記した各実施の形態は、
半導体プロセスを用いてシリコン基板を加工し、加速度
により重り部を変位させる機構を一体的に形成するよう
にしたが、本実施の形態では、各種部品を機械的に組み
立てることにより、センサチップ２０を構成するように
している。

【００３７】具体的には、センサチップ２０は、２枚の
固定基板２１，２２の間に、絶縁体からなる支持部材２
３を介して弾力性を有する板バネ２４をサンドイッチ状
に支持する。そして、板バネ２４の上面及び下面の中央
にそれぞれ重り部２５を溶接して一体化する。また、固
定基板２１，２２及び重り部２５を、ともに所定の厚さ
を有する金属板で構成する。

【００３８】係る構成にすると、センサチップ２０が加
速度を受けると、重り部２５が所定方向に移動しようと
し、それに伴い板バネ２４が弾性変形し、重り部２５の
変位が許容される。すると、重り部２５と、上下に配置
された固定基板２１，２２の間隔が変化する。

【００３９】この時、固定基板２１，２２並びに重り部
２５が金属で構成されているので、両基板２１，２２の
表面が固定電極２６，２７として機能し、重り部２５の
表面が可動電極２８として機能する。従って、上記した
重り部２５の変位に基づき、両電極間の静電容量が変化
するので、上記した各センサチップ１１，１１′と同様
の原理に従い、加速度を検出できる。

【００４０】さらに第２の固定基板２２の上面には、ワ
ッシャー３０を介して信号処理回路３１が実装された回
路基板３２が取り付けられる。そして、その信号処理回
路３１と、各電極２６〜２８との接続は板バネ２４及び
第１の固定基板２５に接続されたリード線３３を介し
て、並びに第２の固定基板２６の上面から直接行われる
ようになり、さらに信号処理回路３１は、２本の電源線
３５ａと、１本の信号線３５ｂを介して外部回路と接続
されるようになっている。

【００４１】ここで本形態では、上記センサチップ２０
を、減圧状態で密閉されたパッケージ４０内に収納する
ようにしている。本例で用いるパッケージ４０は、上部
開放したカップ状の容器本体４１と、下方開口されたカ
ップ状の蓋体４２とを有し、容器本体４１の上端縁及び
蓋体４２の下端縁は、それぞれ外側に突出する同一形状
のフランジ部４１ａ，４２ａが形成されている。さら
に、容器本体４１の底面には、絶縁性の台座４３が固定
されている。また、蓋体４２の天面中央には、透孔４２
ｂが形成されている。

【００４２】そして、センサチップ２０をパッケージ４
０内に収納するには、まずセンサチップ２０を容器本体
２１の台座４３の上に固定する。また、電源線３５ａ，
信号線３５ｂを蓋体４２に形成された透孔４２ｂに通
し、その先端を蓋体４２の外部に引き出すとともに透孔
４２ｂに樹脂４４等を充填し密閉する。そして、上記し
た各実施の形態と同様に、減圧状態にされた作業空間内
で、容器本体４１の上側に蓋体４２を被せるとともに、
両フランジ部４１ａ，４２ａを面接触させる。そして、
ハーメチックシールを行い、フランジ部４１ａ，４２ａ
の面接触した部分を隙間なく接着させ、完全に密閉した
パッケージ４０を形成する。

【００４３】上記した作業は減圧状態で行われるためパ
ッケージ４０の内部は減圧状態となる。よって第１の形
態と同様にセンサチップ２０内部も減圧状態となり、重
り部２５は空気の粘性による影響を受けず、加速度セン
サの周波数応答特性は良好となる。

【００４４】図５は、本発明の第４の実施の形態を示し
ている。本実施の形態では、第２の実施の形態において
用いられたパッケージ１２を構成するベースプレート１
３の上面に、所定回路が印刷された基板４５を配置す
る。そして、係る基板４５の上面に、密閉型のセンサチ
ップ１１′及び信号処理回路４６を配置する。そして、
センサチップ１１′及び信号処理部４６を構成する各回
路素子は、ボンディングワイヤ４７或いは基板４５上に
形成されたプリント配線により接続されている。さら
に、ボンディングワイヤ４７によりリードピン１５にも
接続されており、係る信号処理部４６で処理された信号
を外部に送出したり、外部から電源の供給を受けたりす
るようになっている。

【００４５】本実施の形態でも、パッケージ１２内部は
減圧状態が保持されているので、長期にわたって応答性
の良好な状態が維持される。なお、センサチップ１１′
並びにパッケージ１２の構成並びに作用効果は、上記し
た各実施の形態と同様であるのでその詳細な説明を省略
する。

【００４６】また、このように信号処理回路を同封する
ためのセンサチップの構造としては、図示した密封型に
限ることはなく、図６に示した開放型のものでももちろ
んよい。また、第３の実施の形態では、センサチップ２
０と信号処理回路３１をパッケージ４０内に同封した
が、センサチップ２０のみを密封するようにしてももち
ろんよい。

【００４７】さらにまた、半導体型の加速度センサとし
ては、上記した容量型のものに限らず、梁部等の変形す
る箇所にピエゾ素子を設置し、そのピエゾ素子の抵抗の
変化から加速度を検出するようにしたタイプのものでも
よく、その他各種の構造のものを用いることができる。

【００４８】なおまた、上記した各実施の形態では、い
ずれも可動電極と固定電極を２組有する静電容量型のセ
ンサを示したが、一対の可動電極と固定電極を有したセ
ンサチップでもよいのはもちろんである。

【００４９】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る容量型加速
度センサでは、加速度を検出するセンサをパッケージで
内包するとともに、係るパッケージ内部を減圧状態にし
ているので、センサチップの内部（可動電極の配置され
た空間）も減圧状態となり、可動電極の位置は敏速に変
化するので、周波数応答特性を良好にすることができ
る。

【００５０】また、センサチップの内部が密閉されると
ともに減圧状態にされているものを用いる場合（請求項
２）には、たとえセンサチップの気密性がなくなり、開
放状態となっても、センサチップの周囲はパッケージで
形成された減圧状態になっているので、センサ内部にパ
ッケージ外部の空気が侵入することはなくなり、長期に
わたって信頼性が確保される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る容量型加速度センサの第１の実施
の形態を示す斜視図である。

【図２】図１の断面図である。

【図３】本発明に係る容量型加速度センサの第２実施例
を示す断面図である。

【図４】本発明に係る容量型加速度センサの第３実施例
を示す図である。

【図５】本発明に係る容量型加速度センサの一例を示す
図である。

【図６】（Ａ）は従来の容量型加速度センサの１形態を
示す図である。（Ｂ）はその断面図である。

【図７】従来の容量型加速度センサの１形態を示す図で
ある。

【符号の説明】１ｂ，２５重り部１１，１１′ センサチップ１２，４０パッケージ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】加速度を受けて変位する重り部を有し、
その重り部の変位量に応じた信号を出力可能としたセン
サチップを、密閉されたパッケージの内部に封入し、前記パッケージの内部が減圧状態に保持されていること
を特徴とする加速度センサ。
【請求項２】前記センサチップが、前記重り部を密閉
状態で内蔵した構造からなり、前記センサチップの内部も所定の減圧状態に保持されて
いることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。