JPH1096743A - 半導体センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、個々の部品の加工精度を向上させ
ることなく、検出精度を安価に向上させることを目的と
するものである。 【解決手段】 センサエレメント２３と、出力特性を調
整するためのデータを記憶するＰＲＯＭを有する調整Ｉ
Ｃ２４と、デジタル調整入力電極２５とを基板２２上に
設け、基板２２をハウジング２１に固定した状態で、プ
ローバ２６をデジタル調整入力電極２５に接触させ、デ
ジタルトリミングによりＰＲＯＭに書き込みを行うよう
にした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば加速度セ
ンサや応力センサなど、センサエレメントに半導体を用
いた半導体センサ及びその特性の製造方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】図１０〜図１５は例えば特開昭６２−２
２１１６４公報に示された従来の加速度センサを示す図
である。まず、センサエレメントを示す図１０におい
て、重り１は、シリコン板２の端部に装着されており、
加速度により上下に動く。シリコン板２の一部を薄くし
た薄肉部２には、４本のゲージ抵抗がホイートストンブ
リッジ状に形成されている。リード５は、ゲージ抵抗４
を外部リード６に接続し、出力信号を外部に伝達してい
る。これらの部材によりセンサエレメント７が構成され
ている。

【０００３】図１１はセンサエレメント７からの出力信
号を補正増幅するための回路が形成されている増幅補正
回路基板８であり、外部と接続するための複数本の端子
９が設けられている。

【０００４】図１２は加速度センサ１０の側面断面図、
図１３は図１２のベース１１を示す平面図、図１４は図
１２の分解斜視図、図１５は図１２の加速度センサを被
測定物に取り付けた状態を示す説明図である。図１０に
示したセンサエレメント７及び図１１に示した増幅補正
回路基板８は、親基板１２に装着されている。親基板１
２は、ねじ１３をねじ穴１５に螺着することにより、ベ
ース１１の親基板取付部１４に取り付けられる。加速度
センサ１０の出力信号は、コネクタ１６から外部へ出力
される。このコネクタ１６には、ターミナル１７が設け
られている。また、加速度センサ１０は、取付穴１８を
利用して外部構造物（図示せず）等に固定される。さら
に、図１５におけるｙはベース１１の座面１９と親基板
１２との距離、ｘは両方の平行度がずれたときの寸法を
表す。

【０００５】次に、動作について説明する。例えば図１
６（ａ）に示すように、加速度センサ１０が、自動車等
の被測定物（図示せず）に座面１９を下にして水平に取
り付けられたとすると、重り１には、図１６（ａ）で示
す矢印Ａ方向の力（＋９．８ｍ／ｓ²）が加わり、図２
の特性図において３．５Ｖの出力が出る。逆に、図１６
（ｂ）に示すように座面１９を上にして水平に取り付け
られると、重り１には図１６（ｂ）で示す矢印Ｂの方向
の力（−９．８ｍ／ｓ²）が加わり、図２より１．５Ｖ
の出力となる。即ち、取り付け方を固定すれば、被測定
物の加速度に比例した電圧が出力され、加速度の値を知
ることができる。

【０００６】次に、従来の加速度センサ１０の出力特性
を調整する方法について述べる。エレメント７から出て
くる加速度に対する出力信号は非常に小さい。そのた
め、出力信号を増幅し、さらに補正する必要があり、増
幅補正回路基板８が必要となる。補正をする対象として
は、オフセット、スパン及びその温度特性等がある。例
えば、通常の半導体センサでは入力が０であれば出力も
０となるはずであるが、実際にはつくり込みのエラー等
によりある値が出てしまうことが多く、これをオフセッ
トと呼ぶ。上記の加速度センサ１０の場合でも同様であ
り、オフセットに対する補正（調整）が必要となる。

【０００７】図２において、重り１が垂直状態のときの
出力値が、補正前には３．１Ｖであるのに対して、オフ
セット調整を行うことにより、理想値、ここでは２．５
Ｖに補正される。即ち、増幅補正回路基板８には、調整
用の厚膜抵抗（図示せず）が設けられており、従来のオ
フセット調整は、エレメント７及び増幅補正回路基板８
のみを親基板１２に組み合わせた状態で、上記の厚膜抵
抗に対してレーザトリミングをすることにより実施され
ている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記のように構成され
た従来の加速度センサ１０においては、エレメント７及
び増幅補正回路基板８のみを組み合わせた状態でオフセ
ット調整が実施されていたので、これらをベース１１に
組み込んでいくと、親基板１２の水平度、座面１９に対
する親基板取付部１４の平行度のずれｘなどのエラーが
オフセット値として加算され、精度が低下するという問
題点があった。

【０００９】この発明は、上記のような問題点を解決す
ることを課題としてなされたものであり、個々の部品の
加工精度を向上させることなく、検出精度を安価に向上
させることができる半導体センサ及びその製造方法を得
ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る半
導体センサは、ハウジングと、このハウジングに固定さ
れている基板と、この基板に設けられているセンサエレ
メントと、基板に設けられているとともに、出力特性を
調整するためのデータを記憶しデジタルトリミングによ
りデータを書き込み可能なデジタルメモリを有してお
り、センサエレメントからの出力信号をデジタル信号処
理する信号処理回路とを備えたものである。

【００１１】請求項２の発明に係る半導体センサは、デ
ジタルトリミングを行う際にデジタル調整用入力装置の
プローバが接触するデジタル調整入力電極が、基板上に
設けられているものである。

【００１２】請求項３の発明に係る半導体センサは、セ
ンサエレメントが基板上に搭載されており、信号処理回
路を有する調整ＩＣがセンサエレメント上に接合されて
いるものである。

【００１３】請求項４の発明に係る半導体センサは、信
号処理回路が設けられている半導体の基板の一部に、可
動電極及び固定電極を有するセンサエレメントがワンチ
ップ仕様で設けられているものである。

【００１４】請求項５の発明に係る半導体センサは、異
なる方向への加速度を検出する複数のセンサエレメント
と、これらのセンサエレメントに対応した信号処理回路
をそれぞれ有する複数の調整ＩＣとが同一基板上に搭載
されているものである。

【００１５】請求項６の発明に係る半導体センサは、デ
ジタルメモリとして、ＥＥＰＲＯＭを用いたものであ
る。

【００１６】請求項７の発明に係る半導体センサは、セ
ンサエレメントと、このセンサエレメントからの出力信
号をデジタル信号処理する信号処理回路とを基板に設け
るとともに、この基板をハウジングに固定した後、ハウ
ジングを調整治具に固定して所定の角度に保持した状態
でデジタルトリミングを行うことにより、出力特性の調
整を行うものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
について説明する。 実施の形態１．図１はこの発明の実施の形態１による加
速度センサの要部を示す切欠斜視図である。図におい
て、２１は座面、取付穴、及び信号取り出し用のコネク
タ（いずれも図示せず）が設けられているハウジング、
２２はハウジング２１上に固定されている基板、２３は
基板２２上に搭載され、加速度を検出するセンサエレメ
ント、２４は基板２２上に搭載され、センサエレメント
２３からの微小な出力信号をデジタル信号処理する信号
処理回路を有する調整ＩＣであり、この調整ＩＣ２４に
は、出力特性を調整するためのデータを記憶しデジタル
トリミングによりデータを書き込み可能なデジタルメモ
リが内蔵されている。

【００１８】２５は基板２２上に設けられ、調整ＩＣ２
４のデジタルメモリのデータをデジタルトリミングする
ための複数のデジタル調整入力電極、２６はデジタル調
整用入力装置（図示せず）から出され、デジタル調整入
力電極２５に接触するプローバ、２７は基板２２上に設
けられている電源用、接地用及び出力用のパッド、２８
は各パッド２７をコネクタに接続するための外部接続用
ワイヤである。

【００１９】次に、動作について説明する。ハウジング
２１の座面が、例えば自動車等の被測定物に取り付けら
れ、被測定物の加速度に応じた信号がセンサエレメント
２３から出力される。センサエレメント２３の動作原理
は、図１０のものと同様である。このセンサエレメント
２３からの検出信号は、調整ＩＣ２４でデジタル信号処
理され、外部接続用ワイヤ２８を介してコネクタから外
部へ出力される。

【００２０】ここで、加速度センサの組立手順について
述べる。まず、調整ＩＣ２４が実装された基板２２にセ
ンサエレメント２３を例えば接着剤で接着し、かつリー
ド（図示せず）により電気的な接続も行う。そして、こ
の基板２２をハウジング２１に接着剤等で固定する。ま
た、コネクタのターミナルと基板２２の回路とをワイヤ
２７により接続し、基板２２上の回路を外部回路とつな
ぐ。

【００２１】この状態で、ハウジング２１の座面を調整
治具（図示せず）に取り付け固定する。この調整治具
は、加速度センサを保持する保持部を有し、かつ加速度
センサに作用する地上の重力加速度が＋９．８ｍ／ｓ²
となる状態、−９．８ｍ／ｓ²となる状態、及び０ｍ／
ｓ²となる状態の間で上記の保持部が回動可能になって
いるものである。このような調整治具により、加速度セ
ンサに重力加速度を作用させ出力値を測定しながら、図
２に示す理想特性になるように出力特性の調整が行われ
る。

【００２２】この出力特性の調整には、上記のデジタル
調整用入力装置が使用される。即ち、プローバ２６をデ
ジタル調整入力電極２５に接触させ、調整ＩＣ２４内の
デジタルメモリ、例えばＰＲＯＭに電気信号による書き
込み、即ちデジタルトリミングを行う。このようなデジ
タルトリミングにより、図２のＡで示したオフセット調
整前の出力特性がＢで示す理想特性に調整される。ま
た、ハウジング２１は、基板２２を組み込んだ後に、プ
ローバ２６をデジタル調整入力電極２５に接触させるこ
とができるように構成されている。

【００２３】上記のような加速度センサによれば、セン
サエレメント２３及び調整ＩＣ２４を搭載した基板２２
をハウジング２１に固定した後に、デジタルトリミング
により調整ＩＣ２４への書き込みを行い、オフセット調
整を行うことができるので、個々の部品の加工精度を向
上させることなく、検出精度を安価に向上させることが
できる。

【００２４】なお、以上はオフセット調整について述べ
たが、この発明はスパン並びにスパンシフト調整にも適
用できる。スパン並びにスパンシフト調整とは、図３の
実線に示すように、オフセット（０ｍ／ｓ²）時出力か
ら加速度を印加したときの出力の傾き（例えば０ｍ／ｓ
²出力２．５Ｖに対し＋９．８ｍ／ｓ²時３．５Ｖ、−
９．８ｍ／ｓ²時１．５Ｖの出力を得る）を調整するこ
とをスパン調整といい、スパンシフト調整とはこの出力
の傾きを任意に調整できることをいう。

【００２５】図１の調整ＩＣ２４内にスパン並びにスパ
ンシフト調整をするための領域、即ちデジタルメモリを
設けておけば、オフセット調整と同様にハウジング２１
への組込後にデジタルトリミングによりスパン並びにス
パンシフト調整を行うことが可能である。従って、組付
誤差や周辺環境条件を含め一括して出力調整ができ、精
度の高いセンサが得られ、しかも装置を一カ所に集中さ
せることができるため、安価に構成することができる。

【００２６】また、図１の構成によれば、加速度センサ
の周波数特性を任意に調整することも可能である。即
ち、ＰＲＯＭを用いデータの書き込みを行うことによ
り、図４の実線に示すように、エレメント２３自身の持
つ周波数特性を所定の周波数特性に調整できる。また、
周波数特性の調整をハウジング２１への組込後に実施す
るように構成したことにより、組付誤差や周辺環境条件
を含め一括して周波数特性調整ができ、精度の高いセン
サが得られ、しかも装置を一ヶ所に集中させることがで
きるため、安価に構成することができる。

【００２７】実施の形態２．次に、図５はこの発明の実
施の形態２による加速度センサの要部を示す切欠斜視
図、図５の加速度センサの断面図である。図において、
３１はセンサエレメント２３上に接合されている調整Ｉ
Ｃ（シリコンＩＣ）であり、この調整ＩＣ３１には、セ
ンサエレメント２３からの出力信号をデジタル信号処理
する信号処理回路としての回路ＩＣ３０が組み込まれて
いる。また、回路ＩＣ３０には、出力特性を調整するた
めのデータを記憶しデジタルトリミングによりデータを
書き込み可能なデジタルメモリが設けられている。さら
に、調整ＩＣ３１は、ダイボンディング剤を用いて、又
はシリコンの低温融合接合技術を用いてセンサエレメン
ト２３に接合されている。ここで、シリコンの低温融合
接合技術を用いるのは回路ＩＣ３０が熱破壊を起こさな
いようにするためである。

【００２８】３２ａ，３２ｂはセンサエレメント２３、
回路ＩＣ３０及び基板２２間を配線する複数本のボンデ
ィングワイヤである。また、ハウジング２１と基板２２
とは、低応力接着剤（例えばシリコン接着剤など）で接
合されている。さらに、ハウジング２１には、コネクタ
２１ａが一体成型されており、このコネクタ２１ａの部
分には、電気信号を外部と接続するターミナル２１ｂが
インサート成形されている。そして、このターミナル２
８ａと基板２２上の回路とは、ワイヤ２７で接続されて
いる。

【００２９】このような加速度センサでは、上記実施の
形態１と同様の効果に加えて、センサエレメント２３上
に回路ＩＣ３０を一体的に設けたので、基板２２上の部
品搭載面積が縮小され、小形化が可能となる。また、セ
ンサエレメント２３と回路ＩＣ３０との距離を最短にす
ることにより、両者の間に並列に挿入される浮遊容量の
影響を削減することができ、検出精度をさらに向上させ
ることができる。

【００３０】実施の形態３．次に、図７はこの発明の実
施の形態３による加速度センサの要部を示す概略の構成
図である。この例では、シリコン製の基板４１に、加速
度を検出するためのセンサエレメント４２と、センサエ
レメント４２からの信号をデジタル信号処理する信号処
理回路４３とがワンチップ仕様で設けられている。信号
処理回路４３には、センサ出力校正データ記憶領域とし
てデジタルトリミングが可能なデジタルメモリ、例えば
ＥＰＲＯＭ等のＰＲＯＭ４４が設けられている。

【００３１】センサエレメント４２は、基板４１に２つ
の開口部４１ａ，４１ｂを設けることにより形成されて
いる。また、センサエレメント４２は、２本のビーム４
５ａ，４５ｂを介して基板４３の本体部分と連結されて
いる可動電極４６と、この可動電極４６の両端部に対向
している一対の固定電極４７ａ，４７ｂとを有してい
る。

【００３２】このような加速度センサでは、被測定物に
作用した加速度に応じて可動電極４６が図の矢印方向へ
移動し、可動電極４６と固定電極４７ａ，４７ｂとの間
の間隙の大きさが変化する。これにより、可動電極４６
と固定電極４７ａ，４７ｂとの間の静電容量が変化し、
加速度が検出される。

【００３３】上記のようなワンチップ仕様の加速度セン
サにおいても、信号処理回路４３に出力特性を校正する
ためのデータを記憶するＰＲＯＭ４４を設けたので、ハ
ウジング（図示せず）への組込後にオフセット調整、ス
パン並びにスパンシフト調整、周波数特性調整等を行う
ことができ、検出精度を安価に高めることができる。ま
た、センサエレメント４２と信号処理回路４３とを一体
的に設けたので、基板４１上の部品搭載面積が縮小され
小形化が可能となる。さらに、センサエレメント４２と
信号処理回路４３との距離を最短にすることにより、両
者の間に並列に挿入される浮遊容量の影響を削減するこ
とができ、検出精度をさらに向上させることができる。

【００３４】実施の形態４．なお、上記の例では信号処
理回路４３にＰＲＯＭ４４を設けたが、例えば図８に示
すようにＥＥＰＲＯＭ（電気的消去可能プログラマブル
ＲＯＭ）４８を設けてもよい。この場合、電気信号によ
るデータの書換を繰り返し行うことが可能となり、異な
る出力値への再調整を容易に行うことができる。

【００３５】実施の形態５．図９はこの発明の実施の形
態５による加速度センサの要部を示す概略の構成図であ
る。この例では、検出する加速度の方向（図中矢印）が
それぞれ異なる３個のセンサエレメント５１〜５３が同
一の基板５４上に搭載されている。そして、各センサエ
レメント５１〜５３に対応した信号処理回路をそれぞれ
有する３個の調整ＩＣ５５も同一の基板５４上に搭載さ
れている。

【００３６】このような多軸方向検出仕様の加速度セン
サにおいても、ハウジング（図示せず）への組込後にオ
フセット調整、スパン並びにスパンシフト調整、周波数
特性調整等を行うことができ、検出精度を安価に高める
ことができる。また、加速度を複数の成分に分けて精度
良く検出することができる。

【００３７】なお、図９では各方向のセンサ５１〜５３
と調整ＩＣ５５とを別体とし基板５４上に搭載したが、
図７及び図８に示したようなワンチップ仕様で、しかも
複数の方向の加速度を検出するようにしてもよい。

【００３８】また、上記の各例では加速度センサについ
て説明したが、この発明は、トルクや歪みなどを検出す
る応力センサにも適用することができる。即ち、応力セ
ンサにおいても、応力発生部に装着固定されたセンサエ
レメントに応力を与えてその出力を確認しつつ、オフセ
ット調整やスパン調整などを実施することで同様の効果
を得ることができる。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明の
半導体センサは、出力特性を調整するためのデータを記
憶しデジタルトリミングによりデータを書き込み可能な
デジタルメモリを有する信号処理回路を基板上に設けた
ので、基板をハウジングに固定した状態で、出力特性の
調整を行うことができ、個々の部品の加工精度を向上さ
せることなく、検出精度を安価に向上させることができ
る。

【００４０】請求項２の発明の半導体センサは、プロー
バが接触するデジタル調整入力電極を基板上に設けたの
で、デジタルトリミングを容易に行うことができる。

【００４１】請求項３の発明の半導体センサは、センサ
エレメントを基板上に搭載し、そのセンサエレメント上
に信号処理回路を有する調整ＩＣを接合したので、基板
上の部品搭載面積が縮小され、小形化が可能となる。ま
た、センサエレメントと信号処理回路との距離を最短に
することにより、両者の間に並列に挿入される浮遊容量
の影響を削減することができ、検出精度をさらに向上さ
せることができる。

【００４２】請求項４の発明の半導体センサは、信号処
理回路が設けられている半導体の基板の一部に、可動電
極及び固定電極を有するセンサエレメントをワンチップ
仕様で設けたので、センサエレメントと信号処理回路と
を一体的に設けたので、基板上の部品搭載面積が縮小さ
れ小形化が可能となる。また、センサエレメントと信号
処理回路との距離を最短にすることにより、両者の間に
並列に挿入される浮遊容量の影響を削減することがで
き、検出精度をさらに向上させることができる。

【００４３】請求項５の発明の半導体センサは、異なる
方向への加速度を検出する複数のセンサエレメントと、
これらのセンサエレメントに対応した信号処理回路をそ
れぞれ有する複数の調整ＩＣとを同一基板上に搭載した
ので、加速度を複数の成分に分けて精度良く検出するこ
とができる。

【００４４】請求項６の発明に係る半導体センサは、デ
ジタルメモリとして、ＥＥＰＲＯＭを用いたので、電気
信号によるデータの書換を繰り返し行うことが可能とな
り、異なる出力値への再調整を容易に行うことができ
る。

【００４５】請求項７の発明の半導体センサは、基板を
ハウジングに固定した後、ハウジングを調整治具に固定
して所定の角度に保持した状態でデジタルトリミングを
行うことにより、出力特性の調整を行うので、個々の部
品の加工精度を向上させることなく、検出精度を安価に
向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１による加速度センサ
の要部を示す切欠斜視図である。

【図２】 加速度センサのオフセット特性を示す関係図
である。

【図３】 加速度センサのスパン並びにスパンシフト特
性を示す関係図である。

【図４】 加速度センサのセンサエレメントの周波数特
性を示す関係図である。

【図５】 この発明の実施の形態２による加速度センサ
の要部を示す切欠斜視図である。

【図６】 図５の加速度センサの断面図である。

【図７】 この発明の実施の形態３による加速度センサ
の要部を示す概略の構成図である。

【図８】 この発明の実施の形態４による加速度センサ
の要部を示す概略の構成図である。

【図９】 この発明の実施の形態５による加速度センサ
の要部を示す概略の構成図である。

【図１０】 従来の加速度センサのセンサエレメントの
一例を示す斜視図である。

【図１１】 従来の加速度センサの増幅補正回路基板の
一例を示す斜視図である。

【図１２】 従来の加速度センサの一例の側面断面図で
ある。

【図１３】 図１２のベースを示す平面図である。

【図１４】 図１２の分解斜視図である。

【図１５】 図１２の加速度センサを被測定物に取り付
けた状態を示す説明図である。

【図１６】 図１２の加速度センサの取付方向による加
速度の向きを示す説明図である。

【符号の説明】

２１ ハウジング、２２，４１，５４ 基板、２３，４
２，５１，５２，５３センサエレメント、２４，３１，
５５ 調整ＩＣ、２５ デジタル調整入力電極、２６
プローバ、４３ 信号処理回路、４４ ＰＲＯＭ、４６
可動電極、４７ａ，４７ｂ 固定電極、４８ ＥＥＰ
ＲＯＭ。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ハウジングと、 このハウジングに固定されている基板と、 この基板に設けられているセンサエレメントと、 上記基板に設けられているとともに、出力特性を調整す
   るためのデータを記憶しデジタルトリミングにより上記
   データを書き込み可能なデジタルメモリを有しており、
   上記センサエレメントからの出力信号をデジタル信号処
   理する信号処理回路とを備えていることを特徴とする半
   導体センサ。
2. 【請求項２】 デジタルトリミングを行う際にデジタル
   調整用入力装置のプローバが接触するデジタル調整入力
   電極が、基板上に設けられていることを特徴とする請求
   項１記載の半導体センサ。
3. 【請求項３】 センサエレメントが基板上に搭載されて
   おり、信号処理回路を有する調整ＩＣが上記センサエレ
   メント上に接合されていることを特徴とする請求項２記
   載の半導体センサ。
4. 【請求項４】 信号処理回路が設けられている半導体の
   基板の一部に、可動電極及び固定電極を有するセンサエ
   レメントがワンチップ仕様で設けられていることを特徴
   とする請求項１記載の半導体センサ。
5. 【請求項５】 異なる方向への加速度を検出する複数の
   センサエレメントと、これらのセンサエレメントに対応
   した信号処理回路をそれぞれ有する複数の調整ＩＣとが
   同一基板上に搭載されていることを特徴とする請求項１
   ないし請求項４のいずれかに記載の半導体センサ。
6. 【請求項６】 デジタルメモリは、ＥＥＰＲＯＭである
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに
   記載の半導体センサ。
7. 【請求項７】 センサエレメントと、このセンサエレメ
   ントからの出力信号をデジタル信号処理する信号処理回
   路とを基板に設けるとともに、この基板をハウジングに
   固定した後、上記ハウジングを調整治具に固定して所定
   の角度に保持した状態でデジタルトリミングを行うこと
   により、出力特性の調整を行うことを特徴とする半導体
   センサの製造方法。