加速度传感器元件及具有该元件的加速度传感器 【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匀的电 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 轴压电电阻元件 X1 ～ 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 X1 ～ X4 和 Z 轴压电电阻元件 Z1 ～ 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匀的应力变化， 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小， 并且利用应力缓和梁与外框架连接， 所以， 即使在外框架及支承 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， 间隙越小， 越可以增大空气阻尼作用。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 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 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
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。
附图说明
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 400μm 的硅层上具有夹持约 1μm 的硅氧化层的厚度约为 6μm 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 ～ 18 3 3×10 原子 /cm 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 一直到第二层 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 较小， 可以缩小上述间隙。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， 比硅的热膨胀系数小， 另外， 在成膜时， 由于例如在 950℃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 一直形成 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 560μm， 梁部 13 的长度为 240μm， 压电电 阻形成部的宽度为 28μm， 内框支承部 17 的长度为 50μm， 外框 16 侧的连接宽度为 160μm， 内框 15 侧的连接宽度为 150μm。另外， 第一层的厚度为 4μm， 第二层的厚度为 400μm， 。 内框 15 的宽度为 70μm。
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 一样， 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 ±15 度的角度范围内对称地配置， 也具有一定的 效果。在 45 度 ±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
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 ： Z 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。