力学量検出センサ
【課題】加工プロセスに起因したセンサ感度のばらつきを抑えて製造時の歩留まりを向上することができる力学量検出センサを提供すること。
【解決手段】枠体１１の内側に梁部１３により変位部１２を揺動可能に支持する第１の基板２と、開口部２３を有する支持部２１、変位部１２に接続した錘部２２が形成された第２の基板３と、梁部１３の撓み量に基づいて力学量に応じた信号を出力する検出素子１７とを備え、平面視において、第１の基板２および第２の基板３が、少なくとも枠体１１の内縁１１ａにおける梁部１３との接続部分が支持部２１の開口縁２１ａの外側に位置すると共に、少なくとも変位部１２の外縁１２ａにおける梁部１３との接続部分が錘部２２の外縁２２ａの内側に位置するよう構成した。
【解決手段】枠体１１の内側に梁部１３により変位部１２を揺動可能に支持する第１の基板２と、開口部２３を有する支持部２１、変位部１２に接続した錘部２２が形成された第２の基板３と、梁部１３の撓み量に基づいて力学量に応じた信号を出力する検出素子１７とを備え、平面視において、第１の基板２および第２の基板３が、少なくとも枠体１１の内縁１１ａにおける梁部１３との接続部分が支持部２１の開口縁２１ａの外側に位置すると共に、少なくとも変位部１２の外縁１２ａにおける梁部１３との接続部分が錘部２２の外縁２２ａの内側に位置するよう構成した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３軸方向の加速度を検出可能な力学量検出センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車産業や機械産業では、加速度を正確に検出できる小型の力学量検出センサの需要が高まっている。このような力学量検出センサとして、互いに直交する３軸方向の加速度を同時に検出できる加速度センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。この加速度センサは、シリコン製の第１の半導体基板、酸化シリコン製の絶縁層、シリコン製の第２の半導体基板を接合した３層構造のＳＯＩ基板をエッチングして形成される。
【０００３】
第１の半導体基板にはエッチングにより枠体と、枠体の中央に位置する変位部と、枠体の四辺から変位部に連なる梁部とが形成され、第２の半導体基板にはエッチングにより枠体に接合された支持部と、変位部に接合された錘部とが形成される。また、各梁部の上面には検出素子が配置されており、錘部に慣性力が作用して各梁部が撓み変形することで、３軸方向の加速度が検出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３２２３００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の力学量検出センサは、ＳＯＩ基板の表面と裏面とからエッチングすることにより形成されるため、枠体と支持部、および変位部と錘部の間でアライメントズレが生じていた。すなわち、エッチングレートを微調整することが困難であり、例えば、一部においては枠体に対して支持部がはみ出るように段差が形成され、他の一部においては逆に支持部に対して枠体がはみ出るように段差が形成されてしまっていた。
【０００６】
このようなアライメントズレにより、第１の半導体基板においてバネとして機能する範囲がばらつくため、センサ感度もばらつき、製造時の歩留まりが低下するという問題があった。特に、平面視において、枠体の内縁の外側に支持部の開口縁が位置する場合や、変位部の外縁の外側に錘部の外縁が位置する場合には、本来、バネとして機能しない部分までバネとして機能するため、センサ感度のばらつきが大きくなっていた。
【０００７】
さらに、このような加工プロセスにより形成される力学量検出センサにおいては、梁部側面と枠体の内側面との角部や、梁部の側面と錘部の外側面との角部がＲ形状に加工され、このＲ形状の曲率に応じて梁部の接続部分における応力値も変わるため、センサ感度がばらつき、製造時の歩留まりが低下するという問題があった。
【０００８】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、加工プロセスに起因したセンサ感度のばらつきを抑えて製造時の歩留まりを向上することができる力学量検出センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の力学量検出センサは、枠体と、前記枠体の内側に位置する変位部と、前記枠体に対し前記変位部を揺動可能に支持する梁部とが形成された第１の基板と、開口部を有し、前記枠体に接続された支持部と、前記変位部に接続された錘部とが形成され、前記第１の基板に積層された第２の基板と、前記梁部の撓み量に基づいて力学量に応じた信号を出力する検出素子とを備え、平面視において、前記第１の基板および前記第２の基板が、少なくとも前記枠体の内縁における前記梁部との接続部分が前記支持部の開口縁の外側に位置する第１の位置関係および／または少なくとも前記変位部の外縁における前記梁部との接続部分が前記錘部の外縁の内側に位置する第２の位置関係をとることを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、アライメントズレが生じていても、梁部の根本部分において、常に枠体に対して支持部がはみ出るように段差が形成されると共に、変位部に対して錘部がはみ出るように段差が形成されるため、第１の基板においてバネとして機能する範囲のばらつきを小さくし、センサ感度のばらつきを抑えて製造時の歩留まりを向上させることができる。特に、平面視において、本来、バネとして機能しない枠体の一部および変位部の一部がバネとして機能するのを防止することができる。さらに、梁部の側面と枠体の内側面および変位部の外側面との角部がＲ形状に加工されていても、Ｒ形状の曲率の違いによる応力値の影響を小さくして、センサ感度のばらつきを抑えて製造時の歩留まりを向上させることができる。
【００１１】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、平面視において、前記支持部の開口縁の外側に前記枠体の内縁が位置し、前記錘部の外縁の内側に前記変位部の外縁が位置することを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、容易な加工により、平面視において、枠体と梁部の接続部分を支持部の開口縁の外側に位置させると共に、変位部と梁部の接続部分を錘部の外縁の内側に位置させることができる。
【００１３】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記支持部の前記開口部を形成する内側面と前記支持部の前記枠体に接続される接続面とで形成される角部が面取りされていることを特徴とする。
【００１４】
この構成によれば、支持部の面取りされた部分において梁部に生じる負荷が分散されるため、梁部に対する応力集中を防ぎ、衝撃による梁部の破損を防止することができる。また、梁部と支持部との衝突による損傷を軽減することができる。
【００１５】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記錘部の外側面と前記錘部の前記変位部に接続される接続面とで形成される角部が面取りされていることを特徴とする。
【００１６】
この構成によれば、錘部の面取りされた部分において梁部に生じる負荷が分散されるため、梁部に対する応力集中を防ぎ、衝撃による梁部の破損を防止することができる。また、梁部と錘部との衝突による損傷を軽減することができる。
【００１７】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記面取りは、曲面状に面取りされていることを特徴とする。
【００１８】
この構成によれば、エッチング加工により簡易に面取りすることができる。
【００１９】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記第１の基板と前記第２の基板は、絶縁層を介して積層されており、前記梁部は、前記第１の基板と前記絶縁層とを積層した状態で形成されることを特徴とする。
【００２０】
この構成によれば、絶縁層を残存した状態で梁部が形成されるため、支持部や錘部において梁部を支持する角部からの反力により梁部に対し直に応力が集中するのを防ぎ、梁部の破損を防止することができる。また、絶縁層を残存させることで、絶縁層の除去による加工量のばらつきに応じたバネ定数の変化を小さくし、センサ感度のばらつきを抑えて製造時の歩留まりを向上させることができる。
【００２１】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記梁部の前記枠体側で前記梁部の側面と前記支持部の内側面とが平面視において直角に交わることを特徴とする。
【００２２】
この構成によれば、梁部の枠体側で梁部の側面と支持部の内側面とが平面視において直角に交わるため、枠体側の根本部分のＲ形状の曲率のばらつきに起因したセンサ感度のばらつきを抑えて、製造時の歩留まりを向上させることができる。
【００２３】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記梁部の前記変位体側で前記梁部の側面と前記錘部の外側面とが平面視において直角に交わることを特徴とする。
【００２４】
この構成によれば、梁部の変位体側で梁部の側面と錘部の外側面とが平面視において直角に交わるため、変位部側の根本部分のＲ形状の曲率のばらつきに起因したセンサ感度のばらつきを抑えて、製造時の歩留まりを向上させることができる。
【００２５】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記検出素子は、圧電素子であることを特徴とする。
【００２６】
この構成によれば、簡易な構成により検出素子を構成することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、加工プロセスに起因したセンサ感度のばらつきを抑えて製造時の歩留まりを向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る力学量検出センサの実施の形態を示す図であり、力学量検出センサの斜視図である。
【図２】本発明に係る力学量検出センサの実施の形態を示す図であり、力学量検出センサの分解斜視図である。
【図３】本発明に係る力学量検出センサの実施の形態を示す図であり、力学量検出センサの上面模式図である。
【図４】本発明に係る力学量検出センサの実施の形態を示す図であり、（ａ）は図３のＡ−Ａ線に沿う断面模式図、（ｂ）は図３のＢ−Ｂ線に沿う断面模式図である。
【図５】本発明に係る力学量検出センサの実施の形態を示す図であり、（ａ）は錘部がＸ軸回りに回動する際の力学量検出センサの検出動作説明図であり、（ｂ）は錘部がＺ軸方向に直動する際の力学量検出センサの検出動作説明図である。
【図６】本発明に係る力学量検出センサの実施の形態を示す図であり、加工プロセスの一例を説明するための図である。
【図７】本発明に係る力学量検出センサの実施の形態を示す図であり、テスト用の力学量検出センサの上面模式図である。
【図８】本発明に係る力学量検出センサの実施の形態を示す図であり、図７で用いた力学量検出センサの出力電圧結果である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの斜視図である。図２は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの分解斜視図である。
【００３０】
図１および図２に示すように、力学量検出センサ１は、第１の半導体基板２と第２の半導体基板３とを絶縁層４を介して接合して構成されている。力学量検出センサ１は、例えば、第１の半導体基板２をシリコン層、絶縁層４を酸化シリコン層、第２の半導体基板３をシリコン層とした３層構造をなすＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて製造可能である。
【００３１】
第１の半導体基板２には、第２の半導体基板３と比較して相対的に薄板状のシリコン層で構成され、矩形枠状の枠体１１と、枠体１１の内側に配置された変位部１２と、枠体１１の四辺と変位部１２とを接続する４つの梁部１３とが形成されている。枠体１１、変位部１２、梁部１３は、第１の半導体基板２をエッチングにより変位部１２の周囲に上面視Ｌ字状の４つの開口を設けることで形成される。
【００３２】
枠体１１は、Ｌ字状の４つの開口により変位部１２を囲うように形成されている。変位部１２は、略正方形状に形成され、枠体１１の枠内中央に配置されている。４つの梁部１３は、それぞれ枠体１１の一辺から対向辺に向かって延在する長尺部１５と、長尺部１５に連なり、変位部１２の四隅に接続される短尺部１６とから構成される。このように、４つの梁部１３は、長尺部１５を有しているため、撓み易い構成となっている。
【００３３】
各梁部１３の上面には、枠体１１との接続部分に位置してそれぞれ検出素子１７が設けられており、この検出素子１７により各梁部１３の撓み量が検出される。検出素子１７は、いわゆる圧電素子であり、図示しない下地膜の上面に、下部電極２５、圧電体膜２６、上部電極２７の順に蒸着等により成膜することで形成される（図４参照）。検出素子１７は、梁部１３に生じた撓みにより変形し、この変形による圧力を電圧に変換して出力する。
【００３４】
第２の半導体基板３には、第１の半導体基板２と比較して相対的に厚板状のシリコン層で構成され、矩形状の開口部２３を有する支持部２１と、開口部２３の内側に配置された錘部２２とが形成されている。支持部２１および錘部２２は、第１の半導体基板２をエッチングにより錘部２２の周囲に矩形枠状の開口を設けることで形成される。
【００３５】
支持部２１は、上面視において枠体１１に対応した形状を有しており、枠体１１の下面に絶縁層４を介して接合されている。錘部２２は、略直方体形状に形成されており、変位部１２の下面に絶縁層４を介して接合されている。このように、錘部２２は、支持部２１の開口部２３の内側において、変位部１２を介して４つの梁部１３により揺動自在に支持される。よって、錘部２２の重心位置に慣性力が作用すると、Ｘ軸回りの回動、Ｙ軸回りの回動、Ｚ軸方向の直動が可能となっている。
【００３６】
次に、図３および図４を参照して、第１の半導体基板と第２の半導体基板の接合状態について詳細に説明する。図３は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの上面模式図である。図４は、図３の断面模式図であり、（ａ）はＡ−Ａ線に沿う断面模式図、（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿う断面模式図である。
【００３７】
図３に示すように、枠体１１の内縁１１ａの各辺は、それぞれ変位部１２の外縁１２ａの各辺に対して平行に形成されており、枠体１１の内縁１１ａの各辺から対向する変位部１２の外縁１２ａの各辺までの距離はそれぞれ同一となるように形成されている。また、支持部２１の開口縁２１ａの各辺は、それぞれ錘部２２の外縁２２ａの各辺に対して平行に形成されており、支持部２１の開口縁２１ａの各辺から対向する錘部２２の外縁２２ａの各辺までの距離はそれぞれ同一となるように形成されている。このとき、枠体１１の内縁１１ａの各辺から対向する変位部１２の外縁１２ａの各辺までの距離よりも、支持部２１の開口縁２１ａの各辺から対向する錘部２２の外縁２２ａの各辺までの距離の方が短く形成されている。
【００３８】
よって、支持部２１の開口縁２１ａの外側に枠体１１の内縁１１ａが位置されるため、支持部２１の開口縁２１ａを露出するように段差が形成される。この構成により、枠体１１の内縁１１ａにおける梁部１３との接続部分が支持部２１の開口縁２１ａの外側に位置するため、枠体１１と支持部２１との間で加工プロセスによるアライメントズレが生じた場合であっても、常に枠体１１に対して支持部２１がはみ出るように段差が形成されるため、梁部１３の一部が揺動時の支点となり、枠体１１の一部が揺動時の支点となることがない。
【００３９】
同様に、錘部２２の外縁２２ａの内側に変位部１２の外縁１２ａが位置されるため、錘部２２の外縁２２ａを露出するように段差が形成される。この構成により、変位部１２の外縁１２ａにおける梁部１３との接続部分が錘部２２の外縁２２ａの内側に位置するため、変位部１２と錘部２２との間で加工プロセスによるアライメントズレが生じた場合であっても、常に変位部１２に対して錘部２２がはみ出るように段差が形成されるため、梁部１３の一部が揺動時の支点となり、変位部１２の一部が揺動時の支点となることがない。
【００４０】
このように、アライメントズレにより枠体１１や変位部１２が揺動時の支点となることがないため、枠体１１の一部や変位部１２の一部がバネとして機能することを確実に防止し、センサ感度のばらつきを抑えることが可能となる。なお、枠体１１と支持部２１とで形成される段差、および変位部１２と錘部２２とで形成される段差の突出長は、５μｍ程度のアライメントズレを考慮して１０μｍ程度に設計されている。
【００４１】
図４（ａ）に示すように、支持部２１の開口部２３を形成する内側面２１ｂと枠体１１に接合される接合面２１ｃとで形成される角部には、曲面状の面取部２１ｄが形成されている。同様に、錘部２２の外側面２２ｂと変位部１２に接合される接合面２２ｃとで形成される角部にも、曲面状の面取部２２ｄが形成されている。このように、支持部２１および錘部２２が面取りされているため、衝撃により梁部１３が矢印方向に大きく揺動して支持部２１および錘部２２に衝突しても、梁部１３の損傷を軽減することが可能となる。
【００４２】
また、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、梁部１３は、枠体１１との接続部分および変位部との接続部分において、揺動時に面取部２１ｄ、２２ｄにより支持される。この構成により、面取部２１ｄ、２２ｄにおいて梁部１３に生じる負荷が分散されるため、梁部１３に対する応力集中を防ぎ、衝撃による梁部１３の破損を防止することが可能となる。なお、本実施の形態では、面取部２１ｄ、２２ｄを曲面で形成したが、この構成に限定されるものではない、梁部１３に作用する負荷を分散可能な構成であればよく、例えば、傾斜面で形成する構成としてもよい。
【００４３】
さらに、梁部１３は、絶縁層４を残存させた状態で形成されている。この構成により、支持部２１や錘部２２から受ける反力により、梁部１３に対して直に応力が集中するのを防ぎ、梁部１３の破損を防止することが可能となる。また、絶縁層４を残存させることで、絶縁層４の除去による加工量のばらつきに応じたバネ定数の変化を小さくし、センサ感度のばらつきを抑えることが可能となる。なお、梁部１３の加工プロセスについては、力学量検出センサ１の加工プロセスと共に後述する。
【００４４】
また、図３に戻り、梁部１３の長尺部１５の枠体１１側が支持部２１の段差に支持され、平面視において梁部１３の長尺部１５の両側面１５ａがそれぞれ支持部２１の内側面２１ａに対して直交している。また、梁部１３の短尺部１６の変位部１２側が錘部２２の段差に接し、平面視において梁部１３の短尺部１６の両側面１６ａがそれぞれ錘部２２の外側面２２ａに対して直交している。このように、梁部１３は、両端側において両側面が支持部２１の内側面２１ａおよび錘部２２の外側面２２ａに直交して根本部分を避けた位置を支点として揺動されるため、梁部１３の根本部分のＲ形状の曲率のばらつきに起因したセンサ感度のばらつきを抑えることが可能となる。
【００４５】
次に、図５を参照して、力学量検出センサの動作について簡単に説明する。図５は、力学量検出センサの検出動作説明図であり、（ａ）は錘部がＸ軸回りに回動する際の検出動作説明図であり、（ｂ）は錘部がＺ軸方向に直動する際の検出動作説明図である。
【００４６】
図５（ａ）に示すように、力学量検出センサ１に対して加速度が働いて、錘部２２に対してＹ軸方向に慣性力が作用すると、錘部２２はＸ軸回りに回動する。このとき、梁部１３ａ、ｂの変位部１２側がＺ軸方向下方に移動して、梁部１３ａ、ｂの枠体１１側にＺ方向上方に力が作用する。また、梁部１３ｃ、ｄの変位部１２側がＺ軸方向上方に移動して、梁部１３ｃ、ｄの枠体１１側にＺ軸方向下方に力が作用する。そして、梁部１３ａ、ｂの枠体１１側はＺ軸方向上方に膨らむように撓み、梁部１３ｃ、ｄの枠体１１側はＺ軸方向下方に凹むように撓む。
【００４７】
検出素子１７ａ、ｂは、それぞれ梁部１３ａ、ｂの枠体１１側の撓みに合わせてＺ軸方向上方に膨らむように変形し、変形に応じた電圧を出力する。また、検出素子１７ｃ、ｄは、それぞれ梁部１３ｃ、ｄの枠体１１側の撓みに合わせてＺ軸方向下方に凹むように変形し、変形に応じた電圧を出力する。各検出素子１７ａ、ｂ、ｃ、ｄから出力された電圧は、図示しない演算回路において演算され、加速度が算出される。
【００４８】
なお、錘部２２がＹ軸回りに回動する場合には、逆に、梁部１３ａ、ｂの枠体１１側にＺ軸方向下方に力が作用し、梁部１３ｃ、ｄの枠体１１側にＺ軸方向上方に力が作用する。したがって、検出素子１７ａ、ｂは、それぞれ梁部１３ａ、ｂの枠体１１側の撓みに合わせてＺ軸方向下方に凹むように変形し、検出素子１７ｃ、ｄは、それぞれ梁部１３ｃ、ｄの枠体１１側の撓みに合わせてＺ軸方向上方に膨らむように変形する。
【００４９】
図５（ｂ）に示すように、力学量検出センサ１に対して加速度が働いて、錘部２２に対してＺ軸方向下方に慣性力が作用すると、錘部２２はＺ方向下方に直動する。このとき、梁部１３ａ、ｂ、ｃ、ｄの変位部１２側がＺ軸方向下方に移動して、梁部１３ａ、ｂ、ｃ、ｄの枠体１１側にＺ軸方向上方に力が作用する。そして、梁部１３ａ、ｂ、ｃ、ｄの枠体１１側はＺ軸方向上方に膨らむように撓み、検出素子１７ａ、ｂ、ｃ、ｄもＺ軸方向上方に膨らむように変形する。そして、各検出素子１７ａ、ｂ、ｃ、ｄから出力された電圧は、図示しない演算回路において演算され、加速度が算出される。
【００５０】
なお、力学量検出センサ１において、錘部２２および変位部１２の質量、各梁部１３のバネ定数、枠体１１と支持部２１との間の段差および変位部１２と錘部２２との間の段差の突出長を適宜変更することによってセンサ感度を任意に調整することも可能である。
【００５１】
以下、図６を参照して、力学量検出センサの加工プロセスの一例について説明する。図６は、本発明の実施の形態に係る加工プロセスの一例を説明するための図である。
【００５２】
図６（ａ）に示すように、第１の半導体基板２、絶縁層４、第２の半導体基板３を積層したＳＯＩ基板を準備し、第１の半導体基板２の上面にサポート基板３１が配置される。次に、図６（ｂ）に示すように、第２の半導体基板３の下面が研磨され薄化されると共に、第２の半導体基板３がフォトリソグラフィおよびエッチングにより加工されて支持部２１および錘部２２が形成される。このとき、支持部２１の内側面２１ｂと第１の半導体基板２側の接合面２１ｃとで形成される角部、および錘部２２の外側面２２ｂと第１の半導体基板２側の接合面２２ｃとで形成される角部が面取りされる（図４参照）。
【００５３】
なお、本実施の形態においては、エッチングの条件を調整することにより、支持部２１および錘部２２と絶縁層４との境界部分付近においてオーバエッジが進行するようにして面取部２１ｄ、２２ｄを形成する構成としたが、面取部２１ｄ、２２ｄを形成可能であればどのような構成でよい。また、面取りとは、支持部２１および錘部２２の絶縁層４側の角部において、支持部２１と枠体１１との間、および錘部２２と変位部１２との間に隙間を生じさせることを示すものであり、加工方法が限定されるものではない。
【００５４】
次に、図６（ｃ）に示すように、ベース基板３２がフォトリソグラフィおよびエッチングにより加工されてキャビティ３３が形成され、第２の半導体基板３の下面に接合される。次に、図６（ｄ）に示すように、第１の半導体基板２の上面からサポート基板３１が剥離され、第１の半導体基板２の上面が研磨されて所望の厚みに薄化される。次に、図６（ｅ）に示すように、第１の半導体基板２の上面にスパッタリングにより金属材および圧電材が被着され、フォトリソグラフィおよびエッチングによりパターンニングされて検出素子１７が形成される。
【００５５】
次に、図６（ｆ）に示すように、第１の半導体基板２および絶縁層４がフォトリソグラフィおよびエッチングにより加工されて枠体１１、梁部１３、変位部１２が形成される。このとき、梁部１３に接合された絶縁層４はエッチングにより除去されずに残存される。このようにして、図１に示す力学量検出センサ１を得ることが可能となる。
【００５６】
ここで、図７および図８を参照して、本件出願人により枠体と支持体との間に段差を設けたことによるセンサ感度のばらつきを検証するために実施されたテストについて説明する。このテストにおいては、梁部の根本部分のＲ形状の有無による出力電圧結果を比較することでセンサ感度のばらつきを検証する。
【００５７】
図７は、テスト用の力学量検出センサの上面模式図であり、（ａ）は段差無しでＲ形状有り、（ｂ）は段差無しでＲ形状無し、（ｃ）は段差有りでＲ形状有り、（ｄ）は段差有りでＲ形状無しの力学量検出センサをそれぞれ示している。図８は、図７で用いた力学量検出センサの出力電圧結果である。なお、テストにおいては、一梁構造の力学量検出センサを用いている。まず、一梁構造の力学量検出センサについて簡単に説明する。
【００５８】
図７（ａ）に示すように、一梁構造の力学量検出センサにおいては、１つの梁部４５により変位部４３および錘部４４が支持される。梁部４５は、枠体４２に一端側が接続された長尺部４８と、長尺部４８の他端側に一端側が接続された中尺部４７と、中尺部４７の他端側に一端側が接続され、変位部４３に他端側が接続された短尺部４６とから構成される。長尺部４８の枠体４２側には第１の検出素子５１、長尺部４８の中間位置には第２の検出素子５２、中尺部４７の中間位置には第３の検出素子５３がそれぞれ配置される。
【００５９】
また、梁部４５の根本部分において梁部４５の側面と枠体４２の内側面との角部５５がＲ形状であり、枠体４２と支持部４１が面一に形成されている。なお、図７（ｂ）は、図７（ａ）と梁部４５の根本部分において梁部４５の側面と枠体４２の内側面との角部５６が直角形状である点においてのみ相違する。図７（ｃ）は、図７（ａ）と枠体４２と支持部４１との間に段差が形成されている点においてのみ相違する。図７（ｄ）は、図７（ａ）と梁部４５の根本部分において梁部４５の側面と枠体４２の内側面との角部５６が直角形状である点および枠体４２と支持部４１との間に段差が形成されている点においてのみ相違する。
【００６０】
このように構成された力学量検出センサに対し、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に１Ｇ（９．８ｍ／ｓ２）の加速度を加えると、図８に示すような出力電圧結果が得られる。まず、枠体４２と支持部４１との間に段差を設けていない場合について説明する。図８（ａ）に示すように、Ｚ軸方向に加速度が加わったときに、図７（ａ）に示す力学量検出センサについては第１の検出素子５１に０．５５５ｖの出力電圧が生じ、図７（ｂ）に示す力学量検出センサについては０．５８４ｖの出力電圧が生じる。すなわち、梁部４５の根本部分のＲ形状の有無により約５％のセンサ感度のばらつきが生じている。
【００６１】
一方、枠体４２と支持部４１との間に段差を設けた場合には、図８（ｂ）に示すように、Ｚ軸方向に加速度が加わったときに、図７（ｃ）に示す力学量検出センサについては第１の検出素子５１に０．５６６ｖの出力電圧が生じ、図７（ｄ）に示す力学量検出センサについては０．５６９ｖの出力電圧が生じる。すなわち、梁部４５の根本部分のＲ形状の有無により約０．４％のセンサ感度のばらつきが生じている。
【００６２】
このように、枠体４２と支持部４１との間に段差を設けた場合には、段差を設けない場合と比較して梁部４５の根本部分のＲ形状の有無によるセンサ感度のばらつきを１／１０以下に抑制することが可能となる。
【００６３】
以上のように、本実施の形態に係る力学量検出センサ１によれば、アライメントズレが生じていても、梁部１３の根本部分において、常に枠体１１に対して支持部２１がはみ出るように段差が形成されると共に、変位部１２に対して錘部２２がはみ出るように段差が形成されるため、第１の半導体基板２においてバネとして機能する範囲のばらつきを小さくし、センサ感度のばらつきを抑えて製造時の歩留まりを向上させることが可能となる。特に、本来、バネとして機能しない枠体１１の一部や変位部１２の一部がバネとして機能するのを防止することが可能となる。さらに、梁部１３の側面と枠体１１の内側面との角部がＲ形状に加工されていても、Ｒ形状の曲率の違いによる応力値の影響を小さくして、センサ感度のばらつきを抑えて製造時の歩留まりを向上させることが可能となる。
【００６４】
なお、上記した実施の形態においては、四梁構造の力学量検出センサを例示して説明したが、この構成に限定されるものではない。梁により錘部を支持する構成であればよく、例えば、錘部の形状や梁部の形状および数量が限定されるものではない。
【００６５】
また、上記した実施の形態においては、検出素子として圧電素子を例示して説明したが、この構成に限定されるものではない。梁部の撓みに基づいて力学量に応じた信号を出力する構成であればよく、例えば、圧電素子の代わりにピエゾ素子を用いてもよい。
【００６６】
また、上記した実施の形態においては、枠体の内縁および支持部の開口縁の全周に亘って段差が形成される構成としたが、この構成に限定されるものではない。少なくとも、枠体と梁部との接続部分に対応して段差が形成されればよい。同様に、変位部の外縁および錘部の外縁の全周に亘って段差が形成される必要はなく、少なくとも、変位部と梁部との接続部分に対応して段差が形成されればよい。
【００６７】
また、上記した実施の形態においては、枠体と支持部との間および変位部と錘部との間に段差が形成される構成としたが、いずれか一方にのみに段差が形成されるようにしてもよい。また、支持部および錘部のうち、いずれか一方のみに面取部が形成されるようにしてもよい。さらに、枠体と梁部との根本部分および変位部と梁部との根本部分のうちいずれか一方のみが直角形状に形成される構成としてもよい。
【００６８】
また、今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であってこの実施の形態に制限されるものではない。本発明の範囲は、上記した実施の形態のみの説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
以上説明したように、本発明は、加工プロセスに起因したセンサ感度のばらつきを抑えて製造時の歩留まりを向上することができるという効果を有し、特に、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３軸方向の加速度を検出する力学量検出センサに有用である。
【符号の説明】
【００７０】
１ 力学量検出センサ
２ 第１の半導体基板（第１の基板）
３ 第２の半導体基板（第２の基板）
４ 絶縁層
１１ 枠体
１１ａ 内縁
１２ 変位部
１２ａ 外縁
１３ 梁部
１７ 検出素子
２１ 支持部
２１ａ 開口縁
２２ 錘部
２２ａ 外縁
２１ｄ、２２ｄ 面取部
２３ 開口部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３軸方向の加速度を検出可能な力学量検出センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車産業や機械産業では、加速度を正確に検出できる小型の力学量検出センサの需要が高まっている。このような力学量検出センサとして、互いに直交する３軸方向の加速度を同時に検出できる加速度センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。この加速度センサは、シリコン製の第１の半導体基板、酸化シリコン製の絶縁層、シリコン製の第２の半導体基板を接合した３層構造のＳＯＩ基板をエッチングして形成される。
【０００３】
第１の半導体基板にはエッチングにより枠体と、枠体の中央に位置する変位部と、枠体の四辺から変位部に連なる梁部とが形成され、第２の半導体基板にはエッチングにより枠体に接合された支持部と、変位部に接合された錘部とが形成される。また、各梁部の上面には検出素子が配置されており、錘部に慣性力が作用して各梁部が撓み変形することで、３軸方向の加速度が検出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３２２３００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の力学量検出センサは、ＳＯＩ基板の表面と裏面とからエッチングすることにより形成されるため、枠体と支持部、および変位部と錘部の間でアライメントズレが生じていた。すなわち、エッチングレートを微調整することが困難であり、例えば、一部においては枠体に対して支持部がはみ出るように段差が形成され、他の一部においては逆に支持部に対して枠体がはみ出るように段差が形成されてしまっていた。
【０００６】
このようなアライメントズレにより、第１の半導体基板においてバネとして機能する範囲がばらつくため、センサ感度もばらつき、製造時の歩留まりが低下するという問題があった。特に、平面視において、枠体の内縁の外側に支持部の開口縁が位置する場合や、変位部の外縁の外側に錘部の外縁が位置する場合には、本来、バネとして機能しない部分までバネとして機能するため、センサ感度のばらつきが大きくなっていた。
【０００７】
さらに、このような加工プロセスにより形成される力学量検出センサにおいては、梁部側面と枠体の内側面との角部や、梁部の側面と錘部の外側面との角部がＲ形状に加工され、このＲ形状の曲率に応じて梁部の接続部分における応力値も変わるため、センサ感度がばらつき、製造時の歩留まりが低下するという問題があった。
【０００８】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、加工プロセスに起因したセンサ感度のばらつきを抑えて製造時の歩留まりを向上することができる力学量検出センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の力学量検出センサは、枠体と、前記枠体の内側に位置する変位部と、前記枠体に対し前記変位部を揺動可能に支持する梁部とが形成された第１の基板と、開口部を有し、前記枠体に接続された支持部と、前記変位部に接続された錘部とが形成され、前記第１の基板に積層された第２の基板と、前記梁部の撓み量に基づいて力学量に応じた信号を出力する検出素子とを備え、平面視において、前記第１の基板および前記第２の基板が、少なくとも前記枠体の内縁における前記梁部との接続部分が前記支持部の開口縁の外側に位置する第１の位置関係および／または少なくとも前記変位部の外縁における前記梁部との接続部分が前記錘部の外縁の内側に位置する第２の位置関係をとることを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、アライメントズレが生じていても、梁部の根本部分において、常に枠体に対して支持部がはみ出るように段差が形成されると共に、変位部に対して錘部がはみ出るように段差が形成されるため、第１の基板においてバネとして機能する範囲のばらつきを小さくし、センサ感度のばらつきを抑えて製造時の歩留まりを向上させることができる。特に、平面視において、本来、バネとして機能しない枠体の一部および変位部の一部がバネとして機能するのを防止することができる。さらに、梁部の側面と枠体の内側面および変位部の外側面との角部がＲ形状に加工されていても、Ｒ形状の曲率の違いによる応力値の影響を小さくして、センサ感度のばらつきを抑えて製造時の歩留まりを向上させることができる。
【００１１】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、平面視において、前記支持部の開口縁の外側に前記枠体の内縁が位置し、前記錘部の外縁の内側に前記変位部の外縁が位置することを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、容易な加工により、平面視において、枠体と梁部の接続部分を支持部の開口縁の外側に位置させると共に、変位部と梁部の接続部分を錘部の外縁の内側に位置させることができる。
【００１３】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記支持部の前記開口部を形成する内側面と前記支持部の前記枠体に接続される接続面とで形成される角部が面取りされていることを特徴とする。
【００１４】
この構成によれば、支持部の面取りされた部分において梁部に生じる負荷が分散されるため、梁部に対する応力集中を防ぎ、衝撃による梁部の破損を防止することができる。また、梁部と支持部との衝突による損傷を軽減することができる。
【００１５】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記錘部の外側面と前記錘部の前記変位部に接続される接続面とで形成される角部が面取りされていることを特徴とする。
【００１６】
この構成によれば、錘部の面取りされた部分において梁部に生じる負荷が分散されるため、梁部に対する応力集中を防ぎ、衝撃による梁部の破損を防止することができる。また、梁部と錘部との衝突による損傷を軽減することができる。
【００１７】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記面取りは、曲面状に面取りされていることを特徴とする。
【００１８】
この構成によれば、エッチング加工により簡易に面取りすることができる。
【００１９】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記第１の基板と前記第２の基板は、絶縁層を介して積層されており、前記梁部は、前記第１の基板と前記絶縁層とを積層した状態で形成されることを特徴とする。
【００２０】
この構成によれば、絶縁層を残存した状態で梁部が形成されるため、支持部や錘部において梁部を支持する角部からの反力により梁部に対し直に応力が集中するのを防ぎ、梁部の破損を防止することができる。また、絶縁層を残存させることで、絶縁層の除去による加工量のばらつきに応じたバネ定数の変化を小さくし、センサ感度のばらつきを抑えて製造時の歩留まりを向上させることができる。
【００２１】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記梁部の前記枠体側で前記梁部の側面と前記支持部の内側面とが平面視において直角に交わることを特徴とする。
【００２２】
この構成によれば、梁部の枠体側で梁部の側面と支持部の内側面とが平面視において直角に交わるため、枠体側の根本部分のＲ形状の曲率のばらつきに起因したセンサ感度のばらつきを抑えて、製造時の歩留まりを向上させることができる。
【００２３】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記梁部の前記変位体側で前記梁部の側面と前記錘部の外側面とが平面視において直角に交わることを特徴とする。
【００２４】
この構成によれば、梁部の変位体側で梁部の側面と錘部の外側面とが平面視において直角に交わるため、変位部側の根本部分のＲ形状の曲率のばらつきに起因したセンサ感度のばらつきを抑えて、製造時の歩留まりを向上させることができる。
【００２５】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記検出素子は、圧電素子であることを特徴とする。
【００２６】
この構成によれば、簡易な構成により検出素子を構成することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、加工プロセスに起因したセンサ感度のばらつきを抑えて製造時の歩留まりを向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る力学量検出センサの実施の形態を示す図であり、力学量検出センサの斜視図である。
【図２】本発明に係る力学量検出センサの実施の形態を示す図であり、力学量検出センサの分解斜視図である。
【図３】本発明に係る力学量検出センサの実施の形態を示す図であり、力学量検出センサの上面模式図である。
【図４】本発明に係る力学量検出センサの実施の形態を示す図であり、（ａ）は図３のＡ−Ａ線に沿う断面模式図、（ｂ）は図３のＢ−Ｂ線に沿う断面模式図である。
【図５】本発明に係る力学量検出センサの実施の形態を示す図であり、（ａ）は錘部がＸ軸回りに回動する際の力学量検出センサの検出動作説明図であり、（ｂ）は錘部がＺ軸方向に直動する際の力学量検出センサの検出動作説明図である。
【図６】本発明に係る力学量検出センサの実施の形態を示す図であり、加工プロセスの一例を説明するための図である。
【図７】本発明に係る力学量検出センサの実施の形態を示す図であり、テスト用の力学量検出センサの上面模式図である。
【図８】本発明に係る力学量検出センサの実施の形態を示す図であり、図７で用いた力学量検出センサの出力電圧結果である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの斜視図である。図２は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの分解斜視図である。
【００３０】
図１および図２に示すように、力学量検出センサ１は、第１の半導体基板２と第２の半導体基板３とを絶縁層４を介して接合して構成されている。力学量検出センサ１は、例えば、第１の半導体基板２をシリコン層、絶縁層４を酸化シリコン層、第２の半導体基板３をシリコン層とした３層構造をなすＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて製造可能である。
【００３１】
第１の半導体基板２には、第２の半導体基板３と比較して相対的に薄板状のシリコン層で構成され、矩形枠状の枠体１１と、枠体１１の内側に配置された変位部１２と、枠体１１の四辺と変位部１２とを接続する４つの梁部１３とが形成されている。枠体１１、変位部１２、梁部１３は、第１の半導体基板２をエッチングにより変位部１２の周囲に上面視Ｌ字状の４つの開口を設けることで形成される。
【００３２】
枠体１１は、Ｌ字状の４つの開口により変位部１２を囲うように形成されている。変位部１２は、略正方形状に形成され、枠体１１の枠内中央に配置されている。４つの梁部１３は、それぞれ枠体１１の一辺から対向辺に向かって延在する長尺部１５と、長尺部１５に連なり、変位部１２の四隅に接続される短尺部１６とから構成される。このように、４つの梁部１３は、長尺部１５を有しているため、撓み易い構成となっている。
【００３３】
各梁部１３の上面には、枠体１１との接続部分に位置してそれぞれ検出素子１７が設けられており、この検出素子１７により各梁部１３の撓み量が検出される。検出素子１７は、いわゆる圧電素子であり、図示しない下地膜の上面に、下部電極２５、圧電体膜２６、上部電極２７の順に蒸着等により成膜することで形成される（図４参照）。検出素子１７は、梁部１３に生じた撓みにより変形し、この変形による圧力を電圧に変換して出力する。
【００３４】
第２の半導体基板３には、第１の半導体基板２と比較して相対的に厚板状のシリコン層で構成され、矩形状の開口部２３を有する支持部２１と、開口部２３の内側に配置された錘部２２とが形成されている。支持部２１および錘部２２は、第１の半導体基板２をエッチングにより錘部２２の周囲に矩形枠状の開口を設けることで形成される。
【００３５】
支持部２１は、上面視において枠体１１に対応した形状を有しており、枠体１１の下面に絶縁層４を介して接合されている。錘部２２は、略直方体形状に形成されており、変位部１２の下面に絶縁層４を介して接合されている。このように、錘部２２は、支持部２１の開口部２３の内側において、変位部１２を介して４つの梁部１３により揺動自在に支持される。よって、錘部２２の重心位置に慣性力が作用すると、Ｘ軸回りの回動、Ｙ軸回りの回動、Ｚ軸方向の直動が可能となっている。
【００３６】
次に、図３および図４を参照して、第１の半導体基板と第２の半導体基板の接合状態について詳細に説明する。図３は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの上面模式図である。図４は、図３の断面模式図であり、（ａ）はＡ−Ａ線に沿う断面模式図、（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿う断面模式図である。
【００３７】
図３に示すように、枠体１１の内縁１１ａの各辺は、それぞれ変位部１２の外縁１２ａの各辺に対して平行に形成されており、枠体１１の内縁１１ａの各辺から対向する変位部１２の外縁１２ａの各辺までの距離はそれぞれ同一となるように形成されている。また、支持部２１の開口縁２１ａの各辺は、それぞれ錘部２２の外縁２２ａの各辺に対して平行に形成されており、支持部２１の開口縁２１ａの各辺から対向する錘部２２の外縁２２ａの各辺までの距離はそれぞれ同一となるように形成されている。このとき、枠体１１の内縁１１ａの各辺から対向する変位部１２の外縁１２ａの各辺までの距離よりも、支持部２１の開口縁２１ａの各辺から対向する錘部２２の外縁２２ａの各辺までの距離の方が短く形成されている。
【００３８】
よって、支持部２１の開口縁２１ａの外側に枠体１１の内縁１１ａが位置されるため、支持部２１の開口縁２１ａを露出するように段差が形成される。この構成により、枠体１１の内縁１１ａにおける梁部１３との接続部分が支持部２１の開口縁２１ａの外側に位置するため、枠体１１と支持部２１との間で加工プロセスによるアライメントズレが生じた場合であっても、常に枠体１１に対して支持部２１がはみ出るように段差が形成されるため、梁部１３の一部が揺動時の支点となり、枠体１１の一部が揺動時の支点となることがない。
【００３９】
同様に、錘部２２の外縁２２ａの内側に変位部１２の外縁１２ａが位置されるため、錘部２２の外縁２２ａを露出するように段差が形成される。この構成により、変位部１２の外縁１２ａにおける梁部１３との接続部分が錘部２２の外縁２２ａの内側に位置するため、変位部１２と錘部２２との間で加工プロセスによるアライメントズレが生じた場合であっても、常に変位部１２に対して錘部２２がはみ出るように段差が形成されるため、梁部１３の一部が揺動時の支点となり、変位部１２の一部が揺動時の支点となることがない。
【００４０】
このように、アライメントズレにより枠体１１や変位部１２が揺動時の支点となることがないため、枠体１１の一部や変位部１２の一部がバネとして機能することを確実に防止し、センサ感度のばらつきを抑えることが可能となる。なお、枠体１１と支持部２１とで形成される段差、および変位部１２と錘部２２とで形成される段差の突出長は、５μｍ程度のアライメントズレを考慮して１０μｍ程度に設計されている。
【００４１】
図４（ａ）に示すように、支持部２１の開口部２３を形成する内側面２１ｂと枠体１１に接合される接合面２１ｃとで形成される角部には、曲面状の面取部２１ｄが形成されている。同様に、錘部２２の外側面２２ｂと変位部１２に接合される接合面２２ｃとで形成される角部にも、曲面状の面取部２２ｄが形成されている。このように、支持部２１および錘部２２が面取りされているため、衝撃により梁部１３が矢印方向に大きく揺動して支持部２１および錘部２２に衝突しても、梁部１３の損傷を軽減することが可能となる。
【００４２】
また、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、梁部１３は、枠体１１との接続部分および変位部との接続部分において、揺動時に面取部２１ｄ、２２ｄにより支持される。この構成により、面取部２１ｄ、２２ｄにおいて梁部１３に生じる負荷が分散されるため、梁部１３に対する応力集中を防ぎ、衝撃による梁部１３の破損を防止することが可能となる。なお、本実施の形態では、面取部２１ｄ、２２ｄを曲面で形成したが、この構成に限定されるものではない、梁部１３に作用する負荷を分散可能な構成であればよく、例えば、傾斜面で形成する構成としてもよい。
【００４３】
さらに、梁部１３は、絶縁層４を残存させた状態で形成されている。この構成により、支持部２１や錘部２２から受ける反力により、梁部１３に対して直に応力が集中するのを防ぎ、梁部１３の破損を防止することが可能となる。また、絶縁層４を残存させることで、絶縁層４の除去による加工量のばらつきに応じたバネ定数の変化を小さくし、センサ感度のばらつきを抑えることが可能となる。なお、梁部１３の加工プロセスについては、力学量検出センサ１の加工プロセスと共に後述する。
【００４４】
また、図３に戻り、梁部１３の長尺部１５の枠体１１側が支持部２１の段差に支持され、平面視において梁部１３の長尺部１５の両側面１５ａがそれぞれ支持部２１の内側面２１ａに対して直交している。また、梁部１３の短尺部１６の変位部１２側が錘部２２の段差に接し、平面視において梁部１３の短尺部１６の両側面１６ａがそれぞれ錘部２２の外側面２２ａに対して直交している。このように、梁部１３は、両端側において両側面が支持部２１の内側面２１ａおよび錘部２２の外側面２２ａに直交して根本部分を避けた位置を支点として揺動されるため、梁部１３の根本部分のＲ形状の曲率のばらつきに起因したセンサ感度のばらつきを抑えることが可能となる。
【００４５】
次に、図５を参照して、力学量検出センサの動作について簡単に説明する。図５は、力学量検出センサの検出動作説明図であり、（ａ）は錘部がＸ軸回りに回動する際の検出動作説明図であり、（ｂ）は錘部がＺ軸方向に直動する際の検出動作説明図である。
【００４６】
図５（ａ）に示すように、力学量検出センサ１に対して加速度が働いて、錘部２２に対してＹ軸方向に慣性力が作用すると、錘部２２はＸ軸回りに回動する。このとき、梁部１３ａ、ｂの変位部１２側がＺ軸方向下方に移動して、梁部１３ａ、ｂの枠体１１側にＺ方向上方に力が作用する。また、梁部１３ｃ、ｄの変位部１２側がＺ軸方向上方に移動して、梁部１３ｃ、ｄの枠体１１側にＺ軸方向下方に力が作用する。そして、梁部１３ａ、ｂの枠体１１側はＺ軸方向上方に膨らむように撓み、梁部１３ｃ、ｄの枠体１１側はＺ軸方向下方に凹むように撓む。
【００４７】
検出素子１７ａ、ｂは、それぞれ梁部１３ａ、ｂの枠体１１側の撓みに合わせてＺ軸方向上方に膨らむように変形し、変形に応じた電圧を出力する。また、検出素子１７ｃ、ｄは、それぞれ梁部１３ｃ、ｄの枠体１１側の撓みに合わせてＺ軸方向下方に凹むように変形し、変形に応じた電圧を出力する。各検出素子１７ａ、ｂ、ｃ、ｄから出力された電圧は、図示しない演算回路において演算され、加速度が算出される。
【００４８】
なお、錘部２２がＹ軸回りに回動する場合には、逆に、梁部１３ａ、ｂの枠体１１側にＺ軸方向下方に力が作用し、梁部１３ｃ、ｄの枠体１１側にＺ軸方向上方に力が作用する。したがって、検出素子１７ａ、ｂは、それぞれ梁部１３ａ、ｂの枠体１１側の撓みに合わせてＺ軸方向下方に凹むように変形し、検出素子１７ｃ、ｄは、それぞれ梁部１３ｃ、ｄの枠体１１側の撓みに合わせてＺ軸方向上方に膨らむように変形する。
【００４９】
図５（ｂ）に示すように、力学量検出センサ１に対して加速度が働いて、錘部２２に対してＺ軸方向下方に慣性力が作用すると、錘部２２はＺ方向下方に直動する。このとき、梁部１３ａ、ｂ、ｃ、ｄの変位部１２側がＺ軸方向下方に移動して、梁部１３ａ、ｂ、ｃ、ｄの枠体１１側にＺ軸方向上方に力が作用する。そして、梁部１３ａ、ｂ、ｃ、ｄの枠体１１側はＺ軸方向上方に膨らむように撓み、検出素子１７ａ、ｂ、ｃ、ｄもＺ軸方向上方に膨らむように変形する。そして、各検出素子１７ａ、ｂ、ｃ、ｄから出力された電圧は、図示しない演算回路において演算され、加速度が算出される。
【００５０】
なお、力学量検出センサ１において、錘部２２および変位部１２の質量、各梁部１３のバネ定数、枠体１１と支持部２１との間の段差および変位部１２と錘部２２との間の段差の突出長を適宜変更することによってセンサ感度を任意に調整することも可能である。
【００５１】
以下、図６を参照して、力学量検出センサの加工プロセスの一例について説明する。図６は、本発明の実施の形態に係る加工プロセスの一例を説明するための図である。
【００５２】
図６（ａ）に示すように、第１の半導体基板２、絶縁層４、第２の半導体基板３を積層したＳＯＩ基板を準備し、第１の半導体基板２の上面にサポート基板３１が配置される。次に、図６（ｂ）に示すように、第２の半導体基板３の下面が研磨され薄化されると共に、第２の半導体基板３がフォトリソグラフィおよびエッチングにより加工されて支持部２１および錘部２２が形成される。このとき、支持部２１の内側面２１ｂと第１の半導体基板２側の接合面２１ｃとで形成される角部、および錘部２２の外側面２２ｂと第１の半導体基板２側の接合面２２ｃとで形成される角部が面取りされる（図４参照）。
【００５３】
なお、本実施の形態においては、エッチングの条件を調整することにより、支持部２１および錘部２２と絶縁層４との境界部分付近においてオーバエッジが進行するようにして面取部２１ｄ、２２ｄを形成する構成としたが、面取部２１ｄ、２２ｄを形成可能であればどのような構成でよい。また、面取りとは、支持部２１および錘部２２の絶縁層４側の角部において、支持部２１と枠体１１との間、および錘部２２と変位部１２との間に隙間を生じさせることを示すものであり、加工方法が限定されるものではない。
【００５４】
次に、図６（ｃ）に示すように、ベース基板３２がフォトリソグラフィおよびエッチングにより加工されてキャビティ３３が形成され、第２の半導体基板３の下面に接合される。次に、図６（ｄ）に示すように、第１の半導体基板２の上面からサポート基板３１が剥離され、第１の半導体基板２の上面が研磨されて所望の厚みに薄化される。次に、図６（ｅ）に示すように、第１の半導体基板２の上面にスパッタリングにより金属材および圧電材が被着され、フォトリソグラフィおよびエッチングによりパターンニングされて検出素子１７が形成される。
【００５５】
次に、図６（ｆ）に示すように、第１の半導体基板２および絶縁層４がフォトリソグラフィおよびエッチングにより加工されて枠体１１、梁部１３、変位部１２が形成される。このとき、梁部１３に接合された絶縁層４はエッチングにより除去されずに残存される。このようにして、図１に示す力学量検出センサ１を得ることが可能となる。
【００５６】
ここで、図７および図８を参照して、本件出願人により枠体と支持体との間に段差を設けたことによるセンサ感度のばらつきを検証するために実施されたテストについて説明する。このテストにおいては、梁部の根本部分のＲ形状の有無による出力電圧結果を比較することでセンサ感度のばらつきを検証する。
【００５７】
図７は、テスト用の力学量検出センサの上面模式図であり、（ａ）は段差無しでＲ形状有り、（ｂ）は段差無しでＲ形状無し、（ｃ）は段差有りでＲ形状有り、（ｄ）は段差有りでＲ形状無しの力学量検出センサをそれぞれ示している。図８は、図７で用いた力学量検出センサの出力電圧結果である。なお、テストにおいては、一梁構造の力学量検出センサを用いている。まず、一梁構造の力学量検出センサについて簡単に説明する。
【００５８】
図７（ａ）に示すように、一梁構造の力学量検出センサにおいては、１つの梁部４５により変位部４３および錘部４４が支持される。梁部４５は、枠体４２に一端側が接続された長尺部４８と、長尺部４８の他端側に一端側が接続された中尺部４７と、中尺部４７の他端側に一端側が接続され、変位部４３に他端側が接続された短尺部４６とから構成される。長尺部４８の枠体４２側には第１の検出素子５１、長尺部４８の中間位置には第２の検出素子５２、中尺部４７の中間位置には第３の検出素子５３がそれぞれ配置される。
【００５９】
また、梁部４５の根本部分において梁部４５の側面と枠体４２の内側面との角部５５がＲ形状であり、枠体４２と支持部４１が面一に形成されている。なお、図７（ｂ）は、図７（ａ）と梁部４５の根本部分において梁部４５の側面と枠体４２の内側面との角部５６が直角形状である点においてのみ相違する。図７（ｃ）は、図７（ａ）と枠体４２と支持部４１との間に段差が形成されている点においてのみ相違する。図７（ｄ）は、図７（ａ）と梁部４５の根本部分において梁部４５の側面と枠体４２の内側面との角部５６が直角形状である点および枠体４２と支持部４１との間に段差が形成されている点においてのみ相違する。
【００６０】
このように構成された力学量検出センサに対し、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に１Ｇ（９．８ｍ／ｓ２）の加速度を加えると、図８に示すような出力電圧結果が得られる。まず、枠体４２と支持部４１との間に段差を設けていない場合について説明する。図８（ａ）に示すように、Ｚ軸方向に加速度が加わったときに、図７（ａ）に示す力学量検出センサについては第１の検出素子５１に０．５５５ｖの出力電圧が生じ、図７（ｂ）に示す力学量検出センサについては０．５８４ｖの出力電圧が生じる。すなわち、梁部４５の根本部分のＲ形状の有無により約５％のセンサ感度のばらつきが生じている。
【００６１】
一方、枠体４２と支持部４１との間に段差を設けた場合には、図８（ｂ）に示すように、Ｚ軸方向に加速度が加わったときに、図７（ｃ）に示す力学量検出センサについては第１の検出素子５１に０．５６６ｖの出力電圧が生じ、図７（ｄ）に示す力学量検出センサについては０．５６９ｖの出力電圧が生じる。すなわち、梁部４５の根本部分のＲ形状の有無により約０．４％のセンサ感度のばらつきが生じている。
【００６２】
このように、枠体４２と支持部４１との間に段差を設けた場合には、段差を設けない場合と比較して梁部４５の根本部分のＲ形状の有無によるセンサ感度のばらつきを１／１０以下に抑制することが可能となる。
【００６３】
以上のように、本実施の形態に係る力学量検出センサ１によれば、アライメントズレが生じていても、梁部１３の根本部分において、常に枠体１１に対して支持部２１がはみ出るように段差が形成されると共に、変位部１２に対して錘部２２がはみ出るように段差が形成されるため、第１の半導体基板２においてバネとして機能する範囲のばらつきを小さくし、センサ感度のばらつきを抑えて製造時の歩留まりを向上させることが可能となる。特に、本来、バネとして機能しない枠体１１の一部や変位部１２の一部がバネとして機能するのを防止することが可能となる。さらに、梁部１３の側面と枠体１１の内側面との角部がＲ形状に加工されていても、Ｒ形状の曲率の違いによる応力値の影響を小さくして、センサ感度のばらつきを抑えて製造時の歩留まりを向上させることが可能となる。
【００６４】
なお、上記した実施の形態においては、四梁構造の力学量検出センサを例示して説明したが、この構成に限定されるものではない。梁により錘部を支持する構成であればよく、例えば、錘部の形状や梁部の形状および数量が限定されるものではない。
【００６５】
また、上記した実施の形態においては、検出素子として圧電素子を例示して説明したが、この構成に限定されるものではない。梁部の撓みに基づいて力学量に応じた信号を出力する構成であればよく、例えば、圧電素子の代わりにピエゾ素子を用いてもよい。
【００６６】
また、上記した実施の形態においては、枠体の内縁および支持部の開口縁の全周に亘って段差が形成される構成としたが、この構成に限定されるものではない。少なくとも、枠体と梁部との接続部分に対応して段差が形成されればよい。同様に、変位部の外縁および錘部の外縁の全周に亘って段差が形成される必要はなく、少なくとも、変位部と梁部との接続部分に対応して段差が形成されればよい。
【００６７】
また、上記した実施の形態においては、枠体と支持部との間および変位部と錘部との間に段差が形成される構成としたが、いずれか一方にのみに段差が形成されるようにしてもよい。また、支持部および錘部のうち、いずれか一方のみに面取部が形成されるようにしてもよい。さらに、枠体と梁部との根本部分および変位部と梁部との根本部分のうちいずれか一方のみが直角形状に形成される構成としてもよい。
【００６８】
また、今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であってこの実施の形態に制限されるものではない。本発明の範囲は、上記した実施の形態のみの説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
以上説明したように、本発明は、加工プロセスに起因したセンサ感度のばらつきを抑えて製造時の歩留まりを向上することができるという効果を有し、特に、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３軸方向の加速度を検出する力学量検出センサに有用である。
【符号の説明】
【００７０】
１ 力学量検出センサ
２ 第１の半導体基板（第１の基板）
３ 第２の半導体基板（第２の基板）
４ 絶縁層
１１ 枠体
１１ａ 内縁
１２ 変位部
１２ａ 外縁
１３ 梁部
１７ 検出素子
２１ 支持部
２１ａ 開口縁
２２ 錘部
２２ａ 外縁
２１ｄ、２２ｄ 面取部
２３ 開口部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
枠体と、前記枠体の内側に位置する変位部と、前記枠体に対し前記変位部を揺動可能に支持する梁部とが形成された第１の基板と、
開口部を有し、前記枠体に接続された支持部と、前記変位部に接続された錘部とが形成され、前記第１の基板に積層された第２の基板と、
前記梁部の撓み量に基づいて力学量に応じた信号を出力する検出素子とを備え、
平面視において、前記第１の基板および前記第２の基板が、少なくとも前記枠体の内縁における前記梁部との接続部分が前記支持部の開口縁の外側に位置する第１の位置関係および／または少なくとも前記変位部の外縁における前記梁部との接続部分が前記錘部の外縁の内側に位置する第２の位置関係をとることを特徴とする力学量検出センサ。
【請求項２】
平面視において、前記支持部の開口縁の外側に前記枠体の内縁が位置し、前記錘部の外縁の内側に前記変位部の外縁が位置することを特徴とする請求項１に記載の力学量検出センサ。
【請求項３】
前記支持部の前記開口部を形成する内側面と前記支持部の前記枠体に接続される接続面とで形成される角部が面取りされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の力学量検出センサ。
【請求項４】
前記錘部の外側面と前記錘部の前記変位部に接続される接続面とで形成される角部が面取りされていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の力学量検出センサ。
【請求項５】
前記面取りは、曲面状に面取りされていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の力学量検出センサ。
【請求項６】
前記第１の基板と前記第２の基板は、絶縁層を介して積層されており、
前記梁部は、前記第１の基板と前記絶縁層とを積層した状態で形成されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の力学量検出センサ。
【請求項７】
前記梁部の前記枠体側で前記梁部の側面と前記支持部の内側面とが平面視において直角に交わることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の力学量検出センサ。
【請求項８】
前記梁部の前記変位体側で前記梁部の側面と前記錘部の外側面とが平面視において直角に交わることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の力学量検出センサ。
【請求項９】
前記検出素子は、圧電素子であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の力学量検出センサ。
【請求項１】
枠体と、前記枠体の内側に位置する変位部と、前記枠体に対し前記変位部を揺動可能に支持する梁部とが形成された第１の基板と、
開口部を有し、前記枠体に接続された支持部と、前記変位部に接続された錘部とが形成され、前記第１の基板に積層された第２の基板と、
前記梁部の撓み量に基づいて力学量に応じた信号を出力する検出素子とを備え、
平面視において、前記第１の基板および前記第２の基板が、少なくとも前記枠体の内縁における前記梁部との接続部分が前記支持部の開口縁の外側に位置する第１の位置関係および／または少なくとも前記変位部の外縁における前記梁部との接続部分が前記錘部の外縁の内側に位置する第２の位置関係をとることを特徴とする力学量検出センサ。
【請求項２】
平面視において、前記支持部の開口縁の外側に前記枠体の内縁が位置し、前記錘部の外縁の内側に前記変位部の外縁が位置することを特徴とする請求項１に記載の力学量検出センサ。
【請求項３】
前記支持部の前記開口部を形成する内側面と前記支持部の前記枠体に接続される接続面とで形成される角部が面取りされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の力学量検出センサ。
【請求項４】
前記錘部の外側面と前記錘部の前記変位部に接続される接続面とで形成される角部が面取りされていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の力学量検出センサ。
【請求項５】
前記面取りは、曲面状に面取りされていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の力学量検出センサ。
【請求項６】
前記第１の基板と前記第２の基板は、絶縁層を介して積層されており、
前記梁部は、前記第１の基板と前記絶縁層とを積層した状態で形成されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の力学量検出センサ。
【請求項７】
前記梁部の前記枠体側で前記梁部の側面と前記支持部の内側面とが平面視において直角に交わることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の力学量検出センサ。
【請求項８】
前記梁部の前記変位体側で前記梁部の側面と前記錘部の外側面とが平面視において直角に交わることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の力学量検出センサ。
【請求項９】
前記検出素子は、圧電素子であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の力学量検出センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−２１６８３４（Ｐ２０１０−２１６８３４Ａ）
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−６０８５９（Ｐ２００９−６０８５９）
【出願日】平成２１年３月１３日（２００９．３．１３）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１３日（２００９．３．１３）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
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