加速度センサ及び加速度センサの製造方法
【課題】 センサ基板に形成された空洞部内に、可撓性を有する支持梁で錘体を揺動可能に支持する加速度センサにおいて、空洞部を小さくしてセンサ基板全体を小さくすることにより、加速度センサを小型化する手段を提供する。
【解決手段】 空洞部が形成されてなるセンサ基板と、該センサ基板から突設されて空洞部内に錘体を支持する可撓性のある支持梁とを備え、支持梁に生じた歪量に基づいて錘体に加わった加速度を検出する加速度センサにおいて、支持梁が、空洞部内にセンサ基板の内側面と平行して延びるように設けられたことを特徴とする加速度センサ。
【解決手段】 空洞部が形成されてなるセンサ基板と、該センサ基板から突設されて空洞部内に錘体を支持する可撓性のある支持梁とを備え、支持梁に生じた歪量に基づいて錘体に加わった加速度を検出する加速度センサにおいて、支持梁が、空洞部内にセンサ基板の内側面と平行して延びるように設けられたことを特徴とする加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体に加わる加速度の大きさを検出するための加速度センサに関し、特に、可撓性を有する支持梁で錘体を支持し、支持梁に生じる歪量に基づいて加速度を検出する加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
物体に加わる加速度の大きさを検出するための加速度センサとしては、可撓性を有する支持梁で錘体を揺動可能に支持し、支持梁に生じた歪量を検出することで加わった加速度の大きさを測定するものが従来用いられている（例えば特許文献１参照）。図１０は、従来例に係る加速度センサ７０を示す概略斜視図である。図に示すように、加速度センサ７０は、断面略矩形の空洞部７１が形成されてなるセンサ基板７２と、該センサ基板７２から突設された可撓性を有する４本の支持梁７３と、該４本の支持梁７３で支持されることによって空洞部７１の中央部に配置された錘体７４と、各支持梁７３に設けられたピエゾ抵抗素子を配線することで構成されるブリッジ回路（不図示）とを備えるものである。このような構成によれば、加速度センサ７０に加速度が加わると、錘体７４が揺動して各支持梁７３に弾性変形が生じる。これにより、支持梁７３に設けられたピエゾ抵抗素子の抵抗値が変化し、ブリッジ回路から出力される出力電圧が変化する。この出力電圧の変化を検知することにより、錘体７４に加わった加速度の大きさを検出することができる。
【０００３】
また、加速度センサ７０の製造方法、特に支持梁７３上にピエゾ抵抗素子を形成する方法としては、従来以下の方法が用いられてきた。すなわち、まず、形成しようとするピエゾ抵抗素子の位置に応じてセンサ基板７２にマスキング処理を施した後、エッチング処理を行う。これにより、図１１に示すように、センサ基板７２の最上層を形成する絶縁体層７５は、マスクされていない部分に穴７６が開き、その直下の層であるシリコン層７７が露呈した状態となる。この状態において、ボロンイオン等の不純物をシリコン層７７に拡散すると、シリコン層７７に導電性が生じ、ピエゾ抵抗素子７８が形成される。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−０９８３２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の加速度センサ７０では、図１０に示すように、支持梁７３の延びる方向がセンサ基板７２の内側面７９と直交する方向であるため、センサ基板７２の内側面７５と錘体７４との間に、支持梁７３の長さ分だけの距離を確保する必要があった。これにより、空洞部７１部が大きくなりセンサ基板７２全体としても大きくなる結果、加速度センサ７０が大型化するという問題があった。
【０００６】
また、従来の加速度センサ７０の製造方法によれば、支持梁７３上にピエゾ抵抗素子７８を形成する際に、シリコン層７７への不純物の拡散度合いによって、形成されるピエゾ抵抗素子７８の大きさが変化するため、その寸法を正確に出すのが難しいという問題があった。特に、横幅の狭い支持梁７３上にその幅方向に隣接して複数のピエゾ抵抗素子７８を形成する場合、ピエゾ抵抗素子７８が本来の設計値より大きく形成されてしまうと、相隣接するピエゾ抵抗素子７８同士が干渉し合って、出力電圧の変化を正確に検知することができない、という問題があった。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、センサ基板に形成された空洞部内に、可撓性を有する支持梁で錘体を揺動可能に支持する加速度センサにおいて、空洞部を小さくしてセンサ基板全体を小さくすることにより、加速度センサを小型化する手段、及びこの加速度センサの製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための請求項１記載の加速度センサは、空洞部が形成されてなるセンサ基板と、該センサ基板から突設されて前記空洞部内に錘体を支持する可撓性のある支持梁とを備え、前記支持梁に生じた歪量に基づいて前記錘体に加わった加速度を検出する加速度センサにおいて、前記支持梁が、前記空洞部内に前記センサ基板の内側面と平行して延びるように設けられたものである。
【０００９】
請求項２記載の加速度センサは、前記支持梁が、その長手方向中央部を前記センサ基板によって支持される一方、その長手方向両端部で前記錘体を支持することを特徴とするものである。
【００１０】
請求項３記載の加速度センサは、前記錘体に加わった加速度を検出するためのブリッジ回路が、前記支持梁の長手方向中央部に設けられたピエゾ抵抗素子を含んでなるホイートストンブリッジ回路であることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項４記載の加速度センサの製造方法は、錘体を支持する可撓性のある支持梁と、該支持梁上に設けられてその歪量を検出するピエゾ抵抗素子とを備え、支持梁に生じた歪量に基づいて前記錘体に加わった加速度を検出する加速度センサの製造方法において、半導体層と絶縁体層が積層されてなる前記支持梁に対し、その最上層である半導体層に不純物を拡散して導電性を生じさせる工程と、導電性を生じた前記半導体層の一部を切り出してピエゾ抵抗素子とする工程と、を含んでなるものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る加速度センサによれば、支持梁の延びる方向が、センサ基板の内側面と平行する方向なので、センサ基板の内側面と錘体との間に支持梁の長さ分だけの距離を確保する必要がない。従って、空洞部を小さくすることができ、センサ基板全体としても小さくすることができるので、加速度センサの小型化を図ることができる。
【００１３】
また、本発明に係る加速度センサによれば、支持梁が、その長手方向中央部をセンサ基板によって支持される一方、その長手方向両端部で錘体を支持するので、安定した錘体の支持が可能となる。
【００１４】
また、本発明に係る加速度センサの製造方法によれば、支持梁上にピエゾ抵抗素子を形成する際に、最上層であるシリコン層全体に不純物を拡散して導電性を生じさせた後、必要な大きさ分だけ切り出すことによってピエゾ抵抗素子を形成するので、設計値通りの正確な大きさのピエゾ抵抗素子を形成することができる。これにより、出力電圧の変化を正確に検知することができ、精度良い加速度測定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施例に係る加速度センサを図面に基づいて説明する。図１は、加速度センサ１の外観を示す概略斜視図である。加速度センサ１は、空洞部２が形成されてなるセンサ基板３と、該センサ基板３に支持されてその内側面３ａと略平行する方向へ延びる４本の支持梁４と、該各支持梁４によって支持されることで空洞部２の中央位置に配置された錘体５と、各支持梁４上に形成されたピエゾ抵抗素子を配線することで構成されるブリッジ回路（不図示）と、を備えるものである。
【００１６】
センサ基板３は、シリコン等の半導体とＳｉＯ２等の絶縁層とが積層されてなる板状部材である。このセンサ基板３は、図１に示すように、肉厚の基台部６と、該基台部６上に設けられた肉薄の薄板部７とを備えるものである。ここで、図１１は、図１におけるＡ−Ａ断面を示す概略縦断面図であるが、基台部６と薄板部７には、その厚み方向を貫通して空洞部２がそれぞれ形成されている。尚、空洞部２の横断面形状は本実施例に限定されず、任意に設計変更が可能である。
【００１７】
支持梁４は、図１に示すように、センサ基板３の内側面３ａから所定距離だけ離間した内側に、該内側面３ａと略平行する方向へ延びる４本の長手部材である。この４本の支持梁４は、可撓性を有し、その長手方向中央部がセンサ基板３に接続されて支持される一方、長手方向両端部が空洞部２内に立設された支持脚８によってそれぞれ下方から支持されている。本実施例では、センサ基板３を構成する薄板部７を一部切り出すことで支持梁４を形成している。より詳細には、図１に示すように、略矩形の薄板部７の各端縁から所定距離だけ内側に、平面視Ｌ字型のＬ字溝９（空洞部２）を相向かい合うようにして４個形成するとともに、各Ｌ字溝９から更に所定距離だけ内側に、平面視直線形状の直線溝１０を各端縁と平行する方向へ４個形成している。これにより、各Ｌ字溝９と各直線溝１０との間に形成される４つの長手部分を支持梁４として構成している。尚、支持梁４は、可撓性を有する長手部材であれば足り、センサ基板３とは別部材とすることももちろん可能である。また、支持梁４をセンサ基板３で支持する位置は、その長手方向中央部に限定されず、例えば、長手方向一端部をセンサ基板３で支持し、他端部を支持脚８で支持することも可能である。
【００１８】
このように、本発明では、錘体５を支持するための各支持梁４を、センサ基板３の内側面３ａと略平行する方向に延びるように設けたので、センサ基板３の内側面３ａと錘体５との間に支持梁４の長手方向寸法分の距離を確保する必要がなく、支持梁４の幅寸法より若干大きい距離を確保すれば足りる。これにより、空洞部２を小さくすることができ、センサ基板３全体を小さくすることができるので、加速度センサ１の小型化が可能となる。具体的には、センサ基板３を平面視で約０．５ｍｍ四方の大きさとすることができる。
【００１９】
錘体５は、支持梁４に加重を加えて弾性変形させる役割を果たすものである。この錘体５は、図１に示すように、４本の支持梁４で支持されることにより、空洞部２の中央位置に配置されている。本実施例では、支持梁４と同様に、センサ基板３の薄板部７を一部切り出すことで錘体５を形成している。より詳細には、図１に示すように、４つの直線溝１０によって包囲され、四隅が各支持梁４の両端部に接続された略矩形の部分を錘体５として構成している。尚、錘体５は、一定の重みを有するものであれば足り、センサ基板３や支持梁４とは別部材とすることももちろん可能である。また、錘体５の材質や形状は本実施例に限定されず、適宜設計変更が可能である。
【００２０】
ブリッジ回路は、図１には示していないが、支持梁４上に形成された複数のピエゾ抵抗素子を電気配線してなるものである。ここで、図２は、センサ基板３の大きさが平面視で約０．５ｍｍ四方である加速度センサ１Ａを示す概略平面図である。図に示すように、センサ基板３の中心位置を原点として結晶方位＜１１０＞方向にＸ軸を、
【数１】
方向にＹ軸を有する座標系を定めた場合、Ｘ軸方向に延びる２本の支持梁４上には２個のピエゾ抵抗素子をそれぞれ形成し、Ｙ軸方向に延びる２本の支持梁４上には４個のピエゾ抵抗素子がそれぞれ形成している。より詳細には、支持梁４Ａの長手方向中央部すなわちセンサ基板３によって支持された位置には、Ｙ軸方向の抵抗値変化を検出するＲy1とＲy3を形成し、支持梁４Ｂの長手方向中央部には、同じくＹ軸方向の抵抗値変化を検出するＲy2とＲy4を形成している。一方、支持梁４Ｃの長手方向中央部には、Ｘ軸方向の抵抗値変化を検出するＲx1とＲx3、及びＺ軸方向の抵抗値変化を検出するＲz1とＲz3をそれぞれ形成している。また、支持梁４Ｄの長手方向中央部には、Ｘ軸方向の抵抗値変化を検出するＲx2とＲx4、及びＺ軸方向の抵抗値変化を検出するＲz2とＲz4をそれぞれ形成している。
【００２１】
図３は、加速度センサ１Ａのブリッジ回路の構成を説明するための説明図である。図３（ａ）は、加速度センサ１に加わったＸ軸方向への加速度を測定するためのＸ軸用ブリッジ回路１１であって、可変抵抗としての４個のピエゾ抵抗素子Ｒx1，Ｒx2，Ｒx3，Ｒx4からなるいわゆるフルブリッジ回路である。このＸ軸用ブリッジ回路１１では、ピエゾ抵抗素子Ｒx1とＲx3とが対角位置に配置され、ピエゾ抵抗素子Ｒx2とＲx4とが対角位置に配置されている。また、図３（ｂ）は、加速度センサ１Ａに加わったＹ軸方向への加速度を測定するためのＹ軸用ブリッジ回路１２であって、可変抵抗としての４個のピエゾ抵抗素子Ｒy1，Ｒy2，Ｒy3，Ｒy4からなるいわゆるフルブリッジ回路である。このＹ軸用ブリッジ回路１２では、ピエゾ抵抗素子Ｒy1とＲy3とが対角位置に配置され、ピエゾ抵抗素子Ｒy2とＲy4とが対角位置に配置されている。また、図３（ｃ）は、加速度センサ１Ａに加わったＺ軸方向への加速度を測定するためのＺ軸用ブリッジ回路１３であって、可変抵抗としての４個のピエゾ抵抗素子Ｒz1，Ｒz2，Ｒz3，Ｒz4と固定抵抗としての２個の参照抵抗素子Ｒc，Ｒ’cとからなる、いわゆるハーフブリッジ回路である。このＺ軸用ブリッジ回路１３では、ピエゾ抵抗素子Ｒz1＋Ｒz4とＲz2＋Ｒz3とが対角位置に配置され、参照抵抗素子ＲcとＲ’cとが対角位置に配置されている。
【００２２】
このように、加速度センサ１Ａでは、Ｚ軸用ブリッジ回路１３だけをハーフブリッジとして構成している。これは、加速度センサ１Ａは、センサ基板３の大きさが約０．５ｍｍ四方と小さく、各支持梁４の幅寸法も小さいため、Ｚ軸用ブリッジ回路１３をフルブリッジ回路として構成しようとすると、その配線が複雑となって幅狭の各支持梁４上を引き回すのが困難だからである。従って、各支持梁４の長手方向中央部に４個のピエゾ抵抗素子を形成して、配線の簡略化が可能なハーフブリッジとしてＺ軸用ブリッジ回路１３を構成している。尚、Ｘ軸用ブリッジ回路１１やＹ軸用ブリッジ回路１２をハーフブリッジとして構成することも可能である。
【００２３】
表１は、加速度センサ１Ａに対し、Ｘ軸方向への加速度Ａｘ、Ｙ軸方向への加速度Ａｙ、又はＺ軸方向への加速度Ａｚが加わった時の各ピエゾ抵抗素子の抵抗値変化を示したものである。ここで、表１では、（＋）はピエゾ抵抗素子の抵抗値が増加することを、（−）はピエゾ抵抗素子の抵抗値が減少することを、また（０）はピエゾ抵抗素子の抵抗値に変化がないことをそれぞれ示している。例えば、加速度センサ１ＡにＸ軸方向への加速度Ａｘが加わった場合、４本の支持梁４は、図４に示すようにそれぞれ変形し、Ｙ軸方向に延びる２本の支持梁４Ｃ，４Ｄのうち一方の支持梁４Ｃは長手方向中央部に引張り歪が生じ、他方の支持梁４Ｄは長手方向中央部に圧縮歪が発生した状態となる。これにより、表１の上から２行目に示すように、支持梁４Ｃの長手方向中央部に形成されたピエゾ抵抗素子Ｒx1とＲx3は抵抗値が減少し、支持梁４Ｄの長手方向中央部に形成されたピエゾ抵抗素子Ｒx2とＲx4は抵抗値が増加する。また、支持梁４Ｃの長手方向中央部に形成されたピエゾ抵抗素子Ｒz1とＲz3は抵抗値が減少し、支持梁４Ｄの長手方向中央部に形成されたピエゾ抵抗素子Ｒz2とＲz4は抵抗値が増加するため、表１に示すように、Ｒz1＋Ｒz4の抵抗値は変化せず、またＲz2＋Ｒz3の抵抗値も変化しない。
【００２４】
【表１】
【００２５】
一方、加速度Ａｘが加わった場合、図４に示すように、Ｘ軸方向に延びる２本の支持梁４Ａ，４Ｂは、その長手方向中央部を挟んで一端側に引張り歪が、他端側に圧縮歪がそれぞれ発生した状態となる。これにより、表２の上から２行目に示すように、支持梁４及び支持梁４の長手方向中央部に形成されたピエゾ抵抗素子Ｒy1，Ｒy2，Ｒy3，及びＲy4は、圧縮領域にあるピエゾ抵抗素子Ｒy1とＲy2の抵抗値が増加し、引張り領域にあるピエゾ抵抗素子Ｒy3とＲy4の抵抗値が減少する。
【００２６】
【表２】
【００２７】
このような各ピエゾ抵抗素子の抵抗値変化によれば、図３（ａ）に示すＸ軸用ブリッジ回路１１では、ピエゾ抵抗素子Ｒx1とＲx3の抵抗値が減少し、ピエゾ抵抗素子Ｒx2とＲx4の抵抗値が増加するため、Ｘ軸用ブリッジ回路１１のバランスが崩れ、不平衡電圧として出力電圧を検出する。一方、図３（ｂ）に示すＹ軸用ブリッジ回路１２では、ピエゾ抵抗素子Ｒy1とＲy2の抵抗値が減少し、ピエゾ抵抗素子Ｒy3とＲy4の抵抗値が増加するため、Ｙ軸用ブリッジ回路１２全体としてのバランスは崩れず、出力電圧は検出しない。また、図３（ｃ）に示すＺ軸用ブリッジ回路１３では、前述のようにＲz1＋Ｒz4の抵抗値は変化せず、またＲz2＋Ｒz3の抵抗値も変化しないため、Ｚ軸用ブリッジ回路１３のバランスは崩れず、出力電圧は検出しない。これにより、加速度センサ１Ａに対し、Ｘ軸方向への加速度Ａｘが加わったことが検出される。また、これと同様に、Ｙ軸方向への加速度ＡｙやＺ軸方向への加速度Ａｚが加わった場合には、Ｙ軸用ブリッジ回路１２やＺ軸用ブリッジ回路１３のバランスが崩れて出力電圧を検出することにより、加速度ＡyやＡzが検出される。
【００２８】
次に、図５は、センサ基板３の大きさが平面視で約１．０ｍｍ四方である加速度センサ１Ｂを示す概略平面図である。図に示すように、センサ基板３の中心位置を原点として結晶方位＜１１０＞方向にＸ軸を、
【数１】
方向にＹ軸を有する座標系を定めた場合、Ｘ軸方向に延びる２本の支持梁４Ａ，４Ｂ上には２個のピエゾ抵抗素子をそれぞれ形成し、Ｙ軸方向に延びる２本の支持梁４Ｃ，４Ｄ上には６個のピエゾ抵抗素子をそれぞれ形成している。より詳細には、支持梁４Ａの長手方向両端部には、Ｙ軸方向の抵抗値変化を検出するＲy1とＲy3を形成し、支持梁４Ｂの長手方向両端部には、同じくＹ軸方向の抵抗値変化を検出するＲy2とＲy4を形成している。一方、支持梁４Ｃの長手方向両端部には、Ｘ軸方向の抵抗値変化を検出するＲx1とＲx3、及びＺ軸方向の抵抗値変化を検出するＲz1とＲz4をそれぞれ形成し、長手方向中央部には、Ｚ軸方向の抵抗値変化を検出するＲz2とＲz3をそれぞれ形成している。また、支持梁４Ｄの長手方向両端部には、Ｘ軸方向の抵抗値変化を検出するＲx2とＲx4、及びＺ軸方向の抵抗値変化を検出するＲ’z1とＲ’z4をそれぞれ形成し、長手方向中央部には、Ｚ軸方向の抵抗値変化を検出するＲ’z2とＲ’z3をそれぞれ形成している。
【００２９】
図６は、加速度センサ１Ｂのブリッジ回路の構成を説明するための説明図であって、Ｚ軸方向への加速度を測定するためのＺ軸用ブリッジ回路１４を示している。尚、加速度センサ１Ｂでは、Ｘ軸方向への加速度を測定するためのＸ軸用ブリッジ回路１１と、Ｙ軸方向への加速度を測定するためのＹ軸用ブリッジ回路１２については、加速度センサ１Ａと同じ構成を有しているため、図示を省略し加速度センサ１Ａと同じ符号を用いる。Ｚ軸用ブリッジ回路１４は、図６に示すように、可変抵抗としての８個のピエゾ抵抗素子Ｒz1，Ｒz2，Ｒz3，Ｒz4，Ｒ’z1，Ｒ’z2，Ｒ’z3，Ｒ’z4からなるいわゆるフルブリッジ回路であって、ピエゾ抵抗素子Ｒz1＋Ｒ’z1とピエゾ抵抗素子Ｒz4＋Ｒ’z4とが対角位置に配置される一方、ピエゾ抵抗素子Ｒz2＋Ｒ’z2とＲz3＋Ｒ’z3とが対角位置に配置されている。このようにＺ軸用ブリッジ回路１４をフルブリッジ回路として構成したのは、加速度センサ１Ｂでは、センサ基板３が大きく各支持梁４も幅広であるため、支持梁４上に複雑な配線を引き回すことが可能だからである。これにより、加速度センサ１Ｂは、加速度センサ１Ａと比較して、センサ基板３が大型化する反面、Ｚ軸方向の加速度に対して約２倍の感度が得られるという利点がある。
【００３０】
表３は、加速度センサ１Ｂに対し、Ｘ軸方向への加速度Ａｘ、Ｙ軸方向への加速度Ａｙ、又はＺ軸方向への加速度Ａｚが加わった時の各ピエゾ抵抗素子の抵抗値変化を示したものである。例えば、加速度センサ１ＢにＺ軸方向への加速度Ａｚが加わった場合、４本の支持梁４は、図７に示すようにそれぞれ変形し、４本の支持梁４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ全てがその長手方向中央部に引張り歪が生じ、長手方向両端部に圧縮歪が発生した状態となる。これにより、表３の最下行に示すように、支持梁４Ｃの長手方向両端部に形成されたピエゾ抵抗素子Ｒx1とＲx3の抵抗値が増加し、支持梁４Ｄの長手方向両端部に形成されたピエゾ抵抗素子Ｒx2とＲx4も抵抗値が増加する。また、同様に、支持梁４Ａの長手方向両端部に形成されたピエゾ抵抗素子Ｒy1とＲy3の抵抗値が増加し、支持梁４Ｂの長手方向両端部に形成されたピエゾ抵抗素子Ｒy2とＲy4も抵抗値が増加する。
【００３１】
【表３】
【００３２】
一方、支持梁４Ｃの長手方向両端部に形成されたＲz1とＲz4の抵抗値が増加し、長手方向中央部に形成されたＲz2とＲz3の抵抗値が減少する。また、同様に、支持梁４Ｄの長手方向両端部に形成されたＲ’z1とＲ’z4の抵抗値が増加し、長手方向中央部に形成されたＲ’z2とＲ’z3の抵抗値が減少する。これにより、表４の最下行に示すように、Ｒz1＋Ｒ’z1及びＲz4＋Ｒ’z4の抵抗値がそれぞれ増加する一方、Ｒz2＋Ｒ’z2及びＲz3＋Ｒ’z3の抵抗値がそれぞれ減少する。
【００３３】
【表４】
【００３４】
このような各ピエゾ抵抗素子の抵抗値変化によれば、図３（ａ）に示すＸ軸用ブリッジ回路１１では、ピエゾ抵抗素子Ｒx1とＲx3の抵抗値が増加するものの、ピエゾ抵抗素子Ｒx2とＲx4も抵抗値が増加するため、Ｘ軸用ブリッジ回路１１全体としてのバランスは崩れず、出力電圧は検出しない。また、これと同様に、図３（ｂ）に示すＹ軸用ブリッジ回路１２でも、ピエゾ抵抗素子Ｒy1とＲy3の抵抗値が増加するものの、ピエゾ抵抗素子Ｒy2とＲy4も抵抗値が増加するため、Ｙ軸用ブリッジ回路１２全体としてのバランスは崩れず、出力電圧は検出しない。一方、図６に示すＺ軸用ブリッジ回路１４では、前述のようにＲz1＋Ｒ’z1及びＲz4＋Ｒ’z4の抵抗値がそれぞれ増加し、Ｒz2＋Ｒ’z2及びＲz3＋Ｒ’z3の抵抗値がそれぞれ減少するため、Ｚ軸用ブリッジ回路１４のバランスが崩れ、不平衡電圧として出力電圧を検出する。これにより、加速度センサ１Ｂに対し、Ｚ軸方向への加速度Ａｚが加わったことが検出される。また、これと同様に、Ｘ軸方向への加速度ＡＸやＹ軸方向への加速度Ａｙが加わった場合には、Ｘ軸用ブリッジ回路１１やＹ軸用ブリッジ回路１２のバランスが崩れて出力電圧を検出することにより、加速度ＡＸやＡｙが検出される。
【００３５】
次に、本発明に係る加速度センサ１の製造方法、特に、各支持梁４上にピエゾ抵抗素子を形成する方法について図８及び図９に基づいて説明する。本発明では、前述のように、センサ基板３を一部切り出すことによって各支持梁４を形成しているが、このセンサ基板３として、いわゆる多層ＳＯＩウエハを用いている。この多層ＳＯＩウエハは、半導体であるシリコンと絶縁体であるＳｉＯ２とが積層されてなるものであって、具体的には、図８（ａ）に示すように、第１半導体層１５を最下層として、第１絶縁体層１６、第２半導体層１７、第２絶縁体層１８、第３半導体層１９の順に積層されている。
【００３６】
まず、この多層ＳＯＩウエハに対し、その最上層である第３半導体層１９全体に渡ってボロンイオン等の不純物を拡散する。これにより、図８（ｂ）に示すように、第３半導体層１９全体が改質されて導電性が生じる。そして、図９（ａ）に示すように、第３半導体層１９における所望の位置を所望の形状に切り出すことにより、ピエゾ抵抗素子２０を形成する。そして、図９（ｂ）に示すように、形成された各ピエゾ抵抗素子２０を適宜配線してブリッジ回路２１を構成する。その後、図９（ｃ）に示すように、センサ基板３の裏側からエッチング加工して空洞部２を形成することにより、各支持梁４や、図１に示す錘体５をそれぞれ形成する。そして、図に詳細は示さないが、センサ基板３を封止用ケース体で覆うパッケージング工程等を経て、加速度センサ１が完成する。
【００３７】
このような加速度センサ１の製造方法によれば、第３半導体層１９全体に導電性を生じさせた後に、所望の位置を所望の大きさだけ切り出すことによってピエゾ抵抗素子２０を形成するので、設計値通り正確な寸法のピエゾ抵抗素子２０を形成することができる。これにより、本発明のように、加速度センサ１の小型化に伴って、幅寸法の小さい支持梁４上にその幅方向に向かって複数のピエゾ抵抗素子２０を列設する場合に、設計値より大きく形成されることに起因して生じる隣接するピエゾ抵抗素子２０同士の干渉を防止することができる。更に、このような製造方法によれば、第２絶縁体層１８の上にピエゾ抵抗素子２０が形成されるので、半導体層の内部にピエゾ抵抗素子２０を形成する場合と比較して、前記パッケージング工程において支持梁４に作用する機械的な応力や熱的な応力がピエゾ抵抗素子２０に与える影響を低減することができる。これにより、より正確な加速度測定が可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明に係る加速度センサの製造方法は、センサ基板の内側面と直交する方向に支持梁が延びる加速度センサにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施例に係る加速度センサ１の外観を示す概略斜視図。
【図２】センサ基板３が平面視で約０．５ｍｍ四方の加速度センサ１Ａを示す概略平面図。
【図３】加速度センサ１Ａのブリッジ回路の構成を説明するための説明図。
【図４】加速度センサ１ＡにＸ軸方向への加速度Ａｘが加わった時の４本の支持梁４の変形状態を示す模式図。
【図５】センサ基板３が平面視で約１．０ｍｍ四方の加速度センサ１Ｂを示す概略平面図。
【図６】加速度センサ１Ｂのブリッジ回路の構成を説明するための説明図。
【図７】加速度センサ１ＢにＺ軸方向への加速度Ａｚが加わった時の４本の支持梁４の変形状態を示す模式図。
【図８】本発明の実施例に係る加速度センサ１の製造方法を説明するための概略縦断面図。
【図９】本発明の実施例に係る加速度センサ１の製造方法を説明するための概略縦断面図。
【図１０】従来例に係る加速度センサ７０を示す概略斜視図。
【図１１】従来例に係る加速度センサの製造方法を説明するための概略縦断面図。
【符号の説明】
【００４０】
１ 加速度センサ
２ 空洞部
３ センサ基板
３ａ 内側面（センサ基板）
４ 支持梁
５ 錘体
１３ Ｚ軸用ブリッジ回路
１９ 第３半導体層
２０ ピエゾ抵抗素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体に加わる加速度の大きさを検出するための加速度センサに関し、特に、可撓性を有する支持梁で錘体を支持し、支持梁に生じる歪量に基づいて加速度を検出する加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
物体に加わる加速度の大きさを検出するための加速度センサとしては、可撓性を有する支持梁で錘体を揺動可能に支持し、支持梁に生じた歪量を検出することで加わった加速度の大きさを測定するものが従来用いられている（例えば特許文献１参照）。図１０は、従来例に係る加速度センサ７０を示す概略斜視図である。図に示すように、加速度センサ７０は、断面略矩形の空洞部７１が形成されてなるセンサ基板７２と、該センサ基板７２から突設された可撓性を有する４本の支持梁７３と、該４本の支持梁７３で支持されることによって空洞部７１の中央部に配置された錘体７４と、各支持梁７３に設けられたピエゾ抵抗素子を配線することで構成されるブリッジ回路（不図示）とを備えるものである。このような構成によれば、加速度センサ７０に加速度が加わると、錘体７４が揺動して各支持梁７３に弾性変形が生じる。これにより、支持梁７３に設けられたピエゾ抵抗素子の抵抗値が変化し、ブリッジ回路から出力される出力電圧が変化する。この出力電圧の変化を検知することにより、錘体７４に加わった加速度の大きさを検出することができる。
【０００３】
また、加速度センサ７０の製造方法、特に支持梁７３上にピエゾ抵抗素子を形成する方法としては、従来以下の方法が用いられてきた。すなわち、まず、形成しようとするピエゾ抵抗素子の位置に応じてセンサ基板７２にマスキング処理を施した後、エッチング処理を行う。これにより、図１１に示すように、センサ基板７２の最上層を形成する絶縁体層７５は、マスクされていない部分に穴７６が開き、その直下の層であるシリコン層７７が露呈した状態となる。この状態において、ボロンイオン等の不純物をシリコン層７７に拡散すると、シリコン層７７に導電性が生じ、ピエゾ抵抗素子７８が形成される。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−０９８３２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の加速度センサ７０では、図１０に示すように、支持梁７３の延びる方向がセンサ基板７２の内側面７９と直交する方向であるため、センサ基板７２の内側面７５と錘体７４との間に、支持梁７３の長さ分だけの距離を確保する必要があった。これにより、空洞部７１部が大きくなりセンサ基板７２全体としても大きくなる結果、加速度センサ７０が大型化するという問題があった。
【０００６】
また、従来の加速度センサ７０の製造方法によれば、支持梁７３上にピエゾ抵抗素子７８を形成する際に、シリコン層７７への不純物の拡散度合いによって、形成されるピエゾ抵抗素子７８の大きさが変化するため、その寸法を正確に出すのが難しいという問題があった。特に、横幅の狭い支持梁７３上にその幅方向に隣接して複数のピエゾ抵抗素子７８を形成する場合、ピエゾ抵抗素子７８が本来の設計値より大きく形成されてしまうと、相隣接するピエゾ抵抗素子７８同士が干渉し合って、出力電圧の変化を正確に検知することができない、という問題があった。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、センサ基板に形成された空洞部内に、可撓性を有する支持梁で錘体を揺動可能に支持する加速度センサにおいて、空洞部を小さくしてセンサ基板全体を小さくすることにより、加速度センサを小型化する手段、及びこの加速度センサの製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための請求項１記載の加速度センサは、空洞部が形成されてなるセンサ基板と、該センサ基板から突設されて前記空洞部内に錘体を支持する可撓性のある支持梁とを備え、前記支持梁に生じた歪量に基づいて前記錘体に加わった加速度を検出する加速度センサにおいて、前記支持梁が、前記空洞部内に前記センサ基板の内側面と平行して延びるように設けられたものである。
【０００９】
請求項２記載の加速度センサは、前記支持梁が、その長手方向中央部を前記センサ基板によって支持される一方、その長手方向両端部で前記錘体を支持することを特徴とするものである。
【００１０】
請求項３記載の加速度センサは、前記錘体に加わった加速度を検出するためのブリッジ回路が、前記支持梁の長手方向中央部に設けられたピエゾ抵抗素子を含んでなるホイートストンブリッジ回路であることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項４記載の加速度センサの製造方法は、錘体を支持する可撓性のある支持梁と、該支持梁上に設けられてその歪量を検出するピエゾ抵抗素子とを備え、支持梁に生じた歪量に基づいて前記錘体に加わった加速度を検出する加速度センサの製造方法において、半導体層と絶縁体層が積層されてなる前記支持梁に対し、その最上層である半導体層に不純物を拡散して導電性を生じさせる工程と、導電性を生じた前記半導体層の一部を切り出してピエゾ抵抗素子とする工程と、を含んでなるものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る加速度センサによれば、支持梁の延びる方向が、センサ基板の内側面と平行する方向なので、センサ基板の内側面と錘体との間に支持梁の長さ分だけの距離を確保する必要がない。従って、空洞部を小さくすることができ、センサ基板全体としても小さくすることができるので、加速度センサの小型化を図ることができる。
【００１３】
また、本発明に係る加速度センサによれば、支持梁が、その長手方向中央部をセンサ基板によって支持される一方、その長手方向両端部で錘体を支持するので、安定した錘体の支持が可能となる。
【００１４】
また、本発明に係る加速度センサの製造方法によれば、支持梁上にピエゾ抵抗素子を形成する際に、最上層であるシリコン層全体に不純物を拡散して導電性を生じさせた後、必要な大きさ分だけ切り出すことによってピエゾ抵抗素子を形成するので、設計値通りの正確な大きさのピエゾ抵抗素子を形成することができる。これにより、出力電圧の変化を正確に検知することができ、精度良い加速度測定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施例に係る加速度センサを図面に基づいて説明する。図１は、加速度センサ１の外観を示す概略斜視図である。加速度センサ１は、空洞部２が形成されてなるセンサ基板３と、該センサ基板３に支持されてその内側面３ａと略平行する方向へ延びる４本の支持梁４と、該各支持梁４によって支持されることで空洞部２の中央位置に配置された錘体５と、各支持梁４上に形成されたピエゾ抵抗素子を配線することで構成されるブリッジ回路（不図示）と、を備えるものである。
【００１６】
センサ基板３は、シリコン等の半導体とＳｉＯ２等の絶縁層とが積層されてなる板状部材である。このセンサ基板３は、図１に示すように、肉厚の基台部６と、該基台部６上に設けられた肉薄の薄板部７とを備えるものである。ここで、図１１は、図１におけるＡ−Ａ断面を示す概略縦断面図であるが、基台部６と薄板部７には、その厚み方向を貫通して空洞部２がそれぞれ形成されている。尚、空洞部２の横断面形状は本実施例に限定されず、任意に設計変更が可能である。
【００１７】
支持梁４は、図１に示すように、センサ基板３の内側面３ａから所定距離だけ離間した内側に、該内側面３ａと略平行する方向へ延びる４本の長手部材である。この４本の支持梁４は、可撓性を有し、その長手方向中央部がセンサ基板３に接続されて支持される一方、長手方向両端部が空洞部２内に立設された支持脚８によってそれぞれ下方から支持されている。本実施例では、センサ基板３を構成する薄板部７を一部切り出すことで支持梁４を形成している。より詳細には、図１に示すように、略矩形の薄板部７の各端縁から所定距離だけ内側に、平面視Ｌ字型のＬ字溝９（空洞部２）を相向かい合うようにして４個形成するとともに、各Ｌ字溝９から更に所定距離だけ内側に、平面視直線形状の直線溝１０を各端縁と平行する方向へ４個形成している。これにより、各Ｌ字溝９と各直線溝１０との間に形成される４つの長手部分を支持梁４として構成している。尚、支持梁４は、可撓性を有する長手部材であれば足り、センサ基板３とは別部材とすることももちろん可能である。また、支持梁４をセンサ基板３で支持する位置は、その長手方向中央部に限定されず、例えば、長手方向一端部をセンサ基板３で支持し、他端部を支持脚８で支持することも可能である。
【００１８】
このように、本発明では、錘体５を支持するための各支持梁４を、センサ基板３の内側面３ａと略平行する方向に延びるように設けたので、センサ基板３の内側面３ａと錘体５との間に支持梁４の長手方向寸法分の距離を確保する必要がなく、支持梁４の幅寸法より若干大きい距離を確保すれば足りる。これにより、空洞部２を小さくすることができ、センサ基板３全体を小さくすることができるので、加速度センサ１の小型化が可能となる。具体的には、センサ基板３を平面視で約０．５ｍｍ四方の大きさとすることができる。
【００１９】
錘体５は、支持梁４に加重を加えて弾性変形させる役割を果たすものである。この錘体５は、図１に示すように、４本の支持梁４で支持されることにより、空洞部２の中央位置に配置されている。本実施例では、支持梁４と同様に、センサ基板３の薄板部７を一部切り出すことで錘体５を形成している。より詳細には、図１に示すように、４つの直線溝１０によって包囲され、四隅が各支持梁４の両端部に接続された略矩形の部分を錘体５として構成している。尚、錘体５は、一定の重みを有するものであれば足り、センサ基板３や支持梁４とは別部材とすることももちろん可能である。また、錘体５の材質や形状は本実施例に限定されず、適宜設計変更が可能である。
【００２０】
ブリッジ回路は、図１には示していないが、支持梁４上に形成された複数のピエゾ抵抗素子を電気配線してなるものである。ここで、図２は、センサ基板３の大きさが平面視で約０．５ｍｍ四方である加速度センサ１Ａを示す概略平面図である。図に示すように、センサ基板３の中心位置を原点として結晶方位＜１１０＞方向にＸ軸を、
【数１】
方向にＹ軸を有する座標系を定めた場合、Ｘ軸方向に延びる２本の支持梁４上には２個のピエゾ抵抗素子をそれぞれ形成し、Ｙ軸方向に延びる２本の支持梁４上には４個のピエゾ抵抗素子がそれぞれ形成している。より詳細には、支持梁４Ａの長手方向中央部すなわちセンサ基板３によって支持された位置には、Ｙ軸方向の抵抗値変化を検出するＲy1とＲy3を形成し、支持梁４Ｂの長手方向中央部には、同じくＹ軸方向の抵抗値変化を検出するＲy2とＲy4を形成している。一方、支持梁４Ｃの長手方向中央部には、Ｘ軸方向の抵抗値変化を検出するＲx1とＲx3、及びＺ軸方向の抵抗値変化を検出するＲz1とＲz3をそれぞれ形成している。また、支持梁４Ｄの長手方向中央部には、Ｘ軸方向の抵抗値変化を検出するＲx2とＲx4、及びＺ軸方向の抵抗値変化を検出するＲz2とＲz4をそれぞれ形成している。
【００２１】
図３は、加速度センサ１Ａのブリッジ回路の構成を説明するための説明図である。図３（ａ）は、加速度センサ１に加わったＸ軸方向への加速度を測定するためのＸ軸用ブリッジ回路１１であって、可変抵抗としての４個のピエゾ抵抗素子Ｒx1，Ｒx2，Ｒx3，Ｒx4からなるいわゆるフルブリッジ回路である。このＸ軸用ブリッジ回路１１では、ピエゾ抵抗素子Ｒx1とＲx3とが対角位置に配置され、ピエゾ抵抗素子Ｒx2とＲx4とが対角位置に配置されている。また、図３（ｂ）は、加速度センサ１Ａに加わったＹ軸方向への加速度を測定するためのＹ軸用ブリッジ回路１２であって、可変抵抗としての４個のピエゾ抵抗素子Ｒy1，Ｒy2，Ｒy3，Ｒy4からなるいわゆるフルブリッジ回路である。このＹ軸用ブリッジ回路１２では、ピエゾ抵抗素子Ｒy1とＲy3とが対角位置に配置され、ピエゾ抵抗素子Ｒy2とＲy4とが対角位置に配置されている。また、図３（ｃ）は、加速度センサ１Ａに加わったＺ軸方向への加速度を測定するためのＺ軸用ブリッジ回路１３であって、可変抵抗としての４個のピエゾ抵抗素子Ｒz1，Ｒz2，Ｒz3，Ｒz4と固定抵抗としての２個の参照抵抗素子Ｒc，Ｒ’cとからなる、いわゆるハーフブリッジ回路である。このＺ軸用ブリッジ回路１３では、ピエゾ抵抗素子Ｒz1＋Ｒz4とＲz2＋Ｒz3とが対角位置に配置され、参照抵抗素子ＲcとＲ’cとが対角位置に配置されている。
【００２２】
このように、加速度センサ１Ａでは、Ｚ軸用ブリッジ回路１３だけをハーフブリッジとして構成している。これは、加速度センサ１Ａは、センサ基板３の大きさが約０．５ｍｍ四方と小さく、各支持梁４の幅寸法も小さいため、Ｚ軸用ブリッジ回路１３をフルブリッジ回路として構成しようとすると、その配線が複雑となって幅狭の各支持梁４上を引き回すのが困難だからである。従って、各支持梁４の長手方向中央部に４個のピエゾ抵抗素子を形成して、配線の簡略化が可能なハーフブリッジとしてＺ軸用ブリッジ回路１３を構成している。尚、Ｘ軸用ブリッジ回路１１やＹ軸用ブリッジ回路１２をハーフブリッジとして構成することも可能である。
【００２３】
表１は、加速度センサ１Ａに対し、Ｘ軸方向への加速度Ａｘ、Ｙ軸方向への加速度Ａｙ、又はＺ軸方向への加速度Ａｚが加わった時の各ピエゾ抵抗素子の抵抗値変化を示したものである。ここで、表１では、（＋）はピエゾ抵抗素子の抵抗値が増加することを、（−）はピエゾ抵抗素子の抵抗値が減少することを、また（０）はピエゾ抵抗素子の抵抗値に変化がないことをそれぞれ示している。例えば、加速度センサ１ＡにＸ軸方向への加速度Ａｘが加わった場合、４本の支持梁４は、図４に示すようにそれぞれ変形し、Ｙ軸方向に延びる２本の支持梁４Ｃ，４Ｄのうち一方の支持梁４Ｃは長手方向中央部に引張り歪が生じ、他方の支持梁４Ｄは長手方向中央部に圧縮歪が発生した状態となる。これにより、表１の上から２行目に示すように、支持梁４Ｃの長手方向中央部に形成されたピエゾ抵抗素子Ｒx1とＲx3は抵抗値が減少し、支持梁４Ｄの長手方向中央部に形成されたピエゾ抵抗素子Ｒx2とＲx4は抵抗値が増加する。また、支持梁４Ｃの長手方向中央部に形成されたピエゾ抵抗素子Ｒz1とＲz3は抵抗値が減少し、支持梁４Ｄの長手方向中央部に形成されたピエゾ抵抗素子Ｒz2とＲz4は抵抗値が増加するため、表１に示すように、Ｒz1＋Ｒz4の抵抗値は変化せず、またＲz2＋Ｒz3の抵抗値も変化しない。
【００２４】
【表１】
【００２５】
一方、加速度Ａｘが加わった場合、図４に示すように、Ｘ軸方向に延びる２本の支持梁４Ａ，４Ｂは、その長手方向中央部を挟んで一端側に引張り歪が、他端側に圧縮歪がそれぞれ発生した状態となる。これにより、表２の上から２行目に示すように、支持梁４及び支持梁４の長手方向中央部に形成されたピエゾ抵抗素子Ｒy1，Ｒy2，Ｒy3，及びＲy4は、圧縮領域にあるピエゾ抵抗素子Ｒy1とＲy2の抵抗値が増加し、引張り領域にあるピエゾ抵抗素子Ｒy3とＲy4の抵抗値が減少する。
【００２６】
【表２】
【００２７】
このような各ピエゾ抵抗素子の抵抗値変化によれば、図３（ａ）に示すＸ軸用ブリッジ回路１１では、ピエゾ抵抗素子Ｒx1とＲx3の抵抗値が減少し、ピエゾ抵抗素子Ｒx2とＲx4の抵抗値が増加するため、Ｘ軸用ブリッジ回路１１のバランスが崩れ、不平衡電圧として出力電圧を検出する。一方、図３（ｂ）に示すＹ軸用ブリッジ回路１２では、ピエゾ抵抗素子Ｒy1とＲy2の抵抗値が減少し、ピエゾ抵抗素子Ｒy3とＲy4の抵抗値が増加するため、Ｙ軸用ブリッジ回路１２全体としてのバランスは崩れず、出力電圧は検出しない。また、図３（ｃ）に示すＺ軸用ブリッジ回路１３では、前述のようにＲz1＋Ｒz4の抵抗値は変化せず、またＲz2＋Ｒz3の抵抗値も変化しないため、Ｚ軸用ブリッジ回路１３のバランスは崩れず、出力電圧は検出しない。これにより、加速度センサ１Ａに対し、Ｘ軸方向への加速度Ａｘが加わったことが検出される。また、これと同様に、Ｙ軸方向への加速度ＡｙやＺ軸方向への加速度Ａｚが加わった場合には、Ｙ軸用ブリッジ回路１２やＺ軸用ブリッジ回路１３のバランスが崩れて出力電圧を検出することにより、加速度ＡyやＡzが検出される。
【００２８】
次に、図５は、センサ基板３の大きさが平面視で約１．０ｍｍ四方である加速度センサ１Ｂを示す概略平面図である。図に示すように、センサ基板３の中心位置を原点として結晶方位＜１１０＞方向にＸ軸を、
【数１】
方向にＹ軸を有する座標系を定めた場合、Ｘ軸方向に延びる２本の支持梁４Ａ，４Ｂ上には２個のピエゾ抵抗素子をそれぞれ形成し、Ｙ軸方向に延びる２本の支持梁４Ｃ，４Ｄ上には６個のピエゾ抵抗素子をそれぞれ形成している。より詳細には、支持梁４Ａの長手方向両端部には、Ｙ軸方向の抵抗値変化を検出するＲy1とＲy3を形成し、支持梁４Ｂの長手方向両端部には、同じくＹ軸方向の抵抗値変化を検出するＲy2とＲy4を形成している。一方、支持梁４Ｃの長手方向両端部には、Ｘ軸方向の抵抗値変化を検出するＲx1とＲx3、及びＺ軸方向の抵抗値変化を検出するＲz1とＲz4をそれぞれ形成し、長手方向中央部には、Ｚ軸方向の抵抗値変化を検出するＲz2とＲz3をそれぞれ形成している。また、支持梁４Ｄの長手方向両端部には、Ｘ軸方向の抵抗値変化を検出するＲx2とＲx4、及びＺ軸方向の抵抗値変化を検出するＲ’z1とＲ’z4をそれぞれ形成し、長手方向中央部には、Ｚ軸方向の抵抗値変化を検出するＲ’z2とＲ’z3をそれぞれ形成している。
【００２９】
図６は、加速度センサ１Ｂのブリッジ回路の構成を説明するための説明図であって、Ｚ軸方向への加速度を測定するためのＺ軸用ブリッジ回路１４を示している。尚、加速度センサ１Ｂでは、Ｘ軸方向への加速度を測定するためのＸ軸用ブリッジ回路１１と、Ｙ軸方向への加速度を測定するためのＹ軸用ブリッジ回路１２については、加速度センサ１Ａと同じ構成を有しているため、図示を省略し加速度センサ１Ａと同じ符号を用いる。Ｚ軸用ブリッジ回路１４は、図６に示すように、可変抵抗としての８個のピエゾ抵抗素子Ｒz1，Ｒz2，Ｒz3，Ｒz4，Ｒ’z1，Ｒ’z2，Ｒ’z3，Ｒ’z4からなるいわゆるフルブリッジ回路であって、ピエゾ抵抗素子Ｒz1＋Ｒ’z1とピエゾ抵抗素子Ｒz4＋Ｒ’z4とが対角位置に配置される一方、ピエゾ抵抗素子Ｒz2＋Ｒ’z2とＲz3＋Ｒ’z3とが対角位置に配置されている。このようにＺ軸用ブリッジ回路１４をフルブリッジ回路として構成したのは、加速度センサ１Ｂでは、センサ基板３が大きく各支持梁４も幅広であるため、支持梁４上に複雑な配線を引き回すことが可能だからである。これにより、加速度センサ１Ｂは、加速度センサ１Ａと比較して、センサ基板３が大型化する反面、Ｚ軸方向の加速度に対して約２倍の感度が得られるという利点がある。
【００３０】
表３は、加速度センサ１Ｂに対し、Ｘ軸方向への加速度Ａｘ、Ｙ軸方向への加速度Ａｙ、又はＺ軸方向への加速度Ａｚが加わった時の各ピエゾ抵抗素子の抵抗値変化を示したものである。例えば、加速度センサ１ＢにＺ軸方向への加速度Ａｚが加わった場合、４本の支持梁４は、図７に示すようにそれぞれ変形し、４本の支持梁４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ全てがその長手方向中央部に引張り歪が生じ、長手方向両端部に圧縮歪が発生した状態となる。これにより、表３の最下行に示すように、支持梁４Ｃの長手方向両端部に形成されたピエゾ抵抗素子Ｒx1とＲx3の抵抗値が増加し、支持梁４Ｄの長手方向両端部に形成されたピエゾ抵抗素子Ｒx2とＲx4も抵抗値が増加する。また、同様に、支持梁４Ａの長手方向両端部に形成されたピエゾ抵抗素子Ｒy1とＲy3の抵抗値が増加し、支持梁４Ｂの長手方向両端部に形成されたピエゾ抵抗素子Ｒy2とＲy4も抵抗値が増加する。
【００３１】
【表３】
【００３２】
一方、支持梁４Ｃの長手方向両端部に形成されたＲz1とＲz4の抵抗値が増加し、長手方向中央部に形成されたＲz2とＲz3の抵抗値が減少する。また、同様に、支持梁４Ｄの長手方向両端部に形成されたＲ’z1とＲ’z4の抵抗値が増加し、長手方向中央部に形成されたＲ’z2とＲ’z3の抵抗値が減少する。これにより、表４の最下行に示すように、Ｒz1＋Ｒ’z1及びＲz4＋Ｒ’z4の抵抗値がそれぞれ増加する一方、Ｒz2＋Ｒ’z2及びＲz3＋Ｒ’z3の抵抗値がそれぞれ減少する。
【００３３】
【表４】
【００３４】
このような各ピエゾ抵抗素子の抵抗値変化によれば、図３（ａ）に示すＸ軸用ブリッジ回路１１では、ピエゾ抵抗素子Ｒx1とＲx3の抵抗値が増加するものの、ピエゾ抵抗素子Ｒx2とＲx4も抵抗値が増加するため、Ｘ軸用ブリッジ回路１１全体としてのバランスは崩れず、出力電圧は検出しない。また、これと同様に、図３（ｂ）に示すＹ軸用ブリッジ回路１２でも、ピエゾ抵抗素子Ｒy1とＲy3の抵抗値が増加するものの、ピエゾ抵抗素子Ｒy2とＲy4も抵抗値が増加するため、Ｙ軸用ブリッジ回路１２全体としてのバランスは崩れず、出力電圧は検出しない。一方、図６に示すＺ軸用ブリッジ回路１４では、前述のようにＲz1＋Ｒ’z1及びＲz4＋Ｒ’z4の抵抗値がそれぞれ増加し、Ｒz2＋Ｒ’z2及びＲz3＋Ｒ’z3の抵抗値がそれぞれ減少するため、Ｚ軸用ブリッジ回路１４のバランスが崩れ、不平衡電圧として出力電圧を検出する。これにより、加速度センサ１Ｂに対し、Ｚ軸方向への加速度Ａｚが加わったことが検出される。また、これと同様に、Ｘ軸方向への加速度ＡＸやＹ軸方向への加速度Ａｙが加わった場合には、Ｘ軸用ブリッジ回路１１やＹ軸用ブリッジ回路１２のバランスが崩れて出力電圧を検出することにより、加速度ＡＸやＡｙが検出される。
【００３５】
次に、本発明に係る加速度センサ１の製造方法、特に、各支持梁４上にピエゾ抵抗素子を形成する方法について図８及び図９に基づいて説明する。本発明では、前述のように、センサ基板３を一部切り出すことによって各支持梁４を形成しているが、このセンサ基板３として、いわゆる多層ＳＯＩウエハを用いている。この多層ＳＯＩウエハは、半導体であるシリコンと絶縁体であるＳｉＯ２とが積層されてなるものであって、具体的には、図８（ａ）に示すように、第１半導体層１５を最下層として、第１絶縁体層１６、第２半導体層１７、第２絶縁体層１８、第３半導体層１９の順に積層されている。
【００３６】
まず、この多層ＳＯＩウエハに対し、その最上層である第３半導体層１９全体に渡ってボロンイオン等の不純物を拡散する。これにより、図８（ｂ）に示すように、第３半導体層１９全体が改質されて導電性が生じる。そして、図９（ａ）に示すように、第３半導体層１９における所望の位置を所望の形状に切り出すことにより、ピエゾ抵抗素子２０を形成する。そして、図９（ｂ）に示すように、形成された各ピエゾ抵抗素子２０を適宜配線してブリッジ回路２１を構成する。その後、図９（ｃ）に示すように、センサ基板３の裏側からエッチング加工して空洞部２を形成することにより、各支持梁４や、図１に示す錘体５をそれぞれ形成する。そして、図に詳細は示さないが、センサ基板３を封止用ケース体で覆うパッケージング工程等を経て、加速度センサ１が完成する。
【００３７】
このような加速度センサ１の製造方法によれば、第３半導体層１９全体に導電性を生じさせた後に、所望の位置を所望の大きさだけ切り出すことによってピエゾ抵抗素子２０を形成するので、設計値通り正確な寸法のピエゾ抵抗素子２０を形成することができる。これにより、本発明のように、加速度センサ１の小型化に伴って、幅寸法の小さい支持梁４上にその幅方向に向かって複数のピエゾ抵抗素子２０を列設する場合に、設計値より大きく形成されることに起因して生じる隣接するピエゾ抵抗素子２０同士の干渉を防止することができる。更に、このような製造方法によれば、第２絶縁体層１８の上にピエゾ抵抗素子２０が形成されるので、半導体層の内部にピエゾ抵抗素子２０を形成する場合と比較して、前記パッケージング工程において支持梁４に作用する機械的な応力や熱的な応力がピエゾ抵抗素子２０に与える影響を低減することができる。これにより、より正確な加速度測定が可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明に係る加速度センサの製造方法は、センサ基板の内側面と直交する方向に支持梁が延びる加速度センサにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施例に係る加速度センサ１の外観を示す概略斜視図。
【図２】センサ基板３が平面視で約０．５ｍｍ四方の加速度センサ１Ａを示す概略平面図。
【図３】加速度センサ１Ａのブリッジ回路の構成を説明するための説明図。
【図４】加速度センサ１ＡにＸ軸方向への加速度Ａｘが加わった時の４本の支持梁４の変形状態を示す模式図。
【図５】センサ基板３が平面視で約１．０ｍｍ四方の加速度センサ１Ｂを示す概略平面図。
【図６】加速度センサ１Ｂのブリッジ回路の構成を説明するための説明図。
【図７】加速度センサ１ＢにＺ軸方向への加速度Ａｚが加わった時の４本の支持梁４の変形状態を示す模式図。
【図８】本発明の実施例に係る加速度センサ１の製造方法を説明するための概略縦断面図。
【図９】本発明の実施例に係る加速度センサ１の製造方法を説明するための概略縦断面図。
【図１０】従来例に係る加速度センサ７０を示す概略斜視図。
【図１１】従来例に係る加速度センサの製造方法を説明するための概略縦断面図。
【符号の説明】
【００４０】
１ 加速度センサ
２ 空洞部
３ センサ基板
３ａ 内側面（センサ基板）
４ 支持梁
５ 錘体
１３ Ｚ軸用ブリッジ回路
１９ 第３半導体層
２０ ピエゾ抵抗素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空洞部が形成されてなるセンサ基板と、該センサ基板から突設されて前記空洞部内に錘体を支持する可撓性のある支持梁とを備え、前記支持梁に生じた歪量に基づいて前記錘体に加わった加速度を検出する加速度センサにおいて、
前記支持梁が、前記空洞部内に前記センサ基板の内側面と平行して延びるように設けられたことを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】
前記支持梁が、その長手方向中央部を前記センサ基板によって支持される一方、その長手方向両端部で前記錘体を支持することを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項３】
前記錘体に加わった加速度を検出するためのブリッジ回路が、前記支持梁の長手方向中央部に設けられたピエゾ抵抗素子を含んでなるホイートストンブリッジ回路であることを特徴とする請求項２に記載の加速度センサ。
【請求項４】
錘体を支持する可撓性のある支持梁と、該支持梁上に設けられてその歪量を検出するピエゾ抵抗素子とを備え、支持梁に生じた歪量に基づいて前記錘体に加わった加速度を検出する加速度センサの製造方法において、
半導体層と絶縁体層が積層されてなる前記支持梁に対し、その最上層である半導体層に不純物を拡散して導電性を生じさせる工程と、導電性を生じた前記半導体層の一部を切り出してピエゾ抵抗素子とする工程と、を含んでなることを特徴とする加速度センサの製造方法。
【請求項１】
空洞部が形成されてなるセンサ基板と、該センサ基板から突設されて前記空洞部内に錘体を支持する可撓性のある支持梁とを備え、前記支持梁に生じた歪量に基づいて前記錘体に加わった加速度を検出する加速度センサにおいて、
前記支持梁が、前記空洞部内に前記センサ基板の内側面と平行して延びるように設けられたことを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】
前記支持梁が、その長手方向中央部を前記センサ基板によって支持される一方、その長手方向両端部で前記錘体を支持することを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項３】
前記錘体に加わった加速度を検出するためのブリッジ回路が、前記支持梁の長手方向中央部に設けられたピエゾ抵抗素子を含んでなるホイートストンブリッジ回路であることを特徴とする請求項２に記載の加速度センサ。
【請求項４】
錘体を支持する可撓性のある支持梁と、該支持梁上に設けられてその歪量を検出するピエゾ抵抗素子とを備え、支持梁に生じた歪量に基づいて前記錘体に加わった加速度を検出する加速度センサの製造方法において、
半導体層と絶縁体層が積層されてなる前記支持梁に対し、その最上層である半導体層に不純物を拡散して導電性を生じさせる工程と、導電性を生じた前記半導体層の一部を切り出してピエゾ抵抗素子とする工程と、を含んでなることを特徴とする加速度センサの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００７−３３３６６５（Ｐ２００７−３３３６６５Ａ）
【公開日】平成１９年１２月２７日（２００７．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１６８３９１（Ｐ２００６−１６８３９１）
【出願日】平成１８年６月１９日（２００６．６．１９）
【出願人】（５９３００６６３０）学校法人立命館 (359)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１２月２７日（２００７．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月１９日（２００６．６．１９）
【出願人】（５９３００６６３０）学校法人立命館 (359)
【Ｆターム（参考）】
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