CN102918401A - 力学传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种能够更可靠地检测所涉及的力产生的物理量的力学传感器。力学传感器(10)具备俯视下为H型的重物(11)。重物(11)一体形成有长方体形状且在短边方向上以规定间隔排列的第一部分重物(11A)、第二部分重物(11B)、以及将它们连接且沿着上述排列方向延伸的桥接部(11C)。桥接部(11C)在第一、第二部分重物(11A、11B)的长边方向的中央位置将它们连接。在第一、第二部分重物(11A、11B)之间的未形成桥接部(11C)的区域配置支撑体(12A、12B)。第一部分重物(11A)通过梁(13A)与支撑体(12A)连接，并通过梁(13C)与支撑体(12B)连接。第二部分重物(11B)通过梁(13B)与支撑体(12A)连接，并通过梁(13D)与支撑体(12B)连接。

Description

力学传感器
技术领域
本发明涉及使用了压电电阻元件的力学传感器，尤其涉及单轴检测的力学传感器。
背景技术
以往，发明出各种使用了压电电阻元件的力学传感器。例如，在专利文献1中，具备长方体形状的重物、包围该重物的形状的支撑体、将重物相对于支撑体支撑为能够转动的梁。梁分别配设在重物的对置的两端，以使重物受到外力而可动那样的形状形成。
图7是与专利文献1所示的力学传感器相同结构的以往的力学传感器10P的立体图。在图7中，仅记载了支撑体12P与梁13P连接的连接部，省略了其他部分的记载。另外，由于该力学传感器10P为以往的通常的结构，因此仅进行了简要的结构说明。
重物11P由大致立方体形状形成。在重物11P的上表面侧的对置的两边的大致中央分别连接有梁13P。梁13P形成为能够使重物11P在外力的作用下可动的形状。梁13P中的连接重物11P的一侧相反侧的端部与支撑体12P连接。上述重物11P、梁13P及支撑体12P通过对形成有压电电阻元件的硅基板进行蚀刻加工等而一体形成。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭63-305256号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，在图7所示那样的以往结构的力学传感器10P中，产生下面这样的问题。
在以往的力学传感器10P中，在与设置有梁13P的重物11P的上表面侧的对置的两边平行的轴(图7中的x轴)上向平行的方向施加力时，重物11P以连结两个梁13P的轴(图7中的y轴)为基准进行摆动。这种情况下，如图7所示，梁13P与重物11P及支撑体12P连接的四处的角部附近的极小区域成为应力产生区域30P。
在此，在力学传感器中，当对所涉及的力产生的加速度等物理量进行计测时，在应力产生区域30P上需要配设压电电阻元件。
然而，在以往的力学传感器10P中，应力产生区域30P面积极小，不容易在该区域正确地配设压电电阻元件，反过来说，不容易实现能够正确地检测应力且更可靠地计测加速度等物理量的力学传感器。
因此，本发明的目的在于实现能够更可靠地检测所涉及的力产生的加速度等物理量的力学传感器。
用于解决课题的手段
本发明涉及力学传感器。本申请中涉及的力学传感器简要地说，通过使用梁将重物支撑为能够相对于支撑体摆动。并且，力学传感器通过设置在梁上的多个压电电阻元件来检测因该摆动而在梁上产生的应力，从而对基于所涉及的力产生的规定的物理量进行检测。在这样的前提的结构的基础上，重物、支撑体、梁具有以下所示的特征。
重物包括沿着第一轴方向排列且分别由大致长方体形状构成的第一部分重物及第二部分重物、和桥接部。桥接部具有在与第一轴方向正交的第二轴方向上配设在第一部分重物及第二部分重物的大致中央，且将第一部分重物和第二部分重物连接的结构。即，重物以包含第一轴和第二轴的平面观察时，由“H型”的形状构成。
支撑体沿着第二轴方向将重物的桥接部夹在中间，且从重物分离而配设。
梁由在沿着第二轴方向的桥接部的两侧的位置处沿着第一轴方向将第一部分重物部和支撑体连接且将第二部分重物部和支撑体连接的形状构成。
在形成为这样的结构的情况下，当施加有沿着第一轴方向的力时，如图4(详细情况后述。)所示，在梁中的与重物及支撑体连接的连接端附近的整个区域产生相同模式的应力。即，在沿着梁中的与重物及支撑体连接的连接边的宽的区域产生应力。由此，只要以沿着该连接边的形状配置压电电阻元件即可，不像以往那样要求压电电阻元件的配置精度。另外，如后所述，在该结构中，能够检测出的应力也比以往结构大。因此，与以往结构相比能够实现更可靠的应力的检测。
另外，在本发明的力学传感器中，多个压电电阻元件分别配置在梁中的支撑体侧的连接端附近。
在该结构中，示出了在梁上配设压电电阻元件的具体的结构。实验性可知，当施加有上述那样的沿着第一轴的力时，与梁的第一、第二部分重物侧的端部相比，在梁的支撑体侧的端部产生更大的应力。因此，通过在梁的支撑体侧的端部配设压电电阻元件，能够实现更可靠的应力检测。
另外，在本发明的力学传感器中，第一部分重物和第二部分重物为相同的重量。或者，在本发明的力学传感器中，第一部分重物和第二部分重物为不同的重量。
如上述的结构那样，通过使由桥接部连接的第一部分重物和第二部分重物的重量关系变化，能够使各梁相对于配置位置的中心位置和重心位置变化。由此，即使以相同的方式配置力学传感器，也能够使检测方向变化。
发明效果
根据本发明，为比较简单的结构，且能够更可靠地检测所涉及的力产生的加速度等物理量。
附图说明
图1是用于说明本发明的第一实施方式涉及的力学传感器10的结构的立体图。
图2是本发明的第一实施方式涉及的力学传感器10的俯视图及各侧面剖面图。
图3是表示本发明的第一实施方式涉及的力学传感器10的各压电电阻元件21A、21B、21C、21D的配置图案及配线图案22的图。
图4是表示本发明的第一实施方式涉及的力学传感器10的检测概念的图。
图5是用于说明本发明的第一实施方式涉及的力学传感器10的制造方法的图。
图6是表示本发明的实施方式中的由其他结构构成的力学传感器10A的结构的立体图。
图7是与专利文献1所示的力学传感器相同的结构的以往的力学传感器10P的立体图。
具体实施方式
参照附图，对本发明的第一实施方式涉及的力学传感器进行说明。图1是用于说明本实施方式涉及的力学传感器10的结构的立体图。图2是本实施方式涉及的力学传感器10的俯视图及各侧面剖面图。图2(A)是力学传感器10的俯视图。图2(B)是观察力学传感器10的图2(A)中的A1-A2剖面而得到的侧面剖面图，图2(C)是观察力学传感器10的图2(A)中的B1-B2剖面而得到的侧面剖面图，图2(D)是观察力学传感器10的图2(A)中的C1-C2剖面而得到的侧面剖面图。图2(E)是观察力学传感器10的图2(A)中的D1-D2剖面而得到的侧面剖面图，图2(F)是观察力学传感器10的图2(A)中的E1-E2剖面而得到的侧面剖面图，图2(G)是观察力学传感器10的图2(A)中的F1-F2剖面而得到的侧面剖面图。图3是表示本实施方式涉及的力学传感器10的各压电电阻元件21A、21B、21C、21D的配置图案及配线图案22的图。
力学传感器10具备俯视下的形状、图1时沿着z轴方向观察到的形状为“H”型的重物11。重物11通过对SOI(Silicon On Insulator)基板进行图案蚀刻处理等后述的各成形处理而形成。重物11通过该处理而一体形成有大致长方体形状的第一部分重物11A及第二部分重物11B和由相同的大致长方体形状构成的桥接部11C。具体而言，重物11由以下所示的结构构成。
第一部分重物11A和第二部分重物11B为相同的形状，俯视下的短边分别沿着第一轴(图1时为x轴)方向隔开规定间隔排列。此时，第一部分重物11A和第二部分重物11B以俯视下的长边分别沿着与第一轴正交的第二轴(图1时为y轴)的方式配置。
桥接部(渡し部)11C配设在第一部分重物11A和第二部分重物11B中的第二轴方向的大致中央的位置，与第一部分重物11A和第二部分重物11B这两方连接。桥接部11C由与第一部分重物11A及第二部分重物11B相同的厚度(图1中的z轴方向的长度)构成。另外，根据重物11整体的重量、第一部分重物11A、第二部分重物11B的各自的重量以及后述的梁13A、13B、13C、13D的宽度和桥接部11C相对于上述梁的间隔，来适当设定桥接部11C的宽度。
支撑体12A、12B与包围重物11的框体壁14一体形成，由从框体壁14的内壁面侧向内侧突出的棱柱形状构成。支撑体12A、12B配置在重物11的x轴方向上的第一部分重物11A与第二部分重物11B之间。并且，支撑体12A、12B以在y轴方向上夹着重物11的桥接部11C的方式配置。此时，支撑体12A、12B以与重物11不接触的方式与重物11隔开规定的间隔配置。并且，支撑体12A、12B的高度(z轴方向的长度)比重物11的厚度设定得大。由此，形成图示那样的重物11与支撑体12A、12B及框体壁14之间的空间15。在支撑体12及框体壁14上以与重物11不抵接的方式接合有盖构件16。
梁13A、13B、13C、13D以将第一部分重物11A及第二部分重物11B与支撑体12A、12B连接的形状形成。更具体而言，梁13A将第一部分重物11A的y轴方向的一端附近和支撑体12A连接。梁13C将第一部分重物11A的y轴方向的另一端附近和支撑体12B连接。梁13B将第二部分重物11B的y轴方向的一端附近和支撑体12A连接。梁13D将第二部分重物11B的y轴方向的另一端附近和支撑体12B连接。
梁13A、13B、13C、13D由长度(沿着x轴的长度)、宽度(沿着y轴的长度)及厚度(沿着z轴的长度)全部大致相同的形状构成。另外，梁13A、13B、13C、13D的配置位置被配置成，相对于通过俯视(xy平面观察下)的状态下的桥接部11C的中心点、即重物11的中心点的x轴及y轴分别形成对称的关系。
通过这样的形状，重物11相对于支撑体12A、12B由梁13A、13B、13C、13D支撑为能够摆动。此时，重物11以上述的中心点成为重心且在从该重心与z轴平行的方向上作用有重力的方式配置。
如图3所示，在这样的形状的结构体上形成有多个压电电阻元件21A、21B、21C、21D及配线电极图案22。多个压电电阻元件21A、21B、21C、21D以通过配线电极图案22形成图3所示那样的惠斯登电桥(ホイ一トストンブリツジ)电路的方式连接。该惠斯登电桥电路的外部连接端子经由支撑体12A、12B而形成在框体壁14的规定位置(未图示)。
更具体而言，压电电阻元件21A配设在梁13A的与支撑体12A连接的连接端附近。压电电阻元件21A以沿着y轴延伸的方式，即以沿着梁13A与支撑体12A的连接边的方式以大致该连接边的长度形成。
压电电阻元件21B配设在梁13B的与支撑体12A连接的连接端附近。压电电阻元件21B也以沿着y轴延伸的方式，即以沿着梁13B与支撑体12A的连接边的方式大致以该连接边的长度形成。
另外，压电电阻元件21C配设在梁13C的与支撑体12B连接的连接端附近。压电电阻元件21C也以沿着y轴延伸的方式、即以沿着梁13C与支撑体12B的连接边的方式大致以该连接边的长度形成。
另外，压电电阻元件21D配设在梁13D的与支撑体12B连接的连接端附近。压电电阻元件21D也以沿着y轴延伸的方式，即以沿着梁13D与支撑体12B的连接边的方式大致以该连接边的长度形成。
通过形成为以上那样的结构，本实施方式的力学传感器10能够如以下所示那样检测来自外部的力。图4是表示本实施方式涉及的力学传感器10的检测概念的图，图4(A)表示施加有x轴平动(並進)的力时的应力产生的状态，图4(B)是表示各施加有力的方向上的固有振动数的图。另外，图4(B)的结果是将重物11的外形形状设定成宽度(y轴方向长度)为290μm、长度(x轴方向长度)为400μm、厚度(z轴方向长度)为300μm，将梁的厚度设定为5μm，且将共振频率(最低的固有振动数)设定为30kHz时的结果。
首先，在未从外部施加力的情况下，在各梁13A、13B、13C、13D上几乎不施加应力，即使施加有应力，各个压电电阻元件21A、21B、21C、21D的配置位置处的应力的大小及模式(モ一ド)也相同，因此各压电电阻元件21A、21B、21C、21D的电阻值大致相同。由此，惠斯登电桥电路的平衡状态被保持，从而不会出现检测电压。
接着，当在x轴上施加有平动的力时，重物11以y轴为基准轴进行摆动。其若是极小的摆动，则能够近似为x轴方向的平行移动。这样，当重物11向x轴的正方向摆动(微小移动)时，如图4(A)所示，在梁13A的向支撑体12A连接的连接端区域31A、梁13B的向第二部分重物11B连接的连接端区域32B、梁13C的向支撑体12B连接的连接端区域31C、梁13D的向第二部分重物11B连接的连接端区域32D产生压缩引起的应力。另一方面，在梁13A的向第一部分重物11A连接的连接端区域32A、梁13B的向支撑体12A连接的连接端区域31B、梁13C的向第一部分重物11A连接的连接端区域32C、梁13D的向支撑体12B连接的连接端区域31D产生伸张引起的应力。
在此，压电电阻元件21A、21B、21C、21D分别形成于连接端区域31A、31B、31C、31D，上述的元件根据施加的应力而电阻值发生变化。并且，当重物11摆动而产生应力时，因上述的元件的电阻值变化而打破惠斯登电桥电路的平衡状态，从而输出与应力对应的检测电压。另外，在因摆动而重物11向x轴的负方向摆动(微小移动)的情况下，输出与该检测电压符号相反的检测电压。通过这样的现象能够检测出施加在x轴方向上的力。
此时，在上述那样的结构的情况下，如图4(B)所示，x轴平动的力所产生的固有振动数大幅小于其他方向的力所产生固有振动数。具体而言，即使为x轴平动的力的固有振动数的次低(次に低い)的、x轴旋转的固有振动数，也为x轴平动的力的固有振动数的2倍左右的振动数。通过形成为这样的固有振动数的关系，实质上仅能够检测出x轴平动的力。因此，通过上述的结构，能够实现单轴型的力学传感器。
此时，还如图4(A)所示，应力的产生区域不是以往那样的梁与重物及支撑体连接的四处的角部附近的极小区域，而成为梁13A、13B、13C、13D中的与重物11及支撑体12A、12B连接的连接端附近的区域，即成为沿着梁13A、13B、13C、13D中的与重物11及支撑体12A、12B连接的连接边的、较宽的区域。因此，即使在压电电阻元件21A、21B、21C、21D的形成中存在离散(バラツキ)，也不容易受到应力的影响。由此，能够比以往更可靠地检测出应力以及施加在重物11上的力。
另外，虽然未图示，但在实验性地对本实施方式的力学传感器10和以往的力学传感器10P以相同的条件沿x轴方向施加力的情况下，本实施方式的力学传感器10这一方产生3倍左右的大的应力。从这样的结果也可知，本实施方式的力学传感器10能够比以往的力学传感器10P更可靠地检测出应力。
如以上所示，通过使用本实施方式的结构，能够实现可更可靠地检测出所涉及的力的力学传感器。此时，如以下所示，制造工序与以往的力学传感器的制造工序相比几乎不需要改变，且即使不使用复杂的制造方法，也能够实现检测能力更强的力学传感器。
图5是用于说明本实施方式涉及的力学传感器10的制造方法的图。在该图中，使用上述的图2(C)所示的侧剖面表示各制造工序的形状变化。另外，以下，以支撑体12来代表支撑体12A、12B，以梁13梁来代表13A、13B、13C、13D，且代表压电电阻元件21A、21B、21C、21D而称为压电电阻元件21来进行说明。
首先，如图5(A)所示，准备SOI基板100。SOI基板100包括N型层的硅基板101、支撑硅基板102、夹在它们之间的例如由SiO2或SiN形成的绝缘层103。并且，在本实施方式中，在硅基板101的表面形成有绝缘层104。在此，优选将硅基板101及绝缘层103、104重叠后的厚度与梁13的厚度大致一致。
向这样的SOI基板100的硅基板101的表面(绝缘层104)侧的、之后成为梁13的支撑体12侧端部的位置离子注入P型掺杂剂，来形成成为压电电阻元件21的压电电阻(P+层)。并且，在硅基板101的大致相同的深度位置以规定图案形成成为配线电极图案22的低电阻配线区域(P++层)。
接着，如图5(B)所示，从SOI基板100的背面侧对支撑硅基板102中的之后成为空间15的区域进行使用氟系气体(CF4、C4F8、SF6等)或氯系气体(Cl2)等蚀刻气体的干式蚀刻。由于进行这样的干式蚀刻，因而绝缘层103成为阻挡层，从而该绝缘体层103、硅基板101及绝缘层104未被蚀刻。通过该工序，以支撑硅基板102为部分材料的重物11及支撑体12、框体壁14以外的部位、即与梁13和空间15对应的部位成为从背面侧凹陷的形状。
接着，如图5(C)所示，在形成有凹部的SOI基板100的背面侧接合盖构件16。此时，盖构件16由与支撑体12或框体壁14抵接但不与凹部中央的重物11抵接的形状构成。另外，优选盖构件16为与支撑硅基板102相同的材质。
接着，如图5(D)所示，在绝缘层104的表面、即SOI基板100的表面上形成用于构成上述的惠斯登电桥电路的配线电极图案22。该配线电极图案22虽然未图示，但以与硅基板101的低电阻配线区域连接的方式形成。
接着，如图5(E)所示，从SOI基板100的表面侧以保留重物11、支撑体12、梁13、框体壁14的方式对绝缘层104、硅基板101、绝缘层103进行干式蚀刻而将它们除去。通过该工序，重物11实现在框体壁14内的空间15中由梁13及支撑体12支撑为能够摆动的结构。另外，之后，还可以在表面侧配设上盖。
另外，上述的形状是表示用于检测x轴平动的力的结构的形状，如图6所示，也可以使第一部分重物11W和第二部分重物11L的形状或重量不同。图6是表示本实施方式的由其他结构构成的力学传感器10A的结构的立体图。
如图6所示，在由支撑体12A、12B及梁13A、13B、13C、13D支撑的第一部分重物11W和第二部分重物11L的重量不同的情况下，重物11’的重心从梁13A、13B、13C、13D的配置位置的中心偏离。这样，当中心位置与重心偏离时，检测方向发生偏移。例如，若第一部分重物11W和第二部分重物11L为图6那样的关系，则从x轴方向向z轴方向以规定角度旋转偏移后的方向成为检测方向。因此，通过使上述第一部分重物11W和第二部分重物11L的形状变化，能够容易使检测方向变化。即，即使外形形状及安装状态相同，也能够实现不同的检测方向的力学传感器。
符号说明：
10、10A-力学传感器
11、11’-重物
11A、11W-第一部分重物
11B、11L-第二部分重物
11C-桥接部
12A、12B-支撑体
13A、13B、13C、13D-梁
14-框体壁
15-空间
16-盖构件
21A、21B、21C、21D-压电电阻元件
22-配线电极图案
31A、31B、31C、31D、32A、32B、32C、32D-连接端区域

Claims (4)

1.一种力学传感器，其通过使用梁，将重物相对于支撑体支撑为能够摆动，并通过设置在所述梁上的多个压电电阻元件来检测因该摆动而在所述梁上产生的应力，从而对基于所涉及的力而产生的规定的物理量进行检测，所述力学传感器的特征在于，
所述重物包括：沿着第一轴方向排列，且分别由大致长方体形状构成的第一部分重物及第二部分重物；以及在与所述第一轴方向正交的第二轴方向上配设在所述第一部分重物及所述第二部分重物的大致中央，且将所述第一部分重物和所述第二部分重物连接的桥接部，
所述支撑体沿着所述第二轴方向将所述重物的所述桥接部夹在中间，且从所述重物离开而配设，
所述梁由在沿着所述第二轴方向的所述桥接部的两侧的位置处沿着所述第一轴方向将所述第一部分重物部和所述支撑体连接且将所述第二部分重物部和所述支撑体连接的形状构成。
2.根据权利要求1所述的力学传感器，其特征在于，
所述多个压电电阻元件分别配设在所述梁中的所述支撑体侧的连接端附近。
3.根据权利要求1或2所述的力学传感器，其特征在于，
所述第一部分重物和所述第二部分重物为相同的重量。
4.根据权利要求1或2所述的力学传感器，其特征在于，
所述第一部分重物和所述第二部分重物为不同的重量。
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