JP2004061280A

JP2004061280A - Force sensor and acceleration sensor using capacitative element, and its manufacturing method

Info

Publication number: JP2004061280A
Application number: JP2002219590A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Okada; 岡田　和廣
Original assignee: Wacoh Corp; Wako KK
Current assignee: Wacoh Corp; Wako KK
Priority date: 2002-07-29
Filing date: 2002-07-29
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2022-07-29
Also published as: JP4073729B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a force sensor and an acceleration sensor using a capacitative element having a simpler structure, and a manufacturing method suitable for mass production of the sensors. <P>SOLUTION: An SOI substrate having a three-layer structure of the conductive silicon layer/silicon oxide layer/conductive silicon layer is prepared, and inductive coupling type plasma etching for removing selectively only silicon from the upper layer is performed, and L-shaped slits S1-S4 are carved, thereby to separate the substrate into a cross-shaped member 120 and fixed members 121-124. Similar etching is applied to the lower layer, thereby to separate it into blower blade-shaped application bodies (311-315) and a pedestal 330. Then, etching for removing selectively only the silicon oxide is applied, so that only the center part and the peripheral part of the middle layer are left as they are. Four pairs of capacitative elements C1-C4 (hatched parts) are formed by each blade part 311-314 and each fixed members 121-124, and an external force or an acceleration applied to the application body is detected based on a capacitance value thereof. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、容量素子を用いた力センサおよび加速度センサならびにその製造方法に関し、特に、小型民生用電子機器に利用される量産型の力センサおよび加速度センサならびにその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話、デジタルカメラ、電子ゲーム機器、ＰＤＡ機器など、マイクロプロセッサを内蔵した小型民生用の電子機器の普及はめざましく、最近では、これらの電子機器あるいはその入力装置に内蔵させるための力センサや加速度センサの需要も高まってきている。力センサを備えた電子機器では、オペレータの指による操作を外力として検出することができ、検出した外力の方向や大きさに基づいて、オペレータが与えた指示や操作量を認識することができる。また、加速度センサを備えた電子機器では、本体に加えられた衝撃や振動などの加速度成分をデジタルデータとしてマイクロプロセッサに取り込むことができるため、電子機器周囲の物理的環境を把握した適切な処理が可能になる。たとえば、デジタルカメラでは、シャッターボタンを押した瞬間に作用した加速度を検出することにより、手振れに対する補正を行うことができ、電子ゲーム機器用の入力装置などでは、オペレータの操作指示を加速度の形で入力することも可能になる。
【０００３】
このような小型民生用電子機器に内蔵するための力センサや加速度センサとしては、小型で量産に適したものが望ましく、現在、半導体デバイスの製造プロセスを利用して量産が可能な半導体基板を用いたタイプのものが多く利用されている。この種のセンサでは、可撓性をもった半導体基板に外力の作用により撓みを生じさせ、この撓みの状態に基づいて、作用した外力を電気的に検出する手法が採られている。基板の撓みの検出には、容量素子、ピエゾ抵抗素子、圧電素子など、種々の検出素子が利用されているが、比較的低コストのセンサには、容量素子が利用されることが多い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
容量素子を用いた力センサや加速度センサは、半導体基板などに形成された一対の電極間距離の変化を、当該一対の電極から構成される容量素子の静電容量値の変化として検出する原理に基づくものである。このため、半導体基板の所定箇所に複数の電極を形成する必要があり、製造プロセスにおいて、この電極を形成するための工程が不可欠である。しかしながら、量産効果を向上させるためには、製造プロセスの一層の単純化が必要になる。
【０００５】
そこで本発明は、より単純な構造をもった容量素子を用いた力センサおよび加速度センサを提供することを目的とし、また、そのようなセンサの量産に適した製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（１）　　本発明の第１の態様は、導電性をもった上層部と、絶縁性をもった中層部と、導電性をもった下層部と、の少なくとも３層構造を有するセンサ本体と、検出値を電気信号として取り出すための検出回路と、により力センサを構成するようにし、
上層部の上面の中心位置に原点Ｏをとり、上層部の上面において互いに直交する方向にそれぞれＸ軸およびＹ軸をとり、上層部の上面に対して垂直な方向にＺ軸をとることにより、ＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、
上層部が、原点Ｏの近傍に配置された島状部と、島状部からＸ軸正方向に伸びる第１の橋梁部と、島状部からＹ軸正方向に伸びる第２の橋梁部と、島状部からＸ軸負方向に伸びる第３の橋梁部と、島状部からＹ軸負方向に伸びる第４の橋梁部と、の５つの部分を有する十字形部材と、ＸＹ座標における第１象限に位置する第１の固定部材と、ＸＹ座標における第２象限に位置する第２の固定部材と、ＸＹ座標における第３象限に位置する第３の固定部材と、ＸＹ座標における第４象限に位置する第４の固定部材と、によって構成されるようにし、十字形部材、第１の固定部材、第２の固定部材、第３の固定部材、第４の固定部材が、物理的に互いに非接触となるように配置されるようにし、
下層部が、第１の固定部材の内側部分の一部の領域に対向する第１の羽根部と、第２の固定部材の内側部分の一部の領域に対向する第２の羽根部と、第３の固定部材の内側部分の一部の領域に対向する第３の羽根部と、第４の固定部材の内側部分の一部の領域に対向する第４の羽根部と、中央付近において第１の羽根部、第２の羽根部、第３の羽根部、第４の羽根部を互いに接続する羽根接合部と、を有する作用体と、この作用体に対して所定間隔をおきながら、その周囲を取り囲む台座と、によって構成されるようにし、
中層部が、島状部の下面と、羽根接合部の上面と、を接続する中央接続部と、台座の上面と、第１の固定部材、第２の固定部材、第３の固定部材、第４の固定部材、第１の橋梁部、第２の橋梁部、第３の橋梁部、第４の橋梁部、のそれぞれ外側部分の下面と、を接続する周囲接続部と、によって構成されるようにし、
第１の橋梁部、第２の橋梁部、第３の橋梁部、第４の橋梁部は、作用体に外力が作用した場合に撓みを生じる性質を有しており、この撓みにより作用体が台座に対して変位を生じるように構成されており、
検出回路が、第１の固定部材と第１の羽根部とによって構成される第１の容量素子、第２の固定部材と第２の羽根部とによって構成される第２の容量素子、第３の固定部材と第３の羽根部とによって構成される第３の容量素子、第４の固定部材と第４の羽根部とによって構成される第４の容量素子、の各静電容量値に基づいて、作用体に作用した外力を示す電気信号を出力するようにしたものである。
【０００７】
（２）　　本発明の第２の態様は、上述の第１の態様に係る容量素子を用いた力センサにおいて、
上層部を構成する十字形部材、第１の固定部材、第２の固定部材、第３の固定部材、第４の固定部材が、上層部を厚み方向に貫通する所定幅のスリットによって、互いに分離されているようにしたものである。
【０００８】
（３）　　本発明の第３の態様は、上述の第１または第２の態様に係る容量素子を用いた力センサにおいて、
島状部の厚み方向に形成された貫通孔を通して、作用体に接触する配線部が設けられ、
検出回路がこの配線部と各固定部材との間の静電容量値に基づいて検出値を出力するようにしたものである。
【０００９】
（４）　　本発明の第４の態様は、上述の第１〜第３の態様に係る容量素子を用いた力センサにおいて、
所定の許容範囲を越える外力が作用した場合に、作用体のいずれかの羽根部の上面がいずれかの固定部材の下面に接触して変位が制御されるように、中層部の厚みを設定するようにしたものである。
【００１０】
（５）　　本発明の第５の態様は、上述の第１〜第４の態様に係る容量素子を用いた力センサにおいて、
検出回路が、第１の容量素子の静電容量値と第４の容量素子の静電容量値との和と、第２の容量素子の静電容量値と第３の容量素子の静電容量値との和と、の差に基づいて、作用体に作用した外力のＸ軸方向成分を示す検出値を出力し、第１の容量素子の静電容量値と第２の容量素子の静電容量値との和と、第３の容量素子の静電容量値と第４の容量素子の静電容量値との和と、の差に基づいて、作用体に作用した外力のＹ軸方向成分を示す検出値を出力するようにしたものである。
【００１１】
（６）　　本発明の第６の態様は、上述の第１〜第４の態様に係る容量素子を用いた力センサにおいて、
ＸＹ座標における第１象限が正方向、第３象限が負方向となり、ＸＹ両座標軸に対して４５°をなすＶ軸を定義し、ＸＹ座標における第２象限が正方向、第４象限が負方向となり、ＸＹ両座標軸に対して４５°をなすＷ軸を定義したときに、
検出回路が、第１の容量素子の静電容量値と第３の容量素子の静電容量値との差に基づいて、作用体に作用した外力のＶ軸方向成分を示す検出値を出力し、第２の容量素子の静電容量値と第４の容量素子の静電容量値との差に基づいて、作用体に作用した外力のＷ軸方向成分を示す検出値を出力するようにしたものである。
【００１２】
（７）　　本発明の第７の態様は、上述の第５または第６の態様に係る容量素子を用いた力センサにおいて、
検出回路が、更に、第１の容量素子の静電容量値、第２の容量素子の静電容量値、第３の容量素子の静電容量値、第４の容量素子の静電容量値の総和に基づいて、作用体に作用した外力のＺ軸方向成分を示す検出値を出力するようにしたものである。
【００１３】
（８）　　本発明の第８の態様は、上述の第１〜第７の態様に係る容量素子を用いた力センサにおいて、
上層部および下層部を構成する材料と中層部を構成する材料とを、互いにエッチング特性の異なる材料によって構成したものである。
【００１４】
（９）　　本発明の第９の態様は、上述の第１〜第８の態様に係る容量素子を用いた力センサにおいて、
上層部および下層部を、不純物をドープしたシリコン層によって構成し、中層部を酸化シリコン層によって構成したものである。
【００１５】
（１０）　本発明の第１０の態様は、上述の第９の態様に係る容量素子を用いた力センサにおいて、
センサ本体を、不純物をドープしたシリコン層／酸化シリコン層／不純物をドープしたシリコン層なる３層構造を有するＳＯＩ基板によって構成したものである。
【００１６】
（１１）　本発明の第１１の態様は、上述の第１〜第１０の態様に係る容量素子を用いた力センサを用い、作用体に作用した加速度に起因する力を検出することにより検出回路から加速度の検出信号を出力させるようにし、加速度センサとして利用できるようにしたものである。
【００１７】
（１２）　本発明の第１２の態様は、上述の第１１の態様に係る加速度センサにおいて、
台座の底面に制御基板を接続し、この台座の底面に対して作用体の底面が所定寸法だけ上方に位置し、作用体の底面と制御基板の上面との間に所定間隔が確保されるように、作用体の厚みを設定するようにし、
作用した加速度の所定方向成分の大きさが所定の許容値を越えたときに、作用体の底面が制御基板の上面に接触して変位が制御されるようにしたものである。
【００１８】
（１３）　本発明の第１３の態様は、上述の第１〜第１２の態様に係る容量素子を用いた力センサもしくは加速度センサの製造方法において、
上から順に、導電性をもった第１の層、絶縁性をもった第２の層、導電性をもった第３の層の３層を積層してなる材料基板を用意する準備段階と、
第１の層に対しては浸食性を有し、第２の層に対しては浸食性を有しないエッチング方法により、第１の層の所定領域に対して、第２の層の上面が露出するまで厚み方向へのエッチングを行い、第１の層にスリットを形成することにより、第１の層を、十字形部材、第１の固定部材、第２の固定部材、第３の固定部材、第４の固定部材に分離するとともに、これら各固定部材の内側部分の所定領域にエッチング用貫通孔を形成する上層部形成段階と、
第３の層に対しては浸食性を有し、第２の層に対しては浸食性を有しないエッチング方法により、第３の層の所定領域に対して、第２の層の下面が露出するまで厚み方向へのエッチングを行い、第３の層を作用体と台座とに分離する下層部形成段階と、
第２の層に対しては浸食性を有し、第１の層および第３の層に対しては浸食性を有しないエッチング方法により、第２の層に対して、その露出部分から厚み方向および層方向へのエッチングを行い、残存した部分により中央接続部および周囲接続部を形成する中層部形成段階と、
を行うようにしたものである。
【００１９】
（１４）　本発明の第１４の態様は、上述の第１３の態様に係る容量素子を用いた力センサもしくは加速度センサの製造方法において、
中層部形成段階で行われるエッチングにより、作用体の各羽根部の上方に位置する第２の層からなる部分が除去できるように、上層部形成段階において、所定箇所に複数のエッチング用貫通孔を形成するようにしたものである。
【００２０】
（１５）　本発明の第１５の態様は、上述の第１３または第１４の態様に係る加速度センサの製造方法において、
台座部分の厚みに比べて作用体部分の厚みが小さくなるように、下層部の作用体となるべき領域の下層部分をエッチング除去する厚み調整段階と、
台座底面に制御基板を接合する制御基板接合段階と、
を更に行うようにしたものである。
【００２１】
（１６）　本発明の第１６の態様は、上述の第１３〜第１５の態様に係る容量素子を用いた力センサもしくは加速度センサの製造方法において、
上層部形成段階および下層部形成段階で、誘導結合型プラズマエッチング法を用いることにより、厚み方向へのエッチングを行うようにしたものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示する実施形態に基いて説明する。
【００２３】
＜＜＜　§１．センサ本体の基本構造　＞＞＞
本発明は力センサおよび加速度センサに関するものであるが、その基本構造はいずれもほぼ同一であり、ここでは、力センサとしても、加速度センサとしても利用可能なセンサ本体の基本構造を述べる。
図１は、本発明の一実施形態に係るセンサ本体の上面図である。このセンサ本体は、基本的に、導電性をもった上層部１００と、絶縁性をもった中層部２００と、導電性をもった下層部３００との３層構造から構成されている。具体的には、ここに示す実施形態の場合、上層部１００は、Ｐ型もしくはＮ型の不純物をドープしたシリコン層から構成されており、中層部２００は酸化シリコン層から構成されており、下層部３００は、Ｐ型もしくはＮ型の不純物をドープしたシリコン層から構成されている。このようなシリコン／酸化シリコン／シリコンなる３層構造をもった材料は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板として市販されており、ここに示すセンサ本体は、このＳＯＩ基板を利用した製造プロセスによって製造することが可能である。
【００２４】
ここに示す実施形態では、上層部１００、中層部２００、下層部３００は、いずれも正方形状の板状部材である。上層部１００には、厚み方向に貫通するスリットＳ１〜Ｓ４が形成されており、図１では、このスリットＳ１〜Ｓ４を通して、下層部３００の一部が確認できる。図１はかなり繁雑な図になっているが、これは上層部１００の下に隠れている中層部２００の構造を一点鎖線で示し、下層部３００の構造を破線で示したためである。一方、図２は、図１に示すセンサ本体を、切断線２−２の位置で切断した側断面図であり、図３は、同じく図１に示すセンサ本体を、切断線３−３の位置で切断した側断面図である。これら側断面図には、このセンサ本体が、上層部１００、中層部２００、下層部３００の３層構造からなることが明瞭に示されている。なお、ここでは説明の便宜上、上層部１００の構成要素を１００番台の符号で示し、中層部２００の構成要素を２００番台の符号で示し、下層部３００の構成要素を３００番台の符号で示すことにする。また、図４は、このセンサ本体の下面図であり、この下面図では、下層部３００の陰に隠れている中層部２００の構造は示されておらず、上層部１００の構造の一部については破線で示されている。
【００２５】
図１に示す上面図や図４に示す下面図は、各層相互の位置関係の確認を行う場合には便利であるが、単一の図に、複数の層構造が重ねて描かれているため、かなり繁雑になっており、個々の層の細かな構造の説明を行うのには必ずしも適当ではない。そこで、以下、個々の層をそれぞれ独立して描いた平面図を用い、図２および図３の側断面図を参照しながら、各層の構造を順に説明する。
【００２６】
まず、図５を用いて、上層部１００の構造を説明する。この図５は、上層部１００を単体として示した上面図である。図示のとおり、上層部１００は、正方形状の板状部材からなり、厚み方向に貫通する所定幅のスリットＳ１〜Ｓ４が形成されている。この実施形態の場合、上層部１００は、不純物をドープすることにより導電性をもったシリコンの基板層から構成されており、スリットＳ１〜Ｓ４は、後述するように、このシリコンの基板層に対してエッチング加工を施すことにより形成される。スリットＳ１〜Ｓ４は、いずれもほぼＬ字状をしており、これら４本のスリットによって、上層部１００は、図示のとおり、５つの部材１２０，１２１，１２２，１２３，１２４に分けられることになる。ここでは、この５つの部材のうち、部材１２０（図示のとおり、この部材は、更に５つの部分１２５〜１２９から構成されている）を十字形部材と呼び、部材１２１〜１２４を固定部材（後述するように、これらの部材は台座に固定される）と呼ぶことにする。
【００２７】
ここでは、説明の便宜上、図５に示されているように、上層部１００の上面の中心位置に原点Ｏをとり、この上層部１００の上面において互いに直交する方向にそれぞれＸ軸およびＹ軸をとる。すなわち、Ｘ軸は上層部１００の輪郭となる正方形の横の辺に平行な方向を向き、図の右方向を正方向とする座標軸であり、Ｙ軸は上層部１００の輪郭となる正方形の縦の辺に平行な方向を向き、図の上方向を正方向とする座標軸である。結局、上層部１００の上面を含む平面上に二次元ＸＹ座標系を定義することができる。ここで、原点Ｏを通り、上層部１００の上面に対して垂直な方向にＺ軸（図５の紙面垂直上方を正方向とする）をとれば、ＸＹＺ三次元直交座標系を定義することができる。なお、本明細書では、原点Ｏに近い方を内側部分、遠い方を外側部分と呼ぶことにする。
【００２８】
このような座標系を定義すると、図５に示すように、十字形部材１２０は、原点Ｏの近傍に配置された島状部１２５と、島状部１２５からＸ軸正方向に伸びる第１の橋梁部１２６と、島状部１２５からＹ軸正方向に伸びる第２の橋梁部１２７と、島状部１２５からＸ軸負方向に伸びる第３の橋梁部１２８と、島状部１２５からＹ軸負方向に伸びる第４の橋梁部１２９と、の５つの部分から構成されることになる。また、ほぼ正方形の板状をした第１の固定部材１２１は、ＸＹ座標における第１象限に位置することになり、ほぼ正方形の板状をした第２の固定部材１２２は、ＸＹ座標における第２象限に位置することになり、ほぼ正方形の板状をした第３の固定部材１２３は、ＸＹ座標における第３象限に位置することになり、ほぼ正方形の板状をした第４の固定部材１２４は、ＸＹ座標における第４象限に位置することになる。
【００２９】
このように、上層部１００は、十字形部材１２０、第１の固定部材１２１、第２の固定部材１２２、第３の固定部材１２３、第４の固定部材１２４なる５つの部材によって構成されており、これら５つの部材は、スリットＳ１〜Ｓ４によって、物理的に互いに非接触となるように配置されていることになる。このように、これら５つの部材はそれぞれバラバラの構成要素であるが、後述するように、いずれもその外側部分（原点Ｏから遠い部分）が下層部３００の台座部分に固定されることになる。
【００３０】
なお、各固定部材１２１〜１２４の内側部分（原点Ｏに近い部分）の所定箇所には、それぞれエッチング用貫通孔Ｈ１〜Ｈ４が形成されている。図示の例では、各エッチング用貫通孔Ｈ１〜Ｈ４は、それぞれ３×３のマトリックス状に配列された９個の貫通孔の集合によって構成されている。これらエッチング用貫通孔Ｈ１〜Ｈ４は、センサ本体の動作に必要なものではなく、後述する製造プロセスを実施する上で必要になる構成要素である（いわば、哺乳動物の臍の役割と同等であると考えれば、理解しやすいであろう）。したがって、センサ本体の構造および動作を説明する上では、このエッチング用貫通孔Ｈ１〜Ｈ４のない実施形態を示した方が適切かもしれないが、実用上、本発明を実施する際には、後述する製造プロセスによってセンサ本体を量産するのが望ましいので、ここでは、敢えて、このような製造プロセスを経て量産されたセンサ本体についての構造および動作を実施形態として説明することにする。
【００３１】
この図５の上面図に示されている上層部１００の基本構造は、図２および図３の側断面図によっても明瞭に示されている。図２に示されている上層部１００は、図５に示されている上層部１００を切断線２−２に沿って切った側断面図に相当する。この図２には、上層部１００の厚み方向に貫通するスリットＳ１，Ｓ２と、エッチング用貫通孔Ｈ１，Ｈ２が示されており、また、第１の固定部材１２１，第２の固定部材１２２，第２の橋梁部１２７の断面が示されている。一方、図３は、図５に示されている上層部１００を切断線３−３に沿って切った側断面図に相当し、上層部１００のうちの十字形部材１２０だけが示されている。
【００３２】
図６は、図３の側断面図において、上層部１００を図の切断線６−６に沿って切断した横断面図であり、厚み方向に貫通するスリットＳ１〜Ｓ４およびエッチング用貫通孔Ｈ１〜Ｈ４の形状および配置が明瞭に示されている。４組のスリットＳ１〜Ｓ４は全く同形であり、かつ、シンメトリック（図６の平面図において左右対称および上下対称）に配置されている。
【００３３】
十字形部材１２０の中央部分を構成する島状部１２５は、その四方を第１の橋梁部１２６、第２の橋梁部１２７、第３の橋梁部１２８、第４の橋梁部１２９によって支持された文字どおり島状の部分になっている。各橋梁部１２６〜１２９は、両側をスリットで挟まれた細長いビーム状の構造体をなし、後述するように、その外側部分は台座に固定されている。しかも、各橋梁部１２６〜１２９は、可撓性を有しており、島状部１２５に対して外力が作用すると、各橋梁部１２６〜１２９が撓みを生じるように構成されている。結局、島状部１２５に対して外力が作用すると、各橋梁部１２６〜１２９が撓み、島状部１２５が変位を生じることになる。
【００３４】
前述したように、この実施形態では、上層部１００はシリコンの基板層によって構成されているので、この上層部１００の厚みをある程度小さく設定すれば、各橋梁部１２６〜１２９に可撓性をもたせることができる。ただし、上層部１００の厚みをあまり小さく設定すると破損しやすくなるので、実用上は、このセンサ本体の用途に応じて、どの程度の検出感度が必要になり、どの程度の堅牢性が必要になるか、などの条件を考慮して、最適な厚みを設定するのが好ましい。
【００３５】
次に、図７を用いて、中層部２００の構造を説明する。この図７は、中層部２００を単体として示した横断面図であり、図３の側断面図において、中層部２００を図の切断線７−７に沿って切断した横断面図に相当する。ここに示す実施形態の場合、中層部２００は、後述するように、層面が正方形状をした酸化シリコン層に対して、エッチング加工を施すことにより形成されることになる。図示のとおり、中層部２００は、中央部分に配置された中央接続部２１０と、周囲部分に配置され、全体的に方環状形状をもった周囲接続部２３０と、によって構成される。これら各接続部は、いずれも同一の厚みを有している。なお、周囲接続部２３０は、溝部Ｇ０によって、部分接続部２３１〜２３８なる８個の細かな部分に分割されているが、これも、後述する製造プロセスを実施したために生じる付随的な特徴であり、本発明を実施する上で、周囲接続部２３０を、このような複数の部分接続部に分ける必要はない。中央接続部２１０および周囲接続部２３０の根本的な機能は、後述するように、上層部１００の所定部分と下層部３００の所定部分とを接続することである。
【００３６】
最後に、図８を用いて、下層部３００の構造を説明する。この図８は、下層部３００を単体として示した横断面図であり、図３の側断面図において、下層部３００を図の切断線８−８に沿って切断した横断面図に相当する。ここに示す実施形態の場合、下層部３００は、後述するように、層面が正方形状をしたシリコン層に対してエッチング加工を施すことにより、形成されることになる。図の溝部Ｇ１およびＧ２は、このエッチング加工によりシリコンが除去された部分である。図示のとおり、下層部３００は、送風機のファン状形状をなす作用体３１０と、これを囲う位置に配置され、方環状形状をもった台座３３０と、によって構成される。ここで、作用体３１０は、第１の羽根部３１１、第２の羽根部３１２、第３の羽根部３１３、第４の羽根部３１４と、中央付近においてこれら４つの羽根部を互いに接続する羽根接合部３１５によって構成されている。また、台座３３０は、作用体３１０に対して所定間隔をおきながら、その周囲を取り囲むように配置されている。
【００３７】
図９は、上層部１００の各構成要素と下層部３００の各構成要素との位置関係を示す上面図である。図示のとおり、作用体３１０の４つの羽根部３１１〜３１４は、上層部１００を構成する４つの固定部材１２１〜１２４の内側部分の一部の領域において、平面的に重なっている。図にハッチングを施した部分は、この平面的な重なり領域を示している（この図９におけるハッチングは、断面を示すものではない）。すなわち、第１の固定部材１２１の内側部分の一部の領域（ハッチング部分）の下方には、第１の羽根部３１１が対向するように配置されており、第２の固定部材１２２の内側部分の一部の領域（ハッチング部分）の下方には、第２の羽根部３１２が対向するように配置されており、第３の固定部材１２３の内側部分の一部の領域（ハッチング部分）の下方には、第３の羽根部３１３が対向するように配置されており、第４の固定部材１２４の内側部分の一部の領域（ハッチング部分）の下方には、第４の羽根部３１４が対向するように配置されている。
【００３８】
図７に示す中層部２００における中央接続部２１０は、図６に示す島状部１２５と図８に示す羽根接合部３１５との間に介挿され、両者を接続する機能を有し、図７に示す中層部２００における周囲接続部２３０（２３１〜２３８）は、図６に示す各固定部材１２１〜１２４の外側部分および各橋梁部１２６〜１２９の外側部分と図８に示す台座３３０との間に介挿され、両者を接続する機能を有する。
【００３９】
以上、上層部１００、中層部２００、下層部３００の構造をそれぞれ別個に説明したが、ここで述べる実施形態に係るセンサ本体は、図１の上面図、図２および図３の側断面図、図４の下面図に示されているとおり、これら３層を接合することにより得られる構造体である。図３の側断面図を見れば明らかなように、作用体３１０は、台座３３０によって周囲を囲まれた空間内に位置することになり、その上面中央部が中央接続部２１０を介して十字形部材１２０の中央部分、すなわち、島状部１２５の下面に接続されている。また、十字形部材１２０は、その周囲部分が周囲接続部２３２，２３４，２３６，２３８を介して台座３３０の上面に固定されているので、結局、作用体３１０は、台座３３０によって囲まれた空間内において、上方から宙吊りの状態となっている。
【００４０】
＜＜＜　§２．力もしくは加速度センサとしての動作　＞＞＞
続いて、これまで§１で述べたセンサ本体を利用した力もしくは加速度センサの動作を説明する。図３の側断面図に示されているように、このセンサ本体では、作用体３１０が、十字形部材１２０の下面（島状部１２５の下面）に取り付けられており、台座３３０に囲われた空間内で宙吊りの状態になっている。しかも、十字形部材１２０を構成する４本の橋梁部１２６〜１２９は可撓性を有しているため、台座３３０を固定した状態で、作用体３１０に対して外力を作用させると、この外力により４本の橋梁部１２６〜１２９に撓みが生じることになり、作用体３１０が台座３３０に対して相対的に変位する。
【００４１】
たとえば、図１０の側断面図（図３と同様に、図１に示すセンサ本体を切断線３−３で切った断面を示す）に示すように、作用体３１０に対して、図の矢印で示す方向（Ｘ軸正方向）に外力＋Ｆｘが作用したとすると、十字形部材１２０の各部が図示のように撓み、作用体３１０は台座３３０に対して図のような相対位置変化を生じることになる。逆に、図１１の側断面図（図３と同様に、図１に示すセンサ本体を切断線３−３で切った断面を示す）に示すように、作用体３１０に対して、図の矢印で示す方向（Ｘ軸負方向）に外力−Ｆｘが作用したとすると、十字形部材１２０の各部が図示のように撓み、作用体３１０は台座３３０に対して図のような相対位置変化を生じることになる。本発明に係るセンサは、このような相対位置変化を、容量素子を用いて電気信号の形で検出する機能を有している。
【００４２】
このセンサ本体を、携帯電話、デジタルカメラ、電子ゲーム機器、ＰＤＡ機器などの電子機器に内蔵した場合、オペレータの指による操作により、作用体３１０に対して直接的もしくは間接的にこのような外力を作用させることができる。そして、後述する検出回路を用いることにより、作用した外力の向きと大きさとを検出することができれば、オペレータの操作入力を電気的に検出することが可能になる。あるいは、作用体３１０を重錐体として機能させれば、このセンサ本体を内蔵した電子機器に作用した加速度を、電気的に検出することも可能になる。
【００４３】
なお、ここに示す実施形態の場合、作用体３１０に、所定の許容範囲を越える外力や加速度が作用した場合、作用体３１０の羽根部３１１〜３１４のいずれかの上面が、固定部材１２１〜１２４のいずれかの下面に接触して変位が制御されるように、中層部２００の厚みが設定されている。たとえば、作用体３１０に作用するＸ軸正方向の力＋Ｆｘの大きさが所定の許容範囲に達した場合、図９に示す第１の羽根部３１１および第４の羽根部３１４の上面が、第１の固定部材１２１および第４の固定部材１２４の下面に接触して、それ以上の変位が制限されることになる。このため、各橋梁部１２６〜１２９に過度の撓みが生じることを抑制することができ、各橋梁部が物理的に破損するのを防ぐことができる。
【００４４】
もちろん、各橋梁部をこのような物理的な破損から保護するために、図８に示す溝部Ｇ１の寸法を所定値以下に設定することも有効である。この場合、過度の力や加速度が作用した場合、作用体３１０の側面が台座３３０の内面に接触して、変位の制御が行われることになる。
【００４５】
続いて、この実施形態に係るセンサ本体において、作用体３１０に作用した外力あるいは加速度の向きと大きさとを検出する原理を説明する。図９にハッチングを施して示したように、作用体３１０の４つの羽根部３１１〜３１４は、４つの固定部材１２１〜１２４の内側部分の一部の領域において、平面的に重なっている。別言すれば、図９にハッチングを施した４つの領域は、上方に固定部材の一部が配置され、下方に羽根部が配置された状態になっており、両者間には、力や加速度が作用していない状態において、中層部２００の厚みに相当する間隔が保持されている。
【００４６】
既に述べたように、上層部１００および下層部３００は、いずれも導電性材料から構成されているので、図９にハッチングを施して示した領域には、それぞれ容量素子が形成されることになる。すなわち、第１の固定部材１２１と第１の羽根部３１１とによって第１の容量素子Ｃ１が構成され、第２の固定部材１２２と第２の羽根部３１２とによって第２の容量素子Ｃ２が構成され、第３の固定部材１２３と第３の羽根部３１３とによって第３の容量素子Ｃ３が構成され、第４の固定部材１２４と第４の羽根部３１４とによって第４の容量素子Ｃ４が形成される。各固定部材１２１〜１２４には、エッチング用貫通孔Ｈ１〜Ｈ４が形成されているため、容量素子を形成するための電極有効面積は若干減少するものの、本質的には問題はない。ここで、各羽根部３１１〜３１４は、羽根接合部３１５によって接続されているため、電気的には同電位の共通電極として機能するが、各固定部材１２１〜１２４は、互いに電気的に絶縁された電極として機能するので、４組の独立した容量素子が形成されることになる。しかも、これら４組の容量素子の静電容量値は、作用体３１０に作用した力あるいは加速度の向きおよび大きさに基づいて変化することになる。
【００４７】
たとえば、図１０に示すように、作用体３１０にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが加わった場合、作用体３１０は図示のとおり変位し、第１の容量素子Ｃ１および第４の容量素子Ｃ４の電極間隔は小さくなるため静電容量値は増加し、第２の容量素子Ｃ２および第３の容量素子Ｃ３の電極間隔は大きくなるため静電容量値は減少する。逆に、図１１に示すように、作用体３１０にＸ軸負方向の力−Ｆｘが加わった場合、作用体３１０は図示のとおり変位し、第１の容量素子Ｃ１および第４の容量素子Ｃ４の電極間隔は大きくなるため静電容量値は減少し、第２の容量素子Ｃ２および第３の容量素子Ｃ３の電極間隔は小さくなるため静電容量値は増加する。
【００４８】
したがって、第１の容量素子Ｃ１の静電容量値と第４の容量素子Ｃ４の静電容量値との和と、第２の容量素子Ｃ２の静電容量値と第３の容量素子Ｃ３の静電容量値との和と、の差を検出すれば、この検出値は、作用体３１０に作用した外力や加速度のＸ軸方向成分を示す値になる。全く同様の原理により、第１の容量素子Ｃ１の静電容量値と第２の容量素子Ｃ２の静電容量値との和と、第３の容量素子Ｃ３の静電容量値と第４の容量素子Ｃ４の静電容量値との和と、の差を検出すれば、この検出値は、作用体３１０に作用した外力や加速度のＹ軸方向成分を示す値になる。
【００４９】
また、作用体３１０に対して、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが加わった場合、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４の電極間隔はいずれも小さくなり、静電容量値はいずれも増加する。逆に、作用体３１０に対して、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが加わった場合、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４の電極間隔はいずれも大きくなり、静電容量値はいずれも減少する。したがって、第１の容量素子Ｃ１の静電容量値、第２の容量素子Ｃ２の静電容量値、第３の容量素子Ｃ３の静電容量値、第４の容量素子Ｃ４の静電容量値の総和を検出すれば、この検出値は、作用体３１０に作用した外力や加速度のＺ軸方向成分を示す値になる。
【００５０】
図１２は、上述した検出原理に基づいて、作用体３１０に作用した外力あるいは加速度のＸ軸方向成分、Ｙ軸方向成分、Ｚ軸方向成分の検出値を電気信号として出力する機能をもった検出回路の一例を示す回路図である。この検出回路では、共通電極として機能する各羽根部３１１〜３１４は接地されている。各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値は、それぞれＣ／Ｖ変換回路４１０〜４４０によって電圧値Ｖ１〜Ｖ４に変換される。そして、加算器４５１，４５２によって、それぞれ（Ｖ１＋Ｖ４）および（Ｖ２＋Ｖ３）が演算された後、減算器４５３によってその差が演算され、（Ｖ１＋Ｖ４）−（Ｖ２＋Ｖ３）なる値が出力端子Ｔｘに出力される。この値は、作用した外力や加速度のＸ軸方向成分を示す値になる。同様に、加算器４６１，４６２によって、それぞれ（Ｖ１＋Ｖ２）および（Ｖ３＋Ｖ４）が演算された後、減算器４６３によってその差が演算され、（Ｖ１＋Ｖ２）−（Ｖ３＋Ｖ４）なる値が出力端子Ｔｙに出力される。この値は、作用した外力や加速度のＹ軸方向成分を示す値になる。また、加算器４７１によって、（Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ４）なる総和が演算され、出力端子Ｔｚに出力される。この値は、作用した外力や加速度のＺ軸方向成分を示す値になる。
【００５１】
かくして、図１２に示す検出回路を用いれば、作用した外力や加速度のＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向成分のすべてを検出することができる。しかも各軸方向成分の検出値には、他の軸方向成分が影響しないような演算が行われているため、個々の軸方向成分を独立した値として得ることができる。すなわち、検出対象となる外力や加速度に、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の３軸方向成分が含まれていたとしても、出力端子Ｔｘに得られる検出値はＸ軸方向成分のみとなり（Ｙ軸，Ｚ軸方向成分は減算器４５３による減算により相殺される）、出力端子Ｔｙに得られる検出値はＹ軸方向成分のみとなり（Ｘ軸，Ｚ軸方向成分は減算器４６３による減算により相殺される）、出力端子Ｔｚに得られる検出値はＺ軸方向成分のみとなる（Ｘ軸，Ｙ軸方向成分は加算器４７１による加算により相殺される）。もちろん、Ｚ軸方向成分の検出が不要な二次元センサとして利用するのであれば、加算器４７１は設ける必要はない。
【００５２】
この図１２に示す検出回路は、図９において、作用した外力や加速度のＸ軸，Ｙ軸およびこれらに直交するＺ軸の３軸方向成分を検出する三次元センサとして機能させるための検出回路であるが、図９に示すように、Ｖ軸およびＷ軸を定義し、Ｖ軸，Ｗ軸およびこれらに直交するＺ軸の３軸方向成分を検出する三次元センサとして機能させるのであれば、図１３に示すようなより単純な検出回路を用いれば十分である。
【００５３】
図９に示すＶ軸は、上層部１００の上面を含む面に定義されたＸＹ座標において、第１象限が正方向、第３象限が負方向となり、ＸＹ両座標軸に対して４５°をなす軸であり、同様にＷ軸は、このＸＹ座標における第２象限が正方向、第４象限が負方向となり、ＸＹ両座標軸に対して４５°をなす軸である。したがって、作用体３１０に対してＶ軸方向の外力や加速度が作用すると、Ｖ軸上に配置された第１の容量素子Ｃ１および第３の容量素子Ｃ３の静電容量値が増減し、作用体３１０に対してＷ軸方向の外力や加速度が作用すると、Ｗ軸上に配置された第２の容量素子Ｃ２および第４の容量素子Ｃ４の静電容量値が増減する。そこで、第１の容量素子Ｃ１の静電容量値と第３の容量素子Ｃ３の静電容量値との差に基づいて、作用した外力や加速度のＶ軸方向成分を示す電気信号を得ることができ、第２の容量素子Ｃ２の静電容量値と第４の容量素子Ｃ４の静電容量値との差に基づいて、作用した外力のＷ軸方向成分を示す電気信号を得ることができる。
【００５４】
この図１３に示す検出回路においても、共通電極として機能する各羽根部３１１〜３１４は接地され、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値は、それぞれＣ／Ｖ変換回路４１０〜４４０によって電圧値Ｖ１〜Ｖ４に変換される点は、図１２の検出回路と同じである。ただ、Ｖ軸方向成分は、減算器４８１によって（Ｖ１−Ｖ３）なる演算を行うことにより出力端子Ｔｖに得ることができ、Ｗ軸方向成分は、減算器４８２によって（Ｖ２−Ｖ４）なる演算を行うことにより出力端子Ｔｗに得ることができるので、回路構成は非常に単純になる。Ｚ軸方向成分については、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の総和を、加算器４８３によって求めることにより、出力端子Ｔｚに得ることができる。もちろん、Ｚ軸方向成分の検出が不要な二次元センサとして利用するのであれば、加算器４８３は設ける必要はない。
【００５５】
ところで、図１２および図１３の検出回路にも示されているとおり、センサ本体と検出回路とを電気的に接続するためには、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４の両電極として機能する固定部材１２１〜１２４と羽根部３１１〜３１４とに対して配線を施す必要がある。そこで、実用上は、このような配線の便宜を考慮して、図１４の側断面図（図３と同様に、図１に示すセンサ本体を切断線３−３で切った断面を示す）に示すように、十字形部材１２０の中央に位置する島状部１２５の厚み方向に貫通孔を形成し、この貫通孔を通して、作用体３１０に接触する配線部１３０を設けておくのが好ましい。作用体３１０は導電性材料から構成されているため、羽根部３１１〜３１４はすべて配線部１３０に対して電気的に接続されることになる。したがって、検出回路は、この配線部１３０と、個々の固定部材１２１〜１２４との間の静電容量値に基づいて検出を行うことが可能になる。
【００５６】
図１５は、センサ本体に、上述した配線部１３０を設けるとともに、各固定部材１２１〜１２４の一隅および十字形部材１２０の一隅にボンディングパッド１３１〜１３５をそれぞれ形成した実施形態の上面図である。このような実施形態に係るセンサ本体を用いれば、検出回路との間の配線は、すべてセンサ本体の上面に対して行うだけですむ。たとえば、図１２あるいは図１３の検出回路を用いるのであれば、図１５に示すボンディングパッド１３５を接地して共通電位とし、ボンディングパッド１３１〜１３４とＣ／Ｖ変換回路４１０〜４４０とを配線により接続すればよい。
【００５７】
また、図１２あるいは図１３の検出回路自身を、上層部１００上に形成することも可能である。センサ本体をＳＯＩ基板を用いて構成するのであれば、上層部１００はシリコン層となるので、このシリコン層の一部分に回路構成用の領域を設け、この領域に加算器や減算器を含む集積回路を形成するようにすれば、センサ本体内に検出回路を埋め込んだ形の製品を実現することができる。
【００５８】
＜＜＜　§３．センサ本体の製造方法　＞＞＞
次に、これまで述べてきたセンサ本体の製造方法の実施形態を、図１６〜図１９に示す側断面図を参照しながら述べる。図１に示すセンサ本体は、以下に述べる方法により製造されたものである。なお、図１６〜図１９に示す側断面図は、いずれも、図１に示すセンサ本体を切断線２−２の位置で切断した断面に相当するものである。
【００５９】
まず、図１６に示すように、上から順に、第１の層１０、第２の層２０、第３の層３０の３層を積層してなる材料基板を用意する。ここで、第１の層１０は、上層部１００を構成するための層であり、この実施形態の場合、導電性をもたせるために不純物をドープしたシリコンからなる層である。また、第２の層２０は、中層部２００を構成するための層であり、この実施形態の場合、酸化シリコンからなる層である。更に、第３の層３０は、下層部３００を構成するための層であり、この実施形態の場合、導電性をもたせるために不純物をドープしたシリコンからなる層である。このように、シリコン／酸化シリコン／シリコンという３層の積層構造をもった材料基板は、前述したように、ＳＯＩ基板として市販されており、実用上は、この市販のＳＯＩ基板を用意すればよい。
【００６０】
ここに示す製造方法を実施する上では、第１の層１０と第２の層２０とは、互いにエッチング特性の異なる材料から構成されている必要があり、また、第２の層２０と第３の層３０とは、やはり互いにエッチング特性の異なる材料から構成されている必要がある。これは、第１の層１０に対して上面からエッチングを行う際に、第２の層２０をエッチングのストッパ層として利用する必要があり、また、第３の層３０に対して下面からエッチングを行う際に、第２の層２０をエッチングのストッパ層として利用する必要があるためである。結果として、最終的に得られるセンサ本体では、十字形部材１２０、各固定部材１２１〜１２４、作用体３１０、台座３３０を構成する材料と、中央接続部２１０、周囲接続部２３０を構成する材料とが、互いにエッチング特性の異なる材料から構成されることになる。ここに示す実施形態の場合、第１の層１０と第３の層３０とを同一材料（シリコン）によって構成しているが、もちろん、第１の層１０、第２の層２０、第３の層３０をすべて異なる材料によって構成してもかまわない。
【００６１】
続いて、第１の層１０に対しては浸食性を有し、第２の層２０に対しては浸食性を有しないエッチング方法により、第１の層１０の所定領域に対して、第２の層２０の上面が露出するまで厚み方向へのエッチングを行い、第１の層１０にスリットＳ１〜Ｓ４を形成することによりこの第１の層１０を、十字形部材１２０、第１の固定部材１２１、第２の固定部材１２２、第３の固定部材１２３、第４の固定部材１２４に分離する。このとき、これら各固定部材１２１〜１２４の内側部分の所定領域（図９にハッチングを施して示す領域）にエッチング用貫通孔Ｈ１〜Ｈ４を形成する処理も併せて行うようにする。
【００６２】
結局、ここで行うエッチング工程は、第１の層１０の上面に、図６のハッチング部分に相当するパターンをもったレジスト層を形成し、このレジスト層で覆われていない露出部分を垂直下方へと浸食させる工程になる。このエッチング工程では、第２の層２０に対する浸食は行われないので、第１の層１０の所定領域のみが除去されることになる。図１７は、第１の層１０に対して、上述のようなエッチングを行い、上層部１００を形成した状態を示す。なお、ここで形成されたエッチング用貫通孔Ｈ１〜Ｈ４は、§１でも述べたとおり、センサの機能に必要なものではなく、後述するように、第２の層２０に対するエッチング工程を行うために必要になる。
【００６３】
続いて、第３の層３０に対しては浸食性を有し、第２の層２０に対しては浸食性を有しないエッチング方法により、第３の層３０の所定領域に対して、第２の層２０の下面が露出するまで厚み方向へのエッチングを行い、第３の層３０を作用体３１０と台座３３０とに分離する。ここで行うエッチング工程は、第３の層３０の下面に、図８のハッチング部分に相当するパターンをもったレジスト層を形成し、このレジスト層で覆われていない露出部分、すなわち、溝部Ｇ１，Ｇ２に相当する部分を垂直上方へと浸食させる工程になる。このエッチング工程では、第２の層２０に対する浸食は行われないので、第３の層３０の所定領域のみが除去されることになる。
【００６４】
図１８は、このようにして、第３の層３０を、作用体３１０と台座３３０とからなる下層部３００に変化させた状態を示す。溝部Ｇ１およびＧ２が形成され、この部分において、第２の層２０の下面が露出した状態になっている。なお、上述した第１の層１０に対するエッチング工程と、第３の層３０に対するエッチング工程の順序は入れ替えることができ、いずれのエッチング工程を先に行ってもかまわないし、同時に行ってもかまわない。
【００６５】
最後に、第２の層２０に対しては浸食性を有し、第１の層１０および第３の層３０に対しては浸食性を有しないエッチング方法により、第２の層２０に対して、その露出部分から厚み方向および層方向へのエッチングを行い、残存した部分により中央接続部２１０および周囲接続部２３０を構成する。ここで行うエッチング工程は、別途、レジスト層を形成する必要はない。すなわち、図１８に示すように、第１の層１０の残存部分である上層部１００と、第３の層３０の残存部分である下層部３００とが、それぞれ第２の層２０に対するレジスト層として機能し、エッチングは、第２の層２０の露出部分、すなわち、スリットＳ１〜Ｓ４、エッチング用貫通孔Ｈ１〜Ｈ４、溝部Ｇ１，Ｇ２の形成領域に対して行われることになる。
【００６６】
ここでは、第２の層２０に対して、厚み方向だけではなく、層方向へも浸食が行われるようなエッチング法を用いるようにする。その結果、図１９に示すように、第２の層２０のうち、スリットＳ１〜Ｓ４およびエッチング用貫通孔Ｈ１〜Ｈ４の形成領域の近傍と、溝部Ｇ１，Ｇ２の形成領域の近傍がエッチング除去され、中央接続部２１０（図１９には示されていない）と周囲接続部２３０（図１９には、その一部分である部分接続部２３１，２３２，２３３が示されている）が形成されることになる。なお、図１９に示す構造体では、エッチングプロセスにより中層部２００が形成されたため、この中層部２００を構成する各部の端面がアールをもった面になっているが、上層部１００と下層部３００とを接合するという機能には何ら支障は生じない。たとえば、図１９に示す溝部Ｇ０は、スリットＳ１，Ｓ２から侵入したエッチング液により浸食された部分であり、図示のとおり浸食面はアールをもった面になる。
【００６７】
図７の横断面図に明瞭に示されているように、中央接続部２１０は、島状部１２５の下面と羽根接合部３１５の上面とを接合するのに都合のよい大きさを有しており、周囲接続部２３０は、台座３３０の上面と上層部１００の下面とを接合するのに都合のよい大きさを有している。そして、中央接続部２１０と周囲接続部２３０との間には、十分な空間が確保されている。この空間は、作用体３１０が変位を生じるために必要な空間であり、この空間内に第２の層２０の一部が残ってしまうと、作用体３１０が変位したときに、各羽根部が接触してしまうことになり、正しい検出を行うことができなくなる。したがって、エッチング用貫通孔Ｈ１〜Ｈ４は、作用体３１０の変位を妨げる位置に第２の層２０の一部が残存しないように、所定箇所に所定数だけ形成するようにする。別言すれば、中層部２００を形成する段階で行われるエッチングにより、作用体３１０の各羽根部３１１〜３１４の上方に位置する第２の層１０からなる部分が除去できるように、上層部１００を形成する段階において、所定箇所に複数のエッチング用貫通孔Ｈ１〜Ｈ４を形成しておく必要がある。
【００６８】
以上の製造プロセスにおいて、第１の層１０に対する垂直下方へのエッチングを行い、上層部１００を形成する工程（図１７）と、第３の層３０に対する垂直上方へのエッチングを行い、下層部３００を形成する工程（図１８）では、次の２つの条件を満たすエッチング法を行う必要がある。第１の条件は、各層の厚み方向への方向性をもった浸食が行われるエッチング法であること、第２の条件は、シリコン層に対しては浸食性を有するが、酸化シリコン層に対しては浸食性を有しないエッチング法であること、である。第１の条件は、所定寸法の幅をもったスリットや溝を形成するために必要な条件であり、第２の条件は、酸化シリコンからなる第２の層２０を、エッチングストッパ層として利用するために必要な条件である。
【００６９】
第１の条件を満たすエッチングを行うには、誘導結合型プラズマエッチング法（ＩＣＰエッチング法：Ｉｎｄｕｃｅｄ　Ｃｏｕｐｌｉｎｇ　Ｐｌａｓｍａ　Ｅｔｃｈｉｎｇ　Ｍｅｔｈｏｄ　）を用いるのが好ましい。このエッチング法は、垂直方向に深い溝を掘る際に効果的な方法であり、一般に、ＤＲＩＥ（Ｄｅｅｐ　Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ　）と呼ばれているエッチング方法の一種である。この方法の特徴は、材料層を厚み方向に浸食しながら掘り進むエッチング段階と、掘った穴の側面にポリマーの壁を形成するデポジション段階と、を交互に繰り返す点にある。掘り進んだ穴の側面は、順次ポリマーの壁が形成されて保護されるため、ほぼ厚み方向にのみ浸食を進ませることが可能になる。一方、第２の条件を満たすエッチングを行うには、酸化シリコンとシリコンとでエッチング選択性を有するエッチング材料を用いればよい。
【００７０】
本願発明者は、この２つの条件を満足させるエッチングとして、実際に次のような条件で、エッチングを行ったところ、良好な結果が得られた。すなわち、上述した誘導結合型プラズマエッチング法を用い、次のような具体的条件によりエッチング段階とデポジション段階とを交互に繰り返すようにした。まず、エッチング対象となる材料を、低圧のチャンバ内に収容し、エッチング段階では、ＳＦ_６ガスを１００ｓｃｃｍ、Ｏ_２ガスを１０ｓｃｃｍの割合でチャンバ内に供給し、デポジション段階では、Ｃ_４Ｆ_８ガスを１００ｓｃｃｍの割合でチャンバ内に供給した。エッチング段階とデポジション段階をそれぞれ１０秒程度の周期で繰り返し実行したところ、３μｍ／ｍｉｎ程度のエッチングレートでエッチングが実行された。もちろん、本発明に係る製造方法は、上述のエッチング方法を用いる方法のみに限定されるものではない。
【００７１】
一方、第２の層２０に対するエッチング工程（図１９）では、次の２つの条件を満たすエッチング法を行う必要がある。第１の条件は、厚み方向とともに層方向への方向性をもった浸食が行われるエッチング法であること、第２の条件は、酸化シリコン層に対しては浸食性を有するが、シリコン層に対しては浸食性を有しないエッチング法であること、である。第１の条件は、不要な部分に酸化シリコン層が残存して作用体３１０の変位自由度を妨げることがないようにするために必要な条件であり、第２の条件は、既に所定形状への加工が完了しているシリコンからなる上層部１００や下層部３００に浸食が及ばないようにするために必要な条件である。
【００７２】
本願発明者は、この２つの条件を満足させるエッチングとして、実際に次のような条件で、エッチングを行ったところ、良好な結果が得られた。すなわち、バッファド弗酸（ＨＦ：ＮＨ_４Ｆ＝１：１０の混合液）をエッチング液として用い、エッチング対象物をこのエッチング液に３０分ほど浸漬することにより、エッチングを行った。あるいは、ＣＦ_４ガスとＯ_２ガスとの混合ガスを用いたＲＩＥ法によるドライエッチングを行っても、同様に良好な結果が得られた。もちろん、本発明に係る製造方法は、上述のエッチング方法を用いる方法のみに限定されるものではない。
【００７３】
上述した製造方法のメリットは、エッチング時の温度、圧力、ガス濃度、エッチング時間などの条件が多少変動したとしても、上層部１００と下層部３００との間隔に変動が生じることがない点である。すなわち、両者の間隔は、作用体３１０の上方向への変位の自由度を設定する間隔ということになるが、この間隔は、常に中層部２００の厚みによって規定され、エッチング条件に左右されることはない。このため、本発明に係る製造方法によりセンサ本体を量産すれば、少なくとも作用体３１０の上方向の変位自由度に関しては、個々のロットごとに変動のない正確な寸法設定が可能になる。
【００７４】
最後に、これまで述べてきたセンサ本体を加速度センサに利用した一実施形態を述べておく。図２０は、このような加速度センサの側断面図である（図１のセンサ本体を切断線３−３の位置で切断した断面を示す）。図示のとおり、台座３３０の底面には、絶縁材料からなる制御基板４００が接続されている。しかも、作用体３１０Ａの底面は、台座３３０の底面より所定寸法ｄだけ上方に位置し、作用体３１０Ａの底面と制御基板４００の上面との間に寸法ｄだけの間隔が確保されている。このような構造にすれば、作用体３１０Ａに作用した加速度の所定方向成分（図の下向へ向かう成分）の大きさが所定の許容値を越えたときに、作用体３１０Ａの底面が制御基板４００の上面に接触してそれ以上の変位が制御されることになる。これにより、十字形部材１２０の破損を防ぐことができる。
【００７５】
このように、作用体３１０Ａの厚みが、台座３３０の厚みよりも小さくなるようにするには、上述した製造プロセスに、作用体となるべき領域の下層部分をエッチング除去する厚み調整段階を付加し、台座３３０の底面に制御基板４００を接合する制御基板接合段階を付加すればよい。
【００７６】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明に係る容量素子を用いた力センサおよび加速度センサならびにその製造方法によれば、非常に単純な構造をもったセンサ本体を量産することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るセンサ本体の上面図である。
【図２】図１に示すセンサ本体を、切断線２−２の位置で切断した側断面図である。
【図３】図１に示すセンサ本体を、切断線３−３の位置で切断した側断面図である。
【図４】図１に示すセンサ本体の下面図である。
【図５】図２または図３の側断面図に示されている上層部１００単体の上面図である。
【図６】図３の側断面図において、上層部１００を図の切断線６−６に沿って切断することにより得られる上層部１００単体の横断面図である。
【図７】図３の側断面図において、中層部２００を図の切断線７−７に沿って切断することにより得られる中層部２００単体の横断面図である。
【図８】図３の側断面図において、下層部３００を図の切断線８−８に沿って切断することにより得られる下層部３００単体の横断面図である。
【図９】図１に示すセンサ本体における上層部１００の各構成要素と下層部３００の各構成要素との位置関係を示す上面図である（ハッチングは平面的な領域を示すものであり、断面を示すものではない）。
【図１０】図１に示すセンサ本体に、Ｘ軸正方向の外力＋Ｆｘが作用した状態を示す側断面図（図１の切断線３−３の位置で切断した断面を示す）である。
【図１１】図１に示すセンサ本体に、Ｘ軸負方向の外力−Ｆｘが作用した状態を示す側断面図（図１の切断線３−３の位置で切断した断面を示す）である。
【図１２】図１に示すセンサ本体に適用するための検出回路の一例を示す回路図である。
【図１３】図１に示すセンサ本体に適用するための検出回路の別な一例を示す回路図である。
【図１４】図１に示すセンサ本体に、配線部１３０を付加した実施形態を示す側断面図（図１の切断線３−３の位置で切断した断面を示す）である。
【図１５】図１に示すセンサ本体に、配線部１３０およびボンディングパッド１３１〜１３４を付加した実施形態を示す上面図である。
【図１６】図１に示すセンサ本体の製造方法の第１の工程を示す側断面図（図１の切断線２−２の位置で切断した断面を示す）である。
【図１７】図１に示すセンサ本体の製造方法の第２の工程を示す側断面図（図１の切断線２−２の位置で切断した断面を示す）である。
【図１８】図１に示すセンサ本体の製造方法の第３の工程を示す側断面図（図１の切断線２−２の位置で切断した断面を示す）である。
【図１９】図１に示すセンサ本体の製造方法の第４の工程を示す側断面図（図１の切断線２−２の位置で切断した断面を示す）である。
【図２０】図１に示すセンサ本体を利用して作成した加速度センサの一実施形態を示す側断面図（図１の切断線３−３の位置で切断した断面を示す）である。
【符号の説明】
１０：第１の層（不純物をドープしたシリコン層）
２０：第２の層（酸化シリコン層）
３０：第３の層（不純物をドープしたシリコン層）
１００：上層部（不純物をドープしたシリコン層）
１２０：十字形部材
１２１：第１の固定部材
１２２：第２の固定部材
１２３：第３の固定部材
１２４：第４の固定部材
１２５：島状部
１２６：第１の橋梁部
１２７：第２の橋梁部
１２８：第３の橋梁部
１２９：第４の橋梁部
１３０：配線部
１３１〜１３５：ボンディングパッド
２００：中層部（酸化シリコン層）
２１０：中央接続部
２３０：周囲接続部
２３１〜２３８：部分接続部
３００：下層部（不純物をドープしたシリコン層）
３１０，３１０Ａ：作用体
３１１：第１の羽根部
３１２：第２の羽根部
３１３：第３の羽根部
３１４：第４の羽根部
３１５：羽根接合部
３３０：台座
４００：制御基板
４１０〜４４０：Ｃ／Ｖ変換回路
４５１，４５２：加算器
４５３：減算器
４６１，４６２：加算器
４６３：減算器
４７１：加算器
４８１，４８２：減算器
４８３：加算器
Ｃ１〜Ｃ４：容量素子
ｄ：所定寸法
＋Ｆｘ，−Ｆｘ：Ｘ軸方向への外力
Ｇ０，Ｇ１，Ｇ２：溝部
Ｈ１〜Ｈ４：エッチング用貫通孔
Ｓ１〜Ｓ４：スリット
Ｔｖ，Ｔｗ，Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ：出力端子
Ｖ１〜Ｖ４：電圧値
Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚ：座標軸[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a force sensor and an acceleration sensor using a capacitive element and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a mass-produced force sensor and an acceleration sensor used in small consumer electronic devices and a method of manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Small consumer electronic devices having a built-in microprocessor, such as mobile phones, digital cameras, electronic game devices, and PDA devices, have become remarkably popular. Recently, force sensors and accelerations for incorporating these electronic devices or their input devices have been remarkable. The demand for sensors is also increasing. In an electronic device including a force sensor, an operation by an operator's finger can be detected as an external force, and an instruction or an operation amount given by the operator can be recognized based on the detected direction or magnitude of the external force. Also, in an electronic device equipped with an acceleration sensor, the acceleration component such as shock or vibration applied to the main unit can be captured as digital data by a microprocessor, so that appropriate processing that grasps the physical environment around the electronic device can be performed. Will be possible. For example, a digital camera can compensate for camera shake by detecting the acceleration applied at the moment when the shutter button is pressed, and an input device for an electronic game device or the like can input an operator's operation instruction in the form of acceleration. You can also enter.
[0003]
As a force sensor or an acceleration sensor to be built in such a small consumer electronic device, a small sensor suitable for mass production is desirable. Currently, a semiconductor substrate which can be mass-produced by using a semiconductor device manufacturing process is used. Used type is often used. In this type of sensor, a method is employed in which a flexible semiconductor substrate is bent by the action of an external force, and the applied external force is electrically detected based on the state of the bending. Various detecting elements such as a capacitive element, a piezoresistive element, and a piezoelectric element are used for detecting the deflection of the substrate, but a capacitive element is often used for a relatively low-cost sensor.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
A force sensor or an acceleration sensor using a capacitive element is based on the principle that a change in the distance between a pair of electrodes formed on a semiconductor substrate or the like is detected as a change in the capacitance value of a capacitive element formed from the pair of electrodes. It is based on For this reason, it is necessary to form a plurality of electrodes at predetermined locations on the semiconductor substrate, and a step for forming these electrodes is indispensable in the manufacturing process. However, in order to improve the mass production effect, it is necessary to further simplify the manufacturing process.
[0005]
Therefore, an object of the present invention is to provide a force sensor and an acceleration sensor using a capacitive element having a simpler structure, and to provide a manufacturing method suitable for mass production of such a sensor. I do.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
(1) A first aspect of the present invention provides a sensor body having at least a three-layer structure of an upper layer having conductivity, a middle layer having insulation, and a lower layer having conductivity. A detection circuit for extracting the detected value as an electric signal, and a force sensor,
By taking the origin O at the center position of the upper surface of the upper layer portion, taking the X axis and the Y axis in directions perpendicular to each other on the upper surface of the upper layer portion, and taking the Z axis in a direction perpendicular to the upper surface of the upper layer portion, When defining an XYZ three-dimensional rectangular coordinate system,
An upper layer portion, an island portion arranged near the origin O, a first bridge portion extending in the positive X-axis direction from the island portion, and a second bridge portion extending in the Y-axis positive direction from the island portion. A third bridge portion extending in the negative X-axis direction from the island portion; a fourth bridge portion extending in the negative Y-axis direction from the island portion; A first fixed member located in one quadrant, a second fixed member located in a second quadrant in XY coordinates, a third fixed member located in a third quadrant in XY coordinates, and a fourth quadrant in XY coordinates , A fourth fixing member, and a cross-shaped member, a first fixing member, a second fixing member, a third fixing member, and a fourth fixing member are physically separated from each other. So that they are arranged in a non-contact manner,
A lower blade portion, a first blade portion facing a part of an inner portion of the first fixing member, a second blade portion facing a portion of the inner portion of the second fixing member, A third blade portion opposing a partial region of the inner portion of the third fixing member, a fourth blade portion opposing a partial region of the inner portion of the fourth fixing member; An operating member having a first blade portion, a second blade portion, a third blade portion, and a blade connecting portion connecting the fourth blade portion to each other; And a pedestal surrounding it,
A middle layer portion, a central connecting portion connecting the lower surface of the island portion and the upper surface of the blade joint portion, the upper surface of the pedestal, the first fixing member, the second fixing member, the third fixing member, And a peripheral connection portion connecting the lower surface of each of the fixing member, the first bridge portion, the second bridge portion, the third bridge portion, and the fourth bridge portion to the lower surface. West,
The first bridge portion, the second bridge portion, the third bridge portion, and the fourth bridge portion have a property of being bent when an external force acts on the operating body, and the bending causes the operating body to be bent. It is configured to generate displacement with respect to the pedestal,
A first capacitor configured by the first fixed member and the first blade; a second capacitor configured by the second fixed member and the second blade; Based on the respective capacitance values of the third capacitance element formed by the fixing member and the third blade section, and the fourth capacitance element formed by the fourth fixing member and the fourth blade section. Thus, an electric signal indicating the external force applied to the working body is output.
[0007]
(2) A second aspect of the present invention provides a force sensor using the capacitive element according to the first aspect,
The cross-shaped member, the first fixing member, the second fixing member, the third fixing member, and the fourth fixing member constituting the upper layer portion are separated from each other by a slit having a predetermined width penetrating the upper layer portion in the thickness direction. It is something that has been done.
[0008]
(3) A third aspect of the present invention provides a force sensor using the capacitive element according to the first or second aspect,
Through the through-hole formed in the thickness direction of the island-shaped portion, a wiring portion that is in contact with the acting body is provided,
The detection circuit outputs a detection value based on the capacitance value between the wiring section and each fixing member.
[0009]
(4) A fourth aspect of the present invention is directed to a force sensor using the capacitance element according to the first to third aspects,
The thickness of the middle layer is set such that when an external force exceeding a predetermined allowable range is applied, the upper surface of one of the blades of the working body contacts the lower surface of any of the fixed members to control the displacement. It is like that.
[0010]
(5) A fifth aspect of the present invention is directed to a force sensor using the capacitive element according to the above-described first to fourth aspects,
A detecting circuit configured to calculate a sum of a capacitance value of the first capacitance element and a capacitance value of the fourth capacitance element, and a capacitance value of the second capacitance element and a capacitance of the third capacitance element; A detection value indicating an X-axis direction component of the external force applied to the acting body based on a difference between the capacitance value and the capacitance value of the first capacitance element and a capacitance value of the second capacitance element. Based on the difference between the sum of the capacitance value and the sum of the capacitance value of the third capacitance element and the capacitance value of the fourth capacitance element, the Y-axis component of the external force acting on the acting body Is output.
[0011]
(6) A sixth aspect of the present invention is directed to a force sensor using the capacitance element according to the first to fourth aspects,
The first quadrant in the XY coordinates is a positive direction, the third quadrant is a negative direction, and a V axis that forms 45 ° with respect to both XY coordinate axes is defined. The second quadrant in the XY coordinates is a positive direction, and the fourth quadrant is a negative direction. And defining a W axis that forms 45 ° with respect to the XY coordinate axes,
A detection circuit outputs a detection value indicating a V-axis direction component of an external force applied to the acting body based on a difference between a capacitance value of the first capacitance element and a capacitance value of the third capacitance element. A detection value indicating a W-axis direction component of an external force applied to the acting body, based on a difference between the capacitance value of the second capacitance element and the capacitance value of the fourth capacitance element. Things.
[0012]
(7) According to a seventh aspect of the present invention, in a force sensor using the capacitive element according to the fifth or sixth aspect,
The detection circuit further calculates the capacitance value of the first capacitance element, the capacitance value of the second capacitance element, the capacitance value of the third capacitance element, and the capacitance value of the fourth capacitance element. Based on the sum, a detection value indicating the Z-axis component of the external force applied to the acting body is output.
[0013]
(8) An eighth aspect of the present invention is a force sensor using the capacitive element according to the first to seventh aspects described above,
The material forming the upper layer portion and the lower layer portion and the material forming the middle layer portion are made of materials having different etching characteristics from each other.
[0014]
(9) A ninth aspect of the present invention is a force sensor using the capacitive element according to the first to eighth aspects,
The upper layer and the lower layer are composed of a silicon layer doped with impurities, and the middle layer is composed of a silicon oxide layer.
[0015]
(10) A tenth aspect of the present invention relates to a force sensor using the capacitive element according to the ninth aspect,
The sensor body is constituted by an SOI substrate having a three-layer structure of a silicon layer doped with impurities / a silicon oxide layer / a silicon layer doped with impurities.
[0016]
(11) An eleventh aspect of the present invention uses the force sensor using the capacitive element according to the first to tenth aspects to detect a force caused by an acceleration acting on an operating body, thereby detecting a detection circuit. A detection signal of acceleration is output from the controller to be used as an acceleration sensor.
[0017]
(12) A twelfth aspect of the present invention is the acceleration sensor according to the eleventh aspect described above,
A control board is connected to the bottom surface of the pedestal, and the bottom surface of the operating body is located above the bottom surface of the pedestal by a predetermined dimension, so that a predetermined interval is secured between the bottom surface of the operating body and the top surface of the control board. Then, set the thickness of the action body,
When the magnitude of an applied acceleration in a predetermined direction exceeds a predetermined allowable value, the bottom surface of the operating body comes into contact with the upper surface of the control board to control the displacement.
[0018]
(13) A thirteenth aspect of the present invention is a method for manufacturing a force sensor or an acceleration sensor using the capacitive element according to the first to twelfth aspects,
A preparation step of preparing, in order from the top, a material substrate formed by stacking three layers of a first layer having conductivity, a second layer having insulation properties, and a third layer having conductivity;
The upper surface of the second layer is exposed to a predetermined region of the first layer by an etching method that has an erodibility for the first layer and has no erosion for the second layer. By performing etching in the thickness direction until the first layer is formed and forming a slit in the first layer, the first layer is formed into a cross-shaped member, a first fixing member, a second fixing member, a third fixing member, An upper layer forming step of separating into the fourth fixing members and forming an etching through hole in a predetermined region of an inner portion of each of the fixing members;
The lower surface of the second layer is exposed to a predetermined region of the third layer by an etching method having an erosion property for the third layer and a non-erosion property for the second layer. Forming a lower layer portion for performing etching in the thickness direction until the third layer is separated into an acting body and a pedestal;
The second layer is etched from the exposed portion in the thickness direction by an etching method having an erosion property for the second layer and not having an erosion property for the first layer and the third layer. And a middle layer forming step of forming a central connection portion and a peripheral connection portion with the remaining portion by performing etching in the layer direction,
Is performed.
[0019]
(14) A fourteenth aspect of the present invention is a method for manufacturing a force sensor or an acceleration sensor using the capacitive element according to the thirteenth aspect,
In the upper layer forming step, a plurality of etching through holes are formed at predetermined locations so that the portion formed of the second layer located above each blade of the operating body can be removed by the etching performed in the middle layer forming step. It is formed.
[0020]
(15) According to a fifteenth aspect of the present invention, in the method for manufacturing an acceleration sensor according to the thirteenth or fourteenth aspect,
A thickness adjusting step of etching and removing a lower layer portion of a region to be an operating body of a lower layer portion so that a thickness of the operating body portion is smaller than a thickness of the pedestal portion;
A control board joining step of joining the control board to the base bottom;
Is further performed.
[0021]
(16) A sixteenth aspect of the present invention is a method for manufacturing a force sensor or an acceleration sensor using the capacitance element according to the thirteenth to fifteenth aspects,
In the upper layer forming step and the lower layer forming step, etching is performed in the thickness direction by using an inductively coupled plasma etching method.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described based on an illustrated embodiment.
[0023]
<<<< §1. Basic structure of sensor body >>>
The present invention relates to a force sensor and an acceleration sensor, but their basic structures are almost the same. Here, the basic structure of a sensor body that can be used as both a force sensor and an acceleration sensor will be described.
FIG. 1 is a top view of a sensor main body according to an embodiment of the present invention. This sensor main body basically has a three-layer structure of a conductive upper layer 100, an insulating middle layer 200, and a conductive lower layer 300. Specifically, in the case of the embodiment shown here, the upper layer portion 100 is composed of a silicon layer doped with a P-type or N-type impurity, the middle layer portion 200 is composed of a silicon oxide layer, The unit 300 is composed of a silicon layer doped with a P-type or N-type impurity. Such a material having a three-layer structure of silicon / silicon oxide / silicon is commercially available as an SOI (Silicon On Insulator) substrate, and the sensor body shown here is manufactured by a manufacturing process using this SOI substrate. It is possible.
[0024]
In the embodiment shown here, the upper layer portion 100, the middle layer portion 200, and the lower layer portion 300 are all square plate members. In the upper layer portion 100, slits S1 to S4 penetrating in the thickness direction are formed. In FIG. 1, a part of the lower layer portion 300 can be confirmed through the slits S1 to S4. FIG. 1 is a rather complicated diagram, because the structure of the middle layer 200 hidden under the upper layer 100 is indicated by a dashed line, and the structure of the lower layer 300 is indicated by a broken line. On the other hand, FIG. 2 is a sectional side view of the sensor main body shown in FIG. 1 taken along a cutting line 2-2. FIG. 3 is a sectional view of the sensor main body shown in FIG. FIG. These sectional side views clearly show that the sensor main body has a three-layer structure of an upper layer portion 100, a middle layer portion 200, and a lower layer portion 300. Here, for convenience of description, the components of the upper layer unit 100 are indicated by reference numerals in the 100s, the components of the middle layer unit 200 are indicated by reference numerals in the 200s, and the components of the lower layer unit 300 are indicated by reference numerals in the 300s. To FIG. 4 is a bottom view of the sensor main body. In this bottom view, the structure of the middle layer 200 hidden behind the lower layer 300 is not shown. Is indicated by a dashed line.
[0025]
The top view shown in FIG. 1 and the bottom view shown in FIG. 4 are convenient for confirming the positional relationship between the layers, but since a single figure has a plurality of layer structures superimposed thereon. It is rather complicated and is not always suitable for describing the detailed structure of the individual layers. Therefore, the structure of each layer will be described in order below with reference to side sectional views of FIGS. 2 and 3 using a plan view in which each layer is drawn independently.
[0026]
First, the structure of the upper layer section 100 will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a top view showing the upper layer portion 100 as a single body. As illustrated, the upper layer portion 100 is formed of a square plate-like member, and has slits S1 to S4 having a predetermined width penetrating in the thickness direction. In the case of this embodiment, the upper layer portion 100 is formed of a silicon substrate layer having conductivity by doping impurities, and the slits S1 to S4 are formed with respect to this silicon substrate layer as described later. It is formed by performing an etching process. Each of the slits S1 to S4 is substantially L-shaped, and the upper layer 100 is divided into five members 120, 121, 122, 123, and 124 as shown in the figure by these four slits. Become. Here, among these five members, the member 120 (as shown, this member is further composed of five parts 125 to 129) is called a cross member, and the members 121 to 124 are fixed members (described later). As such, these members are fixed to the pedestal).
[0027]
Here, for convenience of explanation, as shown in FIG. 5, an origin O is set at the center position of the upper surface of the upper layer unit 100, and the X axis and the Y axis are respectively set in directions orthogonal to each other on the upper surface of the upper layer unit 100. Take. That is, the X axis is a coordinate axis oriented in a direction parallel to the horizontal side of the square forming the contour of the upper layer section 100, and the right direction in the drawing is the positive direction, and the Y axis is the vertical axis of the square forming the contour of the upper layer section 100. Is a coordinate axis that faces in a direction parallel to the side and has the upward direction in the figure as the positive direction. As a result, a two-dimensional XY coordinate system can be defined on a plane including the upper surface of the upper layer unit 100. Here, if the Z axis is taken in a direction passing through the origin O and perpendicular to the upper surface of the upper layer portion 100 (the upper direction perpendicular to the plane of FIG. 5 is defined as a positive direction), an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system can be defined. it can. In this specification, a portion closer to the origin O is referred to as an inner portion, and a portion farther from the origin O is referred to as an outer portion.
[0028]
When such a coordinate system is defined, as shown in FIG. 5, the cross-shaped member 120 includes an island portion 125 disposed near the origin O and a first member extending in the X-axis positive direction from the island portion 125. A bridge 126, a second bridge 127 extending in the positive Y-axis direction from the island 125, a third bridge 128 extending in the negative X-axis direction from the island 125, and a Y-axis extending from the island 125. And a fourth bridge portion 129 extending in the negative direction. Further, the first fixing member 121 having a substantially square plate shape is located in the first quadrant in the XY coordinates, and the second fixing member 122 having a substantially square plate shape is in the second quadrant in the XY coordinates. The third fixing member 123 having a substantially square plate shape is located in the quadrant, and the fourth fixing member 124 having a substantially square plate shape is located in the third quadrant in the XY coordinates. , XY coordinates in the fourth quadrant.
[0029]
As described above, the upper layer portion 100 is configured by the five members of the cross member 120, the first fixing member 121, the second fixing member 122, the third fixing member 123, and the fourth fixing member 124. The five members are arranged so as to be physically non-contact with each other by the slits S1 to S4. As described above, these five members are individually scattered components, but as described later, the outer portions (portions far from the origin O) are fixed to the pedestal portion of the lower layer portion 300.
[0030]
In addition, etching through-holes H1 to H4 are formed at predetermined positions inside the fixing members 121 to 124 (portions near the origin O), respectively. In the illustrated example, each of the etching through-holes H1 to H4 is formed by a set of nine through-holes arranged in a 3 × 3 matrix. These etching through-holes H1 to H4 are not necessary for the operation of the sensor main body, but are components necessary for performing a manufacturing process described later (in other words, they are equivalent to the role of the navel of a mammal). Would be easy to understand). Therefore, in describing the structure and operation of the sensor body, it may be more appropriate to show the embodiment without the etching through holes H1 to H4, but in practice, the present invention will be described later. Since it is desirable to mass-produce the sensor body by the manufacturing process described above, here, the structure and operation of the sensor body mass-produced through such a manufacturing process will be described as an embodiment.
[0031]
The basic structure of the upper layer portion 100 shown in the top view of FIG. 5 is clearly shown by the side sectional views of FIGS. The upper layer portion 100 shown in FIG. 2 corresponds to a side sectional view of the upper layer portion 100 shown in FIG. 5 taken along the cutting line 2-2. FIG. 2 shows slits S1 and S2 penetrating in the thickness direction of the upper layer portion 100 and through holes H1 and H2 for etching. The first fixing member 121, the second fixing member 122, A cross section of the second bridge 127 is shown. On the other hand, FIG. 3 is a sectional side view of the upper layer 100 shown in FIG. 5 taken along the cutting line 3-3, and only the cross member 120 of the upper layer 100 is shown. .
[0032]
FIG. 6 is a cross-sectional view of the upper layer portion 100 cut along the cutting line 6-6 in the side cross-sectional view of FIG. 3, and the slits S1 to S4 penetrating in the thickness direction and the through holes H1 to etching H1. The shape and arrangement of H4 are clearly shown. The four sets of slits S1 to S4 have exactly the same shape and are arranged symmetrically (in the plan view of FIG. 6 symmetrically and vertically).
[0033]
The island-like portion 125 constituting the central portion of the cruciform member 120 was supported on all sides by the first bridge portion 126, the second bridge portion 127, the third bridge portion 128, and the fourth bridge portion 129. It is literally an island. Each of the bridge portions 126 to 129 forms an elongated beam-like structure sandwiched between slits on both sides, and an outer portion thereof is fixed to a pedestal, as described later. Moreover, each of the bridge portions 126 to 129 has flexibility, and is configured such that when an external force acts on the island portion 125, each of the bridge portions 126 to 129 bends. As a result, when an external force acts on the island 125, each of the bridges 126 to 129 is bent, and the island 125 is displaced.
[0034]
As described above, in this embodiment, since the upper layer portion 100 is formed of the silicon substrate layer, if the thickness of the upper layer portion 100 is set to be small to some extent, each of the bridge portions 126 to 129 has flexibility. be able to. However, if the thickness of the upper layer portion 100 is set too small, the upper layer portion may be easily broken. Therefore, in practice, depending on the application of the sensor body, how much detection sensitivity is required and how robustness is required It is preferable to set the optimum thickness in consideration of such conditions as
[0035]
Next, the structure of the middle layer 200 will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view showing the middle part 200 as a single body, and corresponds to a cross-sectional view of the middle part 200 cut along the cutting line 7-7 in the side cross-sectional view of FIG. In the case of the embodiment shown here, the middle layer portion 200 is formed by performing etching on a silicon oxide layer having a square layer surface, as described later. As shown in the figure, the middle layer 200 includes a central connecting portion 210 disposed in a central portion, and a peripheral connecting portion 230 disposed in a peripheral portion and having a generally annular shape. Each of these connecting portions has the same thickness. The peripheral connection portion 230 is divided into eight small portions, that is, the partial connection portions 231 to 238, by the groove portion G0, which is also an additional feature caused by performing a manufacturing process described later. In practicing the present invention, it is not necessary to divide the peripheral connection portion 230 into such a plurality of partial connection portions. The basic function of the central connection portion 210 and the peripheral connection portion 230 is to connect a predetermined portion of the upper layer portion 100 and a predetermined portion of the lower layer portion 300 as described later.
[0036]
Finally, the structure of the lower layer part 300 will be described with reference to FIG. 8 is a cross-sectional view showing the lower layer portion 300 as a single body, and corresponds to a cross-sectional view of the lower layer portion 300 cut along the cutting line 8-8 in the side cross-sectional view of FIG. In the case of the embodiment shown here, the lower layer portion 300 is formed by etching a silicon layer having a square layer surface, as described later. The grooves G1 and G2 in the figure are portions from which silicon has been removed by this etching. As shown in the drawing, the lower layer portion 300 is configured by an operating body 310 having a fan-like shape of a blower, and a pedestal 330 disposed at a position surrounding the operating body 310 and having a ring shape. Here, the action body 310 includes a first blade 311, a second blade 312, a third blade 313, a fourth blade 314, and a blade connecting these four blades to each other near the center. It is constituted by a joint 315. In addition, the pedestal 330 is arranged so as to surround the periphery thereof at a predetermined interval with respect to the action body 310.
[0037]
FIG. 9 is a top view showing the positional relationship between each component of the upper layer unit 100 and each component of the lower layer unit 300. As shown in the drawing, the four blade portions 311 to 314 of the action body 310 are planarly overlapped in a partial area of the inner portion of the four fixing members 121 to 124 constituting the upper layer portion 100. The hatched portion in the figure shows this planar overlapping region (the hatched portion in FIG. 9 does not show a cross section). That is, the first blades 311 are arranged so as to oppose below a partial area (hatched part) of the inner part of the first fixing member 121, and the inner part of the second fixing member 122 The second blade portion 312 is arranged so as to face below a part of the area (hatched part), and is located below a part of the area (hatched part) inside the third fixing member 123. , The third blade 313 is disposed so as to face, and the fourth blade 314 faces below a part (hatched portion) of the inner portion of the fourth fixing member 124. It is arranged to be.
[0038]
The center connecting portion 210 in the middle layer portion 200 shown in FIG. 7 is interposed between the island portion 125 shown in FIG. 6 and the blade joint portion 315 shown in FIG. The peripheral connection portions 230 (231 to 238) in the middle layer portion 200 shown in FIG. 8 are provided between the outer portions of the fixing members 121 to 124 and the outer portions of the bridge portions 126 to 129 shown in FIG. 6 and the pedestal 330 shown in FIG. And has a function of connecting both.
[0039]
As described above, the structures of the upper layer portion 100, the middle layer portion 200, and the lower layer portion 300 have been described separately. However, the sensor body according to the embodiment described here is a top view of FIG. 1, side sectional views of FIGS. As shown in the bottom view of FIG. 4, it is a structure obtained by joining these three layers. As is apparent from the side sectional view of FIG. 3, the acting body 310 is located in a space surrounded by the pedestal 330, and the center of the upper surface is cross-shaped through the central connecting portion 210. It is connected to the central portion of the member 120, that is, to the lower surface of the island portion 125. In addition, since the cross-shaped member 120 has its peripheral portion fixed to the upper surface of the pedestal 330 via the peripheral connection portions 232, 234, 236, and 238, the action body 310 is eventually surrounded by the space surrounded by the pedestal 330. Inside, it is suspended from above.
[0040]
<<<< §2. Operation as a force or acceleration sensor >>>>>
Next, the operation of the force or acceleration sensor using the sensor body described in §1 will be described. As shown in the side sectional view of FIG. 3, in this sensor main body, the action body 310 is attached to the lower surface of the cross member 120 (the lower surface of the island portion 125), and is surrounded by the pedestal 330. It is suspended in the air. Moreover, since the four bridge portions 126 to 129 constituting the cross member 120 have flexibility, when an external force is applied to the working body 310 with the pedestal 330 fixed, the external force As a result, the four bridge portions 126 to 129 are bent, and the action body 310 is relatively displaced with respect to the pedestal 330.
[0041]
For example, as shown in a side cross-sectional view of FIG. 10 (similar to FIG. 3, a cross section of the sensor main body shown in FIG. 1 cut along a cutting line 3-3), the action body 310 is indicated by an arrow in the drawing. If the external force + Fx acts in the direction shown (positive X-axis direction), each part of the cross-shaped member 120 bends as shown, and the acting body 310 changes relative to the base 330 as shown in the figure. Become. Conversely, as shown in the side cross-sectional view of FIG. 11 (similar to FIG. 3 showing a cross section of the sensor main body shown in FIG. 1 taken along the cutting line 3-3), the arrow of the drawing If an external force -Fx acts in the direction indicated by (X-axis negative direction), each part of the cross-shaped member 120 bends as shown in the figure, and the action body 310 changes relative to the pedestal 330 as shown in the figure. Will be. The sensor according to the present invention has a function of detecting such a relative position change in the form of an electric signal using a capacitance element.
[0042]
When the sensor main body is built in an electronic device such as a mobile phone, a digital camera, an electronic game device, or a PDA device, such external force is directly or indirectly applied to the action body 310 by an operation of an operator's finger. Can work. If the direction and magnitude of the applied external force can be detected by using a detection circuit described later, it becomes possible to electrically detect the operation input of the operator. Alternatively, if the acting body 310 functions as a heavy cone, it is possible to electrically detect the acceleration acting on the electronic device incorporating the sensor body.
[0043]
In the case of the embodiment shown here, when an external force or an acceleration exceeding a predetermined allowable range is applied to the operating body 310, any of the upper surfaces of the blade portions 311 to 314 of the operating body 310 is fixed to the fixing members 121 to 124. The thickness of the middle part 200 is set so that the displacement is controlled by contacting any one of the lower surfaces. For example, when the magnitude of the force + Fx in the positive X-axis direction acting on the acting body 310 reaches a predetermined allowable range, the upper surfaces of the first blade portion 311 and the fourth blade portion 314 shown in FIG. By contacting the lower surfaces of the first fixing member 121 and the fourth fixing member 124, further displacement is limited. For this reason, it is possible to suppress the occurrence of excessive bending in each of the bridge portions 126 to 129, and it is possible to prevent each of the bridge portions from being physically damaged.
[0044]
Of course, in order to protect each bridge portion from such physical damage, it is also effective to set the dimension of the groove portion G1 shown in FIG. 8 to a predetermined value or less. In this case, when an excessive force or acceleration is applied, the side surface of the operating body 310 comes into contact with the inner surface of the pedestal 330, and the displacement is controlled.
[0045]
Next, the principle of detecting the direction and magnitude of the external force or acceleration applied to the action body 310 in the sensor body according to this embodiment will be described. As shown by hatching in FIG. 9, the four blade portions 311 to 314 of the action body 310 are planarly overlapped in a partial area of the inner portion of the four fixing members 121 to 124. In other words, the four regions hatched in FIG. 9 have a state in which a part of the fixing member is disposed above and the blade portion is disposed below, and force and acceleration are provided between the two. Is not acting, a gap corresponding to the thickness of the middle layer 200 is maintained.
[0046]
As described above, since both the upper layer portion 100 and the lower layer portion 300 are made of a conductive material, a capacitor is formed in each of the hatched regions in FIG. . That is, the first capacitance element C1 is configured by the first fixing member 121 and the first blade section 311 and the second capacitance element C2 is configured by the second fixing member 122 and the second blade section 312. Then, a third capacitance element C3 is formed by the third fixing member 123 and the third blade 313, and a fourth capacitance element C4 is formed by the fourth fixing member 124 and the fourth blade 314. Is done. Since the fixing through-holes H1 to H4 are formed in the fixing members 121 to 124, the effective area of the electrodes for forming the capacitance element is slightly reduced, but there is essentially no problem. Here, since each of the blade portions 311 to 314 is connected by the blade joint portion 315, it electrically functions as a common electrode having the same potential, but each of the fixing members 121 to 124 is electrically insulated from each other. Thus, four sets of independent capacitance elements are formed. In addition, the capacitance values of these four sets of capacitance elements change based on the direction and magnitude of the force or acceleration applied to the acting body 310.
[0047]
For example, as shown in FIG. 10, when a force + Fx in the positive direction of the X-axis is applied to the acting body 310, the acting body 310 is displaced as shown, and the electrodes of the first capacitive element C1 and the fourth capacitive element C4. The capacitance value increases because the interval becomes small, and the capacitance value decreases because the electrode interval between the second capacitance element C2 and the third capacitance element C3 increases. Conversely, as shown in FIG. 11, when a force −Fx in the negative direction of the X-axis is applied to the acting body 310, the acting body 310 is displaced as shown, and the first capacitive element C1 and the fourth capacitive element C4 The capacitance value decreases because the distance between the electrodes becomes larger, and the capacitance value increases because the electrode distance between the second capacitance element C2 and the third capacitance element C3 decreases.
[0048]
Accordingly, the sum of the capacitance value of the first capacitance element C1 and the capacitance value of the fourth capacitance element C4, and the capacitance value of the second capacitance element C2 and the capacitance value of the third capacitance element C3. If the difference from the sum with the capacitance value is detected, the detected value becomes a value indicating the X-axis direction component of the external force or acceleration acting on the action body 310. According to exactly the same principle, the sum of the capacitance value of the first capacitance element C1 and the capacitance value of the second capacitance element C2, and the capacitance value of the third capacitance element C3 and the fourth capacitance If the difference between the capacitance value and the sum of the capacitance value of the element C4 is detected, the detected value becomes a value indicating the Y-axis direction component of the external force or acceleration applied to the action body 310.
[0049]
Further, when a force + Fz in the positive direction of the Z-axis is applied to the action body 310, the electrode intervals of the four capacitive elements C1 to C4 are all reduced, and the capacitance values are all increased. Conversely, when a force −Fz in the negative direction of the Z-axis is applied to the acting body 310, the electrode intervals of the four sets of capacitance elements C1 to C4 are all increased, and the capacitance values are all decreased. Therefore, the capacitance value of the first capacitance element C1, the capacitance value of the second capacitance element C2, the capacitance value of the third capacitance element C3, and the capacitance value of the fourth capacitance element C4 If the sum is detected, the detected value becomes a value indicating the Z-axis direction component of the external force or acceleration applied to the action body 310.
[0050]
FIG. 12 shows a detection having a function of outputting detected values of the X-axis component, the Y-axis component, and the Z-axis component of the external force or acceleration applied to the action body 310 as an electric signal based on the above-described detection principle. It is a circuit diagram showing an example of a circuit. In this detection circuit, the blades 311 to 314 functioning as common electrodes are grounded. The capacitance values of the capacitance elements C1 to C4 are converted into voltage values V1 to V4 by C / V conversion circuits 410 to 440, respectively. Then, after (V1 + V4) and (V2 + V3) are calculated by the adders 451 and 452, respectively, the difference is calculated by the subtractor 453, and a value (V1 + V4)-(V2 + V3) is output to the output terminal Tx. . This value is a value indicating the X-axis direction component of the applied external force or acceleration. Similarly, after (V1 + V2) and (V3 + V4) are calculated by the adders 461 and 462, respectively, the difference is calculated by the subtractor 463, and a value (V1 + V2)-(V3 + V4) is output to the output terminal Ty. You. This value is a value indicating the Y-axis direction component of the applied external force or acceleration. The adder 471 calculates the sum of (V1 + V2 + V3 + V4) and outputs the result to the output terminal Tz. This value is a value indicating the Z-axis direction component of the applied external force or acceleration.
[0051]
Thus, the use of the detection circuit shown in FIG. 12 makes it possible to detect all of the X-, Y-, and Z-axis components of the applied external force and acceleration. Moreover, since the calculation is performed so that the detected value of each axial component is not affected by other axial components, each axial component can be obtained as an independent value. That is, even if the external force or acceleration to be detected includes components in the three-axis directions of the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis, the detection value obtained at the output terminal Tx is only the component in the X-axis direction (the Y-axis component). , And Z-axis components are canceled by subtraction by the subtractor 453), and the detection value obtained at the output terminal Ty is only the Y-axis component (the X-axis and Z-axis components are canceled by subtraction by the subtractor 463). ), The detection value obtained at the output terminal Tz is only the component in the Z-axis direction (the components in the X-axis and Y-axis directions are canceled by the addition by the adder 471). Of course, the adder 471 need not be provided if the sensor is used as a two-dimensional sensor that does not require detection of the Z-axis direction component.
[0052]
The detection circuit shown in FIG. 12 is a detection circuit for functioning as a three-dimensional sensor for detecting three-axis components of the applied external force and acceleration in the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis orthogonal thereto in FIG. However, if a V-axis and a W-axis are defined as shown in FIG. It is sufficient to use a simpler detection circuit as shown in FIG.
[0053]
The V axis illustrated in FIG. 9 is an axis that forms a positive direction in the first quadrant and a negative direction in the third quadrant and forms an angle of 45 ° with respect to both XY coordinate axes in the XY coordinates defined on the plane including the upper surface of the upper layer portion 100. Similarly, the W axis is an axis which forms a positive direction in the second quadrant and a negative direction in the fourth quadrant of the XY coordinates, and forms an angle of 45 ° with respect to the XY coordinate axes. Therefore, when an external force or acceleration in the V-axis direction acts on the acting body 310, the capacitance values of the first capacitive element C1 and the third capacitive element C3 arranged on the V axis increase and decrease, and When an external force or acceleration in the W-axis direction acts on 310, the capacitance values of the second and fourth capacitors C2 and C4 arranged on the W-axis increase and decrease. Therefore, based on the difference between the capacitance value of the first capacitance element C1 and the capacitance value of the third capacitance element C3, it is possible to obtain an electric signal indicating the applied external force and the V-axis component of the acceleration. Thus, based on the difference between the capacitance value of the second capacitance element C2 and the capacitance value of the fourth capacitance element C4, an electric signal indicating the W-axis component of the applied external force can be obtained.
[0054]
In the detection circuit shown in FIG. 13 as well, each wing portion 311 to 314 functioning as a common electrode is grounded, and the capacitance values of each of the capacitance elements C1 to C4 are changed by the C / V conversion circuits 410 to 440, respectively. The point converted to V1 to V4 is the same as the detection circuit of FIG. However, the V-axis direction component can be obtained at the output terminal Tv by performing the operation of (V1-V3) by the subtractor 481, and the W-axis direction component can be obtained by the operation of (V2-V4) by the subtractor 482. By doing so, it can be obtained at the output terminal Tw, so that the circuit configuration becomes very simple. With respect to the component in the Z-axis direction, the sum of the capacitance values of the four sets of capacitance elements C1 to C4 can be obtained at the output terminal Tz by obtaining the sum by the adder 483. Of course, the adder 483 does not need to be provided if the sensor is used as a two-dimensional sensor that does not need to detect the Z-axis direction component.
[0055]
By the way, as shown in the detection circuits of FIGS. 12 and 13, in order to electrically connect the sensor body and the detection circuit, a fixing member functioning as both electrodes of four sets of capacitance elements C1 to C4. It is necessary to provide wiring to 121 to 124 and blade portions 311 to 314. Therefore, in practical use, in consideration of such wiring convenience, a side cross-sectional view of FIG. 14 (similar to FIG. 3, a cross-section of the sensor main body shown in FIG. 1 taken along a cutting line 3-3 is shown). As shown in the figure, it is preferable that a through hole is formed in the thickness direction of the island portion 125 located at the center of the cross member 120, and a wiring portion 130 that comes into contact with the operating body 310 is provided through the through hole. Since the action body 310 is made of a conductive material, all the blade portions 311 to 314 are electrically connected to the wiring portion 130. Therefore, the detection circuit can perform detection based on the capacitance value between the wiring section 130 and each of the fixing members 121 to 124.
[0056]
FIG. 15 is a top view of an embodiment in which the above-described wiring portion 130 is provided in the sensor main body, and bonding pads 131 to 135 are formed in one corner of each of the fixing members 121 to 124 and one corner of the cross member 120, respectively. If the sensor main body according to such an embodiment is used, all wiring to the detection circuit need only be performed on the upper surface of the sensor main body. For example, if the detection circuit of FIG. 12 or FIG. 13 is used, the bonding pad 135 shown in FIG. 15 is grounded to have a common potential, and the bonding pads 131 to 134 and the C / V conversion circuits 410 to 440 are connected by wiring. do it.
[0057]
Further, the detection circuit of FIG. 12 or FIG. 13 can be formed on the upper layer portion 100. If the sensor body is formed using an SOI substrate, the upper layer portion 100 will be a silicon layer. Therefore, an area for circuit configuration is provided in a part of the silicon layer, and an integrated circuit including an adder and a subtractor is provided in this area. Is formed, a product in which the detection circuit is embedded in the sensor body can be realized.
[0058]
<<<< §3. Manufacturing method of sensor body >>>
Next, an embodiment of the manufacturing method of the sensor main body described above will be described with reference to side sectional views shown in FIGS. The sensor main body shown in FIG. 1 is manufactured by the method described below. Each of the side sectional views shown in FIGS. 16 to 19 corresponds to a section obtained by cutting the sensor main body shown in FIG. 1 at the position of the cutting line 2-2.
[0059]
First, as shown in FIG. 16, a material substrate formed by laminating three layers of a first layer 10, a second layer 20, and a third layer 30 in order from the top is prepared. Here, the first layer 10 is a layer for constituting the upper layer portion 100. In the case of this embodiment, the first layer 10 is a layer made of silicon doped with an impurity for providing conductivity. Further, the second layer 20 is a layer for constituting the middle layer part 200, and in this embodiment, is a layer made of silicon oxide. Further, the third layer 30 is a layer for constituting the lower layer portion 300, and in the case of this embodiment, is a layer made of silicon doped with an impurity for imparting conductivity. As described above, a material substrate having a three-layer structure of silicon / silicon oxide / silicon is commercially available as an SOI substrate as described above. In practice, this commercially available SOI substrate may be prepared. .
[0060]
In performing the manufacturing method shown here, the first layer 10 and the second layer 20 need to be made of materials having different etching characteristics from each other. Layer 30 must also be made of materials having mutually different etching characteristics. This is because when the first layer 10 is etched from the upper surface, the second layer 20 needs to be used as an etching stopper layer, and the third layer 30 is etched from the lower surface. This is because it is necessary to use the second layer 20 as an etching stopper layer when performing the process. As a result, in the finally obtained sensor main body, the material forming the cross-shaped member 120, each of the fixing members 121 to 124, the operating body 310, the pedestal 330, and the material forming the central connection portion 210 and the peripheral connection portion 230 Are made of materials having different etching characteristics from each other. In the case of the embodiment shown here, the first layer 10 and the third layer 30 are made of the same material (silicon), but, of course, the first layer 10, the second layer 20, the third layer The layers 30 may all be made of different materials.
[0061]
Subsequently, a predetermined region of the first layer 10 is subjected to the second etching by an etching method that has an erosion property for the first layer 10 and has no erosion property for the second layer 20. Etching is performed in the thickness direction until the upper surface of the first layer 20 is exposed, and slits S1 to S4 are formed in the first layer 10 so that the first layer 10 is connected to the cross member 120 and the first fixing member. 121, a second fixing member 122, a third fixing member 123, and a fourth fixing member 124. At this time, a process of forming the through holes H1 to H4 for etching in a predetermined region (a region shown by hatching in FIG. 9) inside each of the fixing members 121 to 124 is also performed.
[0062]
Eventually, in the etching step performed here, a resist layer having a pattern corresponding to the hatched portion in FIG. 6 is formed on the upper surface of the first layer 10, and the exposed portion not covered with the resist layer is vertically moved downward. And the process of eroding. In this etching step, no erosion is performed on the second layer 20, so that only a predetermined region of the first layer 10 is removed. FIG. 17 shows a state where the above-described etching is performed on the first layer 10 to form the upper layer portion 100. Note that the etching through holes H1 to H4 formed here are not necessary for the function of the sensor as described in §1, and are used for performing an etching process on the second layer 20 as described later. Will be needed.
[0063]
Subsequently, a predetermined region of the third layer 30 is subjected to the second etching by an etching method that has an erosion property for the third layer 30 and has no erosion property for the second layer 20. Etching is performed in the thickness direction until the lower surface of the layer 20 is exposed to separate the third layer 30 into the acting body 310 and the pedestal 330. In the etching step performed here, a resist layer having a pattern corresponding to the hatched portion in FIG. 8 is formed on the lower surface of the third layer 30, and the exposed portion not covered with the resist layer, that is, the groove portion G1, This is a step of eroding the portion corresponding to G2 vertically upward. In this etching step, no erosion is performed on the second layer 20, so that only a predetermined region of the third layer 30 is removed.
[0064]
FIG. 18 shows a state in which the third layer 30 is thus changed to a lower layer portion 300 including the action body 310 and the pedestal 330. Grooves G1 and G2 are formed, and the lower surface of the second layer 20 is exposed at this portion. Note that the order of the above-described etching step for the first layer 10 and the etching step for the third layer 30 can be interchanged, and any of the etching steps may be performed first or simultaneously.
[0065]
Lastly, the second layer 20 is etched by an etching method that is erodible for the second layer 20 and not erodable for the first layer 10 and the third layer 30. Then, etching is performed in the thickness direction and the layer direction from the exposed portion, and the central connection portion 210 and the peripheral connection portion 230 are formed by the remaining portion. In the etching step performed here, it is not necessary to separately form a resist layer. That is, as shown in FIG. 18, the upper layer portion 100 as the remaining portion of the first layer 10 and the lower layer portion 300 as the remaining portion of the third layer 30 serve as a resist layer for the second layer 20, respectively. Functioning, the etching is performed on the exposed portions of the second layer 20, that is, the formation regions of the slits S1 to S4, the through holes H1 to H4 for etching, and the grooves G1 and G2.
[0066]
Here, an etching method is used for the second layer 20 so that erosion is performed not only in the thickness direction but also in the layer direction. As a result, as shown in FIG. 19, in the second layer 20, the vicinity of the formation region of the slits S1 to S4 and the etching through holes H1 to H4 and the vicinity of the formation region of the groove portions G1 and G2 are etched away. , A central connecting portion 210 (not shown in FIG. 19) and a peripheral connecting portion 230 (FIG. 19 shows partial connecting portions 231, 232, and 233 which are a part thereof). Become. In the structure shown in FIG. 19, since the middle layer 200 is formed by the etching process, the end faces of the respective parts constituting the middle layer 200 are rounded, but the upper layer 100 and the lower layer 300 There is no hindrance to the function of joining with. For example, the groove portion G0 shown in FIG. 19 is a portion that has been eroded by the etching liquid that has entered from the slits S1 and S2, and the eroded surface is a surface having a radius as shown in the figure.
[0067]
As clearly shown in the cross-sectional view of FIG. 7, the central connecting portion 210 has a size that is convenient for joining the lower surface of the island portion 125 and the upper surface of the blade joining portion 315. The peripheral connection portion 230 has a size that is convenient for joining the upper surface of the pedestal 330 and the lower surface of the upper layer portion 100. Further, a sufficient space is secured between the central connection part 210 and the peripheral connection part 230. This space is a space necessary for the working body 310 to generate displacement, and if a part of the second layer 20 remains in this space, when the working body 310 is displaced, As a result, they come into contact with each other, and correct detection cannot be performed. Therefore, the through holes H1 to H4 for etching are formed in a predetermined number at predetermined positions so that a part of the second layer 20 does not remain at positions where the displacement of the acting body 310 is prevented. In other words, the upper layer portion 100 is formed by etching performed at the stage of forming the middle layer portion 200 so that the portion composed of the second layer 10 located above each of the blade portions 311 to 314 of the operating body 310 can be removed. It is necessary to form a plurality of etching through-holes H1 to H4 at predetermined locations in the step of forming a hole.
[0068]
In the above-described manufacturing process, the first layer 10 is vertically etched downward to form the upper layer portion 100 (FIG. 17), and the third layer 30 is vertically vertically etched to form the lower layer portion 300. (FIG. 18), it is necessary to perform an etching method satisfying the following two conditions. The first condition is an etching method in which erosion is performed with a directionality in the thickness direction of each layer. The second condition is that the silicon layer has an erosion property, but the silicon oxide layer has an erosion property. That is, the etching method has no erosion. The first condition is a condition necessary for forming a slit or groove having a predetermined width, and the second condition is to use the second layer 20 made of silicon oxide as an etching stopper layer. This is a necessary condition.
[0069]
In order to perform etching satisfying the first condition, it is preferable to use an inductively coupled plasma etching method (ICP etching method: Induced Coupling Plasma Etching Method). This etching method is an effective method for digging a deep groove in the vertical direction, and is a kind of an etching method generally called DRIE (Deep Reactive Ion Etching). The feature of this method is that an etching step of digging while eroding the material layer in the thickness direction and a deposition step of forming a polymer wall on the side surface of the dug hole are alternately repeated. The side surfaces of the dug holes are sequentially protected by the formation of polymer walls, so that erosion can proceed only in the thickness direction. On the other hand, in order to perform etching satisfying the second condition, an etching material having etching selectivity between silicon oxide and silicon may be used.
[0070]
The inventor of the present invention actually performed etching under the following conditions as etching satisfying these two conditions, and obtained good results. That is, using the inductively coupled plasma etching method described above, the etching step and the deposition step are alternately repeated under the following specific conditions. First, a material to be etched is housed in a low-pressure chamber, and at the etching stage, SF ₆ 100 sccm gas, O ₂ A gas is supplied into the chamber at a rate of 10 sccm. ₄ F ₈ Gas was supplied into the chamber at a rate of 100 sccm. When the etching step and the deposition step were each repeatedly performed at a cycle of about 10 seconds, the etching was performed at an etching rate of about 3 μm / min. Of course, the manufacturing method according to the present invention is not limited to the method using the above-described etching method.
[0071]
On the other hand, in the etching step for the second layer 20 (FIG. 19), it is necessary to perform an etching method satisfying the following two conditions. The first condition is an etching method in which erosion is performed in the thickness direction as well as in the layer direction. The second condition is that the silicon oxide layer has an erosion property but the silicon layer has an erosion property. On the other hand, it is an etching method having no erosion. The first condition is a condition necessary to prevent the silicon oxide layer from remaining in an unnecessary portion so as not to hinder the degree of freedom of displacement of the acting body 310, and the second condition is a condition in which a predetermined shape is already formed. This is a condition necessary to prevent erosion of the upper layer portion 100 and the lower layer portion 300 made of silicon which has been processed.
[0072]
The inventor of the present invention actually performed etching under the following conditions as etching satisfying these two conditions, and obtained good results. That is, buffered hydrofluoric acid (HF: NH ₄ Using a mixture of F = 1: 10) as an etchant, the object to be etched was immersed in the etchant for about 30 minutes to perform etching. Or CF ₄ Gas and O ₂ Even when dry etching was performed by RIE using a gas mixture with a gas, good results were similarly obtained. Of course, the manufacturing method according to the present invention is not limited to the method using the above-described etching method.
[0073]
The advantage of the above-described manufacturing method is that even if the conditions such as the temperature, pressure, gas concentration, and etching time at the time of etching slightly change, the gap between the upper layer portion 100 and the lower layer portion 300 does not change. . That is, the distance between the two is a distance that sets the degree of freedom of the upward displacement of the acting body 310, but this distance is always defined by the thickness of the middle layer part 200 and depends on the etching conditions. There is no. For this reason, if the sensor body is mass-produced by the manufacturing method according to the present invention, it is possible to set accurate dimensions without variation for each lot at least with respect to the degree of freedom of displacement of the working body 310 in the upward direction.
[0074]
Finally, an embodiment in which the sensor body described above is used for an acceleration sensor will be described. FIG. 20 is a side cross-sectional view of such an acceleration sensor (showing a cross section of the sensor main body of FIG. 1 cut along a cutting line 3-3). As shown, a control board 400 made of an insulating material is connected to the bottom surface of the pedestal 330. Moreover, the bottom surface of the operating body 310A is located above the bottom surface of the pedestal 330 by a predetermined dimension d, and an interval of the dimension d is secured between the bottom surface of the operating body 310A and the upper surface of the control board 400. With such a structure, when the magnitude of the acceleration component acting in the predetermined direction (the component going downward in the figure) acting on the operation body 310A exceeds a predetermined allowable value, the bottom surface of the operation body 310A is controlled by the control board. Further displacement is controlled by contacting the upper surface of 400. Thereby, breakage of the cross member 120 can be prevented.
[0075]
As described above, in order to make the thickness of the acting body 310A smaller than the thickness of the pedestal 330, a thickness adjusting step of etching and removing a lower layer portion of a region to be an acting body is added to the above-described manufacturing process. A control board bonding step of bonding the control board 400 to the bottom surface of the pedestal 330 may be added.
[0076]
【The invention's effect】
As described above, according to the force sensor and the acceleration sensor using the capacitive element according to the present invention and the method for manufacturing the same, it becomes possible to mass-produce a sensor body having a very simple structure.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a top view of a sensor main body according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a side sectional view of the sensor main body shown in FIG. 1 taken along a cutting line 2-2.
FIG. 3 is a side sectional view of the sensor main body shown in FIG. 1 taken along a cutting line 3-3.
FIG. 4 is a bottom view of the sensor main body shown in FIG.
FIG. 5 is a top view of the upper layer unit 100 shown in the side sectional view of FIG. 2 or 3;
6 is a cross-sectional view of the upper layer unit 100 alone obtained by cutting the upper layer unit 100 along the cutting line 6-6 in the figure in the side cross-sectional view of FIG. 3;
FIG. 7 is a cross-sectional view of the middle part 200 alone obtained by cutting the middle part 200 along the cutting line 7-7 in the drawing in the side sectional view of FIG. 3;
FIG. 8 is a cross-sectional view of the lower layer portion 300 alone obtained by cutting the lower layer portion 300 along the cutting line 8-8 in the drawing in the side cross-sectional view of FIG.
9 is a top view showing a positional relationship between each component of the upper layer portion 100 and each component of the lower layer portion 300 in the sensor main body shown in FIG. 1 (hatching indicates a planar area, Does not indicate a).
10 is a side sectional view showing a state in which an external force + Fx in the positive direction of the X-axis has acted on the sensor main body shown in FIG. 1 (a sectional view taken along a cutting line 3-3 in FIG. 1).
11 is a side sectional view showing a state in which an external force −Fx in the negative direction of the X-axis is applied to the sensor main body shown in FIG.
12 is a circuit diagram showing an example of a detection circuit applied to the sensor main body shown in FIG.
13 is a circuit diagram showing another example of a detection circuit applied to the sensor body shown in FIG.
14 is a side sectional view showing an embodiment in which a wiring section 130 is added to the sensor main body shown in FIG. 1 (a cross section cut at a position of section line 3-3 in FIG. 1).
15 is a top view showing an embodiment in which a wiring section 130 and bonding pads 131 to 134 are added to the sensor main body shown in FIG.
16 is a side sectional view (showing a section cut at a cutting line 2-2 in FIG. 1) showing a first step of the method for manufacturing the sensor main body shown in FIG. 1;
FIG. 17 is a side cross-sectional view (a cross section cut along a cutting line 2-2 in FIG. 1) illustrating a second step of the method for manufacturing the sensor main body illustrated in FIG. 1;
FIG. 18 is a side sectional view showing a third step of the method for manufacturing the sensor main body shown in FIG. 1 (a cross section taken along the line 2-2 in FIG. 1).
FIG. 19 is a side sectional view showing a fourth step of the method for manufacturing the sensor main body shown in FIG. 1 (a cross section taken along the line 2-2 in FIG. 1);
20 is a side sectional view showing an embodiment of the acceleration sensor made by using the sensor main body shown in FIG. 1 (a sectional view taken along a cutting line 3-3 in FIG. 1).
[Explanation of symbols]
10: 1st layer (silicon layer doped with impurities)
20: Second layer (silicon oxide layer)
30: Third layer (silicon layer doped with impurities)
100: upper layer (silicon layer doped with impurities)
120: Cross member
121: first fixing member
122: Second fixing member
123: Third fixing member
124: fourth fixing member
125: island-shaped part
126: First bridge section
127: Second bridge section
128: Third bridge
129: Fourth bridge
130: Wiring section
131 to 135: Bonding pad
200: middle layer (silicon oxide layer)
210: Central connection
230: Peripheral connection
231-238: Partial connection part
300: Lower layer (silicon layer doped with impurities)
310, 310A: action body
311: First wing portion
312: 2nd blade part
313: 3rd blade part
314: Fourth blade part
315: Blade joint
330: Pedestal
400: control board
410 to 440: C / V conversion circuit
451, 452: adder
453: Subtractor
461, 462: adder
463: Subtractor
471: Adder
481,482: subtractor
483: Adder
C1 to C4: Capacitance element
d: Specified dimensions
+ Fx, -Fx: External force in the X-axis direction
G0, G1, G2: groove
H1 to H4: through holes for etching
S1 to S4: slit
Tv, Tw, Tx, Ty, Tz: output terminals
V1 to V4: voltage values
V, W, X, Y, Z: coordinate axes

Claims

A sensor body having at least a three-layer structure of a conductive upper layer, an insulating middle layer, and a conductive lower layer, and a detection circuit for extracting a detection value as an electric signal. ,
An origin O is set at the center position of the upper surface of the upper layer portion, an X axis and a Y axis are respectively taken in directions orthogonal to each other on the upper surface of the upper layer portion, and a Z axis is taken in a direction perpendicular to the upper surface of the upper layer portion. Thus, when an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system is defined, the upper layer portion includes an island portion arranged near the origin O and a first bridge portion extending from the island portion in the positive X-axis direction. A second bridge extending from the island in the positive Y-axis direction, a third bridge extending from the island in the negative X-axis direction, and a third bridge extending from the island in the negative Y-axis direction. A cross-shaped member having five portions, a first fixed member located in a first quadrant in XY coordinates, a second fixed member located in a second quadrant in XY coordinates, and XY. A third fixing member located in a third quadrant in coordinates, and a third fixing member in XY coordinates. A fourth fixing member located in a quadrant, wherein the cruciform member, the first fixing member, the second fixing member, the third fixing member, and the fourth fixing member are , Are physically placed in non-contact with each other,
The lower layer portion has a first blade portion facing a part of an inner portion of the first fixing member, and a second blade facing a portion of an inner portion of the second fixing member. A third blade portion facing a part of an inner portion of the third fixing member, and a fourth blade portion facing a part of an inner portion of the fourth fixing member. An operating body having a first blade portion, a second blade portion, a third blade portion, and a fourth blade portion connecting the fourth blade portion to each other in the vicinity of the center; A pedestal that surrounds the periphery thereof at predetermined intervals, and the middle layer portion has a lower surface of the island-shaped portion and an upper surface of the blade joint portion, and a central connection portion that connects the upper surface of the blade joint portion. An upper surface of the pedestal, the first fixing member, the second fixing member, the third fixing member, And a peripheral connection portion connecting the lower surface of each of the fixing member, the first bridge portion, the second bridge portion, the third bridge portion, and the fourth bridge portion to the lower surface. Is composed of
The first bridge portion, the second bridge portion, the third bridge portion, and the fourth bridge portion have a property of being bent when an external force is applied to the working body. The working body is configured to cause displacement with respect to the pedestal,
The detection circuit includes a first capacitive element formed by the first fixed member and the first blade, and a second capacitor formed by the second fixed member and the second blade. A capacitance element, a third capacitance element formed by the third fixing member and the third blade section, a fourth capacitance element formed by the fourth fixing member and the fourth blade section A force sensor using a capacitive element, which outputs an electric signal indicating an external force acting on the working body based on each capacitance value of the above.

The force sensor according to claim 1,
The cross-shaped member, the first fixing member, the second fixing member, the third fixing member, and the fourth fixing member constituting the upper layer portion are separated from each other by a slit having a predetermined width penetrating the upper layer portion in the thickness direction. A force sensor using a capacitive element characterized by being performed.

The force sensor according to claim 1 or 2,
Through the through-hole formed in the thickness direction of the island-shaped portion, a wiring portion that is in contact with the acting body is provided,
A force sensor using a capacitance element, wherein a detection circuit outputs a detection value based on a capacitance value between the wiring portion and each fixing member.

The force sensor according to claim 1,
The thickness of the middle layer is set so that when an external force exceeding a predetermined allowable range is applied, the upper surface of one of the blades of the working body contacts the lower surface of any of the fixed members to control the displacement. A force sensor using a capacitive element.

The force sensor according to any one of claims 1 to 4,
A detecting circuit configured to calculate a sum of a capacitance value of the first capacitance element and a capacitance value of the fourth capacitance element, and a capacitance value of the second capacitance element and a capacitance of the third capacitance element; A detection value indicating an X-axis direction component of the external force applied to the acting body based on a difference between the capacitance value and the capacitance value of the first capacitance element and a capacitance value of the second capacitance element. Based on the difference between the sum of the capacitance value and the sum of the capacitance value of the third capacitance element and the capacitance value of the fourth capacitance element, the Y-axis component of the external force acting on the acting body A force sensor using a capacitive element, which outputs a detection value indicating:

The force sensor according to any one of claims 1 to 4,
The first quadrant in the XY coordinates is a positive direction, the third quadrant is a negative direction, and a V axis that forms 45 ° with respect to both XY coordinate axes is defined. The second quadrant in the XY coordinates is a positive direction, and the fourth quadrant is a negative direction. And defining a W axis that forms 45 ° with respect to the XY coordinate axes,
A detection circuit outputs a detection value indicating a V-axis direction component of an external force applied to the acting body based on a difference between a capacitance value of the first capacitance element and a capacitance value of the third capacitance element. Outputting a detection value indicating a W-axis direction component of an external force applied to the acting body based on a difference between a capacitance value of the second capacitance element and a capacitance value of the fourth capacitance element. A force sensor using a capacitive element.

The force sensor according to claim 5 or 6,
The detection circuit further calculates the capacitance value of the first capacitance element, the capacitance value of the second capacitance element, the capacitance value of the third capacitance element, and the capacitance value of the fourth capacitance element. A force sensor using a capacitive element, which outputs a detection value indicating a Z-axis direction component of an external force applied to an operating body based on the sum.

The force sensor according to any one of claims 1 to 7,
A force sensor using a capacitive element, wherein a material forming an upper layer portion and a lower layer portion and a material forming a middle layer portion are made of materials having different etching characteristics from each other.

The force sensor according to any one of claims 1 to 8,
A force sensor using a capacitive element, wherein an upper layer portion and a lower layer portion are formed of a silicon layer doped with impurities, and a middle layer portion is formed of a silicon oxide layer.

The force sensor according to claim 9,
A force sensor using a capacitive element, wherein the sensor body is constituted by an SOI substrate having a three-layer structure of a silicon layer doped with impurities / a silicon oxide layer / a silicon layer doped with impurities.

A force sensor according to any one of claims 1 to 10, wherein the detection circuit outputs a detection signal of the acceleration by detecting a force caused by the acceleration acting on the action body. An acceleration sensor using a capacitive element.

The acceleration sensor according to claim 11,
A control board is connected to the bottom surface of the pedestal, and the bottom surface of the operating body is located above the bottom surface of the pedestal by a predetermined dimension, and a predetermined distance is provided between the bottom surface of the operating body and the top surface of the control board. The thickness of the working body is set so as to be secured,
The predetermined interval is set so that when the magnitude of a predetermined direction component of the applied acceleration exceeds a predetermined allowable value, the bottom surface of the operating body contacts the top surface of the control board to control the displacement. An acceleration sensor using a capacitor element.

A method of manufacturing a force sensor or an acceleration sensor according to any one of claims 1 to 12,
A preparation step of preparing, in order from the top, a material substrate formed by stacking three layers of a first layer having conductivity, a second layer having insulation properties, and a third layer having conductivity;
An etching method having an erodible property for the first layer and an erodible property for the second layer is applied to a predetermined region of the first layer by the second layer. By etching in the thickness direction until the upper surface of the first layer is exposed and forming a slit in the first layer, the first layer can be formed into a cross-shaped member, a first fixing member, a second fixing member, An upper layer forming step of separating into a third fixing member and a fourth fixing member, and forming an etching through hole in a predetermined region of an inner portion of each of the fixing members;
An etching method that has an erosive property for the third layer and has no erosive property for the second layer is applied to a predetermined region of the third layer by the second layer. Etching in the thickness direction until the lower surface of the third layer is exposed, and separating the third layer into an operating body and a pedestal;
The second layer is exposed to the second layer by an etching method that is erodible for the second layer and not erodable for the first layer and the third layer. Middle layer forming step of performing etching in the thickness direction and the layer direction from the portion, and forming the central connection portion and the peripheral connection portion by the remaining portion,
A method for manufacturing a force sensor or an acceleration sensor, comprising:

The method for manufacturing a sensor according to claim 13,
In the upper layer forming step, a plurality of etching through holes are formed at predetermined locations so that the portion formed of the second layer located above each blade of the operating body can be removed by the etching performed in the middle layer forming step. A method for manufacturing a force sensor or an acceleration sensor, characterized by being formed.

The method for manufacturing an acceleration sensor according to claim 13 or 14,
A thickness adjustment step of etching and removing a lower layer portion of the region to be the acting body so that the thickness of the acting body portion is smaller than the thickness of the pedestal portion;
A control board joining step of joining the control board to the base bottom;
A method for manufacturing an acceleration sensor, further comprising:

The method for manufacturing a sensor according to any one of claims 13 to 15,
A method of manufacturing a force sensor or an acceleration sensor, wherein etching is performed in a thickness direction by using an inductively coupled plasma etching method in an upper layer forming step and a lower layer forming step.