JP2004069405A

JP2004069405A - Force sensor and acceleration sensor using resistance element, and manufacturing method therefor

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Publication number: JP2004069405A
Application number: JP2002226925A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Okada; 岡田　和廣
Original assignee: Wacoh Corp; Wako KK
Current assignee: Wacoh Corp; Wako KK
Priority date: 2002-08-05
Filing date: 2002-08-05
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2022-08-05
Also published as: JP4073731B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To easily make a fine control structure limiting a displacement of an action body. <P>SOLUTION: A SOI substrate has a three-layer structure including silicon/silicon oxide/silicon layers. Induction coupled type plasma etching for selecting and removing only the silicon is applied to the upper layer to form openings H1 to H4, an island section 110, a bridge section 120, and fixed sections 131 to 134. The same etching is applied to the lower layer to divide the layer into action bodies (311 to 314) like a blade of a blower and a seat 330. Etching for selecting and removing only the silicon oxide is applied so as to leave a center section and its surrounding of the middle layer. The sensor detects a skew based on a change in resistance value of a piezoresistive element provided in the bridge section 120 to detect an external force or acceleration applied to the action body. A control surface to which hatching is applied is brought into contact with the fixing sections 131 to 134 so as to control an upper direction displacement of the action body. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、抵抗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よって作用体を支持させ、この作用体に加えられた外力の作用により基板に撓みを生じさせ、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、ピエゾ抵抗素子、容量素子、圧電素子など、種々の検出素子が利用されている。ピエゾ抵抗素子は、機械的応力を加えることにより抵抗値が変化する性質を有する素子であり、シリコン基板などの半導体基板上の領域に不純物をドープすることにより形成することができるため、半導体基板を用いたタイプのセンサに広く利用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、小型で量産に適した力センサおよび加速度センサとして、シリコン基板などの半導体基板を利用したピエゾ抵抗式センサが提案されている。このようなセンサにおいて検出感度を高めるためには、基板の撓みが生じる部分を薄くし、可撓性を高める必要がある。ところが、一般に半導体基板は脆弱であり、薄い部分が存在すると、過度の外力や加速度が加わった場合に、当該薄い部分にクラックなどが発生し、物理的な損傷を受ける可能性が高くなる。そこで、通常は、外力が作用する作用体の変位を所定範囲内に制御するための物理的な制御構造を設ける必要がある。具体的には、作用体の上下方向の変位および横方向の変位を制御するために、制御基板や台座などの物理的な制御構造が設けられている。過度の外力が作用すると、作用体の一部が制御基板や台座などに接触することになり、作用体の変位は、所定の自由度の範囲内に抑制されることになる。したがって、基板の撓みを生じる部分に過度の応力が加わることを避けることができ、破損から免れることができる。
【０００５】
しかしながら、このような制御構造は、作用体の形状や配置に合わせて、所定の形状をもち、所定の位置に配置されるようにする必要がある。このため、制御構造を備えた力センサや加速度センサを製造するためには、余分なエッチング工程や機械的切削工程が必要になり、製造プロセスが複雑にならざるを得ない。特に、量産品として製造される個々のロットごとに均一な性能を確保するためには、作用体と制御構造との距離を精密に設定する必要があるので、制御構造を形成するプロセスにおける技術的な負担が大きく、コスト低減の見地からも、大きな問題になっている。
【０００６】
そこで本発明は、作用体の変位を制限するための精密な制御構造を容易に構成することが可能な力センサおよび加速度センサを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（１）　　本発明の第１の態様は、上層部、中層部、下層部の少なくとも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、によって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の固定部と、ＸＹ座標における第２象限に位置する第２の固定部と、ＸＹ座標における第３象限に位置する第３の固定部と、ＸＹ座標における第４象限に位置する第４の固定部と、の４つの部分を有する固定部材と、によって構成されるようにし、十字形部材の周囲は固定部材によって取り囲まれ、各橋梁部の外側部分は固定部材に接続されるようにし、
下層部が、ＸＹ座標における第１象限に位置する第１の羽根部と、ＸＹ座標における第２象限に位置する第２の羽根部と、ＸＹ座標における第３象限に位置する第３の羽根部と、ＸＹ座標における第４象限に位置する第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、台座の上面と固定部材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の羽根部の上面の外側の一部分が、第１の固定部の下面の内側の一部分に対向する制御面を構成し、第２の羽根部の上面の外側の一部分が、第２の固定部の下面の内側の一部分に対向する制御面を構成し、第３の羽根部の上面の外側の一部分が、第３の固定部の下面の内側の一部分に対向する制御面を構成し、第４の羽根部の上面の外側の一部分が、第４の固定部の下面の内側の一部分に対向する制御面を構成するようにし、
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、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、
第１の橋梁部、第２の橋梁部、第３の橋梁部、第４の橋梁部の所定箇所にピエゾ抵抗素子を配置し、検出回路は、このピエゾ抵抗素子の抵抗値に基づいて、作用体に作用した外力を示す検出値を出力し、
所定の許容範囲を越える外力が作用した場合に、少なくともいずれか１つの羽根部の上面が、対向する固定部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。
【０００８】
（２）　本発明の第２の態様は、上述の第１の態様に係る力センサにおいて、
上層部のＸＹ座標における第１象限、第２象限、第３象限、第４象限の所定位置にそれぞれ厚み方向に貫通する開口部を設け、これら開口部により、各橋梁部の側部が固定部材に対して物理的に分離されるようにしたものである。
【０００９】
（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が、互いにエッチング特性の異なる材料からなるようにしたものである。
【００１０】
（４）　本発明の第４の態様は、上述の第３の態様に係る力センサにおいて、
上層部および下層部を、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するようにしたものである。
【００１１】
（５）　本発明の第５の態様は、上述の第４の態様に係る力センサにおいて、
センサ本体が、シリコン層／酸化シリコン層／シリコン層なる３層構造を有するＳＯＩ基板によって構成されているようにしたものである。
【００１２】
（６）　本発明の第６の態様は、上述の第４または第５の態様に係る力センサにおいて、
ピエゾ抵抗素子が、シリコン層からなる上層部に形成された不純物ドープ領域によって構成されているようにしたものである。
【００１３】
（７）　本発明の第７の態様は、上述の第１〜第６の態様に係る力センサにおいて、
橋梁部の厚みが、固定部材の厚みよりも小さくなるように設定したものである。
【００１４】
（８）　本発明の第８の態様は、上述の第７の態様に係る力センサにおいて、
各橋梁部の外側部分を、周囲接続部の上方部分まで伸ばすようにしたものである。
【００１５】
（９）　本発明の第９の態様は、上述の第１〜第８の態様に係る力センサにおいて、
第１の橋梁部の内側部分、第１の橋梁部の外側部分、第３の橋梁部の内側部分、第３の橋梁部の外側部分の各位置に配置された合計４組のピエゾ抵抗素子によりＸ軸方向成分検出手段を構成し、
検出回路が、このＸ軸方向成分検出手段を構成する各ピエゾ抵抗素子の抵抗値に基づいて、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するようにしたものである。
【００１６】
（１０）　本発明の第１０の態様は、上述の第９の態様に係る力センサにおいて、第２の橋梁部の内側部分、第２の橋梁部の外側部分、第４の橋梁部の内側部分、第４の橋梁部の外側部分の各位置に配置された合計４組のピエゾ抵抗素子によりＹ軸方向成分検出手段を構成し、
検出回路が、このＹ軸方向成分検出手段を構成する各ピエゾ抵抗素子の抵抗値に基づいて、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、外力のＸＹ二次元方向成分を独立して検出することができるようにしたものである。
【００１７】
（１１）　本発明の第１１の態様は、上述の第１０の態様に係る力センサにおいて、
第１の橋梁部の内側部分、第１の橋梁部の外側部分、第３の橋梁部の内側部分、第３の橋梁部の外側部分の各位置に配置された合計４組のピエゾ抵抗素子、または、第２の橋梁部の内側部分、第２の橋梁部の外側部分、第４の橋梁部の内側部分、第４の橋梁部の外側部分の各位置に配置された合計４組のピエゾ抵抗素子によりＺ軸方向成分検出手段を構成し、
検出回路が、このＺ軸方向成分検出手段を構成する各ピエゾ抵抗素子の抵抗値に基づいて、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、外力のＸＹＺ三次元方向成分を独立して検出することができるようにしたものである。
【００１８】
（１２）　本発明の第１２の態様は、上述の第９〜第１１の態様に係る力センサにおいて、
橋梁部の内側部分のピエゾ抵抗素子の内側端が、中央接続部の外側輪郭線に揃うように配置され、橋梁部の外側部分のピエゾ抵抗素子の外側端が、周囲接続部の内側輪郭線に揃うように配置されているようにしたものである。
【００１９】
（１３）　本発明の第１３の態様は、上述の第９〜第１２の態様に係る力センサにおいて、
検出回路が、所定の座標軸方向成分を検出するための回路として、４組のピエゾ抵抗素子からなるブリッジ回路についてのブリッジ電圧を検出する回路を有するようにしたものである。
【００２０】
（１４）　本発明の第１４の態様は、上述の第１〜第１３の態様に係る力センサによって、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、加速度センサを構成するようにしたものである。
【００２１】
（１５）　本発明の第１５の態様は、上述の第１４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するようにし、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。
【００２２】
（１６）　本発明の第１６の態様は、上述の第１〜第１５の態様に係る力センサもしくは加速度センサを製造する方法において、
上から順に、第１の層、第２の層、第３の層の３層を積層してなり、第１の層と第２の層とが互いにエッチング特性が異なり、第３の層と第２の層とが互いにエッチング特性が異なるような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の層に開口部を形成することにより、第１の層の一部からなる十字形部材と固定部材と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、
十字形部材の一部をなす各橋梁部の所定箇所に、ピエゾ抵抗素子を形成する抵抗素子形成段階と、
を行うようにしたものである。
【００２３】
（１７）　本発明の第１７の態様は、上述の第１６の態様に係る力センサもしくは加速度センサの製造方法において、
十字形部材の厚みが、固定部材の厚みよりも小さくなるように、上層部の十字形部材となるべき領域の上層部分をエッチング除去する厚み調整段階を更に行い、抵抗素子形成段階では、厚み調整がなされた十字形部材の所定箇所にピエゾ抵抗素子を形成するようにしたものである。
【００２４】
（１８）　本発明の第１８の態様は、上述の第１６または第１７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。
【００２５】
（１９）　本発明の第１９の態様は、上述の第１６〜第１８の態様に係る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。
【００２６】
【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。
【００２７】
＜＜＜　§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。
【００２８】
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、上層部１００、中層部２００、下層部３００の３層構造（図１には明記されていない）から構成されており、具体的には、この実施形態の場合、上層部１００は、シリコン層から構成され、中層部２００は酸化シリコン層から構成され、下層部３００は、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。
【００２９】
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開口部Ｈ１〜Ｈ４が形成されており、図１では、この開口部Ｈ１〜Ｈ４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、これは開口部Ｈ１〜Ｈ４を通して下層部の一部が見えており、かつ、上層部１００の下に隠れている下層部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の陰に隠れている上層部１００の構造の一部が破線で示されている。
【００３０】
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。
【００３１】
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開口部Ｈ１〜Ｈ４が形成されている。この実施形態の場合、上層部１００は、シリコンの基板層から構成されており、開口部Ｈ１〜Ｈ４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。４つの開口部Ｈ１〜Ｈ４は、いずれも同一形状をしており、これら４つの開口部Ｈ１〜Ｈ４によって、上層部１００は、図示のとおり、中央に位置する島状部１１０と、この島状部１１０を四方から支持する橋梁部１２０（１２１〜１２４）と、この橋梁部１２０を周囲から支持する固定部材１３０（後述するように、この固定部材は台座に固定される）とに分けられることになる。ここでは、島状部１１０と橋梁部１２０とによって構成される部材を十字形部材と呼ぶことにする。図示のとおり、橋梁部１２０には、合計１２個のピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４，Ｒｚ１〜Ｒｚ４が配置されている。これらのピエゾ抵抗素子は、シリコン基板層からなる上層部１００の上面に形成された不純物ドープ領域によって構成されている。
【００３２】
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。
【００３３】
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開口部Ｈ１，Ｈ２が示されており、固定部材１３０の一部をなす固定部１３１，１３２および橋梁部１２０の一部をなす橋梁部１２２が示されている。また、この橋梁部１２２の上面付近には、ピエゾ抵抗素子Ｒｙ２，Ｒｚ２が形成されている状態が示されている。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のうちの島状部１１０および橋梁部１２０の一部をなす橋梁部１２１，１２３が示されており、その上面付近には、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４が配置された状態が示されている。
【００３４】
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開口部Ｈ１〜Ｈ４の形状および配置が明瞭に示されている。すなわち、上層部１００には、ＸＹ座標における第１象限、第２象限、第３象限、第４象限の所定位置にそれぞれ厚み方向に貫通する開口部Ｈ１〜Ｈ４が設けられており、これらの開口部により、各橋梁部１２１〜１２４の側部が固定部材１３０に対して物理的に分離されていることになる。
【００３５】
図６における太い破線は、上層部１００を構成する個々の部分の境界線を示している。４個の開口部Ｈ１〜Ｈ４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。図６に示すように、橋梁部１２０は、４つの橋梁部１２１〜１２４によって構成されており、前述したように、島状部１１０と４つの橋梁部１２１〜１２４とによって構成される部材を、ここでは、十字形部材と呼ぶことにする。一方、固定部材１３０は４つの固定部１３１〜１３４によって構成されている。４つの橋梁部１２１〜１２４はいずれも同一形状をなし、シンメトリックに配置され、４つの固定部１３１〜１３４もいずれも同一形状をなし、シンメトリックに配置されている。もっとも、図６に太い破線で境界を示した各部は、説明の便宜上、異なる部分として捉えているだけであり、物理的には、上層部１００を構成する同一のシリコン基板層の一部分を構成する領域にすぎない。
【００３６】
結局、図６に示す上層部１００は、ＸＹＺ三次元座標系の原点Ｏの近傍に配置された島状部１１０と、島状部１１０からＸ軸正方向に伸びる第１の橋梁部１２１と、島状部１１０からＹ軸正方向に伸びる第２の橋梁部１２２と、島状部からＸ軸負方向に伸びる第３の橋梁部１２３と、島状部からＹ軸負方向に伸びる第４の橋梁部１２４と、の５つの部分を有する十字形部材（１１０，１２０）と、ＸＹ座標における第１象限に位置する第１の固定部１３１と、ＸＹ座標における第２象限に位置する第２の固定部１３２と、ＸＹ座標における第３象限に位置する第３の固定部１３３と、ＸＹ座標における第４象限に位置する第４の固定部１３４と、の４つの部分を有する固定部材１３０と、によって構成されており、十字形部材の周囲は固定部材１３０によって取り囲まれ、各橋梁部１２１〜１２４の外側部分は固定部材１３０（固定部１３１〜１３４）に接続されていることになる。
【００３７】
このように、十字形部材の中央部分を構成する島状部１１０は、その四方を各橋梁部１２１〜１２４の内側部分によって支持された文字どおり島状の部分になっており、各橋梁部１２１〜１２４の外側部分は固定部材の内側部分に接続され、固定部材１３０の外側部分は、後述するように台座に固定されている。また、各橋梁部１２１〜１２４は可撓性を有しており、島状部１１０に対して外力が作用すると、各橋梁部１２１〜１２４が撓み、島状部１１０が変位を生じることになる。
【００３８】
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１２１〜１２４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。
【００３９】
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。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。
【００４０】
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。
【００４１】
結局、この下層部３００は、ＸＹ座標における第１象限に位置する第１の羽根部３１１と、第２象限に位置する第２の羽根部３１２と、第３象限に位置する第３の羽根部３１３と、第４象限に位置する第４の羽根部３１４と、中央付近においてこれら各羽根部３１１〜３１４を互いに接続する羽根接合部３１５と、を有する作用体３１０と、この作用体３１０に対して所定間隔をおきながら、その周囲を取り囲む台座３３０と、によって構成されている。
【００４２】
図７に示したように、中層部２００は、中央接続部２１０と周囲接続部２３０とによって構成されているが、図３の側断面図に示されているように、中央接続部２１０は、島状部１１０の下面と羽根接合部３１５の上面とを接続する機能を有し、周囲接続部２３０は、台座３３０の上面と固定部１２１〜１２４の下面の外側部分とを接続する機能を有する。
【００４３】
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を介して島状部１１０の下面に接続されている。また、この島状部１１０を四方から支持する各橋梁部１２１〜１２４は、その外側部分が周囲接続部２３０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。前述したように、橋梁部１２１〜１２４は可撓性を有しているため、作用体３１０に外力が作用すると撓みを生じ、この撓みにより、作用体３１０が台座３３０に対して変位することになる。
【００４４】
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、下層部３００を構成する作用体３１０の４つの羽根部３１１〜３１４（図９では破線で示す）の外側部分は、上層部１００を構成する４つの固定部１３１〜１３４（図９では、太い破線で相互の境界を示す）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）。
【００４５】
いま、図９において、下層部３００の構成要素である羽根部３１１〜３１４が、紙面に対して垂直上方（Ｚ軸正方向）に変位した場合を考えると、図にハッチングを施す領域において、上層部１００と下層部３００とが平面的な重なりを生じているので、羽根部３１１〜３１４の上面の外側部分（ハッチング部分）が、固定部１３１〜１３４の下面の内側部分（同じくハッチング部分）に接触した状態で、それ以上の変位は制限されることになる。ここで、各羽根部３１１〜３１４の上面のハッチング部分を制御面と呼ぶことにすれば、各羽根部は、その制御面が固定部の下面に接触した段階で、それ以上の変位が抑制されることになる。
【００４６】
このような変位制御が行われることは、図２の側断面図を見ても明らかである。図２において、たとえば、第１の羽根部３１１が図の上方へと変位を生じたとすると、やがて上面の外側部分が、固定部１３１の下面の内側部分に衝突し、それ以上の変位は抑制される。同様に、第２の羽根部３１２が図の上方へと変位を生じたとすると、やがて上面の外側部分が、固定部１３２の下面の内側部分に衝突し、それ以上の変位は抑制される。図３の側断面図に示されているように、中層部２００は、島状部１１０の下面と羽根接合部３１５の上面とを接続する中央接続部２１０と、台座３３０の上面と固定部１２１〜１２４の下面とを接続する周囲接続部２３０と、によって構成されているが、作用体３１０の上方への変位の自由度は、この中層部２００の厚みによって定まることになる。
【００４７】
要するに、本実施形態に係るセンサ本体では、図９に示されているとおり、第１の羽根部３１１の上面の外側の一部分が、第１の固定部１３１の下面の内側の一部分に対向する制御面を構成し、第２の羽根部３１２の上面の外側の一部分が、第２の固定部１３２の下面の内側の一部分に対向する制御面を構成し、第３の羽根部３１３の上面の外側の一部分が、第３の固定部１３３の下面の内側の一部分に対向する制御面を構成し、第４の羽根部３１４の上面の外側の一部分が、第４の固定部１３４の下面の内側の一部分に対向する制御面を構成するようになっている。そして、作用体３１０に対して、所定の許容範囲を越える外力が作用した場合に、少なくともいずれか１つの羽根部の上面が、対向する固定部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。これにより、過度の外力や加速度が加わった場合であっても、作用体３１０の変位が所定範囲内に抑制され、橋梁部１２１〜１２４などに過度の応力が加わることによる物理的損傷の発生を抑えることができる。
【００４８】
＜＜＜　§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、十字形部材の下面（島状部１１０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、十字形部材を構成する４本の橋梁部１２１〜１２４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１２１〜１２４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。
【００４９】
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、抵抗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。
【００５０】
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。
【００５１】
なお、既に述べたように、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１３１〜１３４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の制御面（ハッチング部分）が、第１の固定部１３１および第４の固定部１３４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１２１〜１２４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。
【００５２】
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。
【００５３】
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５の上面図に示すように、橋梁部１２０には、合計１２個のピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４，Ｒｚ１〜Ｒｚ４が形成されている。これら各ピエゾ抵抗素子は、シリコン基板層からなる上層部１００の上面付近に形成されたＰ型もしくはＮ型の不純物ドープ領域によって構成されている。ここで、Ｘ軸方向に一直線に並ぶように配置された４組のピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４は、作用体３１０に作用した外力のＸ軸方向成分を検出するＸ軸方向成分検出手段として機能し、Ｙ軸方向に一直線に並ぶように配置された４組のピエゾ抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４は、作用体３１０に作用した外力のＹ軸方向成分を検出するＹ軸方向成分検出手段として機能する。また、同じくＹ軸方向に一直線に並ぶように配置された４組のピエゾ抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４は、作用体３１０に作用した外力のＺ軸方向成分を検出するＺ軸方向成分検出手段として機能する。なお、４組のピエゾ抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４は、必ずしもＹ軸方向に一直線に並ぶように配置する必要はなく、Ｘ軸方向に一直線に並ぶように配置してもかまわない。
【００５４】
これら各ピエゾ抵抗素子の配置をより詳細に見ると、Ｘ軸方向成分検出手段は、第１の橋梁部１２１の外側部分に配置されたＲｘ１、第１の橋梁部１２１の内側部分に配置されたＲｘ２、第３の橋梁部１２３の内側部分に配置されたＲｘ３、第３の橋梁部１２３の外側部分に配置されたＲｘ４、なる４組のピエゾ抵抗素子によって構成されている。また、Ｙ軸方向成分検出手段は、第２の橋梁部１２２の外側部分に配置されたＲｙ１、第２の橋梁部１２２の内側部分に配置されたＲｙ２、第４の橋梁部１２４の内側部分に配置されたＲｙ３、第４の橋梁部１２４の外側部分に配置されたＲｙ４、なる４組のピエゾ抵抗素子によって構成されている。更に、この実施形態では、Ｚ軸方向成分検出手段は、第２の橋梁部１２２の外側部分に配置されたＲｚ１、第２の橋梁部１２２の内側部分に配置されたＲｚ２、第４の橋梁部１２４の内側部分に配置されたＲｚ３、第４の橋梁部１２４の外側部分に配置されたＲｚ４、なる４組のピエゾ抵抗素子によって構成されているが、その代わりに、第１の橋梁部１２１の外側部分に配置された素子、第１の橋梁部１２１の内側部分に配置された素子、第３の橋梁部１２３の内側部分に配置された素子、第３の橋梁部１２３の外側部分に配置された素子、なる４組のピエゾ抵抗素子によってＺ軸方向成分検出手段を構成してもかまわない。
【００５５】
さて、前述したとおり、作用体３１０にＸ軸正方向の外力＋Ｆｘが作用すると、上層部１００には、図１０の側断面図に示すような撓みが生じ、逆に、Ｘ軸負方向の外力−Ｆｘが作用すると、上層部１００には、図１１の側断面図に示すような撓みが生じる。このとき、各ピエゾ抵抗素子についてのＸ軸方向に関する物理的な伸縮に着目すると、図１０に示す状態では、抵抗素子Ｒｘ１，Ｒｘ３はＸ軸方向に関して縮み、抵抗素子Ｒｘ２，Ｒｘ４はＸ軸方向に関して伸びる現象が起き、図１１に示す状態では、図１０に示す状態に比べて伸縮の関係が全く逆の現象が起こる。図では、伸びる素子については「＋」、縮む素子については「−」の符号を付して示してある。
【００５６】
一方、作用体３１０にＹ軸正方向の外力＋Ｆｘが作用した場合や、Ｙ軸負方向の外力−Ｆｘが作用した場合には、上述したＸ軸に関して生じた現象と同様の現象がＹ軸に関して生じることになり、抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４について、同じようにＹ軸方向に関する伸縮が生じることになる。
【００５７】
また、作用体３１０にＺ軸正方向の外力＋Ｆｚが作用すると、上層部１００には、図１２の側断面図（抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４の位置で切断した断面を示す）に示すような撓みが生じ、逆に、Ｚ軸負方向の外力−Ｆｚが作用すると、上層部１００には、図１３の側断面図（図１２と同じ位置で切断した断面を示す）に示すような撓みが生じる。このとき、各ピエゾ抵抗素子についてのＹ軸方向に関する物理的な伸縮に着目すると、図１２に示す状態では、抵抗素子Ｒｚ２，Ｒｚ３はＹ軸方向に関して伸び、抵抗素子Ｒｚ１，Ｒｚ４はＹ軸方向に関して縮む。図１３に示す状態では、これと伸縮関係が逆になる。
【００５８】
ここで、各ピエゾ抵抗素子がＰ型不純物ドープ領域として形成されていた場合、その長手方向に関する抵抗値は、物理的に伸びる方向への応力が作用した場合には抵抗値が増加し、物理的に縮む方向への応力が作用した場合には抵抗値が減少する（Ｎ型不純物ドープ領域であった場合は、抵抗値の増減が逆になる）。したがって、図１０〜図１３に示す各状態では、「＋」が付された抵抗素子の抵抗値は増加し、「−」が付された抵抗素子の抵抗値は減少することになる。
【００５９】
このような現象を利用すれば、Ｘ軸方向成分検出手段を構成する各ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４の抵抗値に基づいて、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、Ｙ軸方向成分検出手段を構成する各ピエゾ抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４の抵抗値に基づいて、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し、Ｚ軸方向成分検出手段を構成する各ピエゾ抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４の抵抗値に基づいて、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機能をもった検出回路を実現することができる。
【００６０】
図１４は、このような検出回路の構成例を示す回路図である。この検出回路では、所定の座標軸方向成分を検出するために、４組のピエゾ抵抗素子からなるブリッジ回路についてのブリッジ電圧を検出するようにしている。たとえば、図の上段に示すように、４組のピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４についてのブリッジ回路に対して、電源６１から所定の電圧を印加し、このときのブリッジ電圧を電圧計６４で測定することにより、Ｘ軸方向成分の検出が行われる。同様に、図の中段に示すように、４組のピエゾ抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４についてのブリッジ回路に対して、電源６２から所定の電圧を印加し、このときのブリッジ電圧を電圧計６５で測定することにより、Ｙ軸方向成分の検出が行われる。また、図の下段に示すように、４組のピエゾ抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４についてのブリッジ回路に対して、電源６３から所定の電圧を印加し、このときのブリッジ電圧を電圧計６６で測定することにより、Ｚ軸方向成分の検出が行われる。
【００６１】
この図１４に示す検出回路により、上述のような各軸方向成分の検出が可能になることは、図１０〜図１３に示す各抵抗素子の抵抗値の増減の関係に着目すれば、容易に理解できよう。また、このようなブリッジ回路による各軸方向成分の検出を行えば、１つの軸方向成分の検出値が、他の軸方向成分の検出値の干渉を受けることなく、個々の座標軸ごとにそれぞれ独立した検出値を得ることができる。
【００６２】
なお、本願発明者が行った実験によると、図５に示すピエゾ抵抗素子の配置の代わりに、図１５に示す配置（抵抗素子Ｒｙ３，Ｒｙ４の位置と抵抗素子Ｒｚ３，Ｒｚ４の位置とが入れ替わっている）を採った場合の方が精度の高い検出値を得ることができた。
【００６３】
また、ピエゾ抵抗素子による検出感度をできるだけ高くするためには、橋梁部１２１〜１２４に撓みが生じたときに、最も大きな機械的応力が生じる箇所に、各ピエゾ抵抗素子を配置するようにするのが好ましい。本願発明者が行った実験によると、橋梁部の内側部分に配置されるピエゾ抵抗素子に関しては、その内側端が中央接続部２１０の外側輪郭線に揃うようにし、橋梁部の外側部分に配置されるピエゾ抵抗素子については、その外側端が周囲接続部２３０の内側輪郭線に揃うようにすると、良好な検出感度を得ることができた。具体的には、図３の側断面図に示すように、第１の橋梁部１２１の内側部分に配置される抵抗素子Ｒｘ２および第３の橋梁部１２３の内側部分に配置される抵抗素子Ｒｘ３については、その内側端が中央接続部２１０の外側輪郭線に揃う位置にきており、第１の橋梁部１２１の外側部分に配置される抵抗素子Ｒｘ１および第３の橋梁部１２３の外側部分に配置される抵抗素子Ｒｘ４については、その外側端が周囲接続部２３０の内側輪郭線に揃う位置にきている。
【００６４】
＜＜＜　§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。
【００６５】
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、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、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。
【００６６】
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、島状部１１０、各橋梁部１２１〜１２４、各固定部１３１〜１３４、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。
【００６７】
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に開口部Ｈ１〜Ｈ４を形成することにより、島状部１１０、各橋梁部１２１〜１２４、各固定部１３１〜１３４を形成する。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
図１８は、このようにして、第３の層３０を、作用体３１０（３１１〜３１５）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。
【００７１】
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、開口部Ｈ１〜Ｈ４および溝部Ｇ１，Ｇ２の形成領域に対して行われることになる。
【００７２】
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、開口部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が形成されることになる。この工程で、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理由は、図９においてハッチングを施して示す領域に存在する第２の層２０の部分をエッチングにより除去するためである。図１９の側断面図に示すとおり、中層部２００において、図９にハッチングを施した領域に相当する部分は空隙になっているが、これはこのような層方向への浸食が行われたためである。なお、このような層方向への浸食が行われるエッチングプロセスにより中層部２００を形成すると、図１９の構造体に示されているとおり、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に示す周囲接続部２３０の内側の端面は、溝部Ｇ１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が、上層部１００と下層部３００とを接続する機能には何ら支障は生じない。
【００７３】
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、所定寸法をもった開口部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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
＜＜＜　§４．いくつかの変形例　＞＞＞
以上、本発明を図示する基本的な実施形態に基づいて説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、この他にも種々の態様で実施可能である。ここでは、本発明のいくつかの変形例を述べておく。
【００８０】
はじめに、本発明に係るセンサ本体について、より検出感度を高めることのできる変形例を述べておく。これまで述べた実施形態に係るセンサ本体を用いて、非常に小さな力や加速度を検出可能にするためには、作用体３１０にわずかな外力が作用した場合にも、橋梁部１２１〜１２４に撓みが生じるようにする必要がある。そのためには、橋梁部１２１〜１２４を非常に撓みやすい構造にしておく必要がある。このような要求に応じるひとつの手段は、上層部１００の厚みを小さくすることである。前述した§３の製造方法では、ＳＯＩ基板を材料としてセンサ本体を製造することになるが、このとき、第１の層１０であるシリコン層の厚みができるだけ小さいＳＯＩ基板を選択的に用いるようにすれば、薄い橋梁部をもったセンサ本体を得ることができ、検出感度を高めることができる。
【００８１】
しかしながら、上層部１００の厚み全体を薄くすると、実用上の弊害が生じる。すなわち、上層部１００は、橋梁部１２１〜１２４を構成する層であるとともに、固定部１３１〜１３４を構成する層でもあるため、上層部１００の厚み全体を薄くすると、固定部１３１〜１３４の厚みも薄くなり、固定部としての強度に問題が生じてしまう。既に述べたとおり、固定部１３１〜１３４における内側部分（図９のハッチング部分）は、作用体３１０の制御面に接触することにより、作用体３１０の過度の変位を制御する機能を有する。したがって、固定部１３１〜１３４は、作用体３１０の一部が衝突しても破損を生じないだけの十分な強度を確保しておく必要がある。
【００８２】
このように、必要な部分の機械的強度を確保しつつ、検出感度を高くするためには、橋梁部の厚みを、固定部材の厚みよりも小さく設定すればよい。ここで述べる変形例では、橋梁部を含む十字状部材全体の厚みが、固定部材の厚みよりも小さくなるようにしている。図２０は、この変形例に係るセンサ本体の上層部１００Ａの上面図であり、図にハッチングを施して示した部分が十字状部材に相当する（ハッチングは、十字状部材の全領域を示すためのものであり、断面を示すためのものではない）。なお、この図２０では、ピエゾ抵抗素子の図示は省略されている。
【００８３】
図２０に示す上層部１００Ａでは、島状部１１０Ａ、橋梁部１２１Ａ〜１２４Ａ、橋梁外側部１２１Ｂ〜１２４Ｂによって十字状部材が構成されており、固定部１３１Ａ〜１３４Ａによって固定部材１３０Ａが構成されている（太い破線は、各領域の境界を示す）。図にハッチングを施して示す十字状部材の部分の厚みは、ハッチングが施されていない固定部材１３０Ａの部分の厚みよりも小さく設定されている。これにより、橋梁部１２１Ａ〜１２４Ａの厚みが薄くなり、検出感度を高めることができ、しかも、固定部材１３０Ａの部分には十分な強度をもった厚みが確保できる。
【００８４】
図２１は、図２０に示す上層部１００Ａを用いた変形例に係るセンサ本体の側断面図（Ｘ軸に沿って切断した断面を示す）である。十字状部材を構成する島状部１１０Ａ、橋梁部１２１Ａ，１２３Ａ、橋梁外側部１２１Ｂ，１２３Ｂの厚みが、固定部材の部分の厚みよりも小さく設定されていることが明瞭に示されている。図示のとおり、Ｘ軸に沿って配置されたピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４は、厚みが小さく設定された橋梁部１２１Ａ，１２３Ａの上面に形成されることになる。
【００８５】
この変形例では、厚みが小さく設定された各橋梁部１２１Ａ〜１２４Ａの外側に、同じく厚みが小さく設定された橋梁外側部１２１Ｂ〜１２４Ｂが設けられている。図２１の側断面図から明らかなように、橋梁外側部１２１Ｂ〜１２４Ｂは、周囲接続部２３０の上方に位置する。別言すれば、この変形例では、各橋梁部の外側部分が、周囲接続部２３０の上方部分まで伸びていることになる。このように、厚みが小さく設定された橋梁部の外側を、周囲接続部２３０の上方部分にかかるまで伸ばすと、その付近に配置されたピエゾ抵抗素子に対してより効率よく応力を伝達させることができる。たとえば、図２１に示す例の場合、橋梁外側部１２１Ｂ，１２３Ｂを薄く設定することにより、それぞれピエゾ抵抗素子Ｒｘ１，Ｒｘ４に対して応力を効率よく伝達させることができるようになる。
【００８６】
なお、図２０に示すような上層部１００Ａを作成するには、§３で述べた製造プロセスにおいて、十字形部材の厚みが、固定部材の厚みよりも小さくなるように、上層部の十字形部材となるべき領域（図２０にハッチングを施した領域）の上層部分をエッチング除去する厚み調整段階を更に付加するようにし、抵抗素子形成段階では、厚み調整がなされた十字形部材の所定箇所にピエゾ抵抗素子を形成するようにすればよい。
【００８７】
最後に、前述した基本的な実施形態に係るセンサ本体を加速度センサに利用した変形例を述べておく。図２２は、このような変形例に係る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、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（図の下方へ向かう成分）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、十字状部材の破損を防ぐことができる。
【００８８】
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、§３で述べた製造プロセスにおいて、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、図２２に示す構造を得るには、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。
【発明の効果】
以上のとおり、本発明に係る抵抗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、作用体の変位を制限するための精密な制御構造を容易に構成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、Ｚ軸正方向の外力＋Ｆｚが作用した状態を示す側断面図（抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４に沿った位置で切断した断面を示す）である。
【図１３】図１に示すセンサ本体に、Ｚ軸負方向の外力−Ｆｚが作用した状態を示す側断面図（抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４に沿った位置で切断した断面を示す）である。
【図１４】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１５】図１に示すセンサ本体におけるピエゾ抵抗素子の別な配置例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に示すセンサ本体の変形例に係る上層部の上面図である（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２１】図２０に示す変形例の側断面図である（Ｘ軸に沿った断面を示す）。
【図２２】図１に示すセンサ本体を利用した加速度センサの一例を示す側断面図（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（シリコン層）
２０：第２の層（酸化シリコン層）
３０：第３の層（シリコン層）
６１〜６３：電源
６４〜６６：電圧計
１００，１００Ａ：上層部（シリコン層）
１１０，１１０Ａ：島状部（十字状部材の一部）
１２０，１２０Ａ：橋梁部（十字状部材の一部）
１２１，１２１Ａ：第１の橋梁部
１２２，１２２Ａ：第２の橋梁部
１２３，１２３Ａ：第３の橋梁部
１２４，１２４Ａ：第４の橋梁部
１２１Ｂ〜１２４Ｂ：橋梁外側部
１３０，１３０Ａ：固定部材
１３１，１３１Ａ：第１の固定部
１３２，１３２Ａ：第２の固定部
１３３，１３３Ａ：第３の固定部
１３４，１３４Ａ：第４の固定部
２００：中層部（酸化シリコン層）
２１０：中央接続部
２３０：周囲接続部
３００：下層部（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
ｄ：所定寸法
＋Ｆｘ，−Ｆｘ：Ｘ軸方向への外力
＋Ｆｚ，−Ｆｚ：Ｚ軸方向への外力
Ｇ１，Ｇ２：溝部
Ｈ１〜Ｈ４：開口部
Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４，Ｒｚ１〜Ｒｚ４：ピエゾ抵抗素子
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 resistance 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, an operating body is supported by a flexible semiconductor substrate, the substrate is bent by the action of an external force applied to the operating body, and an external force is applied based on the state of the bending. Is electrically detected. Various detection elements such as a piezoresistive element, a capacitive element, and a piezoelectric element are used for detecting the deflection of the substrate. A piezoresistive element is an element having a property in which a resistance value changes when a mechanical stress is applied, and can be formed by doping a region on a semiconductor substrate such as a silicon substrate with an impurity. Widely used for the type of sensor used.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, a piezoresistive sensor using a semiconductor substrate such as a silicon substrate has been proposed as a small-sized force sensor and acceleration sensor suitable for mass production. In order to increase the detection sensitivity of such a sensor, it is necessary to reduce the thickness of the portion where the substrate is bent, thereby increasing the flexibility. However, the semiconductor substrate is generally fragile, and if there is a thin portion, when excessive external force or acceleration is applied, a crack or the like is generated in the thin portion, and the possibility of physical damage is increased. Therefore, it is usually necessary to provide a physical control structure for controlling the displacement of the working body to which the external force acts within a predetermined range. Specifically, a physical control structure such as a control board and a pedestal is provided to control the vertical displacement and the lateral displacement of the operating body. When an excessive external force acts, a part of the working body comes into contact with the control board, the pedestal, and the like, and the displacement of the working body is suppressed within a predetermined degree of freedom. Therefore, it is possible to avoid applying an excessive stress to a portion where the substrate is bent, thereby avoiding breakage.
[0005]
However, it is necessary that such a control structure has a predetermined shape and is arranged at a predetermined position in accordance with the shape and arrangement of the acting body. Therefore, in order to manufacture a force sensor or an acceleration sensor having a control structure, an extra etching step and a mechanical cutting step are required, and the manufacturing process must be complicated. In particular, in order to ensure uniform performance for each individual lot manufactured as a mass-produced product, it is necessary to precisely set the distance between the operating body and the control structure. The burden is large, and it is a big problem from the viewpoint of cost reduction.
[0006]
Therefore, an object of the present invention is to provide a force sensor and an acceleration sensor that can easily configure a precise control structure for limiting the displacement of an operating body.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
(1) In a first aspect of the present invention, a force sensor includes a sensor body having at least a three-layer structure of an upper layer, a middle layer, and a lower layer, and a detection circuit for extracting a detection value as an electric signal. So that
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 part located in one quadrant, a second fixed part located in a second quadrant in XY coordinates, a third fixed part located in a third quadrant in XY coordinates, and a fourth quadrant in XY coordinates And a fixing member having four portions of the cross-shaped member, the periphery of the cross-shaped member is surrounded by the fixing member, and the outer portion of each bridge portion is connected to the fixing member. To be
A lower layer portion includes a first blade portion located in a first quadrant in XY coordinates, a second blade portion located in a second quadrant in XY coordinates, and a third blade portion located in a third quadrant in XY coordinates. And a fourth blade portion located in the fourth quadrant in the XY coordinates, and a blade joint connecting the first blade portion, the second blade portion, the third blade portion, and the fourth blade portion to each other near the center. A working body having a portion, and a pedestal surrounding the working body while leaving a predetermined interval with respect to the working body,
The middle layer portion is constituted by a central connection portion connecting the lower surface of the island portion and the upper surface of the blade joint portion, and a peripheral connection portion connecting the upper surface of the pedestal and the lower surface of the fixing member,
An outer portion of the upper surface of the first blade portion constitutes a control surface facing a portion of an inner surface of the lower surface of the first fixed portion, and a portion of the outer surface of the upper surface of the second blade portion forms the second fixed portion. Forming a control surface facing a part of the inside of the lower surface of the third blade portion, and a part of the outer surface of the upper surface of the third blade portion forming a control surface facing a part of the inside of the lower surface of the third fixing portion; A part of the outer surface of the upper surface of the fourth blade part constitutes a control surface facing a part of the inner surface of the lower surface of the fourth fixing unit;
The first bridge portion, the second bridge portion, the third bridge portion, and the fourth bridge portion have a property of bending when an external force acts on the operating body, and the bending causes the operating body to be attached to the pedestal. Is configured to produce a displacement
Piezoresistive elements are arranged at predetermined positions of the first, second, third, and fourth bridges, and the detection circuit operates based on the resistance value of the piezoresistive elements. Outputs a detection value indicating the external force acting on the body,
The thickness of the middle layer portion is set such that when an external force exceeding a predetermined allowable range is applied, the upper surface of at least one of the blade portions contacts the lower surface of the opposed fixed portion to control the displacement. It was made.
[0008]
(2) According to a second aspect of the present invention, in the force sensor according to the first aspect,
Openings are provided at predetermined positions in the first, second, third, and fourth quadrants of the upper layer in the XY coordinates, respectively, so as to penetrate in the thickness direction. Are physically separated from each other.
[0009]
(3) According to a third aspect of the present invention, in the force sensor according to the first or second aspect described above,
The material forming the upper layer and the lower layer and the material forming the middle layer are made of materials having different etching characteristics from each other.
[0010]
(4) According to a fourth aspect of the present invention, in the force sensor according to the third aspect,
The upper layer portion and the lower layer portion are constituted by a silicon layer, and the middle layer portion is constituted by a silicon oxide layer.
[0011]
(5) According to a fifth aspect of the present invention, in the force sensor according to the fourth aspect,
The sensor body is constituted by an SOI substrate having a three-layer structure of silicon layer / silicon oxide layer / silicon layer.
[0012]
(6) According to a sixth aspect of the present invention, in the force sensor according to the fourth or fifth aspect,
The piezoresistive element is constituted by an impurity-doped region formed in an upper layer made of a silicon layer.
[0013]
(7) According to a seventh aspect of the present invention, in the force sensor according to the first to sixth aspects,
The thickness of the bridge is set to be smaller than the thickness of the fixing member.
[0014]
(8) According to an eighth aspect of the present invention, in the force sensor according to the seventh aspect described above,
The outer portion of each bridge is extended to a portion above the peripheral connection.
[0015]
(9) According to a ninth aspect of the present invention, in the force sensor according to the first to eighth aspects,
By a total of four sets of piezoresistive elements arranged at each position of the inner part of the first bridge part, the outer part of the first bridge part, the inner part of the third bridge part, and the outer part of the third bridge part Constituting X-axis direction component detection means,
The detection circuit outputs a detection value indicating the X-axis direction component of the external force applied to the acting body based on the resistance value of each piezoresistive element constituting the X-axis direction component detection means.
[0016]
(10) A tenth aspect of the present invention is the force sensor according to the ninth aspect described above, wherein the inside portion of the second bridge portion, the outside portion of the second bridge portion, and the inside portion of the fourth bridge portion. A total of four sets of piezoresistive elements arranged at respective positions on the outer portion of the fourth bridge portion constitute a Y-axis direction component detecting means;
A detection circuit outputs a detection value indicating a Y-axis direction component of an external force applied to the acting body based on a resistance value of each piezoresistive element constituting the Y-axis direction component detection means. The dimensional component can be detected independently.
[0017]
(11) An eleventh aspect of the present invention is the force sensor according to the tenth aspect described above,
A total of four sets of piezoresistive elements disposed at respective positions of an inner portion of the first bridge portion, an outer portion of the first bridge portion, an inner portion of the third bridge portion, and an outer portion of the third bridge portion; Alternatively, a total of four sets of piezoresistors arranged at respective positions of the inner portion of the second bridge portion, the outer portion of the second bridge portion, the inner portion of the fourth bridge portion, and the outer portion of the fourth bridge portion The element constitutes a Z-axis direction component detecting means,
A detection circuit outputs a detection value indicating a Z-axis direction component of an external force applied to the acting body based on a resistance value of each piezoresistive element constituting the Z-axis direction component detection means, and an XYZ cubic of the external force is output. The original direction component can be detected independently.
[0018]
(12) A twelfth aspect of the present invention is the force sensor according to the ninth to eleventh aspects,
The inner end of the piezoresistive element in the inner part of the bridge is arranged so as to be aligned with the outer contour of the central connection part, and the outer end of the piezoresistor in the outer part of the bridge is aligned with the inner contour of the peripheral connection. They are arranged so as to be aligned.
[0019]
(13) A thirteenth aspect of the present invention provides the force sensor according to the ninth to twelfth aspects,
The detection circuit has a circuit for detecting a bridge voltage of a bridge circuit composed of four sets of piezoresistive elements as a circuit for detecting a predetermined coordinate axis direction component.
[0020]
(14) According to a fourteenth aspect of the present invention, the force sensor according to the above-described first to thirteenth aspects detects a force resulting from the acceleration acting on the operating body, and thereby the acceleration detection signal is output from the detection circuit. Is output to form an acceleration sensor.
[0021]
(15) According to a fifteenth aspect of the present invention, in the acceleration sensor according to the fourteenth aspect,
The 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 interval is secured between the bottom surface of the operating body and the top surface of the control board. So that the thickness of the action body is set,
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.
[0022]
(16) A sixteenth aspect of the present invention is a method for manufacturing the force sensor or the acceleration sensor according to the first to fifteenth aspects,
The first layer, the second layer, and the third layer are laminated in order from the top, and the first layer and the second layer have different etching characteristics from each other. A preparing step of preparing a material substrate in which the two layers have different etching characteristics from each other;
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. Forming an opening in the first layer to form an opening in the first layer, thereby forming a cross member and a fixing member that are part of the first layer,
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,
Forming a piezoresistive element at a predetermined position of each bridge part forming a part of the cross member;
Is performed.
[0023]
(17) According to a seventeenth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a force sensor or acceleration sensor according to the sixteenth aspect,
In order to make the thickness of the cruciform member smaller than the thickness of the fixing member, a thickness adjusting step of etching and removing the upper layer portion of the region to be the cruciform member of the upper layer portion is further performed. The piezoresistive element is formed at a predetermined position of the cross member having the above structure.
[0024]
(18) According to an eighteenth aspect of the present invention, in the method for manufacturing an acceleration sensor according to the sixteenth or seventeenth 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.
[0025]
(19) According to a nineteenth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a sensor according to the sixteenth to eighteenth 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.
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described based on an illustrated embodiment.
[0027]
<<<< §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.
[0028]
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 (not explicitly shown in FIG. 1) of an upper layer portion 100, a middle layer portion 200, and a lower layer portion 300. Specifically, in the case of this embodiment, The upper layer section 100 is formed of a silicon layer, the middle layer section 200 is formed of a silicon oxide layer, and the lower layer section 300 is formed of a silicon layer. 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.
[0029]
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. Openings H1 to H4 penetrating in the thickness direction are formed in the upper layer portion 100. In FIG. 1, a part of the lower layer portion 300 can be confirmed through the openings H1 to H4. Although FIG. 1 is a rather complicated diagram, a part of the lower layer portion is visible through the openings H1 to H4 and the structure of the lower layer portion 300 hidden under the upper layer portion 100 is indicated by a broken line. It is because it showed. 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, a part of the structure of the upper layer portion 100 hidden behind the lower layer portion 300 is indicated by a broken line.
[0030]
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.
[0031]
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 openings H1 to H4 penetrating in the thickness direction. In the case of this embodiment, the upper layer portion 100 is formed of a silicon substrate layer, and the openings H1 to H4 are formed by performing an etching process on the silicon substrate layer as described later. . The four openings H1 to H4 have the same shape, and the upper layer 100 is formed by the four openings H1 to H4, as shown in FIG. The bridge portion 120 (121 to 124) that supports the portion 110 from all sides and a fixing member 130 that supports the bridge portion 120 from the periphery (the fixing member is fixed to the pedestal as described later). become. Here, a member constituted by the island portion 110 and the bridge portion 120 is referred to as a cross member. As shown in the figure, a total of twelve piezoresistive elements Rx1 to Rx4, Ry1 to Ry4, Rz1 to Rz4 are arranged in the bridge portion 120. These piezoresistive elements are constituted by impurity-doped regions formed on the upper surface of an upper layer 100 made of a silicon substrate layer.
[0032]
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 the drawing is defined as a positive direction), an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system can be defined. . 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.
[0033]
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 openings H1 and H2 penetrating in the thickness direction of upper layer portion 100, and fixing portions 131 and 132 forming a part of fixing member 130 and a bridge portion forming a part of bridge portion 120. 122 is shown. Also, a state is shown in which piezoresistive elements Ry2 and Rz2 are formed near the upper surface of bridge portion 122. On the other hand, FIG. 3 is a side sectional view of the upper layer portion 100 shown in FIG. 5 taken along the cutting line 3-3, and shows one of the island-like portion 110 and the bridge portion 120 of the upper layer portion 100. Bridge portions 121 and 123 are shown, and a state in which piezoresistive elements Rx1 to Rx4 are arranged near the upper surface is shown.
[0034]
FIG. 6 is a cross-sectional view of the side cross-sectional view of FIG. 3 in which the upper layer portion 100 is cut along a cutting line 6-6 in the drawing, and the shapes and arrangement of the openings H1 to H4 penetrating in the thickness direction are clear. Is shown in That is, the upper layer portion 100 is provided with openings H1 to H4 penetrating in the thickness direction at predetermined positions of the first quadrant, the second quadrant, the third quadrant, and the fourth quadrant in the XY coordinates, respectively. By the portion, the side portions of each of the bridge portions 121 to 124 are physically separated from the fixing member 130.
[0035]
The thick broken lines in FIG. 6 indicate the boundaries of the individual parts constituting the upper layer part 100. The four openings H1 to H4 have exactly the same shape and are arranged symmetrically (in the plan view of FIG. 6 symmetrically and vertically). As shown in FIG. 6, the bridge portion 120 is configured by four bridge portions 121 to 124, and as described above, a member configured by the island portion 110 and the four bridge portions 121 to 124 is Here, it is called a cross member. On the other hand, the fixing member 130 includes four fixing portions 131 to 134. The four bridge portions 121 to 124 have the same shape and are symmetrically arranged, and the four fixing portions 131 to 134 also have the same shape and are symmetrically arranged. However, each part indicated by a thick broken line in FIG. 6 is only regarded as a different part for convenience of description, and physically constitutes a part of the same silicon substrate layer constituting the upper layer part 100. It is just an area.
[0036]
Eventually, the upper layer portion 100 shown in FIG. 6 includes an island portion 110 arranged near the origin O of the XYZ three-dimensional coordinate system, a first bridge portion 121 extending from the island portion 110 in the positive X-axis direction, A second bridge 122 extending from the island 110 in the positive Y-axis direction, a third bridge 123 extending from the island in the negative X-axis direction, and a fourth bridge 123 extending from the island to the negative Y-axis direction. A cross-shaped member (110, 120) having five portions of a bridge portion 124, a first fixed portion 131 located in a first quadrant in XY coordinates, and a second fixed portion 131 located in a second quadrant in XY coordinates. A fixing member 130 having four parts, a fixing part 132, a third fixing part 133 located in a third quadrant in XY coordinates, and a fourth fixing part 134 located in a fourth quadrant in XY coordinates; Around the cross-shaped member Surrounded by 130, the outer portion of each bridge portion 121 to 124 will be connected to the fixing member 130 (the fixing portion 131 to 134).
[0037]
As described above, the island-shaped portion 110 constituting the central portion of the cross member is a literally island-shaped portion which is supported on all four sides by the inner portions of the bridge portions 121 to 124. An outer portion of the fixing member 124 is connected to an inner portion of the fixing member, and an outer portion of the fixing member 130 is fixed to a pedestal as described later. Further, each of the bridge portions 121 to 124 has flexibility, and when an external force acts on the island portion 110, each of the bridge portions 121 to 124 bends, and the island portion 110 is displaced. .
[0038]
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, the bridge portions 121 to 124 have 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
[0039]
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 etching 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 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.
[0040]
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.
[0041]
As a result, the lower layer portion 300 includes the first blade portion 311 located in the first quadrant in the XY coordinates, the second blade portion 312 located in the second quadrant, and the third blade portion located in the third quadrant. 313, a fourth blade portion 314 located in a fourth quadrant, and a blade joint portion 315 connecting these blade portions 311 to 314 in the vicinity of the center. And a pedestal 330 surrounding the periphery at predetermined intervals.
[0042]
As shown in FIG. 7, the middle layer part 200 is constituted by a central connection part 210 and a peripheral connection part 230, but as shown in the side sectional view of FIG. The peripheral connecting portion 230 has a function of connecting the lower surface of the island portion 110 and the upper surface of the blade joining portion 315, and has the function of connecting the upper surface of the pedestal 330 and the outer portion of the lower surface of the fixing portions 121 to 124. .
[0043]
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 in the form of an island via the central connecting part 210. It is connected to the lower surface of the unit 110. In addition, since each of the bridge portions 121 to 124 supporting the island-shaped portion 110 from all sides is fixed to the upper surface of the pedestal 330 via the peripheral connection portion 230, the working body 310 is eventually It is suspended from above in the space surrounded by 330. As described above, since the bridge portions 121 to 124 have flexibility, when an external force acts on the operation body 310, the bridge section 121 to 124 bends. Become.
[0044]
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 illustrated, the outer portions of the four blades 311 to 314 (shown by broken lines in FIG. 9) of the operating body 310 forming the lower layer portion 300 are fixed to four fixing portions 131 to 134 (FIG. In this case, a thick dashed line indicates the boundary between each other), and partially overlaps in an inner part of the inner part. The hatched portion in the figure shows this planar overlapping region (the hatched portion in FIG. 9 does not show a cross section).
[0045]
Now, in FIG. 9, considering the case where the blade portions 311 to 314 as components of the lower layer portion 300 are displaced vertically upward (positive Z-axis direction) with respect to the plane of the paper, the upper layer portion is hatched in the region hatched in the drawing. Since the portion 100 and the lower layer portion 300 have a planar overlap, the outer portions (hatched portions) of the upper surfaces of the blade portions 311 to 314 correspond to the inner portions (also hatched portions) of the lower surfaces of the fixing portions 131 to 134. In contact, further displacement will be limited. Here, if the hatched portion on the upper surface of each of the blade portions 311 to 314 is referred to as a control surface, further displacement of each blade is suppressed at the stage when the control surface contacts the lower surface of the fixed portion. Will be.
[0046]
The fact that such displacement control is performed is apparent from the side sectional view of FIG. In FIG. 2, for example, if the first blade portion 311 is displaced upward in the drawing, the outer portion of the upper surface eventually collides with the inner portion of the lower surface of the fixing portion 131, and further displacement is suppressed. You. Similarly, assuming that the second blade 312 is displaced upward in the drawing, the outer portion of the upper surface eventually collides with the inner portion of the lower surface of the fixing portion 132, and further displacement is suppressed. As shown in the side sectional view of FIG. 3, the middle layer portion 200 includes a central connection portion 210 that connects the lower surface of the island portion 110 and the upper surface of the blade joint portion 315, And the peripheral connection part 230 connecting the lower surfaces of the actuators 124 with each other. The degree of freedom of the upward displacement of the acting body 310 is determined by the thickness of the middle layer part 200.
[0047]
In short, in the sensor main body according to the present embodiment, as shown in FIG. 9, a part of the outer surface of the upper surface of the first blade 311 faces a part of the inner surface of the lower surface of the first fixed part 131. A part outside the upper surface of the second blade portion 312 constitutes a control surface facing a part inside the lower surface of the second fixing portion 132, and a portion outside the upper surface of the third blade portion 313. Constitutes a control surface facing a part inside the lower surface of the third fixing portion 133, and a portion outside the upper surface of the fourth blade portion 314 forms a control surface inside the lower surface of the fourth fixing portion 134. A control surface opposing a part is constituted. Then, when an external force exceeding a predetermined allowable range acts on the acting body 310, the displacement is controlled such that the upper surface of at least one of the blade portions contacts the lower surface of the opposed fixed portion. , The thickness of the middle part 200 is set. Thereby, even when an excessive external force or acceleration is applied, the displacement of the acting body 310 is suppressed within a predetermined range, and the occurrence of physical damage due to excessive stress applied to the bridge portions 121 to 124 and the like is suppressed. Can be suppressed.
[0048]
<<<< §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 (the lower surface of the island-shaped portion 110), and the space surrounded by the pedestal 330. It is suspended in the air. Moreover, since the four bridge portions 121 to 124 constituting the cruciform member have flexibility, when an external force is applied to the operating body 310 in a state where the pedestal 330 is fixed, the external force causes The bending occurs in the four bridge portions 121 to 124, and the action body 310 is relatively displaced with respect to the pedestal 330.
[0049]
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. Assuming that the external force + Fx acts in the direction shown (positive direction of the X axis), each part of the cross member bends as shown in the figure, and the acting body 310 changes relative to the base 330 as shown in the figure. . 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 Assuming that an external force -Fx acts in the direction indicated by (X-axis negative direction), each part of the cross member bends as shown, and the acting body 310 changes relative to the pedestal 330 as shown in the figure. become. 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 resistance element.
[0050]
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. Then, by using a detection circuit described later, if the direction and magnitude of the applied external force are detected, 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.
[0051]
As described above, when an external force or an acceleration exceeding a predetermined allowable range is applied to the operating body 310, any one of the upper surfaces of the blade portions 311 to 314 of the operating body 310 The thickness of the middle part 200 is set so that the displacement is controlled by contacting the lower surface of the middle part. For example, when the magnitude of the force + Fx in the positive X-axis direction acting on the action body 310 reaches a predetermined allowable range, the control surfaces (hatching) of the first blade portion 311 and the fourth blade portion 314 shown in FIG. Portion) contacts the lower surfaces of the first fixed portion 131 and the fourth fixed portion 134, and further displacement is limited. For this reason, it can control that each bridge part 121-124 produces excessive bending, and can prevent each bridge part from being physically damaged.
[0052]
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.
[0053]
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 in the top view of FIG. 5, a total of 12 piezoresistive elements Rx1 to Rx4, Ry1 to Ry4, Rz1 to Rz4 are formed in the bridge section 120. Each of these piezoresistive elements is constituted by a P-type or N-type impurity-doped region formed near the upper surface of the upper layer portion 100 made of a silicon substrate layer. Here, the four sets of piezoresistive elements Rx1 to Rx4 arranged so as to be aligned in the X-axis direction function as X-axis direction component detection means for detecting the X-axis direction component of the external force applied to the acting body 310. , Four sets of piezoresistive elements Ry1 to Ry4 arranged in a straight line in the Y-axis direction function as Y-axis direction component detecting means for detecting the Y-axis direction component of the external force applied to the acting body 310. Further, the four sets of piezoresistive elements Rz1 to Rz4 similarly arranged in a straight line in the Y-axis direction function as Z-axis direction component detecting means for detecting a Z-axis direction component of an external force applied to the action body 310. . Note that the four sets of piezoresistive elements Rz1 to Rz4 do not necessarily need to be arranged in a straight line in the Y-axis direction, but may be arranged in a straight line in the X-axis direction.
[0054]
Looking at the arrangement of these piezoresistive elements in more detail, the X-axis direction component detecting means is arranged at Rx1 arranged at the outer part of the first bridge 121 and at the inner part of the first bridge 121. Rx2, Rx3 arranged inside the third bridge portion 123, and Rx4 arranged outside the third bridge portion 123, four sets of piezoresistive elements. In addition, the Y-axis direction component detecting means includes Ry1 disposed on the outer portion of the second bridge portion 122, Ry2 disposed on the inner portion of the second bridge portion 122, and Ry1 disposed on the inner portion of the fourth bridge portion 124. It is composed of four sets of piezoresistive elements: Ry3 arranged, and Ry4 arranged outside the fourth bridge portion 124. Further, in this embodiment, the Z-axis direction component detecting means includes Rz1 disposed on the outer portion of the second bridge portion 122, Rz2 disposed on the inner portion of the second bridge portion 122, and the fourth bridge portion. Rz3 arranged on the inner part of the first bridge part 124 and Rz4 arranged on the outer part of the fourth bridge part 124, and four sets of piezoresistive elements are used. An element arranged on the outer part, an element arranged on the inner part of the first bridge 121, an element arranged on the inner part of the third bridge 123, and an element arranged on the outer part of the third bridge 123 The Z-axis direction component detecting means may be constituted by four sets of piezoresistive elements.
[0055]
As described above, when an external force + Fx in the positive direction of the X-axis acts on the action body 310, the upper layer 100 is bent as shown in the side sectional view of FIG. When −Fx acts, the upper layer 100 is bent as shown in the side sectional view of FIG. At this time, focusing on the physical expansion and contraction of each piezoresistive element in the X-axis direction, in the state shown in FIG. 10, the resistance elements Rx1 and Rx3 contract in the X-axis direction, and the resistance elements Rx2 and Rx4 in the X-axis direction. An elongation phenomenon occurs, and in the state shown in FIG. 11, a phenomenon in which the relation of expansion and contraction is completely opposite to that in the state shown in FIG. 10 occurs. In the figure, the expanding element is indicated by the symbol "+", and the contracting element is indicated by the symbol "-".
[0056]
On the other hand, when the external force + Fx in the positive Y-axis direction or the external force −Fx in the negative Y-axis direction acts on the acting body 310, the same phenomenon as the above-described phenomenon on the X axis occurs on the Y axis. Therefore, the resistance elements Ry1 to Ry4 expand and contract in the Y-axis direction in the same manner.
[0057]
Further, when an external force + Fz in the positive direction of the Z-axis acts on the action body 310, the upper layer 100 is bent as shown in a side cross-sectional view of FIG. 12 (a cross section cut at the positions of the resistance elements Rz1 to Rz4). When the external force -Fz acts in the negative Z-axis direction, the upper layer 100 is bent as shown in the side sectional view of FIG. 13 (a cross section cut at the same position as in FIG. 12). At this time, focusing on the physical expansion and contraction of each piezoresistive element in the Y-axis direction, in the state shown in FIG. 12, the resistance elements Rz2 and Rz3 extend in the Y-axis direction, and the resistance elements Rz1 and Rz4 correspond to the Y-axis direction. Shrink. In the state shown in FIG. 13, the expansion and contraction relationship is reversed.
[0058]
Here, when each piezoresistive element is formed as a P-type impurity-doped region, the resistance value in the longitudinal direction increases when a stress in a direction in which the piezoresistive element physically extends acts on the piezoresistive element. When a stress acts in the direction of contraction, the resistance value decreases (in the case of an N-type impurity-doped region, the increase and decrease of the resistance value are reversed). Therefore, in each state shown in FIGS. 10 to 13, the resistance value of the resistance element with “+” increases, and the resistance value of the resistance element with “−” decreases.
[0059]
If such a phenomenon is used, a detection value indicating the X-axis direction component of the external force applied to the acting body is output based on the resistance values of the piezoresistive elements Rx1 to Rx4 constituting the X-axis direction component detection means. A detection value indicating the Y-axis direction component of the external force applied to the acting body is output based on the resistance values of the piezoresistive elements Ry1 to Ry4 constituting the Y-axis direction component detection unit. Based on the resistance values of the piezoresistive elements Rz1 to Rz4, a detection circuit having a function of outputting a detection value indicating a component in the Z-axis direction of an external force applied to the operation body can be realized.
[0060]
FIG. 14 is a circuit diagram showing a configuration example of such a detection circuit. In this detection circuit, a bridge voltage of a bridge circuit including four sets of piezoresistive elements is detected in order to detect a predetermined coordinate axis direction component. For example, as shown in the upper part of the figure, a predetermined voltage is applied from a power supply 61 to a bridge circuit for four sets of piezoresistive elements Rx1 to Rx4, and the bridge voltage at this time is measured by a voltmeter 64. As a result, the X-axis direction component is detected. Similarly, as shown in the middle of the figure, a predetermined voltage is applied from the power supply 62 to the bridge circuits for the four sets of piezoresistive elements Ry1 to Ry4, and the bridge voltage at this time is measured by the voltmeter 65. Thus, the detection of the Y-axis direction component is performed. Further, as shown in the lower part of the figure, a predetermined voltage is applied from the power supply 63 to the bridge circuit for the four sets of piezoresistive elements Rz1 to Rz4, and the bridge voltage at this time is measured by the voltmeter 66. Thus, the detection of the Z-axis direction component is performed.
[0061]
The fact that the detection of each axial component as described above can be performed by the detection circuit shown in FIG. 14 can be easily realized by focusing on the relationship between the increase and decrease of the resistance value of each resistance element shown in FIGS. I can understand. Further, if the detection of each axial component is performed by such a bridge circuit, the detected value of one axial component is independent of the detected value of the other axial component, and is independent for each coordinate axis. The obtained detected value can be obtained.
[0062]
According to an experiment conducted by the inventor of the present application, instead of the arrangement of the piezoresistive elements shown in FIG. 5, the arrangement shown in FIG. 15 (the positions of the resistive elements Ry3 and Ry4 and the positions of the resistive elements Rz3 and Rz4 are interchanged). ), A more accurate detection value could be obtained.
[0063]
Further, in order to increase the detection sensitivity by the piezoresistive element as much as possible, when the bridge portions 121 to 124 are bent, the piezoresistive elements are arranged at a position where the largest mechanical stress occurs. Is preferred. According to an experiment conducted by the inventor of the present application, with regard to the piezoresistive element arranged inside the bridge portion, the inside end thereof is aligned with the outside contour of the central connecting portion 210, and the piezoresistive element is arranged outside the bridge portion. When the outer end of the piezoresistive element is aligned with the inner contour of the peripheral connection portion 230, good detection sensitivity can be obtained. Specifically, as shown in the side sectional view of FIG. 3, the resistance element Rx2 disposed inside the first bridge portion 121 and the resistance element Rx3 disposed inside the third bridge portion 123 are described. Is located at a position where the inner end thereof is aligned with the outer contour line of the central connecting portion 210, and is disposed at the outer portion of the third bridge portion 123 and the resistance element Rx1 disposed at the outer portion of the first bridge portion 121. As for the resistance element Rx4 to be performed, the outer end thereof comes to a position aligned with the inner contour of the peripheral connection portion 230.
[0064]
<<<< §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.
[0065]
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, and in this embodiment, is a layer made of silicon. 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 this embodiment, is a layer made of silicon. 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. .
[0066]
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 island portion 110, each bridge portion 121 to 124, each fixing portion 131 to 134, the operating body 310, the pedestal 330, the central connection portion 210, the peripheral connection The material forming the portion 230 is 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.
[0067]
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 layer 20 is exposed, and the openings H1 to H4 are formed in the first layer 10, whereby the island-like portion 110, each bridge portion 121 to 124, and each fixing portion 131 are formed. To 134 are formed.
[0068]
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.
[0069]
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.
[0070]
FIG. 18 shows a state in which the third layer 30 is thus changed to a lower layer portion 300 including the acting body 310 (311 to 315) 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.
[0071]
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 portion of the second layer 20, that is, the formation region of the openings H1 to H4 and the grooves G1 and G2.
[0072]
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 openings H1 to H4 and the vicinity of the formation region of the groove portions G1 and G2 are etched away, and the center connection portion 210 (FIG. 19 (not shown in FIG. 19), a peripheral connection 230 is formed. The reason for using an etching method in which erosion is performed not only in the thickness direction but also in the layer direction in this step is that the portion of the second layer 20 existing in the hatched region in FIG. 9 is removed by etching. To do that. As shown in the side sectional view of FIG. 19, in the middle layer portion 200, a portion corresponding to the hatched region in FIG. 9 is a void, which is due to such erosion in the layer direction. is there. When the middle layer 200 is formed by an etching process in which erosion in the layer direction is performed, as shown in the structure of FIG. 19, the end faces of the respective parts constituting the middle layer 200 have rounded surfaces. However, the function of joining the upper layer portion 100 and the lower layer portion 300 is not affected at all. For example, the inner end surface of the peripheral connection portion 230 shown in FIG. 19 is a portion that is eroded by the etchant that has entered from the groove portion G1, and the eroded surface is a surface having a radius as shown in FIG. No problem occurs in the function of connecting to the lower layer part 300.
[0073]
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 an opening or a groove having a predetermined dimension, and the second condition is a condition for using the second layer 20 made of silicon oxide as an etching stopper layer. This is a necessary condition.
[0074]
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.
[0075]
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.
[0076]
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.
[0077]
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.
[0078]
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.
[0079]
<<<< §4. Some modified examples >>>
As described above, the present invention has been described based on the basic embodiment illustrated, but the present invention is not limited to this embodiment, and can be implemented in various other modes. Here, some modifications of the present invention will be described.
[0080]
First, a modified example of the sensor body according to the present invention that can further increase the detection sensitivity will be described. In order to be able to detect a very small force or acceleration using the sensor body according to the above-described embodiment, even if a slight external force acts on the action body 310, the bridge portions 121 to 124 bend. Need to occur. For that purpose, the bridge parts 121 to 124 need to have a structure that is extremely flexible. One means for responding to such a requirement is to reduce the thickness of the upper layer portion 100. In the manufacturing method of §3 described above, the sensor body is manufactured using the SOI substrate as a material. At this time, the SOI substrate in which the thickness of the silicon layer as the first layer 10 is as small as possible is selectively used. Then, a sensor body having a thin bridge portion can be obtained, and the detection sensitivity can be increased.
[0081]
However, if the entire thickness of the upper layer portion 100 is reduced, a practical problem occurs. That is, since the upper layer portion 100 is a layer that configures the bridge portions 121 to 124 and also a layer that configures the fixing portions 131 to 134, when the entire thickness of the upper layer portion 100 is reduced, the thickness of the fixing portions 131 to 134 is reduced. Therefore, the strength of the fixing portion becomes problematic. As described above, the inner portions (hatched portions in FIG. 9) of the fixing portions 131 to 134 have a function of controlling excessive displacement of the operating body 310 by contacting the control surface of the operating body 310. Therefore, it is necessary to secure the strength of the fixing portions 131 to 134 so that the fixing portions 131 to 134 do not break even if a part of the action body 310 collides.
[0082]
As described above, in order to increase the detection sensitivity while securing the mechanical strength of a necessary portion, the thickness of the bridge portion may be set smaller than the thickness of the fixing member. In the modification described here, the thickness of the entire cross member including the bridge portion is set to be smaller than the thickness of the fixing member. FIG. 20 is a top view of the upper layer portion 100A of the sensor main body according to this modification, and the hatched portion in the figure corresponds to a cross-shaped member (the hatched portion indicates the entire region of the cross-shaped member. , Not for showing the cross section). In FIG. 20, the illustration of the piezoresistive element is omitted.
[0083]
In the upper layer portion 100A shown in FIG. 20, a cross-shaped member is formed by the island portions 110A, the bridge portions 121A to 124A, and the bridge outer portions 121B to 124B, and a fixing member 130A is formed by the fixing portions 131A to 134A. (Thick broken lines indicate the boundaries of each region). The thickness of the portion of the cross-shaped member indicated by hatching in the figure is set smaller than the thickness of the portion of the fixed member 130A not hatched. Thereby, the thickness of the bridge portions 121A to 124A is reduced, the detection sensitivity can be increased, and the thickness of the fixing member 130A can be secured with sufficient strength.
[0084]
FIG. 21 is a side sectional view (showing a section cut along the X axis) of a sensor body according to a modification using the upper layer portion 100A shown in FIG. It is clearly shown that the thickness of the island-shaped portion 110A, the bridge portions 121A and 123A, and the bridge outer portions 121B and 123B constituting the cross member is set to be smaller than the thickness of the fixed member. As shown in the drawing, the piezoresistive elements Rx1 to Rx4 arranged along the X axis are formed on the upper surfaces of the bridge portions 121A and 123A whose thickness is set to be small.
[0085]
In this modification, outside bridge portions 121B to 124B each having a small thickness are provided outside each of the bridge portions 121A to 124A having a small thickness. As is clear from the side sectional view of FIG. 21, the bridge outer portions 121B to 124B are located above the peripheral connection portion 230. In other words, in this modification, the outer portion of each bridge portion extends to a portion above the peripheral connection portion 230. As described above, when the outside of the bridge portion whose thickness is set to be small is extended to reach the upper portion of the peripheral connection portion 230, stress can be transmitted more efficiently to the piezoresistive element disposed in the vicinity. it can. For example, in the case of the example shown in FIG. 21, the stress can be efficiently transmitted to the piezoresistive elements Rx1 and Rx4 by setting the outer bridge portions 121B and 123B thin.
[0086]
In order to create the upper layer portion 100A as shown in FIG. 20, in the manufacturing process described in §3, the cross member of the upper layer portion is formed such that the thickness of the cross member becomes smaller than the thickness of the fixing member. A thickness adjusting step of etching and removing an upper layer portion of a region to be formed (hatched region in FIG. 20) is further added. In the resistance element forming step, a piezo is provided at a predetermined position of the cross member whose thickness has been adjusted. What is necessary is just to form a resistance element.
[0087]
Finally, a modified example in which the sensor body according to the above-described basic embodiment is used for an acceleration sensor will be described. FIG. 22 is a side cross-sectional view of an acceleration sensor according to such a modification (showing a cross section of the sensor main body of FIG. 1 taken along a cutting line 3-3). As illustrated, a control board 400 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. According to such a structure, when the magnitude of a predetermined direction component (a component going downward in the figure) of the acceleration acting on the operating body 310A exceeds a predetermined allowable value, the bottom surface of the operating body 310A is moved to the control board 400A. , And further displacement is controlled. Thereby, breakage of the cross member can be prevented.
[0088]
As described above, in order to make the thickness of the acting body 310A smaller than the thickness of the pedestal 330, in the manufacturing process described in §3, a thickness adjusting step of etching and removing a lower layer portion of a region to be an acting body. In order to obtain the structure shown in FIG. 22, a control board bonding step of bonding the control board 400 to the bottom surface of the pedestal 330 may be added.
【The invention's effect】
As described above, according to the force sensor and the acceleration sensor using the resistance element according to the present invention and the method of manufacturing the same, it is possible to easily configure a precise control structure for limiting the displacement of the working body.
[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 side sectional view showing a state in which an external force + Fz in the positive direction of the Z-axis has acted on the sensor main body shown in FIG. 1 (a sectional view taken along a position along resistance elements Rz1 to Rz4).
FIG. 13 is a side sectional view showing a state in which an external force −Fz in the negative direction of the Z-axis has acted on the sensor main body shown in FIG. 1 (a sectional view taken along a position along the resistance elements Rz1 to Rz4).
14 is a circuit diagram showing an example of a detection circuit applied to the sensor main body shown in FIG.
FIG. 15 is a top view showing another example of the arrangement of the piezoresistive elements in 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);
FIG. 20 is a top view of an upper layer portion according to a modified example of the sensor main body shown in FIG. 1 (hatching indicates a planar area, not a cross section).
21 is a side sectional view of the modification shown in FIG. 20 (showing a cross section along the X axis).
FIG. 22 is a side sectional view showing an example of an acceleration sensor 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: first layer (silicon layer)
20: Second layer (silicon oxide layer)
30: Third layer (silicon layer)
61 to 63: Power supply
64-66: Voltmeter
100, 100A: upper layer (silicon layer)
110, 110A: island-shaped part (part of cross-shaped member)
120, 120A: Bridge (part of cross-shaped member)
121, 121A: First bridge section
122, 122A: Second bridge section
123, 123A: Third bridge section
124, 124A: fourth bridge section
121B-124B: Bridge outside
130, 130A: fixing member
131, 131A: first fixing portion
132, 132A: second fixing portion
133, 133A: Third fixing portion
134, 134A: fourth fixing portion
200: middle layer (silicon oxide layer)
210: Central connection
230: Peripheral connection
300: Lower layer (silicon layer)
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
d: Specified dimensions
+ Fx, -Fx: External force in the X-axis direction
+ Fz, -Fz: External force in the Z-axis direction
G1, G2: groove
H1 to H4: opening
Rx1 to Rx4, Ry1 to Ry4, Rz1 to Rz4: Piezoresistive element
X, Y, Z: coordinate axes

Claims

An upper layer portion, a middle layer portion, a sensor body having at least a three-layer structure of a lower layer portion, and a detection circuit for extracting a detection value as an electric signal,
The origin O is taken at the center position of the upper surface of the upper layer, the X axis and the Y axis are respectively taken in directions perpendicular to each other on the upper surface of the upper layer, and the Z axis is taken in a direction perpendicular to the upper surface of the upper layer. Thus, when an XYZ three-dimensional rectangular coordinate system is defined,
The upper layer portion includes an island portion arranged near the origin O, a first bridge portion extending from the island portion in the positive X-axis direction, and a second bridge portion extending from the island portion in the positive Y-axis direction. A cross-shaped member having five portions: a third bridge portion extending in the negative X-axis direction from the island portion; and a fourth bridge portion extending in the negative Y-axis direction from the island portion. A first fixed part located in a first quadrant in XY coordinates, a second fixed part located in a second quadrant in XY coordinates, a third fixed part located in a third quadrant in XY coordinates, A fourth fixing portion located in a fourth quadrant in XY coordinates, and a fixing member having four portions, wherein a periphery of the cross member is surrounded by the fixing member, and each of the bridge portions is The outer part of is connected to the fixing member,
The lower layer includes a first blade located in a first quadrant in XY coordinates, a second blade located in a second quadrant in XY coordinates, and a third blade located in a third quadrant in XY coordinates. Part, a fourth blade part located in a fourth quadrant in XY coordinates, and the first blade part, the second blade part, the third blade part, and the fourth blade part near the center. And a pedestal that surrounds the working body having a blade joint portion connected to each other, and a predetermined interval with respect to the working body,
The middle layer portion includes a central connection portion that connects a lower surface of the island portion and an upper surface of the blade joint portion, and a peripheral connection portion that connects an upper surface of the pedestal and a lower surface of the fixing member. Yes,
An outer part of the upper surface of the first blade part forms a control surface facing a part of an inner surface of the lower surface of the first fixed part, and an outer part of the upper surface of the second blade part is A control surface opposing a part inside the lower surface of the second fixed part is formed, and a part outside the upper surface of the third blade part is a control surface opposing a part inside the lower surface of the third fixed part. A part outside the upper surface of the fourth blade part forms a control surface facing a part inside the lower surface of the fourth fixing part;
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, and have a property of being bent. The working body is configured to cause displacement with respect to the pedestal,
A piezoresistive element is disposed at a predetermined position of the first bridge, the second bridge, the third bridge, and the fourth bridge, and the detection circuit includes a piezoresistor. Based on the resistance value of the element, output a detection value indicating the external force acting on the working body,
The thickness of the middle layer portion is set so that when an external force exceeding a predetermined allowable range is applied, the upper surface of at least one of the blade portions contacts the lower surface of the opposed fixed portion to control the displacement. A force sensor using a resistance element.

The force sensor according to claim 1,
The upper layer is provided with openings penetrating in the thickness direction at predetermined positions in the first quadrant, the second quadrant, the third quadrant, and the fourth quadrant in the XY coordinates, respectively. A force sensor using a resistance element, wherein a side portion is physically separated from a fixing member.

The force sensor according to claim 1 or 2,
A force sensor using a resistance element, wherein a material forming an upper layer portion and a lower layer portion and a material forming an intermediate layer portion are made of materials having different etching characteristics from each other.

The force sensor according to claim 3,
A force sensor using a resistance element, wherein an upper layer portion and a lower layer portion are formed of a silicon layer, and an intermediate layer portion is formed of a silicon oxide layer.

The force sensor according to claim 4,
A force sensor using a resistance element, wherein the sensor body is formed of an SOI substrate having a three-layer structure of a silicon layer / a silicon oxide layer / a silicon layer.

The force sensor according to claim 4 or 5,
A force sensor using a resistive element, wherein the piezoresistive element is constituted by an impurity-doped region formed in an upper layer portion made of a silicon layer.

The force sensor according to any one of claims 1 to 6,
A force sensor using a resistance element, wherein a thickness of a bridge portion is set smaller than a thickness of a fixing member.

The force sensor according to claim 7,
A force sensor using a resistance element, wherein an outer portion of each bridge portion extends to a portion above a peripheral connection portion.

The force sensor according to any one of claims 1 to 8,
By a total of four sets of piezoresistive elements arranged at each position of the inner part of the first bridge part, the outer part of the first bridge part, the inner part of the third bridge part, and the outer part of the third bridge part X-axis direction component detection means is configured,
A detection circuit for outputting a detection value indicating an X-axis direction component of an external force applied to the acting body, based on a resistance value of each piezoresistive element constituting the X-axis direction component detection means; Force sensor using

The force sensor according to claim 9,
A total of four sets of piezoresistive elements arranged at respective positions of the inner portion of the second bridge portion, the outer portion of the second bridge portion, the inner portion of the fourth bridge portion, and the outer portion of the fourth bridge portion Y-axis direction component detection means is configured,
A detection circuit having a function of outputting a detection value indicating a Y-axis direction component of an external force applied to the acting body based on a resistance value of each piezoresistive element constituting the Y-axis direction component detection means; A force sensor using a resistance element, which independently detects XY two-dimensional components.

The force sensor according to claim 10,
A total of four sets of piezoresistive elements disposed at respective positions of an inner portion of the first bridge portion, an outer portion of the first bridge portion, an inner portion of the third bridge portion, and an outer portion of the third bridge portion; Alternatively, a total of four sets of piezoresistors arranged at respective positions of the inner portion of the second bridge portion, the outer portion of the second bridge portion, the inner portion of the fourth bridge portion, and the outer portion of the fourth bridge portion The element constitutes a Z-axis direction component detecting means,
The detection circuit has a function of outputting a detection value indicating a Z-axis direction component of an external force applied to the acting body based on a resistance value of each piezoresistive element constituting the Z-axis direction component detection means, A force sensor using a resistance element, which detects XYZ three-dimensional components independently.

The force sensor according to any one of claims 9 to 11,
The inner end of the piezoresistive element in the inner part of the bridge is arranged so as to be aligned with the outer contour of the central connection part, and the outer end of the piezoresistor in the outer part of the bridge is aligned with the inner contour of the peripheral connection. A force sensor using a resistance element, which is arranged so as to be aligned.

The force sensor according to any one of claims 9 to 12,
A force sensor using a resistance element, wherein the detection circuit has a circuit for detecting a bridge voltage of a bridge circuit composed of four sets of piezoresistive elements as a circuit for detecting a predetermined coordinate axis direction component.

A force sensor according to any one of claims 1 to 13, 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 resistance element.

The acceleration sensor according to claim 14,
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 resistance element.

A method of manufacturing a force sensor or an acceleration sensor according to any one of claims 1 to 15,
The first layer, the second layer, and the third layer are laminated in order from the top, and the first layer and the second layer have different etching characteristics from each other. Preparing a material substrate such that the layer and the second layer have different etching characteristics from each other;
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. Etching in the thickness direction until the upper surface of the first layer is exposed, and forming an opening in the first layer to form a cross member and a fixing member that are part of the first layer. A forming stage;
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,
Forming a piezoresistive element at a predetermined position of each bridge portion forming a part of the cruciform member;
A method for manufacturing a force sensor or an acceleration sensor, comprising:

The method for manufacturing a sensor according to claim 16,
The thickness of the cruciform member may be smaller than the thickness of the fixing member. The thickness of the cruciform member may be smaller than the thickness of the fixing member. A method of manufacturing a force sensor or an acceleration sensor, wherein a piezoresistive element is formed at a predetermined position of the adjusted cross member.

The method for manufacturing an acceleration sensor according to claim 16 or 17,
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;
A method for manufacturing an acceleration sensor, further comprising:

The method for manufacturing a sensor according to any one of claims 16 to 18,
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.