JP2009020001A - 加速度センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】ストッパ部の破損を防止することで、耐久性を向上させる加速度センサを得る。
【解決手段】錘部材３６に下向きの振動が加えられ、錘部材３６が下側に変位すると、錘部材３６の底面が底板９０に当って、錘部材３６は停止して下側の変位は阻止される。また、錘部材３６が上側に変位すると、周辺錘部３６Ｂがストッパ部２０に当って、錘部材３６は停止して上側の変位は阻止される。ストッパ部２０に当って錘部材３６の変位が阻止されるため、ストッパ部２０の強度が低いとストッパ部２０の破損が考えられる。しかし、ストッパ部２０の両側にストッパ部２０を補強する補強部２４が設けられていため、ストッパ部２０の破損を防止し、これにより、加速度センサ１００の耐久性を向上させることができる。
【選択図】図１
【解決手段】錘部材３６に下向きの振動が加えられ、錘部材３６が下側に変位すると、錘部材３６の底面が底板９０に当って、錘部材３６は停止して下側の変位は阻止される。また、錘部材３６が上側に変位すると、周辺錘部３６Ｂがストッパ部２０に当って、錘部材３６は停止して上側の変位は阻止される。ストッパ部２０に当って錘部材３６の変位が阻止されるため、ストッパ部２０の強度が低いとストッパ部２０の破損が考えられる。しかし、ストッパ部２０の両側にストッパ部２０を補強する補強部２４が設けられていため、ストッパ部２０の破損を防止し、これにより、加速度センサ１００の耐久性を向上させることができる。
【選択図】図１
Description
本発明は、ＸＹＺの３軸方向の加速度を検出するための加速度センサに関する。
特許文献１に記載の加速度センサによると、加速度測定対象物から振動が伝達され、錘固定部に取り付けられた錘部材が加振されると、錘固定部が変位し、これにより、錘固定部と隣り合う梁部が撓む。また、この梁部が撓むことで、梁部に取り付けられた抵抗素子の抵抗値が変化し、この抵抗値の変化に基づいて加速度測定対象物の加速度が測定される。
ここで、錘部材の下側への変位は、この錘部材の底面が底板に当って阻止され、上側への変位は、錘部材の上面が、ストッパ部と当って阻止される。
このように、ストッパ部が錘部材の上側への変位を阻止することで、過大な加速度による抵抗素子（加速度センサ）の破壊を防止している。
特開２００４−１９８２４３号公報
一方、近年、加速度センサに対し耐久性の向上が求められているが、従来の加速度センサでは、錘部材がストッパ部へ強く当ってストッパ部が破損すると、梁部が大きく撓んで抵抗素子が過大に変位して破壊されることとなる。
本発明は、上記事実を考慮し、ストッパ部の破損を防止することで、加速度センサの耐久性を向上させることが課題である。
本発明の請求項１に係る加速度センサは、錘固定部と、該錘固定部の周囲に離間して形成される周辺固定部と、該錘固定部と該周辺固定部とを接続する梁部と、該錘固定部及び該梁部と離間し、該周辺固定部に隣接するストッパと、該錘固定部、該周辺固定部、該梁部、及び該ストッパを画成する開口部を備える第１の基板と、前記周辺固定部を支持する台座部と、前記錘固定部に固定される中央錘部と、該中央錘部から四方へ伸びる周辺錘部と、を備える錘部材と、を有する加速度センサにおいて、前記ストッパは、前記周辺錘部の角部が上方へ過度に変位すると接触するストッパ部と、該ストッパ部から前記梁部へ向って延在する補強部と、を備えることを特徴とする。
上記構成によれば、第１の基板の周辺固定部が台座部に支持されている。この台座部に振動が伝達されると、錘部材が振動する。また、錘部材が振動すると、錘部材に備えられた中央錘部と固定された錘固定部が変位する。さらに、錘固定部が変位すると、錘固定部と接続される梁部が撓む。例えば、梁部に抵抗素子を取り付けることで、梁部の撓みによりこの抵抗素子の抵抗値が変化し、この抵抗値の変化に基づいて加速度が検知される。
また、周辺固定部と隣接するストッパには、中央錘部から四方へ伸びる周辺錘部の角部が上方へ過度に変位すると接触するストッパ部が設けられており、ストッパ部は、周辺錘部と当って錘部材の変位を阻止し、過大な加速度による加速度センサの破壊を防止している。
ここで、周辺錘部がストッパ部に強く当ることで、ストッパ部が破損することが考えられる。しかし、ストッパには、ストッパ部から梁部へ向って延在する補強部が設けられている。この補強部は、周辺錘部がストッパ部に当ることで発生する応力を緩和する。これにより、ストッパ部の破損を防止することができ、さらに、加速度センサの耐久性を向上させることができる。
本発明の請求項２に係る加速度センサは、請求項１に記載において、前記補強部の前記開口部に臨む開口縁は、直線形状であることを特徴とする。
上記構成によれば、補強部の開口部に臨む開口縁は、直線形状である。このため、この直線部が均等に撓んで、錘部材がストッパ部に当ることで発生する応力を緩和することができる。
本発明の請求項３に係る加速度センサは、請求項１に記載において、前記補強部の前記開口部に臨む開口縁は、湾曲形状であることを特徴とする。
上記構成によれば、補強部の開口部に臨む開口縁は、湾曲形状である。このため、補強部の開口縁には、局部的な形状変化がなく、錘部材がストッパ部に当ることで発生する応力が局部的に集中することを防止することができる。
本発明によれば、ストッパ部の破損を防止することで、加速度センサの耐久性を向上させることができる。
本発明の第１実施形態に係る加速度センサ１００の実施形態について図１〜図１０に従って説明する。
図２（Ｂ）に示されるように、加速度センサ１００は、厚さ５μｍ程度の第１のシリコン基板１０と厚さ５２５μｍ程度の第２のシリコン基板３０とを絶縁層５０を介して貼り合わせたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハに、エッチング等の処理を施して形成したものである。
図１、図２（Ａ）に示されるように、加速度センサ１００の１個分のシリコン基板１０は、一辺が２．５ｍｍ程度のほぼ正方形され、シリコン基板１０の周辺部は、後述する台座部３２（図２（Ｂ）参照）に支持されている。さらに、シリコン基板１０の内側に４個の開口部１２を設けることにより、周辺固定部１４、錘固定部１６、梁部１８、及びストッパ２３の各領域が形成されている。
詳細には、シリコン基板１０の中央側に設けられ、１辺が７００μｍ程度とされた錘固定部１６には、錘部材３６が固定されている。さらに、錘部材３６は、錘固定部１６に対応した直方体状の中央錘部３６Ａ（図２（Ｃ）参照）と、中央錘部３６Ａの四隅に接続されると共に、四方へ伸びて配置され、シリコン基板１０と非接合状態にある直方体状の周辺錘部３６Ｂを備えている。
また、図１に示されるように、錘固定部１６の四方には、シリコン基板１０を開口し、周辺錘部３６Ｂの角部を隠すように残して周辺錘部３６Ｂを露出させる開口部１２が設けられている。
さらに、４つの開口部１２で画成され、縦及び横方向に直交するように設けられた幅４００μｍ程度の４つの梁部１８が錘固定部１６と隣り合って設けられている。また、この梁部１８の表面には、機械的歪みによって電気抵抗が変化するピエゾ抵抗効果を有する矩形状の抵抗素子２２が夫々２個設けられている。
また、シリコン基板１０の周辺部には、梁部１８と隣り合い、台座部３２（図２（Ｂ）参照）に接合される幅５００μｍ程度の四角枠状の周辺固定部１４が設けられている。
さらに、周辺錘部３６Ｂの角部が上方へ過度に変位すると接触すると共に、ストッパ２３に備えられた三角形状のストッパ部２０が、開口部１２の外側で周辺固定部１４と隣接して設けられている。また、ストッパ部２０には、複数の小さな開口部８０が設けられている。
さらに、ストッパ２３には、ストッパ部２０から梁部１８へ向って延在する補強部２４が設けられている。また、開口部１２に臨む補強部２４の開口縁２４Ａは、直線形状とされている。
一方、図２（Ｄ）に示されるように、シリコン基板３０には、シリコン基板１０の周辺固定部１４に対応して周辺に設けられた幅５００μｍ程度の台座部３２が、周辺錘部３６Ｂとの間に隙間３４を設けて配置されている。さらに、台座部３２をシリコン基板１０とで挟むように底板９０が台座部３２の端部に固定されている。
また、図２（Ｂ）に示されるように、シリコン基板３０において、シリコン基板１０の梁部１８に対応する箇所は、溝部３８としてシリコンが除去されている。さらに、錘部材３６の厚さ（高さ）は、台座部３２の厚さよりも最大許容変位量（例えば、５μｍ）だけ薄く形成されている。
シリコン基板１０，３０は、周辺固定部１４に対応して残された絶縁層５０の酸化膜５２と、錘固定部１６に対応して残された絶縁層５０の酸化膜５４を介して相互に接続されている。
なお、参考に、各層のパターンを示す平面図を、図５（Ａ）〜（Ｃ）に示す。図５（Ａ）は、シリコン基板１０の平面図であり、図５（Ｂ）は絶縁層５０の平面図であり、図５（Ｃ）はシリコン基板３０の平面図である。
次に図３、図４に沿って、加速度センサ１００の製造方法について説明する。
先ず、図３（Ａ）に示されるように、工程１で、例えば、厚さ５μｍで体積抵抗率６〜８Ω／ｃｍ程度のＮ型のシリコン基板１０と厚さ５２５μｍで体積抵抗率１６Ω／ｃｍ程度のシリコン基板３０を、厚さ５μｍ程度の酸化シリコンによる絶縁層５０を介して貼り合わせたＳＯＩウエハを準備する。
次に、図３（Ｂ）に示されるように、工程２で、シリコン基板１０の表面に、１０００℃程度の加湿雰囲気を用いた熱酸化条件で、厚さ０．４μｍ程度の酸化シリコンによる保護膜７２を形成する。
次に、図３（Ｃ）に示されるように、工程３で、ホトリソエッチング技術を用いて保護膜７２に開口部７２Ａを設け、ボロン拡散法により、シリコン基板１０の表面に抵抗素子２２等（図１参照）となるＰ型の拡散層７４を形成する。更に、拡散層７４の表面にＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって保護酸化膜７２Ｂを形成する。
次に、図３（Ｄ）に示されるように、工程４で、ホトリソエッチング技術を用いて保護酸化膜７２Ｂに電極取り出し口７２Ｃを開口し、メタルスパッタリング技術を用いて保護膜７２上にアルミニウムを堆積する。更に、ホトリソエッチング技術を用いてアルミニウムをエッチングし、配線７６を同時に形成する。
次に、図３（Ｅ）に示されるように、工程５で、ＰＲＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて、保護膜７２及びその上に 形成された配線７６の表面に、保護用のシリコン窒化膜７８を形成する。尚、次の工程６以降の説明では、このシリコン窒化膜７８の図示を省略している。
次に、図３（Ｆ）に示されるように、工程６で、シリコン窒化膜７８上にホトレジストを形成し、ホトリソエッチング技術を用いて、梁部１８とストッパ部２０を区隔する開口部１２と、後の工程で周辺錘部３６Ｂとストッパ部２０（図１参照）の間に介在する絶縁層５０を除去するために用いる開口部８０を形成する。
次に、図４（Ａ）に示されるように、工程７で、ＳＯＩウエハの裏面、即ちシリコン基板３０の表面に、ＣＶＤ技術を用いて酸化膜８２を形成する。台座部３２に対応するように周囲の酸化膜８２を残し、中央部の酸化膜８２をホトリソエッチング技術を用いて除去して、開口部８２Ａを形成する。
次に、図４（Ｂ）に示されるように、工程８で、周辺部に残された酸化膜８２をエッチングマスクとし、ガスチョッピング・エッチング技術（ＧＣＥＴ：Ｇａｓ Ｃｈｏｐｐｉｎｇ Ｅｔｃｈｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，所謂Ｂｏｓｃｈ法）を用いてシリコン基板３０の表面を２０μｍ程度エッチングし、凹部３０Ａを形成する。
次に、図４（Ｃ）に示されるように、工程９で、ホトリソ技術により、シリコン基板３０の台座部３２と錘部材３６の間の隙間３４及び溝部３８を形成するためのエッチングマスク８６を形成する。
次に、図４（Ｄ）に示されるように、工程１０で、ＧＣＥＴを用いて、シリコン基板３０の隙間３４と溝部３８を形成する。
次に、図４（Ｅ）に示されるように、工程１１で、工程１０までの処理が完了したＳＯＩウエハを緩衝ふっ酸に浸漬し、シリコン基板１０，３０間の絶縁層５０をエッチングする。この時、シリコン基板１０に設けられた開口部１２，８０と、シリコン基板３０の隙間３４及び溝部３８から緩衝ふっ酸が流入し、周辺錘部３６Ｂとストッパ部２０の間に介在する絶縁層５０が除去される。
その後、通常の半導体製造方法と同様に、ＳＯＩウエハからチップを切り出し、所定の配線を行う。
次に、加速度センサ１００の動作について説明する。
図２（Ｂ）に示されるように、加速度センサ１００に加速度が加えられると、慣性力により錘部材３６に応力が作用し、錘部材３６が変位する。また、錘部材３６が変位すると、錘部材３６に備えられた中央錘部３６Ａと接合される錘固定部１６が変位する。さらに、錘固定部１６が変位すると、錘固定部１６と隣り合う梁部１８が撓み、これより、梁部１８に取り付けられた抵抗素子２２の抵抗値が変化し、この抵抗値の変化に基づいて加速度が検知される。
ここで、錘部材３６に下向きの振動が加えられ、錘部材３６が下側に変位すると、錘部材３６の底面が底板９０に当って、錘部材３６は停止して下側の変位は阻止される。また、錘部材３６が上側に変位すると、周辺錘部３６Ｂがストッパ部２０（図１参照）に当って、錘部材３６は停止して上側の変位は阻止される。
ここで、錘部材３６が上側に変位したときに、ストッパ部２０に当って錘部材３６の変位が阻止される。このため、ストッパ部２０の強度が低いとストッパ部２０が破損し、さらに、ストッパ部２０が破損することで、梁部１８が大きく撓んで抵抗素子２２が過大に変位して破壊されることが考えられる。しかし、本実施形態では、ストッパ部２０の両側にストッパ部２０を補強する補強部２４が設けられている。
そして、本願の発明者は、構造解析を利用して、この補強部２４の作用について確認した。
図６（Ａ）には、上側に変位する周辺錘部３６Ｂ（図１参照）がストッパ部２０に当ったときの応力が示されている。色の濃い部位は応力が高い場所で、色が薄い部位は応力が低い場所である。また、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の比較例として、ストッパ部２０に補強部２４が設けられていない場合を示している。
図６（Ａ）（Ｂ）より、三角形状のストッパ部２０の直交する２辺に沿って応力が集中するのが分かる。また、図６（Ｂ）に示されるように、補強部２４を備えない従来の構造では、色が濃くなっている応力集中部位が、ストッパ部２０の縁部と周辺固定部１４の縁部が交差する点Ｋまで伸びている。このため、従来の構造では、この点Ｋを起点に、亀裂が生じる可能性がある。しかし、図６（Ａ）に示されるように、補強部２４を設けることで、応力集中部位が補強部２４の面内に吸収され、応力集中部位が縁部にまで達しない。このように、縁部から亀裂が生じることを効果的に防止していることが分かる。
また、図７（Ａ）には、上側に変位する周辺錘部３６Ｂがストッパ部２０に当ったときのストッパ部２０の相当応力（縦軸）と時間（横軸）の関係がグラフで示されている。点線で示されているのが、補強部２４が設けられていない場合を示し、実線で示されているのが、補強部２４が設けられた本実施形態の構造である。点線と実線を比較して分かるように、補強部２４を設けることで、相当応力を小さくすることができる。
さらに、図７（Ｂ）には、上側に変位する錘部材３６がストッパ部２０に当ったときのストッパ部２０の変位（縦軸）と時間（横軸）の関係がグラフで示されている。点線で示されているのが、補強部が設けられていない構造の変位と時間の関係を示し、実線で示されているのが、補強部２４が設けられた本実施形態の構造である。点線と実線を比較して分かるように、ストッパ部２０の変位については、補強部２４の有無で変化がほとんどないことが分かる。
また、図８（Ａ）には、左右方向に変位する錘部材３６がストッパ部２０に当ったときのストッパ部２０の相当応力（縦軸）と時間（横軸）の関係がグラフで示されている。点線で示されているのが、補強部２４が設けられていない構造の応力と時間の関係を示し、実線で示されているのが、補強部２４が設けられた本実施形態の構造である。点線と実線を比較して分かるように、補強部２４を設けることで、相当応力を小さくすることができる。
さらに、図８（Ｂ）には、左右に変位する錘部材３６がストッパ部２０に当ったときのストッパ部２０の変位（縦軸）と時間（横軸）の関係がグラフで示されている。点線で示されているのが、補強部が設けられていない構造の変位と時間の関係を示し、実線で示されているのが、補強部２４が設けられた本実施形態の構造である。点線と実線を比較して分かるように、補強部２４を設けることで、変位を少なくすることができる。
また、図９（Ａ）には、補強部２４を設けることによるストッパ部２０の最大相当応力の変化が示されている。点線で示すのが、上側に変位する錘部材３６がストッパ部２０に当ったときの最大相当応力の変化で、実線で示すのが、左右に変位する錘部材３６がストッパ部２０に当ったときの最大相当応力の変化である。補強部２４を設けることで、錘部材３６が上側に変位する場合は、最大相当応力が１３％低下し、錘部材３６が左右に変位する場合は、最大相当応力が１０％低下するこが分かる。
さらに、図９（Ｂ）には、左右に変位する錘部材３６がストッパ部２０に当ったときの梁部１８の相当応力が、補強部２４を設けることでどのように変化するかが示されている。梁部１８の相当応力ついては、補強部２４の有無で変化がないことが分かる。
また、図１０には、左右方向に変位する錘部材３６がストッパ部２０に当ったときの梁部１８の相当応力（縦軸）と時間（横軸）の関係がグラフで示されている。点線で示されているのが、補強部２４が設けられていない構造を示し、実線で示されているのが、補強部２４が設けられた本実施形態の構造である。点線と実線を比較して分かるように、補強部２４の有無で変化がほとんどないことが分かる。つまり、補強部２４を設けることで梁部１８の相当応力を変えることなく、ストッパ部２０の相当応力を下げることができることが分かる。
以上の解析結果からも分かるように、ストッパ部２０の両側に補強部２４を設けることで、ストッパ部２０の応力が下がり、ストッパ部２０の破損を防止することができ、これにより、加速度センサ１００の耐久性を向上させることができる。
また、開口部１２に臨む補強部２４の開口縁２４Ａを直線形状とすることで、この直線部が均等に撓んで、周辺錘部３６Ｂがストッパ部２０に当ることで発生する応力を緩和することができる。
また、４つの梁部１８が開口部１２によって区画しており、梁部１８が撓みやすくなっているため、加速度センサ１００の感度を向上させることができる。
次に本発明の加速度センサ１００の第２実施形態について図１１に従って説明する。
なお、第１実施形態と同一部材については、同一符号を付してその説明を省略する。
図１１に示されるように、この実施形態では第１実施形態とは違い、開口部１２に臨む補強部２６の開口縁２６Ａは、湾曲形状とされており、ストッパ部２０の開口縁２０Ａ、及び周辺固定部１４の開口縁１４Ａと接するように設けられている。
このため、開口縁１４Ａ、開口縁２０Ａ、及び開口縁２６Ａには、局部的な形状変化がなく、周辺錘部３６Ｂがストッパ部２０に当ることで発生する応力が局部的に集中することを防止することができる。
１０ シリコン基板（第１の基板）
１２ 開口部
１４Ａ 開口縁
１６ 錘固定部
１８ 梁部
２０ ストッパ部
２０Ａ 開口縁
２２ 抵抗素子
２３ ストッパ
２４ 補強部
２４Ａ 開口縁
２６ 補強部
２６Ａ 開口縁
３２ 台座部
３６ 錘部材
３６Ａ 中央錘部
３６Ｂ 周辺錘部
１００ 加速度センサ
１２ 開口部
１４Ａ 開口縁
１６ 錘固定部
１８ 梁部
２０ ストッパ部
２０Ａ 開口縁
２２ 抵抗素子
２３ ストッパ
２４ 補強部
２４Ａ 開口縁
２６ 補強部
２６Ａ 開口縁
３２ 台座部
３６ 錘部材
３６Ａ 中央錘部
３６Ｂ 周辺錘部
１００ 加速度センサ
Claims (3)
- 錘固定部と、該錘固定部の周囲に離間して形成される周辺固定部と、該錘固定部と該周辺固定部とを接続する梁部と、該錘固定部及び該梁部と離間し、該周辺固定部に隣接するストッパと、該錘固定部、該周辺固定部、該梁部、及び該ストッパを画成する開口部を備える第１の基板と、
前記周辺固定部を支持する台座部と、
前記錘固定部に固定される中央錘部と、該中央錘部から四方へ伸びる周辺錘部と、を備える錘部材と、
を有する加速度センサにおいて、
前記ストッパは、前記周辺錘部の角部が上方へ過度に変位すると接触するストッパ部と、該ストッパ部から前記梁部へ向って延在する補強部と、を備えることを特徴とする加速度センサ。 - 前記補強部の前記開口部に臨む開口縁は、直線形状であることを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
- 前記補強部の前記開口部に臨む開口縁は、湾曲形状であることを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
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- 2008-05-20 US US12/153,500 patent/US20090025478A1/en not_active Abandoned
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