JP2012247192A - 感知基板およびそれを用いた加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】撓み部に発生する浅いクラックを感知する感知基板およびそれを用いた加速度センサを提供する。
【解決手段】フレーム部１１と、フレーム部１１の内側に設けられた錘部１２と、フレーム部１１と錘部１２との間をつなぎ錘部１２が変位することで撓む撓み部１３と、撓み部１３に形成され錘部１２の揺動に応じて抵抗値が変化するピエゾ抵抗１４と、フレーム部１１に配置されピエゾ抵抗１４からの信号を取り出すピエゾ抵抗用電極パッド１５ａと、ピエゾ抵抗１４とピエゾ抵抗用電極パッド１５ａとの間をつなぐ拡散配線による拡散配線部１６と、を備える感知基板２０である。撓み部１３の表面には、金属でなる金属配線部１７を備え、金属配線部１７は、フレーム部１１に配置され金属配線部１７からの信号を取り出す金属配線部用電極パッドにつながっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＭＥＭＳデバイスの撓み部におけるクラックの感知を可能とする感知基板およびそれを用いた加速度センサに関するものである。

従来から、図６（ａ）に示すように、感知基板１０は、半導体基板からなるフレーム部１と、フレーム部１の内側に配置され加速度の作用により変位する錘部２と、錘部２を片持ち梁構造でフレーム部１の内側面に連結する撓み部３と、撓み部３に形成され錘部２に加速度が作用したときに錘部２の変位により撓み部３に生じる応力を抵抗値変化として感知するピエゾ抵抗４と、フレーム部１に配置されピエゾ抵抗４からの信号を取り出す電極パッド５と、を備えている。そして、図６（ｂ）に示すように、このピエゾ抵抗４は、撓み部３に埋設されて形成されていて、そのピエゾ抵抗４と電極パッド５との間には、拡散技術によって形成された拡散配線部６を備えていた。この感知基板１０において、撓み部３の表面にクラックが発生したとき、そのクラックによって拡散配線部６が断線されることで、撓み部３の破損を感知していた（特許文献１）。

特開２００９−１５６５９３号公報

しかしながら、上述のような感知基板１０は、撓み部３の表面に拡散配線部６が断線に至る深さのクラックが発生することで、撓み部３の破損を感知するので、断線に至らない浅いクラックの発生を感知することができない。

本発明は、上記背景技術に鑑みて発明されたもので、その課題は、撓み部に発生する浅いクラックを感知する感知基板およびそれを用いた加速度センサを提供する。

上記課題を解決するために、本発明の感知基板は、フレーム部と、前記フレーム部の内側に設けられた錘部と、前記フレーム部と前記錘部との間をつなぎ前記錘部が変位することで撓む撓み部と、前記撓み部に形成され前記錘部の揺動に応じて抵抗値が変化するピエゾ抵抗と、前記フレーム部に配置され前記ピエゾ抵抗からの信号を取り出すピエゾ抵抗用電極パッドと、前記ピエゾ抵抗と前記ピエゾ抵抗用電極パッドとの間をつなぐ拡散配線による拡散配線部と、を備える感知基板であって、前記撓み部の表面には、金属でなる金属配線部を備え、前記金属配線部は、前記フレーム部に配置され前記金属配線部からの信号を取り出す金属配線部用電極パッドにつながっていることを特徴としている。

また、この感知基板において、前記撓み部は、複数の梁で形成され、前記金属配線部は、複数形成された前記梁に連続して形成されていることが好ましい。

また、この感知基板において、前記ピエゾ抵抗用電極パッドおよび前記金属配線部用電極パッドは、前記フレーム部の一辺に沿って形成されていることが好ましい。

また、この感知基板において、前記金属配線部は、前記撓み部の表面に面状に形成されていることが好ましい。

また、この感知基板において、前記金属配線部は、前記撓み部の表面に複数折り返した形状に形成されていることが好ましい。

この感知基板において、前記金属配線部は、ポリシリコンを用いて形成されていることが好ましい。

この感知基板において、前記金属配線部は、金属薄膜を用いて形成されていることが好ましい。

この感知基板およびそれを用いた加速度センサにおいて、上述の感知基板を用いることが好ましい。

本発明の感知基板において、撓み部の表面には、金属でなる金属配線部を備え、金属配線部は、フレーム部に配置され金属配線部からの信号を取り出す配線用電極パッドにつながっている。これより、撓み部の表面に発生する浅いクラックの感知精度を向上することができる。

本発明の実施形態１における感知基板の図２のＡ−Ａ´断面における概略断面図である。 本発明の実施形態１における感知基板の概略平面図である。 本発明の実施形態２における感知基板の概略平面図である。 本発明の実施形態３における感知基板の概略平面図である。 本発明の実施形態１ないし３における感知基板を用いることができる加速度センサの概略断面図である。 従来例を示す感知基板の図であって、（ａ）は概略平面図であり、（ｂ）は（ａ）中のｘ−ｘ´断面における概略断面図である

（実施形態１）
図１および２は、本発明の実施形態１である感知基板２０を示す。この感知基板２０は、フレーム部１１と、フレーム部１１の内側に設けられた錘部１２と、フレーム部１１と錘部１２との間をつなぎ錘部１２が変位することで撓む撓み部１３と、撓み部１３に形成され錘部１２の揺動に応じて抵抗値が変化するピエゾ抵抗１４と、フレーム部１１に配置されピエゾ抵抗１４からの信号を取り出すピエゾ抵抗用電極パッド１５ａと、ピエゾ抵抗１４とピエゾ抵抗用電極パッド１５ａとの間をつなぐ拡散配線による拡散配線部１６と、を備える。撓み部１３の表面には、金属でなる金属配線部１７を備え、金属配線部１７は、フレーム部１１に配置され金属配線部１７からの信号を取り出す金属配線部用電極パッド１５ｂにつながっている。また、撓み部１３は、複数の梁１８で形成され、金属配線部１７は、複数形成された梁１８に連続して形成されている。そして、ピエゾ抵抗用電極パッド１５ａおよび金属配線部用電極パッド１５ｂは、フレーム部１１の一辺に沿って形成されている。金属配線部１７は、撓み部１３の表面に線状に形成されている。また、金属配線部１７は、ポリシリコンまたは金属薄膜を用いて形成されている。

以下、本実施形態における感知基板２０について具体的詳細に説明する。

図１および２に示すように、感知基板２０は、フレーム部１１と、錘部１２と、撓み部１３と、で構成され、これらは半導体基板材料を用いてモノリシックに形成されている。そして、
撓み部１３は、フレーム部１１および錘部１２に比べて薄肉に形成されていて、その厚み方向に撓むことが可能であるとともに、その長さ方向を軸にして捻転することも可能である。

フレーム部１１は、片持ち梁の撓み部１３を介して錘部１２を揺動自在に支持している。これらフレーム部１１と、錘部１２と、撓み部１３と、の表面は、熱酸化によって酸化膜１９が形成されている。また、撓み部１３上の酸化膜１９の上には、金属配線部１７がさらに形成されている、この金属配線部１７の端部は、フレーム部１１の一辺に沿って形成されている複数の金属配線部用電極パッド１５ｂと接続している。

また、撓み部１３には、撓み部１３に生じる応力を感知するピエゾ抵抗１４が酸化膜１９の下に埋め込まれて形成されている。このピエゾ抵抗１４からの信号を外部に取り出すために、ピエゾ抵抗用電極パッド１５ａとピエゾ抵抗１４との間には、拡散配線部１６を備えている。このピエゾ抵抗用電極パッド１５ａは、金属配線部用電極パッド１５ｂと共に、フレーム部１１の一辺に沿って形成されている。また、拡散配線部１６は、ピエゾ抵抗１４と共に、撓み部１３に埋め込まれて形成されているが、ピエゾ抵抗用電極パッド１５ａと接続するために、酸化膜１９の一部をエッチング除去して撓み部１３の表面に引き出している。

ピエゾ抵抗１４は、半導体不純物拡散技術により撓み部１３に形成されていて、撓み部１３の撓みに応じてその抵抗値が変化し、撓みが大きくなるほど抵抗値の変化量も大きくなる。この変化する抵抗値に対応した電圧が、ピエゾ抵抗用電極パッド１５ａを介して、外部に出力される。ここで、ピエゾ抵抗１４は、撓み部１３の長さ方向に長い形状を有するものと、撓み部１３の幅方向に長い形状を有するものとからなり、ブリッジ回路を構成している（図示せず）。なお、ピエゾ抵抗１４および拡散配線部１６は、ともに、半導体不純物拡散技術により、撓み部１３の表面に不純物を注入することで形成されている。

図２に示すように、フレーム部１１の平面視における外形形状は、矩形形状であり、フレーム部１１の内側に形成された錘部１２の平面視における外形形状も矩形形状である。また、フレーム部１１と錘部１２との間の間隙は、平面視において、コ字形状に開口していて、錘部１２は、揺動自在となっている。また、フレーム部１１と錘部１２とをつなぐ撓み部１３は、二つの梁１８によって構成されている。この二つの梁１８の間は、平面視において、矩形形状に開口している。

撓み部１３の表面に発生するクラックを感知するために備えた金属配線部１７は、撓み部１３の全ての梁１８を通るように形成されている。また、また、金属配線部１７の端部は、金属配線部用電極パッド１５ｂに接続している。図２に示された５つの電極パッドのうち、両端の二つは、撓み部１３の表面に発生するクラックを感知する電気信号を取り出す金属配線部用電極パッド１５ｂであり、残りの三つは、ピエゾ抵抗１４において、加速度を三軸で感知する電気信号をそれぞれ取り出すピエゾ抵抗用電極パッド１５ａである。

また、金属配線部１７は、ポリシリコンまたは金属薄膜を用いて形成している。ポリシリコンを用いて金属配線部１７を形成している場合、金属配線部１７は、マイクロマシニング技術によって、撓み部１３等の半導体基板材料と一括して形成される。また、金属配線部１７は、撓み部１３の剛性等の特性を損なわないようにできるだけ薄く形成することが好ましい。また、ポリシリコンには、不純物を導入し、低抵抗化して用いる。金属薄膜を用いて金属配線部１７を形成している場合、金属配線部１７は、ＴｉやＣｒ等の金属を用いて形成している。これらの金属は、数百Åの膜厚となるため、撓み部１３の振動への影響を小さくすることができる。

また、これらフレーム部１１と錘部１２と撓み部１３とを構成する半導体基板材料は、シリコンを用いており、基板としてシリコン基板やＳＯＩ基板などが用いられる。酸化膜１９は、シリコンを用いた半導体基板材料を熱酸化することにより得られた二酸化シリコンが用いられている。

この感知基板２０は、撓み部１３の表面にクラックが発生すると、その撓み部１３の表面に形成されている金属配線部１７が断線される。これより、金属配線用電極パッド１５ｂ間で感知される電気信号が変化し、この電気信号の変化を測定することで、撓み部１３の表面に発生するクラックを感知することができる。

したがって、本実施形態の感知基板２０において、撓み部１３の表面には、金属でなる金属配線部１７を備え、金属配線部１７は、フレーム部１１に配置され金属配線部１７からの信号を取り出す金属配線部用電極パッド１５ｂにつながっている。これより、撓み部１３の表面に発生する浅いクラックの感知精度を向上することができる。

また、この感知基板２０において、撓み部１３は、複数の梁１８が形成され、金属配線部１７は、複数形成された梁１８に連続して形成されている。これより、一つの金属配線部１７で、撓み部１３の表面に発生する浅いクラックの感知することができる。

また、この感知基板２０において、ピエゾ抵抗用電極パッド１５ａおよび金属配線部用電極パッド１５ｂは、フレーム部１１の一辺に沿って形成されている。これより、ピエゾ抵抗４および金属配線部１７で感知した電気信号を外部に取り出しやすくする。

この感知基板２０において、金属配線部１７は、ポリシリコンまたは金属薄膜を用いて形成している。これより、ポリシリコンを用いて形成する金属配線部１７は、マイクロマシニング技術によって、撓み部１３等の半導体基板材料と一括して形成することができるので、感知基板２０の作製工程を簡略化できる。また、金属薄膜を用いて形成する金属配線部１７は、膜厚の薄い金属配線部１７を形成することができるので、撓み部１３の振動への影響を小さくすることができる。

なお、本実施形態の感知基板２０において、撓み部１３の梁１８の数は、二つとしているが、それに限らず、一つの梁１８でなっていても、三つ以上の複数の梁１８でなっていてもよい。また、撓み部１３の平面視における外形形状は矩形形状であるが、応力の分散を考慮して外形形状を台形形状等にしてもよく、矩形形状に限られない。

（実施形態２）
上記実施形態１と重複する構成についての、詳しい説明は省略する。また、実施形態１の符号を付したものは、同様のものであるため、説明を省略する。

図３は、本発明の実施形態２である感知基板２０を示す。本実施形態において、金属配線部１７は、撓み部１３の略全体に亘るように、面状に形成されている。

以下、本実施形態における感知基板２０について具体的詳細に説明する。

図３に示すように、金属配線部１７は、面状に形成され、撓み部１３の二つの梁１８の略全体に亘るように形成されている。金属配線部１７は、撓み部１３以外の部位においては、線状に形成されている。二つの梁１８に形成されている面状の金属配線部１７同士は、線状の金属配線部１７によって接続されていて、二つの金属配線部用電極パッド１５ｂとも線状の金属配線部１７によって接続されている。

この感知基板２０は、撓み部１３の表面にクラックが発生すると、その撓み部１３の表面に形成されている金属配線部１７が断線される。これより、二つの金属配線部用電極パッド１５ｂ間で感知される電気信号が変化し、この電気信号の変化を測定することで、撓み部１３の表面にクラックが生じたことを感知することができる。

したがって、本実施形態の感知基板２０において、金属配線部１７は、撓み部１３の表面に面状に形成されている。これより、撓み部１３の表面におけるクラック発生箇所の感知漏れを防止することができる。

（実施形態３）
上記実施形態１と重複する構成についての、詳しい説明は省略する。また、実施形態１の符号を付したものは、同様のものであるため、説明を省略する。

図４は、本発明の実施形態３である感知基板２０を示す。本実施形態において、金属配線部１７は、撓み部１３の略全体に亘るように、複数折り返した形状に形成されている。

以下、本実施形態における感知基板２０について具体的詳細に説明する。

図４に示すように、金属配線部１７は、線状で、複数折り返した形状に形成され、撓み部１３の二つの梁１８の略全体に亘るように形成されている。二つの梁１８に形成された金属配線部１７は、線状の金属配線部１７によって互いが接続され、二つの金属配線部用電極パッド１５ｂとも線状の金属配線部１７によって接続されている。

この感知基板２０は、撓み部１３の表面にクラックが発生すると、その撓み部１３の表面に形成されている金属配線部１７が断線される。これより、二つの金属配線部用電極パッド１５ｂ間で感知される電気信号が変化し、この電気信号の変化を測定することで、撓み部１３の表面にクラックが生じたことを感知することができる。

したがって、本実施形態の感知基板２０において、金属配線部１７は、撓み部１３の表面に複数折り返した形状に形成されている。これより、撓み部１３の表面の一部に発生する微小なクラックを感知することができる。

次に、図５は、実施形態１ないし３に示された感知基板２０を用いた加速度センサ２５を示す。

以下、感知基板２０を用いることができる加速度センサ２５について具体的詳細に説明する。

図５に示すように、加速度センサ２５は、シリコンを用いた基板で形成される感知基板２０とその上下に配置される上部キャップ２１と下部キャップ２２とを備えている。この上部キャップ２１および下部キャップ２２は、シリコンとほぼ等しい熱膨張率を有する耐熱ガラスにより形成されていて、陽極接合によって感知基板２０のフレーム部１１の上下面と接合し、感知基板２０を気密封止している。なお、上部キャップ２１は、錘部１２および撓み部１３を覆うとともに、電極パッド１５（前述ピエゾ抵抗用電極パッド１５ａおよび金属配線部用電極パッド１５ｂ）を上部キャップ２１外に露出させるようにフレーム部１１に陽極結合されている。なお、陽極接合するための接合用電極（図示せず）は、電極パッド１５を備える一辺以外に備えられ、フレーム部１１と上部キャップ２１とは、陽極接合を行っている。このとき、電極パッド１５を備えるフレーム部１１の一辺は、上部キャップ２１との間に、前述の接合用電極の厚さに相当する隙間が形成される。この隙間を埋めるために、溶融状態のポリイミド樹脂を感知基板２０上に塗布する。このポリイミド樹脂を塗布した後、上記隙間に充填されたポリイミド樹脂以外をエッチング除去する。これによって、フレーム部１１と上部キャップ２１との間は、フレーム部１１の周方向に隙間なく埋められている。また、フレーム部１１と下部キャップ２２とは、直接陽極接合を行っている。

電極パッド１５には、金やアルミニウムなどで形成されたボンディングワイヤ（図示せず）が接続されていて、そのボンディングワイヤを外部に接続することによって感知基板２０と外部との電気的接続を行っている。

感知基板２０におけるピエゾ抵抗１４は、撓み部１３の撓みに応じて抵抗値が変化する。加速度センサ２５に加速度が作用すると、錘部１２が変位することにより撓み部１３が撓む。そして、この撓みに応じたピエゾ抵抗１４の抵抗値の変化を感知し、拡散配線部１６を通じて外部に信号を取り出し、加速度センサ２５に作用する加速度の感知が可能となっている。

上部キャップ２１および下部キャップ２２には、錘部１２と対向する面に、錘部１２の揺動空間を確保し、空気によるダンピング効果（いわゆるエアダンピング効果）を得るために、凹所２３がサンドブラスト加工やエッチングによりそれぞれ形成されている。ここで、上部キャップ２１および下部キャップ２２の凹所２３の深さや形状は、エアダンピング効果を利用して錘部１２に減衰特性を持たせて、加速度センサ２５自体の周波数特性が最適となるように設定されている。

以上、加速度センサ２５に対し、感知基板２０の主面（錘部１２の面）と垂直方向に加速度αが印加されると、錘部１５にＦ＝ｍａ（ｍは錘部１２の質量）の力が作用する。この力Ｆによって、錘部１２が変位して撓み部１３が撓む。これより、撓み部１３に設けられたピエゾ抵抗１４の抵抗値が変化する。そして、ピエゾ抵抗１４の抵抗値の変化を加速度に比例した電気信号に変換することで加速度センサ２５に作用する加速度が感知される。

したがって、上述の感知基板２０を用いた加速度センサ２５においては、微小なクラックを感知することができる信頼度の高い加速度センサ２５を提供することができる。

なお、感知基板２０を加速度センサ２５とした例を上記に述べたが、圧力センサ等の各種圧電式センサ装置にも当然適用できる。

１１ フレーム部
１２ 錘部
１３ 撓み部
１４ ピエゾ抵抗
１５ａ 金属配線部用電極パッド
１５ｂ ピエゾ抵抗用電極パッド
１６ 拡散配線抵抗
１７ 金属配線部
１８ 梁
１９ 酸化膜
２０ 感知基板
２５ 加速度センサ

Claims (8)

1. フレーム部と、前記フレーム部の内側に設けられた錘部と、前記フレーム部と前記錘部との間をつなぎ前記錘部が変位することで撓む撓み部と、前記撓み部に形成され前記錘部の揺動に応じて抵抗値が変化するピエゾ抵抗と、前記フレーム部に配置され前記ピエゾ抵抗からの信号を取り出すピエゾ抵抗用電極パッドと、前記ピエゾ抵抗と前記ピエゾ抵抗用電極パッドとの間をつなぐ拡散配線による拡散配線部と、を備える感知基板であって、
   前記撓み部の表面には、金属でなる金属配線部を備え、
   前記金属配線部は、前記フレーム部に配置され前記金属配線部からの信号を取り出す金属配線部用電極パッドにつながっていることを特徴とする感知基板。
2. 前記撓み部は、複数の梁で形成され、、
   前記金属配線部は、複数形成された前記梁に連続して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の感知基板。
3. 前記ピエゾ抵抗用電極パッドおよび前記金属配線部用電極パッドは、前記フレーム部の一辺に沿って形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の感知基板。
4. 前記金属配線部は、前記撓み部の表面に面状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の感知基板。
5. 前記金属配線部は、前記撓み部の表面に複数折り返した形状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の感知基板。
6. 前記金属配線部は、ポリシリコンを用いて形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の感知基板。
7. 前記金属配線部は、金属薄膜を用いて形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の感知基板。
8. 請求項１ないし７のいずれか一項に記載の感知基板を用いることを特徴とする加速度センサ。

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