JP2016200467A - 複合センサデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】異物が侵入しても動作異常が発生しにくく、構造がシンプルで製作も容易な複合センサデバイスを提供する。【解決手段】一つの筐体１６内に圧力センサ１２及び機能デバイス１４を備える。圧力センサ１２は、基板ｋに設けられた第一の可撓部１８と、第一の可撓部１８に配置された圧力検出用素子２０と、第一の可撓部１８及びその周辺を支持する第一の台座部２２とを備える。第一の台座部２２の凹部２２ｂと第一の可撓部１８とで囲まれて、密閉室２４を形成する。機能デバイス１４は、基板ｋの他の位置に梁状に形成された第二の可撓部２６と、第二の可撓部２６に配置された加速度検出用素子３４とを備える。第二の可撓部２６の一端部に設けられた重錘部３８と、第二の可撓部２６の他端部を支持する第二の台座部４０と、第二の可撓部２６及びこの近傍を覆う蓋部４２とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、圧力センサと各種の機能デバイスとを有する複合センサデバイスに関する。

従来、図１０に示すように、圧力（気体の圧力）を検出する圧力検出部と加速度を検出する加速度検出部とが一体に設けられた複合センサデバイス１００があった。複合センサデバイス１００は、筒状の側壁部１０４と、撓み性を有する膜であって側壁部の上面を塞ぐように形成された感圧膜１０６と、側壁部１０４の下面を塞ぐように取り付けられた重錘体１０８とを備え、側壁部１０４、感圧膜１０６及び重錘体１０８により封止された密閉室１１０が構成されている。さらに、重錘体１０８の周囲に設けられた台座１１２と、台座１１２と側壁部１０４とを接続する両端固定梁状の構造体であって、検出対象の加速度の作用により撓みを生じる接続部１１４とを備えている。

感圧膜１０６及び接続部１１４は、矩形の可撓性基板１１６の内側に幅狭のスリット１１８を設けることにより形成されている。圧力検出部は、感圧膜１０６の撓みを電気信号として検出するブロックであり、感圧膜１０６に配置された複数のピエゾ抵抗素子１２０を用いて構成されている。加速度検出部は、接続部１１４の撓みを電気信号として検出するブロックであり、接続部１１４に配置された複数のピエゾ抵抗素子１２２を用いて構成されている。台座１１２は、枠状の下端部が筐体１０２の底部に取り付けられ、上端部で可撓性基板１１６を支持しており、感圧膜１０６が筐体１０２の天板に形成された気体導入孔１００ａに対向している。

複合センサデバイス１００は、特許文献１に開示されているセンサ（圧力と加速度との双方を検出するセンサ）を筐体１０２内に設置したような構成であり、圧力及び加速度の測定原理及び動作は、特許文献１のセンサと同様である。

特開２００４−２４５７６０号公報

従来の複合センサデバイス１００は、圧力検出対象の気体（空気等）を気体導入孔１００ａから取り込んで感圧膜１０６に作用させる必要があるので、筐体１０２内にゴミやホコリ等の異物が侵入することは避けられない。しかも、異物が侵入すると、異物が感圧膜１０６の近傍にあるスリット１１８に挟まって接続部１１４が弾性変形できなくなったり、異物が重錘体１０８と台座２２との隙間に挟まって重錘部１８が変位できなくなったりする可能性がある。つまり、従来の複合センサデバイス１００は、気体に混じって異物が侵入すると、動作異常が発生しやすい構造であった。

本発明は、上記背景技術に鑑みて成されたものであり、異物が侵入しても動作異常が発生しにくく、構造がシンプルで製作も容易な複合センサデバイスを提供することを目的とする。

本発明は、圧力センサと機能デバイスとを有する複合センサデバイスであって、前記圧力センサは、基板の特定位置に設けられた第一の可撓部と、前記第一の可撓部に配置され、機械的歪みを受けて自己の電気的特性が変化する圧力検出用素子と、前記第一の可撓部及びその周辺を前記基板の裏面側から支持する支持面が設けられた第一の台座部と、前記支持面の内側に配置された凹部と前記基板の前記第一の可撓部とで囲まれて成る密閉室とを備え、前記機能デバイスは、前記基板の前記第一の可撓部と異なる位置に梁状に形成された前記第二の可撓部と、前記第二の可撓部に配置され、機械的歪みを受けて自己の電気的特性が変化する機能素子と、前記第二の可撓部の端部に設けられ、外力を受けて変位する重錘部と、前記第二の可撓部の前記重錘部から離れた端部を支持する第二の台座部と、前記第二の可撓部及びこの近傍を前記基板の表面側から覆う蓋部とを備えている複合センサデバイスである。

前記圧力センサと前記機能デバイスとが一つの筐体内に設けられ、前記第一及び第二の台座部が一体に形成され、共に前記筐体に固定されている。この場合、前記機能デバイスの前記第二の可撓部、前記機能素子、及び前記重錘部は、前記第二の台座部及び前記蓋部により囲まれた密閉空間内に設けられていることが好ましい。また、前記第一及び第二の台座部は、積層された複数の補助基板により一体に設けられている。

あるいは、前記圧力センサと前記機能デバイスとが一つの筐体内に設けられ、前記第一の台座部が前記筐体に固定され、前記第二の台座部が連結梁を介して前記第一の台座部に支持されている構成にしてもよい。この場合、前記機能デバイスの前記第二の可撓部、前記機能素子、前記重錘部、前記第二の台座部及び前記連結梁は、前記第一の台座部及び前記蓋部により囲まれた密閉空間内に設けられていることが好ましい。また、前記第一の台座部及び前記連結梁は、積層された複数の補助基板により一体に設けられている。

前記基板はシリコン基板で成り、前記第一の可撓部の前記圧力検出用素子は、前記シリコン基板の一部を変質させることにより形成されたピエゾ抵抗素子で成り、前記圧力センサは、このピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化に基づいて気体の圧力を検出する。前記第一の可撓部は、３〜５μｍの厚みに形成されていることが好ましい。

前記機能素子は、前記シリコン基板の一部を変質させることにより形成されたピエゾ抵抗素子で成り、前記機能デバイスは、このピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化に基づいて加速度を検出するセンサであってもよい。あるいは、前記機能素子は前記シリコン基板上に付設された圧電素子で成り、前記機能デバイスは、この圧電素子を用いて機械エネルギーを電気エネルギーに変換する発電デバイスであってもよい。

本発明の複合センサデバイスは、圧力センサと機能デバイスとが異なる位置に区分けして設けられ、機能デバイスの部分だけが蓋部で覆われているので、圧力センサによる気体圧力の検出を適切かつ良好に行うことができ、しかも気体に含まれる異物が機能デバイスの内部に侵入しにいので、機能デバイスの動作異常が発生しにくいものである。

また、１つの基板中に第一及び第二の可撓部が設けられ、複合センサデバイスの中枢部分である圧力センサ及び機能デバイスが１つのユニットとして形成され、構造が非常にシンプルである。そのため、製造工程も簡単化することができ、例えば、規定サイズのシリコン基板上に複数の第一及び第二の可撓部とこれに対応する圧力検出素子及び機能素子等を形成し、このシリコン基板に複数の補助基板を積層してエッチング等により第一及び第二の台座部、蓋部、重錘部等を形成した後、ダイシング等により分割するという方法で、効率よく大量生産することができる。

本発明の複合センサデバイスの第一の実施形態を示す正面図（ａ）、Ｂ１−Ｂ１断面図（ｂ）である。 図１（ｂ）のＢ２−Ｂ２断面図である。 多面付けされたシリコン基板及び各補助基板を模式的に描いた図である。 圧力センサ及び加速度センサの部分の製造工程を示す図（ａ）〜（ｄ）である。 圧力センサ及び加速度センサの部分の製造工程を示す図（ａ）〜（ｄ）である。 本発明の複合センサデバイスの第二の実施形態を示す正面図（ａ）、Ｃ１−Ｃ１断面図（ｂ）である。 図６（ｂ）のＣ２−Ｃ２断面図である。 本発明の複合センサデバイスの第三の実施形態を示す正面図（ａ）、Ｄ１−Ｄ１断面図（ｂ）である。 図８（ｂ）のＤ２−Ｄ２断面図である。 従来の複合センサデバイスを示す正面図（ａ）、Ａ１−Ａ１断面図（ｂ）、Ａ２−Ａ２断面図（ｃ）である。

以下、本発明の複合センサデバイスの第一の実施形態について、図１〜図５に基づいて説明する。この実施形態の複合センサデバイス１０は、圧力センサ１２と３軸加速度センサ（機能デバイス）１４とが１つの筐体１６内に設けられたものである。

筐体１６は、図１、図２に示すように、圧力センサ１２及び加速度センサ１４が内側に収容される閉じた箱体であり、圧力センサ１２の近傍に、圧力検出対象の気体を導入するための気体導入孔１６ａが設けられている。筐体１６及び気体導入孔１６ａは、筐体１６外の圧力と筐体１６内の圧力（圧力センサ１２に作用する気体の圧力）とが同じになるように設計されている。

圧力センサ１２は、略長方形のシリコン基板ｋの特定位置に設けられたダイアフラムである第一の可撓部１８を備えている。シリコン基板ｋは、全体として良好な撓み性を有しており、図１（ｂ）における左側の破線で囲んだ部分を第一の可撓部１８としている。

第一の可撓部１８には、複数の圧力検出用素子２０が配置されている。圧力検出用素子２０は、機械的歪みを受けて自己の電気抵抗の値が変化するピエゾ抵抗素子であり、シリコン基板ｋに不純物イオンを注入し、変質させることにより形成されている。

第一の可撓部１８及びその周辺は、筐体１６の底部に固定された第一の台座部２２の支持面２２ａにより支持されている。第一の台座部２２は、板状の補助基板ｈ１、ｈ２により構成され、補助基板ｈ１の、第一の可撓部１８及びその周辺の裏面側に当接する部分が支持面２２ａになっている。さらに、支持面２２ａの内側に凹部２２ｂが配置され、凹部２２ｂをシリコン基板ｋの第一の可撓部１８で封止することによって密閉室２４（例えば、真空室）が設けられている。

圧力センサ１２の測定原理及び動作は、特許文献１のセンサが有する圧力検出部と同様である。つまり、筐体１６の気体導入孔１６ａから導入された気体が第一の可撓部１８に作用し、気体の圧力と密閉室２４内の圧力（真空室の場合０）との差に応じて第一の可撓部１８が弾性変形し、第一の可撓部１８が撓むことによって複数の圧力検出用素子２０の各抵抗値が変化し、各抵抗値の変化に基づいて気体の圧力を検出する。

加速度センサ１４は、シリコン基板ｋにおける第一の可撓部１８から離れた位置、つまり、図１（ｂ）における右側の例えば約３／４の広い領域に、梁状の第二の可撓部２６を４つ備えている。各第二の可撓部２６は、シリコン基板ｋに幅狭のスリット２８を設けることにより形成され、略正方形の中央部３２を、外側にある略正方形の枠体部３０の各辺中央部に第二の可撓部２６を介して連結するような構造になっている。各第二の可撓部２６には、複数の加速度検出用素子（機能素子）３４が配置されている。加速度検出用素子３４は、機械的歪みを受けて自己の電気抵抗の値が変化するピエゾ抵抗素子であり、シリコン基板ｋに不純物イオンを注入し、変質させることにより形成されている。

シリコン基板ｋの中央部３２の４つの角部には、スリット２８により第二の可撓部２６と区切られた４つの翼状部３６が形成されている。中央部３２及び４つの翼状部３６（第二の可撓部２６の端部）の各裏面側には、それぞれ角柱状の部分が設けられている。５つの角柱状部分は、互いの角部同士が繋がって一体になっており、外力を受けて変位する重錘部３８となる。

枠体部３０の裏面側は、筐体１６の底部に固定された第二の台座部４０により支持されている。第二の台座部４０は、図２に示すように、補助基板ｈ１，ｈ２により第一の台座部２２と一体に設けられ、補助基板ｈ１の部分が角筒状に形成され、その下端開口を板状の補助基板ｈ２の凹部４６で塞いだ構造になっている。さらに、枠体部３０の表面側には、第二の可撓部２６、スリット２８及びこの近傍を広く覆う蓋部４２が設けられている。蓋部４２は、補助基板ｈ３により形成され、第二の可撓部２６、中央部３２及び翼状部３６に対向する部分に広い凹部４２ａが形成されている。

以上の構成により、加速度センサ１４の第二の可撓部２６、加速度検出用素子３４、及び重錘部３８は、補助基板ｈ１，ｈ２により構成された第二の台座部４０、及び蓋部４２により囲まれた密閉空間内に設けられている。また、凹部４２ａ，４６の内側面は、重錘部３８又は基板ｋと非接触で対面し、外部から過大な衝撃が加わって重錘部３８や第二の可撓部２６、または中央部３２や翼状部３６が大きく変位した時、保護用のストッパの働きをする。

加速度センサ１４の測定原理及び動作は、特許文献１のセンサが有する加速度検出部と同様である。つまり、外力が重錘部３８に作用し、重錘部３８の変位が４つの第二の可撓部２６に伝達され、第二の可撓部２６が撓むことによって複数の加速度検出用素子３４の抵抗値が変化し、各抵抗値の変化に基づいてＸＹＺ軸方向の加速度成分を検出する。

さらに、シリコン基板ｋにおける圧力センサ１２及び加速度センサ１４の側方の位置（図１（ｂ）における左下側の位置）に、ボンディングワイヤ等を用いて外部配線するためのパッド４４が複数設けられている。パッド４４と圧力検出用素子２０及び加速度検出用素子３４との間の電気的接続は、シリコン基板ｋの内部の拡散層によって行う。あるいは、シリコン基板ｋの表面にアルミニウム等の配線パターンを設けて接続してもよい。

次に、複合センサデバイス１０の好ましい製造方法の一例を説明する。上記のシリコン基板ｋ、補助基板ｈ１，ｈ２，ｈ３は、図３に示すように、それぞれ規定のサイズに多面付けされた大型のシリコン基板Ｋ、補助基板Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３として製造工程に投入される。１つの複合センサデバイス１０に使用される単位領域は、ハッチングで示す１区画である（長手方向の長さが例えば約１ｍｍ）。

まず、図４（ａ）に示すように、平坦なシリコン基板Ｋと、凹部２２ｂを形成した補助基板Ｈ１とを用意する。シリコン基板Ｋの厚みは、取り扱い性を考慮した適度な厚み、例えば約３００μｍである。補助基板Ｈ１は、例えば厚みが約４００μｍ程度のシリコン板を用い、凹部２２ｂの深さは例えば約３〜５μｍである。また、シリコン基板Ｋ及び補助基板Ｈ１は、互いに対向する側の面に、接合性を向上させるための酸化膜を形成しておくとよい。そして、真空の環境下でシリコン基板Ｋと補助基板Ｈ１とを重ね、両者間に電圧を印加しながら所定の高温状態で加圧して接合し、密閉室２４を設ける。その後、シリコン基板Ｋの表面を研磨し、シリコン基板Ｋの厚みを約３〜５μｍまで薄くし、図４（ｂ）に示すように、圧力センサ１２のダイアフラム等として機能可能な厚さにする。

シリコン基板Ｋは、最初から薄いものを用いると補助基板Ｈ１に接合するまでの工程で破損させやすいので、取り扱い性の良い厚さのものを用意して補助基板Ｈ１に接合した後、研磨して薄くする。シリコン基板Ｋの厚みを３〜５μｍとしたのは、以下の理由による。圧力センサの検出感度は、ダイアフラムの径を一定（ここでは、２００〜３００μｍ）とすると、ダイアフラム厚の２乗に反比例する。感度は、ダイアフラム厚を薄くすれば、飛躍的に高くなるが、シリコン基板Ｋを研磨するに加工限界がある。この加工限界が、歩留まりを考慮すると、３〜５μｍである。なお、ダイアフラムの径が大きくなれば、同様の感度で厚みを厚くできるが、圧力センサ１２の領域が広くなり、複合センサデバイス１０のサイズが大きくなり、コストアップやセンサの小型化に反する。さらに、複合センサデバイス１０の大きさに制約がない場合でも、より検出感度の高い方がセンサ出力のＳ／Ｎ比が良くなり、性能が向上する。従って、圧力センサのダイアフラムとしては、加工限界まで薄くすることが好ましく、この複合センサデバイス１０の場合、３〜５μｍが好適な厚みである。

その後、図４（ｃ）に示すように、シリコン基板Ｋに圧力検出用素子２０、加速度検出用素子３４、パッド４４を形成し、各素子２０，３４とパッド４０との間を電気的に接続する処理を行う。さらに、図４（ｄ）に示すように、シリコン基板Ｋのスリット２８の部分と補助基板Ｈ１の特定領域とを深堀エッチングで除去し、第二の可撓部２６、第一の台座部２２の部分、重錘部３８及び第二の台座部４０の部分を形成する。

次に、図５（ａ）に示すように、重錘部３８に対応する位置に凹部４６を形成した補助基板Ｈ２と、凹部４２ａ，４２ｂを形成した補助基板Ｈ３とを用意する。補助基板Ｈ２，Ｈ３は、素材がシリコン、ガラス、セラミック、金属、樹脂等であり、それぞれの厚みは、例えば約１００〜３００μｍである。そして、図５（ｂ）に示すように、補助基板Ｈ２の凹部４６側の面を補助基板Ｈ１に接合し、補助基板Ｈ３の凹部４２ａ，４２ｂ側の面をシリコン基板Ｋに接合する。接合方法は、例えば、樹脂、ガラス、共晶合金、ハンダ等で接着するとよい。補助基板Ｈ２，Ｈ３がシリコン材の場合はシリコン拡散接合でもよいし、補助基板Ｈ３がガラス材の場合は直接接合する陽極接合でもよい。補助基板Ｈ２，Ｈ３が接合されると、第二の可撓部２６、加速度検出用素子３４、及び重錘部３８が、第二の台座部４０及び蓋部４２で囲まれた密閉空間内に配置される。

そして、図５（ｃ）に示すように、位置Ｌ１で第一の切断を行い、補助基板Ｈ３の凹部４２ｂを除去する。この部分は、圧力センサ１２の第一の可撓部１８を覆ってしまう不要な部分だからである。補助基板Ｈ３に凹部４２ｂを設けシリコン基板Ｋから離間させておくことによって、ダイシングソーで切断するときにシリコン基板Ｋを傷つけることなく、この部分を除去することができる。さらに、図５（ｄ）に示すように、位置Ｌ２で第二の切断を行って単位領域のサイズに分割することにより、圧力センサ１２及び加速度センサ１４から成る単位ユニットが得られる。なお、図５（ｃ）、（ｄ）の工程では、第一及び第二の切断によって切粉が発生したり、洗浄用の液体等を使用したりするが、加速度センサ１４の中枢部分である第二の可撓部２６、加速度検出用素子３４、及び重錘部３８が密閉空間内にあるので、切粉等の異物が侵入して不具合が発生する心配はない。

その後、各単位ユニットを筐体１６内に個別に収容し、図示しないボンディングワイヤで配線する等の工程を経て、図１、図２に示す複合センサデバイス１０の状態になる。

以上説明したように、複合センサデバイス１０は、圧力センサ１２と加速度センサ１４とが異なる位置に区分けして設けられ、加速度センサ１４の部分だけが蓋部４２等で覆われているので、圧力センサ１２による圧力検出を適切かつ良好に行うことができ、しかも気体に含まれるゴミやホコリ等が加速度センサ１４の内部に侵入しにいので、加速度センサ１４の動作異常が発生しにくいものである。

また、１つのシリコン基板ｋの中に第一及び第二の可撓部１８，２６が設けられ、複合センサデバイス１０の中枢部分である圧力センサ１２及び加速度センサ１４が１つのユニットとして形成され、構造が非常にシンプルである。そのため、製造工程も簡単化することができ、上記のような方法で、効率よく大量生産することができる。

次に、本発明の複合センサデバイスの第二の実施形態について、図６、図７に基づいて説明する。ここで、上記の複合センサデバイス１０と同様の構成は、同一の符号を付して説明を省略する。この実施形態の複合センサデバイス４８も、上記の複合センサデバイス１０と同様に、圧力センサ１２と３軸加速度センサ（機能デバイス）１４とが１つの筐体１６内に設けられたものである。

上記の複合センサデバイス１０は、第一及び第二の台座部２２，４０が一体に形成され、共に筐体１６に固定されているが、この複合センサデバイス４８は、第一の台座部２２が筐体１６に固定され、第二の台座４０は、筐体１６に直接固定されるのではなく、片持ち梁構造の連結梁５０を介して第一の台座部２２に支持されているという特徴がある。

複合センサデバイス４８は、図６（ｂ）、図７に示すように、シリコン基板ｋの外形のやや内側に加速度センサ１４の部分（第二の可撓部２６、スリット２８、枠体部３０、中央部３２及び翼状部３６）が設けられ、枠体部３０の外周に沿って幅狭のスリット５２が設けられ、外側の枠体部５４と区切られている。スリット５２は、パッド４４に近い位置で途切れており、この途切れた部分のシリコン基板ｋ及び補助基板ｈ１により連結梁５０構成されている。枠体部５４の裏面側は、図７に示すように、第一の台座部２２の上面２２ｃにより支持されている。

第一の台座部２２は、補助基板ｈ１，ｈ２により構成され、補助基板ｈ１の角筒状の部分（枠体部５４の裏側の部分）の下端開口を補助基板ｈ２の凹部４６で塞いだ構造になっている。第二の台座部４０は、補助基板ｈ１により構成され、補助基板ｈ１の角筒状の部分（枠体部３０の裏側の部分）の下端開口は開放している。また、蓋部４２は、枠体部３０の表面側ではなく枠体部５４の表面側に設けられ、第二の可撓部２６、スリット２８に加えて、新たに設けられたスリット５２及びこの近傍も覆っている。つまり、複合センサデバイス４８の場合、加速度センサ１４の中枢部分である第二の可撓部２６、加速度検出用素子３４、重錘部３８、第二の台座部４０及び連結梁５０は、第一の台座部２２（補助基板ｈ１，ｈ２）及び蓋部４２により囲まれた密閉空間内に設けられる。複合センサデバイス４８の他の構成は、複合センサデバイス１０と同様である。

複合センサデバイス４８によれば、上記の複合センサデバイス１０と同様の作用効果を得ることができ、さらに、加速度センサ１４に発生するドリフト誤差を低減することができる。ドリフト誤差とは、加速度検出用素子３４の出力が加速度以外の要因で変化してしまうことによる誤差のことである。

複合センサデバイス１０の場合、図２に示すように、加速度センサ１４の第二の可撓部２６が十字状に配置され、第二の台座部４０の角筒状部分（補助基板ｈ１の部分）により両端支持され、第二の台座部４０の下面全体（補助基板ｈ２の下面全体）が筐体１６の底部に固定されている。したがって、例えば環境温度の変化によって筐体１６が膨張収縮すると、第二の台座部４０が変形し、これにより第二の可撓部２６が撓んでしまい、加速度検出用素子３４の抵抗値が変化する可能性がある。つまり、重錘部３８に加速度が作用していないにもかかわらず加速度検出用素子３４の抵抗値が変化することになるので、加速度検出のドリフト誤差となる。

これに対して、複合センサデバイス４８の場合、図７に示すように、加速度センサ１４の第二の台座部４０が筐体１６と独立し、第二の台座部４０が連結梁５０を介して第一の台座部２２に連結され支持される構造なので、筐体１６が膨張収縮しても、第二の台座部４０がほとんど変形せず、その影響が第二の可撓部２６に伝わらない。したがって、例えば、複合センサデバイス４８を回路基板上にリフローハンダ付けした場合でも、加速度検出用素子３４の零点出力がほとんど変動せず、ドリフト誤差が極めて小さい値に抑えられる。なお、複合センサデバイス４８の場合、連結梁５０の厚みが補助基板ｈ１の厚み（約４００μｍ）とほぼ等しくなっているが、連結梁５０の弾性特性を調節するため、補助基板ｈ１の厚みより薄くしてもよい。

次に、本発明の複合センサデバイスの第三の実施形態について、図８、図９に基づいて説明する。ここで、上記の複合センサデバイス１０と同様の構成は、同一の符号を付して説明を省略する。この実施形態の複合センサデバイス５６も、上記の複合センサデバイス１０と同様に、圧力センサ１２と３軸加速度センサ（機能デバイス）１４とが１つの筐体１６内に設けられたものである。

上記の複合センサデバイス１０は、十字状に配置された４つの第二の可撓部２６が、枠状の第二の台座部４０により両端支持されているが、この複合センサデバイス５６の場合、Ｌ字状に形成された第二の可撓部５８の基端部が、枠状の第二の台座部２２により片持ち梁状に支持されているという特徴がある。

複合センサデバイス５６は、図８（ｂ）に示すように、シリコン基板ｋにおける第一の可撓部１０から離れた位置、つまり、図８（ｂ）における右側の例えば約３／４の広い領域に、Ｌ字状の第二の可撓部５８を備えている。第二の可撓部５８は、シリコン基板ｋに渦巻き状のスリット６０を設けることにより形成され、基端部が、略正方形の枠体部３０のパッド４４に近い位置に連結されたような構造になっている。重錘部３８は、第二の可撓部５８の先端にある略正方形の先端部６２の裏面側に設けられている。複合センサデバイス５６の他の構成は、複合センサデバイス１０と同様である。

加速度センサ１４にＬ字状の第二の可撓部５８を設け、複数の加速度検出用素子３４を配置するという構成は、本願発明者らによる特許第５５０９３９９号公報に開示されている慣性センサの構成と同様であり、測定原理及び動作はほぼ同じである。

複合センサデバイス５６によれば、上記の複合センサデバイス１０と同様の作用効果を得ることができ、さらに、上記の複合センサデバイス４８と同様に、加速度センサ１４に発生するドリフト誤差を低減することができる。

上述したように、複合センサデバイス１０の場合、加速度センサ１４の第二の可撓部２６が、枠状の第二の台座部４０により両端支持され、第二の台座部４０の下面全体が筐体１６に固定されているため、例えば環境温度の変化によって筐体１６が膨張収縮すると、加速度検出のドリフト誤差が発生する可能性がある。

これに対して、複合センサデバイス５６の場合、図９に示すように、枠状の第二の台座部４０の下面全体が筐体１６に固定されているものの、第二の可撓部５８が片端支持されている構造なので、筐体１６が膨張収縮しても、その影響が第二の可撓部５８に伝わらないので、加速度検出のドリフト誤差を小さく抑えることができる。

なお、本発明の複合センサデバイスは、上記実施形態に限定されるものではない。上記の加速度センサ１４は、第二の可撓部２６及び複数の加速度検出用素子３４が、３軸の加速度を検出するよう構成されているが、例えば、１軸方向の加速度を検出するシンプルな構成にしてもよいし、さらに角加速度センサ等を形成しても良い。

上記のシリコン基板ｋは、シリコン以外の素材の基板に置き換えてもよい。また、基板は、全体として可撓性を有する必要はなく、例えば、基板の特定領域を薄く形成したり、細く形成したりすることにより、撓み性を有する第一及び第二の可撓部を設けてもよい。

２つの台座部及び重錘部は、上記のように補助基板ｈ１，ｈ２を組み合わせて製作された構成に限定されない。例えば、別々に構造体（台座部材、重錘部材）を製作し、これらを基板に接合することにより台座部及び重錘部を設けてもよいし、これ以外の構成にしてもよい。

上記の筐体１６は、閉じた箱体の内側に圧力センサ及び機能デバイスを収容する構造であるが、必ずしも閉じている必要はなく、用途に合わせて最適な構造に変更することができる。

また、本発明の複合センサデバイスは、圧力センサと所定の機能デバイスとを組み合わせたものであればよく、機能デバイスは、上記のピエゾ抵抗型の加速度センサのほか、圧電型の角速度センサや、発電デバイス等でもよい。

例えば角速度センサである振動ジャイロセンサの場合、普段から重錘部を一定の周波数で振動させておく必要がある。しかし、上記の加速度センサ１４は、重錘部３８の周囲が蓋部４２や補助基板ｈ２に囲まれて非常に狭くなっているため、この構造をそのまま振動ジャイロセンサに適用すると、空気の流動抵抗によって重錘部３８の振動が妨げられる可能性がある。そこで、例えば、蓋部４２や補助基板ｈ２の重錘部３８と対面する部分（凹部４６ｂや凹部４６の内側面）に空気の流路となる複数の凹条を設け、振動時の重錘部３８付近の空気が流れやすい構造にしておくことが好ましい。

また、発電デバイスの場合、例えば本願発明者らによる特許第５５２９３２８号公報に開示されている発電素子の構成が適しており、上記の複合センサデバイス５６の加速度センサ１４が有する加速度検出用素子３４の代わりに、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する圧電素子を配置することで実現することができ、複合センサデバイス５６の場合と同様の優れた作用効果を得ることができる。

１０，４８，５６ 複合センサデバイス
１２ 圧力センサ
１４ 加速度センサ（機能デバイス）
１６ 筐体
１８ 第一の可撓部
２０ 圧力検出用素子
２２ 第一の台座部
２２ａ 支持面
２２ｂ 凹部
２４ 密閉室
２６，５８ 第二の可撓部
３４ 加速度検出用素子（機能素子）
３８ 重錘部
４０ 第二の台座部
４２ 蓋部
５０ 連結梁
ｋ シリコン基板（基板）

本発明は、圧力センサと各種の機能デバイスとを有する複合センサデバイスに関する。

従来、図１０に示すように、圧力（気体の圧力）を検出する圧力検出部と加速度を検出する加速度検出部とが一体に設けられた複合センサデバイス１００があった。複合センサデバイス１００は、筒状の側壁部１０４と、撓み性を有する膜であって側壁部の上面を塞ぐように形成された感圧膜１０６と、側壁部１０４の下面を塞ぐように取り付けられた重錘体１０８とを備え、側壁部１０４、感圧膜１０６及び重錘体１０８により封止された密閉室１１０が構成されている。さらに、重錘体１０８の周囲に設けられた台座１１２と、台座１１２と側壁部１０４とを接続する両端固定梁状の構造体であって、検出対象の加速度の作用により撓みを生じる接続部１１４とを備えている。

感圧膜１０６及び接続部１１４は、矩形の可撓性基板１１６の内側に幅狭のスリット１１８を設けることにより形成されている。圧力検出部は、感圧膜１０６の撓みを電気信号として検出するブロックであり、感圧膜１０６に配置された複数のピエゾ抵抗素子１２０を用いて構成されている。加速度検出部は、接続部１１４の撓みを電気信号として検出するブロックであり、接続部１１４に配置された複数のピエゾ抵抗素子１２２を用いて構成されている。台座１１２は、枠状の下端部が筐体１０２の底部に取り付けられ、上端部で可撓性基板１１６を支持しており、感圧膜１０６が筐体１０２の天板に形成された気体導入孔１００ａに対向している。

複合センサデバイス１００は、特許文献１に開示されているセンサ（圧力と加速度との双方を検出するセンサ）を筐体１０２内に設置したような構成であり、圧力及び加速度の測定原理及び動作は、特許文献１のセンサと同様である。

特開２００４−２４５７６０号公報

従来の複合センサデバイス１００は、圧力検出対象の気体（空気等）を気体導入孔１００ａから取り込んで感圧膜１０６に作用させる必要があるので、筐体１０２内にゴミやホコリ等の異物が侵入することは避けられない。しかも、異物が侵入すると、異物が感圧膜１０６の近傍にあるスリット１１８に挟まって接続部１１４が弾性変形できなくなったり、異物が重錘体１０８と台座１１２との隙間に挟まって重錘部１８が変位できなくなったりする可能性がある。つまり、従来の複合センサデバイス１００は、気体に混じって異物が侵入すると、動作異常が発生しやすい構造であった。

本発明は、上記背景技術に鑑みて成されたものであり、異物が侵入しても動作異常が発生しにくく、構造がシンプルで製作も容易な複合センサデバイスを提供することを目的とする。

本発明は、圧力センサと機能デバイスとを有する複合センサデバイスであって、前記圧力センサは、可撓性を有した機能基板の特定位置に設けられた第一の可撓部と、前記第一の可撓部に配置され、機械的歪みを受けて自己の電気的特性が変化する圧力検出用素子と、前記第一の可撓部及びその周辺を前記機能基板の裏面側から支持する支持面が設けられた第一の台座部と、前記支持面の内側に配置された凹部と前記機能基板の前記第一の可撓部とで囲まれて成る密閉室とを備え、前記機能デバイスは、複数方向の加速度を検出する加速度センサであって、前記機能基板により形成され前記第一の可撓部と異なる位置に梁状に形成されて、各々異なる位置に配置され前記複数方向の加速度を検出可能に設けられた複数の第二の可撓部と、前記各第二の可撓部に配置され、機械的歪みを受けて自己の電気的特性が変化する機能素子と、前記第二の可撓部の端部に設けられ、外力を受けて変位する重錘部と、前記第二の可撓部の前記重錘部から離れた端部を支持する第二の台座部と、前記複数の第二の可撓部及びこの近傍を前記機能基板の表面側から覆う蓋部とを備え、前記第一及び第二の台座部は補助基板により形成され、前記機能基板に接合した1枚の前記補助基板に前記凹部が設けられて前記機能基板とともに前記密閉室が形成され、同じ前記補助基板により前記重錘部が形成されている複合センサデバイスである。

前記圧力センサと前記機能デバイスとが一つの筐体内に設けられ、前記第一及び第二の台座部が一体に形成され、共に前記筐体に固定されている。この場合、前記機能デバイスの前記複数の第二の可撓部、前記機能素子、及び前記重錘部は、前記第二の台座部及び前記蓋部により囲まれた密閉空間内に設けられていることが好ましい。また、前記第一及び第二の台座部は、複数の補助基板により一体に設けられ、前記重錘部が前記複数の補助基板のうちの、前記機能基板に接合されていない1枚の補助基板により塞がれている。

あるいは、前記圧力センサと前記機能デバイスとが一つの筐体内に設けられ、前記第一の台座部が前記筐体に固定され、前記第二の台座部が連結梁を介して前記第一の台座部に支持されている構成にしてもよい。この場合、前記機能デバイスの前記第二の可撓部、前記機能素子、前記重錘部、前記第二の台座部及び前記連結梁は、前記第一の台座部及び前記蓋部により囲まれた密閉空間内に設けられていることが好ましい。また、前記第一の台座部及び前記連結梁は、前記補助基板により一体に設けられている。

前記機能基板はシリコン基板で成り、前記第一の可撓部の前記圧力検出用素子は、前記シリコン基板の一部を変質させることにより形成されたピエゾ抵抗素子で成り、前記圧力センサは、このピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化に基づいて気体の圧力を検出する。前記機能基板は、３〜５μｍの厚みに形成されていることが好ましい。

前記複数の第二の可撓部は、互いに直交する方向に配置され、３軸方向の加速度を検出可能に設けられたものである。

本発明の複合センサデバイスは、圧力センサと機能デバイスとが異なる位置に区分けして設けられ、機能デバイスの部分だけが蓋部で覆われているので、圧力センサによる気体圧力の検出を適切かつ良好に行うことができ、しかも気体に含まれる異物が機能デバイスの内部に侵入しにいので、機能デバイスの動作異常が発生しにくいものである。

また、１つの機能基板中に第一及び第二の可撓部が設けられ、複合センサデバイスの中枢部分である圧力センサ及び機能デバイスが１つのユニットとして形成され、構造が非常にシンプルである。そのため、製造工程も簡単化することができ、例えば、規定サイズのシリコン基板上に複数の第一及び第二の可撓部とこれに対応する圧力検出素子及び機能素子等を形成し、このシリコン基板に複数の補助基板を積層してエッチング等により第一及び第二の台座部、蓋部、重錘部等を形成した後、ダイシング等により分割するという方法で、効率よく大量生産することができる。

本発明の複合センサデバイスの第一の実施形態を示す正面図（ａ）、Ｂ１−Ｂ１断面図（ｂ）である。 図１（ｂ）のＢ２−Ｂ２断面図である。 多面付けされたシリコン基板及び各補助基板を模式的に描いた図である。 圧力センサ及び加速度センサの部分の製造工程を示す図（ａ）〜（ｄ）である。 圧力センサ及び加速度センサの部分の製造工程を示す図（ａ）〜（ｄ）である。 本発明の複合センサデバイスの第二の実施形態を示す正面図（ａ）、Ｃ１−Ｃ１断面図（ｂ）である。 図６（ｂ）のＣ２−Ｃ２断面図である。 本発明の複合センサデバイスの第三の実施形態を示す正面図（ａ）、Ｄ１−Ｄ１断面図（ｂ）である。 図８（ｂ）のＤ２−Ｄ２断面図である。 従来の複合センサデバイスを示す正面図（ａ）、Ａ１−Ａ１断面図（ｂ）、Ａ２−Ａ２断面図（ｃ）である。

以下、本発明の複合センサデバイスの第一の実施形態について、図１〜図５に基づいて説明する。この実施形態の複合センサデバイス１０は、圧力センサ１２と３軸加速度センサ（機能デバイス）１４とが１つの筐体１６内に設けられたものである。

筐体１６は、図１、図２に示すように、圧力センサ１２及び加速度センサ１４が内側に収容される閉じた箱体であり、圧力センサ１２の近傍に、圧力検出対象の気体を導入するための気体導入孔１６ａが設けられている。筐体１６及び気体導入孔１６ａは、筐体１６外の圧力と筐体１６内の圧力（圧力センサ１２に作用する気体の圧力）とが同じになるように設計されている。

圧力センサ１２は、可撓性を有し後述する検出機能を備えた機能基板である略長方形のシリコン基板ｋを有し、その特定位置に設けられたダイヤフラムである第一の可撓部１８を備えている。シリコン基板ｋは、全体として良好な撓み性を有しており、図１（ｂ）における左側の破線で囲んだ部分を第一の可撓部１８としている。

第一の可撓部１８には、複数の圧力検出用素子２０が配置されている。圧力検出用素子２０は、機械的歪みを受けて自己の電気抵抗の値が変化するピエゾ抵抗素子であり、シリコン基板ｋに不純物イオンを注入し、変質させることにより形成されている。

第一の可撓部１８及びその周辺は、筐体１６の底部に固定された第一の台座部２２の支持面２２ａにより支持されている。第一の台座部２２は、板状の補助基板ｈ１、ｈ２により構成され、シリコン基板ｋの第一の可撓部１８及びその周辺の裏面側に当接する部分が、補助基板ｈ１の支持面２２ａになっている。さらに、支持面２２ａの内側に凹部２２ｂが配置され、凹部２２ｂをシリコン基板ｋの第一の可撓部１８で封止することによって密閉室２４（例えば、真空室）が設けられている。

圧力センサ１２の測定原理及び動作は、特許文献１のセンサが有する圧力検出部と同様である。つまり、筐体１６の気体導入孔１６ａから導入された気体が第一の可撓部１８に作用し、気体の圧力と密閉室２４内の圧力（真空室の場合０）との差に応じて第一の可撓部１８が弾性変形し、第一の可撓部１８が撓むことによって複数の圧力検出用素子２０の各抵抗値が変化し、各抵抗値の変化に基づいて気体の圧力を検出する。

加速度センサ１４は、シリコン基板ｋにおける第一の可撓部１８から離れた位置、つまり、図１（ｂ）における右側の例えば約３／４の広い領域に、梁状の第二の可撓部２６を４つ備えている。各第二の可撓部２６は、シリコン基板ｋに幅狭のスリット２８を設けることにより形成され、略正方形の中央部３２を、外側にある略正方形の枠体部３０の各辺中央部に第二の可撓部２６を介して連結するような構造になっている。４つの第二の可撓部２６は、互いに直交し、中央部３２を介して連続している。各第二の可撓部２６には、複数の加速度検出用素子（機能素子）３４が配置されている。加速度検出用素子３４は、機械的歪みを受けて自己の電気抵抗の値が変化するピエゾ抵抗素子であり、シリコン基板ｋに不純物イオンを注入し、変質させることにより形成されている。

シリコン基板ｋの中央部３２の４つの角部には、スリット２８により第二の可撓部２６と区切られた４つの翼状部３６が形成されている。中央部３２及び４つの翼状部３６（第二の可撓部２６の端部）の各裏面側には、それぞれ角柱状の部分が設けられている。５つの角柱状部分は、互いの角部同士が繋がって一体になっており、外力を受けて変位する重錘部３８となる。

枠体部３０の裏面側は、筐体１６の底部に固定された第二の台座部４０により支持されている。第二の台座部４０は、図２に示すように、補助基板ｈ１，ｈ２により第一の台座部２２と一体に設けられ、補助基板ｈ１の部分が角筒状に形成され、その下端開口を板状の補助基板ｈ２の凹部４６で塞いだ構造になっている。さらに、枠体部３０の表面側には、第二の可撓部２６、スリット２８及びこの近傍を広く覆う蓋部４２が設けられている。蓋部４２は、補助基板ｈ３により形成され、第二の可撓部２６、中央部３２及び翼状部３６に対向する部分に広い凹部４２ａが形成されている。

以上の構成により、加速度センサ１４の第二の可撓部２６、加速度検出用素子３４、及び重錘部３８は、補助基板ｈ１，ｈ２により構成された第二の台座部４０、及び蓋部４２により囲まれた密閉空間内に設けられている。また、凹部４２ａ，４６の内側面は、重錘部３８又はシリコン基板ｋと非接触で対面し、外部から過大な衝撃が加わって重錘部３８や第二の可撓部２６、または中央部３２や翼状部３６が大きく変位した時、保護用のストッパの働きをする。

加速度センサ１４の測定原理及び動作は、特許文献１のセンサが有する加速度検出部と同様である。つまり、外力が重錘部３８に作用し、重錘部３８の変位が４つの第二の可撓部２６に伝達され、第二の可撓部２６が撓むことによって複数の加速度検出用素子３４の抵抗値が変化し、各抵抗値の変化に基づいてＸＹＺ軸方向の加速度成分を検出する。

さらに、シリコン基板ｋにおける圧力センサ１２及び加速度センサ１４の側方の位置（図１（ｂ）における左下側の位置）に、ボンディングワイヤ等を用いて外部配線するためのパッド４４が複数設けられている。パッド４４と圧力検出用素子２０及び加速度検出用素子３４との間の電気的接続は、シリコン基板ｋの内部の拡散層によって行う。あるいは、シリコン基板ｋの表面にアルミニウム等の配線パターンを設けて接続してもよい。

次に、複合センサデバイス１０の好ましい製造方法の一例を説明する。上記のシリコン基板ｋ、補助基板ｈ１，ｈ２，ｈ３は、図３に示すように、それぞれ規定のサイズに多面付けされた大型のシリコン基板Ｋ、補助基板Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３として製造工程に投入される。１つの複合センサデバイス１０に使用される単位領域は、ハッチングで示す１区画である（長手方向の長さが例えば約１ｍｍ）。

まず、図４（ａ）に示すように、平坦なシリコン基板Ｋと、凹部２２ｂを形成した補助基板Ｈ１とを用意する。シリコン基板Ｋの厚みは、取り扱い性を考慮した適度な厚み、例えば約３００μｍである。補助基板Ｈ１は、例えば厚みが約４００μｍ程度のシリコン板を用い、凹部２２ｂの深さは例えば約３〜５μｍである。また、シリコン基板Ｋ及び補助基板Ｈ１は、互いに対向する側の面に、接合性を向上させるための酸化膜を形成しておくとよい。そして、真空の環境下でシリコン基板Ｋと補助基板Ｈ１とを重ね、両者間に電圧を印加しながら所定の高温状態で加圧して接合し、密閉室２４を設ける。その後、シリコン基板Ｋの表面を研磨し、シリコン基板Ｋの厚みを約３〜５μｍまで薄くし、図４（ｂ）に示すように、圧力センサ１２のダイヤフラム等として機能可能な厚さにする。

シリコン基板Ｋは、最初から薄いものを用いると補助基板Ｈ１に接合するまでの工程で破損させやすいので、取り扱い性の良い厚さのものを用意して補助基板Ｈ１に接合した後、研磨して薄くする。シリコン基板Ｋの厚みを３〜５μｍとしたのは、以下の理由による。圧力センサの検出感度は、ダイヤフラムの径を一定（ここでは、２００〜３００μｍ）とすると、ダイヤフラム厚の２乗に反比例する。感度は、ダイヤフラム厚を薄くすれば、飛躍的に高くなるが、シリコン基板Ｋを研磨するに加工限界がある。この加工限界が、歩留まりを考慮すると、３〜５μｍである。なお、ダイヤフラムの径が大きくなれば、同様の感度で厚みを厚くできるが、圧力センサ１２の領域が広くなり、複合センサデバイス１０のサイズが大きくなり、コストアップやセンサの小型化に反する。さらに、複合センサデバイス１０の大きさに制約がない場合でも、より検出感度の高い方がセンサ出力のＳ／Ｎ比が良くなり、性能が向上する。従って、圧力センサのダイヤフラムとしては、加工限界まで薄くすることが好ましく、この複合センサデバイス１０の場合、３〜５μｍが好適な厚みである。

その後、図４（ｃ）に示すように、シリコン基板Ｋに圧力検出用素子２０、加速度検出用素子３４、パッド４４を形成し、各素子２０，３４とパッド４４との間を電気的に接続する処理を行う。さらに、図４（ｄ）に示すように、シリコン基板Ｋのスリット２８の部分と補助基板Ｈ１の特定領域とを深堀エッチングで除去し、第二の可撓部２６、第一の台座部２２の部分、重錘部３８及び第二の台座部４０の部分を形成する。

次に、図５（ａ）に示すように、重錘部３８に対応する位置に凹部４６を形成した補助基板Ｈ２と、凹部４２ａ，４２ｂを形成した補助基板Ｈ３とを用意する。補助基板Ｈ２，Ｈ３は、素材がシリコン、ガラス、セラミック、金属、樹脂等であり、それぞれの厚みは、例えば約１００〜３００μｍである。そして、図５（ｂ）に示すように、補助基板Ｈ２の凹部４６側の面を補助基板Ｈ１に接合し、補助基板Ｈ３の凹部４２ａ，４２ｂ側の面をシリコン基板Ｋに接合する。接合方法は、例えば、樹脂、ガラス、共晶合金、ハンダ等で接着するとよい。補助基板Ｈ２，Ｈ３がシリコン材の場合はシリコン拡散接合でもよいし、補助基板Ｈ３がガラス材の場合は直接接合する陽極接合でもよい。補助基板Ｈ２，Ｈ３が接合されると、第二の可撓部２６、加速度検出用素子３４、及び重錘部３８が、第二の台座部４０及び蓋部４２で囲まれた密閉空間内に配置される。

そして、図５（ｃ）に示すように、位置Ｌ１で第一の切断を行い、補助基板Ｈ３の凹部４２ｂを除去する。この部分は、圧力センサ１２の第一の可撓部１８を覆ってしまう不要な部分だからである。補助基板Ｈ３に凹部４２ｂを設けシリコン基板Ｋから離間させておくことによって、ダイシングソーで切断するときにシリコン基板Ｋを傷つけることなく、この部分を除去することができる。さらに、図５（ｄ）に示すように、位置Ｌ２で第二の切断を行って単位領域のサイズに分割することにより、圧力センサ１２及び加速度センサ１４から成る単位ユニットが得られる。なお、図５（ｃ）、（ｄ）の工程では、第一及び第二の切断によって切粉が発生したり、洗浄用の液体等を使用したりするが、加速度センサ１４の中枢部分である第二の可撓部２６、加速度検出用素子３４、及び重錘部３８が密閉空間内にあるので、切粉等の異物が侵入して不具合が発生する心配はない。

その後、各単位ユニットを筐体１６内に個別に収容し、図示しないボンディングワイヤで配線する等の工程を経て、図１、図２に示す複合センサデバイス１０の状態になる。

以上説明したように、複合センサデバイス１０は、圧力センサ１２と加速度センサ１４とが異なる位置に区分けして設けられ、加速度センサ１４の部分だけが蓋部４２等で覆われているので、圧力センサ１２による圧力検出を適切かつ良好に行うことができ、しかも気体に含まれるゴミやホコリ等が加速度センサ１４の内部に侵入しにいので、加速度センサ１４の動作異常が発生しにくいものである。

また、１つのシリコン基板ｋの中に第一及び第二の可撓部１８，２６が設けられ、複合センサデバイス１０の中枢部分である圧力センサ１２及び加速度センサ１４が１つのユニットとして形成され、構造が非常にシンプルである。そのため、製造工程も簡単化することができ、上記のような方法で、効率よく大量生産することができる。

次に、本発明の複合センサデバイスの第二の実施形態について、図６、図７に基づいて説明する。ここで、上記の複合センサデバイス１０と同様の構成は、同一の符号を付して説明を省略する。この実施形態の複合センサデバイス４８も、上記の複合センサデバイス１０と同様に、圧力センサ１２と３軸加速度センサ（機能デバイス）１４とが１つの筐体１６内に設けられたものである。

上記の複合センサデバイス１０は、第一及び第二の台座部２２，４０が一体に形成され、共に筐体１６に固定されているが、この複合センサデバイス４８は、第一の台座部２２が筐体１６に固定され、第二の台座４０は、筐体１６に直接固定されるのではなく、片持ち梁構造の連結梁５０を介して第一の台座部２２に支持されているという特徴がある。

複合センサデバイス４８は、図６（ｂ）、図７に示すように、シリコン基板ｋの外形のやや内側に加速度センサ１４の部分（第二の可撓部２６、スリット２８、枠体部３０、中央部３２及び翼状部３６）が設けられ、枠体部３０の外周に沿って幅狭のスリット５２が設けられ、外側の枠体部５４と区切られている。スリット５２は、パッド４４に近い位置で途切れており、この途切れた部分のシリコン基板ｋ及び補助基板ｈ１により連結梁５０構成されている。枠体部５４の裏面側は、図７に示すように、第一の台座部２２の上面２２ｃにより支持されている。

第一の台座部２２は、補助基板ｈ１，ｈ２により構成され、補助基板ｈ１の角筒状の部分（枠体部５４の裏側の部分）の下端開口を補助基板ｈ２の凹部４６で塞いだ構造になっている。第二の台座部４０は、補助基板ｈ１により構成され、補助基板ｈ１の角筒状の部分（枠体部３０の裏側の部分）の下端開口は開放している。また、蓋部４２は、枠体部３０の表面側ではなく枠体部５４の表面側に設けられ、第二の可撓部２６、スリット２８に加えて、新たに設けられたスリット５２及びこの近傍も覆っている。つまり、複合センサデバイス４８の場合、加速度センサ１４の中枢部分である第二の可撓部２６、加速度検出用素子３４、重錘部３８、第二の台座部４０及び連結梁５０は、第一の台座部２２（補助基板ｈ１，ｈ２）及び蓋部４２により囲まれた密閉空間内に設けられる。複合センサデバイス４８の他の構成は、複合センサデバイス１０と同様である。

複合センサデバイス４８によれば、上記の複合センサデバイス１０と同様の作用効果を得ることができ、さらに、加速度センサ１４に発生するドリフト誤差を低減することができる。ドリフト誤差とは、加速度検出用素子３４の出力が加速度以外の要因で変化してしまうことによる誤差のことである。

複合センサデバイス１０の場合、図２に示すように、加速度センサ１４の第二の可撓部２６が十字状に配置され、第二の台座部４０の角筒状部分（補助基板ｈ１の部分）により両端支持され、第二の台座部４０の下面全体（補助基板ｈ２の下面全体）が筐体１６の底部に固定されている。したがって、例えば環境温度の変化によって筐体１６が膨張収縮すると、第二の台座部４０が変形し、これにより第二の可撓部２６が撓んでしまい、加速度検出用素子３４の抵抗値が変化する可能性がある。つまり、重錘部３８に加速度が作用していないにもかかわらず加速度検出用素子３４の抵抗値が変化することになるので、加速度検出のドリフト誤差となる。

これに対して、複合センサデバイス４８の場合、図７に示すように、加速度センサ１４の第二の台座部４０が筐体１６と独立し、第二の台座部４０が連結梁５０を介して第一の台座部２２に連結され支持される構造なので、筐体１６が膨張収縮しても、第二の台座部４０がほとんど変形せず、その影響が第二の可撓部２６に伝わらない。したがって、例えば、複合センサデバイス４８を回路基板上にリフローハンダ付けした場合でも、加速度検出用素子３４の零点出力がほとんど変動せず、ドリフト誤差が極めて小さい値に抑えられる。なお、複合センサデバイス４８の場合、連結梁５０の厚みが補助基板ｈ１の厚み（約４００μｍ）とほぼ等しくなっているが、連結梁５０の弾性特性を調節するため、補助基板ｈ１の厚みより薄くしてもよい。

次に、本発明の複合センサデバイスの第三の実施形態について、図８、図９に基づいて説明する。ここで、上記の複合センサデバイス１０と同様の構成は、同一の符号を付して説明を省略する。この実施形態の複合センサデバイス５６も、上記の複合センサデバイス１０と同様に、圧力センサ１２と３軸加速度センサ（機能デバイス）１４とが１つの筐体１６内に設けられたものである。

上記の複合センサデバイス１０は、十字状に配置された４つの第二の可撓部２６が、枠状の第二の台座部４０により両端支持されているが、この複合センサデバイス５６の場合、Ｌ字状に直交して形成された第二の可撓部５８を有し、Ｌ字状の一端部が、枠状の第二の台座部２２により片持ち梁状に支持されているという特徴がある。

複合センサデバイス５６は、図８（ｂ）に示すように、シリコン基板ｋにおける第一の可撓部１０から離れた位置、つまり、図８（ｂ）における右側の例えば約３／４の広い領域に、Ｌ字状の第二の可撓部５８を備えている。第二の可撓部５８は、シリコン基板ｋに渦巻き状のスリット６０を設けることにより形成され、Ｌ字状の一端部が、略正方形の枠体部３０のパッド４４に近い位置に連結されたような構造になっている。重錘部３８は、第二の可撓部５８の反対側の端部にある略正方形の先端部６２の裏面側に設けられている。複合センサデバイス５６の他の構成は、複合センサデバイス１０と同様である。

加速度センサ１４にＬ字状の第二の可撓部５８を設け、複数の加速度検出用素子３４を配置するという構成は、本願発明者らによる特許第５５０９３９９号公報に開示されている慣性センサの構成と同様であり、測定原理及び動作はほぼ同じである。

複合センサデバイス５６によれば、上記の複合センサデバイス１０と同様の作用効果を得ることができ、さらに、上記の複合センサデバイス４８と同様に、加速度センサ１４に発生するドリフト誤差を低減することができる。

上述したように、複合センサデバイス１０の場合、加速度センサ１４の第二の可撓部２６が、枠状の第二の台座部４０により両端支持され、第二の台座部４０の下面全体が筐体１６に固定されているため、例えば環境温度の変化によって筐体１６が膨張収縮すると、加速度検出のドリフト誤差が発生する可能性がある。

これに対して、複合センサデバイス５６の場合、図９に示すように、枠状の第二の台座部４０の下面全体が筐体１６に固定されているものの、第二の可撓部５８が片端支持されている構造なので、筐体１６が膨張収縮しても、その影響が第二の可撓部５８に伝わらないので、加速度検出のドリフト誤差を小さく抑えることができる。

なお、本発明の複合センサデバイスは、上記実施形態に限定されるものではない。上記の加速度センサ１４は、第二の可撓部２６及び複数の加速度検出用素子３４が、３軸の加速度を検出するよう構成されているが、例えば、角加速度センサ等を形成しても良い。

機能基板である上記シリコン基板ｋは、シリコン以外の素材の基板に置き換えてもよい。また、機能基板は、全体として可撓性を有する必要はなく、例えば、機能基板の特定領域を薄く形成したり、細く形成したりすることにより、撓み性を有する第一及び第二の可撓部を設けてもよい。

２つの台座部及び重錘部は、上記のように補助基板ｈ１，ｈ２を組み合わせて製作された構成に限定されない。例えば、別々に構造体（台座部材、重錘部材）を製作し、これらを機能基板に接合することにより台座部及び重錘部を設けてもよいし、これ以外の構成にしてもよい。

上記の筐体１６は、閉じた箱体の内側に圧力センサ及び機能デバイスを収容する構造であるが、必ずしも閉じている必要はなく、用途に合わせて最適な構造に変更することができる。

また、本発明の複合センサデバイスは、圧力センサと所定の機能デバイスとを組み合わせたものであればよく、機能デバイスは、上記のピエゾ抵抗型の加速度センサのほか、圧電型の角速度センサ等でもよい。

例えば角速度センサである振動ジャイロセンサの場合、普段から重錘部を一定の周波数で振動させておく必要がある。しかし、上記の加速度センサ１４は、重錘部３８の周囲が蓋部４２や補助基板ｈ２に囲まれて非常に狭くなっているため、この構造をそのまま振動ジャイロセンサに適用すると、空気の流動抵抗によって重錘部３８の振動が妨げられる可能性がある。そこで、例えば、蓋部４２や補助基板ｈ２の重錘部３８と対面する部分（凹部４６ｂや凹部４６の内側面）に空気の流路となる複数の凹条を設け、振動時の重錘部３８付近の空気が流れやすい構造にしておくことが好ましい。

１０，４８，５６ 複合センサデバイス
１２ 圧力センサ
１４ 加速度センサ（機能デバイス）
１６ 筐体
１８ 第一の可撓部
２０ 圧力検出用素子
２２ 第一の台座部
２２ａ 支持面
２２ｂ 凹部
２４ 密閉室
２６，５８ 第二の可撓部
３４ 加速度検出用素子（機能素子）
３８ 重錘部
４０ 第二の台座部
４２ 蓋部
５０ 連結梁
ｋ シリコン基板（機能基板）

Claims (11)

1. 圧力センサと機能デバイスとを有する複合センサデバイスであって、
   前記圧力センサは、基板の特定位置に設けられた第一の可撓部と、前記第一の可撓部に配置され、機械的歪みを受けて自己の電気的特性が変化する圧力検出用素子と、前記第一の可撓部及びその周辺を前記基板の裏面側から支持する支持面が設けられた第一の台座部と、前記支持面の内側に配置された凹部と前記基板の前記第一の可撓部とで囲まれて成る密閉室とを備え、
   前記機能デバイスは、前記基板の前記第一の可撓部と異なる位置に梁状に形成された前記第二の可撓部と、前記第二の可撓部に配置され、機械的歪みを受けて自己の電気的特性が変化する機能素子と、前記第二の可撓部の端部に設けられ、外力を受けて変位する重錘部と、前記第二の可撓部の前記重錘部から離れた端部を支持する第二の台座部と、前記第二の可撓部及びこの近傍を前記基板の表面側から覆う蓋部とを備えていることを特徴とする複合センサデバイス。
2. 前記圧力センサと前記機能デバイスとが一つの筐体内に設けられ、
   前記第一及び第二の台座部が一体に形成され、共に前記筐体に固定されている請求項１記載の複合センサデバイス。
3. 前記機能デバイスの前記第二の可撓部、前記機能素子、及び前記重錘部は、前記第二の台座部及び前記蓋部により囲まれた密閉空間内に設けられている請求項２記載の複合センサデバイス。
4. 前記第一及び第二の台座部は、積層された複数の補助基板により一体に設けられている請求項１、２または３記載の複合センサデバイス。
5. 前記圧力センサと前記機能デバイスとが一つの筐体内に設けられ、
   前記第一の台座部が前記筐体に固定され、前記第二の台座部が連結梁を介して前記第一の台座部に支持されている請求項１記載の複合センサデバイス。
6. 前記機能デバイスの前記第二の可撓部、前記機能素子、前記重錘部、前記第二の台座部及び前記連結梁は、前記第一の台座部及び前記蓋部により囲まれた密閉空間内に設けられている請求項５記載の複合センサデバイス。
7. 前記第一の台座部及び前記連結梁は、積層された複数の補助基板により一体に設けられている請求項５または６記載の複合センサデバイス。
8. 前記基板はシリコン基板で成り、前記第一の可撓部の前記圧力検出用素子は、前記シリコン基板の一部を変質させることにより形成されたピエゾ抵抗素子で成り、前記圧力センサは、このピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化に基づいて気体の圧力を検出する請求項１乃至７のいずれか記載の複合センサデバイス。
9. 前記第一の可撓部は、３〜５μｍの厚みに形成されている請求項８記載の複合センサデバイス。
10. 前記機能素子は、前記シリコン基板の一部を変質させることにより形成されたピエゾ抵抗素子で成り、前記機能デバイスは、このピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化に基づいて加速度を検出するセンサである請求項８記載の複合センサデバイス。
11. 前記機能素子は前記シリコン基板上に付設された圧電素子で成り、前記機能デバイスは、この圧電素子を用いて機械エネルギーを電気エネルギーに変換する発電デバイスである請求項８記載の複合センサデバイス。

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