JP4073729B2 - 容量素子を用いた力センサおよび加速度センサならびにその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、容量素子を用いた力センサおよび加速度センサならびにその製造方法に関し、特に、小型民生用電子機器に利用される量産型の力センサおよび加速度センサならびにその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話、デジタルカメラ、電子ゲーム機器、ＰＤＡ機器など、マイクロプロセッサを内蔵した小型民生用の電子機器の普及はめざましく、最近では、これらの電子機器あるいはその入力装置に内蔵させるための力センサや加速度センサの需要も高まってきている。力センサを備えた電子機器では、オペレータの指による操作を外力として検出することができ、検出した外力の方向や大きさに基づいて、オペレータが与えた指示や操作量を認識することができる。また、加速度センサを備えた電子機器では、本体に加えられた衝撃や振動などの加速度成分をデジタルデータとしてマイクロプロセッサに取り込むことができるため、電子機器周囲の物理的環境を把握した適切な処理が可能になる。たとえば、デジタルカメラでは、シャッターボタンを押した瞬間に作用した加速度を検出することにより、手振れに対する補正を行うことができ、電子ゲーム機器用の入力装置などでは、オペレータの操作指示を加速度の形で入力することも可能になる。
【０００３】
このような小型民生用電子機器に内蔵するための力センサや加速度センサとしては、小型で量産に適したものが望ましく、現在、半導体デバイスの製造プロセスを利用して量産が可能な半導体基板を用いたタイプのものが多く利用されている。この種のセンサでは、可撓性をもった半導体基板に外力の作用により撓みを生じさせ、この撓みの状態に基づいて、作用した外力を電気的に検出する手法が採られている。基板の撓みの検出には、容量素子、ピエゾ抵抗素子、圧電素子など、種々の検出素子が利用されているが、比較的低コストのセンサには、容量素子が利用されることが多い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
容量素子を用いた力センサや加速度センサは、半導体基板などに形成された一対の電極間距離の変化を、当該一対の電極から構成される容量素子の静電容量値の変化として検出する原理に基づくものである。このため、半導体基板の所定箇所に複数の電極を形成する必要があり、製造プロセスにおいて、この電極を形成するための工程が不可欠である。しかしながら、量産効果を向上させるためには、製造プロセスの一層の単純化が必要になる。
【０００５】
そこで本発明は、より単純な構造をもった容量素子を用いた力センサおよび加速度センサを提供することを目的とし、また、そのようなセンサの量産に適した製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
(1) 本発明の第１の態様は、導電性をもった上層部と、絶縁性をもった中層部と、導電性をもった下層部と、の少なくとも３層構造を有するセンサ本体と、検出値を電気信号として取り出すための検出回路と、により力センサを構成するようにし、
上層部の上面の中心位置に原点Ｏをとり、上層部の上面において互いに直交する方向にそれぞれＸ軸およびＹ軸をとり、上層部の上面に対して垂直な方向にＺ軸をとることにより、ＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、
上層部が、原点Ｏの近傍に配置された島状部と、島状部からＸ軸正方向に伸びる第１の橋梁部と、島状部からＹ軸正方向に伸びる第２の橋梁部と、島状部からＸ軸負方向に伸びる第３の橋梁部と、島状部からＹ軸負方向に伸びる第４の橋梁部と、の５つの部分を有する十字形部材と、ＸＹ座標における第１象限に位置する第１の固定部材と、ＸＹ座標における第２象限に位置する第２の固定部材と、ＸＹ座標における第３象限に位置する第３の固定部材と、ＸＹ座標における第４象限に位置する第４の固定部材と、によって構成されるようにし、十字形部材、第１の固定部材、第２の固定部材、第３の固定部材、第４の固定部材が、物理的に互いに非接触となるように配置されるようにし、
下層部が、第１の固定部材の内側部分の一部の領域に対向する第１の羽根部と、第２の固定部材の内側部分の一部の領域に対向する第２の羽根部と、第３の固定部材の内側部分の一部の領域に対向する第３の羽根部と、第４の固定部材の内側部分の一部の領域に対向する第４の羽根部と、中央付近において第１の羽根部、第２の羽根部、第３の羽根部、第４の羽根部を互いに接続する羽根接合部と、を有する作用体と、この作用体に対して所定間隔をおきながら、その周囲を取り囲む台座と、によって構成されるようにし、
中層部が、島状部の下面と、羽根接合部の上面と、を接続する中央接続部と、台座の上面と、第１の固定部材、第２の固定部材、第３の固定部材、第４の固定部材、第１の橋梁部、第２の橋梁部、第３の橋梁部、第４の橋梁部、のそれぞれ外側部分の下面と、を接続する周囲接続部と、によって構成されるようにし、
第１の橋梁部、第２の橋梁部、第３の橋梁部、第４の橋梁部は、作用体に外力が作用した場合に撓みを生じる性質を有しており、この撓みにより作用体が台座に対して変位を生じるように構成されており、
検出回路が、第１の固定部材と第１の羽根部とによって構成される第１の容量素子、第２の固定部材と第２の羽根部とによって構成される第２の容量素子、第３の固定部材と第３の羽根部とによって構成される第３の容量素子、第４の固定部材と第４の羽根部とによって構成される第４の容量素子、の各静電容量値に基づいて、作用体に作用した外力を示す電気信号を出力するようにしたものである。
【０００７】
(2) 本発明の第２の態様は、上述の第１の態様に係る容量素子を用いた力センサにおいて、
上層部を構成する十字形部材、第１の固定部材、第２の固定部材、第３の固定部材、第４の固定部材が、上層部を厚み方向に貫通する所定幅のスリットによって、互いに分離されているようにしたものである。
【０００８】
(3) 本発明の第３の態様は、上述の第１または第２の態様に係る容量素子を用いた力センサにおいて、
島状部の厚み方向に形成された貫通孔を通して、作用体に接触する配線部が設けられ、
検出回路がこの配線部と各固定部材との間の静電容量値に基づいて検出値を出力するようにしたものである。
【０００９】
(4) 本発明の第４の態様は、上述の第１〜第３の態様に係る容量素子を用いた力センサにおいて、
所定の許容範囲を越える外力が作用した場合に、作用体のいずれかの羽根部の上面がいずれかの固定部材の下面に接触して変位が制御されるように、中層部の厚みを設定するようにしたものである。
【００１０】
(5) 本発明の第５の態様は、上述の第１〜第４の態様に係る容量素子を用いた力センサにおいて、
検出回路が、第１の容量素子の静電容量値と第４の容量素子の静電容量値との和と、第２の容量素子の静電容量値と第３の容量素子の静電容量値との和と、の差に基づいて、作用体に作用した外力のＸ軸方向成分を示す検出値を出力し、第１の容量素子の静電容量値と第２の容量素子の静電容量値との和と、第３の容量素子の静電容量値と第４の容量素子の静電容量値との和と、の差に基づいて、作用体に作用した外力のＹ軸方向成分を示す検出値を出力するようにしたものである。
【００１１】
(6) 本発明の第６の態様は、上述の第１〜第４の態様に係る容量素子を用いた力センサにおいて、
ＸＹ座標における第１象限が正方向、第３象限が負方向となり、ＸＹ両座標軸に対して４５°をなすＶ軸を定義し、ＸＹ座標における第２象限が正方向、第４象限が負方向となり、ＸＹ両座標軸に対して４５°をなすＷ軸を定義したときに、
検出回路が、第１の容量素子の静電容量値と第３の容量素子の静電容量値との差に基づいて、作用体に作用した外力のＶ軸方向成分を示す検出値を出力し、第２の容量素子の静電容量値と第４の容量素子の静電容量値との差に基づいて、作用体に作用した外力のＷ軸方向成分を示す検出値を出力するようにしたものである。
【００１２】
(7) 本発明の第７の態様は、上述の第５または第６の態様に係る容量素子を用いた力センサにおいて、
検出回路が、更に、第１の容量素子の静電容量値、第２の容量素子の静電容量値、第３の容量素子の静電容量値、第４の容量素子の静電容量値の総和に基づいて、作用体に作用した外力のＺ軸方向成分を示す検出値を出力するようにしたものである。
【００１３】
(8) 本発明の第８の態様は、上述の第１〜第７の態様に係る容量素子を用いた力センサにおいて、
上層部および下層部を構成する材料と中層部を構成する材料とを、互いにエッチング特性の異なる材料によって構成したものである。
【００１４】
(9) 本発明の第９の態様は、上述の第１〜第８の態様に係る容量素子を用いた力センサにおいて、
上層部および下層部を、不純物をドープしたシリコン層によって構成し、中層部を酸化シリコン層によって構成したものである。
【００１５】
(10) 本発明の第１０の態様は、上述の第９の態様に係る容量素子を用いた力センサにおいて、
センサ本体を、不純物をドープしたシリコン層／酸化シリコン層／不純物をドープしたシリコン層なる３層構造を有するＳＯＩ基板によって構成したものである。
【００１６】
(11) 本発明の第１１の態様は、上述の第１〜第１０の態様に係る容量素子を用いた力センサを用い、作用体に作用した加速度に起因する力を検出することにより検出回路から加速度の検出信号を出力させるようにし、加速度センサとして利用できるようにしたものである。
【００１７】
(12) 本発明の第１２の態様は、上述の第１１の態様に係る加速度センサにおいて、
台座の底面に制御基板を接続し、この台座の底面に対して作用体の底面が所定寸法だけ上方に位置し、作用体の底面と制御基板の上面との間に所定間隔が確保されるように、作用体の厚みを設定するようにし、
作用した加速度の所定方向成分の大きさが所定の許容値を越えたときに、作用体の底面が制御基板の上面に接触して変位が制御されるようにしたものである。
【００１８】
(13) 本発明の第１３の態様は、上述の第１〜第１２の態様に係る容量素子を用いた力センサもしくは加速度センサの製造方法において、
上から順に、導電性をもった第１の層、絶縁性をもった第２の層、導電性をもった第３の層の３層を積層してなる材料基板を用意する準備段階と、
第１の層に対しては浸食性を有し、第２の層に対しては浸食性を有しないエッチング方法により、第１の層の所定領域に対して、第２の層の上面が露出するまで厚み方向へのエッチングを行い、第１の層にスリットを形成することにより、第１の層を、十字形部材、第１の固定部材、第２の固定部材、第３の固定部材、第４の固定部材に分離するとともに、これら各固定部材の内側部分の所定領域にエッチング用貫通孔を形成する上層部形成段階と、
第３の層に対しては浸食性を有し、第２の層に対しては浸食性を有しないエッチング方法により、第３の層の所定領域に対して、第２の層の下面が露出するまで厚み方向へのエッチングを行い、第３の層を作用体と台座とに分離する下層部形成段階と、
第２の層に対しては浸食性を有し、第１の層および第３の層に対しては浸食性を有しないエッチング方法により、第２の層に対して、その露出部分から厚み方向および層方向へのエッチングを行い、残存した部分により中央接続部および周囲接続部を形成する中層部形成段階と、
を行うようにしたものである。
【００１９】
(14) 本発明の第１４の態様は、上述の第１３の態様に係る容量素子を用いた力センサもしくは加速度センサの製造方法において、
中層部形成段階で行われるエッチングにより、作用体の各羽根部の上方に位置する第２の層からなる部分が除去できるように、上層部形成段階において、所定箇所に複数のエッチング用貫通孔を形成するようにしたものである。
【００２０】
(15) 本発明の第１５の態様は、上述の第１３または第１４の態様に係る加速度センサの製造方法において、
台座部分の厚みに比べて作用体部分の厚みが小さくなるように、下層部の作用体となるべき領域の下層部分をエッチング除去する厚み調整段階と、
台座底面に制御基板を接合する制御基板接合段階と、
を更に行うようにしたものである。
【００２１】
(16) 本発明の第１６の態様は、上述の第１３〜第１５の態様に係る容量素子を用いた力センサもしくは加速度センサの製造方法において、
上層部形成段階および下層部形成段階で、誘導結合型プラズマエッチング法を用いることにより、厚み方向へのエッチングを行うようにしたものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示する実施形態に基いて説明する。
【００２３】
＜＜＜ §１．センサ本体の基本構造 ＞＞＞
本発明は力センサおよび加速度センサに関するものであるが、その基本構造はいずれもほぼ同一であり、ここでは、力センサとしても、加速度センサとしても利用可能なセンサ本体の基本構造を述べる。
図１は、本発明の一実施形態に係るセンサ本体の上面図である。このセンサ本体は、基本的に、導電性をもった上層部１００と、絶縁性をもった中層部２００と、導電性をもった下層部３００との３層構造から構成されている。具体的には、ここに示す実施形態の場合、上層部１００は、Ｐ型もしくはＮ型の不純物をドープしたシリコン層から構成されており、中層部２００は酸化シリコン層から構成されており、下層部３００は、Ｐ型もしくはＮ型の不純物をドープしたシリコン層から構成されている。このようなシリコン／酸化シリコン／シリコンなる３層構造をもった材料は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板として市販されており、ここに示すセンサ本体は、このＳＯＩ基板を利用した製造プロセスによって製造することが可能である。
【００２４】
ここに示す実施形態では、上層部１００、中層部２００、下層部３００は、いずれも正方形状の板状部材である。上層部１００には、厚み方向に貫通するスリットＳ１〜Ｓ４が形成されており、図１では、このスリットＳ１〜Ｓ４を通して、下層部３００の一部が確認できる。図１はかなり繁雑な図になっているが、これは上層部１００の下に隠れている中層部２００の構造を一点鎖線で示し、下層部３００の構造を破線で示したためである。一方、図２は、図１に示すセンサ本体を、切断線２−２の位置で切断した側断面図であり、図３は、同じく図１に示すセンサ本体を、切断線３−３の位置で切断した側断面図である。これら側断面図には、このセンサ本体が、上層部１００、中層部２００、下層部３００の３層構造からなることが明瞭に示されている。なお、ここでは説明の便宜上、上層部１００の構成要素を１００番台の符号で示し、中層部２００の構成要素を２００番台の符号で示し、下層部３００の構成要素を３００番台の符号で示すことにする。また、図４は、このセンサ本体の下面図であり、この下面図では、下層部３００の陰に隠れている中層部２００の構造は示されておらず、上層部１００の構造の一部については破線で示されている。
【００２５】
図１に示す上面図や図４に示す下面図は、各層相互の位置関係の確認を行う場合には便利であるが、単一の図に、複数の層構造が重ねて描かれているため、かなり繁雑になっており、個々の層の細かな構造の説明を行うのには必ずしも適当ではない。そこで、以下、個々の層をそれぞれ独立して描いた平面図を用い、図２および図３の側断面図を参照しながら、各層の構造を順に説明する。
【００２６】
まず、図５を用いて、上層部１００の構造を説明する。この図５は、上層部１００を単体として示した上面図である。図示のとおり、上層部１００は、正方形状の板状部材からなり、厚み方向に貫通する所定幅のスリットＳ１〜Ｓ４が形成されている。この実施形態の場合、上層部１００は、不純物をドープすることにより導電性をもったシリコンの基板層から構成されており、スリットＳ１〜Ｓ４は、後述するように、このシリコンの基板層に対してエッチング加工を施すことにより形成される。スリットＳ１〜Ｓ４は、いずれもほぼＬ字状をしており、これら４本のスリットによって、上層部１００は、図示のとおり、５つの部材１２０，１２１，１２２，１２３，１２４に分けられることになる。ここでは、この５つの部材のうち、部材１２０（図示のとおり、この部材は、更に５つの部分１２５〜１２９から構成されている）を十字形部材と呼び、部材１２１〜１２４を固定部材（後述するように、これらの部材は台座に固定される）と呼ぶことにする。
【００２７】
ここでは、説明の便宜上、図５に示されているように、上層部１００の上面の中心位置に原点Ｏをとり、この上層部１００の上面において互いに直交する方向にそれぞれＸ軸およびＹ軸をとる。すなわち、Ｘ軸は上層部１００の輪郭となる正方形の横の辺に平行な方向を向き、図の右方向を正方向とする座標軸であり、Ｙ軸は上層部１００の輪郭となる正方形の縦の辺に平行な方向を向き、図の上方向を正方向とする座標軸である。結局、上層部１００の上面を含む平面上に二次元ＸＹ座標系を定義することができる。ここで、原点Ｏを通り、上層部１００の上面に対して垂直な方向にＺ軸（図５の紙面垂直上方を正方向とする）をとれば、ＸＹＺ三次元直交座標系を定義することができる。なお、本明細書では、原点Ｏに近い方を内側部分、遠い方を外側部分と呼ぶことにする。
【００２８】
このような座標系を定義すると、図５に示すように、十字形部材１２０は、原点Ｏの近傍に配置された島状部１２５と、島状部１２５からＸ軸正方向に伸びる第１の橋梁部１２６と、島状部１２５からＹ軸正方向に伸びる第２の橋梁部１２７と、島状部１２５からＸ軸負方向に伸びる第３の橋梁部１２８と、島状部１２５からＹ軸負方向に伸びる第４の橋梁部１２９と、の５つの部分から構成されることになる。また、ほぼ正方形の板状をした第１の固定部材１２１は、ＸＹ座標における第１象限に位置することになり、ほぼ正方形の板状をした第２の固定部材１２２は、ＸＹ座標における第２象限に位置することになり、ほぼ正方形の板状をした第３の固定部材１２３は、ＸＹ座標における第３象限に位置することになり、ほぼ正方形の板状をした第４の固定部材１２４は、ＸＹ座標における第４象限に位置することになる。
【００２９】
このように、上層部１００は、十字形部材１２０、第１の固定部材１２１、第２の固定部材１２２、第３の固定部材１２３、第４の固定部材１２４なる５つの部材によって構成されており、これら５つの部材は、スリットＳ１〜Ｓ４によって、物理的に互いに非接触となるように配置されていることになる。このように、これら５つの部材はそれぞれバラバラの構成要素であるが、後述するように、いずれもその外側部分（原点Ｏから遠い部分）が下層部３００の台座部分に固定されることになる。
【００３０】
なお、各固定部材１２１〜１２４の内側部分（原点Ｏに近い部分）の所定箇所には、それぞれエッチング用貫通孔Ｈ１〜Ｈ４が形成されている。図示の例では、各エッチング用貫通孔Ｈ１〜Ｈ４は、それぞれ３×３のマトリックス状に配列された９個の貫通孔の集合によって構成されている。これらエッチング用貫通孔Ｈ１〜Ｈ４は、センサ本体の動作に必要なものではなく、後述する製造プロセスを実施する上で必要になる構成要素である（いわば、哺乳動物の臍の役割と同等であると考えれば、理解しやすいであろう）。したがって、センサ本体の構造および動作を説明する上では、このエッチング用貫通孔Ｈ１〜Ｈ４のない実施形態を示した方が適切かもしれないが、実用上、本発明を実施する際には、後述する製造プロセスによってセンサ本体を量産するのが望ましいので、ここでは、敢えて、このような製造プロセスを経て量産されたセンサ本体についての構造および動作を実施形態として説明することにする。
【００３１】
この図５の上面図に示されている上層部１００の基本構造は、図２および図３の側断面図によっても明瞭に示されている。図２に示されている上層部１００は、図５に示されている上層部１００を切断線２−２に沿って切った側断面図に相当する。この図２には、上層部１００の厚み方向に貫通するスリットＳ１，Ｓ２と、エッチング用貫通孔Ｈ１，Ｈ２が示されており、また、第１の固定部材１２１，第２の固定部材１２２，第２の橋梁部１２７の断面が示されている。一方、図３は、図５に示されている上層部１００を切断線３−３に沿って切った側断面図に相当し、上層部１００のうちの十字形部材１２０だけが示されている。
【００３２】
図６は、図３の側断面図において、上層部１００を図の切断線６−６に沿って切断した横断面図であり、厚み方向に貫通するスリットＳ１〜Ｓ４およびエッチング用貫通孔Ｈ１〜Ｈ４の形状および配置が明瞭に示されている。４組のスリットＳ１〜Ｓ４は全く同形であり、かつ、シンメトリック（図６の平面図において左右対称および上下対称）に配置されている。
【００３３】
十字形部材１２０の中央部分を構成する島状部１２５は、その四方を第１の橋梁部１２６、第２の橋梁部１２７、第３の橋梁部１２８、第４の橋梁部１２９によって支持された文字どおり島状の部分になっている。各橋梁部１２６〜１２９は、両側をスリットで挟まれた細長いビーム状の構造体をなし、後述するように、その外側部分は台座に固定されている。しかも、各橋梁部１２６〜１２９は、可撓性を有しており、島状部１２５に対して外力が作用すると、各橋梁部１２６〜１２９が撓みを生じるように構成されている。結局、島状部１２５に対して外力が作用すると、各橋梁部１２６〜１２９が撓み、島状部１２５が変位を生じることになる。
【００３４】
前述したように、この実施形態では、上層部１００はシリコンの基板層によって構成されているので、この上層部１００の厚みをある程度小さく設定すれば、各橋梁部１２６〜１２９に可撓性をもたせることができる。ただし、上層部１００の厚みをあまり小さく設定すると破損しやすくなるので、実用上は、このセンサ本体の用途に応じて、どの程度の検出感度が必要になり、どの程度の堅牢性が必要になるか、などの条件を考慮して、最適な厚みを設定するのが好ましい。
【００３５】
次に、図７を用いて、中層部２００の構造を説明する。この図７は、中層部２００を単体として示した横断面図であり、図３の側断面図において、中層部２００を図の切断線７−７に沿って切断した横断面図に相当する。ここに示す実施形態の場合、中層部２００は、後述するように、層面が正方形状をした酸化シリコン層に対して、エッチング加工を施すことにより形成されることになる。図示のとおり、中層部２００は、中央部分に配置された中央接続部２１０と、周囲部分に配置され、全体的に方環状形状をもった周囲接続部２３０と、によって構成される。これら各接続部は、いずれも同一の厚みを有している。なお、周囲接続部２３０は、溝部Ｇ０によって、部分接続部２３１〜２３８なる８個の細かな部分に分割されているが、これも、後述する製造プロセスを実施したために生じる付随的な特徴であり、本発明を実施する上で、周囲接続部２３０を、このような複数の部分接続部に分ける必要はない。中央接続部２１０および周囲接続部２３０の根本的な機能は、後述するように、上層部１００の所定部分と下層部３００の所定部分とを接続することである。
【００３６】
最後に、図８を用いて、下層部３００の構造を説明する。この図８は、下層部３００を単体として示した横断面図であり、図３の側断面図において、下層部３００を図の切断線８−８に沿って切断した横断面図に相当する。ここに示す実施形態の場合、下層部３００は、後述するように、層面が正方形状をしたシリコン層に対してエッチング加工を施すことにより、形成されることになる。図の溝部Ｇ１およびＧ２は、このエッチング加工によりシリコンが除去された部分である。図示のとおり、下層部３００は、送風機のファン状形状をなす作用体３１０と、これを囲う位置に配置され、方環状形状をもった台座３３０と、によって構成される。ここで、作用体３１０は、第１の羽根部３１１、第２の羽根部３１２、第３の羽根部３１３、第４の羽根部３１４と、中央付近においてこれら４つの羽根部を互いに接続する羽根接合部３１５によって構成されている。また、台座３３０は、作用体３１０に対して所定間隔をおきながら、その周囲を取り囲むように配置されている。
【００３７】
図９は、上層部１００の各構成要素と下層部３００の各構成要素との位置関係を示す上面図である。図示のとおり、作用体３１０の４つの羽根部３１１〜３１４は、上層部１００を構成する４つの固定部材１２１〜１２４の内側部分の一部の領域において、平面的に重なっている。図にハッチングを施した部分は、この平面的な重なり領域を示している（この図９におけるハッチングは、断面を示すものではない）。すなわち、第１の固定部材１２１の内側部分の一部の領域（ハッチング部分）の下方には、第１の羽根部３１１が対向するように配置されており、第２の固定部材１２２の内側部分の一部の領域（ハッチング部分）の下方には、第２の羽根部３１２が対向するように配置されており、第３の固定部材１２３の内側部分の一部の領域（ハッチング部分）の下方には、第３の羽根部３１３が対向するように配置されており、第４の固定部材１２４の内側部分の一部の領域（ハッチング部分）の下方には、第４の羽根部３１４が対向するように配置されている。
【００３８】
図７に示す中層部２００における中央接続部２１０は、図６に示す島状部１２５と図８に示す羽根接合部３１５との間に介挿され、両者を接続する機能を有し、図７に示す中層部２００における周囲接続部２３０（２３１〜２３８）は、図６に示す各固定部材１２１〜１２４の外側部分および各橋梁部１２６〜１２９の外側部分と図８に示す台座３３０との間に介挿され、両者を接続する機能を有する。
【００３９】
以上、上層部１００、中層部２００、下層部３００の構造をそれぞれ別個に説明したが、ここで述べる実施形態に係るセンサ本体は、図１の上面図、図２および図３の側断面図、図４の下面図に示されているとおり、これら３層を接合することにより得られる構造体である。図３の側断面図を見れば明らかなように、作用体３１０は、台座３３０によって周囲を囲まれた空間内に位置することになり、その上面中央部が中央接続部２１０を介して十字形部材１２０の中央部分、すなわち、島状部１２５の下面に接続されている。また、十字形部材１２０は、その周囲部分が周囲接続部２３２，２３４，２３６，２３８を介して台座３３０の上面に固定されているので、結局、作用体３１０は、台座３３０によって囲まれた空間内において、上方から宙吊りの状態となっている。
【００４０】
＜＜＜ §２．力もしくは加速度センサとしての動作 ＞＞＞
続いて、これまで§１で述べたセンサ本体を利用した力もしくは加速度センサの動作を説明する。図３の側断面図に示されているように、このセンサ本体では、作用体３１０が、十字形部材１２０の下面（島状部１２５の下面）に取り付けられており、台座３３０に囲われた空間内で宙吊りの状態になっている。しかも、十字形部材１２０を構成する４本の橋梁部１２６〜１２９は可撓性を有しているため、台座３３０を固定した状態で、作用体３１０に対して外力を作用させると、この外力により４本の橋梁部１２６〜１２９に撓みが生じることになり、作用体３１０が台座３３０に対して相対的に変位する。
【００４１】
たとえば、図１０の側断面図（図３と同様に、図１に示すセンサ本体を切断線３−３で切った断面を示す）に示すように、作用体３１０に対して、図の矢印で示す方向（Ｘ軸正方向）に外力＋Ｆｘが作用したとすると、十字形部材１２０の各部が図示のように撓み、作用体３１０は台座３３０に対して図のような相対位置変化を生じることになる。逆に、図１１の側断面図（図３と同様に、図１に示すセンサ本体を切断線３−３で切った断面を示す）に示すように、作用体３１０に対して、図の矢印で示す方向（Ｘ軸負方向）に外力−Ｆｘが作用したとすると、十字形部材１２０の各部が図示のように撓み、作用体３１０は台座３３０に対して図のような相対位置変化を生じることになる。本発明に係るセンサは、このような相対位置変化を、容量素子を用いて電気信号の形で検出する機能を有している。
【００４２】
このセンサ本体を、携帯電話、デジタルカメラ、電子ゲーム機器、ＰＤＡ機器などの電子機器に内蔵した場合、オペレータの指による操作により、作用体３１０に対して直接的もしくは間接的にこのような外力を作用させることができる。そして、後述する検出回路を用いることにより、作用した外力の向きと大きさとを検出することができれば、オペレータの操作入力を電気的に検出することが可能になる。あるいは、作用体３１０を重錐体として機能させれば、このセンサ本体を内蔵した電子機器に作用した加速度を、電気的に検出することも可能になる。
【００４３】
なお、ここに示す実施形態の場合、作用体３１０に、所定の許容範囲を越える外力や加速度が作用した場合、作用体３１０の羽根部３１１〜３１４のいずれかの上面が、固定部材１２１〜１２４のいずれかの下面に接触して変位が制御されるように、中層部２００の厚みが設定されている。たとえば、作用体３１０に作用するＸ軸正方向の力＋Ｆｘの大きさが所定の許容範囲に達した場合、図９に示す第１の羽根部３１１および第４の羽根部３１４の上面が、第１の固定部材１２１および第４の固定部材１２４の下面に接触して、それ以上の変位が制限されることになる。このため、各橋梁部１２６〜１２９に過度の撓みが生じることを抑制することができ、各橋梁部が物理的に破損するのを防ぐことができる。
【００４４】
もちろん、各橋梁部をこのような物理的な破損から保護するために、図８に示す溝部Ｇ１の寸法を所定値以下に設定することも有効である。この場合、過度の力や加速度が作用した場合、作用体３１０の側面が台座３３０の内面に接触して、変位の制御が行われることになる。
【００４５】
続いて、この実施形態に係るセンサ本体において、作用体３１０に作用した外力あるいは加速度の向きと大きさとを検出する原理を説明する。図９にハッチングを施して示したように、作用体３１０の４つの羽根部３１１〜３１４は、４つの固定部材１２１〜１２４の内側部分の一部の領域において、平面的に重なっている。別言すれば、図９にハッチングを施した４つの領域は、上方に固定部材の一部が配置され、下方に羽根部が配置された状態になっており、両者間には、力や加速度が作用していない状態において、中層部２００の厚みに相当する間隔が保持されている。
【００４６】
既に述べたように、上層部１００および下層部３００は、いずれも導電性材料から構成されているので、図９にハッチングを施して示した領域には、それぞれ容量素子が形成されることになる。すなわち、第１の固定部材１２１と第１の羽根部３１１とによって第１の容量素子Ｃ１が構成され、第２の固定部材１２２と第２の羽根部３１２とによって第２の容量素子Ｃ２が構成され、第３の固定部材１２３と第３の羽根部３１３とによって第３の容量素子Ｃ３が構成され、第４の固定部材１２４と第４の羽根部３１４とによって第４の容量素子Ｃ４が形成される。各固定部材１２１〜１２４には、エッチング用貫通孔Ｈ１〜Ｈ４が形成されているため、容量素子を形成するための電極有効面積は若干減少するものの、本質的には問題はない。ここで、各羽根部３１１〜３１４は、羽根接合部３１５によって接続されているため、電気的には同電位の共通電極として機能するが、各固定部材１２１〜１２４は、互いに電気的に絶縁された電極として機能するので、４組の独立した容量素子が形成されることになる。しかも、これら４組の容量素子の静電容量値は、作用体３１０に作用した力あるいは加速度の向きおよび大きさに基づいて変化することになる。
【００４７】
たとえば、図１０に示すように、作用体３１０にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが加わった場合、作用体３１０は図示のとおり変位し、第１の容量素子Ｃ１および第４の容量素子Ｃ４の電極間隔は小さくなるため静電容量値は増加し、第２の容量素子Ｃ２および第３の容量素子Ｃ３の電極間隔は大きくなるため静電容量値は減少する。逆に、図１１に示すように、作用体３１０にＸ軸負方向の力−Ｆｘが加わった場合、作用体３１０は図示のとおり変位し、第１の容量素子Ｃ１および第４の容量素子Ｃ４の電極間隔は大きくなるため静電容量値は減少し、第２の容量素子Ｃ２および第３の容量素子Ｃ３の電極間隔は小さくなるため静電容量値は増加する。
【００４８】
したがって、第１の容量素子Ｃ１の静電容量値と第４の容量素子Ｃ４の静電容量値との和と、第２の容量素子Ｃ２の静電容量値と第３の容量素子Ｃ３の静電容量値との和と、の差を検出すれば、この検出値は、作用体３１０に作用した外力や加速度のＸ軸方向成分を示す値になる。全く同様の原理により、第１の容量素子Ｃ１の静電容量値と第２の容量素子Ｃ２の静電容量値との和と、第３の容量素子Ｃ３の静電容量値と第４の容量素子Ｃ４の静電容量値との和と、の差を検出すれば、この検出値は、作用体３１０に作用した外力や加速度のＹ軸方向成分を示す値になる。
【００４９】
また、作用体３１０に対して、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが加わった場合、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４の電極間隔はいずれも小さくなり、静電容量値はいずれも増加する。逆に、作用体３１０に対して、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが加わった場合、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４の電極間隔はいずれも大きくなり、静電容量値はいずれも減少する。したがって、第１の容量素子Ｃ１の静電容量値、第２の容量素子Ｃ２の静電容量値、第３の容量素子Ｃ３の静電容量値、第４の容量素子Ｃ４の静電容量値の総和を検出すれば、この検出値は、作用体３１０に作用した外力や加速度のＺ軸方向成分を示す値になる。
【００５０】
図１２は、上述した検出原理に基づいて、作用体３１０に作用した外力あるいは加速度のＸ軸方向成分、Ｙ軸方向成分、Ｚ軸方向成分の検出値を電気信号として出力する機能をもった検出回路の一例を示す回路図である。この検出回路では、共通電極として機能する各羽根部３１１〜３１４は接地されている。各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値は、それぞれＣ／Ｖ変換回路４１０〜４４０によって電圧値Ｖ１〜Ｖ４に変換される。そして、加算器４５１，４５２によって、それぞれ（Ｖ１＋Ｖ４）および（Ｖ２＋Ｖ３）が演算された後、減算器４５３によってその差が演算され、（Ｖ１＋Ｖ４）−（Ｖ２＋Ｖ３）なる値が出力端子Ｔｘに出力される。この値は、作用した外力や加速度のＸ軸方向成分を示す値になる。同様に、加算器４６１，４６２によって、それぞれ（Ｖ１＋Ｖ２）および（Ｖ３＋Ｖ４）が演算された後、減算器４６３によってその差が演算され、（Ｖ１＋Ｖ２）−（Ｖ３＋Ｖ４）なる値が出力端子Ｔｙに出力される。この値は、作用した外力や加速度のＹ軸方向成分を示す値になる。また、加算器４７１によって、（Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ４）なる総和が演算され、出力端子Ｔｚに出力される。この値は、作用した外力や加速度のＺ軸方向成分を示す値になる。
【００５１】
かくして、図１２に示す検出回路を用いれば、作用した外力や加速度のＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向成分のすべてを検出することができる。しかも各軸方向成分の検出値には、他の軸方向成分が影響しないような演算が行われているため、個々の軸方向成分を独立した値として得ることができる。すなわち、検出対象となる外力や加速度に、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の３軸方向成分が含まれていたとしても、出力端子Ｔｘに得られる検出値はＸ軸方向成分のみとなり（Ｙ軸，Ｚ軸方向成分は減算器４５３による減算により相殺される）、出力端子Ｔｙに得られる検出値はＹ軸方向成分のみとなり（Ｘ軸，Ｚ軸方向成分は減算器４６３による減算により相殺される）、出力端子Ｔｚに得られる検出値はＺ軸方向成分のみとなる（Ｘ軸，Ｙ軸方向成分は加算器４７１による加算により相殺される）。もちろん、Ｚ軸方向成分の検出が不要な二次元センサとして利用するのであれば、加算器４７１は設ける必要はない。
【００５２】
この図１２に示す検出回路は、図９において、作用した外力や加速度のＸ軸，Ｙ軸およびこれらに直交するＺ軸の３軸方向成分を検出する三次元センサとして機能させるための検出回路であるが、図９に示すように、Ｖ軸およびＷ軸を定義し、Ｖ軸，Ｗ軸およびこれらに直交するＺ軸の３軸方向成分を検出する三次元センサとして機能させるのであれば、図１３に示すようなより単純な検出回路を用いれば十分である。
【００５３】
図９に示すＶ軸は、上層部１００の上面を含む面に定義されたＸＹ座標において、第１象限が正方向、第３象限が負方向となり、ＸＹ両座標軸に対して４５°をなす軸であり、同様にＷ軸は、このＸＹ座標における第２象限が正方向、第４象限が負方向となり、ＸＹ両座標軸に対して４５°をなす軸である。したがって、作用体３１０に対してＶ軸方向の外力や加速度が作用すると、Ｖ軸上に配置された第１の容量素子Ｃ１および第３の容量素子Ｃ３の静電容量値が増減し、作用体３１０に対してＷ軸方向の外力や加速度が作用すると、Ｗ軸上に配置された第２の容量素子Ｃ２および第４の容量素子Ｃ４の静電容量値が増減する。そこで、第１の容量素子Ｃ１の静電容量値と第３の容量素子Ｃ３の静電容量値との差に基づいて、作用した外力や加速度のＶ軸方向成分を示す電気信号を得ることができ、第２の容量素子Ｃ２の静電容量値と第４の容量素子Ｃ４の静電容量値との差に基づいて、作用した外力のＷ軸方向成分を示す電気信号を得ることができる。
【００５４】
この図１３に示す検出回路においても、共通電極として機能する各羽根部３１１〜３１４は接地され、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値は、それぞれＣ／Ｖ変換回路４１０〜４４０によって電圧値Ｖ１〜Ｖ４に変換される点は、図１２の検出回路と同じである。ただ、Ｖ軸方向成分は、減算器４８１によって（Ｖ１−Ｖ３）なる演算を行うことにより出力端子Ｔｖに得ることができ、Ｗ軸方向成分は、減算器４８２によって（Ｖ２−Ｖ４）なる演算を行うことにより出力端子Ｔｗに得ることができるので、回路構成は非常に単純になる。Ｚ軸方向成分については、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の総和を、加算器４８３によって求めることにより、出力端子Ｔｚに得ることができる。もちろん、Ｚ軸方向成分の検出が不要な二次元センサとして利用するのであれば、加算器４８３は設ける必要はない。
【００５５】
ところで、図１２および図１３の検出回路にも示されているとおり、センサ本体と検出回路とを電気的に接続するためには、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４の両電極として機能する固定部材１２１〜１２４と羽根部３１１〜３１４とに対して配線を施す必要がある。そこで、実用上は、このような配線の便宜を考慮して、図１４の側断面図（図３と同様に、図１に示すセンサ本体を切断線３−３で切った断面を示す）に示すように、十字形部材１２０の中央に位置する島状部１２５の厚み方向に貫通孔を形成し、この貫通孔を通して、作用体３１０に接触する配線部１３０を設けておくのが好ましい。作用体３１０は導電性材料から構成されているため、羽根部３１１〜３１４はすべて配線部１３０に対して電気的に接続されることになる。したがって、検出回路は、この配線部１３０と、個々の固定部材１２１〜１２４との間の静電容量値に基づいて検出を行うことが可能になる。
【００５６】
図１５は、センサ本体に、上述した配線部１３０を設けるとともに、各固定部材１２１〜１２４の一隅および十字形部材１２０の一隅にボンディングパッド１３１〜１３５をそれぞれ形成した実施形態の上面図である。このような実施形態に係るセンサ本体を用いれば、検出回路との間の配線は、すべてセンサ本体の上面に対して行うだけですむ。たとえば、図１２あるいは図１３の検出回路を用いるのであれば、図１５に示すボンディングパッド１３５を接地して共通電位とし、ボンディングパッド１３１〜１３４とＣ／Ｖ変換回路４１０〜４４０とを配線により接続すればよい。
【００５７】
また、図１２あるいは図１３の検出回路自身を、上層部１００上に形成することも可能である。センサ本体をＳＯＩ基板を用いて構成するのであれば、上層部１００はシリコン層となるので、このシリコン層の一部分に回路構成用の領域を設け、この領域に加算器や減算器を含む集積回路を形成するようにすれば、センサ本体内に検出回路を埋め込んだ形の製品を実現することができる。
【００５８】
＜＜＜ §３．センサ本体の製造方法 ＞＞＞
次に、これまで述べてきたセンサ本体の製造方法の実施形態を、図１６〜図１９に示す側断面図を参照しながら述べる。図１に示すセンサ本体は、以下に述べる方法により製造されたものである。なお、図１６〜図１９に示す側断面図は、いずれも、図１に示すセンサ本体を切断線２−２の位置で切断した断面に相当するものである。
【００５９】
まず、図１６に示すように、上から順に、第１の層１０、第２の層２０、第３の層３０の３層を積層してなる材料基板を用意する。ここで、第１の層１０は、上層部１００を構成するための層であり、この実施形態の場合、導電性をもたせるために不純物をドープしたシリコンからなる層である。また、第２の層２０は、中層部２００を構成するための層であり、この実施形態の場合、酸化シリコンからなる層である。更に、第３の層３０は、下層部３００を構成するための層であり、この実施形態の場合、導電性をもたせるために不純物をドープしたシリコンからなる層である。このように、シリコン／酸化シリコン／シリコンという３層の積層構造をもった材料基板は、前述したように、ＳＯＩ基板として市販されており、実用上は、この市販のＳＯＩ基板を用意すればよい。
【００６０】
ここに示す製造方法を実施する上では、第１の層１０と第２の層２０とは、互いにエッチング特性の異なる材料から構成されている必要があり、また、第２の層２０と第３の層３０とは、やはり互いにエッチング特性の異なる材料から構成されている必要がある。これは、第１の層１０に対して上面からエッチングを行う際に、第２の層２０をエッチングのストッパ層として利用する必要があり、また、第３の層３０に対して下面からエッチングを行う際に、第２の層２０をエッチングのストッパ層として利用する必要があるためである。結果として、最終的に得られるセンサ本体では、十字形部材１２０、各固定部材１２１〜１２４、作用体３１０、台座３３０を構成する材料と、中央接続部２１０、周囲接続部２３０を構成する材料とが、互いにエッチング特性の異なる材料から構成されることになる。ここに示す実施形態の場合、第１の層１０と第３の層３０とを同一材料（シリコン）によって構成しているが、もちろん、第１の層１０、第２の層２０、第３の層３０をすべて異なる材料によって構成してもかまわない。
【００６１】
続いて、第１の層１０に対しては浸食性を有し、第２の層２０に対しては浸食性を有しないエッチング方法により、第１の層１０の所定領域に対して、第２の層２０の上面が露出するまで厚み方向へのエッチングを行い、第１の層１０にスリットＳ１〜Ｓ４を形成することによりこの第１の層１０を、十字形部材１２０、第１の固定部材１２１、第２の固定部材１２２、第３の固定部材１２３、第４の固定部材１２４に分離する。このとき、これら各固定部材１２１〜１２４の内側部分の所定領域（図９にハッチングを施して示す領域）にエッチング用貫通孔Ｈ１〜Ｈ４を形成する処理も併せて行うようにする。
【００６２】
結局、ここで行うエッチング工程は、第１の層１０の上面に、図６のハッチング部分に相当するパターンをもったレジスト層を形成し、このレジスト層で覆われていない露出部分を垂直下方へと浸食させる工程になる。このエッチング工程では、第２の層２０に対する浸食は行われないので、第１の層１０の所定領域のみが除去されることになる。図１７は、第１の層１０に対して、上述のようなエッチングを行い、上層部１００を形成した状態を示す。なお、ここで形成されたエッチング用貫通孔Ｈ１〜Ｈ４は、§１でも述べたとおり、センサの機能に必要なものではなく、後述するように、第２の層２０に対するエッチング工程を行うために必要になる。
【００６３】
続いて、第３の層３０に対しては浸食性を有し、第２の層２０に対しては浸食性を有しないエッチング方法により、第３の層３０の所定領域に対して、第２の層２０の下面が露出するまで厚み方向へのエッチングを行い、第３の層３０を作用体３１０と台座３３０とに分離する。ここで行うエッチング工程は、第３の層３０の下面に、図８のハッチング部分に相当するパターンをもったレジスト層を形成し、このレジスト層で覆われていない露出部分、すなわち、溝部Ｇ１，Ｇ２に相当する部分を垂直上方へと浸食させる工程になる。このエッチング工程では、第２の層２０に対する浸食は行われないので、第３の層３０の所定領域のみが除去されることになる。
【００６４】
図１８は、このようにして、第３の層３０を、作用体３１０と台座３３０とからなる下層部３００に変化させた状態を示す。溝部Ｇ１およびＧ２が形成され、この部分において、第２の層２０の下面が露出した状態になっている。なお、上述した第１の層１０に対するエッチング工程と、第３の層３０に対するエッチング工程の順序は入れ替えることができ、いずれのエッチング工程を先に行ってもかまわないし、同時に行ってもかまわない。
【００６５】
最後に、第２の層２０に対しては浸食性を有し、第１の層１０および第３の層３０に対しては浸食性を有しないエッチング方法により、第２の層２０に対して、その露出部分から厚み方向および層方向へのエッチングを行い、残存した部分により中央接続部２１０および周囲接続部２３０を構成する。ここで行うエッチング工程は、別途、レジスト層を形成する必要はない。すなわち、図１８に示すように、第１の層１０の残存部分である上層部１００と、第３の層３０の残存部分である下層部３００とが、それぞれ第２の層２０に対するレジスト層として機能し、エッチングは、第２の層２０の露出部分、すなわち、スリットＳ１〜Ｓ４、エッチング用貫通孔Ｈ１〜Ｈ４、溝部Ｇ１，Ｇ２の形成領域に対して行われることになる。
【００６６】
ここでは、第２の層２０に対して、厚み方向だけではなく、層方向へも浸食が行われるようなエッチング法を用いるようにする。その結果、図１９に示すように、第２の層２０のうち、スリットＳ１〜Ｓ４およびエッチング用貫通孔Ｈ１〜Ｈ４の形成領域の近傍と、溝部Ｇ１，Ｇ２の形成領域の近傍がエッチング除去され、中央接続部２１０（図１９には示されていない）と周囲接続部２３０（図１９には、その一部分である部分接続部２３１，２３２，２３３が示されている）が形成されることになる。なお、図１９に示す構造体では、エッチングプロセスにより中層部２００が形成されたため、この中層部２００を構成する各部の端面がアールをもった面になっているが、上層部１００と下層部３００とを接合するという機能には何ら支障は生じない。たとえば、図１９に示す溝部Ｇ０は、スリットＳ１，Ｓ２から侵入したエッチング液により浸食された部分であり、図示のとおり浸食面はアールをもった面になる。
【００６７】
図７の横断面図に明瞭に示されているように、中央接続部２１０は、島状部１２５の下面と羽根接合部３１５の上面とを接合するのに都合のよい大きさを有しており、周囲接続部２３０は、台座３３０の上面と上層部１００の下面とを接合するのに都合のよい大きさを有している。そして、中央接続部２１０と周囲接続部２３０との間には、十分な空間が確保されている。この空間は、作用体３１０が変位を生じるために必要な空間であり、この空間内に第２の層２０の一部が残ってしまうと、作用体３１０が変位したときに、各羽根部が接触してしまうことになり、正しい検出を行うことができなくなる。したがって、エッチング用貫通孔Ｈ１〜Ｈ４は、作用体３１０の変位を妨げる位置に第２の層２０の一部が残存しないように、所定箇所に所定数だけ形成するようにする。別言すれば、中層部２００を形成する段階で行われるエッチングにより、作用体３１０の各羽根部３１１〜３１４の上方に位置する第２の層１０からなる部分が除去できるように、上層部１００を形成する段階において、所定箇所に複数のエッチング用貫通孔Ｈ１〜Ｈ４を形成しておく必要がある。
【００６８】
以上の製造プロセスにおいて、第１の層１０に対する垂直下方へのエッチングを行い、上層部１００を形成する工程（図１７）と、第３の層３０に対する垂直上方へのエッチングを行い、下層部３００を形成する工程（図１８）では、次の２つの条件を満たすエッチング法を行う必要がある。第１の条件は、各層の厚み方向への方向性をもった浸食が行われるエッチング法であること、第２の条件は、シリコン層に対しては浸食性を有するが、酸化シリコン層に対しては浸食性を有しないエッチング法であること、である。第１の条件は、所定寸法の幅をもったスリットや溝を形成するために必要な条件であり、第２の条件は、酸化シリコンからなる第２の層２０を、エッチングストッパ層として利用するために必要な条件である。
【００６９】
第１の条件を満たすエッチングを行うには、誘導結合型プラズマエッチング法（ＩＣＰエッチング法：Induced Coupling Plasma Etching Method ）を用いるのが好ましい。このエッチング法は、垂直方向に深い溝を掘る際に効果的な方法であり、一般に、ＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching ）と呼ばれているエッチング方法の一種である。この方法の特徴は、材料層を厚み方向に浸食しながら掘り進むエッチング段階と、掘った穴の側面にポリマーの壁を形成するデポジション段階と、を交互に繰り返す点にある。掘り進んだ穴の側面は、順次ポリマーの壁が形成されて保護されるため、ほぼ厚み方向にのみ浸食を進ませることが可能になる。一方、第２の条件を満たすエッチングを行うには、酸化シリコンとシリコンとでエッチング選択性を有するエッチング材料を用いればよい。
【００７０】
本願発明者は、この２つの条件を満足させるエッチングとして、実際に次のような条件で、エッチングを行ったところ、良好な結果が得られた。すなわち、上述した誘導結合型プラズマエッチング法を用い、次のような具体的条件によりエッチング段階とデポジション段階とを交互に繰り返すようにした。まず、エッチング対象となる材料を、低圧のチャンバ内に収容し、エッチング段階では、ＳＦ₆ガスを１００ｓｃｃｍ、Ｏ₂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、Ｃ₄Ｆ₈ガスを１００ｓｃｃｍの割合でチャンバ内に供給した。エッチング段階とデポジション段階をそれぞれ１０秒程度の周期で繰り返し実行したところ、３μｍ／ｍｉｎ程度のエッチングレートでエッチングが実行された。もちろん、本発明に係る製造方法は、上述のエッチング方法を用いる方法のみに限定されるものではない。
【００７１】
一方、第２の層２０に対するエッチング工程（図１９）では、次の２つの条件を満たすエッチング法を行う必要がある。第１の条件は、厚み方向とともに層方向への方向性をもった浸食が行われるエッチング法であること、第２の条件は、酸化シリコン層に対しては浸食性を有するが、シリコン層に対しては浸食性を有しないエッチング法であること、である。第１の条件は、不要な部分に酸化シリコン層が残存して作用体３１０の変位自由度を妨げることがないようにするために必要な条件であり、第２の条件は、既に所定形状への加工が完了しているシリコンからなる上層部１００や下層部３００に浸食が及ばないようにするために必要な条件である。
【００７２】
本願発明者は、この２つの条件を満足させるエッチングとして、実際に次のような条件で、エッチングを行ったところ、良好な結果が得られた。すなわち、バッファド弗酸（ＨＦ：ＮＨ₄Ｆ＝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、ＣＦ₄ガスとＯ₂ガスとの混合ガスを用いたＲＩＥ法によるドライエッチングを行っても、同様に良好な結果が得られた。もちろん、本発明に係る製造方法は、上述のエッチング方法を用いる方法のみに限定されるものではない。
【００７３】
上述した製造方法のメリットは、エッチング時の温度、圧力、ガス濃度、エッチング時間などの条件が多少変動したとしても、上層部１００と下層部３００との間隔に変動が生じることがない点である。すなわち、両者の間隔は、作用体３１０の上方向への変位の自由度を設定する間隔ということになるが、この間隔は、常に中層部２００の厚みによって規定され、エッチング条件に左右されることはない。このため、本発明に係る製造方法によりセンサ本体を量産すれば、少なくとも作用体３１０の上方向の変位自由度に関しては、個々のロットごとに変動のない正確な寸法設定が可能になる。
【００７４】
最後に、これまで述べてきたセンサ本体を加速度センサに利用した一実施形態を述べておく。図２０は、このような加速度センサの側断面図である（図１のセンサ本体を切断線３−３の位置で切断した断面を示す）。図示のとおり、台座３３０の底面には、絶縁材料からなる制御基板４００が接続されている。しかも、作用体３１０Ａの底面は、台座３３０の底面より所定寸法ｄだけ上方に位置し、作用体３１０Ａの底面と制御基板４００の上面との間に寸法ｄだけの間隔が確保されている。このような構造にすれば、作用体３１０Ａに作用した加速度の所定方向成分（図の下向へ向かう成分）の大きさが所定の許容値を越えたときに、作用体３１０Ａの底面が制御基板４００の上面に接触してそれ以上の変位が制御されることになる。これにより、十字形部材１２０の破損を防ぐことができる。
【００７５】
このように、作用体３１０Ａの厚みが、台座３３０の厚みよりも小さくなるようにするには、上述した製造プロセスに、作用体となるべき領域の下層部分をエッチング除去する厚み調整段階を付加し、台座３３０の底面に制御基板４００を接合する制御基板接合段階を付加すればよい。
【００７６】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明に係る容量素子を用いた力センサおよび加速度センサならびにその製造方法によれば、非常に単純な構造をもったセンサ本体を量産することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るセンサ本体の上面図である。
【図２】図１に示すセンサ本体を、切断線２−２の位置で切断した側断面図である。
【図３】図１に示すセンサ本体を、切断線３−３の位置で切断した側断面図である。
【図４】図１に示すセンサ本体の下面図である。
【図５】図２または図３の側断面図に示されている上層部１００単体の上面図である。
【図６】図３の側断面図において、上層部１００を図の切断線６−６に沿って切断することにより得られる上層部１００単体の横断面図である。
【図７】図３の側断面図において、中層部２００を図の切断線７−７に沿って切断することにより得られる中層部２００単体の横断面図である。
【図８】図３の側断面図において、下層部３００を図の切断線８−８に沿って切断することにより得られる下層部３００単体の横断面図である。
【図９】図１に示すセンサ本体における上層部１００の各構成要素と下層部３００の各構成要素との位置関係を示す上面図である（ハッチングは平面的な領域を示すものであり、断面を示すものではない）。
【図１０】図１に示すセンサ本体に、Ｘ軸正方向の外力＋Ｆｘが作用した状態を示す側断面図（図１の切断線３−３の位置で切断した断面を示す）である。
【図１１】図１に示すセンサ本体に、Ｘ軸負方向の外力−Ｆｘが作用した状態を示す側断面図（図１の切断線３−３の位置で切断した断面を示す）である。
【図１２】図１に示すセンサ本体に適用するための検出回路の一例を示す回路図である。
【図１３】図１に示すセンサ本体に適用するための検出回路の別な一例を示す回路図である。
【図１４】図１に示すセンサ本体に、配線部１３０を付加した実施形態を示す側断面図（図１の切断線３−３の位置で切断した断面を示す）である。
【図１５】図１に示すセンサ本体に、配線部１３０およびボンディングパッド１３１〜１３４を付加した実施形態を示す上面図である。
【図１６】図１に示すセンサ本体の製造方法の第１の工程を示す側断面図（図１の切断線２−２の位置で切断した断面を示す）である。
【図１７】図１に示すセンサ本体の製造方法の第２の工程を示す側断面図（図１の切断線２−２の位置で切断した断面を示す）である。
【図１８】図１に示すセンサ本体の製造方法の第３の工程を示す側断面図（図１の切断線２−２の位置で切断した断面を示す）である。
【図１９】図１に示すセンサ本体の製造方法の第４の工程を示す側断面図（図１の切断線２−２の位置で切断した断面を示す）である。
【図２０】図１に示すセンサ本体を利用して作成した加速度センサの一実施形態を示す側断面図（図１の切断線３−３の位置で切断した断面を示す）である。
【符号の説明】
１０：第１の層（不純物をドープしたシリコン層）
２０：第２の層（酸化シリコン層）
３０：第３の層（不純物をドープしたシリコン層）
１００：上層部（不純物をドープしたシリコン層）
１２０：十字形部材
１２１：第１の固定部材
１２２：第２の固定部材
１２３：第３の固定部材
１２４：第４の固定部材
１２５：島状部
１２６：第１の橋梁部
１２７：第２の橋梁部
１２８：第３の橋梁部
１２９：第４の橋梁部
１３０：配線部
１３１〜１３５：ボンディングパッド
２００：中層部（酸化シリコン層）
２１０：中央接続部
２３０：周囲接続部
２３１〜２３８：部分接続部
３００：下層部（不純物をドープしたシリコン層）
３１０，３１０Ａ：作用体
３１１：第１の羽根部
３１２：第２の羽根部
３１３：第３の羽根部
３１４：第４の羽根部
３１５：羽根接合部
３３０：台座
４００：制御基板
４１０〜４４０：Ｃ／Ｖ変換回路
４５１，４５２：加算器
４５３：減算器
４６１，４６２：加算器
４６３：減算器
４７１：加算器
４８１，４８２：減算器
４８３：加算器
Ｃ１〜Ｃ４：容量素子
ｄ：所定寸法
＋Ｆｘ，−Ｆｘ：Ｘ軸方向への外力
Ｇ０，Ｇ１，Ｇ２：溝部
Ｈ１〜Ｈ４：エッチング用貫通孔
Ｓ１〜Ｓ４：スリット
Ｔｖ，Ｔｗ，Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ：出力端子
Ｖ１〜Ｖ４：電圧値
Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚ：座標軸

Claims (16)

1. 導電性をもった上層部と、絶縁性をもった中層部と、導電性をもった下層部と、の少なくとも３層構造を有するセンサ本体と、検出値を電気信号として取り出すための検出回路と、を備え、
   前記上層部の上面の中心位置に原点Ｏをとり、前記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、前記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、
   前記上層部は、前記原点Ｏの近傍に配置された島状部と、前記島状部からＸ軸正方向に伸びる第１の橋梁部と、前記島状部からＹ軸正方向に伸びる第２の橋梁部と、前記島状部からＸ軸負方向に伸びる第３の橋梁部と、前記島状部からＹ軸負方向に伸びる第４の橋梁部と、の５つの部分を有する十字形部材と、ＸＹ座標における第１象限に位置する第１の固定部材と、ＸＹ座標における第２象限に位置する第２の固定部材と、ＸＹ座標における第３象限に位置する第３の固定部材と、ＸＹ座標における第４象限に位置する第４の固定部材と、によって構成されており、前記十字形部材、前記第１の固定部材、前記第２の固定部材、前記第３の固定部材、前記第４の固定部材は、物理的に互いに非接触となるように配置されており、
   前記下層部は、前記第１の固定部材の内側部分の一部の領域に対向する第１の羽根部と、前記第２の固定部材の内側部分の一部の領域に対向する第２の羽根部と、前記第３の固定部材の内側部分の一部の領域に対向する第３の羽根部と、前記第４の固定部材の内側部分の一部の領域に対向する第４の羽根部と、中央付近において前記第１の羽根部、前記第２の羽根部、前記第３の羽根部、前記第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、によって構成されており、
   前記中層部は、前記島状部の下面と、前記羽根接合部の上面と、を接続する中央接続部と、前記台座の上面と、前記第１の固定部材、前記第２の固定部材、前記第３の固定部材、前記第４の固定部材、前記第１の橋梁部、前記第２の橋梁部、前記第３の橋梁部、前記第４の橋梁部、のそれぞれ外側部分の下面と、を接続する周囲接続部と、によって構成されており、
   前記第１の橋梁部、前記第２の橋梁部、前記第３の橋梁部、前記第４の橋梁部は、前記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、この撓みにより前記作用体が前記台座に対して変位を生じるように構成されており、
   前記検出回路は、前記第１の固定部材と前記第１の羽根部とによって構成される第１の容量素子、前記第２の固定部材と前記第２の羽根部とによって構成される第２の容量素子、前記第３の固定部材と前記第３の羽根部とによって構成される第３の容量素子、前記第４の固定部材と前記第４の羽根部とによって構成される第４の容量素子、の各静電容量値に基づいて、前記作用体に作用した外力を示す電気信号を出力することを特徴とする容量素子を用いた力センサ。
2. 請求項１に記載の力センサにおいて、
   上層部を構成する十字形部材、第１の固定部材、第２の固定部材、第３の固定部材、第４の固定部材が、上層部を厚み方向に貫通する所定幅のスリットによって、互いに分離されていることを特徴とする容量素子を用いた力センサ。
3. 請求項１または２に記載の力センサにおいて、
   島状部の厚み方向に形成された貫通孔を通して、作用体に接触する配線部が設けられ、
   検出回路が前記配線部と各固定部材との間の静電容量値に基づいて検出値を出力することを特徴とする容量素子を用いた力センサ。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の力センサにおいて、
   所定の許容範囲を越える外力が作用した場合に、作用体のいずれかの羽根部の上面がいずれかの固定部材の下面に接触して変位が制御されるように、中層部の厚みが設定されていることを特徴とする容量素子を用いた力センサ。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の力センサにおいて、
   検出回路が、第１の容量素子の静電容量値と第４の容量素子の静電容量値との和と、第２の容量素子の静電容量値と第３の容量素子の静電容量値との和と、の差に基づいて、作用体に作用した外力のＸ軸方向成分を示す検出値を出力し、第１の容量素子の静電容量値と第２の容量素子の静電容量値との和と、第３の容量素子の静電容量値と第４の容量素子の静電容量値との和と、の差に基づいて、作用体に作用した外力のＹ軸方向成分を示す検出値を出力することを特徴とする容量素子を用いた力センサ。
6. 請求項１〜４のいずれかに記載の力センサにおいて、
   ＸＹ座標における第１象限が正方向、第３象限が負方向となり、ＸＹ両座標軸に対して４５°をなすＶ軸を定義し、ＸＹ座標における第２象限が正方向、第４象限が負方向となり、ＸＹ両座標軸に対して４５°をなすＷ軸を定義したときに、
   検出回路が、第１の容量素子の静電容量値と第３の容量素子の静電容量値との差に基づいて、作用体に作用した外力のＶ軸方向成分を示す検出値を出力し、第２の容量素子の静電容量値と第４の容量素子の静電容量値との差に基づいて、作用体に作用した外力のＷ軸方向成分を示す検出値を出力することを特徴とする容量素子を用いた力センサ。
7. 請求項５または６に記載の力センサにおいて、
   検出回路が、更に、第１の容量素子の静電容量値、第２の容量素子の静電容量値、第３の容量素子の静電容量値、第４の容量素子の静電容量値の総和に基づいて、作用体に作用した外力のＺ軸方向成分を示す検出値を出力することを特徴とする容量素子を用いた力センサ。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の力センサにおいて、
   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ことを特徴とする容量素子を用いた力センサ。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の力センサにおいて、
   上層部および下層部を、不純物をドープしたシリコン層によって構成し、中層部を酸化シリコン層によって構成したことを特徴とする容量素子を用いた力センサ。
10. 請求項９に記載の力センサにおいて、
    センサ本体が、不純物をドープしたシリコン層／酸化シリコン層／不純物をドープしたシリコン層なる３層構造を有するＳＯＩ基板によって構成されていることを特徴とする容量素子を用いた力センサ。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の力センサを含み、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たことを特徴とする容量素子を用いた加速度センサ。
12. 請求項１１に記載の加速度センサにおいて、
    台座の底面に制御基板が接続されており、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、前記作用体の底面と前記制御基板の上面との間に所定間隔が確保されるように、前記作用体の厚みが設定されており、
    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、前記作用体の底面が前記制御基板の上面に接触して変位が制御されるように、前記所定間隔が設定されていることを特徴とする容量素子を用いた加速度センサ。
13. 請求項１〜１２のいずれかに記載の力センサもしくは加速度センサを製造する方法であって、
    上から順に、導電性をもった第１の層、絶縁性をもった第２の層、導電性をもった第３の層の３層を積層してなる材料基板を用意する準備段階と、
    前記第１の層に対しては浸食性を有し、前記第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、前記第１の層の所定領域に対して、前記第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、前記第１の層にスリットを形成することにより、前記第１の層を、十字形部材、第１の固定部材、第２の固定部材、第３の固定部材、第４の固定部材に分離するとともに、これら各固定部材の内側部分の所定領域にエッチング用貫通孔を形成する上層部形成段階と、
    前記第３の層に対しては浸食性を有し、前記第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、前記第３の層の所定領域に対して、前記第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、前記第３の層を作用体と台座とに分離する下層部形成段階と、
    前記第２の層に対しては浸食性を有し、前記第１の層および前記第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、前記第２の層に対して、その露出部分から厚み方向および層方向へのエッチングを行い、残存した部分により中央接続部および周囲接続部を形成する中層部形成段階と、
    を有することを特徴とする力センサもしくは加速度センサの製造方法。
14. 請求項１３に記載のセンサの製造方法において、
    中層部形成段階で行われるエッチングにより、作用体の各羽根部の上方に位置する第２の層からなる部分が除去できるように、上層部形成段階において、所定箇所に複数のエッチング用貫通孔を形成することを特徴とする力センサもしくは加速度センサの製造方法。
15. 請求項１３または１４に記載された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、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、
    を更に有することを特徴とする加速度センサの製造方法。
16. 請求項１３〜１５のいずれかに記載の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ことを特徴とする力センサもしくは加速度センサの製造方法。

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