JP4073731B2 - 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 - Google Patents
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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、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。
【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：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。
【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
【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、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。
【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：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。
【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
Claims (19)
- 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、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、によって構成されており、前記十字形部材の周囲は前記固定部材によって取り囲まれ、前記各橋梁部の外側部分は前記固定部材に接続されており、
前記下層部は、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、によって構成されており、
前記第１の羽根部の上面の外側の一部分は、前記第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、前記第２の羽根部の上面の外側の一部分は、前記第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、前記第３の羽根部の上面の外側の一部分は、前記第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、前記第４の羽根部の上面の外側の一部分は、前記第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し、
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、前記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の橋梁部の所定箇所には、ピエゾ抵抗素子が配置されており、前記検出回路は、前記ピエゾ抵抗素子の抵抗値に基づいて、前記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、前記中層部の厚みが設定されていることを特徴とする抵抗素子を用いた力センサ。 - 請求項１に記載の力センサにおいて、
上層部には、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が設けられており、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ていることを特徴とする抵抗素子を用いた力センサ。 - 請求項１または２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抵抗素子を用いた力センサ。 - 請求項３に記載の力センサにおいて、
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したことを特徴とする抵抗素子を用いた力センサ。 - 請求項４に記載の力センサにおいて、
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ことを特徴とする抵抗素子を用いた力センサ。 - 請求項４または５に記載の力センサにおいて、
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ことを特徴とする抵抗素子を用いた力センサ。 - 請求項１〜６のいずれかに記載の力センサにおいて、
橋梁部の厚みが、固定部材の厚みよりも小さく設定されていることを特徴とする抵抗素子を用いた力センサ。 - 請求項７に記載の力センサにおいて、
各橋梁部の外側部分が、周囲接続部の上方部分まで伸びていることを特徴とする抵抗素子を用いた力センサ。 - 請求項１〜８のいずれかに記載の力センサにおいて、
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が構成され、
検出回路が、前記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ことを特徴とする抵抗素子を用いた力センサ。 - 請求項９に記載の力センサにおいて、
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が構成され、
検出回路が、前記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機能を有し、外力のＸＹ二次元方向成分を独立して検出することを特徴とする抵抗素子を用いた力センサ。 - 請求項１０に記載の力センサにおいて、
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が構成され、
検出回路が、前記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機能を有し、外力のＸＹＺ三次元方向成分を独立して検出することを特徴とする抵抗素子を用いた力センサ。 - 請求項９〜１１のいずれかに記載の力センサにおいて、
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ことを特徴とする抵抗素子を用いた力センサ。 - 請求項９〜１２のいずれかに記載の力センサにおいて、
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ことを特徴とする抵抗素子を用いた力センサ。 - 請求項１〜１３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抵抗素子を用いた加速度センサ。
- 請求項１４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抵抗素子を用いた加速度センサ。 - 請求項１〜１５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、第１の層、第２の層、第３の層の３層を積層してなり、前記第１の層と前記第２の層とが互いにエッチング特性が異なり、前記第３の層と前記第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、
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の層に開口部を形成することにより、前記第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、
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、
前記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。 - 請求項１６に記載の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有し、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。 - 請求項１６または１７に記載の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、
を更に有することを特徴とする加速度センサの製造方法。 - 請求項１６〜１８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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