JP4216525B2 - 加速度センサおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は加速度センサおよび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加速度センサおよび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加速度センサの需要も高まってきている。加速度センサを内蔵した電子機器では、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る。また、電子ゲーム機器用の入力装置などでは、ユーザの操作指示を加速度の形で入力することも可能になる。たとえば、加速度センサを重力加速度の検出に利用するようにすれば、傾斜計として用いることができ、電子機器全体の向き（水平状態に対する傾斜度合い）を認識することが可能になるので、ユーザが電子機器全体を傾斜させる動作に基いて、所定の操作入力が可能になる。
【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い。たとえば、特開平１−２６３５７６号公報や、特開平３−２０２７７８号公報には、量産に適した小型の加速度センサの構造が開示されており、特開平４−２４９７２６号公報には、シリコン基板を利用して、そのような加速度センサを量産するための製造方法が開示されている。この種の一般的な加速度センサとしては、可撓性をもった基板に重錘体を接合し、この重錘体に作用した加速度に起因して、基板に撓みを生じさせ、この基板の撓みを電気的に検出するタイプのものが利用されている。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。
【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センサが提案されている。このような加速度センサにおいて検出感度を高めるためには、重錘体の質量を大きくしたり、重錘体の支持部分の可撓性を高めたりする必要があるが、いずれにせよ、過度の加速度が加わった場合には、重錘体の支持部分が破損するおそれがある。特に、センサ筐体を落下させてしまったような場合、重錘体に大きな衝撃が加わり、半導体からなる重錘体の支持部分が損傷を受ける可能性がある。そこで、通常は、重錘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ておく必要がある。前掲公報に記載された加速度センサの場合も、重錘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。過度の加速度が作用すると、重錘体の一部が制御基板や台座などに接触することになり、重錘体の変位は、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、重錘体の支持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、重錘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、重錘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、前掲各公報に開示されているような従来の加速度センサでは、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、重錘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、中央部分に設けられた変位部と、この変位部の周囲に設けられた固定部と、変位部を固定部に対して変位可能な状態となるように接続する接続部と、を有する基板層と、
この基板層の下方に配置され、固定部の内側部分下面に形成された制御面に対向する上面周囲部を有する重錘体と、
この重錘体の周囲を取り囲むように配置され、固定部を下方から支持固定する台座と、
重錘体と基板層との間の空間における重錘体の上面周囲部以外の領域に介挿され、重錘体および基板層とは異なる材料から構成され、重錘体を変位部の下面に接合する重錘体接合層と、
変位部の変位を検出する変位検出手段と、
によって加速度センサを構成し、
基板層には、一部分に開口部を有する環状形状をもった４組の環状スリットが形成されており、それぞれの開口部は基板層の中心を向くように配置されており、
基板層の中心付近を中央部とし、個々の環状スリットに囲まれた部分を羽根部とする４枚羽根をもった送風機のファン状形状をなす構造体により、変位部が構成されており、
互いに隣接する一対の環状スリット間に形成された４カ所の部分により、接続部が形成されており、
４組の環状スリットの外側に位置する基板層の外周部分により、固定部が形成されており、
重錘体の平面形状は、４枚羽根をもった送風機のファン状形状をなし、重錘体の個々の羽根部は、基板層の個々の羽根部のそれぞれ下方に位置し、
重錘体の個々の羽根部は基板層の個々の羽根部よりも外側に拡張されており、重錘体の個々の羽根部の周囲部分により上面周囲部が形成され、基板層の環状スリットの外側部分により制御面が形成されており、
４カ所の部分からなる接続部の下方には、重錘体のいずれの羽根部も存在しないようにし、
重錘体に加速度が作用したときに、接続部に生じる撓みにより変位部が固定部に対して変位するようにし、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、重錘体の上面周囲部が固定部下面に形成された制御面に接触して変位が制御されるように、重錘体接合層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の態様に係る加速度センサにおいて、
台座と固定部との間に、重錘体接合層と同じ材料からなる台座接合層を設け、この台座接合層によって台座と固定部とを接合するようにし、重錘体接合層と台座接合層とを同一の材料層から構成でき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２の態様に係る加速度センサにおいて、
基板層、台座、重錘体を構成する材料と、重錘体接合層、台座接合層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から構成し、このエッチング特性の相違を利用して、加速度センサ各部の構成要素を形成でき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１〜第３の態様に係る加速度センサにおいて、
ほぼ正方形の輪郭に沿って形成され、この正方形の１頂点に相当する部分に開口部を有する４組の同形スリットを、ほぼ正方形をした基板層上にシンメトリックに配置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１〜第３の態様に係る加速度センサにおいて、
重錘体の個々の羽根部の平面形状がほぼ正方形をなし、この正方形の１頂点に相当する部分が中央部に接続されており、
基板層に形成された環状スリットが、上記正方形の各辺に対して斜めに伸びる斜行スリット部を有し、基板層の斜行スリット部の外側に位置する下面により制御面が形成され、この制御面に対向する重錘体羽根部の正方形の角の部分により上面周囲部が形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５の態様に係る加速度センサにおいて、
環状スリットが、重錘体の羽根部の正方形の４つの角のうち、中央部に接続された角を除く３つの角を削った図形に沿った形状をなし、削られた角の部分に配置された３本の斜行スリット部の外側に位置する下面により３カ所の制御面が形成され、この３カ所の制御面に対向する重錘体羽根部の正方形の３つの角の部分により上面周囲部が形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の態様に係る加速度センサにおいて、
環状スリット周囲における、重錘体の輪郭位置を目視確認することが可能な位置に、重錘体の輪郭位置の確認用窓として機能する爪状スリットを形成したものである。
【００１４】
(8) 本発明の第８の態様は、上述の第１〜第７の態様に係る加速度センサにおいて、
重錘体接合層が、ファン状形状の中央部の位置において変位部と重錘体とを接合する中央部接合層と、ファン状形状の個々の羽根部の位置において変位部と重錘体とを接合する個々の羽根部接合層と、によって構成される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の態様に係る加速度センサにおいて、
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、重錘体の側面が台座の内側面に接触して変位が制御されるように、重錘体の側面と台座の内側面との間隔を設定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１〜第９の態様に係る加速度センサにおいて、
台座の底面に対して重錘体の底面が所定寸法だけ上方に位置し、台座が制御基板上に固定された場合に、重錘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、重錘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、重錘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、両者の間隔を設定す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１〜第１０の態様に係る加速度センサにおいて、
変位検出手段を、接続部に配置されたピエゾ抵抗素子と、このピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化を検出する検出回路と、によって構成す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１１の態様に係る加速度センサにおいて、
変位部の左右両側にそれぞれ接続部を形成し、この左右の接続部にそれぞれ２つずつピエゾ抵抗素子を設け、合計４個のピエゾ抵抗素子がほぼ一直線上に沿って配置されるようにし、この４個のピエゾ抵抗素子を用いたブリッジにより検出回路を構成す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１〜第１０の態様に係る加速度センサにおいて、
変位検出手段を、基板層の上方に所定間隔をおいて配置された補助基板と、変位部の上面に形成された変位電極と、補助基板の下面に形成された固定電極と、変位電極と固定電極とによって形成される容量素子の静電容量の変化を検出する検出回路と、によって構成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１３の態様に係る加速度センサにおいて、
少なくとも上面の固定電極に対向する領域が導電性を有するような変位部を用意し、この変位部自身を、変位電極として用い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２の態様に係る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、変位部、固定部、接続部を有する基板層として構成する基板層構成段階と、
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の層を重錘体と台座とに分離する重錘体／台座分離段階と、
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重錘体接合層および台座接合層を構成する接合層構成段階と、
を行う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１５の態様に係る加速度センサの製造方法において、
基板層構成段階で、一部分に開口部を有する環状形状をもった複数のスリットが、それぞれの開口部が第１の層の中心を向くように配置された状態で形成されるようにし、
個々の環状スリットに囲まれた部分を羽根部とする送風機のファン状形状をなす構造体により変位部が形成され、互いに隣接する一対のスリット間に形成された部分により接続部が形成され、複数のスリットの外側包絡線よりも外側に位置する第１の層の外周部分により固定部が形成される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の態様に係る加速度センサの製造方法において、
重錘体／台座分離段階で、第１の層に形成された複数のスリットの外側包絡線よりも外側の位置において、重錘体と台座とが分離されるようなエッチングを行い、変位部を構成する構造体の輪郭を外側へ拡張した輪郭形状を有する重錘体を形成し、第１の層下面の複数のスリットの外側包絡線の外側直近領域に形成された制御面により、重錘体の上面周囲部の変位を制御することができ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１５〜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重錘体部分の厚みが小さくなるように、第３の層の重錘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１５〜第１８の態様に係る加速度センサの製造方法において、
第１の層と第３の層とを同一材料によって構成するようにしたものである。
【００２６】
(20) 本発明の第２０の態様は、上述の第１９の態様に係る加速度センサの製造方法において、
第１の層および第３の層をシリコンによって構成し、第２の層を酸化シリコンによって構成するようにしたものである。
【００２７】
(21) 本発明の第２１の態様は、上述の第１５〜第２０の態様に係る加速度センサの製造方法において、
基板層構成段階および重錘体／台座分離段階で、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。
【００２８】
【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。
【００２９】
＜＜＜ §１．トランスデューサ構造体の基本構造 ＞＞＞
はじめに、本発明に係る加速度センサに用いる加速度検出用のトランスデューサ構造体の基本構造を述べる。このトランスデューサ構造体の中枢となる構成要素は、基板層と重錘体である。重錘体は基板層の下面中央部に接合される。重錘体に加速度が作用すると、この作用した加速度に起因して、基板層の一部に変位が生じる構造になっている。別言すれば、このトランスデューサ構造体は、加速度を基板層の変位に変換する働きをすることになる。なお、§３において述べるように、このトランスデューサ構造体に、生じた変位を電気的に検出する変位検出手段を付加すれば、本発明に係る加速度センサが得られることになる。
【００３０】
図１は、本発明の一実施形態に係るトランスデューサ構造体の上面図である。このトランスデューサ構造体は、基本的には、シリコンからなる上層部１００、酸化シリコンからなる中層部２００、シリコンからなる下層部３００の３層構造を有している。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、ここに示すトランスデューサ構造体は、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。
【００３１】
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、基本的には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に示すトランスデューサ構造体を、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に示すトランスデューサ構造体を、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、このトランスデューサ構造体が、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、このトランスデューサ構造体の下面図であり、この下面図では、下層部３００の陰に隠れている中層部２００の構造が一点鎖線で示され、上層部１００の構造が破線で示されている。
【００３２】
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、３層のすべての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。
【００３３】
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。このスリットＳ１〜Ｓ４を形成することにより、上層部１００は、図示のとおり、複数の領域からなる個々の部分に分けられることになる。図５に示す破線は、このような領域の境界線を便宜的に示すものである。もっとも、これら破線は、各領域の厳密な境界位置を示すものではなく、説明の便宜上を考慮して描いたものである。
【００３４】
ここでは、この上層部１００上に形成された個々の部分の説明を行う前に、４つのスリットＳ１〜Ｓ４に固有の形状について述べておく。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の形状および配置が明瞭に示されている。すなわち、各スリットＳ１〜Ｓ４は、いずれもほぼ正方形の輪郭に沿って形成された幅の細い帯状の環状形状をもったスリットである。ただし、完全な環状形状をなしているわけではなく、正方形の１頂点に相当する部分には、開口部が形成されており、この開口部を介して各部は互いに連結された状態を維持している。別言すれば、上層部１００は、全体として１枚の基板層としての構造をもっており、以下、場合に応じて、この上層部１００を基板層１００と呼ぶことにする。
【００３５】
４組のスリットＳ１〜Ｓ４は全く同形であるが、個々のスリットの開口部は、いずれも基板層１００の中心を向くように配置され、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。このような４組のスリットＳ１〜Ｓ４を形成すると、基板層１００の中央部分には、送風機のファン状形状をなす構造体が形成されることがわかる。
【００３６】
いま、図５の上面図に示されているように、個々の環状スリットＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４に囲まれた部分を、それぞれ羽根部１１１，１１２，１１３，１１４と呼び、基板層１００の中心部分の正方形状の部分を中央部１１５と呼ぶことにすれば、これら羽根部１１１〜１１４と中央部１１５とにより、送風機のファン状形状をなす構造体が形成されていることになる。ここでは、このファン状形状をなす構造体を、変位部１１０と呼ぶことにする。また、図５に示されているように、互いに隣接する一対のスリット間に形成された矩形状の部分を、ここでは、接続部１２１，１２２，１２３，１２４と呼ぶことにし（これらを包括して接続部１２０と呼ぶ）、複数のスリットＳ１〜Ｓ４の外側包絡線よりも外側に位置する基板層１００の外周部分を固定部１３０と呼ぶことにする。
【００３７】
前述したように、この実施形態では、基板層１００はシリコンの基板層によって構成されており、ビーム状の構造をもった接続部１２１〜１２４は、外力の作用によって撓みを生じる物理的性質を有する。別言すれば、外力の作用により撓みが生じるように、接続部１２１〜１２４の幅および厚み（基板層１００の厚み）が設定されていることになる。したがって、後述するように、変位部１１０に外力が加わると、この外力は、各接続部１２１〜１２４へと伝わり、各接続部１２１〜１２４に撓みを生じさせることになる。その結果、変位部１１０は、固定部１３０に対して変位を生じることになる。結局、図５に示す基板層１００は、スリットＳ１〜Ｓ４を形成することにより、中央部分に設けられた変位部１１０と、この変位部１１０の周囲に設けられた固定部１３０と、変位部１１０を固定部１３０に対して変位可能な状態となるように接続する接続部１２０と、の３つの部分に分けられることになる。
【００３８】
なお、ここに示す実施形態では、正方形状をした４つのスリットＳ１〜Ｓ４を形成するようにしているが、これらのスリットは必ずしも正方形状にする必要はなく、また、必ずしも４つのスリットを形成する必要はない。一般的には、一部分に開口部を有する環状形状をもった複数のスリットを、それぞれの開口部が基板層１００の中心を向くように配置して形成するようにすればよい。そうすれば、個々の環状スリットに囲まれた部分を羽根部とする送風機のファン状形状をなす構造体を変位部とすることができ、互いに隣接する一対のスリット間に形成された部分を接続部とすることができ、複数のスリットの外側包絡線よりも外側に位置する基板層１００の外周部分を固定部とすることができる。ただ、実用上は、ここに示す実施形態のように、４つの正方形状のスリットＳ１〜Ｓ４を形成するようにすれば、できるだけ面積の大きな変位部１１０を確保することができ、また、４本の帯状をした接続部１２１〜１２４によって、この変位部１１０を四方から支持することができるようになり、非常に効率的である。
【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、５枚の重錘体接合層２１０と、これらを囲う位置に配置され、方環状形状をもった台座接合層２３０と、によって構成される。これら各接合層は、いずれも同一の厚みを有している。重錘体接合層２１０は、４枚の羽根部接合層２１１，２１２，２１３，２１４と、１枚の中央部接合層２１５と、によって構成されている。
【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重錘体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。重錘体３１０は、重錘体羽根部３１１，３１２，３１３，３１４および重錘体中央部３１５によって構成されているが、これらは、図５に示す変位部１１０における羽根部１１１，１１２，１１３，１１４および中央部１１５にそれぞれ対応するものであり、また、図７に示す羽根部接合層２１１，２１２，２１３，２１４および中央部接合層２１５にそれぞれ対応するものである。
【００４１】
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トランスデューサ構造体は、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。すなわち、上層部１００（基板層）の構成要素である羽根部１１１〜１１４および中央部１１５の下面には、それぞれ中層部２００の構成要素である羽根部接合層２１１〜２１４および中央部接合層２１５が接合され、更に、これらの下面には、それぞれ下層部３００の構成要素である重錘体羽根部３１１〜３１４および重錘体中央部３１５が接合される。別言すれば、重錘体接合層２１０は、ファン状形状の個々の羽根部の位置において変位部１１０と重錘体３１０とを接合する個々の羽根部接合層２１１〜２１４と、ファン状形状の中央部の位置において変位部１１０と重錘体３１０とを接合する中央部接合層２１５と、によって構成されていることになる。また、上層部１００（基板層）の周囲を構成する固定部１３０の下面には、中層部２００の周囲を構成する台座接合層２３０が接合され、更にその下面には、下層部３００の周囲を構成する台座３３０が接合される。
【００４２】
なお、実用上は、図９の側断面図（図１の上面図における切断線２−２の位置で切断した断面を示す図：以下に後続する側断面図についても同様）に示すように、台座３３０の底面には、更に、制御基板４００（たとえば、ガラス基板）が接合される。この制御基板４００は、後述するように、重錘体３１０の下方向への変位を制御するためのものである。図１０の側断面図は、装置筐体４５０の底部に台座３３０の底面を固着し、装置筐体４５０の上部に蓋板４６０を取り付けて密閉状態にした実施形態を示すものである。この場合は、装置筐体４５０の底部が制御基板としての機能を果たすことになる。
【００４３】
＜＜＜ §２．加速度センサとしての動作 ＞＞＞
続いて、これまで§１で述べたトランスデューサ構造体を利用した加速度センサの動作を説明する。図９あるいは図１０の側断面図に示されているように、このトランスデューサ構造体では、重錘体３１０が基板層１００の下面（変位部１１０の下面）に取り付けられており、基板層１００の周囲を構成する固定部１３０は、台座３３０によって支持固定されている。そして、変位部１１０は固定部１３０に対して、接続部１２０を介して変位可能な状態で支持されているので、重錘体３１０は、台座３３０に囲われた空間内で宙吊りの状態になっていることになる。このため、台座３３０（制御基板４００）を、加速度の検出対象物に固定すると、この検出対象物に作用した加速度は、その反作用として重錘体３１０にも作用することになり、重錘体３１０を台座３３０に対して変位させる力が生じることになる。このような力は、接続部１２０に撓みを生じさせ、変位部１１０が固定部１３０に対して相対的に変位する現象が生じることになる。
【００４４】
このように、ここで述べたトランスデューサ構造体は、作用した加速度を変位部１１０の変位に変換する機能を有している。本発明に係る加速度センサは、このようにして生じた変位部１１０の変位を、変位検出手段によって検出することにより、作用した加速度の検出を行うものであり、図９あるいは図１０に示すトランスデューサ構造体に、更に変位検出手段を付加することにより実現される。変位検出手段の具体例については、§３で述べることにするが、ここでは、このトランスデューサ構造体を加速度センサとして利用したときに、過度の加速度が加わった場合の動作を説明する。
【００４５】
既に述べたように、ここに示す実施形態に係るトランスデューサ構造体の基板層１００はシリコン基板によって構成されている。しかも、図５に示すように、基板層１００には、スリットＳ１〜Ｓ４が形成されており、加速度に起因した応力により撓みが生じる接続部１２０は、非常にデリケートな構造を有しており、過度の加速度が加わった場合には破損する可能性がある。このため、上述したトランスデューサ構造体には、過度の加速度が加わった場合に、重錘体３１０の変位を制御するための制御構造が設けられている。
【００４６】
たとえば、図９に示すトランスデューサ構造体の重錘体３１０に対して、図の下方向を向いた過度の加速度が作用した場合を考えてみる。この場合、重錘体３１０を図の下方向に変位させる力が働くことになるが、重錘体３１０の底面が制御基板４００の上面に接触することにより、それ以上の変位は抑制されることになる。すなわち、図９に示すトランスデューサ構造体では、台座３３０の底面に対して重錘体３１０の底面が所定寸法ｄ３だけ上方に位置する構造になっており、重錘体３１０が制御基板４００上に固定された場合に、重錘体３１０の底面と制御基板４００の上面との間に所定間隔ｄ３が確保されるようになっている。したがって、重錘体３１０は、図の下方向に対して、間隔ｄ３の範囲内では自由に変位を生じることができる。しかしながら、作用した加速度の大きさが所定の許容値を越えた場合は、図１１の側断面図に示されているように、重錘体３１０の底面が制御基板４００の上面に接触して変位が制御されることになる。
【００４７】
このように、制御基板４００によって、重錘体３１０の下方向への変位が制御され、過度の加速度が作用した場合にも、基板層１００に破損が生じることを防ぐことができる。したがって、図９に示す所定間隔ｄ３は、重錘体３１０の下方向への変位の自由度を与える寸法値ということになり、その値は、重錘体３１０が下方向にどの程度変位した場合に、基板層１００に破損が生じる可能性があるか、という事情を考慮し、基板層１００に破損が生じることのないような安全圏内になるように設定される。
【００４８】
重錘体３１０の図の横方向に関する変位は、台座３３０によって制御されることになる。たとえば、図９に示す重錘体３１０を、図の左方向に強制的に変位させようとすると、図１２に示すように、やがて重錘体３１０の側面が台座３３０の内側面に接触し、それ以上の変位が生じることはない。台座３３０は、重錘体３１０の四方を囲う構造体であるため、重錘体３１０の水平方向に関する変位は、すべて台座３３０によって制御されることになる。したがって、図９に示す所定間隔ｄ１は、重錘体３１０の水平方向への変位の自由度を与える寸法値ということになり、その値は、重錘体３１０が水平方向にどの程度変位した場合に、基板層１００に破損が生じる可能性があるか、という事情を考慮し、基板層１００に破損が生じることのないような安全圏内になるように設定される。
【００４９】
更に、重錘体３１０の図の上方向に関する変位は、固定部１３０の内側部分下面の制御面によって制御されることになる。たとえば、図９に示す重錘体３１０を、図の上方向に強制的に変位させようとすると、図１３に示すように、やがて重錘体３１０の上面周囲部が固定部１３０の内側部分下面（制御面）に接触し、それ以上の変位が生じることはない。
【００５０】
このような変位制御は、図１３に示すように、重錘体３１０を垂直上方へ変位させる力が作用した場合だけに限らず、図１４に示すように、重錘体３１０に対して回転モーメント力が作用した場合にも有効である。すなわち、図１４に示すように、重錘体３１０を傾斜させるような力が作用した場合であっても、重錘体３１０の上面周囲部のいずれかの箇所が、固定部１３０の内側部分下面の制御面に接触することにより、それ以上の変位は制御されることになる。この図１４に示す例では、重錘体３１０の図の右上に示す部分が、固定部１３０の下面に接触した状態になっているが、更に強い回転モーメント力が加わると、重錘体３１０の図の左下に示す部分が制御基板４００の上面に接触し、制御基板４００による変位制御も併せて行われることになる。なお、実際の加速度センサの場合、重錘体３１０に対して、図の上方向への加速度が加わると、図１３のような変位制御が行われ、図の下方向への加速度が加わると、図１１のような変位制御が行われる。ところが、図の横方向への加速度が加わった場合は、図１２のような変位制御ではなく、図１４のような変位制御が行われることになる。これは、重錘体３１０の上部のみが接続部１２０を介して支持されているため、横方向の加速度が重錘体３１０に対しては回転モーメントとして作用するためである。
【００５１】
図５の上面図に示されているファン状形状をなす変位部１１０と、図８の横断面図に示されているファン状形状をなす重錘体３１０とを比較すると、両者はいずれも平面的にファン状形状をなす構造体である点で共通するが、前者の輪郭に比べて後者の輪郭の方が若干広がっていることがわかるであろう。すなわち、図８に示す重錘体３１０の輪郭は、図５に示す変位部１１０の輪郭を外側へ拡張した形状になっている。この特徴は、図２の側断面図によって、より明瞭に示されている。図２において、上層部１００の構成要素として示されている羽根部１１１の左端位置に対して、下層部３００の構成要素として示されている重錘体羽根部３１１の左端位置は左にずれている。このような位置関係になっているため、重錘体３１０の上面周囲部Ａ１２（図２における重錘体羽根部３１１の上面の左端部分）は、固定部１３０の下面に形成された制御面Ａ１１に対向する直下位置に配置されることになる。同様に、上層部１００の構成要素として示されている羽根部１１２の右端位置に対して、下層部３００の構成要素として示されている重錘体羽根部３１２の右端位置は右にずれている。このような位置関係になっているため、重錘体３１０の上面周囲部Ａ２２（図２における重錘体羽根部３１２の上面の右端部分）は、固定部１３０の下面に形成された制御面Ａ２１に対向する直下位置に配置されることになる。
【００５２】
これは、重錘体３１０が図の上方に変位しようとしても、上面周囲部Ａ１２やＡ２２が制御面Ａ１１，Ａ２１に接触することにより、それ以上の変位が生じないように制御されることを意味し、本発明に係る加速度センサの本質的な特徴である。図２の側断面図では、左右両端部分の制御面Ａ１１，Ａ２１しか示されていないが、実際には、図１５の上面図にハッチングを施して示す制御領域Ａ１０，Ａ２０，Ａ３０，Ａ４０において、このような制御が行われることになる。すなわち、図１５において、固定部１３０の下面側における制御領域Ａ１０，Ａ２０，Ａ３０，Ａ４０に相当する部分を、それぞれ制御面Ａ１１，Ａ２１，Ａ３１，Ａ４１と呼び、重錘体３１０の上面側における制御領域Ａ１０，Ａ２０，Ａ３０，Ａ４０に相当する部分を、それぞれ上面周囲部Ａ１２，Ａ２２，Ａ３２，Ａ４２と呼ぶことにすると、制御面Ａ１１，Ａ２１，Ａ３１，Ａ４１は、固定部１３０の内側部分下面に形成された面であり（別言すれば、基板層１００の下面の個々のスリットＳ１〜Ｓ４の外側直近領域に形成された面であり）、上面周囲部Ａ１２，Ａ２２，Ａ３２，Ａ４２は、重錘体３１０の上面の周囲部分に形成された面である。しかも、上面周囲部Ａ１２，Ａ２２，Ａ３２，Ａ４２は、それぞれ制御面Ａ１１，Ａ２１，Ａ３１，Ａ４１に対向する位置に配置されているため、上述したように、上面周囲部Ａ１２，Ａ２２，Ａ３２，Ａ４２に対する上方向への変位が制御されることになる。
【００５３】
このように、ここに述べる実施形態では、ファン状形状をもった重錘体３１０の上面の輪郭を、同じくファン状形状をもった変位部１１０の輪郭を外側へ拡張した形状となるように構成したことにより、重錘体３１０の上面周囲部の随所において、制御面による変位制御が可能になる。
【００５４】
もちろん、前掲公報に開示された従来の加速度センサにおいても、重錘体の上方向、横方向、下方向の変位を制御することができる制御構造が設けられている。しかしながら、既に述べたとおり、従来は、重錘体の形状や配置に適合した正確な制御構造をもった加速度センサを量産する際に、製造プロセス上の技術的な負担が大きくなるという問題が生じていた。本発明に係る構造を有する加速度センサでは、このような製造プロセス上の技術的な負担が大幅に緩和される。以下、その理由を述べる。
【００５５】
図２の側断面図に示すトランスデューサ構造体において、重錘体３１０の上方向への変位が、制御面Ａ１１，Ａ２１と上面周囲部Ａ１２，Ａ２２との接触によって制御されることは既に述べたとおりである。ここで重要な点は、制御面Ａ１１，Ａ２１と上面周囲部Ａ１２，Ａ２２との間隔が、中層部２００の厚み（重錘体接合層２１０および台座接合層２３０の厚み）によって正確に設定されているという点である。別言すれば、重錘体３１０の上方向への変位の自由度は、中層部２００の厚みによって設定されることになる。ここで、中層部２００は、上層部（基板層）１００や下層部３００とは異なる材料から構成された層であり、いわば基板層１００と重錘体３１０との間に介挿されるスペーサとしての機能を果たす層である。このように、スペーサとして機能する中層部２００を介挿した３層構造を採ることにより、重錘体３１０の上方向への変位の自由度を常に一定の値（中層部２００の厚み）に設定することができるようになる。したがって、比較的単純な製造プロセスにより量産した場合でも、個々のロットごとに、重錘体の変位自由度が極端に変動することはない。
【００５６】
なお、重錘体３１０が所定の自由度の範囲内で上方向に変位することが可能になるようにするために、重錘体接合層２１０は、重錘体３１０と基板層１００との間の空間における上面周囲部以外の領域（図１５にハッチングを施して示した制御領域Ａ１０，Ａ２０，Ａ３０，Ａ４０以外の領域）に介挿する必要がある。図１５に示す例では、図に一点鎖線で示す位置に、重錘体接合層２１０（羽根部接合層２１１〜２１４と中央部接合層２１５：図７参照）が介挿されている。この重錘体接合層２１０の厚みは、作用した加速度の大きさが所定の許容値を越えたときにも、重錘体３１０の上方向の変位が所定範囲内に制御され、基板層１００の破損を防ぐことができるような適当な値に設定されることになる。
【００５７】
このように、本発明の本質は、基板層１００と重錘体３１０との間にスペーサとしての機能を果たす重錘体接合層２１０を介挿した構造を採ることにより、上方向への制御構造を正確な位置に形成できるようにした点にある。
【００５８】
＜＜＜ §３．変位検出手段の具体例 ＞＞＞
上述したように、本発明の特徴は、トランスデューサ構造体の独特の構成にあり、このようなトランスデューサ構造体を利用した加速度センサであれば、変位検出手段としてはどのようなものを用いてもかまわない。ただ、ここでは、参考のために、これまで述べてきたトランスデューサ構造体へ適用するのに好ましい具体的な変位検出手段の例を２つ示しておく。
【００５９】
第１の例は、接続部に配置されたピエゾ抵抗素子と、このピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化を検出する検出回路と、によって変位検出手段を構成した例である。たとえば、図１６の上面図に示されているように、合計１２個のピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４，Ｒｚ１〜Ｒｚ４を、接続部１２１，１２２，１２３，１２４上に形成する。ここで、基板層１００をＮ型のシリコン層としておき、ここにＰ型の不純物を拡散すれば、各ピエゾ抵抗素子を形成することができる（Ｎ型とＰ型を逆にしてもよい）。ピエゾ抵抗素子は、応力が加えられると電気抵抗値が変化する性質を有している。変位部１１０が変位した場合、接続部１２１，１２２，１２３，１２４には、応力による撓みが生じていることになる。そこで、各ピエゾ抵抗素子の電気抵抗値を検出すれば、各接続部１２１，１２２，１２３，１２４に加えられた応力を認識することができ、変位部１１０の変位状態を知ることができ、重錘体に加えられた加速度の向きや大きさを求めることができる。
【００６０】
実用上は、図示の実施形態のように、変位部１１０の左右両側にそれぞれ接続部１２１，１２４を形成し、左側の接続部１２１には、２個のピエゾ抵抗素子Ｒｘ１，Ｒｘ２を配置し、右側の接続部１２４には、２個のピエゾ抵抗素子Ｒｘ３，Ｒｘ４を配置し、合計４個のピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４がほぼ一直線上に沿って配置されるようにすれば、この４個のピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４を用いたブリッジ回路により、この４個のピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４の配列方向に関する加速度成分もしくは基板層１００に対して垂直な方向に関する加速度成分を検出することが可能である。たとえば、基板層１００の中心位置に原点Ｏをとり、図示のとおり、図の右方向にＸ軸、図の上方向にＹ軸、図の紙面垂直上方にＺ軸を定義したとすると、Ｘ軸に沿って配置された４個のピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４を用いたブリッジ回路により、重錘体に作用した加速度のＸ軸方向成分の検出が可能であり、Ｙ軸に沿って配置された４個のピエゾ抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４を用いたブリッジ回路により、重錘体に作用した加速度のＹ軸方向成分の検出が可能であり、Ｘ軸に沿って配置された４個のピエゾ抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４を用いたブリッジ回路により、重錘体に作用した加速度のＺ軸方向成分の検出が可能である。
【００６１】
図１７は、このようなブリッジを用いた検出を行うための検出回路を示す回路図である。電源６１，６２，６３から各ブリッジに所定の電圧を印加し、電圧計６４，６５，６６によって各部のブリッジ電圧を検出すれば、これら電圧計６４，６５，６６の検出電圧は、それぞれ加速度のＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸成分を示すものになる。なお、本願発明者が行った実験によると、図１６に示すピエゾ抵抗素子の配置の代わりに、図１８に示す配置（抵抗素子Ｒｘ３，Ｒｘ４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。
【００６２】
続いて第２の例を示す。この第２の例は、基板層の上方に所定間隔をおいて配置された補助基板と、変位部の上面に形成された変位電極と、補助基板の下面に形成された固定電極と、変位電極と固定電極とによって形成される容量素子の静電容量の変化を検出する検出回路と、によって変位検出手段を構成した例である。
【００６３】
たとえば、図１９の側断面図に示されている例は、図９に示すトランスデューサ構造体における基板層１００の上方に、補助基板５００を取り付けたものである。この補助基板５００の下面は、基板層１００の上面に対して所定間隔をおいて配置されている。しかも、図２０の下面図に示すように、この補助基板５００の下面には、５枚の固定電極５０１，５０２，５０３，５０４，５０５が形成されている。図１９の側断面図に示されている補助基板５００の断面は、図２０に示す補助基板５００を切断線１９−１９の位置で切断した断面である。一方、変位部１１０の上面には、この５枚の固定電極５０１〜５０５に対向する変位電極が設けられており、各固定電極５０１〜５０５と、これに対向する変位電極とによって、合計５組の容量素子Ｃ１〜Ｃ５が形成されている。もっとも、実用上は、変位部１１０の上面の少なくとも各固定電極５０１〜５０５に対向する領域を導電性を有する領域にしておけば、この変位部１１０自身を変位電極として利用することができる。ここに示す実施形態の場合、基板層１００全体を導電性材料（高濃度の不純物を拡散したシリコン層）によって構成し、全体が１枚の共通電極として機能するようにしてある。
【００６４】
このような構成にすれば、５組の容量素子Ｃ１〜Ｃ５の静電容量の変化により、変位部１１０の変位状態を認識することができ、重錘体に加えられた加速度の向きや大きさを求めることができる。すなわち、変位部１１０を構成する各羽根部１１１〜１１４や中央部１１５と補助基板５００との間の距離を、容量素子Ｃ１〜Ｃ５の静電容量値によって認識することができるので、これら静電容量値に基く演算によって、重錘体に作用した加速度の各方向成分ごとの大きさを求めることができる。
【００６５】
図２１は、このような原理により、加速度の各方向成分を求める検出回路の一例を示す回路図である。この回路における容量素子Ｃ１〜Ｃ５は、導電性を有する変位部１１０を一方の共通接地電極とし、５枚の固定電極５０１〜５０５を他方の電極とする容量素子であり、その静電容量値は、Ｃ／Ｖ変換器７１〜７５によって電圧値Ｖ１〜Ｖ５に変換される。更に、減算器７６および７７によって、差分Ｖ１−Ｖ２および差分Ｖ３−Ｖ４が求められる。こうして出力端子Ｔｘに得られる差分Ｖ１−Ｖ２は、図２０に示すＸ軸方向の加速度成分を示す値となり、出力端子Ｔｙに得られる差分Ｖ３−Ｖ４は、図２０に示すＹ軸方向の加速度成分を示す値となり、出力端子Ｔｚに得られる電圧Ｖ５は、図２０の紙面垂直上方を向いたＺ軸方向の加速度成分を示す値となる。
【００６６】
＜＜＜ §４．加速度センサの製造方法 ＞＞＞
次に、これまで述べてきたトランスデューサ構造体の製造方法の実施形態を、図２２および図２３に示す側断面図を参照しながら述べる。図９に示すトランスデューサ構造体は、以下に述べる方法により製造されたものである。なお、図２２および図２３に示す側断面図は、いずれも、図１に示すトランスデューサ構造体を切断線２−２の位置で切断した断面に相当するものである。
【００６７】
まず、図２２(a) 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（基板層）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（接合層）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（重錘体および台座）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。
【００６８】
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、最終的に得られるトランスデューサ構造体では、基板層１００、台座３３０、重錘体３１０を構成する材料と、重錘体接合層２１０、台座接合層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。
【００６９】
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にスリットを形成することにより、この第１の層１０を、変位部、固定部、接続部を有する基板層１００として構成する。ここで形成するスリットは、図６に示すスリットＳ１〜Ｓ４である。したがって、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２２(b) は、このようにして、第１の層１０を基板層１００に変化させた状態を示す。この図には、変位部１１０の一部である羽根部１１１，１１２と、接続部１２０の一部である接続部１２２と、固定部１３０とが示されている。これらの各部は、スリットＳ１〜Ｓ４（図には、Ｓ１，Ｓ２のみが示されている）をエッチングにより形成することにより得られることになる。
【００７０】
次に、台座部分の厚みに比べて重錘体部分の厚みが小さくなるように、第３の層３０の重錘体となるべき領域の下層部分をエッチング除去する処理を行う。ここで行うエッチング工程は、第３の層３０の下面に、図８の台座３３０の領域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上方へと浸食させる工程になる。図２２(c) は、このような処理により、第３の層３０が第３の層３５に変化した状態を示す。第３の層３５の底部には、エッチングにより下層部分が除去されたため、空隙部Ｖが形成されている。この空隙部Ｖの高さは、図９における寸法ｄ３を規定するものになり、重錘体３１０の下方向への変位自由度を設定するものになる。空隙部Ｖの高さは、エッチング時間を調節することにより、所望の設定値に制御することが可能である。
【００７１】
続いて、第３の層３５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３５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３５を重錘体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３５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３５の所定領域のみが除去されることになる。図２３(a) は、このようにして、第３の層３５を、重錘体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。ここで、基板層１００に形成されたスリットＳ１，Ｓ２の位置に対して、溝部Ｇ１は外側に形成されている点は重要である。これは、既に述べたように、基板層１００における変位部１１０を構成するファン状形状をもった構造体よりも、下層部３００における重錘体３１０を構成するファン状形状をもった構造体の方が、一回り大きな輪郭を有するようにするためである。これにより、重錘体３１０の上面外周部が、固定部１３０の下面に形成された制御面に対向する構造が得られ、重錘体３１０の上方向への変位制御が行われることになる点は、既に述べたとおりである。
【００７２】
次に、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重錘体接合層２１０および台座接合層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２３(a) に示すように、第１の層１０の残存部分である上層部（基板層）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。また、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２３(b) に示すように、第２の層２０のうち、スリットＳ１〜Ｓ４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、重錘体接合層２１０（図には、羽根部接合層２１１，２１２のみが示されている）と台座接合層２３０が形成されることになる。
【００７３】
最後に、台座３３０の底面に制御基板４００（この実施形態では、ガラス基板）を接合すれば、図２３(c) に示す構造が得られる。これは、図９に示すトランスデューサ構造体に他ならない。なお、図２３(c) に示す構造体では、エッチングプロセスににより重錘体接合層２１０や台座接合層２３０の形成が行われたため、中層部２００を構成するこれら各接合層の端面がアールをもった面になっているが、基板層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。
【００７４】
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、基板層１００を形成する工程（図２２(b) ）と、第３の層３５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２３(a) ）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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。このエッチング法は、第３の層３０の底面に空隙部Ｖを形成する工程（図２２(c) ）でも利用することができる。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。
【００７７】
一方、第２の層２０に対するエッチング工程（図２３(b) ）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、不要な部分に接合層が残存して重錘体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基板層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。
【００７８】
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。
【００７９】
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、基板層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、図９に示す寸法ｄ２に相当する間隔であり、重錘体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加速度センサを量産すれば、少なくとも重錘体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。
【００８０】
＜＜＜ §５．いくつかの変形例 ＞＞＞
最後に、本発明に係るトランスデューサ構造体の変形例を述べておく。上述した実施形態では、図１５にハッチングを施して示す制御領域Ａ１０，Ａ２０，Ａ３０，Ａ４０において、固定部１３０側の制御面Ａ１１，Ａ２１，Ａ３１，Ａ４１と、重錘体３１０側の上面周囲部Ａ１２，Ａ２２，Ａ３２，Ａ４２とが対向した構造となり、変位制御が行われる。しかしながら、非常に小型のトランスデューサ構造体の場合、制御領域Ａ１０，Ａ２０，Ａ３０，Ａ４０の幅は極めて小さいため、スリットＳ１〜Ｓ４の位置と重錘体３１０の位置との間に寸法誤差が生じると、これらの制御領域が正しく形成されない可能性がある。たとえば、図１５において、スリットＳ１〜Ｓ４の位置が全体的に斜め左上方向にずれた場合、図示されている制御領域Ａ１０はスリットＳ１の移動により面積が減少し、逆に、図示されている制御領域Ａ４０はスリットＳ４の移動により面積が増加する。したがって、ずれ量がある程度以上になると、制御領域Ａ１０は完全に消滅し、図の左上部分における変位制御機能は失われてしまう。
【００８１】
特に、§４で述べた製造プロセスでは、エッチングを利用して各部の構造を形成することになるため、エッチングの位置精度が十分に確保されていないと、上述のようなずれが生じるおそれがある。加速度センサを量産する場合、エッチングの処理不良等により、変位制御機能が不完全になったロットは、不良品として排除する必要がある。しかしながら、図１５に示すトランスデューサ構造体の場合、変位制御機能が正常か否かを外観から確認することが困難である。すなわち、図１５の上面図を見る限り、重錘体３１０は、その一部がスリットＳ１〜Ｓ４を通して露出しているだけであり、図示されている制御領域Ａ１０，Ａ２０，Ａ３０，Ａ４０の存在は、固定部１３０の陰に隠れて目視確認することはできない。
【００８２】
ここで述べる第１の変形例は、このような課題を解決するための実施形態である。この変形例では、図６の横断面図に示されている上層部１００の代わりに、図２４の横断面図に示されている上層部１００Ａを用いるようにする。この上層部１００Ａの特徴は、スリットＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の周囲に、それぞれ爪状スリットＳ１１〜Ｓ１４，Ｓ２１〜Ｓ２４，Ｓ３１〜Ｓ３４，Ｓ４１〜Ｓ４４を形成するようにした点にある。これら爪状スリットは、重錘体３１０の輪郭位置を目視確認するための確認用窓として機能する。図２５は、この上層部１００Ａを用いたトランスデューサ構造体の上面図である。図１５と同様に、ハッチングを施した制御領域Ａ１０，Ａ２０，Ａ３０，Ａ４０は、変位制御機能を果たすための領域である。ただ、図１５に示す構造体に比べて、図２５に示す構造体では、爪状スリットが形成されているため、重錘体３１０の輪郭位置を目視確認することができる。たとえば、図示の爪状スリットＳ１１，Ｓ１２の内部を見れば、重錘体羽根部３１１の左側の輪郭部分の位置を確認することが可能である。
【００８３】
図２６は、図２５における爪状スリットＳ１１周辺の拡大上面図である。図示のとおり、上方から爪状スリットＳ１１の内部を覗くと、右側には重錘体羽根部３１１が位置し、左側には溝部Ｇ１が位置していることが確認できる。ここで、両者の境界線は、重錘体羽根部３１１の左側の輪郭位置を示している。したがって、上層部１００Ａに分散配置されている各爪状スリットの中を覗けば、重錘体３１０の全体的な輪郭位置を認識することができ、制御領域Ａ１０，Ａ２０，Ａ３０，Ａ４０が正しく形成されているか否かを判断することができる。もちろん、非常に小型のトランスデューサ構造体の場合であれば、顕微鏡などの光学的手段を用いて拡大することにより、同様の判断が可能である。図２５に示すように、爪状スリットを設けることにより、制御領域の面積は若干減少することになるが、変位制御機能には何ら支障は生じない。このように、本発明における重錘体の「上面周囲部」や、固定部の内側部分下面に形成された「制御面」は、重錘体の周囲を完全に取り囲むように配置する必要はなく、重錘体の変位を効率的に制御することができる箇所ごとに分散して配置してかまわない。
【００８４】
続いて述べる第２の変形例は、制御領域の面積を更に減少させた実施形態である。この実施形態では、図６に示す上層部１００の代わりに、図２７に示す上層部１００Ｂを用い、図７に示す中層部２００の代わりに、図２８に示す中層部２００Ｂを用い、図８に示す下層部３００の代わりに、図２９に示す下層部３００Ｂを用いる（いずれも層面に平行な切断面で切った横断面図である）。
【００８５】
まず、図２７に示す上層部１００Ｂを見ると、４つのスリットＳＳ１〜ＳＳ４が形成されていることがわかる。ただし、これらのスリットは正方形状のものではなく、８角形に近い形状となっている。いずれも完全な環状の８角形ではなく、上層部１００Ｂの中央に近い部分に開口部を有している。別言すれば、このスリットＳＳ１〜ＳＳ４は、いわば、図６に示す上層部１００上に形成された正方形状のスリットＳ１〜Ｓ４の３つの角を削ったような形状ということになる。実は、この削られた角の部分が、制御面として機能することになる。一方、図２８に示す中層部２００Ｂは、中央部分の５か所に配置された重錘体接合層２１０Ｂ（羽根部接合層２１１Ｂ〜２１４Ｂおよび中央部接合層２１５Ｂ）と、その周囲を囲う台座接合層２３０Ｂと、によって構成されている。羽根部接合層２１１Ｂ〜２１４Ｂの形状は、スリットＳＳ１〜ＳＳ４の形状に合わせて、角が削られたものになっている（§４のエッチングプロセスを行うと、このような形状に成型されることになる）。また、図２９に示す下層部３００Ｂは、ファン状形状をした重錘体３１０Ｂ（重錘体羽根部３１１Ｂ〜３１４Ｂおよび重錘体中央部３１５Ｂ）と、その周囲を囲う台座３３０Ｂと、によって構成され、両者は溝部ＧＧ１，ＧＧ２によって分離されている。
【００８６】
ここで、重錘体接合層２１０Ｂと重錘体３１０Ｂとの平面形状を比較すると、図２９に示す重錘体羽根部３１１Ｂ〜３１４Ｂは正方形状をしているのに対し、図２８に示す羽根部接合層２１１Ｂ〜２１４Ｂは、正方形の３つの角が削られた形状をしている。実は、重錘体羽根部３１１Ｂ〜３１４Ｂを構成する正方形のそれぞれ３つの角の部分は、上面周囲部として機能することになるが、羽根部接合層２１１Ｂ〜２１４Ｂは、この上面周囲部の領域を避けるような形状となっているため、上面周囲部と制御面との間には所定間隔ｄ２（中層部２００Ｂの厚み）が確保されることになり、重錘体３１０Ｂは間隔ｄ２の自由度の範囲内で上方向に変位が可能になる。
【００８７】
図３０は、上層部１００Ｂ，中層部２００Ｂ，下層部３００Ｂを積層してなるトランスデューサ構造体の上面図である（下層部３００Ｂを破線で示し、中層部２００Ｂは図示を省略してある）。ただし、図の下半分は、上層部１００Ｂおよび中層部２００Ｂを除去した状態（すなわち、下層部３００Ｂの上面状態）が示されている。この図により、上層部１００Ｂ上に形成された各スリットＳＳ１〜ＳＳ４と、重錘体３１０Ｂとの平面的な位置関係が明瞭に認識できる。図にハッチングを施した領域が制御領域であり、上層部１００Ｂの下面における制御領域が「制御面」となり、重錘体３１０Ｂの上面における制御領域が「上面周囲部」となる。たとえば、スリットＳＳ１とその下に位置する重錘体羽根部３１１Ｂとの位置関係を見れば、正方形状の重錘体羽根部３１１Ｂは、図示のとおり、３か所の制御領域ＡＡ１，ＡＡ２，ＡＡ３において変位が制御されることがわかる。４つの重錘体羽根部３１１Ｂ〜３１４Ｂは、いずれも３か所において変位が制御されることになる。このように、本発明における「制御面に対向する上面周囲部」は、必ずしも重錘体３１０の上面の周囲全域に設ける必要はなく、図３０にハッチングを施した領域のように、その一部分に設ければ十分である。接続部１２０Ｂが比較的固い場合には、制御領域の数を更に減少させることも可能である。たとえば、図３０に示す例では、スリットＳＳ１の周辺に３つの制御領域ＡＡ１，ＡＡ２，ＡＡ３が設けられているが、これを１つの制御領域ＡＡ２のみに減らすようなことも可能である。
【００８８】
図３１は、図３０に示すトランスデューサ構造体を、図の切断線３１−３１の位置で切断した状態を示す側断面図である。図示のとおり、上層部１００Ｂ側のスリットＳＳ１，ＳＳ２の直下に、下層部３００Ｂ側の溝部ＧＧ１が形成されており、この側断面図を見る限り、重錘体３１０Ｂの変位が固定部１３０Ｂの下面によって制御されるような構造は示されていない。しかしながら、図３０に示す構造体を、正方形の対角線に相当する斜め４５°の位置の切断線に沿って切断した側断面を思い浮かべれば、制御領域ＡＡ２に相当する部分において、重錘体３１０Ｂの上面周囲部の変位が、固定部１３０Ｂの下面の制御面によって制御される構造が理解できよう。
【００８９】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明に係る加速度センサおよびその製造方法によれば、重錘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トランスデューサ構造体の上面図である。
【図２】図１に示すトランスデューサ構造体を、切断線２−２の位置で切断した側断面図である。
【図３】図１に示すトランスデューサ構造体を、切断線３−３の位置で切断した側断面図である。
【図４】図１に示すトランスデューサ構造体の下面図である。
【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２の側断面図に示されているトランスデューサ構造体の下面に、制御基板４００を取り付けた状態を示す側断面図である。
【図１０】図２の側断面図に示されているトランスデューサ構造体を、装置筐体４５０内に収容した状態を示す側断面図である。
【図１１】図９に示すトランスデューサ構造体において、重錘体３１０を下方向に変位させる力が加えられたときに、変位制御が行われる状態を示す側断面図である。
【図１２】図９に示すトランスデューサ構造体において、重錘体３１０を左方向に変位させる力が加えられたときに、変位制御が行われる状態を示す側断面図である。
【図１３】図９に示すトランスデューサ構造体において、重錘体３１０を上方向に変位させる力が加えられたときに、変位制御が行われる状態を示す側断面図である。
【図１４】図９に示すトランスデューサ構造体において、重錘体３１０を回転させる力が加えられたときに、変位制御が行われる状態を示す側断面図である。
【図１５】図１に示すトランスデューサ構造体において、固定部１３０側に設けられた制御面と、重錘体３１０の上面周囲部との位置関係を示す上面図である。
【図１６】図９に示すトランスデューサ構造体に、ピエゾ抵抗素子を用いた変位検出手段を適用した一例を示す上面図である。
【図１７】図１６に示すピエゾ抵抗素子を用いた加速度の検出回路の一例を示す回路図である。
【図１８】図９に示すトランスデューサ構造体に、ピエゾ抵抗素子を用いた変位検出手段を適用した別な一例を示す上面図である。
【図１９】図９に示すトランスデューサ構造体に、容量素子を用いた変位検出手段を適用した一例を示す側断面図である。
【図２０】図１９に示す補助基板５００の下面図である。
【図２１】図１９に示す容量素子を用いた加速度の検出回路の一例を示す回路図である。
【図２２】本発明の一実施形態に係る加速度センサ用トランスデューサ構造体の製造方法の前半のプロセスを示す側断面図である。
【図２３】本発明の一実施形態に係る加速度センサ用トランスデューサ構造体の製造方法の後半のプロセスを示す側断面図である。
【図２４】本発明の第１の変形例に用いる上層部１００Ａの横断面図である。
【図２５】図２４に示す上層部１００Ａを用いたトランスデューサ構造体の上面図である。
【図２６】図２５に示す爪状スリットＳ１１周辺の拡大上面図である。
【図２７】本発明の第２の変形例に用いる上層部１００Ｂの横断面図である。
【図２８】本発明の第２の変形例に用いる中層部２００Ｂの横断面図である。
【図２９】本発明の第２の変形例に用いる下層部３００Ｂの横断面図である。
【図３０】本発明の第２の変形例に係るトランスデューサ構造体の上面図（下層部３００Ｂの位置を破線で示し、中層部２００Ｂの図示は省略）である。ただし、図の下半分には、上層部１００Ｂおよび中層部２００Ｂを除去した状態（すなわち、下層部３００Ｂの上面状態）が示されている。
【図３１】図３０に示すトランスデューサ構造体を、図の切断線３１−３１の位置で切断した状態を示す側断面図である。
【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）
３５…第３の層（シリコン層）
６１〜６３…電源
６４〜６６…電圧計
７１〜７５…Ｃ／Ｖ変換器
７６，７７…減算器
１００，１００Ａ，１００Ｂ…上層部（シリコンからなる基板層）
１１０，１１０Ｂ…変位部
１１１〜１１４…羽根部
１１５…中央部
１２０，１２０Ｂ…接続部
１２１〜１２４…接続部
１３０，１３０Ｂ…固定部
２００，２００Ｂ…中層部（酸化シリコンからなる接合層）
２１０，２１０Ｂ…重錘体接合層
２１１〜２１４，２１１Ｂ〜２１４Ｂ…羽根部接合層
２１５，２１５Ｂ…中央部接合層
２３０，２３０Ｂ…台座接合層
３００，３００Ｂ…下層部（シリコンからなる重錘体および台座の層）
３１０，３１０Ｂ…重錘体
３１１〜３１４，３１１Ｂ〜３１４Ｂ…重錘体羽根部
３１５，３１５Ｂ…重錘体中央部
３３０，３３０Ｂ…台座
４００…制御基板（ガラス基板）
４５０…装置筐体
４６０…蓋板
５００…補助基板
５０１〜５０５…固定電極
Ａ１０，Ａ２０，Ａ３０，Ａ４０…制御領域
Ａ１１，Ａ２１，Ａ３１，Ａ４１…制御面
Ａ１２，Ａ２２，Ａ３２，Ａ４２…重錘体の上面周囲部
ＡＡ１，ＡＡ２，ＡＡ３…制御領域
Ｃ１〜Ｃ５…容量素子
ｄ１〜ｄ３…間隔寸法
Ｇ１，Ｇ２，ＧＧ１，ＧＧ２…溝部
Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４，Ｒｚ１〜Ｒｚ４…ピエゾ抵抗素子
Ｓ１〜Ｓ４，ＳＳ１〜ＳＳ４…ほぼ環状のスリット
Ｓ１１〜Ｓ１４，Ｓ２１〜Ｓ２４，Ｓ３１〜Ｓ３４，Ｓ４１〜Ｓ４４…爪状スリット
Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ…出力端子
Ｖ…空隙部
Ｖ１〜Ｖ５…電圧
【発明の属する技術分野】
本発明は加速度センサおよび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加速度センサおよび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加速度センサの需要も高まってきている。加速度センサを内蔵した電子機器では、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る。また、電子ゲーム機器用の入力装置などでは、ユーザの操作指示を加速度の形で入力することも可能になる。たとえば、加速度センサを重力加速度の検出に利用するようにすれば、傾斜計として用いることができ、電子機器全体の向き（水平状態に対する傾斜度合い）を認識することが可能になるので、ユーザが電子機器全体を傾斜させる動作に基いて、所定の操作入力が可能になる。
【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い。たとえば、特開平１−２６３５７６号公報や、特開平３−２０２７７８号公報には、量産に適した小型の加速度センサの構造が開示されており、特開平４−２４９７２６号公報には、シリコン基板を利用して、そのような加速度センサを量産するための製造方法が開示されている。この種の一般的な加速度センサとしては、可撓性をもった基板に重錘体を接合し、この重錘体に作用した加速度に起因して、基板に撓みを生じさせ、この基板の撓みを電気的に検出するタイプのものが利用されている。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。
【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センサが提案されている。このような加速度センサにおいて検出感度を高めるためには、重錘体の質量を大きくしたり、重錘体の支持部分の可撓性を高めたりする必要があるが、いずれにせよ、過度の加速度が加わった場合には、重錘体の支持部分が破損するおそれがある。特に、センサ筐体を落下させてしまったような場合、重錘体に大きな衝撃が加わり、半導体からなる重錘体の支持部分が損傷を受ける可能性がある。そこで、通常は、重錘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ておく必要がある。前掲公報に記載された加速度センサの場合も、重錘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。過度の加速度が作用すると、重錘体の一部が制御基板や台座などに接触することになり、重錘体の変位は、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、重錘体の支持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、重錘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、重錘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、前掲各公報に開示されているような従来の加速度センサでは、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、重錘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、中央部分に設けられた変位部と、この変位部の周囲に設けられた固定部と、変位部を固定部に対して変位可能な状態となるように接続する接続部と、を有する基板層と、
この基板層の下方に配置され、固定部の内側部分下面に形成された制御面に対向する上面周囲部を有する重錘体と、
この重錘体の周囲を取り囲むように配置され、固定部を下方から支持固定する台座と、
重錘体と基板層との間の空間における重錘体の上面周囲部以外の領域に介挿され、重錘体および基板層とは異なる材料から構成され、重錘体を変位部の下面に接合する重錘体接合層と、
変位部の変位を検出する変位検出手段と、
によって加速度センサを構成し、
基板層には、一部分に開口部を有する環状形状をもった４組の環状スリットが形成されており、それぞれの開口部は基板層の中心を向くように配置されており、
基板層の中心付近を中央部とし、個々の環状スリットに囲まれた部分を羽根部とする４枚羽根をもった送風機のファン状形状をなす構造体により、変位部が構成されており、
互いに隣接する一対の環状スリット間に形成された４カ所の部分により、接続部が形成されており、
４組の環状スリットの外側に位置する基板層の外周部分により、固定部が形成されており、
重錘体の平面形状は、４枚羽根をもった送風機のファン状形状をなし、重錘体の個々の羽根部は、基板層の個々の羽根部のそれぞれ下方に位置し、
重錘体の個々の羽根部は基板層の個々の羽根部よりも外側に拡張されており、重錘体の個々の羽根部の周囲部分により上面周囲部が形成され、基板層の環状スリットの外側部分により制御面が形成されており、
４カ所の部分からなる接続部の下方には、重錘体のいずれの羽根部も存在しないようにし、
重錘体に加速度が作用したときに、接続部に生じる撓みにより変位部が固定部に対して変位するようにし、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、重錘体の上面周囲部が固定部下面に形成された制御面に接触して変位が制御されるように、重錘体接合層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の態様に係る加速度センサにおいて、
台座と固定部との間に、重錘体接合層と同じ材料からなる台座接合層を設け、この台座接合層によって台座と固定部とを接合するようにし、重錘体接合層と台座接合層とを同一の材料層から構成でき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２の態様に係る加速度センサにおいて、
基板層、台座、重錘体を構成する材料と、重錘体接合層、台座接合層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から構成し、このエッチング特性の相違を利用して、加速度センサ各部の構成要素を形成でき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１〜第３の態様に係る加速度センサにおいて、
ほぼ正方形の輪郭に沿って形成され、この正方形の１頂点に相当する部分に開口部を有する４組の同形スリットを、ほぼ正方形をした基板層上にシンメトリックに配置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１〜第３の態様に係る加速度センサにおいて、
重錘体の個々の羽根部の平面形状がほぼ正方形をなし、この正方形の１頂点に相当する部分が中央部に接続されており、
基板層に形成された環状スリットが、上記正方形の各辺に対して斜めに伸びる斜行スリット部を有し、基板層の斜行スリット部の外側に位置する下面により制御面が形成され、この制御面に対向する重錘体羽根部の正方形の角の部分により上面周囲部が形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５の態様に係る加速度センサにおいて、
環状スリットが、重錘体の羽根部の正方形の４つの角のうち、中央部に接続された角を除く３つの角を削った図形に沿った形状をなし、削られた角の部分に配置された３本の斜行スリット部の外側に位置する下面により３カ所の制御面が形成され、この３カ所の制御面に対向する重錘体羽根部の正方形の３つの角の部分により上面周囲部が形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の態様に係る加速度センサにおいて、
環状スリット周囲における、重錘体の輪郭位置を目視確認することが可能な位置に、重錘体の輪郭位置の確認用窓として機能する爪状スリットを形成したものである。
【００１４】
(8) 本発明の第８の態様は、上述の第１〜第７の態様に係る加速度センサにおいて、
重錘体接合層が、ファン状形状の中央部の位置において変位部と重錘体とを接合する中央部接合層と、ファン状形状の個々の羽根部の位置において変位部と重錘体とを接合する個々の羽根部接合層と、によって構成される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の態様に係る加速度センサにおいて、
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、重錘体の側面が台座の内側面に接触して変位が制御されるように、重錘体の側面と台座の内側面との間隔を設定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１〜第９の態様に係る加速度センサにおいて、
台座の底面に対して重錘体の底面が所定寸法だけ上方に位置し、台座が制御基板上に固定された場合に、重錘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、重錘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、重錘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、両者の間隔を設定す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１〜第１０の態様に係る加速度センサにおいて、
変位検出手段を、接続部に配置されたピエゾ抵抗素子と、このピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化を検出する検出回路と、によって構成す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１１の態様に係る加速度センサにおいて、
変位部の左右両側にそれぞれ接続部を形成し、この左右の接続部にそれぞれ２つずつピエゾ抵抗素子を設け、合計４個のピエゾ抵抗素子がほぼ一直線上に沿って配置されるようにし、この４個のピエゾ抵抗素子を用いたブリッジにより検出回路を構成す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１〜第１０の態様に係る加速度センサにおいて、
変位検出手段を、基板層の上方に所定間隔をおいて配置された補助基板と、変位部の上面に形成された変位電極と、補助基板の下面に形成された固定電極と、変位電極と固定電極とによって形成される容量素子の静電容量の変化を検出する検出回路と、によって構成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１３の態様に係る加速度センサにおいて、
少なくとも上面の固定電極に対向する領域が導電性を有するような変位部を用意し、この変位部自身を、変位電極として用い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２の態様に係る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、変位部、固定部、接続部を有する基板層として構成する基板層構成段階と、
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の層を重錘体と台座とに分離する重錘体／台座分離段階と、
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重錘体接合層および台座接合層を構成する接合層構成段階と、
を行う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１５の態様に係る加速度センサの製造方法において、
基板層構成段階で、一部分に開口部を有する環状形状をもった複数のスリットが、それぞれの開口部が第１の層の中心を向くように配置された状態で形成されるようにし、
個々の環状スリットに囲まれた部分を羽根部とする送風機のファン状形状をなす構造体により変位部が形成され、互いに隣接する一対のスリット間に形成された部分により接続部が形成され、複数のスリットの外側包絡線よりも外側に位置する第１の層の外周部分により固定部が形成される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の態様に係る加速度センサの製造方法において、
重錘体／台座分離段階で、第１の層に形成された複数のスリットの外側包絡線よりも外側の位置において、重錘体と台座とが分離されるようなエッチングを行い、変位部を構成する構造体の輪郭を外側へ拡張した輪郭形状を有する重錘体を形成し、第１の層下面の複数のスリットの外側包絡線の外側直近領域に形成された制御面により、重錘体の上面周囲部の変位を制御することができ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１５〜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重錘体部分の厚みが小さくなるように、第３の層の重錘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１５〜第１８の態様に係る加速度センサの製造方法において、
第１の層と第３の層とを同一材料によって構成するようにしたものである。
【００２６】
(20) 本発明の第２０の態様は、上述の第１９の態様に係る加速度センサの製造方法において、
第１の層および第３の層をシリコンによって構成し、第２の層を酸化シリコンによって構成するようにしたものである。
【００２７】
(21) 本発明の第２１の態様は、上述の第１５〜第２０の態様に係る加速度センサの製造方法において、
基板層構成段階および重錘体／台座分離段階で、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。
【００２８】
【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。
【００２９】
＜＜＜ §１．トランスデューサ構造体の基本構造 ＞＞＞
はじめに、本発明に係る加速度センサに用いる加速度検出用のトランスデューサ構造体の基本構造を述べる。このトランスデューサ構造体の中枢となる構成要素は、基板層と重錘体である。重錘体は基板層の下面中央部に接合される。重錘体に加速度が作用すると、この作用した加速度に起因して、基板層の一部に変位が生じる構造になっている。別言すれば、このトランスデューサ構造体は、加速度を基板層の変位に変換する働きをすることになる。なお、§３において述べるように、このトランスデューサ構造体に、生じた変位を電気的に検出する変位検出手段を付加すれば、本発明に係る加速度センサが得られることになる。
【００３０】
図１は、本発明の一実施形態に係るトランスデューサ構造体の上面図である。このトランスデューサ構造体は、基本的には、シリコンからなる上層部１００、酸化シリコンからなる中層部２００、シリコンからなる下層部３００の３層構造を有している。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、ここに示すトランスデューサ構造体は、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。
【００３１】
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、基本的には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に示すトランスデューサ構造体を、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に示すトランスデューサ構造体を、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、このトランスデューサ構造体が、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、このトランスデューサ構造体の下面図であり、この下面図では、下層部３００の陰に隠れている中層部２００の構造が一点鎖線で示され、上層部１００の構造が破線で示されている。
【００３２】
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、３層のすべての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。
【００３３】
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。このスリットＳ１〜Ｓ４を形成することにより、上層部１００は、図示のとおり、複数の領域からなる個々の部分に分けられることになる。図５に示す破線は、このような領域の境界線を便宜的に示すものである。もっとも、これら破線は、各領域の厳密な境界位置を示すものではなく、説明の便宜上を考慮して描いたものである。
【００３４】
ここでは、この上層部１００上に形成された個々の部分の説明を行う前に、４つのスリットＳ１〜Ｓ４に固有の形状について述べておく。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の形状および配置が明瞭に示されている。すなわち、各スリットＳ１〜Ｓ４は、いずれもほぼ正方形の輪郭に沿って形成された幅の細い帯状の環状形状をもったスリットである。ただし、完全な環状形状をなしているわけではなく、正方形の１頂点に相当する部分には、開口部が形成されており、この開口部を介して各部は互いに連結された状態を維持している。別言すれば、上層部１００は、全体として１枚の基板層としての構造をもっており、以下、場合に応じて、この上層部１００を基板層１００と呼ぶことにする。
【００３５】
４組のスリットＳ１〜Ｓ４は全く同形であるが、個々のスリットの開口部は、いずれも基板層１００の中心を向くように配置され、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。このような４組のスリットＳ１〜Ｓ４を形成すると、基板層１００の中央部分には、送風機のファン状形状をなす構造体が形成されることがわかる。
【００３６】
いま、図５の上面図に示されているように、個々の環状スリットＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４に囲まれた部分を、それぞれ羽根部１１１，１１２，１１３，１１４と呼び、基板層１００の中心部分の正方形状の部分を中央部１１５と呼ぶことにすれば、これら羽根部１１１〜１１４と中央部１１５とにより、送風機のファン状形状をなす構造体が形成されていることになる。ここでは、このファン状形状をなす構造体を、変位部１１０と呼ぶことにする。また、図５に示されているように、互いに隣接する一対のスリット間に形成された矩形状の部分を、ここでは、接続部１２１，１２２，１２３，１２４と呼ぶことにし（これらを包括して接続部１２０と呼ぶ）、複数のスリットＳ１〜Ｓ４の外側包絡線よりも外側に位置する基板層１００の外周部分を固定部１３０と呼ぶことにする。
【００３７】
前述したように、この実施形態では、基板層１００はシリコンの基板層によって構成されており、ビーム状の構造をもった接続部１２１〜１２４は、外力の作用によって撓みを生じる物理的性質を有する。別言すれば、外力の作用により撓みが生じるように、接続部１２１〜１２４の幅および厚み（基板層１００の厚み）が設定されていることになる。したがって、後述するように、変位部１１０に外力が加わると、この外力は、各接続部１２１〜１２４へと伝わり、各接続部１２１〜１２４に撓みを生じさせることになる。その結果、変位部１１０は、固定部１３０に対して変位を生じることになる。結局、図５に示す基板層１００は、スリットＳ１〜Ｓ４を形成することにより、中央部分に設けられた変位部１１０と、この変位部１１０の周囲に設けられた固定部１３０と、変位部１１０を固定部１３０に対して変位可能な状態となるように接続する接続部１２０と、の３つの部分に分けられることになる。
【００３８】
なお、ここに示す実施形態では、正方形状をした４つのスリットＳ１〜Ｓ４を形成するようにしているが、これらのスリットは必ずしも正方形状にする必要はなく、また、必ずしも４つのスリットを形成する必要はない。一般的には、一部分に開口部を有する環状形状をもった複数のスリットを、それぞれの開口部が基板層１００の中心を向くように配置して形成するようにすればよい。そうすれば、個々の環状スリットに囲まれた部分を羽根部とする送風機のファン状形状をなす構造体を変位部とすることができ、互いに隣接する一対のスリット間に形成された部分を接続部とすることができ、複数のスリットの外側包絡線よりも外側に位置する基板層１００の外周部分を固定部とすることができる。ただ、実用上は、ここに示す実施形態のように、４つの正方形状のスリットＳ１〜Ｓ４を形成するようにすれば、できるだけ面積の大きな変位部１１０を確保することができ、また、４本の帯状をした接続部１２１〜１２４によって、この変位部１１０を四方から支持することができるようになり、非常に効率的である。
【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、５枚の重錘体接合層２１０と、これらを囲う位置に配置され、方環状形状をもった台座接合層２３０と、によって構成される。これら各接合層は、いずれも同一の厚みを有している。重錘体接合層２１０は、４枚の羽根部接合層２１１，２１２，２１３，２１４と、１枚の中央部接合層２１５と、によって構成されている。
【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重錘体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。重錘体３１０は、重錘体羽根部３１１，３１２，３１３，３１４および重錘体中央部３１５によって構成されているが、これらは、図５に示す変位部１１０における羽根部１１１，１１２，１１３，１１４および中央部１１５にそれぞれ対応するものであり、また、図７に示す羽根部接合層２１１，２１２，２１３，２１４および中央部接合層２１５にそれぞれ対応するものである。
【００４１】
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トランスデューサ構造体は、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。すなわち、上層部１００（基板層）の構成要素である羽根部１１１〜１１４および中央部１１５の下面には、それぞれ中層部２００の構成要素である羽根部接合層２１１〜２１４および中央部接合層２１５が接合され、更に、これらの下面には、それぞれ下層部３００の構成要素である重錘体羽根部３１１〜３１４および重錘体中央部３１５が接合される。別言すれば、重錘体接合層２１０は、ファン状形状の個々の羽根部の位置において変位部１１０と重錘体３１０とを接合する個々の羽根部接合層２１１〜２１４と、ファン状形状の中央部の位置において変位部１１０と重錘体３１０とを接合する中央部接合層２１５と、によって構成されていることになる。また、上層部１００（基板層）の周囲を構成する固定部１３０の下面には、中層部２００の周囲を構成する台座接合層２３０が接合され、更にその下面には、下層部３００の周囲を構成する台座３３０が接合される。
【００４２】
なお、実用上は、図９の側断面図（図１の上面図における切断線２−２の位置で切断した断面を示す図：以下に後続する側断面図についても同様）に示すように、台座３３０の底面には、更に、制御基板４００（たとえば、ガラス基板）が接合される。この制御基板４００は、後述するように、重錘体３１０の下方向への変位を制御するためのものである。図１０の側断面図は、装置筐体４５０の底部に台座３３０の底面を固着し、装置筐体４５０の上部に蓋板４６０を取り付けて密閉状態にした実施形態を示すものである。この場合は、装置筐体４５０の底部が制御基板としての機能を果たすことになる。
【００４３】
＜＜＜ §２．加速度センサとしての動作 ＞＞＞
続いて、これまで§１で述べたトランスデューサ構造体を利用した加速度センサの動作を説明する。図９あるいは図１０の側断面図に示されているように、このトランスデューサ構造体では、重錘体３１０が基板層１００の下面（変位部１１０の下面）に取り付けられており、基板層１００の周囲を構成する固定部１３０は、台座３３０によって支持固定されている。そして、変位部１１０は固定部１３０に対して、接続部１２０を介して変位可能な状態で支持されているので、重錘体３１０は、台座３３０に囲われた空間内で宙吊りの状態になっていることになる。このため、台座３３０（制御基板４００）を、加速度の検出対象物に固定すると、この検出対象物に作用した加速度は、その反作用として重錘体３１０にも作用することになり、重錘体３１０を台座３３０に対して変位させる力が生じることになる。このような力は、接続部１２０に撓みを生じさせ、変位部１１０が固定部１３０に対して相対的に変位する現象が生じることになる。
【００４４】
このように、ここで述べたトランスデューサ構造体は、作用した加速度を変位部１１０の変位に変換する機能を有している。本発明に係る加速度センサは、このようにして生じた変位部１１０の変位を、変位検出手段によって検出することにより、作用した加速度の検出を行うものであり、図９あるいは図１０に示すトランスデューサ構造体に、更に変位検出手段を付加することにより実現される。変位検出手段の具体例については、§３で述べることにするが、ここでは、このトランスデューサ構造体を加速度センサとして利用したときに、過度の加速度が加わった場合の動作を説明する。
【００４５】
既に述べたように、ここに示す実施形態に係るトランスデューサ構造体の基板層１００はシリコン基板によって構成されている。しかも、図５に示すように、基板層１００には、スリットＳ１〜Ｓ４が形成されており、加速度に起因した応力により撓みが生じる接続部１２０は、非常にデリケートな構造を有しており、過度の加速度が加わった場合には破損する可能性がある。このため、上述したトランスデューサ構造体には、過度の加速度が加わった場合に、重錘体３１０の変位を制御するための制御構造が設けられている。
【００４６】
たとえば、図９に示すトランスデューサ構造体の重錘体３１０に対して、図の下方向を向いた過度の加速度が作用した場合を考えてみる。この場合、重錘体３１０を図の下方向に変位させる力が働くことになるが、重錘体３１０の底面が制御基板４００の上面に接触することにより、それ以上の変位は抑制されることになる。すなわち、図９に示すトランスデューサ構造体では、台座３３０の底面に対して重錘体３１０の底面が所定寸法ｄ３だけ上方に位置する構造になっており、重錘体３１０が制御基板４００上に固定された場合に、重錘体３１０の底面と制御基板４００の上面との間に所定間隔ｄ３が確保されるようになっている。したがって、重錘体３１０は、図の下方向に対して、間隔ｄ３の範囲内では自由に変位を生じることができる。しかしながら、作用した加速度の大きさが所定の許容値を越えた場合は、図１１の側断面図に示されているように、重錘体３１０の底面が制御基板４００の上面に接触して変位が制御されることになる。
【００４７】
このように、制御基板４００によって、重錘体３１０の下方向への変位が制御され、過度の加速度が作用した場合にも、基板層１００に破損が生じることを防ぐことができる。したがって、図９に示す所定間隔ｄ３は、重錘体３１０の下方向への変位の自由度を与える寸法値ということになり、その値は、重錘体３１０が下方向にどの程度変位した場合に、基板層１００に破損が生じる可能性があるか、という事情を考慮し、基板層１００に破損が生じることのないような安全圏内になるように設定される。
【００４８】
重錘体３１０の図の横方向に関する変位は、台座３３０によって制御されることになる。たとえば、図９に示す重錘体３１０を、図の左方向に強制的に変位させようとすると、図１２に示すように、やがて重錘体３１０の側面が台座３３０の内側面に接触し、それ以上の変位が生じることはない。台座３３０は、重錘体３１０の四方を囲う構造体であるため、重錘体３１０の水平方向に関する変位は、すべて台座３３０によって制御されることになる。したがって、図９に示す所定間隔ｄ１は、重錘体３１０の水平方向への変位の自由度を与える寸法値ということになり、その値は、重錘体３１０が水平方向にどの程度変位した場合に、基板層１００に破損が生じる可能性があるか、という事情を考慮し、基板層１００に破損が生じることのないような安全圏内になるように設定される。
【００４９】
更に、重錘体３１０の図の上方向に関する変位は、固定部１３０の内側部分下面の制御面によって制御されることになる。たとえば、図９に示す重錘体３１０を、図の上方向に強制的に変位させようとすると、図１３に示すように、やがて重錘体３１０の上面周囲部が固定部１３０の内側部分下面（制御面）に接触し、それ以上の変位が生じることはない。
【００５０】
このような変位制御は、図１３に示すように、重錘体３１０を垂直上方へ変位させる力が作用した場合だけに限らず、図１４に示すように、重錘体３１０に対して回転モーメント力が作用した場合にも有効である。すなわち、図１４に示すように、重錘体３１０を傾斜させるような力が作用した場合であっても、重錘体３１０の上面周囲部のいずれかの箇所が、固定部１３０の内側部分下面の制御面に接触することにより、それ以上の変位は制御されることになる。この図１４に示す例では、重錘体３１０の図の右上に示す部分が、固定部１３０の下面に接触した状態になっているが、更に強い回転モーメント力が加わると、重錘体３１０の図の左下に示す部分が制御基板４００の上面に接触し、制御基板４００による変位制御も併せて行われることになる。なお、実際の加速度センサの場合、重錘体３１０に対して、図の上方向への加速度が加わると、図１３のような変位制御が行われ、図の下方向への加速度が加わると、図１１のような変位制御が行われる。ところが、図の横方向への加速度が加わった場合は、図１２のような変位制御ではなく、図１４のような変位制御が行われることになる。これは、重錘体３１０の上部のみが接続部１２０を介して支持されているため、横方向の加速度が重錘体３１０に対しては回転モーメントとして作用するためである。
【００５１】
図５の上面図に示されているファン状形状をなす変位部１１０と、図８の横断面図に示されているファン状形状をなす重錘体３１０とを比較すると、両者はいずれも平面的にファン状形状をなす構造体である点で共通するが、前者の輪郭に比べて後者の輪郭の方が若干広がっていることがわかるであろう。すなわち、図８に示す重錘体３１０の輪郭は、図５に示す変位部１１０の輪郭を外側へ拡張した形状になっている。この特徴は、図２の側断面図によって、より明瞭に示されている。図２において、上層部１００の構成要素として示されている羽根部１１１の左端位置に対して、下層部３００の構成要素として示されている重錘体羽根部３１１の左端位置は左にずれている。このような位置関係になっているため、重錘体３１０の上面周囲部Ａ１２（図２における重錘体羽根部３１１の上面の左端部分）は、固定部１３０の下面に形成された制御面Ａ１１に対向する直下位置に配置されることになる。同様に、上層部１００の構成要素として示されている羽根部１１２の右端位置に対して、下層部３００の構成要素として示されている重錘体羽根部３１２の右端位置は右にずれている。このような位置関係になっているため、重錘体３１０の上面周囲部Ａ２２（図２における重錘体羽根部３１２の上面の右端部分）は、固定部１３０の下面に形成された制御面Ａ２１に対向する直下位置に配置されることになる。
【００５２】
これは、重錘体３１０が図の上方に変位しようとしても、上面周囲部Ａ１２やＡ２２が制御面Ａ１１，Ａ２１に接触することにより、それ以上の変位が生じないように制御されることを意味し、本発明に係る加速度センサの本質的な特徴である。図２の側断面図では、左右両端部分の制御面Ａ１１，Ａ２１しか示されていないが、実際には、図１５の上面図にハッチングを施して示す制御領域Ａ１０，Ａ２０，Ａ３０，Ａ４０において、このような制御が行われることになる。すなわち、図１５において、固定部１３０の下面側における制御領域Ａ１０，Ａ２０，Ａ３０，Ａ４０に相当する部分を、それぞれ制御面Ａ１１，Ａ２１，Ａ３１，Ａ４１と呼び、重錘体３１０の上面側における制御領域Ａ１０，Ａ２０，Ａ３０，Ａ４０に相当する部分を、それぞれ上面周囲部Ａ１２，Ａ２２，Ａ３２，Ａ４２と呼ぶことにすると、制御面Ａ１１，Ａ２１，Ａ３１，Ａ４１は、固定部１３０の内側部分下面に形成された面であり（別言すれば、基板層１００の下面の個々のスリットＳ１〜Ｓ４の外側直近領域に形成された面であり）、上面周囲部Ａ１２，Ａ２２，Ａ３２，Ａ４２は、重錘体３１０の上面の周囲部分に形成された面である。しかも、上面周囲部Ａ１２，Ａ２２，Ａ３２，Ａ４２は、それぞれ制御面Ａ１１，Ａ２１，Ａ３１，Ａ４１に対向する位置に配置されているため、上述したように、上面周囲部Ａ１２，Ａ２２，Ａ３２，Ａ４２に対する上方向への変位が制御されることになる。
【００５３】
このように、ここに述べる実施形態では、ファン状形状をもった重錘体３１０の上面の輪郭を、同じくファン状形状をもった変位部１１０の輪郭を外側へ拡張した形状となるように構成したことにより、重錘体３１０の上面周囲部の随所において、制御面による変位制御が可能になる。
【００５４】
もちろん、前掲公報に開示された従来の加速度センサにおいても、重錘体の上方向、横方向、下方向の変位を制御することができる制御構造が設けられている。しかしながら、既に述べたとおり、従来は、重錘体の形状や配置に適合した正確な制御構造をもった加速度センサを量産する際に、製造プロセス上の技術的な負担が大きくなるという問題が生じていた。本発明に係る構造を有する加速度センサでは、このような製造プロセス上の技術的な負担が大幅に緩和される。以下、その理由を述べる。
【００５５】
図２の側断面図に示すトランスデューサ構造体において、重錘体３１０の上方向への変位が、制御面Ａ１１，Ａ２１と上面周囲部Ａ１２，Ａ２２との接触によって制御されることは既に述べたとおりである。ここで重要な点は、制御面Ａ１１，Ａ２１と上面周囲部Ａ１２，Ａ２２との間隔が、中層部２００の厚み（重錘体接合層２１０および台座接合層２３０の厚み）によって正確に設定されているという点である。別言すれば、重錘体３１０の上方向への変位の自由度は、中層部２００の厚みによって設定されることになる。ここで、中層部２００は、上層部（基板層）１００や下層部３００とは異なる材料から構成された層であり、いわば基板層１００と重錘体３１０との間に介挿されるスペーサとしての機能を果たす層である。このように、スペーサとして機能する中層部２００を介挿した３層構造を採ることにより、重錘体３１０の上方向への変位の自由度を常に一定の値（中層部２００の厚み）に設定することができるようになる。したがって、比較的単純な製造プロセスにより量産した場合でも、個々のロットごとに、重錘体の変位自由度が極端に変動することはない。
【００５６】
なお、重錘体３１０が所定の自由度の範囲内で上方向に変位することが可能になるようにするために、重錘体接合層２１０は、重錘体３１０と基板層１００との間の空間における上面周囲部以外の領域（図１５にハッチングを施して示した制御領域Ａ１０，Ａ２０，Ａ３０，Ａ４０以外の領域）に介挿する必要がある。図１５に示す例では、図に一点鎖線で示す位置に、重錘体接合層２１０（羽根部接合層２１１〜２１４と中央部接合層２１５：図７参照）が介挿されている。この重錘体接合層２１０の厚みは、作用した加速度の大きさが所定の許容値を越えたときにも、重錘体３１０の上方向の変位が所定範囲内に制御され、基板層１００の破損を防ぐことができるような適当な値に設定されることになる。
【００５７】
このように、本発明の本質は、基板層１００と重錘体３１０との間にスペーサとしての機能を果たす重錘体接合層２１０を介挿した構造を採ることにより、上方向への制御構造を正確な位置に形成できるようにした点にある。
【００５８】
＜＜＜ §３．変位検出手段の具体例 ＞＞＞
上述したように、本発明の特徴は、トランスデューサ構造体の独特の構成にあり、このようなトランスデューサ構造体を利用した加速度センサであれば、変位検出手段としてはどのようなものを用いてもかまわない。ただ、ここでは、参考のために、これまで述べてきたトランスデューサ構造体へ適用するのに好ましい具体的な変位検出手段の例を２つ示しておく。
【００５９】
第１の例は、接続部に配置されたピエゾ抵抗素子と、このピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化を検出する検出回路と、によって変位検出手段を構成した例である。たとえば、図１６の上面図に示されているように、合計１２個のピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４，Ｒｚ１〜Ｒｚ４を、接続部１２１，１２２，１２３，１２４上に形成する。ここで、基板層１００をＮ型のシリコン層としておき、ここにＰ型の不純物を拡散すれば、各ピエゾ抵抗素子を形成することができる（Ｎ型とＰ型を逆にしてもよい）。ピエゾ抵抗素子は、応力が加えられると電気抵抗値が変化する性質を有している。変位部１１０が変位した場合、接続部１２１，１２２，１２３，１２４には、応力による撓みが生じていることになる。そこで、各ピエゾ抵抗素子の電気抵抗値を検出すれば、各接続部１２１，１２２，１２３，１２４に加えられた応力を認識することができ、変位部１１０の変位状態を知ることができ、重錘体に加えられた加速度の向きや大きさを求めることができる。
【００６０】
実用上は、図示の実施形態のように、変位部１１０の左右両側にそれぞれ接続部１２１，１２４を形成し、左側の接続部１２１には、２個のピエゾ抵抗素子Ｒｘ１，Ｒｘ２を配置し、右側の接続部１２４には、２個のピエゾ抵抗素子Ｒｘ３，Ｒｘ４を配置し、合計４個のピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４がほぼ一直線上に沿って配置されるようにすれば、この４個のピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４を用いたブリッジ回路により、この４個のピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４の配列方向に関する加速度成分もしくは基板層１００に対して垂直な方向に関する加速度成分を検出することが可能である。たとえば、基板層１００の中心位置に原点Ｏをとり、図示のとおり、図の右方向にＸ軸、図の上方向にＹ軸、図の紙面垂直上方にＺ軸を定義したとすると、Ｘ軸に沿って配置された４個のピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４を用いたブリッジ回路により、重錘体に作用した加速度のＸ軸方向成分の検出が可能であり、Ｙ軸に沿って配置された４個のピエゾ抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４を用いたブリッジ回路により、重錘体に作用した加速度のＹ軸方向成分の検出が可能であり、Ｘ軸に沿って配置された４個のピエゾ抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４を用いたブリッジ回路により、重錘体に作用した加速度のＺ軸方向成分の検出が可能である。
【００６１】
図１７は、このようなブリッジを用いた検出を行うための検出回路を示す回路図である。電源６１，６２，６３から各ブリッジに所定の電圧を印加し、電圧計６４，６５，６６によって各部のブリッジ電圧を検出すれば、これら電圧計６４，６５，６６の検出電圧は、それぞれ加速度のＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸成分を示すものになる。なお、本願発明者が行った実験によると、図１６に示すピエゾ抵抗素子の配置の代わりに、図１８に示す配置（抵抗素子Ｒｘ３，Ｒｘ４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。
【００６２】
続いて第２の例を示す。この第２の例は、基板層の上方に所定間隔をおいて配置された補助基板と、変位部の上面に形成された変位電極と、補助基板の下面に形成された固定電極と、変位電極と固定電極とによって形成される容量素子の静電容量の変化を検出する検出回路と、によって変位検出手段を構成した例である。
【００６３】
たとえば、図１９の側断面図に示されている例は、図９に示すトランスデューサ構造体における基板層１００の上方に、補助基板５００を取り付けたものである。この補助基板５００の下面は、基板層１００の上面に対して所定間隔をおいて配置されている。しかも、図２０の下面図に示すように、この補助基板５００の下面には、５枚の固定電極５０１，５０２，５０３，５０４，５０５が形成されている。図１９の側断面図に示されている補助基板５００の断面は、図２０に示す補助基板５００を切断線１９−１９の位置で切断した断面である。一方、変位部１１０の上面には、この５枚の固定電極５０１〜５０５に対向する変位電極が設けられており、各固定電極５０１〜５０５と、これに対向する変位電極とによって、合計５組の容量素子Ｃ１〜Ｃ５が形成されている。もっとも、実用上は、変位部１１０の上面の少なくとも各固定電極５０１〜５０５に対向する領域を導電性を有する領域にしておけば、この変位部１１０自身を変位電極として利用することができる。ここに示す実施形態の場合、基板層１００全体を導電性材料（高濃度の不純物を拡散したシリコン層）によって構成し、全体が１枚の共通電極として機能するようにしてある。
【００６４】
このような構成にすれば、５組の容量素子Ｃ１〜Ｃ５の静電容量の変化により、変位部１１０の変位状態を認識することができ、重錘体に加えられた加速度の向きや大きさを求めることができる。すなわち、変位部１１０を構成する各羽根部１１１〜１１４や中央部１１５と補助基板５００との間の距離を、容量素子Ｃ１〜Ｃ５の静電容量値によって認識することができるので、これら静電容量値に基く演算によって、重錘体に作用した加速度の各方向成分ごとの大きさを求めることができる。
【００６５】
図２１は、このような原理により、加速度の各方向成分を求める検出回路の一例を示す回路図である。この回路における容量素子Ｃ１〜Ｃ５は、導電性を有する変位部１１０を一方の共通接地電極とし、５枚の固定電極５０１〜５０５を他方の電極とする容量素子であり、その静電容量値は、Ｃ／Ｖ変換器７１〜７５によって電圧値Ｖ１〜Ｖ５に変換される。更に、減算器７６および７７によって、差分Ｖ１−Ｖ２および差分Ｖ３−Ｖ４が求められる。こうして出力端子Ｔｘに得られる差分Ｖ１−Ｖ２は、図２０に示すＸ軸方向の加速度成分を示す値となり、出力端子Ｔｙに得られる差分Ｖ３−Ｖ４は、図２０に示すＹ軸方向の加速度成分を示す値となり、出力端子Ｔｚに得られる電圧Ｖ５は、図２０の紙面垂直上方を向いたＺ軸方向の加速度成分を示す値となる。
【００６６】
＜＜＜ §４．加速度センサの製造方法 ＞＞＞
次に、これまで述べてきたトランスデューサ構造体の製造方法の実施形態を、図２２および図２３に示す側断面図を参照しながら述べる。図９に示すトランスデューサ構造体は、以下に述べる方法により製造されたものである。なお、図２２および図２３に示す側断面図は、いずれも、図１に示すトランスデューサ構造体を切断線２−２の位置で切断した断面に相当するものである。
【００６７】
まず、図２２(a) 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（基板層）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（接合層）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（重錘体および台座）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。
【００６８】
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、最終的に得られるトランスデューサ構造体では、基板層１００、台座３３０、重錘体３１０を構成する材料と、重錘体接合層２１０、台座接合層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。
【００６９】
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にスリットを形成することにより、この第１の層１０を、変位部、固定部、接続部を有する基板層１００として構成する。ここで形成するスリットは、図６に示すスリットＳ１〜Ｓ４である。したがって、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２２(b) は、このようにして、第１の層１０を基板層１００に変化させた状態を示す。この図には、変位部１１０の一部である羽根部１１１，１１２と、接続部１２０の一部である接続部１２２と、固定部１３０とが示されている。これらの各部は、スリットＳ１〜Ｓ４（図には、Ｓ１，Ｓ２のみが示されている）をエッチングにより形成することにより得られることになる。
【００７０】
次に、台座部分の厚みに比べて重錘体部分の厚みが小さくなるように、第３の層３０の重錘体となるべき領域の下層部分をエッチング除去する処理を行う。ここで行うエッチング工程は、第３の層３０の下面に、図８の台座３３０の領域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上方へと浸食させる工程になる。図２２(c) は、このような処理により、第３の層３０が第３の層３５に変化した状態を示す。第３の層３５の底部には、エッチングにより下層部分が除去されたため、空隙部Ｖが形成されている。この空隙部Ｖの高さは、図９における寸法ｄ３を規定するものになり、重錘体３１０の下方向への変位自由度を設定するものになる。空隙部Ｖの高さは、エッチング時間を調節することにより、所望の設定値に制御することが可能である。
【００７１】
続いて、第３の層３５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３５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３５を重錘体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３５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３５の所定領域のみが除去されることになる。図２３(a) は、このようにして、第３の層３５を、重錘体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。ここで、基板層１００に形成されたスリットＳ１，Ｓ２の位置に対して、溝部Ｇ１は外側に形成されている点は重要である。これは、既に述べたように、基板層１００における変位部１１０を構成するファン状形状をもった構造体よりも、下層部３００における重錘体３１０を構成するファン状形状をもった構造体の方が、一回り大きな輪郭を有するようにするためである。これにより、重錘体３１０の上面外周部が、固定部１３０の下面に形成された制御面に対向する構造が得られ、重錘体３１０の上方向への変位制御が行われることになる点は、既に述べたとおりである。
【００７２】
次に、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重錘体接合層２１０および台座接合層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２３(a) に示すように、第１の層１０の残存部分である上層部（基板層）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。また、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２３(b) に示すように、第２の層２０のうち、スリットＳ１〜Ｓ４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、重錘体接合層２１０（図には、羽根部接合層２１１，２１２のみが示されている）と台座接合層２３０が形成されることになる。
【００７３】
最後に、台座３３０の底面に制御基板４００（この実施形態では、ガラス基板）を接合すれば、図２３(c) に示す構造が得られる。これは、図９に示すトランスデューサ構造体に他ならない。なお、図２３(c) に示す構造体では、エッチングプロセスににより重錘体接合層２１０や台座接合層２３０の形成が行われたため、中層部２００を構成するこれら各接合層の端面がアールをもった面になっているが、基板層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。
【００７４】
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、基板層１００を形成する工程（図２２(b) ）と、第３の層３５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２３(a) ）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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。このエッチング法は、第３の層３０の底面に空隙部Ｖを形成する工程（図２２(c) ）でも利用することができる。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。
【００７７】
一方、第２の層２０に対するエッチング工程（図２３(b) ）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、不要な部分に接合層が残存して重錘体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基板層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。
【００７８】
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。
【００７９】
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、基板層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、図９に示す寸法ｄ２に相当する間隔であり、重錘体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加速度センサを量産すれば、少なくとも重錘体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。
【００８０】
＜＜＜ §５．いくつかの変形例 ＞＞＞
最後に、本発明に係るトランスデューサ構造体の変形例を述べておく。上述した実施形態では、図１５にハッチングを施して示す制御領域Ａ１０，Ａ２０，Ａ３０，Ａ４０において、固定部１３０側の制御面Ａ１１，Ａ２１，Ａ３１，Ａ４１と、重錘体３１０側の上面周囲部Ａ１２，Ａ２２，Ａ３２，Ａ４２とが対向した構造となり、変位制御が行われる。しかしながら、非常に小型のトランスデューサ構造体の場合、制御領域Ａ１０，Ａ２０，Ａ３０，Ａ４０の幅は極めて小さいため、スリットＳ１〜Ｓ４の位置と重錘体３１０の位置との間に寸法誤差が生じると、これらの制御領域が正しく形成されない可能性がある。たとえば、図１５において、スリットＳ１〜Ｓ４の位置が全体的に斜め左上方向にずれた場合、図示されている制御領域Ａ１０はスリットＳ１の移動により面積が減少し、逆に、図示されている制御領域Ａ４０はスリットＳ４の移動により面積が増加する。したがって、ずれ量がある程度以上になると、制御領域Ａ１０は完全に消滅し、図の左上部分における変位制御機能は失われてしまう。
【００８１】
特に、§４で述べた製造プロセスでは、エッチングを利用して各部の構造を形成することになるため、エッチングの位置精度が十分に確保されていないと、上述のようなずれが生じるおそれがある。加速度センサを量産する場合、エッチングの処理不良等により、変位制御機能が不完全になったロットは、不良品として排除する必要がある。しかしながら、図１５に示すトランスデューサ構造体の場合、変位制御機能が正常か否かを外観から確認することが困難である。すなわち、図１５の上面図を見る限り、重錘体３１０は、その一部がスリットＳ１〜Ｓ４を通して露出しているだけであり、図示されている制御領域Ａ１０，Ａ２０，Ａ３０，Ａ４０の存在は、固定部１３０の陰に隠れて目視確認することはできない。
【００８２】
ここで述べる第１の変形例は、このような課題を解決するための実施形態である。この変形例では、図６の横断面図に示されている上層部１００の代わりに、図２４の横断面図に示されている上層部１００Ａを用いるようにする。この上層部１００Ａの特徴は、スリットＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の周囲に、それぞれ爪状スリットＳ１１〜Ｓ１４，Ｓ２１〜Ｓ２４，Ｓ３１〜Ｓ３４，Ｓ４１〜Ｓ４４を形成するようにした点にある。これら爪状スリットは、重錘体３１０の輪郭位置を目視確認するための確認用窓として機能する。図２５は、この上層部１００Ａを用いたトランスデューサ構造体の上面図である。図１５と同様に、ハッチングを施した制御領域Ａ１０，Ａ２０，Ａ３０，Ａ４０は、変位制御機能を果たすための領域である。ただ、図１５に示す構造体に比べて、図２５に示す構造体では、爪状スリットが形成されているため、重錘体３１０の輪郭位置を目視確認することができる。たとえば、図示の爪状スリットＳ１１，Ｓ１２の内部を見れば、重錘体羽根部３１１の左側の輪郭部分の位置を確認することが可能である。
【００８３】
図２６は、図２５における爪状スリットＳ１１周辺の拡大上面図である。図示のとおり、上方から爪状スリットＳ１１の内部を覗くと、右側には重錘体羽根部３１１が位置し、左側には溝部Ｇ１が位置していることが確認できる。ここで、両者の境界線は、重錘体羽根部３１１の左側の輪郭位置を示している。したがって、上層部１００Ａに分散配置されている各爪状スリットの中を覗けば、重錘体３１０の全体的な輪郭位置を認識することができ、制御領域Ａ１０，Ａ２０，Ａ３０，Ａ４０が正しく形成されているか否かを判断することができる。もちろん、非常に小型のトランスデューサ構造体の場合であれば、顕微鏡などの光学的手段を用いて拡大することにより、同様の判断が可能である。図２５に示すように、爪状スリットを設けることにより、制御領域の面積は若干減少することになるが、変位制御機能には何ら支障は生じない。このように、本発明における重錘体の「上面周囲部」や、固定部の内側部分下面に形成された「制御面」は、重錘体の周囲を完全に取り囲むように配置する必要はなく、重錘体の変位を効率的に制御することができる箇所ごとに分散して配置してかまわない。
【００８４】
続いて述べる第２の変形例は、制御領域の面積を更に減少させた実施形態である。この実施形態では、図６に示す上層部１００の代わりに、図２７に示す上層部１００Ｂを用い、図７に示す中層部２００の代わりに、図２８に示す中層部２００Ｂを用い、図８に示す下層部３００の代わりに、図２９に示す下層部３００Ｂを用いる（いずれも層面に平行な切断面で切った横断面図である）。
【００８５】
まず、図２７に示す上層部１００Ｂを見ると、４つのスリットＳＳ１〜ＳＳ４が形成されていることがわかる。ただし、これらのスリットは正方形状のものではなく、８角形に近い形状となっている。いずれも完全な環状の８角形ではなく、上層部１００Ｂの中央に近い部分に開口部を有している。別言すれば、このスリットＳＳ１〜ＳＳ４は、いわば、図６に示す上層部１００上に形成された正方形状のスリットＳ１〜Ｓ４の３つの角を削ったような形状ということになる。実は、この削られた角の部分が、制御面として機能することになる。一方、図２８に示す中層部２００Ｂは、中央部分の５か所に配置された重錘体接合層２１０Ｂ（羽根部接合層２１１Ｂ〜２１４Ｂおよび中央部接合層２１５Ｂ）と、その周囲を囲う台座接合層２３０Ｂと、によって構成されている。羽根部接合層２１１Ｂ〜２１４Ｂの形状は、スリットＳＳ１〜ＳＳ４の形状に合わせて、角が削られたものになっている（§４のエッチングプロセスを行うと、このような形状に成型されることになる）。また、図２９に示す下層部３００Ｂは、ファン状形状をした重錘体３１０Ｂ（重錘体羽根部３１１Ｂ〜３１４Ｂおよび重錘体中央部３１５Ｂ）と、その周囲を囲う台座３３０Ｂと、によって構成され、両者は溝部ＧＧ１，ＧＧ２によって分離されている。
【００８６】
ここで、重錘体接合層２１０Ｂと重錘体３１０Ｂとの平面形状を比較すると、図２９に示す重錘体羽根部３１１Ｂ〜３１４Ｂは正方形状をしているのに対し、図２８に示す羽根部接合層２１１Ｂ〜２１４Ｂは、正方形の３つの角が削られた形状をしている。実は、重錘体羽根部３１１Ｂ〜３１４Ｂを構成する正方形のそれぞれ３つの角の部分は、上面周囲部として機能することになるが、羽根部接合層２１１Ｂ〜２１４Ｂは、この上面周囲部の領域を避けるような形状となっているため、上面周囲部と制御面との間には所定間隔ｄ２（中層部２００Ｂの厚み）が確保されることになり、重錘体３１０Ｂは間隔ｄ２の自由度の範囲内で上方向に変位が可能になる。
【００８７】
図３０は、上層部１００Ｂ，中層部２００Ｂ，下層部３００Ｂを積層してなるトランスデューサ構造体の上面図である（下層部３００Ｂを破線で示し、中層部２００Ｂは図示を省略してある）。ただし、図の下半分は、上層部１００Ｂおよび中層部２００Ｂを除去した状態（すなわち、下層部３００Ｂの上面状態）が示されている。この図により、上層部１００Ｂ上に形成された各スリットＳＳ１〜ＳＳ４と、重錘体３１０Ｂとの平面的な位置関係が明瞭に認識できる。図にハッチングを施した領域が制御領域であり、上層部１００Ｂの下面における制御領域が「制御面」となり、重錘体３１０Ｂの上面における制御領域が「上面周囲部」となる。たとえば、スリットＳＳ１とその下に位置する重錘体羽根部３１１Ｂとの位置関係を見れば、正方形状の重錘体羽根部３１１Ｂは、図示のとおり、３か所の制御領域ＡＡ１，ＡＡ２，ＡＡ３において変位が制御されることがわかる。４つの重錘体羽根部３１１Ｂ〜３１４Ｂは、いずれも３か所において変位が制御されることになる。このように、本発明における「制御面に対向する上面周囲部」は、必ずしも重錘体３１０の上面の周囲全域に設ける必要はなく、図３０にハッチングを施した領域のように、その一部分に設ければ十分である。接続部１２０Ｂが比較的固い場合には、制御領域の数を更に減少させることも可能である。たとえば、図３０に示す例では、スリットＳＳ１の周辺に３つの制御領域ＡＡ１，ＡＡ２，ＡＡ３が設けられているが、これを１つの制御領域ＡＡ２のみに減らすようなことも可能である。
【００８８】
図３１は、図３０に示すトランスデューサ構造体を、図の切断線３１−３１の位置で切断した状態を示す側断面図である。図示のとおり、上層部１００Ｂ側のスリットＳＳ１，ＳＳ２の直下に、下層部３００Ｂ側の溝部ＧＧ１が形成されており、この側断面図を見る限り、重錘体３１０Ｂの変位が固定部１３０Ｂの下面によって制御されるような構造は示されていない。しかしながら、図３０に示す構造体を、正方形の対角線に相当する斜め４５°の位置の切断線に沿って切断した側断面を思い浮かべれば、制御領域ＡＡ２に相当する部分において、重錘体３１０Ｂの上面周囲部の変位が、固定部１３０Ｂの下面の制御面によって制御される構造が理解できよう。
【００８９】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明に係る加速度センサおよびその製造方法によれば、重錘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トランスデューサ構造体の上面図である。
【図２】図１に示すトランスデューサ構造体を、切断線２−２の位置で切断した側断面図である。
【図３】図１に示すトランスデューサ構造体を、切断線３−３の位置で切断した側断面図である。
【図４】図１に示すトランスデューサ構造体の下面図である。
【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２の側断面図に示されているトランスデューサ構造体の下面に、制御基板４００を取り付けた状態を示す側断面図である。
【図１０】図２の側断面図に示されているトランスデューサ構造体を、装置筐体４５０内に収容した状態を示す側断面図である。
【図１１】図９に示すトランスデューサ構造体において、重錘体３１０を下方向に変位させる力が加えられたときに、変位制御が行われる状態を示す側断面図である。
【図１２】図９に示すトランスデューサ構造体において、重錘体３１０を左方向に変位させる力が加えられたときに、変位制御が行われる状態を示す側断面図である。
【図１３】図９に示すトランスデューサ構造体において、重錘体３１０を上方向に変位させる力が加えられたときに、変位制御が行われる状態を示す側断面図である。
【図１４】図９に示すトランスデューサ構造体において、重錘体３１０を回転させる力が加えられたときに、変位制御が行われる状態を示す側断面図である。
【図１５】図１に示すトランスデューサ構造体において、固定部１３０側に設けられた制御面と、重錘体３１０の上面周囲部との位置関係を示す上面図である。
【図１６】図９に示すトランスデューサ構造体に、ピエゾ抵抗素子を用いた変位検出手段を適用した一例を示す上面図である。
【図１７】図１６に示すピエゾ抵抗素子を用いた加速度の検出回路の一例を示す回路図である。
【図１８】図９に示すトランスデューサ構造体に、ピエゾ抵抗素子を用いた変位検出手段を適用した別な一例を示す上面図である。
【図１９】図９に示すトランスデューサ構造体に、容量素子を用いた変位検出手段を適用した一例を示す側断面図である。
【図２０】図１９に示す補助基板５００の下面図である。
【図２１】図１９に示す容量素子を用いた加速度の検出回路の一例を示す回路図である。
【図２２】本発明の一実施形態に係る加速度センサ用トランスデューサ構造体の製造方法の前半のプロセスを示す側断面図である。
【図２３】本発明の一実施形態に係る加速度センサ用トランスデューサ構造体の製造方法の後半のプロセスを示す側断面図である。
【図２４】本発明の第１の変形例に用いる上層部１００Ａの横断面図である。
【図２５】図２４に示す上層部１００Ａを用いたトランスデューサ構造体の上面図である。
【図２６】図２５に示す爪状スリットＳ１１周辺の拡大上面図である。
【図２７】本発明の第２の変形例に用いる上層部１００Ｂの横断面図である。
【図２８】本発明の第２の変形例に用いる中層部２００Ｂの横断面図である。
【図２９】本発明の第２の変形例に用いる下層部３００Ｂの横断面図である。
【図３０】本発明の第２の変形例に係るトランスデューサ構造体の上面図（下層部３００Ｂの位置を破線で示し、中層部２００Ｂの図示は省略）である。ただし、図の下半分には、上層部１００Ｂおよび中層部２００Ｂを除去した状態（すなわち、下層部３００Ｂの上面状態）が示されている。
【図３１】図３０に示すトランスデューサ構造体を、図の切断線３１−３１の位置で切断した状態を示す側断面図である。
【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）
３５…第３の層（シリコン層）
６１〜６３…電源
６４〜６６…電圧計
７１〜７５…Ｃ／Ｖ変換器
７６，７７…減算器
１００，１００Ａ，１００Ｂ…上層部（シリコンからなる基板層）
１１０，１１０Ｂ…変位部
１１１〜１１４…羽根部
１１５…中央部
１２０，１２０Ｂ…接続部
１２１〜１２４…接続部
１３０，１３０Ｂ…固定部
２００，２００Ｂ…中層部（酸化シリコンからなる接合層）
２１０，２１０Ｂ…重錘体接合層
２１１〜２１４，２１１Ｂ〜２１４Ｂ…羽根部接合層
２１５，２１５Ｂ…中央部接合層
２３０，２３０Ｂ…台座接合層
３００，３００Ｂ…下層部（シリコンからなる重錘体および台座の層）
３１０，３１０Ｂ…重錘体
３１１〜３１４，３１１Ｂ〜３１４Ｂ…重錘体羽根部
３１５，３１５Ｂ…重錘体中央部
３３０，３３０Ｂ…台座
４００…制御基板（ガラス基板）
４５０…装置筐体
４６０…蓋板
５００…補助基板
５０１〜５０５…固定電極
Ａ１０，Ａ２０，Ａ３０，Ａ４０…制御領域
Ａ１１，Ａ２１，Ａ３１，Ａ４１…制御面
Ａ１２，Ａ２２，Ａ３２，Ａ４２…重錘体の上面周囲部
ＡＡ１，ＡＡ２，ＡＡ３…制御領域
Ｃ１〜Ｃ５…容量素子
ｄ１〜ｄ３…間隔寸法
Ｇ１，Ｇ２，ＧＧ１，ＧＧ２…溝部
Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４，Ｒｚ１〜Ｒｚ４…ピエゾ抵抗素子
Ｓ１〜Ｓ４，ＳＳ１〜ＳＳ４…ほぼ環状のスリット
Ｓ１１〜Ｓ１４，Ｓ２１〜Ｓ２４，Ｓ３１〜Ｓ３４，Ｓ４１〜Ｓ４４…爪状スリット
Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ…出力端子
Ｖ…空隙部
Ｖ１〜Ｖ５…電圧
Claims (21)
- 中央部分に設けられた変位部と、この変位部の周囲に設けられた固定部と、前記変位部を前記固定部に対して変位可能な状態となるように接続する接続部と、を有する基板層と、
前記基板層の下方に配置され、前記固定部の内側部分下面に形成された制御面に対向する上面周囲部を有する重錘体と、
前記重錘体の周囲を取り囲むように配置され、前記固定部を下方から支持固定する台座と、
前記重錘体と前記基板層との間の空間における前記上面周囲部以外の領域に介挿され、前記重錘体および前記基板層とは異なる材料から構成され、前記重錘体を前記変位部の下面に接合する重錘体接合層と、
前記変位部の変位を検出する変位検出手段と、
を備え、
前記基板層には、一部分に開口部を有する環状形状をもった４組の環状スリットが形成されており、それぞれの開口部は前記基板層の中心を向くように配置されており、
前記基板層の中心付近を中央部とし、個々の環状スリットに囲まれた部分を羽根部とする４枚羽根をもった送風機のファン状形状をなす構造体により、前記変位部が構成されており、
互いに隣接する一対の環状スリット間に形成された４カ所の部分により、前記接続部が形成されており、
前記４組の環状スリットの外側に位置する基板層の外周部分により、前記固定部が形成されており、
前記重錘体の平面形状は、４枚羽根をもった送風機のファン状形状をなし、前記重錘体の個々の羽根部は、前記基板層の個々の羽根部のそれぞれ下方に位置し、
前記重錘体の個々の羽根部は前記基板層の個々の羽根部よりも外側に拡張されており、前記重錘体の個々の羽根部の周囲部分により、前記上面周囲部が形成され、前記基板層の前記環状スリットの外側部分により、前記制御面が形成されており、
前記４カ所の部分からなる接続部の下方には、前記重錘体のいずれの羽根部も存在せず、
前記重錘体に加速度が作用したときに、前記接続部に生じる撓みにより前記変位部が前記固定部に対して変位するように構成され、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、前記上面周囲部が前記制御面に接触して変位が制御されるように、前記重錘体接合層の厚みが設定されていることを特徴とする加速度センサ。 - 請求項１に記載の加速度センサにおいて、
台座と固定部との間に、重錘体接合層と同じ材料からなる台座接合層が設けられ、この台座接合層によって前記台座と前記固定部とが接合されていることを特徴とする加速度センサ。 - 請求項２に記載の加速度センサにおいて、
基板層、台座、重錘体を構成する材料と、重錘体接合層、台座接合層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加速度センサ。 - 請求項１〜３のいずれかに記載の加速度センサにおいて、
ほぼ正方形の輪郭に沿って形成され、前記正方形の１頂点に相当する部分に開口部を有する４組の同形スリットを、ほぼ正方形をした基板層上にシンメトリックに配置したことを特徴とする加速度センサ。 - 請求項１〜３のいずれかに記載の加速度センサにおいて、
重錘体の個々の羽根部の平面形状がほぼ正方形をなし、前記正方形の１頂点に相当する部分が中央部に接続されており、
基板層に形成された環状スリットが、前記正方形の各辺に対して斜めに伸びる斜行スリット部を有し、前記基板層の前記斜行スリット部の外側に位置する下面により制御面が形成され、この制御面に対向する重錘体羽根部の正方形の角の部分により上面周囲部が形成 されていることを特徴とする加速度センサ。 - 請求項５に記載の加速度センサにおいて、
環状スリットが、重錘体の羽根部の正方形の４つの角のうち、中央部に接続された角を除く３つの角を削った図形に沿った形状をなし、削られた角の部分に配置された３本の斜行スリット部の外側に位置する下面により３カ所の制御面が形成され、この３カ所の制御面に対向する重錘体羽根部の正方形の３つの角の部分により上面周囲部が形成されていることを特徴とする加速度センサ。 - 請求項１〜６に記載の加速度センサにおいて、
環状スリット周囲における、重錘体の輪郭位置を目視確認することが可能な位置に、重錘体の輪郭位置の確認用窓として機能する爪状スリットが形成されていることを特徴とする加速度センサ。 - 請求項１〜７のいずれかに記載の加速度センサにおいて、
重錘体接合層が、ファン状形状の中央部の位置において変位部と重錘体とを接合する中央部接合層と、ファン状形状の個々の羽根部の位置において変位部と重錘体とを接合する個々の羽根部接合層と、によって構成されていることを特徴とする加速度センサ。 - 請求項１〜８のいずれかに記載の加速度センサにおいて、
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、重錘体の側面が台座の内側面に接触して変位が制御されるように、重錘体の側面と台座の内側面との間隔が設定されていることを特徴とする加速度センサ。 - 請求項１〜９のいずれかに記載の加速度センサにおいて、
台座の底面に対して重錘体の底面が所定寸法だけ上方に位置し、前記台座が制御基板上に固定された場合に、前記重錘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、前記重錘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、前記重錘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加速度センサ。 - 請求項１〜１０のいずれかに記載の加速度センサにおいて、
変位検出手段が、接続部に配置されたピエゾ抵抗素子と、このピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化を検出する検出回路と、を有することを特徴とする加速度センサ。 - 請求項１１に記載の加速度センサにおいて、
変位部の左右両側にそれぞれ接続部を形成し、この左右の接続部にそれぞれ２つずつピエゾ抵抗素子を設け、合計４個のピエゾ抵抗素子がほぼ一直線上に沿って配置されるようにし、この４個のピエゾ抵抗素子を用いたブリッジにより検出回路を構成したことを特徴とする加速度センサ。 - 請求項１〜１０のいずれかに記載の加速度センサにおいて、
変位検出手段が、基板層の上方に所定間隔をおいて配置された補助基板と、変位部の上面に形成された変位電極と、前記補助基板の下面に形成された固定電極と、前記変位電極と前記固定電極とによって形成される容量素子の静電容量の変化を検出する検出回路と、を有することを特徴とする加速度センサ。 - 請求項１３に記載の加速度センサにおいて、
少なくとも上面の固定電極に対向する領域が導電性を有する変位部を用意し、この変位部自身を、変位電極として用いることを特徴とする加速度センサ。 - 請求項２に記載の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、変位部、固定部、接続部を有する基板層として構成する基板層構成段階と、
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の層を重錘体と台座とに分離する重錘体／台座分離段階と、
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重錘体接合層および台座接合層を構成する接合層構成段階と、
を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１５に記載の加速度センサの製造方法において、
基板層構成段階で、一部分に開口部を有する環状形状をもった複数のスリットが、それぞれの開口部が第１の層の中心を向くように配置された状態で形成されるようにし、
個々の環状スリットに囲まれた部分を羽根部とする送風機のファン状形状をなす構造体により変位部が形成され、互いに隣接する一対のスリット間に形成された部分により接続部が形成され、前記複数のスリットの外側包絡線よりも外側に位置する第１の層の外周部分により固定部が形成されるようにしたことを特徴とする加速度センサの製造方法。 - 請求項１６に記載の加速度センサの製造方法において、
重錘体／台座分離段階で、第１の層に形成された複数のスリットの外側包絡線よりも外側の位置において、重錘体と台座とが分離されるようなエッチングを行い、変位部を構成する構造体の輪郭を外側へ拡張した輪郭形状を有する重錘体を形成し、第１の層下面の複数のスリットの外側包絡線の外側直近領域に形成された制御面により、前記重錘体の上面周囲部の変位を制御することができるようにしたことを特徴とする加速度センサの製造方法。 - 請求項１５〜１７のいずれか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重錘体部分の厚みが小さくなるように、第３の層の重錘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１５〜１８のいずれかに記載の加速度センサの製造方法において、
第１の層と第３の層とを同一材料によって構成することを特徴とする加速度センサの製造方法。 - 請求項１９に記載の加速度センサの製造方法において、
第１の層および第３の層をシリコンによって構成し、第２の層を酸化シリコンによって構成することを特徴とする加速度センサの作成方法。 - 請求項１５〜２０のいずれかに記載の加速度センサの製造方法において、
基板層構成段階および重錘体／台座分離段階で、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加速度センサの製造方法。
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