JP5046240B2 - 加速度センサの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、加速度センサ、特にピエゾ抵抗効果を示す抵抗素子を用いて、二次元又は三次元方向の加速度を検出する加速度センサの製造方法に関する。

図５は、従来のピエゾ抵抗検出型の加速度センサを示す斜視図であり、図中３はマイクロ構造体である（例えば特許文献１参照）。マイクロ構造体とは、微細加工プロセスにより製造される半導体基板又はマイクロマシン等をいう。

マイクロ構造体３は、矩形の枠部３１を有し、枠部３１の中心部には円柱状の重錘体３２が設けられている。この重錘体３２は枠部３１の各辺の中央部と、ビーム３３，３３，３３，３３により接続されている。一直線状をなすビーム３３，３３には、Ｘ軸方向の加速度成分を検出するための抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４が、これと直交するビーム３３，３３には、Ｙ軸方向の加速度成分を検出するための抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４が、さらに、Ｘ軸と平行で、その近傍にある軸上にＺ軸方向の加速度成分を検出するための抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４が配されている。

図６及び図７は、加速度センサ内の抵抗素子によって形成されるブリッジ回路を示す回路図であり、図６はＲｘ１〜Ｒｘ４及びＲｙ１〜Ｒｙ４についての回路図、図７はＲｚ１〜Ｒｚ４についての回路図である。加速度が加わった場合、加速度に起因して重錘体３２に外力が作用し、重錘体３２は定位置から変位し、この変位によって生じた機械的歪みはビーム３３，３３，３３，３３の機械的変形によって吸収され、この上に形成された抵抗素子Ｒの電気抵抗が変化する。その結果、図６に示すブリッジ回路の平衡がくずれて電圧Ｖｏｕｔが検出される。ここで、Ｘ（Ｙ）軸方向の加速度に対して重錘体３２はモーメントを受け、Ｘ（Ｙ）軸方向についてのピエゾ抵抗変化分は加算されて出力されるが、Ｚ軸方向については、変化分が相殺されて出力されない。一方、Ｚ軸方向の加速度に対して重錘体３２は垂直方向に変位し、ピエゾ抵抗変化分は、Ｚ軸方向については加算されて出力され、Ｘ（Ｙ）軸方向については相殺されて出力されない。
特開平１１−２１４７０５号公報

上述した図５のピエゾ抵抗検出型の加速度センサの場合、慣性力を増加させるために重錘体３２を大きくすると、ビーム３３が短くなり、ビーム３３の歪みが相対的に小さくなって、ピエゾ抵抗による検出感度が相対的に小さくなるという問題があった。このことは、加速度センサを小型化する障害となっていた。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、補助重錘体を有することにより、重錘体と併せた重量を大きくすることができるとともに、ビームの長さを長くして検出感度を従来の加速度センサより向上させることができ、周波数特性及び耐衝撃性が良好であり、小型化が可能である加速度センサの製造方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、補助重錘体と枠部の内周面との間隔、及び補助重錘体とビームとの間隔を略同じにすることにより、Ｘ軸及びＹ軸方向において精度よく加速度を検出することができるとともに、補助重錘体の大きさを効果的に大きくすることができる加速度センサの製造方法を提供することを目的とする。

そして、本発明は、ビームを、重錘体と枠部の各辺の略中央部とをそれぞれ接続すべく構成し、補助重錘体を四角柱状にすることにより、さらにＸ軸及びＹ軸方向において精度よく加速度を検出することができ、重量を大きくすることができる加速度センサの製造方法を提供することを目的とする。

さらに、本発明は、枠部の角部にビーム幅より長い斜辺と角部を挟む二辺とからなる三角部を設け、三角部の斜辺の略中央部においてビームを接続し、補助重錘体を三角柱状にすることにより、ビーム長を長くとることができ、検出感度が向上し、応力集中が生じず、耐久性が向上するとともに、ピエゾ抵抗のビーム幅方向にかかる歪みが均一となり、感度特性が向上する加速度センサの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の加速度センサの製造方法は、断面視で矩形状をなす枠状のストッパ、前記ストッパの中心部に設けられた重錘体、前記重錘体と前記ストッパとを接続するものであり、交叉する二直線状をなす４本のビーム、及び前記ビームのうちの２本と前記ストッパの内周面とにより包囲される空間内に遊挿する状態で前記重錘体に連設されており、側面が垂直柱状をなす４つの補助重錘体を有するマイクロ構造体の加速度の作用に基づく機械的変形を、前記マイクロ構造体に形成した抵抗素子の電気抵抗の変化により検出して、加速度の向き及び大きさを検出すべくなしてある加速度センサの製造方法であって、ビームに対応する所定位置に抵抗素子を形成し、第１層乃至第３層を有するＳＯＩ基板を、前記ストッパ表面を含む第１主面に対して前記マイクロ構造体中心の垂直上方から見たときに、前記４本のビームのそれぞれの長さが同じであり、前記マイクロ構造体の第１主面中心を軸として９０度回転させたときの前記垂直上方から見た前記ストッパ、前記重錘体、前記補助重錘体及び前記４本のビームの写像が、元の写像と同じとなるよう第１層から第２層に向けて前記第１層を反応性イオンエッチングして前記重錘体、前記ビーム、及び、前記補助重錘体を途中まで形成し、前記基板を、前記マイクロ構造体の第１主面の反対側の主面を第２主面としたとき、第１主面と第２主面とは、前記マイクロ構造体中心の垂直上方から見たときに、前記重錘体、前記補助重錘体、及び前記ストッパにおける平面視が同じであり、さらに、前記重錘体及び前記補助重錘体が同一の厚みを有し、前記補助重錘体が揺動した場合に、該補助重錘体が前記ストッパの内周面に抑止されるよう第３層から第２層に向けて前記第３層を反応性イオンエッチングして前記重錘体、及び、前記補助重錘体を途中まで形成し、前記第２層をエッチングして前記重錘体、前記ビーム、及び、前記補助重錘体をリリースすることを特徴とする。

本発明においては、補助重錘体を有しており、重錘体と併せた重量を大きくすることができるので、加速度の検出感度が従来の加速度センサより向上する。そして、補助重錘体との合計重量を大きくすることで重錘体を小さくすることができ、その結果、ビームの長さを長くしてピエゾ抵抗による検出感度を向上させることができる。従って、加速度センサを小型化することが可能になる。また、補助重錘体はダンピング機能を有するので、周波数特性を改善することもできる。さらに、補助重錘体は変位しても枠部がストッパとして機能するので、耐衝撃性が良好である。そして、後述するＲＩＥによるエッチングにより、重錘体、補助重錘体及び枠部の内周面は略垂直な側面を得ることができるので、効果的に重量を大きくすることができる。これによりマイクロ構造体の重錘体及び補助重錘体の第１主面及び第２主面の平面視は略同じになる。加えて、重錘体、補助重錘体は枠部と略同じ厚みであるが、パッケージとの間に隙間を設けるべくなしてあるので、パッケージによって性能が悪くなることもない。

本発明においては、補助重錘体を有しており、重錘体と併せた重量を大きくすることができるので、加速度の検出感度が従来の加速度センサより向上する。そして、補助重錘体との合計重量を大きくすることで重錘体の大きさを小さくすることができ、その結果、ビームの長さを長くしてピエゾ抵抗による検出感度を向上させることができる。従って、加速度センサを小型化することが可能になる。また、補助重錘体はダンピング機能を有するので、周波数特性を改善させることもできる。さらに、補助重錘体は変位しても枠部がストッパとして機能するので、耐衝撃性が良好である。

また、本発明においては、補助重錘体と枠部の内周面との間隔、及び補助重錘体とビームとの間隔を略同じに構成するので、Ｘ軸及びＹ軸方向において精度よく加速度を検出することができるとともに、スペースを有効利用して補助重錘体の大きさを効果的に大きくすることができる。その結果、製造歩留が向上し、製造原価を低減させることができる。

さらに、本発明においては、補助重錘体がＸ軸及びＹ軸と平行に配置されており、Ｘ軸及びＹ軸方向においてさらに精度よく加速度を検出することができ、補助重錘体が四角柱状をなすので、その重量を大きくすることができる。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係るピエゾ抵抗検出型の加速度センサのセンサ部を表面（第１主面）側から見た斜視図であり、図２は裏面（第２主面）側から見た斜視図であり、図中、１はマイクロ構造体としてのＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板からなるセンサ部である。

センサ部１は、矩形の枠部１１を有し、枠部１１の中心部には円柱状の重錘体１２が設けられている。この重錘体１２は枠部１１の各辺の中央部と、ビーム１３，１３，１３，１３とにより接続されている。一直線状をなすビーム１３，１３には、Ｘ軸方向の加速度成分を検出するための抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４が、これと直交するビーム１３，１３には、Ｙ軸方向の加速度成分を検出するための抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４が、Ｘ軸と平行で、その近傍にある軸上にＺ軸方向の加速度成分を検出するための抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４が配されている。そして、四角柱状の補助重錘体１４，１４，１４，１４が、ビーム１３，１３と枠部１１の内周面とにより包囲される空間内に遊挿する状態で、重錘体１２に連設してある。

センサ部１の寸法は、縦及び横の長さがそれぞれ２．５ｍｍ、厚みが５６６μｍであり、枠部１１の幅が５００μｍである。そして、重錘体１２の直径が４００μｍ、ビーム１３の長さが５５０μｍ、幅が７０μｍ、補助重錘体１４の縦及び横の長さが６１５μｍ、補助重錘体１４と、ビーム１３及び枠部１１の内周面との間隔が夫々５０μｍである。

加速度センサ内の抵抗素子によって形成されるブリッジ回路は上述した図５及び図６と同一であり、Ｒｘ１〜Ｒｘ４及びＲｙ１〜Ｒｙ４についての回路図は図５と同一、Ｒｚ１〜Ｒｚ４についての回路図は図６と同一である。加速度が加わった場合、加速度に起因して重錘体１２及び補助重錘体１４に外力が作用し、重錘体１２及び補助重錘体１４は定位置から変位し、この変位によって生じた機械的歪みがビーム１３，１３，１３，１３の機械的変形によって吸収され、この上に形成された抵抗素子Ｒの電気抵抗が変化する。その結果、図５及び図６に示すブリッジ回路の平衡がくずれて電圧Ｖｏｕｔが検出される。ここで、Ｘ（Ｙ）軸方向の加速度に対して重錘体１２及び補助重錘体１４はモーメントを受け、Ｘ（Ｙ）軸のピエゾ抵抗変化分は加算されて出力されるが、Ｚ軸方向については、変化分が相殺されて出力されない。一方、Ｚ軸方向の加速度に対しては重錘体１２及び補助重錘体１４は垂直方向に変化し、このためピエゾ抵抗変化分は、Ｚ軸方向については加算されて出力され、Ｘ（Ｙ）軸方向については、相殺されて出力されない。

次に、センサ部１の製造方法について説明する。図３は、センサ部１を構成するＳＯＩ基板を示す断面図である。このＳＯＩ基板は、厚み５６０μｍのＳｉ層１５、埋め込み酸化膜としての厚み１μｍのＳｉＯ₂ 層１６、及び厚み５μｍのＳｉ層１５の三層からなる。まず、後ほど形成される一直線上のビーム１３，１３に対応する所定位置にＸ軸方向の加速度成分を検出するための抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４を形成し、これと直交するビーム１３，１３に対応する所定位置に、Ｙ軸方向の加速度成分を検出するための抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４を、Ｘ軸と平行で、その近傍にある軸上にＺ軸方向の加速度成分を検出するための抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４を形成する。次に、ＳＯＩ基板の表面からＳｉＯ₂ 層１６までＳｉディープＲＩＥ（反応性イオンエッチング）によりエッチングを行い、重錘体１２、ビーム１３，１３，１３，１３、及び補助重錘体１４，１４，１４，１４を形成する。そして、裏面からＳｉＯ₂ 層１６までＳｉディープＲＩＥにより深堀りエッチングを行い、重錘体１２及び補助重錘体１４，１４，１４，１４を形成する。最後に、ＳｉＯ₂ 層１６をエッチングすることにより重錘体１２、ビーム１３，１３，１３，１３、及び補助重錘体１４，１４，１４，１４をリリースして、可動構造とする。

以上のように構成された本発明の実施の形態に係る加速度センサは、補助重錘体１４を有しており、重錘体１２と併せた重量を大きくすることができるので、加速度の検出感度が従来の加速度センサと比較して向上する。そして、補助重錘体１４との合計重量を重くすることで重錘体１２の大きさを小さくすることができ、その結果、ビーム１３の長さを長くしてピエゾ抵抗による検出感度を向上させることができる。従って、加速度センサの小型化が可能になる。従来の加速度センサは、センサ部としてのチップのサイズが５．０×５．０（ｍｍ）、外形寸法が１４．０×１１．４×５．５（ｍｍ）であったのに対し、本発明の加速度センサはチップのサイズが２．５×２．５（ｍｍ）、外形寸法が５．０×５．０×５．０（ｍｍ）と小型化されている。

また、補助重錘体１４はダンピング機能を有するので、周波数特性を改善することもできる。さらに、補助重錘体１４は枠部１１と接近しており、大きく変位しても枠部１１の内周面で止まるので、耐衝撃性が良好である。そして、製造の歩留も向上し、製造原価が大幅に低減したのが確認されている。

なお、前記実施の形態においては、４本のビーム１３が重錘体１２と枠部１１の各辺の中央部とを接続すべくなしてあり、重錘体１２が円柱状をなし、補助重錘体１４が四角柱状をなす場合につき説明しているがこれに限定されるものではない。４本のビーム１３は重錘体１２と枠部１１とを対角線状に接続すべく構成してもよく、重錘体１２及び補助重錘体１４の形状も円柱、底面が楕円形である柱状体、三角柱及び四角柱等の多角柱等、種々の形状から選択することができる。

図４は、その一例としての４本のビームを対角線状に配置した本発明の加速度センサ部を示す平面図である。図中、図１と同一部分は同一符号で示してある。この加速度センサにおいては、枠部１１の内周面の各角部にビーム１３の幅より長い斜辺と角部を挟む二辺とからなる三角部１７，１７，１７，１７が設けられており、この三角部１７の斜辺の中央部と四角柱状の重錘体１２とがビーム１３により接続されている。三角部１７により、枠部１１は八角形状をなす。この加速度センサにおいては、ビーム長を長くすることができ、よりＸ軸及びＹ軸方向において精度よく加速度を検出することができ、補助重錘体１４の重量を大きくすることができる。また、前記三角部１７を介しており、ビーム１３の側面と枠部１１の内周面とが鋭角をなさず、応力集中がなくなるので、耐久性が向上するとともに、抵抗素子のビーム１３の幅方向の歪みの分布が一様となるので、感度特性がより向上する。

また、前記実施の形態においては、補助重錘体１４と枠部１１の内周面との間隔、及び補助重錘体１４とビーム１３，１３との間隔を略同じにした場合につき説明しているがこれに限定されない。但し、前記間隔を略同じにした方がＸ軸及びＹ軸方向において精度よく加速度を検出することができ、スペースを有効利用して補助重錘体１４の大きさを効果的に大きくすることができる。

前記実施の形態においては、補助重錘体１４又は２４を４つ備えた場合につき説明しているがこれに限定されるものではなく、補助重錘体１４又は２４を少なくとも１つ備えればよい。但し、補助重錘体１４は少なくとも２つを対称に配置した方がバランスが良く、検出感度がより良好である。

本発明の実施の形態に係るピエゾ抵抗検出型の加速度センサのセンサ部を表面側から見た斜視図である。 本発明の実施の形態に係るピエゾ抵抗検出型の加速度センサのセンサ部を裏面側から見た斜視図である。 センサ部を構成するＳＯＩ基板を示す断面図である。 本発明の他のピエゾ抵抗検出型の加速度センサのセンサ部を示す平面図である。 従来のピエゾ抵抗検出型の加速度センサを示す斜視図である。 加速度センサ内の抵抗素子によって形成されるブリッジ回路を示す回路図である。 加速度センサ内の抵抗素子によって形成されるブリッジ回路を示す回路図である。

符号の説明

１ センサ部
１１ 枠部
１２ 重錘体
１３ ビーム
１４ 補助重錘体

Claims (1)

1. 断面視で矩形状をなす枠状のストッパ、前記ストッパの中心部に設けられた重錘体、前記重錘体と前記ストッパとを接続するものであり、交叉する二直線状をなす４本のビーム、及び前記ビームのうちの２本と前記ストッパの内周面とにより包囲される空間内に遊挿する状態で前記重錘体に連設されており、側面が垂直柱状をなす４つの補助重錘体を有するマイクロ構造体の加速度の作用に基づく機械的変形を、前記マイクロ構造体に形成した抵抗素子の電気抵抗の変化により検出して、加速度の向き及び大きさを検出すべくなしてある加速度センサの製造方法であって、
   ビームに対応する所定位置に抵抗素子を形成し、
   第１層乃至第３層を有するＳＯＩ基板を、前記ストッパ表面を含む第１主面に対して前記マイクロ構造体中心の垂直上方から見たときに、前記４本のビームのそれぞれの長さが同じであり、前記マイクロ構造体の第１主面中心を軸として９０度回転させたときの前記垂直上方から見た前記ストッパ、前記重錘体、前記補助重錘体及び前記４本のビームの写像が、元の写像と同じとなるよう第１層から第２層に向けて前記第１層を反応性イオンエッチングして前記重錘体、前記ビーム、及び、前記補助重錘体を途中まで形成し、
   前記基板を、前記マイクロ構造体の第１主面の反対側の主面を第２主面としたとき、第１主面と第２主面とは、前記マイクロ構造体中心の垂直上方から見たときに、前記重錘体、前記補助重錘体、及び前記ストッパにおける平面視が同じであり、さらに、前記重錘体及び前記補助重錘体が同一の厚みを有し、前記補助重錘体が揺動した場合に、該補助重錘体が前記ストッパの内周面に抑止されるよう第３層から第２層に向けて前記第３層を反応性イオンエッチングして前記重錘体、及び、前記補助重錘体を途中まで形成し、
   前記第２層をエッチングして前記重錘体、前記ビーム、及び、前記補助重錘体をリリースする
   ことを特徴とする加速度センサの製造方法。

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