JP5108617B2 - 加速度センサ - Google Patents

Description

本発明は、加速度センサに係り、特に過度な加速度が加わっても破壊が防止される加速度センサに関する。

近年、ＭＥＭＳ（Micro Electromechanical Systems）技術を用いた小型のセンサの開発が進んでおり、加速度を検出するセンサを携帯電話やゲーム機等の種々の用途に使用したり、また、応用の検討がなされている。このような加速度センサは、例えば、シリコン層／酸化シリコン層／シリコン層の３層構造を有するＳＯＩウェーハを用いて作製される。このタイプのセンサは、ＳＯＩウェーハを刳り貫くように形成された開口を有するフレームと、このフレームに複数の梁を介して支持され、外力が作用したときに変位可能な錘を備えており、この錘に外力（加速度）が加わって変位が生じると、その変位を検出して加速度を測定するものである（特許文献１、２）。変位を検出して加速度を測定するセンサには、例えば、梁にピエゾ抵抗素子を配し、梁の歪による抵抗変化を検出するピエゾ抵抗型と、錘の変位に伴う静電容量変化を検出する静電容量型とがある。
特開２００３−３２９７０２号公報 特開２００４−１４４５９８号公報

上記のような加速度センサは、過度な加速度が錘に加わると、梁に過大な変位が生じて梁や錘に破壊が生じるおそれがある。このため、１００ｍｍ厚の木板に１ｍの高さから加速度センサを自然落下させた時に加わる衝撃値が１５００〜２０００Ｇであることから、携帯電話等に搭載する加速度センサでは、耐衝撃性として３０００Ｇが要求されていた。
しかし、加速度センサを搭載する機器が多様になるにしたがって、５０００Ｇ以上の高い耐衝撃性が加速度センサに要求されているが、このような高い耐衝撃性を具備した加速度センサは未だ得られていない。
本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであり、高い耐衝撃性を具備し、過度な加速度が加わっても破壊を生じることなく安定してセンサ機能を発現する加速度センサを提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明の加速度センサは、シリコン層（活性層シリコン）／酸化シリコン層／シリコン層（基板シリコン）の３層構造を有するＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板からなり、前記シリコン層（活性層シリコン）に形成された枠部と、該枠部から内側方向に突出するように前記シリコン層（活性層シリコン）に形成された４本の梁部と、該梁部により支持され基部と突出部を有し前記シリコン層（基板シリコン）に形成された錘部と、前記梁部に配設された歪検出部と、を備え、前記シリコン層（活性層シリコン）は前記錘部の過大な変位を防止するためのストッパーであって当該シリコン層（活性層シリコン）からなるストッパーあるいは当該シリコン層（活性層シリコン）の表面に配設されたストッパーのいずれも備えず、前記梁部の幅Ｗ、前記梁部の長さＩ、前記枠部の内枠長Ｌが下記の式（１）、式（２）の関係を満足し、前記梁部の厚みが５〜１０μｍの範囲であり、前記錘部の厚みが３００〜７１３μｍの範囲であるような構成とした。
２＜Ｌ／Ｉ≦２．８２ … 式（１）
３．１０≦Ｉ／Ｗ≦３．６８ … 式（２）
本発明の他の態様として、前記式（１）の下限値は２．４であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記歪検出部は、ピエゾ抵抗素子であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記ピエゾ抵抗素子は、Ｘ軸方向の外力を検出する４個のピエゾ抵抗素子と、Ｙ軸方向の外力を検出する４個のピエゾ抵抗素子と、Ｚ軸方向の外力を検出する４個のピエゾ抵抗素子とからなり、各軸方向の４個のピエゾ抵抗素子はそれぞれブリッジ回路を構成しているような構成とした。
本発明の他の態様として、前記錘部は、基部と、４本の前記梁部と前記枠部で囲まれた４箇所の窓部に前記基部から突出している４個の突出部とを備え、該突出部と前記枠部との間隙が７０〜１１０μｍの範囲であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記梁部は、前記枠部との接合部位の幅が梁部の中間部の幅よりも広くなるように設定されているような構成とした。
本発明の他の態様として、前記梁部は、その中間部の幅が前記枠部との接合部位の幅よりも広くなるように設定されているような構成とした。
本発明の他の態様として、前記シリコン層（基板シリコン）側に支持基板を有するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記支持基板は、ガラス、シリコン、ＳＵＳ板、インバー（Ｆｅ−３６％Ｎｉ合金）、絶縁性樹脂板のいずれかであるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記支持基板は、厚みが５０〜１０００μｍの範囲であるような構成とした。

このような本発明の加速度センサは、梁部の幅Ｗ、梁部の長さＩ、および、枠部の内枠長Ｌが所定の関係を満足しているので、１００００Ｇまでの過度な加速度が加わっても梁部や錘部の損傷等の破壊が確実に防止され、信頼性が高いという効果が奏される。また、Ｉ／Ｗが３．１０以上である場合には、上記の効果に加えて、極めて良好な感度、例えば、０．３ｍＶ／ｇ／Ｖ以上の感度を具備することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の加速度センサの一実施形態を示す平面図であり、図２は図１に示されるセンサのＡ−Ａ線における断面図であり、図３は図１に示されるセンサのＢ−Ｂ線における断面図である。図１〜図３において、加速度センサ１は、センサ本体２と、このセンサ本体２に接合された支持基板３とを有している。センサ本体２は、酸化シリコン層１３をシリコン層１２（活性層シリコン）とシリコン層１４（基板シリコン）で挟持した３層構造を有するＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板１１からなる。図４は図１に示される加速度センサ１の斜視図、図５は図１に示される加速度センサ１の酸化シリコン層１３とシリコン層１４（基板シリコン）を離間させ、支持基板３とシリコン層１４（基板シリコン）を離間させた状態を示す斜視図である。

図１〜図５に示されるように、センサ本体２を構成するシリコン層１２（活性層シリコン）は、錘部２１を構成する錘接合部２４と、この錘接合部２４を支持するための４本の梁部２２と、枠部２３と、各梁部２２と枠部２３で囲まれた４箇所の窓部２５とを備えている。また、４本の梁部２２には、歪検出部２９としてピエゾ抵抗素子が配設されている。すなわち、Ｘ軸方向の外力を検出する４個のピエゾ抵抗素子２９ｘと、Ｙ軸方向の外力を検出する４個のピエゾ抵抗素子２９ｙと、Ｚ軸方向の外力を検出する４個のピエゾ抵抗素子２９ｚが配設されている。このように配設されたピエゾ抵抗素子は、各軸方向の４個毎にブリッジ回路を構成するように接続されている。
また、センサ本体２を構成するシリコン層１４（基板シリコン）は、錘部２１を構成する錘２６と、この錘２６の周囲に開口部を介して位置する枠部２７とを備えている。錘２６は、その厚みが枠部２７よりも薄いものであり、基部２６Ａと、この基部２６Ａから十字型の梁部２２の間（窓部２５）方向に突出している４個の突出部２６Ｂからなる。そして、錘２６の基部２６Ａは、酸化シリコン層１３を介してシリコン層１２（活性層シリコン）の錘接合部２４に接合され、錘部２１が構成されている。

加速度センサ１を構成する支持基板３は、例えば、ガラス、シリコン、ＳＵＳ板、インバー（Ｆｅ−３６％Ｎｉ合金）等の金属板、絶縁性樹脂板等を用いることができ、厚みは５０〜１０００μｍ程度の範囲で適宜設定することができる。尚、本発明の加速度センサは、センサ本体２からなり、支持基板３を備えていないものであってもよく、パッケージ用基板に直接搭載してもよい。
この加速度センサ１では、４本の梁部２２で支持された錘部２１に、Ｘ軸、Ｙ軸、あるいは、Ｚ軸（図１参照）方向に外力が作用すると、錘部２１に変位が生じる。この変位により、梁部２２に歪が生じて、錘部２１に作用した外力が歪検出部（ピエゾ抵抗素子）２９により検出される。

本発明では、上述の加速度センサ１において、梁部２２の幅Ｗ、梁部２２の長さＩ、枠部２３，２７の内枠長Ｌが、下記の式（１）、式（２）の関係を満足することを必須としている。これにより、１００００Ｇまでの過度な加速度が加わっても、梁部２２や錘部２１の損傷等の破壊が確実に防止され、加速度センサ１は信頼性の高いものとなる。
２＜Ｌ／Ｉ≦２．８２ … 式（１）
Ｉ／Ｗ≦３．６８ … 式（２）
Ｌ／Ｉが２．８２を超える場合、あるいは、Ｉ／Ｗが３．６８を超える場合は、１００００Ｇまでの良好な耐衝撃性が得られない。尚、梁部２２に支持される錘接合部２４が存在するため、Ｌ／Ｉは必然的に２よりも大きい値となり、好ましくはＬ／Ｉは２．４以上とすることができる。

ここで、梁部２２は、図示例では幅が均一な形状となっているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図６に示されるように、枠部２３との接合部位の幅が広いような形状（図６（Ａ）〜（Ｃ））、あるいは、中間部の幅が広いような形状（図６（Ｄ））であってもよい。このように、梁部２２の幅が均一ではない場合、梁部２２の幅Ｗは梁部２２の最小幅とする。
また、本発明では、良好な感度、例えば、０．３ｍＶ／ｇ／Ｖ以上の感度を具備するために、Ｉ／Ｗを３．１０以上とすることが好ましい。

さらに、本発明では、梁部２２の厚みｔが３〜１０μｍの範囲、錘部２１を構成する錘２６の厚みＴが３００〜８００μｍの範囲、錘２６の突出部２６Ｂと枠部２７との間隙Ｓが７０μｍ以上であることが好ましい。
上述の加速度センサの実施形態は例示であり、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図７に示すように、各梁部２２と枠部２３で囲まれた４箇所の窓部２５の角部分に、シリコン層１２（活性層シリコン）からなるストッパー２８を備えたものであってもよい。このストッパー部２８は、過度な加速度が錘２６に加わったときに、錘２６の突出部２６Ｂが当接し、これにより梁部２２の過大な変位を防止するものである。

図８は、本発明の加速度センサの製造例を示す工程図であり、上述の加速度センサ１のセンサ本体２の製造を例としたものである。尚、図８は、図３に示した断面形状に相当する部位を示している。
図８において、シリコン層１２（活性層シリコン）、酸化シリコン層１３、シリコン層１４（基板シリコン）の３層構造を有するＳＯＩウェーハ１１′に多面付けで加工が行われる。まず、各面付け毎に、梁部２２、枠部２３、錘接合部２４を形成する部位を設定し、梁部２２となるシリコン層１２（活性層シリコン）の所定箇所に熱拡散法あるいはイオン注入法を用いて歪検出部２９を形成する。次に、梁部２２、枠部２３、錘接合部２４を形成するための溝部１６をシリコン層１２（活性層シリコン）に形成し、また、錘２６の厚みを設定するための凹部１７をシリコン層１４（基板シリコン）に形成する（図８（Ａ））。この溝部１６、凹部１７の形成は、例えば、マスクパターンを介して、プラズマを利用したドライエッチング法であるＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）法により行うことができる。また、サンドブラスト法、ウエットエッチング法、フェムト秒レーザ法により溝部１６、凹部１７を形成することもできる。

次に、各面付け毎に、ＳＯＩウェーハ１１′のシリコン層１４（基板シリコン）側（凹部１７側）からマスクパターン３１を介して酸化シリコン層１３が露出するまで開口部１８を穿設して錘２６（基部２６Ａ、突出部２６Ｂ）と枠部２７を形成する（図８（Ｂ））。その後、開口部１８と溝部１６とに露出する酸化シリコン層１３を除去する（図８（Ｃ））。これによりセンサ本体２が得られる。開口部１８の形成は、マスクパターン３１を介してＤＲＩＥ法により行うことができる。また、酸化シリコン層１３の除去は、例えば、反応性ガスによるドライエッチングにより行うことができる。マスクパターン３１の形成方法には特に制限はなく、例えば、感光性レジストを用いてフォトリソグラフィーによる形成する方法、樹脂層や金属層を配設し、これにレーザ描画により直接パターニングする方法等を用いることができる。
その後、センサ本体２に支持基板３を接合することにより加速度センサ１が得られる。センサ本体２と支持基板３との接合は、例えば、陽極接合、直接接合、共晶接合、接着剤を用いた接合等により行うことができる。

次に、実施例を示して本発明を更に詳細に説明する。
シリコン層（活性層シリコン）の厚み５μｍ、酸化シリコン層の厚み２μｍ、シリコン層（基板シリコン）の厚み７１８μｍである３層構造を有するＳＯＩウェーハを準備し、多面付けで加工を行った。すなわち、まず、各面付け毎に、ＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）法を用いて、シリコン層（活性層シリコン）に梁部、枠部、錘接合部を形成するための溝部を形成した。尚、梁部の幅Ｗ、梁部の長さＩ、枠部の内枠長Ｌ、および、Ｌ／ＩとＩ／Ｗの値は、下記の表１に示す値となるように設定した。また、ＲＩＥ法を用いて、シリコン層（基板シリコン）に深さ５μｍの凹部を形成した（図８（Ａ）参照）。
次に、各面付け毎に、ＳＯＩウェーハのシリコン層（基板シリコン）側（凹部側）からマスクパターンを介して酸化シリコン層が露出するまでＤＲＩＥ法によって開口部を穿設して錘（基部と４個の突出部）と枠部を形成した（図８（Ｂ）参照）。形成した錘の厚みは７１３μｍであり、錘と梁部との間隔は１０μｍ、錘の突出部と枠部との間隙は７０〜１１０μｍであった。

次いで、開口部と溝部とに露出する酸化シリコン層を反応性ガスによるドライエッチングにより除去した（図８（Ｃ）参照）。これによりセンサ本体が得られ、梁部の厚みは５μｍであった。その後、このセンサ本体に支持基板（パイレックス（登録商標）ガラス）を陽極接合により接合して加速度センサ（試料１）を作製した。
また、梁部の幅Ｗ、梁部の長さＩ、枠部の内枠長Ｌ、および、Ｌ／ＩとＩ／Ｗの値を下記の表１に示す値となるように設定した他は、上述の試料１の作製と同様にして、加速度センサ（試料２〜９）を作製した。

このように９種の加速度センサ（試料１〜９）を各々５０個作製し、これらの加速度センサに対して、衝撃試験装置（ＡＶＥＸ社製 ＳＭ−１０５−ＭＰ）を用いてＺ軸方向で１００００Ｇ衝撃試験を行った。衝撃試験を行った加速度センサを顕微鏡で観察し、下記の基準で評価した衝撃試験結果を下記の表１に示した。
＜衝撃試験の評価基準＞
○ ： 梁部、錘部のいずれにも割れ、破損が見られない。
× ： 梁部、錘部の少なくとも一方に割れ、破損が見られる。

表１に示されるように、上記の式（１）、式（２）のいずれか一方でも満足しない場合には、１００００Ｇの耐衝撃性を具備しないことが明らかである。
また、耐衝撃性が良好な４種の加速度センサ（試料１〜４）について、下記の条件で感度を測定した。その結果、Ｉ／Ｗが３．１以上である試料１（Ｉ／Ｗ＝３．６８）、試料２（Ｉ／Ｗ＝３．２２）、試料３（Ｉ／Ｗ＝３．１１）では、感度が０．３ｍＶ／ｇ／Ｖ以上（試料１＝０．４４ｍＶ／ｇ／Ｖ、試料２＝０．３２ｍＶ／ｇ／Ｖ、試料３＝０．３１ｍＶ／ｇ／Ｖ）であった。しかし、Ｉ／Ｗが３．１未満である試料４（Ｉ／Ｗ＝２．８５）では、感度が０．２４ｍＶ／ｇ／Ｖであった。
（感度の測定条件）
回転可能な棒の先端に加速度センサを装着し、歪検出部に接続されたブリッジ回路に電圧を印加しながら棒を回転させ、加速度（ｇ）に対する出力電圧（ｍＶ）の傾きを求めることで感度を測定する。

小型で高信頼性の加速度センサが要求される種々の分野において適用できる。

本発明の加速度センサの一実施形態を示す平面図である。 図１に示される加速度センサのＡ−Ａ線における断面図である。 図１に示される加速度センサのＢ−Ｂ線における断面図である。 図１に示される加速度センサの斜視図である。 図１に示される加速度センサの酸化シリコン層とシリコン層（基板シリコン）を離間させ、支持基板とシリコン層（基板シリコン）を離間させた状態を示す斜視図である。 梁部の形状を説明するための図である。 本発明の加速度センサの他の実施形態を示す平面図である。 本発明の加速度センサの製造方法の一例を説明するための工程図である。

符号の説明

１…加速度センサ
２…センサ本体
３…支持基板
１１…ＳＯＩ基板
１１′…ＳＯＩウェーハ
１２…シリコン層（活性層シリコン）
１３…酸化シリコン層
１４…シリコン層（基板シリコン）
２１…錘部
２２…梁部
２３…枠部
２４…錘接合部
２６…錘
２６Ａ…錘の基部
２６Ｂ…錘の突出部
２７…枠部
２８…ストッパー
２９…歪検出部

Claims (10)

1. シリコン層（活性層シリコン）／酸化シリコン層／シリコン層（基板シリコン）の３層構造を有するＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板からなり、前記シリコン層（活性層シリコン）に形成された枠部と、該枠部から内側方向に突出するように前記シリコン層（活性層シリコン）に形成された４本の梁部と、該梁部により支持され基部と突出部を有し前記シリコン層（基板シリコン）に形成された錘部と、前記梁部に配設された歪検出部と、を備え、前記シリコン層（活性層シリコン）は前記錘部の過大な変位を防止するためのストッパーであって当該シリコン層（活性層シリコン）からなるストッパーあるいは当該シリコン層（活性層シリコン）の表面に配設されたストッパーのいずれも備えず、前記梁部の幅Ｗ、前記梁部の長さＩ、前記枠部の内枠長Ｌが下記の式（１）、式（２）の関係を満足し、前記梁部の厚みが５〜１０μｍの範囲であり、前記錘部の厚みが３００〜７１３μｍの範囲であることを特徴とする加速度センサ。
   ２＜Ｌ／Ｉ≦２．８２ … 式（１）
   ３．１０≦Ｉ／Ｗ≦３．６８ … 式（２）
2. 前記式（１）の下限値は２．４であることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
3. 前記歪検出部は、ピエゾ抵抗素子であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の加速度センサ。
4. 前記ピエゾ抵抗素子は、Ｘ軸方向の外力を検出する４個のピエゾ抵抗素子と、Ｙ軸方向の外力を検出する４個のピエゾ抵抗素子と、Ｚ軸方向の外力を検出する４個のピエゾ抵抗素子とからなり、各軸方向の４個のピエゾ抵抗素子はそれぞれブリッジ回路を構成していることを特徴とする請求項３に記載の加速度センサ。
5. 前記錘部は、基部と、４本の前記梁部と前記枠部で囲まれた４箇所の窓部に前記基部から突出している４個の突出部とを備え、該突出部と前記枠部との間隙が７０〜１１０μｍの範囲であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の加速度センサ。
6. 前記梁部は、前記枠部との接合部位の幅が梁部の中間部の幅よりも広くなるように設定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の加速度センサ。
7. 前記梁部は、その中間部の幅が前記枠部との接合部位の幅よりも広くなるように設定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の加速度センサ。
8. 前記シリコン層（基板シリコン）側に支持基板を有することを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の加速度センサ。
9. 前記支持基板は、ガラス、シリコン、ＳＵＳ板、インバー（Ｆｅ−３６％Ｎｉ合金）、絶縁性樹脂板のいずれかであることを特徴とする請求項８に記載の加速度センサ。
10. 前記支持基板は、厚みが５０〜１０００μｍの範囲であることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の加速度センサ。

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