JPH06174571A

JPH06174571A - 力／加速度の検出装置

Info

Publication number: JPH06174571A
Application number: JP4352613A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Okada; 和廣岡田
Original assignee: Wako KK
Current assignee: Wako KK
Priority date: 1992-12-10
Filing date: 1992-12-10
Publication date: 1994-06-24
Anticipated expiration: 2016-06-04
Also published as: JP3171970B2

Abstract

(57)【要約】【目的】異方性エッチングにより安価に製造すること
ができ、しかも他軸との間での干渉が生じない正確な検
出が可能な力／加速度の検出装置を提供する。【構成】シリコン基板（１１０）面に、異方性エッチ
ングを施して八角形の環状溝を掘り、厚みの小さな可撓
部２２を形成する。周囲の固定部２１を固定し、中央の
作用部２３の点Ｐに作用した力をＸＹＺ三次元座標系の
各軸方向成分ごとに検出する。Ｘ軸方向成分は、Ｘ軸に
対してθ３だけずれた配置軸Ｖ上に配置された４つの抵
抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４の抵抗値の変化により検出する。
Ｙ軸方向成分は、Ｙ軸に対してθ３だけずれた配置軸Ｗ
上に配置された４つの抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４の抵抗値
の変化により検出する。Ｚ軸方向成分は、４つの抵抗素
子Ｒｚ１〜Ｒｚ４の抵抗値の変化により検出する。θ３
を適当に設定することにより、他軸との間の干渉を相殺
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は力／加速度の検出装置、
特に、半導体基板上に形成した抵抗素子の抵抗値の変化
に基づいて、作用した力や加速度を検出する装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体基板上に形成された抵抗素
子を利用して、力、加速度、磁気などの物理量を検出す
る装置が開発され実用化に至っている。たとえば、特許
協力条約に基づく国際公開ＷＯ８８／０８５２２号公報
には、シリコン基板上の所定位置に不純物を拡散するこ
とにより複数の抵抗素子を形成し、これら抵抗素子の抵
抗値の変化に基づいて、ＸＹＺ三次元座標系における各
軸方向成分の力、加速度、磁気を検出する装置が開示さ
れている。また、特開平３−２０２７７８号公報および
特開平４−８４７２５号公報には、シリコン基板に環状
溝を形成し、この環状溝の上方に形成した抵抗素子を用
いて、加速度の多軸方向成分を検出する装置が開示され
ている。更に、特開平４−８１６３０号公報には、この
ような加速度検出装置の大量生産に適した製造方法が開
示されている。

【０００３】これらの検出装置の特徴は、半導体基板の
下面に環状溝を掘ることにより、他の部分より薄い可撓
部を形成し、この可撓部に抵抗素子を形成する点にあ
る。この半導体基板に力が加わると、可撓部に撓みが生
じ抵抗素子が機械的な変形を生じる。半導体抵抗素子に
は、このような機械的な変形によって、抵抗値が変化す
るピエゾ抵抗効果の性質が見られる。そこで、この抵抗
素子の抵抗値の変化を検出することにより、作用した力
の方向および大きさを検出することができる。半導体基
板に錘を付加しておけば、この錘に作用した加速度を力
として検出することができ、錘の代わりに磁性体を付加
しておけば、この磁性体に作用した磁気を力として検出
することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した検出装置を製
造する場合、半導体基板に環状溝（本明細書では、「環
状」という文言は、円環状に限らず、方環状、その他の
特殊な環状も含む意味で用いている）を掘る工程が必要
になる。この環状溝は、円形であることが望ましい。な
ぜなら、この環状溝形成部がそのまま可撓部となり、機
械的な変形を生じる重要な役割を果たす部分となるた
め、偏りのない均一な応力分散を行うためには、円形の
環状溝が理想的である。しかしながら、半導体基板上に
円形の環状溝を掘るような加工は非常に困難である。大
量生産を行うのであれば、物理的な切削加工は不適当で
ある。そこで、化学的なエッチング加工を行うことにな
るが、溝を円形にするためには等方性エッチングを行わ
ざるを得ず、溝の深さの制御などに高度な技術が必要に
なる。また、ドライエッチングを行う方法も考えられる
が、エッチング処理に必要な時間が長くかかるため、生
産性が低下するという問題が生じる。

【０００５】一方、異方性エッチングを行えば、比較的
容易に短時間で加工を行うことができ、量産性に向いて
いる。ところが、異方性エッチングでは、円環状の溝を
得ることができないという問題がある。たとえば、ピエ
ゾ抵抗係数が比較的大きなシリコン基板の（１１０）面
に対して、ＫＯＨ，ヒドラジン，ＥＰＷ（エチレンジア
ミン・ピロカテコール・ウォータ）などのエッチング溶
液を用いた異方性エッチングを行うと、八角形の環状溝
が形成される。しかも、正八角形ではなく、若干いびつ
な八角形の環状溝となる。このように、溝が円環状でな
い場合には、各軸方向成分の検出値に、他軸成分が影響
を及ぼす干渉現象が起こり、各軸ごとに独立した正確な
検出値を得ることができなくなる。このような干渉現象
を取り除くために、たとえば、特開平３−２７６０７２
号公報には、特殊な信号処理回路が開示されているが、
このような信号処理回路を用いれば、それだけ装置のコ
ストが高くなってしまう。

【０００６】そこで本発明は、異方性エッチングにより
安価に製造することができ、しかも他軸との間での干渉
が生じない正確な検出が可能な力／加速度の検出装置を
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) 本願第１の発明は、半導体基板の一方の面に環状
溝を掘ることにより可撓性をもった可撓部を形成し、半
導体基板の他方の面の可撓部にピエゾ抵抗効果を有する
抵抗素子を配し、可撓部に撓みを生じさせるように作用
した力または加速度の所定の検出軸方向成分を、この抵
抗素子の抵抗値の変化に基づいて検出する力／加速度の
検出装置において、異方性エッチング法を用いることに
より多角形状の環状溝を形成し、所定の検出軸に対して
所定角度ずれた位置に配置軸を定義し、この配置軸上
に、かつ、この配置軸に沿った方向に、抵抗素子を配置
するようにし、しかも所定の検出軸方向成分に関する検
出感度が最大となるように所定角度を設定するようにし
たものである。

【０００８】(2) 本願第２の発明は、上述の第１の発
明に係る検出装置において、半導体基板としてシリコン
基板を用い、しかもこの基板の（１１０）面に対して環
状溝を掘り、所定の検出軸から＜００１＞方向に向かっ
て所定角度ずれた位置に配置軸を定義するようにしたも
のである。

【０００９】(3) 本願第３の発明は、上述の第２の発
明に係る検出装置において、抵抗素子を配する面内で、
＜００１＞方向に対して４５°をなす方向にＸ軸を、こ
のＸ軸に直交する方向にＹ軸を、それぞれ定義し、更
に、Ｘ軸を前記＜００１＞方向に近付ける方向に所定角
度だけずらしたＶ軸と、Ｙ軸を前記＜００１＞方向に近
付ける方向に所定角度だけずらしたＷ軸と、を定義し、
Ｖ軸上に配した抵抗素子によりＸ軸方向成分の検出を行
い、Ｗ軸に配した抵抗素子によりＹ軸方向成分の検出を
行うように構成したものである。

【００１０】(4) 本願第４の発明は、半導体基板の一
方の面に環状溝を掘ることにより可撓性をもった可撓部
を形成し、半導体基板の他方の面の可撓部にピエゾ抵抗
効果を有する抵抗素子を配し、可撓部に撓みを生じさせ
るように作用した力または加速度の所定の検出軸方向成
分を、この抵抗素子の抵抗値の変化に基づいて検出する
力／加速度の検出装置において、異方性エッチング法を
用いることにより多角形状の環状溝を形成し、所定の検
出軸上に所定角度だけ傾斜させて抵抗素子を配置するよ
うにし、しかも所定の検出軸方向成分に関する検出感度
が最大となるように所定角度を設定するようにしたもの
である。

【００１１】(5) 本願第５の発明は、上述の第４の発
明に係る検出装置において、半導体基板としてシリコン
基板を用い、しかもこの基板の（１１０）面に対して環
状溝を掘り、検出軸上に＜００１＞方向に向かって所定
角度だけ傾斜させた向きに抵抗素子を配置したものであ
る。

【００１２】(6) 本願第６の発明は、上述の第５の発
明に係る検出装置において、抵抗素子を配する面内で、
＜００１＞方向に対して４５°をなす方向にＸ軸を、こ
のＸ軸に直交する方向にＹ軸を、それぞれ定義し、Ｘ軸
上に＜００１＞方向に向かって所定角度だけ傾斜させた
向きに配置した抵抗素子によりＸ軸方向成分の検出を行
い、Ｙ軸上に＜００１＞方向に向かって所定角度だけ傾
斜させた向きに配置した抵抗素子によりＹ軸方向成分の
検出を行うように構成したものである。

【００１３】

【作用】半導体基板上において互いに直交するＸ軸お
よびＹ軸を定義し、この基板に作用する力／加速度の各
軸方向成分を検出する場合、従来は、Ｘ軸方向成分につ
いてはＸ軸上にＸ軸に沿って配置された抵抗素子を用い
て検出し、Ｙ軸方向成分についてはＹ軸上にＹ軸に沿っ
て配置された抵抗素子を用いて検出する必要があると考
えられていた。確かに、円環状の溝によって可撓部が形
成されている場合には、このような従来の考え方に基づ
いて抵抗素子を配置すれば、ほぼ十分な精度の検出結果
が得られる。しかしながら、異方性エッチングにより形
成される不規則な形状の溝によって可撓部が形成されて
いる場合には、抵抗素子を従来どおりに配置すると、他
軸との間に干渉が生じてしまう。

【００１４】本願発明者は、抵抗素子の配置軸を検出軸
に対してずらすことにより、この多軸間干渉を抑えるこ
とができる事実を発見し、この事実を実験により確認し
た。より具体的には、単結晶シリコンの（１１０）面を
主面とする基板の下面に、異方性エッチングにより、八
角形の環状溝を形成し、この基板の上面に、＜００１＞
方向に対して４５°をなす方向にＸ軸を、このＸ軸に直
交する方向にＹ軸を、それぞれ定義した場合、各軸方向
成分を検出するための抵抗素子を、この各軸上に各軸に
沿って配置するのではなく、＜００１＞方向にややずら
して配置することにより、他軸との間に干渉のない理想
的な出力が得られることが確認できた。

【００１５】

【実施例】以下、本発明を図示する実施例に基づいて説
明する。はじめに、円環状の溝が形成された従来の力／
加速度の検出装置の構造および動作について簡単に説明
する。図１および図２は、この従来装置の断面図および
上面図であり、図２に示す装置を切断線Ａ−Ａに沿って
切った断面が図１に対応する。半導体基板１０は、正方
形に切断された単結晶シリコンの基板であり、下面には
円環状の溝が掘られている。ここでは、この半導体基板
１０の周囲の部分を固定部１１、円環状の溝によって他
の部分より薄くなり可撓性を有するようになった部分を
可撓部１２、中央の部分を作用部１３と呼ぶことにす
る。固定部１１を被検出箇所に固定し、作用部１３の作
用点Ｐに所定の力を作用させると、この力によって可撓
部１２に撓みが生じる。この装置は、こうして生じた撓
みを、可撓部１２の上面に形成された複数の抵抗素子で
検出するものである。作用点Ｐに錘を付加しておけば、
この錘に作用した加速度を、作用点Ｐに作用した力とし
て検出することができる。

【００１６】いま、図２に示すように、この半導体基板
１０の上面に、作用点Ｐの上方において直交するＸ軸お
よびＹ軸を定義し、作用点Ｐを通り、ＸＹ両軸に対して
垂直な方向（図２において紙面垂直上方）にＺ軸を定義
する。すなわち、半導体基板１０の上面はＸＹ平面に含
まれる面ということになる。このような定義を行った場
合、この装置では、作用点Ｐに加わった力について、Ｘ
ＹＺ三次元座標系における各軸方向成分の検出が可能で
ある。具体的には、Ｘ軸方向成分についての検出を行う
ために、Ｘ軸上にＸ軸に沿って４つの抵抗素子Ｒｘ１〜
Ｒｘ４が形成され、Ｙ軸方向成分についての検出を行う
ために、Ｙ軸上にＹ軸に沿って４つの抵抗素子Ｒｙ１〜
Ｒｙ４が形成され、Ｚ軸方向成分についての検出を行う
ために、図の切断線Ａ−Ａ上にこの切断線に沿って４つ
の抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４が形成されている。もっと
も、Ｚ軸方向成分の検出を行うための４つの抵抗素子Ｒ
ｚ１〜Ｒｚ４は、必ずしもこの位置に配置する必要はな
く、Ｘ軸の近傍にＸ軸に沿って配置してもよいし、Ｙ軸
の近傍にＹ軸に沿って配置してもよい。

【００１７】さて、これらの各抵抗素子は、実際にはシ
リコン基板の所定位置に不純物を拡散した層として形成
されるものであり、機械的変形により電気抵抗が変化す
るというピエゾ抵抗効果を有する。各抵抗素子は、いず
れも可撓部１２上に形成されており、作用点Ｐに加わっ
た力により可撓部１２が撓みを生じると、機械的変形を
生じる。検出に寄与する機械的変形には、伸びる方向の
変形と縮む方向の変形とがあり、いずれの変形かに基づ
いて電気抵抗の変化の極性が決定される。そこで、図３
に示すようなブリッジ回路を構成することにより、作用
点Ｐに加わった力の各軸方向成分の検出が可能になる。
すなわち、Ｘ軸方向成分については、抵抗素子Ｒｘ１〜
Ｒｘ４を図３(a) に示すようなブリッジ回路に組み、電
源３０から所定の電圧を印加すれば、電位差計３１の出
力電圧Ｖｘとして検出することができる。また、Ｙ軸方
向成分については、抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４を図３(b)
に示すようなブリッジ回路に組み、電源３０から所定の
電圧を印加すれば、電位差計３２の出力電圧Ｖｙとして
検出することができる。更に、Ｚ軸方向成分について
は、抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４を図３(c) に示すようなブ
リッジ回路に組み、電源３０から所定の電圧を印加すれ
ば、電位差計３３の出力電圧Ｖｚとして検出することが
できる。なお、この検出原理の詳細については、前掲の
公開公報を参照されたい。

【００１８】上述した従来の力／加速度の検出装置で
は、円環状の溝が形成されているため、各抵抗素子を図
２に示すように配置すれば、各軸方向成分間においてほ
ぼ干渉のない正確な検出値が得られる。しかしながら、
前述したように、単結晶半導体基板に円環状の溝を掘る
ためには、等方性エッチングあるいはドライエッチング
を行う必要があり、高度なエッチング技術を必要とした
り、エッチング処理時間が長くかかったりするため、低
コストで大量の検出装置を製造することができない。本
発明の主眼は、半導体基板に異方性エッチングを施すこ
とにより環状溝を形成し、低コストで大量生産に適した
力／加速度の検出装置を提供しようとする点にある。

【００１９】図４は、本発明に係る力／加速度の検出装
置に用いるシリコン基板２０の上面図である。通常、力
／加速度の検出装置にシリコン基板を利用する場合に
は、（１１０）面を主面とする基板が用いられる。これ
は、図５に示すように、（１１０）面に関するピエゾ抵
抗係数が他の面に比較して大きく、高感度の検出が可能
になるためである。このシリコン基板２０の（１１０）
面に対して、ＫＯＨ，ヒドラジン，ＥＰＷ（エチレンジ
アミン・ピロカテコール・ウォータ）などのエッチング
溶液を用いた異方性エッチングを行うと、図４に破線で
示されているように、八角形の環状溝が形成される。こ
の八角形は正八角形ではなく、図示する＜００１＞方向
の辺が、＜−１１０＞方向（電子出願の制約上、数字の
上にバーを記すことができないため、数字の前に記す）
の辺よりも長いいびつな形状になる。このような八角形
の環状溝を形成することにより、従来の検出装置と同様
に、周囲に固定部２１、環状溝の部分に可撓部２２、中
心に作用部２３が形成され、作用点Ｐに外力を加えるこ
とにより、可撓部２２に撓みが生じる。ここで、図２に
示した従来装置と同様に、Ｘ軸およびＹ軸を定義し、Ｘ
軸上に抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４を、Ｙ軸上に抵抗素子Ｒ
ｙ１〜Ｒｙ４を、そして＜−１１０＞方向上に抵抗素子
Ｒｚ１〜Ｒｚ４を、それぞれ配置すれば、図３に示す回
路により点Ｐに作用した力の各軸方向成分を得ることが
できる。なお、図５に示すピエゾ抵抗係数のグラフを参
照すれば、上述の各抵抗素子は、いずれも検出感度の比
較的高い方向に向いて配置されていることがわかる。

【００２０】ところが、図４に示すような検出装置で
は、他軸との間での干渉が生じ、正確な検出を行うこと
ができない。具体的には、図４に示す検出装置におい
て、Ｘ軸の正方向を０°とし、以下、Ｙ軸の正方向が９
０°となるように反時計回りに３６０°まで角度を定義
したとすると、図６および図７に示すようなグラフが得
られる。図６は、図３(a) に示す電位差計３１の出力電
圧Ｖｘを示すグラフであり、図７は、図３(b) に示す電
位差計３２の出力電圧Ｖｙを示すグラフである。いずれ
のグラフにおいても、横軸は上述の方法で定義した角度
０〜３６０°を示し、点Ｐに対してその角度方向に力が
加わったときに実際に現れる出力電圧が実線で描かれて
いる。いずれのグラフも、破線で示した理想のグラフに
対してずれが生じており、ＸＹ軸間に干渉が生じること
が示されている。たとえば、０°の方向（Ｘ軸の正方
向）に力が作用した場合、本来であれば、Ｘ軸方向成分
を示す出力Ｖｘが最大出力を示し、Ｙ軸方向成分を示す
出力Ｖｙは零でなければならない（破線で示す理想の出
力ではそうなっている）。ところが、実際には、０°の
方向において、出力Ｖｘは最大出力にはならず、出力Ｖ
ｙも零にはならない。したがって、Ｘ軸の正方向にのみ
力が作用した場合であっても、Ｙ軸方向の力成分を示す
誤った出力が得られることになる。

【００２１】このような他軸との間における干渉が生じ
る主たる原因は、抵抗素子の配置方向と環状溝の縁との
交差する角度θ１が直角ではないためと考えられる。す
なわち、図２に示すような従来装置では、環状溝の縁が
円周となるため、抵抗素子の配置方向とのなす角は常に
直角となる。ところが、図４に示す検出装置では、八角
形がゆがんでいるために、交差角θ１は直角にはならな
いのである。なお、Ｚ軸方向成分については、Ｘ軸ある
いはＹ軸との間に干渉は生じない。これは、このいびつ
な八角形の環状溝が、Ｚ軸に関してはシンメトリックに
なっているためと考えられる。

【００２２】本願発明者は、図４に示すような構成の検
出装置を実際に試作し、一定の外力を点Ｐについて０〜
３６０°の各方向に与える実験を行い、図６および図７
に実線で示すようなグラフを実測値として求めた。その
結果、この実線で示す実際の出力が、破線で示す理想の
出力に対し、横軸のどの位置においてもほぼ同じ位相差
θ２だけずれていることを見出だした。そして、抵抗素
子の配置を検出軸に対して若干ずらすことにより、この
位相差θ２を相殺することができることを実証した。す
なわち、図４に示す検出装置では、検出軸（たとえばＸ
軸）と、この検出軸についての力成分を検出するための
抵抗素子を配置する配置軸（やはりＸ軸）とが一致して
いた。これに対し、本願発明の第１の実施例に係る検出
装置では、図８に示すように、検出軸であるＸ軸に対
し、若干ずれた位置に配置軸Ｖを定義し、この配置軸Ｖ
上にＸ軸方向成分の検出に用いる抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ
４を配置軸Ｖに沿って配置し、同様に、検出軸であるＹ
軸に対し、若干ずれた位置に配置軸Ｗを定義し、この配
置軸Ｗ上にＹ軸方向成分の検出に用いる抵抗素子Ｒｙ１
〜Ｒｙ４を配置軸Ｗに沿って配置している。ここで、Ｘ
軸およびＹ軸に対するＶ軸およびＷ軸のずれ角θ３の設
定を変えることにより、図６および図７に示す位相差θ
２が変わることになる。そこで、位相差θ２＝０となる
ようなずれ角θ３を求め、このずれ角θ３に基づいて定
義したＶ軸およびＷ軸上に各抵抗素子を配置するように
すれば、図６および図７に破線で示すような理想の出力
が得られることになり、ＸＹ軸間の干渉を相殺すること
ができる。

【００２３】このような方法により干渉の相殺を行う原
理についての理論的な解析は未だなされていない。した
がって、図６および図７に示す実線で示すグラフを実験
により求め、このグラフから位相差θ２を求めることが
できたとしても、この位相差θ２を相殺するための最適
なずれ角θ３を演算によって導く手法は現在のところ見
出されていない。しかしながら、図８に示すように、シ
リコン基板の（１１０）面を用い、＜００１＞方向に対
して４５°をなす方向にＸ軸を、このＸ軸に直交する方
向にＹ軸を、それぞれ定義した場合には、Ｘ軸を＜００
１＞方向に近付ける方向に所定角度θ３だけずらした位
置にＶ軸を定義し、Ｙ軸を前記＜００１＞方向に近付け
る方向に所定角度θ３だけずらした位置にＷ軸を定義す
ればよいことは確認できた。そこで、量産を行うときに
は、ずれ角θ３をいろいろな値に設定した試作品を作
り、Ｘ軸またはＹ軸方向に力を加えたときに、各軸方向
成分に関する検出感度が最大となる試作品（別言すれ
ば、図６および図７に破線で示すような理想の出力が得
られる試作品）をみつけるという方法により、ずれ角θ
３としての最適な設定値を決定すればよい。また、有限
要素法を用いれば、図８のモデルを応力解析することに
より、最適なθ３を演算により求めることもできる。

【００２４】図９は、本願発明の大２の実施例に係る検
出装置の上面図である。図８に示す装置では、Ｘ軸およ
びＹ軸に対して、それぞれずれ角θ３だけずれた位置に
Ｖ軸およびＷ軸を定義し、これらの軸上に各抵抗素子を
配置した。これに対し、図９に示す実施例では、特別な
配置軸を設けることなく、各抵抗素子を検出軸上に配置
した状態で、配置向きをずれ角θ３だけ傾斜させるよう
にしたものである。すなわち、Ｘ軸方向成分を検出する
ための抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４は、いずれもＸ軸上に配
置されるが、Ｘ軸に対して所定角度θ３だけ傾斜して配
置されている。同様に、Ｙ軸方向成分を検出するための
抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４は、いずれもＹ軸上に配置され
るが、Ｙ軸に対して所定角度θ３だけ傾斜して配置され
ている。このような配置方向を傾斜させるという手法に
よっても、位相差θ２を相殺することが可能である。

【００２５】半導体基板を用いた従来の力／加速度の検
出装置では、検出軸上に、この検出軸に沿って配置され
た抵抗素子を用いて、この検出軸方向に作用した力成分
を検出するという前提で、基板主面上に定義されたＸ軸
およびＹ軸方向の力成分の検出が行われていた。本発明
は、環状溝の不規則な形状に起因して生じる検出感度曲
線の位相差を、抵抗素子の配置軸を検出軸から意図的に
ずらすことにより相殺しようという発想に基づくもので
ある。したがって、この発想から逸脱しない限り、本発
明は上述した実施例以外にも種々の態様で実施可能であ
る。たとえば、半導体基板に対する異方性エッチング法
としては、上述した方法の他にも種々の方法を実施する
ことができる。また、上述の実施例では、力／加速度の
検出装置としての説明を行ったが、作用点Ｐに磁性体を
付加すれば、磁気によって間接的に作用する力を検出す
ることが可能であり、磁気検出装置としての利用も可能
である。

【００２６】最後に、力／加速度の検出装置に適用可能
な自己診断機能について、新規な技術を開示しておく。
力／加速度の検出装置に自己診断機能を付加する技術に
ついては、たとえば、特開平３−２０００３８号公報に
開示されている。この公報に開示されている技術を簡単
に述べると、次のとおりである。まず、図１０に示すよ
うな半導体基板４０を用意する。この半導体基板４０の
下面には円環状の溝が掘られており、この溝の上部（可
撓部）に、複数の抵抗素子Ｒが形成されている。この抵
抗素子Ｒの配置は、図２に示すものと同じであり、これ
ら抵抗素子Ｒを用いて図３に示すようなブリッジ回路を
構成すれば、ＸＹＺの３軸方向の力／加速度の検出が可
能になる。このような半導体基板４０を用いて構成した
実際の加速度検出装置の側断面図を図１１に示す。半導
体基板４０の下面の周囲部分は台座４１に接合され、下
面の中央部分は重錘体４２に接合される。台座４１の下
面には、更に制御部材４３が接続されている。結局、重
錘体４２は、台座４１と制御部材４３によって形成され
る内部空間内で宙吊りの状態になっており、この重錘体
４２に加速度が作用すると、半導体基板４０に機械的変
形が生じることになる。この機械的変形により、各抵抗
素子Ｒの抵抗値が変化するため、作用した加速度の方向
および大きさが検出できる。

【００２７】この公報に開示されている技術の特徴は、
このような加速度検出装置に自己診断機能を設けた点に
ある。すなわち、半導体基板４０の上部に、上蓋部材５
０を被せるようにする。この上蓋部材５０の平板部５１
は、半導体基板４０の上面に対して所定距離をおいて対
向するような位置に配置され、その下面には、テスト用
電極Ｅ０が形成される。一方、半導体基板４０の上面に
は、図１０に示されているように、抵抗素子Ｒの他に、
テスト用電極Ｅ１〜Ｅ４（図１０では、形状を容易に認
識できるように、ハッチングを施して示してある）が形
成される。テスト用電極Ｅ１〜Ｅ４と、テスト用電極Ｅ
０とは、互いに対向するように配置されることになる
（テスト用電極Ｅ０は、テスト用電極Ｅ１〜Ｅ４のすべ
てと対向するような共通電極となる）。テスト用電極を
このように配置しておけば、これらの電極に所定の極性
の電圧を印加することにより、この加速度検出装置のテ
ストを行うことができる。たとえば、電極Ｅ０，Ｅ２に
正の電圧を与え、電極Ｅ４に負の電圧を与えれば、クー
ロンの法則により、電極Ｅ０，Ｅ４間には引力が作用
し、電極Ｅ０，Ｅ２間には斥力が作用する。この結果、
重錘体４２に対してＸ軸方向の力が作用したのと同じ状
態を作りだせる。このように、各電極に選択的に種々の
極性の電圧を与えることにより、実際には加速度が作用
していないにもかかわらず、特定の方向に特定の大きさ
の加速度が作用したのと同じ状態を作りだすことができ
るようになる。したがって、このときの抵抗素子Ｒの変
化をブリッジ回路で検出すれば、その検出結果が正しい
ものであるか否かをテストすることができる。こうし
て、図１０および図１１に示す構造をもった加速度検出
装置は、自己診断機能を備えることになる。

【００２８】以上の自己診断機能は、既に、特開平３−
２０００３８号公報に開示されている内容であり、より
詳細な技術内容については該公報を参照されたい。ここ
で新たに開示を行う内容は、このような自己診断機能を
備えた装置における配線方法に関する工夫である。図１
０に示すように、半導体基板４０の左右両側には、複数
のボンディングパッドＢが配置されており、この装置を
ＩＣ用のパッケージに収容した場合には、これらボンデ
ィングパッドＢとパッケージ側のリードとをボンディン
グワイヤで結線することになる。したがって、各抵抗素
子・電極と、所定のボンディングパッドＢとを電気的に
接続する配線が必要になる。ここで、半導体基板４０上
の抵抗素子Ｒや電極Ｅ１〜Ｅ４についての配線は特に問
題はない。半導体基板上に配線層を形成する方法として
は、既に種々の技術が知られている。たとえば、図１０
に示すように、電極Ｅ１については、半導体基板４０の
表面上に形成されたアルミニウムなどの配線層Ｃを用い
て、ボンディングパッドＢへ接続すればよい。ところ
が、上蓋部材５０側の電極Ｅ０と、半導体基板４０上の
ボンディングパッドＢとを接続する配線は、このような
わけにはゆかない。ここでは、この電極Ｅ０についての
配線を効率的に行う方法を開示しておく。

【００２９】図１２(a) は、上蓋部材５０の側面図、同
図(b) はその下面図である。同図(b) を図の左方向から
見た図が同図(a) に対応する。図示されているように、
この上蓋部材５０は、平板部５１とその側辺を支える一
対の側脚部５２によって構成されており、材質はこの例
ではガラスである。そして、平板部５１の下面には、テ
スト用電極Ｅ０が形成されている。ここで特筆すべき第
１の特徴は、テスト用電極Ｅ０の一部が、側脚部５２の
底面にまで伸び、接触電極Ｅ０ａ，Ｅ０ｂを形成してい
る点である。これは、図１２(a) に示すように、電極Ｅ
０の一部を、側脚部５２の表面に沿って伸ばす構造とす
ればよい。特筆すべき第２の特徴は、側脚部５２の一部
分にスリット５３が形成されている点である。このスリ
ット５３の機能については後述する。

【００３０】一方、半導体基板４０の上面には、図１２
に示すような上蓋部材５０を受け入れるために次のよう
な準備をしておく。第１の準備は、図１３にハッチング
を施した領域Ａ１，Ａ２の部分を、半導体（この例では
シリコン）が露出した状態にしておくことである。別言
すれば、この領域には絶縁膜などを形成しない状態にし
ておく。これは、上蓋部材５０をこの領域Ａ１，Ａ２に
おいて陽極接合するためである。第２の準備は、図１３
に示す位置に、接触電極Ｅ５ａ，Ｅ５ｂを形成し、これ
らを配線層Ｃを介して所定のボンディングパッドＢに接
続しておくことである。これは、上蓋部材５０側のテス
ト用電極Ｅ０と電気的な接触を保つためである。以上の
準備は、いずれも半導体基板４０上で実行できる準備で
あり、抵抗素子Ｒやテスト用電極Ｅ１〜Ｅ４を形成する
プロセスと同時に行うことができる。

【００３１】こうして、半導体基板４０の受け入れ準備
が整ったら、図１２に示す上蓋部材５０を図１３に示す
半導体基板４０の上に被せる。図１４は、この被せた状
態を示す平面図であり、上蓋部材５０を一点鎖線で示し
てある。図１５は、この被せた状態の正面図である。前
述したように、図１３にハッチングを施した領域Ａ１，
Ａ２において、半導体基板４０と上蓋部材５０とが陽極
接合される。こうすると、上蓋部材５０側の接触電極Ｅ
０ａ，Ｅ０ｂは、半導体基板４０側の接触電極Ｅ５ａ，
Ｅ５ｂと接触した状態になる。この接触状態は、図１５
に明瞭に示されている。このとき、両接触電極の厚みの
分と絶縁膜４４（たとえばＳｉＯ_２膜）の厚みの分だけ
上蓋部材５０が浮いた状態になるが、スリット５３が形
成されているため、このスリット５３の位置で上蓋部材
５０の平板部５１が撓みを生じることになる。そして、
この撓みに基づいて発生する応力により、接触電極の良
好な接触状態が確保される。また、上蓋部材５０と半導
体基板４０との接合部分がスリット５３によって限定さ
れ、接合面積がばらつくことがなくなる。なお、上述の
説明における各図においては、図が繁雑になるのを避け
るため、絶縁膜４４の図示は図１５においてのみ行い、
その他の図では省略した。

【００３２】なお、以上の配線構造は、たとえば特開平
４−１４８８３３号公報に開示されているような静電容
量式の検出装置にも適用可能である。

【００３３】

【発明の効果】以上のとおり本発明に係る力／加速度の
検出装置によれば、半導体基板に対する環状溝の形成工
程を、異方性エッチングによって行うようにしたため、
低コストでの製造が可能になり、しかも、抵抗素子の配
置軸を検出軸からずらすようにして検出感度の位相差を
相殺するようにしたため、他軸との間での干渉のない正
確な検出が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来提案されている一般的な力／加速度の検出
装置の縦断面図である。

【図２】図１に示す検出装置の上面図であり、切断線Ａ
−Ａで切断した断面が図１に対応する。

【図３】図１に示す検出装置に用いられる検出回路を示
す図である。

【図４】シリコン基板に異方性エッチングを行って八角
形の環状溝を形成した力／加速度の検出装置の上面図で
ある。

【図５】シリコン基板（１１０）面の各方向についての
ピエゾ抵抗係数を示すグラフである。

【図６】図４に示す検出装置におけるＸ軸方向の検出感
度の位相差を示す図である。

【図７】図４に示す検出装置におけるＹ軸方向の検出感
度の位相差を示す図である。

【図８】本発明の第１の実施例に係る力／加速度の検出
装置の上面図である。

【図９】本発明の第２の実施例に係る力／加速度の検出
装置の上面図である。

【図１０】自己診断機能をもった検出装置用半導体基板
の上面図である。

【図１１】図１０の基板を用いた加速度検出装置の側断
面図である。

【図１２】図１１に示す装置における上蓋部材５０の側
面図および下面図である。

【図１３】図１２に示す上蓋部材５０を取り付ける用意
をした半導体基板の上面図である。

【図１４】図１２に示す上蓋部材５０を取り付けた状態
を示す半導体基板の上面図である。

【図１５】図１２に示す上蓋部材５０を取り付けた状態
を示す正面図である。

【符号の説明】

１０…半導体基板１１…固定部１２…可撓部１３…作用部２０…シリコン基板２１…固定部２２…可撓部２３…作用部３０…電源３１〜３３…電位差計４０…半導体基板４１…台座４２…重錘体４３…制御部材４４…絶縁膜５１…平板部５２…側脚部５３…スリットＡ１，Ａ２…シリコン露出領域Ｂ…ボンディングパッドＣ…配線層Ｅ０〜Ｅ４…テスト用電極Ｅ０ａ，Ｅ０ｂ…接触電極Ｅ５ａ，Ｅ５ｂ…接触電極Ｐ…作用点Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４…抵
抗素子Ｖ，Ｗ…配置軸Ｘ，Ｙ，Ｚ…検出軸

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板の一方の面に環状溝を掘るこ
とにより可撓性をもった可撓部を形成し、前記半導体基
板の他方の面の前記可撓部にピエゾ抵抗効果を有する抵
抗素子を配し、前記可撓部に撓みを生じさせるように作
用した力または加速度の所定検出軸方向成分を、この抵
抗素子の抵抗値の変化に基づいて検出する力／加速度の
検出装置において、異方性エッチング法を用いることにより多角形状の環状
溝を形成し、前記検出軸に対して所定角度ずれた位置に
配置軸を定義し、前記配置軸上に、かつ、前記配置軸に
沿った方向に、抵抗素子を配置するようにし、しかも前
記検出軸方向成分に関する検出感度が最大となるように
前記所定角度を設定したことを特徴とする力／加速度の
検出装置。
【請求項２】請求項１に記載の検出装置において、半
導体基板としてシリコン基板を用い、しかもこの基板の
（１１０）面に対して環状溝を掘り、検出軸から＜００
１＞方向に向かって所定角度ずれた位置に配置軸を定義
したことを特徴とする力／加速度の検出装置。
【請求項３】請求項２に記載の検出装置において、抵
抗素子を配する面内で、＜００１＞方向に対して４５°
をなす方向にＸ軸を、このＸ軸に直交する方向にＹ軸
を、それぞれ定義し、更に、前記Ｘ軸を前記＜００１＞
方向に近付ける方向に所定角度だけずらしたＶ軸と、前
記Ｙ軸を前記＜００１＞方向に近付ける方向に所定角度
だけずらしたＷ軸と、を定義し、前記Ｖ軸上に配した抵
抗素子により前記Ｘ軸方向成分の検出を行い、前記Ｗ軸
に配した抵抗素子により前記Ｙ軸方向成分の検出を行う
ように構成したことを特徴とする力／加速度の検出装
置。
【請求項４】半導体基板の一方の面に環状溝を掘るこ
とにより可撓性をもった可撓部を形成し、前記半導体基
板の他方の面の前記可撓部にピエゾ抵抗効果を有する抵
抗素子を配し、前記可撓部に撓みを生じさせるように作
用した力または加速度の所定検出軸方向成分を、この抵
抗素子の抵抗値の変化に基づいて検出する力／加速度の
検出装置において、異方性エッチング法を用いることにより多角形状の環状
溝を形成し、前記検出軸上に所定角度だけ傾斜させて抵
抗素子を配置するようにし、しかも前記検出軸方向成分
に関する検出感度が最大となるように前記所定角度を設
定したことを特徴とする力／加速度の検出装置。
【請求項５】請求項４に記載の検出装置において、半
導体基板としてシリコン基板を用い、しかもこの基板の
（１１０）面に対して環状溝を掘り、検出軸上に＜００
１＞方向に向かって所定角度だけ傾斜させた向きに抵抗
素子を配置したことを特徴とする力／加速度の検出装
置。
【請求項６】請求項５に記載の検出装置において、抵
抗素子を配する面内で、＜００１＞方向に対して４５°
をなす方向にＸ軸を、このＸ軸に直交する方向にＹ軸
を、それぞれ定義し、前記Ｘ軸上に＜００１＞方向に向
かって所定角度だけ傾斜させた向きに配置した抵抗素子
により前記Ｘ軸方向成分の検出を行い、前記Ｙ軸上に＜
００１＞方向に向かって所定角度だけ傾斜させた向きに
配置した抵抗素子により前記Ｙ軸方向成分の検出を行う
ように構成したことを特徴とする力／加速度の検出装
置。