JPH07229924A - 加速度センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】破損に対する耐力を向上させた上で検出感度を
高めることが可能な加速度センサを提供する。 【構成】加速度が印加されると重り部４がたわんで片持
梁２の基端部が歪み、その歪みに応じた力が圧電変換器
３に加わる。その力を圧電変換器３が感知し、印加され
た加速度に対応した検出信号を出力する。重り部４が矢
印α方向にある程度以上たわむと、重り部４の受け部４
ａが片持梁１１の自由端部１１ａに当接し、重り部４が
それ以上にたわむのが防止される。反対に、重り部４が
矢印β方向にたわんだときには、片持梁１２の自由端部
１２ａが枠部１ａの受け部１ｂに当接する。各片持梁１
１，１２は弾性に富むポリイミド系樹脂膜によって形成
され、各自由端部１１ａ，１２ａが各受け部４ａ，１ｂ
と急激に衝突したとしても、その衝突力は各片持梁１
１，１２によって吸収される。従って、各片持梁１１，
１２または各受け部４ａ，１ｂが破損することはない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は加速度センサ及びその製
造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、シリコン基板に片持梁の基端部が
固定され、その片持梁の基端部に圧電変換器が設けら
れ、片持梁の自由端部に重り部が設けられ、前記シリコ
ン基板は重り部の外周を所定の間隔を開けて取り囲むよ
うに形成されている半導体加速度センサが種々提案され
ている。このような半導体加速度センサでは、加速度が
印加されると重り部がたわんで片持梁の基端部が歪み、
その歪みに応じた力が圧電変換器に加わる。その力を圧
電変換器が感知し、印加された加速度に対応した検出信
号を出力する。

【０００３】しかし、このような半導体加速度センサ
は、大きな加速度が印加されると、重り部が過剰にたわ
んで片持梁の基端部が破損する恐れがある。そこで、特
開平１−１６２１５９号公報や特開平３−２５５３６９
号公報に開示されるように、重り部に突起部を設け、重
り部の外周を囲むシリコン基板には前記突起部に空隙を
開けて当接可能に臨む受け部（または第２の突起部）を
設ける構成が提案されている。つまり、重り部がある程
度以上にたわむと突起部が受け部に当接し、重り部がそ
れ以上にたわむのを防止するわけである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記各公報によると、
突起部および受け部が共にシリコン基板をエッチングし
て形成されている。つまり、突起部と受け部とは共に、
固くてもろい単結晶シリコンによって形成されている。
従って、過大な衝撃力などの極めて大きな加速度が印加
されると、突起部および受け部が破損する恐れがあっ
た。その結果、突起部と受け部とが当接しなくなり、重
り部が過剰にたわんで片持梁の基端部が破損する恐れも
あった。

【０００５】また、前記各公報によると、シリコン基板
上にＰ型またはＮ型シリコンを多層に形成し、Ｐ型およ
びＮ型シリコンのエッチングレートの差を利用して突起
部および受け部を形成している。従って、Ｐ型またはＮ
型シリコンを多層に形成する工程と、それらを異なるエ
ッチング条件で複数回に渡ってエッチングする工程とが
必要になり、製造工程が複雑になってしまう。加えて、
Ｐ型およびＮ型シリコンのエッチングレートの差は小さ
いため、突起部および受け部を所望の形状に形成するの
は難しく、制御性およびスループットが低下するという
欠点もある。

【０００６】さらに、前記各公報によると、突起部の片
側にしか受け部が設けられていない。従って、突起部と
受け部とが当接する方向に重り部がたわんだ場合には、
前記したように、突起部が受け部に当接して重り部がそ
れ以上にたわむのが防止される。しかし、重り部のたわ
む方向によっては突起部と受け部とが当接せず、その場
合に重り部が過剰にたわめば、やはり片持梁の基端部が
破損する恐れがあった。

【０００７】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたものであって、その目的は、破損に対する耐力を向
上させた上で検出感度を高めることが可能な加速度セン
サを提供することにある。また、本発明の別の目的は、
そのような加速度センサの簡単な製造方法を提供するこ
とにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、基板に片持梁の基端部が固定され、その基端部に圧
電変換器が設けられ、片持梁の自由端部に重り部が設け
られた加速度センサにおいて、基板または重り部のうち
少なくともいずれか一方に設けられ、重り部の変位を規
制すると共に、その規制時に生じる重り部からの衝撃力
を吸収する付勢緩衝部材を備えたことをその要旨とす
る。

【０００９】請求項２に記載の発明は、基板に片持梁の
基端部が固定され、その基端部に圧電変換器が設けら
れ、片持梁の自由端部に重り部が設けられた加速度セン
サにおいて、重り部の外周に位置する基板の枠部にその
基端部が固定され、その自由端部が重り部に所定の間隔
を開けて当接可能に臨み、弾性に富んだ材質で形成され
た第１の舌片と、重り部の端部にその基端部が固定さ
れ、その自由端部が前記枠部に所定の間隔を開けて当接
可能に臨み、弾性に富んだ材質で形成された第２の舌片
とのうち少なくともいずれか一方の舌片を備えたことを
その要旨とする。

【００１０】請求項３に記載の発明は、半導体基板に片
持梁の基端部が固定され、その片持梁の基端部の半導体
基板上にＰＮ接合素子から成る圧電変換器が形成され、
片持梁の自由端部に重り部が設けられた加速度センサに
おいて、重り部の外周に位置する半導体基板の枠部にそ
の基端部が固定され、その自由端部が重り部に形成され
た受け部に空隙を開けて当接可能に臨み、弾性に富んだ
材質で形成された第１の舌片と、重り部の端部にその基
端部が固定され、その自由端部が前記枠部に形成された
受け部に空隙を開けて当接可能に臨み、弾性に富んだ材
質で形成された第２の舌片とのうち少なくともいずれか
一方の舌片を備えたことをその要旨とする。

【００１１】請求項４に記載の発明は、請求項２または
請求項３に記載の加速度センサにおいて、第１または第
２の舌片はそれぞれ、重り部または枠部と反対方向に反
り返っていることをその要旨とする。

【００１２】請求項５に記載の発明は、請求項２に記載
の加速度センサの製造方法において、基板の表面に弾性
に富んだ材質から成る薄膜を形成する工程と、基板上に
圧電変換器を配置する工程と、基板をエッチングして片
持梁および重り部を形成すると共に、薄膜下の基板をア
ンダーエッチすることにより第１または第２の舌片を形
成する工程とを備えたことをその要旨とする。

【００１３】請求項６に記載の発明は、請求項３に記載
の加速度センサの製造方法において、半導体基板の表面
に弾性に富んだ材質から成る薄膜を形成する工程と、半
導体基板上にＰＮ接合素子から成る圧電変換器を形成す
る工程と、半導体基板をエッチングして片持梁および重
り部を形成すると共に、薄膜下の半導体基板をアンダー
エッチすることにより空隙を形成し、各受け部および第
１または第２の舌片を形成する工程とを備えたことをそ
の要旨とする。

【００１４】

【作用】請求項１に記載の発明によれば、付勢緩衝部材
を設けたことにより、重り部の変位が規制され、その規
制時に生じる重り部からの衝撃力が吸収される。従っ
て、重り部が過剰に変位して片持梁が破損することはな
くなる。その結果、片持梁の強度を弱めることが可能に
なり、僅かな加速度が印加されても重り部が変位し易く
なって加速度の検出感度を高めることができる。

【００１５】請求項２または請求項３に記載の発明によ
れば、第１または第２の舌片によって重り部の変位が規
制される。また、第１または第２の舌片は弾性に富んだ
材質で形成されているため、前記規制時に生じる重り部
からの衝撃力は第１または第２の舌片によって吸収され
る。従って、請求項１と同様の効果が得られる。

【００１６】請求項４に記載の発明によれば、第１また
は第２の舌片が重り部または枠部と反対方向に反り返っ
ているため、その反り返り分に応じて重り部の変位が規
制される。

【００１７】請求項５または請求項６に記載の発明によ
れば、片持梁および重り部を形成するためのエッチング
時に、薄膜下の基板のアンダーエッチが進行して第１ま
たは第２の舌片が形成される。従って、特別な工程を設
けることなく、第１または第２の舌片を容易に形成する
ことができる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明を具体化した一実施例を図面に
従って説明する。本実施例の斜視図を図１に、図１のＡ
−Ａ線断面図を図２に示す。

【００１９】単結晶シリコン基板１には片持梁２の基端
部が固定され、その片持梁２の基端部には複数（図示で
は４個）の圧電変換器３が設けられている。片持梁２の
自由端部には重り部４が設けられている。片持梁２およ
び重り部４の外周は、所定の間隔を開けてシリコン基板
１に取り囲まれている。

【００２０】その片持梁２および重り部４は、単結晶シ
リコン基板１をエッチングして形成されている。つま
り、シリコン基板１にはコの字状の溝５が形成され、そ
のコの字の開口部に位置する部分（溝５の切れていない
部分）の下側のシリコン基板１には、台形状にくり抜か
れた凹部６が形成されている。その凹部６上のシリコン
基板１の薄肉部が片持梁２となり、溝５に囲まれた薄肉
部以外のシリコン基板１が重り部４となる。

【００２１】溝５を挟んで重り部４の外周を囲むシリコ
ン基板１の枠部１ａには、片持梁１１の基端部が固定さ
れている。重り部４には、片持梁１１の自由端部１１ａ
に空隙Ｂを開けて当接可能に臨む受け部４ａが形成され
ている。重り部４の端部には、片持梁１２の基端部が固
定されている。シリコン基板１の枠部１ａには、片持梁
１２の自由端部１２ａに空隙Ｃを開けて当接可能に臨む
受け部１ｂが形成されている。それら各片持梁１１，１
２は隣接して設けられ、弾性に富むポリイミド系樹脂の
薄膜によって形成されている。また、各片持梁１１，１
２の各自由端部１１ａ，１２ａは、各受け部４ａ，１ｂ
と反対方向に反り返っている。

【００２２】このように構成された本実施例では、加速
度が印加されると重り部４がたわんで片持梁２の基端部
が歪み、その歪みに応じた力が圧電変換器３に加わる。
その力を圧電変換器３が感知し、印加された加速度に対
応した検出信号を出力する。

【００２３】このとき、大きな加速度が印加されると、
それに応じて重り部４のたわみも大きくなる。そして、
重り部４が図示上方（矢印α方向）にある程度以上たわ
むと、重り部４の受け部４ａが片持梁１１の自由端部１
１ａに当接し、重り部４がそれ以上にたわむのが防止さ
れる。反対に、重り部４が図示下方（矢印β方向）にあ
る程度以上たわむと、片持梁１２の自由端部１２ａが枠
部１ａの受け部１ｂに当接し、重り部４がそれ以上にた
わむのが防止される。つまり、重り部４の矢印α方向へ
のたわみ（変位）は、自由端部１１ａの前記反り返りと
空隙Ｂとによって規定される。また、重り部４の矢印β
方向へのたわみ（変位）は、自由端部１２ａの前記反り
返りと空隙Ｃとによって規定される。従って、各自由端
部１１ａ，１２ａの前記反り返りと各空隙Ｂ，Ｃとを適
宜に調整することにより、矢印α，β方向への重り部４
の変位量を規定することができる。

【００２４】ここで、各片持梁１１，１２は弾性に富む
ポリイミド系樹脂の薄膜によって形成されている。その
ため、過大な衝撃力などの極めて大きな加速度が印加さ
れ、各自由端部１１ａ，１２ａが各受け部４ａ，１ｂと
急激に衝突したとしても、その衝突力は各片持梁１１，
１２によって吸収される。従って、各片持梁１１，１２
または各受け部４ａ，１ｂが破損することはない。

【００２５】このように本実施例では、各片持梁１１，
１２が各受け部４ａ，１ｂに当接することによって重り
部４の過剰なたわみ（変位）が抑制されるのに加え、各
片持梁１１，１２が弾性に富むため各受け部４ａ，１ｂ
からの衝突力が吸収される。従って、本実施例によれ
ば、大きな加速度が印加されても、重り部４が過剰にた
わんで片持梁２の基端部が破損する恐れは完全になくな
る。その結果、片持梁２の肉厚を十分に薄くすることが
可能になり、僅かな加速度が印加されても重り部４がた
わみ易くなって加速度の検出感度を高めることができ
る。

【００２６】次に、上記のように構成された本実施例の
製造方法を説明する。まず、シリコン基板１の表面にポ
リイミド系樹脂の薄膜１３を形成する。その方法として
は、オリゴマー溶液をスピンコート法（溶液を滴下後基
板を回転させる）またはポッティング法（溶液の自然広
がりを利用する）によって塗布し、熱処理によって縮合
させる方法が一般的である。次に、シリコン基板１上に
ＰＮ接合素子（感圧トランジスタまたは感圧ダイオー
ド）から成る圧電変換器３を形成する。続いて、薄膜１
３における各片持梁１１，１２の輪郭部分を削り取る。
そして、ウェットエッチングやドライエッチングなどの
適宜なエッチング法により、シリコン基板１に凹部６お
よび溝５を形成する。このエッチング時において、薄膜
１３における前記各片持梁１１，１２の輪郭部分からア
ンダーエッチが進行し、各空隙Ｂ，Ｃが形成される。す
ると、薄膜１３から各片持梁１１，１２が形成され、そ
の張力により各自由端部１１ａ，１２ａは各受け部４
ａ，１ｂと反対方向に反り返る。

【００２７】このように本実施例は、一般的で簡単な方
法を用いて容易に製造することができる。尚、本実施例
は以下のように変更してもよい。

【００２８】１）各片持梁１１，１２と同様のものをそ
れぞれ複数個設ける。この場合には、上記効果をより高
めることができる。 ２）各片持梁１１，１２のいずれか一方だけを設ける。
この場合には、重り部４の一方向へのたわみについてだ
け有効になる。

【００２９】３）各片持梁１１，１２をポリイミド系樹
脂ではなく、弾性に富む適宜な薄膜材料（有機シリカ、
有機および無機ＳＯＧ（Spin On Glass ）、等）に置き
代える。

【００３０】４）各片持梁１１，１２を設ける位置を適
宜に変更する。その場合、シリコン基板１の枠部１ａは
重り部４をコの字状に囲む必要はなく、片持梁１１の基
端部および受け部１ｂが形成可能であればよい。

【００３１】５）各空隙Ｂ，Ｃを省く。その場合は、各
片持梁１１，１２の自由端部１１ａ，１２ａの反り返り
だけにより、重り部４の変位量を規定することができ
る。 ６）各片持梁１１，１２の自由端部１１ａ，１２ａの反
り返りを省く。その場合は、各空隙Ｂ，Ｃだけにより、
重り部４の変位量を規定することができる。

【００３２】７）圧電変換器３をシリコン基板１上に形
成するのではなく、シリコン基板１上に貼付する。この
場合には、バルク素子や圧電素子から成る圧電変換器３
を用いることができ、シリコン基板１を適宜な材料から
成る基板に置き代えることができる。

【００３３】８）シリコン基板１の表面に薄膜１３を形
成し、その薄膜１３から各片持梁１１，１２を形成する
のではなく、別個に製造した各片持梁１１，１２をシリ
コン基板１の所望の箇所に貼付して固定する。

【００３４】ところで、この明細書で圧電変換器とある
のは、圧抵抗素子（バルク素子またはＰＮ接合素子）ま
たは圧電素子から成る機械量→電気量の変換素子として
の広義の圧電変換器を意味する。また、弾性に富んだ材
質とあるのは、ポリイミド系樹脂、有機シリカ、有機お
よび無機ＳＯＧからなるグループから選択された１つの
材料である。

【００３５】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、破
損に対する耐力を向上させた上で検出感度を高めること
が可能な加速度センサを提供することができる。また、
そのような加速度センサを簡単かつ容易に製造すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を具体化した一実施例の斜視図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。

【符号の説明】

１…シリコン基板、１ａ…枠部、２…片持梁、３…圧電
変換器、４…重り部、１１…付勢緩衝部材および第１の
舌片としての片持梁、１２…付勢緩衝部材および第２の
舌片としての片持梁、１１ａ，１２ａ…自由端、１３…
薄膜、Ｂ，Ｃ…空隙

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板（１）に片持梁（２）の基端部が固
   定され、その基端部に圧電変換器（３）が設けられ、片
   持梁の自由端部に重り部（４）が設けられた加速度セン
   サにおいて、 基板または重り部のうち少なくともいずれか一方に設け
   られ、重り部の変位を規制すると共に、その規制時に生
   じる重り部からの衝撃力を吸収する付勢緩衝部材（１
   １，１２）を備えた加速度センサ。
2. 【請求項２】 基板（１）に片持梁（２）の基端部が固
   定され、その基端部に圧電変換器（３）が設けられ、片
   持梁の自由端部に重り部（４）が設けられた加速度セン
   サにおいて、 重り部の外周に位置する基板の枠部（１ａ）にその基端
   部が固定され、その自由端部（１１ａ）が重り部に所定
   の間隔を開けて当接可能に臨み、弾性に富んだ材質で形
   成された第１の舌片（１１）と、 重り部の端部にその基端部が固定され、その自由端部
   （１２ａ）が前記枠部（１ａ）に所定の間隔を開けて当
   接可能に臨み、弾性に富んだ材質で形成された第２の舌
   片（１２）とのうち少なくともいずれか一方の舌片（１
   １、１２）を備えた加速度センサ。
3. 【請求項３】 半導体基板（１）に片持梁（２）の基端
   部が固定され、その片持梁の基端部の半導体基板上にＰ
   Ｎ接合素子から成る圧電変換器（３）が形成され、片持
   梁の自由端部に重り部（４）が設けられた加速度センサ
   において、 重り部の外周に位置する半導体基板の枠部（１ａ）にそ
   の基端部が固定され、その自由端部（１１ａ）が重り部
   に形成された受け部（４ａ）に空隙（Ｂ）を開けて当接
   可能に臨み、弾性に富んだ材質で形成された第１の舌片
   （１１）と、 重り部の端部にその基端部が固定され、その自由端部
   （１２ａ）が前記枠部（１ａ）に形成された受け部（１
   ｂ）に空隙（Ｃ）を開けて当接可能に臨み、弾性に富ん
   だ材質で形成された第２の舌片（１２）とのうち少なく
   ともいずれか一方の舌片（１１、１２）を備えた加速度
   センサ。
4. 【請求項４】 請求項２または請求項３に記載の加速度
   センサにおいて、第１または第２の舌片（１１、１２）
   はそれぞれ、重り部（４）または枠部（１ｂ）と反対方
   向に反り返っていることを特徴とする加速度センサ。
5. 【請求項５】 請求項２に記載の加速度センサの製造方
   法において、 基板（１）の表面に弾性に富んだ材質から成る薄膜（１
   ３）を形成する工程と、 基板上に圧電変換器（３）を配置する工程と、 基板をエッチングして片持梁（２）および重り部（４）
   を形成すると共に、薄膜（１３）下の基板をアンダーエ
   ッチすることにより第１または第２の舌片（１１、１
   ２）を形成する工程とを備えた加速度センサの製造方
   法。
6. 【請求項６】 請求項３に記載の加速度センサの製造方
   法において、 半導体基板（１）の表面に弾性に富んだ材質から成る薄
   膜（１３）を形成する工程と、 半導体基板上にＰＮ接合素子から成る圧電変換器（３）
   を形成する工程と、 半導体基板をエッチングして片持梁（２）および重り部
   （４）を形成すると共に、薄膜（１３）下の半導体基板
   をアンダーエッチすることにより空隙（Ｂ、Ｃ）を形成
   し、各受け部（４ａ、１ｂ）および第１または第２の舌
   片（１１、１２）を形成する工程とを備えた加速度セン
   サの製造方法。