JPH0774370A - ピエゾデバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ダイアフラムやカンチレバなどの薄い薄膜を実
効的に厚くし、その厚みを容易かつ高精度に制御できる
安価なピエゾデバイスを提供するを目的とする。 【構成】ダイアフラムやカンチレバなどの薄膜に凹凸を
形成して、実効的に厚みを大きく見せて、凹凸部のそれ
ぞれの表面付近にピエゾ素子を形成し、薄膜が曲がった
ときにピエゾ素子が大きな伸び縮みを生じるようにして
いる。高感度で安価な圧力センサや加速度センサなどが
提供される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ピエゾ効果を利用した
圧力センサ、加速度センサや超音波デバイスなどに利用
されるピエゾデバイスに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のピエゾ効果を利用した圧力センサ
や加速度センサにおいては、圧力や加速を検出するの
に、単結晶シリコン（Ｓｉ）薄膜のダイアフラムやカン
チレバの支持部付近の単結晶Ｓｉ薄膜表面に高濃度ホウ
素添加ピエゾ抵抗素子を形成し、圧力や加速により薄膜
が曲がったとき、このＳｉ薄膜がある程度の厚み（例え
ば、２０μｍ厚）を持たせてあるため、Ｓｉ薄膜表面に
形成したピエゾ抵抗素子が曲げの方向に依存して伸び、
または、縮むので、そのピエゾ抵抗素子の抵抗値が変化
し、この抵抗値の変化を圧力や加速に対応させるものが
あった。このように、ピエゾ抵抗素子は薄膜の厚みが重
要で、高感度にするには２０μｍ程度の厚みが必要であ
る。この厚みの制御を容易にするため、ｐ形シリコン
（Ｓｉ）基板に厚みを制御したｎ形エピタキシャル成長
をして、このエピタキシャル成長層をダイアフラムやカ
ンチレバとする例があるが、高価なセンサとなるという
問題があった。このためダイアフラムやカンチレバを単
結晶Ｓｉ薄膜で形成する場合、単結晶Ｓｉチップの裏面
からの異方性エッチャントでエッチングし、ダイアフラ
ムやカンチレバの厚みが必要な厚みになったときにエッ
チングを停止する、と言う方式を採用していた。しか
し、この場合はダイアフラムやカンチレバの厚みにバラ
ツキが生じ、高精度の圧力センサや加速度センサを提供
できないという問題があった。

【０００３】従来、薄板を曲げに対して強くするため
に、薄板を凹凸に形成した波形トタンや本出願人の発明
である「橋架構造昇温体」（特許出願公告 平成３年第
０７２９４５号）で薄膜橋架構造のマイクロヒータに凹
凸を形成したという例があったが、いづれも薄板の曲げ
強度を大にさせる目的で構成されており、本発明のよう
な曲げによる凹凸表面付近の伸び縮みを積極的に利用す
るものではなかった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明では、ピエゾ効
果を利用したピエゾデバイスに利用される宙に浮いた構
造のダイアフラムやカンチレバなどの実際には極めて薄
い薄膜を、実効的に厚くなるように構成し、ダイアフラ
ムやカンチレバなどの曲げに対して大きなピエゾ効果が
現われるようにして、薄膜の膜厚を、容易に、かつ、高
精度に制御できるようにすると共に、量産化可能なため
安価なピエゾデバイスを提供しようとするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明では、ダイアフラ
ムやカンチレバなどの実際には極めて薄い薄膜を、実効
的に厚くなるように構成し、圧力センサや加速度センサ
などのセンシング部となるダイアフラムやカンチレバな
どが曲がったときに、それらに形成したピエゾ抵抗素子
や圧電素子などのピエゾ素子に大きな伸び縮みを生じさ
せるために、例えば、Ｓｉ単結晶基板の表面付近に形成
されるダイアフラムやカンチレバなどに凹凸を形成し、
それらの凹部や凸部の表面付近にピエゾ素子を形成する
ようにしている。凹部や凸部の深さや長さ、及びそれら
の方向や幅などの形状によりピエゾデバイスの感度が調
整できる。

【０００６】

【実施例１】図１は、本発明のピエゾデバイスをダイア
フラム形圧力センサとして、実施したときの一実施例を
示す断面図で、図２の平面図におけるＸーＸからみた横
断面図である。この実施例に基づいて作成方法やそれぞ
れの機能などについて説明すると次のようである。先
ず、（１００）面を持ち、約１０Ω・ｃｍのｎ形Ｓｉ基
板（１）を熱酸化し、約０．１μｍ厚のＳｉＯ２膜を形
成する。その後、１ｍｍ角のダイアフラム（６）になる
べき領域に、そのダイアフラムを支持することになる正
四角形のＳｉ基板支持部の各辺から対辺に向かって延
び、ダイアフラム（６）の中央付近では途切れる幅２０
０μｍ、深さ２０μｍで２００μｍ間隔の２本の溝をフ
ォトリソグラフィにより形成する。更に、このとき正四
角形のダイアフラム（６）の４角付近と中央部付近にも
正四角形の溝を形成しておく。尚、これらの溝部は、製
作工程の終了後には、ダイアフラム（６）の凹部（２）
となり、ダイアフラム（６）領域で溝にならない領域は
ダイアフラム（６）の凸部（３）となる。次に上記の凸
部（３）となる領域と凹部（２）となる領域のうち、正
四角形の各辺から対辺に向かって延びている部分で、正
四角形のＳｉ基板支持部からダイアフラム（６）にかけ
ての一部分に、ホウ素Ｂの細長い高濃度拡散領域（例え
ば、幅５０ m ｍ、長さ２００ m ｍ、深さ１ m ｍ）を
形成して、これらをピエゾ抵抗素子（１０ａ、１０ｂ；
１１ａ、１１ｂ；２０ａ、２０ｂ；２１ａ、２１ｂ）と
する。次に、ＳｉＯ２膜を除去して、ｎ形Ｓｉ基板
（１）全面にオキシナイトライド薄膜（４）のＣＶＤ薄
膜を３μｍ厚程度に形成した後、ピエゾ抵抗素子にオー
ム性のＡｕ／Ｃｒ電極（３０ａ、３１ａ；３０ｂ、３１
ｂ；・・・）を形成する。最後に凹凸を持つダイアフラ
ム（６）を形成するために、ｎ形Ｓｉ基板（１）の裏面
からＳｉの異方性エッチャントであるヒドラジン水溶液
を用いて正四角形のエッチング溝（５）を形成する。こ
のＳｉの異方性エッチャントには、ピエゾ抵抗素子とな
るホウ素Ｂ添加の細長い高濃度拡散領域とオキシナイト
ライド薄膜（４）とは、ほとんどエッチングされず、ｎ
形Ｓｉ基板（１）の表面側ではダイアフラム（６）とし
て残る。各電極からのリード線は、ダイアフラム（６）
の形成後に引き出せばよい。

【０００７】以上のようにして形成した圧力センサに適
用したピエゾデバイスは、ダイアフラム（６）それ自体
は３μｍ厚程度であるにもかかわらず、約２０μｍ程度
の凹凸をもち、ダイアフラム（６）が圧力によりたわみ
変形したときには、例えば、凸部に形成したピエゾ抵抗
素子（１０ａ、１０ｂ；・・・）が伸びたとき、凹部に
形成したピエゾ抵抗素子（２０ａ、２０ｂ；・・・）
は、縮むように働き、その程度が大きくなる。

【０００８】上述の実施例では、本発明のピエゾデバイ
スをダイアフラム形の圧力センサに適用した場合であっ
たが、ここでは図示しないが、同様に凹凸部にピエゾ抵
抗素子をもつ橋架構造薄膜やカンチレバ形の振動センサ
や加速度センサに適用することもできることは明らかで
ある。

【０００９】叉、上述の実施例では、ピエゾ抵抗素子を
用いたが、その代わり、例えば、ＺｎＯ薄膜などの圧電
性の薄膜をスパッタ形成し、ポーリング処理を施し、圧
電素子として用いることもできる。

【００１０】本発明のピエゾデバイスは、本実施例に限
定されることはなく、本発明の主旨および作用・効果が
合うならば如何様にも変形してもよい事は、もちろんの
ことである。

【００１１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のピエゾデ
バイスは、ダイアフラムやカンチレバなどの実際には極
めて薄い薄膜を、ここに凹凸を形成し、実効的に厚くな
るように構成し、それらの凹凸部にピエゾ素子を形成し
てあるので、ダイアフラムやカンチレバなどが曲がった
ときに大きな伸び縮みが生じることとなり、ダイアフラ
ムやカンチレバなどの薄膜の機械的強度が大きくなるば
かりでなく、センサとしては感度も大きくなるという効
果がある。半導体のマイクロマシーンニング技術を用い
て形成できるので、微細で精度のよい宙に浮いた薄膜構
造、特に、膜厚の精度がよく、容易に大量生産できるの
で安価となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のピエゾデバイスをダイアフラム形圧力
センサに適用したときの一実施例の横断面図で、図２の
平面図のＸーＸからみたものである。

【図２】図１に示したダイアフラム形圧力センサの平面
図である。

【符号の説明】

１ ｎ形Ｓｉ基板 ２ 凹部 ３ 凸部 ４ オキシナイトライド薄膜 ５ 正四角形のエッチング溝 ６ ダイアフラム １０ａ、１０ｂ 凸部に形成したピエゾ抵抗素子 ２０ａ、２０ｂ 凹部に形成したピエゾ抵抗素子 ３０ａ、３１ａ；４０ａ、４１ａ 電極

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】宙に浮いた構造の薄膜にピエゾ素子を形成
   して、前記薄膜の曲げの変化に応答するようにしたピエ
   ゾデバイスにおいて、前記薄膜に凹凸が形成され、その
   凹面、凸面またはそれらの両面にピエゾ素子が形成され
   てあり、前記薄膜の曲げに対して実効的な厚みが大きく
   なり、前記ピエゾ素子に大きな伸び縮みが生じるように
   構成したことを特徴とするピエゾデバイス。