JPH08297140A - 加速度センサ - Google Patents
加速度センサInfo
- Publication number
- JPH08297140A JPH08297140A JP10337095A JP10337095A JPH08297140A JP H08297140 A JPH08297140 A JP H08297140A JP 10337095 A JP10337095 A JP 10337095A JP 10337095 A JP10337095 A JP 10337095A JP H08297140 A JPH08297140 A JP H08297140A
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- Japan
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- acceleration
- cantilever
- optical waveguide
- acceleration sensor
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 超小型でかつ高精度な加速度センサを提供す
る。 【構成】 シリコンウェハ１上に、シリコンまたは酸化
シリコン膜からなるカンチレバー３を形成すると共に、
このカンチレバー３上に光導波路５を形成し、印加され
た加速度による、光導波路５構成材料の屈折率の変化を
捉えて加速度を検出する。 【効果】 長い光導波路を必要としないため、小型化が
図れる。また、高温環境下でも精度の高い加速度測定が
可能である。
る。 【構成】 シリコンウェハ１上に、シリコンまたは酸化
シリコン膜からなるカンチレバー３を形成すると共に、
このカンチレバー３上に光導波路５を形成し、印加され
た加速度による、光導波路５構成材料の屈折率の変化を
捉えて加速度を検出する。 【効果】 長い光導波路を必要としないため、小型化が
図れる。また、高温環境下でも精度の高い加速度測定が
可能である。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、加速度センサに関する
ものである。
ものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の半導体式加速度センサは、シリコ
ンウェハ上に半導体微細加工技術を用い、厚みの小さい
領域を作成して、この部分が加速度によりたわむ、いわ
ゆるカンチレバーを構成し、このカンチレバーがたわむ
ことにより、カンチレバーの根元に形成したピエゾ抵抗
体の抵抗値の変化量により加速度を検出していた。ま
た、加速度によるたわみ変化量を大きくするため、カン
チレバー上にシリコンからなるおもりを形成していた。
この加速度を検出する抵抗体として、一般的には、シリ
コンピエゾ抵抗体が使われており、この抵抗体はシリコ
ンウェハ上に拡散抵抗領域を形成したり、または、イオ
ン注入により抵抗領域を設けることによって形成されて
いた。また、これらの抵抗体を、カンチレバー上に２個
形成し、カンチレバー以外のシリコンウェハ上の領域に
２個形成し、全体で４個の抵抗体からなるブリッジ回路
を構成して加速度を検出するのが一般的であった。
ンウェハ上に半導体微細加工技術を用い、厚みの小さい
領域を作成して、この部分が加速度によりたわむ、いわ
ゆるカンチレバーを構成し、このカンチレバーがたわむ
ことにより、カンチレバーの根元に形成したピエゾ抵抗
体の抵抗値の変化量により加速度を検出していた。ま
た、加速度によるたわみ変化量を大きくするため、カン
チレバー上にシリコンからなるおもりを形成していた。
この加速度を検出する抵抗体として、一般的には、シリ
コンピエゾ抵抗体が使われており、この抵抗体はシリコ
ンウェハ上に拡散抵抗領域を形成したり、または、イオ
ン注入により抵抗領域を設けることによって形成されて
いた。また、これらの抵抗体を、カンチレバー上に２個
形成し、カンチレバー以外のシリコンウェハ上の領域に
２個形成し、全体で４個の抵抗体からなるブリッジ回路
を構成して加速度を検出するのが一般的であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
たように、これらの抵抗体は、ベースのシリコンに対し
て、熱拡散による不純物拡散法またはイオン注入法によ
り不純物を導入し、抵抗領域の不純物濃度を制御し抵抗
値を制御しているため、正確な抵抗値制御が困難である
という問題点があり、通常は外部に補償抵抗体を形成
し、ブリッジ回路の抵抗値を揃える必要があった。ま
た、上記の手法により形成された抵抗体は、当然、カン
チレバーと同一のシリコンウェハ上に形成されているた
め、通常、 150℃以上の温度になると抵抗体のｐｎ接合
部で電流リークが発生し、正確な加速度が検出できなく
なる等の問題があった。さらに、高温度領域においても
加速度を検出できる方法として、酸化シリコン膜上に多
結晶シリコンを形成し、それをピエゾ抵抗体とした加速
度センサも考案されているが、多結晶シリコンは粒界が
成長しやすいため、形成した抵抗値のバラツキが大きく
なり、ブリッジ回路の抵抗バランスがとりにくいといっ
た問題があった。
たように、これらの抵抗体は、ベースのシリコンに対し
て、熱拡散による不純物拡散法またはイオン注入法によ
り不純物を導入し、抵抗領域の不純物濃度を制御し抵抗
値を制御しているため、正確な抵抗値制御が困難である
という問題点があり、通常は外部に補償抵抗体を形成
し、ブリッジ回路の抵抗値を揃える必要があった。ま
た、上記の手法により形成された抵抗体は、当然、カン
チレバーと同一のシリコンウェハ上に形成されているた
め、通常、 150℃以上の温度になると抵抗体のｐｎ接合
部で電流リークが発生し、正確な加速度が検出できなく
なる等の問題があった。さらに、高温度領域においても
加速度を検出できる方法として、酸化シリコン膜上に多
結晶シリコンを形成し、それをピエゾ抵抗体とした加速
度センサも考案されているが、多結晶シリコンは粒界が
成長しやすいため、形成した抵抗値のバラツキが大きく
なり、ブリッジ回路の抵抗バランスがとりにくいといっ
た問題があった。
【０００４】一方、光を応用したセンサとして従来から
圧力センサが考案されており、これは、基板として酸化
リチウムニオブ単結晶板を用い、単結晶表面に非対象Ｘ
分岐の光導波路を形成し、マイケルソン干渉計を構成
し、この干渉計の一方の光導波路に圧力を加えることに
より、光導波路中を伝播する光の位相変化を検知し圧力
を検出するというものであった（参考文献:2nd OEC'88
58(1988)) 。この光を応用した圧力センサと同様な方式
により加速度センサも考案されていたが、これらの方式
では光の干渉を利用しているため、非常に長い光導波路
が必要であった（参考文献:Japanese Journal of Appli
ed Physics vol.28,P.287(1989) ）。一例として圧力セ
ンサにおいては、光導波路長は約30mmとなった。このた
め、全体の素子寸法（長さ）は、約50mmとなり、かなり
大きなものとなっていた。さらに、このためには、大き
な酸化リチウムニオブ単結晶が必要となり実用的ではな
いという問題点があった。
圧力センサが考案されており、これは、基板として酸化
リチウムニオブ単結晶板を用い、単結晶表面に非対象Ｘ
分岐の光導波路を形成し、マイケルソン干渉計を構成
し、この干渉計の一方の光導波路に圧力を加えることに
より、光導波路中を伝播する光の位相変化を検知し圧力
を検出するというものであった（参考文献:2nd OEC'88
58(1988)) 。この光を応用した圧力センサと同様な方式
により加速度センサも考案されていたが、これらの方式
では光の干渉を利用しているため、非常に長い光導波路
が必要であった（参考文献:Japanese Journal of Appli
ed Physics vol.28,P.287(1989) ）。一例として圧力セ
ンサにおいては、光導波路長は約30mmとなった。このた
め、全体の素子寸法（長さ）は、約50mmとなり、かなり
大きなものとなっていた。さらに、このためには、大き
な酸化リチウムニオブ単結晶が必要となり実用的ではな
いという問題点があった。
【０００５】本発明は、上記問題点に鑑みなされたもの
で、その目的とするところは、超小型でかつ高精度な加
速度センサの構造を提供することにある。
で、その目的とするところは、超小型でかつ高精度な加
速度センサの構造を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の加速度センサは、シリコンウェハ上
に、シリコンまたは酸化シリコン膜からなるカンチレバ
ーを形成すると共に、このカンチレバー上に光導波路を
形成し、印加された加速度による前記光導波路を構成す
る材料の屈折率の変化を捉えて加速度を検出することを
特徴とするものである。
め、請求項１記載の加速度センサは、シリコンウェハ上
に、シリコンまたは酸化シリコン膜からなるカンチレバ
ーを形成すると共に、このカンチレバー上に光導波路を
形成し、印加された加速度による前記光導波路を構成す
る材料の屈折率の変化を捉えて加速度を検出することを
特徴とするものである。
【０００７】請求項２記載の加速度センサは、請求項１
記載の加速度センサで、前記光導波路が、ペロブスカイ
ト構造強誘電体である、チタン酸鉛または酸化リチウム
ニオブまたは酸化リチウムタンタルの薄膜で構成されて
いることを特徴とするものである。
記載の加速度センサで、前記光導波路が、ペロブスカイ
ト構造強誘電体である、チタン酸鉛または酸化リチウム
ニオブまたは酸化リチウムタンタルの薄膜で構成されて
いることを特徴とするものである。
【０００８】請求項３記載の加速度センサは、請求項１
または請求項２記載の加速度センサで、前記光導波路の
近傍に、外部より電圧を印加して前記光導波路を構成す
る材料の屈折率を変化させるための電極が形成されてい
ることを特徴とするものである。
または請求項２記載の加速度センサで、前記光導波路の
近傍に、外部より電圧を印加して前記光導波路を構成す
る材料の屈折率を変化させるための電極が形成されてい
ることを特徴とするものである。
【０００９】
【作用】請求項１乃至請求項３記載の加速度センサは、
かかる従来技術の欠点をなくするため、加速度によるカ
ンチレバーの変形を、そのカンチレバー上に形成した、
強誘電体で構成される光導波路の屈折率の変化として検
知することにより加速度を検出しようとするものであ
る。つまり、光導波路の一端に光を入射させておき、他
端に出力される光出力の変化を捉えることにより、加速
度を測定することができる。この場合、光出力を大きく
変化させることができるので、ピエゾ抵抗体を用いた場
合に必要とされるブリッジ回路等が不要である。また、
光を利用していることにより外部からのノイズ等に影響
を受けることがない。
かかる従来技術の欠点をなくするため、加速度によるカ
ンチレバーの変形を、そのカンチレバー上に形成した、
強誘電体で構成される光導波路の屈折率の変化として検
知することにより加速度を検出しようとするものであ
る。つまり、光導波路の一端に光を入射させておき、他
端に出力される光出力の変化を捉えることにより、加速
度を測定することができる。この場合、光出力を大きく
変化させることができるので、ピエゾ抵抗体を用いた場
合に必要とされるブリッジ回路等が不要である。また、
光を利用していることにより外部からのノイズ等に影響
を受けることがない。
【００１０】さらに、請求項３記載の加速度センサは、
請求項１または請求項２記載の加速度センサで、強誘電
体の電気光学効果を利用して、光導波路を構成する材料
の屈折率を強制的に変化させることができるように構成
したものである。具体的には、光導波路の近傍に一対の
電極を形成し、その電極に外部から電圧を印加すること
により光導波路を構成する材料の屈折率を強制的に変化
させることができるように構成しておけばよい。このよ
うに構成し、電極に電圧を印加することによって、カン
チレバーに加速度が加わった時と同じ状態を強制的に作
りだすことができるため、加速度センサ素子の自己診断
が可能となる。
請求項１または請求項２記載の加速度センサで、強誘電
体の電気光学効果を利用して、光導波路を構成する材料
の屈折率を強制的に変化させることができるように構成
したものである。具体的には、光導波路の近傍に一対の
電極を形成し、その電極に外部から電圧を印加すること
により光導波路を構成する材料の屈折率を強制的に変化
させることができるように構成しておけばよい。このよ
うに構成し、電極に電圧を印加することによって、カン
チレバーに加速度が加わった時と同じ状態を強制的に作
りだすことができるため、加速度センサ素子の自己診断
が可能となる。
【００１１】
【実施例】図１の平面図に基づいて本発明の加速度セン
サの一実施例について説明する。図で、１はシリコンウ
ェハ、２はシリコンウェハ１上に形成された酸化シリコ
ン膜、３はシリコン（酸化シリコン膜を含む）で構成さ
れたカンチレバー、４はカンチレバー３の所定部分を周
囲の部分から切り離して片持ち梁構造に形成するために
形成した堀り込み部、５は片持ち梁構造のカンチレバー
３の根元付近の酸化シリコン膜２上に形成された光導波
路である。光導波路５は、図１に示す実施例の場合、カ
ンチレバー３の根元付近で、カンチレバー３側と、カン
チレバー３を支持する基板側を数回往復するように屈曲
した形状に形成されている。また、６は光導波路５上に
形成された電極（上部電極）、７は上部電極６に接続さ
れた配線である。但し、光導波路５の下部には上部電極
６に対応した電極（下部電極８）が形成されているが、
図１では図示を省略することとする。また、配線９は下
部電極に接続された配線である。図１では、主要構成を
示すこととし、詳細構造は図示を省略している（光導波
路５の端部及びその端部に接続される構成も図示省
略）。
サの一実施例について説明する。図で、１はシリコンウ
ェハ、２はシリコンウェハ１上に形成された酸化シリコ
ン膜、３はシリコン（酸化シリコン膜を含む）で構成さ
れたカンチレバー、４はカンチレバー３の所定部分を周
囲の部分から切り離して片持ち梁構造に形成するために
形成した堀り込み部、５は片持ち梁構造のカンチレバー
３の根元付近の酸化シリコン膜２上に形成された光導波
路である。光導波路５は、図１に示す実施例の場合、カ
ンチレバー３の根元付近で、カンチレバー３側と、カン
チレバー３を支持する基板側を数回往復するように屈曲
した形状に形成されている。また、６は光導波路５上に
形成された電極（上部電極）、７は上部電極６に接続さ
れた配線である。但し、光導波路５の下部には上部電極
６に対応した電極（下部電極８）が形成されているが、
図１では図示を省略することとする。また、配線９は下
部電極に接続された配線である。図１では、主要構成を
示すこととし、詳細構造は図示を省略している（光導波
路５の端部及びその端部に接続される構成も図示省
略）。
【００１２】次に、図２に基づいて図１に示した加速度
センサの製造方法の一実施例について説明する。まず、
（ａ）に示すように、シリコンウェハ１上にアルミニウ
ム膜を1000Å成膜し、フォトリソグラフィによりパター
ニングして下部電極８を形成する。次に、（ｂ）に示す
ように、下部電極８による光の散乱を防止するための酸
化タンタル（Ta2O5 ）膜１０を下部電極８上にスパッタ
法により形成する。
センサの製造方法の一実施例について説明する。まず、
（ａ）に示すように、シリコンウェハ１上にアルミニウ
ム膜を1000Å成膜し、フォトリソグラフィによりパター
ニングして下部電極８を形成する。次に、（ｂ）に示す
ように、下部電極８による光の散乱を防止するための酸
化タンタル（Ta2O5 ）膜１０を下部電極８上にスパッタ
法により形成する。
【００１３】次に、（ｃ）に示すように、シリコンウェ
ハ１とそのシリコンウェハ１上に形成する光導波路間の
バッファ層となる酸化マグネシウム膜１１を 500Å形成
し、さらに、光導波路となるチタン酸鉛薄膜（(Pb,La)T
iO3)）を 0.5μm 形成し、フォトリソグラフィにより、
図１に示したような、下部電極８を跨ぎ屈曲した形状に
パターニングして、光導波路５を形成する。光導波路５
を構成する材料としては、チタン酸鉛に限定されず、ペ
ロブスカイト構造強誘電体である、酸化リチウムニオブ
または酸化リチウムタンタル等を用いて構成してもよ
い。
ハ１とそのシリコンウェハ１上に形成する光導波路間の
バッファ層となる酸化マグネシウム膜１１を 500Å形成
し、さらに、光導波路となるチタン酸鉛薄膜（(Pb,La)T
iO3)）を 0.5μm 形成し、フォトリソグラフィにより、
図１に示したような、下部電極８を跨ぎ屈曲した形状に
パターニングして、光導波路５を形成する。光導波路５
を構成する材料としては、チタン酸鉛に限定されず、ペ
ロブスカイト構造強誘電体である、酸化リチウムニオブ
または酸化リチウムタンタル等を用いて構成してもよ
い。
【００１４】さらに、（ｄ）に示すように、光導波路５
上に酸化タンタル膜１２、さらにその上にアルミニウム
膜を形成し、アルミニウム膜をパターニングして、下部
電極８に対応した上部電極６を形成する。
上に酸化タンタル膜１２、さらにその上にアルミニウム
膜を形成し、アルミニウム膜をパターニングして、下部
電極８に対応した上部電極６を形成する。
【００１５】次に、（ｅ）に示すように、シリコンウェ
ハ１の両面に酸化シリコン膜１３を形成する。その後、
シリコンウェハ１の裏面の酸化シリコン膜１３をパター
ニングして、カンチレバー３の根元にあたる部分及び堀
り込み部４を形成する部分の、酸化シリコン膜１３を除
去する。
ハ１の両面に酸化シリコン膜１３を形成する。その後、
シリコンウェハ１の裏面の酸化シリコン膜１３をパター
ニングして、カンチレバー３の根元にあたる部分及び堀
り込み部４を形成する部分の、酸化シリコン膜１３を除
去する。
【００１６】さらに、（ｆ）に示すように、水酸化カリ
ウム溶液により、シリコンウェハ１の裏面から、露出し
たシリコンを異方性エッチングにより局所的に除去し、
カンチレバー３の根元のシリコンを所望の厚さにする。
その後、シリコンウエハ１の表面側で、堀り込み部４を
形成する箇所の酸化シリコン膜１３をパターニングによ
り除去した後、露出した部分のシリコンをドライエッチ
ングにより除去して、カンチレバー３の根元部分以外の
部分で、カンチレバー３を周囲のシリコンウェハ１の部
分より切り離す。これにより、カンチレバー３は、おも
り部１４を備えた片持ち梁状に形成される。
ウム溶液により、シリコンウェハ１の裏面から、露出し
たシリコンを異方性エッチングにより局所的に除去し、
カンチレバー３の根元のシリコンを所望の厚さにする。
その後、シリコンウエハ１の表面側で、堀り込み部４を
形成する箇所の酸化シリコン膜１３をパターニングによ
り除去した後、露出した部分のシリコンをドライエッチ
ングにより除去して、カンチレバー３の根元部分以外の
部分で、カンチレバー３を周囲のシリコンウェハ１の部
分より切り離す。これにより、カンチレバー３は、おも
り部１４を備えた片持ち梁状に形成される。
【００１７】以上のようにして形成された加速度センサ
の光導波路５の一端に、波長 0.633μm のHe-Ne レーザ
ー光をGaP プリズムを用いて入射し、光導波路５の他端
で出力光をフォトディテクターで受光するように構成し
ておき、加速度 50Gを印加したところ、フォトディテク
ターで受光した光強度が 30%変化した。また、上部電極
６及び下部電極８間に 2kV/mm の電圧を印加したとこ
ろ、光強度が 20%変化した。このようにして、本発明に
よる加速度センサは加速度を検知することができる。ま
た、上部電極６及び下部電極８のような電極を形成しそ
の電極に電圧を印加することによって、電気的に自己診
断が可能である。
の光導波路５の一端に、波長 0.633μm のHe-Ne レーザ
ー光をGaP プリズムを用いて入射し、光導波路５の他端
で出力光をフォトディテクターで受光するように構成し
ておき、加速度 50Gを印加したところ、フォトディテク
ターで受光した光強度が 30%変化した。また、上部電極
６及び下部電極８間に 2kV/mm の電圧を印加したとこ
ろ、光強度が 20%変化した。このようにして、本発明に
よる加速度センサは加速度を検知することができる。ま
た、上部電極６及び下部電極８のような電極を形成しそ
の電極に電圧を印加することによって、電気的に自己診
断が可能である。
【００１８】なお、上記実施例においては、シリコンを
カンチレバー及びおもりの構成材料として用いている
が、シリコン上に酸化シリコン膜を形成し、その膜でカ
ンチレバーを形成することも可能である。また、その際
には、おもりとして酸化シリコン膜上に金属層を形成し
加速度センサとすればよい。さらに、カンチレバー及び
光導波路及び電極の形状は実施例に限定されない。
カンチレバー及びおもりの構成材料として用いている
が、シリコン上に酸化シリコン膜を形成し、その膜でカ
ンチレバーを形成することも可能である。また、その際
には、おもりとして酸化シリコン膜上に金属層を形成し
加速度センサとすればよい。さらに、カンチレバー及び
光導波路及び電極の形状は実施例に限定されない。
【００１９】
【発明の効果】以上の通り、請求項１乃至請求項３記載
の加速度センサによれば、カンチレバー上に形成した光
導波路材料の屈折率の変化を捉えて加速度を検知するよ
うに構成したので、超小型でかつ加工が容易で、さらに
高精度な加速度センサを実現することができる。
の加速度センサによれば、カンチレバー上に形成した光
導波路材料の屈折率の変化を捉えて加速度を検知するよ
うに構成したので、超小型でかつ加工が容易で、さらに
高精度な加速度センサを実現することができる。
【００２０】請求項３記載の加速度センサによれば、光
導波路の近傍に、外部より電圧を印加して光導波路を構
成する材料の屈折率を変化させるための電極を形成した
ので、その電極に電圧を印加することによって電気的に
加速度センサの自己診断が可能である。
導波路の近傍に、外部より電圧を印加して光導波路を構
成する材料の屈折率を変化させるための電極を形成した
ので、その電極に電圧を印加することによって電気的に
加速度センサの自己診断が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加速度センサの一実施例を示す平面図
である。
である。
【図２】本発明の加速度センサの製造方法の一実施例を
示す断面図である。
示す断面図である。
１ シリコンウェハ ３ カンチレバー ５ 光導波路 ６ 上部電極（電極） ８ 下部電極（電極）
Claims (3)
- 【請求項１】 シリコンウェハ上に、シリコンまたは酸
化シリコン膜からなるカンチレバーを形成すると共に、
このカンチレバー上に光導波路を形成し、印加された加
速度による前記光導波路を構成する材料の屈折率の変化
を捉えて加速度を検出することを特徴とする加速度セン
サ。 - 【請求項２】 前記光導波路が、ペロブスカイト構造強
誘電体である、チタン酸鉛または酸化リチウムニオブま
たは酸化リチウムタンタルの薄膜で構成されていること
を特徴とする請求項１記載の加速度センサ。 - 【請求項３】 前記光導波路の近傍に、外部より電圧を
印加して前記光導波路を構成する材料の屈折率を変化さ
せるための電極が形成されていることを特徴とする請求
項１または請求項２記載の加速度センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10337095A JPH08297140A (ja) | 1995-04-27 | 1995-04-27 | 加速度センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10337095A JPH08297140A (ja) | 1995-04-27 | 1995-04-27 | 加速度センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08297140A true JPH08297140A (ja) | 1996-11-12 |
Family
ID=14352230
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10337095A Withdrawn JPH08297140A (ja) | 1995-04-27 | 1995-04-27 | 加速度センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08297140A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101871950A (zh) * | 2010-06-21 | 2010-10-27 | 中北大学 | 基于集成输入输出端的光学谐振腔微加速度计 |
| JP2015219294A (ja) * | 2014-05-15 | 2015-12-07 | 日本電信電話株式会社 | 光変調装置 |
-
1995
- 1995-04-27 JP JP10337095A patent/JPH08297140A/ja not_active Withdrawn
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101871950A (zh) * | 2010-06-21 | 2010-10-27 | 中北大学 | 基于集成输入输出端的光学谐振腔微加速度计 |
| JP2015219294A (ja) * | 2014-05-15 | 2015-12-07 | 日本電信電話株式会社 | 光変調装置 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20020702 |