JPH0843434A - 力学量センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 安価でかつ簡単な構造でありながら、高感度
であると同時に高温環境下での低オフセット電圧を達成
する力学量センサを提供することを目的とする。 【構成】 絶縁層を有する起歪体１と、絶縁層上に設け
た第１，第２の電極２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，３ａ，３
ｂ，３ｃ，３ｄを連接するようにプラズマ溶射により形
成された抵抗体４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを有することに
より、簡単な構造かつ安価であると同時に高性能な力学
量センサおよびその製造方法を提供できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマ溶射により形
成した抵抗体を用い、歪み量の変化を抵抗体の抵抗値変
化として検出する例えば、加速度センサ、圧力センサ等
の力学量センサおよびその製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、Ｓｉ単結晶のマイクロマシニング
技術を用いた加速度センサ、圧力センサ等の力学量セン
サが活発に研究開発されている。

【０００３】加速度センサの従来技術として、特開平１
−１６７６７４号公報に、ｎ型Ｓｉ基板の両面にＳｉＯ
₂膜を形成し、このＳｉＯ₂膜にホトリソグラフィにより
所定の窓を開けて、Ｂを拡散しｐ型拡散抵抗層を形成
し、さらにホトリソグラフィを用いて梁部、重錘を形成
するものが知られている。

【０００４】また、「第５４回応用物理学会学術講演会
講演予稿集Ｎｏ.２（（社）応用物理学会発刊、１９９
３年９月２７日発行）の第７４４頁２８ｐ−Ｚ−６（以
下、「応物予稿集」と記す。）」には、圧力センサとし
てｐ型単結晶Ｓｉ基板の表面に層間絶縁用のＳｉＯ₂膜
を形成し、このＳｉＯ₂膜の上に多結晶Ｓｉ層を堆積さ
せ、この多結晶ＳＴ層をレーザ再結晶化法により単結晶
化Ｓｉとした後、ホトリソグラフィによりパターン形成
し、所定の窓よりＢ注入を行いｐ型拡散抵抗層を形成
し、さらにｐ型単結晶Ｓｉ基板の裏面をホトリソグラフ
ィを用いてダイヤフラムを形成するものが開示されてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記した特開平１−１
６７６７４号公報に開示された加速度センサにおいて
は、半導体製造に必要な大型装置や複雑なプロセスを要
するばかりか、高温環境下でのｐｎ接合部のもれ電流に
よるオフセット電圧が大きくなるという課題を有してい
た。

【０００６】また、応物予稿集の圧力センサにおいて
は、ｐ型単結晶Ｓｉ基板の表面に層間絶縁用のＳｉＯ₂
膜が形成された、Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａ
ｔｏｒ（以下、「ＳＯＩ」と記す。）構造であるため、
もれ電流によるオフセット電圧が大きくなるといった課
題はないが、前記加速度センサよりさらに複雑なプロセ
スを要するという課題を有していた。

【０００７】本発明は上記従来の課題を解決するもの
で、プラズマ溶射技術を用いた極めて簡単な構造である
安価な力学量センサおよびその製造方法を提供すること
を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
本発明は、絶縁層を有する起歪体と、前記絶縁層上に設
けた第１，第２の電極と、前記第１，第２の電極と連接
するようにプラズマ溶射により形成された抵抗体とを備
え、前記抵抗体の抵抗値変化を歪み量の変化として検出
する検出手段とを有している。

【０００９】また、絶縁層を有する起歪体の絶縁層上に
第１，第２の電極を形成する工程と、前記第１，第２の
電極と連接するようにプラズマ溶射により抵抗体を形成
する工程と、前記抵抗体の抵抗値変化を歪み量の変化と
して検出する検出手段を設ける工程とを有している。

【００１０】また本発明は、金属体に絶縁層を形成する
工程と、前記絶縁層上に第１，第２の電極を形成する工
程と、前記第１，第２の電極を連接するようにプラズマ
溶射により半導体を主体となす抵抗体を形成する工程
と、前記抵抗体の抵抗値変化を歪み量の変化として検出
する検出手段を設ける工程とを有している。

【００１１】

【作用】この構成により、絶縁層を有する起歪体の絶縁
層上に第１，第２の電極が設けられ、前記第１，第２の
電極と連接するようにプラズマ溶射により絶縁層上へ直
接半導体を主体となす抵抗体が形成されているため、高
温環境下でのｐｎ接合部のもれ電流によるオフセット電
圧が大きくならない。

【００１２】また、プラズマ溶射による抵抗体形成であ
るため、半導体を主体となす抵抗体が大気中で形成可能
であるばかりか成膜速度が極めて速く、大幅な時間短縮
が可能となる。さらに、プラズマ溶射による抵抗体形成
であるため、その起歪体を冷間に保持可能であることか
ら、電極材料を含めて安価な様々な材料が使用できる。

【００１３】

【実施例】

（実施例１）以下、本発明の一実施例について図面を参
照しながら説明する。第１の実施例では、力学量センサ
として、加速度センサを例として説明する。図１は、本
発明の第１の実施例における加速度センサの主要構造を
示す上面図である。

【００１４】図１において、１はポリイミドからなる起
歪体、２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは起歪体１上にＮｉメッ
キにより形成された第１の電極、３ａ，３ｂ，３ｃ，３
ｄは起歪体１上にＮｉメッキにより形成された第２の電
極である。４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄはプラズマ溶射によ
り形成されたｐ型Ｓｉ層からなる抵抗体で、第１の電極
と第２の電極とに重なるように設けられている。５は第
１の電極の一端に接続するように設けたＶｃｃ供給端子
である。６ａ，６ｂは第２の電極の端部に設けた出力電
圧端子で、抵抗体４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの抵抗値変化
を歪み量の変化として検出する検出手段（図示せず）と
電気的に接続されている。７は第１の電極の他端に設け
たグランド端子である。

【００１５】図２は、図１のＡＡ断面図である。図２に
おいて、８は支持台である。起歪体１上の第１の電極２
ａと第２の電極３ａ、および第１の電極２ｃと第２の電
極３ｃとに重なるように設けた抵抗体４ａ，４ｃは、ｐ
型にドープされたＳｉ粒子を、所定のマスクと組み合わ
せて大気中直流プラズマ溶射にて形成する。この際、ｐ
型は、Ｂ（ボロン）をそれぞれ１０¹⁵〜１０²⁰ｃｍ^-3ド
ーピングし、粒径は０.１〜２００μｍのＳｉ粒子を用
い、作動ガスとして、アルゴンガスを６〜２０ ｌ／分
の流量とし、アーク電流は３００〜４４０Ａとして形成
する。

【００１６】第１の実施例において、抵抗体４ａ，４
ｂ，４ｃ，４ｄはｐ型にドープされたＳｉ粒子を用い所
定のマスクと組み合わせて大気中で直流プラズマ溶射に
て直接形成するので、従来の抵抗体を構成する際に、半
導体製造時に必要な大型装置や複雑なプロセスを用いず
に、安価な設備かつ極めて簡単なプロセスで、ＳＯＩ構
造と同様な効果が得られる。つまり、ポリイミドからな
る起歪体１（絶縁層）上へｐ型半導体からなる抵抗体４
ａ，４ｃが形成されているため、高温環境下でのｐｎ接
合部のもれ電流によるオフセット電圧が大きくなるとい
った課題が発生しない。

【００１７】また、プラズマ溶射による成膜であるた
め、冷間成膜が可能となり起歪体としてポリイミドのよ
うな有機物フィルムも使用できる。また、成膜速度が極
めて速く、大幅な時間短縮が可能となる。

【００１８】なお、第１の実施例において、起歪体１と
してポリイミドを用いたが、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ
₂、ＳｉＯ₂、ＺｒＯ₂、ＭｇＯ、ＢｅＯまたはガラス等
の絶縁性が確保できるものであれば広範な材料が使用で
きる。

【００１９】また、第１の実施例において、起歪体１上
に形成される抵抗体４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの形成方法
として、プラズマ溶射に直流方式を用いた例を説明した
が、高周波方式等様々なものが使用可能であり、作動ガ
スとしては、アルゴンガス単独以外にアルゴンガスとヘ
リウムガスの併用さらに水素ガス併用でも良い。成膜方
法として大気中成膜以外にも雰囲気制御しながら成膜す
ることも可能である。

【００２０】また、ｐ型にドープされたＳｉ粒子を用い
た抵抗体４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄに関して説明したが、
例えば、Ｂ₂Ｈ₆等のｐ型ドーパントガスに雰囲気制御し
ながらノンドープのＳｉ粒子をプラズマ溶射することも
可能である。同様に、例えば、Ｐ、Ｓｂ等のｎ型にドー
プされたＳｉ粒子、または例えば、ＰＨ₃等のｎ型ドー
パントガスに雰囲気制御しながらノンドープのＳｉ粒子
をプラズマ溶射することも可能である。これ以外にも、
ｐ型Ｇｅ、ｎ型Ｇｅ、ｐ型ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＧａＳ
ｂ、ＩｎＳｂ、ｐ型ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ｐ型
ＰｂＴｅ、ｎ型ＰｂＴｅ、ｐ型ＰｂＳｅ等さまざまなも
のが使用可能で同様の効果が得られる。

【００２１】また、第１の電極、第２の電極は、Ｎｉメ
ッキで形成したが、これに限定されるものではなく、Ｐ
ｄ−Ｎｉ、Ｐｄ−Ｃｒ等の材料で形成されても良い。

【００２２】また、第１の実施例においては、起歪体１
の片面に抵抗体４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを設け、フルブ
リッジ構成としたが、起歪体の一方の面に抵抗体を２素
子、他方の面に抵抗体を２素子ずつ形成する等、様々な
形態でも良い。

【００２３】（実施例２）以下、本発明の第２の実施例
について図面を参照しながら説明する。

【００２４】図３は、本発明の第２の実施例における力
学量センサである加速度センサを示す断面図である。こ
こで、実施例１の図１と同一部分については同一番号を
付している。図３において、８は支持台、９は両面に絶
縁層１０が設けられた金属板である。２ａ，２ｃ，３
ａ，３ｃは絶縁層１０上に形成された第１の電極、第２
の電極である。４ａ，４ｃは、第１の電極２ａと第２の
電極３ａおよび第１の電極２ｃと第２の電極３ｃと重な
り合うように設けた抵抗体で、プラズマ溶射により形成
されたｐ型Ｓｉ層から形成されている。

【００２５】金属板９はインバー（３５％Ｎｉ−Ｆｅ）
を用い、この金属板９の両面に第１の実施例と同様に大
気中直流プラズマ溶射にてＡｌ₂Ｏ₃からなる絶縁層１０
を形成する。この絶縁層１０の粒径は１〜２００μｍの
Ａｌ₂Ｏ₃粒子を用い、作動ガスとして、アルゴンガスと
ヘリウムガスを併用し、各１０ ｌ／分の流量とし、ア
ーク電流は４００〜５００Ａとする。大気中プラズマ溶
射にて絶縁層１０を形成することにより、安価な設備か
つ極めて簡単なプロセスでありながら、任意の個所に冷
間で直接かつ高速形成が可能である。

【００２６】第２の実施例では、絶縁層１０としてＡｌ
₂Ｏ₃をプラズマ溶射で形成したが、この他にもＴｉ
Ｏ₂、ＳｉＯ₂、ＺｒＯ₂、ＭｇＯ、ガラス等様々な材料
でも良い。また、金属板９としてインバーを用いたが、
スーパーインバー（３２％Ｎｉ−４％Ｃｏ−Ｆｅ）、ス
テンレス等様々な材料でも良い。また、絶縁層１０の形
成方法は、金属板９上にＴｉＯ₂、ＳｉＯ₂、ＺｒＯ₂、
ＭｇＯ、ガラス等様々な材料を印刷焼成により形成して
も良い。

【００２７】第１の電極、第２の電極２ａ，２ｃ，３
ａ，３ｃは、Ａｌ粒子を用い、第１の実施例と同様に所
定のマスクと組み合わせて大気中直流プラズマ溶射にて
形成する。粒径は、０．１〜３０μｍのＡｌ粒子を用
い、作動ガスとしてアルゴンガスを１０ ｌ／分の流量
とし、アーク電流は３５０〜４２０Ａとする。

【００２８】第２の実施例のように、第１，第２の電極
２ａ，２ｃ，３ａ，３ｃ形成をプラズマ溶射で行うと、
ダイレクト成膜（ホトリソグラフィ工程不要）が可能と
なるばかりか、冷間かつ極めて高速な成膜が可能とな
る。

【００２９】また、第２の実施例においては、第１，第
２の電極２ａ，２ｃ，３ａ，３ｃとしてＡｌを用いた
が、この他にも少なくともＮｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｐ
ｄ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ−Ａｇ、Ｔｉ−Ｐｄ−Ａｇ、
Ｔｉ−Ｎｉ−Ｃｕ、Ｐｄ−Ｎｉ、Ｐｄ−Ｃｒ、Ｐｄ−Ｎ
ｉ−Ｃｕ、Ｐｄ−Ｃｒ−Ｃｕ、Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｎ、Ａｌ
−Ａｇ等のいずれか１つでも良い。

【００３０】金属板（インバー）９の両面にＡｌ₂Ｏ₃か
らなる絶縁層１０を設けた構成の場合は、第１，第２の
電極形成として印刷焼成しても良い。

【００３１】また、ｐ型にドープされたＳｉ層からなる
抵抗体４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを実用温度領域において
正の抵抗温度係数（ＴＣＲ）を持つ場合は、抵抗体層内
に導電性酸化物、絶縁物または添加物の混合層を適宜加
えることによりＴＣＲを小さくすることも可能である。
導電性酸化物としては、ＲｕＯ₂、ＩｒＯ₂、Ｐｂ₂Ｒｕ₂
Ｏ₆またはＢｉ₂Ｒｕ₂Ｏ₇等が使用可能である。絶縁物と
しては、ＰｂＯ−ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃系またはＰｂＯ−Ｓ
ｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ａｌ₂Ｏ₃系等が使用可能である。また
添加物としては、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｓｂ、Ｔａ、
Ｃｕ、Ｃｏ等を適宜使用すればよい。また、抵抗体とし
て例えばＩｎＳｂのように実用温度領域において、負の
ＴＣＲを持つ場合も上記導電性酸化物、絶縁物または添
加物の混合層を適宜加えることによりＴＣＲを小さくす
ることも可能である。

【００３２】第２の実施例では、支持台８と絶縁層１０
とが別体の例に関して説明したが、プラズマ溶射により
絶縁層１０を形成する際に、所定のマスクと組み合わせ
て実施することにより支持台８と絶縁層１０とを一体か
つ極めて短時間に作成することが可能となる。同様に図
３の下側の絶縁層１０を省略し、支持台８を金属板９の
上にプラズマ溶射を用い所定のマスクと組み合わせて直
接形成することも可能である。これらは、加速度センサ
以外にも圧力センサ他様々な力学量センサの低コスト化
に極めて有効である。

【００３３】

【発明の効果】以上のように、本発明は絶縁層を有する
起歪体の絶縁層上に電極が設けられ、電極を連接するよ
うにプラズマ溶射により半導体を主体となす抵抗体が形
成されているため、従来の半導体製造に必要な大型かつ
高価な装置や複雑なプロセスを使用せずに、いわゆるＳ
ＯＩ構造と同様な効果を有する力学量センサが提供でき
る。

【００３４】また、絶縁層上へ直接半導体を主体となす
抵抗体が形成されているため、高温環境下でのｐｎ接合
部のもれ電流によるオフセット電圧が大きくならない力
学量センサが提供できる。

【００３５】さらに、起歪体を冷間に保持しながら大気
中で抵抗体を極めて高速に成膜可能であり、電極材料を
含め安価な様々な材料が使用できることから、極めて簡
単な構造かつ安価でありながら高性能な力学量センサお
よびその製造方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における加速度センサの
上面図

【図２】同Ａ−Ａ断面図

【図３】本発明の第２の実施例における加速度センサの
断面図

【符号の説明】

１ 起歪体 ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ 第１の電極 ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ 第２の電極 ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ 抵抗体 ９ 金属板 １０ 絶縁層

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁層を有する起歪体と、前記絶縁層上
   に設けた第１，第２の電極と、前記第１，第２の電極と
   連接するようにプラズマ溶射により形成された少なくと
   も半導体を含有する抵抗体とを備え、前記抵抗体の抵抗
   値変化を歪み量の変化として検出する検出手段とからな
   る力学量センサ。
2. 【請求項２】 少なくとも第１，第２の電極の一方は、
   プラズマ溶射により形成された請求項１記載の力学量セ
   ンサ。
3. 【請求項３】 起歪体は、少なくとも金属板の一表面に
   絶縁層を備えた請求項１記載の力学量センサ。
4. 【請求項４】 少なくとも金属板の一表面に設けられた
   絶縁層は、プラズマ溶射により形成された請求項３記載
   の力学量センサ。
5. 【請求項５】 抵抗体は、半導体、導電性酸化物、絶縁
   物または添加物の混合層のいずれかからなる請求項１記
   載の力学量センサ。
6. 【請求項６】 半導体を含有する抵抗体は、少なくとも
   ｐ型Ｓｉ、ｎ型Ｓｉ、ｐ型Ｇｅ、ｎ型Ｇｅ、ｐ型Ｓｉ
   Ｃ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ｐ型ＩｎＳｂ、Ｉ
   ｎＡｓ、ＩｎＰ、ｐ型ＰｂＴｅ、ｎ型ＰｂＴｅまたはｐ
   型ＰｂＳｅのいずれか１つからなる請求項１または請求
   項５記載の力学量センサ。
7. 【請求項７】 導電性酸化物からなる抵抗体は、少なく
   ともＲｕＯ₂、ＩｒＯ₂、Ｐｂ₂Ｒｕ₂Ｏ₆またはＢｉ₂Ｒｕ
   ₂Ｏ₇のいずれか１つからなる請求項５記載の力学量セン
   サ。
8. 【請求項８】 絶縁物からなる抵抗体は、ＰｂＯ−Ｓｉ
   Ｏ₂−Ｂ₂Ｏ₃系またはＰｂＯ−ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ａｌ₂
   Ｏ₃系のいずれかからなる請求項５記載の力学量セン
   サ。
9. 【請求項９】 添加物の混合層からなる抵抗体絶縁物
   は、少なくともＴｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｓｂ、Ｔａ、Ｃ
   ｕ、Ｃｏのいずれか１つからなる請求項５記載の力学量
   センサ。
10. 【請求項１０】 第１，第２の電極は、少なくともＮ
    ｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｐｂ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、
    Ｔｉ−Ａｇ、Ｔｉ−Ｐｄ−Ａｇ、Ｔｉ−Ｎｉ−Ｃｕ、Ｐ
    ｄ−Ｎｉ、Ｐｄ−Ｃｒ、Ｐｄ−Ｎｉ−Ｃｕ、Ｐｄ−Ｃｒ
    −Ｃｕ、Ａｇ−Ｃｕ−ＳｎまたはＡｌ−Ａｇのいずれか
    １つからなる請求項１または請求項２記載の力学量セン
    サ。
11. 【請求項１１】 絶縁層は、少なくともＡｌ₂Ｏ₃、Ｔｉ
    Ｏ₂、ＳｉＯ₂、ＺｒＯ ₂、ＭｇＯ、ＢｅＯまたはガラス
    の１つからなる請求項３または請求項４記載の力学量セ
    ンサ。
12. 【請求項１２】 絶縁層を有する起歪体の前記絶縁層上
    に第１，第２の電極を形成する工程と、前記第１，第２
    の電極と連接するようにプラズマ溶射により抵抗体を形
    成する工程と、歪み量の変化を前記抵抗体の抵抗値変化
    として検出する電気的手段を形成する工程とからなる力
    学量センサの製造方法。
13. 【請求項１３】 金属体に絶縁層を形成する工程と、前
    記絶縁層上に第１，第２の電極を形成する工程と、前記
    第１，第２の電極を連接するようにプラズマ溶射により
    半導体を主体となす抵抗体を形成する工程と、歪み量の
    変化を前記抵抗体の抵抗値変化として検出する電気的手
    段を設ける工程とからなる力学量センサの製造方法。