JPH1022509A - センサ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 作製後にセンサ特性のばらつきを補正するこ
とができる，ダイナミックレンジが広いセンサ装置を提
供する。 【構成】 センサ装置は上面にｎ層12が形成されたｐ型
シリコン基板10から作製される。ｎ層12の中央はダイア
フラム部14となっている。ダイアフラム部14の各辺には
ピエゾ抵抗素子20が設けられる。ｎ層12の上面に絶縁膜
22が形成される。絶縁膜22上のダイアフラム部14に対応
する位置にＰｔ層24が設けられる。Ｐｔ層24の上には応
力発生層（圧電，電歪材料等）26が設けられる。応力発
生層26の上面には一組の櫛歯状電極28が互いに噛み合う
ようにして形成される。ダイアフラム部14は圧力に応じ
て変位する。ダイアフラム部14の伸縮に応じてピエゾ抵
抗素子20の抵抗値が変化し，これに基づいて圧力が計測
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】この発明は，圧力，加速度，角加速度，流
速，湿度，温度等の物理量を検出するセンサ装置に関す
る。

【０００２】

【背景技術】物理量を検出するセンサ装置の例として，
一般にピエゾ抵抗（歪み検出素子）型センサと静電容量
型センサが知られている。ピエゾ抵抗型センサは，歪み
に応じて抵抗値が変化するピエゾ抵抗素子を可動部（片
持ち梁，両持ち梁，ダイアフラム等）に形成し，この抵
抗値の変化から外力の大きさを計測する。静電容量型セ
ンサでは可動部上に可動電極を形成し，これに対向する
位置に固定電極を設け，電極間の静電容量の変化から外
力を計測するものである。

【０００３】センサ装置の特性は，可動部の剛性や内部
応力等の機械特性によって決定される。従来のセンサ装
置においては，これらの機械特性をセンサ作製後に変更
することができなかったため，つぎのような問題があっ
た。 (1) センサ特性（感度，オフセット値，直線性等）のば
らつきを補正することができない。 (2) 外力に対するセンサ感度域（ダイナミックレンジ）
が狭い。

【０００４】

【発明の開示】この発明は，センサを作製した後にセン
サ特性のばらつきを補正することができる，ダイナミッ
クレンジが広いセンサ装置を提供することを目的とす
る。

【０００５】この発明は，フレーム部，このフレーム部
に支持され，外部から与えられる物理量に応じて変位す
る，または歪みを生じる可動部，およびこの可動部の変
位または歪みを検出する素子を備えたセンサ装置におい
て，上記可動部の少なくとも一部に応力発生層が設けら
れていることを特徴とする。

【０００６】応力発生層は圧電材料，電歪材料，磁歪材
料または形状記憶材料によって形成される。

【０００７】応力発生層を形成する材料の種類に応じた
駆動装置が設けられる。

【０００８】駆動装置の例としては応力発生層を挟む一
対の駆動電極，応力発生層上に設けられた櫛歯状電極等
がある。

【０００９】可動部の変位または歪みを検出する素子の
例としては，可動部に設けられたピエゾ抵抗素子があ
る。ピエゾ抵抗型センサ装置であり，ピエゾ抵抗素子の
抵抗値の変化に基づいて物理量が測定される。

【００１０】静電容量型センサ装置においては，可動部
に可動電極が設けられ，この可動電極に対向する位置に
固定電極が設けられる。可動電極と固定電極との間の静
電容量に基づいて物理量が測定される。

【００１１】検出素子の他の例として応力発生層上に設
けられた櫛歯状電極を挙げることができる。

【００１２】この発明によると，可動部に応力発生層を
設け，この応力発生層に所望の内部応力を発生させて可
動部の剛性を調整している。したがって，センサの作製
後にセンサ特性を調整することができる。また，ダイナ
ミック・レンジを広くすることも可能である。

【００１３】たとえば，可動部に外力が加えられると，
可動部内に引張り応力が発生する。外力が小さい場合に
は，可動部の変位量も小さいので，センサ感度が低い。
応力発生層に上記引張り応力を打消す圧縮応力をあらか
じめ発生させておく。外力が小さくても可動部の変位量
が大きくなり，センサ感度が高くなる。

【００１４】逆に外力が大きい場合には，可動部の変位
量も大きいので，センサを固定している基板等に可動部
が接触する等によって測定が不可能となる場合がある。
可動部上の応力発生層にあらかじめ引張り応力を発生さ
せておくことによって，可動部の変位量を小さくし，よ
り大きな外力を測定することが可能となる。

【００１５】受ける外力に応じてあらかじめ可動部およ
び応力発生層の全体の剛性を変えておくことができるの
で，センサの作製後でもセンサ特性を補正することがで
き，センサのダイナミックレンジを拡げることが可能で
ある。

【００１６】この発明の一実施態様においては，上記応
力発生層の駆動装置が上記応力発生層上に設けられた少
なくとも１つの駆動電極を含み，上記可動部の変位また
は歪みを検出する素子が上記可動部に設けられた可動電
極およびこの可動電極に対向する位置に固定された固定
電極を含み，上記駆動電極の上に絶縁膜を介してシール
ド電極が設けられ，このシールド電極の上に絶縁膜を介
して上記可動電極が設けられている。

【００１７】シールド電極の存在によって，応力発生層
と可動電極との電気的干渉が防止される。

【００１８】この発明の他の実施態様においては，上記
応力発生層の上に３つの櫛歯状電極が設けられ，そのう
ちの１対の櫛歯状電極によって上記応力発生層の駆動装
置が構成され，他の１対の櫛歯状電極によって上記可動
部の変位または歪みを検出する素子が構成されている。

【００１９】駆動装置を構成する１対の櫛歯状電極を用
いて逆圧電効果によって応力発生層に歪みを生じさせ可
動部の剛性を変え，圧電効果によって応力発生層に生じ
る電圧を他の１対の櫛歯状電極を用いて検出することに
より可動部が受けた外力の大きさを計測する。応力発生
層を可動部の剛性の制御と物理量の測定に兼用すること
ができる

【００２０】一実施態様においては，上記応力発生層お
よび上記駆動装置が上記可動部の両面に形成される。

【００２１】可動部の両面に応力発生層および駆動装置
を設け，一方の面に引張り応力を発生させ，他方の面に
圧縮応力を発生させることによって，センサのダイナミ
ックレンジをさらに大きくすることができる。

【００２２】他の実施態様においては，上記可動部と上
記応力発生層との間に，Ｐｔ層，Ｔｉ層またはＰｔとＴ
ｉの合金層が設けられる。

【００２３】Ｐｔ層，Ｔｉ層またはＰｔとＴｉの合金層
の上面が（１１１）面で，この面に応力発生層としてＰ
ＺＴ層を形成すれば，応力発生層は圧電性を示すように
なる。

【００２４】さらに他の実施態様においては，上記櫛歯
状電極の電極の間隔が可動部の中央部で狭くなるように
形成される。

【００２５】可動部が両持ち梁やダイアフラムの場合，
外力を受けたときの可動部の形状は山形または錐状にな
り，可動部の平行移動する領域は小さくなる。可動部中
央部の電極の間隔を狭くすることによって，可動部の端
部よりも大きな内部応力を受けるようになるため，可動
部上の平行移動領域が増加し，直線性の優れたセンサ装
置が得られる。

【００２６】さらに他の実施態様においては，上記可動
部が薄肉のダイアフラムであり，上記櫛歯状電極の電極
がダイアフラム上に同心円状に形成され，電極をつなぐ
連結部がダイアフラム上に放射線状に形成される。

【００２７】上記可動部が片持ち梁の場合には種々の態
様がある。その一は，片持ち梁の長手方向の中央で上記
櫛歯状電極の電極の並び順が逆になっているものであ
る。その２は，片持ち梁上に長手方向に複数組の上記櫛
歯状電極が形成され，これら複数組の櫛歯状電極はそれ
ぞれ電気的に絶縁されているものである。その３は，こ
の片持ち梁の長手方向の中央で上記応力発生層の分極方
向が反転しているものである。

【００２８】これらのいずれの態様においても，可動部
の長手方向の中央部を境にして曲げ方向が逆になるた
め，外力によって可動部がたわんでも，可動電極を平行
な状態で変位させることができる。これにより直線性の
優れたセンサ装置が得られる。

【００２９】さらに他の実施態様においては，上記可動
部の振動状態を表す電気信号とあらかじめ定められたし
きい値とを比較し，電気信号がしきい値を超える場合
に，上記応力発生層に電気信号の大きさに応じた応力を
発生させる。

【００３０】可動部を破壊するおそれのある大きな衝撃
が外部から与えられたときに，衝撃の大きさに応じた引
張り応力を応力発生層に発生させることによって，可動
部の破壊が防止される。これにより信頼性の高いセンサ
装置が得られる。

【００３１】外力を受けたときに上記応力発生層に内部
応力を発生させて上記可動部を変位させないようにし，
このときの応力発生層の駆動信号の大きさに基づいて，
可動部が受けた外力の大きさを測定するようにしてもよ
い。

【００３２】この発明によるセンサ装置は，感度やオフ
セット値，直線性，ダイナミックレンジ等のセンサ特性
を変更できるため，その利用価値は大きい。圧力を測定
できる構成では，配管の流量検出を行う流量計，ガスメ
ータの流量検出，リーク検知器，血圧計，音圧を測定す
ることでマイクロフォン等に利用できる。加速度または
角加速度を測定する構成では，異常振動の検出による防
犯センサ，地震計，ジャイロ，傾斜センサ等に利用でき
る。

【００３３】

【実施例】

第１実施例 図１はこの発明の第１実施例を示すもので，ピエゾ抵抗
型半導体圧力センサの平面図，図２は図１のII−II線に
そう断面図である。

【００３４】図２において，作図の便宜上および理解を
容易にするために，肉厚（特に電極や絶縁膜）がかなり
厚く強調して描かれている。このことは，後に説明する
他の実施例を示す図面（断面図）においても同様であ
る。

【００３５】ピエゾ抵抗型半導体圧力センサは，（図２
を基準として）上面にｎ層12が形成されたｐ型シリコン
半導体基板10を含む。ｎ層12はシリコン半導体基板10に
比べてかなり薄い。

【００３６】シリコン半導体基板10の中央には異方性エ
ッチングによってメサ状の穴16が形成され，その周囲が
フレーム部18となっている。穴16をエッチングで形成す
るときにｎ層12がエッチング停止層となるため，ｎ層12
が穴16の底面となっている。したがって，ｎ層12の中央
部（穴16の底に対応する部分）がダイアフラム部（可動
部）14となる。ダイアフラム部14をセラミック材料で形
成し，これを半導体基板10のフレーム部18に接合しても
よい。

【００３７】矩形のダイアフラム部14の四辺には，それ
ぞれピエゾ抵抗素子（歪み検出素子）20が設けられてい
る。ピエゾ抵抗素子20は，ｎ型であるダイアフラム部14
にｐ型不純物をドープ（たとえば拡散）することによっ
て形成される。

【００３８】ダイアフラム部14は外から加えられる圧力
に応じて上下方向に変位する。この変位によってダイア
フラム部14に生じる歪みに応じてピエゾ抵抗素子20の抵
抗値が変化する。抵抗値の変化は外部の処理装置に与え
られ，圧力が計測される。

【００３９】ｎ層12の上面（ピエゾ抵抗素子20の上面を
含む）に，絶縁膜22が形成されている。絶縁膜22は，好
ましくは熱酸化膜またはＬＰＣＶＤ（Low Pressure Che
mical Vapor Deposition）窒化膜である。

【００４０】絶縁膜22の上のダイアフラム部14に対応す
る位置に，プラチナ（Ｐｔ）層24が設けられている。Ｐ
ｔ層24の上面が（１１１）面である。この面に，後述す
る応力発生層（ＰＺＴ）26を形成することによって応力
発生層26は圧電性を示すようになる。Ｐｔ層24の代わり
に，Ｔｉ層やＰｔとＴｉの合金層を形成してもよい。

【００４１】Ｐｔ層24の上面に応力発生層26が設けられ
ている。応力発生層26は電圧を印加することによって内
部に応力を発生する。応力発生層26は，好ましくは圧電
材料，電歪材料から形成される。圧電材料としては，大
きな応力を発生することができる，すなわち圧電定数ｄ
₃₁が大きいＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃ ；ジルコン
酸チタン酸鉛）や，ＰＺＴにランタン（Ｌａ）を加えた
ＰＬＺＴが用いられる。また，ＰＭＮ（Ｐｂ（Ｍｇ_1/3
Ｎｂ_2/3 ）Ｏ₃ ；マグネシウムニオブ酸鉛）のようなヒ
ステリシスが小さい電歪材料を用いることにより，安定
した応力を発生させることができる。応力発生層26を，
磁気によって歪みを生じる磁歪材料や，熱によって歪み
を生じる形状記憶材料等で形成するようにしてもよい。

【００４２】ピエゾ抵抗素子20の真上に応力発生層26を
形成しないことによって，ピエゾ抵抗素子20と応力発生
層26との電気的または磁気的な干渉が防止される。また
図３の拡大断面図に示すように，ピエゾ抵抗素子20の上
に絶縁層30を介して導電層32を設け，この導電層32をｎ
層12に電気的に接続することによって，ピエゾ抵抗素子
20を応力発生層26から電気的にシールドしてもよい。

【００４３】応力発生層26の上面において，一組の櫛歯
状電極28が互いに噛み合うようにして設けられている。
各櫛歯状電極28は，間隔をおいて互いに平行に延びる複
数本の電極（歯部）28a と，電極28a と直交する方向に
のび，電極28a を連結する１本の連結部28b とから構成
されている。一方の櫛歯状電極28の隣接する電極28a間
に，これらに接しないように他方の櫛歯状電極28の電極
28a が配置される。電極28a のピッチは，発生させたい
内部応力の大きさやダイアフラム部14上の位置に応じて
定められる。櫛歯状電極28は，好ましくは金属または金
属酸化物によって形成される。

【００４４】図４はダイアフラム部14に加えられる圧力
とダイアフラム部14の中央部の変位量との関係を内部応
力をパラメータとして示すグラフである。

【００４５】ダイアフラム部14に加えられる圧力をｐ，
ダイアフラム部14内に発生する引張り応力をσ，ダイア
フラム部14の中央部の変位量をｈとすると，次式が成り
立つ。 ｐ＝Ｃ₁σｈ＋Ｃ₂ｈ³ （Ｃ₁ ，Ｃ₂は定数） …式１

【００４６】オイラーの座屈応力よりも内部応力が大き
い場合において，同じ圧力ｐでは，引張り応力σが小さ
いほどダイアフラム部14の変位量ｈは大きい。ダイアフ
ラム部14の変位量ｈが大きいほど，圧力センサの感度は
高いといえる。

【００４７】圧力ｐが小さい領域では，ダイアフラム部
14の変位量ｈも小さいので，センサ感度は低い。ダイア
フラム部14上の応力発生層26に，上述した引張り応力を
打消す負の引張り応力（圧縮応力）をあらかじめ発生さ
せておく。圧力ｐが加えられたときに，ダイアフラム部
14と応力発生層26の全体の引張り応力が小さく，ダイア
フラム部14の変位量ｈが大きくなるため，センサ感度が
高くなる。

【００４８】逆に圧力ｐが大きい場合には，ダイアフラ
ム部14の変位量ｈも大きいので，センサを固定している
基板（図示略）にダイアフラム部14が接触したり，ダイ
アフラム部14が破損する等によって測定できなくなる場
合がある。ダイアフラム部14上の応力発生層26にあらか
じめ引張り応力を発生させておくことによって，ダイア
フラム部14と応力発生層26の全体のもつ引張り応力が大
きくなる。ダイアフラム部14の変位量ｈが小さくなり，
ダイナミックレンジが広くなる。

【００４９】以上のように，外から加えられる圧力に応
じてあらかじめダイアフラム部の剛性を変えておくこと
ができるので，センサの感度域（ダイナミックレンジ）
を拡げることができる。

【００５０】図５から図８は，上述した構造のピエゾ抵
抗型半導体圧力センサの作製プロセスを示す図２に相当
する断面図である。

【００５１】ピエゾ抵抗型半導体圧力センサにおいて
は，シリコン・マイクロマシニング技術を利用すること
によって，ダイアフラム部14やフレーム部18を高精度に
作製することができる。

【００５２】まずｐ型シリコン半導体基板10の上面に，
エッチング停止層およびダイアフラム部となるｎ層12を
形成する。ｎ層12のダイアフラム部の４辺に相当する位
置には，ｐ型不純物をドープすることによってピエゾ抵
抗素子20を形成する（図５）。

【００５３】ピエゾ抵抗素子20を含むｎ層12の上面全体
に絶縁膜22を形成する。シリコン半導体基板10の下面の
フレーム部18に相当する部分（エッチングのときに残し
たい部分）には，マスク（熱酸化膜またはＬＰＣＶＤ窒
化膜）34を形成する（図６）。

【００５４】絶縁膜22の上面のダイアフラム部に対応す
る位置にＰｔ層24を形成する。Ｐｔ層24の代わりに，Ｔ
ｉ層やＰｔとＴｉの合金層を形成してもよい。Ｐｔ層24
の上には応力発生層26を形成する（図７）。さらに応力
発生層26上には，一組の櫛歯状電極28をその電極28ａが
互いに噛み合うよう形成する（図８）。

【００５５】最後にアルカリ系エッチング溶液によっ
て，シリコン半導体基板10の下から異方性エッチングを
行う。マスク34が形成されていない部分が停止層（ｎ
層）12のところまでエッチングされ，メサ状の穴16が形
成される。マスク34を取り除き，図２に示すような圧力
センサが完成する。

【００５６】上述したプロセスにおいて，実際にはシリ
コン半導体ウエハ上に多数の圧力センサを同時に形成
し，最後にウエハをダイシングによって分割し，個々の
圧力センサを製作する。

【００５７】上述した異方性エッチングでは，図２に示
すように穴16の内側面のエッチングが斜め方向に進む。
したがって，シリコン半導体基板10の厚さによってはダ
イアフラム部14の面積にばらつきが生じることがある。
図９に示すように，あらかじめｐ型シリコン半導体基板
10のｎ層12側のフレーム部18に対応する位置にボロン等
をドーピングして，エッチング・ストップ層35を形成し
ておくとよい。穴16の内側面が鎖線で示すようにばらつ
いてエッチングされても，エッチング・ストップ層35に
よってダイアフラム部14の面積は常に一定に保たれる。
これによりセンサ特性のばらつきの発生を防止すること
ができる。

【００５８】図１から図９には示されていないが，圧力
センサの上面には，ピエゾ抵抗素子20と外部の処理装置
とを電気的に接続するための配線パターンおよびワイヤ
ボンディング・パッドと，櫛歯状電極28に電圧を印加す
るための配線パターンおよびワイヤボンディング・パッ
ドとが形成される。

【００５９】好ましくは，絶縁膜22の上面に配線パター
ンが形成され，この配線パターンとピエゾ抵抗素子20と
を接続するための接続孔（縦穴）が絶縁膜22に形成され
る。配線パターンの一端にピエゾ抵抗素子用のワイヤボ
ンディング・パッドが形成される。さらに上記配線パタ
ーンを含む絶縁膜22上に第２の絶縁膜が形成され，この
上に櫛歯状電極用の配線パターンおよびワイヤボンディ
ング・パッドが形成される。第２の絶縁膜を設けること
によって，絶縁膜22上の配線パターンと第２の絶縁膜上
の配線パターンとの間の電気的短絡を防止することがで
きる。

【００６０】第２実施例 図10はダイアフラムが円形の圧力センサを示す図１に相
当する平面図である。

【００６１】圧力センサの中央に円形のダイアフラム部
14が形成されている。このダイアフラム部14の上面には
円形のＰｔ層24（図10では見えていない）および応力発
生層26が形成されている。応力発生層26の上には，４組
の全体的にみて扇形の櫛歯状電極28が形成されている。
各櫛歯状電極28は，同心円の一部をなす弧状に形成され
た複数本の電極28a と，これらを連結する放射線状に延
びた連結部28b とから構成されている。

【００６２】円形のダイアフラム部14は，圧力を受けた
ときに円錐状になる。好ましくは電極28a の間隔がダイ
アフラム部14の中心に近づくにしたがって狭くなるよう
に形成され，ダイアフラム部14の中央部で応力発生層26
の影響を最も強く受けるようにする。ダイアフラム部14
の中央部がダイアフラム部14の周縁部（フレーム部18に
近い部分）よりも大きな内部応力の影響を受けるため，
ダイアフラム部14が外圧を受けたときにその変形によっ
て平行移動する領域の広さが増大し，直線性の優れた圧
力センサが得られる。４組の櫛歯状電極28に限らず，櫛
歯状電極を２組，３組または５組以上設けてもよい。

【００６３】第３実施例 図11は圧力センサの第３実施例を示す図２に相当する断
面図である。

【００６４】絶縁膜22上のダイアフラム部14に対応する
位置に，下層電極36が形成されている。この下層電極36
の上に応力発生層26が形成される。応力発生層26の上に
は，上層電極38が形成されている。すなわち，応力発生
層26は平板状の電極36および38によって上下方向から挟
まれている。電極36，38間に電圧を印加することによっ
て応力発生層26の内部応力が変化し，ダイアフラム部14
の剛性が制御される。

【００６５】第４実施例 図12はこの発明の第４実施例を示すもので，静電容量型
半導体圧力センサの平面図，図13は図12のXIII−XIII線
にそう断面図である。

【００６６】この静電容量型圧力センサは，上面にｎ層
12が形成されたｐ型シリコン半導体基板10と，ガラス等
の絶縁性材料から形成された保護基板40とを陽極接合す
ることによって構成される。

【００６７】保護基板40の内面（シリコン半導体基板10
に対向する面）には凹所42が形成され，これによって保
護基板40の全周囲には側壁が設けられ，この側壁の下面
がｎ層12に陽極接合されている。凹所42は，たとえば保
護基板40の内面をドライ・エッチング等で均等に削り取
ることによって形成される。保護基板40の凹所42内は基
準圧力（大気圧を含む）に保たれる。

【００６８】一方，シリコン半導体基板10には上述した
第１実施例と同様にフレーム部18が形成され，ｎ層12の
中央部分がダイアフラム部14となっている。

【００６９】ｎ層12の上面において，保護基板40と陽極
接合された領域を除いた全面に第１の絶縁膜22が形成さ
れている。第１絶縁膜22の上のダイアフラム部14に対応
する位置にＰｔ層24が設けられている。Ｐｔ層24の上に
は応力発生層26が形成されている。さらに応力発生層26
の上面には，一組の櫛歯状電極28が互いに噛み合うよう
にして形成されている。

【００７０】応力発生層26および櫛歯状電極28の上面な
らびに第１絶縁膜22の上面全体に，第２の絶縁膜44が形
成されている。第２絶縁膜44の上の応力発生層26に対応
する位置に，シールド電極46が設けられかつ接地（図示
略）されている。シールド電極46は，好ましくは金属や
金属酸化物等の導電体から形成され，応力発生層26と後
述する可動電極50との電気的な干渉を防止する。

【００７１】シールド電極46を含む第２絶縁膜44の上面
全体に，第３の絶縁膜48が形成されている。第３絶縁膜
48の上のダイアフラム部14に対応する位置に，可動電極
50が設けられている。一方，保護基板40の可動電極50に
対向する面には，固定電極52が設けられている。可動電
極50および固定電極52は，好ましくはそれぞれ第３絶縁
膜48の上面および保護基板40の内面にアルミニウム等を
蒸着することによって形成される。

【００７２】静電容量型圧力センサのダイアフラム部14
に穴16を通して下面から被測定圧力が加わると，被測定
圧力と基準圧力との差に応じてダイアフラム部14が変位
し，可動電極50と固定電極52の間隙が変化する。これに
より電極50，52間の静電容量が変化し，この静電容量の
変化を電気信号として取出すことにより圧力が検知され
る。

【００７３】外から加えられる圧力に応じて応力発生層
26を駆動することにより，あらかじめダイアフラム部14
の剛性を変えておくことができるので，センサの感度域
（ダイナミックレンジ）を拡げることができる。

【００７４】第５実施例 図14は第５実施例を示すもので，櫛歯状電極の拡大平面
図，図15は図14のXV−XV線にそう拡大断面端面図であ
る。第５実施例は歪み検出機構と応力発生機構とを兼用
した例である。

【００７５】応力発生層26の上面には３つの櫛歯状電極
54，56および58が形成されている。第１の櫛歯状電極54
は，間隔をおいて互いに平行に延びる複数本の電極（歯
部）54a と，電極54a と直交する方向にのび，電極54a
を連結する１本の連結部54bとから構成されている。第
２の櫛歯状電極56も第１の櫛歯状電極54とほぼ同じ形状
であり，互いに平行に延びる複数本の電極56a と，これ
らの電極56a を連結する１本の連結部56b とから構成さ
れている。第２の櫛歯状電極56は第１の櫛歯状電極54と
同じ向きに配置され，電極54a 間の間隙の約１／３シフ
トしている。第３の櫛歯状電極58は第１および第２の櫛
歯状電極54，56と逆向きに設けられ，それらの電極54a
と電極56の電極56a との間に延びる複数本の電極58a
と，電極58a を連結する１本の連結部58b とから構成さ
れている。

【００７６】第１の櫛歯状電極54の電極54a ，第２の櫛
歯状電極56の電極56a および第３の櫛歯状電極58の電極
58a が，58a ，54a ，58a ，56a ，58a ，54a ，58a ，
56a，58a …の順番で，互いに接触しないように平行に
並んでいる。連結部54b と電極56a との間には絶縁層60
が設けられ，第１の櫛歯状電極54と第２の櫛歯状電極56
とが電気的に絶縁されている。

【００７７】ダイアフラム部14が圧力を受けると，応力
発生層26は圧電効果によって圧力に応じた電圧を発生す
る。この電圧を電極54と58を通して検出することによ
り，ダイアフラム部14が受けた外圧が計測される。また
電極56と58との間に電圧を印加すると，逆圧電効果によ
って歪みが応力発生層24に発生する。これによってダイ
アフラム部14の剛性を制御することができる。電極54と
58との間に現われる信号と電極56と58との間に加える駆
動電圧の干渉を防ぐため，櫛歯状電極58が接地される。

【００７８】第６実施例 第６実施例は片持ち梁型加速度センサに関するものであ
る。

【００７９】図16は，一組の櫛歯状電極28のピッチ（歯
部28ａ間の間隔）を場所に応じて変えることによって，
片持ち梁（可動部）14上の応力発生層26に発生する応力
分布を異ならせる例を示している。片持ち梁14の先端部
において大きな内部応力を発生させ，その外力による変
位量を小さくしている。

【００８０】図17(A) に示すように，片持ち梁構造の静
電容量型加速度センサにおいて，片持ち梁14に固定され
た可動電極50を，固定電極52と平行状態に保ったまま変
位させることが出力の直線性の点から望ましい。可動部
14の長手方向の中央部で発生する櫛歯状電極による応力
が曲げ方向（内部応力の方向）と逆方向になるように構
成すれば，加速度によって片持ち梁14がたわんでも，可
動電極50を固定電極52に対してほぼ平行な状態で変位さ
せることができる。

【００８１】図17(B) は，片持ち梁14の長手方向の中央
部で１組の櫛歯状電極28の電極28aの並び順を逆転させ
たものである。これによって片持ち梁14の中央部を挟ん
でその両側で内部応力の方向が逆になる（図中の矢線は
応力発生層26における方向を示す）。図17(C) に示すよ
うに，可動部14の中央で１組の櫛歯状電極28を二分して
もよい。２組の櫛歯状電極が設けられている。図17(D)
は分極位相が片持ち梁14の長手方向の中央部で180 度反
転するように応力発生層26を形成した例を示す。たとえ
ば片持ち梁14の中央部で応力発生層を２つに分け，これ
らの応力発生層の分極方向が反対になるようにする。

【００８２】第７実施例 図18は第７実施例を示すもので，この発明を両持ち梁構
造の静電容量型加速度センサの断面端面図である。

【００８３】板状のポリシリコンで形成された可動電極
（両持ち梁）14を上下から挟むようにして，上層絶縁膜
22A および下層絶縁膜22B が形成されている。さらにそ
の外側には，上層応力発生層26A および下層応力発生層
26B が形成されている。応力発生層26A および26B の上
面には，それぞれ上層櫛歯状電極28A および下層櫛歯状
電極28B が形成されている。

【００８４】このような可動電極14はその周縁におい
て，下層電極28B 上に形成された絶縁膜64を介してフレ
ーム部18に取付けられている。上層応力発生層26A の上
には，絶縁膜74を介して固定電極支持基板40が設けられ
ている。

【００８５】上層応力発生層26A ，上層絶縁膜22A ，可
動電極14，下層絶縁膜22B および下層応力発生層26B を
貫通して，２つの下層電極用接続電極66が設けられてい
る。接続電極66の周囲には絶縁膜68が形成され，上層応
力発生層26A および可動電極14から電気的に絶縁されて
いる。

【００８６】また上層応力発生層26A および上層絶縁膜
22A を貫通して，可動電極用引出し電極70が設けられて
いる。引出し電極70の周囲には絶縁膜72が形成され，上
層応力発生層26A と電気的に絶縁されている。

【００８７】固定電極支持基板40の可動電極14に対向す
る面には，固定電極52が設けられている。固定電極支持
基板40には厚さ方向に貫通する穴75が形成されている。
この穴75の内周面から支持基板40上面の開口縁部にかけ
て，固定電極用引出し電極76が形成されている。

【００８８】この静電容量型加速度センサに加速度が作
用すると，これに応じて可動電極14が変位し，可動電極
14と固定電極52との間隙が変化する。電極14，50間の静
電容量が変化し，この静電容量の変化を電気信号として
取出すことにより加速度が検知される。

【００８９】可動部14の表裏両面に応力発生層26A ，26
B および櫛歯状電極28A ，28B を形成し，上下面に生じ
る応力の向きを逆にする（たとえば上層応力発生層26A
に圧縮応力を発生させ，下層応力発生層26B に引張り応
力を発生させる）ことによって，ダイナミックレンジを
大きくすることができる。

【００９０】図18に示すように，可動部14を両持ち梁構
造とすれば，可動電極14の平行変位が実現しやすくな
る。また図19(A) および(B) に示すように，櫛歯状電極
28の歯部28ａの間隔が，応力発生層26の中心部で狭くな
るように形成してもよい。応力発生層26に発生する内部
応力が中心部で大となるため，可動電極14を固定電極52
に対して平行に変位させることができる。

【００９１】第８実施例 第８実施例は過度の衝撃による可動部14の破壊を防ぐた
めの異常判定システムをセンサ装置に設けた例である。

【００９２】図20はピエゾ抵抗型センサにおける異常判
定システムのブロック図である。センサ装置に外部から
何らかの衝撃，たとえば大きな圧力や加速度が与えられ
たときには，可動部14が大きく振動する可能性がある。
あまり大きな衝撃であると，可動部14（特に可動部14と
フレーム部18との接続部分）が破壊されるおそれがあ
る。そこで可動部14を破壊するような外力の大きさ（し
きい値）を，あらかじめ信号処理部104 に設定してお
く。

【００９３】ピエゾ抵抗素子20（静電容量型センサの場
合は，可動電極50および固定電極52）から出力された可
動部14の振動状態を表す電気信号は，処理装置102 内の
信号処理部104 に与えられ，可動部14が受けた外力の大
きさが測定される。この信号処理部104 において，セン
サ装置100 から与えられた電気信号と上記のしきい値と
が比較される。しきい値を超える外力を受けたと判定す
ると信号処理部104 は応力発生層駆動回路106 に異常検
知信号を送る。応力発生層駆動回路106 から，可動部14
の破壊を防ぐ方向の内部応力を発生させるための駆動信
号が応力発生層26に与えられる。この駆動信号によって
内部応力が応力発生層26に発生し，可動部14の変位量が
小さくなるように抑制されるのでその破壊が防止され
る。

【００９４】上述した例でも，しきい値を超える外力が
加えられた場合に，可動部14の剛性を高める内部応力
（引張り応力）を発生させるための駆動信号が応力発生
層26に与えられる。静電容量型センサにおいては，逆に
可動部14の剛性が低下する圧縮応力を発生させるための
駆動信号を応力発生層26に与えてもよい。可動部14が保
護基板40に接し，保護基板40が可動部14の破壊を防ぐス
トッパとなるからである。

【００９５】上述した実施例では，ピエゾ抵抗素子20
（または可動電極50および固定電極52）の出力に基づい
て可動部14の変位を検出し，応力発生層26でセンサ装置
の感度や，オフセット値，直線性等を制御している。こ
れとは逆に，外力を受けたときに可動部14を変位させな
いように（可動部14を水平に維持するように）応力発生
層26を駆動し，このときの応力発生層駆動回路106 から
応力発生層26に与えられる駆動信号（電圧）を信号処理
部104 によって検出し，これによって可動部14が受けた
外力を測定するようにすることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例のピエゾ抵抗型半導体圧力センサを
示す平面図である。

【図２】図１のII−II線にそう断面図である。

【図３】ピエゾ抵抗素子付近の構成の他の例を示す拡大
断面図である。

【図４】圧力ｐとダイアフラム部の中央部の変位量ｈと
の関係を内部応力σをパラメータとして示すグラフであ
る。

【図５】ピエゾ抵抗型半導体圧力センサの作製プロセス
を示す図２に相当する断面図である。

【図６】ピエゾ抵抗型半導体圧力センサの作製プロセス
を示す図２に相当する断面図である。

【図７】ピエゾ抵抗型半導体圧力センサの作製プロセス
を示す図２に相当する断面図である。

【図８】ピエゾ抵抗型半導体圧力センサの作製プロセス
を示す図２に相当する断面図である。

【図９】エッチングストップ層を形成した例を示す拡大
断面図である。

【図１０】第２実施例のピエゾ抵抗型半導体圧力センサ
を示す平面図である。

【図１１】第３実施例のピエゾ抵抗型半導体圧力センサ
を示す断面図である。

【図１２】第４実施例の静電容量型半導体圧力センサの
平面図である。

【図１３】図12のXIII−XIII線にそう断面図である。

【図１４】第５実施例を示すもので，櫛歯状電極の他の
例を示す拡大平面図である。

【図１５】図14のXV−XV線にそう拡大端面図である。

【図１６】第６実施例による片持ち梁型加速度センサを
示す。

【図１７】(A) は第６実施例の他の片持ち梁型加速度セ
ンサを示し，(B) は櫛歯状電極の位相を反転させた例，
(C) は櫛歯状電極を二分した例，(D) は応力発生層の分
極位相を反転させた例を示す。

【図１８】第７実施例による両持ち梁構造の静電容量型
加速度センサを示す断面端面図である。

【図１９】(A) および(B) は，第７実施例の他の両持ち
梁構造の加速度センサを示す。

【図２０】第８実施例によるピエゾ抵抗型センサにおけ
る異常判定システムのブロック図である。

【符号の説明】

10 ｐ型シリコン半導体基板 12 ｎ層 14 可動部 18 フレーム部 20 ピエゾ抵抗素子 22 絶縁膜 24 Ｐｔ層 26 応力発生層 28，54，56，58 櫛歯状電極 40 保護基板 46 シールド電極 50 可動電極 52 固定電極

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 フレーム部，このフレーム部に支持さ
   れ，外部から与えられる物理量に応じて変位する，また
   は歪みを生じる可動部，およびこの可動部の変位または
   歪みを検出する素子を備えたセンサ装置において，上記
   可動部の少なくとも一部に応力発生層が設けられている
   ことを特徴とするセンサ装置。
2. 【請求項２】 上記応力発生層が圧電材料，電歪材料，
   磁歪材料または形状記憶材料によって形成されている，
   請求項１に記載のセンサ装置。
3. 【請求項３】 上記応力発生層を駆動する装置が設けら
   れている，請求項１に記載のセンサ装置。
4. 【請求項４】 上記応力発生層の駆動装置が上記応力発
   生層を挟むように形成された一対の電極である，請求項
   ３に記載のセンサ装置。
5. 【請求項５】 上記応力発生層の駆動装置が上記応力発
   生層上に設けられた少なくとも２つの櫛歯状電極であ
   る，請求項３に記載のセンサ装置。
6. 【請求項６】 上記可動部の変位または歪みを検出する
   素子が上記可動部に設けられたピエゾ抵抗素子である，
   請求項１に記載のセンサ装置。
7. 【請求項７】 上記可動部の変位または歪みを検出する
   素子が，上記可動部に設けられた可動電極，および可動
   電極に対向する位置に固定された固定電極によって構成
   されている，請求項１に記載のセンサ装置。
8. 【請求項８】 上記可動部の変位または歪みを検出する
   素子が上記応力発生層上に設けられた櫛歯状電極であ
   る，請求項１に記載のセンサ装置。
9. 【請求項９】 上記応力発生層の駆動装置が上記応力発
   生層上に設けられた少なくとも１つの駆動電極を含み，
   上記可動部の変位または歪みを検出する素子が上記可動
   部に設けられた可動電極およびこの可動電極に対向する
   位置に固定された固定電極を含み，上記駆動電極の上に
   絶縁膜を介してシールド電極が設けられ，このシールド
   電極の上に絶縁膜を介して上記可動電極が設けられてい
   る，請求項３に記載のセンサ装置。
10. 【請求項１０】 上記応力発生層の上に３つの櫛歯状電
    極が設けられ，そのうちの１対の櫛歯状電極によって上
    記応力発生層の駆動装置が構成され，他の１対の櫛歯状
    電極によって上記可動部の変位または歪みを検出する素
    子が構成されている，請求項３に記載のセンサ装置。
11. 【請求項１１】 上記可動部と上記応力発生層との間
    に，Ｐｔ層，Ｔｉ層またはＰｔとＴｉの合金層が設けら
    れている請求項１に記載のセンサ装置。
12. 【請求項１２】 上記応力発生層および上記駆動装置が
    上記可動部の両面に設けられている請求項３に記載のセ
    ンサ装置。
13. 【請求項１３】 上記櫛歯状電極の電極の間隔が上記可
    動部の中央で狭くなるように形成されている請求項５に
    記載のセンサ装置。
14. 【請求項１４】 上記可動部が薄肉のダイアフラムであ
    り，上記櫛歯状電極の電極がダイアフラム上に同心円状
    に形成され，これらの電極をつなぐ上記連結部がダイア
    フラム上に放射線状に形成されている請求項５に記載の
    センサ装置。
15. 【請求項１５】 上記可動部が片持ち梁であり，この片
    持ち梁の長手方向の中央で上記櫛歯状電極の電極の並び
    順が逆になっている請求項５に記載のセンサ装置。
16. 【請求項１６】 上記可動部が片持ち梁であり，この片
    持ち梁上に長手方向に複数組の上記櫛歯状電極が形成さ
    れ，これら複数組の櫛歯状電極はそれぞれ電気的に絶縁
    されている，請求項５に記載のセンサ装置。
17. 【請求項１７】 上記可動部が片持ち梁であり，この片
    持ち梁の長手方向の中央で上記応力発生層の分極方向が
    反転している請求項１に記載のセンサ装置。
18. 【請求項１８】 上記可動部の振動状態を表す電気信号
    とあらかじめ定められたしきい値とを比較し，電気信号
    がしきい値を超える場合に，上記応力発生層に電気信号
    の大きさに応じた応力を発生させる請求項１から17のい
    ずれか一項に記載のセンサ装置。
19. 【請求項１９】 外力を受けたときに上記応力発生層に
    上記駆動装置によって内部応力を発生させて上記可動部
    を変位させないようにし，このときの応力発生層の駆動
    信号の大きさに基づいて，可動部が受けた外力の大きさ
    を測定する請求項３に記載のセンサ装置。