JPWO2011001515A1 - 加速度センサ、振動発電デバイス及び加速度センサの製造方法 - Google Patents
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Abstract
基板上に形成された圧電体層と、前記圧電体層の内部に形成された複数の検出電極と、前記検出電極間における前記圧電体層が、前記圧電体層の膜厚方向に分極している加速度センサ及び振動発電デバイスを提供する。
Description
本発明は、加速度センサ、振動発電デバイス及び加速度センサの製造方法に関する。
ハードディスクドライブ、ノートパソコン、ビデオカメラ等の電子機器において、外部から加わる外力の結果、電子機器に発生する加速度及び衝撃を検出するため加速度センサが用いられており、このような加速度センサとして圧電体が用いられているものがある。圧電体を用いた加速度センサは、作用した加速度により圧電体内部に応力が発生し、発生した応力によって圧電効果により生じた起電圧又は電荷を検出電極によって検出することにより、加速度を検出するものである。
このような圧電体を用いた加速度センサとしては、片持ち梁タイプの横振動ｄ３１モードを利用した構造の加速度センサ（例えば、特許文献１、２）、又は、基板等に張り付けたせん断振動ｄ１５モードを利用した構造の加速度センサ（例えば、特許文献３）等が挙げられる。
さらに、近年センサネットワーク構築のための様々な場所へのセンサ素子の敷設が必要となってきている。センサ素子の電力供給源として圧電MEMS（Micro Electro Mechanical System）型の発電デバイスが注目されている。圧電MEMS型発電デバイスでは、自然界もしくは人工的な振動を圧電効果により電力変換を行う微小のデバイスである。センサ素子のサイズは微小であるため、その電力供給源である振動発電デバイスも高感度で電力を取り出す構造が求められている。
ところで、ハードディスクドライブ、ノートパソコン、ビデオカメラ等の電子機器は、屋外等において持ち運ぶ場合もあり、これらの電子機器が破損しない程度の衝突は避けることができない。また、センサネットワークを構築するセンサ素子も屋外や車両等に搭載する場合もあり、場合によっては、強い振動を受けることもある。よって、これら電子機器に搭載される加速度センサについても、このような衝撃により破壊されることのない堅牢性が求められている。片持ち梁タイプの横振動ｄ３１モードを利用した加速度センサの場合、構造的に片持ち梁であることから衝撃に弱く、加えられた衝撃等により加速度センサが破壊されてしまう場合がある。また、基板等に張り付けたせん断振動ｄ１５モードを利用した加速度センサの場合、シート状の圧電体を基板等の部材に張り付けたものであるため、堅牢性は高いものの、感度が低いという問題点を有していた。
よって、堅牢性が高く、感度の高い加速度センサ及び振動発電デバイスが望まれている。
本実施の形態の一観点によれば、基板上に形成された圧電体層と、前記圧電体層の内部に形成された複数の検出電極と、前記検出電極間における前記圧電体層が、前記圧電体層の膜厚方向に分極している。
また、本実施の形態の他の観点によれば、基板上に下部電極、圧電体層を積層形成する成膜工程と、前記圧電体層に複数の溝を形成する溝形成工程と、前記複数の溝の間の前記圧電体層上に上部電極を形成する上部電極形成工程と、前記上部電極と前記下部電極との間に電圧を印加し、前記複数の溝の間の領域における圧電体層を分極させる分極工程と、前記複数の溝に複数の検出電極を形成する検出電極形成工程と、を有する。
また、本実施の形態の他の観点によれば、前述した本実施の形態の一観点における加速度センサより起電力を取り出し、前記起電力を蓄電する。
開示の加速度センサ及び加速度センサの製造方法によれば、堅牢性が高く、感度の高い加速度センサを得ることができる。また、開示の加速度センサを有する振動発電デバイスを得ることができる。
実施するための形態について、以下に説明する。
〔第１の実施の形態〕
第１の実施の形態における加速度センサ、加速度センサの製造方法について説明する。
第１の実施の形態における加速度センサ、加速度センサの製造方法について説明する。
（加速度センサ）
図１及び図２に基づき、本実施の形態における加速度センサについて説明する。尚、図２は図１における一点鎖線２Ａ−２Ｂにおいて切断した断面図である。
図１及び図２に基づき、本実施の形態における加速度センサについて説明する。尚、図２は図１における一点鎖線２Ａ−２Ｂにおいて切断した断面図である。
本実施の形態における加速度センサは、Ｘ方向加速度センサ１１、Ｙ方向加速度センサ１２、Ｚ方向加速度センサ１３を有している。Ｘ方向加速度センサ１１は矢印Ａに示すＸ方向の加速度を検出するものであり、Ｙ方向加速度センサ１２はＢに示すＹ方向の加速度を検出するものであり、Ｚ方向加速度センサ１３は矢印Ｃに示すＺ方向（紙面垂直方向）の加速度を検出するものである。これにより、本実施の形態における加速度センサは、３次元方向における加速度を検出することが可能である。
本実施の形態における加速度センサのＸ方向加速度センサ１１及びＹ方向加速度センサ１２は、厚さが約１００μｍのシリコン基板２１上に、厚さが約０．２μｍの下部電極２２、厚さが約５μｍの圧電体層となる強誘電体層２３が積層形成されており、強誘電体層２３の内部に形成された溝に、検出電極２４、３４が形成されている。尚、下部電極２２は、後述する所定の領域の強誘電体層２３を分極させるための分極用下部電極としての機能も有するものである。
検出電極２４は、Ｘ方向加速度センサ１１の形成される領域に形成されており、２つの櫛形電極２４ａ及び２４ｂを有しており、一方の櫛形電極２４ａの櫛の歯となる電極が他方の櫛形電極２４ｂの櫛の歯となる電極間に入り込むように交互に形成されている。検出電極２４となる櫛形電極２４ａ及び２４ｂは、各々電極端子２９ａ及び２９ｂと接続されている。即ち、櫛形電極２４ａは引出電極を介し電極端子２９ａと接続されており、櫛形電極２４ｂは引出電極を介し電極端子２９ｂと接続されている。同様に、検出電極３４は、Ｙ方向加速度センサ１２の形成される領域において形成されており、２つの櫛形電極３４ａ及び３４ｂを有しており、一方の櫛形電極３４ａの櫛の歯となる電極が他方の櫛形電極３４ｂの櫛の歯となる電極間に入り込むように交互に形成されている。検出電極３４となる櫛形電極３４ａ及び３４ｂは、各々電極端子３９ａ及び３９ｂと接続されている。即ち、櫛形電極３４ａは引出電極を介し電極端子３９ａと接続されており、櫛形電極３４ｂは引出電極を介し電極端子３９ｂと接続されている。
櫛形電極２４ａ及び２４ｂにおける櫛の歯となる電極は、Ｘ軸方向に垂直に、Ｙ軸方向に延びるように形成されており、また、櫛形電極３４ａ及び３４ｂにおける櫛の歯となる電極は、Ｙ軸方向に垂直に、Ｘ軸方向に延びるように形成されている。よって、Ｘ方向加速度センサ１１に形成される櫛形電極２４ａ及び２４ｂにおける櫛の歯となる電極の延びる方向と、Ｙ方向加速度センサ１２に形成される櫛形電極３４ａ及び３４ｂにおける櫛の歯となる電極の延びる方向とは略９０°異なる方向で形成されている。
また、Ｘ方向加速度センサ１１に形成される櫛形電極２４ａ及び２４ｂとの間の強誘電体層２３は、矢印Ｄ１及び矢印Ｄ２に示すように、櫛形電極２４ａ及び２４ｂを介し隣接する領域が相互に反対方向となるように分極されている。尚、Ｙ方向加速度センサ１２についても図示はしないが同様である。
更に、Ｘ方向加速度センサ１１に形成される櫛形電極２４ａ及び２４ｂとの間の強誘電体層２３上には絶縁層２５が形成されており、この絶縁層２５上に錘部２７が形成されている。同様に、Ｙ方向加速度センサ１２に形成される櫛形電極３４ａ及び３４ｂとの間の強誘電体層２３上には絶縁層３５が形成されており、この絶縁層３５上に錘部３７が形成されている。尚、絶縁層２５及び３５の形成されていない強誘電体層２３及び検出電極２４及び３４上には樹脂材料層２６が形成されている。また、本実施の形態における絶縁層２５及び３５、樹脂材料層２６の厚さは約０．５μｍである。
一方、本実施の形態における加速度センサのＺ方向加速度センサ１３は、シリコン基板２１上に、下部電極２２、強誘電体層２３、検出電極４４、絶縁体層４５が積層形成されており、更に、絶縁体層４５上には錘部４７が形成されている。Ｚ方向加速度センサ１３の形成される領域の強誘電体層２３は矢印Ｅに示すように一方向に分極されており、更に、Ｚ方向加速度センサ１３の形成される領域のシリコン基板２１はエッチングにより除去されている。また、検出電極４４は引出電極を介し電極端子４９と接続されている。尚、検出電極４４の厚さは約０．２μｍであり、絶縁体層４５の厚さは約０．３μｍで形成されており、一辺の長さＰ１が約５００μｍの略正方形状に形成されている。
本実施の形態における加速度センサの全体の大きさは、長さＬが約１．５ｍｍであり、幅Ｗが約２．０ｍｍである。また、形成される櫛形電極２４ａ及び２４ｂ、櫛形電極３４ａ及び３４ｂの幅Ｗ１は、約５００μｍであり、電極端子２９ａ、２９ｂ、３９ａ、３９ｂ、４９は、一辺の長さＰ２が約１００μｍの略正方形状に形成されている。また、錘部２７、３７、４７は、一辺の長さＰ３が約４５０μｍの略正方形状で高さＨ１が約５００μｍとなるように形成されている。
次に、図３及び図４に基づき本実施の形態における加速度センサの加速度の検出方法について説明する。図３は、本実施の形態における加速度センサのＸ方向加速度センサ１１の断面図であり、加速度がかかっていない状態を示すものである。図４は、Ｘ方向加速度センサ１１において、矢印Ｆに示すようにＸ方向の加速度が加わった状態を示すものである。図４に示されるように、Ｘ方向の加速度が加わった場合、シリコン基板２１は加速度の加わった方向に移動するものの、この瞬間には錘部２７は静止した状態にあるため慣性力が生じ、これにより、強誘電体層２３に応力が生じ起電圧が発生する。本実施の形態では、複数の櫛の歯となる電極を有する櫛形電極２４ａ及び２４ｂを有する検出電極２４が形成されているため、検出電極２４において起電圧を検出するための面積を広くすることができ、感度を向上させることができる。また、櫛形電極２４ａ及び２４ｂとの間の強誘電体層２３は、矢印Ｄ１及び矢印Ｄ２に示すように、櫛形電極２４ａ及び２４ｂを介し隣接する領域が相互に反対方向となるように分極されている。これにより、加速度が加わることにより生じた起電圧により櫛形電極２４ａには負の電荷が蓄積され、櫛形電極２４ｂには正の電荷が蓄積され、櫛形電極２４ａと櫛形電極２４ｂとの間で電位差が生じる。この電位差を電極端子２９ａ及び２９ｂを介して検出することにより加速度が検出される。この後、不図示のチャージアンプ及び昇圧回路により所定の強度に増幅された後、検出された電位差に基づく信号は本実施の形態における加速度センサが搭載された電子機器に検出された加速度の情報が伝達される。
本実施の形態における加速度センサにおいて、Ｘ方向加速度センサ１１及びＹ方向加速度センサ１２では、Ｘ方向及びＹ方向に加速度が加わった際に、従来の構造の加速度センサと比べて、１．５〜６倍程度の起電圧を発生させることができ、加速度の検知感度を向上させることができる。
尚、検出電極２４である櫛形電極２４ａ及び２４ｂにおける櫛の歯となる電極間の間隔を狭め櫛の歯となる電極の数を増やすことにより、更に検出感度を高めることができる。図５に、一例として、Ｘ方向加速度センサ１１において、検出電極２４である櫛形電極２４ａ及び２４ｂにおける櫛の歯となる電極の数を増やした構造のもの示す。櫛の歯となる電極を増やすことにより検出感度をより高めることができる。また、図６に示すように、櫛形電極２４ａは強誘電体層２３に形成された溝の内部全体を金属材料により埋め込むことにより形成してもよく、また、図７に示すように、溝の内部の表面に櫛形電極２４ａとなる金属膜を形成し、更に形成された金属膜の内部を樹脂材料２６ａにより埋め込み形成したものであってもよい。尚、櫛形電極２４ｂについても同様であり、更には、検出電極３４である櫛形電極３４ａ及び３４ｂについても同様である。
また、本実施の形態における加速度センサにおいて形成される強誘電体層２３を形成する材料は、ペロブスカイト構造ＢａＴｉＯ３、ＢａＣａＴｉＯ３、（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ３、（Ｐｂ，Ｓｒ）（ＺｒＴｉ）Ｏ３、（Ｐｂ，Ｓｒ）（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｌｉ，Ｗ）Ｏ３、又は、イルメナイト構造ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３等が挙げられる。
（加速度センサの製造方法）
次に、本実施の形態における加速度センサの製造方法について説明する。
次に、本実施の形態における加速度センサの製造方法について説明する。
最初に、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、両面の研磨されたシリコン基板２１を準備する。図８Ａはこの工程における上面図であり、図８Ｂは図８Ａにおける一点鎖線８Ｃ−８Ｄにおいて切断した断面図である。本実施の形態における製造方法の説明では、基板としてシリコン基板２１を用いた場合について説明するが、基板としては、ＧａＡｓ等の半導体基板、または、ＳｒＴｉＯ３、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３等の酸化物基板を用いることも可能である。
次に、図９Ａ及び図９Ｂに示すように、シリコン基板２１の一方の面に下部電極２２を形成する。下部電極２２を形成する材料としては、Ｐｔ等の高融点金属、ＩＴＯ等の酸化物導電材料、ＴｉＮ等の窒化物導電材料が好ましい。本実施の形態では、一例として、Ｐｔをスパッタリングにより成膜することにより約２００ｎｍ形成した。下部電極２２は真空蒸着により成膜してもよい。尚、図９Ａはこの工程における上面図であり、図９Ｂは図９Ａにおける一点鎖線９Ｃ−９Ｄにおいて切断した断面図である。
次に、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、下部電極２２上に、圧電体層となる強誘電体層２３を形成する。形成される強誘電体層２３は膜厚が約５μｍであり、スパッタリング法、ゾルゲル法、レーザパルス蒸着法、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法等により形成する。尚、図１０Ａはこの工程における上面図であり、図１０Ｂは図１０Ａにおける一点鎖線１０Ｃ−１０Ｄにおいて切断した断面図である。
次に、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、後述する検出電極を形成するための溝５１及び５２を強誘電体層２３に形成する。具体的には、形成された強誘電体層２３上にフォトレジストを塗布した後、プリベーク、ｉ線を光源とする露光装置による露光、現像を行うことにより、溝５１及び５２の形成される領域に開口を有するレジストパターンを形成し、この後、塩素（Ｃｌ２）ガス又はフッ素（Ｆ２）ガスを用いたＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等によるエッチングを行い、形成されたレジストパターンを除去することにより溝５１及び５２を形成する。プラズマ源としては、ＩＣＰ（Inductively coupled plasma）、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）等が用いられる。このようにして形成される溝５１及び５２の長さは５００μｍであり、幅が２μｍ、溝の間隔が３μｍ（溝のピッチが５μｍ）である。尚、図１１Ａはこの工程における上面図であり、図１１Ｂは図１１Ａにおける一点鎖線１１Ｃ−１１Ｄにおいて切断した断面図である。
次に、図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、溝５１及び５２の形成された強誘電体層２３上に、樹脂材料層５３を形成する。樹脂材料層５３はスピンコーターにより塗布することにより形成する。これにより溝５１及び５２内、更に強誘電体層２３の表面上に樹脂材料層５３が形成される。尚、図１２Ａはこの工程における上面図であり、図１２Ｂは図１２Ａにおける一点鎖線１２Ｃ−１２Ｄにおいて切断した断面図である。
次に、図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、酸素プラズマアッシングにより、溝５１及び５２の形成されていない領域の強誘電体層２３の表面が露出するまで、樹脂材料層５３を除去する。これにより、溝５１及び５２は樹脂材料層５３により埋められ、強誘電体層２３の表面は平坦化される。尚、図１３Ａはこの工程における上面図であり、図１３Ｂは図１３Ａにおける一点鎖線１３Ｃ−１３Ｄにおいて切断した断面図である。
次に、図１４Ａ及び図１４Ｂに示すように、強誘電体層２３及び樹脂材料層５３の上に分極用上部電極膜５４を形成する。本実施の形態では分極用上部電極膜５４は、スパッタリング又は真空蒸着によりＡｌ（アルミニウム）を成膜することにより形成する。尚、図１４Ａはこの工程における上面図であり、図１４Ｂは図１４Ａにおける一点鎖線１４Ｃ−１４Ｄにおいて切断した断面図である。
次に、図１５Ａ及び図１５Ｂに示すように、分極用上部電極５４ａ及び５４ｂを形成する。具体的には、形成された分極用上部電極膜５４の表面にフォトレジストを塗布し、プリベーク、露光装置による露光、現像を行うことにより、分極用上部電極５４ａ及び５４ｂの形成される領域にレジストが残存するレジストパターンを形成する。この後、リン酸を主成分とするエッチング液によりウエットエッチングを行うことにより、レジストパターンの形成されていない領域における分極用上部電極膜５４を除去する。更にこの後、レジストパターンを除去することにより、分極用上部電極５４ａ及び５４ｂが形成される。尚、図１５Ａはこの工程における上面図であり、図１５Ｂは図１５Ａにおける一点鎖線１５Ｃ−１５Ｄにおいて切断した断面図である。
次に、図１６Ａ及び図１６Ｂに示すように、Ｘ方向加速度センサ、Ｙ方向加速度センサ、Ｚ方向加速度センサの形成される領域における強誘電体層２３を分極させる。具体的には、下部電極２２と分極用上部電極５４ａ及び５４ｂとの間に電圧を印加することにより、この間に形成されている強誘電体層２３を分極方向が矢印Ｄ１、矢印Ｄ２及び矢印Ｅとなるように分極させる。具体的には、本実施の形態では下部電極２２と分極用上部電極５４ａとの間に１００Ｖの電圧を印加して分極させた。この際、Ｘ方向加速度センサ及びＹ方向加速度センサの形成される領域においては、矢印Ｄ１及び矢印Ｄ２に示すように溝５１及び５２に形成された樹脂材料層５３を介し隣接する領域が相互に反対方向となるように分極させる。このため、分極用上部電極５４ｂには、分極用上部電極５４ａに印加される電位とは反対の電位、即ち、−１００Ｖの電圧が印加されている。尚、Ｙ方向加速度センサについては、図面上記載されていないが、Ｘ方向加速度センサと同様に分極させる。また、Ｚ方向加速度センサの形成される領域における強誘電体層２３においては、分極用上部電極５４ａに電圧を印加し、図面上、分極方向が矢印Ｅに示すよう上方向に揃うように分極させる。尚、図１６Ａはこの工程における上面図であり、図１６Ｂは図１６Ａにおける一点鎖線１６Ｃ−１６Ｄにおいて切断した断面図である。
次に、図１７Ａ及び図１７Ｂに示すように、ウエットエッチングにより分極用上部電極５４ａ及び５４ｂを除去する。尚、図１７Ａはこの工程における上面図であり、図１７Ｂは図１７Ａにおける一点鎖線１７Ｃ−１７Ｄにおいて切断した断面図である。
次に、図１８Ａ及び図１８Ｂに示すように、酸素プラズマアッシングにより、溝５１及び５２に形成されている樹脂材料層５３を除去する。尚、図１８Ａはこの工程における上面図であり、図１８Ｂは図１８Ａにおける一点鎖線１８Ｃ−１８Ｄにおいて切断した断面図である。
次に、図１９Ａ及び図１９Ｂに示すように、強誘電体層２３において溝５１及び５２の形成されている面に、金属膜５５を形成する。形成される金属膜５５は、Ｐｔ（白金）、Ｃｕ（銅）等の金属材料が用いられる。本実施の形態では、一例として、Ｐｔをメッキにより形成した。これにより溝５１及び５２内、強誘電体層２３の表面に金属膜５５が形成される。尚、図１９Ａはこの工程における上面図であり、図１９Ｂは図１９Ａにおける一点鎖線１９Ｃ−１９Ｄにおいて切断した断面図である。尚、金属膜をスパッタリング等により形成し、その内部に樹脂材料層を形成することにより、図７に示す構造の櫛形電極２４ａを有する検出電極を形成することができる。
次に、図２０Ａ及び図２０Ｂに示すように、研磨により強誘電体層２３の表面上の金属膜５５を除去することにより、溝部５１及び５２内には金属膜５５が残存する。よって、溝５１に残存する金属膜５５によりＸ方向加速度センサの検出電極２４が形成され、また、溝５２に残存する金属膜５５によりＹ方向加速度センサの検出電極３４が形成される。同時に、この工程において、溝内に残存する金属膜５５により電極端子２９ａ、２９ｂ、３９ａ及び３９ｂが形成される。尚、図２０Ａはこの工程における上面図であり、図２０Ｂは図２０Ａにおける一点鎖線２０Ｃ−２０Ｄにおいて切断した断面図である。
次に、図２１Ａ及び図２１Ｂに示すように、Ｚ方向加速度検出センサの検出電極等が形成される領域に開口を有するレジストパターン５６を形成する。具体的には、検出電極２４及び検出電極３４が形成されている強誘電体層２３の表面にフォトレジストを塗布し、プリベーク、露光装置による露光、現像を行うことにより、Ｚ方向加速度検出センサの検出電極等が形成される領域に開口を有するレジストパターン５６を形成する。尚、図２１Ａはこの工程における上面図であり、図２１Ｂは図２１Ａにおける一点鎖線２１Ｃ−２１Ｄにおいて切断した断面図である。
次に、図２２Ａ及び図２２Ｂに示すように、Ｚ方向加速度検出センサの検出電極４４及び電極端子４９を形成する。具体的には、レジストパターン５６の形成されている面にスパッタリング等によりＰｔ等の金属膜を成膜し、その後、有機溶剤等に浸漬させてリフトオフを行うことにより、レジストパターン５６の形成されている領域上の金属膜をレジストパターン５６とともに除去する。これにより、レジストパターン５６の形成されていない領域の金属膜が残存し、残存した金属膜によりＺ方向加速度検出センサの検出電極４４及び電極端子４９が形成される。尚、図２２Ａはこの工程における上面図であり、図２２Ｂは図２２Ａにおける一点鎖線２２Ｃ−２２Ｄにおいて切断した断面図である。
次に、図２３Ａ及び図２３Ｂに示すように、絶縁膜５７を形成する。形成される絶縁膜５７はＡｌ２Ｏ３等の材料であり、スパッタリング又は真空蒸着等により形成される。形成される絶縁膜５７の膜厚は５００ｎｍである。尚、図２３Ａはこの工程における上面図であり、図２３Ｂは図２３Ａにおける一点鎖線２３Ｃ−２３Ｄにおいて切断した断面図である。
次に、図２４Ａ及び図２４Ｂに示すように、レジストパターン５８を形成する。具体的には、形成されるレジストパターン５８は、後述するＸ方向加速度センサの絶縁層２５、Ｙ方向加速度センサの絶縁層３５、Ｚ方向加速度センサの絶縁層４５が形成される領域の絶縁膜５７上にレジストが残存するようにレジストパターン５８を形成する。形成方法は、絶縁膜５７の表面にフォトレジストを塗布し、プリベーク、露光装置による露光、現像を行うことにより、レジストパターン５８を形成する。尚、図２４Ａはこの工程における上面図であり、図２４Ｂは図２４Ａにおける一点鎖線２４Ｃ−２４Ｄにおいて切断した断面図である。
次に、図２５Ａ及び図２５Ｂに示すように、ＲＩＥ等によるドライエッチングを行うことにより、Ｘ方向加速度センサの絶縁層２５、Ｙ方向加速度センサの絶縁層３５、Ｚ方向加速度センサの絶縁層４５を形成する。具体的には、ＲＩＥ等のドライエッチングにより、レジストパターン５８の形成されていない領域の絶縁膜５７を除去し、その後、レジストパターン５８を有機溶剤等により除去することにより、Ｘ方向加速度センサの絶縁層２５、Ｙ方向加速度センサの絶縁層３５、Ｚ方向加速度センサの絶縁層４５を形成する。尚、図２５Ａはこの工程における上面図であり、図２５Ｂは図２５Ａにおける一点鎖線２５Ｃ−２５Ｄにおいて切断した断面図である。
次に、図２６Ａ及び図２６Ｂに示すように、絶縁膜２５、３５及び４５が形成されている面に樹脂材料膜２６を形成する。樹脂材料膜２６を形成する材料としては、ポリイミド（polyimide）又はＰＭＭＡ（poly methyl methacrylate）等が挙げられる。尚、図２６Ａはこの工程における上面図であり、図２６Ｂは図２６Ａにおける一点鎖線２６Ｃ−２６Ｄにおいて切断した断面図である。
次に、図２７Ａ及び図２７Ｂに示すように、Ｘ方向加速度センサの絶縁層２５、Ｙ方向加速度センサの絶縁層３５の表面が露出するまで、樹脂材料膜２６を研磨する。研磨方法としては、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）等の方法が挙げられる。この際、Ｘ方向加速度センサの絶縁層２５及びＹ方向加速度センサの絶縁層３５と高さが揃うように、Ｚ方向加速度センサの絶縁層４５の表面が研磨により削られる。尚、図２７Ａはこの工程における上面図であり、図２７Ｂは図２７Ａにおける一点鎖線２７Ｃ−２７Ｄにおいて切断した断面図である。
次に、図２８Ａ及び図２８Ｂに示すように、絶縁層２５、３５、４５及び樹脂材料層２６上にＮｉ膜６０が形成される。Ｎｉ膜６０はスパッタリングにより形成される。尚、図２８Ａはこの工程における上面図であり、図２８Ｂは図２８Ａにおける一点鎖線２８Ｃ−２８Ｄにおいて切断した断面図である。
次に、図２９Ａ及び図２９Ｂに示すように、Ｎｉ膜６０上に、レジストパターン６１を形成する。レジストパターン６１は、Ｎｉ膜６０上にフォトレジストを塗布した後、プリベーク、露光装置による露光、現像を行うことにより形成する。尚、図２９Ａはこの工程における上面図であり、図２９Ｂは図２９Ａにおける一点鎖線２９Ｃ−２９Ｄにおいて切断した断面図である。
次に、図３０Ａ及び図３０Ｂに示すように、Ｎｉメッキを行う。ＮｉメッキによりＸ方向加速度センサ、Ｙ方向加速度センサ及びＺ方向加速度センサにおける錘部２７、３７、４７が形成される。具体的には、Ｎｉ膜６０の露出している領域、即ち、レジストパターン６１の形成されていない領域に電解メッキによりＮｉを堆積させることにより、錘部２７、３７、４７を形成する。尚、図３０Ａはこの工程における上面図であり、図３０Ｂは図３０Ａにおける一点鎖線３０Ｃ−３０Ｄにおいて切断した断面図である。
次に、図３１Ａ及び図３１Ｂに示すように、レジストパターン６１を除去する。尚、図３１Ａはこの工程における上面図であり、図３１Ｂは図３１Ａにおける一点鎖線３１Ｃ−３１Ｄにおいて切断した断面図である。
次に、図３２Ａ及び図３２Ｂに示すように、ＲＩＥ等のドライエッチングを行うことにより、錘部２７、３７、４７の形成されていない領域のＮｉ膜６０を除去する。これにより、絶縁層２５、３５、４５及び樹脂材料層２６の表面が露出する。尚、図３２Ａはこの工程における上面図であり、図３２Ｂは図３２Ａにおける一点鎖線３２Ｃ−３２Ｄにおいて切断した断面図である。
次に、図３３Ａ及び図３３Ｂに示すように、樹脂材料層２６を介した電極端子２９ａ、２９ｂ、３９ａ、３９ｂ及び４９上に開口部を有するレジストパターン６２を形成する。具体的には、フォトレジストを塗布した後、プリベーク、露光装置による露光、現像を行うことにより、樹脂材料層２６を介した電極端子２９ａ、２９ｂ、３９ａ、３９ｂ及び４９上に開口部を有するレジストパターン６２を形成する。尚、図３３Ａはこの工程における上面図であり、図３３Ｂは図３３Ａにおける一点鎖線３３Ｃ−３３Ｄにおいて切断した断面図である。
次に、図３４Ａ及び図３４Ｂに示すように、レジストパターン６２の開口部における樹脂材料層２６をアッシング等により除去することにより、電極端子２９ａ、２９ｂ、３９ａ、３９ｂ及び４９の表面を露出させる。この後、レジストパターン６２を有機溶剤等により除去する。尚、図３４Ａはこの工程における上面図であり、図３４Ｂは図３４Ａにおける一点鎖線３４Ｃ−３４Ｄにおいて切断した断面図である。
次に、図３５Ａ及び図３５Ｂに示すように、シリコン基板２１の裏面にレジストパターン６３を形成する。このレジストパターン６３は、Ｚ方向加速度センサとなる領域に開口部６４を有するレジストパターン６３である。具体的には、シリコン基板２１の裏面にフォトレジストを塗布した後、プリベーク、露光装置による露光、現像を行うことにより、レジストパターン６３を形成する。尚、図３５Ａはこの工程における上面図であり、図３５Ｂは図３５Ａにおける一点鎖線３５Ｃ−３５Ｄにおいて切断した断面図である。
次に、図３６Ａ及び図３６Ｂに示すように、レジストパターン６３の開口部６４におけるシリコン基板２１を裏面よりウエットエッチングにより除去する。この際用いられるエッチング液は、ＫＯＨであり、下部電極２２の表面が露出するまで行う。これによりシリコン基板２１の開口領域６５を形成する。この後、有機溶剤等によりレジストパターン６３を除去する。尚、図３６Ａはこの工程における上面図であり、図３６Ｂは図３６Ａにおける一点鎖線３６Ｃ−３６Ｄにおいて切断した断面図である。
次に、図３７Ａ及び図３７Ｂに示すように、電極端子２９ａ、２９ｂ、３９ａ、３９ｂ及び４９、開口領域６５において露出している下部電極２２と、不図示のチャージアンプ又は昇圧回路と接続するための配線７１ａ、７１ｂ、７２ａ、７２ｂ、７３、７４を形成する。即ち、電極端子２９ａと接続する配線７１ａ、電極端子２９ｂと接続する配線７１ｂ、電極端子３９ａと接続する配線７２ａ、電極端子３９ｂと接続する配線７２ｂ、電極端子４９と接続する配線７３、下部電極２２と接続する配線７４を形成する。尚、図３７Ａはこの工程における上面図であり、図３７Ｂは図３７Ａにおける一点鎖線３７Ｃ−３７Ｄにおいて切断した断面図である。これにより、本実施の形態における加速度センサが作製される。
本実施の形態における加速度センサでは、Ｘ方向の加速度は、配線７１ａ及び７１ｂを介し、電極端子２９ａと電極端子２９ｂとの電位差を計測することにより検出される。また、Ｙ方向の加速度は、配線７２ａ及び７２ｂを介し、電極端子３９ａと電極端子３９ｂとの電位差を計測することにより検出される。また、Ｚ方向の加速度は、配線７３及び７４を介し、電極端子４９と下部電極２２との電位差を計測することにより検出される。
〔第２の実施の形態〕
第２の実施の形態における加速度センサについて説明する。本実施の形態における加速度センサは、Ｘ方向加速度センサ、Ｙ方向加速度センサ、Ｚ方向加速度センサを有している。これにより、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の加速度を検出することが可能であり、３次元における加速度を検出することが可能である。
第２の実施の形態における加速度センサについて説明する。本実施の形態における加速度センサは、Ｘ方向加速度センサ、Ｙ方向加速度センサ、Ｚ方向加速度センサを有している。これにより、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の加速度を検出することが可能であり、３次元における加速度を検出することが可能である。
図３８及び図３９に基づき、本実施の形態における加速度センサのＸ方向加速度センサについて説明する。尚、本実施の形態におけるＺ方向加速度センサは、第１の実施の形態と同様のものである。図３９は、図３８における一点鎖線３９Ａ−３９Ｂにおいて切断した断面図である。
本実施の形態における加速度センサのＸ方向加速度センサは、シリコン基板１２１上に、下部電極１２２、圧電体層となる強誘電体層１２３が積層形成されており、強誘電体層１２３の内部において、検出電極１２４が形成されている。
検出電極１２４は、Ｘ方向加速度センサの形成される領域に形成される２つの櫛形電極１２４ａ及び１２４ｂを有しており、一方の櫛形電極１２４ａの櫛の歯となる電極が他方の櫛形電極１２４ｂの櫛の歯となる電極間に入り込むように交互に形成されている。検出電極１２４となる櫛形電極１２４ａ及び１２４ｂは、各々電極端子１２９ａ及び１２９ｂと接続されている。即ち、櫛形電極１２４ａは引出電極を介し電極端子１２９ａと接続されており、櫛形電極１２４ｂは引出電極を介し電極端子１２９ｂと接続されている。
また、櫛形電極１２４ａ及び１２４ｂの櫛の歯となる電極の間に形成される強誘電体層１２３は、櫛形電極１２４ａ及び１２４ｂにより区分された領域において、強誘電体層１２３は１つおきに形成されており、区分された領域において強誘電体層１２３が形成されない領域には樹脂材料層１３０が形成されている。尚、櫛形電極１２４ａ及び１２４ｂとの間に形成される強誘電体層１２３は、矢印Ｈに示す方向に一方向に揃って分極されている。
更に、Ｘ方向加速度センサに形成される櫛形電極１２４ａ及び１２４ｂとの間の強誘電体層１２３上には絶縁層１２５が形成されており、この絶縁層１２５上に錘部１２７が形成されている。尚、絶縁層１２５が形成されていない強誘電体層１２３、検出電極１２４上には樹脂材料層１２６が形成されている。
また、本実施の形態における加速度センサには、Ｘ方向加速度センサと同様の構造のＹ方向加速度センサが設けられている。Ｙ方向加速度センサは、Ｘ方向加速度センサとは９０°異なる方向に配置されている。即ち、Ｘ方向加速度センサに形成される櫛形電極１２４ａ及び１２４ｂにおける櫛の歯となる電極の延びる方向と、Ｙ方向加速度センサに形成される櫛形電極における櫛の歯となる電極延びる方向とは９０°異なる方向となるよう形成されている。従って、Ｙ方向加速度センサに形成される櫛形電極１２４ａ及び１２４ｂは、櫛の歯となる電極がＸ軸方向に垂直に、Ｙ軸方向に延びるように形成されている。Ｙ方向加速度センサに形成される櫛形電極は、櫛の歯となる電極がＹ軸方向に垂直に、Ｘ軸方向に延びるように形成されている。
本実施の形態における加速度センサでは、強誘電体層１２３における分極方向が一方向であり、分極工程を簡略化することができ、また、分極を生じさせるための分極用上部電極の形成に伴う製造工程も簡略化させることができる。よって、感度の高い加速度センサを低コストで製造することが可能となる。
尚、本実施の形態における上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。
〔第３の実施の形態〕
第３の実施の形態における加速度センサについて説明する。本実施の形態における加速度センサは、Ｘ方向加速度センサ、Ｙ方向加速度センサ、Ｚ方向加速度センサを有している。これにより、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の加速度を検出することが可能であり、３次元方向における加速度を検出することが可能である。
第３の実施の形態における加速度センサについて説明する。本実施の形態における加速度センサは、Ｘ方向加速度センサ、Ｙ方向加速度センサ、Ｚ方向加速度センサを有している。これにより、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の加速度を検出することが可能であり、３次元方向における加速度を検出することが可能である。
図４０及び図４１に基づき、本実施の形態における加速度センサのＸ方向加速度センサについて説明する。尚、本実施の形態におけるＺ方向加速度センサは、第１の実施の形態と同様のものである。図４１は、図４０における一点鎖線４１Ａ−４１Ｂにおいて切断した断面図である。
本実施の形態における加速度センサのＸ方向加速度センサは、シリコン基板２２１上に、下部電極２２２、圧電体層となる強誘電体層２２３が積層形成されており、強誘電体層２２３の内部において、検出電極２２４が形成されている。
検出電極２２４は、Ｘ方向加速度センサの形成される領域に、Ｘ軸方向に垂直に形成される複数の個別検出電極２２４ａと、Ｘ方向に個別検出電極２２４ａ同士を１つおきに接続する接続電極２２４ｂを有している。検出電極２２４の一方の端は引出電極を介し電極端子２２９ａと接続されており、検出電極２２４の他方の端は引出電極を介し電極端子２２９ｂと接続されている。これにより、複数の強誘電体層２２３を個別検出電極２２４ａにより挟んだ構造のものが、直列に接続されたものとなる。
また、複数の個別検出電極２２４ａ間に形成される強誘電体層２２３は、矢印Ｊに示す方向に分極されている。
更に、Ｘ方向加速度センサに形成される個別検出電極２２４ａ間の強誘電体層２２３上には絶縁層２２５が形成されており、この絶縁層２２５上に錘部２２７が形成されている。尚、絶縁層２２５が形成されていない強誘電体層２２３、検出電極２２４上には樹脂材料層２２６が形成されている。
また、本実施の形態における加速度センサには、Ｘ方向加速度センサと同様の構造のＹ方向加速度センサが設けられている。Ｙ方向加速度センサは、Ｘ方向加速度センサとは９０°異なる方向に配置されている。即ち、Ｘ方向加速度センサに形成される個別検出電極２２４ａの延びる方向と、Ｙ方向加速度センサに形成される個別検出電極の延びる方向とは９０°異なる方向となるよう形成されている。従って、Ｘ方向加速度センサにおける個別検出電極２２４ａは、Ｘ軸方向に垂直に、Ｙ軸方向に延びるように形成されている。Ｙ方向加速度センサにおける個別検出電極は、Ｙ軸方向に垂直に、Ｘ軸方向に延びるように形成されている。
本実施の形態における加速度センサでは、複数の強誘電体層２２３を個別検出電極２２４ａにより挟んだ構造のものが、直列に接続されているため、微小な加速度に対しても大きな起電圧を得ることができ、より一層感度の高い加速度センサを得ることができる。
尚、第１から第３の実施の形態における加速度センサにおいては、外部の振動が生じることにより圧電体層より電荷及び起電圧を取り出すことが可能であることから、センサネットワークを構成するセンサの振動発電デバイスとすることも可能である。具体的には、第１から第３の実施の形態における加速度センサの検出電極に整流回路を接続し、二次電池に蓄電することにより振動発電デバイスを得ることができる。
以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。
１１ Ｘ方向加速度センサ
１２ Ｙ方向加速度センサ
１３ Ｚ方向加速度センサ
２１ シリコン基板
２２ 下部電極
２３ 強誘電体層
２４ 検出電極
２４ａ 櫛形電極
２４ｂ 櫛形電極
２５ 絶縁層
２６ 樹脂材料層
２７ 錘部
２９ａ 電極端子
２９ｂ 電極端子
３４ 検出電極
３４ａ 櫛形電極
３４ｂ 櫛形電極
３５ 絶縁層
３７ 錘部
３９ａ 電極端子
３９ｂ 電極端子
４４ 検出電極
４５ 絶縁層
４７ 錘部
４９ 電極端子
１２ Ｙ方向加速度センサ
１３ Ｚ方向加速度センサ
２１ シリコン基板
２２ 下部電極
２３ 強誘電体層
２４ 検出電極
２４ａ 櫛形電極
２４ｂ 櫛形電極
２５ 絶縁層
２６ 樹脂材料層
２７ 錘部
２９ａ 電極端子
２９ｂ 電極端子
３４ 検出電極
３４ａ 櫛形電極
３４ｂ 櫛形電極
３５ 絶縁層
３７ 錘部
３９ａ 電極端子
３９ｂ 電極端子
４４ 検出電極
４５ 絶縁層
４７ 錘部
４９ 電極端子
Claims (20)
- 基板上に形成された圧電体層と、
前記圧電体層の内部に形成された複数の検出電極と、
前記検出電極間における前記圧電体層が、前記圧電体層の膜厚方向に分極していることを特徴とする加速度センサ。 - 前記複数の検出電極は、前記圧電体層に形成された溝内に形成されているものであることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
- 前記検出電極間における前記圧電体層上には、絶縁膜を介し錘部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
- 前記圧電体層は、強誘電体材料により形成されているものであることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
- 前記複数の検出電極は、検出される加速度の方向に交わる方向に延びる形状のものであって、前記検出される加速度の方向に沿って配列されているものであることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
- 前記複数の検出電極は２つの櫛形電極の櫛の歯となる電極であって、一方の櫛の歯となる電極が、他方の櫛の歯となる電極間に入り込むよう交互に配置されているものであることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
- 前記検出電極間の領域における圧電体層における分極方向は、検出される加速度の方向に交わる方向であって、前記検出電極を介し、隣接する前記領域における圧電体層における分極方向が相互に反対方向となるよう形成されているものであることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
- 前記検出電極間の領域において、前記圧電体層は１つおきに形成されており、前記検出電極間の領域における圧電体層の分極方向は、検出される加速度の方向に対し垂直方向となる一方の方向に揃っているものであることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
- 前記複数の検出電極は、相互に隣接する前記検出電極同士が１つおきに接続されているものであることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
- 前記複数の検出電極間の領域における圧電体層における分極方向は、検出される加速度の方向に対し垂直方向となる一方向に揃っていることを特徴とする請求項９に記載の加速度センサ。
- 前記基板と前記圧電体層の間には、前記圧電体層を分極させるための下部電極が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
- 請求項５に記載の加速度センサを２以上有しており、前記２つの加速度センサにおいて検出される加速度の方向は相互に交わるものであることを特徴とする加速度センサ。
- 請求項５に記載の第１の加速度センサと第２の加速度センサを有し、前記第１の加速度センサにおいて検出される加速度の方向と第２の加速度センサにおいて検出される加速度の方向とは相互に交わるものであって、
前記第１の加速度センサにおいて検出される加速度の方向と第２の加速度センサにおいて検出される加速度の方向と、ともに交わる方向の加速度を検出する第３の加速度センサを有しており、
３次元方向における加速度を検出することができるものであることを特徴とする加速度センサ。 - 基板上に下部電極、圧電体層を積層形成する成膜工程と、
前記圧電体層に複数の溝を形成する溝形成工程と、
前記複数の溝の間の前記圧電体層上に上部電極を形成する上部電極形成工程と、
前記上部電極と前記下部電極との間に電圧を印加し、前記複数の溝の間の領域における圧電体層を分極させる分極工程と、
前記複数の溝に複数の検出電極を形成する検出電極形成工程と、
を有することを特徴とする加速度センサの製造方法。 - 前記検出電極形成工程の後、前記検出電極間において分極されている誘電体層上に絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、
前記形成された絶縁体層上に錘部を形成する錘部形成工程と、
を有することを特徴とする請求項１４に記載の加速度センサの製造方法。 - 検出電極形成工程において形成される複数の検出電極は、検出される加速度の方向に対し垂直方向に延びる形状のものであって、前記検出される加速度の方向に沿って配列されているものであることを特徴とする請求項１４に記載の加速度センサの製造方法。
- 前記分極工程において分極される前記圧電体層の分極方向は、検出する加速度の方向に対し垂直方向であることを特徴とする請求項１４から１６のいずれかに記載の加速度センサの製造方法。
- 検出電極形成工程において形成される複数の検出電極は、２つの櫛形電極の櫛の歯となる電極であって、一方の櫛の歯となる電極が、他方の櫛の歯となる電極間に交互に配置されているものであることを特徴とする請求項１４に記載の加速度センサの製造方法。
- 前記上部電極形成工程において、前記複数の溝の間の前記圧電体層上に第１の上部電極と第２の上部電極を形成するものであって、
前記分極工程において分極される前記圧電体層の分極方向は、前記検出電極を介し、隣接する前記領域における圧電体層における分極方向が相互に反対方向となるように、前記第１の上部電極と前記第２の上部電極とに異なる電圧を印加することにより形成されるものであることを特徴とする請求項１４に記載の加速度センサの製造方法。 - 請求項1に記載の加速度センサより起電力を取り出し、前記起電力を蓄電することを特徴とする振動発電デバイス。
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