JPWO2014126019A1 - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

錘（２３１，２３２）と、支持部（２２）と、ピエゾ抵抗素子が設けられた梁（２４１Ａ〜２４１Ｃ，２４２Ａ〜２４２Ｃ）と、を備え、錘（２３１，２３２）は、凸部（２３１Ａ，２３２Ｂ）と凹部（２３１Ｂ，２３１Ｃ，２３２Ｂ，２３２Ｃ）とを有し、支持部（２２）は、凸部（２２１Ｂ，２２１Ｃ，２２１Ｂ，２２１Ｃ）と凹部（２２１Ａ，２２２Ａ）を有し、梁（２４１Ａ，２４２Ａ）は、凸部（２３１Ａ，２３２Ａ）と凹部（２２１Ａ，２２２Ａ）とに接続され、梁（２４１Ｂ，２４２Ｂ）は、凹部（２３１Ｂ，２３２Ｂ）と凸部（２２１Ｂ，２２２Ｂ）とに接続され、梁（２４１Ｃ，２４２Ｃ）は、凹部（２３１Ｃ，２３２Ｃ）と凸部（２２１Ｃ，２２２Ｃ）とに接続されている、加速度センサ（２１）。

Description

本発明は、ピエゾ抵抗素子を用いた加速度センサに関する。

ピエゾ抵抗素子を用いた加速度センサとして、加速度センサの厚み方向の加速度と、加速度センサの平面方向の加速度とを検出する加速度センサが特許文献１や特許文献２に開示されている。

図９（Ａ）は、特許文献１を参考にした加速度センサ１Ｐの平面図である。加速度センサ１Ｐは、支持枠２Ｐと、錘３Ｐと、４つの可撓腕（梁）４１Ｐ，４２Ｐ，４３Ｐ，４４Ｐと、Ｘ軸検出用ピエゾ抵抗５１Ｐと、Ｙ軸検出用ピエゾ抵抗５２Ｐと、Ｚ軸検出用ピエゾ抵抗５３Ｐと、を備えている。支持枠２Ｐは、矩形の枠状である。錘３Ｐは、支持枠２Ｐの枠内に配置されている。４つの可撓腕４１Ｐ，４２Ｐ，４３Ｐ，４４Ｐは、錘３Ｐの周りに十字状に配置されており、それぞれ支持枠２Ｐの各辺の中央と錘３Ｐとの間に連結されている。Ｘ軸検出用ピエゾ抵抗５１Ｐは、可撓腕４２Ｐ，４４Ｐに設けられている。Ｙ軸検出用ピエゾ抵抗５２Ｐは、可撓腕４１Ｐ，４３Ｐに設けられている。Ｚ軸検出用ピエゾ抵抗５３Ｐは、可撓腕４２Ｐ，４４Ｐに設けられている。

図９（Ｂ）は、特許文献２を参考にした加速度センサ１Ｑの平面図である。加速度センサ１Ｑは、半導体基板２Ｑと、錘３Ｑと、梁部４Ｑと、Ｚ軸検出用ピエゾ抵抗５１Ｑと、Ｘ軸検出用ピエゾ抵抗５２Ｑと、を備えている。半導体基板２Ｑは、矩形の枠状である。錘３Ｑは、半導体基板２Ｑの枠内に配置されている。梁部４Ｑは、Ｙ軸に沿って延伸しており、半導体基板２Ｑと錘３Ｑとに連結されている。また、梁部４Ｑは、Ｚ軸に対して垂直でＸ軸およびＹ軸に対して平行な表面４１Ｑと、Ｚ軸およびＸ軸に対して非垂直でＹ軸に対して平行な斜面４２Ｑと、を有している。Ｘ軸検出用ピエゾ抵抗５２Ｑは、斜面４２Ｑに設けられており、Ｘ軸に沿う方向の加速度を検出する。Ｚ軸検出用ピエゾ抵抗５１Ｑは、表面４１Ｑに設けられており、Ｚ軸に沿う方向の加速度を検出する。

国際公開第２００５／０６２０６０号パンフレット 特開２００４−３４０８５８号公報

特許文献２に開示されている加速度センサは、梁部に斜面４２Ｑや、斜面４２Ｑ上のＸ軸検出用ピエゾ抵抗５２Ｑを設ける必要があった。梁部に斜面４２Ｑや、斜面４２Ｑ上のＸ軸検出用ピエゾ抵抗５２Ｑを設けるには、難度が高いプロセス技術が必要であり、加速度センサの品質が不安定になる要因となっていた。

また、特許文献１に開示されている加速度センサは、異なる位置で固定されている複数の可撓梁が外部応力の影響を受けて撓むと、所望の加速度が加わっていない状態であるにも関わらず、不要な検出信号が出力されてしまうことがあった。さらには、特許文献１と特許文献２に開示されている加速度センサはいずれも、検出帯域の広帯域化を図ると、検出感度が低下してしまう問題もあった。

そこで、本発明の目的は、製造が容易で、外部応力によって不要な検出信号が出力されることがなく、広い検出帯域と高い検出感度を実現することが可能な加速度センサを提供することにある。

本発明に係る加速度センサは、錘と、前記錘に対向して配置されている支持部と、前記錘と前記支持部とを接続している複数の梁と、前記複数の梁の少なくともいずれかに設けられているピエゾ抵抗素子と、を備えるものであり、前記錘は、前記支持部側に突出する錘側凸部を有し、前記支持部は、前記錘側凸部に対向する位置から外れる位置に設けられており前記錘側に突出する支持部側凸部を有し、前記複数の梁のうちの一つは、一方の端部が前記錘側凸部に接続され、他方の端部が前記支持部における前記錘側凸部に対向する部分に接続され、前記複数の梁のうちの他の一つは、一方の端部が前記支持部側凸部に接続され、他方の端部が前記錘における前記支持部側凸部に対向する部分に接続されている。

この構成では、錘と支持部とに凸部が設けられ、各梁が段違いに配置されるように構成されているので、各梁には、錘が変位する時に応力が局所的に集中する領域が生じる。したがって、その応力が集中する領域にピエゾ抵抗素子を設けて、広帯域であっても感度のより良い加速度センサを実現することが可能になる。

本発明に係る加速度センサは、第１の錘と、前記第１の錘と面対称に設けられている第２の錘と、前記第１の錘と前記第２の錘との間に配置されている支持部と、前記第１の錘と前記支持部とを接続している第１の梁と、前記第１の梁と面対称に設けられており、前記第２の錘と前記支持部とを接続している第２の梁と、前記第１の錘と前記支持部とを接続している第３の梁と、前記第３の梁と面対称に設けられており、前記第２の錘と前記支持部とを接続している第４の梁と、前記第１の梁と前記第３の梁との少なくとも一方と、前記第２の梁と前記第４の梁との少なくとも一方とに設けられているピエゾ抵抗素子と、を備えるものであり、前記第１の錘は、前記支持部側に突出する第１の凸部を有し、前記第２の錘は、前記支持部側に突出する第２の凸部を有し、前記支持部は、前記第１の凸部に対向する位置から外れる位置に設けられており前記第１の錘側に突出する第３の凸部と、前記第２の凸部に対向する位置から外れる位置に設けられており前記第２の錘側に突出する第４の凸部とを有し、前記第１の梁は、一方の端部が前記第１の凸部に接続され、他方の端部が前記支持部における前記第１の凸部に対向する部分に接続され、前記第２の梁は、一方の端部が前記第２の凸部に接続され、他方の端部が前記支持部における前記第２の凸部に対向する部分に接続され、前記第３の梁は、一方の端部が前記第３の凸部に接続され、他方の端部が前記第１の錘における前記第３の凸部に対向する部分に接続され、前記第４の梁は、一方の端部が前記第４の凸部に接続され、他方の端部が前記第２の錘における前記第４の凸部に対向する部分に接続されている。

この構成では、第１の錘を支持する第１の梁および第３の梁と、第２の錘を支持する第２の梁および第４の梁とが、支持部から互いに反対の方向に伸びているので、第１の錘と第２の錘とは、互いに対向する方向に沿った加速度に対して、逆方向の挙動を示し、その方向に直交する方向に沿った加速度に対して、同じ挙動を示すことになる。このため、第１の錘の挙動と、第２の錘の挙動とを、それぞれに設けたピエゾ抵抗素子で検出することにより、加工に難易度の高いプロセス技術を要する構成でなくても、様々な方向の加速度を検出することが可能になる。その上、支持部に作用する外部応力や、不要な振動、ノイズなどによる影響を受けにくく、不要な検出信号が出力されることも殆ど無くなる。さらには、第１の錘と第２の錘と支持部とに凸部が設けられ、各梁が段違いに配置されるように構成されているので、各梁には、第１の錘と第２の錘が変位する時に応力が局所的に集中する領域が生じる。したがって、その応力が集中する領域にピエゾ抵抗素子を設けて、広帯域であっても感度のより良い加速度センサを実現することが可能になる。

本発明に係る加速度センサにおいて、支持部は、前記錘部と対向する方向、および、前記複数の梁部が並ぶ方向に対して直交する方向に延びており、この延び方向の両端部のうち一方の端部のみを固定端として外部に固定されていてもよい。

この構成では、外部応力によって不要な検出信号が出力されてしまうことを低減できる。

本発明に係る加速度センサにおいて、支持部が延びる方向に直交する断面での支持部の面積が、前記固定端の近傍で局所的に小さくてもよい。

この構成では、外部応力が固定端を介して支持部に伝わることを抑制でき、不要な検出信号が出力されてしまうことをさらに低減できる。

本発明に係る加速度センサにおいて、第１の凸部の先端は第３の凸部の先端よりも第１の錘側に位置しており、第２の凸部の先端は第４の凸部の先端よりも第２の錘側に位置していてもよい。

この構成では、第１の錘および第２の錘と支持部との凸部同士が、互いに相手側に入り込むことが無いように設けられる。このことにより、各梁の中央付近から各梁の一方の端部付近までの間に応力が集中する領域が生じる。したがって、応力が集中する領域にピエゾ抵抗素子を設けて、広帯域であっても感度の良い加速度センサを実現することが可能になる。

本発明に係る加速度センサにおいて、第１の凸部の先端は第３の凸部の先端よりも支持部側に位置しており、第２の凸部の先端は第４の凸部の先端よりも支持部側に位置していてもよい。

この構成では、第１の錘および第２の錘と支持部との凸部同士が、互いに相手側に入り込むように設けられる。このことにより、各梁の両端部分に応力が集中する領域が生じる。したがって、その応力が集中する領域にピエゾ抵抗素子を設けて、広帯域であっても感度の良い加速度センサを実現することが可能になる。

本発明によれば、検出帯域を広帯域化しても検出感度が低下しにくくなる。また、製造が容易な加速度センサを構成できる。

本発明の第１の実施形態に係る加速度センサの斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る加速度センサの平面図および断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る加速度センサにおける錘の変位挙動を説明するための断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る加速度センサの挙動と、ピエゾ抵抗素子の配置例とを説明するための平面図である。 本発明の第１の実施形態に係る加速度センサの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る加速度センサの第１の変形例の平面図である。 本発明の第１の実施形態に係る加速度センサの第２の変形例の平面図である。 本発明の第１の実施形態に係る加速度センサの第３の変形例の平面図である。 従来例の加速度センサを説明する平面図である。

≪第１の実施形態≫
次に、本発明の第１の実施形態に係る加速度センサについて、図１〜６に基づいて説明する。ここで説明する加速度センサは、２軸方向の加速度を検出することができるものである。各図には、加速度センサの厚み方向に沿う第１の検出軸であるＺ軸と、加速度センサの平面方向に沿う第２の検出軸でありＺ軸に直交するＹ軸と、Ｚ軸およびＹ軸に直交する軸であるＸ軸と、を付記している。また、各図には、加速度センサの中心を通る中心面として、Ｘ軸およびＺ軸に平行しＹ軸に直交するＣｘ−ｚ面を付記している。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る加速度センサ２１の斜視図である。図２（Ａ）は、加速度センサ２１のＸ−Ｙ面平面図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示すＰｙ−ｚ面における加速度センサ２１のＹ−Ｚ面断面図である。図２（Ｃ）は、図２（Ａ）に示すＱｙ−ｚ面における加速度センサ２１のＹ−Ｚ面断面図である。なお、Ｐｙ−ｚ面およびＱｙ−ｚ面は、それぞれ、Ｙ軸およびＺ軸に平行し、Ｘ軸に直交する面である。

加速度センサ２１は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板に対してエッチング処理等の後述する微細加工を行うことで形成されたＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）ピエゾ抵抗型加速度センサである。

加速度センサ２１は、Ｃｘ−ｚ面を境に面対称な形状である。より具体的には、加速度センサ２１は、第１の錘２３１と、第２の錘２３２と、支持部２２と、第１の梁２４１Ａと、第２の梁２４２Ａと、第３の梁２４１Ｂ，２４１Ｃと、第４の梁２４２Ｂ，２４２Ｃと、加速度検出回路（不図示）と、を備えている。

第１の錘２３１と第２の錘２３２とは、Ｃｘ−ｚ面を境に互いに面対称な配置および形状であり、Ｙ軸方向に互いに対向している。支持部２２は、第１の錘２３１と第２の錘２３２との間に配置されている。支持部２２は、Ｘ軸方向の一端が外部の構造体から浮いた状態でＸ軸に沿って延びており、図中に斜線を付して表示するＸ軸方向の他端を固定端２０として外部の構造体に固定されている。また、固定端２０の近傍では、Ｘ軸に直交する断面での支持部２２の面積を局所的に小さくしている。このため、外部の構造体から固定端２０に応力が伝わろうとしても、固定端２０から支持部２２に応力が伝わりにくくなる。第１の梁２４１Ａおよび第３の梁２４１Ｂ，２４１Ｃは、第１の錘２３１と支持部２２とを接続している。第２の梁２４２Ａおよび第４の梁２４２Ｂ，２４２Ｃは、第２の錘２３２と支持部２２とを接続している。第１の梁２４１Ａと第２の梁２４２Ａとは、Ｃｘ−ｚ面を境に互いに面対称な配置および形状である。第３の梁２４１Ｂと第４の梁２４２Ｂとは、Ｃｘ−ｚ面を境に互いに面対称な配置および形状である。第３の梁２４１Ｃと第４の梁２４２Ｃとは、Ｃｘ−ｚ面を境に互いに面対称な配置および形状である。

より具体的には、第１の錘２３１は、図２（Ａ）に示すＸ−Ｙ面を視て、支持部２２に対向するＹ軸負方向側の面の中央が支持部２２側（Ｙ軸負方向側）に突出する凸形状を有している。換言すれば、第１の錘２３１は、支持部２２側に突出する部分を含む領域である第１の凸部２３１Ａと、第１の凸部２３１ＡよりもＸ軸負方向側の領域である凹部２３１Ｂと、第１の凸部２３１ＡよりもＸ軸正方向側の領域である凹部２３１Ｃと、を備えている。

第２の錘２３２は、支持部２２に対向するＹ軸正方向側の面の中央が支持部２２側（Ｙ軸正方向側）に突出する凸形状を有している。換言すれば、第２の錘２３２は、図２（Ａ）に示すＸ−Ｙ面を視て、支持部２２側に突出する部分を含む領域である第２の凸部２３２Ａと、第２の凸部２３２ＡよりもＸ軸負方向側の領域である凹部２３２Ｂと、第２の凸部２３２ＡよりもＸ軸正方向側の領域である凹部２３２Ｃと、を備えている。

また、第１の錘２３１および第２の錘２３２は、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）に示すＹ−Ｚ面を視て、Ｙ軸に平行な短辺と、Ｚ軸に平行な長辺とを有するおよそ長方形状を有している。

支持部２２は、図２（Ａ）に示すＸ−Ｙ面を視て、第１の錘２３１に対向するＹ軸正方向側の面の中央が第１の錘２３１側とは逆側（Ｙ軸負方向側）にへこみ、また、第２の錘２３２に対向するＹ軸負方向側の面の中央が第２の錘２３２側とは逆側（Ｙ軸正方向側）にへこむＨ字形状を有している。

換言すれば、支持部２２は、第１の錘２３１に対向する対向面側に、第１の錘２３１側とは反対側にへこむ部分を含む領域である凹部２２１Ａと、凹部２２１ＡよりもＸ軸負方向側またはＸ軸正方向側の領域である第３の凸部２２１Ｂ，２２１Ｃと、を備えている。第３の凸部２２１Ｂは、凹部２２１ＡよりもＸ軸負方向側の領域である。第３の凸部２２１Ｃは、凹部２２１ＡよりもＸ軸正方向側の領域である。

また、支持部２２は、第２の錘２３２に対向する対向面側に、第２の錘２３２側とは反対側にへこむ部分を含む領域である凹部２２２Ａと、凹部２２２ＡよりもＸ軸負方向側またはＸ軸正方向側の領域である第４の凸部２２２Ｂ，２２２Ｃと、を備えている。第４の凸部２２２Ｂは、凹部２２２ＡよりもＸ軸負方向側の領域である。第４の凸部２２２Ｃは、凹部２２２ＡよりもＸ軸正方向側の領域である。

また、支持部２２は、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）に示すＹ−Ｚ面を視て、Ｙ軸に平行な短辺と、Ｚ軸に平行な長辺とを有するおおよそ長方形状を有している。

なお、第１の凸部２３１Ａは、支持部２２の凹部２２１ＡよりもＸ軸方向の幅が短く、凹部２２１ＡのＸ軸方向の中頃に対向している。第２の凸部２３２Ａは、支持部２２の凹部２２２ＡよりもＸ軸方向の幅が短く、凹部２２２ＡのＸ軸方向の中頃に対向している。第３の凸部２２１Ｂ，２２１Ｃは、第１の錘２３１の凹部２３１Ｂ，２３１ＣよりもＸ軸方向の幅が短く、凹部２３１Ｂ，２３１ＣそれぞれのＸ軸方向の中頃に対向している。第４の凸部２２２Ｂ，２２２Ｃは、第２の錘２３２の凹部２３２Ｂ，２３２ＣよりもＸ軸方向の幅が短く、凹部２３２Ｂ，２３２ＣそれぞれのＸ軸方向の中頃に対向している。

また、第１の錘２３１および第２の錘２３２と支持部２２とは、それぞれ、凹凸構造が相手側に入り込むことが無いように設けられている。換言すれば、第１の錘２３１の第１の凸部２３１ＡにおけるＹ軸負方向の先端は、支持部２２の第３の凸部２２１Ｂ，２２１ＣにおけるＹ軸正方向の先端よりも、Ｙ軸正方向側すなわち第１の錘２３１側に位置している。第２の錘２３２の第２の凸部２３２ＡにおけるＹ軸正方向の先端は、支持部２２の第４の凸部２２２Ｂ，２２２ＣにおけるＹ軸負方向の先端よりも、Ｙ軸負方向側すなわち第２の錘２３２側に位置している。

第１の梁２４１Ａと第２の梁２４２Ａと第３の梁２４１Ｂ，２４１Ｃと第４の梁２４２Ｂ，２４２Ｃは、それぞれ、Ｚ軸方向に可撓性を有する平板状であり、それぞれＹ軸に沿って伸びるように設けられている。

より具体的には、第１の梁２４１Ａは、Ｙ軸負方向側の端部で、支持部２２の凹部２２１Ａに連結され、Ｙ軸正方向側の端部で、第１の錘２３１の第１の凸部２３１Ａに連結されている。第３の梁２４１Ｂは、Ｙ軸負方向側の端部で、支持部２２の第３の凸部２２１Ｂに連結され、Ｙ軸正方向側の端部で、第１の錘２３１の凹部２３１Ｂに連結されている。第３の梁２４１Ｃは、Ｙ軸負方向側の端部で、支持部２２の第３の凸部２２１Ｃに連結され、Ｙ軸正方向側の端部で、第１の錘２３１の凹部２３１Ｃに連結されている。第２の梁２４２Ａは、Ｙ軸正方向側の端部で、支持部２２の凹部２２２Ａに連結され、Ｙ軸負方向側の端部で、第２の錘２３２の第２の凸部２３２Ａに連結されている。第４の梁２４２Ｂは、Ｙ軸正方向側の端部で、支持部２２の第４の凸部２２２Ｂに連結され、Ｙ軸負方向側の端部で、第２の錘２３２の凹部２３２Ｂに連結されている。第４の梁２４２Ｃは、Ｙ軸正方向側の端部で、支持部２２の第４の凸部２２２Ｃに連結され、Ｙ軸負方向側の端部で、第２の錘２３２の凹部２３２Ｃに連結されている。

以上のように構成した第１の実施形態に係る加速度センサ２１は、第１の梁２４１Ａと第３の梁２４１Ｂ，２４１Ｃによって、第１の錘２３１が支持部２２に片持ち形に支持されている。また、第２の梁２４２Ａと第４の梁２４２Ｂ，２４２Ｃによって、第２の錘２３２が支持部２２に片持ち形に支持されている。そして、第１の錘２３１と第１の梁２４１Ａと第３の梁２４１Ｂ，２４１Ｃとが、第２の錘２３２と第２の梁２４２Ａと第４の梁２４２Ｂ，２４２Ｃとに対して、Ｃｘ−ｚ面を境に面対称に設けられている。したがって、加速度センサ２１では、外部応力や不要な振動などの影響を受けづらくなる。その上、加速度センサ２１では、広い検出帯域と高い検出感度とを実現することができる。また、第１の梁２４１Ａと第２の梁２４２Ａと第３の梁２４１Ｂ，２４１Ｃと第４の梁２４２Ｂ，２４２Ｃとは、従来構成として図９（Ｂ）で説明した構成のような、斜面や斜面上のピエゾ抵抗素子を設ける必要がなく、製造が容易である。

次に、第１の実施形態に係る加速度センサ２１の振動態様について説明する。

図３は、図２（Ｂ）と同様の、Ｐｙ−ｚ面における加速度センサ２１のＹ−Ｚ面断面図である。図３（Ａ）は、加速度センサ２１にＹ軸に沿う方向の加速度が加わる場合の挙動を示している。図３（Ｂ）は、加速度センサ２１にＺ軸に沿う方向の加速度が加わる場合の挙動を示している。

図３（Ａ）に示す状態では、加速度センサ２１にＹ軸に沿う方向（Ｙ軸正方向）の加速度が加わっている。この状態では、第１の錘２３１および第２の錘２３２は、加速度の作用方向とは逆の方向（Ｙ軸負方向）に慣性力が作用して、Ｙ−Ｚ面内で変位する。このとき、第１の錘２３１と第２の錘２３２とでは、支持部に対する変位が逆になる。

図３（Ｂ）に示す状態では、加速度センサ２１にＺ軸に沿う方向（Ｚ軸正方向）の加速度が加わっている。この状態では、第１の錘２３１および第２の錘２３２は、加速度の作用方向とは逆の方向（Ｚ軸負方向）に慣性力が作用して、Ｙ−Ｚ面内に変位する。このとき、第１の錘２３１と第２の錘２３２とでは、変位方向が支持部に対して同じになる。

したがって、Ｙ−Ｚ面における任意の方向の加速度が加速度センサ２１に作用すると、第１の錘２３１および第２の錘２３２が、Ｙ−Ｚ面内で変位する。そして、第１の錘２３１の変位挙動と、第２の錘２３２の変位挙動とは、加速度の方向に応じて異なるものになる。そのため、第１の錘２３１の変位挙動と、第２の錘２３２の変位挙動とを検出することにより、Ｙ−Ｚ面断面における様々な方向の加速度を検出することが可能になる。

次に、加速度センサ２１におけるピエゾ抵抗素子の配置例を説明する。

図４は、加速度センサ２１の平面図である。図４には、第１の梁２４１ＡのＹ軸正方向側の端部を通るＸ軸に平行な直線ＬＢ１と、第３の梁２４１Ｂ，２４１ＣのＹ軸負方向側の端部を通るＸ軸に平行な直線ＬＡ１と、第２の梁２４２ＡのＹ軸負方向側の端部を通るＸ軸に平行な直線ＬＢ２と、第４の梁２４２Ｂ，２４２ＣのＹ軸正方向側の端部を通るＸ軸に平行な直線ＬＡ２と、が付記されている。なお、直線ＬＡ１と直線ＬＢ１とに挟まれる領域において、第１の梁２４１Ａと第３の梁２４１Ｂ，２４１ＣとはＸ軸方向に重なっている。また、直線ＬＡ２と直線ＬＢ２とに挟まれる領域において、第１の梁２４１Ａと第３の梁２４１Ｂ，２４１ＣとはＸ軸方向に重なっている。

加速度センサ２１において、第１の錘２３１と支持部２２とは、互いの対向面が噛みあうが、互いに相手側に入り込むことが無いような凹凸構造を有している。このため、第１の梁２４１Ａによって第１の錘２３１が支持されるＹ軸上での位置と、第３の梁２４１Ｂ，２４１Ｃによって第１の錘２３１が支持されるＹ軸上の位置とがずれている。また、第１の梁２４１Ａが支持部２２に支持されるＹ軸上での位置と、第３の梁２４１Ｂ，２４１Ｃが支持部２２に支持されるＹ軸上の位置ともずれている。

また、加速度センサ２１において、第２の錘２３２と支持部２２とは、第１の錘２３１および支持部２２と同様、互いの対向面が噛みあうが、互いに相手側に入り込むことが無いような凹凸構造を有している。このため、第２の梁２４２Ａによって第２の錘２３２が支持されるＹ軸上での位置と、第４の梁２４２Ｂ，２４２Ｃによって第２の錘２３２が支持されるＹ軸上の位置とがずれている。また、第２の梁２４２Ａが支持部２２に支持されるＹ軸上での位置と、第４の梁２４２Ｂ，２４２Ｃが支持部２２に支持されるＹ軸上の位置ともずれている。

したがって、第１の梁２４１Ａと第３の梁２４１Ｂ，２４１Ｃとの直線ＬＡ１と直線ＬＢ１との間に位置している部分と、第２の梁２４２Ａと第４の梁２４２Ｂ，２４２Ｃの直線ＬＡ２と直線ＬＢ２との間に位置している部分に応力が局所的に集中することにより、大きな応力が作用することになる。

そこで、加速度検出回路（不図示）は、第１の梁２４１Ａと第２の梁２４２Ａと第３の梁２４１Ｂ，２４１Ｃと第４の梁２４２Ｂ，２４２Ｃの応力がかかる領域に、ピエゾ抵抗素子Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４，Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４を備えている。ピエゾ抵抗素子Ｒｙ１、Ｒｙ２、Ｒｙ３、Ｒｙ４は、Ｙ軸に沿った加速度に対して出力が得られるように配している。またピエゾ抵抗素子Ｒｚ１、Ｒｚ２、Ｒｚ３、Ｒｚ４はＺ軸に沿った加速度に対して出力が得られるように配している。

なお、より高感度に検出したい検出軸がある場合には、その検出軸に対応するピエゾ抵抗素子を配する梁の幅をより細くするとよい。図４に示す加速度センサ２１においては、第１の梁２４１Ａと第２の梁２４２Ａとを幅が太い梁としており、第３の梁２４１Ｂ，２４１Ｃと第４の梁２４２Ｂ，２４２Ｃとを幅が狭い梁としている。そして、Ｙ軸を検出軸とするピエゾ抵抗素子Ｒｙ１、Ｒｙ２、Ｒｙ３、Ｒｙ４は、幅が太い第１の梁２４１Ａと第２の梁２４２Ａとに配し、Ｚ軸を検出軸とするピエゾ抵抗素子Ｒｚ１、Ｒｚ２、Ｒｚ３、Ｒｚ４は、幅が細い第３の梁２４１Ｂ，２４１Ｃと第４の梁２４２Ｂ，２４２Ｃとに配している。このため、加速度センサ２１においては、Ｚ軸に沿った加速度を高感度に検出できる。

次に、本発明の第１の実施形態に係る加速度センサ２１の製造方法について説明する。図５は、加速度センサ２１の製造方法を説明するためのＹ−Ｚ面断面図である。図５に示す製造方法では、加速度センサ２１を含む装置が製造される。また、図５に示すＹ−Ｚ面断面図は、上述の図２（Ｂ）に示すＹ−Ｚ面断面図に相当している。なお、以下では、ピエゾ抵抗素子Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４，Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４を代表してピエゾ抵抗素子Ｒと称して説明する。

まず、図５（Ａ）に示すように、ＳＯＩ基板１００を用意する。ＳＯＩ基板１００は、シリコン基板１０１とシリコン基板１０２と、これらの間に介在する、例えばＳｉＯ_２やＳｉＮからなる絶縁層１０３と、を備えている。さらに、本実施形態では、シリコン基板１０１の表面に絶縁層１０４が形成されている。

次に、シリコン基板１０１の表面側に、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入技術を用いて、ピエゾ抵抗素子Ｒ（ｐ＋層）を形成する。そして、さらに、シリコン基板１０１の表面側に、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入技術を用いて、低抵抗配線領域１６Ａ（ｐ＋＋層）を形成する。

次に、図５（Ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、ＳＯＩ基板１００の裏面側（シリコン基板１０２側）からフッ素系ガス（ＣＦ_４，Ｃ_４Ｆ_８，ＳＦ_６等）や塩素系ガス（Ｃｌ_２）を用いたドライエッチングを行う。これにより、後に第１の錘２３１および第２の錘２３２と支持部２２との間の空間となる空間１７Ａ、並びに、第１の錘２３１および第２の錘２３２を変位可能にする空間となる空間１７Ｂを形成する。続いて、図５（Ｃ）に示すように、ＳＯＩ基板１００の裏面側（シリコン基板１０２側）に蓋材１８を接合する。蓋材１８は、空間１７Ａ，１７Ｂに連通する空間１７Ｃが形成されている。

次に、図５（Ｄ）に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、ＳＯＩ基板１００の表面側（絶縁層１０４側）からドライエッチングを行い、空間１７Ｂに連通する空間１７Ｄを形成する。また、絶縁層１０４の表面、すなわちＳＯＩ基板１００の表面に、配線電極パターン１６Ｂを形成する。この配線電極パターン１６Ｂは、シリコン基板１０１の低抵抗配線領域１６Ａと接続されるように形成される。その後、ＳＯＩ基板１００の表面側から、絶縁層１０４、シリコン基板１０１、絶縁層１０３の一部をドライエッチングで除去し、第１の錘２３１および第２の錘２３２、支持部２２、第１の梁２４１Ａ、第３の梁２４１Ｂ，２４１Ｃ、第２の梁２４２Ａ、および第４の梁２４２Ｂ，２４２Ｃに相当する部分を残す。この工程により、第１の錘２３１と第２の錘２３２が、変位可能に支持された構造が実現される。

以上に説明したように本発明に係る加速度センサは実施することができる。なお、本実施形態においては、加速度センサに支持部の両側に錘と梁を設ける例を示したが、支持部の片側のみに錘と梁を設けるようにしてもよい。

≪第１の変形例≫
次に、第１の実施形態に係る加速度センサの第１の変形例について説明する。第１の変形例に係る加速度センサは、ピエゾ抵抗素子の配置が図４と異なるものである。

図６（Ａ）は、ピエゾ抵抗素子の配置を異ならせた加速度センサ２１Ａの平面図である。図６（Ｂ）は、ピエゾ抵抗素子の配置を異ならせた加速度センサ２１Ｂの平面図である。図６（Ｃ）は、ピエゾ抵抗素子の配置を異ならせた加速度センサ２１Ｃの平面図である。これらの加速度センサ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃで示すように、各ピエゾ抵抗素子は適宜の梁に設けることができる。なお、各梁のＸ軸方向の幅に応じてピエゾ抵抗素子の配置を設定すると好適である。

≪第２の変形例≫
次に、第１の実施形態に係る加速度センサの第２の変形例について説明する。第２の変形例に係る加速度センサは、第１の錘および第２の錘と支持部との対向面の凹凸構造の深さや配置が図４と異なるものである。

図７（Ａ）は、第１の錘および第２の錘と支持部との対向面の凹凸構造の深さを異ならせた加速度センサ２１Ｄの平面図である。

加速度センサ２１Ｄでは、凹凸構造の深さを図４の構成よりも深くし、第１の錘２３１の凸構造が支持部２２の凹構造に食い込み、第１の錘２３１における第１の凸部２３１Ａと、支持部２２における第３の凸部２２１Ｂ，２２１Ｃとが、Ｘ軸方向に対向するように構成している。また、第２の錘２３２のｄ凸構造が支持部２２の凹構造に食い込み、第２の錘２３２における第２の凸部２３２Ａと、支持部２２における第４の凸部２２２Ｂ，２２２ＣとがＸ軸方向に対向するように構成している。

換言すれば、加速度センサ２１Ｄでは、第１の錘２３１の第１の凸部２３１ＡにおけるＹ軸負方向の先端は、支持部２２の第３の凸部２２１Ｂ，２２１ＣにおけるＹ軸正方向の先端よりも、Ｙ軸負方向側すなわち支持部２２側に位置している。第２の錘２３２の第２の凸部２３２ＡにおけるＹ軸正方向の先端は、支持部２２の第４の凸部２２２Ｂ，２２２ＣにおけるＹ軸負方向の先端よりも、Ｙ軸正方向側すなわち支持部２２側に位置している。支持部２２の第３の凸部２２１Ｂ，２２１ＣにおけるＹ軸正方向の先端は、第１の錘２３１の第１の凸部２３１ＡにおけるＹ軸負方向の先端よりも、Ｙ軸正方向側すなわち第１の錘２３１側に位置している。支持部２２の第４の凸部２２２Ｂ，２２２ＣにおけるＹ軸負方向の先端は、第２の錘２３２の第２の凸部２３２ＡにおけるＹ軸正方向の先端よりも、Ｙ軸負方向側すなわち第２の錘２３２側に位置している。

このような構成の場合には、変位に伴う応力が集中して作用する領域を、第１の梁２４１Ａと第３の梁２４１Ｂ，２４１Ｃと第２の梁２４２Ａと第４の梁２４２Ｂ，２４２Ｃとのそれぞれの両端部近傍にでき、これらの領域にピエゾ抵抗素子を形成することで、効率よく加速度を検出することが可能になる。

図７（Ｂ）は、第１の錘および第２の錘と支持部との対向面の凹凸構造の配置を異ならせた加速度センサ２１Ｅの平面図である。

加速度センサ２１Ｅでは、凹凸構造の向きを図４の構成と逆であり、第１錘２３１および第２錘２３２における支持部２２との対向面を凹形状とし、支持部２２における第１錘２３１との対向面と、第２錘２３２との対向面とを、凸形状としている。したがって、第１錘２３１は、第１凸部２３１Ｂ，２３１Ｃを有している。第２錘２３２は、第２凸部２３２Ｂ，２３２Ｃを有している。支持部２２は、第３凸部２２１Ａと、第４凸部２２２Ａとを有している。

このような構成では、第１の錘２３１および第２の錘２３２の凹部深さを調整しながら加工することが容易であり、第１の錘２３１および第２の錘２３２の重さを微調整することにより、構造共振周波数や感度を微調整することができる。

なお、第２の変形例に係る構成でも、第１の変形例と同様に、ピエゾ抵抗素子の配置を様々に設定することができる。その場合にも、各梁のＸ軸方向の幅によって各梁に発生する応力が変わるので、必要となる感度に応じて各梁のＸ軸方向の幅を調整し、ピエゾ抵抗素子の配置を設定するとよい。

≪第３の変形例≫
次に、第１の実施形態に係る加速度センサの第３の変形例について説明する。第３の変形例に係る加速度センサは、梁の構成が図４と異なるものである。

図８（Ａ）は、各梁を二つに分割された分割梁で構成した加速度センサ２１Ｆの平面図である。加速度センサ２１Ｆでは、第１の梁２４１Ａと第３の梁２４１Ｂ，２４１Ｃと第２の梁２４２Ａと第４の梁２４２Ｂ，２４２Ｃとを、それぞれ、二つに分割された分割梁で構成している。

図８（Ｂ）は、振動に伴う空気の抜け道をなくすための梁を追加して設けた加速度センサ２１Ｇの平面図である。加速度センサ２１Ｇでは、第１の梁２４１Ａと第３の梁２４１Ｂとの間に梁２４３Ａを設け、第１の梁２４１Ａと第３の梁２４１Ｃとの間に梁２４３Ｂを設け、第２の梁２４２Ａと第４の梁２４２Ｂとの間に梁２４３Ｃを設け、第２の梁２４２Ａと第４の梁２４２Ｃとの間に梁２４３Ｄを設けている。

この構成では、第１の錘２３１および第２の錘２３２と支持部２２との間の空間の気体分子の粘性抵抗、すなわちダンピング効果によって、振動系のＱ値を低下させることができる。

なお、第３の変形例に係る構成でも、第１の変形例と同様に、ピエゾ抵抗素子の配置を様々に設定することができる。その場合にも、各梁のＸ軸方向の幅と、各梁に発生する最大応力との関係は変わるものではないので、各梁のＸ軸方向の幅に応じてピエゾ抵抗素子の配置を設定するとよい。

また、第３の変形例に係る構成でも、第２の変形例と同様に、第１の錘および第２の錘と支持部との対向面の凹凸構造の深さや配置を様々に設定してもよい。

以上、本発明に係る加速度センサについて具体的に説明したが、加速度センサの具体的構成などは、適宜設計変更可能であり、上述の実施形態に記載された作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、上述の実施形態に記載されたものに限定されるものではない。

２１，２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄ，２１Ｅ，２１Ｆ，２１Ｇ…加速度センサ
２２…支持部
２３１…第１の錘
２３２…第２の錘
２４１Ａ…第１の梁
２４２Ａ…第２の梁
２４１Ｂ，２４１Ｃ…第３の梁
２４２Ｂ，２４２Ｃ…第４の梁
２５Ａ，２５Ｂ…加速度検出回路
２２１Ａ，２２２Ａ，２３１Ｂ，２３１Ｃ，２３２Ｂ，２３２Ｃ…凹部
２３１Ａ…第１の凸部
２３２Ａ…第２の凸部
２２１Ｂ，２２１Ｃ…第３の凸部
２２２Ｂ，２２２Ｃ…第４の凸部
Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４，Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４…ピエゾ抵抗素子
１００…ＳＯＩ基板
１０１，１０２…シリコン基板
１０３，１０４…絶縁層
１６Ａ…低抵抗配線領域
１６Ｂ…配線電極パターン
１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ，１７Ｄ…空間
１８…蓋材

Claims (6)

1. 錘と、
   前記錘に対向して配置されている支持部と、
   前記錘と前記支持部とを接続している複数の梁と、
   前記複数の梁の少なくともいずれかに設けられているピエゾ抵抗素子と、
   を備え、
   前記錘は、前記支持部側に突出する錘側凸部を有し、
   前記支持部は、前記錘側凸部に対向する位置から外れる位置に設けられており前記錘側に突出する支持部側凸部を有し、
   前記複数の梁のうちの一つは、一方の端部が前記錘側凸部に接続され、他方の端部が前記支持部における前記錘側凸部に対向する部分に接続され、
   前記複数の梁のうちの他の一つは、一方の端部が前記支持部側凸部に接続され、他方の端部が前記錘における前記支持部側凸部に対向する部分に接続されている、
   加速度センサ。
2. 第１の錘と、
   前記第１の錘と面対称に設けられている第２の錘と、
   前記第１の錘と前記第２の錘との間に配置されている支持部と、
   前記第１の錘と前記支持部とを接続している第１の梁と、
   前記第１の梁と面対称に設けられており、前記第２の錘と前記支持部とを接続している第２の梁と、
   前記第１の錘と前記支持部とを接続している第３の梁と、
   前記第３の梁と面対称に設けられており、前記第２の錘と前記支持部とを接続している第４の梁と、
   前記第１の梁と前記第３の梁との少なくとも一方と、前記第２の梁と前記第４の梁との少なくとも一方とに設けられているピエゾ抵抗素子と、を備え、
   前記第１の錘は、前記支持部側に突出する第１の凸部を有し、
   前記第２の錘は、前記支持部側に突出する第２の凸部を有し、
   前記支持部は、前記第１の凸部に対向する位置から外れる位置に設けられており前記第１の錘側に突出する第３の凸部と、前記第２の凸部に対向する位置から外れる位置に設けられており前記第２の錘側に突出する第４の凸部とを有し、
   前記第１の梁は、一方の端部が前記第１の凸部に接続され、他方の端部が前記支持部における前記第１の凸部に対向する部分に接続され、
   前記第２の梁は、一方の端部が前記第２の凸部に接続され、他方の端部が前記支持部における前記第２の凸部に対向する部分に接続され、
   前記第３の梁は、一方の端部が前記第３の凸部に接続され、他方の端部が前記第１の錘における前記第３の凸部に対向する部分に接続され、
   前記第４の梁は、一方の端部が前記第４の凸部に接続され、他方の端部が前記第２の錘における前記第４の凸部に対向する部分に接続されている、加速度センサ。
3. 前記第１の凸部の先端は、前記第３の凸部の先端よりも前記第１の錘側に位置しており、
   前記第２の凸部の先端は、前記第４の凸部の先端よりも前記第２の錘側に位置している、請求項２に記載の加速度センサ。
4. 前記第１の凸部の先端は、前記第３の凸部の先端よりも前記支持部側に位置しており、
   前記第２の凸部の先端は、前記第４の凸部の先端よりも前記支持部側に位置している、請求項２に記載の加速度センサ。
5. 前記支持部は、前記錘部と対向する方向、および、前記複数の梁部が並ぶ方向に対して直交する方向に延びており、この延び方向の両端部のうち一方の端部のみを固定端として外部に固定されている、請求項１乃至請求項４に記載の加速度センサ。
6. 支持部が延びる方向に直交する断面での支持部の面積が、前記固定端の近傍で局所的に小さい、請求項５に記載の加速度センサ。

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