JPWO2015141771A1

JPWO2015141771A1 - センサ

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Publication number: JPWO2015141771A1
Application number: JP2016508786A
Authority: JP
Inventors: 優永田; 徳一山地; 棚橋　成夫; 成夫棚橋
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2014-03-20
Filing date: 2015-03-19
Publication date: 2017-04-13
Anticipated expiration: 2035-03-19
Also published as: JP6294463B2; EP3121561B1; US10444015B2; EP3121561A4; EP3121561A1; US20170003130A1; WO2015141771A1

Abstract

重錘体と、上面視して重錘体を囲むように位置する枠体と、第１端が重錘体に、第２端が枠体にそれぞれ連結された可撓性を有する梁部と、梁部に設けられた、梁部の変形を電気信号として検出する検出部とを有するセンサであって、梁部は、第１端と第２端とを結ぶ長手方向に対して垂直な方向における断面形状が矩形状の主部と、主部の上面および下面の少なくとも一方から突出して、長手方向に延びるか、または上面視して長手方向に対して直交する幅方向に延びる延在部とを有する。

Description

本発明は、角速度の検出が可能なセンサに関する。

自動車の走行状態、あるいはロボットの運動状態等を測定するために、振動型のセンサ素子を備えた角速度センサが使用されている。

図１０は従来のセンサ素子を示す図であり、図１０（ａ）は平面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のVI−VI線における断面図である。

同図に示すセンサ素子は、重り部１０１と、重り部１０１を囲繞する枠状の固定部１０２と、重り部１０１を固定部１０２に連結する梁部１０３と、梁部１０３に形成されたピエゾ抵抗素子１０４とを有している。

重り部１０１、固定部１０２および梁部１０３はシリコン基板を加工することによって一体的に形成されている。

またピエゾ抵抗素子１０４は、シリコン基板の表面にボロンを打ち込むことにより形成される。

このようなセンサ素子において、梁部１０３を振動させた状態で梁部１０３の長手方向に平行な回転軸回りの角速度が生じると、重り部１０１が動き、それに伴って梁部１０３が変形し、ピエゾ抵抗素子１０４も変形する。

このピエゾ抵抗素子１０４の変形による抵抗値の変化に基づいて角速度が検出されることとなる。

したがって角速度の検出感度を向上させるには、梁部１０３が変形しやすくなるようにすればよく、重り部１０１の体積を大きくするといった工夫が従来からなされている（例えば、特開２００３−１７２７４５号公報参照）。

このようなセンサ素子は、梁部１０３に配置されたピエゾ抵抗素子１０４およびそれに接続された配線によって、ＸＹＺの３軸方向における角速度を検出することができる。

センサ素子には、検出感度のさらなる向上が要求されている。検出感度を向上させるには、３軸方向における感度のばらつきを小さくすることが有効である。

本発明は、上述の事情のもとで考え出されたものであって、３軸方向における感度のばらつきの少ないセンサを提供することを目的とする。

本発明の一実施形態にかかるセンサは、重錘体と、上面視して該重錘体を囲むように位置する枠体と、第１端が前記重錘体に、第２端が前記枠体にそれぞれ連結された可撓性を有する梁部と、該梁部に設けられた、該梁部の変形を電気信号として検出する検出部とを有するセンサである。そして、前記梁部は、前記第１端と前記第２端とを結ぶ長手方向に対して垂直な方向における断面形状が矩形状の主部と、該主部の上面および下面の少なくとも一方から突出して、前記長手方向に延びるか、または上面視して前記長手方向に対して直交する幅方向に延びる延在部とを有する。

本発明の他の実施形態にかかるセンサは、重錘体と、上面視して該重錘体を囲むように位置する枠体と、第１端が前記重錘体に、第２端が前記枠体にそれぞれ連結された可撓性を有する梁部と、該梁部に設けられた、該梁部の変形を電気信号として検出する検出部とを有するセンサである。そして、前記梁部は、前記第１端と前記第２端とを結ぶ長手方向に延びる主部と、該主部から上側および下側の少なくとも一方へ突出している延在部とを有し、前記主部のみで構成される部材を基準としたときに、前記梁部の厚み方向における断面二次モーメントの増加量が、前記梁部の平面方向における断面二次モーメントの増加量よりも大きくなっている。

本発明の１つの実施形態に係るセンサの概略構成を示す平面図である。図１のセンサの断面図である。図１のセンサの梁部の要部断面図である。（ａ），（ｂ）はそれぞれ、梁部の変形例を示す要部断面図である。センサの変形例の概略構成を示す平面図である。図５のセンサの梁部の要部断面図である。（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、梁部の変形例を示す要部上面図および要部断面図である。（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、本発明の１つの実施形態に係るセンサの製造方法の工程を示す平面図および断面図である。図８に続く工程を示す断面図である。（ａ），（ｂ）はそれぞれ、従来のセンサを示す平面図および断面図である。

本発明のセンサの一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るセンサ１００の平面図であり、図２は、図１のＩ−Ｉ線における断面図である。また、図３は、図１のII−II線における梁部３０の要部断面図である。センサ１００は、枠体１０と、枠体１０の内側に位置する重錘体２０と、枠体１０に重錘体２０を接続する梁部３０と、梁部３０に配置され、梁部３０の変形に応じた電気信号を検出する検出部Ｒとを有する。

センサ１００は、重錘体２０をＸＹ平面内で回旋運動させることで角速度を検出することができる。重錘体２０を回旋運動させるためには、例えば、互いに向き合う重錘体２０の外壁と枠体１０の内壁とに電極を設けて静電引力によって実現してもよいし、センサ１００の外側に磁力を発生させて実現してもよい。また、複数ある梁部３０に駆動用の圧電素子を配置し、この圧電素子に順次電気信号を入力して、梁部３０を順次変形させることで回旋運動させてもよい。センサ１００に角速度が加わると、コリオリの力が重錘体２０に作用し、重錘体２０が動くことで梁部３０が捻じれるように変形する。そして、梁部３０の変形量に応じた電気信号を検出部Ｒにより検出し、不図示の電気配線によってその電気信号を取り出して演算することにより、角速度を検出することができる。

なお、センサ１００は加速度も検出可能である。センサ１００に加速度が加わると、加速度に応じた力が重錘体２０に作用し、重錘体２０が動くことで梁部３０が撓むようになっている。そして、梁部３０の撓み量に応じた電気信号を検出部Ｒにより検出し、不図示の電気配線によってその電気信号を取り出して演算することにより、加速度を検出することができる。以下、各部位について詳述する。

重錘体２０は、平面形状が略正方形である。この例に示す重錘体２０は、後述の梁部３０に接続される部位と、梁部３０の下方に位置する部位とで平面形状が異なる。重錘体２０の梁部３０に接続される部位と下方に位置する部位とは、互いに中心が重なるように配置されている。なお、図１において、下方に位置する部位の平面形状を破線で示している。

重錘体２０の梁部３０に接続される部位の大きさは、略正方形の一辺の長さが例えば０．２５ｍｍ〜０．５ｍｍに設定される。また、この部位の厚みは、例えば５μｍ〜２０μｍに設定される。下方に位置する部位の大きさは、略正方形の一辺の長さが例えば０．４ｍｍ〜０．６５ｍｍに設定される。また、その厚みは、例えば０．２ｍｍ〜０．６２５ｍｍに設定される。このような重錘体２０のうち梁部３０に接続される部位と下方に位置する部位とは、別部材によって接合されていてもよい。例えば、重錘体２０のうち梁部３０に接続される部位と下方に位置する部位と両者を接合する接合部位とは、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を加工することによって一体的に形成されていてもよい。この場合には、接合部位は、シリコン（Ｓｉ）間の酸化物層で構成されるものとなる。接合部位は、平面形状が梁部３０に接続される部位と略同一となっている。そして接続部位はその平面形状が、下方に位置する部位に比べて小さくなっている。これにより、梁部３０と重錘体２０のうち梁部３０の下方に位置する部位とを分離することができ、重錘体２０の可動性を確保することができるものとなる。

そして、このような重錘体２０を囲繞するように枠状の枠体１０が設けられている。枠体１０は、平面形状が略正方形であり、中央部に重錘体２０よりも若干大きい略正方形の開口部を有している。枠体１０は、その一辺の長さが例えば１．４ｍｍ〜３．０ｍｍに設定され、枠体１０を構成するアームの幅（アームの長手方向と直交する方向の幅）は例えば０．３ｍｍ〜１．８ｍｍに設定される。また枠体１０の厚みは、例えば０．２ｍｍ〜０．６２５ｍｍに設定される。

このような枠体１０と重錘体２０との間には、図１，２に示すように、梁部３０が設けられている。梁部３０は、一方端である第１端３１が重錘体２０の各辺の上面側中央部に連結され、他方端である第２端３２が枠体１０の内周における各辺の上面側中央部に連結されている。本実施形態におけるセンサ１００では、４本の梁部３０が設けられており、４本の梁部３０のうち２本はＸ軸方向に伸びて重錘体２０を間に挟んだ状態で同一直線状に配され、他の２本はＹ軸方向に伸びて重錘体２０を間に挟んだ状態で同一直線状に配されている。なお、以下では、梁部３０の第１端３１と第２端３２とを結ぶ方向を長手方向という。つまり、図１，２において、４本の梁部３０のうち、重錘体２０の上側（＋Ｙ側）および下側（−Ｙ側）に位置する２本の長手方向はＹ軸方向であり、重錘体２０の右側（＋Ｘ側）および左側（−Ｘ側）に位置する２本の長手方向はＸ軸方向である。

そして、梁部３０は、主部３３と延在部３４とを有する。主部３３は、梁部３０の長手方向に垂直な断面方向における断面形状が矩形状の角状部材である。また、延在部３４は、主部３３の上面および下面の少なくとも一方から突出している部位である。この延在部３４は、梁部３０の長手方向に延びるか、または上面視して梁部３０の長手方向に対して直交する幅方向に延びるように配置されている。なお、上記幅方向は、梁部３０の長手方向がＸ軸方向であれば梁部３０の幅方向はＹ軸方向であり、梁部３０の長手方向がＹ軸方向であれば梁部３０の幅方向はＸ軸方向である。長手方向に延びるとは、長手方向の長さが幅方向の長さよりも長い形状をいう。同様に幅方向に延びるとは、幅方向の長さが長手方向よりも長い形状をいう。なお、図１〜３において、延在部３４は、梁部３０の幅方向に延びる例を示している。

ここで、梁部３０は、例えばＳＯＩ基板を加工することで形成されている。すなわち、主部３３はＳｉ層を加工して形成されており、延在部３４は、酸化物層と、ハンドル基板と言われるＳｉ基板とを所望の形状に加工して形成されている。ここで、延在部３４のうち、主部３３との接合面３４ａは酸化物層の上面で構成される。そして、この接合面３４ａから下側に向けて、ＳＯＩ基板を構成する酸化物層の一部とＳｉ基板の一部とが延在している。この酸化物層の一部とＳｉ基板の一部とで、延在部３４を所望の形状に形成することができる。

なお、この例では、延在部３４は、主部３３のみでなく、枠体１０の側面とも接合する第２接合面３４ｂを有する。そして、接合面３４ａと第２接合面３４ｂとが連続的に形成されている。このような接合面３４ａおよび第２接合面３４ｂは、主部３３および枠体１０に固定されていれば、その固定方法は限定されない。本例のように一体的に形成することで固定してもよいし、接合剤を介して固定してもよい。

梁部３０は可撓性を有し、センサ１００に角速度が加わると、コリオリの力によって重錘体２０が動き、重錘体２０の動きに伴って梁部３０に捻じれが生じるようになっている。梁部３０の主部３３は、例えば長手方向の長さが０．３ｍｍ〜０．８ｍｍに設定され、幅（長手方向と直交する方向の長さ）が０．０４ｍｍ〜０．２ｍｍに設定され、厚みが５μｍ〜２０μｍに設定されている。このように梁部３０を細長く、かつ薄く形成することによって、変形可能となり可撓性が発現する。

また、梁部３０が上述の通り可撓性を有することから、センサ１００に加速度が加わると重錘体２０が動き、重錘体２０の動きに伴って梁部３０が撓むようになっている。

ここで、梁部３０の形状について詳述する。梁部３０は、主部３３のような、長手方向に垂直な方向における断面形状が一様の角状体に比べて、厚み方向における断面二次モーメントを大きくするような形状にしている。

このように断面二次モーメントを異ならせるために、図２に示すように、梁部３０の第１端３１または第２端３２において厚みを厚くしている。この例では、第２端３２において厚みを厚くしている。すなわち、梁部３０は、このように延在部３４が配置された部分において部分的に厚みが厚くなっている。このように構成することで、Ｚ方向において非対称な形状となり、Ｚ方向の断面二次モーメントを大きくし、Ｚ方向への変形容易性を低下させることができる。

梁部３０の上面には、図１に示すように、抵抗素子である検出部Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４，Ｒｚ１〜Ｒｚ４が形成されている（以下、これらの抵抗素子をまとめて称するときは適宜、符号Ｒで表す）。検出部Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４，Ｒｚ１〜Ｒｚ４は、３軸方向（図１に示した３次元直交座標系におけるＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向）の加速度、および３軸回りの角速度を検出できるように、梁部３０の所定の位置に形成された上で、ブリッジ回路を構成するように結線されている。

このような検出部Ｒは、例えば、ＳＯＩ基板の最上層にボロンを打ち込むことによって抵抗体膜を形成した後、抵抗体膜をエッチングなどによって所定の形状にパターニングすることにより形成することができる。これにより、ピエゾ抵抗素子からなる検出部Ｒを形成することができる。

ピエゾ抵抗素子からなる検出部Ｒを用いた場合には、梁部３０の撓みや捻じれに起因する変形に応じて抵抗値が変化し、この抵抗値の変化に基づく出力電圧の変化を電気信号として取り出して、これを外部のＩＣで演算処理する。このような工程を経ることによって、印加された加速度の方向および大きさ、ならびに角速度の方向および大きさを検知することができる。

なお、検出部Ｒから電気的に接続された配線およびこれらの配線を外部のＩＣ等へ取り出すためのパッド電極等が、枠体１０，重錘体２０または梁部３０の上面に設けられており、これらを介して電気信号の外部への取り出しなどを行なっている。

これらの配線は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金などからなり、これらの材料をスパッタリングなどによって成膜した後、所定の形状にパターニングすることにより、枠体１０，重錘体２０または梁部３０の上面に形成される。

このような構成のセンサ１００によれば、３軸における検出感度にばらつきの少ないセンサを提供することができる。以下に、そのメカニズムについて説明する。

梁部３０は、３軸のうちＺ方向の延伸長が最も小さいという形状および固定方法から、ＸＹ方向に比べてＺ方向に大きく変形する構成となっている。すなわち、梁部３０を振動させたときのＺ方向における共振周波数は、Ｘ方向およびＹ方向の値とは大きな開きを有し、Ｘ方向およびＹ方向の値よりも極めて小さい値となっている。なおＸ方向とＹ方向とでは、共振周波数に大きな開きがないことを確認している。

さらに、センサ１００において、ＸＹ方向においては、構造体の対称性を確保することができるが、Ｚ方向においては非対称となっている。このことから、Ｚ方向における共振周波数は、Ｘ方向およびＹ方向の値とは大きな開きを有するものと推察される。

以上より、角速度を検知するために駆動させる振動（駆動振動）の共振周波数が、Ｚ方向のみ他の方向のものから離れた値となっている。ここで、角速度センサでは、検知振動の周波数と駆動振動の周波数とが近い程、検出感度が高くなることが知られている。このため、延在部３４を設けないセンサにおいては、Ｚ方向のみでＸ方向およびＹ方向と感度が異なってしまう。そして、Ｘ方向およびＹ方向に最適な周波数を選択するとＺ方向の感度が低下してしまい、逆にＺ方向に最適な周波数を選択するとＸ方向およびＹ方向の感度が低下してしまう虞があった。

これに対して、センサ１００によれば、延在部３４を設けることにより、Ｚ方向における断面二次モーメントを高め、その結果、Ｚ方向における共振周波数をＸ方向およびＹ方向における共振周波数に近付けることができる。これにより、ＸＹＺの３軸における検出感度のばらつきの小さいセンサを得ることができる。

特に、本実施形態では、梁部３０は、枠体１０との接続部側である第２端３２において、枠体１０に向けて徐々に厚みを増す形状としている。さらに、第２接合面３４ｂを設けて枠体１０とも固定している。すなわち、梁部３０の根本においてＺ方向への変位に対する抵抗を大きくしている。これにより、梁部３０全体のＺ方向への変位を抑制し、Ｚ方向における共振周波数を高めることができる。

また、センサ１００は、本実施形態のように、枠体１０，重錘体２０および梁部３０が一体形成されるようにしてもよい。この場合、強度が高く、信頼性の高いセンサとすることができる。

以上より、本実施形態のセンサ１００によれば、少なくとも角速度を検出可能なセンサを１つの構成体で、大型化することなく実現することができ、かつ３軸方向において感度のばらつきの少ない高感度のセンサとすることができる。

なお、上述の例では角速度の検出のために重錘体２０を回旋運動させた場合を例に説明したが、梁部３０のみを周期的に振動させるようにしてもよい。

（延在部３４の変形例）
上述の例では、延在部３４として、主部３３のうち第２端３２側の下面に設けた場合を例に説明したが、他の構成としてもよい。例えば、第１端３１側に延在部３４を設けてもよいし、第１端３１および第２端３２側の双方に延在部３４を設けてもよい。さらに、第１端３１側および第２端３２側を除く長手方向の中央部付近のみに延在部３４を設けてもよい。

また、上述の例では、延在部３４が、主部３３のみでなく枠体１０の側面にも接合されている例を示したが、枠体１０の側面には接合されていなくてもよい。また、延在部３４は、第１端３１側の端部に位置し、重錘体２０の側面にも接合されていてもよい。延在部３４が枠体１０の側面に接合されている場合、あるいは延在部３４が重錘体２０の側面に接合されている場合には、Ｚ方向における二次モーメントをより高めることができるとともに、梁部３０をより有効に補強することができる。

また、上述の例では、延在部３４が、主部３３の幅方向の一方の端部から他方の端部まで延びる例を示したが、図４（ａ）に示す梁部３０Ａのように、延在部３４Ａが主部３３Ａの幅方向の中央部のみ（端部に達しない）に形成されていてもよい。また、他の例として、図４（ｂ）に示す梁部３０Ｂのように、断面を矩形状以外の三角形状としてもよく、それ以外の多角形状や曲線を含む形状等としてもよい。なお、図４（ａ）および図４（ｂ）は、図３と同様の方向における断面図である。つまり、図１のII−II線における梁部３０ＡのＹＺ断面である。

さらに、図１〜図３に示す例では、延在部３４は上面視で主部３３に重なる領域内に形成されている例を説明したが、この例には限定されない。延在部３４が、主部３３に重なる領域の外側に延びる部分を有していてもよい。

また、上述の例では、延在部３４が梁部３０の幅方向に延びる例を示したが、図５および図６に示すように、延在部３４Ｄが梁部３０Ｄの長手方向に延びていてもよい。図５は変形例としてのセンサ２００の平面図であり、図１と同じ構成のものには同じ符号を付している。また、図６は、図５のIII−III線における梁部３０Ｄの要部断面図である。なお、図５では、延在部３４Ｄが主部３３Ｄの長手方向の一方の端部（第１端）から他方の端部（第２端）まで延びる例を示したが、延在部３４Ｄが主部３３Ｄの長手方向の中央部のみ（第１端および第２端に達しない）に形成されていてもよい。

（梁部３０の変形例）
上述の例では、梁部３０の長手方向の全領域において、主部３３の長手方向に垂直な面における断面形状が一様な場合を例に説明したが、この例には限定されない。例えば、主部３３の長手方向に垂直な面における断面形状が矩形状以外の部分を有していてもよい。また、主部の断面形状が一定でなくてもよい。例えば、矩形状の断面積の大きさが変化するような形状としてもよい。

このような構成とすることにより、一様な断面形状を有する主部３３のような角状体のみで梁部が形成される場合に比べて、平面方向における断面二次モーメントを低くして、厚み方向における断面二次モーメントを大きくすることができる。

このような構成の例として、図７を用いて説明する。図７（ａ）は梁部３０の変形例を示す要部上面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のIV―IV線における要部断面図であり、図７（ｃ）は図７（ａ）のＶ―Ｖ線における要部断面図である。

図７に示すように、梁部３０Ｃは、第２端３２側（枠部１０側）の端部において、幅方向の長さが短い幅狭部を有している。これにより、平面方向における断面二次モーメントを小さくすることができる。さらに、延在部３４Ｃにより、厚み方向の断面二次モーメントを大きくしている。これにより、共振周波数の大きい平面方向における断面二次モーメントを小さくし、共振周波数の小さい厚み方向の断面二次モーメントを大きくする。このような構成とすることで、３軸における共振周波数を近付けることができ、より感度のばらつきを抑制したセンサを提供できるものとなる。なお、幅狭部は第１端３１側（重錘体２０側）の端部に設けられていてもよい。また、図７に示すように、幅狭部と延在部３４Ｃとが梁部３０Ｃの同じ位置にあってもよいが、互いに異なる位置にあってもよい。幅狭部と延在部３４Ｃとが梁部３０Ｃの同じ位置にある場合には、幅狭部を延在部３４Ｃで補強することができる。

なお、この例では、梁部３０Ｃの第２端３２側において長手方向に垂直な面における断面形状が、中央付近における断面形状と比べて面積が小さくなっているが矩形状のままである場合を例に説明したが、例えば厚み方向における側面形状が内側に凹むような矩形状以外の形状としてもよい。また、延在部３４Ｃが主部３３Ｃから延在している例を示したが、矩形状以外の形状部分から延在していてもよい。

（その他の変形例）
上述の例では重錘体２０をＳＯＩ基板を加工して形成したが、別体を接続して形成してもよい。その場合には、より密度の高い材料を用いることにより、同じ加速度でも生じる力を大きくし、それに伴い梁部３０の撓み量を大きくすることができる。これにより、さらに感度の高いセンサを提供することができる。

また、上述の例では、重錘体２０の上面視における形状を略正方形としているが、この形に限定されない。例えば、円形状であってもよいし、長方形状であってもよいし、四角形の角部に付属部を付加した形状としてもよい。

また、上述の例では、検出部Ｒをピエゾ抵抗で形成した例を用いて説明したが、梁部３０の変形を検出できればこれに限定されない。

例えば、検出部Ｒを電極とし、静電容量の変化によって梁部３０の撓み・変形の大きさ、あるいは撓み・変形の方向を電気信号として検出してもよい。この場合には、新たに、梁部３０と間隔を開けて配置された固定部を設け、この固定部に検出部Ｒと対向する電極を設ける。そして固定部側の電極と検出部Ｒとを一対の電極として機能させ、静電容量を測定すればよい。

さらに、上述の例では、延在部３４はいずれも主部３３の下面よりも下側に位置する場合を例に説明したが、上面よりも上側に位置させてもよい。

また、上述の例では、梁部３４は、長手方向に対して垂直な方向における断面形状が矩形状の例を示したが、これに限定されない。つまり、梁部は、長手方向に延びる主部と、主部から上側および下側の少なくとも一方へ突出している延在部とを有し、主部のみで構成される部材を基準としたときに、梁部の厚み方向における断面二次モーメントの増加量が、梁部の平面方向における断面二次モーメントの増加量よりも大きくなっていればよい。この場合の延在部の形状も、上述した各種延在部の形状を採用することができる。

＜センサ１００の製造方法＞
次に、上述のセンサ１００の製造方法について、図８〜図９を用いて説明する。
なお、図８（ａ）および図８（ｂ）は、図１のＩ−Ｉ線における断面に相当する断面図であり、図８（ｃ）は、上面図である。図９は、図１のＩ−Ｉ線における断面に相当する断面図である。

（検出部形成工程）
まず、図８（ａ）に示すように、基板５０の上面に抵抗体膜５１を形成する。基板５０は、例えばＳＯＩ基板であり、Ｓｉからなる第１層５０ａと、ＳｉＯ_２からなる第２層５０ｂと、Ｓｉからなる第３層５０ｃとがこの順に積層された積層構造を有する。各層の厚みは、第１層５０ａが１０μｍ程度、第２層５０ｂが１μｍ程度、第３層５０ｃが５００μｍ程度である。

このようなＳＯＩ基板からなる基板５０の第１層５０ａの主面にイオン注入法によってボロンやヒ素などの打込みを行うことで抵抗体膜５１を形成する。抵抗体膜５１は、例えば、第１層５０ａの表面における不純物濃度が１×１０^１８ａｔｍｓ／ｃｍ^３であり、深さが約０．５μｍである。

次に、図８（ｂ）に示すように、抵抗体膜５１の一部を除去し、この抵抗体膜５１を、基板５０の上面の所望の位置に所望の形状で形成された検出部Ｒとする。

この工程は、例えば、抵抗体膜５１上に検出部Ｒの形状に合わせたレジスト膜を形成した後、ＲＩＥエッチングなどのエッチングによってレジスト膜から露出する抵抗体膜５１を除去するものである。その後、レジスト膜を除去することで、基板５０の上面に検出部Ｒが形成される。

検出部Ｒを形成した後、検出部Ｒに連結する不図示の配線および素子側電極パッドを形成する。配線および素子側電極パッドは、例えばアルミニウムなどの金属材料をスパッタリングによって成膜した後、ドライエッチングなどによって所定の形状にパターニングすることによって形成される。

（加工工程）
次に、検出部Ｒが形成された基板５０を加工することにより、重錘体２０、重錘体２０を囲むような枠体１０および検出部Ｒを有し、第１端３１が重錘体２０に、第２端が枠体１０にそれぞれ連結される梁部３０を形成する。

具体的には、まず、図８（ｃ）に示すように、基板５０の第１層５０ａ側から、第１層５０ａを所望の形状にパターニングする（第１パターニング工程）。すなわち、枠状の第１領域Ａ１，第１領域Ａ１の内側に位置する第２領域Ａ２，第１領域Ａ１と第２領域Ａ２とをつなぐ梁状の第３領域Ａ３を確定し、第１層５０ａのうち、第１〜第３領域Ａ１，Ａ２，Ａ３を除く領域を取り除く。ここで、第３領域Ａ３には検出部Ｒが配置されている。

次に、図９に示すように、基板５０の第３層３０ｃ側から、第１領域Ａ１の内側に平面視で閉空間を形成する環状の溝５８を形成する。この溝５８は第１領域Ａ１と第２領域Ａ２との間に設けられ、該当部位の第３層５０ｃおよび第２層５０ｂを除去して、第１層５０ａの下面を露出するように形成される。溝５８を形成することにより、基板５０の外周部から連続して存在する、第１層５０ａ，第２層５０ｂ，第３層５０ｃの積層体で構成される枠体１０が形成される。言い換えると、枠体１０は、その他の部位とは溝５８によって区分されてなる。溝５８を形成する際に、例えばエッチングレート等を調整したりすることにより、枠体部１０の側面から連続するように第３層５０ｃの一部第２層５０ｂの一部を残して第３層５０ｃ，第２層５０ｂを除去する。この枠体１０の側面から連続して残る第３層５０ｃの一部および第２層５０ｂの一部が梁部３０の延在部３４となる。

さらに、基板５０の第３層５０ｃ側から、平面視で、第１領域Ａ１の内側から第２領域Ａ２に到達する領域において、第２層５０ｂを除去し、第１層５０ａと第３層５０ｃとの間に空隙５９を形成する。この空隙５９により、第３領域Ａ３の第１層５０ａが厚み方向で他の部位と分離され、梁状の梁部３０となる。梁部３０の一方端（第２端３２）は、第１領域Ａ１（枠体１０）の第１層５０ａと一体的に形成されることで接続されている。梁部３０の他方端（第１端３１）は、第２領域Ａ２（重錘体２０）の第１層５０ａと一体的に形成されることで接続されている。

また、以上の加工を行なうことにより、平面視で空隙５９よりも内側に位置する第１層５０ａおよび第２層５０ｂと、溝５８よりも平面視で内側に位置する第３層５０ｃとからなる重錘体２０が形成される。ここで、平面視で空隙５９よりも内側に位置する第２層５０ｂが接合部位２４として機能する。

なお、重錘体２０において、第３層５０ｃの厚み方向の一部を除去し、下面が枠体１０の下面に比べて上側に位置するようにしてもよい。

また、基板５０の加工は、従来周知の半導体微細加工技術、例えばフォトリソグラフィ法やディープドライエッチングによって実現することができる。

このような工程を経ることにより、センサ１００は、もともと一体の基板５０を加工することによって形成するものとなる。これにより、枠体１０および重錘体２０と梁部３０との接続強度を確保することができるため、信頼性を高めることができる。

さらに、上述の通り、センサ１００は、もともと一体の基板５０を加工することによって形成される。これにより、重錘体２０の重心位置を精度高く所望の位置に設定することができるので、精度が安定したセンサ１００を生産性高く提供することができるものとなる。

（センサ１００の製造方法の変形例）
上述の例では、抵抗体膜５１を形成した後に、抵抗体膜５１を所望の形状の気圧検出部Ｒｐおよび加速度検出部Ｒａとなるように加工した例を用いて説明したが、予め第１層５０ａの上面にレジスト膜を形成し、検出部Ｒを形成する領域のレジスト膜を除去して、所望の位置（レジスト膜開口部）のみに不純物を拡散させることにより、検出部Ｒを形成してもよい。この場合には、検出部Ｒが基板５０の上面と同一面となり、段差がなくなるので、検出部Ｒに接続する配線の電気的接続が容易となる。

図５，図６に示す梁部３０Ｄを用いた場合のＹ方向、Ｚ方向の断面二次モーメントおよび共振周波数をシミュレーションによって求めた。シミュレーションに用いた梁部３０Ｄの形状は下記の通りとした。

主部３３Ｄおよび延在部３４Ｄの長手方向の長さ（Ｘ方向の長さ）：３００μｍ
主部３３Ｄの幅（Ｙ方向の長さ）：１００μｍ
主部３３Ｄの厚み（Ｚ方向の長さ）：２０μｍ
延在部３４Ｄの幅（Ｙ方向の長さ）：３μｍ
延在部３４Ｄの厚み（Ｚ方向の長さ）：５０μｍ
延在部３４Ｄの取り付け位置：主部３３Ｄの幅方向の中心（Ｙ方向中心）

また、比較例として、主部３３Ｄのみで構成される場合のＹ方向、Ｚ方向の断面二次モーメントおよび共振周波数をシミュレーションによって計算した。

その結果、以下の通りとなった。
実施例
Ｙ方向の断面二次モーメント：１．４３ｅ^−１８μｍ^４
Ｙ方向の共振周波数：９９９ｋＨｚ
Ｚ方向の断面二次モーメント：１．７８ｅ^−１８μｍ^４
Ｚ方向の共振周波数：１１１５ｋＨｚ

比較例
Ｙ方向の断面二次モーメント：１．６７ｅ^−１８μｍ^４
Ｙ方向の共振周波数：１４８９ｋＨｚ
Ｚ方向の断面二次モーメント：６．７ｅ^−２０μｍ^４
Ｚ方向の共振周波数：２９７ｋＨｚ

以上より、実施例においては、延在部３４Ｄを設けることで、比較例に比べて、Ｙ方向（平面方向）の断面二次モーメントを小さくし、Ｚ方向（厚み方向）の断面二次モーメントを大きくすることができている。これにより、実施例においては、平面方向と厚み方向との共振周波数を近付けることができ、平面方向と厚み方向とで感度の隔たりを抑制することができることを確認した。

１０枠体
２０重錘体
３０梁部
３１第１端
３２第２端
３３主部
３４延在部
３４ａ接合面
Ｒ検出部
１００センサ

Claims

重錘体と、上面視して該重錘体を囲むように位置する枠体と、第１端が前記重錘体に、第２端が前記枠体にそれぞれ連結された可撓性を有する梁部と、該梁部に設けられた、該梁部の変形を電気信号として検出する検出部とを有するセンサであって、
前記梁部は、前記第１端と前記第２端とを結ぶ長手方向に対して垂直な方向における断面形状が矩形状の主部と、該主部の上面および下面の少なくとも一方から突出して、前記長手方向に延びるか、または上面視して前記長手方向に対して直交する幅方向に延びる延在部とを有するセンサ。
前記延在部は、前記第２端側において前記主部と前記枠体の側面との双方に接合されている、請求項１に記載のセンサ。
前記延在部は、前記第１端側において前記主部と前記重錘体の側面との双方に接合されている、請求項１または２に記載のセンサ。
前記主部は、前記長手方向の一部に前記幅方向の長さが他の部位よりも短くなっている幅狭部を有している、請求項１乃至３のいずれかに記載のセンサ。
前記幅狭部に前記延在部が位置している、請求項４に記載のセンサ。
前記幅狭部は、前記第１端側の端部および前記第２端側の端部の少なくとも一方に位置している、請求項４または５に記載のセンサ。
重錘体と、上面視して該重錘体を囲むように位置する枠体と、第１端が前記重錘体に、第２端が前記枠体にそれぞれ連結された可撓性を有する梁部と、該梁部に設けられた、該梁部の変形を電気信号として検出する検出部とを有するセンサであって、
前記梁部は、前記第１端と前記第２端とを結ぶ長手方向に延びる主部と、該主部から上側および下側の少なくとも一方へ突出している延在部とを有し、前記主部のみで構成される部材を基準としたときに、前記梁部の厚み方向における断面二次モーメントの増加量が、前記梁部の平面方向における断面二次モーメントの増加量よりも大きくなっているセンサ。
前記延在部は、前記第２端側において前記主部と前記枠体の側面との双方に接合されている、請求項７に記載のセンサ。
前記延在部は、前記第１端側において前記主部と前記重錘体の側面との双方に接合されている、請求項７または８に記載のセンサ。
前記主部は、前記長手方向の一部に前記幅方向の長さが他の部位よりも短くなっている幅狭部を有している、請求項７乃至９のいずれかに記載のセンサ。
前記幅狭部に前記延在部が位置している、請求項１０に記載のセンサ。
前記幅狭部は、前記第１端側の端部および前記第２端側の端部の少なくとも一方に位置している、請求項１０または１１に記載のセンサ。