WO2013089079A1 - 加速度センサ - Google Patents

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WO2013089079A1
WO2013089079A1 PCT/JP2012/082005 JP2012082005W WO2013089079A1 WO 2013089079 A1 WO2013089079 A1 WO 2013089079A1 JP 2012082005 W JP2012082005 W JP 2012082005W WO 2013089079 A1 WO2013089079 A1 WO 2013089079A1
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WO
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weight
acceleration sensor
axis
acceleration
beams
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Application number
PCT/JP2012/082005
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English (en)
French (fr)
Inventor
浜村宏
Original Assignee
株式会社村田製作所
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Publication date
Application filed by 株式会社村田製作所 filed Critical 株式会社村田製作所
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/12—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by alteration of electrical resistance
    • G01P15/123—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by alteration of electrical resistance by piezo-resistive elements, e.g. semiconductor strain gauges
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/18—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration in two or more dimensions

Definitions

  • the present invention relates to an acceleration sensor using a piezoresistive element.
  • Patent Document 1 discloses an acceleration sensor that detects acceleration in one axial direction.
  • one axial direction is the thickness direction of the acceleration sensor element constituting the acceleration sensor.
  • the acceleration sensor described in Patent Literature 1 includes a weight supported on a support frame by a beam that is a bending portion. In other words, one end of the beam is connected to the support frame, and the other end of the beam is connected to the weight.
  • a MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) piezoresistive acceleration sensor is disclosed.
  • This acceleration sensor is mounted on a hard disk drive (HDD), for example.
  • HDD hard disk drive
  • the HDD has a protective function for stopping data writing and reading when the impact is applied to the HDD.
  • an acceleration sensor that detects acceleration applied to the HDD is mounted.
  • the acceleration in the first axial direction the planar direction of the HDD and the acceleration sensor; hereinafter referred to as the Y-axis direction
  • the second axial direction the thickness direction of the HDD and the acceleration sensor, hereinafter referred to as Z
  • an acceleration sensor for detecting acceleration in the Y-axis direction and an acceleration sensor for detecting acceleration in the Z-axis direction are mounted on the HDD, but there is a problem that the number of components increases.
  • an acceleration sensor having a detection direction in a direction having a predetermined angle of inclination with respect to the Z axis is mounted on the HDD.
  • a first object of the present invention is to provide an acceleration sensor that can set a direction inclined with respect to one axis as a detection direction and can realize high sensitivity in a wide band. is there.
  • a second object of the present invention is to provide an acceleration sensor capable of realizing high sensitivity with a small area even when a direction along a plurality of axes is set as a detection direction.
  • An acceleration sensor includes a weight, a support portion disposed so as to face the weight, a flexible beam that connects the weight and the support portion, and a piezo provided on the beam. And a resistance element. In this configuration, when the beam is displaced by acceleration, stress can be concentrated on the beam, and a highly sensitive acceleration sensor can be realized.
  • the direction perpendicular to the line segment connecting the fulcrum and the center of gravity of the weight can be set as the detection direction.
  • one of the weight and the support part has a convex part protruding to the other side of the weight and the support part, and the other of the weight and the support part has a concave part facing the convex part.
  • the beam includes a first beam provided between the convex portion and the concave portion and a second beam provided so as to be separated from between the convex portion and the concave portion.
  • the opposing portions of the support portion and the weight are made uneven, and the stress can be concentrated on the beam by connecting the support portion and the weight with the first beam and the second beam, A highly sensitive acceleration sensor can be realized.
  • a configuration including a first piezoresistive bridge provided on the first beam and a second piezoresistive bridge provided on the second beam is preferable.
  • the acceleration detection direction by the first piezoresistive bridge is different from the acceleration detection direction by the second piezoresistive bridge. For this reason, it becomes possible to separately detect the acceleration in the biaxial direction based on the output from the first piezoresistive bridge and the output from the second piezoresistive bridge.
  • the convex portion may be positioned inside the concave portion.
  • the convex portion may be located outside the concave portion.
  • stress can be concentrated on the beam, and a highly sensitive acceleration sensor can be realized even when the direction inclined with respect to one axis is set as the detection direction.
  • a highly sensitive acceleration sensor with a small area can be realized.
  • FIG. 1A and 1B are a schematic plan view and a schematic side sectional view of an acceleration sensor according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 1A is a top plan view
  • FIG. It is side surface sectional drawing in I line.
  • It is a typical side view for demonstrating the aspect of the pendulum vibration in the acceleration sensor which concerns on Embodiment 1 of this invention.
  • It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the acceleration sensor which concerns on Embodiment 1 of this invention.
  • 5A and 5B are a schematic plan view and a schematic side cross-sectional view of an acceleration sensor according to Embodiment 2 of the present invention, FIG.
  • FIG. 5A is a top plan view
  • FIG. 5B is a VA- in FIG.
  • FIG. 5C is a side sectional view taken along line VA
  • FIG. 5C is a side sectional view taken along line VB-VB in FIG.
  • FIG. 6A is a schematic plan view and a circuit diagram for explaining a fulcrum at the time of pendulum vibration and an arrangement of a piezoresistive element in the acceleration sensor according to the second embodiment of the present invention
  • FIG. FIG. 6B is a circuit diagram.
  • 7A and 7B are a schematic plan view and a schematic side cross-sectional view of an acceleration sensor according to Embodiment 3 of the present invention
  • FIG. 7A is a top plan view
  • FIG. 7B is a VA- in FIG.
  • FIG. 7C is a side sectional view taken along line VA
  • FIG. 7C is a side sectional view taken along line VB-VB in FIG.
  • FIG. 8 (A) is a table
  • FIG.8 (B) is FIG. It is a table
  • FIG.8 (C) is a graph which shows the relationship between the output ratio of a piezoresistive bridge, and an input acceleration direction.
  • FIG. 8A and 8B are a schematic perspective view and a schematic plan view of an acceleration sensor according to Embodiment 4 of the present invention
  • FIG. 8A is a schematic perspective view
  • FIG. 8B is a top plan view
  • (C) is a bottom plan view.
  • It is a typical perspective view of the 1st modification of the acceleration sensor which concerns on Embodiment 2 of this invention.
  • FIG. 10 is a schematic plan view of second to fifth modifications of the acceleration sensor according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic plan view of sixth to ninth modifications of the acceleration sensor according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic plan view and a schematic side cross-sectional view of an acceleration sensor 10 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 1A is a top plan view of the acceleration sensor 10.
  • FIG. 1B is a side cross-sectional view taken along the line II in FIG. 1A and 1B, an X-axis, a Y-axis, and a Z-axis in an orthogonal coordinate form are added.
  • the acceleration sensor 10 is a MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) piezoresistive acceleration sensor. As shown in FIGS. 1A and 1B, the acceleration sensor 10 includes a weight 11, a support part 12, and beams 13A and 13B.
  • the weight 11 is formed by subjecting an SOI (Silicon On Insulator) substrate to fine processing to be described later such as etching. In the present embodiment, the weight 11 has a rectangular shape in the XY axis plane. The weight 11 has a predetermined length in the Z-axis direction.
  • the weight 11 is opposed to the support portion 12 in the X-axis direction.
  • the weight 11 is connected to the support portion 12 by beams 13A and 13B. Further, the support portion 12 has a predetermined length in the Z-axis direction.
  • the beams 13A and 13B have a flat plate shape having flexibility, and connect the weight 11 and the support portion 12. That is, the acceleration sensor 10 has a cantilever shape in which the weight 11 is supported by the beams 13A and 13B.
  • the beams 13A and 13B connect the weight 11 and the support portion 12.
  • Piezoresistive elements 14A and 14B are provided on the beams 13A and 13B.
  • the piezoresistive elements 14A and 14B detect stress applied to the beams 13A and 13B. Specifically, when acceleration is applied to the acceleration sensor 10, the beams 13A and 13B are bent by the acceleration, and stress is applied to the beams 13A and 13B. When the beams 13A and 13B are bent, stress is applied to the piezoresistive elements 14A and 14B, and the resistance values of the piezoresistive elements 14A and 14B change.
  • the magnitude of stress applied to the beams 13A and 13B is detected by the change in the resistance value of the piezoresistive elements 14A and 14B, and the acceleration applied to the acceleration sensor 10 is measured from the detection result by the piezoresistive elements 14A and 14B. Is done.
  • FIG. 2 is a schematic side sectional view at the time of acceleration input in the acceleration sensor 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • an angle formed by a line connecting the center of gravity Q of the weight 11 and the fulcrum is an inclination angle with respect to one axis (Z axis).
  • the acceleration sensor 10 has a detection direction in a direction (a direction having components in the X-axis direction and the Z-axis direction) orthogonal to a direction inclined with a tilt angle with respect to one axis (Z-axis). For this reason, by adjusting the angle formed by the line connecting the center of gravity Q of the weight 11 and the fulcrum, the inclination angle with respect to one axis (Z axis) can be set to a desired angle. Can be.
  • the line connecting the center of gravity Q of the weight 11 and the fulcrum shown in FIG. 2 forms an inclination angle with respect to one axis (Z axis). Therefore, since the acceleration sensor 10 can detect acceleration in the Z-axis direction and the X-axis direction, it is possible to realize a highly sensitive single-axis acceleration sensor whose detection direction is a direction inclined with respect to one axis. Can do.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining the method for manufacturing the acceleration sensor 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • an apparatus including the acceleration sensor 10 shown in FIG. 1 is manufactured.
  • the cross-sectional view shown in FIG. 3 corresponds to the side cross-sectional view shown in FIG.
  • the beams 13A and 13B are representatively referred to as beams 13
  • the piezoresistive elements 14A and 14B are representatively referred to as piezoresistive elements 14.
  • an SOI substrate 100 is prepared.
  • the SOI substrate 100 includes a silicon substrate 101, a silicon substrate 102, and an insulating layer 103 made of, for example, SiO 2 or SiN interposed therebetween. Furthermore, in this embodiment, the insulating layer 104 is formed on the surface of the silicon substrate 101.
  • the thickness of the stacked silicon substrate 101 and the insulating layers 103 and 104 substantially matches the thickness of the beam 13.
  • a piezoresistive element 14 (p + layer) is formed on the surface side of the silicon substrate 101 of the SOI substrate 100 at a position that will later become the central portion of the beam 13 by using a photolithography technique and a doping technique. Further, a low resistance wiring region (p ++ layer) to be the wiring electrode pattern 15 is formed in a predetermined pattern at substantially the same depth position of the silicon substrate 101.
  • fluorine-based gas (CF 4 , C 4 F 8 , SF 6 ) from the back surface side (silicon substrate 102 side) of the SOI substrate 100 using photolithography technology and etching technology. Etc.) or a chlorine-based gas (Cl 2 ), and a space 16 that later becomes a space between the weight 11 and the support portion 12 and a space 17A that becomes a space that enables the weight 11 to vibrate pendulum.
  • the lid member 18 is bonded to the back surface side (silicon substrate 102 side) of the SOI substrate 100.
  • the lid member 18 is preferably made of the same material as the silicon substrate 102.
  • the wiring electrode pattern 15A is formed on the surface of the insulating layer 104, that is, the surface of the SOI substrate 100.
  • the wiring electrode pattern 15A is formed so as to be connected to the low resistance wiring region of the silicon substrate 101.
  • the insulating layer 104, the silicon substrate 101, and a part of the insulating layer 103 are removed by dry etching from the surface side of the SOI substrate 100 so as to leave portions corresponding to the weight 11, the support portion 12, and the beams 13A and 13B later. To do. By this step, a structure in which the weight 11 is supported by the beam 13 is realized.
  • FIG. 4 is a schematic perspective view of the acceleration sensor 20 according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic plan view and a schematic side cross-sectional view of the acceleration sensor 20 according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5A is a top plan view of the acceleration sensor 20.
  • FIG. 5B is a side cross-sectional view taken along the line VA-VA in FIG.
  • FIG. 5C is a side cross-sectional view taken along line VB-VB in FIG.
  • the X-axis, Y-axis, and Z-axis in the orthogonal coordinate form are appended as in FIG.
  • the acceleration sensor 20 includes a weight 21, a support portion 22, and beams 23A, 23B, and 23C.
  • the weight 21 is formed by performing fine processing such as pattern etching on the SOI substrate.
  • the weight 21 has a convex portion having a rectangular portion having a long side in the Y-axis direction and a convex portion 21A provided substantially at the center of the long side of the rectangular portion on the XY axis plane. It has a shape.
  • the convex portion 21A protrudes toward the support portion 22 side.
  • the weight 21 has a predetermined length in the Z-axis direction.
  • regions 21B and 21C two regions sandwiching the convex portion 21A in the Y-axis direction of the weight 21 are referred to as regions 21B and 21C.
  • the length in the X, Y, and Z axis directions, the size or position of the convex portion 21A, and the like are set as appropriate.
  • the weight 21 is opposed to the support portion 22 in the X-axis direction.
  • the weight 21 is connected to the support portion 22 by beams 23A, 23B, and 23C.
  • the support portion 22 includes a rectangular portion having a long side substantially the same length as the weight 21 in the Y-axis direction on the XY axis plane, and two convex portions provided at both ends of the long side of the rectangular portion. It has a concave shape.
  • the support portion 22 has a concave shape having a concave portion 22A in a portion facing the convex portion 21A of the weight 21 on the XY axis plane.
  • portions surrounding the recess 22A of the support portion 22 are referred to as surrounding portions 22B and 22C.
  • the support portion 22 is disposed such that the surrounding portions 22B and 22C face the regions 21B and 21C of the weight 21.
  • the beams 23 ⁇ / b> A, 23 ⁇ / b> B, and 23 ⁇ / b> C have a flat plate shape having flexibility, and connect the weight 21 and the support portion 22. That is, the acceleration sensor 20 has a cantilever shape in which the weight 21 is supported by the beams 23A, 23B, and 23C.
  • the beam 23A connects the convex portion 21A of the weight 21 and the concave portion 22A of the support portion 22.
  • the beam 23 ⁇ / b> B connects the region 21 ⁇ / b> B of the weight 21 and the surrounding portion 22 ⁇ / b> B of the support portion 22.
  • the beam 23 ⁇ / b> C connects the region 21 ⁇ / b> C of the weight 21 and the surrounding portion 22 ⁇ / b> C of the support portion 22.
  • the weight 21 has the convex portion 21 ⁇ / b> A formed only on the support portion 22 side, but may have a shape in which the convex portion is formed on the opposite side of the support portion 22.
  • the weight 21 and the support portion 22 have an uneven planar shape, and the weight 21 is supported by the beam 23A and the position where the weight 21 is supported by the beams 23B and 23C. The position is shifted. Further, the convex portion 21 ⁇ / b> A of the weight 21 is configured not to enter the concave portion 22 ⁇ / b> A of the support portion 22. Therefore, stress concentrates between the straight lines L1 and L2.
  • the direction having an inclination with respect to one axis is the detection direction.
  • the ratio of the widths of the beams 23A, 23B, and 23C (the length in the Y-axis direction), the position of the center of the width of the beams 23A, 23B, and 23C, and the position of the center of gravity of the weight 21
  • the inclination angle with respect to one axis can be set to a desired angle.
  • piezoresistive elements 24A, 24B, 24C, and 24D for detecting the stress are provided in a portion between the straight line L1 and the straight line L2 where the maximum stress is applied.
  • the weight 21 When acceleration is applied to the acceleration sensor 20, the weight 21 is displaced by the acceleration, the beams 23A, 23B, and 23C are bent, and stress is applied to the beams 23A, 23B, and 23C.
  • stress is applied to the piezoresistive elements 24A to 24D due to the bending of the beams 23A, 23B, and 23C, the resistance values of the piezoresistive elements 24A to 24D change.
  • the magnitude of stress applied to the beams 23A, 23B, and 23C is detected by the change in the resistance value of the piezoresistive elements 24A to 24D, and the acceleration applied to the acceleration sensor 20 is measured from the detection results of the piezoresistive elements 24A to 24D.
  • FIG. 6B is a circuit diagram illustrating a configuration example of a piezoresistive bridge using the piezoresistive elements 24A to 24D.
  • the piezoresistive elements 24A to 24D are connected so as to constitute a Wheatstone bridge circuit, and constitute a piezoresistive bridge 24.
  • the piezoresistive element 24A and the piezoresistive element 24C are connected in series.
  • the piezoresistive element 24D and the piezoresistive element 24B are also connected in series.
  • the series circuit composed of the piezoresistive elements 24A and 24C and the series circuit composed of the piezoresistive elements 24D and 24B are connected by the piezoresistive element 24A and the piezoresistive element 24D.
  • a constant voltage source Vdd is connected between a connection point between the piezoresistive element 24A and the piezoresistive element 24D and a connection point between the piezoresistive element 24C and the piezoresistive element 24B.
  • a voltage measurement circuit is connected between a connection point between the piezoresistive element 24A and the piezoresistive element 24C and a connection point between the piezoresistive element 24D and the piezoresistive element 24B.
  • a constant current source may be used instead of the constant voltage source Vdd.
  • the acceleration sensor 30 according to the third embodiment of the present invention will be described.
  • the acceleration sensor 30 according to the third embodiment also realizes a highly sensitive acceleration sensor by making the actual length of the beam during vibration shorter than the actual beam length.
  • the acceleration sensor 30 according to the third embodiment is configured to detect biaxial acceleration instead of detecting tilted uniaxial acceleration.
  • FIG. 7 is a schematic plan view and a schematic side cross-sectional view of the acceleration sensor 30 according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 7A is a top plan view of the acceleration sensor 30.
  • FIG. 7B is a side cross-sectional view taken along the line VA-VA in FIG.
  • FIG. 7C is a side cross-sectional view taken along line VB-VB in FIG.
  • orthogonal coordinate X-axis, Y-axis, and Z-axis are added.
  • the acceleration sensor 30 includes a weight 31, a support portion 32, and beams 33A, 33B, and 33C.
  • the weight 31 has a rectangular portion having a long side in the Y-axis direction on the XY axis plane, and a convex portion 31A provided substantially at the center of the long side of the rectangular portion. It has a convex shape.
  • the convex portion 31A protrudes toward the support portion 32 side.
  • the weight 31 has a predetermined length in the Z-axis direction.
  • regions 31B and 31C two regions sandwiching the convex portion 31A in the Y-axis direction of the weight 31 are referred to as regions 31B and 31C.
  • the length in the X, Y, and Z axis directions, the size or position of the convex portion 31A, and the like are set as appropriate.
  • the weight 31 faces the support portion 32 in the X-axis direction.
  • the weight 31 is connected to the support portion 32 by beams 33A, 33B, and 33C.
  • the support portion 32 includes a rectangular portion having a long side substantially the same length as the weight 31 in the Y-axis direction on the XY axis plane, and two convex portions provided at both ends of the long side of the rectangular portion. It has a concave shape.
  • the support portion 32 has a concave shape having a concave portion 32A at a portion facing the convex portion 31A of the weight 31 on the XY axis plane.
  • the portions surrounding the recessed portion 32A of the support portion 32 are referred to as surrounding portions 32B and 32C.
  • the support portion 32 is disposed such that the surrounding portions 32B and 32C face the regions 31B and 31C of the weight 31.
  • the primary resonance mode of the acceleration sensor 30 is a vibration mode in which the weight 31 vibrates pendulum.
  • FIG. 7A shows a straight line L1 along the Y-axis direction passing through the center of the beam 33A and a straight line L2 along the Y-axis direction passing through the centers of the beams 33B and 33C.
  • the weight 31 and the support portion 32 have an uneven planar shape, and the position where the weight 31 is supported by the beam 33A.
  • the position where the weight 31 is supported by the beams 33B and 33C is shifted.
  • the convex portion 31 ⁇ / b> A of the weight 31 is configured to enter the concave portion 32 ⁇ / b> A of the support portion 32. Accordingly, the weight 31 vibrates with the fulcrum between the straight lines L1 and L2 shown in FIG. 7A, and the beams 33A, 33B, and 33C are wavy so that both ends are bent during the pendulum vibration of the weight 31. Deform. Therefore, stress concentrates on the beams 33A, 33B, and 33C.
  • the acceleration direction detected in the beam 33A shown in FIG. 7B and the acceleration direction detected in the beams 33B and 33C shown in FIG. Thereby, two detection directions with different inclination angles with respect to one axis (Z axis) can be realized. Then, the acceleration in the X-axis direction and the acceleration in the Z-axis direction can be separated from the output of the piezoresistive element by arithmetic processing.
  • the detection direction can be set to an arbitrary inclination angle from the X-axis direction to the Z-axis direction by changing the angle design between the gravity center position of the weight 31 and the beams 33A, 33B, and 33C. Further, more detection directions can be realized by providing more beams by shifting the positions in the X-axis direction. Further, since the weight 31 is supported by a cantilever structure, the area of the acceleration sensor that detects the acceleration in the biaxial direction, which is not easily affected by external stress, can be reduced.
  • piezoresistive elements 34A, 34B, 34C for realizing the first detection direction are provided in the portion where the maximum stress is applied to the beam 33A when the weight 31 is displaced. 34D is provided.
  • piezoresistive elements 35A, 35B, 35C, and 35D for realizing the second detection direction are provided in the portions where the maximum stress is applied in the beams 33B and 33C.
  • the piezoresistive elements 34A, 34B, 34C, and 34D form a first piezoresistive bridge with the same circuit configuration as that of the second embodiment.
  • the piezoresistive elements 35A, 35B, 35C, and 35D form a second piezoresistive bridge with the same circuit configuration as that of the second embodiment.
  • FIG. 8A is a diagram for explaining the sensitivity of the first piezoresistive bridge provided in the beam 33A.
  • FIG. 8B illustrates the sensitivity of the second piezoresistive bridge provided on the beams 33B and 33C.
  • the sensitivity (X-axis sensitivity) to the acceleration in the X-axis direction (X-axis acceleration) is 43.309 ⁇ V / G
  • the sensitivity (Z-axis sensitivity) to acceleration in the Z-axis direction (Z-axis acceleration) was 58.716 ⁇ V / G.
  • the sensitivity (main axis sensitivity) to acceleration in the detection direction (main axis direction) was 72.961 ⁇ V / G.
  • the Z-axis sensitivity had an axial ratio with the X-axis sensitivity of about 1.356 times, and the main-axis sensitivity had an axial ratio with the X-axis sensitivity of 1.485.
  • the sensitivity (X-axis sensitivity) to the acceleration in the X-axis direction (X-axis acceleration) is 79.342 ⁇ V / G.
  • the sensitivity (Z-axis sensitivity) to the acceleration in the Z-axis direction (Z-axis acceleration) was 46.095 ⁇ V / G.
  • the sensitivity (main axis sensitivity) to acceleration in the detection direction (main axis direction) was 91.760 ⁇ V / G. That is, the Z-axis sensitivity has an axial ratio with the X-axis sensitivity of about 0.581 times, and the main-axis sensitivity has an axial ratio with the X-axis sensitivity of 1.157.
  • FIG. 8C shows the ratio (output ratio) of the output of the first piezoresistive bridge to the output of the second piezoresistive bridge, and the input acceleration direction where the X-axis direction is 0 ° and the Z-axis direction is 90 °. It is a graph which shows the relationship. There is a relationship between the input acceleration direction and the output ratio. Based on the calculated output ratio, the output ratio of both is calculated from the output of the second piezoresistive bridge and the output of the first piezoresistive bridge.
  • the input acceleration direction can be derived.
  • the input acceleration direction, the X-axis acceleration, and the Y-axis acceleration can be derived based on the output sensitivity of the first piezoresistive bridge and the output sensitivity of the second piezoresistive bridge.
  • an acceleration sensor 40 according to Embodiment 4 of the present invention will be described.
  • the acceleration sensor 40 according to the fourth embodiment can concentrate stress on the acceleration input, and can realize a highly sensitive acceleration sensor.
  • FIG. 9 is a schematic perspective view and a schematic plan view of an acceleration sensor 40 according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 9A is a schematic perspective view of the acceleration sensor 40.
  • FIG. 9B is a top plan view of the acceleration sensor 40.
  • FIG. 9C is a bottom plan view of the acceleration sensor 40. Note that FIG. 9B is a partially transparent view (beams 43A and 43B) for convenience of explanation.
  • the acceleration sensor 40 includes a weight 41, support portions 421 and 422, and beams 43A and 43B.
  • the weight 41 is formed by performing fine processing such as pattern etching on the SOI substrate.
  • the weight 41 has a rectangular shape having a long side in the Y-axis direction on the XY axis plane, and is on the side facing the support portions 421 and 422, and both end portions in the Y-axis direction.
  • the weight 41 has a predetermined length in the Z-axis direction.
  • the weight 41 faces the support portions 421 and 422 in the X-axis direction.
  • the weight 41 is connected to the support portion 421 by a beam 43A, and is connected to the support portion 422 by a beam 43B.
  • the support portions 421 and 422 have a columnar shape having substantially the same length as the weight 41 in the Z-axis direction, and have a convex portion protruding in a V shape on the weight 41 side on the XY axis plane.
  • the protruding portions of the support portions 421 and 422 are referred to as convex portions 42A and 42B.
  • the support portions 421 and 422 are arranged such that the convex portions 42A and 42B face the concave portions 41A and 41B of the weight 41, respectively.
  • the beams 43A and 43B have a flat plate shape having flexibility, and connect the weight 41 and the support portions 421 and 422.
  • the beam 43A is provided on the upper surface of the concave portion 41A of the weight 41 and the convex portion 42A of the support portion 421, and connects the weight 41 and the support portion 421.
  • the beam 43 ⁇ / b> B is provided on the upper surface of the concave portion 41 ⁇ / b> B of the weight 41 and the convex portion 42 ⁇ / b> B of the support portion 422, and connects the weight 41 and the support portion 422.
  • the piezoresistive element detects the stress applied to the beams 43A and 43B, and the acceleration applied to the acceleration sensor 40 is measured from the detection result of the piezoresistive element.
  • the primary resonance mode of the acceleration sensor 40 is a vibration mode of pendulum vibration.
  • the acceleration sensor 40 according to the fourth embodiment since the weight 41 and the support portions 421 and 422 are uneven, when the weight 41 is displaced, a connection portion between the convex portion 42A of the support portion 421 and the beam 43A, In addition, the maximum stress is applied to the connection portion between the convex portion 42B of the support portion 422 and the beam 43B. Therefore, the acceleration can be detected with high accuracy by forming a piezoresistive element in this connection portion.
  • acceleration sensor according to the present invention has been specifically described above, the specific configuration and the like of the acceleration sensor can be appropriately changed in design, and are not limited to those described in the above embodiments.
  • FIG. 10 is a schematic plan view of an acceleration sensor 20A, which is a first modification of the acceleration sensor according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 11 is a schematic plan view of acceleration sensors 20B to 20E, which are second to fifth modifications of the acceleration sensor according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a schematic plan view of acceleration sensors 20F to 20I that are sixth to ninth modifications of the acceleration sensor according to the second embodiment of the present invention. 11 and 12 show top plan views of the acceleration sensor.
  • a space is formed between the convex portion 21A and the surrounding portions 22B and 22C.
  • a beam is separately provided in the space between the convex portion 21A and the surrounding portions 22B and 22C.
  • beams 23D and 23E are further provided between the convex portion 21A and the surrounding portions 22B and 22C.
  • the Q value can be lowered by the viscous resistance of gas molecules between the weight 21 and the support portion 22, that is, the damping effect.
  • a filter circuit such as a notch filter is unnecessary in a circuit connected to the subsequent stage of the acceleration sensor 10.
  • an additional beam may be provided in the space between the beams 33A, 33B, and 33C as in this modification.
  • the weight 21 has a convex shape and the support portion 22 has a concave shape on the XY axis plane.
  • the weight 21 may be concave and the support 22 may be convex.
  • the structure which shortened the protrusion amount of the convex part or the enclosure part like the acceleration sensor 20C shown to FIG. 11 (B) may be sufficient.
  • the end of the convex portion 21A of the weight 21 and the end of the surrounding portions 22B and 22C of the support portion 22 are the same straight line along the Y-axis direction.
  • wire may be sufficient.
  • the convex portion 21A of the weight 21 may enter between the surrounding portions 22B and 22C of the support portion 22 on the XY axis plane.
  • the unevenness may be reversed, or the protruding amount of the convex portion 21A and the surrounding portions 23B and 23C may be changed.
  • each of the beams 23A, 23B, and 23C may be composed of a pair of beams, or may be composed of three or more beams. May be.
  • the weight 21 and the support portion 22 may be connected by a single beam 23.
  • the weight 21 may be formed with a plurality of convex portions 21A
  • the support portion 22 may be formed with a plurality of concave portions 22A.
  • additional beams 23D and 23E that connect the weight 21 and the support portion 22 are further provided.
  • stress can be concentrated and a highly sensitive acceleration sensor can be realized.
  • the shape of the beam may be variously changed similarly to these modified examples.
  • the weight 21 is substantially rectangular on the XY axis plane, and V-shaped recesses 211 and 212 are formed at both ends in the Y-axis direction. It is good also as a structure by which the convex part 221,222 was formed in the part which opposes the recessed part 211,212 of the weight 21.
  • beams 231 and 232 are provided between the concave portions 211 and 212 and the convex portions 221 and 222.

Abstract

　１つの軸に対して傾斜をもった方向を検出方向とする場合や、２つの軸方向を検出方向とする場合に、小型で高感度な加速度センサを提供する。錘（１１）と、錘（１１）と対向するように配置された支持部（１２）と、可撓性を有し、錘（１１）と支持部（１２）とを接続している梁（１３Ａ，１３Ｂ）と、梁（１３Ａ，１３Ｂ）に設けられたピエゾ抵抗素子（１４Ａ，１４Ｂ）とを備え、錘（１１）は梁（１３Ａ，１３Ｂ）の中央部を支点として振り子振動する、加速度センサ（１０）。

Description

加速度センサ
　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。
　特許文献１には、１つの軸方向の加速度を検出する加速度センサが開示されている。ここで、１つの軸方向とは、加速度センサを構成する加速度センサ素子の厚み方向である。特許文献１に記載の加速度センサは、撓み部である梁によって支持枠に支持された錘を備えている。換言すれば、梁の一方の端部が支持枠に接続され、梁の他方の端部が錘に接続されている。特許文献１に記載の加速度センサは、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ－Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ピエゾ抵抗型加速度センサが開示されている。
　この加速度センサは、例えばハードディスクドライブ装置（ＨＤＤ）に搭載される。そして、ＨＤＤでは、衝撃によりＨＤＤが故障することを防ぐため、ＨＤＤに衝撃が加わった際にデータの書き込みや読み込みを停止する保護機能が働くようになっている。このような保護機能を実現するために、ＨＤＤに加わる加速度を検知する、加速度センサが搭載される。
特開２００９－１２８２６９号公報
　ＨＤＤの保護機能において、第１の軸方向（ＨＤＤ及び加速度センサの平面方向。以下、Ｙ軸方向という）の加速度だけではなく、第２の軸方向（ＨＤＤ及び加速度センサの厚み方向。以下、Ｚ軸方向という）の加速度も検出することが必要となることがある。このような場合、Ｙ軸方向の加速度を検出する加速度センサと、Ｚ軸方向の加速度を検出する加速度センサとをＨＤＤに搭載することが考えられるが、部品点数が増加するという問題がある。そこで、Ｚ軸に対して所定の角度の傾斜を持った方向を検出方向とする加速度センサをＨＤＤに搭載することが考えられる。
　しかしながら、特許文献１に記載の加速度センサでは、Ｚ軸に対して所定の角度傾斜した方向の加速度を検出しようとする場合、衝撃を検出するために必要な帯域と感度とを実現することが困難である。
　そこで、本発明の第１の目的は、１つの軸に対して傾斜をもった方向を検出方向とすることができ、広い帯域で高い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。
　また、本発明の第２の目的は、複数の軸に沿った方向を検出方向とする場合でも、小面積で高い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、錘と対向するように配置された支持部と、可撓性を有し、錘と支持部とを接続している梁と、梁に設けられたピエゾ抵抗素子とを備えている。　この構成では、加速度によって梁が変位する時に梁に応力を集中することができ、感度の高い加速度センサを実現することができる。
　この構成では、支点と錘の重心位置とを結ぶ線分に対して直交する方向を検出方向とすることができる。
　本発明に係る加速度センサにおいて、錘と支持部の一方が、錘と支持部の他方側に突出する凸部を有し、錘と支持部の他方が、凸部に対向している凹部を有しており、梁として、凸部と凹部との間に設けられている第１の梁と、凸部と凹部との間から外れて設けられている第２の梁とを備える構成が好ましい。
　この構成では、支持部および錘の対向する部分を凹凸状にし、第１の梁と第２の梁とにより支持部と錘とを接続することで、梁に応力を集中することができ、より感度の高い加速度センサを実現することができる。
　本発明に係る加速度センサにおいて、第１の梁に設けられている第１のピエゾ抵抗ブリッジと、第２の梁に設けられている第２のピエゾ抵抗ブリッジと、を備える構成が好ましい。
　この構成では、第１のピエゾ抵抗ブリッジによる加速度の検出方向と、第２のピエゾ抵抗ブリッジによる加速度の検出方向がずれたものになる。このため、第１のピエゾ抵抗ブリッジからの出力と、第２のピエゾ抵抗ブリッジからの出力とに基づいて、２軸方向の加速度を分離して検出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、前記凸部が前記凹部の内側に位置している構成でもよい。
　本発明に係る加速度センサにおいて、前記凸部が前記凹部の外側に位置している構成でもよい。
　本発明によれば、梁に応力を集中させることができ、１つの軸に対して傾斜をもった方向を検出方向とする場合でも、高感度な加速度センサを実現することができる。また、複数の軸方向を検出方向とする場合でも、小面積で高感度な加速度センサを実現することができる。
本発明の実施形態１に係る加速度センサの模式的平面図および模式的側面断面図であり、図１（Ａ）は上面平面図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）におけるＩ－Ｉ線における側面断面図である。 本発明の実施形態１に係る加速度センサにおける振り子振動の態様を説明するための模式的側面図である。 本発明の実施形態１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。 本発明の実施形態２に係る加速度センサの模式的斜視図である。 本発明の実施形態２に係る加速度センサの模式的平面図および模式的側面断面図であり、図５（Ａ）は上面平面図であり、図５（Ｂ）は図５（Ａ）におけるＶＡ－ＶＡ線における側面断面図であり、図５（Ｃ）は図５（Ａ）におけるＶＢ－ＶＢ線における側面断面図である。 本発明の実施形態２に係る加速度センサにおける振り子振動時の支点とピエゾ抵抗素子の配置とを説明するための模式的平面図および回路図であり、図６（Ａ）は上面平面図であり、図６（Ｂ）は回路図である。 本発明の実施形態３に係る加速度センサの模式的平面図および模式的側面断面図であり、図７（Ａ）は上面平面図であり、図７（Ｂ）は図７（Ａ）におけるＶＡ－ＶＡ線における側面断面図であり、図７（Ｃ）は図７（Ａ）におけるＶＢ－ＶＢ線における側面断面図である。 本発明の実施形態３に係る加速度センサの出力例と加速度導出方法について説明する図であり、図８（Ａ）は第１のピエゾ抵抗ブリッジの出力を示す表であり、図８（Ｂ）は第２のピエゾ抵抗ブリッジの出力を示す表であり、図８（Ｃ）はピエゾ抵抗ブリッジの出力比と入力加速度方向との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態４に係る加速度センサの模式的斜視図および模式的平面図であり、図８（Ａ）は模式的斜視図であり、図８（Ｂ）は上面平面図であり、図８（Ｃ）は下面平面図である。 本発明の実施形態２に係る加速度センサの第１の変形例の模式的斜視図である。 本発明の実施形態２に係る加速度センサの第２～第５の変形例の模式的平面図である。 本発明の実施形態２に係る加速度センサの第６～第９の変形例の模式的平面図である。
（実施形態１）
　本発明の実施形態１に係る加速度センサ１０について、図を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態１に係る加速度センサ１０の模式的平面図および模式的側面断面図である。図１（Ａ）は、加速度センサ１０の上面平面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）におけるＩ－Ｉ線における側面断面図である。図１（Ａ），（Ｂ）において、直交座標形のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が付記されている。
　加速度センサ１０は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ－Ｅｌｅｃｔｒｏ－ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）ピエゾ抵抗型加速度センサである。図１（Ａ），（Ｂ）に示すように、加速度センサ１０は、錘１１と、支持部１２と、梁１３Ａ，１３Ｂとを備えている。錘１１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る。本実施形態においては、錘１１は、Ｘ－Ｙ軸平面において、長方形状を有している。また、錘１１は、Ｚ軸方向に所定の長さを有している。
　錘１１は、Ｘ軸方向において、支持部１２と対向している。錘１１は、梁１３Ａ，１３Ｂにより、支持部１２と接続されている。また、支持部１２は、Ｚ軸方向に所定の長さを有している。
　梁１３Ａ，１３Ｂは、可撓性を有する平板状であって、錘１１と支持部１２とを接続している。すなわち、加速度センサ１０は、錘１１が梁１３Ａ，１３Ｂによって支持された片持ち形状である。梁１３Ａ，１３Ｂは、錘１１と支持部１２とを接続している。
　梁１３Ａ，１３Ｂにピエゾ抵抗素子１４Ａ，１４Ｂが設けられている。ピエゾ抵抗素子１４Ａ，１４Ｂは、梁１３Ａ，１３Ｂにかかる応力を検出する。具体的には、加速度センサ１０に加速度が加わると、加速度によって梁１３Ａ，１３Ｂが撓み、梁１３Ａ，１３Ｂに応力が加わる。梁１３Ａ，１３Ｂが撓むことによって、ピエゾ抵抗素子１４Ａ，１４Ｂに応力が加わり、ピエゾ抵抗素子１４Ａ，１４Ｂの抵抗値が変化する。このように、ピエゾ抵抗素子１４Ａ，１４Ｂの抵抗値の変化によって、梁１３Ａ，１３Ｂにかかる応力の大きさが検出され、ピエゾ抵抗素子１４Ａ，１４Ｂによる検出結果から加速度センサ１０に加わった加速度が計測される。
　図２は、本発明の実施形態１に係る加速度センサ１０における加速度入力時の模式的側面断面図である。
　加速度センサ１０においては、錘１１の重心Ｑと支点とを結ぶ線がなす角度が、１つの軸（Ｚ軸）に対する傾斜角となる。そして、加速度センサ１０は、１つの軸（Ｚ軸）に対して傾斜角の大きさで傾斜した方向に直交する方向（Ｘ軸方向およびＺ軸方向の成分を有する方向）が検出方向となる。このため、錘１１の重心Ｑと支点とを結ぶ線がなす角度を調整することによって、１つの軸（Ｚ軸）に対する傾斜角を所望の角度にすることができるため、検出方向を所望の方向にすることができる。
　また、加速度センサ１０において、図２に示す錘１１の重心Ｑと支点とを結ぶ線が１つの軸（Ｚ軸）に対して傾斜角をなす。従って、加速度センサ１０は、Ｚ軸方向およびＸ軸方向の加速度を検出することができるため、１つの軸に対して傾斜をもった方向を検出方向とする高感度な一軸加速度センサを実現することができる。
　次に、本発明の実施形態１に係る加速度センサ１０の製造方法について説明する。図３は、本発明の実施形態１に係る加速度センサ１０の製造方法を説明するための断面図である。図３に示す製造方法では、図１に示す加速度センサ１０を含む装置が製造される。また、図３に示す断面図は、上述の図１（Ｂ）に示す側面断面図に相当している。なお、以下では、梁１３Ａ，１３Ｂを代表して梁１３とし、ピエゾ抵抗素子１４Ａ，１４Ｂを代表してピエゾ抵抗素子１４と称して説明する。
　まず、図３（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ＳｉＯ２やＳｉＮからなる絶縁層１０３で構成されている。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。ここで、シリコン基板１０１および絶縁層１０３，１０４を重ねた厚みは、梁１３の厚みに略一致することが望ましい。
　ＳＯＩ基板１００のシリコン基板１０１の表面側の、後に梁１３の中央部分となる位置に、フォトリソグラフィ技術およびドーピング技術を用いて、ピエゾ抵抗素子１４（ｐ＋層）を形成する。さらに、シリコン基板１０１の略同じ深さ位置に配線電極パターン１５となる低抵抗配線領域（ｐ＋＋層）を、所定パターンで形成する。
　次に、図３（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（ＣＦ４，Ｃ４Ｆ８，ＳＦ６等）や塩素系ガス（Ｃｌ２）を用いたドライエッチングを行い、後に錘１１と支持部１２との間の空間となる空間１６、並びに、錘１１を振り子振動可能にする空間となる空間１７Ａを形成する。続いて、図３（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。なお、蓋材１８は、シリコン基板１０２と同じ材質であることが望ましい。
　次に、図３（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１７Ａに連通する空間１７Ｂ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１５Ａを形成する。この配線電極パターン１５Ａは、図示していないが、シリコン基板１０１の低抵抗配線領域と接続されているように形成されている。その後、ＳＯＩ基板１００の表面側から、後に錘１１、支持部１２および梁１３Ａ，１３Ｂに相当する部分を残すように、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する。この工程により、錘１１が梁１３によって支持された構造が実現される。
（実施形態２）
　次に、本発明の実施形態２に係る加速度センサ２０について説明する。図４は、本発明の実施形態２に係る加速度センサ２０の模式的斜視図である。図５は、本発明の実施形態２に係る加速度センサ２０の模式的平面図および模式的側面断面図である。図５（Ａ）は、加速度センサ２０の上面平面図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）におけるＶＡ－ＶＡ線における側面断面図である。図５（Ｃ）は、図５（Ａ）におけるＶＢ－ＶＢ線における側面断面図である。図４と図５（Ａ）～（Ｃ）には、図１と同様に、直交座標形のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が付記されている。
　実施形態２に係る加速度センサ２０は、錘２１と、支持部２２と、梁２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃとを備えている。錘２１は、実施形態１と同様に、ＳＯＩ基板に対してパターンエッチング処理等の微細加工を行うことで形成される。本実施形態においては、錘２１は、Ｘ－Ｙ軸平面において、Ｙ軸方向に長辺を有する長方形状部分と、長方形状部分の長辺の略中央に設けられた凸部２１Ａとを有する凸形状となっている。凸部２１Ａは、支持部２２側に突出している。また、錘２１は、Ｚ軸方向に所定の長さを有している。以下の説明において、錘２１のＹ軸方向における凸部２１Ａを挟む２つの領域を領域２１Ｂ，２１Ｃという。なお、錘２１において、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の長さ、および凸部２１Ａの大きさ又は位置などは適宜設定される。
　錘２１は、Ｘ軸方向において、支持部２２と対向している。錘２１は、梁２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃにより、支持部２２と接続されている。支持部２２は、Ｘ－Ｙ軸平面において、錘２１と略同じ長さとなる長辺をＹ軸方向に有する長方形状部分と、長方形状部分の長辺の両端に設けられた２つの凸部とを有する凹形状となっている。支持部２２は、Ｘ－Ｙ軸平面において、錘２１の凸部２１Ａに対向する部分に凹部２２Ａを有する凹部形状となっている。以下の説明において、支持部２２の凹部２２Ａを囲む部分を囲み部２２Ｂ，２２Ｃという。支持部２２は、この囲み部２２Ｂ，２２Ｃが錘２１の領域２１Ｂ，２１Ｃと対向するように配置されている。
　梁２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃは、可撓性を有する平板状であって、錘２１と支持部２２とを接続している。すなわち、加速度センサ２０は、錘２１が梁２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃによって支持された片持ち形状となっている。梁２３Ａは、錘２１の凸部２１Ａと支持部２２の凹部２２Ａとを接続している。梁２３Ｂは、錘２１の領域２１Ｂと支持部２２の囲み部２２Ｂとを接続している。梁２３Ｃは、錘２１の領域２１Ｃと支持部２２の囲み部２２Ｃとを接続している。
　また、錘２１は、支持部２２側にのみ凸部２１Ａが形成されているが、支持部２２とは反対側に凸部が形成された形状としてもよい。
　実施形態２に係る加速度センサ２０において、錘２１および支持部２２は凹凸形状の平面形状を有しており、梁２３Ａによって錘２１が支持される位置と、梁２３Ｂ，２３Ｃによって錘２１が支持される位置とがずれている。また、錘２１の凸部２１Ａが支持部２２の凹部２２Ａに入り込まないように構成されている。そのため、直線Ｌ１，Ｌ２の間に応力が集中する。
　そして、実施形態２に係る加速度センサ２０は、実施形態１と同様に、１つの軸に対して傾斜をもった方向（Ｘ軸方向およびＺ軸方向の成分を有する方向）が検出方向となる。なお、加速度センサ２０において、梁２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃの幅（Ｙ軸方向の長さ）の比率と、梁２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃの幅の中心部の位置と、錘２１の重心の位置とを調整することによって、１つの軸に対する傾斜角を所望の角度にすることができる。
　図６（Ａ）に示すように、直線Ｌ１と直線Ｌ２とに挟まれて最大応力がかかる部分には、応力を検出するためのピエゾ抵抗素子２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｄを設けている。
　加速度センサ２０に加速度が加わると、加速度によって錘２１が変位し、梁２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃが撓み、梁２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃに応力が加わる。梁２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃが撓むことによって、ピエゾ抵抗素子２４Ａ～２４Ｄに応力が加わると、ピエゾ抵抗素子２４Ａ～２４Ｄの抵抗値が変化する。このピエゾ抵抗素子２４Ａ～２４Ｄの抵抗値の変化によって、梁２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃにかかる応力の大きさが検出され、ピエゾ抵抗素子２４Ａ～２４Ｄによる検出結果から加速度センサ２０に加わった加速度が計測される。
　図６（Ｂ）は、ピエゾ抵抗素子２４Ａ～２４Ｄを用いたピエゾ抵抗ブリッジの構成例を説明する回路図である。
　ピエゾ抵抗素子２４Ａ～２４Ｄは、ホイーストンブリッジ回路を構成するように接続されており、ピエゾ抵抗ブリッジ２４を構成している。具体的には、ピエゾ抵抗素子２４Ａとピエゾ抵抗素子２４Ｃとは直列に接続されている。また、ピエゾ抵抗素子２４Ｄとピエゾ抵抗素子２４Ｂとも直列に接続されている。ピエゾ抵抗素子２４Ａ，２４Ｃからなる直列回路と、ピエゾ抵抗素子２４Ｄ，２４Ｂからなる直列回路とは、ピエゾ抵抗素子２４Ａとピエゾ抵抗素子２４Ｄとで接続されている。また、ピエゾ抵抗素子２４Ｃとピエゾ抵抗素子２４Ｂとで接続されている。そして、ピエゾ抵抗素子２４Ａとピエゾ抵抗素子２４Ｄとの接続点と、ピエゾ抵抗素子２４Ｃとピエゾ抵抗素子２４Ｂとの接続点との間に定電圧源Ｖｄｄが接続されている。また、ピエゾ抵抗素子２４Ａとピエゾ抵抗素子２４Ｃとの接続点と、ピエゾ抵抗素子２４Ｄとピエゾ抵抗素子２４Ｂとの接続点との間に、電圧測定回路が接続されている。なお、定電圧源Ｖｄｄに代えて、定電流源を用いてもよい。
（実施形態３）
　次に、本発明の実施形態３に係る加速度センサ３０について説明する。実施形態３に係る加速度センサ３０も、実施形態１，２と同様に、振動時における梁の実質の長さを、実際の梁の長さよりも短くし、感度の高い加速度センサを実現している。
　なお、実施形態３に係る加速度センサ３０は、傾斜した１軸の加速度を検出するのではなく、２軸の加速度を検出するように構成している。
　図７は、本発明の実施形態３に係る加速度センサ３０の模式的平面図および模式的側面断面図である。図７（Ａ）は、加速度センサ３０の上面平面図である。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）におけるＶＡ－ＶＡ線における側面断面図である。図７（Ｃ）は、図７（Ａ）におけるＶＢ－ＶＢ線における側面断面図である。図７（Ａ）～（Ｃ）には、直交座標形のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が付記されている。
　加速度センサ３０は、錘３１と、支持部３２と、梁３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃとを備えている。錘３１は、実施形態２と同様に、Ｘ－Ｙ軸平面において、Ｙ軸方向に長辺を有する長方形状部分と、長方形状部分の長辺の略中央に設けられた凸部３１Ａとを有する凸形状となっている。凸部３１Ａは、支持部３２側に突出している。また、錘３１は、Ｚ軸方向に所定の長さを有している。以下の説明において、錘３１のＹ軸方向における凸部３１Ａを挟む２つの領域を領域３１Ｂ，３１Ｃという。なお、錘３１において、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の長さ、および凸部３１Ａの大きさ又は位置などは適宜設定される。
　錘３１は、Ｘ軸方向において、支持部３２と対向している。錘３１は、梁３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃにより、支持部３２と接続されている。支持部３２は、Ｘ－Ｙ軸平面において、錘３１と略同じ長さとなる長辺をＹ軸方向に有する長方形状部分と、長方形状部分の長辺の両端に設けられた２つの凸部とを有する凹形状となっている。支持部３２は、Ｘ－Ｙ軸平面において、錘３１の凸部３１Ａに対向する部分に凹部３２Ａを有する凹部形状となっている。以下の説明において、支持部３２の凹部３２Ａを囲む部分を囲み部３２Ｂ，３２Ｃという。支持部３２は、この囲み部３２Ｂ，３２Ｃが錘３１の領域３１Ｂ，３１Ｃと対向するように配置されている。
　加速度センサ３０の１次共振モードは、錘３１が振り子振動する振動モードである。図７（Ａ）には、梁３３Ａの中心を通るＹ軸方向に沿った直線Ｌ１、梁３３Ｂ，３３Ｃの中心を通るＹ軸方向に沿った直線Ｌ２をそれぞれ示している。
　実施形態３に係る加速度センサ３０においては、図７（Ａ）に示すように、錘３１および支持部３２は凹凸形状の平面形状を有しており、梁３３Ａによって錘３１が支持される位置と、梁３３Ｂ，３３Ｃによって錘３１が支持される位置とがずれている。また、錘３１の凸部３１Ａは、支持部３２の凹部３２Ａに入り込むように構成されている。これにより、錘３１は、図７（Ａ）に示す直線Ｌ１，Ｌ２の間を支点として振り子振動し、錘３１の振り子振動時に、梁３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃは両端部が屈曲するように波状に変形する。そのため、梁３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃに応力が集中する。
　実施形態３に係る加速度センサ３０では、図７（Ｂ）に示す梁３３Ａにおいて検出される加速度方向と、図７（Ｃ）に示す梁３３Ｂ，３３Ｃにおいて検出される加速度方向とがずれている。これにより、１つの軸（Ｚ軸）に対する傾斜角が相違する２つの検出方向を実現することができる。そして、ピエゾ抵抗素子の出力から、演算処理によってＸ軸方向の加速度とＺ軸方向の加速度とを分離することができる。
　なお、この構成では、錘３１の重心位置と梁３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃとの角度設計を変えることにより、Ｘ軸方向からＺ軸方向まで検出方向を任意の傾斜角とすることができる。また、より多くの梁をＸ軸方向の位置をずらして設けることで、さらに多くの検出方向を実現することができる。また、錘３１を片持ち構造で支持するため、外部応力に対して影響を受けづらく、２軸方向の加速度を検出する加速度センサであっても、その面積を小さくできる。
　ここでは、図７（Ａ）に示すように、錘３１が変位する際に梁３３Ａにおける最大応力がかかる部分には、第１の検出方向を実現するためのピエゾ抵抗素子３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ，３４Ｄを設けている。また、梁３３Ｂ，３３Ｃにおける最大応力がかかる部分には、第２の検出方向を実現するためのピエゾ抵抗素子３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄを設けている。ピエゾ抵抗素子３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ，３４Ｄは、実施形態２と同様の回路構成で、第１のピエゾ抵抗ブリッジを構成する。また、ピエゾ抵抗素子３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄは、実施形態２と同様の回路構成で、第２のピエゾ抵抗ブリッジを構成する。
　ここで、第１のピエゾ抵抗ブリッジと第２のピエゾ抵抗ブリッジとの、具体的な出力例と、その出力例に基づく入力加速度の導出方法について説明する。
　図８（Ａ）は、梁３３Ａに設けられる第１のピエゾ抵抗ブリッジの感度を説明する図である。図８（Ｂ）は、梁３３Ｂ，３３Ｃに設けられる第２のピエゾ抵抗ブリッジの感度を説明する図である。
　図８（Ａ）に示すように、梁３３Ａに設けられる第１のピエゾ抵抗ブリッジにおいて、Ｘ軸方向の加速度（Ｘ軸加速度）に対する感度（Ｘ軸感度）は、４３．３０９μＶ／Ｇであり、Ｚ軸方向の加速度（Ｚ軸加速度）に対する感度（Ｚ軸感度）は、５８．７１６μＶ／Ｇであった。また、検出方向（主軸方向）の加速度に対する感度（主軸感度）は、７２．９６１μＶ／Ｇであった。なお、Ｚ軸感度は、Ｘ軸感度との軸比が約１．３５６倍であり、主軸感度は、Ｘ軸感度との軸比が１．６８５であった。
　図８（Ｂ）に示すように、梁３３Ｂ，３３Ｃに設けられる第２のピエゾ抵抗ブリッジにおいて、Ｘ軸方向の加速度（Ｘ軸加速度）に対する感度（Ｘ軸感度）は、７９．３４２μＶ／Ｇであり、Ｚ軸方向の加速度（Ｚ軸加速度）に対する感度（Ｚ軸感度）は、４６．０９５μＶ／Ｇであった。また、検出方向（主軸方向）の加速度に対する感度（主軸感度）は、９１．７６０μＶ／Ｇであった。即ち、Ｚ軸感度は、Ｘ軸感度との軸比が約０．５８１倍であり、主軸感度は、Ｘ軸感度との軸比が１．１５７であった。
　図８（Ｃ）は、第２のピエゾ抵抗ブリッジの出力に対する第１のピエゾ抵抗ブリッジの出力の比（出力比）と、Ｘ軸方向を０°、Ｚ軸方向を９０°とした入力加速度方向との関係を示すグラフである。入力加速度方向と出力比とは関係があり、第２のピエゾ抵抗ブリッジの出力と、第１のピエゾ抵抗ブリッジの出力とから、両者の出力比を算出することにより、算出した出力比に基づいて入力加速度方向を導出することができる。
　したがって、第１のピエゾ抵抗ブリッジの出力感度と、第２のピエゾ抵抗ブリッジの出力感度とに基づいて、入力加速度方向、および、Ｘ軸加速度、ならびに、Ｙ軸加速度を導出することができる。
（実施形態４）
　次に、本発明の実施形態４に係る加速度センサ４０について説明する。実施形態４に係る加速度センサ４０も、実施形態１，２，３と同様に、加速度入力に対して応力を集中することができ、感度の高い加速度センサの実現を可能としている。
　図９は、本発明の実施形態４に係る加速度センサ４０の模式的斜視図および模式的平面図である。図９（Ａ）は、加速度センサ４０の模式的斜視図である。図９（Ｂ）は、加速度センサ４０の上面平面図である。図９（Ｃ）は、加速度センサ４０の下面平面図である。なお、図９（Ｂ）は説明の都合上、一部（梁４３Ａ，４３Ｂ）透過した図としてある。
　実施形態４に係る加速度センサ４０は、錘４１と、支持部４２１，４２２と、梁４３Ａ，４３Ｂとを備えている。錘４１は、実施形態１，２，３と同様に、ＳＯＩ基板に対してパターンエッチング処理等の微細加工を行うことで形成される。本実施形態においては、錘４１は、Ｘ－Ｙ軸平面において、Ｙ軸方向に長辺を有する長方形状であって、支持部４２１，４２２に対向する側であって、Ｙ軸方向における両端部にはＶ字状に窪む凹部４１Ａ，４１Ｂが形成されている。また、錘４１は、Ｚ軸方向に所定の長さを有している。
　錘４１は、Ｘ軸方向において、支持部４２１，４２２と対向している。錘４１は、梁４３Ａにより支持部４２１と接続されており、梁４３Ｂにより支持部４２２と接続されている。支持部４２１，４２２は、Ｚ軸方向において錘４１と略同じ長さを有する柱状であって、Ｘ－Ｙ軸平面において、錘４１側にＶ字状に突出した凸部を有している。以下、支持部４２１，４２２の突出した部分を凸部４２Ａ，４２Ｂという。支持部４２１，４２２は、凸部４２Ａ，４２Ｂがそれぞれ錘４１の凹部４１Ａ，４１Ｂに対向するように配置されている。
　梁４３Ａ，４３Ｂは、可撓性を有する平板状であって、錘４１と支持部４２１，４２２とを接続している。梁４３Ａは、錘４１の凹部４１Ａおよび支持部４２１の凸部４２Ａの上面に設けられ、錘４１と支持部４２１とを接続している。梁４３Ｂは、錘４１の凹部４１Ｂおよび支持部４２２の凸部４２Ｂの上面に設けられ、錘４１と支持部４２２とを接続している。
　ピエゾ抵抗素子は、梁４３Ａ，４３Ｂにかかる応力を検出し、ピエゾ抵抗素子による検出結果から加速度センサ４０に加わった加速度が計測される。
　加速度センサ４０の１次共振モードは、振り子振動の振動モードである。実施形態４に係る加速度センサ４０において、錘４１および支持部４２１，４２２は凹凸形状となっているため、錘４１が変位する際に、支持部４２１の凸部４２Ａと梁４３Ａとの接続部、並びに、支持部４２２の凸部４２Ｂと梁４３Ｂとの接続部に最大応力がかかることとなる。従って、この接続部にピエゾ抵抗素子を形成することにより、加速度を高精度に検出することができる。
　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ものに限定されるものではない。
　図１０は、本発明の実施形態２に係る加速度センサの第１の変形例である、加速度センサ２０Ａの模式的平面図である。図１１は、本発明の実施形態２に係る加速度センサの第２～第５の変形例である、加速度センサ２０Ｂ～２０Ｅの模式的平面図である。図１２は、本発明の実施形態２に係る加速度センサの第６～第９の変形例である、加速度センサ２０Ｆ～２０Ｉの模式的平面図である。図１１および図１２では、加速度センサの上面平面図を示している。
　例えば、実施形態２において、凸部２１Ａと囲み部２２Ｂ，２２Ｃとの間に空間が形成されているが、図１０に示す加速度センサ２０Ａでは、錘２１の動きに伴う空気の抜け道をなくすために、凸部２１Ａと囲み部２２Ｂ，２２Ｃとの間の空間に別途梁を設けるようにしている。加速度センサ２０Ａでは、凸部２１Ａと囲み部２２Ｂ，２２Ｃとの間に、梁２３Ｄ，２３Ｅがさらに設けられている。これらの梁２３Ｄ，２３Ｅを設けることで、錘２１および支持部２２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、Ｑ値を低下させることができる。その結果、加速度センサ１０の後段に接続される回路において、ノッチフィルタなどのフィルタ回路が不要となる。なお、実施形態３においても、この変形例と同様に、梁３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃの間の空間に、追加の梁を設けるようにしてもよい。
　また、実施形態２において、Ｘ－Ｙ軸平面において、錘２１は凸形状、支持部２２は凹形状としているが、図１１（Ａ）に示す加速度センサ２０Ｂのように、Ｘ－Ｙ軸平面において、錘２１が凹形状、支持部２２が凸形状であってもよい。また、図１１（Ｂ）に示す加速度センサ２０Ｃのように、凸部や囲み部の突出量を短くした構成であってもよい。そして、図１１（Ｃ）に示す加速度センサ２０Ｄのように、錘２１の凸部２１Ａの端部と、支持部２２の囲み部２２Ｂ，２２Ｃの端部とが、Ｙ軸方向に沿った同一直線上に位置する構成であってもよい。図１１（Ａ）～（Ｃ）に示す加速度センサ２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄでは、加速度入力に対して応力を集中させることができ、感度の高い加速度センサの実現が可能である。さらに、図１１（Ｄ）に示す加速度センサ２０Ｅのように、Ｘ－Ｙ軸平面において、錘２１の凸部２１Ａが支持部２２の囲み部２２Ｂ，２２Ｃ間に入り込むような構成であってもよい。なお、実施形態３においても、これらの変形例と同様に、凹凸を逆にしたり、凸部２１Ａと囲み部２３Ｂ，２３Ｃとの突出量を変更したりしてもよい。
　また、図１２（Ａ）に示す加速度センサ２０Ｆのように、梁２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃは、それぞれ、二つ一組の梁から構成されていてもよいし、三つ以上の梁から構成されていてもよい。さらには、図１２（Ｂ）に示す加速度センサ２０Ｇのように、一つの梁２３により錘２１と支持部２２とを接続するように構成してもよい。また、図１２（Ｃ）に示す加速度センサ２０Ｈのように、錘２１は、複数の凸部２１Ａが形成されていてもよいし、支持部２２は、複数の凹部２２Ａが形成されていてもよい。この場合、錘２１および支持部２２を接続する追加の梁２３Ｄ，２３Ｅがさらに設けられる。図１２（Ａ）～（Ｃ）に示す加速度センサ２０Ｆ～２０Ｈでは、応力を集中することができ、感度の高い加速度センサの実現が可能である。なお、実施形態３においても、これらの変形例と同様に、梁の形状を様々に変更してもよい。
　また、図１２（Ｄ）に示す加速度センサ２０Ｉのように、錘２１は、Ｘ－Ｙ軸平面において、略長方形であって、Ｙ軸方向の両端にＶ字状の凹部２１１，２１２が形成された構成とし、錘２１の凹部２１１，２１２に対向する部分に凸部２２１，２２２が形成された構成としてもよい。この場合、梁２３１，２３２が凹部２１１，２１２と凸部２２１，２２２との間に設けられている。Ｖ字状の凹凸を設けた構成とすることで、図１２（Ａ）～（Ｃ）に示す構成よりも梁の数を少なくしつつ、同様の効果を得ることができる。
１０，２０，２０Ａ～２０Ｉ，３０，４０－加速度センサ
１１，２１，３１，４１－錘
１２，２２，３２，４２１，４２２－支持部
１３Ａ，１３Ｂ，２３，２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄ，２３Ｅ，２３１，２３２，３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃ，４３Ａ，４３Ｂ－梁
２１Ａ，３１Ａ－凸部
２２Ａ，３２Ａ－凹部
２２Ｂ，２２Ｃ，３２Ｂ，３２Ｃ－囲み部
４１Ａ，４１Ｂ－凹部
４２Ａ，４２Ｂ－凸部

Claims (5)

  1. 　錘と、
    　前記錘と対向するように配置された支持部と、
    　可撓性を有し、前記錘と前記支持部とを接続している梁と、
    　前記梁に設けられたピエゾ抵抗素子と、を備え、
    　前記錘は加速度の入力に対して振り子の動きをする加速度センサ。
  2. 　前記錘と前記支持部の一方が、前記錘と前記支持部の他方側に突出する凸部を有し、
    　前記錘と前記支持部の他方が、前記凸部に対向する凹部を有しており、
    　前記梁として、前記凸部と前記凹部との間に設けられている第１の梁と、前記凸部と前記凹部との間から外れて設けられている第２の梁とを備えている、
    　請求項１の加速度センサ。
  3. 　前記第１の梁に設けられている第１のピエゾ抵抗ブリッジと、
    　前記第２の梁に設けられている第２のピエゾ抵抗ブリッジと、を備える、請求項２に記載の加速度センサ。
  4. 　前記凸部が前記凹部に入り込む内側に位置している、
    　請求項２または３に記載の加速度センサ。
  5. 　前記凸部が前記凹部に入り込むこと無く外側に位置している、
    　請求項２または３に記載の加速度センサ。
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