WO2014126019A1 - 加速度センサ - Google Patents

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axis
support
acceleration sensor
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Inventor
浜村宏
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株式会社村田製作所
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    • 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
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    • 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
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    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
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    • H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/84—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of applied mechanical force, e.g. of pressure

Definitions

  • the present invention relates to an acceleration sensor using a piezoresistive element.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 disclose an acceleration sensor that detects acceleration in the thickness direction of the acceleration sensor and acceleration in the plane direction of the acceleration sensor.
  • FIG. 9A is a plan view of an acceleration sensor 1P with reference to Patent Document 1.
  • the acceleration sensor 1P includes a support frame 2P, a weight 3P, four flexible arms (beams) 41P, 42P, 43P, and 44P, an X-axis detecting piezoresistor 51P, a Y-axis detecting piezoresistor 52P, and a Z And an axis detecting piezoresistor 53P.
  • the support frame 2P has a rectangular frame shape.
  • the weight 3P is arranged in the frame of the support frame 2P.
  • the four flexible arms 41P, 42P, 43P, and 44P are arranged in a cross shape around the weight 3P, and are connected between the center of each side of the support frame 2P and the weight 3P.
  • the X-axis detection piezoresistors 51P are provided on the flexible arms 42P and 44P.
  • the Y-axis detecting piezoresistor 52P is provided on the flexible arms 41P and 43P.
  • the Z-axis detection piezoresistors 53P are provided on the flexible arms 42P and 44P.
  • FIG. 9B is a plan view of the acceleration sensor 1Q with reference to Patent Document 2.
  • the acceleration sensor 1Q includes a semiconductor substrate 2Q, a weight 3Q, a beam portion 4Q, a Z-axis detection piezoresistor 51Q, and an X-axis detection piezoresistor 52Q.
  • the semiconductor substrate 2Q has a rectangular frame shape.
  • the weight 3Q is disposed within the frame of the semiconductor substrate 2Q.
  • the beam portion 4Q extends along the Y axis and is connected to the semiconductor substrate 2Q and the weight 3Q.
  • the beam portion 4Q includes a surface 41Q perpendicular to the Z axis and parallel to the X axis and the Y axis, and a slope 42Q non-perpendicular to the Z axis and the X axis and parallel to the Y axis. have.
  • the X-axis detection piezoresistor 52Q is provided on the slope 42Q and detects acceleration in the direction along the X-axis.
  • the Z-axis detection piezoresistor 51Q is provided on the surface 41Q and detects acceleration in the direction along the Z-axis.
  • the acceleration sensor disclosed in Patent Document 1 is in a state where a desired acceleration is not applied when a plurality of flexible beams fixed at different positions are bent under the influence of external stress. Therefore, an unnecessary detection signal may be output. Furthermore, both of the acceleration sensors disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2 have a problem that the detection sensitivity decreases when the detection band is widened.
  • an object of the present invention is to provide an acceleration sensor that is easy to manufacture, does not output unnecessary detection signals due to external stress, and can realize a wide detection band and high detection sensitivity. .
  • the acceleration sensor according to the present invention includes at least one of a weight, a support portion arranged to face the weight, a plurality of beams connecting the weight and the support portion, and the plurality of beams.
  • a piezoresistive element provided on the weight, wherein the weight has a weight-side convex portion projecting toward the support portion side, and the support portion is positioned from a position facing the weight-side convex portion.
  • a support-side convex portion that is provided at a position that protrudes toward the weight side, and one of the plurality of beams has one end connected to the weight-side convex portion and the other end
  • the other portion of the plurality of beams is connected to the support-side convex portion, and the other end is connected to the portion of the support portion that faces the weight-side convex portion.
  • the portion is connected to a portion of the weight facing the support portion-side convex portion.
  • each beam is arranged in a step, so that each beam has a region where stress is locally concentrated when the weight is displaced. Occurs. Therefore, by providing a piezoresistive element in the region where the stress is concentrated, it is possible to realize an acceleration sensor with better sensitivity even in a wide band.
  • An acceleration sensor is disposed between a first weight, a second weight provided in plane symmetry with the first weight, and the first weight and the second weight.
  • a first beam connecting the first weight and the support unit, and the second beam and the support unit.
  • a second beam connecting the first weight, a third beam connecting the first weight and the support, and a plane symmetry with the third beam.
  • the first weight has a first protrusion protruding toward the support portion, and the second weight has the support portion.
  • a second convex portion that protrudes, and the support portion is provided at a position that deviates from a position facing the first convex portion, and a third convex portion that projects toward the first weight side;
  • a first convex portion provided at a position deviating from a position facing the second convex portion and projecting to the second weight side, wherein one end of the first beam is the
  • the second projection is connected to the first projection, the other end is connected to the portion of the support portion facing the first projection, and one end of the second beam is the second projection.
  • the other end is connected to a portion of the support portion that faces the second convex portion
  • the third beam has one end connected to the third convex portion
  • the fourth beam has one end connected to the fourth convex portion, End of the square is connected to a portion opposed to said fourth convex portions of the second weight.
  • the first beam and the third beam that support the first weight, and the second beam and the fourth beam that support the second weight extend in opposite directions from the support portion. Therefore, the first weight and the second weight exhibit the behavior in the opposite direction with respect to the acceleration along the direction facing each other, and the same with respect to the acceleration along the direction orthogonal to the direction. Will behave. For this reason, by detecting the behavior of the first weight and the behavior of the second weight with the piezoresistive elements provided on each of them, various configurations can be used even if the processing technique is not difficult to process. It is possible to detect acceleration in any direction. In addition, it is hardly affected by external stress acting on the support portion, unnecessary vibration, noise, and the like, and unnecessary detection signals are hardly output.
  • first weight, the second weight, and the support portion are provided with convex portions, and each beam is arranged in a different step, so that each beam has a first weight and a second weight.
  • the weight of 2 is displaced, a region where stress is concentrated locally occurs. Therefore, by providing a piezoresistive element in the region where the stress is concentrated, it is possible to realize an acceleration sensor with better sensitivity even in a wide band.
  • the support portion extends in a direction facing the weight portion and in a direction orthogonal to the direction in which the plurality of beam portions are arranged, and one of both end portions in the extending direction. It may be fixed to the outside using only the end portion as a fixed end.
  • This configuration can reduce the output of unnecessary detection signals due to external stress.
  • the area of the support portion in a cross section orthogonal to the direction in which the support portion extends may be locally small in the vicinity of the fixed end.
  • the distal end of the first convex portion is positioned closer to the first weight than the distal end of the third convex portion, and the distal end of the second convex portion is the fourth convex portion. You may be located in the 2nd weight side rather than the front-end
  • the convex portions of the first weight and the second weight and the support portion are provided so as not to enter each other.
  • a region in which stress is concentrated between the vicinity of the center of each beam and the vicinity of one end of each beam is generated. Accordingly, it is possible to provide a sensitive acceleration sensor even in a wide band by providing a piezoresistive element in a region where stress is concentrated.
  • the tip of the first convex portion is positioned closer to the support portion than the tip of the third convex portion, and the tip of the second convex portion is from the tip of the fourth convex portion. May also be located on the support side.
  • the convex portions of the first weight, the second weight, and the support portion are provided so as to enter each other.
  • a region where stress is concentrated at both end portions of each beam is generated. Therefore, it is possible to realize a highly sensitive acceleration sensor even in a wide band by providing a piezoresistive element in a region where the stress is concentrated.
  • the detection sensitivity is hardly lowered.
  • an acceleration sensor that can be easily manufactured can be configured.
  • 1 is a perspective view of an acceleration sensor according to a first embodiment of the present invention. It is the top view and sectional view of an acceleration sensor concerning a 1st embodiment of the present invention. It is sectional drawing for demonstrating the displacement behavior of the weight in the acceleration sensor which concerns on the 1st Embodiment of this invention. It is a top view for demonstrating the behavior of the acceleration sensor which concerns on the 1st Embodiment of this invention, and the example of arrangement
  • the acceleration sensor described here is capable of detecting acceleration in the biaxial direction.
  • Each figure includes a Z axis that is a first detection axis along the thickness direction of the acceleration sensor, a Y axis that is a second detection axis along the plane direction of the acceleration sensor and is orthogonal to the Z axis, and the Z axis and Y axis.
  • an X axis that is an axis orthogonal to the axis.
  • a Cx-z plane parallel to the X-axis and the Z-axis and perpendicular to the Y-axis is appended as a center plane passing through the center of the acceleration sensor.
  • FIG. 1 is a perspective view of an acceleration sensor 21 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a plan view of the acceleration sensor 21 along the XY plane.
  • FIG. 2B is a YZ plane cross-sectional view of the acceleration sensor 21 in the Pyz plane shown in FIG.
  • FIG. 2C is a YZ plane cross-sectional view of the acceleration sensor 21 in the Qyz plane shown in FIG. Note that the Py-z plane and the Qyz plane are planes parallel to the Y-axis and the Z-axis and perpendicular to the X-axis, respectively.
  • the acceleration sensor 21 is a MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) piezoresistive acceleration sensor formed by performing fine processing, which will be described later, on an SOI (Silicon On Insulator) substrate.
  • MEMS Micro-Electro-Mechanical Systems
  • SOI Silicon On Insulator
  • the acceleration sensor 21 has a symmetrical shape with respect to the Cx-z plane. More specifically, the acceleration sensor 21 includes a first weight 231, a second weight 232, a support portion 22, a first beam 241A, a second beam 242A, a third beam 241B, 241C, fourth beams 242B and 242C, and an acceleration detection circuit (not shown).
  • the first weight 231 and the second weight 232 have a symmetrical arrangement and shape with respect to the Cx-z plane and face each other in the Y-axis direction.
  • the support portion 22 is disposed between the first weight 231 and the second weight 232.
  • the support portion 22 extends along the X-axis with one end in the X-axis direction floating from an external structure, and the other end in the X-axis direction indicated by hatching in the drawing is the fixed end 20. It is fixed to the external structure. Further, in the vicinity of the fixed end 20, the area of the support portion 22 in the cross section orthogonal to the X axis is locally reduced.
  • the first beam 241A and the third beams 241B and 241C connect the first weight 231 and the support portion 22.
  • the second beam 242A and the fourth beams 242B and 242C connect the second weight 232 and the support portion 22.
  • the first beam 241A and the second beam 242A have a plane-symmetric arrangement and shape with respect to the Cxz plane.
  • the third beam 241B and the fourth beam 242B have a plane-symmetric arrangement and shape with respect to the Cxz plane.
  • the third beam 241C and the fourth beam 242C have an arrangement and shape that are plane-symmetric with respect to each other with respect to the Cxz plane.
  • the first weight 231 when the first weight 231 is viewed from the XY plane shown in FIG. 2A, the center of the surface on the Y axis negative direction side facing the support portion 22 is the support portion 22 side (Y It has a convex shape protruding in the negative axial direction side).
  • the first weight 231 includes a first convex portion 231A that is a region including a portion protruding to the support portion 22 side, and a concave portion that is a region closer to the X-axis negative direction than the first convex portion 231A.
  • 231B and a concave portion 231C which is a region on the X axis positive direction side with respect to the first convex portion 231A.
  • the second weight 232 has a convex shape in which the center of the surface on the Y axis positive direction side facing the support portion 22 protrudes to the support portion 22 side (Y axis positive direction side).
  • the second weight 232 includes the second convex portion 232A, which is a region including a portion protruding toward the support portion 22, as viewed from the XY plane shown in FIG.
  • a concave portion 232B that is a region on the X axis negative direction side from the convex portion 232A and a concave portion 232C that is a region on the X axis positive direction side from the second convex portion 232A are provided.
  • first weight 231 and the second weight 232 have a short side parallel to the Y axis and a parallel to the Z axis when viewed from the YZ plane shown in FIGS. 2 (B) and 2 (C). It has an approximately rectangular shape with a long side.
  • the center of the surface on the Y-axis positive direction side facing the first weight 231 is opposite to the first weight 231 side (Y H-shape indented in the negative axis direction), and the center of the negative Y-side surface facing the second weight 232 is indented on the opposite side (Y-axis positive direction side) to the second weight 232 side.
  • the support portion 22 includes a concave portion 221A that is a region including a portion that is recessed on the opposite surface side to the first weight 231 side on the opposite surface side that faces the first weight 231, and the X axis more than the concave portion 221A.
  • third convex portions 221B and 221C which are regions on the negative direction side or the X-axis positive direction side.
  • the third convex portion 221B is a region closer to the X-axis negative direction than the concave portion 221A.
  • the third convex portion 221C is a region closer to the X-axis positive direction than the concave portion 221A.
  • the support portion 22 includes a concave portion 222A that is a region including a portion that is recessed on the opposite surface side to the second weight 232 side on the opposite surface side facing the second weight 232, and an X-axis negative direction from the concave portion 222A.
  • 4th convex part 222B, 222C which is the area
  • the fourth convex portion 222B is a region closer to the X-axis negative direction than the concave portion 222A.
  • the fourth convex portion 222C is a region closer to the X axis positive direction than the concave portion 222A.
  • the support portion 22 has an approximately rectangular shape having a short side parallel to the Y axis and a long side parallel to the Z axis, as viewed from the YZ plane shown in FIGS. 2 (B) and 2 (C). have.
  • the first convex portion 231A has a width in the X-axis direction that is shorter than the concave portion 221A of the support portion 22, and faces the middle of the concave portion 221A in the X-axis direction.
  • the second convex portion 232A has a width in the X-axis direction shorter than the concave portion 222A of the support portion 22, and faces the middle of the concave portion 222A in the X-axis direction.
  • the third convex portions 221B and 221C are shorter in the X-axis direction than the concave portions 231B and 231C of the first weight 231 and face each other in the middle in the X-axis direction of the concave portions 231B and 231C.
  • the fourth convex portions 222B and 222C are shorter in the X-axis direction than the concave portions 232B and 232C of the second weight 232, and face each other in the middle in the X-axis direction of the concave portions 232B and 232C.
  • first weight 231 and the second weight 232 and the support portion 22 are provided so that the uneven structure does not enter the other side.
  • the tip in the Y-axis negative direction of the first convex portion 231A of the first weight 231 is more positive in the Y-axis than the tip of the third convex portions 221B and 221C of the support portion 22 in the Y-axis positive direction. It is located on the direction side, that is, on the first weight 231 side.
  • the tip of the second convex portion 232A of the second weight 232 in the Y-axis positive direction is closer to the Y-axis negative direction side than the tip of the fourth convex portions 222B and 222C of the support portion 22 in the Y-axis negative direction. 2 is located on the weight 232 side.
  • the first beam 241A, the second beam 242A, the third beams 241B and 241C, and the fourth beams 242B and 242C are each a flat plate shape having flexibility in the Z-axis direction, and are each along the Y-axis. It is provided to extend.
  • the first beam 241A is connected to the concave portion 221A of the support portion 22 at the end portion on the Y-axis negative direction side, and is connected to the concave portion 221A of the first weight 231 at the end portion on the Y-axis positive direction side.
  • the third beam 241B is connected to the third convex portion 221B of the support portion 22 at the end portion on the Y axis negative direction side, and is connected to the concave portion 231B of the first weight 231 at the end portion on the Y axis positive direction side. It is connected.
  • the third beam 241C is connected to the third convex portion 221C of the support portion 22 at the end portion on the Y axis negative direction side, and is connected to the concave portion 231C of the first weight 231 at the end portion on the Y axis positive direction side. It is connected.
  • the second beam 242A is connected to the concave portion 222A of the support portion 22 at the end portion on the Y axis positive direction side, and is connected to the second convex portion 232A of the second weight 232 at the end portion on the Y axis negative direction side. It is connected.
  • the fourth beam 242B is connected to the fourth convex portion 222B of the support portion 22 at the end portion on the Y axis positive direction side, and is connected to the concave portion 232B of the second weight 232 at the end portion on the Y axis negative direction side. It is connected.
  • the fourth beam 242C is connected to the fourth convex portion 222C of the support portion 22 at the end portion on the Y axis positive direction side, and is connected to the concave portion 232C of the second weight 232 at the end portion on the Y axis negative direction side. It is connected.
  • the first weight 231 is supported by the support portion 22 in a cantilever manner by the first beam 241A and the third beams 241B and 241C. Yes. Further, the second weight 232 is supported by the support portion 22 in a cantilever manner by the second beam 242A and the fourth beams 242B and 242C.
  • the first weight 231, the first beam 241 A, and the third beams 241 B and 241 C are Cx ⁇ with respect to the second weight 232, the second beam 242 A, and the fourth beams 242 B and 242 C. They are provided symmetrically with respect to the z plane. Therefore, the acceleration sensor 21 is not easily affected by external stress or unnecessary vibration.
  • the acceleration sensor 21 can realize a wide detection band and high detection sensitivity.
  • the first beam 241A, the second beam 242A, the third beam 241B, 241C, and the fourth beam 242B, 242C have a conventional configuration such as a slope, There is no need to provide a piezoresistive element on the slope, and manufacturing is easy.
  • FIG. 3 is a YZ plane cross-sectional view of the acceleration sensor 21 in the Pyz plane, similar to FIG. 2B.
  • FIG. 3A shows the behavior when acceleration in the direction along the Y axis is applied to the acceleration sensor 21.
  • FIG. 3B shows the behavior when acceleration in the direction along the Z axis is applied to the acceleration sensor 21.
  • acceleration in the direction along the Y axis (Y axis positive direction) is applied to the acceleration sensor 21.
  • the first weight 231 and the second weight 232 are displaced in the YZ plane due to an inertial force acting in a direction opposite to the direction in which the acceleration acts (Y-axis negative direction).
  • the displacement with respect to the support portion is reversed between the first weight 231 and the second weight 232.
  • the first weight 231 and the second weight 232 are displaced in the YZ plane.
  • the displacement behavior of the first weight 231 and the displacement behavior of the second weight 232 are different depending on the direction of acceleration. Therefore, by detecting the displacement behavior of the first weight 231 and the displacement behavior of the second weight 232, it is possible to detect accelerations in various directions in the YZ plane cross section.
  • FIG. 4 is a plan view of the acceleration sensor 21.
  • FIG. 4 shows a straight line LB1 parallel to the X axis passing through the end of the first beam 241A on the Y axis positive direction side, and an X axis passing through the ends of the third beams 241B and 241C on the Y axis negative direction side.
  • a straight line LA2 parallel to the X axis is appended.
  • the first beam 241A and the third beams 241B and 241C overlap in the X-axis direction.
  • the first beam 241A and the third beams 241B and 241C overlap in the X-axis direction.
  • the first weight 231 and the support portion 22 have a concavo-convex structure such that the opposing surfaces engage with each other, but do not enter each other. Therefore, the position on the Y axis where the first weight 231 is supported by the first beam 241A and the position on the Y axis where the first weight 231 is supported by the third beams 241B and 241C are determined. It is off. Further, the position on the Y axis where the first beam 241A is supported by the support portion 22 and the position on the Y axis where the third beams 241B and 241C are supported by the support portion 22 are shifted.
  • the second weight 232 and the support portion 22 are engaged with each other in the same manner as the first weight 231 and the support portion 22, but do not enter each other. Has an uneven structure. Therefore, the position on the Y axis where the second weight 232 is supported by the second beam 242A and the position on the Y axis where the second weight 232 is supported by the fourth beams 242B and 242C are determined. It is off. Further, the position on the Y axis where the second beam 242A is supported by the support portion 22 is shifted from the position on the Y axis where the fourth beams 242B and 242C are supported by the support portion 22.
  • the acceleration detection circuit (not shown) includes the piezoresistive elements Ry1, 241A, 242A, the third beams 241B, 241C, and the fourth beams 242B, 242C.
  • Ry2, Ry3, Ry4, Rz1, Rz2, Rz3, Rz4 are provided.
  • the piezoresistive elements Ry1, Ry2, Ry3, Ry4 are arranged so that an output is obtained with respect to the acceleration along the Y axis.
  • the piezoresistive elements Rz1, Rz2, Rz3, and Rz4 are arranged so that an output is obtained with respect to the acceleration along the Z axis.
  • the width of the beam on which the piezoresistive element corresponding to the detection axis is arranged should be made narrower.
  • the first beam 241A and the second beam 242A are thick beams, and the third beams 241B and 241C and the fourth beams 242B and 242C are narrow. It is a beam.
  • the piezoresistive elements Ry1, Ry2, Ry3, and Ry4 having the Y axis as the detection axis are arranged on the first beam 241A and the second beam 242A having a large width, and the piezoresistive element having the Z axis as the detection axis.
  • Rz1, Rz2, Rz3, and Rz4 are arranged in the third beams 241B and 241C and the fourth beams 242B and 242C having a small width. For this reason, the acceleration sensor 21 can detect the acceleration along the Z axis with high sensitivity.
  • FIG. 5 is a YZ plane cross-sectional view for explaining a method of manufacturing the acceleration sensor 21.
  • a device including the acceleration sensor 21 is manufactured.
  • the YZ plane cross-sectional view shown in FIG. 5 corresponds to the YZ plane cross-sectional view shown in FIG.
  • the piezoresistive elements Ry1, Ry2, Ry3, Ry4, Rz1, Rz2, Rz3, and Rz4 will be referred to as piezoresistive elements R.
  • 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.
  • a piezoresistive element R (p + layer) is formed on the surface side of the silicon substrate 101 by using a photolithography technique and an ion implantation technique. Further, a low resistance wiring region 16A (p ++ layer) is formed on the surface side of the silicon substrate 101 by using a photolithography technique and an ion implantation technique.
  • fluorine gas (CF 4 , C 4 F 8 , SF 6 ) is formed from the back surface side (silicon substrate 102 side) of the SOI substrate 100 using photolithography technology and etching technology. Etc.) or chlorine-based gas (Cl 2 ).
  • Etc. or chlorine-based gas
  • the first weight 231 and the space 17A that will be the space between the second weight 232 and the support portion 22 and the first weight 231 and the second weight 232 become a space that can be displaced later.
  • a space 17B is formed.
  • the lid member 18 is bonded to the back surface side (silicon substrate 102 side) of the SOI substrate 100.
  • the lid member 18 has a space 17C that communicates with the spaces 17A and 17B.
  • the wiring electrode pattern 16B is formed on the surface of the insulating layer 104, that is, the surface of the SOI substrate 100.
  • the wiring electrode pattern 16B is formed so as to be connected to the low resistance wiring region 16A of the silicon substrate 101.
  • a part of the insulating layer 104, the silicon substrate 101, and the insulating layer 103 is removed from the surface side of the SOI substrate 100 by dry etching, and the first weight 231 and the second weight 232, the support portion 22, and the first The portions corresponding to the beam 241A, the third beams 241B and 241C, the second beam 242A, and the fourth beams 242B and 242C are left.
  • a structure in which the first weight 231 and the second weight 232 are supported so as to be displaceable is realized.
  • the acceleration sensor according to the present invention can be implemented.
  • the acceleration sensor is provided with weights and beams on both sides of the support part.
  • the weights and beams may be provided only on one side of the support part.
  • FIG. 6A is a plan view of the acceleration sensor 21A in which the arrangement of the piezoresistive elements is different.
  • FIG. 6B is a plan view of the acceleration sensor 21B in which the arrangement of the piezoresistive elements is different.
  • FIG. 6C is a plan view of the acceleration sensor 21C in which the arrangement of the piezoresistive elements is different.
  • each piezoresistive element can be provided on an appropriate beam. It is preferable to set the arrangement of the piezoresistive elements according to the width of each beam in the X-axis direction.
  • FIG. 7A is a plan view of the acceleration sensor 21D in which the depths of the concavo-convex structure on the opposing surfaces of the first weight and the second weight and the support portion are different.
  • the depth of the concavo-convex structure is made deeper than the configuration of FIG. 4, the convex structure of the first weight 231 bites into the concave structure of the support portion 22, and the first convex portion 231 ⁇ / b> A in the first weight 231. And the 3rd convex parts 221B and 221C in the support part 22 are comprised so that it may oppose in an X-axis direction.
  • the d convex structure of the second weight 232 bites into the concave structure of the support portion 22, and the second convex portion 232A of the second weight 232 and the fourth convex portions 222B and 222C of the support portion 22 are X. It is configured to face each other in the axial direction.
  • the tip of the first convex portion 231A of the first weight 231 in the Y-axis negative direction is more than the tip of the third convex portions 221B and 221C of the support portion 22 in the Y-axis positive direction.
  • the tip of the second convex portion 232A of the second weight 232 in the Y-axis positive direction is on the Y-axis positive direction side, that is, the side of the fourth convex portions 222B and 222C of the support portion 22 in the Y-axis positive direction. It is located on the part 22 side.
  • the tip in the Y-axis positive direction of the third convex portions 221B and 221C of the support portion 22 is on the Y-axis positive direction side, that is, the first tip in the negative Y-axis direction of the first convex portion 231A of the first weight 231. 1 is located on the weight 231 side.
  • the tip of the fourth convex portions 222B and 222C of the support portion 22 in the negative Y-axis direction is on the negative side of the Y-axis, that is, the first tip in the positive Y-axis direction of the second convex portion 232A of the second weight 232. 2 is located on the weight 232 side.
  • the region where the stress due to the displacement is concentrated acts as the first beam 241A, the third beam 241B, 241C, the second beam 242A, and the fourth beam 242B, 242C.
  • FIG. 7B is a plan view of the acceleration sensor 21E in which the arrangement of the concavo-convex structure on the opposing surfaces of the first weight and the second weight and the support portion is different.
  • the direction of the concavo-convex structure is opposite to the configuration of FIG. 4, the surfaces of the first weight 231 and the second weight 232 facing the support portion 22 are concave, and the first weight 231 in the support portion 22 The opposing surface and the opposing surface to the second weight 232 are convex. Therefore, the first weight 231 has the first convex portions 231B and 231C.
  • the second weight 232 has second convex portions 232B and 232C.
  • the support part 22 has a third convex part 221A and a fourth convex part 222A.
  • the arrangement of the piezoresistive elements can be variously set as in the first modification. Even in that case, the stress generated in each beam varies depending on the width of each beam in the X-axis direction, so the width of each beam in the X-axis direction is adjusted according to the required sensitivity and the arrangement of the piezoresistive elements is set. Good.
  • the acceleration sensor according to the third modification has a beam configuration different from that shown in FIG.
  • FIG. 8A is a plan view of an acceleration sensor 21F configured by split beams obtained by splitting each beam into two.
  • the first beam 241A, the third beam 241B, 241C, the second beam 242A, and the fourth beam 242B, 242C are each constituted by a split beam divided into two. .
  • FIG. 8B is a plan view of an acceleration sensor 21G provided with an additional beam for eliminating air passage due to vibration.
  • the beam 243A is provided between the first beam 241A and the third beam 241B
  • the beam 243B is provided between the first beam 241A and the third beam 241C
  • the second beam 242A is provided between the second beam 242A and the fourth beam 242C
  • a beam 243D is provided between the second beam 242A and the fourth beam 242C.
  • the Q value of the vibration system can be reduced by the viscous resistance of gas molecules in the space between the first weight 231 and the second weight 232 and the support portion 22, that is, the damping effect.
  • the arrangement of the piezoresistive elements can be variously set as in the first modified example. Even in that case, the relationship between the width of each beam in the X-axis direction and the maximum stress generated in each beam does not change, so the arrangement of piezoresistive elements is set according to the width of each beam in the X-axis direction. Good.
  • the depth and arrangement of the uneven structure on the first weight and the facing surface of the second weight and the support portion are variously set. Also good.
  • 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 the functions and effects described in the above-described embodiment are the most arising from the present invention.
  • the preferred actions and effects are merely listed, and the actions and effects according to the present invention are not limited to those described in the above-described embodiments.
  • Piezoresistive element 100 SOI substrate 101, 102 ... Silicon substrate 103, 104 ... Insulating layer 16A ... low resistance wiring region 16B ... wiring electrode patterns 17A, 17B, 17C, 17D ... space 18 ... cover material

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

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。
　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ＳｉＯ２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（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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