WO2015115365A1 - センサおよびその製造方法 - Google Patents

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WO2015115365A1
WO2015115365A1 PCT/JP2015/052022 JP2015052022W WO2015115365A1 WO 2015115365 A1 WO2015115365 A1 WO 2015115365A1 JP 2015052022 W JP2015052022 W JP 2015052022W WO 2015115365 A1 WO2015115365 A1 WO 2015115365A1
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lid
detection unit
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sensor
weight
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徳一 山地
裕子 横田
旗手　淳雄
紘己 韓
健志 鈴木
英章 浅尾
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京セラ株式会社
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    • G01P2015/084—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 being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass the mass being suspended at more than one of its sides, e.g. membrane-type suspension, so as to permit multi-axis movement of the mass

Definitions

  • the present invention relates to a sensor capable of detecting at least atmospheric pressure and acceleration and a method for manufacturing the same.
  • sensors for detecting a wide variety of physical quantities have been incorporated into various electronic devices. And in order to incorporate a sensor in an electronic device, downsizing of the sensor itself is required, and a small sensor using a semiconductor chip is often used.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 3-2535
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 4-81630
  • Patent Document 3 Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-142270
  • the sensors using the techniques described in Patent Documents 1 to 3 each sense one physical quantity, and when it is necessary to sense a large number of physical quantities, a plurality of sensors are incorporated in an electronic device. There was a need. That is, in the case of sensing two types of physical quantities, a mounting area that is twice the size of each sensor is required, and it has not been possible to sufficiently meet the demand for downsizing electronic devices.
  • acceleration and pressure are both basic physical quantities, and there are many electronic devices that function by detecting both.
  • the present invention has been conceived under the above circumstances, and an object thereof is to provide a sensor capable of detecting acceleration and atmospheric pressure by a single structure and a method for manufacturing the same.
  • a sensor includes a weight body, a frame body positioned so as to surround the weight body when viewed from above, and a flexible body that connects the upper surface side of the weight body and the frame body.
  • a connected body having pressure characteristics, a pressure detector, and an acceleration detector.
  • the weight body is connected to the main portion having a through hole penetrating from the upper surface to the lower surface, an attachment portion connected to surround the outer periphery of the through hole on the upper surface of the main portion, and the attachment portion so as to block the through hole.
  • a first lid portion having flexibility, and a second lid portion disposed so as to close the through hole in the lower surface of the main portion, and having a small deformation amount with respect to an external force compared to the first lid portion, Is included.
  • the pressure detection unit is disposed in the first lid part, and the first lid part is generated by a pressure difference between the sealed space formed by the main part, the first lid part, the second lid part, and the attachment part and the outside world. Deflection is detected as an electrical signal.
  • the acceleration detection unit is arranged on the connection body and detects the bending of the connection body caused by the acceleration applied to the weight body as an electric signal.
  • a sensor manufacturing method includes: a detection unit forming step of forming a pressure detection unit and an acceleration detection unit each formed of a piezoresistor on an upper surface of a substrate; A weight body, a frame surrounding the weight body in plan view, and an acceleration detection unit, and a processing step of forming a connection body having one end connected to the frame body and the other end connected to the weight body. is doing.
  • the step of forming the weight body includes forming a concave portion on the surface of the substrate opposite to the side on which the pressure detection portion is formed, and forming a bottom surface of the concave portion overlapping the region on which the pressure detection portion is formed.
  • a small sensor capable of detecting at least acceleration and atmospheric pressure can be obtained with a single structure.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a step following FIG. 3.
  • FIG. 1 is a plan view of a sensor 100 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG.
  • the sensor 100 includes a frame body 10, a weight body 20 located inside the frame body 10, a connection body 30 that connects the frame body 10 and the weight body 20, a pressure detection unit Rp that detects pressure, And an acceleration detection unit Ra for detecting acceleration.
  • a frame body 10 a weight body 20 located inside the frame body 10
  • connection body 30 that connects the frame body 10 and the weight body 20
  • a pressure detection unit Rp that detects pressure
  • an acceleration detection unit Ra for detecting acceleration.
  • the weight body 20 includes a first lid portion 21, a main portion 22, a second lid portion 23, and an attachment portion 24 that attaches the first lid portion 21 and the main portion, thereby forming a sealed space 25 therein. Yes.
  • the acceleration can be detected by detecting an electrical signal corresponding to the amount of deflection of the connection body 30 by the acceleration detection unit Ra, and taking out and calculating the electrical signal by an electrical wiring (not shown).
  • the first lid portion 21 bends according to a pressure difference between the atmosphere in the sealed space 25 inside the weight body 20 and the external atmosphere.
  • an atmospheric pressure can be detected by detecting the electric signal according to the bending amount of the 1st cover part 21 by the pressure detection part Rp, taking out the electric signal with an electrical wiring not shown, and calculating.
  • the weight body 20 has a substantially square planar shape for both the first lid portion 21 and the main portion 22 and is disposed so that the centers thereof overlap each other.
  • the planar shape of the main part 22 located below is shown with the broken line.
  • the size of the first lid 21 is set such that the length of one side of the substantially square is 0.25 mm to 0.5 mm, for example.
  • the thickness of the first lid 21 is set to 5 ⁇ m to 20 ⁇ m, for example. By setting it as such a shape, the 1st cover part 21 has flexibility.
  • the size of the main portion 22 is set such that the length of one side of a substantially square is 0.4 mm to 0.65 mm, for example.
  • the thickness of the main portion 22 is set to 0.2 mm to 0.625 mm, for example.
  • Such first lid portion 21 and main portion 22 are connected via attachment portion 24.
  • the attachment portion 24 is provided with a gap between the first lid portion 21 and the main portion 22 so that the first lid portion 21 can be deformed and the main portion 22 can be displaced.
  • the attachment portion 24 has a shape that forms a closed space surrounding the outer edge portion on the lower surface side of the first lid portion 21. In this example, a substantially square ring shape is formed in accordance with the shape of the first lid portion 21.
  • the thickness is set to 1 ⁇ m, for example.
  • the first lid portion 21, the main portion 22, and the attachment portion 24 are integrally formed by processing, for example, an SOI (Silicon-on-Insulator) substrate.
  • SOI Silicon-on-Insulator
  • the planar shape of the first lid portion 21 and the main portion 22 is not limited to a square, and can be any shape such as a circle, a rectangle, or a polygon.
  • the main portion 22 is formed with a through hole 22c that penetrates the upper surface 22a and the lower surface 22b.
  • the through hole 22c is formed so as to be located inside the attachment portion 24 in plan view.
  • the planar shape of the through hole 22 c is substantially square according to the shape of the mounting portion 24.
  • the planar shape of the through hole 22c is not limited to a square, and may be any shape such as a circle, a rectangle, or a polygon.
  • the shape of the through hole 22c on the upper surface 22a side and the shape on the lower surface 22b side are substantially the same, and the shape is such that the upper surface 22a and the lower surface 22b are connected in a straight line.
  • the through hole 22c is not limited to this shape, and may have a tapered shape or a reverse tapered shape.
  • the second lid portion 23 is disposed so as to close the through hole 22c on the lower surface 22b side.
  • the planar shape of the second lid portion 23 is not particularly limited as long as it can close the through hole 22c.
  • it may be substantially the same shape as the first lid portion 1.
  • the thickness of the second lid portion 23 is appropriately set in relation to the material to be configured so that the second lid portion 23 is less deformed when a force is applied than the first lid portion 21. , Or about 0.1 mm.
  • the material which comprises the 2nd cover part 23 is the material which can ensure the airtightness so that the through-hole 22c can be sealed with the 1st cover part 21, the main part 22, and the attachment part 24, and the sealed space 25 can be formed. It is preferable to use it.
  • the second lid portion 23 may be joined to the lower surface 22b of the main portion 22 via an adhesive member such as brazing material, solder, or organic resin.
  • the atmosphere of the sealed space 25 can be appropriately set to vacuum, air, inert gas, or the like. Then, the atmosphere of the sealed space 25 is set to a reduced pressure environment lower than the atmospheric pressure. In this case, when the sensor 100 is located under atmospheric pressure, the first lid portion 21 is deformed so as to be recessed toward the sealed space 25 side. And the electric signal according to the bending is detected from the pressure detection part Rp formed in the upper surface of the 1st cover part 21.
  • the pressure of the atmosphere in the sealed space 25 may be higher than the atmospheric pressure, but it is preferably lowered to reduce the influence of temperature change, and more preferably a vacuum.
  • the second lid portion 23 since the deformation amount when the force is applied to the second lid portion 23 is smaller than that of the first lid portion 21, the second lid portion 23 is most deformed due to the pressure difference among the inner walls forming the sealed space 25.
  • the part to be performed is the first lid 21.
  • the stress detection part Rp is disposed on the first lid part 21, the pressure difference can be detected with high sensitivity.
  • the sensitivity as the pressure sensor can be further increased by making the deformation amount when the force of the second lid portion 23 is applied extremely small so as to be the same as the deformation amount of the main portion 22.
  • the pressure detection unit Rp includes a resistance element such as a piezoresistor.
  • the pressure detection unit Rp includes Rp1 and Rp2 formed near the center of the first lid 21 and Rp3 and Rp4 formed on the outer periphery of the displaceable region of the first lid 21.
  • the outer peripheral portion of the displaceable region in the first lid portion 21 refers to a region continuous from the inside of the attachment portion 24 in plan view.
  • a frame-like frame body 10 is provided so as to surround such a weight body 20.
  • the frame 10 has a substantially square planar shape, and has a substantially square opening that is slightly larger than the weight body 20 at the center.
  • the length of one side of the frame body 10 is set to 1.4 mm to 3.0 mm, for example, and the width of the arm constituting the frame body 10 (width in the direction orthogonal to the longitudinal direction of the arm) is, for example, 0.3 mm to It is set to 1.8 mm.
  • the thickness of the frame 10 is set to 0.2 mm to 0.625 mm, for example.
  • connection body 30 is provided between the frame body 10 and the weight body 20.
  • the connecting body 30 has one end connected to the central portion of the upper surface portion of each inner peripheral surface of the frame body 10 and the other end connected to the upper surface portion of each outer peripheral surface of the first lid portion 21 of the weight body 20. It is connected to the central part.
  • four connection bodies 30 are provided, and two of the four connection bodies 30 extend in the X-axis direction and have the same straight line with the weight body 20 interposed therebetween. The other two are arranged in the same straight line extending in the Y-axis direction and sandwiching the weight body 20 therebetween.
  • the planar view shape of the connection body 30 is not limited to a linear shape as illustrated in FIG. 1, and may be a bent shape or a curved shape.
  • connection body 30 has flexibility, and when the acceleration is applied to the sensor 100, the weight body 20 moves, and the connection body 30 bends as the weight body 20 moves.
  • the length of the connecting body 30 is set to 0.3 mm to 0.8 mm
  • the width (the length in the direction perpendicular to the longitudinal direction) is set to 0.04 mm to 0.2 mm
  • the thickness is 5 ⁇ m. It is set to ⁇ 20 ⁇ m.
  • flexibility is expressed by forming the connection body 30 to be elongated and thin.
  • acceleration detecting portions Rax1 to Rax4, Ray1 to Ray4 and Raz1 to Raz4 which are resistance elements are formed on the upper surface of the connection body 30 (hereinafter, these resistance elements are referred to as appropriate). , Represented by the symbol Ra).
  • the acceleration detectors Rax1 to Rax4, Ray1 to Ray4, and Raz1 to Raz4 can detect accelerations in the three-axis directions (X-axis direction, Y-axis direction, and Z-axis direction in the three-dimensional orthogonal coordinate system shown in FIG. 1). After being formed at a predetermined position of the connection body 30, it is connected so as to constitute a bridge circuit.
  • the resistance value changes in accordance with the deformation caused by the bending of the first lid 21 and the connection body 30, and the change in the resistance value
  • wirings electrically connected from the acceleration detection unit Ra and the pressure detection unit Rp, pad electrodes for taking out to an external IC, and the like are provided on the upper surface of the frame body 10, the first lid portion 21, and the connection body 30. The electrical signal is taken out via these.
  • These wirings are made of, for example, aluminum, an aluminum alloy, and the like. After these materials are formed by sputtering or the like, the upper surfaces of the frame body 10, the first lid portion 21, and the connection body 30 are patterned by a predetermined shape. Formed.
  • the sensor 100 since the sealed space 25 can be formed inside the weight body 20 that functions as an acceleration sensor, the sensor 100 can be used as an atmospheric pressure sensor without increasing the size of the sensor 100. Can have a function.
  • the sealed space 25 is provided so as to extend over almost the entire thickness of the weight body 20, the sealed space 25 can be made larger. As a result, the sensitivity to changes in atmospheric pressure is increased, and the device functions as a highly accurate atmospheric pressure sensor.
  • the center of gravity of the weight body 20 overlaps the through hole 22c, and the weight distribution of the weight body 20 is larger than that of the inside of the attachment portion 24.
  • the speed of the weight body 20 does not include many downward (Z-axis direction) components like a pendulum, but the outer circumferential direction (XY (Direction) component is included a lot, so that the sensitivity as an acceleration sensor can be increased.
  • the weight component of the weight body 20 is present outside the region of the first lid portion 21 that functions as a pressure-sensitive film that can be bent. Thereby, the weight distribution of the weight body 20 can be more biased toward the outer circumferential direction. Further, such a weight distribution is established in almost the entire region (90% or more region) in the thickness direction of the weight body 20. For this reason, it functions as the sensor 100 with high detection sensitivity of acceleration.
  • the senor 100 may be configured such that the frame body 10, the first lid portion 21, and the connection body 30 are integrally formed as in the present embodiment. In this case, a sensor having high strength and high reliability can be obtained. Furthermore, as shown in this example, all the components other than the second lid portion 23 may be integrally formed. In that case, the sensor 100 can be made more reliable.
  • the acceleration detection unit Ra and the pressure detection unit Rp may be formed of piezoresistors.
  • the acceleration detection unit Ra and the pressure detection unit Rp may be formed of piezoresistors.
  • a sensor capable of detecting at least atmospheric pressure and acceleration can be realized with one component without increasing the size, and a highly sensitive sensor can be obtained. Can do. It is also possible to detect the angular velocity by rotating the weight body 20 in the XY plane.
  • electrodes may be provided on the outer peripheral surface of the main portion 22 and the inner peripheral surface of the frame body 10 facing each other, and may be realized by electrostatic attraction. It may be realized by generating a magnetic force on the outside.
  • the main portion 22 is formed by processing an SOI substrate, but may be formed by connecting separate bodies. In that case, by using a material having a higher density, it is possible to increase the force generated even at the same acceleration, and to increase the deflection amount of the connection body 30 accordingly. Thereby, a sensor with higher sensitivity can be provided.
  • the member having the recess may be configured such that the opening side of the recess is connected to the first lid portion 21 via the attachment portion 24.
  • the bottom surface of the recess functions as the second lid portion 23.
  • the depth of the concave portion is 50% or more, more preferably 90% or more with respect to the thickness of the entire member. It is preferable that By adopting such a configuration for the shape of the recess, the weight distribution of the weight body 20 when the weight body 20 is viewed in plan can be shifted to the outside of the inside of the mounting portion 24, and a highly sensitive sensor. It can be.
  • the atmospheric pressure detection unit Rp and the acceleration detection unit Ra are described using an example formed by piezoresistors.
  • the present invention is not limited to this as long as the bending of the first lid 21 and the connection body 30 can be detected.
  • the barometric pressure detection unit Rp and the acceleration detection unit Ra may be used as electrodes, and the magnitude of the deflection of the first lid 21 and the connection body 30 and the direction of the flexure may be detected as electrical signals based on changes in capacitance.
  • a new fixing portion is provided that is spaced from the first lid portion 21 and the connecting body 30, and electrodes that are opposed to the atmospheric pressure detection portion Rp and the acceleration detection portion Ra are provided in the fixing portion.
  • the capacitance on the fixed part side, the atmospheric pressure detection part Rp, and the acceleration detection part Ra may function as a pair of electrodes. In this case, it is necessary to provide a fixing portion so that the sensor is not shielded from the external atmosphere by the fixing portion.
  • a plurality of through holes 22c may be provided.
  • FIGS. 3 (a) and (b) are sectional views corresponding to the section taken along the line II-II in FIG. 1, and (c) is a top view. 4 is a cross-sectional view corresponding to a cross section taken along line II-II in FIG.
  • the resistor film 51 is formed on the upper surface of the substrate 50.
  • Substrate 50 is, for example, a SOI substrate having a first layer 50a made of Si, and the second layer 50b made of SiO 2, a layered structure in which a third layer 50c formed of Si are laminated in this order.
  • the thickness of each layer is about 10 ⁇ m for the first layer 50a, about 1 ⁇ m for the second layer 50b, and about 500 ⁇ m for the third layer 50c.
  • the resistor film 51 is formed by implanting boron, arsenic (As), or the like into the main surface of the first layer 50a of the substrate 50 made of such an SOI substrate by ion implantation.
  • the resistor film 51 has an impurity concentration of 1 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 on the surface of the first layer 50a and a depth of about 0.5 ⁇ m.
  • a resist film matching the shape of the atmospheric pressure detection unit Rp and the acceleration detection unit Ra is formed on the resistor film 51, and then the resistor film 51 exposed from the resist film is removed by etching such as RIE etching. To do. Thereafter, the atmospheric pressure detector Rp and the acceleration detector Ra can be formed on the upper surface by removing the resist film.
  • wiring (not shown) and element side electrode pads connected to the atmospheric pressure detection unit Rp and the acceleration detection unit Ra are formed.
  • the wiring and the element-side electrode pad can be formed, for example, by depositing a metal material such as aluminum by sputtering and then patterning it into a predetermined shape by dry etching or the like.
  • the first layer 50a is patterned into a desired shape from the first layer 50a side of the substrate 50 (first patterning step). That is, the frame-shaped first region A1, the second region A2 located inside the first region A1, the first region A1 and the second region A2 are connected to determine the beam-shaped third region A3. Regions excluding the first to third regions A1, A2, and A3 are removed from the first layer 50a.
  • the pressure detection unit Rp is arranged in the second region
  • the acceleration detection unit Ra is arranged in the third region.
  • an annular groove 58 that forms a closed space in a plan view is formed inside the first region A ⁇ b> 1 from the third layer 30 c side of the substrate 50.
  • the groove 58 is provided between the first region A1 and the second region A2, and is formed so as to expose the lower surface of the first layer 50a by removing the third layer 50c and the second layer 50b at the corresponding part. .
  • the frame body 10 is formed which is formed of a stacked body of the first layer 50a, the second layer 50b, and the third layer 50c that exists continuously from the outer peripheral portion of the substrate 50. In other words, the frame 10 is separated from the other parts by the grooves 58.
  • the second layer 50b is removed in a region reaching the second region A2 from the inside of the first region A1 in plan view from the third layer 50c side of the substrate 50, and the first layer 50a and the third layer 50c are removed.
  • a gap 59 is formed between the two.
  • the first layer 50a in the third region A3 is separated from other parts in the thickness direction, and the beam-like connection body 30 is obtained.
  • One end of the connection body 30 is formed integrally with the first layer 50a of the first region A1 (frame body 10), so that a continuous integrated structure without a joint portion is obtained, and durability is improved.
  • the other end of the connection body 30 is formed integrally with the first layer 50a of the second region A2 (the weight body 20), so that a continuous integrated structure without a joint portion is obtained, and durability is improved.
  • the concave portion 60 is formed in the inner region excluding the outer peripheral portion of the second region A2 in plan view, and the substrate 50 is thinned.
  • the bottom surface of the recess 60 can be made flexible by making it thinner.
  • the recess 60 is formed by removing the third layer 50c and the second layer 50b to expose the first layer 50a.
  • the region corresponding to the second region A2 in the first layer 50a thus formed becomes the first lid portion 21.
  • a portion of the first lid 21 that does not have a layer that directly contacts the lower surface functions as a flexible pressure-sensitive film, and the pressure detection unit Rp is formed in the pressure-sensitive film.
  • the attachment portion 24 has a shape that surrounds the outer periphery of the recess 60 in plan view.
  • the attachment portion 24 is formed by removing the second layer 50b from two directions of the frame body 10 side and the pressure detection portion Rp side and processing it in an annular shape. Specifically, it is formed in two stages. The first stage is performed by removing the second layer 50b in a region reaching the second region A2 from the frame body 10 side (from the inside of the first region A1) when the connection body 30 is formed. The second stage is performed by removing the second layer 50b while leaving a part of the outer peripheral portion of the second region A2 when the recess 60 is formed. The attachment portion 24 is formed through these two steps.
  • the third layer 50 c connected to the attachment portion 24, separated from the third layer 50 c of the frame body 10, and existing inside the frame body 10 serves as the main portion 22.
  • a part of the third layer 50 c in the thickness direction may be removed so that the lower surface of the main portion 22 is positioned above the lower surface of the frame body 10.
  • the opening portion of the main portion 22 opened by the recess 60 is closed by the second lid portion 23 (see FIG. 2).
  • the second lid portion 23 is selected from a material and shape that is difficult to deform when force is applied. In this example, a metal cap is employed.
  • the internal space formed by the recess 60 is sealed by the first lid portion 21, the main portion 22, the second lid portion 23, and the attachment portion 24, and the sealed space 25 is formed.
  • the step of attaching the second lid 23 is performed in a vacuum atmosphere. That is, the sealed space 25 is in a state where the pressure is reduced compared to the atmospheric pressure.
  • the sensor 100 having the weight body 20 can be provided through such a process.
  • the processing of the substrate 50 can be realized by a conventionally well-known semiconductor microfabrication technique, for example, a photolithography method or deep dry etching.
  • the weight body 20 is obtained by forming a shape excluding the second lid portion 23 by processing one substrate 50.
  • the connection strength between the frame body 10 and the weight body 20 and the connection body 30 and the connection strength between the first lid portion 21 and the attachment portion 24 and the main portion 22 can be ensured, so that the reliability is improved.
  • the first lid portion 21, the attachment portion 24, and the main portion 22 are securely connected without a gap, the airtightness of the sealed space 25 can be increased, and the reliability as the atmospheric pressure sensor can be increased. .
  • the shape of the weight body 20 excluding the second lid portion 23 is formed by processing one substrate 50.
  • the mass of the second lid portion 23 is very small compared to the mass of the main portion 22.
  • the part which occupies most of the mass of the weight body 20 can be formed by patterning.
  • the center of gravity position and weight distribution of the weight body 20 can be realized as a desired position and distribution with high accuracy, so that the sensor 100 with stable accuracy can be provided with high productivity. .
  • the concave portion 60 is formed after the connection body 30 is formed, so that the concave portion 60 can correct the processing width such as the beam width of the connection body 30, the processing thickness, and the pattern deviation. it can.
  • the sealed space 25 is formed by the second lid 23. Therefore, it is possible to provide the sensor 100 with less variation in sensing accuracy by adjusting the degree of vacuum (atmospheric pressure) of the atmosphere sealed in the sealed space 25 according to variations in processing accuracy or characteristics in the previous process. Can do.
  • the resistor film 51 is formed and then processed using the example in which the resistor film 51 is processed to have the desired shape of the atmospheric pressure detection unit Rp and the acceleration detection unit Ra.
  • the atmospheric pressure is detected by forming a resist film on the upper surface of 50a, removing the resist film in the region where the atmospheric pressure detection unit Rp and the acceleration detection unit Ra are formed, and diffusing impurities only at a desired position (resist film opening).
  • the part Rp and the acceleration detection part Ra may be formed. In this case, since the atmospheric pressure detection unit Rp and the acceleration detection unit Ra are flush with the upper surface of the substrate 50 and there is no step, electrical connection of wirings connected to the atmospheric pressure detection unit Rp and the acceleration detection unit Ra is facilitated. .

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Abstract

　重錘体と、重錘体を囲む枠体と、重錘体と枠体とを接続する可撓性を有する接続体と、圧力検出部と、加速度検出部とを有するセンサである。重錘体は、上面から下面まで貫通する貫通孔を有する主部と、主部の上面に貫通孔の外周を囲むように接続された取付部と、取付部に貫通孔を塞ぐように接続された可撓性を有する第１蓋部と、主部の下面に貫通孔を塞ぐように配置された、第１蓋部よりも力による変形量が小さい第２蓋部とを含む。圧力検出部は、第１蓋部に配置されて、主部、第１蓋部、第２蓋部および取付部で形成された密閉空間と外界との気圧差によって生じる第１蓋部の撓みを電気信号として検出する。加速度検出部は、接続体に配置されて、接続体の撓みを電気信号として検出する。

Description

センサおよびその製造方法
　本発明は、少なくとも気圧および加速度の検出が可能なセンサおよびその製造方法に関する。
　近年、様々な電子機器に多種多様の物理量を検出するためのセンサが組み込まれている。そして、センサを電子機器に組み込むために、センサ自体の小型化が求められており、半導体チップを用いた小型センサが多く利用されている。
　たとえば、半導体基板にピエゾ抵抗素子を形成してなる加速度センサ（特許文献１：特開平３－２５３５号公報参照）や、そのような加速度センサの製造方法（特許文献２：特開平４－８１６３０号公報参照）や、半導体ダイアフラム上にピエゾ抵抗素子を形成するタイプの圧力センサ（特許文献３：特開平１１－１４２２７０号公報参照）が提案されている。
　しかし、特許文献１～３に記載された技術を用いたセンサは、それぞれ１つの物理量をセンシングするものであり、多数の物理量をセンシングする必要がある場合には複数個のセンサを電子機器に組み込む必要があった。すなわち、２種類の物理量をセンシングする場合には個々のセンサの大きさの２倍の実装面積を要し、電子機器の小型化に対する要求に十分に応えることができなかった。
　その一方で、加速度と圧力とは、いずれも基本的な物理量であり、これら双方を検出して機能する電子機器も多く存在する。
　本発明は、上述の事情の下で考え出されたものであって、単一の構造体によって加速度および気圧を検出可能なセンサおよびその製造方法を提供することを目的とする。
　本発明の一実施形態にかかるセンサは、重錘体と、上面視してこの重錘体を囲むように位置する枠体と、重錘体と枠体との上面側をそれぞれ接続する可撓性を有する接続体と、圧力検出部と、加速度検出部とを有している。
　重錘体は、上面から下面まで貫通する貫通孔を有する主部と、主部の上面に貫通孔の外周を囲むように接続された取付部と、取付部に貫通孔を塞ぐように接続された可撓性を有する第１蓋部と、主部の下面に貫通孔を塞ぐように配置された、第１蓋部に比べて外部からの力に対して変形量が小さい第２蓋部とを含んでいる。
　さらに、圧力検出部は、第１蓋部に配置されて、主部、第１蓋部、第２蓋部および取付部で形成された密閉空間と外界との気圧差によって生じる第１蓋部の撓みを電気信号として検出する。また、加速度検出部は、接続体に配置されて、重錘体に加えられた加速度によって生じる接続体の撓みを電気信号として検出する。
　本発明の一実施形態にかかるセンサの製造方法は、基板の上面にそれぞれピエゾ抵抗からなる圧力検出部および加速度検出部を形成する検出部形成工程と、基板を加工することにより、圧力検出部を有する重錘体、平面視で重錘体を囲む枠体、および加速度検出部を有し、一方端が枠体に他方端が重錘体に連結された接続体を形成する加工工程とを有している。
　そして、加工工程において、重錘体を形成する工程は、基板の圧力検出部が形成された側と反対側の面に凹部を形成し、圧力検出部が形成された領域と重なる凹部の底面が可撓性を有するように基板の一部を薄層化して第１蓋部とする工程と、第１蓋部から続く、凹部の側壁の一部を取付部とする工程と、内部に密閉空間が形成されるように凹部を塞ぐ第２蓋部を配置する工程とを含むものである。
　上記各実施形態によれば、単一の構造体により、少なくとも加速度および気圧を検出可能な小型のセンサを得ることができる。
本発明の１つの実施形態に係るセンサの概略構成を示す平面図である。 本発明の１つの実施形態に係るセンサの概略構成を示す断面図である。 （ａ）～（ｃ）はそれぞれ、本発明の１つの実施形態に係るセンサの製造方法の工程を示す平面図および断面図である。 図３に続く工程を示す断面図である。
　本発明のセンサの一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
　図１は、本発明の一実施形態に係るセンサ１００の平面図であり、図２は、図１のII－II線における断面図である。センサ１００は、枠体１０と、枠体１０の内側に位置する重錘体２０と、枠体１０と重錘体２０とを接続する接続体３０と、圧力を検出する圧力検出部Ｒｐと、加速度を検出する加速度検出部Ｒａとを有する。以下、各部位について詳述する。
　重錘体２０は、第１蓋部２１，主部２２，第２蓋部２３および第１蓋部２１と主部とを取り付ける取付部２４を備え、これらで内部に密閉空間２５を形成している。
　センサ１００に加速度が加わると、加速度に応じた力が重錘体２０に作用し、重錘体２０が動くことで接続体３０が撓むようになっている。そして、接続体３０の撓み量に応じた電気信号を加速度検出部Ｒａによって検出し、不図示の電気配線によってその電気信号を取り出して演算することにより、加速度を検出することができる。
　また、センサ１００がある気圧の雰囲気下に配置されると、重錘体２０の内部の密閉空間２５内の雰囲気と外部雰囲気との圧力差に応じて第１蓋部２１が撓むようになっている。そして、第１蓋部２１の撓み量に応じた電気信号を圧力検出部Ｒｐによって検出し、不図示の電気配線によってその電気信号を取り出して演算することにより、気圧を検出することができる。
　重錘体２０は、第１蓋部２１，主部２２ともに平面形状が略正方形であり、互いの中心が重なるように配置されている。なお、図１において、下方に位置する主部２２の平面形状を破線で示している。第１蓋部２１の大きさは、略正方形の一辺の長さが例えば０．２５ｍｍ～０．５ｍｍに設定される。また、第１蓋部２１の厚みは、例えば５μｍ～２０μｍに設定される。このような形状とすることにより、第１蓋部２１は可撓性を有するものとなる。主部２２の大きさは、略正方形の一辺の長さが例えば０．４ｍｍ～０．６５ｍｍに設定される。また、主部２２の厚みは、例えば０．２ｍｍ～０．６２５ｍｍに設定される。このような第１蓋部２１と主部２２とは取付部２４を介して接続される。言い換えると、取付部２４は第１蓋部２１と主部２２との間に間隙を設け、第１蓋部２１を変形可能とし、主部２２を変位可能とするものである。取付部２４は、第１蓋部２１の下面側において、その外縁部を囲うような閉空間を形成する形状となっている。この例では、第１蓋部２１の形状に合わせ、略正方形のリング形状としている。厚みは、例えば１μｍに設定される。第１蓋部２１，主部２２，取付部２４は、例えばＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を加工することによって一体的に形成されている。
　なお、第１蓋部２１，主部２２の平面形状は正方形に限られず、円や長方形、多角形など任意の形状が可能である。
　そして、主部２２には、その上面２２ａと下面２２ｂとを貫通する貫通孔２２ｃが形成されている。貫通孔２２ｃは、平面視で取付部２４の内側に位置するように形成されている。貫通孔２２ｃの平面形状は、取付部２４の形状に合わせ、略正方形とする。ただし、貫通孔２２ｃの平面形状は正方形に限られず、円や長方形、多角形など任意の形状が可能である。そして、貫通孔２２ｃの上面２２ａ側における形状と下面２２ｂ側における形状とは略同一とし、上面２２ａから下面２２ｂまで直線でつなぐような形状とする。ただし、貫通孔２２ｃはこの形状に限定されず、テーパー形状や逆テーパー形状としてもよい。
　このような貫通孔２２ｃを下面２２ｂ側で塞ぐように、第２蓋部２３が配置される。第２蓋部２３の平面形状は、貫通孔２２ｃを塞げるものであれば特に限定されないが、例えば、第１蓋部１と略同一の形状とすればよい。第２蓋部２３の厚みは、第２蓋部２３が第１蓋部２１に比べて、力が加わったときの変形量が小さくなるよう、構成する材料と関連して適宜設定するが、例えば、０．１ｍｍ程度としてもよい。第２蓋部２３を構成する材料は、第１蓋部２１，主部２２および取付部２４と共に、貫通孔２２ｃを封止し、密閉空間２５を形成できるよう、その気密性を確保できる材料を用いることが好ましい。このような材料としては、アルミニウム（Ａｌ），モリブデン（Ｍｏ）等の金属材料や、ガラス，セラミックス，半導体等を適宜用いることができる。また、主部２２の下面２２ｂには、ろう材，半田，有機樹脂等の接着部材を介して第２蓋部２３を接合してもよい。
　密閉空間２５の雰囲気は、真空，大気，不活性ガス等に適宜設定することができる。そして、密閉空間２５の雰囲気を大気圧よりも低い減圧環境としておく。この場合には、センサ１００が大気圧下に位置する場合には、第１蓋部２１は密閉空間２５側に凹むように変形する。そして、第１蓋部２１の上面に形成された圧力検出部Ｒｐから、その撓みに応じた電気信号を検出する。
　なお、密閉空間２５の雰囲気の圧力は大気圧よりも高くしておいてもよいが、温度変化による影響を小さくするために低くすることが好ましく、より好ましくは真空とすることがよい。
　本実施形態によれば、第２蓋部２３は、力が加わったときの変形量が第１蓋部２１に比べ小さくなっているため、密閉空間２５を形成する内壁のうち気圧差によって最も変形する部位は第１蓋部２１である。ここで応力検出部Ｒｐがこの第１蓋部２１に配置されているので、高感度に圧力差を検出することができる。さらに、第２蓋部２３の力が加わったときの変形量を主部２２の変形量と同程度となるように極めて小さくすることにより、さらに圧力センサとしての感度を高めることができる。
　本実施形態によれば、詳細は後述するが、圧力検出部Ｒｐはピエゾ抵抗等の抵抗素子からなる。圧力検出部Ｒｐは、第１蓋部２１の中央付近に形成されるＲｐ１，Ｒｐ２と、第１蓋部２１のうち変位可能な領域の外周部に形成されるＲｐ３，Ｒｐ４とを含む。ここで、第１蓋部２１のうち変位可能な領域の外周部とは、平面視で取付部２４の内側から連続する領域のことを指すものとする。このように圧力検出部Ｒｐ１～Ｒｐ４を設けることにより、例えば、第１蓋部２１の中央部が下側に窪むように撓む場合には、圧力検出部Ｒｐ１、Ｒｐ２には長手方向に縮む応力が生じ、圧力検出部Ｒｐ３，Ｒｐ４には長手方向に伸びる応力が加わる。これらの応力に応じた電気信号を圧力検出部Ｒｐ１～Ｒｐ４で検出することで、気圧をセンシングすることが可能となる。
　そして、このような重錘体２０を囲繞するように枠状の枠体１０が設けられている。枠体１０は、平面形状が略正方形であり、中央部に重錘体２０よりも若干大きい略正方形の開口部を有している。枠体１０は、その一辺の長さが例えば１．４ｍｍ～３．０ｍｍに設定され、枠体１０を構成するアームの幅（アームの長手方向と直交する方向の幅）は例えば０．３ｍｍ～１．８ｍｍに設定される。また枠体１０の厚みは、例えば０．２ｍｍ～０．６２５ｍｍに設定される。
　このような枠体１０と重錘体２０との間には、図１に示すように、接続体３０が設けられている。接続体３０は、一方端が枠体１０の各内周面における上面側の部位の中央部に連結され、他方端が重錘体２０の第１蓋部２１の各外周面における上面側の部位の中央部に連結されている。本実施形態におけるセンサ１００では、４本の接続体３０が設けられており、４本の接続体３０のうち２本はＸ軸方向に伸びて重錘体２０を間に挟んだ状態で同一直線状に配され、他の２本はＹ軸方向に伸びて重錘体２０を間に挟んだ状態で同一直線状に配されている。なお、接続体３０の平面視形状は図１のような直線状に限らず、屈曲形状や湾曲形状であってもよい。
　接続体３０は可撓性を有し、センサ１００に加速度が加わると重錘体２０が動き、重錘体２０の動きに伴って接続体３０が撓むようになっている。接続体３０は、例えば長手方向の長さが０．３ｍｍ～０．８ｍｍに設定され、幅（長手方向と直交する方向の長さ）が０．０４ｍｍ～０．２ｍｍに設定され、厚みが５μｍ～２０μｍに設定されている。このように接続体３０を細長く且つ薄く形成することによって可撓性が発現する。
　接続体３０の上面には図１に示すように抵抗素子である加速度検出部Ｒａｘ１～Ｒａｘ４，Ｒａｙ１～Ｒａｙ４およびＲａｚ１～Ｒａｚ４が形成されている（以下、これらの抵抗素子をまとめて称するときは適宜、符号Ｒａで表す）。加速度検出部Ｒａｘ１～Ｒａｘ４，Ｒａｙ１～Ｒａｙ４およびＲａｚ１～Ｒａｚ４は、３軸方向（図１に示した３次元直交座標系におけるＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向）の加速度を検出できるように接続体３０の所定の位置に形成された上で、ブリッジ回路を構成するように結線されている。
　このような加速度検出部Ｒａｘ１～Ｒａｘ４，Ｒａｙ１～Ｒａｙ４およびＲａｚ１～Ｒａｚ４ならびに前述の圧力検出部Ｒｐ１～Ｒｐ４は、例えば、ＳＯＩ基板の最上層にボロン（Ｂ）を打ち込むことによって抵抗体膜を形成した後、抵抗体膜をエッチングなどにより所定の形状にパターニングすることによって形成することができる。これにより、ピエゾ抵抗素子からなる加速度検出部Ｒａおよび圧力検出部Ｒｐを形成することができる。
　ピエゾ抵抗素子からなる加速度検出部Ｒａおよび圧力検出部Ｒｐを用いた場合には、第１蓋部２１や接続体３０の撓みに起因する変形に応じて抵抗値が変化し、この抵抗値の変化に基づく出力電圧の変化を電気信号として取り出し、これを外部のＩＣで演算処理することによって、印加された加速度の方向ならびに大きさまたは圧力の増減および大きさを検知することができる。
　なお、加速度検出部Ｒａおよび圧力検出部Ｒｐから電気的に接続された配線および外部のＩＣ等へ取り出すためのパッド電極等が、枠体１０，第１蓋部２１および接続体３０の上面に設けられており、これらを介して電気信号の外部への取り出しなどを行なっている。
　これらの配線は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金などからなり、これらの材料をスパッタリングなどによって成膜した後、所定の形状にパターニングすることによって枠体１０，第１蓋部２１および接続体３０の上面に形成される。
　このような構成のセンサ１００によれば、加速度センサとして機能するための重錘体２０内部に密閉空間２５を形成することができるので、センサ１００のサイズを大型化することなく、気圧センサとしての機能を持たせることができる。
　さらに、重錘体２０の厚みのほぼ全領域に広がるような密閉空間２５を設けているため、密閉空間２５を大きく取ることができる。これにより、気圧変化に対する感度が高くなり、高精度な気圧センサとして機能するものとなる。
　なお、本実施形態のように、重錘体２０を平面視したときに、重錘体２０の重心が貫通孔２２ｃと重なるとともに、重錘体２０の重量分布は、取付部２４の内側に比べて取付部２４の外側が重くなるように偏るようにしてもよい。この場合には、重錘体２０に力が加わって変位するときに、重錘体２０の速度は、振り子のように下向き（Ｚ軸方向）の成分を多く含むものではなく、外周方向（ＸＹ方向）の成分を多く含むようになるので、加速度センサとしての感度を高くすることができる。
　特に、センサ１００は、感圧膜として機能する第１蓋部２１のうち撓むことのできる領域の外側に重錘体２０の重量成分が存在する。これにより、重錘体２０の重量分布をより外周方向に偏らせることが可能となる。また、このような重量分布は重錘体２０の厚み方向のほぼ全領域（９０％以上の領域）において成立している。このため、加速度の検出感度の高いセンサ１００として機能するものとなる。
　また、センサ１００は、本実施形態のように、枠体１０，第１蓋部２１および接続体３０が一体形成されるようにしてもよい。この場合は、強度が高く、信頼性の高いセンサとすることができる。さらに、この例で示すように、第２蓋部２３を除く全ての構成要素が一体形成されるようにしてもよく、その場合には、さらに信頼性の高いセンサ１００とすることができる。
　さらに、センサ１００は、本実施形態のように、加速度検出部Ｒａおよび圧力検出部Ｒｐをピエゾ抵抗で形成してもよい。気圧をセンシングする場合には、センサを外部雰囲気に曝す必要がある。一般的な静電容量型のセンサの場合には、センサ素子と対向する電極を必要とし、かつ、その電極がセンサ素子を気密封止するようなパッケージに設けられている。このため、気圧センサを加速度センサと同一素子に組み込むことは困難となる。これに対して、本実施形態のようにピエゾ抵抗を用いることにより、センサ１００のみで気圧、加速度をセンシングすることができる。これにより、加速度センサと気圧センサとが一体化可能となる。また、微小空間におけるダンピングの影響も抑制することができる。
　以上より、本実施形態のセンサ１００によれば、少なくとも気圧と加速度とを検出可能なセンサを１つの構成体で、大型化することなく実現することができ、かつ、高感度のセンサとすることができる。なお、重錘体２０をＸＹ平面内で回旋運動させることで角速度を検出することも可能となる。重錘体２０を回旋運動させるためには、例えば、互いに向き合う主部２２の外周面と枠体１０の内周面とに電極を設けて静電引力によって実現してもよいし、センサ１００の外側に磁力を発生させて実現してもよい。
　（変形例）
　上述の例では主部２２をＳＯＩ基板を加工して形成したが、別体を接続して形成してもよい。その場合には、より密度の高い材料を用いることにより、同じ加速度でも生じる力を大きくし、それに伴い接続体３０の撓み量を大きくすることができる。これにより、さらに感度の高いセンサを提供することができる。
　なお、別体からなる主部２２を用いる場合には、主部２２と第２蓋部２３とを一体形成してなるものを用いてもよい。具体的には、凹部を有する部材を、凹部の開口側が取付部２４を介して第１蓋部２１に接続するように構成すればよい。この場合には、凹部の底面が第２蓋部２３として機能する。このように構成することにより、主部２２と第２蓋部２３との間の気密性および強度を保つことができるとともに、凹部の形状を制御することによって密閉空間２５の形状を精度よく実現することができる。これにより、信頼性の高いセンサを提供できるものとなる。
　このような、主部２２と第２蓋部２３とが一体形成されてなる部材を用いる場合には、その凹部の深さを部材全体の厚みに対して５０％以上、より好ましくは９０％以上とすることが好ましい。凹部の形状をこのような構成とすることにより、重錘体２０を平面視したときの重錘体２０としての重量分布を取付部２４の内側よりも外側にずらすことができ、感度の高いセンサとすることができる。
　また、上述の例では、気圧検出部Ｒｐおよび加速度検出部Ｒａをピエゾ抵抗で形成した例を用いて説明したが、第１蓋部２１および接続体３０の撓みを検出できればこれに限定されない。
　例えば、気圧検出部Ｒｐおよび加速度検出部Ｒａを電極とし、静電容量の変化によって第１蓋部２１および接続体３０の撓みの大きさ、および撓みの方向を電気信号として検出してもよい。この場合には、新たに、第１蓋部２１および接続体３０と間隔を開けて配置された固定部を設け、この固定部に気圧検出部Ｒｐおよび加速度検出部Ｒａと対向する電極を設ける。そして固定部側の電極と、気圧検出部Ｒｐおよび加速度検出部Ｒａとを一対の電極として機能させ、静電容量を測定すればよい。なお、この場合には、固定部によって外部雰囲気からセンサが遮蔽されないように、固定部を設ける必要がある。
　また、上述の例では、貫通孔２２ｃは主部２２の中央部に１か所のみ形成した例を用いて説明したが、貫通孔２２ｃは複数か所設けてもよい。例えば、上面視で、接続体３０と重ならない領域においてそれぞれ副貫通孔を形成してもよい。副貫通孔の形成位置または大きさ等を調整することにより、センサ１００のＸＹ方向における検出感度が異なる場合に、検出感度を補正可能となる。
　＜センサ１００の製造方法＞
　次に、上述のセンサ１００の製造方法について、図３～図４を用いて説明する。
なお、図３において、（ａ）および（ｂ）は図１のII－II線における断面に相当する断面図であり、（ｃ）は上面図である。図４は、図１のII－II線における断面に相当する断面図である。
　（検出部形成工程）
　まず、図３（ａ）に示すように、基板５０の上面に抵抗体膜５１を形成する。
　基板５０は、例えばＳＯＩ基板であり、Ｓｉからなる第１層５０ａと、ＳｉＯ２からなる第２層５０ｂと、Ｓｉからなる第３層５０ｃとがこの順に積層された積層構造を有する。各層の厚みは、第１層５０ａが１０μｍ程度、第２層５０ｂが１μｍ程度、第３層５０ｃが５００μｍ程度である。
　このようなＳＯＩ基板からなる基板５０の第１層５０ａの主面にイオン注入法によってボロンやヒ素（Ａｓ）などの打込みを行なうことで抵抗体膜５１を形成する。抵抗体膜５１は、例えば、第１層５０ａ表面における不純物濃度が１×１０１８ａｔｍｓ／ｃｍ３であり、深さが約０．５μｍである。
　次に、図３（ｂ）に示すように、抵抗体膜５１の一部を除去し、抵抗体膜５１を、基板５０の上面の所望の位置に、所望の形状で形成された気圧検出部Ｒｐおよび加速度検出部Ｒａとする。
　この工程は、例えば、抵抗体膜５１上に気圧検出部Ｒｐおよび加速度検出部Ｒａの形状に合わせたレジスト膜を形成した後、ＲＩＥエッチングなどのエッチングによってレジスト膜から露出する抵抗体膜５１を除去するものである。その後、レジスト膜を除去することで上面に気圧検出部Ｒｐおよび加速度検出部Ｒａを形成できる。
　気圧検出部Ｒｐおよび加速度検出部Ｒａを形成した後、気圧検出部Ｒｐおよび加速度検出部Ｒａに連結する不図示の配線および素子側電極パッドを形成する。配線および素子側電極パッドは、例えば、アルミニウムなどの金属材料をスパッタリングによって成膜した後、ドライエッチングなどにより所定の形状にパターニングすることによって形成できる。
　（加工工程）
　次に、気圧検出部Ｒｐ，加速度検出部Ｒａが形成された基板５０を加工することにより、圧力検出部Ｒｐを有する重錘体２０と、重錘体２０を囲むような枠体１０と、加速度検出部Ｒａを有し、一方端が枠体１０に他方端が重錘体２０に連結される接続体３０とを形成する。
　具体的には、まず、図３（ｃ）に示すように、基板５０の第１層５０ａ側から、第１層５０ａを所望の形状にパターニングする（第１パターニング工程）。すなわち、枠状の第１領域Ａ１と、第１領域Ａ１の内側に位置する第２領域Ａ２と、第１領域Ａ１と第２領域Ａ２とをつないで梁状の第３領域Ａ３を確定する、第１層５０ａのうち第１～第３領域Ａ１，Ａ２，Ａ３を除く領域とを取り除く。ここで、第２領域には圧力検出部Ｒｐが配置されており、第３領域には加速度検出部Ｒａが配置されている。
　次に、図４に示すように、基板５０の第３層３０ｃ側から、第１領域Ａ１の内側に平面視で閉空間を形成する環状の溝５８を形成する。この溝５８は、第１領域Ａ１と第２領域Ａ２との間に設け、該当部位の第３層５０ｃおよび第２層５０ｂを除去して、第１層５０ａの下面を露出するように形成する。溝５８を形成することにより、基板５０の外周部から連続して存在する、第１層５０ａ，第２層５０ｂおよび第３層５０ｃの積層体で構成される枠体１０が形成される。言い換えると、枠体１０はその他の部位と溝５８によって区分されている。
　さらに、基板５０の第３層５０ｃ側から、平面視で、第１領域Ａ１の内側から第２領域Ａ２に到達する領域において、第２層５０ｂを除去し、第１層５０ａと第３層５０ｃとの間に空隙５９を形成する。この空隙５９により、第３領域Ａ３の第１層５０ａが厚み方向で他の部位と分離され、梁状の接続体３０となる。接続体３０の一方端は第１領域Ａ１（枠体１０）の第１層５０ａと一体的に形成されることで接合部のない連続した一体構造となり、耐久性が向上する。接続体３０の他方端は第２領域Ａ２（重錘体２０）の第１層５０ａと一体的に形成されることで接合部のない連続した一体構造となり、耐久性が向上する。
　次に、重錘体２０の形成方法について詳述する。
　基板５０の第３層５０ｃ側から、平面視で第２領域Ａ２の外周部を除く内側の領域において、凹部６０を形成して基板５０を薄層化させる。凹部６０の底面部は薄層化することで可撓性を持たせることができる。具体的には、凹部６０は、第３層５０ｃおよび第２層５０ｂを除去して第１層５０ａを露出させることで形成する。
　このようにして形成された、第１層５０ａのうち第２領域Ａ２に相当する領域が第１蓋部２１となる。ここで、第１蓋部２１のうち、その下面に直接接する層がない部位が可撓性を有する感圧膜として機能し、この感圧膜内に圧力検出部Ｒｐが形成されている。
　そして、凹部６０の側壁を形成する上端部、すなわち第１蓋部２１と接する第２層５０ｂが取付部２４として機能する。取付部２４は、平面視で凹部６０の外周を囲うような形状となっている。なお、取付部２４は、第２層５０ｂを枠体１０側と圧力検出部Ｒｐ側との２方向から除去して環状に加工することで形成する。具体的には２段階に分けて形成する。第１段階は、接続体３０を形成するときに、枠体１０側から（第１領域Ａ１の内側から）第２領域Ａ２に到達する領域において第２層５０ｂを除去することで行なう。第２段階は、凹部６０を形成するときに、第２領域Ａ２の外周部を一部残して第２層５０ｂを除去することで行なう。このような２段階を経て取付部２４を形成する。
　そして、取付部２４と接続され、枠体１０の第３層５０ｃと分離し、かつ、この枠体１０の内側に存在する第３層５０ｃが主部２２となる。なお、主部２２において、第３層５０ｃの厚み方向の一部を除去し、主部２２の下面が枠体１０の下面に比べて上側に位置するようにしてもよい。
　次に、第３層５０ｃ側から、主部２２のうち凹部６０によって開口している開口部を第２蓋部２３によって塞ぐ（図２参照）。第２蓋部２３は、力が加わったときに変形しにくい材料および形状のものが選択される。この例では、金属製のキャップを採用している。これにより、第１蓋部２１，主部２２，第２蓋部２３および取付部２４により、凹部６０により形成された内部空間を封止し、密閉空間２５を形成する。
　ここで、第２蓋部２３を取り付ける工程は、真空雰囲気下で行なう。すなわち、密閉空間２５は大気圧に比べて減圧された状態となっている。
　このような工程を経ることで、重錘体２０を有するセンサ１００を提供することができる。
　なお、基板５０の加工は、従来周知の半導体微細加工技術、例えばフォトリソグラフィ法やディープドライエッチングによって実現することができる。
　このような工程を経ることにより、重錘体２０は、１枚の基板５０を加工することにより、第２蓋部２３を除く形状を形成して得られるものとなる。これにより、枠体１０および重錘体２０と接続体３０との接続強度、第１蓋部２１と取付部２４および主部２２との接続強度を確保することができるため、信頼性を高めることができる。さらに、第１蓋部２１と取付部２４および主部２２とが隙間なく確実に接続されることから、密閉空間２５の気密性を高めることができ、気圧センサとしての信頼性を高めることができる。
　さらに、上述の通り、重錘体２０のうち第２蓋部２３を除く形状は、１枚の基板５０を加工することによって形成される。第２蓋部２３の質量は主部２２の質量に比べて非常に小さくなる。このため、重錘体２０の質量の大半を占める部位をパターニングによって形成することができることとなる。これにより、重錘体２０の重心位置、重量分布を高い精度で所望の位置および分布として実現することができるので、精度が安定したセンサ１００を高い生産性でもって提供することができるものとなる。
　また、上述の例のように、接続体３０を形成した後に凹部６０を形成することにより、接続体３０のビーム幅等の加工幅、加工厚みおよびパターンずれ等に対する補正を凹部６０によって行なうことができる。
　また、センサ１００を製造する最終工程において、第２蓋部２３によって密閉空間２５を形成する。このため、その前までの工程における加工精度ばらつき、または特性ばらつきに応じて、密閉空間２５に封止する雰囲気の真空度（気圧）を調整し、センシング精度のばらつきの少ないセンサ１００を提供することができる。
　（変形例）
　上述の例では、抵抗体膜５１を形成した後に、抵抗体膜５１を所望の形状の気圧検出部Ｒｐおよび加速度検出部Ｒａとなるように加工した例を用いて説明したが、予め第１層５０ａの上面にレジスト膜を形成し、気圧検出部Ｒｐおよび加速度検出部Ｒａを形成する領域のレジスト膜を除去し、所望の位置（レジスト膜開口部）のみに不純物を拡散させることにより、気圧検出部Ｒｐおよび加速度検出部Ｒａを形成してもよい。この場合には、気圧検出部Ｒｐおよび加速度検出部Ｒａが基板５０の上面と同一面となり、段差がなくなるので、気圧検出部Ｒｐおよび加速度検出部Ｒａに接続する配線の電気的接続が容易となる。
１０　　　枠体
２０　　　重錘体
２１　　　第１蓋部
２２　　　主部
２２ａ　　上面
２２ｂ　　下面
２２ｃ　　貫通孔
２３　　　第２蓋部
２４　　　取付部
２５　　　密閉空間
３０　　　接続体
５０　　　基板
５０ａ　　第１層
５０ｂ　　第２層
５０ｃ　　第３層
１００　　センサ

Claims (5)

  1. 　重錘体と、上面視して前記重錘体を囲むように位置する枠体と、前記重錘体と前記枠体との上面側をそれぞれ接続する可撓性を有する接続体と、圧力検出部と、加速度検出部とを有するセンサであって、
    前記重錘体は、
    上面から下面まで貫通する貫通孔を有する主部と、
    前記主部の上面に前記貫通孔の外周を囲むように接続された取付部と、
    前記取付部に前記貫通孔を塞ぐように接続された可撓性を有する第１蓋部と、
    前記主部の下面に前記貫通孔を塞ぐように配置された、前記第１蓋部に比べて外部からの力に対して変形量が小さい第２蓋部とを含み、
    前記圧力検出部は、前記第１蓋部に配置されて、前記主部、前記第１蓋部、前記第２蓋部および前記取付部で形成された密閉空間と外界との気圧差によって生じる前記第１蓋部の撓みを電気信号として検出し、
    前記加速度検出部は、前記接続体に配置されて、前記重錘体に加えられた加速度によって生じる前記接続体の撓みを電気信号として検出する、センサ。
  2. 　前記重錘体は、平面視で、その重心が前記貫通孔と重なり、前記取付部の内側に比べて前記取付部の外側が重くなるように偏った重量分布を有する、請求項１記載のセンサ。
  3. 　前記第１蓋部は、前記接続体と一体的に形成されている、請求項１または２に記載のセンサ。
  4. 　前記第２蓋部は、前記主部と一体的に形成されている、請求項１乃至３のいずれかに記載のセンサ。
  5. 　基板の上面にそれぞれピエゾ抵抗からなる圧力検出部および加速度検出部を形成する検出部形成工程と、
    前記基板を加工することにより、前記圧力検出部を有する重錘体、平面視で前記重錘体を囲む枠体、および前記加速度検出部を有し、一方端が前記枠体に他方端が前記重錘体に連結される接続体を形成する加工工程とを有し、
    前記加工工程において、前記重錘体を形成する工程が、
    前記基板の前記圧力検出部が形成された側と反対側の面に凹部を形成し、前記圧力検出部が形成された領域と重なる前記凹部の底面が可撓性を有するように前記基板の一部を薄層化して第１蓋部とする工程と、
    前記第１蓋部から続く、前記凹部の側壁の一部を取付部とする工程と、
    内部に密閉空間が形成されるように前記凹部を塞ぐ第２蓋部を配置する工程とを含む、センサの製造方法。
     
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190064516A (ko) * 2017-11-30 2019-06-10 타이완 세미콘덕터 매뉴팩쳐링 컴퍼니 리미티드 센서 디바이스 및 그 제조 방법

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3368922A1 (en) 2015-10-30 2018-09-05 ION Geophysical Corporation Ocean bottom seismic systems
US11262256B2 (en) * 2017-06-22 2022-03-01 Ezmems Ltd. Sensor elements on thin foil/films
US10725202B2 (en) * 2017-07-21 2020-07-28 Baker Hughes, A Ge Company, Llc Downhole electronics package having integrated components formed by layer deposition
WO2020056216A1 (en) * 2018-09-13 2020-03-19 Ion Geophysical Corporation Multi-axis, single mass accelerometer

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004245760A (ja) * 2003-02-17 2004-09-02 Wacoh Corp 圧力と加速度との双方を検出するセンサおよびその製造方法
US20120060605A1 (en) * 2010-09-09 2012-03-15 Ming-Ching Wu Mems sensor capable of sensing acceleration and pressure
JP2013195097A (ja) * 2012-03-16 2013-09-30 Lapis Semiconductor Co Ltd 半導体圧力センサ及びその製造方法、並びに圧力検出装置

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7487681B1 (en) * 2006-08-06 2009-02-10 Silicon Microstructures Inc. Pressure sensor adjustment using backside mask
TWI518804B (zh) * 2012-02-14 2016-01-21 Asia Pacific Microsystems Inc Monolithic compound sensor and its package

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004245760A (ja) * 2003-02-17 2004-09-02 Wacoh Corp 圧力と加速度との双方を検出するセンサおよびその製造方法
US20120060605A1 (en) * 2010-09-09 2012-03-15 Ming-Ching Wu Mems sensor capable of sensing acceleration and pressure
JP2013195097A (ja) * 2012-03-16 2013-09-30 Lapis Semiconductor Co Ltd 半導体圧力センサ及びその製造方法、並びに圧力検出装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190064516A (ko) * 2017-11-30 2019-06-10 타이완 세미콘덕터 매뉴팩쳐링 컴퍼니 리미티드 센서 디바이스 및 그 제조 방법
KR102161035B1 (ko) 2017-11-30 2020-10-05 타이완 세미콘덕터 매뉴팩쳐링 컴퍼니 리미티드 센서 디바이스 및 그 제조 방법

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