(57)【要約】【課題】検出素子に対する配線の引き回しが簡易である力学量検出センサを提供すること。【解決手段】本発明の力学量検出センサは、枠体と、変位部と、前記枠体に対し前記変位部を揺動可能に支持する梁部とを有する第１の半導体基板と；前記枠体に接続された支持部と、前記変位部に接続された錘部とが形成されており、前記第１の半導体基板に絶縁層を介して積層された第２の半導体基板と；上部電極と、下部電極と、前記上部電極及び下部電極間に挟持された圧電薄膜とで構成され、前記梁部の撓み量に基づいて力学量に応じた信号を出力する検出素子とを備え、前記下部電極が前記第１の基板と電気的に導通されており、前記変位部が第１のコンタクトホールを介して前記錘部と電気的に導通されており、前記枠体の一つの電極パッドが第２のコンタクトホールを介して前記支持部と電気的に導通されており、前記錘部、前記変位部、前記梁部、前記下部電極、前記枠体及び前記支持部が導通されてアースとなることを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの電極パッドを有する枠体と、前記枠体の内側に位置する変位部と、前記枠体に対し前記変位部を揺動可能に支持する梁部とが形成された第１の半導体基板と、
開口部を有し、前記枠体に接続された支持部と、前記開口部内で前記変位部に接続された錘部とが形成されており、前記第１の半導体基板に絶縁層を介して積層された第２の半導体基板と、
上部電極と、下部電極と、前記上部電極及び下部電極間に挟持された圧電薄膜とで構成され、前記第１の半導体基板上に設けられており、前記梁部の撓み量に基づいて力学量に応じた信号を出力する検出素子とを備え、
前記下部電極が前記第１の基板と電気的に導通されており、前記変位部が第１のコンタクトホールを介して前記錘部と電気的に導通されており、前記枠体の一つの電極パッドが第２のコンタクトホールを介して前記支持部と電気的に導通されており、前記錘部、前記変位部、前記梁部、前記下部電極、前記枠体及び前記支持部が導通されてアースとなることを特徴とする力学量検出センサ。
【請求項２】
前記第１のコンタクトホールは、前記変位部において、前記錘部の重心を通る仮想線上に設けられていることを特徴とする請求項１記載の力学量検出センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３軸方向の加速度を検出可能な力学量検出センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車産業や機械産業では、加速度を正確に検出できる小型の力学量検出センサの需要が高まっている。このような力学量検出センサとして、互いに直交する３軸方向の加速度を同時に検出できる加速度センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。この加速度センサは、シリコン製の第１の半導体基板、酸化シリコン製の絶縁層、シリコン製の第２の半導体基板を接合した３層構造のＳＯＩ基板をエッチングして形成される。
【０００３】
第１の半導体基板にはエッチングにより枠体と、枠体の中央に位置する変位部と、枠体の四辺から変位部に連なる梁部とが形成され、第２の半導体基板にはエッチングにより枠体に接合された支持部と、変位部に接合された錘部とが形成される。また、各梁部の上面には検出素子が配置されており、錘部に慣性力が作用して各梁部が撓み変形することで、３軸方向の加速度が検出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３２２３００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような力学量検出センサにおいて、検出素子は、上部電極と、下部電極と、上部電極及び下部電極間に挟持された圧電薄膜と、で構成されており、この検出素子が梁部に複数設けられている。この検出素子の上部電極及び下部電極は、枠体上に設けられた電極パッドまで配線で引き回されており、配線が非常に複雑であった。
【０００６】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、検出素子に対する配線の引き回しが簡易である力学量検出センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の力学量検出センサは、少なくとも一つの電極パッドを有する枠体と、前記枠体の内側に位置する変位部と、前記枠体に対し前記変位部を揺動可能に支持する梁部とが形成された第１の半導体基板と、開口部を有し、前記枠体に接続された支持部と、前記開口部内で前記変位部に接続された錘部とが形成されており、前記第１の半導体基板に絶縁層を介して積層された第２の半導体基板と、上部電極と、下部電極と、前記上部電極及び下部電極間に挟持された圧電薄膜とで構成され、前記第１の半導体基板上に設けられており、前記梁部の撓み量に基づいて力学量に応じた信号を出力する検出素子とを備え、前記下部電極が前記第１の基板と電気的に導通されており、前記変位部が第１のコンタクトホールを介して前記錘部と電気的に導通されており、前記枠体の一つの電極パッドが第２のコンタクトホールを介して前記支持部と電気的に導通されており、前記錘部、前記変位部、前記梁部、前記下部電極、前記枠体及び前記支持部が導通されてアースとなることを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、検出素子の下部電極が、枠体、変位部、梁部及び電極パッドを有する第１の基板と電気的に導通されており、前記変位部が第１のコンタクトホールを介して第１の基板に積層される第２の基板の錘部と電気的に導通されており、前記枠体の一つの電極パッドが第２のコンタクトホールを介して前記支持部と電気的に導通されており、前記錘部、前記変位部、前記梁部、前記下部電極、前記枠体及び前記支持部が導通されてアースとなるので、検出素子に対する配線の引き回しが簡易である力学量検出センサを提供することができる。
【０００９】
本発明の力学量検出センサにおいては、前記第１のコンタクトホールは、前記変位部において、前記錘部の重心を通る仮想線上に設けられていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、錘部、変位部、梁部、下部電極及び枠体が導通されてアースとなるので、検出素子に対する配線の引き回しが簡易である力学量検出センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係る力学量検出センサを示す斜視図である。
【図２】図１に示す力学量検出センサの分解斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る力学量検出センサを示す一部断面を含む側面図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの製造方法を説明するための図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの製造方法を説明するための図である。
【図６】力学量検出センサの検出動作説明図であり、（ａ）は錘部がＸ軸回りに回動する際の検出動作説明図であり、（ｂ）は錘部がＺ軸方向に直動する際の検出動作説明図である。
【図７】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの斜視図である。図２は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの分解斜視図である。
【００１３】
図１及び図２に示すように、力学量検出センサ１は、第１の半導体基板２と第２の半導体基板３とを絶縁層４を介して接合して構成されている。力学量検出センサ１は、例えば、第１の半導体基板２をシリコン層、絶縁層４を酸化シリコン層、第２の半導体基板３をシリコン層とした３層構造をなすＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて製造可能である。
【００１４】
第１の半導体基板２には、第２の半導体基板３と比較して相対的に薄板状のシリコン層で構成され、矩形枠状の枠体１１と、枠体１１の内側に配置された変位部１２と、枠体１１の四辺と変位部１２とを接続する４つの梁部１３とが形成されている。枠体１１、変位部１２、梁部１３は、第１の半導体基板２をエッチングにより変位部１２の周囲に上面視Ｌ字状の４つの開口を設けることで形成される。
【００１５】
枠体１１は、Ｌ字状の４つの開口により変位部１２を囲うように形成されている。変位部１２は、略正方形状に形成され、枠体１１の枠内中央に配置されている。４つの梁部１３は、それぞれ枠体１１の一辺から対向辺に向かって延在する長尺部１５と、長尺部１５に連なり、変位部１２の四隅に接続される短尺部１６とから構成される。このように、４つの梁部１３は、長尺部１５を有しているため、撓み易い構成となっている。
【００１６】
各梁部１３の長尺部１５の上面には、それぞれ検出素子１７が設けられており、この検出素子１７により各梁部１３の撓み量が検出される。検出素子１７は、いわゆる圧電素子であり、図示しない下地膜の上面に、下部電極２５、圧電薄膜２６、上部電極２７の順に蒸着などにより成膜することで形成される。検出素子１７は、梁部１３に生じた撓みにより変形し、この変形による圧力を電圧に変換して出力する。
【００１７】
第２の半導体基板３には、第１の半導体基板２と比較して相対的に厚板状のシリコン層で構成され、矩形状の開口部２３を有する支持部２１と、開口部２３の内側に配置された錘部２２とが形成されている。支持部２１および錘部２２は、第１の半導体基板２をエッチングにより錘部２２の周囲に矩形枠状の開口を設けることで形成される。
【００１８】
支持部２１は、上面視において枠体１１に対応した形状を有しており、枠体１１の下面に絶縁層４を介して接合されている。錘部２２は、略直方体形状に形成されており、変位部１２の下面に絶縁層４を介して接合されている。このように、錘部２２は、支持部２１の開口部２３の内側において、変位部１２を介して４つの梁部１３により揺動自在に支持される。よって、錘部２２の重心位置に慣性力が作用すると、Ｘ軸回りの回動、Ｙ軸回りの回動、Ｚ軸方向の直動が可能となっている。
【００１９】
図３は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサを示す一部断面を含む側面図である。図３においては、力学量検出センサにキャップを設けた場合について説明する。
【００２０】
第２の半導体基板３の下側には、第３の基板３１が接合されている。第３の基板としては、シリコン基板などを用いることができる。第３の基板３１の第２の半導体基板３側の表面には、錘部２２及び開口部２３を含む領域にわたって凹部３１ａが設けられている。これにより、錘部２２が力学量を受けて揺動しても第３の基板３１に衝突しないようになっている。
【００２１】
第２の半導体基板３の支持部２１及び錘部２２上には、上述したように、絶縁層４を介して第１の半導体基板３が配設されている。この第１の半導体基板３において、第２の半導体基板３の支持部２１の領域が枠体１１に相当し、開口部２３の領域が梁部１３に相当し、錘部２２の領域が変位部１２に相当する。
【００２２】
第１の半導体基板２上には、絶縁層１８が設けられている。絶縁層１８の梁部１３領域を含む領域上には、検出素子１７が形成されている。この検出素子１７は、上述したように、下部電極２５、圧電薄膜２６、上部電極２７の順に蒸着などにより成膜することで形成される。上部電極２７は、支持部２１上に設けられた少なくとも一つの電極パッド４７と配線（図示せず）により電気的に接続されている。すなわち、絶縁層１８上には、上部電極２７と電極パッド４７とを電気的に接続するための配線が引き回されている。
【００２３】
検出素子１７の下部電極２５は、第１の半導体基板２と電気的に導通されている。ここでは、絶縁層１８に第１の半導体基板２に達するコンタクトホール４１が形成されており、このコンタクトホール４１に金属層４２を形成することにより、下部電極２５と第１の半導体基板２とが電気的に導通される。
【００２４】
また、第１の半導体基板２の変位部１２は、錘部２２と電気的に導通されている。ここでは、絶縁層１８、第１の半導体基板２及び絶縁層４に第２の半導体基板３（錘部２２）に達するコンタクトホール４３が形成されており、このコンタクトホール４３に金属層４４を形成することにより、変位部１２と錘部２２とが電気的に導通される。
【００２５】
また、枠体１１の一つの電極パッド４７が支持部２１と電気的に導通されている。ここでは、絶縁層１８、第１の半導体基板２及び絶縁層４に第２の半導体基板３（支持部２１）に達するコンタクトホール４５が形成されており、このコンタクトホール４５に金属層４６を形成し、さらに金属層４６と電気的に接続するように電極パッド４７を形成することにより、電極パッド４７と支持部２１とが電気的に導通される。
【００２６】
このように検出素子１７、第１の半導体基板２、第２の半導体基板３を電気的に導通させることにより、すなわち、錘部２２、変位部１２、梁部１３、下部電極２５、枠体１１及び支持部２１が導通されることにより、全体がアースとなり、同電位となる。これにより、各検出素子１７の下部電極２５の配線が不要となり、上部電極２７の配線のみをパターニングすれば良い（図７（ｂ）参照）。このため、検出素子に対する配線の引き回しが簡易である力学量検出センサを提供することができる。
【００２７】
変位部１２と錘部２２とを電気的に導通させるために設けたコンタクトホール４３は、変位部１２において、錘部２２の重心を通る仮想線Ｘ上に設けられていることが好ましい。すなわち、コンタクトホール４３は、錘部２２の重心を通る鉛直方向の直線Ｘ上に存在することが好ましい。このように配置することにより、第１の半導体基板２にコンタクトホール４３を設けても、錘部２２が偏らずに揺動することができる。
【００２８】
このような構成の力学量検出センサは、第１の半導体基板２（絶縁層１８）上にキャップ３２が搭載されている。このキャップ３２は、力学量検出センサ全体を保護する部材であり、一方の主面から突出した脚３２ａを第１の半導体基板２の枠体１１領域上に当接することにより搭載される。
【００２９】
次に、図４及び図５を参照して、力学量検出センサの加工プロセスの一例について説明する。図４（ａ）〜（ｄ）及び図５（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの製造方法を説明するための図である。
【００３０】
図４（ａ）に示すように、第１の半導体基板２、絶縁層４、第２の半導体基板３を積層したＳＯＩ基板を準備し、第１の半導体基板２の上面にサポート基板５１が配置される。次に、図４（ｂ）に示すように、第２の半導体基板３の下面が研磨され薄化されると共に、第２の半導体基板３がフォトリソグラフィ及びエッチング（ＲＩＥ）により加工されて支持部２１及び錘部２２が形成される。
【００３１】
次に、図４（ｃ）に示すように、第３の基板３１がフォトリソグラフィ及びエッチングにより加工されて凹部３１ａが形成され、第２の半導体基板３の下面に接合される。次に、図４（ｄ）に示すように、第１の半導体基板２の上面からサポート基板５１が剥離され、第１の半導体基板２の上面が研磨されて所望の厚みに薄化される。
【００３２】
次に、図５（ａ）に示すように、第１の半導体基板２の上面にスパッタリングにより絶縁材料が被着される。次いで、変位部１２に達するコンタクトホール４１を絶縁層１８に形成し、スパッタリングにより金属材料を被着し、フォトリソグラフィ及びエッチングにより金属材料をパターンニングして金属層４２を形成する。これにより、下部電極２５と第１の半導体基板２（変位部１２）との間のコンタクト部を形成する。
【００３３】
次いで、図５（ｂ）に示すように、絶縁層１８の梁部１３領域を含む領域（前記コンタクト部を含む）上に、検出素子１７を形成する。まず、スパッタリングにより下部電極用の金属材料、圧電材料及び上部電極用の金属材料をこの順で被着し、フォトリソグラフィ及びエッチングにより金属材料及び圧電材料をパターンニングして下部電極２５、圧電薄膜２６及び上部電極用の金属層を形成する。その後、再度フォトリソグラフィ及びエッチングにより上部電極用の金属層をパターンニングして上部電極２７を形成する。
【００３４】
次いで、図５（ｃ）に示すように、錘部２２の重心を通る仮想線Ｘ上の変位部１２領域に錘部２２に達するコンタクトホール４３を形成し、絶縁層１８、第１の半導体基板２及び絶縁層４に枠体１１に達するコンタクトホール４５を形成する。次いで、スパッタリングにより金属材料を被着し、フォトリソグラフィ及びエッチングにより金属材料をパターンニングして金属層４４及び金属層４６（及び電極パッド４７）を形成する。これにより、変位部１２と錘部２２とを電気的に導通すると共に、電極パッド４７と支持部２１とを電気的に導通する。次に、第１の半導体基板２を絶縁層４，１８と共に部分的に除去することにより、梁部１３及び変位部１２を設ける。このようにして、図３に示す力学量検出センサを得ることができる。
【００３５】
次に、図６を参照して、力学量検出センサの動作について簡単に説明する。図６は、力学量検出センサの検出動作説明図であり、（ａ）は錘部がＸ軸回りに回動する際の検出動作説明図であり、（ｂ）は錘部がＺ軸方向に直動する際の検出動作説明図である。
【００３６】
図６（ａ）に示すように、力学量検出センサに対して加速度が働いて、錘部２２に対してＹ軸方向に慣性力が作用すると、錘部２２はＸ軸回りに回動する。このとき、梁部１３ａ，１３ｂの変位部１２側がＺ軸方向下方に移動して、梁部１３ａ，１３ｂの枠体１１側にＺ方向上方に力が作用する。また、梁部１３ｃ，１３ｄの変位部１２側がＺ軸方向上方に移動して、梁部１３ｃ，１３ｄの枠体１１側にＺ軸方向下方に力が作用する。そして、梁部１３ａ，１３ｂの枠体１１側はＺ軸方向上方に膨らむように撓み、梁部１３ｃ，１３ｄの枠体１１側はＺ軸方向下方に凹むように撓む。
【００３７】
検出素子１７ａ，１７ｂは、それぞれ梁部１３ａ,１３ｂの枠体１１側の撓みに合わせてＺ軸方向上方に膨らむように変形し、変形に応じた電圧を出力する。また、検出素子１７ｃ，１７ｄは、それぞれ梁部１３ｃ，１３ｄの枠体１１側の撓みに合わせてＺ軸方向下方に凹むように変形し、変形に応じた電圧を出力する。各検出素子１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄから出力された電圧は、図示しない演算回路において演算され、加速度が算出される。
【００３８】
なお、錘部２２がＹ軸回りに回動する場合には、逆に、梁部１３ａ，１３ｂの枠体１１側にＺ軸方向下方に力が作用し、梁部１３ｃ，１３ｄの枠体１１側にＺ軸方向上方に力が作用する。したがって、検出素子１７ａ，１７ｂは、それぞれ梁部１３ａ，１３ｂの枠体１１側の撓みに合わせてＺ軸方向下方に凹むように変形し、検出素子１７ｃ，１７ｄは、それぞれ梁部１３ｃ，１３ｄの枠体１１側の撓みに合わせてＺ軸方向上方に膨らむように変形する。
【００３９】
図６（ｂ）に示すように、力学量検出センサに対して加速度が働いて、錘部２２に対してＺ軸方向下方に慣性力が作用すると、錘部２２はＺ方向下方に直動する。このとき、梁部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの変位部１２側がＺ軸方向下方に移動して、梁部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの枠体１１側にＺ軸方向上方に力が作用する。そして、梁部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの枠体１１側はＺ軸方向上方に膨らむように撓み、検出素子１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄもＺ軸方向上方に膨らむように変形する。そして、各検出素子１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄから出力された電圧は、図示しない演算回路において演算され、加速度が算出される。
【００４０】
なお、力学量検出センサにおいて、錘部２２及び変位部１２の質量、各梁部１３のバネ定数などを適宜変更することによってセンサ感度を任意に調整することも可能である。
【００４１】
このように検出素子１７、第１の半導体基板２、第２の半導体基板３を電気的に導通させることにより、すなわち、錘部２２、変位部１２、梁部１３、下部電極２５、枠体１１及び支持部２１が導通されることにより、全体がアースとなり、同電位となる。これにより、各検出素子１７の下部電極２５の配線が不要となり、上部電極２７の配線のみをパターニングすれば良い。このため、検出素子に対する配線の引き回しが簡易である力学量検出センサを提供することができる。
【００４２】
上記実施の形態においては、図７（ｂ）に示すように、四梁構造の力学量検出センサを例示して説明したが、この構成に限定されるものではない。梁により錘部を支持する構成であればよく、例えば、錘部の形状や梁部の形状及び数量が限定されるものではない。例えば、本発明は、図７（ａ）に示すような梁部が一つである構造、図７（ｃ）に示すような梁部が二つである構造、図７（ｄ）に示すような梁部が四つであり、梁部の配置が図７（ｂ）と異なる構造（梁部が平面視において対角線のように延在している構造）にも同様に適用することができる。すなわち、金属層４２により下部電極２５と第１の半導体基板２（変位部１２）とを電気的に導通させ、金属層４４により変位部１２と錘部２２とを電気的に導通させ、金属層４６により電極パッド４７と支持部２１とを電気的に導通させる構成であれば、図７（ａ），（ｃ），（ｄ）に示す構成としても本発明の効果を発揮することができる。
【００４３】
また、上記した実施の形態においては、検出素子として圧電素子を例示して説明したが、この構成に限定されるものではない。梁部の撓みに基づいて力学量に応じた信号を出力する構成であればよく、例えば、圧電素子の代わりにピエゾ素子を用いてもよい。
【００４４】
また、今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であってこの実施の形態に制限されるものではない。本発明の範囲は、上記した実施の形態のみの説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３軸方向の加速度を検出する力学量検出センサに有用である。
【符号の説明】
【００４６】
１  力学量検出センサ
２  第１の半導体基板（第１の基板）
３  第２の半導体基板（第２の基板）
４，１８  絶縁層
１１  枠体
１２  変位部
１３  梁部
１７  検出素子
２１  支持部
２２  錘部
２３  開口部
２５  下部電極
２６  圧電薄膜
２７  上部電極
３１  第３の基板
３２  キャップ
４１，４３，４５  コンタクトホール
４２，４４，４６  金属層
４７  電極パッド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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