(57)【要約】【課題】高感度であり、かつ、他軸感度比率が小さく、正確に力学量を検出することができ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、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、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、前記梁は、一端が前記枠体に固定され、他端が前記変位部に固定されると共に、前記変位部の外周面との間に所定の間隔をとって前記変位部の外周面に沿って延設されており、前記梁の他端が相対的に太いことを特徴とする。【選択図】図３
2010216837.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
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、
前記梁は、一端が前記枠体に固定され、他端が前記変位部に固定されると共に、前記変位部の外周面との間に所定の間隔をとって前記変位部の外周面に沿って延設されており、前記梁の他端が相対的に太いことを特徴とする力学量検出センサ。
【請求項２】
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、
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、
前記検出素子が前記梁及び前記変位部上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に部分的に形成された上部電極とで構成されており、前記梁は、一端が前記枠体に固定され、他端が前記変位部に固定されると共に、前記変位部の外周面との間に所定の間隔をとって前記変位部の外周面に沿って延設されており、前記梁の他端が相対的に太いことを特徴とする力学量検出センサ。
【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】
このような四つの梁を有する力学量検出センサにおいては、感度を高くするために梁の幅を細くすると、他軸感度比率（他軸感度／主軸感度）も大きくなってしまい、正確に力学量を検出することができなくなるという問題がある。
【０００６】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、高感度であり、かつ、他軸感度比率が小さく、正確に力学量を検出することができ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、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、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、前記梁は、一端が前記枠体に固定され、他端が前記変位部に固定されると共に、前記変位部の外周面との間に所定の間隔をとって前記変位部の外周面に沿って延設されており、前記梁の他端が相対的に太いことを特徴とする。
【０００８】
本発明の力学量検出センサは、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、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、前記検出素子が前記梁及び前記変位部上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に部分的に形成された上部電極とで構成されており、前記梁は、一端が前記枠体に固定され、他端が前記変位部に固定されると共に、前記変位部の外周面との間に所定の間隔をとって前記変位部の外周面に沿って延設されており、前記梁の他端が相対的に太いことを特徴とする。
【０００９】
これらの構成によれば、変位部を揺動自在に支持する４つの梁が、一端が枠体に固定され、他端が前記変位部に固定されると共に、前記変位部の外周面との間に所定の間隔をとって前記変位部の外周面に沿って延設されており、前記梁の他端が相対的に太いので、高感度であり、かつ、他軸感度比率が小さく、正確に力学量を検出することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、いわゆる梁首部分が相対的に太いので、高感度であり、かつ、他軸感度比率が小さく、正確に力学量を検出することができ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】（ａ）は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサを示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す検出素子を説明するための図である。
【図４】梁の幅と他軸感度比率及び感度との間の関係を示す図である。
【図５】梁首幅と他軸感度比率及び感度との間の関係を示す図である。
【図６】（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７】（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８】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９】本発明の実施の形態に係る力学量センサを示す回路の一例を示す図である。
【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、収納空間が形成された矩形枠状の枠体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。したがって、このように、錘部２２は、枠体１１の収納空間及び支持部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（ａ）は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサを示す平面図である。図３（ａ）に示すように、梁１３は、一端が枠体に固定されており、他端が変位部１２に固定されている。図３（ａ）においては、枠体を省略して図示している。梁１３は、それぞれ変位部１２の外周面との間に所定の間隔をとって変位部１２の外周面に沿って延設されている。また、梁１３の他端（梁首１３ｅ）が相対的に太くなっている。ここで、梁首１３ｅが太いということは、図３（ａ）において、梁１３の幅Ｗｂに対して梁首１３ｅの幅Ｗｎが相対的に太くなっていることを意味する。
【００２０】
図３（ａ）に示すように、屈曲型の４本梁の構成の場合、感度を高くするためには梁の幅を細くすることが考えられる。梁の幅を全体で均一とした状態で梁の幅を細くすると、図４に示すように、感度は高くなるが、他軸感度比率（検出軸（主軸）の感度に他軸感度が含まれる割、他軸感度／主軸感度）も大きくなってしまう。しかしながら、図３（ａ）に示すように、梁首１３ｅの太さを太くすると、図５に示すように、感度を落とさずに、他軸感度の影響を小さくすることが可能となる。このように、梁首を相対的に太くすることにより、高感度であり、かつ、他軸感度比率が小さく、正確に力学量を検出することができる力学量検出センサを実現することができる。
【００２１】
検出素子１７は、図３（ｂ）に示すように、梁１３及び変位部１２上に形成された下部電極２５と、この下部電極２５上に形成された圧電薄膜２６と、圧電薄膜２６上に部分的に形成された上部電極２７とで構成されている。上部電極２７は、下部電極２５／圧電薄膜２６の積層体のうち、力学量が加わったときに応力が集中する応力集中部分に形成する。このような構成によれば、応力集中部分に下部電極２５／圧電薄膜２６／上部電極２７の３層の積層体を形成する場合に比べて、アライメントずれなく、応力集中部分に上部電極２７を形成することが可能となる。
【００２２】
次に、図６及び図７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６（ａ）〜（ｄ）及び図７（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。
【００２３】
図６（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３０が配置される。次に、図６（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（deep ＲＩＥ）により加工されて支持部２１及び錘部２２が形成される。
【００２４】
次に、図６（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６（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３０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。
【００２５】
次に、図７（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。次に、図７（ｂ）に示すように、絶縁層１８の梁部１３領域を含む領域上に、検出素子１７が形成される。検出素子１７は、梁１３及び変位部１２上に形成された下部電極２５と、下部電極２５上に形成された圧電薄膜２６と、圧電薄膜２６上に部分的に形成された上部電極２７とから構成されている。まず、梁１３及び変位部１２上に、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。
【００２６】
次に、図７（ｃ）に示すように、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。
【００２７】
次に、図８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８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。
【００２８】
図８（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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
図８（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。
【００３２】
本発明の力学量検出センサは、それぞれに検出素子１７を備えた４つの梁部１３を備えており、この４つの梁部１３の検出素子１７を用いて各感度軸方向の力学量を出力する。図９は、本発明の実施の形態に係る力学量センサを示す回路の一例を示す図である。
【００３３】
図９に示す回路図において、力学量検出センサ１の検出結果（センサ出力）が演算回路５に出力されるようになっている。演算回路５は、差動回路５３と、加算回路５４と、力学量検出センサ１からの入力を切り替えるスイッチ５１，５２と、演算結果を切り替えるスイッチ５５と、から主に構成されている。
【００３４】
演算回路５において、差動回路５３への検出素子の入力は、検出素子Ａ及び検出素子Ｂが入力されるようにする状態と、検出素子Ｃ及び検出素子Ｄが入力されるようにする状態とがあり、スイッチ５１，５２で切り替えを行う。一方、加算回路５４への検出素子の入力は、検出素子Ａ、検出素子Ｂ、検出素子Ｃ及び検出素子Ｄが入力されるようにする。差動回路５３の出力と加算回路５４の出力との間の切り替えはスイッチ５５で行う。スイット５１，５２，５５の切り替えタイミングは、演算結果の出力のタイミング（Ｘ軸出力タイミング、Ｙ軸出力タイミング、Ｚ軸出力タイミング）に同期させる。
【００３５】
なお、図９に示す回路構成は一例であり、４つの梁部１３にそれぞれ設けた検出素子の検出結果を用いて１出力の力学量検出結果（演算結果）を得る構成であれば、特に制限はない。
【００３６】
例えば、演算回路５においては、Ｘ軸方向の力学量を検出する場合には、力学量検出センサ１の検出素子Ａのセンサ出力と検出素子Ｂのセンサ出力との間の差分を力学量検出結果として出力する。したがって、Ｘ軸方向の力学量を検出する場合には、差動回路５３に検出素子Ａ及び検出素子Ｂが入力するようにスイッチ５１，５２を切り替え、差動回路５３からの出力が力学量検出結果（演算結果）となるようにスイッチ５５を切り替える。このようにして、検出素子Ａの出力と検出素子Ｂの出力との間の差分（Ａ−Ｂ）からＸ軸方向の力学量検出結果が得られ、それが出力となる。
【００３７】
また、演算回路５においては、Ｙ軸方向の力学量を検出する場合には、力学量検出センサ１の検出素子Ｃのセンサ出力と検出素子Ｄのセンサ出力との間の差分を力学量検出結果として出力する。したがって、Ｙ軸方向の力学量を検出する場合には、差動回路５３に検出素子Ｃ及び検出素子Ｄが入力するようにスイッチ５１，５２を切り替え、差動回路５３からの出力が力学量検出結果（演算結果）となるようにスイッチ５５を切り替える。このようにして、検出素子Ｃの出力と検出素子Ｄの出力との間の差分（Ｃ−Ｄ）からＹ軸方向の力学量検出結果が得られ、それが出力となる。
【００３８】
また、演算回路５においては、Ｚ軸方向の力学量を検出する場合には、力学量検出センサ１の検出素子Ａのセンサ出力、検出素子Ｂのセンサ出力、検出素子Ｃのセンサ出力及び検出素子Ｄのセンサ出力の和を力学量検出結果として出力する。したがって、Ｚ軸方向の力学量を検出する場合には、加算回路５４に検出素子Ａ、検出素子Ｂ、検出素子Ｃ及び検出素子Ｄが入力し、加算回路５４からの出力が力学量検出結果（演算結果）となるようにスイッチ５５を切り替える。このようにして、検出素子Ａの出力、検出素子Ｂの出力、検出素子Ｃの出力及び検出素子Ｄの出力の和（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）からＺ軸方向の力学量検出結果が得られ、それが出力となる。
【００３９】
このように、４つの梁部１３のそれぞれに設けた検出素子１７から各軸方向の力学量を検出することができるので、簡易な回路構成で多軸方向の力学量を検出することが可能となる。
【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、本発明の力学量検出センサによれば、変位部１２を揺動自在に支持する４つの梁１３が、一端が前記枠体１１に固定され、他端が前記変位部１２に固定されると共に、前記変位部１２の外周面との間に所定の間隔をとって前記変位部１２の外周面に沿って延設されており、前記梁１３の他端が相対的に太いので、高感度であり、かつ、他軸感度比率が小さく、正確に力学量を検出することができる。また、検出素子１７の上部電極２７が、下部電極２５／圧電薄膜２６の積層体のうち、力学量が加わったときに応力が集中する応力集中部分に形成されているので、応力集中部分に下部電極２５／圧電薄膜２６／上部電極２７の３層の積層体を形成する場合に比べて、アライメントずれなく、応力集中部分に上部電極２７を形成することが可能となる。
【００４２】
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。
【００４３】
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】
【００４４】
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】
【００４５】
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
５  演算回路
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
５１，５２，５５  スイッチ
５３  差動回路
５４  加算回路
【図１】
2010216837.tif 000003
【図２】
2010216837.tif 000004
【図３】
2010216837.tif 000005
【図４】
2010216837.tif 000006
【図５】
2010216837.tif 000007
【図６】
2010216837.tif 000008
【図７】
2010216837.tif 000009
【図８】
2010216837.tif 000010
【図９】
2010216837.tif 000011