(57)【要約】【課題】感度を低下させることなく、多軸方向の感度差を小さく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】開口部２３を有する支持部２１と、支持部２１の開口部２３の内側に位置する錘部２２と、錘部２２を揺動自在に支持する梁部１３と、梁部１３に設けられ、梁部１３の撓み量に基づいて多軸方向の力学量に応じた信号を出力する検出素子１５、１６とを備え、梁部１３の延在方向の少なくとも一部分は、他の部分よりも細く形成し、検出素子１５、１６の出力によって検出される多軸方向の力学量に対する感度差が所定の範囲内に収まるようにした。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口部を有する支持部と、前記支持部の開口部の内側に位置する錘部と、前記錘部を揺動自在に支持する梁部と、前記梁部に設けられ、前記梁部の撓み量に基づいて多軸方向の力学量に応じた信号を出力する検出素子とを備え、
前記梁部の延在方向の少なくとも一部分は、前記検出素子の出力によって検出される多軸方向の力学量に対する感度差が所定の範囲内に収まるように他の部分よりも細く形成されたことを特徴とする力学量検出センサ。
【請求項２】
前記梁部の延在方向の少なくとも一部分は、前記錘部との接続部分であることを特徴とする請求項１に記載の力学量検出センサ。
【請求項３】
前記梁部の延在方向の少なくとも一部分は、前記他の部分と同一の厚み、かつ前記他の部分よりも幅狭にすることにより細く形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の力学量検出センサ。
【請求項４】
前記検出素子は、圧電素子であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに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３軸方向の加速度を同時に検出できる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、半導体基板のエッチングにより、開口部が形成された支持部と、支持部の開口部の内側に位置する錘部と、支持部に対し錘部を揺動自在に支持する梁部とが形成されている。
【０００３】
梁部は、延在方向に沿って一様な太さに形成されており、上面には梁部の撓み量に基づいて加速度に応じた信号を出力する検出素子が配置されている。そして、慣性力の作用により錘部が支持部の開口部内を揺動することにより、梁部が撓み変形して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】
しかしながら、特許文献１に記載の力学量検出センサにおいては、錘部の揺動方向によって梁部の変形が異なるため、検出素子の出力によって検出される３軸方向の加速度に対する感度が異なるという問題があった。特に、梁部を細くして感度を向上させた場合には、３軸方向の感度差が大きくなっていた。この問題を解決するために、梁部を太くすることで３軸方向の感度差を小さくすることが可能であるが、各方向の感度がそれぞれ低下してしまっていた。
【０００６】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、感度を低下させることなく、多軸方向の感度差を小さく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、開口部を有する支持部と、前記支持部の開口部の内側に位置する錘部と、前記錘部を揺動自在に支持する梁部と、前記梁部に設けられ、前記梁部の撓み量に基づいて多軸方向の力学量に応じた信号を出力する検出素子とを備え、前記梁部の延在方向の少なくとも一部分は、前記検出素子の出力によって検出される多軸方向の力学量に対する感度差が所定の範囲内に収まるように他の部分よりも細く形成されたことを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、梁部の延在方向の少なくとも一部分が細く形成されているため、多軸方向の力学量に対する感度差を所定の範囲内に収めることができる。また、梁部の延在方向の少なくとも一部分が細く形成されたため、梁部全体が細く形成された構成と比較して各方向における感度の低下を抑えることができる。したがって、感度の低下を最小限に抑えつつ多軸方向の感度差を小さくすることができる。
【０００９】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記梁部の延在方向の少なくとも一部分は、前記錘部との接続部分であることを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、簡易な構成で、より感度差を小さくすることができる。
【００１１】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記梁部の延在方向の少なくとも一部分は、前記他の部分と同一の厚み、かつ前記他の部分よりも幅狭にすることにより細く形成されたことを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、エッチング加工により梁部の形成と同時に梁部の延在方向の少なくとも一部を細くでき、加工工数を減らすことができる。
【００１３】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記検出素子は、圧電素子であることを特徴とする。
【００１４】
この構成によれば、簡易な構成により検出素子を構成することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、感度を低下させることなく、多軸方向の感度差を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る力学量検出センサの実施の形態を示す図であり、力学量検出センサの斜視図である。
【図２】本発明に係る力学量検出センサの実施の形態を示す図であり、力学量検出センサの分解斜視図である。
【図３】本発明に係る力学量検出センサの実施の形態を示す図であり、力学量検出センサの上面模式図である。
【図４】本発明に係る力学量検出センサの実施の形態を示す図であり、力学量検出センサの検出動作説明図である。
【図５】本発明に係る力学量検出センサの実施の形態を示す図であり、加工プロセスの一例を説明するための図である。
【図６】本発明に係る力学量検出センサの実施の形態を示す図であり、図１に示す力学量検出センサにおける梁部の短尺部の梁幅と３軸方向の感度差との関係の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。なお、以下の説明では、２梁構造の力学量検出センサを例示して説明するが、２梁構造の力学量検出センサだけでなく、他の梁構造を有する力学量検出センサに適用することも可能である。
【００１８】
図１および図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。
【００１９】
第１の半導体基板２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の対向する二辺と変位部１２とを接続する２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にエッチングにより変位部１２の周囲に沿って３箇所で屈折した上面視略Ｃ字状の２つの開口を設けることで形成される。
【００２０】
枠体１１は、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。２つの梁部１３は、それぞれ枠体１１の対向辺から変位部１２の外周縁に沿って延在し、略半周した位置において変位部１２の角部に接続される。このように、２つの梁部１３は、変位部１２の外周縁に沿って半周することにより、梁長を長くして撓み易い構成となっている。
【００２１】
各梁部１３の上面には、複数（本実施の形態では４つ）の検出素子１５、１６が設けられており、この検出素子１５、１６により各梁部１３の撓み量が検出される。検出素子１５、１６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、圧電体膜、上部電極の順に蒸着等により成膜することで形成される。検出素子１５、１６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。
【００２２】
第２の半導体基板３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２の半導体基板３に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。
【００２３】
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２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。
【００２４】
次に、図３を参照して、梁部について詳細に説明する。図３は、本実施の形態に係る力学量検出センサの上面模式図である。
【００２５】
図３に示すように、２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２５と、長尺部２５の延在方向先端側から直交方向に延在する中尺部２６と、中尺部２６の延在方向先端側から直交方向に延在し変位部１２の角部に接続される短尺部２７とから構成される。長尺部２５、中尺部２６、短尺部２７は同一の厚みに形成されると共に、短尺部２７は、長尺部２５および中尺部２６と比較して幅狭に形成されている。すなわち、梁部１３は、枠体１１から一様な太さで変位部１２の外周縁に沿って略半周し、変位部１２との接続部分において細く形成される。
【００２６】
また、各梁部１３の上面には、長尺部２５の中間位置にＸ軸用検出素子１５、中尺部２６の中間位置にＹ軸用検出素子１６がそれぞれ設けられている。この場合、各検出素子１５、１６は、撓み量の大きい梁部１３の幅方向外側寄りに設けられている。
【００２７】
このように構成された力学量検出センサ１においては、梁部１３と変位部１２との接続部分である短尺部２７を幅狭に形成することにより、３軸方向の感度差を所定の範囲に収めるようにしている。具体的には、短尺部２７を幅狭にした分だけ中尺部２６が長くなり、中尺部２６の撓み量が増加される。一方、長尺部２５においては、中尺部２６の撓み量が増加した分だけ撓み量が減少する。
【００２８】
したがって、中尺部２６の撓み量が増加することで、Ｙ軸用検出素子１６の変形量が増加してＹ軸方向の感度が向上すると共に、長尺部２５の撓み量が低下することで、Ｘ軸用検出素子１５の変形量が減少してＸ軸方向およびＺ軸方向の感度が低下する。よって、短尺部２７の梁幅を変化させることにより、各検出素子１５、１６の感度を調整し、３軸方向の感度差を所定の範囲に収めることが可能となる。この場合、短尺部２７だけを幅狭に形成したため、長尺部２５および中尺部２６を幅狭にする構成と比較して、センサ全体の感度の低下が低く抑えられる。
【００２９】
次に、図４を参照して、力学量検出センサの検出動作の一例について簡単に説明する。図４は、力学量検出センサの検出動作説明図であり、（ａ）はＸ軸方向の加速度の検出動作説明図、（ｂ）はＹ軸方向の加速度の検出動作説明図、（ｃ）はＺ軸方向の加速度の検出動作説明図である。なお、実際には、錘部がＸ軸方向およびＹ軸方向の慣性力を受けることにより、梁部は捻じれを生じさせながら撓むが、ここでは説明の便宜上、梁部の幅方向外側よりも撓み量の小さい梁部の幅方向内側の撓みについては無視して説明する。
【００３０】
図４（ａ）に示すように、力学量検出センサ１に対してＸ軸方向に加速度が働くと、錘部２２はＹ軸回りに回動する。このとき、梁部１３ａの短尺部２７ａがＺ軸方向下方に移動して、長尺部２５ａにＺ軸方向上方に力が作用する。また、梁部１３ｂの短尺部２７ｂがＺ軸方向上方に移動して、長尺部２５ｂにＺ軸方向下方に力が作用する。そして、梁部１３ａの長尺部２５ａはＺ軸方向上方に膨らむように撓み、梁部１３ｂの長尺部２５ｂはＺ軸方向下方に凹むように撓む。
【００３１】
Ｘ軸用検出素子１５ａは、梁部１３ａの長尺部２５ａ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、Ｘ軸用検出素子１５ｂは、梁部１３ｂの長尺部２５ｂ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。Ｘ軸用検出素子１５ａ、ｂ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、Ｘ軸方向の加速度が算出される。
【００３２】
図４（ｂ）に示すように、力学量検出センサ１に対してＹ軸方向に加速度が働くと、錘部２２はＸ軸回りに回動する。このとき、梁部１３ａの短尺部２７ａがＺ方向上方に移動して、中尺部２６ａにＺ軸方向下方に力が作用する。また、梁部１３ｂの短尺部２７ｂがＺ軸方向下方に移動して、中尺部２６ｂにＺ軸方向上方に力が作用する。そして、梁部１３ａの中尺部２６ａはＺ軸方向下方に凹むように撓み、梁部１３ｂの中尺部２６ｂはＺ軸方向上方に膨らむように撓む。そして、Ｙ軸用検出素子１６ａ、ｂは梁部１３ａ、ｂの中尺部２６ａ、ｂの撓みに合わせて変形し、変形に応じた電圧が図示しない演算回路に出力されてＹ軸方向の加速度が算出される。
【００３３】
図４（ｃ）に示すように、力学量検出センサ１に対してＺ軸方向に加速度が働くと、錘部２２はＺ軸方向下方に直動する。このとき、梁部１３ａ、ｂの短尺部２７ａ、ｂがＺ軸方向下方に移動して、長尺部２５ａ、ｂ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、ｂの長尺部２５ａ、ｂの枠体１１側はＺ軸方向上方に膨らむように撓み、Ｘ軸用検出素子１５ａ、ｂも長尺部２５ａの撓みに合わせて変形する。また、梁部１３ａ、ｂの中尺部２６ａ、ｂの変位部１２側はＺ軸方向下方に凹むように撓み、Ｙ軸用検出素子１６ａ、ｂも中尺部２６ａ、ｂの撓みに合わせて変形する。そして、Ｘ軸方向用検出素子１５ａ、ｂおよびＹ軸方向用検出素子１６ａ、ｂから電圧が図示しない演算回路に出力されてＺ軸方向の加速度が算出される。
【００３４】
以下、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５は、本発明の実施の形態に係る加工プロセスの一例を説明するための図である。
【００３５】
図５（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３１が配置される。次に、図５（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およびエッチングにより加工されて支持部２１および錘部２２が形成される。
【００３６】
次に、図５（ｃ）に示すように、ベース基板３２がフォトリソグラフィおよびエッチングにより加工されてキャビティ３３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５（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３１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。次に、図５（ｅ）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金属材および圧電材が被着され、フォトリソグラフィおよびエッチングによりパターンニングされて検出素子１５（Ｘ軸用検出素子のみ図示）が形成される。
【００３７】
次に、図５（ｆ）に示すように、第１の半導体基板２および絶縁層４がフォトリソグラフィおよびエッチングにより加工されて枠体１１、梁部１３、変位部１２が形成される。このとき、梁部１３の短尺部２７のみが長尺部２５および中尺部２６と比較して幅狭に形成される（図３参照）。このようにして、図１に示す力学量検出センサ１を得ることが可能となる。
【００３８】
ここで、図６を参照して、図１に示す力学量検出センサにおける梁部の短尺部の梁幅と３軸方向の感度差との関係について説明する。図６は、図１に示す力学量検出センサにおける梁部の短尺部の梁幅と３軸方向の感度差との関係の一例を示す図であり、（ａ）は梁部の全体の梁幅を１６μｍ、（ｂ）は梁部の全体の梁幅を２０μｍ、（ｃ）は梁部の全体の梁幅を２４μｍ、（ｄ）は梁部の全体の梁幅を３０μｍとし、短尺部の梁幅だけを狭くした場合をそれぞれ示している。なお、図６においては、実線がＸ軸方向の加速度に対する感度、破線がＹ軸方向の加速度に対する感度、一点鎖線がＺ軸方向の加速度に対する感度をそれぞれ示している。
【００３９】
まず、梁部１３の全体の梁幅に対して短尺部２７の梁幅を変化させていない状態について説明する。図６（ａ）から（ｄ）に示すように、梁部１３の全体の梁幅と短尺部２７の梁幅とが一致している場合には、梁幅が１６μｍから３０μｍに増加するにつれて３軸方向の感度が共に低下している。例えば、図６（ａ）に示す梁幅が１６μｍの場合には、Ｘ軸方向の感度が０．５８ｍＶ／Ｇ、Ｙ軸方向の感度が０．５５ｍＶ／Ｇ、Ｚ軸方向の感度が０．７４ｍＶ／Ｇであるのに対し、図６（ｄ）に示す梁幅が３０μｍの場合には、Ｘ軸方向の感度が０．３１ｍＶ／Ｇ、Ｙ軸方向の感度が０．３１ｍＶ／Ｇ、Ｚ軸方向の感度が０．３２ｍＶ／Ｇであり、３軸方向の感度が全て低下している。
【００４０】
一方、３軸方向の感度差は、梁幅が１６μｍから３０μｍに増加するにつれて小さくなっている。例えば、図６（ａ）に示す梁幅が１６μｍの場合には、３軸方向の感度差が０．１９ｍＶ／Ｇであるのに対し、図６（ｄ）に示す梁幅が３０μｍの場合には、３軸方向の感度差が０．０１ｍＶ／Ｇであり、３軸方向の感度差が小さくなっている。このように、梁部１３の全体の梁幅と短尺部２７の梁幅とが一致している場合には、梁幅が大きくなるのにともない３軸方向の感度がそれぞれ低下すると共に３軸方向の感度差が小さくなる。
【００４１】
次に、梁部１３の全体の梁幅に対して短尺部２７の梁幅を狭くした状態について説明する。図６（ａ）から（ｄ）に示すように、梁部１３の全体の梁幅から短尺部２７の梁幅だけを狭くした場合には、Ｙ軸方向の感度が増加し、Ｘ軸方向およびＺ軸方向の感度が減少している。これは、上記したように、Ｙ軸用検出素子１６が配置された中尺部２６の撓み量が増加し、Ｘ軸用検出素子１５が配置された長尺部２５の撓み量が減少するためである。
【００４２】
この場合、図６（ｂ）から図６（ｄ）に示すように、短尺部２７が所定の梁幅で３軸方向の感度差が最少となる。例えば、図６（ｂ）に示すように、梁部１３の全体の梁幅が２０μｍの場合には、短尺部２７の梁幅が２０μｍから１５μｍに近づくにつれて３軸方向の感度が接近し、短尺部２７の梁幅が１５μｍよりも狭くなるにつれて３軸方向の感度が離間する。したがって、短尺部２７の梁幅が１５μｍで３軸方向の感度差が最小の０．０２ｍＶ／Ｇとなる。同様に、図６（ｃ）に示すように、梁部１３全体の梁幅が２４μｍの場合においても短尺部２７の梁幅が２０μｍで３軸方向の感度差が最小の０．０１ｍＶ／Ｇとなる。
【００４３】
また、短尺部２７の梁幅を狭くすることで、Ｘ軸方向およびＺ軸方向の感度も低下するが、感度の低下が低く抑えられている。例えば、図６（ｂ）に示す短尺部２７の梁幅が１５μｍの場合で３軸方向の感度が約０．５０ｍＶ／Ｇとなり、図６（ｃ）に示す短尺部２７の梁幅が２０μｍの場合で３軸方向の感度が約０．４２ｍＶ／Ｇとなる。このように、梁部１３の全体の梁幅に対して短尺部２７の梁幅だけを狭くすることで、３軸方向の感度の低下を最小限に抑えた状態で、３軸方向の感度差を所定の範囲に収めることが可能となる。
【００４４】
この場合、所定の範囲とは、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の感度が±５％以内に収まる範囲であり、例えば、感度が０．５ｍＶ／Ｇの仕様に対しＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の全てが０．４７５ｍＶ／Ｇから０．５２５ｍＶ／Ｇに収まる範囲を示している。
【００４５】
以上のように、本実施の形態に係る力学量検出センサ１によれば、梁部１３の枠体１１との接続位置が細く形成されることにより、３軸方向の加速度に対する感度差を所定の範囲内に収めることができる。また、梁部１３の枠体１１との接続位置が細く形成されるため、梁部１３の全体が細く形成される構成と比較して各方向における感度の低下を抑えることができる。したがって、感度の低下を最小限に抑えつつ３軸方向の感度差を小さくすることができる。
【００４６】
なお、上記した実施の形態においては、二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、錘部の形状や梁部の形状および数量が限定されるものではない。
【００４７】
また、上記した実施の形態においては、梁部の短尺部を細くする構成としたが、この構成に限定されるものではない。梁部の少なくとも一部分を細くして３軸方向の感度差を所定の範囲内に収める構成であればよく、例えば、梁部の中尺部を細くしてもよいし、梁部の複数個所を部分的に細くする構成にしてもよい。
【００４８】
また、上記した実施の形態においては、梁部の厚みを一様とし、短尺部だけ幅狭に形成する構成としたが、この構成に限定されるものではない。梁部の少なくとも一部分を他の部分よりも細くする構成であればよく、例えば、梁部の梁幅を一様とし、短尺部の厚みだけを薄くする構成としてもよい。
【００４９】
また、上記した実施の形態においては、３軸方向の加速度を検出可能な力学量検出センサに本発明を適用した例について説明したが、この構成に限定されるものではなく、例えば、２軸方向の加速度を検出可能な力学量検出センサに本発明を適用可能である。
【００５０】
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。
【００５１】
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】
【００５２】
以上説明したように、本発明は、感度を低下させることなく、多軸方向の感度差を小さくすることができるという効果を有し、特に、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】
【００５３】
１  力学量検出センサ
２  第１の半導体基板
３  第２の半導体基板
４  絶縁層
１１  枠体
１２  変位部
１３  梁部
１５、１６  検出素子
２１  支持部
２２  錘部
２３  開口部
２５  長尺部
２６  中尺部
２７  短尺部
３１  サポート基板
３３  キャビティ
【図１】
2010216836.tif 000003
【図２】
2010216836.tif 000004
【図３】
2010216836.tif 000005
【図４】
2010216836.tif 000006
【図５】
2010216836.tif 000007
【図６】
2010216836.tif 000008