(57)【要約】【課題】新たな原理の加速度センサ素子を提供する。【解決手段】加速度センサ素子３は、固定部９と、一端部が固定部９に連結された梁部７と、梁部７の他端部に連結され、梁部７の延びる方向に見て、重心Ｇが梁部７に対して偏心している重り部５とを有する。また、加速度センサ素子３は、梁部７に設けられ、梁部７の捩り変形に伴って比抵抗が変化するピエゾ抵抗部１１を有する。【選択図】図２
2010156610.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部と、
一端部が前記固定部に連結された梁部と、
前記梁部の他端部に連結され、前記梁部の延びる方向に見て、重心が前記梁部に対して偏心している重り部と、
前記梁部に設けられ、前記梁部の捩り変形に伴って比抵抗が変化するピエゾ抵抗部と、
を有する加速度センサ素子。
【請求項２】
固定部と、
一端部が前記固定部に連結された単結晶シリコンからなる梁部と、
前記梁部の他端部に連結され、前記梁部の延びる方向に見て、重心が前記梁部に対して偏心している重り部と、
前記梁部の主面に設けられ、前記梁部の変形に伴って比抵抗が変化するピエゾ抵抗部と、
を有し、
前記梁部は、（１００）面により前記主面が形成され、結晶方位＜０１０＞が前記梁部の延びる方向に対して傾斜している
加速度センサ素子。
【請求項３】
前記梁部の結晶方位＜０１０＞の、前記梁部の延びる方向に対する傾斜角度は、４５度である
請求項２に記載の加速度センサ素子。
【請求項４】
固定部と、
一端部が前記固定部に連結された梁部と、
前記梁部の他端部に連結され、前記梁部の延びる方向に見て、重心が前記梁部に対して偏心している重り部と、
前記梁部に設けられ、前記梁部の変形に伴って比抵抗が変化するピエゾ抵抗部と、
前記梁部の延びる方向において前記ピエゾ抵抗部の両端に接続される第１配線と、
前記梁部の延びる方向に直交する方向おいて前記ピエゾ抵抗部の両端に接続される第２配線と、
を有する加速度センサ素子。
【請求項５】
前記重り部は、重力方向に見て、前記梁部が変形していない状態において、重心が前記梁部の中心線からずれている
請求項１〜４のいずれか１項に記載の加速度センサ素子。
【請求項６】
前記梁部、前記重り部及び前記ピエゾ抵抗部を有するセンサ要素が２つ設けられ、
前記２つのセンサ要素の前記梁部は互いに平行に配置され、
第１の前記センサ要素の前記重り部の重心は、当該第１のセンサ要素の前記梁部の中心線に対して、当該中心線に直交する所定方向にずれ、
第２の前記センサ要素の前記重り部の重心は、当該第２のセンサ要素の前記梁部の中心線に対して、当該中心線に直交し、前記所定方向に傾斜する方向にずれている
請求項１〜５のいずれか１項に記載の加速度センサ素子。
【請求項７】
前記２つのセンサ要素を有するセンサ要素対が２組設けられ、
前記２組のセンサ要素対は、各組における前記所定方向が互いに平行であり、且つ、各組における前記梁部の延びる方向が互いに交差するように設けられている
請求項６に記載の加速度センサ素子。
【請求項８】
固定部、一端部が前記固定部に連結された梁部、前記梁部の他端部に連結され、前記梁部の延びる方向に見て、重心が前記梁部に対して偏心している重り部、及び、前記梁部に設けられ、前記梁部の変形に伴って比抵抗が変化するピエゾ抵抗部を有する加速度センサ素子と、
前記ピエゾ抵抗部の抵抗値に基づいて加速度を算出する演算部と、
を有し、
前記梁部、前記重り部及び前記ピエゾ抵抗部を有するセンサ要素が２つ設けられ、
前記２つのセンサ要素の前記梁部は互いに平行に配置され、
第１の前記センサ要素は、当該第１のセンサ要素の前記重り部の重心が当該第１のセンサ要素の前記梁部の中心線に対して、当該中心線に直交する所定方向にずれ、
第２の前記センサ要素は、当該第２のセンサ要素の前記重り部の重心が当該第２のセンサ要素の前記梁部の中心線に対して、当該中心線に直交し、前記所定方向に傾斜する方向にずれ、
前記演算部は、
前記第１のセンサ要素の前記ピエゾ抵抗部の抵抗値の絶対値に基づいて、前記梁部及び前記所定方向に直交する計測方向の加速度の絶対値を算出し、
前記第１のセンサ要素の前記ピエゾ抵抗部の抵抗値の絶対値に基づいて特定される加速度付与時における、前記第２のセンサ要素の前記ピエゾ抵抗部の抵抗値の変化が、増加及び減少のいずれであるかに基づいて、前記計測方向の加速度の正負を判定する
加速度センサ。
【請求項９】
前記２つのセンサ要素を有するセンサ要素対が２組設けられ、
前記２組のセンサ要素対は、各組における前記所定方向が互いに平行に、且つ、各組における前記梁部が互いに直交するように設けられ、
前記演算部は、一方の前記センサ要素対における前記計測方向の加速度、他方の前記センサ要素対における前記計測方向の加速度を算出するとともに、前記第２のセンサ要素の前記ピエゾ抵抗部の抵抗値に基づいて前記所定方向の加速度を算出する
請求項８に記載の加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度センサ素子及び加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ピエゾ抵抗式の半導体加速度センサが知られている（例えば特許文献１）。この加速度センサは、固定部と、固定部に支持される梁部と、梁部に支持される重り部とを有している。加速度センサに加速度が加えられると、重り部が梁部の変形を伴って固定部に対して変位する。そして、梁部の変形が梁部に設けられたピエゾ抵抗部の比抵抗の変化として検出されることにより、加速度が検出される。また、上述の加速度センサは、梁部の引張変形又は圧縮変形に伴ってピエゾ抵抗部の比抵抗が変化するように構成されている。
【特許文献１】特開２００３−１４９２６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述の加速度センサは、種々の不都合を生じる。例えば、ピエゾ抵抗部は、垂直応力に対する比抵抗の変化よりも、せん断応力に対する比抵抗の変化が大きい場合があり、このような場合に、ピエゾ抵抗部を有効に利用することができない。
【０００４】
本発明の目的は、新たな原理の加速度センサ素子及び加速度センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の加速度センサ素子は、固定部と、一端部が前記固定部に連結された梁部と、前記梁部の他端部に連結され、前記梁部の延びる方向に見て、重心が前記梁部に対して偏心している重り部と、前記梁部に設けられ、前記梁部の捩り変形に伴って比抵抗が変化するピエゾ抵抗部と、を有する。
【０００６】
好適には、固定部と、一端部が前記固定部に連結された単結晶シリコンからなる梁部と、前記梁部の他端部に連結され、前記梁部の延びる方向に見て、重心が前記梁部に対して偏心している重り部と、前記梁部の主面に設けられ、前記梁部の変形に伴って比抵抗が変化するピエゾ抵抗部と、を有し、前記梁部は、（１００）面により前記主面が形成され、結晶方位＜０１０＞が前記梁部の延びる方向に対して傾斜している。
【０００７】
好適には、前記梁部の結晶方位＜０１０＞の、前記梁部の延びる方向に対する傾斜角度は、４５度である。
【０００８】
好適には、固定部と、一端部が前記固定部に連結された梁部と、前記梁部の他端部に連結され、前記梁部の延びる方向に見て、重心が前記梁部に対して偏心している重り部と、前記梁部に設けられ、前記梁部の変形に伴って比抵抗が変化するピエゾ抵抗部と、前記梁部の延びる方向において前記ピエゾ抵抗部の両端に接続される第１配線と、前記梁部の延びる方向に直交する方向おいて前記ピエゾ抵抗部の両端に接続される第２配線と、を有する。
【０００９】
好適には、前記重り部は、重力方向に見て、前記梁部が変形していない状態において、重心が前記梁部の中心線からずれている。
【００１０】
好適には、前記梁部、前記重り部及び前記ピエゾ抵抗部を有するセンサ要素が２つ設けられ、前記２つのセンサ要素の前記梁部は互いに平行に配置され、第１の前記センサ要素の前記重り部の重心は、当該第１のセンサ要素の前記梁部の中心線に対して、当該中心線に直交する所定方向にずれ、第２の前記センサ要素の前記重り部の重心は、当該第２のセンサ要素の前記梁部の中心線に対して、当該中心線に直交し、前記所定方向に傾斜する方向にずれている。
【００１１】
好適には、前記２つのセンサ要素を有するセンサ要素対が２組設けられ、前記２組のセンサ要素対は、各組における前記所定方向が互いに平行であり、且つ、各組における前記梁部の延びる方向が互いに交差するように設けられている。
【００１２】
本発明の加速度センサは、好適には、固定部、一端部が前記固定部に連結された梁部、前記梁部の他端部に連結され、前記梁部の延びる方向に見て、重心が前記梁部に対して偏心している重り部、及び、前記梁部に設けられ、前記梁部の変形に伴って比抵抗が変化するピエゾ抵抗部を有する加速度センサ素子と、前記ピエゾ抵抗部の抵抗値に基づいて加速度を算出する演算部と、を有し、前記梁部、前記重り部及び前記ピエゾ抵抗部を有するセンサ要素が２つ設けられ、前記２つのセンサ要素の前記梁部は互いに平行に配置され、第１の前記センサ要素は、当該第１のセンサ要素の前記重り部の重心が当該第１のセンサ要素の前記梁部の中心線に対して、当該中心線に直交する所定方向にずれ、第２の前記センサ要素は、当該第２のセンサ要素の前記重り部の重心が当該第２のセンサ要素の前記梁部の中心線に対して、当該中心線に直交し、前記所定方向に傾斜する方向にずれ、前記演算部は、前記第１のセンサ要素の前記ピエゾ抵抗部の抵抗値の絶対値に基づいて、前記梁部及び前記所定方向に直交する計測方向の加速度の絶対値を算出し、前記第１のセンサ要素の前記ピエゾ抵抗部の抵抗値の絶対値に基づいて特定される加速度付与時における、前記第２のセンサ要素の前記ピエゾ抵抗部の抵抗値の変化が、増加及び減少のいずれであるかに基づいて、前記計測方向の加速度の正負を判定する。
【００１３】
好適には、前記２つのセンサ要素を有するセンサ要素対が２組設けられ、前記２組のセンサ要素対は、各組における前記所定方向が互いに平行に、且つ、各組における前記梁部が互いに直交するように設けられ、前記演算部は、一方の前記センサ要素対における前記計測方向の加速度、他方の前記センサ要素対における前記計測方向の加速度を算出するとともに、前記第２のセンサ要素の前記ピエゾ抵抗部の抵抗値に基づいて前記所定方向の加速度を算出する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、新たな原理の加速度センサ素子及び加速度センサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に図面を参照して、本発明に係る加速度センサ素子及び加速度センサの好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態で用いられる図は模式的なものであり、図面上の寸法比率は現実のものとは必ずしも一致していない。
【００１６】
（第１の実施形態）
図１（ａ）は、本実施形態に係る加速度センサ素子３（以下、「加速度センサ素子」を単に「センサ素子」ということがある。）の平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面図である。図１（ｃ）は、図１（ａ）のＩｃ−Ｉｃ線における断面図である。
【００１７】
センサ素子３は、それ自体が加速度センサ１として捉えられてもよいし、後述する第４の実施形態のように、他の部品と組み合わされて加速度センサとして捉えられてもよい。センサ素子３は、Ｘ軸方向を計測方向として、加速度を検出する１軸加速度計を構成している。
【００１８】
センサ素子３は、センサ素子３に加えられた加速度をセンサ素子３の変形に変換するための構成を有している。すなわち、センサ素子３は、重り部５と、固定部９と、重り部５を固定部９に対して揺動可能に支持する梁部７とを有している。また、センサ素子３は、梁部７の変形を電気的変化に変換して出力するための構成を有している。すなわち、センサ素子３は、梁部７の変形に伴って比抵抗が変化するピエゾ抵抗部１１と、ピエゾ抵抗部１１に接続された複数の接続線１３と、複数の接続線１３に接続され、端子として機能する複数の電極パッド１５とを有している。
【００１９】
重り部５、梁部７及び固定部９は、センサ素子３の主面３ａにおいて連続している。なお、重り部５は、梁部７に対して主面３ａの反対側に垂下された形状となっている。重り部５は、例えば、計測方向に平行な面及び計測方向に直交する面からなる直方体状に形成されている。重り部５の１辺の大きさは、例えば、０．１ｍｍ〜１．０ｍｍである。
【００２０】
固定部９は、例えば、Ｚ軸方向に見て、重り部５を囲む枠状に形成されている。枠の形状は、例えば、重り部５の４辺に平行な４辺を有する矩形である。固定部９は、計測対象に対して固定的に設けられる。
【００２１】
梁部７は、重り部５のＹ軸方向両側に２本設けられている。２本の梁部７は、一端が重り部５に連結され、他端が固定部９に連結されている。なお、以下では、梁部７が重り部５及び固定部９に架け渡される方向（Ｙ軸方向）を梁部７の延びる方向ということがある。
【００２２】
２本の梁部７は、例えば、同一形状に形成され、同軸状に配置されている。各梁部７は、例えば、梁部７の延びる方向に直交する断面が梁部７の延びる方向において一定に形成されている。例えば、各梁部７は、計測方向（Ｘ軸方向）を短手方向、梁部７の延びる方向（Ｙ軸方向）を長手方向、計測方向及び梁部７の延びる方向に直交する方向（所定方向、Ｚ軸方向）を厚み方向とする板状（薄型直方体状）に形成されている。
【００２３】
梁部７のＹ軸に直交する各断面の重心（図心）を連ねた中心線Ｏは、Ｙ軸に平行な直線状となっている。なお、理解の容易化のために、梁部７が図示されない図１（ｃ）においても中心線Ｏの位置を示す。梁部７に加えられる捩りモーメントは、梁部７に加えられる中心線Ｏに直交する力（重力等）と、その力の作用点の中心線Ｏからの距離との積を、各種の力について合算したものとなる。なお、梁部７に加えられる捩りモーメントは、梁部７の中心線Ｏに直交する各断面においては、せん断応力として捉えられる。
【００２４】
重り部５の重心Ｇは、計測方向（Ｘ軸方向）において、梁部７の中心線Ｏの位置と一致している。従って、計測方向（Ｘ軸方向）及び梁部７の延びる方向（Ｙ軸方向）が水平方向となるようにセンサ素子３を配置した場合、重り部５に加えられる重力によっては、梁部７には、中心線Ｏ回りの捩りモーメントは加えられない。
【００２５】
重り部５の重心Ｇは、中心線Ｏに対して、計測方向及び梁部７の延びる方向に直交する方向（Ｚ軸方向）へずれている。換言すれば、重り部５の重心Ｇは、梁部７の延びる方向に見て、梁部７に対して偏心している。従って、重り部５に計測方向への加速度（固定部９に対する相対的な加速度）が加えられると、梁部７には、中心線Ｏ回りの捩りモーメントが加えられることになる。
【００２６】
ピエゾ抵抗部１１は、変形に伴って比抵抗が変化するピエゾ抵抗である。ピエゾ抵抗部１１は、例えば、２本の梁部７のうち一方の梁部７に設けられている。また、ピエゾ抵抗部１１は、梁部７における主面３ａに設けられている。ピエゾ抵抗部１１は、例えば、概ね＋（プラス）形状に形成されており、梁部７の延びる方向又は当該方向に直交する方向に突出する４つの突出部１１ａを有している。
【００２７】
接続線１３は、主面３ａに設けられている。接続線１３は、例えば、４本設けられ、４つの突出部１１ａに接続されている。換言すれば、２本の接続線１３は、梁部７の延びる方向においてピエゾ抵抗部１１の両端に接続される第１配線１４Ａを構成し、他の２本の接続線１３は、梁部７の延びる方向に直交する方向においてピエゾ抵抗部１１の両端に接続される第２配線１４Ｂを構成している。
【００２８】
４本の接続線１３は、例えば、ピエゾ抵抗部１１の、梁部７の延びる方向の両側において、２本ずつ配置されている。そして、各接続線１３は、梁部７の延びる方向に沿って、固定部９まで延びている。より具体的には、梁部７の延びる方向の一方側（又は他方側）に突出する突出部１１ａに接続された１本の接続線１３と、梁部７の延びる方向に直交する方向に突出する突出部１１ａに接続された１本の接続線１３とが梁部７の延びる方向の一方側（又は他方側）に延びるように配置されている。
【００２９】
電極パッド１５は、固定部９における主面３ａに設けられている。電極パッド１５は、例えば４個設けられ、４本の接続線１３に接続されている。電極パッド１５は、例えば、重り部５に対して梁部７の延びる方向の両側に２個ずつ配置されている。なお、電極パッド１５は、接続線１３の一部と捉えられてもよい。
【００３０】
センサ素子３は、例えば、半導体基板に加工が施されることにより構成されている。半導体基板は、例えば、ＳＯＩ基板１７である。なお、説明の便宜のために、ＳＯＩ基板１７については、加工の前後を問わず、同一の符号を付す。ＳＯＩ基板１７は、絶縁層１９と、絶縁層１９の一方側に積層された半導体層２１と、絶縁層１９の他方側に積層された支持層２３とを有している。絶縁層１９は、例えばＳｉＯ２により形成されている。半導体層２１および支持層２３は、例えば、単結晶シリコンにより形成されている。
【００３１】
重り部５、梁部７及び固定部９は、ＳＯＩ基板１７の一部が除去されることにより形成されている。重り部５及び固定部９は、半導体層２１、絶縁層１９及び支持層２３によって構成されている。梁部７は、半導体層２１によって構成されている。主面３ａは、半導体層２１によって構成されている。
【００３２】
図２は、単結晶シリコンからなる半導体層２１の結晶方位を説明する図である。具体的には、図２（ａ）は、従来技術において加速度検出に寄与するピエゾ抵抗係数π１１、π１２の特性を示す図である。図２（ｂ）は、従来技術における結晶方位と梁部１０７の延びる方向との関係を示す平面図である。図２（ｃ）は、本実施形態において加速度検出に寄与するピエゾ抵抗係数π４４の特性を示す図である。図２（ｄ）は、本実施形態における結晶方位と梁部７の延びる方向との関係を示す平面図である。
【００３３】
なお、ピエゾ抵抗係数π１１、π１２は垂直応力に関するピエゾ抵抗係数であり、ピエゾ抵抗係数π４４はせん断応力に関するピエゾ抵抗係数である。
【００３４】
図２（ａ）及び図２（ｃ）においては、紙面は半導体層２１の（１００）面を示しており、横軸は半導体層２１の結晶方位＜０１０＞を示し、縦軸は半導体層２１の結晶方位＜００１＞を示している。なお、互いに等価な複数の結晶面のいずれが（１００）面とされてもよい。結晶方位＜０１０＞及び＜００１＞についても同様である。また、図２（ａ）及び図２（ｃ）においては、結晶方位により示される応力の方向毎の、ピエゾ抵抗係数の大きさを、横軸及び縦軸の交点（原点）からの距離により示している。
【００３５】
図２（ａ）及び図２（ｃ）に示すように、ピエゾ抵抗係数は、半導体層２１の、ピエゾ抵抗部１１が設けられ部分（梁部７）における結晶方位に対して、いずれの方向に応力が生じるかにより、値が変化する。具体的には、ピエゾ抵抗係数π１１、π１２は、結晶方位＜０１０＞及び＜００１＞における垂直応力に対しては値が大きくなり、結晶方位＜０１０＞及び＜００１＞に傾斜する方向における垂直応力に対しては値が０となる。一方、ピエゾ抵抗係数π４４は、結晶方位＜０１０＞及び＜００１＞に傾斜した方位、より具体的には、結晶方位＜０１０＞及び＜００１＞に対して４５度で傾斜する方位におけるせん断応力に対して、値が大きくなっている。また、ピエゾ抵抗係数π４４は、結晶方位＜０１０＞及び＜００１＞におけるせん断応力に対しては値が０となっている。
【００３６】
なお、ピエゾ抵抗係数の最大値は、例えば、ｎ型シリコン基板にボロンが注入若しくは拡散されて形成されたピエゾ抵抗部において、π１１＝６．６×１０−１１Ｐａ、π１２＝−１．１．×１０−１１Ｐａ、π４４＝１３８．１×１０−１１Ｐａである。このように、ピエゾ抵抗係数は、π４４がπ１１、π１２よりも非常に大きくなることがある。
【００３７】
図２（ｂ）及び図２（ｄ）は、従来技術のセンサ素子１０３及びセンサ素子３の半導体層２１の結晶面及び結晶方位が、図２（ａ）及び図２（ｂ）における結晶面及び結晶方位と一致するように図示されている。
【００３８】
すなわち、センサ素子１０３において、主面１０３ａは、（１００）面により構成されており、梁部１０７は、結晶方位＜０１０＞又は＜００１＞に平行に形成されている。また、センサ素子３において、主面３ａは、（１００）面により構成されており、梁部７は、結晶方位＜０１０＞及び＜００１＞に対して傾斜して形成されている。より具体的には、梁部７は、結晶方位＜０１０＞及び＜００１＞に対して４５度で傾斜している。
【００３９】
梁部１０７又は梁部７の捩りモーメントは、各断面においてはせん断応力として作用する。従って、梁部１０７又は梁部７の捩り変形によっては、垂直応力に関するピエゾ抵抗係数π１１、π１２に規定される比抵抗の変化は生じない。
【００４０】
従来技術の梁部１０７においては、捩りモーメントによって生じるせん断応力は、結晶方位＜０１０＞及び＜００１＞に平行なものである。すなわち、梁部１０７においては、捩りモーメントによって生じるせん断応力は、せん断応力に関するピエゾ抵抗係数π４４が０となる方向のものである。従って、梁部１０７の捩り変形によっては、ピエゾ抵抗係数π４４に規定される比抵抗の変化も生じない。
【００４１】
一方、本実施形態の梁部７においては、捩りモーメントによって生じるせん断応力は、結晶方位＜０１０＞及び＜００１＞に傾斜したものである。すなわち、梁部７においては、捩りモーメントによって生じるせん断応力は、ピエゾ抵抗係数π４４が大きくなる方向のものである。従って、梁部７の捩り変形は、ピエゾ抵抗係数π４４に規定される比抵抗の変化を生じさせる。
【００４２】
また、梁部７においては、梁部７を伸長又は圧縮させる力によって生じる垂直応力は、結晶方位＜０１０＞及び＜００１＞に傾斜したものである。すなわち、梁部７においては、引張力又は圧縮力によって生じる垂直応力は、ピエゾ抵抗係数π１２、π１２が０となる方向のものである。従って、梁部７の引張変形又は圧縮変形は、ピエゾ抵抗係数π１２、π１２に規定される比抵抗の変化を生じない。
【００４３】
なお、理想的には、以上に説明したように、従来技術の梁部１０７においては捩り変形に伴う比抵抗の変化は生じず、また、本実施形態の梁部７においては引張変形又は圧縮変形に伴う比抵抗の変化は生じない。しかし、実際には、微小な比抵抗の変化が生じる。これは、実際にはピエゾ抵抗部が幅を有すること、ピエゾ抵抗部等を形成する際に位置ずれが生じること等に起因する。ただし、その比抵抗の変化は微小なものであり（例えば数％以下）、誤差として処理することが可能である。
【００４４】
図３は、ピエゾ抵抗部１１に係る回路構成を示す模式図である。
【００４５】
センサ素子３が使用される際には、電極パッド１５を介して、第１配線１４Ａに接続されたピエゾ抵抗部１１に電圧Ｖ０が印加される。これにより第１配線１４Ａに電流が流れる。この電流に対し垂直方向のせん断応力が働くと、電流と垂直方向にせん断応力の大きさに応じた電位差が生じ、この電位差が第２配線１４Ｂから出力電圧Ｖｏｕｔとして取得される。すなわち出力電圧Ｖｏｕｔは、ピエゾ抵抗部１１のせん断変形に伴う比抵抗の変化によって値が変化する。なお、第２配線１４Ｂに電圧が印加され、第１配線１４Ａから出力電圧Ｖｏｕｔが取得されてもよい。
【００４６】
以上の構成を有するセンサ素子３（加速度センサ１）の動作を説明する。
【００４７】
センサ素子３に計測方向における加速度が加えられると、慣性力により、固定部９に対する相対的な加速度が重り部５に加えられる。重り部５の重心Ｇは、梁部７の延びる方向に見て、梁部７に対して偏心している（梁部７の中心線Ｏに対してずれている）ことから、梁部７は、重り部５から捩りモーメントを受けて捩り変形を生じる。梁部７の捩り変形に伴ってピエゾ抵抗部１１も変形を生じる。具体的には、ピエゾ抵抗部１１は、せん断応力が加えられてせん断変形を生じる。
【００４８】
ピエゾ抵抗部１１は、（１００）面により構成された主面３ａにおいて設けられ、また、ピエゾ抵抗部１１が設けられる梁部７は、結晶方位＜０１０＞に対して傾斜する方向に延びている。従って、図２を参照して説明したように、ピエゾ抵抗部１１の比抵抗は、せん断応力に関するピエゾ抵抗係数π４４に規定される比抵抗の変化を生じる。ピエゾ抵抗部１１のせん断変形に伴う比抵抗の変化は、図３を参照して説明したように、出力電圧Ｖｏｕｔの変化として取得される。
【００４９】
図４は、センサ素子３に加えられる加速度と、梁部７の捩れ量（ピエゾ抵抗部１１の抵抗値の変化量）との関係を示している。
【００５０】
この図に示すように、センサ素子３に加えられる加速度が大きいほど、梁部７の捩れ量が大きくなる。ピエゾ抵抗部１１の抵抗値の変化量は、梁部７の捩れ量に相関しているから、センサ素子３に加えられる加速度が大きいほど、ピエゾ抵抗部１１の抵抗値の変化量も大きくなる。従って、出力電圧Ｖｏｕｔの絶対値から、加速度の絶対値が特定される。
【００５１】
なお、ピエゾ抵抗部１１の抵抗値の変化は、センサ素子３にＸ軸の正方向の加速度が加えられるときと、センサ素子３にＸ軸の負方向の加速度が加えられるときとで同様である。従って、センサ素子３は、加速度の絶対値を検出することは可能であるが、加速度の正負を検出することはできない。
【００５２】
以上の構成を有するセンサ素子３の製造方法を説明する。
【００５３】
センサ素子３は、上述のように、ＳＯＩ基板１７に対して加工を行うことにより形成される。ＳＯＩ基板１７の加工では、まず、ピエゾ抵抗部１１の形成が行われる。具体的には、半導体層２１にイオン注入法により不純物を注入することでピエゾ抵抗からなるピエゾ抵抗部１１が形成される。不純物としては、ｎ型のＳＯＩ基板を用いた場合にはＢ（ボロン）が例示でき、ｐ型のＳＯＩ基板を用いた場合にはＰ（リン）、Ａｓ（ヒ素）などが例示できる。
【００５４】
ピエゾ抵抗部１１の形成後、半導体層２１には、接続線１３及び電極パッド１５が形成される。これらは、金属スパッター、ＣＶＤ、蒸着などによりアルミなどの金属材料を成膜した後、成膜した金属材料をドライエッチング、ウェットエッチングなどによりパターニングすることにより形成される。
【００５５】
次に、ＳＯＩ基板１７の一部を除去する加工により、重り部５、梁部７及び固定部９が形成される。ＳＯＩ基板１７の一部を除去する加工は、例えば、フォトリソグラフィ法や誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング（Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching:ICP-RIE）である。
【００５６】
以上の第１の実施形態によれば、加速度センサ素子３は、固定部９と、一端部が固定部９に連結された梁部７と、梁部７の他端部に連結され、梁部７の延びる方向に見て、重心Ｇが梁部７に対して偏心している重り部５とを有する。また、加速度センサ素子３は、梁部７に設けられ、梁部７の捩り変形に伴って比抵抗が変化するピエゾ抵抗部１１を有する。
【００５７】
従って、新たな原理の加速度センサが提供される。その結果、種々の利益が得られる。例えば、一般に、所定の加速度が加えられた場合において、梁部７における捩り変形は、梁部７における引張変形や圧縮変形よりも変形量が大きい。従って、加速度センサの感度を高くすることができる。また、例えば、せん断応力に関する比抵抗の変化が大きいピエゾ抵抗の特性を利用して、感度が高い加速度センサを構成することができる。なお、感度を高くすることが可能となることは、所定の感度の加速度センサを構成する場合においては、重り部５等を小型化できることを意味する。
【００５８】
加速度センサ素子３は、梁部７の主面３ａに設けられ、梁部７の変形に伴って比抵抗が変化するピエゾ抵抗部１１を有する。梁部７は、（１００）面により主面３ａが形成され、結晶方位＜０１０＞が梁部７の延びる方向に対して傾斜している。従って、図２（ｃ）に示した特性を好適に利用して、梁部７の捩り変形に伴うピエゾ抵抗部の比抵抗の変化を実現できる。
【００５９】
特に、梁部７の結晶方位＜０１０＞の、梁部７の延びる方向に対する傾斜角度は、４５度であることから、せん断応力に関する比抵抗の変化を最大にして、加速度検出に係る感度を向上させることができる。
【００６０】
加速度センサ素子３は、梁部７の延びる方向においてピエゾ抵抗部１１の両端に接続される第１配線１４Ａと、梁部７の延びる方向に直交する方向おいてピエゾ抵抗部１１の両端に接続される第２配線１４Ｂとを有する。従って、簡素な配線構造でピエゾ抵抗部１１のせん断変形に伴う抵抗値の変化を検出することができる。
【００６１】
（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態の加速度センサ素子２０３の平面図である。
【００６２】
なお、センサ素子２０３は、第１の実施形態のセンサ素子３と同様に、それ自体が加速度センサ２０１として捉えられてもよいし、後述する第４の実施形態のように、他の部品と組み合わされて加速度センサとして捉えられてもよい。
【００６３】
センサ素子２０３は、第１の実施形態のセンサ素子３と同様に、梁部７の捩り変形に伴うピエゾ抵抗部１１の比抵抗の変化により、Ｘ軸方向の加速度を検出する１軸加速度計を構成している。
【００６４】
センサ素子３においては、Ｘ軸方向の加速度の正負を検出することができなかった。しかし、センサ素子２０３は、Ｘ軸方向の加速度の正負を検出することができるように構成されている。具体的には、以下のとおりである。
【００６５】
センサ素子２０３は、第１センサ要素２０４Ａ及び第２センサ要素２０４Ｂ（以下、単に「センサ要素２０４」といい、両者を区別しないことがある。）を有している。第１センサ要素２０４Ａは、Ｘ軸方向の加速度の絶対値を検出するためのものであり、第２センサ要素２０４Ｂは、Ｘ軸方向の加速度の正負を判定するためのものである。換言すれば、センサ素子２０３は、第１の実施形態のセンサ素子３に、加速度の正負を判定するための他のセンサ素子を付加した構成となっている。
【００６６】
センサ要素２０４は、第１の実施形態のセンサ素子３と同様に、一端部が固定部２０９に連結された梁部７と、梁部７の他端部に連結され、梁部７の延びる方向に見て、重心Ｇが梁部７に対して偏心している重り部５とを有している。固定部２０９は、２つのセンサ要素２０４に共通に設けられており、例えば、２つのセンサ要素２０４の重り部５を囲む枠状に形成されている。
【００６７】
２つのセンサ要素２０４は、それぞれの梁部７が互いに平行になるように配置されている。重り部５及び梁部７の形状及び大きさは、第１の実施形態のセンサ素子３と概ね同様である。また、梁部７は、第１の実施形態と同様に、計測方向（Ｘ軸方向）に直交する方向（Ｙ軸方向）に延びている。
【００６８】
２つのセンサ要素２０４における、重り部５の重心Ｇの、計測方向及び梁部７の延びる方向に直交する方向（Ｚ軸方向）における位置は、第１の実施形態と同様に、梁部７の中心線Ｏからずれている。従って、センサ素子３に対して計測方向の加速度が加えられると、第１の実施形態と同様に、梁部７には捩りモーメントが加えられる。
【００６９】
また、第１センサ要素２０４Ａの重心Ｇは、第１の実施形態のセンサ素子３と同様に、梁部７に捩り変形が生じていない状態において、計測方向において梁部７の中心線Ｏに一致している。従って、計測方向及び梁部７の延びる方向が水平になるようにセンサ素子２０３を配置した場合、第１センサ要素２０４Ａの梁部７には、重力によっては、捩りモーメントは加えられない。
【００７０】
一方、第２センサ要素２０４Ｂの重心Ｇは、梁部７に捩り変形が生じていない状態において、計測方向において梁部７の中心線Ｏからずれている。従って、計測方向及び梁部７の延びる方向が水平になるようにセンサ素子２０３を配置した場合、第２センサ要素２０４Ｂの梁部７には、重力によって、捩りモーメントが加えられる。そして、梁部７においては、加えられた捩りモーメントと復元モーメントとが釣り合うまで捩り変形が生じる。
【００７１】
上記の釣り合う位置は、梁部７の捩り変形によって重心Ｇが計測方向において中心線Ｏに一致する位置であってもよいし、その手前の位置であってもよい。
【００７２】
第２センサ要素２０４Ｂの重心Ｇは、中心線Ｏに対して、計測方向の正方向及び負方向のいずれ側へずれていてもよい。本実施形態では、計測方向の正方向へずれている場合を例示している。この場合、上記の釣り合い位置における第２センサ要素２０４Ｂの梁部７の捩れの方向は、センサ素子２０３に正方向の加速度を加えることにより生じる捩れの方向と同じ方向である。
【００７３】
なお、第２センサ要素２０４Ｂの重心Ｇは、中心線Ｏに対して、重力方向（Ｚ軸方向）及び計測方向（Ｘ軸方向）にずれている。従って、第２センサ要素２０４Ｂの重心Ｇは、中心線Ｏに対して、第１センサ要素２０４Ａの重心Ｇのずれ方向（所定方向、Ｚ軸方向）に傾斜する方向にずれていることになる。
【００７４】
図６は、センサ素子２０３の動作を説明する図である。
【００７５】
具体的には、図４と同様に、センサ素子２０３に加えられる加速度と梁部７の捩れ量（ピエゾ抵抗部１１の抵抗値の変化量）との関係を示している。実線ＬＡは、第１センサ要素２０４Ａにおける加速度と捩れ量との関係を示し、実線ＬＢは、第２センサ要素２０４Ｂにおける加速度と捩れ量との関係を示している。
【００７６】
第１センサ要素２０４Ａでは、第１の実施形態のセンサ素子３と同様に、加速度が０のときに捩れ量が０となり、加速度の絶対値が大きくなるほど捩れ量が大きくなる。また、捩れ量は、加速度が正のときと、負のときとで同様である。従って、第１センサ要素２０４Ａにおける出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて加速度の絶対値を検出することができる。
【００７７】
一方、第２センサ要素２０４Ｂでは、上述のように、加速度が０のときに比較的微小な捩れが生じている。この捩れの方向は、上述のように、センサ素子２０３に正方向の加速度を加えたときに生じる捩じれの方向と同じ方向である。従って、センサ素子２０３に正方向の加速度が加えられると、捩れ量は増加する。その一方で、センサ素子２０３に負方向の加速度が加えられると、捩れ量は、一旦減少して０となり、その後、増加する。
【００７８】
すなわち、加速度の絶対値が０から上昇するとき（加速度付与時）の加速度の正負により、ピエゾ抵抗部１１の抵抗値の変化が増加又は減少のいずれであるかが異なる。従って、第１センサ要素２０４Ａにおける出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて加速度付与時を検出し、その加速度付与時における、第２センサ要素２０４Ｂの出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて加速度の正負を特定することができる。
【００７９】
なお、第１センサ要素２０４Ａのピエゾ抵抗部１１の抵抗値に基づく加速度付与時の特定においては、出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて算出された加速度に基づいて加速度付与時が特定されてもよいし、出力電圧Ｖｏｕｔの変化から直接的に加速度付与時が特定されてもよい。また、加速度付与時は、加速度の絶対値が０から上昇したときだけでなく、加速度の絶対値が０を含む所定の範囲から上昇したときとされてもよい。
【００８０】
（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態の加速度センサ素子３０３の平面図である。
【００８１】
なお、センサ素子３０３は、第１及び第２の実施形態のセンサ素子と同様に、それ自体が加速度センサ３０１として捉えられてもよいし、後述する第４の実施形態のように、他の部品と組み合わされて加速度センサとして捉えられてもよい。
【００８２】
センサ素子３０３は、第１及び第２の実施形態のセンサ素子と同様に、梁部７の捩り変形に伴うピエゾ抵抗部１１の比抵抗の変化により、加速度を検出するように構成されている。ただし、第１及び第２の実施形態のセンサ素子が１軸加速度計であったのに対し、第３の実施形態のセンサ素子３０３は、３軸加速度計として構成されている。具体的には、以下のとおりである。
【００８３】
センサ素子３０３は、Ｘ軸センサ要素対３０４Ｘ及びＹ軸センサ要素対３０４Ｙ（以下、単に「センサ要素対３０４」といい、両者を区別しないことがある。）を有している。Ｘ軸センサ要素対３０４Ｘは、Ｘ軸方向の加速度の絶対値及び正負を検出するためのものであり、Ｙ軸センサ要素対３０４Ｙは、Ｙ軸方向の加速度の絶対値及び正負を検出するためのものである。また、Ｘ軸センサ要素対３０４Ｘ及びＹ軸センサ要素対３０４Ｙの少なくとも一方は、Ｚ軸方向の加速度の絶対値及び正負の検出に供される。
【００８４】
センサ要素対３０４は、第２の実施形態のセンサ素子２０３と同様に、第１センサ要素２０４Ａ及び第２センサ要素２０４Ｂを有している。換言すれば、センサ素子３０３は、概ね、第２の実施形態のセンサ素子２０３を２つ組み合わせた構成となっている。
【００８５】
Ｘ軸センサ要素対３０４Ｘは、梁部７がＸ軸に平行になるように配置され、Ｙ軸センサ要素対３０４Ｙは、梁部７がＹ軸に平行になるように配置されている。換言すれば、Ｘ軸センサ要素対３０４Ｘ及びＹ軸センサ要素対３０４Ｙは、梁部７が互いに直交するように配置されている。また、Ｘ軸センサ要素対３０４Ｘ及びＹ軸センサ要素対３０４Ｙは、第１センサ要素２０４Ａの重心Ｇのずれ方向（所定方向）が同一（Ｚ軸方向）となるように配置されている。
【００８６】
なお、第３の実施形態では、第２センサ要素２０４Ｂの重り部５の重心Ｇは、第２の実施形態とは逆に、中心線Ｏに対して、計測方向（Ｘ軸センサ要素対３０４ＸではＸ軸方向、Ｙ軸センサ要素対３０４ＹではＹ軸方向）の負方向へずれている。従って、重力によって梁部７に加えられる捩りモーメントと、梁部７の復元モーメントとが釣り合う位置における梁部７の捩れの方向は、正方向の加速度を加えることにより生じる捩れの方向と逆方向である。
【００８７】
固定部３０９は、例えば、Ｘ軸センサ要素対３０４Ｘ及びＹ軸センサ要素対３０４Ｙに共通に設けられている。固定部３０９は、例えば、２つのセンサ要素対３０４がそれぞれ配置される２つの開口を有する枠状に形成されている。換言すれば、第２の実施形態の固定部２０９を２つ連結した形状となっている。
【００８８】
なおＸ軸センサ要素対３０４Ｘの梁部７とＹ軸センサ要素対３０４Ｙの梁部７とは、必ずしも直交している必要はなく、Ｘ軸センサ要素対３０４Ｘの梁部７の延びる方向とＹ軸センサ要素対３０４Ｙの梁部７の延びる方向とが交差する位置関係にあればよい。例えば、Ｘ軸センサ要素対３０４Ｘは、梁部７がＸ軸に平行になるように配置され、Ｙ軸センサ要素対３０４Ｙは、梁部７がＹ軸と所定角度を有するように配置されていてもよい。この場合、センサ素子２０に印加された加速度のうち、Ｙ軸から所定角度方向にベクトル分解された成分を検出することができ、その検出値から逆算することでＹ軸方向の加速度の大きさを求めることができる。
【００８９】
図８は、センサ素子３０３の動作を説明する図表である。
【００９０】
列の項目の「Ｘ１」、「Ｘ２」、「Ｙ１」、「Ｙ２」は、それぞれ、Ｘ軸センサ要素対３０４Ｘの第１センサ要素２０４Ａ、Ｘ軸センサ要素対３０４Ｘの第２センサ要素２０４Ｂ、Ｙ軸センサ要素対３０４Ｙの第１センサ要素２０４Ａ、Ｙ軸センサ要素対３０４Ｙの第２センサ要素２０４Ｂを示している（図７参照）。行の大項目の「Ｘ」、「Ｙ」、「Ｚ」は、センサ素子３０３に加えられる加速度の軸方向を示している。また、行の小項目の「＋」、「−」は、センサ素子３０３に加えられる加速度の正負を示している。図表の中身における「＋」、「−」、「×」は、それぞれ、梁部７の捩れ量の増加、減少、変化なしを示している。
【００９１】
Ｘ軸方向の加速度が加えられた場合、Ｘ軸センサ要素対３０４Ｘにおける捩れ量の変化は、第２の実施形態においてＸ軸方向の加速度が加えられたときのセンサ素子２０３における捩れ量の変化と同様である。
【００９２】
ただし、上述のように、第３の実施形態では、第２の実施形態とは逆に、第２センサ要素２０４Ｂの重り部５の重心Ｇは、計測方向の負方向へずれていることから、捩れ量は、正方向への加速度のときに、一旦減少してから増加する。
【００９３】
また、Ｘ軸方向の加速度は、Ｙ軸センサ要素対３０４Ｙの梁部７の軸方向の加速度であるから、Ｘ軸方向の加速度によっては、Ｙ軸センサ要素対３０４Ｙの梁部７の捩り変形は生じない。
【００９４】
Ｙ軸方向の加速度が加えられた場合における動作は、Ｘ軸センサ要素対３０４Ｘの動作とＹ軸センサ要素対３０４Ｙの動作が入れ替わる以外は、Ｘ軸方向の加速度が加えられた場合と同様である。
【００９５】
Ｚ軸方向の加速度が加えられた場合、重力の作用によって第１センサ要素２０４Ａの梁部７の捩り変形が生じないことと同様に、当該加速度によっては、第１センサ要素２０４Ａの梁部７の捩り変形は生じない。
【００９６】
一方、重力の作用によって第２センサ要素２０４Ｂの梁部７に捩りモーメントが加えられたことと同様に、Ｚ軸方向の加速度によって、第２センサ要素２０４Ｂの梁部７には捩りモーメントが加えられる。
【００９７】
センサ素子３０３に重力方向とは反対側（本実施形態ではＺ軸の正方向）の加速度が加えられたときには、重力が増加したのと同様の作用が生じるから、第２センサ要素２０４Ｂの捩り量は増加する。逆に、センサ素子３０３に重力方向（本実施形態ではＺ軸の負方向）の加速度が加えられたときには、重力が減少し、更には、重力とは逆方向の力が作用するのと同様の作用が生じるから、第２センサ要素２０４Ｂの捩り量は、一旦減少し、その後、増加する。
【００９８】
従って、Ｘ軸センサ要素対３０４Ｘ及びＹ軸センサ要素対３０４Ｙの少なくとも一方における第２センサ要素２０４ＢによってＺ軸方向の加速度の絶対値及び正負を検出できる。具体的には、以下のとおりである。
【００９９】
第１センサ要素２０４Ａのピエゾ抵抗部１１の抵抗値の絶対値に基づいてＸ軸方向又はＹ軸方向の加速度の絶対値が検出されたのと同様に、第２センサ要素２０４Ｂのピエゾ抵抗部１１の抵抗値の絶対値に基づいてＺ軸方向の加速度の絶対値を検出可能である。
【０１００】
なお、Ｚ軸方向の加速度の絶対値の検出においては、加速度が加えられていない状態において第２センサ要素２０４Ｂの梁部７に捩り変形が生じている点が、第１センサ要素２０４ＡによるＸ軸方向又はＹ軸方向の加速度の絶対値の検出と異なる。また、この点に起因して、Ｚ軸方向の加速度が正のときと負のときとでは、加速度の絶対値に対する抵抗値の絶対値（出力電圧Ｖｏｕｔの絶対値）が異なる。
【０１０１】
しかし、これは、単に出力電圧Ｖｏｕｔのオフセット量の設定の問題に過ぎない。すなわち、加速度が加えられていない状態（重力のみによって捩り変形が生じている状態）における出力電圧Ｖｏｕｔと、梁部７に捩り変形が生じていない状態における出力電圧Ｖｏｕｔとの差をオフセット量として求め、そのオフセット量を加速度が加えられたときの出力電圧Ｖｏｕｔに加味すればよい。
【０１０２】
第１センサ要素２０４Ａのピエゾ抵抗部１１の抵抗値は、計測方向（Ｘ軸センサ要素対３０４ＸではＸ軸方向、Ｙ軸センサ要素対３０４ＹではＹ軸方向）以外の加速度によっては変化しない。従って、３軸方向の加速度が組み合わされても、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の加速度の絶対値は正確に検出される。一方、第２センサ要素２０４Ｂのピエゾ抵抗部１１の抵抗値は、Ｚ軸方向の加速度だけでなく、Ｘ軸方向又はＹ軸方向の加速度によっても比抵抗が変化する。
【０１０３】
従って、Ｚ軸方向の加速度の絶対値は、他の軸の加速度の絶対値、又は、当該絶対値に係る検出値によって補正されることが好ましい。例えば、Ｘ軸センサ要素対３０４Ｘの第２センサ要素２０４ＢによってＺ軸方向の加速度の絶対値を検出する場合には、以下のように補正する。
【０１０４】
まず、Ｘ軸センサ要素対３０４Ｘの第２センサ要素２０４Ｂにおける出力電圧Ｖｏｕｔから、Ｘ軸センサ要素対３０４Ｘの第１センサ要素２０４Ａにおける出力電圧Ｖｏｕｔを差し引く。これにより、第２センサ要素２０４Ｂの出力電圧Ｖｏｕｔから、Ｘ軸方向の加速度の影響が除去される。そして、そのＸ軸方向の加速度の影響が除去された出力電圧Ｖｏｕｔに基づいてＺ軸方向の加速度を算出する。
【０１０５】
なお、このような補正を行う場合には、重心Ｇと中心線Ｏとの距離、並びに、梁部７の材質及び断面２次極モーメントが、第１センサ要素２０４Ａ及び第２センサ要素２０４Ｂ間において互いに同一であることが好ましい。また、出力電圧Ｖｏｕｔの差を求める前若しくは後、又は、その双方において、適宜な補正係数が、第１センサ要素２０４Ａ若しくは第２センサ要素２０４Ｂ、又は、その双方の出力電圧Ｖｏｕｔに乗じられてもよい。さらに、出力値（出力電圧Ｖｏｕｔ）そのものではなく、出力値に基づいて算出された加速度やその他の変数について、補正が行われてもよい。
【０１０６】
Ｘ軸方向やＹ軸方向の加速度の正負の検出と同様に、加速度付与時における第２センサ要素２０４Ｂのピエゾ抵抗部１１の抵抗値の変化が増加又は減少のいずれかであるかに基づいて、Ｚ軸方向の加速度の正負を検出できる。
【０１０７】
Ｚ軸方向における加速度付与時の特定は、Ｘ軸方向やＹ軸方向における加速度付与時の特定と同様に、Ｚ軸方向の加速度の絶対値又は当該絶対値の検出に係る検出値に基づいて特定できる。ただし、上述のように、Ｘ軸方向やＹ軸方向における加速度の絶対値は、第１センサ要素２０４Ａにおいて検出されるところ、Ｚ軸方向における加速度の絶対値は、第２センサ要素２０４Ｂにおいて検出される。従って、Ｚ軸方向における加速度付与時は、補正後のＺ軸方向の加速度の絶対値に基づいて特定されることが好ましい。
【０１０８】
なお、第３の実施形態の説明から理解されるように、第２の実施形態のセンサ素子２０３は、２軸加速度計として捉えられることが可能である。
【０１０９】
（第４の実施形態）
図９は、本発明の第４の実施形態に係る加速度センサ４０１を示す模式的な断面図である。
【０１１０】
加速度センサ４０１は、適宜な電子部品（４３１）を含んでモジュール化されている点が第１〜第３の実施形態と相違する。具体的には、以下のとおりである。
【０１１１】
加速度センサ４０１は、第１の実施形態のセンサ素子３、第２の実施形態のセンサ素子２０３、又は、第３の実施形態のセンサ素子３０３を有している。なお、以下の説明では、説明の便宜上、加速度センサ４０１のセンサ素子、及び、センサ素子の構成部分には、第１の実施形態のセンサ素子３、及び、センサ素子３の構成部分の符号を代表して付す。
【０１１２】
加速度センサ４０１は、さらに、センサ素子３を収容するケース４３３と、ケース４３３に取り付けられた蓋体４３５と、ケース４３３に保持されるＩＣ４３１とを有している。ＩＣ４３１は、本発明の演算部の一例である。
【０１１３】
ケース４３３は、例えば、第１基板４３７Ａ〜第５基板４３７Ｅが積層されて構成されている。そして、第１基板４３７Ａ及び第２基板４３７Ｂに孔部が形成されることにより、ケース４３３の一方側には、センサ素子３が収容される第１収容空間４３９が形成されている。また、第４基板４３７Ｄ及び第５基板４３７Ｅに孔部が形成されることにより、ケース４３３の他方側には、ＩＣ４３１が収容される第２収容空間４４１が形成されている。
【０１１４】
ケース４３３の蓋体４３５とは反対側の表面には、端子４４３が設けられている。加速度センサ４０１は、例えば、端子４４３が不図示の回路基板等に半田により固定されることにより、回路基板に実装される。
【０１１５】
センサ素子３は、固定部９と第３基板４３７Ｃとが接着剤４４５により接着されることにより、ケース４３３に固定されている。蓋体４３５は、第１収容空間４３９の開口を塞ぐように配置され、接着剤４４７によりケース４３３に固定されている。ＩＣ４３１は、半田４４９により、第３基板４３７Ｃのセンサ素子３とは反対側に実装されている。
【０１１６】
センサ素子３とＩＣ４３１とは電気的に接続されている。具体的には、センサ素子３の電極パッド１５は、ボンディングワイヤ４５１により、第２基板４３７Ｂに設けられた電極４５３に接続されている。そして、電極４５３は、ケース４３３に形成されたビア導体等の配線導体４５５、及び、半田４４９を介してＩＣ４３１に接続されている。また、ＩＣ４３１は、配線導体４５５を介して端子４４３に接続されている。
【０１１７】
従って、ＩＣ４３１は、センサ素子３に適宜に電圧を印加して出力値（出力電圧Ｖｏｕｔ）を取得し、その出力値に基づく処理を実行し、その処理結果を端子４４３に出力することができる。ＩＣ４３１の処理は、例えば、電極パッド１５から得られる出力値を３軸の加速度に変換する処理である。
【０１１８】
具体的には、加速度センサ４０１のセンサ素子が第１の実施形態のセンサ素子３である場合、ＩＣ４３１は、電極パッド１５の出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて、１軸の加速度の絶対値を算出する。
【０１１９】
また、加速度センサ４０１のセンサ素子が第２の実施形態のセンサ素子２０３である場合、ＩＣ４３１は、第１センサ要素２０４Ａのピエゾ抵抗部１１の抵抗値の絶対値に基づいて、計測方向の加速度の絶対値を算出する。また、ＩＣ４３１は、第１センサ要素２０４Ａのピエゾ抵抗部１１の抵抗値の絶対値に基づいて特定される加速度付与時において、第２センサ要素２０４Ｂのピエゾ抵抗部１１の抵抗値の変化が増加又は減少のいずれであるかに基づいて、計測方向の加速度の正負を判定する。
【０１２０】
また、加速度センサ４０１のセンサ素子が第３の実施形態のセンサ素子３０３である場合、ＩＣ４３１は、Ｘ軸センサ要素対３０４Ｘにおける計測方向（Ｘ軸方向）の加速度の絶対値及び正負、Ｙ軸センサ要素対３０４Ｙにおける計測方向（Ｙ軸方向）の加速度の絶対値及び正負を算出する。また、ＩＣ４３１は、第２センサ要素２０４Ｂのピエゾ抵抗部１１の抵抗値に基づいてＺ軸方向の加速度の絶対値及び正負を算出する。
【実施例】
【０１２１】
次に本発明のセンサ素子の実施例について説明する。図１０（ａ）は、実施例のセンサ素子を示す平面図であり、第１の実施形態にかかるセンサ素子３と同じ構造からなるものである。ただし、梁部７の短手方向と平行方向の重り部５の幅が梁部７の短手方向の幅と同じ寸法のものを用いている（図中、重り部５の位置を点線で示す）。具体的には、ｎ型シリコンのＳＯＩ基板を用いて、梁部７の幅、長さ、厚みがそれぞれ１００μｍ、４００μｍ、５μｍ、重り部の幅、長さ、厚みがそれぞれ、１００μｍ、２００μｍ、３８０μｍからなるセンサ素子を作製した。なおピエゾ抵抗部１１は、ボロン注入により形成したものである。
【０１２２】
一方、比較例として図１０（ｂ）に示すセンサ素子を作製した。図１０（ｂ）に示すセンサ素子は、形状および寸法は図１０（ａ）に示すものと同じであり、梁部と結晶方位との関係のみ図１０（ａ）に示すセンサ素子と異なっている。図１０（ａ）に示すセンサ素子は、主面３ａが単結晶シリコンの（１００）面により構成され、梁部７が結晶方位＜０１０＞及び＜００１＞に対して４５度で傾斜しているのに対し、図１０（ｂ）に示す加速度センサは、その主面が（１００）面により構成され、梁部は結晶方位＜０１０＞に平行に形成されている。したがって図１０に矢印Ｆで示した方向に重り部が力を受けて傾いた場合、図１０（ａ）に示すセンサ素子では、せん断応力に対する抵抗の変化に基づく出力電圧が得られ、図１０（ｂ）に示すセンサ素子では垂直応力に対する抵抗の変化に基づく出力電圧が得られることになる。
【０１２３】
図１０に示す実施例および比較例のセンサ素子を用いて、重り部に矢印Ｆで示す方向に力が印加された状態における出力電圧の測定を行った。ただしこの測定は、センサ素子の固定部を傾斜装置に固定した状態でセンサ素子全体を徐々に傾けていくことによって重り部に重力を作用させ、擬似的に加速度が印加された状態（加速度による力が重り部に印加された状態）において行ったものである。なお出力電圧は、ピエゾ抵抗部に図３と同じ配線を施し、デジタルマルチメーターによって読みとった値である。
【０１２４】
出力電圧の測定結果を図１１に示す。図中、曲線Ａがせん断応力を利用した実施例の加速度センサの出力電圧であり、曲線Ｂが垂直応力を利用した比較例の出力電圧である。
【０１２５】
図１１に示すようにせん断応力を利用した実施例のセンサ素子は、垂直応力を利用した比較例のセンサ素子よりも出力電圧の変化量が大きい。これにより、せん断応力を利用した実施例のセンサ素子は、垂直応力を利用した同サイズの素子センサよりも感度が向上することが確認できた。
【０１２６】
本発明は、以上の実施形態に限定されず、種々の態様で実施されてよい。
【０１２７】
重り部、梁部及び固定部の形状は適宜に設定されてよい。例えば、重り部の形状は、球状や錐体状であってもよい。ただし、重り部の重心（Ｇ）を梁部の中心線（Ｏ）に対して、計測方向において一致させたり、計測方向又は所定方向においてずらしたりすることから、重り部は、重心の位置を特定しやすい形状であることが好ましい。例えば、重り部は、梁部の延びる方向に平行な所定の対称軸に対して、線対称又は回転対称の形状であることが好ましい。
【０１２８】
また、例えば、梁部は、断面形状が台形であってもよい。ただし、重り部と同様の理由により、梁部は中心線を特定しやすい形状であることが好ましい。例えば、梁部は、梁部の延びる方向に平行な所定の対称軸に対して、線対称又は回転対称の形状であることが好ましい。梁部は、重り部の一方側のみに設けられてもよいし、重り部の一方側に設けられる梁部と他方側に設けられる梁部とで形状や大きさが異なっていてもよい。
【０１２９】
梁部の延びる方向は、結晶方位＜０１０＞に対して４５度に傾斜する方向に限定されない。＜０１０＞に対して、３０度、４０度、５０度、６０度等の適宜な角度で傾斜してよい。
【０１３０】
第１配線（１４Ａ）及び第２配線（１４Ｂ）、並びに、電極パッド（１５）は、適宜なパターンとされてよい。例えば、４本の接続線が同一方向に延び、４つの電極パッドが一列に配列されてもよい。
【０１３１】
第２の実施形態では、重力方向（Ｚ軸方向）に見て、重り部５の重心Ｇが梁部７の中心線Ｏに一致する第１センサ要素２０４Ａと、重力方向（Ｚ軸方向）に見て、重り部５の重心Ｇが梁部７の中心線Ｏからずれている第２センサ要素２０４Ｂとが組み合わされた。しかし、重力方向に見て、重心が梁部の中心線からずれた重り部のみを有する加速度センサ素子又は加速度センサが構成されてもよい。
【０１３２】
この場合、例えば、重力方向の加速度が加速度センサ素子に加えられないことが明らかであれば、水平且つ梁部に直交する方向における加速度の絶対値及び正負の判定を一つのセンサ要素のみで行うことができる。又は、水平且つ梁部に直交する方向の加速度が加速度センサ素子に加えられないことが明らかであれば、重力方向における加速度の絶対値及び正負の判定を一つのセンサ要素のみで行うことができる。
【０１３３】
すなわち、ピエゾ抵抗部の抵抗値の絶対値に基づいて、オフセット量を加味して加速度の絶対値を算出できる。また、オフセット量を加味したピエゾ抵抗部の抵抗値の絶対値に基づいて特定される加速度付与時における、ピエゾ抵抗部の抵抗値の変化が、増加及び減少のいずれであるかに基づいて加速度の正負を判定できる。
【０１３４】
複数のセンサ要素が設けられる場合、複数のセンサ要素は、梁部の主面に平行な同一平面上に配置されている必要はない。また、複数のセンサ要素は、一体的に形成される必要もない。同様に、複数のセンサ要素対が設けられる場合、複数のセンサ要素対は、梁部の主面に平行な同一平面上に配置されている必要はないし、一体的に形成される必要はない。ただし、複数のセンサ要素又は複数のセンサ要素対が梁部の主面に平行な同一平面上において一体的に形成されていれば、一枚の半導体ウェハに対する加工により複数のセンサ要素又は複数のセンサ要素対を形成することができ、形成が容易である。
【０１３５】
複数のセンサ要素間、又は、複数のセンサ要素対間において、重り部や梁部等の形状及び大きさは、同一でなくてもよい。ただし、複数のセンサ要素間、又は、複数のセンサ要素対間において、少なくとも各部の厚さ（梁部の主面に直交する方向の大きさ）が同じであれば、半導体ウェハに対する加工において、同一深さのエッチング等が多くなり、加工が容易である。
【図面の簡単な説明】
【０１３６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る加速度センサ素子の平面図及び断面図。
【図２】図１の加速度センサ素子の結晶方位を説明する図。
【図３】図１の加速度センサ素子に係る回路構成を説明する模式図。
【図４】図１の加速度センサ素子の動作を説明する図。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る加速度センサ素子の平面図。
【図６】図５の加速度センサ素子の動作を説明する図。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る加速度センサ素子の平面図。
【図８】図７の加速度センサ素子の動作を説明する図。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る加速度センサの断面図。
【図１０】実施例および比較例の加速度センサ素子の平面図。
【図１１】図１０に示す加速度センサ素子の出力電圧の測定結果を示す図。
【符号の説明】
【０１３７】
１…加速度センサ、３…加速度センサ素子、５…重り部、７…梁部、９…固定部、１１…ピエゾ抵抗部、Ｇ…重心。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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