(57)【要約】【課題】３軸方向の加速度を検出することが可能でかつ容易に製造可能であるとともに小型化、低コスト化および周波数応答性の向上が可能な加速度センサを提供する。【解決手段】  加速度センサ３００は、複数のセンサ素子２０１，２０２，２０３，２０４により構成されるセンサ素子群２００を含む。センサ素子２０１，２０２，２０３，２０４は共通の基板１０１上に異なる向きに形成される。センサ素子２０１，２０２，２０３，２０４はピエゾ抵抗素子を有するカンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４を含む。カンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４は基板１０１の一面から斜め上方に湾曲する。基板１０１は基台１１０上に取り付けられる。基板１０１上に空間が確保されるように基台１１０にケーシング１２０が取り付けられる。【選択図】図１
2010185835.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に異なる向きに設けられた３つ以上の複数のセンサ素子と、
前記複数のセンサ素子により検出された情報に基づいて互いに直交する３軸方向の加速度の値を出力する出力部とを備え、
前記複数のセンサ素子の各々は、
前記基板の一面から斜め上方に湾曲するように形成されたカンチレバーと、
前記カンチレバーの変形により変化する抵抗値を有する抵抗部とを有し、
前記複数のセンサ素子のカンチレバーが変形可能なように前記基板上に前記複数のセンサ素子を含む空間が形成され、
前記出力部は、
前記複数のセンサ素子の前記抵抗部の抵抗値の変化に対応する情報を検出する検出部と、
前記検出部により検出された情報を前記３軸方向の加速度の値に変換する変換部とを含むことを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】
前記基板上に順に形成された第１および第２の膜をさらに備え、
前記複数のセンサ素子の各々のカンチレバーは前記第２の膜により形成される支持部および離間部を有し、
前記支持部は前記第１の膜の部分上に形成され、前記離間部下の前記第１の膜の部分が除去され、
前記離間部における前記第２の膜は、第１の格子定数を有する第１の層と、前記第１の格子定数よりも小さな第２の格子定数を有する第２の層とを順に含み、
前記離間部は、前記第１の層の前記第１の格子定数と前記第２の層の前記第２の格子定数との差に起因して前記基板の一面から斜め上方に湾曲することを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
【請求項３】
前記第２の膜は半導体材料からなり、前記第２の層は不純物の添加により導電性および前記第２の格子定数を有し、
前記抵抗部は前記第２の層により形成されることを特徴とする請求項２記載の加速度センサ。
【請求項４】
前記複数のセンサ素子を含む空間を取り囲むケーシングをさらに備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の加速度センサ。
【請求項５】
前記ケーシングの内部が真空状態であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の加速度センサ。
【請求項６】
前記ケーシングの内部に液体が充填されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の加速度センサ。
【請求項７】
基板と、
前記基板上に設けられた複数組のセンサ素子群とを備え、
前記複数組のセンサ素子群の各々は、前記基板上に異なる向きに設けられた３つ以上の複数のセンサ素子を含み、
前記複数のセンサ素子の各々は、
前記基板の一面から斜め上方に湾曲するように形成されたカンチレバーと、
前記カンチレバーの変形により変化する抵抗値を有する抵抗部とを有し、
前記複数のセンサ素子のカンチレバーが変形可能なように前記基板上に前記複数のセンサ素子を含む空間が形成され、
前記複数組のセンサ素子群の複数のセンサ素子のカンチレバーの共振周波数が前記複数組の間で異なることを特徴とする加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３軸方向の加速度を検出することができる加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、カンチレバー（片持ち梁）を用いた種々の加速度センサが提案されている。例えば、特許文献１および２には、半導体加工技術によりシリコンウエハにカンチレバーを形成する半導体加速度センサの製造方法が記載されている。
【０００３】
特許文献１および２に記載された方法では、シリコンウエハ上に酸化シリコン膜を形成し、カンチレバーを形成すべき部分（以下、カンチレバー形成部分と呼ぶ）の周囲の酸化シリコン膜の領域をその根元の部分を除いて除去する。そして、カンチレバー形成部分の上に金属製のおもりを形成し、カンチレバー形成部分の下部のシリコンウエハを除去することによりシリコンウエハに凹部を形成する。これにより、シリコンウエハの凹部内に酸化シリコン膜からなるカンチレバーが形成される。カンチレバーの根元には、ピエゾ抵抗体が形成される。
【０００４】
このようにして製造された半導体加速度センサでは、カンチレバーがシリコンウエハの表面に平行な状態で支持されている。シリコンウエハの表面に垂直な方向の加速度が作用した場合に、カンチレバーが上下に撓む。それにより、ピエゾ抵抗体の抵抗値が変化する。ピエゾ抵抗体の抵抗値の変化を検出することにより加速度が検出される。すなわち、特許文献１および２に記載された半導体加速度センサは、１軸方向の加速度を検出する１軸加速度センサである。
【０００５】
一方、特許文献３には、三次元加速度センサが記載されている。特許文献３に記載された三次元加速度センサにおいては、単結晶シリコン板を加工することにより同一平面に沿って十字状の連結部が形成されるとともに、連結部の中心から点対称に延びる４個のカンチレバー部が形成され、これらのカンチレバー部の下面の端部に質量部がそれぞれ設けられる。質量部の重心点はカンチレバー部の下方にずらされている。この場合、加速度の方向によって４個の質量部の変位がそれぞれ異なる。それにより、三次元の加速度を検出ことができる。すなわち、特許文献３に記載された三次元加速度センサは、３軸方向の加速度を検出する３軸加速度センサである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−４６２１７号
【特許文献２】特開平６−２８３７２６号
【特許文献３】特開平５−２６４５７７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１および２に記載された半導体加速度センサを３個互いに９０度異なる向きに組み合わせることにより、３軸方向の加速度を検出することが可能となる。しかしながら、３個の半導体加速度センサを９０度異なる向きに組み合わて共通のシリコンウエハ上に形成することは非常に困難である。
【０００８】
一方、特許文献３に記載された三次元加速度センサでは、十字状の連結部および４個のカンチレバーが同一平面上に形成され、各カンチレバーの下面に質量部が設けられている。しかしながら、このような構造を有する三次元加速度センサを単結晶シリコン板を加工することにより製造することは容易ではない。
【０００９】
本発明の目的は、３軸方向の加速度を検出することが可能でかつ容易に製造可能な加速度センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）第１の発明に係る加速度センサは、基板と、基板上に異なる向きに設けられた３つ以上の複数のセンサ素子と、複数のセンサ素子により検出された情報に基づいて互いに直交する３軸方向の加速度の値を出力する出力部とを備え、複数のセンサ素子の各々は、基板の一面から斜め上方に湾曲するように形成されたカンチレバーと、カンチレバーの変形により変化する抵抗値を有する抵抗部とを有し、複数のセンサ素子のカンチレバーが変形可能なように基板上に複数のセンサ素子を含む空間が形成され、出力部は、複数のセンサ素子の抵抗部の抵抗値の変化に対応する情報を検出する検出部と、検出部により検出された情報を３軸方向の加速度の値に変換する変換部とを含むものである。
【００１１】
本発明に係る加速度センサにおいては、３つ以上の複数のセンサ素子が基板上に異なる向きに設けられる。複数のセンサ素子の各々において、基板の一面から斜め上方に湾曲するようにカンチレバーが形成される。複数のセンサ素子のカンチレバーが変形可能なように基板上に複数のセンサ素子を含む空間が形成される。
【００１２】
加速度センサに加速度が作用すると、カンチレバーが変形する。それにより、抵抗部の抵抗値が変化する。出力部の検出部により複数のセンサ素子の抵抗部の抵抗値の変化に対応する情報が検出される。検出部により検出された情報が変換部の演算により３軸方向の加速度の値に変換される。
【００１３】
基板の一面から斜め上方に湾曲するカンチレバーは、基板に平行な方向および基板に垂直な方向の加速度により変形する。したがって、基板上の同一平面上に異なる向きに３つ以上のカンチレバーが形成されることにより、互いに直交する３軸方向の加速度を検出することが可能となる。
【００１４】
この場合、基板の同一平面上に３つ以上のカンチレバーが形成されるので、基板上に３つ以上のセンサ素子を容易に作製することができる。また、加速度センサの動作周波数帯域を各カンチレバーの共振周波数を除く領域に設定することにより、加速度センサの動作周波数帯域を広くすることが可能となる。
【００１５】
（２）加速度センサは、基板上に順に形成された第１および第２の膜をさらに備え、複数のセンサ素子の各々のカンチレバーは第２の膜により形成される支持部および離間部を有し、支持部は第１の膜の部分上に形成され、離間部下の第１の膜の部分が除去され、離間部における第２の膜は、第１の格子定数を有する第１の層と、第１の格子定数よりも小さな第２の格子定数を有する第２の層とを順に含み、離間部は、第１の層の第１の格子定数と第２の層の第２の格子定数との差に起因して基板の一面から斜め上方に湾曲してもよい。
【００１６】
この場合、カンチレバーの支持部は第１の膜の部分上に形成され、離間部下の第１の膜は除去されている。それにより、離間部は基板の一面から離間している。離間部の第２の層の格子定数が第１の層の第１の格子定数よりも小さいので、離間部が第１の層の第１の格子定数と第２の層の第２の格子定数との差に起因して基板の一面から斜め上方に湾曲する。
【００１７】
このように、第１の格子定数と第２の格子定数との差に起因する歪を緩和するように離間部が自律的に基板の一面から斜め上方に湾曲するので、基板の一面から斜め上方に湾曲するカンチレバーを容易に形成することができる。
【００１８】
この場合、各カンチレバーを小さく形成することができるので、加速度センサの小型化および低コスト化が可能となる。
【００１９】
（３）第２の膜は半導体材料からなり、第２の層は不純物の添加により導電性および第２の格子定数を有し、抵抗部は第２の層により形成されてもよい。
【００２０】
この場合、加速度によりカンチレバーの離間部が変形すると、第２の層の抵抗値が変化する。それにより、カンチレバーの変形を検出することができる。このように、カンチレバーの離間部の第２の層は、カンチレバーを湾曲させるために用いられるとともに、加速度によるカンチレバーの変形を検出するために用いられる。したがって、カンチレバーの構造を簡素化することができるとともに、カンチレバーを容易に形成することができる。
【００２１】
（４）加速度センサは、複数のセンサ素子を含む空間を取り囲むケーシングをさらに備えてもよい。この場合、各カンチレバーの変形を可能とする空間を確保することができる。
【００２２】
（５）ケーシングの内部が真空状態であってもよい。この場合、カンチレバーが外部の温度の影響を受けることが防止される。その結果、外部の温度により測定結果が変動することが防止される。
【００２３】
（６）ケーシングの内部に液体が充填されてもよい。この場合、液体がカンチレバーの高周波振動に対するダンパとして働く。それにより、加速度センサによる低周波振動の測定の際に、カンチレバーが高い周波数で振動することが防止される。したがって、低周波振動を高い精度で測定することが可能となる。
【００２４】
また、ケーシングの内部の液体によりカンチレバーが外部の圧力および外部の温度の影響を受けることが防止される。その結果、外部の圧力または外部の温度により測定結果が変動することが防止される。
【００２５】
（７）第２の発明に係る加速度センサは、基板と、基板上に設けられた複数組のセンサ素子群とを備え、複数組のセンサ素子群の各々は、基板上に異なる向きに設けられた３つ以上の複数のセンサ素子を含み、複数のセンサ素子の各々は、基板の一面から斜め上方に湾曲するように形成されたカンチレバーと、カンチレバーの変形により変化する抵抗値を有する抵抗部とを有し、複数のセンサ素子のカンチレバーが変形可能なように基板上に複数のセンサ素子を含む空間が形成され、複数組のセンサ素子群の複数のセンサ素子のカンチレバーの共振周波数が複数組の間で異なるものである。
【００２６】
本発明に係る加速度センサにおいては、基板上に複数組のセンサ素子群が設けられる。各組のセンサ素子群は、基板上に異なる向きに設けられる３つ以上の複数のセンサ素子を含む。複数のセンサ素子の各々において、基板の一面から斜め上方に湾曲するようにカンチレバーが形成される。複数のセンサ素子のカンチレバーが変形可能なように基板上に複数のセンサ素子を含む空間が形成される。
【００２７】
加速度センサに加速度が作用すると、カンチレバーが変形する。それにより、抵抗部の抵抗値が変化する。したがって、各カンチレバーの抵抗部の抵抗値の変化に基づいて３軸方向の加速度の値を算出することができる。
【００２８】
基板の一面から斜め上方に湾曲するカンチレバーは、基板に平行な方向および基板に垂直な方向の加速度により変形する。したがって、基板上の同一平面上に異なる向きに３つ以上のカンチレバーが形成されることにより、互いに直交する３軸方向の加速度を検出することが可能となる。
【００２９】
この場合、基板の同一平面上に３つ以上のカンチレバーが形成されるので、基板上に３つ以上のセンサ素子を容易に作製することができる。また、カンチレバーの共振周波数が複数組の間で異なるので、特定の周波数成分の振動を抽出することが可能となる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、３軸方向の加速度を検出することが可能であり、かつ製造が容易である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る加速度センサの斜視図である。
【図２】図１の加速度センサの横断面図である。
【図３】図２の加速度センサの縦断面図である。
【図４】本実施の形態に係る加速度センサの製造方法の一例を示す工程図である。
【図５】本実施の形態に係る加速度センサの製造方法の一例を示す工程図である。
【図６】本実施の形態に係る加速度センサの製造方法の一例を示す工程図である。
【図７】本実施の形態に係る加速度センサの製造方法の一例を示す工程図である。
【図８】本実施の形態に係る加速度センサの製造方法の一例を示す工程図である。
【図９】本実施の形態に係る加速度センサの製造方法の一例を示す工程図である。
【図１０】図１〜図３の加速度センサのセンサ素子群およびその出力回路の一例を示すブロック図である。
【図１１】カンチレバーに接続される出力回路の部分を示す回路図である。
【図１２】加速度センサの動作を説明するための図である。
【図１３】加速度センサの出力値およびＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の加速度の例を示す図である。
【図１４】本発明の第２の実施の形態に係る加速度センサの縦断面図である。
【図１５】本発明の第３の実施の形態に係る加速度センサの横断面図である。
【図１６】本発明の第４の実施の形態に係る加速度センサの横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態に係る加速度センサについて図面を参照しながら説明する。
【００３３】
（１）加速度センサの構成
図１は本発明の一実施の形態に係る加速度センサの斜視図、図２は図１の加速度センサの横断面図、図３は図１の加速度センサの縦断面図である。
【００３４】
図１〜図３に示される加速度センサ３００は、センサ素子群２００を含む。センサ素子群２００は、３つ以上の複数のセンサ素子２０１，２０２，２０３，２０４により構成される。本実施の形態では、センサ素子群２００は、４つのセンサ素子２０１，２０２，２０３，２０４により構成される。
【００３５】
センサ素子２０１，２０２，２０３，２０４は、それぞれカンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４を含む。センサ素子２０１，２０２，２０３，２０４は、共通の基板１０１上に形成される。センサ素子群２００の大きさは、例えば１ｍｍ程度と小さい。
【００３６】
以下、基板１０１の表面に平行で互いに直交する２つの方向にＸ軸およびＹ軸を定義し、基板１０１の表面に垂直な方向にＺ軸を定義する。図面において、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を示す矢印の方向を＋Ｘ軸方向、＋Ｙ軸方向および＋Ｚ軸方向と呼び、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を示す矢印と逆の方向を−Ｘ軸方向、−Ｙ軸方向および−Ｚ軸方向と呼ぶ。基板１０１の表面に向かう方向をＺ軸の正の方向とする。
【００３７】
センサ素子２０１のカンチレバーＣＬ１とセンサ素子２０３のカンチレバーＣＬ３とが互いに対向し、センサ素子２０２のカンチレバーＣＬ２とセンサ素子２０４のカンチレバーＣＬ４とが互いに対向する。また、センサ素子２０１，２０３とセンサ素子２０２，２０４とは互いに直交する向きに配置されている。
【００３８】
本実施の形態においては、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３がＸ軸方向に沿うようにセンサ素子２０１，２０３が配置され、カンチレバーＣＬ３，ＣＬ４がＹ軸方向に沿うようにセンサ素子２０２，２０４が配置されている。
【００３９】
基板１０１は基台１１０上に取り付けられる。基台１１０は、アルミニウム、銅等の金属により形成されてもよく、シリコン等の半導体により形成されてもよく、樹脂等の絶縁体により形成されてもよい。基板１０１上に空間が確保されるように基台１１０にケーシング１２０が取り付けられる。それにより、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４が変形可能となっている。ケーシング１２０は、アルミニウム、銅等の金属により形成されてもよく、樹脂等の絶縁体により形成されてもよい。基板１０１には、後述する周辺回路の一部または全てが形成されてもよい。本実施の形態では、ケーシング１２０の内部空間が真空状態にされている。
【００４０】
（２）加速度センサ１００の製造方法の一例
図４〜図９は本実施の形態に係る加速度センサ１００の製造方法の一例を示す工程図であり、（ａ）は模式的断面図、（ｂ）は模式的平面図である。図４〜図９は、加速度センサ２００に含まれる１つのセンサ素子２０１の部分のみが示されるが、他のセンサ素子２０２，２０３，２０４も同時に同様の方法で形成される。
【００４１】
まず、図４に示すように、ＳＯＩ（Silicon On Insulator：絶縁体上シリコン）基板１０００を用意する。ＳＯＩ基板１０００は、例えば、結晶シリコンからなる基板１０１、埋め込み酸化膜１０２および結晶シリコン膜１０３を有する。結晶シリコン膜１０３の厚さは、例えば２００ｎｍである。埋め込み酸化膜１０２は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる。
【００４２】
次に、図５に示すように、熱拡散またはイオン注入により結晶シリコン膜１０３の略Ｕ字状領域にホウ素（Ｂ）を添加する。これにより、結晶シリコン膜１０３に、略Ｕ字状のｐ型ドープ層１０３ａが形成される。略Ｕ字状のｐ型ドープ層１０３ａは、互いに平行に延びる一対の脚部とこれらの脚部を連結する連結部とからなる。ｐ型ドープ層１０３ａの厚さは、例えば１００ｎｍである。また、ｐ型ドープ層１０３ａにおけるホウ素の濃度は、例えば０．２原子％（１０２０／ｃｍ３）である。
【００４３】
次に、図６に示すように、略Ｕ字状のｐ型ドープ層１０３ａの一対の脚部を覆うように結晶シリコン膜１０３上に、フォトリソグラフィおよび低圧ＣＶＤ（化学的気相堆積法）により、一対の開口部１０５を有するＳｉＮ（窒化シリコン）からなる絶縁層１０４を形成する。絶縁層１０４の一対の開口部１０５はｐ型ドープ層１０３ａの一対の脚部に重なるように設けられる。それにより、一対の開口部１０５内でｐ型ドープ層１０３ａの一部が露出する。
【００４４】
さらに、図７に示すように、フォトリソグラフィおよび真空蒸着法により、一対の開口部１０５を含む絶縁層１０４の領域上にＣｒ（クロム）／Ａｕ（金）からなる一対の矩形の電極１０６を形成するとともに、結晶シリコン膜１０３上に、ｐ型ドープ層１０３ａに並ぶようにＣｒからなる略矩形状のたわみ制御層１０７を形成する。
【００４５】
次に、図８に示すように、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、絶縁層１０４下の領域を除いて、略Ｕ字状のｐ型ドープ層１０３ａおよび略矩形状のたわみ制御層１０７の周囲における結晶シリコン膜１０３の領域を除去する。たわみ制御層１０７、ｐ型ドープ層１０３ａの連結部、およびそれらの下の結晶シリコン膜１０３の部分が後述するカンチレバーＣＬ１となる。なお、エッチングとしては、例えばウェットエッチング法を用いることができる。エッチング液としては、例えば２，６−ヒドロキシナフトエ酸（ＨＮＡ）を用いることができる。
【００４６】
次に、図９に示すように、エッチングによりカンチレバーＣＬ１の下の埋め込み酸化膜１０２の領域を除去する。エッチング液としては、例えば、フッ化水素（ＨＦ）を用いることができる。
【００４７】
ここで、上述したように、ｐ型ドープ層１０３ａは、結晶シリコン膜１０３にホウ素を添加することにより形成されている。また、ｐ型ドープ層１０３ａにおけるホウ素の濃度は、０．２原子％（１０２０／ｃｍ３）に設定されている。これにより、ｐ型ドープ層１０３ａの格子定数は、シリコン（Ｓｉ）の格子定数（約５．４２９５Å）に比べて約０．００２８Å小さくなっている。
【００４８】
この場合、結晶シリコン膜１０３とｐ型ドープ層１０３ａとの境界面において格子定数の差に起因して歪みが発生する。そのため、埋め込み酸化膜１０２の上記の領域を除去した場合、上記境界面の歪みを緩和するように、図９に示すようにｐ型ドープ層１０３ａの一端側の部分がその下の結晶シリコン膜１０３の領域とともにヒンジ部となって上方に向かって湾曲する。これにより、ＸＹ平面において略矩形状でかつ基板１０１の一面から斜め上方に湾曲するようにカンチレバーＣＬ１が形成される。カンチレバーＣＬ１は支持部Ｓおよび離間部Ｒからなる。支持部Ｓが埋め込み酸化膜１０２上に支持され、離間部Ｒ下の埋め込み酸化膜１０２が除去される。
【００４９】
なお、例えば、カンチレバーＣＬ１のヒンジ部におけるＸＺ平面における曲率半径は約４００μｍであり、カンチレバーＣＬ１の長手方向の長さは約６００μｍである。また、結晶シリコン膜１０３とｐ型ドープ層１０３ａとの間に発生する歪みは、例えば、約５×１０−４である。
【００５０】
このようにして、カンチレバーＣＬ１を有するセンサ素子２０１が作製される。センサ素子２０１においては、略Ｕ字形状を有するｐ型ドープ層１０３ａの一対の脚部に電極１０６がそれぞれ形成されている。これにより、ｐ型ドープ層１０３ａをピエゾ抵抗素子として機能させることができる。
【００５１】
次に、図９の状態で、水洗浄、ＩＰＡ（イソプロピルアルコール）置換、およびｔ−ブチルアルコール置換を行う。その後、フリーズドライ（真空凍結乾燥）を行う。
【００５２】
その後、図１に示すように、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４が形成された基板１０１を基台１１０上に取り付け、基台１１０にケーシング１２０を取り付ける。
【００５３】
（３）加速度センサ３００の出力回路
図１０は図１〜図３の加速度センサ３００のセンサ素子群２００およびその出力回路の一例を示すブロック図である。
【００５４】
図１０に示すように、センサ素子群２００は、４つのセンサ素子２０１〜２０４を含む。出力回路は、ブリッジ回路部２１０、増幅部２２０、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換部２３０および演算回路２４０を有する。
【００５５】
ブリッジ回路部２１０は、センサ素子２０１〜２０４に対応するブリッジ回路２１１〜２１４を含む。増幅部２２０は、センサ素子２０１〜２０４に対応する増幅器２２１〜２２４を含む。Ａ／Ｄ変換部２３０は、センサ素子２０１〜２０４に対応するＡ／Ｄ変換器２３１〜２３４を含む。
【００５６】
センサ素子２０１〜２０４の一対の電極１０６にブリッジ回路２１１〜２１４がそれぞれ接続される。ブリッジ回路２１１〜２１４に、増幅器２２１〜２２４がそれぞれ接続される。増幅器２２１〜２２４に、Ａ／Ｄ変換器２３１〜２３４がそれぞれ接続される。Ａ／Ｄ変換器２３１〜２３４の出力値Ｓａ〜Ｓｄは演算回路２４０に与えられる。
【００５７】
ブリッジ回路部２１０、増幅部２２０、Ａ／Ｄ変換部２３０および演算回路２４０のうち一部または全てが図１〜図３の基板１０１に形成されてもよい。例えば、ブリッジ回路部２１０のみが基板１０１に形成され、増幅部２２０、Ａ／Ｄ変換部２３０および演算回路２４０が外部装置に設けられてもよい。また、ブリッジ回路部２１０、増幅部２２０およびＡ／Ｄ変換部２３０が基板１０１に形成され、演算回路２４０が外部装置に設けられてもよい。この場合には、演算回路２４０としてパーソナルコンピュータ等を用いることができる。
【００５８】
図１１はカンチレバーＣＬ１に接続される出力回路の部分を示す回路図である。図１１に示すように、カンチレバーＣＬ１の一対の電極１０６には、外部抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３が接続され、カンチレバーＣＬ１、外部抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３および直流電源Ｅによりブリッジ回路２１１が構成されている。ブリッジ回路２１１の出力電圧は増幅器２２１に与えられ、増幅器２２１の出力電圧がＡ／Ｄ変換器２３１に入力される。
【００５９】
ここで、カンチレバーＣＬ１のヒンジ部の変形によりｐ型ドープ層１０３ａのピエゾ抵抗が変化する。このピエゾ抵抗の変化量がブリッジ回路２１１および増幅器２２１により電圧の変化として検出される。さらに、増幅器２２１の出力電圧がＡ／Ｄ変換器２３１によりデジタル信号の出力値Ｓａに変換される。
【００６０】
他のカンチレバーＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４に接続されるブリッジ回路２１２，２１３，２１４も図１１のブリッジ回路２１１と同様の構成を有する。
【００６１】
後述するように、４つのセンサ素子２０１〜２０４に対応する出力値Ｓａ〜Ｓｄを用いてＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の加速度を検出することができる。
【００６２】
（４）加速度センサの動作
図１２は加速度センサ３００の動作を説明するための図である。
【００６３】
図１２（ａ）〜（ｃ）に示すように、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３は、基板１０１の上面から斜め上方に湾曲している。カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３は、一端側が対向するように配置されている。
【００６４】
図１２（ａ）に示すように、＋Ｘ軸方向に加速度ａが生じている場合、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３には−Ｘ軸方向の慣性力Ｆが働く。カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３の質量をｍとすると、Ｆ＝ｍａである。それにより、カンチレバーＣＬ１は曲率半径が小さくなるように変形し、カンチレバーＣＬ３は曲率半径が大きくなるように変形する。
【００６５】
図１２（ｂ）に示すように、−Ｘ軸方向に加速度ａが生じている場合、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３には＋Ｘ軸方向の慣性力Ｆが働く。それにより、カンチレバーＣＬ１は曲率半径が大きくなるように変形し、カンチレバーＣＬ３は曲率半径が小さくなるように変形する。
【００６６】
図１２（ｃ）に示すように、−Ｚ軸方向に加速度ａが生じている場合、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３には＋Ｚ軸方向の慣性力Ｆが働く。それにより、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３は曲率半径が大きくなるように変形する。
【００６７】
他のカンチレバーＣＬ２，ＣＬ４の動作は、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３の動作と同様である。
【００６８】
そのため、加速度ａが＋Ｘ軸方向に生じた場合と加速度ａが−Ｘ軸方向に生じた場合とでは、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３のｐ型ドープ層１０３ａのピエゾ抵抗の変化の方向（増加する方向または減少する方向）が逆になる。また、加速度ａが＋Ｙ軸方向に生じた場合と加速度ａが−Ｙ軸方向に生じた場合とでは、カンチレバーＣＬ２，ＣＬ４のｐ型ドープ層１０３ａのピエゾ抵抗の変化の方向（増加する方向または減少する方向）が逆になる。さらに、加速度ａが＋Ｚ軸方向および−Ｚ軸方向に生じた場合は、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４のｐ型ドープ層１０３ａのピエゾ抵抗の変化の方向が同じになる。つまり、ピエゾ抵抗の変化の方向および変化量を検出することにより、加速度ａの方向および大きさを検出することができる。
【００６９】
（５）加速度センサの出力値とＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の加速度との関係
加速度センサ３００のセンサ素子２０１，２０２，２０３，２０４に対応する出力値Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，ＳｄとＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の加速度ａｘ，ａｙ，ａｚとは次の関係を有する。
【００７０】
ａｘ＝ｋ１・（Ｓａ−Ｓｃ）
ａｙ＝ｋ２・（Ｓｂ−Ｓｄ）
ａｚ＝ｋ３・（Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ＋Ｓｄ）
上式において、ｋ１、ｋ２およびｋ３は係数である。係数ｋ１，ｋ２，ｋ３は、製造時に、加速度センサ３００にＸ軸方向の加速度ａｘ、Ｙ軸方向の加速度ａｙおよびＺ軸方向の加速度ａｚを作用させた場合のセンサ素子２０１，２０２，２０３，２０４に対応する出力値Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄを測定することにより、上式から算出される。
【００７１】
図１３は加速度センサ群２００の出力値Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，ＳｄおよびＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の加速度ａｘ，ａｙ，ａｚの例を示す図である。
【００７２】
図１３において、期間Ｔ１では、＋Ｘ軸方向に加速度が生じている。この場合、出力値Ｓａが正の値となり、出力値Ｓｃが負の値となり、出力値Ｓｂ，Ｓｄが０となる。上式より、Ｘ軸方向の加速度ａｘは正の値となり、Ｙ軸方向の加速度ａｙおよびＺ軸方向の加速度ａｚは０となる。期間Ｔ２では、−Ｘ軸方向に加速度が生じている。この場合、出力値Ｓａが負の値となり、出力値Ｓｃが正の値となり、出力値Ｓｂ，Ｓｄが０となる。上式より、Ｘ軸方向の加速度ａｘは負の値となり、Ｙ軸方向の加速度ａｙおよびＺ軸方向の加速度ａｚは０となる。
【００７３】
期間Ｔ３では、＋Ｙ軸方向に加速度が生じている。この場合、出力値Ｓｂが正の値となり、出力値Ｓｄが負の値となり、出力値Ｓａ，Ｓｃが０となる。上式より、Ｙ軸方向の加速度ａｙは正の値となり、Ｘ軸方向の加速度ａｘおよびＺ軸方向の加速度ａｚは０となる。期間Ｔ４では、−Ｙ軸方向に加速度が生じている。この場合、出力値Ｓｂが負の値となり、出力値Ｓｄが正の値となり、出力値Ｓａ，Ｓｃが０となる。上式より、この場合、Ｙ軸方向の加速度ａｙが負の値となり、Ｘ軸方向の加速度ａｘおよびＺ軸方向の加速度ａｚは０となる。
【００７４】
期間Ｔ５では、＋Ｚ軸方向に加速度が生じている。この場合、出力値Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄが正の値となる。上式より、Ｚ軸方向の加速度ａｚが正の値となり、Ｘ軸方向の加速度ａｘおよびＹ軸方向の加速度ａｙは０となる。期間Ｔ６では、−Ｚ軸方向に加速度が生じている。この場合、出力値Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄが負の値となる。上式より、Ｚ軸方向の加速度ａｚが負の値となり、Ｘ軸方向の加速度ａｘおよびＹ軸方向の加速度ａｙは０となる。
【００７５】
期間Ｔ７では、ＸＹ平面内で＋Ｘ軸方向および＋Ｙ軸方向から約４５度の方向に加速度が生じている。この場合、出力値Ｓａ，Ｓｂが正の値となり、出力値Ｓｃ，Ｓｄが負の値となる。上式より、Ｘ軸方向の加速度ａｘおよびＹ軸方向の加速度ａｙが正の値となり、Ｚ軸方向の加速度ａｚが０となる。
【００７６】
（６）実施の形態の効果
本実施の形態に係る加速度センサ３００によれば、Ｘ軸方向の加速度ａｘ、Ｙ軸方向の加速度ａｙおよびＺ軸方向の加速度ａｚが検出される。それにより、任意の方向の加速度の大きさおよび向きを検出することができる。
【００７７】
この場合、基板１０１の同一平面上に４つのカンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４が形成されるので、基板１０１上に４つのセンサ素子２０１，２０２，２０３，２０４を容易に作製することができる。また、各カンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４の離間部Ｒの重心点が基板１０１の一面に対してカンチレバーのＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４の支持部Ｓとは異なる高さにあるので、各カンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４に大きな質量部を設ける必要がない。したがって、各センサ素子２０１，２０２，２０３，２０４を小型化することが可能になる。また、各カンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４のサイズおよび形状を任意に調整することができるので、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４の共振周波数を任意に調整することができる。加速度センサ３００の動作周波数帯域をカンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４の共振周波数を除く領域に設定することにより、加速度センサ３００の動作周波数帯域を広くすることが可能となる。
【００７８】
また、結晶シリコン膜１０３の格子定数とｐ型ドープ層１０３ａの格子定数との差に起因する歪を緩和するように離間部Ｒが自律的に基板１０１の一面から斜め上方に湾曲するので、基板１０１の一面から斜め上方に湾曲するカンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４を容易に形成することができる。
【００７９】
さらに、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４の離間部Ｒのｐ型ドープ層１０３ａは、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４を湾曲させるために用いられるとともに、加速度によるカンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４の変形を検出するためのピエゾ抵抗素子として用いられる。したがって、センサ素子２０１，２０２，２０３，２０４の構造を簡素化することができるとともに、センサ素子２０１，２０２，２０３，２０４を容易に形成することができる。
【００８０】
また、基台１１０上に複数のセンサ素子２０１，２０２，２０３，２０４を含む空間を取り囲むケーシング１２０が設けられている。この場合、各カンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４の変形を可能とする空間を確保することができる。
【００８１】
ここで、振動している物体の加速度は周期的に変化する。したがって、本実施の形態に係る加速度センサ３００を用いると、任意の方向の振動の周波数および周期を検出することもできる。
【００８２】
また、本実施の形態に係る加速度センサ３００では、ケーシング１２０の内部空間が真空状態になっている。それにより、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４が外部の温度の影響を受けることが防止される。その結果、外部の温度により出力値Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄが変動することが防止される。
【００８３】
また、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４の周波数応答性が高くなるので、加速度センサ３００を高周波振動の測定に用いることができる。
【００８４】
（７）第２の実施の形態
図１４は本発明の第２の実施の形態に係る加速度センサの縦断面図である。
【００８５】
図１４の加速度センサ３００においては、ケーシング１２の内部空間に液体１３０が封入されている。液体１３０としては、例えば、反応性の低いシリコンオイルを用いる。
【００８６】
本実施の形態に係る加速度センサ３００においては、液体１３０がカンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４の高周波振動に対するダンパとして働く。それにより、低周波振動の測定の際に、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４が高い周波数で振動することが防止される。したがって、低周波振動を高い精度で測定することが可能となる。
【００８７】
また、ケーシング１２の内部空間に封入された液体１３０によりカンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４が外部の圧力および外部の温度の影響を受けることが防止される。その結果、外部の圧力および外部の温度により出力値Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄが変動することが防止される。
【００８８】
（８）第３の実施の形態
図１５は本発明の第３の実施の形態に係る加速度センサの横断面図である。
【００８９】
図１５の加速度センサ３００が図１〜図３の加速度センサと異なるのは、センサ素子群２００が３つのセンサ素子２０１，２０２，２０３により構成される点である。３つのセンサ素子２０１，２０２，２０３は、互いに１２０度異なる向きに配置されている。
【００９０】
図１５の加速度センサ３００においては、センサ素子２０１，２０２，２０３にそれぞれ対応する出力値Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃが得られる。Ｘ軸方向の加速度と出力値Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃとの関係、Ｙ軸方向の加速度と出力値Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃとの関係およびＺ軸方向の加速度と出力値Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃとの関係を予め測定により求める。それにより、３軸方向の加速度を算出することが可能となる。
【００９１】
（９）第４の実施の形態
図１６は本発明の第４の実施の形態に係る加速度センサの横断面図である。
【００９２】
図１６の加速度センサ３００ａにおいては、共通の基板１０１上に複数組のセンサ素子群２００が形成されている。基板１０１は基台１１０上に取り付けられる。基板１０１上に空間が確保されるように基台１１０にケーシング１２０が取り付けられる。
【００９３】
複数組のセンサ素子群２００のセンサ素子２０１〜２０４は異なる共振周波数を有する。例えば、センサ素子２０１〜２０４のカンチレバーＣＬ１〜ＣＬ４のサイズ、結晶シリコン膜１０３の厚さ、たわみ制御層１０７のサイズまたは厚さのうち少なくとも１つを複数組のセンサ素子群２００の間で異ならせることにより共振周波数を異ならせることができる。
【００９４】
それにより、各組のセンサ素子群２００の共振周波数で大きな出力値Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄを得ることができる。したがって、各組のセンサ素子群２００によりそれぞれ特定の周波数成分の振動を抽出することが可能となる。
【００９５】
本実施の形態では、複数の加速度センサ２００が互いに直交する行および列に沿って配列されているが、これに限定されるものではなく、例えば、隣接する２つの行のセンサ素子群２００が半ピッチ分ずれるように配置されてもよく、隣接する２つの列のセンサ素子群２００が半ピッチ分ずれるように配置されてもよい。
【００９６】
（１０）他の実施の形態
上記第１〜第４の実施の形態では、ピエゾ抵抗素子として働くｐ型ドープ層１０３ａはＵ字形状に形成されているが、ｐ型ドープ層１０３ａの形状はＵ字形状に限らず、Ｖ字形状、Ｗ字形状、または他の任意の形状に形成することができる。
【００９７】
上記第４の実施の形態に係る加速度センサ３００ａにおいて、図１５の加速度センサ３００と同様に、各センサ素子群２００が３つのセンサ素子２０１，２０２，２０３により構成されてもよい。
【００９８】
上記第１〜第５の実施の形態では、センサ素子群２００が平面状の基板１０１上に配置されているが、センサ素子群２００が曲面状の基板上に配置されてもよい。
【００９９】
（１１）請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。
【０１００】
上記実施の形態では、基板１０１が基板の一例であり、センサ素子２０１〜２０４がセンサ素子の例であり、センサ素子群２００がセンサ素子群の例であり、カンチレバーＣＬ１〜ＣＬ４がカンチレバーの例であり、ｐ型ドープ層１０３ａが抵抗部の例であり、ブリッジ回路部２１０、増幅部２２０、Ａ／Ｄ変換部２３０および演算部２４０が出力部の例であり、ブリッジ回路部２１０、増幅部２２０およびＡ／Ｄ変換部２３０が検出部の例であり、演算部２４０が変換部の例であり、ｐ型ドープ層１０３ａの抵抗値の変換が情報の例である。
【０１０１】
また、埋め込み酸化膜１０２が第１の膜の例であり、結晶シリコン膜１０３が第２の膜または第１の層の例であり、ｐ型ドープ層１０３ａが第２の層の例であり、支持部Ｓが支持部の例であり、離間部Ｒが離間部の例であり、ホウ素が不純物の例であり、ケーシング１２０がケーシングの例であり、液体１３０が液体の例である。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明は、３軸方向の加速度または振動等を測定するために利用することができる。
【符号の説明】
【０１０３】
１０１  基板
１０２  埋め込み酸化膜
１０３  結晶シリコン膜
１０３ａ  ｐ型ドープ層
１０４  絶縁層
１０５  開口部
１０６  電極
１１０  基台
１２０  ケーシング
１３０  液体
２００  センサ素子群
２０１，２０２，２０３，２０４  センサ素子
２１０  ブリッジ回路部
２１１，２１２，２１３，２１４  ブリッジ回路
２２０  増幅部
２２１，２２２，２２３，２２４  増幅器
２３０  Ａ／Ｄ変換部
２３１，２３２，２３３，２３４  Ａ／Ｄ変換器
２４０  演算回路
３００  加速度センサ
１０００  ＳＯＩ基板
ａ  加速度
Ｅ  直流電源
ＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４  カンチレバー
Ｆ  慣性力
ｍ  質量
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３  外部抵抗
Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄ  出力値
ａｘ，ａｙ，ａｚ  加速度
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６，Ｔ７  期間
【図１】
2010185835.tif 000003
【図２】
2010185835.tif 000004
【図３】
2010185835.tif 000005
【図４】
2010185835.tif 000006
【図５】
2010185835.tif 000007
【図６】
2010185835.tif 000008
【図７】
2010185835.tif 000009
【図８】
2010185835.tif 000010
【図９】
2010185835.tif 000011
【図１０】
2010185835.tif 000012
【図１１】
2010185835.tif 000013
【図１２】
2010185835.tif 000014
【図１３】
2010185835.tif 000015
【図１４】
2010185835.tif 000016
【図１５】
2010185835.tif 000017
【図１６】
2010185835.tif 000018