(57)【要約】【課題】感度を維持しつつ小型化が可能な加速度センサ素子を提供する。【解決手段】センサ素子２０は、凹部１１ａを有する重り部１１と、重り部１１を囲繞する枠状の固定部１３と、一方端が固定部１３に連結され、且つ他方端が重り部１１に連結される梁部１２と、梁部１２に設けられる抵抗素子１５と、重り部１１の材料より比重の大きい材料からなり、且つ凹部１１ａに埋入される重り部材２２とを有する。【選択図】図６
2010071850.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹部を有する重り部と、
前記重り部を囲繞する枠状の固定部と、
一方端が前記固定部に連結され、且つ他方端が前記重り部に連結される梁部と、
前記梁部に設けられ、該梁部の撓みに伴い抵抗値が変わる抵抗素子と、
前記重り部の材料より比重の大きい材料からなり、且つ前記凹部に埋入される重り部材と、
を有する加速度センサ素子。
【請求項２】
前記凹部の断面形状は、該凹部の底面側より該凹部の開口側が広い形状である
請求項１に記載の加速度センサ素子。
【請求項３】
前記凹部の内周面は粗面である
請求項１または２に記載の加速度センサ素子。
【請求項４】
絶縁層と、前記絶縁層の一方側に積層された支持層と、前記絶縁層の他方側に積層された半導体層とを有する基板を有し、
前記重り部及び前記固定部は、前記絶縁層、前記支持層及び前記半導体層を貫通する溝によって前記基板が前記重り部と前記固定部とに区切られることにより形成され、
前記梁部は、前記溝の間欠部分の前記半導体層により形成され、
前記凹部は、前記支持層に設けられ、
前記重り部材は、導電性部材により構成されている
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の加速度センサ素子。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の加速度センサ素子と、
前記加速度センサ素子の出力信号を信号処理するＩＣチップと
を有する加速度センサ装置。
【請求項６】
基板の一主面に抵抗素子を形成する工程Ａと、
前記基板を加工することにより前記抵抗素子が配置された梁部、前記梁部の一方端が連結され且つ一方主面側に開口した凹部を有する重り部、および前記梁部の他方端が連結され且つ前記重り部を囲繞する固定部を形成する工程Ｂと、
前記凹部に前記基板の材料より比重の大きい材料から成る重り部材を充填する工程Ｃと、
を含む加速度センサ素子の製造方法。
【請求項７】
前記重り部材の充填は、印刷により行われる
請求項６に記載の加速度センサ素子の製造方法。
【請求項８】
前記凹部の断面形状は、該凹部の底面側より該凹部の開口側が広い形状である
請求項６に記載の加速度センサ素子の製造方法。
【請求項９】
前記工程Ｂにおいて、前記基板を部分的に除去して前記凹部を形成する処理を前記凹部の深さ方向において複数回に分けて行い、その複数回の除去処理の境界に生じた段差によって前記凹部の内周面を粗面にする
請求項６乃至８のいずれか１項に記載の加速度センサ素子の製造方法。
【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、加速度センサ装置及び加速度センサ素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ピエゾ抵抗効果を利用して加速度を検出する加速度センサ装置が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１の加速度センサ装置は、重り部と、重り部を支持する梁部と、梁部を支持する固定部と、梁部に設けられたピエゾ抵抗素子とを有している。加速度センサ装置に加速度に比例した外力が加えられると、重り部が固定部に対して変位するとともに梁部に曲げ変形が生じる。そして、梁部とともに曲げ変形が生じたピエゾ抵抗素子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。
【特許文献１】特開２００３−１７２７４５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装置では、重り部を大きくするほど、重り部が重くなって加速度に対する梁部の撓みが大きくなり、加速度の検出感度が高くなる。しかし、この場合、重り部が大きくなることにより、加速度センサ装置の小型化が困難になる。
【０００４】
本発明の目的は、感度を維持しつつ小型化が可能な加速度センサ素子及び加速度センサ装置、並びに、そのような加速度センサ素子の製造方法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、凹部を有する重り部と、前記重り部を囲繞する枠状の固定部と、一方端が前記固定部に連結され、且つ他方端が前記重り部に連結される梁部と、前記梁部に設けられ、該梁部の撓みに伴い抵抗値が変わる抵抗素子と、前記重り部の材料より比重の大きい材料からなり、且つ前記凹部に埋入される重り部材と、を有する。
【０００６】
本発明の加速度センサ装置は、上記のいずれかの加速度センサ素子と、前記加速度センサ素子の出力信号を信号処理するＩＣチップとを有する。
【０００７】
本発明の加速度センサ素子の製造方法は、基板の一主面に抵抗体素子を形成する工程Ａと、前記基板を加工することにより前記抵抗素子が配置された梁部、前記梁部の一方端が連結され且つ一方主面側に開口した凹部を有する重り部、および前記梁部の他方端が連結され且つ前記重り部を囲繞する固定部を形成する工程Ｂと、前記凹部に前記基板の材料より比重の大きい材料から成る重り部材を充填する工程Ｃと、を含む。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の加速度センサ素子によれば、重り部が凹部を有し、凹部内に重り部の材料より比重の大きい材料からなる重り部材が埋入されていることから、重り部の大きさが同じ従来のものと比較した場合には、本発明の加速度センサ素子の重り部の方が重くなるため、加速度センサ素子を大型化することなく検出感度を向上させることができる。あるいは重り部の大きさに応じた検出感度が同じである従来のものと比較した場合には、本発明の加速度センサ素子は、重り部を小さくできるため、検出感度を維持しつつ小型化が可能な加速度センサ素子を提供することができる。
【０００９】
このような本発明の加速度センサ素子を用いた本発明の加速度センサ装置によれば、検出感度を維持しつつ装置の全体構造を小型化することができる。
【００１０】
また本発明の加速度センサ素子の製造方法によれば、大型化することなく検出感度が向上した加速度センサ素子、あるいは検出感度を維持しつつ小型化された加速度センサ素子を作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に図面を参照して、本発明にかかる加速度センサ装置及び加速度センサ装置の製造方法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。また、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。なお、本実施形態ではピエゾ抵抗効果を利用した三次元加速度センサ装置を例に説明する。
【００１２】
＜加速度センサ装置＞
図１は本実施形態にかかる加速度センサ装置の斜視図、図２は図１の加速度センサ装置の蓋１０を外した状態の平面図、図３は図１に示す加速度センサ装置の断面図であり、図３（ａ）は図２のＡ−Ａ’線で切断したときの断面に相当し、図３（ｂ）は図２のＢ−Ｂ’線で切断したときの断面に相当する。これらの図に示すように本実施形態にかかる加速度センサ装置は、基板１とセンサ素子２０とから主に構成されている。
【００１３】
まずセンサ素子２０について説明する。図４はセンサ素子２０の斜視図である。図４に示すようにセンサ素子２０は、重り部１１と、重り部１１を囲繞する枠状の固定部１３と、一方端が固定部１３に連結され、他方端が重り部１１に連結される梁部１２と、固定部１３に形成される素子側電極パッド１４と、梁部１２に形成される抵抗素子１５と、を有している。
【００１４】
センサ素子２０に加速度が加わると、加速度に応じた力がこの重り部１１に作用し、重り部１１が動くことで梁部１２が撓むようになっている。本実施形態における重り部１１には、その四隅に連結された４個の付属重り部２１が設けられている。付属重り部２１は、重り部１１と一体形成されるものであり、付属重り部２１を設けることによって加速度に対する梁部１２の撓みが大きくなり、加速度の検出感度を向上させることができる。なお、重り部１１及び付属重り部２１全体が重り部として捉えられてもよい。また、重り部１１及び付属重り部２１の構成、機能及び形成方法は、同一又は類似することから、以下では、付属重り部２１の説明を省略することがある。
【００１５】
重り部１１は、平面形状が略正方形をなし、その一辺の長さは例えば０．２５ｍｍ〜０．５ｍｍに設定される。また重り部１１の厚みは例えば０．２ｍｍ〜０．６２５ｍｍに設定される。付属重り部２１は、重り部１１と同様に平面形状が、略正方形をなし、その一辺の長さは例えば０．１ｍｍ〜０．４ｍｍに設定される。また付属重り部２１の厚みは、重り部１１と同じ厚みを有するように例えば０．２ｍｍ〜０．６２５ｍｍに設定される。なお、付属重り部２１の厚みは重り部１１の厚みより薄くしてもよく、例えば重り部１１の厚みより５〜１０μｍ薄くしてもよい。重り部１１および付属重り部２１の平面形状は正方形に限られず、円や長方形など任意の形状が可能である。重り部１１と付属重り部２１は、例えばＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板２７を加工することにより一体的に形成されている。
【００１６】
このような重り部１１および付属重り部２１を囲繞するようにして枠状の固定部１３が形成されている。固定部１３は、平面形状が略正方形をなし、中央部に重り部１１および付属重り部２１より若干大きい略正方形の開口部を有している。固定部１３は、その一辺が例えば０．８ｍｍ〜３．０ｍｍに設定され、固定部１３を構成するアームの幅（アームの長手方向と直交する方向の幅。図５のｗ）は例えば０．１ｍｍ〜１．８ｍｍに設定される。また固定部１３の厚み（図５のｔ）は、例えば０．２ｍｍ〜０．６２５ｍｍに設定される。この固定部１３の下面が接着剤８（図３（ｂ））によって基板１の主面１Ａに接合されることによりセンサ素子２０が基板１に固定されることとなる。
【００１７】
図５は、センサ素子２０を下面側から見たときの斜視図である。重り部１１には、凹部１１ａが形成され、凹部１１ａ内には、重り部材２２が設けられている（図３（ａ）及び図６（ｄ）も参照）。重り部材２２は、重り部１１よりも比重の大きい材料からなる。例えば、重り部１１がシリコンによって形成されているのに対し、重り部材２２は、イリジウム、オスミウム、白金、レニウム、金、タングステン、ウラン、タンタル、パラジウム、ルテニウム、タリウム、鉛、銀、モリブデン、ルテチウム、ビスマスにより形成されている。
【００１８】
重り部材２２（凹部１１ａ）の形状及び大きさは適宜に設定されてよい。図５では、重り部１１の形状と同一形状、すなわち、直方体状に形成された重り部材２２を例示している。重り部材２２の厚さ（凹部１１ａの深さ）は、例えば、ＳＯＩ基板２７の支持層２６（図６（ｄ））の厚さと同等に設定される。また、凹部１１ａの内周面は、粗面になっている（図７（ｃ））。
【００１９】
同様に、付属重り部２１には、凹部２１ａが形成され、凹部２１ａ内には、付属重り部材２３よりも比重が大きい材料からなる付属重り部材２３が設けられている。付属重り部材２３（凹部２１ａ）の形状及び大きさも適宜に設定されてよい。図５では、付属重り部２１の形状と同一形状、すなわち、直方体状に形成された付属重り部材２３を例示している。付属重り部材２３は、凹部１１ａと凹部２１ａとが連通されることにより、重り部材２２と一体的に形成されていてもよい。
【００２０】
図５に示すように固定部１３には、その下面に開口部７ａを有する孔部７が設けられている。孔部７は、接着剤８の塗布位置と対応する部分、例えば固定部１３の四隅に４個設けられている。この孔部７は、センサ素子２０を接着剤８により基板１に接合する際、余分な接着剤８を収容するためのものである。これによって接着剤８が固定部１３の下面に沿って広がるのを抑えることができ、接着剤８の接着面積が大きくばらつくことがなくなる。その結果、センサ素子２０に不均一な残留応力が発生するのを抑制して電気的な特性に優れた加速度センサ装置となすことができる。また接着剤８の一部が孔部７に埋入された状態でセンサ素子２０と基板１とが接合されていることから、センサ素子２０に横方向から衝撃が加わった際、孔部７に埋入された接着剤８が衝撃を吸収するため横方向の耐衝撃性が向上するという利点もある。さらに孔部７を設けたことによりセンサ素子２０が軽量化されるため接着剤８とセンサ素子２０とが剥がれづらくなり、これによっても耐衝撃性が向上する。
【００２１】
孔部７は、固定部１３の厚み方向に貫通しないように、換言すれば孔部７の底面が固定部１３の上面まで到達しないようにして形成することが好ましい。このようにして孔部７を形成することにより、固定部１３の上面側に形成される配線の引き回しの自由度を低下させることがない。またセンサ素子２０を基板１に実装する際などにセンサ素子２０の上面側から吸着コレットによるピックアップができるという利点もある。一方、孔部７を固定部１３の厚み方向に貫通しないように形成し、センサ素子２０を基板１に固定した場合、孔部７の開口部７ａが塞がれることにより孔部７の内部に気体が密閉された状態となりやすい。気体が孔部７の内部に密閉された場合、周囲の温度変化により密閉された気体が膨張もしくは収縮することによって、センサ素子２０に不要な圧力がかかり加速度センサ装置の電気的特性の劣化を招く恐れがある。そこで、気体が密閉されないように、固定部１３には、孔部７の内壁面と固定部１３の側面とを連通させる連通部１６を設けておくとよい。連通部１６を設けておくことにより、孔部７の内部に存在する気体が膨張もしくは収縮したとしても連通部１６を通して気体が出入りするため、センサ素子２０に不要な圧力がかかるのを防止して加速度センサ装置の電気的特性の劣化を抑制することができる。また連通部１６は、固定部１３の内周面１３ａ側へ連通させておくことが好ましい。連通部１６を固定部１３の内周面１３ａ側へ連通させておくことにより、外部からの衝撃が固定部１３の外周面に加わった際、例えばウエハからセンサ素子２０を個片にカットする際に固定部１３が破損するのを少なくすることができる。
【００２２】
孔部７は例えば、円柱状に形成されておりその開口部７ａの直径φおよび深さｄは主として接着剤８との関係を考慮して設定される。具体的には、接着剤８を基板１の主面１Ａ（図３）に塗布した際の接着用部材の塗布面（基板１との接触面）の面積を予め測定しておき、その面積よりも小さくなるように開口部７ａの直径φが設定される。一方、孔部７の深さｄは、基板１の主面１Ａに塗布した際の接着剤８の高さを予め測定しておき、その高さよりも大きくなるように設定される。また、接着剤８にスペーサ部材１７（図３（ｂ））が含有されている場合には開口部７ａの直径φを、スペーサ部材１７の直径サイズより５倍以上大きくすることが好ましい。これにより余分な接着剤８が孔部７に入りやすくなる。さらにセンサ素子２０をウエハ状態から個片に切り出すときの耐衝撃性を考慮すると開口部７ａの淵（孔部７の内壁面）から固定部１３の外周面までの距離は１００μｍ以上にしておくことが好ましい。またセンサ素子２０をＳＯＩ基板により作製する場合には、固定部１３の厚みtから孔部７の深さｄを引いた差の値をＳＯＩ基板２７の半導体層２５（図６）の厚みと同じ、または、半導体層２５及び絶縁層２４（図６）の厚みと同じにする方がよい。これにより孔をあけるプロセスが増えず、固定部１３が壊れにくくなる。
【００２３】
なお、孔部７の形状は円柱状に限らず、例えば四角柱や三角柱など任意の形状が可能である。
【００２４】
このような固定部１３と重り部１１との間には図４に示すように梁部１２が設けられている。梁部１２は、一方端が重り部１１の各辺の上面側中央部に連結され、他方端が固定部１３の内周における各辺の上面側中央部に連結されており、本実施形態におけるセンサ素子２０では、４本の梁部１２が設けられている。
【００２５】
梁部１２は可撓性を有し、センサ素子２０に加速度が加わると重り部１１が動き、重り部１１の動きに伴って梁部１２が撓むようになっている。梁部１２は、例えば長手方向の長さが０．１ｍｍ〜０．８ｍｍに設定され、幅（長手方向と直交する方向の長さ）が０．０１ｍｍ〜０．２ｍｍに設定され、厚みが５μｍ〜２０μｍに設定されている。このように梁部１２を細長く且つ薄く形成することによって可撓性が発現される。
【００２６】
このような梁部１２の上面には複数の抵抗素子１５が形成されている。抵抗素子１５は、より具体的には、ｎ型のＳＯＩ基板２７にボロンを打ち込むことにより形成されたピエゾ抵抗素子である。本実施形態では、３軸方向（図４に示した３次元直交座標系におけるＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向）の加速度を検出できるように梁部１２の所定の位置にこれらの抵抗素子１５が形成されている。例えば、Ｘ軸方向に伸びる２つの梁部１２には、Ｘ軸方向の加速度を検出するための４個の抵抗素子１５が設けられており、それぞれの梁部１２に２個ずつ配置されている。これら４個の抵抗素子１５のうち、固定部１３側に配された抵抗素子同士を直列に接続し、重り部１１側に配された抵抗素子同士を直列に接続し、これらを並列に接続することでブリッジ回路を構成している。またＹ軸方向に伸びる２つの梁部１２には、Ｙ軸方向の加速度を検出するための４個の抵抗素子１５が設けられており、これらの抵抗素子１５を、Ｘ軸方向の加速度検出用の抵抗素子１５と同様に配置し、抵抗素子同士の接続を行うことによってブリッジ回路を構成している。また、図示していないがＺ軸方向の加速度を検出するための４個の抵抗素子１５が、Ｘ軸方向に伸びる２つの梁部１２に、Ｘ軸方向の加速度を検出するための４個の抵抗素子１５それぞれと並ぶようにして形成されている。このＺ軸方向の加速度検出用の抵抗素子１５は、Ｘ軸方向の加速度検出用の抵抗素子１５とは、抵抗素子同士の接続の仕方が異なっており、本実施形態では、Ｘ軸方向に伸びる２本の梁部１２のうち一方の梁部１２に設けられた固定部１３側の抵抗素子１５と、他方の梁部１２に設けられた重り部１１側の抵抗素子１５とを直列接続してブリッジ回路を構成している。このようなブリッジ回路が組まれたセンサ素子２０に加速度が加わると、上述したように梁部１２が撓み、この撓みに応じて抵抗素子１５が変形するため、ブリッジ回路で検出する出力電圧が変化する。この抵抗値の変化に基づく出力電圧の変化を電気信号として取り出し、これを外部のＩＣで演算処理することによって印加された加速度の方向並びに大きさを検知することができる。なおＺ軸方向の加速度検出用の抵抗素子１５は、Ｘ軸方向に伸びる梁部１２に設けたのと同様にして、Ｙ軸方向に伸びる２つの梁部１２に設けるようにしてもよい。
【００２７】
固定部１３の上面には、抵抗素子１５と電気的に接続される素子側電極パッド１４が設けられており、この素子側電極パッド１４を介して抵抗素子同士の接続や抵抗素子１５からの電気信号の外部への取り出しなどを行っている。
【００２８】
かかるセンサ素子２０は、図３に示すように基板１に実装されている。基板１はセンサ素子２０を保護する機能を有し、内部にはセンサ素子２０を収容するキャビティ５が設けられている。基板１は、セラミック材料などからなる絶縁層を複数積層することにより形成され、本実施形態では３枚の絶縁層１a〜１ｃにより構成されている。絶縁層１ａは平板状の部材からなり、その主面１Ａにセンサ素子２０が載置される。絶縁層１ｂはセンサ素子２０より若干大きい開口部を有する枠状の部材であり、絶縁層１ａと接合されている。絶縁層１ｃは、絶縁層１ｂの開口部より広い開口部を有する枠状の部材であり、絶縁層１ｂの主面の一部が露出するようにして絶縁層１ｂと接合されている。絶縁層１ｃの開口部から露出する絶縁層１ｂの主面には、複数の基板側電極パッド４が形成されている。基板側電極パッド４は金属細線６によってセンサ素子２０の固定部上面に設けた素子側電極パッド１４と電気的に接続されている。また基板１の下面には、複数の外部端子２が設けられており、外部端子２は基板１の内部に設けたビアホール導体３を介して基板側電極パッド４と接続されている。すなわち、センサ素子２０の電気信号は、素子側電極パッド１４、金属細線６、基板側電極パッド４、ビアホール導体３、外部端子２などを介して外部へ取り出されることとなる。
【００２９】
このような基板１の主面１Ａに載置されるセンサ素子２０は接着剤８により基板１に接合されている。センサ素子２０の固定部１３には、上述したように接着剤８の塗布位置と対応する箇所に孔部７が設けられているため接着剤８の一部は孔部７の中に入り、残りの接着剤８が孔部７の開口部７ａの周辺と基板１の主面１Ａとの間に介在された状態となる。したがって、孔部７の開口部７ａの周辺と基板１の主面との間に介在された接着剤８によってセンサ素子２０と基板１とが接合されることとなる。接着剤８は、例えば、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂などを使用することができる。なかでも接着時の残留応力を緩和する観点からシリコーン樹脂を用いることが好ましい。
【００３０】
接着剤８には、重り部１１の下面と基板１の主面１Ａとの間に所定の大きさのギャップが形成されるように、所定の径を有する球状のスペーサ部材１７が混合されている。すなわち、重り部１１の下面と基板１の主面１Ａとの間のギャップの大きさをスペーサ部材１７によって制御することができる。スペーサ部材１７は、例えばシリカ、シリコン、ジビニルベンゼンなど所定の硬さを有する球状の部材であり、その直径は例えば２〜２０μｍである。従来の加速度センサ装置では、接着剤８にスペーサ部材を混ぜた場合、スペーサ部材によって接着剤の塗布用ノズルが目詰まりしないようにノズルの内径を比較的大きくする必要があるため、接着剤の塗布量を少なく制御することが困難であり、過剰な量の接着剤が塗布されることが多かった。この場合、固定部から外側に接着剤がはみだし、このはみ出した接着剤が重り部の可動範囲を狭くするなどして加速度センサ装置の電気的特性の劣化を招く要因となっていた。特に、加速度センサ装置の低背小型化が進むにつれて、必然的にセンサ素子２０が低背小型化されるため、接着剤の塗布量を少なく制御することがより困難となってきており、過剰な量の接着剤による上記問題が顕著になる傾向にある。一方、本実施形態の加速度センサ装置によれば、接着剤８の塗布量が多くなったとしても、余分な接着剤８の多くは孔部７に収容されることから接着剤８が固定部１３の外側にはみ出すことが少なくなる。したがって過剰に塗布された接着剤８に起因して加速度センサ装置の電気的特性が劣化するのを防止することができ、加速度センサ装置の低背小型化にも対応可能である。
【００３１】
本実施形態のように梁部１２が重り部１１の上面四辺の中央部に連結されている場合、センサ素子２０と基板１との接合は、固定部１３の四隅部において行うことが好ましい。これによりセンサ素子２０の基板１への接合箇所と梁部１２との間の距離が離れるため、接着剤８による接合に起因して発生し得る残留応力が梁部１２に与える影響を小さくすることができ、加速度センサ装置の電気的な特性が劣化するのを抑えることができる。
【００３２】
このようにしてセンサ素子２０が接合された基板１のキャビティの開口部を塞ぐようにして蓋１０が基板１の上面に固着されており、センサ素子２０がキャビティ５内に気密封止されている。蓋１０は、例えば４２アロイやステンレスなどの金属板からなり、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂９により基板１に接合されている。
【００３３】
＜センサ素子の製造方法＞
図６は、センサ素子２０の製造方法を説明する断面図である。
【００３４】
（工程Ａ；抵抗素子１５の形成）
図６（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板２７に対して表面加工を行う。ＳＯＩ基板２７は、絶縁層２４と、絶縁層２４の一方側に積層された半導体層２５と、絶縁層２４の他方側に積層された支持層２６とを有するものである。絶縁層２４は、例えばＳｉＯ２により形成されている。半導体層２５は、例えばシリコンにより形成されている。支持層２６は、例えば、シリコン等の半導体により形成されている。表面加工は、半導体層２５に対する加工である。
【００３５】
具体的には、半導体層２５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抵抗素子１５を形成する。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。抵抗素子１５を形成した後、ピエゾ抵抗素子に連結する配線を形成する。配線は、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。
【００３６】
（工程Ｂ；重り部１１、梁部１２及び固定部１３の形成）
次に、図６（ｂ）に示すように、従来周知の半導体微細加工技術、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）などによりＳＯＩ基板２７の半導体層２５側と支持層２６側から加工を施すことにより、重り部１１、梁部１２及び固定部１３を形成する。
【００３７】
具体的には、まず、重り部１１と固定部１３とを区切る溝部に対応する領域において半導体層２５を除去する。次に、上記の溝部及び凹部１１ａに対応する領域において支持層２６を除去する。さらに、上記の溝部に対応する領域において絶縁層２４を除去する。以上のようにして、半導体層２５、絶縁層２４及び支持層２６を貫通する溝部が形成され、当該溝部によりＳＯＩ基板２７が内周側と外周側とに区切られ、重り部１１と固定部１３とが形成される。また、溝部の間欠部分（溝部が途切れる部分）における半導体層２５により梁部１２が形成される。さらに、底面が絶縁層２４により構成され、内周面が支持層２６により構成される凹部１１ａが形成される。
【００３８】
（工程Ｃ；重り部材２２の充填）
次に、図６（ｃ）に示すように、凹部１１ａに重り部材２２となる材料２２′を充填して重り部材２２を形成する。材料２２′は、重り部材２２となる金属等の材料に溶剤を加えてスラリー状としたものである。材料２２′の凹部１１ａへの充填は印刷により行われる。具体的には、スクリーン５０１をＳＯＩ基板２７の支持層２６側に対向配置し、スクリーン５０１の開口５０１ａから材料２２′を凹部１１ａに流し込む。開口５０１ａは、凹部１１ａの支持層２６表面における開口形状と同一の形状及び大きさである。ただし、開口５０１ａは、凹部１１ａの開口形状と異なる形状や凹部１１ａの開口形状よりも小さいものであってもよい。
【００３９】
（工程Ｄ；ＳＯＩ基板２７の焼成）
次に、図６（ｄ）に示すように、ＳＯＩ基板２７を焼成し、重り部材２２となる材料を固化するとともに、ＳＯＩ基板２７と重り部材２２とを焼結させる。以上のとおり、工程Ａ〜Ｄにより、センサ素子２０は形成される。
【００４０】
なお、重り部材２２となる材料を焼成すると、溶剤が蒸発することから、重り部材２２となる材料は充填時よりも収縮する。その結果、重り部材２２の表面は凹状となり、また、凹部１１ａの開口よりも低い位置となる。そこで、重り部材２２となる材料の凹部１１ａへの充填と、焼成とを複数回繰り返し、重り部材２２の表面と重り部１１の開口面とを精度よく一致させてもよい。
【００４１】
ＳＯＩ基板２７は、複数のセンサ素子２０よりも広い面積を有しており、工程Ａ〜Ｄにおいては、１枚のＳＯＩ基板２７から複数のセンサ素子２０が形成される。工程Ａ〜Ｄは、基本的には１枚のＳＯＩ基板２７の複数のセンサ素子２０に対して並行的に行われる。例えば、スクリーン５０１は、複数のセンサ素子２０に亘る大きさを有しており、複数のセンサ素子２０は、同時に印刷が行われる。そして、工程Ｄの後、ＳＯＩ基板２７は複数のセンサ素子２０に分割される。
【００４２】
図７は、工程Ｂにおける凹部１１ａの形成を説明する断面図である。凹部１１ａは、例えば、ＩＣＰ−ＲＩＥにより形成される。より具体的には、ボッシュプロセスにより形成される。
【００４３】
ボッシュプロセスでは、図７（ａ）に示すように、まず、エッチングにより、凹部１１ａの深さよりも浅い第１凹部２８Ａが形成される。第１凹部２８Ａの形状は、エッチングの精度誤差により、開口側の面積が大きい台形状となる。次に、第１凹部２８Ａの側面を保護する保護膜が形成される。
【００４４】
次に、図７（ｂ）に示すように、第１凹部２８Ａと同等の径及び深さの第２凹部２８Ｂが第１凹部２８Ａの底面に形成される。第２凹部２８Ｂも、第１凹部２８Ａと同様に、エッチングの精度誤差により、開口側の面積が大きい台形状となる。そして、第２凹部２８Ｂの側面を保護する保護膜が形成される。
【００４５】
ここで、第１凹部２８Ａの側面は、保護膜によって保護されていることから、第２凹部２８Ｂのエッチングによって第１凹部２８Ａの底面側の面積は拡大せず、第１凹部２８Ａ及び第２凹部２８Ｂの境界には、段差が生じる。
【００４６】
その後、第１凹部２８Ａ及び第２凹部２８Ｂの形成と同様に、エッチングと保護膜の形成とが繰り返され、凹部１１ａが形成される。絶縁層２４は、エッチングストッパとして機能する。凹部１１ａの内周面は、各エッチングの境界に生じた段差によって粗面となる。
【００４７】
なお、ボッシュプロセスによって形成される段差の大きさは、おおよそ、０．０１μｍ〜１０μｍである。また、本願において粗面とは、保護膜を形成せずに、エッチングのみを行った場合における穴部の側面よりも凹凸が大きくなっている面をいう。従って、ボッシュプロセスが行われた場合には、穴部の側面は粗面である。また、穴部の形成方法が特定されなくても、０．０１μｍ以上の段差があれば、粗面であるということができる。
【００４８】
＜加速度センサ装置の製造方法＞
上述のようにセンサ素子２０を準備するとともに、センサ素子２０が載置される主面１Ａを有する基板１を準備する。
【００４９】
基板１はアルミナなどのセラミック材料からなる複数の絶縁層を積層することにより形成される。具体的には、平板状の絶縁層１ａ、矩形状の開口部を有する絶縁層１ｂ、絶縁層１ｂの開口部より大きな開口部を有する絶縁層１ｃを順次積層することよりキャビティ５を有する基板１が作製される。
【００５０】
次に基板１の主面１Ａで且つセンサ素子２０を載置したときに開口部７ａと対応する位置に接着剤８を塗布する。次にセンサ素子２０を基板１の主面１Ａに載置させ、接着剤８を硬化させることによりセンサ素子２０と基板１とを接合する。
【００５１】
センサ素子２０を基板１に接合した後、金、銅、アルミニウムなどからなる金属細線６によりセンサ素子２０に設けた素子側電極パッド１４と基板１に設けた基板側電極パッド４とを接続する。最後に４２アロイなどからなる金属製の蓋１０をエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂９により基板１の上面（絶縁層１ｄの上面）に接合することより製品としての加速度センサ装置が完成する。
【００５２】
以上の実施形態によれば、センサ素子２０は、重り部１１の材料より比重の大きい材料からなり、且つ重り部１１の凹部１１ａに埋入される重り部材２２を有することから、重り部材２２及び重り部１１全体としての重り部の密度を高くすることができる。その結果、感度を維持しつつ、センサ素子２０の小型化を図ることができる。また、凹部１１ａに重り部材２２を埋入することにより、重り部材２２を重り部１１に対して固定することから、重り部材を重り部１１の先端に固定するような場合に比較して、精度よく重り部材２２を重り部１１に位置決めして固定することができる。例えば、フォトリソにより凹部１１ａを形成する場合には、フォトリソの精度と同等の精度で重り部材２２を位置決めすることができる。
【００５３】
さらに、凹部１１ａは、重り部１１、梁部１２及び固定部１３の形成工程において、具体的には、支持層２６の除去によって形成されるから、凹部１１ａの形成による工程数の増加は生じない。
【００５４】
また、印刷により重り部材２２を凹部１１ａに充填することから、一のウェハ上に形成される複数のセンサ素子２０に対して同時に重り部材２２を充填することができ、生産性が向上する。
【００５５】
凹部１１ａの内周面は粗面であることから、重り部材２２が凹部１１ａから抜け落ちることが抑制される。さらに、ＳＯＩ基板２７を部分的に除去して凹部１１ａを形成する処理を凹部１１ａの深さ方向において複数回に分けて行い、その複数回の除去処理の境界に生じた段差によって凹部１１ａの内周面を粗面にすることから、高精度の深堀を実現しつつ、粗面を形成することができる。
【００５６】
凹部１１ａは、支持層２６に設けられていることから、重り部材２２として導電性の材料を使用しても、重り部材２２は、半導体層２５に電気的影響をほとんど及ぼさない。従って、重り部材２２の材料の選択の幅を広げることができる。また、半導体層２５に凹部を形成する場合のように、半導体層２５の配線の設計変更を強いられることもない。
【００５７】
（変形例１）
図８は上述した実施形態にかかる加速度センサ装置の変形例を示す断面図である。なお、図８の断面図は図２におけるＡ−Ａ’線における断面に相当するものである。この変形例にかかる加速度センサ装置は、センサ素子２０の出力信号を演算処理するＩＣチップ３０をさらに含んでいる。図８に示す加速度センサ装置では、基板１の下面側に設けたキャビティにＩＣチップ３０が収容されており、基板１に設けたビアホール導体３や配線導体などを介してセンサ素子２０及び外部端子２と電気的に接続されている。ＩＣチップ３０は、例えば、センサ素子２０の出力信号を増幅する増幅回路、センサ素子２０の温度特性を補正する温度補償回路、ノイズを除去するノイズ除去回路などが集積化されたものである。このようなＩＣチップ３０を備えることによって加速度を高精度に検知することができる。
【００５８】
（変形例２）
図９（ａ）は、加速度センサ素子の変形例を示す断面図である。重り部１１１の凹部１１１ａの断面形状（重り部材１２２の断面形状）は、凹部１１１ａの底面側より凹部１１１ａの開口側が広い形状である。この場合、重り部材１２２を凹部１１１ａに充填しやすい。また、エッチングの精度誤差によって開口側が広くなってしまってもよいことから、垂直壁を形成可能なエッチング技術を利用する必要性がなくなる。なお、図９（ａ）では、凹部１１１ａの断面形状が台形状の場合を例示しているが、凹部１１１ａの断面形状は、三角径でもよいし、凹部１１１ａの底面側が弧状となっていてもよい。
【００５９】
（変形例３）
図９（ｂ）は、センサ素子の変形例を示す断面図である。重り部２１１の凹部２１１ａの断面形状（重り部材２２２の断面形状）は、凹部２１１ａの開口側より凹部２１１ａの底面側が広い形状である。この場合、重り部材２２２が凹部２１１ａから抜けにくい。従って、センサ素子の耐久性が高くなる。なお、図９（ｂ）では、凹部２１１ａの断面形状が台形状の場合を例示しているが、凹部２１１ａの断面形状は、三角径でもよいし、凹部２１１ａの底面側が弧状となっていてもよい。
【００６０】
（変形例４）
図９（ｃ）は、センサ素子の変形例を示す断面図である。重り部材３２２は、凹部１１ａの底面側の第１重り部材３２２ａと、凹部１１ａの開口側の第２重り部材３２２ｂとを有している。第１重り部材３２２ａ及び第２重り部材３２２ｂは互いに異なる材料からなる。例えば、第１重り部材３２２ａは、重り部１１よりも比重が大きい材料からなり、第２重り部材３２２ｂは、第１重り部材３２２ａよりも比重が小さいが、第１重り部材３２２ａよりも重り部１１と焼結しやすい材料からなる。従って、重り部の密度を高くしつつ、重り部材３２２の抜けを防止できる。なお、第２重り部材３２２ｂは、重り部１１よりも比重が大きくても小さくてもよいが、重り部材３２２全体として重り部１１よりも比重が大きくなることが必要である。
【００６１】
（変形例５）
図９（ｄ）は、センサ素子の変形例を示す断面図である。重り部材４２２の厚さは、重り部１１の凹部１１ａの深さよりも小さい。すなわち、重り部材４２２は、凹部１１ａの底面側の一部に充填されている。重り部材４２２が凹部１１ａに充填される量が多くなると、感度が上がる一方で、重り部材４２２の材料費は増加する。そこで、必要な感度に応じて、凹部１１ａに充填される重り部材４２２の量は調整されてよい。図９（ｄ）は、そのような調整の結果として、重り部材４２２が凹部１１ａの開口まで充填されなかった場合を示している。
【００６２】
本発明は、以上の実施形態や変形例に限定されず、種々の態様で実施されてよい。
【００６３】
加速度センサ素子は、３軸方向の加速度を計測するものに限定されない。例えば、加速度センサ素子は、１軸方向の加速度を計測するものであってもよい。重り部は、付属重り部を有しないものであってもよい。
【００６４】
また上述した実施形態では、固定部１３に孔部７が設けられている加速度センサ素子について説明したが、孔部７を設けず固定部１３の下面が全体にわたって平坦になっていてもよい。
【００６５】
重り部材は、凹部に充填された液状の材料が凝固して形成されるものに限定されない。例えば、固体状の重り部材が凹部に嵌合されるとともに、接着剤によって重り部に固定されてもよい。また、例えば、凹部内部に金属を蒸着させることにより、重り部材が形成されてもよい。複数の凹部が形成された重り部や多孔質体により形成された重り部をスラリー状の材料に浸して、重り部材を凹部内に埋入してもよい。液状の材料を凹部に充填して重り部材を形成する場合、その充填方法は印刷に限定されない。例えば、ディスペンサーによって液状の材料を凹部に充填してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の実施の形態に係る加速度センサ装置の斜視図。
【図２】図１に示す加速度センサ装置の蓋を外した状態の平面図。
【図３】図１に示す加速度センサ装置の断面図。
【図４】図１に示す加速度センサ装置に搭載されているセンサ素子の斜視図。
【図５】図４に示すセンサ素子を下面側から見たときの斜視図である。
【図６】図４の示すセンサ素子の製造方法を説明する断面図。
【図７】図６の製造方法における重り部の凹部の形成方法を説明する断面図。
【図８】本発明の実施の形態に係る加速度センサ装置の変形例を示す断面図である。
【図９】本発明の実施の形態に係るセンサ素子の変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６７】
１・・・基板
２・・・外部端子
３・・・ビアホール導体
４・・・基板側電極パッド
５・・・キャビティ
６・・・金属細線
７・・・孔部
８・・・接着剤
１１・・・重り部
１１ａ・・・凹部
１２・・・梁部
１３・・・固定部
１４・・・素子側電極パッド
１５・・・抵抗素子
２０・・・センサ素子
２２・・・重り部材
【図１】
2010071850.tif 000003
【図２】
2010071850.tif 000004
【図３】
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【図４】
2010071850.tif 000006
【図５】
2010071850.tif 000007
【図６】
2010071850.tif 000008
【図７】
2010071850.tif 000009
【図８】
2010071850.tif 000010
【図９】
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