(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部と、
前記固定部から離間して配置された固定電極と、
前記固定部に一端部が支持され、前記固定部及び前記固定電極に対して変位可能な可動電極と、を備え、
前記可動電極は印加される外力により変形されて前記固定電極の一部と接触し、
前記可動電極が前記固定電極に接触した際の前記固定部と前記固定電極との間の電気抵抗値の変化に基づいて前記外力の大きさを検出することを特徴とする力学量センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外力に応じて抵抗値が変化する素子を用いて力学量を検出する力学量センサ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、各種電子機器の小型軽量化、多機能化や高機能化が進み、実装される電子部品にも高密度化が要求されている。このような要求に応じて各種電子部品が半導体デバイスとして製造されるものが増加している。このため、回路素子として製造される半導体デバイス以外に力学量を検出するセンサ等も半導体デバイスを用いて製造され、小型軽量化が図られている。例えば、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術を用いて形成される小型で単純な構造を有する加速度センサには、外力に応じて変位する可動部を半導体基板に形成し、この可動部の変位をピエゾ抵抗素子や静電容量素子等を利用して検出するタイプのセンサが実用化されている。
【０００３】
また、従来、接触式半導体センサとして、半導体基板上に形成した可動電極と固定電極との接触の有無により、振動等の有無を検出するものがある（例えば、特許文献１参照。）。他にも、半導体基板上の固定部を中心に渦巻き状に複数巻回した構造の外周部に、リング状の可動電極を形成し、可動電極と、可動電極の周囲に配置された固定電極との接触の有無により、傾きを検出するものがある（例えば、非特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３０３９７４号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｙａｓｕｓｈｉｒｏ  Ｎｉｓｈｉｏｋａ，他５名，”ＭＥＭＳ  Ｔｉｌｔ  Ｓｅｎｓｏｒ  Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ  Ａｎｏｄｉｃ  Ｂｏｎｄｉｎｇ  ｏｆ  Ｔｈｉｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｆｉｌｍ  ｏｎ  Ｇｌａｓｓ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ”，電学論Ｅ，１２９巻１０号，２００９年，ｐ．３２８−３３２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の特許文献１及び非特許文献１により提案された接触式半導体センサでは、可動電極と固定電極との接触の有無を検出することしかできず、可動電極と固定電極とが接触したときに生じる電気信号の出力レベルが小さいため、その電気信号を増幅させるための増幅回路等を、センサの外部に設ける必要があった。また、検出される外力の方向も限られるものであった。
【０００７】
さらに、従来のピエゾ抵抗素子を利用して力学量を検出するタイプのセンサや、静電容量型の半導体センサは、製造プロセスが複雑で、製造コストが高くなるという問題点があった。
【０００８】
本発明は上述した従来の問題点に鑑み、外力の大きさ及び方向並びに加速度を検出することができ、低コストに製造することのできる力学量センサ及びその製造方法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】
【０００９】
本発明の実施の形態に係る力学量センサは、第１基板と、前記第１基板上に配置された固定部と、前記固定部に一端部が支持されて前記第１基板から離隔して配置された可動電極と、前記可動電極の周囲に位置し力学量の検出方向に配置された固定電極と、前記固定部に電気的に接続された第１端子と、前記固定電極に電気的に接続された第２端子と、を備えることを特徴とする。本発明の実施の形態に係る力学量センサによれば、印加された外力の大きさ及び方向並びに加速度を検出することができる。さらに、従来の力学量センサと比べ、構造を簡単なものとすることができるため、製造が容易な力学量センサを実現できる。
【００１０】
本発明の実施の形態に係る力学量センサは、前記可動電極は印加される外力により変形されて前記固定電極の一部と接触し、前記可動電極が前記固定電極に接触した際の前記固定部と前記固定電極との間の電気抵抗値の変化に基づいて前記外力の大きさを検出してもよい。本発明の実施の形態に係る力学量センサによれば、外力の変化を抵抗値の変化として検出できるため、従来の力学量センサと比べ、検出信号レベルを高くすることができる。これにより、増幅回路が不要となり、製造コストを低減させることもできる。
【００１１】
本発明の実施の形態に係る力学量センサは、前記可動電極は、最外周の側面に突起部が配置されてもよい。本発明の実施の形態に係る力学量センサによれば、可動電極の外周側の重みにより、外力が印加された際に固定電極と接触しやすくなる為、印加される外力が小さい場合であっても、抵抗値の変化として検出でき、外力の検出感度を向上させることができる。
【００１２】
本発明の実施の形態に係る力学量センサは、前記可動電極は、前記固定部から遠ざかるに従って、その幅が徐々に大きくなるものであってもよい。本発明の実施の形態に係る力学量センサによれば、可動電極の外周側の重みにより、外力が印加された際に固定電極と接触しやすくなる為、印加される外力が小さい場合であっても、抵抗値の変化として検出でき、外力の検出感度を向上させることができる。
【００１３】
本発明の実施の形態に係る力学量センサは、前記可動電極は、前記最外周よりも内側の一部の幅がもっとも大きいものであってもよい。本発明の実施の形態に係る力学量センサによれば、可動電極の内側の一部の重みにより、外力が印加された際に、外周側が固定電極と接触しやすくなる為、印加される外力が小さい場合であっても、抵抗値の変化として検出でき、外力の検出感度を向上させることができる。
【００１４】
本発明の実施の形態に係る力学量センサは、前記可動電極は、第１可動電極及び第２可動電極を含み、前記第１可動電極の最外周の端部は、リング状の可動電極の内周面に接続され、前記リング状の可動電極は、前記第１可動電極の最外周の周囲に前記第１基板から離隔して配置され、前記リング状の可動電極の外周面には、前記第２可動電極の最内周の端部が接続され、前記第２可動電極は、前記リング状の可動電極の外周に前記第１基板から離隔して渦巻き状に配置され、前記リング状の可動電極の幅は、前記第１可動電極及び前記第２可動電極の各幅より大きくてもよい。本発明の実施の形態に係る力学量センサによれば、リング状の可動電極の重みにより、外力が印加された際に、第２可動電極が固定電極と接触しやすくなる為、印加される外力が小さい場合であっても、抵抗値の変化として検出でき、外力の検出感度を向上させることができる。
【００１５】
本発明の実施の形態に係る力学量センサは、前記可動電極は、前記固定部から遠ざかるに従って、渦巻きの間隔が徐々に狭くなるものであってもよい。本発明の実施の形態に係る力学量センサによれば、可動電極の外周側の重みにより、外力が印加された際に固定電極と接触しやすくなる為、印加される外力が小さい場合であっても、抵抗値の変化として検出でき、外力の検出感度を向上させることができる。
【００１６】
本発明の実施の形態に係る力学量センサは、前記固定電極は、前記第１基板に対して垂直な方向又は平行な方向に、前記可動電極と対向して配置されてもよい。本発明の実施の形態に係る力学量センサによれば、３軸方向（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向）の外力の大きさ及び方向並びに加速度を検知することができる。
【００１７】
本発明の実施の形態に係る力学量センサは、前記固定部及び前記固定電極上に配置された第２基板をさらに備え、前記第２基板は、前記固定部及び前記固定電極の位置に合わせて配置されるとともに前記第１端子又は前記第２端子に電気的に接続される電極又は配線を有してもよい。本発明の実施の形態に係る力学量センサによれば、従来の力学量センサと比べ、構造が単純なものとなる。従って、製造工程を削減でき、製造コストを低減することができる。
【００１８】
本発明の実施の形態に係る力学量センサは、前記固定電極は、前記固定部から一定距離に配置されてもよい。本発明の実施の形態に係る力学量センサによれば、可動電極が固定電極に接触するときの接触位置の違いによる抵抗値の差を低減することができる。
【００１９】
本発明の実施の形態に係る力学量センサの製造方法は、３層からなる第１基板の上層及び中間層をエッチングして、固定部と、前記固定部に一端部が支持されて前記第１基板から離隔された渦巻き状の可動電極と、前記可動電極の周囲に配置される固定電極と、を形成し、第２基板上に、前記固定部及び前記固定電極の形成位置に合わせて電極又は配線を形成し、前記固定部、前記可動電極、及び前記固定電極が形成された前記第１基板の面と、前記電極又は前記配線が形成された前記第２基板の面とを接合することを含んでもよい。本発明の実施の形態に係る力学量センサの製造方法によれば、従来の力学量センサの製造方法と比べて、力学量センサの構造が単純なものとなるため、製造工程を削減でき、製造コストを低減することができる。
【００２０】
本発明の実施の形態に係る力学量センサの製造方法は、ガラス基板に、エッチングにより凹部を形成し、前記凹部が形成された前記ガラス基板の面上に、電極又は配線を形成し、前記電極又は前記配線が形成された前記ガラス基板の面上に、半導体基板を接合し、前記半導体基板の前記ガラス基板が接合されていない面をエッチングして、固定部と、前記固定部に一端部が支持されて前記ガラス基板から離隔された渦巻き状の可動電極と、前記可動電極の周囲に配置される固定電極と、を形成することを含んでもよい。本発明の実施の形態に係る力学量センサの製造方法によれば、従来の力学量センサの製造方法と比べて、力学量センサの構造が単純なものとなるため、製造工程を削減でき、製造コストを低減することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、外力の大きさに応じて抵抗値が変化するように可動電極と固定電極とを構成することにより、外力の大きさを検出することができ、外力により変形した可動電極の固定電極への接触位置に基づき外力の方向を検出することができ、低コストに製造することのできる力学量センサ及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１Ａ】本発明の第１の実施形態に係る力学量センサの概略構造を示した平面図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示した力学量センサをＡ−Ａ´線から見た断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る力学量センサの製造工程を説明するための図であり、（Ａ）は加工前の半導体基板を示す断面図、（Ｂ）は半導体基板に凹部を形成する工程を示す断面図、（Ｃ）は半導体基板に固定部、可動電極、及び固定電極を形成する工程を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る力学量センサの動作の説明図であり、（ａ）は、外力Ｆ１が印加されたときの可動電極が固定電極に接触した状態を示し、（ｂ）は、外力Ｆ２が印加されたときの可動電極が固定電極に接触した状態を示し、（ｃ）は、外力Ｆ３が印加されたときの可動電極が固定電極に接触した状態を示す。
【図４】図３に示した各動作状態に対応する可動電極の長さの変化を模式的に示す図であり、（ａ）は、図３（ａ）に示した動作状態に対応する可動電極の長さを例示し、（ｂ）は、図３（ｂ）に示した動作状態に対応する可動電極の長さを例示し、（ｃ）は、図３（ｃ）に示した動作状態に対応する可動電極の長さを例示する。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る力学量センサの製造工程を説明するための図であり、（Ａ）は加工前の半導体基板を示す断面図、（Ｂ）は半導体基板に凹部を形成する工程を示す断面図、（Ｃ）は半導体基板に固定部、可動電極、及び固定電極を形成する工程を示す断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る力学量センサを示した断面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る力学量センサの第２半導体基板を上面から見たときの概略構造を示す平面図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る力学量センサの第２半導体基板の変形例を示す平面図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る力学量センサを示した断面図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る力学量センサの第２半導体基板を底面から見たときの概略構造を示す平面図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る力学量センサの第２半導体基板の変形例を示す平面図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態に係る力学量センサを示した断面図である。
【図１３】本発明の第４の実施形態に係る力学量センサの第２半導体基板を底面から見たときの概略構造を示す平面図である。
【図１４】本発明の第５の実施形態に係る力学量センサの製造工程を説明するための図であり、（Ａ）は加工前のガラス基板を示す断面図、（Ｂ）はガラス基板に凹部を形成する工程を示す断面図、（Ｃ）はガラス基板に配線用端子を形成する工程を示す断面図である。
【図１５】本発明の第５の実施形態に係る力学量センサの製造工程を説明するための図であり、（Ａ）は配線用端子が形成されたガラス基板に半導体基板を接合する工程を示す断面図、（Ｂ）は半導体基板に固定部、可動電極、及び固定電極を形成する工程を示す断面図である。
【図１６】本発明の第５の実施形態に係る力学量センサのガラス基板を上面から見たときの概略構造を示す平面図である。
【図１７】本発明に係る力学量センサの変形例を示した平面図である。
【図１８】本発明に係る力学量センサの変形例を示した平面図である。
【図１９】本発明に係る力学量センサの変形例を示した平面図である。
【図２０】本発明に係る力学量センサの変形例を示した平面図である。
【図２１】本発明に係る力学量センサの変形例を示した平面図である。
【図２２】本発明の一実施形態に係る力学量センサにより検出される信号を処理する処理回路の回路構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施することができる。
【００２４】
（第１の実施形態）
＜力学量センサの構造＞
まず、本発明の第１の実施形態に係る力学量センサの基本的な構造について、図１Ａ及び図１Ｂを参照して説明する。図１Ａは本発明の第１の実施形態に係る力学量センサの概略構造を示した平面図である。図１Ｂは図１Ａに示した力学量センサをＡ−Ａ´線から見た断面図である。力学量センサ１００は、半導体基板１０４と、半導体基板１０４上に形成された固定部１０１と、可動電極１０２と、固定電極１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄと、を含む。固定部１０１は、半導体基板１０４上に固定されている。可動電極１０２は、その一端部が固定部１０１に接続され、固定部１０１から周囲に向かって渦巻き状に複数巻回して薄板状に形成される。可動電極１０２は可撓性を有し、印加される外力に応じて図中に示すＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向に変形する。可動電極１０２の構造は、図１Ａ及び図１Ｂに示す形状に限定されるものではなく、例えば、内周側と外周側で巻回する間隔を変更し、あるいは、内周側と外周側で幅を変更するようにしてもよい。可動電極１０２は、所定の抵抗率ρ（Ω・ｃｍ）を有する導電体であり、固定部１０１に接続された一端部から最外周の他端部までの長さＬに応じた抵抗値Ｒを有する。なお、可動電極１０２の抵抗率ρは、例えば含まれる不純物濃度により制御されてもよく、四探針測定器により測定した値として、０．００１Ω・ｃｍ以上、０．０２Ω・ｃｍ以下であってもよい。可動電極１０２上に、メタル成膜やガス拡散、またはイオン注入により、下層にＴｉまたはＣｒ等を３０ｎｍ〜１００ｎｍ程度成膜し、その上層にＡｕ等を１００ｎｍ〜３００ｎｍ程度成膜し、可動電極１０２のコンタクト性能を向上させてもよい。
【００２５】
固定電極１０３ａ〜１０３ｄは、可動電極１０２の周囲に位置し力学量の検出方向に配置される。図１Ａ及び図１Ｂでは、Ｘ方向とＹ方向の４箇所に固定電極１０３ａ〜１０３ｄを配置した例を示す。固定電極の数や配置位置は、力学量センサ１００の仕様に応じて適宜変更される。
【００２６】
可動電極１０２は、印加される外力の大きさに応じて渦巻き状の構造が変形し、外力が印加された方向に配置された固定電極１０３ａ〜１０３ｄに、可動電極１０２の渦巻き状の構造の一部が接触する。このとき、可動電極１０２の抵抗体としての長さは、固定部１０１に接続された一端部から接触部までの長さになり、抵抗値が変化する。力学量センサ１００は、可動電極１０２による抵抗値の変化を利用して外力の大きさを検出する。
【００２７】
この可動電極１０２の変形による抵抗値の変化を電気的に検出するため、固定部１０１には第１端子（図示せず）が接続され、固定電極１０３ａ〜１０３ｄには各々第２端子（図示せず）が接続される。これらの第１端子と第２端子は、力学量センサ１００が実装される電子機器内の力学量検出信号を処理する回路に接続される。
【００２８】
可動電極１０２は、図１Ａに図示したように、渦巻き状の構造の最外周の末端部に開口部１０２ａを有してもよい。開口部１０２ａは、可動電極１０２の末端部が、最外周より一つ内側の内周から、例えば、渦巻きの間隔と等しい間隔だけ離隔されることにより構成されてもよい。なお、可動電極１０２は開口部１０２ａを有さない形状であってもよく、末端部が内周に接合された形状であってもよい。
【００２９】
本発明の一実施形態において、可動電極１０２は、幅が１５μｍ、Ｚ方向の高さが５０μｍの薄板状に形成されてもよい。可動電極１０２は、一周以上の渦巻き状の構造を有しており、隣り合うｋ周目とｋ−１週目（但し、ｋ＞１）との間隔は、５０μｍであってもよい。なお、可動電極１０２の幅、厚み、及び渦巻きの間隔は、固定部１０１から最外周の末端部まで一定でなくともよい。固定部１０１は、半径が７５μｍ、Ｚ方向の高さが５０μｍの円柱形状を有してもよい。また、固定電極１０３ａ〜１０３ｄは、縦が１１９０μｍ、横が１００μｍ、厚み（Ｚ方向の高さ）が５０μｍの薄板状に形成されてもよく、可動電極１０２の周囲に配置されてもよい。固定電極１０３ａ〜１０３ｄから固定部１０１までの距離は、７０μｍであってもよく、一定としてもよい。なお、本発明の実施形態においては、仕様に応じて各部の寸法は適宜変更される。
【００３０】
＜力学量センサの製造方法＞
次に、第１の実施形態に係る力学量センサ１００の製造方法について、図２を参照して説明する。図２は、力学量センサ１００の断面の概略構造を示した製造工程を説明するための図であり、（Ａ）は加工前の半導体基板を示す断面図、（Ｂ）は半導体基板に凹部を形成する工程を示す断面図、（Ｃ）は半導体基板に固定部、可動電極、及び固定電極を形成する工程を示す断面図である。なお、図２（Ｃ）は、図１Ｂと同様に、図１Ａに示した力学量センサをＡ−Ａ´線から見た断面図である。
【００３１】
（１）半導体基板Ｗの準備（図２（Ａ）参照）
シリコン膜１０６、ＢＯＸ層１０５、シリコン基板１０４を積層してなる半導体基板（ＳＯＩ基板）Ｗを用意する。シリコン膜１０６、ＢＯＸ層１０５、シリコン基板１０４は、その外周が例えば１．５５ｍｍ×１．５５ｍｍの略正方形状であり、これらのＺ方向の高さはそれぞれ５０μｍ、０．５μｍ、４００μｍである。これらの外形、高さは一例であり、上記に限定されるものではない。シリコン膜１０６は、力学量センサ１００の固定部１０１、可動電極１０２、および固定電極１０３ａ〜１０３ｄを構成する層である。ＢＯＸ層１０５は、シリコン膜１０６とシリコン基板１０４とを接合する層であり、かつエッチングストッパ層として機能する層である。シリコン基板１０４は、力学量センサ１００の第１半導体基板１０４を構成する。半導体基板Ｗは、ＳＩＭＯＸないし、貼り合せ法等により作製される。
【００３２】
（２）シリコン膜１０６の加工（図２（Ｂ）参照）
固定部１０１、可動電極１０２、および固定電極１０３ａ〜１０３ｄを加工するためのマスク（図示せず）を形成し、該マスクを介してシリコン膜１０６をエッチングすることにより、固定部１０１、可動電極１０２、および固定電極１０３ａ〜１０３ｄが形成される位置を除いた凹部１０６ａを形成する。エッチング方法として、ＤＲＩＥ（Ｄｅｅｐ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いることができる。
【００３３】
（３）ＢＯＸ層１０５の加工（図２（Ｃ）参照）
ＢＯＸ層１０５をサイドエッチングすることにより、可動電極１０２が形成される位置のシリコン膜１０６と接していたＢＯＸ層１０５が除去され、第１半導体基板１０４から離隔された可動電極１０２が形成される。なお、図２（Ｃ）には、第１半導体基板１０４から離隔された可動電極１０２について、外周部が重みで下方に下がった形状を図示している。図２（Ｃ）に図示したように、固定部１０１および固定電極１０３ａ〜１０３ｄと第１半導体基板１０４との間にのみ必要なＢＯＸ層１０５ａ〜１０５ｅが残される。図２（Ｂ）に図示したように、固定部１０１および固定電極１０３ａ〜１０３ｄが形成される位置に対応するシリコン膜１０６は、ＢＯＸ層１０５と接している面積が、可動電極１０２が形成される位置のＢＯＸ層１０５と接している面積よりも大きいため、ＢＯＸ層１０５ａ〜１０５ｅを一部残して、固定部１０１および固定電極１０３ａ〜１０３ｄを第１半導体基板１０４から離隔させずに形成することができる。エッチング方法としては、ＨＦ希釈（例えば、５０％ＨＦを１０％に希釈する）をエッチング液として用いるウェットエッチングを挙げることができる。また、ドライエッチングによって可動電極１０２を第１半導体基板１０４から離隔させることともできる。
【００３４】
以上の工程により、本発明の第１の実施形態に係る力学量センサ１００が形成される。
【００３５】
＜力学量センサの動作＞
次に、第１の実施形態に係る力学量センサ１００の動作について、図３及び図４を参照して説明する。上述したように、力学量センサ１００は、可動電極１０２の一端部が、半導体基板１０４に形成された固定部１０１により支持され、固定電極１０３ａ〜１０３ｄに囲まれた空間内で変位できるように構成されている。可動電極１０２は、印加される外力により変形され、固定電極１０３ａ〜１０３ｄの一部と接触する。固定部１０１及び固定電極１０３ａ〜１０３ｄは、第１端子及び第２端子（図示せず）に電気的に接続されている。可動電極１０２が接続されている固定部１０１の固定端と、可動電極１０２が固定電極１０３ａ〜１０３ｄの接触した位置との間の長さにより抵抗値が変化し、この抵抗値の変化が第１端子及び第２端子に接続される処理回路により検出される。
【００３６】
以下、図３及び図４に基づき、力学量センサ１００の動作例について説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る力学量センサの動作の説明図であり、（ａ）は、外力Ｆ１が印加されたときの可動電極１０２が固定電極１０３ｂに接触した状態を示し、（ｂ）は、外力Ｆ１よりも大きい外力Ｆ２が印加されたときの可動電極１０２が固定電極１０３ｂに接触した状態を示し、（ｃ）は、外力Ｆ２よりも大きい外力Ｆ３が印加されたときの可動電極１０２が固定電極１０３ｂに接触した状態を示す。図４は、図３（ａ）〜（ｃ）の各動作状態に対応する可動電極１０２の長さＬの変化を模式的に示す図であり、（ａ）は、図３（ａ）に示した動作状態に対応する可動電極の長さを例示し、（ｂ）は、図３（ｂ）に示した動作状態に対応する可動電極の長さを例示し、（ｃ）は、図３（ｃ）に示した動作状態に対応する可動電極の長さを例示する。
【００３７】
図３（ａ）に図示したように、Ｘ方向の外力Ｆ１が印加されたとき、可動電極１０２は変形し、最外周の一部Ｂ１において固定電極１０３ｂと接触し、図３（ｂ）に図示したように、Ｘ方向の外力Ｆ２が印加されたとき、可動電極１０２は変形し、最外周よりも一つ内側の内周の一部Ｂ２において固定電極１０３ｂと接触し、図３（ｃ）に図示したように、Ｘ方向の外力Ｆ３が印加されたとき、可動電極１０２は変形し、最外周よりも二つ内側の内周の一部Ｂ３において固定電極１０３ｂと接触する。このとき、外力Ｆは、Ｆ１＜Ｆ２＜Ｆ３である。なお、図３では、可動電極１０２が固定部１０１に接続された固定端をＡ１とし、可動電極１０２が固定電極１０３ｂに接触した接触位置をＢ１〜Ｂ３として図示している。
【００３８】
図４（ａ）に図示したように、Ｘ方向の外力Ｆ１が印加されたとき、固定端Ａ１から接触位置Ｂ１までの可動電極１０２の長さをＬ１とし、図４（ｂ）に図示したように、Ｘ方向の外力Ｆ２が印加されたとき、固定端Ａ１から接触位置Ｂ２までの可動電極１０２の長さをＬ２とし、図４（ｃ）に図示したように、Ｘ方向の外力Ｆ３が印加されたとき、固定端Ａ１から接触位置Ｂ３までの可動電極１０２の長さをＬ３とする。図４に示したように、固定端Ａ１から接触位置Ｂ１〜Ｂ３までの長さＬは、Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３である。また、可動電極１０２の電気抵抗率を、ρ（Ω・ｃｍ）とすると、図４（ａ）に図示した固定端Ａ１から接触位置Ｂ１までの電気抵抗値Ｒ１は、Ｒ１∝Ｌ１・ρである。同様に、図４（ｂ）に図示した固定端Ａ１から接触位置Ｂ２までの電気抵抗値Ｒ２は、Ｒ２∝Ｌ２・ρであり、図４（ｃ）に図示した固定端Ａ１から接触位置Ｂ３までの電気抵抗値Ｒ３は、Ｒ３∝Ｌ３・ρである。従って、印加される外力ＦがＦ１＜Ｆ２＜Ｆ３と大きくなるにつれ、電気抵抗値Ｒは、Ｌ１・ρ＞Ｌ２・ρ＞Ｌ３・ρと小さくなり、外力の大きさに応じて可動電極１０２の抵抗値Ｒが変化することがわかる。
【００３９】
さらに、力学量センサ１００を加速度センサとして用いる場合は、加速度の作用に起因して生じる可動電極１０２の抵抗値Ｒの時間当たりの変位を検出すればよい。Ｘ、Ｙ軸方向の加速度は、可動電極１０２の変位による抵抗値の変化を時間軸で測定することにより検出可能である。
【００４０】
また、力学量センサ１００は、可動電極１０２の周囲に配置された固定電極１０３ａ〜１０３ｄのいずれかに可動電極１０２が接触したかを検出することにより、外力の方向を検出することもできる。例えば、図３（ａ）〜（ｃ）に図示したように、固定電極１０３ｂに可動電極１０２が接触した場合には、力学量センサ１００に対して、Ｘ方向の外力Ｆ１〜Ｆ３が印加されたことがわかる。また、固定電極１０３ａ〜１０３ｄの数をさらに増やして配置することにより、外力の検出方向分解能を高めることができる。例えば、固定電極の数を８個に増やして、固定部１０１を挟んで上下左右（Ｘ，Ｙ方向）にそれぞれ２個ずつ配置することにより、外力が印加される方向を検出する検出方向分解能を高めることができる。なお、固定電極の数は限定されるものではなく、要求される仕様に応じて適宜変更され得る。
【００４１】
本発明の第１の実施形態に係る力学量センサ１００によれば、外力の変化を、抵抗値の変化として検出できるため、従来のピエゾ抵抗素子を利用したタイプのセンサや、静電容量型のセンサと比べて、検出信号レベルを高くすることができる。これにより、増幅回路が不要となり、製造コストを低減させることができる。また、固定電極１０３ａ〜１０３ｄを可動電極の周囲に複数配置することにより、外力の方向を検出することもできる。さらに、従来の力学量センサと比べ、構造を簡単なものにすることができるため、製造が容易な力学量センサを実現できる。
【００４２】
（第２の実施形態）
＜力学量センサの製造方法＞
第２の実施形態に係る力学量センサ２００の製造方法について、図５（Ａ）〜（Ｃ）、図６、及び図７を参照して説明する。図５（Ａ）〜（Ｃ）及び図６は、力学量センサ２００の断面の概略構造を示した製造工程を説明するための図であり、図７は、図６の力学量センサ２００の第２半導体基板２０７を上面から見たときの概略構造を示す平面図である。なお、図６は、図７に示した力学量センサ２００をＢ−Ｂ´線から見た断面を示す。
【００４３】
（１）半導体基板Ｗの準備（図５（Ａ）参照）
シリコン膜２０６、ＢＯＸ層２０５、シリコン基板２０４を積層してなる半導体基板（ＳＯＩ基板）Ｗを用意する。シリコン膜２０６、ＢＯＸ層２０５、シリコン基板２０４は、その外周が例えば１．５５ｍｍ×１．５５ｍｍの略正方形状であり、これらのＺ方向の高さはそれぞれ５０μｍ、０．５μｍ、４００μｍである。これらの外形、高さは一例であり、上記に限定されるものではない。シリコン膜２０６は、力学量センサ２００の固定部２０１、可動電極２０２、および固定電極２０３ａ〜２０３ｈを構成する層である。ＢＯＸ層２０５は、シリコン膜２０６とシリコン基板２０４とを接合する層であり、かつエッチングストッパ層として機能する層である。シリコン基板２０４は、力学量センサ２００の第１半導体基板２０４を構成する。半導体基板Ｗは、ＳＩＭＯＸないし、貼り合せ法等により作製される。
【００４４】
（２）シリコン膜２０６の加工（図５（Ｂ）参照）
固定部２０１、可動電極２０２、および固定電極２０３ａ〜２０３ｈを加工するためのマスク（図示せず）を形成し、該マスクを介してシリコン膜２０６をエッチングすることにより、固定部２０１、可動電極２０２、および固定電極２０３ａ〜２０３ｈが形成される位置を除いた凹部２０６ａを形成する。エッチング方法として、ＤＲＩＥ（Ｄｅｅｐ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いることができる。
【００４５】
（３）ＢＯＸ層２０５の加工（図５（Ｃ）参照）
ＢＯＸ層２０５をサイドエッチングすることにより、可動電極２０２が形成される位置のシリコン膜２０６と接していたＢＯＸ層２０５が除去され、第１半導体基板２０４から離隔された可動電極２０２が形成される。このとき、固定部２０１および固定電極２０３ａ〜２０３ｈと第１半導体基板２０４との間にのみ必要なＢＯＸ層２０５ａ〜２０５ｉ（図６参照）が残される。図５（Ｂ）に図示したように、固定部２０１および固定電極２０３ａ〜２０３ｈが形成される位置に対応するシリコン膜２０６は、ＢＯＸ層２０５と接している面積が、可動電極２０２が形成される位置のＢＯＸ層２０５と接している面積よりも大きいため、ＢＯＸ層２０５ａ〜２０５ｉを一部残して、固定部２０１および固定電極２０３ａ〜２０３ｈを第１半導体基板２０４から離隔させずに形成することができる。なお、エッチング方法として、ＨＦ希釈（例えば、５０％ＨＦを１０％に希釈する）をエッチング液として用いるウェットエッチングを挙げることができる。また、ＣＦ４ガスとＯ２ガスとの混合ガスを用いたＲＩＥ法によるドライエッチングも適用可能である。
【００４６】
（４）第２半導体基板２０７の形成（図６、図７参照）
図６及び図７に図示した第２半導体基板２０７は、ガラス材料、半導体、金属材料、絶縁性樹脂材料のいずれかにより構成される。以下では、第２半導体基板２０７としてガラス材料を用いる場合について説明する。可動イオンを含むガラス基板（例えばテンパックス（登録商標）ガラス）を用いてもよい。図６に図示するように、第２半導体基板２０７には、エッチングあるいはサンドブラストにより、第１半導体基板２０４の可動電極２０２と対向する位置に対応させて、凹部２０７ａを形成する。
【００４７】
（５）貫通電極２０８ａ〜２０８ｉの形成（図６、図７参照）
第２半導体基板２０７には、図６に図示するように、上下に貫通した貫通電極２０８ａ〜２０８ｉが形成される。貫通電極２０８ａ〜２０８ｉは、後述する製造工程において、第１半導体基板２０４と第２半導体基板２０７とが接合されると、第１半導体基板２０４の固定部２０１および固定電極２０３ａ〜２０３ｈにそれぞれ電気的に接続されるため、固定部２０１および固定電極２０３ａ〜２０３ｈと対向する位置にそれぞれ形成される。所定のマスクが形成された第２半導体基板２０７をサンドブラストにより、貫通電極２０８ａ〜２０８ｉの各形成位置に貫通孔（図示せず）を形成する。この貫通孔の内部に、導電性ペースト充填（スクリーン印刷）、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐａｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法あるいは電解めっき法等を用いて導電性を有する導電材を配置することにより、貫通電極２０８ａ〜２０８ｉを形成する。例えば、ＣＶＤ法により、貫通孔の内壁に多結晶シリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）からなる導電層を堆積させて、貫通電極２０８ａ〜２０８ｉを形成してもよい。導電層としては、多結晶シリコン以外に、例えば、金属材料（Ｔｉ，Ｃｕなど）を用いてもよい。
【００４８】
（６）第１半導体基板２０４と第２半導体基板２０７の接合（図６参照）
第１半導体基板２０４と第２半導体基板２０７とを、陽極接合等により接合する。このとき、図６に図示したように、第２半導体基板２０７に形成された貫通電極２０８ａ〜２０８ｉと、第１半導体基板２０４に形成された固定部２０１および固定電極２０３ａ〜２０３ｈとがそれぞれ電気的に接続されるように接合される。また、第２半導体基板２０７に形成された凹部２０７ａと、第１半導体基板２０４に形成された可動電極２０２とが対向した位置で接合される。なお、図６に示すように、可動電極２０２が接触される固定電極２０３ａ〜２０３ｈの各端部から、貫通電極２０８ａ〜２０８ｈの接続部までの距離ｄ１を、それぞれ同じ距離とする。また、固定電極２０３ａ〜２０３ｈは、固定部２０１から一定距離ｄ２に配置される。これにより、可動電極２０２が固定電極２０３ａ〜２０３ｈに接触するときの接触位置の違いによる抵抗値の差を低減することができる。
【００４９】
（７）配線用端子２０８ａ´〜２０８ｉ´の形成（図６、図７参照）
図７は、図６に示した第２半導体基板２０７の上面の一例を示した平面図である。図６及び図７に図示するように、第２半導体基板２０７の上面には、配線用端子２０８ａ´〜２０８ｉ´が、貫通電極２０８ａ〜２０８ｉが露出する上面部に対応させて、貫通電極２０８ａ〜２０８ｉと電気的に接続されるように、例えば、Ａｌからなるパターンによって形成されてもよい。これらの配線用端子２０８ａ´〜２０８ｉ´は、力学量センサ２００が実装される電子機器内の力学量検出信号を処理する回路に接続される。なお、固定部２０１に接続される貫通電極２０８ｉ及び配線用端子２０８ｉ´が上述した第１端子として機能し、固定電極２０３ａ〜２０３ｈに接続される貫通電極２０８ａ〜２０８ｈ及び配線用端子２０８ａ´〜２０８ｈ´が上述した第２端子として機能する。配線用端子２０８ａ´〜２０８ｉ´は、第１半導体基板２０４と第２半導体基板２０７との接合前に、第２半導体基板２０７に形成されてもよい。
【００５０】
以上の工程により、本発明の第２の実施形態に係る力学量センサ２００が形成される。
【００５１】
なお、本発明の第２の実施形態に係る力学量センサ２００は、図７に示した第２半導体基板２０７の構成に限定されるものではなく、例えば、図８に示すような構成としてもよい。
【００５２】
図８は、第２半導体基板２０７の他の実施形態を図示しており、配線用端子２０８ａ´〜２０８ｉ´が形成された第２半導体基板２０７を上面から見た平面図である。図８に図示するように、第２半導体基板２０７の上面の一側端部近傍（図中の第２半導体基板２０７の右辺）に、配線用端子２０８ａ´〜２０８ｉ´に接続された配線用端子２０８ａ´´〜２０８ｉ´´が形成されてもよい。配線用端子２０８ａ´〜２０８ｉ´、２０８ａ´´〜２０８ｉ´´は、いずれも、例えば、Ｃｒ層、Ａｕ層の順に金属層を蒸着法やスパッタ法等により形成し、不要な金属層をエッチングにより除去して形成してもよい。
【００５３】
本発明の第２の実施形態に係る力学量センサ２００によれば、印加される外力により可動電極２０２が変位し、周囲に配置された固定電極２０３ａ〜２０３ｈのいずれかに可動電極２０２の一部が接触する。このとき、可動電極２０２の抵抗体としての長さが、固定部２０１に接続された一端部から接触部までの長さとなり、印加される外力の大きさに応じて抵抗値が変化する。この抵抗値の変化に応じた検出信号を、力学量センサ２００に接続された処理回路によって検出することにより、外力の大きさを検出することができる。また、本発明の第２の実施形態に係る力学量センサ２００は、従来のピエゾ抵抗素子を利用したタイプのセンサや、静電容量型のセンサと比べ、構造が単純なものとなる。従って、製造工程を削減でき、製造コストを低減することができる。
【００５４】
（第３の実施形態）
＜力学量センサの製造方法＞
次に、図９及び図１０を参照して、本発明の第３の実施形態に係る力学量センサ３００の製造方法を説明する。図９は、力学量センサ３００の断面の概略構造を示し、図１０は、力学量センサ３００の第２半導体基板３０７を底面から見たときの概略構造を示す。なお、図９は、図１０に示した力学量センサ３００をＣ−Ｃ´線から見た断面を示す。
【００５５】
図９に図示したように、本発明の第３の実施形態に係る力学量センサ３００は、第１半導体基板３０４上に、図５（Ａ）〜（Ｃ）に示した製造工程と同様の工程を経て、固定部３０１、可動電極３０２、固定電極３０３ａ〜３０３ｈが形成される。また、固定電極３０３ａ〜３０３ｈと同様の製造工程を経て、固定部３０１と電気的に接続される固定部電極３０３ｊが形成される。
【００５６】
第２半導体基板３０７は、図６に示した力学量センサ２００の第２半導体基板２０７と同様に、ガラス基板を用いてもよい。第２半導体基板３０７は、エッチングあるいはサンドブラストにより、第１半導体基板３０４の可動電極３０２と対向する位置に対応させて、凹部３０７ａが形成される。
【００５７】
凹部３０７ａが形成された第２半導体基板３０７の面（図９では下面）上には、図１０に示す電極３０９ａ〜３０９ｉの各形成位置に合わせて、絶縁層３０８が、パターニングすることにより形成され、絶縁層３０８の上には、電極３０９ａ〜３０９ｉが形成される。電極３０９ａ〜３０９ｉは、第１半導体基板３０４の固定部３０１及び固定電極３０３ａ〜３０３ｈとそれぞれ電気的に接続され、上述した第１端子及び第２端子として機能するため、固定部３０１および固定電極３０３ａ〜３０３ｈと対向する位置にそれぞれパターニングすることにより形成される。
【００５８】
絶縁層３０８は、例えば、シリコン酸化物、シリコン窒化物等の無機絶縁層からなる。シリコン酸化物の場合には、熱酸化法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃｌａｌ  Ｖａｐａｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて形成してもよい。また、シリコン窒化物の場合にはＣＶＤ法を用いて形成してもよい。電極３０９ａ〜３０９ｉは、金属あるいは多結晶シリコン等の材料からなり、その材料は接合される第１半導体基板３０４及び第２半導体基板３０７の材料や接合方法等により適宜選択することが可能である。
【００５９】
なお、第２半導体基板３０７全体の大きさは、第１半導体基板３０４全体の大きさより小さいため、第２半導体基板３０７は、第１半導体基板３０４と接合されるとき、第１半導体基板３０４の外周領域を露出するように接合される。このとき、第２半導体基板３０７は、第１半導体基板３０４上に形成された固定電極３０３ａ〜３０３ｈ及び固定部電極３０３ｊの端部近傍の一部を露出するように接合される。
【００６０】
第１半導体基板３０４と第２半導体基板３０７とが接合されると、第１半導体基板３０４に形成された固定部３０１及び固定電極３０３ａ〜３０３ｈは、第２半導体基板２０７の電極３０９ａ〜３０９ｉにそれぞれ電気的に接続される。なお、図９に示すように、可動電極３０２が接触される固定電極３０３ａ〜３０３ｈの各端部から、電極３０９ａ〜３０９ｈの接続部までの距離ｄ１を、それぞれ同じ距離とする。また、固定電極３０３ａ〜３０３ｈは、固定部３０１から一定距離ｄ２に配置される。これにより、可動電極３０２が固定電極３０３ａ〜３０３ｈに接触するときの接触位置の違いによる抵抗値の差を低減することができる。
【００６１】
図１０は、力学量センサ３００の、電極３０９ａ〜３０９ｉが形成された第２半導体基板３０７を底面から見た平面図である。なお、図１０には、第１半導体基板３０４が接合されたときに、第１半導体基板３０４、固定電極３０３ａ〜３０３ｈ、及び固定部３０１が配置される位置を点線で示している。また、図示していないが、電極３０９ａ〜３０９ｉと第２半導体基板３０７との間には、絶縁層３０８が形成されている。
【００６２】
図１０に図示するように、固定部３０１と電気的に接続される電極３０９ｉは、第１半導体基板３０４に形成された固定部電極３０３ｊと電気的に接続される。図示していないが、固定電極３０３ａ〜３０３ｈ及び固定部電極３０３ｊの、第２半導体基板３０７より外側に露出された領域には、ワイヤボンディング等の方法によって配線が接続される。これらの配線は、力学量センサ３００が実装される電子機器内の力学量検出信号を処理する回路に接続される。
【００６３】
以上の工程により、本発明の第３の実施形態に係る力学量センサ３００が形成される。
【００６４】
なお、本発明の第３の実施形態に係る力学量センサ３００は、図１０に示した第２半導体基板３０７の構成に限定されるものではなく、例えば、図１１に示すような構成としてもよい。
【００６５】
図１１は、第２半導体基板３０７の他の実施形態を図示しており、電極３０９ａ〜３０９ｉが形成された第２半導体基板３０７を底面から見た平面図である。図１１は、第２半導体基板３０７の外周領域にダミー端子３１０ｊを形成して、第１半導体基板３０４との接合時のバランスを図るようにした例を示す。
【００６６】
図１１に図示するように、第２半導体基板３０７には、電極３０９ａ〜３０９ｉが電気的に接続される配線パターン３０９ａ´〜３０９ｉ´が形成され、第１半導体基板３０４の一側端部近傍（図中の第１半導体基板３０４の右辺）に形成された配線用端子３１０ａ〜３１０ｉに、それぞれ接続されるように形成されてもよい。なお、図１１には、第１半導体基板３０４が接合されるときに、第１半導体基板３０４、固定電極３０３ａ〜３０３ｈ、固定部３０１、配線用端子３１０ａ〜３１０ｉ、及び複数のダミー端子３１０ｊが配置される位置を点線で示している。なお、図示していないが、電極３０９ａ〜３０９ｉ及び配線パターン３０９ａ´〜３０９ｉと、第２半導体基板３０７との間には、絶縁層が形成される。
【００６７】
ダミー端子３１０ｊは、配線用端子３１０ａ〜３１０ｉが形成された一側端部近傍を除く第１半導体基板３０４の外周領域の端部近傍に形成される。ダミー端子３１０ｊは、第１半導体基板３０４と第２半導体基板３０７とが接合されるとき、第１半導体基板３０４の一側端部のみに形成された配線用端子３１０ａ〜３１０ｉにより、安定的に接合されなくなることを防ぎ、第１半導体基板３０４の外周全体と第２半導体基板３０７の外周全体が接合されるように形成される。このため、各ダミー端子３１０ｊの形状は、配線用端子３１０ａ〜３１０ｉのそれぞれと同じ形状であることが望ましい。図１１に図示した第２半導体基板３０７は、配線用端子３１０ａ〜３１０ｉの一部と重なり、一部を露出するように接合される。図示していないが、配線用端子３１０ａ〜３１０ｉの第２半導体基板３０７より外側に露出された領域は、ワイヤボンディング等によって、外部回路と接続されてもよい。
【００６８】
以上の工程により製造された本発明の第３の実施形態に係る力学量センサ３００は、第２の実施形態に係る力学量センサ２００と同様に、２軸方向（Ｘ方向、Ｙ方向）の外力の大きさを検知することができる。また、従来のピエゾ抵抗素子を利用したタイプのセンサや、静電容量型のセンサと比べ、構造が単純なものとなる。従って、製造工程を削減でき、製造コストを低減することができる。
【００６９】
（第４の実施形態）
＜力学量センサの製造方法＞
さらに、３軸方向（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向）の外力の大きさ及び方向並びに加速度を検知することのできる力学量センサ４００の構成及び製造方法について、図１２及び図１３を参照して述べる。
【００７０】
図１２は、本発明の第４の実施形態に係る力学量センサ４００を示す断面図である。図１３は、図１２に示した力学量センサ４００の第２半導体基板４０７を底面から見た平面図である。なお、図１２は、図１３に示した力学量センサ４００をＤ−Ｄ´線から見た断面を示す。
【００７１】
力学量センサ４００は、第３の実施形態に係る力学量センサ３００と同様の製造工程を経て、第１半導体基板４０４に、固定部４０１、可動電極４０２、固定電極４０３ａ〜４０３ｈ、及び固定部電極４０３ｊが形成され、第２半導体基板４０７に、凹部４０７ａ、絶縁層４０８、及び電極４０９ａ〜４０９ｉが形成される。
【００７２】
また、力学量センサ４００は、第３の実施形態に係る力学量センサ３００とは異なり、Ｚ方向の外力の大きさ及び方向並びに加速度を検知するために、第２半導体基板４０７に、固定電極４０３ａ〜４０３ｈと同様の機能を有する電極４０９ｋが、電極４０９ａ〜４０９ｉと同様の製造工程を経て形成される。また、第１半導体基板４０４には、電極４０９ｋに電気的に接続される固定電極４０３ｋが、固定電極４０３ａ〜４０３ｈと同様の製造工程を経て形成される。
【００７３】
電極４０９ｋは、可動電極４０２と対向した位置にある第２半導体基板４０７の凹部４０７ａに形成され、Ｚ方向の外力によって変形した可動電極４０２が接触される位置に配置される。図１２に示すように、第２半導体基板４０７の凹部４０７ａには、絶縁層４０８が、電極４０９ｋの形成位置に合わせてパターニングすることにより形成され、絶縁層４０８の上に、電極４０９ｋがパターニングすることにより形成される。なお、図１２及び図１３には、Ｚ方向の外力を検知する電極４０９ｋを一つだけ図示しているが、これに限定されず、仕様に応じて複数の電極を形成してもよい。検出方向に応じて固定電極４０９ｋを複数配置することにより、Ｚ方向の外力の検出方向分解能を高めることができる。
【００７４】
また、図１２に図示した第１及び第３の実施形態に係る力学量センサ２００、３００と同様に、力学量センサ４００においても、可動電極４０２が接触される固定電極４０３ａ〜４０３ｈの各端部から、電極４０９ａ〜４０９ｈの接続部までの距離ｄ１は、それぞれ同じ距離とする。また、固定電極４０３ａ〜４０３ｈは、固定部４０１から一定距離ｄ２に配置される。これにより、可動電極４０２が固定電極４０３ａ〜４０３ｈに接触するときの接触位置の違いによる抵抗値の差を低減することができる。
【００７５】
固定電極４０３ａ〜４０３ｈ、４０３ｋ、及び固定部電極４０３ｊの、第２半導体基板４０７より外側に露出された部分には、ワイヤボンディング等によって力学量検出信号を処理する外部回路と接続されてもよい。これにより、力学量センサ４００は、Ｚ方向の外力の印加により、可動電極１０２が電極４０９ｋに接触されたときに、抵抗値の変化を検出することができるため、Ｚ方向の外力の大きさを検出することが可能となる。
【００７６】
以上の工程により製造された本発明の第４の実施形態に係る力学量センサ４００によれば、３軸方向（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向）の外力の大きさ及び方向並びに加速度を検知することができる。また、従来のピエゾ抵抗素子を利用したタイプのセンサや、静電容量型のセンサと比べ、構造が単純なものとなる。従って、製造工程を削減でき、製造コストを低減することができる。
【００７７】
（第５の実施形態）
＜力学量センサの製造方法＞
以下、さらに、図１４〜図１６を参照して、本発明の第５の実施形態に係る力学量センサ５００の製造方法を説明する。図１４（Ａ）〜（Ｃ）及び図１５（Ａ）、（Ｂ）は、力学量センサ５００の断面の概略構造を示した製造工程を説明するための図であり、図１６は、力学量センサ５００のガラス基板５０４を上面から見たときの概略構造を示す平面図である。なお、図１５（Ｂ）は、図１６に示した力学量センサ５００をＥ−Ｅ´線から見た断面を示す。
【００７８】
（１）ガラス基板５０４の形成（図１４（Ａ），（Ｂ）参照）
ガラス基板５０４は、可動イオンを含むガラス基板（例えばテンパックス（登録商標）ガラス）を用いてもよい。図１４（Ｂ）に図示したように、エッチングあるいはサンドブラストにより、ガラス基板５０４に、凹部５０４ａを形成する。凹部５０４ａは、後述する工程において、ガラス基板５０４と接合される半導体基板５０６に形成された可動電極５０２の形成位置に対応させて形成される。
【００７９】
（２）配線用端子５０５ａ〜５０５ｅ、５０５ａ´〜５０５ｅ´の形成（図１４（Ｃ）及び図１６参照）
凹部５０４ａの形成された側のガラス基板５０４の面上に、図１４（Ｃ）及び図１６に図示するように、配線用端子５０５ａ〜５０５ｅ、５０５ａ´〜５０５ｅ´を形成する。配線用端子５０５ａ〜５０５ｅ、５０５ａ´〜５０５ｅ´は、例えば、Ｃｒ層、Ａｕ層の順に金属層を蒸着法やスパッタ法等により形成し、不要な金属層をエッチングにより除去して形成してもよい。配線用端子５０５ａ〜５０５ｅは、後述する工程において、ガラス基板５０４と半導体基板５０６とが接合されると、半導体基板５０６に形成される固定部５０１及び固定電極５０３ａ〜５０３ｄにそれぞれ電気的に接続されるように、固定部５０１及び固定電極５０３ａ〜５０３ｄと対向する位置に形成される。配線用端子５０５ａ´〜５０５ｅ´は、配線用端子５０５ａ〜５０５ｅに接続され、図１６に図示するように、凹部５０４ａの形成された側のガラス基板５０４の面上の一側端部近傍（図中のガラス基板５０４の上辺）に形成されてもよい。
【００８０】
（３）ガラス基板５０４と半導体基板５０６との接合（図１５（Ａ）参照）
ガラス基板５０４と半導体基板５０６とを、陽極接合等により接合する。半導体基板５０６は、所望の抵抗率を有するように不純物が拡散された半導体基板である。図１５（Ａ）に図示したように、半導体基板５０６は、配線用端子５０５ａ〜５０５ｅ、５０５ａ´〜５０５ｅ´が形成された側のガラス基板５０４の面上に接合される。
【００８１】
（４）半導体基板５０６の加工（図１５（Ｂ）参照）
固定部５０１、可動電極５０２、および固定電極５０３ａ〜５０３ｄを加工するためのマスク（図示せず）を形成し、該マスクを介して半導体基板５０６をエッチングすることにより、固定部５０１、可動電極５０２、および固定電極５０３ａ〜５０３ｄが形成される位置を除いた凹部５０６ａが形成される。これにより、ガラス基板５０４上には、配線用端子５０５ａ〜５０５ｅに電気的に接続された固定部５０１、可動電極５０２、および固定電極５０３ａ〜５０３ｄが形成される。エッチング方法として、ＤＲＩＥ（Ｄｅｅｐ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いることができる。
【００８２】
以上の工程により製造された本発明の第５の実施形態に係る力学量センサ５００によれば、第１及び第３の実施形態に係る力学量センサ２００、３００と同様に、２軸方向（Ｘ方向、Ｙ方向）の外力の大きさを検知することができる。また、従来のピエゾ抵抗素子を利用したタイプのセンサや、静電容量型のセンサと比べ、構造が単純なものとなる。従って、製造工程を削減でき、製造コストを低減することができる。
【００８３】
上述したように、本発明の第１乃至第５の実施形態に係る力学量センサ２００〜５００は、２層または３層からなる基板を用いて、従来のエッチング方法やパターニング方法によって形成されるため、製造工程が簡易なものとなる。これにより、製造コストを増加させることなく、低コストに力学量センサ２００〜５００を製造することが可能となる。
【００８４】
（変形例）
次に、以下では、図１７〜図２１を参照して、力学量センサの変形例について述べる。図１７〜図２１は、本発明の一実施形態に係る力学量センサ６００〜１０００の概略構造を示した平面図である。
【００８５】
図１７に図示したように、力学量センサ６００は、可動電極６０２の内周側の渦巻きの間隔が広く、可動電極６０２の外周側の渦巻きの間隔が狭く形成されてもよい。これにより、外力が印加された際に、可動電極６０２の外周側の重みにより、固定電極６０３ａ〜６０３ｄと接触しやすくなる為、印加される外力が小さい場合であっても、抵抗値の変化として検出でき、外力の検出感度を向上させることができる。
【００８６】
また、図１８に図示したように、力学量センサ７００は、可動電極７０２の最外周の、固定電極７０３ａ〜７０３ｄと対向する位置に、突起部７０２ａ〜７０２ｄを形成してもよい。突起部７０２ａ〜７０２ｄは、可動電極７０２の一部として形成され、可動電極７０２の製造工程と同じ製造工程により、同じ半導体基板をエッチングすることにより形成される。突起部７０２ａ〜７０２ｄを有することにより、外力が印加された際に、可動電極７０２は外周側に重みが付加され、且つ突起部７０２ａ〜７０２ｄが固定電極７０３ａ〜７０３ｄと接触しやすくなる為、外力の検出感度を向上させることができる。なお、図１８には、矩形形状の突起部７０２ａ〜７０２ｄを図示しているが、この形状に限定されず、円形や三角形状であってもよい。突起部７０２ａ〜７０２ｄの厚みについても、仕様に応じて適宜変更される。また、突起部７０２ａ〜７０２ｄの数についても、図１８に図示された数に限定されず、固定電極７０３ａ〜７０３ｄに対応させて複数配置することにより、外力の方位に対する解像度を向上させることができるため、仕様に応じて適宜変更される。
【００８７】
さらに、図１９に図示したように、力学量センサ８００は、可動電極８０２の幅が、内周から外周に巻回するにつれて大きくなるように形成してもよい。図１９には、可動電極８０２の最外周から三周内側の部分より外周に向かうにつれ、徐々に幅が大きくなる形状を図示している。可動電極８０２の幅を外周近傍ほど大きく形成することにより、外力が印加された際に、可動電極８０２の外周側の重みにより、固定電極８０３ａ〜８０３ｄと接触しやすくなる為、印加される外力が小さい場合であっても、抵抗値の変化として検出でき、外力の検出感度を向上させることができる。
【００８８】
また、図２０に図示したように、力学量センサ９００は、可動電極９０２の幅が、最外周よりも内側の内周において最も大きくなるように形成してもよい。例えば、図２０に図示したように、可動電極９０２の最外周から三周内側の部分を、幅が最も大きくなるように形成することにより、最外周から二周内側までの可動電極９０２が、三周内側の部分の重みにより、固定電極９０３ａ〜９０３ｄと接触しやすくなる。これにより、印加される外力が小さい場合であっても、抵抗値の変化として検出できる。また、幅の最も大きい部分よりも外側の複数巻回している部分が固定電極９０３ａ〜９０３ｄと接触しやすくなることから、外力に対する抵抗値の変化を大きくすることができる。従って、外力の検出感度を向上させることができる。なお、図２０には、最外周から三周内側の部分の幅が最も大きくなる構造を図示したが、この形状に限定されず、可動電極９０２は、最外周よりも内側の部分に、幅の大きな箇所を複数有してもよい。
【００８９】
また、図２１に図示したように、力学量センサ１０００は、可動電極１００２の最外周よりも内側に、リング状の可動電極１００２ｒを有してもよい。例えば、図２１に図示したように、可動電極１００２は、リング状の可動電極１００２ｒの内周面に接続される第１可動電極１００２ａと、リング状の可動電極１００２ｒの外周面に接続される第２可動電極１００２ｂとを有し、可動電極１００２の最外周から三周内側に、第１可動電極１００２ａ及び第２可動電極１００２ｂの各幅よりも厚い幅を有するリング状の可動電極１００２ｒを有してもよい。第１可動電極１００２ａ、リング状の可動電極１００２ｒ、及び第２可動電極１００２ｂは、それぞれ第１基板１００４から離隔して配置され、第１可動電極１００２ａ及び第２可動電極１００２ｂは、リング状の可動電極１００２ｒの内側と外側に、それぞれ渦巻き状に配置される。
【００９０】
第１可動電極１００２ａ、リング状の可動電極１００２ｒ、及び第２可動電極１００２ｂのＺ方向の高さは、それぞれ５０μｍであってもよい。第１可動電極１００２ａ及び第２可動電極１００２ｂの幅は、例えば、１５μｍであってもよく、リング状の可動電極１００２ｒの幅は、例えば、１００μｍであってもよい。リング状の可動電極１００２ｒの幅を第１可動電極１００２ａ及び第２可動電極１００２ｂの幅より大きくすることにより、リング状の可動電極１００２ｒの外側に配置された第２可動電極１００２ｂは、固定電極１００３ａ〜１００３ｄと接触しやすくなる。また、第１可動電極１００２ａの渦巻きの間隔を５０μｍとし、第２可動電極１００２ｂの渦巻きの間隔を１５μｍとしてもよい。リング状の可動電極１００２ｒの外側に配置された第２可動電極１００２ｂの間隔を、内側に配置された第１可動電極１００２ａの間隔よりも狭くすることにより、第２可動電極１００２ｂが固定電極１００３ａ〜１００３ｄと接触しやすくなる。このような構成により、図２０に図示した力学量センサ９００と同様に、図２１に図示した力学量センサ１０００は、印加される外力が小さい場合であっても、抵抗値の変化として検出でき、外力に対する抵抗値の変化を大きくすることができる。従って、外力の検出感度を向上させることができる。なお、図２１には、最外周から三周内側にリング状の可動電極１００２ｒを有する形状を図示したが、この形状に限定されず、最外周よりも内側にリング状の可動電極１００２ｒを複数有する形状であってもよい。
【００９１】
以上のように、本発明の実施形態に係る力学量センサ６００〜１０００は、可動電極６０２〜１００２の形状を変化させることにより、外力の検出感度を高めることができる。
【００９２】
次に、力学量センサ１００〜１１００により検出される各力学量検出信号を処理する処理回路１１１０の構成例について、図２２を参照して説明する。
【００９３】
＜処理回路＞
図２２は、処理回路１１１０の回路構成を示す図である。図２２において、処理回路１１１０は、フィルタ回路１１０１から構成される。フィルタ回路１１０１の入力段には、力学量センサ１１００が接続される。
【００９４】
力学量センサ１１００は、図２２に図示したように、一端部には電源電圧Ｖｃｃが接続され、他端部は接地される。力学量センサ１１００は、可変抵抗回路として示している。フィルタ回路１１０１は、電源電圧ＶｃｃとＧＮＤに接続され、その入力段には、力学量センサ１１００の可変抵抗値を検出する検出ラインＬｓが接続されている。
【００９５】
力学量センサ１１００は、印加される外力の大きさによって、抵抗値が変化すると、検出ラインＬｓとＧＮＤとの間の検出電圧Ｖｓが変化し、その検出電圧Ｖｓに応じた検出信号が、フィルタ回路１１０１に入力される。フィルタ回路１１０１は、検出信号のノイズ成分を除去して、検出出力信号Ｖｏｕｔとして外部に出力する。
【００９６】
なお、処理回路１１１０から出力される検出信号は、印加される外力の大きさに応じて電圧値が変化する信号である。このため、処理回路１１１０から出力される検出信号の電圧値と外力の大きさの値を対応付けて記憶するメモリを用意しておき、このメモリから検出信号に対応する外力の大きさ示す値を出力させるようにしてもよい。
【００９７】
図２２に図示したように、本発明の実施形態に係る力学量センサ１１００によれば、増幅回路等を用いる必要がない。従って、周辺回路を簡易な構成とすることができる。これにより、電子機器に力学量センサ１１００を実装するときにスペースができるため、スペースを有効に活用することもできる。また、処理回路１１１０の製造コストを低減することができる。
【００９８】
上述した本発明の実施の形態に係る力学量センサ１００〜１１００は、例えば、ＩＣ等の能動素子を搭載する回路基板上に実装され、ワイヤボンディング接続等の周知の方法および材料によって配線用端子と、電子回路基板もしくはＩＣ等の能動素子とを接続することにより、力学量センサと電子回路とを１つの電子部品として提供することができる。この電子部品は、例えば、ゲーム機、携帯電話等のモバイル端末機等に搭載されて市場に流通することが可能である。
【符号の説明】
【００９９】
力学量センサ…１００、固定部…１０１、可動電極…１０２、固定電極…１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｄ、半導体基板・・・１０４
【図１Ａ】
0005505340.tif 000002
【図１Ｂ】
0005505340.tif 000003
【図２】
0005505340.tif 000004
【図４】
0005505340.tif 000005
【図５】
0005505340.tif 000006
【図６】
0005505340.tif 000007
【図７】
0005505340.tif 000008
【図８】
0005505340.tif 000009
【図９】
0005505340.tif 000010
【図１０】
0005505340.tif 000011
【図１１】
0005505340.tif 000012
【図１２】
0005505340.tif 000013
【図１３】
0005505340.tif 000014
【図１４】
0005505340.tif 000015
【図１５】
0005505340.tif 000016
【図１６】
0005505340.tif 000017
【図１７】
0005505340.tif 000018
【図１８】
0005505340.tif 000019
【図１９】
0005505340.tif 000020
【図２０】
0005505340.tif 000021
【図２１】
0005505340.tif 000022
【図２２】
0005505340.tif 000023
【図３】
0005505340.tif 000024