(57)【要約】【課題】可動部に大きな質量を有し、かつ、高い衝撃耐性を実現できる加速度センサを提供する。【解決手段】加速度センサエレメント１０Ａは、上部基板２０と、上部基板２０と互いに離間して設けられた下部基板２１と、上部基板２０と下部基板２１との間に設けられた中間基板１９と、を備える。中間基板１９を構成する第１可動部１６、第２可動部１７、フレーム部１２、固定部１３およびばね部１４はそれぞれ上層と下層の２層構造で構成され、フレーム部１２の一端にストッパ部１８が設けられている。そして、上層における第１可動部１６または第２可動部１７の端部とストッパ部１８の端部との距離３１と、下層における第１可動部１６または第２可動部１７の端部とストッパ部１８の端部との距離３２とが互いに異なる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１基板と、
前記第１基板と互いに離間して設けられた第２基板と、
前記第１基板と前記第２基板との間に設けられ、前記第１基板側の第１部分および前記第２基板側の第２部分から構成される中間基板と、
を備え、
前記中間基板は、
前記第１基板と前記第２基板とに固定された固定部と、
前記固定部に対して変位可能な可動部と、
前記可動部と互いに離間して前記可動部の外側に設けられたフレーム部と、
前記フレーム部の一端に、前記可動部に対向して設けられた弾性部と、
を有し、
前記固定部は、前記第１部分からなる第１固定層と、前記第２部分からなる第２固定層とにより構成され、
前記可動部は、前記第１部分からなる第１可動層と、前記第２部分からなる第２可動層とにより構成され、
前記フレーム部は、前記第１部分からなる第１フレーム層と、前記第２部分からなる第２フレーム層とにより構成され、
前記弾性部は、前記第１部分からなる第１弾性層と、前記第２部分からなる第２弾性層とにより構成され、
互いに向き合う前記第１弾性層の端部と前記第１可動層の端部との第１最短距離と、互いに向き合う前記第２弾性層の端部と前記第２可動層の端部との第２最短距離とが異なる、加速度センサ。
【請求項２】
請求項１記載の加速度センサにおいて、
前記第１弾性層の厚さが、前記第２弾性層の厚さよりも薄く、
前記第１最短距離が、前記第２最短距離よりも短い、加速度センサ。
【請求項３】
請求項１記載の加速度センサにおいて、
前記弾性部と前記可動部とが対向する位置において、
前記第１弾性層の端部が、前記第２弾性層の端部よりも前記可動部側に突出し、
前記第１可動層の端部が、前記第２可動層の端部よりも前記弾性部側に突出している、加速度センサ。
【請求項４】
請求項１記載の加速度センサにおいて、
前記第１部分と前記第２部分とは同一材料で構成されている、加速度センサ。
【請求項５】
請求項１記載の加速度センサにおいて、
前記第１部分と前記第２部分との間に第３部分が形成され、前記第３部分の材料は、前記第１部分および前記第２部分の材料とは異なる、加速度センサ。
【請求項６】
請求項５記載の加速度センサにおいて、
前記第１部分および前記第２部分の材料はシリコンであり、前記第３部分の材料は酸化シリコンである、加速度センサ。
【請求項７】
請求項１記載の加速度センサにおいて、
前記弾性部は、両端固定梁構造または片持ち梁構造である、加速度センサ。
【請求項８】
第１基板と、
前記第１基板と互いに離間して設けられた第２基板と、
前記第１基板と前記第２基板との間に設けられ、前記第１基板側の第１部分および前記第２基板側の第２部分から構成される中間基板と、
を備え、
前記中間基板は、
前記第１基板と前記第２基板とに固定された固定部と、
前記固定部に対して変位可能な可動部と、
前記可動部と互いに離間して前記可動部の外側に設けられたフレーム部と、
前記可動部の一端に、前記フレーム部に対向して設けられた弾性部と、
を有し、
前記固定部は、前記第１部分からなる第１固定層と、前記第２部分からなる第２固定層とにより構成され、
前記可動部は、前記第１部分からなる第１可動層と、前記第２部分からなる第２可動層とにより構成され、
前記フレーム部は、前記第１部分からなる第１フレーム層と、前記第２部分からなる第２フレーム層とにより構成され、
前記弾性部は、前記第１部分からなる第１弾性層と、前記第２部分からなる第２弾性層とにより構成され、
互いに向き合う前記第１弾性層の端部と前記第１可動層の端部との第１最短距離と、互いに向き合う前記第２弾性層の端部と前記第２可動層の端部との第２最短距離とが異なる、加速度センサ。
【請求項９】
請求項８記載の加速度センサにおいて、
前記第１弾性層の厚さが、前記第２弾性層の厚さよりも薄く、
前記第１最短距離が、前記第２最短距離よりも短い、加速度センサ。
【請求項１０】
請求項８記載の加速度センサにおいて、
前記弾性部と前記可動部とが対向する位置において、
前記第１弾性層の端部が、前記第２弾性層の端部よりも前記可動部側に突出し、
前記第１可動層の端部が、前記第２可動層の端部よりも前記弾性部側に突出している、加速度センサ。
【請求項１１】
請求項８記載の加速度センサにおいて、
前記第１部分と前記第２部分とは同一材料で構成されている、加速度センサ。
【請求項１２】
請求項８記載の加速度センサにおいて、
前記第１部分と前記第２部分との間に第３部分が形成され、前記第３部分の材料は、前記第１部分および前記第２部分の材料とは異なる、加速度センサ。
【請求項１３】
請求項１２記載の加速度センサにおいて、
前記第１部分および前記第２部分の材料はシリコンであり、前記第３部分の材料は酸化シリコンである、加速度センサ。
【請求項１４】
請求項８記載の加速度センサにおいて、
前記弾性部は、両端固定梁構造または片持ち梁構造である、加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
本技術分野の背景技術として、特許第４６３６２２０号公報（特許文献１）および特開２０１１−１４８０８４号公報（特許文献２）がある。
【０００３】
特許第４６３６２２０号公報（特許文献１）には、振動子の固定部に対する変位量を規制するストッパ、およびストッパと振動子との衝突の衝撃力を緩衝する衝撃緩衝手段を備えた角速度検出装置が記載されている。衝撃緩衝手段は、大きく設定されたエッチンングホール、半環状弾性片または傾斜部などで構成される。
【０００４】
また、特開２０１１−１４８０８４号公報（特許文献２）には、基板と積層体との間に少なくとも１つの犠牲層を使用して、積層体に実質的に垂直な方向への可動部の変位を制限する停止手段を形成する微小機械構造の製造プロセスが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４６３６２２０号公報
【特許文献２】特開２０１１−１４８０８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
反射法地震探査は、地表で衝撃波または連続波を発生させることにより、地下の反射面（音響インピーダンスの変化する境界面）から反射して地上に戻ってくる反射波を、地表に展開した受振器で測定し、解析して、地下の反射面の深度分布および地下構造を探査する方法である。例えばこの反射法地震探査は、石油および天然ガスを探査する方法として広く利用されている。
【０００７】
ところで、反射法地震探査では、重力加速度よりも遥かに微小な振動加速度を検知する加速度センサが用いられる。特に、次世代の反射法地震探査では、加速度センサを小型の装置内で動作させるため、加速度センサはＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems：微小電気機械システム）技術で実現することが望まれている。ＭＥＭＳ技術により低ノイズ、かつ、高感度な加速度センサを実現するには、可動部の質量を大きくすることが不可欠である。さらに、これに加えて、石油および天然ガスの探査用途では、１０００ｇを超えるような高い衝撃耐性が要求される。
【０００８】
そこで、本発明は、可動部に大きな質量を有し、かつ、高い衝撃耐性を実現できる加速度センサを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は、上部基板と、上部基板と互いに離間して設けられた下部基板と、上部基板と下部基板との間に設けられ、上部基板側の第１部分および下部基板側の第２部分から構成される中間基板と、を備える加速度センサである。中間基板は、上部基板と下部基板とに固定された固定部と、固定部に対して変位可能な可動部と、可動部と互いに離間して可動部の外側に設けられたフレーム部と、フレーム部の一端に、可動部に対向して設けられた弾性部と、を有する。そして、可動部は、第１部分からなる第１可動層と第２部分からなる第２可動層とにより構成され、弾性部は、第１部分からなる第１弾性層と第２部分からなる第２弾性層とにより構成されており、互いに向き合う第１弾性層の端部と第１可動層の端部との最短距離と、互いに向き合う第２弾性層の端部と第２可動層の端部との第２最短距離とが異なっている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、可動部に大きな質量を有し、かつ、高い衝撃耐性を実現できる加速度センサを提供することができる。
【００１１】
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１による加速度センサのセンサエレメントの構造を示す平面図である。
【図２】（ａ）は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図、（ｂ）は、図１のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、図１のストッパ部を拡大して示す平面図および断面図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、図１におけるストッパ部の第１変形例を拡大して示す平面図および断面図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、図１におけるストッパ部の第２変形例を拡大して示す平面図および断面図である。
【図６】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、図１におけるストッパ部の第３変形例を拡大して示す平面図および断面図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、図１におけるストッパ部の第４変形例を拡大して示す平面図および断面図である。
【図８】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、図１におけるストッパ部の第５変形例を拡大して示す平面図および断面図である。
【図９】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、図１におけるストッパ部の第６変形例を拡大して示す平面図および断面図である。
【図１０】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、図１におけるストッパ部の第７変形例を拡大して示す平面図および断面図である。
【図１１】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、図１におけるストッパ部の第８変形例を拡大して示す平面図および断面図である。
【図１２】実施例１の第９変形例による加速度センサのセンサエレメントの構造を示す平面図である。
【図１３】（ａ）は、図１２のＣ−Ｃ線に沿った断面図、（ｂ）は、図１２のＤ−Ｄ線に沿った断面図である。
【図１４】実施例１の第１０変形例による加速度センサのセンサエレメントの構造を示す断面図である。
【図１５】実施例２による加速度センサのセンサエレメントの構造を示す平面図である。
【図１６】図１５のＥ−Ｅ線に沿った断面図である。
【図１７】実施例３による加速度センサのセンサエレメントの構造を示す平面図である。
【図１８】（ａ）は、図１７のＦ−Ｆ線に沿った断面図、（ｂ）は、図１７のＧ−Ｇ線に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一または関連する符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、複数の類似の部材（部位）が存在する場合には、総称の符号に記号を追加し個別または特定の部位を示す場合がある。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
【００１４】
また、実施の形態で用いる図面においては、断面図であっても図面を見易くするためにハッチングを省略する場合もある。また、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。
【００１５】
また、断面図および平面図において、各部位の大きさは実デバイスと対応するものではなく、図面を分かりやすくするため、特定の部位を相対的に大きく表示する場合がある。また、断面図と平面図が対応する場合においても、図面を分かりやすくするため、特定の部位を相対的に大きく表示する場合がある。
【００１６】
また、以下の説明では、平面視において互いに交差、好適には直交する２つの方向をｘ方向およびｙ方向とし、ｘｙ平面に対して鉛直の方向をｚ方向とする。また、「平面視において」とは、ｚ方向から見た場合を意味する。
【００１７】
＜改善の余地＞
前記特許文献１に記載された技術では、角速度検出装置に、振動子の固定部に対する変位量を規制するストッパを設け、そのストッパに弾性をもたせることにより、振動子の固定部に対する変位量を規制する際におけるストッパと振動子との衝突の衝撃力を緩衝する手段が記載されている。これにより、衝突によるストッパおよび振動子の破損を防止することができる。しかし、衝突によるストッパおよび振動子の破損には、塑性変形を伴う延性破壊と脆性破壊とが存在し、ストッパの弾性が増すと脆性破壊は生じにくくなる反面、延性破壊は生じやすくなるという課題がある。特に、可動部に大きな質量を有するＭＥＭＳデバイスでは、強い衝撃が加わると、延性破壊と脆性破壊をともに防止することが困難となる。
【００１８】
前記特許文献２に記載された技術では、振動子（可動部）の固定部に対する垂直（面外）方向の変位量を規制するストッパが設けられている。しかし、振動子の固定部に対する水平（面内）方向の変位量を規制する手段は記載されておらず、水平方向に強い衝撃が加わった場合には、延性破壊と脆性破壊をともに防止することが困難となる。
【００１９】
そこで、本実施の形態では、上述した関連技術に存在する改善の余地に対する工夫を施している。以下では、この工夫を施した本実施の形態における技術的思想について、図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００２０】
＜加速度センサの構成の特徴および効果＞
本実施例１による加速度センサの構成の特徴および効果について、図１および図２（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図１は、本実施例１による加速度センサのセンサエレメントの構造を示す平面図である。図２（ａ）は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図２（ｂ）は、図１のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図１では、質量体およびその周辺のフレーム部の一部分を示し、質量体に対向する上部基板に設けられた固定電極を破線（隙間の間隔が長い破線）で示している。
【００２１】
図１および図２（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施例１による加速度センサＳ１を構成する加速度センサエレメント１０Ａは、上部基板２０、下部基板２１およびフレーム部１２を含む部分を総称するフレームと、このフレームの上部基板２０と下部基板２１との間に固定されている固定部１３と、この固定部１３に対して所定方向に変位可能な可動部である第１可動部１６および第２可動部１７と、を有する。特に、本実施例１による加速度センサＳ１は、可動部に大きな質量を有するＭＥＭＳ技術を用いた加速度センサである。
【００２２】
また、図１および図２（ａ）、（ｂ）に示すように、加速度センサエレメント１０Ａは、中間基板１９と、上部基板２０と、下部基板２１と、の３層で構成されており、さらに、中間基板１９は、質量体１１（第１可動部１６および第２可動部１７）と、フレーム部１２と、固定部１３と、ばね部１４と、から構成される。中間基板１９、上部基板２０および下部基板２１は、例えばシリコンからなり、下部基板２１からｚ方向に上部基板２０が設けられている。外部から加速度センサエレメント１０Ａに信号（加速度）が加わると、ｚ方向と直交するｙ方向に設けられた回転軸１５に対して、固定部１３で支持されたばね部１４を介して、質量体１１が振動する。
【００２３】
質量体１１は、回転軸１５のｘ座標を０と置いた場合に、−ｘ方向に位置する第１可動部１６と＋ｘ方向に位置する第２可動部１７とを有しており、第１可動部１６と第２可動部１７とでは質量が互いに異なっている。加速度センサエレメント１０Ａでは、第２可動部１７のｘ方向の長さを第１可動部１６のｘ方向の長さよりも長くすることにより、第２可動部１７の質量を第１可動部１６の質量よりも大きくしているが、質量の差異を形成する方法はこれに限らない。すなわち、第１可動部１６と第２可動部１７とでｙ方向の長さが互いに異なっていても構わないし、ｚ方向の厚みが互いに異なっていても構わない。
【００２４】
上部基板２０のうち、第１可動部１６と対向する面には、第１信号検出用電極２２が配置されており、第１可動部１６と第１信号検出用電極２２との間に第１信号検出容量素子２４が形成されている。また、上部基板２０のうち、第２可動部１７と対向する面には、第２信号検出用電極２３が配置されており、第２可動部１７と第２信号検出用電極２３との間に第２信号検出容量素子２５が形成されている。第１信号検出用電極２２および第２信号検出用電極２３は、回転軸１５に対して、互いに対称となるように配置されていることが望ましい。
【００２５】
第１信号検出容量素子２４および第２信号検出容量素子２５は、ｚ方向の加速度の印加を検出するための容量素子である。すなわち、質量体１１にｚ方向の加速度が印加された場合に生じる、第１信号検出容量素子２４の容量変化および第２信号検出容量素子２５の容量変化を検出することで、加速度を検出する。このとき、ある加速度に対して、第１信号検出容量素子２４の容量変化と第２信号検出容量素子２５の容量変化とは逆相であることから、第１信号検出用電極２２と第２信号検出用電極２３とに対して逆相の検出電圧を印加することで、差動検出が可能となる。ただし、原理上は第１信号検出容量素子２４および第２信号検出容量素子２５のうち、どちらか一方が存在していれば、加速度検出は可能であり、そのような構成であっても問題がないことは言うまでもない。
【００２６】
加速度センサエレメント１０Ａは、ｚ方向の加速度を検出するセンサであるため、ｘｙ平面方向の加速度に対して、質量体１１のｘｙ平面上での過度な変位が発生しないようにストッパ部１８が設けられている。ストッパ部１８を設けることにより、例えば質量体１１がｘｙ平面上で過度に変位しても、ばね部１４の破損を防ぐことができる。さらに、質量体１１がストッパ部１８に衝突した際の衝撃力を緩和するために、ストッパ部１８は弾性を有することが望ましい。弾性を有する手段としては、例えばストッパ部１８を両端固定梁構造にする方法などが考えられる。
【００２７】
しかし、質量体１１の質量が大きい場合または高い衝撃が印加される場合には、質量体１１またはストッパ部１８、あるいはその両方が破損して、加速度センサエレメント１０Ａの性能に悪影響を及ぼす恐れがある。これを防ぐ手段としては、脆性破壊を抑制できる程度に弾性（形状）を保持した上で、延性破壊を抑制できる程度にストッパ部１８を巨大化する、または衝突時の衝撃力を低減させるために質量体１１とストッパ部１８との間の距離を短くする、などが考えられる。
【００２８】
しかし、ストッパ部１８の巨大化は、加速度センサエレメント１０Ａの平面サイズの制約および質量体１１の厚みの制約から限界がある。
【００２９】
また、質量体１１とストッパ部１８との間の距離の短縮化は、製造上の制約がある。通常、質量体１１およびフレーム部１２は、シリコン基板上にフォトリソグラフィなどでマスクパターンを形成した後、エッチング加工によりシリコン基板を所望の形状に加工することにより形成される。このとき、一般に加工の深さが深くなるほど加工精度が悪化し、加工できる最小幅も増大する。例えばシリコン基板を用いて、質量体１１およびフレーム部１２を形成する場合は、質量体１１とフレーム部１２との間の距離３０は、質量体１１の厚みに対して１／２０程度に制限される。例えば質量体１１の厚みが４４０μｍ程度の場合、質量体１１とフレーム部１２との間の距離３０は、２２μｍ〜２３μｍが必要とされる。特に、質量体１１の質量を増大させるために、質量体１１の厚みを大きくしている場合には、質量体１１とフレーム部１２との間の距離３０を短くすることは困難である。
【００３０】
そこで、加速度センサエレメント１０Ａでは、ストッパ部１８の構造およびその形成方法に工夫を施している。具体的には、中間基板１９を構成する質量体１１、フレーム部１２、固定部１３およびばね部１４をそれぞれ上層と下層の２層構造で構成する。例えば質量体１１の一部である第１可動部１６および第２可動部１７は、それぞれ上層の第１可動層２６と下層の第２可動層２７とからなる。また、フレーム部１２は、上層の第１フレーム層２８と下層の第２フレーム層２９とからなり、固定部１３は、上層の第１固定層３８と下層の第２固定層３９とからなり、ばね部１４は、上層の第１ばね層４３と下層の第２ばね層４４とからなる。第１可動層２６、第１フレーム層２８、第１固定層３８および第１ばね層４３は同一層からなり、第２可動層２７、第２フレーム層２９、第２固定層３９および第２ばね層４４は同一層からなる。
【００３１】
このように、中間基板１９を構成する質量体１１、フレーム部１２、固定部１３およびばね部１４をそれぞれ上層と下層の２層構造とすることにより、中間基板１９の厚みの制約を受けずに質量体１１とストッパ部１８との間の距離を短くすることができる。ここで、前記上層（第１可動層２６、第１フレーム層２８、第１固定層３８および第１ばね層４３）と前記下層（第２可動層２７、第２フレーム層２９、第２固定層３９および第２ばね層４４）は、互いに異なる２つのシリコン基板を用いて形成するのではなく、１つのシリコン基板を用いて形成される。すなわち、前記上層と前記下層とは、同一の中間基板１９を機能の違いに応じて便宜上呼び分けているに過ぎない。
【００３２】
なお、加速度センサエレメント１０Ａでは、前記上層と前記下層とを１つのシリコン基板から形成しているが、これに限定されるものではない。例えば互いに異なる２つのシリコン基板を貼り合わせ、一方のシリコン基板を前記上層とし、他方のシリコン基板を前記下層とすることもできる。
【００３３】
以下に、加速度センサエレメント１０Ａの特徴をより詳細に説明する。
【００３４】
加速度センサエレメント１０Ａでは、フレーム部１２に質量体１１のｘｙ平面上の変位量を規制するストッパ部１８が複数形成されている。図１では、１０個のストッパ部１８を例示している。ストッパ部１８は、弾性部およびスリット部を有しており、質量体１１が衝突した際に衝突方向に撓むことで衝撃力を緩和することができる。また、ストッパ部１８の弾性部は、上層の第１フレーム層２８と下層の第２フレーム層２９とから構成されており、上層における第１可動層２６の端部と第１フレーム層２８の端部との距離３１と、下層における第２可動層２７の端部と第２フレーム層２９の端部との距離３２とが互いに異なっている。すなわち、ストッパ部１８に対向する第１可動層２６の端部と第２可動層２７の端部とは、ｘ方向に沿った断面視においてｚ方向に一直線状である。しかし、ストッパ部１８の弾性部では、第１フレーム層２８の形状と第２フレーム層２９の形状とは互いに異なっており、第１可動部１６または第２可動部１７に対向するストッパ部１８の弾性部を構成する第１フレーム層２８の端部と第２フレーム層２９の端部とは、ｘ方向に沿った断面視においてｚ方向に一直線状ではない。
【００３５】
このような加速度センサエレメント１０Ａの構造は、中間基板１９を上面および下面から加工することで実現することができる。例えばまず、中間基板１９を＋ｚ方向（上面側）からエッチング加工を行い、上層である第１可動層２６、第１フレーム層２８、第１固定層３８および第１ばね層４３を形成する。その後、−ｚ方向（下面側）からエッチング加工を行い、下層である第２可動層２７、第２フレーム層２９、第２固定層３９および第２ばね層４４を形成する。
【００３６】
これにより、第１可動層２６、第１フレーム層２８、第１固定層３８および第１ばね層４３の加工深さは厚み３５になり、第２可動層２７、第２フレーム層２９、第２固定層３９および第２ばね層４４の加工深さは厚み３６になる。そして、第１可動層２６、第１フレーム層２８、第１固定層３８および第１ばね層４３の加工深さ並びに第２可動層２７、第２フレーム層２９、第２固定層３９および第２ばね層４４の加工深さを、厚み３５と厚み３６の合計である中間基板１９の厚み３７よりも浅くすることができる。例えば中間基板１９の厚み３７が４４０μｍ程度の場合、上層である第１可動層２６、第１フレーム層２８、第１固定層３８および第１ばね層４３の厚み３５は６０μｍ程度、下層である第２可動層２７、第２フレーム層２９、第２固定層３９および第２ばね層４４の厚み３６は３８０μｍ程度とすることができる。
【００３７】
これによる効果は、上層における第１可動層２６の端部と第１フレーム層２８の端部との距離３１および下層における第２可動層２７の端部と第２フレーム層２９の端部との距離３２を中間基板１９の厚み３７に制約されずに決定することができるため、質量体１１とストッパ部１８との最短距離を、中間基板１９を上層と下層とに分けない場合よりも短くできることにある。例えば質量体１１の厚みが４４０μｍ程度の場合、質量体１１とストッパ部１８との距離３１は、３μｍ〜５μｍとすることができる。これにより、質量体１１がストッパ部１８に衝突した際の衝撃力を抑えることができる。
【００３８】
質量体１１とストッパ部１８との間の最短距離を所望の値に調整したい場合には、まず、中間基板１９の厚みを決定する。その後、最短距離で加工が可能な上層である第１可動層２６、第１フレーム層２８、第１固定層３８および第１ばね層４３の厚みまたは下層である第２可動層２７、第２フレーム層２９、第２固定層３９および第２ばね層４４の厚みを決定すればよい。このとき、上層の厚み３５を下層の厚み３６より薄く設定した場合には、距離３１が距離３２よりも短くなるように加工するのが自然である。
【００３９】
図２では、上層の厚み３５が下層の厚み３６よりも薄く、上層における距離３１が下層における距離３２よりも短い場合を示しているが、上層の厚み３５と下層の厚み３６との大小関係および上層における距離３１と下層における距離３２との大小関係は、これに限らない。ただし、以後では、簡単のため、上層の厚み３５が下層の厚み３６よりも薄く、上層における距離３１が下層における距離３２よりも短い場合を例に挙げて説明するが、本発明の適用範囲を限定するものではない。
【００４０】
ストッパ部１８により質量体１１の変位量を規制するためには、少なくとも上層における距離３１が、質量体１１とストッパ部１８が形成されていないフレーム部１２との間の最短距離３０および質量体１１と固定部１３との間の最短距離３３よりも短くなるように形成されている必要がある。
【００４１】
また、ストッパ部１８の形状が、例えば両端固定梁構造の場合には、第１フレーム層２８におけるストッパ部１８の形状を平面視において半円弧形状にするなどして、両端固定梁構造の中心が質量体１１とストッパ部１８との接触点になるように形状を工夫することが望ましい。
【００４２】
＜本実施例１の変形例＞
本実施例１の変形例を図３（ａ）、（ｂ）〜図１４（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図３（ａ）、（ｂ）は、前記図１におけるストッパ部１８を拡大して示す平面図および断面図である。図４〜図１１の各（ａ）および（ｂ）はそれぞれ前記図１におけるストッパ部１８の第１変形例〜第８変形例を拡大して示す平面図および断面図である。図１２は、本実施例１の第９変形例による加速度センサのセンサエレメントの構造を示す平面図である。図１３（ａ）は、図１２のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。図１３（ｂ）は、図１２のＤ−Ｄ線に沿った断面図である。図１４は、本実施例１の第１０変形例による加速度センサのセンサエレメントの構造を示す断面図である。
【００４３】
図３（ａ）、（ｂ）は、前記図１に示した本実施例１である、弾性構造として両端固定梁を採用したストッパ部１８を示しており、第１フレーム層２８および第２フレーム層２９から構成される弾性部４０は、第１フレーム層２８および第２フレーム層２９にスリット部４１を形成することで実現される。このとき、両端固定梁の中央部で第１可動層２６と接触するように第１フレーム層２８には平面視において半円形の突起部４２が設けられている。なお、突起部４２は弾性部４０の一部として機能する。本構造により、ストッパ部１８は、第１フレーム層２８と第２フレーム層２９とを合わせた厚み分の寸法を確保した上で、上層における距離３１を短くすることができる。
【００４４】
図４（ａ）、（ｂ）は、本実施例１の第１変形例によるストッパ部１８ｖ１を示しており、突起部４２が第１可動層２６に形成されている。このように、突起部４２は、第１可動層２６に形成しても良い。
【００４５】
図５（ａ）、（ｂ）は、本実施例１の第２変形例（本実施例１と第１変形例との組み合わせ）によるストッパ部１８ｖ２を示しており、突起部４２が第１可動層２６と第１フレーム層２８の両方に形成されている。このように、突起部４２は、第１可動層２６と第１フレーム層２８の両方に形成しても良い。また、第１可動層２６に形成される突起部４２と第１フレーム層２８に形成される突起部４２の形状は同じでなくても良い。ただし、第１可動層２６に形成される突起部４２と第１フレーム層２８に形成される突起部４２は、上層同士の組み合わせまたは下層同士の組み合わせで形成されることが望ましい。
【００４６】
図６（ａ）、（ｂ）は、本実施例１の第３変形例によるストッパ部１８ｖ３を示しており、突起部４２の形状は平面視において半円形であるが、前記図１に示した本実施例１の突起部４２よりも小型である。
【００４７】
図７（ａ）、（ｂ）は、本実施例１の第４変形例によるストッパ部１８ｖ４を示しており、突起部４２の形状は平面視において四角形である。
【００４８】
図８（ａ）、（ｂ）は、本実施例１の第５変形例によるストッパ部１８ｖ５を示しており、突起部４２の形状は平面視において台形である。
【００４９】
図６（ａ）、（ｂ）〜図８（ａ）、（ｂ）に示すように、突起部４２の大きさと形状は、弾性部４０の機能に著しく影響しない範囲であれば、どのような大きさと形状であっても良い。また、図６（ａ）、（ｂ）〜図８（ａ）、（ｂ）に示した突起部４２は、図４（ａ）、（ｂ）に示したように、第１可動層２６に形成しても良く、または図５（ａ）、（ｂ）に示したように、第１可動層２６および第１フレーム層２８の両方に形成しても良い。
【００５０】
図９（ａ）、（ｂ）は、本実施例１の第６変形例によるストッパ部１８ｖ６を示しており、弾性部４０は、第１可動層２６と第２可動層２７とで形成され、突起部４２は、第１可動層２６で形成されている。すなわち、ストッパ部１８ｖ６が質量体１１側に形成されている。このように、ストッパ部１８ｖ６をフレーム部１２側ではなく、質量体１１側に形成しても良い。
【００５１】
図１０（ａ）、（ｂ）は、本実施例１の第７変形例（本実施例１と第６変形例との組み合わせ）によるストッパ部１８ｖ７を示しており、ストッパ部１８ｖ７が質量体１１側とフレーム部１２側の両方に形成されており、突起部４２が第１可動層２６と第１フレーム層２８の両方に形成されている。このように、ストッパ部１８ｖ７は、質量体１１側とフレーム部１２側の両方に形成しても良い。
【００５２】
図１１（ａ）、（ｂ）は、本実施例１の第８変形例によるストッパ部１８ｖ８を示しており、弾性部４０が片持ち梁構造で形成されている。このとき、片持ち梁の先端部で第１可動層２６と接触するように第１フレーム層２８には突起部４２が設けられている。
【００５３】
このように、弾性をもたせる弾性部４０の形状は、複数存在しうるが、弾性部４０の形状によって、本発明の適用範囲は制限されるものではない。また、前述したようにストッパ部１８の位置、突起部４２の大きさおよび突起部４２の形状などの組み合わせは無数に存在しうるが、組み合わせの差異によって、本発明の適用範囲は制限されるものではない。
【００５４】
図１２および図１３（ａ）、（ｂ）は、本実施例１の第９変形例であり、ストッパ部１８ｖ９が、平面視において質量体１１の内側に位置する固定柱６０に形成されている。ここで、図１３（ａ）、（ｂ）に示すように、固定柱６０は、上部基板２０と下部基板２１とを支持するために形成されており、加速度センサエレメント１０Ａの製造過程で生じる可能性がある上部基板２０および下部基板２１の変形または歪を防止するために設けられるものである。固定柱６０も質量体１１、フレーム部１２などと同様に、上層の第３固定層４５と下層の第４固定層４６とからなる。このように、固定柱６０は、その好適な大きさおよび位置関係により質量体１１の内部に配置されるものであり、形状、大きさおよび配置位置は、図１２および図１３（ａ）、（ｂ）に示したものには限らない。
【００５５】
また、図１２および図１３（ｂ）に示すように、固定柱６０の一部にストッパ部１８ｖ９が形成されており、質量体１１（第１可動部１６または第２可動部１７）とストッパ部１８ｖ９に形成される突起部４２との間の最短距離３１が、質量体１１とフレーム部１２との間の最短距離３０および質量体１１と固定部１３との間の最短距離３３よりも短くなっている。このように、質量体１１およびフレーム部１２以外にストッパ部１８ｖ９を形成しても良い。
【００５６】
図１４は、本実施例１の第１０変形例であり、中間基板１９が、上層と下層との間に中間層を有しており、中間基板１９は、上層、下層および中間層からなる３層構造となっている。すなわち、上層を構成する第１可動層２６、第１フレーム層２８、第１固定層（図示は省略）および第１ばね層４３と下層を構成する第２可動層２７、第２フレーム層２９、第２固定層（図示は省略）および第２ばね層４４との間にそれぞれ中間層を構成する第３可動層５０、第３フレーム層５１、第３固定層（図示は省略）および第３ばね層５２が形成されている。従って、ストッパ部１８ｖ１０も第１フレーム層２８、第３フレーム層５１および第２フレーム層２９の３層構造からなる。
【００５７】
また、中間層は、上層および下層とは異なる材料で構成されている。例えば中間基板１９はＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板であり、上層および下層はシリコンからなり、中間層は酸化シリコンからなる。上層の厚み３５は、例えば６０μｍ程度であり、下層の厚み３６は、例えば３８０μｍ程度であり、中間層の厚みは、例えば１μｍ〜２μｍ程度である。
【００５８】
第１０変形例によれば、上層および下層をエッチング加工で形成する際に、中間層がエッチングストッパ層として機能するため、上層の厚み３５および下層の厚み３６をより厳密に制御できる利点がある。
【００５９】
例えば上層をエッチング加工する場合に、同一材料からなる上層と下層の２層構造であれば、上層の加工深さが上層の厚み３５を超えてもエッチング加工が進行するため、実際の加工深さが上層の厚み３５の設計値と異なる恐れがあった。しかし、同一材料からなる上層と下層との間に異種材料である中間層が存在する３層構造の場合には、上層および下層と中間層とではエッチングの加工速度が互いに異なるため、上層および下層と中間層とで好適な材料の組み合わせを選択することにより、エッチング加工を実質的に上層と中間層の境界で止めることができる。同様の制御が下層のエッチング加工においても成り立つ。これにより、上層および下層を設計値通りの厚みで加工できるという利点が生じる。
【実施例２】
【００６０】
本実施例２による加速度センサの構成の特徴および効果について、図１５および図１６を用いて説明する。図１５は、本実施例２による加速度センサのセンサエレメントの構造を示す平面図である。図１６は、図１５のＥ−Ｅ線に沿った断面図である。図１５では、質量体およびその周辺のフレーム部の一部分を示し、質量体に対向する上部基板に設けられた固定電極を破線（隙間の間隔が長い破線）で示している。
【００６１】
本実施例２による加速度センサＳ２が前述の実施例１による加速度センサＳ１と相違する点は、質量体１１の形状である。質量体１１は、回転軸１５のｘ座標を０と置いた場合に、＋ｘ方向に位置する可動部６５を有しており、外部から加速度センサエレメント１０Ｂに信号（加速度）が加わると、ｙ方向に設けられた回転軸１５に対して、固定部１３で支持されたばね部１４を介して、質量体１１が振動する。
【００６２】
上部基板２０のうち、可動部６５と対向する面には、第１信号検出用電極２２が配置されており、可動部６５と第１信号検出用電極２２との間に第１信号検出容量素子２４が形成されている。また、下部基板２１のうち、可動部６５と対向する面には、第２信号検出用電極２３が配置されており、可動部６５と第２信号検出用電極２３との間に第２信号検出容量素子２５が形成されている。このとき、上記基板２０に形成する第１信号検出用電極２２および下部基板２１に形成する第２信号検出用電極２３は、ｘｙ平面上で同一位置となるように配置されていることが望ましい。
【００６３】
第１信号検出容量素子２４および第２信号検出容量素子２５は、ｚ方向の加速度の印加を検出するための容量素子である。すなわち、質量体１１にｚ方向の加速度が印加された場合に生じる、第１信号検出容量素子２４の容量変化および第２信号検出容量素子２５の容量変化を検出することで、加速度を検出する。このとき、ある加速度に対して、第１信号検出容量素子２４の容量変化と第２信号検出容量素子２５の容量変化とは逆相であることから、第１信号検出用電極２２と第２信号検出用電極２３とに逆相の検出電圧を印加することで、差動検出が可能となる。ただし、原理上は第１信号検出容量素子２４および第２信号検出容量素子２５とのうち、どちらか一方が存在していれば、加速度検出は可能であり、そのような構成であっても問題がないことは言うまでもない。
【００６４】
本実施例２による加速度センサエレメント１０Ｂは、ｚ方向の加速度を検出するセンサであり、前述の実施例１による加速度センサエレメント１０Ａと同様に、ストッパ部１８を配置することでｘｙ平面方向の加速度に対して、質量体１１のｘｙ平面上での過度な変位を抑制することができる。その他の効果および変形例に関しては、前述の実施例１による加速度センサエレメント１０Ａと同様である。
【００６５】
このように、質量体１１の形状、並びに第１信号検出用電極２２および第２信号検出用電極２３の配置関係などが異なっていたとしても、前述の実施例１とほぼ同様の効果を得ることができる。
【実施例３】
【００６６】
本実施例３による加速度センサの構成の特徴および効果について、図１７および図１８（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図１７は、本実施例３による加速度センサのセンサエレメントの構造を示す平面図である。図１８（ａ）は、図１７のＦ−Ｆ線に沿った断面図である。図１８（ｂ）は、図１７のＧ−Ｇ線に沿った断面図である。図１７では、質量体およびその周辺のフレーム部の一部分を示している。
【００６７】
本実施例３による加速度センサＳ３が前述の実施例１による加速度センサＳ１と相違する点は、加速度の検出方向である。外部から加速度センサエレメント１０Ｃに信号（加速度）が加わると、固定部１３で支持されたばね部１４を介して、質量体１１がｘ方向に振動する。
【００６８】
質量体１１には、例えば櫛歯状の電極７０が形成されており、質量体１１と同一平面（ｘｙ平面）内に、電極７０と対向する第１信号検出用電極２２および第２信号検出用電極２３が配置されている。また、電極７０と第１信号検出用電極２２との間に第１信号検出容量素子が形成され、電極７０と第２信号検出用電極２３との間に第２信号検出容量素子が形成されている。このとき、電極７０と第１信号検出用電極２２とで形成される櫛歯電極対では、電極７０に対して、第１信号検出用電極２２は＋ｘ方向に配置されている。一方、電極７０と第２信号検出用電極２３とで形成される櫛歯電極対では、電極７０に対して、第２信号検出用電極２３は−ｘ方向に配置されている。
【００６９】
第１信号検出容量素子および第２信号検出容量素子は、ｘ方向の加速度の印加を検出するための容量素子である。すなわち、質量体１１にｘ方向の加速度が印加された場合に生じる、第１信号検出容量素子の容量変化および第２信号検出容量素子の容量変化を検出することで、加速度を検出する。このとき、ある加速度に対して、第１信号検出容量素子の容量変化と第２信号検出容量素子の容量変化とは逆相であることから、第１信号検出用電極２２と第２信号検出用電極２３とに逆相の検出電圧を印加することで、差動検出が可能となる。ただし、原理上は第１信号検出容量素子と第２信号検出容量素子とのうち、どちらか一方が存在していれば、加速度検出は可能であり、そのような構成であっても問題がないことは言うまでもない。
【００７０】
本実施例３による加速度センサエレメント１０Ｃは、ｘ方向の加速度を検出するセンサであるが、質量体１１のｘｙ平面上での過度な変位は防ぐべきである。これは、例えば質量体１１がｘｙ平面上で過度に変位し、ばね部１４が破損することを防ぐためであり、質量体１１が第１信号検出用電極２２および第２信号検出用電極２３と接触し、短絡することを防ぐためでもある。
【００７１】
その点、本実施例３による加速度センサエレメント１０Ｃは、前述の実施例１による加速度センサエレメント１０Ａと同様に、ストッパ部１８を配置することでｘｙ平面方向の加速度に対して、質量体１１のｘｙ平面上での過度な変位を抑制することができる。ただし、質量体１１とストッパ部１８との間の最短距離３１は、電極７０と第１信号検出用電極２２または電極７０と第２信号検出用電極２３との間の最短距離３４よりも短い必要がある。その他の効果および変形例に関しては、前述の実施例１による加速度センサエレメント１０Ａと同様である。
【００７２】
このように、加速度センサエレメント１０Ｃの加速度検出の方向が異なっていたとしても、前述の実施例１とほぼ同様の効果を得ることができる。
【００７３】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の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で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば前記実施の形態は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることができ、さらに、各構成例を組み合わせることなども可能である。
【符号の説明】
【００７４】
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ  加速度センサエレメント
１１  質量体
１２  フレーム部
１３  固定部
１４  ばね部
１５  回転軸
１６  第１可動部
１７  第２可動部
１８、１８ｖ１〜１８ｖ１０  ストッパ部
１９  中間基板
２０  上部基板
２１  下部基板
２２  第１信号検出用電極
２３  第２信号検出用電極
２４  第１信号検出容量素子
２５  第２信号検出容量素子
２６  第１可動層
２７  第２可動層
２８  第１フレーム層
２９  第２フレーム層
３０、３１、３２、３３、３４  距離
３５、３６、３７  厚み
３８  第１固定層
３９  第２固定層
４０  弾性部
４１  スリット部
４２  突起部
４３  第１ばね層
４４  第２ばね層
４５  第３固定層
４６  第４固定層
５０  第３可動層
５１  第３フレーム層
５２  第３ばね層
６０  固定柱
６５  可動部
７０  電極
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３  加速度センサ
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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