(57)【要約】【課題】  加速度センサにおいて、検出対象の加速度に対する応答性を改善する。【解決手段】  支持部と、前記支持部に一端が結合している板ばね形の可撓部と、前記可撓部の他端が結合している錘部と、前記可撓部の歪みを検出する歪み検出手段と、を備え、前記錘部に、前記可撓部の厚さ方向と平行でない面を有する凹部および凸部が形成され、前記支持部に、前記錘部に形成された凹部の内側において当該凹部と対向する凸部と、前記錘部に形成された凸部と内側において対向する凹部とが形成されている。【選択図】図１
2011022057.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持部と、
前記支持部に一端が結合している板ばね形の可撓部と、
前記可撓部の他端が結合している錘部と、
前記可撓部の歪みを検出する歪み検出手段と、
を備え、
前記錘部に、前記可撓部の厚さ方向と平行でない面を有する凹部および凸部が形成され、
前記支持部に、前記錘部に形成された凹部の内側において当該凹部と対向する凸部と、前記錘部に形成された凸部と内側において対向する凹部とが形成されている、
加速度センサ。
【請求項２】
前記支持部は、矩形枠形態の枠部を含み、
前記可撓部の厚さ方向は、前記枠部の開口面と平行であり、
前記枠部の内周面と、前記内周面に対向する錘部の面とに、前記開口面に平行な方向に配列する前記凹部および前記凸部が形成されている、
請求項１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、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）センサに関し、特に、加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、加速度センサにおいて、過度の衝撃が加わったときに錘が所定範囲を超えて変位することを防止するためのストッパを設けることが知られている（例えば特許文献１〜８）。特許文献２には、錘部を可撓部を介して支持する支持部に凹部や凸部を形成するとともに、錘部には、支持部の凹部の内側に入り込む凸部や、支持部の凸部が内側に入り込む凹部を形成することによって、錘部の運動（可撓部を厚さ方向に撓ませる以外の運動。例えば可撓部の厚さ方向に垂直でかつ、可撓部と錘部の配列方向に垂直な方向の運動）を規制し可撓部の破損を防止することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１０４２６２号公報
【特許文献２】特開２０００−３３８１２４号公報
【特許文献３】特開平７−１５９４３２号公報
【特許文献４】特開２００３−２７０２６２号公報
【特許文献５】特開２００４−２３３０７２号公報
【特許文献６】特開２００６−１５３５１９号公報
【特許文献７】特開２００６−２０８２７２号公報
【特許文献８】特開２００６−３１７１８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
鍵盤楽器の鍵盤に取り付ける加速度センサにおいて、その応答性を改善することが課題であった。すなわち、鍵盤が最初に押された後に加速度センサの錘部の振動が減衰し錘部が完全に静止しないうちに、鍵盤が押されると当該押下操作の加速度の検出に影響を及ぼす。そのため、前述の振動を速く減衰させる必要があった。特許文献１〜８に記載されているストッパの構成は、錘部の過度の変位を規制することはできても、前述の振動を速く減衰させる効果を期待できない。特許文献２の構成では、可撓部の厚さ方向に平行な面に、可撓部の厚さ方向に直交する面を持たない凹凸が形成されており、錘部が可撓部を厚さ方向に撓ませる運動をするときは、支持部に形成された凹部または凸部と、錘部に形成された凹部または凸部との間の距離は変化しないので、ダンピング効果は期待できない。
本発明は、加速度センサにおいて、検出対象の加速度に対する応答性を改善することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）上記目的を達成するための加速度センサは、支持部と、前記支持部に一端が結合している板ばね形の可撓部と、前記可撓部の他端が結合している錘部と、前記可撓部の歪みを検出する歪み検出手段と、を備え、前記錘部に、前記可撓部の厚さ方向と平行でない面を有する凹部および凸部が形成され、前記支持部に、前記錘部に形成された凹部の内側において当該凹部と対向する凸部と、前記錘部に形成された凸部と内側において対向する凹部とが形成されている。
【０００６】
本発明の加速度センサにおいては、錘部のいずれかの面に、凹凸が形成されている。また、当該凹凸が形成されている錘部の面と対向する支持部の面にも、凹凸が形成されている。錘部の静止状態において、錘部に形成された凹部の内側において当該凹部と、支持部に形成された凸部とが対向しており、支持部に形成された凹部の内側にいて当該凹部と、錘部に形成された凸部とが対向している。凹部の底部と当該凹部に対向する凸部の頂部との間には、錘部が静止している状態で空隙が存在し、また、凹部の内周面と凸部の外周面との間にも空隙が存在している。また、錘部および支持部に形成されている凹凸には、可撓部と平行でない面が含まれる。
【０００７】
加速度センサが可撓部の厚さ方向に加速すると、可撓部は厚さ方向に撓み、錘部は可撓部の厚さ方向に当該加速度の向きと逆方向に支持部を基準として変位する。加速度センサに加速度が作用した後も支持部に対して錘部が静止するまでの間、錘部は振動する。本発明では錘部と支持部とに互いに対向する凹凸が形成され、当該凹凸は可撓部の厚さ方向と平行でない面を含むため、そのような凹凸が支持部と錘部との間に形成されていない構成と比較すると、支持部と錘部との間の流体による、錘部の振動を妨げる抵抗力（粘性抵抗）を大きくすることができ、錘部の振動を速く減衰させることができる。
【０００８】
（２）上記目的を達成するための加速度センサにおいて、前記支持部は、矩形枠形態の枠部を含み、前記枠部の内周面と、前記内周面に対向する錘部の面とに、前記開口面に平行な方向に配列する前記凹部および前記凸部が形成されていてもよい。
この構成によると、可撓部と、凹凸が形成された錘部と、内周面に凹凸が形成された枠部とを、共通の工程で形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】（１Ａ）は第一実施形態にかかる加速度センサのセンサダイの上面図、（１Ｂ）〜（１Ｄ）はその断面図。
【図２】（２Ａ）は第一実施形態にかかる加速度センサの断面図、（２Ｂ）は錘部の変位を示す図。
【図３】（３Ａ），（３Ｃ）〜（３Ｅ）は第一実施形態にかかる加速度センサの製造方法を示す断面図、（３Ｂ）は上面図。
【図４】（４Ａ）は他の実施形態にかかる加速度センサのセンサダイの上面図、（４Ｂ）は他の実施形態にかかる加速度センサの断面図。
【図５】（５Ａ）は他の実施形態にかかる加速度センサのセンサダイの上面図、（５Ｂ）は他の実施形態にかかる加速度センサの断面図、（５Ｃ）は（５Ｂ）のセンサダイの上面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら以下の順に説明する。尚、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。
【００１１】
１．第一実施形態
（構成）
図１および図２は、本発明による加速度センサの第一実施形態を示している。図１Ａは加速度センサ１のセンサダイ１ａの上面図、図１Ｂは図１ＡのＢＢ線における断面図、図１Ｃは図１ＡのＣＣ線における断面図、図１Ｄは図１ＡのＤＤ線における断面図を示している。説明の便宜のために図１に示すように直交するｘｙｚ軸を定める（静止状態における可撓部Ｆの長手方向をｘ軸とし、可撓部Ｆの厚さ方向をｙ軸とし、ｘｙ軸に直交する軸をｚ軸とする）。加速度センサ１はｙ軸方向の加速度を検出する１軸加速度センサである。センサダイ１ａはＭＥＭＳとして構成され、単結晶珪素（Ｓｉ）からなるバルク層１０、二酸化珪素（ＳｉＯ２）などからなる絶縁層１１、アルミニウム（Ａｌ）等からなる配線部１３などで構成される積層構造体である。センサダイ１ａは、図２Ａに示すように、パッケージ７０に収容され、パッケージ７０の底面７０ａにスペーサ６９などを介して固定される。
【００１２】
センサダイ１ａは、矩形枠形態を有する枠部Ｓと、枠部Ｓの内側に一端が結合している板ばね形の可撓部Ｆと、可撓部Ｆの他端に結合している錘部Ｍと、可撓部Ｆの両端近傍に設けられたピエゾ抵抗素子Ｐ１〜Ｐ４（歪み検出手段）とを備えている。図１Ｂ〜図１Ｄ、図２においては、請求項に対応する各構成要素の境界を破線で示している。加速度センサ１は、錘部Ｍに作用する力に応じた可撓部Ｆの変形をピエゾ抵抗素子Ｐ１〜Ｐ４によって電気信号に変換することによって加速度を検出することができる。
【００１３】
蓋７１は、平たい板の形状をしており、枠部Ｓの底面に対する上面に図示しないスペーサなどを介して取り付けられ、錘部Ｍと可撓部Ｆとを覆う。なお、蓋７１とセンサダイ１ａとの対向距離や、パッケージ７０の底面７０ａとセンサダイ１ａとの対向距離は、前述のスペーサ等で調整することができる。センサダイ１ａの上面との距離を十分狭くすることができる構成の場合は、蓋７１はパッケージそのものであってもよい。枠部Ｓ、パッケージ７０は「支持部」を構成する。
【００１４】
枠部Ｓは、バルク層１０と絶縁層１１とで主に構成される。バルク層１０の厚さは６２５μｍ、絶縁層１１の厚さは１μｍである。枠部Ｓのｙ軸方向に直交する２つの内周面には複数の凹部Ｓ１および凸部Ｓ２が形成されている。凹部Ｓ１および凸部Ｓ２は枠部Ｓの開口面に平行な方向（ｘｙ平面に平行）に配列されている。当該凹部Ｓ１と凸部Ｓ２は、ｙ軸方向に平行でない面を有している。すなわち、凹部Ｓ１の底面および凸部Ｓ２の頂面は、ｙ軸に対して垂直である。
【００１５】
錘部Ｍは、凹部５０が形成された略コの字形状を有しており、錘部Ｍの重心は当該凹部５０の内部にある。錘部Ｍは、バルク層１０と絶縁層１１とで主に構成される。錘部Ｍのｙ軸方向に直交する２つの側面には、複数の凹部Ｍ１および凸部Ｍ２が形成されている。当該凹部Ｍ１と凸部Ｍ２は、ｙ軸方向に平行でない面を有している。すなわち、凹部Ｍ１の底面および凸部Ｍ２の頂面は、ｙ軸に対して垂直である。枠部Ｓに形成されている凹部Ｓ１の内部において、錘部Ｍに形成されている凸部Ｍ２が対向している。錘部Ｍの静止状態において、凹部Ｓ１の底面と凸部Ｍ２の頂面との間には空隙（距離ｄ１）が存在し、凹部Ｓ１の内周面と凸部Ｍ２の外周面との間には空隙（距離ｄ２）が存在する。また、錘部Ｍに形成されている凹部Ｍ１の内部において、枠部Ｓに形成されている凸部Ｓ２が対向している。錘部Ｍの静止状態において、凹部Ｍ１の底面と凸部Ｓ２の頂面との間には空隙（距離ｄ１）が存在し、凹部Ｍ１の内周面と凸部Ｓ２の外周面との間には空隙（距離ｄ２）が存在する。距離ｄ２は距離ｄ１より短く設計されている。
【００１６】
可撓部Ｆは、ｙ軸方向に薄い板ばね形を有しており、錘部Ｍの凹部５０の底面と結合している。ピエゾ抵抗素子Ｐ１とピエゾ抵抗素と子Ｐ２の配列方向、およびピエゾ抵抗素子Ｐ３とピエゾ抵抗素子Ｐ４の配列方向が可撓部Ｆの厚さ方向と平行である。可撓部Ｆは、バルク層１０と絶縁層１１とで主に構成される。すなわち、可撓部Ｆと枠部Ｓと錘部Ｍとは共通の積層構造を有しており、ｚ軸方向の厚さが等しい。
【００１７】
可撓部Ｆの端部近傍のバルク層１０には、前述のピエゾ抵抗素子Ｐ１〜Ｐ４が形成されている。ピエゾ抵抗素子Ｐ１〜Ｐ４は、厚さ方向に直交する方向が厚さ方向よりも長く形成されている。ピエゾ抵抗素子Ｐ１〜Ｐ４の両端には低抵抗部６０がそれぞれ形成されている。絶縁層１１にはコンタクトホールＨ１が形成されており、ピエゾ抵抗素子Ｐ１〜Ｐ４は低抵抗部６０を介してコンタクトホールＨ１内の配線部１３に接続する。ピエゾ抵抗素子Ｐ１〜Ｐ４は、可撓部Ｆの厚さ方向および長手方向に隣り合う素子同士で結線されブリッジ回路が構成される。
【００１８】
（動作）
加速度センサ１がｙ軸方向に加速したとき、図２Ｂに示すように可撓部Ｆは略Ｓ字形状に変形する。枠部Ｓを基準にすると、枠部Ｓに対して錘部Ｍ（凹部５０内に重心がある）は、加速方向と逆方向に平行移動しようとするが、凹部５０の底面に可撓部Ｆが結合しているため、錘部Ｍは支持部を基準として加速方向と逆方向に移動しつつ、凹部５０の底面を中心として加速方向に回転する。そのために可撓部Ｆは弓なりではなく略Ｓ字に変形する。図２Ｂは、ピエゾ抵抗素子Ｐ２，Ｐ４が圧縮され、ピエゾ抵抗素子Ｐ１，Ｐ３が引っ張られている状態を示している。可撓部ＦがＳ字形状に変形すると、図２Ｂに示すブリッジ回路において隣り合うピエゾ抵抗の抵抗値の差が広がり、出力電圧が変化する。この出力電圧の変化から加速度を導出することができる。
【００１９】
加速度センサ１がｙ軸方向に加速した後、錘部Ｍが枠部Ｓに対して静止するまでの間、錘部Ｍは枠部Ｓに対してｙ軸方向に振動する。錘部Ｍの運動方向（ｙ軸方向）に直交する錘部Ｍと枠部Ｓの面に凹凸が形成されているため、凹凸が形成されている領域において錘部Ｍと枠部Ｓとが対向する表面積が大きい。錘部Ｍが枠部Ｓに接近する側では、凸部Ｍ２の頂面と凹部Ｓ１の底面や、凸部Ｓ２の頂面と凹部Ｍ１の底面との間で圧縮される流体は、凹部の内周面と凸部の外周面との間の通路や、パッケージ７０の底面７０ａと錘部Ｍとの間や、蓋７１と錘部Ｍとの間に移動する。錘部Ｍが枠部Ｓから遠ざかる側では、凹部の底面と凸部の頂面との間に向けてその周囲から流体が移動する。距離ｄ２は距離ｄ１より狭い。また、錘部Ｍの底面とパッケージ７０の底面７０ａとの距離や、錘部Ｍの上面と蓋７１との距離はスペーサの高さによって十分狭く調整することができる。そのため、錘部Ｍがｙ軸方向に振動するとき流体の通路を狭くすることができ、ダンピング効果によって、振動を速く減衰させることができる。
【００２０】
（製造方法）
図３は加速度センサ１の製造方法を説明するための断面図および上面図である。まず、図３Ａに示すように、バルク層１０としての単結晶シリコン基板の表面に絶縁層１１を形成し、フォトレジストからなる保護層Ｒ１を用いて、絶縁層１１をエッチングしてコンタクトホールＨ１と凹部３０とを形成する。凹部３０は、完成状態において枠部Ｓと錘部Ｍと可撓部Ｆとの間に形成されている空隙の位置と重なり（図３Ｂは図３Ａに示す状態における上面図を示している）、絶縁層１１のみが除去されバルク層１０が残存した状態であるために出現する凹部である。絶縁層１１としては例えば、プラズマ−ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いて厚さ１μｍのＳｉＯ２あるいはＳｉｘＮｙを成膜する。ＬＰ（Low Pressure）−ＣＶＤを用いてＳｉＯｘＮｙを成膜してもよい。絶縁層１１のエッチングには、例えばＣＨＦ３を用いた反応性イオンエッチング法を用いる。コンタクトホールＨ１および凹部３０が形成された位置ではバルク層１０が露出している（図３Ｂ参照）。その後、保護層Ｒ１を除去する。
【００２１】
続いて、図３Ｃに示すように、低抵抗部６０およびピエゾ抵抗素子Ｐｘを形成する位置に開口が形成された保護層Ｒ２（フォトレジスト）を絶縁層１１の表面に形成する。このとき、低抵抗部６０を形成しようとする位置においてバルク層１０は露出しており、ピエゾ抵抗素子Ｐｘを形成しようとする位置においてバルク層１０の表面には絶縁層１１が積層している状態である。その状態で保護層Ｒ２の開口位置に絶縁層１１ごしに、バルク層１０に不純物イオンを導入し、ピエゾ抵抗素子Ｐｘと低抵抗部６０とを形成する。例えば、ホウ素（Ｂ）イオンを６×１０２０／ｃｍ３の濃度で注入すると、ピエゾ抵抗素子ＰｘのＢイオン濃度は２×１０１８／ｃｍ３となる。この工程によると、一度の不純物イオン注入で、ピエゾ抵抗素子Ｐｘと低抵抗部６０を形成できる。
【００２２】
続いて、コンタクトホールＨ１内部と絶縁層１１の表面に配線層を形成し、図３Ｄに示すように、フォトレジストからなる保護層Ｒ４を用いて配線層をエッチングして配線部１３を形成する。配線層には例えば、厚さ０．６μｍのＡｌを用いる。Ａｌを成膜する前に密着層として厚さ３００ＡのＴｉを成膜してもよい。また、バリアメタルとしてＴｉＮｘを成膜してもよい。また、Ａｌの代わりにＡｌＳｉやＡｌＳｉＣｕを用いてもよい。配線層のエッチングには、例えばＣｌ２ガスを用いた反応性イオンエッチングを採用する。配線層をエッチングして配線部１３を形成した後、保護層Ｒ４を除去する。
【００２３】
続いて、図３Ｅに示すように、絶縁層１１をマスクパターンに用いて、バルク層１０をエッチングすることによって、枠部Ｓと可撓部Ｆと錘部Ｍとを形成する。具体的には例えば、絶縁層１１をマスクパターンに用いて、バルク層１０をＤｅｅｐ−ＲＩＥによりエッチングする。Ｄｅｅｐ−ＲＩＥには、Ｃ４Ｆ８プラズマによる保護ステップと、ＳＦ６プラズマによるエッチングステップを短く交互に繰り返すボッシュプロセスを用いる。以上の工程によって、図１に示す加速度センサ１のセンサダイ１ａを製造することができる。
【００２４】
２．他の実施形態
尚、本発明の技術的範囲は、上述した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内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記実施形態で示した材質や寸法や形状や成膜方法やパターン転写方法はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である工程の追加や削除や工程順序の入れ替えについては説明が省略されている。
【００２５】
上記実施形態では、可撓部Ｆの厚さ方向に直交する錘部Ｍの側面と、可撓部Ｆの厚さ方向と直交する枠部Ｓの内周面とに凹凸が形成されている形態を説明したが、図４Ａに示すように可撓部Ｆの厚さ方向（ｙ軸方向）に平行な枠部Ｓの内周面と、可撓部Ｆの厚さ方向に平行な錘部Ｍの側面とに凹凸が形成されていてもよい（凹凸は枠部Ｓの開口面に平行な方向（ｘｙ平面に平行）に配列）。この構成において、凹部Ｍ１の底面と凸部Ｓ２の頂面との距離ｄ４（凹部Ｓ１の底面と凸部Ｍ２の頂面との距離）は、凹部Ｍ１の内周面と凸部Ｓ２の外周面との距離ｄ３（凹部Ｓ１の内周面と凸部Ｍ２の外周面との距離）より短くてもよい。
【００２６】
また、第一実施形態や上述の他の実施形態のように枠部Ｓの内周面と錘部Ｍの側面とに凹凸が形成されるのに加えて、図４Ｂに示すように、枠部Ｓとともに支持部を構成するパッケージ７０の底面７０ａと、当該パッケージ７０の底面７０ａと対向する錘部Ｍの底面とに凹凸が形成されていてもよい。図４Ｂに示す例では、可撓部Ｆはｙ軸方向に薄く、錘部Ｍはｙ軸方向に運動する。また、錘部Ｍの上面とパッケージ７０との間に設けられた蓋７１と、錘部Ｍの上面とに凹凸が形成されていてもよい。蓋７１は、パッケージ７０そのものであってもよい。
また、凹凸は、図５Ａに示すように、凹曲面と凸曲面とで構成されていてもよい。
【００２７】
さらに、図５Ｂおよび図５Ｃに示すように、可撓部Ｆは、枠部Ｓの開口面に直交する方向（ｚ軸方向）に薄い板ばねであってもよい。この構成では、可撓部Ｆの厚さ方向はｚ軸方向となる。その場合に凹凸は、図５Ｂおよび図５Ｃに示すように、パッケージ７０の底面７０ａと、錘部Ｍの底面とに形成されていてもよい。また、錘部Ｍの上面とパッケージ７０とに凹凸が形成されていてもよい。錘部Ｍの上面とパッケージ７０との間に設けられた蓋７１と、錘部Ｍとに凹凸が形成されていてもよい。これらの凹凸は、マスクパターンを用いてエッチングすることにより形成することができる。
なお、錘部Ｍと支持部とは複数の可撓部Ｆを介して連結していてもよい。
【符号の説明】
【００２８】
１：加速度センサ、１ａ：センサダイ、１０：バルク層、１１：絶縁層、１３：配線部、３０：凹部、５０：凹部、６０：低抵抗部、６９：スペーサ、７０：パッケージ、７０ａ：底面、７１：蓋、Ｆ：可撓部、Ｈ１：コンタクトホール、Ｍ：錘部、Ｍ１：凹部、Ｍ２：凸部、Ｐ１〜Ｐ４・Ｐｘ：ピエゾ抵抗素子、Ｓ：枠部、Ｓ１：凹部、Ｓ２：凸部。
【図１】
2011022057.tif 000003
【図２】
2011022057.tif 000004
【図３】
2011022057.tif 000005
【図４】
2011022057.tif 000006
【図５】
2011022057.tif 000007