(57)【要約】【課題】高いセンサ精度、感度および耐衝撃性を維持し、作成方法を簡易化すること。【解決手段】本実施形態の加速度センサー１は、錘部２０と、梁部３０ａ，３０ｂと、梁部３０ａ，３０ｂを介して錘部２０を梁構造により連結するフレームと、フレーム上に設けられる固定ピエゾ抵抗素子部４０，４５と、梁部３０ａ，３０ｂ上に設けられる可変ピエゾ抵抗素子部５０，５５とを備え、固定ピエゾ抵抗素子部４０，４５に対する可変ピエゾ抵抗素子部５０，５５の抵抗値の変化に基づいて加速度を検知する加速度センサーであって、フレームの下部において、固定ピエゾ抵抗素子部５０，５５の下方に位置する中空構造１００が形成される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
錘部と、梁部と、前記梁部を介して前記錘部を梁構造により連結するフレームと、前記フレーム上に設けられる固定ピエゾ抵抗素子と、前記梁部上に設けられる可変ピエゾ抵抗素子とを備え、前記固定ピエゾ抵抗素子に対する可変ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化に基づいて加速度を検知する加速度センサーであって、
前記フレームの下部において、前記固定ピエゾ抵抗素子の下方に位置する中空構造が形成されることを特徴とする、加速度センサー。
【請求項２】
前記フレームは、前記中空構造と外部との間に設けられる通気孔をさらに有することを特徴とする、請求項１に記載の加速度センサー。
【請求項３】
前記中空構造と前記錘部が配置される空間との間は、隔壁によって隔てられていることを特徴とする、請求項２に記載の加速度センサー。
【請求項４】
前記フレーム上には、複数の前記固定ピエゾ抵抗素子が設けられ、
前記中空構造は、平面視において、前記複数の固定ピエゾ抵抗素子と重なる領域に形成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の加速度センサー。
【請求項５】
構造物に搭載され、該構造物に生じる振動を検知す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ー。
【請求項６】
請求項１に記載の加速度センサーの製造方法であって、
半導体基板上に、前記固定ピエゾ抵抗素子および前記可変ピエゾ抵抗素子を形成する素子形成工程と、
前記半導体基板の裏面から基板の厚み方向に、前記錘部と前記フレームとの間の隙間となる枠状の第１溝を掘り込むとともに、前記半導体基板における前記固定ピエゾ抵抗素子の下方において、前記半導体基板の裏面から基板の厚み方向に、前記中空構造となる第２溝を掘り込む溝形成工程とを行うことを特徴とする、加速度センサーの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度を検出する加速度センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
所定方向の加速度を測定することで機器の動きを検出することが可能な加速度センサーが従来知られている。例えば、特許文献１には、半導体基板からなるフレームと、フレームの内側に配置され加速度の作用により変位する錘部と、錘部を片持ち梁構造でフレームの内側面に連結するビームと、ビームに形成され錘部に加速度が作用したときの錘部の変位によりビームに生じる応力を抵抗値変化として検出するピエゾ抵抗と、フレームに配置されピエゾ抵抗からの信号を取り出す電極とを備える加速度センサにおいて、前記フレームと前記ビームとの間にビーム構造からなる応力緩和用ビームを形成した加速度センサが記載されている。加速度センサーに加速度が加わると、加速度に起因して錘部に外力が作用して錘部が定位置から変位し、その変位によって生じる機械的歪みによってピエゾ抵抗の抵抗値が変化する。これにより、ピエゾ抵抗で構成されるブリッジ回路の平衡がくずれて出力信号が生じる。
【０００３】
しかしながら、加速度センサーのブリッジ回路に通電が開始されるとき、加速度センサーに加速度が加わっていないにも拘わらず、ブリッジ回路の平衡がくずれて出力信号が生じる（出力信号のドリフト）という問題がある。この問題は、通電によりピエゾ抵抗の温度が上昇し、温度上昇により抵抗値が変化することが原因である。このような問題を解決する技術として、例えば特許文献２に記載の技術が知られている。
【０００４】
具体的に、特許文献２は、ＳＯＩ層、絶縁膜層及び支持基板層がこの順で積層され、前記ＳＯＩ層に形成されたピエゾ抵抗素子と、前記絶縁膜層を貫通する熱経路とを備えるマイクロ構造体が記載されている。これにより、ピエゾ抵抗素子により発生した熱を熱経路を介して支持基板層に伝達させ、放熱させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１５６５９３号公報（２００９年７月１６日公開）
【特許文献２】特開２００３−１４９２６２号公報（２００３年５月２１日公開）
【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、特許文献２に記載の技術は、加速度を検知するために最も応力を稼ぐ梁部に、絶縁層よりも熱伝導率の高い材料である熱経路が設けられているため、感度特性が劣化し、耐衝撃性が低下する。また、熱経路を設けるために、その分の空間を確保しなければならないので、加速度センサーのサイズが大きくなる。また、熱経路を設ける工程分が増えるという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、高いセンサ精度、感度および耐衝撃性を維持し、製造が簡易な加速度センサー、および、その製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明は、錘部と、梁部と、前記梁部を介して前記錘部を梁構造により連結するフレームと、前記フレーム上に設けられる固定ピエゾ抵抗素子と、前記梁部上に設けられる可変ピエゾ抵抗素子とを備え、前記固定ピエゾ抵抗素子に対する可変ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化に基づいて加速度を検知する加速度センサーであって、前記フレームの下部において、前記固定ピエゾ抵抗素子の下方に位置する中空構造が形成される。
【０００９】
上記の構成によれば、固定ピエゾ抵抗素子の下の構造と可変ピエゾ抵抗素子が設けられる梁部の下の構造とは同様の環境になっている。このため、通電時の固定ピエゾ抵抗素子と可変ピエゾ抵抗素子との温度上昇がほぼ同じ状態となり、固定ピエゾ抵抗素子に対する可変ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化を抑制することができる。その結果、加速度が加わっていないにも拘わらず、通電するだけで抵抗値が変化し、加速度が検出されることを防ぐことができる。これにより、高精度に加速度を検知することができる。また、特許文献２と異なり、梁部には熱経路は設けない構造であるため、感度特性が劣化し、耐衝撃性が低下するといったことがなく、工程も増えない。したがって、高いセンサ精度、感度および耐衝撃性を維持し、製造が簡易な加速度センサーを提供することができる。
【００１０】
また、本発明の加速度センサーにおいて、前記フレームは、前記中空構造と外部との間に設けられる通気孔をさらに有する。
【００１１】
上記の構成によれば、中空構造内部と外部空間との気圧差で固定ピエゾ抵抗素子が配置される基板の部分が応力により撓むのを防ぐことができる。これにより、加速度が加わっていない状態で、固定ピエゾ抵抗素子と可変ピエゾ抵抗素子との間の抵抗値にオフセットが生じるのを防止することができる。
【００１２】
また、本発明の加速度センサーにおいて、前記中空構造と前記錘部が配置される空間との間は、隔壁によって隔てられている。
【００１３】
上記の構成によれば、錘部とフレームとの間の溝をエッチング加工で形成する場合、当該エッチング加工で使用される薬液が中空構造内に侵入するのを防ぐことができる。
【００１４】
また、本発明の加速度センサーにおいて、前記フレーム上には、複数の前記固定ピエゾ抵抗素子が設けられ、前記中空構造は、平面視において、前記複数の固定ピエゾ抵抗素子と重なる領域に形成されている。
【００１５】
上記の構成によれば、中空構造の空間を可能な限り大きくとることで、中空構造をエッチング加工により形成する場合、エッチングレートを増加でき、エッチング残りのリスクを軽減することができる。
【００１６】
また、本発明の加速度センサーは、構造物に搭載され、該構造物に生じる振動を検知する。
【００１７】
上記の構成によれば、建造物の振動を高精度に検知することができる。
【００１８】
また、上記課題を解決するために、上記加速度センサーの製造方法であって、半導体基板上に、前記固定ピエゾ抵抗素子および前記可変ピエゾ抵抗素子を形成する素子形成工程と、前記半導体基板の裏面から基板の厚み方向に、前記錘部と前記フレームとの間の隙間となる枠状の第１溝を掘り込むとともに、前記半導体基板における前記固定ピエゾ抵抗素子の下方において、前記半導体基板の裏面から基板の厚み方向に、前記中空構造となる第２溝を掘り込む溝形成工程とを行う。
【００１９】
上記の構成によれば、第１溝と第２溝とを同じタイミングで形成することができるので、工程の増加は不要となる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、高いセンサ精度、感度および耐衝撃性を維持し、製造が簡易であるといった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施の形態における加速度センサーを示す斜視図である。
【図２】加速度センサーを示す平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ’の断面図である。
【図４】固定ピエゾ抵抗素子と中空構造との位置関係の一例を示す図である。
【図５】加速度センサーの製造工程の一例を示す図である。
【図６】図５のＢ−Ｂ’線の断面図である。
【図７】図５のＣ−Ｃ’線の矢視断面図である。
【図８】図５のＤ−Ｄ’線の矢視断面図である。
【図９】中空構造の有る場合と無い場合とを比較したときのブリッジ回路の出力変動を示した図である。
【図１０】第１の変形例における加速度センサーを示す断面図である。
【図１１】第２の変形例における加速度センサーを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。
【００２３】
図１は、本実施の形態における加速度センサーを示す斜視図である。図２は、加速度センサーを示す平面図である。図３は、図２のＡ−Ａ’の断面図である。図１〜３に示されるように、加速度センサー１は、半導体基板からなるフレーム１０および錘部２０と、錘部２０を片持ち梁構造でフレーム１０の内側面に連結する梁部３０ａ，３０ｂと、フレーム１０に形成される固定ピエゾ抵抗素子部４０，４５と、梁部３０ａ，３０ｂそれぞれに形成される可変ピエゾ抵抗素子部５０，５５と、固定ピエゾ抵抗素子部４０，４５および可変ピエゾ抵抗素子部５０，５５からの信号を配線部６０を介して取り出す電極部７０とを有する。
【００２４】
フレーム１０は、梁部３０ａ，３０ｂを介して錘部２０を揺動自在に支持する。具体的に、錘部２０を配置するための空間を有する枠部８０と、固定部９０と、中空構造１００と、通気孔２３，２５と、台座部１１０とを有する。枠部８０は、平面視において、内側に錘部２０を囲むコ字状（Ｃ字状）であり、枠部８０に囲まれるように錘部２０が配置される。ここで、錘部２０と枠部８０との間は、縦溝１２０，１３０により隙間が設けられる。縦溝１３０は、錘部２０上部の外周に沿って形成された溝であり、縦溝１２０は、錘部２０下部の外周に沿って形成された溝であり、梁部３０ａ，３０ｂを残して形成される。縦溝１２０，１３０は梁部３０ａ，３０ｂ以外のところで連通している。
【００２５】
固定部９０は、２か所の梁部３０ａ，３０ｂを介して錘部２０と連結される。ここで、錘部２０は、その底面と、錘部２０の下方に配置される台座部１１０との間に隙間２１を有した状態を定位置として支持される。隙間２１は、台座部１１０に凹部（図６（ｃ）参照）３１が形成されることにより、錘部２０と台座部１１０との間に形成される。隙間２１、縦溝１２０，１３０は、錘部２０が配置される空間に含まれ、隙間２１と縦溝１２０とは互いに連通する。また、フレーム１０において、固定部９０が位置する中段の外周に沿って縦溝１４０が形成される。
【００２６】
また、固定部９０には、表面に梁部３０ａ，３０ｂの長さ方向に平行に配置された固定ピエゾ抵抗素子部４０，４５（図４参照）と、配線部６０と、電極部７０とが設けられる。また、梁部３０ａ，３０ｂの表面には、可変ピエゾ抵抗素子部５０，５５が設けられる。
【００２７】
具体的に、固定ピエゾ抵抗素子部４０，４５は、フレームの端部側から内側に向かって並べて配置され、固定ピエゾ抵抗素子部４０は２つの固定ピエゾ抵抗素子４０ａ，４０ｂを含み、固定ピエゾ抵抗素子４５は２つの固定ピエゾ抵抗素子４５ａ，４５ｂを含む。固定ピエゾ抵抗素子４０ａ，４０ｂは、フレーム１０の端部側に沿って並べて配置され、固定ピエゾ抵抗素子４５ａ，４５ｂは、フレーム１０の端部側に沿って並べて配置される。
【００２８】
また、可変ピエゾ抵抗素子部５０は、２つの可変ピエゾ抵抗素子５０ａ，５０ｂを含み、可変ピエゾ抵抗素子部５５は、２つの可変ピエゾ抵抗素子５５ａ，５５ｂを含む。可変ピエゾ抵抗素子５０ａ，５０ｂは、固定部９０の端部側からこの順に梁部３０ａの長さ方向に並べて配置され、同様に可変ピエゾ抵抗素子５５ａ，５５ｂは、固定部９０の端部側からこの順に梁部３０ｂの長さ方向に並べて配置される。
【００２９】
可変ピエゾ抵抗素子部５０，５５は、梁部３０ａ，３０ｂの撓み量に応じて抵抗値が変化し、撓み量が大きくなるほど抵抗値の変化量が大きくなる。可変ピエゾ抵抗素子部５０，５５は、固定ピエゾ抵抗素子部４０，４５とでブリッジ回路（図示せず）を構成しており、固定ピエゾ抵抗素子部４０，４５の抵抗値を基準として変化した抵抗値に対応した電圧が、電極部７０を介して外部に出力される。
【００３０】
また、固定部９０は、固定ピエゾ抵抗素子部４０，４５が配置される位置の下部に、中空構造１００を有する。中空構造１００は、固定ピエゾ抵抗素子部４０，４５が配置される位置の下部において、基板の厚み方向（垂直方向）に長い中空溝１００ａ，１００ｂを含む。具体的に、固定ピエゾ抵抗素子部４０の下方に中空溝１００ａが形成され、固定ピエゾ抵抗素子部４５の下方に中空溝１００ｂが形成される。なお、中空構造１００は、図４に示されるように、平面視において固定ピエゾ抵抗素子４０ａ（４５ａ），４０ｂ（４５ｂ）と重なるような大きさであればよい。
【００３１】
中空溝１００ａ，１００ｂは、例えば垂直方向の長さが１３０μｍであり、幅２５０μｍの空間であるが、この長さに限定するものではない。なお、空間の形状は、問わない。また、中空溝１００ａは、その下部から最も近い縦溝１４０の下部まで伸びる通気孔２３を介して外部と連通し、中空溝１００ｂは、その下部から最も近い縦溝１２０の下部にまで及ぶ通気孔２５が隙間２１と連通する。なお、通気孔２３，２５は、台座部１１０に形成される溝であり、通気孔２３，２５の幅は、例えば１０μｍ程度である。
【００３２】
上述したように、固定ピエゾ抵抗素子部４０，４５の下部は、可変ピエゾ抵抗素子部５０，５５の下部と同様の環境になっている。これにより、通電による固定ピエゾ抵抗素子部４０，４５と可変ピエゾ抵抗素子部５０，５５との温度上昇差を抑えることができるので、加速度が加わっていないにも拘わらず抵抗値が変化し、加速度が検出されることを防ぐことができる。また、隙間２１により、中空構造１００が閉空間（真空）である場合に比べて、大気との差圧で固定ピエゾ抵抗素子４０，４５が配置される固定部９０の部分が応力により撓むのを防ぐことができる。これにより、加速度が加わっていない状態で、固定ピエゾ抵抗素子４０，４５と可変ピエゾ抵抗素子５０，５５との間の抵抗値にオフセットが生じるのを防止することができる。
【００３３】
次に、加速度センサー１の製造工程について説明する。図５（ａ）〜（ｄ）は、加速度センサーの製造工程の一例を示す図である。ここでは、図２のＡ−Ａ’線の断面を示している。また、図６は、図５（ａ）のＢ−Ｂ’線の断面図であり、図７は、図５（ｂ）のＣ−Ｃ’線の矢視断面図であり、図８は、図５（ｃ）のＤ−Ｄ’線の矢視断面図である。
【００３４】
まず、図５（ａ），図６に示されるように、第１ウエハ１０ａの下に、平面視において第１ウエハ１０ａと略同じ大きさの矩形の第２ウエハ１０ｂが接合されることにより、２つのウエハ１０ａ，１０ｂが積層される。第１ウエハ１０ａと第２ウエハ１０ｂとが接合された状態で、第１ウエハ１０ａに対して第２ウエハ１０ｂの上面が露出している領域が固定部９０の上面に相当する。
【００３５】
なお、第１，２ウエハ１０ａ，１０ｂの積層前に固定ピエゾ抵抗素子部４０，４５、可変ピエゾ抵抗素子部５０，５５、配線部６０および電極部７０は、第２ウエハ１０ｂの固定部９０に相当する部分に予め形成される。第２ウエハ１０ｂは、ＳｉＯ２層がＳｉ層により挟み込まれることにより構成される。第２ウエハ１０ｂにおいて、ＳｉＯ２層より上層には、下のＳｉ層より薄いＳｉ層が積層されている。
【００３６】
なお、第１ウエハ１０ａと第２ウエハ１０ｂとを接合する前に、第２ウエハ１０ｂにおける第１ウエハ１０ａとの接合面において、梁部３０ａ，３０ｂとなる箇所を除く領域に、ＳｉＯ２層の上面に達する程度に、予め枠状の溝１３０ｂが予め形成されている。また、第１ウエハ１０ａにおける第２ウエハ１０ｂとの接合面にも、溝１３０ｂとほぼ同じサイズの枠状の溝１３０ａが予め形成されている。そして、溝１３０ａと溝１３０ｂとが互いに対向するように第１ウエハ１０ａと第２ウエハ１０ｂとが接合される。これら溝１３ａおよび溝１３０ｂは、錘部２０と枠部８０との間の隙間の一部を形成するものである。
【００３７】
次に、図５（ｂ），図７に示されるように、第２ウエハ１０ｂの裏面からエッチング加工する。具体的には、固定ピエゾ抵抗素子部４０，４５の下部と、錘部２０と枠部８０との間となる位置と、枠部８０の外周となる位置とにおいて、第２ウエハ１０ｂの裏面からＳｉＯ２層が露出するまで垂直に掘り込む。これにより、中空溝１００ａ，１００ｂと、枠状の縦溝１２０と、枠状の縦溝１４０とが形成される。
【００３８】
次に、図５（ｃ），図８に示されるように、平面視において第２ウエハ１０ｂと略同じ大きさの第３ウエハ１０ｃを第２ウエハ１０ｂの裏面から接合することにより３つのウエハを積層する。第３ウエハ１０ｃは、第２ウエハ１０ｂとの接合面の所定領域において、凹部３１，３３，３５が形成される。
【００３９】
凹部３３，３５は、第３ウエハ１０ｃが第２ウエハ１０ｂと接合されたとき、通気孔２３，２５として機能する。具体的には、凹部３３は、中空溝１００ａの下部から最も近い縦溝１４０の下部まで伸び、凹部３５は、中空溝１００ｂの下部から最も近い縦溝１２０の下部にまで伸びている。また、凹部３１は、凹部３５と連通し、縦溝１２０で囲まれる部分と略同等の面積を有する。
【００４０】
次に、図５（ｄ）に示されるように、第１ウエハ１０ａの上面から縦溝１３０を垂直方向に掘り込み、縦溝１２０上部に位置するＳｉＯ２層をエッチングする。これによりフレーム１０と錘部２０とを切り離す。
【００４１】
図９は、中空構造の有る場合と無い場合とを比較したときのブリッジ回路の出力変動を示した図である。図９に示されるように、固定ピエゾ抵抗素子部４０，４５の下部に中空構造１００が形成されているときの方が、形成されていないときに比べて出力変動が少ないことがわかる。すなわち、中空構造１００の存在により、可変ピエゾ抵抗素子部５０，５５と固定ピエゾ抵抗素子部４０，４５との温度上昇差が軽減していると考えられる。
【００４２】
以上説明したように、本発明の実施形態における加速度センサー１は、錘部２０と、梁部３０ａ，３０ｂと、梁部３０ａ，３０ｂを介して錘部２０を梁構造により連結する半導体基板からなるフレーム１０と、フレーム１０上に設けられる固定ピエゾ抵抗素子部４０，４５と、梁部３０ａ，３０ｂ上に設けられる可変ピエゾ抵抗素子部５０，５５とを備え、固定ピエゾ抵抗素子部４０，４５に対する可変ピエゾ抵抗素子部５０，５５の抵抗値の変化に基づいて加速度を検知する加速度センサーであって、フレーム１０の下部において、固定ピエゾ抵抗素子部５０，５５の下方に位置する中空構造１００が形成される。
【００４３】
この構成によれば、固定ピエゾ抵抗素子部４０，４５の下の構造と可変ピエゾ抵抗素子５０，５５が設けられる梁部３０ａ，３０ｂの下の構造とは同様の環境になっている。このため、固定ピエゾ抵抗素子部４０，４５と可変ピエゾ抵抗素子部５０，５５との温度上昇差を抑えることができるので、加速度が加わっていないにも拘わらず抵抗値が変化し、加速度が検出されることを防ぐことができる。これにより、高精度に加速度を検知することができる。また、従来と異なり、梁部３０ａ，３０ｂには熱経路は設けない構造であるため、感度特性が劣化し、耐衝撃性が低下するといったことがなく、工程も増えない。したがって、高いセンサ精度、感度および耐衝撃性を維持し、作成方法を簡易化することができる。
【００４４】
＜第１の変形例＞
第１の変形例における加速度センサーは、図１０に示されるように、隙間２１Ａ，通気孔２３Ａを有する構造である。隙間２３Ａは、最も近い縦溝１４０の下部から中空溝１００ｂの下部まで伸びる空間である。隙間２１Ａは、縦溝１２０の下部および錘部２０の底面と枠部８０との間における空間である。この構造により、図５（ｄ）に示す工程において、ＳｉＯ２層を除去するときに使用される薬液が中空構１００ｂに侵入することを防止することができる。
【００４５】
＜第２の変形例＞
第２の変形例における中空構造は、図１１に示されるように、第１の変形例の構造に加えて、２つの中空溝１００ａ，１００ｂの間の隔壁を除去した構造１００Ａである。すなわち、中空構造１００Ａは、平面視において、固定ピエゾ抵抗素子４０，４５と重なる領域に形成されている。この構造によりエッチングレートを増加でき、エッチング残りのリスクを軽減することができる。
【００４６】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、携帯端末などの電気機器への搭載が可能であり、またマンションや橋脚などの建造物の振動（地震によるものを含む）の検知にも利用することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１  加速度センサー
１０  フレーム
２０  錘部
２１，２１Ａ  隙間
２３，２３Ａ，２５  通気孔
３０ａ，３０ｂ  梁部
４０，４５  固定ピエゾ抵抗素子部
５０，５５  可変ピエゾ抵抗素子部
８０  枠部
１００，１００Ａ  中空構造
１００ａ，１００ｂ  中空溝
１２０〜１４０，  縦溝
【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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