(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹部が形成された平板状の基板と、
前記凹部の縁部に位置する支持部と、前記凹部上方に位置し前記支持部によって浮動可能に支持されて前記基板の基板面に平行な方向および厚さ方向に変位可能な平板コイル状の可動部とを有するバネ部と、
前記バネ部の可動部に設けられ、前記可動部における変位を検出する複数のセンサ部と、を備え、
前記複数のセンサ部が、それぞれ前記可動部の異なる位置に設けられ、２軸方向または３軸方向の変位を検出可能である、センシングユニット。
【請求項２】
前記バネ部がめっき成形によって形成されている、請求項１に記載のセンシングユニット。
【請求項３】
前記センサ部がＧＭＲセンサで構成されている、請求項１に記載のセンシングユニット。
【請求項４】
前記バネ部の可動部の中心側の端部に重り部が形成されている、請求項１に記載のセンシングユニット。
【請求項５】
前記センサ部は、前記可動部のうちの前記支持部に近接する位置に設けられている、請求項１に記載のセンシングユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センシングユニット及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
加速度センサ（加速度計：accelerometer）として、従来より、ＭＥＭＳ技術を用いたシリコン加速度センサが知られている。
【０００３】
このシリコン加速度センサのセンシングユニットは、一般的には、図８に示すような工程を経て作製される。すなわち、シリコン加速度センサのセンシングユニット１１０を作製する際には、まず、図８の（ａ）部分に示すように、シリコン基板１００上に平行に並ぶストライプパターンを有するフォトマスク１０２を形成する。そして、そのフォトマスク１０２を利用したディープエッチング（エッチング深さ２５〜３０μｍ）をおこない、平行に並ぶ複数のトレンチ１０４を形成する。さらに、図８の（ｂ）部分に示すように、基板１００上面及びトレンチ１０４の内壁面にＳｉＯ２膜１０６を成膜する。その後、図８の（ｃ）部分に示すように、トレンチ１０４の底面部分を等方性エッチングにより部分的に除去して、隣り合うトレンチ１０４同士をその底面部分で連通させる。その結果、隣り合うトレンチ１０４の間に、基板１００の面方向に平行な一方向（すなわち、並設方向）に往復動可能な片持ち梁（cantilever）部分１０８が形成される。
【０００４】
そして、図８のような構造を有するセンシングユニット１１０においては、片持ち梁部分（可動部）１０８の揺動に伴う静電容量の変化に基づいて、加速度の測定がおこなわれる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前述した従来のセンシングユニットには、次のような課題が存在している。すなわち、片持ち梁部分はその並設方向にしか揺動できないため、上記センシングユニットでは一方向における加速度しか測定することができなかった。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、測定方向に関する自由度が高いセンシングユニット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】
【０００７】
本発明に係るセンシングユニットは、凹部が形成された基板と、凹部の縁部に位置する支持部と、凹部上方に位置し支持部によって浮動可能に支持された平板コイル状の可動部とを有するバネ部と、バネ部の可動部に設けられ、可動部における変位を検出するセンサ部とを備える。
【０００８】
このセンシングユニットにおいては、バネ部の可動部は、基板に形成された凹部上方において浮動可能に支持されている。そのため、この可動部は、基板面に平行ないずれの方向にも揺動可能となっている。その上、可動部は、その中心側の端部の振幅が最大となるように、基板の厚さ方向にも揺動可能となっている。そして、この可動部にセンサ部が設けられている。そのため、本発明に係るセンシングユニットは、一方向にのみ揺動する従来のセンシングユニットよりも測定方向に関する自由度が高くなっている。
【０００９】
また、バネ部が導電性材料で構成されている態様でもよい。この場合、バネ部を、センサ部の信号伝達経路として利用することができる。
【００１０】
また、バネ部がめっき成形によって形成されている態様でもよい。この場合、ディープエッチングによってバネ部の可動部を形成する場合に比べて、厚さの薄い可動部を形成することができる。
【００１１】
また、センサ部がＧＭＲセンサで構成されている態様でもよい。この場合、センサ部の小型化が実現され、それにより、センシングユニットの小型化を図ることができる。
【００１２】
また、バネ部の可動部の中心側の端部に重り部が形成されている態様でもよい。この場合、可動部の揺動量が増加するため、センサ部における測定精度の向上が図られる。
【００１３】
また、センサ部は、可動部のうちの支持部に近接する位置に設けられている態様でもよい。支持部に近接する位置の可動部は最も変位量が大きいため、その位置にセンサ部を設けることで、センサ部における測定精度の向上が図られる。
【００１４】
また、可動部に複数のセンサ部が設けられている態様でもよい。この場合、例えば、センシングユニットの測定方向の多様化や測定精度の向上等を図ることができる。
【００１５】
また、基板が鉛直方向に延在するように保持されている態様でもよく、基板が水平方向に延在するように保持されている態様でもよい。基板の延在方向を適宜決定することで、所望の方向における感度が高いセンシングユニットを得ることができる。
【００１６】
本発明に係るセンシングユニットの製造方法は、凹部が形成された基板と、凹部の縁部に位置する支持部と、凹部上方に位置し支持部によって浮動可能に支持された平板コイル状の可動部とを有するバネ部と、バネ部の可動部に設けられ、可動部における変位を検出するセンサ部とを備えるセンシングユニットの製造方法であって、基板に形成された凹部をレジスト層で埋めて平坦にする工程と、バネ部となるべきめっき層を、支持部となる部分が凹部の縁部に位置し、可動部となる部分がレジスト層上に位置するように形成する工程と、可動部となる部分のめっき層にセンサ部を形成する工程と、レジスト層を除去する工程とを含む。
【００１７】
このセンシングユニットの製造方法においては、バネ部の可動部は、めっき層で形成され、且つ、基板に形成された凹部上方において浮動可能に支持される。そのため、この可動部は、基板面に平行ないずれの方向にも揺動可能となっている。その上、可動部は、その中心側の端部の振幅が最大となるように、基板の厚さ方向にも揺動可能となっている。そして、この可動部にセンサ部が設けられている。従って、本発明に係るセンシングユニットの製造方法によれば、一方向にのみ揺動する従来のセンシングユニットよりも測定方向に関する自由度が高いセンシングユニットを得ることができる。さらに、上述のようにバネ部をめっき層で形成するため、ディープエッチングによって形成する場合に比べて、厚さを薄くすることが可能である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、測定方向に関する自由度が高いセンシングユニットを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照して本発明を実施するにあたり最良と思われる形態について詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素については同一の符号を付し、説明が重複する場合にはその説明を省略する。
【００２０】
以下、本発明の実施形態に係るセンシングユニットとして、加速度センサに利用されるセンシングユニットについて説明する。このセンシングユニットは、所定の制御部に変位に関する信号を伝達することで、センシングユニットに加わる加速度を検出可能となっている。
【００２１】
図１は、本発明の実施形態に係るセンシングユニット１０を示した概略斜視図である。図２は、図１に示したセンシングユニット１０のＩＩ−ＩＩ線断面図であり、（ａ）部分は伸長していない状態、（ｂ）部分は伸長した状態を示している。図１及び図２に示すように、センシングユニット１０は、基板２０と、その基板２０上に設けられたバネ部３０とを備えて構成されている。
【００２２】
基板２０は、例えばＡｌ２Ｏ３で構成されており、その表面２０ａが平坦な基板である。そして、基板２０の表面２０ａには、断面が略円形のホール（凹部）２２が設けられている。このホール２２の深さは、例えば、浅くする場合には０．５〜３．０μｍ程度、深くする場合には３．０〜１０μｍ程度である。
【００２３】
バネ部３０は、基板２０の基板面２０ａに平行に延在する薄膜部材であり、ＣｕやＮｉ等の導電性材料のめっき成形によって形成されている。そして、このバネ部３０は、支持部３２と可動部３４とによって構成されている。また、バネ部３０は、図３に示すように、めっき層５６が絶縁膜５４によって横並びに３つの領域（５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃ）に分割された構成となっている。
【００２４】
バネ部３０のうちの支持部３２は、ホール２２の縁に位置する帯状部分であり、ホール２２からせり出すように延びている。バネ部３０のうちの可動部３４は、支持部３２のせり出した端部から連続的に設けられており、基板２０のホール２２の上方に位置している。この可動部３４は、ホール２２全体を覆う平板コイル状の形状を有しており、ホール２２の中心部周りを螺旋状に複数回だけ周回している。
【００２５】
上記構成を有するバネ部３０においては、可動部３４は、ホール上方において支持部３２により浮動可能に支持されており、且つ、弾性変形が生じやすい形状（すなわち、平板形状）及び構成材料（すなわち、ＣｕやＮｉ等の金属材料）となっている。そのため、可動部３４は、基板面２０ａの面方向（基板面に平行な全方向）に揺動することができ、且つ、図２の（ｂ）部分に示すように基板２０の厚さ方向に揺動（伸長）することができる。
【００２６】
そして、バネ部３０の可動部３４の中心側の端部には、他の部分に比べて幅広の重り部３６が形成されている。このような比較的体積の大きな重り部３６を中心側の端部に設けることで、可動部３４の揺動量の増大が図られている。なお、必要に応じて、この重り部３６の上面や下面に突起を設けて、さらなる重量増大を図り、可動部３４の揺動量を増すようにしてもよい。
【００２７】
さらに、上述したバネ部３０の可動部３４には、３つのセンサ部４０（４０Ａ〜４０Ｃ）が設けられている。センサ部４０は、ＧＭＲセンサ（巨大磁気抵抗効果センサ）であり、可動部３４の上面に一体的に実装されている。これらのセンサ部４０は、可動部３４が特定方向に変位（伸縮）した際に電気抵抗値が変化するものであり、その抵抗変化により可動部３４の変位量（揺動量）及び変位方向（揺動方向）を検出するものである。
【００２８】
センサ部４０は、例えば、図３に示すような構造を有している。図３は、めっき層５６上に形成されたセンサ部４０の概略構成を示した図である。すなわち、センサ部４０は、めっき層５６上に絶縁膜４１を介して、Ｆｅ−Ｎｉ合金（パーマロイ）からなるボトムシールド層４２とトップシールド層４３とが形成されており、その間にジャンクション部４４が上下に挟まれたサンドイッチ構造となっている。そして、そのジャンクション部４４を左右から挟むように一対の電極部４５，４６が形成されている。なお、図示は省略しているが、電極部４５，４６それぞれは異なるめっき層５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃと電気的に接続されている。
【００２９】
ここで、図１に示すように、３つのセンサ部４０のうち、センサ部４０Ａは、可動部３４のうちの支持部３２に近接する位置に設けられている。この位置は、可動部３４の中で最も変位量が大きいため、この位置にセンサ部４０Ａを設けることで、可動部３４のわずかな揺動を検出することができ、センサ部４０における測定精度の向上が図られる。
【００３０】
各センサ部４０は、変位に関する信号として電気抵抗値を、導電性を有する可動部３４（のめっき層５６）を介して、図示しない制御部に伝達する。すなわち、このセンシングユニット１０においては、可動部３４が導電性を有するため、別途の配線を設けることなくセンサ部４０を設置することができる。そのため、部品点数の少ない簡素な構成となり、製作コストの削減及び作製の容易化が実現される。
【００３１】
また、センサ部４０は、バネ部３０の可動部３４の幅方向に関しては、中心部よりも端部側に配置することが好ましい。これは、可動部３４が揺動して部分的に湾曲する際、その中心部よりも端部の方が大きく伸縮するため、わずかな伸縮を検出でき、センサ部４０における測定精度が向上するためである。
【００３２】
以上で詳細に説明したように、センシングユニット１０においては、バネ部３０の可動部３４は、基板２０に形成されたホール上方において浮動可能に支持されている。そのため、この可動部３４は、基板面２０ａに平行ないずれの方向にも揺動可能となっている。その上、可動部３４は、その中心側の端部の振幅が最大となるように、基板の厚さ方向にも揺動可能となっている。そして、この可動部３４にセンサ部４０が設けられている。そのため、センシングユニット１０は、一方向にのみ揺動する従来のセンシングユニットよりも測定方向に関する自由度が高くなっている。
【００３３】
また、バネ部３０が導電性材料で構成されているため、バネ部３０をセンサ部４０の信号伝達経路として利用することができる。上述した実施形態においては、バネ部３０には３つの信号伝達経路（すなわち、めっき層５６Ａ、めっき層５６Ｂ及びめっき層５６Ｃ）が設けられており、センサ部４０にはその中から２つの信号伝達経路が利用される。さらに、バネ部３０に含まれる絶縁膜５４はキャパシタとしての利用が可能であり、このようなキャパシタによりキャパシタンスブリッジを構成してもよい。また、バネ部４０がめっき成形によって形成されているため、ディープエッチングによってバネ部の可動部を形成する場合（図８の（ｃ）部分に示したセンシングユニット１１０）に比べて、厚さの薄い可動部３０を形成することができる。
【００３４】
さらに、センサ部４０がＧＭＲセンサで構成されているため、センサ部の小型化が実現されており、それにより、センシングユニット１０の小型化が実現されている。さらに、可動部３０に３つセンサ部４０が設けられているため、センシングユニットの測定方向の多様化（例えば、２軸方向や３軸方向の測定）が実現でき、さらに、それらの検出信号から変位量の差分や平均を求めてより高い測定精度を実現することができる。
【００３５】
なお、可動部３４は平板形状であるため、図２の（ｂ）部分に示すように基板２０の厚さ方向に揺動しやすく、その結果、センシングユニット１０は上記厚さ方向に関する感度が高くなっている。そのため、基板２０が鉛直方向に延在するように保持することで、水平方向の揺動について高い感度を有するセンシングユニット１０を得ることができる。また、基板２０が水平方向に延在するように保持することで、鉛直方向の揺動について高い感度を有するセンシングユニット１０を得ることができる。
【００３６】
次に、上述したセンシングユニット１０を作製する手順について、図４〜図６を参照しつつ説明する。
【００３７】
ここで、図４は、図１のＩＩ−ＩＩ線断面においてセンシングユニット１０を作製する手順を示した図であり、その（ａ）〜（ｄ）部分は各工程段階における断面を示している。また、図５も、図１のＩＩ−ＩＩ線断面においてセンシングユニット１０を作製する手順を示した図であり、その（ａ）〜（ｃ）部分は各工程段階における断面を示している。さらに、図６は、図１のＶＩ−ＶＩ線断面においてセンシングユニット１０を作製する手順を示した図であり、その（ａ）及び（ｂ）部分は各工程段階における断面を示している。
【００３８】
センシングユニット１０を作製する際には、まずＡｌ２Ｏ３基板２０を用意して、所定の位置に断面円形のホール２２を形成する。そして、このホール２２が完全に埋まるようにフォトレジスト（レジスト層）５０を塗布成形した後、フォトレジスト５０が覆われるように基板２０全面にＡｌ２Ｏ３層５２を成膜する（図４の（ａ）部分参照）。
【００３９】
次に、化学機械研磨（ＣＭＰ）により、基板２０に達する位置まで研磨してホール２２を露出させる。それにより、基板２０に形成されたホール２２がフォトレジスト５０で埋められて平坦になる（図４の（ｂ）部分参照）。
【００４０】
続いて、平坦になった基板２０上にＡｌ２Ｏ３絶縁膜５４Ａを成膜し、断面矩形状の第１のめっき層５６Ａを、上述したバネ部３０と同様の形状となるようにめっき形成する。さらに、その第１のめっき層５６Ａを覆うようにして基板２０表面にＡｌ２Ｏ３絶縁膜５４Ｂを成膜し、上記第１のめっき層５６Ａの両側に、第１のめっき層５６Ａよりも高くなるように略矩形状の第２及び第３のめっき層５６Ｂ，５６Ｃをめっき形成する（図４の（ｃ）部分参照）。これらのめっき層５６（５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃ）が、最終的に上述したバネ部３０となる。そのため、めっき層５６は、支持部３２となる部分がホール２２の縁部に位置し、可動部３４となる部分がホール２２内のフォトレジスト５０上に位置するように形成される。
【００４１】
その後、めっき層５６の形成領域以外のＡｌ２Ｏ３絶縁膜をエッチング除去し、さらに、ホール２２の対応領域にフォトレジスト（レジスト層）６０を形成して、その上からＡｌ２Ｏ３層６２で覆う（図４の（ｄ）部分参照）。
【００４２】
次に、ＣＭＰにより、第１のめっき層５６Ａが露出する位置まで、Ａｌ２Ｏ３層６２、フォトレジスト６０及びめっき層５６Ｂ，５６Ｃを研磨する（図５の（ａ）部分参照）。
【００４３】
続いて、基板２０のホール２２の対応領域に形成されたフォトレジスト６０及びフォトレジスト５０を除去して、めっき層５６の周囲及び下方に空間を形成する（図５の（ｂ）部分参照）。それにより、Ａｌ２Ｏ３絶縁膜５４（５４Ａ，５４Ｂ）で分離された３つのめっき層５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃからなるバネ部３０が形成される。
【００４４】
最後に、基板２０上のＡｌ２Ｏ３層６２を選択的にエッチング除去して、上述したセンシングユニット１０のバネ部３０の作製が完了する（図５の（ｃ）部分参照）。
【００４５】
なお、センサ部４０は、図５の（ａ）部分に示した段階で形成される。すなわち、図６の（ａ）部分に示すように、バネ部３０となるめっき層５６が、フォトレジスト６０，５０及びＡｌ２Ｏ３層６２で埋められて、基板表面が平坦になっている状態で、可動部３４となるめっき層５６上に絶縁膜４１を介してセンサ部４０を形成する。
【００４６】
そして、上記センサ部４０の作製が完了した後、上述したとおり、基板２０のホール２２の対応領域に形成されたフォトレジスト６０及びフォトレジスト５０を除去すると共に、基板２０上のＡｌ２Ｏ３層６２を選択的にエッチング除去して、センシングユニット１０の作製が完了する（図６の（ｂ）部分参照）。
【００４７】
次に、上述したセンシングユニット１０とは異なる態様のセンシングユニット１０Ａについて説明する。図７は、センシングユニット１０Ａの概略構成を示した平面図である。
【００４８】
図７に示すように、センシングユニット１０Ａは、センシングユニット１０のバネ部３０と同様のバネ部を有している。そして、このバネ部３０上に、センサ配線７０が形成されている。このセンサ配線７０は、一本の信号線７２と、その信号線７２の途中に設けられた二対のセンサ部７４（７４Ａ〜７４Ｄ）とにより構成されている。センサ部７４は、バネ部３０の可動部３４上に配置されており、可動部３４の変位を検出可能な公知のセンサによって構成されている。センサ部７４の対（７４Ａと７４Ｂ、７４Ｃと７４Ｄ）は、可動部３４の幅方向に並んでおり、幅方向における両端部に位置している。そして、センサ部７４により検出された変位に関する信号は、信号線７２を介して、図示しない制御部に伝達される。
【００４９】
このセンシングユニット１０Ａにおいては、上記センサ配線７０の採用により、バネ部３０が絶縁性材料で構成されている場合であっても、加速度の検出をおこなうことができる。
【００５０】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、センサ部は、ＧＭＲセンサに限らず、公知のセンサ（ＭＲセンサ等）に適宜変更してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施形態に係るセンシングユニットを示した概略斜視図である。
【図２】図１に示したセンシングユニットのＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】めっき層上に形成されたセンサ部の概略構成を示した図である。
【図４】図１のＩＩ−ＩＩ線断面においてセンシングユニットを作製する手順を示した図である。
【図５】図１のＩＩ−ＩＩ線断面においてセンシングユニットを作製する手順を示した図である。
【図６】図１のＶＩ−ＶＩ線断面においてセンシングユニットを作製する手順を示した図である。
【図７】図１とは異なる態様のセンシングユニットの概略構成を示した平面図である。
【図８】従来技術に係るセンシングユニットを作製する手順を示した図である。
【符号の説明】
【００５２】
１０，１０Ａ…センシングユニット、２０…基板、２２…ホール（凹部）、３２…支持部、３４…可動部、３０…バネ部、３６…重り部、４０（４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ）、７４（７４Ａ，７４Ｂ，７４Ｃ，７４Ｄ）…センサ部。
【図１】
0005709345.tif 000002
【図２】
0005709345.tif 000003
【図３】
0005709345.tif 000004
【図４】
0005709345.tif 000005
【図５】
0005709345.tif 000006
【図６】
0005709345.tif 000007
【図７】
0005709345.tif 000008
【図８】
0005709345.tif 000009