(57)【要約】【課題】本発明は、加速度等の物理量の変化を２以上の方向で検出することが可能な物理量センサーを提供することにある。【解決手段】本発明の物理量センサーは、半導体基板により構成される梁部とその梁部により揺動自在に支持される錘部とを有し、該梁部に形成されたピエゾ抵抗によって該梁部の歪みを検出する構造の物理量センサーにおいて、該梁部は、少なくともその一部が上底、下底および１以上の斜辺からなる台形断面形状を有し、該上底側の表面および該斜辺を構成する斜面にピエゾ抵抗を各１以上形成したことを特徴としている。【選択図】        図１
2004340858.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板により構成される梁部とその梁部により揺動自在に支持される錘部とを有し、該梁部に形成されたピエゾ抵抗によって該梁部の歪みを検出する構造の物理量センサーにおいて、該梁部は、少なくともその一部が上底、下底および１以上の斜辺からなる台形断面形状を有し、該上底側の表面および該斜辺を構成する斜面にピエゾ抵抗を各１以上形成したことを特徴とする、物理量センサー。
【請求項２】
前記梁部は、ひとつの半導体基板の同一平面内で方向を異にするようにして２つ形成されており、この２つの梁部により１つの錘部を揺動自在に支持し、一方の梁部の上底側の表面および斜辺を構成する斜面にピエゾ抵抗を各１以上形成するとともに、他方の梁部には斜辺を構成する斜面にのみ１以上のピエゾ抵抗を形成したことを特徴とする、請求項１記載の物理量センサー。
【請求項３】
前記梁部は、同一平面内で２方向を有するように屈曲して形成されており、その一の方向を有する部分において上底側の表面および斜辺を構成する斜面にピエゾ抵抗を各１以上形成するとともに、他の方向を有する部分においては斜辺を構成する斜面にのみ１以上のピエゾ抵抗を形成したことを特徴とする、請求項１記載の物理量センサー。
【請求項４】
半導体基板としてシリコン基板を使用し、梁部の形状の少なくとも一部を台形断面形状となるように成形するステップと、不純物をドープすることによりピエゾ抵抗を形成するステップとを含むことを特徴とする、請求項１記載の物理量センサーの製造方法。
【請求項５】
前記不純物をドープすることによりピエゾ抵抗を形成するステップにおいて、梁部の上底側の表面および斜面にレジストでマスクを形成し、イオン注入装置により不純物をドープすることを特徴とする、請求項４記載の物理量センサーの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ピエゾ抵抗によって変化を検出する方式の物理量センサーに関する。より詳細には、加速度、振動、傾斜等の物理量をシリコン等の半導体基板に設けた梁部の歪みにより検出する、半導体基板を用いた物理量センサーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の物理量センサーは、一般に半導体基板を加工することにより形成されている（たとえば特許文献１および特許文献２）。図５の（ａ）はそのような従来の物理量センサーの平面図を示し、図５の（ｂ）は同図（ａ）のＣ−Ｃ線の部分の断面図を示す（特許文献２）。
【０００３】
図５の（ａ）および（ｂ）より明らかなように、このような物理量センサー５００は、第１の半導体基板５０１により形成された四角形枠状の支持部５０３（第２の半導体基板５０２の下面にはりあわされている）と、第２の半導体基板５０２により支持部５０３の上面に十字型に形成された梁部５０５とによって揺動自在に支持される錘部５０７とを備えた構成となっている。そして錘部５０７と支持部５０３とは僅かな隙間（以下、離間部５０６という）を有して隣接している。
【０００４】
ところで、このように十字型に形成された梁部５０５の任意の表面部には、それぞれ複数のピエゾ抵抗５０４が配設されている。これらのピエゾ抵抗５０４は、加速度を電気的な出力として検出するためのものである。このようなピエゾ抵抗５０４は、それぞれブリッジ回路に接続してあり、各ピエゾ抵抗５０４のブリッジ回路には外部電源（図示せず）より電圧が印加されている。そして、物理量センサーに加速度が全く印加されていない状態においてブリッジ回路が平衡するようにしてある。
【０００５】
そして、加速度が印加されると錘部５０７が揺動して梁部５０５がたわむことになる。その結果、梁部５０５には加速度に応じた応力による歪みが生じ、この歪みに応じてピエゾ抵抗５０４の抵抗値が変化するので、ピエゾ抵抗５０４により構成されたブリッジ回路の平衡がくずれ、上記ブリッジ回路からは加速度に応じた電圧出力が得られることとなる。
【０００６】
このような従来の物理量センサーは、図６に示すようにして形成される。まず、イオン注入またはデポジット拡散により形成した犠牲層６０８を有する第１の半導体基板６０１の表面に、もう一枚の第２の半導体基板６０２を接合する（図６（ａ））。
【０００７】
次に、接合された第２の半導体基板６０２を所定の厚みまで削り、表面を研磨する。研磨した第２の半導体基板６０２の表面に熱酸化により酸化シリコンから成る絶縁膜（図示せず）を形成し、この酸化シリコンの絶縁膜表面にエッチングを行なうことにより、ピエゾ抵抗６０４を内部に形成するための短冊型のパターンを半導体基板６０２の上面に形成する（図示せず）。そして、そのパターン部分にイオン注入等で不純物をドープし、ピエゾ抵抗６０４を第２の半導体基板６０２の表面に形成する（図６（ｂ））。
【０００８】
続いて、第１の半導体基板６０１において離間部６０６を形成するために、サンドブラスト法により第１の半導体基板６０１に対してダイシングや細かな粒子の砂を高圧で吹き付けることによって、第２の半導体基板６０２の梁部６０５に対して略垂直となる離間部６０６を形成する。次いで、フッ酸などのエッチング溶液に浸すことにより、上記犠牲層６０８を除去すると離間部６０６を梁部６０５に対して略垂直に設けた物理量センサーを形成することができる（図６（ｃ））。
【０００９】
このような物理量センサーにおいては、離間部６０６を梁部６０５に対して略垂直とすることにより、支持部６０３と錘部６０７との成す角度を小さく（平行に近く）することができる。このため、第２の半導体基板６０２に接合される、離間部６０６により形成された錘部６０７の体積を、従来の逆四角錐状の錘より大きくすることが可能となるため、物理量センサーのチップ面積を大きくすることなくセンサーの感度を高めることができる。
【００１０】
しかし、このような従来技術に示される物理量センサーでは、センサーを構成する梁の上面だけにピエゾ抵抗が形成された構造となっているため、３方向（たとえばＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の関係にある３方向）の加速度を検出するためには、錘を十字型の両持ち梁で支持し、各ピエゾ抵抗にかかる歪みの＋−によるモードでＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３方向の加速度を分類して検出する以外に方法はなかった。
【００１１】
また、錘を４つの梁で拘束した十字型の両持ち梁であるため、片持ち梁や固定端の少ない梁に比べると加速度による梁の変形量も少ないため、感度が悪く、センサー面積も大きく小型化が難しいという課題を有していた。
【００１２】
さらに、上記では図示していないが１軸方向の加速度センサーとなる片持ち梁構造のもの（特許文献１）においても、梁上面にしかピエゾ抵抗が形成されておらず、２軸方向（Ｘ軸、Ｙ軸の２方向）の加速度を検出することはできなかった。
【００１３】
これに対して、このような片持ち梁構造のものおいて、梁の側面にもピエゾ抵抗を形成すれば、上面および側面に形成したピエゾ抵抗によりそれぞれのピエゾ抵抗が圧縮や引張りの応力を受けることによって、それぞれの方向の加速度、すなわち２方向の加速度を検出することが可能になるとも考えられる。
【００１４】
しかし、このように梁の側面が上面に対して垂直に形成されていると、ピエゾ抵抗を形成する際、イオンビームが側面と平行に照射されるので梁の側面にイオンドープすることができず、そのような側面にピエゾ抵抗を形成することはできなかった。また、そのような側面に対して有機溶剤中にボロンなどを分散させた液体を塗布する方法によっても、重力によりボロンを分散した液体が流れ落ちるため、ボロンをドープさせることができずそこにピエゾ抵抗を形成させることはできなかった。
【００１５】
【特許文献１】
特開平１−３１５１７３号公報
【００１６】
【特許文献２】
特開平１０−３３５６７４号公報
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述のような現状に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、加速度等の物理量の変化を２以上の方向で検出することが可能な物理量センサーを提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の物理量センサーは、半導体基板により構成される梁部とその梁部により揺動自在に支持される錘部とを有し、該梁部に形成されたピエゾ抵抗によって該梁部の歪みを検出する構造の物理量センサーにおいて、該梁部は、少なくともその一部が上底、下底および１以上の斜辺からなる台形断面形状を有し、該上底側の表面および該斜辺を構成する斜面にピエゾ抵抗を各１以上形成したことを特徴としている。
【００１９】
このような構造の物理量センサーに加速度等の物理量が印加されると、錘部が揺動して梁部がたわみ、該梁部には該物理量に応じた応力による歪みが生じる。そして、この歪みに応じてピエゾ抵抗の抵抗値が変化するので、このピエゾ抵抗を外部のブリッジ回路等に接続しておけばその回路の平衡がくずれ、該回路からは前記印加された物理量に応じた電圧出力が得られることとなる。このため、結局のところ、このピエゾ抵抗によって該梁部の歪みが検出され、これにより物理量が検出されることになる。
【００２０】
そして、本発明の物理量センサーにおいては、少なくともその一部が上底、下底および１以上の斜辺からなる台形断面形状となっている梁部を有することから、ピエゾ抵抗をその上底側の表面および斜辺を構成する斜面に各１以上形成することが可能となり、これにより加速度等の物理量を簡単に２方向（たとえばＸ軸方向とＹ軸方向の関係にある２方向）で検出することができるものとしている。また、該ピエゾ抵抗が、垂直面ではなく斜面に形成される構成であるため、イオンビーム法によっても、また不純物を含んだ液体の塗布法によっても該ピエゾ抵抗自体を容易に形成することができる。なお、該梁部は、このように少なくともその一部が上底、下底および１以上の斜辺からなる台形断面形状を有するものであるが、その全断面がこのような台形断面形状となっていても良い。
【００２１】
また、上記梁部は、ひとつの半導体基板の同一平面内で方向を異にするようにして２つ形成することができ、この２つの梁部により１つの錘部を揺動自在に支持し、一方の梁部の上底側の表面および斜辺を構成する斜面にピエゾ抵抗を各１以上形成するとともに、他方の梁部には斜辺を構成する斜面にのみ１以上のピエゾ抵抗を形成したものとすることができる。このようにピエゾ抵抗が、２つの梁部に合計３以上形成されるため、加速度等の物理量を３方向（たとえばＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向の関係にある３方向）で検出することができる。
【００２２】
さらに、上記梁部は、同一平面内で２方向を有するように屈曲して形成されており、その一の方向を有する部分において上底側の表面および斜辺を構成する斜面にピエゾ抵抗を各１以上形成するとともに、他の方向を有する部分においては斜辺を構成する斜面にのみ１以上のピエゾ抵抗を形成したものとすることができる。このようにピエゾ抵抗が、２方向を有する梁部に合計３以上形成されるため、加速度等の物理量を上記同様３方向で検出することができる。
【００２３】
このような本発明の物理量センサーは、半導体基板としてシリコン基板を使用し、梁部の形状の少なくとも一部を台形断面形状となるように成形するステップと、不純物をドープすることによりピエゾ抵抗を形成するステップとを含む製造方法によって製造することができる。
【００２４】
また、上記の製造方法は、上記不純物をドープすることによりピエゾ抵抗を形成するステップにおいて、梁部の上底側の表面および斜面にレジストでマスクを形成し、イオン注入装置により不純物をドープするものとすることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づき説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２６】
＜実施の形態１＞
図１は、本発明に係る物理量センサーの概略図であって、（ａ）は紙面に対して垂直方向から見た概略図であり、（ｂ）は紙面に対して水平方向から見た概略図であり、（ｃ）は（ａ）中のＡ−Ａ線の断面構造の概略図である。
【００２７】
該物理量センサー１００は、半導体基板１０１により構成される梁部１０２を有する。ここで、半導体基板１０１としては、シリコン基板を用いることが好ましいが、これのみに限られるものではない。該半導体基板１０１は、四角形枠状の形状を呈しているとともに、該梁部１０２は該半導体基板１０１の四角形枠状の内側の１方向（便宜上Ｙ軸方向という）に張り出た片持ち梁形状となっている。そして、該梁部１０２の先端に、該梁部１０２より面積の広い（幅の広い）錘部１０３が揺動自在に支持されている。
【００２８】
この錘部１０３の裏面には、たとえば陽極接合などによってシリコン、ガラスなどの錘１０４が取り付けられており、加速度等の物理量が印加された時、該梁部１０２が変形しやすい構造となっている。ただし、該梁部１０２が、それ自体変形しやすい場合には特にこの錘１０４を取り付けなくても良い。
【００２９】
そして該梁部１０２は、Ａ−Ａ線の断面形状によって示されるようにその断面が台形断面形状となっていることが好ましい。この台形断面形状は、上底、下底および１以上の斜辺からなるものであり、具体的には斜辺を構成する斜面１０５、同斜面１０６および上底側の表面１０７を含んだものとなる（図１（ａ）には下底側の表面は図示されていない）。このような台形断面形状を有する梁部１０２は、たとえば後述のようにして成形することができる。
【００３０】
そして、上記の斜面（たとえば斜面１０６）および上底側の表面１０７の一部には、それぞれ１以上のピエゾ抵抗１０８および１０９が形成されている。このようなピエゾ抵抗１０８および１０９は、半導体基板としてシリコン基板を使用する場合、不純物をドープすることにより形成することができる。この場合、該梁部１０２の上底側の表面１０７および斜面１０６にレジストでマスクを形成し、イオン注入装置により不純物をドープすることによって形成することが好ましい。また、該不純物としては、半導体基板がシリコン基板である場合、たとえばボロンやリン等を挙げることができるがこれらのみに限られるものではない。本発明においては、このようにピエゾ抵抗が特に台形断面形状の斜面に形成されるため、ピエゾ抵抗自体を非常に容易に形成することができる。
【００３１】
このような構造の物理量センサーにおいて、任意の方向（たとえば、便宜上上記のＹ軸方向に対するＸ軸方向）の加速度等の物理量が印加された場合、該梁部１０２は錘部１０３の慣性によってＸ軸方向とは逆の方向、すなわちＸ軸のマイナス方向に曲げ力が作用し変形する。すなわち、該梁部１０２の斜面１０６は、この曲げによって引張力が発生し変形することにより歪みが生じる。
【００３２】
したがって、該斜面１０６に形成されたピエゾ抵抗１０９は、この引張力によって変形した歪みにより抵抗変化を生ずることとなる。このため、電源を有する抵抗値計測回路（図示せず）に該ピエゾ抵抗１０９を電気的に接続することにより、上記引張力による単位時間当たりの抵抗変化量を測定すると、ピエゾ抵抗によって該梁部の歪みが検出され、もってＸ軸方向の上記物理量を電気的に検出することが可能となる。
【００３３】
すなわち、この抵抗値計測回路は該ピエゾ抵抗１０９とブリッジ回路を形成するように構成することができる。上記のように加速度等の物理量に応じた応力による歪みが生じた時、この歪みに応じて該ピエゾ抵抗の抵抗値が変化する。これにより、該ピエゾ抵抗を接続したブリッジ回路の平衡がくずれ、ブリッジ回路からはその物理量に応じた電圧出力が得られる。したがって、上記物理量が電気的に検出可能となる。
【００３４】
一方、紙面に垂直な方向（便宜上Ｚ軸方向という）において上向きに加速度等の物理量の印加を受けた時、該梁部１０２は錘部１０３の慣性によってＺ軸方向とは逆の方向、すなわちＺ軸のマイナス方向に曲げ力が作用し変形する。すなわち、該梁部１０２の上底側の表面１０７は、この曲げによって引張力が発生し変形することにより歪みが生じる。
【００３５】
したがって、該表面１０７に形成されたピエゾ抵抗１０８は、この引張力によって変形した歪みにより抵抗変化を生ずることとなるため、上記と同様このピエゾ抵抗１０８を抵抗値計測回路（図示せず）に電気的に接続し、単位時間当たりの抵抗変化量を計測すればＺ軸方向の上記物理量を電気的に検出することが可能となる。
【００３６】
すなわち、この抵抗値計測回路は、上記のＸ軸方向の物理量の検出と同様にして、Ｚ軸方向の物理量を検出できるように該ピエゾ抵抗１０８によりブリッジ回路を形成するように構成することができ、該ブリッジ回路からはその物理量に応じた電圧出力が得られることになる。
【００３７】
なお、Ｘ軸、Ｚ軸方向ともに逆方向の物理量の印加を受ければ、上記で説明した各梁部は逆方向の曲げ力を受け圧縮力を受けることとなるが、この場合は、引張力とは逆の抵抗変化を受けることとなり同様に各方向の物理量を検出することができる。
【００３８】
このように、梁部を台形断面形状を有する構造としその梁部の斜面および上底側の表面にピエゾ抵抗を有する構造とすることで、片持ち梁構造で２方向の加速度等の物理量を検出することが可能となり、感度がよく、小型の物理量センサーを構成することができる。
【００３９】
なお、上記では物理量の例示として加速度を挙げているが、本発明が対象とする物理量は加速度のみに限られるものではなく、たとえば振動、傾斜、変位等が含まれる。
【００４０】
＜実施の形態２＞
図２は、上記とは異なる構造の本発明に係る物理量センサーの概略図であって、（ａ）は紙面に対して垂直方向から見た概略図であり、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ線の断面構造の概略図であり、（ｃ）は（ａ）中のＢ−Ｂ線の断面構造の概略図である。
【００４１】
該物理量センサー２００は、前記同様の半導体基板２０１により構成される２つの梁部２０２と２１１を有し、この２つの梁部２０２と２１１は、このようにひとつの半導体基板２０１の同一平面内で方向を異にするようにして形成されている。また、この２つの梁部２０２と２１１により１つの錘部２０３を揺動自在に支持している。
【００４２】
すなわち、該半導体基板２０１は四角形枠状の形状を呈しているとともに、該梁部２０２は該半導体基板２０１の四角形枠状の１方向（便宜上Ｙ軸方向という）に張り出た形状となっており、また該梁部２１１は該半導体基板２０１の四角形枠状の別の１方向（便宜上Ｘ軸方向という）に張り出た形状となっている。このような２つの梁部２０２と２１１の方向は、互いの方向が１８０°以外の角度をなすように設定されていることが好ましく、さらに好ましくは互いの方向が９０°の角度をなすように設定されていることが好適である。このような梁部２０２と２１１は、後述のようにして成形することができる。
【００４３】
上記錘部２０３は梁部２０２および梁部２１１よりも面積が広く（幅が広く）なっており、その裏面には陽極接合などによってシリコンやガラスなどの錘２０４が取り付けられていることにより、加速度等の物理量が印加された時、梁部２０２および２１１が変形しやすい構造となっている。ただし、該梁部２０２および２１１が、それ自体変形しやすい場合には特にこの錘２０４を取り付けなくても良い。
【００４４】
そして該梁部２０２および２１１は、Ａ−Ａ線およびＢ−Ｂ線の断面形状によって示されるようにその断面がそれぞれ台形断面形状となっていることが好ましい。この台形断面形状は、それぞれ上底、下底および１以上の斜辺からなるものであり、具体的には斜辺を構成する斜面２０５、同斜面２０６、上底側の表面２０７および同表面２１２等を含んだものとなる。
【００４５】
そして上記２つの梁部２０２と２１１は、どちらか一方の梁部（たとえば２１１）の上底側の表面（たとえば２０７）および斜辺を構成する斜面（たとえば２０５）にピエゾ抵抗２０８、２０９を各１以上形成するとともに、他方の梁部（たとえば２０２）には斜辺を構成する斜面（たとえば２０６）にのみ１以上のピエゾ抵抗２１０を形成したものとすることができる。このようなピエゾ抵抗は、たとえば上記と同様にして形成することができる。なお、上記一方の梁部の表面（たとえば２１２）にはピエゾ抵抗が形成されていないが、これはここにピエゾ抵抗を形成しても結局上記２０７に形成したピエゾ抵抗と同一の方向の物理量を検出することとなるからである。
【００４６】
このような構造の物理量センサーにおいて、任意の方向（たとえば上記Ｙ軸方向）の加速度等の物理量が印加された場合、該梁部２１１は錘部２０３の慣性によってＹ軸方向とは逆の方向、すなわちＹ軸のマイナス方向に曲げ力が作用し変形する。すなわち、該梁部２１１の斜面２０５は、この曲げによって圧縮力が発生し変形することにより歪みが生じる。
【００４７】
したがって、該斜面２０５に形成されたピエゾ抵抗２０８は、この圧縮力によって変形した歪みにより抵抗変化を生ずることとなる。このため、電源を有する抵抗値計測回路（図示せず）に該ピエゾ抵抗２０８を電気的に接続することにより、上記圧縮力による単位時間当たりの抵抗変化量を測定すると、ピエゾ抵抗によって該梁部の歪みが検出され、もってＹ軸方向の上記物理量を電気的に検出することが可能となる。
【００４８】
すなわち、この抵抗値計測回路は該ピエゾ抵抗２０８とブリッジ回路を形成するように構成することができる。上記のように加速度等の物理量に応じた応力による歪みが生じた時、この歪みに応じて該ピエゾ抵抗の抵抗値が変化する。これにより、該ピエゾ抵抗を接続したブリッジ回路の平衡がくずれ、ブリッジ回路からはその物理量に応じた電圧出力が得られる。したがって、上記物理量が電気的に検出可能となる。
【００４９】
また、上記と同様にしてＸ軸方向の加速度等の物理量が印加された場合、該梁部２０２は錘部２０３の慣性によってＸ軸方向とは逆の方向、すなわちＸ軸のマイナス方向に曲げ力が作用し変形する。すなわち、該梁部２０２の斜面２０６は、この曲げによって引張力が発生し変形することにより歪みが生じる。
【００５０】
したがって、該斜面２０６に形成されたピエゾ抵抗２１０は、この引張力によって変形した歪みにより抵抗変化を生ずることとなるため、上記と同様このピエゾ抵抗２１０を抵抗値計測回路（図示せず）に電気的に接続し、単位時間当たりの抵抗変化量を計測すればＸ軸方向の上記物理量を電気的に検出することが可能となる。
【００５１】
すなわち、この抵抗値計測回路は、上記のＹ軸方向の物理量の検出と同様にして、Ｘ軸方向の物理量を検出できるように該ピエゾ抵抗２１０によりブリッジ回路を形成するように構成することができ、該ブリッジ回路からはその物理量に応じた電圧出力が得られることになる。
【００５２】
一方、上記と同様にして紙面に垂直な方向（便宜上Ｚ軸方向という）において上向きに加速度等の物理量の印加を受けた時、該梁部２１１は錘部２０３の慣性によってＺ軸方向とは逆の方向、すなわちＺ軸のマイナス方向に曲げ力が作用し変形する。すなわち、該梁部２１１の上底側の表面２０７は、この曲げによって引張力が発生し変形することにより歪みが生じる。
【００５３】
したがって、該表面２０７に形成されたピエゾ抵抗２０９は、この引張力によって変形した歪みにより抵抗変化を生ずることとなるため、該ピエゾ抵抗２０９を抵抗値計測回路（図示せず）に電気的に接続し、単位時間当たりの抵抗変化量を計測すればＺ軸方向の上記物理量を電気的に検出することが可能となる。
【００５４】
すなわち、この抵抗値計測回路は、上記のＹ軸方向およびＸ軸方向の物理量の検出と同様にして、Ｚ軸方向の物理量を検出できるように該ピエゾ抵抗２０９によりブリッジ回路を形成するように構成することができ、該ブリッジ回路からはその物理量に応じた電圧出力が得られることになる。
【００５５】
なお、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向ともに逆方向の加速度等の物理量の印加を受ければ、上記で説明した各梁部は逆方向の曲げ力を受けることとなるが、この場合は、逆の抵抗変化を受けることとなり同様に各方向の物理量を検出することができる。
【００５６】
このように、梁部を台形断面形状を有する構造とし、かつ同一平面内で異なる２方向に形成し、しかもその各斜面および少なくとも一方の梁部の上底側の表面にピエゾ抵抗を有する構造とすることで、３方向の物理量を検出することを可能としている。また、２つの梁部で錘を拘束する構成となっているため、従来技術よりも拘束箇所を減らすことができ、加速度などの物理量によって曲がりやすい構成とすることができるので、感度がよく、小型の物理量センサーを構成することができる。
【００５７】
＜実施の形態３＞
図３は、上記とは異なる構造の本発明に係る物理量センサーの概略図であって、（ａ）は紙面に対して垂直方向から見た概略図であり、（ｂ）は紙面に対して水平方向から見た概略図であり、（ｃ）は（ａ）中のＡ−Ａ線の断面構造の概略図であり、（ｄ）は（ａ）中のＢ−Ｂ線の断面構造の概略図である。
【００５８】
該物理量センサー３００は、シリコン基板等の半導体基板３０１により構成され、同一平面内で２方向を有するように屈曲して形成されている梁部３０２を有する。同一平面内で２方向を有するように屈曲して形成するとは、たとえば図３に示したＬ字型等の形状に形成されていることをいうものとする。なお、該２方向がなす角度は、このようにＬ字型となっている場合には９０°となるが、これに限定されるものではない。
【００５９】
すなわち該梁部３０２は、四角形枠状の形状を呈する該半導体基板３０１の内側にＬ字型に張り出た形状となっており、同一平面内で２方向を有するように屈曲して形成されている。そして、該梁部３０２の先端に、該梁部３０２より面積の広い（幅の広い）錘部３０３が揺動自在に支持されている。
【００６０】
この錘部３０３の裏面には、たとえば陽極接合などによってシリコン、ガラスなどの錘３０４が取り付けられており、加速度等の物理量が印加された時、Ｌ字型の梁部３０２が変形しやすい構成となっている。ただし、該梁部３０２が、それ自体変形しやすい場合には特にこの錘３０４を取り付けなくても良い。
【００６１】
そして該梁部３０２は、Ａ−Ａ線およびＢ−Ｂ線の断面形状によって示されるようにその断面がそれぞれ台形断面形状となっていることが好ましい。この台形断面形状は、上底、下底および１以上の斜辺からなるものであり、具体的には斜辺を構成する斜面３０５、同斜面３０６、上底側の表面３０７および同表面３１１等を含んだものとなる（図３（ａ）には下底側の表面は図示されていない）。
【００６２】
ここで、上記Ｌ字型の梁部３０２において、便宜上該斜面３０５および該表面３１１を含む部分（錘部３０３に隣接する部分）を縦長部と呼び、該斜面３０６および該表面３０７を含む部分（四角形枠に隣接する部分）を横長部と呼ぶ。このような梁部３０２は、たとえば後述のようにして成形することができる。
【００６３】
そして該梁部３０２は、Ｌ字型をなす２つの表面３０７および３１１のいずれか一方の表面（たとえば３０７）にピエゾ抵抗３０９を１以上形成するとともに、前記Ｌ字型の斜辺を構成する２つの斜面３０５および３０６にそれぞれ１以上のピエゾ抵抗３０８、３１０を形成することができる。このようにして、同一平面内で２方向を有するように屈曲して形成された梁部３０２において、その一の方向を有する部分において上底側の表面および斜辺を構成する斜面にピエゾ抵抗を各１以上形成するとともに、他の方向を有する部分においては斜辺を構成する斜面にのみ１以上のピエゾ抵抗を形成したことになる。なお、このようなピエゾ抵抗は、たとえば上記と同様にして形成することができる。
【００６４】
このような構造の物理量センサーにおいて、たとえば図３における紙面に平行な任意の方向（便宜上Ｙ軸方向と記す）の加速度等の物理量が印加された場合、該Ｌ字型の梁部３０２の横長部は錘部３０３の慣性によってＹ軸方向とは逆の方向、すなわちＹ軸のマイナス方向に曲げ力が作用し変形する。すなわち、該梁部３０２の横長部の斜面３０６は、この曲げによって圧縮力が発生し変形することにより歪みが生じる。
【００６５】
したがって、該斜面３０６に形成されたピエゾ抵抗３０８は、この圧縮力によって変形した歪みにより抵抗変化を生ずることとなる。このため、電源を有する抵抗値計測回路（図示せず）に該ピエゾ抵抗３０８を電気的に接続することにより、上記圧縮力による単位時間当たりの抵抗変化量を測定すると、ピエゾ抵抗によって該梁部の歪みが検出され、もってＹ軸方向の上記物理量を電気的に検出することが可能となる。
【００６６】
すなわち、この抵抗値計測回路は該ピエゾ抵抗３０８とブリッジ回路を形成するように構成することができる。上記のように加速度等の物理量に応じた応力による歪みが生じた時、この歪みに応じて該ピエゾ抵抗の抵抗値が変化する。これにより、該ピエゾ抵抗を接続したブリッジ回路の平衡がくずれ、ブリッジ回路からはその物理量に応じた電圧出力が得られる。したがって、上記物理量が電気的に検出可能となる。
【００６７】
また、上記と同様にしてＸ軸方向（上記のＹ軸方向と直角をなす方向）の加速度等の物理量が印加された場合、該梁部３０２の縦長部は錘部３０３の慣性によってＸ軸方向とは逆の方向、すなわちＸ軸のマイナス方向に曲げ力が作用し変形する。すなわち、該梁部３０２の縦長部の斜面３０５は、この曲げによって引張力が発生し変形することにより歪みが生じる。
【００６８】
したがって、該斜面３０５に形成されたピエゾ抵抗３１０は、この引張力によって変形した歪みにより抵抗変化を生ずることとなるため、上記と同様このピエゾ抵抗３１０を抵抗値計測回路（図示せず）に電気的に接続し、単位時間当たりの抵抗変化量を計測すれば、Ｘ軸方向の上記物理量を電気的に検出することが可能となる。
【００６９】
すなわち、この抵抗値計測回路は、上記のＹ軸方向の物理量の検出と同様にして、Ｘ軸方向の物理量を検出できるように該ピエゾ抵抗３１０によりブリッジ回路を形成するように構成することができ、該ブリッジ回路からはその物理量に応じた電圧出力が得られることになる。
【００７０】
一方、上記と同様にして紙面と垂直な方向（便宜上Ｚ軸方向という）において上向きに加速度等の物理量の印加を受けた場合、該梁部３０２の横長部は錘部３０３の慣性によってＺ軸方向とは逆の方向、すなわちＺ軸のマイナス方向に曲げ力が作用し変形する。すなわち、該梁部３０２の横長部の表面３０７は、この曲げによって引張力が発生し変形することにより歪みが生じる。
【００７１】
したがって、該表面３０７に形成されたピエゾ抵抗３０９は、この引張力によって変形した歪みにより抵抗変化を生ずることとななるため、該ピエゾ抵抗３０９を抵抗値計測回路（図示せず）に電気的に接続し、単位時間当たりの抵抗変化量を計測すればＺ軸方向の上記物理量を電気的に検出することが可能となる。
【００７２】
すなわち、この抵抗値計測回路は、上記のＹ軸方向およびＸ軸方向の物理量の検出と同様にして、Ｚ軸方向の物理量を検出できるように該ピエゾ抵抗３０９によりブリッジ回路を形成するように構成することができ、該ブリッジ回路からはその物理量に応じた電圧出力が得られることになる。
【００７３】
本実施の形態の物理量センサーにおいては、前記Ｘ軸方向に物理量の印加を受けた場合、梁部３０２の横長部にもモーメントが働くことにより変形することが懸念される。しかし、基本的には梁部３０２の縦長部の変形による歪量は、同横長部の変形には関係しないため、上記縦長部の変形による歪でＸ軸方向の加速度を検出することができる。
【００７４】
また、錘部３０３の中心からピエゾ抵抗３０８までの距離は一定であるため、Ｘ軸方向の物理量および錘の重量が既知であれば梁部３０２の横長部に働くモーメントは演算可能となる。したがって、あらかじめＸ軸方向のみに物理量を印加し、そのモーメントによるピエゾ抵抗３０８の出力を求めておけば、Ｘ軸方向の物理量によって発生する梁部３０２の横長部に働くモーメントによるピエゾ抵抗の変化量を知り得るので、この値をピエゾ抵抗３０８の出力から差し引いて補正することによつて正確なＹ軸方向の物理量を検出することができる。
【００７５】
このような構造の物理量センサーを用いれば、コンパクトな片持ち梁を用いて３方向（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向）の物理量の検出をすることが可能となる。
【００７６】
＜実施の形態４＞
本発明に係る物理量センサーの製造方法について図４を用いて説明する。
【００７７】
図４は、図２（ａ）または図３（ａ）のＡ−Ａ線またはＢ−Ｂ線における断面に相当する部分の構造を中心に、製造工程（ａ）〜（ｌ）の順に従って示したものである。なお、該製造工程は、ボロンドープの工程を除きすべて半導体基板全面を対象とした工程である。
【００７８】
まず、図４の（ａ）は、半導体基板４００の上に、Ｓｉ０２等の絶縁膜４０１を形成したものを示している。このように、まず半導体基板４００の上に絶縁膜４０１を形成する。該半導体基板４００としては、シリコン基板を使用することが好ましい。
【００７９】
次に（ｂ）に示すように、絶縁膜４０１の上面にレジスト４０２をスピンナーなどによって塗布コーティングする。
【００８０】
続いて（ｃ）に示すように、所望のパターンを描いたマスク４０３を、レジスト４０２上にセットし、上部より光をあてパターンに合わせて感光させる（なお、図中の矢印は光の向きを示している）。（ｃ）においては、白抜きの部分が光の通過する部分である。
【００８１】
次いで（ｄ）に示すように、現像処理を施し上記のマスクに対応したレジストパターン４０４を形成する。
【００８２】
次に、このように半導体基板４００の上に絶縁膜４０１を有し、その上に上記（ｄ）で形成したレジストパターン４０４を有する基板を、フッ酸等のエッチング液に入れると、レジストパターン４０４を有さない部分がエッチングされる。すなわち、（ｅ）に示すようにレジストパターン４０４の形成されていない部分の絶縁膜４０１が半導体基板４００が現れるまでエッチングされるとともに、レジストパターン４０４のある部分の絶縁膜４０１はエッチングされずに残る。このようにして、所望のパターンに応じた、絶縁膜４０１により構成されるエッチングマスク４０５を形成する。
【００８３】
次に、上記（ｅ）で形成されたエッチングマスク４０５を有する半導体基板４００を、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）やＫＯＨ（水酸化カリウム）等のアルカリエッチング溶液に浸すことによって異方性エッチングを行ない、（ｆ）に示すような台形断面形状の梁部４０６を有する半導体基板を形成する。
【００８４】
続いて、半導体基板４００上に存在する、絶縁膜４０１により構成されるエッチングマスク４０５をフッ酸等のエッチング液で除去することにより、（ｇ）に示すような台形断面形状を有する梁部４０６を成形する。すなわち、上述の（ａ）〜（ｇ）が、本発明の物理量センサーの製造方法における、梁部の形状の少なくとも一部を台形断面形状となるように成形するステップとなる。
【００８５】
次に、（ｈ）で示すように、台形断面形状を有する梁部４０６の上面部（上底側の表面）および斜面部（台形断面形状の斜辺を構成するもの）に、スピンナーあるいはロールコータでレジスト４０７を塗布し硬化する。
【００８６】
次いで、（ｉ）に示すようにレジスト４０７上面にマスク４０８を設置し、（ｃ）の工程と同様に感光処理を施す。マスク４０８は、梁部４０６の上面部と斜面部に相対する任意の位置の光が通過するように形成されている。
【００８７】
次に、（ｊ）に示すように現像処理を施し光の通過したレジスト部分を除去し、レジスト４０７に穴４０９、４１０を形成する。
【００８８】
続いて、このように形成したレジストパターンを有する半導体基板に対して、（ｋ）に示すようにイオン注入装置を用いて上面より一度にボロンなどの不純物イオンをドープすることにより、ピエゾ抵抗４１１および４１２を形成する。この場合、レジストを有する部分ではボロンなどの不純物はドープされないが、レジストのない部分、すなわち上記の穴部分ではボロンなどがドープされることとなる。これにより、半導体基板上の上面、すなわち台形断面形状を有する梁部の上底側の表面にボロンがドープされたピエゾ抵抗４１１が形成されるとともに、該台形断面形状の斜辺を構成する斜面にもボロンがドープされ、ピエゾ抵抗４１２が形成される。なお、上記においては不純物としてボロンを例に示したが、本発明における不純物としてはこのようなボロンのみに限られるものではなく、リンなどの従来公知の不純物をいずれも用いることができる。
【００８９】
そして、レジスト４０７を除去すると、（ｌ）に示すように台形断面形状の梁部の上底側の表面と斜面にピエゾ抵抗４１１と４１２が形成される。すなわち、上述の（ｈ）〜（ｌ）が、本発明の物理量センサーの製造方法における、不純物をドープすることによりピエゾ抵抗を形成するステップとなる。このように、本発明の物理量センサーの製造方法は、半導体基板としてシリコン基板を使用し、梁部の形状の少なくとも一部を台形断面形状となるように成形するステップと、不純物をドープすることによりピエゾ抵抗を形成するステップとを含むものとすることが好ましい。
【００９０】
そして最後に、図示しないが上記工程で形成された梁部と同様にして形成された錘部において、ガラスなどで形成された錘を陽極接合等によって接合することにより本発明に係る物理量センサーが得られる。
【００９１】
なお、本発明の物理量センサーの製造方法における、不純物をドープすることによりピエゾ抵抗を形成するステップでは、上記のように梁部の上底側の表面および斜面にレジストでマスクを形成し、イオン注入装置により不純物をドープすることが好ましい。しかし、有機溶剤内にボロン等の不純物を含んだ液体を所望の箇所に塗布、硬化させ、熱拡散によってドープすることによりピエゾ抵抗を形成してもよい。この場合、該梁部の斜面にも液体を塗布することになるが、レジストにより形成した穴４１０が、数〜数百μｍオーダーと十分狭く、また傾斜しているため重力によって液体は流れ出ず、表面張力によって液体は穴４１０に保持され、もって該梁部の斜面上に不純物をドープすることによりピエゾ抵抗を形成することが可能となる。
【００９２】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００９３】
【発明の効果】
本発明の物理量センサーは、梁部の少なくとも一部が台形断面形状となっており、その台形の斜辺を構成する斜面と上底側の表面とにそれぞれピエゾ抵抗を形成することができる。このため、錘部を従来技術のように拘束箇所が多くなる十字型の両持ち梁で支持しなくても、拘束箇所の少ない片持ち梁、あるいは２箇所の梁で支持することにより、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の２方向、あるいはさらにＺ軸方向を加えた３方向の物理量を検出することが可能である。
【００９４】
また本発明の物理量センサーの梁部は、上記のように錘部の拘束箇所を少なくしているため、それ自体が変形しやすく、もって小型で感度の良い物理量センサーを提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る物理量センサーの概略図であって、（ａ）は紙面に対して垂直方向から見た概略図であり、（ｂ）は紙面に対して水平方向から見た概略図であり、（ｃ）は（ａ）中のＡ−Ａ線の断面構造の概略図である。
【図２】本発明に係る上記とは異なる構造の物理量センサーの概略図であって、（ａ）は紙面に対して垂直方向から見た概略図であり、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ線の断面構造の概略図であり、（ｃ）は（ａ）中のＢ−Ｂ線の断面構造の概略図である。
【図３】本発明に係る上記とは異なる構造の物理量センサーの概略図であって、（ａ）は紙面に対して垂直方向から見た概略図であり、（ｂ）は紙面に対して水平方向から見た概略図であり、（ｃ）は（ａ）中のＡ−Ａ線の断面構造の概略図であり、（ｄ）は（ａ）中のＢ−Ｂ線の断面構造の概略図である。
【図４】本発明に係る物理量センサーの製造工程を示す図である。
【図５】従来の物理量センサーの概略図である。
【図６】従来の物理量センサーの製造工程を示す図である。
【符号の説明】
１００，２００，３００  物理量センサー、１０１，２０１，３０１，４００半導体基板、１０２，２０２，２１１，３０２，４０６  梁部、１０３，２０３，３０３  錘部、１０４，２０４，３０４  錘、１０５，１０６，２０５，２０６，３０５，３０６  斜面、１０７，２０７，２１２，３０７，３１１  表面、１０８，１０９，２０８，２０９，２１０，３０８，３０９，３１０，４１１，４１２  ピエゾ抵抗、４０１  絶縁膜、４０２，４０７  レジスト、４０３，４０８  マスク、４０４  レジストパターン、４０５  エッチングマスク、４０９，４１０  穴。
【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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