(57)【要約】  【課題】  高い精度を維持することが可能な小型のセンサを提供する。  【解決手段】  センサ１００は、重錘体２０と、上面視して重錘体２０を囲むように位置する枠体１０と、重錘体２０と枠体１０との上面側をそれぞれ接続する可撓性を有する接続体３０と、接続体３０に配置された検出部Ｒａと、を有しており、重錘体２０の枠体１０に対向する第１側面および枠体１０の重錘体２０に対向する第２側面の少なくとも一方に突起部２１を具備している。【選択図】  図６
2016090260.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重錘体と、上面視して前記重錘体を囲むように位置する枠体と、前記重錘体と前記枠体との上面側をそれぞれ接続する可撓性を有する接続体と、該接続体に配置された検出部と、を有するセンサであって、
前記重錘体の前記枠体に対向する第１側面および前記枠体の前記重錘体に対向する第２側面の少なくとも一方に突起部を具備しているセンサ。
【請求項２】
前記重錘体は上面視形状が矩形状であり、前記突起部は前記第１側面または前記第２側面における前記矩形状の角部の近傍に位置している、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記突起部は平板状である、請求項１または２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記突起部は前記第１側面または前記第２側面に対して垂直である、請求項３に記載のセンサ。
【請求項５】
前記突起部の主面は先端に角部を有している、請求項３または４に記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度、角速度等の応力を検出するセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、加速度や角速度等の応力を検出するセンサが知られている。特許文献１には、半導体基板にピエゾ抵抗素子を形成してなる加速度センサが記載されている。
【０００３】
このようなセンサは、重錘体と、その周囲を取り囲むフレーム部（枠体）との間を、可撓性をもった可撓部（接続体）で繋いだ構造をもつ。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実用新案登録第３１６９５０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、電子機器の小型化の要求されており、電子機器に搭載される上記センサもさらなる小型化が要求されている。しかしながら、センサの小型化が進むと、重錘体と枠体との隙間における空気抵抗が無視できなくなり、重錘体の動きが空気抵抗によって妨げられやすくなる。その結果、センサの精度が低下しやすくなる。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高い精度を維持することが可能な小型のセンサ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】
本発明の一態様に係るセンサは、重錘体と、上面視して前記重錘体を囲むように位置する枠体と、前記重錘体と前記枠体との上面側をそれぞれ接続する可撓性を有する接続体と、該接続体に配置された検出部と、を有するセンサであって、前記重錘体の前記枠体に対向する第１側面および前記枠体の前記重錘体に対向する第２側面の少なくとも一方に突起部を具備している。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、高い精度を維持することが可能な小型のセンサとなる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の１つの実施形態に係るセンサの概略構成を示す上面図である。
【図２】図１のセンサの下面図である。
【図３】図１のセンサのＩ−Ｉ線での断面図である。
【図４】本発明の１つの実施形態に係るセンサの製造方法の工程を示す断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｂ）はそれぞれ、本発明の１つの実施形態に係るセンサの製造方法の工程を示す下面図および断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｂ）はそれぞれ、本発明の１つの実施形態に係るセンサの製造方法の工程を示す下面図および断面図である。
【図７】（ａ）〜（ｂ）はそれぞれ、本発明の１つの実施形態に係るセンサの製造方法の工程を示す下面図および断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明のセンサの一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、図１〜図７には、右手系のＸＹＺ座標系が付されており、以下では、便宜上、Ｚ軸方向を上下方向として説明をする。
【００１１】
＜センサの構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係るセンサ１００の上面図であり、図２はセンサ１００の下面図である。また、図３は、図１のＩ−Ｉ線における断面図である。センサ１００は、枠体１０と、枠体１０の内側に位置する重錘体２０と、枠体１０と重錘体２０とを接続する接続体３０と、加速度や角速度等を検出する検出部Ｒａとを有する。以下、各部位について詳述する。
【００１２】
センサ１００に加速度が加わると、加速度に応じた力が重錘体２０に作用し、重錘体２０が動くことで接続体３０が撓むようになっている。そして、接続体３０の撓み量に応じた電気信号を検出部Ｒａにより検出し、不図示の電気配線によりその電気信号を取出し演算することにより加速度を検出することができる。
【００１３】
重錘体２０は、平面形状が略正方形であり、略正方形の一辺の長さが例えば０．４ｍｍ〜０．７ｍｍに設定される。また、重錘体２０の厚みは、例えば０．２ｍｍ〜０．７ｍｍに設定される。なお、図１において、下方に位置する重錘体２０の平面形状を破線で示している。なお、重錘体２０の平面形状は正方形に限られず、円や長方形など任意の形状が可能である。
【００１４】
そして、このような重錘体２０を囲繞するように枠状の枠体１０が設けられている。枠体１０は、平面形状が略正方形をなし、中央部に重錘体２０より若干大きい略正方形の開口部を有している。枠体１０は、その一辺の長さが例えば１．４ｍｍ〜３ｍｍに設定され、枠体１０を構成するアームの幅（アームの長手方向と直交する方向の幅）は例えば０．３ｍｍ〜１．８ｍｍに設定される。また枠体１０の厚みは、例えば０．２ｍｍ〜０．７ｍｍに設定される。
【００１５】
このような枠体１０と重錘体２０との間には図１に示すように接続体３０が設けられている。接続体３０は、一方端が枠体１０の内周における各辺の上面側中央部に連結され、他方端が重錘体２０の上面側中央部に連結されている。本実施形態におけるセンサ１００では、４本の接続体３０が設けられており、４本の接続体３０のうち２本はＸ軸方向に伸びて重錘体２０を間に挟んだ状態で同一直線状に配され、他の２本はＹ軸方向に伸びて重錘体２０を間に挟んだ状態で同一直線状に配されている。
【００１６】
接続体３０は可撓性を有し、センサ１００に加速度が加わると重錘体２０が動き、重錘体２０の動きに伴って接続体３０が撓むようになっている。接続体３０は、例えば長手方向の長さが０．３ｍｍ〜０．８ｍｍに設定され、幅（長手方向と直交する方向の長さ）が０．０４ｍｍ〜０．２ｍｍに設定され、厚みが５μｍ〜２０μｍに設定されている。このように接続体３０を細長く且つ薄く形成することによって可撓性が発現される。
【００１７】
接続体３０の上面には図１に示すように抵抗素子である検出部Ｒａｘ１〜Ｒａｘ４，Ｒａｙ１〜Ｒａｙ４，Ｒａｚ１〜Ｒａｚ４が形成されている（以下、これらの抵抗素子をまとめて称するときは適宜、符号Ｒａで表す）。検出部Ｒａｘ１〜Ｒａｘ４，Ｒａｙ１〜Ｒａｙ４，Ｒａｚ１〜Ｒａｚ４は、３軸方向（図１に示した３次元直交座標系におけるＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向）の加速度を検出できるように接続体３０の所定の位置に形成された上、ブリッジ回路を構成するように結線されている。
【００１８】
このような検出部Ｒａｘ１〜Ｒａｘ４，Ｒａｙ１〜Ｒａｙ４，Ｒａｚ１〜Ｒａｚ４は、例えば、ＳＯＩ基板の最上層にボロンを打ち込むことにより抵抗体膜を形成した後、抵抗体膜をエッチングなどにより所定の形状にパターニングすることにより形成することができる。これによりピエゾ抵抗素子からなる検出部Ｒａを形成することができる。
【００１９】
ピエゾ抵抗素子からなる検出部Ｒａを用いた場合には、接続体３０の撓みに起因する変形に応じて抵抗値が変化し、この抵抗値の変化に基づく出力電圧の変化を電気信号として取り出し、これを外部のＩＣで演算処理することによって印加された加速度の方向並びに大きさや圧力の増減および大きさを検知することができる。
【００２０】
なお、検出部Ｒａから電気的に接続された配線および外部のＩＣ等へ取り出すためのパッド電極４０等が、枠体１０や接続体３０の上面に設けられており、これらを介して電気信号の外部への取り出しなどを行っている。
【００２１】
これらの配線は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金などからなり、これらの材料をスパッタリングなどにより成膜した後、所定の形状にパターニングすることにより枠体１０，接続体３０の上面に形成される。
【００２２】
さらに、センサ１００は、図２、図３に示すように、重錘体２０の枠体１０に対向する第１側面および枠体１０の重錘体２０に対向する第２側面の少なくとも一方に突起部２１を具備している。このような突起部２１を有することによって、センサ１００が小型化しても、高い精度を維持することが可能となる。つまり、重錘体２０が動いた際に、突起部２１によって、重錘体２０と枠体１０との隙間における空気に対して上下方向の流れを生じさせて空気を隙間から良好に排出させることができ、重錘体２０の動きが空気抵抗によって妨げられるのを有効に低減できる。その結果、センサの精度を高くすることができる。
【００２３】
突起部２１の大きさは、重錘体２０の突起部２１が形成されている第１側面または第２側面を平面視したときに、長さが０．５〜２０μｍであればよい。また、突起部２１の第１側面または第２側面からの高さは０．１〜２０μｍであればよい。
【００２４】
また、重錘体２０の上面視形状（ＸＹ平面における形状）が矩形状である場合、突起部２１は、重錘体２０の第１側面または枠体１０の第２側面における上記矩形状の角部の近傍に位置していてもよい。このような構成であれば、特に矩形状の角部近傍における空気抵抗が大きくなりやすいため、この角部においてより効率よく空気抵抗を低減することができる。
【００２５】
また、重錘体２０の動きを良好に維持しながら、空気抵抗の低減を良好に行なうという観点からは、突起部２１の形状が平板状であってもよい。つまり、このように平板状であると、重錘体２０の動きを阻害しないように突起部２１を小さな体積としても、空気の流れを有効に制御することができる。
【００２６】
この平板状の突起部２１は、第１側面に対して垂直である場合、より小さな体積であってもより有効に空気の流れを制御することができる。
【００２７】
また、平板状の突起部２１は、その平板状の主面の平面視形状が、先端に角部を有している矩形状であってもよい。これによって、突起部２１の空気の流れをより良好に制御しやすくなる。
【００２８】
以上より、本実施形態のセンサ１００によれば、加速度を検出可能なセンサを１つの構
成体で、大型化することなく実現することができ、かつ、高感度のセンサとすることができる。なお、重錘体２０をＸＹ平面内で回旋運動させることで角速度を検出することも可能となる。重錘体２０を回旋運動させるためには、例えば、互いに向き合う重錘体２０の第１側面と枠体１０の第２側面（内壁）とに電極を設けて静電引力により実現してもよいし、センサ１００の外側に磁力を発生させて実現してもよい。
【００２９】
＜センサの製造方法＞
次に、上述のセンサ１００の製造方法について、図４〜図７を用いて説明する。
なお、図４は図１のＩ−Ｉ線における断面に相当する断面図である。また、図５〜図７における（ａ）は図２のセンサ１００の下面に相当する下面図であり、（ｂ）は図１のＩ−Ｉ線における断面に相当する断面図である。
【００３０】
まず、基板５０を用意する。基板５０は、例えば、ＳＯＩ基板であり、Ｓｉからなる第１層５０ａと、ＳｉＯ２からなる第２層５０ｂと、Ｓｉからなる第３層５０ｃとがこの順に積層された積層構造を有する。各層の厚みは、第１層５０ａが１０μｍ程度、第２層５０ｂが１μｍ程度、第３層５０ｃが５００μｍ程度である。
【００３１】
このようなＳＯＩ基板からなる基板５０の第１層５０ａの上面に検出部Ｒａを形成する。検出部Ｒａの形成は以下のようにして作製できる。まず、基板５０の第１層５０ａの主面にイオン注入法によりボロンやヒ素などの打ち込みを行うことで抵抗体膜を形成する。抵抗体膜は、例えば、第１層５０ａ表面における不純物濃度が、１×１０１８ａｔｍｓ／ｃｍ３、深さが約０．５μｍである。
【００３２】
次に、抵抗体膜の一部を除去し、抵抗体膜を、基板５０の上面の所望の位置に、所望の形状で形成された検出部Ｒａとする。
【００３３】
この工程は、例えば、抵抗体膜上に検出部Ｒａの形状に合わせたレジスト膜を形成した後、ＲＩＥエッチングなどのエッチングによりレジスト膜から露出する抵抗体膜を除去するものである。その後、レジスト膜を除去することで、図４に示すように、基板５０の上面に検出部Ｒａ（図４ではＲａｘ１〜Ｒａｘ４）が形成される。
【００３４】
検出部Ｒａを形成した後、検出部Ｒａに連結する不図示の配線およびパッド電極４０を形成する。配線とパッド電極４０は、例えば、アルミニウムなどの金属材料をスパッタリングにより成膜した後、ドライエッチングなどにより所定の形状にパターニングすることによって形成できる。
【００３５】
次に、基板５０の第１層５０ａ側から、第１層５０ａを所望の形状にパターニングする（第１パターニング工程）。すなわち、第１層５０ａのうち、梁状の接続体３０や枠体１０等となる領域を除く不要な領域を取り除く。
【００３６】
次に、図５に示すように、基板５０の第３層５０ｃ側から、重錘体２０となる領域および枠体１０となる領域を形成する環状の溝５８を形成する。このとき、溝５８の底面において、第３層５０ｃの一部を薄い層（薄層５０ｃ１）として残しておく。
【００３７】
そして、この薄層５０ｃ１に対してレーザ等で加工するによって、突起部２１となる領域以外の領域を取り除いて第２層５０ｂを露出させる。これによって、所望の位置に突起部２１を形成することができるとともに重錘体２０となる領域と枠体１０となる領域とを分離することができる。図６は突起部２１を形成した後の状態を示す図である。
【００３８】
最後に、図７に示すように第２層５０ｂの一部を除去することによって、図１〜図３に
示すセンサ１００を形成することができる。
【００３９】
なお、上記の基板５０の加工は、従来周知の半導体微細加工技術、例えばフォトリソグラフィ法やディープドライエッチングにより実現することができる。
【００４０】
本発明は上述の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において種々の変更、改良などが可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１０：枠体
２０：重錘体
２１：突起部
３０：接続体
１００：センサ
Ｒａ（Ｒａｘ１〜Ｒａｘ４、Ｒａｙ１〜Ｒａｙ４、Ｒａｚ１〜Ｒａｚ４）：検出部
【図１】
2016090260.tif 000003
【図２】
2016090260.tif 000004
【図３】
2016090260.tif 000005
【図４】
2016090260.tif 000006
【図５】
2016090260.tif 000007
【図６】
2016090260.tif 000008
【図７】
2016090260.tif 000009