JP5108617B2 - 加速度センサ - Google Patents
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Description
しかし、加速度センサを搭載する機器が多様になるにしたがって、5000G以上の高い耐衝撃性が加速度センサに要求されているが、このような高い耐衝撃性を具備した加速度センサは未だ得られていない。
本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであり、高い耐衝撃性を具備し、過度な加速度が加わっても破壊を生じることなく安定してセンサ機能を発現する加速度センサを提供することを目的とする。
2<L/I≦2.82 … 式(1)
3.10≦I/W≦3.68 … 式(2)
本発明の他の態様として、前記式(1)の下限値は2.4であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記歪検出部は、ピエゾ抵抗素子であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記ピエゾ抵抗素子は、X軸方向の外力を検出する4個のピエゾ抵抗素子と、Y軸方向の外力を検出する4個のピエゾ抵抗素子と、Z軸方向の外力を検出する4個のピエゾ抵抗素子とからなり、各軸方向の4個のピエゾ抵抗素子はそれぞれブリッジ回路を構成しているような構成とした。
本発明の他の態様として、前記錘部は、基部と、4本の前記梁部と前記枠部で囲まれた4箇所の窓部に前記基部から突出している4個の突出部とを備え、該突出部と前記枠部との間隙が70〜110μmの範囲であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記梁部は、前記枠部との接合部位の幅が梁部の中間部の幅よりも広くなるように設定されているような構成とした。
本発明の他の態様として、前記梁部は、その中間部の幅が前記枠部との接合部位の幅よりも広くなるように設定されているような構成とした。
本発明の他の態様として、前記シリコン層(基板シリコン)側に支持基板を有するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記支持基板は、ガラス、シリコン、SUS板、インバー(Fe−36%Ni合金)、絶縁性樹脂板のいずれかであるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記支持基板は、厚みが50〜1000μmの範囲であるような構成とした。
図1は、本発明の加速度センサの一実施形態を示す平面図であり、図2は図1に示されるセンサのA−A線における断面図であり、図3は図1に示されるセンサのB−B線における断面図である。図1〜図3において、加速度センサ1は、センサ本体2と、このセンサ本体2に接合された支持基板3とを有している。センサ本体2は、酸化シリコン層13をシリコン層12(活性層シリコン)とシリコン層14(基板シリコン)で挟持した3層構造を有するSOI(Silicon On Insulator)基板11からなる。図4は図1に示される加速度センサ1の斜視図、図5は図1に示される加速度センサ1の酸化シリコン層13とシリコン層14(基板シリコン)を離間させ、支持基板3とシリコン層14(基板シリコン)を離間させた状態を示す斜視図である。
また、センサ本体2を構成するシリコン層14(基板シリコン)は、錘部21を構成する錘26と、この錘26の周囲に開口部を介して位置する枠部27とを備えている。錘26は、その厚みが枠部27よりも薄いものであり、基部26Aと、この基部26Aから十字型の梁部22の間(窓部25)方向に突出している4個の突出部26Bからなる。そして、錘26の基部26Aは、酸化シリコン層13を介してシリコン層12(活性層シリコン)の錘接合部24に接合され、錘部21が構成されている。
この加速度センサ1では、4本の梁部22で支持された錘部21に、X軸、Y軸、あるいは、Z軸(図1参照)方向に外力が作用すると、錘部21に変位が生じる。この変位により、梁部22に歪が生じて、錘部21に作用した外力が歪検出部(ピエゾ抵抗素子)29により検出される。
2<L/I≦2.82 … 式(1)
I/W≦3.68 … 式(2)
L/Iが2.82を超える場合、あるいは、I/Wが3.68を超える場合は、10000Gまでの良好な耐衝撃性が得られない。尚、梁部22に支持される錘接合部24が存在するため、L/Iは必然的に2よりも大きい値となり、好ましくはL/Iは2.4以上とすることができる。
また、本発明では、良好な感度、例えば、0.3mV/g/V以上の感度を具備するために、I/Wを3.10以上とすることが好ましい。
上述の加速度センサの実施形態は例示であり、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図7に示すように、各梁部22と枠部23で囲まれた4箇所の窓部25の角部分に、シリコン層12(活性層シリコン)からなるストッパー28を備えたものであってもよい。このストッパー部28は、過度な加速度が錘26に加わったときに、錘26の突出部26Bが当接し、これにより梁部22の過大な変位を防止するものである。
図8において、シリコン層12(活性層シリコン)、酸化シリコン層13、シリコン層14(基板シリコン)の3層構造を有するSOIウェーハ11′に多面付けで加工が行われる。まず、各面付け毎に、梁部22、枠部23、錘接合部24を形成する部位を設定し、梁部22となるシリコン層12(活性層シリコン)の所定箇所に熱拡散法あるいはイオン注入法を用いて歪検出部29を形成する。次に、梁部22、枠部23、錘接合部24を形成するための溝部16をシリコン層12(活性層シリコン)に形成し、また、錘26の厚みを設定するための凹部17をシリコン層14(基板シリコン)に形成する(図8(A))。この溝部16、凹部17の形成は、例えば、マスクパターンを介して、プラズマを利用したドライエッチング法であるDRIE(Deep Reactive Ion Etching)法により行うことができる。また、サンドブラスト法、ウエットエッチング法、フェムト秒レーザ法により溝部16、凹部17を形成することもできる。
その後、センサ本体2に支持基板3を接合することにより加速度センサ1が得られる。センサ本体2と支持基板3との接合は、例えば、陽極接合、直接接合、共晶接合、接着剤を用いた接合等により行うことができる。
シリコン層(活性層シリコン)の厚み5μm、酸化シリコン層の厚み2μm、シリコン層(基板シリコン)の厚み718μmである3層構造を有するSOIウェーハを準備し、多面付けで加工を行った。すなわち、まず、各面付け毎に、DRIE(Deep Reactive Ion Etching)法を用いて、シリコン層(活性層シリコン)に梁部、枠部、錘接合部を形成するための溝部を形成した。尚、梁部の幅W、梁部の長さI、枠部の内枠長L、および、L/IとI/Wの値は、下記の表1に示す値となるように設定した。また、RIE法を用いて、シリコン層(基板シリコン)に深さ5μmの凹部を形成した(図8(A)参照)。
次に、各面付け毎に、SOIウェーハのシリコン層(基板シリコン)側(凹部側)からマスクパターンを介して酸化シリコン層が露出するまでDRIE法によって開口部を穿設して錘(基部と4個の突出部)と枠部を形成した(図8(B)参照)。形成した錘の厚みは713μmであり、錘と梁部との間隔は10μm、錘の突出部と枠部との間隙は70〜110μmであった。
また、梁部の幅W、梁部の長さI、枠部の内枠長L、および、L/IとI/Wの値を下記の表1に示す値となるように設定した他は、上述の試料1の作製と同様にして、加速度センサ(試料2〜9)を作製した。
<衝撃試験の評価基準>
○ : 梁部、錘部のいずれにも割れ、破損が見られない。
× : 梁部、錘部の少なくとも一方に割れ、破損が見られる。
また、耐衝撃性が良好な4種の加速度センサ(試料1〜4)について、下記の条件で感度を測定した。その結果、I/Wが3.1以上である試料1(I/W=3.68)、試料2(I/W=3.22)、試料3(I/W=3.11)では、感度が0.3mV/g/V以上(試料1=0.44mV/g/V、試料2=0.32mV/g/V、試料3=0.31mV/g/V)であった。しかし、I/Wが3.1未満である試料4(I/W=2.85)では、感度が0.24mV/g/Vであった。
(感度の測定条件)
回転可能な棒の先端に加速度センサを装着し、歪検出部に接続されたブリッジ回路に電圧を印加しながら棒を回転させ、加速度(g)に対する出力電圧(mV)の傾きを求めることで感度を測定する。
2…センサ本体
3…支持基板
11…SOI基板
11′…SOIウェーハ
12…シリコン層(活性層シリコン)
13…酸化シリコン層
14…シリコン層(基板シリコン)
21…錘部
22…梁部
23…枠部
24…錘接合部
26…錘
26A…錘の基部
26B…錘の突出部
27…枠部
28…ストッパー
29…歪検出部
Claims (10)
- シリコン層(活性層シリコン)/酸化シリコン層/シリコン層(基板シリコン)の3層構造を有するSOI(Silicon On Insulator)基板からなり、前記シリコン層(活性層シリコン)に形成された枠部と、該枠部から内側方向に突出するように前記シリコン層(活性層シリコン)に形成された4本の梁部と、該梁部により支持され基部と突出部を有し前記シリコン層(基板シリコン)に形成された錘部と、前記梁部に配設された歪検出部と、を備え、前記シリコン層(活性層シリコン)は前記錘部の過大な変位を防止するためのストッパーであって当該シリコン層(活性層シリコン)からなるストッパーあるいは当該シリコン層(活性層シリコン)の表面に配設されたストッパーのいずれも備えず、前記梁部の幅W、前記梁部の長さI、前記枠部の内枠長Lが下記の式(1)、式(2)の関係を満足し、前記梁部の厚みが5〜10μmの範囲であり、前記錘部の厚みが300〜713μmの範囲であることを特徴とする加速度センサ。
2<L/I≦2.82 … 式(1)
3.10≦I/W≦3.68 … 式(2) - 前記式(1)の下限値は2.4であることを特徴とする請求項1に記載の加速度センサ。
- 前記歪検出部は、ピエゾ抵抗素子であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の加速度センサ。
- 前記ピエゾ抵抗素子は、X軸方向の外力を検出する4個のピエゾ抵抗素子と、Y軸方向の外力を検出する4個のピエゾ抵抗素子と、Z軸方向の外力を検出する4個のピエゾ抵抗素子とからなり、各軸方向の4個のピエゾ抵抗素子はそれぞれブリッジ回路を構成していることを特徴とする請求項3に記載の加速度センサ。
- 前記錘部は、基部と、4本の前記梁部と前記枠部で囲まれた4箇所の窓部に前記基部から突出している4個の突出部とを備え、該突出部と前記枠部との間隙が70〜110μmの範囲であることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の加速度センサ。
- 前記梁部は、前記枠部との接合部位の幅が梁部の中間部の幅よりも広くなるように設定されていることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の加速度センサ。
- 前記梁部は、その中間部の幅が前記枠部との接合部位の幅よりも広くなるように設定されていることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の加速度センサ。
- 前記シリコン層(基板シリコン)側に支持基板を有することを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれかに記載の加速度センサ。
- 前記支持基板は、ガラス、シリコン、SUS板、インバー(Fe−36%Ni合金)、絶縁性樹脂板のいずれかであることを特徴とする請求項8に記載の加速度センサ。
- 前記支持基板は、厚みが50〜1000μmの範囲であることを特徴とする請求項8または請求項9に記載の加速度センサ。
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