JPH09113534A

JPH09113534A - 加速度センサー

Info

Publication number: JPH09113534A
Application number: JP7299195A
Authority: JP
Inventors: Yoshinobu Matsumoto; 佳宣松本; Makoto Ishida; 誠石田; Tomoyuki Kubota; 智之久保田
Original assignee: Texas Instruments Japan Ltd
Current assignee: Texas Instruments Japan Ltd
Priority date: 1995-10-23
Filing date: 1995-10-23
Publication date: 1997-05-02

Abstract

(57)【要約】【課題】シリコンマイクロマシンで構成され、多軸方
向の加速度成分を検出できる加速度センサーを提供す
る。【解決手段】直接接合したシリコン基板表面を研磨し
て構造層にし、接合部分の酸化膜を犠牲層にして固定体
と可動体を形成し、電極となる固定体18、28と可動体19、
29との間と、電極となる可動体(マス部)33と前記シリコ
ン基板10との間との容量変化を検出して多軸加速度セン
サー2を構成する。研磨によって形成された構造層は厚
くでき、また、ポリシリコンではなく単結晶シリコンで
構成されているので、可撓体15a、15b、25a、25b、35₁〜35
₄の機械的劣化を小さくできる。また、１つの基板から
成る加速度センサー2で、空間の３軸方向の加速度成分
が検出でき、更に、その検出感度も平面形状を調節する
ことで種々のレベルに設定することが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は加速度を検出する加
速度センサーに係り、特に、シリコンマイクロマシンで
構成され、一つの加速度センサーで２軸以上の加速度成
分を検出する多軸加速度センサーに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年では、１軸方向の加速度しか検出で
きなかった従来の加速度センサーに代わり、２軸、ある
いは３軸方向の加速度を検出できるセンサーが発表され
ている。そのような加速度センサーのうち、３軸方向の
加速度成分を検出できる３軸加速度センサーを、図１０
に断面を示して説明する。

【０００３】図１０(ａ)を参照し、１０２は３軸加速度
センサーであり、該３軸加速度センサー１０２は、円筒
形形状の台座１０４と、該台座１０４上に接着された円
形のシリコン基板１０５を有している。前記シリコン基
板１０５の中央底面には、パイレックスガラスから成る
円柱状のマス部１０７が接着されている。前記シリコン
基板１０５の厚みのうち、前記マス部１０７と前記台座
１０４とが接着されている間の領域は薄くされ、その薄
くされた領域で可撓部１０８が構成されており、この３
軸加速度センサー１０２に加速度が加わえられたとき
に、前記マス部１０７の重量によって前記可撓部１０８
に応力が加えられ、機械的に変形するように構成されて
いる。

【０００４】該３軸加速度センサー１０２の平面図であ
る図１０(ｂ)に示すように、前記可撓部１０８表面に
は、前記シリコン基板１０５の中心を原点とするＹ軸上
の正の部分と負の部分に、ピエゾ抵抗素子Ｒy₁、Ｒy₂、
Ｒy₃、Ｒy₄が２つずつ設けられ、また、Ｘ軸上の負の部
分と正の部分ピエゾ抵抗素子Ｒx₁、Ｒx₂、Ｒx₃、Ｒx₄が
２つずつ設けられており、更に、前記Ｘ軸上の各ピエゾ
抵抗素子Ｒx₁〜Ｒx₄に近接してピエゾ抵抗素子Ｒz₁、Ｒ
z₂、Ｒz₃、Ｒz₄が平行配置されている。

【０００５】前記各ピエゾ抵抗素子Ｒx₁〜Ｒx₄と、前記
各ピエゾ抵抗素子Ｒy₁〜Ｒy₄と、前記各ピエゾ抵抗素子
Ｒz₁〜Ｒz₄によって３つの抵抗ブリッジを形成すると、
その抵抗ブリッジの示す抵抗値の変化状況は、前記３軸
加速度センサー１０２に加えられた加速度の向きと大き
さによって相違するので、各抵抗ブリッジの抵抗変化を
測定すれば、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の３軸方向の加速度成分を測
定することが可能となる。

【０００６】しかしながら加速度の検出にピエゾ抵抗変
化を利用した場合には、検出値が温度の影響を受けやす
く、信頼性のある測定を行えない。また、用途によって
は、装置内に組み込まれている加速度センサーが正常に
動作しているか否かを試験する必要がある。そのために
は、静電気力等の力でマス部を所定量だけ移動させ、そ
のときの加速度センサーの出力を検出し、正常に動作し
ているか否かを判断したい。この場合、前記加速度セン
サー１０２では、前記マス部１０７が大型であって重
く、静電気力等で移動させることはやや困難である。

【０００７】更にまた、前記シリコン基板１０５と前記
マス部１０７とは陽極接合法によって貼り合わされてい
るが、その貼り合わせ工程は複雑で工数が多いため、歩
留まりが低く、コスト高となっている。

【０００８】そこで近年では、半導体素子製造プロセス
と同様のプロセスで製造できるシリコンマイクロマシン
構造の加速度センサーが提案されており、そのプロセス
によって製造できれば、低コストで製造することが可能
となる。

【０００９】そしてシリコンマイクロマシン構造とすれ
ばピエゾ抵抗変化に代えて容量値変化で加速度を検出で
きるので、温度変化の影響がなく、また、静電気力等に
よって正常動作を確認できることから、トラクションコ
ントロールをはじめとして、自動車のエアバック制御の
ための衝突検知に用いたい等、高信頼性が要求される用
途に適用できることが期待されている。

【００１０】そのようなシリコンマイクロマシン構造の
加速度センサーの従来技術のものを説明する。平面図で
ある図１１(ａ)を参照し、１１２は従来技術のシリコン
マイクロマシン構造の加速度センサーであり、該加速度
センサー１１２は、シリコン基板と、前記シリコン基板
上に固定された固定体と、前記シリコン基板や前記固定
体に対して移動可能な可動体と、前記可動体を前記固定
体に弾性保持させて前記可動体と前記固定体とを機械
的、電気的に接続する可撓体とで構成されている。

【００１１】前記加速度センサー１１２は、前記固定体
で構成され直線状に成形された固定腕部１２４a、１２
４bを有しており、該固定腕部１２４a、１２４bには、
前記可動体で構成され直線状に成形された複数の固定電
極１３４a、１３４bがそれぞれ直角に接続され、該固定
電極１３４a、１３４bが動かないようにされている。

【００１２】前記各固定電極１３４aの間と前記各固定
電極１３４bの間には、前記可動体で構成され直線状に
成形されて成る可動電極１３５a、１３５bが、それぞれ
１つずつ平行に挿入さている。

【００１３】前記各固定電極１３４a、１３４bと前記各
可動電極１３５a、１３５bとは、それぞれ近接して対向
配置されており、電気導電性を有しているので、前記各
固定電極１３４a、１３４bと、それに対向配置された前
記各可動電極１３５a、１３５bで平行平板型コンデンサ
ー１２３a、１２３bが構成されている。前記各可動電極
１３５a、１３５bは前記可動体で構成される可動腕部１
２６で連結されており、前記可動腕部１２６は、前記可
撓体で構成された可撓部１２７₁、１２７₂に電気的、機
械的に接続されているので、前記各平行平板型コンデン
サー１２３a、１２３bは並列接続されている。

【００１４】前記可撓部１２７₁、１２７₂は、前記固定
体で構成され矩形形状に成形されて成る保持部１２
８₁、１２８₂に接続され、該保持部１２８₁、１２８₂を
支点として前記可撓部１２７₁、１２７₂が前記可動電極
１３５a、１３５bを弾性支持する。そして、前記可撓部
１２７₁、１２７₂は、図１１(ｂ)に示すように、前記可
動電極１３５a、１３５bの中心軸線方向に変形しやすい
ように成形されいるので、前記可動電極１３５a、１３
５bが前記固定電極１３４a、１３４bの間を出入りでき
るようにされている。

【００１５】従って、図１１(ｂ)に示すように、前記加
速度センサー１１２に加速度が印加され、前記可動電極
１３５ａ、１３５ｂがその中心軸線方向にΔｘだけ動か
された場合には、前記平行平板型コンデンサー１２３
a、１２３bの容量値が前記Δｘの大きさに応じて変化す
るので、その変化量を検出すれば、前記中心軸線方向の
加速度成分を求めることが可能となる。

【００１６】ところで、このこの加速度センサー１１２
は、図１２(ａ)〜(ｆ)に示すような製造プロセスで作ら
れており、その工程を説明すると、まず、この加速度セ
ンサー１１２の製造プロセスは、シリコン基板１５３上
にシリコン熱酸化膜を成膜することから開始される。

【００１７】前記シリコン基板１５３表面にシリコン熱
酸化膜１５４が成膜された後、その表面に窒化膜１５５
が成膜され(同図(ａ))、所定領域の窓開けがされた後、
表面に第１ポリシリコン層１５６が全面成膜される(同
図(ｂ))。

【００１８】次に、前記第１ポリシリコン層の所望領域
に窓開けがされた後、ＰＳＧ膜から成る絶縁層１５７が
全面成膜され(同図(ｃ))、前記絶縁層１５７の所定領域
に窓開けがされた後、その表面に第２ポリシリコン層１
５８が全面成膜され(同図(ｄ))、前記第１ポリシリコン
層１５６上に直接前記第２ポリシリコン層１５８が形成
される。そして、前記第２ポリシリコン層１５８の所定
領域が窓開けされた後(同図(ｅ))、選択性のある希フッ
酸液に浸漬されると、その窓開け部分から前記絶縁層１
５７のエッチングが開始され、該絶縁層１５７は前記希
フッ酸液で除去される(同図(ｆ))。

【００１９】前記第２ポリシリコン層１５８のうち、前
記第１ポリシリコン層１５６上に直接成膜されている部
分はエッチングされず、前記第２ポリシリコン層１５８
がシリコン基板に固定されている固定体１６５となり、
底面下の絶縁層１５７が除去された部分が可動体１６６
となる。該可動体１６６の底面下には、前記絶縁層１５
７の厚さ分の隙間１６４が開けられている。

【００２０】このように、前記第２ポリシリコン層１５
８をシリコンマイクロマシンの構造体として前記可動体
１６６と前記固定体１６５とを構成すれば、半導体素子
の製造プロセスと同様のシリコンマイクロマシン製造プ
ロセスが適用でき、加速度センサーを安価に大量生産で
きるようになる。

【００２１】ところで、前記加速度センサー１１２の検
出精度を向上させたいときは、検出に用いるコンデンサ
ーの容量値を大きくすることが必要となる。上述の平行
平板型コンデンサー１２３a、１２３bでは、その容量
は、前記固定電極１３４a、１３４bと前記可動電極１３
５a、１３５bの長さと厚みの積で決まる。

【００２２】しかしながら前記第２ポリシリコン層１５
８はＬＰＣＶＤ法(減圧ＣＶＤ法)で成膜されるため、膜
厚を厚くするのにも限度がある。従って、容量値を大き
くするためには平行平板型コンデンサーの数を増やさな
くてはならず、素子面積が大きくなってしまう。

【００２３】また、前記第２ポリシリコン層１５８に前
記マス部１０７と同様のマス部を形成し、そのマス部と
前記第１ポリシリコン層１５６との間の容量変化で加速
度を検出しようとすると、前記第２ポリシリコン層１５
８は薄いため重量が少なすぎて、小さな加速度を検出す
ることは困難であり、そのためにはマス部の面積を非常
に大きくしなければならない。

【００２４】更に、ポリシリコンは成膜後に残留応力が
生じるため反りが生じるという問題がある。しかも、ポ
リシリコンで構成した電極に電極間距離を縮める方向に
反りが生じた場合には電極同士がくっついてしまうとス
ティッキング現象を引き起こし、センサの信頼性を著し
く低下させてしまう。

【００２５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記従来技術
の不都合を解決するために創作されたもので、その目的
は、シリコンマイクロマシン構造で構成され、多軸方向
の加速度成分を検出できる加速度センサーを提供するこ
とと、信頼性の高い加速度センサーを提供することにあ
る。

【００２６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に請求項１記載の発明は、シリコン基板と、該シリコン
基板上に位置する犠牲層と、該犠牲層上に位置する構造
層とを有する加速度センサーであって、前記構造層がパ
ターニングされ、その底面下の犠牲層がエッチングによ
って除去された部分で可動体が形成され、前記可動体が
前記固定体に弾性支持され、底面下の犠牲層が残された
部分で固定体が形成され、前記可動体の側面と前記固定
体の側面とが平行に対向配置されて成るコンデンサーの
容量変化と、前記可動体と前記シリコン基板とで構成さ
れるコンデンサーの容量変化とを検出して加速度の向き
と大きさとを検出するようにされたことを特徴とし、

【００２７】請求項２記載の発明は、請求項１記載の加
速度センサーであって、前記可動体の側面と前記固定体
の側面とが対向配置されて成るコンデンサーを少なくと
も２個有し、前記２個のコンデンサーの電極面の法線が
互いに所定角度で交わるように配置されたことを特徴と
し、

【００２８】請求項３記載の発明は、請求項１又は請求
項２のいずれか１項記載の加速度センサーであって、前
記シリコン基板は、２枚のシリコン単結晶基板表面に成
膜された酸化膜同士が密着されて直接接合法により接合
された基板から成り、前記犠牲層は前記酸化膜で構成さ
れ、前記構造層は前記直接接合法で接合された基板の一
方のシリコン単結晶基板表面が研磨されて形成されたこ
とを特徴とし、

【００２９】請求項４記載の発明は、請求項３記載の加
速度センサーであって、前記研磨の際、前記構造層の厚
みが３μｍ以上残るようにされたことを特徴とする。

【００３０】このような本発明の構成によると、シリコ
ン基板上に犠牲層と構造層とがこの順で位置するように
されているので、前記構造層のパターニングと前記犠牲
層のエッチングとを行い、前記構造層の底面下の犠牲層
を除去した部分で可動体を構成させ、底面下の犠牲層を
残した部分で固定体を形成させることができる。

【００３１】その場合、前記可動体の側面と前記固定体
の側面とが平行になるように対向配置させると平行平板
型のコンデンサーを構成でき、また、前記可動体と前記
シリコン基板とで平行平板型のコンデンサーを構成でき
る。前記コンデンサーを構成する可動体を前記固定体で
構成された支持部に弾性支持させると、前記加速度セン
サーに加速度が加えられた場合に、前記可動体と前記固
定体とで構成されるコンデンサーの容量値は、その可動
体側面に垂直な方向の加速度成分の大きさに応じて変化
し、前記可動体と前記シリコン基板とで構成されるコン
デンサーの容量値は、前記シリコン基板に対して垂直な
方向の加速度成分の大きさに応じて変化し、各コンデン
サーの容量値を測定すれば、加速度の向きと大きさとを
求めることが可能となる。

【００３２】その場合、前記可動体と前記固定体とで構
成されるコンデンサーのうちの少なくとも２個が、その
電極面の法線が互いに所定角度で交わるように配置して
おくと、その２個のコンデンサーで別方向の加速度成分
を検出できるので、前記シリコン基板と前記可動体とで
検出される垂直方向の加速度成分と併せ、３軸加速度セ
ンサーを構成することが可能となる。

【００３３】このような加速度センサーを作る際、２枚
のシリコン単結晶基板を用意し、それらの表面に成膜さ
れた酸化膜同士を密着させ、直接接合法によって１枚の
シリコン基板とするとその酸化膜で前記犠牲層を構成で
き、更に、接合された１枚のシリコン基板の表面を研磨
すると、その研磨された前記単結晶シリコン基板で前記
構造層を構成できる。

【００３４】研磨により構成された構造層は単結晶であ
るため、可撓部分の機械的劣化が少なく、また、所望厚
みの構造層が簡単に得られ、特に、ＬＰＣＶＤ法では作
ることが困難な３μｍ以上の厚みにすることができる。
更に、前記構造層の厚みが一定であるため、平面形状を
調節するだけで、個々に感度を設定できるようになる。

【００３５】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面を用い
て説明する。図１は、本発明の最良の実施の形態である
加速度センサー２の平面図である。該加速度センサー２
は一つのシリコン基板１０上に設けられた３つの加速度
検知素子１２、２２、３２を有している。

【００３６】前記３つの加速度検知素子１２、２２、３
２は、半導体素子の製造と同様のプロセスであるシリコ
ンマイクロマシン製造プロセスによって同時に形成され
ており、前記加速度検知素子１２、２２、３２は、前記
シリコン基板１０上に固定された固定体と、前記シリコ
ン基板１０及び前記固定体に対して移動可能にされた可
動体と、前記可動体を前記固定体に弾性保持させて前記
可動体と前記固定体とを機械的、電気的に接続させる可
撓体とで構成されている。

【００３７】前記固定体、前記可動体、及び前記可撓体
が形成される工程を、前記加速度検知素子１２、２２、
３２の製造プロセスに従って説明する。図５(ａ)〜(ｃ)
に、シリコン単結晶をエッチングするためのマスクに用
いるアルミニウム薄膜が成膜されるまでの工程を示す。
図５(ａ)〜(ｃ)を参照し、まず、表面にシリコン熱酸化
膜が成膜された２枚のシリコン単結晶基板５０a、５０b
を用意して、その表面のシリコン熱酸化同士を密着して
熱処理をし、直接接合法によって前記２枚のシリコン単
結晶基板５０a、５０bを接合して１枚のシリコン基板５
２を作る(図５(ａ))。

【００３８】次いで、前記シリコン基板５２表面の前記
シリコン単結晶基板５０bを、１０μｍ程度の厚みにな
るまで研磨し、その研磨されたシリコン単結晶基板によ
って構造層５４を構成する。

【００３９】一方、裏面のシリコン単結晶基板は研磨せ
ず、もとの厚みのままでサブストレート５３を構成す
る。２つのシリコン単結晶層の間にあるシリコン酸化膜
の厚みは約１μｍであり、そのシリコン酸化膜により犠
牲層５１を構成する(同図(ｂ))。次いで、前記構造層５
４表面にアルミニウム薄膜５５を真空蒸着法によって全
面成膜した(同図(ｃ))。

【００４０】次に、前記アルミニウム薄膜５５の全面成
膜後、オーミック層を形成するまでの工程を図６(ｄ)〜
(ｇ)に示し、そのオーミック層の形成後、犠牲層をエッ
チング除去するまでの工程を図７(ｈ)〜(ｋ)に示す。そ
の図６(ｄ)〜(ｇ)及び図７(ｈ)〜(ｋ)の左側の図は、図
１の加速度検知素子１２のＣ−Ｃ線の断面に相当する部
分が形成される過程の断面を示したものであり、右側の
図は、図１中の加速度検知素子３２のＤ−Ｄ線に相当す
る部分が形成される過程の断面を示したものである。

【００４１】図６(ｄ)〜(ｇ)を参照し、前記アルミニウ
ム薄膜５５を全面成膜した後、フォトリソグラフ工程を
経て、前記アルミニウム薄膜５５の所定領域をエッチン
グ除去して窓開け部５７を形成する。除去せずに残した
ところでマスク部５８を形成させ(同図(ｄ))、ＣＨＦガ
スとＳＦガスとが７：３の割合で混合されたエッチング
ガスを用い、ＲＩＥ法によって異方性ドライエッチング
を行い、前記窓開け部５７から前記構造層５４と前記犠
牲層５１とを選択的に除去して前記構造層５４のパター
ニングを行う(同図(ｅ))。このとき、前記マスク部５８
の底面下には前記構造層５４と前記犠牲層５１とが残さ
れている。

【００４２】前記サブストレート層５３と前記構造層５
４とを構成するシリコン単結晶はｐ型であり、金属電極
とのオーミックコンタクトをとるため、前記マスク部５
８を除去して前記構造層５４を表面に露出させ、ｐ型の
ドーパントであるボロンをイオン注入又は熱拡散する
(同図(ｆ))。そして、熱処理により拡散させて、前記サ
ブストレート層５３と前記構造層５４の表面に、それぞ
れｐ⁺のオーミック層６３、６４を形成した(図５
(ｇ))。

【００４３】次に図７(ｈ)〜(ｋ)を参照し、前記オーミ
ック層６３、６４表面にレジスト６５を塗布し(図７
(ｈ))、所定部分を窓開けした後、蒸着法によってクロ
ム・白金薄膜６６を形成する(同図(ｉ))。そして、リフ
トオフ法によって、前記レジスト６５と共に、該レジス
ト６５上に形成された前記クロム・白金薄膜６６を除去
する。前記レジスト６５の窓開け部分に成膜された前記
クロム・白金薄膜６６は残されており、前記オーミック
層６３、６４表面に、それぞれ金属電極７３、７４を形
成する(同図(ｊ))。

【００４４】前記金属電極７３、７４が形成されたシリ
コン基板をフッ酸緩衝液(ＢＨＦ)に浸漬すると、前記構
造層５４によって覆われていない前記犠牲層５１の側面
のサイドエッチングが開始される。

【００４５】前記構造層５４のパターニングの際、該構
造層５４を幅広に形成したところと幅狭に形成したとこ
ろがあるため、このサイドエッチングの進行に伴い、あ
る範囲のエッチング時間では、前記構造層５４を幅狭に
形成した部分の底面下では前記犠牲層５１が完全に除去
でき、幅広に形成したところの底面下では前記犠牲層５
１を残すことができる。このため、適切に時間管理しな
がらサイドエッチングさせ、前記犠牲層５１を除去した
部分で可動体６９を構成し、残した部分で固定体６８を
構成する。

【００４６】また、前記可動層６９のうち、機械的な変
形を生じやすいような平面形状としたところで可撓体を
構成し、前記可動体６９のうち、後述する可動電極とな
る部分やアーム部分は、前記可撓体で前記固定体６８に
接続して保持させたので、前記可動体６９は移動可能と
されているが、エッチングの際に前記シリコン基板５３
から分離することはない。

【００４７】なお、前記構造層５４と前記サブストレー
ト５３を構成する単結晶のシリコンと、前記金属電極７
３、７４を構成するクロム・白金薄膜はフッ酸ではエッ
チングされないので、前記金属電極７３、７４が剥離す
ることはない。

【００４８】ところで、前記ＲＩＥ法でのドライエッチ
ングによって、前記構造層５４の側面は前記シリコン基
板５３表面と垂直になるように形成されており、前記固
定体６８の側面と前記可動体６９の側面とを近接して対
向配置させると平行平板型コンデンサーを構成すること
ができる。

【００４９】前記加速度検知素子１２、２２は、そのよ
うな構成の平行平板型コンデンサー１１、２１をそれぞ
れ６個ずつ有している。前記平行平板型コンデンサー１
１、２１は、前記固定体６８で構成され、直線状に成形
された固定電極１８、２８と前記可動体６９で構成さ
れ、直線状に成形された可動電極１９、２９とを有して
おり、前記各平行平板型コンデンサー１１は、前記可動
電極１９と前記固定電極１８とが近接して平行に配置さ
れて構成され、前記各平行平板型コンデンサー２１は、
前記可動電極２９と前記固定電極２８とが近接して平行
に配置されて構成されている。

【００５０】前記各固定電極１８と前記各可動電極１９
とは、互い違いになるように平行に配置されており、ま
た、同様に前記各固定電極２８と前記各可動電極２９
も、互い違いになるように平行に配置されており、従っ
て、一つの可動電極１９、２９の両側に２つの固定電極
１８、２８が配置されているが、加速度成分の符号を検
出できるように、一方の固定電極とだけ近接配置されて
前記平行平板型コンデンサー１１、２１が構成され、他
方の固定電極とは離間され、平行平板型コンデンサーを
構成しないようにされている。

【００５１】そして、前記各可動電極１９、２９は、前
記可動体６９で構成され直線状に成形されたアーム１
６、２６にそれぞれ垂直に取り付けられて櫛状にされ、
また、前記各固定電極１８、２８は前記固定体６８で構
成された外枠１３、２３にそれぞれ接続されているの
で、前記各平行平板コンデンサー１１、１２は並列接続
されており、前記各平行平板型コンデンサー１１の電極
面(前記固定電極１８の側面と前記可動電極１９の側面)
の法線は同じ方向(ここではＸ軸方向)に向くように配置
され、前記各平行平板型コンデンサー２１の電極面の法
線は、前記Ｘ軸と垂直なＹ軸方向を向くように配置され
ている。なお、平行平板コンデンサーの容量を測定する
ために外部端子と接続される金属電極７４が、前記外枠
１３、２３表面上と、前記支持部１４₃表面上に設けら
れている。

【００５２】前記加速度検知素子１２と加速度検知素子
２２の断面の様子は同様であり、前記加速度検知素子１
２のＡ−Ａ線断面図を図２(ａ)に、斜視図を図３に示
す。次に、前記加速度検知素子３２を説明する。該加速
度検知素子３２は、前記構造層５４が矩形形状に成形さ
れて成る大面積のマス部３３を有しており、その矩形形
状に成形したときに、同時に、該マス部３３中に孔３７
がアレイ状の配置で形成されており、該マス部３３を構
成する前記構造層５４に、幅広な部分が生じないように
されている。従って、前記犠牲層５１をエッチングする
ときに、前記フッ酸緩衝液が前記孔３７から侵入して、
前記マス部３３の底面下にあった前記犠牲層５１は全部
除去がされ、該マス部３３を構成する前記構造層５４
は、移動可能な前記可動体６９を構成するようにされて
いる。

【００５３】前記マス部３３の周囲には、前記可動体６
９で構成され、Ｌ字形状に成形された可撓体３５₁〜３
５₄が配置され、その一端が前記マス部３３の四隅にそ
れぞれ直角に接続され、全体として、中央に前記マス部
３３が位置した卍字形状になるように構成されている。

【００５４】前記可撓体３５₁〜３５₄の他端には、前記
固定体６８から成り矩形形状に成形された支持部３４₁
〜３４₄が接続され、前記可撓体３５₁〜３５₄が、シリ
コン基板表面に対して垂直方向に撓めるようにされてい
る。この加速度検知素子３２のＢ−Ｂ線断面図を図２
(ｂ)に、斜視図を図４に示す。

【００５５】前記マス部３３の底面下に位置した前記犠
牲層５１は段差なく成膜され、その後全部除去されてい
るので、前記マス部３３の底面と前記シリコン基板１０
の表面とは平行になっており、該マス部３３と前記シリ
コン基板１０とを電極とし、除去された前記犠牲層５１
の厚みを電極間隔とする平行平板型のコンデンサーが構
成されている。この平行平板型コンデンサーでは、前記
加速度センサー２に加速度が印加されると、前記可撓体
３５₁〜３５₄が撓み、前記マス部３３が変位して電極間
隔が変わるので、その容量値は、前記シリコン基板１０
に対して垂直方向の加速度成分の大きさに応じて変動す
る。この場合、前記マス部３３に設けられた孔３７の大
きさを変えることによりダンピングの影響を自由に設定
できる。

【００５６】即ち、前記マス部３３にあけられた前記孔
３７は、前記犠牲層５１をエッチングする以外にも、エ
ア・ダンピングをコントロールする目的にも使用され
る。前記孔３７の数を変えるか、一つ当たりの面積を変
えることにより、前記マス部３３が受けるダンピングの
影響を自由に設定することが可能である。これにより、
センサ自体の応答時間を制御する事が可能となり、ダン
ピングの影響を少なくすればより応答性のよいセンサと
することができる。また、ダンピングの影響を大きくす
る事により落下などの衝撃に対して強いセンサとする事
が可能である。

【００５７】前記加速度検知素子１２では前記可撓部１
５a、１５bが撓み、前記可動電極１９がＸ軸方向に変位
したときに前記平行平板型コンデンサー１１の容量値が
変化し、また、前記加速度検知素子２２では前記可撓体
２５a、２５bが撓み、前記可動電極２９がＹ軸方向に変
位したときに前記平行平板型コンデンサー２１の容量値
が変化する。

【００５８】従って、前記各加速度検知素子１２、２
２、３２の容量変化を検出すれば、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸
(垂直方向)の３軸方向の加速度成分が検出でき、それに
よって加速度の向きと大きさを求めることが可能とな
る。

【００５９】但し、本発明の加速度センサーはＸ、Ｙ、
Ｚ軸の３軸方向を検出することだけに限定されるもので
はない。例えば図８に示す加速度センサー８２のよう
に、前記可動体６９で可動電極を構成する際、比較的幅
が広い直線状に成形して重い可動電極８７を作り、前記
可動電極８７よりも幅が狭い直線状に成形して軽い可動
電極８８を作り、この重さの違う２つの可動電極８７、
８８で、検出感度の異なる２種類の平行平板型コンデン
サーを構成することができる。

【００６０】その場合、検出感度の異なる２種類の前記
加速度検知素子８３、８４が、同じ方向(ここではＸ軸
方向)の加速度を検知するようにシリコン基板８６上に
配置し、垂直方向の加速度成分を検出する加速度検知素
子８５も同じ基板８６に設けておけば、Ｚ軸方向の加速
度を前記加速度検知素子８５で検出すると共に、Ｘ軸方
向の微小な加速度を重い可動電極８７を有する前記加速
度検知素子８３で検出し、Ｘ軸方向の大Ｇ(衝撃)を前記
軽い可動電極８８を有する前記加速度検知素子８４で検
出することができる。

【００６１】更に、前記マス部３３の面積を変えたもの
を複数設けておけば、Ｚ軸方向の加速度の検出感度を異
ならせることも可能である。いずれの場合でも、静電気
で動かせる程度の重さであるので、可動電極とマス部は
静電気力で動かすことができ、加速度センサーが正常に
動作できるかどうかを試験することができる。

【００６２】このように、本発明によれば、一つの基板
上に異なる感度の加速度検知素子を作ることが可能であ
るため、正面からの衝突だけではなく、側面からの衝突
に対しても搭乗者を保護しようとする、いわゆるサイド
・エアバッグシステムにおいて、衝撃吸収体であるボン
ネットの存在する前後方向で５０Ｇ、衝撃吸収体のない
横方向で３００Ｇという、方向と感度の組合せを要求さ
れる分野にも、一つの加速度センサーで対応することが
可能となる。更に、例えばエアバッグ・システム(正面)
と、ＡＢＳシステムと、サスペンション・コントロール
・システムとを搭載しようとした場合には、前後方向で
５０Ｇと２Ｇ、上下方向で２Ｇの検出レベルの設定が求
められるが、本発明の加速度センサーによれば、簡単に
対応が可能である。

【００６３】また、前記可撓部１５a、１５bや前記可撓
部２５a、２５bは前記可動体５４を直線状に成形して構
成したが、図９に示す加速度検知素子９１のように、前
記可動体５４を折り曲げて可撓部９５a、９５bを構成し
てもよく、その場合には可動電極９９の幅を変えなくて
も、水平方向で種々の検出感度を有する加速度検知素子
を形成することができる。これら可撓部１５a、１５b、
２５a、２５b、３５a。３５b、９５a、９５bは加速度が
ゼロになると変形が止み、元の状態に復帰するが、単結
晶シリコンで構成されているため、繰り返し変形しても
劣化せず、長寿命で信頼性が高い。また、単結晶シリコ
ンは残留応力が少なく、反りが生じないのでスティキン
グ現象を引き起こさず、信頼性も高い。

【００６４】なお、シリコン基板に対する水平方向の加
速度成分は、Ｘ軸方向とＹ軸方向を検出する組合せに限
定されるものではなく、加速度センサーが使用される移
動体の性質に応じ、直角以外の種々方向の加速度成分を
検出してもよい。また、上記実施の形態では、平行平板
型のコンデンサーを６個設けて加速度検知素子１３、２
３を構成したが、その個数に限定されないことは言うま
でもない。

【００６５】

【発明の効果】基板に垂直な方向の加速度成分と基板に
水平な方向の加速度成分とを一つの加速度センサーで検
出することができる。その検出感度も複数レベルを容易
に設定できる。特にＸ、Ｙ、Ｚ軸の方向の加速度成分を
検出するように設定すると、３軸加速度センサーを構成
することができる。

【００６６】可撓体がシリコン単結晶で構成されている
ため、機械的劣化せず、疲労破壊しない。また、反りが
生じないのでスティキング現象を引き起こさず、信頼性
が高い。

【００６７】更に、可動体の厚みが厚いので、面積を増
やさなくても検出感度の高い加速度センサーを構成で
き、また、可撓部が変形しやすいので、静電気力等で加
速度センサーの正常動作を確認することができる。

【００６８】また、半導体素子の製造プロセスと同様の
シリコンマイクロマシン製造プロセズで量産できるの
で、加速度センサーの製造コストを低下させることが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の最良の実施形態を示す平面図

【図２】 (ａ)図１のＡ−Ａ線断面図 (ｂ)図１のＢ−
Ｂ線断面図

【図３】可動体と固定タイトで構成されるコンデンサ
ーの斜視図

【図４】可動体とシリコン基板とで構成されるコンデ
ンサーの斜視図

【図５】 (ａ)〜(ｃ)：本発明の加速度検出センサーの
アルミニウム薄膜を成膜するまでの製造工程を説明する
ための図

【図６】 (ｄ)〜(ｇ)：本発明の加速度検出センサーの
オーミック層を形成するまでの製造工程を説明するため
の図

【図７】 (ｈ)〜(ｋ)：本発明の加速度検出センサーの
犠牲層をエッチング除去するまでの製造工程を説明する
ための図

【図８】本発明の他の実施の形態を説明するための図

【図９】可動体と固定体で構成されるコンデンサーの
他の例を示す平面図

【図１０】 (ａ)従来技術の３軸加速度センサーの断面
図 (ｂ)その平面図

【図１１】 (ａ)シリコンマイクロマシンで構成された
従来技術の加速度センサーの一例の平面図 (ｂ)その動
作原理を説明するための図

【図１２】 (ａ)〜(ｆ)：従来技術のシリコンマイクロ
マシンを製造するための工程を説明するための図

【符号の説明】

２、８２……加速度センサー１０、５３……シリコ
ン基板５０a、５０b……シリコン単結晶基板５１……犠牲層５４……構造層６９、１６、２
６……可動体１９、２９、３３、８８、８７……コンデンサーを構成
する可動体１５a、１５b、２５a、２５b、３５₁〜３５₄、９５a、
９５b……可撓体１３、１８、２３、２８、６８、１４₁〜１４₄、２４₁
〜２４₄、３４₁〜３４₄……固定体

フロントページの続き (72)発明者久保田智之静岡県駿東郡小山町棚頭305番地日本テキサス・インスツルメンツ株式会社小山工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン基板と、該シリコン基板上に位
置する犠牲層と、該犠牲層上に位置する構造層とを有す
る加速度センサーであって、前記構造層がパターニングされ、その底面下の犠牲層が
エッチング除去された部分で可動体が形成され、底面下
の犠牲層が残された部分で固定体が形成され、前記可動体が前記固定体に弾性支持され、前記可動体の側面と前記固定体の側面とが平行に対向配
置されて成るコンデンサーの容量変化と、前記可動体と前記シリコン基板とで構成されるコンデン
サーの容量変化とを検出して加速度の向きと大きさとを
検出するようにされたことを特徴とする加速度センサ
ー。
【請求項２】前記可動体の側面と前記固定体の側面と
が対向配置されて成るコンデンサーを少なくとも２個有
し、前記２個のコンデンサーの電極面の法線が互いに所定角
度で交わるように配置されたことを特徴とする請求項１
記載の加速度センサー。
【請求項３】前記シリコン基板は、２枚のシリコン単
結晶基板表面に成膜された酸化膜同士が密着されて直接
接合法により接合された基板から成り、前記犠牲層は前記酸化膜で構成され、前記構造層は前記直接接合法で接合された基板の一方の
シリコン単結晶基板表面が研磨されて形成されたことを
特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の
加速度センサー。
【請求項４】前記研磨の際、前記構造層の厚みが３μ
ｍ以上残るようにされたことを特徴とする請求項３記載
の加速度センサー。