力學傳感器的製作方法

2023-04-28 09:42:16 2

專利名稱：力學傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及使用了壓電電阻元件的力學傳感器，尤其涉及單軸檢測的力學傳感器。
背景技術：
以往，發明出各種使用了壓電電阻元件的力學傳感器。例如，在專利文獻I中，具備長方體形狀的重物、包圍該重物的形狀的支撐體、將重物相對於支撐體支撐為能夠轉動的梁。梁分別配設在重物的對置的兩端，以使重物受到外力而可動那樣的形狀形成。圖7是與專利文獻I所示的力學傳感器相同結構的以往的力學傳感器IOP的立體圖。在圖7中，僅記載了支撐體12P與梁13P連接的連接部，省略了其他部分的記載。另外，·由於該力學傳感器IOP為以往的通常的結構，因此僅進行了簡要的結構說明。重物IlP由大致立方體形狀形成。在重物IlP的上表面側的對置的兩邊的大致中央分別連接有梁13P。梁13P形成為能夠使重物IlP在外力的作用下可動的形狀。梁13P中的連接重物IlP的一側相反側的端部與支撐體12P連接。上述重物IIP、梁13P及支撐體12P通過對形成有壓電電阻元件的矽基板進行蝕刻加工等而一體形成。在先技術文獻專利文獻專利文獻I :日本特開昭63-305256號公報

發明內容
發明要解決的課題然而，在圖7所示那樣的以往結構的力學傳感器IOP中，產生下面這樣的問題。在以往的力學傳感器IOP中，在與設置有梁13P的重物IlP的上表面側的對置的兩邊平行的軸(圖7中的X軸)上向平行的方向施加力時，重物IlP以連結兩個梁13P的軸(圖7中的y軸)為基準進行擺動。這種情況下，如圖7所示，梁13P與重物IlP及支撐體12P連接的四處的角部附近的極小區域成為應力產生區域30P。在此，在力學傳感器中，當對所涉及的力產生的加速度等物理量進行計測時，在應力產生區域30P上需要配設壓電電阻元件。然而，在以往的力學傳感器IOP中，應力產生區域30P面積極小，不容易在該區域正確地配設壓電電阻元件，反過來說，不容易實現能夠正確地檢測應力且更可靠地計測加速度等物理量的力學傳感器。因此，本發明的目的在於實現能夠更可靠地檢測所涉及的力產生的加速度等物理量的力學傳感器。用於解決課題的手段本發明涉及力學傳感器。本申請中涉及的力學傳感器簡要地說，通過使用梁將重物支撐為能夠相對於支撐體擺動。並且，力學傳感器通過設置在梁上的多個壓電電阻元件來檢測因該擺動而在梁上產生的應力，從而對基於所涉及的力產生的規定的物理量進行檢測。在這樣的前提的結構的基礎上，重物、支撐體、梁具有以下所示的特徵。重物包括沿著第一軸方向排列且分別由大致長方體形狀構成的第一部分重物及第二部分重物、和橋接部。橋接部具有在與第一軸方向正交的第二軸方向上配設在第一部分重物及第二部分重物的大致中央，且將第一部分重物和第二部分重物連接的結構。S卩，重物以包含第一軸和第二軸的平面觀察時，由「H型」的形狀構成。支撐體沿著第二軸方向將重物的橋接部夾在中間，且從重物分離而配設。梁由在沿著第二軸方向的橋接部的兩側的位置處沿著第一軸方向將第一部分重物部和支撐體連接且將第二部分重物部和支撐體連接的形狀構成。在形成為這樣的結構的情況下，當施加有沿著第一軸方向的力時，如圖4(詳細情況後述。)所示，在梁中的與重物及支撐體連接的連接端附近的整個區域產生相同模式的應 力。即，在沿著梁中的與重物及支撐體連接的連接邊的寬的區域產生應力。由此，只要以沿著該連接邊的形狀配置壓電電阻元件即可，不像以往那樣要求壓電電阻元件的配置精度。另外，如後所述，在該結構中，能夠檢測出的應力也比以往結構大。因此，與以往結構相比能夠實現更可靠的應力的檢測。另外，在本發明的力學傳感器中，多個壓電電阻元件分別配置在梁中的支撐體側的連接端附近。在該結構中，示出了在梁上配設壓電電阻元件的具體的結構。實驗性可知，當施加有上述那樣的沿著第一軸的力時，與梁的第一、第二部分重物側的端部相比，在梁的支撐體側的端部產生更大的應力。因此，通過在梁的支撐體側的端部配設壓電電阻元件，能夠實現更可靠的應力檢測。另外，在本發明的力學傳感器中，第一部分重物和第二部分重物為相同的重量。或者，在本發明的力學傳感器中，第一部分重物和第二部分重物為不同的重量。如上述的結構那樣，通過使由橋接部連接的第一部分重物和第二部分重物的重量關係變化，能夠使各梁相對於配置位置的中心位置和重心位置變化。由此，即使以相同的方式配置力學傳感器，也能夠使檢測方向變化。發明效果根據本發明，為比較簡單的結構，且能夠更可靠地檢測所涉及的力產生的加速度
等物理量。


圖I是用於說明本發明的第一實施方式涉及的力學傳感器10的結構的立體圖。圖2是本發明的第一實施方式涉及的力學傳感器10的俯視圖及各側面剖面圖。圖3是表示本發明的第一實施方式涉及的力學傳感器10的各壓電電阻元件21A、21B、21C、21D的配置圖案及配線圖案22的圖。圖4是表示本發明的第一實施方式涉及的力學傳感器10的檢測概念的圖。圖5是用於說明本發明的第一實施方式涉及的力學傳感器10的製造方法的圖。圖6是表示本發明的實施方式中的由其他結構構成的力學傳感器IOA的結構的立體圖。
圖7是與專利文獻I所示的力學傳感器相同的結構的以往的力學傳感器IOP的立體圖。
具體實施例方式參照附圖，對本發明的第一實施方式涉及的力學傳感器進行說明。圖I是用於說明本實施方式涉及的力學傳感器10的結構的立體圖。圖2是本實施方式涉及的力學傳感器10的俯視圖及各側面剖面圖。圖2(A)是力學傳感器10的俯視圖。圖2(B)是觀察力學傳感器10的圖2(A)中的A1-A2剖面而得到的側面剖面圖，圖2(C)是觀察力學傳感器10的圖2(A)中的B1-B2剖面而得到的側面剖面圖，圖2(D)是觀察力學傳感器10的圖2⑷中的C1-C2剖面而得到的側面剖面圖。圖2(E)是觀察力學傳感器10的圖2(A)中的D1-D2剖面而得到的側面剖面圖，圖2(F)是觀察力學傳感器10的圖2(A)中的E1-E2剖面而得到的側面剖面圖，圖2(G)是觀察力學傳感器10的圖2(A)中的F1-F2剖面而得到的側面剖面 圖。圖3是表示本實施方式涉及的力學傳感器10的各壓電電阻元件21A、21B、21C、21D的配置圖案及配線圖案22的圖。力學傳感器10具備俯視下的形狀、圖I時沿著z軸方向觀察到的形狀為「H」型的重物11。重物11通過對SOI (Silicon On Insulator)基板進行圖案蝕刻處理等後述的各成形處理而形成。重物11通過該處理而一體形成有大致長方體形狀的第一部分重物IlA及第二部分重物IlB和由相同的大致長方體形狀構成的橋接部11C。具體而言，重物11由以下所示的結構構成。第一部分重物IlA和第二部分重物IlB為相同的形狀，俯視下的短邊分別沿著第一軸(圖I時為X軸)方向隔開規定間隔排列。此時，第一部分重物IlA和第二部分重物IlB以俯視下的長邊分別沿著與第一軸正交的第二軸(圖I時為y軸)的方式配置。橋接部(渡部)IlC配設在第一部分重物IlA和第二部分重物IlB中的第二軸方向的大致中央的位置，與第一部分重物IlA和第二部分重物IlB這兩方連接。橋接部IlC由與第一部分重物IIA及第二部分重物IIB相同的厚度(圖I中的z軸方向的長度)構成。另外，根據重物11整體的重量、第一部分重物11A、第二部分重物IlB的各自的重量以及後述的梁13A、13B、13C、13D的寬度和橋接部IlC相對於上述梁的間隔，來適當設定橋接部IlC的寬度。支撐體12A、12B與包圍重物11的框體壁14 一體形成，由從框體壁14的內壁面側向內側突出的稜柱形狀構成。支撐體12A、12B配置在重物11的X軸方向上的第一部分重物IlA與第二部分重物IlB之間。並且，支撐體12A、12B以在y軸方向上夾著重物11的橋接部IlC的方式配置。此時，支撐體12A、12B以與重物11不接觸的方式與重物11隔開規定的間隔配置。並且，支撐體12A、12B的高度(z軸方向的長度)比重物11的厚度設定得大。由此，形成圖示那樣的重物11與支撐體12A、12B及框體壁14之間的空間15。在支撐體12及框體壁14上以與重物11不抵接的方式接合有蓋構件16。梁13A、13B、13C、13D以將第一部分重物IlA及第二部分重物IlB與支撐體12A、12B連接的形狀形成。更具體而言，梁13A將第一部分重物IlA的y軸方向的一端附近和支撐體12A連接。梁13C將第一部分重物IlA的y軸方向的另一端附近和支撐體12B連接。梁13B將第二部分重物IlB的y軸方向的一端附近和支撐體12A連接。梁13D將第二部分重物IlB的y軸方向的另一端附近和支撐體12B連接。梁13A、13B、13C、13D由長度(沿著x軸的長度)、寬度(沿著y軸的長度)及厚度(沿著z軸的長度)全部大致相同的形狀構成。另外，梁13A、13B、13C、13D的配置位置被配置成，相對於通過俯視(xy平面觀察下)的狀態下的橋接部IlC的中心點、即重物11的中心點的X軸及I軸分別形成對稱的關係。通過這樣的形狀，重物11相對於支撐體12A、12B由梁13A、13B、13C、13D支撐為能夠擺動。此時,重物11以上述的中心點成為重心且在從該重心與Z軸平行的方向上作用有重力的方式配置。如圖3所示，在這樣的形狀的結構體上形成有多個壓電電阻元件21A、21B、21C、21D及配線電極圖案22。多個壓電電阻元件21A、21B、21C、21D以通過配線電極圖案22形成圖3所示那樣的惠斯登電橋(* 4 一卜7卜> 71 V y' )電路的方式連接。該惠斯登電橋電路的外部連接端子經由支撐體12A、12B而形成在框體壁14的規定位置(未圖示)。
更具體而言，壓電電阻元件21A配設在梁13A的與支撐體12A連接的連接端附近。壓電電阻元件21A以沿著y軸延伸的方式，即以沿著梁13A與支撐體12A的連接邊的方式以大致該連接邊的長度形成。壓電電阻元件21B配設在梁13B的與支撐體12A連接的連接端附近。壓電電阻元件21B也以沿著y軸延伸的方式，即以沿著梁13B與支撐體12A的連接邊的方式大致以該連接邊的長度形成。另外，壓電電阻元件21C配設在梁13C的與支撐體12B連接的連接端附近。壓電電阻元件21C也以沿著y軸延伸的方式、即以沿著梁13C與支撐體12B的連接邊的方式大致以該連接邊的長度形成。另外，壓電電阻元件21D配設在梁13D的與支撐體12B連接的連接端附近。壓電電阻元件21D也以沿著y軸延伸的方式，即以沿著梁13D與支撐體12B的連接邊的方式大致以該連接邊的長度形成。通過形成為以上那樣的結構，本實施方式的力學傳感器10能夠如以下所示那樣檢測來自外部的力。圖4是表示本實施方式涉及的力學傳感器10的檢測概念的圖，圖4(A)表示施加有X軸平動(並進)的力時的應力產生的狀態，圖4(B)是表示各施加有力的方向上的固有振動數的圖。另外，圖4(B)的結果是將重物11的外形形狀設定成寬度(y軸方向長度)為290 μ m、長度(X軸方向長度)為400 μ m、厚度(z軸方向長度)為300 μ m，將梁的厚度設定為5 μ m，且將共振頻率(最低的固有振動數)設定為30kHz時的結果。首先，在未從外部施加力的情況下，在各梁13A、13B、13C、13D上幾乎不施加應力，即使施加有應力，各個壓電電阻元件21A、21B、21C、21D的配置位置處的應力的大小及模式(K )也相同，因此各壓電電阻元件21A、21B、21C、21D的電阻值大致相同。由此，惠斯登電橋電路的平衡狀態被保持，從而不會出現檢測電壓。接著，當在X軸上施加有平動的力時，重物11以y軸為基準軸進行擺動。其若是極小的擺動，則能夠近似為X軸方向的平行移動。這樣，當重物11向X軸的正方向擺動(微小移動)時，如圖4(A)所示，在梁13A的向支撐體12A連接的連接端區域31A、梁13B的向第二部分重物IlB連接的連接端區域32B、梁13C的向支撐體12B連接的連接端區域31C、梁13D的向第二部分重物IlB連接的連接端區域32D產生壓縮引起的應力。另一方面，在梁13A的向第一部分重物IIA連接的連接端區域32A、梁13B的向支撐體12A連接的連接端區域31B、梁13C的向第一部分重物IlA連接的連接端區域32C、梁13D的向支撐體12B連接的連接端區域31D產生伸張引起的應力。在此，壓電電阻元件21A、21B、21C、21D分別形成於連接端區域31A、31B、31C、31D，
上述的元件根據施加的應力而電阻值發生變化。並且，當重物11擺動而產生應力時，因上述的元件的電阻值變化而打破惠斯登電橋電路的平衡狀態，從而輸出與應力對應的檢測電壓。另外，在因擺動而重物11向X軸的負方向擺動(微小移動)的情況下，輸出與該檢測電壓符號相反的檢測電壓。通過這樣的現象能夠檢測出施加在X軸方向上的力。此時，在上述那樣的結構的情況下，如圖4(B)所示，X軸平動的力所產生的固有振動數大幅小於其他方向的力所產生固有振動數。具體而言，即使為X軸平動的力的固有振動數的次低(次1二低0 )的、X軸旋轉的固有振動數，也為X軸平動的力的固有振動數的2 倍左右的振動數。通過形成為這樣的固有振動數的關係，實質上僅能夠檢測出X軸平動的力。因此，通過上述的結構，能夠實現單軸型的力學傳感器。此時，還如圖4(A)所示，應力的產生區域不是以往那樣的梁與重物及支撐體連接的四處的角部附近的極小區域，而成為梁13A、13B、13C、13D中的與重物11及支撐體12A、12B連接的連接端附近的區域，即成為沿著梁13A、13B、13C、13D中的與重物11及支撐體12AU2B連接的連接邊的、較寬的區域。因此，即使在壓電電阻元件21A、21B、21C、21D的形成中存在離散(- 』 」 ^ )，也不容易受到應力的影響。由此，能夠比以往更可靠地檢測出應力以及施加在重物11上的力。另外，雖然未圖示，但在實驗性地對本實施方式的力學傳感器10和以往的力學傳感器IOP以相同的條件沿X軸方向施加力的情況下，本實施方式的力學傳感器10這一方產生3倍左右的大的應力。從這樣的結果也可知，本實施方式的力學傳感器10能夠比以往的力學傳感器IOP更可靠地檢測出應力。如以上所示，通過使用本實施方式的結構，能夠實現可更可靠地檢測出所涉及的力的力學傳感器。此時，如以下所示，製造工序與以往的力學傳感器的製造工序相比幾乎不需要改變，且即使不使用複雜的製造方法，也能夠實現檢測能力更強的力學傳感器。圖5是用於說明本實施方式涉及的力學傳感器10的製造方法的圖。在該圖中，使用上述的圖2(C)所示的側剖面表示各製造工序的形狀變化。另外，以下，以支撐體12來代表支撐體12A、12B,以梁13梁來代表13A、13B、13C、13D，且代表壓電電阻元件21A、21B、21C、21D而稱為壓電電阻元件21來進行說明。首先，如圖5(A)所示，準備SOI基板100。SOI基板100包括N型層的矽基板101、支撐矽基板102、夾在它們之間的例如由SiO2或SiN形成的絕緣層103。並且，在本實施方式中，在矽基板101的表面形成有絕緣層104。在此，優選將矽基板101及絕緣層103、104重疊後的厚度與梁13的厚度大致一致。向這樣的SOI基板100的矽基板101的表面(絕緣層104)側的、之後成為梁13的支撐體12側端部的位置離子注入P型摻雜劑，來形成成為壓電電阻元件21的壓電電阻(P+層)。並且，在矽基板101的大致相同的深度位置以規定圖案形成成為配線電極圖案22的低電阻配線區域(P++層)。接著，如圖5⑶所示，從SOI基板100的背面側對支撐矽基板102中的之後成為空間15的區域進行使用氟系氣體(CF4、C4F8、SF6等)或氯系氣體(Cl2)等蝕刻氣體的乾式蝕刻。由於進行這樣的乾式蝕刻，因而絕緣層103成為阻擋層，從而該絕緣體層103、矽基板101及絕緣層104未被蝕刻。通過該工序，以支撐矽基板102為部分材料的重物11及支撐體12、框體壁14以外的部位、即與梁13和空間15對應的部位成為從背面側凹陷的形狀。接著，如圖5(C)所示，在形成有凹部的SOI基板100的背面側接合蓋構件16。此時，蓋構件16由與支撐體12或框體壁14抵接但不與凹部中央的重物11抵接的形狀構成。另外，優選蓋構件16為與支撐娃基板102相同的材質。接著，如圖5(D)所示，在絕緣層104的表面、即SOI基板100的表面上形成用於構成上述的惠斯登電橋電路的配線電極圖案22。該配線電極圖案22雖然未圖示，但以與矽基板101的低電阻配線區域連接的方式形成。接著，如圖5(E)所示，從SOI基板100的表面側以保留重物11、支撐體12、梁13、 框體壁14的方式對絕緣層104、矽基板101、絕緣層103進行乾式蝕刻而將它們除去。通過該工序，重物11實現在框體壁14內的空間15中由梁13及支撐體12支撐為能夠擺動的結構。另外，之後，還可以在表面側配設上蓋。另外，上述的形狀是表示用於檢測X軸平動的力的結構的形狀，如圖6所示，也可以使第一部分重物Iiw和第二部分重物IlL的形狀或重量不同。圖6是表示本實施方式的由其他結構構成的力學傳感器IOA的結構的立體圖。如圖6所示，在由支撐體12A、12B及梁13A、13B、13C、13D支撐的第一部分重物IIW和第二部分重物IlL的重量不同的情況下，重物11』的重心從梁13A、13B、13C、13D的配置位置的中心偏離。這樣，當中心位置與重心偏離時,檢測方向發生偏移。例如,若第一部分重物IlW和第二部分重物IlL為圖6那樣的關係，則從X軸方向向z軸方向以規定角度旋轉偏移後的方向成為檢測方向。因此，通過使上述第一部分重物IlW和第二部分重物IlL的形狀變化，能夠容易使檢測方向變化。即，即使外形形狀及安裝狀態相同，也能夠實現不同的檢測方向的力學傳感器。符號說明10U0A-力學傳感器11、11』_ 重物I IAUlW-第一部分重物I IBUlL-第二部分重物IlC-橋接部12A、12B-支撐體13A、13B、13C、13D_梁14-框體壁15-空間16-蓋構件21A、21B、21C、21D_ 壓電電阻元件22-配線電極圖案31A、31B、31C、31D、32A、32B、32C、32D-連接端區域
權利要求
1.一種力學傳感器，其通過使用梁，將重物相對於支撐體支撐為能夠擺動，並通過設置在所述梁上的多個壓電電阻元件來檢測因該擺動而在所述梁上產生的應力，從而對基於所涉及的力而產生的規定的物理量進行檢測，所述力學傳感器的特徵在於， 所述重物包括沿著第一軸方向排列，且分別由大致長方體形狀構成的第一部分重物及第二部分重物；以及在與所述第一軸方向正交的第二軸方向上配設在所述第一部分重物及所述第二部分重物的大致中央，且將所述第一部分重物和所述第二部分重物連接的橋接部， 所述支撐體沿著所述第二軸方向將所述重物的所述橋接部夾在中間，且從所述重物離開而配設， 所述梁由在沿著所述第二軸方向的所述橋接部的兩側的位置處沿著所述第一軸方向將所述第一部分重物部和所述支撐體連接且將所述第二部分重物部和所述支撐體連接的形狀構成。
2.根據權利要求I所述的力學傳感器，其特徵在於， 所述多個壓電電阻元件分別配設在所述梁中的所述支撐體側的連接端附近。
3.根據權利要求I或2所述的力學傳感器，其特徵在於， 所述第一部分重物和所述第二部分重物為相同的重量。
4.根據權利要求I或2所述的力學傳感器，其特徵在於， 所述第一部分重物和所述第二部分重物為不同的重量。
全文摘要
本發明公開一種能夠更可靠地檢測所涉及的力產生的物理量的力學傳感器。力學傳感器(10)具備俯視下為H型的重物(11)。重物(11)一體形成有長方體形狀且在短邊方向上以規定間隔排列的第一部分重物(11A)、第二部分重物(11B)、以及將它們連接且沿著上述排列方向延伸的橋接部(11C)。橋接部(11C)在第一、第二部分重物(11A、11B)的長邊方向的中央位置將它們連接。在第一、第二部分重物(11A、11B)之間的未形成橋接部(11C)的區域配置支撐體(12A、12B)。第一部分重物(11A)通過梁(13A)與支撐體(12A)連接，並通過梁(13C)與支撐體(12B)連接。第二部分重物(11B)通過梁(13B)與支撐體(12A)連接，並通過梁(13D)與支撐體(12B)連接。
文檔編號H01L29/84GK102918401SQ20118002627
公開日2013年2月6日 申請日期2011年6月8日 優先權日2010年6月15日
發明者吉田和廣, 浜村宏 申請人:株式會社村田製作所