JP2008170383A - 一軸半導体加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】共振による梁の損傷の低減及び全体の小型化を可能にする一軸半導体加速度センサを提供する。
【解決手段】半導体材料からなる枠部と、前記半導体材料からなり、前記枠部内に配置され、第１の方向の加速度を受けて前記枠部に対して変位する変位部と、前記半導体材料からなり、前記枠部と前記変位部とをそれぞれ接続し、かつ前記第１の方向に並んで配置される複数の接続部であって、前記第１の方向での幅より前記第１の方向に垂直な第２の方向での厚さが大きい断面形状を有する複数の接続部と、前記複数の接続部に配置される複数の歪検出素子と、を具備し、前記変位部が、前記第１、第２の方向と直交する第３の方向に配置される一端及び他端を有し、この一端に第１の凸部とこの第１の凸部に並んで配置される第１の凹部とを有し、前記枠部が、前記第１の凸部に対応する第２の凹部と、前記第１の凹部に対応する第２の凸部とを有することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、加速度を検出する半導体加速度センサ、特に、一軸の加速度成分を検出する一軸半導体加速度センサに関する。

加速度センサは、構造物の衝撃強度の測定、あるいは構造物に生じた振動における加速度波形の解析を行うとき等、広範囲にわたって使用されている。このようにして使用されている従来の加速度センサとしては、例えば、金属からなる一軸加速度センサの技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平７−１６７８８６号公報

しかしながら、金属は微細な加工が困難であり、小型化に限界があるため、金属を用いた前記技術では一軸加速度センサの小型化が困難である。そこで、本発明者は、このような問題点を解消するために、半導体を使用しマイクロマシニング技術を用いることにより小型化を図った一軸半導体加速度センサを見出した。
ここで、一軸半導体加速度センサの梁（接続部）と錘（変位部）は共振周波数をもち、衝撃等により外部からその周波数の加振力が加わると共振して錘に大きな変位が発生し、極端な場合には梁が損傷する可能性があることが判った。
上記に鑑み、本発明は、共振による梁の損傷の低減、及び全体の小型化の両立を可能にする一軸半導体加速度センサを提供することを目的とする。

本発明に係る一軸半導体加速度センサは、半導体材料からなる枠部と、前記半導体材料からなり、前記枠部内に配置され、第１の方向の加速度を受けて前記枠部に対して変位する変位部と、前記半導体材料からなり、前記枠部と前記変位部とをそれぞれ接続し、かつ前記第１の方向に並んで配置される複数の接続部であって、前記第１の方向での幅より前記第１の方向に垂直な第２の方向での厚さが大きい断面形状を有する複数の接続部と、前記複数の接続部に配置される複数の歪検出素子と、を具備し、前記変位部が、前記第１、第２の方向と直交する第３の方向に配置される一端及び他端を有し、この一端に第１の凸部とこの第１の凸部に並んで配置される第１の凹部とを有し、前記枠部が、前記第１の凸部に対応する第２の凹部と、前記第１の凹部に対応する第２の凸部とを有することを特徴とする。

上記構成によれば、半導体を使用して、マイクロマシニング技術を用いるので、一軸半導体加速度センサの小型化を図ることができる。
また、変位部の第３の方向の一端に、第１の凸部とこの第１の凸部に並んで配置される第１の凹部を形成し、枠部に、変位部の第１の凸部に対応する第２の凹部と、変位部の第１の凹部に対応する第２の凸部を形成して、変位部の運動にエアダンピングをかけて極端な共振を防止しているので、梁（接続部）の損傷を低減することができる。

ここで、接続部は、前記第１の方向での幅より前記第１の方向に垂直な第２の方向での厚さが大きい断面形状を有している。そのため、前記第１の方向の一方向の成分の加速度を受けた場合に接続部は撓むようになっている。
また、接続部が前記第１の方向に並んで複数設けられているので、前記第１の方向（つまり受感軸）に直交する方向の加速度に対しては、接続部の変位は小さい。したがって、受感軸は一つであり、受感軸方向に直交する加速度に対しては接続部の変位は小さい。したがって、本発明に係る半導体加速度センサは実質的に一軸方向のみの加速度を検出できる。

本発明によれば、共振による梁の損傷の低減、及び全体の小型化の両立を可能にする一軸半導体加速度センサを提供できる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係る一軸半導体加速度センサ１を表す斜視図である。一軸半導体加速度センサ１は、加速度検出部２と加速度検出部２を狭持するように配設された上蓋部３及び下蓋部４とで構成されている。図２は、加速度検出部２を表す斜視図である。また、図３は図１の一軸半導体加速度センサ１を表す上面図である。図４は、一軸半導体加速度センサ１を図３のＡ−Ａに沿って切断した状態を表す一部断面図である。図５は、一軸半導体加速度センサ１を図３のＢ−Ｂに沿って切断した状態を表す一部断面図である。

加速度検出部２の外形は、例えば、Ｘ方向２５００μｍ、Ｙ方向２０００μｍ、Ｚ方向３００μｍの辺の直方体形状である。加速度検出部２の構成材料には、半導体、例えば、多結晶又は単結晶のシリコンを用いることができ、本実施の形態では、加速度検出部２の上面の面方位が（１００）である単結晶シリコンを使用した。
上蓋部３の外形は、例えば、Ｘ方向２５００μｍ、Ｙ方向１７５０μｍ、Ｚ方向３００μｍの辺の直方体形状である。下蓋部４の外形は、例えば、Ｘ方向２５００μｍ、Ｙ方向２０００μｍ、Ｚ方向３００μｍの辺の直方体形状である。上蓋部３及び下蓋部４の構成材料には、例えば、ガラス板を用いることができ、本実施の形態ではパイレックス(登録商標)を使用した。

上蓋部３及び下蓋部４と、加速度検出部２それぞれの構成材料がガラス及びＳｉの場合、上蓋部３と加速度検出部２との接合、及び下蓋部４と加速度検出部２との接合には、陽極接合（静電接合ともいう）を用いることができる。
上蓋部３は、加速度検出部２及び下蓋部４よりもＹ方向の長さが例えば２５０μｍ短く、加速度検出部２と上蓋部３によって、一軸半導体加速度センサ１の前面には段差Wが形成されている。
また、Ｘ方向の加速度を受けて加速度検出部２の変位部６（後述する）が変位できるように、一軸半導体加速度センサ１内の加速度検出部２と上蓋部３との間、及び加速度検出部２と下蓋部４との間には、空間１０が設けられている。
本実施の形態では、空間１０の加速度検出部２と上蓋部３、及び加速度検出部２と下蓋部４との間隔を狭くして(例えばそれぞれ３μｍ)、変位部６の運動にスライドフィルムダンピング（後述する）をかけることにより変位部６の共振時の振幅を小さくし、共振による接続部８、９の損傷の低減を図っている。

加速度検出部２は、変位部６と、枠部７と、第一の接続部８と、第二の接続部９と、第一の接続部８及び第二の接続部９上に配置された複数のピエゾ抵抗素子Ｒ（Ｒ１〜Ｒ４）とで構成されている。加速度検出部２は、半導体基板を異方性ドライエッチングしてトレンチ溝５ａ、５ｂ（細長い溝）を形成することにより作成できる。

トレンチ溝５ａは、基板のＹ軸正方向寄りの領域において、繰り返し折り返された形状でＸ方向に向かってに延び、かつ両端の折り返し部分がそれぞれ接続部８、９における基板の外縁寄りの側面と接するようにＹ軸負方向に長く延びている。
トレンチ溝５ｂは、基板のＹ軸負方向寄りの領域において、繰り返し折り返された形状でＸ方向に向かってに延び、かつ両端の折り返し部分がそれぞれ接続部８、９によって挟まれるように接している。
トレンチ溝５ａ、５ｂは、基板の表面と裏面を貫通しており、変位部６と枠部７とは、トレンチ溝５ａ、５ｂによって分離され相対的に移動可能である。
トレンチ溝５ａ、５ｂのギャップ（間隙）の幅を、例えば３μｍにすることにより、変位部６の運動に後述するスクイーズドフィルムダンピングをかけて変位部６の共振時の振幅を小さくし、共振による接続部８、９の損傷の低減を図ることができる。

変位部６は、Ｘ方向の加速度を受けて枠部７に対して変位するものである。変位部６は、枠部７と離間して枠部７の開口に設けられ、基体部６ａと、櫛歯部６ｂ、６ｃとに区分できる。
基体部６ａは、第一の接続部８の一端及び第二の接続部９の一端とそれぞれ接続された、平面視で略長方形の基板である。
櫛歯部６ｂは、基体部６ａのＹ正方向の端部から、Ｙ正方向へ櫛歯が延びる櫛歯形状の部分である。
櫛歯部６ｃは、基体部６ａのＹ負方向の端部から、Ｙ負方向へ櫛歯が延びる櫛歯形状の部分である。

本明細書中において、櫛歯形状とは、櫛歯（すなわち凸部）を有する形状をいう。なお、本実施の形態では、大きなスクイーズドフィルムダンピング効果が得られる等の観点から、櫛歯部６ｂ、６ｃの櫛歯、櫛歯部７ｂ、７ｃの櫛歯、及び櫛歯部６ｂ、６ｃ、７ｂ、７ｃのそれぞれの櫛歯間に配置される凹部の外形を、平面視で矩形形状としているが、これらは矩形形状に限定されない。スクイーズドフィルムダンピング効果を得ることができるため、変位部６が、Ｙ方向の一端又は両端に、凸部とこの凸部に並んで配置される凹部とを有し、枠部７が、変位部６の凸部に対応する凹部と、変位部６の凹部に対応する凸部とを有していればよい。

一軸半導体加速度センサ１の接続部８、９と変位部６は共振周波数をもち、外部からその周波数の加振力が加わると共振して変位部６に大きな変位が発生し、極端な場合には接続部８、９が損傷する可能性がある。そのため、変位部６の櫛歯部６ｂ、６ｃを、エアダンピングによる減衰係数が大きい櫛歯形状として、変位部６の共振時の振幅を小さくし、共振による接続部８、９の損傷の低減を図っている。変位部６が櫛歯形状を有するとエアダンピングによる減衰係数が大きくなるのは、後述するように大きなスクイーズドフィルムダンピング効果が得られるためである。

ここで、ダンピング効果について説明する。本明細書中においては、エアダンピングとは、気体を媒体として変位部６の運動を減衰させることをいう。固定された壁面に間隙を介して板状の振動体が対向配置されている場合に、その振動体と壁面との間隔が狭いほど、空気の粘性による影響が大きいためエアダンピング効果が大きくなる。エアダンピングには、振動体を壁面に略平行方向に振動させた場合に生じるスライドフィルムダンピングと、振動体が壁面を圧するような方向に（例えば、振動体を壁面に対して略垂直方向に）振動させた場合に生じるスクイーズドフィルムダンピングとを挙げることができる。

図６は、変位部６の櫛歯部６ｂの側面６ｂ−１〜６ｂ−３と、変位部６の櫛歯部６ｃの側面６ｃ−１〜６ｃ−３を表した図である。図７は、枠部７の櫛歯部７ｂの側面７ｂ−１〜７ｂ−３と、枠部７の櫛歯部７ｃの側面７ｃ−１〜７ｃ−３を表した図である。なお、図６、図７では、位置関係を明確にするため、接続部８、９も図示している。枠部７の櫛歯部７ｂ、７ｃについては後述する。

Ｘ方向の加速度を受けて変位部６は実質的にＸ方向にのみ変位するため、櫛歯部６ｂのＸ軸に平行な側面６ｂ−１、６ｂ−２は、その側面に対向する櫛歯部７ｂの側面７ｂ−１、７ｂ−２に対してそれぞれ略平行方向に振動する。また、櫛歯部６ｃのＸ軸に平行な側面６ｃ−１、６ｃ−２は、その側面に対向する櫛歯部７ｃの側面７ｃ−１、７ｃ−２に対してそれぞれ略平行方向に振動する。そのため、櫛歯部６ｂ、６ｃの側面６ｂ−１、６ｂ−２、６ｃ−１、６ｃ−２と、その側面に対向する櫛歯部７ｂ、７ｃの側面７ｂ−１、７ｂ−２、７ｃ−１、７ｃ−２との間では、それぞれスライドフィルムダンピング効果が得られる。

Ｘ方向の加速度を受けて変位部６は実質的にＸ方向にのみ変位するため、櫛歯部６ｂのＹ軸に平行な側面６ｂ−３は、その側面に対向する櫛歯部７ｂの側面７ｂ−３に対して略垂直方向に振動する。また、櫛歯部６ｃのＹ軸に平行な側面６ｃ−３は、その側面に対向する櫛歯部７ｃの側面７ｃ−３に対して略垂直方向に振動する。そのため、櫛歯部６ｂ、６ｃの側面６ｂ−３、６ｃ−３と、その側面に対向する櫛歯部７ｂ、７ｃの側面７ｂ−３、７ｃ−３との間では、それぞれスクイーズドフィルムダンピング効果が得られる。

側面６ｂ−１、６ｂ−２、６ｃ−１、６ｃ−２の面積の総和よりも側面６ｂ−３、６ｃ−３の面積の総和のほうが大きいため、面積的に見てスライドフィルムダンピングよりスクイーズドフィルムダンピングの寄与が大きい。また、同じ面積で比較した場合でも、スクイーズドフィルムダンピングのほうがスライドフィルムダンピングよりも数桁高いダンピング効果がある。このため、一軸半導体加速度センサ１は、櫛歯部６ｂ、６ｃ、７ｂ、７ｃに櫛歯形状を採用しているため、スクイーズドフィルムダンピングによる大きなエアダンピング効果を得ることができ、エアダンピングの媒体が大気圧下の空気であっても、共振時の変位部６の振幅を小さくし、共振による接続部８、９の損傷の低減を図ることができる。

ここで、エアダンピングの媒体は、本実施の形態で使用した大気圧下の空気に限定されず、例えば、Ｈｅ、Ｎｅ等の希ガスや窒素ガス等の空気よりも粘性係数の大きな媒体を用いれば、さらに大きなダンピング効果を得ることができる。また、圧力を高めたエアダンピングの媒体を用いても、さらに大きなダンピング効果を得ることができる。

一軸半導体加速度センサ１は、エアダンピングの媒体に大気圧下の空気を使用でき、エアダンピングの媒体に大気圧下の空気を使用した場合には他の媒体を使用する場合に比べれば気密の重要性が低いともいえる。そのため、一軸半導体加速度センサ１は、エアダンピングの媒体に大気圧下の空気を使用して簡易に製造でき、耐久性も高い。

変位部６に形成される櫛歯部はＹ方向の一端に形成してもよいが、本実施の形態のようにＹ方向の両端に２つの櫛歯部６ｂ、６ｃを形成することが好ましい。変位部６に２つの櫛歯部６ｂ、６ｃを形成しているのは、スクイーズドフィルムダンピング効果をより増大させ、共振による接続部８、９の損傷をより低減させることができるためである。
また、変位部６に２つの櫛歯部６ｂ、６ｃを形成しているのは、一軸半導体加速度センサ１の小型化と高感度化の両立を図るためである。櫛歯部６ｂのみを形成し櫛歯部６ｃを形成せずに一軸半導体加速度センサ１を小型化（小容量化）すると、変位部６の容量も小さくなり、その質量が小さくなることから、加速度に対する感度も低下するおそれがある。櫛歯部６ｂ、６ｃを２つに分けて分散配置することで、変位部６の質量を確保している。この結果、一軸半導体加速度センサ１の小型化と高感度化の両立が図られる。

また、櫛歯部６ｂ、６ｃの櫛歯の数を増やせば、ダンピング効果を大きくすることができる。櫛歯の長さを同一にして、櫛歯部６ｂ、６ｃの櫛歯の数を増やすと、櫛歯部６ｂの側面６ｂ−１、６ｂ−２、及び櫛歯部６ｃの側面６ｃ−１、６ｃ−２の面積の総和は同一のためスライドフィルムダンピング効果は変化しないが、側面６ｂ−３、６ｃ−３の面積の総和は増加するのでスクイーズドフィルムダンピング効果を増加させることができるからである。

櫛歯部６ｂ、６ｃの歯数は、図２に示す５個に限定されず、また、櫛歯部６ｂ、６ｃの櫛歯の長さや幅も限定されず、これらは一軸半導体加速度センサ１の外形寸法、所望のダンピング比等に基づいて定めることができる。
一軸半導体加速度センサ１では、例えば、櫛歯部６ｂの歯数を６６個、櫛歯の長さを３９０μｍ、櫛歯の幅を１２μｍ、櫛歯の間隔を２２μｍとし、櫛歯部６ｃの歯数を６３個、櫛歯の長さを３９０μｍ、櫛歯の幅を１２μｍ、櫛歯の間隔を２２μｍにすることができる。

枠部７は、枠体部７ａと、櫛歯部７ｂ、７ｃとに区分できる。枠体部７ａは、平面視で外周、内周が共に略長方形の枠形状の基板であり、その上面に上蓋３が、下面に下蓋４がそれぞれ接合されている。
櫛歯部７ｂは、櫛歯部６ｂの櫛歯の隙間に噛み合うように変位部６と対向し、Ｙ負方向へ櫛歯が延びる櫛歯形状の部分である。櫛歯部７ｂと櫛歯部６ｂとの間には、トレンチ溝５ａが形成され互いに離間して配置されている。
櫛歯部７ｃは、櫛歯部６ｃの櫛歯の隙間に噛み合うように変位部６と対向し、Ｙ正方向へ櫛歯が延びる櫛歯形状の部分である。櫛歯部７ｂと櫛歯部６ｂとの間には、トレンチ溝５ｂが形成され互いに離間して配置されている。

本実施の形態では、櫛歯部７ｂ、７ｃの櫛歯が櫛歯部６ｂ、６ｃの櫛歯の隙間にそれぞれ噛み合うように、櫛歯部６ｂ、６ｃの歯数、長さ、幅、櫛歯の間隔に対応して、例えば、櫛歯部７ｂの歯数を６５個、櫛歯の長さを３９０μｍ、櫛歯の幅を１２μｍ、櫛歯の間隔を２２μｍとし、櫛歯部７ｃの歯数を６２個、長さを３９０μｍ、幅を１２μｍ、櫛歯の間隔を２２μｍにすることができる。

第一の接続部８及び第二の接続部９は、変位部６及び枠部７に両端部がそれぞれ一体に結合されて、互いに平行であり長さが等しい。また、第一の接続部８及び第二の接続部９は、Ｘ方向に並んで配置され、Ｙ方向に沿ってそれぞれ設けられ、Ｚ方向の厚さに対してＸ方向の幅が薄い板状のものである。本実施の形態では、第一の接続部８及び第二の接続部９の長手方向は、それぞれ＜１１０＞方向に配置されている。

接続部８、９のＸ方向の幅が、Ｚ方向の厚さに対して薄くなっている。そのため、Ｘ方向の加速度を受けた場合に接続部は撓むようになっている。また、接続部８、９がＸ方向に並んで複数設けられているので、Ｘ方向に直交するＹ、Ｚ方向の加速度に対しては、接続部８、９の変位は小さい。したがって、受感軸はＸ方向であり、受感軸方向に直交するＹ、Ｚ方向の加速度に対しては接続部８、９の変位は小さいため、加速度センサ１は実質的に一軸方向の加速度のみを検出する。

第一の接続部８及び第二の接続部９は撓みが可能な梁として機能する。加速度を受けて、第一の接続部８及び第二の接続部９が撓むことで、変位部６が枠部７に対して変位可能である。具体的には、Ｘ軸方向の加速度成分が印加されると変位部６に力が作用し、変位部６が枠部７に対してＸ正方向、Ｘ負方向に直線的に変位する。すなわち、ここでいう「変位」は、Ｘ軸の正負方向への移動をいう。

変位部６のＸ軸方向への変位を検知することで、Ｘ軸方向の加速度を測定することができる。図８は、図２の点線の楕円で囲まれた領域の拡大図であって、第一の接続部８に形成したピエゾ抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の近傍の上面図である。図９は、図２の点線の楕円で囲まれた領域の拡大図であって、第二の接続部９に形成したピエゾ抵抗素子Ｒ３、Ｒ４の近傍の上面図である。図８、図９に示すように、接続部８、９の各両端部付近であって、接続部８、９の上面である（１００）面の外縁に、ピエゾ抵抗素子の長手方向が＜１１０＞方向に配置されるように、ピエゾ抵抗素子Ｒ（Ｒ１〜Ｒ４）をそれぞれ形成している。
ピエゾ抵抗素子Ｒの長手方向を配線１１の電流方向に沿わせて配置している。ピエゾ抵抗素子Ｒは、歪検出素子として機能する。ピエゾ抵抗素子Ｒは抵抗の変化として接続部８、９の撓み（あるいは、歪）、ひいては変位部６の変位を検出するためのものである。なお、この詳細は後述する。

本実施の形態では、加速度検出部２には、主面の面方位が（１００）である単結晶シリコンが使用されている。第一の接続部８及び第二の接続部９の長手方向をそれぞれ＜１１０＞方向に配置し、ピエゾ抵抗素子Ｒの長手方向も、前記接続部８、９の上面の＜１１０＞方向に向かって配置している。上記構成によれば、シリコン単結晶の異方性を利用することによって、小型であって、比較的高感度で、なおかつ高精度の一軸半導体加速度センサ１を得ることができる。なお、この詳細は後述する。

（第２の実施形態）
本実施形態の一軸半導体加速度センサは、以下の点において第１の実施形態と相違する。第一に、加速度検出部２が、主面の面方位が（１１０）である単結晶シリコン基板から構成されている。第二に、第一の接続部８及び第二の接続部９の長手方向がそれぞれ＜１１１＞方向に配置されている。第三に、接続部８、９の上面である（１１０）面の外縁に、＜１１１＞方向に向かってピエゾ抵抗素子Ｒの長手方向が配置されている。
本実施形態は、その他の点では、第１の実施形態の構成と特に異なるところが無いので説明を省略する。上記構成によれば、第１の実施形態の一軸半導体加速度センサ１と同様に、共振による梁の損傷の低減、及び全体の小型化の両立を図ることができる。また、シリコン単結晶の異方性を利用することによって、小型であって、高感度の一軸半導体加速度センサを得ることができる。なお、一軸半導体加速度センサの高感度化の詳細は後述する。

（一軸半導体加速度センサの動作）
本発明に係る一軸半導体加速度センサによる加速度の検出の原理を説明する。図８、図９に示すように、第一の接続部８及び第二の接続部９の各両端部付近であって、接続部８、９の上面の外縁に合計4個のピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４が配置されている。これらのピエゾ抵抗素子Ｒは、単結晶シリコン基板の第一の接続部８及び第二の接続部９の上面に形成されたＰ型もしくはＮ型の不純物ドープ領域によって構成できる。

ピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４はそれぞれ、変位部６のＸ軸方向成分の変位を検出するＸ軸方向成分変位検出部（歪検出素子）として機能する。

ピエゾ抵抗素子Ｒの伸び縮みの量から、Ｘ方向の加速度を検出することができる。ピエゾ抵抗素子Ｒの伸び、縮みは、ピエゾ抵抗素子Ｒの抵抗の変化として検出できる。

各ピエゾ抵抗素子ＲがシリコンへのＰ型不純物ドープによって構成されているとする。この場合には、ピエゾ抵抗素子Ｒの長手での抵抗値は伸び方向の応力が作用したときには増加し、縮み方向の応力が作用した場合には減少する。なお、ピエゾ抵抗素子ＲをシリコンへのＮ型不純物ドープによって構成した場合は抵抗値の変化が逆になる。

図１０は、ピエゾ抵抗素子Ｒの抵抗からＸ軸の方向の加速度を検出するための検出回路の構成例を示す回路図である。この検出回路では、Ｘ軸方向の加速度成分を検出するために、４個のピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４からなるブリッジ回路を構成し、そのブリッジ電圧を検出している。

これらのブリッジ回路では入力電圧Ｖｉｎに対する出力電圧Ｖｏｕｔの関係は以下の式で表される。
Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ＝
［Ｒ３／（Ｒ１＋Ｒ３）−Ｒ４／（Ｒ２＋Ｒ４）］ ……式（１）

ピエゾ抵抗素子Ｒの伸び縮の量と抵抗値Ｒの変化とが比例することから、入力電圧に対する出力電圧の比（Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ）は加速度と比例し、Ｘ軸の加速度を測定することが可能となる。

（シリコン単結晶の異方性を利用した一軸加速度センサの高性能化）
シリコン単結晶の異方性を利用して、本発明に係る一軸半導体加速度センサを高感度、かつ／または、高精度化する理論的説明をする。

まず、シリコン単結晶の異方性が電気的特性に与える影響について説明し、検出感度を向上させるための理論的説明をする。

図１１は、ピエゾ抵抗素子Ｒに作用するピエゾ抵抗素子Ｒの長手方向の応力σ_ｌと長手方向と直交する方向の応力σ_ｔを表す図である。図１１に示すように、電流が流れる方向にピエゾ抵抗素子Ｒの長手方向を配置している。図１１に示すようにピエゾ抵抗素子Ｒの長手方向の応力σ_ｌと長手方向と直交する方向の応力σ_ｔとが作用すると、ピエゾ抵抗素子の抵抗変化率ΔＲ／Ｒは近似的に次式のように表される。
ΔＲ／Ｒ＝π_ｌσ_ｌ＋π_ｔσ_ｔ ……式（２）

ここで、Ｒは加速度による力が印加される前のピエゾ抵抗素子の抵抗、ΔＲは加速度による力が印加された後のピエゾ抵抗素子の抵抗（Ｒ+ΔＲ）と加速度による力が印加される前のピエゾ抵抗素子の抵抗Ｒとの差である。π_ｌ、π_ｔは応力σ_ｌ、σ_ｔにそれぞれ対するピエゾ抵抗係数である。

ピエゾ抵抗素子にｐ型シリコンを用いた場合を例に、ピエゾ抵抗係数π_ｌ、π_ｔの結晶方向における特性について説明する。ｐ型シリコンからなるピエゾ抵抗素子を用いたほうが、ｎ型と比較してせん断応力に関係するピエゾ抵抗係数が大きいため、本発明に係る一軸半導体加速度センサを高感度化できる。
図１２にｐ型シリコンの（１００）面におけるピエゾ抵抗係数π_ｌ、π_ｔを示す。図１３にｐ型シリコンの（１１０）面におけるピエゾ抵抗係数π_ｌ、π_ｔを示す。原点からの長さがピエゾ抵抗係数の大きさを表し、原点からの方向がそれぞれの基板面におけるピエゾ抵抗素子の長手方向の配置方向を示す。図１２と図１３は同一のスケールで示されている。

図１２及び図１３が示すように、いずれの結晶面の単結晶シリコン基板でもπ_ｌはπ_ｔよりも値が大きい。そのため、σ_ｌの値を大きくすれば、式（２）のΔＲ／Ｒの値を大きくすることができ、その結果、ホイーンストンブリッジからの出力電圧も大きくなり、検出感度を向上させることができる。
σ_ｌの値を大きくするには、ピエゾ抵抗素子Ｒの長手方向とピエゾ抵抗素子Ｒの伸び縮み方向を一致させればよい。そのため、本発明の実施の形態では、図８、９に示すように、ピエゾ抵抗素子Ｒの長手方向(電流方向)とピエゾ抵抗素子Ｒの伸び縮み方向を一致させるべく、ピエゾ抵抗素子Ｒを第一の接続部８及び第二の接続部９の上面の外縁に配置し、検出感度を向上させている。

図１３に示すように、（１１０）面の、＜１１１＞方向が最大のピエゾ抵抗係数π_ｌをとることから、最も検出感度を向上させることができる。また、図１２に示すように、（１００）面では、＜１１０＞方向が比較的大きなピエゾ抵抗係数π_ｌをとることから、検出感度を向上させることができる。

次に、シリコン単結晶の異方性が機械的特性に与える影響について説明し、検出精度を向上させるための理論的説明をする。

十分小さい変形に対して歪は応力に比例する(フックの法則)。応力成分は歪成分の１次関数となり、シリコン単結晶は立方晶であるため、次のように表すことができる。

ここで、σ_ｘｘ、σ_ｙｙ、σ_ｚｚは垂直応力であり、σ_ｘｙ、σ_ｘｚ、σ_ｙｚはせん断応力である。図１４は、立方晶の単位面積に作用する応力成分を表す図である。図１４に示すように、サフィックスの最初の字（σ_ｘｙのｘ）は力の方向、２番目の字（σ_ｘｙのｙ）は力が加えられている面の法線方向を示す。ε_ｘｘ、ε_ｙｙ、ε_ｚｚは、それぞれｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向の歪成分を表し、γ_ｘｙ、γ_ｘｚ、γ_ｙｚは、せん断歪を表す。図１４に示す単位立方体に角加速度がなく、また、全体としての回転力がないという条件では、γ_ｘｙ＝γ_ｙｘ、γ_ｘｚ＝γ_ｚｘ、γ_ｙｚ＝γ_ｚｙである。Ｄ₁₁₁₁、Ｄ₁₁₂₂……は、弾性スティフネス定数である。

主面の面方位が（１００）の単結晶シリコン基板のｘ、ｙ、ｚ軸を、それぞれ＜１００＞、＜０１０＞、＜００１＞方向にとると、フックの法則は以下のような一般的な形になる。

式（４）のマトリックスからわかるように、垂直応力σ_ｘｘ、σ_ｙｙ、σ_ｚｚの値は、せん断歪γ_ｘｙ、γ_ｘｚ、γ_ｙｚの影響を全く受けていない。したがって、垂直応力を受けた場合に、一軸半導体加速度センサは、せん断歪によって捩れを生じない。捩れを生じないことから、Y軸方向やZ軸方向の加速度を受けた場合に、ピエゾ抵抗素子Ｒ１とＲ３の伸び縮みの量が同じであり、ピエゾ抵抗素子Ｒ２とＲ４の伸び縮みの量も同じである。そのため、式（１）から、Y軸方向やZ軸方向の加速度を受けても、出力はキャンセルされて、理論的にゼロにすることができる。
ここで、一般に加速度センサは受感軸に直交する方向の加速度に対してもわずかながら感度を持ち、これは、横感度と呼ばれ、測定誤差の一因となっていた。このため、加速度センサの横感度を極限まで下げることが必要である。

このように、主面の面方位が（１００）の単結晶シリコン基板を用いた場合に、一軸半導体加速度センサの第一の接続部８及び第二の接続部９の長手方向をそれぞれ＜１００＞方向に配置すれば、横感度を理論的にゼロにすることができ、一軸半導体加速度センサの高精度化を図ることができる。

次に、基板の主面の面方位が（１００）である単結晶シリコン基板のｘ、ｙ、ｚ軸を、それぞれ＜１１０＞、＜１１０＞、＜００１＞方向にとった場合を説明する。この場合、フックの法則は、次のように表すことができる。

式（５）のマトリックスからわかるように、垂直応力σ_ｘｘ、σ_ｙｙ、σ_ｚｚの値は、せん断歪γ_ｘｙ、γ_ｘｚ、γ_ｙｚの影響を全く受けていない。したがって、垂直応力を受けた場合に、一軸半導体加速度センサ１は、せん断歪によって捩れを生じない。捩れを生じないことから、Y軸方向やZ軸方向の加速度を受けた場合に、ピエゾ抵抗素子Ｒ１とＲ３の伸び縮みの量が同じであり、ピエゾ抵抗素子Ｒ２とＲ４の伸び縮みの量も同じである。そのため、式（１）から、Y軸方向やZ軸方向の加速度を受けても、出力はキャンセルされて、横感度を理論的にゼロにすることができる。
そのため、主面の面方位が（１００）である単結晶シリコン基板を用いた場合には、一軸半導体加速度センサ１の第一の接続部８及び第二の接続部９の長手方向をそれぞれ＜１１０＞方向に配置すれば、横感度を理論的にゼロにすることができ、一軸半導体加速度センサ１の高精度化を図ることができる。

次に、基板の主面が（１１０）である単結晶シリコン基板のｘ、ｙ、ｚ軸を、それぞれ＜１１１＞、＜１１２＞、＜１１０＞方向にとった場合を説明する。この場合、フックの法則は次のように表すことができる。

Ｄ₂₂₂₃、Ｄ₃₃₂₃……は、ゼロでない弾性スティフネス定数である。式（６）のマトリックスからわかるように、垂直応力σ_ｘｘ、σ_ｙｙ、σ_ｚｚの値は、せん断歪γ_ｘｙ、γ_ｘｚ、γ_ｙｚの影響を受けている。したがって、垂直応力を受けた場合に、一軸半導体加速度センサは、せん断歪によって捩れを生じる。捩れを生じることから、Y軸方向やZ軸方向の加速度を受けた場合に、ピエゾ抵抗素子Ｒ１とＲ３の伸び縮みの量が異なり、ピエゾ抵抗素子Ｒ２とＲ４の伸び縮みの量も異なる。そのため、式（１）から、Y軸方向やZ軸方向の加速度を受けた場合に、出力はキャンセルされず、横感度をゼロにすることは困難である。
そのため、主面の面方位が（１１０）である単結晶シリコン基板を用いた場合に、本発明に係る一軸半導体加速度センサの接続部８、９の長手方向を＜１１１＞方向に配置すると、高感度であるというメリットがあるが、横感度をゼロにすることは困難である。

以上から、主面の面方位が（１１０）である単結晶シリコン基板を使用する場合には、＜１１１＞方向で最大のピエゾ抵抗係数π_ｌをとる。そのため、接続部８、９の長手方向を、＜１１１＞方向にそれぞれ配置し、ピエゾ抵抗素子Rの長手方向を＜１１１＞方向にすれば、最も検出感度を向上させることができるというメリットがある。その一方で、横感度をゼロにすることは困難である。

主面の面方位が（１００）である単結晶シリコン基板を使用する場合について説明する。一軸半導体加速度センサの第一の接続部８及び第二の接続部９の長手方向を、それぞれ＜１００＞又は＜１１０＞方向に配置すれば、横感度を理論的にゼロにすることができる。しかし、＜１００＞方向のピエゾ抵抗係数π_ｌは非常に小さく感度が低いので本発明に係る一軸半導体加速度センサに適用するのは困難である。一方、（１００）面の＜１１０＞方向は比較的大きなピエゾ抵抗係数π_ｌをとる。そのため、接続部８、９の長手方向を、＜１１０＞方向にそれぞれ配置し、ピエゾ抵抗素子Rの長手方向を＜１１０＞方向にすれば、高精度で、比較的高感度の一軸半導体加速度センサ１を得ることができる。

（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張、変更可能であり、拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
例えば、本実施の形態では、ピエゾ抵抗素子にｐ型シリコンを用いた場合について説明したが、本発明はこれに何ら限定されるものではなく、ｎ型のピエゾ抵抗素子を用いても良いことはもちろんである。

本発明の一実施形態に係る一軸半導体加速度センサを表す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る一軸半導体加速度センサの加速度検出部を表す斜視図である。 図１の一軸半導体加速度センサの上面図である。 一軸半導体加速度センサを図３のＡ−Ａに沿って切断した状態を表す一部断面図である。 一軸半導体加速度センサを図３のＢ−Ｂに沿って切断した状態を表す一部断面図である。 変位部の櫛歯部の側面を区分して表した図である。 枠部の櫛歯部の側面を区分して表した図である。 図２の点線の楕円で囲まれた領域の拡大図であって、第一の接続部に形成したピエゾ抵抗素子近傍の上面図である。 図２の点線の楕円で囲まれた領域の拡大図であって、第二の接続部に形成したピエゾ抵抗素子近傍の上面図である。 ピエゾ抵抗素子の抵抗からＸ軸方向の加速度を検出するための検出回路の構成例を示す回路図である。 ピエゾ抵抗素子に作用するピエゾ抵抗素子の長手方向の応力σ_ｌと長手方向と直交する方向の応力σ_ｔを表す図である。 単結晶シリコン基板の主面である（１００）面についてのピエゾ抵抗係数π_ｌ、π_ｔを表す図である。 単結晶シリコン基板の主面である（１１０）面についてのピエゾ抵抗係数π_ｌ、π_ｔを表す図である。 立方晶の単位面積に作用する応力成分を表す図である。

符号の説明

１…一軸半導体加速度センサ、２…加速度検出部、３…上蓋部、４…下蓋部、５ａ，５ｂ…トレンチ溝、６…変位部、６ａ…基体部、６ｂ，６ｃ…櫛歯部、７…枠部、７ａ…枠体部、７ｂ，７ｃ…櫛歯部、８…第一の接続部、９…第二の接続部、１０…空間、１１…配線、Ｒ（Ｒ１〜Ｒ４）…ピエゾ抵抗素子。

Claims (8)

1. 半導体材料からなる枠部と、
   前記半導体材料からなり、前記枠部内に配置され、第１の方向の加速度を受けて前記枠部に対して変位する変位部と、
   前記半導体材料からなり、前記枠部と前記変位部とをそれぞれ接続し、かつ前記第１の方向に並んで配置される複数の接続部であって、前記第１の方向での幅より前記第１の方向に垂直な第２の方向での厚さが大きい断面形状を有する複数の接続部と、
   前記複数の接続部に配置される複数の歪検出素子と、
   を具備し、
   前記変位部が、前記第１、第２の方向と直交する第３の方向に配置される一端及び他端を有し、この一端に第１の凸部とこの第１の凸部に並んで配置される第１の凹部とを有し、
   前記枠部が、前記第１の凸部に対応する第２の凹部と、前記第１の凹部に対応する第２の凸部とを有することを特徴とする一軸半導体加速度センサ。
2. 前記変位部が、前記第３の方向の前記他端に、第３の凸部とこの第３の凸部に並んで配置される第３の凹部とをさらに有し、
   前記枠部が、前記第３の凸部に対応する第４の凹部と、前記第３の凹部に対応する第４の凸部とをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の一軸半導体加速度センサ。
3. 前記変位部の一端及び／又は他端に配置される前記第１、第３の凸部及び第１、第３の凹部の外形が、それぞれ矩形であることを特徴とする請求項１に記載の一軸半導体加速度センサ。
4. 前記第１、第３の凸部の前記矩形の一辺が、前記第３の方向に平行に配置されることを特徴とする請求項３に記載の一軸半導体加速度センサ。
5. 前記枠部と前記変位部と前記複数の接続部が、主面の面方位が（１００）の単結晶シリコン基板から一体的に構成されており、前記複数の接続部が、前記枠部と前記変位部の接続方向の方位が＜１１０＞であることを特徴とする請求項１に記載の一軸半導体加速度センサ。
6. 前記歪検出素子の長手方向が、前記＜１１０＞方向と略平行であることを特徴とする請求項５に記載の一軸半導体加速度センサ。
7. 前記枠部と前記変位部と前記複数の接続部が、主面の面方位が（１１０）の単結晶シリコン基板から一体的に構成されており、前記複数の接続部が、前記枠部と前記変位部の接続方向の方位が＜１１１＞であることを特徴とする請求項１に記載の一軸半導体加速度センサ。
8. 前記歪検出素子の長手方向が、前記＜１１１＞方向と略平行であることを特徴とする請求項７に記載の一軸半導体加速度センサ。

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