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JP3489117B2 - 加速度センサ及びその製造方法 - Google Patents

加速度センサ及びその製造方法

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JP3489117B2
JP3489117B2 JP51534499A JP51534499A JP3489117B2 JP 3489117 B2 JP3489117 B2 JP 3489117B2 JP 51534499 A JP51534499 A JP 51534499A JP 51534499 A JP51534499 A JP 51534499A JP 3489117 B2 JP3489117 B2 JP 3489117B2
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acceleration sensor
forming
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cap
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Panasonic Holdings Corp
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Panasonic Corp
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両の車体制御等に用いられる加速度を検
出する加速度センサ及びその製造方法に関し、高度な半
導体技術やマイクロマニシング技術を利用せずに、安価
に高精度の加速度センサを実現するものである。
【０００２】
【従来の技術】
質量体が外部から力を受けるとき質量体には加速度が
発生するが、同時に質量体には元にあった位置にとどま
ろうとする慣性力が働く。この慣性力によってセンサ部
に物理的な歪みを発生させ、このときの歪みを検出する
ことで質量体に与えられた力や加速度を測定することが
できる。前記歪みを検出する手段としては従来より多く
の方法が示されており、例えば、文献（半導体加速度セ
ンサ柴田俊隆センサ技術1991年10月号Vol.11 No.10）に
あるように、半導体技術やマイクロマニシング技術を利
用してシリコンなどの材料に前記センサ部分を構成し、
歪みの検出方法として静電容量の変化を利用するもの、
ピエゾ抵抗効果を利用するものなどがある。これらの加
速度センサはセンサ部分の材料にシリコンの単結晶を利
用するため、非常に安定で高精度な測定を行うことがで
きるので、近年の加速度センサの主流となっている。
【０００３】
【発明が解決使用とする課題】
しかしながら、シリコンの基板を精度よく所望のセン
サ形状に加工するには未だ高度な半導体技術やマイクロ
マニシング技術が必要で、加速度センサを安価なものに
するには至っていないという問題がある。たとえば、文
献（Micromechanical Acceleromater Integrated with
MOS Detection Circuitry,KURTE.PETERSEN etc.IEEE TR
ANSACTION ON ELECTRON DEVICES.COL.ED−29.No.1,JAN.
1982）等にあるように加速度により歪みを発生するヒン
ジ部分を精度よく形成するためにシリコン基板内部にエ
ッチングストップ層を形成しておく必要があり、またエ
ピタキシャル成長によりシリコン単結晶体を成長させた
りする必要があり、これは半導体製造に使われる高価な
装置が不可欠となってしまうものであった。
【０００４】 また、特開平５−340957号公報等にあるように、上記
ヒンジ部分を作成するシリコン基板とこれを補助として
ガラス基板を接合するために陽極接合法により接合する
ものがあるが、この方法は接合する基板間に電場を発生
する機構を用意する必要があり、簡便な方法とはいえな
いし、陽極接合を行うためにはガラスにナトリウムが含
まれたものでないと接合できないので、ガラスの材料に
制限があった。
【０００５】 さらに、加速度センサの方式として、圧電体を加速度
によって歪みを受ける部分に構成しておくものがある
が、この方式では地球の重力に対する傾きを測定する場
合などの静的な加速度を測定することが難しく、また、
加速度センサには自身の故障を判断する機能が必要とな
ることがあるが、故障判断の回路構成等が複雑になるこ
とが多いという問題があった。
【０００６】 本発明は上記の問題に鑑みて、高度な半導体技術やマ
イクロマニシング技術を必要とせずに、シリコンや他の
材料を利用して、広範囲な周波数の加速度を測定し、自
身の故障判断機能も持つ、安価で高精度な加速度センサ
及びその製造方法を提供することを目的とするものであ
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明は、加速度により
歪みを発生するセンサ部分のヒンジのみをシリコンより
構成し、他の補助部分やカバー部分、及び加速度を受け
る質量体部分をガラス等の他の材料で構成する。このと
きこれらの異種材料同士を張り合わせる方法として、表
面を超清浄状態にして実現可能になる直接接合技術を用
いる。ここで直接接合技術とは接着材など他の材料を介
することなく、また陽極接合のように材料同士に電場を
掛ける必要もなく、ただ、表面を清浄にすることと大気
中あるいは真空中で加熱を行うことだけで強固な接合が
得られる安価で優れた技術である。接合する材料として
はシリコン、ガラス、無アルカリガラス、石英ガラス、
及びその他いろいろな単結晶基板などが利用できる。
【０００８】 また、上記シリコンによるヒンジ部分は10〜30μｍと
いう非常に薄く加工する必要があるが、これをガラスと
シリコンが直接接合された状態でシリコン側を片面研磨
することで得られる。近年の研磨技術は10μｍ程度でも
±１μｍ居ないの精度で加工することができるので、本
発明の加速度センサを構成するのに充分である。シリコ
ンを薄く囲うした後は反対側の補助基板としてガラス等
を直接接合し、次に、加速度を受ける質量体部分、歪み
を受けるヒンジ部分をエッチングにより形成し、最後に
両側からケースを直接接合する。このようにすること
で、従来の技術ではシリコン基板から高度なマイクロマ
ニシングを利用して質量体とヒンジ部分をシリコンの一
体物として形成していたものを、質量体部分とヒンジ部
分が別の材料でできているため、エッチング加工が容易
にできるので製造工程が簡便になる。また、さらに、こ
のヒンジ部分に圧電体もしくはピエゾ抵抗体を形成する
ことと、静電容量電極を形成した重り部分とガラスケー
スを張り合わせることで、圧電体もしくはピエゾ抵抗体
式と静電容量式の両方の特徴を併せ持つ、広範囲な周波
数の加速度を測定でき、また、自身の故障判断も容易に
行うことができる加速度センサを歩留まりよく製造でき
るようになるのである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１） 図１は本発明の実施の形態１における容量式加速度セ
ンサの分解斜視図であり、１は10〜30μｍのシリコン基
板、２はシリコン基板１に形成された舌状のヒンジ部、
３はスリット、4A,4Bはシリコン基板１を両面から支え
る補助基板、6A,6Bはヒンジ部２の両面に接着される質
量体、7A,7B（図示せず）はこの質量体6A,6Bのそれぞれ
の表面に形成される可動電極であり、7C,7D（図示せ
ず）は可動電極側の引き出し電極である。また、8A,8B
はシリコン基板１と補助基板4A,4Bより構成されたセン
サ部分を封じ込めるキャップであり、このキャップ8A,8
Bには溝部9A（図示せず）、9Bが形成されており、さら
に可動電極7A,7B（図示せず）と対向する位置に固定電
極10A（図示せず）、10Bが形成され、可動電極側の引き
出し電極7C,7D（図示せず）とは異なる側の位置に固定
電極側の引き出し電極10C（図示せず）、10Dが形成され
ている。
【００１０】 次に図２（ａ）は、この容量式加速度センサの断面図
であり、シリコン基板１は10〜30μｍと非常に薄いので
図面では上下方向に可動な状態となり、さらに質量体6
A,6Bが加速度を受けるに従って上下方向に動くように形
成されている。そしてその動きに合わせて可動電極7A,7
Bが動くことにより、可動電極7A,7Bと固定電極10A,10B
の間に形成されたギャップ9C,9Dの大きさが変化するた
め、可動電極7Aと固定電極10A、及び可動電極7Bと固定
電極10Bによって構成される静電容量が変化することに
なり、その変化の度合いにより、受けた加速度を検知す
ることができるのである。
【００１１】 ここで、参考に従来の容量式加速度センサの例を図２
（ｂ）に示すと、従来は加速度に対して歪みを受けるヒ
ンジ部12Aと質量体12Bをシリコンの一体物として形成す
る必要があったので、溝部12Cだけをくり抜き、ヒンジ
部12Aは10〜30μｍだけ残すという高度な加工制御が必
要であった。なお、図中の11A,11Bはキャップ、13A,13B
は固定電極、14A,14Bは可動電極である。
【００１２】 次に、本実施の形態の加速度センサの製造方法につい
て図を用いて説明する。図３（ａ）〜（ｅ）は加速度に
より可動するセンサ部分を形成するための製造工程を示
し、最初にガラスよりなる補助基板16Aとシリコン基板1
7を直接接合技術によって張り合わせる（図３
（ａ））。ここで直接接合技術とは接着剤など他の材料
を介することなく、また陽極接合のように材料同士に電
場を掛ける必要もなく、ただ、表面の面精度を良くし、
清浄にすることと大気中あるいは真空中で加熱を行うこ
とだけで強固な接合が得られる安価で優れた技術であ
る。接合する材料としてはシリコン、ガラス、無アルカ
リガラス、石英ガラス、及びその他いろいろな単結晶基
板などが利用できるので、本発明において他の材料を用
いても実施可能である。材料にもよるが、例えばシリコ
ンとガラスの場合、加熱温度と、加熱時間としては300
〜500℃で１〜２時間行うのが望ましい。
【００１３】 次に、シリコン基板17側を片面研磨により所望の厚み
まで加工する（図３（ｂ））。近年の研磨技術は10μｍ
程度でも±１μｍ以内の精度で研磨できるので本発明を
構成するのに十分である。また、このときシリコン基板
17側の最終仕上げとして鏡面が出るまでポリッシュす
る。次に、シリコン基板17側にガラスよりなる補助基板
16Bを直接接合によって形成する。（図３（ｃ））。次
に、補助基板16A,16Bにエッチングを施し、質量体16C,1
6Dとなる部分を形成する（図３（ｄ））。このとき、シ
リコンがガラスのエッチングストッパーとなるようにエ
ッチング液を選定しておくと効果的である。次に、シリ
コン基板17を舌状のヒンジ部18のみを残すようにエッチ
ングマスク（図示せず）を施し、スリット19をエッチン
グによって形成する（図３（ｅ））。
【００１４】 なお、このとき、シリコン基板17のスリット19を形成
する手順として、図４に示したように補助基板16Bを直
接接合する前に、スリット19をエッチングにて形成して
おいても本発明の加速度センサは実現可能である。なお
このようにした方が、シリコン基板17をエッチングする
際に、エッチング面に補助基板16Bによる凹凸が無いの
でエッチングマスクを形成しやすいという利点がある。
【００１５】 ここで、これらセンサ部分とは別に、ケース部分は図
５（ａ），（ｂ）に示すように、ガラスよりなるキャッ
プ20A,20Bに溝部20C,20Dを形成し（第５図（ａ））、そ
の底面に沿って固定電極21A,21B及び固定電極側の引き
出し電極21C,21Dを形成する（図５（ｂ））。さらに、
図６のように、センサ部分にも可動電極23A,23B及び可
動電極側の引き出し電極23C,23Dを形成し、最後にこれ
らセンサ部分とケース部分を直接接合によって張り合わ
せ、図７のような容量式加速度センサを慣性する。
【００１６】 なお、固定電極21A,21B及び可動電極23A,23Bから外部
に電極を引き出す方法としては例えば、端面26A側だけ
でなく端面26B側のような接合面の端面から引き出すこ
ともできるとともに、そのほかにもケース基板に貫通孔
をあけて、そこより引き出す方法などが考えられ、これ
らに限定されるものではない。
【００１７】 なお、本実施の形態では、補助基板としてガラスを用
いたが、特にガラスの性質は限定されず、またガラス以
外の例えば石英ガラスのような非晶質基板、または水晶
等の単結晶基板であっても可能である。この場合は、例
えば材質に、ある範囲の温度特性が要求されるときはそ
れに適合した材料を使用できるという利点がある。
【００１８】 また、本実施の形態では補助基板をシリコン基板の両
側から接合したが、対称性が要求されないときは片側の
みの補助であってもかまわない。すなわち図８のような
片側のみに補助基板16Aを張り合わせた場合の容量式加
速度センサも考えられる。この場合は補助基板を接合す
る工程が１つ減るので工程を簡略化できるという利点が
ある。
【００１９】 （実施の形態２） 本発明の実施の形態２は、実施の形態１の図３（ｅ）
の工程において、加速度によって歪みを受ける部分に、
歪みによって電気的特性が変化する材料として、ピエゾ
抵抗材料を形成したものである。なおピエゾ抵抗材料を
形成する手段としてはスパッタリング、イオン打ち込み
など通常の半導体工程で用いられる技術を用いることが
できる。
【００２０】 図９にこのようにして形成されたセンサ部分の構成を
示した。シリコン基板17はガラスよりなる補助基板16A,
16Bによって保持され、舌状のヒンジ部18にはピエゾ抵
抗体25とリード電極24が形成されている。ここで、ピエ
ゾ抵抗体25は歪みによって抵抗値が変化する材料で、加
速度によってヒンジ部18に歪みが発生し、このときのピ
エゾ抵抗値が変化する材料で、加速度によってヒンジ部
18に歪みが発生し、このときのピエゾ抵抗体25の抵抗値
の変化量によって質量体16C,16Dが受けた加速度を測定
することができる。また、ピエゾ抵抗体25を形成する面
はどちらでもよい。さらにこのセンサ部分を実施の形態
１と同様にガラスよりなるキャップを接合することで、
ピエゾ抵抗型加速度センサが形成できる。
【００２１】 なお、このとき、補助基板としてガラスを用いたが、
これは実施の形態１と同様に、ガラス以外の材料でもよ
く、また、補助基板は片側だけの保持でもよい。これら
の時の利点は実施の形態１と同様である。
【００２２】 また、ピエゾ抵抗体25を圧電体に置き換えることもで
きる。圧電体は歪みにより共振インピーダンス、あるい
は共振周波数が変化するのでこの変化量により、センサ
部分が受けた加速度を測定できるのである。なお、圧電
体を形成する手段としてはスパッタリング等の通常の手
段を用いることができる。
【００２３】 （実施の形態３） 本発明の実施の形態３は、実施の形態１と実施の形態
２を組み合わせたものであり、図10に本実施の形態によ
り構成された加速度センサの断面図を示す。ピエゾ抵抗
体若しくは圧電体を形成する順序及び補助基板が片側か
両側かの限定はなく、静電容量式の上下キャップを張り
合わせる前にピエゾ抵抗体25もしくは圧電体と、リード
電極24を形成しておけばよい。
【００２４】 本実施の形態によれば、静電容量式とピエゾ抵抗式あ
るいは圧電体式の加速度センサの複数の方式を併せ持つ
ことができるので、例えば、静電容量式と圧電体式を組
み合わせた場合、静的な加速度は静電容量式で測定し、
動的な加速度は圧電体式で測定することができるように
なるので、それぞれの方式での利点が得られ、広範囲な
周波数の加速度信号を測定できるようになる。また、本
実施の形態のように２つの方式を併せ持つことで、他方
のセンサの誤作動や故障を判断できるようになる。
【００２５】 （実施の形態４） 次に、上述したような加速度センサにおいて、センサ
部の出力を素子の外部に如何に確実にかつ容易に引き出
すかについて図を用いて説明する。図11は本発明の実施
の形態４を示す分解斜視図である。
【００２６】 図11において、30はセンサ部であり、質量体31、ヒン
ジ部32、枠部33から構成されており、40,50はそれぞれ
第１のキャップ、第２のキャップであり、その表面に第
１の可動電極35a、第２の可動電極35b（図示せず）とそ
れぞれに対向するように第１の固定電極41（図示せ
ず）、第２の固定電極51が形成されている。なお、本実
施の形態では上述した実施の形態１〜３のように第１及
び第２のキャップ40,50に溝部を設けていないが、その
分センサ部30内で質量体31が上下動可能に構成されてお
り、いずれの構成でも問題はない。
【００２７】 次に、枠部33の四角に配した４箇所の第１のスルーホ
ール34a〜ｄの端面部には電極膜が形成されており、そ
の内の１箇所（図11では、34b）には、第１の可動電極3
5aからの第１の引き出し電極36aが形成されている。第1
1図には示されていないが、センサ部30の裏面側にも第
２の可動電極35b（図示せず）が配されており、第１の
引き出し電極36aとは別の位置（例えば、34c）に、第２
の引き出し電極36b（図示せず）が引き回されている。
【００２８】 さらに、第１のキャップ40の四角で、しかも枠部33に
配した第１のスルーホール34a〜ｄと対応した位置に第
２のスルーホール44a〜ｄが形成されており、その端面
部にも電極膜が形成されている。そして、第１のキャッ
プ40の裏面に形成された第１の固定電極41（図示せず）
から第１の引き出し電極36a及び第２の引き出し電極36b
とは別の位置（例えば、44a）に、第３の引き出し電極4
6（図示せず）が引き回される。
【００２９】 第２のキャップ50の第１のスルーホール34a〜ｄと対
応した位置には電極膜が形成されており、第１の引き出
し電極36a及び第２の引き出し電極36b及び第３の引き出
し電極46とは別の位置（例えば、第１のスルーホール34
dと対応する第２のキャップ50上の電極膜）に、第２の
固定電極51からの第４の引き出し電極56が形成されてい
る。これらの形状作成と、センサ部30と第１のキャップ
40と第２のキャップ50を接合した後、四角に設けられた
スルーホール34a〜ｄ及び44a〜ｄに導電性ペーストを流
し込んで、加速度センサの外部出力を形成する。
【００３０】 次に、図12を用いて、本実施の形態の加速度センサに
おける製造方法の説明を行う。図12において、39,49,59
は、それぞれセンサ部形成基板、第１のキャップ作成基
板、第２のキャップ作成基板であり、図11の30,40,50を
ウエハ上にそれぞれ複数個形成したものであり、個片化
する前の３枚の基板を接合するまでの工程を全てウエハ
状態のままで処理することにより、効率よくしかも精度
よく製造することができるものである。センサ部形成用
基板39のセンサ部30の作成方法の一例は後述するが、個
片化するまでの工程は、次の通りである。
【００３１】 まず、センサ部形成用基板39及び第１のキャップ作成
用基板49については上下面から、また第２のキャップ作
成用基板59については片面のみに、Cr/AuやTi/Au等の材
料を真空蒸着等で電極膜として形成し、その後、各基板
を直接接合により接合する。接合後、第２のスルーホー
ル44a〜ｄより導電性ペースト60を流し込み、固めた
後、ダイシングソー等で、個片状に分割する。
【００３２】 このようにしてできた加速度センサの完成品の形状は
図13に示す通りである。
【００３３】 次に、センサ部形成の一例について、図14を用いて、
簡単に説明する。第14図に示すように、まず、例えば表
面に酸化膜が形成されることで表面が絶縁性のシリコン
基板37とガラス基板（下）38aを直接接合により接合
し、シリコン基板37を薄板に研磨する（図14（ａ））。
次に、シリコン基板37にヒンジ部37a及びスルーホール
（シリコン基板）37bの形状作成を行う（図14
（ｂ））。この形状作成には、ウエットまたはドライエ
ッチングを用いる。
【００３４】 次に、シリコン基板37の研磨面側から別のガラス基板
（上）38bを直接接合により接合し（図14（ｃ））、ガ
ラス基板38a及び38bに枠部38cと質量体38dのみが残るよ
うに、サンドブラストまたはウエットエッチングによっ
て形状作成を行う（図14（ｄ））。この際、同時にスル
ーホール（ガラス基板）38eの形成も行う。
【００３５】 なお、っこでは図示していないが、直接接合する際
に、引き出し電極の噛み込みを防止するために、引き出
し電極形成部には、予めエッチング等で、段差部を設け
ている。また、ガラス基板での形状作成（図14（ｄ））
において、サンドブラストまたはウエットエッチングを
用いることにより、図14に示す通り、断面を見た場合、
ガラス基板はすり鉢状のテーパがついが形状となり、こ
れにより上下面から電極を形成した際に、上下電極がつ
ながりやすくなるとともに、第１のキャップの第２のス
ルーホールを形成する際にも、サンドブラストまたはウ
エットエッチングを用いることにより、同様の効果が得
られる。さらに、図13に示す通り、引き出し電極が、一
面に集中することと、比較的大きな外部出力電極が形成
できるので、この部分からワイヤボンディングを打つ等
の作業性も大幅に向上する。
【００３６】 なお、ここで示すセンサ部の形成方法は、一例に過ぎ
ず、各工程の順序を異ならせたり、上述した実施の形態
１〜３のような方法で形成してもよい。また、シリコン
基板単品で、エッチングによる微細加工技術を用いて、
同様の形状作成を行ってもよい。この場合、ウエット式
によるシリコンの異方性エッチングを利用する方法が有
効となる。さらに、支持部の形状は、片持ち状として説
明しているが、両持ち支持や複数本の支持部を設けても
同様の効果が得られる。
【００３７】 （実施の形態５） 本発明の実施の形態５は、実施の形態２に示したよう
なセンサ部分にピエゾ抵抗体または圧電体を用いた場合
の加速度センサに関するもので、本質的には、実施の形
態４と大きな差異はない。70がピエゾ抵抗体及び圧電体
であり、この場合図15に示す通り、一面に電極が集中す
るため、第２のキャップ50まで引き出し電極を引き回す
必要はなく、センサ部30により上面で引き回すこととな
る。
【００３８】 （実施の形態６） 本発明の実施の形態６は、実施の形態３で示したよう
なセンサ部分に静電容量式と、ピエゾ抵抗体または圧電
体を組み合わせた、より高精度な加速度センサに関する
もので、本質的には実施の形態４と大きな差異はなく、
スルーホールの数を増やすことにより、実施の形態４と
同様の効果が得られるようにできる。図16に示す通り、
実施の形態４でも示した素子の各角部に配したスルーホ
ール（34a〜d,44a〜ｄ）に、さらに四辺上にも４箇所の
スルーホール（34e〜h,44e〜ｈ）を追加し、引き回し方
を変えて最短で接続するように形成したものである。
【００３９】 この場合、付加機能を与えるにもかかわらず、電極の
引き回しに関しては、工数が増えないため、コストアッ
プにつながることがない。
【００４０】 （実施の形態７） 次に、上述した加速度センサのヒンジ部、質量体及び
枠部を機械的にあるいは化学的に加工して形成する方法
について図面を用いて説明する。図17は本発明の実施の
形態７を示す断面図であり、図18は同実施の形態におけ
る各レジストパターンの形成方法を示す断面図であり、
図19は同実施の形態におけるウエハ状態で見た場合のレ
ジストパターンを示す。
【００４１】 図17において、71はガラス基板、72はシリコン基板、
73はウエットエッチング用レジスト、74はサンドブラス
ト用レジストを示す。また、図19において、71aは質量
体、71bは補助基板、73aはウエットエッチング用レジス
トパターン、74aはサンドブラスト用レジストパターン
を示す。
【００４２】 図18に示す通り、ガラス基板71上に、ウエットエッチ
ング用レジスト73を塗布し、露光・現象により、パター
ン形成を行う。次に、ウエットエッチング用レジスト73
上に、サンドブラスト用レジスト74を張り、露光・現象
により、ウエットエッチング用レジスト73のパターンの
抜け部より小さな抜け部を有したパターンを形成する。
このようにして作成されたレジストパターンの構成をウ
エハ状態で、ガラス基板表面から見た場合、図19のよう
になる。さらに、図17に示すように、サンドブラスとに
より、ガラス基板71の貫通直前（サンドブラスト加工ラ
イン76a）まで加工する。次に、この状態のまま、重フ
ッ化アンモン系のエッチング液に浸して、ガラス基板71
の貫通するまで（ウエットエッチング加工ライン76b）
仕上げ加工を行う。
【００４３】 サンドブラストにより、400μｍ程度の厚みのガラス
を貫通させることには実績がある。本発明にあるような
加速度センサにおいては、片面のシリコン基板72を残す
必要があるが、サンドブラストのような機械加工では、
被加工物の材料の違いによる選択的な加工ができないた
め、ガラス基板71の貫通直前で加工を止める。ところ
で、サンドブラストでは、約20〜30μｍ程度の加工ばら
つきがあるため、マージンとして、ガラス基板71の貫通
まで30〜50μｍ程度を残して加工を止めることが望まし
い。
【００４４】 次に、その残りの30〜50μｍをウエットエッチングに
よりガラス基板71を貫通するまで加工する。ウエットエ
ッチングには、ガラス基板71とシリコン基板72とで大き
く加工レート比の違う重フッ化アンモン系のエッチング
液を使用することにより、シリコン基板72をほとんど加
工することなく、ガラス基板71のみを加工することがで
きる。また、ウエットエッチングの際、ガラス基板71と
サンドブラスト用レジスト74の間に形成したウエットエ
ッチング用ジレスト73が保護膜となって、質量体71aと
補助基板71bの表面をエッチング液から保護することが
できる。
【００４５】 本実施の形態では、サンドブラスト用レジストパター
ン74aの抜け部は、ウエットエッチング用レジストパタ
ーン73aの抜け部より小さいため、サンドブラストの際
に、ウエットエッチング用レジストとガラス基板の界面
にブラスト粉が侵入することによるウエットエッチング
用レジスト73の密着性を損ねることがない。従って、ウ
エットエッチング用レジストの特性を十分に活かすこと
ができるようになり、ウエットエッチング用レジスト73
の加工限界である50μｍまでは加工可能であり、この構
成で十分に残りの50μｍの加工ができる。
【００４６】 （実施の形態８） 本発明の実施の形態８による加速度センサの製造方法
について、図を用いて説明する。図20は本発明の実施の
形態８を示す断面図であり、図21は同実施の形態８にお
ける各レジストパターンの形成方法を示す断面図であ
る。なお、図20、図21において、実施の形態７と異なる
のは、Auを主体とする膜75を形成した点である。
【００４７】 まず、図20に示す通り、本実施の形態では、ウエット
エッチング用レジスト73とガラス基板71の間に、Auを主
体とする膜75を形成する。また、Auを主体とする膜75の
パターンの形成方法は、図21に示す通りで、まず、Auを
主体とする膜75をガラス基板71の全面に形成し、さら
に、その上面にウエットエッチング用レジスト73を塗布
し、露光・現象により、パターン形成した後、Auを主体
とする膜75をエッチングする。次に、サンドブラスト用
レジスト74を張り付け、ウエットエッチング用レジスト
73のパターンの抜け部よりも小さな抜け部を有したパタ
ーンを形成する。図20に示す通り、このガラス基板71
を、実施の形態７で示したサンドブラスト及びウエット
エッチングを用いて加工する。
【００４８】 この方法によると、Auを主体とする膜75を保護膜に利
用しているため、ウエットエッチングにより、少なくと
も100μｍ程度の加工が可能となり、実施例７に比べ
て、ウエットエッチングでのさらに深い加工が可能とな
る。実際に、ウエットエッチング後の表面状態を確認し
たところ、実施の形態７で示す方法よりもサイドエッチ
ング後の表面状態を確認したところ、実施の形態７で示
す方法よりもサイドエッチングの影響が少なく、接合領
域のマージンを小さく見積もれるため、素子の小型化が
可能となる。このことは、ウエットエッチング用レジス
トの場合、長時間エッチング液に浸しておくと、端部か
ら膨張するため、ガラス基板とウエットエッチング用レ
ジストの間に侵入してきたエッチング液が、ガラス基板
の表面も加工してしまうのに対し、Auのようなメタルマ
スクでは、そのような影響が起こらないためと考えられ
る。
【００４９】 なお、実施の形態7,8では、図８に代表されるような
ガラス基板とシリコン基板を接合したセンサ部が二層構
造の場合について説明を行ったが、図７に代表されるよ
うなシリコン基板を２枚のガラス基板で挟持したセンサ
部が三層構造の場合についても同様の効果が得られる。
【００５０】 また、実施の形態7,8では、ガラス基板とシリコン基
板を接合してなるセンサ部が二層構造のものを用いてい
るが、この材料以外にも、エッチング液の選定により、
選択的にエッチングでき、しかも他方がサンドブラスト
のような機械加工可能なものであれば、この製造方法を
利用することにより、片側の基板に深い溝を簡単にかつ
高精度に形成することができるという効果が得られる。
【００５１】 さらに実施の形態7,8においてサンドブラスト用レジ
ストのパターン形成後に、ポストベークを加えることに
より、400μｍ程度の加工をサンドブラストで行うに
は、サンドブラスト用レジストを未処理のままでは密着
性が不十分であるが、これにより、サンドブラスト用レ
ジストの密着性を向上させることができ、さらに深い加
工を可能にすることができるという効果が得られる。こ
の場合のポストベークの条件は、100℃以上、30分以上
が望ましい。
【００５２】 （実施の形態９） 本発明の実施の形態９について、図を用いて説明す
る。図22は本発明のウエハ状態で見た場合のシリコン基
板側のパターンを示す。図22において、72はシリコン基
板、72aはシリコン基板側パターン、77はヒンジ部を示
す。
【００５３】 図22に示すシリコン基板側パターン72aのヒンジ部77
を除けば、第19図に示すサンドブラスト用レジストパタ
ーン74aとほぼ同形状となる。本発明の実施の形態で
は、先に、このシリコン基板側パターン72aの形状作成
を行い、実施の形態７及び８で示した方法で、ガラス基
板側の形状作成を行うものである。
【００５４】 この場合、ガラス基板側に作成使用としているものと
ほぼ同形状のパターンを先にシリコン基板側に抜き部と
して作成しておくことにより、ウエットエッチングの際
に、ガラス基板側のみならず、シリコン基板側からも加
工が可能となり、より加工時間の短縮と、加工限界の拡
大が図られる。
【００５５】 （実施の形態10） 本発明の実施の形態10について、図を用いて説明す
る。図23は本発明の実施の形態10を説明する説明図であ
る。
【００５６】 本実施の形態では、サンドブラスト用レジストパター
ンについて規定する。前述した通り、本実施の形態で
は、ガラス基板の貫通直前までサンドブラストにより加
工し、その後、ウエットエッチングにより仕上げるが、
その際、サンドブラストによる加工のばらつきが大きく
なれば、早い段階で、サンドブラストによる加工を止め
る必要が生じる。つまり、このことは、ガラス基板の貫
通までの残り分が増え、必然的に、ウエットエッチング
による加工量が増えることになる。
【００５７】 そこで、ウエハ状態で加工を行う場合に、ウエハ内で
の加工ばらつきを最小限に抑えるために、適当な形状を
選ぶ必要がある。すなわち、図22に示す通り、サンドブ
ラスト用レジストパターン74aとしては、ガラス基板の
板厚Ａと同等以上の幅Ａ′を有した抜け部、またはウエ
ハ内で均一の幅Ｂの抜け部を形成する。
【００５８】 なお、サンドブラストで、基板の厚み方向に加工して
いく場合、加工する部分のパターン幅が小さいと、加工
レートが大幅に落ちることになり、これは狭小な部分で
はブラスト粉が奥まで届きにくく、そのために加工レー
トが落ちてくるからである。そのため、以上のような形
状でサンドブラスト用レジストパターンを形成すること
により、加工ばらつきを最小限に抑えることができるよ
うになるのである。
【００５９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、従
来のようなシリコン基板に高度なマイクロマニシング技
術を施して質量体とヒンジ部分をシリコンの一体物とし
て形成する必要がなく、質量体部分とヒンジ部分を別の
材料で構成するため、エッチング加工が容易になり、ま
た、静電容量式とピエゾ抵抗式又は静電容量式と圧電式
の２つの方式を併せ持つ加速度センサを構成することも
できるので、自身の故障判断機能を持つ加速度センサを
歩留まりよく簡単に製造することができる。 図面の簡単な説明
【図１】 本発明の実施の形態１における容量式加速度センサの
分解斜視図
【図２】 （ａ）同実施の形態における容量式加速度センサの断面
図 （ｂ）従来の容量式加速度センサの断面図
【図３】 同実施の形態における容量式加速度センサの製造工程
を示した工程断面図
【図４】 同実施の形態における容量式加速度センサの他の製造
工程を示した工程断面図
【図５】 同実施の形態における加速度センサのケース部分の製
造工程を示す工程断面図
【図６】 同実施の形態における加速度センサのセンサ部分の製
造工程を示す断面図
【図７】 同実施の形態における加速度センサの完成状態を示す
断面図
【図８】 同実施の形態における加速度センサにおける質量体を
片側だけに構成した場合の断面図
【図９】 本発明の実施の形態２におけるピエゾ抵抗型加速度セ
ンサのセンサ部分の断面図
【図１０】 本発明の実施の形態３における複合型加速度センサの
センサ部分の断面図
【図１１】 本発明の実施の形態４における加速度センサの分解斜
視図
【図１２】 同実施の形態における加速度センサの製造工程を示す
斜視図
【図１３】 同実施の形態における加速度センサの斜視図
【図１４】 同実施の形態における加速度センサの製造工程を示す
工程断面図
【図１５】 本発明の実施の形態５における加速度センサの分解斜
視図
【図１６】 本発明の実施の形態６における加速度センサの分解斜
視図
【図１７】 本発明の実施の形態７における加速度センサの製造方
法を示す断面図
【図１８】 同実施の形態における各レジストパターンの形成方法
を説明するための断面図
【図１９】 同実施の形態におけるウエハ状態で見た場合のレジス
トパターンを示す図
【図２０】 本発明の実施の形態８における加速度センサの製造方
法を示す断面図
【図２１】 同実施の形態における各レジストパターンの形成方法
を説明するための断面図
【図２２】 本発明の実施の形態９におけるウエハ状態で見た場合
のシリコン基板側パターンを示す図
【図２３】 本発明の実施の形態10における加速度センサの製造方
法を説明するための説明図
【符号の説明】
１ シリコン基板 ２ ヒンジ部 ３ スリット 4A、4B 補助基板 6A、6B 質量体 7A、7B 可動電極 7C、7D 可動電極側の引き出し電極 8A、8B キャップ 9A、9B 溝部 9C、9D キャップ 10A、10B 固定電極 10C、10D 固定電極側の引き出し電極 16A、16B 補助基板 16C、16D 質量体 17 シリコン基板 18 ヒンジ部 19 スリット 20A、20B キャップ 20C、20D 溝部 21A、21B 固定電極 21C、21D 固定電極側の引き出し電極 23A、23B 可動電極 23C、23D 可動電極側の引き出し電極 24 リード電極 25 ピエゾ抵抗体
フロントページの続き 前置審査 (56)参考文献 特開 平４−89577（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−119060（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−109755（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−58949（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−281667（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−81630（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−160420（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−94186（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−316762（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−316763（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−181330（ＪＰ，Ａ) 米国特許5006487（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01P 15/12 - 15/125 H01L 29/84

Claims (20)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】異種材料からなる両面が平坦なシリコン基
    板と両面が平坦な補助基板とを直接接合により接合する
    工程と、接合されたシリコン基板を所定の厚さまで研磨
    する工程と、接合された補助基板の一部を機械的あるい
    は化学的に除去して加速度により歪みを受けるヒンジ部
    および歪みを受ける力を増幅する質量体を形成する工程
    と、補助基板の一部が除去された部分をさらに機械的あ
    るいは化学的に除去してシリコン基板を除去する工程
    と、前記質量体の表面に可動電極を形成する工程と、前
    記質量体と対向する位置に溝部を形成するとともにその
    表面に固定電極を形成して上下のキャップ基板を形成す
    る工程と、前記キャップ基板のそれぞれを前記シリコン
    基板および第１の補助基板と直接接合により接合する工
    程とを有する加速度センサの製造方法。
  2. 【請求項２】異種材料からなる両面が平坦なシリコン基
    板と両面が平坦な第１の補助基板とを直接接合により接
    合する工程と、接合されたシリコン基板を所定の厚さま
    で研磨する工程と、研磨されたシリコン基板を第２の補
    助基板と直接接合により接合する工程と、接合された第
    １および第２の補助基板の一部を機械的あるいは化学的
    に除去して加速度により歪みを受けるヒンジ部と歪みを
    受ける力を増幅する質量体とを形成する工程と、第１お
    よび第２の補助基板の一部が除去された部分をさらに機
    械的あるいは化学的に除去してシリコン基板を除去する
    工程と、前記質量体の表面に可動電極を形成する工程
    と、前記質量体と対向する位置に溝部を形成するととも
    にその表面に固定電極を形成して上下のキャップ基板を
    形成する工程と、前記キャップ基板のそれぞれを前記第
    １および第２の補助基板と直接接合により接合する工程
    とを有する加速度センサの製造方法。
  3. 【請求項３】加速度により歪みを受けるヒンジ部の表面
    に歪みによって電気的特性が変化するピエゾ抵抗体もし
    くは圧電体を形成することを特徴とする請求項１記載の
    加速度センサの製造方法。
  4. 【請求項４】第２の補助基板側に形成されたヒンジ部の
    表面に歪みによって電気的特性が変化するピエゾ抵抗体
    もしくは圧電体を形成することを特徴とする請求項５記
    載の加速度センサの製造方法。
  5. 【請求項５】個片化するまでシリコン基板、補助基板お
    よびキャップ基板ウエハ体状態のままで製造することを
    特徴とする請求項１または２記載の加速度センサの製造
    方法。
  6. 【請求項６】加速度により歪みを受けるヒンジ部と、こ
    のヒンジ部の歪みを増幅し、かつヒンジ部の先端側の上
    下綿にそれぞれ設けられた第１及び第２の可動電極を備
    えた質量体と、前記ヒンジ部及び質量体が可動に保持さ
    れるようにその周囲に設けられた枠部とからなるセンサ
    部と、第１の可動電極と対をなして容量を形成する第１
    の固定電極をその表面に備えた第１のキャップと、第２
    の可動電極と対をなして容量を形成する第２の固定電極
    をその表面に備えた第２のキャップとを有し、前記セン
    サ部を第１及び第２のキャップで挟持固定して形成した
    加速度センサであって、前記枠部の外周部に複数個設け
    られた第１のスルーホールと、第１及び第２の可動電極
    から異なる第１のスルーホールにそれぞれ電気的に接続
    するように前記枠部に設けられた第１及び第２の引き出
    し電極と、第１のキャップの第１のスルーホールと対応
    する位置に複数個設けられた第２のスルーホールと、第
    １の固定電極から第２のスルーホールに電気的に接続す
    るように第１のキャップに設けられた第３の引き出し電
    極と、第２の固定電極から第１のスルーホールと対応す
    る位置まで電気的に引き回すように第２のキャップに設
    けられた第４の引き出し電極とを有し、導電性ペースト
    が埋め込まれ２または４分割する第１及び第２のスルー
    ホールを有することを特徴とする加速度センサ。
  7. 【請求項７】センサ部は質量体及び枠部がその両面また
    は片面にガラス板を直接接合により張り合わされた表面
    が絶縁性のシリコン板より成り、かつ第１及び第２のケ
    ースはガラス板より成るとともに、直接接合により前記
    センサ部を挟持していることを特徴とする請求項６記載
    の加速度センサ。
  8. 【請求項８】１枚の基板に複数のセンサ部と第１のスル
    ーホールと第１及び第２の引き出し電極を形成したセン
    サ部形成用基板と、１枚の基板に複数の第２のスルーホ
    ールと第１の固定電極と第３の引き出し電極を形成した
    第１のキャップ形成用基板と、１枚の基板に複数の第２
    の固定電極と第４の引き出し電極を形成した第２のキャ
    ップ形成用基板とをこの順番の配置で直接接合により張
    り合わせ、第２のスルーホールより導電性ペーストを流
    し込んで固めた後、第２のスルーホールを分割するよう
    に個片状に切り出して成る加速度センサの製造方法。
  9. 【請求項９】センサ部成形用基板は、シリコン基板の両
    面または片面にガラス基板を直接接合により張り合わせ
    た後、複数のヒンジ部、質量体及び枠部を化学的あるい
    は機械的に加工形成して、複数のセンサ部を形成するこ
    とを特徴とする請求項８記載の加速度センサの製造方
    法。
  10. 【請求項１０】第１または第２のキャップ形成用基板ま
    たはセンサ部形成用基板の形状作成をサンドブラストま
    たはウエットエッチングにより形成することを特徴とす
    る請求項８記載の加速度センサの製造方法。
  11. 【請求項１１】加速度により歪みを受ける部分にピエゾ
    抵抗体または圧電体を配設したヒンジ部と、このヒンジ
    部の先端側に設けられヒンジ部の歪みを増幅するための
    質量体と、前記ヒンジ部及び質量体が可動に保持される
    ようにその周囲に設けられた枠部とからなるセンサ部を
    第１及び第２のキャップで挟持固定して形成した加速度
    センサであって、第１のキャップの外周部に複数個設け
    られたスルーホールと、ピエゾ抵抗体または圧電体から
    異なる前記スルーホールと対応する位置までそれぞれ電
    気的に引き回すようにセンサ部に設けられた複数の引き
    出し電極とを有し、前記スルーホールに導電性ペースト
    が埋め込まれスルーホールが分割してなることを特徴と
    する加速度センサ。
  12. 【請求項１２】加速度により歪みを受ける部分に歪みに
    よって電気的特性が変化する。ピエゾ抵抗体もしくは圧
    電体を配設したことを特徴とする請求項６記載の加速度
    センサ。
  13. 【請求項１３】１枚の基板に複数のセンサ部と引き出し
    電極を形成したセンサ部形成用基板と、１枚の基板に複
    数のスルーホールを形成した第１のキャップ形成用基板
    と、第２のキャップ形成用基板とをこの順番の配置で直
    接接合により張り合わせ、前記スルーホールより導電性
    ペーストを流し込んで固めた後、スルーホールを分割す
    るように個片状に切り出して成る加速度センサの製造方
    法。
  14. 【請求項１４】シリコン基板とガラス基板とを直接接合
    により接合し、ガラス基板の一部を機械的あるいは化学
    的に除去して加速度により歪みを受けるヒンジ部、歪み
    を受ける力を増幅する質量体及びそれらを可動に保持す
    るための枠部をそれぞれ形成する工程を有する加速度セ
    ンサの製造方法であって、直接接合により張り合わせた
    接合体のガラス面側にウエットエッチング用レジストの
    塗布及びパターン形成を行い、前記ウエットエッチング
    用レジストの上面にサンドブラスト用レジストを形成す
    るとともに、前記ウエットエッチング用レジストのパタ
    ーンの抜け部の形状よりも小さい抜け部を有したパター
    ンを形成する工程を有し、前記ガラス基板の貫通直前ま
    でサンドブラストにより加工した後、ウエットエッチン
    グにより前記ガラス基板を貫通させて前記ヒンジ部、質
    量体及び枠部を形成したことを特徴とする加速度センサ
    の製造方法。
  15. 【請求項１５】シリコン基板とガラス基板とを直接接合
    により接合し、ガラス基板の一部を機械的あるいは化学
    的に除去して加速度により歪みを受けるヒンジ部、歪み
    を受ける力を増幅する質量体及びそれらを可動に保持す
    るための枠部をそれぞれ形成する工程を有する加速度セ
    ンサの製造方法であって、直接接合により張り合わせた
    接合体のガラス面側にウエットエッチング液に耐える金
    属膜を形成し、前記金属膜の上面にウエットエッチング
    用レジストの塗布及びパターン形成を行い、このパター
    ンを用いて金属膜をエッチングし、さらに前記ウエット
    エッチング用レジストの上面にサンドブラスト用レジス
    トを形成するとともに、前記ウエットエッチング用レジ
    ストのパターンの抜け部の形状よりも小さい抜け部を有
    したパターンを形成する工程を有し、前記ガラス基板の
    貫通直前までサンドブラストにより加工した後、ウエッ
    トエッチングにより前記ガラス基板を貫通させて前記ヒ
    ンジ部、質量体及び枠部を形成したことを特徴とする加
    速度センサの製造方法。
  16. 【請求項１６】金属膜にAuを主体とする膜を用いたこと
    を特徴とする請求項15記載の加速度センサの製造方法。
  17. 【請求項１７】ウエットエッチングとしてシリコンとガ
    ラスにおいて加工レートが異なる重フッ化アンモン系の
    溶剤を用いたことを特徴とする請求項14または15記載の
    加速度センサの製造方法。
  18. 【請求項１８】サンドブラスト用レジストのパターン形
    成後において、ポストベーク処理を加えたことを特徴と
    する請求項14または15記載の加速度センサの製造方法。
  19. 【請求項１９】サンドブラスト用レジストのパターンに
    ガラス基板の厚みと同等以上の幅の抜け部を設けたこと
    を特徴とする請求項14または15記載の加速度センサの製
    造方法。
  20. 【請求項２０】ウエットエッチング時のガラス基板の保
    護用に形成した金属膜を歪み検知用の電極に利用するこ
    とを特徴とする請求項15記載の加速度センサの製造方
    法。
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