CN103842830A - 加速度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种加速度传感器，该加速度传感器能在可动电极上形成多个贯通孔的同时确保刚性。包括通过在硅支承层（3）上形成氧化硅层（4）、并在该氧化硅层上形成活性硅层（5）而得到的SOI基板（2），在所述SOI基板的活性硅层上形成由弹性梁部支承的锤部所构成的可动电极（11）、以及与该可动电极的周边相对面地固定配置的固定电极(13ｘａ)，(13ｘｂ)，(14ｙａ)，(14ｙｂ)，在所述可动电极的与所述弹性梁部（12）相连的外周部的内侧的整个面上形成在Z轴方向上贯通的贯通孔（16）。

Description

加速度传感器
技术领域
本发明涉及一种加速度传感器，该加速度传感器包括在硅支承层上形成氧化硅层、并在该氧化硅层上形成活性硅层而成的SOI基板，且在该SOI基板的活性硅层上形成有可动电极以及与其周边相对的固定电极。
背景技术
作为这种加速度传感器，提出了一种电容式半导体传感器，在该电容式半导体传感器中，将固定电极、和与该固定电极的里外隔开规定距离的可动电极配置成彼此的检测面相对，并形成从可动电极以及固定电极的检测面贯穿到与检测面相反侧的面的贯通孔，从而减轻可动电极与固定电极之间产生的空气阻尼（例如参照专利文献1）。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2004－69541号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，在上述专利文献1所记载的现有例中，将固定电极和与该固定电极的里外隔开规定距离的可动电极配置成彼此的检测面相对，并形成从可动电极以及固定电极的检测面贯穿到与检测面相反侧的面的贯通孔，从而减轻可动电极与固定电极之间产生的空气阻尼。
然而，在上述专利文献1所记载的现有例中，虽然能利用形成在可动电极以及固定电极上的贯通孔来减轻空气阻尼，但存在如下未解决的问题：由于仅在中央部形成一个贯通孔，因此减轻空气阻尼的效果较小，当可动电极以高频进行振动时，无法获得较大的空气阻尼效果。此外，形成的贯通孔的数量越多，可动电极的刚性越低，因而贯通孔的数量与可动电极存在权衡关系。
因此，本发明着眼于上述现有例的未解决的问题，其目的在于提供一种能在可动电极上形成多个贯通孔的同时确保刚性的加速度传感器。
解决技术问题所采用的技术方案
为了实现上述目的，本发明所涉及的加速度传感器的第一方式在于，包括SOI基板，该SOI基板通过在硅支承层上形成氧化硅层，并在该氧化硅层上形成活性硅层而获得，在所述SOI基板的活性硅层上形成有由弹性梁部支承的锤部所构成的可动电极、以及与该可动电极的周边相对面地固定配置的固定电极，所述可动电极的与所述弹性梁部相连的外周部的内侧的整个面上形成有在Z轴方向上贯通的贯通孔。
此外，本发明所涉及的加速度传感器的第二方式在于，所述贯通孔分割配置在块状区域中。
此外，本发明所涉及的加速度传感器的第三方式在于，所述块状区域呈栅格状排列。
此外，本发明所涉及的加速度传感器的第四方式在于，所述贯通孔具有第一块状区域与第二块状区域二维地交替配置而成的结构，该第一块状区域中平行地形成有规定块数的贯通长孔，该第二块状区域在与该第一块状区域的贯通长孔正交的方向上平行地形成有规定块数的贯通长孔。
此外，本发明所涉及的加速度传感器的第五方式在于，所述贯通孔具有第一块状区域、第二块状区域以及第三块状区域二维地交替配置而成的结构，该第一块状区域中平行地形成有规定块数的贯通长孔，该第二块状区域在与该第一块状区域的贯通长孔正交的方向上平行地形成有规定块数的贯通长孔，该第三块状区域中未形成贯通长孔。
此外，本发明所涉及的加速度传感器的第六方式在于，其特征在于，所述第一块状区域及所述第二块状区域中的贯通长孔间的连接部的间隔比开口率达到50%时的间隔要大。
此外，本发明所涉及的加速度传感器的第七方式在于，在所述可动电极的下表面侧的所述外周部形成有向下方延伸的止动部。
发明的效果
根据本发明，由于在可动电极的与弹性梁部相连的外周部的内侧的整个面上形成向Z轴方向贯通的贯通孔，因此能在外周部侧保持刚性，同时利用多个贯通孔大幅减轻空气阻尼。
附图说明
图1是表示本发明所涉及的加速度传感器的实施方式1的剖视图。
图2是图1的A-A线上的端视图。
图3是表示实施方式1的贯通长孔间的间隔与衰减时间的关系的特性线图。
图4是表示本发明所涉及的加速度传感器的实施方式2的端视图。
图5是图4的B-B线上的端视图。
具体实施方式
下面，基于附图对本发明的实施方式进行说明。
图1是表示本发明所涉及的加速度传感器的一个示例的剖视图，图2是图1的A-A线上的端视图。
图中，1为加速度传感器，该加速度传感器1形成在SOI（Silicon OnInsulator：绝缘体上硅）基板2上。该SOI基板2由下层的硅支承层3、形成在该硅支承层3上的氧化硅层4、以及形成在该氧化硅层4上的活性硅层5构成。
并且，硅支承层3以及氧化硅层4保留外周侧的方形的框状部6，并利用刻蚀去除中央部，从而形成了空间部7。
另一方面，对于上部的活性硅层5，例如利用各向异性干刻去除其四周，并保留具有形成在中央部的方形锤部的可动电极11、以及在对角线上从该可动电极11的四个角向外侧延伸的弹性梁部12，并进一步保留与可动电极11的四边隔开规定间隙相对的X轴方向固定电极13xa、13xb、以及Y轴方向固定电极14ya、14yb。
并且，在可动电极11的与弹性梁部12相连的外周侧的方形框状部15的内侧形成有在Z方向、即上下方向上贯通的多个贯通孔16。该贯通孔16如图2中的放大图所示，具有第一块状区域17与第二块状区域18在X轴方向以及Y轴方向上二维地交替排列而成的结构，其中，该第一块状区域17由在X轴方向上延伸的例如四根贯通长孔17a隔开规定间隔并排形成，该第二块状区域17由在Y轴方向上延伸的例如四根贯通长孔18a隔开规定间隔并排形成。
此外，SOI基板2的上表面和下表面被例如由玻璃基板构成的上部基板21和下部基板22覆盖。并且，如图1所示，在上部基板21上、与可动电极11相对的位置，形成有面积比空间部7稍大的凹部23，该凹部23的底部形成有与可动电极11相对的Z轴方向固定电极24。
接着，对上述实施方式1的动作进行说明。对于形成在SOI基板2的活性硅层5上的可动电极11，从其四个角分别在对角线方向上向外侧延伸的弹性梁部12固定在由硅支承层3以及氧化硅层4构成的框状部6的上表面。
因此，可动电极11被四根弹性梁部12支承，因此，若对加速度传感器1施加向X轴方向右侧（或左侧）的加速度，则弹性梁部12弯曲，使得可动电极11向右方（或左方）移动。因此，可动电极11的右端与X轴方向固定电极13xb之间的间隙变小（或变大），两者间的静电电容变大（或变小），相反，可动电极11的左端与X轴方向固定电极13xa之间的间隙变大（或变小），两者间的静电电容变小（或变大）。
因此，通过利用未图示的静电电容检测电路检测可动电极11和X轴方向固定电极13xa之间、与可动电极11和X轴方向固定电极13Xb之间的静电电容的差，从而能获得与加速度相对应的正负的加速度检测信号。
同样，对于向加速度传感器1施加Y轴方向的加速度的情况也类似，在图2中观察，可动电极11向前后移动，使得可动电极11和Y轴方向固定电极14ya之间、以及可动电极11和Y轴方向固定电极14yb之间某一方的静电电容减小，另一方的静电电容增大。因此，通过同样地利用静电电容检测电路计算静电电容的差，从而能获得正负的加速度检测信号。
另外，在向加速度传感器1施加Z轴方向的加速度的情况下，由于仅在该Z方向的上方具有一个Z轴方向固定电极24，因此通过利用例如使用了虚拟电容的静电电容检测电路对该Z轴方向固定电极24与可动电极11之间的静电电容进行检测，从而能获得Z轴方向的加速度检测信号。
由此，当可动电极11在Z轴方向上移动时，因弹性梁部12的弹性形变引起的弯曲和伸长使得可动电极11上下移动。此时，若可动电极11向上方或下方移动，则该可动电极11与Z轴方向固定电极24之间的空间部比较狭窄，可能会在可动电极11向Z轴方向移动时产生空气阻尼。
然而，本实施方式中，第一块状区域17与第二块状区域18以两者间至少隔开贯通长孔17a间的连接部的宽度以上的规定间隔的方式，在XY方向上二维地交替配置，其中，该第一块状区域17通过由可动电极11的外周部的框状部15以外的内侧的整个区域中沿X轴方向延伸的贯通长孔17a隔开规定间隔平行排列而形成，该第二块状区域18通过由沿Y轴方向延伸的贯通长孔18a隔开规定间隔平行排列而形成。因此，可动电极11表里的空气能通过贯通长孔17a及18a来流动，从而能可靠地抑制空气阻尼。因此，即使在Z方向上输入高频的加速度，也能防止频率特性因空气阻尼而下降。
而且，由于在二维方向上交替配置第一块状区域17和第二块状区域18，因此与在一个方向上排列形成贯通长孔的情况相比，能提高可动电极11的刚性。因此能承受长期的使用，能提高加速度传感器1的可靠性。
此外，通过在二维方向上交替配置第一块状区域17和第二块状区域18，并在可动电极11的外周部的框状部15以外的内侧的整个区域中呈栅格状地配置第一块状区域17和第二块状区域18，由此，相邻的第一块状区域17与第二块状区域18之间的边界部分上的未形成贯通孔的区域在可动电极11的外周部的框状部15以外的内侧的整个区域中呈栅格状地连接，形成栅格状的结构体，使得可动电极11的刚性更高。
并且，若使上述未形成贯通孔的区域的宽度大于第一块状区域17中的贯通长孔17a之间的连接部的宽度、以及第二块状区域18中的贯通长孔18a之间的连接部的宽度，则能进一步提高可动电极11的刚性。
这里，图3示出了第一块状区域17的贯通长孔17a之间的连接部的宽度以及第二块状区域18的贯通长孔18a之间的连接部的宽度，是将贯通长孔18a的宽度设为5μｍ时、改变贯通长孔17a与18a之间的连接部的宽度W来进行仿真的结果。在该图3中，对未在可动电极11形成贯通孔16的情况、以及贯通长孔17a以及18a间的连接部的宽度W为25μｍ和50μｍ的情况进行了模拟。
该仿真结果取横轴为时间〔ｓｅｃ〕，取纵轴为力〔Ｎ〕。在未设置贯通孔16的情况下，如特性曲线L1所示，在施加力之后到衰减为止的时间变长。与此相对，在贯通长孔17a以及18a之间的连接部的宽度W为50μｍ的情况下，如特性曲线L2所示，在施加力以后，在比特性曲线L1要快的时间内衰减。另外，当贯通长孔17a以及18a间的连接部的宽度W为25μｍ的情况下，如特性曲线L3所示，在比特性曲线L2更快的时间内衰减。
由该仿真结果可知，贯通长孔17a及18a间的连接部的宽度W比50μｍ越窄，施加力时的衰减时间越短。然而，若减小贯通长孔17a以及18a的连接部的宽度W，则刚性会降低，并且作为锤部的作用也会下降，因此使贯通长孔17a以及18a的连接部的宽度W比使开口率为50%时的连接部的宽度W要大，从而能在提高频率特性的同时确保刚性。
接着，使用图4和图5对本发明的实施方式2进行说明。
在该实施方式2中，对可动电极11的过度移位进行抑制。
即，在实施方式2中，如图4及图5所示，与实施方式1的结构的不同之处在于，在可动电极11的下表面侧与框状部15相对的位置上，不进行刻蚀从而保留向下方延伸的方框形状的止动部31，其他结构与上述实施方式1相同，对与图1和图2对应的部分标注相同的标号并省略其详细说明。另外，在与止动部31相对的下部基板22上形成有与硅支承层3以及氧化硅层4的空间部7相对应、且深度与可动电极11的允许位移相对应的凹部32。
根据该实施方式2，在可动电极11的下表面上、与未形成第一块状区域17及第二块状区域18的外周侧的框状部15相对应的位置上设置了止动部31。因此，若对加速度传感器1施加较大的加速度导致可动电极11的位移量极大，则止动部31会与下部基板22的凹部32的底面相抵接，从而阻止可动电极11进一步下降。因此，能可靠地防止可动电极11过度位移，从而能防止可动电极11以及弹性梁部12的破损。因此能耐受加速度传感器1的长期使用，能提高可靠性。
另外，在上述实施方式2中，对止动部31形成为方框形状的情况进行了说明，但并不限于此，可以不将止动部31形成为环状，而分割形成，也可以进一步形成为多个柱状。
此外，在上述第一及第二实施方式中，对第一及第二块状区域17及18的贯通长孔17a及18a的延伸方向设为X轴方向及Y轴方向的情况进行了说明。然而，本发明并不限于上述结构，也可以例如使第一块状区域17的贯通长孔17a的延伸方向以相对于X轴呈例如45°的角度倾斜延伸，并使第二块状区域18的贯通长孔18a的延伸方向以相对于X轴呈例如-45°的角度倾斜延伸。简而言之，只要考虑刚性，将第一块状区域17的贯通长孔17a的延伸方向与第二块状区域18的贯通长孔18a的延伸方向正交或相交即可。
此外，在上述第一及第二实施方式中，对第一块状区域17与第二块状区域18呈二维地交替配置的情况进行了说明，但并不限于此，也可以在第一块状区域17与第二块状区域18之间设置未形成贯通孔的第三块状区域。
此外，在上述第一及第二实施方式中，对第一块状区域17与第二块状区域18的贯通长孔17a及18a的宽度及数量与连接部的宽度相等的情况进行了说明。然而，本发明并不限于上述结构，也可以在第一及第二块状区域17及18中使贯通长孔17a及18a的宽度、连接部的宽度不同。另外，也可以在第一块状区域17以及第二块状区域中形成为越靠近中心部，开口率越大。
此外，在上述第一及第二实施方式中，对在第一块状区域17及第二块状区域18中形成贯通长孔17a及18a的情况进行了说明，但并不限于此，也可以将形成有任意形状的一个贯通孔的块状区域排列成栅格状，而非贯通长孔。此外，由于将形成有一个贯通孔的块状区域排列成栅格状，从而能增大块状区域间的连接部的宽度。因此，能进一步提高可动电极11的刚性。
工业上的实用性
根据本发明，能提供一种加速度传感器，该加速度传感器能在可动电极上形成多个贯通孔的同时确保刚性。
标号说明
1…加速度传感器、2…ＳＯＩ基板、3…硅支承层、4…氧化硅层、5…活性硅层、6…框状部、7…空间部、11…可动电极、12…弹性梁部、13ｘａ，13ｘｂ…Ｘ轴方向固定电极、14ｙａ，14ｙｂ…Ｙ轴方向固定电极、17…第一块状区域、17ａ…贯通长孔、18…第二块状区域、18ａ…贯通长孔、21…上部基板、22…下部基板、23…凹部、24…Ｚ轴方向固定电极、31…止动部

Claims (7)

1.一种加速度传感器，其特征在于，包括SOI基板，该SOI基板通过在硅支承层上形成氧化硅层，并在该氧化硅层上形成活性硅层而获得，
在所述SOI基板的活性硅层上形成有由弹性梁部支承的锤部所构成的可动电极、以及与该可动电极的周边相对面地固定配置的固定电极，
所述可动电极的与所述弹性梁部相连的外周部的内侧的整个面上形成有在Z轴方向上贯通的贯通孔。
2.如权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，所述贯通孔分割配置在块状区域。
3.如权利要求2所述的加速度传感器，其特征在于，所述块状区域呈栅格状排列。
4.如权利要求2或3所述的加速度传感器，其特征在于，所述贯通孔具有将第一块状区域与第二块状区域二维地交替配置而成的结构，该第一块状区域中平行地形成有规定块数的贯通长孔，该第二块状区域在与该第一块状区域的贯通长孔正交的方向上平行地形成有规定块数的贯通长孔。
5.如权利要求2或3所述的加速度传感器，其特征在于，所述贯通孔具有将第一块状区域、第二块状区域以及第三块状区域二维地交替配置而成的结构，该第一块状区域中平行地形成有规定块数的贯通长孔，该第二块状区域在与该第一块状区域的贯通长孔正交的方向上平行地形成有规定块数的贯通长孔，该第三块状区域中未形成贯通长孔。
6.如权利要求3至5的任一项所述的加速度传感器，其特征在于，所述第一块状区域及所述第二块状区域中的贯通长孔间的连接部的宽度比开口率达到50%时的宽度要宽。
7.如权利要求1至6的任一项所述的加速度传感器，其特征在于，在所述可动电极的下表面侧的所述外周部形成有向下方延伸的止动部。
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