JP2001050702A

JP2001050702A - 変位センサ

Info

Publication number: JP2001050702A
Application number: JP11223502A
Authority: JP
Inventors: Koichi Mitsushima; 康一光嶋; Atsushi Tsukada; 厚志塚田
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1999-08-06
Filing date: 1999-08-06
Publication date: 2001-02-23

Abstract

(57)【要約】【課題】微小変位を検出可能な電流検出方式の新たな
変位センサを提供する。【解決手段】間隔をあけて電極５、９が対向して配置
される。一方の電極５はシリコン針電極であり、先端の
細い針状シリコン錘体である。シリコン針状錘体は、シ
リコン基板又はシリコン層中に形成された不純物析出領
域をマイクロマスクとして、シリコン基板またはシリコ
ン層を高選択比異方性エッチングすることにより、マイ
クロマスクを頂点として形成される。このセンサでは、
電極に電圧を印加したときに電極間に流れる電流が検出
され、電流が電極間距離に応じて変化することを利用し
て変位が求められる。電極間が真空の場合にはトンネル
電流が流れ、電極間にガスを封入した場合には放電が起
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は変位センサに関し、
特に半導体を用いた変位センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】図１は、半導体を用いた従来の変位量セ
ンサの代表的適用例としての圧力センサを示している。
図１に示されるように、通常はシリコン基板内に作られ
た空洞の上に薄膜ダイヤフラムが形成される。圧力に応
じてダイヤフラムと下部の電極間距離が変化し、電極間
距離に応じて電極間の容量が変化する。そこで、電気的
な容量変化を検出することにより、圧力が求められる。
この種のセンサは、特開平７−７１６２号公報に開示さ
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の容量変化を検出
する方式のセンサでは、図２に示されるように、電極間
の距離に対して、その逆数に比例して容量が変化する。
したがって検出感度の向上のために電極間距離に対する
容量変化を大きくしようとすると、ある程度以上に電極
間距離を小さくすることが必要である。そのため電極間
距離の制御が難しくなる。図２の例では、電極間距離ｔ
１で容量Ｃの変化率が相当に大きくなる。そこで電極間
距離をｔ１付近にすることが望ましい。しかしながら、
そのような距離制御は困難なことがある。

【０００４】また、従来は容量変化を電気的な回路で電
流または電圧の変化に変換し、信号として取り出してい
る。しかし、検出回路の配線には必ず容量成分があり、
配線中の容量成分よりも圧力センサの容量成分が大きく
なければ、信号を検出できない。そのため、ある程度の
大きさをセンサに確保することが必要という不利な点が
ある。

【０００５】このような背景の下、本発明の目的は、従
来の容量タイプの難点を解消できる別の方式の変位セン
サであって、微小変位を検出可能な優れたセンサを提供
することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の変位センサでは、間隔をあけて対向するよ
うに複数の電極が配置され、それら複数の電極のうちの
少なくとも一つに複数の微小な針状突起が形成されてお
り、電極間に電圧を印加したときに電極間に流れる電流
が電極間距離に応じて変化することを利用して変位を求
める。好ましくは、電極は半導体または金属で構成され
る。

【０００７】好ましくは、針状突起の主成分はシリコン
である。より具体的には、針状突起はシリコン針状錘体
であり、このシリコン針状錘体は、シリコン基板又はシ
リコン層中に形成された不純物析出領域をマイクロマス
クとして、該シリコン基板またはシリコン層を高選択比
異方性エッチングすることにより、前記マイクロマスク
を頂点として形成された錘型構造物である。

【０００８】針状突起の大きさとしては、高さが十μｍ
以下すなわち数μｍ前後、高さのばらつきが±１００ｎ
ｍ以下が好適である。また先端径は１μｍ以下、詳細に
は数百ｎｍ以下が好適である。このような高さ制御は例
えば上記の針状錘体製造プロセスにより実現される。

【０００９】また好ましくは電極間の空間は真空であ
り、より詳細には、気圧が１．３３×１０^-2Ｐａ（１０
^-4torr）以下に設定される。別の好ましい態様では、グ
ロー放電またはスプレー放電などの放電が起きやすい雰
囲気で電極間が満たされている。

【００１０】本発明の変位センサによれば、電極に複数
の針状突起を設けたので、電圧を印加したときに電界が
集中し、比較的低い電圧でも電流が流れる。真空中では
トンネル電流が容易に生じ、また、ガス雰囲気中では放
電が容易に生じ、効率的に持続する。そして圧力などが
電極に加わって電極間距離が変化すると、電極間距離に
依存して電流が敏感に変化する。したがって電流を検出
することにより、電流と電極間距離の関係から、距離変
化をモニターできる。

【００１１】本発明のセンサにおいて、電極間が真空の
場合には、電極間にトンネル電流が流れる。その電流値
は電極間距離に応じて指数関数的に変化するので、電流
値からわずかな変位を敏感に求められる。

【００１２】また電極間にガスが封入されている場合に
は、電圧を印加することにより放電が起こる。すなわ
ち、あるしきい電圧にて急激に電流が流れ出す。このし
きい電圧を検知することによって、つまりどのような電
圧で電流が流れ出すかを求めることによって変位量を検
出できる。

【００１３】以上のように、針状突起を電極に設けた本
発明の変位センサによれば、従来の容量検出タイプのセ
ンサと異なり、直接に電流変化をモニタすることで変位
が検出される。微小な電流変化まで容易に検出できるの
で、センサの小型化が可能である。そして電極間距離に
応じて電流が敏感に変化するセンサ特性が得られ、これ
により微小変位を検出できる。

【００１４】さらに本発明によれば、複数の針状突起を
設けた構成としたことにより、電極間距離を従来の容量
検出タイプより大きく設定しても、良好なセンサ特性が
得られる。

【００１５】さらに本発明では、上記のマイクロマスク
を利用して作った針状突起を設けるので、突起高さの精
度が高く、これにより電極間距離（針先と対向電極との
距離）の制御が容易である。

【００１６】本発明の一態様では、針状突起を設けた電
極と対向する電極を、圧力等により変形しない程度に厚
くしてもよい。電極間にはスペーサとして弾性変形部材
を設けることが好適である。この態様では、針状突起を
設けた電極に対して対向電極が平行に変位する。

【００１７】また本発明の一態様では、対向する２つの
電極の両方に針状突起を設けてもよい。より敏感に変位
を検出するように図ることができる。

【００１８】また本発明は、変位センサ以外にも、セン
サ製造方法、変位センサを用いた測定方法などの他のか
たちで実現されてもよい。センサ製造方法の好適な例
は、上述のマイクロマスクを利用した方法で電極に複数
の針状突起を形成するステップを含む。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
（以下、実施形態という）について、図面を参照し説明
する。

【００２０】図３には、本実施形態の変位センサの断面
構造が示されている。シリコンウエハ１にセンサ溝３が
設けられており、溝底には、シリコン針電極５としての
多数の針状突起が立っている。センサ溝３の両側には、
シリコンウエハ１上にシリコン酸化膜７が形成されてい
る。そしてシリコン酸化膜７の上に多結晶シリコン薄膜
電極９が設けられている。薄膜電極９はマイクロマシン
技術を用いて作製され、その厚さは約１μｍである。薄
膜電極９はセンサ溝３を覆い、それを塞いでいる。シリ
コン針電極５の先端と薄膜電極９とは、所定の電極間距
離だけ離れている。そして、センサ溝３、すなわち薄膜
電極９とシリコン針電極５の間の空間が真空に保たれて
いる。真空部の気圧は１．３３×１０^-2Ｐａ（１０^-4to
rr）以下である。

【００２１】本実施形態のセンサを模式的に示すと図４
のようになり、真空中に置かれた１対の電極に電圧を印
加すると、電極間にトンネル電流が流れる。このトンネ
ル電流は電極間距離に応じて変化する。そこで電流検出
手段で電流値を検出することにより電極間距離変化が求
められ、電極の変位が求められる。例えば、この変位セ
ンサを圧力センサとして用いる場合には、電流値−電極
変位−圧力の関係に基づいて電流値から圧力を求めれば
よい。

【００２２】図５を参照すると、電極間の電流は、電極
間距離に応じて指数関数的に増減する。図５において電
流ＩはＥｘｐ（常数／ｔ）に比例する。ｔは電極間距
離、すなわち、針電極５の先端と上部薄膜電極９との隙
間である。電極間距離に対して電流値が敏感に変化する
ので、微小な変位をも検出できる。

【００２３】上記のようなセンサ特性が得られるのは、
先端径が細いシリコン針電極５を設けているからであ
る。この針電極５に電界が集中し、トンネル電流が容易
に生じる。針状電極の先端径をマイクロメータ以下にす
ることにより、１０Ｖ程度の低電圧でも電流が流れる。
好適な針状突起のサイズとしては、高さが数μｍ前後、
高さのばらつきが±１００ｎｍ以下であり、先端径は数
百ｎｍ以下である。

【００２４】また図５において、電流Ｉの変化率が相当
に大きくなる電極間距離ｔ２は、図２中の同様の距離ｔ
１より十分に大きい。したがって、従来より電極間距離
を大きく設定しても十分に大きな感度が得られる。

【００２５】次に本実施形態の変位センサの製造方法を
説明する。本実施形態では微小針状突起がセンサにとっ
て重要であり、この針状突起をもつ構造体を如何にして
作るかが重要なポイントである。そこでまず、本発明者
が考案した、適切な針状突起をシリコンウエハに作る好
適な方法を説明する。

【００２６】本実施形態のシリコン針電極は、基板に突
設形成されるシリコン針状錐体である。このシリコン針
状錐体は、単結晶シリコン基板又は単結晶シリコン層中
に形成された不純物析出領域をマイクロマスクとし、シ
リコン基板又はシリコン層を高選択比異方性エッチング
することにより、マイクロマスクを頂点として形成する
ことができる。図６は、シリコン針状錐体の形成原理を
表している。シリコン基板（シリコン層でもよい）に
は、不純物として例えば酸素を導入する。酸素が導入さ
れたシリコン基板に対し熱処理を行うと、酸素が導入さ
れていた領域に不純物析出領域として酸素析出領域（凝
集した酸素とＳｉが結合した酸素析出欠陥ＳｉＯ₂）が
形成される（図６（ａ）→（ｂ）参照）。熱処理後、こ
のシリコン基板に対しＳｉＯ₂選択比の大きい条件で異
方性エッチングを施すと、Ｓｉ結晶とエッチングレート
の異なる（ここでは、Ｓｉ結晶よりもエッチングされ難
い）酸素析出物がマイクロマスクとなり、このマスクを
頂点としてＳｉ錐体がエッチング露出面に形成される
（図６（ｄ））。異方性エッチングは、例えば、シリコ
ン基板又はシリコン膜中の酸素析出領域をマイクロマス
クとする場合、ハロゲン系（Ｂｒ、Ｃｌ、Ｆ）ガスを含
むガスを用いてドライエッチング（例えば反応性イオン
エッチング）により行うことができる。この様な条件で
エッチングすれば、図６（ｄ）のような酸素析出領域を
頂点とした錐体、ここでは、円錐が得られる。

【００２７】このような原理により得られるシリコン針
状錐体は、針先端付近の曲率半径が数ｎｍ〜十数ｎｍ
で、アスペクト比が１０程度の非常に細長い針状の錐体
となる。また、錐体の底角は、例えば８０゜程度或いは
それ以上と極めて大きく、錐体の高さは、数μｍ程度と
することも可能である。エッチングによって形成される
シリコン針状錐体のアスペクト比は、例えばその異方性
エッチングに用いる混合ガスの混合比などを制御するこ
とによって１０以上とできる（必要に応じて１０より小
さくすることも可能である）。

【００２８】次に、図７および図８を参照し、本実施形
態の変位センサの製造プロセスの全体を説明する。図７
には、シリコンウエハ１にシリコン針電極５を形成する
過程が示されている。まず、ｎ型シリコンウエハ１を酸
化して、厚さ１００ｎｍのシリコン酸化膜７を成膜す
る。その後、フォトリソグラフィ技術とウェットエッチ
ングにより一部の酸化膜を除去する。ここでは、センサ
用の溝を形成すべき部分の酸化膜を除去する（図７
（ａ））。そして、シリコンウエハ１に対し、エネルギ
５０ｋｅＶ、ドーズ量１×１０¹⁵／ｃｍ²の酸素イオン
を照射することにより、酸素イオン注入を行う。ここで
は、予め定めた所定の深さに析出物１１が形成される処
理条件でイオン注入を行っている（図７（ｂ））。

【００２９】イオン注入後、所定条件でドライエッチン
グを行う。エッチング条件は、酸化膜とシリコンの選択
比が２００以上の条件である。この条件下では酸化膜が
エッチングされにくい。酸素イオン注入による析出物１
１（微細なシリコンと酸素の化合物）がマイクロマスク
となり、析出物１１を頂点とした針状の構造物が形成さ
れる（図７（ｃ））。

【００３０】図８に移り、エッチングで形成された溝に
ＣＶＤ法で酸化膜を成膜して穴埋めを行う。その後、Ｃ
ＶＤ法で多結晶シリコン９ａを成膜する。膜厚は２００
ｎｍに設定されている。多結晶シリコン９ａにより、溝
部の酸化膜およびその両側の酸化膜が覆われる。さら
に、多結晶シリコン９ａに燐（リン）をドープする低抵
抗化処理を行う（図８（ａ））。

【００３１】次に、フォトリソグラフィ技術を用いて多
結晶シリコン膜９ａにエッチング孔９ｂを開け、内部の
ＣＶＤ酸化膜をエッチング孔９ｂからエッチング除去す
る（図８（ｂ））。さらに、再度ＣＶＤ法で多結晶シリ
コンを成膜し、内部を真空に保つ（図８（ｃ））。

【００３２】以上に本実施形態の変位センサの製造プロ
セスを説明した。ここでは、電極間に電圧を印加する回
路構成および電極間の電流を検出する回路構成は示さな
かったが、これらは別途適当に設けられる。

【００３３】次に、図９は本発明の別の実施形態の変位
センサを示している。図３との相違点は、センサ溝３
（すなわちシリコン針電極５と上部の多結晶シリコン薄
膜電極９の間の空間）に放電ガスが封入されていること
である。放電ガスは、グロー放電またはスプレー放電等
の放電が発生し易いガスである。

【００３４】図９のセンサでも、電極間距離に応じて電
極間に流れる電流が変わるので、電流から変位を検出で
きる。このセンサの場合には、電圧を印加することによ
って放電が起こる。本実施形態では、針状電極を設けた
ことにより、電界が集中し、放電が起こり易くなってい
るので、敏感に変位を検出できる。

【００３５】図１０を参照すると、ある電圧では、電極
間距離が約１μのときに急激に電流が流れる。電極間距
離が変われば、その距離に応じたしきい電圧にて放電が
起こる（電極間距離と放電発生しきい電圧とが一対一で
対応する）。そこで、放電が起こる電圧を検知すれば、
その電圧に対応する電極間距離が分かり、電極変位が求
められる。

【００３６】図１１は、さらに他の実施形態の変位セン
サを示している。図３の変位センサとの相違点として、
上部の多結晶シリコン電極９０が厚く、圧力によって撓
み等の変形が生じないように構成されている。また、シ
リコン電極９０とシリコンウエハ１のスペーサとして機
能する絶縁膜７０は細い棒状に形成され、弾性変形する
ように構成されている。図１１の構造のセンサでは、圧
力によって絶縁膜が弾性変形し、上部電極が下部電極に
対して相対的に平行に変位する。

【００３７】図１２は、さらに他の実施形態の変位セン
サを示している。図１２のセンサは、図３の変位センサ
の構造体との相違点として、上部電極を下部電極と同一
にした構造を有する。すなわち、図１２の下部電極は図
３と同様の構造を有し、一方、図１２の上部電極は図３
と同様の構造を上下逆さにしたものである。多結晶シリ
コン薄膜電極は廃止されている。ここでも、上下電極の
スペーサである絶縁膜７は細く、弾性変形するように構
成され、電極間変位が可能な構成が確保されている。図
１２のセンサによれば、上下に針状突起が設けられてい
るので、より敏感に変位をとらえられる、という利点が
得られる。

【００３８】以上に本発明の好適な実施形態を説明し
た。本発明では、針状突起を設けたことにより低電圧の
下で電流が流れ、容易にバックグランドとなる漏れ電流
を低く抑えられるような電極の電流がモニタされる。そ
のような電流をモニタするため微小な電流変化まで測定
上容易に検出できる。よってセンサの小型化が可能であ
り、微小な変位変化まで検出できる。

【００３９】そして本発明では、電極間距離の変化に対
して敏感に電流値が変化するために微小な変位まで検出
できる。

【００４０】また本発明によれば、図５を用いて説明し
たように、従来の容量検出タイプのセンサよりも電極間
距離を大きく設定しても、良好なセンサ特性が得られ
る。

【００４１】また本発明によれば、不純物析出領域をマ
イクロマスクとした高選択比異方性エッチングで形成し
たシリコン針状電極を設けている。このようなプロセス
を用いることにより、本発明の効果が十分に得られる好
適な形状の針状突起物を実現することができる。すなわ
ち、先端が十分に細く、十分な高さを有し、十分に大き
なアスペクト比をもつ針状突起物を形成し、これにより
図５等に示すような適当なセンサ特性が得られる。

【００４２】さらに、この針状電極形成を含むプロセス
を通して、自動的に電極間距離（針先と上部電極の距
離）が決まる。したがって、電極間距離を正確に制御で
き、製造工程の制御が容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の半導体を用いた変位センサであって、
容量変化を利用するタイプのセンサを示す図である。

【図２】図１のセンサの特性を示す図である。

【図３】本発明の実施形態の変位センサを示す図であ
る。

【図４】図３のセンサを模式化した図である。

【図５】図３のセンサの特性を示す図である。

【図６】図３のセンサを作るために用いられる針状突
起作製技術を示す図である。

【図７】図３のセンサの製造プロセスを示す第１の図
である。

【図８】図３のセンサの製造プロセスを示す第２の図
である。

【図９】本発明の別の実施形態の変位センサを示す図
である。

【図１０】図８のセンサの特性を示す図である。

【図１１】本発明のさらに別の実施形態の変位センサ
を示す図である。

【図１２】本発明のさらに別の実施形態の変位センサ
を示す図である。

【符号の説明】

１シリコンウエハ、３センサ溝、５シリコン針電
極、７シリコン酸化膜、９多結晶シリコン薄膜電
極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2F055 AA40 BB20 CC01 DD05 EE39 FF11 GG01 GG11 2F063 AA02 AA50 DA04 DA05 FA06 FA07 4M112 AA01 BA10 CA11 CA31 CA46 CA51 DA03 DA04 DA06 DA10 DA11 DA14 EA03 EA04 EA06 FA01 FA11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】間隔をあけて対向するように複数の電極
が配置され、それら複数の電極のうちの少なくとも一つ
に複数の微小な針状突起が形成されており、電極間に電
圧を印加したときに電極間に流れる電流が電極間距離に
応じて変化することを利用して変位を求めることを特徴
とする変位センサ。
【請求項２】請求項１に記載の変位センサにおいて、前記針状突起はシリコン針状錘体であり、該シリコン針
状錘体は、シリコン基板又はシリコン層中に形成された
不純物析出領域をマイクロマスクとして、該シリコン基
板またはシリコン層を高選択比異方性エッチングするこ
とにより、前記マイクロマスクを頂点として形成された
錘型構造物であることを特徴とする変位センサ。
【請求項３】請求項１または２に記載の変位センサに
おいて、前記針状突起は高さ１０マイクロメートル以下であり、
先端径が１マイクロメートル以下であることを特徴とす
る変位センサ。