JP2002228679A

JP2002228679A - 容量式力学量センサ

Info

Publication number: JP2002228679A
Application number: JP2001027439A
Authority: JP
Inventors: Mineichi Sakai; 峰一酒井; Yoshiyuki Kato; 義之加藤; Minoru Murata; 稔村田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-02-02
Filing date: 2001-02-02
Publication date: 2002-08-14

Abstract

(57)【要約】【目的】力学量によって変位可能な可動電極と、可動
電極と微小な空隙を隔てて対向した固定電極とを備えた
容量式力学量センサにおいて、半導体基板の不均一な変
位による出力変動を低減した構造を提供することにあ
る。【構成】可動部８の変位方向Ｘの支持基板４０の幅を
均一にしたことにより、支持基板４０に強制変位を加え
た場合、可動部８は、全体として上側に変位するもの
の、均一な変位により、可動部８の変位方向Ｘへの変位
が抑制される。よって、可動部８の変位方向Ｘの支持基
板４０の幅を均一にすることにより、温度変化によって
支持基板４０が変形しても、可動電極１１ａと固定電極
１６ａとの距離変化と、可動電極１１ｂと固定電極１６
ｂとの距離変化を抑制でき、可動部８及び固定電極１６
ａ、１６ｂの不均一な変位による容量変化を低減するこ
とができ、温度変化による出力変動を抑制することがで
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、容量式力学量セン
サに関するもので、特にその使用温度変化による出力変
動を改善するための構造に関する。

【０００２】

【従来技術】従来、図６（ａ）、（ｂ）に示されるよう
に、第１の半導体層３ａと、第２の半導体層３ｂと、第
１の半導体層３ａと第２の半導体層３ｂとの間に設けら
れた埋め込み酸化膜４とを有するＳＯＩ基板５を用いた
容量式力学量センサがある。

【０００３】このＳＯＩ基板５の第２の半導体層３ｂ
に、エッチングにより複数の溝を形成することにより、
重り部１０、この重り部１０より突出する櫛歯状の可動
電極１１ａ、１１ｂ、重り部１０の両端に設けられた梁
部１２ａ、１２ｂ及びアンカー部１３ａ、１３ｂからな
る可動部８と、可動電極１１ａ、１１ｂと離間して対向
配置された櫛歯状の固定電極１６ａ、１６ｂ、固定電極
支持部１５ａ、１５ｂからなる固定電極用片持ち構造体
９ａ、９ｂとが形成されている。

【０００４】これら構造体が、埋め込み酸化膜４を介し
て、第１の半導体層３ａに支持されている。

【０００５】また、図６（ｂ）に示されるように、ＳＯ
Ｉ基板５の第１の半導体層３ａ側の面には、接着剤７を
介してパッケージ６が接着固定されている。

【０００６】そして、このような容量式力学量センサに
力学量が印加されると、可動電極１１ａと第１の固定電
極１６ａとの間に設けられた第１のコンデンサと、可動
電極１１ｂと第２の固定電極１６ｂとの間に設けられた
第２のコンデンサとの間隔が変化し、この間隔の変化を
第１のコンデンサと第２のコンデンサとの容量変化の差
分として取り出すことにより、印加力学量を検出してい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような容
量式力学量センサにおいて、ＳＯＩ基板５は金属系の材
料として見なすことができ、ＳＯＩ基板５をパッケージ
６に接着固定する接着剤７は樹脂系の材料であるため、
ＳＯＩ基板５と接着剤７との物性値が異なる。

【０００８】よって、ＳＯＩ基板５と接着剤７との熱膨
張係数を合わそうとしても一致させることができず、Ｓ
ＯＩ基板５と接着剤７との間に熱膨張係数差が生じるこ
ととなる。

【０００９】そのため、容量式力学量センサの使用温度
が変化した際に、ＳＯＩ基板５と接着剤７との熱膨張係
数の差により、ＳＯＩ基板５と接着剤７との変形量が異
なってしまう。

【００１０】例えば、容量式力学量センサの使用温度が
室温から低温に変化した場合、接着剤７の熱膨張係数は
ＳＯＩ基板５よりも大きいので、ＳＯＩ基板５より接着
剤７が縮むこととなり、ＳＯＩ基板５はパッケージ６側
に凸となるように変形する。

【００１１】このように、温度変化によってＳＯＩ基板
５が変形すると、可動電極１１ａ、１１ｂと固定電極１
６ａ、１６ｂとの間隔が変化し、それによって、あたか
も容量式力学量センサに力学量が印加されたような状態
となり、センサに力学量が印加されていないにも関わら
ず、センサから出力が出てしまうという問題があった。

【００１２】そこで、本発明の目的は、上記問題点に鑑
み、力学量によって変位可能な可動電極と、可動電極と
微小な空隙を隔てて対向した固定電極とを備えた容量式
力学量センサにおいて、半導体基板の熱変形による出力
変動を低減する構造を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、従来の容量式
力学量センサは、支持基板の形状が不均一であるため
に、使用温度の変化によって支持基板の変形が不均一に
なってしまい、支持基板上に形成された可動電極及び固
定電極の変位も不均一になるため、それによって、可動
電極及び固定電極の変位量がそれぞれ異なり、センサの
出力変動が発生することから、支持基板の形状を均一に
することで、可動電極及び固定電極の変位量を均一に
し、センサの出力変動を抑制できるのではないか、とい
う考えに基づいてなされたものである。

【００１４】請求項１または２に記載の容量式力学量セ
ンサは、半導体層に形成され力学量の印加に応じて変位
する梁部と梁部に支持される可動電極とを備える可動部
と、可動電極の検出面と対向する検出面を有した固定電
極とを備え、力学量の印加に応じて可動部が変位したと
きの可動電極の検出面と固定電極の検出面との間の距離
変化に応じて印加力学量を検出する容量式力学量センサ
において、可動部及び固定電極からなるセンシング部を
支持する枠体を設け、可動部の変位方向における枠体の
幅は均一となっていることを特徴としている。

【００１５】可動部及び固定電極からなるセンシング部
は枠体に支持されているため、例えば、枠体と接合して
いる部材との熱膨張係数差によって、温度変化が生じる
と枠体が変形する。そして、これに伴いセンシング部も
変形してしまう。

【００１６】ここで、可動部の変位方向の枠体の幅が不
均一であると、温度変化による可動部の変位が不均一に
なってしまい、それによって、可動電極と固定電極との
間の距離が変化してしまう。

【００１７】よって、センサに力学量が印加していない
にも関わらず、あたかもセンサに力学量が印加されたよ
うな出力が出てしまい、これが温度変化に伴う出力誤差
となる。

【００１８】よって、可動部の変位方向の枠体の幅を均
一にすることにより、温度変化によって枠体が変形して
も、可動部の変位が均一となり、可動電極の固定電極側
への変位を低減できる。

【００１９】よって、可動電極の変位に伴う容量変化を
低減することができ、温度変化による出力変動を抑制す
ることができる。

【００２０】請求項３に記載の容量式力学量センサは、
可動部は枠体の中心線上にて枠体に支持され、かつ、中
心線に対して線対称となっていることを特徴としてい
る。

【００２１】可動部は枠体上に設けられているため、温
度変化によって枠体が変形すると、これに伴い可動部も
変形してしまう。

【００２２】よって、可動部は枠体の中心線に対して点
対称となっていることにより、温度変化によって枠体が
変形しても、可動部の変位量が均一となり、可動電極の
固定電極側への変位を低減できる。

【００２３】よって、可動電極の変位に伴う容量変化を
低減することができ、温度変化による出力変動を抑制す
ることができる。

【００２４】請求項４に記載の容量式力学量センサは、
固定電極は、可動部の変位方向と垂直方向に位置する枠
体に支持され可動電極を挟むように配置される第１の固
定電極部と第２の固定電極部とを有し、可動電極ととも
にそれぞれ第１の検出容量、第２の検出容量を構成し、
これら第１の検出容量、第２の検出容量は可動電極の変
位により互いに異なる方向へ変化するものであり、第１
の検出容量、第２の検出容量の差動が当該センサの出力
となるよう構成されているものであって、第１の固定電
極部、第２の固定電極部それぞれを支持する枠体の幅は
均一とすることを特徴としている。

【００２５】第１の固定電極部、第２の固定電極部それ
ぞれを支持する枠体の幅が不均一であると、温度変化に
よって枠体が変形した際に、それぞれの固定電極の変位
量の差により、可動電極と固定電極との対向面積が変化
してしまう。

【００２６】よって、第１の固定電極部、第２の固定電
極部それぞれを支持する枠体の幅を均一にすることによ
り、固定電極の変位量が均一になり、固定電極と可動電
極との間の距離変化を低減でき、また、可動電極と固定
電極との対向面積の変化量を均一にでき、これにより容
量変化を抑制でき、温度変化に伴う出力変動を抑制でき
る。

【００２７】請求項５に記載の容量式力学量センサは、
固定電極は、枠体に支持される固定部と固定部から可動
電極側へ延びる櫛歯状電極部とを備え、第１の固定電極
部、第２の固定電極部それぞれの固定部は、枠体の中心
に対して点対称であることを特徴としている。

【００２８】固定電極を支持する固定部は枠体上に設け
られているため、温度変化によって枠体が変形すると、
これに伴い固定部も変形してしまう。

【００２９】よって、それぞれの固定部が枠体の中心に
対して点対称であることにより、温度変化によって枠体
が変形しても、固定部の変位が均一となり、固定電極の
可動電極側への変位を低減できる。

【００３０】よって、固定電極の変位に伴う容量変化を
低減することができ、温度変化による出力変動を抑制す
ることができる。

【００３１】請求項６に記載の容量式力学量センサは、
枠体の平面形状は正方形であることを特徴としている。

【００３２】上記の通り、可動部及び固定電極よりなる
センシング部は枠体に支持されているため、例えば、枠
体と接合している部材との熱膨張係数差によって、温度
変化が生じると枠体が変形する。

【００３３】そして、これに伴いセンシング部も変形し
てしまう。

【００３４】ここで、枠体の平面形状が不均一である
と、温度変化によるセンシング部の変位が不均一になっ
てしまい、それによって、可動電極と固定電極との間の
距離が変化してしまう。

【００３５】よって、センサに加速度が印加していない
にも関わらず、あたかもセンサに加速度が印加されたよ
うな出力が出てしまい、これが温度変化に伴う出力誤差
となる。

【００３６】よって、枠体の平面形状を正方形にするこ
とにより、温度変化によって枠体が変形しても、センシ
ング部の変位が均一となり、可動電極と固定電極との間
の距離変化を低減できる。

【００３７】よって、センシング部の変位に伴う容量変
化を低減することができ、温度変化による出力変動を抑
制することができる。

【００３８】

【発明の実施の形態】以下、本発明を容量式加速度セン
サに適用した一実施形態を図面に従って説明する。尚、
本実施形態の容量式加速度センサは、例えば、車輌用の
エアバックシステムやＡＢＳシステムなどに用いられ
る。

【００３９】本実施形態の、容量式加速度センサ１は、
半導体基板に周知のマイクロマシン加工を施すことによ
り形成される。

【００４０】図１（ａ）には、本実施形態の容量式加速
度センサ１の平面構造を示す。また、図１（ｂ）には、
図１（ａ）におけるＡ−Ａ’の概略断面構造を示す。

【００４１】本実施形態の容量式加速度センサ１は、図
１（ｂ）に示されるように、貫通孔２ａを備え、単結晶
シリコンにより矩形枠状に形成された第１の半導体層３
ａと、単結晶シリコンにより形成され加速度を検出する
ための第２の半導体層３ｂ（ＳＯＩ層）と、第１の半導
体層３ａと第２の半導体層３ｂ（ＳＯＩ層）との間に、
貫通孔２ｂを備えＳｉＯ₂により形成された埋め込み酸
化膜４とを有するＳＯＩ基板５によって構成されてい
る。

【００４２】尚、埋め込み酸化膜４は、半導体層３ａ、
３ｂを形成する単結晶シリコンとほぼ熱膨張係数が同等
の熱酸化膜により形成されている。

【００４３】ＳＯＩ基板５の第２の半導体層３ｂは、そ
の表面から埋め込み酸化膜４に達する溝が複数形成され
ることで、所定の形状がパターニングされており、図１
（ａ）に示されるように、可動部８と第１の固定電極用
片持ち構造体９ａと第２の固定電極用片持ち構造体９ｂ
とが区画形成されている。

【００４４】上記可動部８は、矩形状の重り部１０と、
重り部１０と一体に形成された櫛歯形状の可動電極１１
ａ、１１ｂと、重り部１０の両端に設けられた梁部１２
ａ、１２ｂ及びアンカー部１３ａ、１３ｂとから構成さ
れている。

【００４５】尚、アンカー部１３ａ、１３ｂは、埋め込
み酸化膜４を介して、支持基板４０となる第１の半導体
層３ａに固定されている。

【００４６】また、梁部１２ａ、１２ｂは、アンカー部
１３ａ、１３ｂに接続され、さらに、支持されることに
なり、重り部１０と可動電極１１ａ、１１ｂとは、この
梁部１２ａ、１２ｂにより支えられている。

【００４７】上記可動電極１１ａ、１１ｂは、重り部１
０の両側面から重り部１０と直交した方向へ一体的に突
出されており、これら可動電極１１ａ、１１ｂは、棒状
に形成され、断面形状が矩形になっている。

【００４８】上記梁部１２ａ、１２ｂは、図１（ａ）中
の矢印Ｘ方向の成分を含む加速度を受けたときに、重り
部１０を図１（ａ）中の矢印Ｘ方向へ変位させるととも
に、加速度の消失に応じて、重り部１０を元の状態に復
元させるというバネ機能を備えている。

【００４９】よって、可動部８は、加速度の印加に応じ
て、梁部１２ａ、１２ｂの変位方向（矢印Ｘ方向）へ変
位可能となっている。

【００５０】また、可動部８の一方のアンカー部１３ａ
には、一体連結された状態から延びているワイヤボンデ
ィング用の電極パッド１４ｄが形成されている。

【００５１】電極パッド１４ｄは、埋め込み酸化膜４を
介して、第１の半導体層３ａの上部の第２の半導体層３
ｂ上に形成されている。

【００５２】同様に、可動部８の一方（電極パッド１４
ｄが形成される方向の反対側）のアンカー部１３ｂに
は、一体連結された状態から延びているワイヤボンディ
ング用の電極パッド１４ａが形成されている。

【００５３】電極パッド１４ａは、埋め込み酸化膜４を
介して、第１の半導体層３ａの上部の第２の半導体層３
ｂ上に形成されている。

【００５４】尚、上記電極パッド１４ａ、１４ｄは、ア
ルミニウムより形成されている。

【００５５】上記第１の固定電極用片持ち構造体９ａ
は、第１の固定電極支持部１５ａと第１の固定電極１６
ａとを備えており、第１の固定電極支持部１５ａは、埋
め込み酸化膜４を介して、第１の半導体層３ａの上部の
第２の半導体層３ｂに支持され、第１の固定電極１６ａ
は、櫛歯形状をなし、断面形状が矩形に形成されてい
る。

【００５６】上記第１の固定電極１６ａは、上記第１の
固定電極支持部１５ａに支持されており、この櫛歯状の
第１の固定電極１６ａは、櫛歯状の可動電極１１ａの一
方の側面と一定の検出空隙をおいて平行した状態で対向
配置されている。

【００５７】そして、容量式加速度センサ１に加速度が
印加されると、可動電極１１ａが変位し、この変位によ
る固定電極１６ａと可動電極１１ａとの間の相対位置の
変化を、両電極間の容量変化として検出している。

【００５８】同様に、上記第２の固定電極用片持ち構造
体９ｂは、第２の固定電極支持部１５ｂと第２の固定電
極１６ｂとを備えており、第２の固定電極支持部１５ｂ
は、埋め込み酸化膜４を介して、第１の半導体層３ａの
上部の第２の半導体層３ｂに支持され、第２の固定電極
１６ｂは、櫛歯形状をなし、断面形状が矩形に形成され
ている。

【００５９】上記第２の固定電極１６ｂは、上記第２の
固定電極支持部１５ｂに支持されており、この櫛歯状の
第２の固定電極１６ｂは、櫛歯状の可動電極１１ｂの一
方の側面（可動電極１１ａにおける検出空隙側と反対側
の面）と一定の検出空隙をおいて平行した状態で対向配
置されている。

【００６０】そして、容量式加速度センサ１に加速度が
印加されると、可動電極１１ｂが変位し、この変位によ
る固定電極１６ｂと可動電極１１ｂとの間の相対位置の
変化を、両電極間の容量変化として検出している。

【００６１】また、第１の固定電極用片持ち構造体９ａ
の固定電極支持部１５ａには、一体連結された状態から
延びているワイヤボンディング用の電極パッド１４ｂが
形成されている。

【００６２】電極パッド１４ｂは、埋め込み酸化膜４を
介して、第１の半導体層３ａの上部の第２の半導体層３
ｂ上に形成されている。

【００６３】同様に、第２の固定電極用片持ち構造体９
ｂの固定電極支持部１５ｂには、一体連結された状態か
ら延びているワイヤボンディング用の電極パッド１４ｃ
が形成されている。

【００６４】電極パッド１４ｃは、埋め込み酸化膜４を
介して、第１の半導体層３ａの上部の第２の半導体層３
ｂ上に形成されている。

【００６５】尚、上記電極パッド１４ｂ、１４ｃは、ア
ルミニウムより形成されている。

【００６６】また、アンカー部１３ａ、１３ｂ、重り部
１０、固定電極１６ａ、１６ｂ及び可動電極１１ａ、１
１ｂには、矩形状の貫通孔１７が複数形成されており、
これら貫通孔１７により所謂ラーメン構造形状が形成さ
れ、容量式加速度センサ１の軽量化及び軽量化が図られ
ている。

【００６７】そして、本実施形態では、可動部８のアン
カー部１３ａ、１３ｂが固定される第１の半導体層３ａ
の支持基板４０の幅Ａ１とＡ２とが同じ値（Ａ１＝Ａ
２）とされ、また、第１の固定電極支持部１５ａと第２
の固定電極支持部１５ｂとが固定される第１の半導体層
３ａの支持基板４０の幅Ｂ１とＢ２とが同じ値（Ｂ１＝
Ｂ２）となっている。

【００６８】これらの点については後述する。

【００６９】尚、Ａ１＝Ａ２＝Ｂ１＝Ｂ２となっていて
もよく、あるいは、Ａ１＝Ａ２≠Ｂ１＝Ｂ２となってい
てもよい。

【００７０】ここで、本実施形態の容量式加速度センサ
１に動作について説明する。

【００７１】上記のように構成された容量式加速度セン
サ１において、図１（ａ）中の矢印Ｘ方向の成分を含む
加速度が印加されると、重り部１０が図１（ａ）中の矢
印Ｘ方向へ変位するようになり、その印加加速度に応じ
た変位量は、重り部１０の質量と梁部１２ａ、１２ｂの
復元力、並びに電圧印加状態において、可動電極１１
ａ、１１ｂと固定電極１６ａ、１６ｂとの間に作用する
静電気力によって決定される。

【００７２】この場合、可動電極１１ａと第１の固定電
極１６ａとの間に、第１のコンデンサＣＳ１（第１の検
出容量）が形成され、可動電極１１ｂと第２の固定電極
１６ｂとの間に、第２の容量コンデンサＣＳ１（第１の
検出容量）が形成される。

【００７３】これらコンデンサＣＳ１、ＣＳ２は、上記
のように、重り部１０に加速度が作用したときの可動電
極１１ａ、１１ｂの変位の応じて差動的にその容量が変
化するものである。

【００７４】従って、このようなコンデンサＣＳ１、Ｃ
Ｓ２の容量変化を、電極パッド１４ａ、１４ｂ、１４
ｃ、１４ｄを通じて取り出すことにより、容量式加速度
センサ１に印加した加速度を検出することができる。

【００７５】尚、コンデンサＣＳ１、ＣＳ２の容量は、
本実施形態の場合、加速度が印加されていない状態で互
いに等しくなるように設定されている。

【００７６】つまり、図１（ａ）において、左右に配置
された固定電極１６ａ、１６ｂ及びその間に配置された
可動電極２ａ、２ｂに関して、左右対称となっており、
ＣＳ１＝ＣＳ２となっている。

【００７７】ここで、図２（ａ）に、上記のような静電
容量の変化を検出するための容量変化検出回路の回路構
成を示す。ただし、この図２（ａ）では、容量式加速度
センサ１を等価回路で表現している。

【００７８】尚、説明を簡単にするために、第１の半導
体層３ａや第２の半導体層３ｂなどによって形成される
寄生容量は考慮しない。

【００７９】第１の固定電極１６ａでの電極パッド１４
ｂには、図２（ｂ）に示されるような、矩形波よりなる
第１搬送波信号（周波数；例えば１００ｋＨｚ、電圧レ
ベルは例えば５Ｖ）が印加されるようになっている。

【００８０】また、第２の固定電極１６ｂでの電極パッ
ド１４ｃには、図２（ｂ）に示されるような、第１搬送
波信号と位相が１８０°異なる、矩形波よりなる第２搬
送波信号（周波数；例えば１００ｋＨｚ、電圧レベルは
例えば５Ｖ）が印加されるようになっている。

【００８１】尚、具体的には図示しないが、第１及び第
２搬送波信号は、同一の発振回路からのクロック信号に
同期して形成されるものである。

【００８２】上記のような第１及び第２搬送波信号が印
加された状態では、可動電極１１ａ、１１ｂでの電極パ
ッド１４ａ、１４ｄの電位レベルは、コンデンサＣＳ
１、ＣＳ２に応じたレベルになるものであり、その電位
レベルをスイッチドキャパシタ回路３０により検出する
ようにしている。

【００８３】スイッチドキャパシタ回路３０は、オペア
ンプ３１、帰還コンデンサ３２及びスイッチ要素３３を
図示のように組み合わせて接続されている。

【００８４】上記オペアンプ３１は、反転入力端子に電
極パッド１４ａ、１４ｄからの信号（可動電極１１ａ、
１１ｂの電位レベルを示す信号）が入力され、非反転入
力端子に２．５Ｖ（つまり、コンデンサＣＳ１、ＣＳ２
の容量が等しい状態に、電極パッド１４ａ、１４ｄに現
れる電位レベルに相当）の電圧信号が与えられる構成と
なっている。

【００８５】また、上記スイッチ要素３３は、上記図示
しない発振回路からのクロック信号に同期して生成され
るトリガ信号によりオン／オフされるものであり、図２
（ｂ）に示されるように、第１搬送波信号の立ち下がり
タイミング（第２搬送波信号の立ち上がりタイミング）
で一定時間（第１搬送波信号の１／２周期より短い時
間）だけオンするように設定される。

【００８６】尚、図２（ａ）に示されるような容量検出
回路は、以下のように動作する。

【００８７】コンデンサＣＳ１、ＣＳ２の容量が等しい
場合、図２（ｂ）に示されるよなタイミングチャート中
のタイミングＴ１においては、第１の固定電極１６ａに
０ボルト、第２の固定電極１６ｂに５ボルト、可動電極
１１ａ、１１ｂに２．５ボルトの電圧がそれぞれ印加さ
れることになる。

【００８８】この際に、スイッチ要素３３がオンされる
ため、スイッチドキャパシタ回路３０からの出力電圧は
２．５ボルトになる。

【００８９】上記タイミングＴ１から、所定時間が経過
したタイミングＴ２において、スイッチ要素３３がオフ
されたときには、固定電極１６ａ、１６ｂに対する印加
電圧は変化しないので、出力電圧もそのままである。

【００９０】ここで、出力電圧のレベルは、コンデンサ
ＣＳ１、ＣＳ２の差動的な変位量、つまり、重り部１０
に作用する加速度の大きさに応じて変位することになる
から、その出力電圧を利用して加速度の大きさを検出す
ることができる。

【００９１】つまり、容量式加速度センサ１に加速度が
加わった際の出力は、可動電極１１ａ、１１ｂと固定電
極１６ａ、１６ｂの間隔が変化し、その間隔の変化容量
（ＣＳ１−ＣＳ２）が生じることで発生する。

【００９２】ここで、図１（ｂ）に示されるように、、
第１の半導体層３ａ及び埋め込み酸化膜からなる支持基
板４０は、第１の半導体層３ａの裏面（埋め込み酸化膜
４とは反対側の面）側において、シリコン系やエポキシ
系の接着剤７を介して、セラミックからなるパッケージ
６に接着固定されている。

【００９３】しかし、このような容量式加速度センサ１
において、支持基板４０は金属系の材料として見なすこ
とができ、支持基板４０をパッケージ６に接着固定する
接着剤７は樹脂系の材料であるため、支持基板４０と接
着剤７との物性値が異なる。

【００９４】よって、支持基板４０と接着剤７との熱膨
張係数を合わそうとしても一致させることができず、支
持基板４０と接着剤７との間に熱膨張係数差が生じるこ
ととなる。

【００９５】そのため、容量式加速度センサ１の使用温
度が変化した際に、支持基板４０と接着剤７との熱膨張
係数の差により、支持基板４０と接着剤７との変形量が
異なってしまう。

【００９６】例えば、容量式加速度センサ１の使用温度
が室温から低温に変化した場合、接着剤７の熱膨張係数
は支持基板４０よりも大きいので、支持基板４０より接
着剤７が縮むこととなり、支持基板４０はパッケージ６
側に凸となるように変形する。

【００９７】尚、セラミックからなるパッケージ６の熱
膨張係数は、接着剤７の熱膨張係数に比べて、支持基板
４０の熱膨張係数に近いため、本実施形態では、パッケ
ージ６と支持基板４０との熱膨張係数差による支持基板
４０への影響は無視できる。

【００９８】具体的には、第１の半導体層３ａ及び第２
の半導体層３ｂを形成するシリコン、接着剤７、パッケ
ージ６それぞれの熱膨張係数は、２．５ｐｐｍ／℃、１
００〜３００ｐｐｍ／℃、７．７ｐｐｍ／℃となってお
り、シリコンと接着剤７の熱膨張係数は大きく異なって
いる。

【００９９】また、可動部８と固定電極１６ａ、１６ｂ
とは、第１の半導体層３ａ及び埋め込み酸化膜からなる
支持基板４０に支持されているため、温度変化によって
支持基板４０が変形すると、同様に可動部８及び固定電
極１６ａ、１６ｂも変形してしまう。

【０１００】ここで、図３を用いて、支持基板４０に強
制変位を加えたモデル図を用いて簡単に説明する。

【０１０１】図３（ａ）に示される従来技術のように、
枠状の支持基板４０の幅（可動部８のアンカー部１３
ａ、１３ｂが固定されている支持基板４０の枠の幅）が
不均一であると、例えば、図３（ｂ）のように図面中の
下側の支持基板４０の幅が長いと、支持基板４０に強制
変位を加えた場合、可動部は８から８’へと支持基板４
０の斜め上方に移動してしまう。

【０１０２】可動部８が可動部８’へ移動すると、可動
電極１１ａ、１１ｂと固定電極１６ａ、１６ｂとの間隔
が変化するため、それによって、センサの出力が変動し
てしまう。

【０１０３】即ち、検出容量であるコンデンサＣＳ１と
コンデンサＣＳ２との差動容量（ＣＳ１―ＣＳ２）が変
化することになる。

【０１０４】尚、このとき、可動電極１１ａ、１１ｂと
固定電極１６ａ、１６ｂとのそれぞれの対向面積も変化
するが、この変化量はほぼ同等と言え、影響は大きくな
い。

【０１０５】そこで、従来技術では、支持基板４０の幅
が不均一であったのを、本実施形態では、図３（ｃ）に
示されるように、可動電極１１ａ、１１ｂを備える可動
部８の変位方向Ｘの支持基板４０の幅を均一にしたこと
により、図３（ｄ）に示されるように、支持基板４０に
強制変位を加えた場合、可動部８は、全体として上側に
変位するものの、均一な変位により、可動部８の変位方
向Ｘへの変位が抑制される。

【０１０６】よって、可動部電極１１ａ、１１ｂと固定
電極１６ａ、１６ｂとの間隔が変化しないため、温度変
化が生じ、枠体である支持基板４０が変形したとして
も、差動容量（ＣＳ１―ＣＳ２）の変動を抑制できる。

【０１０７】尚、可動部８は、それ自身が備えている図
１に示す梁部１２ａ、１２ｂが変形することにより、梁
部１２ａ、１２ｂに支えられている重り部１０、可動電
極１１ａ、１１ｂの変形量は小さい。

【０１０８】つまり、可動部８の変位方向Ｘの支持基板
４０の幅を均一にすることにより、温度変化によって支
持基板４０が変形しても、可動電極１１ａと固定電極１
６ａとの距離変化と、可動電極１１ｂと固定電極１６ｂ
との距離変化を抑制でき、可動部８及び固定電極１６
ａ、１６ｂの不均一な変位による容量変化を低減するこ
とができ、図４に示されるグラフのように、温度変化に
よる出力変動を抑制することができる。

【０１０９】尚、本実施形態では、可動部８における変
位方向Ｘの支持基板４０の幅を同じ値としたが、貫通孔
２ａの形成時のばらつき、ダイシング時のばらつきなど
の工程ばらつきを加味すると、支持基板の幅Ａ１とＡ２
との差は、３０μｍまでは許容すべき値である。

【０１１０】また、出力変動を抑制するという観点から
すると、支持基板の幅Ａ１とＡ２との差は、短い方の１
５％以内とすることが望ましく、好ましくは１０％以
内、さらに、出力変動を顕著に低減するためには、７％
以内が望ましい。

【０１１１】例えば、本実施形態では、Ａ１＝３２０μ
ｍ、Ａ２＝３４０μｍとなってもよい。

【０１１２】また、本実施形態では、可動部８の変位方
向Ｘと垂直方向の支持基板４０の幅は均一としている。

【０１１３】可動部８の変位方向Ｘと垂直方向の支持基
板４０の幅が不均一であると、温度変化によって支持基
板４０が変形した際に、それぞれの固定電極１６ａ、１
６ｂの変位量の差により、可動電極１１ａ、１１ｂと固
定電極１６ａ、１６ｂとの対向面積が変化し、この変化
の仕方が、検出容量ＣＳ１と検出容量ＣＳ２とで不均一
となることにより、出力が変動してしまう。

【０１１４】よって、可動部８の変位方向Ｘと垂直方向
の支持基板４０の幅は均一（Ｂ１＝Ｂ２）にすることに
より、固定電極１６ａ、１６ｂの変位量が均一になり、
それぞれの可動電極１６ａ、１６ｂと固定電極１６ａ、
１６ｂとの対向面積の変化量は均一になるため、出力の
変動を抑制することができる。

【０１１５】尚、支持基板４０の幅Ｂ１、Ｂ２について
も、上述のように、Ｂ１とＢ２との差が所定の範囲内で
あればよい。

【０１１６】また、本実施形態では、可動部８の中心が
支持基板４０の中心線Ｃと一致している。

【０１１７】つまり、可動部８のアンカー部１３ａ、１
３ｂが、中心線Ｃ上に位置する。

【０１１８】上記の通り、可動部８は支持基板４０に支
持されているため、温度変化によって支持基板４０が変
形すると、これに伴い可動部８も変形してしまう。

【０１１９】よって、可動部８の中心が支持基板４０の
中心線Ｃと一致していることにより、温度変化によって
支持基板４０が変形しても、可動部８の変位が均一とな
り、可動電極１１ａ、１１ｂの固定電極１６ａ、１６ｂ
側への変位を低減できる。

【０１２０】よって、可動電極１１ａ、１１ｂの変位に
伴う容量変化を低減することができ、温度変化による出
力変動を抑制することができる。

【０１２１】具体的には、可動部８が、支持基板４０の
中心線Ｃに対して線対称の構造となっているので、支持
基板４０の反りによる変形（より具体的には、可動電極
１１ａ、１１ｂと固定電極１６ａ、１６ｂとの対向面積
の変化）が、固定電極１６ａ、１６ｂに対して均一とな
る。

【０１２２】これによる対向面積の変化は、差動出力
（ＣＳ１―ＣＳ２）により相殺できることになる。

【０１２３】また、アンカー部１３ａ、１３ｂが固定さ
れる支持基板４０の枠の辺の方向における幅を小さくし
ているので、変形量も小さくすることができる。

【０１２４】また、本実施形態では、固定電極支持部１
５ａ、１５ｂは支持基板４０の中心ＣＣに対して点対称
としている。

【０１２５】固定電極１６ａ、１６ｂを支持する固定電
極支持部１５ａ、１５ｂは支持基板４０に支持されてい
るため、温度変化によって支持基板４０が変形すると、
これに伴い固定電極支持部１５ａ、１５ｂも変形してし
まう。

【０１２６】よって、固定電極支持部１５ａ、１５ｂが
支持基板４０の中心点ＣＣに対して点対称であることに
より、温度変化によって支持基板４０が変形しても、固
定電極支持部１５ａ、１５ｂの変位が均一となり、固定
電極１６ａ、１６ｂの可動電極１１ａ、１１ｂ側への変
位を低減できる。

【０１２７】よって、固定電極支持部１５ａ、１５ｂの
変位に伴う容量変化を低減することができ、温度変化に
よる出力変動を抑制することができる。

【０１２８】より具体的には、第１の固定電極支持部１
５ａと第２の固定電極支持部１５ｂとの変形量が均一と
なり、この変形に伴う可動電極１１ａと固定電極１６ａ
との対向面積、可動電極１１ｂと固定電極１６ｂとの対
向面積それぞれの変化が同等となり、差動出力（ＣＳ１
―ＣＳ２）により、この影響は相殺されることとなる。

【０１２９】また、本実施形態では、支持基板４０の平
面形状を正方形としている。

【０１３０】上記の通り、可動部８及び固定電極１６
ａ、１６ｂは支持基板４０に支持されているため、温度
変化によって支持基板４０が変形すると、これに伴い可
動部８及び固定電極１６ａ、１６ｂも変形してしまう。

【０１３１】ここで、支持基板４０の平面形状が不均一
であると、温度変化による可動部８及び固定電極１６
ａ、１６ｂの変位が不均一になってしまい、それによっ
て、可動電極１１ａ、１１ｂと固定電極１６ａ、１６ｂ
との間の距離が変化してしまう。

【０１３２】よって、支持基板４０の平面形状が正方形
にすることにより、温度変化によって支持基板４０が変
形しても、可動部８及び固定電極１６ａ、１６ｂの変位
が均一となり、可動電極１１ａ、１１ｂと固定電極１６
ａ、１６ｂとの間の距離変化を低減できる。

【０１３３】よって、可動部８及び固定電極１６ａ、１
６ｂの変位に伴う容量変化を低減することができ、温度
変化による出力変動を抑制することができる。

【０１３４】また、温度変化によって支持基板４０が変
形した際に、可動電極１１ａ、１１ｂと固定電極１６
ａ、１６ｂとの変位量の差により、可動電極１１ａ、１
１ｂと固定電極１６ａ、１６ｂとの対向面積は変化する
が、上記のような構造にすることにより、それぞれの可
動電極１１ａ、１１ｂと固定電極１６ａ、１６ｂとの対
向面積の変化量は均一になるため、出力が変動すること
はない。

【０１３５】以上、説明してきたように、本実施形態で
は、（ａ）可動部８の変位方向Ｘにおける支持基板４０の幅
を均一にする。

【０１３６】（ｂ）固定電極１６ａ、１６ｂを支持する
方向での支持基板４０の幅を均一にする。

【０１３７】（ｃ）可動部８の中心線（アンカー部１３
ａ、１３ｂによって固定される軸）を支持基板４０の中
心線Ｃに一致させる。

【０１３８】（ｄ）固定電極支持部１５ａ、１５ｂを支
持基板４０の中心点に対して点対称にする。

【０１３９】（ｅ）支持基板４０の平面形状を正方形と
する。という５つの特徴を備える。

【０１４０】これら特徴（ａ）〜（ｅ）のうち、（ｂ）
〜（ｅ）は主に可動電極１１ａ、１１ｂと固定電極１６
ａ、１６ｂとの対向面積の変化を検出容量ＣＳ１、ＣＳ
２側でそれぞれ等しくしようとするものである。

【０１４１】可動電極１１ａ、１１ｂと固定電極１６
ａ、１６ｂとの対向面積の変化は、差動出力（ＣＳ１−
ＣＳ２）により低減されることになるので、影響はそれ
ほど大きくないと言える。

【０１４２】しかし、特徴（ａ）は、可動電極１１ａ、
１１ｂと固定電極１６ａ、１６ｂとの間の距離変化を抑
制しようとするものであり、非常に重要と言える。

【０１４３】つまり、固定電極１６ａ、１６ｂの変位
は、差動出力を取るという原理上、変位の影響を差動に
より低減できるが、可動電極１１ａ、１１ｂの変位は、
そのまま出力差動となるのである。

【０１４４】よって、センサとしては、少なくとも特徴
（ａ）を備えていることが望ましく、好ましくは他の特
徴も備えるとよい。

【０１４５】以下、上記構造のような本実施形態の容量
式加速度センサ１の製造工程を、図５（ａ）から図５
（ｆ）を用いて説明する。

【０１４６】まず、図５（ａ）に示されるように、ＳＯ
Ｉ基板５を用意する。

【０１４７】このＳＯＩ基板５は、ベースとなる第１の
半導体層３ａの上部に、絶縁層として埋め込み酸化膜４
を介して、第２の半導体層３ｂを設けた構造となってい
る。

【０１４８】続いて、図５（ｂ）に示されるように、電
極パッド形成工程を実行する。

【０１４９】この電極パッド形成工程では、第２の半導
体層３ｂ上の全面に、アルミニウムを薄膜となるように
蒸着した後に、そのアルミニウム薄膜を、フォトリソグ
ラフィ技術及びエッチング技術を利用してパターニング
することにより、電極パッド１４（１４ａ、１４ｂ、１
４ｃ、１４ｄ）を形成する。

【０１５０】尚、この電極パッド形成工程では、電極パ
ッド１４のオーミックコンタクトを得るための周知の熱
処理（シンタ）を必要に応じて行う。

【０１５１】この状態から寸法調整工程を実行する。

【０１５２】この寸法調整工程では、第１の半導体層３
ａの表面（埋め込み酸化膜４が形成される面と反対側の
面）側に、切削・研磨加工を施すことによって、第１の
半導体層３ａの厚さ寸法を調整する。

【０１５３】このように、第１の半導体層３ａの厚さ寸
法を調整するのは、異方性エッチングにより貫通孔２ａ
を形成する際に、そのエッチング深さを低減し、そして
異方性エッチングに起因するチップ設計寸法の拡大を防
止するためである。

【０１５４】続いて、図５（ｃ）に示されるように、マ
スク形成工程を実行する。

【０１５５】このマスク形成工程では、第１の半導体層
３ａの表面（埋め込み酸化膜４が形成される面と反対側
の面）の全面に、プラズマＣＶＤ法などによって、シリ
コン窒化膜を堆積した後に、そのシリコン窒化膜を、フ
ォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用してパ
ターニングすることにより、貫通孔２ａをエッチングに
よって形成する際のマスク１８を形成する。

【０１５６】尚、マスク材には、シリコン窒化膜の他に
も、シリコン酸化膜やレジストなどを用いてもよい。

【０１５７】このようにして、ＳＯＩ基板５の裏面に、
可動部８の下部が空洞となる領域（２ａ）が開口したマ
スク１８を配置する。

【０１５８】続いて、図５（ｄ）に示されるように、ト
レンチ形成工程を実行する。

【０１５９】このトレンチ形成工程では、第２の半導体
層３ｂ及び電極パッド１４の上部に、ドライエッチング
に対する耐性があるレジスト１９を、所定のパターン
（可動部８及び固定電極用片持ち構造体９ａ、９ｂに対
応した形状）で形成した状態で、レジスト１９をマスク
として、ドライエッチング装置により異方性ドライエッ
チングを実行することにより、第２の半導体層３ｂに対
し、埋め込み酸化膜４に達するトレンチ２０を形成す
る。また、このトレンチ２０には、図１に示す貫通孔１
７を含む。

【０１６０】尚、マスク材には、レジストの他にも、シ
リコン酸化膜やシリコン窒化膜などを用いてもよい。

【０１６１】この状態から、図５（ｅ）に示されるよう
に、第１エッチング工程を実行する。

【０１６２】この第１エッチング工程では、マスク１８
を使用し、ＫＯＨ水溶液などの異方性エッチング水溶液
を利用して、第１の半導体層３ａの表面（埋め込み酸化
膜４が形成される面と反対側の面）側から異方性エッチ
ングを実行する。

【０１６３】この場合、異方性エッチングにより第１の
半導体層３ａを除去していき、このようなエッチングを
埋め込み酸化膜４まで進行させると、エッチング液の圧
力により埋め込み酸化膜４が破れてしまい、第１の半導
体層３ａが破壊される可能性が非常に高くなるため、エ
ッチングが埋め込み酸化膜４まで進行しないように、埋
め込み酸化膜４が露出した時点で、異方性エッチングを
終了するようにエッチング時間を管理する。

【０１６４】そして、この第１エッチング工程により、
第１の半導体層３ａに貫通孔２ａが形成される。

【０１６５】尚、このようなエッチング時間の管理は、
第１の半導体層３ａの厚さ寸法並びにエッチング液のエ
ッチングレートに基づいた計算により行うものである。

【０１６６】また、マスク１８は、第１のエッチング工
程終了後に除去するようにしている。

【０１６７】続いて、図５（ｆ）に示されるような、第
２エッチング工程を実行する。

【０１６８】この第２エッチング工程では、第１エッチ
ング工程で使用したエッチング装置のエッチングレート
を変更した状態で、埋め込み酸化膜４の裏面（第１の半
導体層３ａ側の面）からドライエッチングを施すことに
より、埋め込み酸化膜４を除去する。

【０１６９】このような第２エッチング工程の実行に応
じて、貫通孔２ｂが形成されるとともに、可動部８の重
り部１０、可動電極１１ａ、１１ｂ、梁部１２ａ、１２
ｂが可動状態になるとともに、固定電極用片持ち構造体
９ａ、９ｂの固定電極１６ａ、１６ｂが、固定電極支持
部１５ａ、１５ｂに片持ち支持された状態となる。

【０１７０】このようにして、第２エッチング工程の実
行により、可動部１０及び固定電極用片持ち構造体９
ａ、９ｂが区画形成される。

【０１７１】そして、このような第２エッチング工程の
実行後に、ＳＯＩ基板５をシリコン系やエポキシ系の接
着剤７によって、セラミックよりなるパッケージ６の上
部に固着する。

【０１７２】その後、ＳＯＩ基板５を所定のセンサチッ
プ形状に切断するというダイシング工程を行うことによ
り、容量式加速度センサ１の製造が完了する。

【０１７３】尚、本発明は、上記実施形態に限られるも
のではなく、様々な態様に適用可能である。

【０１７４】例えば、本発明は、本実施形態のような容
量式の加速度センサに限らず、ヨーレートセンサなどの
ような他の力学量センサにも応用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本実施形態の容量式加速度センサの平
面構造を示す図であり、（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ
−Ａ’の概略断面構造を示す図である。

【図２】（ａ）は本実施形態の容量検出回路の回路構成
を示す図であり、（ｂ）は各種の波形を示す図である。

【図３】（ａ）、（ｂ）には、従来技術の容量式加速度
センサに強制変位を加えたときのモデル図であり、
（ｃ）、（ｄ）には、本実施形態の容量式加速度センサ
に強制変位を加えたときのモデル図である。

【図４】容量式加速度センサに強制変位を加えたときの
出力変動を示すグラフである。このグラフでは、従来構
造と本発明を用いた構造とを比較している。

【図５】（ａ）から（ｆ）は、本実施形態の容量式加速
度センサの製造工程を示す図である。

【図６】（ａ）には、従来技術の容量式力学量センサの
平面構造を示し、（ｂ）には、図６（ａ）におけるＢ−
Ｂ’の概略断面構造を示す図である。

【符号の簡単な説明】

１…容量式加速度センサ、２ａ、２ｂ…貫通孔、３ａ…第１の半導体層、３ｂ…第２の半導体層、４…埋め込み酸化膜、５…ＳＯＩ基板、６…パッケージ、７…接着剤、８…可動部、９ａ…第１の固定電極用片持ち構造体、９ｂ…第２の固定電極用片持ち構造体、１０…重り部、１１ａ、１１ｂ…可動電極、１１’…支持基板に強制変位を加えたときの移動後の可
動電極、１２ａ、１２ｂ…梁部、１３ａ、１３ｂ…アンカー部、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ…電極パッド、１５ａ…第１の固定電極支持部、１５ｂ…第２の固定電極支持部、１６ａ、１６ｂ…固定電極、１７…貫通孔、１８…マスク、１９…レジスト、２０…トレンチ、３０…スイッチドキャパシタ回路、３１…オペアンプ、３２…帰還コンデンサ、３３…スイッチ要素、４０…支持基板、Ｃ…支持基板の中心線、ＣＣ…支持基板の中心点、Ｘ…可動部の変位方向、Ａ１、Ａ２…可動部の変位方向の支持基板の幅、Ｂ１、Ｂ２…可動部の変位方向の垂直方向の支持基板の
幅、ＣＳ１…第１のコンデンサ（第１の検出容量）、ＣＳ２…第２のコンデンサ（第２の検出容量）、Ｔ１、Ｔ２…タイミング、

フロントページの続き (72)発明者村田稔愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内Ｆターム(参考） 4M112 AA02 BA07 CA24 CA25 CA26 CA31 CA32 CA35 DA04 DA18 EA06 EA11 FA05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体層に形成され力学量の印加に応じ
て変位する梁部と前記梁部に支持される可動電極とを備
える可動部と、前記可動電極の検出面と対向する検出面
を有した固定電極とを備え、力学量の印加に応じて前記
可動部が変位したときの前記可動電極の検出面と前記固
定電極の検出面との間の距離変化に応じて印加力学量を
検出する容量式力学量センサにおいて、前記可動部及び前記固定電極からなるセンシング部を支
持する枠体を設け、前記可動部の変位方向における前記
枠体の幅は均一となっていることを特徴とする容量式力
学量センサ。
【請求項２】前記枠体は、その下側が前記枠体と熱膨
張係数の異なる接着部材により基部に接合されているこ
とを特徴とする請求項１に記載の容量式力学量センサ。
【請求項３】前記可動部は前記枠体の中心線上にて前
記枠体に支持され、かつ、前記中心線に対して線対称と
なっていることを特徴とする請求項１または２に記載の
容量式力学量センサ。
【請求項４】前記固定電極は、前記可動部の変位方向
と垂直方向に位置する前記枠体に支持され前記可動電極
を挟むように配置される第１の固定電極部と第２の固定
電極部とを有し、前記可動電極とともにそれぞれ第１の
検出容量、第２の検出容量を構成し、これら第１の検出
容量、第２の検出容量は前記可動電極の変位により互い
に異なる方向へ変化するものであり、前記第１の検出容
量、第２の検出容量の差動が当該センサの出力となるよ
う構成されているものであって、前記第１の固定電極
部、第２の固定電極部それぞれを支持する前記枠体の幅
は均一とすることを特徴とする請求項１乃至３に何れか
に記載の容量式加速度センサ。
【請求項５】前記固定電極は、前記枠体に支持される
固定部と該固定部から前記可動電極側へ延びる櫛歯状電
極部とを備え、前記第１の固定電極部、第２の固定電極
部それぞれの前記固定部は、前記枠体の中心に対して点
対称であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１
つに記載の容量式力学量センサ。
【請求項６】前記枠体の平面形状は正方形であること
を特徴とする請求項１乃至５の何れか一つに記載の容量
式力学量センサ。