JP2004170145A - 容量式力学量センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】計測対象の周波数領域で感度の周波数依存性が小さく、かつ高い感度の容量式力学量センサを提供する。
【解決手段】半導体基板に支持され力学量の印加に応じて変位する重錘部１５と、重錘部１５に一体形成された可動電極１６と、可動電極１６と対向する片持ち支持された固定電極１７，１８とを備え、可動電極１６と固定電極１７，１８の対向面で静電容量を形成し、力学量の印加に応じて可動電極１６が対向面に対して垂直方向に変位し、可動電極１６と固定電極１７，１８との間の距離変化に伴う静電容量の変化を測定して印加力学量を検出する容量式力学量センサ１１において、可動電極１６と固定電極１７，１８の対向面が略方形であり、当該略方形の対向面における２辺の長さの比Ｌ／ｈを、０．１以上、１０以下とする。
【選択図】 図３
【解決手段】半導体基板に支持され力学量の印加に応じて変位する重錘部１５と、重錘部１５に一体形成された可動電極１６と、可動電極１６と対向する片持ち支持された固定電極１７，１８とを備え、可動電極１６と固定電極１７，１８の対向面で静電容量を形成し、力学量の印加に応じて可動電極１６が対向面に対して垂直方向に変位し、可動電極１６と固定電極１７，１８との間の距離変化に伴う静電容量の変化を測定して印加力学量を検出する容量式力学量センサ１１において、可動電極１６と固定電極１７，１８の対向面が略方形であり、当該略方形の対向面における２辺の長さの比Ｌ／ｈを、０．１以上、１０以下とする。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対向する可動電極と固定電極とで静電容量を形成し、可動電極の変位に伴う静電容量変化によって印加力学量を検出する容量式力学量センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
静電容量変化によって印加力学量を検出する代表的な容量式力学量センサが、例えば、特開平１１−３２６３６５号公報（特許文献１）に開示されている。
【０００３】
図６（ａ），（ｂ）に、特許文献１に開示された容量式力学量センサを示す。図６（ａ）は、容量式力学量センサ１１の平面模式図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）中におけるＡ−Ａ断面の断面模式図である。尚、図６（ａ）でハッチングされた部位は断面ではなく、実際は平面である。
【０００４】
図６（ａ），（ｂ）に示す容量式力学量センサ１１は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板に半導体製造技術を利用した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。
【０００５】
図６（ａ）に示すように、可動部１２は、アンカー部１３と、アンカー部１３に支持された矩形枠状のバネ部１４と、バネ部１４と連結された重錘部１５と、重錘部１５の両側に櫛歯形状に形成された可動電極１６とから構成されている。一方、可動電極１６の一方側に対向して櫛歯形状の第１の固定電極１７が形成されていると共に、可動電極１６の他方側に対向して第２の固定電極１８が形成されている。
【０００６】
上記可動部１２及び各固定電極１７，１８には、重量軽減のための矩形状の貫通孔３１が複数形成されている。また、固定電極１７の検出面において可動電極１６の検出面と対向する部位には、静電気による付着防止用の突起３２が形成されている。また、可動部１２のバネ部１４の内面にも、静電気による付着防止用の突起３３が形成されている。
【０００７】
ＳＯＩ基板のパッド部２５〜２７には、可動電極１６および固定電極１７，１８から電気信号を取出すための電極パッド２８〜３０が形成されている。パッド部２５〜２７は、第２の半導体層２０からなる周辺部と電気的に分離することにより目的の電気信号を取出す必要があるため、二重の溝３４で物理的及び電気的に分離されている。溝３４を二重にして土手部３５を形成することで、導電性ゴミによるパッド部２４〜２７と周辺部の短絡の危険性を低減している。
【０００８】
図６（ｂ）に示すように、容量式力学量センサ１１は、第１の半導体層１９と第２の半導体層２０との間に絶縁層２１（支持部に相当）を有するＳＯＩ基板によって構成されており、第１の半導体層１９及び絶縁層２１は、可動部１２及び各固定電極１７，１８が形成される領域において第２の半導体層２０が露出するように除去されている。このようにして、容量式力学量センサ１１では、可動部１２の両端が絶縁層２１上に支持されていると共に、各固定電極１７，１８が絶縁層２１上に片持ち支持された形態となっている。
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−３２６３６５号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
図６（ａ），（ｂ）に示す容量式力学量センサ１１は、加速度センサであり、可動電極１６と固定電極１７，１８の対向面に垂直な図６（ａ）に示す加速度を、可動電極１６と固定電極１７，１８間に発生する静電容量変化により計測する。
【００１１】
図７に、従来の容量式力学量センサ１１において、可動部１２が振動した時の周波数ωと静電容量変化ΔＣの関係を模式的に示す。センサ感度である静電容量変化ΔＣは、可動部１２の共振周波数ωｎにおいて、ピーク形状となる。
【００１２】
図６（ａ），（ｂ）の容量式力学量センサ１１を用いて加速度を計測する場合、センサ感度の周波数依存性が小さいほうが、電気回路による補正が簡単になり、好ましい。従って、図７の破線のように、可動部１２の共振周波数がω１のように計測対象の周波数領域に入ってくる場合には、可動部１２のバネ定数ｋを大きく、もしくは質量ｍを小さくなるように設計変更する。これによって、図の実線のように、可動部１２の共振周波数はω２のように計測周波数領域より十分大きくなり、計測対象の周波数領域では周波数依存性が無視できるようなる。しかしながら上記のような設計変更に伴い、センサの感度は、計測対象の周波数領域で図の実線のように低下してしまう。
【００１３】
そこで本発明は、計測対象の周波数領域で感度の周波数依存性が小さく、かつ高い感度の容量式力学量センサを提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、半導体基板に支持され力学量の印加に応じて変位する重錘部と、当該重錘部に一体形成された可動電極と、当該可動電極と対向する片持ち支持された固定電極とを備え、前記可動電極と固定電極の対向面で静電容量を形成し、力学量の印加に応じて可動電極が前記対向面に対して垂直方向に変位し、可動電極と固定電極との間の距離変化に伴う静電容量の変化を測定して印加力学量を検出する容量式力学量センサにおいて、前記可動電極と固定電極の対向面が略方形であり、当該略方形の対向面における２辺の長さの比が、０．１以上、１０以下であることを特徴としている。
【００１５】
容量式力学量センサは、力学量の印加に応じて可動電極が変位し、可動電極と固定電極との間の距離変化に伴う静電容量の変化を測定して印加力学量を検出する。従って、容量式力学量センサのセンサ感度は、可動電極の変位に伴う静電容量変化、または可動電極の静止時の初期静電容量に対する変位時の静電容量変化の比として表される。
【００１６】
上記構造の容量式力学量センサにおいては、可動電極と固定電極間に存在する気体の粘性により、スクイーズフィルムダンピングが働く。この電極間に生じるダンピングを利用することで、共振による変位の増幅を抑制して、計測対象の周波数領域に共振周波数があっても、周波数依存性の小さな容量式力学量センサとすることができる。このようにダンピングにより周波数依存性を低減した容量式力学量センサは、一般的に、共振周波数を計測対象の周波数領域外に移動して周波数依存性を低減したものと較べて、計測対象の周波数領域において感度の高い容量式力学量センサとすることができる。
【００１７】
本発明の容量式力学量センサにおいては、可動電極と固定電極の対向面が略方形で、対向面における２辺の長さの比を０．１以上、１０以下とすることで、対向面の面積を変えずに、前記ダンピングのダンピング係数を極大にすることができる。言い換えれば、可動電極と固定電極の対向面の面積が一定で、静止時の初期静電容量を増加させることなく、ダンピング係数を極大化して、前記のようにダンピングにより周波数依存性を低減した容量式力学センサとすることができる。従って、本発明の容量式力学量センサは、計測対象の周波数領域で感度の周波数依存性が小さく、かつ高い感度の容量式力学量センサとすることができる。
【００１８】
請求項２に記載のように、前記半導体基板はシリコン（Ｓｉ）基板であり、前記２辺の長さの比は、０．７以上、１．３以下であることが好ましい。
【００１９】
前記のダンピング係数は、略方形の対向面における２辺の長さの比が１、すなわち対向面が正方形のとき極大値をとる。本発明の容量式力学量センサでは、半導体基板をシリコン（Ｓｉ）基板とし、当該Ｓｉ基板にエッチングによるマイクロマシン加工を施すことで、前記２辺の長さの比を、０．７以上、１．３以下の範囲内で、正方形に近づけることができる。これによってダンピング係数を極大値に近づけ、本発明の容量式力学量センサを、高い感度で周波数依存性を最適に低減した容量式力学量センサとすることができる。
【００２０】
請求項３に記載の発明は、前記シリコン基板が、内部に絶縁層を有するＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板であり、前記２辺の長さの比が、０．９以上、１．１以下であることを特徴としている。
【００２１】
本発明の容量式力学量センサでは、シリコン基板を内部に絶縁層を有するＳＯＩ基板とすることで、内部の絶縁層をエッチングの基準にして、前記２辺の長さの比を、０．１以上、１．１以下の範囲内で、正方形に近づけることができる。これによってダンピング係数をさらに極大値に近づけ、本発明の容量式力学量センサを、高い感度で周波数依存性を最適に低減した容量式力学量センサとすることができる。
【００２２】
請求項４に記載の発明は、前記対向面が、複数形成されてなることを特徴としている。
【００２３】
これにより、前記固定電極との対向面が略方形となる可動電極を、複数に分けてバランスよく重錘部に配置して、重錘部と可動電極からなる可動部の振動を、バランスのよいものとすることができる。これによって、本発明の容量式力学量センサの耐久性を向上することができる。
【００２４】
請求項５に記載の発明は、前記重錘部と可動電極からなる可動部の質量をｍ、当該可動部のバネ定数をｋ、当該可動部のダンピング係数をｃとしたとき、Ｑ＝（ｍｋ）１／２／ｃで表されるＱが、１．２以下であることを特徴としている。
【００２５】
容量式力学量センサの感度（従って可動電極の振動に伴う振幅）に周波数依存性がある場合、振幅の周波数依存性がほぼ３０％以内であれば、電気回路により容易に周波数依存性を補正することができる。
【００２６】
本発明の容量式力学量センサにおいては、共振周波数における振幅の振動数ゼロにおける静的振幅に対する倍率を示す前記Ｑを１．２以下とすることにより、前記振幅の周波数依存性をほぼ３０％以内にすることができる。従って、電気回路により周波数依存性を容易に補正することができ、安価な容量式力学量センサとすることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図に基づいて説明する。
【００２８】
図１に示す容量式力学量センサの可動部が振動した時の周波数ωと静電容量変化ΔＣとの関係模式図を用いて、本発明の容量式力学量センサの基本的な考え方を説明する。
【００２９】
容量式力学量センサは、力学量の印加に応じて可動電極が変位し、可動電極と固定電極との間の距離変化に伴う静電容量の変化を測定して印加力学量を検出する。従って、容量式力学量センサのセンサ感度は、可動電極の変位に伴う静電容量変化ΔＣ、または可動電極の静止時の初期静電容量Ｃ０に対する変位時の静電容量変化の比ΔＣ／Ｃ０として表される。
【００３０】
従来の容量式力学量センサにおいては、図７で説明したように、可動部の共振周波数ω１が計測周波数領域に入ってくる場合には、共振周波数をω２に移動して、センサ感度の周波数依存性を低減していた。本発明の容量式力学量センサにおいては、図１に示すように可動部の共振周波数ω１を移動するのでなく、計測対象となる周波数領域内もしくは近傍にセンサの共振周波数を設定し、可動部のダンピングを利用してセンサ感度の周波数依存性を低減する。
【００３１】
この可動部のダンピングについて、図６（ａ），（ｂ）に示す容量式力学量センサ１１を用いて説明する。図６（ａ），（ｂ）の容量式力学量センサ１１においては、可動電極１６と固定電極１７，１８間に存在する気体の粘性により、スクイーズフィルムダンピングが働く。この電極間に生じるダンピングを利用することで、共振による変位の増幅を抑制して、計測対象の周波数領域に共振周波数があっても、周波数依存性の小さな容量式力学量センサとすることができる。
【００３２】
次に、数式を用いてより詳細に説明する。
【００３３】
ダンピングを利用した容量式力学量センサは、以下の各式に従う。
【００３４】
【数１】
【００３５】
【数２】
【００３６】
【数３】
【００３７】
【数４】
【００３８】
【数５】
【００３９】
【数６】
【００４０】
ここで、ΔＣ：静電容量変化、ε：誘電率、Ｌ：固定電極と可動電極の対向面の長さ、ｈ：固定電極と可動電極の対向面の高さ、ｄ：電極間距離、ｘ：電極間中心からの変位、ｍ：質量、ｃ：可動部のダンピング係数、ｋ：可動部のバネ定数、Ｆ：加振力振幅、ω：振動周波数、β：遅れ角、ωｎ：共振周波数、Ｑ：共振倍率（Ｑ値）、δｓｔ：静的振幅、α：加速度である。
【００４１】
数式１は、容量式力学量センサの感度である静電容量変化ΔＣと、電極間中心からの変位ｘとの関係を表す式である。数式２は、容量式力学量センサの可動部の運動方程式である。この運動方程式の解は、数式３のように表される。数式４は共振周波数の定義式であり、数式５は共振倍率Ｑの定義式である。
【００４２】
振動周波数ωが共振周波数ωｎの場合には、数式３が
【００４３】
【数７】
【００４４】
のようになることから、Ｑは、振動周波数ωが共振周波数ωｎの場合において、静的振幅δｓｔに対する振幅の倍率を表す量である。
【００４５】
数式６は、検出目的の加速度αと静的振幅δｓｔとの関係を表す式である。この容量式力学量センサでは、静電容量変化ΔＣを測定によって求め、数式１と数式３から静的振幅δｓｔを算出し、数式６によって加速度αが求められる。
【００４６】
図２は、数式３の振幅
【００４７】
【数８】
【００４８】
と周波数比ω／ωｎの関係を図式化したものである。また、共振周波数における数式５の関係が、図中に示されている。
【００４９】
図２からわかるように、共振倍率Ｑを小さくすることで、振幅δ（従って変位ｘと静電容量変化ΔＣ）の周波数依存性を小さくすることができる。共振倍率Ｑはダンピング係数ｃと数式５の関係にあるので、スクイーズフィルムダンピングによるダンピング係数ｃを大きくすれば、共振倍率Ｑが小さくなり、ひいてはセンサ感度である静電容量変化ΔＣの周波数依存性を小さくすることができる。
【００５０】
このようにダンピングにより周波数依存性を低減した容量式力学量センサは、一般的に、共振周波数を計測対象の周波数領域外に移動して周波数依存性を低減したものと較べて、計測周波数領域において感度の高いセンサとすることができる。例えば、バネ定数ｋを小さくして質量ｍを大きくすれば、数式４によって共振周波数が低減し、計測対象となる周波数領域近傍にセンサの共振周波数を設定することができる。一方、バネ定数ｋを小さくして質量ｍを大きくすれば、数式６によってセンサ感度は向上する。
【００５１】
本発明のダンピングを利用した容量式力学量センサは、基本構造は図６（ａ），（ｂ）に示した容量式力学量センサ１１と同様であるが、可動電極と固定電極の対向面が略方形であり、当該対向面における２辺の長さの比が、０．１以上、１０以下である。
【００５２】
図３に、対向面の面積を変えずに、対向面における２辺の長さの比を変えた場合におけるスクイーズフィルムダンピングのダンピング係数の計算例を示す。図３の計算は、対向面の面積を０．２５ｍｍ２、電極間距離を４μｍとして計算した結果である。
【００５３】
図３に示すように、ダンピング係数ｃは、可動電極と固定電極の対向面における２辺の長さの比Ｌ／ｈが０．１以上、１０以下のとき極大となり、Ｌ／ｈが１の正方形の場合に極大値をとる。尚、対向面における２辺の長さの比Ｌ／ｈが０．１以上、１０以下のとき極大となる結果は、対向面の面積や電極間距離を変えて計算しても同様に得られる。従って、この容量式力学センサは、可動電極と固定電極の対向面の面積が一定のため、静止時の初期静電容量Ｃ０の増加がなく、かつダンピング係数を極大化して、ダンピングにより周波数依存性を低減した容量式力学センサとすることができる。従って、本発明の容量式力学量センサは、計測対象の周波数領域で感度の周波数依存性が小さく、かつ高い感度の容量式力学量センサとすることができる。
【００５４】
図４は、上記のようなダンピングを利用した容量式力学センサにおいて、周波数比ω／ωｎと振幅比δ／δｓｔの関係を示す図である。図４は、数式８を図式化したものである。
【００５５】
容量式力学量センサの感度（従って可動電極の振動に伴う振幅）に周波数依存性がある場合、振幅の周波数依存性がほぼ３０％以内であれば、電気回路により容易に周波数依存性を補正することができる。
【００５６】
図４から、共振周波数における振幅の振動数ゼロにおける静的振幅δｓｔに対する倍率であるＱが１．２以下であれば、共振周波数を計測周波数領域に入れた状態で、振幅の周波数依存性をほぼ３０％以内にすることができる。従って、Ｑが１．２以下の容量式力学センサであれば、電気回路により周波数依存性を容易に補正することができ、安価な容量式力学量センサとすることができる。
【００５７】
尚、図３に示す対向面における２辺の長さの比Ｌ／ｈが０．１以上、１０以下のときの極大を利用した容量式力学量センサで、Ｑを１．２以下とするには、可動電極と固定電極の対向面の面積を増大し、ダンピング係数を大きくする。対向面の面積を増大すると、初期静電容量Ｃ０が増加するが，静電容量変化ΔＣも増加する。従って、静電容量変化の比ΔＣ／Ｃ０を測定する容量式力学量センサであっても、対向面の面積を増大による感度の低下はない。
【００５８】
また、対向面における２辺の長さの比Ｌ／ｈが０．１以上、１０以下のときの極大を利用した容量式力学量センサで、対向面の所定の面積を確保する場合、一つの対向面で所定の面積を確保するよりも、複数に分けて所定の面積を確保したほうが好ましい。図６（ａ）に示す容量式力学量センサ１１を見てわかるように、対向面が略方形でダンピングの大きな可動電極１６は、複数に分けてバランスよく重錘部に配置することができ、重錘部１５と可動電極１６からなる可動部１２の振動を、バランスのよいものとすることができる。従って、２辺の長さの比Ｌ／ｈが０．１以上、１０以下の対向面を持つ個々の可動電極を複数個重錘部に配置することで、可動部のバランスの良い振動を実現することができ、容量式力学量センサの耐久性を高めることができる。
【００５９】
次に、本発明の容量式力学量センサの製造方法を簡単に説明する。
【００６０】
図５（ａ）〜（ｄ）は、ＳＯＩ基板を用いた容量式力学量センサ１００の製造方法を模式的に示す工程別断面図である。尚、図５（ａ）〜（ｄ）において、図６（ｂ）の容量式力学量センサ１１と同様の部分については、同じ符号を付けた。
【００６１】
図５（ａ）に示すＳＯＩ基板は、第１の半導体層１９、酸化膜からなる絶縁層２１、と第２の半導体層２０からなる。半導体層１９，２０はいずれもシリコン（Ｓｉ）である。
【００６２】
最初に、基板表面に第１の酸化膜４０を形成し、第２の半導体層２０の電位をとるためのコンタクトホール４１を形成する。
【００６３】
次に、図５（ｂ）に示すように、アルミニウム（Ａｌ）電極４２を形成する。このＡｌ電極４２は、最終的に、図６（ａ）における電極パッド２８〜３０に対応する。
【００６４】
次に、図５（ｃ）に示すように、第２の酸化膜４３を形成した後、それをマスクにして、内部の絶縁層２１に達する溝４４を形成する。これによって、図では第２の半導体層２０が３つの領域２０ａ，２０ｂ，２０ｃに分離される。これら３つに分離された領域２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、最終的に、領域２０ａ，２０ｂが図６（ａ）における固定電極１７，１８に対応し、領域２０ｃが図６（ａ）における可動電極１６や重錘部１５に対応する。
【００６５】
次に、裏面エッチングのマスクとなる第３の酸化膜４５を基板裏面に成膜し、所定の開口部４６を形成する。
【００６６】
次に、開口部４６が形成された第３の酸化膜４５をマスクにして、基板裏面から内部の絶縁層２１に達するまでエッチングする。
【００６７】
最後に、酸化膜除去工程を用いて、表面に形成した第１〜第３の酸化膜４０，４３，４５を除去すると共に、内部の絶縁層２１における領域２０ｃの直下部分を除去して、図の断面において領域２０ｃと領域２０ａ，２０ｂが切り離される。
【００６８】
このようにして、図５（ｄ）に示す容量式力学量センサ１００が製造される。
【００６９】
以上、図５（ａ）〜（ｄ）においてはＳＯＩ基板を用いて容量式力学量センサ１００を製造する方法を説明したが、絶縁層２１のない通常のシリコン（Ｓｉ）基板を用いても、同様にして容量式力学量センサを製造することができる。但し、この場合には裏面からのエッチングのストップ精度がよくないので、領域２０ｃを形成したときの高さばらつきは、±３０％程度になる。
【００７０】
図３のダンピング係数の計算結果からわかるように、ダンピング係数は対向面における２辺の長さの比が１の正方形のとき極大値をとるため、理想的には対向面が正方形であることが望ましい。しかしながら、シリコン（Ｓｉ）基板を用いた容量式力学量センサにおいては前記のように±３０％程度の加工誤差が出るため、対向面における２辺の長さの比が、０．７以上、１．３以下の範囲内で、正方形に近づけることができる。これによってダンピング係数を極大値に近づけ、製造される容量式力学量センサを、高い感度で周波数依存性を最適に低減した容量式力学量センサとすることができる。
【００７１】
一方、図５（ａ）〜（ｄ）のＳＯＩ基板を用いた容量式力学量センサ１００の場合には、内部の絶縁層２１が第１の半導体層１９のエッチングにおけるストッパとなり、絶縁層２１がその後の酸化膜除去工程におけるエッチングの基準となる。これによって、領域２０ｃを形成したときの高さばらつきを、±１０％程度に抑えることができる。
【００７２】
このようにして、ＳＯＩ基板を用いた容量式力学量センサ１００においては、加工誤差を±１０％程度にできるため、対向面における２辺の長さの比が、０．９以上、１．１以下の範囲内で、正方形に近づけることができる。これによってダンピング係数をさらに極大値に近づけ、製造される容量式力学量センサを、高い感度で周波数依存性を最適に低減した容量式力学量センサとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の容量式力学量センサにおける、周波数ωと静電容量変化ΔＣとの関係を示す模式図である。
【図２】本発明の容量式力学量センサにおける、振幅δと周波数比ω／ωｎの関係を示す図である。
【図３】対向面の面積を変えずに、対向面における２辺の長さの比Ｌ／ｈ変えた場合のダンピング係数の計算例である。
【図４】本発明の容量式力学量センサにおける、周波数比ω／ωｎと振幅比δ／δｓｔの関係を示す図である。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は、ＳＯＩ基板を用いた本発明の容量式力学量センサの製造方法を模式的に示す、工程別断面図である。
【図６】（ａ）は、代表的な容量式力学量センサの平面模式図であり、（ｂ）は、（ａ）中におけるＡ−Ａ断面の断面模式図である。
【図７】従来の容量式力学量センサにおける、周波数ωと静電容量変化ΔＣとの関係を示す模式図である。
【符号の説明】
１１，１００ 容量式力学センサ
１２ 可動部
１３ アンカー部
１４ バネ部
１５ 重錘部
１６ 可動電極
１７ 第１の固定電極
１８ 第２の固定電極
１９ 第１の半導体層
２０ 第２の半導体層
２１ 絶縁層
【発明の属する技術分野】
本発明は、対向する可動電極と固定電極とで静電容量を形成し、可動電極の変位に伴う静電容量変化によって印加力学量を検出する容量式力学量センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
静電容量変化によって印加力学量を検出する代表的な容量式力学量センサが、例えば、特開平１１−３２６３６５号公報（特許文献１）に開示されている。
【０００３】
図６（ａ），（ｂ）に、特許文献１に開示された容量式力学量センサを示す。図６（ａ）は、容量式力学量センサ１１の平面模式図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）中におけるＡ−Ａ断面の断面模式図である。尚、図６（ａ）でハッチングされた部位は断面ではなく、実際は平面である。
【０００４】
図６（ａ），（ｂ）に示す容量式力学量センサ１１は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板に半導体製造技術を利用した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。
【０００５】
図６（ａ）に示すように、可動部１２は、アンカー部１３と、アンカー部１３に支持された矩形枠状のバネ部１４と、バネ部１４と連結された重錘部１５と、重錘部１５の両側に櫛歯形状に形成された可動電極１６とから構成されている。一方、可動電極１６の一方側に対向して櫛歯形状の第１の固定電極１７が形成されていると共に、可動電極１６の他方側に対向して第２の固定電極１８が形成されている。
【０００６】
上記可動部１２及び各固定電極１７，１８には、重量軽減のための矩形状の貫通孔３１が複数形成されている。また、固定電極１７の検出面において可動電極１６の検出面と対向する部位には、静電気による付着防止用の突起３２が形成されている。また、可動部１２のバネ部１４の内面にも、静電気による付着防止用の突起３３が形成されている。
【０００７】
ＳＯＩ基板のパッド部２５〜２７には、可動電極１６および固定電極１７，１８から電気信号を取出すための電極パッド２８〜３０が形成されている。パッド部２５〜２７は、第２の半導体層２０からなる周辺部と電気的に分離することにより目的の電気信号を取出す必要があるため、二重の溝３４で物理的及び電気的に分離されている。溝３４を二重にして土手部３５を形成することで、導電性ゴミによるパッド部２４〜２７と周辺部の短絡の危険性を低減している。
【０００８】
図６（ｂ）に示すように、容量式力学量センサ１１は、第１の半導体層１９と第２の半導体層２０との間に絶縁層２１（支持部に相当）を有するＳＯＩ基板によって構成されており、第１の半導体層１９及び絶縁層２１は、可動部１２及び各固定電極１７，１８が形成される領域において第２の半導体層２０が露出するように除去されている。このようにして、容量式力学量センサ１１では、可動部１２の両端が絶縁層２１上に支持されていると共に、各固定電極１７，１８が絶縁層２１上に片持ち支持された形態となっている。
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−３２６３６５号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
図６（ａ），（ｂ）に示す容量式力学量センサ１１は、加速度センサであり、可動電極１６と固定電極１７，１８の対向面に垂直な図６（ａ）に示す加速度を、可動電極１６と固定電極１７，１８間に発生する静電容量変化により計測する。
【００１１】
図７に、従来の容量式力学量センサ１１において、可動部１２が振動した時の周波数ωと静電容量変化ΔＣの関係を模式的に示す。センサ感度である静電容量変化ΔＣは、可動部１２の共振周波数ωｎにおいて、ピーク形状となる。
【００１２】
図６（ａ），（ｂ）の容量式力学量センサ１１を用いて加速度を計測する場合、センサ感度の周波数依存性が小さいほうが、電気回路による補正が簡単になり、好ましい。従って、図７の破線のように、可動部１２の共振周波数がω１のように計測対象の周波数領域に入ってくる場合には、可動部１２のバネ定数ｋを大きく、もしくは質量ｍを小さくなるように設計変更する。これによって、図の実線のように、可動部１２の共振周波数はω２のように計測周波数領域より十分大きくなり、計測対象の周波数領域では周波数依存性が無視できるようなる。しかしながら上記のような設計変更に伴い、センサの感度は、計測対象の周波数領域で図の実線のように低下してしまう。
【００１３】
そこで本発明は、計測対象の周波数領域で感度の周波数依存性が小さく、かつ高い感度の容量式力学量センサを提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、半導体基板に支持され力学量の印加に応じて変位する重錘部と、当該重錘部に一体形成された可動電極と、当該可動電極と対向する片持ち支持された固定電極とを備え、前記可動電極と固定電極の対向面で静電容量を形成し、力学量の印加に応じて可動電極が前記対向面に対して垂直方向に変位し、可動電極と固定電極との間の距離変化に伴う静電容量の変化を測定して印加力学量を検出する容量式力学量センサにおいて、前記可動電極と固定電極の対向面が略方形であり、当該略方形の対向面における２辺の長さの比が、０．１以上、１０以下であることを特徴としている。
【００１５】
容量式力学量センサは、力学量の印加に応じて可動電極が変位し、可動電極と固定電極との間の距離変化に伴う静電容量の変化を測定して印加力学量を検出する。従って、容量式力学量センサのセンサ感度は、可動電極の変位に伴う静電容量変化、または可動電極の静止時の初期静電容量に対する変位時の静電容量変化の比として表される。
【００１６】
上記構造の容量式力学量センサにおいては、可動電極と固定電極間に存在する気体の粘性により、スクイーズフィルムダンピングが働く。この電極間に生じるダンピングを利用することで、共振による変位の増幅を抑制して、計測対象の周波数領域に共振周波数があっても、周波数依存性の小さな容量式力学量センサとすることができる。このようにダンピングにより周波数依存性を低減した容量式力学量センサは、一般的に、共振周波数を計測対象の周波数領域外に移動して周波数依存性を低減したものと較べて、計測対象の周波数領域において感度の高い容量式力学量センサとすることができる。
【００１７】
本発明の容量式力学量センサにおいては、可動電極と固定電極の対向面が略方形で、対向面における２辺の長さの比を０．１以上、１０以下とすることで、対向面の面積を変えずに、前記ダンピングのダンピング係数を極大にすることができる。言い換えれば、可動電極と固定電極の対向面の面積が一定で、静止時の初期静電容量を増加させることなく、ダンピング係数を極大化して、前記のようにダンピングにより周波数依存性を低減した容量式力学センサとすることができる。従って、本発明の容量式力学量センサは、計測対象の周波数領域で感度の周波数依存性が小さく、かつ高い感度の容量式力学量センサとすることができる。
【００１８】
請求項２に記載のように、前記半導体基板はシリコン（Ｓｉ）基板であり、前記２辺の長さの比は、０．７以上、１．３以下であることが好ましい。
【００１９】
前記のダンピング係数は、略方形の対向面における２辺の長さの比が１、すなわち対向面が正方形のとき極大値をとる。本発明の容量式力学量センサでは、半導体基板をシリコン（Ｓｉ）基板とし、当該Ｓｉ基板にエッチングによるマイクロマシン加工を施すことで、前記２辺の長さの比を、０．７以上、１．３以下の範囲内で、正方形に近づけることができる。これによってダンピング係数を極大値に近づけ、本発明の容量式力学量センサを、高い感度で周波数依存性を最適に低減した容量式力学量センサとすることができる。
【００２０】
請求項３に記載の発明は、前記シリコン基板が、内部に絶縁層を有するＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板であり、前記２辺の長さの比が、０．９以上、１．１以下であることを特徴としている。
【００２１】
本発明の容量式力学量センサでは、シリコン基板を内部に絶縁層を有するＳＯＩ基板とすることで、内部の絶縁層をエッチングの基準にして、前記２辺の長さの比を、０．１以上、１．１以下の範囲内で、正方形に近づけることができる。これによってダンピング係数をさらに極大値に近づけ、本発明の容量式力学量センサを、高い感度で周波数依存性を最適に低減した容量式力学量センサとすることができる。
【００２２】
請求項４に記載の発明は、前記対向面が、複数形成されてなることを特徴としている。
【００２３】
これにより、前記固定電極との対向面が略方形となる可動電極を、複数に分けてバランスよく重錘部に配置して、重錘部と可動電極からなる可動部の振動を、バランスのよいものとすることができる。これによって、本発明の容量式力学量センサの耐久性を向上することができる。
【００２４】
請求項５に記載の発明は、前記重錘部と可動電極からなる可動部の質量をｍ、当該可動部のバネ定数をｋ、当該可動部のダンピング係数をｃとしたとき、Ｑ＝（ｍｋ）１／２／ｃで表されるＱが、１．２以下であることを特徴としている。
【００２５】
容量式力学量センサの感度（従って可動電極の振動に伴う振幅）に周波数依存性がある場合、振幅の周波数依存性がほぼ３０％以内であれば、電気回路により容易に周波数依存性を補正することができる。
【００２６】
本発明の容量式力学量センサにおいては、共振周波数における振幅の振動数ゼロにおける静的振幅に対する倍率を示す前記Ｑを１．２以下とすることにより、前記振幅の周波数依存性をほぼ３０％以内にすることができる。従って、電気回路により周波数依存性を容易に補正することができ、安価な容量式力学量センサとすることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図に基づいて説明する。
【００２８】
図１に示す容量式力学量センサの可動部が振動した時の周波数ωと静電容量変化ΔＣとの関係模式図を用いて、本発明の容量式力学量センサの基本的な考え方を説明する。
【００２９】
容量式力学量センサは、力学量の印加に応じて可動電極が変位し、可動電極と固定電極との間の距離変化に伴う静電容量の変化を測定して印加力学量を検出する。従って、容量式力学量センサのセンサ感度は、可動電極の変位に伴う静電容量変化ΔＣ、または可動電極の静止時の初期静電容量Ｃ０に対する変位時の静電容量変化の比ΔＣ／Ｃ０として表される。
【００３０】
従来の容量式力学量センサにおいては、図７で説明したように、可動部の共振周波数ω１が計測周波数領域に入ってくる場合には、共振周波数をω２に移動して、センサ感度の周波数依存性を低減していた。本発明の容量式力学量センサにおいては、図１に示すように可動部の共振周波数ω１を移動するのでなく、計測対象となる周波数領域内もしくは近傍にセンサの共振周波数を設定し、可動部のダンピングを利用してセンサ感度の周波数依存性を低減する。
【００３１】
この可動部のダンピングについて、図６（ａ），（ｂ）に示す容量式力学量センサ１１を用いて説明する。図６（ａ），（ｂ）の容量式力学量センサ１１においては、可動電極１６と固定電極１７，１８間に存在する気体の粘性により、スクイーズフィルムダンピングが働く。この電極間に生じるダンピングを利用することで、共振による変位の増幅を抑制して、計測対象の周波数領域に共振周波数があっても、周波数依存性の小さな容量式力学量センサとすることができる。
【００３２】
次に、数式を用いてより詳細に説明する。
【００３３】
ダンピングを利用した容量式力学量センサは、以下の各式に従う。
【００３４】
【数１】
【数２】
【数３】
【数４】
【数５】
【数６】
ここで、ΔＣ：静電容量変化、ε：誘電率、Ｌ：固定電極と可動電極の対向面の長さ、ｈ：固定電極と可動電極の対向面の高さ、ｄ：電極間距離、ｘ：電極間中心からの変位、ｍ：質量、ｃ：可動部のダンピング係数、ｋ：可動部のバネ定数、Ｆ：加振力振幅、ω：振動周波数、β：遅れ角、ωｎ：共振周波数、Ｑ：共振倍率（Ｑ値）、δｓｔ：静的振幅、α：加速度である。
【００４１】
数式１は、容量式力学量センサの感度である静電容量変化ΔＣと、電極間中心からの変位ｘとの関係を表す式である。数式２は、容量式力学量センサの可動部の運動方程式である。この運動方程式の解は、数式３のように表される。数式４は共振周波数の定義式であり、数式５は共振倍率Ｑの定義式である。
【００４２】
振動周波数ωが共振周波数ωｎの場合には、数式３が
【００４３】
【数７】
のようになることから、Ｑは、振動周波数ωが共振周波数ωｎの場合において、静的振幅δｓｔに対する振幅の倍率を表す量である。
【００４５】
数式６は、検出目的の加速度αと静的振幅δｓｔとの関係を表す式である。この容量式力学量センサでは、静電容量変化ΔＣを測定によって求め、数式１と数式３から静的振幅δｓｔを算出し、数式６によって加速度αが求められる。
【００４６】
図２は、数式３の振幅
【００４７】
【数８】
と周波数比ω／ωｎの関係を図式化したものである。また、共振周波数における数式５の関係が、図中に示されている。
【００４９】
図２からわかるように、共振倍率Ｑを小さくすることで、振幅δ（従って変位ｘと静電容量変化ΔＣ）の周波数依存性を小さくすることができる。共振倍率Ｑはダンピング係数ｃと数式５の関係にあるので、スクイーズフィルムダンピングによるダンピング係数ｃを大きくすれば、共振倍率Ｑが小さくなり、ひいてはセンサ感度である静電容量変化ΔＣの周波数依存性を小さくすることができる。
【００５０】
このようにダンピングにより周波数依存性を低減した容量式力学量センサは、一般的に、共振周波数を計測対象の周波数領域外に移動して周波数依存性を低減したものと較べて、計測周波数領域において感度の高いセンサとすることができる。例えば、バネ定数ｋを小さくして質量ｍを大きくすれば、数式４によって共振周波数が低減し、計測対象となる周波数領域近傍にセンサの共振周波数を設定することができる。一方、バネ定数ｋを小さくして質量ｍを大きくすれば、数式６によってセンサ感度は向上する。
【００５１】
本発明のダンピングを利用した容量式力学量センサは、基本構造は図６（ａ），（ｂ）に示した容量式力学量センサ１１と同様であるが、可動電極と固定電極の対向面が略方形であり、当該対向面における２辺の長さの比が、０．１以上、１０以下である。
【００５２】
図３に、対向面の面積を変えずに、対向面における２辺の長さの比を変えた場合におけるスクイーズフィルムダンピングのダンピング係数の計算例を示す。図３の計算は、対向面の面積を０．２５ｍｍ２、電極間距離を４μｍとして計算した結果である。
【００５３】
図３に示すように、ダンピング係数ｃは、可動電極と固定電極の対向面における２辺の長さの比Ｌ／ｈが０．１以上、１０以下のとき極大となり、Ｌ／ｈが１の正方形の場合に極大値をとる。尚、対向面における２辺の長さの比Ｌ／ｈが０．１以上、１０以下のとき極大となる結果は、対向面の面積や電極間距離を変えて計算しても同様に得られる。従って、この容量式力学センサは、可動電極と固定電極の対向面の面積が一定のため、静止時の初期静電容量Ｃ０の増加がなく、かつダンピング係数を極大化して、ダンピングにより周波数依存性を低減した容量式力学センサとすることができる。従って、本発明の容量式力学量センサは、計測対象の周波数領域で感度の周波数依存性が小さく、かつ高い感度の容量式力学量センサとすることができる。
【００５４】
図４は、上記のようなダンピングを利用した容量式力学センサにおいて、周波数比ω／ωｎと振幅比δ／δｓｔの関係を示す図である。図４は、数式８を図式化したものである。
【００５５】
容量式力学量センサの感度（従って可動電極の振動に伴う振幅）に周波数依存性がある場合、振幅の周波数依存性がほぼ３０％以内であれば、電気回路により容易に周波数依存性を補正することができる。
【００５６】
図４から、共振周波数における振幅の振動数ゼロにおける静的振幅δｓｔに対する倍率であるＱが１．２以下であれば、共振周波数を計測周波数領域に入れた状態で、振幅の周波数依存性をほぼ３０％以内にすることができる。従って、Ｑが１．２以下の容量式力学センサであれば、電気回路により周波数依存性を容易に補正することができ、安価な容量式力学量センサとすることができる。
【００５７】
尚、図３に示す対向面における２辺の長さの比Ｌ／ｈが０．１以上、１０以下のときの極大を利用した容量式力学量センサで、Ｑを１．２以下とするには、可動電極と固定電極の対向面の面積を増大し、ダンピング係数を大きくする。対向面の面積を増大すると、初期静電容量Ｃ０が増加するが，静電容量変化ΔＣも増加する。従って、静電容量変化の比ΔＣ／Ｃ０を測定する容量式力学量センサであっても、対向面の面積を増大による感度の低下はない。
【００５８】
また、対向面における２辺の長さの比Ｌ／ｈが０．１以上、１０以下のときの極大を利用した容量式力学量センサで、対向面の所定の面積を確保する場合、一つの対向面で所定の面積を確保するよりも、複数に分けて所定の面積を確保したほうが好ましい。図６（ａ）に示す容量式力学量センサ１１を見てわかるように、対向面が略方形でダンピングの大きな可動電極１６は、複数に分けてバランスよく重錘部に配置することができ、重錘部１５と可動電極１６からなる可動部１２の振動を、バランスのよいものとすることができる。従って、２辺の長さの比Ｌ／ｈが０．１以上、１０以下の対向面を持つ個々の可動電極を複数個重錘部に配置することで、可動部のバランスの良い振動を実現することができ、容量式力学量センサの耐久性を高めることができる。
【００５９】
次に、本発明の容量式力学量センサの製造方法を簡単に説明する。
【００６０】
図５（ａ）〜（ｄ）は、ＳＯＩ基板を用いた容量式力学量センサ１００の製造方法を模式的に示す工程別断面図である。尚、図５（ａ）〜（ｄ）において、図６（ｂ）の容量式力学量センサ１１と同様の部分については、同じ符号を付けた。
【００６１】
図５（ａ）に示すＳＯＩ基板は、第１の半導体層１９、酸化膜からなる絶縁層２１、と第２の半導体層２０からなる。半導体層１９，２０はいずれもシリコン（Ｓｉ）である。
【００６２】
最初に、基板表面に第１の酸化膜４０を形成し、第２の半導体層２０の電位をとるためのコンタクトホール４１を形成する。
【００６３】
次に、図５（ｂ）に示すように、アルミニウム（Ａｌ）電極４２を形成する。このＡｌ電極４２は、最終的に、図６（ａ）における電極パッド２８〜３０に対応する。
【００６４】
次に、図５（ｃ）に示すように、第２の酸化膜４３を形成した後、それをマスクにして、内部の絶縁層２１に達する溝４４を形成する。これによって、図では第２の半導体層２０が３つの領域２０ａ，２０ｂ，２０ｃに分離される。これら３つに分離された領域２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、最終的に、領域２０ａ，２０ｂが図６（ａ）における固定電極１７，１８に対応し、領域２０ｃが図６（ａ）における可動電極１６や重錘部１５に対応する。
【００６５】
次に、裏面エッチングのマスクとなる第３の酸化膜４５を基板裏面に成膜し、所定の開口部４６を形成する。
【００６６】
次に、開口部４６が形成された第３の酸化膜４５をマスクにして、基板裏面から内部の絶縁層２１に達するまでエッチングする。
【００６７】
最後に、酸化膜除去工程を用いて、表面に形成した第１〜第３の酸化膜４０，４３，４５を除去すると共に、内部の絶縁層２１における領域２０ｃの直下部分を除去して、図の断面において領域２０ｃと領域２０ａ，２０ｂが切り離される。
【００６８】
このようにして、図５（ｄ）に示す容量式力学量センサ１００が製造される。
【００６９】
以上、図５（ａ）〜（ｄ）においてはＳＯＩ基板を用いて容量式力学量センサ１００を製造する方法を説明したが、絶縁層２１のない通常のシリコン（Ｓｉ）基板を用いても、同様にして容量式力学量センサを製造することができる。但し、この場合には裏面からのエッチングのストップ精度がよくないので、領域２０ｃを形成したときの高さばらつきは、±３０％程度になる。
【００７０】
図３のダンピング係数の計算結果からわかるように、ダンピング係数は対向面における２辺の長さの比が１の正方形のとき極大値をとるため、理想的には対向面が正方形であることが望ましい。しかしながら、シリコン（Ｓｉ）基板を用いた容量式力学量センサにおいては前記のように±３０％程度の加工誤差が出るため、対向面における２辺の長さの比が、０．７以上、１．３以下の範囲内で、正方形に近づけることができる。これによってダンピング係数を極大値に近づけ、製造される容量式力学量センサを、高い感度で周波数依存性を最適に低減した容量式力学量センサとすることができる。
【００７１】
一方、図５（ａ）〜（ｄ）のＳＯＩ基板を用いた容量式力学量センサ１００の場合には、内部の絶縁層２１が第１の半導体層１９のエッチングにおけるストッパとなり、絶縁層２１がその後の酸化膜除去工程におけるエッチングの基準となる。これによって、領域２０ｃを形成したときの高さばらつきを、±１０％程度に抑えることができる。
【００７２】
このようにして、ＳＯＩ基板を用いた容量式力学量センサ１００においては、加工誤差を±１０％程度にできるため、対向面における２辺の長さの比が、０．９以上、１．１以下の範囲内で、正方形に近づけることができる。これによってダンピング係数をさらに極大値に近づけ、製造される容量式力学量センサを、高い感度で周波数依存性を最適に低減した容量式力学量センサとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の容量式力学量センサにおける、周波数ωと静電容量変化ΔＣとの関係を示す模式図である。
【図２】本発明の容量式力学量センサにおける、振幅δと周波数比ω／ωｎの関係を示す図である。
【図３】対向面の面積を変えずに、対向面における２辺の長さの比Ｌ／ｈ変えた場合のダンピング係数の計算例である。
【図４】本発明の容量式力学量センサにおける、周波数比ω／ωｎと振幅比δ／δｓｔの関係を示す図である。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は、ＳＯＩ基板を用いた本発明の容量式力学量センサの製造方法を模式的に示す、工程別断面図である。
【図６】（ａ）は、代表的な容量式力学量センサの平面模式図であり、（ｂ）は、（ａ）中におけるＡ−Ａ断面の断面模式図である。
【図７】従来の容量式力学量センサにおける、周波数ωと静電容量変化ΔＣとの関係を示す模式図である。
【符号の説明】
１１，１００ 容量式力学センサ
１２ 可動部
１３ アンカー部
１４ バネ部
１５ 重錘部
１６ 可動電極
１７ 第１の固定電極
１８ 第２の固定電極
１９ 第１の半導体層
２０ 第２の半導体層
２１ 絶縁層
Claims (5)
- 半導体基板に支持され力学量の印加に応じて変位する重錘部と、当該重錘部に一体形成された可動電極と、当該可動電極と対向する片持ち支持された固定電極とを備え、
前記可動電極と固定電極の対向面で静電容量を形成し、力学量の印加に応じて可動電極が前記対向面に対して垂直方向に変位し、可動電極と固定電極との間の距離変化に伴う静電容量の変化を測定して印加力学量を検出する容量式力学量センサにおいて、
前記可動電極と固定電極の対向面が略方形であり、当該略方形の対向面における２辺の長さの比が、０．１以上、１０以下であることを特徴とする容量式力学量センサ。 - 前記半導体基板がシリコン基板であり、前記２辺の長さの比が、０．７以上、１．３以下であ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。
- 前記シリコン基板が、内部に絶縁層を有するＳＯＩ基板であり、前記２辺の長さの比が、０．９以上、１．１以下であることを特徴とする請求項２に記載の容量式力学量センサ。
- 前記対向面が、複数形成されてなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の容量式力学量センサ。
- 前記重錘部と可動電極からなる可動部の質量をｍ、当該可動部のバネ定数をｋ、当該可動部のダンピング係数をｃとしたとき、
Ｑ＝（ｍｋ）１／２／ｃ
で表されるＱが、１．２以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の容量式力学量センサ。
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Cited By (1)
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