JP2004361115A - 半導体力学量センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】容量式の半導体力学量センサにおいて、体格の増加を極力抑制しつつ検出感度を向上させる。
【解決手段】半導体からなる固定電極としての第１シリコン基板１１の一面上に、半導体からなるとともに第１シリコン基板１１の厚さ方向に沿って変位可能な可動電極２０が隔てられて対向して配置されており、加速度が印加されたときの可動電極２０の変位に伴う可動電極２０と第１シリコン基板１１の一面との間の容量変化に基づいて、印加加速度を検出するようにした半導体加速度センサにおいて、可動電極２０と第１シリコン基板１１の一面との間には、可動電極２０と第１シリコン基板１１とを隔てる方向に沿って、空間部３０と電気絶縁性を有し空気よりも比誘電率の大きい絶縁層１３とが並んで介在している。
【選択図】 図２
【解決手段】半導体からなる固定電極としての第１シリコン基板１１の一面上に、半導体からなるとともに第１シリコン基板１１の厚さ方向に沿って変位可能な可動電極２０が隔てられて対向して配置されており、加速度が印加されたときの可動電極２０の変位に伴う可動電極２０と第１シリコン基板１１の一面との間の容量変化に基づいて、印加加速度を検出するようにした半導体加速度センサにおいて、可動電極２０と第１シリコン基板１１の一面との間には、可動電極２０と第１シリコン基板１１とを隔てる方向に沿って、空間部３０と電気絶縁性を有し空気よりも比誘電率の大きい絶縁層１３とが並んで介在している。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板に離間して対向する可動電極および固定電極を形成し、これら両電極間の容量変化に基づいて印加力学量を検出するようにした半導体力学量センサ、いわゆる容量式の半導体力学量センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の半導体力学量センサは、一般に、半導体基板を加工することにより、互いに隔てられて対向する可動電極および固定電極を形成し、加速度や角速度等の力学量が印加されたときの可動電極の変位に伴う可動電極と固定電極との間の容量変化に基づいて、印加力学量を検出するようにしたものである。
【０００３】
例えば、従来より、半導体からなる固定電極としての支持基板の一面上に、半導体からなるとともに支持基板の厚さ方向へ変位可能な可動電極を隔てて対向配置し、加速度印加時の可動電極と支持基板の一面との間の容量変化に基づいて印加加速度を検出するようにした半導体加速度センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。なお、この特許文献１では、可動電極は矩形であってその四隅がバネ部である可撓部により連結された卍形状をなしている。
【０００４】
また、この種の半導体力学量センサとしては、櫛歯状の可動電極と櫛歯状の固定電極とをかみ合わされた形で対向させ、半導体基板の水平方向への加速度の印加を検出するようにした半導体加速度センサも提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−１１３５３４号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平１０−１７８１８４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この種の容量式の半導体力学量センサにおいては、検出感度の向上が要望されており、そのためには、可動電極と固定電極との間の容量すなわち検出容量を増大させることが必要である。
【０００８】
この検出容量を増大させるためには、電極サイズを大きくして当該電極間の対向面積を増大させればよいが、このような対向面積の増加は、センサの体格増大を招くという問題が生じる。
【０００９】
そこで、本発明は上記問題に鑑み、容量式の半導体力学量センサにおいて、体格の増加を極力抑制しつつ検出感度を向上させることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、半導体基板（１０）を加工することにより、互いに隔てられて対向する可動電極（２０）および固定電極（１１）が形成されており、力学量が印加されたときの可動電極の変位に伴う可動電極と固定電極との間の容量変化に基づいて、印加力学量を検出するようにした半導体力学量センサにおいて、可動電極と固定電極との間には、これら両電極を隔てる方向に沿って、空間部（３０）と電気絶縁性を有し空気よりも比誘電率の大きい絶縁層（１３）とが並んで介在していることを特徴とする。
【００１１】
従来では、可動電極と固定電極との間は空間部のみであったのに対し、本発明では、空間部（３０）に加えて、空気よりも比誘電率の大きい絶縁層（１３）が介在している。
【００１２】
そのため、可動電極（２０）と固定電極（１１）との間の容量部すなわち検出容量部の誘電率は、従来よりも大きくなり、その結果、両電極の対向面積を大きくすることなく、検出容量を大きくすることができる。
【００１３】
よって、本発明によれば、容量式の半導体力学量センサにおいて、体格の増加を極力抑制しつつ検出感度を向上させることができる。
【００１４】
ここで、請求項２に記載の発明のように、絶縁層（１３）は、可動電極（２０）および固定電極（１１）における互いの対向面のうち少なくとも一方の面に設けられたものにできる。
【００１５】
さらには、請求項３に記載の発明のように、絶縁層（１３）は、可動電極（２０）および固定電極（１１）における互いの対向面の両面に設けられたものにできる。
【００１６】
また、請求項４に記載の発明では、絶縁層（１３）は、種類の異なる複数の絶縁膜（１３ａ、１３ｂ）により形成されているものにできる。
【００１７】
請求項５に記載の発明では、半導体からなる固定電極としての支持基板（１１）の一面上に、半導体からなるとともに支持基板の厚さ方向に沿って変位可能な可動電極（２０）が隔てられて対向して配置されており、力学量が印加されたときの可動電極の変位に伴う可動電極と支持基板の一面との間の容量変化に基づいて、印加力学量を検出するようにした半導体力学量センサにおいて、可動電極と支持基板の一面との間には、可動電極と支持基板とを隔てる方向に沿って、空間部（３０）と電気絶縁性を有し空気よりも比誘電率の大きい絶縁層（１３）とが並んで介在していることを特徴とする。
【００１８】
従来では、可動電極と固定電極である支持基板の一面との間は空間部のみであったのに対し、本発明では、空間部（３０）に加えて、空気よりも比誘電率の大きい絶縁層（１３）が介在している。
【００１９】
そのため、可動電極（２０）と支持基板（１１）の一面との間の容量部すなわち検出容量部の誘電率は、従来よりも大きくなり、その結果、可動電極と支持基板との対向面積を大きくすることなく、検出容量を大きくすることができる。
【００２０】
よって、本発明によれば、容量式の半導体力学量センサにおいて、体格の増加を極力抑制しつつ検出感度を向上させることができる。
【００２１】
ここで、請求項６に記載の発明のように、絶縁層（１３）は、可動電極（２０）および支持基板（１１）における互いの対向面のうち少なくとも一方の面に設けられたものにできる。
【００２２】
さらに、請求項７に記載の発明のように、絶縁層（１３）は、可動電極（２０）および支持基板（１１）における互いの対向面の両面に設けられたものにできる。
【００２３】
また、請求項８に記載の発明のように、絶縁層（１３）は、種類の異なる複数の絶縁膜（１３ａ、１３ｂ）により形成されたものにできる。
【００２４】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る半導体力学量センサとしての容量式加速度センサＳ１の概略平面図であり、図２は本加速度センサＳ１の図１中のＡ−Ａ線に沿った概略断面図であり、図３は本加速度センサＳ１の図１中のＢ−Ｂ線に沿った概略断面図である。
【００２６】
この加速度センサＳ１は、例えば、エアバッグ、ＡＢＳ、ＶＳＣ等の作動制御を行うための自動車用加速度センサやジャイロセンサ等に適用できる。
【００２７】
加速度センサＳ１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。
【００２８】
加速度センサＳ１を構成する半導体基板は、図２、図３に示すように、第１の半導体層としての第１シリコン基板１１と第２の半導体層としての第２シリコン基板１２との間に、絶縁層としてのシリコン酸化膜１３を有する矩形状のＳＯＩ基板１０である。そして、ＳＯＩ基板１０のうち第１シリコン基板１１が支持基板として構成されている。
【００２９】
第２シリコン基板１２には、溝１４を形成することにより、可動電極２０が形成されている。この可動電極２０は、本例では厚さ方向に貫通する複数個の貫通穴２１を有する形板状をなすもので、支持基板である第１シリコン基板１１に対して、当該第１シリコン基板１１の厚さ方向に沿って変位可能に支持されている。
【００３０】
具体的に、図２、図３に示すように、可動電極２０は、第２シリコン基板１２におけるシリコン酸化膜１３側の部分が除去されており、シリコン酸化膜１３の上に浮いた形となっている。なお、この第２シリコン基板１２におけるシリコン酸化膜１３側の部分が除去されている部分は、図１中に破線の矩形で示す領域１５内に位置する部分である。
【００３１】
そして、図１、図３に示すように、可動電極２０は、ＳＯＩ基板１０の中央部を横断するように配置されており、可動電極２０の両端は、バネ部２２を介してアンカー部２３ａ及び２３ｂに一体に連結された構成となっている。ここで、アンカー部２３ａ、２３ｂは、シリコン酸化膜１３を介して第１シリコン基板１１に支持され固定されている部分である。
【００３２】
また、バネ部２２は、平行な２本の梁がその両端で連結された矩形枠状をなしており、可動電極２０を、第１シリコン基板１１の厚さ方向に沿って弾性的に変位させるバネ機能を有する。具体的には、バネ部２２は、図２、図３中の矢印Ｚ方向の成分を含む加速度を受けたときに可動電極２０を矢印Ｚ方向へ変位させるとともに、加速度の消失に応じて元の状態に復元させるようになっている。
【００３３】
このように、可動電極２０は、支持基板である第１シリコン基板１１の一面上において当該一面と所定間隔ｔ（図２参照））を隔てて対向して形成されており、加速度の印加に応じて、バネ部２２の変位方向すなわち上記矢印Ｚ方向へ変位可能となっている。
【００３４】
そして、加速度印加時には、可動電極２０の変位に伴う可動電極２０と第１シリコン基板１１の一面との間隔ｔが変化するようになっている。以下、矢印Ｚ方向を変位方向Ｚと言うこととする。
【００３５】
ここで、本加速度センサＳ１においては、可動電極２０と対向する第１シリコン基板１１は、固定電極としても構成されている。そして、図２、図３に示すように、本実施形態では、互いに所定間隔ｔを隔てて対向する可動電極２０と第１シリコン基板（固定電極）１１の一面との間には、可動電極２０と第１シリコン基板１１とを隔てる方向（つまり変位方向Ｚ）に沿って、空間部３０と電気絶縁性を有し空気よりも比誘電率の大きい絶縁層１３とが並んで介在している。
【００３６】
上述したように、本例では、絶縁層１３は第１シリコン基板１１の対向面に設けられたシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）１３であり、熱酸化やスパッタ、蒸着等により形成されるものである。なお、空間部３０は大気中では空気の層であるが、真空雰囲気では真空の空間であり、他の気体雰囲気ではその雰囲気を構成する気体の層である。
【００３７】
また、図１、図３に示すように、一方のアンカー部２３ｂと一体に連結された状態で、可動電極用配線部２５が形成されており、この配線部２５上の所定位置には、ワイヤボンディング用の可動電極パッド２５ａが形成されている。
【００３８】
また、図１に示すように、固定電極である第１シリコン基板１１と電気的に接続されたワイヤボンディング用の固定電極パッド１１ａが形成されている。この固定電極パッド１１ａの断面構成を図１中のＣ−Ｃ断面として、図４に示しておく。
【００３９】
また、図１に示すように、第２シリコン基板１２における可動電極２４の周辺部には、当該周辺部を一定電位に保持するための基準電位パッド１２ａが形成されている。そして上記の各電極パッド１１ａ、１２ａ、２５ａは、例えばアルミニウム等により形成されている。
【００４０】
また、本加速度センサＳ１は、例えば第１シリコン基板１１の裏面すなわちシリコン酸化膜１３とは反対側の面側において接着剤等を介して図示しないパッケージに固定されており、このパッケージには、加速度センサＳ１を制御する回路手段が設けられている。
【００４１】
そして、この回路手段と上記の各電極パッド１１ａ、１２ａ、２５ａとは、金もしくはアルミニウムのワイヤボンディング等により形成されたワイヤ（図示せず）により電気的に接続される。
【００４２】
このような加速度センサＳ１は、例えば次のようにして製造することができる。ＳＯＩ基板１０の第２シリコン基板１２にフォトリソグラフ技術を用いて貫通穴２１を含む可動電極２０、バネ部２２、アンカー部２３ａ、２３ｂ等に対応した形状のマスクを形成した後、ＣＦ４やＳＦ６等のガスを用いたドライエッチング等にてトレンチエッチングを行い、図１に示すパターンの溝１４を形成する。
【００４３】
このトレンチエッチングにおいて、図１中の領域１５内に位置するエッチングパターンに比べて、当該領域１５の外部に位置するエッチングパターンでは、残し部をより幅広形状とする。なお、可動電極２０においては、貫通穴２１によって幅の狭い残し部が実現される。
【００４４】
それにより、図１中の領域１５内に位置する第２シリコン基板１２の部分では、サイドエッチングによって第２シリコン基板１２の下部が除去され、シリコン酸化膜１３から浮いた形となり、当該領域１５の外部では、第２シリコン基板１２の下部は残る。
【００４５】
そのため、第２シリコン基板１２において、酸化膜１３から浮いた部分と酸化膜１３に接して支持された部分とが形成され、その結果、上記溝１４を介して区画された可動電極２０、バネ部２２、アンカー部２２ａ、２２ｂ等が形成される。さらに、アルミのスパッタや蒸着等を行うことで、上記各電極パッド１１ａ、１２ａ、２５ａを形成し、加速度センサＳ１ができあがる。
【００４６】
このような加速度センサＳ１においては、可動電極２０と固定電極である第１シリコン基板１１との間に検出容量が形成されている。そして、加速度を受けると、バネ部２２のバネ機能により、可動電極２０全体が一体的に変位方向Ｚに沿って変位し、この変位に応じて上記検出容量が変化する。そして、この容量の変化に基づいて加速度が検出されるようになっている。
【００４７】
ところで、本実施形態では、可動電極２０と固定電極であり支持基板である第１シリコン基板１１の一面との間には、可動電極２０と第１シリコン基板１１とを隔てる方向に沿って、空間部３０と電気絶縁性を有し空気よりも比誘電率の大きい絶縁層１３とが並んで介在していることを主たる特徴としている。
【００４８】
従来では、可動電極と固定電極である支持基板の一面との間は空間部のみであったのに対し、本例では、可動電極２０と固定電極である第１シリコン基板１１との間には、空間部３０に加えて、空気よりも比誘電率の大きい絶縁層としてシリコン酸化膜１３が介在している。なお、空気の比誘電率は１であり、シリコン酸化膜１３の比誘電率は３．８４である。
【００４９】
そのため、可動電極２０と第１シリコン基板１１の一面との間の容量部すなわち検出容量部の誘電率は、従来よりも大きくなり、その結果、可動電極２０と第１シリコン基板１１との対向面積を大きくすることなく、検出容量を大きくすることができる。
【００５０】
よって、本実施形態によれば、容量式の半導体加速度センサＳ１において、センサの体格の増加を極力抑制しつつ、検出感度を向上させることができる。
【００５１】
絶縁層としてシリコン酸化膜１３を用いた本例の加速度センサＳ１について、具体的な検出感度の向上効果を述べる。ここでは、空間部３０は空気層であるとする。
【００５２】
図５（ａ）は本例の加速度センサＳ１の場合であって、可動電極２０と固定電極（第１シリコン基板）１１の間の誘電体がシリコン酸化膜１３と空気層（空間部）３０であるもの、図５（ｂ）は、従来の場合であって、可動電極２０と固定電極１１の間の誘電体が空気層のみであるものを示している。
【００５３】
ここで、真空の誘電率をε０、空気層３０の比誘電率（つまり空気の比誘電率）をεｒ１、シリコン酸化膜１３の比誘電率（つまりＳｉＯ２の比誘電率）をεｒ２、両電極２０、１１を隔てる方向に沿った空気層３０、シリコン酸化膜１３の厚さをそれぞれ、ｔ１、ｔ２とする。なお、図５（ｂ）では、（ｔ１＋ｔ２）は両電極２０、１１間の空気層３０の厚さとなる。
【００５４】
そして、図５（ａ）、（ｂ）における両電極２０、１１の間の単位面積あたりの容量をそれぞれ、Ｃａ、Ｃｂとすると、これら容量Ｃａ、Ｃｂはそれぞれ、次の数式１、２に表される。
【００５５】
【数１】
【００５６】
【数２】
【００５７】
ここで、空気の比誘電率εｒ１＝１であることから、各容量Ｃａ、Ｃｂは、それぞれ次の数式３、４に示されるようになる。
【００５８】
【数３】
【００５９】
【数４】
【００６０】
そして、これら数式３および数式４から、従来の空気層３０のみの場合の容量Ｃｂに対する本例の容量Ｃａの比Ｃａ／Ｃｂは、次の数式５のように表される。
【００６１】
【数５】
【００６２】
この数式５に示す関係に基づいて、空気層３０の厚さｔ１とシリコン酸化膜１３の厚さｔ２との比ｔ２／ｔ１と、容量との関係を求めた結果は、図６に示される。
【００６３】
図６では、横軸に（酸化膜厚／空気層厚）すなわち比ｔ２／ｔ１をとり、縦軸に容量増加分をとってある。また、横軸が０のときの縦軸の値は、両電極２０、１１間の誘電体がすべて空気層３０の場合すなわち上記図５（ｂ）に示す従来の容量Ｃｂであり、この容量Ｃｂを１に規格化して容量増加分を示している。
【００６４】
図６に示すように、両電極２０、１１間の誘電体の中でシリコン酸化膜１３の厚さの比率が大きくなるにつれて容量が増大していくことがわかる。例えば、容量を２倍以上にするには、酸化膜厚／空気層厚を２．０５とする、つまり、シリコン酸化膜１３の厚さｔ２を空気層３０の厚さｔ１の２．０５倍以上にすればよいことがわかる。
【００６５】
また、空気層３０の厚さｔ１およびシリコン酸化膜１３の厚さｔ２が決まっている場合、次のようにダイナミックレンジを考慮して作動を行うようにする。図７は、可動電極２０の変位モデルを示す図である。
【００６６】
図７では、本例の加速度センサＳ１において、加速度Ｇが印加されたときに可動電極２０が変位量（ｔ１−ｄ）の分、変位した場合を示す。つまり、図７において、変位後の空気層３０の厚さがｄとなっている。また、両電極２０、１１間の差電圧をＶとしている。
【００６７】
このとき、両電極２０、１１間の静電気力をＦｅｄ、バネ部２２のバネ低位数をｋ、バネ部２２のバネ力をＦｓｐとすると、静電気力Ｆｅｄ、バネ力Ｆｓｐはそれぞれ、次の数式６、数式７に示される。
【００６８】
【数６】
【００６９】
【数７】
【００７０】
そして、可動電極２０の変位が釣り合った状態すなわち平衡状態では、Ｆｅｄ＝Ｆｓｐであり、この関係と上記数式６および数式７から、次の数式８に示される関係が導き出される。
【００７１】
【数８】
【００７２】
一方、図８に示すように、印加加速度Ｇが大きくなるにつれて、変位後の空気層３０の厚さｄが狭まり、ある大きさの印加加速度Ｇで、可動電極２０とシリコン酸化膜１３が接し、厚さｄが０となる。
【００７３】
この厚さｄが０となるときの加速度Ｇが最大ダイナミックレンジの加速度Ｇｍａｘである。図８に示すように、両電極２０、１１間の差電圧Ｖが小さくなるにつれて、この最大ダイナミックレンジの加速度Ｇｍａｘは大きくなっていく。そして、加速度センサＳ１の作動は、最大ダイナミックレンジの加速度Ｇｍａｘ以下で行う。
【００７４】
図９は、上記数式８に示す関係を、変位後の空気層３０の厚さｄと両電極２０、１１間の差電圧Ｖとの関係として模式的に表した図である。
【００７５】
図９に示すように、差電圧Ｖを印加して、両電極２０、１１の間隔が狭まってくると、プルイン電圧前後の電圧の変化率が、正から負に変化する。よって、図９中のプルイン電圧に対応した厚さｄ’の状態が最大ダイナミックレンジの状態となる。
【００７６】
このことは、上記数式８をｄによって一次微分した式∂Ｖ／∂ｄが０になるときが最大ダイナミックレンジの状態となることである。この∂Ｖ／∂ｄ＝０の関係は、次の数式９に示される。
【００７７】
【数９】
【００７８】
そして、この数式９から、次の数式１０に示す関係が導き出される。
【００７９】
【数１０】
【００８０】
この数式１０に示すように、本例の加速度センサＳ１においては、空気層３０の厚さｔ１とシリコン酸化膜１３の厚さｔ２が決まれば、ダイナミックレンジの範囲が決まる。
【００８１】
つまり、変位後の空気層３０の厚さｄが、上記数式１０の右辺よりも小さくなると、両電極２０、１１がくっついてしまうので、変位後の空気層３０の厚さｄが、上記数式１０の右辺以上となる範囲で加速度センサＳ１を作動させるようにする。
【００８２】
なお、上記例では、絶縁層１３としてシリコン酸化膜１３を用いたが、それ以外にも比誘電率が９．０であるシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）や、ＳｉＯＮ膜（比誘電率：３．８４〜９．０）等、空気よりも比誘電率の大きい電気的な絶縁膜を採用することができる。
【００８３】
次に、図１０、図１１、図１２に本実施形態の変形例としての加速度センサの概略断面構成を示しておく。なお、これら図１０〜図１２は、上記図２に示す断面に対応した断面の構成を示しており、基本的には周知の半導体製造技術を用いて製造可能なものである。
【００８４】
図１０に示す第１の変形例は、第１シリコン基板１１、シリコン酸化膜１３、第３シリコン基板１６、酸化膜１３、第２シリコン基板１２が積層された２層の埋め込み酸化膜１３を有するＳＯＩ基板１０を用いたものである。
【００８５】
そして、絶縁層であるシリコン酸化膜１３は、可動電極２０および固定電極であり支持基板である第１シリコン基板１１における互いの対向面の両面に設けられている。
【００８６】
この場合も、例えば、上記図１に示す加速度センサＳ１と同様に、第２シリコン基板１２側からトレンチエッチングを行って溝１４を形成し、可動電極２０の下の第３シリコン基板１６部分をサイドエッチングで除去することにより、製造可能である。
【００８７】
図１１に示す第２の変形例は、上記図１に示す加速度センサＳ１と同様のＳＯＩ基板１０を用いたもので、絶縁層であるシリコン酸化膜１３は、可動電極２０における対向面に設けられている。
【００８８】
この場合、例えば、ＳＯＩ基板１０に対して、第２シリコン基板１２側からのトレンチエッチング、酸化膜１３の犠牲層エッチング、第２シリコン基板１２のサイドエッチング、酸化、表面のシリコン酸化膜エッチングを順次行うことで製造することができる。
【００８９】
図１２に示す第３の変形例は、絶縁層１３を、種類の異なる複数の絶縁膜により形成したものであり、図示例では、絶縁層１３は第１シリコン基板１１側に設けられたシリコン酸化膜１３ａとシリコン窒化膜１３ｂの２層構成のものである。
【００９０】
なお、絶縁層１３を複数の絶縁膜により構成する場合、もちろん３層以上、３種類以上の絶縁膜であってもよいが、各種の絶縁膜は、ともに空気よりも比誘電率の大きいものを用いることが必要である。
【００９１】
この第３の変形例は、例えば、埋め込み絶縁膜がシリコン酸化膜１３ａとシリコン窒化膜１３ｂの２層からなるＳＯＩ基板１０を用い、例えば、上記図１に示す加速度センサＳ１と同様に、第２シリコン基板１２側からトレンチエッチングを行って溝１４を形成し、可動電極２０の下の第２シリコン基板１２部分をサイドエッチングで除去することにより、製造可能である。
【００９２】
（他の実施形態）
なお、本発明は、上記実施形態に示したような、半導体からなる固定電極としての支持基板の一面上に、半導体からなるとともに支持基板の厚さ方向へ変位可能な可動電極を隔てて対向配置したもの以外にも、例えば、上記特許文献２に示したような、櫛歯状の可動電極と固定電極とを有するものにも適用することができる。
【００９３】
このような櫛歯状の可動電極と固定電極との場合、櫛歯の側面で電極同士が対向するが、この櫛歯の側面に絶縁層を形成する方法としては、例えば、トレンチエッチングにより櫛歯状の各電極を形成した後、側面酸化を行うようにすればよい。
【００９４】
また、本発明は、容量式の半導体力学量センサとして、加速度センサ以外にも、例えば角速度センサや圧力センサ等に対しても適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体加速度センサの概略平面図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ概略断面図である。
【図３】図１中のＢ−Ｂ概略断面図である。
【図４】図１中のＣ−Ｃ概略断面図である。
【図５】（ａ）は実施形態における容量モデルを示す図、（ｂ）は従来の容量モデルを示す図である。
【図６】（酸化膜厚／空気層厚）と容量増加分との関係を示す図である。
【図７】加速度印加時における可動電極の変位モデルを示す図である。
【図８】印加加速度Ｇと変位後の空気層の厚さｄとの関係を示す図である。
【図９】変位後の空気層の厚さｄと両電極間の差電圧Ｖとの関係を模式的に表した図である。
【図１０】上記実施形態の第１の変形例を示す概略断面図である。
【図１１】上記実施形態の第２の変形例を示す概略断面図である。
【図１２】上記実施形態の第３の変形例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１０…ＳＯＩ基板、１１…第１シリコン基板、
１３、１３ａ…シリコン酸化膜、１３ｂ…シリコン窒化膜、
２０…可動電極、３０…空間部。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板に離間して対向する可動電極および固定電極を形成し、これら両電極間の容量変化に基づいて印加力学量を検出するようにした半導体力学量センサ、いわゆる容量式の半導体力学量センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の半導体力学量センサは、一般に、半導体基板を加工することにより、互いに隔てられて対向する可動電極および固定電極を形成し、加速度や角速度等の力学量が印加されたときの可動電極の変位に伴う可動電極と固定電極との間の容量変化に基づいて、印加力学量を検出するようにしたものである。
【０００３】
例えば、従来より、半導体からなる固定電極としての支持基板の一面上に、半導体からなるとともに支持基板の厚さ方向へ変位可能な可動電極を隔てて対向配置し、加速度印加時の可動電極と支持基板の一面との間の容量変化に基づいて印加加速度を検出するようにした半導体加速度センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。なお、この特許文献１では、可動電極は矩形であってその四隅がバネ部である可撓部により連結された卍形状をなしている。
【０００４】
また、この種の半導体力学量センサとしては、櫛歯状の可動電極と櫛歯状の固定電極とをかみ合わされた形で対向させ、半導体基板の水平方向への加速度の印加を検出するようにした半導体加速度センサも提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−１１３５３４号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平１０−１７８１８４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この種の容量式の半導体力学量センサにおいては、検出感度の向上が要望されており、そのためには、可動電極と固定電極との間の容量すなわち検出容量を増大させることが必要である。
【０００８】
この検出容量を増大させるためには、電極サイズを大きくして当該電極間の対向面積を増大させればよいが、このような対向面積の増加は、センサの体格増大を招くという問題が生じる。
【０００９】
そこで、本発明は上記問題に鑑み、容量式の半導体力学量センサにおいて、体格の増加を極力抑制しつつ検出感度を向上させることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、半導体基板（１０）を加工することにより、互いに隔てられて対向する可動電極（２０）および固定電極（１１）が形成されており、力学量が印加されたときの可動電極の変位に伴う可動電極と固定電極との間の容量変化に基づいて、印加力学量を検出するようにした半導体力学量センサにおいて、可動電極と固定電極との間には、これら両電極を隔てる方向に沿って、空間部（３０）と電気絶縁性を有し空気よりも比誘電率の大きい絶縁層（１３）とが並んで介在していることを特徴とする。
【００１１】
従来では、可動電極と固定電極との間は空間部のみであったのに対し、本発明では、空間部（３０）に加えて、空気よりも比誘電率の大きい絶縁層（１３）が介在している。
【００１２】
そのため、可動電極（２０）と固定電極（１１）との間の容量部すなわち検出容量部の誘電率は、従来よりも大きくなり、その結果、両電極の対向面積を大きくすることなく、検出容量を大きくすることができる。
【００１３】
よって、本発明によれば、容量式の半導体力学量センサにおいて、体格の増加を極力抑制しつつ検出感度を向上させることができる。
【００１４】
ここで、請求項２に記載の発明のように、絶縁層（１３）は、可動電極（２０）および固定電極（１１）における互いの対向面のうち少なくとも一方の面に設けられたものにできる。
【００１５】
さらには、請求項３に記載の発明のように、絶縁層（１３）は、可動電極（２０）および固定電極（１１）における互いの対向面の両面に設けられたものにできる。
【００１６】
また、請求項４に記載の発明では、絶縁層（１３）は、種類の異なる複数の絶縁膜（１３ａ、１３ｂ）により形成されているものにできる。
【００１７】
請求項５に記載の発明では、半導体からなる固定電極としての支持基板（１１）の一面上に、半導体からなるとともに支持基板の厚さ方向に沿って変位可能な可動電極（２０）が隔てられて対向して配置されており、力学量が印加されたときの可動電極の変位に伴う可動電極と支持基板の一面との間の容量変化に基づいて、印加力学量を検出するようにした半導体力学量センサにおいて、可動電極と支持基板の一面との間には、可動電極と支持基板とを隔てる方向に沿って、空間部（３０）と電気絶縁性を有し空気よりも比誘電率の大きい絶縁層（１３）とが並んで介在していることを特徴とする。
【００１８】
従来では、可動電極と固定電極である支持基板の一面との間は空間部のみであったのに対し、本発明では、空間部（３０）に加えて、空気よりも比誘電率の大きい絶縁層（１３）が介在している。
【００１９】
そのため、可動電極（２０）と支持基板（１１）の一面との間の容量部すなわち検出容量部の誘電率は、従来よりも大きくなり、その結果、可動電極と支持基板との対向面積を大きくすることなく、検出容量を大きくすることができる。
【００２０】
よって、本発明によれば、容量式の半導体力学量センサにおいて、体格の増加を極力抑制しつつ検出感度を向上させることができる。
【００２１】
ここで、請求項６に記載の発明のように、絶縁層（１３）は、可動電極（２０）および支持基板（１１）における互いの対向面のうち少なくとも一方の面に設けられたものにできる。
【００２２】
さらに、請求項７に記載の発明のように、絶縁層（１３）は、可動電極（２０）および支持基板（１１）における互いの対向面の両面に設けられたものにできる。
【００２３】
また、請求項８に記載の発明のように、絶縁層（１３）は、種類の異なる複数の絶縁膜（１３ａ、１３ｂ）により形成されたものにできる。
【００２４】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る半導体力学量センサとしての容量式加速度センサＳ１の概略平面図であり、図２は本加速度センサＳ１の図１中のＡ−Ａ線に沿った概略断面図であり、図３は本加速度センサＳ１の図１中のＢ−Ｂ線に沿った概略断面図である。
【００２６】
この加速度センサＳ１は、例えば、エアバッグ、ＡＢＳ、ＶＳＣ等の作動制御を行うための自動車用加速度センサやジャイロセンサ等に適用できる。
【００２７】
加速度センサＳ１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。
【００２８】
加速度センサＳ１を構成する半導体基板は、図２、図３に示すように、第１の半導体層としての第１シリコン基板１１と第２の半導体層としての第２シリコン基板１２との間に、絶縁層としてのシリコン酸化膜１３を有する矩形状のＳＯＩ基板１０である。そして、ＳＯＩ基板１０のうち第１シリコン基板１１が支持基板として構成されている。
【００２９】
第２シリコン基板１２には、溝１４を形成することにより、可動電極２０が形成されている。この可動電極２０は、本例では厚さ方向に貫通する複数個の貫通穴２１を有する形板状をなすもので、支持基板である第１シリコン基板１１に対して、当該第１シリコン基板１１の厚さ方向に沿って変位可能に支持されている。
【００３０】
具体的に、図２、図３に示すように、可動電極２０は、第２シリコン基板１２におけるシリコン酸化膜１３側の部分が除去されており、シリコン酸化膜１３の上に浮いた形となっている。なお、この第２シリコン基板１２におけるシリコン酸化膜１３側の部分が除去されている部分は、図１中に破線の矩形で示す領域１５内に位置する部分である。
【００３１】
そして、図１、図３に示すように、可動電極２０は、ＳＯＩ基板１０の中央部を横断するように配置されており、可動電極２０の両端は、バネ部２２を介してアンカー部２３ａ及び２３ｂに一体に連結された構成となっている。ここで、アンカー部２３ａ、２３ｂは、シリコン酸化膜１３を介して第１シリコン基板１１に支持され固定されている部分である。
【００３２】
また、バネ部２２は、平行な２本の梁がその両端で連結された矩形枠状をなしており、可動電極２０を、第１シリコン基板１１の厚さ方向に沿って弾性的に変位させるバネ機能を有する。具体的には、バネ部２２は、図２、図３中の矢印Ｚ方向の成分を含む加速度を受けたときに可動電極２０を矢印Ｚ方向へ変位させるとともに、加速度の消失に応じて元の状態に復元させるようになっている。
【００３３】
このように、可動電極２０は、支持基板である第１シリコン基板１１の一面上において当該一面と所定間隔ｔ（図２参照））を隔てて対向して形成されており、加速度の印加に応じて、バネ部２２の変位方向すなわち上記矢印Ｚ方向へ変位可能となっている。
【００３４】
そして、加速度印加時には、可動電極２０の変位に伴う可動電極２０と第１シリコン基板１１の一面との間隔ｔが変化するようになっている。以下、矢印Ｚ方向を変位方向Ｚと言うこととする。
【００３５】
ここで、本加速度センサＳ１においては、可動電極２０と対向する第１シリコン基板１１は、固定電極としても構成されている。そして、図２、図３に示すように、本実施形態では、互いに所定間隔ｔを隔てて対向する可動電極２０と第１シリコン基板（固定電極）１１の一面との間には、可動電極２０と第１シリコン基板１１とを隔てる方向（つまり変位方向Ｚ）に沿って、空間部３０と電気絶縁性を有し空気よりも比誘電率の大きい絶縁層１３とが並んで介在している。
【００３６】
上述したように、本例では、絶縁層１３は第１シリコン基板１１の対向面に設けられたシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）１３であり、熱酸化やスパッタ、蒸着等により形成されるものである。なお、空間部３０は大気中では空気の層であるが、真空雰囲気では真空の空間であり、他の気体雰囲気ではその雰囲気を構成する気体の層である。
【００３７】
また、図１、図３に示すように、一方のアンカー部２３ｂと一体に連結された状態で、可動電極用配線部２５が形成されており、この配線部２５上の所定位置には、ワイヤボンディング用の可動電極パッド２５ａが形成されている。
【００３８】
また、図１に示すように、固定電極である第１シリコン基板１１と電気的に接続されたワイヤボンディング用の固定電極パッド１１ａが形成されている。この固定電極パッド１１ａの断面構成を図１中のＣ−Ｃ断面として、図４に示しておく。
【００３９】
また、図１に示すように、第２シリコン基板１２における可動電極２４の周辺部には、当該周辺部を一定電位に保持するための基準電位パッド１２ａが形成されている。そして上記の各電極パッド１１ａ、１２ａ、２５ａは、例えばアルミニウム等により形成されている。
【００４０】
また、本加速度センサＳ１は、例えば第１シリコン基板１１の裏面すなわちシリコン酸化膜１３とは反対側の面側において接着剤等を介して図示しないパッケージに固定されており、このパッケージには、加速度センサＳ１を制御する回路手段が設けられている。
【００４１】
そして、この回路手段と上記の各電極パッド１１ａ、１２ａ、２５ａとは、金もしくはアルミニウムのワイヤボンディング等により形成されたワイヤ（図示せず）により電気的に接続される。
【００４２】
このような加速度センサＳ１は、例えば次のようにして製造することができる。ＳＯＩ基板１０の第２シリコン基板１２にフォトリソグラフ技術を用いて貫通穴２１を含む可動電極２０、バネ部２２、アンカー部２３ａ、２３ｂ等に対応した形状のマスクを形成した後、ＣＦ４やＳＦ６等のガスを用いたドライエッチング等にてトレンチエッチングを行い、図１に示すパターンの溝１４を形成する。
【００４３】
このトレンチエッチングにおいて、図１中の領域１５内に位置するエッチングパターンに比べて、当該領域１５の外部に位置するエッチングパターンでは、残し部をより幅広形状とする。なお、可動電極２０においては、貫通穴２１によって幅の狭い残し部が実現される。
【００４４】
それにより、図１中の領域１５内に位置する第２シリコン基板１２の部分では、サイドエッチングによって第２シリコン基板１２の下部が除去され、シリコン酸化膜１３から浮いた形となり、当該領域１５の外部では、第２シリコン基板１２の下部は残る。
【００４５】
そのため、第２シリコン基板１２において、酸化膜１３から浮いた部分と酸化膜１３に接して支持された部分とが形成され、その結果、上記溝１４を介して区画された可動電極２０、バネ部２２、アンカー部２２ａ、２２ｂ等が形成される。さらに、アルミのスパッタや蒸着等を行うことで、上記各電極パッド１１ａ、１２ａ、２５ａを形成し、加速度センサＳ１ができあがる。
【００４６】
このような加速度センサＳ１においては、可動電極２０と固定電極である第１シリコン基板１１との間に検出容量が形成されている。そして、加速度を受けると、バネ部２２のバネ機能により、可動電極２０全体が一体的に変位方向Ｚに沿って変位し、この変位に応じて上記検出容量が変化する。そして、この容量の変化に基づいて加速度が検出されるようになっている。
【００４７】
ところで、本実施形態では、可動電極２０と固定電極であり支持基板である第１シリコン基板１１の一面との間には、可動電極２０と第１シリコン基板１１とを隔てる方向に沿って、空間部３０と電気絶縁性を有し空気よりも比誘電率の大きい絶縁層１３とが並んで介在していることを主たる特徴としている。
【００４８】
従来では、可動電極と固定電極である支持基板の一面との間は空間部のみであったのに対し、本例では、可動電極２０と固定電極である第１シリコン基板１１との間には、空間部３０に加えて、空気よりも比誘電率の大きい絶縁層としてシリコン酸化膜１３が介在している。なお、空気の比誘電率は１であり、シリコン酸化膜１３の比誘電率は３．８４である。
【００４９】
そのため、可動電極２０と第１シリコン基板１１の一面との間の容量部すなわち検出容量部の誘電率は、従来よりも大きくなり、その結果、可動電極２０と第１シリコン基板１１との対向面積を大きくすることなく、検出容量を大きくすることができる。
【００５０】
よって、本実施形態によれば、容量式の半導体加速度センサＳ１において、センサの体格の増加を極力抑制しつつ、検出感度を向上させることができる。
【００５１】
絶縁層としてシリコン酸化膜１３を用いた本例の加速度センサＳ１について、具体的な検出感度の向上効果を述べる。ここでは、空間部３０は空気層であるとする。
【００５２】
図５（ａ）は本例の加速度センサＳ１の場合であって、可動電極２０と固定電極（第１シリコン基板）１１の間の誘電体がシリコン酸化膜１３と空気層（空間部）３０であるもの、図５（ｂ）は、従来の場合であって、可動電極２０と固定電極１１の間の誘電体が空気層のみであるものを示している。
【００５３】
ここで、真空の誘電率をε０、空気層３０の比誘電率（つまり空気の比誘電率）をεｒ１、シリコン酸化膜１３の比誘電率（つまりＳｉＯ２の比誘電率）をεｒ２、両電極２０、１１を隔てる方向に沿った空気層３０、シリコン酸化膜１３の厚さをそれぞれ、ｔ１、ｔ２とする。なお、図５（ｂ）では、（ｔ１＋ｔ２）は両電極２０、１１間の空気層３０の厚さとなる。
【００５４】
そして、図５（ａ）、（ｂ）における両電極２０、１１の間の単位面積あたりの容量をそれぞれ、Ｃａ、Ｃｂとすると、これら容量Ｃａ、Ｃｂはそれぞれ、次の数式１、２に表される。
【００５５】
【数１】
【数２】
ここで、空気の比誘電率εｒ１＝１であることから、各容量Ｃａ、Ｃｂは、それぞれ次の数式３、４に示されるようになる。
【００５８】
【数３】
【数４】
そして、これら数式３および数式４から、従来の空気層３０のみの場合の容量Ｃｂに対する本例の容量Ｃａの比Ｃａ／Ｃｂは、次の数式５のように表される。
【００６１】
【数５】
この数式５に示す関係に基づいて、空気層３０の厚さｔ１とシリコン酸化膜１３の厚さｔ２との比ｔ２／ｔ１と、容量との関係を求めた結果は、図６に示される。
【００６３】
図６では、横軸に（酸化膜厚／空気層厚）すなわち比ｔ２／ｔ１をとり、縦軸に容量増加分をとってある。また、横軸が０のときの縦軸の値は、両電極２０、１１間の誘電体がすべて空気層３０の場合すなわち上記図５（ｂ）に示す従来の容量Ｃｂであり、この容量Ｃｂを１に規格化して容量増加分を示している。
【００６４】
図６に示すように、両電極２０、１１間の誘電体の中でシリコン酸化膜１３の厚さの比率が大きくなるにつれて容量が増大していくことがわかる。例えば、容量を２倍以上にするには、酸化膜厚／空気層厚を２．０５とする、つまり、シリコン酸化膜１３の厚さｔ２を空気層３０の厚さｔ１の２．０５倍以上にすればよいことがわかる。
【００６５】
また、空気層３０の厚さｔ１およびシリコン酸化膜１３の厚さｔ２が決まっている場合、次のようにダイナミックレンジを考慮して作動を行うようにする。図７は、可動電極２０の変位モデルを示す図である。
【００６６】
図７では、本例の加速度センサＳ１において、加速度Ｇが印加されたときに可動電極２０が変位量（ｔ１−ｄ）の分、変位した場合を示す。つまり、図７において、変位後の空気層３０の厚さがｄとなっている。また、両電極２０、１１間の差電圧をＶとしている。
【００６７】
このとき、両電極２０、１１間の静電気力をＦｅｄ、バネ部２２のバネ低位数をｋ、バネ部２２のバネ力をＦｓｐとすると、静電気力Ｆｅｄ、バネ力Ｆｓｐはそれぞれ、次の数式６、数式７に示される。
【００６８】
【数６】
【数７】
そして、可動電極２０の変位が釣り合った状態すなわち平衡状態では、Ｆｅｄ＝Ｆｓｐであり、この関係と上記数式６および数式７から、次の数式８に示される関係が導き出される。
【００７１】
【数８】
一方、図８に示すように、印加加速度Ｇが大きくなるにつれて、変位後の空気層３０の厚さｄが狭まり、ある大きさの印加加速度Ｇで、可動電極２０とシリコン酸化膜１３が接し、厚さｄが０となる。
【００７３】
この厚さｄが０となるときの加速度Ｇが最大ダイナミックレンジの加速度Ｇｍａｘである。図８に示すように、両電極２０、１１間の差電圧Ｖが小さくなるにつれて、この最大ダイナミックレンジの加速度Ｇｍａｘは大きくなっていく。そして、加速度センサＳ１の作動は、最大ダイナミックレンジの加速度Ｇｍａｘ以下で行う。
【００７４】
図９は、上記数式８に示す関係を、変位後の空気層３０の厚さｄと両電極２０、１１間の差電圧Ｖとの関係として模式的に表した図である。
【００７５】
図９に示すように、差電圧Ｖを印加して、両電極２０、１１の間隔が狭まってくると、プルイン電圧前後の電圧の変化率が、正から負に変化する。よって、図９中のプルイン電圧に対応した厚さｄ’の状態が最大ダイナミックレンジの状態となる。
【００７６】
このことは、上記数式８をｄによって一次微分した式∂Ｖ／∂ｄが０になるときが最大ダイナミックレンジの状態となることである。この∂Ｖ／∂ｄ＝０の関係は、次の数式９に示される。
【００７７】
【数９】
そして、この数式９から、次の数式１０に示す関係が導き出される。
【００７９】
【数１０】
この数式１０に示すように、本例の加速度センサＳ１においては、空気層３０の厚さｔ１とシリコン酸化膜１３の厚さｔ２が決まれば、ダイナミックレンジの範囲が決まる。
【００８１】
つまり、変位後の空気層３０の厚さｄが、上記数式１０の右辺よりも小さくなると、両電極２０、１１がくっついてしまうので、変位後の空気層３０の厚さｄが、上記数式１０の右辺以上となる範囲で加速度センサＳ１を作動させるようにする。
【００８２】
なお、上記例では、絶縁層１３としてシリコン酸化膜１３を用いたが、それ以外にも比誘電率が９．０であるシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）や、ＳｉＯＮ膜（比誘電率：３．８４〜９．０）等、空気よりも比誘電率の大きい電気的な絶縁膜を採用することができる。
【００８３】
次に、図１０、図１１、図１２に本実施形態の変形例としての加速度センサの概略断面構成を示しておく。なお、これら図１０〜図１２は、上記図２に示す断面に対応した断面の構成を示しており、基本的には周知の半導体製造技術を用いて製造可能なものである。
【００８４】
図１０に示す第１の変形例は、第１シリコン基板１１、シリコン酸化膜１３、第３シリコン基板１６、酸化膜１３、第２シリコン基板１２が積層された２層の埋め込み酸化膜１３を有するＳＯＩ基板１０を用いたものである。
【００８５】
そして、絶縁層であるシリコン酸化膜１３は、可動電極２０および固定電極であり支持基板である第１シリコン基板１１における互いの対向面の両面に設けられている。
【００８６】
この場合も、例えば、上記図１に示す加速度センサＳ１と同様に、第２シリコン基板１２側からトレンチエッチングを行って溝１４を形成し、可動電極２０の下の第３シリコン基板１６部分をサイドエッチングで除去することにより、製造可能である。
【００８７】
図１１に示す第２の変形例は、上記図１に示す加速度センサＳ１と同様のＳＯＩ基板１０を用いたもので、絶縁層であるシリコン酸化膜１３は、可動電極２０における対向面に設けられている。
【００８８】
この場合、例えば、ＳＯＩ基板１０に対して、第２シリコン基板１２側からのトレンチエッチング、酸化膜１３の犠牲層エッチング、第２シリコン基板１２のサイドエッチング、酸化、表面のシリコン酸化膜エッチングを順次行うことで製造することができる。
【００８９】
図１２に示す第３の変形例は、絶縁層１３を、種類の異なる複数の絶縁膜により形成したものであり、図示例では、絶縁層１３は第１シリコン基板１１側に設けられたシリコン酸化膜１３ａとシリコン窒化膜１３ｂの２層構成のものである。
【００９０】
なお、絶縁層１３を複数の絶縁膜により構成する場合、もちろん３層以上、３種類以上の絶縁膜であってもよいが、各種の絶縁膜は、ともに空気よりも比誘電率の大きいものを用いることが必要である。
【００９１】
この第３の変形例は、例えば、埋め込み絶縁膜がシリコン酸化膜１３ａとシリコン窒化膜１３ｂの２層からなるＳＯＩ基板１０を用い、例えば、上記図１に示す加速度センサＳ１と同様に、第２シリコン基板１２側からトレンチエッチングを行って溝１４を形成し、可動電極２０の下の第２シリコン基板１２部分をサイドエッチングで除去することにより、製造可能である。
【００９２】
（他の実施形態）
なお、本発明は、上記実施形態に示したような、半導体からなる固定電極としての支持基板の一面上に、半導体からなるとともに支持基板の厚さ方向へ変位可能な可動電極を隔てて対向配置したもの以外にも、例えば、上記特許文献２に示したような、櫛歯状の可動電極と固定電極とを有するものにも適用することができる。
【００９３】
このような櫛歯状の可動電極と固定電極との場合、櫛歯の側面で電極同士が対向するが、この櫛歯の側面に絶縁層を形成する方法としては、例えば、トレンチエッチングにより櫛歯状の各電極を形成した後、側面酸化を行うようにすればよい。
【００９４】
また、本発明は、容量式の半導体力学量センサとして、加速度センサ以外にも、例えば角速度センサや圧力センサ等に対しても適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体加速度センサの概略平面図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ概略断面図である。
【図３】図１中のＢ−Ｂ概略断面図である。
【図４】図１中のＣ−Ｃ概略断面図である。
【図５】（ａ）は実施形態における容量モデルを示す図、（ｂ）は従来の容量モデルを示す図である。
【図６】（酸化膜厚／空気層厚）と容量増加分との関係を示す図である。
【図７】加速度印加時における可動電極の変位モデルを示す図である。
【図８】印加加速度Ｇと変位後の空気層の厚さｄとの関係を示す図である。
【図９】変位後の空気層の厚さｄと両電極間の差電圧Ｖとの関係を模式的に表した図である。
【図１０】上記実施形態の第１の変形例を示す概略断面図である。
【図１１】上記実施形態の第２の変形例を示す概略断面図である。
【図１２】上記実施形態の第３の変形例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１０…ＳＯＩ基板、１１…第１シリコン基板、
１３、１３ａ…シリコン酸化膜、１３ｂ…シリコン窒化膜、
２０…可動電極、３０…空間部。
Claims (8)
- 半導体基板（１０）を加工することにより、互いに隔てられて対向する可動電極（２０）および固定電極（１１）が形成されており、
力学量が印加されたときの前記可動電極の変位に伴う前記可動電極と前記固定電極との間の容量変化に基づいて、印加力学量を検出するようにした半導体力学量センサにおいて、
前記可動電極と前記固定電極との間には、これら両電極を隔てる方向に沿って、空間部（３０）と電気絶縁性を有し空気よりも比誘電率の大きい絶縁層（１３）とが並んで介在していることを特徴とする半導体力学量センサ。 - 前記絶縁層（１３）は、前記可動電極（２０）および前記固定電極（１１）における互いの対向面のうち少なくとも一方の面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体力学量センサ。
- 前記絶縁層（１３）は、前記可動電極（２０）および前記固定電極（１１）における互いの対向面の両面に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の半導体力学量センサ。
- 前記絶縁層（１３）は、種類の異なる複数の絶縁膜（１３ａ、１３ｂ）により形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の半導体力学量センサ。
- 半導体からなる固定電極としての支持基板（１１）の一面上に、半導体からなるとともに前記支持基板の厚さ方向に沿って変位可能な可動電極（２０）が隔てられて対向して配置されており、
力学量が印加されたときの前記可動電極の変位に伴う前記可動電極と前記支持基板の一面との間の容量変化に基づいて、印加力学量を検出するようにした半導体力学量センサにおいて、
前記可動電極と前記支持基板の一面との間には、前記可動電極と前記支持基板とを隔てる方向に沿って、空間部（３０）と電気絶縁性を有し空気よりも比誘電率の大きい絶縁層（１３）とが並んで介在していることを特徴とする半導体力学量センサ。 - 前記絶縁層（１３）は、前記可動電極（２０）および前記支持基板（１１）における互いの対向面のうち少なくとも一方の面に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の半導体力学量センサ。
- 前記絶縁層（１３）は、前記可動電極（２０）および前記支持基板（１１）における互いの対向面の両面に設けられていることを特徴とする請求項６に記載の半導体力学量センサ。
- 前記絶縁層（１３）は、種類の異なる複数の絶縁膜（１３ａ、１３ｂ）により形成されていることを特徴とする請求項５ないし７のいずれか一つに記載の半導体力学量センサ。
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