JP2005069852A - 容量型力学量センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】 電極上のヒロック発生を回避でき、低コストで、電極の膜剥がれ等の無い信頼性に優れた容量型力学量センサを得ること。
【解決手段】 容量型力学量センサにおける振動体上下に配置した金属電極に溝や穴のパターンを形成することにより、Al等の単一電極を用いてもヒロック発生を回避でき、電極の膜剥がれを低減でき、且つ低コスト化も図ることが可能となる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、加速度、角速度といった力学的物理量を検出する装置に関する。特に、半導体プロセスを用いて製造する構造体が変位することによる容量変化を検出することにより力学的物理量を検出する容量型力学量センサに関する。
従来、外部から加わる加速度や角速度により変位する錘やその錘を支持する梁を半導体基板内に形成し、錘の可動電極に対し微小間隔を隔てて形成された固定電極との静電容量変化を検出する静電容量型力学量センサが知られている（例えば、特許文献１参照））。図７にその概略図を示す。このセンサでは、錘７１と梁７２を微細加工で半導体基板７３内に作製し、両面から上側基板７４、下側基板７５で接合し封止している。こうした静電容量型のセンサは、微小隙間７６，７７に対し、センサ感度が敏感であり、微小隙間ばらつきがセンサ感度特性に大きく影響する。微小隙間７６、７７は、上側基板７４と下側基板７５、或いは半導体基板７３をエッチングすることにより形成したギャップと、上側基盤７４と下側基板７５の、半導体基板７３と対向する面に形成する固定電極７８の厚みにより決定される。従って、固定電極の厚み制御は重要である。例えば、固定電極上にヒロックが発生した場合、微小隙間７６，７７のばらつきを生じさせる他に、錘の可動範囲を狭め、感度低下を招く。
特開平８−９４６６６号公報
しかしながら、特開平８-９４６６６の方法によれば、
上側基板と下側基板に硝子基板を使用しており、硝子基板上に形成する固定電極からヒロックが発生することを回避する方法として、Tiを下地層としてAlとの２層電極構造を採用している。しかし、多層電極とすることにより製造コストが大きくなる。さらに、異種電極間の熱膨張差により電極の膜剥がれを引き起こし易くなり、信頼性が低下する。さらに、Tiの抵抗値が高い為、Alの厚みを厚くして抵抗値の低減を図る必要があり、トータルの電極厚みが厚くなることから、電極厚みのばらつきが発生しやすくなる。
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、加速度、角速度といった力学的物理量を、半導体プロセスを用いて製造する構造体が変位することによる容量変化を検出する容量型力学量センサにおいて、
梁により支持され、外部より印加される加速度や角速度といった力学量により変位する錘を有する半導体基板と、半導体基板の表面の一部と接合し、錘の対向する位置に微小隙間１を隔てて配置した固定電極１を積層させた、上部基板と、半導体基板の裏面の一部と接合し、錘の対向する位置に微小隙間２を隔てて配置した固定電極２を積層させた、下部基板とから成り、錘の変位による固定電極１及び固定電極２の容量変化から力学量を測定する容量型力学量センサにおいて、固定電極１の一部、若しくは固定電極２の一部に、複数の溝、若しくは複数の穴を形成する。
また、前記複数の溝、若しくは前記複数の穴が等間隔に配置されていることを特徴としている。
また、固定電極１、若しくは固定電極２が、単一金属で形成されることを特徴としている。
従って、固定電極が単一材料であってもヒロックを回避でき、膜剥がれ等の信頼性も向上できる。また、Al等低コストの材料が採用でき、電極厚みばらつきの改善とともに、製造コスト・歩留まりの改善も見込める。
静電容量型力学量センサにおいて、上下基板表面の金属電極に溝や穴のパターンを一定間隔で形成することにより、単一電極においても電極上のヒロック回避が可能となる為、膜剥がれの心配が少ない信頼性の高い力学量センサを低価格で供給できる。
以下、本発明の力学量センサを代表して角速度センサを例にあげ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
まず、図１に、本発明の実施の形態１に係わる角速度センサの断面図を図１に示す。本力学量センサは、上部硝子基板1、シリコン基板2、下部硝子基板3の３層構造をしており、それら３基板を接合して構造体を作製する。シリコン基板2内には、エッチングにより梁4と錘5を有した振動体が形成されており、外部より加わる力により、振動させたり、捩れる動きが可能となる。梁4の厚み、長さ、幅及び、錘5の厚み、面積等の形状は、任意の共振周波数及びバネ定数が得られるよう設計される。また、シリコン基板２の梁４及び錘５と、それぞれ対向する硝子との間には、微小隙間６、７が存在する。振動体を形成したシリコン基板２を上下より挟み込む上側硝子基板１と下側硝子基板３の一部には、貫通穴８が形成され、これら貫通穴８を通して、硝子内側に形成した電極を外側に引き出す構造をしている。貫通穴８の外側には、導電性材料９が積層されており、硝子内の封止は維持される。硝子基板の内側に形成された固定電極は、貫通穴８の側壁に形成した配線を通し、この導電性材料９から外へ取り出している。
本角速度センサは、シリコン基板２の電位を制御する必要があるが、硝子内面に形成する電極の一部をシリコン基板２に形成した基板電極１２と接触させることにより、シリコン基板２の電位を確保する。ここで、本角速度センサの動作原理を以下簡単に説明する。上側硝子基板１と下側硝子基板３の内面側に設けた励起用固定電極１０に交流電圧を印加させ、グランドに保持した振動体（可動電極）との間に働く静電力により錘を上下振動させる。このようにｚ軸方向に速度が与えられた振動体に、ｙ軸周りの角速度が加わると、ｘ軸方向にそれらの積のコリオリ力が与えられ、図２に示すように、梁が撓む。上側硝子基板１と下側硝子基板３の内面側には、検出用固定電極１１を設けてあり、梁の撓みによる錘の傾きから、検出用固定電極１１と可動電極の容量に変化が生じ、この容量変化から角速度の大きさを検出する。
このように、容量検出型の角速度センサでは、固定電極と可動電極との距離が直接容量の大きさに係わる為、その距離にばらつきがあると、励起用固定電極１０と可動電極との間に働く静電力が変化し上下振動の速度がばらつくと共に、検出用固定電極１１と可動電極間の容量もばらつき、検出感度へ大きく影響する。また、励起用固定電極１０上、若しくは検出用固定電極１１上にヒロックが発生すると、微小隙間６、７のばらつきによる検出感度ばらつきが発生するとともに、錘の可動範囲が狭まり、センサの感度低下を招く。一般に、金や白金を使用することにより、ヒロックを回避でき、抵抗値も低く設定できるが、高価な材料であり、製造コストが増加する。また、これらの金属は、硝子との密着力が弱いため、硝子との間に密着を強化する膜を積層する必要があり、多層構造が強いられる。多層構造は、膜剥がれの原因となる為、信頼性の面で劣る。
図３は、本実施の形態１に係わる角速度センサの固定電極（励起用固定電極１０、検出用固定電極１１）を説明した図である。固定電極３１には、丸形状の穴３２が等間隔に規則的に形成されている。例えば、穴３２が無いような固定電極に、Al等低エネルギーで移動が容易な材料を使用した場合、熱工程により表面にヒロックが発生しやすい。しかし、図３のように穴３２が形成されている場合、Alのエネルギーが穴の側面方向に分散され、表面にはヒロックが発生しにくくなる。穴３２の間隔は、任意に設定でき、プロセス（特に熱工程）に適した間隔により、表面へのヒロック発生を阻止できる。この穴３２の形状は、丸に限らず、多角形であっても勿論良い。
また、図４に示すように、溝４２を等間隔に配置しても同様の効果を得ることは可能である。この溝４２は、長方形に限らす、多角形や楕円であっても構わない。またその長辺及び長軸の方向も図示する方向に限ったものでは無い。また、図５及び図６のように、溝の一辺が固定電極の外周に接した構造であっても良く、つまり、電極が電位的に繋がれている構造であれば構わない。このような図３から図６に示した電極の形状は、電極形成時のフォトマスクに書き込むことにより、一般の半導体プロセス同様、容易に作製できる。また、Al等材料費が安く、抵抗値の低い材料により作製でき、低コスト化に対応できる。また単一膜で固定電極を形成でき、膜剥がれを起こし難く、信頼性に優れたデバイスが作製できる。
このような例は、角速度センサに限らず、加速度センサや圧力センサ等の容量変化検出型の力学量センサ全般に当てはまる。
小型化・低コスト化に適した、本発明の実施の形態１に係る静電容量型力学量センサは、主に、携帯・ハンディ機器や、バーチャルリアリティ等における、運動をモニタリングする機能で使用されることが予想される。例えば、重力を利用して傾き角の情報を検知するセンサや、カメラ等における手ぶれを補正する為に用いるセンサとして有効であり、低コスト・小型というメリットから民生用として多くに活用されると考えられる。
本発明の実施の形態１に係る容量型力学量センサについて説明した概略断面図である。 本発明の実施の形態１に係る容量型力学量センサについて説明した概略断面図である。 本発明の実施の形態１に係る容量型力学量センサの電極を示した平面図である。 本発明の実施の形態１に係る容量型力学量センサの電極を示した平面図である。 本発明の実施の形態１に係る容量型力学量センサの電極を示した平面図である。 本発明の実施の形態１に係る容量型力学量センサの電極を示した平面図である。 従来の容量型力学量センサを説明した概略断面図である。
符号の説明
１ 上部硝子基板
２ シリコン基板
３ 下部硝子基板
４ 梁
５ 錘
６、７ 微小隙間
８ 貫通穴
９ 導電性材料
１０ 励起用固定電極
１１ 検出用固定電極
１２ 基板電極
３１、４１、５１、６１ 固定電極
３２ 穴
４２、５２、６２ 溝
７１ 錘
７２ 梁
７３ 半導体基板
７４ 上側基板
７５ 下側基板
７６、７７ 微小隙間
７８ 固定電極

Claims (3)

  1. 梁により支持され、外部より印加される加速度や角速度といった力学量により変位する錘を有する半導体基板と、
    前記半導体基板の表面の一部と接合し、前記錘の対向する位置に微小隙間１を隔てて配置した固定電極１を積層させた、上部基板と、
    前記半導体基板の裏面の一部と接合し、前記錘の対向する位置に微小隙間２を隔てて配置した固定電極２を積層させた、下部基板とから成り、
    前記錘の変位による、前記固定電極１及び前記固定電極２の容量変化から前記力学量を測定する容量型力学量センサにおいて、
    前記固定電極１の一部、若しくは前記固定電極２の一部に、複数の溝、若しくは複数の穴を形成することを特徴とする容量型力学量センサ。
  2. 前記複数の溝、若しくは複数の穴が等間隔に配置されている請求項１に記載の容量型力学量センサ。
  3. 前記固定電極１、若しくは前記固定電極２が、単一金属で形成されている請求項１に記載の容量型力学量センサ。
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