JP2005091030A

JP2005091030A - 静電容量型加速度センサ

Info

Publication number: JP2005091030A
Application number: JP2003321866A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Ishigami; 敦史石上; Koji Sakai; 浩司境; Ryosuke Meshii; 良介飯井
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2003-09-12
Filing date: 2003-09-12
Publication date: 2005-04-07

Abstract

【課題】従来に比べて大型化することなしに高感度化を図ることができる静電容量型加速度センサを提供する。
【解決手段】支持基板１０と、支持基板１０の一表面側に形成された固定電極１１と、支持基板１０の厚み方向において固定電極１１から離間して配置され可動電極を備えた重り部２２と、支持基板１０に固着され重り部２２を上記厚み方向に変位可能とする可撓な２本のビーム２３を介して重り部２２を支持する矩形枠状の支持部２１とを備えている。重り部２２は、外周形状が矩形状であって、各ビーム２３は、重り部２２の外周縁に沿って延長した形状に形成されており、全てのビーム２３で重り部２２の外周縁の略全周を囲むような形状に形成されている。具体的には、各ビーム２３は、重り部２２の外周縁の隣り合う２辺に沿ったＬ字状に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電容量型加速度センサに関するものである。

従来から、静電容量型加速度センサとして、図８に示すように、ガラス基板よりなる支持基板１０と、支持基板１０の一表面（図８（ｂ）の上面）側に形成された固定電極１１と、支持基板１０の厚み方向（図８（ｂ）の上下方向）において固定電極１１から離間して配置され可動電極を備えた重り部２２と、支持基板１０に固着され重り部２２を上記厚み方向に変位可能とする可撓な４本の直線状のビーム２３を介して重り部２２を支持する矩形枠状の支持部２１とを備え、加速度を重り部２２の変位に応じた可動電極と固定電極１１との間の静電容量値の変化として検出するように構成されたものが知られている。

上述の静電容量型加速度センサでは、重り部２２とビーム２３と支持部２１とはシリコン基板をエッチング加工することによって形成されており、重り部２２の周囲には４本のビーム２３を除いてスリット２４が形成されている。また、上述の静電容量型加速度センサでは、重り部２２の厚み寸法を支持部２１の厚み寸法よりも小さく設定してあり、支持部２１と支持基板１０とを陽極接合により固着してある。なお、図８に示した例では、重り部２２が可動電極を構成しているが、重り部２２における固定電極１１との対向面に可動電極を別途形成した構成のものも知られている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、上述の静電容量型加速度センサでは、重り部２２の質量をｍ、ビーム２３のヤング率をＥ、ビーム２３の長さ寸法をＬ、ビーム２３の厚み寸法をｈ、ビーム２３の幅寸法をｗ、印加された加速度をｇ、ビーム２３の変位をｘとすれば、
ｘ＝ｍｇＬ³／Ｅｈ³ｗ
という関係があり、ビーム２３の長さ寸法Ｌを大きくしたり、ビーム２３の厚み寸法ｈを小さくすることにより、高感度化を図ることができる。
特開平５−１４２２５０号公報

しかしながら、上記従来構成の静電容量型加速度センサでは、各ビーム２３が支持基板１０の厚み方向に直交する面内において重り部２２の外周縁に直交する方向に延長されており、ビーム２３の長さ寸法Ｌがスリット２４の幅寸法に等しくなっているので、支持部２１と重り部２２と４本のビーム２３とからなる構造体２と、固定電極１１を備えた支持基板１０とからなるセンサチップのサイズを大型化しなければ各ビーム２３の長さ寸法Ｌを大きくすることが難しかった。また、上述のようにビーム２３の厚み寸法ｈを小さくすることで高感度化を図ることは可能であるが、ビーム２３の厚み寸法ｈを小さくすると、ビーム２３の機械的強度が弱くなって信頼性が低下してしまうので、ビーム２３の厚み寸法ｈを小さくすることによる高感度化には限界があった。

そこで、上記従来構成の静電容量型加速度センサでは、重り部２２の質量ｍを増大させることにより高感度化を図っていたが、上述の関係式から分かるように質量ｍの増大による高感度化の効果は、ビーム２３の長さ寸法Ｌを大きくしたり厚み寸法ｈを小さくしたりする場合の効果に比べて小さいものであった。

なお、上記従来構成の静電容量型加速度センサでは、ビーム２３の変位ｘを大きくできるようにした場合、過大な加速度がかかった際などに可動電極と固定電極１１とが接触しやすくなるが、可動電極と固定電極１１との互いの対向面が平坦な表面となっているので、図９に示すように、表面張力などに起因して可動電極たる重り部２２が固定電極１１に接触したまま離れないスティッキングが起こることがあった。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、従来に比べて大型化することなしに高感度化を図ることができる静電容量型加速度センサを提供することにある。

請求項１の発明は、支持基板と、支持基板の一表面側に形成された固定電極と、支持基板の厚み方向において固定電極から離間して配置され可動電極を備えた重り部と、支持基板に固着され重り部を前記厚み方向に変位可能とする可撓な複数本のビームを介して重り部を支持する支持部とを備え、加速度を重り部の変位に応じた可動電極と固定電極との間の静電容量値の変化として検出する静電容量型加速度センサであって、各ビームは、重り部の外周縁に沿って延長した形状に形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、各ビームを重り部の外周縁に沿って延長した形状に形成してあるので、従来に比べて大型化したり重り部の外周形状を小さくすることなしにビームの長さ寸法を大幅に大きくすることが可能であり、従来に比べて大型化することなしに高感度化を図ることが可能となる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記各ビームは、全ての前記ビームで前記重り部の外周縁の略全周を囲むような形状に形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記各ビームの長さ寸法をより大きくすることができ、高感度化を図ることができる。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記重り部の外周形状が矩形状であって、前記ビームの本数が２本であり、前記各ビームは、前記重り部の外周縁の隣り合う２辺に沿ったＬ字状に形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記重り部における前記固定電極との対向面が前記固定電極に対して傾きにくくなる。

請求項４の発明は、請求項２の発明において、前記重り部の外周形状が矩形状であって、前記ビームの本数が２本であり、前記各ビームは、前記重り部の外周縁の３辺に沿ったコ字状に形成されてなることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記各ビームの各両端部にはそれぞれ前記支持部および前記重り部に滑らかに連続するような弧状部を設けてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記各ビームの両端部の機械的強度を高めることができる。

請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５の発明において、前記固定電極と前記可動電極との互いの対向面の少なくとも一方に、前記固定電極と前記可動電極とのスティッキングを防止するスティッキング防止部が設けられてなることを特徴とする。

この発明によれば、過大な加速度がかかったときの前記固定電極と前記可動電極とのスティッキングを防止することができる。

請求項７の発明は、請求項６の発明において、前記スティッキング防止部は、前記固定電極と前記可動電極との互いの対向面の少なくとも一方に突設したボスからなることを特徴とする。

この発明によれば、過大な加速度がかかったとしても接触するのはボスの先端面と当該先端面の対向面とが接触するだけであるから、スティッキングを防止することができる。

請求項８の発明は、請求項７の発明において、前記ボスが前記固定電極における前記可動電極との対向面に設けられ、前記支持基板がガラス基板により構成され、前記固定電極がＣｒ膜により構成されるとともに前記ボスがＡｌ膜により構成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記支持基板に対する前記固定電極の密着性を高くできるとともに、前記固定電極に対する前記ボスの密着性を高くできる。

請求項９の発明は、請求項７の発明において、前記ボスが前記可動電極における前記固定電極との対向面に設けられ、前記支持部および前記重り部および前記各ビームがＳｉ基板をエッチング加工することにより形成されるとともに前記重り部が前記可動電極を構成し、前記ボスがＳｉＯ_２膜により構成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記ボスを容易に形成することが可能であるとともに、前記可動電極に対する前記ボスの密着性を高くできる。

請求項１０の発明は、請求項６の発明において、前記スティッキング防止部は、前記固定電極における前記可動電極との対向面に形成した溝からなることを特徴とする。

この発明によれば、前記スティッキング防止部によって前記重り部の変位が制限されるのを防止することができる。

請求項１１の発明は、前記スティッキング防止部は、前記固定電極と前記可動電極との互いの対向面の少なくとも一方にサンドブラスト加工を施すことにより形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、過大な加速度がかかったときの前記固定電極と前記可動電極との接触面積を小さくすることができ、スティッキングが起こりにくくなる。

請求項１ないし請求項１１の発明では、各ビームを重り部の外周縁に沿って延長した形状に形成してあるので、従来に比べて大型化したり重り部の外周形状を小さくすることなしにビームの長さ寸法を大幅に大きくすることが可能であり、従来に比べて大型化することなしに高感度化を図ることが可能となるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態の静電容量型加速度センサは、図１に示すように、ガラス基板よりなる支持基板１０と、支持基板１０の一表面（図１（ｂ）の上面）側に形成された金属膜（例えば、Ｃｒ膜、Ａｌ膜など）からなる固定電極１１と、支持基板１０の厚み方向（図１（ｂ）の上下方向）において固定電極１１から離間して配置され可動電極を備えた重り部２２と、支持基板１０に固着され重り部２２を上記厚み方向に変位可能とする可撓な複数本（本実施形態では、２本）のビーム２３を介して重り部２２を支持する枠状（本実施形態では、矩形枠状）の支持部２１とを備えている。なお、各ビーム２３は、厚み方向（図１（ｂ）の上下方向）に可撓性を有するように、厚み寸法を重り２２および支持部２１それぞれの厚み寸法よりも十分に小さく設定してある。

また、本実施形態の静電容量型加速度センサでは、支持基板１０の上記一表面側に設けられた重り部２２と各ビーム２３と支持部２１とは単結晶のシリコン基板（Ｓｉ基板）をエッチング加工することによって形成されており、重り部２２が可動電極を構成し、加速度を重り部２２の変位に応じた重り部２２と固定電極１１との間の静電容量値の変化として検出するようになっている。ここに、重り部２２は、四角錘台状に形成されており、固定電極１１との対向面は平面になっている。なお、本実施形態では、上述のように重り部２２が可動電極を構成しているが、重り部２２における固定電極１１との対向面に可動電極を別途形成するようにしてもよい。

また、本実施形態の静電容量型加速度センサでは、支持部２１と支持基板１０とを陽極接合により固着してあるが、加速度が印加されていない状態において固定電極１１と重り部２２との間の距離が所定距離となるように重り部２２の厚み寸法を支持部２１の厚み寸法よりも小さく設定してある。なお、支持基板１０は、外周形状が矩形状であって、上記一表面における周部に支持部２１が固着されている。また、支持基板１０には厚み方向に貫通し上記一表面側ほど開口面積が徐々に小さくなる貫通孔１０ａが形成されており、固定電極１１を支持基板１０における貫通孔１０ａの内周面および支持基板１０の他表面まで配線として延長してある。

ところで、重り部２２は、外周形状が矩形状であって（つまり、外周縁が矩形状であって）、各ビーム２３は、重り部２２の外周縁に沿って延長した形状に形成されており、全てのビーム２３で重り部２２の外周縁の略全周を囲むような形状に形成されている。具体的には、各ビーム２３は、重り部２２の外周縁の隣り合う２辺に沿ったＬ字状に形成されており、各ビーム２３の両端部のうち重り部２２側の端部（重り部２２に連結された側の端部）は、重り部２２の矩形状の外周縁において対角位置にある２つの角部それぞれに連結されている。つまり、図１（ａ）で見れば、右側のビーム２３は、一端部が重り部２２の左下の角部に連続一体に連結され、支持部２１に連続一体に連結された他端部が重り部２２の右上の角部の近傍に位置しており、左側のビーム２３は、一端部が重り部２２の右上の角部に連続一体に連結され、支持部２１に連続一体に連結された他端部が重り部２２の左下の角部の近傍に位置している。ここに、各ビーム２３の各両端部にはそれぞれ支持部２１および重り部２２に滑らかに連続するような弧状部２３ａを設けてあるので、各ビーム２３の両端部の機械的強度を高めることができる。なお、重り部２２の周囲にはビーム２３の厚み方向に貫通した２つのスリット２５が形成されており、各ビーム２３は、これら２つのスリット２５により幅寸法が規定されている。

しかして、本実施形態の静電容量型加速度センサでは、各ビーム２３を重り部２２の外周縁に沿って延長した形状に形成してあるので、従来に比べてチップサイズを大型化したり重り部２２の外周形状を小さくすることなしにビーム２３の長さ寸法を大幅に大きくすることが可能であり、従来に比べてチップサイズを大型化することなしに高感度化を図ることが可能となる。また、重り部２２の外周形状が矩形状であって、各ビーム２３が重り部２２の外周縁の隣り合う２辺に沿ったＬ字状に形成されているので、ビーム２３の本数を２本としてビーム２３の長さを長くしながらも、重り部２２における固定電極１１との対向面が固定電極１１に対して傾きにくくなる。

（実施形態２）
本実施形態の静電容量型加速度センサの基本構成は実施形態１と略同じであって、図２に示すように、各ビーム２３の形状が相違する。すなわち、本実施形態における各ビーム２３は、重り部２２の外周縁の３辺に沿ったコ字状に形成されている。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

しかして、本実施形態の静電容量型加速度センサにおいても、実施形態１と同様、各ビーム２３を重り部２２の外周縁に沿って延長した形状に形成してあるので、従来に比べてチップサイズを大型化したり重り部２２の外周形状を小さくすることなしにビーム２３の長さ寸法を大幅に大きくすることが可能であり、従来に比べてチップサイズを大型化することなしに高感度化を図ることが可能となる。また、本実施形態では、各ビーム２３が重り部２２の外周縁の３辺に沿ったコ字状に形成されているので、ビーム２３の本数を２本としてビーム２３の長さを長くしながらも、重り部２２における固定電極１１との対向面が固定電極１１に対して傾きにくくなる。

（実施形態３）
ところで、上記実施形態１や上記実施形態２の静電容量型加速度センサでは、図８に示した従来構成と同様に、重り部２２が固定電極１１に接触したまま離れないスティッキングが起こる可能性がある。

これに対して、本実施形態の静電容量型加速度センサの基本構成は実施形態１と略同じであって、図３に示すように、重り部２２における固定電極１１との対向面にＳｉＯ_２膜からなる絶縁膜２６を形成するとともに、固定電極１１における重り部２２との対向面にＡｌ膜からなる複数のボス１３を突設してある点が相違する。ここに、本実施形態では、ボス１３が、固定電極１１と可動電極たる重り部２２とのスティッキングを防止するスティッキング防止部を構成している。他の構成は実施形態１と同じである。

しかして、本実施形態の静電容量型加速度センサでは、固定電極１１における可動電極との対向面に、固定電極１１と可動電極とのスティッキングを防止するスティッキング防止部が設けられているので、過大な加速度がかかったときの固定電極１１と可動電極とのスティッキングを防止することができる。すなわち、過大な加速度がかかったとしても接触するのはボス１３の先端面と当該先端面の対向面（本実施形態では、絶縁膜２６におけるボス１３との対向面）とが接触するだけであるから、スティッキングを防止することができる。

また、本実施形態では、支持基板１０がガラス基板により構成され、固定電極１１がＣｒ膜により構成されているので、支持基板１０に対する固定電極１１の密着性を高くでき、ボス１３がＡｌ膜により構成されているので、固定電極１１に対するボス１３の密着性を高くすることができる。

なお、本実施形態における絶縁膜２６およびボス１３を実施形態２の静電容量型加速度センサに設けてもよいことは勿論である。

（実施形態４）
本実施形態の静電容量型加速度センサの基本構成は実施形態１と略同じであって、図４に示すように、重り部２２における固定電極１１との対向面に絶縁膜（例えば、ＳｉＯ_２膜）からなる複数のボス２７を突設してある点が相違する。ここに、本実施形態では、ボス２７が、固定電極１１と可動電極たる重り部２２とのスティッキングを防止するスティッキング防止部を構成している。他の構成は実施形態１と同じである。

しかして、本実施形態の静電容量型加速度センサでは、可動電極たる重り部２２における固定電極１１との対向面に、固定電極１１と可動電極とのスティッキングを防止するスティッキング防止部が設けられているので、過大な加速度がかかったときの固定電極１１と可動電極とのスティッキングを防止することができる。すなわち、過大な加速度がかかったとしても接触するのはボス２７の先端面と当該先端面の対向面（本実施形態では、固定電極１１におけるボス２７との対向面）とが接触するだけであるから、スティッキングを防止することができる。

また、本実施形態では、可動電極がシリコン基板の一部により構成され、ボス２７がＳｉＯ_２膜により構成されているので、ボス２７を容易に形成することが可能であるとともに、可動電極に対するボス２７の密着性を高くすることができる。

なお、本実施形態におけるボス２７を実施形態２の静電容量型加速度センサに設けてもよいことは勿論である。

（実施形態５）
本実施形態の静電容量型加速度センサの基本構成は実施形態１と略同じであって、図５および図６に示すように、固定電極１１における重り部２２との対向面に複数の溝１２を形成している点が相違する。ここで、本実施形態では、溝１２が、固定電極１１と可動電極たる重り部２２とのスティッキングを防止するスティッキング防止部を構成している。なお、溝１２を形成するには、例えば、固定電極１１となる金属膜（例えば、Ｃｒ膜、Ａｌ膜など）を蒸着法などによって堆積する際に、支持基板１０において溝１２に対応する領域をマスキングしておけばよい。なお、溝１２の数は特に限定するものではなく、１つでもよい。他の構成は実施形態１と同じである。

しかして、本実施形態の静電容量型加速度センサでは、固定電極１１における可動電極たる重り部２２との対向面に、固定電極１１と可動電極とのスティッキングを防止するスティッキング防止部が設けられているので、過大な加速度がかかったときの固定電極１１と可動電極とのスティッキングを防止することができる。しかも、スティッキング防止部は、固定電極１１における可動電極たる重り部２２との対向面に形成した溝１２により構成されているので、スティッキング防止部によって重り部２２の変位が制限されるのを防止することができる。

なお、本実施形態における溝１２を実施形態２の静電容量型加速度センサに設けてもよいことは勿論である。

（実施形態６）
本実施形態の静電容量型加速度センサの基本構成は実施形態１と略同じであって、図７に示すように、固定電極１１と可動電極たる重り部２２との互いの対向面の両方にサンドブラスト加工を施して各対向面を粗面化している点が相違する。なお、固定電極１１表面をサンドブラスト加工する際には、支持基板１０の上記一表面側において固定電極１１が形成されていない露出表面をマスキングしてから、固定電極１１表面のみのサンドブラスト加工を行い、重り部２２において固定電極１１との対向面となる表面をサンドブラスト加工する際には、支持部２１における支持基板１０との対向面をマスキングしてからサンドブラスト加工を行う。他の構成は実施形態１と同じである。

しかして、本実施形態では、固定電極１１と可動電極たる重り部２２との互いの対向面が粗面化されているので、過大な加速度がかかったときの固定電極１１と可動電極との接触面積を互いの対向面が平面状に形成されている場合に比べて小さくすることができ、固定電極１１と可動電極とのスティッキングを防止することができる。要するに、本実施形態では、固定電極１１と可動電極たる重り部２２との互いの対向面の両方にサンドブラスト加工を施すことにより、各対向面に多数の微小な凹凸が形成され、これら凹凸が固定電極１１と可動電極たる重り部２２とのスティッキングを防止するスティッキング防止部を構成している。

なお、本実施形態では、固定電極１１と可動電極との互いの対向面の両方にサンドブラスト加工を施して各対向面を粗面化してあるが、互いの対向面の少なくとも一方にサンドブラスト加工を施して粗面化してあればよい。また、実施形態２の静電容量型加速度センサにおいて、固定電極１１と可動電極との互いの対向面の少なくとも一方にサンドブラスト加工を施して粗面化してもよいことは勿論である。

実施形態１を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。実施形態２を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。実施形態３を示す概略断面図である。実施形態４を示す概略断面図である。実施形態５を示す概略断面図である。同上の要部平面図である。実施形態６を示す概略断面図である。従来例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。同上の動作説明図である。

符号の説明

１０支持基板
１１固定電極
２１支持部
２２重り部
２３ビーム
２５スリット

Claims

支持基板と、支持基板の一表面側に形成された固定電極と、支持基板の厚み方向において固定電極から離間して配置され可動電極を備えた重り部と、支持基板に固着され重り部を前記厚み方向に変位可能とする可撓な複数本のビームを介して重り部を支持する支持部とを備え、加速度を重り部の変位に応じた可動電極と固定電極との間の静電容量値の変化として検出する静電容量型加速度センサであって、各ビームは、重り部の外周縁に沿って延長した形状に形成されてなることを特徴とする静電容量型加速度センサ。
前記各ビームは、全ての前記ビームで前記重り部の外周縁の略全周を囲むような形状に形成されてなることを特徴とする請求項１記載の静電容量型加速度センサ。
前記重り部の外周形状が矩形状であって、前記ビームの本数が２本であり、前記各ビームは、前記重り部の外周縁の隣り合う２辺に沿ったＬ字状に形成されてなることを特徴とする請求項２記載の静電容量型加速度センサ。
前記重り部の外周形状が矩形状であって、前記ビームの本数が２本であり、前記各ビームは、前記重り部の外周縁の３辺に沿ったコ字状に形成されてなることを特徴とする請求項２記載の静電容量型加速度センサ。
前記各ビームの各両端部にはそれぞれ前記支持部および前記重り部に滑らかに連続するような弧状部を設けてなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の静電容量型加速度センサ。
前記固定電極と前記可動電極との互いの対向面の少なくとも一方に、前記固定電極と前記可動電極とのスティッキングを防止するスティッキング防止部が設けられてなることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の静電容量型加速度センサ。
前記スティッキング防止部は、前記固定電極と前記可動電極との互いの対向面の少なくとも一方に突設したボスからなることを特徴とする請求項６記載の静電容量型加速度センサ。
前記ボスが前記固定電極における前記可動電極との対向面に設けられ、前記支持基板がガラス基板により構成され、前記固定電極がＣｒ膜により構成されるとともに前記ボスがＡｌ膜により構成されてなることを特徴とする請求項７記載の静電容量型加速度センサ。
前記ボスが前記可動電極における前記固定電極との対向面に設けられ、前記支持部および前記重り部および前記各ビームがＳｉ基板をエッチング加工することにより形成されるとともに前記重り部が前記可動電極を構成し、前記ボスがＳｉＯ_２膜により構成されてなることを特徴とする請求項７記載の静電容量型加速度センサ。
前記スティッキング防止部は、前記固定電極における前記可動電極との対向面に形成した溝からなることを特徴とする請求項６記載の静電容量型加速度センサ。
前記スティッキング防止部は、前記固定電極と前記可動電極との互いの対向面の少なくとも一方にサンドブラスト加工を施すことにより形成されてなることを特徴とする請求項６記載の静電容量型加速度センサ。