JP2006226924A - Dynamic quantity sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、物体に作用する力学量を検出する加速度センサや角速度センサなどの力学量センサに関し、特に、作用する力学量を静電容量の変化から検出する静電容量検出型の力学量センサに関する。 The present invention relates to a mechanical quantity sensor such as an acceleration sensor or an angular velocity sensor that detects a mechanical quantity acting on an object, and more particularly to a capacitance detection type mechanical quantity sensor that detects a working mechanical quantity from a change in capacitance. .
ビデオカメラの手ぶれ補正装置や車載用のエアバッグ装置、ロボットの姿勢制御装置など広い分野において、物体に作用する力学量を検出するための力学量センサが用いられている。
力学量センサの1つに、物体の回転運動、即ち角速度を検出するジャイロと呼ばれる角速度センサがある。
ジャイロは、物体の回転運動、即ち角速度を検出するセンサであり、取り付け部位や回転の中心位置に関わらず作用する角速度を検出することができる。
ジャイロは、その動作原理の違いによりいくつかの種類に分類され、振動体を用いた物は、振動式角速度センサと呼ばれている。
In a wide range of fields such as a camera shake correction device for a video camera, an in-vehicle airbag device, and a robot posture control device, a mechanical amount sensor for detecting a mechanical amount acting on an object is used.
One of the mechanical quantity sensors is an angular velocity sensor called a gyro that detects the rotational motion of an object, that is, the angular velocity.
The gyroscope is a sensor that detects a rotational motion of an object, that is, an angular velocity, and can detect an acting angular velocity regardless of an attachment site or a rotation center position.
The gyro is classified into several types according to the difference in operation principle, and a thing using a vibrating body is called a vibration type angular velocity sensor.
振動式角速度センサ(以下、角速度センサとする)は、可撓性を有する部材に支持された錘体を一定の周期で振動させ、発生するコリオリ力を検出することにより作用する角速度を検出する。
詳しくは、質量mの錘体をz軸方向に速度vで振動させた状態で、x軸またはy軸周りに角速度Ωが働くと、錘体の中心部には、“F=2mvΩ”のコリオリ力Fが発生する。
そして、発生するコリオリ力の作用によりねじれが生じるため、錘体は、振動方向と直交する面に対して傾く。
角速度センサは、この錘体の傾きの方向、傾き量を検出し、これらの検出された値に基づいて錘体に作用する角速度を算出する。
A vibration type angular velocity sensor (hereinafter referred to as an angular velocity sensor) detects an angular velocity acting by vibrating a weight supported by a flexible member at a constant period and detecting a generated Coriolis force.
Specifically, when an angular velocity Ω acts around the x-axis or y-axis in a state where a mass m is vibrated at a velocity v in the z-axis direction, “F = 2 mvΩ” Coriolis is formed at the center of the mass. A force F is generated.
And since a twist arises by the effect | action of the generated Coriolis force, a weight body inclines with respect to the surface orthogonal to a vibration direction.
The angular velocity sensor detects the direction and amount of inclination of the weight body, and calculates the angular velocity acting on the weight body based on these detected values.
このような角速度センサにおいて、錘体の傾きの方向、傾き量を検出する方法の1つに、静電容量の変化量を測定するものがある。このような角速度センサを静電容量型角速度センサという。
静電容量型角速度センサには、錘体の側面と対向する位置に隙間(ギャップ)を介して電極が設けられている。そして、この電極と錘体により形成される静電容量素子の静電容量の変化量を測定することにより錘体の傾きを検出する。
In such an angular velocity sensor, one of methods for detecting the direction and amount of inclination of the weight body is to measure the amount of change in capacitance. Such an angular velocity sensor is called a capacitive angular velocity sensor.
In the capacitive angular velocity sensor, an electrode is provided at a position facing the side surface of the weight body via a gap. Then, the inclination of the weight body is detected by measuring the amount of change in the capacitance of the capacitance element formed by this electrode and the weight body.
このような静電容量検出型の力学量センサにおいては、力学量が作用していない初期状態の静電容量素子の静電容量が大きくなるほど検出精度を向上させることができる。これは、錘体の姿勢が変化した時の静電容量の変化量が大きくなるためである。
静電容量素子の静電容量Cは、次式で示される。
(式1) C=εS/d
但し、εは電極間の誘電体の誘電率、Sは電極の面積、dは電極間の距離(ギャップ)を示す。
このように、静電容量素子の静電容量Cは、電極の面積Sに比例し、電極間の距離dに反比例する。つまり、電極間の距離d、即ちギャップ(隙間)を小さくすることにより、静電容量を大きくすることができる。
In such a capacitance detection type mechanical quantity sensor, the detection accuracy can be improved as the electrostatic capacity of the electrostatic capacitance element in the initial state where the mechanical quantity does not act increases. This is because the amount of change in the capacitance when the posture of the weight changes is large.
The capacitance C of the capacitance element is expressed by the following equation.
(Formula 1) C = εS / d
Where ε is the dielectric constant of the dielectric between the electrodes, S is the area of the electrodes, and d is the distance (gap) between the electrodes.
Thus, the capacitance C of the capacitance element is proportional to the area S of the electrodes and inversely proportional to the distance d between the electrodes. That is, the capacitance can be increased by reducing the distance d between the electrodes, that is, the gap.
このような静電容量素子は、従来、一対の電極をそれぞれ別の基板上に形成し、これらの基板を接合することにより構成されていた。
このように形成される電極は、金属電極の表面に形成されるヒロックなどの突起物や基板のそりの影響を受けるため、平坦性を適切に保持することができなかった。
そのため、電極間において、精度良く微小なギャップを設けることが困難であった。
特に硝子基板とシリコン基板とを陽極接合する場合には、電極間のギャップが小さいと、接合時に対向する電極が張り付きやすい。そのため、電極の張り付きを防止するための加工を施さなければならなかった。
そこで、下記の特許文献をはじめ、精度良く微小なギャップを設ける技術が提案されている。
Since the electrode formed in this manner is affected by protrusions such as hillocks formed on the surface of the metal electrode and warpage of the substrate, the flatness cannot be appropriately maintained.
Therefore, it is difficult to provide a minute gap between the electrodes with high accuracy.
In particular, when anodically bonding a glass substrate and a silicon substrate, if the gap between the electrodes is small, the opposing electrodes at the time of bonding tend to stick. Therefore, processing for preventing the sticking of the electrodes has to be performed.
In view of this, techniques for providing a minute gap with high accuracy have been proposed, including the following patent documents.
特許文献1には、絶縁膜層を挟む単結晶半導体の3層構造のウェハにおいて、絶縁膜層をエッチングすることにより、ストッパのギャップを形成する技術が提案されている。
このように、ストッパのギャップを形成した場合には、絶縁膜層の厚さを変化させることによりギャップを精度良く制御することができる。
Thus, when the gap of the stopper is formed, the gap can be accurately controlled by changing the thickness of the insulating film layer.
特許文献1に示されているような、3層構造のウェハにおける中間層の絶縁膜層をエッチングする場合には、ウェットエッチングの技術が用いられる。
このウェットエッチングでは、エッチング液(薬液)と接触する領域から順に等方的にエッチングが進行していく特性を有している。
そのため、非エッチング領域に挟まれた狭い部分に被エッチング領域が存在するような場合には、このエッチング処理に長い時間が必要であった。
そこで、本発明は、静電容量検出型の力学量センサにおいて、静電容量素子を構成する電極間の空隙をより効率よく形成することができる力学量センサを提供することを目的とする。
When etching an insulating film layer of an intermediate layer in a wafer having a three-layer structure as shown in
This wet etching has a characteristic that etching proceeds isotropically in order from a region in contact with an etching solution (chemical solution).
For this reason, when the region to be etched exists in a narrow portion sandwiched between non-etched regions, this etching process requires a long time.
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a mechanical quantity sensor capable of more efficiently forming a gap between electrodes constituting a capacitive element in a capacitive detection type mechanical quantity sensor.
請求項1記載の発明では、可撓性を有する梁部と、前記梁部に支持された錘部とを有する可動部と、前記可動部に対向配置された固定電極と、前記梁部と前記固定電極間に配置され、浸食液の浸食により前記可動部と前記固定電極間に形成された空隙を有する絶縁層と、前記固定電極及び前記梁部の少なくとも一方に形成され、前記絶縁層における空隙形成の際に浸食液を浸入させる孔と、前記可動部と前記固定電極との間に生じる静電容量の変化を検出する検出手段と、前記検出手段により検出された静電容量に基づき力学量を取得する力学量取得手段と、を具備することにより前記目的を達成する。 In the first aspect of the present invention, a movable portion having a flexible beam portion, a weight portion supported by the beam portion, a fixed electrode disposed opposite to the movable portion, the beam portion, and the beam An insulating layer disposed between the fixed electrodes and having an air gap formed between the movable part and the fixed electrode by erosion of an erosion liquid, and formed in at least one of the fixed electrode and the beam part, the air gap in the insulating layer A hole for allowing the erosion liquid to enter during formation, a detection means for detecting a change in capacitance generated between the movable part and the fixed electrode, and a mechanical quantity based on the capacitance detected by the detection means The above-mentioned object is achieved by providing a mechanical quantity acquisition means for acquiring.
請求項2記載の発明では、請求項1記載の発明において、当該力学量センサは、第1の層、第2の層、第3の層が順に積層された積層基板からなり、前記固定電極は、前記第1の層を加工することにより形成され、前記絶縁層は、前記第2の層からなり、前記梁部は、前記第3の層を加工することにより形成される。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the mechanical quantity sensor includes a laminated substrate in which a first layer, a second layer, and a third layer are laminated in order, and the fixed electrode is The first layer is formed by processing, the insulating layer is formed by the second layer, and the beam portion is formed by processing the third layer.
請求項3記載の発明では、請求項1または請求項2記載の発明において、前記孔は、等間隔に複数設けられている。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, a plurality of the holes are provided at equal intervals.
請求項4記載の発明では、請求項1、請求項2または請求項3に記載の発明において、前記錘部を所定の周期で振動させる振動手段を備え、前記力学量取得手段は、前記検出手段で検出された静電容量に基づき角速度を取得する。 According to a fourth aspect of the present invention, in the first, second, or third aspect of the invention, there is provided vibration means that vibrates the weight portion at a predetermined period, and the mechanical quantity acquisition means is the detection means. The angular velocity is acquired based on the capacitance detected in step (1).
請求項5記載の発明では、請求項2、請求項3または請求項4記載の発明において、前記積層基板は、前記第1の層及び前記第3の層がシリコンにより形成され、前記第2の層が酸化膜により形成されたSOI(シリコン・オン・インシュレータ)基板である。 According to a fifth aspect of the present invention, in the second, third, or fourth aspect of the present invention, the laminated substrate includes the first layer and the third layer formed of silicon, and the second layer. It is an SOI (silicon on insulator) substrate in which a layer is formed of an oxide film.
請求項6記載の発明では、請求項2、請求項3、請求項4または請求項5記載の発明において、前記第3の層を加工することにより形成され、前記梁部の一端が固定されたフレームと、前記第2の層における前記梁部と接しない領域内に形成され、前記固定電極及び前記フレームが固定される支持部と、を備える。 According to a sixth aspect of the present invention, in the second, third, fourth, or fifth aspect of the present invention, the third layer is formed by processing, and one end of the beam portion is fixed. A frame; and a support portion formed in a region of the second layer that does not contact the beam portion and to which the fixed electrode and the frame are fixed.
本発明によれば、浸食液を浸入させる孔を設けることにより、絶縁層の浸食をより効率よく形成することができる。 According to the present invention, it is possible to more efficiently form the erosion of the insulating layer by providing the hole into which the erosion liquid is allowed to enter.
(1)実施形態の概要
図1に示すように、支持層1と活性層3の間に絶縁層2が形成されている3層構造を有する積層基板を加工して、加速度や角速度などの力学量を検出する力学量センサを形成する。支持層1及び活性層3は、シリコン結晶などの導体からなり導電層を形成する。
力学量センサは、フレーム11、梁12、錘体13、電極支持部21、ギャップ22及び固定電極31を備えている。
フレーム11、梁12及び錘体13は、支持層1にエッチング処理を施すことにより形成されている。
電極支持部21、ギャップ22は、絶縁層2にウェットエッチング処理を施すことにより形成されている。
(1) Outline of Embodiment As shown in FIG. 1, a laminated substrate having a three-layer structure in which an
The mechanical quantity sensor includes a
The
The
固定電極31は、活性層3にエッチング処理を施すことにより形成されている。
梁12は、一端がフレーム11に固定された可撓性を有する部材であり、錘体13を可動な状態に支持する。この梁12の作用により、錘体13は、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っている。
また、固定電極31には、絶縁層2にギャップ22を形成する際のエッチング液(薬液)の回り込みを良くするためのエッチング促進用の孔(ホール)が形成されている。
固定電極31の厚さ方向に貫通するエッチング促進用の孔を設けることによりエッチング液の回り込み特性を向上させることができる。
このように構成される力学量センサにおいて、作用する力学量を錘体13の姿勢変化に基づいて検出する。
錘体13の姿勢変化は、可動電極と固定電極31とで形成される静電容量素子の静電容量の変化から導き出されるギャップ22の変化に基づいて検出される。
The
The
The
By providing a hole for promoting etching that penetrates the
In the mechanical quantity sensor configured as described above, the acting mechanical quantity is detected based on the posture change of the
The posture change of the
(2)実施形態の詳細
以下、本発明の好適な実施の形態について、図1〜図8を参照して詳細に説明する。
本実施形態では、力学量センサの例として、加速度センサ及び角速度センサについて説明する。
また、本実施の形態に係る力学量センサは、半導体基板を加工して形成された半導体センサ素子である。なお、半導体基板の加工は、MEMS(マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム)技術を用いて行うことができる。
加速度センサを構成する基板における各層の積層方向と同一方向を上下方向、即ちz軸(方向)と定義する。そして、このz軸と直交し、かつ互いの軸と直交する軸をx軸(方向)及びy軸(方向)と定義する。つまり、x軸、y軸、z軸は、それぞれ互いに直交する3軸となる。
(2) Details of Embodiments Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
In the present embodiment, an acceleration sensor and an angular velocity sensor will be described as examples of the mechanical quantity sensor.
The mechanical quantity sensor according to the present embodiment is a semiconductor sensor element formed by processing a semiconductor substrate. The processing of the semiconductor substrate can be performed using MEMS (micro electro mechanical system) technology.
The same direction as the stacking direction of the layers in the substrate constituting the acceleration sensor is defined as the vertical direction, that is, the z-axis (direction). The axes orthogonal to the z-axis and orthogonal to each other are defined as an x-axis (direction) and a y-axis (direction). That is, the x axis, the y axis, and the z axis are three axes that are orthogonal to each other.
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る加速度センサの概略構成を示した断面図である。
また、図2(a)は図1に示す加速度センサの上部方向から見た平面図であり、図2(b)は図1に示すB平面における断面を示した図であり、図2(c)は図1に示すC平面における断面を示した図である。
なお、図1の断面図は、図2(a)に示す線分A−A’の位置における加速度センサの断面を示した図である。
第1の実施形態に係る加速度センサは、支持層1、埋込酸化層2、活性層3の3層構造を有するSOI(シリコン・オン・インシュレータ)基板から形成されている。
支持層1は、厚さが数百μmのシリコン(Si)層からなる。埋込酸化層2は、厚さが数nm〜数μmの絶縁体である酸化シリコン(SiO2)膜層からなる。活性層3は、厚さが数μm〜数百μmのシリコン(Si)層からなる。
支持層1には、エッチング処理を施すことによりフレーム11、梁12及び錘体13が形成されている。なお、錘体13は、導電性を有し可動電極として機能する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the acceleration sensor according to the first embodiment.
2A is a plan view of the acceleration sensor shown in FIG. 1 as viewed from above, and FIG. 2B is a diagram showing a cross section along the plane B shown in FIG. ) Is a diagram showing a cross section in the C plane shown in FIG. 1.
1 is a view showing a cross section of the acceleration sensor at the position of the line segment AA ′ shown in FIG.
The acceleration sensor according to the first embodiment is formed from an SOI (silicon-on-insulator) substrate having a three-layer structure of a
The
The
図2(c)に示すように、フレーム11は、錘体13を囲むように周縁部に設けられた固定部であり、加速度センサの枠組みを構成する。フレーム11は、中空角柱状の部材であり、支持層1の厚みと同等の高さを有する。
梁12は、錘体13の中心から放射方向に(フレーム11の方向に)十字方向に延びる4つの帯状の薄部材であり、可撓性を有している。梁12は、フレーム11及び錘体13に固定されている。
ここで、梁12における撓み特性について説明する。
梁12の撓み特性は、梁12の形状、材質等の要素に基づいて決定されるバネ定数kに基づいて変化する。また、バネ定数kは、錘体13の共振周波数を決定する重要なパラメータとして作用する。
このバネ定数kは、梁12の長さL、即ち錘体13とフレーム11との間隔と関係している。バネ定数kは、(1/Lの3乗)の値に比例する。
従って、適切なバネ定数kを有する梁12を構成するためには、長さLの梁12を精度良く形成する必要がある。
As shown in FIG. 2C, the
The
Here, the bending characteristics of the
The bending characteristics of the
This spring constant k is related to the length L of the
Therefore, in order to construct the
ところが、電極支持部21が梁12と重なる領域に渡って形成されると、梁12の実質的な長さ、即ち、可撓性を有する部材として機能する領域が短くなってしまう。
このような電極支持部21が形成される範囲(領域)の影響により、梁12のバネ定数kの誤差が生じ、錘体13において所望の振動特性が適切に得られないといった不具合が発生するおそれがある。
そこで、本実施の形態に係る加速度センサでは、電極支持部21の形成領域の範囲を特定している。
詳しくは、電極支持部21は、フレーム11における梁12の形成部位(梁12の根元の位置)よりも外側(フレーム11の外側面側)の領域内に形成される。
However, when the
Due to the influence of the range (region) in which the
Therefore, in the acceleration sensor according to the present embodiment, the range of the formation region of the
Specifically, the
つまり、電極支持部21は、梁12側に出ないように、即ち梁12の形成領域と重ならないように形成されている。
言い換えると、図1に示すように、電極支持部21の内側面とフレーム11の内側面との距離dは、d≧0の関係を満たす。
但し、距離dは、フレーム11の外側面から内側面までの距離(間隔)から、フレーム11の外側面から電極支持部21の内側面までの距離(間隔)を引いた差分を示す。
このように、電極支持部21をフレーム11のz軸方向の延長領域より外側(梁12の形成位置と反対側)へ浸食した状態に形成することにより、電極支持部21による影響を受けない梁12を適切に形成することができる。
That is, the
In other words, as shown in FIG. 1, the distance d between the inner surface of the
However, the distance d indicates a difference obtained by subtracting the distance (interval) from the outer surface of the
In this way, the
錘体13は、4つの梁12によりフレーム11に固定された6面体の質量体である。錘体13は、梁12の作用により、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っている。
錘体13の周部には、錘体13を可動にするための可動隙間14が形成されている。
また、錘体13の底面、即ち下面の下部領域にも、錘体13を可動にするための空間である可動隙間15が形成されている。
なお、可動隙間15は、錘体13の厚みをフレーム11の厚みより小さくすることにより形成されている。
The
A
In addition, a movable gap 15 which is a space for moving the
The movable gap 15 is formed by making the thickness of the
埋込酸化層2には、エッチング処理を施すことにより、電極支持部21が形成されている。図2(b)に示すように、電極支持部21は、梁12の延長領域、即ちフレーム11を構成する各辺(壁)の中央部に設けられた方形の部材である。この電極支持部21は、埋込酸化層2と等しい厚みを有している。
そして、埋込酸化層2には、電極支持部21を形成する際にエッチングされた領域により、ギャップ(隙間)22が形成されている。
An
In the buried
活性層3には、エッチング処理を施すことにより固定電極31が形成されている。第1の実施形態に係る加速度センサでは、図2(a)に示すように、4つの固定電極31が設けられている。
固定電極31は、直角二等辺三角形の電極部31a及び長方形の支持部31bから構成されている。電極部31aにおける直角と対向する斜辺の中央部から外側に延びるように支持部31bが形成されている。
そして、電極部31aにおける直角をなす二辺の頂点が、錘体13の中心方向に向くように、中心を取り囲んで90°ごとに配置されている。
同一平面上の対向する電極同士、即ち中央を挟んで反対側に位置する電極同士が対となり、錘体13の姿勢状態の各軸方向成分を検出する。
A fixed
The fixed
And it arrange | positions every 90 degrees surrounding the center so that the vertex of two sides which make a right angle in the electrode part 31a may face the center direction of the
Opposing electrodes on the same plane, that is, electrodes located on the opposite side across the center are paired, and each axial component of the posture state of the
錘体13の姿勢状態のx軸方向成分を検出するための固定電極31は、直角二等辺三角形の直角を二等分する二等分線(中心線)がx軸と重なる位置に配置されている。
同様に、錘体13の姿勢状態のy軸方向成分を検出するための固定電極31も、直角二等辺三角形の直角を二等分する二等分線(中心線)がy軸と重なる位置に配置されている。
図示されていないが、固定電極31は、外部に設けられた信号処理回路(信号処理装置)と引出用の配線(引出配線)により接続されている。そして、これらの引出配線を介して、各種信号が電極に印加されるように構成されている。
なお、電極間の静電容量は、静電容量/電圧変換(C/V変換)回路を用いて電気的に検出することができる。
The fixed
Similarly, the fixed
Although not shown, the fixed
The capacitance between the electrodes can be electrically detected using a capacitance / voltage conversion (C / V conversion) circuit.
C/V変換回路として、例えば、十分周波数の高いキャリア信号(参照信号)を静電容量素子に印加し、その出力信号の振幅の変化量を静電容量として検出する方法がある。
静電容量素子に印加されたキャリア信号の出力は、その振幅が静電容量に比例する。そのため、入力キャリア信号と出力キャリア信号の振幅を比較することにより、静電容量を検出することができるようになっている。
第1の実施形態に係る加速度センサでは、固定電極31にキャリア信号として、周波数帯域が数百kHz〜数MHzである交流信号が印加されている。
As a C / V conversion circuit, for example, there is a method in which a carrier signal (reference signal) having a sufficiently high frequency is applied to a capacitance element, and the amount of change in the amplitude of the output signal is detected as capacitance.
The amplitude of the output of the carrier signal applied to the capacitance element is proportional to the capacitance. Therefore, the capacitance can be detected by comparing the amplitudes of the input carrier signal and the output carrier signal.
In the acceleration sensor according to the first embodiment, an AC signal having a frequency band of several hundred kHz to several MHz is applied to the fixed
また、第1の実施形態に係る加速度センサには、固定電極パッド41及び共通電極パッド42が設けられている。
固定電極パッド41は、固定電極31の電位を引き出すためのターミナルパッドであり、この固定電極パッド41を介して引出配線が信号処理回路に接続される。
同様に共通電極パッド42は、共有電極即ち支持層1の電位を引き出すためのパッド、であり、この共通電極パッド42を介して引出配線が信号処理回路に接続される。
The acceleration sensor according to the first embodiment is provided with a fixed
The fixed
Similarly, the
このように構成される加速度センサでは、加速度の作用により変化する錘体13の姿勢変化を錘体13における可動電極と固定電極31との間に形成されたギャップ22の変化に基づいて加速度を検出する。
詳しくは、ギャップ22の変化は、錘体13における可動電極と固定電極31とで形成される静電容量素子の静電容量の変化に基づいて検出される。静電容量の変化は、C/V変換回路を用いて行う。そして、検出された静電容量の変化量をこれに相当する加速度に変換する。
In the acceleration sensor configured as described above, the posture change of the
Specifically, the change in the
次に、上述した加速度センサの製造方法について説明する。
第1の実施形態に係る加速度センサは、支持層1、埋込酸化層2、活性層3の3層構造を有するSOI基板を加工することにより形成される。
はじめに、活性層3をエッチングして固定電極31を形成する。詳しくは、活性層3の表面にエッチング用マスクを形成し、このマスクに沿ってエッチング加工を施す。
続いて、固定電極パッド41及び共通電極パッド42を形成する。つまり、固定電極31及び錘体13の電位を確保するための電極を接合する。
電極の材料としては、アルミニウム等の単一金属やバイメタルが用いられる。
Next, a method for manufacturing the acceleration sensor described above will be described.
The acceleration sensor according to the first embodiment is formed by processing an SOI substrate having a three-layer structure of a
First, the
Subsequently, the fixed
As the electrode material, a single metal such as aluminum or a bimetal is used.
次に、支持層1をエッチングして、フレーム11、梁12及び錘体13を形成する。
詳しくは、支持層1の表面にエッチング用マスクを形成し、このマスクに沿ってエッチング加工を施す。
この支持層1のエッチング処理は、プラズマによる深いトレンチエッチングを施すD−RIE(ディープ−リアクティブ・イオン・エッチング)技術を利用して行う。
なお、D−RIEは、ドライエッチングの一種である特定の方向にエッチングが進行する異方性エッチングに分類される。
なお、支持層1及び活性層3におけるエッチング処理では、エッチング用のマスク材として、酸化珪素や窒化珪素、レジストが用いられる。また、エッチングの種類として、反応性イオンエッチングや誘導結合プラズマエッチングといったドライエッチングが用いられる。
Next, the
Specifically, an etching mask is formed on the surface of the
The
D-RIE is classified into anisotropic etching in which etching proceeds in a specific direction, which is a kind of dry etching.
In the etching process in the
最後に、埋込酸化層2をエッチングしてギャップ22を形成する。
加速度センサの構造上、ドライエッチング処理を施すことが困難であるため、この埋込酸化層2のエッチング処理は、ウェットエッチングの技術を利用して行う。埋込酸化層2をエッチングするための薬液としてフッ酸(HF)やフッ化アンモン(NH4F)を用いる。
なお、第1の実施形態に係る加速度センサでは、埋込酸化層2のエッチング処理工程(フォトリソグラフィ工程)において、反応をゆっくり起こさせるために、フッ酸(HF)水溶液をフッ化アンモン(NH4F)などのバッファ液と混合したエッチング液(薬液)を用いる。
Finally, the buried
Because of the structure of the acceleration sensor, it is difficult to perform a dry etching process, so the etching process for the buried
In the acceleration sensor according to the first embodiment, a hydrofluoric acid (HF) aqueous solution is used as ammonium fluoride (NH 4 F) in order to cause a reaction slowly in the etching process (photolithography process) of the buried
このように、第1の実施形態に係る加速度センサでは、ギャップ22即ち錘体13における可動電極と固定電極31との隙間(ギャップ22)を埋込酸化層2を浸食することにより形成している。
そのため、錘体13の姿勢変化を検出するための静電容量素子の電極間隔、即ち可動電極と固定電極31とのギャップ22の長さ(間隔)を埋込酸化層2に厚みにより制御(調整)することができる。
これにより、微小なギャップ22の長さ(間隔)を精度良く形成することが容易にできる。
Thus, in the acceleration sensor according to the first embodiment, the
Therefore, the electrode interval of the capacitive element for detecting the posture change of the
Thereby, the length (interval) of the
上述したように、第1の実施形態に係る加速度センサでは、錘体13における可動電極と固定電極31とのギャップ22をウェットエッチングにより形成している。
そのため、エッチング部位(即ちギャップ22)が狭くて奥深い形状を有している場合(例えば、固定電極31が広く埋込酸化層2が薄い場合)、固定電極31の中心に向かうに従ってエッチング液(薬液)の流動が悪化するおそれがある。
すると、エッチングの進行が時間の経過と共に遅くなり、意図したギャップ22を形成するために時間が掛かったり、エッチング不良を引き起こしたりする可能性がある。
エッチング不良が生じてしまうと、例えば、除去されなかった酸化シリコンが固定電極31や錘体13に残ってしまうと、ギャップ22を平坦に形成できないおそれがある。
As described above, in the acceleration sensor according to the first embodiment, the
Therefore, when the etching site (that is, the gap 22) is narrow and has a deep shape (for example, when the fixed
Then, the progress of the etching is delayed with the passage of time, and it may take time to form the intended
If etching failure occurs, for example, if silicon oxide that has not been removed remains on the fixed
そこで、第1の実施形態に係る加速度センサにおいては、エッチング処理におけるばらつきを抑制するために、固定電極31にエッチング液(薬液)の回り込みを良くするためのエッチング促進用の孔(ホール)を形成する。エッチング促進用の孔(ホール)を形成することにより、ギャップ22を平坦に精度良く効率的に形成することができる。
詳しくは、図3(a)に示すように、固定電極31には、x軸方向またはy軸方向に沿って延びるスリット32が、等間隔に隣接して形成されている。
このようなスリット32を設けた場合には、固定電極31におけるスリット32に対して垂直方向の強度を保持しつつ、エッチングの進行を任意に制御することができる。
Therefore, in the acceleration sensor according to the first embodiment, in order to suppress variations in the etching process, etching promoting holes (holes) are formed in the fixed
Specifically, as shown in FIG. 3A, slits 32 extending along the x-axis direction or the y-axis direction are formed adjacent to the fixed
When such a
図3(b)に示すように、スリット32の代わりに、x軸方向及びy軸方向に沿って等間隔に角孔33を固定電極31に形成するようにしてもよい。
また、角孔33のような方形ではなく、円形、六角形などの多角形の孔を等間隔に配設するようにしてもよい。このような配設構造をハニカム構造とする。
このようなハニカム構造の孔を設けた場合には、固定電極31における全体強度を保持しつつ、方向性を抑えたエッチングの進行を任意に制御することができる。
なお、支持層1に形成されたフレーム11上には、電極支持部21を形成するために埋込酸化層2を残す必要があるため、固定電極31におけるフレーム11と重なる領域にはエッチング促進用の孔は設けられていない。
エッチング促進用の孔を設けることにより、固定電極31の軽量化を図ることができる。これにより固定電極31の共振周波数の帯域をより高い方向へシフトさせることができ、結果として固定電極31の耐振性を向上させることができる。
As shown in FIG. 3B, instead of the
Further, instead of a square shape such as the
When such a hole having a honeycomb structure is provided, it is possible to arbitrarily control the progress of etching while suppressing the directionality while maintaining the overall strength of the fixed
In addition, since it is necessary to leave the buried
By providing the hole for promoting etching, the fixed
また、図2(a)に示すように固定電極31は、電極部31a及び支持部31bから構成され、支持部31bの終端部において、電極支持部21を介してフレーム11に固定されている。
そして、支持部31bは、電極部31aにおいて検出される静電容量の変化量に与える影響を抑制するために、極力小さくなるように構成されている。即ち、支持部31bは、電極部31aと比較して極端に小さく構成されている。また、固定電極31を形成する活性層3の厚み方向の長さも小さい。
そのため、強度の高い固定電極31を構成することが難しい。そこで、本実施の形態に係る加速度センサにおいては、固定電極31の強度を向上させるための補強手段を付加するようにしてもよい。
固定電極31の補強手段としては、例えば、図8に示す補強部材100があり、この補強部材100をそれぞれの固定電極31に接合(接着)する。なお、図8には、1つの固定電極31に補強部材100を設けた例を示す。
2A, the fixed
And the
Therefore, it is difficult to configure the fixed
As a reinforcing means for the fixed
補強部材100は、電極として機能させないために絶縁体で形成されている。
補強部材100は、固定電極31における電極部31aと同一形状の直角三角形と、この直角三角形における直角と対向する斜辺を一辺とする方形とを組み合わせた形状を有している。なお、補強部材100における方形の領域は、固定電極31における支持部31bが全て含まれる程度の面積を有する。
補強部材100は、固定電極31の外側面に接合(接着)して固定される。ここでは、固定電極31と可動電極とのギャップ22の長さに影響を与えるおそれがあるため、補強部材を直接フレーム11に固定しない。
補強部材100を設ける場合、固定電極パッド41は、補強部材100の上に設ける。なお、この場合、補強部材100は絶縁材として機能するため、固定電極31と固定電極パッド41を導通させるためのコンタクトを補強部材100に設ける。
このように、補強部材100、即ち固定電極31の補強手段を設けることにより、固定電極31の強度を向上させることができる。
The reinforcing
The reinforcing
The reinforcing
When the reinforcing
Thus, by providing the reinforcing
また、上述した第1の実施形態では、2軸方向に作用する加速度を検出する加速度センサを例に説明をしたが、SOI基板を用いて形成される力学量センサはこれに限定されるものではない。
例えば、片梁構造によって構成される1軸方向に作用する加速度を検出する1軸検出の加速度センサであってもよい。
なお、片梁構造とは、錘体を一方向から梁を介してフレーム等の固定部に支持する構造を示す。
In the first embodiment described above, the acceleration sensor that detects the acceleration acting in the biaxial direction has been described as an example. However, the mechanical quantity sensor formed using the SOI substrate is not limited to this. Absent.
For example, it may be a single axis detection acceleration sensor that detects acceleration acting in a single axis direction constituted by a single beam structure.
The single beam structure refers to a structure in which the weight body is supported on a fixed part such as a frame via a beam from one direction.
次に、上述した加速度センサの変形例について説明する。
図4(a)〜(c)は、第1の実施形態に係る加速度センサの変形例の概略構成を示した図である。但し、図1及び図2に示す加速度センサと重複する箇所については、同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
図4(a)は加速度センサの上部方向から見た平面図であり、図4(b)は埋込酸化層2(B平面)における断面を示した図であり、図4(c)は支持層1(C平面)における断面を示した図である。
図4(a)〜(c)に示す加速度センサの変形例は、上述した加速度センサにおける錘体13及び固定電極31の形状を変え、検出軸(x軸及びy軸)の方向を45°回転した構造となっている。
なお、A−A’における断面は、図1に示す加速度センサとほぼ一致するため、図1を流用して説明を行う。但し、対向する固定電極31’との隙間、錘体13’とフレーム11との隙間の描写は若干異なる。
Next, a modified example of the acceleration sensor described above will be described.
4A to 4C are diagrams illustrating a schematic configuration of a modification of the acceleration sensor according to the first embodiment. However, portions that overlap with the acceleration sensor shown in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
4A is a plan view of the acceleration sensor as viewed from above, FIG. 4B is a diagram showing a cross section in the buried oxide layer 2 (B plane), and FIG. 4C is a support. It is the figure which showed the cross section in the layer 1 (C plane).
4 (a) to 4 (c) is a modification of the acceleration sensor in which the shape of the
Note that the cross section taken along the line AA ′ is substantially the same as that of the acceleration sensor shown in FIG. However, the depiction of the gap between the opposed fixed
支持層1には、エッチング処理を施すことにより、フレーム11、梁12、錘体13’が形成されている。
第1の実施形態に係る加速度センサの変形例では、図4(c)に示すように、錘体13’は、中央部に位置する角柱状の錘部131、この錘部131の4隅にそれぞれバランスを保って配設された角柱状の錘部132から構成されている。なお、錘部131及び錘部132は、連続した固体として一体に形成されている。
錘体13’の周部、詳しくは錘部132の周部には、錘体13’を可動にするための可動隙間14’が形成されている。可動隙間14’は、フレーム11と錘体13’との間に形成されている。
The
In the modification of the acceleration sensor according to the first embodiment, as shown in FIG. 4C, the
A
活性層3には、エッチング処理を施すことにより固定電極31’が形成されている。第1の実施形態に係る加速度センサの変形例では、図4(a)に示すように、4つの固定電極31’が設けられている。
固定電極31’は、方形の電極部31a’及び長方形の支持部31b’から構成されている。固定電極31’は、電極部31a’及び支持部31b’によりL字(くの字)形に形成されている。
そして、支持部31b’の端部がフレーム11上の電極支持部21に固定されている。電極部31a’は、錘部132の上端面と対向するようにそれぞれ形成されている。
同一平面上の対向する電極同士、即ち中央を挟んで反対側に位置する電極同士が対となり、錘体13’の姿勢状態の各軸方向成分を検出する。
A fixed
The fixed
The end portion of the
Opposing electrodes on the same plane, that is, electrodes positioned on the opposite side across the center are paired to detect each axial component of the posture state of the
なお、このような構成された加速度センサの変形例も、上述した加速度センサと同様の製造方法により形成される。
従って、変形例における加速度センサにおける錘体13’と固定電極31’との間のギャップ22は、埋込酸化層2をエッチング処理することにより形成される。
そのため、このように構成された加速度センサにおいても、図3(a)(b)に示すような、上述したエッチング促進用の孔(ホール)を固定電極31’に形成する。これによりエッチング液(薬液)の回り込み特性が向上し、エッチング処理におけるばらつきを抑制することができる。
Note that a modification of the thus configured acceleration sensor is also formed by the same manufacturing method as the above-described acceleration sensor.
Therefore, the
Therefore, also in the acceleration sensor configured as described above, the above-described etching promoting hole (hole) is formed in the fixed
次に、上述した加速度センサにおける埋込酸化層2をエッチング処理することにより錘体13と固定電極31とのギャップ22を形成する技術を応用した角速度センサについて説明する。
図5(a)は角速度センサの上部方向から見た平面図であり、図5(b)は埋込酸化層2(B平面)における断面を示した図であり、図5(c)は支持層1(C平面)における断面を示した図である。
図5(a)〜(c)は、第1の実施形態に係る角速度センサの概略構成を示した図である。但し、図1及び図2(a)〜(c)に示す加速度センサ、図4(a)〜(c)に示す加速度センサの変形例と重複する箇所については、同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
第1の実施形態に係る角速度センサも上述した加速度センサと同様に、支持層1、埋込酸化層2、活性層3の3層構造を有するSOI基板から形成されている。
なお、A−A’における断面は、図1に示す加速度センサと活性層3を除く部位においてほぼ一致するため、図1を流用して説明を行う。但し、対向する固定電極31の代わりに該当位置には駆動電極312が設けられている。また、錘体13’とフレーム11との隙間の描写は若干異なる。
Next, an angular velocity sensor to which a technique for forming the
FIG. 5A is a plan view of the angular velocity sensor as viewed from above, FIG. 5B is a diagram showing a cross section of the buried oxide layer 2 (B plane), and FIG. It is the figure which showed the cross section in the layer 1 (C plane).
FIGS. 5A to 5C are diagrams showing a schematic configuration of the angular velocity sensor according to the first embodiment. However, portions that overlap with the acceleration sensor shown in FIGS. 1 and 2 (a) to 2 (c) and the variation of the acceleration sensor shown in FIGS. 4 (a) to 4 (c) are denoted by the same reference numerals and details. Detailed explanation is omitted.
The angular velocity sensor according to the first embodiment is also formed from an SOI substrate having a three-layer structure of the
Note that the cross section taken along the line AA ′ is substantially the same in the portion excluding the acceleration sensor and the
第1の実施形態に係る角速度センサにおける埋込酸化層2には、エッチング処理を施すことにより、電極支持部21’が形成されている。図5(b)に示すように、電極支持部21’は、梁12の延長領域、即ちフレーム11を構成する各辺(壁)の中央部からx軸またはy軸方向に若干ずれた位置に設けられた方形の部材である。この電極支持部21’は、埋込酸化層2と等しい厚みを有している。
そして、埋込酸化層2には、電極支持部21’を形成する際にエッチングされた領域により、ギャップ(隙間)22が形成されている。
The buried
A gap (gap) 22 is formed in the buried
第1の実施形態に係る角速度センサにおける活性層3には、エッチング処理を施すことにより固定電極311及び駆動電極312が形成されている。
第1の実施形態に係る角速度センサでは、図5(a)に示すように、4つの固定電極311が設けられている。
固定電極311は、略方形の電極部311a、方形の支持部311b、長方形の支持部311cから構成されている。
電極部311aは、錘部132の上端面と対向するようにそれぞれ形成されている。電極部311aから隣接する電極支持部21’方向へ延びるように、支持部311b及び支持部311cがそれぞれ形成されている。支持部311b及び支持部311cの端部がフレーム11上の電極支持部21’に固定されている。
支持部311bと電極支持部21’との接合領域上に固定電極パッド41が設けられている。
The
In the angular velocity sensor according to the first embodiment, four fixed
The fixed
The
A fixed
駆動電極312は、錘部131を中心として十字方向に延びる電極であり、十字方向のそれぞれの端部において、電極支持部21’に固定されている。また、駆動電極312と電極支持部21’との固定部のうちの一箇所に、駆動電極パッド43が設けられている。
駆動電極パッド43は、駆動電極312の電位を引き出すためのターミナルパッドであり、この駆動電極パッド43を介して引出配線が制御回路に接続される。
The
The
次に、このような構成を有する角速度センサにおける角速度の検出動作について説明する。
角速度センサは、駆動電極312と錘体13’との間に交流電圧を印加する。詳しくは、駆動電極パッド43と共通電極パッド42間に交流電圧を印加する。
そして、駆動電極312と錘体13’との間に静電力を作用させ、錘体13’を上下に振動させる。
上下方向は、SOI基板の積層方向と同一方向であり、即ちz軸方向である。
Next, the angular velocity detection operation in the angular velocity sensor having such a configuration will be described.
The angular velocity sensor applies an AC voltage between the
Then, an electrostatic force is applied between the
The vertical direction is the same direction as the stacking direction of the SOI substrate, that is, the z-axis direction.
錘体13’を上下振動させるために印加する交流電圧の周波数、即ち、錘体13’の振動周波数は、錘体13’が共振振動する共振周波数f(例えば3kHz程度)に設定されている。 このように、錘体13’を共振周波数fで振動させることにより錘体13’の大きな変位量を得ることができる。
この速度vで振動している質量mの錘体13’の周りに角速度Ωが加わると、錘体13’の中心には、“F=2mvΩ”のコリオリ力が錘体13’の運動方向に対し直交する方向に発生する。
The frequency of the alternating voltage applied to vibrate the weight body 13 ', that is, the vibration frequency of the weight body 13' is set to a resonance frequency f (for example, about 3 kHz) at which the weight body 13 'resonates. Thus, a large displacement amount of the
When an angular velocity Ω is applied around the
このコリオリ力Fが発生すると、錘体13’にねじれが加わり錘体13’の姿勢が変化する。即ち、錘体13’の振動の運動方向と直交する面に対して、錘体13’が傾く。この錘体13’の姿勢の変化(傾き、ねじれ量)を検出することにより、作用する角速度の向きや大きさを検出するようになっている。
錘体13’の姿勢の変化は、固定電極311とこれに対向する錘部132とで構成される静電容量素子における静電容量の変化を検出することにより行う。
つまり、固定電極311と可動電極(錘部132)との距離の変化を検出することにより錘体13’の姿勢の変化を検出する。
When this Coriolis force F is generated, the weight 13 'is twisted and the posture of the weight 13' changes. In other words, the
The change in the posture of the
That is, a change in the posture of the
なお、静電容量素子の静電容量は、静電容量/電圧変換(C/V変換)回路を用いて電気的に検出することができる。
検出された錘体13’の姿勢の変化(傾斜方向、傾斜度合い等)に基づいて発生したコリオリ力Fを検出する。そして、検出されたコリオリ力Fに基づいて、角速度Ωを算出(導出)する。つまり、錘体13’の姿勢の変化量を角速度に変換する。
錘体13’の姿勢の変化量は、予め制御装置に記憶されている角速度算出プログラムを起動し、所定の演算処理を行うことにより角速度に変換される。
Note that the capacitance of the capacitance element can be electrically detected using a capacitance / voltage conversion (C / V conversion) circuit.
The Coriolis force F generated based on the detected change in the posture of the
The amount of change in the posture of the weight 13 'is converted into an angular velocity by starting an angular velocity calculation program stored in advance in the control device and performing a predetermined calculation process.
なお、このような構成された角速度センサも、上述した加速度センサと同様の製造方法により形成される。
従って、変形例における角速度センサにおける錘体13’と固定電極311との間のギャップ22は、埋込酸化層2をエッチング処理することにより形成される。
そのため、このように構成された角速度センサにおいても、図3(a)(b)に示すような、上述したエッチング促進用の孔(ホール)を固定電極311に形成する。これによりエッチング液(薬液)の回り込み特性が向上し、エッチング処理におけるばらつきを抑制することができる。
The angular velocity sensor configured as described above is also formed by the same manufacturing method as the acceleration sensor described above.
Therefore, the
Therefore, also in the angular velocity sensor configured in this way, the above-described etching promotion hole is formed in the fixed
(第2の実施形態)
次に、上述した第1の実施形態と異なる力学量センサの第2の実施形態について説明する。
図6(a)は、第2の実施形態に係る加速度センサの概略構成を示した断面図であり、図6(b)は図6(a)に示す加速度センサの上部方向から見た平面図である。
また、図7(a)は図6(a)に示すB平面における断面を示した図であり、図7(b)は図6(a)に示すC平面における断面を示した図であり、図7(c)は図6(a)に示すD平面における断面を示した図である。
なお、図6(a)の断面図は、図2(b)に示す線分A−A’の位置における加速度センサの断面を示した図である。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the mechanical quantity sensor different from the first embodiment described above will be described.
6A is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the acceleration sensor according to the second embodiment, and FIG. 6B is a plan view of the acceleration sensor shown in FIG. It is.
FIG. 7A is a diagram showing a cross section in the B plane shown in FIG. 6A, and FIG. 7B is a diagram showing a cross section in the C plane shown in FIG. FIG.7 (c) is the figure which showed the cross section in D plane shown to Fig.6 (a).
Note that the cross-sectional view of FIG. 6A is a cross-sectional view of the acceleration sensor at the position of the line segment AA ′ shown in FIG.
第2の実施形態に係る加速度センサは、支持層5、埋込酸化層6、活性層7の3層構造を有するSOI(シリコン・オン・インシュレータ)基板から形成されている。
支持層5は、厚さが数百μmのシリコン(Si)層からなる。埋込酸化層6は、厚さが数nm〜数μmの絶縁体である酸化シリコン(SiO2)膜層からなる。活性層7は、厚さが数μm〜数百μmのシリコン(Si)層からなる。
支持層5には、エッチング処理を施すことによりフレーム51、錘体52、固定電極53が形成されている。
The acceleration sensor according to the second embodiment is formed of an SOI (silicon-on-insulator) substrate having a three-layer structure of a support layer 5, a buried oxide layer 6, and an active layer 7.
The support layer 5 is made of a silicon (Si) layer having a thickness of several hundred μm. The buried oxide layer 6 is composed of a silicon oxide (SiO 2) film layer which is an insulator having a thickness of several nm to several μm. The active layer 7 is composed of a silicon (Si) layer having a thickness of several μm to several hundred μm.
The support layer 5 is formed with a
図7(c)に示すように、フレーム51は、錘体52を囲むように周縁部に配設された固定部であり、加速度センサの枠組みを構成する。フレーム51は、支持層5の厚みと同等の高さを有する。
錘体52は、6面体の質量体であり、後述する梁72の作用により、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っている。
錘体52の周部には、錘体52を可動にするための可動隙間54、55が形成されている。
また、錘体52の底面、即ち下面の下部領域にも、錘体52を可動にするための空間である可動隙間56が形成されている。
なお、可動隙間56は、錘体52の厚みをフレーム51の厚みより小さくすることにより形成されている。
As shown in FIG. 7 (c), the
The
In the peripheral part of the
In addition, a movable gap 56 that is a space for moving the
The movable gap 56 is formed by making the thickness of the
錘体52を可動にするための可動隙間55は、フレーム51の内側面(錘体52と対向する面)と錘体52の側面との間に形成されている。
固定電極53は、フレーム51の内側面(錘体52と対向する面)から錘体52の方向に凸出する板状の電極部であり、フレーム51と一体に形成されている。固定電極53は、z軸と直交するx−y平面に沿って形成されている。
固定電極53は、独立して形成された(一体に形成されていない)4つのフレーム51にそれぞれ形成されている。そのため、それぞれの固定電極53は、電気的に絶縁されている。
錘体52を可動にするための可動隙間54は、固定電極53の先端部(端面)と錘体52との間に形成されている。
A
The fixed
The fixed
A
埋込酸化層6には、エッチング処理を施すことにより、電極支持部61が形成されている。図7(b)に示すように、電極支持部61は、フレーム51のz軸方向の延長領域における後述する梁72の延長領域に設けられた方形の部材である。この電極支持部61は、埋込酸化層2と等しい厚みを有している。
また、埋込酸化層6には、エッチング処理を施すことにより、錘体支持部62が形成されている。
錘体支持部62は、錘体52を後述する梁構造体71に固定(支持)するための部位であり、錘体52のz軸方向の延長領域、即ち梁構造体71の中央部に形成されている。
埋込酸化層6には、電極支持部61及び錘体支持部62を形成する際にエッチングされた領域における、電極支持部61と錘体支持部62との間に、ギャップ(隙間)63が形成されている。
The buried oxide layer 6 is formed with an
The buried oxide layer 6 is formed with a
The
In the buried oxide layer 6, there is a
活性層7には、エッチング処理を施すことにより梁構造体71が形成されている。梁構造体71は、図6(b)に示すように、錘体52の形成領域から放射方向に十字方向に延びるの部材である。
梁構造体71は、十字方向に延びたそれぞれの終端部が、電極支持部61を介してフレーム51に固定されている。
また、梁構造体71における電極支持部61及び錘体支持部62と接触していない領域、即ちギャップ63と接し固定電極53と対向する領域は、錘体支持部62を介して梁構造体71に固定された錘体52をフレーム51対して支持するための梁72を構成する。
この梁72は、可撓性及び導電性を有し可動電極として機能する。
なお、錘体支持部62を介して錘体52を梁構造体71に固定することにより、錘体52と梁構造体71とは、電気的に絶縁状態となる。
A
The
Further, a region of the
The
Note that the
梁72の撓み特性は、第1の実施形態における梁12と同様に、梁72の形状、材質等の要素に基づいて決定されるバネ定数kに基づいて変化する。また、バネ定数kは、錘体52の共振周波数を決定する重要なパラメータとして作用する。
このバネ定数kは、梁72の厚みtと関係している。詳しくは、このバネ定数kは、梁72の厚みtの3乗に比例する。
従って、適切なバネ定数kを有する梁72を構成するためには、厚みtの梁72を精度良く形成しなければならない。
第2の実施形態に係る加速度センサにおいて、梁72(梁構造体71)は、活性層7をエッチングすることにより形成されている。
活性層7は、SOI基板のシリコン(Si)層であるため、基板の状態で活性層厚を精度良く形成することが可能である。またシリコン(Si)層であるため、埋込酸化膜層のエッチングの影響を受けることがない。つまり、埋込酸化膜層のエッチングの際に浸食されて厚みが変わることがないため、梁72(梁構造体71)を精度良く形成することができる。
Similar to the
This spring constant k is related to the thickness t of the
Therefore, in order to construct the
In the acceleration sensor according to the second embodiment, the beam 72 (beam structure 71) is formed by etching the active layer 7.
Since the active layer 7 is a silicon (Si) layer of an SOI substrate, the active layer thickness can be accurately formed in the state of the substrate. Further, since it is a silicon (Si) layer, it is not affected by the etching of the buried oxide film layer. That is, since the thickness does not change due to erosion when the buried oxide film layer is etched, the beam 72 (beam structure 71) can be formed with high accuracy.
また、図示されていないが、本実施の形態に係る加速度センサの外部には、信号処理回路(信号処理装置)が設けられている。
第2の実施形態に係る加速度センサには、共通電極パッド81及び固定電極パッド82が設けられている。
共通電極パッド81は、梁構造体71の十字方向に延びた終端部の1つに設けられた電極パッドである。共通電極パッド81は、梁構造体71に形成された可動電極(共通電極)の電位を引き出すためのターミナルパッドであり、この共通電極パッド81を介して引出配線が信号処理回路に接続される。
また、固定電極パッドは、それぞれのフレーム51の上端面に設けられた電極パッドである。固定電極パッド82は、固定電極53の電位を引き出すためのターミナルパッドであり、この固定電極パッド82を介して引出配線が信号処理回路に接続される。
Although not shown, a signal processing circuit (signal processing device) is provided outside the acceleration sensor according to the present embodiment.
The acceleration sensor according to the second embodiment is provided with a
The
The fixed electrode pad is an electrode pad provided on the upper end surface of each
このように構成される加速度センサでは、加速度の作用により変化する錘体52の姿勢変化を固定電極53と可動電極として機能する梁72との間に形成されたギャップ63の変化に基づいて加速度を検出する。
詳しくは、ギャップ63の変化は、固定電極53と梁72とで形成される静電容量素子の静電容量の変化に基づいて検出される。静電容量の変化は、C/V変換回路を用いて行う。そして、検出された静電容量の変化量をこれに相当する加速度に変換する。
なお、C/V変換処理は、第1の実施形態に示す角速度センサ及び角速度センサと同様の方法を用いて行う。
In the acceleration sensor configured as described above, the posture change of the
Specifically, the change in the
Note that the C / V conversion processing is performed using the angular velocity sensor and the method similar to the angular velocity sensor shown in the first embodiment.
なお、このように構成される加速度センサは、錘体52をz軸方向に振動させる駆動手段を設け角速度センサとして機能させるように構成することもできる。
駆動手段により錘体52をz軸方向に振動させ、振動方向と直交する面に対する錘体52の傾きをギャップ63の間隔の変化を検出し、検出されたギャップ63の間隔の変化量に基づいて、錘体52に作用する角速度を検出する。
詳しくは、固定電極53及び可動電極(梁72)により形成される静電容量素子における静電容量の変化に基づいて、錘体52に作用するコリオリ力を検出する。そして、検出されたコリオリ力に基づいて、角速度を算出(導出)する。つまり、錘体52の姿勢の変化量を角速度に変換する。
The acceleration sensor configured as described above can be configured to function as an angular velocity sensor by providing a driving unit that vibrates the
The
Specifically, the Coriolis force acting on the
次に、上述した加速度センサの製造方法について説明する。
第2の実施形態に係る加速度センサは、支持層5、埋込酸化層6、活性層7の3層構造を有するSOI基板を加工することにより形成される。
はじめに、活性層7をエッチングして梁構造体71を形成する。詳しくは、活性層7の表面にエッチング用マスクを形成し、このマスクに沿ってエッチング加工を施す。
Next, a method for manufacturing the acceleration sensor described above will be described.
The acceleration sensor according to the second embodiment is formed by processing an SOI substrate having a three-layer structure of a support layer 5, a buried oxide layer 6, and an active layer 7.
First, the active layer 7 is etched to form a
次に、支持層5をエッチングして、フレーム51、錘体52及び固定電極53を形成する。
詳しくは、支持層5の表面にエッチング用マスクを形成し、このマスクに沿ってエッチング加工を施す。
この支持層5のエッチング処理は、プラズマによる深いトレンチエッチングを施すD−RIE技術を利用して行う。
なお、支持層5及び活性層7におけるエッチング処理では、エッチング用のマスク材として、酸化珪素や窒化珪素、レジストが用いられる。また、エッチングの種類として、反応性イオンエッチングや誘導結合プラズマエッチングといったドライエッチングが用いられる。
Next, the support layer 5 is etched to form the
Specifically, an etching mask is formed on the surface of the support layer 5, and etching is performed along the mask.
The support layer 5 is etched using a D-RIE technique for performing deep trench etching using plasma.
In the etching process in the support layer 5 and the active layer 7, silicon oxide, silicon nitride, or resist is used as a mask material for etching. Further, dry etching such as reactive ion etching or inductively coupled plasma etching is used as the type of etching.
続いて、埋込酸化層6をエッチングして電極支持部61、錘体支持部62及びギャップ63を形成する。
加速度センサの構造上、ドライエッチング処理を施すことが困難であるため、この埋込酸化層6のエッチング処理は、ウェットエッチングの技術を利用して行う。
なお、このウェットエッチングについても、第1の実施形態に係る加速度センサと同様の方法を用いて行う。
最後に、共通電極パッド81及び固定電極パッド82を形成する。つまり、固定電極53及び梁72(可動電極)の電位を確保するための電極を接合する。
電極の材料としては、アルミニウム等の単一金属やバイメタルが用いられる。
Subsequently, the buried oxide layer 6 is etched to form an
Due to the structure of the acceleration sensor, it is difficult to perform a dry etching process. Therefore, the etching process for the buried oxide layer 6 is performed using a wet etching technique.
This wet etching is also performed using the same method as the acceleration sensor according to the first embodiment.
Finally, the
As the electrode material, a single metal such as aluminum or a bimetal is used.
第2の実施形態に係る加速度センサにおいても第1の実施形態に係る加速度センサと同様に、固定電極53と可動電極(梁72)との隙間(ギャップ63)を埋込酸化層6を除去することにより形成している。
そのため、錘体52の姿勢変化を検出するための静電容量素子の電極間隔、即ち可動電極(梁72)と固定電極53とのギャップ63の長さ(間隔)を埋込酸化層6に厚みにより制御(調整)することができる。
これにより、微小なギャップ63の長さ(間隔)を精度良く形成することが容易にできる。
Also in the acceleration sensor according to the second embodiment, the buried oxide layer 6 is removed from the gap (gap 63) between the fixed
Therefore, the electrode interval of the capacitive element for detecting the posture change of the
Thereby, it is possible to easily form the length (interval) of the
また、第2の実施形態に係る加速度センサにおいても第1の実施形態に係る加速度センサと同様に、埋込酸化層6をウェットエッチングで除去することによりギャップ63を形成している。
そのため、このように構成された加速度センサにおいても、図3(a)(b)に示すような、上述したエッチング促進用の孔(ホール)を固定電極53または可動電極(梁72)に形成する。これによりエッチング液(薬液)の回り込み特性が向上し、エッチング処理におけるばらつきを抑制することができる。
詳しくは、図7(b)の囲み破線で示した領域aの部位、即ち固定電極53における梁72と対向する領域にエッチング促進用の孔(ホール)を設ける。
または、梁構造体71における固定電極53と対向する領域にエッチング促進用の孔(ホール)を設ける。
これによりエッチング液(薬液)の回り込み特性が向上し、エッチング処理におけるばらつきを抑制することができる。
In the acceleration sensor according to the second embodiment, the
Therefore, also in the thus configured acceleration sensor, the above-described etching promoting hole is formed in the fixed
Specifically, a hole (hole) for promoting etching is provided in a region a indicated by a broken line in FIG. 7B, that is, in a region facing the
Alternatively, a hole (hole) for promoting etching is provided in a region facing the fixed
Thereby, the wraparound characteristic of the etching solution (chemical solution) is improved, and variations in the etching process can be suppressed.
また、エッチング促進用の孔(ホール)を固定電極53及び可動電極(梁72)の双方に形成するようにしてもよい。このように、固定電極53及び可動電極(梁72)、即ちギャップ63の形成部位の両側面にエッチング促進用の孔(ホール)を設けることにより、埋込酸化層6のエッチング処理に掛かる時間の短縮化を図ることができる。
なお、固定電極53及び可動電極(梁72)に設けられるエッチング促進用の孔(ホール)は、第1の実施形態と同様に、等間隔に配設されるスリットや角孔、円形孔、六角孔(多角形孔)のハニカム構造により構成される。
Etching promoting holes (holes) may be formed in both the fixed
Note that the holes for promoting etching provided in the fixed
スリットを設けた場合には、固定電極53または可動電極(梁72)におけるスリットに対して垂直方向の強度を保持しつつ、エッチングの進行を任意に制御することができる。
ハニカム構造の孔を設けた場合には、固定電極53または可動電極(梁72)における全体強度を保持しつつ、方向性を抑えたエッチングの進行を任意に制御することができる。
エッチング促進用の孔を設けることにより、固定電極53または可動電極(梁72)の軽量化を図ることができる。これにより固定電極53または可動電極(梁72)の共振周波数の帯域をより高い方向へシフトさせることができ、結果として固定電極53または可動電極(梁72)の耐振性を向上させることができる。
When the slit is provided, the progress of etching can be arbitrarily controlled while maintaining the strength in the direction perpendicular to the slit in the fixed
When the holes having the honeycomb structure are provided, it is possible to arbitrarily control the progress of etching while suppressing the directionality while maintaining the overall strength of the fixed
By providing the hole for promoting etching, the fixed
第2の実施形態に係る加速度センサでは、対向する固定電極53の対を2組み設けることにより、2軸方向に作用する加速度を検出する加速度センサを構成している。
この2軸方向の加速度センサの構成を応用し、1軸検出の角速度センサを構成するようにしてもよい。
詳しくは、2組の対向する固定電極53の対のうち、一方を錘体52をz軸方向に振動させるための駆動電極とし、もう一方を錘体52の姿勢変化(傾き)を検出するための検出電極とする。
In the acceleration sensor according to the second embodiment, an acceleration sensor that detects acceleration acting in two axial directions is configured by providing two pairs of opposing fixed
This biaxial acceleration sensor configuration may be applied to form a uniaxial angular velocity sensor.
Specifically, one of the two pairs of opposing fixed
第1及び第2の実施形態によれば、静電容量検出型の力学量センサにおける静電容量素子の電極を、同一のSOI基板上に形成することができる。また、電極間のギャップ(間隔)を、SOI基板の中間層(埋込酸化層)の厚みにより調整することができる。
これにより、微小な電極間のギャップを精度良く形成することが容易にできる。そのため静電容量を大きくすることができ、感度の良い力学量センサを容易に作ることができる。
従来のように、固定電極31を配設(固定)するための硝子基板などの別体形成された基板(接合基板)を設ける必要がないため、力学量センサの小型化を図ることができる。
According to the first and second embodiments, the electrodes of the capacitance elements in the capacitance detection type mechanical quantity sensor can be formed on the same SOI substrate. Further, the gap (interval) between the electrodes can be adjusted by the thickness of the intermediate layer (buried oxide layer) of the SOI substrate.
Thereby, it is possible to easily form a gap between minute electrodes with high accuracy. Therefore, the capacitance can be increased, and a highly sensitive mechanical quantity sensor can be easily manufactured.
Unlike the prior art, it is not necessary to provide a separate substrate (bonding substrate) such as a glass substrate for disposing (fixing) the fixed
上述した第1および第2の実施形態に係る加速度センサおよび角速度センサは、SOI基板を加工して形成されているが、これらのセンサを形成する積層基板は、SOI基板に限定されるものではない。即ち、絶縁層は埋込酸化層の酸化シリコン(SiO2)で形成されているが、これに限定されるものではない。
例えば、絶縁層を他の絶縁物質の層により形成するようにしてもよい。また、SOI基板の代わりに、他の積層基板を用いるようにしてもよい。
The acceleration sensor and the angular velocity sensor according to the first and second embodiments described above are formed by processing an SOI substrate. However, the multilayer substrate forming these sensors is not limited to the SOI substrate. . That is, the insulating layer is formed of silicon oxide (SiO 2) as a buried oxide layer, but is not limited to this.
For example, the insulating layer may be formed of a layer of another insulating material. Further, another laminated substrate may be used instead of the SOI substrate.
1 支持層
2 埋込酸化層
3 活性層
5 支持層
6 埋込酸化層
7 活性層
11 フレーム
12 梁
13 錘体
14 可動隙間
15 可動隙間
21 電極支持部
22 ギャップ
31 固定電極
31a 電極部
31b 支持部
32 スリット
33 角孔
41 固定電極パッド
42 共通電極パッド
43 駆動電極パッド
51 フレーム
52 錘体
53 固定電極
54 可動隙間
55 可動隙間
56 可動隙間
61 電極支持部
62 錘体支持部
63 ギャップ
71 梁構造体
72 梁
81 共通電極パッド
82 固定電極パッド
100 補強部材
131 錘部
132 錘部
311 固定電極
311a 電極部
311b 支持部
312 駆動電極
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記可動部に対向配置された固定電極と、
前記梁部と前記固定電極間に配置され、浸食液の浸食により前記可動部と前記固定電極間に形成された空隙を有する絶縁層と、
前記固定電極及び前記梁部の少なくとも一方に形成され、前記絶縁層における空隙形成の際に浸食液を浸入させる孔と、
前記可動部と前記固定電極との間に生じる静電容量の変化を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された静電容量に基づき力学量を取得する力学量取得手段と、
を具備することを特徴とする力学量センサ A movable portion having a flexible beam portion and a weight portion supported by the beam portion;
A fixed electrode disposed opposite to the movable part;
An insulating layer disposed between the beam portion and the fixed electrode, and having a gap formed between the movable portion and the fixed electrode by erosion of an erosion liquid;
A hole that is formed in at least one of the fixed electrode and the beam portion, and allows an erosion liquid to enter when forming a gap in the insulating layer;
Detection means for detecting a change in capacitance generated between the movable part and the fixed electrode;
A mechanical quantity acquisition means for acquiring a mechanical quantity based on the capacitance detected by the detection means;
A mechanical quantity sensor comprising:
前記固定電極は、前記第1の層を加工することにより形成され、
前記絶縁層は、前記第2の層からなり、
前記梁部は、前記第3の層を加工することにより形成されることを特徴とする請求項1記載の力学量センサ。 The mechanical quantity sensor includes a laminated substrate in which a first layer, a second layer, and a third layer are laminated in order,
The fixed electrode is formed by processing the first layer,
The insulating layer comprises the second layer;
The mechanical quantity sensor according to claim 1, wherein the beam portion is formed by processing the third layer.
前記力学量取得手段は、前記検出手段で検出された静電容量に基づき角速度を取得することを特徴とする請求項1、請求項2または請求項3に記載の力学量センサ。 Vibrating means for vibrating the weight portion at a predetermined cycle,
The mechanical quantity sensor according to claim 1, wherein the mechanical quantity acquisition unit acquires an angular velocity based on the capacitance detected by the detection unit.
前記第2の層における前記梁部と接しない領域内に形成され、前記固定電極及び前記フレームが固定される支持部と、
を備えたことを特徴とする請求項2、請求項3、請求項4または請求項5記載の力学量センサ。 A frame formed by processing the third layer and having one end of the beam portion fixed thereto;
A support portion that is formed in a region of the second layer that does not contact the beam portion, and to which the fixed electrode and the frame are fixed;
The mechanical quantity sensor according to claim 2, wherein the mechanical quantity sensor is provided.
Priority Applications (1)
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JP2005043299A JP2006226924A (en) | 2005-02-21 | 2005-02-21 | Dynamic quantity sensor |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN114814293A (en) * | 2022-06-29 | 2022-07-29 | 成都华托微纳智能传感科技有限公司 | MEMS accelerometer with sawtooth-shaped comb tooth structure |
-
2005
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CN114814293A (en) * | 2022-06-29 | 2022-07-29 | 成都华托微纳智能传感科技有限公司 | MEMS accelerometer with sawtooth-shaped comb tooth structure |
CN114814293B (en) * | 2022-06-29 | 2022-09-09 | 成都华托微纳智能传感科技有限公司 | MEMS accelerometer with sawtooth-shaped comb tooth structure |
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