JP2006349613A - 容量検出型加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 強い衝撃耐性を有し、高感度な小型の容量検出型加速度センサを低コストで提供する。
【解決手段】 重り部４と前記重り部を支える梁５と前記梁を支持する固定部６とからなる部品でありかつ前記重り部の表面に可動電極７を有する可動電極部品１と、前記可動電極７に対して所定の間隔をもって対向配置された固定電極１１を有する固定電極部品３とを備えた容量型加速度センサにおいて、前記梁５がシリコーンゴムを母材として形成されている容量検出型加速度センサにより前記課題を解決する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、容量検出型加速度センサに関し、特にその衝撃耐性の改善に関するものである。

半導体微細加工技術を基板としたＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）加工技術により製造される半導体加速度センサは、加速度センシングシステムの小型化、高性能化が実現できるため、種々の提案がなされ、試作、実用化が進んでいる。加速度検出原理も静電容量検出方式、ピエゾ抵抗検出方式、その他の方式など様々な種類のデバイスが存在する（特許文献１、２）。

たとえば、重りを細い両持ち梁で固定部から吊るした構造において、可動部となる重りの表面に可動電極を形成し、前記可動電極と所定の間隔をもって固定電極を対向配置する構成とする容量検出型半導体加速度センサが提案されている。この構成の半導体加速度センサでは、外部から印加される加速度により吊るされた前記重りが変位し、前記対向電極間距離が対応して変化するため、加速度の変化を前記対向電極間の容量値の変化として検出できる。

これらの半導体加速度センサは、半導体微細加工技術を流用したＭＥＭＳ製造技術により製造される。そして、これらの半導体加速度センサは、たとえば図２９に示すように、シリコンを梁材料とした両持ち梁構造として使用することがある（特許文献３）。これは、半導体製造技術を基盤としたＭＥＭＳ製造技術はシリコン高精度加工能力に優れているため、また弾性材料であるシリコンは梁材料として適しているため、またシリコン中にボロンなどの不純物を拡散させることによりピエゾ抵抗体が形成できる特長があるためである。
特開平１１−１３５８０４号公報 特開２００４−２８６４１号公報 特開平５−２０３６６７号公報

ところが、ＭＥＭＳ技術による半導体加速度センサの小型化が進められた近年、ポータブル音楽プレーヤーなどのハードディスクドライブ内臓の携帯機器向けに加速度センサを使用したい要求が高まっており、シリコンを梁材料とするには種々の問題が発生してきた。これらの問題を図３０、３１により説明する。

図３０は、図２９に示す半導体加速度センサのＸ方向に外部から加速度が印加されたときの加速度センサの動作を説明する図である。両持ち梁で吊るされた重り部が外部から印加された加速度により可動し、固定電極と可動電極のギャップａ及びｂを変化させる。前記ギャップの変化を容量値として検出、演算することにより加速度が検出される。

一方、持ち運びにおいて常に落下する可能性のある携帯機器の用途では、高感度化、小型化に加えて衝撃耐性が強く要求される。これに対してシリコンはヤング率が１３０ＧＰａ程度と硬い材料であるため、高感度で動作させるためには、梁を長く、細く、薄く設計する必要があり、たとえば、梁の長さ１ｍｍ以上、梁の幅０．１ｍｍ以下、梁の厚さ０．００５ｍｍ以下などとすることにより高感度化が実現できると考えられる。しかし、落下などによりたとえば１００００Ｇ以上の強い外部衝撃が与えられた場合、図３１に示すように、半導体加速度センサの梁は大きく変形させられるため脆性材料であるシリコン製の梁は破損してしまう場合がある。逆に衝撃耐性を確保するために、梁を短く、太く、厚くした場合は、高感度化が実現できなくなる。感度と衝撃耐性を同時に満足させるためには、梁を長く、太く、厚くし、かつ対向電極の面積を大きく設計することが考えられるが、小型化が要求される携帯機器用途には適さない。また、シリコンは高価な材料であり、高価な半導体製造装置により加工されるため、低コスト化には限界がある。

この問題を解消するため、重りの可動範囲を物理的に制限する、筐体に衝撃を吸収させる構造とするなどの提案もなされているが、加工工程の複雑化、部品点数の増加、センサシステムの大型化など、やはり種々の問題があった。

本発明は、このような状況のもとでなされたもので、強い衝撃耐性を有し、高感度な小型の容量検出型加速度センサを低コストで提供することを課題とするものである。

前記課題を解決するため、本発明では、容量検出型加速度センサを次の（１）ないし（８）のとおりに構成する。

（１）重り部と前記重り部を支える梁と前記梁を支持する固定部とからなる部品でありかつ前記重り部の表面に可動電極を有する可動電極部品と、前記可動電極に対して所定の間隔をもって対向配置された固定電極を有する固定電極部品とを備えた容量型加速度センサにおいて、
前記梁がシリコーンゴムを母材として形成されている容量検出型加速度センサ。

（２）前記（１）に記載の容量検出型加速度センサにおいて、
前記可動電極部品が導電性シリコーンゴムを母材として形成されており、前記重り部の表面が可動電極としての機能を兼ね備えている容量検出型加速度センサ。

（３）前記（１）または（２）に記載の容量検出型加速度センサにおいて、
前記固定部と前記重り部を構成するシリコーンゴムより、前記梁を構成するシリコーンゴムは軟質である容量検出型加速度センサ。

（４）前記（１）ないし（３）のいずれかに記載の容量検出型加速度センサにおいて、
前記重り部に金属片などの重い部材が埋め込まれている容量検出型加速度センサ。

（５）前記（１）ないし（４）のいずれかに記載の容量検出型加速度センサにおいて、
前記可動電極部品はモールド技術、あるいはパンチング技術により形成される容量検出型加速度センサ。

（６）前記（１）ないし（５）のいずれかに記載の容量検出型加速度センサにおいて、
前記固定電極部品には穴あるいは凹みが形成されており、前記可動電極部品の固定部には突起が形成されており、前記固定電極部品の穴あるいは凹みと、前記固定部の突起を重ね合わせて前記固定電極部品と前記可動電極部品の位置決めをし固定する容量検出型加速度センサ。

（７）前記（１）ないし（６）のいずれかに記載の容量検出型加速度センサにおいて、
前記可動電極あるいは前記固定電極は、一方のみを分割して形成されている容量検出型加速度センサ。

（８）前記（１）ないし（７）のいずれかに記載の容量検出型加速度センサにおいて、
前記梁を支持する固定部は前記可動電極部品の中央部にあり、かつ前記可動電極を有する前記重り部が、前記固定部の周辺部に配置されている容量検出型加速度センサ。

本発明によれば、低コストであるモールド技術やパンチング技術により、軟質で脆くない安価なシリコーンゴムを加工し、重りを支える梁の材料に適用できるため、強い衝撃耐性を有する、高感度で小型の容量検出型加速度センサを低コストで提供できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、容量検出型加速度センサの実施例により詳しく説明する。なお、各実施例では、固定電極側を分割して形成しているが、可動電極側を分割して形成する、あるいは、固定電極側、可動電極側の双方を分割して形成する形で実施することもできる。

図１、２、３は、実施例１である“容量検出型加速度センサ”の構成を示す図であり、図１は容量検出型加速度センサの上面図であり、図２、３はその断面図である。図４、５は実施例１において可動電極部品１の構成を示す図であり、図６、７は固定電極２の部位を含んだ、固定電極部品３の構成を示す図である。製造された図４、５に示す可動電極部品１と図６、７に示す固定電極部品３とを固着することにより、図１、２、３に示す実施例１の容量検出型加速度センサが形成される。

図４、５に示す可動電極部品１はモールド技術によりシリコーンゴムを成形することにより形成でき、たとえば外寸５ｍｍ×５ｍｍ×１ｍｍである。まず絶縁性の第一のシリコーンゴムをモールド成形することにより重り部４と固定部６を形成する。次に導電性の第二のシリコーンゴムをモールド成形することにより両持ち梁部５を形成することにより形成でき、前記両持ち梁部５はたとえば０．３ｍｍ厚に薄く設定している。シリコーンゴムの硬度は、加硫制御などにより所望の硬度に設定できるが、ヤング率を１ｋＰａから１０ＭＰａの範囲を使用することが望ましい。また、重り部４の可動領域を確保するため、重り部４の底部は固定部６の底部より高い位置になるよう形成しており、たとえば固定部６の厚さは１．０ｍｍで、重り部４の厚さは０．８ｍｍである。

本実施例１では、導電性シリコーンゴムを固定部６の一部、両持ち梁部５、重り部４の表面部分の構造体材料として一体状で適用しているため、重り部４の表面が容量を形成するための可動電極７として、両持ち梁部５が可動電極７の引き出し配線としての機能を兼ね備えた構成となっている。

図６、７に示す固定電極部品３は、ガラス基板をＭＥＭＳ技術により加工して形成できる。まず、０．３ｍｍ厚のガラス基板８にフォトリソグラフィー技術によりたとえば５ミクロンの段差を形成した後、Ａｌなどの金属配線材料を蒸着成膜し、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術により所望の部位にパターニングすることにより形成できる。前記５ミクロンの段差は、容量を形成するための固定電極２と可動電極７とのギャップ９を形成するためのスペーサとして機能し、前記段差の深さを変更することにより、容易に電極間のギャップ９を変更することができる。また、前記金属配線は、固定電極２、前記可動電極７と前記固定電極２の引き出し配線１０、及び電極パッド１１として機能する。

本実施例１によれば、低コストであるモールド技術により安価なシリコーンゴムを加工し、軟質で脆くない前記シリコーンゴムを両持ち梁部５の材料に適用できるため、強い衝撃耐性を有する容量検出型加速度センサを低コストで提供できる。また、前述のとおり、加硫制御によりシリコーンゴムの硬度を制御できるため、部品の幾何学設計を変更することなく、センサ感度や系の共振周波数を変更できるため、フォトマスクや金型などの作成費用を削減でき、また製品開発期間を短縮できる。さらに、実施例１では、固定電極２を４つに分割し、各容量を演算処理することにより３軸方向の加速度を１つの素子でセンシングすることができる。

また、本実施例１によれば、センサ感度を決定する両持ち梁部５のシリコーンゴムの硬度を重り部４や固定部６により制約されることなく独立して制御できるため、たとえば固定部６に高い強度が必要とされる場合においても、両持ち梁部５のみを軟質シリコーンゴムで形成でき（すなわち固定部と前記重り部を構成するシリコーンゴムを硬質とし、梁を構成するシリコーンゴムは軟質とすることができ）、高感度な容量検出型加速度センサを提供できる。また、本実施例１では、固定部６を絶縁性シリコーンゴムで形成しており、たとえばパッケージとの接触面に絶縁性が要求される場合にも対応できる。

本実施例１では、モールド技術によりシリコーンゴムを成形したが、パンチング技術によって前記第一、第二のシリコーンゴムを成形し、それぞれを固着して形成しても良い。また、前記重り部４や前記固定部６は必ずしもシリコーンゴムである必要はなく、プラスチックやセラミックや半導体などの別材料により形成し、相当する部位に固着しても構わない。

以上、説明したように、本実施例によれば、低コストであるモールド技術やパンチング技術により、軟質で脆くない安価なシリコーンゴムを加工し、重りを支える両持ち梁の材料に適用できるため、強い衝撃耐性を有する、高感度で小型の容量検出型加速度センサを低コストで提供できる。

図８、９は実施例２である“容量検出型加速度センサ”の構成を示す図であり、図８は容量検出型加速度センサの上面図であり、図９はその断面図である。図１０、１１は実施例２における可動電極部品１の構成を示す図である。製造された図１０、１１に示す可動電極部品２１と図６、７に示す実施例１の固定電極部品と同構成の固定電極部品３とを固着することにより、図８、９に示す実施例２の容量検出型加速度センサが形成される。

図１０、１１に示す可動電極部品２１は、導電性の第一のシリコーンゴムをモールド成形することにより重り部２４と両持ち梁部２５と固定部２６を一括形成できる。

本実施例２によれば、複雑な形状を有する可動電極部品を、安価なモールド技術により一括形成できるため、実施例１に較べて、より安価な容量検出型加速度センサを容易に提供することができる。

図１２、１３は実施例３である“容量検出型加速度センサ”の構成を示す図であり、図１２は容量検出型加速度センサの上面図であり、図１３はその断面図である。図１４、１５は実施例３において可動電極部品３１の構成を示す図である。製造された図１４、１５に示す可動電極部品３１と図６、７に示す実施例１の固定電極部品と同構成の固定電極部品３とを固着することにより、図１２、１３に示す実施例３の容量検出型加速度センサが形成される。

図１４、１５に示す可動電極部品３１は実施例１と同様に、モールド技術により導電性シリコーンゴムを成形することにより形成できる。重り部３４と前記重り部３４を支える両持ち梁部３５と前記両持ち梁３５を支持する固定部３６はモールド技術により一括形成されるが、モールド成形時に前記重り部３４に金属片などの重い部材４２を埋め込んでおくことにより、重りの重さを増加させることができる。

本実施例３によれば、両持ち梁部の材料に制約されることなく、重い重りを形成することができるため、センサを大型化することなく、センサ感度を向上させることができる。なお、本実施例３では、前記重り部の内部に金属片などの重い部材を埋め込むことにより、重りの重さを増加させる手法を用いたが、前記重り部に相当する部位に金属片などの重い部材を固着しても良い。

図１６、１７は実施例４である“容量検出型加速度センサ”の構成を示す図であり、図１６は容量検出型加速度センサの上面図であり、図１７はその断面図である。図１８、１９は実施例４において可動電極部品４１の構成を示す図であり、図２０、２１は実施例４において固定電極５２の部位を含んだ、固定電極部品５３の構成を示す図である。製造された図１８、１９に示す可動電極部品４１と図２０、２１に示す固定電極部品５３とを固着することにより、図１６、１７に示す実施例４の容量検出型加速度センサが形成される。

図１８、１９に示す可動電極部品４１は実施例１と同様に、モールド技術により導電性シリコーンゴムを成形することにより形成でき、位置決め用の突起５３を備えている。

図２０、２１に示す固定電極部品５３は、ガラス基板をＭＥＭＳ技術により加工して形成できる。まず、０．３ｍｍ厚のガラス基板５８にフォトリソグラフィー技術によりたとえば５ミクロンの段差を形成した後、Ａｌなどの金属配線材料を蒸着成膜し、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術により所望の部位にパターニングする。次にエッチング技術やサンドブラスト技術により位置決め用の凹み６４を形成することにより、実施例４における固定電極部品５３が形成できる。

本実施例４によれば、可動電極部品と固定電極部品とを固着する工程において、位置決め用突起と位置決め用凹みとが備えられているため、固着アライメント精度を向上させることができ、センサの感度バラツキを抑えることができる。

図２２、２３、２４は実施例５である“容量検出型加速度センサ”の構成を示す図であり、図２２は容量検出型加速度センサの上面図であり、図２３、２４はその断面図である。図２５、２６は実施例５における可動電極部品７１の構成を示す図であり、図２７、２８は実施例５における固定電極７２の部位を含んだ、固定電極部品７３の構成を示す図である。製造された図２５、２６に示す可動電極部品７１と図２７、２８に示す固定電極部品７３とを固着することにより、図２２、２３、２４に示す実施例５の容量検出型加速度センサが形成される。

図２５、２６に示す可動電極部品７１は実施例１と同様に、モールド技術により導電性シリコーンゴムを成形することにより形成でき、梁部７５の固定部７７は素子の中央部にあり、可動電極７７を備えた重り部７４が、固定部７６の周辺部に配置されている。

図２７、２８に示す固定電極部品７３は、実施例１と同様の手法で、ガラス基板をＭＥＭＳ技術により加工して形成できる。

本実施例５によれば、前記梁部７５の固定部７６は可動電極部品７１の中央部にあり、前記可動電極７７を備えた前記重り部７４が、前記固定部７６の周辺部に配置されているため、センサをパッケージに固着するときに、可動電極部品の中央部をセンサとパッケージとの固着面８５とすることができる。従来、センサをパッケージに固着するときに、パッケージとの固着部が複数個所あり、かつセンサとパッケージの線膨張率が異なるため、パッケージング過程でセンサの両持ち梁部に熱応力による歪みが発生し、パッケージング前後でセンサ特性が変動してしまう場合があったが、本実施例５によれば、弾性変形し易い軟質シリコーンゴムにより前記歪みを緩和させる効果に加えて、パッケージとの固着部が１個所であるため前記線膨張率の影響を抑制する効果が得られるため、前記センサ特性が変動する問題をより効果的に抑制することができる。

実施例１の構成を示す上面図 実施例１の構成を示すＡ−Ａ断面図 実施例１の構成を示すＢ−Ｂ断面図 実施例１の可動電極部品の構成を示す上面図 実施例１の可動電極部品の構成を示すＣ−Ｃ断面図 実施例１の固定電極部品の構成を示す上面図 実施例１の固定電極部品の構成を示すＤ−Ｄ断面図 実施例２の構成を示す上面図 実施例２の構成を示すＥ−Ｅ断面図 実施例２の可動電極部品の構成を示す上面図 実施例２の可動電極部品の構成を示すＦ−Ｆ断面図 実施例３の構成を示す上面図 実施例３の構成を示すＧ−Ｇ断面図 実施例３の可動電極部品の構成を示す上面図 実施例３の可動電極部品の構成を示すＨ−Ｈ断面図 実施例４の構成を示す上面図 実施例４の構成を示すＩ−Ｉ断面図 実施例４の可動電極部品の構成を示す上面図 実施例４の可動電極部品の構成を示すＪ−Ｊ断面図 実施例４の固定電極部品の構成を示す上面図 実施例４の固定電極部品の構成を示すＫ−Ｋ断面図 実施例５の構成を示す上面図 実施例５の構成を示すＬ−Ｌ断面図 実施例５の構成を示すＭ−Ｍ断面図 実施例５の可動電極部品の構成を示す上面図 実施例５の可動電極部品の構成を示すＮ−Ｎ断面図 実施例５の固定電極部品の構成を示す上面図 実施例５の固定電極部品の構成を示すＯ−Ｏ断面図 従来の半導体加速度センサの構成を示す断面図 従来の半導体加速度センサの動作を説明する断面図 従来の半導体加速度センサの動作を説明する断面図

符号の説明

１ 可動電極部品
２ 固定電極
３ 固定電極部品
４ 重り部
５ 両持ち梁部
６ 固定部
７ 可動電極

Claims (8)

1. 重り部と前記重り部を支える梁と前記梁を支持する固定部とからなる部品でありかつ前記重り部の表面に可動電極を有する可動電極部品と、前記可動電極に対して所定の間隔をもって対向配置された固定電極を有する固定電極部品とを備えた容量型加速度センサにおいて、
   前記梁がシリコーンゴムを母材として形成されていることを特徴とする容量検出型加速度センサ。
2. 請求項１に記載の容量検出型加速度センサにおいて、
   前記可動電極部品が導電性シリコーンゴムを母材として形成されており、前記重り部の表面が可動電極としての機能を兼ね備えていることを特徴とする容量検出型加速度センサ。
3. 請求項１または２に記載の容量検出型加速度センサにおいて、
   前記固定部と前記重り部を構成するシリコーンゴムより、前記梁を構成するシリコーンゴムは軟質であることを特徴とする容量検出型加速度センサ。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の容量検出型加速度センサにおいて、
   前記重り部に金属片などの重い部材が埋め込まれていることを特徴とする容量検出型加速度センサ。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の容量検出型加速度センサにおいて、
   前記可動電極部品はモールド技術、あるいはパンチング技術により形成されることを特徴とする容量検出型加速度センサ。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の容量検出型加速度センサにおいて、
   前記固定電極部品には穴あるいは凹みが形成されており、前記可動電極部品の固定部には突起が形成されており、前記固定電極部品の穴あるいは凹みと、前記固定部の突起を重ね合わせて前記固定電極部品と前記可動電極部品の位置決めをし固定することを特徴とする容量検出型加速度センサ。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の容量検出型加速度センサにおいて、
   前記可動電極あるいは前記固定電極は、一方のみを分割して形成されていることを特徴とする容量検出型加速度センサ。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の容量検出型加速度センサにおいて、
   前記梁を支持する固定部は前記可動電極部品の中央部にあり、かつ前記可動電極を有する前記重り部が、前記固定部の周辺部に配置されていることを特徴とする容量検出型加速度センサ。

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