JP2007057247A - 静電容量型センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 高感度な静電容量型センサを提供する。
【解決手段】 板状の固定電極５と板状の可動電極４とを対向して配置した静電容量型センサであって、固定電極５は、外部との電気的な接続に用いる固定電極用パッド部８を有し、可動電極４は、外部との電気的な接続に用いる可動電極用パッド部７を有し、固定電極用パッド部８と可動電極用パッド部７との間を結ぶ直線上に、電気的に中立な中立部６を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、板状の固定電極と板状の可動電極とを対向して配置した静電容量型センサに関する。

音響や圧力などを検出するセンサとして、図７（ａ）の斜視図及び図７（ｂ）の断面図に示すように、板状の固定電極２５と板状の可動電極２４とを対向して配置した静電容量型センサがある。図７に示す静電容量型センサを作製するとき、支持部材２１上に可動電極２４となる導電性の基板２２と、絶縁部２３と、固定電極２５となる導電材料とを堆積させ、支持部材２１を厚さ方向に部分的にエッチングして、可動電極２４を作製し、可動電極２４と固定電極２５との間に空間を形成するように絶縁部２３及び固定電極２５となる導電材料の一部を除去している。また、外部からの音響や圧力変化が可動電極２４に伝わり易くなるよう、固定電極２５には複数の孔２５ａが設けられている。更に、基板２２の上には可動電極２４と外部との電気的な接続に用いる可動電極用パッド部２７が設けられ、固定電極２５には自身と外部との電気的な接続に用いる固定電極用パッド部２８が設けられる。
また、ＭＥＭＳなどの微細加工技術を用いることで、図７に示した静電容量型センサを非常に小型に作製できる。

この静電容量型センサを動作させるとき、図８に示すように、可動電極用パッド部２７と固定電極用パッド部２８とを可動電極用ワイヤ３０と固定電極用ワイヤ３１とによって直流電源３３に接続し、可動電極２４と固定電極２５との間にバイアス電圧を印加する。そして、可動電極２４と固定電極２５との間の電極間電圧は増幅部３４で増幅され、出力端３５から出力される。

可動電極２４が音響や圧力などの影響を受けず、可動電極２４と固定電極２５との間隔に変化が無ければ、可動電極２４と固定電極２５との間の電極間電圧にも変化は無い。ところが、可動電極２４の周囲に生じた音響や圧力変化によって可動電極２４が振動し、可動電極２４と固定電極２５との間隔に変化が生じると、可動電極２４と固定電極２５との間の静電容量が変化して、電極間電圧にも変化が生じる。従って、静電容量型センサでは、可動電極２４と固定電極２５との間の静電容量の変化に伴う電極間電圧の変化を測定することで、発生した音響や圧力を検出できる（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００２−２７５９５号公報

静電容量型センサを小型化しながら検出感度を確保するためには、可動電極２４の面積及び固定電極２５の面積をできるだけ大きく確保しながら、他の部位を小さくすることが要求される。その場合、可動電極用パッド部２７及び固定電極用パッド部２８を設けるスペースも限られてくるため、図７に示すように、可動電極用パッド部２７及び固定電極用パッド部２８は互いに近接し、且つ、同一方向に面して設けられることになる。その結果、図８に示すように、可動電極用パッド部２７及びそこに接続される可動電極用ワイヤ３０と、固定電極用パッド部２８及びそこに接続される固定電極用ワイヤ３１とが近接し、それらの間には浮遊容量が発生してしまう。特に、微細加工技術を用いた静電容量型センサの小型化が進められている現状では、可動電極２４と固定電極２５との間隔を十分に離すことはできず、その結果、浮遊容量の発生を十分に抑えることもできない。

更に、可動電極２４と固定電極２５との間に印加されるバイアス電圧に交流成分が混在しているときには、上記浮遊容量は、交流成分にとってのバイパスコンデンサとして作用し、ノイズレベルが悪化してしまう。従って、発生した音響や圧力を高感度で検出できなくなる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高感度な静電容量型センサを提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る静電容量型センサの特徴構成は、板状の固定電極と板状の可動電極とを対向して配置した静電容量型センサであって、
前記固定電極は、外部との電気的な接続に用いる固定電極用パッド部を有し、
前記可動電極は、外部との電気的な接続に用いる可動電極用パッド部を有し、
前記固定電極用パッド部と前記可動電極用パッド部との間を結ぶ直線上に、電気的に中立な中立部を備える点にある。

上記特徴構成によれば、電気的に中立な中立部が、上記固定電極用パッド部と上記可動電極用パッド部との間を結ぶ直線上に設けられるので、固定電極用パッド部と中立部との間には浮遊容量は生じず、且つ、可動電極用パッド部と中立部との間には浮遊容量は生じない。つまり、固定電極用パッド部と可動電極用パッド部との間には浮遊容量は生じないので、可動電極と固定電極との間に印加されるバイアス電圧に交流成分が混在していたとしても、その交流成分にとってのバイパスコンデンサとして作用し得る容量成分は存在しない。従って、可動電極と固定電極との間に印加されるバイアス電圧に交流成分が混在していたとしても、ノイズレベルが悪化してしまうことはなく、発生した音響や圧力を高感度で検出できるようになる。

本発明に係る静電容量型センサの別の特徴構成は、前記中立部が、前記固定電極と前記可動電極との対向面に平行な方向において、前記固定電極用パッド部と前記可動電極用パッド部との間に位置する点にある。

上記特徴構成によれば、固定電極用パッド部と可動電極用パッド部とが対向面に平行な方向において近接して配置されていたとしても、その間に設けられた中立部によって、固定電極用パッド部と可動電極用パッド部との間、及び、固定電極用パッド部に接続される配線と可動電極用パッド部に接続される配線との間に浮遊容量が発生しないようにできる。

本発明に係る静電容量型センサの更に別の特徴構成は、前記中立部は、前記対向面に平行な方向において、前記可動電極及び前記固定電極の外側を部分的に取り囲むように構成されている点にある。

上記特徴構成によれば、対向面に平行な方向において、可動電極及び固定電極の外側が、電気的に中立な中立部によって部分的に取り囲まれているので、可動電極及び固定電極を周囲から電気的に隔離された状態に位置させることができる。そして、可動電極として作用する部分の電極面積と固定電極として作用する部分の電極面積とを、中立部で確定させることができる。

以下に本発明の静電容量型センサについて図面を参照して説明する。図１は、本発明の静電容量型センサの斜視図である。また、図２は、図１の線分Ａ−Ａ’での断面図であり、図３は、図１の線分Ｂ−Ｂ’での断面図である。
図１〜図３に示すように、本発明の静電容量型センサは、支持部材１上に、可動電極４となる基板２と、絶縁部３と、固定電極５となる導電材料とを堆積させ、支持部材１を厚さ方向に部分的にエッチングすることで基板２の一部を露出させて円形の可動電極４を作製し、円盤状の可動電極４と円盤状の固定電極５との間に空間を形成するように絶縁層の一部を除去している。つまり、基板２のうち、支持部材１と当接していない部分が可動電極４として作用する。また、支持部材１及び基板２は矩形に形成される。
支持部材１には、シリコンウェハ等が用いられ、可動電極４となる基板２には、（ポリ）シリコンやＡｌ、Ｔｉなどの金属等の材料が用いられ、絶縁部３には、ＳｉＯ_２や窒化シリコン等の材料が用いられ、固定電極５となる導電材料には、（ポリ）シリコンやＡｌ、Ｔｉなどの金属等の材料が用いられる。

板状の可動電極４と板状の固定電極５とは、互いに絶縁された状態を保ったまま対向して配置される。よって、可動電極４と固定電極５とでコンデンサが形成される。このとき、各電極は、可動電極４と固定電極５との対向する部分の面積が略等しくなるように構成される。但し、可動電極４と固定電極５との対向する部分の面積（つまり、電極面積）は、互いに異なっていてもよい。

固定電極５は、可動電極４に対向した電極部５ａと、電極部５ａから対向面に平行な方向に突出した形状の固定電極用接続部５ｂとを有する。固定電極用接続部５ｂの表面には、外部との電気的な接続に用いる固定電極用パッド部８が形成される。また、固定電極５には外部から伝わる音響や圧力が可動電極４へ伝わるようにする孔５ｃが設けられている。この固定電極用パッド部８には、ＡｕやＡｌ等の材料が用いられる。そして、上記固定電極用接続部５ｂは絶縁部３を介して基板２に固定されており、上記電極部５ａは空間を挟んで可動電極４と対向している。このようにして、固定電極５の一部である固定電極用接続部５ｂと、可動電極４と等電位である基板２との間は、絶縁部３によって電気的に絶縁される。以上のように構成することで、可動電極４が音響や圧力などにより振動しなければ、固定電極５と可動電極４との間の静電容量にも変化は生じない。

可動電極４と同一部材で形成され、可動電極４と等電位である基板２には、可動電極４と外部との電気的な接続に用いる可動電極用パッド部７が形成される。この可動電極用パッド部７は、固定電極用パッド部８の近傍の基板２上であって、可動電極用パッド部７からは、可動電極４と固定電極５との対向面の平行方向に移動した位置に設けられる。この可動電極用パッド部７には、ＡｕやＡｌ等の材料が用いられる。このように、静電容量型センサを小型化していくと、必然的に、可動電極用パッド部７及び固定電極用パッド部８を設けるスペースが限られ、可動電極用パッド部７及び固定電極用パッド部８は互いに近接し、且つ、同一方向に面して設けられることになる。

更に、本実施形態の静電容量型センサには、固定電極用パッド部８と可動電極用パッド部７との間を結ぶ直線上に、電気的に中立な中立部としての中立パターン６が設けられている。中立パターン６は、固定電極５の固定電極用接続部５ｂと基板２との間に設けられる絶縁部３と同じプロセスにおいて作製された絶縁部３の上に形成されるので、基板２とは電気的に絶縁されている。そして、固定電極用パッド部８と可動電極用パッド部７との間に存在する絶縁部３及び中立パターン６は、固定電極用パッド部８と可動電極用パッド部７との間の電磁的な作用を遮蔽する遮蔽部１３として機能する。また、中立パターン６は、固定電極５と可動電極４との対向面に平行な方向において、固定電極用パッド部８と可動電極用パッド部７との間に位置する。

以上のように、電気的に中立な中立パターン６が、固定電極用パッド部８と可動電極用パッド部７との間を結ぶ直線上に設けられるので、固定電極用パッド部８と中立パターン６との間には浮遊容量は生じず、且つ、可動電極用パッド部７と中立パターン６との間には浮遊容量は生じない。つまり、固定電極用パッド部８と可動電極用パッド部７との間には浮遊容量は生じないので、可動電極４と固定電極５との間に印加されるバイアス電圧に交流成分が混在していたとしても、その交流成分にとってのバイパスコンデンサとして作用し得る容量成分は存在しない。従って、可動電極４と固定電極５との間に印加されるバイアス電圧に交流成分が混在していたとしても、ノイズレベルが悪化してしまうことはなく、発生した音響や圧力を高感度で検出できるようになる。

更に、中立パターン６は、対向面に平行な方向において、可動電極４及び固定電極５の外側を部分的に取り囲むように構成されている。そして、中立パターン６の一端には中立パターン用接続部６ａが設けられ、中立パターン用接続部６ａの表面には外部との電気的な接続に用いる中立パターン用パッド部９が形成される。この中立パターン用パッド部９を、中立パターン用ワイヤ１２を用いて任意の電位とすることにより、中立パターン６は電気的に中立した状態になる。

以上のように、対向面に平行な方向において、可動電極４及び固定電極５の外側が、電気的に中立な中立パターン６及び絶縁部３によって部分的に取り囲まれているので、可動電極４及び固定電極５を周囲から電気的に隔離された状態に位置させることができる。そして、可動電極４として作用する部分の電極面積と固定電極５として作用する部分の電極面積とを、中立パターン６で確定させることができる。

図４は、図１〜図３に示した静電容量型センサの等価回路図である。可動電極４には直流電源１６によってバイアス電圧が印加され、固定電極５には増幅部１４が接続されて、増幅処理後の信号が出力端１５から出力される。また、中立パターン用パッド部９は接地される。よって、本実施形態の静電容量型センサでは、固定電極用パッド部８と可動電極用パッド部７との間、及び、夫々に接続される固定電極用ワイヤ１１と可動電極用ワイヤ１０との間には、電気的に中立な中立パターン６が存在することになる。従って、固定電極用パッド部８と可動電極用パッド部７との間、及び、夫々に接続される固定電極用ワイヤ１１と可動電極用ワイヤ１０との間に発生し得る浮遊容量を低減できる。つまり、可動電極４と固定電極５との間に印加されるバイアス電圧に交流成分が混在していたとしても、上記浮遊容量が、交流成分にとってのバイパスコンデンサとして作用することを防止できる。その結果、上記交流成分の存在によってノイズレベルが悪化してしまうこともなく、発生した音響や圧力を高感度で検出できるようになる。図４では、中立パターン用ワイヤ１２を増幅部１４の出力端１５と同電位にしているが、中立パターン用ワイヤ１２を接地するなどしてもよい。

＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態では、遮蔽部１３を構成する絶縁部３及び中立パターン６と、固定電極用パッド部８が設けられる固定電極用接続部５ｂ及び絶縁部３とは互いに分離されているが、これらを結合して形成してもよい。例えば、図５に示す別の静電容量型センサの部分断面図では、絶縁部３は、固定電極５の固定電極用接続部５ｂの下方から、中立パターン６の下方に渡って一続きに形成されている。更に、絶縁部３の上方に形成され、固定電極用パッド部８と可動電極用パッド部７との間を結ぶ直線上に位置する中立パターン６は、固定電極５と可動電極４との対向面に水平な方向に沿って延伸した延伸部６ｂを有する。そして、中立パターン６の延伸部６ｂは、固定電極５の固定電極用接続部５ｂの下方に形成された絶縁部３を対向面に垂直な方向に分割させている。つまり、中立パターン６の延伸部６ｂは、固定電極用接続部５ｂと基板２との間に位置する絶縁部３を、基板２と延伸部６ｂとの間に位置する絶縁部３ａと、延伸部６ｂと固定電極用接続部５ｂとの間に位置する絶縁部３ｂとに分割している。

以上のように構成されることで、固定電極用パッド部８と可動電極用パッド部７とは、中立パターン６によって、対向面に平行な方向に沿って隔てられ、且つ、対向面に垂直な方向に沿って隔てられる。図６は、別実施形態の静電容量型センサの等価回路図である。また、増幅部１４はボルテージフォロア回路としている。よって、図４に示したのと同様に、固定電極用パッド部８と可動電極用パッド部７との間、及び、夫々に接続される固定電極用ワイヤ１１と可動電極用ワイヤ１０との間には、電気的に中立な中立パターン６が存在することになり、固定電極用パッド部８と可動電極用パッド部７との間、及び、夫々に接続される固定電極用ワイヤ１１と可動電極用ワイヤ１０との間に発生し得る浮遊容量を低減できる。

この増幅部１４の入力は高インピーダンスであるので、例えば、固定電極用パッド部８と可動電極用パッド部７との間の絶縁部３において発生し得るリーク電流によって、増幅部１４の入力安定性が阻害されることがある。また、固定電極用パッド部８と基板２との間の絶縁部３に由来する寄生容量が発生することがある。
ところが、本別実施形態では、中立パターン用ワイヤ１２を増幅部１４のボルテージフォロア回路の出力に接続しているため、中立パターン６の延伸部６ｂをドリブンシールド（ガード電極）として作用させることができる。その結果、上述のようなリーク電流及び寄生容量による影響を排除して、増幅部１４の入力安定性を高めることができる。

＜２＞
上記実施形態では、支持部材上に、可動電極となる基板を設け、その上方に絶縁部を挟んで固定電極を形成した構成の静電容量型センサについて説明したが、他の構成の静電容量型センサであってもよい。例えば、支持部材上に固定電極を設け、その上方に絶縁部を挟んで可動電極を形成した構成の静電容量型センサでもよい。
また、支持部材、基板（可動電極）、絶縁部、固定電極などの積層構造を変更してもよい。例えば、支持部材と基板との間に他の絶縁層を設けてもよい。

本発明の静電容量型センサは、可動電極の振動状態によって空気の振動を検出して、音響や圧力などを検出可能なセンサに適用可能である。

静電容量型センサの斜視図 図１の線分Ａ−Ａ’での断面図 図１の線分Ｂ−Ｂ’での断面図 静電容量型センサの等価回路図 別の静電容量型センサの部分断面図 別の静電容量型センサの等価回路図 従来の静電容量型センサの斜視図 従来の静電容量型センサの等価回路図

符号の説明

４ 可動電極
５ 固定電極
６ 中立パターン（中立部）
７ 可動電極用パッド部
８ 固定電極用パッド部

Claims (3)

1. 板状の固定電極と板状の可動電極とを対向して配置した静電容量型センサであって、
   前記固定電極は、外部との電気的な接続に用いる固定電極用パッド部を有し、
   前記可動電極は、外部との電気的な接続に用いる可動電極用パッド部を有し、
   前記固定電極用パッド部と前記可動電極用パッド部との間を結ぶ直線上に、電気的に中立な中立部を備える静電容量型センサ。
2. 前記中立部が、前記固定電極と前記可動電極との対向面に平行な方向において、前記固定電極用パッド部と前記可動電極用パッド部との間に位置する請求項１記載の静電容量型センサ。
3. 前記中立部は、前記対向面に平行な方向において、前記可動電極及び前記固定電極の外側を部分的に取り囲むように構成されている請求項１又は２記載の静電容量型センサ。
   

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