JP2007263740A - 静電容量式センサ - Google Patents

Abstract

【課題】寄生容量を小さく抑えることができ、各電極の電位取出位置の設定自由度を増大することが可能であり、かつ、半導体層内に形成した電極の導通状態をより容易に検査することが可能な静電容量式センサを得る。
【解決手段】絶縁層２０に貫通孔２４を設けて半導体層２のグラウンド電極９の表面の一部を露出させ、当該電極９の表面、貫通孔２４の内周面２４ｂ、および絶縁層２０の表面２０ａにかけて電気的に接続される導体層２３を形成することにより、当該電極９の電位を絶縁層２０の表面２０ａの導体層２３から取り出すように構成し、グラウンド電極９に対して貫通孔２４（ＧおよびＨ）を複数設けるとともに、各貫通孔２４について導体層２３を形成し、それら導体層２３，２３を絶縁層２０の表面２０ａ上では分離形成した。
【選択図】図４

Description

本発明は、固定電極と可動電極との間の静電容量を検出することにより所定の物理量を検出する静電容量式センサに関する。

従来より、公知の半導体プロセスを用いて半導体基板を加工することで固定部に弾性要素を介して可動電極が支持された構造を形成し、作用した外力等に応じて可動電極が固定電極に対して接離可能となるようにして、これら電極間の静電容量の変化を検出することで加速度や角速度等の種々の物理量を検出できるようにした静電容量式センサが知られている（例えば特許文献１）。

特許文献１の静電容量式センサでは、固定電極と可動電極との間隙の変化に応じた静電容量を検出する検出部が合計４箇所設けられており、各検出部は、固定電極および可動電極の櫛歯状部分同士が相互に噛み合う状態で所定の間隙を持って対向するように構成されている。

そして、この種の静電容量式センサは、半導体層内に、固定電極や、可動電極、グラウンド電極等の複数の電極を有しているが、半導体層の表裏両側にはガラス基板等の絶縁層が接合されているため、例えば、当該絶縁層に貫通孔を設けて電極を露出させ、この電極表面とセンサ表面に形成した電極とをワイヤボンディングすることで、各電極の電位を取り出すようにしていた（例えば、特許文献２）。
特開２００５−８３９７２号公報 特開平１０ −９０２９９号公報

しかしながら、上記特許文献２の静電容量式センサは、ボンディングしたワイヤを介して各電極の電位を取り出すようにしていたため、ボンディング作業に手間がかかって製造コスト上昇の原因となっていた。

また、ワイヤの長さが長くなったり複数のワイヤで長さが異なったりすると電位検出精度が低下してしまうという問題があった。かかるワイヤの抵抗による悪影響は、複数のワイヤの長さを略等しくすることである程度回避できるが、そうすると、センサ表面の電極の配置が半導体層内の電極の配置に大きく影響されることになって、静電容量センサの表面における電位取出位置の設定自由度が低くなってしまうという問題があった。

一方、半導体層内で適宜に配線パターンを形成して、所望の位置に上記貫通孔を形成することも考えられるが、その場合には、半導体層内に形成された配線パターン間の寄生容量によって検出精度が低下する虞がある。特に、バルクマイクロマシニングによるセンサの場合には半導体層の厚みが大きくなり、その厚みの分、相互に隣接する電極同士の対向面積が増えて、寄生容量が大幅に増大してしまうという問題があった。

さらに、この種の静電容量式センサでは、半導体層の表裏面の少なくともいずれか一方に絶縁層を形成するため、この絶縁層を形成した後においては、半導体層内の電極の導通状態を調べるのは難しいという問題があった。

そこで、本発明は、寄生容量を小さく抑えることができ、各電極の電位取出位置の設定自由度を増大することが可能であり、かつ、半導体層内に形成した電極の導通状態をより容易に検査することが可能な静電容量式センサを得ることを目的とする。

請求項１の発明にあっては、半導体層に形成された固定電極と可動電極とを備えるとともに、当該固定電極の一部と可動電極の一部とを間隙をもって相互に対向配置させて当該間隙の大きさに応じた静電容量を検出する検出部が構成され、半導体層の表裏面のうち少なくともいずれか一方に絶縁層が接合されてなる静電容量式センサにおいて、上記絶縁層に貫通孔を設けて半導体層の電極の表面の一部を露出させ、当該電極の表面、貫通孔の内周面、および絶縁層の表面にかけて電気的に接続される導体層を形成することにより、当該電極の電位を絶縁層の表面の導体層から取り出すように構成し、上記半導体層の一つの上記電極に対して上記貫通孔を複数設けるとともに、各貫通孔について上記導体層を形成し、それら貫通孔に対応する導体層を絶縁層の表面上では分離形成したことを特徴とする。

請求項２の発明にあっては、一つの上記電極に対して設けられた複数の上記貫通孔を、平面視で絶縁層の中心に対して対称に配置したことを特徴とする。

請求項３の発明にあっては、上記半導体層の周縁部にグラウンド電極を設け、当該グラウンド電極に対して上記貫通孔を複数設け、各貫通孔に上記導体層を形成し、それら貫通孔に対応する導体層を絶縁層の表面上では分離形成したことを特徴とする。

本発明によれば、絶縁層に貫通孔を設け、貫通孔の奥に露出させた半導体層の電極の表面、貫通孔の内周面、および絶縁層の表面にかけて電気的に接続される一連の導体層を形成することにより、当該電極の電位を、絶縁層の表面に形成した導体層から取り出すことができる。このため、半導体層からセンサ表面上の所定位置までの電位取り出し用途としてはワイヤボンディングが不要となる分、製造工程を簡素化することができる上、ワイヤの導通抵抗による検出精度の低下も抑制することができる。

また、貫通孔の設定位置を半導体層の電極に導通可能な範囲で任意に設定することができる分、電位取出位置の設定自由度が増大する。

しかも、上記導体層は半導体層に比べて薄く形成することができるので、相互に隣接する導体層間の相互対向面積を比較的小さくできて、それらの間に生じる寄生容量を小さく抑えることができる。

さらに、一つの電極の電位を絶縁層表面上の相互に分離された複数箇所に取り出すことができるため、これら複数箇所間での導通状態あるいは電気抵抗を検査することで、半導体層内の電極の状態を容易に確認することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施形態にかかる静電容量式センサの半導体層の平面図、図２は、図１のＡ−Ａ線における静電容量式センサの断面図、図３は、図１の一部を拡大して示す図、図４は、絶縁層の平面図、図５は、絶縁層の表面上に樹脂層を形成した状態における静電容量式センサの一部断面図である。

本実施形態にかかる静電容量式センサ１は、図２に示すように、半導体基板を処理してなる半導体層２の表裏両側に、ガラス基板等の絶縁層２０，２１を陽極接合等によって接合して構成されている。これら半導体層２と絶縁層２０，２１との接合面には、比較的浅い凹部２２が形成されており、半導体層２各部の絶縁性や可動電極５の動作性の確保が図られている。

図２および図４に示すように、絶縁層２０の表面２０ａ上には導体層２３が成膜されており、半導体層２の各部の電位を取得するための配線パターンとして用いられる。本実施形態では、図２に示すように、絶縁層２０に、サンドブラスト加工等によって貫通孔２４を形成して半導体層２の表面（絶縁層２０側の表面）の一部を当該貫通孔２４の奥に露出させ、絶縁層２０の表面２０ａ上から貫通孔２４の内周面２４ｂ上および半導体層２の表面（図２では固定電極６の表面６ｄ）上にかけて電気的に接続された一連の導体層２３を成膜するようにして、当該導体層２３から半導体層２内の各部の電位を検出できるようにしている。なお、絶縁層２０の表面２０ａは、図５に示すように、絶縁性の樹脂層２５によって被覆（モールド成形）される。

そして、図１および図２に示すように、半導体基板に公知の半導体プロセスによって間隙１０を形成することにより、半導体層２には、フレーム部３や、ビーム部４、可動電極５、固定電極６、ストッパ部７、グラウンド電極９等が形成される。

半導体層２は、図１に示すように、全体として略正方形状に形成されており、フレーム部３およびグラウンド電極９が、その半導体層２の四つの周縁（四辺）に沿って略一定幅で枠状に延設されている。フレーム部３は、グラウンド電極９の内周側に、略枠状の間隙１０をもって隔離された状態で配置されている。

フレーム部３の内側には、フレーム部３の四隅から、フレーム部３の各辺と平行に、かつ中途で直角に折れ曲がりながらそれぞれ中心に向けて渦巻き状に伸びる四つのビーム部４が設けられている。ビーム部４は、それぞれフレーム部３の二辺分に亘って相互干渉することなく延設されるとともに、内側端部では可動電極５の隅部に接続されており、フレーム部３に対して可動電極５を弾性的に可動支持するバネ要素（渦巻きバネ）として機能する。

すなわち、本実施形態では、可動電極５に、バネ要素としてのビーム部４によって可動支持される質量要素（マス）としての機能を与え、これらバネ要素と質量要素とによってバネ−マス系を構成し、質量要素としての可動電極５の変位から、その加速度や角加速度を得ることができるようになっている。

そして、この可動電極５の変位を検出するために、本実施形態では、可動電極５の一部と固定電極６の一部とを間隙をもって相互に対向配置させて検出部８を構成し、この検出部８における可動電極５と固定電極６との静電容量を検出することで、当該間隙の変化、すなわち固定電極６に対する可動電極５の変位を検出するようにしている。

具体的には、図３に示すように、可動電極５は、その中央部５ａからフレーム部３の一辺の中央部に向けてその辺と略垂直な方向に帯状に細長く伸びる櫛歯部５ｃを備えている。本実施形態では、複数の櫛歯部５ｃが、相互に平行に一定のピッチで設けられている。なお、各櫛歯部５ｃの先端部の位置は揃えられているが、櫛歯部５ｃの長さは束の内側ほど長く、束の外側ほど短くなるようにしてある。

一方、固定電極６は、可動電極５の隅部５ｂに隣接して設けられる隅部６ａと、この隅部６ａからフレーム部３の一辺に沿って帯状に細長く伸びる縁部６ｂとを備えており、この縁部６ｂに、可動電極５の中央部５ａ側に向けて伸びる櫛歯部６ｃが接続されている。本実施形態では、複数の櫛歯部６ｃが、相互に平行に一定のピッチ（可動電極５の櫛歯部５ｃと同一のピッチ）で設けられており、可動電極５の複数の櫛歯部５ｃと間隙１０をもって噛み合うようにしてある。また、櫛歯部６ｃの長さも、可動電極５の櫛歯部５ｃに対応させて、束の内側ほど長く、束の外側ほど短くなっており、櫛歯部５ｃ，６ｃ同士が相互に対向する面積をできるだけ広く確保できるようにしてある。

この検出部８では、櫛歯部５ｃ，６ｃ間の間隙１０は、櫛歯部５ｃに対して一方側で狭く（間隙１０ａ）、他方側で広く（間隙１０ｃ）設定してあり、狭い側の間隙１０ａを検知ギャップとして、この間隙１０ａを介して相互に対向する櫛歯部５ｃ，６ｃ間の静電容量、すなわち固定電極６と可動電極５との間の静電容量を検出するようになっている。

図１に示すように、検出部８は、フレーム部３の各辺の中央部に対応して設けられており、Ｘ方向検出用の検出部８（図２では上下の検出部８）とＹ方向検出用の検出部８（図２では左右の検出部８）とがそれぞれ二箇所ずつ設けられている。

また、図１〜図３に示すように、固定電極６の隅部６ａ上の絶縁層２０に貫通孔２４（図１のＡ〜Ｄ）を形成し、絶縁層２０の表面２０ａ上から貫通孔２４の内周面２４ｂ上および隅部６ａの表面６ｄ上にかけて電気的に接続された一連の導体層２３を介して固定電極６の電位を取り出すようになっている。一方、絶縁層２０には、フレーム部３の四隅のうち一対角線上に配置される二箇所に対応させて図２と同様の貫通孔２４（図１のＥおよびＦ）および導体層２３を形成し、可動電極５の電位を、四つのビーム部４、フレーム部３、および当該貫通孔２４（図１のＥおよびＦ）に形成した導体層２３を介して取り出すようになっている。なお、フレーム部３は、可動電極５と一体的に繋がる電極と見なすことができる。

また、絶縁層２０には、グラウンド電極９の四隅のうち、上記フレーム部３用の貫通孔２４（図１のＥおよびＦ）が配置された対角線と略直交する対角線上に配置される二箇所に対応させて、貫通孔２４（図１のＧおよびＨ）を設け、これら貫通孔２４についても、図２と同様の導体層２３を形成してある。

なお、半導体層２には、可動電極５および固定電極６のいずれにも接続されないストッパ部７を設け、可動電極５と固定電極６とが衝突して損傷するのを抑制している。本実施形態では、ストッパ部７の可動電極５と対向する面に、適宜に突起７ａを設けてある。

次に、図２および図４を参照しながら、絶縁層２０の表面２０ａ上に形成される導体層２３の配線パターンについて説明する。

図４に示すように、絶縁層２０には、可動電極５、固定電極６、およびグラウンド電極９のそれぞれに対応する貫通孔２４が形成されており、これら貫通孔２４の全てについて、図２に示すものと同様の導体層２３が形成されている。

貫通孔２４の開口縁２４ａの周囲には、それぞれ環状部２３ａが形成されており、各環状部２３ａは、表面２０ａ上で相互に分離された状態にパターニングされる帯状部２３ｂ，２３ｃを介してパッド部２３ｄに接続されている。

本実施形態では、パッド部２３ｄは、可動電極５と四つの固定電極６に対応させて合計五つ設けられており、図４中の右側端辺の略中央部に、当該右側端辺に沿ってほぼ等ピッチで配列されている。これらパッド部２３ｄの各々にワイヤ（図示せず）がボンディングされる。すなわち、本実施形態では、パッド部２３ｄが電位取出位置となる。

ここで、可動電極５に対しては貫通孔２４が複数（本実施形態では図４中のＥとＦの二箇所）設けられており、各貫通孔２４に対応する導体層２３の環状部２３ａ同士が帯状部２３ｂ，２３ｂによって相互に接続され、帯状部２３ｃに合流して一つのパッド部２３ｄに接続されている。すなわち、可動電極５については、複数の経路で電位を取り出すことができるようになっている。かかる構成により、可動電極５の電位検出について信頼性を向上することができる上、導体層２３が並列に設けられた分だけ導通抵抗が減って、電位検出の精度が向上するという利点がある。

また、グラウンド電極９に対しては、貫通孔２４を複数（図４中のＧおよびＨの二箇所）設けるとともに、それら複数の貫通孔２４の各々について導体層２３を形成し、しかもそれら導体層２３を絶縁層２０の表面２０ａ上では相互に分離している。このとき、これら導体層２３，２３（図４中のＧおよびＨの二箇所）は、半導体層２内に形成されたグラウンド電極９（図１参照）を介して電気的に接続されているため、当該導体層２３，２３間の導通あるいは電気抵抗を計測することで、半導体層２内のグラウンド電極９の状態を容易に確認することができる。すなわち、導通が有る、もしくは電気抵抗が所定値より小さい場合には、グラウンド電極９が良好な状態であると判定することができ、逆に、導通が無い、もしくは電気抵抗が所定値より大きい場合には、グラウンド電極９かあるいは貫通孔２４内の導体層のいずれかに何らかの不良が生じていると判定することができる。

また、グラウンド電極９は、半導体層２の周縁部に枠状に形成されているため、外部とグラウンド接続（アース接続）するための導体層２３を形成した貫通孔２４を一箇所のみとした場合には、静電容量式センサ１の取付姿勢に応じて当該貫通孔２４の位置が大きく変化することになって、レイアウト次第では、グラウンド接続しにくくなる場合が生じかねない。この点、本実施形態のように、グラウンド電極９との導通を図るための貫通孔２４を複数箇所形成しておけば、かかる問題が生じるのを抑制することができる。なお、グラウンド電極９に関しては、直接ボンディングすることは必須ではなく、例えば、樹脂層２５内に形成したインナパッド（図示せず）等を介してグラウンド接続するようにしてもよい。

また、図５に示すように、絶縁層２０の表面を樹脂層２５で被覆する場合、貫通孔２４は樹脂で充填されることになるが、このとき、一般的には樹脂層２５と絶縁層２０との熱膨張率が異なる場合が多いため、絶縁層２０側に残留応力が生じる虞がある。

よって、絶縁層２０側ひいては半導体層２側における熱膨張率の差による歪をなるべく抑制するためには、本実施形態のように、貫通孔２４を平面視で絶縁層２０の中心Ｏに対して対称に設けるのが好適である。

ところで、環状部２３ａ、帯状部２３ｂ，２３ｃ、およびパッド部２３ｄの配線パターンは、絶縁層２０の表面２０ａ上に形成した導体層２３の不要部分を除去することで比較的容易に得ることができる。すなわち、まず、絶縁層２０の表面２０ａ上のより広い領域（例えばほぼ全面）に略一定の厚さで導体層２３を形成し、この導体層２３上に配線パターンに対応するマスクパターンを形成し、露出した領域を除去すればよい。

このとき、不要部分を除去する手法としては、砂等の微粒子を圧搾空気等を用いて吹き付けることで吹き付け対象物を削り取るサンドブラスト加工や、アルゴンイオンビーム等のイオンビームを照射して照射対象物を削り取るイオンミリング加工等、種々の手法を採用することができる。

以上の本実施形態によれば、静電容量式センサ１において、絶縁層２０に貫通孔２４を設け、貫通孔２４の奥に露出する半導体層２の電極の表面（例えば固定電極６の表面６ｄ）、貫通孔２４の内周面２４ｂ、および絶縁層２０の表面２０ａにかけて電気的に接続される一連の導体層２３を形成することにより、当該電極の電位を、絶縁層２０の表面２０ａに形成した導体層２３（本実施形態の場合パッド部２３ｄ）から取り出すことができる。このため、半導体層２からセンサ表面上の所定位置までの電位取り出し用途としてはワイヤボンディングが不要となる分、製造工程を簡素化することができる上、ワイヤの導通抵抗による検出精度の低下も抑制することができる。

また、貫通孔２４の設定位置を半導体層２の電極に導通可能な範囲で任意に設定することができる分、電位取出位置の設定自由度が増大する。

しかも、上記導体層２３は半導体層２に比べて薄く形成することができるので、相互に隣接する導体層２３，２３間の相互対向面積を比較的小さくできて、それらの間に生じる寄生容量を小さく抑えることができる。

さらに、グラウンド電極９の電位を絶縁層２０の表面２０ａ上で導体層２３の相互に分離された複数箇所（環状部２３ａ）に取り出すことができるため、これら複数箇所間での導通状態あるいは電気抵抗を検査することで、半導体層２内のグラウンド電極９の状態を容易に確認することができる。

また、本実施形態にかかるグラウンド電極９のように、半導体層２の周縁で枠状に設けられていて、静電容量式センサ１の取付姿勢によって貫通孔２４の位置が大きく変化する場合には、外部との接続位置の自由度を高めることができる点でも有利となる。

このとき、本実施形態のように、貫通孔２４を平面視で絶縁層２０の中心Ｏに対して対称に設ければ、貫通孔２４内に樹脂層２５の樹脂が充填される場合に、絶縁層２０側ひいては半導体層２側における絶縁層２０と樹脂層２５との熱膨張率の差による歪を抑制することができる。

また、本実施形態では、可動電極５を、固定電極６の周囲を取り囲むように設けたが、固定電極６の電位を絶縁層２０を貫通する導体層２３から縦方向に取り出す構成としたことで、かかる構成を極めて容易に実現することができる。すなわち、半導体層２内に固定電極６からの電位を横方向に取り出す経路を設けようとすると、固定電極６の周囲を可動電極５で完全に覆うことができなくなるからである。そして、可動電極５を固定電極６の周囲で環状に繋げることができる分、当該可動電極５の剛性および強度を向上させやすくなるとともに、可動電極５を弾性的に支持あるいは懸架するビーム部４の設定自由度が増大するという利点もあり、結果、半導体層２、ひいては静電容量式センサ１の形状の自由度が増大して、よりコンパクトでありかつ剛性および強度の高い静電容量式センサ１を構築しやすくなる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、グラウンド電極に対応して二つの貫通孔および導体層を形成した例を示したが、他の電極に対応して複数の貫通孔および導体層を形成しても良いし、一つの電極に対応して貫通孔および導体層を三つ以上形成してもよい。

本発明の実施形態にかかる静電容量式センサの半導体層の平面図。 図１のＡ−Ａ線における静電容量式センサの断面図。 図１の一部を拡大して示す図。 本発明の実施形態にかかる静電容量式センサの絶縁層の平面図。 本発明の実施形態にかかる静電容量式センサの絶縁層の表面上に樹脂層を形成した状態を示す一部断面図。

符号の説明

１ 静電容量式センサ
２ 半導体層
５ 可動電極
６ 固定電極
８ 検出部
９ グラウンド電極
１０ａ 間隙
２０ 絶縁層
２０ａ 表面
２３ 導体層
２４ 貫通孔
２４ｂ 内周面

Claims (3)

1. 半導体層に形成された固定電極と可動電極とを備えるとともに、当該固定電極の一部と可動電極の一部とを間隙をもって相互に対向配置させて当該間隙の大きさに応じた静電容量を検出する検出部が構成され、半導体層の表裏面のうち少なくともいずれか一方に絶縁層が接合されてなる静電容量式センサにおいて、
   前記絶縁層に貫通孔を設けて半導体層の電極の表面の一部を露出させ、当該電極の表面、貫通孔の内周面、および絶縁層の表面にかけて電気的に接続される導体層を形成することにより、当該電極の電位を絶縁層の表面の導体層から取り出すように構成し、
   前記半導体層の一つの前記電極に対して前記貫通孔を複数設けるとともに、各貫通孔について前記導体層を形成し、それら貫通孔に対応する導体層を絶縁層の表面上では分離形成したことを特徴とする静電容量式センサ。
2. 一つの前記電極に対して設けられた複数の前記貫通孔を、平面視で絶縁層の中心に対して対称に配置したことを特徴とする請求項１に記載の静電容量式センサ。
3. 前記半導体層の周縁部にグラウンド電極を設け、当該グラウンド電極に対して前記貫通孔を複数設け、各貫通孔に前記導体層を形成し、それら貫通孔に対応する導体層を絶縁層の表面上では分離形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量式センサ。

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