JP2007263744A - 静電容量式センサ - Google Patents

Abstract

【課題】固定電極、可動電極の加工不均一性を招来することなく高い強度を有しながら、他軸方向の検出感度を抑制する。
【解決手段】対向配置された検出固定電極６ａ１、又は検出可動電極５ａ２のいずれか一方を鉤型形状とし、鉤型形状とされた検出固定電極６ａ１は、可動電極５の動作によって面積変化することがないよう検出固定電極６ａ１と検出可動電極５ａ１との対向面積を規定する近接対向面６ｓ１を有し、又は鉤型形状とされた検出可動電極５ａ２は、可動電極５の動作によって面積変化することがないよう検出固定電極６ａ２と検出可動電極５ａ２との対向面積を規定する近接対向面５ｓ２を有することで実現する。
【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では、静電容量式センサとして、加速度などの物理量によって変位する１個のマス部により、互いに垂直な２軸方向の物理量を検出することができるように構成された容量式物理量検出装置が開示されている。

具体的には、マス部に突出して設けられた第１、第２の可動電極に、第１、第２の固定電極をそれぞれ対向して配置し、検出軸方向に加速度が生じたとき、第１の可動電極と第１の固定電極からなる第１の容量と、第２の可動電極と第２の固定電極からなる第２の容量の差に基づいて加速度を検出するようにしている。

さらに、特許文献１では、固定電極の形状を先端部では可動電極と近接した位置で対向させ、その先端部から根本部に向かう部分で可動電極から離れた位置で対向するように、折り曲げた形状としている。

また、可動電極の形状を先端部では固定電極と近接した位置で対向させ、その先端部から根本部に向かう部分で固定電極から離れた位置で対向するように、折り曲げた形状とすることも提案されている。

これにより、検出方向とは垂直な他軸方向にマスが動いた場合での可動電極と固定電極の対向面積の変化が抑えられるため、容量差を発生させることなく他軸方向の検出感度を低減させることができる。
特開２０００−２８６３４号公報

しかしながら、特許文献１で開示されている容量式物理量検出装置は、固定電極、又は可動電極の形状を上述したような折り曲げた形状としているため、半導体プロセスにより固定電極、可動電極を形成する際、広狭さまざまな間隙を形成する必要がある。

このように広狭さまざまな間隙を、例えば垂直エッチングすることで、固定電極、可動電極を形成しようとした場合、エッチング時間の設定が非常に難しく、オーバーエッチングなどによる加工不均一性を招来してしまう虞がある。また、このように、折り曲げた形状として形成された固定電極、又は可動電極は、一様に細い形状となってしまうため、強度が弱く、信頼性の非常に低いデバイスとなってしまうといった問題もある。

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、固定電極、可動電極の加工不均一性を招来することなく高い強度を有しながら、他軸方向の検出感度を抑制することで、目的する検出方向の物理量を確実に検出することができる静電容量式センサを提供することを目的とする。

本発明の静電容量式センサは、物理量の変位に応じて動作する可動電極と、固定電極とを相互に間隙を介して対向配置し、前記固定電極と前記可動電極との間隙の大きさに応じて検出される静電容量に基づき前記物理量を検出する静電容量式センサにおいて、対向配置された前記固定電極、又は前記可動電極のいずれか一方を鉤型形状とし、鉤型形状とされた前記固定電極、又は前記可動電極は、可動電極の動作によって面積変化することがないよう前記固定電極と前記可動電極との対向面積を規定する近接対向面を有することで、上述の課題を解決する。

本発明によれば、固定電極、可動電極の加工不均一性を招来することなく高い強度を有しながら、他軸方向の検出感度を抑制することで、目的する検出方向の物理量を確実に検出することを可能とする。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

［静電容量式センサの構成］
図１、図２を用いて、本発明の実施の形態として示す静電容量式センサの構成について説明する。

図１は、静電容量式センサの半導体層２を示した平面図である。図１に示すように、半導体層２は、半導体基板に公知の半導体プロセスにより間隙１０を形成することで、フレーム部３、ビーム部４、可動電極５、固定電極６、ストッパ部７が形成されている。

図２は、図１のＥ−Ｅ線で半導体層２を切断するように静電容量式センサ１を切断した様子を示した断面図である。図２に示すように、静電容量式センサ１は、この半導体層２の表裏両面にガラス基板などの絶縁層２０，２１を、例えば、陽極接合などをして接合することで形成される。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１に示すように、半導体層２が略正方形状となるように静電容量式センサ１は、切り出されることになる。

図１に示すように、フレーム部３には、内側の４隅から、それぞれ当該フレーム部３の各辺と平行に、かつ中途で直角に折れ曲がりながら中心に向けて渦巻き状に伸びる４本のビーム部４が設けられている。図１に示すようにビーム部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。

これにより、静電容量式センサ１では、可動電極５に対し、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−マス系を構成している。このような静電容量式センサ１は、質量要素としての可動電極５の位置変位による可動電極５、固定電極６間の静電容量の変化を検出する。そして、静電容量式センサ１は、検出された静電容量の変化をＣ−Ｖ変換することで得られる電圧波形から当該静電容量式センサ１に加えられた加速度を検出することができる。

具体的には、この静電容量の変化は、可動電極５、固定電極６にそれぞれ形成された櫛歯状の複数の検出可動電極５ａ１、検出固定電極６ａ１からなる検出部８Ａ乃至８Ｄ（以下、総称する場合は、単に検出部８と呼ぶ。）によって検出される。

図１に示すＸ軸方向に加速度が与えられると、可動電極５がＸ軸方向に変位し、検出部８Ａの検出可動電極５ａ１、検出固定電極６ａ１で検出される静電容量と、検出部８Ｂの検出可動電極５ａ１、検出固定電極６ａ１で検出される静電容量に差が生じる。この静電容量の差からＸ軸方向の加速度を検出することができる。

一方、図１に示すＹ軸方向に加速度が与えられると、可動電極５がＹ軸方向に変位し、検出部８Ｃの検出可動電極５ａ１、検出固定電極６ａ１で検出される静電容量と、検出部８Ｄの検出可動電極５ａ１、検出固定電極６ａ１で検出される静電容量に差が生じる。この静電容量の差からＹ軸方向の加速度を検出することができる。

図１に示す固定電極６の隅部６ｂの位置Ａ乃至位置Ｄ上には、図２に示すような絶縁層２０をサンドブラスト加工等によって貫通させた貫通孔２４を介し、隅部６ｂの表面６ｃ、貫通孔２４の内周面２４ａ、絶縁層２０の表面２０ａに固定電極６の電位を取り出すための電極部２３が金属薄膜にて形成されている。なお、絶縁層２０の表面２０ａは、図示しない絶縁性の樹脂層によって被覆（モールド成形）される。

また、この貫通孔２４を絶縁層２１に設け、同じように電極部２３を形成して、半導体層２の裏面より固定電極６の電位を取り出すようにしてもよい。

図１に示すように、ストッパ部７は、可動電極５の動作により、可動電極５と固定電極６とが衝突して損傷することを防止するために設けられている。ストッパ部７は、可動電極５と対向する面に突起７ａを設けることで衝突による影響を最小限に抑制している。なお、ストッパ部７は、可動電極５、固定電極６と電気的に絶縁されている。

［検出部８の第１の構成］
続いて、図３に示す静電容量式センサ１の検出部８を中心に可動電極５、固定電極６を拡大した平面図を用いて、検出部８の詳細な構成について説明をする。

図３に示すように、可動電極５には、その中央部５ｂ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に細長く伸びる帯状の検出可動電極５ａ１が形成されている。検出可動電極５ａ１は、所定のピッチで、互いに平行となるように櫛歯状に複数形成される。また、各検出可動電極５ａ１は、先端部が互いに平行となるように揃えられているが、長さが櫛歯の中央となるほど長く、櫛歯の中央から離れるほど短くなっている。

一方、固定電極６には、可動電極５の中央部５ｂに向けて、検出可動電極５ａ１と平行に細長く伸びる鉤型形状の検出固定電極６ａ１が形成されている。検出固定電極６ａ１は、上述した櫛歯状の複数の検出可動電極５ａ１の間に、検出可動電極５ａ１と１対１で平行に対向するように、所定のピッチ（例えば、検出可動電極５ａ１と同一のピッチ）で櫛歯状に複数形成される。また、各検出固定電極６ａ１は、検出可動電極５ａ１に対応させて、櫛歯の中央となるほど長く、櫛歯の中央から離れるほど短くなっており、検出可動電極５ａ１、検出固定電極６ａ１同士が相互に対向する対向面の対向面積をできるだけ広く確保できるようにしてある。

図３に示すように、検出可動電極５ａ１、検出固定電極６ａ１を形成する上で設けられた間隙１０は、一方側で狭い間隙１０ａ、他方側で広い間隙１０ｂとなっている。

また、図４に示すように、検出固定電極６ａ１は、狭い側の間隙１０ａのフレーム部３方向、つまり当該検出固定電極６ａ１の根本付近において、間隙１０ａよりも広い間隙１０ｃを設けることで鉤型形状となっている。間隙１０ｃを規定する検出固定電極６ａ１の長手方向の長さｄ１は、静電容量式センサ１に加速度を与え、検出可動電極５ａ１が長手方向に最大距離移動したとしても、検出可動電極５ａ１の対向面５ｓ１と最近接距離で対向する近接対向面６ｓ１の対向面積が変化しないような長さとして規定される。

つまり、検出固定電極６ａ１の長手方向の長さｄ２で規定される近接対向面６ｓ１は、静電容量式センサ１にどのような加速度が与えられとしても、対向面積を変えることなく常に検出可動電極５ａ１の対向面５ｓ１との対向関係を保つことになる。

検出部８は、狭い側の間隙１０ａを検知ギャップ（電極ギャップ）として検出可動電極５ａ１、検出固定電極６ａ１間の静電容量を検出する。このとき、上述したように検出固定電極６ａ１の近接対向面６ｓ１が、検出可動電極５ａ１の対向面５ｓ１と、対向面積を変えることなく常に対向関係を保っているため、加速度の検出方向である主軸方向と垂直な他軸方向である検出可動電極５ａ１の長手方向へと可動電極５が移動したとしても、他軸方向の静電容量の変化を検出することがない。したがって、検出部８は、常に主軸方向の加速度のみを良好に検出することができる。

［検出部８の第２の構成］
また、検出部８は、図５、図６に示すように、図１、図２において、可動電極５に櫛歯状に形成された帯状の検出可動電極５ａ１を鉤型形状（検出可動電極５ａ２）とし、固定電極６に櫛歯状に形成された鉤型形状の検出固定電極６ａ１を帯状（検出固定電極６ａ２）とするようにしてもよい。このような検出可動電極５ａ２、検出固定電極６ａ２とした場合であっても、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の加速度の検出原理は同じである。

具体的には、図６に示すように、可動電極５には、その中央部５ｂ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に細長く伸びる鉤型形状の検出可動電極５ａ２が形成されている。検出可動電極５ａ２は、所定のピッチで、互いに平行となるように櫛歯状に複数形成される。また、各検出可動電極５ａ２は、先端部が互いに平行となるように揃えられているが、長さが櫛歯の中央となるほど長く、櫛歯の中央から離れるほど短くなっている。

一方、固定電極６には、可動電極５の中央部５ｂに向けて、検出可動電極５ａ２と平行に細長く伸びる帯状の検出固定電極６ａ２が形成されている。検出固定電極６ａ２は、上述した櫛歯状の複数の検出可動電極５ａ２の間に、検出可動電極５ａ２と１対１で平行に対向するように、所定のピッチ（例えば、検出可動電極５ａ２と同一のピッチ）で櫛歯状に複数形成される。また、各検出固定電極６ａ２は、検出可動電極５ａ２に対応させて、櫛歯の中央となるほど長く、櫛歯の中央から離れるほど短くなっており、検出可動電極５ａ２、検出固定電極６ａ２同士が相互に対向する対向面の対向面積をできるだけ広く確保できるようにしてある。

図６に示すように、検出可動電極５ａ２、検出固定電極６ａ２を形成する上で設けられた間隙１０は、一方側で狭い間隙１０ａ、他方側で広い間隙１０ｂとなっている。

また、図７に示すように、検出可動電極５ａ２は、狭い側の間隙１０ａの可動電極５の中央部５ｂ方向、つまり当該検出可動電極５ａ２の根本付近において、間隙１０ａよりも広い間隙１０ｄを設けることで鉤型形状となっている。間隙１０ｄを規定する検出可動電極５ａ２の長手方向の長さｄ３は、静電容量式センサ１に加速度を与え、検出可動電極５ａ２が長手方向に最大距離移動したとしても、検出固定電極６ａ２の対向面６ｓ２と最近接距離で対向する近接対向面５ｓ２の対向面積が変化しないような長さとして規定される。

つまり、検出可動電極５ａ２の長手方向の長さｄ４で規定される近接対向面５ｓ２は、静電容量式センサ１にどのような加速度が与えられとしても、対向面積を変えることなく常に検出固定電極６ａ２の対向面６ｓ２との対向関係を保つことになる。

検出部８は、狭い側の間隙１０ａを検知ギャップとして検出可動電極５ａ２、検出固定電極６ａ２間の静電容量を検出する。このとき、上述したように検出可動電極５ａ２の近接対向面５ｓ２が、検出固定電極６ａ２の対向面６ｓ２と、対向面積を変えることなく常に対向関係を保っているため、加速度の検出方向である主軸方向と垂直な他軸方向である検出可動電極５ａ２の長手方向へと可動電極５が移動したとしても、他軸方向の静電容量の変化を検出することがない。したがって、検出部８は、常に主軸方向の加速度のみを良好に検出することができる。

［実施の形態の効果］
このように、静電容量式センサ１は、検出部８を構成する検出固定電極６ａ１を、検出可動電極５ａ１の対向面５ｓ１と、近接対向面６ｓ１とが、対向面積を変えることなく常に対向関係を保つように鉤型形状とする。また、静電容量式センサ１は、検出部８を構成する検出可動電極５ａ２を、検出固定電極６ａ２の対向面６ｓ２と、近接対向面５ｓ２とが、対向面積を変えることなく常に対向関係を保つように鉤型形状とする。

これにより、静電容量式センサ１は、加速度を検出する主軸方向に垂直な他軸方向の加速度が与えられた場合でも、静電容量が変化しないため他軸方向の加速度の検出感度を大幅に抑制することができる。

例えば、半導体層の厚みを３０μｍ以上にした、いわゆるバルクマイクロマシニングタイプの静電容量式センサでは、質量要素（マス）が重く、加速度に対する質量要素（マス）の変位量が大きくなるため他軸感度が発生しやすい。このような他軸感度が発生しやすい静電容量式センサにおいて、上述したような検出部８を形成することで、他軸感度を良好に抑制することができる。

また、鉤型形状の検出固定電極６ａ１、又は検出可動電極５ａ２を形成するために、例えば、垂直エッチングなどにより間隙１０を設ける際、厳密な形状精度が要求される検知ギャップ側では、検知ギャップとなる間隙１０ａ、鉤型形状とするための間隙１０ｃ又は間隙１０ｄのみを規定するだけでよいため、形状精度が高く加工均一性を確保することができる。

また、検出固定電極６ａ１、又は検出可動電極５ａ２は、それぞれの根本付近だけを細くした鉤型形状であるため、静電容量を検出する近接対向面６ｓ１、５ｓ２の個所は、広い幅のままであることから強度を確保することができる。また、近接対向面６ｓ１、５ｓ２の個所を広い幅とすることから熱などの外的な応力による変形も低減することができる。さらに、同様の理由で耐衝撃性も高いものとなっている。

なお、本発明の実施の形態として示す静電容量式センサ１は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向といった互いに垂直な２軸方向の加速度を検出するように構成しているが、本発明は、これに限定されるものではなく、１軸方向の加速度を検出するセンサ、２軸以上の加速度を検出するセンサにも適用することができる。

また、本発明の実施の形態として示す静電容量式センサ１は、加速度を検出するが、本発明は、これに限定されるものではなく、静電容量方式のセンサであればどのような物理量を検出するものにも適用することができる。

なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施の形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

本発明の実施の形態として示す静電容量式センサの半導体層の構成について示す図である。 前記静電容量式センサを図１に示すＥ−Ｅ線で切断した様子について説明するための図である。 前記静電容量式センサの検出部の詳細な構成について説明するための図である。 前記検出部の検出可動電極、検出固定電極の構成について説明するための図である。 前記静電容量式センサの別な構成を示した図である。 別な構成とした前記静電容量式センサの検出部の詳細な構成について説明するための図である。 別な構成とした前記静電容量式センサの前記検出部の検出可動電極、検出固定電極の構成について説明するための図である。

符号の説明

１ 静電容量式センサ
２ 半導体層
３ フレーム部
４ ビーム部
５ 可動電極
５ａ１ 検出可動電極
５ａ２ 検出可動電極
５ｓ１ 対向面
５ｓ２ 近接対向面
６ 固定電極
６ａ１ 検出固定電極
６ａ２ 検出固定電極
６ｓ１ 近接対向面
６ｓ２ 対向面
８ 検出部
１０ 間隙
１０ａ 間隙
１０ｂ 間隙
１０ｃ 間隙
１０ｄ 間隙

Claims (2)

1. 物理量の変位に応じて動作する可動電極と、固定電極とを相互に間隙を介して対向配置し、前記固定電極と前記可動電極との間隙の大きさに応じて検出される静電容量に基づき前記物理量を検出する静電容量式センサにおいて、
   対向配置された前記固定電極、又は前記可動電極のいずれか一方を鉤型形状とし、
   鉤型形状とされた前記固定電極、又は前記可動電極は、可動電極の動作によって面積変化することがないよう前記固定電極と前記可動電極との対向面積を規定する近接対向面を有すること
   を特徴とする静電容量式センサ。
2. 前記近接対向面の面積は、前記可動電極の最大変位量に基づき決定されること
   を特徴とする請求項１記載の静電容量式センサ。

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