JP2008039593A - 静電容量型加速度センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】小型で高感度な静電容量型加速度センサを提供すること。
【解決手段】静電容量型加速度センサ1において、可動電極11aは、錘部11cを有しており、この錘部11cからY方向に向けて延在する櫛歯を有する。この錘部11cは、シリコン基板11とバネ部11dを介して連接されている。このバネ部11dは、X方向及びY方向に伸縮自在になっている。バネ部11dを介してシリコン基板11に連接している錘部11c及び櫛歯は、X方向及びY方向の二軸方向に可動である。固定電極11bは、可動電極11aの櫛歯と対向するような櫛歯を有する。可動電極11aは、接続部材13aを介して引き出し電極14aと電気的に接続されており、固定電極11bは、接続部材13bを介して引き出し電極14bと電気的に接続されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、静電容量を用いて加速度を検知する静電容量型加速度センサに関する。
静電容量型加速度センサは、可動電極である揺動部材を有する基板と、固定電極を有する基板とを、揺動部材と固定電極との間に所定の間隔を有するように接合することにより構成されている。この静電容量型加速度センサにおいては、揺動部材に加速度が加わると揺動部材が揺動し、これにより揺動部材と固定電極との間隔が変わる。この間隔の変化により揺動部材と固定電極との間の静電容量が変化し、この静電容量の変化を利用して加速度の変化を検出する(特許文献1)。
また、静電容量型加速度センサにおいては、固定電極及び可動電極を櫛歯状に構成して、可動電極に加速度が加わることにより可動電極と固定電極との間隔が変わり、この間隔の変化から加速度の変化を検出するものもある。
特開平6−82474号公報
しかしながら、従来の櫛歯形状の電極を有する静電容量型加速度センサは、例えば、シリコンを用いたサーフェスMEMS(micro electro mechanical systems)プロセスで作製することになるが、この場合においては、櫛歯形状の電極を構成するシリコン層をポリシリコンの成膜で形成しなければならない。このため、櫛歯の厚さを大きくすることができず、高感度の静電容量型加速度センサを得ることが難しい。また、静電容量型加速度センサ自体の小型化も望まれており、小型で高感度な静電容量型加速度センサが望まれている。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、小型で高感度な静電容量型加速度センサを提供することを目的とする。
本発明の静電容量型加速度センサは、櫛歯形状を有する可動電極及び前記可動電極の櫛歯と対向する櫛歯を有する固定電極を有するシリコン基板と、キャビティを構成する凹部を少なくとも一方に有する一対のガラス基板とを具備し、前記可動電極及び前記固定電極が前記キャビティ内に配置されるように前記シリコン基板と前記ガラス基板とが接合されていることを特徴とする。
この構成によれば、可動電極や固定電極の櫛歯の厚さをシリコン基板と同程度に厚くすることができる。このため、小型で高感度な加速度センサを実現することができる。
本発明の静電容量型加速度センサにおいては、前記可動電極は、前記シリコン基板における互いに直交する二軸方向に可動することが好ましい。
本発明の静電容量型加速度センサにおいては、前記一対のガラス基板の一方の基板上に、前記可動電極及び前記固定電極の引き出し電極が設けられていることが好ましい。この構成によれば、静電容量型加速度センサをそのまま表面実装したり、ワイヤボンディングすることが可能となる。その結果、静電容量型加速度センサを1チップ化することも可能となる。この場合、静電容量型加速度センサのケーシングが不要となるので、より小型化を図ることができる。
本発明の静電容量型加速度センサにおいては、前記ガラス基板と前記シリコン基板との間の界面は、Si−Si結合又はSi−O結合を有することが好ましい。この構成によれば、シリコンとガラスとが強固に接合して、両者間の界面で非常に高い密着性を発揮するので、キャビティ内の気密性を向上させることができる。
本発明の静電容量型加速度センサの製造方法は、櫛歯形状を有する可動電極及び前記可動電極の櫛歯と対向する櫛歯を有する固定電極を有するシリコン基板を作製する工程と、キャビティを構成する凹部を少なくとも一方に有する一対のガラス基板を用いて、前記可動電極及び前記固定電極が前記キャビティ内に配置されるように前記シリコン基板と前記ガラス基板とを接合する工程と、を具備することを特徴とする。この方法によれば、小型で高感度な静電容量型加速度センサを簡単に得ることができる。
本発明の静電容量型加速度センサにおいては、櫛歯形状を有する可動電極及び前記可動電極の櫛歯と対向する櫛歯を有する固定電極を有するシリコン基板と、キャビティを構成する凹部を少なくとも一方に有する一対のガラス基板とを具備し、前記可動電極及び前記固定電極が前記キャビティ内に配置されるように前記シリコン基板と前記ガラス基板とが接合されているので、小型で高感度な静電容量型加速度センサを提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の実施の形態に係る静電容量型加速度センサを示す図であり、図1(a)は斜視図であり、図1(b)は断面図である。
図1(a)に示す静電容量型加速度センサ1は、可動電極11aと固定電極11bとを有する第1基板であるシリコン基板11と、このシリコン基板11を挟持するように配置された一対の第2基板であるガラス基板12とから主に構成されている。
可動電極11aは、錘部11cを有しており、この錘部11cから図1(a)におけるY方向に向けて延在する櫛歯を有する。また、この錘部11cは、シリコン基板11とバネ部11dを介して連接されている。このバネ部11dは、図1(a)におけるX方向に伸縮自在になっている。したがって、バネ部11dを介してシリコン基板11に連接している錘部11c及び櫛歯は、図1(a)におけるX方向及びY方向の二軸方向に可動である。
固定電極11bは、可動電極11aの櫛歯と対向するような櫛歯を有する。したがって、固定電極11bの櫛歯は、可動電極11aの櫛歯の間に延在するように設けられている。そして、可動電極11aの櫛歯と固定電極11bの櫛歯とが対向することにより両櫛歯間で所定の容量を有する。ここでは、シリコン基板11に対する加工により可動電極11a、固定電極11b、錘部11c及びバネ部11dを形成しているので、可動電極11a、固定電極11b、錘部11c及び/又はバネ部11dの厚さは、シリコン基板11の厚さとほぼ同じ厚さを有する。しかしながら、本発明の効果を損なわない範囲で可動電極11a、固定電極11b、錘部11c及びバネ部11dの厚さをシリコン基板11の厚さと異なるようにしても良い。このように、少なくとも可動電極11a及び固定電極11bの厚さをシリコン基板と同程度に厚くすることにより、可動電極11aの櫛歯と固定電極11bの櫛歯との間の対向面積を大きくとることができるので高感度の静電容量型加速度センサを実現することができる。
可動電極11aは、接続部材13aを介して一方のガラス基板12上に設けられた引き出し電極14aと電気的に接続されており、固定電極11bは、接続部材13bを介して一方のガラス基板12上に設けられた引き出し電極14b,14cと電気的に接続されている。
図1(b)に示すように、一方のガラス基板12上にシリコン基板11の一方の主面が接合されており、シリコン基板11の他方の主面上に他方のガラス基板12が接合されている。ガラス基板12は、キャビティを構成する凹部を有しており、ガラス基板12とシリコン基板11とが接合されて構成されたキャビティ16内に可動電極11a、固定電極11b、錘部11c及びバネ部11dが配置されるようになっている。したがって、ガラス基板12に形成される凹部の位置は、シリコン基板11における可動電極11a、固定電極11b、錘部11c及びバネ部11dにより適宜決定される。なお、図1(b)においては、一対のガラス基板12にそれぞれ凹部を形成した場合について説明しているが、本発明においては、シリコン基板11における可動電極11a、錘部11c及びバネ部11dが可動である構成であれば、一方のガラス基板12のみに凹部を設けても良い。
シリコン基板11においては、可動電極11aが可動できるように空間部11eが設けられている。この空間部11e内を櫛歯が移動する。
上側のガラス基板12には、シリコン基板11における可動電極11aや固定電極11bをガラス基板12の表面に引き出す構造が設けられている。すなわち、上側のガラス基板12のシリコン基板11側には、凹部が形成されており、その凹部内には、可動電極11aと電気的に接続するコンタクト層15aと、固定電極11bと電気的に接続するコンタクト層15bとが形成されている。このコンタクト層15a,15bは、例えば金−シリコン共晶物などで構成される。
上側のガラス基板12の凹部には、貫通穴が形成されており、その貫通穴には、接続部材13a,13bが埋め込まれている。また、この接続部材13a,13bは、それぞれ上側のガラス基板12の上面で露出しており、それぞれ引き出し電極14a,14b,14cと電気的に接続されている。したがって、可動電極11aは、コンタクト層15a及び接続部材13aを介してガラス基板12の表面に設けられた引き出し電極14aと電気的に接続されており、固定電極11bは、コンタクト層15b及び接続部材13bを介してガラス基板12の表面に設けられた引き出し電極14b,14cと電気的に接続されている。このように、一方のガラス基板の表面に可動電極用の引き出し電極と固定電極用の引き出し電極とを設けることにより、静電容量型加速度センサをそのまま表面実装したり、ワイヤボンディングすることが可能となる。その結果、静電容量型加速度センサを1チップ化することも可能となる。この場合、静電容量型加速度センサのケーシングが不要となるので、より小型化を図ることができる。
シリコン基板11とガラス基板12との間の界面は、高い密着性を有することが好ましい。ガラス基板12にシリコン基板11を接合する場合には、ガラス基板12の接合面上にシリコン基板11を搭載し、陽極接合処理を施すことにより、両基板11,12の密着性を高くすることができる。このようにガラス基板12とシリコン基板11との界面で高い密着性を発揮することにより、キャビティ16内の気密性を高く保つことができる。このようにキャビティ16内の気密性を高くすることにより、キャビティ16内において可動電極などの可動部材が空気の粘性抵抗を受けなくなり、加速度に対して高い感度を示すようになる。
ここで、陽極接合処理とは、所定の温度(例えば400℃以下)で所定の電圧(例えば300V〜1kV)を印加することにより、シリコンとガラスとの間に大きな静電引力が発生して、接触したガラス−シリコン界面で酸素を介した化学結合を形成される、もしくは、酸素の放出による共有結合を形成させる処理をいう。この界面での共有結合は、シリコンのSi原子とガラスに含まれるSi原子との間のSi−Si結合又はSi−O結合である。したがって、このSi−Si結合又はSi−O結合により、シリコンとガラスとが強固に接合して、両者間の界面で非常に高い密着性を発揮する。このような陽極接合を効率良く行うために、ガラス基板12のガラス材料としては、ナトリウムなどのアルカリ金属を含むガラス材料(例えばパイレックス(登録商標)ガラス)であることが好ましい。
このような構成を有する静電容量型加速度センサにおいては、可動電極11aの櫛歯と固定電極11bの櫛歯との間に所定の静電容量を有する。この加速度センサに加速度が加わると、可動電極11aが加速度に応じて可動して変位する。このとき、可動電極11aの櫛歯と固定電極11bの櫛歯との間の静電容量が変化する。したがって、この静電容量をパラメータとして、その変化を加速度変化とすることができる。また、この構成によれば、可動電極11aや固定電極11bの櫛歯の厚さをシリコン基板11と同程度に厚くすることができる。このため、高感度な加速度センサを実現することができる。
次に、本実施の形態の静電容量型加速度センサの製造方法について説明する。図2(a)〜(c)、図3(a)〜(e)及び図4(a)〜(e)は、本発明の実施の形態に係る静電容量型加速度センサの製造方法を説明するための断面図である。
本実施の形態に係る静電容量型加速度センサを製造する場合、櫛歯形状を有する可動電極及び前記可動電極の櫛歯と対向する櫛歯を有する固定電極を有するシリコン基板を作製し、キャビティを構成する凹部を少なくとも一方に有する一対のガラス基板を用いて、前記可動電極及び前記固定電極が前記キャビティ内に配置されるように前記シリコン基板と前記ガラス基板とを接合する。この場合、シリコン基板に可動電極や固定電極を作製した後にシリコン基板とガラス基板とを接合しても良く、ガラス基板にシリコン基板を接合した後に、シリコン基板に可動電極や固定電極を作製しても良い。
まず、図2(a)に示すように、不純物をドーピングして低抵抗化したシリコン基板13を準備する。不純物としては、n型不純物でも良く、p型不純物でも良い。抵抗率としては、例えば0.01Ω・cm程度とする。そして、図2(b)に示すように、このシリコン基板13の一方の主面をエッチングして、接続部材13a,13bを形成する。この場合、シリコン基板13上にレジスト膜21を形成し、接続部材13a,13b形成領域にレジスト膜が残るように、そのレジスト膜をパターニング(フォトリソグラフィー)し、そのレジスト膜をマスクとしてシリコンをエッチングし、その後残存したレジスト膜を除去する。このようにして接続部材13a,13bを設ける。なお、エッチングとしては、deepRIE(Reactive Ion Etching)を用いる。
次いで、図2(c)に示すように、接続部材13a,13bを形成したシリコン基板13上にガラス基板12(図1(b)における上側のガラス基板)を置き、真空下で、このシリコン基板13及びガラス基板12を加熱し、シリコン基板13をガラス基板12に押圧して接続部材13a,13bをガラス基板12に押し込んで、シリコン基板13とガラス基板12とを接合する。このときの温度は、シリコンの融点以下であって、ガラスが変形可能である温度(例えば、ガラスの軟化点温度以下)が好ましい。例えば加熱温度は約800℃である。
さらに、シリコン基板13の接続部材13a,13bとガラス基板12との界面での密着性をより高めるために、陽極接合処理をすることが好ましい。この場合、シリコン基板13及びガラス基板12にそれぞれ電極をつけて、約400℃以下の加熱下で約300V〜1kVの電圧を印加することにより行う。これにより両者の界面での密着性がより高くなり、静電容量型加速度センサのキャビティ16の気密性を向上させることができる。
次いで、図3(a)に示すように、ガラス基板12の一方の主面側を研磨処理(ラップ加工)して、シリコン基板13の接続部材13a,13bを露出させる。また、ガラス基板12の接合面には、ポリッシング加工を施す。次いで、図3(b)に示すように、ガラス基板12及び接続部材13a,13bを、例えばミリング加工して、コンタクト層用の凹部12a及びキャビティ用の凹部12bを形成する。キャビティ用の凹部12bについては、さらにミリング加工して、凹部の深さを深くする。
次いで、図3(c)に示すように、ガラス基板12の凹部12aにコンタクトシード層22a,22bを形成する。この場合、ガラス基板12上にレジスト膜を形成し、コンタクトシード層形成領域を開口するようにレジスト膜をパターニングし、コンタクトシード層22a,22bを構成する材料をスパッタリング法などで成膜し、その後レジスト膜を除去(リフトオフ)する。ここでは、コンタクトシード層として金層を用いる。
次いで、図3(d)に示すように、コンタクトシード層22a,22b上に、あらかじめエッチングや研磨などにより数十μm程度の所定の厚さ(所望の櫛歯の厚さ)に形成したシリコン基板11をガラス基板12上に接合する。このとき、シリコン基板11及びガラス基板12に対して、約400℃以下の加熱下で約500V程度の電圧を印加することにより陽極接合処理を行う。これによりシリコン基板11とガラス基板12との間の界面での密着性がより高くなり、キャビティ16の気密性を向上させることができる。このとき、コンタクトシード層22a,22bの金がシリコン基板11のシリコンと金−シリコン共晶反応を起こして、金−シリコン共晶物となり、これによりコンタクト層15a,15bが形成される。これにより、ガラス基板12の凹部12bとシリコン基板11との間にキャビティ16が形成される。
次いで、図3(e)に示すように、シリコン基板11に可動電極11a、固定電極11b、錘部11c及びバネ部11dを含むパターンを形成する。この場合、前記パターンを有するマスクを用いてdeepRIEによりシリコン基板11にパターン形成する。このようにdeepRIEによりシリコン基板11を加工することにより、通常のエッチングよりも相対的に深くエッチングできるので、錘部11cの厚さを厚くすることができ、錘部11cの重さを重くすることができる。その結果、高感度の静電容量型加速度センサを実現することが可能となる。
次いで、図4(a)に示すように、シリコン基板11のガラス基板12を接合していない面を基材23上に接着剤24などで固定する。次いで、図4(b)に示すように、シリコン基板13を研磨処理、ラップ処理して接続部材13a,13bを露出させる。次いで、図4(c)に示すように、基材23を取り外して、シリコン基板11のガラス基板12を接合していない面上に別のガラス基板12(図1(b)における下側のガラス基板)を接合する。なお、このガラス基板12にも、あらかじめキャビティ用の凹部を形成しておく。このとき、シリコン基板11及びガラス基板12に対して、約400℃以下の加熱下で約500V程度の電圧を印加することにより陽極接合処理を行う。これによりシリコン基板11とガラス基板12との間の界面での密着性がより高くなり、キャビティ16の気密性を向上させることができる。これにより、ガラス基板12の凹部12bとシリコン基板11との間にキャビティ16が形成される。そして、このキャビティ16内に、可動電極11a、固定電極11b、錘部11c及びバネ部11dが位置する。
次いで、図4(d)に示すように、接続部材13a,13bが埋め込まれたガラス基板の両面を所定量研磨処理する。このとき、ガラス基板12を基材23に接着剤24などを用いて固定して研磨処理を行う。次いで、図4(e)に示すように、ガラス基板12の表面で露出した接続部材13a,13b上に引き出し電極14a,14bをそれぞれ形成する。この場合、接続部材13a,13b上にシード層をスパッタリング法などで成膜し、その上に引き出し電極14a,14b,14cをメッキにより形成する。なお、メッキの条件は、材料により異なるが通常用いられている条件とする。
このようにして得られた静電容量型圧力センサは、可動電極11aがコンタクト層15a及び接続部材13aを介して引き出し電極14aと電気的に接続され、固定電極11bがコンタクト層15b及び接続部材13bを介して引き出し電極14b,14cと電気的に接続されている。したがって、可動電極11aの櫛歯と固定電極11bの櫛歯との間で検知された静電容量の変化の信号は、引き出し電極14a,14b,14cから取得することができる。具体的には、可動電極11aの引き出し電極14aと固定電極11bの引き出し電極14bとの間で検知された静電容量C1を求め、可動電極11aの引き出し電極14aと固定電極11bの引き出し電極14cとの間で検知された静電容量C2を求め、これらの静電容量の比(C2/C1)を求める。この静電容量の比に基づいて測定加速度を算出する。
この静電容量型加速度センサにおいては、可動電極11aや固定電極11bの櫛歯の厚さをシリコン基板11と同程度に厚くすることができる。このため、高感度な加速度センサを実現することができる。また、この静電容量型加速度センサにおいては、シリコン基板とガラス基板との間の接合により高い気密性を有するキャビィ16内に可動電極11aや固定電極11bなどが配置されるので、Q値にして数百倍の特性を発揮することができ、高感度の静電容量型加速度センサを得ることができる。さらに、本発明においては、シリコン基板11にdeepRIEなどの方法により加工して櫛歯を設けているので、相対的に厚い櫛歯を簡単に設けることができ、高感度な静電容量型加速度センサを簡易に得ることができる。
本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。例えば、図1(a)に示す構造では、可動電極及び錘部がX軸方向に伸縮自在になっており、X軸方向の成分を検出するようになっている。Y軸方向の成分を検出する場合には、図1(a)に示す構造を90度回転させて配置する。これにより、可動電極及び錘部をY軸方向に伸縮自在に構成することができ、Y軸方向の成分を検出することができる。また、X軸方向の成分とY軸方向の成分を検出可能にするためには、図1(a)に示す構造と、図1(a)に示す構造を90度回転させた構造とを積層もしくは並べて設置することにより実現することができる。
また、本発明において、静電容量型加速度センサにおける可動電極、固定電極、錘部及びバネ部の構造、形状については、目的の範囲を逸脱しない限りにおいて特に限定されない。また、上記実施の形態で説明した数値や材質については特に制限はない。また、上記実施の形態におけるエッチングやミリング加工については通常用いられる条件で行う。また、上記実施の形態で説明したプロセスについてはこれに限定されず、工程間の適宜順序を変えて実施しても良い。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。
本発明の実施の形態に係る静電容量型加速度センサを示す図であり、図1(a)は斜視図であり、図1(b)は断面図である。 (a)〜(c)は、本発明の実施の形態に係る静電容量型加速度センサの製造方法を説明するための断面図である。 (a)〜(e)は、本発明の実施の形態に係る静電容量型加速度センサの製造方法を説明するための断面図である。 (a)〜(e)は、本発明の実施の形態に係る静電容量型加速度センサの製造方法を説明するための断面図である。
符号の説明
1 静電容量型加速度センサ
11,13 シリコン基板
11a 可動電極
11b 固定電極
11c 錘部
11d バネ部
12 ガラス基板
12a,12b 凹部
13a,13b 接続部材
14a,14b,14c 引き出し電極
15a,15b コンタクト層
16 キャビティ
21 レジスト膜
22a,22b コンタクトシード層
23 基材
24 接着剤

Claims (5)

  1. 櫛歯形状を有する可動電極及び前記可動電極の櫛歯と対向する櫛歯を有する固定電極を有するシリコン基板と、キャビティを構成する凹部を少なくとも一方に有する一対のガラス基板とを具備し、前記可動電極及び前記固定電極が前記キャビティ内に配置されるように前記シリコン基板と前記ガラス基板とが接合されていることを特徴とする静電容量型加速度センサ。
  2. 前記可動電極は、前記シリコン基板における互いに直交する二軸方向に可動することを特徴とする請求項1記載の静電容量型加速度センサ。
  3. 前記一対のガラス基板の一方の基板上に、前記可動電極及び前記固定電極の引き出し電極が設けられていることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の静電容量型加速度センサ。
  4. 前記ガラス基板と前記シリコン基板との間の界面は、Si−Si結合又はSi−O結合を有することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の静電容量型加速度センサ。
  5. 櫛歯形状を有する可動電極及び前記可動電極の櫛歯と対向する櫛歯を有する固定電極を有するシリコン基板を作製する工程と、キャビティを構成する凹部を少なくとも一方に有する一対のガラス基板を用いて、前記可動電極及び前記固定電極が前記キャビティ内に配置されるように前記シリコン基板と前記ガラス基板とを接合する工程と、を具備することを特徴とする静電容量型加速度センサの製造方法。
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