JP2008157674A - 静電容量型物理量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】捻り梁と錘を組み合わせた形式の物理量センサにおいて、力に対する感度を維持しつつ、優れた耐衝撃性を発揮することができる静電容量型物理量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は、固定電極１３ａ，１３ｂを有するガラス基板１１と、固定電極１３ａ，１３ｂと対向するように配置され、Ｇが加わることにより揺動すると共に固定電極１３ａ，１３ｂとの間に測定対象の容量を形成する錘部１２ａを有するシリコン基板１２とから主に構成されている。錘部１２ａを両端で支持する梁部１２ｂは、梁の軸に平行な面で切断した少なくとも一断面において内側に湾曲する湾曲面を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、静電容量を用いて加速度や角速度などの物理量を検出する静電容量型物理量センサに関する。

加速度や角速度を検出するセンサとして、例えば静電容量型物理量センサがある。この静電容量型物理量センサは、固定電極と、力が加わることにより揺動する可動電極（錘）とで構成され、固定電極と可動電極との間の静電容量の変化を検出することにより、加速度や角速度など物理量を求めることができる。

このような静電容量型物理量センサとしては、可動電極である錘を片持ち梁で支持する構成のものと、可動電極である錘を両端支持梁で支持する構成のものがある。この中で、可動電極である錘を片持ち梁で支持する構成を有する静電容量型加速度センサとして、特許文献１に開示されているものがある。この静電容量型加速度センサにおいては、錘を支持する片持ち梁の根元部分（基材と片持ち梁との間の接続部分）の太さを太くして耐衝撃性を向上させている。
特開平５−１０９６９号公報

しかしながら、錘を支持する梁の根元部分を太くすると、必然的に力に対する錘の揺動量が小さくなり、感度が低下してしまう方向に作用することは避けられない。この影響は、錘の両端を短い梁で支持する捻りモードの梁の場合に特に顕著に現れ、捻り梁と錘を組み合わせたセンサにおいて、感度と耐衝撃性を両立させることは困難であった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、捻り梁と錘を組み合わせた形式の物理量センサにおいて、力に対する感度を維持しつつ、優れた耐衝撃性を発揮することができる静電容量型物理量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物理量センサにおいては、固定電極を有する第１基板と、前記固定電極と対向して配置され、前記固定電極との間に測定対象の容量を形成する可動電極となる錘と、該錘の両端を支持する梁とからなる第２基板を具備し、力が加わることにより、前記錘が前記梁を軸として揺動することに伴う前記容量の変化により物理量を測定する静電容量型物理量センサであって、前記梁は、該梁の軸に平行な面で切断した少なくとも一断面において内側に湾曲する湾曲面を有することを特徴とする。

この構成によれば、梁の軸に平行な面で切断した少なくとも一断面において内側に湾曲する湾曲面を有するので、Ｇが加わったときに湾曲面で応力が分散して応力集中が緩和される。このため、感度を維持しつつ耐衝撃性に優れる。

本発明の静電容量型物理量センサにおいては、前記梁部は、軸に平行な面で切断した全ての断面において中央部に向って径が細くなる形状を有することが好ましい。

本発明の静電容量型物理量センサにおいては、前記湾曲面の平面視において、前記可動電極及び枠体との接続部において前記可動電極の外形が接線となる曲線を有することが好ましい。この場合において、前記曲線が円弧であることが好ましい。

本発明の静電容量型物理量センサによれば、固定電極を有する第１基板と、前記固定電極と対向して配置され、前記固定電極との間に測定対象の容量を形成する可動電極となる錘と、該錘の両端を支持する梁とからなる第２基板を具備し、力が加わることにより、前記錘が前記梁を軸として揺動することに伴う前記容量の変化により物理量を測定する静電容量型物理量センサであって、前記梁は、該梁の軸に平行な面で切断した少なくとも一断面において内側に湾曲する湾曲面を有するので、力に対する感度を維持しつつ、優れた耐衝撃性を発揮することができる。

本発明者は、可動電極である錘の両端を支持する梁部（両端支持梁）の特性に着目し、すなわち両端支持梁においては梁の中心の太さが細くなることによりトーション（捻り）に対して有効で感度を向上させる点に着目し、このような形状を利用して応力を緩和させることにより感度を維持しつつ耐衝撃性を向上させることを見出し本発明をするに至った。

本発明者は、梁の厚さ、梁の幅、梁の長さ、及び梁の形状をそれぞれ変えて感度及び耐衝撃性を調べた。なお、錘の寸法は、０．３ｍｍ程度とし、感度及び応力は、有限要素法によるシミュレーションにより求めた。

まず、上記錘に対して、梁の幅を６μｍとし、梁の長さを４０μｍに設定した上で、梁の厚さを６μｍ（Ａ１）、８μｍ（Ａ２）、１０μｍ（Ａ３）に変えて静電容量型加速度センサを作製し、それぞれについて感度及び応力を調べた。なお、梁の形状は外形が直線状である棒状とした。その結果を図１（ａ），（ｂ）に示す。

また、上記錘に対して、梁の厚さを６μｍとし、梁の長さを４０μｍに設定した上で、梁の幅を６μｍ（Ｂ１）、８μｍ（Ｂ２）、１０μｍ（Ｂ３）に変えて静電容量型加速度センサを作製し、それぞれについて感度及び応力を調べた。なお、梁の形状は外形が直線状である棒状とした。その結果を図１（ａ），（ｂ）に併記した。

また、上記錘に対して、梁の幅を６μｍとし、梁の幅を６μｍに設定した上で、梁の長さを４０μｍ（Ｃ１）、５０μｍ（Ｂ２）、６０μｍ（Ｃ３）に変えて静電容量型加速度センサを作製し、それぞれについて感度及び応力を調べた。なお、梁の形状は外形が直線状である棒状とした。その結果を図１（ａ），（ｂ）に併記する。

また、上記錘に対して、梁の厚さを６μｍとし、梁の幅を６μｍとし、梁の長さを４０μｍに設定した上で、梁の形状を直線状（Ｄ１）、曲率５（Ｄ２）、曲率１０（Ｄ３）に変えて静電容量型加速度センサを作製し、それぞれについて感度及び応力を調べた。その結果を図１（ａ），（ｂ）に併記した。

図１（ａ），（ｂ）から分かるように、梁の厚さや幅を大きくすると、応力が低下して耐衝撃性が向上するが、感度が低下する。また、梁の長さを大きくしても、感度及び応力についてあまり影響がない。さらに、梁に湾曲部を設けるようにすると、感度を低下させることなく、応力を低下させて耐衝撃性を向上することができる。これは、梁を細くすることで感度は向上するが耐衝撃性が低下し、梁を太くすることで耐衝撃性は向上するが感度が低下する片持ち梁の構成では実現できない。

したがって、本発明は、上記考察に基づいて、静電容量型物理量センサにおいて、可動電極の両端を支持する一対の梁部に、梁の軸に平行な面で切断した少なくとも一断面において内側に湾曲する湾曲面を設けることにより、力に対する感度を維持しつつ、優れた耐衝撃性を発揮することである。

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。本実施の形態においては、静電容量型物理量センサが静電容量型加速度センサである場合について説明する。

図２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、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は可動電極の平面図である。図２に示す静電容量型加速度センサは、固定電極を有する第１基板と、固定電極と対向するように配置され、Ｇが加わることにより揺動すると共に前記固定電極との間に測定対象の容量を形成する可動電極を有する第２基板とから主に構成されている。さらに第２基板上には可動電極を密閉するための第３基板が配置されている。

第１基板であるガラス基板１１の一方の主面上には、固定電極１３ａ，１３ｂが形成されている。この固定電極１３ａ，１３ｂは、それぞれ可動電極と対向する位置に配置される。固定電極１３ａ，１３ｂとしては、通常の電極材料を用いることができる。

ガラス基板１１の一方の主面上には、可動電極である錘部１２ａ及び錘部１２ａの両端を支持する一対の梁部１２ｂを有する第２基板であるシリコン基板１２が接合されている。シリコン基板１２は、図２（ｂ）に示すように、開口部１２ｅを設けることにより錘部１２ａ及び梁部１２ｂが形成されている。すなわち、シリコン基板１２は、枠体１２ｆの内側に開口部１２ｅを介して錘部１２ａが配置されており、枠体１２ｆと錘部１２ａとを連接するように一対の梁部１２ｂが設けられている。錘部１２ａの両端を支持する一対の梁部１２ｂは、いわゆるトーションバネとして機能し、枠体１２ｆに対して錘部１２ａを揺動可能に支持することができる。

梁部１２ｂの形状は、梁の軸に平行な面で切断した少なくとも一断面において内側に湾曲する湾曲面を有する、すなわち中央部に向って径が細くなる形状に設定する。ここで、少なくとも一方向における断面とは、水平面に対して所定の角度を持つ種々の方向における断面のうち少なくとも一つの断面を意味し、厚さ方向における断面（図２（ａ））、幅方向における断面（図２（ｂ））を含む。この場合において、梁部１２ｂの形状は、軸に平行な面で切断した全ての断面において中央部に向って径が細くなる形状、すなわち略鼓形状であることが好ましい。

梁部１２ｂの枠体１２ｆ及び錘部１２ａとの間の連接領域Ｘの形状としては、例えば図３（ａ）〜図３（ｃ）に示す形状が挙げられる。すなわち、Ｘ領域においては、図３（ａ）に示すように、湾曲面の平面視において、枠体１２ｆ及び錘部１２ａとの間の接続部Ｘ１が角部を形成しても良い。また、Ｘ領域においては、図３（ｂ）に示すように、湾曲面の平面視において、錘部１２ａや枠体１２ｆの外形線Ｘ２が接線となる曲線を有しても良い。言い換えると、図３（ｂ）に示す梁部１２ｂの形状は、梁部１２ｂの外形曲線が接続部近傍における円弧の接線である形状である。

また、連接領域Ｘの形状としては、図３（ｃ）に示すように、接続部近傍の直線部Ｘ４と中央部の湾曲部Ｘ３との組み合わせであっても良い。応力が集中することを緩和することを考慮すると、角部や直線部ができるだけ少ないことが望ましく、この観点から湾曲部の曲線領域が円弧であることが好ましい。

第２基板であるシリコン基板１２のガラス基板１１と反対側には、第３基板としてガラス基板１４が接合されている。これにより、ガラス基板１１、シリコン基板１２及びガラス基板１４によりキャビティ１５が形成され、そのキャビティ１５内に錘部１２ａ及び梁部１２ｂが配置される。また、錘部１２ａと固定電極１３ａ，１３ｂとの間に測定対象の容量が形成される。

ガラス基板１１，１４とシリコン基板１２との間の接合としては、陽極接合を行うことが好ましい。これにより、ガラス基板１１，１４とシリコン基板１２との間の密着性が向上し、錘部１２ａ及び梁部１２ｂが配置されるキャビティ１５内の気密性を向上させることが可能となる。このようにキャビティ１５内の気密性を高くすることにより、キャビティ１５内において錘部１２ａ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ったり、不活性ガスで封止することで湿度変化などの影響を受けず、信頼性の高い特性が得られる。

このような構成の静電容量型加速度センサにおいては、加速度がかかった状態では、梁部１２ｂを支点として錘部１２ａが揺動する。このように錘部１２ａが揺動して変位することにより、固定電極１３ａ，１３ｂとの間の距離が変わり、その距離の変化による静電容量の変化を検出することができ、その静電容量変化で加速度を測定することができる。この静電容量型加速度センサにおいては、梁部１２ｂの形状は、梁の軸に平行な面で切断した少なくとも一断面において内側に湾曲する湾曲面を有するので、梁部１２ｂに加わる応力が分散され、感度を維持した状態で耐衝撃性に優れる。

このような構成の静電容量型加速度センサは、例えば次のようにして製造する。まず、図４（ａ）に示すように、シリコン基板１２の両主面をそれぞれフォトリソグラフィー及びエッチングにより加工して凹部１２ｃ，１２ｄをそれぞれ形成する。次いで、図４（ｂ）に示すように、凹部１２ｃを設けた側の主面にさらにフォトリソグラフィー及びエッチングにより加工して梁部１２ｂを形成する。

次いで、図５（ａ）に示すように、ガラス基板１１上に固定電極１３ａ，１３ｂを形成する。固定電極１３ａ，１３ｂの形成は、例えばスパッタリング、フォトリソグラフィー及びエッチングにより行う。次いで、図５（ｂ）に示すように、シリコン基板１２の凹部１２ｄで固定電極１３ａ，１３ｂを収容するようにして、シリコン基板１２をガラス基板１１上に接合する。次いで、図５（ｃ）に示すように、シリコン基板１２をフォトリソグラフィー及びエッチングにより加工して錘部１２ａを形成する。その後、シリコン基板１２のガラス基板１１側の反対側にガラス基板１４を接合する。

次に、本発明の効果を明確にするために行った実施例について説明する。
上述した方法により、梁部１２ｂの形状を変えた３つの静電容量型加速度センサを作製した。梁部の形状に湾曲面を有し、図３（ａ）に示す形状であるものを実施例１とし、梁部の形状に湾曲面を有し、図３（ｂ）に示す形状であるものを実施例２とし、梁部の形状が直線状であるものを比較例とした。なお、梁部の寸法については、１Ｇ（９．８ｍ／ｓ²）の感度がそれぞれ同等になるように設定した。

これらの静電容量型加速度センサについて耐衝撃性と感度を評価した。感度は１Ｇ感度を調べ、耐衝撃性は５０００Ｇが加わったときの最大応力を調べた。なお、感度は及び応力は、有限要素法によるシミュレーションにより求めた。その結果、実施例１の静電容量型加速度センサについては、１Ｇ感度が１３．４ｆＦであり、５０００Ｇ応力が５３０ＭＰａであった。また、実施例２の静電容量型加速度センサについては、１Ｇ感度が１３．９ｆＦであり、５０００Ｇ応力が２６０ＭＰａであった。比較例の静電容量型加速度センサについては、１Ｇ感度が１３．５ｆＦであり、５０００Ｇ応力が１２５０ＭＰａであった。

実施例１，２の静電容量型加速度センサは、梁部に梁の軸に平行な面で切断した少なくとも一断面において内側に湾曲する湾曲面が形成されているので、Ｇが加わったときに湾曲面で応力が分散して応力集中が緩和される。このため、実施例１，２の静電容量型加速度センサは、感度を維持しつつ耐衝撃性に優れていた。一方、比較例の静電容量型加速度センサは、梁部に湾曲面がなく、応力集中が起こり易いので耐衝撃性が悪いものであった。

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、本実施の形態においては、互いに対向する錘部の対辺に一対の梁部１２ｂを設けた場合について説明しているが、本発明においては、互いに対向する錘部の対辺に２対以上の梁部１２ｂを設けても良い。この場合においては、梁の軸に平行な面で切断した少なくとも一断面において内側に湾曲する湾曲面を有する構造を設けていれば良い。また、本実施の形態においては、ガラス基板とシリコン基板を用いた場合について説明しているが、本発明においては、ガラス基板やシリコン基板以外の基板を用いても良い。

また、本実施の形態においては、静電容量型物理量センサが静電容量型加速度センサである場合について説明しているが、本発明は、静電容量型角速度センサにも同様に適用することができる。また、センサにおける電極や各層の厚さや材質については本発明の効果を逸脱しない範囲で適宜設定することができる。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。

（ａ），（ｂ）は、本発明に係る静電容量型加速度センサの原理を説明するための図である。 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、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は可動電極の平面図である。 （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可動電極の一部を示す図である。 （ａ），（ｂ）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図である。

符号の説明

１１，１４ ガラス基板
１２ シリコン基板
１２ａ 錘部
１２ｂ 梁部
１２ｃ，１２ｄ 凹部
１２ｅ 開口部
１２ｆ 枠体
１３ａ，１３ｂ 固定電極
１５ キャビティ

Claims (4)

1. 固定電極を有する第１基板と、前記固定電極と対向して配置され、前記固定電極との間に測定対象の容量を形成する可動電極となる錘と、該錘の両端を支持する梁とからなる第２基板を具備し、力が加わることにより、前記錘が前記梁を軸として揺動することに伴う前記容量の変化により物理量を測定する静電容量型物理量センサであって、前記梁は、該梁の軸に平行な面で切断した少なくとも一断面において内側に湾曲する湾曲面を有することを特徴とする静電容量型物理量センサ。
2. 前記梁部は、軸に平行な面で切断した全ての断面において中央部に向って径が細くなる形状を有することを特徴とする請求項１記載の静電容量型物理量センサ。
3. 前記梁部は、前記湾曲面の平面視において、前記可動電極及び枠体との接続部において前記可動電極の外形が接線となる曲線を有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の静電容量型物理量センサ。
4. 前記曲線が円弧であることを特徴とする請求項３記載の静電容量型物理量センサ。

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