JP2008275384A - 傾斜角センサ装置、及び傾斜角センサ装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性を向上することが可能な傾斜角センサ装置、及び傾斜角センサ装置の製造方法を提供すること。
【解決手段】傾斜角センサ装置１は、上面に共通電極２２を有する下部電極層２と、下面に対向電極３２，３３を有する上部電極層３とにより、スリット４１を有するスペーサ４が挟み込まれた三層構造をなしている。そして、下部電極層２と上部電極層３とにより閉塞されたスリット４１をキャビティ５として、そこにはその容積の一部を占めるように静電容量媒体６が注入され、これにより共通電極２２及び対向電極３２，３３が静電容量媒体６に浸漬されている。そして、スペーサ４（エポキシ樹脂）の上面と上部電極層３の接合面部３４（銅）の下面とは、接着剤が用いられることなく直接接合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、傾斜角度を検出する傾斜角センサ装置、及び傾斜角センサ装置の製造方法に関する。

特許文献１には、いわゆるＭＥＭＳ技術を用いることによって、それまでの傾斜角センサ装置と比較して体積が数十分の一〜数百分の一以下という超小型化が実現された静電容量式の傾斜角センサ装置が開示されている。

こうした傾斜角センサ装置の基本構造について説明すると、図１に示すように、傾斜角センサ装置１は、下部電極層２と上部電極層３とによりスペーサ４が挟み込まれた三層構造をなしている。

下部電極層２は、シリコンよりなる下側基板２１、その下側基板２１の上面全体に配置された共通電極２２を備えている。尚、共通電極２２は銅よりなる。
上部電極層３は、ガラスエポキシ樹脂よりなる上側基板３１、その上側基板３１の下面中央部に離間配置されるとともに、それぞれ半割状をなす一対の対向電極３２，３３、それら対向電極３２，３３を取り囲むように配置された接合面部３４を備えている。尚、対向電極３２，３３及び接合面部３４はいずれも銅よりなる。

エポキシ樹脂よりなるスペーサ４の中央部には、スリット４１が形成されている。
そして、スリット４１の下側開口部が下部電極層２の上面により閉塞されるとともに、スリット４１の上側開口部が上部電極層３の下面により閉塞され、これにより傾斜角センサ装置１にはキャビティ５が形成されている。そして、このキャビティ５には、絶縁体よりなる液状の基剤に高い誘電率を有する微粒子が混入された静電容量媒体６が、キャビティ５の容積の約半分を占めるように注入されている。尚、静電容量媒体６が外部に漏れ出ないように、上部電極層３には、エポキシ樹脂よりなる封止剤が施されている。

そして、このようにして共通電極２２及び対向電極３２，３３が静電容量媒体６に浸漬されると、共通電極２２と対向電極３２との間に静電容量媒体６が挟まれてなる第１のコンデンサが構成されるとともに、共通電極２２と対向電極３３との間に静電容量媒体６が挟まれてなる第２のコンデンサが構成される。

次いで、こうした傾斜角センサ装置１の作用について説明すると、図２に示すように、傾斜角センサ装置１が水平状態に置かれているとき、第１のコンデンサの静電容量と第２のコンデンサの静電容量とが同一となる。一方、図３に示すように、傾斜角センサ装置１が傾斜状態に置かれているとき、第１のコンデンサの静電容量と第２のコンデンサの静電容量との間に差が生じる。そして、傾斜角センサ装置１は、このような静電容量の差を指標として傾斜角度を検出できるようになっている。
特開２００５−１５６５３２号公報

こうした傾斜角センサ装置１を製造する場合、接着剤を用いてスペーサ４の上面に上部電極層３を接合することが考えられる。ここで注意すべきは、接着剤の量が多過ぎると、それが接合面から漏れ出てキャビティ５の一部を埋めてしまう虞があるとともに、そうしたことを回避しようとする余り、逆に接着剤の量を減らし過ぎると、今度はスペーサ４と上部電極層３との間に隙間ができてしまい、そこから静電容量媒体６が漏れ出す虞が出てくる。

いずれにしろ、各コンデンサの静電容量に影響が及ぶことから、接着剤の使用量の管理も含めて、信頼性の観点から改良の余地があった。
本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、その目的は、信頼性を向上することが可能な傾斜角センサ装置、及び傾斜角センサ装置の製造方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、上面に第１の電極を有する下部電極層と、下面に第２の電極を有する上部電極層とにより、スリットを有するスペーサが挟み込まれた三層構造をなし、前記下部電極層と前記上部電極層とにより閉塞された前記スリットをキャビティとして、そこにはその容積の一部を占めるように静電容量媒体が注入され、これにより前記第１の電極及び前記第２の電極が前記静電容量媒体に浸漬されて、前記第１の電極と前記第２の電極との間に静電容量媒体が挟まれてなるコンデンサが構成され、当該傾斜角センサ装置が水平状態に置かれているときと当該傾斜角センサ装置が傾斜状態に置かれているときとで前記コンデンサの静電容量に変化が生じ、前記コンデンサの静電容量を指標として傾斜角度を検出する傾斜角センサ装置において、前記スペーサと前記上部電極層とが直接接合されていることをその要旨としている。

同構成によると、接着剤が用いられることなくスペーサと上部電極層とが直接接合されていることから、接着剤の多少がコンデンサの静電容量に影響を及ぼしてしまうといった心配をしなくてもよい。従って、信頼性を向上することができる。

請求項２に記載の発明は、上面に第１の電極を有する下部電極層と、下面に第２の電極を有する上部電極層とにより、スリットを有するスペーサが挟み込まれた三層構造をなし、前記下部電極層と前記上部電極層とにより閉塞された前記スリットをキャビティとして、そこにはその容積の一部を占めるように静電容量媒体が注入され、これにより前記第１の電極及び前記第２の電極が前記静電容量媒体に浸漬されて、前記第１の電極と前記第２の電極との間に静電容量媒体が挟まれてなるコンデンサが構成され、当該傾斜角センサ装置が水平状態に置かれているときと当該傾斜角センサ装置が傾斜状態に置かれているときとで前記コンデンサの静電容量に変化が生じ、前記コンデンサの静電容量を指標として傾斜角度を検出する傾斜角センサ装置の製造方法において、前記下部電極層の上面に前記スペーサを形成するスペーサ形成工程と、前記スペーサの上面に前記上部電極層を接合する接合工程と、前記キャビティ内に前記静電容量媒体を注入する媒体注入工程とを備え、前記接合工程では、前記スペーサと前記上部電極層とが直接接合されることをその要旨としている。

同構成によると、接着剤が用いられることなくスペーサと上部電極層とが直接接合されることから、接着剤の多少がコンデンサの静電容量に影響を及ぼしてしまうといった心配をしなくてもよい。従って、信頼性を向上することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の傾斜角センサ装置の製造方法において、前記接合工程では、親水化処理が施された前記スペーサの上面と、酸化膜が除去された前記上部電極層の下面とを密着させて加圧しながら前記スペーサの軟化点温度よりも低い温度で加熱することをその要旨としている。

同構成によると、加熱時の温度はスペーサの軟化点温度よりも低いので、スペーサが熱により変形することが防止される。従って、キャビティが設計通りの形状となり、よって信頼性を向上することができる。

本発明は、以上のように構成されているため、次のような効果を奏する。
本発明によれば、信頼性を向上することができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態について説明する。尚、本実施形態の傾斜角センサ装置は、その基本構造が図１に示される傾斜角センサ装置１のそれと同様であるとともに、その作用が図２及び図３に示される傾斜角センサ装置１のそれと同様であるため、ここではこれらの説明を割愛する。

早速、本実施形態の傾斜角センサ装置１の製造方法について説明する。
図４（ａ）に示されるスペーサ形成工程では、紫外線リソグラフィにより下部電極層２の上面にスペーサ４が形成される。即ち、共通電極２２の上面を溶融状態のエポキシ樹脂で覆うとともに、後にスリット４１となる部分にマスクをかけ、その上方から紫外線を照射する。すると、スリットの形成に用いているエポキシ樹脂は紫外線硬化樹脂であることから、マスクがかけられていない部分のみに紫外線が当たることとなり、よってその部分のみが硬化するとともに、それ以外の部分はエポキシ樹脂が取り除かれて、そこにスリット４１が形成されることとなる。尚、図４（ａ）では、スリット４１の細かな形状が省略されている。

次いで、図４（ｂ）に示される接合工程では、スペーサ４の上面に上部電極層３が接合される。尚、この接合工程こそが本実施形態の特徴点であり、これの詳細については後述する。そして、この接合工程によりスペーサ４の上面に上部電極層３が接合されると、内部にキャビティ５が形成されることになる。

次いで、図４（ｃ）に示される媒体注入工程では、キャビティ５内に静電容量媒体６が注入される。
次いで、図４（ｄ）に示される封止工程では、上部電極層３において静電容量媒体６の注入口及び空気の抜き穴が封止剤７で塞がれる。

その結果、図１に示される傾斜角センサ装置１が得られる。
次に、図４（ｂ）に示される接合工程の詳細について説明する。
接合工程では、図５（ａ）に示すように、まず真空プラズマ中に水蒸気を混入し、それをイオン化させてスペーサ４の上面に照射する。すると、スペーサ４（エポキシ樹脂）の上面に水酸基が形成されてそこが親水化される。

一方、酸化膜除去剤を用いて上部電極層３の下面（特に接合面部３４）の酸化膜を除去する。すると、接合面部３４の形成材料として用いられている銅は非常に酸化力が強いことから、空気中の水蒸気と結合し易く、よって接合面部３４の下面（後にスペーサ４に対する接合面となる）に水酸基が形成されるものと考えられる。

次いで、図５（ｂ）に示すように、一方で親水化処理が施されたスペーサ４の上面と、他方で酸化膜が除去された上部電極層３の下面（接合面部３４）とを密着させる。そして、さらに加圧することで密着度合が高まると、スペーサ４の上面の水酸基と上部電極層３の下面（接合面部３４）の水酸基との間において水素結合が行われる。そして、この状態で今度はスペーサ４（エポキシ樹脂）の軟化点温度よりも低い摂氏１００度、高くても摂氏１５０度未満の温度による低温加熱を行う。すると、上部電極層３の下面（接合面部３４）、つまり銅に向かって水素拡散が起こり、これにより各水酸基の酸素原子は水素原子を失うとともに、これに代わって相手の酸素原子と結合されるものと考えられる。つまり、加圧しながら加熱することで、酸素の共有結合が促進されるものと考えられる。

その結果、接着剤を用いることなくスペーサ４と上部電極層３とが、水素結合による結合力よりも強い結合力を誇る酸素の共有結合により直接接合されて接合工程が完了する。
以上、詳述したように本実施形態によれば、次のような作用、効果を得ることができる。

（１）傾斜角センサ装置１は、接着剤が用いられることなくスペーサ４と上部電極層３とが直接接合されていることから、接着剤の多少が各コンデンサの静電容量に影響を及ぼしてしまうといった心配をしなくてもよい。従って、信頼性を向上することができる。

（２）スペーサ４と上部電極層３とを直接接合するに際して、加熱時の温度はスペーサ４（エポキシ樹脂）の軟化点温度よりも低いので、スペーサ４が熱により変形することが防止される。従って、キャビティ５が設計通りの形状となり、よって信頼性を向上することができる。

（３）接着剤を用いることなく２つの材料（本実施形態ではエポキシ樹脂と銅）を接合することができる。
（４）接着剤がキャビティ５の一部を埋めてしまったり、スペーサ４と上部電極層３との隙間から静電容量媒体６が漏れ出したりすることがないので、傾斜角度に対する傾斜角センサ装置１の出力特性において、その直線性が改善される。つまり、キャビティ５の容積と静電容量媒体６の注入量とによって決まる直線（理論値）に近付けることができる。要するに、傾斜角センサ装置１毎のバラツキを抑制できる。

尚、本出願人による実験では、接着剤を用いた場合には、理論値に対して１６％程度ばらついていたものが、今回の直接接合によると、理論値に対して３％程度のバラツキまで改善されたことが確認された。

（５）水素結合による直接接合から一歩踏み込んで、加熱を施すことにより酸素の共有結合による直接接合が生じるものと推測され、これは結合力が増すことに他ならず、よって静電容量媒体６を完全に封止できる。

（６）傾斜角センサ装置１は、電極の直径が約４ｍｍ、電極間の距離が約４０μｍと極めて小さなものであり、キャビティ５の容積や静電容量媒体６の量が少しでも設計値から異なると、各コンデンサの静電容量に大きな変化をもたらす。従って、可能な限りこうした変化がもたらされないようにするための策として、今回のような直接接合技術を用いることには大きな意義がある。

尚、前記実施形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
・エポキシ樹脂に代えてポリイミド樹脂によりスペーサ４を構成し、それと上部電極層３の接合面部３４（銅）とが直接接合された傾斜角センサ装置１に具体化してもよい。尚、本出願人は、こうした２つの材料を接着剤無しで直接接合できることを確認した。

・今回の技術を用いて直接接合できる２つの材料は、異種材料（例えば、エポキシ樹脂と銅）に限定されず、同種の材料（例えば、エポキシ樹脂同士或いは銅のような金属同士）であってもよいと考えられる。

・２つの材料を直接接合する場合、それらのうち軟化点温度が低い方の材料が熱により変形しないように、加熱時の温度を該低い方の材料の軟化点温度よりも低い温度に設定すればよい。つまり、材料に応じて加熱時の温度を設定すればよい。別の言い方をすると、スペーサ４の構造を維持できる温度による加熱を行えばよい。

・銅のように酸化力が強い材料は、酸化膜を除去することで空気中の水蒸気と結合し易いので、表面にいわば自然に水酸基が形成されるものと考えられる。従って、こうした材料が今回の直接接合に適していると考えられる。

・エポキシ樹脂のように酸化力が弱い材料については、プラズマ処理を施すことで、表面にいわば強制的に水酸基を形成してやれば、今回の直接接合に適した材料とすることができる。

傾斜角センサ装置の基本構造を示す断面図及び分解斜視図。 水平状態に置かれている傾斜角センサ装置を示す斜視図。 傾斜状態に置かれている傾斜角センサ装置を示す斜視図。 傾斜角センサ装置の製造方法を示す断面図であって、（ａ）はスペーサ形成工程を示す断面図、（ｂ）は接合工程を示す断面図、（ｃ）は媒体注入工程を示す断面図、（ｄ）は封止工程を示す断面図。 接合工程の詳細を示す説明図であって、（ａ）は親水化処理を示す説明図、（ｂ）は接合処理を示す説明図。

符号の説明

１…傾斜角センサ装置、２…下部電極層、３…上部電極層、４…スペーサ、５…キャビティ、６…静電容量媒体、２２…共通電極（第１の電極）、３２，３３…対向電極（第２の電極）、４１…スリット。

Claims (3)

1. 上面に第１の電極を有する下部電極層と、下面に第２の電極を有する上部電極層とにより、スリットを有するスペーサが挟み込まれた三層構造をなし、前記下部電極層と前記上部電極層とにより閉塞された前記スリットをキャビティとして、そこにはその容積の一部を占めるように静電容量媒体が注入され、これにより前記第１の電極及び前記第２の電極が前記静電容量媒体に浸漬されて、前記第１の電極と前記第２の電極との間に静電容量媒体が挟まれてなるコンデンサが構成され、当該傾斜角センサ装置が水平状態に置かれているときと当該傾斜角センサ装置が傾斜状態に置かれているときとで前記コンデンサの静電容量に変化が生じ、前記コンデンサの静電容量を指標として傾斜角度を検出する傾斜角センサ装置において、
   前記スペーサと前記上部電極層とが直接接合されていることを特徴とする傾斜角センサ装置。
2. 上面に第１の電極を有する下部電極層と、下面に第２の電極を有する上部電極層とにより、スリットを有するスペーサが挟み込まれた三層構造をなし、前記下部電極層と前記上部電極層とにより閉塞された前記スリットをキャビティとして、そこにはその容積の一部を占めるように静電容量媒体が注入され、これにより前記第１の電極及び前記第２の電極が前記静電容量媒体に浸漬されて、前記第１の電極と前記第２の電極との間に静電容量媒体が挟まれてなるコンデンサが構成され、当該傾斜角センサ装置が水平状態に置かれているときと当該傾斜角センサ装置が傾斜状態に置かれているときとで前記コンデンサの静電容量に変化が生じ、前記コンデンサの静電容量を指標として傾斜角度を検出する傾斜角センサ装置の製造方法において、
   前記下部電極層の上面に前記スペーサを形成するスペーサ形成工程と、
   前記スペーサの上面に前記上部電極層を接合する接合工程と、
   前記キャビティ内に前記静電容量媒体を注入する媒体注入工程とを備え、
   前記接合工程では、前記スペーサと前記上部電極層とが直接接合されることを特徴とする傾斜角センサ装置の製造方法。
3. 請求項２に記載の傾斜角センサ装置の製造方法において、
   前記接合工程では、親水化処理が施された前記スペーサの上面と、酸化膜が除去された前記上部電極層の下面とを密着させて加圧しながら前記スペーサの軟化点温度よりも低い温度で加熱することを特徴とする傾斜角センサ装置の製造方法。

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