JP2009244070A - 物理量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 特に、センサ全体の大きさを大きくしなくても可動部の変位量を大きくでき検出感度を向上させることが可能な物理量センサを提供することを目的としている。
【解決手段】 可動部８０と固定部８１間が梁８２により連結されている。梁８２の可動側端部８２ａ及び固定側端部８２ｂには幅方向の両側に切欠き８３〜８６が形成されており、可動側端部８２ａ及び固定側端部８２ｂの幅寸法Ｔ２が中央部８２ｃの幅寸法Ｔ３よりも細くなっている。これにより可動側端部及び固定側端部のバネ定数を小さくでき、可動側端部及び固定側端部にヒンジ機能を持たせることが出来る。これにより従来に比べて、梁の可動側端部の変位量を大きくでき、全体の大きさを大きくせずに、可動部の変位量を大きくできる。よって従来に比べて、小型化で且つ検出感度を向上させることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（微小電気機械システム：Micro ElectroMechanical System）技術を用いて形成された加速度センサ等の物理量センサに関する。

ＳＯＩ基板を用いて形成された加速度センサは、支持基板の上方に位置するＳＯＩ層（活性層）に、加速度に伴う力（慣性力）を受けて変位する可動部、及び可動部の変位を測定するための検知部等が設けられる。

例えば下記特許文献に示すように可動部は、幅細で形成された梁（ビーム部）により支持されている。梁は可動側端部にて可動部側に連結され、その反対側が固定側端部となっている。従来における梁、可動部及び固定部の概念図を図４に示す。

図４（ａ）に示す符号１が可動部である。梁２の可動側端部２ａは可動部１に連結されており、固定側端部２ｂは、支持基板上に固定支持されるアンカ部等の固定部３と連結されている。

今、図４（ａ）に示すように支持基板の表面内にて矢印方向から加速度ａが作用すると、可動部１は矢印方向からの加速度ａに伴う力（慣性力）を受ける。このとき図４（ｂ）に示すように可動部１に連結されている梁２が矢印方向に撓み変形することで可動部１が矢印方向に変位する。

従来では、図４（ａ）に示すように梁２の幅Ｔ１は一定であり、梁２のばね定数はどの部位においても同じとなっていた。従来構成では、梁２の可動側端部２ａ付近及び固定側端部２ｂ付近は変形しづらく、可動側端部２ａと固定側端部２ｂの間に位置する長さの長い中央部２ｃの撓み変形が支配的であった。

このような従来構成では梁２の可動側端部２ａの変位量（図４（ａ）の位置から（ｂ）の位置に至るまでの移動量）を効果的に大きくできず、よって可動部１の変位量を大きくできず、検出感度を向上させることが出来なかった。

また例えば梁２の長さ寸法Ｌ１を長くすれば梁２を撓み変形しやすくできるが、加速度センサを小型化できないといった問題が発生した。

また従来構成では、図４（ｂ）の点線に示すように可動部１が斜めに傾いて変位する移動モードが発生し、可動部１が加速度ａ方向に平行移動しない場合があった。このような場合、高精度に加速度検出を行うことができなかった。例えば可動側と固定側とに夫々、櫛歯状電極を設け、静電容量変化にて加速度検出を行う検知部を設けている場合、可動部１に回転を伴う移動モードが生じると正確な静電容量変化を得ることができず、また可動側電極と固定側電極とが接触しやすくなり等、検出感度が低下しやすかった。
特開平８−７５７８１号公報 特開平７−２５４７１６号公報 特開２００５−９８８９１号公報 特開２００５−８３９７２号公報

そこで本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、センサ全体の大きさを大きくしなくても可動部の変位量を大きくでき検出感度を向上させることが可能な物理量センサを提供することを目的としている。

本発明における物理量センサは、支持基板と、前記支持基板の上方に位置する可動部と、可動側端部にて可動部側と連結し前記可動側端部と反対側が固定側端部である梁と、前記可動部の変位を検知するための検知部と、を有し、
前記梁の前記可動側端部及び前記固定側端部の幅が、前記可動側端部と前記固定側端部間の中央部の幅よりも細いことを特徴とするものである。

本発明では、可動側端部及び固定側端部のバネ定数を小さくでき、可動側端部及び固定側端部にヒンジ機能を持たせることが出来る。これにより従来に比べて、梁の可動側端部の変位量を大きくでき、全体の大きさを大きくせずに、可動部の変位量を大きくできる。よって従来に比べて、小型化で且つ検出感度を向上させることができる。

本発明では、前記可動側端部及び前記固定側端部には切欠きが形成されて、前記可動側端部及び前記固定側端部の幅が、前記可動側端部と前記固定側端部間の中央部の幅よりも細くなっていることが好ましい。これにより、可動側端部及び固定側端部のヒンジ機能を向上させることができる。

また本発明では、前記切欠きは、前記可動側端部及び前記固定側端部の幅方向の両側に形成されていることが好ましい。これにより可動部に反平行の２方向から物理量に基づく力が作用しても可動部を適切に変位させることができ、検出感度を向上させることができる。また、前記切欠きは、湾曲形状で形成されていることが好ましい。これにより、可動側端部及び固定側端部のヒンジ機能をより効果的に向上させることができる。

また本発明では、前記支持基板の表面内にて直交する２方向をＸ方向とＹ方向としたとき、前記梁は前記Ｘ方向から延びて可動部側に連結されており、前記可動側端部及び前記固定部側端部の変形により、前記可動部が前記Ｙ方向に平行移動し、前記可動部の前記Ｙ方向への変位量が前記検知部により検出されることが好ましい。このように本発明では、可動部を平行移動させることができ、検出感度を向上させることができる。

また本発明では、前記可動部の最外周面を囲んだ領域よりも内側に、前記支持基板上に固定支持されたアンカ部が設けられ、前記アンカ部から前記可動部の最外周面の外側に向けて腕部が配置されており、前記梁は、前記可動部と前記腕部との間に位置し前記固定側端部が前記腕部に連結されており、前記梁よりも前記可動部の内側に前記検知部が設けられていることが好ましい。これにより、より効果的に小型化で、しかもバランスよく可動部を支持でき検出精度が高い物理量センサを実現できる。

また本発明では、前記検知部は、交互に並設された櫛歯状の可動電極と固定電極とで構成され、前記可動電極は、前記可動部と一体化しており、前記固定電極は前記可動部から離れて前記支持基板上に固定支持されており、前記可動部の変位量は前記可動電極と固定電極間の静電容量変化に基づき検出されることが好ましい。これにより静電容量型の物理センサを構成できる。

本発明の物理量センサによれば、センサ全体の大きさを大きくしてなくても、可動部の変位量を大きくでき検出感度を向上させることが可能である。

図１は、本実施形態における加速度センサの平面図、図２は図１に示すＡ−Ａ線に沿って高さ方向から切断し矢印方向から見た加速度センサの部分断面図、図３は、本実施形態の可動部、固定部及び、可動部と固定部間を連結する梁を示し、加速度ａが作用したときに梁の両端部のヒンジ機能と可動部の変位を説明するための概念図、である。

加速度センサ１０は、図２に示すようにＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板１２を用いて形成される。ＳＯＩ基板１２は、シリコン基板で形成された支持基板１３と、シリコン基板で形成されたＳＯＩ層（活性層）１５と、支持基板１３とＳＯＩ層１５の間に位置する例えばＳｉＯ₂で形成された酸化絶縁層１４の積層構造である。

図１に示す素子部は、可動部（錘）１６と、可動部１６の変位量を検出するための検知部１７，１８、アンカ部２１〜２４、腕部２５，２６，３２〜３５、及び梁２７〜３０等で構成される。素子部は、ＳＯＩ層１５で形成され、可動部１６、検知部１７〜２０、梁２７〜３０等の下には図２に示す酸化絶縁層１４が形成されておらず支持基板１３上に浮いているがアンカ部２１〜２４は図２に示すように、支持基板１３上に酸化絶縁層１４を介して固定支持されている。

図１に示すように可動部１６には、左右方向（Ｘ１方向、Ｘ２方向）の最外側面１６ａ，１６ｂの幅中心の位置から可動部６の中心Ｏ方向に向けて窪む凹部１９が形成されている。

そして凹部１９の可動部６の中心Ｏ寄りの位置に第１アンカ部２１と第２アンカ部２３が設けられる。

第１アンカ部２１からはＸ２方向に延びる腕部２５が設けられる。一方、第２アンカ部２３からはＸ１方向に延びる腕部２６が設けられる。これら腕部２５，２６は、支持基板１３に酸化絶縁層１４を介して支持されていてもよいし、図２に示すように酸化絶縁層１４が除去されて支持基板１３上に浮いていてもよいが、腕部２５，２６は支持基板１３上から浮いているほうが、例えば支持基板１３が歪んだときにその歪みの影響を小さくでき好適である。

図１に示すように、腕部２５のアンカ部側端部との反対側端部からは、可動部１６の最外周面１６ａの外側であってＹ１方向及びＹ２方向に向けて腕部３２，３３が直線状に延びている。

また図１に示すように、腕部２６のアンカ部側端部との反対側端部からは、可動部１６の最外周面１６ｂの外側であってＹ１方向及びＹ２方向に向けて腕部３４，３５が直線状に延びている。腕部３２〜３５は、腕部２５，２６と同様に支持基板１３上に浮いていることが好適である。

図１に示すように腕部３２の端部３２ａと可動部１６との間に梁２７が設けられている。図１に示すように梁２７は全部で４本ある。各梁２７Ａ〜２７Ｄは、Ｘ１−Ｘ２方向に延びる直線状であり、各梁２７Ａ〜２７ＤがＹ１−Ｙ２方向に間隔を空けて並設されている。図１に示すように可動部１６には、各梁２７Ａ〜２７Ｄが可動部１６の内部に入り込むように最外周面１６ａからＸ１方向に凹む凹部４０が形成されており、この凹部４０内には可動部１６とは分離して形成された支持部４１が設けられている。支持部４１か可動部１６と同様に支持基板１３上に浮いている。図１に示すように各梁２７Ａ〜２７ＤのＸ１側端部はいずれも支持部４１と連結されている。一方、４本の梁２７Ａ〜２７ＤのうちＹ１側及びＹ２側に位置する梁２７Ａ，２７ＤのＸ２側端部は可動部１６と最外周面１６ａ側にて連結されており、中央の２本の梁２７Ｂ，２７ＣのＸ２側端部は腕部３２の端部３２ａに連結されている。なお図１に示すように他の梁２８〜３０も同じ形態で形成されている。

図１に示すように、可動部１６のＹ１−Ｙ２方向に向く最外周面１６ｃ，１６ｄの幅中心の位置から可動部１６の中心Ｏに向けて窪む凹部４５が形成されている。

この凹部４５には、可動部１６の中心Ｏ付近に検知部１７，１８を構成する固定電極５７，５８を設置するに必要な大きさの空間４６が設けられている。

図１に示すように、空間４６には、可動部１６の中心Ｏ側に第３アンカ部２２及び第４アンカ部２４が設置される。第３アンカ部２２からは、可動部１６に形成された空間４６内にて、Ｘ１方向、及びＸ２方向に延び、Ｙ１−Ｙ２方向に所定の間隔を空けて並設された櫛歯状の固定電極５７が形成されている。また図１に示すように、第４アンカ部２４からは、可動部１６に形成された空間４６内にて、Ｘ１方向及びＸ２方向に延び、Ｙ１−Ｙ２方向に所定の間隔を空けて並設された櫛歯状の固定電極５８が形成されている。

図１に示すように、空間４６内には、固定電極５７と交互に且つ間隔を空けて並設された可動電極５９が、可動部６と一体的に形成されている。また図１に示すように空間４６内には、固定電極５８と交互に且つ間隔を空けて並設された可動電極６０が、可動部１６と一体的に形成されている。

図１に示す固定電極５７と可動電極５９とで第１検知部１８が構成され、図１に示す固定電極５８と可動電極６０とで第２検知部１７が構成される。

図１に示す実施形態では、加速度がＹ１方向あるいはＹ２方向に生じたとき、可動部１６には、加速度に伴う力（慣性力）が加わることで、可動部１６が、各梁２７〜３０の可動側端部の変位に伴いＹ１方向あるいはＹ２方向に平行に変位する。このとき、各検知部１７，１８の可動電極５９，６０と固定電極５７，５８間の距離が変化することで、静電容量が変化し、静電容量変化に基づいて可動部６の変位量を検出できる。

図１の形態では、可動部１６に設けられた２組の可動電極５９，６０の各櫛歯に対して、一方の固定電極５７の各櫛歯の相対的な位置と、他方の固定電極５８の各櫛歯の相対的な位置とがＹ１−Ｙ２方向と平行な方向であって互いに異なる方向にずらして配置されている。そのため、可動部１６が変位したときに、検知部１７，１８の可動電極５９，６０と固定電極５７，５８との間の静電容量変化が異なり、その結果、差動検出により精度の高い変位検出を行うことができるとともに加速度の向きを検出できる。

本実施形態の加速度センサ１０は、図１に示すように、梁２７〜３０の両端部が切欠きにより幅細の形状となっている。図３を用いて本実施形態の特徴的構成について説明する。

図３（ａ）に示すように可動部８０と固定部８１との間には梁８２が設けられている。固定部８１は例えばアンカ部であり支持基板上に固定支持された部分である。図３（ａ）に示すように梁８２はＸ１−Ｘ２方向に直線状（あるいは帯状）に延びる細長形状である。図３（ａ）に示すように梁８２の可動側端部８２ａと固定側端部８２ｂの幅方向の両側には切欠き８３〜８６が形成されて、可動側端部８２ａと固定側端部８２ｂの幅寸法Ｔ２は、可動側端部８２ａと固定側端部８２ｂの間に位置する中央部８２ｃの幅寸法Ｔ３より細くなっている。なお中央部８２ｃの幅寸法Ｔ３は一定である。

図３に示すように切欠き８３〜８６は湾曲形状で形成されている。この切欠き８３〜８６は円形状にエッチングで除去された（抜かれた）部分である。よって切欠き８３〜８６の形状は円形状の一部分を成している。また切欠き８３〜８６の一部は可動部８０及び固定部８１にも形成されている。

今、図３（ａ）に示すようにＹ１方向から加速度ａが作用したとする。これにより可動部８０には加速度ａに伴う力（慣性力）がＹ１方向から加わる。

図３に示す本実施形態の梁８２は、その可動側端部８２ａ及び固定側端部８２ｂの幅寸法Ｔ２が中央部８２ｃの幅寸法Ｔ３より細くなっているため、可動側端部８２ａ及び固定側端部８２ｂのばね定数は中央部８２ｃのばね定数より小さくなっている。このため、可動側端部８２ａ及び固定側端部８２ｂはヒンジ機能を備え、図３（ｂ）のように容易に可動側端部８２ｂ及び固定側端部８２ｂの部分が変形して可動側端部８２ａが図３（ａ）の状態からＹ１方向に変位する。このように本実施形態では、梁８２の中央部８２ｃが撓み変形しなくても、可動側端部８２ａを容易にＹ１方向に変位させることができ、しかもこの変位量を容易に大きくすることができる。そして本実施形態では、可動側端部８２ｂ及び固定側端部８２ｂのヒンジ機能により梁８２全体の長さ寸法を短くできる。

図３（ｂ）に示すように可動部８０は、図３（ａ）の位置からＹ１方向に平行移動する。可動部８０にＹ１方向への力が加わると、固定側端部８２ｂはＹ１方向に変形するが、可動側端部８２ａはＹ２方向に変形することで可動部８０をＹ１方向に平行移動させることが出来る。可動部８０を平行移動させることが出来るため、図１に示すような櫛歯状電極を用いた検知部を構成したときに、適切に静電容量変化を得ることができ、また可動側電極と固定側電極とが接触するのを防止できる。

上記した可動側端部８２ａ及び固定側端部８２ｂのヒンジ機能を向上させるには、図３（ａ）に示すように、可動側端部８２ａ及び固定側端部８２ｂに切欠き８３〜８６を形成して、可動側端部８２ａ及び固定側端部８２ｂの幅寸法Ｔ２を中央部８２ｃの幅寸法Ｔ３より細くする。特に切欠き８３〜８６を湾曲状とすることで、可動側端部８２ａ及び固定側端部８２ｂが変形したときの応力（ストレス）を分散でき、特定箇所に過度に応力が作用するのを防止できる。

また図３に示すように可動側端部８２ａ及び固定側端部８２ｂの幅方向の両側に切欠き８３〜８６を形成することで、加速度ａが図３（ａ）のＹ１方向のみならずＹ２方向から作用しても適切に可動側端部８２ａ及び固定側端部８２ｂにヒンジ機能を持たせ、可動部８０をＹ２方向に平行に変位させることが可能である。

以上のように本実施形態では、梁８２の可動側端部８２ａ及び固定側端部８２ｂの幅寸法Ｔ２を、中央部８２ｃの幅寸法Ｔ３よりも細くしたことで、可動側端部８２ａ及び固定側端部８２ｂのバネ定数を小さくでき、可動側端部８２ａ及び固定側端部８２ｂにヒンジ機能を持たせることが出来る。これにより従来に比べて、梁８２の可動側端部８２ａの変位量を大きくでき（図３（ａ）の位置から図３（ｂ）の位置までにおける可動側端部８２ａの移動量）、全体の大きさを大きくせずに、可動部８０の変位量を大きくできる。

図３に示す梁８２の構成は図１に示す各梁２７〜３０に適用されており、各梁２７〜３０の両端部がいずれもヒンジ機能を備えている。梁２７で説明すると、Ｙ１−Ｙ２方向に並設された梁２７Ａ〜２７Ｄのうち中央の２本の梁２７Ｂ，２７Ｃが可動部１６と共に可動する支持部４１と固定側である腕部３２ａ間に連結されており、梁２７Ｂ，２７Ｃの可動側端部２７ａと固定側端部２７ｂに図３（ａ）と同様の切欠きが形成されている。また、支持体４１と可動部１６間を連結するＹ１側及びＹ２側の梁２７Ａ，２７Ｄの両端部には夫々１つずつ切欠きが形成されている。図１では例えばＹ１方向に加速度ａが作用すると、各梁２７〜３０のうち主にＹ１−Ｙ２方向に並設された中央２本の各梁２７〜３０の可動側端部及び固定側端部がヒンジとして機能して可動部１６をＹ１方向に変位させる。Ｙ１側及びＹ２側に位置する各梁２７〜３０は、可動部１６の変位量をさらに大きくするためのサポート的な作用している。

以上により、従来に比べて可動部１６の変位量を大きくできるため、検知部１７，１８での静電容量変化を大きくでき、従来に比べて、小型化で且つ検出感度を向上させることができる。

また、図１に示すように、可動部１６の最外周面１６ａ〜１６ｄを囲んだ領域よりも内側に、支持基板１３上に固定支持されたアンカ部２１〜２４が設けられている。またアンカ部２１，２３から可動部１６の最外周面１６ａ，１６ｂの外側に向けて腕部３２〜３５が配置されている。そして、腕部３２〜３５と可動部１６との間であって可動部１６の外側から可動部１６側に連結する梁２７〜３０が設けられている。また、梁２７〜３０よりも可動部１６の内側に検知部１７，１８が設けられている。このような構成とすることで、加速度センサ１０を、より効果的に小型化でき、しかもバランスよく可動部１６を支持でき検出精度が高い加速度センサ１０を実現できる。

図１では可動部１６を可動部１６の中心Ｏから点対称位置の４箇所で、梁２７〜３０を介して固定側に支持しているが、これにより可動部１６を安定して支持できる。

梁２７〜３０の形態は図１に示すものに限定されない。例えば各梁２７〜３０は１本ずつ設けられて可動部１６と固定部（腕部）間とを連結していてもよいが、複数本ずつ設けたほうが、安定した支持構成にできて好適である。また図１では可動部１６と共に可動する支持部４１を設け、この支持部４１に梁の一端部を連結させていたが、支持部４１を設けず梁の一端部（可動側端部）を直接、可動部１６に連結されてもよい。ただし図１に示す梁２７〜３０のバネ構造により可動部１６の面内回転動作を抑えることができ、また可動部１６の変位を大きくでき好適である。

本実施形態は加速度センサのみならず角速度センサ等にも適用可能である。

本実施形態における加速度センサの平面図、 図１に示すＡ−Ａ線に沿って高さ方向から切断し矢印方向から見た加速度センサの部分断面図、 本実施形態の可動部、固定部及び、可動部と固定部間を連結する梁を示し、加速度ａが作用したときに梁の両端部のヒンジ機能と可動部の変位を説明するための概念図、 従来の可動部、固定部及び、可動部と固定部間を連結する梁を示し、従来における動作原理の概念図、

符号の説明

１０ 加速度センサ
１２ ＳＯＩ基板
１３ 支持基板
１４ 酸化絶縁層
１５ ＳＯＩ層（活性層）
１６、８０ 可動部
１７、１８ 検知部
２１〜２４ アンカ部
２５，２６，３２〜３５ 腕部
２７〜３０、８２ 梁
２７ａ、８２ａ （梁の）可動側端部
２７ｂ、８２ｂ （梁の）固定側端部
５７、５８ 固定電極
５９、６０ 可動電極
８１ 固定部
８３〜８６ 切欠き

Claims (7)

1. 支持基板と、前記支持基板の上方に位置する可動部と、可動側端部にて可動部側と連結し前記可動側端部と反対側が固定側端部である梁と、前記可動部の変位を検知するための検知部と、を有し、
   前記梁の前記可動側端部及び前記固定側端部の幅が、前記可動側端部と前記固定側端部間の中央部の幅よりも細いことを特徴とする物理量センサ。
2. 前記可動側端部及び前記固定側端部には切欠きが形成されて、前記可動側端部及び前記固定側端部の幅が、前記可動側端部と前記固定側端部間の中央部の幅よりも細くなっている請求項１記載の物理量センサ。
3. 前記切欠きは、前記可動側端部及び前記固定側端部の幅方向の両側に形成されている請求項２記載の物理量センサ。
4. 前記切欠きは、湾曲形状で形成されている請求項２又は３に記載の物理量センサ。
5. 前記支持基板の表面内にて直交する２方向をＸ方向とＹ方向としたとき、前記梁は前記Ｘ方向から延びて可動部側に連結されており、前記可動側端部及び前記固定部側端部の変形により、前記可動部が前記Ｙ方向に平行移動し、前記可動部の前記Ｙ方向への変位量が前記検知部により検出される請求項１ないし４のいずれかに記載の物理量センサ。
6. 前記可動部の最外周面を囲んだ領域よりも内側に、前記支持基板上に固定支持されたアンカ部が設けられ、前記アンカ部から前記可動部の最外周面の外側に向けて腕部が配置されており、前記梁は、前記可動部と前記腕部との間に位置し前記固定側端部が前記腕部に連結されており、前記梁よりも前記可動部の内側に前記検知部が設けられている請求項１ないし５のいずれかに記載の物理量センサ。
7. 前記検知部は、交互に並設された櫛歯状の可動電極と固定電極とで構成され、前記可動電極は、前記可動部と一体化しており、前記固定電極は前記可動部から離れて前記支持基板上に固定支持されており、前記可動部の変位量は前記可動電極と固定電極間の静電容量変化に基づき検出される請求項１ないし６のいずれかに記載の物理量センサ。

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