JP2010066231A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】高い周波数を有する大きな加速度が加わった際に生じるセンサ信号のゼロ点シフトを安定的に抑制することができる加速度センサを提供する。
【解決手段】検出フレーム５は、基板１に支持され、かつ第１の部分Ｐ１を有する。第１の部分Ｐ１は、主面ＭＳの面外方向の加速度がゼロの際に第１の寸法Ｄ１の空隙３１を介して主面ＭＳに対向し、かつ主面ＭＳの面外方向の加速度に対応して主面ＭＳの面外方向に変位するように構成されている。シリコンキャップ２０ａは、基板１に固定され、かつ主面ＭＳとの間に第１の部分Ｐ１を挟み、かつ主面ＭＳの面外方向の加速度がゼロの際に第２の寸法Ｄ２の空隙３２を介して第１の部分Ｐ１に対向し、かつシリコンからなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、加速度センサに関するものである。

従来から自動車のエアバッグシステムなどに加速度センサが用いられている。
特許第３９４１６９４号公報（特許文献１）によれば、加速度センサは、第１および第２の固定電極と、可動電極と、質量体と、連結部とを有する。第１および第２の固定電極は基板上に形成されている。可動電極は、この第１および第２の固定電極上に対向して設けられ、第１の弾性支持体によって基板に弾性支持され揺動可能である。質量体は、第２の弾性支持体によって基板に弾性支持され、基板に対して垂直方向の加速度に応答して移動可能である。連結部は、可動電極と質量体とを可動電極の揺動軸と所定距離だけ離れた位置で連結する。第１の固定電極と可動電極とにより形成される第１の静電容量と、第２の固定電極と可動電極とにより形成される第２の静電容量との変化に基づき、加速度が測定される。また加速度センサの動作チェックを行なうために、基板上に質量体と対向する自己診断電極が設けられる。

また特開２００３−２４０７９７号公報（特許文献２）によれば、加速度センサの信号処理チップは、容量−電圧変換回路と、ローパスフィルタとを有する。加速度センサの固定電極と可動電極との間の静電容量は、容量−電圧変換回路によって電圧信号に変換される。この電圧信号は、ローパスフィルタを経て出力される。

また特開２００５−１７２５４３号公報（特許文献３）によれば、加速度センサは、基板と、センサ素子と、接合枠と、キャップとを有する。キャップは、基板上に形成されている接合枠と接合されている。これにより質量体の密閉された可動空間が確保される。またキャップはガラスで形成されており、接合枠と陽極接合によって接合されている。またキャップがセンサ素子の上面を所定の間隔を隔てて覆うように、キャップには掘れ込み部が形成されている。
特許第３９４１６９４号公報（第１図〜第７図） 特開２００３−２４０７９７号公報（第５図） 特開２００５−１７２５４３号公報（第２図および第３図）

加速度センサは、通常、所定の範囲の周波数と、所定の範囲の大きさとを有する加速度を測定対象とする。すなわち加速度センサは、所定の検出周波数範囲と所定の検出レンジとを有する。たとえば自動車のエアバッグシステムに用いられる加速度センサは、通常、０〜数百Ｈｚの検出周波数範囲と、０〜±数千ｍ／ｓ²の測定レンジとを有する。

加速度が検出周波数範囲を超える高周波成分を有する場合、この成分が測定レンジ内であれば、この成分に対応するセンサ信号をローパスフィルタによって除去することができる。たとえば、測定レンジ内の大きさと、検出周波数範囲を超える数ｋＨｚの周波数とを有する正弦波加速度が加速度センサに加わった場合、ローパスフィルタを通過したセンサ信号はゼロとなる。

しかしこの高周波成分が、たとえば数万ｍ／ｓ²程度を超えた場合、すなわち測定レンジを遥かに超えた場合、ローパスフィルタを通過したセンサ信号がゼロ点シフトを受けることがあるという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、高い周波数を有する大きな加速度が加わった際に生じるセンサ信号のゼロ点シフトを安定的に抑制することができる加速度センサを提供することである。

本発明の加速度センサは、主面を有する基板と、検出フレームと、キャップとを有する。検出フレームは、基板に支持され、かつ第１の部分を有する。第１の部分は、主面の面外方向の加速度がゼロの際に第１の寸法の空隙を介して主面に対向し、かつ主面の面外方向の加速度に対応して主面の面外方向に変位するように構成されている。キャップは、基板に固定され、かつ主面との間に第１の部分を挟み、かつ主面の面外方向の加速度がゼロの際に第２の寸法の空隙を介して第１の部分に対向し、かつシリコンからなる。

本発明の加速度センサによれば、キャップは精密加工に適した材質であるシリコンからなるので、加工されたキャップの形状ばらつきが抑制される。よって、キャップと、高周波振動する第１の部分との間の空隙における圧力の上昇が安定化される。よってキャップと第１の部分との間で安定したダンピング特性が得られる。このダンピング特性が、基板と第１の部分との間でのダンピング特性にそろえられることで、第１の部分の振動の中心のシフトに起因する、センサ信号のゼロ点シフトを安定的に抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における加速度センサの下部構造を概略的に示す平面図である。図２は、図１の線ＩＩ−ＩＩに沿う、加速度センサの概略断面図である。図３は、図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿う概略断面図である。

図１〜図３を参照して、本実施の形態の加速度センサＡＣ１は、下部構造ＢＡ１と、上部構造ＴＡ１とが一体となって形成されている。下部構造ＢＡ１は、主面ＭＳを有する基板１と、慣性質量体２と、リンク梁３と、支持梁４と、検出フレーム５と、捩れ梁６と、複数の下層配線層１０と、複数のボンディングパッド１３と、絶縁膜１５と、アンカー７１〜７３と、第１の基板電極８１と、第２の基板電極８２と、第１のアクチュエーション電極９１と、枠１１からなる接合枠ＪＦ１とを有する。上部構造ＴＡ１は、絶縁膜１６〜１８と、貫通穴埋込配線１９と、シリコンキャップ２０ａと、第１のキャップ電極８３と、第２のキャップ電極８４と、第２のアクチュエーション電極９２と、複数のキャップ配線４４とを有する。

基板１は、好ましくはシリコンからなり、より好ましくは単結晶シリコンからなる。アンカー７１〜７３は、基板１上に配置されている。アンカー７１は捩れ梁６の一端を支持している。またアンカー７２および７３の各々は、支持梁４の一端を支持している。アンカー７１〜７３の各々と基板１とは絶縁膜１５により電気的に絶縁されている。絶縁膜１５はシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜である。

慣性質量体２は、主面ＭＳの面外方向の加速度により生じる慣性力に対応して主面ＭＳの面外方向に変位することができるように、支持梁４を介して基板１に支持されている。また慣性質量体２の材質は導電性のポリシリコンである。

検出フレーム５は第１の部分Ｐ１と第２の部分Ｐ２とを有する。また検出フレーム５の第１の部分Ｐ１と第２の部分Ｐ２との間の位置に捩れ梁６が繋がれることで、検出フレーム５は捩れ梁６を介して基板１に支持されている。これにより、第１の部分Ｐ１は、主面ＭＳの面外方向に変位するように回転変位することができ、また第２の部分Ｐ２は、第１の部分Ｐ１が変位する方向と逆方向に変位することができる。また第１の部分Ｐ１はリンク梁３によって慣性質量体２と連結されている。この構成により第１の部分Ｐ１は慣性質量体２の変位と連動して変位することができる。すなわち検出フレーム５は、主面ＭＳの面外方向の加速度に対応して主面ＭＳの面外方向に変位するように構成されている。

また検出フレーム５は主面ＭＳの面外方向の加速度がゼロの際に第１の寸法Ｄ１の空隙３１を介して主面ＭＳに対向している。すなわち第１の部分Ｐ１および第２の部分Ｐ２の各々は、主面ＭＳの面外方向の加速度がゼロの際に第１の寸法Ｄ１の空隙３１を介して主面ＭＳに対向している。また検出フレーム５の材質は導電性のポリシリコンである。また慣性質量体２も主面ＭＳの面外方向の加速度がゼロの際に第１の寸法Ｄ１の空隙３１を介して主面ＭＳに対向している。

接合枠ＪＦ１は、枠１１からなり、基板１上において検出フレーム５を囲んでいる。枠１１の材質は、導電性のポリシリコン、すなわち検出フレーム５と同一の材質からなる。

シリコンキャップ２０ａは、直接接合法により接合枠ＪＦ１に接合されている。ここで直接接合法とは、接合面をイオンビーム照射、プラズマ照射などにより清浄化した後に、室温または加熱された接合面を重ね合わせることで接合する手法である。これによりシリコンキャップ２０ａは、接合枠ＪＦ１を介して基板１に固定され、慣性質量体２、リンク梁３、支持梁４、検出フレーム５、および捩れ梁６からなる可動構造体を基板１との間に封止している。

またシリコンキャップ２０ａは、主面ＭＳとの間に第１の部分Ｐ１を挟み、かつ主面ＭＳの面外方向の加速度がゼロの際に第２の寸法Ｄ２の空隙３２を介して第１の部分Ｐ１に対向している。なお、第１の寸法Ｄ１および第２の寸法Ｄ２の各々は、主面ＭＳの面外方向の加速度がゼロの際に、一の設計寸法に対して製造誤差の範囲内の差異を有する。すなわち第１の寸法Ｄ１および第２の寸法Ｄ２は、製造誤差の範囲内で、互いに同一である。換言すれば、第１の寸法Ｄ１および第２の寸法Ｄ２は一の設計寸法に対して略同一の寸法となる。

またシリコンキャップ２０ａは、シリコンからなり、好ましくは単結晶シリコンからなる。またシリコンキャップ２０ａは、検出フレーム５に面する深さＨ１の凹部を有する。

第１のキャップ電極８３および第２のキャップ電極８４のそれぞれは、シリコンキャップ２０ａの上記の凹部上の、第１の部分Ｐ１および第２の部分Ｐ２と対向する領域上に、絶縁膜１６を介して配置されている。第２のアクチュエーション電極９２（自己診断用電極）は、シリコンキャップ２０ａの上記の凹部上の、慣性質量体２と対向する領域上に、絶縁膜１６を介して配置されている。第１のキャップ電極８３、第２のキャップ電極８４、および第２のアクチュエーション電極９２の材質は導電性のポリシリコンである。

複数のキャップ配線４４は、シリコンキャップ２０ａの外面上に絶縁膜１８を介して配置されている。複数のキャップ配線４４のそれぞれは、シリコンキャップ２０ａを貫通する貫通穴埋込配線１９を介して、第１のキャップ電極８３、第２のキャップ電極８４、および第２のアクチュエーション電極９２に電気的に接続されている。貫通穴埋込配線１９とシリコンキャップ２０ａとの間は絶縁膜１７によって電気的に絶縁されている。

第１の基板電極８１および第２の基板電極８２のそれぞれは、基板１の、第１の部分Ｐ１および第２の部分Ｐ２と対向する領域上に配置されている。第１のアクチュエーション電極９１は、基板１の慣性質量体２と対向する領域上に配置されている。第１の基板電極８１、第２の基板電極８２、および第１のアクチュエーション電極９１の材質は導電性のポリシリコンである。第１の基板電極８１、第２の基板電極８２、および第１のアクチュエーション電極９１のそれぞれは、ポリシリコンからなる複数の下層配線層１０によって複数のボンディングパッド１３と接続されている。下層配線層１０は、枠１１と絶縁膜１５との間を通っている。また下層配線層１０と枠１１との間に短絡防止のための絶縁膜（図示せず）が設けられている。

第１の基板電極８１と第２のキャップ電極８４とは、電気的に接続され、検出フレーム５との間に加速度を検出するための静電容量Ｃ１（図５）を形成する。また第２の基板電極８２と第１のキャップ電極８３とは、電気的に接続され、検出フレーム５との間に加速度を検出するための静電容量Ｃ２（図５）を形成する。

次に加速度センサＡＣ１が加速度を検出する原理について説明する。
図４は、図２の加速度センサに加速度が加わった様子を示す図である。主に図４を参照して、加速度センサＡＣ１にＺ軸方向の加速度Ａｚが加わると、慣性質量体２は慣性力によって、破線で示す初期位置より図中下方向に矢印ＬＤのように変位する。この際、慣性質量体２と連結しているリンク梁３（図３）も同じく下方向に変位する。よって同じくリンク梁３と連結された検出フレーム５は、リンク梁３からトルクを受ける。このトルクにより検出フレーム５は、捩れ梁６による軸ＡＸを中心に、破線で示す初期位置から矢印ＲＤのように回転変位する。この回転変位の結果、上述した静電容量Ｃ１が大きくなり、かつ静電容量Ｃ２が小さくなる。すなわち静電容量Ｃ１およびＣ２間の比が変化する。

図５は、本発明の実施の実施の形態１における加速度センサを含む加速度検出システムの回路を概略的に示す図である。図５を参照して、加速度検出システムは、加速度センサＡＣ１と、Ｃ−Ｖ変換回路５３と、ローパスフィルタ５４と、感度、ゼロ点調整回路５５と、センサ出力５６とを有する。Ｃ−Ｖ変換回路５３はローパスフィルタ５４へ、以下の式に示す電圧Ｖｍを出力する。

Ｖｍ＝{Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ２）}・Ｖｓ
ここで電圧Ｖｓは一定の入力電圧であり、また静電容量比Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ２）は検出フレーム５の回転変位量に比例する。よって電圧Ｖｍは回転変位量に比例する。またこの回転変位量は加速度Ａｚに比例する。よって電圧Ｖｍは加速度Ａｚに比例するので、電圧Ｖｍに基づいて加速度を検出できる。

次に、比較例の加速度センサとして、本実施の形態の加速度センサＡＣ１と異なりシリコンキャップ２０ａを有しない加速度センサについて説明する。

図６は、比較例における加速度センサのローパスフィルタ（ＬＰＦ）通過前における感度と周波数との関係を概略的に示す図である。図６を参照して、加速度センサの感度は、検出周波数範囲内では周波数に依存せずほぼ一定であり、検出周波数範囲を超えると急激に低下する。この感度低下は検出フレーム５および基板１間のスクイズフィルムダンピング効果による。

図７は、比較例における加速度センサに加えられる高周波入力加速度を概略的に示す図（Ａ）、および比較例における加速度センサの高周波入力加速度と出力との関係をＣ−Ｖ変換回路通過後およびＬＰＦ通過後の各々について概略的に示す図である。図７（Ａ）を参照して、大きさが測定レンジ内であり、かつ周波数が測定周波数範囲を超える、たとえば数ｋＨｚの高周波正弦波加速度が加速度センサに加わった場合について検討する。主に図７（Ｂ）を参照して、Ｃ‐Ｖ変換回路５３（図５）後のセンサ出力は位相がシフトし、感度周波数特性（図６）により出力が減衰する。またローパスフィルタ５４（図５）通過後のセンサ出力はゼロとなる。

図８は、比較例における加速度センサに加えられる過大な高周波入力加速度を概略的に示す図（Ａ）、および比較例における加速度センサの過大な高周波入力加速度と出力との関係をＣ−Ｖ変換回路通過後およびＬＰＦ通過後の各々について概略的に示す図である。図８（Ａ）を参照して、周波数が測定周波数範囲を超え、かつ大きさが測定レンジを越える、たとえば測定レンジの５倍以上の大きさを有する過大な高周波正弦波加速度が加速度センサに加わった場合について検討する。主に図８（Ｂ）を参照して、Ｃ‐Ｖ変換回路５３（図５）後のセンサ出力は、上記と同様に、感度周波数特性（図６）により出力が減衰する。それに加え、このセンサ出力は、振幅のゼロ点がずれてしまい、ローパスフィルタ５４（図５）通過後の信号はゼロ点よりシフトしてしまう。

本発明者らは、シリコンキャップ２０ａ（図４）を有しない構造を有する比較例の加速度センサにおけるゼロ点シフトの原因を見出した。この内容について、以下に説明する。

綿密な実験及び解析より、測定レンジ内では面外方向に変位せず回転方向にのみ変位するよう設計されている捩れ梁６が、過大加速度により僅かに上下方向に振動し、この振動によりゼロ点出力がずれていることが見出された。すなわち捩れ梁６回転方向に対しては上下の加速度によるダンピング効果は同一であるが、捩れ梁６上下方向では、基板１に近づくように変位する際のダンピング効果が、基板１から遠ざかるように変位する際のダンピング効果より大きくなり、上下方向の変位ズレが発生してゼロ点がシフトしていた。

一方、本実施の形態の加速度センサＡＣ１によれば、検出フレーム５と基板１との間の空隙３１に加え、検出フレーム５とシリコンキャップ２０ａとの間に空隙３２が設けられている。よって検出フレーム５の基板１側とシリコンキャップ２０ａ側との両方でダンピング効果が生じる。この２つのダンピング特性をそろえることで、高周波過大加速度入力時の捩れ梁６の上下方向振動を同一とすることにより、ゼロ点変位をなくすことができる。

このようにダンピング特性をそろえるには、たとえば第１の寸法Ｄ１と第２の寸法Ｄ２とをできるだけ同じにすればよい。すなわち、第１の寸法Ｄ１および第２の寸法Ｄ２の各々の設計寸法を共通の一の寸法とすることで、第１の寸法Ｄ１および第２の寸法Ｄ２の各々の実際の寸法の一の寸法に対する誤差は製造誤差の範囲内となる。第１の寸法Ｄ１および第２の寸法Ｄ２のそれぞれの製造誤差は、たとえば第１の寸法Ｄ１および第２の寸法の１０％である。よって第１の寸法Ｄ１および第２の寸法Ｄ２の各々の設計寸法が２μｍの場合、第１の寸法Ｄ１および第２の寸法Ｄ２の各々は±０．２μｍの誤差を有する。この程度の誤差であれば、第１の寸法Ｄ１および第２の寸法Ｄ２の各々は、前記主面の面外方向の加速度がゼロの際に、一の設計寸法に対して略同一の寸法となり、ダンピング特性をそろえることができる。

次に加速度センサＡＣ１の製造方法について説明する。図９〜図１７のそれぞれは、本発明の実施の形態１における加速度センサの製造方法を工程順に概略的に示す断面図である。

はじめに下部構造ＢＡ１（図２）を形成する工程について説明する。
図９を参照して、基板１の主面ＭＳ上にシリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜などの絶縁膜１５が積層される。絶縁膜１５上に導電性のポリシリコン配線層８０が積層される。ポリシリコン配線層８０をパターニングすることで、第１の基板電極８１、第２の基板電極８２、および第１のアクチュエーション電極９１が形成される。次にポリシリコン可動構造体を基板１から浮かせる箇所に、リン酸ガラスなどからなる第１の犠牲層４１が形成される。

図１０を参照して、センシング機構が形成される層である導電性のポリシリコン膜４２が積層される。次にケミカルメカニカルポリッシュ（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polish）などによってポリシリコン膜４２を所望の厚さまで、たとえば１０μｍまで研磨することで、ポリシリコン膜４２が平坦化される。その後、シリコン深堀リアクティブイオンエッチング（ＤＲＩＥ：Deep Reactive Ion Etching）でポリシリコン膜４２を貫通するエッチングが行なわれる。このエッチングの際、ポリシリコン膜４２の下層の絶縁膜１５はエッチングストッパとして機能する。

主に図１１を参照して、上記のエッチングにより、ポリシリコン膜４２（図１０）から、慣性質量体２、検出フレーム５、アンカー７１〜７３、および枠１１が形成される。また図１１において図示されていないリンク梁３、支持梁４、および捩れ梁６（図３）が同時に形成される。次に第１の犠牲層４１が選択エッチングにより除去される。

図１２を参照して、上記の選択エッチングにより、慣性質量体２および検出フレーム５を有する可動構造が形成される。これにより下部構造ＢＡ１が得られる。

次に上部構造ＴＡ１（図２）を形成する工程について説明する。
図１３を参照して、シリコンキャップ２０ａ裏面に凹部が形成される。この凹部上に絶縁膜１６と、導電性のポリシリコン配線層９５とが順に堆積される。次にポリシリコン配線層がパターニングされることで、第１のキャップ電極８３、第２のキャップ電極８４、および第２のアクチュエーション電極９２が形成される。

図１４を参照して、シリコンキャップ２０ａが表側からＤＲＩＥによって貫通エッチングされることで、シリコンキャップ２０ａに貫通穴４３が形成される。

主に図１５を参照して、貫通穴４３（図１４）の側壁およびシリコンキャップ２０ａ天面のそれぞれに、絶縁膜１７および１８が形成される。絶縁膜１７および１８は、シリコン窒化膜またはシリコン酸化膜であり、プラズマＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法などにより形成される。

主に図１６を参照して、貫通穴４３（図１４）内部に貫通穴埋込配線１９がメッキ法などにより形成される。次に、シリコンキャップ２０ａ上にキャップ配線４４がスパッタ法、蒸着法などにより形成される。これにより上部構造ＴＡ１が得られる。

図１７を参照して、下部構造ＢＡ１と上部構造ＴＡ１とが互いに対向するように配置される。次にシリコンキャップ２０ａと接合枠ＪＦ１とが直接接合法により接合される。直接接合法では、まずシリコンキャップ２０ａおよび接合枠ＪＦ１の各々の接合面が真空中で不活性ガスイオンビーム照射やプラズマ照射などにより清浄化される。そして真空中または大気中でのアライメント後、両者が重ね合わされて加圧される。この加圧の際、数百℃程度にシリコンキャップ２０ａおよび基板１が加熱されても良い。この直接接合法によれば、接着剤など他の材料を介することなく、また陽極接合のように電場をかける必要がなく、強固な接合が得られる。

本実施の形態によれば、シリコンキャップ２０ａは、ガラスなどに比して、より精密加工に適した材質であるシリコンからなるので、シリコンキャップ２０ａの形状ばらつきが抑制される。よって、シリコンキャップ２０ａと、高周波振動する第１の部分Ｐ１との間の空隙３２（図４）におけるスクイズフィルム効果による圧力の上昇が安定化される。よってシリコンキャップ２０ａと第１の部分Ｐ１との間で安定したダンピング特性が得られる。このダンピング特性が、基板１と第１の部分Ｐ１との間でのダンピング特性にそろえられることで、第１の部分Ｐ１の振動の中心のシフトに起因する、センサ信号のゼロ点シフトを安定的に抑制することができる。ダンピング特性をそろえるためには、たとえば第１の寸法Ｄ１と第２の寸法Ｄ２とが製造誤差の範囲（すなわち、略同一の寸法）で同じとされればよい。

またシリコンキャップ２０ａがシリコンからなるので、基板１もシリコンからなる場合、シリコンキャップ２０ａの材質と基板１の材質とが同じとなる。これによりシリコンキャップ２０ａと基板１との各々の熱膨張収縮差による歪を防止できる。よって第１の寸法Ｄ１および第２の寸法Ｄ２が熱膨張収縮により変動してしまうことを防止できる。

またシリコンキャップ２０ａは、材料としてシリコン基板を用いることができる。ガラス基板に比してシリコン基板は高い平坦度を有するものが容易に得られるので、それに応じて最終的に得られるシリコンキャップ２０ａの寸法精度も高くなる。これにより第２の寸法Ｄ２の寸法精度を高めることができるので、より安定的にダンピング効果をそろえることができる。

またシリコンキャップ２０ａがシリコンからなるので、シリコンキャップ２０ａと接合枠ＪＦ１とを直接接合法により接合することができる。この直接接合法によれば、比較的低温の下で、かつ電圧印加を行なうことなしに接合を行なうことができる。これにより第１の寸法Ｄ１および第２の寸法Ｄ２に誤差が生じてしまうことを抑制することができる。また電圧印加が不要であるため、電圧印加によってシリコンキャップ２０ａと可動構造体とが貼り付いてしまう不良の発生を防止することができる。よって高い歩留りで加速度センサＡＣ１を製造することができる。

なお本実施の形態と異なりキャップがガラス製の場合は、キャップの接合に、たとえば陽極接合法が必要となる。陽極接合法では３００〜５００℃程度の高温加熱が行なわれるので、この熱によって歪が生じることで第１の寸法Ｄ１および第２の寸法Ｄ２に誤差が生じることがある。また陽極接合法では電圧印加が行なわれるので、この電圧印加によってキャップと可動構造体とが接着してしまう不良が生じることがある。

また本実施の形態によればシリコンキャップ２０ａの材質としてシリコンが用いられる。すなわちナトリウムを含まない材質が用いられるので、キャップから生じたナトリウムによる汚染を防止することができる。よってナトリウムに汚染されることを避ける必要のある通常の半導体製造ラインを用いて加速度センサＡＣ１の製造を行なうことができる。これにより加速度センサＡＣ１を安価に製造することができる。仮にキャップがガラス製であると、ガラスからのナトリウムイオンによる汚染が生じ得るため、半導体製造ラインをナトリウムイオンにより汚染してしまうことがある。

また基板１上に第１のアクチュエーション電極９１を設けるだけでなく、シリコンキャップ２０ａ上に第２のアクチュエーション電極９２を設けることで、加速度センサＡＣ１の自己診断の際に慣性質量体２を基板１側およびシリコンキャップ２０ａ側の上下方向に静電駆動可能となる。よって加速度センサＡＣ１の自己診断機能の精度が向上するので、加速度センサＡＣ１の信頼性が向上する。

またシリコンキャップ２０ａ側に第１のキャップ電極８３および第２のキャップ電極８４を設けることで、検出される静電容量を２倍にすることができる。よって加速度の検出結果に及ぼす寄生容量の影響が小さくなるので、加速度の測定精度を高めることができる。

（実施の形態２）
図１８は、本発明の実施の形態２における加速度センサの構成を概略的に示す断面図である。主に図１８を参照して、本実施の形態の加速度センサは、下部構造ＢＡ２と、上部構造ＴＡ２とが一体となって形成されている。上部構造ＴＡ２は、上部構造ＴＡ１（図２）のシリコンキャップ２０ａの代わりに、シリコンキャップ２０ｂを有する。シリコンキャップ２０ｂは、平坦面（図１８における下面）を含み、この平坦面は、下部構造ＢＡ２の検出フレーム５に面する面と、直接接合法により接合枠ＪＦ２に接合される面とを有する。接合枠ＪＦ２は、枠１１と、枠１１上に形成された接合ポリシリコン層４６とを有し、基板１上において検出フレーム５を囲んでいる。

次に加速度センサＡＣ２の製造方法について説明する。図１９〜図２２のそれぞれは、本発明の実施の形態２における加速度センサの製造方法を工程順に概略的に示す断面図である。

主に図１９を参照して、図９および図１０と同様の工程を経た後に、ポリシリコン膜４２上に第２の犠牲層４５が積層、パターニングされる。また接合枠ＪＦ１が形成される位置に接合ポリシリコン層４６が形成される。

図２０を参照して、ＣＭＰを用いて接合ポリシリコン層４６が平坦化される。積層で十分平坦面が得られる場合は、この工程は省略されてもよい。次に第２犠牲層４５が選択エッチングによって除去される。次にポリシリコン膜４２がパターニングされる。

図２１を参照して、上記のパターニングによって、慣性質量体２、検出フレーム５、アンカー７１〜７３、および枠１１が形成される。次に第１の犠牲層４１が選択エッチングによって除去される。これにより下部構造ＢＡ２が得られる。

図２２を参照して、シリコンキャップ２０ｂ上に、絶縁膜１６を介して、第１のキャップ電極８３、第２のキャップ電極８４、および第２のアクチュエーション電極９２が形成される。またこれらの電極の外部接続として、貫通穴埋込配線１９、キャップ配線４４、および絶縁膜１８、１９が形成される。これにより上部構造ＴＡ２が得られる。次に上部構造ＴＡ２のシリコンキャップ２０ｂと、下部構造ＢＡ２の接合ポリシリコン層４６とが直接接合法により接合される。

これにより、図１８に示す加速度センサＡＣ２が得られる。
なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。

本実施の形態によれば、シリコンキャップ２０ｂと検出フレーム５との空隙３２は、接合ポリシリコン層４６の膜厚で決まる。そのため、エッチングによるシリコンキャップ２０ａ（図２）の凹部形成の精度によって空隙３２の寸法精度が影響を受ける実施の形態１に比して、第１の部分Ｐ１および第２の部分Ｐ２の各々とシリコンキャップ２０ｂとの間の第２の寸法Ｄ２の精度が向上する。よって検出フレーム５の上下の空隙３１、３２をより高い精度でそろえることができる。よって上下のダンピング特性をより高い精度でそろえることにより、出力ゼロ点変位をより安定的に抑制することができる。

またシリコンキャップ２０ｂと慣性質量体２との間の寸法精度も向上するので、自己診断機能が高精度化されることで、加速度センサＡＣ２の信頼性がより向上する。

また検出フレーム５の上下に配置された検出容量をより揃えることができるので、加速度の検出精度を高めることができる。

（実施の形態３）
図２３は、本発明の実施の形態３における加速度センサの構成を概略的に示す断面図である。主に図２３を参照して、本実施の形態の加速度センサは、下部構造ＢＡ３と、上部構造ＴＡ３とが一体となって形成されている。上部構造ＴＡ３は、上部構造ＴＡ１（図２）のシリコンキャップ２０ａの代わりに、シリコンキャップ２０ｃを有する。シリコンキャップ２０ｃは、シリコンキャップ２０ａの凹部の深さＨ１よりも大きい深さＨ３の凹部を有する。またシリコンキャップ２０ｃは、直接接合法によって、下部構造ＢＡ３の基板１に直接的に接合されている。また基板１上のポリシリコン配線層８０の外部接続のためには、シリコンキャップ２０ｃと同様、貫通穴埋込配線が設けられている。

なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。

本実施の形態の加速度センサＡＣ３によれば、シリコンキャップ２０ａと基板１とが直接に接合されるので、ポリシリコンの平坦化工程が不用である。よって製造工程を簡略化できるので安価な加速度センサが得られる。

また基板１およびシリコンキャップ２０ｃの各々にシリコン基板が用いられる場合、シリコン基板間の接合は非常に強固なため、耐環境性に優れた加速度センサが得られる。

また基板１上のポリシリコン配線層８０の外部接続配線が基板１の貫通穴を用いて基板１の直下に形成されることで、ボンディングパッド１３（図１）を設けるためのスペースが不要となる。よって加速度センサの小型化が可能となる。

今回開示された各実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。

本発明は加速度センサに特に有利に適用され得る。

本発明の実施の形態１における加速度センサの下部構造を概略的に示す平面図である。 図１の線ＩＩ−ＩＩに沿う、加速度センサの概略断面図である。 図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿う概略断面図である。 図２の加速度センサに加速度が加わった様子を示す図である。 本発明の実施の実施の形態１における加速度センサを含む加速度検出システムの回路を概略的に示す図である。 比較例における加速度センサのローパスフィルタ（ＬＰＦ）通過前における感度と周波数との関係を概略的に示す図である。 比較例における加速度センサに加えられる高周波入力加速度を概略的に示す図（Ａ）、および比較例における加速度センサの高周波入力加速度と出力との関係をＣ−Ｖ変換回路通過後およびＬＰＦ通過後の各々について概略的に示す図である。 比較例における加速度センサに加えられる過大な高周波入力加速度を概略的に示す図（Ａ）、および比較例における加速度センサの過大な高周波入力加速度と出力との関係をＣ−Ｖ変換回路通過後およびＬＰＦ通過後の各々について概略的に示す図である。 本発明の実施の形態１における加速度センサの製造方法の第１工程を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態１における加速度センサの製造方法の第２工程を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態１における加速度センサの製造方法の第３工程を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態１における加速度センサの製造方法の第４工程を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態１における加速度センサの製造方法の第５工程を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態１における加速度センサの製造方法の第６工程を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態１における加速度センサの製造方法の第７工程を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態１における加速度センサの製造方法の第８工程を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態１における加速度センサの製造方法の第９工程を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態２における加速度センサの構成を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態２における加速度センサの製造方法の第１工程を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態２における加速度センサの製造方法の第２工程を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態２における加速度センサの製造方法の第３工程を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態２における加速度センサの製造方法の第４工程を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態３における加速度センサの構成を概略的に示す断面図である。

符号の説明

ＡＣ１〜ＡＣ３ 加速度センサ、ＢＡ１〜ＢＡ３ 下部構造、ＪＦ１，ＪＦ２ 接合枠、Ｐ１ 第１の部分、Ｐ２ 第２の部分、ＴＡ１〜ＴＡ３ 上部構造、１ 基板、２ 慣性質量体、３ リンク梁、４ 支持梁、５ 検出フレーム、６ 捩れ梁、１０ 下層配線層、１１ 枠、１３ ボンディングパッド、１５〜１８ 絶縁膜、１９ 貫通穴埋込配線、２０ａ，２０ｂ，２０ｃ シリコンキャップ、３１，３２ 空隙、４１ 第１の犠牲層、４２ ポリシリコン膜、４３ 貫通穴、４４ キャップ配線、７１〜７３ アンカー、８０，９５ ポリシリコン配線層、８１ 第１の基板電極、８２ 第２の基板電極、８３ 第１のキャップ電極、８４ 第２のキャップ電極、９１ 第１のアクチュエーション電極、９２ 第２のアクチュエーション電極。

Claims (12)

1. 主面を有する基板と、
   前記基板に支持され、かつ第１の部分を有する検出フレームとを備え、
   前記第１の部分は、前記主面の面外方向の加速度がゼロの際に第１の寸法の空隙を介して前記主面に対向し、かつ前記主面の面外方向の加速度に対応して前記主面の面外方向に変位するように構成され、
   前記基板に固定され、かつ前記主面との間に前記第１の部分を挟み、かつ前記主面の面外方向の加速度がゼロの際に第２の寸法の空隙を介して前記第１の部分に対向し、かつシリコンからなるキャップをさらに備えた、加速度センサ。
2. 前記第１および第２の寸法の各々は、前記主面の面外方向の加速度がゼロの際に、一の設計寸法に対して略同一の寸法を有する、請求項１に記載の加速度センサ。
3. 前記検出フレームは、前記第１の部分が前記主面の面外方向に変位するように回転変位することができるように前記基板に支持され、
   前記主面の面外方向の加速度に対応して前記主面の面外方向に変位することができるように前記基板に支持され、かつ前記第１の部分と連結された慣性質量体をさらに備えた、請求項１または２に記載の加速度センサ。
4. 前記基板の前記第１の部分と対向する領域上に第１の基板電極をさらに備えた、請求項１〜３のいずれかに記載の加速度センサ。
5. 前記キャップの前記第１の部分と対向する領域上に第１のキャップ電極をさらに備えた、請求項１〜４のいずれかに記載の加速度センサ。
6. 前記検出フレームは、前記第１の部分が変位する方向と逆方向に変位する第２の部分を含む、請求項１〜５のいずれかに記載の加速度センサ。
7. 前記基板はシリコンからなる、請求項１〜６のいずれかに記載の加速度センサ。
8. 前記キャップは、前記検出フレームに面する凹部を有する、請求項１〜７のいずれかに記載の加速度センサ。
9. 前記基板上において前記検出フレームを囲み、かつ前記検出フレームと同一の材質からなる接合枠をさらに備え、
   前記キャップは、直接接合法により前記接合枠に接合されている、請求項８に記載の加速度センサ。
10. 前記キャップは、直接接合法により前記基板に直接接合されている、請求項８に記載の加速度センサ。
11. 前記基板上において前記検出フレームを囲む接合枠をさらに備え、
    前記キャップは平坦面を含み、前記平坦面は、前記検出フレームに面する面と、直接接合法により前記接合枠に接合される面とを有する、請求項１〜７のいずれかに記載の加速度センサ。
12. 前記キャップの前記慣性質量体と対向する領域上に自己診断用電極をさらに備えた、請求項１〜１１のいずれかに記載の加速度センサ。

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