JP2010107240A - １軸加速度センサ及びそれを用いた３軸加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】１軸加速度センサの耐衝撃性を向上させると共に、容易に設計及び作製可能にする。
【解決手段】加速度センサ１は、ＳＯＩ基板１０１を用いて構成され、下層１０４に互いに分離されて形成された固定枠２及び錘部３と、上層１０２に形成された、電極部４、支持部５、接続部６及びヒンジ７と、貫通孔配線８及び電極パッド９等を有する。錘部３と電極部４との間には、エッチングホール４ａを介した犠牲層エッチングにより除去された酸化膜層１０３の厚み分のギャップ１０が設けられている。錘部３は、一対のヒンジ７を回動軸として、固定枠２に対し回動可能に保持されている。加速度センサ１は、電極部４と錘部３との間の静電容量に応じて、加速度を検知可能である。電極部４は固定枠２に四方で支持されているため変形しにくく、また、錘部３が接触しうる部位を容易に特定可能なため、耐衝撃性を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、小型且つ高感度で作製が容易な静電容量型の１軸加速度センサ及びそれを用いた３軸加速度センサに関する。

例えば特許文献１には、上部導電性シリコン層、酸化シリコン層及び下部導電性シリコン層（以下、それぞれ上層、酸化膜層、下層と称する）の３層構造のＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて構成された、平面視で略矩形の３軸の加速度センサが開示されている。この加速度センサの上層は、ＩＣＰ（誘導結合型プラズマ）エッチングにより形成された、平面視で加速度センサの４隅にそれぞれ位置し上部電極となる４つの略矩形の部位と、それらの略矩形の部位の隙間に位置する十字型のヒンジ部の合計５つの互いに切り離された部位を有している。上層のうち十字型のヒンジ部は、４つの端部において酸化膜層及び下層で構成された固定枠と結合され、中央部において、酸化膜層を介し、下層に固定枠から分離するように形成された可動作用体（錘部）に結合されている。また、上層のうち４つの略矩形の部位は、それぞれ、２辺縁で上記固定枠に結合されて支持されている。上層と下層との結合部以外の酸化膜層は、上層に形成されたエッチングホールを介した犠牲層エッチングにより選択的に除去されており、上層の４つの上部電極と下層の錘部との間にはギャップが設けられている。加速度センサに加速度が加わると、十字型のヒンジ部が変形し、錘部が変位する。加速度の方向と大きさに応じて、４つの上部電極それぞれと錘部との間の静電容量の大きさがそれぞれ変化するので、加速度センサは、３軸方向の加速度を検知可能である。

しかしながら、上記のような従来の加速度センサには、種々の問題点がある。すなわち、１つのセンサで３軸方向の加速度を検知可能な反面、大きな衝撃を受けた際のヒンジ部の変形の自由度が大きいため、錘部が衝突する可能性の高い箇所を予測しにくい。そのため、錘部が周囲の部位に衝突しないようにしたりする構造や、周囲の部位に衝突したときの加速度センサの破損を防止する構造等を設計するのが困難である。また、上部電極を構成する、上層に設けられた４つの略矩形の部位は、それぞれ２辺縁でのみ固定枠に支持されているので、内部応力や外力によって容易に変形しうる。そのため、錘部との間の安定した静電容量ギャップを形成しにくく、また、衝撃によって破損しやすい。さらに、十字型のヒンジ部は、外力に対して、ねじりと曲げが合成されて複雑に変形するので、加速度センサの感度を所望程度にするための感度設計が比較的困難である。
特許４０７３７２９号公報

本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、衝撃を受けたときの破損を容易に且つ確実に防止することができ、且つ、容易に設計及び作製可能で高感度な１軸加速度センサとそれを用いた３軸加速度センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、上部導電性シリコン層、埋込酸化膜層及び下部導電性シリコン層の３層構造を有するＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて構成された１軸加速度センサであって、前記下部導電性シリコン層の一部を周囲の固定枠から分離して形成された錘部と、前記上部導電性シリコン層の一部をエッチングすることにより形成され、周縁部のうち三方以上が前記固定枠に結合された上部シリコン電極部と、前記上部導電性シリコン層の一部をエッチングすることにより、前記錘部と前記固定枠を結合するように、且つ、互いに同軸に並ぶように形成された一対のヒンジと、前記ヒンジと前記錘部とを電気的に結合する貫通孔配線とを備え、前記錘部と前記上部シリコン電極部との間には、前記埋込酸化膜層を犠牲層エッチングすることによりギャップが設けられており、前記錘部が前記ヒンジを回動軸として前記固定枠に対し変位することにより変化する前記上部シリコン電極層と前記錘部との間の静電容量に応じて、加速度の大きさを検知可能に構成されているものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記錘部は、平面視で、前記ヒンジにより構成される回転軸の両側方に、この回転軸について非対称形状を成すように形成されており、前記上部シリコン電極部は、前記回動軸を挟むように配置された２つの部位に分割されており、前記上部シリコン電極部の２つの部位それぞれと前記錘部との間の静電容量をそれぞれ検知可能に構成されているものである。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、前記固定枠の上方及び下方それぞれに配置されたガラス基板又はシリコン基板をさらに備え、それにより前記錘部が外部から封止されているものである。

請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記固定枠の上方に配置されたガラス基板又はシリコン基板と前記固定枠の下方に配置されたガラス基板又はシリコン基板のうち少なくとも一方は、前記錘部が前記固定枠に対し所定量だけ変位したときに当該錘部に接触するように形成されたストッパ突起を有するものである。

請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の１軸加速度センサを少なくとも３個備え、前記少なくとも３個の１軸加速度センサは、それぞれの１軸加速度センサの錘部の回動軸が同一平面内において０度、９０度、１８０度、３６０度のうちいずれか３つの方向を向くように、それぞれ互いに異なる向きで配置されているものである。

請求項１の発明によれば、薄い埋込酸化膜層を犠牲層エッチングによって除去することにより、錘部と上部シリコン電極部との間に狭くて均等な幅のギャップを容易に形成することができ、小型で高感度な１軸加速度センサを容易に作製することができる。また、上部シリコン電極層は、周縁部の三方以上が固定されて支持されるので、内部応力が生じたり衝撃や外力が加わっても変形しにくく、錘部との間のギャップを高精度に維持することができ、また、耐衝撃性を向上させることができる。さらにまた、１軸加速度センサは、ヒンジ１軸についての回転の自由度しか有していないので、１軸加速度センサの感度設計を容易に行うことができ、且つ、衝撃等が加わったときに錘部が接触しうる部位を容易に特定し耐衝撃性をより確実に向上させることができる。

請求項２の発明によれば、加速度が加わって錘部が変位したとき、上部シリコン電極部の２つの部位それぞれと錘部との間の２つの静電容量の一方が増加し他方が減少する。従って、２つの静電容量値の差分をとり測定値とすることにより、測定値の加速度に対する直線性を向上させることができ、加速度をより高精度に検知することができる。

請求項３の発明によれば、ガラス基板又はシリコン基板により上部導電性シリコン層や下部導電性シリコン層が保護されるので、製造時に製品不良の発生を防止して歩留まりを向上させることができ、また、１軸加速度センサの取り扱いを容易にすることができる。また、錘部を外部から封止することにより、１軸加速度センサの耐環境性をさらに向上させ、錘部の動作を安定させ高精度に加速度の検出を行うことができる。さらにまた、ＳＯＩ基板がウエハである状態で、上下のガラス基板等の接合を実施した後、ダイシングで個々の加速度センサ・チップに分割可能であるので、加速度センサ・チップの上部導電性シリコン層や下部導電性シリコン層が露出している状態でダイシングを行う場合に比べて、１軸加速度センサの製造の歩留まりを大幅に向上させることができる。

請求項４の発明によれば、錘部がストッパ突起に当接することにより、ヒンジや錘部の破損が防止されるので、１軸加速度センサの耐衝撃性を向上させることができる。

請求項５の発明によれば、高感度で耐衝撃性が高い、３軸方向の加速度を検知可能な３軸加速度センサを、単一のＳＯＩ基板を用いて、単純なプロセスにより、容易に作製可能にすることができる。

以下、本発明の第１実施形態について図面を参照して説明する。図１乃至図４は、本実施形態に係る１軸加速度センサ（以下、加速度センサと称する）を示す。加速度センサ１は、例えば、携帯電話やデジタルカメラ、電子ゲーム機器、又は自動車等に用いられる小型の素子である。図１（ａ）に示すように、加速度センサ１は、上部導電性シリコン層１０２、埋込酸化膜層１０３及び下部導電性シリコン層１０４（以下、それぞれ上層、酸化膜層、下層と称する）の３層構造を有するＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板１０１を用いて形成されている。上層１０２の厚さ、酸化膜層１０３の厚さ、下層１０４の厚さは、例えば、それぞれ、２０μｍ、１μｍ、４００μｍ程度である。加速度センサ１は、例えば、図１（ａ）に示すように、後述するようにしてＳＯＩ基板１０１を成形した後、例えばダイボンディング、ワイヤボンディング、パッケージング等の工程を経て実装可能な素子とされ、回路基板上等に実装されて用いられる。なお、以下に説明する各図において、説明のため、各部の寸法を、実際の寸法よりも拡大又は縮小して示している。

図に示すように、加速度センサ１は、下層１０４に互いに分離されて形成された固定枠２及び錘部３と、上層１０２に形成された、上部シリコン電極部（以下、電極部と称する）４、支持部５、接続部６及びヒンジ７と、貫通孔配線８と、上層１０２の上面に設けられた電極パッド９等で構成されている。

図１（ｂ）に示すように、固定枠２は、下層１０４の周縁部に矩形環状に形成されており、錘部３の周囲を囲むように配置されている。錘部３は、例えば、平面視で略１ｍｍ角の正方形の上面を有する直方体形状に形成されている。固定枠２と錘部３とは、例えば、Ｄ−ＲＩＥ（深掘り反応性イオンエッチング）により、下層１０４の上面から下面まで貫通する略矩形環状の溝が設けられることにより、互いに分離して形成されている。

電極部４、支持部５、接続部６及びヒンジ７は、上層１０２の一部に対し、Ｄ−ＲＩＥ等のエッチングを行うことにより形成されている。図１（ａ）に示すように、支持部５、接続部６及びヒンジ７は、錘部３の上面のうち、一辺の両側部近傍部位にそれぞれ２つずつ配置されている。電極部４は、上層１０２のうち、支持部５、接続部６及びヒンジ７が設けられている部位が除かれ、それにより支持部５、接続部６及びヒンジ７とは分離されて、錘部３の上方に錘部３の上面を略覆うように形成されている。電極部４と支持部５等との間には、上層１０２及び酸化膜層１０３を除去することにより分離溝２ａが形成されており、これにより電極部４と支持部５等とが電気的に絶縁されている。電極部４は、固定枠２のうち、後述のように支持部５が設けられている部位を除く部位の上面に結合されている。すなわち、電極部４は、本実施形態において、周縁部の四方で固定枠２に結合されている。これにより、電極部４は、比較的薄く形成されているものの、略平板状のまま撓みにくくなるように、固定枠２にしっかりと支持されている。電極部４のうち、錘部３の上方の部位には、後述のように錘部３の上部の酸化膜層１０３を犠牲層エッチングにより除去するためのエッチングホール４ａが形成されている。エッチングホール４ａは、例えば、直径１０μｍ程度の大きさである。エッチングホール４ａは、犠牲層エッチングを適正に行うことができるように、平面視で錘部３と重なる領域内においては、例えば、２０μｍ間隔程度のグリッド状に、隙間無く配列されている。

支持部５は、固定枠２の上部に、酸化膜層１０３を介して固定枠２とは絶縁された状態で配置されている。また、接続部６は、錘部３の上部に、酸化膜層１０３を介して錘部３とは絶縁された状態で配置されている。ヒンジ７は、例えば上層１０２のみで構成されている。なお、ヒンジ７の寸法すなわちねじり剛性と、錘部３の大きさすなわち加速度が生じたときのヒンジ７が成す回動軸周りの慣性モーメントは、測定したい加速度の大きさや、錘部３と電極部４との間の静電容量の大きさ等に応じて決定される。ヒンジ７の幅寸法及び長手方向の長さは、例えば、それぞれ、２０μｍ及び３００μｍ程度である。ヒンジ７の両端部は、それぞれ、支持部５と接続部６に接続されている。支持部５、接続部６及びヒンジ７は、錘部３の上面の１つの角部近傍にそれぞれ設けられているもの同士が一体になるように、上層１０２にエッチングを行うことにより形成されている。すなわち、ヒンジ７は、錘部３と固定枠２とを結合するように形成されている。２つのヒンジ７は、互いに同軸に並び、一対の回動軸（図１（ａ）に一点鎖線Ｘで示す）を成すように形成されている。

ここで、図４（ａ）等に示すように、錘部３と電極部４との間には、酸化膜層１０３の厚み分のギャップ１０が設けられている。ギャップ１０は、酸化膜層１０３について、エッチングホール４ａを介した犠牲層エッチングを行うことにより形成されている。このようにギャップ１０が設けられていることにより、錘部３は、一対のヒンジ７を回動軸として、固定枠２に対し回動可能に保持されている。ヒンジ７は、錘部３の一辺縁の近傍部位に、上面から見てヒンジ７が成す回動軸に対し錘部３が非対称となるような位置に配置されている。従って、例えば加速度センサ１の上面に対し垂直な方向（鉛直方向）の加速度が加わると、錘部３に、ヒンジ７が成す回動軸周りのモーメントが発生する。

貫通孔配線８は、図１（ａ）に示すように、接続部６のうち一方に設けられている。貫通孔配線８は、図４（ｃ）に示すように、接続部６において、上層１０２及び酸化膜層１０３を貫通するように形成された貫通孔の内部に、例えばアルミニウム等の導電性材料を充填して構成されている。ＳＯＩ基板１０１を用いると、酸化膜層１０３の介在により上層１０２と下層１０４とが互いに電気的に絶縁されているが、接続部６においては、貫通孔配線８が設けられることにより、上層１０２と下層１０４とが電気的に導通されている。すなわち、貫通孔配線８が設けられることにより、貫通孔配線８が形成されている側のヒンジ７及び支持部５と、錘部３とは、互いに電気的に結合されている。一方、錘部３と、固定枠２及び電極部４とは、互いに分離していたり、酸化膜層１０３が設けられていたりすることにより、互いに電気的に絶縁されている。

電極パッド９は、例えば、貫通孔配線８が形成されている接続部６と一体に形成された支持部５の上面と、電極部４のうち、固定枠２の上方の部位であって当該支持部５の近傍となる部位の上面とに設けられている。電極パッド９は、例えば、アルミニウム等、貫通孔配線８と同一材料からなる導電性材料である。

加速度センサ１は、ヒンジ７のねじれによる錘部３の自由度を１つ有している。従って、図２（ａ）に示すように、Ｘ軸（加速度センサ１の下面すなわちＳＯＩ基板１０１面に平行で、ヒンジ７が成す回動軸に垂直な軸）又はＺ軸（ＳＯＩ基板１０１面に垂直な軸）の方向に加速度が加わると、ヒンジ７がねじれ、錘部３が固定枠２及び電極部４に対し変位する。上述のように、電極部４と錘部３とは互いに絶縁されており、また、電極部４と錘部３との間には、僅かなギャップ１０が形成されているため、電極部４と錘部３との間には静電容量を有している。錘部３が、ヒンジ７を回動軸として回動し、固定枠２に対し変位すると、ギャップ１０が変化するので、電極部４と錘部３との間の静電容量が変化する。このように、加速度センサ１に加速度が加わったときに、錘部３が固定枠２に対し変位することにより変化する電極部４と錘部３との間の静電容量を電極パッド９を通して検知し、検知した静電容量に応じて加わった加速度を算出することにより、１軸についての加速度を検知することができる。

ここで、加速度センサ１の製造工程について、図５乃至図８を参照して説明する。先ず、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、ウエハ状のＳＯＩ基板１０１を用意する。次に、ＳＯＩ基板１０１の表面を熱酸化して形成した酸化膜１０３ｂをマスクとして用い、上層１０２に対して、ＩＣＰ（誘導結合型プラズマ）を用いたＤ−ＲＩＥを行う。これにより、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、上層１０２に、エッチングホール４ａを有する電極部４、支持部５、接続部６及びヒンジ７や、貫通孔配線８を形成するための貫通孔８ａを形成する。

次に、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、下層１０４に対して、同様に、ＩＣＰ（誘導結合型プラズマ）を用いたＤ−ＲＩＥを行う。これにより、下層１０４に、固定枠２及び錘部３を形成する。その後、緩衝フッ化水素酸溶液又はフッ化水素ガス中で、上層１０２又は下層１０４がエッチングされたことにより外部に露出している部位の酸化膜層１０３と、エッチングホール４ａの近傍部位の酸化膜層１０３を除去する。これにより、エッチングホール４ａを介して錘部３と電極部４との間の酸化膜層１０３が除去されるので、錘部３が電極部４から解放される。なお、このとき、上層１０２の電極部４と錘部３が互いに固着するのを防止するため、ＳＡＭ（自己形成単分子層）膜などを、電極部４又は錘部３のシリコン表面に堆積させてもよい。

その後、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、マスキングしながらアルミニウムなどの金属をスパッタすることにより、貫通孔配線８及び電極パッド９を、上層１０２に形成する。貫通孔配線８と電極パッド９として例えばアルミニウムなど同質の金属等を用いることにより、この工程を容易に行うことができる。これにより、加速度センサ１のウエハ・プロセスは完了する。このようなウエハ・プロセスにおいては、所定の大きさのウエハであるＳＯＩ基板１０１に複数個の加速度センサ１の構造を形成することができる。ウエハ・プロセスが完了した後には、複数個分の加速度センサ１の構造が形成されたＳＯＩ基板１０１をダイシングして、複数個の加速度センサ１を個々のチップに切り分け、パッケージにダイボンディングし、ワイヤボンディングを行うことにより、個々の加速度センサ１が完成する。

以上説明したように、本実施形態によれば、酸化膜層１０３を犠牲層エッチングによって除去することにより、加速度センサ１の感度を決定する錘部３と電極部４との間のギャップ１０を、容易に、狭くて均等な幅に形成することができる。従って、小型で高感度な加速度センサ１の製造について均一性及び再現性を高めることができ、加速度センサ１の歩留まりを向上させることができる。また、電極部４は、周縁部の四方が固定枠２に固定されて支持されるので、例えば二方のみで支持される場合と比較して、電極部４に内部応力が生じたり衝撃や外力が加わっても変形しにくい。従って、錘部３との間のギャップ１０を高精度に維持して加速度センサ１を高精度化することができ、また、加速度センサ１の耐衝撃性を向上させることができる。さらに、ヒンジ１軸についての回転の自由度しか有していないので、１軸加速度センサの感度設計を容易に行うことができ、且つ、衝撃等が加わったときに錘部が接触しうる部位を容易に特定し耐衝撃性をより確実に向上させることができる。

なお、加速度センサ１において、平面視で上層１０２と下層１０４が重なる領域は、錘部３が重なる部分を除き、寄生容量を構成する。従って、電極部４は、電極部４の機械的強度や、電極パッド９等を配置するのに必要最小限程度の面積を確保する目的がある部位を除いて、できるだけ上面積を小さくするように形成するのが望ましい。また、電極部４は、固定枠２に四方で支持されていなくてもよく、ヒンジ７等が設けられた側の一方を除く三方で固定枠２に支持されていてもよい。この場合でも、電極部４は、平板状の三方が固定枠２にしっかり支持されるために撓みにくくなり、ギャップ１０を高精度に維持することができる。

次に、本発明の第２実施形態に係る加速度センサ２１について説明する。以下の説明において、上述の第１実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、第１実施形態と相違する部分についてのみ説明する。図９乃至図１１は、加速度センサ２１を示す。加速度センサ２１において、第１実施形態の加速度センサ１との主な相違点は、錘部３に替えて形状の異なる錘部２３を有し、電極部４に替えて２つの電極部２４ａ，２４ｂを有する点である。その他、以下に説明する点を除き、加速度センサ２１は、上述の第１実施形態の加速度センサ１と略同様に構成されている。

図９（ａ）に示すように、錘部２３は、ヒンジ７により構成される回転軸の両側方に、平面視で、それぞれ回転軸方向の寸法（図１１（ａ）に示すｙ方向）の寸法が異なるように突出する部位を有し、当該回転軸について非対称形状を成すように形成されている。錘部２３の重心は、平面視で、ヒンジ７により構成される回転軸の側方に位置している。図９（ｂ）に示すように、固定枠２２は、錘部２３の周囲を囲むように、下層１０４のうち、略中央部から錘部２３を分離して形成されている。

図１１（ａ）に示すように、第２実施形態において、電極部２４ａ，２４ｂは、ヒンジ７により構成される回動軸を挟むように、２つの部位に分割されて配置されている。電極部２４ａは、平面視で、ヒンジ７により構成される回動軸を挟む錘部２３の２つの部位のうち、回転軸方向の寸法が小さく上面積が小さい部位の上方を覆うように配置されている。他方、電極部２４ｂは、平面視で、錘部２３の上記２つの部位のうち、回転軸方向の寸法が大きく上面積が大きい部位の上方を覆うように配置されている。接続部６は、第２実施形態には１つのみが錘部２３の回転軸方向略中央部に配置されており、一対のヒンジ７は、接続部６の両側部にそれぞれ接続されている。従って、上層１０２は、電極部２４ａ，２４ｂ及びヒンジ７等の３つの互いに分離された部位を有している。電極部２４ａ，２４ｂそれぞれには、平面視で錘部２３と重なる部位に、エッチングホール４ａが形成されている。電極部２４ａ，２４ｂは、それぞれ、後述のように電極パッド９が配置される部位を除き、ヒンジ７により構成される回動軸に１辺が略平行な略矩形状に形成されている。電極部２４ａ，２４ｂは、それぞれ、ヒンジ７に近接する１辺を除く３辺で、酸化膜層１０３を介し固定枠２２に固定され、三方で固定枠２２に支持されている。電極部２４ａ，２４ｂは、三方で固定枠２２に支持されることにより、例えば二方のみで支持される場合と比較して、変形しにくく支持されている。図１１（ｂ）に示すように、錘部２３と各電極部２４ａ，２４ｂとの間には、第１実施形態と同様に犠牲層エッチングを行い酸化膜層１０３を除去することにより、ギャップ１０が設けられている。従って、図１１（ａ）に網掛線で示す錘部２３と各電極部２４ａ，２４ｂとの間において、それぞれ静電容量Ｃ１，Ｃ２を有している。

電極部２４ａ，２４ｂは、それぞれ、電極部２４ａ，２４ｂの機械的強度が確保される範囲で固定枠２２の上方の部位の上面積が小さくなるように、各電極部２４ａ，２４ｂの外縁部が、固定枠２２の外縁部よりも内側に位置するように小型に形成されている。これにより、各電極部２４ａ，２４ｂと錘部２３との間で構成される寄生容量を低減させることができる。図１１（ｃ）に示すように、固定枠２２の上方の酸化膜層１０３のうち、上層１０２の電極部２４ａ，２４ｂや支持部５等が形成されていない部位は除去されている。各電極部２４ａ，２４ｂの上面には、それぞれ、電極パッド９が配置されている。電極パッド９は、各電極部２４ａ，２４ｂそれぞれにおいて、他の部位よりも固定枠２２に固定されている部位の面積が大きくなるように形成された部位の上面に配置されている。このように、加速度センサ２１は、ヒンジの支持部５に設けられた１つの電極パッド９を含め、互いに分離された上層１０２の３つの部位にそれぞれ形成された３つの電極パッド９を有している。

第２実施形態においては、３つの電極パッド９を介し、錘部２３と各電極部２４ａ，２４ｂとの間の静電容量Ｃ１，Ｃ２をそれぞれ検知することにより、加速度センサ２１に加わっている加速度をより高精度に検知可能である。図１２は、加速度センサ２１における加速度変化と、静電容量Ｃ１，Ｃ２の変化との関係を示す。加速度の検知は、例えば次のようにして行う。加速度センサ２１において、加速度がゼロであり、錘部２３が平衡位置にあるとき、錘部２３の上面積が大きい部位と電極部２４ｂとの間の静電容量Ｃ２は、錘部２３の上面積が小さい部位と電極部２４ａとの間の静電容量Ｃ１のａ倍であるとする。このとき、図１１（ａ）のｚ軸（ＳＯＩ基板１０１の厚み方向）に加速度が加わると、加速度の大きさに応じて、静電容量Ｃ１，Ｃ２／ａは、それぞれ、図１２に実線及び破線で示すように変化する。図に示すように、静電容量Ｃ１，Ｃ２／ａは、加速度がゼロであるときに所定のオフセット量を有しており、加速度変化に対する非直線性が大きくなる。ここで、第２実施形態では、ヒンジ７を挟んだ各側部における静電容量Ｃ１，Ｃ２／ａが加速度に対して対照的に変化することを利用し、静電容量値の差分Ｃ１−Ｃ２／ａをとる。このように静電容量値の差分をとると、差分値は、図に破線で示すように、加速度がゼロであるときのオフセット値をほとんど有しないものとなり、加速度変化に対し高い直線性を有するものとなる。すなわち、第２実施形態において、加速度センサ２１は、２つの静電容量Ｃ１，Ｃ２の差分を取ることにより、加速度変化に対する、測定値の直線性を向上させることができ、より高精度に加速度を検知することが可能となる。

図１３乃至図１６は、本発明の第３実施形態に係る加速度センサ４１を示す。加速度センサ４１は、上述の第１実施形態の加速度センサ１に似た構成を有するセンサ部４１ａの固定枠２の上方及び下方それぞれに、例えばガラスであるカバー基板（ガラス基板）１４０，１５０を配置して構成されている。

先ず、センサ部４１ａの構成について説明する。図１４に示すように、センサ部４１ａは、第１実施形態の加速度センサ１と比較し、上層１０２及び酸化膜層１０３のうち、支持部５の近傍の電極部４４の形状が異なる一方、他の部位は同様に構成されている。電極部４４は、加速度センサ１の電極部４と同様に、四方が酸化膜層１０３を介して固定枠２に支持されている。電極部４４は、支持部５を囲むように、支持部５と分離するように上層１０２及び酸化膜層１０３に形成された分離溝２ａが設けられることにより、支持部５と電気的に絶縁されている。電極部４４は、上層１０２の外周部分で連続するように、２組の支持部５、接続部６及びヒンジ７を囲むように形成されている。

次に、カバー基板１４０，１５０について説明する。カバー基板１４０は、センサ部４１ａの電極部４４の上面のうち周縁部近傍部位に、すなわち固定枠２の上方に、接合されている。カバー基板１４０は、２つの貫通孔１４１と、キャビティ部１４２と、ストッパ突起１４５とを有している。２つの貫通孔１４１は、図１５（ａ）に示すように、センサ部４１ａの上面に設けられた２つの電極パッド９にそれぞれ対応する位置に設けられている。これにより、図１６（ａ）に示すように、カバー基板１４０がセンサ部４１ａの上面に接合された状態で、カバー基板１４０の上方から電極パッド９に配線を接続することができる。キャビティ部１４２は、カバー基板１４０の下面に、下面から上方に凹むように形成された矩形の凹部であり、平面視で、錘部３が設けられている部位を囲むように形成されている。キャビティ部１４２の深さは、通常の使用状態において上層１０２がキャビティ部１４２の内面に接触しないよう、例えば２μｍから１０μｍ程度とすればよい。図１６（ｂ）に示すように、ストッパ突起１４５は、例えば３つが、キャビティ部１４２の上面のうち錘部３の自由端部の上方近傍部位に、ヒンジ７の長手方向に並ぶように、キャビティ部１４２の上面から下方に突出するように形成されている。ストッパ突起１４５は、その下端部が、電極部４４の上面に近接するように形成されている。例えば、ストッパ突起１４５と電極部４４との間のギャップは、１μｍから５μｍ程度である。なお、第３実施形態において、ストッパ突起１４５は、カバー基板１４０を構成する部材と一体に形成されているが、カバー基板１４０を構成する部材と別体に、例えばＳｉＯ_２を用いて形成され、カバー基板１４０に固定されていてもよい。

カバー基板１４０は、センサ部４１ａの固定枠２の下面に接合されている。カバー基板１５０は、キャビティ部１５２と、ストッパ突起１５５とを有している。キャビティ部１５２は、カバー基板１５０の上面に、上面から下方に凹むように形成された矩形の凹部であり、平面視で、錘部３が設けられている部位を囲むように形成されている。キャビティ部１５２は、例えば、加速度センサ４１の使用範囲を超えた加速度が加わって錘部３が変位しても錘部３がキャビティ部１５２の内面に接触しないように、例えば２μｍから１０μｍ程度の深さが確保されて形成されている。図１６（ｂ）に示すように、ストッパ突起１５５は、例えば３つが、キャビティ部１５２の底面のうち錘部３の自由端部の下端部近傍部位に、ヒンジ７の長手方向に並ぶように、キャビティ部１５２の底面から上方に突出するように形成されている。ストッパ突起１５５は、加速度センサ４１の使用範囲を超えた加速度が加わって錘部３が変位したときに、上端部が錘部３の下面に当接するような高さに位置するように形成されている。例えば、ストッパ突起１５５と錘部３との間のギャップは、錘部３が平衡状態にある場合で１μｍから５μｍ程度である。なお、ストッパ突起１５５は、ストッパ突起１４５と同様に、カバー基板１５０を構成する部材と一体に形成されているが、カバー基板１５０を構成する部材と別体に、例えばＳｉＯ_２を用いて形成され、カバー基板１５０に固定されていてもよい。

カバー基板１４０，１５０は、例えば陽極接合により、それぞれセンサ部４１ａの上面と下面、すなわち固定枠２の上方、下方に接合される。上層１０２の周囲は、電極部４４が連続するように形成されているため、カバー基板１４０が固定枠２の上方であって上層１０２の上面に接合され、カバー基板１５０が下層１０４の固定枠２の下面に接合された状態では、錘部３が外部から封止される。なお、このとき、キャビティ部１４２，１５２で囲まれる加速度センサ４１の内部は、所望の錘部３の振動ダンピングの程度に応じて、真空引き又は窒素封入を行うのが望ましい。カバー基板１４０，１５０の接合は、例えば、ウエハ・プロセスにおいてＳＯＩ基板１０１に複数のセンサ部４１ａを形成した後に行われる。

このように、第３実施形態によれば、カバー基板１４０，１５０により上層１０２や下層１０４が保護されるので、加速度センサ４１の製造時に製品不良の発生を防止して歩留まりを向上させることができる。また、錘部３やヒンジ７等の脆い部分に外部部材等が触れることがないので、加速度センサ４１をより容易に取り扱うことができる。さらに、錘部３を外部から封止することにより、加速度センサ４１の耐環境性をさらに向上させ、錘部３の動作を安定させ高精度に加速度の検出を行うことができる。また、センサ部４１ａの上下にカバー基板１４０，１５０を接合した後、ダイシングを行い個々の加速度センサ４１のチップに分割するので、センサ部４１ａの上面や下面が外部に露出しているようなむき出しの状態でダイシングを行う場合に比べて、加速度センサ４１の製造の歩留まりを大幅に向上させることができる。

また、錘部３がストッパ突起１５５に当接することにより、錘部３の変位が制限されるので、ヒンジ７や錘部３の破損等が防止され、加速度センサ４１の耐衝撃性を向上させることができる。同様に、錘部３が上方に変位して電極部４４に接触し、電極部４４が変形しても、電極部４４がストッパ突起１４５に当接するので、電極部４４や錘部３の変位量を抑えることができ、電極部４４の破損や錘部３、ヒンジ７等の破損等を防止し、加速度センサ４１の耐衝撃性を向上させることができる。さらに、錘部３は、１軸のヒンジ７をねじりながら変位するので、過度の加速度が加わった場合に錘部３や電極部４４が当接する位置を容易に特定することができるため、ストッパ突起１４５，１５５を効果的に配置することが容易に可能である。

なお、カバー基板１４０，１５０は、ガラス製に限られず、例えばシリコン基板を用いて構成されていてもよい。シリコン基板をセンサ部４１ａに接合する場合には、例えば、接合表面をプラズマ処理した後に直接接合したり、ＡｕＳｉなどの金属を用いて共晶接合を行えばよい。また、キャビティ部１４２，１５２の深さや、ストッパ突起１４５，１５５のサイズや数は、上述に限られず、また、ストッパ突起１４５，１５５の両方又はいずれか一方が設けられていなくてもよい。

図１７乃至図１９は、本発明の第４実施形態に係る加速度センサ６１を示す。加速度センサ６１は、上述の１軸の加速度センサ１，２１，４１とは異なる、３軸方向の加速度を検出可能な３軸加速度センサである。加速度センサ６１は、上述の加速度センサ１とほぼ同様に構成された３つのセンサ部（１軸加速度センサ）６１ａ，６１ｂ，６１ｃを、互いに向きを変えて、例えば１つの矩形チップ内の中央、右側部、左側部にそれぞれ配置して構成されている。

図１７において、二点鎖線で囲まれた３つの部位は、それぞれセンサ部６１ａ，６１ｂ，６１ｃを示す。各センサ部６１ａ，６１ｂ，６１ｃは、一体に形成された固定枠６２を共有している。固定枠６２と、各センサ部６１ａ，６１ｂ，６１ｃの錘部３は、例えば、ＳＯＩ基板１０１の下層１０４に対しＤ−ＲＩＥを行うことにより、互いに分離されて形成される。各センサ部６１ａ，６１ｂ，６１ｃの電極部４は、固定枠６２に四方で支持されている。電極部４は、上述と同様に、錘部３との間の寄生容量を小さくするため、固定枠６２に支持される部位の面積ができるだけ小さくなるように形成されている。各センサ部６１ａ，６１ｂ，６１ｃにおいて、貫通孔配線８を介し錘部３と同電位になる支持部５の一方は、固定枠６２の外周部の近傍部位まで延設されている。各センサ部６１ａ，６１ｂ，６１ｃの電極パッド９は、このよう固定枠６２の外周部近傍部位の支持部５上及び電極部４上に配置されており、これにより各電極パッド９に対する配線を容易に行うことができるように構成されている。

各センサ部６１ａ，６１ｂ，６１ｃは、ヒンジ７により構成される錘部３の回動軸の向きが、同一平面内において、それぞれ９０度ずつ異なるように配置されている。説明のため、各センサ部６１ａ，６１ｂ，６１ｃについて、平面視で、ヒンジ７により構成される回動軸（図１７に一点鎖線で示す）が錘部３の上部に位置するとき、当該回動軸の向きが０度の向きであるとする。すなわち、第４実施形態において、図１７に示すように、加速度センサ６１の中央に位置するセンサ部６１ａは、０度の方向を向いて配置されている。また、加速度センサ６１の右側部に位置するセンサ部６１ｂは、９０度の方向を向いて配置されている。さらに、加速度センサ６１の左側部に位置するセンサ部６１ｃは、１８０度の方向、すなわちセンサ部６１ａとは逆方向を向くように配置されている。このように、各センサ部６１ａ，６１ｂ，６１ｃは、錘部３の回動軸が、それぞれ、０度、９０度、１８０度の方向を向くように配置されている。

ここで、第４実施形態において、各センサ部６１ａ，６１ｂ，６１ｃのそれぞれの錘部３と電極部４との間の静電容量をそれぞれＣ３，Ｃ４，Ｃ５とすると、加速度センサ６１を用いて、次のようにして、図１８に示す３次元方位の加速度、すなわち３軸の加速を検知することができる。すなわち、ｘ軸について（Ｃ３−Ｃ４）／２、ｙ軸についてＣ５、ｚ軸について（Ｃ３＋Ｃ４＋Ｃ５）／３のそれぞれの静電容量を算出し、それに応じて加速度を算出することにより、加速度を検知することができる。なお、このとき、ｚ軸に関しては、いずれかのセンサ部６１ａ，６１ｂ，６１ｃの単一の静電容量に応じて加速度を検知したり、またはセンサ部６１ａ，６１ｂ，６１ｃのうちいずれか２つの静電容量の平均値に応じて加速度を検知してもよい。

加速度センサ６１は、上述の第１実施形態の加速度センサ１と同様に、単一のＳＯＩ基板１０１の上層１０２及び下層１０４に対しＤ−ＲＩＥを行ったり、酸化膜層１０３の犠牲層エッチングを行うことにより、単純なプロセスにより作製可能である。また、各センサ部６１ａ，６１ｂ，６１ｃは、耐衝撃性が高く容易に設計及び作成可能であるため、耐衝撃性が高く高精度な３軸の加速度を測定可能な加速度センサを、容易に作製することができる。

なお、加速度センサ６１は、３つのセンサ部６１ａ，６１ｂ，６１ｃを有するものに限られず、錘部３の回動軸の向きが互いに異なる４つ以上のセンサ部を組合せて３軸の加速度を検出可能な加速度を検出可能に構成されていてもよい。また、３つのセンサ部６１ａ，６１ｂ，６１ｃの位置や加速度センサ６１の形状は、上述の態様に限られない。すなわち、加速度センサは、１軸加速度センサであるセンサ部を少なくとも３つ有しており、そのうち少なくとも３つのセンサ部６１ａ，６１ｂ，６１ｃが、相対的に互いに９０度ずつ異なる方向を向くように、すなわち０度、９０度、１８０度、３６０度のうちいずれか３つの方向を向くように、同一平面内において配置されていればよい。

なお、本発明は上記実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の趣旨を変更しない範囲で適宜に種々の変形が可能である。例えば、上述の第２実施形態の加速度センサ２１や第４実施形態の加速度センサ６１の上部及び下部に、第３実施形態と同様にカバー基板１４０，１５０を配置してもよい。これにより、加速度センサの耐環境製を向上させ、容易に取り扱い可能にし、製造時の歩留まりを向上させることができる。また、上述の第２実施形態の加速度センサ２１と同様の構造の３つのセンサ部を、第４実施形態と同様に異なる向きに組み合わせ、３軸加速度センサを構成してもよい。この場合、３つのセンサ部それぞれにおいて、測定値の加速度に対する直線性を向上させることができるため、３軸方向の加速度をより高精度に検知することができる。

（ａ）は本発明の第１実施形態に係る加速度センサの一例を示す斜視図、（ｂ）は同加速度センサを下面側から見た斜視図。 （ａ）は上記加速度センサの平面図、（ｂ）は同加速度センサの下面図。 上記加速度センサの上層部分、酸化膜層部分、下層部分の各構成を示す斜視図。 （ａ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（ｃ）は図２（ａ）のＣ−Ｃ線断面図、（ｄ）は図２（ａ）のＤ−Ｄ線断面図、（ｅ）は図２（ａ）のＥ−Ｅ線断面図、（ｆ）は図２（ａ）のＦ−Ｆ線断面図、（ｇ）は図２（ａ）のＧ−Ｇ線断面図。 （ａ）は上記加速度センサの製造途中の状態を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の側断面図。 （ａ）は上記加速度センサの製造途中の状態を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の側断面図。 （ａ）は上記加速度センサの製造途中の状態を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の側断面図。 （ａ）は上記加速度センサの完成時の状態を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の側断面図。 （ａ）は本発明の第２実施形態に係る加速度センサの一例を示す斜視図、（ｂ）は同加速度センサを下面側から見た斜視図。 上記加速度センサの上層部分、酸化膜層部分、下層部分の各構成を示す斜視図。 （ａ）は上記加速度センサの平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図。 上記加速度センサにおける加速度と静電容量値との関係を示すグラフ。 本発明の第３実施形態に係る加速度センサの一例を示す斜視図。 上記加速度センサのカバー基板と、センサ部の上層部分、酸化膜層部分、下層部分の各構成を示す斜視図。 （ａ）、（ｂ）は上記加速度センサの上下のカバー基板と、センサ部の各構成を示す斜視図。 （ａ）は図１３のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は図１３のＢ−Ｂ線断面図。 本発明の第４実施形態に係る加速度センサの一例を示す平面図。 上記加速度センサを示す斜視図。 上記加速度センサの上層部分、酸化膜層部分、下層部分の各構成を示す斜視図。

１，２１，４１ 加速度センサ（１軸加速度センサ）
２，２２，６２ 固定枠
３，２３ 錘部
４，２４ａ，２４ｂ，４４ 電極部（上部シリコン電極部）
７ ヒンジ
８ 貫通孔配線
１０ ギャップ
６１ 加速度センサ（３軸加速度センサ）
６１ａ，６１ｂ，６１ｃ センサ部（１軸加速度センサ）
１０１ ＳＯＩ基板
１０２ 上層（上部導電性シリコン層）
１０３ 酸化膜層（埋込酸化膜層）
１０４ 下層（下部導電性シリコン層）
１４０，１５０ カバー基板（ガラス基板）
１４５，１５５ ストッパ突起

Claims (5)

1. 上部導電性シリコン層、埋込酸化膜層及び下部導電性シリコン層の３層構造を有するＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて構成された１軸加速度センサであって、
   前記下部導電性シリコン層の一部を周囲の固定枠から分離して形成された錘部と、
   前記上部導電性シリコン層の一部をエッチングすることにより形成され、周縁部のうち三方以上が前記固定枠に結合された上部シリコン電極部と、
   前記上部導電性シリコン層の一部をエッチングすることにより、前記錘部と前記固定枠を結合するように、且つ、互いに同軸に並ぶように形成された一対のヒンジと、
   前記ヒンジと前記錘部とを電気的に結合する貫通孔配線とを備え、
   前記錘部と前記上部シリコン電極部との間には、前記埋込酸化膜層を犠牲層エッチングすることによりギャップが設けられており、
   前記錘部が前記ヒンジを回動軸として前記固定枠に対し変位することにより変化する前記上部シリコン電極層と前記錘部との間の静電容量に応じて、加速度の大きさを検知可能に構成されていることを特徴とする１軸加速度センサ。
2. 前記錘部は、平面視で、前記ヒンジにより構成される回転軸の両側方に、この回転軸について非対称形状を成すように形成されており、
   前記上部シリコン電極部は、前記回動軸を挟むように配置された２つの部位に分割されており、
   前記上部シリコン電極部の２つの部位それぞれと前記錘部との間の静電容量をそれぞれ検知可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の１軸加速度センサ。
3. 前記固定枠の上方及び下方それぞれに配置されたガラス基板又はシリコン基板をさらに備え、それにより前記錘部が外部から封止されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の１軸加速度センサ。
4. 前記固定枠の上方に配置されたガラス基板又はシリコン基板と前記固定枠の下方に配置されたガラス基板又はシリコン基板のうち少なくとも一方は、前記錘部が前記固定枠に対し所定量だけ変位したときに当該錘部に接触するように形成されたストッパ突起を有することを特徴とする請求項３に記載の１軸加速度センサ。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の１軸加速度センサを少なくとも３個備え、
   前記少なくとも３個の１軸加速度センサは、それぞれの１軸加速度センサの錘部の回動軸が同一平面内において０度、９０度、１８０度、３６０度のうちいずれか３つの方向を向くように、それぞれ互いに異なる向きで配置されていることを特徴とする３軸加速度センサ。

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