JP2010210426A - 加速度センサ並びにその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ビーム部における応力集中を緩和して耐衝撃性を向上する。
【解決手段】重り部４，５を支持するビーム部６ａと６ｂ，７ａと７ｂは、それぞれ回動軸の軸方向と交差する断面形状が円又は楕円形状となる柱状に形成されている。故に、ビーム部６ａ，６ｂ及び７ａ，７ｂにおける応力集中を緩和してビーム部６ａ，６ｂ及び７ａ，７ｂの耐衝撃性が向上できる。また、フレーム部３や重り部４，５の角の部分を面取りしているため、重り部４，５が固定電極２０ａ，２０ｂや２１ａ，２１ｂに衝突したときに角の部分が破損することを防止できる。しかも、熱酸化によってフレーム部３や重り部４，５、ビーム部６ａ，６ｂ及び７ａ，７ｂの表面にシリコン酸化膜を形成した後、当該シリコン酸化膜を除去するため、フレーム部３、重り部４，５、ビーム部６ａと６ｂ，７ａと７ｂの面取りを同じ工程で同時に行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電容量型の加速度センサ並びにその製造方法に関するものである。

従来、図６に示すように可動電極を有する直方体形状の重り部１００と、重り部１００の長手方向における略中央において重り部１００を回動自在に支持する一対のビーム部１０１と、一対のビーム部１０１を結ぶ直線（ビーム軸）を境界線とした重り部１００の表面のそれぞれ一方側及び他方側に対し所定距離をあけて対向配置された第１及び第２の固定電極１０２，１０３とを備える加速度センサが知られている。この加速度センサは、ビーム軸を回動軸とした重り部１００の回動に伴う可動電極（重り部１００の固定電極１０２，１０３との対向部位）と第１および第２の固定電極１０２，１０３間の静電容量の変化を差動検出することにより、重り部１００に印加された加速度を検出する。このような加速度センサでは、加速度が印加された際にビーム軸を回動軸としたモーメントが重り部１００に発生するように、重り部１００の裏面のビーム軸を境界線とした一方側（図６における右側）に凹部１０４を形成することにより、ビーム軸を境界線とした重り部１００の一方側（右側）と他方側（左側）とで重量が異なるようにしている（例えば、特許文献１参照）。

特表２００８−５４４２４３号公報

ところで、特許文献１に記載されている従来例では、ビーム部１０１が角柱状に形成されているため、ねじれによる応力がそれぞれの辺や頂点の部分に集中し、当該部分が破損しやすくなっていた。

本発明は上記事情に鑑みて為されたものであり、その目的は、ビーム部における応力集中を緩和して耐衝撃性が向上できる加速度センサ並びにその製造方法を提供することにある。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、一面に可動電極が設けられた重り部と、重り部を回動軸の回りに回動自在に支持するビーム部と、可動電極に対向して配置される固定電極とを備え、ビーム部は、回動軸の軸方向と交差する断面形状が円又は楕円形状となる柱状に形成されていることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、従来例のようにビーム部が角柱状に形成されている場合と比較して、ビーム部における応力集中を緩和することができ、その結果、ビーム部の耐衝撃性が向上できる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、重り部の周囲を囲み、内周面にビーム部の一端が結合されるフレーム部を備え、フレーム部並びに重り部の角の部分が面取りされていることを特徴とする。

請求項２の発明によれば、重り部が固定電極に衝突したときに角の部分が破損することを防止できる。

請求項３の発明は、半導体の微細加工技術により半導体基板を加工することで請求項１又は２の加速度センサを製造する製造方法であって、半導体基板をエッチングしてフレーム部、重り部、ビーム部を形成する工程と、フレーム部、重り部、ビーム部の表面を熱酸化する工程と、熱酸化によってフレーム部、重り部、ビーム部の表面に形成された酸化膜を除去する工程とを有することを特徴とする。

請求項３の発明によれば、フレーム部、重り部、ビーム部の面取りを同じ工程で同時に行うことができる。

本発明によれば、ビーム部における応力集中を緩和して耐衝撃性が向上できる。

本発明の実施形態を示し、（ａ）はセンサチップの下面図、（ｂ）は断面図である。 同上の分解斜視図である。 （ａ）〜（ｅ）は同上の製造方法を説明するための断面図である。 同上の変形例を示す上面図である。 同上の変形例を示す上面図である。 従来例を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。但し、以下の説明では図２におけるｘ軸方向を縦方向、ｙ軸方向を横方向、ｚ軸方向を上下方向と定める。

本実施形態は、図２に示すように外形が矩形平板状であるセンサチップ１と、センサチップ１の上面側に固定される上部固定板２ａと、センサチップ１の下面側に固定される下部固定板２ｂとを備えている。センサチップ１は、上下方向から見て矩形の２つの枠部３ａ，３ｂが長手方向（横方向）に並設されたフレーム部３と、枠部３ａ，３ｂの内周面に対して隙間を空けた状態で枠部３ａ，３ｂ内に配置された直方体形状の重り部４，５と、枠部３ａ，３ｂの内周面と重り部４，５の側面を連結してフレーム部３に対して重り部４，５を回動軸の回りに回動自在に支持する各一対のビーム部６ａ，６ｂ及び７ａ，７ｂと、重り部４，５の上面に形成される可動電極４ａ，５ａとを備えている。

重り部４，５は、図１に示すように一面（下面）に開口する凹部１１，１３と凹部１１，１３を除く充実部１２，１４が一体に形成されている。凹部１１，１３は、開口面の法線方向（上下方向）から見て平面視四角形に形成されるとともに、凹部１１，１３の内壁面及び底壁面と結合され且つ上下方向から見てそれぞれ対角線上に配置されて互いに交差する２つの補強壁１６，１６が内部に設けられている。

一対のビーム部６ａ，６ｂは、横方向に対向する枠部３ａの内周面における縦方向の中央部に一端が連結され、重り部４の側面における凹部１１と充実部１２の境界付近に他端が連結されている。同じく一対のビーム部７ａ，７ｂは、横方向に対向する枠部３ｂの内周面における縦方向の中央部に一端が連結され、重り部５の側面における凹部１３と充実部１４の境界付近に他端が連結されている。つまり、一対のビーム部６ａと６ｂ、７ａと７ｂをそれぞれ結ぶ直線が回動軸となり、回動軸の回りに各重り部４，５が回動することになる。ここで、一対のビーム部６ａと６ｂ、７ａと７ｂは、何れも回動軸の軸方向と交差する断面形状が円形状（あるいは楕円形状であってもよい）となる柱状に形成されている。また、センサチップ１は、後述するように半導体の微細加工技術によりシリコン基板（シリコンＳＯＩ基板）を加工して形成されるものであり、重り部４，５の上面を含む部分が可動電極４ａ，５ａとなる。尚、図２では図示を省略しているが、重り部４，５の上面及び下面には、重り部４，５が上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂに直接衝突することを防止するための突起部１５ａ〜１５ｇが突設されている。

上部固定板２ａは、石英ガラスなどの絶縁材料製であって、その下面には、上下方向に沿ってセンサチップ１の重り部４（可動電極４ａ）と対向する位置に第１の固定電極２０ａと第２の固定電極２０ｂが縦方向に並設されるとともに、上下方向に沿ってセンサチップ１の重り部５（可動電極５ａ）と対向する位置に第１の固定電極２１ａと第２の固定電極２１ｂが縦方向に並設されている。また、上部固定板２ａは、縦方向の一端側に５つの貫通孔２２ａ〜２２ｅが横方向に並べて貫設されている。さらに、上部固定板２ａの下面には各固定電極２０ａ，２０ｂ及び２１ａ，２１ｂと電気的に接続された複数の導電パターン（図示せず）が形成されている。

一方、センサチップ１の縦方向一端側にはフレーム部３から離間された合計４つの電極部８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂが並設されている。これら４つの電極部８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂは、上面における略中央に金属膜からなる検出電極８０ａ，８０ｂ，９０ａ，９０ｂがそれぞれ形成されるとともに、枠部３ａ，３ｂに臨む端部の上面に金属膜からなる圧接電極８１ａ，８１ｂ，９１ａ，９１ｂがそれぞれ形成されている。尚、フレーム部３上面の電極部８ｂ，９ａの間には接地電極１０が形成されている。そして、センサチップ１の上面に上部固定板２ａが接合されると、上部固定板２ａの下面に形成されている導電パターンと圧接電極８１ａ，８１ｂ，９１ａ，９１ｂが圧接接続されることで各検出電極８０ａ，８０ｂ，９０ａ，９０ｂが各固定電極２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂと電気的に接続されるとともに、上部固定板２ａの貫通孔２２ａ〜２２ｄを通して各検出電極８０ａ，８０ｂ，９０ａ，９０ｂが外部に露出する（図１（ｂ）参照）。尚、接地電極１０も貫通孔２２ｅを通して外部に露出する。

下部固定板２ｂは、上部固定板２ａと同じく石英ガラスなどの絶縁材料製であって、その上面には上下方向に沿ってセンサチップ１の重り部４，５と対向する位置にそれぞれ付着防止膜２３ａ，２３ｂが形成されている。この付着防止膜２３ａ，２３ｂは、アルミニウム系合金等の固定電極２０ａ，…と同じ材料で形成されており、回動した重り部４，５の下面が下部固定板２ｂに付着することを防止している。

ここで、本実施形態では、枠部３ａ、重り部４、ビーム部６ａ，６ｂ、可動電極４ａ、第１及び第２の固定電極２０ａ，２０ｂ、検出電極８０ａ，８０ｂと、枠部３ｂ、重り部５、ビーム部７ａ，７ｂ、可動電極５ａ、第１及び第２の固定電極２１ａ，２１ｂ、検出電極８１ａ，８１ｂとで各々加速度センサが構成され、重り部４，５の向き（凹部１１，１３と充実部１２，１４の配置）を１８０度反転させた状態で２つの加速度センサが一体に形成されている。

次に、本実施形態の検出動作について説明する。

まず、一方の重り部４にｘ軸方向の加速度が印加された場合を考える。ｘ軸方向に加速度が印加されると重り部４が回動軸の回りに回動して可動電極４ａと第１の固定電極２０ａ並びに第２の固定電極２０ｂとの間の距離が変化し、その結果、可動電極４ａと各固定電極２０ａ，２０ｂとの間の静電容量Ｃ１，Ｃ２も変化する。ここで、ｘ軸方向の加速度が印加されていないときの可動電極４ａと各固定電極２０ａ，２０ｂとの間の静電容量をＣ０とし、加速度の印加によって生じる静電容量の変化分をΔＣとすれば、ｘ軸方向の加速度が印加されたときの静電容量Ｃ１，Ｃ２は、
Ｃ１＝Ｃ０−ΔＣ …（１）
Ｃ２＝Ｃ０＋ΔＣ …（２）
と表すことができる。

同様に、他方の重り部５にｘ軸方向の加速度が印加された場合、可動電極５ａと各固定電極２１ａ，２１ｂとの間の静電容量Ｃ３，Ｃ４は、
Ｃ３＝Ｃ０−ΔＣ …（３）
Ｃ４＝Ｃ０＋ΔＣ …（４）
と表すことができる。

ここで、静電容量Ｃ１〜Ｃ４の値は、検出電極８０ａ，８０ｂ及び８１ａ，８１ｂから取り出す電圧信号を演算処理することで検出することができる。そして、一方の加速度センサから得られる静電容量Ｃ１，Ｃ２の差分値ＣＡ（＝Ｃ１−Ｃ２）と、他方の加速度センサから得られる静電容量Ｃ３，Ｃ４の差分値ＣＢ（＝Ｃ３−Ｃ４）との和（±４ΔＣ）を算出すれば、この差分値ＣＡ，ＣＢの和に基づいてｘ軸方向に印加された加速度の向きと大きさを演算することができる。

次に、一方の重り部４にｚ軸方向の加速度が印加された場合を考える。ｚ軸方向に加速度が印加されると重り部４が回動軸の回りに回動して可動電極４ａと第１の固定電極２０ａ並びに第２の固定電極２０ｂとの間の距離が変化し、その結果、可動電極４ａと各固定電極２０ａ，２０ｂとの間の静電容量Ｃ１，Ｃ２も変化する。ここで、ｚ軸方向の加速度が印加されていないときの可動電極４ａと各固定電極２０ａ，２０ｂとの間の静電容量をＣ０とし、加速度の印加によって生じる静電容量の変化分をΔＣとすれば、ｚ軸方向の加速度が印加されたときの静電容量Ｃ１，Ｃ２は、
Ｃ１＝Ｃ０＋ΔＣ …（５）
Ｃ２＝Ｃ０−ΔＣ …（６）
と表すことができる。

同様に、他方の重り部５にｚ軸方向の加速度が印加された場合、可動電極５ａと各固定電極２１ａ，２１ｂとの間の静電容量Ｃ３，Ｃ４は、
Ｃ３＝Ｃ０−ΔＣ …（７）
Ｃ４＝Ｃ０＋ΔＣ …（８）
と表すことができる。

そして、一方の加速度センサから得られる静電容量Ｃ１，Ｃ２の差分値ＣＡ（＝Ｃ１−Ｃ２）と、他方の加速度センサから得られる静電容量Ｃ３，Ｃ４の差分値ＣＢ（＝Ｃ３−Ｃ４）との差（±４ΔＣ）を算出すれば、この差分値ＣＡ，ＣＢの差に基づいてｚ軸方向に印加された加速度の向きと大きさを演算することができる。尚、差分値ＣＡ，ＣＢの和と差に基づいてｘ軸方向及びｚ軸方向の加速度の向き及び大きさを求める演算処理については従来周知であるから詳細な説明を省略する。

次に、図３を参照して本実施形態の製造方法を説明する。

本実施形態は、図３（ａ）に示すように支持基板３０ａ及び中間酸化膜３０ｂ、活性層３０ｃからなるシリコンＳＯＩ基板を半導体の微細加工技術を利用して加工することにより形成される。まず、シリコンＳＯＩ基板の両面にシリコン酸化膜やフォトレジスト膜などのマスク材料３１を形成し、重り部４，５に対応する位置のマスク材料３１を除去した後、ＴＭＡＨ（テトラメチル水酸化アンモニウム溶液）やＫＯＨ（水酸化カリウム溶液）などを利用した湿式エッチング、あるいは反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などの乾式エッチングを行うことにより、シリコンＳＯＩ基板の上面及び下面に重り部４，５が変位するための空間（凹所）３２ａ，３２ｂを形成する（図３（ｂ）参照）。

そして、凹所３２ａ，３２ｂの底面の所定位置にシリコン酸化膜又はカーボンナノチューブからなる突起部１５ａ〜１５ｇを形成する。このとき、スパッタリングや蒸着成膜を利用して金属膜からなる検出電極８０ａ，８０ｂ，９０ａ，９０ｂ並びに圧接電極８１ａ，８１ｂ，９１ａ，９１ｂを形成する（図３（ｃ）参照）。

続いて、支持基板３０ａ及び中間酸化膜３０ｂの順にシリコンＳＯＩ基板の下面をエッチングすることで重り部４，５（凹部１１，１３並びに充実部１２，１４、補助壁１６）を形成する。続いて、シリコンＳＯＩ基板を熱酸化することによってフレーム部３や重り部４，５、ビーム部６ａ，６ｂ及び７ａ，７ｂの表面にシリコン酸化膜を形成した後、当該シリコン酸化膜を除去する。ここで、シリコン酸化膜を除去した後のフレーム部３や重り部４，５、ビーム部６ａ，６ｂ及び７ａ，７ｂは角の部分か面取りされている。つまり、本実施形態の製造方法によれば、フレーム部３、重り部４，５、ビーム部６ａと６ｂ，７ａと７ｂの面取りを同じ工程で同時に行うことができる。そして、付着防止膜２３ａ，２３ｂが上面に形成された下部固定板２ｂをシリコンＳＯＩ基板の下面に陽極接合する（図３（ｄ）参照）。

最後に、貫通孔２２ａ〜２２ｅ及び第１及び第２の固定電極２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂが形成された上部固定板２ａをシリコンＳＯＩ基板の上面に陽極接合することにより、本実施形態の製造工程は完了する（図３（ｅ）参照）。

而して本実施形態によれば、ビーム部６ａと６ｂ，７ａと７ｂがそれぞれ回動軸の軸方向と交差する断面形状が円又は楕円形状となる柱状に形成されているので、従来例のようにビーム部１０１が角柱状に形成されている場合と比較して、ビーム部６ａ，６ｂ及び７ａ，７ｂにおける応力集中を緩和することができ、その結果、ビーム部６ａ，６ｂ及び７ａ，７ｂの耐衝撃性が向上できるという利点がある。また、フレーム部３や重り部４，５の角の部分を面取りしているため、重り部４，５が固定電極２０ａ，２０ｂや２１ａ，２１ｂに衝突したときに角の部分が破損することを防止できるものである。

尚、本実施形態はｘ軸とｚ軸の２軸方向の加速度を検出する加速度センサを例示したが、図４に示すように上述した加速度センサ１をｘｙ平面内で９０度回転対称に配置すれば、ｘ軸、ｚ軸にｙ軸を加えた３軸方向の加速度を検出する加速度センサが実現できる。あるいは、図５に示すように３つの加速度センサを同一チップ面内に配置し、第１の加速度センサＳ１に対して、第２及び第３の加速度センサＳ２，Ｓ３がチップ面内で９０度及び１８０度回転対称に配置しても、同様にｘ軸、ｚ軸にｙ軸を加えた３軸方向の加速度を検出する加速度センサが実現できる。

１ センサチップ
４，５ 重り部
４ａ，５ａ 可動電極
６ａ，６ｂ ビーム部
７ａ，７ｂ ビーム部
２０ａ，２１ａ 第１の固定電極
２０ｂ，２１ｂ 第２の固定電極

Claims (3)

1. 一面に可動電極が設けられた重り部と、重り部を回動軸の回りに回動自在に支持するビーム部と、可動電極に対向して配置される固定電極とを備え、
   ビーム部は、回動軸の軸方向と交差する断面形状が円又は楕円形状となる柱状に形成されていることを特徴とする加速度センサ。
2. 重り部の周囲を囲み、内周面にビーム部の一端が結合されるフレーム部を備え、フレーム部並びに重り部の角の部分が面取りされていることを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
3. 半導体の微細加工技術により半導体基板を加工することで請求項１又は２の加速度センサを製造する製造方法であって、
   半導体基板をエッチングしてフレーム部、重り部、ビーム部を形成する工程と、フレーム部、重り部、ビーム部の表面を熱酸化する工程と、熱酸化によってフレーム部、重り部、ビーム部の表面に形成された酸化膜を除去する工程とを有することを特徴とする加速度センサの製造方法。

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