JP2011058819A

JP2011058819A - Ｍｅｍｓセンサーおよびその製造方法

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Publication number: JP2011058819A
Application number: JP2009205599A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Yoda; 光宏與田; Hiroshi Kanemoto; 啓金本
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2009-09-07
Filing date: 2009-09-07
Publication date: 2011-03-24

Abstract

【課題】可動錘部の質量の増大による検出感度の向上を、Ｑ値をほぼ一定に維持しつつ達成すること。
【解決手段】基板上に形成された多層構造を加工して形成されるＭＥＭＳセンサーは、弾性変形部１３０によって固定枠部１１０に連結され、周囲に空洞部１１１，１１３が形成されている可動錘部１２０と、固定枠部に固定された固定電極部１５０（１５０ａ，１５０ｂ）と、可動錘部に接続され、固定電極部に対向して配置される可動電極部１４０（１４０ａ，１４０ｂ）と、を有する容量部１４５（１４５ａ，１４５ｂ）と、固定枠部に固定されたダミー固定電極部１５３（１５３ａ，１５３ｂ）と、可動錘部に接続され、ダミー固定電極部に対向して配置されるダミー可動電極部（１４３ａ，１４３ｂ）と、を有し、検出信号を出力しないダミー容量部１４７（１４７ａ，１４７ｂ）と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＭＥＭＳセンサー（Micro Electro Mechanical Sensor:マイクロエレクトロメカニカルセンサー）およびその製造方法等に関する。

例えば、静電容量型ＭＥＭＳセンサーは、可動錘部、可動電極部および固定電極部は、例えば、複数層の膜（絶縁膜や導電性材料膜等を含む）を積層して構成される多層構造（階層が異なる複数の層が積層された積層構造体）を加工して形成される。多層構造の加工（必要な場合には基板の加工を含む）には、例えば、半導体集積回路（ＩＣ）の製造技術を使用することができる。

例えば特許文献１には、ＣＭＯＳ集積回路一体型のシリコンＭＥＭＳ加速度センサーが開示されている。また、特許文献２には、「半導体力学量センサーにおいて、電極が形成された構造体の全領域に対向するように半導体基板を支持する支持体を設けて、ダンピング係数を増大させてＱ値を低減させる技術」が開示されている。特許文献２に開示されるセンサーでは、可動体の上下に意図的に構造体（支持体）を設けて、通常構造ではほとんど発生しないスライドダンピングを生じさせてダンピング係数を増大させる。

特開２００６−２６３９０２号公報特開２００４−２８６６４９号公報

一般的な静電容量型のＭＥＭＳ加速度センサーでは、櫛歯電極（櫛の歯状に配列された電極のことであり、具体的には、例えば、互いに対向する一組の電極が複数組、所定方向に配置された電極である）で構成される容量の変化を検出することによって、物理量としての加速度の変化を求める。

ＭＥＭＳ加速度センサーにおいて、ノイズの低減は特に重要な課題である。静電容量型のＭＥＭＳ加速度センサーのノイズ低減（すなわち、検出感度の向上）のためには、可動錘部の質量を大きくすることが有効である。但し、可動錘部の質量は、可動錘部における振動のＱ値にも影響を及ぼす。

例えば、可動錘部（可動構造体）の自由振動は振動の運動方程式で表現することができ、可動錘部のＱ値および共振周波数（固有振動数）は、好ましい値に設計される必要がある。粘性減衰のある自由振動を行う可動錘部（可動構造体）の共振周波数（固有振動数）ωは、例えば、可動錘部の質量（Ｍ）と、可動錘部を支持するバネ（弾性変形部）のバネ定数Ｋから一義的に決まり、また、共振の鋭さを表すＱ値（振動のＱ値）は、さらにダンピング係数（粘性係数：Ｄ）を加えた計算式から決まる。可動錘部の質量（Ｍ）を大きくすればＱ値も大きくなり、また、ダンピング係数（Ｄ）が増大すれば、Ｑ値が小さくなるという関係が成立する。

例えば、検出感度の向上のために可動錘部の質量（Ｍ）を増大させたときに、その質量（Ｍ）の増大に伴ってＱ値も増大し、そのＱ値が適切な範囲を逸脱して大きくなり過ぎる場合もあり得る。この場合には、センサーが不要な振動を検出してしまい、検出信号のＳ／Ｎが低下する場合がある。また、センサーが搭載された電子機器に、落下等に起因して急激な衝撃が生じたときに、センサーに損傷が生じる危険性が増大する場合もある。

Ｑ値の増大を抑制する手法としては、上記の特許文献２に記載されるように、ダンピング係数（Ｄ）を増大させる方法がある。なお、ダンピング（ここではスクイズダンピングとする）とは、可動電極部が振動する際に、可動電極部と固定電極部とに挟まれた空間にある気体が、例えば上下に動き、その際に、気体の粘性によって生じる、可動電極の動きを止めようとする働きのことであり、ダンピング係数（粘性係数）とは、ダンピングの程度を示す指標としての係数である。しかし、特許文献２に開示されるセンサーでは、可動体の上下に意図的に構造体（支持体）を設けて、スライドダンピングを生じさせている。よって、支持体を設ける分だけセンサーのサイズが増大し、また、センサーの構造も複雑化するのは否めない。

また、ダンピング係数（Ｄ）を増大させる手法としては、櫛歯電極における電極間の距離（ギャップ）を狭めることも有効ではある。しかし、この場合には、電極間ギャップを狭めたことによってコンデンサーの容量値が増し、電気バネ（電極間の静電引力に起因するバネ力）が増大し、可動錘部を支持する弾性変形部（バネ部）の実効的なバネ特性が、非線形になるといった不都合が生じる場合がある。つまり、機械的なバネ特性（線形特性）に、非線形性の電気バネ特性が加わることによってバネ特性が、一般的な線形特性の式（Ｆ＝ｋｘ：ｋはバネ定数、ｘは振動量、Ｆは力）が成立しなくなる場合がある。

本発明の少なくとも一つの態様によれば、例えば、可動錘部の質量の増大による検出感度の向上を、Ｑ値をほぼ一定に維持しつつ達成することができる。また、例えば、弾性変形部（バネ部）のバネ特性に悪影響が生じないようにすることもできる。

（１）本発明のＭＥＭＳセンサーの一態様は、基板上に形成された多層構造を加工して形成されるＭＥＭＳセンサーであって、弾性変形部によって固定枠部に連結され、周囲に空洞部が形成されている可動錘部と、前記固定枠部に固定された固定電極部と、前記可動錘部に接続され、前記固定電極部に対向して配置される可動電極部と、を有する容量部と、前記固定枠部に固定されたダミー固定電極部と、前記可動錘部に接続され、前記ダミー固定電極部に対向して配置されるダミー可動電極部と、を有し、検出信号を出力しないダミー容量部と、を含む。

ダミー容量部（ダミー構造体またはダミー電極部）を設けることによって、ダンピング係数を意図的に増大させることができる。よって、ＭＥＭＳセンサーの構造設計が容易化される。例えば、可動錘部の質量をΔＭだけ増大させたとし、そのΔＭの質量増加に伴ってＱ値がΔＱだけ増加するものとする。この場合において、ダミー容量部を設けることによるダンピング係数（粘性係数）の増大の効果により、Ｑ値を−ΔＱだけ低下させることができれば、可動錘部の質量を大きくした後のＱ値を、大きくする前のＱ値と同じ（ほぼ同じ、実質的に同じ）にすることができる。つまり、Ｑ値を一定に維持しつつ、可動錘部の質量増大による物理量の検出感度の向上の効果を得ることが可能となる。

ダミー容量部は、検出信号を出力しない見かけ上の容量である。つまり、ダミー容量部は、検出信号を受ける検出回路から電気的に分離され、実際の物理量検出に寄与しない容量であり、例えば、主としてダンピング係数の調整のために用いられる（但し、ダミー可動電極部は可動錘部と一体であることから、ダミー可動電極部が可動錘部の質量調整の機能も有すると考えることができ、ダンピング係数の調整用のみならず、可動錘部の質量調整用にも使用される場合も有り得る。また、主として可動錘部の質量調整用に使用する場合もあり得る）。

一般に容量は、両電極間の電位差に応じた電荷を蓄積するが、ダミー容量部は正規の容量ではないことから、電荷の蓄積機能を有さなくてもよい（但し、これに限定されるものではなく、電荷の蓄積機能を有するように設計することも可能である）。つまり、ダミー容量部は、例えば、電極となり得る導電体（導体層）が設けられないことにより、あるいは例えば、電極となり得る導電体（導体層）は存在するが、少なくとも一方の導体層に所定のバイアス電圧が印加されないこと等により、電荷を蓄積する機能をもたないこともあり得る。

この場合、ダミー容量部を構成する両電極部間には静電引力が生じず、電気的なバネ特性が発生しない。よって、弾性変形部（バネ部）のバネ特性が非線形となる心配がなく、自由な設計（例えば、ダンピング係数の調整にのみ特化した設計）が可能である。例えば、ダミー可動電極部とダミー固定電極部との間の距離（ギャップ）を自由に調整することができる。例えば、ダンピング係数の調整のために、ダミー容量における電極間の距離（ギャップ）を、正規の容量とは異なる距離（ギャップ）に設定することもできる。

また、ダミー容量部に、コンデンサーとしての機能（電荷蓄積機能）を持たせることもでき、この場合には、両極間の電位差（バイアス電圧）を、正規の容量部における電極間の電位差と異ならせることもできる。また、ダミー容量部を正規の容量部に切り換えるためのスイッチ部を設けることもできる。

また、上述の多層構造（あるいは積層構造）は、例えば、半導体製造プロセス（フォトリソグラフィ）を用いて形成することができる。但し、これに限定されるものではなく、立体的な構造であればどのような製造方法によって製造される構造であってもよい。多層構造は、例えば、積層された絶縁層および導体層（つまり、絶縁層上に積層された導体層、あるいは、導体層上に積層された絶縁層）を含むことができる。絶縁層は、例えば、基板表面を覆う表面保護層、異なる階層の導体層間の絶縁を確保するための層間絶縁層、あるいは最終保護層等である。導体層は、基板上の表面保護絶縁層上に形成される第１層目導体層や、２層目以上の階層の各導体層を含むことができる。例えば、ＭＥＭＳセンサーが、ＣＭＯＳ集積回路等の半導体集積回路と同じ製造プロセスによって製造される場合には、多層構造として、集積回路装置における多層配線構造を使用することができる。

（２）本発明のＭＥＭＳセンサーの他の態様では、前記ダミー容量部はダンピング係数の調整部としての機能を有し、前記ダミー固定電極部および前記ダミー可動電極部の少なくとも一方における前記多層構造は、積層された複数層の絶縁層のみから構成される。

本態様では、ダミー容量部を構成する多層構造（階層が異なる複数の層が積層された積層構造）には、電極となり得る導電体層（導体層）が設けられない。つまり、本態様のダミー容量部は、例えば、ダンピング係数調整機能をもつ、互いに対向して配置される一対の絶縁構造体を含むことができる。例えば、可動錘部から突出する、積層された絶縁層からなるダミー可動電極部（絶縁材料のみからなる積層構造体）と、固定枠部から可動錘部に向けて突出する、積層された絶縁層からなるダミー固定電極部（絶縁材料のみからなる積層構造体）と、が対向されて配置される。正規の電極となり得る導体層がないことから、本態様のダミー容量部は電荷の蓄積機能を持たない。一方、可動錘部が振動すると、ダミー可動電極部も可動錘部と一体となって振動することから、ダミー可動電極部とダミー固定電極部との間のギャップが変化して空気の移動が生じ、スクイズダンピングが発生する。よって、ダミー容量を配置することによって、可動錘部（可動構造体）のＱ値を小さくする効果を得ることができる。本態様では、上述のとおり、ダミー容量部を構成する両電極部間には静電引力が生じず、電気的なバネ特性が発生しないことから、弾性変形部（バネ部）のバネ特性が非線形となる心配がなく、自由な設計が可能である。

なお、本態様のダミー固定電極部およびダミー可動電極部は、電極として機能する導体層をもたないが、本明細書では、正規の固定電極部および正規の可動電極部と対比して説明できるようにするために、便宜上「電極部」という用語を使用する。また、検出信号を出力する「容量部」を、「ダミー容量部」と対比して説明するために「正規の容量部」と記載する場合がある。

（３）本発明のＭＥＭＳセンサーの他の態様では、前記ダミー容量部はダンピング係数の調整部としての機能を有し、前記ダミー固定電極部および前記ダミー可動電極部の前記多層構造は、積層された複数層の導体層を含み、かつ、前記ダミー固定電極部および前記ダミー可動電極部の前記多層構造における前記積層された複数層の導体層はいずれも、前記ＭＥＭＳセンサーからの前記検出信号を受ける検出回路部の信号入力ノードに接続されない。

本態様のダミー容量部を構成する多層構造には、電極となり得る導電体（導体層）は存在する。つまり、本態様のダミー容量部は、ダンピング係数調整機能をもつ、互いに対向して配置される一対の導電構造体を含む。正規の容量部の、いずれか一方の電極部から出力される物理量の検出信号（例えば微小な電荷信号）は、ＭＥＭＳセンサーからの検出信号を受ける検出回路部の信号入力ノードに入力されるが、本態様のダミー容量部は、電極部となり得る導体層は有してはいるものの、いずれの電極部も検出回路部の信号入力ノードに接続されない。したがって、本態様におけるダミー容量部の、少なくとも出力側の電極部（正規の容量部であるならば検出信号を出力する電極部）は、検出回路部から電気的に分離された孤立導体層である。

本態様では、例えば、ダミー固定電極部およびダミー可動電極部の各々を構成する各導体層間には所定の電位差が生じないようにすることができる。例えば、少なくとも一方の導体層に所定のバイアス電圧が印加されないようにすれば、ダミー容量部は、電荷を蓄積する機能をもたないことになる。但し、可動錘部が振動すると、ダミー可動電極部も可動錘部と一体となって振動することから、ダミー可動電極部とダミー固定電極部との間のギャップが変化して空気の移動が生じ、スクイズダンピングが発生する。よって、ダミー容量を配置することによって、可動錘部（可動構造体）のＱ値を小さくする効果を得ることができる。

また、ダミー容量部が電荷蓄積機能を有さない場合（電極となり得る導体層がない、あるいは、導体層があってもバイアス電圧が印加されないことによってコンデンサーの両極に正規の電位差が生じないような場合）には、ダミー容量部を構成する両電極部間には静電引力が生じず、電気的なバネ特性が発生しない。よって、弾性変形部（バネ部）のバネ特性が非線形となる心配がなく、自由な設計が可能である。

（４）本発明のＭＥＭＳセンサーの他の態様では、前記可動電極部と前記固定電極部との間の距離と、前記ダミー可動電極部と前記ダミー固定電極部との間の距離と、が異なる。

ダミー容量部は、正規の検出信号を検出回路に出力しないため、正規の容量部とは異なる設計値を採用することも可能である。そこで、本態様では、ダミー容量部（ダミーコンデンサー）の電極間ギャップを、正規の容量部（正規のコンデンサー）の電極間ギャップとは異なる値に設定する。すなわち、本態様では、例えば、ダンピング係数の調整を主目的として、ダミー容量における電極間の距離（ギャップ）を、正規の容量とは異なる距離（ギャップ）に設定する。このようにすれば、ギャップの調整によって可動構造体のダンピング係数（粘性係数）を変化させることができ、設計時におけるダンピング係数の調整（例えば、ダミー容量部における電極間ギャップの最適化）が容易化される。

例えば、上述のとおり、ダミー容量部が電荷蓄積機能を有さない場合（電極となり得る導体層がない、あるいは、導体層があってもバイアス電圧が印加されないことによってコンデンサーの両極に正規の電位差が生じないような場合）には、ダミー容量部を構成する両電極部間には静電引力が生じず、電気的なバネ特性が発生しないことから、弾性変形部（バネ部）のバネ特性が非線形となる心配がなく、ダミー容量部の電極間ギャップは、より自由に設計することができる（但し、これは一例であり、ダミー容量部の両電極間に電位差が発生し、ダミー容量部において電気的バネ特性が生じる場合もあり得る。この場合は、ダミー容量部のギャップ値の決定に際しては、ダンピング係数の他、電気的バネ定数も考慮して行われることになる）。

（５）本発明のＭＥＭＳセンサーの他の態様では、前記ダミー固定電極部および前記ダミー可動電極部間の第１の電位差は、前記固定電極部および前記可動電極部間の第２の電位差とは独立に設定される。

本態様では、ダミー容量部は、コンデンサーの両電極となり得る導体層を有し、各電極には、例えば、基準電圧（接地電位を含む）や適切な直流バイアス電圧が印加されていて、コンデンサーとしての機能をもつ。そして、さらに、ダミー容量部における両電極間の電位差（第１の電位差）は、正規の容量部における両電極間の電位差（第２の電位差）とは独立に設定することが可能である。例えば、ダミー容量部における電位差を、正規の容量部の電位差とは独立に設定するための電位設定端子が設けることができ、例えば、その電位設定端子に、正規の容量部のバイアス電圧とは異なる値のバイアス電圧を印加することができる。本態様では、ダミー容量部における蓄積電荷を電位差の独立設定によって制御することができる。例えば、正規の容量部は必然的に電気的バネ特性をもつことから、バランスをとるために、ダミー容量部においてもコンデンサーの機能を付与して電気的バネ特性を生じさせ、かつ、そのダミー容量部における電気的バネ定数を積極的に調整し、これによって、可動構造体全体の電気的バネ定数を微調整する、というような場合に、本態様の構成を利用することができる。

（６）本発明のＭＥＭＳセンサーの他の態様では、前記ダミー固定電極部および前記ダミー可動電極部の前記多層構造は、積層された複数層の導体層を含み、かつ、前記ダミー固定電極部または前記ダミー可動電極部の前記多層構造における前記積層された複数層の導体層と、前記ＭＥＭＳセンサーからの前記検出信号を受ける検出回路部の信号入力ノードとの電気的な接続／非接続を切り換えるスイッチ部を、さらに有する。

本態様では、ダミー容量部を正規の容量部に切り換えるためのスイッチ部を設ける。上述のとおり、ダミー容量部（の出力電極部）は、検出回路部の入力ノードに接続されないが、本態様では、スイッチ部の制御によって、ダミー容量部の出力電極部と検出回路部の入力ノードとの非接続／接続を切り換えることを可能とする。スイッチ部が閉状態（オン状態）となると、ダミー容量部は検出回路部の入力ノードと電気的に接続されることになる。正規の容量部も検出回路部の入力ノードと接続されていることから、スイッチ部がオン状態のときは、ダミー容量部が、正規の容量部に電気的に接続されることになり、この結果、ダミー容量部は正規の容量部の一部となる。つまり、ダミー容量部は、正規の容量部に切り換えられたことになる。

ダミー容量部が正規の容量部に転換されることによって、櫛歯電極のペア数（対向配置された一対の電極の数）が増加し、正規の容量部に蓄積可能な電荷量が増える。このことは、可動錘部の振動に伴う容量変化によって移動する電荷量が増えることを意味し、よって、検出信号のＳ／Ｎ（つまり、検出感度）が向上する。スイッチ部のオン／オフ（開閉）は、例えば、ＭＥＭＳセンサーの用途や設計仕様（要求される検出感度、要求される構造特性等）に応じて、設計段階で切り換えることができる。したがって、本態様によれは、共通のＭＥＭＳセンサーを使用して、幅広い要求に対応することが容易となる。

（７）本発明のＭＥＭＳセンサーの他の態様では、前記可動錘部の、可動方向に沿う中心線を基準として、前記中心線に直交する第１方向の側に配置される、前記容量部としての第１容量部と、前記中心線を基準として、前記第１方向とは反対の方向である第２方向の側において、前記中心線に対して前記第１容量部と線対称の位置に配置される、前記容量部としての第２容量部と、前記中心線を基準として、前記第１方向の側に配置される、前記ダミー容量部としての第１ダミー容量部と、前記中心線を基準として、前記第１方向とは反対の方向である前記第２方向の側において、前記中心線に対して前記第１ダミー容量部と線対称の位置に配置される、前記ダミー容量部としての第２ダミー容量部と、を有する。

可動構造体の設計の際、ダミー容量部が設けられたことによって、可動構造体(可動錘部および可動錘部に一体化された可動電極部およびダミー可動電極部を含む)が振動する際に不要なモーメント（回転やねじれを生じさせる力の作用）が生じないように配慮することが好ましい。そこで、本態様では、可動構造体が、可動構造体の可動方向（変位方向：例えば加速度センサーの場合には検出すべき加速度の方向であり、検出方向ということもできる）に沿う中心線に対して線対称の構造となるように、容量部（正規の容量部）およびダミー容量部を配置する。線対称の配置とすることによって、可動構造体の中心線を基準として、可動構造体の重さのバランス（均衡）が確保され、同様にダンピング作用の均衡も確保され、不要なモーメントが生じない。よって検出感度への悪影響（検出誤差や、Ｓ／Ｎ低下等）が抑制される。

本態様では、例えば、可動錘部の、可動方向に沿う中心線を基準として、その中心線に直交する第１方向の側（例えば可動構造体を平面的に見た場合において、中心線が上下方向に延びているとしたとき、その中心線の左方向の側）に正規の容量部としての第１容量部が配置された場合には、可動構造体の重さのバランス（均衡）を確保するために、その中心線を基準として、第１方向とは反対の方向である第２方向の側（例えば可動構造体を平面的に見た場合の、中心線の右方向の側）であって、その中心線に対して第１容量部と線対称の位置に、正規の容量部としての第２容量部が配置される。

同様に、その中心線を基準として第１方向の側（であって、正規の容量部である第１容量部と重ならない位置）に、ダミー容量部としての第１ダミー容量部が配置される場合には、可動構造体の重さのバランス（均衡）を確保するめに、その中心線を基準として、第１方向とは反対の方向である第２方向の側であって、その中心線に対して第１ダミー容量部と線対称の位置において、ダミー容量部としての第２ダミー容量部が配置される。

（８）本発明のＭＥＭＳセンサーの他の態様は、基板上に形成された多層構造を加工して形成され、弾性変形部によって固定枠部に連結され、周囲に空洞部が形成されている可動錘部と、前記固定枠部に固定された固定電極部と、前記可動錘部に接続され、前記固定電極部に対向して配置される可動電極部と、を有する容量部と、前記固定枠部に固定されたダミー固定電極部と、前記可動錘部に接続され、前記ダミー固定電極部に対向して配置されるダミー可動電極部と、を有し、検出信号を出力しないダミー容量部と、を含むＭＥＭＳセンサーの製造方法であって、前記基板上に前記多層構造を形成し、前記多層構造を異方性エッチングによってパターニングして、前記基板の表面が露出する開口部である第１空洞部を形成し、前記第１空洞部を介して、等方性エッチング用のエッチャントを前記基板に到達させて前記基板を等方性エッチングして、前記第１空洞部に連通する第２空洞部を形成し、これによって前記空洞部を形成する。

本態様によれば、半導体集積回路装置（ＩＣ）の製造技術を用いて、ＭＥＭＳセンサーを効率的に製造することができる。すなわち、多層構造（複数層の積層構造）の異方性エッチングと、基板（シリコン基板等）の等方性エッチングとを組み合わせて使用することによって、効率的にＭＥＭＳセンサーを製造することができる。また、ＩＣとＭＥＭＳセンサーとを、共通の製造技術を用いて、併行的に形成することもできる。よって、ＩＣを内蔵したセンサーモジュール等を容易に形成することができる。

第１実施形態のＭＥＭＳセンサー（静電容量型ＭＥＭＳ加速度センサー）の構造の一例を示す図図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、正規の容量部およびダミー容量部の断面構造の一例を示す図第１実施形態の加速度センサーモジュール（センサー部と集積回路部を含む）の構成の一例を示すブロック図図４（Ａ）〜図４（Ｃ）は、検出回路部の構成と動作について説明するための図第２実施形態にかかる静電容量型ＭＥＭＳ加速度センサーの平面図第３実施形態にかかる静電容量型ＭＥＭＳ加速度センサーの要部の平面図第４実施形態にかかる静電容量型ＭＥＭＳ加速度センサーの要部の平面図第５実施形態にかかる静電容量型ＭＥＭＳ加速度センサーの要部の平面図図９（Ａ）〜図９（Ｃ）は、容量電極（ダミー容量電極を含む）として使用することが可能な電極構造（多層構造）の一例を示す図図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）は、第１工程における加速度センサーデバイスの平面図およびＩ−Ｉ線に沿う断面図第２工程における加速度センサーデバイスの平面形状、Ｉ−Ｉ線に沿う断面構造、ならびにII−II線に沿う断面構造を示す図第３工程における加速度センサーデバイスの平面形状、Ｉ−Ｉ線に沿う断面構造、ならびにII−II線に沿う断面構造を示す図静電容量型ＭＥＭＳセンサーの設計パラメータについて説明するための図

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。

(第１の実施形態)
図１は、本発明のＭＥＭＳセンサー（ここでは静電容量型ＭＥＭＳ加速度センサーとする）の構造の一例を示す図である。

（全体構成）
以下の説明において、多層構造（あるいは積層構造）は、例えば、半導体製造プロセス（フォトリソグラフィ）を用いて形成することができる。但し、これに限定されるものではなく、立体的な構造であれば、どのような製造方法によって製造される構造であってもよい。例えば、絶縁材料のバルク（これも一つの層とみなすことができる場合がある）上に、導体材料層を形成した構造も、本実施形態における多層構造に含めて考えることができる。多層構造は、例えば、積層された絶縁層および導体層（つまり、絶縁層上に積層された導体層、あるいは、導体層上に積層された絶縁層）を含むことができる。絶縁層は、例えば、基板表面を覆う表面保護層、異なる階層の導体層間の絶縁を確保するための層間絶縁層、あるいは最終保護層等である。導体層は、基板上の表面保護絶縁層上に形成される第１層目導体層や、２層目以上の階層の各導体層を含むことができる。例えば、ＭＥＭＳセンサーが、ＣＭＯＳ集積回路等の半導体集積回路と同じ製造プロセスによって製造される場合には、多層構造として、集積回路装置における多層配線構造を使用することができる。

図１に示される、ＭＥＭＳセンサーとしての静電容量型ＭＥＭＳ加速度センサー（以下、単に加速度センサーという場合がある）１００は、例えばＣＭＯＳＩＣプロセスで形成された集積回路部１０２（検出回路部を含む）を有しており、可変容量（コンデンサー）Ｃ１、Ｃ２を含むセンサー部１０３は、集積回路部１０２の製造プロセス技術を用いて、同時並行的に形成される。

センサー部１０３は、半導体製造プロセスを用いて形成される多層構造体（積層構造体）を加工して形成される。すなわち、センサー部１０３は、複数層の絶縁層および所定方向に延在する配線として機能する導体層Ｌ１ａを含んで構成される可動錘部１２０と、可動錘部１２０の４隅を支持すると共に、引き出し配線Ｌ１ｂを有する弾性変形部（バネ部）１３０と、基板（例えばシリコン基板）および基板上に形成された配線（例えばＧＮＤ配線）Ｌ１ｃを有する固定枠部１１０と、容量部（正規の容量部）１４５（１４５ａおよび１４５ｂ）と、ダミー容量部１４７（１４７ａおよび１４７ｂ）と、を有する。容量部（正規の容量部）１４５には、容量Ｃ１，Ｃ２が含まれる。

可動錘部１２０の周囲には、空洞部（基板および基板上の積層構造体が部分的に除去された部分）１１１，１１３が形成されている。また、可動錘部１２０においても、下地の半導体基板を除去する必要があることから、部分的に空洞部１１５が形成されている。

したがって、可動錘部１２０は、可動方向（紙面の左右方向）に可動自在に、弾性変形部１３０によって空気中において４点支持されていることになる。可動錘部１２０は、測定対象の物理量である加速度が加わると、図中の太い矢印で示される可動方向（紙面の左右方向）に振動する。これによってコンデンサーＣ１，Ｃ２の容量値が変化し、この容量値の変化を電気信号の変化に変換して検出することによって（Ｃ／Ｖ変換）、加わった加速度の大きさ（およびその方向）を、検出することが可能である。

なお、図１では、容量部（正規の容量部）１４５における電極ペア（対向配置される一対の電極部）の数は、説明の便宜を考慮して「２」となっているが、実際には、数多くの電極ペア（例えば数１０〜数百）が櫛歯状に設けられて櫛歯電極（櫛歯構造，櫛歯電極構造，あるいは正規の櫛歯構造）が形成される。また、ダミー電極部についても同様であり、実際の設計では、多数のダミー電極ペアが櫛歯状に配置されて櫛歯ダミー電極（ダミー櫛歯構造，櫛歯ダミー構造）が構成される場合がある。

（正規の容量部の構成と動作について）
まず、容量部（正規の容量部）１４５（１４５ａ，１４５ｂ）について説明する。容量部（正規の容量部）１４５（１４５ａおよび１４５ｂ）は、可動電極部１４０（１４０ａおよび１４０ｂ）と、可動電極部１４０に対向して配置された固定電極部１５０（１５０ａおよび１５０ｂ）と、により構成される。

つまり、可動電極部１４０ａおよび固定電極部１５０ａの各々は、複数の導体層が積層されて構成される壁状の面をもつ容量電極（図中、黒い太線で示されている）を有しており、各容量電極が所定のギャップ（距離，間隔）をもって対向配置されることによって、コンデンサーＣ１が構成される。コンデンサーＣ１の可動電極の電位は、基準電位ＶＸ（ここではＧＮＤとする）に接続されている。つまり、コンデンサーＣ１の可動電極は、配線Ｌ１ａ、引き出し配線Ｌ１ｂおよび接続配線Ｌ１ｄａを経由して集積回路部（検出回路）１０２内の接地配線に接続されており、一連の配線は電位ＶＸ（＝ＧＮＤ）に固定されている。

同様に、可動電極部１４０ｂおよび固定電極部１５０ｂの各々は、複数の導体層が積層されて構成される壁状の面をもつ容量電極（図中、黒い太線で示されている）を有しており、各容量電極が所定のギャップ（距離，間隔）をもって対向配置されることによって、コンデンサーＣ２が構成される。コンデンサーＣ２の可動電極の電位は、基準電位ＶＸ（＝ＧＮＤ）に接続されている。つまり、コンデンサーＣ２の可動電極は、配線Ｌ１ａ、引き出し配線Ｌ１ｂおよび接続配線Ｌ１ｄｂを経由して集積回路部（検出回路部）１０２内部の接地配線に接続されており、一連の配線は電位ＶＸ（＝ＧＮＤ）に固定されている。

加速度が加わることによって可動錘部１２０が、例えば紙面の左方向に振動したとき、コンデンサーＣ１における電極間ギャップは拡大し、一方、コンデンサーＣ２における電極間ギャップは縮小する。この結果、コンデンサーＣ１の容量値はΔＣだけ減少し、コンデンサーＣ２の容量値はΔＣだけ増加し、これによって、絶対値が同じで、極性が異なる２系統の検出信号（微小な電荷の移動によって生じる電流信号）が得られる。２系統の検出信号の各々は、検出出力配線Ｌ２ａおよびＬ２ｂの各々を経由して集積回路部１０２内の検出回路部に入力される。検出回路部は、入力された検出信号に対して、電荷（電流）／電圧変換および電圧増幅を行う。電圧振幅から加速度の大きさを検出することができ、また、２系統の検出信号の各極性によって、加速度の方向（紙面の左方向か右方向か）を検出することができる。

なお、以上の例では、可動電極を基準電位ＶＸ（例えばグランド）に接続し、固定電極から検出信号を取り出す構成を採用しているが、これに限定されるものではなく、固定電極を基準電位ＶＸ（例えばグランド）に接続し、可動電極から検出信号を取り出す構成を採用してもよい。この場合も、上記の例と同様の効果を得ることができる。

（ダミー容量部の構成と動作について）
図１に示されるダミー容量部１４７（１４７ａ，１４７ｂ）は、ダミー可動電極部１４３（１４３ａおよび１４３ｂ）と、ダミー可動電極部１４３に対向して配置されたダミー固定電極部１５３（１５３ａおよび１５３ｂ）と、により構成される。ダミー容量部は、検出信号を出力しない見かけ上の容量である。つまり、ダミー容量部は、検出信号を受ける検出回路から電気的に分離され、実際の物理量検出に寄与しない見かけ上の容量であり、換言すれば、互いに対向する側面をもつ、ダンピング係数等の調整用の構造体である。ダミー容量が電極となり得る導体層を有さない場合もあり、このような場合には、ダミー容量部は電気的には何らの機能（コンデンサーとしての機能や各電極としての機能等）を発揮しないが、本明細書では、「正規の容量部」と対比する用語として、上記の場合も含めて「ダミー容量部」という用語を使用して説明する。

ダミー容量部は、上述のとおり、主としてダンピング係数の調整のために用いられる。但し、ダミー可動電極部１４３（１４３ａ，１４３ｂ）は可動錘部１２０と一体化されていることから、ダミー可動電極部１４３（１４３ａ，１４３ｂ）が、可動錘部１２０の質量（Ｍ）の調整の機能も有すると考えることができる。つまり、ダミー容量部１４７（１４７ａ，１４７ｂ）が、ダンピング係数（Ｄ）の調整用のみならず、可動錘部１２０の質量（Ｍ）の調整用にも使用される場合も有り得る。また、設計の都合上、主として可動錘部１２０の質量（Ｍ）の調整用に使用する場合もあり得る。また、ダミー容量部１４７（１４７ａ，１４７ｂ）が、設計の都合上、その他の特性（例えば、電気的バネ定数）の調整のためにも使用されることがあり得る。

ダミー容量部１４７（１４７ａ，１４７ｂ）の態様としては、例えば、電極となり得る導体層を含まず、絶縁層のみの構成される場合（図１に示される第１態様）と、電極となり得る導体層は有するが、電極間に所定の電位差が発生せずにコンデンサーとしての機能を有さない場合（第２態様）と、電極となり得る導体層は有し、電極間に所定の電位差が発生してコンデンサーとしての機能を有するが、そのコンデンサーは検出回路から孤立していて、コンデンサーからの信号出力がない場合、つまり孤立コンデンサーとして機能する場合（第３態様）等が、考えられる。いずれの態様も、ダミー容量部１４７（１４７ａ，１４７ｂ）が、集積回路部１０２に配置される検出回路部に対して、物理量（ここでは加速度）の検出信号を出力しない点（換言すれば、検出回路部と電気的に分離されている点）で共通している。どの態様を採用するかは、設計時の実情に応じて、適宜、決定される。例えば、導体層としてはアルミや銅等の、絶縁材料に比べて比重の重い金属材料が使用され、ダミー電極部に導体層を設ける構造を採用すると、ダミー電極部の重さを増大させる効果がある。よって、例えば、可動錘部の質量を重くする必要がある場合等には、ダミー電極部に導体層を設ける構造を採用することが有効である。

図１に示されるダミー容量部１４７（１４７ａ，１４７ｂ）は、ダミー可動電極部１４３ａおよびダミー固定電極部１５３ａにより構成されるダミー構造体Ｃ１’と、ダミー可動電極部１４３ｂおよびダミー固定電極部１５３ｂにより構成されるダミー構造体Ｃ２’と、を含む。ダミー構造体Ｃ１’およびダミー構造体Ｃ２’は各々、集積回路部１０２の製造に使用される多層構造を加工して形成される。但し、図１の例の場合、ダミー構造体Ｃ１’およびダミー構造体Ｃ２’の各々における各電極部の構造体は、積層された複数層の絶縁層のみを有し、導体層は設けられない。但し、この例は一例であり、変形例としては、対向する２つのダミー電極部のうち、いずれか一方には導体層が設けられ（つまり、導体層と絶縁層からなる積層構造体となっていて）、他方には導体層が設けられずに、絶縁構造体となっている、という例もあり得る。

上記の２つの場合を含むように表現すれば、「ダミー容量部１４７（１４７ａ，１４７ｂの各々）に関して、ダミー固定電極部（１５３ａ，１５３ｂ）およびダミー可動電極部（１４３ａ，１４３ｂ）の少なくとも一方における多層構造（積層構造）は、積層された複数層の絶縁層のみから構成される」ということになる。

図１に示される例では、ダミー容量部１４７（１４７ａ，１４７ｂ）は、ダンピング係数調整機能をもつ、互いに対向して配置される一対の絶縁構造体により構成される。つまり、図１の例では、可動錘部１２０から突出する、積層された絶縁層からなるダミー可動電極部１４３ａ，１４３ｂ（つまり、絶縁材料のみからなる積層構造体）と、固定枠部１１０から可動錘部１２０に向けて突出する、積層された絶縁層からなるダミー固定電極部１５３ａ，１５３ｂ（絶縁材料のみからなる積層構造体）と、が対向されて配置される。図１の例では、正規の電極となり得る導体層がないことから、ダミー容量部１４７（１４７ａ，１４７ｂ）は電荷の蓄積機能を持たず、コンデンサーとして機能することができない。

一方、可動錘部１２０が振動すると、ダミー可動電極部１４３ａ，１４３ｂも可動錘部１２０と一体となって変位（振動）することから、ダミー可動電極部とダミー固定電極部との間のギャップが変化して空気の移動が生じ、スクイズダンピングが発生する。よって、ダミー容量部１４７（１４７ａ，１４７ｂ）を配置することによって、可動錘部１２０（あるいは可動構造体）のＱ値を小さくする効果を得ることができる。この例では、ダミー容量部１４７（１４７ａ，１４７ｂ）を構成する両電極部間には静電引力が生じず、電気的なバネ特性が発生しない。よって、弾性変形部（バネ部）１３０のバネ特性が非線形となる心配がなく、自由な設計が可能である。

図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、正規の容量部およびダミー容量部の断面構造の一例を示す図である。図２（Ａ）は、図１の可動構造体（ダミー容量部に導体層が設けられない構造をもつ）のＩ−Ｉ線に沿う断面構造（上記の第１態様）を示しており、図２（Ｂ）は、変形例としての、ダミー容量部に孤立導体層が設けられた断面構造（上記の第２態様および第３態様）を示している。

図２（Ａ）に示されるように、基板（例えばシリコン基板）ＢＳ上に多層構造（複数層の積層構造）が形成されている。その多層構造（積層構造）ならびに基板ＢＳを、選択的なエッチング等により加工することによって、図示されるような断面構造が形成される。基板ＢＳには集積回路部（検出回路部を含む）１０２が形成されている。集積回路部１０２が、例えばＣＭＯＳ製造プロセス技術により形成されるのであれば、上述の積層構造体も同じ製造工程を経て形成される。

多層構造（積層構造）は、表面絶縁層ＩＮＳ０と、第１層目導体層ＭＬ１と、第１層間絶縁層ＩＮＳ１と、第１層間絶縁層ＩＮＳ１を貫通するコンタクトホール（ビアホール）に埋め込まれた第１コンタクトプラグ層（第１プラグ層）ＭＰ１と、第２層目導体層ＭＬ２と、第２層間絶縁層ＩＮＳ２と、第２層間絶縁層ＩＮＳ２１を貫通するコンタクトホール（ビアホール）に埋め込まれた第２コンタクトプラグ層（第２プラグ層）ＭＰ２と、第３層目導体層ＭＬ３と、第３層間絶縁層ＩＮＳ３と、第３層間絶縁層ＩＮＳ３を貫通するコンタクトホール（ビアホール）に埋め込まれた第３コンタクトプラグ層（第３プラグ層）ＭＰ３と、第４層目導体層ＭＬ４と、保護絶縁層（例えば最終保護絶縁層）ＩＮＳ４と、を有している。

表面絶縁層ＩＮＳ０は、例えば、シリコン基板の局所酸化によって形成されるフィールド酸化膜である。層間絶縁層ＩＮＳ１〜ＩＮＳ３および保護絶縁層ＩＮＳ４としては、例えば、ＣＶＤ法による酸化膜を使用することができる。また、第１層目導体層（第１層目配線層）の材料としては、例えば、ポリシリコンや、アルミニュウムや銅等の金属材料を使用することができる。第２層目導体層（第２層目配線層）〜第４層目導体層（第４層目配線層）の材料としては、例えば、アルミニュウムや銅等の金属材料を使用することができる。また、第１コンタクトプラグ層ＭＰ１〜第３コンタクトプラグ層ＭＰ３の材料としては、例えば、タングステン（Ｗ）を使用することができ、スルーホール内に埋め込む際のバリアメタルとしては、例えばチタン（Ｔｉ）を使用することができる。

図２（Ａ）の断面構造では、容量部（正規の容量部）１４５ｂは、第１層目導体層ＭＬ１と、第１コンタクトプラグ層ＭＰ１と、第２層目導体層ＭＬ２と、第２コンタクトプラグ層ＭＰ２と、第３層目導体層ＭＬ３と、第３コンタクトプラグ層ＭＰ３と、第４層目導体層ＭＬ４とが積層されており、これによって、可変容量Ｃ２の可動電極と固定電極として機能する導体層（多層の導体層）が形成されている。

一方、ダミー容量部１４７ｂにおいては、電極としての導体層が形成されない。ダミー容量部１４７ｂは正規の容量ではないことから、電荷の蓄積機能を有さなくてもよいため、図２（Ａ）の構造では、電極となり得る導体層そのものを設けない構造を採用するものである。なお、導体層（比重の重い金属材料からなる）を設けないことによって、ダミー電極部１４７ｂの重さを軽くする効果も得られる。図２（Ａ）の例では、ダミー容量部１４７ｂを構成する両電極部間には静電引力が生じず、電気的なバネ特性が発生しない。よって、弾性変形部（バネ部）のバネ特性が非線形となる心配がなく、自由な設計が可能である。例えば、両極間のギャップ（電極間の距離、間隔）を最適化することも適宜、なし得る。

また、図２（Ａ）に示される断面構造中の、左上および右上に示される導体層Ｌ１ｃは、固定枠部１１０上に配設される基準電位配線（ここではグランド配線）である。図示されるように、グランド配線Ｌ１ｃは、第４層目配線ＭＬ４により形成される（但し、これは一例であり、他の階層の配線層を使用することもでき、また、多層配線とすることもできる）。

図２（Ｂ）では、ダミー容量部１４７ｂにおいても、正規の容量部１４５ｂと同様の多層の導体層が形成される。但し、この導体層は、集積回路部１０２に含まれる検出回路には電気的に接続されず、したがって、ダミー容量部１４７ｂから検出信号は出力されない。上述のとおり、ダミー容量部１４７ｂにおいて導体層が存在する態様としては、例えば２つの態様（第１態様および第２態様）が考えられる。すなわち、ダミー容量部１４７ｂを構成する電極間に所定の電位差が発生せず（つまり、所定のバイアス電圧が与えられず）、コンデンサーとしての機能を有さない場合（第２態様）と、電極間に所定の電位差が発生してコンデンサーとしての機能を有するが、そのコンデンサーは検出回路から電気的に分離されている（孤立している）ことから、コンデンサーからの信号出力がない場合（第３態様）がある。第２態様の場合は、先に説明した第１態様（導体層がない態様）と同様に、ダミー容量部１４７ｂを構成する両電極部間には静電引力が生じず、電気的なバネ特性が発生しない。よって、弾性変形部（バネ部）のバネ特性が非線形となる心配がなく、自由な設計が可能である。例えば、ダミー可動電極部とダミー固定電極部との間の距離（ギャップ）を自由に調整することができる。例えば、ダンピング係数の調整のために、ダミー容量における電極間の距離（ギャップ）を、正規の容量とは異なる距離（ギャップ）に設定することもできる。

（加速度センサーモジュールの構成例）
図３は、本実施形態の加速度センサーモジュール（センサー部と集積回路部を含む）の構成の一例を示すブロック図である。加速度センサー１００は、少なくとも２対の可動・固定電極ペアを有する。なお、ダミー容量部は検出信号を出力しないため、図３では、正規の容量部のみを示している。

図３に示される加速度センサーは、第１可動電極部１４０ａと、第２可動電極部１４０ｂと、第１固定電極部１５０ａと、第２固定電極部１５０ｂと、を有する。第１可動電極部１４０ａと第１固定電極部１５０ａによってコンデンサーＣ１が構成される。第２可動電極部１４０ｂと第２固定電極部１５０ｂによってコンデンサーＣ２が構成される。コンデンサーＣ１，Ｃ２の各々における一極（例えば、可動電極部）の電位は、基準電位（例えば接地電位ＧＮＤ）に固定されている。なお、固定電極部の電位を接地電位に固定することもできる。

例えばＣＭＯＳプロセスによって形成される集積回路部１０２は、例えば、検出回路部（例えば、Ｑ／Ｖ（電荷／電流）変換回路および増幅回路を含む）２４と、アナログ校正およびＡ／Ｄ変換回路ユニット２６と、中央演算ユニット（ＣＰＵ）２８およびインターフェース（Ｉ／Ｆ）回路３０と、を含んでいる。但し、この構成は一例であり、この構成に限定されるものではない。例えば、ＣＰＵ２８は制御ロジックに置き換えることができ、また、Ａ／Ｄ変換回路は、検出回路部２４の出力段に設けることも可能である。なお、アナログ／デジタル変換回路、中央演算ユニットは、場合によっては、集積回路部１０２とは異なる集積回路部に形成してもよい。

可動錘部１２０が止まっている状態から可動錘部１２０に加速度が作用すると、可動錘部１２０には加速度による力が作用して、一対の可動電極と固定電極との間の間隔（ギャップ）が変化する。図３の矢印方向（平面視において、紙面の右方向）に可動錘部１２０が移動したとすると、第１可動電極部１４０ａと第１固定電極部１５０ａとの間のギャップが大きくなり、第２可動電極部１４０ｂと固定電極部１５０ｂとの間のギャップが小さくなる。ギャップと静電容量とは反比例の関係にあるので、可動電極部１４０ａと固定電極部１５０ａとで形成されるコンデンサーＣ１の静電容量値Ｃ１は小さくなり、可動電極部１４０ｂと固定電極部１５０ｂとで形成されるコンデンサーＣ２の静電容量値Ｃ２は大きくなる。

コンデンサーＣ１，Ｃ２の容量値の変化に伴って電荷の移動が生じる。検出回路部２４は、初段に、例えばスイッチトキャパシタを用いたチャージアンプ（Ｑ／Ｖ変換アンプ）を有している。このチャージアンプは、サンプリング動作および積分（増幅）動作によって、電荷（Ｑ）の移動によって生じる微小な電流信号（つまり検出信号）を、電圧信号（Ｖ）に変換し、さらに、オペアンプや差動増幅器を用いて電圧信号を増幅する。検出回路部２４から出力される電圧信号（すなわち、静電容量型ＭＥＭＳセンサーによって検出された物理量信号（例えば加速度検出信号））は、アナログ校正およびＡ／Ｄ変換回路ユニット２６によって、キャリブレーション処理（例えば位相や信号振幅の調整等であり、さらにローパスフィルタ処理が行われてもよい）を受けた後、アナログ信号からデジタル信号に変換される。

ここで、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）を用いて、検出回路部２４の構成と動作について説明する。図４（Ａ）は、スイッチトキャパシタを用いたチャージアンプの基本構成を示す図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示されるチャージアンプの各部の電圧波形を示す図である。

図４（Ａ）に示すように、基本的なスイッチトキャパシタアンプは、第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２（可変容量Ｃ１（またはＣ２）と共に入力部のスイッチトキャパシタを構成する）と、オペアンプ（ＯＰＡ）１と、帰還容量（積分容量）Ｃｃと、帰還容量Ｃｃをリセットするための第３スイッチＳＷ３と、オペアンプ（ＯＰＡ）１の出力電圧Ｖｃをサンプリングするための第４スイッチＳＷ４と、ホールディング容量Ｃｈと、を有する。第１スイッチＳＷ１の一端には、可変容量Ｃ１（Ｃ２）の信号出力側の電極をバイアスするための電位（ここでは−Ｖｄ）が接続される。

図４（Ｂ）に示すように、第１スイッチＳＷ１および第３スイッチＳＷ３は同相の第１クロックでオン／オフが制御され、第２スイッチＳＷ２は、第１クロックとは逆相の第２クロックでオン／オフが制御される。第４スイッチＳＷ４は、第２スイッチＳＷ２がオンしている期間の最後において短くオンする。第１スイッチＳＷ１がオンすると、可変容量Ｃ１（Ｃ２）の両端には、所定の電圧Ｖｄが印加されて、可変容量Ｃ１（Ｃ２）に電荷が蓄積される。このとき、帰還容量Ｃｃは、第３スイッチがオン状態であることから、リセット状態（両端がショートされた状態）である。次に、第１スイッチＳＷ１および第３スイッチＳＷ３がオフし、第２スイッチＳＷ２がオンすると、可変容量Ｃ１（Ｃ２）の両端は共に接地電位となるため、可変容量Ｃ１（Ｃ２）に蓄積されていた電荷が、オペアンプ（ＯＰＡ）１に向けて移動する。このとき、電荷量が保存されるため、Ｖｄ・Ｃ１（Ｃ２）＝Ｖｃ・Ｃｃが成立し、よって、オペアンプ（ＯＰＡ）１の出力電圧Ｖｃは、（Ｃ１／Ｃｃ）・Ｖｄとなる。すなわち、チャージアンプのゲインは、可変容量Ｃ１（あるいはＣ２)の容量値と帰還容量Ｃｃの容量値との比によって決定される。次に、第４スイッチ（サンプリングスイッチ）ＳＷ４がオンすると、オペアンプ（ＯＰＡ）１の出力電圧Ｖｃが、ホールディング容量Ｃｈによって保持される。保持された電圧がＶｏであり、このＶｏがチャージアンプの出力電圧となる。

図３に示されるとおり、実際の検出回路部２４は、２つのコンデンサーＣ１，Ｃ２の各々からの差動信号（極性が逆である２系統の信号）を受ける。この場合には、検出回路部２４として、例えば、図４（Ｃ）に示されるような、差動構成のチャージアンプを使用することができる。図４（Ｃ）に示されるチャージアンプでは、入力段において、可変容量Ｃ１からの信号を増幅するための第１のスイッチトキャパシタアンプ（ＳＷ１ａ，ＳＷ２ａ，ＯＰＡ１ａ，Ｃｃａ，ＳＷ３ａ）と、可変容量Ｃ２からの信号を増幅するための第２のスイッチトキャパシタアンプ（ＳＷ１ｂ，ＳＷ２ｂ，ＯＰＡ１ｂ，Ｃｃｂ，ＳＷ３ｂ）と、が設けられる。そして、オペアンプ（ＯＰＡ）１ａおよび１ｂの各出力信号（差動信号）は、出力段に設けられた差動アンプ（ＯＰＡ２，抵抗Ｒ１〜Ｒ４）に入力される。この結果、増幅された出力信号Ｖｏが、オペアンプ（ＯＰＡ）２から出力される。差動アンプを用いることによりベースノイズを除去できるという効果が得られる。

なお、以上説明した検出回路部の構成例は一例であり、この構成に限定されるものではない。また、図４（Ｃ）においては、説明の便宜上、２対の可動・固定電極ペアのみ図示しているが、この形態に限ったものではなく、必要とされる容量値に応じて電極ペアの数は増やすことができる。実際には、例えば、数十から数百の電極ペアが設けられる。また、上記の例では、コンデンサーＣ１，Ｃ２において、電極間のギャップが変化して各コンデンサーの容量が変化しているが、これに限定されるものではなく、一つの基準電極に対する２つの可動電極の各々の対向面積が変化し、２つのコンデンサーＣ１，Ｃ２の容量が変化する構成も採用することができる（この構成は、例えば、Ｚ軸方向（基板に垂直な方向）に作用する加速度を検出する場合に有効である）。

（第２実施形態）
図５は、第２実施形態にかかる静電容量型ＭＥＭＳ加速度センサーの平面図である。図５において、前掲の図面と共通する部分には同じ参照符号を付している。

本実施形態の加速度センサーでは、可動構造体の可動方向（変位方向、検出軸方向）に沿う中心線ＣＬ１に対して線対称の構造となるように、容量部（正規の容量部）１４５（１４５ａおよび１４５ｂ）ならびにダミー容量部１４７（１４７ａおよび１４７ｂ）を配置する。

なお、容量部（正規の容量部）１４５（１４５ａおよび１４５ｂ）は、図３を用いて説明したように、極性が異なる検出信号を出力する第１のコンデンサーＣ１と第２のコンデンサーＣ２とを有する。ダミー容量部１４７（１４７ａおよび１４７ｂ）の構造としては、上述したように、例えば、電極となり得る導体層が設けられない態様と、導体層が設けられるが電位差が生じないためにコンデンサーとして機能しない態様と、検出回路から分離された孤立したコンデンサーとして機能する態様とがあるが、いずれの態様の構造を使用することができる。

具体的には、図５の加速度センサーは、可動錘部１２０の、可動方向（図中の太い矢印で示される方向）に沿う中心線ＣＬ１を基準として、その中心線ＣＬ１に直交する第１方向の側（ここでは紙面の左方向の側とする）に配置される、容量部（正規の容量部）としての第１容量部１４５ａと、その中心線ＣＬ１を基準として、第１方向とは反対の方向である第２方向の側（ここでは紙面右方向の側とする）において、その中心線ＣＬ１に対して第１容量部１４５ａと線対称の位置に配置される、容量部（正規の容量部）としての第２容量部１４５ｂと、その中心線ＣＬ１を基準として、第１方向の側に配置される、ダミー容量部としての第１ダミー容量部１４７ａと、その中心線ＣＬ１を基準として、第１方向とは反対の方向である第２方向の側において、中心線ＣＬ１に対して第１ダミー容量部１４７ａと線対称の位置に配置される、ダミー容量部としての第２ダミー容量部１４７ｂと、を有する。

すなわち、可動錘部１２０の、可動方向に沿う中心線ＣＬ１を基準として、その中心線に直交する第１方向の側に正規の容量部としての第１容量部１４５ａが配置された場合には、可動構造体の重さ等のバランス（均衡）を確保するために、その中心線ＣＬ１を基準として、第１方向とは反対の方向である第２方向の側であって、その中心線ＣＬ１に対して第１容量部１４５ａと線対称の位置に、正規の容量部としての第２容量部１４５ｂが配置する、というレイアウト設計を採用する。

同様に、その中心線ＣＬ１を基準として第１方向の側であって、正規の容量部である第１容量部１４５ａと重ならない位置に、ダミー容量部としての第１ダミー容量部１４７ａが配置される場合には、可動構造体の重さ等のバランス（均衡）を確保するめに、その中心線ＣＬ１を基準として、第１方向とは反対の方向である第２方向の側であって、その中心線ＣＬ１に対して第１ダミー容量部１４７ａと線対称の位置において、ダミー容量部としての第２ダミー容量部１４７ｂが配置される。

可動構造体の設計の際、ダミー容量部１４７（１４７ａおよび１４７ｂ）が設けられたことによって、可動構造体(可動錘部および可動錘部に一体化された可動電極部を含む)が振動する際に不要なモーメント（回転やねじれを生じさせる力の作用）が生じないように配慮することが好ましい。そこで、上述のとおり、本実施形態では、可動構造体が、可動構造体の可動方向（変位方向：加速度センサーの場合には検出すべき加速度の方向であり、検出方向ということもできる）に沿う中心線に対して線対称の構造となるように、容量部（正規の容量部）１４５（１４５ａおよび１４５ｂ）と、ダミー容量部１４７（１４７ａおよび１４７ｂ）とを配置する。

線対称の配置とすることによって、可動構造体の中心線ＣＬ１を基準として、可動構造体の重さのバランス（均衡）が確保され、また、ダンピング作用に関する均衡が確保されて、可動錘部１２０が移動する際に、不要なモーメントが生じない。よって検出感度への悪影響（検出誤差や、Ｓ／Ｎ低下等）が抑制される。なお、可動構造体のバランスを確保する観点からは、容量部１４５（１４５ａ，１４５ｂ）およびダミー容量部１４７（１４７ａ，１４７ｂ）は、可動方向に垂直な方向の中心線ＣＬ２に対しても線対称になるように配置することが好ましい。

（第３実施形態）
図６は、本発明の第３実施形態にかかる静電容量型ＭＥＭＳ加速度センサーの要部の平面図である。図６において、前掲の図面と共通する部分には同じ参照符号を付している。本実施形態においても、第２実施形態と同様に線対称の配置が採用されていることから、図６では、加速度センサーの右半分のみを記載している。

本実施形態の加速度センサーでは、容量部（正規の容量部）１４５（１４５ａ，１４５ｂ）における、可動電極部１４０（１４０ａ，１４０ｂ）と固定電極部１５０（１５０ａ，１５０ｂ）との間の距離（ギャップ）が“ｄ１”に設定され、一方、ダミー容量部１４７（１４７ａ，１４７ｂ）における、ダミー可動電極部１４３（１４３ａ，１４３ｂ）とダミー固定電極部１５３（１５３ａ，１５３ｂ）との間の距離（ギャップ）が“ｄ２”に設定されている。ｄ１とｄ２は異なる値に設定される。図６の例では、ｄ１＜ｄ２に設定されている（これに限定されるものではない）。

すなわち、ダミー容量部１４７ｂは、正規の検出信号を検出回路に出力しないため、正規の容量部１４５とは異なる設計値を採用することも可能である。そこで、本実施形態では、ダミー容量部（ダミーコンデンサー）１４７における電極部間のギャップを、正規の容量部（正規のコンデンサー）１４５の電極部間のギャップとは異なる値に設定する。例えば、ダンピング係数の調整を主目的として、ダミー容量部１４７における各電極部間の距離（ギャップ）を、正規の容量とは異なる距離（ギャップ）に設定する。このようにすれば、ギャップの調整によって可動構造体のダンピング係数（粘性係数）を変化させることができ、設計時におけるダンピング係数の調整（例えば、ダミー容量部１４７における電極部間のギャップの最適化）を容易に、かつより自由に行うことができる。

例えば、ダンピングの大きさを示すダンピング係数（Ｄ）は、電極ペア数（固定電極と可動電極とによって構成される一対の電極ペアの数）をｎ、気体の粘性係数をμとすると、Ｄ＝ｎ・μ・ｒ（ｈ／ｄ０）^３［Ｎ・ｓｅｃ／ｍ］と表すことができる。つまり、ダンピング係数（Ｄ）は、ギャップの３乗の逆数に比例する。よって、例えば、ギャップ値（ｄ０）を大きくすれば、ダンピング係数（Ｄ）が小さくすることができる。つまり、ギャップ（ｄ０）の調整によって、可動構造体のダンピング係数（Ｄ）を変化させることが可能である。

例えば、上述のとおり、ダミー容量部１４７（１４７ａ，１４７ｂ）が電荷蓄積機能を有さない場合（電極となり得る導体層がない、あるいは、導体層があってもバイアス電圧が印加されないことによってコンデンサーの両極に正規の電位差が生じないような場合）には、ダミー容量部１４７（１４７ａ，１４７ｂ）を構成する両電極部間には静電引力が生じず、電気的なバネ特性が発生しないことから、弾性変形部（バネ部）１３０のバネ特性が非線形となる心配がなく、ダミー容量部１４７（１４７ａ，１４７ｂ）の電極部間ギャップは、より自由に設計することができる。但し、これは一例であり、ダミー容量部１４７（１４７ａ，１４７ｂ）の両電極部間に電位差が発生し、ダミー容量部において電気的バネ特性が生じる場合もあり得る。この場合には、ダミー容量部１４７（１４７ａ，１４７ｂ）のギャップ値の決定に際しては、ダンピング係数の他、電気的バネ定数も考慮して行われることになる。

（第４の実施形態）
図７は、本発明の第４実施形態にかかる静電容量型ＭＥＭＳ加速度センサーの要部の平面図である。図７において、前掲の図面と共通する部分には同じ参照符号を付している。本実施形態においても、第２実施形態と同様に線対称の配置が採用されていることから、図７では、加速度センサーの右半分のみを記載している。また、図中、電極となる導体層を太い実線で示している。また、図７の加速度センサーでは、容量部（正規の容量部）１４５（１４５ａ，１４５ｂ）は櫛歯電極構造を有し、この櫛歯電極構造によって、絶対値が同じで極性が異なる検出信号を出力する２つのコンデンサーＣ１，Ｃ２が構成される。よって、検出回路部２４においては、図４（Ｃ）に示した差動構成の回路が使用される。

本実施形態では、ダミー容量部１４７（１４７ａ，１４７ｂ）におけるダミー固定電極部１５３（１５３ａ，１５３ｂ）とダミー可動電極部１４３（１４３ａ，１４３ｂ）との間の電位差（第１の電位差とする）は、容量部（正規の容量部）１４５（１４５ａ，１４５ｂ）における固定電極部（１５０ａ，１５０ｂ）と可動電極部（１４０ａ，１４０ｂ）との間の電位差（第２の電位差とする）とは独立に設定される。

電位の独立設定を可能とするために、本実施形態の加速度センサーでは、固定枠部１１０の角部に、２系統の独立した電位設定端子ＴＡ（ＴＡ１，ＴＡ２）およびＴＢ（ＴＢ１，ＴＢ２）が設けられている。電位設定端子ＴＡ（第１端子とする）は、ダミー容量部１４７ｂにおける固定電極部１５３ｂの導体層（電極）に第１バイアス電圧ＶＡを印加するために設けられている。電位設定端子ＴＢ（第２端子とする）は、容量部（正規の容量部）１４５ｂにおける固定電極部１５０ｂの導体層（電極）に第２バイアス電圧ＶＢを印加するために設けられている。この第２バイアス電圧ＶＢは、図４（Ａ），図４（Ｂ）の回路において示される−Ｖｄに相当する。また、ダミー可動電極部１４３ｂおよび可動電極部（正規の可動電極部）１４０ｂにおける導体層（電極）は、共に接地電位（ＧＮＤ）に接続されている。

つまり、本実施形態では、ダミー容量部１４７（１４７ａ，１４７ｂ）は、コンデンサーの両電極となり得る積層構造をもつ導体層を有し、ダミー可動電極部１４３（１４３ａ，１４３ｂ）は、基準電位としての接地電位ＧＮＤに接続され、また、ダミー固定電極部１５３（１５３ａ，１５３ｂ）には、適切な直流バイアス電圧（第１バイアス電圧）ＶＡが印加されていて、コンデンサーとしての機能をもつ。そして、ダミー容量部１４７（１４７ａ，１４７ｂ）における両電極部間の電位差（第１の電位差ＶＡ）は、正規の容量部１４５（１４５ａ，１４５ｂ）における両電極部間の電位差（第２の電位差ＶＢ）とは独立に設定することが可能である。例えば、ＶＡ≠ＶＢに設定することができる。

本実施形態では、ダミー容量部１４７ｂにおける蓄積電荷を、第１電位差ＶＡの独立設定によって可変に制御することができる。例えば、容量部（正規の容量部）１４５ｂは、必然的に電気的バネ特性（両極間の静電引力に起因するバネ特性）をもつことから、バランスをとるために、ダミー容量部１４７ｂにおいてもコンデンサーの機能を付与して電気的バネ特性を生じさせ、かつ、そのダミー容量部１４７ｂにおける電気的バネ定数を積極的に調整し、これによって、可動構造体全体の電気的バネ定数を微調整する、というような場合に、本実施形態の構成を利用することができる。

（第５の実施形態）
図８は、本発明の第５実施形態にかかる静電容量型ＭＥＭＳ加速度センサーの要部の平面図である。図８において、前掲の図面と共通する部分には同じ参照符号を付している。本実施形態においても、第２実施形態と同様に線対称の配置が採用されていることから、図８では、加速度センサーの右半分のみを記載している。また、図中、電極となる導体層を太い実線で示している。

本実施形態では、ダミー容量部を、正規の容量部に切り換えるためのスイッチ部を設ける。すなわち、図８に示される加速度センサーは、例えばダミー電極部１４７ｂにおけるダミー固定電極部１５３ｂおよびダミー可動電極部１４３ｂを構成する多層構造（積層構造）は、コンデンサーの電極となり得る導体層（積層された複数層の導体層）を含む。そして、ダミー固定電極部１５３ｂまたはダミー可動電極部１４３ｂのいずれかの多層構造における積層された複数層の導体層（つまり、コンデンサーの出力電極となり得る方の電極部）と、加速度センサーからの検出信号を受ける検出回路部２４の信号入力ノード（図４（Ａ）におけるノードＮ１０）との電気的な接続／非接続を切り換えるスイッチ部ＳＷ１（ＳＷ１ａ，ＳＷ１ｂ）ならびにＳＷ２（ＳＷ２ａ，ＳＷ２ｂ）を、有する。

上述のとおり、ダミー容量部１４７ｂの出力電極部（ここではダミー固定電極部１５３ｂにおける導体層）は、検出回路部２４の入力ノードＮ１０に接続されないが、本実施形態では、スイッチ部ＳＷ１（ＳＷ１ａ，ＳＷ１ｂ）ならびにＳＷ２（ＳＷ２ａ，ＳＷ２ｂ）の切り換え制御によって、ダミー容量部１４７ｂの出力電極部１５３ｂ（の電極となり得る導体層）と検出回路部２４の入力ノードＮ１０との間の非接続／接続を切り換えることを可能とする。

なお、スイッチ部ＳＷ１（ＳＷ１ａ，ＳＷ１ｂ）ならびにＳＷ２（ＳＷ２ａ，ＳＷ２ｂ）の切り換え制御は、例えば、図３に示されるＣＰＵ２８によって実行することができ、また、設計段階で、設計者によるプログラミングにより実行することもできる。スイッチ部としては、ＣＭＯＳ構成のトランスファースイッチ（電気的にオン／オフ自在なスイッチ）を使用することができ、また、１回だけのプログラムでよい場合には、ヒューズスイッチを使用することもできる。なお、ダミー容量部１４７ｂを、ダミー容量として使用する場合には、スイッチ部ＳＷ１（ＳＷ１ａ，ＳＷ１ｂ）ならびにＳＷ２（ＳＷ２ａ，ＳＷ２ｂ）はすべてオフ状態とされ、また、ダミー容量部１４７ｂを、正規の容量に切り換えて使用する場合には、スイッチ部ＳＷ１（ＳＷ１ａ，ＳＷ１ｂ）ならびにＳＷ２（ＳＷ２ａ，ＳＷ２ｂ）はすべてオン状態とされる。図７では、スイッチ部ＳＷ１（ＳＷ１ａ，ＳＷ１ｂ）ならびにＳＷ２（ＳＷ２ａ，ＳＷ２ｂ）がすべてオンしている状態が記載されている。

なお、図８の加速度センサーでは、電位の混合が生じないように、固定枠部１１０において、アイソレーション領域１７３（例えば、基板に形成された溝によるアイソレーション領域）が形成されている。同様に、ダミー固定電極部１５３ｂおよび正規の固定電極部１５０ｂの各々と、固定枠部１１０との境界の領域にも、アイソレーション領域１７０が設けられている。

図８に示される加速度センサーにおいて、スイッチ部ＳＷ１（ＳＷ１ａ，ＳＷ１ｂ）ならびにＳＷ２（ＳＷ２ａ，ＳＷ２ｂ）が閉状態（オン状態）となると、図８に示されるように、ダミー容量部１４７ｂにおける固定電極部１５３ｂは、検出回路部２４の入力ノードＮ１０と電気的に接続されることになる。この結果、ダミー容量部１４７ｂにおける固定電極部１５３ｂには、バイアス電圧ＶＢ（＝−Ｖｄ）が印加されることになり、ダミー容量部１４７ｂにおける両電極間に電位差ＶＢが生じる。

容量部（正規の容量部）１４５ｂも検出回路部２４の入力ノードＮ１０と接続されていることから、スイッチ部ＳＷ１（ＳＷ１ａ，ＳＷ１ｂ）ならびにＳＷ２（ＳＷ２ａ，ＳＷ２ｂ）がオン状態のときは、ダミー容量部１４７ｂが、容量部（正規の容量部）１４５ｂに電気的に接続されることになり、この結果、ダミー容量部１４７ｂは、正規の容量部１４５ｂの一部となる。つまり、ダミー容量部１４７ｂは、正規の容量部１４５ｂに切り換えられた（転換された）ことになる。

ダミー容量部１４７ｂが正規の容量部１４５ｂに転換されることによって、櫛歯電極のペア数（対向配置された一対の電極の数）が増加し、正規の容量部１４５ｂに蓄積可能な電荷量が増える。つまり、２つのコンデンサーＣ１，Ｃ２の容量値が増加する。このことは、可動錘部１２０の振動に伴う容量変化によって移動する電荷量が増えることを意味し、したがって、検出信号のＳ／Ｎ（つまり、検出感度）が向上する。

スイッチ部ＳＷ１（ＳＷ１ａ，ＳＷ１ｂ）ならびにＳＷ２（ＳＷ２ａ，ＳＷ２ｂ）のオン／オフ（開閉）は、例えば、ＭＥＭＳセンサーの用途や設計仕様（要求される検出感度、要求される構造特性等）に応じて、例えば、設計段階で切り換えることができ、また、場合によっては、実際に使用されている途中において切り換えることも有り得る。したがって、本実施形態によれは、共通の加速度センサー（ＭＥＭＳセンサー）を使用して、多様な要求に対応することが容易となる。

（第６の実施形態）
本実施形態では、容量電極（ダミー容量電極を含む）として使用することが可能な電極構造（多層構造）の例について説明する。

図９（Ａ）〜図９（Ｃ）は、容量電極（ダミー容量電極を含む）として使用することが可能な電極構造（多層構造）の一例を示す図である。容量電極部（つまり、コンデンサーを構成する、所定面積の対向面を有する可動電極と固定電極）を、半導体集積回路装置の製造に用いられる多層構造を用いて形成する場合の断面構造の例が図９（Ａ）および図９（Ｂ）に示されている。なお、図９（Ａ）および図９（Ｂ）は、固定電極部１５０（ならびにダミー固定電極部１５３）の断面構造を示している。

図９（Ａ）では、図２（Ａ）および図２（Ｂ）を参照して先に説明したものと同じ積層構造をもつ、１つの導体層が形成されており、この導体層が１つの容量電極となり得る。図９（Ｂ）では、電気的に独立している、２つの積層構造をもつ導体層ＤＡおよびＤＢが形成されており、各導体層ＤＡおよびＤＢの各々が、容量電極となり得る。つまり、図９（Ｂ）の容量電極構造によれば、一本の固定電極部１５０において、電気的に分離された２つの電極部ＤＡ，ＤＢを形成することができる。この図９（Ｂ）の容量電極構造は、先に説明した、図７および図８に示される加速度センサーにおける固定電極部１５０ｂ（あるいはダミー固定電極部１５３ｂ）の構造として採用されている。

図９（Ｂ）の容量電極構造を用いると、異なる電位でバイアスされた２つのコンデンサー（Ｃ１，Ｃ２）を容易に形成することもでき、構造設計が容易化される。例えば、図９（Ｃ）に示されるように、可動電極部１４０Ａ，１４０Ｂと、固定電極部１５０（独立した電極ＤＡ，ＤＢをもつ）とを配置し、電極ＤＡ（第１導体層）には第１固定電極電位ＶＣ１を印加し、電極ＤＢ（第２導体層）には、第２固定電極電位ＶＣ１（≠ＶＣ２）を印加することによって、電気的に独立し、かつ、異なる電圧でバイアスされた２つのコンデンサーＣ１，Ｃ２を無理なく、かつ省スペースで構成することができる。なお、この例は一例であり、この例に限定されるものではない。

（第７の実施形態）
本実施形態では、静電容量型ＭＥＭＳ加速度センサーの製造方法の例について、図１０〜図１２を参照して説明する。

（第１工程）
図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）は、第１工程における加速度センサーデバイスの平面図およびＩ−Ｉ線に沿う断面図である。図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）において、前掲の図面と共通する箇所には共通の参照符号を付している（このことは、以下の図面についても同様である）。

図示されるように、基板（ここではシリコン基板とする）ＢＳ上に多層構造（複数層の積層構造体）２００が形成されている。上述のとおり、集積回路部１０２が、例えばＣＭＯＳ製造プロセス技術により形成されるのであれば、上述の積層構造体も同じ製造工程を経て形成される。

図示されるように、基板ＢＳの裏面の、少なくともセンサー形成領域に対応する部分には、凹所（凹部）９５が設けられ、基板ＢＳの厚みがあらかじめ調整されている。この凹所９５は、ドライエッチングを用いて形成することができる。また、基板ＢＳの裏面の結晶面を例えば（１００）面とし、アルカリエッチング（ウエットエッチング）によって凹所９５を形成することができる。凹所９５が設けられることによって、基板ＢＳの接触面積が減少してハンドリングが容易になるという効果も得られる。但し、凹所９５は必須ではなく、基板ＢＳの厚み調整が不要であるといった場合には、設けなくてもよい。また、凹所９５は、多層構造の形成前に、予め基板に設けておくことができ、また、多層構造の形成後に設けることもできる。

また、多層構造（積層構造）２００は、先に説明したように、表面絶縁層ＩＮＳ０と、第１層目導体層ＭＬ１と、第１層間絶縁層ＩＮＳ１と、第１層間絶縁層ＩＮＳ１を貫通するコンタクトホール（ビアホール）に埋め込まれた第１コンタクトプラグ層（第１プラグ層）ＭＰ１と、第２層目導体層ＭＬ２と、第２層間絶縁層ＩＮＳ２と、第２層間絶縁層ＩＮＳ２１を貫通するコンタクトホール（ビアホール）に埋め込まれた第２コンタクトプラグ層（第２プラグ層）ＭＰ２と、第３層目導体層ＭＬ３と、第３層間絶縁層ＩＮＳ３と、第３層間絶縁層ＩＮＳ３を貫通するコンタクトホール（ビアホール）に埋め込まれた第３コンタクトプラグ層（第３プラグ層）ＭＰ３と、第４層目導体層ＭＬ４と、保護絶縁層（例えば最終保護絶縁層）ＩＮＳ４と、を含む。

なお、図９（Ｂ）では、容量部（正規の容量部）１４５ａにおける可動電極部１４０ａの断面構造と、容量部（正規の容量部）１４５ｂにおける固定電極部１５０ｂの断面構造と、が示されている。

（第２工程）
図１１は、第２工程における加速度センサーデバイスの平面形状、Ｉ−Ｉ線に沿う断面構造、ならびにII−II線に沿う断面構造を示す図である。

第２工程では、多層構造（複数層の積層構造）を選択的に異方性エッチングして、シリコン基板ＢＳの表面を露出する開口部である第１空洞部（１１１ａ，１１３ａ，１１５ａ）を形成する。なお、１１１ａ，１１３ａ，１１５ａの各参照符号は、説明の便宜上、第１空洞部が形成される位置に応じて使い分けている（いずれも、多層構造が選択的にパターニングにされて形成された開口部である）。

多層構造の異方性エッチングは、例えば、開口径Ｄ（例えば１μｍ）に対するエッチング深さ（例えば４〜６μｍ）の比（Ｈ／Ｄ）が高アスペクト比となる絶縁膜異方性エッチングとなる。この異方性エッチングにより、多層構造（多層の積層構造体）を、固定枠部１１０、可動錘部１２０および弾性変形部１３０に区画することができる（但し、基板ＢＳは加工されていない）。この異方性エッチングの条件は、例えば、ＣＭＯＳＩＣにおける配線層間の層間絶縁膜をエッチングする条件と同じでよい。例えばＣＦ_４，ＣＨＦ_３等の混合ガスを用いたドライエッチングによって加工することができる。

可動電極部１４０ａおよび固定電極部１５０ｂには、所定面積の壁状面（壁部）をもつ導体層（複数の導電材料層が積層されて形成された積層導体層）が形成されており、その壁状面（壁部）が、コンデンサーを構成する各電極の対向面（電極面）となる。

また、図１０の右側の図に示されるように、ダミー容量部１４７ｂにおける各電極部には、導体層が設けられていない（つまり、ダミー容量部における積層構造として、図２（Ａ）に示される構造が採用されている。但し、これは一例である）。

なお、図１１の右側の図に示されるように、弾性変形部１３０を構成する多層構造においては、最上層の金属配線により構成され、正規の容量部１４５（１４５ａ，１４５ｂ）の可動電極部１４０ａ，１４０ｂに一端が接続される引き出し配線ＬＱ（ここではＧＮＤ配線とする）が設けられている。

（第３工程）
図１２は、第３工程における加速度センサーデバイスの平面形状、Ｉ−Ｉ線に沿う断面構造、ならびにII−II線に沿う断面構造を示す図である。

第２工程では、基板ＢＳに、第１空洞部（１１１ａ，１１３ａ，１１５ａ）に連通する第２空洞部（１１１ｂ，１１３ｂ，１１５ｂ）を設ける。これによって、可動構造体（可動錘部１２０、可動電極部１４０、ダミー可動電極部１４３）ならびに弾性変形部１３０の周囲に空洞部（１１１，１１３，１１５）を形成する。この結果、可動構造体は、空気中（空洞部中）において、弾性変形部１３０によって支持され、可動方向に可動自在の状態となる。

すなわち第３工程では、多層構造（多層の積層構造）に形成された第１空洞部（開口部）１１１ａ，１１３ａ，１１５ａの各々を介して、等方性エッチング用のエッチャントをシリコン基板ＢＳの表面に到達させ、シリコン基板ＢＳを等方性エッチングして除去する。これによって、図１２の下側の図に示されるように、可動錘部１２０、弾性変形部１３０および可動電極部１４０の下方に、第１空洞部（１１１ａ，１１３ａ，１１５ａ）に連通する第２空洞部（１１１ｂ，１１３ｂ，１１５ｂ）が形成される。なお、図１２の下側の図において、第２空洞部（１１１ｂ，１１３ｂ，１１５ｂ）は一部、点線で示されている。第１空洞部と第２空洞部が連通する結果として、空洞部（１１１，１１３，１１５）が形成され、可動構造体（可動錘部１２０、可動電極部１４０、ダミー可動電極部１４３）が固定枠部１１０から分離される。つまり、可動構造体は、空気中（空洞部中）において、弾性変形部１３０によって支持され、可動方向に可動自在の状態となる。

この等方性のシリコンエッチング方法としては、エッチングチャンバー内に配置されたウエハにエッチングガスＸｅＦ_２を導入するエッチング方法を採用することができる。このエッチングガスはプラズマ励起する必要がなく、ガスエッチングが可能である。例えば、特開２００２−１１３７００号公報に一例が記載される通り、ＸｅＦ_２は圧力５ｋＰａのエッチング処理が可能である。また、ＸｅＦ_２は蒸気圧が４Ｔｏｒｒ程度で、蒸気圧以下にてエッチング可能であり、エッチングレートとしても３〜４μｍ／ｍｉｎが期待できる。この他、ＩＣＰエッチングを用いることもできる。例えばＳＦ_６とＯ_２との混合ガスを用い、チャンバー内圧力を１〜１００Ｐａとし、ＲＦパワー１００Ｗ程度を供給すると、２〜３μｍのエッチングは数分で完了する。

可動錘部１２０（例えば略正方形）のＩ−Ｉ線方向に沿う一辺の長さは、例えば７００μｍである。正規の可動電極部１４０（１４０ａ，１４０ｂ）、正規の固定電極部１５０（１５３ａ，１５３ｂ）、ダミー可動電極部１４３（１４３ａ，１４３ｂ）ならびにダミー固定電極部１５３（１５３ａ，１５３ｂ）の各々の電極幅Ｗは例えば３μｍであり、各電極部の長さ（突出長）は、例えば１５０μｍであり、各電極間のギャップは例えば１．５μｍである。

なお、各電極部の電極幅Ｗが、例えば３μｍ程度であれば、等方性エッチング時には、各電極部の下の基板ＢＳは、各電極部の両サイドから同時にエッチングされて、短時間で除去可能である。

このように、半導体集積回路装置（ＩＣ）の製造技術を用いて、ＭＥＭＳセンサー（ここでは、静電容量型ＭＥＭＳセンサー）を効率的に製造することができる。つまり、多層構造（複数層の積層構造）２００の異方性エッチングと、基板（シリコン基板等）ＢＳの等方性エッチングとを組み合わせて使用することによって、効率的にＭＥＭＳセンサー（静電容量部型加速度センサー）を製造することができる。また、集積回路部（ＩＣ）１０２とＭＥＭＳセンサーとを、共通の製造技術を用いて、併行的に形成することもできる。よって、ＩＣを内蔵した、小型のセンサーモジュール等を、容易にかつ低価格で形成することができる。

（第７の実施形態）
本実施形態では、ダミー容量部（ダミー構造体，ダミー電極部あるいはダミー電極ということもできる）１４７と、可動構造体のＱ値との好ましい関係について考察する。ここでは、可動構造体のＱ値を３より小さくなるようにする場合を想定する。理想的にはＱ＜１であるが、現実の設計を考慮すると、Ｑ値が３程度までは使用可能範囲であるため、ここでは、Ｑ値を３未満に設定した場合における、好ましい構造設計について考察する。ここでは、可動構造体のＱ値を示す式を利用して、以下の関係を満足するように、容量型ＭＥＭＳセンサーの構造設計を行うのが好ましい。すなわち、正規の容量電極（検出電極）ペアの数をＮｅとし、ダミー電極ペアの数をＮｍとすると、（Ｎｅ＋Ｎｍ）は、以下の関係を満たすことが望ましい。但し、これは好ましい設計の一例であり、この例に限定されるものではない。

（静電容量型ＭＥＭＳセンサーの設計パラメータ等についての説明）
以下、参考のために、静電容量型ＭＥＭＳセンサーの設計パラメータについて、簡単に説明しておく。

センサーの感度Ｓは、電極コンデンサーの全容量をＣ０、弾性変形部１３０のばね定数をＫ、電極間ギャップをｄ０とすると、Ｓ＝Ｃ０／ｄ０・（Ｍ／Ｋ）［Ｆ／（ｍ／ｓｅｃ^２）］となる。つまり、可動錘部１２０の質量が大きければ感度は向上する。

次に、図１３を参照する。図１３において、可動電極部１４０と固定電極部１５０は対向して配置されており、その高さをｈ、横方向の長さをｒ、電極間ギャップをｄ０とする。可動電極部１４０が動くことによって、コンデンサーのギャップｄ０が変化するとき、電極間の気体が上下に動き、その際に、気体（空気）の粘性によって可動電極部１４０の移動に関してダンピング（可動電極部の振動（移動）を止めようとする働き）が生じる。ダンピングの大きさを示すダンピング係数（Ｄ）は、電極ペア数（固定電極と可動電極とによって構成される一対の電極ペアの数）をｎ、気体の粘性係数をμとすると、Ｄ＝ｎ・μ・ｒ（ｈ／ｄ０）^３［Ｎ・ｓｅｃ／ｍ］と表すことができる。

つまり、ダンピング係数（Ｄ）は、電極部の高さ（ｈ）の３乗に比例し、また、ギャップｄ０の３乗の逆数に比例する。

なお、気体のブラウン運動によって可動電極部に力が働き、それが加速度透過ブラウンノイズとなる。このブラウンノイズ（ＢＮＥＡ）は、ＢＮＥＡ＝（√（４ｋＢＴＤ））／Ｍ［（ｍ／ｓｅｃ２）／√Ｈｚ］となり、この式の分子は可動電極部の高さ（ｈ）の三乗に比例するダンピング係数（Ｄ）の平方根に比例する。

また、静電容量型ＭＥＭＳセンサーは、粘性減衰のある自由振動の運動方程式（例えば、下記（１）式参照）で表現される構造体であるため、構造体のＱ値および共振周波数（固有振動数）は、好ましい値に設計される必要がある。粘性減衰のある自由振動を行う構造体の共振周波数（固有振動数）ωは、可動錘部の質量Ｍと、可動錘部を支持するバネ（弾性変形部）のバネ定数Ｋから一義的に決まり（例えば、下記（２）式参照）、また、共振の鋭さを表すＱ値は、さらにダンピング定数Ｄを加えた計算式から決まる(例えば、下記（３）式参照)。なお、（３）式において、ξは臨界減衰係数である。

（３）式から明らかなように、可動錘部の質量Ｍを大きくすればＱ値が大きくなり、また、ダンピング係数Ｄが増大すれば、Ｑ値が小さくなる。

また、弾性変形部（バネ部）におけるバネ定数の値を適正な範囲に収めることも必要である。実効的なバネ定数は、弾性変形部（バネ部）１３０の機械的なバネ定数だけで定まるのではなく、固定電極部１５０と可動電極部１４０との間に作用する静電気力（クーロン力）に起因する電気的なバネ定数も考慮して総合的に決定される。すなわち、実効的なバネ定数は、（機械的バネ定数−電気的バネ定数）によって決定される。電気的なバネ定数は距離（変位量）に対して非線形な値を取る。

よって、電気的バネ定数が、機械的バネ定数に比べて十分に小さくなるように設計しないと、Ｆ＝ｋＸ（Ｆは力、ｋはバネ定数、Ｘは変位量）で表わされる線形のバネ特性の式が成立しなくなる。このように、可動錘部、電極部、弾性変形部の各々の特性を総合的に勘案しつつ、容量型ＭＥＭＳセンサーの設計を行う必要がある。

先に説明した少なくとも一つの実施形態によれば、例えば、ダミー電極部を設けてダンピング係数を調整することによって、例えば、可動錘部の質量の増大による検出感度の向上を、Ｑ値をほぼ一定に維持しつつ達成することができる。また、例えば、弾性変形部（バネ部）のバネ特性に悪影響が生じないようにすることもできる。以上、本発明をいくつかの実施形態を用いて説明したが、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で、種々の変形が可能であることは当業者には容易に理解できるものである。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。

例えば、本発明に係るＭＥＭＳセンサーは、必ずしも静電容量型加速度センサーに適用されるものに限らず、ピエゾ抵抗型の加速度センサーにも適用することが可能である。また、可動錘部の移動により静電容量の変化を検出する物理センサーであれば適用が可能である。たとえばジャイロセンサー、圧力センサー等に適用が可能である。例えば、キャビティ（中空室）の空気圧によってシリコンダイヤフラムを変形させ、その変形による静電容量の変化を検出する圧力センサーにおいて、シリコンダイヤフラムの一部にダミー容量部を設けて、ダイヤフラムのダンピング特性等を調整することができる。

また、物理量の検出軸は上述した一軸や二軸に限らず、三軸以上の多軸とすることができる。また、コンデンサーの電極間の対向面積の変化によって、物理量を検出する方法を採用することもできる。

２４検出回路部（例えばＱ／Ｖ変換回路および増幅回路）、
２６アナログ校正およびＡ／Ｄ変換部、２８ＣＰＵ、
３０インターフェース回路（Ｉ／Ｆ）、
１００静電容量型ＭＥＭＳ加速度センサー、１０２集積回路部、
ＢＳシリコン基板、１１０固定枠部、１２０可動錘部、
１１１，１１３１１５空洞部、１３０弾性変形部（バネ部）、
１４０（１４０ａ，１４０ｂ）可動電極部（正規の可動電極部）、
１４３（１４３ａ，１４３ｂ）ダミー可動電極部（ダミー可動構造体）、
１４５（１４５ａ，１４５ｂ）容量部（正規の容量部、正規の電極部、正規の電極または検出電極）、
１４７（１４７ａ，１４７ｂ）ダミー容量部（ダミー構造体、ダミー電極部またはダミー電極）、
１５０（１５０ａ，１５０ｂ）固定電極部（正規の固定電極部）、
１５３（１５３ａ，１５３ｂ）ダミー固定電極部（ダミー固定構造体）

Claims

基板上に形成された多層構造を加工して形成されるＭＥＭＳセンサーであって、
弾性変形部によって固定枠部に連結され、周囲に空洞部が形成されている可動錘部と、
前記固定枠部に固定された固定電極部と、前記可動錘部に接続され、前記固定電極部に対向して配置される可動電極部と、を有する容量部と、
前記固定枠部に固定されたダミー固定電極部と、前記可動錘部に接続され、前記ダミー固定電極部に対向して配置されるダミー可動電極部と、を有し、検出信号を出力しないダミー容量部と、
を含むことを特徴とするＭＥＭＳセンサー。
請求項１記載のＭＥＭＳセンサーであって、
前記ダミー容量部はダンピング係数の調整部としての機能を有し、前記ダミー固定電極部および前記ダミー可動電極部の少なくとも一方における前記多層構造は、積層された複数層の絶縁層のみから構成されることを特徴とするＭＥＭＳセンサー。
請求項１記載のＭＥＭＳセンサーであって、
前記ダミー容量部はダンピング係数の調整部としての機能を有し、前記ダミー固定電極部および前記ダミー可動電極部の前記多層構造は、積層された複数層の導体層を含み、
かつ、前記ダミー固定電極部および前記ダミー可動電極部の前記多層構造における前記積層された複数層の導体層はいずれも、前記ＭＥＭＳセンサーからの前記検出信号を受ける検出回路部の信号入力ノードに接続されないことを特徴とするＭＥＭＳセンサー。
請求項１〜請求項３のいずれかに記載のＭＥＭＳセンサーであって、
前記可動電極部と前記固定電極部との間の距離と、前記ダミー可動電極部と前記ダミー固定電極部との間の距離と、が異なることを特徴とするＭＥＭＳセンサー。
請求項３記載のＭＥＭＳセンサーであって、
前記ダミー固定電極部および前記ダミー可動電極部間の第１の電位差は、前記固定電極部および前記可動電極部間の第２の電位差とは独立に設定されることを特徴とするＭＥＭＳセンサー。
請求項１記載のＭＥＭＳセンサーであって、
前記ダミー固定電極部および前記ダミー可動電極部における前記多層構造は、積層された複数層の導体層を含み、
かつ、前記ダミー固定電極部または前記ダミー可動電極部の前記多層構造における前記積層された複数層の導体層と、前記ＭＥＭＳセンサーからの前記検出信号を受ける検出回路部の信号入力ノードとの電気的な接続／非接続を切り換えるスイッチ部を、さらに有することを特徴とするＭＥＭＳセンサー。
請求項１〜請求項６のいずれかに記載のＭＥＭＳセンサーであって、
前記可動錘部の、可動方向に沿う中心線を基準として、前記中心線に直交する第１方向の側に配置される、前記容量部としての第１容量部と、
前記中心線を基準として、前記第１方向とは反対の方向である第２方向の側において、前記中心線に対して前記第１容量部と線対称の位置に配置される、前記容量部としての第２容量部と、
前記中心線を基準として、前記第１方向の側に配置される、前記ダミー容量部としての第１ダミー容量部と、
前記中心線を基準として、前記第１方向とは反対の方向である前記第２方向の側において、前記中心線に対して前記第１ダミー容量部と線対称の位置に配置される、前記ダミー容量部としての第２ダミー容量部と、
を有することを特徴とするＭＥＭＳセンサー。
基板上に形成された多層構造を加工して形成され、弾性変形部によって固定枠部に連結され、周囲に空洞部が形成されている可動錘部と、前記固定枠部に固定された固定電極部と、前記可動錘部に接続され、前記固定電極部に対向して配置される可動電極部と、を有する容量部と、前記固定枠部に固定されたダミー固定電極部と、前記可動錘部に接続され、前記ダミー固定電極部に対向して配置されるダミー可動電極部と、を有し、検出信号を出力しないダミー容量部と、を含むＭＥＭＳセンサーの製造方法であって、
前記基板上に前記多層構造を形成し、
前記多層構造を異方性エッチングによってパターニングして、前記基板の表面が露出する開口部である第１空洞部を形成し、
前記第１空洞部を介して、等方性エッチング用のエッチャントを前記基板に到達させて前記基板を等方性エッチングして、前記第１空洞部に連通する第２空洞部を形成し、これによって前記空洞部を形成する、
ことを特徴とするＭＥＭＳセンサーの製造方法。