JP2011095007A - 静電容量型加速度センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】小型化を図りつつ高感度化を図れる静電容量型加速度センサを提供する。
【解決手段】フレーム部11、錘部13、一対のトーションビーム12,12、2つの可動電極15,15が設けられたセンサ本体1と、センサ本体1に接合された第1のカバー基板2および第2のカバー基板3と、第1のカバー基板2において各可動電極15,15それぞれに対向して設けられた固定電極25,25とを備えている。各固定電極25,25それぞれが、第1のカバー基板2におけるセンサ本体1側に形成され各固定電極25,25それぞれに対応付けられた接続配線26とセンサ本体1の錘部13の開口窓14内に配置された島部16とを介して当該島部16における第1のカバー基板2側の第1の外部接続用電極であるパッド18と電気的に接続され、各可動電極15,15が第1のカバー基板2側の第2の外部接続用電極であるパッド18,18と電気的に接続されている。
【選択図】図1
【解決手段】フレーム部11、錘部13、一対のトーションビーム12,12、2つの可動電極15,15が設けられたセンサ本体1と、センサ本体1に接合された第1のカバー基板2および第2のカバー基板3と、第1のカバー基板2において各可動電極15,15それぞれに対向して設けられた固定電極25,25とを備えている。各固定電極25,25それぞれが、第1のカバー基板2におけるセンサ本体1側に形成され各固定電極25,25それぞれに対応付けられた接続配線26とセンサ本体1の錘部13の開口窓14内に配置された島部16とを介して当該島部16における第1のカバー基板2側の第1の外部接続用電極であるパッド18と電気的に接続され、各可動電極15,15が第1のカバー基板2側の第2の外部接続用電極であるパッド18,18と電気的に接続されている。
【選択図】図1
Description
本発明は、マイクロマシニング技術などを利用して形成される静電容量型加速度センサに関するものである。
従来から、マイクロマシニング技術などを利用して形成される加速度センサとして、静電容量型加速度センサが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
ここにおいて、上記特許文献1に記載された静電容量型加速度センサは、図12に示すように、半導体基板10’を用いて形成された矩形枠状のフレーム部11’と、第1のガラス基板20’を用いて形成されフレーム部11’の厚み方向の一面側において周部が全周に亘ってフレーム部11’に固着された矩形板状の第1のカバー基板2’と、第2のガラス基板30’を用いて形成されフレーム部11’の厚み方向の他面側において周部が全周に亘ってフレーム部11’に固着された矩形板状の第2のカバー基板3’とを備え、上述の半導体基板10’を用いて形成された平面視形状が細長の矩形状である2つの可動電極15A’,15B’がフレーム部11’の内側において第1のカバー基板2’の一表面に沿って並設されるとともに、第1のカバー基板2’に、各可動電極15A’,15B’それぞれに対向する固定電極25A’,25B’が形成されている。ここにおいて、2つの可動電極15A’,15B’は、長手方向の一端部同士、他端部同士それぞれが連結部10d’,10d’を介して連続一体に連結されている(要するに、各連結部10d’,10d’も、上述の半導体基板10’を用いて形成されている)。
また、上述の静電容量型加速度センサは、2つの可動電極15A’,15B’の互いの対向面それぞれとの間に、上述の半導体基板10’を用いて形成された平面視正方形状のアンカー部10e’が配置され、当該アンカー部10e’が第1のカバー基板3’に接合されて固定されている。また、上述の静電容量型加速度センサは、アンカー部10e’と各連結部10d’,10d’とがそれぞれ細長のビーム12’,12’を介して連続一体に連結されている。ここで、アンカー部10e’と各可動電極15A’,15B’との間には平面視コ字状のスリット10a’が形成され、各ビーム12’,12’と各可動電極15A’,15B’との間には直線状のスリット10b’が形成されている。
また、上述の静電容量型加速度センサは、一対のビーム12’,12’の並設方向の両側において、各カバー基板2,3に接合された島部16’,16’が配置されている。ここにおいて、各島部16’,16’は、上述の半導体基板10’を用いて形成されており、各島部16’,16’の周囲には、各可動電極15A’,15B’と各連結部10d’,10d’とで構成される錘部13’と、フレーム部11’との間に隙間を形成するスリット10c’が形成されている。
なお、上述の説明から分かるように、フレーム部11’、各可動電極15A’,15B’、各連結部10d’,10d’、アンカー部10e’、各ビーム12’,12’および各島部16’,16’は、1枚の半導体基板10’を用いて形成されており、各可動電極15A’,15B’とアンカー部10e’とは同電位となる。
また、上述の静電容量型加速度センサは、2つの可動電極15A’,15B’の平面サイズを異ならせることで一方の可動電極15A’の質量を他方の可動電極15B’の質量よりも大きくしてあり、第1のカバー基板2’の厚み方向における各ビーム12’,12’の寸法が両可動電極15A’,15B’の並設方向における寸法よりも大きくなっており、各ビーム12’,12’が、ねじれ変形が可能なトーションビームを構成している。したがって、第1のカバー基板2’の厚み方向の加速度がかかると、一対のビーム12’,12’を中心として錘部13’が揺動するから、一方の可動電極15A’と一方の固定電極25A’との対で構成される可変容量コンデンサおよび他方の可動電極15B’と他方の固定電極25B’との対で構成される可変容量コンデンサそれぞれの静電容量が変化する。
ここにおいて、上述の静電容量型加速度センサでは、錘部13’の揺動空間を確保するために、錘部13’および各ビーム12’,12’それぞれにおける第1のカバー基板2’側の表面をアンカー部10e’の表面よりも後退させるとともに、第2のカバー基板3’における錘部13’側の一表面に凹所31’を形成してある。なお、第1のカバー基板2’は、フレーム部11’およびアンカー部10e’と陽極接合により接合され、第2のカバー基板3’は、フレーム部11’および各島部16’,16’と陽極接合により接合されている。
また、第1のカバー基板2’は、第1のガラス基板20’における錘部13’側である一表面側に上述の固定電極25A’,25B’が形成されるとともに、アンカー部10e’、各島部16’,16’それぞれにおける第1のカバー基板2’側の表面の一部を露出させる3つのテーパ状の貫通孔24’,24’,24’が貫設されており、アンカー部10e’、各島部16’,16’それぞれに電気的に接続され外部接続用電極となる導電層23’,23’,23’が第1のガラス基板20’の他表面と各貫通孔24’,24’,24’の内周面とに跨って形成されている。
また、第1のカバー基板2’は、上記一方の固定電極25A’に電気的に接続された配線パターンからなる接続配線26’が第1のガラス基板20’の上記一表面側において一方の島部16’上まで延長されており、当該接続配線26’が金属材料からなる接続電極17’を介して上記一方の島部16’と電気的に接続され、上記他方の固定電極25B’に電気的に接続された配線パターンからなる接続配線26’が第1のガラス基板20’の上記一表面側において他方の島部16’上まで延長されており、当該接続配線26’が金属材料からなる接続電極17’を介して上記他方の島部16’と電気的に接続されている。
また、上述の静電容量型加速度センサは、各可動電極15A’,15B’における第1のカバー基板2’との対向面に、各可動電極15A’,15B’が第1のカバー基板2’に接触するのを防止するストッパ13a’が形成され、各可動電極15A’,15B’における第2のカバー基板3’との対向面に各可動電極15A’,15B’が第2のカバー基板3’に接触するのを防止するストッパ(図示せず)が形成されている。
ところで、図12に示した構成の静電容量型加速度センサでは、各固定電極25A’,25B’が第1のカバー基板2’に形成された接続配線26’および島部16’を介して外部接続用電極である導電層23’と電気的に接続されているので、寄生容量を低減することができ、S/N比を向上させることができる。要するに、図12に示した構成の静電容量型加速度センサでは、可動電極15A’,15B’と同電位の構成物(以下、第1の同電位構成物と称する)と、固定電極25A’,25B’それぞれと同電位の構成物(以下、第2の同電位構成物、第3の同電位構成物と称する)との間には寄生容量が存在するが、第1の同電位構成物と第2の同電位構成物、第3の同電位構成物との間の中間介在物の大部分を空間とすることができるので、同電位構成物間の寄生容量を低減することができ、S/N比を向上させることができる。
しかしながら、図12に示した構成の静電容量型加速度センサでは、島部16’が、錘部13’とフレーム部11’との間に配置されているので、平面サイズの小型化を図る場合に、錘部13’の質量および各可動電極15A’,15B’の面積の減少に起因して感度が低下してしまう。
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、小型化を図りつつ高感度化を図れる静電容量型加速度センサを提供することにある。
請求項1の発明は、半導体基板を用いて形成されて、枠状のフレーム部、当該フレーム部の内側に配置される錘部、およびフレーム部の内側で錘部を挟む形で配置されてフレーム部と錘部とを連結しねじれ変形が可能な一対のトーションビームを有し、錘部において当該一対のトーションビームの並設方向とは直交する方向の両端部それぞれに可動電極が設けられたセンサ本体と、センサ本体の一表面側に配置され周部がフレーム部に接合された第1のカバー基板と、センサ本体の他表面側に配置され周部がフレーム部に接合された第2のカバー基板と、第1のカバー基板においてセンサ本体の各可動電極それぞれに対向して設けられた固定電極とを備え、センサ本体の錘部にセンサ本体の厚み方向に貫通する開口窓が形成され、各固定電極それぞれが、第1のカバー基板におけるセンサ本体側に形成され各固定電極それぞれに対応付けられた接続配線とセンサ本体の錘部の開口窓内に配置された島部とを介して当該島部における第1のカバー基板側の第1の外部接続用電極と電気的に接続され、各可動電極が第1のカバー基板側の第2の外部接続用電極と電気的に接続されてなることを特徴とする。
この発明によれば、センサ本体の錘部にセンサ本体の厚み方向に貫通する開口窓が形成され、各固定電極それぞれが、第1のカバー基板におけるセンサ本体側に形成され各固定電極それぞれに対応付けられた接続配線とセンサ本体の錘部の開口窓内に配置された島部とを介して当該島部における第1のカバー基板側の第1の外部接続用電極と電気的に接続され、各可動電極が第1のカバー基板側の第2の外部接続用電極と電気的に接続されているので、平面サイズの小型化を図りながらも、トーションビームと錘部に設けられた各可動電極との間の距離を長くすることができ、加速度に対する各可動電極の変位量が増大し、高感度化を図れる。
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記錘部の重心が、平面視において前記一対のトーションビームを結ぶ直線から横方向にずれていることを特徴とする。
この発明によれば、前記センサ本体の厚み方向の加速度を高感度で検出することが可能となる。
請求項3の発明は、請求項1または請求項2の発明において、前記各可動電極が前記第1のカバー基板における前記センサ本体側に形成され前記各可動電極に対応付けられた別の接続配線と前記センサ本体の前記錘部の前記開口窓内に配置された別の島部とを介して1つの前記第2の外部接続用電極に共通接続されてなり、前記各第1の外部接続用電極と前記第2の外部接続用電極とが平面視で一直線上に並ばないように配置されてなることを特徴とする。
この発明によれば、前記各第1の外部接続用電極と前記第2の外部接続用電極とが平面視で一直線上に並ぶ場合に比べて、平面サイズの小型化を図れる。
請求項4の発明は、請求項1または請求項2の発明において、前記センサ本体は、前記フレーム部の内側に前記錘部が2つ並設されるとともに、前記フレーム部の内側空間を2つの前記錘部が各別に配置される空間に分ける中間フレーム部を一体に備え、当該中間フレーム部に前記各可動電極が共通接続される1つの前記第2の外部接続用電極が形成されてなることを特徴とする。
この発明によれば、複数軸の加速度を各別に検出可能とした構成において、小型化を図りつつ高感度化を図れる。
請求項5の発明は、請求項1ないし請求項4の発明において、前記半導体基板が、シリコン基板からなる支持基板上にシリコン酸化膜からなる絶縁層を介してシリコン層が形成されたSOI基板であって、前記センサ本体は、SOI基板のシリコン層の表面側が前記一表面側であり、前記島部は、平面視において前記支持基板の一部からなる部分の外周線が前記シリコン層の一部からなる部分の外周線の内側にあることを特徴とする。
この発明によれば、前記島部のうちSOI基板の支持基板の一部からなる部分間の距離を長くすることができ、当該部分間での寄生容量を小さくすることができ、高感度化を図れる。
請求項1の発明では、小型化を図りつつ高感度化を図れるという効果がある。
(実施形態1)
本実施形態の静電容量型加速度センサは、図1に示すように、半導体基板10を用いて形成されて、枠状(ここでは、矩形枠状)のフレーム部11、当該フレーム部11の内側に配置される錘部13、およびフレーム部11の内側で錘部13を挟む形で配置されてフレーム部11と錘部13とを連結しねじれ変形が可能な一対のビームであるトーションビーム12,12を有し、錘部13において当該一対のトーションビーム12,12の並設方向とは直交する方向(図1(a)の左右方向)の両端部それぞれに可動電極15,15が設けられたセンサ本体1と、第1のガラス基板20を用いて形成されて、センサ本体1の一表面側(図1(b)における上面側)に配置され周部がフレーム部11に接合された第1のカバー基板2と、第2のガラス基板30を用いて形成されて、センサ本体1の他表面側(図1(b)における下面側)に配置され周部がフレーム部11に接合された第2のカバー基板3と、第1のカバー基板2においてセンサ本体1の各可動電極15,15それぞれに対向して設けられた固定電極25,25とを備えている。
本実施形態の静電容量型加速度センサは、図1に示すように、半導体基板10を用いて形成されて、枠状(ここでは、矩形枠状)のフレーム部11、当該フレーム部11の内側に配置される錘部13、およびフレーム部11の内側で錘部13を挟む形で配置されてフレーム部11と錘部13とを連結しねじれ変形が可能な一対のビームであるトーションビーム12,12を有し、錘部13において当該一対のトーションビーム12,12の並設方向とは直交する方向(図1(a)の左右方向)の両端部それぞれに可動電極15,15が設けられたセンサ本体1と、第1のガラス基板20を用いて形成されて、センサ本体1の一表面側(図1(b)における上面側)に配置され周部がフレーム部11に接合された第1のカバー基板2と、第2のガラス基板30を用いて形成されて、センサ本体1の他表面側(図1(b)における下面側)に配置され周部がフレーム部11に接合された第2のカバー基板3と、第1のカバー基板2においてセンサ本体1の各可動電極15,15それぞれに対向して設けられた固定電極25,25とを備えている。
以下、図1(a)の右上に示した直交座標系のように、一対のトーションビーム12,12が並ぶ方向をy軸方向、センサ本体1の上記一表面に沿う面内でy軸方向に直交する方向をx軸方向、x軸方向とy軸方向とに直交する方向(つまり、センサ本体1の厚み方向)をz軸方向として説明する。
センサ本体1および各カバー基板2,3の外周形状は矩形状(ここでは、長手方向がx軸方向に一致し短手方向がy軸方向に一致する長方形状)であり、各カバー基板2,3はセンサ本体1と同じ外形寸法に形成されている。なお、本実施形態の静電容量型加速度センサは、フレーム部11の周部が全周に亘って各カバー基板2,3の周部と接合されており、フレーム部11と各カバー基板2,3とで、チップサイズパッケージが構成されている。
また、半導体基板10としては、シリコン基板からなる支持基板101上のシリコン酸化膜からなる絶縁層(埋込酸化膜)102上にn形のシリコン層(活性層)103を有するSOI基板を用いているが、SOI基板に限らず、例えば、シリコン基板を用いてもよい。なお、SOI基板については、支持基板101の厚さは50μm〜500μm程度、絶縁層102の厚さは0.5μm〜3μm程度、シリコン層103の厚さは5μm〜50μm程度としてあるが、これらの数値は特に限定するものではない。半導体基板10は、シリコン層103の表面からなる一表面を(100)面としてある。
また、第1のカバー基板2が、第1のガラス基板20を用いて形成してあるが、これに限らず、誘電体により形成することが好ましい。なお、本実施形態では、第1のカバー基板2の厚さを100〜600μm程度、第2のカバー基板3の厚さを100〜600μm程度としてあるが、これらの数値も一例であり、特に限定するものではない。
ここにおいて、センサ本体1と第1のカバー基板2および第2のカバー基板3との接合方法としては、陽極接合法を採用しており、センサ本体1のフレーム部11と第1のカバー基板2および第2のカバー基板3それぞれの周部とを接合している。これに対して、本実施形態の静電容量型加速度センサでは、錘部13および各トーションビーム12,12と、各カバー基板2,3との間に所定のギャップが形成されている。
しかして、本実施形態では、可動電極15,15が設けられた錘部13やトーションビーム12,12や固定電極25,25などの機能部が、フレーム部11と各カバー基板2,3とで囲まれた気密空間内に配置されるので、可動電極15,15と固定電極25,25との間の間隙に異物や水分が侵入するのを防止することができる。
本実施形態の静電容量型加速度センサでは、センサ本体1がマイクロマシニング(バルクマイクロマシニング)技術などを利用して形成されており、トーションビーム12,12が、フレーム部11および錘部13に比べて薄肉に形成されており、錘部13が、フレーム部11に対して一対のトーションビーム12,12の回りで変位可能となっている(y軸方向の軸回りで回動可能となっている)。つまり、一対のトーションビーム12,12は、フレーム部11に対して錘部13が揺動自在となるようにフレーム部11と錘部13とを連結している。言い換えれば、フレーム部11の内側に配置される錘部13は、当該錘部13から相反する2方向へ連続一体に延長された2つのトーションビーム12,12を介してフレーム部11に揺動自在に支持されている。
ここにおいて、フレーム部11は、半導体基板10であるSOI基板の支持基板101、絶縁層102、シリコン層103それぞれを利用して形成してあり(図1(b)参照)、幅寸法が略一定の矩形枠状としてある。これに対して、トーションビーム12,12は、SOI基板におけるシリコン層103のみを利用して形成してあり(図1(b)参照)、フレーム部11よりも薄肉となっている。また、錘部13は、上述のSOI基板の支持基板101、絶縁層102、シリコン層103それぞれを利用して形成してある。本実施形態では、上述のように、半導体基板10としてSOI基板を用いているので、半導体基板10としてシリコン基板を用いる場合に比べて、各トーションビーム12,12の厚み寸法の精度を高めることができる。
ここで、本実施形態の静電容量型加速度センサは、センサ本体1の上記一表面側に接合される第1のカバー基板2側への錘部13の変位空間を確保するために、錘部13および各トーションビーム12,12それぞれに対応する各部位におけるシリコン層103の厚みを薄くしてあるが、これら各部位の厚みを薄くせずに、第1のカバー基板2の基礎となる第1のガラス基板20におけるセンサ本体1との対向面に錘部13の変位空間形成用凹部を形成し、当該変位空間形成用凹部の内底面に固定電極25,25を形成するようにしてもよい。なお、本実施形態では、錘部13および各トーションビーム12,12それぞれに対応する各部位におけるシリコン層103の厚みを薄くするにあたっては、シリコン層103を例えばアルカリ系溶液を用いたウェットエッチングなどにより第1の所定深さだけエッチングすればよく、第1の所定深さを0.5μm〜5μm程度の範囲で適宜設定しているが、この数値範囲に限定するものではない。上述の説明から分かるように、各トーションビーム12,12の厚さ寸法は、もともとのシリコン層103の厚さ寸法から第1の所定深さの寸法を減算した寸法となるが、各トーションビーム12,12の厚さ寸法は、1μm〜50μm程度の範囲で適宜設定すればよい。
また、本実施形態の静電容量型加速度センサは、センサ本体1の上記他表面側に接合される第2のカバー基板3側への錘部13の変位空間を確保するために、錘部13において支持基板101により形成されている部位の厚みを薄くしてあるが、当該部位の厚みを薄くせずに、第2の固定基板3の基礎となる第2のガラス基板30におけるセンサ本体1との対向面に錘部13の変位空間形成用凹部を形成するようにしてもよい。なお、本実施形態では、錘部13において支持基板101により形成されている部位の厚みを薄くするにあたっては、支持基板101を例えばアルカリ系溶液を用いたウェットエッチングなどにより第2の所定深さだけエッチングすればよく、第2の所定深さを0.5μm〜5μm程度の範囲で適宜設定しているが、この数値範囲に限定するものではない。
また、センサ本体1の上記一表面側および上記他表面側には、錘部13の過度の変位を規制する複数の微小なストッパ(突起部)13a,13b(図1(b)参照)が錘部13における各カバー基板2,3それぞれとの対向面から突設されている。しかして、本実施形態の静電容量型加速度センサでは、錘部13の過度の変位によるトーションビーム12,12の破損や各カバー基板2,3の破損などを防止することができる。ここで、ストッパ13a,13bは、半導体基板10の一部により構成してもよいし、半導体基板10に形成したシリコン酸化膜や金属膜(例えば、アルミニウム膜など)をパターニングすることにより構成してもよい。なお、このようなストッパ13a,1bは、センサ本体1に設けずに、各カバー基板2,3それぞれにおける錘部13との対向面に設けてもよい。
また、本実施形態の静電容量型加速度センサは、センサ本体1の錘部13にセンサ本体1の厚み方向に貫通する平面視矩形状(ここでは、x軸方向を長手方向、y軸方向を短手方向とする長方形状)の開口窓14が形成されており、当該開口窓14内(矩形枠状の錘部13の内側)には、3つの島部16が、センサ本体1の上記一表面において一対のトーションビーム12,12の並設方向に直交する方向(x軸方向)に並設されている。
各島部16,16,16は、錘部13の開口窓14の内周面との間、および隣り合う島部16との間に隙間が形成されており、互いに分離独立して電気的に絶縁されている。また、センサ本体1の上記一表面側において、各島部16,16,16上には、金属薄膜(例えば、Al−Si膜など)からなる円形状のパッド18が形成され、各島部16,16,16それぞれにおいてシリコン層103の一部により構成された導体部とパッド18とが電気的に接続されている。ここにおいて、各パッド18は、一般的な半導体製造プロセスで採用される薄膜形成技術、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して形成されている。
各島部16,16,16は、半導体基板10であるSOI基板の支持基板101、絶縁層102、シリコン層103それぞれを利用して形成してあり、SOI基板に適宜加工を施してから当該SOI基板を第2のカバー基板3に陽極接合により接合した後に、錘部13から分離されている。
ここで、3つの島部16,16,16のうち、真ん中の島部16上のパッド18が、第1のカバー基板2におけるセンサ本体1に対向する表面側においてy軸方向に沿って形成された接続配線26を介してフレーム部11と電気的に接続されて各可動電極15,15と同電位となり、3つの島部16,16,16のうち両側の島部16,16が、第1のカバー基板2におけるセンサ本体1に対向する表面側においてx軸方向に沿って形成された接続配線26,26を介して互いに異なる固定電極25,25と電気的に接続されて当該接続された固定電極25,25と同電位となっている。
更に説明すれば、本実施形態の静電容量型加速度センサでは、錘部13のうちシリコン層103により形成された部位によって上述の可動電極15,15が構成されており、可動電極15,15とトーションビーム12,12のうちシリコン層103により形成された部位とフレーム部11のうちシリコン層103により形成された部位とが同電位となっており、第1のカバー基板2におけるセンサ本体1に対向する表面側においてx軸方向に沿って形成された接続配線26を介してフレーム部11においてシリコン層103により形成された導体部と真ん中の島部16においてシリコン層103により形成された導体部とが電気的に接続されている。ここで、本実施形態の静電容量型加速度センサでは、接続配線26とフレーム部11および島部16とを電気的に接続するために、フレーム部11における錘部13側の部位におけるシリコン層103の厚みを薄くするとともに島部16における錘部13側の部位の一部におけるシリコン層103の厚みを薄くしてあり、当該薄くした各部位からなる段差部11a,16a上に、接続配線26を接続する接続電極17が形成されている。
一方、フレーム部11と真ん中の島部16とを電気的に接続する接続配線26は、平面視においてフレーム部11上の接続電極17と真ん中の島部16上の接続電極17とに跨る形で形成されている。また、固定電極25,25と両側の島部16,16とを電気的に接続する接続配線26,26は、各一端部それぞれが固定電極25,25と連続一体に形成されて固定電極25,25と電気的に接続され、各他端部それぞれが各島部16,16においてシリコン層103の厚みを薄くした段差部16a,16a上の接続電極17,17に重なる形で形成され接続電極17,17と電気的に接続されている。
上述の各接続電極17は、シリコン層103とのオーミック接触が可能な金属膜(例えば、Al−Si膜など)により構成してある。ここにおいて、各接続電極17は、一般的な半導体製造プロセスで採用される薄膜形成技術、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して形成されている。なお、シリコン層103の抵抗率が比較的高くて可動電極15,15とフレーム部11との間に電位差が生じるような場合には、シリコン層103に適宜の不純物をドープしてシリコン層103の抵抗率を低くすればよい。
また、第1のカバー基板2の各固定電極25,25および各接続配線26,26,26は、スパッタ法のような薄膜形成技術、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して形成されている。ここで、各固定電極25,25および各接続配線26,26,26は、金属膜(例えば、Al膜、Al−Ti膜など)により構成してあるが、金属膜に限らず、例えば、導電性ポリシリコン膜などにより構成してもよい。
本実施形態では、第1のカバー基板2の各固定電極25,25および各接続配線26,26,26の厚みは、0.05μm〜1μm程度の範囲で設定してあるが、特に限定するものではない。ただし、上述のようにセンサ本体1と第1のカバー基板2とを陽極接合などにより接合する場合には、厚み方向において重ねる接続配線26の厚み寸法と接続電極17の厚み寸法との合計寸法が、第1のガラス基板20と接続電極17の下地表面(上述の各段差部11a,16aの表面)との間の寸法よりも僅かに大きくなるように設定することで、陽極接合時に接続配線26と接続電極17とが圧接され、接続配線26と接続電極17との電気的接続を安定して得ることができる(電気的接続の信頼性を高めることができるとともに接触抵抗を小さくすることができる)。ただし、センサ本体1と第1のカバー基板2との接合方法は陽極接合に限らず、他の周知の接合方法でもよく、例えば、周知の直接接合法のうち陽極接合法以外の接合方法である常温接合法などの接合方法を採用する場合には、厚み方向において重ねる接続配線26の厚み寸法と接続電極17の厚み寸法との合計寸法を、第1のガラス基板20と接続電極17の下地表面(上述の各段差部11a,16aの表面)との間の寸法と略同一とすることで、センサ本体1と第1のガラス基板20との接合が阻害されるのを防止する必要がある。また、所望の感度を得るために必要な各固定電極25,25と各可動電極15,15との間のギャップ長に応じて、各固定電極25,25の厚さ寸法と、上述の第1の所定深さ(シリコン層103の厚みを薄くする部位の深さ)の寸法とを適宜設定すればよい。
また、第1のカバー基板2には、各パッド18を各別に露出させる複数(ここでは、3つ)のテーパ状の貫通孔24が第1のガラス基板20の厚み方向に貫設されている。ここで、第1のカバー基板2は、各貫通孔24を、センサ本体1から離れるにつれて開口面積が徐々に大きくなるテーパ状に形成してあり、センサ本体1において各パッド18それぞれの外周縁から離れた各部位に各貫通孔24の周部が接合されるように開口面積を設定してある。ここで、第1のカバー基板2の各貫通孔24は、サンドブラスト法により形成してあるが、サンドブラスト法に限定するものではなく、貫通孔24の形状や第1のカバー基板2の基板材料によってはドリル加工法やエッチング法などを適宜採用してもよい。
本実施形態の静電容量型加速度センサでは、3つの島部16,16,16のうち真ん中の島部16に形成されたパッド18が第1の外部接続用電極を構成し、両側の島部16に形成されたパッド18が第2の外部接続用電極を構成している。したがって、本実施形態の静電容量型加速度センサをプリント基板などの配線基板(回路基板)に実装して用いる場合には、各パッド18と配線基板の導体パターンとをボンディングワイヤにより電気的に接続して用いればよい。ただし、各外部接続用電極は、上述の各パッド18に限らず、例えば、第1のカバー基板2に厚み方向に貫通する貫通孔配線を設けて第1のカバー基板2におけるセンサ本体1側とは反対の表面側で貫通孔配線に電気的に接続される形で設けてもよい。
以下、本実施形態の静電容量型加速度センサの製造方法について簡単に説明する。
まず、センサ本体1の基礎となる半導体基板10を当該半導体基板10の他表面側(図1(b)の下面側)からエッチング加工する1次加工工程を行い、その後、半導体基板10と第2のカバー基板3とを陽極接合などにより接合する第1の接合工程を行った後に、半導体基板10の上記一表面側から半導体基板10の適宜部位(フレーム部11のうち上記段差部11aを形成する部分以外と、各島部16のうち上記段差部16aを形成する部分以外とを除いた部分)を上記第1の所定深さまでアルカリ系溶液などを用いてエッチング加工する2次加工工程を行ってから、上述の各パッド18を形成するパッド形成工程、各接続電極17を形成する接続電極形成工程を順次行い、その後、半導体基板10を当該半導体基板10の上記一表面側からエッチング加工することでフレーム部11、トーションビーム12,12、錘部13、開口窓14、島部16,16,16を形成する3次加工工程を行い、その後、センサ本体1と第1のカバー基板2とを陽極接合法などにより接合する第2の接合工程を行う。なお、パッド形成工程と接続電極形成工程とは同時に行ってもよいし、順序を逆にしてもよい。また、パッド形成工程は2次加工工程よりも前に行ってもよい。
上述の1次加工工程では、支持基板101および絶縁層102の適宜部位をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用してエッチング加工する。より具体的には、1次加工工程では、支持基板101においてフレーム部11および各島部16,16,16それぞれに対応する部位以外の部位を上記第2の所定深さまでアルカリ系溶液を用いてエッチング加工し、その後、支持基板101および絶縁層102のうちフレーム部11および各島部16,16,16および錘部13以外に対応する部分をエッチング除去している。ここで、反応性イオンエッチングなどのドライエッチングによって支持基板101をエッチングする際に絶縁層102をエッチングストッパ層としており、支持基板101のエッチング後に、フッ酸系溶液を用いたウェットエッチングやSiO2用のエッチングガスを用いた反応性イオンエッチングなどのドライエッチングによって絶縁層102を選択的にエッチングしているので、トーションビーム12,12の厚さ寸法(上述のz軸方向の寸法)の精度を高めることができる。また、上述の3次加工工程を行うことによって、錘部13と各島部16,16,16との間に開口窓14の一部からなる第1の空隙が形成されるとともに錘部13とフレーム部11との間に各トーションビーム12,12との連結部位を除いて第2の空隙が形成される。
また、上述の第2の接合工程においてセンサ本体1と第1のカバー基板2とを陽極接合法により接合する場合、錘部13から分離された3つの島部16,16,16のうち両側の2つの島部16,16については、フレーム部11と同じグランド電位にできず浮遊電位となってしまう。そこで、第2の接合工程において半導体基板10を用いて形成したセンサ本体1と第1のガラス基板20を用いて形成した第1のカバー基板2とを陽極接合法により接合する場合には、センサ本体1の両側の島部16,16それぞれとフレーム部11とを電気的に接続するための接合用仮配線27,27を第1のカバー基板2に形成するとともに、両側の島部16,16の上記段差部16a,16aとフレーム部11の上記段差部11aとに接合用仮配線27,27が電気的に接続される接続電極17,17を形成しておき、第2の接合工程の後で、第1のガラス基板20を通して接合用仮配線27,27にレーザビームを照射して切断するレーザリペアのような仮配線切断工程を行えばよい。
また、本実施形態の静電容量型加速度センサの製造方法では、仮配線切断工程が終了する(仮配線切断工程を行わない場合は第2の接合工程が終了する)までの全工程をセンサ本体1および各カバー基板2,3それぞれについてウェハレベルで行うことで静電容量型加速度センサを複数備えたウェハレベルパッケージ構造体を形成するようにし、当該ウェハレベルパッケージ構造体から個々の静電容量型加速度センサに分割する分割工程を備えるようにすれば、上記チップサイズパッケージの平面サイズをセンサ本体1の外形サイズに合わせることができるから、より小型の静電容量型加速度センサを提供でき、また、量産性を高めることができる。
ところで、本実施形態の静電容量型加速度センサは、上述の説明から分かるように、錘部13がy軸方向に沿って延長された一対のトーションビーム12,12を介してフレーム部11に連結され、第1のカバー基板2において各可動電極15,15それぞれに対向する部位ごとにx軸方向に沿って金属薄膜(例えば、Al−Si膜など)からなる2つの固定電極25,25が並設されるとともに、錘部13におけるx軸方向の両端部それぞれに可動電極15、15が設けられており、z軸方向において対向して対をなす可動電極15と固定電極25との対の間にギャップが形成されている。ここで、一対のトーションビーム12,12は、平面視における錘部13のy軸方向に沿った中心線の延長線上に形成されている。
しかして、本実施形態の静電容量型加速度センサは、センサ本体1に設けられた可動電極15と第1のカバー基板2に設けられた固定電極25との対を2対有しており、可動電極15と固定電極25との対ごとに可変容量コンデンサが構成されている。要するに、本実施形態の静電容量型加速度センサは、錘部13が振動することにより、対をなす固定電極25と可動電極15とのギャップ長が変化し、可変容量コンデンサの静電容量が変化する。ここにおいて、本実施形態の静電容量型加速度センサでは、各固定電極25,25が第1のカバー基板2に形成された接続配線26,26および島部16,16を介して第1の外部接続用電極であるパッド18,18と電気的に接続されているので、寄生容量を低減することができ、S/N比を向上させることができる。要するに、本実施形態の静電容量型加速度センサでは、可動電極15,15と同電位の構成物(以下、第1の同電位構成物と称する)と、固定電極25,25それぞれと同電位の構成物(以下、第2の同電位構成物、第3の同電位構成物と称する)との間には寄生容量が存在するが、第1の同電位構成物と第2の同電位構成物、第3の同電位構成物との間の中間介在物の大部分を空間とすることができるので、同電位構成物間の寄生容量を低減することができ、S/N比を向上させることができる。
以下では、説明の便宜上、2個の固定電極25,25について、図1(a)における左側の固定電極25の符号を25A、右側の固定電極25の符号を25Bとし、2個の可動電極15,15について、図1(a)における左側の可動電極15の符号を15A、右側の可動電極15の符号を15Bとして説明する。
ここにおいて、図1(a)において3つの島部16それぞれに形成された3つのパッド18は、左側のパッド18が、第2のカバー基板2において固定電極25Aと連続一体に形成された接続配線26を介して固定電極25Aと電気的に接続されて略同電位となり、真ん中のパッド18が、第2のカバー基板2において各固定電極25A,25Bから分離して形成された接続配線26およびフレーム部11およびトーションビーム12,12を介して両可動電極15A,15Bと電気的に接続されて略同電位となり、右側のパッド18が、第2のカバー基板2において固定電極25Bと連続一体に形成された接続配線26を介して固定電極25Bと電気的に接続されて略同電位となっている。
ここで、本実施形態の静電容量型加速度センサの基本的な動作例について図3を参照しながら説明する。
いま、静電容量型加速度センサにx軸方向(図3中に太線で示した右向きの矢印の方向であるx軸の正方向)の加速度がかかると、錘部13には、同図中に太線で示した左向きの矢印の方向であるx軸の負方向に慣性力が発生する。なお、x軸方向の単独の加速度のみでなく、x軸方向の成分をもつあらゆる加速度や、遠心力がx軸の負方向の成分をもつ円運動の遠心力が作用した場合にも同様に慣性力が発生する。
上述の慣性力が発生すると、錘部13が一対のトーションビーム12,12を回動軸として回動(回転変位)して可動電極15A,15Bと固定電極25A,25Bとの間のギャップ長gA,gBが変化し、各可変容量コンデンサの静電容量が変化する。図3に示した例では、可動電極15Aと固定電極25Aとの間のギャップ長gAが、慣性力が0の場合に比べて小さくなるように変化し、可動電極15Bと固定電極25Bとの間のギャップ長gBが、慣性力が0の場合に比べて大きくなるように変化する。
ここにおいて、静電容量型加速度センサに加速度がかかっていない状態での各可変容量コンデンサの静電容量をC0とし、x軸方向の加速度がかかったときの、各可変容量コンデンサの静電容量の変化分をΔC、可動電極15Aと固定電極25Aとで構成される可変容量コンデンサの静電容量をCA、可動電極15Bと固定電極25Bとで構成される可変容量コンデンサの静電容量をCBとすれば、
CA=C0+ΔC
CB=C0−ΔC
となる。ここで、2個の可変容量コンデンサの静電容量の差分値(=CA−CB)は2ΔCとなる。しかして、本実施形態の静電容量型加速度センサでは、(CA−CB)の静電容量の変化に基づいて、x軸方向に作用した加速度を検出することができる。したがって、両可動電極15A,15Bに電気的に接続されたパッド18と固定電極25A,25Bに電気的に接続されたパッド18,18との間に直流バイアス電圧を印加しておけば、対となるパッド18,18間には静電容量の変化に応じて微小な電圧変化が生じるから、この電圧変化に基づいてx軸方向に作用した加速度を検出することができる。
CA=C0+ΔC
CB=C0−ΔC
となる。ここで、2個の可変容量コンデンサの静電容量の差分値(=CA−CB)は2ΔCとなる。しかして、本実施形態の静電容量型加速度センサでは、(CA−CB)の静電容量の変化に基づいて、x軸方向に作用した加速度を検出することができる。したがって、両可動電極15A,15Bに電気的に接続されたパッド18と固定電極25A,25Bに電気的に接続されたパッド18,18との間に直流バイアス電圧を印加しておけば、対となるパッド18,18間には静電容量の変化に応じて微小な電圧変化が生じるから、この電圧変化に基づいてx軸方向に作用した加速度を検出することができる。
そこで、上述の静電容量型加速度センサを用いたセンサ装置の一例として、例えば、静電容量型加速度センサの出力信号を信号処理する信号処理回路が形成されたICチップを、静電容量型加速度センサとともにパッケージに収納したものが考えられる。上記ICチップとしては、例えば、シリコン基板などを用いて形成されたASIC(Application Specific IC)などを用いればよい。なお、上記ICチップの機能は、静電容量型加速度センサの機能に応じて適宜設計すればよく、静電容量型加速度センサと協働するものであればよい。また、上記ICチップBは、必ずしも、静電容量型加速度センサと同一のパッケージに収納する必要はないが、上記ICチップを静電容量型加速度センサと同じパッケージに収納した場合のほうが、異なるパッケージに収納する場合に比べて、センサ装置全体の小型化および低コスト化を図れるとともに加速度の検出精度の向上を図れる。
以上説明した本実施形態の静電容量型加速度センサでは、各固定電極25,25それぞれが、第1のカバー基板2におけるセンサ本体1側に形成され各固定電極25,25それぞれに対応付けられた接続配線26とセンサ本体1の錘部13の開口窓14内に配置された島部16とを介して当該島部16における第1のカバー基板2側の第1の外部接続用電極であるパッド18と電気的に接続され、各可動電極15,15が第1のカバー基板2側の第2の外部接続用電極であるパッド18,18と電気的に接続されているので、平面サイズの小型化を図りながらも、トーションビーム12,12と錘部13に設けられた各可動電極15,15との間の距離を長くすることができ、加速度に対する各可動電極15,15の変位量が増大し、高感度化を図れる。
ところで、上述の静電容量型加速度センサでは、半導体基板10として、シリコン基板からなる支持基板101上にシリコン酸化膜からなる絶縁層102を介してシリコン層103が形成されたSOI基板を用いているので、半導体基板10としてシリコン基板を用いる場合に比べて、各固定電極25,25それぞれに電気的に接続される両側の島部16,16と両可動電極15,15に電気的に接続される真ん中の島部16との対向面積を小さくできて寄生容量を低減できる。しかしながら、各島部16それぞれにおいてシリコン層103により形成された導体部とシリコン基板からなる支持基板101により形成された部分とが絶縁層102を介して容量結合するので、隣り合う島部16,16間で支持基板101により形成された部分間の寄生容量が発生する。
そこで、図4に示すように、島部16について、平面視において支持基板101の一部からなる部分の外周線がシリコン層103の一部からなる部分の外周線の内側にあるようにすることで、隣り合う島部16,16間のギャップ長に関して、シリコン層103により形成された部分間のギャップ長に比べて支持基板101により形成された部分間のギャップ長を長くすれば、島部16,16,16のうちSOI基板の支持基板101の一部からなる部分間の距離(ギャップ長)を長くすることができ、当該部分間での寄生容量を小さくすることができ、S/N比の向上による高感度化を図れる。
ところで、本実施形態の静電容量型加速度センサでは、各可動電極15が第1のカバー基板2におけるセンサ本体1側に形成され各可動電極15に対応付けられた接続配線26とセンサ本体1の錘部13の開口窓14内に配置された島部16とを介して1つの第2の外部接続用電極であるパッド18に共通接続されてなり、各第1の外部接続用電極となるパッド18と第2の外部接続用電極となるパッド18とが平面視で一直線上に並ばないように配置されているので、3つのテーパ状の貫通孔24,24,24の中心が一直線上に並ばないようにできるので、3つのパッド18が平面視で一直線上に並ぶ場合に比べて、平面サイズの小型化を図れる。
(実施形態2)
本実施形態の静電容量型加速度センサの基本構成は実施形態1と略同じであり、図5に示すように、錘部13において同図の右側の可動電極15(15B)が設けられた部分に矩形状に開口された凹部13cが形成されている点が相違する。なお、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態の静電容量型加速度センサの基本構成は実施形態1と略同じであり、図5に示すように、錘部13において同図の右側の可動電極15(15B)が設けられた部分に矩形状に開口された凹部13cが形成されている点が相違する。なお、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
錘部13の凹部13cは、半導体基板10であるSOI基板の支持基板101により形成される部分の一部を絶縁層102により形成される部分をエッチングストッパ層として半導体基板10の上記他表面側からエッチングすることにより形成されている。
しかして、本実施形態の静電容量型加速度センサのセンサ本体1の錘部13は、センサ本体1の上記他表面側において錘部13のy軸方向の中心線(ここでは、一対のトーションビーム12,12を結ぶ直線に一致する)におけるx軸方向の一方側に、矩形状に開口された凹部13cが形成されており、x軸方向の上記一方側と他方側とで互いに質量が異なっている。
ここで、本実施形態の静電容量型加速度センサの基本的な動作例について図6を参照しながら説明する。
いま、静電容量型加速度センサにx軸の正方向の加速度がかかると、実施形態1と同様、錘部13には、図6中に太線で示した左向きの矢印の方向であるx軸の負方向に慣性力が発生する。
上述のようにx軸の負方向に慣性力が発生すると、実施形態1と同様、錘部13が一対のトーションビーム12,12を回動軸として回動(回転変位)して可動電極15A,15Bと固定電極25A,25Bとの間のギャップ長gA,gBが変化し、各可変容量コンデンサの静電容量が変化する。
また、錘部13に関してx軸方向の上記一方側と他方側とで互いに質量が上述のように異なっているので、静電容量型加速度センサにz軸の負方向の加速度がかかると、錘部13には、図6中に太線で示した上向きの矢印の方向であるz軸の正方向に慣性力が発生する。
上述のようにz軸の正方向に慣性力が発生すると、錘部13が一対のトーションビーム12,12を回動軸として回動(回転変位)して可動電極15A,15Bと固定電極25A,25Bとの間のギャップ長gA,gBが変化し、各可変容量コンデンサの静電容量が変化する。
ここにおいて、静電容量型加速度センサに加速度がかかっていない状態での各可変容量コンデンサの静電容量をC0とし、x軸の正方向もしくはz軸の負方向の加速度がかかったときの、各可変容量コンデンサの静電容量の変化分をΔC、可動電極15Aと固定電極25Aとで構成される可変容量コンデンサの静電容量をCA、可動電極15Bと固定電極25Bとで構成される可変容量コンデンサの静電容量をCBとすれば、
CA=C0+ΔC
CB=C0−ΔC
となる。ここで、2個の可変容量コンデンサの静電容量の差分値(=CA−CB)は2ΔCとなる。
CA=C0+ΔC
CB=C0−ΔC
となる。ここで、2個の可変容量コンデンサの静電容量の差分値(=CA−CB)は2ΔCとなる。
本実施形態の静電容量型加速度センサでは、(CA−CB)の静電容量の変化に基づいて、x軸方向もしくはz軸方向に作用した加速度を検出することができる。ここで、予め加速度のかかる方向が分かっていれば、その方向にx軸方向もしくはz軸方向が沿うように静電容量型加速度センサを配置して用いればよい。したがって、本実施形態の静電容量型加速度センサでは、錘部13の重心が、平面視において一対のトーションビーム12,12を結ぶ直線から横方向(x軸方向)にずれているので、センサ本体1の厚み方向(z軸方向)の加速度を高感度で検出することが可能となる。
ところで、上述の静電容量型加速度センサを2つ用意してx軸方向に沿って並設するようにし、平面視において一方の静電容量型加速度センサを他方の静電容量型加速度センサに対して180°回転して配置してセンサ装置を構成するようにすれば、x軸方向の加速度とz軸方向の加速度とを各別に検出することが可能となる。
この場合のセンサ装置の動作について図7および図8を参照しながら説明するが、以下では、説明の便宜上、図7(a)および図8(a)に示す上記一方の静電容量型加速度センサにおける左側の固定電極25の符号を25A、右側の固定電極25の符号を25B、左側の可動電極15の符号を15A、右側の可動電極15の符号を15Bとし、図7(b)および図8(b)に示す上記他方の静電容量型加速度センサの左側の固定電極25の符号を25C、右側の固定電極25の符号を25D、左側の可動電極15の符号を15C、右側の可動電極15の符号を15Dとして説明する。
図7(a),(b)は、各静電容量型加速度センサそれぞれについて、x軸の正方向へ加速度がかかってx軸の負方向(左向きの太線の矢印の方向)へ慣性力が働いた場合を示し、図8(a),(b)は、各静電容量型加速度センサそれぞれについて、z軸の負方向へ加速度がかかってz軸の正方向(上向きの太線の矢印の方向)へ慣性力が働いた場合を示しており、可動電極15A,15B,15C,15Dと固定電極25A,25B,25C,25Dとの間のギャップ長をgA,gB,gC,gDとしてある。ここで、可動電極15A,15B,15C,15Dと固定電極25A,25B,25C,25Dとで構成される各可変容量コンデンサの静電容量をCA,CB,CC,CDとすれば、各可変容量コンデンサの静電容量は下記表1に示すように変化する。なお、下記表1では、加速度がかかっていない状態での各可変容量コンデンサの静電容量CA,CB,CC,CDをC0とし、加速度がかかってC0から増加する場合には「+」、静電容量C0から減少する場合には「−」を記してある。
上記表1から分かるように、x軸方向に加速度がかかった場合とz軸方向に加速度がかかった場合とで、各可変容量コンデンサの静電容量CA,CB,CC,CDの変化方向の組み合わせが異なる(一義的に決まる)ので、{(CA−CB)+(CC−CD)}の静電容量の変化に基づいて、センサ装置のx軸方向に作用した加速度を検出することができ、{(CA−CB)+(CD−CC)}の静電容量の変化に基づいて、センサ装置のz軸方向に作用した加速度を検出することができる。ここで、x軸方向の加速度およびz軸方向の加速度を各別に検出する場合には、実施形態1で説明したICチップにx軸方向の加速度を求める演算機能とz軸方向の加速度を求める演算機能とを設ければよい。
なお、本実施形態においても、実施形態1で説明した図4の構成例と同様に、島部16について、平面視において支持基板101の一部からなる部分の外周線がシリコン層103の一部からなる部分の外周線の内側にあるようにしてもよい。
(実施形態3)
本実施形態の静電容量型加速度センサの基本構成は実施形態2と略同じであって、図9に示すように、錘部13に対して実施形態2で説明した凹部13c(図5参照)を形成することで錘部13の重心を横方向(ここでは、x軸の負方向)にずらす代わりに、錘部13に対して付加錘部13eを付加することで錘部13の重心を横方向(ここでは、x軸の負方向)にずらしている点が相違する。ここで、付加錘部13eは、半導体基板10であるSOI基板の一部を用いて形成されたものであり、錘部13と一体に形成されている。なお、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態の静電容量型加速度センサの基本構成は実施形態2と略同じであって、図9に示すように、錘部13に対して実施形態2で説明した凹部13c(図5参照)を形成することで錘部13の重心を横方向(ここでは、x軸の負方向)にずらす代わりに、錘部13に対して付加錘部13eを付加することで錘部13の重心を横方向(ここでは、x軸の負方向)にずらしている点が相違する。ここで、付加錘部13eは、半導体基板10であるSOI基板の一部を用いて形成されたものであり、錘部13と一体に形成されている。なお、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
しかして、本実施形態の静電容量型加速度センサのセンサ本体1の錘部13は、センサ本体1の上記他表面側において錘部13のy軸方向の中心線(ここでは、一対のトーションビーム12,12を結ぶ直線に一致する)におけるx軸方向の上記他方側に、付加錘部13eが形成されており、x軸方向の上記一方側と上記他方側とで互いに質量が異なっている。なお、本実施形態の静電容量型加速度センサの動作は実施形態2と同じなので説明を省略するが、実施形態2の方が平面サイズを小さくする点では有利である。また、実施形態2で説明したセンサ装置と同様に、2つの静電容量型加速度センサを並設してx軸方向およびz軸方向それぞれの加速度を各別に検出するようにしてもよい。また、錘部13の重心を横方向にずらすための構造は、本実施形態や実施形態2の構造に限定するものではなく、例えば、実施形態2で説明した凹部13c内に支持基板101とは密度の異なる材料を充実させたり、凹部13c内に支持基板101の一部からなる補強壁を設けてもよい。
なお、本実施形態においても、実施形態1で説明した図4の構成例と同様に、島部16について、平面視において支持基板101の一部からなる部分の外周線がシリコン層103の一部からなる部分の外周線の内側にあるようにしてもよい。
(実施形態4)
本実施形態の静電容量型加速度センサの基本構成は実施形態2と略同じであって、図10に示すように、センサ本体1に関して、フレーム部11の内側に錘部13が2つ並設されるとともに、フレーム部11の内側空間を2つの錘部13,13が各別に配置される空間に分ける中間フレーム部19を一体に備え、当該中間フレーム部19に4つの可動電極15,15,15,15が共通接続される1つの第2の外部接続用電極であるパッド18が形成されている点に特徴がある。要するに、本実施形態の静電容量型加速度センサは、錘部13、一対のトーションビーム12,12、2つの可動電極15,15、2つの固定電極25,25、2つの島部16,16およびフレーム部11の一部などにより構成されるセンサエレメントがセンサ本体1の長手方向に並設されたセンサユニットを構成している。なお、実施形態2と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態の静電容量型加速度センサの基本構成は実施形態2と略同じであって、図10に示すように、センサ本体1に関して、フレーム部11の内側に錘部13が2つ並設されるとともに、フレーム部11の内側空間を2つの錘部13,13が各別に配置される空間に分ける中間フレーム部19を一体に備え、当該中間フレーム部19に4つの可動電極15,15,15,15が共通接続される1つの第2の外部接続用電極であるパッド18が形成されている点に特徴がある。要するに、本実施形態の静電容量型加速度センサは、錘部13、一対のトーションビーム12,12、2つの可動電極15,15、2つの固定電極25,25、2つの島部16,16およびフレーム部11の一部などにより構成されるセンサエレメントがセンサ本体1の長手方向に並設されたセンサユニットを構成している。なお、実施形態2と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態におけるセンサ本体1は、2つの錘部13,13がx軸方向に並設されているが、具体的には、2つの錘部13,13それぞれに凹部13c,13cが形成されおり、2つの錘部13,13に関して、当該センサ本体1の上記一表面に沿った面内において一方の錘部13が他方の錘部13を180°回転させた形で配置されている。要するに、2つの錘部13,13が、中間フレーム部19を基準として線対称となっている。なお、本実施形態では、左側の錘部13の重心が当該錘部13に連結されている一対のトーションビーム12,12を結ぶ直線から左側にずれ、右側の錘部13の重心が当該錘部13に連結されている一対のトーションビーム12,12を結ぶ直線から右側にずれているが、左側の錘部13の重心が当該錘部13に連結されている一対のトーションビーム12,12を結ぶ直線から右側にずらし、右側の錘部13の重心が当該錘部13に連結されている一対のトーションビーム12,12を結ぶ直線から左側にずらすようにしてもよい。なお、本実施形態の静電容量型加速度センサは、実施形態1の静電容量型加速度センサの製造方法に準じて製造することができるので、製造方法の説明は省略する。
以上説明した本実施形態の静電容量型加速度センサによれば、実施形態2のセンサ装置と同様に複数軸(ここでは、x軸とz軸との2軸)の加速度を各別に検出可能とした構成において、小型化を図りつつ高感度化を図れる。
なお、本実施形態においても、実施形態1で説明した図4の構成例と同様に、島部16について、平面視において支持基板101の一部からなる部分の外周線がシリコン層103の一部からなる部分の外周線の内側にあるようにしてもよい。
ところで、本実施形態の静電容量型加速度センサを実装する配線基板上において、図11に示すように、当該静電容量型加速度センサ(センサユニット)と実施形態2の静電容量型加速度センサ(センサエレメント)とを互いの長手方向が直交し、且つ、本実施形態の静電容量型加速度センサの長手方向の一端部の側方に実施形態2の静電容量型加速度センサが位置するように隣接配置し、両静電容量型加速度センサの出力信号を信号処理する矩形板状のICチップ4の長手方向に沿った一側縁が本実施形態の静電容量型加速度センサに対向し、ICチップ4の短手方向に沿った一側縁が実施形態2の静電容量型加速度センサに対向するように配置し、ICチップ4のパッド41と各静電容量型加速度センサのパッド18,18とをボンディングワイヤを介して適宜接続したセンサ装置を構成してもよい。この図11に示した構成のセンサ装置では、同図の左上に示したように、y軸方向をセンサユニットの一対のトーションビーム12,12を結ぶ直線に平行な方向から45°だけ回転させて、x軸方向、y軸方向、z軸方向それぞれを規定し、可動電極15A,15B,15C,15D,15E,15Fと固定電極25A,25B,25C,25D,25E,25Fとで構成される各可変容量コンデンサの静電容量をCA,CB,CC,CD,CE,CFとすれば、各可変容量コンデンサの静電容量は下記表2に示すように変化する。なお、下記表2では、加速度がかかっていない状態での各可変容量コンデンサの静電容量CA,CB,CC,CD,CE,CFをC0とし、加速度がかかってC0から増加する場合には「+」、静電容量C0から減少する場合には「−」を記してある。
上記表2から分かるように、x軸方向に加速度がかかった場合とy軸方向に加速度がかかった場合とz軸方向に加速度がかかった場合とで、各可変容量コンデンサの静電容量CA,CB,CC,CD,CE,CFの変化方向の組み合わせが異なる(一義的に決まる)ので、センサ装置のx軸方向、y軸方向、z軸方向それぞれに作用した加速度(あるいは加速度成分)を各別に検出することができる。ここで、x軸方向の加速度およびz軸方向の加速度を各別に検出する場合には、ICチップ41にx軸方向の加速度を求める演算機能とy軸方向の加速度を求める演算機能とz軸方向の加速度を求める演算機能とを設ければよい。
1 センサ本体
2 第1のカバー基板
3 第2のカバー基板
10 半導体基板(SOI基板)
11 フレーム部
12 トーションビーム
13 錘部
14 開口窓
15(15A) 可動電極
15(15B) 可動電極
16 島部
18 パッド(外部接続用電極)
19 中間フレーム部
25(25A) 固定電極
25(25B) 固定電極
26 接続配線
101 支持基板
102 絶縁層
103 シリコン層
2 第1のカバー基板
3 第2のカバー基板
10 半導体基板(SOI基板)
11 フレーム部
12 トーションビーム
13 錘部
14 開口窓
15(15A) 可動電極
15(15B) 可動電極
16 島部
18 パッド(外部接続用電極)
19 中間フレーム部
25(25A) 固定電極
25(25B) 固定電極
26 接続配線
101 支持基板
102 絶縁層
103 シリコン層
Claims (5)
- 半導体基板を用いて形成されて、枠状のフレーム部、当該フレーム部の内側に配置される錘部、およびフレーム部の内側で錘部を挟む形で配置されてフレーム部と錘部とを連結しねじれ変形が可能な一対のトーションビームを有し、錘部において当該一対のトーションビームの並設方向とは直交する方向の両端部それぞれに可動電極が設けられたセンサ本体と、センサ本体の一表面側に配置され周部がフレーム部に接合された第1のカバー基板と、センサ本体の他表面側に配置され周部がフレーム部に接合された第2のカバー基板と、第1のカバー基板においてセンサ本体の各可動電極それぞれに対向して設けられた固定電極とを備え、センサ本体の錘部にセンサ本体の厚み方向に貫通する開口窓が形成され、各固定電極それぞれが、第1のカバー基板におけるセンサ本体側に形成され各固定電極それぞれに対応付けられた接続配線とセンサ本体の錘部の開口窓内に配置された島部とを介して当該島部における第1のカバー基板側の第1の外部接続用電極と電気的に接続され、各可動電極が第1のカバー基板側の第2の外部接続用電極と電気的に接続されてなることを特徴とする静電容量型加速度センサ。
- 前記錘部の重心が、平面視において前記一対のトーションビームを結ぶ直線から横方向にずれていることを特徴とする請求項1記載の静電容量型加速度センサ。
- 前記各可動電極が前記第1のカバー基板における前記センサ本体側に形成され前記各可動電極に対応付けられた別の接続配線と前記センサ本体の前記錘部の前記開口窓内に配置された別の島部とを介して1つの前記第2の外部接続用電極に共通接続されてなり、前記各第1の外部接続用電極と前記第2の外部接続用電極とが平面視で一直線上に並ばないように配置されてなることを特徴とする請求項1または請求項2記載の静電容量型加速度センサ。
- 前記センサ本体は、前記フレーム部の内側に前記錘部が2つ並設されるとともに、前記フレーム部の内側空間を2つの前記錘部が各別に配置される空間に分ける中間フレーム部を一体に備え、当該中間フレーム部に前記各可動電極が共通接続される1つの前記第2の外部接続用電極が形成されてなることを特徴とする請求項1または請求項2記載の静電容量型加速度センサ。
- 前記半導体基板が、シリコン基板からなる支持基板上にシリコン酸化膜からなる絶縁層を介してシリコン層が形成されたSOI基板であって、前記センサ本体は、SOI基板のシリコン層の表面側が前記一表面側であり、前記島部は、平面視において前記支持基板の一部からなる部分の外周線が前記シリコン層の一部からなる部分の外周線の内側にあることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の静電容量型加速度センサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2009247034A JP2011095007A (ja) | 2009-10-27 | 2009-10-27 | 静電容量型加速度センサ |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2009247034A JP2011095007A (ja) | 2009-10-27 | 2009-10-27 | 静電容量型加速度センサ |
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Publication Number | Publication Date |
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JP2011095007A true JP2011095007A (ja) | 2011-05-12 |
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ID=44112098
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2009247034A Withdrawn JP2011095007A (ja) | 2009-10-27 | 2009-10-27 | 静電容量型加速度センサ |
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Country | Link |
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JP (1) | JP2011095007A (ja) |
-
2009
- 2009-10-27 JP JP2009247034A patent/JP2011095007A/ja not_active Withdrawn
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