JP2012002752A - 容量式慣性力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】広い範囲の慣性力を検出できる容量式慣性力センサを、可動電極の下面（又は上面）に沿う方向の体格増大を抑制しつつ、検出精度劣化を抑制して提供する。
【解決手段】可動電極に対向配置された固定電極として、可動電極の変位にともない可動電極との対向距離が変化するように、可動電極における変位方向に垂直な側面に対向配置された第１固定電極と、可動電極の変位にともない可動電極との対向面積が変化するように、第１固定電極と対向する可動電極の上面及び下面の少なくとも一方に対向配置された第２固定電極と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、慣性力に応じて変位する可動電極と、該可動電極に対向配置された固定電極を備え、可動電極及び固定電極間の容量変化に応じた検出信号を出力する容量式慣性力センサに関する。

従来、慣性力に応じて変位する可動電極と、該可動電極に対向配置された固定電極を備え、可動電極及び固定電極間の容量変化に応じた検出信号を出力する容量式慣性力センサとして、例えば特許文献１に示されるように、広い範囲の慣性力検出を目的とするものが知られている。

特許文献１では、錘作用を有する可動部材が、基板表面に平行な方向に変位可能なように、支持部材により両持ち梁形式で基板表面に装着されており、可動部材には、複数の可動電極が基板表面に平行に突出して設けられている。また、基板表面には、入力加速度がゼロのときに各可動電極の下面にそれぞれ対向して静電容量を形成するように固定電極が設けられている。すなわち、加速度が可動部材に作用して可動部材とともに可動電極が変位すると、可動電極と固定電極との対向面積が変化し、これにともなう静電容量の変化を加速度信号として検出するようになっている。

そして、可動電極と固定電極からなる複数の容量検出部において、入力加速度がゼロのときの可動電極と固定電極の対向面積を異ならせることで、検出範囲を拡大するようにしている。

特開２００４−２８６７３６号公報

しかしながら、特許文献１では、対向面積が異なる各容量検出部（可動電極及び固定電極）について、容量変化量を確保するための電極サイズが必要となる。したがって、可動電極の下面（又は上面）に沿う方向において、センサ体格が増大してしまう。

また、処理回路におけるゲインを変化させることで、慣性力の検出範囲を広くする方法も考えられる。しかしながら、この場合、小さい容量変化を増幅する際にノイズも増幅されるため、慣性力の検出精度が劣化してしまう。

本発明は上記問題点に鑑み、広い範囲の慣性力を検出できる容量式慣性力センサを、可動電極の下面（又は上面）に沿う方向の体格増大を抑制しつつ、検出精度劣化を抑制して提供することを目的とする。

上記目的を達成する為に請求項１に記載の発明は、
慣性力に応じて所定方向に変位する可動電極と、該可動電極に対向配置された固定電極を備え、可動電極及び固定電極間の容量変化に応じた検出信号を出力する容量式慣性力センサであって、
固定電極として、
可動電極の変位にともない可動電極との対向距離が変化するように、可動電極における変位方向に垂直な側面に対向配置された第１固定電極と、
可動電極の変位にともない可動電極との対向面積が変化するように、第１固定電極と対向する可動電極の上面及び下面の少なくとも一方に対向配置された第２固定電極と、
を備えることを特徴とする。

本発明では、可動電極と第１固定電極との間に構成されるコンデンサの容量が対向距離の変化にともなって変化し、可動電極と第２固定電極との間に構成されるコンデンサの容量が対向面積の変化にともなって変化する。このように、可動電極の変位にともなって対向距離が変化するコンデンサと対向面積が変化するコンデンサとを有するため、広い範囲の慣性力を検出することができる。

また、対向面積が変化するコンデンサでは、容量変化量を確保するために電極サイズが大きくなる。本発明では、可動電極の下面（又は上面）に沿う方向において、慣性力が作用しないときの対向面積が異なるように、複数の第２固定電極を並設するのではなく、可動電極との対向距離が変化するように第１固定電極を設けている。したがって、対向面積が異なる複数のコンデンサを有する構成に比べて、可動電極の下面に沿う方向におけるセンサ体格の増大を抑制することができる。

また、検出回路（処理回路）におけるゲインを変化させるものではないので、ノイズ増幅による慣性力の検出精度劣化を抑制することができる。

このように本発明によれば、広い範囲の慣性力を検出できる容量式慣性力センサを、可動電極の下面（又は上面）に沿う方向の体格増大を抑制しつつ、検出精度劣化を抑制して提供することができる。

請求項２に記載のように、
支持基板の一面上に絶縁層を介して配置された半導体層に、支持基板の厚み方向に延びて貫通する貫通孔が形成されて、可動電極及び第１固定電極が区画され、
支持基板の一面と半導体層との間において、可動電極における支持基板側の下面との対向部位に第２固定電極が配置され、
可動電極と第１固定電極の直下及び第２固定電極の直上における絶縁層の除去により、貫通孔に連なる空洞部が形成された構成とすると良い。

可動電極の側面と対向する第１固定電極と、該可動電極の下面と対向する第２固定電極を備えた容量式慣性力センサを、１チップで構成することができるので、センサ構成を簡素化することができる。

請求項３に記載のように、絶縁層は、半導体層に隣接する第１絶縁層と、該第１絶縁層よりも支持基板側に配置され、第１絶縁層を除去する際のストッパとなる第２絶縁層を含み、第２固定電極は、第２絶縁層上に形成された構成とすることが好ましい。

これによれば、絶縁層のうち、除去する空洞部とするエリアを、第２絶縁層によって第１絶縁層のみに制限することができる。

請求項４に記載のように、第２固定電極が、支持基板と半導体層との間に配置された下部配線と同一材料からなるとともに、下部配線と同一層に配置された構成とすると良い。

下部配線は、貫通孔により半導体層に区画された複数の領域を互いに電気的に接続する機能、クロス配線、すなわち立体的な配線配置の機能、半導体層と半導体基板とを電気的に接続する機能等を果たすものである。本発明では、このような下部配線とともに第２固定電極を形成することができるため、センサ構成及び製造工程を簡素化することができる。

請求項５に記載のように、
支持基板の一面上に絶縁層を介して配置された半導体層に、支持基板の厚み方向に延びて貫通する貫通孔が形成されて、可動電極及び第１固定電極が区画され、
支持基板と半導体層との対向領域には、可動電極と第１固定電極の直下における絶縁層の除去により、貫通孔に連なる空洞部が形成され、
半導体層における絶縁層と反対の面に、可動電極及び第１固定電極との間に隙間を有して固定部材が固定され、該固定部材が、可動電極の上面との対向部位に第２固定電極を有する構成としても良い。

これによれば、可動電極及び該可動電極の側面と対向する第１固定電極を少なくとも備えたチップと、可動電極の上面と対向する第２固定電極を備えた固定部材により構成することができるので、センサ構成を簡素化することができる。

請求項６に記載のように、固定部材として、可動電極及び固定電極を封止するためのキャップを採用することが好ましい。

慣性力に応じて変位する可動電極を備えた容量式慣性力センサにおいては、異物の噛み込みなどを抑制するために、半導体層の表面に封止用のキャップを設けるが、このキャップに第２固定電極を設けることで、部品点数を増加させることなく、可動電極の上面と対向する第２固定電極を備えた容量式慣性力センサを構成することができる。

請求項７に記載のように、第２固定電極が、可動電極と同じ形状及び大きさとされた構成を採用すると良い。これによれば、第２固定電極を可動電極の形成面に投影した位置関係で、可動電極と第２固定電極とが完全一致すると対向面積が最も大きくなり、この完全一致の状態からのずれ（変位）が大きいほど対向面積が小さくなる。したがって、可動電極の下面に沿う方向におけるセンサ体格の増大を抑制しつつ、容量変化を大きくとることができる。

なお、可動電極の電極形状として、請求項８に記載のように櫛歯形状を採用すると、第１固定電極との対向面積を増やして、これにより慣性力の検出精度を向上することができる。

第１実施形態に係る容量式慣性力センサの概略構成を示す平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。 図１に示す容量式慣性力センサの特徴部分を模式化した図である。 図1に示す容量式慣性力センサの検出回路の一例を示す図である。 変形例を示す平面図である。 第２実施形態に係る容量式慣性力センサの概略構成を示す断面図である。 第３実施形態に係る容量式慣性力センサの概略構成を示す断面図である。 図７に示す容量式慣性力センサの特徴部分を模式化した図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
以下に示す各実施形態、変形例において、共通乃至関連する要素には同一の符号を付与するものとする。また、便宜上、基板（若しくは支持基板）の厚み方向を縦方向とし、厚み方向に垂直な方向を横方向とする。

本実施形態では、容量式慣性力センサとして、慣性力としての加速度を検出する容量式加速度センサの例を示す。なお、容量式加速度センサ以外には、容量式角速度センサを採用することができる。

図１及び図２に示すように、本実施形態に係る容量式慣性力センサ１０は、絶縁層２２を介して支持基板２１上に半導体層２３が配置された基板２０（１チップ）に構成されている。そして、要部として、慣性力（加速度）の印加に応じて所定方向に変位可能に構成された可動部３０と、可動部３０と対をなして慣性力を検出するための固定部４０，６０と、を有している。

基板２０としては、所謂ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板やＳＩＭＯＸ（Silicon ＩＭplanted Oxide）基板を採用することができる。本実施形態では、単結晶シリコンからなる支持基板２１と、不純物濃度が高濃度に調整された単結晶シリコンからなる半導体層２３との間に、２つの絶縁層２４，２５が積層されてなる絶縁層２２が介在された基板２０を採用している。なお、本実施形態では、支持基板２１上に配置された第１絶縁層２４、及び、第１絶縁層２４上に配置された第２絶縁層２５が、ともにシリコン酸化膜からなる。

なお、半導体層２３としては、単結晶シリコンに代えて、ＣＶＤ法等により、絶縁層２２上に堆積形成してなる多結晶シリコンを採用することもできる。また、絶縁層２２としては、シリコン酸化膜に限定されるものではなく、シリコン窒化膜や、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の多層膜を採用することができる。

この基板２０には、周知のマイクロマシン加工が施されており、半導体層２３及び絶縁層２２には縦方向に延びて貫通する貫通孔２６が形成され、この貫通孔２６により、半導体層２３が、可動部３０、第１固定部４０、及び可動部３０及び第１固定部４０を取り囲む周縁部５０、を含む複数の領域に区画されている。

可動部３０は、半導体層２３を貫通孔２６によって区画することで構成された、横方向に沿って延びる梁（ビーム）からなる梁構造体であり、可動電極３１、錘部３２、ばね部３３を有している。また、可動部３０の各構成要素３１，３２，３３を構成する各梁の幅は均一となっている。

加速度が作用する質量（マス）としての錘部３２は、その外周（外枠）が平面長方形とされており、錘部３２直下の絶縁層２２をエッチングにより除去するために、図１に示すごとく、メッシュ構造（格子状）となっている。すなわち、錘部３２は、格子状の梁構造となっている。可動電極３１は、錘部３２の側面のうち、長手方向に沿う面の一面から錘部３２の長手方向と直交するように突出して片持ち梁状に形成され、図１に示す例では２本設けられている。また、錘部３２の長手側の両端には、四角枠形状の梁構造を有するばね部３３がそれぞれ連結されており、各ばね部３３は、絶縁層２２を介して支持基板２１上に可動部３０を支持する支持部としてのアンカ３４に連結されている。

可動電極３１、錘部３２、ばね部３３（ばね部３３を構成する各梁）の直下には、可動部３０を可動とすべく、選択的エッチングにより絶縁層２２が除去されてなる空洞部２７が形成されている。また錘部３２に連結したばね部３３は、その長手方向と直交する方向に変位するばね機能を有している。そのため、錘部３２が、その長手方向の成分を含む加速度を受けると、錘部３２及び可動電極３１が、錘部３２の長手方向に沿って変位し、加速度の消失により元の位置に戻るようになっている。図１では、変位方向を白抜き矢印で示している。

なお、半導体層２３における絶縁層２２とは反対の表面２３ａ（以下、単に表面２３ａと示す）であって、アンカ３４の一方には、アルミニウムなどの金属層をパターニングしてなる可動電極用パッド３５が形成されている。

このように可動部３０は、可動電極３１を構成する梁、錘部３２を構成する梁、ばね部３３を構成する梁が互いに連結されてなる梁構造体となっており、可動部３０としての梁構造体は、その両端がアンカ３４に固定されている。

第１固定部４０は、第１固定電極４１、固定電極配線部４２、及び固定電極用パッド４３を有している。固定電極配線部４２は、第１固定電極４１と固定電極用パッド４３とを電気的に接続する配線としての機能とともに、第１固定電極４１を支持するアンカとしての機能を果たす。固定電極配線部４２は、錘部３２と平行に配置されており、固定電極配線部４２から延びる第１固定電極４１は、錘部３２の側面から突出する可動電極３１の側面３１ａに対して、それぞれ所定の検出間隔（隙間）を有しつつ、平行状態で対向配置されている。

このように、第１固定電極４１は、可動電極３１の変位にともない可動電極３１との対向距離が変化するように、可動電極３１における変位方向に垂直な側面３１ａに対向配置されている。すなわち、可動電極３１と第１固定電極４１との間に構成されるコンデンサの容量Ｃ１は、可動電極３１の変位にともなう可動電極３１と第１固定電極４１との対向距離の変化により、変化するようになっている。

この第１固定電極４１は、可動電極３１と同じ数だけ設けられている。また、第１固定電極４１の直下には、可動部３０同様、絶縁層２２の選択的エッチングによって空洞部２７が形成されており、これにより、第１固定電極４１が固定電極配線部４２に片持ち支持されている。すなわち、第１固定電極４１も梁構造（片持ち梁）となっている。そして、第１固定電極４１を構成する各梁の幅も、可動部３０の各構成要素３１，３２，３３を構成する梁の幅と同じとなっている。本実施形態では、梁の幅を一定とすべく、第１固定電極４１が中抜き構造となっている。

なお、固定電極配線部４２には、半導体層２３の表面２３ａ上に、固定電極用パッド４３が形成されている。

また、周縁部５０にも、図１に示すように、半導体層２３の表面２３ａ上にパッド５１が形成されており、パッド５１を介して、半導体層２３における周縁部５０を所定電位に固定することができるようになっている。

一方、第２固定部６０は、第２固定電極６１と、表面２３ａに固定電極用パッド６２が形成されたアイランド６３を有している。第２固定電極６１とアイランド６３（固定電極用パッド６２）とは、下部配線７０により電気的に接続されている。

第２固定電極６１は、支持基板２１の表面２１ａ上であって、可動電極３１の下面３１ｂと対向する部位に、第１絶縁層２４を介して形成されている。この第２固定電極６１は、可動電極３１と同じ数（２本）だけ設けられている。また、第２固定電極６１の直上には、絶縁層２２（第２絶縁層２５）の選択的エッチングによって空洞部２７が形成されている。

本実施形態では、不純物が注入されて濃度調整された多結晶シリコン層を、可動電極３１と同じ形状及び大きさを有するようにパターニングして、第２固定電極６１が構成されている。この第２固定電極６１は、加速度が印加されない状態で、可動電極３１の形成面（半導体層２３）に投影した位置関係で、可動電極３１と第２固定電極６１とが完全一致するようになっている。なお、図１では、便宜上、可動電極３１直下に位置する第２固定電極６１についても図示している。

このように、第２固定電極６１は、可動電極３１の変位にともない可動電極３１との対向面積が変化するように、可動電極３１の下面３１ｂに対向配置されている。すなわち、可動電極３１と第２固定電極６１との間に構成されるコンデンサの容量Ｃ２は、可動電極３１の変位にともなう可動電極３１と第２固定電極６１との対向面積の変化により、変化するようになっている。

また、下部配線７０も、第１絶縁層２４上に配置されており、第２固定電極６１同様、不純物が注入されて濃度調整された多結晶シリコン層をパターニングして構成されている。そして、２本の第２固定電極６１にそれぞれ連結されている。なお、図１に破線で示す符号７１は、第２絶縁層２５に形成され、下部配線７０とアイランド６３を接続するコンタクトである。

次に、上記した容量式慣性力センサ１０の製造方法について説明する。

先ず、単結晶シリコンからなる支持基板２１の表面２１ａ上に、第１絶縁層２４としてのシリコン酸化膜を成膜する。次いで、第１絶縁層２４上に不純物が高濃度にドープされた多結晶シリコン層を、０．５〜２μｍの厚さで形成し、パターニングする。これにより、第２固定電極６１及び下部配線７０を得る。次いで、ＣＶＤ等により、第２固定電極６１及び下部配線７０を覆うように、第１絶縁層２４上に、第２絶縁層２５としてのシリコン酸化膜を成膜する。そして、第２絶縁層２５の所定位置にコンタクト７１用の貫通孔を形成し、この貫通孔を埋めるように第２絶縁層２５上に、不純物が高濃度にドープされた多結晶シリコン層を、５〜５０μｍの厚さで形成する。これにより、半導体層２３及びコンタクト７１を得る。

次に、半導体層２３の表面２３ａ上にパッド３５，４３，５１，６２などを含む配線を形成した後、マスクを用いて半導体層２３を異方性エッチング（例えばＲＩＥ）し、半導体層２３に上記した貫通孔２６を形成する。これにより、半導体層２３が、可動部３０、第１固定部４０、周縁部５０などの複数の領域に区画される。そして、上記マスクを用い、貫通孔２６を通じて絶縁層２２を選択的にエッチングする。絶縁層２２のエッチングは、貫通孔２６形成後、等方性エッチングをする。

このとき、絶縁層２２は、貫通孔２６に近い部分からエッチングされる。したがって、第２固定電極６１及び下部配線７０直上の第２絶縁層２５が除去されつつ、第２固定電極６１及び下部配線７０直下の第１絶縁層２４が残存する状態でエッチングを終了とする。

これにより、貫通孔２６の直下部位は、第１絶縁層２４及び第２絶縁層２５がいずれも除去された状態となる。また、可動電極３１を含む可動部３０と第１固定電極４１の直下においては、第２固定電極６１及び下部配線７０が位置する部分では、第２絶縁層２５が除去され、それ以外の部分では、第１絶縁層２４及び第２絶縁層２５がいずれも除去された状態となる。すなわち、可動電極３１を含む可動部３０と第１固定電極４１の直下に空洞部２７が形成され、可動電極３１を含む可動部３０及び第１固定部４０のうちの第１固定電極４１が、支持基板２１に対してリリースされた状態となる。また、第２固定電極６１の直上に位置する第２絶縁層２５が除去され、第２固定電極６１と半導体層２３との対向領域が空洞部２７となる。

そして、図示しないが、プラズマエッチング等によるマスクの除去、ダイシングなどを経て、図１及び図２に示した容量式慣性力センサ１０を得ることができる。

以上示したように、本実施形態に係る容量式慣性力センサ１０によれば、加速度が作用して図３に示す矢印方向に可動電極３１が変位すると、可動電極３１と第１固定電極４１との間に構成されるコンデンサの容量Ｃ１が対向距離の変化にともなって変化し、可動電極３１と第２固定電極６１との間に構成されるコンデンサの容量Ｃ２が対向面積の変化にともなって変化する。このように、可動電極３１の変位にともなって対向距離が変化するコンデンサと対向面積が変化するコンデンサとを有するため、広い範囲の慣性力を検出することができる。図３では、矢印右方向に可動電極３１が変位し、第１固定電極４１に近づいた状態を破線で示している。

なお、本実施形態では、対向距離が変化する可動電極３１と第１固定電極４１との間に構成されるコンデンサを、例えば車両姿勢制御や傾斜角判定に用いる、数Ｇ（１〜５Ｇ程度）の低加速度検出用とし、対向面積が変化する可動電極３１と第２固定電極６１との間に構成されるコンデンサを、例えばエアバック用に用いる、２０〜１００Ｇ程度の高加速度検出用としている。

また、本実施形態では、横方向において、慣性力が作用しないときの対向面積が異なるように、複数の第２固定電極６１を並設するのではなく、１つの可動電極３１に対し、可動電極３１の側面３１ａに第１固定電極４１を対向させ、可動電極３１の下面３１ｂに第２固定電極６１を対向させている。可動電極３１と第１固定電極４１との間に構成されるコンデンサは、対向距離の変化にともなって容量が変化する。したがって、容量変化量を確保するために大きい電極サイズを必要とする、対向面積が変化するコンデンサを、対向面積を異ならせて複数必要とする構成に比べて、横方向におけるセンサ体格の増大を抑制することができる。

また、本実施形態では、処理回路におけるゲインを変化させることなく、広い範囲の慣性力を検出することができるため、ノイズ増幅による慣性力の検出精度劣化を抑制することができる。

なお、本実施形態に示す容量式慣性力センサ１０の検出回路の一例を図４に示す。この検出回路は、容量を電圧に変換して電圧信号を出力する容量変換部１００ａ，１００ｂ、復調部１０４ａ，１０４ｂ、及び増幅部１０５ａ，１０５ｂを有している。

容量変換部１００ａは、コンデンサ１０１ａ、スイッチ１０２ａ、及びオペアンプ１０３ａにより構成されており、容量変換部１００ｂは、コンデンサ１０１ｂ、スイッチ１０２ｂ、及びオペアンプ１０３ｂにより構成されている。各オペアンプ１０３ａ，１０３ｂには参照電圧として、後述する搬送波Ｖｃｃの１／２（Ｖｃｃ／２）が入力される。

本実施形態では、可動電極用パッド３５に、振幅Ｖｃｃの搬送波をＡＭ変調してなる変調信号を入力し、容量変換部１００ａ，１００ｂのスイッチ１０２ａ，１０２ｂを所定のタイミングで開閉する。そして、上記したように、加速度が印加されると、加速度に応じて可動電極３１が変位し、それにより、各コンデンサの容量Ｃ１，Ｃ２がそれぞれ変化する。対向距離が変化する可動電極３１と第１固定電極４１との間に構成されるコンデンサ側では、容量変換部１００ａにて電圧信号に変換された後、復調部１０４ａにて復調、増幅部１０５ａにて増幅されて、検出信号Ｖｏｕｔ１として出力される。対向面積が変化する可動電極３１と第１固定電極６１との間に構成されるコンデンサ側では、容量変換部１００ｂにて電圧信号に変換された後、復調部１０４ｂにて復調、増幅部１０５ｂにて増幅されて、検出信号Ｖｏｕｔ２として出力される。なお、これら信号を合成してから出力しても良い。

以上から、本実施形態に係る容量式慣性力センサ１０によれば、広い範囲の慣性力を検出できるとともに、横方向（可動電極３１の下面３１ｂに沿う方向）の体格増大を抑制しつつ、検出精度劣化を抑制して提供することができる。

また、本実施形態では、容量式慣性力センサ１０は、絶縁層２２を介して支持基板２１上に半導体層２３が配置された基板２０を用いて１チップに構成されている。したがって、対向面積が変化するコンデンサと対向距離が変化するコンデンサを有しながらも、センサ構成が簡素化されている。

また、本実施形態では、第２固定電極６１が、下部配線７０と同一材料からなるとともに、下部配線７０と同一層に配置されている。したがって、下部配線７０とともに第２固定電極６１を形成することができるため、センサ構成及び製造工程を簡素化することができる。

また、本実施形態では、第２固定電極６１が、可動電極３１と同じ形状及び大きさとされている。このため、第２固定電極６１を可動電極３１の形成面（下面３１ｂ）に投影した位置関係で、可動電極３１と第２固定電極６１とが完全一致すると対向面積が最も大きくなり、この完全一致の状態からのずれ（変位）が大きいほど対向面積が小さくなる。したがって、横方向におけるセンサ体格の増大を抑制しつつ、容量変化を大きくとることができる。

また、本実施形態では、可動電極３１の形状として、錘部３２の側面から複数本の可動電極３１が突出してなる櫛歯形状を採用しているため、可動電極３１と第１固定電極４１との対向面積を増やして、これにより慣性力の検出精度を向上することができる。

なお、上記実施形態では、下部配線として、第２固定電極６１と固定電極用パッド６２が設けられたアイランド６３とを電気的に接続するための下部配線７０を有する例を示した。しかしながら、下部配線とは、貫通孔２６により半導体層２３に区画された複数の領域を互いに電気的に接続する機能、クロス配線、すなわち立体的な配線配置の機能、半導体層２３と支持基板２１とを電気的に接続する機能等を果たすものである。したがって、上記下部配線７０以外の下部配線を備える構成としても良い。図５に示す例では、可動電極３１用のアンカ３４と表面に可動電極用パッド３５が形成されたアイランド３６とが、コンタクト７１を介して、下部配線７２により電気的に接続されている。また、第１固定電極４１用のアンカ４４と表面に固定電極用パッド４３が形成されたアイランド４５とが、コンタクト７１を介して、下部配線７３により電気的に接続されている。そして、これら下部配線７２，７３は、第２固定電極６１及び下部配線７０と同一材料を用いて構成されるとともに、同一層（第１絶縁層２４上）に配置されている。

（第２実施形態）
図６に示すように、本実施形態に係る容量式慣性力センサ１０は、第１実施形態に示した容量式慣性力センサ１０同様、絶縁層２２を介して支持基板２１上に半導体層２３が配置されてなる基板２０に、可動電極３１、第１固定電極４１、及び第２固定電極６１が構成されている。

本実施形態では、第１実施形態で示した第１絶縁層２４、第２絶縁層２５の間に、第２絶縁層２５を除去する際にストッパとして機能する第３絶縁層２８が配置されている点を特徴とする。なお、第２絶縁層２５が、特許請求の範囲に記載の、半導体層２３に隣接する第１絶縁層に相当し、第３絶縁層２８が、特許請求の範囲に記載の、支持基板２１側の第２絶縁層に相当する。そして、第３絶縁層２８上には、第２固定電極６１及び下部配線（下部配線は図示略）が配置されている。

また、半導体層２３には貫通孔２６が形成され、この貫通孔２６により、半導体層２３に可動部３０、第１固定部４０、及び周縁部５０が区画形成されている。また、貫通孔２６、可動部３０、及び第１固定電極４１直下における第２絶縁層２５の部分が除去されて、貫通孔２６に連なる空洞部２７が構成されている。

次に、上記した容量式慣性力センサ１０の製造方法について説明する。先ず基板２０を準備する。この基板２０は、単結晶シリコンからなる支持基板２１の表面２１ａ上に、熱酸化等により、第１絶縁層２４としてのシリコン酸化膜を０．５〜２μｍの厚さで成膜する。次いで、第１絶縁層２４上に、ＬＰＣＶＤ、プラズマＣＶＤ等により、第３絶縁層２８としてのシリコン窒化膜を０．０５〜０．５μｍの厚さで成膜する。そして、第３絶縁層２８上に不純物濃度が高濃度に調整された多結晶シリコン層を０．５〜２μｍの厚さで形成し、パターニングすることで、所定位置に第２固定電極６１及び下部配線を形成する。次に、ＣＶＤ等により、第２固定電極６１及び下部配線を覆うように、第３絶縁層２８上に、第２絶縁層２５としてのシリコン酸化膜を２〜５μｍ程度の厚さで成膜する。そして、第２絶縁層２５上に不純物濃度が高濃度に調整された多結晶シリコン層を５〜５０μｍの厚さで形成する。これにより、半導体層２３を得る。なお、必要に応じて、ＣＭＰ等により半導体層２３の表面平坦化を行っても良い。

あとは、従来の犠牲層エッチングによる可動部３０及び第１固定電極４１のリリースと基本的に同じである。簡単に説明すると、半導体層２３の表面２３ａ上に、パッド３５，４３，５１，６２を含む配線を形成した後、マスクを用いて半導体層２３を異方性エッチング（例えばＲＩＥ）する。これにより、縦方向に延びて第２絶縁層２５に達する貫通孔２６が半導体層２３に形成され、この貫通孔２６により、半導体層２３に、可動部３０、第１固定部４０、及び周縁部５０などが区画される。

次いで、上記マスクを用い、貫通孔２６を通じて、気相或いは液相のフッ酸により第２絶縁層２５をエッチングし、貫通孔２６、可動部３０、及び第１固定電極４１直下に位置する第２絶縁層２５を除去する。このとき、第２固定電極４１、下部配線、及び第３絶縁層２８がストッパとして機能するので、貫通孔２６、可動部３０、及び第１固定電極４１直下に位置する第２絶縁層２５が除去されて、可動部３０が可動可能となる。そして、マスクの除去や、ダイシングなどを経ることで、図６に示す容量式慣性力センサ１０を得ることができる。

このように本実施形態によれば、絶縁層２２のうち、エッチングにより除去されるエリア、すなわち空洞部２７を構成するエリアを、第３絶縁層２８によって第２絶縁層２５のみに制限することができる。また、第１絶縁層２４及び第３絶縁層２８は殆どエッチングされずに残るので、第２固定電極６１及び下部配線を、支持基板２１に安定的に配置することができる。

（第３実施形態）
図７に示すように、本実施形態に係る容量式慣性力センサ１０は、上記実施形態で示した容量式慣性力センサ１０に対し、半導体層２３の表面２３ａに、可動電極３１（可動部３０）及び第１固定電極４１（第１固定部４０）との間に隙間を有して固定された固定部材を備え、該固定部材８０における可動電極３１の上面３１ｃとの対向部位に第２固定電極８１が形成されている点を特徴とする。

特に図７に示す例では、固定部材８０として、可動電極３１を含むセンシング部が、気密封止された空間内に位置するための封止用のキャップを採用している。具体的には、固定部材８０（キャップ）が単結晶シリコンからなり、半導体層２３の表面２３ａとの対向面における縁部に環状に設けられた突条部８２を有している。そして、突条部８２が半導体層２３の表面２３ａに、直接接合若しくは低融点ガラス接合により固定され、可動部３０が封止されている。

図７に示す例では、常温（室温〜２００℃程度）で直接接合を行うことで、固定部材８０を半導体層２３に接合している。また、固定部材８０における、表面２３ａとの対向面のうち、突条部８２にて囲まれた部分８３であって、可動電極３１の上面３１ｃとの対向部位に、第２固定電極８１が形成されている。本実施形態では、絶縁層８４を介して第２固定電極８１が形成されている。また、可動電極３１と同じ形状及び大きさを有しており、加速度の印加がない状態で、第２固定電極８１の投影位置が可動電極３１と一致するようになっている。

このように、可動電極３１、第１固定電極４１、第２固定電極６１，８１を含むセンシング部が、気密封止された空間内に配置されている。なお、この気密空間は、センサの用途に応じて、所定の圧力や雰囲気とすることができる。例えば、角速度センサでは真空雰囲気が好ましく、加速度センサでは、１〜数気圧の大気若しくは窒素ガス雰囲気が好ましい。

なお、図７に示すように、各電極３１，４１，６１は、対応する下部配線７０，７２，７３（図７では、下部配線７３のみを図示）により、可動部３０を含むセンシング部が、気密封止された空間の外に位置するパッド３５，４３，６２と電気的に接続されている。また、図７に示す符号８５は、対向面８３と該対向面８３の裏面を貫通する、固定部材８０に形成された貫通電極であり、符号８６は貫通電極８５に接続されたパッドである。貫通電極８５は、貫通孔内に絶縁膜を介して配置されている。

このように本実施形態に係る容量式慣性力センサ１０によれば、加速度が作用して図８に示す矢印方向に可動電極３１が変位すると、可動電極３１と第１固定電極４１との間に構成されるコンデンサの容量Ｃ１が対向距離の変化にともなって変化する。一方、可動電極３１と第２固定電極６１，８１との間に構成されるコンデンサの容量Ｃ２が対向面積の変化にともなって変化する。このように、可動電極３１の変位にともなって対向距離が変化するコンデンサと対向面積が変化するコンデンサとを有するため、広い範囲の慣性力を検出することができる。

なお、本実施形態では、可動電極３１の変位にともなって対向面積が変化する２つの第２固定電極６１，８１を有している。そして、可動電極３１と第２固定電極６１、可動電極３１と第２固定電極８１にそれぞれ構成されるコンデンサの容量を合成している。したがって、横方向のセンサ体格を抑制しつつ、第２固定電極の可動電極３１との対向面積を大きくし、可動電極３１と第２固定電極６１，８１との間に構成させるコンデンサの容量変化量を、１つの第２固定電極（例えば第２固定電極６１）のみを有する構成に比べて大きくすることができる。また、容量変化量が同じなら、体格を小型化することができる。

また、本実施形態では、可動電極３１、該可動電極３１の側面３１ａと対向する第１固定電極４１、及び可動電極３１の下面３１ｂと対向する第２固定電極６１を備えたチップと、可動電極３１の上面３１ｃと対向する第２固定電極８１を備えた固定部材８０により構成されている。したがって、センサ構成を簡素化することができる。

特に本実施形態では、キャップを固定部材８０として採用する。したがって、可動電極３１の異物噛み込みなどを抑制し、部品点数を増加させることなく可動電極３１の上面３１ｃと対向する第２固定電極８１を備えた構成とすることができる。

なお、本実施形態では、固定電極として、第１固定電極４１とともに、第２固定電極６１，８１を備える例を示したが、第１固定電極４１と第２固定電極８１を備える（第２固定電極６１を有さない）構成としても良い。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

半導体層２３に構成される可動部３０及び第１固定部４０の構成は、上記実施形態に示す例に限定されるものではない。例えば可動電極３１の本数は２本に限定されるものではない。また、可動電極３１は、錘部３２の両側面から突出して設けられても良い。

上記実施形態では、単結晶シリコンからなる支持基板２１の例を示したが、支持基板２１の構成材料は上記例に限定されるものではない。例えば、絶縁材料からなる場合には、支持基板２１の表面２１ａに第２固定電極６１や下部配線を形成することができる。この場合、支持基板２１の構成材料として、第２絶縁層２５を選択的にエッチングできる絶縁材料を選択すると、絶縁層２２として第２絶縁層２５のみを有する構成とすることができる。

１０・・・容量式慣性力センサ
２２・・・絶縁層
２３・・・半導体層
２５・・・第２絶縁層
２６・・・貫通孔
２７・・・空洞部
２８・・・第３絶縁層
３１・・・可動電極
４１・・・第１固定電極
６１・・・第２固定電極
８０・・・固定部材（キャップ）
８１・・・第２固定電極

Claims (8)

1. 慣性力に応じて所定方向に変位する可動電極と、該可動電極に対向配置された固定電極を備え、前記可動電極及び前記固定電極間の容量変化に応じた検出信号を出力する容量式慣性力センサであって、
   前記固定電極として、
   前記可動電極の変位にともない前記可動電極との対向距離が変化するように、前記可動電極における変位方向に垂直な側面に対向配置された第１固定電極と、
   前記可動電極の変位にともない前記可動電極との対向面積が変化するように、前記第１固定電極と対向する可動電極の上面及び下面の少なくとも一方に対向配置された第２固定電極と、
   を備えることを特徴とする容量式慣性力センサ。
2. 支持基板の一面上に絶縁層を介して配置された半導体層に、前記支持基板の厚み方向に延びて貫通する貫通孔が形成されて、前記可動電極及び前記第１固定電極が区画され、
   前記支持基板の一面と前記半導体層との間において、前記可動電極の下面との対向部位に前記第２固定電極が配置され、
   前記可動電極と前記第１固定電極の直下及び前記第２固定電極の直上における前記絶縁層の除去により、前記貫通孔に連なる空洞部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の容量式慣性力センサ。
3. 前記絶縁層は、前記半導体層に隣接する第１絶縁層と、該第１絶縁層よりも前記支持基板側に配置され、前記第１絶縁層を除去する際のストッパとなる第２絶縁層を含み、
   前記第２固定電極は、前記第２絶縁層上に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の容量式慣性力センサ。
4. 前記第２固定電極は、前記支持基板と前記半導体層との間に配置された下部配線と同一材料からなるとともに、前記下部配線と同一層に配置されていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の容量式慣性力センサ。
5. 支持基板の一面上に絶縁層を介して配置された半導体層に、前記支持基板の厚み方向に延びて貫通する貫通孔が形成されて、前記可動電極及び前記第１固定電極が区画され、
   前記支持基板と前記半導体層との対向領域には、前記可動電極と前記第１固定電極の直下における前記絶縁層の除去により、前記貫通孔に連なる空洞部が形成され、
   前記半導体層における前記絶縁層と反対の面に、前記可動電極及び前記第１固定電極との間に隙間を有して固定部材が固定され、
   前記固定部材が、前記可動電極の上面との対向部位に前記第２固定電極を有することを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の容量式慣性力センサ。
6. 前記固定部材は、前記可動電極及び前記固定電極を封止するためのキャップであることを特徴とする請求項５に記載の容量式慣性力センサ。
7. 前記第２固定電極は、前記可動電極と同じ形状及び大きさとされていることを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載の容量式慣性力センサ。
8. 前記可動電極は、櫛歯形状とされていることを特徴とする請求項１〜７いずれか１項に記載の容量式慣性力センサ。

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