JP2013217772A - 物理量センサーおよび電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を図りつつ、良好なノイズ特性を有することができる物理量センサーを提供する。
【解決手段】物理量センサー１００は、基板１０と、第１部分２０ａおよび第２部分２０ｂを有し、第１部分２０ａに第１可動電極部２１が設けられた可動体２０と、変位可能に支持する梁部３０，３２と、基板１０に、第１可動電極部２１と対向して配置されている第１固定電極部５０と、を含み、第１部分２０ａの第１軸Ｑ１に直交する第２軸Ｑ２の方向の幅は、第２部分２０ｂの第２軸Ｑ２の方向の幅よりも小さく、固定電極部５０は、平面視で第１部分２０ａの第２軸Ｑ２の方向の端部２４と重なる位置に設けられ、且つ、第１部分２０ａの第２軸Ｑ２の方向の幅をＸとし、第１固定電極部５０の平面視で可動体２０と重なる部分の第２軸Ｑ２の方向の幅をＬとしたときに、０．０５００Ｘ≦Ｌ≦０．８１６Ｘの範囲に設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、物理量センサーおよび電子機器に関する。

近年、例えばシリコンＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術を用いて、小型で高感度の物理量センサーを実現する技術が開発されている。

例えば、特許文献１には、トーションウェブを中心として回転可能な２つの翼部を有する質量体を備えた物理量センサー（加速度センサー）が開示されている。特許文献１の物理量センサーでは、２つの翼部のそれぞれに貫通孔を設けることによって、トーションウェブに対して反対方向かつ同じ大きさのねじれが、同じ大きさの減衰トルクを生じさせるように構成されている。また、この物理量センサーは、一方の翼部の下方に第１電極を有し、他方の翼部の下方に第２電極を有しており、一方の翼部と第１電極との間の静電容量、および他方の翼部と第２電極との間の静電容量に基づいて、加速度を検出している。

また、例えば、特許文献２には、半導体層の固定部分にビーム部を介して非対称な質量バランスとなるように可動支持され、半導体層の厚み方向の物理量の変位に応じて動作する可動電極と、支持基板上に形成された固定電極とを、相互に間隙を介して対向配置した物理量センサーが開示されている。特許文献２の物理量センサーでは、可動電極と固定電極との間隙の大きさに応じて検出される静電容量に基づき物理量を検出している。

特表２００９−５３７８０３号公報 特開２００７−２９８４０５号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２の物理量センサーでは、小型化を図ろうとすると、静電容量を形成する電極面積は小さくなる。そのため、共振角周波数を変えずに、検出感度を高めるためには、電極間のギャップ（可動電極部と固定電極部との間の距離）を小さくしなければならない。しかしながら、電極間のギャップを小さくして、所望の検出感度が得られても、加速度が印加されていない状態での電極間の静電容量、すなわち、初期容量は、大きくなる傾向にある。初期容量が大きくなると、ノイズゲインとなりノイズ特性の悪化を招く場合がある。

本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、小型化を図りつつ、良好なノイズ特性を有することができる物理量センサーを提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、上記物理量センサーを含む電子機器を提供することにある。

本発明は前述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様または適用例として実現することができる。

［適用例１］
本適用例に係る物理量センサーは、
基板と、
第１軸を回転軸として変位可能であって、平面視で前記第１軸を境にして、第１部分および第２部分を有し、前記第１部分に第１可動電極部が設けられた可動体と、
前記可動体を前記第１軸まわりに変位可能に支持する梁部と、
前記基板に、前記第１可動電極部と対向して配置されている第１固定電極部と、
を含み、
前記第１部分の前記第１軸に直交する第２軸の方向の幅は、前記第２部分の前記第２軸の方向の幅よりも小さく、
前記固定電極部は、
平面視で前記第１部分の前記第２軸の方向の端部と重なる位置に設けられ、
且つ、前記第１部分の前記第２軸の方向の幅をＸとし、前記第１固定電極部の平面視で前記可動体と重なる部分の前記第２軸の方向の幅をＬとしたときに、０．０５００Ｘ≦Ｌ≦０．８１６Ｘの範囲に設けられている。

このような物理量センサーによれば、第１可動電極部と第１固定電極部との間の距離を確保しつつ、感度を保ちながら初期状態（加速度が印加されていない状態、例えば可動体が水平な状態）における電極部間の静電容量を小さくすることができる。したがって、小型化を図りつつ、良好なノイズ特性を有することができる。また、電極部間の距離を確保できるので、可動電極部が固定電極部や基板に張り付いたり、Ｑ値が悪化したりすることを防ぐことができる。

［適用例２］
本適用例に係る物理量センサーにおいて、
前記第１固定電極部は、０．１６４Ｘ≦Ｌ≦０．６３３Ｘの範囲に設けられていてもよい。

このような物理量センサーによれば、第１可動電極部と第１固定電極部との間の距離を確保しつつ、感度を保ちながら初期状態における電極部間の静電容量を、より小さくすることができる。

［適用例３］
本適用例に係る物理量センサーにおいて、
前記基板には、前記第２部分と対向して第２固定電極部が設けられ、
前記可動体の前記第２部分には、第２可動電極部が設けられていてもよい。

このような物理量センサーによれば、第１可動電極部と第１固定電極部との間の静電容量および第２可動電極部と第２固定電極部との間の静電容量に基づいて、物理量を検出することができる。

［適用例４］
本適用例に係る物理量センサーにおいて、
平面視において、前記第１可動電極部と前記第１固定電極部とが重なる領域と、前記第２可動電極部と前記第２固定電極部とが重なる領域とは、前記第１軸に対して対称であってもよい。

このような物理量センサーによれば、第１可動電極部と第１固定電極部との間の静電容量と、第２可動電極部と第２固定電極部との間の静電容量と、の差に基づいて、物理量を検出することができる。

［適用例５］
本適用例に係る物理量センサーにおいて、
前記第１固定電極部は、平面視で前記端部からはみ出した部分を有していてもよい。

このような物理量センサーによれば、平面視において、基板の第１位置に、第１固定電極部の端部を一致させなくてもよいため、製造工程を容易化することができる。

［適用例６］
本適用例に係る物理量センサーにおいて、
前記第１部分の質量は、前記第２部分の質量よりも小さくてもよい。

このような物理量センサーによれば、例えば鉛直方向の加速度が加わったときに、可動体の第１部分の回転モーメントと、可動体の第２部分の回転モーメントとが均衡せず、可動体に所定の傾きを生じさせることができる。

［適用例７］
本適用例に係る物理量センサーにおいて、
前記基板は絶縁材料で構成され、前記可動体は半導体材料で構成されていてもよい。

このような物理量センサーによれば、基板を絶縁材料、可動体を半導体材料にすることにより、可動体と基板とを貼り合わせることで容易に両者を電気的に絶縁することができ、センサー構造を簡素化することができる。

［適用例８］
本適用例に係る電子機器は、
本適用例に係る物理量センサーを含む。

このような電子機器によれば、本適用例に係る物理量センサーを含むため、小型化を図りつつ、良好なノイズ特性を有することができる。

本実施形態に係る物理量センサーを模式的に示す平面図。 本実施形態に係る物理量センサーを模式的に示す断面図。 第１固定電極部の可動体と重なる部分の幅Ｌを説明するための物理量センサーのモデルを模式的に示す図。 モデルＭ１において、感度ΔＣが一定となる、面積比と初期容量Ｃ_０比との関係、および面積比と電極間ギャップ比との関係を示すグラフ。 モデルＭ２において、感度ΔＣが一定となる、面積比と初期容量Ｃ_０比との関係、および面積比と電極間ギャップ比との関係を示すグラフ。 モデルＭ２において、感度ΔＣが一定となる、面積比と、初期容量Ｃ_０比と電極間ギャップ比との差と、の関係を示すグラフ。 本実施形態に係る物理量センサーの製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る物理量センサーの製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る物理量センサーの製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る電子機器を模式的に示す斜視図。 本実施形態に係る電子機器を模式的に示す斜視図。 本実施形態に係る電子機器を模式的に示す斜視図。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、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い。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１． 物理量センサー
まず、本実施形態に係る物理量センサーについて、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る物理量センサー１００を模式的に示す平面図である。図２は、本実施形態に係る物理量センサー１００を模式的に示す断面図である。なお、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。また、図１では、便宜上、蓋体６０の図示を省略している。図１および図２では、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を図示している。

物理量センサー１００は、例えば、慣性センサーとして使用することができ、具体的には、例えば、鉛直方向（Ｚ軸方向）の加速度を測定するための加速度センサー（静電容量型加速度センサー、静電容量型ＭＥＭＳ加速度センサー）として利用可能である。

物理量センサー１００は、図１および図２に示すように、支持基板（基板）１０と、可動体２０と、梁部３０，３２と、第１固定電極部５０と、を含む。物理量センサー１００は、さらに、固定部４０と、第２固定電極部５２と、蓋体６０と、を含むことができる。

支持基板１０には、第１固定電極部５０および第２固定電極部５２が設けられている。図示の例では、固定電極部５０，５２は、凹部１２の底面を規定する支持基板１０の面１４に設けられている。固定電極部５０，５２が設けられている支持基板１０の面１４は、平坦な面である。支持基板１０の面１４は、水平（ＸＹ平面に平行）な状態の可動体２０に平行である。支持基板１０には、固定部４０および蓋体６０が接合されている。支持基板１０と、蓋体６０とで、可動体２０を収容するための空間を形成することができる。この空間には、例えば、窒素、ヘリウム、アルゴンなどの不活性ガスが充填されている。支持基板１０の材質は、特に限定されないが、例えば、ガラス等の絶縁材料である。例えば支持基板１０をガラス等の絶縁材料、可動体２０をシリコン等の半導体材料にすることにより、可動体２０と支持基板１０とを貼り合わせることで容易に両者を電気的に絶縁することができ、センサー構造を簡素化することができる。

可動体２０は、支持基板１０上に、間隙２を介して設けられている。可動体２０は、第１梁部３０および第２梁部３２によって、支持されている。可動体２０は、第１軸Ｑ１を回転軸として変位可能である。具体的には、可動体２０は、例えば鉛直方向（Ｚ軸方向）の加速度が加わると、梁部３０，３２によって決定される第１軸Ｑ１を回転軸（揺動軸）としてシーソー揺動することができる。可動体２０の外縁の形状は、例えば、平面視において（Ｚ軸方向からみて）、長方形である。また、可動体２０の厚さ（Ｚ軸方向の大きさ）は、例えば、一定である。

可動体２０は、第１シーソー片（第１部分）２０ａと、第２シーソー片（第２部分）２０ｂと、を有する。第１シーソー片２０ａは、平面視において、第１軸Ｑ１によって区画される可動体２０の２つの部分のうちの一方（図１では−Ｘ軸方向側に位置する部分）である。第２シーソー片２０ｂは、平面視において、第１軸Ｑ１によって区画される可動体２０の２つの部分のうちの他方（図１では＋Ｘ軸方向側に位置する部分）である。図示の例では、第１シーソー片２０ａは、第１軸Ｑ１から、第２軸Ｑ２の方向（第２軸Ｑ２に沿う方向、図示の例ではＸ軸方向）の端部２４まで、−Ｘ軸方向に延出している。第２シーソー片２０ｂは、第１軸Ｑ１から、第２軸Ｑ２の方向の端部２５まで、＋Ｘ軸方向に延出している。第１シーソー片２０ａおよび第２シーソー片２０ｂは、第１軸Ｑ１から第２軸Ｑ２に沿って、互いに反対の方向に向かって延出している。なお、第２軸Ｑ２は、平面視で、第１軸Ｑ１に直交する軸である。また、第１シーソー片２０ａの端部２４は、第１シーソー片２０ａの先端部であり、第１シーソー片２０ａのうち、第１軸Ｑ１との間の距離が最も大きい部分である。第２シーソー片２０ｂの端部２５は、第２シーソー片２０ｂの先端部であり、第２シーソー片２０ｂのうち、第１軸Ｑ１との間の距離が最も大きい部分である。

例えば、鉛直方向の加速度（例えば重力加速度）が可動体２０に加わった場合、第１シーソー片２０ａと第２シーソー片２０ｂの各々に回転モーメント（力のモーメント）が生じる。ここで、第１シーソー片２０ａの回転モーメント（例えば時計回りの回転モーメント）と第２シーソー片２０ｂの回転モーメント（例えば反時計回りの回転モーメント）が均衡した場合には、可動体２０の傾きに変化が生じず、加速度の変化を検出することができない。したがって、鉛直方向の加速度が加わったときに、第１シーソー片２０ａの回転モーメントと、第２シーソー片２０ｂの回転モーメントとが均衡せず、可動体２０に所定の傾きが生じるように、可動体２０が設計される。

物理量センサー１００では、第１軸Ｑ１を、可動体２０の中心（重心）から外れた位置に配置することによって、シーソー片２０ａ，２０ｂが互いに異なる質量を有している。すなわち、第１シーソー片２０ａのＸ軸方向（第２軸Ｑ２の方向）の大きさと第２シーソー片２０ｂのＸ軸方向（第２軸Ｑ２の方向）の大きさが異なっているため、第１シーソー片２０ａと第２シーソー片２０ｂとで質量が異なる。図示の例では、第１軸Ｑ１から第１シーソー片２０ａの端部２４までの距離は、第１軸Ｑ１から第２シーソー片２０ｂの端部２５までの距離よりも小さい。また、第１シーソー片２０ａの厚さと、第２シーソー片２０ｂの厚さとは、等しい。したがって、第１シーソー片２０ａの質量は、第２シーソー片２０ｂの質量よりも小さい。このように、シーソー片２０ａ，２０ｂが互いに異なる質量を有することにより、鉛直方向の加速度が加わったときに、第１シーソー片２０ａの回転モーメントと、第２シーソー片２０ｂの回転モーメントとを均衡させないことができる。したがって、鉛直方向の加速度が加わったときに、可動体２０に所定の傾きを生じさせることができる。

可動体２０は、支持基板１０と離間して設けられている。図示の例では、可動体２０と支持基板１０との間には、間隙２が設けられている。また、可動体２０は、梁部３０，３２によって、固定部４０から離間して接続されている。可動体２０と固定部４０との間には、間隙４が設けられている。可動体２０の周囲に間隙２，４が存在することによって、可動体２０は、シーソー揺動することができる。

第１シーソー片２０ａには、第１可動電極部２１が設けられている。また、第２シーソー片２０ｂには、第２可動電極部２２が設けられている。

第１可動電極部２１は、図示の例では、可動体２０のうち、平面視で第１固定電極部５０と重なる部分である。第１可動電極部２１は、可動体２０のうち、第１固定電極部５０との間に静電容量Ｃ１を形成する部分である。第２可動電極部２２は、可動体２０のうち、平面視で第２固定電極部５２と重なる部分である。第２可動電極部２２は、可動体２０のうち、第２固定電極部５２との間に静電容量Ｃ２を形成する部分である。物理量センサー１００では、可動体２０が導電性材料で構成されることによって可動電極部２１，２２が設けられてもよく、また、可動体２０の表面に金属等の導体層からなる可動電極部を設けてもよい。図示の例では、可動体２０が導電性材料（不純物がドープされたシリコン）で構成されることによって、可動電極部２１，２２が設けられている。

支持基板１０の第１シーソー片２０ａに対向する位置には、第１固定電極部５０が設けられている。第１可動電極部２１と第１固定電極部５０とによって、静電容量Ｃ１が形成されている。また、支持基板１０の第２シーソー片２０ｂに対向する位置には、第２固定電極部５２が設けられている。第２可動電極部２２と第２固定電極部５２とによって、静電容量Ｃ２が形成されている。静電容量Ｃ１および静電容量Ｃ２は、例えば、初期状態において、等しい。ここで、初期状態とは、物理量センサーに加速度が印加されていない状態をいい、例えば、可動体２０が水平な状態をいう。図示の例では、初期状態において、平面視で第１可動電極部２１と第１固定電極部５０とが重なる第１領域αの面積と、平面視で第２可動電極部２２と第２固定電極部５２とが重なる第２領域βの面積とは、等しい。また、第１可動電極部２１と第１固定電極部５０との間の距離と、第２可動電極部２２と第２固定電極部５２との間の距離とは、等しい。したがって、初期状態における静電容量Ｃ１（初期容量）と、初期状態における静電容量Ｃ２（初期容量）とは、等しい。第１可動電極部２１および第２可動電極部２２は、可動体２０の動きに応じて位置が変化する。この可動電極部２１，２２の位置の変化に応じて、静電容量Ｃ１，Ｃ２が変化する。可動体２０には、例えば梁部３０，３２を介して、所定の電位が与えられる。

第１梁部３０および第２梁部３２は、可動体２０を第１軸Ｑ１まわりに変位可能に支持している。梁部３０，３２は、トーションバネ（捻りバネ）として機能することができる。これにより、可動体２０が第１軸Ｑ１を回転軸として回転（シーソー揺動）することにより梁部３０，３２に生じるねじり変形に対して強い復元力を有し、梁部３０，３２が破損することを防止することができる。

第１梁部３０および第２梁部３２は、図１に示すように、平面視において、第１軸Ｑ１上に配置されている。梁部３０，３２は、固定部４０から可動体２０まで、第１軸Ｑ１上を延出している。梁部３０，３２は、可動体２０の回転軸（揺動軸）となる第１軸Ｑ１の位置を決定する部材である。梁部３０，３２は、固定部４０と可動体２０とを接続している。第１梁部３０は、可動体２０の＋Ｙ軸方向側の側面に接続され、第２梁部３２は、可動体２０の−Ｙ軸方向側の側面に接続されている。

固定部４０は、支持基板１０に固定されている。固定部４０は、平面視において、可動体２０の周囲に設けられている。図示の例では、固定部４０は、平面視において、可動体２０を囲むように設けられている。なお、固定部４０の形状は、特に限定されない。固定部４０と可動体２０とは、離間しており、固定部４０と可動体２０との間には、間隙４が設けられている。

可動体２０、梁部３０，３２、および固定部４０は、一体に設けられている。可動体２０、梁部３０，３２、および固定部４０は、１つの基板（例えばシリコン基板）をパターニングすることによって一体に設けられる。

第１固定電極部５０は、支持基板１０上に設けられている。第１固定電極部５０は、第１可動電極部２１（第１シーソー片２０ａ）に対向する位置に配置されている。第１固定電極部５０の上方には、間隙２を介して、第１可動電極部２１が位置している。第１固定電極部５０は、第１可動電極部２１との間に静電容量Ｃ１を形成するように設けられている。第１固定電極部５０は、第１シーソー片２０ａの第２軸Ｑ２の方向の端部２４と重なる位置に設けられている。第１固定電極部５０は、支持基板１０の第１位置Ｐ１から、＋Ｘ軸方向に延出している第１延出部５０ａと、支持基板１０の第２位置Ｐ２から、−Ｘ軸方向に延出している第２延出部５０ｂと、を有している。すなわち、第１延出部５０ａは、第１位置Ｐ１の一方側（＋Ｘ軸方向側、第１軸Ｑ１側）に位置し、第２延出部５０ｂは、第１位置Ｐ１の他方側に位置している。ここで、支持基板１０の第１位置Ｐ１とは、平面視で、支持基板１０の、第１シーソー片２０ａの端部２４と重なる位置である。また、支持基板１０の第２位置Ｐ２は、支持基板１０の、第１軸Ｑ１と重なる位置である。

第１固定電極部５０の第１延出部５０ａは、第１可動電極部２１に対向して静電容量Ｃ１を形成している部分を含む。第１延出部５０ａは、平面視で可動体２０と重なる部分を含む。第１延出部５０ａは、支持基板１０の第１位置Ｐ１から支持基板１０の第２位置Ｐ２に向かって＋Ｘ軸方向に延出している。また、第１固定電極部５０の第２延出部５０ｂは、支持基板１０の第１位置Ｐ１から、第１延出部５０ａとは反対方向（支持基板１０の第１位置Ｐ１から支持基板１０の第２位置Ｐ２に向かう方向とは反対の方向）に向かって延出している。第１固定電極部５０の第２延出部５０ｂは、平面視で第１シーソー片２０ａの端部２４からはみだした部分を含む。第１固定電極部５０の第２延出部５０ｂは、第１可動電極部２１と対向しておらず、第１可動電極部２１の外縁の外側に位置している。

なお、図示はしないが、第１固定電極部５０は、第２延出部５０ｂを有していなくてもよい。すなわち、第１固定電極部５０は、第１延出部５０ａのみで構成されていてもよい。このとき、第１固定電極部５０と第２固定電極部５２とは、平面視において、第１軸Ｑ１を軸として、対称に設けられていてもよい。

第２固定電極部５２は、支持基板１０上に設けられている。第２固定電極部５２は、第２シーソー片２０ｂに対向する位置に配置されている。第２固定電極部５２の上方には、間隙を介して、第２可動電極部２２が位置している。第２固定電極部５２は、第２可動電極部２２との間に静電容量Ｃ２を形成するように設けられている。

図１に示すように平面視において、第１可動電極部２１と第１固定電極部５０とが重なる第１領域αと、第２可動電極部２２と第２固定電極部５２とが重なる第２領域βとは、第１軸Ｑ１に対して対称である。すなわち、第１領域αと第２領域βとは、平面形状が同じであり、かつ、第１軸Ｑ１からの距離が等しい。図示の例では、第１固定電極部５０の第１延出部５０ａと第２固定電極部５２とは、平面視で第１軸Ｑ１に対して対称に設けられている。すなわち、第１固定電極部５０の第１延出部５０ａと、第２固定電極部５２とは、平面形状が同じであり、かつ、第１軸Ｑ１からの距離が等しい位置に配置されている。

第１固定電極部５０は、平面視で第１シーソー片２０ａの第２軸Ｑ２の方向（Ｘ軸方向）の端部２４と重なる位置に設けられ、かつ、第１シーソー片２０ａの第２軸Ｑ２の方向（Ｘ軸方向）の幅をＸとし、第１固定電極部５０の平面視で可動体２０と重なる部分の第２軸Ｑ２の幅をＬとしたときに、０．０５００Ｘ≦Ｌ≦０．８１６Ｘの範囲に設けられている。これにより、第１可動電極部２１と第１固定電極部５０との間の距離を確保しつつ、感度を保ちながら、初期状態における静電容量Ｃ１を小さくすることができる。なお、図示の例では、幅Ｌは、第１固定電極部５０の第１延出部５０ａの幅（Ｘ軸方向の大きさ）である。また、幅Ｌは、支持基板１０の第１位置Ｐ１と固定電極部５０の＋Ｘ軸方向の端部との間の距離と等しい。また、幅Ｌが、０．１６４Ｘ≦Ｌ≦０．６３３Ｘの範囲であることにより、第１可動電極部２１と第１固定電極部５０との間の距離を確保しつつ、感度を保ちながら、初期状態における静電容量Ｃ１を、より小さくすることができる。以下、その理由について説明する。

図３は、第１固定電極部５０の可動体２０と重なる部分の幅Ｌの範囲を説明するための物理量センサーのモデルを示す図である。図３（Ａ）は、モデルＭ１を模式的に示す断面図である。図３（Ｂ）は、モデルＭ２を模式的に示す断面図である。

モデルＭ１およびモデルＭ２において、可動電極部１２１と固定電極部１５０との間の初期容量Ｃ_０は、下記式（１）で示される。なお、初期容量Ｃ_０とは、可動体１２０が水平な状態における静電容量Ｃ１であり、加速度が印加されていない状態における静電容量Ｃ１である。

ただし、εは、電極部１２１，１５０間の誘電体の誘電率である。Ｓは、電極部１２１，１５０の対向面積（平面視で電極部１２１，１５０が重なる領域の面積）である。ｄは、初期状態における電極部１２１，１５０間の距離（ギャップ）である。

また、物理量センサーの感度ΔＣは、下記式（２）で示される。

ただし、ω_０は、共振角周波数であり、Δｄは、可動電極部１２１のＺ軸方向の変位の大きさを示す。具体的には、Δｄは、可動体１２０の第１シーソー片１２０ａの端部１２４が、Ｚ軸方向にΔｚ変位したときの、可動電極部１２１のＺ軸方向の変位の大きさである。

式（１）および式（２）から、感度ΔＣを一定に保ちながら、初期容量Ｃ_０を小さくするためには、電極部１２１，１５０の対向面積Ｓを小さくしつつ、電極部１２１，１５０間のギャップｄを小さくする必要があることがわかる。

ここで、モデルＭ１およびモデルＭ２について、感度ΔＣが一定となる、面積比と初期容量Ｃ_０比との関係、および、面積比と電極間ギャップｄ比との関係を、式（２）から算出した。なお、面積比とは、第１シーソー片１２０ａの全体の面積に対する、電極部１２１，１５０の対向面積Ｓの割合である。例えば、面積比が１の場合とは、固定電極部１５０の幅が第１位置Ｐ１から第２位置Ｐ２まである場合、すなわち、固定電極部１５０が第１位置Ｐ１から第２位置Ｐ２まで延出している場合である。また、初期容量Ｃ_０比とは、各面積比における初期容量Ｃ_０を、面積比が１のときの初期容量Ｃ_０で規格化したものである。また、電極間ギャップｄ比とは、各面積比における電極部１２１，１５０間の距離（ギャップ）ｄを、面積比が１のときの電極部１２１，１５０間の距離（ギャップ）ｄで規格化したものである。

モデルＭ１では、固定電極部１５０の中心の位置を、第１シーソー片２０ａの中心と重なる支持基板１１０の第３位置Ｐ３（第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２との中間の位置）に固定し、固定電極部１５０の幅（Ｘ軸方向の大きさ）を変えて、電極部１２１，１５０の対向面積Ｓを変えた。そのため、式（１）および式（２）において、電極部１２１，１５０の対向面積Ｓを変化させても、可動電極部１２１の変位Δｄは、一定であるものとして計算を行った。なお、固定電極部１５０の長さ（Ｙ軸方向の大きさ）は、一定とした。

図４は、モデルＭ１において、感度ΔＣが一定となる、面積比と初期容量Ｃ_０比との関係、および面積比と電極間ギャップｄ比との関係を示すグラフである。図４に示すように、モデルＭ１では、感度ΔＣを一定に保ちつつ、面積比を小さくすると、初期容量Ｃ_０比および電極間ギャップｄ比ともに、同様の傾向で減少する。そのため、感度ΔＣを一定に保ちつつ初期容量Ｃ_０を小さくすると、電極部１２１，１５０間のギャップｄが小さくなる。電極部１２１，１５０間のギャップｄが小さくなると、可動電極部１２１が、固定電極部１５０や支持基板１１０に張り付いたり、機械特性であるＱ値が悪化したりする場合がある。

モデルＭ２では、固定電極部１５０の端部を第１位置Ｐ１に固定し、固定電極部１５０を、第１位置Ｐ１から第２位置Ｐ２に向かって延出させることで、固定電極部１５０のＸ軸方向の幅を変えて、電極部１２１，１５０の対向面積Ｓを変えた。すなわち、式（２）において、可動電極部１２１の変位の大きさΔｄは、Δｄ＝（−０．５×電極線幅占有率＋１）×Δｚである。ここで、電極線幅占有率とは、固定電極部１５０のＸ軸方向の幅を、第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２との間の距離で規格化したものである。例えば、固定電極部１５０が第１位置Ｐ１から第３位置Ｐ３まで延出している場合、電極線幅占有率は、０．５であり、固定電極部１５０が第１位置Ｐ１から第２位置Ｐ２まで延出している場合、電極線幅占有率は、１である。なお、固定電極部１５０の長さ（Ｙ軸方向の大きさ）は、一定とした。そのため、図４および図５では、面積比を、電極線幅占有率に置き換えることができる。

図５は、モデルＭ２において、感度ΔＣが一定となる、面積比と初期容量Ｃ_０比との関係、および面積比と電極間ギャップｄ比との関係を示すグラフである。図５に示すように、モデルＭ２では、モデルＭ１と比べて、初期容量Ｃ_０比の減少に伴う、電極間ギャップｄ比の減少の割合が小さい。すなわち、モデルＭ２では、モデルＭ１と比べて、感度ΔＣを一定にしつつ初期容量Ｃ_０を小さくしても、初期状態における電極部１２１，１５０間のギャップｄを大きくすることができる。

図６は、モデルＭ２において、感度ΔＣが一定となる、面積比と、初期容量Ｃ_０比と電極間ギャップｄ比との差（｜初期容量Ｃ_０比−電極間ギャップｄ比｜）と、の関係を示すグラフである。図６に示すグラフから、モデルＭ２では、電極線幅占有率（面積比）をＬ１とすると、０．０５００≦Ｌ１≦０．８１６の範囲で、初期容量Ｃ_０比と電極間ギャップｄ比との差が０．１５以上であることがわかる。初期容量Ｃ_０比と電極間ギャップｄ比との差が０．１５以上であることにより、電極部間の距離を確保しつつ、感度ΔＣを保ちながら初期容量を小さくすることができる。また、面積比が０．０５００より小さい場合、固定電極部が小さくなりすぎて、固定電極部の製造が困難である。電極線幅占有率（面積比）Ｌ１が０．０５００以上であることにより、固定電極部を容易に製造することができる。さらに、図６に示すグラフから、モデルＭ２では、電極線幅占有率（面積比）Ｌ１が０．１６４≦Ｌ１≦０．６３３の範囲で、初期容量Ｃ_０比と電極間ギャップｄ比との差が０．２以上であることがわかる。初期容量Ｃ_０比と電極間ギャップｄ比との差が０．２以上であれば、電極部間の距離を確保しつつ、感度ΔＣを保ちながら、初期容量を、より小さくすることができる。さらに、図６に示すグラフから、モデルＭ２では、電極線幅占有率（面積比）Ｌ１が０．３８０のときに、初期容量Ｃ_０比と電極間ギャップｄ比との差が最も大きくなることがわかる。そのため、電極線幅占有率（面積比）Ｌ１を０．３８０にすることにより、より確実に、可動電極部と固定電極部との間の距離を確保しつつ、感度を保ちながら、初期容量を小さくすることができる。なお、図１および図２に示す物理量センサー１００では、モデルＭ２における電極線幅占有率（面積比）Ｌ１は、第１固定電極部５０の平面視で可動体２０と重なる部分の第２軸Ｑ２の方向の幅Ｌに対応する。

上記の結果から、物理量センサー１００では、第１固定電極部５０は、平面視で第１シーソー片２０ａの第２軸Ｑ２の方向（Ｘ軸方向）の端部２４と重なる位置に設けられ、かつ、第１シーソー片２０ａの第２軸Ｑ２の方向の幅をＸとし、第１固定電極部５０の平面視で可動体２０と重なる部分の第２軸Ｑ２の幅をＬとしたときに、０．０５００Ｘ≦Ｌ≦０．８１６Ｘの範囲に設けられていることにより、第１可動電極部２１と第１固定電極部５０との間の距離を確保しつつ、感度を保ちながら初期状態における静電容量Ｃ１を小さくすることができる。さらに、第１固定電極部５０の平面視で可動体２０と重なる部分の第２軸Ｑ２の方向の幅Ｌが、０．１６４Ｘ≦Ｌ≦０．６３３Ｘの範囲であることにより、第１可動電極部２１と第１固定電極部５０との間の距離を確保しつつ、感度を保ちながら初期状態における静電容量Ｃ１を、より小さくすることができる。さらに、第１固定電極部５０の平面視で可動体２０と重なる部分の第２軸Ｑ２の方向の幅Ｌが、Ｌ＝０．３８０であることにより、より確実に、第１可動電極部２１と第１固定電極部５０との間の距離を確保しつつ、感度を保ちながら初期状態における静電容量Ｃ１を小さくすることができる。

固定電極部５０，５２の材質は、例えば、アルミ、金、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）等である。固定電極部５０，５２の材質は、ＩＴＯ等の透明電極材料であることが望ましい。固定電極部５０，５２として、透明電極材料を用いることにより、支持基板１０が透明基板（ガラス基板）である場合、固定電極部５０，５２上に存在する異物等を容易に視認することができるためである。

蓋体６０は、支持基板１０に載置されている。蓋体６０としては、例えば、シリコン基板（シリコン製の基板）を用いることができる。支持基板１０としてガラス基板を用いた場合、支持基板１０と蓋体６０とは、陽極接合によって接合されていてもよい。

次に、物理量センサー１００の動作について説明する。物理量センサー１００では、加速度、角速度等の物理量に応じて、可動体２０が第１軸Ｑ１まわりに揺動（回動）する。この可動体２０の動きに伴って、第１可動電極部２１と第１固定電極部５０との間の距離、および第２可動電極部２２と第２固定電極部５２との間の距離が変化する。具体的には、電極部２１，５０間の距離および電極部２２，５２間の距離のうちの一方の距離が大きくなり、他方の距離が小さくなる。そのため、可動体２０の揺動（回動）によって、静電容量Ｃ１，Ｃ２のうちの一方が大きくなり、他方が小さくなる。したがって、静電容量Ｃ１と静電容量Ｃ２との差に基づいて（差動検出により）、加速度や角速度等の物理量を検出することができる。

上述のように、物理量センサー１００は、加速度センサーやジャイロセンサー等の慣性センサーとして使用することができ、具体的には、例えば、鉛直方向の加速度を測定するための静電容量型加速度センサーとして使用することができる。

本実施形態に係る物理量センサー１００は、例えば、以下の特徴を有する。

物理量センサー１００では、第１固定電極部５０は、平面視で第１シーソー片２０ａの第２軸Ｑ２の方向（Ｘ軸方向）の端部２４と重なる位置に設けられ、かつ、第１シーソー片２０ａの第２軸Ｑ２の方向の幅をＸとし、第１固定電極部５０の平面視で可動体２０と重なる部分の第２軸Ｑ２の方向の幅をＬとしたときに、０．０５００Ｘ≦Ｌ≦０．８１６Ｘの範囲に設けられている。これにより、上述したように、第１可動電極部２１と第１固定電極部５０との間の距離を確保しつつ、感度を保ちながら、初期状態における静電容量Ｃ１を小さくすることができる。したがって、小型化を図りつつ、良好なノイズ特性を有することができる。また、電極部２１，５０間の距離を確保できるので、可動電極部が固定電極部や支持基板に張り付いたり、Ｑ値が悪化したりすることを防ぐことができる。

例えば、物理量センサーにおいて、小型化を図ろうとすると、静電容量を形成する電極面積は小さくなる。そのため、共振周波数を変えずに、検出感度を高めるためには、電極間のギャップ（可動電極部と固定電極部との間隙の大きさ）を小さくしなければならない。しかしながら、電極間のギャップを小さくして、所望の検出感度が得られても、初期容量は、大きくなる傾向にある。初期容量が大きくなると、ノイズゲインとなりノイズ特性の悪化を招く場合がある。また、電極間のギャップが小さくなると、例えば製造工程における電極部の張り付きやＱ値の悪化が起こる場合がある。物理量センサー１００によれば、第１可動電極部２１と第１固定電極部５０との間の距離を確保しつつ、感度を保ちながら、初期状態における静電容量Ｃ１を小さくすることができるため、小型化を図りつつ、良好なノイズ特性を有することができる。また、電極部の張り付きやＱ値の悪化を防ぐことができる。

さらに、物理量センサー１００では、第１固定電極部５０の平面視で可動体２０と重なる部分の第２軸Ｑ２の方向の幅Ｌが、０．１６４Ｘ≦Ｌ≦０．６３３Ｘの範囲であることができる。これにより、第１可動電極部２１と第１固定電極部５０との間の距離を確保しつつ、感度を保ちながら、初期状態における静電容量Ｃ１をより小さくすることができるため、小型化を図りつつ、より良好なノイズ特性を有することができる。

物理量センサー１００では、支持基板１０に、第２シーソー片２０ｂと対向して配置されている第２固定電極部５２を有し、第２シーソー片２０ｂには、第２可動電極部２２が設けられている。そのため、第１可動電極部２１と第１固定電極部５０との間の静電容量Ｃ１および第２可動電極部２２と第２固定電極部５２との間の静電容量Ｃ２に基づいて、物理量を検出することができる。

物理量センサー１００では、平面視において、第１可動電極部２１と第１固定電極部５０とが重なる第１領域αと、第２可動電極部２２と第２固定電極部５２とが重なる第２領域βとは、第１軸Ｑ１に対して対称である。これにより、可動体２０が傾いた際の、静電容量Ｃ１の変化量と静電容量Ｃ２の変化量とを同じにできるため、容易に、静電容量Ｃ１と静電容量Ｃ２との差に基づいて、加速度や角速度等の物理量を検出することができる。

物理量センサー１００では、第１固定電極部５０は、平面視で第１シーソー片２０ａの端部２４からはみだした第２延出部５０ｂを有している。これにより、平面視において、支持基板１０の第１位置Ｐ１に、第１固定電極部５０の端部を一致させなくてもよいため、製造工程を容易化することができる。

物理量センサー１００では、第１シーソー片２０ａの質量は、第２シーソー片２０ｂの質量よりも小さい。そのため、例えば鉛直方向の加速度が加わったときに、可動体２０の一方側（第１シーソー片２０ａ）の回転モーメントと、可動体２０の他方側（第２シーソー片２０ｂ）の回転モーメントとが均衡せず、可動体に所定の傾きを生じさせることができる。

物理量センサー１００によれば、支持基板１０を絶縁材料、可動体２０を半導体材料にすることにより、可動体２０と支持基板１０とを貼り合わせることで容易に両者を電気的に絶縁することができ、センサー構造を簡素化することができる。

２． 物理量センサーの製造方法
次に、本実施形態に係る物理量センサーの製造方法について、図面を参照しながら説明する。図７〜図９は、本実施形態に係る物理量センサー１００の製造工程を模式的に示す断面図である。

図７に示すように、例えば、ガラス基板をエッチングしてガラス基板に凹部１２を形成して、支持基板１０を得る。エッチングは、例えば、ウエットエッチングにより行われる。

次に、凹部１２の底面を規定する支持基板１０の面１４に、第１固定電極部５０および第２固定電極部５２を形成する。固定電極部５０，５２は、スパッタ法等により支持基板１０の面１４上に導電層を成膜した後、当該導電層をフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いてパターニングすることにより形成される。第１固定電極部５０は、第１固定電極部５０の平面視で可動体２０と重なる部分の第２軸Ｑ２の方向の幅Ｌが、例えば０．０５００≦Ｌ≦０．８１６の範囲となるように形成される。

図８に示すように、支持基板１０に、シリコン基板２０１（センサー基板）を接合させる。支持基板１０とシリコン基板２０１との接合は、例えば、陽極接合や直接接合、または接着剤を用いて行われる。

図９に示すように、シリコン基板２０１を、例えば研削機によって研削して薄膜化した後、所望の形状にパターニングして、可動体２０、梁部３０，３２、および固定部４０を形成する。可動体２０は、第１シーソー片２０ａの端部２４が第１位置Ｐ１の上方に形成される。また、梁部３０，３２は、第２位置Ｐ２の上方に形成される。パターニングは、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術（ドライエッチング）によって行われ、より具体的なエッチング技術として、ボッシュ（Ｂｏｓｃｈ）法を用いることができる。本工程では、シリコン基板２０１をパターニング（エッチング）することにより、可動体２０、梁部３０，３２、固定部４０が一体的に形成される。

図１および図２に示すように、支持基板１０に蓋体６０を接合して、支持基板１０および蓋体６０によって形成される空間に可動体２０を収容する。支持基板１０と蓋体６０との接合は、例えば、陽極接合や接着剤等を用いて行われる。本工程を、不活性ガス雰囲気で行うことにより、可動体２０が収容される空間に不活性ガスを充填することができる。

以上の工程により、物理量センサー１００を製造することができる。

３． 電子機器
次に、本実施形態に係る電子機器について、図面を参照しながら説明する。本実施形態に係る電子機器は、本発明に係る物理量センサーを含む。以下では、本発明に係る物理量センサーとして、物理量センサー１００を含む電子機器について、説明する。

図１０は、本実施形態に係る電子機器として、モバイル型（またはノート型）のパーソナルコンピューター１１００を模式的に示す斜視図である。

図１０に示すように、パーソナルコンピューター１１００は、キーボード１１０２を備えた本体部１１０４と、表示部１１０８を有する表示ユニット１１０６と、により構成され、表示ユニット１１０６は、本体部１１０４に対しヒンジ構造部を介して回動可能に支持されている。

このようなパーソナルコンピューター１１００には、物理量センサー１００が内蔵されている。

図１１は、本実施形態に係る電子機器として、携帯電話機（ＰＨＳも含む）１２００を模式的に示す斜視図である。

図１１に示すように、携帯電話機１２００は、複数の操作ボタン１２０２、受話口１２０４および送話口１２０６を備え、操作ボタン１２０２と受話口１２０４との間には、表示部１２０８が配置されている。

このような携帯電話機１２００には、物理量センサー１００が内蔵されている。

図１２は、本実施形態に係る電子機器として、デジタルスチルカメラ１３００を模式的に示す斜視図である。なお、図１２には、外部機器との接続についても簡易的に示している。

ここで、通常のカメラは、被写体の光像により銀塩写真フィルムを感光するのに対し、デジタルスチルカメラ１３００は、被写体の光像をＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）などの撮像素子により光電変換して撮像信号（画像信号）を生成する。

デジタルスチルカメラ１３００におけるケース（ボディー）１３０２の背面には、表示部１３１０が設けられ、ＣＣＤによる撮像信号に基づいて表示を行う構成になっており、表示部１３１０は、被写体を電子画像として表示するファインダーとして機能する。

また、ケース１３０２の正面側（図中裏面側）には、光学レンズ（撮像光学系）やＣＣＤなどを含む受光ユニット１３０４が設けられている。

撮影者が表示部１３１０に表示された被写体像を確認し、シャッターボタン１３０６を押下すると、その時点におけるＣＣＤの撮像信号が、メモリー１３０８に転送・格納される。

また、このデジタルスチルカメラ１３００においては、ケース１３０２の側面に、ビデオ信号出力端子１３１２と、データ通信用の入出力端子１３１４とが設けられている。そして、ビデオ信号出力端子１３１２には、テレビモニター１４３０が、データ通信用の入出力端子１３１４には、パーソナルコンピューター１４４０が、それぞれ必要に応じて接続される。さらに、所定の操作により、メモリー１３０８に格納された撮像信号が、テレビモニター１４３０や、パーソナルコンピューター１４４０に出力される構成になっている。

このようなデジタルスチルカメラ１３００には、物理量センサー１００が内蔵されている。

以上のような電子機器１１００，１２００，１３００は、小型化を図りつつ、良好なノイズ特性を有することができる物理量センサー１００を含む。そのため、電子機器１１００，１２００，１３００は、小型化を図りつつ、良好なノイズ特性を有することができる。

なお、上記物理量センサー１００を備えた電子機器は、図１０に示すパーソナルコンピューター（モバイル型パーソナルコンピューター）、図１１に示す携帯電話機、図１２に示すデジタルスチルカメラの他にも、例えば、インクジェット式吐出装置（例えばインクジェットプリンター）、ラップトップ型パーソナルコンピューター、テレビ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、各種ナビゲーション装置、ページャー、電子手帳（通信機能付も含む）、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、ＰＯＳ端末、医療機器（例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡）、魚群探知機、各種測定機器、計器類（例えば、車両、航空機、船舶の計器類）、フライトシミュレーターなどに適用することができる。

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

α…第１領域、β…第２領域、２，４…間隙、１０…支持基板、１２…凹部、１４…面、２０…可動体、２０ａ…第１シーソー片、２０ｂ…第２シーソー片、２１…第１可動電極部、２２…第２可動電極部、２４，２５…端部、３０…第１梁部、３２…第２梁部、４０…固定部、５０…第１固定電極部、５０ａ…第１延出部、５０ｂ…第２延出部、５２…第２固定電極部、６０…蓋体、１００…物理量センサー、１１０…支持基板、１２０…可動体、１２０ａ…第１シーソー片、１２１…可動電極部、１２４…端部、１５０…固定電極部、２０１…シリコン基板、Ｐ１…第１位置、Ｐ２…第２位置、Ｐ３…第３位置、Ｑ１…第１軸、Ｑ２…第２軸、１１００…パーソナルコンピューター、１１００…電子機器、１１０２…キーボード、１１０４…本体部、１１０６…表示ユニット、１１０８…表示部、１２００…携帯電話機、１２０２…操作ボタン、１２０４…受話口、１２０６…送話口、１２０８…表示部、１３００…デジタルスチルカメラ、１３０２…ケース、１３０４…受光ユニット、１３０６…シャッターボタン、１３０８…メモリー、１３１０…表示部、１３１２…ビデオ信号出力端子、１３１４…入出力端子、１４３０…テレビモニター、１４４０…パーソナルコンピューター

Claims (8)

1. 基板と、
   第１軸を回転軸として変位可能であって、平面視で前記第１軸を境にして、第１部分および第２部分を有し、前記第１部分に第１可動電極部が設けられた可動体と、
   前記可動体を前記第１軸まわりに変位可能に支持する梁部と、
   前記基板に、前記第１可動電極部と対向して配置されている第１固定電極部と、
   を含み、
   前記第１部分の前記第１軸に直交する第２軸の方向の幅は、前記第２部分の前記第２軸の方向の幅よりも小さく、
   前記固定電極部は、
   平面視で前記第１部分の前記第２軸の方向の端部と重なる位置に設けられ、
   且つ、前記第１部分の前記第２軸の方向の幅をＸとし、前記第１固定電極部の平面視で前記可動体と重なる部分の前記第２軸の方向の幅をＬとしたときに、０．０５００Ｘ≦Ｌ≦０．８１６Ｘの範囲に設けられている、物理量センサー。
2. 請求項１において、
   前記第１固定電極部は、０．１６４Ｘ≦Ｌ≦０．６３３Ｘの範囲に設けられている、物理量センサー。
3. 請求項１または２において、
   前記基板には、前記第２部分と対向して第２固定電極部が設けられ、
   前記可動体の前記第２部分には、第２可動電極部が設けられている、物理量センサー。
4. 請求項３において、
   平面視において、前記第１可動電極部と前記第１固定電極部とが重なる領域と、前記第２可動電極部と前記第２固定電極部とが重なる領域とは、前記第１軸に対して対称である、物理量センサー。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項において、
   前記第１固定電極部は、平面視で前記端部からはみ出した部分を有している、物理量センサー。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項において、
   前記第１部分の質量は、前記第２部分の質量よりも小さい、物理量センサー。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項において、
   前記基板は絶縁材料で構成され、前記可動体は半導体材料で構成される、物理量センサー。
8. 請求項１ないし７いずれか１項に記載の物理量センサーを含む、電子機器。