JP2013228243A - Capacitance sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、静電容量式センサに関する。 The present invention relates to a capacitive sensor.
従来、静電容量式センサとして、可動電極を有する可動体とフレーム部とを備える半導体基板の表面に、可動体の可動電極と対向するように離間配置された固定電極が形成された上部固定板を接合させたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。 2. Description of the Related Art Conventionally, as a capacitive sensor, an upper fixed plate in which fixed electrodes are formed on a surface of a semiconductor substrate including a movable body having a movable electrode and a frame portion so as to be opposed to the movable electrode of the movable body Is known (see, for example, Patent Document 1).
この特許文献1では、固定電極の可動電極と対向する部位に突起状のストッパを設けることで、過大な外力等の作用により可動体が変位した際に、固定電極や上部固定板に可動電極が直接衝突して可動体が上部固定板に張り付いてしまうのを抑制している。
In this
しかしながら、上記従来の技術では、過大な外力等の作用により可動体が変位して可動電極が突起状のストッパと接触した際に、可動電極とストッパとが互いに擦れてストッパ等を破壊してしまうおそれがあった。このように、ストッパ等が破壊されると、異物が発生し、当該異物によって可動体の変位が阻害されて、センサとしての機能が損なわれてしまうおそれがあった。すなわち、上記従来の技術では、デバイス特性が低下してしまうおそれがあった。 However, in the above conventional technique, when the movable body is displaced by the action of an excessive external force and the movable electrode comes into contact with the protruding stopper, the movable electrode and the stopper are rubbed against each other to destroy the stopper or the like. There was a fear. As described above, when the stopper or the like is broken, a foreign matter is generated, and the displacement of the movable body is hindered by the foreign matter, so that the function as a sensor may be impaired. That is, in the above conventional technique, there is a possibility that the device characteristics are deteriorated.
そこで、本発明は、デバイス特性が低下してしまうのを抑制することのできる静電容量式センサを得ることを目的とする。 Then, an object of this invention is to obtain the electrostatic capacitance type sensor which can suppress that a device characteristic falls.
本発明の第1の特徴は、可動電極を有する可動体が相対変位可能に形成された半導体基板の一面に、前記可動電極との間に間隔を設けて対向配置される固定電極が形成された第1の固定板を接合した静電容量式センサであって、前記可動電極および固定電極のうち少なくともいずれか一方の電極にはストッパが設けられており、前記ストッパは、前記可動体が相対変位した際に他方の電極側と当接する当接面を有する可撓性の当接部を備えており、当該当接部の前記当接面の反対側には、前記当接部の撓みを許容する空間が形成されていることを要旨とする。 A first feature of the present invention is that a fixed electrode is formed on one surface of a semiconductor substrate on which a movable body having a movable electrode is formed so as to be capable of relative displacement, and is opposed to the movable electrode with a gap therebetween. A capacitance type sensor in which a first fixed plate is joined, and at least one of the movable electrode and the fixed electrode is provided with a stopper, and the movable body is relatively displaced by the stopper. A flexible abutting portion having an abutting surface that abuts against the other electrode side, and the abutting portion is allowed to bend on the opposite side of the abutting surface. The gist is that a space is formed.
本発明の第2の特徴は、前記ストッパは、略L字状または略T字状に形成されていることを要旨とする。 The gist of the second feature of the present invention is that the stopper is formed in a substantially L shape or a T shape.
本発明の第3の特徴は、前記ストッパは、絶縁性材料で形成されていることを要旨とする。 The gist of the third feature of the present invention is that the stopper is made of an insulating material.
本発明によれば、ストッパは、可動体が相対変位した際に他方の電極側と当接する当接面を有する可撓性の当接部を備えており、当該当接部の当接面の反対側には、当接部の撓みを許容する空間を形成している。したがって、過大な外力等の作用により可動体が相対変位してストッパの当接部が他方の電極側と当接した際に、ストッパの当接部を可動体の相対変位方向に撓ませることができる。そのため、ストッパの当接部と他方の電極側との間に擦れが生じてしまうのを抑制することができる。その結果、ストッパ等の破壊による異物の発生が抑制され、異物による可動体の変位の阻害を抑制することができる。 According to the present invention, the stopper includes a flexible contact portion having a contact surface that contacts the other electrode side when the movable body is relatively displaced. On the opposite side, a space that allows the contact portion to bend is formed. Therefore, when the movable body is relatively displaced by the action of an excessive external force and the contact portion of the stopper contacts the other electrode side, the contact portion of the stopper may be bent in the relative displacement direction of the movable body. it can. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of rubbing between the contact portion of the stopper and the other electrode side. As a result, the generation of foreign matter due to the destruction of the stopper or the like is suppressed, and inhibition of displacement of the movable body due to the foreign matter can be suppressed.
このように、本発明によれば、デバイス特性が低下してしまうのを抑制することのできる静電容量式センサを得ることができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a capacitance type sensor that can suppress deterioration of device characteristics.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。以下では、静電容量式センサとして、加速度センサを例示する。また、錘部の可動電極が形成される側を半導体基板の表面側と定義する。そして、半導体基板の短手方向をX方向、半導体基板の長手方向をY方向、半導体基板の厚さ方向をZ方向として説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Below, an acceleration sensor is illustrated as an electrostatic capacitance type sensor. Further, the side of the weight portion on which the movable electrode is formed is defined as the surface side of the semiconductor substrate. Then, the short direction of the semiconductor substrate will be described as the X direction, the longitudinal direction of the semiconductor substrate as the Y direction, and the thickness direction of the semiconductor substrate as the Z direction.
また、以下の複数の実施形態には、同様の構成要素が含まれている。よって、以下では、それら同様の構成要素には共通の符号を付与するとともに、重複する説明を省略する。 Moreover, the same component is contained in the following several embodiment. Therefore, in the following, common reference numerals are given to those similar components, and redundant description is omitted.
(第1実施形態)
本実施形態にかかる加速度センサ(静電容量式センサ)1は、図1に示すように、半導体素子デバイスを形成したシリコン基板(半導体基板)4を備えている。そして、このシリコン基板4の表面(一面)4aおよび裏面(他面)4bにそれぞれ接合されたガラス製の第1の絶縁性基板(第1の固定板)2および第2の絶縁性基板(第2の固定板)3を備えている。本実施形態では、このシリコン基板4と第1の絶縁性基板2および第2の絶縁性基板3とを陽極接合によって接合している。
(First embodiment)
As shown in FIG. 1, an acceleration sensor (capacitance sensor) 1 according to this embodiment includes a silicon substrate (semiconductor substrate) 4 on which a semiconductor element device is formed. The first insulating substrate (first fixing plate) 2 and the second insulating substrate (first fixing plate) 2 made of glass bonded to the front surface (one surface) 4a and the back surface (other surface) 4b of the
そして、第1の絶縁性基板2の下面(内面)2aには、矩形状の錘部(可動体)5,6の設置領域に対応した矩形状の固定電極21a,21bおよび22a,22bがそれぞれ設けられている。
Then, on the lower surface (inner surface) 2a of the first
また、第2の絶縁性基板3の上面(内面)3aには、錘部5,6の設置領域に対応した領域に矩形状の付着防止膜31,32がそれぞれ形成されている。付着防止膜31,32は、例えば、固定電極21a,21bおよび22a,22bと同じ材料で形成することができる。
In addition, on the upper surface (inner surface) 3 a of the second
シリコン基板4は、2つの枠部40a,40bがY方向(シリコン基板4の長手方向)に並設されたフレーム部40と、枠部40a,40bの内周面に対して隙間43を空けた状態で枠部40a,40b内に配置された錘部5,6と、フレーム部40に対して錘部5,6をそれぞれ回動自在に支持する1対のビーム部7a,7bおよび8a,8bと、錘部5,6の表面(一面)に形成される可動電極5a,6aと、を備えている。
The
本実施形態では、このシリコン基板4として、Siからなるシリコン活性層111とSiからなる支持基板113との間にSiO2からなる埋込絶縁層112が介在する矩形状のSOI基板を用いている。なお、シリコン基板4の長手方向辺は約2〜4mmで、厚さは約0.4〜0.6mmであり、シリコン活性層111の厚さは約10〜20μm、埋込絶縁層112の厚さは、約0.5μmである。
In this embodiment, a rectangular SOI substrate in which a buried
フレーム部40は、本実施形態では、Z方向(シリコン基板4の厚さ方向)から見て略矩形状の外側フレーム部41と、X方向(シリコン基板4の短手方向)に延在し、外側フレーム部41のY方向(シリコン基板4の長手方向)略中央部を連結する中央フレーム部42と、を備えている。
In this embodiment, the
錘部5,6は、図3および図4に示すように、一面(裏面)に開口する凹部55,65と、凹部55,65を除く充実部53,63とが一体に形成されている。すなわち、錘部5,6に一面(裏面)に開口する凹部55,65を形成することで、錘部5,6に、肉厚の充実部53,63と肉薄の薄肉部54,64とを形成している。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
充実部53,63は、図4に示すように、裏面側からみた状態で、矩形状に形成されており、それぞれの充実部53,63には、対角線状の溝部56,66が可動電極5a,6aに対して垂直に形成されている。
As shown in FIG. 4, the
また、凹部55,65は4辺に側壁を持つ矩形に形成されており、内部には、補強壁57,67が可動電極5a,6aに対して垂直に設けられている。
Further, the
本実施形態では、凹部55は、後述する回動軸A1よりもX方向一方側(図1の奥側)に形成されるとともに、凹部65は、後述する回動軸A2よりもX方向他方側(図1の手前側)に形成されている。
In the present embodiment, the
なお、本実施形態では、錘部5,6の表面に可動電極5a,6aの機能を持たせているが、錘部5,6における固定電極21a,21bおよび22a,22bとの対向面に可動電極を別途形成するようにしてもよい。
In this embodiment, the functions of the
ビーム部7a,7bおよび8a,8bは、SOI基板(シリコン基板4)のシリコン活性層111に形成されており、SOI基板の埋込絶縁層112をエッチングストップとして深堀エッチングし、更に埋込絶縁層112を選択的にエッチング除去することで形成される。
The
ビーム部7a,7bは、錘部5の表面(可動電極5a)の対向する2辺上にそれぞれ位置し、ビーム部7a,7bがねじれることにより、可動電極5aは、ビーム部7a,7bを互いに結ぶ直線を回転軸(軸)A1として揺動する。同様に、ビーム部8a,8bは、錘部6の表面(可動電極6a)の対向する2辺上にそれぞれ位置し、可動電極6aは、ビーム部8a,8bを互いに結ぶ直線を回転軸(軸)A2として揺動する。
The
また、ビーム部7a,7bおよびビーム部8a,8bは、錘部5,6の表面の2辺の、それぞれ中点に位置している。
The
また、本実施形態では、錘部5と錘部6、ビーム部7aとビーム部8a、およびビーム部7bとビーム部8bがそれぞれシリコン基板4の一点(ビーム部7bとビーム部8bとを結ぶ線分の中点)に対して点対称となるように配置されている。
Further, in the present embodiment, the
ところで、本実施形態では、図4に示すように、錘部5の裏側における回転軸(軸)A1の一方側に凹部55が形成されており、錘部5の重心が他方側に片寄るようにしている。同様に、錘部6の裏側における一方の錘部5に凹部55を設けた一方側とは反対となる他方側(回転軸(軸)A2の他方側)に、凹部65が形成されており、錘部6の重心が一方側に片寄るようにしている。そして、X方向もしくはZ方向に加速度が印加されると、図5に示すように動作し、X方向およびZ方向に印加される加速度aを検出できるようにしている(図7および図8参照)。
By the way, in this embodiment, as shown in FIG. 4, the recessed
このとき、双方の錘部5,6は、例えば図4によって一方の錘部5を例にとって述べると、凹部55が形成されない側の重心Gから表面(可動電極5a)に下ろした垂線と、その重心Gと回転軸(軸)A1とを結ぶ直線とでなす角度θがほぼ45度となるように設定されている。なお、他方の錘部6にあっても同様であるが、この場合は上述したように重心位置が回転軸(軸)A2を挟んで錘部5の重心Gとは反対側に存在することになる。このように重心Gを配置すれば、X方向とZ方向の検出感度が等価になるため、それぞれの方向の検出感度をほぼ同一とすることができる。
At this time, for example, referring to FIG. 4 as an example of one of the
また、シリコン基板4と第1の絶縁性基板2および第2の絶縁性基板3との接合面には比較的浅いギャップG1,G2がそれぞれ形成されており、シリコン基板4各部の絶縁性や錘部(可動電極5a,6a)5,6の動作性の確保が図られている。すなわち、シリコン基板4の表面(一面)4aに第1の絶縁性基板(第1の固定板)2を接合し、シリコン基板4の裏面(他面)4bに第2の絶縁性基板(第2の固定板)3を接合することで空間部Sを形成している。そして、この空間部Sを形成することで、錘部(可動電極5a,6a)5,6の動作性を確保している。
In addition, relatively shallow gaps G1 and G2 are formed on the bonding surface between the
なお、シリコン基板4の裏面側のギャップG2は、アルカリ性湿式異方性エッチング液(例えば、KOH(水酸化カリウム水溶液)、TMAH(テトラメチル水酸化アンモニウム水溶液)等)を用いたシリコン異方性エッチングによりシリコン基板4の一部を除去することで形成することができる。このとき、上述した凹部55,65も同時に形成するのが好適である。
The gap G2 on the back side of the
また、隙間43および隙間44は、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)などにより垂直エッチング加工をすることで形成している。反応性イオンエッチングとしては、例えば、誘導結合型プラズマ(ICP:Inductively Coupled Plasma)を備えたエッチング装置によるICP加工を利用することができる。
In addition, the
また、錘部5,6の表面(可動電極5a,6a)の4隅およびビーム部7a,7b、ビーム部8a,8bの近傍には、錘部5,6(可動電極5a,6a)が第1の絶縁性基板2の固定電極21a,21b,22a,22bに直接衝突するのを防止するための突起部(ストッパ)51,61が突設されている。すなわち、可動電極5a,6aには、それぞれ8つの突起部(ストッパ)51,61が突設されている。
Further, the
同様に、錘部5,6の裏面の4隅およびビーム部7a,7b、ビーム部8a,8bの近傍には、錘部5,6が第2の絶縁性基板3の付着防止膜31,32に直接衝突するのを防止するための突起部(ストッパ)52,62が突設されている。
Similarly, the
また、本実施形態では、外側フレーム部41は、X方向一端側(図2の下側)が幅広に形成されており、この外側フレーム部41のX方向一端側には、錘部5,6が配置される隙間43,43とそれぞれ連続するように隙間44,44が形成されている。そして、隙間44を空けた状態で電極台9がそれぞれ2つずつ配置されている。
Further, in the present embodiment, the
この電極台9の表面には、金属膜からなる検出電極10a,10b,11a,11bがそれぞれ設けられている。
電極台9は、それぞれフレーム部40および錘部5,6から離間して配置されており、第1の絶縁性基板2および第2の絶縁性基板3により上下面を固定されている。また、外側フレーム部41の表面のY方向中央部には、加速度センサ1の外部に配線される共通電極12が設けられており、フレーム部40は共通電極12により共通電位をとっている。
The electrode table 9 is disposed separately from the
第1の絶縁性基板2の下面には、上述したように、錘部5,6の設置領域に対応した固定電極21a,21bおよび22a,22bがそれぞれ設けられている。これら各固定電極21a,21bおよび22a,22bは、略同一形状で面積が略同一となるように形成されている。
As described above, the fixed
固定電極21a,21bは、ビーム部7a,7bを互いに結ぶ直線(回動軸A1)を境界線として、互いに離間して配置されている。同様に、固定電極22a,22bは、ビーム部8a,8bを互いに結ぶ直線(回動軸A2)を境界線として、互いに離間して配置されている。本実施形態では、各固定電極21a,21bおよび22a,22bは、アルミニウム(Al)をスパッタ法やCVD法等により第1の絶縁性基板2に蒸着することで形成している。
The fixed
固定電極21a,21bは、検出電極10a,10bにそれぞれ電気的に接続されており、固定電極22a,22bは、検出電極11a,11bにそれぞれ電気的に接続されている。
The fixed
具体的には、固定電極21a,21bおよび22a,22bには、それぞれが接続される検出電極10a,10bおよび11a,11bが形成された固定電極台9に向けて引出線(固定電極側金属接触部)25がそれぞれ設けられている。
Specifically, the fixed
また、各固定電極台9には、引出線(固定電極側金属接触部)25が接触するアルミニウム製の導電層(半導体基板側金属接触部)13が形成されている。本実施液体では、各固定電極台9のX方向他端側(図2の上側:錘部側)に段差9aが設けられており、当該段差9aの下面、すなわち、検出電極10a,10bおよび11a,11bが形成される面よりも低い位置に導電層(半導体基板側金属接触部)13を形成している(図3参照)。
Each fixed
そして、この引出線(固定電極側金属接触部)25および導電層(半導体基板側金属接触部)13は、シリコン基板4と第1の絶縁性基板2とを陽極接合する際に、互いに踏みつぶされて接触する。
The lead wire (fixed electrode side metal contact portion) 25 and the conductive layer (semiconductor substrate side metal contact portion) 13 are crushed together when the
こうして、固定電極21a,21bおよび22a,22bが、検出電極10a,10bおよび11a,11bに電気的に接続される。
Thus, the fixed
なお、検出電極10a,10bおよび11a,11bは、互いに離間し、それぞれフレーム部40、錘部5,6から離間しているので、各検出電極が互いに絶縁され、各検出電極の寄生容量や、各検出電極間のクロストークを低減し、高精度な容量検出を行うことができる。
The
また、第1の絶縁性基板2の電極台9と対応する部位には、サンドブラスト加工等によってスルーホール23がそれぞれ形成されており、第1の絶縁性基板2の共通電極12に対応する部位には、サンドブラスト加工等によってスルーホール24がそれぞれ形成されている。そして、検出電極10a,10b,11a,11bは、それぞれスルーホール23を介して外部に露出、配線され、共通電極12は、それぞれスルーホール24を介して、外部に露出、配線される。こうして、固定電極21a,21b,22a,22bや可動電極5a、6aの電位を外部に取り出せるようにしている。
In addition, through
このように構成された加速度センサ1は、図5の矢印aで示す加速度が印加されると、双方の錘部5,6がそれぞれ揺動運動し、錘部5,6の両端側と固定電極21a,21bおよび22a,22bとの間のギャップdが変化し、それらのギャップd間の静電容量C1、C2、C3、C4が変化する。なお、図5では一方の錘部5を例示している。
In the
このときの静電容量Cは、C=ε×S/dとなることが知られており(ε:誘電率、S:電極面積、d:ギャップ)、この式からギャップdが大きくなると静電容量Cは減少し、ギャップdが小さくなると静電容量Cは増加することになる。 The capacitance C at this time is known to be C = ε × S / d (ε: dielectric constant, S: electrode area, d: gap), and the electrostatic capacity increases as the gap d increases from this equation. The capacitance C decreases, and the capacitance C increases as the gap d decreases.
そして、加速度センサ1は、図6のシステム構成に示すように、検出された静電容量C1、C2、C3、C4が、例えば、ASICで構成される演算回路100に送られてX方向の加速度およびZ方向の加速度が求められ、当該加速度を示すデータが出力されるようになっている。このとき、演算回路100で実行される演算式は図9に示すものであり、図7に示すX方向の加速度aの印加と、図8に示すZ方向の加速度aの印加とによって得られるC1、C2、C3、C4の差分から加速度aの方向を決定している。なお、以下に示す式中のパラメータC0は、加速度aが印加されていない状態での錘部5,6と固定電極21a,21bおよび22a,22bとの間の静電容量を示している。
Then, as shown in the system configuration of FIG. 6, the
そして、+X方向に加速度aが印加された場合(図7参照)は、双方の錘部5,6が同方向に揺動するため、C1=C0+ΔC、C2=C0−ΔC、C3=C0+ΔC、C4=C0−ΔCとなる。また、−X方向に加速度aが印加された場合は、双方の錘部5,6の揺動方向が+方向とは逆となるため、C1=C0−ΔC、C2=C0+ΔC、C3=C0−ΔC、C4=C0+ΔCとなる。
When acceleration a is applied in the + X direction (see FIG. 7), both the
一方、+Z方向に加速度aが印加された場合(図8参照)は、双方の錘部5,6が互いに逆方向に揺動するため、C1=C0−ΔC、C2=C0+ΔC、C3=C0+ΔC、C4=C0−ΔCとなる。また、−Z方向に加速度aが印加された場合は、双方の錘部5,6の揺動方向が+方向とは逆となるため、C1=C0+ΔC、C2=C0−ΔC、C3=C0−ΔC、C4=C0+ΔCとなる。
On the other hand, when acceleration a is applied in the + Z direction (see FIG. 8), both
したがって、一方の錘部5と固定電極21a、21bとの間の静電容量の差分CA(=C1−C2)は、+X方向で+2ΔC、−X方向で−2ΔC、+Z方向で−2ΔC、−Z方向で+2ΔCとなる。また、他方の錘部6と固定電極22a、22bとの間の静電容量の差分CB(=C3−C4)は、+X方向で+2ΔC、−X方向で−2ΔC、+Z方向で+2ΔC、−Z方向で−2ΔCとなる。
Therefore, the capacitance difference CA (= C1-C2) between the one
ここで、X方向の出力は両方の差分CA、CBの和として求めることができ、Z方向の出力は両方の差分CA、CBの差として求めることができる。これにより、X方向の出力は、+X方向の加速度aが印加された場合は+4ΔCとなり、−X方向の加速度aが印加された場合は−4ΔCとなる。また、Z方向の出力は、+Z方向の加速度aが印加された場合は−4ΔCとなり、−Z方向の加速度aが印加された場合は+4ΔCとなる。 Here, the output in the X direction can be obtained as the sum of both differences CA and CB, and the output in the Z direction can be obtained as the difference between both differences CA and CB. As a result, the output in the X direction becomes + 4ΔC when the acceleration a in the + X direction is applied, and becomes −4ΔC when the acceleration a in the −X direction is applied. The output in the Z direction is −4ΔC when the acceleration a in the + Z direction is applied, and is + 4ΔC when the acceleration a in the −Z direction is applied.
ところで、本実施形態の加速度センサ1は、図1に示すように、一方の錘部5を備えた第1の加速度センサ単体と、他方の錘部6を備えた第2の加速度センサ単体とが同一チップ面内に配置されるとともに、それぞれの加速度センサ単体が相対的に180度回転した状態で配置されている。このように、第1の加速度センサ単体における一方の錘部5と、第2の加速度センサ単体における他方の錘部6との重心位置が、回転軸(軸)A1,A2に対して互いに反対側に位置するように配置することで、X方向およびZ方向の加速度aを検出できるようにしている。
By the way, as shown in FIG. 1, the
上述したように、可動電極5a,6aおよび固定電極21a,21bおよび22a,22bのうち少なくともいずれか一方の電極である可動電極5a,6aには、突起部(ストッパ)51,61が設けられている。
As described above, the
ここで、可動電極5a,6aに設けた突起部(ストッパ)51,61にばね性を持たせるようにした。本実施形態では、矩形状の可動電極5a,6aの4隅に設けられた突起部(ストッパ)51,61にばね性を持たせている。なお、ビーム部7a,7b、ビーム部8a,8bの近傍に設けた突起部(ストッパ)51,61にも、ばね性を持たせるようにしてもよい。
Here, the protrusions (stoppers) 51 and 61 provided on the
具体的には、4隅に設けられた突起部(ストッパ)51,61は、可動電極5a,6aの表面から略垂直に延設された支持部51a,61aと、支持部51a,61aに連設されて、可動電極5a,6aの表面と略平行、かつ、可動電極5a,6aの外周側に向けて延在する当接部51b,61bとで、略L字状に形成されている。このとき、当接部51b,61bは、平面視で、可動電極5a,6aの領域を超えないように形成されている。
Specifically, the protrusions (stoppers) 51 and 61 provided at the four corners are connected to the
また、当接部51b,61bは、過大な物理量(加速度)が印加されて錘部(可動体)5,6が大きく相対変位(揺動など)した際に、他方の電極である固定電極21a,21bおよび22a,22b側に当接する当接面51c,61cを有している。なお、固定電極21a,21bおよび22a,22b側とは、第1の絶縁性基板(第1の固定板)2や固定電極21a,21bおよび22a,22bのうち、当接面51c,61cと対向する部位のことをいう。すなわち、本実施形態では、図10に示すように、固定電極21a,21bおよび22a,22bが当接面51c,61cと対向しているため、固定電極21a,21bおよび22a,22b側とは、固定電極21a,21bおよび22a,22bの当接面51c,61cと対向する部位のことをいう。
The
さらに、本実施形態では、当接部51b,61bは可撓性を有しており、当接部51b,61bの当接面51c,61cの反対側(図10では、当接部51b,61bの下方)には、当接部51b,61bの撓みを許容する空間S1が形成されている。
Further, in the present embodiment, the
この空間S1は、一方の電極である可動電極5a,6aの表面と、当接部51b,61bの当接面51c,61cの反対側の面であって、可動電極5a,6aの表面に対向する対向面51d,61dとの間に形成されている。
This space S1 is the surface of the
したがって、過大な物理量(加速度)が印加されて錘部(可動体)5,6が大きく相対変位(揺動など)した際には、図10(b)に示すように、当接部51b,61bの当接面51c,61cが固定電極21a,21bおよび22a,22bに当接し、当接部51b,61bが空間S1を狭める方向(一方の電極である可動電極側:下側)に撓むこととなる。
Therefore, when an excessive physical quantity (acceleration) is applied and the weights (movable bodies) 5 and 6 are relatively displaced (swinging etc.), as shown in FIG. The contact surfaces 51c and 61c of 61b contact the fixed
なお、突起部(ストッパ)51,61は、絶縁性材料で形成されており、可動電極5a,6aと固定電極21a,21b、22a,22bとが短絡してしまうのを防止している。なお、この突起部(ストッパ)51,61は、可動電極5a,6a(錘部5,6)と一体に形成してもよいし、別体に形成してもよい。
The protrusions (stoppers) 51 and 61 are made of an insulating material and prevent the
本実施形態では、突起部(ストッパ)51,61は、ポリイミドやSU−8(商品名)等によって略L字状となるように形成されている。 In the present embodiment, the protrusions (stoppers) 51 and 61 are formed to be substantially L-shaped with polyimide, SU-8 (trade name), or the like.
以上説明したように、本実施形態では、可動電極5a,6aおよび固定電極21a,21bおよび22a,22bのうち少なくともいずれか一方の電極である可動電極5a,6aに、突起部(ストッパ)51,61を形成している。そして、突起部(ストッパ)51,61には、錘部(可動体)5,6が相対変位した際に固定電極21a,21bおよび22a,22b側(他方の電極側)と当接する当接面51c,61cを有する可撓性の当接部51b,61bを備えている。さらに、当接部51b,61bの当接面51c,61cの反対側には、当接部51b,61bの撓みを許容する空間S1を形成している。
As described above, in the present embodiment, the
したがって、過大な加速度(物理量)の印加等により過大な外力が作用した場合には、錘部(可動体)5,6が相対変位(揺動や上方への平行移動)し、突起部(ストッパ)51,61の当接部51b,61bが他方の電極側と当接する。そして、突起部(ストッパ)51,61の当接部51b,61bが他方の電極側と当接すると、突起部(ストッパ)51,61の当接部51b,61bが空間S1を狭める方向(一方の電極である可動電極側:下側)に撓むこととなる。すなわち、当接部51b,61bを可動体の相対変位方向(上方)に撓ませることができる。そのため、当接部51b,61bと固定電極21a,21bおよび22a,22b側とが当接した際に、当接部分に横方向の分力が作用してしまうのを抑制することができる。そのため、突起部(ストッパ)51,61の当接部51b,61bが固定電極21a,21bおよび22a,22b側に対して横ずれしてしまう(当接部51b,61bと他方の電極側との間に擦れが生じてしまう)のを抑制することができる。その結果、突起部(ストッパ)51,61や錘部(可動体)5,6等の破壊による異物の発生が抑制され、異物による錘部(可動体)5,6の相対変位の阻害を抑制することができる。
Therefore, when an excessive external force is applied by applying an excessive acceleration (physical quantity) or the like, the weight parts (movable bodies) 5 and 6 are relatively displaced (swinging or parallelly moving upward), and the protruding part (stopper) ) The
このように、本発明によれば、デバイス特性が低下してしまうのを抑制することのできる静電容量式センサ1を得ることができる。
Thus, according to the present invention, it is possible to obtain the
また、本実施形態では、突起部(ストッパ)51,61が略L字状に形成されている。さらに、当接部51b,61bは、平面視で、可動電極5a,6aの領域を超えないように形成されている。そのため、可動電極5a,6aの領域に、固定電極21a,21bおよび22a,22bと対向しないデッドスペースが生じてしまうのを抑制することができ、静電容量の検出量を大きくすることができる。
In the present embodiment, the protrusions (stoppers) 51 and 61 are formed in a substantially L shape. Furthermore, the
また、本実施形態では、突起部(ストッパ)51,61を、絶縁性材料で形成している。そのため、可動電極5a,6aと固定電極21a,21b、22a,22bとが短絡してしまうのを防止することができる。
In the present embodiment, the protrusions (stoppers) 51 and 61 are made of an insulating material. Therefore, it is possible to prevent the
なお、ストッパとして、図11に示すような略T字状をした突起部(ストッパ)51A,61Aを用いるようにしてもよい。 Note that projections (stoppers) 51A and 61A having a substantially T-shape as shown in FIG. 11 may be used as the stoppers.
この突起部(ストッパ)51A,61Aも、ポリイミドやSU−8(商品名)等の絶縁性材料により形成することができる。 The protrusions (stoppers) 51A and 61A can also be formed of an insulating material such as polyimide or SU-8 (trade name).
突起部(ストッパ)51A,61Aは、可動電極5a,6aの表面から略垂直に延設された支持部51Aa,61Aaと、支持部51Aa,61Aaに連設されて、可動電極5a,6aの表面と略平行、かつ、可動電極5a,6aの外周側および内周側(外周側の延在方向とは反対側の方向)に向けて延在する当接部51Ab,61Abとで、略T字状に形成されている。このとき、当接部51Ab,61Abは、平面視で、可動電極5a,6aの領域を超えないように形成されている。
The protrusions (stoppers) 51A and 61A are connected to the support portions 51Aa and 61Aa extending substantially vertically from the surfaces of the
また、当接部51Ab,61Abは、過大な物理量(加速度)が印加されて錘部(可動体)5,6が大きく相対変位(揺動など)した際に、他方の電極である固定電極21a,21bおよび22a,22b側に当接する当接面51Ac,61Acを有している。
The contact portions 51Ab and 61Ab are fixed
さらに、当接部51Ab,61Abは可撓性を有しており、当接部51Ab,61Abの当接面51Ac,61Acの反対側(図11では、当接部51Ab,61Abの下方)には、当接部51Ab,61Abの撓みを許容する空間S2が支持部51Aa,61Aaの両側に形成されている。 Further, the contact portions 51Ab and 61Ab are flexible, and are on the opposite side of the contact surfaces 51Ac and 61Ac of the contact portions 51Ab and 61Ab (below the contact portions 51Ab and 61Ab in FIG. 11). The spaces S2 that allow the contact portions 51Ab and 61Ab to bend are formed on both sides of the support portions 51Aa and 61Aa.
かかる構成の突起部(ストッパ)51A,61Aを設けることでも、上述の作用、効果を奏することができる。 The provision of the projections (stoppers) 51A and 61A having such a configuration can also provide the above-described functions and effects.
(第2実施形態)
本実施形態にかかる加速度センサ1Bは、基本的に上記第1実施形態の加速度センサ1と同様の構成をしている。
(Second Embodiment)
The
すなわち、加速度センサ1Bは、シリコン基板4の表面(一面)4aに第1の絶縁性基板(第1の固定板)2を接合し、シリコン基板4の裏面(他面)4bに第2の絶縁性基板(第2の固定板)3を接合することで空間部Sを形成している。
That is, in the
そして、本実施形態においても、突起部(ストッパ)51,61を、可動電極5a,6aの表面から略垂直に延設された支持部51a,61aと、支持部51a,61aに連設されて、可動電極5a,6aの表面と略平行、かつ、可動電極5a,6aの外周側に向けて延在する当接部51b,61bとで、略L字状に形成している。このとき、当接部51b,61bは、平面視で、可動電極5a,6aの領域を超えないように形成されている。
Also in the present embodiment, the protrusions (stoppers) 51 and 61 are connected to the
また、当接部51b,61bは、過大な物理量(加速度)が印加されて錘部(可動体)5,6が大きく相対変位(揺動など)した際に、他方の電極である固定電極21a,21bおよび22a,22b側に当接する当接面51c,61cを有している。
The
さらに、本実施形態においても、当接部51b,61bは可撓性を有しており、当接部51b,61bの当接面51c,61cの反対側(図12では、当接部51b,61bの下方)には、当接部51b,61bの撓みを許容する空間S1が形成されている。
Further, also in the present embodiment, the
この空間S1は、一方の電極である可動電極5a,6aの表面と、当接部51b,61bの当接面51c,61cの反対側の面であって、可動電極5a,6aの表面に対向する対向面51d,61dとの間に形成されている。
This space S1 is the surface of the
ここで、本実施形態にかかる加速度センサ1Bが上記第1実施形態の加速度センサ1と主に異なる点は、当接部51b,61bの当接面51c,61cを他方の電極である固定電極21a,21bおよび22a,22bに別体に設けた突起部(ストッパ)26,27に当接させるようにした点にある。
Here, the
すなわち、本実施形態では、過大な加速度(物理量)の印加等により過大な外力が作用した場合には、錘部(可動体)5,6が相対変位(揺動や上方への平行移動)し、突起部(ストッパ)51,61の当接部51b,61bが突起部(ストッパ)26,27(他方の電極側)と当接する。そして、突起部(ストッパ)51,61の当接部51b,61bが突起部(ストッパ)26,27(他方の電極側)と当接した際に、突起部(ストッパ)51,61の当接部51b,61bが空間S1を狭める方向(一方の電極である可動電極側:下側)に撓むようにしている。
That is, in this embodiment, when an excessive external force is applied due to application of excessive acceleration (physical quantity) or the like, the weight parts (movable bodies) 5 and 6 are relatively displaced (oscillated or translated upward). The
なお、突起部(ストッパ)51,61および突起部(ストッパ)26,27は、可動電極5a,6aと固定電極21a,21b、22a,22bとが短絡してしまうのを防止できればよく、互いに当接する突起部のうちいずれか一方の突起部が、絶縁性材料で形成されていればよい。したがって、突起部(ストッパ)51,61を絶縁性材料で形成した場合、突起部(ストッパ)26,27を固定電極21a,21bおよび22a,22bに一体に設けることも可能である。また、突起部(ストッパ)51,61の支持部51a,61aおよび当接部51b,61bのいずれかのみを絶縁性材料で形成することも可能である。
The protrusions (stoppers) 51 and 61 and the protrusions (stoppers) 26 and 27 are only required to prevent the
以上の本実施形態によっても、上記第1実施形態と同様の作用、効果を奏することができる。 Also according to this embodiment described above, the same operations and effects as those of the first embodiment can be achieved.
なお、本実施形態においても、突起部(ストッパ)51,61の形状を略T字状とすることが可能である。 Also in the present embodiment, the shape of the protrusions (stoppers) 51 and 61 can be substantially T-shaped.
(第3実施形態)
本実施形態にかかる加速度センサ1Cは、基本的に上記第2実施形態の加速度センサ1と同様の構成をしている。
(Third embodiment)
The acceleration sensor 1C according to the present embodiment basically has the same configuration as the
すなわち、加速度センサ1Cは、シリコン基板4の表面(一面)4aに第1の絶縁性基板(第1の固定板)2を接合し、シリコン基板4の裏面(他面)4bに第2の絶縁性基板(第2の固定板)3を接合することで空間部Sを形成している。
That is, in the acceleration sensor 1C, the first insulating substrate (first fixing plate) 2 is bonded to the surface (one surface) 4a of the
ここで、本実施形態にかかる加速度センサ1Cが上記第2実施形態の加速度センサ1Bと主に異なる点は、突起部(ストッパ)51,61と突起部(ストッパ)26,27の形状を逆にした点にある(図13参照)。
Here, the acceleration sensor 1C according to the present embodiment is mainly different from the
すなわち、本実施形態では、固定電極21a,21bおよび22a,22bが一方の電極に相当し、可動電極5a,6aが他方の電極に相当している。
That is, in this embodiment, the fixed
そして、突起部(ストッパ)51,61を、可動電極5a,6aの表面に形成している。
Protrusions (stoppers) 51 and 61 are formed on the surfaces of the
一方、突起部(ストッパ)26,27を、固定電極21a,21bおよび22a,22bの表面から略垂直に延設された支持部26a,27aと、支持部26a,27aに連設されて、固定電極21a,21bおよび22a,22bの表面と略平行かつ、固定電極21a,21bおよび22a,22bの内側に向けて延在する当接部26b,27bとで、略L字状に形成している。このとき、当接部26b,27bは、平面視で、固定電極21a,21bおよび22a,22bの領域を超えないように形成されている。
On the other hand, the protrusions (stoppers) 26, 27 are connected to the
また、当接部26b,27bは、過大な物理量(加速度)が印加されて錘部(可動体)5,6が大きく相対変位(揺動など)した際に、他方の電極である可動電極5a,6a側に当接する当接面26c,27cを有している。
The contact portions 26b and 27b are
さらに、本実施形態においても、当接部26b,27bは可撓性を有しており、当接部26b,27bの当接面26c,27cの反対側(図13では、当接部26b,27bの上方)には、当接部26b,27bの撓みを許容する空間S3が形成されている。 Furthermore, also in this embodiment, the contact portions 26b and 27b have flexibility, and the contact portions 26b and 27b are opposite to the contact surfaces 26c and 27c (in FIG. 13, the contact portions 26b and 27b, A space S3 that allows the abutment portions 26b and 27b to bend is formed on the upper side of 27b.
この空間S3は、一方の電極である固定電極21a,21bおよび22a,22bの表面と、当接部26b,27bの当接面26c,27cの反対側の面であって、固定電極21a,21bおよび22a,22bの表面に対向する対向面26d,27dとの間に形成されている。
This space S3 is a surface opposite to the surfaces of the fixed
以上の本実施形態によっても、上記第2実施形態と同様の作用、効果を奏することができる。 Also according to this embodiment described above, the same operations and effects as those of the second embodiment can be achieved.
なお、本実施形態においても、突起部(ストッパ)26,27の形状を略T字状とすることが可能である。 Also in this embodiment, the shape of the protrusions (stoppers) 26 and 27 can be substantially T-shaped.
また、突起部(ストッパ)51,61を設けず、当接部26b,27bの当接面26c,27cを可動電極5a,6aの表面に直接当接させるようにすることも可能である。
Further, it is also possible to make the contact surfaces 26c, 27c of the contact portions 26b, 27b directly contact with the surfaces of the
(第4実施形態)
本実施形態にかかる加速度センサ1Dは、基本的に上記第3実施形態の加速度センサ1Cと同様の構成をしている。
(Fourth embodiment)
The
すなわち、加速度センサ1Dは、シリコン基板4の表面(一面)4aに第1の絶縁性基板(第1の固定板)2を接合し、シリコン基板4の裏面(他面)4bに第2の絶縁性基板(第2の固定板)3を接合することで空間部Sを形成している。
That is, in the
そして、本実施形態においても、固定電極21a,21bおよび22a,22bに設けた突起部(ストッパ)26D,27Dにばね性を持たせるようにした。
Also in this embodiment, the protrusions (stoppers) 26D and 27D provided on the fixed
ここで、本実施形態にかかる加速度センサ1Dが上記第3実施形態の加速度センサ1Cと主に異なる点は、略板状の突起部(ストッパ)26D,27Dの一部が固定電極21a,21bおよび22a,22bの領域からはみ出すように、突起部(ストッパ)26D,27Dを設けた点にある。
Here, the
具体的には、図14に示すように、略板状の突起部(ストッパ)26D,27Dの一部を固定電極21a,21bおよび22a,22bの領域からはみ出させ、当該はみ出した部分を当接部26Db,27Dbとしている。そして、当接部26Db,27Dbの当接面26Dc,27Dcを可動電極5a,6aの表面に直接当接させるようにしている。
Specifically, as shown in FIG. 14, a part of the substantially plate-like protrusions (stoppers) 26D and 27D are protruded from the fixed
このように、略板状の突起部(ストッパ)26D,27Dの一部を固定電極21a,21bおよび22a,22bの領域からはみ出させることで、第1の絶縁性基板(一方の電極側)2の下面(内面)2aと、当接部26Db,27Dbの当接面26Dc,27Dcの反対側の面であって、第1の絶縁性基板(一方の電極側)2の下面(内面)2aに対向する対向面26Dd,27Ddとの間に空間S4が形成される。この空間S4は、当接部26Db,27Dbの撓みを許容するものである。
In this way, the first insulating substrate (one electrode side) 2 is formed by protruding a part of the substantially plate-like protrusions (stoppers) 26D, 27D from the regions of the fixed
以上の本実施形態によっても、上記第3実施形態と同様の作用、効果を奏することができる。 Also according to the present embodiment described above, the same operations and effects as those of the third embodiment can be achieved.
なお、可動電極5a,6aの表面に突起部(ストッパ)51,61を設け、当接部26Db,27Dbの当接面26Dc,27Dcを突起部(ストッパ)51,61に当接させるようにすることも可能である。
The protrusions (stoppers) 51 and 61 are provided on the surfaces of the
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず、種々の変形が可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made.
例えば、上記各実施形態では、X方向とZ方向の2方向の加速度を検出する加速度センサを例示したが、錘部の1つをXY平面内で90度回転させて配置し、Y方向を加えた3方向の加速度を検出する加速度センサとしてもよい。 For example, in each of the above embodiments, an acceleration sensor that detects acceleration in two directions of the X direction and the Z direction has been illustrated. However, one of the weight portions is arranged by being rotated 90 degrees in the XY plane, and the Y direction is added. Alternatively, an acceleration sensor that detects acceleration in three directions may be used.
また、上記各実施形態では、静電容量式センサとして加速度センサを例示したが、これに限ることなく、その他の静電容量式センサであっても本発明を適用することができる。 Moreover, in each said embodiment, although the acceleration sensor was illustrated as an electrostatic capacitance type sensor, it is not restricted to this, This invention is applicable also to another electrostatic capacitance type sensor.
また、上記各実施形態では、SOI基板を用いて形成した半導体基板を例示したが、SOI基板を用いずにSiからなる半導体基板を用いて、可動体やフレーム部を形成することも可能である。 Further, in each of the above embodiments, the semiconductor substrate formed using the SOI substrate is exemplified, but it is also possible to form the movable body and the frame portion using the semiconductor substrate made of Si without using the SOI substrate. .
また、錘部や固定電極その他細部のスペック(形状、大きさ、レイアウト等)も適宜に変更可能である。 Further, the specifications (shape, size, layout, etc.) of the weight portion, fixed electrode, and other details can be changed as appropriate.
1,1A,1B,1C 加速度センサ(静電容量式センサ)
2 第1の絶縁性基板(第1の固定板)
4 シリコン基板(半導体基板)
5,6 錘部(可動体)
5a、6a 可動電極
21a,21b,22a,22b 固定電極
26 突起部(ストッパ)
26b,26Db 当接部
26c,26Dc 当接面
27 突起部(ストッパ)
27b,27Db 当接部
27c,27Dc 当接面
51 突起部(ストッパ)
51b,51Ab 当接部
51c,51Ac 当接面
61 突起部(ストッパ)
61b,61Ab 当接部
61c,61Ac 当接面
S1,S2,S3,S4 空間
1,1A, 1B, 1C Acceleration sensor (capacitance sensor)
2 First insulating substrate (first fixing plate)
4 Silicon substrate (semiconductor substrate)
5,6 Weight (movable body)
5a, 6a
26b,
27b,
51b,
61b,
Claims (3)
前記可動電極および固定電極のうち少なくともいずれか一方の電極にはストッパが設けられており、
前記ストッパは、前記可動体が相対変位した際に他方の電極側と当接する当接面を有する可撓性の当接部を備えており、当該当接部の前記当接面の反対側には、前記当接部の撓みを許容する空間が形成されていることを特徴とする静電容量式センサ。 A static plate is formed by bonding a first fixed plate on which a fixed electrode is formed on one surface of a semiconductor substrate on which a movable body having a movable electrode is formed so as to be relatively displaceable. A capacitive sensor,
A stopper is provided on at least one of the movable electrode and the fixed electrode,
The stopper includes a flexible contact portion having a contact surface that contacts the other electrode side when the movable body is relatively displaced, and on the opposite side of the contact surface of the contact portion. Is a capacitance type sensor characterized in that a space allowing the bending of the contact portion is formed.
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