JP2013231616A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】突起部の破損を低減し、信頼性の高い加速度センサを提供する。
【解決手段】平板状の可動電極４と、可動電極４が揺動可能なように、可動電極の対向する辺をそれぞれ支持する一対のビーム部４１，４２と、可動電極４と離間して配置された上部固定板２と、上部固定板２の、可動電極４と対向する面に設けられた固定電極２１，２２と、可動電極４の、固定電極２１，２２と接触する箇所に設けられた突起部６とを備える。可動電極４の、突起部６が配置される配置部６１は、厚さが可動電極４よりも薄く形成され、ばね性を有している。
【選択図】図７

Description

本発明は、静電容量の変動から印加された加速度を検出する加速度センサに関する。

半導体製造技術を発展させた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術により、ごく微小に製造され、揺動可能に支持された可動電極と、可動電極と離間して配置された固定電極との間の静電容量の変化を検出することにより、印加された加速度を検出する加速度センサが知られている。

加速度センサに過大な加速度が印加されると、可動電極が対向する固定電極に直接衝突して固定電極に貼り付いたり、加速度センサが破損したりする可能性がある。これに対して、可動電極の表面に突起部を設ける技術が提案されている（特許文献１参照）。

特開２０１０−１２７６４８号公報

しかしながら、特許文献１のような加速度センサは、更に過大な加速度が印加されることにより、突起部が破損し、加速度センサの信頼性を損なう恐れがある。

本発明は、突起部の破損を低減し、信頼性の高い加速度センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の態様は、平板状の可動電極と、前記可動電極が揺動可能なように、前記可動電極の対向する辺をそれぞれ支持する一対のビーム部と、前記可動電極と離間して配置された上部固定板と、前記上部固定板の、前記可動電極と対向する面に設けられた固定電極と、前記可動電極の、前記固定電極と接触する箇所に設けられた突起部とを備える加速度センサであることを要旨とし、前記可動電極の、前記突起部が配置される配置部は、厚さが前記可動電極よりも薄く形成され、ばね性を有していることを特徴とする。

また、本発明の態様に係る加速度センサにおいては、前記可動電極は矩形平板状であり、前記配置部及び突起部は、少なくとも、前記可動電極の４つの角部近傍に形成されることができる。

また、本発明の態様に係る加速度センサにおいては、前記配置部は、薄く形成されることにより、前記突起部の周囲にばね性を有することができる。

また、本発明の態様に係る加速度センサにおいては、前記配置部は、複数の支持部により前記可動電極に支持されることにより、ばね性を有することができる。 また、本発明の態様に係る加速度センサにおいては、前記配置部は、一対の支持部により前記可動電極に支持されることにより、ばね性を有し、前記一対の支持部を互いに結ぶ直線は、前記一対のビーム部を互いに結ぶ直線と平行であることができる。

また、本発明の態様に係る加速度センサにおいては、前記固定電極の、前記突起部と接触する箇所が、ばね性を有する接触部となっていることができる。

本発明によれば、突起部の破損を低減し、信頼性の高い加速度センサを提供することができる。

本発明の実施の形態に係る加速度センサの基本的な構成を説明する模式的な斜視図である。 本発明の実施の形態に係る加速度センサが備えるセンサチップの模式的な上面図である。 本発明の実施の形態に係る加速度センサが備えるセンサチップの模式的な下面図である。 本発明の実施の形態に係る加速度センサが備える可動電極の模式的な断面図である。 本発明の実施の形態に係る加速度センサにおいて、加速度の算出方法を説明するブロック図である。 本発明の実施の形態に係る加速度センサの、加速度の算出方法を説明する表である。 （ａ）は、発明の実施の形態に係る加速度センサが備える可動電極の突起部周辺を説明する上面図である。（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ方向から見た模式的な断面図である。（ｃ）は、（ｂ）の変形例である。 （ａ）は、発明の実施の形態に係る加速度センサが備える可動電極の突起部周辺を説明する上面図である。（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ方向から見た模式的な断面図である。（ｃ）は、（ｂ）の変形例である。 （ａ）は、発明の実施の形態に係る加速度センサが備える可動電極の突起部周辺を説明する上面図である。（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ方向から見た模式的な断面図である。（ｃ）は、（ｂ）の変形例である。 （ａ）は、発明の実施の形態に係る加速度センサが備える可動電極の突起部周辺を説明する上面図である。（ｂ）は、発明の実施の形態に係る加速度センサが備える上部固定板の、可動電極の突起部周辺を説明する上面図である。（ｃ）は、（ａ）のＡ−Ａ方向及び（ｂ）のＢ−Ｂ方向から見た模式的な断面図である。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法の関係、各層の厚みの比率等は、現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

また、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

（加速度センサ）
本発明の実施の形態に係る加速度センサは、図１に示すように、センサチップ１と、センサチップ１の上下面とそれぞれ接合することにより、センサチップ１を挟み込んで固定する上部固定板２、下部固定板３とを備える。

センサチップ１は、センサチップ１上に並ぶ２つの矩形状の領域をそれぞれ縁取るように形成された、センサチップ１の上面から下面へ貫通する窓部１０ａ，１０ｂと、窓部１０ａ，１０ｂをそれぞれ囲む枠となるフレーム部１１とを有する。センサチップ１は、概略として矩形平板状である。

センサチップ１は、窓部１０ａ，１０ｂのそれぞれ内部に、それぞれフレーム部１１から離間するように形成された矩形平板状の可動電極４ａ，４ｂを備える。可動電極４ａ，４ｂは、それぞれ一対のビーム部４１ａ，４２ａ、ビーム部４１ｂ，４２ｂによって、フレーム部１１と連結されている。可動電極４ａ，４ｂ、ビーム部４１ａ，４２ａ，４１ｂ，４２ｂは、例えば、センサチップ１をなす同一のＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板から微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術により形成可能である。ＭＥＭＳ技術は、リソグラフィ、エッチング、成膜等の種々の半導体製造技術と、半導体製造技術を発展させたマイクロマシニング等を含むマイクロデバイス製造技術である。

ビーム部４１ａ，４２ａは、可動電極４ａ上面の対向する２辺上に位置し、ビーム部４１ａ，４２ａがねじれることにより、可動電極４ａは、ビーム部４１ａ，４２ａを互いに結ぶ直線を回転軸として揺動する。同様に、ビーム部４１ｂ，４２ｂは、可動電極４ｂ上面の対向する２辺上にそれぞれ位置し、可動電極４ｂは、ビーム部４１ｂ，４２ｂを互いに結ぶ直線を回転軸として揺動する。

図２に示すように、可動電極４ａの上面の、ビーム部４１ａ，４２ａにより二分された２つの矩形の領域の、それぞれ４角近傍には、それぞれ突起部６ａ-1〜６ａ-4，６ａ-5〜６ａ-8が形成されている。同様に、可動電極４ｂの上面には、突起部６ｂ-1〜６ｂ-8が形成されている。

センサチップ１は、窓部１０ａ，１０ｂにそれぞれ接続し、それぞれ平面パターンが概略として矩形状の、センサチップ１の上面から下面へ貫通する検出電極窓部５０ａ，５０ｂを有する。検出電極窓部５０ａの内部には、２つの検出電極部５１ａ，５２ａが互いに離間して配置される。同様に、検出電極窓部５０ｂの内部には、２つの検出電極部５１ｂ，５２ｂが互いに離間して配置される。検出電極部５１ａ，５２ａ，５１ｂ，５２ｂは、それぞれ上面の中央部に、それぞれ金属膜からなる検出電極５-1，５-2，５-4，５-5を備える。検出電極部５１ａ，５２ａ，５１ｂ，５２ｂは、それぞれフレーム部１１、可動電極４ａ，４ｂから離間して配置され、上部固定板２及び下部固定板３により上下面を固定される。

センサチップ１の上面の検出電極窓部５０ａ，５０ｂの間には、センサチップ１の外部に配線される接地電極１２が設けられ、フレーム部１１は接地電極１２により接地電位をとる。検出電極部５１ａ，５２ａ，５１ｂ，５２ｂは、例えば、それぞれセンサチップ１をなす同一のＳＯＩ基板から、ＭＥＭＳ技術により形成可能である。

図３に示すように、可動電極４ａは、下面の、ビーム部４１ａ，４２ａを互いに結ぶ直線を境界線とした一方側に、厚さが可動電極４ａの他所よりも薄くなるように形成された凹部（第１凹部）４４ａを有する。凹部４４ａは、平面パターン上、４辺に側壁を持つ矩形に形成され、内部に、可動電極４ａに対して垂直に設けられた補強壁４５ａを備える。補強壁４５ａは、凹部４４ａの４角において側壁と連結され、平面パターン上、凹部４４ａの４角の、２本の対角線となっている。

また、可動電極４ａは、下面の、ビーム部４１ａ，４２ａを結ぶ直線を境界線とした他方側に、厚さが可動電極４ａの他所よりも薄くなるように形成された凹部（第２凹部）４６ａが形成されている。凹部４６ａは、例えば、平面パターン上、ビーム部４１ａ，４２ａを結ぶ直線近傍に、帯状に形成される。

図４に示すように、凹部４６ａは、可動電極４ａの重心位置Ｏとビーム部４１ａ，４２ａを結ぶ直線と、センサチップ１の垂線とがなす角度θが４５°になることによって、ｘ方向とｚ方向の検出感度が等価になる位置に形成されている。凹部４６ａは、ビーム部４１ａ，４２ａを結ぶ直線からより遠い側に形成されることにより、可動電極４ａの回転モーメントがより大きくなるので、加速度センサの検出感度を高めることができる。なお、凹部４４ａ，４６ａは、互いに対向する方向に領域を拡大することにより、１つの凹部として形成されてもよい。

可動電極４ａは、下面の、ビーム部４１ａ，４２ａを結ぶ直線を境界線とした凹部４６ａが形成されている側の矩形の領域の４角近傍に、それぞれ突起部７ａ-3〜７ａ-6が形成されている。可動電極４ａの下面の、ビーム部４１ａ，４２ａを結ぶ直線を境界線とした凹部４４ａが形成されている側には、可動電極４ａの２つの頂角近傍に、それぞれ突起部７ａ-1，７ａ-2が形成されている。

突起部６ａ-1〜６ａ-8，７ａ-1〜７ａ-6は、それぞれ、可動電極４ａが薄く形成されることによりばね性を有する配置部に配置される。なお、下面の突起部７ａ-1〜７ａ-6は、上面の突起部６ａ-1〜６ａ-8にそれぞれ対応する位置に設けられた８つの突起部としてもよい。

可動電極４ｂは、可動電極４ａと同様に突起部６ｂ-1〜６ｂ-8，７ｂ-1〜７ｂ-6、凹部４４ｂ，４６ｂ、補強壁４５ｂ等を備えるが、可動電極４ｂは、可動電極４ａと２回（１８０°）回転対称の配置となっている。すなわち、可動電極４ａ及び可動電極４ｂは、フレーム部１１の、２つの窓部１０ａ，１０ｂの互いに隣り合う２辺に挟まれる領域の中心を通る、センサチップ１に対する垂線を回転軸（対称の中心）とした２回回転対称のトポロジーを有している。

上部固定板２は、センサチップ１と対向する下面の、可動電極４ａと対向する領域に、それぞれ矩形の電極膜である第１固定電極２１ａ及び第２固定電極２２ａを備える。第１固定電極２１ａ及び第２固定電極２２ａは、ビーム部４１ａ，４２ａを互いに結ぶ直線を境界線として、互いに離間して配置されている。同様に、上部固定板２の下面の可動電極４ｂと対向する領域には、第１固定電極２１ｂ及び第２固定電極２２ｂが設けられ、第１固定電極２１ｂ及び第２固定電極２２ｂは、ビーム部４１ｂ，４２ｂを互いに結ぶ直線を境界線として、互いに離間して配置されている。各固定電極２１ａ，２２ａ，２１ｂ，２２ｂは、例えば、アルミニウム（Ａｌ）をスパッタ法やＣＶＤ法等により上部固定板２に蒸着することにより形成される。

検出電極部５１ａ，５２ａは、第１固定電極２１ａ及び第２固定電極２２ａに、検出電極部５１ｂ，５２ｂは、第１固定電極２１ｂ及び第２固定電極２２ｂにそれぞれ電気的に接続されている。検出電極部５１ａ，５２ａ，５１ｂ，５２ｂは、それぞれフレーム部１１、可動電極４ａ，４ｂから離間しているので、各検出電極部が互いに絶縁され、各検出電極部の寄生容量や、各検出電極部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。

上部固定板２は更に、上面から下面へ貫通する貫通口２０-1〜２０-5を有し、検出電極５-1，５-2、接地電極１２、検出電極５-4，５-5は、それぞれ５つの貫通口２０-1〜２０-5を介して、外部に露出、配線される。

下部固定板３は、センサチップ１と対向する上面の、可動電極４ａと対向する領域に付着防止膜３１ａを備える。同様に、下部固定板３は、上面の、可動電極４ｂと対向する領域に付着防止膜３１ｂを備える。

−加速度の検出方法−
本発明の実施の形態に係る加速度センサは、例えば図５に示すように、ＡＳＩＣ２００に接続され、印加される加速度の算出に必要な演算を処理する。

以下、図６に示す表を用いて、本発明の実施の形態に係る加速度センサによる加速度の検出方法を説明する。可動電極４ａにｘ方向の加速度が印加された場合、可動電極４ａと、固定電極２２ａ，２１ａとの間の静電容量Ｃ１，Ｃ２が変化する。ここで、ｘ方向の加速度が印加されていないときの可動電極４ａと、固定電極２１ａ，２２ａとの間の静電容量をＣ０とし、加速度の印加によって生じる静電容量の変化分をΔＣとすれば、ｘ方向の加速度が印加されたときの静電容量Ｃ１，Ｃ２は、
Ｃ１＝Ｃ０＋ΔＣ …（１）
Ｃ２＝Ｃ０−ΔＣ …（２）
と表すことができる。

同様に、他方の可動電極４ｂにｘ方向の加速度が印加された場合、可動電極４ｂと各固定電極２２ｂ，２１ｂとの間の静電容量Ｃ３，Ｃ４は、
Ｃ３＝Ｃ０＋ΔＣ …（３）
Ｃ４＝Ｃ０−ΔＣ …（４）
と表すことができる。

静電容量Ｃ１〜Ｃ４の値は、検出電極部５２ａ，５１ａ及び５２ｂ，５１ｂから取出す電圧信号を演算処理することで検出することができる。静電容量Ｃ１，Ｃ２の差分値ＣＡ（＝Ｃ１−Ｃ２）と、静電容量Ｃ３，Ｃ４の差分値ＣＢ（＝Ｃ３−Ｃ４）との和（±４ΔＣ）を算出すれば、この差分値ＣＡ，ＣＢの和に基づいて、印加されたｘ方向の加速度を検出できる。

一方、可動電極４ａにｚ方向の加速度が印加された場合、ｚ方向の加速度が印加されていないときの可動電極４ａと、固定電極２１ａ，２２ａとの間の静電容量をＣ０とし、加速度の印加によって生じる静電容量の変化分をΔＣとする。このとき、ｚ方向の加速度が印加されたときの静電容量Ｃ１，Ｃ２は、
Ｃ１＝Ｃ０−ΔＣ …（５）
Ｃ２＝Ｃ０＋ΔＣ …（６）
と表すことができる。

同様に、他方の可動電極４ｂにｚ方向の加速度が印加された場合、可動電極４ｂと各固定電極２２ｂ，２１ｂとの間の静電容量Ｃ３，Ｃ４は、
Ｃ３＝Ｃ０＋ΔＣ …（７）
Ｃ４＝Ｃ０−ΔＣ …（８）
と表すことができる。

静電容量Ｃ１，Ｃ２の差分値ＣＡ（＝Ｃ１−Ｃ２）と、静電容量Ｃ３，Ｃ４の差分値ＣＢ（＝Ｃ３−Ｃ４）との差（±４ΔＣ）を算出すれば、この差分値ＣＡ，ＣＢの差に基づいて、印加されたｚ方向の加速度を検出できる。

−突起部の配置部−
本発明の実施の形態に係る加速度センサが備える可動電極４ａ，４ｂの突起部６ａ-1〜６ａ-8，６ｂ-1〜６ｂ-8（以下、総称する場合において単に「突起部６」という。）は、図７（ａ），（ｂ）に示すように、ばね性を有する配置部６１に配置される。なお、以下の説明において突起部を、可動電極４の上面に設けられた突起部６として説明するが、下面に設けられた突起部７についても、配置部は、上下を逆転させた同様の構成とすることができる。

配置部６１は、可動電極４に下面を開口するキャビティ部６０が形成されることにより、厚さが可動電極４の他所より薄く形成される。キャビティ部６０は、例えば、平面パターンが矩形である。配置部６１は、他所より薄く形成されることにより、突起部６の周囲にばね性を有している。この為、突起部６は、本発明の実施の形態に係る加速度センサに過大な加速度が印加され、対向する固定電極２１，２２に衝突したときに発生する応力を低減して、破損する可能性が低減される。

また、キャビティ部６０は、可動電極４の下面を開口する構造である必要はなく、図７（ｃ）に示すように、可動電極４の表面近傍のみを中空構造とするキャビティ部６０１であってもよい。

また、配置部６１は、図８（ａ），（ｂ）に示すように、複数の支持部６２により、可動電極４に支持される構造としてもよい。図８（ａ）に示すように、配置部６１は、矩形の４辺のそれぞれ中央部から外側に延伸する４本の支持部６２を介して、可動電極４の表面に連結して支持される。支持部６２は、例えば、キャビティ部６０から可動電極４の上面に貫通する複数の孔部を形成することにより、その残余部として形成される。また、キャビティ部６０は、図８（ｂ）に示すように、可動電極４の下面を開口する構造である必要はなく、図８（ｃ）に示すように、可動電極４の表面近傍のみを中空構造とするキャビティ部６０１であってもよい。

配置部６１は、複数の支持部６２に支持されることにより、支持部６２の寸法に応じた剛性でばね性を有することができ、突起部６が破損する可能性を低減できる。

また、配置部６１は、図９（ａ），（ｂ）に示すように、一対の支持部６３により可動電極４に支持される構造であってもよい。図９（ａ）に示すように、配置部６１は、矩形の対向する２辺のそれぞれ中央部から外側に延伸する一対の支持部６３を介して、可動電極４の表面に連結して支持される。一対の支持部６３を互いに結ぶ直線は、可動電極４のビーム部４１，４２を互いに結ぶ直線と平行になっている。

配置部６１は、一対の支持部６３に支持されることにより、可動電極４が揺動する方向と同じ方向に揺動可能である。よって、突起部６が固定電極２１，２２に衝突するとき、突起部６の上面全体で接触させることができ、衝突により発生する応力を低減して突起部６が破損する可能性を低減することができる。

また、図１０に示すように、固定電極２１，２２の、可動電極４の突起部に対応する位置が、ばね性を有するようにしてもよい。上部固定板２及び固定電極２１，２２の、可動電極４の突起部６に対応する位置は、過大な加速度が印加された際に突起部６に接触する
接触部７１となっている。

接触部７１は、上部固定板２及び固定電極２１，２２の下面を開口するキャビティ部６０２に位置し、一対の支持部７２により、上部固定板２及び固定電極２１，２２に連結して支持される。一対の支持部７２を互いに結ぶ直線は、可動電極４のビーム部４１，４２を互いに結ぶ直線と平行になっている。

突起部６が配置される配置部６１と、ばね性を有する接触部７１とを組み合わせることにより、突起部６の上面全体で接触させることができ、衝突により発生する応力を分散して突起部６が破損する可能性を更に低減することができる。

本発明の実施の形態に係る半導体装置によれば、過大な加速度が印加され、可動電極と固定電極とが接触したときに発生する応力を低減し、突起部の破損を抑制することができ、耐衝撃性、信頼性を向上できる。

上記のように、本発明を実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

２ 上部固定板
４，４ａ，４ｂ 可動電極
６，６ａ，６ｂ，７ａ 突起部
２１，２２，２１ａ，２２ａ，２１ｂ，２２ｂ 固定電極
６１ 配置部
６２，６３，７２ 支持部
７１ 接触部

Claims (6)

1. 平板状の可動電極と、
   前記可動電極が揺動可能なように、前記可動電極の対向する辺をそれぞれ支持する一対のビーム部と、
   前記可動電極と離間して配置された上部固定板と、
   前記上部固定板の、前記可動電極と対向する面に設けられた固定電極と、
   前記可動電極の、前記固定電極と接触する箇所に設けられた突起部と
   を備え、
   前記可動電極の、前記突起部が配置される配置部は、厚さが前記可動電極よりも薄く形成され、ばね性を有していることを特徴とする加速度センサ。
2. 前記可動電極は矩形平板状であり、
   前記配置部及び突起部は、少なくとも、前記可動電極の４つの角部近傍に形成されることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
3. 前記配置部は、薄く形成されることにより、前記突起部の周囲にばね性を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の加速度センサ。
4. 前記配置部は、複数の支持部により前記可動電極に支持されることにより、ばね性を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の加速度センサ。
5. 前記配置部は、一対の支持部により前記可動電極に支持されることにより、ばね性を有し、
   前記一対の支持部を互いに結ぶ直線は、前記一対のビーム部を互いに結ぶ直線と平行であることを特徴とする請求項１又は２に記載の加速度センサ。
6. 前記固定電極の、前記突起部と接触する箇所が、ばね性を有する接触部となっていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の加速度センサ。

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