JP2014185882A - 機能素子、センサー素子、電子機器及び移動体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】機能素子1は、基板12と、基板12の第1溝部24、第2溝部26(各溝部24,26)を跨いで主面16側に配置された第1固定電極指78、第2固定電極指80(各固定電極指78,80)と、を備え、各溝部24,26は、平面視で各固定電極指78,80と重なる位置に、各固定電極指78,80に向かって突出する突出部54,56を有し、各溝部24,26内には第1配線30、第2配線36が設けられ、第1配線30、第2配線36は、突出部54,56の少なくとも先端部及び側面の少なくとも一部に延在し、突出部54,56に設けられた第1配線30、第2配線36と各固定電極指78,80とが電気的に接続され、突出部54,56は、根元部の幅が先端部の幅よりも大きい形状である。
【選択図】図5
Description
この機能素子は、基板上に可動部が配置され、固定素子部の固定電極部と可動部の可動電極部とが対向して配置されることで、物理量印加時の可動部の変位に伴う固定電極部と可動電極部間の静電容量の変化を、上記配線を介して捉えることによって物理量を検出可能な構成となっている。
これにより、上記機能素子は、例えば、外力などが加わることによって、溝部に設けられている配線が凸部の側面で断線する虞がある。
この結果、上記機能素子は、配線と固定素子部(固定電極部)との電気的接続の信頼性が低下する虞がある。
このことから、機能素子は、前述した製造方法を用いた配線の成膜時において、突出部の側面への成膜が容易となり、突出部における先端部と側面との膜厚差を、従来(例えば、特許文献1)の角柱状の凸部における接合面と側面との膜厚差より小さくできる。
この結果、機能素子は、突出部における配線の断線の虞を回避できることから、配線と固定電極部との電気的接続の信頼性を向上させることができる。
加えて、機能素子は、溝部を上記形状とすることにより後述する絶縁膜の成膜性も向上することから、絶縁膜の膜厚制御が容易となり、配線と他の構成要素とを絶縁膜によって確実に絶縁分離することができる。
この結果、機能素子は、突出部の接合平面上の配線を介して基板と固定電極部とを確実に接続することができ、配線と固定電極部との電気的接続の信頼性を更に向上させることができる。
また、機能素子は、例えば、絶縁膜が突出部の先端部を除く、基板と固定電極部との間のすべての領域に設けられている場合には、固定電極部と基板上の他の構成要素との絶縁性を確保することができる。
これにより、機能素子は、可動部の可動電極部と固定電極部との間の静電容量が変化することになる。この結果、機能素子は、静電容量の変化を捉えることにより、印加された加速度などの物理量を検出するセンサーを実現することができる。
最初に、機能素子の一例について説明する。
図1は、本実施形態の機能素子の概略構成を示す模式平面図である。図2は、図1の機能素子の概略構成を示す模式斜視図である。図3は、図1のA部の模式拡大図であり、図3(a)は模式平面図、図3(b)は、図3(a)のC−C線での模式断面図、図3(c)は、図3(a)のD−D線での模式断面図である。
図4は、図1のB部の模式拡大図であり、図4(a)は模式平面図、図4(b)は、図4(a)のE−E線での模式断面図である。なお、上記各平面図では、説明の便宜上、一部の構成要素を省略してある。また、各図において、分かり易くするために、各構成要素の寸法比率は実際と異なる。また、図中のX軸、Y軸、Z軸は、互いに直交する座標軸であり、矢印の方向が+(プラス)方向である。
また、主面16の略中央部には、可動部68と基板12との干渉を回避するために平面形状が略矩形状の凹部22が設けられている。これにより、可動部68の可動領域は、平面視で凹部22内に収まることになる。
図1に示すように、第1溝部24、第2溝部26は、凹部22の−Y側から反時計回りに凹部22を取り囲むように延在し、凹部22の−X側の端子部20まで設けられている。第3溝部28は、凹部22の−X側から第1溝部24、第2溝部26に沿って端子部20まで設けられている。
これにより、機能素子1は、基板12と半導体基板66とを陽極接合することができる。また、機能素子1は、基板12にアルカリ金属イオンを含むガラスを用いることにより、基板12と半導体基板66とを容易に絶縁分離することができる。
また、基板12の構成材料は、半導体基板66の構成材料との熱膨張係数差ができるだけ小さいことが好ましく、具体的には、基板12の構成材料と半導体基板66の構成材料との熱膨張係数差が3ppm/℃以下であることが好ましい。これにより、機能素子1は、基板12と半導体基板66との間の残留応力を低減することができる。
第1配線30は、第1固定電極指78と電気的に接続される配線であり、第2配線36は、第2固定電極指80と電気的に接続される配線であり、第3配線42は、後述する固定部76と電気的に接続される配線である。
なお、第1配線30、第2配線36、第3配線42の各端部(端子部20に配置される端部)は、それぞれ第1端子電極34、第2端子電極40、第3端子電極46となる。
なお、機能素子1は、各配線の構成材料が透明電極材料(特にITO)であれば、基板12が透明であった場合、第1固定電極指78、第2固定電極指80の面上に存在する異物などを基板12の主面16側とは反対側の面から容易に視認することができ、検査を効率的に行うことができる。
図1に示すように、アーム70は、X軸方向に沿って梁状(柱状)に延在し、X軸方向の両端に可撓部74が配置されている。複数の可動電極指72は、アーム70の延在方向に沿って一定の間隔で、アーム70の延在方向と直交する方向(Y軸方向)に櫛歯状に延設されている。可撓部74は、Y軸方向へ折り返しながらX軸方向へ延在し、X軸方向から印加される外力によりX軸方向に撓む(変形する)ように形成されている。固定部76は、可撓部74の端部に接続されるとともに基板12に接合されている。また固定部76の一方(凹部22の−X側に位置する方)は、基板12の第3溝部28を跨ぐ位置に配置されている。
第2固定電極指80は、第1固定電極指78と平行に配置され、基板12の第1溝部24及び第2溝部26を跨ぐ位置に配置されている。また、第2固定電極指80は、第1固定電極指78と同様に、Z軸方向から見て凹部22と一部が重なるように配置されている。第1固定電極指78及び第2固定電極指80は、櫛歯状に配置された各可動電極指72間に挟まれるように配置されている。
機能素子1は、突出部54に設けられた第1配線30と第1固定電極指78とが電気的に接続されている。これにより、第1端子電極34は、第1配線30を介して第1固定電極指78と電気的に接続されていることになる。
なお、第1配線30の厚み寸法は、第1溝部24の深さ寸法より小さいことから、第1配線30が、主面16から突出することはなく、第2固定電極指80と接触する虞はない。
機能素子1は、突出部56に設けられた第2配線36と第2固定電極指80とが電気的に接続されている。これにより、第2端子電極40は、第2配線36を介して第2固定電極指80と電気的に接続されていることになる。
なお、第2配線36の厚み寸法は、第2溝部26の深さ寸法より小さいことから、第2配線36が、主面16から突出することはなく、第1固定電極指78と接触する虞はない。
機能素子1は、突出部58に設けられた第3配線42と固定部76とが電気的に接続されている。これにより、第3端子電極46は、第3配線42を介して固定部76と電気的に接続され、固定部76から可撓部74、アーム70を介して可動電極指72と電気的に接続されていることになる。
図5は、各溝部、各配線及び各突出部のY軸方向に沿って切断した模式拡大断面図である。
図5の左図に示すように、第1溝部24、第2溝部26、第3溝部28の底面に設けられた突出部54,56,58は、根元部の幅が先端部の幅よりも大きい形状である。
詳述すると、突出部54,56,58は、底面側の根元部から主面16側の先端部に行くに従い、段階的に細くなる形状となっている。具体的には、突出部54,56,58は、四方が2段の階段状に形成された、下の段が太く上の段が細い段付の角柱状突起となっている。
突出部54,56,58の先端部は、接合平面54a,56a,58aを有している。この接合平面54a,56a,58aは、基板12の主面16と同一平面となっている。
第1配線30、第2配線36、第3配線42は、突出部54,56,58全体を覆って、第1溝部24、第2溝部26、第3溝部28内に延在している。
図5の右図に示すように、第1配線30、第2配線36、第3配線42は、第1溝部24、第2溝部26、第3溝部28の底面の幅より狭い幅で設定され、各底面の中央部を通るように設けられている。
なお、いうまでもないが第1端子電極34、第2端子電極40、第3端子電極46は、絶縁膜62から露出している。絶縁膜62には、絶縁性、成膜性の観点からSiO2を用いることが好ましい。
図1に戻って、機能素子1は、第1固定電極指78と、第1固定電極指78に−X側から対向する可動電極指72との間で第1コンデンサーが形成され、第2固定電極指80と、第2固定電極指80に+X側から対向する可動電極指72との間で第2コンデンサーが形成される。
この状態で、機能素子1に、例えば、−X方向に加速度が印加されると、アーム70及び可動電極指72が慣性により+X方向に変位する。このとき、第1固定電極指78と可動電極指72との間隔は狭くなるので、第1コンデンサーの静電容量は増加する。また、第2固定電極指80と可動電極指72との間隔は広くなるので、第2コンデンサーの静電容量は減少する。
逆に、+X方向に加速度が印加され、アーム70及び可動電極指72が−X方向に変位すると、第1コンデンサーの静電容量は減少し、第2コンデンサーの静電容量は増加する。
そして、機能素子1は、2つのコンデンサーの静電容量の変化の差分を検出するので、高い感度で加速度などの物理量を検出することができる。
図6〜図8は、機能素子の製造工程を示す模式図であり、図6(a)、図6(b)は、各溝部及び各突出部を形成する工程を示す模式断面図、図6(c)は、基板に配線材料を成膜する工程を示す模式断面図、図6(d)は、配線を形成する工程を示す模式断面図である。
図7(a)は、基板に絶縁膜を成膜する工程を示す模式断面図であり、図7(b)は、不要な絶縁膜を除去する工程を示す模式断面図、図7(c)は、基板と半導体基板とを接合する工程を示す模式断面図、図7(d)は半導体基板を薄くする工程を示す模式断面図である。図8は、半導体基板のエッチング前の状態を示す模式平面図である。なお、各断面図の切断位置は、図5と同様である。
ついで、図6(a)に示すように、ウェットエッチングまたはドライエッチングなどにより、基板12の主面16に第1溝部24、第2溝部26、第3溝部28の側壁の主面16側から見て1段目、及び突出部54,56,58の同1段目を形成する。この際、突出部54,56,58の接合平面54a,56a,58aは、基板12の主面16と同一平面となる。
ついで、図6(b)に示すように、ウェットエッチングまたはドライエッチングなどにより、第1溝部24、第2溝部26、第3溝部28の側壁の主面16側から見て2段目、及び突出部54,56,58の同2段目を形成する。
ついで、図6(d)に示すように、突出部54,56,58を被覆している領域を含む第1配線30、第2配線36、第3配線42となる部分を残して配線材料100のエッチングを行ない、第1配線30、第2配線36、第3配線42を形成する。
ここで、突出部54,56,58が、段付の角柱状突起となっていることから、突出部54,56,58の、主面16に対して略垂直な四方の側面は、階段状に複数の面(ここでは各2面)に分割されていることになる。
これにより、配線材料100(第1配線30、第2配線36、第3配線42)の成膜時において、突出部54,56,58の側面への成膜が容易となり、突出部54,56,58における先端部(接合平面54a,56a,58a)と側面との膜厚差を、従来の段差のない角柱状の凸部における接合面と側面との膜厚差より小さくできる。
ついで、図7(b)に示すように、ウェットエッチングまたはドライエッチングなどにより、絶縁膜62における突出部54,56,58を覆っている部分、基板12の主面16を覆っている部分、及び図示しないが第1端子電極34、第2端子電極40、第3端子電極46を覆っている部分などを除去する。
これにより、絶縁膜62は、第1配線30、第2配線36、第3配線42の突出部54,56,58及び第1端子電極34、第2端子電極40、第3端子電極46を除いた領域を覆うことになる。
このとき、突出部54,56,58の接合平面54a,56a,58a上の第1配線30、第2配線36、第3配線42は、基板12の主面16から半導体基板66側に厚み分突出していることから、半導体基板66に圧接されることになる。
これにより、第1配線30、第2配線36、第3配線42と半導体基板66とが電気的に接続される。なお、図7などでは、半導体基板66が紙面上方に大きく撓んでいるように描かれているが、これは便宜的な描写であって、実際には機能に支障のない程度の極めて微小な撓みとなっている。
ついで、リッド64を基板12の主面16の端子部20を除く外周部に接合し、第1固定電極指78、第2固定電極指80、可動部68(アーム70、可動電極指72、可撓部74、固定部76)を封止する。
以上のような工程を経ることにより、図1、図2に示すような機能素子1が得られる。
この結果、機能素子1は、突出部54,56,58における第1配線30、第2配線36、第3配線42の断線の虞を回避できることから、第1配線30、第2配線36、第3配線42と第1固定電極指78、第2固定電極指80、固定部76との電気的接続の信頼性を向上させることができる。
これにより、機能素子1は、突出部54,56,58の先端部(接合平面54a,56a,58a)と側面との第1配線30、第2配線36、第3配線42の膜厚差をより小さくできる。
加えて、機能素子1は、第1溝部24、第2溝部26、第3溝部28を上記形状とすることにより絶縁膜62の成膜性も向上することから、絶縁膜62の膜厚制御が容易となり、例えば、第1配線30と第2固定電極指80間、第2配線36と第1固定電極指78間、第3配線42と他の構成要素間などを絶縁膜62によって確実に絶縁分離することができる。
この結果、機能素子1は、突出部54,56,58の接合平面54a,56a,58a上の第1配線30、第2配線36、第3配線42と第1固定電極指78、第2固定電極指80、固定部76とを確実に接続することができ、第1配線30、第2配線36、第3配線42と第1固定電極指78、第2固定電極指80、固定部76との電気的接続の信頼性を更に向上させることができる。
なお、機能素子1は、絶縁膜62が更に基板12の主面16上の略全面に設けられていてもよく、この場合には、第1固定電極指78、第2固定電極指80、固定部76と基板12の主面16上の他の構成要素との絶縁性を確保することができる。
これにより、機能素子1は、可動部68の可動電極指72と第1固定電極指78、第2固定電極指80との間の静電容量が変化することになる。この結果、機能素子1は、静電容量の変化を検出することにより、印加された加速度などの物理量を検出するセンサーを実現することができる。
また、図9(b)に示すように、突出部54,56,58は、略釣鐘形状(略砲弾形状)であってもよい。また、第1溝部24、第2溝部26、第3溝部28は、側壁(側面)が主面16側の溝幅が広くなるように湾曲した曲面となっていてもよい。
これらの突出部54,56,58及び第1溝部24、第2溝部26、第3溝部28の形状は、上記実施形態の形状を含めて互いに組み合わせてもよい。
なお、突出部54,56,58の平面形状は、図示の四角形状に限定されるものではなく、三角形状や五角形以上の多角形状であってもよく、円形状や楕円形状であってもよい。
上述した機能素子1は、2つのコンデンサーの静電容量の変化の差分を検出することにより、高い感度で加速度などの物理量を検出することができることから、物理量を検出するセンサー素子の構成要素として好適に用いることができる。
また、例えば、機能素子1を2つ備えているセンサー素子は、2つの機能素子1のアーム70の延在方向を互いに直交させることにより、例えば、X軸方向とY軸方向との2方向の加速度などの物理量を検出することができる。
次に、上述した機能素子1を備えている電子機器について説明する。
図10は、機能素子を備えている電子機器としてのモバイル型(またはノート型)のパーソナルコンピューターの構成を示す模式斜視図である。
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1101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、機能素子1が内蔵されている。
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1201が配置されている。
このような携帯電話機1200には、機能素子1が内蔵されている。
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(図中手前側)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(図中奥側)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。
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、機能素子1が内蔵されている。
なお、上記機能素子1を備えている電子機器としては、これら以外に、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、フライトシミュレーターなどが挙げられる。いずれの場合にも、機能素子1を備えていることから、信頼性が向上し優れた性能を発揮することができる。
次に、上述した機能素子1を備えている移動体について説明する。
図13は、機能素子を備えている移動体の一例としての自動車を示す模式斜視図である。
自動車1500は、機能素子1を、例えば、搭載されているナビゲーション装置、姿勢制御装置などの姿勢検出センサー(ジャイロセンサー、加速度センサーなど)などの構成要素として用いている。
これによれば、自動車1500は、機能素子1を備えていることから、信頼性が向上し優れた性能を発揮することができる。
Claims (9)
- 主面に溝部が設けられた基板と、
前記溝部を跨いで前記基板の前記主面側に配置された固定電極部と、を備え、
前記溝部は、平面視で前記固定電極部と重なる位置に、前記固定電極部に向かって突出する突出部を有し、
前記溝部内には配線が設けられ、
前記配線は、前記突出部の少なくとも先端部及び側面の少なくとも一部に延在し、
前記突出部に設けられた前記配線と前記固定電極部とが電気的に接続され、
前記突出部は、根元部の幅が前記先端部の幅よりも大きい形状であることを特徴とする機能素子。 - 請求項1に記載の機能素子において、
前記溝部は、底部から前記主面に行くに従い、連続的または段階的に溝幅が広くなる形状であることを特徴とする機能素子。 - 請求項1または請求項2に記載の機能素子において、
前記突出部の前記先端部は、接合平面を有し、
前記接合平面は、前記基板の前記主面と同一平面であることを特徴とする機能素子。 - 請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の機能素子において、
前記基板と前記固定電極部との間には、前記突出部の前記先端部以外の少なくとも一部に絶縁膜が設けられていることを特徴とする機能素子。 - 請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の機能素子において、
前記基板の前記主面側には、可動部が配置され、
前記可動部は、前記固定電極部に対向する位置に可動電極部を有することを特徴とする機能素子。 - 請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の機能素子において、
前記基板は、絶縁材料で構成され、
前記固定電極部は、半導体材料で構成されていることを特徴とする機能素子。 - 請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載の機能素子を備えていることを特徴とするセンサー素子。
- 請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載の機能素子を備えていることを特徴とする電子機器。
- 請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載の機能素子を備えていることを特徴とする移動体。
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