JP2015055476A - 物理量センサー、振動デバイス、電子機器および移動体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】物理量センサー100は、基板10と、基板10の主面上に設けられた固定部41によって基板10に遊離して支えられた可動電極50と、基板10の主面上に設けられた固定電極60と、配線30と、を備え、固定部41と配線30とは、配線30の一部が固定部41に当接するコンタクト部81によって電気的に接続され、可動電極50は、固定部41を介して、配線30と電気的に接続され、コンタクト部81は、可動電極50と固定部41とが連接する領域の縁部に挟まれた固定支点領域Fを、可動電極50の変位方向に仮想延長した第1領域Dの外の第2領域Gの固定部41に設けられている。
【選択図】図1
Description
特許文献1には、このような構造の物理量センサーにおいて、可動電極の固定部(アンカー部)と可動電極との間に応力遮断用のスリットを設けることにより、外部応力に起因する可動電極の変形を防止する技術が提案されている。外部応力がスリットにおいて緩衝され、可動電極の変形が防止できることから、センサーとしての検出精度の低下が防止できるとしている。
まず、実施形態1に係る物理量センサーについて説明する。
図1(a)〜(d)は、実施形態1に係る物理量センサー100を示す模式図であり、図1(a)は、平面図、図1(b)は、図1(a)のE部の拡大図、図1(c)は図1(b)のB−B断面図、図1(d)は、図1(a)のA−A断面図である。
なお、以下では、説明の便宜上、図に付記するXYZ軸において、X方向を右方向、X軸方向(±X方向)を横方向、Y方向を奥行方向、Y軸方向(±Y方向)を前後方向、Z方向を上方向、Z軸方向(±Z方向)を上下方向、あるいは、後述する基板10の厚さ方向として説明する。
センサー素子20は、固定部41,42、可動電極50、固定電極60などを備えている。
可動電極50は、連結部51,52、可動電極指53,54、可動基部55などを備えている。
基板10は、主面としての上面に、凹部70が設けられている。この凹部70は、基板10を平面視したときに、センサー素子20の可動電極50(連結部51,52、可動電極指53,54、可動基部55)が収まる領域に形成されている。
可動基部55の+Y側の長辺部分からは、複数の(本実施形態では3つの)梁状の可動電極指53が+Y方向に、可動基部55の−Y側の長辺部分からは、複数の(本実施形態では3つの)梁状の可動電極指54が−Y方向に延出している。
凹部70は、可動電極50(連結部51,52、可動電極指53,54、可動基部55)を基板10から遊離させるための逃げ部として形成されている。なお、この逃げ部は、凹部70に代えて、基板10をその厚さ方向に貫通する貫通孔であってもよい。また、本実施形態では、凹部70の平面視形状は、矩形を呈しているが、これに限定されるものではない。
Y軸方向に延出する複数の可動電極指53および複数の可動電極指54は、それぞれ、可動電極50の変位するX軸方向に並んで設けられている。
連結部52も同様に、Y軸方向に蛇行しながら−X方向に延びる形状をなす一対の梁で構成されている。
固定電極指61は、1つの可動電極指53を、間隔を隔てて挟むように、X軸方向の両側に対向して一対ずつ(従って、2つ×3か所)配置されている。また、同様に、固定電極指62は、1つの可動電極指54を、間隔を隔てて挟むように、X軸方向の両側に一対ずつ(従って、2つ×3か所)対向して配置されている。
同様に、固定電極指62の内の可動電極指54の+X側に位置する固定電極指62(以下、同様に第1固定電極指と言う。)と可動電極指54との間の静電容量、および、固定電極指62の内の可動電極指54の−X側に位置する固定電極指62(以下、同様に第2固定電極指と言う。)と可動電極指54との間の静電容量を可動電極50の変位に応じて変化させることができる。
つまり、センサー素子20は、例えば、加速度や角速度などの物理量の変化に応じて、可動電極50(可動電極指53,54)が、連結部51,52を弾性変形させながら、X軸方向(+X方向または−X方向)に変位する。物理量センサー100は、このような変位に伴って変化する静電容量に基づいて、加速度や角速度などの物理量を検出することができる。
なお、可動電極50および固定電極60の形状は、センサー素子20を構成する各部の形状、大きさなどに応じて決められるものであり、上述した構成に限定されない。
凹部71の深さ寸法(基板10の厚み方向の寸法)は、後述するコンタクト部を除き、配線30の厚さ寸法よりも大きく、凹部70の深さ寸法より小さくなっている。
シリコン基板は、エッチングにより高精度に加工することができる。そのため、センサー素子20を、シリコン基板を主材料として構成することにより、センサー素子20の寸法精度を優れたものとし、その結果、物理量センサー100の高感度化を図ることができる。また、センサー素子20を構成するシリコン材料には、リン、ボロンなどの不純物がドープされていることが好ましい。これにより、物理量センサー100は、センサー素子20の導電性を優れたものとすることができる。
なお、センサー素子20の構成材料としては、シリコン基板に限定するものではなく、静電容量の変化に基づく物理量の検出が可能な材料であれば良い。
所定の電気接続部とは、配線30の一部を覆うようにセンサー素子20を構成する上層が積層して配線30とその上層とが当接し、電気的に接続されるコンタクト部である。
図1(a)に示すように、配線30による第1,第2固定電極指の結線や、配線30と固定部41との接続は、コンタクト部81によって行われる。可動電極50は、固定部41を介して、配線30と電気的に接続されている。
凹部71の領域において、コンタクト部81には、配線30と、その上層(固定部41)とが当接するように、隆起部82(凹部71の深さ寸法が、配線30の厚さより小さい部分)が形成されている。具体的には、物理量センサー100の製造工程において、基板10の主面に凹部71を形成する際に、コンタクト部81に対応する部分に隆起部82が残るように凹部71を形成する。配線30は、少なくとも隆起部82の一部と重なるように積層しパターン形成する。次にセンサー素子20を構成する上層が積層されることで、隆起部82の配線30が上層に当接し、電気的に接続される。
以下に具体的に説明する。
そこで、本実施形態では、少なくとも物理量センサー100の構成において、固定支点領域Fに伝達される応力が低減されるようにするため、固定部41にコンタクト部81を設ける場合のコンタクト部81の位置を、固定支点領域Fから構造的に離れた位置にしている。具体的には、図1(b)に示すように、固定支点領域Fを可動電極50の変位方向(X軸方向)に仮想延長した第1領域Dの外の第2領域Gに固定部41Gとして固定部41を延出させ、第2領域Gにおいてコンタクト部81が構成されるようにしている。
物理量センサー99は、固定部41に代わり固定部941を備える点を除き、物理量センサー100と同じである。
コンタクト部81は、固定支点領域Fを可動電極50の変位方向(X軸方向)に仮想延長した第1領域Dの外の第2領域Gの固定部41(固定部41G)に設けられている。つまり、コンタクト部81において発生する応力は、第2領域Gから第1領域Dの固定部41(固定部41D)を介する経路で固定支点領域F(可動電極50(連結部51)と固定部41とが連接する部分を含む領域)に伝達されることになる。従って、基板10の主面上において配線30の一部を覆うように固定部41が積層して当接する構成であっても(つまりは、固定部41に接続する配線30を固定部41の下層に設け、固定部41の下層からコンタクトさせる構成の場合であっても)、その応力(固定部41の下層からコンタクト部81に突き上げる応力)が可動電極50に伝達される度合いを低減させることができる。その結果、可動電極50が受ける応力によって可動電極50が変形することや、可動電極50の変位に影響を与えてしまったりすることが抑制され、センサーとしての検出精度の低下を防止することができる。
次に、実施形態2に係る振動デバイスについて説明する。なお、説明にあたり、上述した実施形態と同一の構成部位については、同一の符号を使用し、重複する説明は省略する。
図3(a),(b)は、実施形態2に係る振動デバイス200を示す模式図であり、図3(a)は、斜視図、図3(b)は、平面図である。
実施形態1では、可動電極50がX軸方向に変位する可動電極であったのに対して、実施形態2は、可動電極がZ軸方向に変位、または振動する片持ち梁構造であることを特徴としている。
振動素子20Vは、固定部40V、可動電極50V、固定電極60Vなどを備えている。
基板10Vは、主面としての上面に、凹部70Vが設けられている。この凹部70Vは、基板10Vを平面視したときに、可動電極50V、および固定電極60が収まる領域に形成されている。
配線30Vは、可動電極50Vと固定電極60Vとの間に、この交流電圧を印加するための電気接続配線であり、固定部40Vと外部回路とを接続するための電極(図示省略)に接続する配線30Vと、固定電極60Vと外部回路と接続するための電極に接続する配線(図示省略)とがそれぞれ設けられている。
なお、図3(a)の斜視図では、配線30Vの図示を省略している。
以下に具体的に説明する。
そこで、本実施形態では、少なくとも振動デバイス200の構成において、固定支点領域FVに伝達される応力が低減されるようにするため、固定部40Vにコンタクト部80Vを設ける場合のコンタクト部80Vの位置を、固定支点領域FVから構造的に離れた位置にしている。具体的には、図3(b)に示すように、固定支点領域FVを可動電極50Vの変位方向(振動面方向)に仮想延長した第1領域DVの外の第2領域GVに含まれる位置に固定部40Vを延出させ、第2領域GVにおいてコンタクト部80Vが構成されるようにしている。
コンタクト部80Vは、第1領域DVの外の第2領域GVの固定部40Vに設けられている。つまり、コンタクト部80Vにおいて発生する応力は、第2領域GVから第1領域DVの固定部40Vを介する経路で固定支点領域FV(つまりは、可動電極50Vと固定部40Vとが連接する部分を含む領域)に伝達されることになる。従って、固定部40Vに接続する配線30Vを固定部40Vの下層に設け、固定部40Vの下層からコンタクトさせる構成であっても(つまりは、固定部40Vに接続する配線30Vを固定部40Vの下層に設け、固定部40Vの下層からコンタクトさせる構成の場合であっても)、その応力(固定部40Vの下層からコンタクト部80Vに突き上げる応力)が可動電極50Vに伝達される度合いを低減させることができる。その結果、可動電極50Vが受ける応力によって可動電極50Vが変形することや、可動電極50Vの変位(振動)に影響を与えてしまったりすることが抑制され、振動デバイスとしての精度の低下を防止することができる。
また、振動素子としては、振動素子20V,20Wのような片持ち梁(clamped‐free beam)型の振動素子に限定するものではなく、両持ち梁(clamped‐clamped beam)型であっても良い。
次いで、本発明の一実施形態に係る電子部品としての物理量センサー100あるいは振動デバイス200を適用した電子機器について、図4(a),(b)、図5に基づき説明する。
デジタルスチールカメラ1300におけるケース(ボディー)1302の背面には、表示部1000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1000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等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1000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、このデジタルスチールカメラ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、図示されるように、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。更に、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ールカメラ1300には、フィルター、共振器、角速度センサー等として機能する電子部品としての物理量センサー100あるいは振動デバイス200が内蔵されている。
次いで、本発明の一実施形態に係る物理量センサー100あるいは振動デバイス200を適用した移動体について、図6に基づき説明する。
図6は、物理量センサー100あるいは振動デバイス200を備える移動体としての自動車1400を概略的に示す斜視図である。自動車1400には本発明に係る物理量センサー100あるいは振動デバイス200を含んで構成されたジャイロセンサーが搭載されている。例えば、同図に示すように、移動体としての自動車1400には、タイヤ1401を制御する該ジャイロセンサーを内蔵した電子制御ユニット1402が搭載されている。また、他の例としては、物理量センサー100あるいは振動デバイス200は、キーレスエントリー、イモビライザー、カーナビゲーションシステム、カーエアコン、アンチロックブレーキシステム(ABS)、エアバック、タイヤ・プレッシャー・モニタリング・システム(TPMS:Tire Pressure Monitoring System)、エンジンコントロール、ハイブリッド自動車や電気自動車の電池モニター、車体姿勢制御システム、等の電子制御ユニット(ECU:electronic control unit)に広く適用できる。
実施形態1では、図1(b)に示すように、固定支点領域Fを可動電極50の変位方向(X軸方向)に仮想延長した第1領域Dの外の第2領域Gに固定部41Gとして固定部41を延出させ、第2領域Gにおいてコンタクト部81が構成されるようにしているとして説明した。変形例1〜3は、第2領域Gの固定部41Gから更に固定部41を延出させた領域にコンタクト部81を設けている。コンタクト部81で発生する応力は、固定部41Gを介してから固定部41D、更には可動電極50に伝達されるようにしている。
図7(a)に示す変形例1は、第2領域Gの固定部41Gから更に固定部41を−X方向に延出させ、更に+Y方向に延出させることで、第1領域Dに戻った領域にコンタクト部81を設けている。
図7(b)に示す変形例2は、固定部41Dの前後(±Y方向)の2か所に設けた固定部41Gからそれぞれ更に固定部41を−X方向に延出させ、更に+Y方向側の固定部41からは−Y方向に延出させ、また、更に−Y方向側の固定部41からは+Y方向に延出させることで、第1領域Dに戻り合った領域にコンタクト部81を設けている。
図7(c)に示す変形例3は、変形例1に対して、更に固定部41を延出させている。具体的には、固定部41を更に+Y方向、−X方向、−Y方向に屈曲して延出させている。
図8は、変形例4に係る振動デバイスを示す平面図である。
実施形態2では、図3(b)に示すように、固定支点領域FVを可動電極50Vの変位方向(振動面方向)に仮想延長した第1領域DVの外の第2領域GVに含まれる位置に固定部40Vを延出させ、第2領域GVにおいてコンタクト部80Vが構成されるようにしているとして説明した。本変形例は、第2領域GVの固定部40GVから更に固定部40Vを延出させた領域にコンタクト部80Vを設けている。
具体的には、第2領域GVの固定部40GVから更に固定部40Vを−X方向に延出させ、更に−Y方向に延出させることで、第1領域DVに戻った領域にコンタクト部80Vを設けている。
その結果、実施形態2と同様に、可動電極50Vが受ける応力によって可動電極50Vが変形することや、可動電極50Vの変位(振動)に影響を与えてしまったりすることが抑制され、振動デバイスとしての精度の低下を防止することができる。
Claims (12)
- 基板と、
前記基板の主面上に設けられた固定部によって前記基板に遊離して支えられた可動電極と、
前記基板の主面上に設けられた固定電極と、
配線と、を備え、
前記固定部と前記配線とは、前記配線の一部が前記固定部に当接するコンタクト部によって電気的に接続され、
前記可動電極は、前記固定部を介して、前記配線と電気的に接続され、
前記コンタクト部は、前記可動電極と前記固定部とが連接する領域の縁部に挟まれた固定支点領域を、前記可動電極の変位方向に仮想延長した第1領域の外の第2領域の前記固定部に設けられていることを特徴とする物理量センサー。 - 基板と、
前記基板の主面上に設けられた固定部によって前記基板に遊離して支えられた可動電極と、
前記基板の主面上に設けられた固定電極と、
配線と、を備え、
前記固定部と前記配線とは、前記配線の一部が前記固定部に当接するコンタクト部によって電気的に接続され、
前記可動電極は、前記固定部を介して、前記配線と電気的に接続され、
前記コンタクト部は、前記可動電極と前記固定部とが連接する領域の縁部に挟まれた固定支点領域を、前記可動電極の変位方向に仮想延長した第1領域の外の第2領域の前記固定部を介して連設された前記固定部に設けられていることを特徴とする物理量センサー。 - 前記固定部と前記配線とは、前記基板の主面上において、前記配線の一部を覆うように前記固定部が積層して当接するコンタクト部によって電気的に接続されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の物理量センサー。
- 前記可動電極は、連結部を含み、前記固定部との間に前記連結部を介して前記基板に遊離して支えられており、
前記固定支点領域が、前記連結部と前記固定部とが連接する領域の縁部に挟まれた領域であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の物理量センサー。 - 前記基板はガラス基板であり、前記固定部、前記固定電極および前記可動電極は、前記ガラス基板の主面上に積層されたシリコン基板から構成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の物理量センサー。
- 基板と、
前記基板の主面上に設けられた固定部によって前記基板に遊離して支えられた可動電極と、
前記基板の主面上に設けられた固定電極と、
配線と、を備え、
前記固定部と前記配線とは、前記配線の一部が前記固定部に当接するコンタクト部によって電気的に接続され、
前記可動電極は、前記固定部を介して、前記配線と電気的に接続され、
前記コンタクト部は、前記可動電極と前記固定部とが連接する領域の縁部に挟まれた固定支点領域を、前記可動電極の振動面方向に仮想延長した第1領域の外の第2領域の前記固定部に設けられていることを特徴とする振動デバイス。 - 基板と、
前記基板の主面上に設けられた固定部によって前記基板に遊離して支えられた可動電極と、
前記基板の主面上に設けられた固定電極と、
配線と、を備え、
前記固定部と前記配線とは、前記配線の一部が前記固定部に当接するコンタクト部によって電気的に接続され、
前記可動電極は、前記固定部を介して、前記配線と電気的に接続され、
前記コンタクト部は、前記可動電極と前記固定部とが連接する領域の縁部に挟まれた固定支点領域を、前記可動電極の振動面方向に仮想延長した第1領域の外の第2領域の前記固定部を介して連設された前記固定部に設けられていることを特徴とする振動デバイス。 - 前記固定部と前記配線とは、前記基板の主面上において、前記配線の一部を覆うように前記固定部が積層して当接するコンタクト部によって電気的に接続されていることを特徴とする請求項6または請求項7に記載の振動デバイス。
- 請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の物理量センサー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5のいずれか一項に記載の物理量センサーを備えていることを特徴とする移動体。
- 請求項6ないし請求項8のいずれか一項に記載の振動デバイスを備えていることを特徴とする電子機器。
- 請求項6ないし請求項8のいずれか一項に記載の振動デバイスを備えていることを特徴とする移動体。
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