JP2015068799A - 物理量センサー、圧力センサー、高度計、電子機器および移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】感度のよい物理量センサー、圧力センサー、高度計、電子機器および移動体を提供すること。【解決手段】物理量センサー１は、受圧により撓み変形するダイヤフラム部６４を有する基板６と、ダイヤフラム部６４に設けられた固定電極７１と、固定電極７１と空隙を隔てて対向配置されている可動部７２２を有する可動電極７２と、を有し、ダイヤフラム部６４の平面視形状は、所定方向に延びた長手形状をなし、固定電極７１の平面視形状は、所定方向に延びた長手形状をなしていること特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、物理量センサー、圧力センサー、高度計、電子機器および移動体に関するものである。

従来から、圧力を検出するセンサーとして、特許文献１に示すような圧力検出装置が知られている。
特許文献１に記載の圧力検出装置は、膜状をなし、厚さ方向に変形可能なダイヤフラムを有する基板と、この基板上に配置された歪ゲージとを有している。ダイヤフラムに圧力が加わるとダイヤフラムが撓み、その撓み量に応じて、歪ゲージの抵抗値が変化する。このピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化量に伴い発生する電位差を、圧力変化の信号として検出することで、ダイヤフラムに加わった圧力を検出することができる。
しかしながら、このような構成の圧力検出装置は、一般的、感度が低いという問題がある。

特開平５−３６９９３公報

本発明の目的は、感度のよい物理量センサー、圧力センサー、高度計、電子機器および移動体を提供することにある。

このような目的は、下記の本発明により達成される。
［適用例１］
本発明の物理量センサーは、受圧により撓み変形するダイヤフラム部と、
前記ダイヤフラム部に設けられている固定電極と、
前記固定電極と離間して対向配置されている可動部を有する可動電極と、を有し、
前記ダイヤフラム部の平面視形状は、長手形状であり、
前記固定電極の平面視形状は、前記ダイヤフラム部の長手方向に沿って延在している長手形状であること特徴とする。
これにより、ダイヤフラム部で受けた圧力を高精度に検知することができ、感度のよい物理量センサーを提供することができる。

［適用例２］
本発明の物理量センサーでは、前記可動電極は、前記ダイヤフラムに設けられている支持部と、前記支持部と前記可動部とを連結する連結部と、を有していることが好ましい。
［適用例３］
本発明の物理量センサーでは、前記固定電極と前記支持部とが、前記ダイヤフラム部の短手方向に沿って並んでいることが好ましい。
これにより、ダイヤフラム部が受圧により撓むことによる固定電極と可動部との間でのギャップ変動量を特に大きくすることができる。

［適用例４］
本発明の物理量センサーでは、前記固定電極の短手方向と前記ダイヤフラム部の短手方向とが、同じ方向であることが好ましい。
これにより、ダイヤフラム部が受圧により撓むことによる固定電極と可動部との間でのギャップ変動量を大幅に大きくすることができる。

［適用例５］
本発明の物理量センサーは、前記ダイヤフラム部の平面視形状は、長手方向の長さをＬ１とし、短手方向の長さをＬ２としたとき、Ｌ２／Ｌ１が、１．５以上、３．０以下の範囲内にあることが好ましい。
これにより、ダイヤフラム部が受圧により撓み変形したとき、固定電極と可動部とのギャップ（離間距離）を大きく変化させることができ、よって、物理量センサーの精度の向上をさらに図ることができる。

［適用例６］
本発明の圧力センサーは、本発明の物理量センサーを有することを特徴とする。
これにより、信頼性の高い圧力センサーを得ることができる。
［適用例７］
本発明の高度計は、本発明の物理量センサーを有することを特徴とする。
これにより、信頼性の高い高度計を得ることができる。

［適用例８］
本発明の電子機器は、本発明の物理量センサーを有することを特徴とする。
これにより、信頼性の高い電子機器を得ることができる。
［適用例９］
本発明の移動体は、本発明の物理量センサーを有することを特徴とする。
これにより、信頼性の高い移動体を得ることができる。

本発明の物理量センサーの第１実施形態を示す断面図である。 図１に示す物理量センサーのダイヤフラム部の拡大詳細図であって、（ａ）は、図１中の一点鎖線で囲まれた領域［Ａ］の断面図、（ｂ）は、（ａ）中の矢印Ｂ方向から見た図である。 図１に示すダイヤフラム部の変形を示す図であって、（ａ）は自然状態を示す図、（ｂ）は加圧状態を示す図である。 ダイヤフラム部の長手方向の長さと、ギャップ変動量との関係を検討するために用いた物理量センサーのダイヤフラム部の拡大詳細図である。 ダイヤフラム部の長手方向の長さと、ギャップ変動量との関係を示すグラフである。 図１に示す物理量センサーの製造工程を示す図である。 図１に示す物理量センサーの製造工程を示す図である。 図１に示す物理量センサーの製造工程を示す図である。 図１に示す物理量センサーの製造工程を示す図である。 本発明の物理量センサーの第２実施形態を示す拡大断面図であって、（ａ）は、拡大断面図、（ｂ）は、（ａ）中の矢印Ｄ方向から見た図である。 図１０に示すダイヤフラム部の変形を示す図であって、（ａ）は自然状態を示す図、（ｂ）は加圧状態を示す図である。 支持部の端とダイヤフラム部の中心との距離と、ギャップ変動量との関係を示すグラフである。 本発明の圧力センサーの一例を示す断面図である。 本発明の高度計の一例を示す斜視図である。 本発明の電子機器の一例を示す正面図である。 本発明の移動体の一例を示す斜視図である。

以下、本発明の物理量センサー、圧力センサー、高度計、電子機器および移動体を添付図面に示す各実施形態に基づいて詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
１．物理量センサー
図１は、本発明の物理量センサーの第１実施形態を示す断面図である。図２は、図１に示す物理量センサーのダイヤフラム部の拡大詳細図であって、（ａ）は、図１中の一点鎖線で囲まれた領域［Ａ］の断面図、（ｂ）は、（ａ）中の矢印Ｂ方向から見た図である。図３は、図１に示すダイヤフラム部の変形を示す図であって、（ａ）は自然状態を示す図、（ｂ）は加圧状態を示す図である。
図１に示す物理量センサー１は、基板６と、機能素子７と、素子周囲構造体８と、空洞部５と、半導体回路（図示せず）とを有している。以下これらの各部について順次説明する。

−基板６−
基板６は、板状をなしており、例えば、シリコン等の半導体で構成された半導体基板６１上に、絶縁膜６２と、シリコン窒化膜６３とをこの順に積層することにより構成することができる。このような基板６の平面視形状は、特に限定されず、例えば略正方形または略長方形等の矩形や、円形とすることができる。

また、基板６には、周囲の部分よりも薄肉であり、受圧によって撓み変形するダイヤフラム部６４が設けられている。ダイヤフラム部６４は、基板６の下面に有底の凹部６５を
設けることで形成されている。このようなダイヤフラム部６４は、略長方形の平面視形状であり、その下面が受圧面６４１となっている。ダイヤフラム部６４の厚さは、特に限定されないが、例えば、１０μｍ以上、５０μｍ以下であるのが好ましく、１５μｍ以上、２５μｍ以下であるのがより好ましい。これにより、ダイヤフラム部６４は、十分に撓んで変形することができる。
なお、本実施形態の基板６では、凹部６５が半導体基板６１を貫通しておらず、ダイヤフラム部６４が半導体基板６１、絶縁膜６２およびシリコン窒化膜６３の３層で構成されているが、例えば、凹部６５が半導体基板６１を貫通し、ダイヤフラム部６４が絶縁膜６２およびシリコン窒化膜６３の２層で構成されていてよい。

−機能素子７−
機能素子７は、基板６のダイヤフラム部６４上に設けられている固定電極７１と、可動電極７２とを有している。また、可動電極７２は、基板６上に支持部７２１と、固定電極７１と空隙を隔てて対向配置された可動部７２２と、支持部７２１と可動部７２２とを連結する弾性変形可能な連結部７２３とを有している。
また、固定電極７１の膜厚は、特に限定されず、０．１μｍ以上、１．０μｍ以下とすることができる。また、可動電極７２の膜厚は、特に限定されず、０．１μｍ以上、１．０μｍ以下とすることができる。

−素子周囲構造体８−
素子周囲構造体８は、機能素子７が配置されている空洞部５を画成するように形成されている。このような素子周囲構造体８は、基板６上に機能素子７を取り囲むように形成された層間絶縁膜８１と、層間絶縁膜８１上に形成された配線層８２と、配線層８２および層間絶縁膜８１上に形成された層間絶縁膜８３と、層間絶縁膜８３上に形成され、複数の細孔（開孔）を備えた被覆層８４１を有する配線層８４と、配線層８４および層間絶縁膜８３上に形成された表面保護膜８５と、被覆層８４１上に設けられた封止層８６とを有している。
半導体基板６１上およびその上方には、図示しない半導体回路が作り込まれている。この半導体回路は、必要に応じて形成されたＭＯＳトランジスタ等の能動素子、コンデンサ、インダクタ、抵抗、ダイオード、配線（固定電極７１に接続されている配線や可動電極７２に接続されている配線、配線層８２、８４を含む）等の回路要素を有している。

−空洞部５−
基板６と素子周囲構造体８とによって画成された空洞部５は、機能素子７を収容する収容部として機能している。また、空洞部５は、密閉された空間である。この空洞部５は、物理量センサー１が検出する圧力の基準値となる圧力基準室として機能する。本実施形態では、空洞部５が真空状態（３００Ｐａ以下）となっている。空洞部５を真空状態とすることによって、物理量センサー１を、真空状態を基準として圧力を検出する「絶対圧センサー」として用いることができ、その利便性が向上する。
ただし、空洞部５は、真空状態でなくてもよく、大気圧であってもよいし、大気圧よりも気圧が低い減圧状態であってもよいし、大気圧よりも気圧が高い加圧状態であってもよい。

以上、物理量センサー１の構成について簡単に説明した。このような物理量センサー１は、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、ダイヤフラム部６４の受圧面６４１が受ける圧力に応じて、ダイヤフラム部６４が変形し、これにより、可動電極７２の可動部７２２と固定電極７１とのギャップ（離間距離）Ｇが変化する。ギャップＧが変化すると、固定電極７１および可動電極７２で構成される振動系の共振周波数が変化するため、この共振周波数の変化から、受圧面６４１で受けた圧力の大きさ（絶対圧）を求めることができる。

物理量センサー１は、前述したように、空洞部５が真空状態となっているため、受圧面６４１に圧力Ｐが加わると、ダイヤフラム部６４が、空洞部５側に撓み変形する。なお、図３（ａ）では、ダイヤフラム部６４と厚肉部６６とが一直線状をなしているが、大気圧中では、ダイヤフラム部６４は、空洞部５側（図３中上側）に突出するように若干撓んでいる。
物理量センサー１では、受けた圧力をより高精度に検知できるように、機能素子７の配置や、ダイヤフラム部６４の形状に特徴を持たせている。以下、このことについて、詳細に説明する。

図２（ａ）および（ｂ）に示すように、機能素子７は、ダイヤフラム部６４の中央部に位置している。また、固定電極７１と支持部７２１とは、ダイヤフラム部６４の短手方向に沿って並んで設置されている。すなわち、固定電極７１と支持部７２１との並び方向が、ダイヤフラム部６４の並び方向と平行になっている。支持部７２１は、その固定電極７１側の端７２５が、ダイヤフラム部６４の中心（対角線の交点）Ｏに位置している。また、固定電極７１は、支持部７２１の図２中右側に位置している。

また、ダイヤフラム部６１の平面視形状は、長方形である。また、固定電極７１および可動部７２２の平面視形状は、それぞれ、ダイヤフラム部６４の長手方向に沿って延在している長方形である。可動部７２２は、平面視において、その先端部（自由端部）が固定電極７１に内包されている。固定電極７１の短手方向、および可動部７２２の短手方向は、ダイヤフラム部６４の短手方向と平行になっている。そのため、固定電極７１の長手方向、および可動部７２２の長手方向は、当然、ダイヤフラム部６４の長手方向と平行になっている。

前述したように、支持部７２１の端７２５が中心Ｏ上に設けられており、固定電極７１が支持部７２１よりも厚肉部６６側に設けられているため、ダイヤフラム部６４が撓むと、ギャップＧは増大する。
また、前述したように、固定電極７１と支持部７２１とは、ダイヤフラム部６４の短手方向に沿って並んで設置されているため、ダイヤフラム部６４が撓んだときの支持部７２１と固定電極７１との変位量の差を、より大きくすることができる。これは、ダイヤフラム部６４が撓み変形した際に、ダイヤフラム部６４の長手方向よりも、ダイヤフラム部６４の短手方向の方が、基板６に対して急峻な角度で変位するためである。

特に、固定電極７１の短手方向、および支持部７２１の短手方向と、ダイヤフラム部６４の短手方向とが平行である。すなわち、固定電極７１の短手方向とダイヤフラム部６４の短手方向とが、同じ方向であるため、上述した効果が顕著に発揮される。
なお、「平行」とは、完全に平行となっているもの以外に、例えば、固定電極７１の短手方向、および支持部７２１の短手方向が、ダイヤフラム部６４の短手方向に対して２〜３度程度傾斜しているものも含む。

また、本実施形態では、ダイヤフラム部６４の形状が長方形であるが、ダイヤフラム部が長方形以外の長手形状である場合には、固定電極７１と支持部７２１との並び方向を、ダイヤフラム部６４の延在する方向と直行する方向に対して平行にすれば、上述した効果と同様の効果を得ることができる。
また、機能素子７が設けられている中央部Ｏ５、特に中心Ｏは、圧力が加わることで大きく撓む部分である。このため、支持部７２１をより大きく変位させることができるため、ギャップ変動量（離間距離Ｇの変動量）をより大きくすることができる。

また、ダイヤフラム部６４の中央部Ｏ５、特に中心Ｏは、ダイヤフラム部６４の長手方向の長さＬ１が、短手方向の長さＬ２に対して長くなるほど、より大きく撓む傾向がある。したがって、長さＬ２に対して長さＬ１をより長くすることで、ギャップ変動量をより大きくすることができ、よって、特に感度のよい物理量センサー１を得ることができる。
ダイヤフラム部６４の短手方向の長さＬ２と、長手方向の長さＬ１との関係は、特に限定されないが、Ｌ１／Ｌ２は、１．５以上、３．０以下であることが好ましく、１．７以上、２．８以下であることがより好ましく、１．８以上、２．５以下であることがさらに好ましい。これにより、ギャップ変動量を特に大きくすることができ、物理量センサー１の小型化と高感度化の両立を図ることができる。なお、本実施形態では、Ｌ１／Ｌ２は、略２．０となっている。

また、ダイヤフラム部６４の長手方向の長さＬ１としては、５０μｍ以上、１１０ｍ以下であることが好ましく、ダイヤフラム部６４の短手方向の長さＬ２としては、特に限定されないが、１０μｍ以上、７０μｍ以下であることが好ましい。
固定電極７１の平面視における面積Ｓ１としては、特に限定されないが、１００μｍ^２以上、８００μｍ^２以下であることが好ましい。また、ダイヤフラム部６４の平面視における面積Ｓ５としては、特に限定されないが、１０００μｍ^２以上、７０００μｍ^２以下であることが好ましい。これにより、物理量センサー１の小型化を図ることができる。

また、可動部７２２と固定電極７１とのギャップＧは、ダイヤフラム部６４が撓み変形していない状態にて、０．３μｍ以上、１．０μｍ以下であることが好ましい。これにより、機能素子７をより効率的に起動させることができ、かつ、ダイヤフラム部６４が撓んだときに、固定電極７１と可動部７２２とが接触することを回避できるため、固定電極７１および可動部７２２の破損を防止することができる。

以下に、図４および図５に基づいて、ダイヤフラム部６４の長手方向の長さＬ１に対するギャップ変動量について検討した結果を示す。
図４は、ダイヤフラム部６４の長手方向の長さＬ１と、ギャップ変動量との関係を検討するために用いた物理量センサー１の拡大詳細図である。なお、図４（ａ）は、物理量センサー１のダイヤフラム部６４の断面拡大詳細図であり、図４（ｂ）は、（ａ）中の矢印Ｃ方向から見た図である。また、図５は、ダイヤフラム部６４の長手方向の長さＬ１と、ギャップ変動量との関係を示すグラフである。

図５に示すグラフの横軸は、長さＬ１を示し、縦軸は、ギャップ変動量を示している。なお、ギャップ変動量は、加圧状態でのギャップＧから、自然状態（空洞部５と等しい圧力がかかっている状態）でのギャップＧを引いた値を示している。また、「ＡＶＥ」は、固定電極７１と可動部７２２とが平面視において重なり合っている領域Ｘ（図４（ｂ）参照）におけるギャップ変動量の平均値、「中心」は、領域Ｘの中心Ｏ側の端におけるギャップ変動量を示し、「端」は、領域Ｘの中心Ｏとは反対側の端におけるギャップ変動量のを示している。

検討に用いた物理量センサー１の各部の寸法は以下のとおりである。
ダイヤフラム部６４は、長手方向の長さＬ１が８０μｍであり、短手方向の長さＬ２が４０μｍであり、ダイヤフラム部６４の膜厚が２．０７μｍである。また、固定電極７１の長手方向の長さが３９．７５μｍであり、短手方向の長さが１１．２５μｍである。また、可動電極７２の長手方向の長さが３０．０μｍであり、短手方向の長さが９．０μｍである。また、可動部７２２の短手方向の長さは、３．７８μｍである。また、自然状態における、可動部７２２と固定電極７１とのギャップＧは、０．６μｍである。また、固定電極７１および可動電極７２の、それぞれの膜厚は、０．３μｍである。

また、機能素子７は、支持部７２１の端７２５がダイヤフラム部６４の中心Ｏ上に位置するように設けた。また、ダイヤフラム部６４に加えた圧力は、１００ｋＰａである。
また、検討方法として、機能素子７の位置を変えずに、ダイヤフラム部６４の長手方向の長さＬ１を変更し、各長さＬ１におけるギャップ変動量を検出する方法を用いた。
図５に示すグラフから、長さＬ１が長くなるほど、ギャップ変動量が大きなっていることが分かる。

また、長さＬ１が６０μｍよりも長くなると、ギャップ変動量が特に大きくなっていることが分かる。この長さＬ１（６０μｍ）は、ダイヤフラム部６４の短手方向の長さＬ２との関係でみると、１．５×Ｌ２以上となる。
また、長さＬ１が１２０μｍ程度になると、ギャップ変動量に大きな変化が見られなくなってくる。この長さＬ１（１２０μｍ）は、ダイヤフラム部６４の短手方向の長さＬ２との関係でみると、３．０×Ｌ２となる。

上記のようなことから、長さＬ１が、長さＬ２との関係において、前述したような数値範囲（１．５×Ｌ２以上、３．０Ｌ×２以下）を満たすことにより、小型化と高感度化の両立を十分に図ることができるということが分かる。
また、測定したギャップ変動量をもとに、距離Ｌ１が４０μｍのときの感度と、距離Ｌ１が８０μｍのときの感度を、それぞれ算出した。

距離Ｌ１が４０μｍのときの感度は３．２９ｐｐｍ／ｋＰａであった。また、距離Ｌ１が８０μｍのときの感度は８．４９ｐｐｍ／ｋＰａであった。このことから、ダイヤフラム部６４が長手方向に延びた長手形状をなすことで、物理量センサー１の感度を向上させることができることが分かった。
次に、物理量センサー１の製造方法を簡単に説明する。
図６〜図９は、物理量センサーの製造工程を示す図である。以下、これらの図に基づいて説明する。

［機能素子形成工程］
まず、図６（ａ）に示すように、シリコン基板等の半導体基板６１を用意する。次に、用意した半導体基板６１の上面を熱酸化することによりシリコン酸化膜（絶縁膜）６２を形成し、さらに、シリコン酸化膜６２上にシリコン窒化膜６３をスパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成する。これにより、基板用部材６Ａを得る。

シリコン酸化膜６２は、半導体基板６１およびその上方に半導体回路を形成する際の素子間分離膜として機能する。また、シリコン窒化膜６３は、後に行われるリリース工程において実施されるエッチングに対する耐久性を有しており、いわゆるエッチングストップ層として機能する。なお、シリコン窒化膜６３は、パターニング処理によって、機能素子７を形成する平面範囲を含む範囲と半導体回路内の一部の素子(コンデンサ)などの範囲に限定して形成する。これにより、半導体基板６１およびその上方に半導体回路を形成する際の障害となることがなくなる。

次に、図６（ｂ）に示すように、シリコン窒化膜６３上に、固定電極７１を形成するための多結晶（またはアモルファス）シリコン膜２０をスパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成し、この多結晶（またはアモルファス）シリコン膜２０にリンイオン等の不純物イオンをドープして導電性を付与する。そして、多結晶（またはアモルファス）シリコン膜２０上からフォトレジストを塗布し、固定電極７１の形状（平面視形状）にパターニングしフォトレジスト膜２１を形成する。

次に、図６（ｃ）に示すように、パターニングしたフォトレジスト膜２１をマスクとして多結晶（またはアモルファス）シリコン膜２０をエッチングした後、フォトレジスト膜２１を除去する。これにより、固定電極７１が形成される。
次に、図６（ｄ）に示すように、固定電極７１を覆うようにシリコン酸化膜やＰＳＧ（リンドープガラス）等からなる犠牲層２２を、熱酸化法、スパッタリング法またはＣＶＤ法等により形成する。

次に、図６（ｅ）に示すように、シリコン窒化膜６３および犠牲層２２上に、可動電極７２を形成するための多結晶（またはアモルファス）シリコン膜２３をスパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成し、形成した多結晶（またはアモルファス）シリコン膜２３にリンイオン等の不純物イオンをドープして導電性を付与する。そして、多結晶（またはアモルファス）シリコン膜２３上からフォトレジストを塗布し、可動電極７２の形状（平面視形状）にパターニングしフォトレジスト膜２４を形成する。
次いで、図６（ｆ）に示すように、フォトレジスト膜２４をマスクとして多結晶（またはアモルファス）シリコン膜２３をエッチングした後、フォトレジスト膜２４を除去する。これにより、可動電極７２が形成され、固定電極７１と可動電極７２とを有する機能素子７が形成される。

［絶縁膜形成工程］
まず、図７（ａ）に示すように、シリコン窒化膜６３および機能素子７上に、シリコン酸化膜からなる層間絶縁膜８１をスパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成する。また、層間絶縁膜８１に、半導体基板６１の平面視にて機能素子７を取り巻く環状の開口部３０をパターニング処理等により形成する。

次に、図７（ｂ）に示すように、層間絶縁膜８１上に、例えばアルミニウムよりなる層をスパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成した後、パターニング処理することにより配線層８２を形成する。配線層８２は、開口部３０に対応するように、半導体基板６１の平面視にて環状をなしている。また、配線層８２の一部は、開口部３０を通して半導体基板６１上およびその上方に形成された配線（例えば、図示しない半導体回路の一部を構成する配線）に電気的に接続される。なお、配線層８２は、シリコン窒化膜６３および機能素子７を取り巻く部分にのみ存在するように形成されているが、一般的には、図示しない半導体回路の一部を構成する配線層の一部が、配線層８２を構成している。

次に、図７（ｃ）に示すように、層間絶縁膜８１および配線層８２上に、シリコン酸化膜等からなる層間絶縁膜８３をスパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成する。また、層間絶縁膜８１に、半導体基板６１の平面視にてシリコン窒化膜６３および機能素子７を取り巻く環状の開口部３２をパターニング処理等により形成する。なお、開口部３２は、開口部３０と同様に、半導体基板６１の平面視にて、環状をなしてなくてもよく、その一部が欠損していてもよい。
このような層間絶縁膜と配線層との積層構造は、通常のＣＭＯＳプロセスにより形成され、その積層数は、必要に応じて適宜に設定される。すなわち、必要に応じてさらに多くの配線層が層間絶縁膜を介して積層される場合もある。

［被覆層形成工程］
まず、図８（ａ）に示すように、層間絶縁膜８３上に、例えばアルミニウムよりなる層をスパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成した後、パターニング処理することにより配線層８４を形成する。この配線層８４の一部は、開口部３２を通して配線層８２に電気的に接続される。また、配線層８４の一部は、シリコン窒化膜６３および機能素子７の上方に位置し、複数の細孔８４２が形成された被覆層８４１を構成している。このような配線層８４も、前述した配線層８２と同様に、一般的には、図示しない半導体回路の一部を構成する配線層の一部で構成されている。

次に、図８（ｂ）に示すように、配線層８４および層間絶縁膜８３上に、例えばシリコン窒化膜、レジストその他の樹脂材料よりなる表面保護膜８５をスパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成する。また、この表面保護膜８５は、一種類以上の材料を含む複数の膜層で構成され、被覆層８４１の細孔８４２を封止してしまわないように形成する。なお、表面保護膜８５の構成材料としては、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、ポリイミド膜、エポキシ樹脂膜など、素子を水分、ゴミ、傷などから保護するための耐性を有するもので形成される。

［リリース工程］
まず、図８（ｃ）に示すように、リリースエッチング用のフォトレジストなどの保護膜形成工程を行なった後に、被覆層８４１に形成された複数の細孔８４２を通して、機能素子７上にある層間絶縁膜８１、８３を除去するとともに、固定電極７１と可動部７２２との間にある犠牲層２２を除去する。これにより、機能素子７が配置された空洞部５が形成されるとともに、固定電極７１と可動部７２２とが離間し、機能素子７が駆動し得る状態となる。
層間絶縁膜８１、８３および犠牲層２２の除去は、例えば、複数の細孔８４２からエッチング液としてのフッ酸、緩衝フッ酸等を供給するウェットエッチングや、複数の細孔８４２からエッチングガスとしてフッ化水素酸ガス等を供給するドライエッチングにより行うことができる。

［封止工程］
次に、図９（ａ）に示すように、被覆層８４１上に、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、ＡＬ、Ｃｕ、Ｗ、Ｔｉ、ＴｉＮ等の金属膜等からなる封止層８６をスパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成し、各細孔８４２を封止する。
［ダイヤフラム形成工程］
最後に、図９（ｂ）に示すように、半導体基板６１の空洞部５と反対側の面から、例えば、ドライエッチングを行い、半導体基板６１の一部を除去する。これにより、周囲よりも薄肉なダイヤフラム部６４が形成される。また、半導体基板６１のダイヤフラム部６４以外の部分が厚肉部６６となる。

なお、半導体基板６１の一部を除去する方法としては、ドライエッチングに限らず、ウェットエッチング等であってもよい。
以上のような工程により、物理量センサー１を製造することができる。なお、物理量センサー１が有する半導体回路が有するＭＯＳトランジスタ等の能動素子、コンデンサ、インダクタ、抵抗、ダイオード、配線等の回路要素は、上述した適宜の工程中（例えば、機能素子形成工程、絶縁膜形成工程、被覆層形成工程、封止層形成工程）途中において作り込んでおくことができる。例えば、シリコン酸化膜６２とともに回路素子間分離膜を形成したり、固定電極７１や可動電極７２とともにゲート電極、容量電極、配線等を形成したり、犠牲層２２、層間絶縁膜８１、８３とともにゲート絶縁膜、容量誘電体層、層間絶縁膜を形成したり、配線層８２、８４とともに回路内配線を形成したりすることができる。

＜第２実施形態＞
次に本発明の物理量センサーの第２実施形態について説明する。
図１０は、本発明の物理量センサーの第２実施形態を示す拡大断面図であって、（ａ）は、拡大断面図、（ｂ）は、（ａ）中の矢印Ｄ方向から見た図である。図１１は、図１０に示すダイヤフラム部の変形を示す図であって、（ａ）は自然状態を示す図、（ｂ）は加圧状態を示す図である。

以下、この図を参照して本発明の物理量センサーの第２実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。
第２実施形態では、機能素子７の位置が異なること以外は前記第１実施形態と同様である。
図１０（ａ）および（ｂ）に示すように、機能素子７は、ダイヤフラム部６４の中心（対角線の交点）Ｏよりも図２中左側に偏在している。固定電極７１は、支持部７２１とダイヤフラム部６４の中心Ｏとの間に位置している。固定電極７１は、ダイヤフラム部６４の領域内に設けられており、支持部７２１は、ダイヤフラム部６４と厚肉部６６とに跨いで設けられている。

固定電極７１がダイヤフラム部６４上に設けられていることで、固定電極７１は、第１実施形態同様に、ダイヤフラム部６４の撓みに追従して空洞部５側に変位する。一方、可動電極７２は、その一部が厚肉部６６に設けられているため、固定電極７１よりも空洞部５側への変位が抑制されている。したがって、図１１（ａ）および（ｂ）に示すように、ダイヤフラム部６４が撓むと、ギャップＧが減少する。

また、ダイヤフラム部６４の短手方向の長さＬ２に対する、ダイヤフラム部６４の中心Ｏと支持部７２１の固定電極７１側の端７２５との距離Ｌ５は、０．４３×Ｌ２以上、０．４８７５×Ｌ２以下であることが好ましく、０．４４×Ｌ２以上、０．４７×Ｌ２以下であることがより好ましく、０．４５×Ｌ２以上、０．４６５×Ｌ２以下であることがさらに好ましい。上記範囲を満たす位置に支持部７２１を設けることで、ギャップＧの変動量を特に大きくすることができる。このため、特に感度のよい物理量センサー１を得ることができる。

以下に、図１２に基づいて、距離Ｌ５に対するギャップ変動量について検討した結果を示す。
図１２は、支持部７２１の端７２５とダイヤフラム部６４の中心Ｏとの距離Ｌ５と、ギャップ変動量との関係を示すグラフである。
図１２に示すグラフの横軸は、距離Ｌ５を示し、縦軸は、ギャップ変動量を示している。なお、ギャップ変動量は、加圧状態でのギャップＧから、自然状態（空洞部５と等しい圧力がかかっている状態）でのギャップＧを引いた値を示している。

また、グラフは、固定電極７１と可動部７２２とが平面視において重なり合っている領域Ｘ（図１０（ｂ）参照）におけるギャップ変動量の平均値を示している。
なお、検討に用いた物理量センサー１の各部の寸法は、第１実施形態と同様である。
また、検討方法として、固定電極７１と支持部７２１との離間距離を変えずに、機能素子７をダイヤフラム部６４の短手方向に移動させることで距離Ｌ５を変更し、各距離Ｌ５におけるギャップ変動量を検出する方法を用いた。なお、ダイヤフラム部６４に加えた圧力は、１００ｋＰａとした。

図１２に示すグラフから、距離Ｌ５が１７．５μｍ以上、１９．５μｍ以下のとき、ギャップ変動量の絶対値が特に大きなっていることが分かる。この距離Ｌ５（１７．５μｍ以上、１９．５μｍ以下）は、ダイヤフラム部６４の短手方向の長さＬ２との関係でみると、０．４３×Ｌ２以上、０．４８７５×Ｌ２以下となる。このため、距離Ｌ５が、長さＬ２との関係において前述したような数値範囲をも満たすことにより、感度が特によい物理量センサー１を得ることができる。

また、測定したギャップ変動量をもとに、距離Ｌ５が０μｍのときの感度と、距離Ｌ５が１８．５μｍのときの感度とを、それぞれ算出した。
距離Ｌ５が０μｍのとき、感度は８．４９ｐｐｍ／ｋＰａであった。また、距離Ｌ５が１８．５μｍのとき、感度は１２．１１ｐｐｍ／ｋＰａであった。このことから、機能素子７を中心Ｏよりも厚肉部６６側に偏在させることで、物理量センサー１の感度をさらに向上させることができることが分かった。

２．圧力センサー
次に、本発明の物理量センサーを備える圧力センサー（本発明の圧力センサー）ついて説明する。図１３は、本発明の圧力センサーの一例を示す断面図である。
図１３に示すように、本発明の圧力センサー１００は、物理量センサー１と、物理量センサー１を収納する筐体１０１と、物理量センサー１から得た信号を圧力データに演算する演算部１０２とを備えている。物理量センサー１は、配線１０３を介して演算部１０２と電気的に接続されている。

物理量センサー１は、筐体１０１の内側に、図示しない固定手段により固定されている。また、筐体１０１には、物理量センサー１のダイヤフラム部６４が、例えば大気（筐体１０１の外側）と連通するための貫通孔１０４を有している。
このような圧力センサー１００によれば、貫通孔１０４を介してダイヤフラム部６４が圧力を受ける。この受圧した信号を配線１０３を介して演算部に送信し、圧力データに演算する。この演算された圧力データは、図示しない表示部（例えば、パーソナルコンピューターのモニター等）を介して表示することができる。

３．高度計
次に、本発明の物理量センサーを備える高度計（本発明の高度計）の一例について説明する。図１４は、本発明の高度計の一例を示す斜視図である。
高度計２００は、腕時計のように、手首に装着することができる。また、高度計２００の内部には、物理量センサー１（圧力センサー１００）が搭載されており、表示部２０１に現在地の海抜からの高度、または、現在地の気圧等を表示することができる。
なお、この表示部２０１には、現在時刻、使用者の心拍数、天候等、様々な情報を表示することができる。

４．電子機器
次に、本発明の物理量センサーを備える電子機器を適用したナビゲーションシステムについて説明する。図１５は、本発明の電子機器の一例を示す正面図である。
ナビゲーションシステム３００には、図示しない地図情報と、ＧＰＳ（全地球測位システム：Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）からの位置情報取得手段と、ジャイロセンサーおよび加速度センサーと車速データとによる自立航法手段と、物理量センサー１と、所定の位置情報または進路情報を表示する表示部３０１とを備えている。

このナビゲーションシステムによれば、取得した位置情報に加えて高度情報を取得することができる。高度情報を得ることにより、例えば、一般道路と位置情報上は略同一の位置を示す高架道路を走行する場合、高度情報を持たない場合には、一般道路を走行しているのか高架道路を走行しているのかナビゲーションシステムでは判断できず、優先情報として一般道路の情報を使用者に提供してしまっていた。そこで、本実施形態に係るナビゲーションシステム３００では、高度情報を物理量センサー１によって取得することができ、一般道路から高架道路へ進入することによる高度変化を検出し、高架道路の走行状態におけるナビゲーション情報を使用者に提供することができる。

なお、表示部３０１は、例えば液晶パネルディスプレイや、有機ＥＬ（Organic Electro-Luminescence）ディスプレイなど、小型かつ薄型化が可能な構成となっている。
なお、本発明の物理量センサーを備える電子機器は、上記のものに限定されず、例えば、パーソナルコンピューター、携帯電話、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）、各種測定機器、計器類（例えば、車両、航空機、船舶の計器類）、フライトシュミレーター等に適用することができる。

５．移動体
次いで、本発明の物理量センサーを適用した移動体（本発明の移動体）について説明する。図１６は、本発明の移動体の一例を示す斜視図である。
図１６に示すように、移動体４００は、車体４０１と、４つの車輪４０２とを有しており、車体４０１に設けられた図示しない動力源（エンジン）によって車輪４０２を回転させるように構成されている。このような移動体４００には、ナビゲーションシステム３００（物理量センサー１）が内蔵されている。

以上、本発明の物理量センサー、圧力センサー、高度計、電子機器および移動体を図示の各実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、他の任意の構成物や、工程が付加されていてもよい。
また、前記実施形態では、ダイヤフラム部の平面視形状が長方形である場合について説明したが、ダイヤフラム部の平面視形状は長手形状をなすものであれば、特に限定されない。例えば、六角形等の多角形、楕円形等の円形等であってもよい。また、多角形とは、角部が丸みを帯びたもの、外縁が直線状でなく湾曲しているものも含む。なお、固定電極の平面視形状について同様である。

また、前記実施形態では、可動電極の平面視形状が長方形である場合について説明したが、可動電極の平面視形状はこれに限定されない。例えば、正方形、六角形等の多角形、真円、楕円形等の円形等であってもよい。また、多角形とは、角部が丸みを帯びたもの、外縁が直線状でなく湾曲しているものも含む。
また、前記第１実施形態では、支持部の端がダイヤフラム部の中心上に配置されている場合について説明したが、支持部の端は、ダイヤフラム部の中心から外れた位置に設けられていてもよい。

また、前記実施形態では、支持部が、ダイヤフラム部に設けられている場合や、ダイヤフラム部と厚肉部とに跨って設けられている場合について説明したが、支持部は、その全域が厚肉部に設けられていてもよい。
また、前記実施形態では、固定電極の平面視における面積が、可動電極の可動部の面積よりも大きい場合について説明したが、固定電極の平面視における面積は、可動電極の可動部の面積と同じであってもよいし、可動電極の可動部の面積よりも小さくてもよい。

１……物理量センサー ５……空洞部 ６……基板 ６Ａ……基板用部材 ６１……半導体基板 ６２……絶縁膜（シリコン酸化膜） ６３……シリコン窒化膜 ６４……ダイヤフラム部 ６４１……受圧面 ６５……凹部 ６６……厚肉部 ７……機能素子 ７１……固定電極 ７２……可動電極 ７２１……支持部 ７２２……可動部 ７２３……連結部 ７２５……端 ８……素子周囲構造体 ８１……層間絶縁膜 ８２……配線層 ８３……層間絶縁膜 ８４……配線層 ８４１……被覆層 ８４２……細孔 ８５……表面保護膜 ８６……封止層 ２０……シリコン膜 ２１……フォトレジスト膜 ２２……犠牲層 ２３……シリコン膜 ２４……フォトレジスト膜 ３０……開口部 ３２……開口部 １００……圧力センサー １０１……筐体 １０２……演算部 １０３……配線 １０４……貫通孔 ２００……高度計 ２０１……表示部 ３００……ナビゲーションシステム ３０１……表示部 ４００……移動体 ４０１……車体 ４０２……車輪 Ｇ……ギャップ Ｌ５……距離 Ｌ１……長さ（ダイヤフラム部６４の長手方向の長さ） Ｌ２……長さ（ダイヤフラム部６４の短手方向の長さ） Ｏ……中心 Ｏ５……中央部 Ｓ１……面積 Ｓ５……面積 Ｘ……領域

また、ダイヤフラム部６４の平面視形状は、長方形である。また、固定電極７１および
可動部７２２の平面視形状は、それぞれ、ダイヤフラム部６４の長手方向に沿って延在し
ている長方形である。可動部７２２は、平面視において、その先端部（自由端部）が固定
電極７１に内包されている。固定電極７１の短手方向、および可動部７２２の短手方向は
、ダイヤフラム部６４の短手方向と平行になっている。そのため、固定電極７１の長手方
向、および可動部７２２の長手方向は、当然、ダイヤフラム部６４の長手方向と平行にな
っている。

また、本実施形態では、ダイヤフラム部６４の形状が長方形であるが、ダイヤフラム部
が長方形以外の長手形状である場合には、固定電極７１と支持部７２１との並び方向を、
ダイヤフラム部６４の延在する方向と直行する方向に対して平行にすれば、上述した効果
と同様の効果を得ることができる。
また、機能素子７が設けられている中央部Ｏ６、特に中心Ｏは、圧力が加わることで大
きく撓む部分である。このため、支持部７２１をより大きく変位させることができるため
、ギャップ変動量（離間距離Ｇの変動量）をより大きくすることができる。

また、ダイヤフラム部６４の中央部Ｏ６、特に中心Ｏは、ダイヤフラム部６４の長手方
向の長さＬ１が、短手方向の長さＬ２に対して長くなるほど、より大きく撓む傾向がある
。したがって、長さＬ２に対して長さＬ１をより長くすることで、ギャップ変動量をより
大きくすることができ、よって、特に感度のよい物理量センサー１を得ることができる。
ダイヤフラム部６４の短手方向の長さＬ２と、長手方向の長さＬ１との関係は、特に限
定されないが、Ｌ１／Ｌ２は、１．５以上、３．０以下であることが好ましく、１．７以
上、２．８以下であることがより好ましく、１．８以上、２．５以下であることがさらに
好ましい。これにより、ギャップ変動量を特に大きくすることができ、物理量センサー１
の小型化と高感度化の両立を図ることができる。なお、本実施形態では、Ｌ１／Ｌ２は、
略２．０となっている。

また、ダイヤフラム部６４の長手方向の長さＬ１としては、５０μｍ以上、１１０μｍ以下であることが好ましく、ダイヤフラム部６４の短手方向の長さＬ２としては、特に限定されないが、１０μｍ以上、７０μｍ以下であることが好ましい。
固定電極７１の平面視における面積Ｓ１としては、特に限定されないが、１００μｍ２
以上、８００μｍ２以下であることが好ましい。また、ダイヤフラム部６４の平面視にお
ける面積Ｓ５としては、特に限定されないが、１０００μｍ２以上、７０００μｍ２以下
であることが好ましい。これにより、物理量センサー１の小型化を図ることができる。

Claims (9)

1. 受圧により撓み変形するダイヤフラム部と、
   前記ダイヤフラム部に設けられている固定電極と、
   前記固定電極と離間して対向配置されている可動部を有する可動電極と、を有し、
   前記ダイヤフラム部の平面視形状は、長手形状であり、
   前記固定電極の平面視形状は、前記ダイヤフラム部の長手方向に沿って延在している長手形状であること特徴とする物理量センサー。
2. 前記可動電極は、
   前記ダイヤフラムに設けられている支持部と、
   前記支持部と前記可動部とを連結する連結部と、
   を有している請求項１に記載の物理量センサー。
3. 前記固定電極と前記支持部とが、前記ダイヤフラム部の短手方向に沿って並んでいる請求項２に記載の物理量センサー。
4. 前記固定電極の短手方向と前記ダイヤフラム部の短手方向とが、同じ方向である請求項３に記載の物理量センサー。
5. 前記ダイヤフラム部の平面視形状は、長手方向の長さをＬ１とし、短手方向の長さをＬ２としたとき、Ｌ２／Ｌ１が、１．５以上、３．０以下の範囲内にある請求項１ないし４のいずれか１項に記載の物理量センサー。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の物理量センサーを有することを特徴とする圧力センサー。
7. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の物理量センサーを有することを特徴とする高度計。
8. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の物理量センサーを有することを特徴とする電子機器。
9. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の物理量センサーを有することを特徴とする移動体。

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