JP2015105941A - 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】ダイヤフラム部に配置されている振動素子のＱ値を高くすることができる物理量センサー、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】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６４と、ダイヤフラム部６４に配置されている振動素子７と、を備え、ダイヤフラム部６４の厚さをｔとし、ダイヤフラム部６４の幅をｗとしたとき、ｔ／ｗ≧０．０６の関係を満たす。また、ｔ／ｗ≰０．３９の関係を満たすことが好ましい。【選択図】図２

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。

受圧により撓み変形するダイヤフラムを備えた圧力センサーが広く用いられている。このような圧力センサーでは、ダイヤフラムの撓みを検出することにより、ダイヤフラムに加わった圧力を検出することができる。ダイヤフラムの撓みを検出する方式としては、例えば、ダイヤフラムに配置した歪みゲージの抵抗値変化に基づいて検出する方式や、ダイヤフラムに配置した振動素子の振動特性変化に基づいて検出する方式等が挙げられる。
このような圧力センサーでは、ダイヤフラムの厚さが薄くなるほど、ダイヤフラムに加わった圧力によりダイヤフラムが撓みやすくなるため、感度が高くなることが知られている。そのため、例えば、特許文献１に開示されているように、従来のダイヤフラムは、薄肉となっている。

しかし、特許文献１に係るダイヤフラムは、幅に対して厚さが薄すぎるため、ダイヤフラムに配置した振動素子の振動特性変化に基づいて検出する方式（いわゆるレゾナント型）を採用した圧力センサーに用いた場合、振動素子のＱ値が低下し、振動素子の正常な発振が得られずに振動素子の動作不良を生じてしまうという問題があった。このような振動素子の動作不良が生じると、圧力センサーの歩留まりの低下や、圧力センサーの性能低下を招いてしまう。ここで、前述したような振動素子のＱ値の低下の原因は、ダイヤフラムの厚さが幅に対して薄すぎるため、振動素子の振動に伴ってダイヤフラムが振動し、振動素子の振動がダイヤフラムに漏れてしまうという、いわゆる振動漏れと呼ばれる現象が起こるためと推察される。

特開平８−１４８６９７号公報

本発明の目的は、ダイヤフラム部に配置されている振動素子のＱ値を高くすることができる物理量センサー、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配置されている振動素子と、を備え、
前記ダイヤフラム部の厚さをｔとし、前記ダイヤフラム部の幅をｗとしたとき、
ｔ／ｗ≧０．０６の関係を満たすことを特徴とする。
このような物理量センサーによれば、振動素子の振動に伴ってダイヤフラムが振動する振動漏れを低減し、その結果、Ｑ値を高くすることができる。

［適用例２］
本発明の物理量センサーでは、ｔ／ｗ≦０．３９の関係を満たすことが好ましい。
これにより、感度の低下を低減することができる。
［適用例３］
本発明の物理量センサーでは、２０μｍ≦ｔ≦５０μｍの関係を満たすことが好ましい。
これにより、小型な振動素子を用いる場合において、振動素子の振動に伴ってダイヤフラムが振動する振動漏れを低減するとともに、感度の低下を低減することができる。

［適用例４］
本発明の物理量センサーでは、１００μｍ≦ｗ≦３００μｍの関係を満たすことが好ましい。
これにより、小型な振動素子を用いる場合において、振動素子の振動に伴ってダイヤフラムが振動する振動漏れを低減するとともに、感度の低下を低減することができる。

［適用例５］
本発明の物理量センサーでは、前記振動素子は、
前記ダイヤフラム部に配置さ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、
を備えていることが好ましい。

このような振動素子は、容易に小型化を図ることができる。そのため、振動素子の小型化に伴って、物理量センサーの小型化を図ることができる。また、このような振動素子は、ダイヤフラム部を有する基板上に一般的なＣＭＯＳプロセスを用いて比較的簡単かつ高精度に形成することができる。また、一般的なＣＭＯＳプロセスを用いて、ＩＣの形成と同時に振動素子を一括して形成することができる。

［適用例６］
本発明の物理量センサーでは、前記可動電極は、
前記ダイヤフラム部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、
を備えていることが好ましい。
このように支持部がダイヤフラム部に設けられている場合、可動部の振動に追従してダイヤフラム部が振動しやすい。そのため、このような場合、本発明を適用することによる効果が顕著となる。

［適用例７］
本発明の物理量センサーでは、前記可動部の質量が５×１０^−１１ｇ以上５×１０^−１０ｇ以下の範囲内にあることが好ましい。
可動部の質量がこのような範囲内にある場合、ダイヤフラム部の厚さを５０μｍ以下としたり、ダイヤフラム部の幅を３００μｍ以下としたりすることができ、その結果、物理量センサーの小型化を図ることができる。

［適用例８］
本発明の物理量センサーでは、前記ダイヤフラム部がシリコンを含んでいることが好ましい。
これにより、比較的薄いダイヤフラム部をエッチングを用いて簡単かつ高精度に形成することができる。

［適用例９］
本発明の物理量センサーでは、前記振動素子を収納している圧力基準室を備えていることが好ましい。
これにより、圧力基準室内の圧力を基準として圧力を検出することができる。また、圧力基準室内を減圧状態（特に真空状態）とした場合、ダイヤフラム部が薄すぎると、ダイヤフラム部が自然状態であっても不本意に撓んでしまうが、ｔ／ｗを前述したような関係とすることにより、このような不本意な撓みを小さくすることもできる。

［適用例１０］
本発明の物理量センサーでは、前記ダイヤフラム部を有する基板と、
前記基板に配置されている回路部と、
を備えていることが好ましい。
これにより、ダイヤフラム部および振動素子を含む構造体と回路部とを一体化（１チップ化）した小型な物理量センサーを提供することができる。

［適用例１１］
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、優れた信頼性を有する圧力センサーを提供することができる。
［適用例１２］
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、優れた信頼性を有する高度計を提供することができる。

［適用例１３］
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、優れた信頼性を有する電子機器を提供することができる。
［適用例１４］
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、優れた信頼性を有する移動体を提供することができる。

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およびその近傍部の拡大図であって、（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に示す物理量センサーの作用を説明するための図であって、（ａ）は自然状態を示す図、（ｂ）は加圧状態を示す図である。 ダイヤフラム部の幅に対する厚さの比（ｔ／ｗ）とＱ値、歩留まりおよび感度との関係を示すグラフである。 ダイヤフラム部の平面視形状の変形例を示す図である。 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。 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実施形態を示す断面図である。 図１０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。また、図２は、図１に示す物理量センサーのダイヤフラム部およびその近傍部の拡大図であって、図２（ａ）は、図１中の一点鎖線で囲まれた領域［Ａ］の断面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）中の矢印Ｂ方向から見た図である。また、図３は、図１に示す物理量センサーの作用を説明するための図であって、図３（ａ）は自然状態を示す図、図３（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、振動素子７と、素子周囲構造体８と、空洞部５と、半導体回路９（ＩＣ）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、シリコン等の半導体で構成された半導体基板６１と、半導体基板６１の一方の面に設けられたシリコン酸化膜６２と、シリコン酸化膜６２上に設けられたシリコン窒化膜６３とで構成されている。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。ここで、シリコン酸化膜６２およびシリコン窒化膜６３は、いずれも、絶縁膜として用いることができる。なお、シリコン窒化膜６３は、素子周囲構造体８の形成方法等によっては省略することができる。

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、その下面が受圧面６４１となっている。図２（ａ）では、ダイヤフラム部６４は、略長方形の平面視形状である。
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の薄肉部分、シリコン酸化膜６２およびシリコン窒化膜６３の３層で構成されている。

−振動素子７−
振動素子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上に設けられている支持部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、特に限定されないが、例えば、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、特に限定されないが、例えば、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、振動素子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。この素子周囲構造体８は、基板６上に振動素子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。ここで、配線層８２、８４は、空洞部５を囲むように形成されている配線層８２ａ、８４ａと、半導体回路９の配線を構成する配線層８２ｂ、８４ｂとを含んでいる。
半導体基板６１上およびその上方には、半導体回路９が作り込まれている。この半導体回路９は、ＭＯＳトランジスタ８７等の能動素子、その他必要に応じて形成されたコンデンサ、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、振動素子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。また、空洞部５には、窒素ガス、希ガス等の不活性ガスが封入されていてもよい。
以上、物理量センサー１の構成について簡単に説明した。

このような構成の物理量センサー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。ここで、物理量センサー１は、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、前述したように、空洞部５が真空状態となっているため、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むこととなる。
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。

このような物理量センサー１では、ダイヤフラム部６４の厚さが薄くなるほど、ダイヤフラム部６４に加わった圧力によりダイヤフラム部６４が撓みやすくなるため、感度が高くなる。
しかし、物理量センサー１では、ダイヤフラム部６４に配置した振動素子７の振動特性変化に基づいて検出する方式（いわゆるレゾナント型）を採用しているため、ダイヤフラム部６４の厚さを薄くし過ぎると、振動素子７のＱ値が低下し、正常な発振が得られなくなり、その結果、圧力センサーの動作不良の原因となり歩留まりが低下してしまう。このような振動素子７のＱ値の低下の原因は、ダイヤフラム部６４の厚さを薄くし過ぎると、振動素子７の振動に伴って（追従して）ダイヤフラム部６４が振動し、振動素子７の振動がダイヤフラム部に漏れてしまうという、いわゆる振動漏れと呼ばれる現象が起こるためと推察される。
そこで、物理量センサー１では、ダイヤフラム部６４の厚さをｔとし、ダイヤフラム部６４の幅をｗとしたとき、ｔ／ｗ≧０．０６の関係を満たす。これにより、振動素子７の振動に伴ってダイヤフラム部６４が振動する振動漏れを低減し、その結果、Ｑ値を高くすることができる。

ここで、ダイヤフラム部６４の厚さｔは、図２（ａ）に示すように、ダイヤフラム部６４の受圧により撓み変形する部分の厚さであって、本実施形態では、かかる部分における半導体基板６１、シリコン酸化膜６２およびシリコン窒化膜６３の３層の合計の厚さである。また、ダイヤフラム部６４の幅ｗは、図２（ｂ）に示すように、ダイヤフラム部６４を平面視したときの最大幅であって、本実施形態では、ダイヤフラム部６４の平面視形状が四角形であるため、その四角形の対角線の長さである。

図４は、ダイヤフラム部の幅に対する厚さの比（ｔ／ｗ）とＱ値、歩留まりおよび感度との関係を示すグラフである。
図４（ａ）に示すように、ダイヤフラム部の幅に対する厚さの比ｔ／ｗ（以下、単に「比ｔ／ｗ」ともいう）が大きくなるほど、振動素子７のＱ値が高くなる。言い換えると、比ｔ／ｗが小さくなるほど、振動素子７のＱ値が低下する。ここで、比ｔ／ｗが０．０６未満となると、比ｔ／ｗが０．０６であるときのＱ値の値Ｑ１（約５００）よりも小さくなるだけでなく、製品ごとのＱ値のばらつきが大きくなってしまう。

そのため、図４（ｂ）に示すように、比ｔ／ｗが０．０６よりも小さくなると、歩留まりが急激に低下してしまう。
そこで、物理量センサー１では、比ｔ／ｗを０．０６以上とすることにより、振動素子７のＱ値の低下を低減し（より具体的にはＱ値を約５００以上とし）、その結果、物理量センサー１の歩留まりの低下を低減することができる。

また、比ｔ／ｗが大きくなるほど、前述したように振動素子７のＱ値が高くなるものの、図４（ｃ）に示すように、物理量センサー１の感度が低下する。したがって、物理量センサー１の感度の低下を低減する観点から、ｔ／ｗ≦０．３９の関係を満たすことが好ましく、ｔ／ｗ≦０．２の関係を満たすことがより好ましく、ｔ／ｗ≦０．１５の関係を満たすことがさら好ましい。ここで、比ｔ／ｗが０．０６であるときの感度の値Ｓ１は、約４００ｐｐｍ／Ｐａであり、比ｔ／ｗが０．１５であるときの感度の値Ｓ２は、約１００ｐｐｍ/ｋＰａである。

また、ダイヤフラム部６４の具体的な厚さｔおよび幅ｗは、振動素子７が有する振動系の質量や振動素子７の設置面積等に応じて決められ、特に限定されないが、本実施形態のような固定電極７１および可動電極７２を有する振動素子７は水晶振動子やＭＥＭＳ振動子等の他の振動子よりも小型にすることができることから、比較的小さく設定することが好ましい。

具体的には、２０［μｍ］≦ｔ≦５０［μｍ］であることが好ましく、２０［μｍ］≦ｔ≦４０［μｍ］であることがより好ましく、２０［μｍ］≦ｔ≦３０［μｍ］であることがさらに好ましい。また、１００［μｍ］≦ｗ≦３００［μｍ］であることが好ましく、１２０［μｍ］≦ｗ≦２８０［μｍ］であることがより好ましく、１５０［μｍ］≦ｗ≦２５０［μｍ］であることがさらに好ましい。このような範囲内にｔまたはｗを設定することにより、小型な振動素子７を用いる場合において、振動素子７の振動に伴ってダイヤフラム部６４が振動する振動漏れを低減するとともに、感度の低下を低減することができる。

また、前述したように、振動素子７は、ダイヤフラム部６４に設けられている固定電極７１と、固定電極７１と離間して対向配置されている可動部７２２を有する可動電極７２とを有している。このような振動素子７は、容易に小型化を図ることができる。そのため、振動素子７の小型化に伴って、物理量センサー１の小型化を図ることができる。また、このような振動素子７は、ダイヤフラム部６４を有する基板６上に一般的なＣＭＯＳプロセスを用いて比較的簡単かつ高精度に形成することができる。また、一般的なＣＭＯＳプロセスを用いて、半導体回路９の形成と同時に振動素子７を一括して形成することができる。

また、前述したように、可動電極７２は、ダイヤフラム部６４に設けられている支持部７２１と、支持部７２１と可動部７２２とを連結する連結部７２３と有している。このように支持部７２１がダイヤフラム部６４に設けられている場合、可動部７２２の振動に追従してダイヤフラム部６４が振動しやすい。そのため、このような場合、本発明を適用することによる効果が顕著となる。

また、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、振動素子７は、ダイヤフラム部６４の中央部に配置されている。また、図２（ｂ）に示すダイヤフラム部６４の平面視形状は、長方形であり、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（短辺に沿った方向）に沿って並んで設置されている。そして、固定電極７１および支持部７２１は、ダイヤフラム部６４の中心（対角線の交点）Ｏを挟むように配置されている。これにより、ダイヤフラム部６４が撓むと、ギャップＧは増大する。

しかも、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。

また、振動素子７が設けられている中央部、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、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、図２（ａ）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、振動素子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。

また、可動部７２２の質量は、５×１０^−１１ｇ以上５×１０^−１０ｇ以下の範囲内にあることが好ましい。可動部７２２の質量がこのような範囲内にある場合、ダイヤフラム部６４の厚さを５０μｍ以下としたり、ダイヤフラム部６４の幅を３００μｍ以下としたりすることができ、その結果、物理量センサー１の小型化を図ることができる。これに対し、可動部７２２の質量が小さすぎると、可動部７２２の形成することが難しく、一方、可動部７２２の質量が大きすぎると、振動素子７の振動に伴ってダイヤフラム部６４が振動しやすくなる傾向を示す。

また、振動素子７においては、ダイヤフラム部６４がシリコンを含んでいる。これにより、後述するように、比較的薄いダイヤフラム部６４をエッチングを用いて簡単かつ高精度に形成することができる。
また、前述したように、振動素子７が圧力基準室となる空洞部５に収納されている。これにより、空洞部５内の圧力を基準として圧力を検出することができる。また、空洞部５内を減圧状態（特に真空状態）とした場合、ダイヤフラム部６４が薄すぎると、ダイヤフラム部６４が自然状態であっても不本意に撓んでしまうが、ｔ／ｗを前述したような関係とすることにより、このような不本意な撓みを小さくすることもできる。
また、ダイヤフラム部６４を有する基板６に半導体回路９（回路部）が配置されているため、ダイヤフラム部６４および振動素子７を含む構造体と半導体回路９とを一体化（１チップ化）した小型な物理量センサー１を提供することができる。

（変形例）
前述したダイヤフラム部６４の平面視形状は長方形であるが、ダイヤフラム部６４の平面視形状は、これに限定されず、例えば、正方形であってもよく、また、六角形等の他の多角形や、円形、楕円（長円）形等であってもよい。
図５は、ダイヤフラム部の平面視形状の変形例を示す図である。
図５に示すダイヤフラム部６４の平面視形状は、楕円形である。このような平面視形状のダイヤフラム部６４を用いる場合であっても、ダイヤフラム部６４の厚さをｔとし、ダイヤフラム部６４の幅をｗとしたとき、ｔ／ｗ≧０．０６の関係を満たすことにより、前述したのと同様、振動素子７の振動に伴ってダイヤフラム部６４が振動する振動漏れを低減し、その結果、Ｑ値を高くすることができる。

ここで、図５に示す例では、ダイヤフラム部６４の平面視形状が楕円形であるため、ダイヤフラム部６４の長軸方向の長さが長手方向の長さＬ１であり、短軸方向の長さが短手方向の長さＬ２である。また、図５に示すように、長さＬ１（長軸方向の長さ）がダイヤフラム部６４の最大幅である幅ｗとなる。なお、ダイヤフラム部の平面視形状が円形である場合、その直径がダイヤフラム部の最大幅である幅ｗとなり、ダイヤフラム部の平面視形状が正方形である場合、対角線の長さがダイヤフラム部の最大幅である幅ｗとなる。

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。なお、図６〜９では、説明の便宜上、半導体回路９の図示を省略している。
［振動素子形成工程］
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。

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９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、振動素子７を形成する平面範囲を含む範囲と半導体回路９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９を形成する際の障害となることがなくなる。
また、図示しないが、半導体基板６１の上面のうちシリコン酸化膜６２およびシリコン窒化膜６３が形成されていない部分には、半導体回路９のＭＯＳトランジスタ８７のソースおよびドレインをイオンドープして形成する。

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とを有する振動素子７が形成される。

また、前述したように固定電極７１および可動電極７２を形成する際、図示しないが、半導体基板６１の上面のうちシリコン酸化膜６２およびシリコン窒化膜６３が形成されていない部分にも、多結晶シリコン膜２０または２３を形成し、固定電極７１または可動電極７２のパターンニングと同時にパターンニングして、半導体回路９のＭＯＳトランジスタ８７のゲート電極を形成する。これにより、半導体回路９のＭＯＳトランジスタ８７が形成される。ただし、多結晶シリコン膜２０または２３のうちこのゲート電極となる部分には、イオンドープを行わない。

［絶縁膜形成工程］
図７（ａ）に示すように、シリコン窒化膜６３および振動素子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の平面視にて振動素子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。また、図示しないが、開口部３０と同様にして、ＭＯＳトランジスタ８７に対応して配置された柱状の開口部も形成する。

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８２ａを形成する。また、このとき、図示しないが、配線層８２ａと同様に、配線層８２ｂも形成される。
配線層８２ａ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８２ａ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９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８２ａは、シリコン窒化膜６３および振動素子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９の一部を構成する配線層の一部が、配線層８２ａ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の平面視にて振動素子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。また、図示しないが、開口部３２と同様にして、ＭＯＳトランジスタ８７に対応して配置された柱状の開口部も形成する。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および振動素子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９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］
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、振動素子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、振動素子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、振動素子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、半導体回路９が有するＭＯＳトランジスタ８７以外の能動素子、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、振動素子形成工程、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実施形態を示す断面図、図１１は、図１０に示す物理量センサーの製造工程を示す図である。
以下、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実施形態は、ダイヤフラム部を有する基板の構成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に示す物理量センサー１Ａは、基板６Ａと、振動素子７と、素子周囲構造体８と、空洞部５と、半導体回路９（ＩＣ）とを有している。
基板６Ａは、ＳＯＩ基板６１Ａと、ＳＯＩ基板６１Ａの一方の面に設けられたシリコン酸化膜６２と、シリコン酸化膜６２上に設けられたシリコン窒化膜６３とで構成されている。
ＳＯＩ基板６１Ａは、第１のＳｉ層６１１（ハンドル層）と、ＳｉＯ_２層６１２（ボックス層）と、第２のＳｉ層６１３（デバイス層）とがこの順に積層されて構成されている。

このような基板６Ａには、第１のＳｉ層６１１を貫通し、かつ、ＳｉＯ_２層６１２を貫通しない有底の凹部６５が形成され、これにより、周囲の部分よりも薄肉なダイヤフラム部６４が設けられている。このダイヤフラム部６４は、ＳｉＯ_２層６１２、第２のＳｉ層６１３、シリコン酸化膜６２およびシリコン窒化膜６３の３層で構成されている。すなわち、ダイヤフラム部６４の厚さｔは、ＳｉＯ_２層６１２、第２のＳｉ層６１３、シリコン酸化膜６２およびシリコン窒化膜６３の３層の合計厚さで規定されている。したがって、これら３層のそれぞれの厚さを高精度に設定しておくことにより、比較的簡単に、ダイヤフラム部６４の厚さの製品ごとのバラツキを小さくすることができる。

このようなダイヤフラム部６４を有する物理量センサー１Ａは、以下に説明するようにして形成することができる。
まず、ＳＯＩ基板６１Ａを用意し、前述した第１実施形態と同様、振動素子形成工程、絶縁膜形成工程、被覆層形成工程、リリース工程、封止工程を順次行って、図１１（ａ）に示す構造体を得る。
次いで、図１１（ｂ）に示すように、ＳＯＩ基板６１Ａの第１のＳｉ層６１１の一部をエッチングにより除去する。このとき、ＳｉＯ_２層６１２をエッチングストップ層として用いることができる。これにより、製品ごとの厚さのバラツキが小さいダイヤフラム部６４が形成される。

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１２は、本発明の圧力センサーの一例を示す断面図である。
図１２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１３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１４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１５は、本発明の移動体の一例を示す斜視図である。
図１５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、固定電極および可動電極の平面視形状がそれぞれ長方形である場合について説明したが、固定電極および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、固定電極の平面視形状と可動電極の平面視形状とが異なっていてもよい。

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。すなわち、振動素子は、ダイヤフラム部の中央部に設けられていてもよいし、ダイヤフラム部の外周部側に偏在して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について説明したが、支持部がダイヤフラム部と厚肉部とに跨って設けられていてもよいし、支持部がその全域にわたって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。
また、前記実施形態では、振動素子の可動部が片持ち支持されている構成について説明したが、これに限定されず、可動部が両端固定された構成の振動素子を用いることもできる。
また、前記実施形態では、固定電極および可動電極（平行平板電極）を有するいわゆるフラップ型の振動素子を用いた場合を説明したが、これに限定されず、振動素子は、例えば、櫛歯電極等の他のＭＥＭＳ振動子や、水晶振動子であってもよい。

１‥‥物理量センサー １Ａ‥‥物理量センサー ５‥‥空洞部 ６‥‥基板 ６Ａ‥‥基板 ７‥‥振動素子 ８‥‥素子周囲構造体 ９‥‥半導体回路 ２０‥‥多結晶シリコン膜 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 ６１‥‥半導体基板 ６１Ａ‥‥ＳＯＩ基板 ６２‥‥シリコン酸化膜 ６３‥‥シリコン窒化膜 ６４‥‥ダイヤフラム部 ６５‥‥凹部 ６６‥‥厚肉部 ７１‥‥固定電極 ７２‥‥可動電極 ８１‥‥層間絶縁膜 ８２‥‥配線層 ８２ａ‥‥配線層 ８２ｂ‥‥配線層 ８３‥‥層間絶縁膜 ８４‥‥配線層 ８４ａ‥‥配線層 ８４ｂ‥‥配線層 ８５‥‥表面保護膜 ８６‥‥封止層 ８７‥‥ＭＯＳトランジスタ 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 ６１１‥‥第１のＳｉ層 ６１２‥‥ＳｉＯ_２層 ６１３‥‥第２のＳｉ層 ６４１‥‥受圧面 ７２１‥‥支持部 ７２２‥‥可動部 ７２３‥‥連結部 ８４１‥‥被覆層 ８４２‥‥細孔 Ｇ‥‥ギャップ Ｏ‥‥中心 Ｐ‥‥圧力 ｔ‥‥厚さ ｗ‥‥幅 Ｌ１‥‥長さ Ｌ２‥‥長さ

Claims (14)

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配置されている振動素子と、を備え、
   前記ダイヤフラム部の厚さをｔとし、前記ダイヤフラム部の幅をｗとしたとき、
   ｔ／ｗ≧０．０６の関係を満たすことを特徴とする物理量センサー。
2. ｔ／ｗ≦０．３９の関係を満たす請求項１に記載の物理量センサー。
3. ２０μｍ≦ｔ≦５０μｍの関係を満たす請求項１または２に記載の物理量センサー。
4. １００μｍ≦ｗ≦３００μｍの関係を満たす請求項１ないし３のいずれか１項に記載の物理量センサー。
5. 前記振動素子は、
   前記ダイヤフラム部に配置さ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、
   を備えている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の物理量センサー。
6. 前記可動電極は、
   前記ダイヤフラム部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、
   を備えている請求項５に記載の物理量センサー。
7. 前記可動部の質量が５×１０^−１１ｇ以上５×１０^−１０ｇ以下の範囲内にある請求項５または６に記載の物理量センサー。
8. 前記ダイヤフラム部がシリコンを含んでいる請求項１ないし７のいずれか１項に記載の物理量センサー。
9. 前記振動素子を収納している圧力基準室を備えている請求項１ないし８のいずれか１項に記載の物理量センサー。
10. 前記ダイヤフラム部を有する基板と、
    前記基板に配置されている回路部と、
    を備えている請求項１ないし９のいずれか１項に記載の物理量センサー。
11. 請求項１ないし１０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。
12. 請求項１ないし１０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。
13. 請求項１ないし１０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。
14. 請求項１ないし１０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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