JP2016223940A - センサ素子、物理センサ、及びセンサ素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】可動電極の成膜により可動部に対して膜応力が作用する場合であっても、外力を正確に測定することができるセンサ素子等を提供する。【解決手段】ベース８０に対する間隔Ｄを変更可能な状態でベース８０に配置される可動部１０と、ベース８０に形成されるベース電極８３と、可動部１０の表面１０ａ及び裏面１０ｂの一方に形成されかつベース電極８３と対向する可動電極１３と、可動部１０の表面１０ａ及び裏面１０ｂの他方に形成されるダミー電極１５とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、センサ素子、物理センサ、及びセンサ素子の製造方法に関する。

加速度、圧力、重力などの外力を検出する外力検出装置として、底部に固定電極が形成された容器と、容器内部に片持ち支持されかつ可動部分の表面に可動電極が設けられた水晶片（可動部）とを有するものが知られている（特許文献１参照）。可動電極は、水晶片の表面又は裏面の一方の面に形成されている。このような可動電極は、例えば金属膜の構成であり、水晶片の表面に例えばスパッタリングや真空蒸着により成膜され形成される。 水晶片を励振させた状態の外力検出装置に対して外力が作用すると、水晶片が撓んで可動電極の位置変化が生じ、固定電極と可動電極との間の静電容量が変化する。上記した外力検出装置では、このような外力に起因する静電容量の変化を周波数の変化として検出している。

特開２０１２−１６８１６１号公報

しかしながら、水晶片の表面または裏面の一方に可動電極となる金属膜が成膜されると、金属膜の収縮等により水晶片に対して膜応力が作用する。これにより、水晶片は、平板状から湾曲した形状に変形した状態となる。このように水晶片が湾曲した状態では、先端部分が表面側へ撓む場合と裏面側へ撓む場合とで撓み易さが異なってしまい、水晶片の撓む方向により可動部に作用する外力と可動部の撓み量との関係に差異が生じるという問題が生じる。一方、膜応力の発生を抑えるような金属膜の成膜方法を適用することも考えられるが、その成膜方法に制限されるといった課題が残ることになる。

以上のような事情に鑑み、本発明では、可動電極の成膜により可動部に対して膜応力が作用する場合であっても、外力を正確に測定することが可能なセンサ素子、物理センサ、及びセンサ素子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係るセンサ素子は、ベースに対する間隔を変更可能な状態でベースに配置される可動部と、ベースに形成されるベース電極と、可動部の表面及び裏面の一方に形成されかつベース電極と対向する可動電極と、可動部の表面及び裏面の他方に形成されるダミー電極と、を備える。

また、ダミー電極は、可動電極と膜応力が同一であってもよい。また、ダミー電極は、可動部を挟んで可動電極と対称に形成されてもよい。また、ダミー電極は、可動電極と同一の金属材料が用いられてもよい。また、可動電極及びダミー電極は、可動部に形成される下地層と、下地層に積層される導電層と、を有してもよい。また、可動部を内部に収容する収容部を備えてもよい。

また、本発明に係る物理センサは、上記したセンサ素子と、センサ素子の可動電極に電気的に接続される圧電振動子と、圧電振動子を所定の周波数で振動させる発振回路と、を備える。

また、本発明に係るセンサ素子の製造方法は、ベースに対する間隔を変更可能な状態でベースに配置される可動部と、ベースに形成されるベース電極と、可動部の表面及び裏面の一方に形成されかつベース電極と対向する可動電極と、可動部の表面及び裏面の他方に形成されるダミー電極と、を備えるセンサ素子の製造方法であって、可動部に可動電極を形成する可動電極形成工程と、可動部にダミー電極を形成するダミー電極形成工程と、を有し、可動電極形成工程及びダミー電極形成工程は、同時に行われる。

本発明によれば、可動部に可動電極が成膜され、表面及び裏面の一方から可動電極による膜応力が作用しても、表面及び裏面の他方からダミー電極の膜応力が作用するので、可動部に対して膜応力がバランスよく作用し、可動部の塑性変形や、可動部の撓み量が撓む方向によって異なることが抑制される。従って、外力を精度よく測定することができる。

第１実施形態に係るセンサ素子の一例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図１のセンサ素子の要部を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は底面図である。 図１のセンサ素子の要部を示す断面図である。 図１のセンサ素子の要部を示す平面図である。 図１のセンサ素子を示し、図１（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 （ａ）はリッドウェハを示す平面図、（ｂ）は第１スペーサウェハを示す平面図である。 （ｃ）は可動ウェハを示す平面図、（ｄ）は第２スペーサウェハを示す平面図である。 （ｅ）はベースウェハを示す平面図である。 可動ウェハの製造工程の一例を示す図である。 第２実施形態に係る物理センサの一例を示す概略構成図である。 図１０の物理センサの回路構成を示すブロック図である。 第３実施形態に係るセンサ素子の一例を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。ただし、本発明はこれに限定されるものではない。また、以下の実施形態を説明するため、図面においては一部分を大きくまたは強調して記載するなど適宜縮尺を変更して表現している。また、図面においてハッチングした部分は、特に説明する場合を除き、金属膜を表している。図１０及び図１１を除き、各図においては、ＸＹＺ座標系を用いて図中の方向を説明する。このＸＹＺ座標系においては、センサ素子１００，３００の表面に平行な平面をＸＺ平面とする。このＸＺ平面においてセンサ素子１００等の長手方向をＸ方向と表記し、Ｘ方向に直交する方向をＺ方向と表記する。ＸＺ平面に直交する方向（センサ素子１００等の厚さ方向）はＹ方向と表記する。Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向のそれぞれは、図中の矢印の方向が＋方向であり、矢印の方向とは反対の方向が−方向であるものとして説明する。

＜第１実施形態＞
第１実施形態について、図１〜図５を用いて説明する。図１は、センサ素子１００の一例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図２は、センサ素子１００の要部を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は底面図である。図３は、センサ素子１００の要部を示す断面図である。図４は、センサ素子１００の要部を示す平面図である。図５は、センサ素子１００を示し、図１（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。なお、図１（ａ）では、リッド４０及び第１スペーサ５０を透過して表している。また、図５では、金属膜及び断面をハッチングで表している。

センサ素子１００は、外力を検出する測定装置などに用いられる素子である。図１に示すように、センサ素子１００は、可動部１０と収容部２０とを有しており、可動部１０が収容部２０に収容された構成となっている。収容部２０は、可動部１０を可動可能に収容するキャビティー（収容空間）３０を備えている。センサ素子１００は、例えば、図１（ｂ）に示すように、リッド４０、第１スペーサ５０、可動片６０、第２スペーサ７０、及びベース８０を有し、−Ｙ方向にこの順で積層された構造となっている。キャビティー３０は、気密封止されてもよく、この場合、真空あるいは不活性ガス雰囲気としてもよい。

リッド４０は、Ｙ方向から見てＸ方向に長辺及びＺ方向に短辺を有する略矩形、かつＹ方向を厚さ方向とする板状に形成されている。また、リッド４０の＋Ｘ側及び−Ｘ側の側面のそれぞれのＺ方向の中央部分には、内側に向けて円弧状に切り欠いた同一形状の切欠き部（キャスタレーション）４１が形成されている。リッド４０の裏面（−Ｙ側の面）には、キャビティー３０を形成する中央部４０ｃと、中央部４０ｃを囲む領域に設けられた接合面４０ｂとが形成されている。リッド４０は、後述する第１スペーサ５０の＋Ｙ側に配置されている。接合面４０ｂは、例えば不図示の接合材を介して、第１スペーサ５０の表面（＋Ｙ側の面）に接合されている。

リッド４０を含めて、後述する第１スペーサ５０、可動片６０、第２スペーサ７０、及びベース８０には、水晶の単結晶から切り出された水晶材が用いられる。水晶は、比較的高い弾性係数を有するので、各部材の剛性が確保されている。また、可動片６０としては、Ｚカットの水晶材が用いられる。Ｚカットの水晶材は、ＡＴカットなどの他のカットの水晶材と比較して異方性の影響が少ないため、可動片６０は、ウエットエッチングなどの手法により所望の形状及び寸法に形成される。なお、上記した各部材は、水晶材に限定されず、例えばシリコンや樹脂などであってもよい。また、可動片６０としては、ＡＴカットやＢＴカットなどのＺカット以外のカットのものが採用されてもよい。

リッド４０の表面（＋Ｙ側の面）４０ａには、外部電極４３，４４が形成されている。外部電極４３，４４は、例えば、図１（ｂ）に示すように、Ｘ方向に並んで一対が形成されている。−Ｘ側の外部電極４３は、例えば後述する圧電振動子９０の励振電極９３（図１０参照）と電気的に接続される電極である。一方、＋Ｘ側の外部電極４４は、外部との電気的接続のないダミーの電極である。リッド４０の切欠き部４１の表面には、キャスタレーション電極４５，４６が形成されている。キャスタレーション電極４５，４６は、外部電極４３，４４と一体で形成されている。上記した外部電極４３，４４及びキャスタレーション電極４５，４６は、例えば後述する可動電極１３と同一構成の金属膜である。

第１スペーサ５０は、キャビティー３０内において後述する可動部１０の＋Ｙ方向への可動範囲を確保するために設けられている。第１スペーサ５０は、Ｙ方向に貫通する貫通部５２を有している。貫通部５２は、キャビティー３０を形成する部分である。第１スペーサ５０は、Ｙ方向から見て、リッド４０の接合面４０ｂと重なるように形成されており、Ｘ方向に長辺、Ｚ方向に短辺を有する略矩形の枠状に形成されている。また、第１スペーサ５０の＋Ｘ側及び−Ｘ側の側面のそれぞれのＺ方向の中央部分には、内側に向けて円弧状に切り欠いた同一形状の切欠き部５１が形成されている。第１スペーサ５０の切欠き部５１の表面には、キャスタレーション電極５５，５６が形成されている。切欠き部５１とキャスタレーション電極５５，５６とは、それぞれリッド４０の切欠き部４１とキャスタレーション電極４５，４６とＹ方向に重なるように配置されている。

第１スペーサ５０は、リッド４０の−Ｙ側かつ後述する可動片６０の＋Ｙ側に配置されている。第１スペーサ５０の表面（＋Ｙ側の面）５０ａは、例えば不図示の接合材を介して、リッド４０の接合面４０ｂと接合されている。これにより、リッド４０のキャスタレーション電極４５，４６と第１スペーサ５０のキャスタレーション電極５５，５６とが電気的に接続されている。また、第１スペーサ５０の裏面（−Ｙ側の面）５０ｂは、例えば不図示の接合材を介して、後述する枠部１１の表面（＋Ｙ側の面）１１ａと接合されている。これにより、−Ｘ側のキャスタレーション電極５５と後述する引出電極１４とが電気的に接続されている。このようなキャスタレーション電極５５，５６は、例えば後述する可動電極１３と同一構成の金属膜である。

図２に示すように、可動片６０は、可動部１０と可動部１０を囲んだ枠部１１とを有している。可動部１０は枠部１１に支持されており、可動部１０と枠部１１との間には、支持部分を除いて、Ｙ方向に貫通する貫通部１２が形成されている。

可動部１０は、Ｙ方向から見てＸ方向を長辺かつＺ方向を短辺とする矩形状であってＹ方向を厚さ方向とする略板状に形成されている。可動部１０の厚さは、可動部１０に外力が加わった際に、可動部分が撓んで弾性変形し、かつ所望の変形量が得られる厚さに設定される。可動部１０の厚さは、枠部１１の厚さよりも薄く形成されており、例えば３０μｍ以下に設定される。なお、可動部１０の厚さは、枠部１１に比べて薄く形成されることに限定されず、枠部１１と同一あるいは厚く形成されてもよい。可動部１０の−Ｘ側の端部は、枠部１１と一体となっている。また、可動部１０の＋Ｘ側の端部は、自由端となっている。このように可動部１０は、枠部１１に片持ち支持された状態となっている。そのため、可動部１０は撓む方向（例えばＹ方向）に弾性変形が容易となっており、可動部１０が弾性変形することにより、可動部１０とベース８０との間隔Ｄ（図１（ｂ）及び図５参照）の変更が可能となっている。なお、可動部１０は、上記した形状に限定されず、外力を受けた際に撓んで間隔Ｄが変更可能に形成されればよく、例えば円形状や棒状などであってもよい。また、可動部１０は、ベース８０との間隔Ｄの変更が可能な状態で配置されていればよく、枠部１１に片持ち支持される構成に限定されない。

図２（ａ）に示すように、可動部１０の表面（＋Ｙ側の面）１０ａには、可動電極１３が形成されている。可動電極１３は、可動部１０の＋Ｘ側の先端付近の矩形状の領域に形成されている。可動電極１３は、図１（ｂ）及び図５に示すように、後述するベース電極８３と対向するように配置されており、例えばＹ方向から見てベース電極８３と重なる領域に形成されている。

図３に示すように、可動電極１３は、導電性の金属膜であり、可動部１０の表面１０ａに、下地層１３ａ、中間層１３ｂ、導電層１３ｃの順で積層された３層構造となっている。これらの各層を構成する金属については、下地層１３ａにはクロム（Ｃｒ）、中間層１３ｂにはニッケルタングステン（ＮｉＷ）合金、導電層１３ｃには金（Ａｕ）が採用される。この構成では、下地層１３ａは、可動部１０と可動電極１３との密着性を高める機能を有する。また、中間層１３ｂは、導電層１３ｃの金属の拡散を防止する拡散防止膜としての機能を有する。また、導電層１３ｃは、可動電極１３の導電性を確保する機能を有する。

なお、可動電極１３を構成する導電性の金属膜は、上記した構成に限定されず、例えば、下地層１３ａに導電層１３ｃが積層された２層構造としてもよく、導電層１３ｃのみの１層構造あるいは４層以上の構成としてもよい。また、下地層１３ａあるいは中間層１３ｂを構成する金属としては、クロムやニッケルタングステン合金に代えて、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、あるいはニッケルクロム（ＮｉＣｒ）や、ニッケルチタン（ＮｉＴｉ）などが採用されてもよい。また、導電層１３ｃを構成する金属としては、金に代えて、銀（Ａｇ）や銅（Ｃｕ）などが採用されてもよい。また、可動電極１３は、金属膜の構成に限定されず、導電性材料がモールド形成された構成などであってもよい。上記した可動電極１３に関する変形事項については、後述する引出電極１４、ダミー電極１５、及びダミー引出電極１６についても同様に適用が可能である。

可動電極１３は、真空蒸着やスパッタ蒸着などにより可動部１０の表面１０ａに導電性の金属膜が成膜された後に、フォトリソグラフィー法及びエッチングにより所定領域に形成される。なお、可動電極１３の形成は、上記手法に限定されず、例えばメタルマスクを介した真空蒸着あるいはスパッタ蒸着や、金属ペーストや導電性フィラーを用いてスクリーン印刷などの印刷手法により形成された下地となる層の表面にめっきを施して形成されてもよい。なお、後述する引出電極１４、ダミー電極１５、及びダミー引出電極１６についても、上記した可動電極１３の形成手法と同様の手法により形成される。

図２（ａ）に示すように、可動片６０の表面（＋Ｙ側の面）６０ａには、引出電極１４が形成されている。引出電極１４は、可動電極１３から−Ｘ方向に引き出されて可動片６０の−Ｘ側の端部まで形成されている。引出電極１４は、可動電極１３から−Ｘ方向に延びる帯状の領域及び枠部１１の−Ｘ側の端部に沿ってＺ方向に延びる帯状の領域に形成されている。このような引出電極１４は、可動電極１３と同一構成の金属膜の構成であり、可動電極１３と一体で形成されている。これにより、可動電極１３は、引出電極１４及び−Ｘ側のキャスタレーション電極４５，５５を介して、−Ｘ側の外部電極４３と電気的に接続されている。

図２（ｂ）に示すように、可動部１０の裏面（−Ｙ側の面）１０ｂには、ダミー電極１５が形成されている。ダミー電極１５は、可動部１０の先端側（＋Ｘ側）の矩形の領域に形成され、可動部１０を挟んで可動電極１３と対称に形成されている。ダミー電極１５は、可動電極１３と同一の金属材料から形成されており、かつ可動電極１３と同一の金属膜の構成となっている。また、ダミー電極１５は、可動電極１３と膜応力が同一となるように形成されている。ダミー電極１５は、外部との電気的な接続はない。

また、可動片６０の可動部１０の裏面１０ｂには、ダミー引出電極１６が形成されている。ダミー引出電極１６は、ダミー電極１５から−Ｘ方向に引き出されて可動部１０の−Ｘ側の端部まで形成されている。ダミー引出電極１６は、ダミー電極１５から−Ｘ方向に延びる帯状の領域に形成されている。このようなダミー引出電極１６は、ダミー電極１５と同一構成の金属膜であり、ダミー電極１５と一体で形成されている。また、ダミー引出電極１６は、引出電極１４のうち可動部１０に形成された部分の電極と、可動部１０を挟んで対称に形成されている。また、ダミー引出電極１６は、引出電極１４と同一構成の導電性の金属膜の構成であり、引出電極１４のうち可動部１０に形成された部分の電極と膜応力が同一となるように形成されている。このようなダミー引出電極１６は、ダミー電極１５と同様に、外部との電気的な接続はない。

枠部１１の裏面（−Ｙ側の面）１１ｂには、枠部ダミー電極１７が形成されている。枠部ダミー電極１７は、Ｘ方向に延びる帯状の領域に形成されている。枠部ダミー電極１７は、例えば、図３に示すようにダミー引出電極１６と同一構成の金属膜であり、ダミー引出電極１６同時に形成される。枠部ダミー電極１７は、ダミー引出電極１６と同様に、外部との電気的接続はない。

なお、可動電極１３、引出電極１４、ダミー電極１５、ダミー引出電極１６、及び枠部ダミー電極１７については、上記した構成に限定されない。例えば、これらの電極の一部または全部は、異なる材料から形成されてもよく、金属膜の構成が異なってもよい。また、これらの電極は、四角以外の多角形状、円形状、長円形状、又は楕円形状などの形状であってもよい。また、可動電極１３とダミー電極１５とは、可動部１０を挟んで非対称に形成されてもよい。また、可動電極１３は、引出電極１４と一体ではなく別個に形成されてもよく、ダミー電極１５は、ダミー引出電極１６と一体ではなく別個に形成されてもよい。また、引出電極１４、ダミー引出電極１６、及び枠部ダミー電極１７の一部または全部は設けられなくてもよい。なお、これらの電極の変形例の関する事項は、後述する第３実施形態の引出電極３１４及び枠部ダミー電極３１７についても同様に適用される。

また、ダミー電極１５は、可動電極１３と異なる金属材料から形成されもよく、可動電極１３と異なる金属膜の構成としてもよい。この場合、ダミー電極１５の構成としては、例えば、金に比べて安価かつ硬質なクロム膜の１層構造としてもよく、可動電極１３と膜応力が同一となるようにクロム膜の構成を調整するようにしてもよい。また、ダミー電極１５は、可動電極１３と膜応力が異なって形成されてもよい。また、可動部１０の表面１０ａ及び裏面１０ｂにおいて可動電極１３及びダミー電極１５が形成される位置についても、可動部１０の先端部分に限定されず、ベース電極８３に対向する任意の位置に形成可能である。

図１（ｂ）に示すように、可動片６０は、第１スペーサ５０の−Ｙ側かつ後述する第２スペーサ７０の＋Ｙ側に配置されている。可動片６０の枠部１１の裏面１１ｂは、例えば不図示の接合材を介して、第２スペーサ７０の表面（＋Ｙ側の面）７０ａと接合されている。

第２スペーサ７０は、キャビティー３０内において可動部１０の−Ｙ方向への可動範囲を確保するために設けられている。第２スペーサ７０は、Ｙ方向に貫通する貫通部７２を有している。貫通部７２は、キャビティー３０を形成する部分である。第２スペーサ７０は、Ｙ方向から見て、例えば後述するベース８０の接合面４０ａと重なるように形成されており、Ｘ方向に長辺、Ｚ方向に短辺を有する矩形の枠状に形成されている。

第２スペーサ７０は、可動片６０の枠部１１の−Ｙ側かつ後述するベース８０の＋Ｙ側に配置されている。第２スペーサ７０の裏面（−Ｙ側の面）７０ｂは、例えば不図示の接合材を介して、後述するベース８０の接合面８０ｄと接合されている。

図１（ｂ）及び図４に示すように、ベース８０は、Ｙ方向から見てＸ方向に長辺及びＺ方向を短辺とする矩形状かつＹ方向を厚さ方向とする板状に形成されている。ベース８０の表面（＋Ｙ側の面）８０ａには、キャビティー３０を形成する中央部８０ｃと、中央部８０ｃを囲む領域に設けられた接合面８０ｄとが形成されている。ベース８０は、第２スペーサ７０の−Ｙ側に配置されている。

ベース８０は、表面（＋Ｙ側の面）８０ａと裏面（−Ｙ側の面）８０ｂとをＹ方向に貫通する貫通孔８１を有している。貫通孔８１は、例えばベース８０の表面側から裏面側にかけて口径が徐々に大きくなる略円錐台形状を有し、貫通孔８１の内部には後述する貫通電極８２が形成されている。

ベース８０の表面（＋Ｙ側の面）８０ａの中央部８０ｃには、ベース電極８３と引回電極８４とが形成されている。ベース電極８３は、可動電極１３と対向する位置に設けられている。ベース電極８３は、例えば、図１（ｂ）及び図５に示すように可動電極１３と同一の形状及び大きさに形成されている。引回電極８４は、ベース電極８３の＋Ｘ側の端部の中央部分から＋Ｘ方向に引き出され、貫通孔８１を含む領域に形成されている。このようなベース電極８３及び引回電極８４は、例えば可動電極１３と同一構成の金属膜であり一体で形成されている。

ベース８０の裏面８０ｂには、Ｘ方向に並んで配置された２つの矩形状の外部電極８５，８６が形成されている。＋Ｘ側の外部電極８６は、貫通孔８１を含む領域に形成されている。この外部電極８６は、基板等への実装の際に実装端子として用いられる。一方、−Ｘ側の外部電極８５は、外部との電気的接続のないダミーの電極である。

貫通孔８１には、貫通電極８２が形成されている。この貫通電極８２を介して、引回電極８４と外部電極８６とが電気的に接続される。これにより、ベース電極８３と外部電極８６とが、引回電極８４及び貫通電極８２を介して電気的に接続されている。貫通電極８２は、例えば貫通孔８１を銅（Ｃｕ）メッキ等により充填して形成される。

以上、第１実施形態について説明したが、センサ素子１００は、上記した構成に限定されない。例えば、可動電極１３は可動部１０の表面１０ａに代えて裏面１０ｂに形成されてもよい。この場合、ダミー電極１５は、可動部１０の裏面１０ｂに代えて表面１０ａに形成される。また、第１及び第２スペーサ５０，７０の一方又は双方は、設けられなくてもよい。また、センサ素子１００は、可動片６０の＋Ｙ側及び−Ｙ側の一方又は双方にスペーサ部材を複数有する構成としてもよい。また、リッド４０及びベース８０の一方又は双方には、キャビティー３０を形成する凹部が設けられてもよい。また、可動電極１３からベース８０の裏面８０ｂに電極を引き回して、可動電極１３とベース８０の−Ｘ側の外部電極８５とが電気的に接続された構成としてもよい。また、ベース電極８３と外部電極８６との電気的な接続は、貫通電極８２に代えてキャスタレーション電極を介する構成としてもよい。また、センサ素子１００は、可動部１０が収容部２０に収容される構成に代えて、可動部１０が外部に露出した構成としてもよく、収容部２０を有さない構成としてもよい。また、可動部１０は、圧電材料から形成され、表面１０ａ及び裏面１０ｂに可動部１０を挟んで一対の励振電極が設けられてもよく、可動部１０を所定の周波数で励振させるようにしてもよい。

上記したセンサ素子１００に対して外力が作用すると、可動部１０が撓み、主として可動部１０の＋Ｘ方向の先端部分がＹ方向に弾性変形し、可動部１０とベース８０との間隔Ｄ（図１（ｂ）、図５参照）が変化する。これにより、可動電極１３とベース電極８３との間隔が変化するので、可動部１０とベース電極８３との静電容量が変化する。そのため、外力を静電容量の変化分として検出することができる。

以上説明したセンサ素子１００によれば、所定の厚さに薄く形成された可動部１０の表面１０ａに可動電極１３及び引出電極１４が成膜されることにより可動部１０に対して表面１０ａ側から膜応力が作用するが、ダミー電極１５及びダミー引出電極１６が可動部１０の裏面１０ｂに成膜されることにより、可動部１０に対して裏面１０ｂ側からも膜応力が作用することとなるので、可動部１０に対して作用する膜応力のバランスが確保される。そのため、可動電極１３及び引出電極１４の形成に起因する可動部１０の塑性変形や、可動部１０が撓んで先端部分が＋Ｙ側に弾性変形する場合と−Ｙ側に弾性変形する場合とで撓み量が異なることが抑制されるので、外力を精度よく測定することができる。また、ダミー電極１５及びダミー引出電極１６は、可動電極１３及び可動部１０の表面１０ａに形成された引出電極１４と、同一の金属膜の構成であり、かつ可動部１０を挟んで対称に形成され、さらに膜応力が同一に設定されているので、可動部１０に対して作用する膜応力のバランスをより一層確保することができる。さらに、可動部１０は、収容部２０の内部に収容され外部から保護されているので、可動部１０の破損を防止するとともに可動部１０の動作の信頼性を確保することができる。

次に、センサ素子１００の製造方法の一例について図面を用いて説明する。
まず、リッド４０を多面取りするリッドウェハＬＷ、第１スペーサ５０を多面取りする第１スペーサウェハＳＷ１、可動片６０を多面取りする可動ウェハＫＷ、第２スペーサ７０を多面取りする第２スペーサウェハＳＷ２、及びベース８０を多面取りするベースウェハＢＷがそれぞれ用意される。これらのウェハは、水晶の単結晶から所定のカットにより所定の厚さで切り出される。その後、各ウェハは、それぞれ研磨等により所望の厚さに調整され、表面が洗浄される。その後の加工の工程については、以下、ウェハごとに説明する。

まず、リッドウェハＬＷを加工する工程について、図６（ａ）を用いて説明する。図６（ａ）は、リッドウェハＬＷを示す平面図である。上記のとおり用意されたリッドウェハＬＷの表面（＋Ｙ側の面）ＬＷａ及び裏面（−Ｙ側の面）には、貫通穴４１ａの領域が開口されたレジストパターン（不図示）が形成される。貫通穴４１ａは、リッド４０の切欠き部４１（図１（ｂ）参照）を形成する。このようなレジストパターンは、リッドウェハＬＷの表面ＬＷａ及び裏面にレジストが塗布された後、マスクパターンを露光して現像するといったフォトリソグラフィ法により形成される。次いで、リッドウェハＬＷの表面ＬＷａ及び裏面はエッチングされる。このようなフォトリソグラフィ法及びエッチングの工程により、レジストパターンで被覆されていない部分がエッチングされ、図６（ａ）に示すようにリッドウェハＬＷをＹ方向に貫通する貫通穴４１ａが形成される。続いて、メタルマスクを用いたスパッタリングや真空蒸着等により導電性の金属膜が成膜されることにより、リッドウェハＬＷの表面ＬＷａの所定の領域に外部電極４３，４４が形成されるとともに、貫通穴４１ａにキャスタレーション電極４５，４６が形成される。以上の工程により図６（ａ）に示すリッドウェハＬＷが用意される。

次に、第１スペーサウェハＳＷ１を加工する工程について、図６（ｂ）を用いて説明する。図６（ｂ）は、第１スペーサウェハＳＷ１を示す平面図である。用意された第１スペーサウェハＳＷ１には、フォトリソグラフィ法及びエッチングの工程により、貫通穴５１ａ及び貫通部５２が同時に形成される。この貫通穴５１ａは、第１スペーサ５０の切欠き部５１を形成する。貫通穴５１ａの口径は、上記したリッドウェハＬＷの貫通穴４１ａと同一に設定される。次いで、メタルマスクを用いたスパッタリングや真空蒸着等により導電性の金属膜が成膜されることにより、貫通穴５１ａにキャスタレーション電極５５，５６が形成される。以上の工程により、図６（ｂ）に示す第１スペーサウェハＳＷ１が用意される。

また、可動ウェハＫＷを加工する工程について、図７（ｃ）及び図９を用いて説明する。図７（ｃ）は可動ウェハＫＷを示す平面図である。図９は、可動ウェハＫＷの製造工程の一例を示す図である。図９は、可動ウェハＫＷに形成される可動部１０の一つについて、時系列に並べて示しており、図９（ａ）〜（ｄ）の各図は、図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面に相当する図である。

まず、図９（ａ）に示すように、用意された可動ウェハＫＷの表面（＋Ｙ側の面）ＫＷａ及び裏面（−Ｙ側の面）ＫＷｂには、フォトリソグラフィ法及びエッチングの工程によりレジストパターンＲ１が形成される。レジストパターンＲ１は、可動ウェハＫＷの表面ＫＷａの貫通部５２が形成される領域Ｓ１並びに裏面ＫＷｂの貫通部５２及び可動部１０が形成される領域Ｓ２が開口されている。なお、レジストパターンＲ１と可動ウェハＫＷとの間に、金属膜によるマスクパターンが形成されてもよい。

次いで、可動ウェハＫＷがエッチングされる。これにより、図９（ｂ）に示すように、レジストパターンＲ１で被覆されていない部分がエッチングされることにより、可動部１０及び貫通部１２が形成される。その際、外力により可動部１０が撓んだ場合に所望の変形量が得られるように、可動部１０の厚さが適宜調整される。その後、レジストパターンＲ１を構成するレジスト膜が除去される。

続いて、図９（ｃ）に示すように、可動ウェハＫＷの表面ＫＷａ及び裏面ＫＷｂに、スパッタリングあるいは真空蒸着により電極膜Ｍが形成される。この電極膜Ｍの膜構成は、可動片６０の可動電極１３、引出電極１４、ダミー電極１５、ダミー引出電極１６、及び枠部ダミー電極１７の金属膜の膜構成と同一に設定される。さらに、電極膜Ｍの表面に、フォトリソグラフィ法及びエッチングの工程により、可動電極１３、引出電極１４、ダミー電極１５、ダミー引出電極１６、及び枠部ダミー電極１７の形成領域が被覆されたレジストパターンＲ２が形成される。その後、可動ウェハＫＷの表面ＫＷａ及び裏面ＫＷｂは、レジストパターンＲ２を介して所定のエッチャントによりエッチングされる。これにより、図９（ｄ）に示すように、レジストパターンＲ２で被覆されていない部分の電極膜Ｍがエッチングされ、電極形成部分の電極膜Ｍが残存する。最後に、レジストパターンＲ２を構成するレジスト膜が除去される。このような工程により、可動電極１３が形成され（可動電極形成工程）、同時に、ダミー電極１５が形成される（ダミー電極形成工程）。また、引出電極１４、ダミー引出電極１６、及び枠部ダミー電極１７についても、可動電極１３及びダミー電極１５と同時に形成される。

なお、可動電極形成工程及びダミー電極形成工程は、上記した手法により行われることに限定されず、リフトオフ法や、メタルマスクを用いたスパッタリングや真空蒸着、またはメッキ等により行われてもよい。これらの手法が採用された場合であっても、ダミー引出電極１６は、枠部ダミー電極１７と同時に成膜されて形成されることにより、可動部１０の裏面１０ｂの−Ｘ側の端部まで確実に形成される。
以上の工程により図７（ｃ）に示す可動ウェハＫＷが用意される。

また、第２スペーサウェハＳＷ２を加工する工程について、図７（ｄ）を用いて説明する。図７（ｄ）は、第２スペーサウェハＳＷ２を示す平面図である。用意された第２スペーサウェハＳＷ２には、フォトリソグラフィ法及びエッチングの工程により、貫通部７２が形成される。これにより、図７（ｄ）に示す第２スペーサウェハＳＷ２が用意される。

また、ベースウェハＢＷを加工する工程について、図８（ｅ）を用いて説明する。図８（ｅ）は、ベースウェハＢＷを示す平面図である。まず、用意されたベースウェハＢＷには、上記したフォトリソグラフィ法及びエッチングの工程により、貫通孔８１が形成される。次いで、貫通孔８１を銅（Ｃｕ）メッキ等により充填して貫通電極８２が形成される（図１（ｂ）参照）。続いて、ベースウェハＢＷの表面（＋Ｙ側の面）ＢＷａ及び裏面（−Ｙ側の面）の所定の領域に、メタルマスクを用いたスパッタリングや真空蒸着等により導電性の金属膜が成膜される。これにより、ベースウェハＢＷの表面ＢＷａにはベース電極８３及び引回電極８４が形成され、ベースウェハＢＷの裏面には外部電極８５，８６が形成される（図１（ｂ）参照）。以上の工程により、図８（ｅ）に示すリッドウェハＬＷが用意される。

続いて、上記のように加工された各ウェハＬＷ，ＳＷ２，ＫＷ，ＳＷ２，ＢＷは、それぞれ位置決めされた状態で、接合材を介して、＋Ｙ方向にベースウェハＢＷ、第２スペーサウェハＳＷ２、可動ウェハＫＷ、第１スペーサウェハＳＷ１、リッドウェハＬＷの順で重ねた構成で接合される。このような各ウェハの接合により、可動部１０がキャビティー３０に収容される。続いて、接合されたウェハに対して、予め設定されたスクライブラインＳＬに沿ってダイシングソーにより切断加工される。これにより、個々のセンサ素子１００に切り分けられ、センサ素子１００が完成する。

以上説明したセンサ素子１００の製造方法によれば、ダミー電極１５、ダミー引出電極１６、及び枠部ダミー電極１７は、可動電極１３及び引出電極１４と同時に形成されるので、ダミー電極１５、ダミー引出電極１６、及び枠部ダミー電極１７の形成に伴う工数の増加を回避し、センサ素子１００を容易に製造することができる。また、ダミー電極１５とダミー引出電極１６とは、それぞれ可動電極１３と引出電極１４の一部と、可動部１０を挟んで対称に形成されるが、これらの電極の形成をフォトリソグラフィ法及びエッチングの手法を用いて行うことにより、可動部１０を挟んだダミー電極１５等と可動電極１３等との対称形状を容易かつ確実に形成することができる。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態について、図１０を用いて説明する。以下の説明において、第１実施形態と同一または同等の構成部分については同一符号を付けて説明を省略または簡略化する。図１０は、物理センサ１の一例を示す概略構成図である。物理センサ１は、外力を測定するセンサである。物理センサ１は、例えば、図１０に示すように、センサ素子１００と、圧電振動子９０と、発振回路２と、周波数検出部３とを有している。

圧電振動子９０は、例えば水晶振動子であり、水晶振動片９１と、励振電極９２，９３と、基台９４と、容器９５とを有している。水晶振動片９１は、水晶から形成された板状部材であり、容器９５の内部において片持ち支持されている。励振電極９２，９３は、水晶振動片９１を挟んで一対が設けられており、表面あるいは裏面の所定の領域に形成されている。励振電極９２は、発振回路２と電気的に接続されている。また、励振電極９３は、センサ素子１００の外部電極４３と電気的に接続されている。励振電極９２，９３は、例えば導電性の金属膜である。容器９５は、水晶振動片９１を収容して気密封止している。基台９４は、容器９５の内部に設けられ、表面に水晶振動片９１の端部が接合されており、水晶振動片９１を片持ち支持している。容器９５は、例えば後述する収容部３２０と同様の構成である（図１２参照）。

発振回路２は、圧電振動子９０を所定の周波数で発振させる回路である。発振回路２を介して励振電極９２，９３に所定の電圧が印加されることにより、水晶振動片９１は所定の周波数で継続的に発振する。周波数検出部３は、発振回路２を介して、可動電極１３又はベース電極８３から出力された周波数を検出する機能を有している。周波数検出部３は、例えばパーソナルコンピュータから形成される不図示のデータ処理部に接続されている。

続いて、物理センサ１を用いた外力測定の原理について、図１１を用いて説明する。図１１は、物理センサ１の回路構成を示すブロック図である。図１１において、Ｌ１は水晶振動子４０の質量に対する直列インダクタンス、Ｃ１は直列容量、Ｒ１は直列抵抗、Ｃ０は実行並列容量、ＣＬは発振回路２の負荷容量、Ｃｖは可動電極１３とベース電極８３とにより形成される可変容量である。

国際規格ＩＥＣ ６０１２２−１によれば、水晶発振回路の一般式は、次の（１）式のように表される。
ＦＬ＝Ｆｒ×（１＋ｘ）
ｘ＝（Ｃ１／２）×１／（Ｃ０＋ＣＬ） ・・・（１）
ここで、ＦＬは水晶振動子に負荷が加わったときの発振周波数であり、Ｆｒは水晶振動子そのものの共振周波数である。

物理センサ１の負荷容量は、ＣＬにＣｖが加わったものであるから、（１）式のＣＬに代えて下記（２）式で表されるｙが代入される。
ｙ＝１／（１／Ｃｖ＋１／ＣＬ）・・・（２）
従って、ＣｖがＣｖ１のときの発振周波数をＦＬ１、ＣｖがＣｖ２のときの発振周波数をＦＬ２とすると、（３）、（４）式が成り立つ。
ＦＬ１＝Ｆｒ×［１＋｛（Ｃ１／２）×１／（Ｃ０＋ｙ１）｝］ ・・・（３）
ただし、ｙ１＝１／（１／Ｃｖ１＋１／ＣＬ）である。
ＦＬ２＝Ｆｒ×［１＋｛（Ｃ１／２）×１／（Ｃ０＋ｙ２）｝］ ・・・（４）
ただし、ｙ２＝１／（１／Ｃｖ２＋１／ＣＬ）である。

物理センサ１に外力が作用すると、可動部１０が撓み、主として先端部分がＹ方向に弾性変形し、容量Ｃｖとともに周波数が変化する。ここで、ＦＬ１を可動部１０が撓んでいない状態で検出された周波数値とし、ＦＬ２を可動部１０に外力が作用して可動部１０が撓んだ状態で検出された周波数値とすると、ＦＬ１及びＦＬ２は、それぞれ上記（３）及び（４）式で表される値となり、周波数の変化分ΔＦＬは、ＦＬ１−ＦＬ２となる。そこで、変化した周波数値と外力との関係を調べておくことにより、周波数の変化分ΔＦＬから外力を求めることができる。

続いて、物理センサ１の動作の一例について説明する。
水晶振動子９０は発振回路２を用いて所定の周波数で継続的に発振する。この周波数は、例えば３０ＭＨｚに設定される。物理センサ１に外力が加わると、可動部１０の先端部分は、撓んだ状態となる。その際の可動電極１３又はベース電極８３から出力された周波数値が周波数検出部３において検出される。この検出された周波数情報は、不図示のデータ処理部に送信され、データ処理部において、可動部１０が撓む前後のそれぞれにおいて取得された周波数値から周波数の変化値が算出され、この周波数の変化値と外力との関係から外力が算出される。このようにして、物理センサ１に加わった外力が測定される。
以上説明した物理センサ１の構成によれば、周波数の変化を可動電極１３とベース電極８３との間の静電容量の変化を周波数の変化として検出し、これにより外力を測定することができる。

＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態について、図１２を用いて説明する。以下の説明において、第１実施形態と同一または同等の構成部分については同一符号を付けて説明を省略または簡略化する。図１２は、センサ素子３００の一例を示す断面図である。センサ素子３００は、図１２に示すように、可動部１０と、可動部１０を可動可能に収容するキャビティー３０を備えた収容部２０とを有し、可動部１０が収容部３２０に収容された構成となっている。

可動部１０の−Ｘ側には支持部３３０が設けられている。支持部３３０は、可動部１０と一体で形成され、可動部１０の−Ｘ側の端部に接続された構成となっている。支持部３３０のＺ方向の幅は、可動部１０のＺ方向の幅と同一に設定されている。また、支持部３３０の厚さ（Ｙ方向の長さ）は、可動部１０よりも厚く形成されている。支持部３３０は、後述するベース３８０の台部３８０ｅに例えば不図示の接合材を介して搭載されている。これにより、可動部１０は、支持部３３０を介してベース３８０に片持ちの状態で支持される。可動部１０は、外力を受けて撓むことにより可動部１０の＋Ｘ側の先端部分がＹ方向に可動可能となっており、可動部１０とベース８０との間隔Ｄが変更可能となっている。可動電極１３は、ベース電極８３に対向して配置されている。

可動部１０の表面（＋Ｙ側の面）１０ａ及び支持部３３０の表面（＋Ｙ側の面）３３０ａには、引出電極３１４が形成されている。引出電極３１４は、上記した第１実施形態に係る引出電極１４と同様の構成であり、可動電極１３から−Ｘ方向に引き出され、支持部３３０の表面３３０ａの−Ｘ側の端部まで引き出されている。また、支持部３３０の裏面（−Ｙ側の面）３３０ｂには、上記した第１実施形態に係る枠部ダミー電極１７と同様の構成の枠部ダミー電極３１７が形成されている。

収容部３２０は、カバー３４０と、ベース３８０と、シールリング３９０とを有している。カバー３４０は、例えばＹ方向から見て矩形状かつＹ方向を厚さ方向とする板状に形成されている。カバー３４０としては、例えばニッケル（Ｎｉ）、４２アロイ（Ｆｅ−Ｎｉ）、コバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）などの金属材料が用いられるが、金属材料に代えて、セラミック、ガラス、シリコン、樹脂等が用いられてもよい。カバー３４０の裏面（−Ｙ側の面）には、キャビティー３０を形成する中央部３４０ｃと、中央部３４０ｃを囲む領域に形成された接合面３４０ｂとが形成されている。接合面３４０ｂは、後述するベース３８０の接合面３８０ａと対向して配置され、シールリング３９０を介して接合面３８０ａと接合されている。

ベース３８０は、例えばＹ方向から見て矩形状に形成されている。ベース３８０の表面（＋Ｙ側の面）には、凹部３８０ｃと、凹部３８０ｃを囲む接合面３８０ａとが形成されている。凹部３８０ｃは、キャビティー３０の形成に用いられる。接合面３８０ａは、シールリング３９０を介してカバー３４０と接合される部分である。ベース３８０には、例えば安価かつ形成容易なセラミックが用いられるが、セラミックに代えて、ガラス、シリコン、樹脂、金属等が用いられてもよい。ベース３８０は、凹部３８０ｃの底面３８０ｄから＋Ｙ方向に突出する台部３８０ｅを有している。台部３８０ｅは、可動部１０とベース３８０との間隔Ｄを確保しかつ調節するために設けられている。なお、ベース３８０に台部３８０ｅを設けるか否かは任意であり、支持部３３０は凹部３８０ｃの底面３８０ｄに接合されてもよい。

ベース３８０は、凹部３８０ｃの底面３８０ｄとベース３８０の裏面（−Ｙ側の面）３８０ｂとをＹ方向に貫通する２つの貫通孔８１，３８１を有している。−Ｘ側の貫通孔３８１は、底面３８０ｄから裏面３８０ｂにかけて口径が徐々に大きくなる略円錐台形状を有し、貫通孔３８１の内部には貫通電極３８２が形成されている。

ベース３８０の凹部３８０ｃの底面３８０ｄには、接続パッド３８７、ベース電極８３、及び引回電極８４が形成されている。接続パッド３８７は、例えばベース電極８３と同一の構成の金属膜である。接続パッド３８７は、−Ｘ側の貫通孔３８１を含む領域に形成されており、貫通電極３８２と電気的に接続されている。接続パッド３８７は、ボンディングワイヤ３９１を介して支持部３３０の表面（＋Ｙ側の面）３３０ａに形成された引出電極３１４と電気的に接続されている。なお、接続パッド３８７と引出電極３１４との電気的な接続は、ワイヤボンディングに代えて電極を引き回して行ってもよい。

ベース３８０の裏面３８０ｂの−Ｘ側の領域には外部電極３８５が形成されている。この外部電極３８５は、例えば＋Ｘ側の外部電極８６と同一の構成の金属膜である。−Ｘ側の外部電極３８５は、−Ｘ側の貫通孔３８１を含む領域に形成されており、貫通電極３８２と電気的に接続されている。これにより、可動電極１３は、引出電極３１４、ボンディングワイヤ３９１、接続パッド３８７、及び貫通電極３８２を介して、外部電極３８５と電気的に接続されている。外部電極３８５は、外部電極８６とともに基板等への実装の際に実装端子として用いられる。

シールリング３９０は、環状に形成されており、ベース３８０及びカバー３４０の接合面３４０ｂ，３８０ａに接合される。これにより、収容部３２０の内部にキャビティー３０が形成される。

上記したセンサ素子３００は、例えば以下の工程により製造される。まず、表面の所定の領域に各電極が形成された可動部１０及び支持部３３０、並びに収容部３２０が用意される。次いで、ベース３８０と、可動部１０及び支持部３３０とが相対的に位置合わせされた状態で、ベース３８０の台部３８０ｅに支持部３３０が接合される。さらに、シールリング３９０を介して、ベース３８０にカバー３４０が接合される。これにより、センサ素子３００が完成する。可動部１０及び支持部３３０は、上記した第１実施形態に係る可動片６０の加工工程と同様に、フォトリソグラフィ法及びエッチングの手法により、形状の成形及び電極膜の形成がされてもよい。

以上、本発明のセンサ素子及び物理センサ並びにセンサ素子の製造方法について説明したが、本発明は、上記した説明に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態の構成の一部は省略されてもよい。また、上記した実施形態の構成の一部と他の実施形態の構成の一部とを、置き換えてもよく組み合わせてもよい。

Ｄ…間隔
１…物理センサ
２…発振回路
１０…可動部
１０ａ…表面
１０ｂ…裏面
１３…可動電極
１３ａ…下地層
１３ｃ…導電層
１５…ダミー電極
２０，３２０…収容部
８０，３８０…ベース
８３…ベース電極
９０…圧電振動子
１００，３００…センサ素子

Claims (8)

1. ベースに対する間隔を変更可能な状態で前記ベースに配置される可動部と、
   前記ベースに形成されるベース電極と、
   前記可動部の表面及び裏面の一方に形成されかつ前記ベース電極と対向する可動電極と、
   前記可動部の表面及び裏面の他方に形成されるダミー電極と、を備えるセンサ素子。
2. 前記ダミー電極は、前記可動電極と膜応力が同一である請求項１記載のセンサ素子。
3. 前記ダミー電極は、前記可動部を挟んで前記可動電極と対称に形成される請求項１または請求項２記載のセンサ素子。
4. 前記ダミー電極は、前記可動電極と同一の金属材料が用いられる請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のセンサ素子。
5. 前記可動電極及び前記ダミー電極は、前記可動部に形成される下地層と、前記下地層に積層される導電層と、を有する請求項４記載のセンサ素子。
6. 前記可動部を内部に収容する収容部を備える請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のセンサ素子。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のセンサ素子と、
   前記センサ素子の前記可動電極に電気的に接続される圧電振動子と、
   前記圧電振動子を所定の周波数で振動させる発振回路と、を備える物理センサ。
8. ベースに対する間隔を変更可能な状態で前記ベースに配置される可動部と、前記ベースに形成されるベース電極と、前記可動部の表面及び裏面の一方に形成されかつ前記ベース電極と対向する可動電極と、前記可動部の表面及び裏面の他方に形成されるダミー電極と、を備えるセンサ素子の製造方法であって、
   前記可動部に前記可動電極を形成する可動電極形成工程と、
   前記可動部に前記ダミー電極を形成するダミー電極形成工程と、を有し、
   前記可動電極形成工程及び前記ダミー電極形成工程は、同時に行われるセンサ素子の製造方法。

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