JP2023072788A - 慣性センサー、および慣性計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検出信号の精度低下を回避できる慣性センサーを提供すること。【解決手段】変位に基づく物理量を検出する慣性センサー１は、基板２と、可動体３２と、基板２に設けられ、平面視で、可動体３２と重なる固定電極としての被覆電極８６と、基板２から可動体３２側に突出する突起６１と、突起６１の頂部６１１に設けられた被覆電極８６ｔと、を備え、突起６１は、被覆電極８６ｔに接する埋め込み金属６７を備える。【選択図】図７Ａ

Description

本発明は、慣性センサー、および、当該慣性センサーを備えた慣性計測装置に関する。

特許文献１に記載されている慣性センサーは、それぞれ、Ｚ軸方向の加速度を検出可能なセンサーであり、基板と、基板に対してＹ軸方向に沿う揺動軸まわりにシーソー揺動する可動体と、基板に設けられた検出電極と、を有する。
可動体は、揺動軸を挟んで設けられ、互いに揺動軸まわりの回転モーメントが異なる第１可動部および第２可動部を有する。
検出電極は、第１可動部と対向して基板に配置された第１検出電極と、第２可動部と対向して基板に配置された第２検出電極と、を有する。

この慣性センサーでは、Ｚ軸方向の加速度が加わると可動体が揺動軸まわりにシーソー揺動し、第１可動部と第１検出電極との間の静電容量および第２可動部と第２検出電極との間の静電容量が互いに逆相で変化する。そして、この静電容量の変化に基づいた信号を、Ｚ軸方向の加速度を検出する検出信号として出力することができる。

また、この慣性センサーは、基板に突起状のストッパーを備える。ストッパーは、可動体が過度にシーソー揺動した際に、可動体と接触して可動体のそれ以上の変位を規制する。

特開２０１４－２２４７３９号公報

しかしながら、特許文献１の慣性センサーでは、ストッパーが可動体と異なる電位を有する第１、第２検出電極に覆われている。
そのため、可動体とストッパーとの間に静電引力が生じ、この静電引力によって、可動体が基板に貼り付いてしまう現象、所謂「スティッキング」が生じ易くなり、スティッキングの発生によって、検出信号の精度が低下してしまう、という課題があった。

本願に係る一態様の慣性センサーは、変位に基づく物理量を検出する慣性センサーであって、基板と、可動体と、前記基板に設けられ、平面視で、前記可動体と重なる固定電極と、前記基板から前記可動体側に突出する突起と、前記突起の頂部に設けられた被覆電極と、を備え、突起は、被覆電極に接する埋め込み金属を備える。

本願に係る一態様の慣性計測装置は、上記記載の慣性センサーを備える。

実施形態１に係る慣性センサーを示す平面図。 図１のＡ－Ａ線断面図。 突起を有する基板の平面図。 図３のＢ－Ｂ線断面図。 図３のＣ－Ｃ線断面図。 埋め込み金属を有する突起の平面図。 図６のＤ－Ｄ線断面図。 図６のＥ－Ｅ線断面図。 埋め込み金属を有する突起の製造方法を示すフローチャート。 図８のステップＳ１０に対応する突起の図６のＤ－Ｄ線断面。 図８のステップＳ１１に対応する突起の図６のＤ－Ｄ線断面。 図８のステップＳ１２に対応する突起の図６のＤ－Ｄ線断面。 実施形態２にかかる埋め込み金属を有する突起の平面図。 実施形態３にかかる慣性計測装置を示す分解斜視図。 図１１の慣性計測装置に搭載された慣性センサーを有する基板の斜視図。

以下、本発明の慣性センサーおよび慣性計測装置を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
なお、以下の各図においては、各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各部材の尺度を実際とは異ならせしめている。

また、説明の便宜上、互いに直交する３つの軸をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸とする。Ｘ軸に沿う方向すなわちＸ軸に平行な方向を「Ｘ軸方向」、Ｙ軸に沿う方向すなわちＹ軸に平行な方向を「Ｙ軸方向」、Ｚ軸に沿う方向すなわちＺ軸に平行な方向を「Ｚ軸方向」とも言う。

また、各軸の矢印方向先端側を「プラス側」とも言い、反対側を「マイナス側」とも言う。また、Ｚ軸方向プラス側を「上」とも言い、Ｚ軸方向マイナス側を「下」とも言う。

また、本願明細書において「直交」とは、技術常識的に見て直交と同視できるもの、具体的には、９０°で交わっている場合の他、９０°から若干傾いた角度、例えば９０°±５°程度の範囲内で交わっている場合も含む。同様に、「平行」についても、技術常識的に見て平行と同視できるもの、具体的には、両者のなす角度が０°の場合の他、±５°程度の範囲内の差を有する場合も含む。

また、以下では、Ｚ軸方向から見ることを「平面視」あるいは「平面的」という。また、Ｚ軸を含む断面に対して垂直方向から見ることを「断面視」あるいは「断面的」という。

また、以下では、「基板の上面に」との記載は、基板の上面に接して配置される場合、基板の上面に他の構造物を介して配置される場合、または基板の上面に一部が接して配置され、一部が他の構造物を介して配置される場合のいずれかを表すものとする。

１．実施形態１
１．１．慣性センサーの概要
図１は、実施形態１に係る慣性センサーを示す平面図である。図２は、図１のＡ－Ａ線断面図である。

図１に示す慣性センサー１は、Ｚ軸方向の加速度Ａｚを検出する加速度センサーである。慣性センサー１は、基板２と、基板２上に配置されたセンサー素子３と、基板２に接合され、センサー素子３を覆う蓋５と、を有する。

基板２は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に広がりを有し、Ｚ軸方向を厚さとする。
図２に示すように、基板２は、上面側に開口する凹部２１を有する。また、平面視で、凹部２１は、センサー素子３を内側に内包し、センサー素子３よりも大きく形成されている。凹部２１は、センサー素子３と基板２との接触を抑制する逃げ部として機能する。また、基板２は、凹部２１の底面からセンサー素子３側に突出しているマウント２２を有する。そして、マウント２２の上面にセンサー素子３が接合されている。

基板２としては、例えば、Ｎａ＋等の可動イオンであるアルカリ金属イオンを含むガラス材料、例えば、パイレックス（登録商標）ガラス、テンパックス（登録商標）ガラスのような硼珪酸ガラスで構成されたガラス基板を用いることができる。ただし、基板２としては、特に限定されず、例えば、シリコン基板やセラミックス基板を用いてもよい。

図１に示すように、基板２は、電極８を有する。
電極８は、図２に示すように、凹部２１の底面に配置され、平面視で、センサー素子３と重なっている第１検出電極８１、第２検出電極８２、第１ダミー電極８３および第２ダミー電極８４を有する。

図１に示すように、基板２は、その上面に開口する凹部２５，２６，２７を有し、基板２は、凹部２５，２６，２７に配置された配線７５、７６、７７を有する。
各配線７５，７６，７７の一端部は、蓋５の外に露出し、外部装置との電気的な接続を行う電極パッドＰとして機能する。

配線７５は、センサー素子３、第１ダミー電極８３および第２ダミー電極８４と電気的に接続されている。つまり、第１ダミー電極８３と第２ダミー電極８４とは、後述する可動体３２と同電位である。
また、配線７５は、第１検出電極８１と第２検出電極８２との間にできる限り広がって形成され、第１ダミー電極８３および第２ダミー電極８４と同様の機能を発揮する。
配線７６は、第１検出電極８１と電気的に接続され、配線７７は、第２検出電極８２と電気的に接続されている。

図２に示すように、蓋５は、下面側に開口する凹部５１を有する。蓋５は、凹部５１内にセンサー素子３を収納して基板２の上面に接合されている。そして、蓋５および基板２によって、その内側に、センサー素子３を収納する収納空間Ｓが形成されている。
収納空間Ｓは、気密空間であり、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが封入され、使用温度（－４０℃～１２５℃程度）で、ほぼ大気圧となっていることが好ましい。ただし、収納空間Ｓの雰囲気は、特に限定されず、例えば、減圧状態であってもよいし、加圧状態であってもよい。

蓋５としては、例えば、シリコン基板を用いることができる。ただし、これに特に限定されず、例えば、ガラス基板やセラミックス基板を用いてもよい。
また、蓋５と基板２とは、低融点ガラスからなるガラスフリット５９によって接合されている。なお、蓋５と基板２との接合方法は、基板２や蓋５の材料によって適宜選択すればよく、特に限定されない。例えば、陽極接合、プラズマ照射によって活性化させた接合面同士を接合させる活性化接合、ガラスフリット等の接合材による接合、基板２の上面および蓋５の下面に成膜した金属膜同士を接合する拡散接合等を用いることができる。

センサー素子３は、例えば、リン（Ｐ）、ボロン（Ｂ）、砒素（Ａｓ）等の不純物がドープされた導電性のシリコン基板をエッチング、特に、深溝エッチング技術であるボッシュ・プロセスによってパターニングすることにより形成される。
センサー素子３は、マウント２２の上面に接合されているＨ型の固定部３１と、固定部３１に対してＹ軸に沿う揺動軸Ｊまわりに揺動可能な可動体３２と、固定部３１と可動体３２とを接続する揺動梁３３と、を有する。マウント２２と固定部３１とは、例えば、陽極接合されている。

図１に示すように、可動体３２は、平面視で、Ｘ軸方向を長手方向とする長方形形状となっている。また、可動体３２は、平面視で、Ｙ軸に沿う揺動軸Ｊを間に挟んで配置された第１可動部３２１および第２可動部３２２を有する。
第１可動部３２１は、揺動軸Ｊに対してＸ軸方向プラス側に位置し、第２可動部３２２は、揺動軸Ｊに対してＸ軸方向マイナス側に位置する。また、第１可動部３２１は、第２可動部３２２よりもＸ軸方向に長く、加速度Ａｚが加わったときの揺動軸Ｊまわりの回転モーメントが第２可動部３２２よりも大きい。

第１可動部３２１は、対称部３２５と非対称部３２６とを有する。
対称部３２５は、平面視で、揺動軸Ｊに対して第２可動部３２２と対称的な部分であり、非対称部３２６は、対称部３２５よりも揺動軸Ｊから遠い側に位置し、揺動軸Ｊに対して第２可動部３２２と非対称な部分である。
第２可動部３２２の揺動軸Ｊからの長さをＬ２とすると、第１可動部３２１の揺動軸Ｊからの距離が長さＬ２と等しくなる部分が対称部３２５と非対称部３２６との境界となり、当該部分よりも揺動軸Ｊ側が対称部３２５であり、揺動軸Ｊと反対側が非対称部３２６となる。

非対称部３２６は、第１可動部３２１の揺動軸Ｊまわりの回転モーメントを第２可動部３２２の揺動軸Ｊまわりの回転モーメントよりも大きくするためのトルク発生部として機能する。
この回転モーメントの差によって、加速度Ａｚが加わった際に可動体３２が揺動軸Ｊまわりにシーソー揺動する。なお、シーソー揺動とは、第１可動部３２１がＺ軸方向プラス側に変位すると、第２可動部３２２がＺ軸方向マイナス側に変位し、反対に、第１可動部３２１がＺ軸方向マイナス側に変位すると、第２可動部３２２がＺ軸方向プラス側に変位することを意味する。

可動体３２は、第１可動部３２１と第２可動部３２２との間に位置する開口３２４を有する。そして、開口３２４内に固定部３１および揺動梁３３が配置されている。このように、可動体３２の内側に固定部３１および揺動梁３３を配置することによって、センサー素子３の小型化を図ることができる。
また、可動体３２は、その全域に均一に形成されている複数の貫通孔を有する。これによって、粘性によるダンピングを低減することができる。ただし、貫通孔は、省略してもよいし、その配置が均一でなくてもよい。

第１検出電極８１は、平面視で、第１可動部３２１の基端部である対称部３２５と重なって配置され、第２検出電極８２は、第２可動部３２２と重なって配置されている。
これら第１検出電極８１と第２検出電極８２とは、加速度Ａｚが加わっていない自然状態で、図２に示したように、静電容量Ｃａ，Ｃｂが等しくなるように、平面視で、揺動軸Ｊに対して略対称に設けられている。

第１ダミー電極８３は、第１検出電極８１よりもＸ軸方向プラス側に位置し、平面視で、第１可動部３２１の先端部である非対称部３２６と重なって設けられている。
第１ダミー電極８３によって凹部２１の底面の非対称部３２６と重なる領域の露出が阻止されている。
このように、凹部２１の底面を第１ダミー電極８３で覆うことによって、基板２中のアルカリ金属イオンの移動に伴う凹部２１の底面の帯電を抑制することができる。そのため、凹部２１の底面と第１可動部３２１との間に可動体３２の誤作動に繋がるような意図しない静電引力が生じることを効果的に抑制することができる。そのため、加速度Ａｚをより精度よく検出することのできる慣性センサー１となる。
一方、第２ダミー電極８４は、第２検出電極８２よりもＸ軸方向マイナス側に位置し、第２可動部３２２とは重ならないように設けられている。

図示しないが、慣性センサー１の駆動時には、配線７５を介してセンサー素子３に駆動電圧が印加され、第１検出電極８１とＱＶアンプとが配線７６によって接続され、第２検出電極８２と別のＱＶアンプとが配線７７によって接続される。これによって、第１可動部３２１と第１検出電極８１との間に静電容量Ｃａが形成され、第２可動部３２２と第２検出電極８２との間に静電容量Ｃｂが形成される。加速度Ａｚが加わっていない自然状態では静電容量Ｃａ，Ｃｂが互いにほぼ等しい。

慣性センサー１に加速度Ａｚが加わると、可動体３２が揺動軸Ｊを中心にしてシーソー揺動する。この可動体３２のシーソー揺動によって、第１可動部３２１と第１検出電極８１とのギャップと、第２可動部３２２と第２検出電極８２とのギャップと、が逆相で変化し、これに応じて静電容量Ｃａ，Ｃｂが互いに逆相で変化する。そのため、慣性センサー１は、静電容量Ｃａ，Ｃｂの変化に基づいて加速度Ａｚを検出することができる。

図１に示すように、慣性センサー１は、基板２の凹部２１の底面から可動体３２側に突出する突起６１，６２を有する。本実施形態では、突起６１，６２を複数本有し、それぞれが基板２と一体形成されている。

突起６１，６２は、可動体３２に過度なシーソー揺動が生じた際に可動体３２と接触することによって、可動体３２のそれ以上のシーソー揺動を規制するストッパーとして機能する。
このような突起６１，６２を設けることによって、互いに電位が異なる可動体３２と第１検出電極８１と第２検出電極８２との過度な接近または広面積での接触を抑制することができる。そして、可動体３２と、第１検出電極８１およびまたは第２検出電極８２との間に生じる静電引力によって、可動体３２が第１検出電極８１およびまたは第２検出電極８２に引き付けられたまま戻らなくなる「スティッキング」の発生を効果的に抑制することができる。

突起６１、平面視で、第１可動部３２１と重なって設けられ、可動体３２と第１検出電極８１との過度な接近を抑制する機能を有する。突起６２は、第２可動部３２２と重なって設けられ、可動体３２と第２検出電極８２との過度な接近を抑制する機能を有する。
突起６１，６２は、互いに同様の構成であり、平面視で、揺動軸Ｊに対してほぼ対称に設けられている。以下では、代表として突起６１について説明するが、突起６２も同様である。

１．２．突起の概要
図３は、突起を有する基板の平面図である。図４は、図３のＢ－Ｂ線断面図である。図５は、図３のＣ－Ｃ線断面図である。
図３に示すように、基板２には、平面視において突起６１が揺動軸Ｊと平行なＹ軸方向に沿って互いに離間して複数設けられている。本実施形態では、突起６１は、一対設けられている。具体的には、平面視で、可動体３２の中心と交わりＸ軸方向に延在する直線を仮想直線Ｒｘとしたとき、仮想直線ＲｘよりもＹ軸方向プラス側に一方の突起６１が設けられ、仮想直線ＲｘよりもＹ軸方向マイナス側に他方の突起６１が設けられている。
これによって、第１可動部３２１が各突起６１と接触した際に、可動体３２にＸ軸まわりの不要な変位が生じ難くなる。なお、以下では、一方の突起６１を突起６１Ａとも言い、他方の突起６１を突起６１Ｂとも言う。

図４，５に示すように、突起６１Ａは、第１可動部３２１のＹ軸方向プラス側の端部と重なって設けられ、突起６１Ｂは、第１可動部３２１のＹ軸方向マイナス側の端部と重なって設けられている。これによって、突起６１Ａ，６１Ｂの離間距離をより大きくすることができ、前述したような可動体３２のＸ軸まわりの不要変位をより効果的に抑制することができる。

突起６１の形状、数および配置は、特に限定されない。
例えば、突起６１の立体的な形状は、円柱、楕円柱、角柱、円錐台、楕円錘台、角錐台のいずれであってもよく、突起６１の平面視の形状は、円、楕円、半円形、三角形、四角形またはその他の多角形、Ｘ軸方向またはＹ軸方向に延びた長手形状であってもよい。また、突起６１の数および配置としては、Ｙ軸方向に並んで３つ以上設けられていてもよいし、仮想直線Ｒｘと重なるように１つだけ設けられていてもよい。

また、突起６１Ａ，６１Ｂは、平面視で、第１可動部３２１の対称部３２５と重なって設けられ、可動体３２に過度なシーソー揺動が生じた際には対称部３２５が突起６１Ａ，６１Ｂに接触する。
このような構成によれば、突起６１Ａ，６１Ｂをなるべく揺動軸Ｊの近くに設けることができる。これによって、第１可動部３２１が突起６１Ａ，６１Ｂと接触した際、その衝撃によって、第１可動部３２１がその先端側の部分が下方に変位するように撓み、第１可動部３２１の下面にＸ軸方向への圧縮力が加わる。そのため、その反対の力であるＸ軸方向への引っ張り力が第１可動部３２１の下面に加わるのを効果的に抑制することができる。

突起６１Ａ，６１Ｂが例えば第１可動部３２１の先端部と重なって設けられている場合、第１可動部３２１は、突起６１Ａ，６１Ｂと接触した際の衝撃によってマウント２２から突起６１Ａ，６１Ｂまでの部位がＺ軸方向マイナス側に撓むと共に、突起６１Ａ，６１Ｂより先端側の部位がＺ軸方向プラス側に撓むおそれがある。

したがって、第１可動部３２１の下面に引っ張り応力が加わり、第１可動部３２１の下面に形成された微小な凹凸を起点としてクラックが生じるおそれがある。
そのため、本実施形態のように、第１可動部３２１の下面に圧縮力を加わるように突起６１Ａ，６１Ｂを十分に第１可動部３２１の根元側に配置することによって、第１可動部３２１へのクラックの発生が好適に抑制され、機械的強度に優れる慣性センサー１となる。

ただし、突起６１Ａ，６１Ｂの配置としては、特に限定されず、例えば、非対称部３２６と重なるように設けられていてもよい。

突起６１Ａ，６１Ｂは、凹部２１の底面から可動体３２側に突出して設けられている。
図３に示すように、第１検出電極８１に覆われていない突起６１Ａ，６１Ｂを第１検出電極８１内に島状に設けることによって、突起６１Ａ，６１Ｂを設けることによる第１検出電極８１の面積の減少を小さく抑えることができる。そのため、突起６１を設けても静電容量Ｃａを十分に大きく確保することができ、高い加速度Ａｚの検出感度を発揮することができる。

図４および図５に示すように、突起６１Ａ，６１Ｂの、可動体３２との接触部である頂部６１１には第１検出電極８１と電気的に絶縁されている被覆電極８６が設けられている。
本実施形態では、被覆電極８６は、突起６１Ａ，６１Ｂの表面全域を覆って設けられており、突起６１Ａ，６１Ｂの表面の露出が阻止されている。

このように、突起６１Ａ，６１Ｂを被覆電極８６で覆うことによって、基板２中のアルカリ金属イオンの移動に伴う各突起６１Ａ，６１Ｂの表面の帯電を抑制することができる。そのため、突起６１Ａ，６１Ｂと第１可動部３２１との間に可動体３２の誤作動、特に、検出対象である加速度Ａｚ以外の外力による変位に繋がるような意図しない静電引力が生じることを効果的に抑制することができる。

そのため、加速度Ａｚをより精度よく検出することのできる慣性センサー１となる。なお、被覆電極８６は、少なくとも突起６１Ａ，６１Ｂの頂部６１１、より具体的には可動体３２との接触部に設けられていればよく、突起６１Ａ，６１Ｂの一部が被覆電極８６から露出していてもよい。

また、図３に示すように、第１検出電極８１と突起６１との間には、凹部２１の底面が露出している間隙部９が設けられている。間隙部９は、突起６１Ａに対応する間隙部９Ａと、突起６１Ｂに対応する間隙部９Ｂとを有する。

間隙部９Ａは、第１検出電極８１の外縁に沿って、第１検出電極８１と接続配線８７との間に配置され、間隙部９Ｂは、第１検出電極８１の外縁に沿って、第１検出電極８１と接続配線８７との間に配置される。つまり、突起６１Ａ，６１Ｂを被覆している被覆電極８６は、それぞれ、接続配線８７を介して第１ダミー電極８３と電気的に接続されている。前述したように、第１ダミー電極８３は、可動体３２と同電位であるため、これに接続されている各被覆電極８６も当然可動体３２と同電位となる。

このように、可動体３２と同電位である被覆電極８６で突起６１Ａ，６１Ｂを覆うことによって、第１可動部３２１と突起６１Ａ，６１Ｂとが同電位となり、これらの間に静電引力が実質的に生じない。そのため、可動体３２の誤動作や、可動体３２のスティッキングを効果的に抑制することができる。

本実施形態では、間隙部９Ａ，９Ｂは、突起６１Ａ，６１ＢからＸ軸方向プラス側に向けて直線的に延び、第１検出電極８１のＸ軸方向プラス側の外縁すなわち第１ダミー電極８３側の外縁に開口している。これによって、被覆電極８６と第１ダミー電極８３との間にある第１検出電極８１を排除するように間隙部９Ａ，９Ｂが設けられるため、接続配線８７の引き回しが容易となり、接続配線８７によって第１ダミー電極８３と被覆電極８６とを容易に電気接続することができる。また、間隙部９Ａ，９Ｂの形成領域を小さくすることができ、間隙部９Ａ，９Ｂを設けることによる第１検出電極８１の面積減少を効果的に抑えることができる。

図３に示すように、接続配線８７は、その幅Ｗ１すなわちＹ軸方向の長さが延在方向の全域にわたってほぼ一定である。そして、幅Ｗ１は、被覆電極８６の幅Ｗ２すなわちＹ軸方向の長さと等しい。これによって、接続配線８７の幅Ｗ１が適度なものとなり、幅Ｗ１が小さく過ぎることによる接続配線８７の断線を抑制することができると共に、幅Ｗ１が大き過ぎることによる第１検出電極８１の過度な面積減少を抑制することができる。幅Ｗ１と幅Ｗ２とが等しいとは、幅Ｗ１、Ｗ２が互いに一致する場合の他、例えば、製造ばらつき等、技術上生じ得る誤差、例えば、±５％以内程度の誤差を有する場合も含む意味である。

１．３．突起に設けられる埋め込み金属の概要
図６は、埋め込み金属を有する突起の平面図である。図７Ａは、図６のＤ－Ｄ線断面図であり、図７Ｂは、図６のＥ－Ｅ線断面図である。

図６，７Ａ，７Ｂに示すように、本実施形態において、突起６１の平面的な形状は、円形であり、突起６１の断面的な形状は長方形であるため、突起６１は、円柱形状に形成されている。なお、上述したように、突起６１の形状は、円柱以外であってもよい。

図６に示すように、突起６１は、頂部６１１側と側面６１２側に開口する溝６５を有する。溝６５は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に沿う溝が突起６１の略中央で交わるように形成された、所謂、十字の形状に設けられる。溝６５には、埋め込み金属６７が充填される。埋め込み金属６７の材料として、タングステン（Ｗ）が用いられる。

図７Ａ，７Ｂに示すように、溝６５の深さは、突起６１の高さよりも深い。埋め込み金属６７は、溝６５の底面から頂部６１１まで、充填される。よって、埋め込み金属６７のＺ軸方向の長さ、すなわち、高さｈ１は、突起６１のＺ軸方向の長さ、すなわち、高さｈ２よりも長い。

被覆電極８６は、突起６１と、突起６１から露出した埋め込み金属６７を覆うように、設けられる。被覆電極８６は、突起６１の頂部６１１と側面６１２とに露出した埋め込み金属６７と接触し、埋め込み金属６７と電気的に接続される。

埋め込み金属６７の高さｈ１を、突起６１の高さｈ２以上とすること、言い換えると、溝６５の深さを突起６１の高さｈ２以上とすることによって、図７Ｂに示すように、突起６１の側面６１２に露出する埋め込み金属６７は、突起６１の付け根部分６１３において、被覆電極８６のうち基板２に沿った被覆電極８６ｂと、突起６１の側面６１２に沿った被覆電極８６ｓとに接触する。また、突起６１の側面６１２において、埋め込み金属６７と被覆電極８６とが接触する長さは、突起６１の高さｈ２と同じ長さとなって、突起６１の側面６１２において、接続可能な長さの最大値とすることができる。

したがって、埋め込み金属６７によって、被覆電極８６のうち、突起６１の頂部６１１に沿った被覆電極８６ｔと基板２に沿った被覆電極８６ｂとの間の電気的な接続を確実に行うことができる。例えば、被覆電極８６ｓの膜厚が、被覆電極８６の成膜不良によって薄くなる等して、被覆電極８６ｓの部分で断線しても、突起６１の頂部６１１に配置された被覆電極８６ｔと突起６１の付け根部分６１３に配置された被覆電極８６ｂとの間は、埋め込み金属６７を介して、確実に電気的に接続される。

１．４．埋め込み金属を有する突起の製造方法の概要
図８は、埋め込み金属を有する突起の製造方法を示すフローチャートである。図９Ａは、図８のステップＳ１０に対応する突起の図６のＤ－Ｄ線断面である。図９Ｂは、図８のステップＳ１１に対応する突起の図６のＤ－Ｄ線断面である。図９Ｃは、図８のステップＳ１２に対応する突起の図６のＤ－Ｄ線断面である。

つぎに、図８のフローチャートに基づいて、突起６１の製造方法を説明する。
ステップＳ１０では、図９Ａに示すように、突起６１に溝６５を形成する。溝６５は、平面視、十字形状に形成される。また、溝６５の深さは、突起６１の高さｈ２と同じか、それより深くなるように形成される。

ステップＳ１１では、図９Ｂに示すように、溝６５の内部を埋め尽くすのに十分な厚さのタングステン層６８をＷ－ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により堆積する。タングステン層６８の堆積は、例えば原料ガスとして六フッ化タングステン（ＷＦ₆）、還元ガスとして水素（Ｈ₂₎を用いて行う。

本実施形態において、突起６１の直径は１０μｍ、突起６１の高さｈ２は１．５μｍである。また、溝６５の幅は、１μｍである。Ｗ－ＣＶＤは、ステップカバレッジに優れるため、溝６５のアスペクト比が高くなる場合においても、溝６５の内部を、タングステン層６８により埋め尽くすことができる。

ステップＳ１２では、図９Ｃに示すように、タングステン層６８をエッチバックして、溝６５以外の領域に堆積したタングステン層６８をすべて除去する。タングステン層６８のエッチバックは、例えば、エッチングガスとして六フッ化硫黄（ＳＦ₆）若しくはブロモトリフルオロメタン（ＣＢｒＦ₃）等を用いたドライエッチングにより行う。これによって、溝６５の内部に、タングステンからなる埋め込み金属６７が残る。

このときに、溝６５以外の領域に堆積したタングステン層６８を除去するドライエッチングは、溝６５の形成されていない領域に、不要なタングステン膜が残留することを防止するために、ややオーバエッチングすることが好ましい。オーバエッチングすると、埋め込み金属６７の上面が、突起６１の上面よりも僅かに下がり、埋め込み金属６７が形成された領域に浅い窪みが形成される。

ステップＳ１３では、埋め込み金属６７の上面および側面、突起６１の上面および側面を含む基板２上にチタン（Ｔｉ）からなる金属からなる電極材料層、または、窒化チタン（ＴｉＮ）などのチタンを含む金属からなる電極材料層を成膜し、パターニングすることで、図７Ａ，７Ｂに示すように、基板２に被覆電極８６、第１検出電極８１を含む電極８を形成する。タングステンからなる埋め込み金属６７と接する面にチタンからなる金属またはチタンを含む金属からなる被覆電極８６を配置することで、埋め込み金属６７と被覆電極８６との間の電気的な接続を、良好に行うことができる。なお、被覆電極８６は、チタンまたはチタンを含む金属上に、さらに、別の導電材料を積層することで、積層膜としてもよい。

なお、ステップＳ１０とステップＳ１１との間に、溝６５の内部および突起６１上に、窒化チタン（ＴｉＮ）などのチタンを含む金属膜を成膜する工程を追加してもよい。この金属膜は、基板２とタングステン層６８の密着層、または、タングステン層６８の成膜時の反応促進層として機能する機能層である。

上述した実施形態では、突起６１は、第１ダミー電極８３と電気的に接続された被覆電極８６によって覆われているが、突起６１を第１検出電極８１によって覆う構成としてもよい。
このように構成することで、突起６１の側面６１２に沿って配置される第１検出電極８１の部分が、成膜不良によって、膜厚が薄くなる等で断線しても、頂部６１１に配置される第１検出電極８１の部分は、突起６１の付け根部分６１３の第１検出電極８１と埋め込み金属６７を介して、電気的に接続される。よって、突起６１の頂部６１１に配置される第１検出電極８１が、検出電極として機能しなくなることがない。したがって、検出信号の精度が低下することを回避できる。

以上、述べたとおり、本実施形態の慣性センサー１によれば、以下の効果を得ることができる。
本実施形態の慣性センサーは、変位に基づく物理量を検出する慣性センサー１であって、基板２と、可動体３２と、基板２に設けられ、平面視で、可動体３２と重なる固定電極としての被覆電極８６と、基板２から可動体３２側に突出する突起６１と、突起６１の頂部６１１に設けられた被覆電極８６ｔと、を備え、突起６１は、被覆電極８６ｔに接する埋め込み金属６７を備える。

突起６１の頂部６１１に設けられた被覆電極８６ｔは、埋め込み金属６７と接することで、被覆電極８６ｔと埋め込み金属６７との間の電気的な接続が確保されるので、被覆電極８６ｔが、電気的に切断されて、他の部分から浮いてしまうことで、慣性センサー１の検出信号の精度が低下してしまうことを回避することができる。

本実施形態の慣性センサー１において、埋め込み金属６７は、タングステンである。ステップカバレッジの優れたＷ－ＣＶＤを利用することができるので、導電性の高い優れた膜質の埋め込み金属６７を成膜することができる。よって、被覆電極８６ｔが、電気的に切断されることを回避することができる。

本実施形態の慣性センサー１において、基板２に設けられ、平面視で、可動体３２と重なる第１ダミー電極８３をさらに備え、埋め込み金属６７は第１ダミー電極８３または第２ダミー電極８４に接続されている。

本実施形態の慣性センサー１において、埋め込み金属６７及び、第１ダミー電極８３または第２ダミー電極８４は、可動体３２と同電位である。

本実施形態の慣性センサー１において、埋め込み金属６７は固定電極としての第１検出電極８１に接続されている。

本実施形態の慣性センサー１において、埋め込み金属６７の厚さである高さｈ１は、突起の高さ以上である。

本実施形態の慣性センサー１において、被覆電極８６ｔの埋め込み金属６７に接する面側には、チタンおよびまたはチタンを含む金属が配置されている。

本実施形態の慣性センサー１において、埋め込み金属６７の基板２側には、チタンを含む金属合金が配置されている。

２．実施形態２
図１０は、実施形態２に係る埋め込み金属を有する突起の平面図である。なお、以下の説明では、実施形態１と同一の構成に同一の符号を使用して、重複する説明は省略する。
本実施形態では、溝６５は、Ｘ軸方向に３本、Ｙ軸方向に３本が形成される。溝６５の深さは、実施形態１と同様に形成される。

溝６５の数が増えることで、溝６５に配置される埋め込み金属６７の数も増える。よって、埋め込み金属６７において、突起６１の側面６１２に露出する部分が増えるため、埋め込み金属６７と被覆電極８６との間の電気的な接続をより良好なものとすることができる。
なお、溝６５の数や、平面視した際の形状は、上記した実施形態に限定されない。溝６５は、溝６５に設けられる埋め込み金属６７が、突起６１の側面に露出すればよいため、平面視で曲線であってもよい。

３．実施形態３
図１１は、本実施形態に係る慣性計測装置を示す分解斜視図である。図１２は、図１１に示す慣性計測装置に搭載された慣性センサーを有する基板の斜視図である。
慣性計測装置２０００（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）は、自動車や、ロボットなどの被装着装置の姿勢や、挙動を検出する慣性計測装置である。慣性計測装置２０００は、３軸加速度センサーおよび３軸角速度センサーを備えた６軸モーションセンサーとして機能する。

慣性計測装置２０００は、平面形状が略正方形の直方体である。また、正方形の対角線方向に位置する２ヶ所の頂点近傍に固定部としてのネジ穴２１１０が形成されている。この２ヶ所のネジ穴２１１０に２本のネジを通して、自動車などの被装着体の被装着面に慣性計測装置２０００を固定することができる。なお、部品の選定や設計変更により、例えば、スマートフォンや、デジタルカメラに搭載可能なサイズに小型化することも可能である。

慣性計測装置２０００は、アウターケース２１００と、接合部材２２００と、センサーモジュール２３００と、を有し、アウターケース２１００の内部に、接合部材２２００を介在させて、センサーモジュール２３００を挿入した構成となっている。アウターケース２１００の外形は、前述した慣性計測装置２０００の全体形状と同様に、平面形状が略正方形の直方体であり、正方形の対角線方向に位置する２ヶ所の頂点近傍に、それぞれネジ穴２１１０が形成されている。また、アウターケース２１００は、箱状であり、その内部にセンサーモジュール２３００が収納されている。

センサーモジュール２３００は、インナーケース２３１０と、基板２３２０と、を有する。インナーケース２３１０は、基板２３２０を支持する部材であり、アウターケース２１００の内部に収まる形状となっている。また、インナーケース２３１０には、基板２３２０との接触を防止するための凹部２３１１や後述するコネクター２３３０を露出させるための開口２３１２が形成されている。このようなインナーケース２３１０は、接合部材２２００によってアウターケース２１００に接合されている。また、インナーケース２３１０の下面は接着剤によって基板２３２０が接合されている。

図１２に示すように、基板２３２０の上面には、コネクター２３３０、Ｚ軸まわりの角速度を検出する角速度センサー２３４０ｚ、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の各軸方向の加速度を検出する加速度センサー２３５０などが実装されている。また、基板２３２０の側面には、Ｘ軸まわりの角速度を検出する角速度センサー２３４０ｘおよびＹ軸まわりの角速度を検出する角速度センサー２３４０ｙが実装されている。そして、加速度センサー２３５０として、本実施形態の慣性センサー１を用いることができる。

また、基板２３２０の下面には、制御ＩＣ２３６０が実装されている。制御ＩＣ２３６０は、ＭＣＵ（Micro Controller Unit）であり、慣性計測装置２０００の各部を制御する。記憶部には、加速度および角速度を検出するための順序と内容を規定したプログラムや、検出データをデジタル化してパケットデータに組込むプログラム、付随するデータなどが記憶されている。なお、基板２３２０にはその他にも複数の電子部品が実装されている。

以上、述べたとおり、本実施形態の慣性計測装置２０００によれば、実施形態１，２の効果に加え、検出信号の精度低下を回避できる優れた慣性計測装置を提供することができる。

１…慣性センサー、２…基板、３…センサー素子、５…蓋、６，６１，６２…突起、８…電極、８１…第１検出電極、８２…第２検出電極、８３…第１ダミー電極、８４…第２ダミー電極、８６，８６ｂ，８６ｓ，８６ｔ…被覆電極、８７…接続配線、９…間隙部、２１…凹部、２２…マウント、３１…固定部、３２…可動体、３３…揺動梁、５９…ガラスフリット、６５…溝、６７…埋め込み金属、６８…タングステン層、７５，７６，７７…配線、６１１…頂部、６１２…側面、６１３…付け根部分、２０００…慣性計測装置、２１００…アウターケース、２１１０…ネジ穴、２２００…接合部材、２３００…センサーモジュール、２３１０…インナーケース、２３２０…基板、２３４０ｘ，２３４０ｙ，２３４０ｚ…角速度センサー、２３５０…加速度センサー、２３６０…制御ＩＣ。

Claims (9)

1. 変位に基づく物理量を検出する慣性センサーであって、
   基板と、
   可動体と、
   前記基板に設けられ、平面視で、前記可動体と重なる固定電極と、
   前記基板から前記可動体側に突出する突起と、
   前記突起の頂部に設けられた被覆電極と、を備え、
   前記突起は、前記被覆電極に接する埋め込み金属を備える慣性センサー。
2. 前記埋め込み金属は、タングステンである請求項１に記載の慣性センサー。
3. 前記基板に設けられ、平面視で、前記可動体と重なるダミー電極をさらに備え、
   前記埋め込み金属は、前記ダミー電極に接続されてなる、請求項１または請求項２に記載の慣性センサー。
4. 前記埋め込み金属及び前記ダミー電極は、前記可動体と同電位である請求項３に記載の慣性センサー。
5. 前記埋め込み金属は、前記固定電極に接続されてなる請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の慣性センサー。
6. 前記埋め込み金属の厚さは、前記突起の高さ以上である請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の慣性センサー。
7. 前記被覆電極の前記埋め込み金属に接する面は、チタンを含む請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の慣性センサー。
8. 前記埋め込み金属の前記基板側は、チタンを含む金属である請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の慣性センサー。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の慣性センサーを備えた慣性計測装置。

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