JP3025468B2 - 静電容量の変化を利用したセンサおよびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は静電容量の変化を利用し
たセンサおよびその製造方法に関し、特に、対向する２
枚の基板のそれぞれに形成された一対の電極間の静電容
量の変化に基づいて、力、加速度、磁気といった物理量
を検出しうるセンサ、およびこのようなセンサを大量生
産するのに適した製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車産業や機械産業などでは、力、加
速度、磁気といった物理量を正確に検出できる検出装置
の需要が高まっている。特に、二次元あるいは三次元の
各成分ごとにこれらの物理量を検出しうる小型の装置が
望まれている。このような需要に応えるため、特開平４
−１４８８３３号公報には、静電容量の変化を利用した
新規なセンサが提案されている。このセンサは、力、加
速度、磁気などの物理量を二次元あるいは三次元の各成
分ごとに検出することができ、しかも製造コストが比較
的安価であるという特徴をもっている。

【０００３】このセンサの基本となる構成要素は、装置
筐体に固定される固定部と、外部からの力が伝達される
作用部と、固定部と作用部との間に形成され可撓性をも
った可撓部と、の３つの部分を有する可撓基板と、この
可撓基板に対向するように装置筐体に固定された固定基
板と、可撓基板の固定基板に対する対向面に形成された
変位電極と、固定基板の可撓基板に対する対向面に形成
された固定電極と、である。外部からの力が作用部に加
わると可撓基板が撓み、変位電極と固定電極との間の距
離が変わることになる。したがって、両電極間の静電容
量が変化する。この静電容量の変化は、外部から加えら
れた力に依存したものであり、静電容量の変化を検出す
ることにより力の検出が可能になる。作用部に重錘体を
接続しておけば、この重錘体に作用する加速度を検出す
る加速度センサとして用いることができ、作用部に磁性
体を接続しておけば、この磁性体に作用する磁気を検出
する磁気センサとして用いることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述したセンサでは、
過度の加速度あるいは過度の磁力が作用した場合、作用
部に接続された重錘体や磁性体が大きく変位し、可撓基
板に過度な力が加わって物理的な損傷を受ける可能性が
ある。特に、感度の高いセンサを実現するためには、可
撓基板はわずかな力の作用によって撓みが生じるような
脆弱な構造にならざるを得ず、過度の外力が作用した場
合に損傷を受けやすい。

【０００５】また、前述したセンサをより低コストで供
給するためには、効率良い大量生産の方法を採ることが
不可欠である。しかしながら、上述のような構造をもっ
たセンサを大量生産するための効率的な方法は、現時点
では知られておらず、量産化が図れない状態である。特
に、加速度センサや磁気センサとして用いるには、重錘
体や磁性体を各ユニットごとに接合する必要があり、こ
の重錘体や磁性体を所定の自由度をもって支持するため
の構造も必要になる。このため、どうしても生産コスト
が高くなるという問題があった。

【０００６】そこで本発明は、過度の外力が作用した場
合にも損傷を受けにくい静電容量の変化を利用したセン
サを提供することを目的とし、また、そのようなセンサ
を効率良く大量生産することができる製造方法を提供す
ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

(1) 本発明の第１の態様は、静電容量の変化を利用し
たセンサにおいて、ほぼ中心に作用部、その周囲に可撓
部、更にその周囲に固定部が定義され、下面の可撓部の
部分に形成された溝により可撓部が可撓性を有するよう
に構成された第１の基板と、第１の基板の上面に対して
所定間隔をおいて固定された対向面を有する第２の基板
と、第１の基板の上面に形成された第１の電極層と、第
２の基板の対向面に、第１の電極層に対向するように形
成された第２の電極層と、第１の基板の下面の作用部に
接合された作用体と、第１の基板の下面の固定部に接合
された台座と、を設け、作用体に外力が作用すると、可
撓部の機械的変形により作用体が変位し、第１の電極層
と第２の電極層とによって形成される容量素子の静電容
量が変化するように構成し、外力を静電容量の変化とし
て検出できるようにし、台座の内側面と、作用体の外側
面とが、所定の間隔をおいて対向するように構成し、台
座の内側面によって作用体の横方向への変位を所定範囲
内に制限できるようにしたものである。

【０００８】(2) 本発明の第２の態様は、上述の第１
の態様に係る静電容量の変化を利用したセンサにおい
て、第１の基板の固定部下面に、内側部分と、この内側
部分の周囲を取り囲む外側部分とを定義し、定義した外
側部分に台座を接合するようにし、定義した内側部分
と、作用体上面の一部分とが、所定の間隔をおいて対向
するように構成し、定義した内側部分によって作用体の
上方への変位を所定範囲内に制限できるようにしたもの
である。

【０００９】(3) 本発明の第３の態様は、上述の第１
または第２の態様に係る静電容量の変化を利用したセン
サにおいて、台座の下面に接合された第３の基板を更に
設け、この第３の基板の上面と作用体の下面とが所定の
間隔をおいて対向するように構成し、第３の基板の上面
によって作用体の下方向への変位を所定範囲内に制限で
きるようにしたものである。

【００１０】(4) 本発明の第４の態様は、上述の第１
〜第３の態様に係る静電容量の変化を利用したセンサを
製造する方法において、単一の基板を切断する工程によ
って台座と作用体とを形成し、この切断工程における切
断路によって形成された空間の範囲内で、作用体の横方
向への変位を制限できるようにしたものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図示する実施形態
に基づいて詳述する。ここで説明する実施形態は、静電
容量の変化を利用した加速度センサに、本発明を適用し
た例である。

【００１２】§１． 本発明に係るセンサの基本原理 本発明に係るセンサの具体的な実施形態について説明す
る前に、本発明の適用対象となるセンサの構造およびそ
の原理について簡単に述べておく。図１は、本発明の適
用対象となる加速度センサの基本構造を示す側断面図で
ある。このセンサの主たる構成要素は、固定基板１０、
可撓基板２０、作用体３０、そして装置筐体４０であ
る。図２に、固定基板１０の下面図を示す。図２の固定
基板１０をＸ軸に沿って切断した断面が図１に示されて
いる。固定基板１０は、図示のとおり円盤状の基板であ
り、周囲は装置筐体４０に固定されている。この下面に
は、同じく円盤状の固定電極１１が形成されている。一
方、図３に可撓基板２０の上面図を示す。図３の可撓基
板２０をＸ軸に沿って切断した断面が図１に示されてい
る。可撓基板２０も、図示のとおり円盤状の基板であ
り、周囲は装置筐体４０に固定されている。この上面に
は、扇状の変位電極２１〜２４および円盤状の変位電極
２５が図のように形成されている。作用体３０は、その
上面が図３に破線で示されているように、円柱状をして
おり、可撓基板２０の下面に、同軸接合されている。装
置筐体４０は、円筒状をしており、固定基板１０および
可撓基板２０の周囲を固着支持している。

【００１３】固定基板１０および可撓基板２０は、互い
に平行な位置に所定間隔をおいて配設されている。いず
れも円盤状の基板であるが、固定基板１０は剛性が高く
撓みを生じにくい基板であるのに対し、可撓基板２０は
可撓性をもち、力が加わると撓みを生じる基板となって
いる。いま、図１に示すように、作用体３０の重心に作
用点Ｐを定義し、この作用点Ｐを原点とするＸＹＺ三次
元座標系を図のように定義する。すなわち、図１の右方
向にＸ軸、上方向にＺ軸、紙面に対して垂直に紙面裏側
へ向かう方向にＹ軸、をそれぞれ定義する。ここで、こ
のセンサ全体をたとえば自動車に搭載したとすると、自
動車の走行に基づき作用体３０に加速度が加わることに
なる。この加速度により、作用点Ｐに外力が作用する。
作用点Ｐに力が作用していない状態では、図１に示すよ
うに、固定電極１１と変位電極２１〜２５とは所定間隔
をおいて平行な状態を保っている。ところが、たとえ
ば、作用点ＰにＸ軸方向の力Ｆｘが作用すると、この力
Ｆｘは可撓基板２０に対してモーメント力を生じさせ、
図４に示すように、可撓基板２０に撓みが生じることに
なる。この撓みにより、変位電極２１と固定電極１１と
の間隔は大きくなるが、変位電極２３と固定電極１１と
の間隔は小さくなる。作用点Ｐに作用した力が逆向きの
−Ｆｘであったとすると、これと逆の関係の撓みが生じ
ることになる。このように力Ｆｘまたは−Ｆｘが作用し
たとき、変位電極２１および２３に関する静電容量に変
化が表れることになり、これを検出することにより力Ｆ
ｘまたは−Ｆｘを検出することができる。このとき、変
位電極２２，２４，２５のそれぞれと固定電極１１との
間隔は、部分的に大きくなったり小さくなったりする
が、全体としては変化しないと考えてよい。一方、Ｙ方
向の力Ｆｙまたは−Ｆｙが作用した場合は、変位電極２
２と固定電極１１との間隔、および変位電極２４と固定
電極１１との間隔、についてのみ同様の変化が生じる。
また、Ｚ軸方向の力Ｆｚが作用した場合は、図５に示す
ように、変位電極２５と固定電極１１との間隔が小さく
なり、逆向きの力−Ｆｚが作用した場合は、この間隔は
大きくなる。このとき、変位電極２１〜２４と固定電極
１１との間隔も、小さくあるいは大きくなるが、変位電
極２５に関する変化が最も顕著である。そこで、この変
位電極２５に関する静電容量の変化を検出することによ
り力Ｆｚまたは−Ｆｚを検出することができる。

【００１４】一般に、容量素子の静電容量Ｃは、電極面
積をＳ、電極間隔をｄ、誘電率をεとすると、 Ｃ＝εＳ／ｄ で定まる。したがって、対向する電極間隔が接近すると
静電容量Ｃは大きくなり、遠ざかると静電容量Ｃは小さ
くなる。本センサは、この原理を利用し、各電極間の静
電容量の変化を測定し、この測定値に基づいて作用点Ｐ
に作用した外力、別言すれば作用した加速度を検出する
ものである。すなわち、Ｘ軸方向の加速度は変位電極２
１，２３と固定電極１１との間の容量変化に基づき、Ｙ
軸方向の加速度は変位電極２２，２４と固定電極１１と
の間の容量変化に基づき、Ｚ軸方向の加速度は変位電極
２５と固定電極１１との間の容量変化に基づき、それぞ
れ検出が行われる。本発明は、このような原理に基づく
センサについて、より具体的な構造を提案するものであ
る。

【００１５】§２． 本発明に係るセンサの製造工程Ｉ ここでは、本発明に係るセンサの構造を示すために、そ
の製造方法を説明することにする。ここに示す製造方法
の特徴は、複数のセンサユニットを１枚の基板上に形成
しておき、後にこれを各ユニットごとに切断（ダイシン
グ）する点にある。まず、製造工程Ｉとして、各ユニッ
トごとのダイシングを行うまでの工程について説明す
る。はじめに、主基板上に複数の単位領域を定義する。
主基板は、後のダイシング工程において各単位領域ごと
に別々に切り離され、それぞれが独立して変位基板とし
て機能することになる。図６は、主基板１００上に形成
された複数の単位領域を示す。ハッチングを施した部分
が１つの単位領域であり、各単位領域はそれぞれ正方形
をしている。主基板１００として半導体などのウエハを
用いる場合には、このように円盤状の基板の上に多数の
単位領域を形成するのが一般的であるが、ここでは説明
の便宜上、図７に示すように正方形の主基板１００の上
に４つの単位領域を形成する場合を例にとり、以下の説
明を続けることにする。

【００１６】図８は、この製造方法の各工程を示す断面
図である。以下、この工程を詳述する。まず、図９に示
すように主基板１００を加工する。この実施例では、主
基板１００として単結晶シリコン基板を用いているが、
ガラス基板など他の材質の基板を用いてもよい。前述の
ように、この主基板１００は説明の便宜上、正方形をし
ており、４つの単位領域に分かれているので、この４つ
の単位領域のそれぞれについて、全く同じ加工が施され
る。図９の(b) は加工後の主基板１００の下面図、(a)
はこれを切断線ａ−ａで切断した状態を示す側断面図で
ある。主基板１００の上面には、第１の電極層Ｅ１が所
定位置に形成される。この第１の電極層Ｅ１は、図３に
示す５つの変位電極２１〜２５に相当するものであり
（図９では、このうちの３つの断面が２ユニット分示さ
れている）、図３に示すような位置に形成される。この
実施形態では、単結晶シリコン基板からなる主基板１０
０の表面に、不純物を拡散することにより、この第１の
電極層Ｅ１を形成している。このほか、主基板１００上
にアルミニウム層を付着させる方法により第１の電極層
Ｅ１を形成してもよい。要するに、導電性をもった層を
形成できる方法であればどのような方法によって第１の
電極層Ｅ１を形成してもかまわない。ただ、不純物拡散
層の形成や、アルミニウム層の形成による方法は、従来
の半導体プレーナプロセスの技術をそのまま利用するこ
とができる点で好ましい。一方、主基板１００の下面に
は、エッチングなどの方法によって溝１０１を形成し、
その部分の肉厚を薄くして可撓性をもたしている。この
実施形態では、溝１０１は図９の(b) に示すように円形
をしている。この溝１０１の内側が作用部１１０、外側
が固定部１３０、そして溝の部分が可撓部１２０とな
る。第１の電極層Ｅ１のうち、図３に示す変位電極２１
〜２４に相当するものは、ちょうどこの溝の上の可撓部
１２０に形成されており、変位電極２５に相当するもの
は、この溝で囲まれた作用部１１０に形成されている。
図８の(a) は、この主基板１００の加工が終了した状態
を示す。

【００１７】さて、続いて図１０に示すような補助基板
２００を用意する。この補助基板２００は、最終的には
その一部分が重錘体を、残りの部分が台座を、それぞれ
構成するものであるから、重錘体および台座に適した材
料を用いるようにする。また、主基板１００に対して接
合されるため、主基板１００と熱膨脹係数がほぼ等しい
材料を用いた方が好ましい。たとえば、主基板１００と
同じシリコン基板や、ガラス基板を用いるのが好まし
い。図１０の(b) は加工後の補助基板２００の上面図、
(a) はこれを切断線ａ−ａで切断した状態を示す側断面
図である。このように、補助基板２００の上面には、縦
横に溝２０１および２０２が形成される。溝２０１は幅
Ｌ１をもった深い溝であり、溝２０２は幅Ｌ２をもった
浅い溝である。溝２０１は、後にこの基板をダイシング
しやすくするためのものである。この溝２０１を形成す
る位置は、要するに、主基板１００の作用部１１０に対
応する部分２１０（図の４か所の部分）と、固定部１３
０に対応する部分２２０（その他の部分）と、が分離さ
れるような位置になっていればよい。別言すれば、補助
基板２００を主基板１００上に重ねて接合し、溝２０１
に沿って補助基板２００のみを切断した場合に、補助基
板２００が重錘体（部分２１０）と台座（部分２２０）
とに分離するようにすればよい。また、溝２０２は、切
断後の重錘体の上方向への変位に関する自由度を与える
ためのものである。このような補助基板２００が用意で
きたら、これを図８の(b) に示すように、主基板１００
に接合する。この接合は、接着剤による接着でもかまわ
ないが、確実な接合を行うために、材料どうしを直接接
合できる陽極接合を用いるのが好ましい。すなわち、両
者間に電圧を印加し、両者の温度を上げ、加圧しながら
接合するのである。

【００１８】続いて、図８の(c) に示すように、補助基
板２００を溝２０１に沿ってダイシングブレードで切断
する。切断路２０３は、溝２０１とは逆側（図の下方）
に形成される。これにより、部分２１０（重錘体とな
る）と部分２２０（台座となる）とが、完全に切り離さ
れることになる。図１０の(b) に示すように、部分２１
０（重錘体）は４か所に位置するが、これが図９の(b)
に示す作用部１１０のみに接合された状態となる。ま
た、それ以外の部分２２０（台座）は、図９の(b)に示
す固定部１３０のみに接合された状態となる。なお、可
撓部１２０は補助基板２００からは浮いた状態になって
いるため、いずれの部分とも接合されない。このよう
に、補助基板２００をダイシングすることにより、重錘
体２１０と台座２２０とを同時に形成することができ
る。ここで、台座２２０は固定部１３０を支える台座と
しての機能を果たすだけでなく、重錘体２１０の横方向
の変位が許容範囲を越えないように制御する制御部材と
しての機能も果たす。この許容範囲は、切断路２０３の
幅によって決定されることになる（切断路２０３の幅よ
りも溝２０１の幅が小さい場合は、溝２０１の幅によっ
て決定される）。なお、ここで行ったダイシング工程
は、補助基板２００のみに対するダイシング工程であ
り、主基板１００はまだ１枚の状態である。

【００１９】次に、図１１に示すような制御基板３００
を用意する。この制御基板３００は、重錘体２１０の下
方向の変位を許容範囲に制御するためのものである。材
質としては、補助基板２００と同様に、シリコン基板あ
るいはガラス基板を用いればよい。この制御基板３００
の上面には、４つの単位領域のそれぞれについて、全く
同じ加工が施される。図１１の(b) は加工後の制御基板
３００の上面図、(a)はこれを切断線ａ−ａで切断した
状態を示す側断面図である。上面には、４か所に正方形
の溝３０１が形成されている。この溝３０１は、重錘体
２１０の変位の下方向の自由度を制御するためのもので
あり、自由度は溝３０１の深さによって決定されること
になる。この制御基板３００を、図８の(d) に示すよう
に、補助基板２００に接合する。この接合にも、陽極接
合を用いるのが好ましい。

【００２０】次に、図１２に示すような副基板４００を
用意する。この副基板４００は、第２の電極層Ｅ２を支
持するためのものである。材質としては、主基板１００
と同様に、シリコン基板あるいはガラス基板を用いれば
よい。この副基板４００の下面には、４つの単位領域の
それぞれについて、全く同じ加工が施される。図１２の
(b) は加工後の副基板４００の下面図、(a) はこれを切
断線ａ−ａで切断した状態を示す側断面図である。下面
には、４か所に正方形の溝４０１が形成されており、こ
の溝４０１の底面に、それぞれ第２の電極層Ｅ２が形成
されている。この第２の電極層Ｅ２は、図３に示す固定
電極１１に相当するものであり、図３に示すような位
置、すなわち変位電極２１〜２５に対向する位置に形成
される。この実施形態では、単結晶シリコン基板からな
る副基板４００の表面に、エッチングなどの方法により
溝４０１を形成した後、この溝４０１の底面にアルミニ
ウム層を付着させる方法により第２の電極層Ｅ２を形成
している。もちろん、第１の電極層Ｅ１と同様に不純物
拡散の方法により、この第２の電極層Ｅ２を形成しても
かまわない。要するに、導電性をもった層を形成できる
方法であればどのような方法によって第２の電極層Ｅ２
を形成してもかまわない。ただ、不純物拡散層の形成
や、アルミニウム層の形成による方法は、従来の半導体
プレーナプロセスの技術をそのまま利用することができ
る点で好ましい。溝４０１の形成や第２の電極層Ｅ２の
形成は、半導体プロセスで用いられるマイクロマシーニ
ング技術を利用することにより、きわめて高い精度で行
うことができる。この副基板４００のもう１つの特徴
は、横幅が他の基板に比べて少し短くなっており、中央
には縦に長い溝４０２が形成されている点である。これ
は、後述するように、ワイヤボンディングのための便宜
を図るための工夫である。この副基板４００を、図１３
の(a) に示すように、主基板１００に接合する。この接
合にも、陽極接合を用いるのが好ましい。このようにし
て、第１の電極層Ｅ１と第２の電極層Ｅ２とが、図の上
下で対向することになる。両電極間距離は、できるだけ
狭くした方が静電容量を増やし高感度の測定を行う上で
好ましい。前述したマイクロマシーニング技術を利用す
れば、両電極間距離を数μｍ程度にすることが可能であ
る。

【００２１】この後、図１３の(b) に示すように、溝４
０２の上方を切断路４０３によって切除する。更に、図
１３の(c) に示すように、各単位領域を切断路５１０に
沿って切断すれば、図７に示す４つの単位領域がそれぞ
れ分離され、センサ中枢部５００が完成する。完成した
センサ中枢部５００の斜視図を図１４に示す。副基板４
００の横幅を短くし、縦に長い溝４０２を形成しておい
たのは、この図１４に示すように、ボンディングパッド
５０１を露出させるために他ならない。

【００２２】§３． 本発明に係るセンサの製造工程ＩＩ 続いて、各基板をダイシングした後の工程について説明
する。図１４に示すようなセンサ中枢部５００が得られ
たら、これを図１５の側断面図に示すように、パッケー
ジ６００の内部に収容する。すなわち、センサ中枢部５
００の底部を、パッケージ６００の内部に接着すればよ
い。パッケージ６００には、実装用のリード６１０が取
り付けられており、ボンディングパッド５０１とリード
６１０の内側端とが、ボンディングワイヤ６２０によっ
てボンディングされる。この後、パッケージ６００に蓋
６３０を被せて封止すれば、加速度センサが完成する。

【００２３】このように、基板単位の製造工程（前述の
製造工程Ｉ）に比べて、ダイシング後の各ユニット単位
の製造工程（上述した製造工程ＩＩ）は非常に簡単であ
る。すなわち、上述した方法によれば、製造工程のほと
んどを基板単位で行うことができ、大量生産に適した効
率よい製造が可能になる。

【００２４】§４． 本発明に係るセンサの特徴 図１５に示すセンサでは、重錘体２１０が主基板１００
の中央部分の作用部に接合され、宙吊りの状態になって
いる。このセンサに加速度が作用すると、主基板１００
の肉薄部分である可撓部に撓みが生じるため、重錘体２
１０は宙吊りの状態のまま変位することになる。このよ
うな変位により、第１の電極層Ｅ１と第２の電極層Ｅ２
との間の距離が変化し、両電極層によって構成される容
量素子の静電容量の変化として、作用した加速度を検出
することができる点は、§１で述べたとおりである。

【００２５】このような構造を有するセンサでは、既に
§２の製造工程の各箇所で述べたように、重錘体２１０
の変位を制御するための制御部材が用意されることにな
る。まず、台座２２０は、重錘体２１０の横方向の変位
が許容範囲を越えないように制御する制御部材として機
能する。また、主基板１００の周囲部分を構成する固定
部のうち、外側部分の底面には台座２２０が接合されて
いる。一方、固定部のうち、内側部分の底面は、重錘体
２１０の上方向の変位が許容範囲を越えないように制御
する制御部材として機能する。更に、制御基板３００
は、重錘体２１０の下方向の変位を許容範囲に制御する
制御部材として機能する。したがって、このセンサに過
度の加速度が作用した場合であっても、重錘体２１０の
上方向、横方向、下方向の変位は、これらの各制御部材
によって制限され、主基板１００の可撓部に対して過度
の応力が加わることはない。この実施形態では、主基板
１００として、単結晶シリコン基板を用いているが、過
度の加速度が作用した場合であっても、上述した各制御
部材の機能により、主基板１００に機械的な損傷が生じ
ることはない。

【００２６】§５． 他の実施形態 以上、本発明を図示する一実施形態について述べたが、
本発明はこの実施形態のみに限定されるものではなく、
種々の態様で実施することができる。以下に、別な態様
による実施形態を例示する。

【００２７】(1) 上述の実施形態では、制御基板３０
０を接合しているが、本発明の第１の基本思想は、補助
基板２００によって重錘体と台座とを形成し、重錘体の
横方向の変位を台座によって制限することにある。した
がって、制御基板３００を接合する工程は必ずしも必要
な工程ではない。また、重錘体２１０の底面を削るなど
して、台座２２０の厚みより重錘体２１０の厚みを若干
小さくしておき、台座２２０の底面を直接パッケージ６
００の内部底面に接合してもかまわない。重錘体２１０
の厚みが若干小さいため、加速度が作用しない状態で
は、重錘体２１０をパッケージ６００の内部底面から浮
いた状態に維持できる。

【００２８】(2) 上述の実施形態では、加速度センサ
に本発明を適用した例を説明したが、本発明は磁気セン
サにも同様に適用することができる。ただし、加速度セ
ンサの場合は、作用部に力を作用させる作用体が重錘体
２１０であったのに対し、磁気センサの場合、作用体を
磁性体としなければならない。したがって、補助基板２
００の材質としては磁性材料を用いることになる。

【００２９】(3) 図１０に示す補助基板２００では、
予め溝２０１を形成している。この溝２０１は、後の工
程で補助基板２００を切断する作業を容易にするための
ものであり、必ずしも必要なものではない。後に補助基
板２００をうまく切断することができれば、溝２０１は
不要である。

【００３０】(4) 図１１に示す制御基板３００では、
正方形の溝３０１を各単位領域ごとに形成したが、代わ
りに図１７に示すような単位領域にまたがって形成され
た細長い溝３０２を有する制御基板３００′を用いても
かまわない。

【００３１】(5) 上述の実施形態は、図１４に示すよ
うに、ボンディングパッド５０１と各電極層（図１４に
は示されていない）との電気的接続は、主基板内部の拡
散層によって行われている。ところが、図１６に示すセ
ンサ中枢部５００′のように、基板上にアルミニウムな
どからなる配線層５０２を形成して両者の電気的接続を
行うタイプのものでは、この配線層５０２のための間隙
５０３を確保する必要がある。この場合は、図１２に示
す副基板４００の代わりに、図１８に示すような溝４０
４を有する副基板４００′を用いるようにすればよい。

【００３２】(6) 前述したように、上述の実施形態で
は説明の便宜上、図７に示す正方形の基板を用いて４組
のセンサ中枢部を製造する例を述べたが、実際には図６
に示すような円盤状のウエハを用いてより多数のセンサ
中枢部が製造できる。もちろん、１枚の基板（ウエハ）
により１組のセンサ中枢部のみを製造してもかまわな
い。

【００３３】(7) 上述の実施形態では、重錘体２１０
の周囲の空間は空気で満たされているが、この空間にシ
リコンオイルなどを封入すると、衝撃や振動の吸収効果
が得られ、耐衝撃性、耐振動性が向上する。

【００３４】(8) 静電容量の変化を信号として取り出
すには、一般に、容量素子に接続された発振回路、この
発振回路の出力を増幅する増幅回路、そして増幅された
信号の周波数を計数する計数回路などが必要となるが、
主基板１００を半導体基板で構成すれば、これらの回路
を主基板１００上に形成することもできる。

【００３５】(9) 図２および図３に示すように、ここ
で述べた実施形態では、固定基板１０側に１枚の固定電
極１１を、変位基板２０側に５枚の変位電極２１〜２５
を形成しているが、逆に、固定基板１０側に５枚の固定
電極を、変位基板２０側に１枚の変位電極を、それぞれ
形成してもよい。

【００３６】(10) また、上述の実施形態では、対向す
る電極の一方を１枚の電極層、もう一方を５枚の電極
層、でそれぞれ形成している。この場合、検出回路の構
成上、１枚の電極層を共通電極として用いることにな
る。これに対し、双方ともに５枚の電極層を形成するよ
うにしてもかまわない。この場合、５組の完全に独立し
た容量素子が構成されることになり、より自由度をもっ
た検出処理が可能になる。

【００３７】(11) 上述の実施形態では、図３に示すよ
うな形態で５枚の変位電極２１〜２５を配し、三次元方
向の加速度を検出しているが、変位電極２５を用いずに
Ｚ軸方向の加速度成分の検出も可能である。すなわち、
変位電極２１〜２４の４枚だけを用いて三次元方向の加
速度検出を行うこともできる（詳細は、特開平４−１４
８８３３号公報参照）。しかしながら、他軸成分の干渉
を抑制した精度良い測定を行う場合には、図３に示すよ
うな５枚の電極配置が理想的である。別言すれば、Ｚ軸
方向成分の検出を、中央に配した電極２５で行い、Ｘ軸
あるいはＹ軸方向成分の検出を、その周囲に配した電極
２１〜２４で行うのが好ましい。Ｘ軸あるいはＹ軸方向
成分の力が作用した場合、電極２５の変位に比べて電極
２１〜２４の変位が顕著であることが図４から理解でき
よう（電極２５は中央に配置されているため、全体とし
てみれば変位していないと考えることができる）。した
がって、Ｘ軸あるいはＹ軸方向成分の検出には、電極２
１〜２４を用いるのが適当である。また、Ｚ軸方向成分
の力が作用した場合、電極２１〜２４の変位に比べて電
極２５の変位が顕著であることが図５から理解できよ
う。したがって、Ｚ軸方向成分の検出には、電極２５を
用いるのが適用である。

【００３８】

【発明の効果】以上のとおり本発明によれば、静電容量
の変化を利用したセンサにおいて、宙吊り状態の作用体
の周囲に制御部材を設けるようにしたため、過度の外力
が作用した場合にも損傷を受けにくい静電容量の変化を
利用したセンサを提供することができる。また、１枚の
基板を切断することにより作用体と台座とを形成するよ
うにしたため、このようなセンサを効率良く大量生産す
ることができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の適用対象となる加速度センサの基本構
造を示す側断面図である。

【図２】図１に示すセンサの固定基板１０の下面図であ
る。図２の固定基板１０をＸ軸に沿って切断した断面が
図１に示されている。

【図３】図１に示すセンサの可撓基板２０の上面図であ
る。図３の可撓基板２０をＸ軸に沿って切断した断面が
図１に示されている。

【図４】図１に示すセンサの作用点ＰにＸ軸方向の力Ｆ
ｘが作用したときの、センサの撓み状態を示す側断面図
である。

【図５】図１に示すセンサの作用点ＰにＺ軸方向の力Ｆ
ｚが作用したときの、センサの撓み状態を示す側断面図
である。

【図６】本発明の具体的な実施形態に係るセンサを製造
するために、基板に単位領域を定義した状態を示す図で
ある。

【図７】説明の便宜上、より単純な単位領域を定義した
状態を示す図である。

【図８】本発明の一実施形態に係る加速度センサ中枢部
の製造方法の前段階を示す工程図である。

【図９】図８に示す方法に用いる主基板の側断面および
下面を示す図である。

【図１０】図８に示す方法に用いる補助基板の側断面図
および下面を示す図である。

【図１１】図８に示す方法に用いる制御基板の側断面図
および下面を示す図である。

【図１２】図８に示す方法に用いる副基板の側断面図お
よび下面を示す図である。

【図１３】本発明の一実施形態に係る加速度センサ中枢
部の製造方法の後段階を示す工程図である。

【図１４】図１３に示す方法で製造された加速度センサ
中枢部を示す斜視図である。

【図１５】図１４に示す加速度センサ中枢部をパッケー
ジに収容した状態を示す側断面図である。

【図１６】本発明の別な実施形態に係る加速度センサ中
枢部を示す斜視図である。

【図１７】本発明の別な実施形態に係るセンサに用いる
制御基板の側断面図および上面を示す図である。

【図１８】本発明の別な実施形態に係るセンサに用いる
副基板の側断面図および下面を示す図である。

【符号の説明】

１０…固定基板 １１…固定電極 ２０…可撓基板 ２１〜２５…変位電極 ３０…作用体 １００…主基板 １０１…溝 １１０…作用部 １２０…可撓部 １３０…固定部 ２００…補助基板 ２０１，２０２…溝 ２０３…切断路 ２１０…重錘体 ２２０…台座 ３００，３００′…制御基板 ３０１，３０２…溝 ４００，４００′…副基板 ４０１，４０２…溝 ４０３…切断路 ４０４…溝 ５００，５００′…センサ中枢部 ５０１…ボンディングパッド ５０２…配線層 ５０３…配線層用間隙 ５１０…切断路 ６００…パッケージ ６１０…リード ６２０…ボンディングワイヤ ６３０…蓋 Ｅ１…第１の電極層 Ｅ２…第２の電極層

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ほぼ中心に作用部、その周囲に可撓部、
   更にその周囲に固定部が定義され、下面の前記可撓部の
   部分に形成された溝により前記可撓部が可撓性を有する
   ように構成された第１の基板と、 前記第１の基板の上面に対して所定間隔をおいて固定さ
   れた対向面を有する第２の基板と、 前記第１の基板の前記上面に形成された第１の電極層
   と、 前記第２の基板の前記対向面に、前記第１の電極層に対
   向するように形成された第２の電極層と、 前記第１の基板の下面の前記作用部に接合された作用体
   と、 前記第１の基板の下面の前記固定部に接合された台座
   と、 を備え、 前記作用体に外力が作用すると、前記可撓部の機械的変
   形により前記作用体が変位し、前記第１の電極層と前記
   第２の電極層とによって形成される容量素子の静電容量
   が変化するように構成され、前記外力を前記静電容量の
   変化として検出する機能を有し、 前記台座の内側面と、前記作用体の外側面とが、所定の
   間隔をおいて対向するように構成され、前記台座の内側
   面によって前記作用体の横方向への変位を所定範囲内に
   制限できるようにしたことを特徴とする静電容量の変化
   を利用したセンサ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のセンサにおいて、 第１の基板の固定部下面に、内側部分と、この内側部分
   の周囲を取り囲む外側部分とを定義し、 前記外側部分に台座を接合するようにし、 前記内側部分と、作用体上面の一部分とが、所定の間隔
   をおいて対向するように構成し、前記内側部分によって
   前記作用体の上方への変位を所定範囲内に制限できるよ
   うにしたことを特徴とする静電容量の変化を利用したセ
   ンサ。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載のセンサにおい
   て、 台座の下面に接合された第３の基板を更に設け、この第
   ３の基板の上面と作用体の下面とが所定の間隔をおいて
   対向するように構成し、前記第３の基板の上面によって
   前記作用体の下方向への変位を所定範囲内に制限できる
   ようにしたことを特徴とする静電容量の変化を利用した
   センサ。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかに記載のセンサ
   を製造する方法において、 単一の基板を切断する工程によって台座と作用体とを形
   成し、この切断工程における切断路によって形成された
   空間の範囲内で、前記作用体の横方向への変位を制限で
   きるようにしたことを特徴とする静電容量の変化を利用
   したセンサの製造方法。