JP3318743B2 - 加速度センサ及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は入力加速度を静電
容量の変化によって検出する構造とされた加速度センサ
に関し、特に小型高性能な静電容量型加速度センサに関
する。

【０００２】

【従来の技術】この種の静電容量型加速度センサの従来
構造の一例を図３Ａに示す。この例では加速度センサ１
１は質量体１２と支持枠体１３と検出電極１４が形成さ
れた基体１５とよりなり、これらが接合一体化されて形
成されたものとなっている。支持枠体１３は図３Ｂに示
したように、周囲の枠部１６と、中央の質量体１２が取
り付けられる台座部１７と、これら枠部１６，台座部１
７間に位置して台座部１７を変位自在に枠部１６に支持
するダイアフラム部１８とよりなり、このダイアフラム
部１８の形成には主にウェットエッチング技術が用いら
れている。

【０００３】基体１５の、支持枠体１３と対向する板面
には凹部１９が形成されており、検出電極１４はこの凹
部１９の底面に配置されている。検出電極１４はこの例
では図３Ｃに示したような形状とされて４つ配置されて
いる。なお、凹部１９の形成も例えばウェットエッチン
グ技術を用いて行われている。上記のような構造を有す
る加速度センサ１１においては加速度が加わると、その
入力加速度に応じて質量体１２が前後左右に傾き、ある
いは上下に平行移動することにより、検出電極１４とダ
イアフラム部１８とで構成される電極間ギャップが変化
するため、その時の静電容量の変化から入力加速度を３
軸方向に検出することができるものとなっている。な
お、図３Ａ中、矢印２０は質量体１２の動きを示す。

【０００４】図４Ａ，Ｂは静電容量型加速度センサの従
来構造の他の例を示したものであり、この例では加速度
センサ２１は基板２２上に成膜した膜をパターニングす
ることにより、質量部２３と支持部２４とを一体に形成
するものとなっている。図４Ｃはこの加速度センサ２１
の製造方法を工程順に示したものであり、以下各工程
（１）〜（４）を簡単に説明する。

【０００５】（１）基板２２を準備する。基板２２とし
ては例えばシリコン基板が用いられ、この基板２２の表
面に例えばＢ（ボロン）拡散を行うことにより、検出電
極２５を形成する。 （２）犠牲層２６を成膜し、パターニングする。 （３）構造物を構成する膜２７を成膜し、パターニング
する。このパターニングにより、質量部２３と、質量部
２３を左右で支える一対の支持部２４と、それら支持部
２４の固定端側を基板２２に固定する一対の固定部２８
とが形成される。なお、各支持部２４は図４Ａに示した
ように中央に大きな窓２９が形成されて２本の細い梁よ
りなる構造とされる。

【０００６】（４）犠牲層２６をエッチング除去するこ
とにより、検出電極２５と質量部２３との間に電極間ギ
ャップが形成されて、加速度センサ２１が完成する。な
お、この加速度センサ２１においては質量部２３の動き
は基本的には矢印３０方向となり、つまり単軸の加速度
センサとなっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来の加速度センサ１１及び２１においては、それぞれ以
下に示すような問題がある。即ち、図３に示した加速度
センサ１１では、別々に加工を施した３つの部品（質量
体１２，支持枠体１３及び基体１５）を貼り合わせるこ
とにより加速度センサを構成するものであるため、貼り
合わせによる応力が性能・品質に影響を及ぼすといった
問題があり、また製造工程が複雑で工数がかかるといっ
た問題があった。

【０００８】さらに、ダイアフラム部１８の加工精度が
ダイアフラム部１８をどこまで薄くできるかを決め、つ
まりダイアフラム部１８をどこまで軟らかくできるかを
決め、凹部１９の加工精度が電極間ギャップをどこまで
小さくできるかを決めるものとなっているが、エッチグ
技術を用いる従来の加工ではそれらの加工精度は良好と
は言えず、高精度化は困難であり、従って例えばダイア
フラム部１８の厚さや電極間ギャップ量を５μm 以下に
制御することは困難となっており、その点で加速度セン
サの高感度化に限界があるものとなっていた。

【０００９】一方、図４に示した加速度センサ２１で
は、支持部２４を極めて薄くでき、また電極間ギャップ
を極めて小さくすることができるものの、質量部２３が
膜２７によって構成されるものであるため、その質量が
非常に小さく、この点で高感度化に限界があるものとな
っていた。この発明の目的はこれら従来の問題点に鑑
み、高感度化及び小型化を図ることができ、さらに簡易
に製造できるようにした加速度センサの構造及びその製
造方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明によれ
ば、加速度センサは導電性基板を切り離して構成された
枠体及びその枠内に位置する質量体と、上記基板の一方
の板面上に設けられ、枠体に固定された固定部と、質量
体に連結された連結部と、それら固定部及び連結部間に
架設されたヒンジ部とからなる支持体と、上記板面上に
設けられ、枠体に設置された設置部と、その設置部より
突出されて質量体と対向された対向部とからなる検出電
極とを備え、支持体及び検出電極が上記板面上に成膜さ
れた膜のパターニングにより、同一膜から形成され、ヒ
ンジ部及び対向部が質量体となすギャップが犠牲層の除
去によって形成されたものとされる。

【００１１】請求項２の発明では請求項１の発明におい
て、質量体はその板面の中心で支持体に支持され、検出
電極が上記中心に対して対称に複数設けられる。請求項
３の発明では請求項２の発明において、ヒンジ部が上記
中心に対して対称に複数設けられる。請求項４の発明に
よれば、枠体と、その枠内に位置する質量体と、固定部
が枠体に固定され、連結部が質量体に連結されて、それ
ら固定部及び連結部間にヒンジ部が設けられてなる支持
体と、設置部が枠体に設置され、その設置部より突出さ
れた対向部が質量体と対向された検出電極とを具備する
加速度センサの製造方法は、導電性基板の表面に犠牲層
を形成する工程と、上記固定部、連結部及び設置部が形
成される部分の上記犠牲層をエッチング除去する工程
と、上記エッチング除去後の犠牲層上に導電膜を形成す
る工程と、上記導電膜をパターニングして、上記支持体
及び検出電極を形成する工程と、上記支持体及び検出電
極の形成後、裏面から上記基板をエッチングして切り離
すことにより、上記枠体と質量体とを形成する工程と、
上記基板エッチング後、上記犠牲層をエッチング除去す
る工程とを有し、上記基板エッチング後の犠牲層のエッ
チング除去によって、上記ヒンジ部及び対向部と質量体
との間にそれぞれギャップが形成される。

【００１２】

【発明の実施の形態】この発明の実施の形態を図面を参
照して実施例により説明する。図１はこの発明による加
速度センサの一実施例を示したものであり、図１Ａは平
面形状を示し、図１Ｂ及びＣはそれぞれそのＭＭ断面及
びＮＮ断面の形状を示す。この例では導電性基板３１を
切り離すことによって枠体３２と質量体３３とが構成さ
れる。枠体３２は方形枠状とされ、この枠体３２の枠内
に方形板状をなす質量体３３が位置される。

【００１３】質量体３３を支持する支持体３４は基板３
１の一方の板面上に設けられる。支持体３４は枠体３２
に固定される固定部３５と、質量体３３に連結される連
結部３６と、それら固定部３５及び連結部３６間に架設
されるヒンジ部３７とによって構成され、この例では図
１Ａに示したように質量体３３の板面中心に連結部３６
が位置されて、この連結部３６から梁状をなす４本のヒ
ンジ部３７が方形の対角線上に延長され、つまり４本の
ヒンジ部３７が中心に対して対称に配置されて、その各
先端に固定部３５が設けられたものとなっている。

【００１４】ヒンジ部３７は図１Ｃに示したように、質
量体３３の板面に対して所定のギャップを介して平行対
向され、質量体３３はこのようなヒンジ部３７を有する
支持体３４によって変位自在に支持される。枠体３２
の、固定部３５が位置する板面上における各辺部には検
出電極３８がそれぞれ設けられる。各検出電極３８は質
量体３３の中心に対して対称に配置されて、図１Ａに示
したような平面形状を有するものとされ、その一半部の
方形状をなす設置部３９が枠体３２に設置され、その設
置部３９より突出された台形状をなす対向部４０が質量
体３３の板面に対して所定のギャップを介して平行対向
される。

【００１５】上記のような構造を有する支持体３４及び
４つの検出電極３８は、基板３１上に成膜された導電膜
をパターニングすることにより同一膜から形成され、こ
の際、ヒンジ部３７及び対向部４０が基板３１の板面と
なすギャップは犠牲層の成膜・除去によって形成され
る。なお、枠体３２上には絶縁膜４１が形成されてお
り、各検出電極３８の設置部３９及び支持体３４の各固
定部３５は絶縁膜４１上に位置されて、互いに絶縁され
ている。一方、質量体３３上にも絶縁膜４１が形成され
ているが、連結部３６が位置する部分はその絶縁膜４１
が除去されて、質量体３３と連結部３６とは互いに導通
された状態となっている。図中、４２及び４３は各検出
電極３８の設置部３９上、及び支持体３４の各固定部３
５上に形成された電極パッドを示す。

【００１６】上記のような構成とされた加速度センサ４
４は、入力加速度に応じて質量体３３が矢印４５で示し
たように前後左右に傾き、あるいは上下に平行移動して
動き、この動きによって質量体３３と４つの検出電極３
８とで構成される各電極間ギャップが変化するため、こ
れら電極間ギャップの静電容量の変化を検出することに
よって入力加速度を３軸方向に検出することができる。

【００１７】なお、この例によれば、質量体３３は基板
３１の一部で構成されるため、その質量を大きくするこ
とができ、一方、ヒンジ部３７は基板３１上に成膜され
た膜によって構成されるため、その厚さを極めて薄くす
ることができ、よってこれらの点から加速度センサの高
感度化を容易に図ることができるものとなっている。次
に、上述した加速度センサ４４の製造方法の詳細につい
て、図２を参照して説明する。図２は製造方法を工程順
に示したものであり、図２Ａは図１におけるＭＭ断面に
対応し、図２ＢはＮＮ断面に対応している。以下、各工
程について説明する。

【００１８】（１）基板３１の表面に絶縁膜４１を成膜
する。基板３１は例えばＰ型Ｓｉ（シリコン）基板とさ
れ、絶縁膜４１は例えばＳｉ₃ Ｎ₄ 膜（窒化膜）とされ
る。 （２）絶縁膜４１の一部（支持体３４の連結部３６が形
成される部分）をエッチング除去する。 （３）ＳｉＯ₂ 膜の成膜により犠牲層５１を形成する。
犠牲層５１の厚さは例えば１μm 程度とする。

【００１９】（４）犠牲層５１の一部（アンカー部、即
ち支持体３４の固定部３５，連結部３６及び検出電極３
８の設置部３９が形成される部分）をエッチング除去す
る。 （５）多結晶Ｓｉ膜を成膜し、Ｂ（ボロン）拡散を行っ
て、導電膜５２を形成する。多結晶Ｓｉ膜の厚さは例え
ば１〜４μm 程度とする。続いて、Ａｕ／Ｃｒ膜を成膜
し、パターニングして、電極パッド４２，４３を形成す
る。

【００２０】（６）導電膜５２をパターニングして、検
出電極３８及び支持体３４を形成する。 （７）基板３１の裏面より、基板３１及び絶縁膜４１を
エッチングして、基板３１を切り離し、質量体３３を形
成する。エッチングは例えばドライエッチングとされ
る。

【００２１】（８）犠牲層（ＳｉＯ₂ 膜）５１をＨＦ溶
液でエッチング除去する。これにより、質量体３３と検
出電極３８の対向部４０及びヒンジ部３７との間に所要
のギャップが形成され、加速度センサ４４が完成する。
上述した製造方法によれば、導電膜５２の下に形成した
犠牲層５１の除去（溶出）により、質量体３３と検出電
極３８とがなす電極間ギャップを精度良く形成すること
ができ、よってギャップの狭小化を容易に図ることがで
きる。

【００２２】また、導電膜５２のパターニングにより、
支持体３４と検出電極３８とが同時に形成されるものと
なっているため、その点で製造工程を簡易化でき、さら
に図３に示した従来の加速度センサ１１のように、別々
に作製した部品を貼り合わせるものではないため、貼り
合わせによる応力が性能・品質に悪影響を及ぼすといっ
た問題も発生しない。

【００２３】なお、この例のように質量体３３の、検出
電極３８と対向する面に絶縁膜４１を設けておけば、過
大な入力加速度によって質量体３３が大きく変位して検
出電極３８と接触しても、それらの短絡を回避できる。
以上、３軸方向の入力加速度を検出できる３軸加速度セ
ンサを例に、構造及び製造方法を説明したが、これに限
るものではなく、例えば単軸加速度センサとしてもよ
い。この場合、検出電極３８の形状、配置及び支持体３
４の形状はその機能に応じて適宜選定される。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、この発明による加
速度センサによれば、質量体３３は基板３１の一部を切
り離すことによって構成されるため、その質量を大きく
することができ、ヒンジ部３７は基板３１上に成膜され
た膜によって構成されるため、その厚さを薄くすること
ができ、さらに検出電極３８が質量体３３となす電極間
ギャップは犠牲層の除去によって形成されるため、その
ギャップ量を小さくすることができ、よってこれらの点
から加速度センサの高感度化を容易に図ることができ、
それに伴い加速度センサの小型化も可能となる。

【００２５】また、この発明による製造方法によれば、
別々に作製した部品を貼り合わせるといった工程はない
ため、貼り合わせによる応力が性能・品質に悪影響を及
ぼすといった問題は発生せず、かつ貼り合わせ工程がな
い分、精度良く製造することができ、また製造工程を簡
易化することができる。さらに、支持体３４及び検出電
極３８は同一膜のパターニングにより一括形成されるた
め、この点でも工程を簡易化できるものとなっている。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ａは請求項１の発明の一実施例を示す平面図、
ＢはそのＭＭ断面図、ＣはそのＮＮ断面図。

【図２】請求項４の発明の実施例を説明するための製造
工程図。

【図３】Ａは従来の加速度センサの構造を説明するため
の図、ＢはＡにおける支持枠体の平面図、ＣはＡにおけ
る基体の平面図。

【図４】Ａは従来の加速度センサの他の構造を示す平面
図、Ｂはその断面図、Ｃはその製造方法を説明するため
の製造工程図。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導電性基板を切り離して構成された枠体
   及びその枠内に位置する質量体と、 上記基板の一方の板面上に設けられ、上記枠体に固定さ
   れた固定部と、上記質量体に連結された連結部と、それ
   ら固定部及び連結部間に架設されたヒンジ部とからなる
   支持体と、 上記板面上に設けられ、上記枠体に設置された設置部
   と、その設置部より突出されて上記質量体と対向された
   対向部とからなる検出電極とを備え、 上記支持体及び検出電極が上記板面上に成膜された膜の
   パターニングにより、同一膜から形成され、上記ヒンジ
   部及び対向部が上記質量体となすギャップが犠牲層の除
   去によって形成されていることを特徴とする加速度セン
   サ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の加速度センサにおいて、 上記質量体はその板面の中心で上記支持体に支持され、 上記検出電極が上記中心に対して対称に複数設けられて
   いることを特徴とする加速度センサ。
3. 【請求項３】 請求項２記載の加速度センサにおいて、 上記ヒンジ部が上記中心に対して対称に複数設けられて
   いることを特徴とする加速度センサ。
4. 【請求項４】 枠体と、その枠内に位置する質量体と、
   固定部が上記枠体に固定され、連結部が上記質量体に連
   結されて、それら固定部及び連結部間にヒンジ部が設け
   られてなる支持体と、設置部が上記枠体に設置され、そ
   の設置部より突出された対向部が上記質量体と対向され
   た検出電極とを具備する加速度センサの製造方法であっ
   て、 導電性基板の表面に犠牲層を形成する工程と、 上記固定部、連結部及び設置部が形成される部分の上記
   犠牲層をエッチング除去する工程と、 上記エッチング除去後の犠牲層上に導電膜を形成する工
   程と、 上記導電膜をパターニングして、上記支持体及び検出電
   極を形成する工程と、 上記支持体及び検出電極の形成後、裏面から上記基板を
   エッチングして切り離すことにより、上記枠体と質量体
   とを形成する工程と、 上記基板エッチング後、上記犠牲層をエッチング除去す
   る工程とを有し、 上記基板エッチング後の犠牲層のエッチング除去によっ
   て、上記ヒンジ部及び対向部と質量体との間にそれぞれ
   ギャップが形成されることを特徴とする加速度センサの
   製造方法。