JP3960502B2 - 静電容量型センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、基板材料として、金属または単結晶シリコン基板を用いた静電容量型センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の単結晶シリコンを用いた静電容量型センサとしては、例えば図６に示すものが一般的に知られている。
単結晶シリコン基板１は、部品を支える枠２、加速度などの物理量によって変位するおもり３、このおもり３を支える梁４、おもり３から櫛歯状に形成されている可動電極５、およびこの可動電極５と交互に形成される固定電極６などからなっている。櫛歯状の可動電極５と固定電極６とは原理的には一対あれば良いが、一般には複数対設けられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような単結晶シリコンからなる櫛歯状電極を持つ静電容量型センサには、下記のような問題がある。
例えば、櫛歯電極のそれぞれについて、１つの固定電極と可動電極が対向する部分を持ち、この対向する部分によりコンデンサを形成し、図６（ｄ）に示すような１つの初期容量Ｃ_O と、図６（ｅ）に示すように、可動電極が変位したときに得られる１つの容量変化量ΔＣとを持つことになる。
【０００４】
このため、感度向上の目的などから容量変化量ΔＣを増やしたい場合には、櫛歯の数を増やすか可動電極の変位量を増やす必要がある。しかし、櫛歯の数を増やすとスペースを大きくとるため、チップサイズを大きくしなければならない。また、変位量を増やすには梁を細くしなければならず耐衝撃性が悪くなる。
したがって、この発明の課題は、チップサイズや梁の寸法を変えることなく、櫛歯状電極１つあたりの容量変化量ΔＣを増やし、より高感度な静電容量型センサを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、単結晶シリコンを含む導電性または半導体材料からなる少なくとも１対の櫛歯状対向電極を備え、各櫛歯状対向電極の相対的な変位により電極部面積を変化させ、静電容量を変化させる静電容量型センサにおいて、
前記各櫛歯状対向電極のそれぞれに、さらに複数個の凸部を櫛歯状対向電極の変位方向へ互いに間隔をあけて配置して凹凸部を形成し、櫛歯状対向電極の変位方向と直交する方向に対向する凸部どうしで前記電極部を形成し、各櫛歯状対向電極が相対的に変位したとき凸部どうしの対向する幅寸法を変化させることにより、櫛歯状対向電極が相対的に変位したときの電極部面積変化量を増大させることを特徴としている。
【０００６】
上記請求項１の発明においては、前記凹凸部は、前記櫛歯状電極の変位方向と直交する方向に形成することができ（請求項２の発明）、または前記凹凸部は、前記櫛歯状電極の厚み方向に形成することができる（請求項４の発明）。請求項１または２の発明においては、前記単結晶シリコンを含む導電性または半導体材料としてＳＯＩを用い、その活性層に前記櫛歯状電極を形成することができる（請求項３の発明）。また、請求項４の発明においては、前記櫛歯状電極の凹凸部における凹部加工面と側壁とのコーナー部にＲ部を形成することができる（請求項５の発明）。
【０００７】
すなわち、櫛歯電極に凹凸を形成し、１つの櫛歯に小さな対向電極を多数形成し、容量変化量ΔＣを凹凸の数だけ発生させることにより感度の向上を図る。また、凹凸として櫛歯電極にスリットを形成するようにしてもよい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の第１の実施の形態を示す構成図で、同図（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は可動電極無変位時の状態説明図、（ｄ）は可動電極変位時の状態説明図である。
同図では、厚さが例えば数百μｍのシリコン基板１を用い、これに枠２，おもり３，梁４，可動電極１５および固定電極１６が図６と同様に形成され、各電極１５，１６の対向する部分を電極とするコンデンサを形成しているが、さらに、それぞれの櫛歯状電極に対向電極面と垂直な方向に凹凸部を形成した点が特徴である。これにより、１つの櫛歯の中で凹凸数の分だけ容量変化が得られることになる。これを示すのが図１（ｃ），（ｄ）で、１つの櫛歯に例えば３つの凸部を形成することにより、３×ΔＣだけ容量変化量を増大させる場合の例を示している。
【０００９】
図２はこの発明の第２の実施の形態を示す構成図で、同図（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。
図１との相違点は、基板にＳＯＩ（絶縁物上にシリコンを析出させ、その上にシリコンを用いてデバイスを作製したもの）シリコン基板２１を用いた点、また、可動電極２５および固定電極２６として基板厚さ全体を使うのではなく、同図（ｂ）に示すようにＳＯＩシリコン基板２１の活性層と呼ばれる層のみを使うようにしたものである。これによって、櫛歯電極部分が薄くなる分加工が容易となり、より微細な構造にすることができる。また、凹凸の数を増やすことも可能となる。
【００１０】
図３はこの発明の第３の実施の形態を示す構成図で、同図（ａ）は上面図、同図（ｂ）はそのａ−ａ’断面図、同図（ｃ）は同じくｂ−ｂ’断面図、同図（ｄ）は可動電極無変位時の状態説明図、（ｅ）は可動電極が変位時の状態説明図である。
ここでは図１と同様、厚さが例えば数百μｍのシリコン基板１を用い、これに枠２，おもり３，梁４，可動電極３５および固定電極３６が交互に噛み合うように櫛歯状に形成され、対向する部分を電極とするコンデンサを形成するが、各電極に電極板の厚み方向に凹凸部（スリット）を形成した点が特徴である。
【００１１】
上記のように構成しても、１つの櫛歯の中で凹凸数の分だけ容量変化が得られる。このとき、例えばプラズマエッチングによる垂直深掘り加工技術を用いることにより、従来のＲＩＥ（ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ：反応性イオンエッチング）加工やウェットエッチング等ではできなかった、厚さ２００〜１，０００μｍの基板を用いた微細な構造を形成することができる。
【００１２】
図４はこの発明の第４の実施の形態を示す構成図で、図３の変形例を示している。
すなわち、図４（ｃ）のＣ部を拡大した図４（ｄ）からも明らかなように、加工底面と側壁のコーナー（センサ上では梁や櫛歯電極の付け根）にＲを形成することにより、応力の集中を避けて衝撃に強い構造とするものである。その他は図３と同じであり、したがって、図４（ａ），（ｂ）および（ｃ）も図３と全く同じになっている。
図５に完成品としてのセンサチップ例を示す。これは、特に図２のような場合は固定電極が浮いている状態なので、この固定電極を含む電極部４４を上部ガラス４１に固定した状態を示している。なお、４２は下部ガラス、４３はシリコン部品枠、４５はおもりを示す。
【００１３】
【発明の効果】
この発明によれば、櫛歯電極の各々に凹凸部を形成するようにしたので、容量変化率（ΔＣ／Ｃ_O ）を減らすことなく、容量変化量ΔＣを増大させることができる。これにより、チップサイズを変えずに、より高感度な静電容量センサを得ることが可能になるという利点が得られる。また、感度を維持したままチップサイズを小さくすることができ、低コストで高感度な静電容量センサを得ることが可能になるという利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態を示す構成図である。
【図２】この発明の第２の実施の形態を示す構成図である。
【図３】この発明の第３の実施の形態を示す構成図である。
【図４】この発明の第４の実施の形態を示す構成図である。
【図５】完成品としてのセンサチップ例を示す断面図である。
【図６】従来例を示す構成図である。
【符号の説明】
１…シリコン基板、２，４３…枠、３，４５…おもり、４…梁、５，１５，２５，３５…可動電極、６，１６，２６，３６…固定電極、２１…ＳＯＩ基板、４１…上部ガラス、４２…下部ガラス、４４…電極部。

Claims (5)

1. 単結晶シリコンを含む導電性または半導体材料からなる少なくとも１対の櫛歯状対向電極を備え、各櫛歯状対向電極の相対的な変位により電極部面積を変化させ、静電容量を変化させる静電容量型センサにおいて、
   前記各櫛歯状対向電極のそれぞれに、さらに複数個の凸部を櫛歯状対向電極の変位方向へ互いに間隔をあけて配置して凹凸部を形成し、櫛歯状対向電極の変位方向と直交する方向に対向する凸部どうしで前記電極部を形成し、各櫛歯状対向電極が相対的に変位したとき凸部どうしの対向する幅寸法を変化させることにより、櫛歯状対向電極が相対的に変位したときの電極部面積変化量を増大させることを特徴とする静電容量型センサ。
2. 前記凹凸部は、前記櫛歯状電極の変位方向と直交する方向に形成することを特徴とする請求項１に記載の静電容量型センサ。
3. 前記単結晶シリコンを含む導電性または半導体材料としてＳＯＩを用い、その活性層に前記櫛歯状電極を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量型センサ。
4. 前記凹凸部は、前記櫛歯状電極の厚み方向に形成することを特徴とする請求項１に記載の静電容量型センサ。
5. 前記櫛歯状電極の凹凸部における凹部加工面と側壁とのコーナー部にＲ部を形成することを特徴とする請求項４に記載の静電容量型センサ。

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