JP4000936B2 - 容量式力学量センサを有する検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
本発明は容量式力学量センサを有する検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の容量式力学量センサとして、例えば図７（ａ）に示すような容量式半導体加速度センサがある。この加速度センサは、半導体基板１に固定されたアンカ部１３に弾性を有する梁部１２を介して錘部１１が支持されており、錘部１１と一体形成された櫛歯状の可動電極１０ａ，１０ｂを備えた構造を有している。そして、この可動電極１０ａ，１０ｂに対向した櫛歯状の固定電極１５ａ，１５ｂが半導体基板１上に絶縁層３を介して固定電極配線部１６ａ，１６ｂに片持ち支持されている。
【０００３】
加速度の検出に際しては、可動電極用パッド１４及び固定電極用パッド１７ａ，１７ｂに所定の電圧を印加することにより、対となる可動電極１０ａと固定電極１５ａ、及び可動電極１０ｂと固定電極１５ｂ間に夫々静電容量ＣＳ１，ＣＳ２を生じさせる。ここで、図７（ｂ）に示すように、加速度が印加されていない状態における各電極間の間隔について、狭小部の長さをｄ１、広域部の長さをｄ２とすると、各静電容量は次式で示される。
【０００４】
【数１】
ＣＳ１＝ＣＳ２＝ε×ｎ×ｌ×ｈ１（１／ｄ１＋１／ｄ２）
ここで、εは誘電率、ｎは可動電極本数、ｌは有効電極長（可動電極と固定電極の対向する部分の長さ）、ｈ１は電極の高さ（可動電極と固定電極の対向する部分の高さ）であり、各電極の有効電極長ｌと電極高さｈ１は一定とする。尚、図７（ｂ）、（ｃ）は共に図７（ａ）のＡ−Ａ断面におけるセンサ部５の断面図を示す。
【０００５】
そして、このセンサに加速度が印加されると梁部１２が撓み、対向する両電極間の距離が変化する。それに伴い、上記静電容量ＣＳ１，ＣＳ２も変化するため、この時の静電容量の差ΔＣ（ΔＣ＝ＣＳ１−ＣＳ２）を検知することにより加速度を求めることができる。
【０００６】
図７（ｃ）に矢印で示す方向に加速度が印加され、可動電極１０ａ，１０ｂが矢印方向にΔｄ変位したとすると、数式１よりＡ−Ａ断面の狭小部はより狭く、広域部はより広くなり、全体としてＣＳ１の値が大きくなる。又図示されないＢ−Ｂ断面においては、狭小部が広く、広域部が狭くなり、全体としてＣＳ２の値は減少する。従って静電容量の差ΔＣは大きくなる。尚、この場合広域部の間隔ｄ２は、狭小部の間隔ｄ１に対して十分に広いものである。
【０００７】
ここで、数式１にΔｄを導入することにより、静電容量の差ΔＣは次式で表す事ができる。
【０００８】
【数２】
ΔＣ＝ε×ｎ×ｌ×ｈ１×２Δｄ（１／ｄ１２−１／ｄ２２）
但し、数式２においてΔｄ２＝０として扱われる。尚、図７（ａ）と図７（ｃ）の加速度の印加方向（矢印）は対応しており、数式２では図示されないＢ−Ｂ断面についてもＡ−Ａ断面同様考慮されている。
【０００９】
センサ感度を向上させるためには、少しの加速度で大きな静電容量の変化が得られれば良く、すなわち、数式２におけるΔＣを大きくすれば良い。そのためには、間隔の広い広域部の長さｄ２を狭い狭小部の長さｄ１に対して十分に広くすることで、ΔＣを増大させることができ、センサの感度を向上できることが数式２からもわかる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際のセンサ構造として、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極１５ａ，１５ｂが構成する間隔の内、広域部における電極間距離ｄ２を十分に広く取ろうとしても、製品として使用する際のチップサイズの制約から、十分に広くとれないため、電極間距離の調整ではセンサ感度の向上を図ることが困難であった。
【００１１】
本発明は上記問題点に鑑み、従来よりもセンサ感度を向上した容量式力学量センサ、その製造方法、及び容量式力学量センサを有する検出装置を提供することを目的とする。
【００１２】
上記目的を達成する為に、請求項１に記載の容量式力学量センサを有する検出装置は、半導体基板に支持され、検出対象となる力学量の印加に応じて変位する錘部と、錘部の両側面から当該錘部と直交する方向へ一体的に突出する可動電極と、半導体基板に支持され、可動電極と対向しつつ可動電極との間で所定の狭い間隔である狭小部と、所定の広い間隔である広域部を形成する固定電極とを有し、錘部の一方の側面から突出する可動電極と当該可動電極に対向する固定電極とにより第１検出部が構成され、錘部の他方の側面から突出する可動電極と当該可動電極に対向する固定電極とにより第２検出部が構成され、力学量の印加に伴う可動電極の変位に対して、それぞれの検出部で狭小部の間隔と広域部の間隔とが互いに相反するように変化し、且つ、両検出部における狭小部同士の間隔と広域部同士の間隔がそれぞれ互いに相反するように変化する容量式力学量センサと、力学量の印加に伴い、第１検出部及び第２検出部の各静電容量が変化した際、その静電容量の差に応じた検出信号を出力する検出回路と、を備えている。そして広域部を形成する可動電極及び固定電極の少なくとも一方の対向面における電極面積を、狭小部を形成する可動電極及び固定電極の対向面の電極面積よりも小さくしたことを特徴とする。
【００１３】
このように本発明によれば、間隔が広い広域部を構成している可動電極と固定電極の両電極面において、少なくとも一方の電極の対向面の電極面積を狭小部を形成する両電極の対向面の電極面積よりも小さくする。それにより、広域部を形成している可動電極及び固定電極の電極間の静電容量をより小さくすることができる。また、可動電極の変位に対して、第１検出部と第２検出部とでは、狭小部の間隔及び広域部の間隔が互いに相反して変化する。すなわち、力学量が印加されると、一方の検出部では狭小部の間隔が狭く、広域部の間隔が広くなり、他方の検出部では狭小部の間隔が広く、広域部の間隔が狭くなる。したがって、夫々の検出部において、大小異なる方向に変化する静電容量の変化を大きくすることができる。そして、検出回路によって、第１検出部及び第２検出部の静電容量の差に応じた検出信号を得ることにより、力学量の検出感度を向上することができる。
【００１４】
請求項２に記載のように、広域部を形成する可動電極及び固定電極の少なくとも一方の対向面の電極高さを、狭小部を形成する可動電極及び固定電極の対向面の電極高さよりも低くすることが好ましい。このように、広域部を形成する可動電極及び固定電極の少なくとも一方の対向面の電極面積を、その対向面の電極高さを低くすることにより減少させる場合、可動電極及び固定電極の有効電極長全体に渡って、電極面積の減少効果を発揮させることができるので、静電容量の減少に対して効果が大きい。尚、静電容量の一層の低減を図るためには、可動電極及び固定電極の両電極の電極高さを低くすることが好ましい。
【００１５】
請求項３に記載のように、第１検出部と第２検出部が互いに同数の狭小部と広域部を有する構成としても良い。
【００１６】
このように、錘部の両側面から突出する可動電極に対して、夫々固定電極が対向形成されおり、第１，２検出部には狭小部と広域部が同数形成されている。従って、力学量が印加していない状態では、第１検出部の静電容量と第２検出部の静電容量が等しく、静電容量の差は０となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。本実施の形態は容量式力学量センサにおいて、センサ感度の向上を図ることを目的としたものである。
（第１の実施の形態）
図１（ａ）は、容量式力学量センサとしての半導体加速度センサの一例を示す平面図であり、図１（ｂ）は本実施の形態の特徴を示す図１（ａ）のＡ−Ａ断面の断面図を示す。
【００２０】
半導体加速度センサは、図１（ｂ）に示すように例えば単結晶シリコンからなる第１半導体層１と第２半導体層２との間に、犠牲層としての例えば酸化シリコンからなる絶縁層３が形成されてなるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板４に対して、半導体製造技術を利用した周知のマイクロマシニング技術により、センサ部５を形成することにより構成される。尚、本発明における半導体基板とは第１半導体層１を意味する。
【００２１】
センサ部５は、第２半導体層２から形成された可動部６と一対の固定部７，８、及びこれらを取り囲む周囲部９から構成されており、可動部６、固定部７，８、及び周囲部９の間には所定の間隙が設けられ、相互に絶縁されている。
【００２２】
可動部６は、可動電極１０ａ，１０ｂ、錘部１１、梁部１２、アンカ１３、可動電極用パッド１４から構成され、加速度が作用する質量部としての錘部１１の両端に、四角枠形状の梁部１２を介して絶縁層３と接続するアンカ１３に連結した構造となっている。可動電極１０ａ，１０ｂは、錘部１１の両側面から錘部１１の長手方向と直交するように突出して一体形成され、例えば図１（ａ）で示すように夫々の側面に４個ずつ設けられる。この可動電極１０ａ，１０ｂ、錘部１１、梁部１２の直下は、第２半導体層２の表面側から例えば選択的プラズマエッチングにより絶縁層３表面の第２半導体層２がエッチングされ中空部が存在する。また錘部１１に連結した梁部１２は、その長手方向と直交する方向に変位するばね機能を有しているため半導体加速度センサが図１中の矢印方向の成分を含む加速度を受けると、錘部１１及び可動電極１０ａ，１０ｂを矢印方向に変位させると共に、加速度の消失により元の位置に戻すことができる。
【００２３】
また、可動部６における一方のアンカ１３の所定の位置に、後述するＣ−Ｖ変換回路に接続される可動電極用パッド１４が連結形成されている。
【００２４】
固定部７は、固定電極１５ａ，１５ｂ、固定電極配線部１６ａ，１６ｂ及び固定電極用パッド１７ａ、１７ｂをその表面に形成したアンカ部１８ａ，１８ｂからなる。固定電極配線部１６ａ，１６ｂは錘部１１と平行に配置される。この固定電極配線部１６ａ，１６ｂから延びる固定電極１５ａ，１５ｂは、錘部１１の両側面から突出する可動電極１０ａ，１０ｂに対して、夫々所定の検出間隔を有し平行した状態で対向配置される。また、固定電極配線部１６ａ，１６ｂ及びアンカ部１８ａ，１８ｂは、絶縁層３を介して半導体基板１上に固定され、固定電極１５ａ，１５ｂは片持ち支持されている。尚、本実施の形態では、図１（ａ）で示すように可動電極１０ａ，１０ｂと同数の片側４本ずつの固定電極１５ａ，１５ｂが設けられており、可動電極１０ａと固定電極１５ａにより構成される部位を第１検出部１９、可動電極１０ｂと固定電極１５ｂとにより構成される部位を第２検出部２０とする。
【００２５】
この際、加速度が印加されていない状態で、第１検出部１９を構成する両電極１０ａ，１５ａは、その電極間の間隔が短い距離ｄ１の狭小部と長い距離ｄ２の広域部とが交互になるように構成されている。また、同様に第２検出部２０を構成する両電極１０ｂ，１５ｂも、その電極間の間隔が第１検出部１９と同様に短い距離ｄ１の狭小部と長い距離ｄ２の広域部とが交互になるように構成されている。そして、図１（ａ）に示すように、第１，２検出部では可動電極１０ａ，１０ｂに対向する固定電極１５ａ，１５ｂの配置が異なり、錘部１１に対して同じ箇所から両側面に突出している可動電極１０ａ，１０ｂを中心線とすると、その両可動電極１０ａ，１０ｂに対向する固定電極１５ａ，１５ｂは中心線を挟んで線対称の位置に形成される。従って、矢印の方向に加速度が印加されると、第１検出部１９の両電極１０ａ，１５ａ間の間隙については、狭小部のｄ１が減少を、広域部のｄ２が増加を示し、第２検出部２０の両電極１０ｂ，１５ｂ間の間隙については、狭小部のｄ１が増加を、広域部のｄ２が減少を示すこととなる。
【００２６】
また、固定電極配線部１６ａ，１６ｂの所定の位置には、後述するＣ−Ｖ変換回路に接続される固定電極用パッド１７ａ，１７ｂが形成されている。
【００２７】
上記のように構成された半導体加速度センサにおいて、可動部６が検出方向である矢印方向の加速度を受けると、錘部１１が矢印方向に変位し、それに伴って可動電極１０ａ，１０ｂも変位するため、可動電極１０ａ，１０ｂとそれに対向配置された固定電極１５ａ，１５ｂとの間の間隔が増減することとなる。
【００２８】
ここで、上記構成の半導体加速度センサの製造方法の概略を図２（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。尚、図２（ａ）〜（ｃ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面における工程別断面図である。
【００２９】
先ず、基板として図２（ａ）に示されるＳＯＩ基板４が準備される。このＳＯＩ基板４は、単結晶シリコンからなる第１半導体層１を半導体基板として、その上に絶縁層３であるシリコン酸化膜を介して第２半導体層として単結晶シリコン薄膜を設けた構造となっている。
【００３０】
そして、図示されない各電極用パッド１４，１７ａ，１７ｂを第２半導体基板２上に形成する。例えば、第２半導体層２上の全面に所定の導電性の良い金属を所定の膜厚となるよう蒸着し、その後フォトリソグラフィ及びエッチング技術を用いて所定の形状にパターニングすることにより、各電極用パッド１４，１７ａ，１７ｂを形成する。金属としては、例えばＣｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ等が用いられる。
【００３１】
次いで、図２（ｂ）に示されるように、各電極１０ａ，１５ａ等を形成するためのマスク２１を形成する。すなわち第２半導体層２上の所定の範囲に、両電極間の間隔等必要な部分が開口したマスク２１をフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて形成する。マスク２１としては、例えばシリコン窒化膜、シリコン酸化膜、メタルマスク、及びレジスト等が用いられる。
【００３２】
マスク２１形成後、図２（ｃ）に示すように、マスク２１の開口部分が例えばプラズマエッチングにより選択的にエッチングされ、絶縁層３の表面まで第２半導体層２が除去され、各電極１０ａ，１５ａ下の第２半導体層２も除去されるとともに併せて広域部を形成している両電極１０ａ，１５ａの対向面の電極面積も小さくなるように加工される。従って、可動部６の可動電極１０ａ，１０ｂ、錘部１１、梁部１２が可動可能となる。
【００３３】
そして、最後にマスク２１の除去がなされ、ダイシングにより１つのセンサチップ毎に切り分けられ、半導体加速度センサのセンサチップが完成する。尚、本例ではＡ−Ａ断面の例を示したが、Ｂ−Ｂ断面も同様な工程により各部位が形成される。
【００３４】
次に、本実施の形態における半導体加速度センサの検出回路の一例を図３に示す。本センサ１における回路手段は、Ｃ−Ｖ変換回路（スイッチドキャパシタ回路）２２を有し、当該Ｃ−Ｖ変換回路２２は、第１検出部１９を構成する両電極１０ａ，１５ａからなる静電容量ＣＳ１と、第２検出部２０を構成する両電極１０ｂ，１５ｂからなる静電容量ＣＳ２との両静電容量の変化を電圧に変換して出力するもので、演算増幅器２３、コンデンサ２４、及びスイッチ２５から構成されている。
【００３５】
演算増幅器２３の反転入力端子は、可動電極用パッド１４を介して可動電極１０ａ，１０ｂに接続されており、反転入力端子と出力端子と間には、コンデンサ２４及びスイッチ２５が並列に接続されている。また、演算増幅器２３の非反転入力端子には、図示しない電圧源からＶｃｃ／２の電圧が入力されている。
【００３６】
また、回路手段は図示しない制御回路を有しており、この制御回路は一方の固定電極パッド１７ａから一定振幅Ｖｃｃで周期的に変化する第１搬送波を第１検出部１９の固定電極１５ａに入力し、他方の固定電極パッド１７ｂから、第１搬送波と位相が１８０°ずれ且つ同一振幅Ｖｃｃである第２搬送波を第２検出部２０の固定電極１７ｂに入力する。
【００３７】
従って、加速度が印加されていない場合には、第１，２検出部１９，２０の夫々の電位差は、共にＶｃｃ／２となり、第１検出部１９の静電容量ＣＳ１と第２検出部２０の静電容量ＣＳ２とが略等しくなる。また、Ｃ−Ｖ変換回路２２において、スイッチ２５は第１，２搬送波の周期に併せて所定の周期をもって開閉がなされ、スイッチ２５が開の時、加速度検出が行われる。この際、Ｃ−Ｖ変換回路２２からの出力電圧Ｖｏｕｔは次式で示される。
【００３８】
【数３】
Ｖｏｕｔ＝（ＣＳ１−ＣＳ２）×Ｖｃｃ／Ｃｆ
尚、Ｃｆはコンデンサ２４の静電容量である。
【００３９】
加速度が印加されると、第１，２検出部１９，２０の静電容量ＣＳ１，ＣＳ２のバランスが変化し、数式３の静電容量の差（ＣＳ１−ＣＳ２）に応じた電圧Ｖｏｕｔが出力される。そして、この出力Ｖｏｕｔは、図示されない増幅回路やローパスフィルタ等により信号処理され、加速度検出信号として検出される。尚、演算増幅器２３の非反転入力端子には、図示しない電圧源からＶｃｃ／２の電圧が入力されているが、Ｖｃｃ／２とは異なる電圧Ｖ１を設け、図示されないスイッチにより、第１，２搬送波の周期に応じた所定のタイミングでＶ１に切り替えることにより、可動電極１０ａ，１０ｂを強制的に変位させる自己診断機能を持たせても良い。
【００４０】
次に、上記構成に基づき、本実施の形態のセンサ部５の詳細を、従来例を示した図７（ｂ），（ｃ）と共に、図４（ａ），（ｂ）及び図５（ａ），（ｂ）を用いて説明する。尚、図７（ｂ）は従来構造のセンサにおいて図７（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示したものであり、図７（ｃ）は図７（ｂ）に加速度が印加された状態を示す図である。図４（a）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面の断面図を示し、図４（ｂ）は図４（ａ）において加速度が印加された状態を示す図である。図５（ａ）は図１（ａ）におけるＢ−Ｂ断面の断面図を示し、図５（ｂ）は図５（ａ）において加速度が印加された状態を示す図である。また、従来例のセンサ構造は、便宜上、一部電極厚を除いて本実施例と同じとする。
【００４１】
従来、図７（ｂ）に示すように半導体加速度センサのＡ−Ａ断面すなわち第１検出部１９は、可動電極１０ａと固定部７の固定電極１５ａにより構成されており、可動電極１０ａと固定電極１５ａの電極間は、間隔の狭い狭小部ｄ１と間隔の広い広域部ｄ２とが交互になるように形成されている。尚、図示されないが、Ｂ−Ｂ断面すなわち第２検出部２０も第１検出部１９同様、可動電極１０ｂと固定電極１５ｂの電極間は、間隔の狭い狭小部ｄ１と間隔の広い広域部ｄ２とが交互になるように形成されている。
【００４２】
ここで、全ての電極における電極高さ（可動電極と固定電極の対向面の高さ）をｈ１で一定とすると、第１検出部１９を構成する両電極１０ａ，１５ａ間に生じる静電容量ＣＳ１、及び第２検出部２０を構成する両電極１０ｂ，１５ｂ間に生じる静電容量ＣＳ２は、次式により示される。
【００４３】
【数４】
ＣＳ１＝ＣＳ２＝ε×ｎ×ｌ×ｈ１（１／ｄ１＋１／ｄ２）
但し、εは誘電率、ｎは各断面における可動電極本数、ｌは有効電極長（可動電極と固定電極の対向する部分の長さ）である。加速度の印加が無い場合、静電容量の差ΔＣは０である。
【００４４】
次に、図７（ｂ）に示されるように矢印方向に加速度が印加され、それに伴い第１検出部１９の可動電極１０ａがΔｄ変位したとすると、狭小部の間隔がｄ１−Δｄ、広域部の間隔がｄ２＋Δｄとなる。このとき図示されない第２検出部２０においても同様に可動電極１０ｂがΔｄ変位し、狭小部の間隔がｄ１＋Δｄ、広域部の間隔がｄ２−Δｄとなる。そして、第１，２検出部での各間隙の変化に対応して数式４で示される静電容量ＣＳ１，ＣＳ２も変化する。この時の静電容量の差ΔＣ（ΔＣ＝ＣＳ１−ＣＳ２）を検知することにより加速度を求めることができる。ΔＣは次式で表される。
【００４５】
【数５】
ΔＣ＝ε×ｎ×ｌ×ｈ１×２Δｄ（１／ｄ１２−１／ｄ２２）
但し、数式２においてΔｄ２＝０として扱われる。
【００４６】
従って、従来構造の半導体加速度センサにおいて、センサ感度の向上、すなわちΔＣを極力大きくするためには、数式５におけるカッコ内の値を大きくすれば良く、そのためには、広域部の間隔ｄ２が狭小部の間隙ｄ１に対して十分に長く取れば良い。しかし、チップサイズの制約より、十分な間隔をとって半導体加速度センサを製造することは困難である。
【００４７】
ここで、対向する可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極１５ａ，１５ｂが形成するコンデンサの容量は、両電極の対向面の間隔に反比例し電極面積に比例する。従って、広域部の間隔ｄ２を変えることなく、各検出部１９，２０の静電容量の変化を大きくするためには、静電容量の大きい狭小部に対して静電容量の小さい広域部の電極面積を小さくしてやれば良い。電極面積は、数式４における有効電極長ｌと電極高さｈ１を掛け合わせたものであるから、有効電極長ｌを固定値とした場合、広域部の電極高さｈ１を小さくすることにより、静電容量の変化を大きくすることができる。そして、第１検出部１９と第２検出部２０とにおいて、可動部６の変位に対する静電容量の変化を大きくしつつ、Ｃ−Ｖ変換回路２２にてそれらの大小異なる方向に変化する静電容量の差に応じた信号を得ることにより、センサ感度を向上することができる。
【００４８】
このように、本実施の形態では、上記数式４における電極面積を構成する要素、すなわち電極高さｈ１を広域部と狭小部とで変化させることにより、センサ感度を向上させる。
【００４９】
ここで、本実施の形態の半導体加速度センサ１のＡ−Ａ断面の断面図を図４（ａ）に、その加速度印加時の状態を図４（ｂ）に示し、Ｂ−Ｂ断面の断面図を図５（ａ）に、その加速度印加時の断面図を図５（ｂ）に示した。
【００５０】
図４（ａ）及び図５（ａ）に示すように、第１検出部１９の両電極１０ａ，１５ａ及び第２検出部２０の両電極１０ｂ，１５ｂ間の間隙がｄ２と広い広域部において、当該広域部を構成する各電極１０ａ，１０ｂ，１５ａ，１５ｂの電極高さをｈ２とすると、第１，２検出部１９，２０において生じる静電容量ＣＳ１，ＣＳ２は次式で示される。
【００５１】
【数６】
ＣＳ１＝ＣＳ２＝ε×ｎ×ｌ（ｈ１／ｄ１＋ｈ２／ｄ２）
尚、本実施の形態において広域部を構成する両電極の電極高さをｈ２に変更する例を示したが、本発明はこの限りではなく、少なくとも一方の電極の電極高さがｈ２に変更されれば良い。
【００５２】
そして、図４（ｂ）に示す矢印の方向に加速度が印加されると、第１検出部１９において、可動電極１０ａが固定電極１５ａ側へ所定量Δｄ変位し、狭小部の間隔はｄ１−Δｄに、広域部の間隔はｄ２＋Δｄに変化する。同様に、図５（ｂ）に示される第２検出部２０においても、第１検出部１９と同様の加速度が印加され、可動電極１０ｂが固定電極１５ｂに対して離反するようにΔｄ変位し、狭小部の間隔がｄ１＋Δｄに、広域部の間隔がｄ２−Δｄに変化する。
【００５３】
上記可動電極１０ａ，１０ｂの変位により、第１，２検出部１９，２０において生じる静電容量ＣＳ１，ＣＳ２も変化するため、両検出部１９，２０における静電容量の差ΔＣ（＝ＣＳ１−ＣＳ２）は次式で示される。
【００５４】
【数７】
ΔＣ＝ε×ｎ×ｌ×２Δｄ（ｈ１／ｄ１２−ｈ２／ｄ２２）
従って、従来の電極構造を有する半導体加速度センサよりもセンサ感度を向上させるためには、数式５と数式７の比較より、
【００５５】
【数８】
ｈ１＞ｈ２
の関係を満たすように各電極１０ａ，１０ｂ，１５ａ，１５ｂの電極高さを加工してやれば良い。尚、加工方法としては、例えば、プラズマエッチング等による可動電極形成時（トレンチ加工時）に、同時に加工されるものとする。
【００５６】
また、ここで数式５に示される従来の電極構造を有する半導体加速度センサの静電容量差ΔＣをΔＣ０とし、数式７に示される本発明の静電容量差ΔＣと比較すると、容量変化率ΔＣ／ΔＣ０は次式により表される。
【００５７】
【数９】
ΔＣ／ΔＣ０＝（Ｘ−ｈ２／ｈ１）／（Ｘ−１）
尚、Ｘ＝ｄ２２／ｄ１２である。
【００５８】
数式９におけるΔＣ／ΔＣ０＝Ｙとしてグラフ化したものを図６に示す。図６は、数式９におけるｈ２／ｈ１の値を変化させたときのＸと容量変化率ΔＣ／ΔＣ０の関係を示したものであり、○が０．２５、△が０．５、◇が０．７５、実線のみが１．０の場合を示す。ｈ２／ｈ１＝１．０の場合、従来構造を示しΔＣ／ΔＣ０＝１．０を示すが、図６に示すように広域部を構成する電極高さｈ２を狭小部の電極高さｈ１より小さくすることにより、容量変化率ΔＣ／ΔＣ０が大きくなり、従来構造の半導体加速度センサよりもセンサ感度が向上することが解かる。
【００５９】
以上より、本実施の形態における半導体加速度センサ１は、両電極間の間隔の広い広域部を構成する可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極１５ａ，１５ｂの電極高さｈ２を、狭小部を構成する両電極の電極高さｈ１より小さくする。それにより、従来よりも静電容量の差ΔＣが大きくなるため、センサ感度を向上させることができる。
【００６０】
尚、本実施の形態においては、広域部を構成する可動電極及び固定電極面の電極高さを小さくすることにより、センサ感度を従来よりも向上させる例を示したが、それ以外にも、広域部を構成する可動電極及び固定電極の有効電極長（両電極の対向する部分の電極長）を短くすることにより、センサ感度を向上させても良い。また、上記電極高さの変更と有効電極長の変更を同時に実施しても良い。
【００６１】
また、本実施の形態においては、複数の広域部全てにおいて、当該広域部を構成する電極の電極高さをｈ２に変更する例を示したが、少なくとも１箇所の広域部において電極高さをｈ２に変更すれば良い。
【００６２】
また、本実施の形態では第２半導体層側の表面からエッチングする構造を図１にて示したが、第１半導体層の裏面（非絶縁層側）からエッチングし、可動電極等のダイヤフラムを形成するタイプにおいても本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）は容量式半導体加速度センサの平面図を示し、（ｂ）は本発明における（ａ）のＡ−Ａ断面の断面図を示す。
【図２】 （ａ）〜（ｃ）は本発明の製造工程を示す工程別断面図である。
【図３】 本発明の半導体加速度センサの等価回路例を示す図である。
【図４】 図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面の断面図を示し、（ａ）は加速度の非印加状態、（ｂ）は加速度印加状態を示す。
【図５】 図１（ａ）におけるＢ−Ｂ断面の断面図を示し、（ａ）は加速度の非印加状態、（ｂ）は加速度印加状態を示す。
【図６】 従来構造と本発明の半導体加速度センサの静電容量変化を示した図である。
【図７】 （ａ）は従来構造の半導体加速度センサのセンサ部平面図を示し、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面の断面図で加速度の非印加状態、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ断面の断面図で加速度印加状態を示す。
【符号の説明】
６・・・可動部、７，８・・・固定部、１０ａ，１０ｂ・・・可動電極、１５ａ，１５ｂ・・・固定電極、１９・・・第１検出部、２０・・・第２検出部、２２・・・Ｃ−Ｖ変換回路、
本発明は容量式力学量センサを有する検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の容量式力学量センサとして、例えば図７（ａ）に示すような容量式半導体加速度センサがある。この加速度センサは、半導体基板１に固定されたアンカ部１３に弾性を有する梁部１２を介して錘部１１が支持されており、錘部１１と一体形成された櫛歯状の可動電極１０ａ，１０ｂを備えた構造を有している。そして、この可動電極１０ａ，１０ｂに対向した櫛歯状の固定電極１５ａ，１５ｂが半導体基板１上に絶縁層３を介して固定電極配線部１６ａ，１６ｂに片持ち支持されている。
【０００３】
加速度の検出に際しては、可動電極用パッド１４及び固定電極用パッド１７ａ，１７ｂに所定の電圧を印加することにより、対となる可動電極１０ａと固定電極１５ａ、及び可動電極１０ｂと固定電極１５ｂ間に夫々静電容量ＣＳ１，ＣＳ２を生じさせる。ここで、図７（ｂ）に示すように、加速度が印加されていない状態における各電極間の間隔について、狭小部の長さをｄ１、広域部の長さをｄ２とすると、各静電容量は次式で示される。
【０００４】
【数１】
ＣＳ１＝ＣＳ２＝ε×ｎ×ｌ×ｈ１（１／ｄ１＋１／ｄ２）
ここで、εは誘電率、ｎは可動電極本数、ｌは有効電極長（可動電極と固定電極の対向する部分の長さ）、ｈ１は電極の高さ（可動電極と固定電極の対向する部分の高さ）であり、各電極の有効電極長ｌと電極高さｈ１は一定とする。尚、図７（ｂ）、（ｃ）は共に図７（ａ）のＡ−Ａ断面におけるセンサ部５の断面図を示す。
【０００５】
そして、このセンサに加速度が印加されると梁部１２が撓み、対向する両電極間の距離が変化する。それに伴い、上記静電容量ＣＳ１，ＣＳ２も変化するため、この時の静電容量の差ΔＣ（ΔＣ＝ＣＳ１−ＣＳ２）を検知することにより加速度を求めることができる。
【０００６】
図７（ｃ）に矢印で示す方向に加速度が印加され、可動電極１０ａ，１０ｂが矢印方向にΔｄ変位したとすると、数式１よりＡ−Ａ断面の狭小部はより狭く、広域部はより広くなり、全体としてＣＳ１の値が大きくなる。又図示されないＢ−Ｂ断面においては、狭小部が広く、広域部が狭くなり、全体としてＣＳ２の値は減少する。従って静電容量の差ΔＣは大きくなる。尚、この場合広域部の間隔ｄ２は、狭小部の間隔ｄ１に対して十分に広いものである。
【０００７】
ここで、数式１にΔｄを導入することにより、静電容量の差ΔＣは次式で表す事ができる。
【０００８】
【数２】
ΔＣ＝ε×ｎ×ｌ×ｈ１×２Δｄ（１／ｄ１２−１／ｄ２２）
但し、数式２においてΔｄ２＝０として扱われる。尚、図７（ａ）と図７（ｃ）の加速度の印加方向（矢印）は対応しており、数式２では図示されないＢ−Ｂ断面についてもＡ−Ａ断面同様考慮されている。
【０００９】
センサ感度を向上させるためには、少しの加速度で大きな静電容量の変化が得られれば良く、すなわち、数式２におけるΔＣを大きくすれば良い。そのためには、間隔の広い広域部の長さｄ２を狭い狭小部の長さｄ１に対して十分に広くすることで、ΔＣを増大させることができ、センサの感度を向上できることが数式２からもわかる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際のセンサ構造として、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極１５ａ，１５ｂが構成する間隔の内、広域部における電極間距離ｄ２を十分に広く取ろうとしても、製品として使用する際のチップサイズの制約から、十分に広くとれないため、電極間距離の調整ではセンサ感度の向上を図ることが困難であった。
【００１１】
本発明は上記問題点に鑑み、従来よりもセンサ感度を向上した容量式力学量センサ、その製造方法、及び容量式力学量センサを有する検出装置を提供することを目的とする。
【００１２】
上記目的を達成する為に、請求項１に記載の容量式力学量センサを有する検出装置は、半導体基板に支持され、検出対象となる力学量の印加に応じて変位する錘部と、錘部の両側面から当該錘部と直交する方向へ一体的に突出する可動電極と、半導体基板に支持され、可動電極と対向しつつ可動電極との間で所定の狭い間隔である狭小部と、所定の広い間隔である広域部を形成する固定電極とを有し、錘部の一方の側面から突出する可動電極と当該可動電極に対向する固定電極とにより第１検出部が構成され、錘部の他方の側面から突出する可動電極と当該可動電極に対向する固定電極とにより第２検出部が構成され、力学量の印加に伴う可動電極の変位に対して、それぞれの検出部で狭小部の間隔と広域部の間隔とが互いに相反するように変化し、且つ、両検出部における狭小部同士の間隔と広域部同士の間隔がそれぞれ互いに相反するように変化する容量式力学量センサと、力学量の印加に伴い、第１検出部及び第２検出部の各静電容量が変化した際、その静電容量の差に応じた検出信号を出力する検出回路と、を備えている。そして広域部を形成する可動電極及び固定電極の少なくとも一方の対向面における電極面積を、狭小部を形成する可動電極及び固定電極の対向面の電極面積よりも小さくしたことを特徴とする。
【００１３】
このように本発明によれば、間隔が広い広域部を構成している可動電極と固定電極の両電極面において、少なくとも一方の電極の対向面の電極面積を狭小部を形成する両電極の対向面の電極面積よりも小さくする。それにより、広域部を形成している可動電極及び固定電極の電極間の静電容量をより小さくすることができる。また、可動電極の変位に対して、第１検出部と第２検出部とでは、狭小部の間隔及び広域部の間隔が互いに相反して変化する。すなわち、力学量が印加されると、一方の検出部では狭小部の間隔が狭く、広域部の間隔が広くなり、他方の検出部では狭小部の間隔が広く、広域部の間隔が狭くなる。したがって、夫々の検出部において、大小異なる方向に変化する静電容量の変化を大きくすることができる。そして、検出回路によって、第１検出部及び第２検出部の静電容量の差に応じた検出信号を得ることにより、力学量の検出感度を向上することができる。
【００１４】
請求項２に記載のように、広域部を形成する可動電極及び固定電極の少なくとも一方の対向面の電極高さを、狭小部を形成する可動電極及び固定電極の対向面の電極高さよりも低くすることが好ましい。このように、広域部を形成する可動電極及び固定電極の少なくとも一方の対向面の電極面積を、その対向面の電極高さを低くすることにより減少させる場合、可動電極及び固定電極の有効電極長全体に渡って、電極面積の減少効果を発揮させることができるので、静電容量の減少に対して効果が大きい。尚、静電容量の一層の低減を図るためには、可動電極及び固定電極の両電極の電極高さを低くすることが好ましい。
【００１５】
請求項３に記載のように、第１検出部と第２検出部が互いに同数の狭小部と広域部を有する構成としても良い。
【００１６】
このように、錘部の両側面から突出する可動電極に対して、夫々固定電極が対向形成されおり、第１，２検出部には狭小部と広域部が同数形成されている。従って、力学量が印加していない状態では、第１検出部の静電容量と第２検出部の静電容量が等しく、静電容量の差は０となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。本実施の形態は容量式力学量センサにおいて、センサ感度の向上を図ることを目的としたものである。
（第１の実施の形態）
図１（ａ）は、容量式力学量センサとしての半導体加速度センサの一例を示す平面図であり、図１（ｂ）は本実施の形態の特徴を示す図１（ａ）のＡ−Ａ断面の断面図を示す。
【００２０】
半導体加速度センサは、図１（ｂ）に示すように例えば単結晶シリコンからなる第１半導体層１と第２半導体層２との間に、犠牲層としての例えば酸化シリコンからなる絶縁層３が形成されてなるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板４に対して、半導体製造技術を利用した周知のマイクロマシニング技術により、センサ部５を形成することにより構成される。尚、本発明における半導体基板とは第１半導体層１を意味する。
【００２１】
センサ部５は、第２半導体層２から形成された可動部６と一対の固定部７，８、及びこれらを取り囲む周囲部９から構成されており、可動部６、固定部７，８、及び周囲部９の間には所定の間隙が設けられ、相互に絶縁されている。
【００２２】
可動部６は、可動電極１０ａ，１０ｂ、錘部１１、梁部１２、アンカ１３、可動電極用パッド１４から構成され、加速度が作用する質量部としての錘部１１の両端に、四角枠形状の梁部１２を介して絶縁層３と接続するアンカ１３に連結した構造となっている。可動電極１０ａ，１０ｂは、錘部１１の両側面から錘部１１の長手方向と直交するように突出して一体形成され、例えば図１（ａ）で示すように夫々の側面に４個ずつ設けられる。この可動電極１０ａ，１０ｂ、錘部１１、梁部１２の直下は、第２半導体層２の表面側から例えば選択的プラズマエッチングにより絶縁層３表面の第２半導体層２がエッチングされ中空部が存在する。また錘部１１に連結した梁部１２は、その長手方向と直交する方向に変位するばね機能を有しているため半導体加速度センサが図１中の矢印方向の成分を含む加速度を受けると、錘部１１及び可動電極１０ａ，１０ｂを矢印方向に変位させると共に、加速度の消失により元の位置に戻すことができる。
【００２３】
また、可動部６における一方のアンカ１３の所定の位置に、後述するＣ−Ｖ変換回路に接続される可動電極用パッド１４が連結形成されている。
【００２４】
固定部７は、固定電極１５ａ，１５ｂ、固定電極配線部１６ａ，１６ｂ及び固定電極用パッド１７ａ、１７ｂをその表面に形成したアンカ部１８ａ，１８ｂからなる。固定電極配線部１６ａ，１６ｂは錘部１１と平行に配置される。この固定電極配線部１６ａ，１６ｂから延びる固定電極１５ａ，１５ｂは、錘部１１の両側面から突出する可動電極１０ａ，１０ｂに対して、夫々所定の検出間隔を有し平行した状態で対向配置される。また、固定電極配線部１６ａ，１６ｂ及びアンカ部１８ａ，１８ｂは、絶縁層３を介して半導体基板１上に固定され、固定電極１５ａ，１５ｂは片持ち支持されている。尚、本実施の形態では、図１（ａ）で示すように可動電極１０ａ，１０ｂと同数の片側４本ずつの固定電極１５ａ，１５ｂが設けられており、可動電極１０ａと固定電極１５ａにより構成される部位を第１検出部１９、可動電極１０ｂと固定電極１５ｂとにより構成される部位を第２検出部２０とする。
【００２５】
この際、加速度が印加されていない状態で、第１検出部１９を構成する両電極１０ａ，１５ａは、その電極間の間隔が短い距離ｄ１の狭小部と長い距離ｄ２の広域部とが交互になるように構成されている。また、同様に第２検出部２０を構成する両電極１０ｂ，１５ｂも、その電極間の間隔が第１検出部１９と同様に短い距離ｄ１の狭小部と長い距離ｄ２の広域部とが交互になるように構成されている。そして、図１（ａ）に示すように、第１，２検出部では可動電極１０ａ，１０ｂに対向する固定電極１５ａ，１５ｂの配置が異なり、錘部１１に対して同じ箇所から両側面に突出している可動電極１０ａ，１０ｂを中心線とすると、その両可動電極１０ａ，１０ｂに対向する固定電極１５ａ，１５ｂは中心線を挟んで線対称の位置に形成される。従って、矢印の方向に加速度が印加されると、第１検出部１９の両電極１０ａ，１５ａ間の間隙については、狭小部のｄ１が減少を、広域部のｄ２が増加を示し、第２検出部２０の両電極１０ｂ，１５ｂ間の間隙については、狭小部のｄ１が増加を、広域部のｄ２が減少を示すこととなる。
【００２６】
また、固定電極配線部１６ａ，１６ｂの所定の位置には、後述するＣ−Ｖ変換回路に接続される固定電極用パッド１７ａ，１７ｂが形成されている。
【００２７】
上記のように構成された半導体加速度センサにおいて、可動部６が検出方向である矢印方向の加速度を受けると、錘部１１が矢印方向に変位し、それに伴って可動電極１０ａ，１０ｂも変位するため、可動電極１０ａ，１０ｂとそれに対向配置された固定電極１５ａ，１５ｂとの間の間隔が増減することとなる。
【００２８】
ここで、上記構成の半導体加速度センサの製造方法の概略を図２（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。尚、図２（ａ）〜（ｃ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面における工程別断面図である。
【００２９】
先ず、基板として図２（ａ）に示されるＳＯＩ基板４が準備される。このＳＯＩ基板４は、単結晶シリコンからなる第１半導体層１を半導体基板として、その上に絶縁層３であるシリコン酸化膜を介して第２半導体層として単結晶シリコン薄膜を設けた構造となっている。
【００３０】
そして、図示されない各電極用パッド１４，１７ａ，１７ｂを第２半導体基板２上に形成する。例えば、第２半導体層２上の全面に所定の導電性の良い金属を所定の膜厚となるよう蒸着し、その後フォトリソグラフィ及びエッチング技術を用いて所定の形状にパターニングすることにより、各電極用パッド１４，１７ａ，１７ｂを形成する。金属としては、例えばＣｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ等が用いられる。
【００３１】
次いで、図２（ｂ）に示されるように、各電極１０ａ，１５ａ等を形成するためのマスク２１を形成する。すなわち第２半導体層２上の所定の範囲に、両電極間の間隔等必要な部分が開口したマスク２１をフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて形成する。マスク２１としては、例えばシリコン窒化膜、シリコン酸化膜、メタルマスク、及びレジスト等が用いられる。
【００３２】
マスク２１形成後、図２（ｃ）に示すように、マスク２１の開口部分が例えばプラズマエッチングにより選択的にエッチングされ、絶縁層３の表面まで第２半導体層２が除去され、各電極１０ａ，１５ａ下の第２半導体層２も除去されるとともに併せて広域部を形成している両電極１０ａ，１５ａの対向面の電極面積も小さくなるように加工される。従って、可動部６の可動電極１０ａ，１０ｂ、錘部１１、梁部１２が可動可能となる。
【００３３】
そして、最後にマスク２１の除去がなされ、ダイシングにより１つのセンサチップ毎に切り分けられ、半導体加速度センサのセンサチップが完成する。尚、本例ではＡ−Ａ断面の例を示したが、Ｂ−Ｂ断面も同様な工程により各部位が形成される。
【００３４】
次に、本実施の形態における半導体加速度センサの検出回路の一例を図３に示す。本センサ１における回路手段は、Ｃ−Ｖ変換回路（スイッチドキャパシタ回路）２２を有し、当該Ｃ−Ｖ変換回路２２は、第１検出部１９を構成する両電極１０ａ，１５ａからなる静電容量ＣＳ１と、第２検出部２０を構成する両電極１０ｂ，１５ｂからなる静電容量ＣＳ２との両静電容量の変化を電圧に変換して出力するもので、演算増幅器２３、コンデンサ２４、及びスイッチ２５から構成されている。
【００３５】
演算増幅器２３の反転入力端子は、可動電極用パッド１４を介して可動電極１０ａ，１０ｂに接続されており、反転入力端子と出力端子と間には、コンデンサ２４及びスイッチ２５が並列に接続されている。また、演算増幅器２３の非反転入力端子には、図示しない電圧源からＶｃｃ／２の電圧が入力されている。
【００３６】
また、回路手段は図示しない制御回路を有しており、この制御回路は一方の固定電極パッド１７ａから一定振幅Ｖｃｃで周期的に変化する第１搬送波を第１検出部１９の固定電極１５ａに入力し、他方の固定電極パッド１７ｂから、第１搬送波と位相が１８０°ずれ且つ同一振幅Ｖｃｃである第２搬送波を第２検出部２０の固定電極１７ｂに入力する。
【００３７】
従って、加速度が印加されていない場合には、第１，２検出部１９，２０の夫々の電位差は、共にＶｃｃ／２となり、第１検出部１９の静電容量ＣＳ１と第２検出部２０の静電容量ＣＳ２とが略等しくなる。また、Ｃ−Ｖ変換回路２２において、スイッチ２５は第１，２搬送波の周期に併せて所定の周期をもって開閉がなされ、スイッチ２５が開の時、加速度検出が行われる。この際、Ｃ−Ｖ変換回路２２からの出力電圧Ｖｏｕｔは次式で示される。
【００３８】
【数３】
Ｖｏｕｔ＝（ＣＳ１−ＣＳ２）×Ｖｃｃ／Ｃｆ
尚、Ｃｆはコンデンサ２４の静電容量である。
【００３９】
加速度が印加されると、第１，２検出部１９，２０の静電容量ＣＳ１，ＣＳ２のバランスが変化し、数式３の静電容量の差（ＣＳ１−ＣＳ２）に応じた電圧Ｖｏｕｔが出力される。そして、この出力Ｖｏｕｔは、図示されない増幅回路やローパスフィルタ等により信号処理され、加速度検出信号として検出される。尚、演算増幅器２３の非反転入力端子には、図示しない電圧源からＶｃｃ／２の電圧が入力されているが、Ｖｃｃ／２とは異なる電圧Ｖ１を設け、図示されないスイッチにより、第１，２搬送波の周期に応じた所定のタイミングでＶ１に切り替えることにより、可動電極１０ａ，１０ｂを強制的に変位させる自己診断機能を持たせても良い。
【００４０】
次に、上記構成に基づき、本実施の形態のセンサ部５の詳細を、従来例を示した図７（ｂ），（ｃ）と共に、図４（ａ），（ｂ）及び図５（ａ），（ｂ）を用いて説明する。尚、図７（ｂ）は従来構造のセンサにおいて図７（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示したものであり、図７（ｃ）は図７（ｂ）に加速度が印加された状態を示す図である。図４（a）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面の断面図を示し、図４（ｂ）は図４（ａ）において加速度が印加された状態を示す図である。図５（ａ）は図１（ａ）におけるＢ−Ｂ断面の断面図を示し、図５（ｂ）は図５（ａ）において加速度が印加された状態を示す図である。また、従来例のセンサ構造は、便宜上、一部電極厚を除いて本実施例と同じとする。
【００４１】
従来、図７（ｂ）に示すように半導体加速度センサのＡ−Ａ断面すなわち第１検出部１９は、可動電極１０ａと固定部７の固定電極１５ａにより構成されており、可動電極１０ａと固定電極１５ａの電極間は、間隔の狭い狭小部ｄ１と間隔の広い広域部ｄ２とが交互になるように形成されている。尚、図示されないが、Ｂ−Ｂ断面すなわち第２検出部２０も第１検出部１９同様、可動電極１０ｂと固定電極１５ｂの電極間は、間隔の狭い狭小部ｄ１と間隔の広い広域部ｄ２とが交互になるように形成されている。
【００４２】
ここで、全ての電極における電極高さ（可動電極と固定電極の対向面の高さ）をｈ１で一定とすると、第１検出部１９を構成する両電極１０ａ，１５ａ間に生じる静電容量ＣＳ１、及び第２検出部２０を構成する両電極１０ｂ，１５ｂ間に生じる静電容量ＣＳ２は、次式により示される。
【００４３】
【数４】
ＣＳ１＝ＣＳ２＝ε×ｎ×ｌ×ｈ１（１／ｄ１＋１／ｄ２）
但し、εは誘電率、ｎは各断面における可動電極本数、ｌは有効電極長（可動電極と固定電極の対向する部分の長さ）である。加速度の印加が無い場合、静電容量の差ΔＣは０である。
【００４４】
次に、図７（ｂ）に示されるように矢印方向に加速度が印加され、それに伴い第１検出部１９の可動電極１０ａがΔｄ変位したとすると、狭小部の間隔がｄ１−Δｄ、広域部の間隔がｄ２＋Δｄとなる。このとき図示されない第２検出部２０においても同様に可動電極１０ｂがΔｄ変位し、狭小部の間隔がｄ１＋Δｄ、広域部の間隔がｄ２−Δｄとなる。そして、第１，２検出部での各間隙の変化に対応して数式４で示される静電容量ＣＳ１，ＣＳ２も変化する。この時の静電容量の差ΔＣ（ΔＣ＝ＣＳ１−ＣＳ２）を検知することにより加速度を求めることができる。ΔＣは次式で表される。
【００４５】
【数５】
ΔＣ＝ε×ｎ×ｌ×ｈ１×２Δｄ（１／ｄ１２−１／ｄ２２）
但し、数式２においてΔｄ２＝０として扱われる。
【００４６】
従って、従来構造の半導体加速度センサにおいて、センサ感度の向上、すなわちΔＣを極力大きくするためには、数式５におけるカッコ内の値を大きくすれば良く、そのためには、広域部の間隔ｄ２が狭小部の間隙ｄ１に対して十分に長く取れば良い。しかし、チップサイズの制約より、十分な間隔をとって半導体加速度センサを製造することは困難である。
【００４７】
ここで、対向する可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極１５ａ，１５ｂが形成するコンデンサの容量は、両電極の対向面の間隔に反比例し電極面積に比例する。従って、広域部の間隔ｄ２を変えることなく、各検出部１９，２０の静電容量の変化を大きくするためには、静電容量の大きい狭小部に対して静電容量の小さい広域部の電極面積を小さくしてやれば良い。電極面積は、数式４における有効電極長ｌと電極高さｈ１を掛け合わせたものであるから、有効電極長ｌを固定値とした場合、広域部の電極高さｈ１を小さくすることにより、静電容量の変化を大きくすることができる。そして、第１検出部１９と第２検出部２０とにおいて、可動部６の変位に対する静電容量の変化を大きくしつつ、Ｃ−Ｖ変換回路２２にてそれらの大小異なる方向に変化する静電容量の差に応じた信号を得ることにより、センサ感度を向上することができる。
【００４８】
このように、本実施の形態では、上記数式４における電極面積を構成する要素、すなわち電極高さｈ１を広域部と狭小部とで変化させることにより、センサ感度を向上させる。
【００４９】
ここで、本実施の形態の半導体加速度センサ１のＡ−Ａ断面の断面図を図４（ａ）に、その加速度印加時の状態を図４（ｂ）に示し、Ｂ−Ｂ断面の断面図を図５（ａ）に、その加速度印加時の断面図を図５（ｂ）に示した。
【００５０】
図４（ａ）及び図５（ａ）に示すように、第１検出部１９の両電極１０ａ，１５ａ及び第２検出部２０の両電極１０ｂ，１５ｂ間の間隙がｄ２と広い広域部において、当該広域部を構成する各電極１０ａ，１０ｂ，１５ａ，１５ｂの電極高さをｈ２とすると、第１，２検出部１９，２０において生じる静電容量ＣＳ１，ＣＳ２は次式で示される。
【００５１】
【数６】
ＣＳ１＝ＣＳ２＝ε×ｎ×ｌ（ｈ１／ｄ１＋ｈ２／ｄ２）
尚、本実施の形態において広域部を構成する両電極の電極高さをｈ２に変更する例を示したが、本発明はこの限りではなく、少なくとも一方の電極の電極高さがｈ２に変更されれば良い。
【００５２】
そして、図４（ｂ）に示す矢印の方向に加速度が印加されると、第１検出部１９において、可動電極１０ａが固定電極１５ａ側へ所定量Δｄ変位し、狭小部の間隔はｄ１−Δｄに、広域部の間隔はｄ２＋Δｄに変化する。同様に、図５（ｂ）に示される第２検出部２０においても、第１検出部１９と同様の加速度が印加され、可動電極１０ｂが固定電極１５ｂに対して離反するようにΔｄ変位し、狭小部の間隔がｄ１＋Δｄに、広域部の間隔がｄ２−Δｄに変化する。
【００５３】
上記可動電極１０ａ，１０ｂの変位により、第１，２検出部１９，２０において生じる静電容量ＣＳ１，ＣＳ２も変化するため、両検出部１９，２０における静電容量の差ΔＣ（＝ＣＳ１−ＣＳ２）は次式で示される。
【００５４】
【数７】
ΔＣ＝ε×ｎ×ｌ×２Δｄ（ｈ１／ｄ１２−ｈ２／ｄ２２）
従って、従来の電極構造を有する半導体加速度センサよりもセンサ感度を向上させるためには、数式５と数式７の比較より、
【００５５】
【数８】
ｈ１＞ｈ２
の関係を満たすように各電極１０ａ，１０ｂ，１５ａ，１５ｂの電極高さを加工してやれば良い。尚、加工方法としては、例えば、プラズマエッチング等による可動電極形成時（トレンチ加工時）に、同時に加工されるものとする。
【００５６】
また、ここで数式５に示される従来の電極構造を有する半導体加速度センサの静電容量差ΔＣをΔＣ０とし、数式７に示される本発明の静電容量差ΔＣと比較すると、容量変化率ΔＣ／ΔＣ０は次式により表される。
【００５７】
【数９】
ΔＣ／ΔＣ０＝（Ｘ−ｈ２／ｈ１）／（Ｘ−１）
尚、Ｘ＝ｄ２２／ｄ１２である。
【００５８】
数式９におけるΔＣ／ΔＣ０＝Ｙとしてグラフ化したものを図６に示す。図６は、数式９におけるｈ２／ｈ１の値を変化させたときのＸと容量変化率ΔＣ／ΔＣ０の関係を示したものであり、○が０．２５、△が０．５、◇が０．７５、実線のみが１．０の場合を示す。ｈ２／ｈ１＝１．０の場合、従来構造を示しΔＣ／ΔＣ０＝１．０を示すが、図６に示すように広域部を構成する電極高さｈ２を狭小部の電極高さｈ１より小さくすることにより、容量変化率ΔＣ／ΔＣ０が大きくなり、従来構造の半導体加速度センサよりもセンサ感度が向上することが解かる。
【００５９】
以上より、本実施の形態における半導体加速度センサ１は、両電極間の間隔の広い広域部を構成する可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極１５ａ，１５ｂの電極高さｈ２を、狭小部を構成する両電極の電極高さｈ１より小さくする。それにより、従来よりも静電容量の差ΔＣが大きくなるため、センサ感度を向上させることができる。
【００６０】
尚、本実施の形態においては、広域部を構成する可動電極及び固定電極面の電極高さを小さくすることにより、センサ感度を従来よりも向上させる例を示したが、それ以外にも、広域部を構成する可動電極及び固定電極の有効電極長（両電極の対向する部分の電極長）を短くすることにより、センサ感度を向上させても良い。また、上記電極高さの変更と有効電極長の変更を同時に実施しても良い。
【００６１】
また、本実施の形態においては、複数の広域部全てにおいて、当該広域部を構成する電極の電極高さをｈ２に変更する例を示したが、少なくとも１箇所の広域部において電極高さをｈ２に変更すれば良い。
【００６２】
また、本実施の形態では第２半導体層側の表面からエッチングする構造を図１にて示したが、第１半導体層の裏面（非絶縁層側）からエッチングし、可動電極等のダイヤフラムを形成するタイプにおいても本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）は容量式半導体加速度センサの平面図を示し、（ｂ）は本発明における（ａ）のＡ−Ａ断面の断面図を示す。
【図２】 （ａ）〜（ｃ）は本発明の製造工程を示す工程別断面図である。
【図３】 本発明の半導体加速度センサの等価回路例を示す図である。
【図４】 図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面の断面図を示し、（ａ）は加速度の非印加状態、（ｂ）は加速度印加状態を示す。
【図５】 図１（ａ）におけるＢ−Ｂ断面の断面図を示し、（ａ）は加速度の非印加状態、（ｂ）は加速度印加状態を示す。
【図６】 従来構造と本発明の半導体加速度センサの静電容量変化を示した図である。
【図７】 （ａ）は従来構造の半導体加速度センサのセンサ部平面図を示し、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面の断面図で加速度の非印加状態、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ断面の断面図で加速度印加状態を示す。
【符号の説明】
６・・・可動部、７，８・・・固定部、１０ａ，１０ｂ・・・可動電極、１５ａ，１５ｂ・・・固定電極、１９・・・第１検出部、２０・・・第２検出部、２２・・・Ｃ−Ｖ変換回路、
Claims (3)
- 半導体基板に支持され、検出対象となる力学量の印加に応じて変位する錘部と、前記錘部の両側面から当該錘部と直交する方向へ一体的に突出する可動電極と、前記半導体基板に支持され、前記可動電極と対向しつつ前記可動電極との間で所定の狭い間隔である狭小部と、所定の広い間隔である広域部を形成する固定電極とを有し、
前記錘部の一方の側面から突出する前記可動電極と当該可動電極に対向する前記固定電極とにより第１検出部が構成され、前記錘部の他方の側面から突出する前記可動電極と当該可動電極に対向する前記固定電極とにより第２検出部が構成され、前記力学量の印加に伴う前記可動電極の変位に対して、それぞれの前記検出部で前記狭小部の間隔と前記広域部の間隔とが互いに相反するように変化し、且つ、両検出部における前記狭小部同士の間隔と前記広域部同士の間隔がそれぞれ互いに相反するように変化する容量式力学量センサと、
前記力学量の印加に伴い、前記第１検出部及び前記第２検出部の各静電容量が変化した際、その静電容量の差に応じた検出信号を出力する検出回路と、を備えた容量式力学量センサを有する検出装置であって、
前記広域部を形成する前記可動電極及び前記固定電極の少なくとも一方の対向面における電極面積を、前記狭小部を形成する前記可動電極及び前記固定電極の対向面の電極面積よりも小さくしたことを特徴とする容量式力学量センサを有する検出装置。 - 前記広域部を形成する前記可動電極及び前記固定電極の少なくとも一方の対向面の電極高さを、前記狭小部を形成する前記可動電極及び前記固定電極の対向面の電極高さよりも低くしたことを特徴とする請求項１に記載の容量式力学量センサを有する検出装置。
- 前記第１検出部及び前記第２検出部は、同数の前記狭小部と前記広域部を有していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の容量式力学量センサを有する検出装置。
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