JP4555612B2 - 容量型力学量センサ - Google Patents
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Description
この発明は、加速度、角速度といった力学的物理量を、容量変化として検出する容量型力学量センサに関する。特に、半導体製造プロセスにより製造された容量型力学量センサに関する。
従来より、外部から加わる加速度や角速度により変位する錘やその錘を支持する梁を半導体基板内に形成し、錘からなる可動電極に対し微小間隔を隔てて形成された固定電極との静電容量変化を検出する静電容量型力学量センサが知られている（例えば、特許文献１参照））。図９にその概略図を示す。このセンサでは、錘９１と梁９２を微細加工で半導体基板９３内に作製し、両面から上側基板９４、下側基板９５で接合し封止している。こうした静電容量型のセンサは、錘を可動電極として機能させる為に、固定電極９８の一部を半導体基板９３にコンタクトさせ、錘の電位を制御している。図１０にそのコンタクト部の概略図を示す。硝子上に積層された固定電極９８の一部を、半導体基板９３との接合領域まで形成し、接合により半導体基板９３と接触させている。この接触部であるコンタクト部９９により、半導体基板内に形成された錘９１の電位を制御することが可能となる（例えば、特許文献１参照。）。
特開平８−９４６６６号公報
しかしながら、従来、以下の課題がある。
図１０に示すように、固定電極９８の厚みによって、コンタクト部９９の周囲に、硝子と半導体基板が接触しない領域１００が発生し、大きな接合不良を起こす。この接合不良は、空気漏れ等を起こす原因となり、デバイスの信頼性をを低下させる。また、周囲の接合不良を見越して予め接合領域を大きく設計することにより、信頼性の低下を防ぐことは可能となるが、チップサイズが大きくなり、コストアップに繋がる。
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、加速度、角速度といった力学的物理量を、半導体プロセスを用いて製造する構造体が変位することによる容量変化を検出する容量型力学量センサに関するものである。
梁により支持され、外部より印加される加速度や角速度といった力学量により変位する錘を有する半導体基板と、錘に対向する位置に微小隙間を隔てて配置した固定電極、及び半導体基板の一部と接する基板電極を積層させた硝子基板と、から成り、錘の変位により、固定電極の容量変化から力学量を測定する容量型力学量センサにおいて、半導体基板内の基板電極と接する領域において、接する面積以上の大きさを有する凹みを形成することを特徴としている。
また、凹みが基板電極の厚みより浅いことを特徴としている。
また、凹み内に、基板電極と接するコンタクト電極を形成している。
また、凹みが基板電極の厚みより深く、且つコンタクト電極と基板電極の厚みの和が、凹みの深さより大きいことを特徴としている。
また、コンタクト電極の一部に、複数の溝、若しくは複数の穴が形成されていることを特徴としている。
また、複数の溝、若しくは複数の穴が等間隔に配置されていることを特徴としている。
また、凹み内に、コンタクト電極が複数存在する。
また、複数のコンタクト電極が等間隔に配置されている。
また、コンタクト電極が隣合うコンタクト電極と略同電位である。
また、コンタクト電極が隣合うコンタクト電極とコンタクト電極と同材料で接続されている。
また、コンタクト電極がアルミニウムを含む。
従って、基板電極と半導体基板とのコンタクトが凹み内で行われる為、周囲の接合不良を回避でき、信頼性を向上できる。また、接合領域を増やす必要も無く、低コスト化に適している。
接合する硝子上に積層した基板電極を通して半導体基板の電位を制御する静電容量型力学量センサにおいて、半導体基板内に凹みを形成し、その凹み内で基板電極と接する構造を採用することより、その周囲での接合不良を回避できる為、信頼性に優れ、低コスト化に適した力学量センサを供給できる。
以下、本発明の力学量センサを代表して角速度センサを例にあげ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
まず、本発明の実施例１に係わる容量型力学量センサの断面図を図１に示す。本力学量センサは、上部硝子基板1、シリコン基板2及び下部硝子基板３の３層構造をしており、それら３基板を接合して構造体を作製する。半導体（シリコン）基板2内には、エッチングにより梁4と錘5を有した振動体が形成されており、外部より加わる力により、振動体（梁４と錘５）は、振動したり、捩れたりする。梁４の厚み、幅、長さ、及び錘５の厚み、面積等の形状は、任意のバネ定数及び共振周波数が得られるよう、設計される。また、半導体基板２に形成された、梁４及び錘５と、それぞれ対向する上下硝子基板１，３との間には、微小隙間６、７が存在する。振動体（梁４と錘５）は、半導体基板２の外周部に、梁４を介して接続している。外部からの力により、錘５を支持する梁４が撓み、錘５は、微小隙間６、７内で移動する。
振動体（梁４と錘５）を形成したシリコン基板２を上下より挟み込む上下硝子基板１、３の一部には、貫通穴８が形成され、これら貫通穴８を通して、上下硝子１，３の内側に形成した電極を外側に引き出す構造をしている。貫通穴８の外側には、導電性材料９が積層されており、硝子内（微小隙間６，７）は封止される。上下硝子基板１，３の内側に形成された励起用固定電極１０、検出用固定電極１１及び基板電極１２は、貫通穴８の側壁に形成した配線を通し、この導電性材料９から外へ取り出している。
振動体（梁４と錘５）を形成したシリコン基板２を上下より挟み込む上下硝子基板１、３の一部には、貫通穴８が形成され、これら貫通穴８を通して、上下硝子１，３の内側に形成した電極を外側に引き出す構造をしている。貫通穴８の外側には、導電性材料９が積層されており、硝子内（微小隙間６，７）は封止される。上下硝子基板１，３の内側に形成された励起用固定電極１０、検出用固定電極１１及び基板電極１２は、貫通穴８の側壁に形成した配線を通し、この導電性材料９から外へ取り出している。
実施例１に係わる容量型力学量センサは、例えば、特許文献２に記載のセンサと同様の原理により動作する。ここではその動作原理を以下で簡単に説明する。上側硝子基板１と下側硝子基板３の内面側に設けた励起用固定電極１０に交流電圧を印加させ、グランド（接地）に保持した可動電極となる振動体（梁４と錘５）との間に働く静電力により振動体（梁４と錘５）を上下振動させる。このようにｚ軸方向に速度が与えられた振動体（梁４と錘５）に、ｙ軸周りの角速度が加わると、ｘ軸方向にそれらのベクトル積のコリオリ力が与えられ、図２に示すように、梁４が撓む。上側硝子基板１と下側硝子基板３の内面側には、検出用固定電極１１を設けてあり、梁４の撓みによる錘５の傾きから、検出用固定電極１１と可動電極となる錘５との間の容量に変化が生じ、この容量変化から角速度の大きさを検出する。
ここで、図３に、本発明の実施例１に係わる容量型力学量センサにおける、シリコン基板と硝子上の電極のコンタクト部を説明した概略図の一例を示す。シリコン基板２内には、上部硝子基板１の表面に形成した基板電極１２が重なる領域に、凹み３１が形成してある。凹み３１の深さは基板電極１２の厚みより浅く、基板電極１２は凹み３１の内側でシリコン基板２と接する。基板電極１２は、シリコン基板２と接する体積分だけ、上部硝子基板に水平な方向に移動するが、凹み３１の底面積が、シリコン基板２と基板電極１２の接する面積より大きい為、移動した基板電極１２は凹み３１内に収まる。よって、基板電極１２の厚みによる接合不良は、凹み３１の周囲では起こらない。従って、容量型力学量センサの信頼性を向上することが可能となる。
図４は、本発明の実施例２に係わる容量型力学量センサにおける、シリコン基板と硝子上電極のコンタクト部を説明した概略図の一例である。凹み３１内には、コンタクト電極４１が形成してあり、コンタクト電極４１が基板電極１２と接することにより、半導体基板の電位コンタクトを確保する。凹み３１の深さからコンタクト電極４１の厚みを引いた値より基板電極１２の厚みを厚く設定し、基板電極１２とコンタクト電極４１を接触させる。図５、図６、図７に、コンタクト領域の平面概略図を示す。
図５のように、凹み３１内には、基板電極１２と重なる位置にコンタクト電極４２が形成される。コンタクト電極４２と重なった基板電極１２が接合領域に侵入しないよう、凹み３１内におけるコンタクト電極４２の周囲には、移動した電極を収めるスペースが確保してある。
同様に、図６では、移動した基板電極の一部が収まる溝６１がコンタクト電極内に形成してある。溝６１の幅をコンタクト電極４２の幅より狭く設定することにより、確実にコンタクトが得られる。移動する電極の一部が溝に収まる為、コンタクト電極４２の周囲に移動する電極が比較的少なくなる。よって、凹み３１の領域を縮小することが可能となり、チップサイズの縮小が可能となる。なお、図６では、コンタクト電極４２内に溝６１の場合を示したが、溝に限らず、丸形状や四角形状、若しくは楕円形状の穴であっても勿論構わない。
また、図７のように、コンタクト電極が複数個存在しても構わない。その場合、基板電極１２の幅方向に関しては、隣合うコンタクト電極間の距離を基板電極１２の幅より狭く設定することにより、コンタクト電極と基板電極間で多少の位置ずれが生じた場合でも、必ずコンタクトを取ることが可能となる。このような構造においても、接触により移動する基板電極は、各コンタクト電極の周囲に移動するスペースが確保されている為、接合不良を起すこと無く、且つ凹み領域の縮小が可能となる。従って、接合における信頼性を向上させ、しかも小型化に適した容量型力学量センサの作製が可能となる。
また、図８に示すように、コンタクト電極７１が隣合うコンタクト電極間で接続部８１を通し接続させても構わない。隣合うコンタクト電極同士が接続されている場合、基板電極１２がコンタクト電極７１のどれか１つに接続すれば、接続部８１を介して接続されたコンタクト電極７１全てが同電位となる。従って、シリコン基板２と硝子基板との接合において、多少の位置ずれがあったとしても、基板電極１２がコンタクト電極７１のどれか一つに接していれば、常に安定したコンタクト抵抗を得ることが可能となる。ここで、接続部８１は、コンタクト電極７１と同材料で形成することにより、製造コストを上げることなく作製可能である。また、コンタクト電極７１及び接続部８１は、塑性変形を起しやすく、生産コストの低いアルミニウムを含む金属が適切な材料であるが、金、銀、チタン、クロム等の金属や不純物を注入されたシリコン等の導電性材料を用いても勿論構わない。
ここで、実施例１、２において角速度センサを例にあげたが、それに限らず、加速度センサや圧力センサ等の容量変化検出型の力学量センサ全般に当てはまる。
ここで、実施例１、２において角速度センサを例にあげたが、それに限らず、加速度センサや圧力センサ等の容量変化検出型の力学量センサ全般に当てはまる。
１ 上部硝子基板
２ シリコン基板
３ 下部硝子基板
４ 梁
５ 錘
６、７ 微小隙間
８ 貫通穴
９ 導電性材料
１０ 励起用固定電極
１１ 検出用固定電極
１２ 基板電極
３１ 凹み
４１、４２、７１ コンタクト電極
６１ 溝
８１ 接続部
９１ 錘
９２ 梁
９３ 半導体基板
９４ 上側基板
９５ 下側基板
９６、９７ 微小隙間
９８ 固定電極
９９ コンタクト部
１００ 接合しない領域
２ シリコン基板
３ 下部硝子基板
４ 梁
５ 錘
６、７ 微小隙間
８ 貫通穴
９ 導電性材料
１０ 励起用固定電極
１１ 検出用固定電極
１２ 基板電極
３１ 凹み
４１、４２、７１ コンタクト電極
６１ 溝
８１ 接続部
９１ 錘
９２ 梁
９３ 半導体基板
９４ 上側基板
９５ 下側基板
９６、９７ 微小隙間
９８ 固定電極
９９ コンタクト部
１００ 接合しない領域
Claims (7)
- 梁により支持され、外部より印加される力学量により変位する錘を有する半導体基板と、
前記錘に対向する位置に微小隙間を隔てて配置された固定電極、及び前記半導体基板の一部と接する基板電極を積層させた硝子基板と、
前記半導体基板と前記硝子基板とが接する部分に配置された、前記半導体基板と前記基板電極とが電気的に接する領域において、両者が接する面積以上の大きさを有する凹みと、
前記凹み内に配置された前記基板電極および前記基板電極に接するコンタクト電極と、
を有し、
前記コンタクト電極の一部に、複数の溝、若しくは複数の穴が形成されており、前記凹みが前記基板電極の厚みより深く、且つ前記コンタクト電極と前記基板電極の厚みの和が、前記凹みの深さより大きい、前記錘の変位により、前記固定電極の容量変化から前記力学量を測定する容量型力学量センサ。 - 前記複数の溝、若しくは複数の穴が等間隔に配置されている請求項１に記載の容量型力学量センサ。
- 前記凹み内の前記コンタクト電極は複数個である請求項１または２に記載の容量型力学量センサ。
- 前記複数個であるコンタクト電極が等間隔に配置されている請求項３に記載の容量型力学量センサ。
- 前記コンタクト電極が隣り合うコンタクト電極と略同電位である請求項３に記載の容量型力学量センサ。
- 前記コンタクト電極が隣り合うコンタクト電極とコンタクト電極と同材料で接続されている請求項３に記載の容量型力学量センサ。
- 前記コンタクト電極がアルミニウムを含む請求項３に記載の容量型力学量センサ。
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