JP4913778B2 - 可動電極を有する装置、可動ミラー装置、振動型ジャイロスコープ及びこれらの製造方法 - Google Patents
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Description
このようなセンサでは、基板垂直方向に作用する物理量の大きさだけでなく、その物理量が基板垂直方向のいずれの向きに作用しているかも検知したいという要請がある。なお、本明細書では、「方向」のうち一方又は他方を「向き」というものとする。例えば、基板垂直方向の一方の向き、他方の向きという使い方をする。
図24のセンサ1は、可動電極5と、固定電極6等を備えている。可動電極5は、基板2に支持された状態で基板垂直方向(z軸方向)に変位可能である。固定電極6は、基板2に固定されている。このセンサ1は、可動電極5と固定電極6の間の静電容量の変化量から作用した物理量を検知するセンサである。
また、第3の従来技術のセンサのように、固定電極又は可動電極の検出面を基板垂直方向に対して傾斜させた構造にするには、高度な製造プロセスが要求される。
また、第4の従来技術のアクチュエータのように、基板から基板垂直方向に伸びる板状の固定電極群と、これらに挟まれた位置に基板から浮いた可動電極を形成するには、高度な製造プロセスが要求される。
本発明は、従来に比較して簡単な製造プロセスで製造できながらも、基板垂直方向のいずれの向きに物理量が作用したかを検知できるセンサを実現することを他の課題とする。
本発明は、従来に比較して簡単な製造プロセスで製造できながらも、可動部を基板に垂直な向きに変位させることができるアクチュエータを実現することを他の課題とする。
可動電極は、基板上に浮いており基板垂直方向に変位可能であるとともに4本の辺部を有するマス部の各辺部から垂直な向きに伸びている。固定電極は、可動電極に対向する位置関係で基板に固定されている。
マス部は十字状に配置されており、マス部と可動電極群を十字状の中心を通って基板に垂直に伸びる軸の周りに90度回転させたときに回転前の形状に復帰する形状である。
可動電極と固定電極の基板対向面は、基板にほぼ平行な平坦状である。また、可動電極と固定電極の基板対向面の基板垂直方向の位置は、可動電極の変位前にはほぼ等しい。さらに、可動電極の固定電極に対向する検出面と、固定電極の可動電極に対向する検出面は、ほぼ基板垂直方向にほぼ平坦に伸びている。
可動電極と固定電極の組合せで構成される一方の組では、可動電極の検出面が基板垂直方向に伸びる距離が、固定電極の検出面が基板垂直方向に伸びる距離よりも短い。他方の組では、可動電極の検出面が基板垂直方向に伸びる距離が、固定電極の検出面が基板垂直方向に伸びる距離よりも長い。
最初に可動電極を基板に接近させる向きの物理量が作用した場合を説明する。この場合、一方の組(以下では第1組とする)のでは可動電極と固定電極が対向する面積が減少し、静電容量が減少する。他方の組(以下では第2組とする)では、可動電極の方が固定電極よりも基板垂直方に長いので、可動電極と固定電極が対向する面積が減少せず、静電容量は減少しない。
次に、可動電極を基板に接近させる向きの物理量が作用した場合を説明する。この場合、第1組では固定電極の方が可動電極よりも基板垂直方に長いので、可動電極と固定電極が対向する面積が減少せず、静電容量が減少しない。第2組では、可動電極と固定電極が対向する面積が減少し、静電容量は減少する。
すなわち下記の関係が得られる。可動電極が上昇すると、第1組の静電容量が減少し、第2組の静電容量は減少しない。第1組の静電容量の減少量から可動電極の上昇量を検出することができる。可動電極が下降すると、第1組の静電容量は減少しないが、第2組の静電容量が減少する。第2組の静電容量の減少量から可動電極の下降量を検出することができる。後記するように、第1組の静電容量と第2組の静電容量の差を利用すると、可動電極の上昇量と下降量を検出することができる。この装置によると、基板垂直方向に作用した物理量の大きさのみならず、作用した物理量の向きをも検出することができる。
また本装置によると、隣合う辺部によって区画される4箇所の四角形状の領域に可動電極群と固定電極群を配置できる。このため、コンパクトでありながら、非常に高感度なセンサや駆動力の大きいアクチュエータを実現できる。しかも、本態様によると、マス部(各辺部)と可動電極群が基準軸を中心とする概ね点対称的な構造に配置される。このため、マス部と可動電極を安定的に変位させることができる。
一方の組における可動電極の固定電極間の静電容量と、他方の組における可動電極の固定電極間の静電容量の差を算出する装置を備えていることが好ましい。
これらの態様によると、製造プロセスをより簡単化できる。
また、第2平面部の基板垂直方向の距離が、その第2平面部に対向する検出面の基板垂直方向の距離の0.2倍以上で0.8倍以下であることが好ましい。
本態様によると、静電容量に対する端部効果(縁効果ともいう)によって、可動電極の基板対向面が固定電極の基板対向面からずれて可動電極と固定電極の対向面積が減少するにも関わらずに静電容量は増加する効果を得やすい。すなわち、静電容量が最大となる位置を、可動電極が変位する前の位置から、大きくずらすことができる。本態様をセンサに具現化した場合、一方の電極組の静電容量から可動電極が基板垂直方向のいずれの向きに変位したかを検知できる。本態様をアクチュエータに具現化した場合、可動電極の変位量を大きくすることができる。
さらに、第1減少率と第4減少率をほぼ等しくすることが好ましい。また、第2減少率と第3減少率をほぼ等しくすることが好ましい。
先に述べた各態様は、SOI基板を用いて形成するのに適した構造である。SOI基板を用いることで、簡単な製造プロセスで効率的に、しかも、各種特性の良好な装置を実現できる。
固定部145とマス部146は、z軸方向からみると長手方向がy軸方向に伸びる長方形状である。また、z軸方向に所定の厚みを持った薄板状に形成されている。固定部145a、145bとマス部146の間にはそれぞれ、x軸方向に伸びる中空の長方形状のバネ部147a、147bが設けられている。バネ部147a、147bのz軸方向の長さ(厚さ)を、y軸方向の長さ(幅)よりも小さくすることが望ましい。これによると、マス部146をz軸方向に変位し易くすることができる。一方の固定部145aの端部には、アルミニウム等を蒸着して形成した電極端子144が設けられている。
固定部145a、145bは、図示しない絶縁層(シリコン酸化層)を介して基板120に固定されている。マス部146とバネ部147と可動電極148は、固定部145a、145bに支持された状態で、基板120上に浮いている。
固定電極ユニット122、134は、固定電極132、136の一部の領域を除いて、図示しない絶縁層(シリコン酸化層)を介して基板120に固定されている。
図4に示すように、左側の固定電極132の検出面は段差が形成されている。固定電極132の検出面は、第1平面部133aと第2平面部133bで構成されている。第1平面部133aは、基板120と離反する側に位置するとともに可動電極148の検出面149a−1との距離が長い(W1は8.5μm)。第2平面部133bは、基板120側に位置するとともに可動電極148の検出面149a−1との距離が短い(W2は3μm)。一方、可動電極148の左側の検出面149a−1は、全体が平坦である。
右側の固定電極140の検出面141は、全体が平坦である。一方、可動電極148の右側の検出面は段差が形成されている。可動電極148の右側の検出面は、第1平面部149a−2と第2平面部149bで構成されている。第1平面部149a−2は、基板120と離反する側に位置するとともに固定電極140の検出面141との距離が長い(W3は8.5μm)。第2平面部149bは、基板120側に位置するとともに固定電極140の検出面141との距離が短い(W4は3μm)。
このように、本実施例では、距離W2とW4、及び距離W1とW3が等しい。
このように本実施例では、T2とT3が等しい。言い換えると、T2とT3はT1の半分の長さである。なお、絶縁層154のz軸方向の長さT4は3μmである。SOI基板を用いた場合、T4は0.5〜3μm程度である。
このため、図10に模式的に示すような端部効果により重畳される静電容量C1a、C1bを考慮しても、図9に示すように、可動電極148が変位前の位置(z軸方向の変位が0μm)からz軸の正の向きに変位したときは全体の静電容量C1は減少する。但し、図9に示すように、変位量が少ない範囲(z軸方向の変位が0〜3μm程度の範囲)では、端部効果により重畳される静電容量の影響のため、一次関数的な減少よりは若干緩やかに減少している。
この結果、図9に示すように、可動電極148が変位前の位置(z軸方向の変位が0μmの位置)からz軸の負の向きに変位したときは、図10に模式的に示すような端部効果により重畳される静電容量C1a、C1bの影響によって、ある変位量内であれば静電容量C1は増加する。
また、図9に示すように、可動電極148が変位前の位置からz軸の正の向きに変位すると、3μm前後の付近までは静電容量C2は増加する。可動電極148がさらにz軸の正の向きに変位すると、静電容量C2は減少する。可動電極148が変位前の位置からz軸の負の向きに変位すると、静電容量C2は減少する。
なお、静電容量C1とC2の差ΔCをとることは、先に述べた制御装置(コンピュータ等)176や、公知のあらゆる差動手段、例えばオペアンプや他の差動回路等を用いて行えばよい。
まず、SOI(Silicon On Insulator)基板を用意する。SOI基板は、図11に示すように、シリコン基板120と、シリコン酸化層154と、シリコン活性層156が順に積層された積層基板である。
次に、図12に示すように、レジストをマスクにして、シリコン基板120に垂直な方向に、シリコン活性層156の半分の深さまで、シリコン活性層156の所定領域を除去してパターニングする。この除去は、例えばドライエッチング(RIE(Reactive Ion Etching)等)によって行えばよい。符号158に除去された領域が示されている。次に、図13に示すように、レジストをマスクにして、シリコン基板120に垂直な方向に、一部の領域についてシリコン活性層156の半分の深さまで、例えばドライエッチングによってシリコン活性層156の所定領域を除去してパターニングする。また、図12で除去した領域の下方についてはシリコン酸化層154に達するまで、例えばドライエッチングによってシリコン活性層156の所定領域を除去してパターニングする。符号160と162に除去された領域が示されている。このように、図12の段階と図13の段階の2段階のドライエッチングによって固定電極132、140と、可動電極148がパターニングされている。RIE等のドライエッチングによると、シリコン基板120に垂直な方向への異方性エッチングが容易に行える。
次に、図13の符号162に示す空間から、シリコン酸化層(犠牲層)154のうち、可動電極となり得る領域148とシリコン基板120の間の領域を、HF等によって犠牲層エッチングして除去する。この結果、図4に示すような半導体物理量センサ101が形成される。
また、可動電極148の検出面149と、固定電極132、140の検出面133、141がほぼ基板垂直方向に伸びている。よって、第3の従来技術のような、電極の検出面を基板垂直方向に対して傾斜させるための高度な製造プロセスが不要である。
このように、本実施例は、従来に比較して簡単な製造プロセスで製造できる。
固定電極132と可動電極148の間に電圧(2.5V)を印加した場合、グラフAから、可動電極148が変位前の位置にあるときは、約−0.5μFの力、即ち、z軸の負の向きに0.5μFの力が加わることがわかる。また、可動電極148がz軸の負の向きに移動するにつれて、静電引力の絶対値は徐々に減少することがわかる。固定電極140と可動電極148の間に電圧(2.5V)を印加した場合、グラフBから、可動電極148が変位前の位置にあるときは、約+0.5μFの力、即ち、z軸の正の向きに0.5μFの力が加わることがわかる。また、可動電極148がz軸の正の向きに移動するにつれて、静電引力の絶対値は徐々に減少することがわかる。
マス部244は、4本の辺部244a〜244dが十字状に配置されて構成されている。可動電極群248a〜248dは、各辺部244a〜244dから、基板220に平行で、各辺部244a〜244dに垂直な向きに伸びている。第2実施例では、十字状の4本の辺部244a〜244dの中心をz軸方向に伸びる軸を基準軸とする。各辺部244a〜244dの可動電極群248a〜248dは、一の辺部(例えば244a)を上記した基準軸回りに順次90度回転させた位置で、回転後の一の辺部244aから可動電極群248aが伸びる向きに伸びている。言い換えると、マス部244の4本の辺部244a〜244dと可動電極群248a〜248dは、まんじ状(卍状)に配置されている。
固定部246a〜246dは、図示しない絶縁層(シリコン酸化層)を介して基板220に固定されている。マス部244とバネ部245と可動電極群248は、固定部246a〜246dに支持された状態で、基板220上に浮いている。
マス部244の各辺部244a〜244dは十字状に配置されている。各辺部244a〜244dの端部に各バネ部245a〜245dが接続されている。これにより、z軸方向へ変位し易くなっている。このため、各バネ部245a〜245dの厚さ(z軸方向の長さ)を、幅より小さくすることは必ずしも要求されない。
第1固定電極ユニット222のy軸の正の向きに伸びる固定電極群228は、y軸の負の向きに伸びる可動電極群248aと、検出面が対向するように噛合った状態で配置されている。第2固定電極ユニット223のy軸の負の向きに伸びる固定電極群229は、y軸の正の向きに伸びる可動電極248cと、検出面が対向するように噛合った状態で配置されている。
第3固定電極ユニット230は、固定部234、235を介して、x軸の正の向き又は負の向きに伸びる固定電極群236、237の両方を供給している。各固定電極群236、237はそれぞれ、x軸の負の向き又は正の向きに伸びる可動電極群248b、248dと、検出面が対向するように噛合った状態で配置されている。
固定電極ユニット222、223、230は、固定電極228、229、(236、237)の一部の領域を除いて、図示しない絶縁層を介して基板220に固定されている。
図16に示すように、固定電極228a、228bと可動電極248aの基板220(図15参照)に対向する面227a、227b、247aは、基板220に平行な平坦状である。また、これらの基板対向面227a、227b、247aのz軸方向の位置は、可動電極248aの変位前においては等しい。
固定電極228a、228bと、可動電極248aの検出面229a、229b、249a−1、249a−2は、z軸方向に伸びている。また、全体が平坦である。さらに、x軸方向からみると矩形状である(第1実施例の図7参照)。
これらの検出面の側方の側面は、z軸方向に伸びている(第1実施例の図7参照)。
可動電極248aの検出面249a−1と固定電極228aの検出面229a間の距離W5は3μmである。可動電極248aの検出面249a−2と固定電極228bの検出面229b間の距離も同じである。
図15に示すセンサ201のマス部244にz軸の正の向きの物理量(例えば加速度)が作用して、マス部244の端部の各バネ部245a〜245dが伸びてマス部244が変位したとする。そして、そのマス部244から伸びる可動電極248aが、図17に示すように、z軸の正の向きにZ3変位したとする。この結果、可動電極248の検出面249a−1と、固定電極228aの検出面229aの対向面積S3は、変位前より減少する。即ち、面積距離比の減少率は正の値である。
図19〜21中、符号250は、SOI基板のシリコン活性層である。図19〜21では、SOI基板のシリコン基板とシリコン酸化層の図示は省略されている。
第2の方法では、図20に示すように、レジストをマスクにして、シリコン活性層250のうち符号256aに示す領域をドライエッチング等によって除去する。その後、レジストをマスクにして、符号258a、258bに示す領域をドライエッチング等によって除去する。
第3の方法では、図21に示すように、レジストをマスクにして、シリコン活性層250のうち符号262a、262bの領域を、ドライエッチング等によって除去する。その後、レジストをマスクにして、符号260に示す領域をドライエッチングによって除去する。なお、符号260に示す領域を先に除去してもよい。
一方、第3固定電極ユニット230の電極端子232と、可動電極ユニット238の電極端子240の間に電源装置266によって電圧を印加する。この結果、可動電極248は、z軸の正の向きに変位する。
従って、制御装置268によって、電源装置262、264、266に印加する電圧を制御することで、可動部である可動電極248とマス部244を、z軸方向(z軸の正の向き又は負の向き)の任意の位置に変位させることができる。
第6実施例のセンサ201によっても、第3実施例の自己診断機能付きセンサと同様に、自己(センサ)の異常を検出できる。
ビーム336と、ミラー部338と、可動電極340、342は、基板320上に浮いている。
例えば、上記実施例では、可動電極と固定電極の検出面が矩形状の場合を例にして説明したが(図7参照)、これに限られないのは勿論である。例えば検出面は、一辺が基板に平行な三角形状(△形状)であってもよい。また、突形状(凸形状)であってもよい。
また、上記実施例では、可動電極と固定電極が単結晶シリコンで形成された半導体物理量センサを例にして説明したが、可動電極と固定電極が半導体で形成されている必要は必ずしもない。本発明は、基板上に犠牲層と電極層が積層された構造の基板を用いて、あるいは基板上に犠牲層と電極層を積層することで製造される装置等に広く適用することができる。
132、140:固定電極
148:可動電極
Claims (9)
- 基板上に浮いており基板垂直方向に変位可能であるとともに4本の辺部を有するマス部の各辺部から垂直な向きに伸びている可動電極と、その可動電極に対向する位置関係で基板に固定された固定電極の組を少なくとも2組備え、
前記マス部が十字状に配置されているとともに、そのマス部と前記可動電極群を前記十字状の中心を通って基板に垂直に伸びる軸の周りに90度回転させたときに回転前の形状に復帰する形状であり、
可動電極と固定電極の基板対向面が基板にほぼ平行な平坦状で、かつ、可動電極と固定電極の基板対向面の基板垂直方向の位置が可動電極の変位前においてはほぼ等しく、
可動電極の固定電極に対向する検出面と固定電極の可動電極に対向する検出面が、ほぼ基板垂直方向に伸びるとともに、ほぼ平坦であり、
一方の組においては、可動電極の検出面が基板垂直方向に伸びる距離が、固定電極の検出面が基板垂直方向に伸びる距離よりも短く、
他方の組においては、可動電極の検出面が基板垂直方向に伸びる距離が、固定電極の検出面が基板垂直方向に伸びる距離よりも長いことを特徴する可動電極を有する装置。 - 一方の組における可動電極の固定電極間の静電容量と、他方の組における可動電極の固定電極間の静電容量の差を算出する装置を備えていることを特徴とする請求項1に記載の可動電極を有する装置。
- 可動電極と固定電極の検出面が、矩形状であることを特徴とする請求項1又は2に記載の可動電極を有する装置。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の可動電極を有する装置において、基板垂直方向の距離が短い検出面の基板垂直方向の距離が、基板垂直方向の距離が長い検出面の基板垂直方向の距離の0.2倍以上で0.8以下であることを特徴とする可動電極を有する装置。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の可動電極を有する装置において、第1の組で可動電極を基板垂直方向の一方の向きに変位させたときの可動電極と固定電極の対向面積と距離の比の総和(面積距離比の和)の減少率を第1減少率とし、他方の向きに変位させたときの前記減少率を第2減少率とし、第2の組で可動電極を基板垂直方向の一方の向きに変位させたときの前記減少率を第3減少率とし、他方の向きに変位させたときの前記減少率を第4減少率としたときに、
第1減少率を第2減少率より大きく、第3減少率を第4減少率より小さく、第1減少率を第3減少率より大きく、第2減少率を第4減少率より小さくしたことを特徴とする装置。 - 前記基板が、シリコン活性層と絶縁層とシリコン基板からなるSOI(Silicon On Insulator)基板のシリコン基板で形成されており、可動電極の固定電極が、そのSOI基板のシリコン活性層で形成されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の可動電極を有する装置。
- 可動電極が絶縁層を介してシリコン基板に支持され、固定電極が絶縁層を介してシリコン基板に固定されていることを特徴とする請求項6に記載の可動電極を有する装置。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の装置の製造方法であって、犠牲層と電極層が順に積層された積層基板の電極層を基板垂直方向の少なくとも2段階のエッチングによりパターニングして固定電極と可動電極を形成する工程と、可動電極と基板間の犠牲層をエッチングして除去する工程を有することを特徴とする可動電極を有する装置の製造方法。
- 請求項8の前記積層基板は、SOI基板であることを特徴とする製造方法。
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