JP4965547B2

JP4965547B2 - 加速度センサ

Info

Publication number: JP4965547B2
Application number: JP2008300004A
Authority: JP
Inventors: 仁吉田; 裕二鈴木
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2008-11-25
Filing date: 2008-11-25
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2028-11-25
Also published as: JP2010127649A

Description

本発明は、可動電極の揺動に伴う可動電極と固定電極間の静電容量の変化を検出することにより可動電極に印加された加速度を検出する加速度センサに関する。

従来より、可動電極を有する矩形形状の重り部と、重り部の対向する２辺の略中央において重り部を揺動自在に支持する一対のビーム部と、一対のビーム部を結ぶ直線（ビーム軸）を境界線とした重り部の表面のそれぞれ一方側及び他方側に対し所定距離をあけて対向配置された第１及び第２の固定電極とを備える加速度センサが知られている。この加速度センサは、ビーム軸を回転軸とした重り部の揺動に伴う可動電極と第１及び第２の固定電極間の静電容量の変化を差動検出することにより、重り部に印加された加速度を検出する。このような加速度センサでは、加速度が印加された際にビーム軸を回転軸とした回転モーメントが重り部に発生するように、重り部の裏面のビーム軸を境界線とした一方側に凹部を形成することにより、ビーム軸を境界線とした重り部の一方側と他方側とで重量が異なるようにしている（特許文献１参照）。
米国特許公開２００７−００００３２３号公報

重り部の裏面のビーム軸を境界線とした一方側に凹部を形成した場合、ビーム軸を境界線とした一方側の可動電極が歪みの影響を受けやすくなり、結果として、可動電極が変形し、可動電極と固定電極間の距離を精密に制御することが困難になる。このような背景から、特許文献１記載の加速度センサでは、凹部に補強部材を設けることにより可動電極の変形を抑制するようにしている。しかしながら、凹部に補強部材を形成した場合、ｘ方向とｚ方向の２方向の加速度を検出する際に２方向間で検出感度に差が生じる。このため、特許文献１記載の加速度センサでは、重り部の厚みを厚くすることにより２方向間で検出感度を同じにするようにしているが、重り部の厚みを厚くした場合、凹部の形成に多くの製造（エッチング）時間が必要となる。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、その目的は多くの製造時間を要することなく２方向間の検出感度を同じにすることが可能な加速度センサを提供することにある。

本発明に係る加速度センサは、矩形形状の可動電極と、可動電極の対向する２辺の略中央に接続して可動電極を揺動自在に支持する一対のビーム部と、一対のビーム部を結ぶ直線を境界線とした可動電極の表面のそれぞれ一方側及び他方側に対し所定間隔をあけて対向配置された第１及び第２の固定電極と、一対のビーム部を結ぶ直線を境界線とした可動電極の裏面のそれぞれ一方側及び他方側に形成された第１及び第２の凹部と、第２の凹部内に埋め込まれた金属部と、可動電極を内包するフレーム部と、フレーム部に形成され、第１及び第２の固定電極にそれぞれ接続された第１及び第２の検出電極とを備え、第１の検出電極と第２の検出電極間、第１及び第２の検出電極とフレーム部間、及び第１及び第２の検出電極と可動電極間に隙間が形成されている。

本発明に係る加速度センサによれば、一対のビーム部を結ぶ直線を境界線とした可動電極の裏面の一方側と共に他方側にも凹部を形成することにより２方向間の検出感度を調整するので、多くの製造時間を要することなく２方向間の検出感度を同じにできる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態となる加速度センサについて説明する。

〔加速度センサの構成〕
本発明の実施形態となる加速度センサは、図１に示すように、シリコンＳＯＩ基板により形成されたセンサチップ１の上下面が上部固定板２ａと下部固定板２ｂにより挟持された構成となっている。センサチップ１は、２つの矩形枠３ａ，３ｂを有するフレーム部３と、矩形枠３ａ，３ｂの側壁部に対し隙間をあけた状態で矩形枠３ａ，３ｂ内に配置された矩形形状の２つの可動電極４，５と、可動電極４の表面の対向する２辺の略中央部と矩形枠３ａの側壁部とを連結することにより可動電極４をフレーム部３に対し揺動自在に支持する一対のビーム部６ａ，６ｂと、可動電極５の表面の対向する２辺の略中央と矩形枠３ｂの側壁部とを連結することにより可動電極５をフレーム部３に対し揺動自在に支持する一対のビーム部７ａ，７ｂとを備える。

上記加速度センサは、フレーム部３，可動電極４，及び他の検出電極に対し離間配置された検出電極８ａ，８ｂと、フレーム部３、可動電極５、及び他の検出電極に対し離間配置された検出電極９ａ，９ｂと、検出電極８ｂと検出電極９ａ間のフレーム部３表面に形成された接地電極１０を備える。なお検出電極８ａ，８ｂ及び検出電極９ａ，９ｂはそれぞれ後述する固定電極２０ａ，２０ｂ及び固定電極２１ａ，２１ｂと電気的に接続されている。本実施形態では、図２に示すように、検出電極８ａと検出電極８ｂ間、検出電極９ａと検出電極９ｂ間、検出電極８ａ，８ｂとフレーム部３間、検出電極９ａ，９ｂとフレーム部３間、検出電極８ａ，８ｂと可動電極４間、及び検出電極９ａ，９ｂと可動電極５間には隙間が形成されている。このような構成によれば、各検出電極が電気的に絶縁されるようになるので、各検出電極の寄生容量や検出電極間のクロストークを低減し、高精度な容量検出を行うことが可能になる。

可動電極４の裏面のビーム部６ａ，６ｂを結ぶ直線を境界線とした一方側には、図２に示すように、補強部材１６により区画された第１の凹部としての凹部１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄが形成されている。また可動電極４の裏面のビーム部６ａ，６ｂを結ぶ直線を境界線とした他方側には第２の凹部としての凹部１２が形成されている。同様に、可動電極５の裏面のビーム部７ａ，７ｂを結ぶ直線を境界線とした一方側には、図２に示すように、補強部材１６により区画された第１の凹部としての凹部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄが形成されている。また可動電極５の裏面のビーム部７ａ，７ｂを結ぶ直線を境界線とした他方側には第２の凹部としての凹部１４が形成されている。このように本実施形態では、２つの加速度センサが同一チップ面内に配置され、一方の加速度センサが他方の加速度センサに対しチップ面内で１８０度回転配置されている。

本実施形態では、凹部１２及び凹部１３内には可動電極４，５を形成する材料よりも比重が高い金属材料１７が埋め込まれている。なお可動電極４，５がシリコンにより形成されている場合、シリコンの比重は２．３３［g/cm³］であるので、金属材料１７としてはニッケル（比重８．９０［g/cm³］），タングステン（比重１９．３［g/cm³］），クロム（比重７．８７［g/cm³］），パラジウム（比重１２．０２［g/cm³］），白金（比重２１．４５［g/cm³］），マンガン（比重７．４３［g/cm³］）を例示できる。また金属材料１７の重量は第１の凹部の外壁を形成する補強部材の重量と略同一であることが望ましい。

本実施形態では、第１の凹部と第２の凹部を別体として形成したが、例えば第１の凹部を上記境界線を超えて他方側に拡大することにより第１の凹部と第２の凹部を一体として形成してもよい。また第１の凹部の形状は図２に示す三角形状に限定されることはなく、第２の凹部と同様の矩形形状としてもよい。さらに第２の凹部を形成する位置は、図３に示すように可動電極の重心位置Ｏとビーム部がなす角度θが４５度になることによってｘ方向とｚ方向の検出感度が等価になる位置であれば特に限定されることはないが、境界線からより遠い側に第２の凹部を形成することにより回転モーメントがより大きくなるので、加速度センサの検出感度を高めることができる。

可動電極４，５の上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと対向する面には、図３に示すように（図３では可動電極４についてのみ図示）、シリコン又はシリコン酸化膜により形成された複数の突起部１５ａ〜１５ｇが形成されている。このような突起部１５ａ〜１５ｇを形成することにより、可動電極４，５に測定レンジを超える大きな加速度が印加された場合であっても、可動電極４，５は対向する上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂに直接衝突しないので、センサチップ１を破損を抑制できる。なお本実施形態では、可動電極４，５の上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと対向する面に突起部を形成したが、上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂの可動電極４，５と対向する面に同様の突起部を形成するようにしてもよい。

上部固定板２ａはガラス基板により形成され、その可動電極４と対向する表面側にはビーム部６ａとビーム部６ｂを結ぶ直線を境界線として固定電極２０ａ，２０ｂが設けられている。また同様に上部固定板２ａの可動電極５と対向する表面側には、ビーム部７ａとビーム部７ｂを結ぶ直線を境界線として固定電極２１ａ，２１ｂが設けられている。上部固定板２ａの検出電極８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂ及び接地電極１０に対向する位置にはスルーホール２２ａ〜２２ｅが形成され、このスルーホール２２ａ〜２２ｅを介して固定電極２０ａ，２０ｂ及び固定電極２１ａ，２１ｂにそれぞれ接続された検出電極８ａ，８ｂ及び検出電極９ａ，９ｂと接地電極１０の出力が取り出されるようになっている。下部固定板２ｂはガラス基板により形成され、その可動電極４，５の裏面と対向する面側には可動電極４，５の裏面に対し間隔をあけてアルミニウム系合金等の固定電極２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂと同材料により形成された付着防止膜２３ａ，２３ｂが配置されている。このような付着防止膜２３ａ，２３ｂを設けることにより、可動電極４，５が動作時に下部固定板２ｂに付着することを防止できると共に、過大衝撃時でも可動電極４，５と下部固定板２ｂが直接接触しないため衝撃緩和効果を有する。

本実施形態では、２つの加速度センサが同一チップ面内に配置され、一方の加速度センサが他方の加速度センサに対しチップ面内で１８０度回転配置されている構成であるとしたが、本発明は本実施形態に限定されることはなく、例えば図４に示すように、図１に示す加速度センサをｘｙ面内で９０度回転させたものをさらに設けることにより、ｘ方向とｚ方向の２方向の加速度に加えてｙ方向の加速度を検出できるようにしてもよい。また図５に示すように、３つの加速度センサが同一チップ面内に配置され、第２及び第３の加速度センサ４ａ，４ｂが第１の加速度センサ４に対しチップ面内でそれぞれ９０度及び１８０度回転配置されている構成とすることにより、ｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向の３軸の加速度を検出できるようにしてもよい。

〔加速度センサの動作〕
上記加速度センサは、以下のようにしてセルフテストを行うと共に図１に示すｘ方向及びｚ方向の加速度を検出する。

〔セルフテスト〕
可動電極４を動作させる場合は、固定電極２０ａ又は固定電極２０ｂと可動電極４間に吸引力を発生させる。同様に可動電極５を動作させる場合は、固定電極２１ａ又は固定電極２１ｂと可動電極５間に吸引力を発生させる。付着防止膜２３ａ，２３ｂと可動電極４，５との間に吸引力を発生させて同様な動作確認を行ってもよい。これにより、可動電極４，５が揺動することによって固定電極２０ａ，２０ｂと可動電極４間及び固定電極２１ａ，２１ｂと可動電極５との間の静電容量が変化するので、加速度センサが正常に動作するか否かを確認できる。

〔ｘ方向の加速度検出〕
可動電極４にｘ方向の加速度が印加された場合、可動電極４と固定電極２０ａ，２０ｂ間の静電容量Ｃ１，Ｃ２はそれぞれ以下に示す数式（１），（２）のようになる。なお数式（１），（２）中、パラメータＣ０は、可動電極４にｘ方向の加速度が印加されていない状態での可動電極４と固定電極２０ａ，２０ｂ間の静電容量を示す。
Ｃ１＝Ｃ０−ΔＣ …（１）
Ｃ２＝Ｃ０＋ΔＣ …（２）

また同様に、可動電極５にｘ方向の加速度が印加された場合、可動電極５と固定電極２１ａ，２１ｂ間の静電容量Ｃ３，Ｃ４はそれぞれ以下に示す数式（３），（４）のようになる。なお数式（３），（４）中、パラメータＣ０は、可動電極５にｘ方向の加速度が印加されていない状態での可動電極５と固定電極２１ａ，２１ｂ間の静電容量を示す。
Ｃ３＝Ｃ０−ΔＣ …（３）
Ｃ４＝Ｃ０＋ΔＣ …（４）

従って検出電極８ａ，８ｂ及び検出電極９ａ，９ｂを介して上記容量Ｃ１〜Ｃ４を検出し、ＡＳＩＣ等を利用して容量Ｃ１と容量Ｃ２の差分値ＣＡ（＝Ｃ１−Ｃ２）と容量Ｃ３と容量Ｃ４の差分値ＣＢ（＝Ｃ３−Ｃ４）を算出し、算出された差分値ＣＡと差分値ＣＢの和（±４ΔＣ）をＸ出力として出力することにより、静電容量の変化から可動電極４，５に加えられたｘ方向の加速度を検出できる。

〔ｚ方向の加速度検出〕
可動電極４にｚ方向の加速度が印加された場合、可動電極４と固定電極２０ａ，２０ｂ間の静電容量Ｃ１，Ｃ２はそれぞれ以下に示す数式（５），（６）のようになる。なお数式（５），（６）中、パラメータＣ０は、可動電極４にｚ方向の加速度が印加されていない状態での可動電極４と固定電極２０ａ，２０ｂ間の静電容量を示す。
Ｃ１＝Ｃ０＋ΔＣ …（５）
Ｃ２＝Ｃ０−ΔＣ …（６）

また同様に、可動電極５にｚ方向の加速度が印加された場合、可動電極５と固定電極２１ａ，２１ｂ間の静電容量Ｃ３，Ｃ４はそれぞれ以下に示す数式（７），（８）のようになる。なお数式（７），（８）中、パラメータＣ０は、可動電極５にｚ方向の加速度が印加されていない状態での可動電極５と固定電極２１ａ，２１ｂ間の静電容量を示す。
Ｃ３＝Ｃ０−ΔＣ …（７）
Ｃ４＝Ｃ０＋ΔＣ …（８）

従って検出電極８ａ，８ｂ及び検出電極９ａ，９ｂを介して上記容量Ｃ１〜Ｃ４を検出し、ＡＳＩＣ等を利用して容量Ｃ１と容量Ｃ２の差分値ＣＡ（＝Ｃ１−Ｃ２）と容量Ｃ３と容量Ｃ４の差分値ＣＢ（＝Ｃ３−Ｃ４）を算出し、算出された差分値ＣＡと差分値ＣＢの和（±４ΔＣ）をＺ出力として出力することにより、静電容量値の変化から可動電極４，５に加えられたｚ方向の加速度を検出できる。

〔加速度センサの製造方法〕
最後に、図６を参照して、本発明の実施形態となる加速度センサの製造方法について説明する。

本実施形態では、始めに図６（ａ）に示すような支持基板３０ａ，中間酸化膜３０ｂ，及び活性層３０ｃからなるシリコンＳＯＩ基板を用意する。次にシリコンＳＯＩ基板の両面にシリコン酸化膜やフォトレジスト膜等のマスク材料３１を形成し、可動電極４，５に対応する位置のマスク材料３１を除去し、ＴＭＡＨ（テトラメチル水酸化アンモニウム溶液）やＫＯＨ（水酸化カリウム溶液）等の溶液を利用した湿式エッチング又は反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等のドライエッチングを行うことにより、図６（ｂ）に示すようにシリコンＳＯＩ基板の表面側及び裏面側に可動電極４，５が変位するための凹部３２ａ，３２ｂを形成する。

次に図６（ｃ）に示すように、凹部３２ａ，３２ｂの底面の所定位置にシリコン酸化膜又はカーボンナノチューブを形成することにより突起部１５ａ〜１５ｇを形成する。またこの際、スパッタリング技術や蒸着成膜技術を利用して、固定電極と電気的に接続される検出電極８ａ，８ｂ及び検出電極９ａ，９ｂとしての金属膜３３と、金属膜３３と電気的に接続される金属膜３４を形成する。突起部１５ａ〜１５ｇをシリコン又はシリコン酸化膜といったセンサチップの主材料により形成した場合には、突起部１５ａ〜１５ｇを容易に製造することができる。なお突起部１５ａ〜１５ｇの表面をカーボン材料によりコーティングしてもよい。このような構成によれば、突起部１５ａ〜１５ｇの機械的強度が増し、上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂとの衝突により突起部１５ａ〜１５ｇが破損することを抑制できる。またこのときカーボン材料としてカーボンナノチューブを利用すれば、コーティング厚さを薄くできるので、突起部１５ａ〜１５ｇを所望の高さに容易に調整することができる。

次に支持基板３０ａ及び中間酸化膜３０ｂの順にシリコンＳＯＩ基板の裏面側をエッチングすることにより図６（ｄ）に示すように可動電極と第１及び第２の凹部を形成し、さらに第２の凹部に金属材料１７を埋め込む。そして付着防止膜２３が形成された表面を対向面とした下部固定板２ｂをシリコンＳＯＩ基板の裏面側に陽極接合する。なお付着防止膜２３を固定電極２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂと同材料により形成することにより、付着防止膜２３を容易に形成できる。また固定電極２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂと同時に付着防止膜２３を形成することにより固定電極２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂと可動電極４，５間の距離と下部固定板２ｂと可動電極４，５間の距離とを精度よく形成することができる。また付着防止膜２３を半導体プロセスにより形成した場合には、付着防止膜２３の表面にミクロな凹凸が形成されるので、可動電極４，５が下部固定板２ｂに付着することを防止できる。さらに付着防止膜２３をアルミニウム系合金により形成した場合には、エッチング加工が容易になるので、付着防止膜２３を容易に製造することができる。また付着防止膜２３の表面上に半導体製造プロセスとの整合性が良く加工がしやすいポリイミド薄膜等の有機材料薄膜を形成することにより、付着防止膜２３と可動電極４，５間の短絡を防止するようにしてもよい。

次に図６（ｅ）に示すように、スルーホール及び固定電極が形成された上部固定板２ａをシリコンＳＯＩ基板上に配置した後、シリコンＳＯＩ基板と上部固定板２ａを陽極接合することにより、一連の製造工程は完了する。なおシリコンＳＯＩ基板と上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂは、ポリイミド樹脂等を用いた樹脂接合や金スズ半田等を用いた共晶接合により接合してもよい。また上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂとしてシリコン基板を用いてもよい。但し、上部固定板２ａ及び下部板固定板２ｂとしてシリコン基板を用いた場合には、固定電極と上部固定板２ａとが電気的に絶縁されるように固定電極と上部固定板２ａ間に絶縁膜を形成することが望ましい。

以上の説明から明らかなように、本発明の実施形態となる加速度センサは、矩形形状の可動電極４，５と、可動電極４，５の対向する２辺の略中央に接続して可動電極４，５を揺動自在に支持する一対のビーム部６ａ，６ｂ及びビーム部７ａ，７ｂと、一対のビーム部６ａ，６ｂ及びビーム部７ａ，７ｂを結ぶ直線を境界線とした可動電極４，５の表面のそれぞれ一方側及び他方側に対し所定間隔をあけて対向配置された固定電極２０ａ，２０ｂ及び固定電極２１ａ，２１ｂと、一対のビーム部６ａ，６ｂ及びビーム部７ａ，７ｂを結ぶ直線を境界線とした可動電極４，５の裏面のそれぞれ一方側及び他方側に形成された凹部１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ）及び凹部１２（１４）を備える。このよな構成によれば、可動電極４，５の厚みを厚くすることなくｘ方向及びｚ方向の加速度の検出感度を同じにすることができる。なお凹部１２，１４を形成した場合、可動電極４，５全体の重量が低下することにより加速度センサの検出感度が低下することになる。しかしながら本実施形態では、凹部１２，１４内には可動電極４，５を形成する材料よりも比重が高い金属材料１７が埋め込まれており、可動電極４，５の重量が大きく低下しないので、感度低下することなくｘ方向及びｚ方向の加速度の検出感度を同じにすることができる。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

本発明の実施形態となる加速度センサの構成を示す分解斜視図である。図１に示すセンサチップの下面図である。図１に示す加速度センサの断面図である。図１に示す加速度センサの変形例の構成を示す上面図である。図１に示す加速度センサの変形例の構成を示す上面図である。図１に示す加速度センサの製造工程を示す断面工程図である。

符号の説明

１：センサチップ
２ａ：上部固定板
２ｂ：下部固定板
３：フレーム部
３ａ，３ｂ：矩形枠
４，５：可動電極（重り部）
６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ：ビーム部
８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ：検出電極
１０：接地電極
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ：凹部（第１の凹部）
１２，１４：凹部（第２の凹部）
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ，１５ｆ，１５ｇ：突起部
１６：補強部材
１７：金属材料
２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂ：固定電極
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ：スルーホール
２３ａ，２３ｂ：付着防止膜

Claims

矩形形状の可動電極と、
前記可動電極の対向する２辺の略中央に接続して当該可動電極を揺動自在に支持する一対のビーム部と、
前記一対のビーム部を結ぶ直線を境界線とした前記可動電極の表面のそれぞれ一方側及び他方側に対し所定間隔をあけて対向配置された第１及び第２の固定電極と、
前記一対のビーム部を結ぶ直線を境界線とした前記可動電極の裏面のそれぞれ一方側及び他方側に形成された第１及び第２の凹部と、
前記第２の凹部内に埋め込まれた金属部と、
前記可動電極を内包するフレーム部と、
前記フレーム部に形成され、前記第１及び第２の固定電極にそれぞれ接続された第１及び第２の検出電極とを備え、
前記第１の検出電極と前記第２の検出電極間、前記第１及び第２の検出電極と前記フレーム部間、及び前記第１及び第２の検出電極と前記可動電極間に隙間が形成されていることを特徴とする加速度センサ。
請求項１に記載の加速度センサにおいて、
前記金属部は前記可動電極を形成する材料の比重以上の比重を有する金属材料により形成されていることを特徴とする加速度センサ。
請求項１又は請求項２に記載の加速度センサにおいて、
前記金属部の重量は前記第１の凹部の外壁部を構成する構造体の重量と略同一であることを特徴とする加速度センサ。