JP5285540B2

JP5285540B2 - 静電容量式センサ

Info

Publication number: JP5285540B2
Application number: JP2009194113A
Authority: JP
Inventors: 一也野原
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2009-08-25
Filing date: 2009-08-25
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2029-08-25
Also published as: JP2011047668A

Description

本発明は、櫛歯状固定電極と櫛歯状可動電極との間の静電容量を検出することにより所定の物理量を検出する静電容量式センサに関する。

従来より、半導体層に櫛歯状固定電極を有した固定電極体と、櫛歯状可動電極を有した可動電極体とを形成し、これら櫛歯状固定電極と櫛歯状可動電極とを所定の間隙をもって対向配置させるとともに、対角状の両端部に配置された櫛歯状可動電極に、可動電極体の動作を規制する突起状のストッパが設けられた延設部材を対向配置させたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

この種の構造では、半導体層をエッチングすることによって櫛歯状の可動電極、固定電極ならびに延設部材を形成するのであるが、突起状のストッパを適切な位置に配置するためには、延設部材に凸部を設けその凸部表面にストッパを形成するといったように、延設部材と櫛歯状可動電極との間のギャップが一定でない場合がある。このように、櫛歯状可動電極と延設部材との間のギャップに均一性が無いとエッチングの加工性が損なわれてしまう。

このため、特許文献１に開示されるように、ストッパが設けられた延設部材に対して、櫛歯状可動電極との間のギャップを一定とすることで、エッチングの加工性を高めることができる。

特開２０００−２０６１４２号公報

しかしながら、上記従来の静電容量式センサにあっては、可動電極体が動作した際に、静電容量の検出部となる櫛歯（櫛歯状可動電極）をストッパに衝突させる構造であるため、その検出部となる櫛歯状可動電極が損傷して検出機能が損なわれてしまう恐れがある。

そこで、本発明は、検出部の検出機能を損なうことなく、ストッパによって櫛歯状可動電極と櫛歯状固定電極とが接触するのを防止することのできる静電容量式センサを得ることを目的とする。

請求項１の発明にあっては、半導体層をエッチングすることによって可動電極体と固定電極体とが形成される静電容量式センサにおいて、前記固定電極体は、櫛歯状固定電極と、前記櫛歯状固定電極の基端部を連結する幹部と、を備え、前記可動電極体は、前記櫛歯状固定電極に間隙をもって対向配置されるとともに、前記櫛歯状固定電極と交互に配置される櫛歯状可動電極と、前記櫛歯状可動電極の基端部を連結する幹部と、を備えており、前記可動電極体の幹部の両端部に、前記櫛歯状可動電極の突出方向に沿うとともに、前記固定電極体の幹部にオーバーラップする位置まで延設した延設部を設け、前記オーバーラップして重複した延設部と固定電極体の幹部との間のギャップと、両端部に配置された櫛歯状固定電極と当該櫛歯状固定電極に重複する延設部との間のギャップと、を同じ隙間に形成し、前記重複した延設部と固定電極体の幹部とのどちらか一方の面に、前記可動電極体の動作により、前記櫛歯状可動電極が前記櫛歯状固定電極に接触するのを防止するストッパを設けたことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、可動電極体の幹部の両端部に、櫛歯状可動電極の突出方向に沿うとともに、固定電極体の幹部にオーバーラップする位置まで延設した延設部を設け、前記オーバーラップして重複した延設部と固定電極体の幹部とのどちらか一方の面にストッパを設けたため、ストッパを検出部として機能しない部位に衝突させることができるようになり、検出部の検出機能を損なうことなく、櫛歯状可動電極と櫛歯状固定電極とが接触するのを防止することができる。

また、オーバーラップして重複した延設部と固定電極の幹部との間のギャップと、両端部に配置された櫛歯状固定電極と当該櫛歯状固定電極に重複する延設部との間のギャップと、を同じ隙間に形成することでエッチングの加工性を高めることができる。

本発明の一実施形態にかかる静電容量式センサを模式的に示す平面図である。図１に示す静電容量式センサのＡ−Ａ断面図である。

以下、本発明の具体的な実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。以下では、静電容量式センサとして、加速度センサを例示する。図１および図２は、本発明にかかる加速度センサの一実施形態を示した図である。

本実施形態の加速度センサ１は、図２に示すように、絶縁層としての２枚のガラス基板２、３と、これら２枚のガラス基板２、３間に挟まれる半導体層としてのシリコン基板４と、を備えている。これらガラス基板２、３とシリコン基板４とは、最終的に陽極接合などによって接合されるようになっており、これらの接合面に形成された凹部３１によって、シリコン基板４各部の絶縁性や可動電極体の動作性の確保が図られている。

シリコン基板４は、図１に示すように、シリコン基板４に公知の半導体プロセスにより間隙１００を形成することで、周縁部に形成される略矩形状の枠部４１、固定電極体５、可動電極体となる錘部６、ばね部７および当該ばね部７を介して錘部６を支持する支持部４３が形成されている。

間隙１００は、反応性イオンエッチングなどにより垂直エッチング加工をすることで、間隙１００の側壁面をシリコン基板４の表面と垂直となるように形成される。このようにして、垂直エッチング加工により形成された間隙１００の側壁面同士は、互いに略平行に対向することになる。反応性イオンエッチングとしては、例えば、誘導結合型プラズマを備えたエッチング装置によるＩＣＰ加工を利用することができる。

固定電極体５は、シリコン基板４のセンターライン（錘部６の幹部６１）を中心として左右対称に２箇所設けられており、前記センターラインに向かって所定間隔をもって平行に突設された複数の櫛歯状固定電極５２と、この櫛歯状固定電極５２の基端部を連結する幹部５１とを備えている。

錘部６は、左右に配置された櫛歯状固定電極５２の先端部間のスペースに配置され、シリコン基板４のセンターラインとなる幹部６１と、この幹部６１の左右両側から突設され、櫛歯状固定電極５２に所定の間隙をもって対向配置されるとともに、櫛歯状固定電極５２と交互に配置される複数の櫛歯状可動電極６３と、幹部６１のセンターライン方向の両端部に設けられ、櫛歯状可動電極６３の突出方向に沿って延設された延設部６２とを備えている。

両端部の延設部６２には、上述したばね部７がそれぞれ連結されており、このばね部７を介して錘部６を支持する支持部４３が延設部６２よりもセンターライン方向の外方に設けられている。本実施形態では、支持部４３は、図１中右側に１箇所、左側に２箇所設けられており、それぞれ略矩形状に形成されて上側のガラス基板２に陽極接合などにより固定されている。

各ばね部７は、左右対称に配置される２つのばね単体７１で形成される。それぞれのばね単体７１は、連続する１本の細長い線状ばねを複数段のつづら折り状に折曲して形成される。ばね部７の一端部は、上述したようにそれぞれ支持部４３に連結されており、他端部は、延設部６２に連結される。従って、ばね部７は、錘部６を、センターラインに沿った水平方向（図中紙面に沿った方向）の変位を許容するように支持するが、これと同時に垂直方向（図中紙面直角方向）にも変位できるようになっている。また、このようにばね部７が、左右対称に配置された一対のばね単体７１によって構成されることにより、ばね部７が伸縮される際に錘部６が左右片側に偏心するのを抑制できる。

このように、ばね部７を錘部６と支持部４３に連結することで、ばね部７が支持部４３に対して錘部６を弾性的に可動支持するバネ要素として機能する。

図１中、８は、ばね部７を介して錘部６の櫛歯状可動電極６３に電気的に接続される第１の端子であり、９は、左側（図１中上側）の固定電極体５の櫛歯状固定電極５２に電気的に接続される第２の端子であり、また、１０は、右側（図１中下側）の固定電極体５の櫛歯状固定電極５２に電気的に接続される第３の端子である。

入力される加速度は、錘部６の水平方向の変位によって検出される。すなわち、錘部６がセンターラインに沿った水平方向に変位すると、櫛歯状固定電極５２と櫛歯状可動電極６３との間の隙間が変化し、それら櫛歯状固定電極５２と櫛歯状可動電極６３との間に蓄積された静電容量値が変化する。そして、上述の端子８、９、１０を介してこの静電容量の変化を検知することにより加速度（物理量）を検出することができる。

このように構成された加速度センサ１では、加速度が入力されて錘部６が水平方向に動作した際に、錘部６の櫛歯状可動電極６３と固定電極体５の櫛歯状固定電極５２とが接触してしまうことが考えられ、櫛歯状可動電極６３と櫛歯状固定電極５２とが接触することで互いに付着する所謂スティッキングを起こしてしまう。

そこで、本実施形態では、図１に示すように、錘部６の延設部６２を固定電極体５２の幹部５１にオーバーラップする位置まで延設しており、このオーバーラップして重複した延設部６２と固定電極体５の幹部５１とのどちらか一方の面（本実施形態では幹部５１）に、突起状のストッパ１５を設けている。

ストッパ１５は、左右に配置された櫛歯状固定電極５２のそれぞれの両端部、即ち本実施形態では、櫛歯状固定電極５２の幹部５１が錘部６の延設部６２に対向する４箇所にそれぞれ設けられている。このストッパ１５は、その表面にマスキングを行い、その上からエッチングを行うことで一体的に形成することができる。

また、この際、本実施形態では、オーバーラップして重複した延設部６２と固定電極体５の幹部５２との間のギャップと、両端部に配置された櫛歯状固定電極５２と当該櫛歯状固定電極５２に重複する延設部６２との間のギャップと、を同じ隙間に形成している。このように、延設部１５に対して当該延設部１５と重複する櫛歯状固定電極５２および幹部５１との間のギャップを一定とすることで、例えばＩＣＰ加工を行った際のガス回りを均一にすることができるため、エッチングの加工性を高めることができる。

以上、説明してきたように、本実施形態の加速度センサ１によれば、錘部６の幹部６１の両端部に、櫛歯状可動電極６３の突出方向に沿うとともに、固定電極体５の幹部５１にオーバーラップする位置まで延設した延設部６２を設け、前記オーバーラップして重複した延設部６２と固定電極体５の幹部５１とのどちらか一方の面（幹部５１）にストッパ１５を設けたため、ストッパ１５を検出部として機能しない延設部６２に衝突させることができるようになり、検出部の検出機能を損なうことなく、櫛歯状可動電極６３と櫛歯状固定電極５２とが接触するのを防止することができる。

また、オーバーラップして重複した延設部６２と固定電極体５の幹部５１との間のギャップと、両端部に配置された櫛歯状固定電極５２と当該櫛歯状固定電極５２に重複する延設部６２との間のギャップと、を同じ隙間に形成したため、エッチングの加工性を高めることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種変更が可能である。例えば、上記実施形態では、オーバーラップして重複した固定電極体５の幹部５１にストッパ１５を設けたが、延設部６２にストッパ１５を設けるようにしてもよい。

１加速度センサ（静電容量式センサ）
４シリコン基板（半導体層）
５固定電極体
６錘部（可動電極体）
７ばね部
１５ストッパ
５１幹部
５２櫛歯状固定電極
６１幹部
６２延設部
６３櫛歯状可動電極

Claims

半導体層をエッチングすることによって可動電極体と固定電極体とが形成される静電容量式センサにおいて、
前記固定電極体は、櫛歯状固定電極と、前記櫛歯状固定電極の基端部を連結する幹部と、を備え、
前記可動電極体は、前記櫛歯状固定電極に間隙をもって対向配置されるとともに、前記櫛歯状固定電極と交互に配置される櫛歯状可動電極と、前記櫛歯状可動電極の基端部を連結する幹部と、を備えており、
前記可動電極体の幹部の両端部に、前記櫛歯状可動電極の突出方向に沿うとともに、前記固定電極体の幹部にオーバーラップする位置まで延設した延設部を設け、
前記オーバーラップして重複した延設部と固定電極体の幹部との間のギャップと、両端部に配置された櫛歯状固定電極と当該櫛歯状固定電極に重複する延設部との間のギャップと、を同じ隙間に形成し、
前記重複した延設部と固定電極体の幹部とのどちらか一方の面に、前記可動電極体の動作により、前記櫛歯状可動電極が前記櫛歯状固定電極に接触するのを防止するストッパを設けたことを特徴とする静電容量式センサ。