JP5477434B2 - 容量式物理量センサ - Google Patents

Description

本発明は、例えば加速度センサやヨーレートセンサ等の、物理量（力学量）を静電容量の変化として検出する容量式物理量センサに関する。

この種の容量式物理量センサとして、例えば自動車のエアバッグ用の加速度センサ装置に用いられる半導体加速度センサがある。この半導体加速度センサ（センサチップ）は、周知のように、例えば支持基板上に酸化膜を介して単結晶シリコン層を有した半導体基板（ＳＯＩ基板）をベースとし、その単結晶シリコン層に対するマイクロマシニング加工により、可動電極部と一対の固定電極部とからなる加速度検出部（センサエレメント）を形成して得られるようになっている。

前記可動電極部は、検出軸（例えば前後方向であるＹ軸）方向に長い錘部、この錘部から左右（Ｘ軸）方向に櫛歯状に延びる可動電極、錘部の両端に位置される梁部（ばね部）、それらの両端側あるいは一端側に配置されるアンカ部、を一体的に有している。そのうちアンカ部は、支持基板に固定支持され、アンカ部以外の部位は、支持基板上に浮いた状態とされる。前記アンカ部の上面には、例えばアルミニウムからなる四角形の電極パッドが設けられるようになっている。前記固定電極部は、前記櫛歯状の可動電極に対し、前後方向に隙間を介して配置される櫛歯状の固定電極を有して構成される。

これにて、可動電極部（可動電極）と固定電極部（固定電極）との間にコンデンサが形成され、これらコンデンサの静電容量は、Ｙ軸方向の加速度の作用に伴う可動電極部の変位に応じて差動的に変化することになり、もって、加速度を容量値の変化として取出すことができるようになっている。尚、この半導体加速度センサ（センサチップ）は、例えば信号処理回路を有する回路チップ上に接着により実装され、その回路チップがセラミックパッケージに対し接着により収容されるようになっている。このとき、半導体加速度センサと回路チップとの電気的接続、及び、回路チップとパッケージ側との電気的接続は、夫々ボンディングワイヤによりなされるようになっている。

ところで、この種の半導体加速度センサにあっては、例えば特許文献１及び特許文献２に記載されているように、例えば温度変化を受けることによりセンサエレメント部分に外部からの応力が作用し、反り等の変形が生ずる事情がある。特に、アルミからなる電極パッドとシリコンからなる基板との間の熱膨張係数の差に起因して、可動電極部に検出軸方向の変形が生じ、その結果、可動電極と固定電極との間の隙間が変化してしまい、センサ出力が変動して検出精度の低下を招いてしまう問題点がある。

そこで、そのような問題点を解消するために、特許文献１では、センサエレメントをチップの中心に配置すると共に、センサエレメント（可動電極部及び左右の固定電極部）のパターンをＹ軸方向に延びる中心軸に対して線対称（左右対称）に配置するといった工夫がなされている。また、特許文献２では、可動電極部の電極パッド及び左右の固定電極部の電極パッドに対し、センサエレメントの中心に関して点対称となるように、３個のダミーの電極パッドを付加する構成が開示されている。
特開２００２−３０３６３６号公報 特開２００３−１４７７７号公報

しかしながら、上記特許文献１、特許文献２のような、外部応力による可動電極部の変形を、センサエレメントのパターンや電極パッドに対称性を付与することにより抑制しようとする構成では、センサチップ全体の面積の大形化を招いたり、あるいは、センサエレメントのパターンや電極パッドの配置等に関する設計の自由度が低下したりする不具合がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、全体の大形化を抑えながらも、外部応力に起因する可動電極部の変形を効果的に防止することができる容量式物理量センサを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の容量式物理量センサは、支持基板上に、可動電極部と固定電極部とを有するセンサエレメントを設けて構成される容量式物理量センサであって、前記可動電極部は、前記支持基板に固定支持され上面に電極パッドが設けられたアンカ部と、このアンカ部に、前記支持基板上に浮いた状態の梁部を介して支持され物理量の作用に応じて変位する可動電極とを一体的に有して構成されていると共に、前記アンカ部は、前記梁部と電極パッドとの離間距離が、１００μｍ以上となるように設けられているところに特徴を有する。

これによれば、アンカ部の梁部と電極パッドとの間の離間距離を長くとることにより、アンカ部における応力の緩衝作用を呈し応力が可動電極部に及ぶことを抑えることができる。本発明者の研究によれば、離間距離を１００μｍ以上とすることにより、応力緩和の効果に優れることが明らかとなった。この結果、外部応力に起因する可動電極部の変形を防止することができる。この場合も、ダミーの電極パッドを付加したり、センサエレメントのパターンに対称性を与えたりする構成は不要となるので、全体の大形化を抑制することができ、また設計の自由度を低下させることなく済ませることができる。尚、梁部と電極パッドとの離間距離の上限についても、チップ全体の大きさ（面積）や配線抵抗との兼ね合いにより、適宜決定することができ、例えば２７０μｍ以下の範囲内で決定することができる。

以下、いくつかの参考例及び本発明を具体化した実施例について、図面を参照しながら説明する。尚、以下に述べる各参考例及び実施例は、例えば自動車のエアバッグシステム（衝突検出）用の容量式の加速度センサ装置に適用したものである。

（１）第１の参考例
まず、図１ないし図５を参照して、第１の参考例について述べる。図１は、本参考例に係る容量式物理量センサたる半導体加速度センサチップ１の全体構成を概略的に示している。

図示及び詳しい説明は省略するが、この半導体加速度センサチップ１は、例えば信号処理回路を有する回路チップ上に接着シートを介して接合され、その回路チップがセラミックパッケージに対し接着材により接着された状態で収容され、もって加速度センサ装置とされるようになっている。このとき、半導体加速度センサチップ１（後述する電極パッド）と回路チップとの電気的接続、及び、回路チップとパッケージ側との電気的接続は、夫々ボンディングワイヤによりなされるようになっている。

本例の半導体加速度センサチップ１は、図１（ｂ）及び図２（ｂ）にも示すように、例えば、シリコンからなる支持基板２上に絶縁層（酸化膜）３を介して単結晶シリコン層４を形成した矩形状（正方形状）のＳＯＩ基板をベースとし、マイクロマシニング技術によって、その表面の単結晶シリコン層４に溝を形成することにより、中央部のぽぼ矩形の領域に位置してセンサエレメント（力学量（加速度）検出部）５を有している。この場合、このセンサエレメント５は、図１（ａ）で前後方向（Ｙ軸方向）の加速度を検出するものとされ、一方向の検出軸（Ｙ軸）を有するものとなっている。尚、前記単結晶シリコン層４の厚み寸法は、例えば２２μｍとされている。

図１（ａ）に示すように、前記センサエレメント５は、加速度の作用に応じてＹ軸方向に変位する可動電極部６と、左右一対の固定電極部７，８とを有して構成される。そのうち可動電極部６は、センサエレメント５の中心部を前後方向に延びる錘部６ａの前後両端部に左右方向に細長い矩形枠状をなす梁部６ｂを有すると共に、図で手前側の梁部６ｂの更に前端側に第１のアンカ部６ｃを有し、後部側の梁部６ｂの更に後端側に第２のアンカ部６ｅを有している。そして、前記錘部６ａから左右方向に夫々いわば櫛歯状に延びる多数本の細幅状の可動電極６ｄを有して構成されている。

また、前記第１のアンカ部６ｃの上面部には、例えばアルミニウム製の矩形状の電極パッド９が設けられている。このとき、前記可動電極部６は、前記アンカ部６ｃ，６ｅを除いて下面側の絶縁膜３が除去されており、アンカ部６ｃ，６ｅのみが支持基板２に支持された状態、つまり残りの部分は宙に浮いた状態とされている。尚、前記可動電極６ｄは、実際には多数本が設けられているが、図１では便宜上大部分を省略し、左右各２本ずつのみを図示している。また、前記電極パッド９は、例えば１．３μｍの厚み寸法で形成されている。

これに対し、左側の固定電極部７は、図１で左辺側部分に前後に延びて位置する縦長矩形状の基部７ａから、右方にいわば櫛歯状に延びる多数本の細幅状の固定電極７ｂ（２本のみ図示）を有して構成されている。これら固定電極７ｂは、前記可動電極６ｄのすぐ後側に微小な隙間を介して平行に隣合うように設けられている。前記基部７ａは、前方（図で手前側）に延びて設けられ、その前端部の上面に、前記電極パッド９の左方に並ぶように、やはりアルミ製の電極パッド１０が設けられている。

右側の固定電極部８は、図１で右辺側部分に前後に延びて位置する縦長矩形状の基部８ａから、左方にいわば櫛歯状に延びる多数本の細幅状の固定電極８ｂ（２本のみ図示）を有して構成されている。これら固定電極８ｂは、前記可動電極６ｄのすぐ前側に微小な隙間を介して平行に隣合うように設けられている。前記基部８ａは、前方（図で手前側）に延びて設けられ、その前端部の上面に、前記電極パッド９の右方に並ぶように、やはりアルミ製の電極パッド１１が設けられている。尚、これら固定電極部７，８においては、基部７ａ，８ａを除く部分、つまり、固定電極７ｂ，８ｂ部分の下面側の絶縁膜３が除去されている。

これにて、前記可動電極部６（可動電極６ｄ）と固定電極部７（固定電極７ｂ）との間、及び、可動電極部６（可動電極６ｄ）と固定電極部８（固定電極８ｂ）との間に夫々コンデンサが形成され、これらコンデンサの静電容量は、Ｙ軸方向の加速度の作用に伴う可動電極部６（可動電極６ｄ）の変位に応じて差動的に変化することになり、もって、加速度を容量値の変化として取出すことができるようになっているのである。

さて、本例では、図１、図２に示すように、前記可動電極部６の第１のアンカ部６ｃには、前記梁部６ｂと電極パッド９との間に位置して、応力遮断用の２本のスリット１２が形成されている。図２（ｂ）に示すように、これらスリット１２は、単結晶シリコン層４全体が除去される深さで形成されている。尚、製造方法によっては、その下部の絶縁層３まで除去される深さで形成されていても良い。

これら２本のスリット１２は、前記第１のアンカ部６ｃの左右の両側縁部から内側に向けて延び、各スリット１２が、前記電極パッド９の左右の両端縁部を梁部６ｂ側（Ｙ軸方向）に延ばした仮想延長線Ｌを夫々横切る位置まで延びて形成されている。これらスリット１２は、前記仮想延長線Ｌよりも、前記電極パッド９の両側縁部間の幅寸法に対して５％以上の長さ内側に延びて形成されている。さらに、これらスリット１２は、そのスリット幅寸法ｃが５μｍ以上となるように形成されている。

具体例をあげると、第１のアンカ部６ｃの左右の幅寸法ａが１８０μｍ、前後（梁部６ｂまで）の長さ寸法ｅが２５３μｍ、電極パッド９の縦横寸法（寸法ｆ）が１２０μｍ×１２０μｍ、スリット１２の横方向長さ寸法ｄが各４０μｍ、第１のアンカ部６ｃの繋がり部分（スリット１２を除く部分）の幅寸法ｂが１００μｍ、スリット１２の幅寸法ｃが３０μｍ、電極パッド９の端部から梁部６ｂまでの長さ寸法ｇが１１３μｍ、電極パッド９の端部からスリット１２までの長さ寸法ｈが２０μｍとされている。

以上のように構成された半導体加速度センサチップ１においては、使用時に、例えば温度変化を受けることによりセンサエレメント５部分に外部からの応力が作用し、反り等の変形が生ずることが考えられる。特に、アルミからなる電極パッド９と、第１のアンカ部６ｃとの間の熱膨張係数の差に起因して、可動電極部６に検出軸（Ｙ軸）方向の変形が生じてしまい、ひいては、可動電極６ｄと固定電極７ｂ、８ｂとの間の隙間が変化し、センサ出力が変動して検出精度の低下を招いてしまう虞がある。

ところが、本参考例では、第１のアンカ部６ｃの梁部６ｂと電極パッド９との間の位置に、応力遮断用のスリット１２が設けられていることにより、第１のアンカ部６ｃにおける応力がそのスリット１２部分にて緩衝され、錘部６ａや可動電極６ｄ部分に及ぶことを抑えることができる。この結果、外部応力に起因する可動電極部６の変形を防止することができ、検出精度の低下を防止することができたのである。

ここで、本発明者は、本例におけるスリット１２の効果を確認すべく、半導体加速度センサチップにおいて、アンカ部にスリットを形成したものと有しないものとの２種類各１０個のサンプルＳ１及びＳ２に関して、実際の昇温試験を行い、温度と出力との関係を求めた。図３及び図４は、サンプルＳ１及びＳ２となったセンサチップの形状（ａ）及びその試験結果（ｂ）を示している。

図３（ａ）及び図４（ａ）に示すように、サンプルＳ１及びＳ２は、比較的大きいＳＯＩ基板に対し、その中心から手前側にずれた位置にセンサエレメントＥ１及びＥ２を形成した。また、電極パッドは、片側だけに（非対称に）設けられている。図３（ａ）のサンプルＳ１では、アンカ部に上記したような２本のスリットが形成され、図４（ａ）のサンプルＳ２では、アンカ部にスリットが存在しない。

試験は、上記サンプルＳ１及びＳ２を加速度センサ装置として組立て、常温（２５℃）から１２５℃まで温度を上昇させ、静止時つまり加速度が作用していない状態（０Ｇ）におけるセンサの出力電圧の変動を調べることにより行った。このとき、２５℃から８５℃までの出力をフラットになるように補正しながら、１２５℃における出力変動を比較した。その結果が、図３（ｂ）及び図４（ｂ）に示されている。図３（ｂ）に示すように、アンカ部にスリットを形成したサンプルＳ１では、１２５℃まで温度を上昇させても出力の変動は小さく、そのばらつきも小さいものとなっている。これに対し、図４（ｂ）のアンカ部にスリットの存在しないサンプルＳ２では、温度上昇に伴う出力の変動が大きく、そのばらつきも大きいものとなっていた。

この試験結果から、第１のアンカ部６ｃに応力遮断用のスリット１２を形成したものでは、熱応力（温度変化）による可動電極部６の変形を防止することができ、良好な検出精度を確保することができることが理解できる。また、スリット１２を設けることによって、センサエレメント５の形成位置がチップの中心部からずれていても、電極パッド９を対称的に配置しなくても良いことが明らかとなった。

次に、本発明者は、第１のアンカ部６ｃに形成されるスリット１２の幅寸法ｃが、応力吸収の効果に影響するかどうかを確かめるシミュレーション試験を行った。この試験は、図５（ａ）に示すような形状（寸法）の可動電極部６に対し、スリット１２をいくつかの異なる幅寸法ｃで形成した場合の変形量を求めることにより行った。その結果を図５（ｂ）に示す。尚、図５（ａ）では、可動電極６ｄの図示を省略している。

この場合、可動電極部６全体の形状として、後端部側の第２のアンカ部６ｅについても、前端側の第１のアンカ部６ｃと同等の長さ（寸法ｅが２５３μｍ）を有するように設けられている。そして、第１のアンカ部６ｃの大きさなどの各部の寸法は、上記した通りであるが、該第１のアンカ部６ｃの繋がり部分（スリット１２を除く部分）の幅寸法ｂを５０μｍ（スリット１２の横方向長さ寸法ｄを各６５μｍ）としている。また、スリット１２の幅寸法ｃを、０（スリットなし）、５μｍ、１０μｍ、２０μｍ、３０μｍ、５０μｍ、７０μｍ、８０μｍと変化させている。

この結果から、スリット１２を幅寸法ｃが５μｍ以上となるように形成することにより、変形量をごく僅かに済ませることができ、応力吸収の効果に優れたものとなることが明らかとなったのである。尚、スリット幅ｃの上限は特に限定しないが、第１のアンカ部６ｃの大きさ（面積）や配線抵抗との兼ね合いによって適宜設計すれば良く、例えば８０μｍ以下とすることができる。

さらに、詳しい説明は省略するが、本発明者の研究（シミュレーション）によれば、スリット１２を、第１のアンカ部６ｃの両側縁部から内側に向けて２本形成すると共に、それらスリット１２を、電極パッド９の両端縁部を梁部側に延ばした仮想延長線Ｌを夫々横切る位置まで延びて形成すれば、応力吸収の効果に優れたものとなる。またこのとき、各スリット１２を、仮想延長線Ｌよりも、電極パッド９の両側縁部間の幅寸法ｆに対して５％以上の長さ（本参考例では、１２０×０．０５＝６μｍ以上）内側に延びて形成することが望ましく、可動電極部６の変形防止効果により優れたものとなることが明らかとなった。

このような第１の参考例によれば、可動電極部６の第１のアンカ部６ｃに、梁部６ｂと電極パッド９との間に位置して、応力遮断用のスリット１２を形成したので、外部応力に起因する可動電極部６の変形を効果的に防止することができるという優れた効果を奏する。しかも、ダミーの電極パッドを付加する構成や、センサエレメント５のパターンに対称性を与えたり、チップの中心に設けたりする構成は不要となるので、全体の大形化を抑制することができ、また設計の自由度を低下させることなく済ませることができる。

（２）第２〜第４の参考例
図６、図７、図８は、夫々第２、第３、第４の参考例を示している。これら第２〜第４の参考例が、上記第１の参考例と異なる点は、可動電極部６の第１のアンカ部６ｃに形成されるスリットの形状にある。従って、上記第１の参考例と同一部分には同一符号を付して詳しい説明を省略し、以下、相違する点のみ述べることとする。

図６は、第２の参考例を示すものであり、この第２の参考例では、梁部６ｂと電極パッド９との間に位置して第１のアンカ部６ｃに左右方向に延びて形成される２本のスリット２１を、該アンカ部６ａの側縁部にて開放するのではなく、アンカ部６ｃの内側に切込みを入れた状態（閉じた状態）に設けるようにしている。つまり、第１のアンカ部６ａの前後部は、２本のスリット２１を挟んで、両側縁部及び中央部にてつながった状態とされている。また、この場合も、２本のスリット２１は、電極パッド９の左右の両端縁部を梁部６ｂ側（Ｙ軸方向）に延ばした仮想延長線Ｌを夫々横切るような位置に形成されている。

図７は、第３の参考例を示すものであり、この第３の参考例では、第１のアンカ部６ｃに形成される２本のスリット２２を、三角形状に設けるようにしている。
図８は、第４の参考例を示すものであり、この第４の参考例では、第１のアンカ部６ｃに形成される２本のスリット２３を、楕円（長円）形状としている。

これら第２〜第４の参考例においても、可動電極部６の第１のアンカ部６ｃに、梁部６ｂと電極パッド９との間に位置して、応力遮断用のスリット２１，２２，２３を形成したので、第１の参考例と同様に、全体の大形化を抑えながらも、外部応力に起因する可動電極部６の変形を効果的に防止することができるという優れた効果を得ることができる。

（３）一実施例、その他の実施例
次に、本発明の一実施例について、図９及び図１０を参照しながら説明する。図９は、本実施例に係る容量式物理量センサとしての半導体加速度センサチップ３１を概略的に示しており、以下、上記第１の参考例の半導体加速度センサチップ１の構成と異なる点を中心に説明する。この半導体加速度センサチップ３１は、やはり、支持基板２上に、可動電極部３２と左右一対の固定電極部７，８とを有するセンサエレメント５を設けて構成されている。

前記可動電極部３２は、前後方向に延びる錘部３２ａの前後両端部に梁部３２ｂを有すると共に、図で手前側の梁部３２ｂの更に前端側に第１のアンカ部３２ｃを有し、後部側の梁部３２ｂの更に後端側に第２のアンカ部３２ｅを有している。そして、前記錘部３２ａから左右方向に夫々いわば櫛歯状に延びる多数本の細幅状の可動電極３２ｄを有して構成されている。前記第１のアンカ部３２ｃの上面部には、例えばアルミニウム製の矩形状の電極パッド９が設けられている。

このとき、前記第１のアンカ部３２ｃにあっては、上記第１〜第４の参考例のようなスリットを設けることに代えて、アンカ部３２ｂ全体が前後方向に比較的長く形成されると共に、その前端側に電極パッド９が配置されていることにより、電極パッド９の端部から梁部３２ｂまでの長さ寸法（離間距離）ｇが、１００μｍ以上となるように構成されている。本実施例では、離間距離ｇは、例えば１３０μｍとされている。

本実施例の構成によれば、第１のアンカ部３２ｃにおいて、梁部３２ｂと電極パッド９との間の離間距離ｇを比較的長くとることにより、第１のアンカ部３２ｃにおける応力を緩和して可動電極部３２に及ぶことを抑えることができる。本発明者の研究によれば、離間距離ｇを１００μｍ以上とすることにより、応力緩和の効果に優れることが明らかとなった。

図１０は、本発明者が、第１のアンカ部における梁部と電極パッドとの間の離間距離ｇを変化させた場合の、離間距離ｇと可動電極部の変形量との関係をシミュレーションした試験結果を示している。この図１０中、曲線Ａはスリットを設けない場合を示しているが、ここでは、上記第１の参考例のようなスリットを形成した場合についても併せてシミュレーションを行い、曲線Ｂで示している。

この結果から、梁部と電極パッドとの間の離間距離ｇを、約１００μｍ以上とした場合には、可動電極部の変形はほとんど発生せず、より好ましくは、１３０μｍ以上とすることにより変形量をほぼ０とすることができた。また、スリットを形成した場合（曲線Ｂ）には、梁部と電極パッドとの間の離間距離ｇを５０μｍ以上とすることにより、同様に可動電極部の変形を防止することができた。尚、梁部と電極パッドとの離間距離ｇの上限についても、チップ全体の大きさ（面積）や配線抵抗との兼ね合いにより、適宜決定することができ、例えば２７０μｍ以下の範囲内で決定することができる。

従って、本実施例によれば、可動電極部３２の第１のアンカ部３２ｃを、梁部３２ｂと電極パッド９との離間距離ｇが比較的大きくなる（１００μｍ以上）ように構成したので、外部応力に起因する可動電極部３２の変形を効果的に防止することができるという優れた効果を奏する。しかも、ダミーの電極パッドを付加する構成や、センサエレメント５のパターンに対称性を与えたり、チップの中心に設けたりする構成は不要となるので、全体の大形化を抑制することができ、また設計の自由度を低下させることなく済ませることができるものである。

尚、上記実施例では、本発明を加速度センサ装置に適用するようにしたが、例えばヨーレートセンサ等、一方向の検出軸を有する他の容量型の物理量センサにも適用することができる。その他、本発明は上記し図面に示した実施例に限定されるものではなく、例えばセンサエレメントの形状や材質、アンカ部や電極パッド等の各部の寸法、配置などについても種々の変形が可能である等、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施し得るものである。

第１の参考例を示すもので、センサチップの概略的な平面図（ａ）及びその中心線（Ｙ軸）に沿う縦断側面図（ｂ） アンカ部を示す拡大平面図（ａ）及びそのII−II線に沿う拡大縦断側面図（ｂ） アンカ部にスリットを形成したセンサチップのサンプル形状（ａ）及び昇温試験の試験結果（ｂ）を示す図 アンカ部にスリットを有しないセンサチップのサンプル形状（ａ）及び昇温試験の試験結果（ｂ）を示す図 スリットの幅寸法と可動電極部の変形量との関係を調べた試験結果を示す図 第２の参考例を示す図２（ａ）相当図 第３の参考例を示す図２（ａ）相当図 第４の参考例を示す図２（ａ）相当図 本発明の一実施例を示すもので、図１（ａ）相当図 電極パッドの端部から梁部までの離間距離と可動電極部の変形量との関係を調べた試験結果を示す図

図面中、１，３１は半導体加速度センサチップ（容量式物理量センサ）、２は支持基板、５はセンサエレメント、６，３２は可動電極部、６ａ、３２ａは錘部、６ｂ，３２ｂは梁部、６ｃ，３２ｃは第１のアンカ部、６ｄ、３２ｄは可動電極、７，８は固定電極部、７ｂ，８ｂは固定電極、９は電極パッド、１２，２１，２２，２３はスリット、Ｌは仮想延長線を示す。

Claims (1)

1. 支持基板上に、可動電極部と固定電極部とを有するセンサエレメントを設けて構成される容量式物理量センサであって、
   前記可動電極部は、前記支持基板に固定支持され上面に電極パッドが設けられたアンカ部と、このアンカ部に、前記支持基板上に浮いた状態の梁部を介して支持され物理量の作用に応じて変位する可動電極とを一体的に有して構成されていると共に、
   前記アンカ部は、前記梁部と電極パッドとの離間距離が、１００μｍ以上となるように設けられていることを特徴とする容量式物理量センサ。

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