JP5817841B2 - 加速度センサ - Google Patents

Description

本発明は、シリコン支持層上に酸化シリコン層を形成し、該酸化シリコン層上に活性シリコン層を形成したＳＯＩ基板を備え、このＳＯＩ基板の活性シリコン層に可動電極とその周辺に対向する固定電極とを形成した加速度センサに関する。

この種の加速度センサとしては、固定電極と、この固定電極の表裏に所定距離離れた可動電極とを互いの検出面が対向するように配置し、可動電極及び固定電極の検出面からこれとは反対側の面まで貫通する貫通孔を形成して可動電極及び固定電極との間に生じるエアーダンピングを軽減するようにした容量式半導体センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）

特開２００４−６９５４１号公報

ところで、上記特許文献１に記載された従来例にあっては、固定電極とその表裏に所定距離離れた可動電極とを互いの検出面が対向するように配置し、可動電極及び固定電極の検出面からこれとは反対側の面まで貫通する貫通孔を中央部に形成して可動電極及び固定電極との間に生じるエアーダンピングを軽減するようにしている。

しかしながら、上記特許文献１に記載された従来例にあっては、可動電極及び固定電極に形成した貫通孔によってエアーダンピングを軽減することはできるが、貫通孔が中央部に１つだけ形成されているので、エアーダンピングを軽減する効果は少なく、可動電極が高周波数で振動する場合には、大きなエアーダンピング効果を得ることはできないという未解決の課題がある。また、貫通孔を多数形成すればするほど可動電極の剛性が低下することになり、貫通孔の数と可動電極の剛性にはトレードオフの関係がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、可動電極に多数の貫通孔を形成しながら剛性を確保することができる加速度センサを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る加速度センサの第１の態様は、シリコン支持層上に酸化シリコン層を形成し、該酸化シリコン層上に活性シリコン層を形成したＳＯＩ基板を備え、前記ＳＯＩ基板の活性シリコン層に、弾性梁部で支持された錘部で構成される可動電極と、該可動電極の周辺に対向して固定配置された固定電極とを形成し、前記可動電極のＺ軸方向に貫通する貫通孔を形成し、前記貫通孔は、ブロック状領域に分割配置されており、前記ブロック状領域は、格子状に配列されている。

また、本発明に係る加速度センサの第２の態様は、前記貫通孔が、所定本数の貫通長孔を平行に形成した第１のブロック状領域と、該第１のブロック状領域の貫通長孔に対して直交する方向に所定本数の貫通長孔を平行に形成した第２のブロック状領域とを交互に２次元的に配置した構成を有する。

また、本発明に係る加速度センサの第３の態様は、前記貫通孔が、所定本数の貫通長孔を平行に形成した第１のブロック状領域と、該第１のブロック状領域の貫通長孔に対して直交する方向に所定本数の貫通長孔を平行に形成した第２のブロック状領域と、貫通長孔を形成していない第３のブロック状領域を交互に２次元的に配置した構成を有する。

また、本発明に係る加速度センサの第４の態様は、前記第１のブロック状領域及び第２のブロック状領域における貫通長孔間の連結部の幅を開口率が５０％となるときの幅より広くした。
また、本発明に係る加速度センサの第５の態様は、前記貫通孔が、前記可動電極の前記弾性梁部が連結される外周部の内側の全面に亘って形成され、前記可動電極の下面側における前記外周部に下方に延長するストッパ部が形成されている。

本発明によれば、可動電極の弾性梁部が連結される外周部の内側の全面に亘ってＺ軸方向に貫通する貫通孔を形成したので、外周部側で剛性を保ちながら多数の貫通孔でエアーダンピングを大幅に軽減することができる。

本発明に係る加速度センサの第１の実施形態を示す断面図である。 図１のＡ−Ａ線上の端面図である。 第１の実施形態の貫通長孔間の間隔と減衰時間との関係を示す特性線図である。 本発明に係る加速度センサの第２の実施形態を示す断面図である。 図４のＢ−Ｂ線上の端面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る加速度センサの一例を示す断面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線上の端面図である。
図中、１は加速度センサであって、この加速度センサ１は、ＳＯＩ(Silicon On Insulator)基板２で形成されている。このＳＯＩ基板２は、下層のシリコン支持層３と、このシリコン支持層３上に形成された酸化シリコン層４と、この酸化シリコン層４上に形成された活性シリコン層５とで構成されている。
そして、シリコン支持層３及び酸化シリコン層４は外周側の方形の枠状部６を残して中央部がエッチングによって除去されて空間部７が形成されている。

一方、上部の活性シリコン層５については、中央部に形成された方形の錘部を兼ねる可動電極１１と、この可動電極１１の４隅から対角線上に外方へ延長する弾性梁部１２とを残し、さらに可動電極１１の４辺と所定ギャップを介して対向するＸ軸方向固定電極１３ｘａ及び１３ｘｂと、Ｙ軸方向固定電極１４ｙａ及び１４ｙｂとを残すように、これらの周りが例えば異方性のドライエッチングによって除去されている。

そして、可動電極１１の弾性梁部１２と連結されている外周側の方形枠状部１５の内側にＺ方向すなわち上下に貫通する多数の貫通孔１６が形成されている。この貫通孔１６は、図２で拡大図示するように、Ｘ軸方向に延長する例えば４本の貫通長孔１７ａを所定間隔を保って並列に形成した第１のブロック状領域１７と、Ｙ軸方向に延長する例えば４本の貫通長孔１８ａを所定間隔を保って並列に形成した第２のブロック状領域１８とがＸ軸方向及びＹ軸方向に２次元的に交互に配列された構成を有する。

また、ＳＯＩ基板２の上面及び下面が例えばガラス基板で構成される上部基板２１及び下部基板２２で覆われている。そして、上部基板２１には、図１に示すように、可動電極１１に対向する位置に空間部７よりやや広い面積の凹部２３が形成され、この凹部２３の底部に可動電極１１に対向するＺ軸方向固定電極２４が形成されている。

次に、上記第１の実施形態の動作を説明する。ＳＯＩ基板２の活性シリコン層５に形成された可動電極１１は、その４隅からそれぞれ対角線方向に外方に延長する弾性梁部１２がシリコン支持層３及び酸化シリコン層４で構成される枠状部６の上面に固定されている。
このため、可動電極１１が４本の弾性梁部１２によって支持されているので、加速度センサ１にＸ軸方向の右側（又は左側）に向かう加速度が加えられると、弾性梁部１２が撓むことにより、可動電極１１が右方（又は左方）に移動する。したがって、可動電極１１の右端とＸ軸方向固定電極１３ｘｂとの間のギャップが狭く（又は広く）なって両者間の静電容量が大きく（又は小さく）なり、逆に可動電極１１の左端とＸ軸方向固定電極１３ｘａとの間のギャップが広く（又は狭く）なって、両者間の静電容量が小さく（又は大きく）なる。

このため、可動電極１１とＸ軸方向固定電極１３ｘａとの間と可動電極１１とＸ軸方向固定電極１３Ｘｂとの間の静電容量の差分を図示しない静電容量検出回路で検出することにより、加速度に応じた正負の加速度検出信号を得ることができる。
同様に、加速度センサ１にＹ軸方向の加速度が加えられた場合も、可動電極１１が図２で見て前後に移動して、可動電極１１とＹ軸方向固定電極１４ｙａとの間と、可動電極１１とＹ軸方向固定電極１４ｙｂとの間の静電容量は一方が減少し、他方が増加する。このため、同様に静電容量検出回路で、静電容量の差分を演算することにより、正負の加速度検出信号を得ることができる。

さらに、加速度センサ１にＺ軸方向の加速度が加えられた場合には、このＺ方向については、Ｚ軸方向固定電極２４が上方の１つのみであることから、このＺ軸方向固定電極２４と可動電極１１との間の静電容量を例えばダミー容量を使用した静電容量検出回路で検出することにより、Ｚ軸方向の加速度検出信号を得ることができる。
このように、可動電極１１がＺ軸方向に移動する場合には、弾性梁部１２の弾性変形による撓みと伸びによって可動電極１１が上下することになる。このとき、可動電極１１が上方又は下方に移動する場合に、その可動電極１１とＺ軸方向固定電極２４との間の空間部が比較的狭く、可動電極１１のＺ軸方向への移動時にエアーダンピングを生じる可能性がある。

しかしながら、本実施形態では、可動電極１１の外周部の枠状部１５を除く内側の全域にＸ軸方向に延長する貫通長孔１７ａを所定間隔で平行に形成した第１のブロック状領域１７と、Ｙ軸方向に延長する貫通長孔１８ａを所定間隔で平行に形成した第２のブロック状領域１８とが両者間に少なくとも貫通長孔１７ａ間の連結部の幅以上の所定間隔を開けてＸＹ方向に交互に二次元的に配置されている。このため、可動電極１１の表裏の空気が貫通長孔１７ａ及び１８ａを通じて行き来することができ、エアーダンピングを確実に抑制することができる。したがって、Ｚ方向に高周波数の加速度が入力された場合でもエアーダンピングによる周波数特性の低下を防止することができる。

しかも、第１のブロック状領域１７と第２のブロック状領域１８が二次元方向に交互に配置されているので、一方向に貫通長孔を並べて形成する場合に比較して可動電極１１の剛性を高めることができる。このため、長期の使用に耐えることができ、加速度センサ１の信頼性を向上させることができる。

また、第１のブロック状領域１７と第２のブロック状領域１８が二次元方向に交互に配置され、可動電極１１の外周部の枠状部１５を除く内側の全域に亘って格子状に配列されていることにより、隣接する第１のブロック状領域１７と第２のブロック状領域１８との間の境界部分における貫通孔を形成しない領域が可動電極１１の外周部の枠状部１５を除く内側の全域に亘って格子状に連結され、格子状の構造体が形成されていることによって、可動電極１１の剛性がより高いものとなっている。

そして、上記の貫通孔を形成しない領域の幅を、第１のブロック状領域１７における貫通長孔１７ａ間の連結部の幅、および、第２のブロック状領域１８における貫通長孔１８ａ間の連結部の幅よりも大きくすれば、可動電極１１の剛性をさらに高いものとすることができる。
ここで、第１のブロック状領域１７の貫通長孔１７ａ間の連結部の幅と、第２のブロック状領域１８の貫通長孔１８ａ間の連結部の幅は、貫通長孔１８ａの幅を５μｍとしたときに、貫通長孔１７ａ及び１８ａ間の連結部の幅Ｗを変化させてシミュレーションを行った結果を図３に示す。この図３では、可動電極１１に貫通孔１６を形成しない場合と、貫通長孔１７ａ及び１８ａ間の連結部の幅Ｗが２５μｍ及び５０μｍである場合についてシミュレーションを行った。

このシミュレーション結果は、横軸に時間〔ｓｅｃ〕をとり、縦軸に力〔Ｎ〕をとっている。貫通孔１６を設けない場合には、特性曲線Ｌ１で示すように力を加えてから減衰するまでの時間が長くなる。これに対して、貫通長孔１７ａ及び１８ａ間の連結部の幅Ｗが５０μｍである場合には、特性曲線Ｌ２で示すように、力を加えてから特性曲線Ｌ１に比較して早い時間で減衰する。さらに、貫通長孔１７ａ及び１８ａ間の連結部の幅Ｗが２５μｍである場合には、特性曲線Ｌ３で示すように、特性曲線Ｌ２よりさらに早い時間で減衰する。

このシミュレーション結果から、貫通長孔１７ａ及び１８ａ間の連結部の幅Ｗを５０μｍより狭めるほど力を加えたときの減衰時間が早くなる。しかしながら、貫通長孔１７ａ及び１８ａの連結部の幅Ｗを狭めると剛性が低下するとともに、錘としての機能も低下するので、貫通長孔１７ａ及び１８ａの連結部の幅Ｗを、開口率を５０％としたときの連結部の幅Ｗより広くし、周波数特性を高めながら剛性を確保することができる。

次に、本発明の第２の実施形態を図４及び図５について説明する。
この第２の実施形態では、可動電極１１の過度の変位を抑制するようにしたものである。
すなわち、第２の実施形態では、図４及び図５に示すように、可動電極１１の下面側に枠状部１５に対向する位置に下方に延長する方形枠状のストッパ部３１をエッチングせずに残したことを除いては前述した第１の実施形態と同様の構成を有し、図１及び図２との対応部分には同一符号を付し、その詳細説明はこれを省略する。なお、ストッパ部３１に対向する下部基板２２にはシリコン支持層３及び酸化シリコン層４の空間部７に対応し、可動電極１１の許容変位に対応する深さの凹部３２が形成されている。

この第２の実施形態によると、可動電極１１の下面における第１のブロック状領域１７及び第２のブロック状領域１８が形成されていない外周側の枠状部１５に対応する位置にストッパ部３１を設けている。このため、加速度センサ１に大きな加速度を加えられて、可動電極１１の変位量が極端に大きくなると、ストッパ部３１が下部基板２２の凹部３２の底面に当接することにより、それ以上の可動電極１１の下降が阻止される。したがって、可動電極１１が過度に変位することを確実に防止することができ、可動電極１１及び弾性梁部１２の破損を防止することができる。このため、加速度センサ１の長期間の使用に耐えることができ、信頼性を向上させることができる。

なお、上記第２の実施形態においては、ストッパ部３１を方形枠状に形成する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ストッパ部３１を環状に形成せず、分割して形成するようにしても良く、さらには柱状に複数形成するようにしてもよい。

また、上記第１及び第２の実施形態においては、第１及び第２のブロック状領域１７及び１８の貫通長孔１７ａ及び１８ａの延長方向をＸ軸方向及びＹ軸方向とした場合について説明した。しかしながら、本発明は上記構成に限定されるものではなく、例えば、第１のブロック状領域１７の貫通長孔１７ａの延長方向をＸ軸に対して例えば４５°の角度で傾斜延長させ、第２のブロック状領域１８の貫通長孔１８ａの延長方向をＸ軸に対して例えば−４５°の角度で傾斜延長するようにしてもよい。要は、剛性を考えて第１のブロック状領域１７の貫通長孔１７ａの延長方向と第２のブロック状領域１８の貫通長孔１８ａの延長方向とを直交又は交差させるようにすればよい。

また、上記第１及び第２の実施形態においては、第１のブロック状領域１７と第２のブロック状領域１８とを交互に二次元的に配置する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、第１のブロック状領域１７と第２のブロック状領域１８との間に貫通孔を形成しない第３のブロック状領域を介在させてもよい。

また、上記第１及び第２の実施形態においては、第１のブロック状領域１７と第２のブロック状領域１８の貫通長孔１７ａ及び１８ａの幅及び数と連結部の幅とが等しい場合について説明した。しかしながら本発明は上記構成に限定されるものではなく、第１及び第２のブロック状領域１７及び１８で貫通長孔１７ａ及び１８ａの幅や連結部の幅を異ならせるようにしてもよく。さらには、第１のブロック状領域１７及び第２のブロック状領域で中心部に行くにしたがい開口率を大きくするようにしてもよい。

また、上記第１及び第２の実施形態においては、第１のブロック状領域１７と第２のブロック状領域１８とに貫通長孔１７ａ及び１８ａを形成する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、貫通長孔に代えて任意形状の１つの貫通孔を形成したブロック状領域を格子状に整列させるようにしてもよい。この場合は１つの貫通孔を形成したブロック状領域を格子状に整列させることにより、ブロック状領域間の連結部の幅を広くすることができる。このため、可動電極１１の剛性をより向上させることができる。

本発明によれば、可動電極に多数の貫通孔を形成しながら剛性を確保することができる加速度センサを提供することができる。

１…加速度センサ、２…ＳＯＩ基板、３…シリコン支持層、４…酸化シリコン層、５…活性シリコン層、６…枠状部、７…空間部、１１…可動電極、１２…弾性梁部、１３ｘａ，１３ｘｂ…Ｘ軸方向固定電極、１４ｙａ，１４ｙｂ…Ｙ軸方向固定電極、１７…第１のブロック状領域、１７ａ…貫通長孔、１８…第２のブロック状領域、１８ａ…貫通長孔、２１…上部基板、２２…下部基板、２３…凹部、２４…Ｚ軸方向固定電極、３１…ストッパ部

Claims (5)

1. シリコン支持層上に酸化シリコン層を形成し、該酸化シリコン層上に活性シリコン層を形成したＳＯＩ基板を備え、
   前記ＳＯＩ基板の活性シリコン層に、弾性梁部で支持された錘部で構成される可動電極と、該可動電極の周辺に対向して固定配置された固定電極とを形成し、
   前記可動電極のＺ軸方向に貫通する貫通孔を形成し、
   前記貫通孔は、ブロック状領域に分割配置されており、
   前記ブロック状領域は、格子状に配列されていることを特徴とする加速度センサ。
2. 前記貫通孔は、所定本数の貫通長孔を平行に形成した第１のブロック状領域と、該第１のブロック状領域の貫通長孔に対して直交する方向に所定本数の貫通長孔を平行に形成した第２のブロック状領域とを交互に２次元的に配置した構成を有することを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
3. 前記貫通孔は、所定本数の貫通長孔を平行に形成した第１のブロック状領域と、該第１のブロック状領域の貫通長孔に対して直交する方向に所定本数の貫通長孔を平行に形成した第２のブロック状領域と、貫通長孔を形成していない第３のブロック状領域を交互に２次元的に配置した構成を有することを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
4. 前記第１のブロック状領域及び第２のブロック状領域における貫通長孔間の連結部の幅を開口率が５０％となるときの幅より広くしたことを特徴とする請求項２又は３に記載の加速度センサ。
5. 前記貫通孔は、前記可動電極の前記弾性梁部が連結される外周部の内側の全面に亘って形成され、
   前記可動電極の下面側における前記外周部に下方に延長するストッパ部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の加速度センサ。

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