JP6020392B2 - 加速度センサ - Google Patents

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Description

本発明は、直交する２つの方向の加速度を検出する加速度センサに関するものである。
従来より、例えば、特許文献１には、支持基板上に半導体層が積層された半導体基板を用いて構成した加速度センサが提案されている。すなわち、この加速度センサでは、半導体層に、半導体層の面方向における所定方向の加速度に応じて変位する枠部に可動電極が備えられた可動部と、当該可動電極と対向する固定電極を有する固定部とが形成されている。
このような加速度センサでは、所定方向の加速度が印加されると加速度に応じて可動電極と固定電極との間隔が変化するため、可動電極と固定電極との間の容量に基づいて加速度の検出が行われる。
特開２００７−１３９５０５号公報
ところで、近年では、このような加速度センサにおいて、上記所定方向と直交し、かつ、半導体層の面方向と平行となる方向の加速度も検出したいという要望がある。このため、本願発明者らは、図１４に示されるような加速度センサについて検討した。
すなわち、この加速度センサは、支持基板上に半導体層Ｊ１が積層された半導体基板を用いて構成されており、半導体層Ｊ１に溝部Ｊ２が形成されることによって可動部Ｊ３および第１〜第４固定部Ｊ４〜Ｊ７が形成されている。
具体的には、可動部Ｊ３を構成する枠部Ｊ８は、矩形枠状とされており、ｘ軸方向に延びる一対の第１辺部Ｊ８ａと、ｙ軸方向に延びる一対の第２辺部Ｊ８ｂとを有している。なお、図１４中では、ｘ軸方向を図１４中紙面左右方向とし、ｙ軸方向を半導体層Ｊ１の面内においてｘ軸方向と直交する方向とし、ｚ軸方向をｘ軸方向およびｙ軸方向と直交する方向としている。
枠部Ｊ８における各第１辺部Ｊ８ａには、ｙ軸方向の成分を含む加速度が印加されたときに枠部Ｊ８をｙ軸方向に変位させる第１梁部Ｊ９ａが備えられている。同様に、枠部Ｊ８における各第２辺部Ｊ８ｂには、ｘ軸方向の成分を含む加速度が印加されたときに枠部Ｊ８をｘ軸方向に変位させる第２梁部Ｊ９ｂが備えられている。そして、枠部Ｊ８は、各第１梁部Ｊ９ａから枠部Ｊ８の中心に伸びる第１連結部Ｊ１０ａ、および各第２梁部Ｊ９ｂから枠部Ｊ８の中心に伸びる第２連結部Ｊ１０ｂが支持基板に支持されたアンカー部Ｊ１１に連結されることにより、支持基板に支持されている。つまり、枠部Ｊ８は、支持基板からリリースされた状態となっている。
また、枠部Ｊ８における各第１、第２辺部Ｊ８ａ、Ｊ８ｂには、第１〜第４支持部Ｊ１２ａ〜Ｊ１５ｄを介して第１〜第４可動電極Ｊ１２ｂ〜Ｊ１５ｂが備えられている。詳述すると、第１、第２可動電極Ｊ１２ｂ、Ｊ１３ｂは、ｙ軸方向と平行となるように、第１、第２支持部Ｊ１２ａ、１３ａに備えられている。また、第３、第４可動電極Ｊ１４ｂ、Ｊ１５ｂは、ｘ軸方向と平行となるように、第３、第４支持部Ｊ１４ａ、Ｊ１５ａに備えられている。
そして、第１〜第４固定部Ｊ４〜Ｊ７は、第１〜第４固定電極Ｊ４ａ〜Ｊ７ａが第１〜第４可動電極Ｊ１２ｂ〜Ｊ１５ｂと対向するように形成されている。
このような加速度センサでは、ｘ軸方向の成分を含む加速度が印加されると、第２梁部Ｊ９ｂによって枠部Ｊ８がｘ軸方向に変位すると共に第１連結部Ｊ１０ａが撓む。そして、当該加速度に応じて第１、第２可動電極Ｊ１２ｂ、Ｊ１３ｂと第１、第２固定電極Ｊ４ａ、Ｊ５ａとの間隔が変化する。このため、第１、第２可動電極Ｊ１２ｂ、Ｊ１３ｂと第１、第２固定電極Ｊ４ａ、Ｊ５ａとの間の容量に基づいてｘ軸方向の加速度の検出が行われる。
同様に、ｙ軸方向の成分を含む加速度が印加されると、第１梁部Ｊ９ａによって枠部Ｊ８がｙ軸方向に変位すると共に第２連結部Ｊ１０ｂが撓む。そして、当該加速度に応じて第３、第４可動電極Ｊ１４ｂ、Ｊ１５ｂと第３、第４固定電極Ｊ６ａ、Ｊ７ａとの間隔が変化する。このため、第３、第４可動電極Ｊ１４ｂ、Ｊ１５ｂと第３、第４固定電極Ｊ６ａ、Ｊ７ａとの間の容量に基づいてｙ軸方向の加速度の検出が行われる。
しかしながら、このような加速度センサでは、第１〜第４可動電極Ｊ１２ｂ〜Ｊ１５ｂ（第１〜第４支持部Ｊ１２ａ〜Ｊ１５ａ）は、枠部Ｊ８における第１、第２辺部Ｊ８ａ、Ｊ８ｂにそれぞれ備えられている。このため、図１５に示されるように、第１〜第４可動電極Ｊ１２ｂ〜Ｊ１５ｂ（第１〜第４支持部Ｊ１２ａ〜Ｊ１５ａ）の質量が枠部Ｊ８にかかる。また、このような枠部Ｊ８を有する可動部Ｊ３は、枠部Ｊ８の中心を通り、ｚ軸方向に延びる軸を回転軸として回転可能な状態で支持基板に支持されている。したがって、上記加速度センサでは、回転軸と第１〜第４可動電極Ｊ１２ｂ〜Ｊ１５ｂ（第１〜第４支持部Ｊ１２ａ〜Ｊ１５ａ）との距離が長くなり、回転モーメントが大きくなる。言い換えると、回転共振が小さくなる。このため、枠部が回転することで検出精度が低下し易いという問題がある。
本発明は上記点に鑑みて、検出精度の低下を抑制できる加速度センサを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、支持基板（１１）上に半導体層（１３）が積層された半導体基板（１４）と、半導体層に形成され、半導体層の面方向のうちの一方向を第１方向とし、第１方向と直交し、かつ面方向と平行となる方向を第２方向としたとき、第２方向と平行な方向に延設された第１方向用可動電極（２４、２５）と、半導体層に形成され、第１方向と平行な方向に延設された第２方向用可動電極（２６、２７）と、半導体層に形成された枠部（２２）と、半導体層に形成されて枠部に備えられ、第２方向の成分を含む加速度が印加されると当該第２方向に変位する第１梁部（２３ａ）と、半導体層に形成されて枠部に備えられ、第１方向の成分を含む加速度が印加されると当該第１方向に変位する第２梁部（２３ｂ）と、第２梁部を介して枠部を支持するアンカー部（２８）と、半導体層に形成され、第１方向用可動電極と対向して配置された第１方向用固定電極（３２、４２）と、半導体層に形成され、第２方向用可動電極と対向して配置された第２方向用固定電極（５２、６２）とを備え、以下の点を特徴としている。
すなわち、半導体層には、枠部の中心を通り、第２方向に延設されると共に第１梁部を介して枠部と連結された棒状の錘部（２１）が形成され、第１方向用可動電極および第２方向用可動電極は、錘部に備えられていることを特徴としている。
これによれば、第１、第２方向用可動電極の質量が枠部の中心近傍にかかることになる（図４参照）。このため、枠部の中心を通り、半導体層の面方向と直交する方向に延びる軸を回転軸とした回転モーメントを小さくでき、枠部（可動部）が回転することを抑制できる。したがって、検出精度が低下することを抑制できる。
この場合、請求項４に記載の発明のように、枠部は、中心が支持基板の中心と一致しており、第１方向用可動電極および第１方向用固定電極は、それぞれ枠部の中心に対して点対称に配置された第１、第２可動電極および第１、第２固定電極を有し、第２方向用可動電極および第２方向用固定電極は、それぞれ枠部の中心に対して点対称に配置された第３、第４可動電極および第３、第４固定電極を有し、第１可動電極と第１固定電極との間の第１容量（Ｃｓ１）と第２可動電極と第２固定電極との間の第２容量（Ｃｓ２）との差から第１方向における加速度を検出し、第３可動電極と第３固定電極との間の第３容量（Ｃｓ３）と第４可動電極と第４固定電極との間の第４容量（Ｃｓ４）との差から第２方向における加速度を検出するものとすることができる。
これによれば、支持基板が熱歪みによって歪んだとしても、熱歪みによって検出精度が低下することを抑制できる。
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
本発明の第１実施形態における加速度センサの平面図である。 図１中のII−II線に沿った断面図である。 図１に示す加速度センサの製造工程を示す断面図である。 図１に示す可動部を等価的にモデル化した図である。 支持基板が第１仮想線に対して歪んだ場合の第１〜第４固定部の変位方向を示す模式図である。 支持基板が第２仮想線に対して歪んだ場合の第１〜第４固定部の変位方向を示す模式図である。 支持基板が第３仮想線に対して歪んだ場合の第１〜第４固定部の変位方向を示す模式図である。 本発明の第２実施形態における加速度センサの平面図である。 本発明の第３実施形態における加速度センサの平面図である。 本発明の第４実施形態における加速度センサの平面図である。 本発明の第５実施形態における加速度センサの断面図である。 本発明の第６実施形態における加速度センサの断面図である。 本発明の第７実施形態における加速度センサの断面図である。 課題を説明するための加速度センサの平面図である。 図１４に示す可動部を等価的にモデル化した図である。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１および図２に示されるように、本実施形態の加速度センサは、支持基板１１上に絶縁膜１２を介して半導体層１３が積層されたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板１４を用いて構成されている。
なお、本実施形態では、ＳＯＩ基板１４が本発明の半導体基板に相当している。また、支持基板１１は、例えば、シリコン基板等が用いられ、絶縁膜１２はＳｉＯ２やＳｉＮ等が用いられ、半導体層１３はシリコン基板やポリシリコン等が用いられる。
半導体層１３には、マイクロマシン加工が施されて溝部１５形成され、溝部１５によって可動部２０および第１〜第４固定部３０〜６０が区画形成されている。なお、半導体層１３のうち、溝部１５で区画されていない部分は、周辺部７０とされている。
そして、絶縁膜１２には、可動部２０および第１〜第４固定部３０〜６０に対応する部分が除去された窪み部１６が形成されている。これにより、半導体層１３のうち可動部２０および第１〜第４固定部３０〜６０の所定領域が支持基板１１からリリースされた状態となっている。
ここで、図１および図２中のｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向の各方向について説明する。図１および図２中では、ｘ軸方向を図１中紙面左右方向とし、ｙ軸方向をＳＯＩ基板１４の面内においてｘ軸方向と直交する方向とし、ｚ軸方向をｘ軸方向およびｙ軸方向と直交する方向としている。なお、本実施形態では、ｘ軸方向が本発明の第１方向に相当し、ｙ軸方向が本発明の第２方向に相当している。
可動部２０は、窪み部１６上を横断するように配置された錘部２１と、錘部２１を支持する枠部２２と、枠部２２に備えられた第１、第２梁部２３ａ、２３ｂと、第１〜第４可動電極２４〜２７とを有している。
錘部２１は、矩形棒状とされており、長手方向の両端部が第１梁部２３ａを介して枠部２２に支持されている。具体的には、錘部２１は、長手方向がｙ軸方向と平行となり、枠部２２の中心を通るように枠部２２に支持されている。
枠部２２は、本実施形態では、矩形枠状とされており、ｘ軸方向に延びる一対の第１辺部２２ａと、ｙ軸方向に延びる一対の第２辺部２２ｂとを有している。そして、枠部２２は、中心が支持基板１１（半導体層１３）の中心と一致するように形成されている。
第１、第２梁部２３ａ、２３ｂは、平行な２本の梁がその両端で連結された矩形枠状とされており、２本の梁の長手方向と直交する方向に変位するバネ機能を有している。そして、第１梁部２３ａは、ｙ軸方向の成分を含む加速度が印加されたとき、錘部２１をｙ軸方向へ変位させると共に加速度の消失に応じて元の状態に復元させるように、枠部２２の各第１辺部２２ａと錘部２１の各端部との間に備えられている。また、第２梁部２３ｂは、ｘ軸方向の成分を含む加速度が印加されたとき、枠部２２をｘ軸方向へ変位させると共に加速度の消失に応じて元の状態に復元させるように、枠部２２の各第２辺部２２ｂに備えられている。本実施形態では、第２梁部２３ｂは、錘部２１を基準として線対称に形成されており、それぞれ枠部２２の第２辺部２２ｂの内側に形成されている。
そして、第２梁部２３ｂを挟んで枠部２２の第２辺部２２ｂと反対側には、絶縁膜１２を介して支持基板１１に支持されたアンカー部２８が形成され、枠部２２がアンカー部２８を介して支持基板１１に支持されている。言い換えると、枠部２２は、枠部２２の内側に形成されたアンカー部２８によって支持基板１１に支持されている。本実施形態では、各第２梁部２３ｂと連結されるアンカー部２８は、錘部２１を基準として線対称に形成されている。
第１、第２可動電極２４、２５および第３、第４可動電極２６、２７は、本実施形態では、それぞれ枠部２２の中心に対して点対称となるように、錘部２１に２本ずつ備えられている。
具体的には、錘部２１には、枠部２２の中心に対して点対称となるように、錘部２１の両側面から互いに反対方向へ突出する第１、第２支持部２４ａ、２５ａが備えられている。そして、第１、第２可動電極２４、２５は、枠部２２の中心を通ってｘ軸方向と平行な方向に延びる第１仮想線Ｋ１側に第１、第２支持部２４ａ、２５ａから突出するように、第１、第２支持部２４ａ、２５ａに備えられている。また、第３、第４可動電極２６、２７は、錘部２１の両側面から互いに反対方向へ突出するように、錘部２１に備えられている。
つまり、本実施形態では、第１、第２可動電極２４、２５は、ｙ軸方向と平行な方向に延設され、第３、第４可動電極２６、２７は、ｘ軸方向と平行な方向に延設されている。すなわち、本実施形態では、第１、第２可動電極２４、２５が本発明の第１方向用可動電極に相当し、第３、第３可動電極２６、２７が本発明の第２方向用可動電極に相当している。また、第１、第２支持部２４ａ、２５ａが本発明の第１方向用支持部に相当している。
第１〜第４固定部３０〜６０は、それぞれ絶縁膜１２に支持された第１〜第４配線部３１〜６１と、第１〜第４配線部３１〜６１に支持され、第１〜第４可動電極２４〜２７の櫛歯に噛み合うように形成された第１〜第４固定電極３２〜６２とを有している。そして、これら第１〜第４固定部３０〜６０は、枠部２２（支持基板１１）の中心に対して点対称となるように形成されている。
なお、本実施形態では、第１、第２固定電極３２、４２が本発明の第１方向用固定電極に相当し、第３、第４固定電極５２、６２が本発明の第２方向用固定電極に相当している。
また、半導体層１３のうちアンカー部２８および第１〜第４配線部３１〜６１には、それぞれパッド８１〜８５が形成され、ワイヤ等を介して外部回路と電気的な接続が図れるようになっている。なお、図１では、特に図示していないが、半導体層１３のうちの周辺部７０にもパッドを形成し、周辺部７０を所定の電位に固定できるようにしてもよい。
以上が本実施形態における加速度センサの構造である。次に、このような加速度センサの製造方法について図３を参照しつつ説明する。なお、図３は、図１中のII−II線に沿った断面図に相当している。
まず、図３（ａ）に示されるように、支持基板１１、絶縁膜１２、半導体層１３が順に積層されたＳＯＩ基板１４を用意する。
そして、図３（ｂ）に示されるように、半導体層１３上にＣＶＤ法等によって金属膜を形成する。次に、図示しないマスク等を用いて金属膜を適宜パターニングすることにより、パッド８１〜８５を形成する。なお、パッド８１、８３、８４は、図３（ｂ）とは別断面において形成されている。
続いて、図３（ｃ）に示されるように、半導体層１３上にレジストや酸化膜等のマスク（図示せず）を形成する。そして、当該マスクを用いて反応性イオンエッチング等で半導体層１３に溝部１５を形成することにより、可動部２０および第１〜第４固定部３０〜６０を形成する。
その後、図３（ｄ）に示されるように、ウェットエッチング等で絶縁膜１２の所定領域を除去することにより、可動部２０および第１〜第４固定部３０〜６０の所定領域を支持基板１１からリリースする。言い換えると、絶縁膜１２の所定領域を犠牲層エッチングする。これにより、上記加速度センサが製造される。
次に、上記加速度センサの作動について説明する。上記加速度センサでは、加速度を検出する際、第１〜第４可動電極２４〜２７（パッド８１）および第１〜第４固定電極３２〜６２（パッド８２〜８５）に所定の電位が印加される。なお、第１、第２固定電極３２、４２（パッド８２、８３）には、互いに位相が１８０°異なる電位（搬送波）が印加され、第３、第４固定電極５２、６２（パッド８４、８５）には互いに位相が１８０°異なる電位（搬送波）が印加される。
そして、図１中のコンデンサ記号で示すように、第１可動電極２４と第１固定電極３２との間に第１容量Ｃｓ１が構成され、第２可動電極２５と第２固定電極４２との間に第２容量Ｃｓ２が構成される。同様に、第３可動電極２６と第４固定電極５２との間に第３容量Ｃｓ３が構成され、第４可動電極２７と第４固定電極６２との間に第４容量Ｃｓ４が構成される。
このため、ｘ軸方向の加速度が印加されると、第１、第２可動電極２４、２５の変位に伴って第１、第２容量Ｃｓ１、Ｃｓ２が変化する。また、ｙ軸方向の加速度が印加されると、第３、第４可動電極２６、２７の変位に伴って第３、第４容量Ｃｓ３、Ｃｓ４が変化する。したがって、第１、第２容量Ｃｓ１、Ｃｓ２の差に基づいてｘ軸方向の加速度が検出され、第３、第４容量Ｃｓ３、Ｃｓ４の差に基づいてｙ軸方向の加速度の検出が行われる。
以上説明したように、本実施形態では、錘部２１は枠部２２の中心を通るように形成され、当該錘部２１に第１〜第４可動電極２４〜２７が備えられている。このため、図４に示されるように、第１〜第４可動電極２４〜２７（第１、第２支持部２４ａ、２５ａ）の質量は枠部２２の中心近傍にかかる。したがって、枠部２２の中心を通り、ｚ軸方向に延びる軸を回転軸とした回転モーメントを小さくできる。言い換えると、回転共振を大きくできる。このため、枠部２２が回転することを抑制でき、検出精度が低下することを抑制できる。
また、本実施形態の加速度センサは、第１〜第４固定部３０〜６０が支持基板１１（枠部２２）の中心に対して点対称に形成されている。このため、熱歪みによって検出精度が低下することも抑制できる。
すなわち、図５に示されるように、支持基板１１が第１仮想線Ｋ１を中心軸として半導体層１３側に凸となるようにｘ軸対称に変形した場合、第１〜第４配線部３１〜６１（第１〜第４固定電極３２〜６２）は、それぞれ第１仮想線Ｋ１から離間するように歪む。
この場合、第１、第２可動電極２４、２５と第１、第２固定電極３２、４２との対向面積がそれぞれ増加する。また、第３、第４可動電極２６、２７と第３、４固定電極５２、６２との間隔がそれぞれ長くなる。このため、Ｃ０を初期容量、ΔＣｔ１を熱歪みに起因する電極同士の対向面積の変化に関する熱歪み項、ΔＣｔ２を熱歪みに起因する電極同士の間隔の変化に関する熱歪み項とすると、第１〜第４容量Ｃｓ１〜Ｃｓ４は次式で示される。
（数１）Ｃｓ１＝Ｃ０＋ΔＣｔ１
（数２）Ｃｓ２＝Ｃ０＋ΔＣｔ１
（数３）Ｃｓ３＝Ｃ０−ΔＣｔ２
（数４）Ｃｓ４＝Ｃ０−ΔＣｔ２
したがって、上記のように、第１、第２容量Ｃｓ１、Ｃｓ２の差、第３、第４容量Ｃｓ３、Ｃｓ４の差に基づいて加速度の検出を行うと、ΔＣｔ１およびΔＣｔ２がキャンセルされる。なお、第１〜第４可動電極２４〜２７は、第１、第２梁部２３ａ、２３ｂによって熱歪みによる影響（応力）が緩和されるため、ほとんど変位しない。
また、図６に示されるように、支持基板１１（枠部２２）の中心を通ってｙ軸方向と平行な方向に延びる仮想線を第２仮想線Ｋ２とする。このとき、支持基板１１が第２仮想線Ｋ２を中心軸として半導体層１３側に凸となるようにｙ軸対称に変形した場合、第１〜第４配線部３１〜６１（第１〜第４固定電極３２〜６２）は、それぞれ第２仮想線Ｋ２から離間するように歪む。
この場合、第１、第２可動電極２４、２５と第１、第２固定電極３２、４２との間隔がそれぞれ短くなる。また、第３、第４可動電極２６、２７と第３、４固定電極５２、６２との対向面積がそれぞれ減少する。このため、第１〜第４容量Ｃｓ１〜Ｃｓ４は次式で示される。
（数５）Ｃｓ１＝Ｃ０＋ΔＣｔ２
（数６）Ｃｓ２＝Ｃ０＋ΔＣｔ２
（数７）Ｃｓ３＝Ｃ０−ΔＣｔ１
（数８）Ｃｓ４＝Ｃ０−ΔＣｔ１
したがって、上記のように、第１、第２容量Ｃｓ１、Ｃｓ２の差、第３、第４容量Ｃｓ３、Ｃｓ４の差に基づいて加速度の検出を行うと、ΔＣｔ１およびΔＣｔ２がキャンセルされる。
さらに、図７に示されるように、半導体層１３の中心を通り、ｘ軸方向およびｙ軸方向から４５°傾いた仮想線を第３仮想線Ｋ３とする。このとき、支持基板１１が第３仮想線Ｋ３を中心線として半導体層１３側に凸となるように斜め軸対称に変形した場合、第１〜第４配線部３１〜６１（第１〜第４固定電極３２〜６２）は、第３仮想線Ｋ３から離間するように歪む。
この場合、第１、第２可動電極２４、２５と第１、第２固定電極３２、４２とは、間隔がそれぞれ短くなると共に対向面積がそれぞれ増加する。また、第３、第４可動電極２６、２７と第３、４固定電極５２、６２とは、間隔がそれぞれ短くなると共に対向面積がそれぞれ減少する。このため、第１〜第４容量Ｃｓ１〜Ｃｓ４は次式で示される。
（数９）Ｃｓ１＝Ｃ０＋ΔＣｔ１＋ΔＣｔ２
（数１０）Ｃｓ２＝Ｃ０＋ΔＣｔ１＋ΔＣｔ２
（数１１）Ｃｓ３＝Ｃ０−ΔＣｔ１＋ΔＣｔ２
（数１２）Ｃｓ４＝Ｃ０−ΔＣｔ１＋ΔＣｔ２
したがって、上記のように、第１、第２容量Ｃｓ１、Ｃｓ２の差、第３、第４容量Ｃｓ３、Ｃｓ４の差に基づいて加速度の検出を行うと、ΔＣｔ１およびΔＣｔ２がキャンセルされる。
以上より、本実施形態の加速度センサによれば、熱歪みによって検出精度が低下することも抑制できる。
なお、上記では、支持基板１１が半導体層１３側に凸となるように変形した場合を説明した。しかしながら、支持基板１１が半導体層１３側に凹となるように変形した場合も同様に、第１、第２容量Ｃｓ１、Ｃｓ２の差、第３、第４容量Ｃｓ３、Ｃｓ４の差に基づいて加速度の検出を行うことにより、熱歪み項がキャンセルされる。
さらに、本実施形態の加速度センサでは、各アンカー部２８が枠部２２の内側に配置されているため、各アンカー部２８が枠部２２の外側に形成されている場合と比較して、各アンカー部２８の間の距離を短くできる。このため、熱歪みによって支持基板１１が歪んだ場合、各アンカー部２８に印加される応力の差を小さくできる。したがって、アンカー部２８を介して第２梁部２３ｂに伝達される応力がばらつくことを抑制できる。
さらに、第１、第２梁部２３ａ、２３ｂは、平行な２本の梁が当該梁の両端で連結された矩形枠状とされている。このため、例えば、第１、第２梁部２３ａ、２３ｂが折れ線状のバネ機能を有するもので構成されている場合と比較して、剛性を高くでき、熱歪みによって支持基板１１が歪んだ場合の応力が枠部２２に伝達されることを抑制できる。つまり、熱歪みによって枠部２２が歪むことを抑制できる。
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して第２、第３可動電極２５、２６および第２、第３固定電極４２、５２の形成場所を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
図８に示されるように、本実施形態では、第１仮想線Ｋ１に対して線対称となるように、第１、第２可動電極２４、２５が錘部２１に備えられていると共に、第３、第４可動電極２６、２７が錘部２１に備えられている。
同様に、第１仮想線Ｋ１に対して線対称となるように、第３、第４固定部５０、６０が形成されている。また、第１仮想線Ｋ１を挟んで略線対称となるように、第１、第２固定部３０、４０が形成されている。なお、略線対称に形成されているとは、第１可動電極２４および第１固定電極３２のｘ軸方向における配列と、第２可動電極２５および第２固定電極４２のｘ軸方向における配列とが反対となっているが、第１仮想線Ｋ１から第１、第２固定部３０、４０までの距離が等しく、ほぼ線対称に形成されていることである。
これによれば、例えば、第４可動電極２７から第１可動電極２４に向かうｘ軸方向の成分を含む加速度が印加されると、当該加速度に起因する枠部２２の変位により、第３、第４可動電極２６、２７と第３、第４固定電極５２、６２との対向面積がそれぞれ増加する。このため、Ｃ０を初期容量、ΔＣｔ３をｘ軸方向の成分に起因する電極同士の対向面積の変化に関する加速度項とすると、第３、第４容量Ｃｓ３、Ｃｓ４は次式で示される。
（数１３）Ｃｓ３＝Ｃ０＋ΔＣｔ３
（数１４）Ｃｓ４＝Ｃ０＋ΔＣｔ３
したがって、上記のように、第３、第４容量Ｃｓ３、Ｃｓ４の差に基づいて加速度の検出を行うと、ΔＣｔ３をキャンセルできる。つまり、本実施形態の加速度センサによれば、ｙ軸方向の加速度を検出する第３、第４可動電極２６、２７および第３、第４固定電極５２、６２の他軸（ｘ軸）感度を低減できる。
なお、上記加速度センサでは、支持基板１１が第１仮想線Ｋ１を中心軸として半導体層１３側に凸となるようにｘ軸対称に変形した場合（図５参照）、第１、第２可動電極２４、２５と第１、第２固定電極３２、４２との対向面積がそれぞれ増加する。同様に、第３、第４可動電極２６、２７と第３、第４固定電極５２、６２との間隔がそれぞれ長くなる。このため、第１、第２容量Ｃｓ１、Ｃｓ２の差に基づいて加速度の検出を行うと、熱歪みに起因する電極同士の対向面積の変化に関する熱歪み項がキャンセルされる。また、第３、第４容量Ｃｓ３、Ｃｓ４の差に基づいて加速度の検出を行うと、熱歪みに起因する電極同士の間隔の変化に関する熱歪み項がキャンセルされる。
さらに、支持基板１１が第２仮想線Ｋ２を中心軸として半導体層１３側に凸となるようにｙ軸対称に変形した場合（図６参照）、第３、第４可動電極２６、２７と第３、第４固定電極５２、６２との対向面積がそれぞれ減少する。このため、第３、第４容量Ｃｓ３、Ｃｓ４の差に基づいて加速度の検出を行うと、熱歪みに起因する電極同士の対向面積に関する熱歪み項がキャンセルされる。
つまり、上記加速度センサでは、ｙ軸方向の加速度を検出する第３、第４可動電極２６、２７および第３、第４固定電極５２、６２の他軸感度を低減できる。また、支持基板１１が第１仮想線Ｋ１を中心軸としてｘ軸対称に変形したとしても、ｘ軸方向およびｙ軸方向の加速度の検出精度が低下することを抑制できる。さらに、支持基板１１が第２仮想線Ｋ２を中心軸としてｙ軸対称に変形したとしても、ｙ軸方向の加速度の検出精度が低下することを抑制できる。
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して第２、第４可動電極２５、２７および第２、第４固定電極４２、６２の形成場所を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
図９に示されるように、本実施形態では、第２仮想線Ｋ２に対して線対称となるように、第１、第２可動電極２４、２５が錘部２１に備えられていると共に、第３、第４可動電極２６、２７が錘部２１に備えられている。
同様に、第２仮想線Ｋ２に対して線対称となるように、第１、第２固定部３０、４０が形成されている。また、第２仮想線Ｋ２を挟んで略線対称となるように、第３、第４固定部６０が形成されている。なお、略線対称に形成されているとは、第３可動電極２６および第３固定電極５２のｙ軸方向における配列と、第４可動電極２７および第４固定電極６２のｙ軸方向における配列とが反対となっているが、第２仮想線Ｋ２から第３、第４固定部３０、４０までの距離が等しく、ほぼ線対称に形成されていることである。
これによれば、例えば、第３可動電極２６から第１可動電極２４に向かうｙ軸方向の成分を含む加速度が印加されると、当該加速度に起因する錘部２１の変位により、第１、第２可動電極２４、２５と第１、第２固定電極３２、４２との対向面積がそれぞれ増加する。このため、Ｃ０を初期容量、ΔＣｔ４をｙ軸方向の成分に起因する電極同士の対向面積の変化に関する加速度項とすると、第１、第２容量Ｃｓ１、Ｃｓ２は次式で示される。
（数１５）Ｃｓ１＝Ｃ０＋ΔＣｔ４
（数１６）Ｃｓ２＝Ｃ０＋ΔＣｔ４
したがって、上記のように、第１、第２容量Ｃｓ１、Ｃｓ２の差に基づいて加速度の検出を行うと、ΔＣｔ４をキャンセルできる。つまり、本実施形態の加速度センサによれば、ｘ軸方向の加速度を検出する第１、第２可動電極２４、２５および第１、第２固定電極３２、４２の他軸（ｙ軸）感度を低減できる。
なお、上記加速度センサでは、支持基板１１が第１仮想線Ｋ１を中心軸として半導体層１３側に凸となるようにｘ軸対称に変形した場合（図５参照）、第１、第２可動電極２４、２５と第１、第２固定電極３２、４２との対向面積がそれぞれ増加する。このため、第１、第２容量Ｃｓ１、Ｃｓ２の差に基づいて加速度の検出を行うと、熱歪みに起因する電極同士の対向面積に関する熱歪み項がキャンセルされる。
また、支持基板１１が第２仮想線Ｋ２を中心軸として半導体層１３側に凸となるようにｙ軸対称に変形した場合（図６参照）、第１、第２可動電極２４、２５と第１、第２固定電極３２、４２との間隔がそれぞれ短くなる。同様に、第３、第４可動電極２６、２７と第３、第４固定電極５２、６２との対向面積がそれぞれ減少する。このため、第１、第２容量Ｃｓ１、Ｃｓ２の差に基づいて加速度の検出を行うと、熱歪みに起因する電極同士の間隔に関する熱歪み項がキャンセルされる。また、第３、第４容量Ｃｓ３、Ｃｓ４の差に基づいて加速度の検出を行うと、熱歪みに起因する電極同士の対向面積に関する熱歪み項がキャンセルされる。
つまり、上記加速度センサでは、ｘ軸方向の加速度を検出する第１、第２可動電極２４、２５および第１、第２固定電極３２、４２の他軸感度を低減できる。また、支持基板１１が第１仮想線Ｋ１を中心軸としてｘ軸対称に変形したとしても、ｘ軸方向の加速度の検出精度が低下することを抑制できる。さらに、支持基板１１が第２仮想線Ｋ２を中心軸としてｙ軸対称に変形したとしても、ｘ軸方向およびｙ軸方向の加速度の検出精度が低下することを抑制できる。
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して第１〜第４可動電極２４〜２７および第１、第４固定部３０〜６０の形成箇所を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
図１０に示されるように、本実施形態では、第１、第２可動電極２４、２５は、第１仮想線Ｋ１側と反対側に第１、第２支持部２４ａ、２５ａから突出するように、第１、第２支持部２４ａ、２５ａに備えられている。つまり、第１、第２支持部２４ａ、２５ａは、第１実施形態の第１、第２支持部２４ａ、２５ａに対して、それぞれ第１仮想線Ｋ１側に形成されている。同様に、第３、第４可動電極２６、２７は、第１実施形態の第３、第４可動電極２６、２７に対して、第１仮想線Ｋ１側に形成されている。
また、第１、第２固定電極３２、４２は、第１仮想線Ｌ１側に第１、第２配線部３１、４１から突出するように、第１、第２配線部３１、４１に備えられている。つまり、第１、第２配線部３１、４１は、第１実施形態の第１、第２配線部３１、４１に対して、第１仮想線Ｋ１から離れた部分に形成されている。同様に、第３、第４固定部５０、６０は、第１実施形態の第３、第４固定部５０、６０に対して、第１仮想線Ｋ１から離れた部分に形成されている。
これによれば、第１〜第４可動電極２４〜２７（第１、第２支持部２４ａ、２５ａ）の質量をさらに枠部２２の中心近傍にかけることができる。このため、回転モーメントをさらに小さくでき、枠部２２が回転することをさらに抑制できる。
（第５実施形態）
本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して支持基板１１に凹部が形成されたものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
図１１に示されるように、本実施形態では、支持基板１１のうち絶縁膜１２から露出する部分に凹部１７が形成されている。言い換えると、支持基板１１のうち可動部２０および第１〜第４固定部３０〜６０における支持基板１１からリリースされている部分と対向する部分に凹部１７が形成されている。すなわち、支持基板１１には、窪み部１６と対向する部分に凹部１７が形成されている。
これによれば、可動部２０および第１〜第４固定部３０〜６０のうち支持基板１１からリリースされている部分が支持基板１１と接触することを抑制しつつ、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
（第６実施形態）
本発明の第６実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してキャップを備えるものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
図１２に示されるように、本実施形態では、ＳＯＩ基板１４に、可動部２０および第１〜第４固定部３０〜６０を封止するキャップ９０が備えられている。具体的には、キャップ９０は、一面９１ａおよび一面９１ａと反対側の他面９１ｂを有する基板９１と、基板９１のうちＳＯＩ基板１４側の一面９１ａに形成された絶縁膜９２と、基板９１の他面９１ｂに形成された絶縁膜９３とを有している。そして、基板９１の一面９１ａに形成された絶縁膜９２がＳＯＩ基板１４と接合されている。なお、本実施形態では、半導体層１３にパッド８１〜８５が備えられておらず、絶縁膜９２はＳＯＩ基板１４における半導体層１３と直接接合等によって接合されている。
基板９１は、シリコン基板等が用いられ、一面９１ａのうち可動部２０および第１〜第４固定部３０〜６０における支持基板１１からリリースされている部分と対向する部分に窪み部９１ｃが形成されている。この窪み部９１ｃは、可動部２０および第１〜第４固定部３０〜６０における支持基板１１からリリースされている部分がキャップ９０と接触することを抑制するものである。なお、図１２では、窪み部９１ｃの壁面に絶縁膜９２が形成されていないものを図示しているが、窪み部９１ｃの壁面に絶縁膜９２が形成されていてもよい。
また、キャップ９０には、キャップ９０をＳＯＩ基板１４とキャップ９０との積層方向に貫通する複数の貫通電極部９４が形成されている。具体的には、絶縁膜９３、基板９１、絶縁膜９２を貫通してアンカー部２８および第１〜第４配線部３１〜６１の一部を露出させる貫通孔９４ａの壁面に絶縁膜９４ｂが形成されている。また、各絶縁膜９４ｂ上にアンカー部２８および第１〜第４配線部３１〜６１と電気的に接続される貫通電極９４ｃが形成されている。そして、貫通電極９４ｃと接続されて絶縁膜９３上に配置された部分がワイヤ等を介して外部回路と電気的に接続されるパッド９４ｄとされることにより、各貫通電極部９４が構成されている。
これによれば、可動部２０および第１〜第４固定部３０〜６０に異物が付着することを抑制しつつ、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
（第７実施形態）
本発明の第７実施形態について説明する。本実施形態は、第６実施形態に対してキャップ９０の構成を変更したものであり、その他に関しては第６実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
図１３に示されるように、本実施形態では、半導体層１３には、パッド８１〜８５が形成されている。
そして、基板９１には、パッド８１〜８５と対向する部分に凹部９１ｄが形成されている。なお、絶縁膜９２は、一面９１ａに加えて、凹部９１ｄの壁面上にも形成されている。そして、絶縁膜９２上には、パッド８１〜８５と金属接合されると共に凹部９１ｄの底面にも形成された配線部９５が形成されている。
また、貫通電極部９４は、凹部９１ｄの底面から配線部９５を露出させるように貫通孔９４ａが形成され、貫通電極９４ｃが配線部９５と電気的に接続された構成とされている。
そして、半導体層１３における周辺部７０と当該周辺部７０と対向する絶縁膜９２とは、酸化膜や低誘電ガラス等からなる接合部材９６を介して接合されている。
このように、配線部９５を介して貫通電極部９４とパッド８１〜８５とを電気的に接続するようにしても、上記第６実施形態と同様の効果を得ることができる。
（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
例えば、上記各実施形態では、アンカー部２８は、枠部２２の内側に形成されているものを説明したが、アンカー部２８は枠部２２の外側に形成されていてもよい。つまり、第２梁部２３ｂは、第２辺部２２ｂの外側に備えられていてもよい。
また、上記各実施形態において、第１、第２梁部２３ａ、２３ｂが折れ線状のバネ機能を有するもので構成されていてもよい。
そして、上記各実施形態において、枠部２２は、矩形枠状でなく、例えば、環状であってもよい。
さらに、上記各実施形態において、枠部２２は、中心が支持基板１１の中心と一致していなくてもよい。このような加速度センサとしても、回転モーメントを小さく（回転共振を大きく）できるため、枠部２２が回転することを抑制できる。
そして、上記第１、第４〜第７実施形態において、第１、第３可動電極２４、２６および第１、第３固定部３０、５０のみを有する加速度センサとしてもよい。つまり、第１容量Ｃｓ１に基づいてｘ軸方向の加速度を検出し、第３容量Ｃｓ３に基づいてｙ軸方向の加速度を検出するようにしてもよい。
さらに、上記各実施形態において、パッド８２〜８５に印加される電位を独立して制御するようにしてもよい。すなわち、ｘ軸方向の加速度を検出する際にはパッド８１〜８３のみに所定の電位を印加し、ｙ軸方向の加速度を検出する際にはパッド８１、８４、８５のみに所定の電位を印加するようにしてもよい。
また、上記各実施形態を適宜組み合わせることもできる。例えば、上記第２実施形態を上記第４〜第７実施形態に組み合わせ、第１仮想線Ｋ１に対して線対称となるように、第１〜第４可動電極２４〜２７および第１〜第４固定部３０〜６０を形成するようにしてもよい。また、上記第３実施形態を第４〜第７実施形態に組み合わせ、第２仮想線Ｋ２に対して線対称となるように、第１〜第４可動電極２４〜２７および第１〜第４固定部３０〜６０を形成するようにしてもよい。さらに、上記第４実施形態を第５〜第７実施形態に組み合わせ、枠部２２の中心近傍に第１〜第４可動電極２４〜２７を形成するようにしてもよい。そして、上記第５実施形態を第６、第７実施形態に組み合わせ、支持基板１１に凹部１７を形成するようにしてもよい。
１１ 支持基板
１３ 半導体層
１４ 半導体基板
２１ 錘部
２２ 枠部
２３ａ 第１梁部
２３ｂ 第２梁部
２４、２５ 第１方向用可動電極（第１、第２可動電極）
２６、２７ 第２方向用可動電極（第３、第４可動電極）
２８ アンカー部
３２、４２ 第１方向用固定電極（第１、第２固定電極）
５２、６２ 第２方向用固定電極（第３、第４固定電極）

Claims (8)

  1. 支持基板（１１）上に半導体層（１３）が積層された半導体基板（１４）と、
    前記半導体層に形成され、前記半導体層の面方向のうちの一方向を第１方向とし、前記第１方向と直交し、かつ前記面方向と平行となる方向を第２方向としたとき、前記第２方向と平行な方向に延設された第１方向用可動電極（２４、２５）と、
    前記半導体層に形成され、前記第１方向と平行な方向に延設された第２方向用可動電極（２６、２７）と、
    前記半導体層に形成された枠部（２２）と、
    前記半導体層に形成されて前記枠部に備えられ、前記第２方向の成分を含む加速度が印加されると当該第２方向に変位する第１梁部（２３ａ）と、
    前記半導体層に形成されて前記枠部に備えられ、前記第１方向の成分を含む加速度が印加されると当該第１方向に変位する第２梁部（２３ｂ）と、
    前記第２梁部を介して前記枠部を支持するアンカー部（２８）と、
    前記半導体層に形成され、前記第１方向用可動電極と対向して配置された第１方向用固定電極（３２、４２）と、
    前記半導体層に形成され、前記第２方向用可動電極と対向して配置された第２方向用固定電極（５２、６２）と、を備え、
    前記半導体層には、前記枠部の中心を通り、前記第２方向に延設されると共に前記第１梁部を介して前記枠部と連結された棒状の錘部（２１）が形成され、
    前記第１方向用可動電極および前記第２方向用可動電極は、前記錘部に備えられていることを特徴とする加速度センサ。
  2. 前記第１梁部は、前記錘部の端部と前記枠部との間にそれぞれ形成され、
    前記第２梁部は、前記錘部を基準として線対称に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
  3. 前記アンカー部は、前記枠部内に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の加速度センサ。
  4. 前記枠部は、中心が前記支持基板の中心と一致しており、
    前記第１方向用可動電極および前記第１方向用固定電極は、それぞれ前記枠部の中心に対して点対称に配置された第１、第２可動電極および第１、第２固定電極を有し、
    前記第２方向用可動電極および前記第２方向用固定電極は、それぞれ前記枠部の中心に対して点対称に配置された第３、第４可動電極および第３、第４固定電極を有し、
    前記第１可動電極と前記第１固定電極との間の第１容量（Ｃｓ１）と前記第２可動電極と前記第２固定電極との間の第２容量（Ｃｓ２）との差から前記第１方向における加速度を検出し、前記第３可動電極と前記第３固定電極との間の第３容量（Ｃｓ３）と前記第４可動電極と前記第４固定電極との間の第４容量（Ｃｓ４）との差から前記第２方向における加速度を検出することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の加速度センサ。
  5. 前記枠部は、中心が前記支持基板の中心と一致しており、
    前記第１方向用可動電極は、それぞれ前記枠部の中心を通り、前記第１方向と平行となる第１仮想線（Ｋ１）に対して線対称に配置された第１、第２可動電極を有し、
    前記第１方向用固定電極は、前記第１仮想線（Ｋ１）を挟んで配置された第１、第２固定電極を有し、
    前記第２方向用可動電極および前記第２方向用固定電極は、それぞれ前記第１仮想線に対して線対称に配置された第３、第４可動電極および第３、第４固定電極を有し、
    前記第１可動電極と前記第１固定電極との間の第１容量（Ｃｓ１）と前記第２可動電極と前記第２固定電極との間の第２容量（Ｃｓ２）との差から前記第１方向における加速度を検出し、前記第３可動電極と前記第３固定電極との間の第３容量（Ｃｓ３）と前記第４可動電極と前記第４固定電極との間の第４容量（Ｃｓ４）との差から前記第２方向における加速度を検出することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の加速度センサ。
  6. 前記枠部は、中心が前記支持基板の中心と一致しており、
    前記第１方向用可動電極および前記第１方向用固定電極は、それぞれ前記枠部の中心を通り、前記第２方向と平行となる第２仮想線（Ｋ２）に対して線対称に配置された第１、第２可動電極および第１、第２固定電極を有し、
    前記第２方向用可動電極は、前記第２仮想線に対して線対称に配置された第３、第４可動電極を有し、
    前記第２方向用固定電極は、前記第２仮想線を挟んで配置された第３、第４固定電極を有し、
    前記第１可動電極と前記第１固定電極との間の第１容量（Ｃｓ１）と前記第２可動電極と前記第２固定電極との間の第２容量（Ｃｓ２）との差から前記第１方向における加速度を検出し、前記第３可動電極と前記第３固定電極との間の第３容量（Ｃｓ３）と前記第４可動電極と前記第４固定電極との間の第４容量（Ｃｓ４）との差から前記第２方向における加速度を検出することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の加速度センサ。
  7. 前記枠部の中心を通り、前記第１方向と平行となる仮想線を第１仮想線（Ｋ１）としたとき、前記錘部には、前記第１仮想線と平行となる第１方向用支持部（２４ａ、２５ａ）が備えられ、
    前記第１方向用可動電極は、前記第１方向用支持部から前記第１仮想線と反対側に突出するように当該第１方向用支持部に備えられることによって前記錘部に備えられていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の加速度センサ。
  8. 前記第１、第２梁部は、平行な２本の梁が当該梁の両端で連結された矩形枠状とされていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の加速度センサ。

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