JPH06138142A - 加速度検出素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 マイクロマシン技術による加速度検出素子に
関し、弾性で撓む上部電極が下部電極側に突き当たり固
定された際にその上部電極を強制的に離間できて、上部
電極の正常な状態の維持を可能にさせる加速度検出素子
を提供する。 【構成】 重り部１が窓を有する固定部２に梁３によっ
て該窓内に懸架され、固定部２上の該窓近傍に配設され
た下部電極４と、下部電極４上を間隙を介して跨ぎ一端
が固定部２に他端が重り部１に固定された弾性導電体の
上部電極５と、を有する加速度検出素子であって、上部
電極５上を有間隙に跨ぎ両端を固定部２に固定した補助
電極７を設けた構成にし、上記離間は上部電極５と補助
電極７の間に電圧を印加して行う。また、上部電極５の
撓みを制限して上部電極５の下部電極４への接触を阻止
する絶縁部材８を設けた構成にし、上記離間は上部電極
５と補助電極７に同じ極性の電荷を与えて行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マイクロマシン技術に
よる加速度検出素子に関する。近年、車の衝突時の人体
保護用とするエアーバッグの衝突検出用センサーなどに
使用される加速度検出素子を、半導体製造技術を利用し
たマイクロマシン技術により製造する技術が開発されて
いる。本発明は、そのようにして開発された加速度検出
素子の改良である。

【０００２】

【従来の技術】図８はマイクロマシン技術による加速度
検出素子の従来例の平面図（ａ）と側断面図（ｂ）と側
断面部分拡大図（ｃ）である。

【０００３】同図において、この加速度検出素子は、加
速を受ける重り部１が窓を有する板状の固定部２に梁３
によって上記窓内に空間を介して懸架され、固定部２上
の上記窓近傍に配設された下部電極４と、弾性導電体よ
りなり下部電極４上を間隙を介して跨ぎ一端が固定部２
に他端が重り部１に固定された上部電極５とを有してい
る。重り部１と固定部２は厚さ０．５ｍｍ程度のシリコ
ン基板から切り出され、重り部１の大きさは上面で１ｍ
ｍ角程度であり、下部電極４と上部電極５の間隙は１μ
m 程度である。下部電極４は検出電極と駆動電極などに
分割される場合もある。６は下部電極４及び上部電極５
を固定部２及び重り部１から絶縁する絶縁膜である。

【０００４】加速度の検出は、上部電極５が下部電極４
（駆動電極）との間に静電力を作用させることにより振
動している状態において、加速により重り部１が相対的
に変位し、それによる上部電極５の振動の変化を下部電
極４（検出電極）との間の容量変動を利用して測定する
ことによって行う。従って、上部電極５は、下部電極４
から適宜な間隙を保つように常に離れていることが必要
である。

【０００５】上述した加速度検出素子の従来例は概略と
して例えば図９のようにして製造される。図９におい
て、先ず（ａ）のように、シリコン基板１１の上面に酸
化シリコンや窒化シリコンなどで絶縁膜６を形成し、ま
た、下面に梁３を形成するための梁用膜１２を形成す
る。梁形成用膜１２は、窒化シリコン膜またはその上に
タンタルを堆積した膜などである。シリコン基板１１
は、この加速度検出素子を形成する領域の外側上面に、
この素子に接続する検出回路などを形成しておく場合も
ある。

【０００６】次いで（ｂ）のように、絶縁膜６上に下部
電極４を形成し、その上に所定の厚さのＰＳＧ膜１３を
介在させて上部電極５を形成し、更に、上記制御回路な
どを保護するためとして基板１１の全面に厚めのＰＳＧ
膜１４を形成する。これらの形成は周知のホトリソグラ
フィ技術を利用して行う。

【０００７】次いで（ｃ）のように、基板１１下面にお
ける重り部１と固定部２の間の空間とするべき領域が梁
３の領域を残して表出するように、梁形成用膜１２をパ
ターニングし、その後、梁形成用膜１２をマスクにした
結晶異方性エッチングにより基板１１に上記空間を断面
台形に形成して、基板１１から重り部１と固定部を切り
出すと共に梁３を形成し、更に、上記空間上部の絶縁膜
６を除去する。

【０００８】次いで（ｄ）のように、上記制御回路など
の領域を残してＰＳＧ膜１４及び１３をエッチングで除
去し、純水でリンスして完成する。なお、以上の説明
は、加速度検出素子としての要部に留まり、上記電極か
ら引き出す配線などについては省略してある。

【０００９】ところで、ここで重要なのは、上記リンス
後の乾燥である。即ち，通常の乾燥を行うと、上部電極
５が下部電極４との間の純水の表面張力により下部電極
４側に引き寄せられて下部電極４に密着し、乾燥が終了
しても離れないという現象が生ずる。これは上部電極５
と下部電極４との間に生ずるファン・デア・ワールス力
によるものである。そこで、リンス後の乾燥を凍結乾燥
法によって行い、乾燥中に上部電極５が下部電極４に接
触しないようにしている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述の加速度検出素子
は、使用中に、弾性導電体である上部電極５のバネ定数
で決まる力より大きな力を生じさせる電圧が上部電極５
と下部電極４との間に加えられた時、上部電極５が下部
電極４に引き寄せられて下部電極４と接触し、電圧を取
り去ってもファン・デア・ワールス力により密着した状
態となり上部電極５が下部電極４から離れなくなる。そ
うなると、上部電極５が撓んだまま固定されて振動し得
なくなり、加速度の検出が不可能になる。こうした事態
になるのを回避するためには、上記接触が生じた際にそ
の接触を強制的に開放して上部電極５を正常な状態にさ
せることが可能になれば良い。

【００１１】そこで本発明は、マイクロマシン技術によ
る加速度検出素子に関し、弾性を持つ上部電極が下部電
極に接触した際にその接触を強制的に開放して、上部電
極を正常な状態に維持させることが可能な加速度検出素
子の提供を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明による第１の加速度検出素子は、加速を受け
る重り部が窓を有する板状の固定部に梁によって該窓内
に空間を介して懸架され、該固定部上の該窓近傍に配設
された下部電極と、弾性導電体よりなり該下部電極上を
間隙を介して跨ぎ一端が該固定部に他端が該重り部に固
定された上部電極と、を有する加速度検出素子であっ
て、該上部電極上を間隙を介し交差して跨ぎ両端を該固
定部に固定した補助電極が設けられていることを特徴と
している。前記補助電極は、前記上部電極と比較して、
厚さが厚いこと、長さが短いこと、幅が広いこと、の一
つ以上を満たしていることが望ましい。

【００１３】そして、前記上部電極が前記下部電極に接
触した際に、該上部電極と前記補助電極との間に電圧を
印加することにより該上部電極が該下部電極から離間
し、該上部電極が該補助電極に接触した際に、該上部電
極と該下部電極との間に電圧を印加することにより該上
部電極を該補助電極から離間する構成をなす。

【００１４】また、本発明による第２の加速度検出素子
は、前記第１の加速度検出素子において、前記補助電極
に代えて、前記上部電極の前記下部電極側への撓みを突
き当たりにより制限して、該上部電極の該下部電極への
接触を阻止する絶縁部材が設けられており、該上部電極
の撓みが前記制限に達して固定された際に、該上部電極
と該下部電極に同じ極性の電荷を与えることにより該上
部電極が該下部電極側から離間する構成をなすことを特
徴としている。

【００１５】

【作用】第１の加速度検出素子においては、上部電極の
下部電極と反対側に上記補助電極を設けてあるので、上
部電極と補助電極との間に電圧を印加して上部電極を下
部電極側から補助電極側に引き寄せる力を生じさせるこ
とが可能になり、下部電極に接触してファン・デア・ワ
ールス力により密着しようとしている上部電極を下部電
極から強制的に離間させることができる。その際、補助
電極は撓みに対する剛性が上部電極より大であることが
望ましく、それは、補助電極の厚さ，長さ，幅が上述の
条件を満たすことにより実現できる。

【００１６】ところが、補助電極を設けたがために、上
部電極が下部電極に接触するのと同様に補助電極に接触
して密着状態となる場合が生じる。しかしその際は、上
部電極と下部電極との間に電圧を印加することにより上
部電極を補助電極から強制的に離間させることができ
る。

【００１７】従って本加速度検出素子は、上部電極が下
部電極または補助電極に密着する状態となるのを防止し
て上部電極を正常な状態に維持させることが可能であ
り、加速度の検出が不可能な事態となるのを回避するこ
とができる。

【００１８】また、第２の加速度検出素子においては、
上記絶縁部材を設けてあるので上部電極が下部電極に接
触することがない。ところが、上部電極の撓みが上記制
限に達した際に絶縁部材にファン・デア・ワールス力が
作用して、上部電極が撓んだまま固定される場合が生じ
る。しかしその際は、上部電極と下部電極に同じ極性の
電荷を与えることにより上部電極を下部電極側から離間
させることができる。

【００１９】従って本加速度検出素子は、上部電極が撓
んで固定されたままの状態となるのを防止して上部電極
を正常な状態に維持させることが可能であり、加速度の
検出が不可能な事態となるのを回避することができる。

【００２０】

【実施例】以下本発明の実施例について図１〜図７を用
いて説明する。図１は実施例１の平面図（ａ）と側断面
図（ｂ）と側断面部分拡大図（ｃ）並びに実施例２の側
断面部分拡大図（ｄ）、図２は実施例１における上部電
極と補助電極の形状を示す斜視図、図３は実施例１の接
触した上部電極を離間させる制御のブロック図、図４は
実施例１を製造する工程の要部を示す側断面図（ａ）〜
（ｄ）、図５は実施例２の撓んで固定された上部電極を
離間させる操作を説明するための斜視図、図６は実施例
２の上部電極を離間させる制御のブロック図、図７は実
施例２の変形例を示す側断面部分拡大図（ａ）〜
（ｃ）、であり、全図を通し同一符号は同一対象物を示
す。

【００２１】図１（ａ）〜（ｃ）において、この実施例
１は先に述べた第１の加速度検出素子であって、重り部
１，固定部２，梁３，下部電極４，上部電極５，絶縁膜
６を有してなる前述の従来例に補助電極７を付加したも
のである。従来例と同様に、下部電極４は検出電極と駆
動電極などに分割される場合もあり、また、固定部２を
構成するシリコン基板にこの素子と接続する検出回路な
どを設けてある場合もある。

【００２２】補助電極７は、先に述べた次第で下部電極
４に接触した上部電極５を強制的に離間させるために設
けたものであり、上部電極５と同様に図２のような形状
をなし、上部電極５上を間隙を介し交差して跨ぎ両端を
固定部２に絶縁膜６を介して固定してある。上部電極５
との間の間隙は、下部電極４と上部電極５の間隙とほぼ
同じく１μm 程度である。そして、撓みに対する剛性が
上部電極５より大であることが望ましいので、上部電極
５と比較して、厚さが厚いこと、長さが短いこと、幅が
広いこと、の一つ以上を満たすようにしてある。

【００２３】下部電極４に接触した上部電極５を離間さ
せるのは、上部電極５と補助電極７との間に適宜な電圧
を印加して行う。その際、下部電極４は上部電極５と同
電位にしておく。上記電圧の印加は、上部電極５と補助
電極７との間に静電的な引力を生じさせて上部電極５を
下部電極４から離間させる。

【００２４】一方、補助電極７を設けたがために、上部
電極５が下部電極４に接触するのと同様に補助電極７に
接触する場合が生じる。その際は、上部電極５を下部電
極４から離間させる上述の方法に準じて、上部電極５と
下部電極４との間に電圧を印加することにより上部電極
５を補助電極７から離間させることができる。

【００２５】上述のように下部電極４または補助電極７
に接触した上部電極５を離間させる制御は、図３のブロ
ック図のように行う。図３において、この制御を行う制
御回路２１は、上部電極５と下部電極４との間の接触の
検出を行う検出部２２と、上部電極５と補助電極７との
間に電圧を印加する駆動部２４と、上部電極５と補助電
極７との間の接触の検出を行う検出部２３と、上部電極
５と下部電極４との間に電圧を印加する駆動部２５と、
駆動部２４，２５の電圧を検出部２２，２３の出力に応
じて制御する制御部２６によって構成される。例えば、
検出部２２，２３はＩ−Ｖ変換回路からなり、駆動部２
４，２５は増幅回路からなり、制御部２６はＡ／Ｄ変換
とＤ／Ａ変換機能を有するマイコンチップからなる回路
構成である。これらは、加速度検出素子の固定部２にオ
ンチップで配置されるか、または、加速度検出素子のリ
ードを介して外付けされる。

【００２６】制御部２６は、上部電極５が下部電極４に
接触したときには、上部電極５と下部電極４を同電位に
保ち、上部電極５と補助電極７との間に電圧を与える。
また、上部電極５が補助電極７に接触したときには、上
部電極５と補助電極７を同電位に保ち、上部電極５と下
部電極４との間に電圧を与える。これにより、上部電極
５が下部電極４または補助電極７に密着した状態となる
のを防止して上部電極５を正常な状態に維持させること
が可能となり、加速度の検出が不可能な事態となるのを
回避することができる。

【００２７】以上に述べた実施例１の加速度検出素子は
概略として図４のようにして製造することができる。図
４は従来例の製造を説明した図９に対応しており、相違
点は主として（ｂ）の工程にある。即ち、図４（ａ）の
工程は図９（ａ）と同じである。図４（ｂ）の工程は、
図９（ｂ）で述べた上部電極５の形成とＰＳＧ膜１４の
形成との間に、上部電極５上に所定の厚さのＰＳＧ膜１
５を介在させて行う補助電極７の形成を挿入してある。
この形成も上部電極５の形成と同様にホトリソグラフィ
技術を利用して行う。図４（ｃ）の工程は図９（ｃ）と
同じである。図４（ｄ）の工程も図９（ｃ）と同じであ
る。但し、エッチングによる除去対象にＰＳＧ膜１５が
加わる。純水リンス後の乾燥を凍結乾燥法によって行う
ことはいうまでもない。

【００２８】なお、上述した実施例は、上部電極５が下
部電極４または補助電極７にファン・デア・ワールス力
により密着してしまったとしても、先に説明した上部電
極５を離間させる方法により、要すれば印加する電圧を
高めにして、上部電極５を密着状態から離間させること
ができる。

【００２９】次に、図１（ｄ）において、この実施例２
は先に述べた第２の加速度検出素子であって、先の実施
例１が、重り部１，固定部２，梁３，下部電極４，上部
電極５，絶縁膜６を有してなる前述の従来例に補助電極
７を付加したものであるのに対して、補助電極７の代わ
りに絶縁部材８をこの従来例に付加したものである。従
来例と同様に、下部電極４は検出電極と駆動電極などに
分割される場合もあり、また、固定部２を構成するシリ
コン基板にこの素子と接続する検出回路などを設けてあ
る場合もある。

【００３０】絶縁部材８は、上部電極５の下部電極４側
への撓みを突き当たりにより制限して、上部電極５の下
部電極４への接触を阻止するものであり、上部電極５の
下部電極４に対向する面の全面に設けた、窒化シリコ
ン、窒化チタン、窒化ボロンなどからなる厚さ０．０１
〜０．５μm 程度の絶縁膜によって構成される。上部電
極５の撓みが０の際の上部電極５と下部電極４との間隙
が１μm 程度であるので、上部電極５は、加速度検出に
必要な振動の振幅を充分にとることができる。

【００３１】ところで、上部電極５に下部電極４側への
大きな撓みが生じて絶縁部材８が下部電極４に突き当た
った際には、上部電極５が下部電極４に接触していなく
とも、絶縁部材８と下部電極４との間のファン・デア・
ワールス力により上部電極５が撓んだまま固定される場
合がある。そうなると、上部電極５が振動し得なくなり
加速度検出が不能となる。

【００３２】その際は、図５に示すようにして上部電極
５を下部電極４側から強制的に離間させて上部電極５を
振動可能にさせる。即ち、下部電極４を制御回路から切
り離しフローティング状態にして図５の回路を接続し、
スイッチＳをａ側に接続して下部電極４に Ｑ＝ＣＶ
（Ｃ：下部電極４と上部電極５による容量）の電荷を蓄
積し、その後スイッチＳをｂ側に接続すれば、両電極４
と５の間に Ｆ＝σ² ／２ε（σ：単位面積当たりの電
荷）のクーロン力による反発力が働き、上部電極５が絶
縁部材８と共に下部電極４側から離間する。この作用
は、上部電極５が下部電極４に接触していないことによ
り成立する。

【００３３】上述の操作は、絶縁部材８が下部電極４に
接触状態となり上部電極５が振動し得なくなった際に必
要であるので、その制御は図６のブロック図のように行
う。図６において、この制御を行う制御回路３１は、上
部電極５の振動が止まったのを下部電極４から検出する
検出部３２と、図５で述べた回路を有してその操作を行
う駆動部３３と、検出部３２の出力に応じて駆動部３３
を制御する制御部３４によって構成される。上部電極５
の上記振動停止は絶縁部材８が下部電極４に接触状態と
なった際に起きるので、制御回路３１は、加速度の検出
が不可能となる事態を回避させる。この制御回路３１
は、加速度検出素子の固定部２にオンチップで配置され
るか、または、加速度検出素子のリードを介して外付け
される。

【００３４】以上に述べた実施例２の加速度検出素子
は、従来例の製造を説明した図９の工程の一部を変更し
て製造することができる。即ち、図９（ｂ）の工程にお
いて、下部電極４を形成した後、ＰＳＧ膜１３を介在さ
せて上部電極５を形成する際に、ＰＳＧ膜１３と上部電
極５の間に絶縁部材８が介在するようにすれば良い。そ
れは、絶縁部材８の成膜とその膜のパターニングを追加
することによって行うことができる。そして、図９
（ｄ）の工程におけるＰＳＧ膜１４及び１３の除去を行
えば、絶縁部材８は、上部電極５の下部電極４に対向す
る面上に残り図１（ｄ）のようになる。

【００３５】上述した実施例２は、絶縁部材８を上部電
極５の下部電極４に対向する面の全面に設けたが、絶縁
部材８には、例えば図７（ａ）〜（ｃ）に示すように種
々の変形が許される。図７（ａ）は絶縁部材８を先と同
じ厚さにして下部電極４の上部電極５に対向する面の全
面に設けた場合であり、図７（ｂ）はその絶縁部材８が
下部電極４の周囲にも延在したままにした場合であり、
図７（ｃ）は絶縁部材８を先の厚さに下部電極４の厚さ
を加えた厚さにして固定部２の表面に局部的に設けた場
合である。これらの絶縁部材８は、その成膜時点を変更
して所要のパターニングを行うことにより形成すること
ができる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、マ
イクロマシン技術による加速度検出素子に関し、弾性を
持つ上部電極が下部電極に接触した際にその接触を強制
的に開放し、または、上記上部電極が下部電極に接触し
なくとも下部電極側に撓んで固定され振動不能となった
際に上部電極を下部電極側から強制的に離間させて、上
部電極を正常な状態に維持させることが可能な加速度検
出素子が提供されて、当該加速度検出素子の信頼性向上
に寄与するところが大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例１の平面図と側断面図と側断面部分拡
大図並びに実施例２の側断面部分拡大図

【図２】 実施例１における上部電極と補助電極の形状
を示す斜視図

【図３】 実施例１の接触した上部電極を離間させる制
御のブロック図

【図４】 実施例１を製造する工程の要部を示す側断面
図

【図５】 実施例２の撓んで固定された上部電極を離間
させる操作を説明するための斜視図

【図６】 実施例２の上部電極を離間させる制御のブロ
ック図

【図７】 実施例２の変形例を示す側断面部分拡大図

【図８】 従来例の平面図と側断面図と側断面部分拡大
図

【図９】 従来例を製造する工程の要部を示す側断面図

【符号の説明】

１ 重り部 ２ 固定部 ３ 梁 ４ 下部電極 ５ 上部電極 ６ 絶縁膜 ７ 補助電極 ８ 絶縁部材 １１ シリコン基板 １２ 梁形成用膜 １３，１４，１５ ＰＳＧ膜 ２１，３１ 制御回路 ２２，２３，３２ 検出部 ２４，２５，３３ 駆動部 ２６，３４ 制御部 Ｓ スイッチ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加速を受ける重り部が窓を有する板状の
   固定部に梁によって該窓内に空間を介して懸架され、該
   固定部上の該窓近傍に配設された下部電極と、弾性導電
   体よりなり該下部電極上を間隙を介して跨ぎ一端が該固
   定部に他端が該重り部に固定された上部電極と、を有す
   る加速度検出素子であって、 該上部電極上を間隙を介し交差して跨ぎ両端を該固定部
   に固定した補助電極が設けられていることを特徴とする
   加速度検出素子。
2. 【請求項２】 前記補助電極は、前記上部電極と比較し
   て、厚さが厚いこと、長さが短いこと、幅が広いこと、
   の一つ以上を満たしていることを特徴とする請求項１記
   載の加速度検出素子。
3. 【請求項３】 前記上部電極が前記下部電極に接触した
   際に、該上部電極と前記補助電極との間に電圧を印加す
   ることにより該上部電極が該下部電極から離間し、 該上部電極が該補助電極に接触した際に、該上部電極と
   該下部電極との間に電圧を印加することにより該上部電
   極が該補助電極から離間する構成をなすことを特徴とす
   る請求項１または２記載の加速度検出素子。
4. 【請求項４】 請求項１記載の加速度検出素子におい
   て、 前記補助電極に代えて、前記上部電極の前記下部電極側
   への撓みを突き当たりにより制限して、該上部電極の該
   下部電極への接触を阻止する絶縁部材が設けられてお
   り、 該上部電極の撓みが前記制限に達して固定された際に、
   該上部電極と該下部電極に同じ極性の電荷を与えること
   により該上部電極が該下部電極側から離間する構成をな
   すことを特徴とする加速度検出素子。