JPH10300774A - 静電容量型加速度センサ及びその製造方法 - Google Patents

静電容量型加速度センサ及びその製造方法

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JPH10300774A
JPH10300774A JP9113167A JP11316797A JPH10300774A JP H10300774 A JPH10300774 A JP H10300774A JP 9113167 A JP9113167 A JP 9113167A JP 11316797 A JP11316797 A JP 11316797A JP H10300774 A JPH10300774 A JP H10300774A
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JP
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flexible
weight portion
acceleration sensor
substrate
weight
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JP9113167A
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English (en)
Inventor
Shigeaki Tomonari
恵昭 友成
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Panasonic Electric Works Co Ltd
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Matsushita Electric Works Ltd
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P2015/0805—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
    • G01P2015/0822—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass
    • G01P2015/084—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass the mass being suspended at more than one of its sides, e.g. membrane-type suspension, so as to permit multi-axis movement of the mass

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い感度を有し、かつ、高い周波数応答性及
び低ドリフトな静電容量型加速度センサ及びその製造方
法を提供する。 【解決手段】 本実施形態に係る静電容量型加速度セン
サは、おもり部１ａと可撓部１ｂを介しておもり部１ａ
を支持する支持部１ｃとから成る可撓基板１と、おもり
部１ａの上下をそれぞれ覆うように支持部１ｃに接合さ
れた上部基板２ａ及び下部基板２ｂとを有し、上部基板
２ａ及び下部基板２ｂのおもり部１ａに対向する面には
電極３が形成されている。ここで、本実施形態において
は、おもり部１ａの厚みは支持部１ｃの厚みよりも薄く
形成されており、上部基板２ａ及び下部基板２ｂを支持
部１ｃに接合した際に上部基板２ａ及び下部基板２ｂと
おもり部１ａとの間には空隙が形成されるようになって
いる。また、電極３ａは、おもり部１ａの端末部に一部
が重なるように配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、おもりの変位を静
電容量の変化に変換し加速度を検出する静電容量型加速
度センサ及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より、おもりの変位を静電容量の変
化に変換して加速度を検出する加速度センサ（以下、静
電容量型加速度センサという）が用いられている。
【０００３】図６は、従来例に係る静電容量型加速度セ
ンサを示す略断面図である。この静電容量型加速度セン
サは、外部からの力が伝達されるおもり部１ａと、可撓
部１ｂを介しておもり部１ａを支持する支持部１ｃとか
ら成る可撓基板１と、可撓基板１の上面及び下面には、
凹部６ａＡを有して成る上部基板２ａ及び凹部６ｂを有
して成る下部基板２ｂがおもり部１ａ上を覆うように配
置されて、支持部１ｃにおいて可撓基板１と接合され、
下部基板２ｂは装置筺体（図示せず）に固定されてい
る。
【０００４】また、上部基板２ａのおもり部１ａに対向
する面には固定電極７ａが形成されており、おもり部１
ａの固定電極７ａに対向する面には変位電極７ｂが形成
されている。
【０００５】上述の容量接合型加速度センサでは、加速
度により外部からの力がおもり部１ａに加わると、可撓
基板１が撓んで変位電極７ｂと固定電極７ａとの間の距
離が変わる。これにより、両電極間の静電容量が変化
し、この変化を検出することにより加速度の検出が可能
となるものである。
【０００６】このような静電容量型加速度センサは、従
来のピエゾ抵抗を用いた加速度センサに比べて温度特性
に優れ、また、変位電極７ｂと固定電極７ａとの間の距
離を十分小さく（〜１０μｍ）することにより微少な変
化を大きな容量変化に変換することができ、高感度な加
速度センサを実現できる等多くの長所を有する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上述のよう
な構成の容量接合型加速度センサにおいては、以下のよ
うな欠点を有する。 （１）高い周波数応答特性が得られ難い。 （２）温度変化によるドリフトが生じる。
【０００８】ここで、（１）においては、変位電極７ｂ
と固定電極７ａとの間（以下、静電容量ギャップとい
う）は、上述のようにセンサ感度に大きな影響を与える
と同時に、周波数応答速度にも大きく影響する。即ち、
静電容量ギャップに存在する空気（エア）がおもり部１
ａの振動に対しエアダンピングとして働くのである。こ
のダンピングＣと静電容量ギャップｄとの間には、
【０００９】
【数１】
【００１０】の関係があり、ｄを小さくすると空気粘性
によるダンピングの影響が顕著（オーバーダンピング）
となり、センサの周波数応答を著しく低下させる。この
オーバーダンピングを防ぐためには静電容量ギャップｄ
を大きくすればよいのであるが、ｄの増加は直接感度低
下を招く。
【００１１】従って、静電容量型加速度センサにおいて
は、感度か周波数応答性かどちらかが犠牲となる。
【００１２】この問題を解決する手段としては、静電容
量ギャップを真空にすることであり、これについてはい
くつかの試みがなされているが、実用化には至っていな
い。
【００１３】また、（２）においては、静電容量型加速
度センサでは、一般的に可撓基板１は単結晶シリコン、
上部基板２ａ及び下部基板２ｂはガラス、装置筺体は金
属ステム等の材料が使用される。ここで、それぞれの材
料の熱膨張率が異なるため、温度変化によりセンサチッ
プ全体が応力を受ける。この応力は一番柔らかい可撓部
１ｂにも加わって可撓部１ｂが歪み、この歪みは直接的
に静電容量ギャップを変化させるため、温度変化による
信号のドリフトとして出力に現れてくる。この場合、静
電容量ギャップが小さいほどドリフトは大きくなる。
【００１４】従来の静電容量型加速度センサでは、上述
のように、その構造上感度と周波数応答性あるいは温度
ドリフトとはトレードオフの関係にあり、これらの全て
の特性を一様にアップさせることがこれからの課題とな
っている。
【００１５】本発明は、上記の点に鑑みて成されたもの
であり、その目的とするところは、高い感度を有し、か
つ、高い周波数応答性及び低ドリフトな静電容量型加速
度センサ及びその製造方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
加速度により生じる力により変位するおもり部が可撓部
を介して支持部に支持され、前記おもり部を挟み込んで
覆うように固定基板が配置され、該固定基板における前
記おもり部に対向する面に、前記おもり部の端末部に一
部が重なるように電極が形成され、前記固定基板の対向
面に各々形成された前記電極を対向配置させることによ
り平行電極を構成し、該平行電極に電荷を蓄積して、該
おもり部の変位を前記平行電極間の静電容量の変化によ
り検出するようにしたことを特徴とするものである。
【００１７】請求項２記載の発明は、請求項１記載の静
電容量型加速度センサにおいて、前記おもり部，可撓部
及び支持部が単結晶シリコンで形成され、前記固定基板
がガラスで形成されて成ることを特徴とするものであ
る。
【００１８】請求項３記載の発明は、請求項１記載の静
電容量型加速度センサにおいて、前記おもり部，可撓部
及び支持部がガラスで形成され、前記固定基板が単結晶
シリコンで形成されて成ることを特徴とするものであ
る。
【００１９】請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求
項３記載の静電容量型加速度センサにおいて、前記おも
り部の四方を、少なくとも４本の前記可撓部により前記
支持部に支持し、前記おもり部の四方の端末部に一部が
重なるように前記電極を配置するようにしたことを特徴
とするものである。
【００２０】請求項５記載の発明は、請求項１若しくは
請求項２または請求項４記載の静電容量型加速度センサ
の製造方法であって、前記おもり部，可撓部及び支持部
を、可撓基板の所望の箇所をエッチングにより薄いビー
ム状に加工することにより前記可撓部を形成するととも
に、前記おもり部と該おもり部を前記可撓部を介して支
持する前記支持部とを形成するようにしたことを特徴と
するものである。
【００２１】請求項６記載の発明は、請求項１若しくは
請求項２または請求項４記載の静電容量型加速度センサ
の製造方法であって、前記おもり部，可撓部及び支持部
を、可撓基板上の所望の箇所に前記可撓部を形成し、前
記可撓基板の所望の箇所をエッチングすることにより、
前記可撓基板から成る前記おもり部及び支持部を形成
し、前記おもり部が、前記可撓部を介して前記支持部に
支持されて成ることを特徴とするものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態につい
て図面に基づき説明する。図１は、本発明の一実施形態
に係る静電容量型加速度センサを示す略断面図である。
本実施形態に係る静電容量型加速度センサは、おもり部
１ａと可撓部１ｂを介しておもり部１ａを支持する支持
部１ｃとから成る可撓基板１と、おもり部１ａの上下を
それぞれ覆うように支持部１ｃに接合された固定基板と
しての上部基板２ａ及び下部基板２ｂとを有し、上部基
板２ａ及び下部基板２ｂのおもり部１ａに対向する面に
は電極３が形成されている。ここで、本実施形態におい
ては、おもり部１ａの厚みは支持部１ｃの厚みよりも薄
く形成されており、上部基板２ａ及び下部基板２ｂを支
持部１ｃに接合した際に上部基板２ａ及び下部基板２ｂ
とおもり部１ａとの間には空隙が形成されるようになっ
ている。また、電極３ａは、おもり部１ａの端末部に一
部が重なるように配置されている。
【００２３】なお、本実施形態においては、可撓基板１
としては単結晶シリコンを用い、上部基板２ａ及び下部
基板２ｂとしてはガラスを用い、電極３としてはアルミ
ニウム（Ａｌ）等の金属薄膜を用いた。
【００２４】以下、本実施形態に係る静電容量型加速度
センサの加速度検出原理について図面に基づき説明す
る。図２は、本実施形態に係る静電容量型加速度センサ
の加速度検出原理を示す模式図である。なお、対向する
電極３間には直流電圧が加えられており、それぞれ＋
Ｑ，−Ｑの電荷が蓄積されている。
【００２５】おもり部１ａに加速度が加わると、この加
速度によりおもり部１ａに力Ｆが生じて、おもり部１ａ
に左（または右）の変位ΔＬが生じる。この変位ΔＬに
より対向する電極３間の静電容量が変化し、この変化を
検出することにより加速度を検出することができるので
ある。
【００２６】電極３の面積をＡ、電極３の間隔をｄ、お
もり部１ａと電極３との重なり合う面積をａとすると、
全体の静電容量Ｃ0は、
【００２７】
【数２】
【００２８】で表される。ここで、εsはおもり部１ａ
の比誘電率、ε0は自由空間の誘電率である。
【００２９】次に、おもり部１ａに加速度による力Ｆが
かかり、ΔＬ変位したとすると、この時の静電容量Ｃ
は、
【００３０】
【数３】
【００３１】となる。ここで、Δａはおもり部１ａがΔ
Ｌ変位したときにおもり部１ａと電極３との重なり合う
面積の変化である。そこで、おもり部１ａがΔＬ変位し
たときの静電容量の変化量ΔＣは、
【００３２】
【数４】
【００３３】となる。ここで、ガラスの比誘電率εsは
3.9、単結晶シリコンの比誘電率εsは11.8と大きな値で
あるため、これらの材料を用いておもり部１ａを形成す
れば、微少な変位に対しても十分検出できる静電容量変
化が得られる。
【００３４】以下、本実施形態に係る静電容量型加速度
センサの製造工程について図面に基づき説明する。図３
は、本実施形態に係る静電容量型加速度センサの製造工
程を示す略断面図である。可撓基板１となる単結晶シリ
コン基板４の両面にシリコン窒化膜５を形成し、所定形
状にパターニングされたフォトレジスト（図示せず）を
マスクとしてシリコン窒化膜５のエッチングを行うこと
により開口部５ａを形成し、プラズマアッシング等によ
りフォトレジストを除去する（図３（ａ））。
【００３５】続いて、おもり部１ａとなる箇所の厚み
が、支持部１ｃと成る箇所の厚みよりも薄くなるよう
に、開口部５ａが形成されたシリコン窒化膜５をマスク
として単結晶シリコン基板４のエッチングを行うことに
より溝部４ａを形成し（図３（ｂ））、溝部４ａが形成
された単結晶シリコン基板１の両面に再びシリコン窒化
膜５を形成する。
【００３６】なお、単結晶シリコン基板１の結晶方位と
しては、エッチングの形状を考慮して（１１０）方位の
ものが望ましい。
【００３７】次に、所定形状にパターニングされたフォ
トレジスト（図示せず）をマスクとしてシリコン窒化膜
５のエッチングを行うことにより開口部５ｂを形成し
て、フォトレジストを除去し（図３（ｃ））、開口部５
ｂが形成されたシリコン窒化膜５をマスクとして単結晶
シリコン基板１のエッチングを行うことにより溝部４ｂ
を形成する。このとき、エッチングは単結晶シリコン基
板１を貫通する前にエッチングを止めるようにして、薄
い板状の可撓部１ｂを形成する。
【００３８】なお、本実施形態においては、単結晶シリ
コン基板１のエッチングとして、水酸化カリウム（ＫＯ
Ｈ）水溶液等のアルカリ系のエッチャントを用いて異方
性エッチングを行ったが、これに限定されるものではな
い。
【００３９】次に、エッチングによりシリコン窒化膜５
を除去して、おもり部１ａと可撓部１ｂを介しておもり
部１ａを支持する支持部１ｃとから成る可撓基板１を形
成する（図３（ｄ））。
【００４０】最後に、電極３が形成されたガラスより成
る上部基板２ａ及び下部基板２ｂの電極３が形成された
面側を、おもり部１ａに対向させるようにして上部基板
２ａ及び下部基板２ｂを支持部１ｃに陽極接合法等によ
り接合する（図３（ｅ））。このとき、電極３は一部が
おもり部１ａの端末部に重なるように配置されるととも
に、上部基板２ａに形成された電極３と、下部基板２ｂ
に形成された電極３とが対向するように上部基板２ａ及
び下部基板２ｂ上に形成されている。
【００４１】ここで、本実施形態においては、エアーダ
ンピングに影響を与える空隙（従来においては静電容量
ギャップ）はおもり部１ａと支持部１ｃとの間、即ち可
撓部１ｂの長さに依存する。
【００４２】また、センサの感度を決定する因子は、お
もり部１ａの比誘電率εs，対向する電極３の間隔ｄ，
おもり部１ａの変位によるおもり部１ａと電極３との重
なり合う面積の変化Δａであり、可撓部１ｂの長さは関
係しない。
【００４３】従って、本実施形態においては、従来の技
術に示すように、周波数応答性と感度とがトレードオフ
の関係にはなく、高い感度を有し、かつ、高い周波数応
答性と低ドリフトとを有する静電容量型加速度センサを
実現できる。
【００４４】また、電極３の面積をある程度大きくとっ
ておけば、温度変化によりセンサ全体に歪みが生じてお
もり部１ａと電極３との位置関係が多少ずれても全体の
特性に大きな影響を与えることはない。
【００４５】なお、本実施形態においては、可撓部１ｂ
を薄い板状に形成するようにしたが、これに限定される
必要はなく、可撓部１ｂはおもり部１ａが加速度によっ
て生じる力Ｆによって左右に変位できるような構成であ
れば良く、ビーム状やバネ状等に形成しても良い。
【００４６】また、本実施形態においては、可撓基板１
として単結晶シリコン、上部基板２ａ及び下部基板２ｂ
としてガラスを用いたが、これに限定される必要はな
く、例えば図４に示すように、可撓基板１としてガラ
ス、上部基板２ａ及び下部基板２ｂとして単結晶シリコ
ンを用いても良く、この場合、電極３は不純物拡散層で
形成されることが望ましい。
【００４７】また、本実施形態においては、２本の可撓
部１ｂによりおもり部１ａを支持することにより一軸方
向の加速度を検出するようにしたが、これに限定される
必要はなく、少なくとも４本以上の可撓部１ｂによりお
もり部１ａを支持するようにしても良く、例えば図５に
示すように、４本の可撓部１ｂによりおもり部１ａの四
方を支持し、おもり部１ａの四方の端末部に一部が重な
るように電極３を形成するようにすれば二軸方向の加速
度を検出することができる。
【００４８】
【発明の効果】請求項１記載の発明は、加速度により生
じる力により変位するおもり部が可撓部を介して支持部
に支持され、おもり部を挟み込んで覆うように固定基板
が配置され、固定基板におけるおもり部に対向する面
に、おもり部の端末部に一部が重なるように電極が形成
され、固定基板の対向面に形成された電極を対向配置さ
せることにより平行電極を構成し、平行電極に電荷を蓄
積して、おもり部の変位を平行電極間の静電容量の変化
により検出するようにしたので、高い感度を有し、か
つ、高い周波数応答性及び低ドリフトな静電容量型加速
度センサを提供することができた。
【００４９】請求項２記載の発明は、請求項１記載の静
電容量型加速度センサにおいて、おもり部，可撓部及び
支持部が単結晶シリコンで形成され、固定基板がガラス
で形成されて成るので、半導体製造プロセスを活用した
一括処理及び微細な加工が可能となり、小型化ができる
とともに、低コスト化が図れる。
【００５０】請求項３記載の発明は、請求項１記載の静
電容量型加速度センサにおいて、おもり部，可撓部及び
支持部がガラスで形成され、固定基板が単結晶シリコン
で形成されて成るので、電極を不純物拡散層で形成する
ことができ、全ての工程を半導体製造プロセスで実現す
ることができ、低コスト化が図れる。
【００５１】請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求
項３記載の静電容量型加速度センサにおいて、おもり部
の四方を、少なくとも４本の可撓部により支持部に支持
し、おもり部の四方の端末部に一部が重なるように前記
電極を配置したので、二軸方向の加速度を１チップで検
出することができる。
【００５２】請求項５記載の発明は、請求項１若しくは
請求項２または請求項４記載の静電容量型加速度センサ
の製造方法であって、おもり部，可撓部及び支持部を、
可撓基板の所望の箇所をエッチングにより薄いビーム状
に加工することにより可撓部を形成するとともに、おも
り部とおもり部を可撓部を介して支持する支持部とを形
成するようにしたので、半導体製造プロセスを活用した
一括処理及び微細な加工が可能となり、小型化ができる
とともに、低コスト化が図れる。
【００５３】請求項６記載の発明は、請求項１若しくは
請求項２または請求項４記載の静電容量型加速度センサ
の製造方法であって、おもり部，可撓部及び支持部を、
可撓基板上の所望の箇所に可撓部を形成し、可撓基板の
所望の箇所をエッチングすることにより、可撓基板から
成るおもり部及び支持部を形成し、おもり部が、可撓部
を介して支持部に支持されて成るので、半導体製造プロ
セスを活用した一括処理及び微細な加工が可能となり、
小型化ができるとともに、低コスト化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る静電容量型加速度セ
ンサを示す略断面図である。
【図２】本実施形態に係る静電容量型加速度センサの加
速度検出原理を示す模式図である。
【図３】本実施形態に係る静電容量型加速度センサの製
造工程を示す略断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る静電容量型加速度
センサを示す略断面図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係る静電容量型加速度
センサを示す略分解斜視図である。
【図６】従来例に係る静電容量型加速度センサを示す略
断面図である。
【符号の説明】
１ 可撓基板 １ａ おもり部 １ｂ 可撓部 １ｃ 支持部 ２ａ 上部基板 ２ｂ 下部基板 ３ 電極 ４ 単結晶シリコン基板 ５ シリコン窒化膜 ５ａ，５ｂ 開口部 ６ａ，６ｂ 凹部 ７ａ 固定電極 ７ｂ 変位電極

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 加速度により生じる力により変位するお
    もり部が可撓部を介して支持部に支持され、前記おもり
    部を挟み込んで覆うように固定基板が配置され、該固定
    基板における前記おもり部に対向する面に、前記おもり
    部の端末部に一部が重なるように電極が形成され、前記
    固定基板の対向面に各々形成された前記電極を対向配置
    させることにより平行電極を構成し、該平行電極に電荷
    を蓄積して、該おもり部の変位を前記平行電極間の静電
    容量の変化により検出するようにしたことを特徴とする
    静電容量型加速度センサ。
  2. 【請求項２】 前記おもり部，可撓部及び支持部が単結
    晶シリコンで形成され、前記固定基板がガラスで形成さ
    れて成ることを特徴とする請求項１記載の静電容量型加
    速度センサ。
  3. 【請求項３】 前記おもり部，可撓部及び支持部がガラ
    スで形成され、前記固定基板が単結晶シリコンで形成さ
    れて成ることを特徴とする請求項１記載の静電容量型加
    速度センサ。
  4. 【請求項４】 前記おもり部の四方を、少なくとも４本
    の前記可撓部により前記支持部に支持し、前記おもり部
    の四方の端末部に一部が前記重り部に重なるように前記
    電極を配置するようにしたことを特徴とする請求項１乃
    至請求項３記載の静電容量型加速度センサ。
  5. 【請求項５】 請求項１若しくは請求項２または請求項
    ４記載の静電容量型加速度センサの製造方法であって、
    前記おもり部，可撓部及び支持部を、可撓基板の所望の
    箇所をエッチングにより薄いビーム状に加工することに
    より前記可撓部を形成するとともに、前記おもり部と該
    おもり部を前記可撓部を介して支持する前記支持部とを
    形成するようにしたことを特徴とする静電容量型加速度
    センサの製造方法。
  6. 【請求項６】 請求項１若しくは請求項２または請求項
    ４記載の静電容量型加速度センサの製造方法であって、
    前記おもり部，可撓部及び支持部を、可撓基板上の所望
    の箇所に前記可撓部を形成し、前記可撓基板の所望の箇
    所をエッチングすることにより、前記可撓基板から成る
    前記おもり部及び支持部を形成し、前記おもり部が、前
    記可撓部を介して前記支持部に支持されて成ることを特
    徴とする静電容量型加速度センサの製造方法。
JP9113167A 1997-04-30 1997-04-30 静電容量型加速度センサ及びその製造方法 Pending JPH10300774A (ja)

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