KR101012248B1 - 정전용량식 센서 - Google Patents

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히사카즈 미야지마
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료 아오키
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Abstract

고정전극(6)과, 앵커부(3)에 빔부(4)를 통해서 가동지지된 가동전극(5)을 구비함과 동시에, 고정전극(6)과 가동전극(5)을 간격을 두고 상호 대향 배치시켜서 검출부가 구성되고, 해당 간격의 크기에 따른 정전용량을 검출하는 것으로 소정의 물리량을 검출하는 정전용량식 센서 (1)에 있어서, 빔부(4)의 앵커부(3)에 접속되는 측의 단부(4a) 및 가동전극(5)에 접속되는 측의 단부(4b) 중 적어도 어느 한 쪽에, 응력을 완화하는 응력완화부(30)를 설치했다.
Figure R1020087027013
고정전극, 가동전극, 정전용량, 센서

Description

정전용량식 센서{CAPACITIVE SENSOR}
본 발명은, 고정(固定)전극과 가동(可動)전극과의 사이의 정전용량을 검출하는 것에 의해 소정의 물리량을 검출하는 정전용량식 센서에 관한 것이다.
종래로부터, 고정부에 탄성요소를 통해서 가동전극이 지지된 구조를 형성하고, 작용한 외력(外力) 등에 따라 가동전극이 고정전극에 대해서 접리(接離)가능하도록 하고, 이들 전극간의 정전용량의 변화를 검출하는 것으로 가속도(加速度)나 각속도(角速度) 등의 다양한 물리량을 검출할 수 있도록 한 정전용량식 센서가 알려져 있다(특허문헌 1 참조). 또 이와 같은 정전용량식 센서로서, 가속도 등의 물리량에 의해 변위하는 1개의 매스(mass)부에 의해, 수직축 방향의 물리량을 검출할 수 있도록 구성된 정전용량식 센서도 알려져 있다(특허문헌 2, 특허문헌 3 참조).
특허문헌 1의 정전용량식 센서에서는, 탄성요소는, 고정부로부터 와권(소용돌이)형상으로 연장하는 빔(들보(梁))으로서 형성되어 있고, 이 탄성요소를 통해서 고정부에 가동지지된 가동전극은, 주로, 센서(반도체층)의 표면에 따르는 방향으로 변위(變位)하도록 구성되어 있다. 또 특허문헌 2, 특허문헌 3의 정전용량식 센서는, 비대칭으로 형성된 매스부를 앵커(anchor)부라 불리는 고정부로부터 수평방향으로 대칭적으로 연장된 토션(torsion:비틀림)빔에 의해 질량(質量)밸런스를 잃도 록 지지(支持)하고, 수직방향으로 가해지는 물리량에 따른 토션빔의 비틀림에 의한 매스부의 위치변위에 의해 물리량을 검출할 수 있다.
또 특허문헌 2에서는, 이와 같은 정전용량식 센서를, 금속재료를 가공하는 것에 의해 형성하고, 특허문헌 3에서는, 공지(公知)의 반도체프로세스를 이용하여 실리콘 등의 반도체기판을 가공하는 것에 의해 형성하고 있다. 특허문헌 3과 같이 반도체프로세스에 의해 실리콘을 가공하고 디바이스를 형성한 경우, 미세한 가공이 가능하게 되므로, 특허문헌 3과 같이 금속재료를 가공한 경우보다 소형으로 정밀도가 높은 정전용량식 센서로 할 수 있다.
그렇지만, 특허문헌 1과 같이, 가동전극이 빔을 통해서 고정부에 가동지지되는 구조에서는, 가동전극의 최대 변위량이나 중량, 탄성요소로서의 빔의 형상, 센서에 작용하는 최대 가속도 등에 의해서, 빔에 생기는 응력이 변화하게 되지만, 특히 센서의 소형화나 스프링(spring) 정수(定數)의 설정에 수반하여 가늘고 긴 빔을 설치하는 경우 등에 있어서는, 빔에 생기는 응력이 커지기 쉽고, 가동전극의 변위량이나 중량 등의 스펙을 소망의 값으로 설정하기 어려워지는 경우가 있었다.
또 특허문헌 3에 개시되어 있는 정전용량식 센서는, 단결정실리콘기판을 결정이방성에칭에 의해 가공하는 것으로 형성하고 있기 때문에, 앵커부를 비롯해 각부가 테이퍼(taper)를 갖는 형상이 되고, 디바이스 사이즈의 대형화나 가동전극의 가동에 의해 발생하는 부재(部材)의 결손, 스티킹(sticking:들러붙음) 등을 초래하는 문제가 있다. 또, 결정이방성에칭에 의해 가공한 경우, 어느정도의 질량을 갖는 것으로 검출감도를 향상시키는 매스부를 형성하는 것이 곤란하다는 문제도 있다.
이 점에서 본 발명은, 상술한 실정을 고려하여 제안된 것으로, 가동전극이 빔을 통하여 고정부에 가동지지되는 정전용량식 센서에 있어서, 빔의 응력을 저감하는 것을 목적으로 한다. 또 본 발명은, 검출감도를 향상시킴과 동시에, 디바이스 사이즈의 대형화나 가동전극의 가동에 의해 발생하는 부재의 결손, 스티킹 등을 회피할 수 있는 구조를 갖는 정전용량식 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
[특허문헌 1]
특개 2000－28634호 공보
[특허문헌 2]
미국특허 제4736629호 명세서
[특허문헌 3]
미국특허 제6000287호 명세서
[발명의개시]
본 발명의 제1의 실시형태와 관련되는 정전용량식 센서는, 고정전극과, 반도체층의 고정부분에 빔을 통해서 가동지지된 가동전극을 구비함과 동시에, 해당 고정전극과 가동전극을 간격을 두고 상호 대향 배치시켜 검출부가 구성되고, 해당 간격의 크기에 따른 정전용량을 검출하는 것으로 소정의 물리량을 검출하는 정전용량식 센서에 있어서, 상기 빔의 고정부분에 접속되는 측의 단부 및 가동전극에 접속되는 측의 단부(端部) 중 적어도 어느 한 쪽에, 국소적(局所的)인 응력 집중을 완화하는 응력완화부를 설치한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2의 실시형태와 관련되는 정전용량식 센서는, 반도체층의 고정부분에 빔부를 통해서 비대칭한 질량밸런스가 유지되도록 가동지지되고, 상기 반도체층의 두께 방향의 물리량의 변위에 따라서 동작하는 제1가동전극과, 상기 반도체층을 지지하는 지지기판상에 형성된 제1고정전극을 상호 간격을 통해서 대향 배치하고, 상기 제1가동전극과 상기 제1고정전극과의 간격의 크기에 따라서 검출되는 정전용량에 근거하여 물리량을 검출하는 제1검출부를 구비하는 정전용량식 센서에 있어서, 상기 반도체층을 단결정실리콘층으로 하고, 상기 단결정실리콘층을 수직에칭가공하는 것으로 형성된 상기 고정부분, 상기 빔부, 상기 제1가동전극으로 이루어지는 해당 제1가동전극의 가동기구를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제1의 실시형태와 관련되는 정전용량식 센서에 의하면, 빔에 있어서 응력이 커지기 쉬운 부분, 즉, 빔의 고정부분에 접속되는 측의 단부 및 가동전극에 접속되는 측의 단부 중 적어도 어느 한 쪽에, 응력을 완화하는 응력완화부를 설치함으로써, 빔에 생기는 응력을 저감할 수 있다.
본 발명의 제2의 실시형태와 관련되는 정전용량식 센서에 의하면, 검출감도를 향상시킴과 동시에, 디바이스 사이즈의 대형화나 가동전극의 가동에 의해 발생하는 부재의 결손, 스티킹 등을 회피하는 것을 가능하게 한다. 또, 수직에칭가공에 의해 가동기구를 형성하는 것으로, 한결같은 단면(斷面)형상으로 할 수 있으므로, 타축(他軸)감도를 대폭 저감하는 것을 가능케 한다. 또한, 반도체층을 단결정실리콘으로 하기 때문에 막(膜)응력이 없고 용이한 가공을 가능케 한다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 관련하는 정전용량식 센서의 반도체층의 평면도이다.
도 2는 도 1의 A－A선에 있어서의 정전용량식 센서의 단면(斷面)도이다.
도 3은 도 1의 B－B선에 있어서의 정전용량식 센서의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 관련하는 정전용량식 센서의 빔(beam)부의 단면도(도 2의 C－C단면도)이다.
도 5는 본 발명의 실시형태에 관련하는 정전용량식 센서의 가동전극이 요동하는 모습을 나타내는 모식도이며, (a)는 요동하고 있지 않는 상태, (b)는 한쪽 측이 고정전극에 가까워진 상태, (c)는 다른쪽 측이 고정전극에 가까워진 상태를 나타내는 도이다.
도 6은 본 발명의 실시형태에 관련하는 정전용량식 센서의 반도체층의 일부로서의 전위추출부를 나타내는 확대도이며, (a)는 평면도, (b)는 (a)의 D－D단면도, (c)는 조립전의 상태를 나타내는 도이다.
도 7은 본 발명의 실시형태에 관련하는 정전용량식 센서의 응력완화부의 각 실시예를 나타내는 평면도((a)~(c))이다.
도 8은 본 발명의 실시형태에 관련하는 정전용량식 센서의 응력완화부의 다른 실시예를 나타내는 평면도((a) 및 (b))이다.
도 9는 본 발명의 제1의 실시의 형태로서 나타내는 정전용량식 센서의 반도체층의 구성에 대해서 설명하기 위한 도이다.
도 10은 상기 정전용량식 센서의 반도체층에 형성하는 오목부에 대해서 설명하기 위한 단면도이다.
도 11은 상기 정전용량식 센서의 반도체층의 오목부를 결정이방성에칭에 의해 형성한 모습을 나타낸 단면도이다.
도 12는 상기 정전용량식 센서를 SOI(Silicon On Insulator)기판을 이용하여 형성하는 것에 대하여 설명하기 위한 도이다.
도 13은 상기 정전용량식 센서의 가동전극이 비틀림동작을 하지 않고 수직방향으로 위치 변위한 모습을 나타낸 도이다.
도 14는 상기 정전용량식 센서의 고정전극의 설치위치에 대해서 설명하기 위한 도이다.
도 15는 상기 정전용량식 센서의 가동전극을 동작시키는 비틀림동작의 중심이 어긋나는 것에 대해서 나타낸 도이다.
도 16은 상기 정전용량식 센서의 고정전극의 형상에 대해서 설명하기 위한 도이다
도 17은 본 발명의 제2의 실시의 형태로서 나타내는 정전용량식 센서의 반도체층의 구성에 대해서 설명하기 위한 도이다.
도 18은 상기 정전용량식 센서를 도 14에 나타내는 D－D선으로 절단한 모습에 대해서 설명하기 위한 단면도이다.
도 19는 상기 정전용량식 센서의 수평방향 검출부가 구비하는 검출부의 상세한 구성에 대해서 설명하기 위한 도이다.
도 20은 상기 정전용량식 센서의 가동전극의 다른 형상에 대해서 설명하기 위한 도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하며 상세히 설명한다.
[제1의 실시형태]
본 발명의 제1의 실시형태가 되는 정전용량식 센서(1)(이하, 단순히 센서(1)로 기술한다)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 반도체기판을 처리하여 된 반도체층(2)의 표리(表裏)양측에 유리기판 등의 절연층(20, 21)을 양극(陽極)접합 등에 의해서 접합하여 구성되어 있다. 반도체층(2)과 절연층(20, 21)과의 접합면에는 비교적 얕은 오목부(22)가 형성되고, 반도체층(2) 각부의 절연성이나 가동전극(5)의 동작성의 확보가 도모되고 있다. 또한 본 실시형태에서는, 반도체층(2)과 절연층(20)과의 접합면에 대해서는, 반도체층(2) 측에 오목부(22)를 설치하는 한편, 반도체층(2)과 절연층(21)과의 접합면에 대해서는 절연층(21) 측에 오목부(22)를 설치하고 있다.
절연층(20)의 표면(20a)상에는 도체층(23)이 성막(成膜)되고, 반도체층(2)의 각부의 전위(電位)를 취득하기 위한 전극으로서 이용된다. 본 실시형태에서는, 절연층(20)에 샌드블라스트(sandblast)가공 등에 의해서 관통공(貫通孔)(24)을 형성하여 반도체층(2)의 표면(절연층(20)측의 표면)의 일부를 노출시켜두고, 절연층(20)의 표면상에서 관통공(24)의 내주면상(內周面上) 및 반도체층(2)의 표면(도 2에서는 앵커부(3)의 표면)상에 걸쳐 전기적으로 접속된 일련의 도체층(23)을 성막하도록 하고, 해당 도체층(23)에서 반도체층(2)내의 각부의 전위를 검출할 수 있도록 하고 있다. 또한, 절연층(20)의 표면상은 수지층(미도시)에 의해서 피복(被 覆)(몰드성형(mold成形))하는 것이 최적이다.
그리고 도 1 내지 도 3 등에 나타내는 바와 같이, 반도체기판에 공지(公知)의 반도체프로세스에 의해서 간격(10)을 형성하는 것에 의해, 반도체층(2)에, 앵커부(3)나, 빔부(4), 가동전극(5), 대판부(5a), 전위추출부(8) 등이 형성된다. 반도체층(2)은, 도 1에 나타내는 바와 같이, 전체적인 평면시각에서는 거의 직사각형 형상으로 형성되어 있고, 대판부(5a)가, 그 반도체층(2)의 네 개의 주위(주변)를 따라서 거의 일정폭으로 틀형상(프레임)으로 설치되어 있다.
간격(10)은, 반응성이온에칭(RIE：Reactive Ion Etching) 등에 의해 수직에칭가공을 하는 것으로, 간격(10)의 측벽면(側壁面)을 반도체층(2)의 표면과 수직되도록 형성된다. 이와 같이 하여, 수직에칭가공에 의해 형성된 간격(10)의 측벽면 끼리는, 서로 거의 평행으로 대향하게 된다.
반응성이온에칭으로서는, 예를 들면, 유도결합형(誘導結合型)플라스마(ICP：Inductively Coupled Plasma)를 구비한 에칭장치에 의한 ICP가공을 이용할 수 있다. 대판부(大板部)(5a), 소판부(小板部)(5b)는, 각각 1매의 단결정실리콘기판으로 형성되어 있으므로, 소판부(5b)보다 사이즈가 큰 대판부(5a)의 질량이 커지고 있다.
프레임부(7)의 내측에는, 반도체층(2)의 평면의 대략 중앙위치보다 프레임부(7)의 일 장변(長邊:직사각형에서 긴 변) 측(도 1의 상측)에 약간 벗어난 위치에, 직사각형 단면(본 실시형태에서는 거의 정사각형 단면)을 갖는 기둥형상의 앵커부(3)가 설치되어 있고, 이 앵커부(3)의 프레임부(7)의 단변(短邊)에 대향하는 한쌍의 측벽에서 빔부(4, 4)가 프레임부(7)의 장변과 거의 평행으로 연신(延伸)하고 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 앵커부(3)를 절연층(20)에만 당접(접합)시키고 있지만, 더욱이 또 다른 한쪽의 절연층(21)에 당접(접합)시키도록 해도 좋다.
빔부(4)는, 도 4에 나타낸 바와 같은 일정한 직사각형(거의 정사각형) 단면을 갖는 들보(梁) 구성되어 있다. 전체적인 크기에도 관계되지만, 일례로서는, 반도체층(2)의 두께방향의 높이 h는 10마이크로미터이상(500마이크로미터이하), 반도체층(2)의 표면을 따르는 방향의 폭 w는 수(數)마이크로미터(3~10마이크로미터 정도)로 할 수 있다. 그리고 이 빔부(4)는, 일정한 단면에서 프레임부(7)의 장변을 따르는 방향으로 연신하고, 앵커부(3) 측의 단부(4a)에 대해서 반대측이 되는 단부(4b)가 가동전극(5)에 접속되어 있다.
가동전극(5)은, 프레임부(7)의 내주면(7a)에 간격(10)을 두고 대향하는 평면시 거의 직사각형 형상의 외주면(5d)을 구비함과 동시에, 앵커부(3) 및 빔부(4, 4)의 외측에 간격(10)을 두고 둘러싸도록 형성되어 있다. 즉, 가동전극(5)은, 도 1에 나타내는 바와 같이, 앵커부(3) 및 빔부(4, 4)에 대해서, 프레임부(7)의 일 장변 측(도 1의 하측)에는, 간격(10)을 비워서 거의 직사각형 형상의 대판부(大板部)(5a)를 구비하는 한편, 프레임부(7)의 다른 장변측(도 1의 상측)에는, 간격(10)을 비워서 거의 직사각형 형상의 소판부(小板部)(5b)를 구비하고 있고, 이들 대판부(5a)와 소판부(5b)가, 프레임부(7)의 단변을 따르는 한 쌍의 접속부(5c, 5c)를 통해서 서로 접속된 형상으로 되어 있다. 그리고, 빔부(4, 4)는 각각 대응하는 접 속부(5c, 5c)의 거의 중앙부에 접속되어 있다. 또한, 상기 구성에서는, 대판부(5a), 소판부(5b)는 각각 1매의 단결정실리콘기판으로 형성되어 있으므로, 소판부(5b)보다 사이즈가 큰 대판부(5a)의 질량이 커지고 있다.
이와 같이 가동전극(5)이 센서(1)의 고정부로서의 앵커부(3)에 빔부(4, 4)를 통해서 비대칭한 질량밸런스가 유지되도록 가동지지된 구조는, 반도체층(2)에 적당한 간격(10)을 형성함과 동시에 반도체층(2) 및 절연층(20, 21) 중 적어도 어느 한 쪽에 적절히 오목부(22)를 형성하는 것으로 얻을 수 있다. 따라서, 앵커부(3), 빔부(4, 4) 및 가동전극(5)은, 반도체층(2)의 일부로서 일체화 구성되어 있고, 그들 앵커부(3), 빔부(4, 4) 및 가동전극(5)의 전위는 거의 등전위로 간주할 수 있다.
빔부(4, 4)는, 프레임부(7)에 대해서 가동전극(5)을 탄성적으로 가동지지하는 스프링(용수철)요소로서 기능한다. 본 실시형태에서는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 빔부(4, 4)는, 센서(1)의 두께 방향으로 긴 단면(빔부(4)의 연신축에 수직인 단면)을 갖고 있으므로, 해당 두께 방향으로는 휘기 어렵고, 또, 가동전극(5)은 빔부(4, 4)를 사이에 두고 상호 대향하는 질량이 다른 대판부(5a)와 소판부(5b)를 구비하고 있고, 빔부(4, 4)의 양측에서의 질량이 차이가 나기 때문에, 센서(1)에 두께 방향의 가속도가 생기면, 대판부(5a) 및 소판부(5b)에 작용하는 관성력의 차이에 의해서 빔부(4, 4)가 비틀어지고, 가동전극(5)은 빔부(4, 4)를 중심으로하여 요동하게 된다. 즉, 본 실시형태에서는, 빔부(4, 4)는 토션(torsion:비틀림)빔으로서 기능하게 된다.
그리고 본 실시형태에서는, 가동전극(5)의 대판부(5a) 및 소판부(5b)의 각각 에 대향하도록 절연층(20)의 하면(20b)에 고정전극(6A, 6B)을 설치하고, 대판부(5a)와 고정전극(6A)과의 사이의 정전용량 및 소판부(5b)와 고정전극(6B)과의 사이의 정전용량을 검출하는 것으로, 이들 간격의 변화, 나아가서는 센서(1)의 고정부에 대한 가동전극(5)의 요동자세의 변화를 검출할 수 있도록 되어 있다.
도 5의 (a)는, 가동전극(5)이 요동하는 일 없이 절연층(20)의 하면(20b)에 대해서 평행한 자세에 있는 상태를 나타내고 있다. 이 상태에서는, 대판부(5a)와 고정전극(6A)과의 사이의 간격(25a)의 크기와, 소판부(5b)와 고정전극(6B)과의 사이의 간격(25b)의 크기가 동일해지므로, 대판부(5a) 및 고정전극(6A)의 상호대향면적과, 소판부(5b) 및 고정전극(6B)의 상호대향면적을 동일하게 하고 있는 경우에는, 대판부(5a)와 고정전극(6A)과의 사이의 정전용량과, 소판부(5b)와 고정전극(6B)과의 사이의 정전용량과는 동일해진다.
도 5의 (b)는, 가동전극(5)이 요동하여 절연층(20)의 하면(20b)에 대해서 기울어 있고, 대판부(5a)가 고정전극(6A)으로부터 이간(離間)함과 동시에, 소판부(5b)가 고정전극(6B)에 근접한 상태를 나타내고 있다. 이 상태에서는, 도 5의 (a)의 상태와 비교해, 간격 25a는 커지고, 간격 25b는 작아지므로, 대판부(5a)와 고정전극(6A)과의 사이의 정전용량은 작아지고, 소판부(5b)와 고정전극(6B)과의 사이의 정전용량은 커진다.
도 5의 (c)는, 가동전극(5)이 요동하여 절연층(20)의 하면(20b)에 대해서 기울어 있고, 대판부(5a)가 고정전극(6A)에 근접함과 동시에, 소판부(5b)가 고정전극(6B)에서 이간(離間)한 상태를 나타내고 있다. 이 상태에서는, 도 5의 (a)의 상 태와 비교하여, 간격 25a는 작아지고, 간격 25b는 커지므로, 대판부(5a)와 고정전극(6A)과의 사이의 정전용량은 커지고, 소판부(5b)와 고정전극(6B)과의 사이의 정전용량은 작아진다.
따라서, 대판부(5a)와 고정전극(6A)과의 사이의 간격(25a)을 검지(檢知) 갭으로하는 정전용량과, 소판부(5b)와 고정전극(6B)과의 사이의 간격(25b)을 검지 갭으로하는 정전용량과의 차동(差動)출력으로부터, C－V변환하는 것으로 얻어지는 전압파형을 구하여 센서(1)에 가해진 다양한 물리량(가속도나 각속도 등)을 검출할 수 있다.
이와 같은 정전용량은, 가동전극(5) 및 고정전극(6A, 6B)의 전위로부터 취득할 수 있다. 본 실시형태에서는, 도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 앵커부(3) 상의 절연층(20)에는 관통공(24)이 형성되어 있고, 가동전극(5)의 전위는, 이 관통공(24)의 내면에 형성한 도체층(23)을 통해서 추출된다.
한편, 고정전극(6)은, 절연층(20)의 하면(20b) 상에 거의 직사각형 형상의 도체층(예를 들면, 알루미늄 합금의 층)으로서 형성하고 있다. 고정전극(6)을 성막하는 공정에서는, 고정전극(6)과 일련의 도체층으로서, 배선패턴(11) 및 단자부(9)도 동시에 성막된다. 따라서, 고정전극(6)의 전위는, 배선패턴(11) 및 단자부(9), 반도체층(2)에 형성된 전위추출부(8) 및 전위추출부(8) 상의 절연층(20)에 형성된 도체층(23)을 통해서 추출되도록 되어 있다.
여기에서, 도 6을 참조하면, 전위추출부(8)의 구성에 대해서 설명한다. 도 6(a)는, 전위추출부(8)를 확대하여 나타낸 도이고, 도 6(b)는, 도 6(a)에 나타내는 C－C선에서 절단한 모습을 나타내는 단면도이며, 도 6(c)는, 절연층(20)과 반도체층(2)을 접합하는 전단(前段)에서의 모습을 나타낸 단면도이다.
전위추출부(8)는, 반도체층(2)에 형성한 간격(10)이나 반도체층(2) 또는 절연층(21)에 형성한 오목부(22)에 의해서, 가동전극(5)이나 프레임부(7) 등의 반도체층(2)의 다른 부분과 절연되고, 거의 원주(圓柱)형상으로 형성되는 패드(pad)부(8a)와, 패드부(8a)로부터 프레임부(7)의 단변을 따라서 가늘고 길게 연장하는 대좌(臺座)부(8b)를 구비하고 있다. 그리고, 이 대좌부(8b)의 단자(端子)부(9)에 대응하는 부분을 잘라내는 것과 같이 평탄한 저면(底面)(8c)을 구비하는 오목부(26)가 형성되어 있다. 그리고, 이 저면(8c)상에는 하부층(下敷層)(27)(예를 들면, 이산화규소(SiO2)의 층)이 형성되고, 또한, 이 하부층(27)과 인접한 위치에 거의 같은 높이의 도체층(28)이 형성됨과 동시에, 하부층(27)의 상면으로부터 도체층(28)의 상면에 걸쳐서, 프레임 형상의 앵글부(12a)를 연속 설치하여 된 평면시에서 거의 사다리 형상의 접점(接点)부(12)가 형성된다. 이 때, 도체층(28) 및 접점부(12)는, 동일의 도체재료(예를 들면, 알루미늄 합금 등)에 의한 층으로서 형성할 수 있다.
여기에서 본 실시형태에서는, 도 6의 (c)에 나타내는 바와 같이, 접점부(12)의 앵글부(12a)를, 반도체층(2)의 상면(2a)보다 위에 높이(δh)만큼 돌출하도록 높게 형성하고, 이것에 의해, 반도체층(2)과 절연층(20)과의 접합에 의해, 단자부(9)에 의해서 앵글부(12a)를 압압(押壓)하여 소성(塑性) 변형시켜서 밀착도를 높이고, 앵글부(12a)(접점부(12))와 단자부(9)와의 사이에서의 접촉 및 도통이 보다 확실한 것이 되도록 하고 있다.
또한 도 1에 나타내는 바와 같이, 대판부(5a) 및 소판부(5b)의 표면상의 적합한 위치에는 스토퍼(stopper)(13)를 설치하고, 가동전극(5)과 고정전극(6A, 6B)이 직접적으로 접촉(충돌)하여 손상되는 것을 억제하도록 되어 있지만, 이 스토퍼(13)를 하부층(27)과 동일재료로서 같은 공정에서 형성하도록 하면, 이들을 별도 형성하는 경우에 비해 제조의 수고가 줄고, 제조비용을 저감할 수 있다.
다음으로, 도 7을 참조하면, 빔부(4, 4)의 긴 쪽 방향 단부에 설치되는 응력완화부(30, 30A, 30B)에 대해서 설명한다.
도 7의 (a)는, 본 실시형태에 관련하는 응력완화부(30)의 평면도이다. 이 예에서는, 빔부(4)가 가동전극(5)의 접속부(5c)에 접속되는 측의 단부에, 평면시로 직사각형의 틀형상(프레임) 구조(31)를 설치하고 있다. 구체적으로는, 평면시로 빔부(4)의 연신(延伸) 방향을 따르는 단변부(32)와 해당 연신방향과 직교(直交)하는 방향으로 연장하는 장변부(33)를 포함하는 가늘고 긴 틀형상 구조(31)를 접속부(5c)에 연속 설치하고, 이 틀형상 구조(31)의 긴 쪽 방향 중앙부에 빔부(4)의 단부를 접속하고 있다. 또한, 접속부(5c)의 단부와 장변부(33)와는 일체화하는 한편, 틀형상 구조(31)의 높이는, 빔부(4)와 같게 되어 있다. 관련 구조에 의해, 빔부(4)가 접속부(5c)에 직접 접속되는 경우에 비해, 가동전극(5)의 동작에 수반하여 휘는 영역을 증대시킬 수 있으므로, 코너부(근원(根元)부분)(4b, 5d)에서의 국소적인 응력집중을 완화할 수 있다.
관련 틀형상 구조(31)는, 빔부(4)의 연신방향과 수직인 방향으로 가늘고 길게 형성되어 있기 때문에, 본 실시형태와 같이, 빔부(4)가 그 연신축을 중심으로 비틀어지는 토션(비틀림)빔인 경우에는, 장변부(33)에서 휘는 마진을 크게 잡을 수 있는 만큼, 특히 유효해진다.
도 7의 (b)는, 본 실시형태의 변형예에 관련하는 응력완화부(30A)의 평면도이다. 이 예에서는, 도 7의 (a)와 같은 모양의 틀형상 구조(31)를, 빔부(4)의 연신 방향으로 복수단(이 예에서는 2단(段)) 나열하여 배치하고, 이들 틀형상 구조(31, 31) 간(間)을, 빔부(4)의 연장선상에 설치한 접속편(接續片)부(34)에 의해서 접속되어 있다. 이 예에서는, 틀형상 구조(31)를 다중으로 설치한 만큼, 도 7의 (a)의 예에 비해 보다 한층 응력을 완화할 수 있다.
도 7의 (c)는, 본 실시형태의 다른 변형예에 관련하는 응력완화부(30B)의 평면도이다. 이 예에서는, 빔부(4)와 접속부(5c)와의 사이에, 응력완화부(30B)로서, 빔부(4)를 그 연신방향과 직교하는 방향으로 소정폭으로 반복적으로 복수회 반복한 사행(蛇行)구조(35)를 설치하고 있다. 이와 같은 사행구조(35)를 설치하는 것에 의해서도, 빔부(4)가 접속부(5c)에 직접 접속되는 경우에 비해, 가동전극(5)의 동작에 수반하여 휘는 영역이 증대하기 때문에, 코너부(근원 부분)(4b, 5d)에서의 국소적인 응력집중을 완화할 수 있다.
또한 상기 예에서는, 모두, 빔부(4)의 가동전극(5)의 접속부(5c))에 접속되는 측의 단부(4b)에 응력완화부(30, 30A, 30B)를 설치한 예를 나타냈지만, 이들 응력완화부(30, 30A, 30B)는, 빔부(4)의 다른쪽 측의 단부, 즉, 빔부(4)의 앵커부(3) 에 접속되는 측의 단부(4a)에도 같은 모양으로 설치할 수 있고, 해당 단부(4a)에 있어서 같은 모양의 효과를 얻을 수 있다. 그리고, 빔부(4)의 긴 쪽 방향 양단부에 응력완화부(30, 30A, 30B)를 설치하도록 하면, 한층 더 빔부(4)에 생기는 응력을 저감할 수 있다. 또한, 양단부에서 상이(相異)한 응력완화부(30, 30A, 30B)를 설치해도 좋고, 이들을 적절히 조합하여 구성해도 좋다.
이상의 설명으로부터 명료해지는 것 같이, 본 발명의 제1의 실시형태가 되는 센서(1)에 의하면, 빔부(4)의 앵커부(3)에 접속되는 측의 단부(4a) 및 가동전극(5)에 접속되는 측의 단부(4b) 중 적어도 어느 한 쪽에, 응력을 완화하는 응력완화부(30, 30A, 30B)를 설치했기 때문에, 빔부(4)에 생기는 응력을 저감하여 내구성을 향상할 수 있고, 게다가 가동전극(5)의 변위량이나 무게 등의 스펙의 설정 자유도를 증대할 수 있다. 관련되는 응력완화부(30, 30A, 30B)는, 빔부(4)의 앵커부(3)에 접속되는 측의 단부(4a) 및 가동전극(5)에 접속되는 측의 단부(4b)의 쌍방에 설치하면, 응력을 보다 한층 저감할 수 있다.
이 때, 응력완화부(30, 30A, 30B)는, 하나의 틀형상 구조(31), 틀형상 구조(31)를 다단으로 포함하는 구조, 혹은 사행구조(35)로서, 용이하게 형성할 수 있다. 특히, 빔부(4)를 비트는 빔으로서 이용하는 경우, 응력완화부(30, 30A, 30B)를, 본 실시형태에서 예시한 것 같은, 하나의 틀형상 구조(31), 틀형상 구조(31)를 다단으로 포함하는 구조, 혹은 사행구조(35)로서 구성하면, 축방향과 직교하는 부분을 비교적 길게 설치할 수 있는만큼, 빔부(4)(및 응력완화부(30, 30A, 30B))의 단위길이당의 휘는 양을 작게 할 수 있어서, 보다 한층 효과적인 응력저감이 가능 해진다.
또 본 실시형태에서는, 빔부(4)의 단면을 거의 직사각형 단면으로 하는 것으로, 빔부(4)의 구부러지기 쉬운 방향 및 구부러지기 어려운 방향을 규정하여, 가동전극(5)을 소망한 모드로 동작시켜, 본의가 아닌 모드에서의 동작에 의한 불편을 억제할 수 있다. 특히 본 실시형태와 같이, 가동전극(5)을 요동시켜 빔부(4)를 비트는 빔으로서 구성하는 경우, 도 4에 나타내는 바와 같이, 빔부(4)의 연신축으로 수직인 단면 형상에 대해서, 센서(1)의 두께 방향의 길이(높이 h)를, 센서(1)의 표면을 따르는 방향의 길이(폭 w)보다 길게 하는 것으로, 가동전극(5)이 전체적으로 센서(1)의 두께 방향(도 2의 상하방향)으로 휘고 대판부(5a) 및 소판부(5b) 모두 고정전극(6A, 6B) 측에 근접하도록 동작하여 검출정밀도가 저하하는 것을 억제할 수 있다.
또한 본 실시형태에서는, 빔을 비트는 빔으로서 이용하는 경우를 예시했지만, 굴곡빔으로서 이용하는 경우에도 본 발명은 같은 모양으로 실시하는 것이 가능하고, 나사(소용돌이) 형상이나 반복 형상 등 여러 가지의 형상의 빔에 대해서도 같은 모양으로 실시 가능하다. 또, 틀형상 구조나 사행구조의 스펙(예를 들면, 틀형상 구조의 단수(段數)나, 사행 구조의 반복 수, 각 부의 크기, 형상 등)도 여러 가지로 변형가능하다. 예를 들면, 틀형상 구조를, 도 8과 같이, 평면시로 삼각 형상(예를 들면, 정삼각 형상이나 이등변 삼각 형상)으로 해도 좋고, (b)와 같이, 해당 삼각 형상의 단위(單位)판을 트러스(truss)형상으로 다중으로 겹쳐도 좋다. 관련되는 구성에 의하면, 평면시 직사각형 형상의 틀형상 구조에 비해, 응력집중을 보다 한층 저감할 수 있다.
[제2의 실시형태]
본 발명의 제2의 실시형태가 되는 센서(1)은, 도 9에 나타내는 바와 같이, 빔부(4, 4)의 긴 쪽 방향 단부에 응력완화부(30)가 설치되어 있지 않은 점이 상기 제1의 실시형태가 되는 센서(1)의 구조와 다르다. 그리고 본 실시형태에서는, 오목부(22)는, 도 10(a)에 나타내는 바와 같이, 반도체층(2)을 절연층(20)에 접합하고, 간격(10)을 형성하는 전단에 있어서, 웨트(wet)에칭이나 드라이(dry)에칭이라고 하는 여러 가지의 에칭처리에 의해 형성해 둔다. 이와 같이 하여 반도체층(2)을 에칭처리에 의해 깎아내는 것에 의해 오목부(22)를 형성한 후, 도 10(b)에 나타내는 바와 같이 유리기판인 절연층(20)을 접합시켜, 수직에칭가공을 하는 것으로, 도 10(c)에 나타낸 바와 같은 간격(10)을 형성한다. 또한, 스토퍼(13)는, 에칭처리에 의해 오목부(22)를 형성한 후에, 산화막이나 알루미늄합금 등으로 형성한다.
이와 같이, 단결정실리콘기판인 반도체층(2)을 에칭처리하는 것으로, 미리 오목부(22)를 형성하고, 오목부(22)가 형성된 면을 지지기판이 되는 절연층(20)에 대향시켜 접합시키면, 에칭처리에 수반하여 생성되는 에칭찌꺼기를 양호하게 제거 할 수 있으므로, 가동전극(5)의 요동에 의해 절연층(20)과 스티킹해 버리는 것을 방지할 수 있고, 센서(1)의 품질을 향상시킬 수 있다.
또, 미리 반도체층(2)에 오목부(22)를 형성해 버리는 것으로부터, 지지기판이 되는 절연층(20)으로서 유리기판 등의 절연기판을 이용할 수 있으므로, 절연기판 이외, 예를 들면, 가동전극(5)과 같은 모양의 실리콘재료로 이루어지는 기판 등 을 이용한 경우에 발생하는 기생(寄生)용량을 저감할 수 있다.
또한, 에칭처리에 의해 형성하는 오목부(22)는, 오목부(22)의 형상에 따른 레지스트막 패턴을 형성하고, 오목부(22)의 깊이에 따른 에칭시간만을 설정하는 것만으로, 용이하게 형성할 수 있는 이점이 있다. 또, 절연층(20)으로서 유리기판을 이용할 수 있으므로, 경면(鏡面)이 되는 단결정실리콘으로 형성된 가동전극(5)의 요동에 의한 빔부(4)의 비틀림동작을 광(光)의 반사로서 시인(視認:눈으로 보고 확인함)할 수 있으므로 외관검사를 용이하게 행할 수 있다.
이 오목부(22)는, 도 5를 이용하여 설명한 검지(檢知) 갭인 대판부(5a)와 고정전극(6A)과의 사이의 간격(25a), 소판부(5b)와 고정전극(6B)과의 사이의 간격(25b)의 검지 갭 간의 거리를 규정하게 된다. 정전용량을 C, 대향면적을 S, 검지 갭 간의 거리를 d, 유전율(誘電率)을 ε로 한 경우의 정전용량 C의 기본식인 "C=εS/d"에서도 알 수 있듯이, 검지 갭 간의 거리는, 높은 정밀도로 형성할 필요가 있다. 일반적으로는, 이와 같은 반도체프로세스에 의해 형성하는 정전용량식 센서에 있어서는, 제조프로세스 중의 스티킹이나, 실 사용시의 스티킹을 방지하기 위해서 검지 갭 간의 거리로서 3μm이상이 필요하게 된다.
그래서 결정방향으로 에칭속도가 의존하는 성질을 이용한 결정이방성에칭으로, 오목부(22)를 형성하면 에칭처리의 관리가 용이해지므로, 편차가 적고 매우 높은 정밀도의 검지 갭이 되는 간격 25a, 간격 25b를 형성할 수 있다.
도 11에, 결정이방성에칭에 의해 오목부(22)를 형성한 경우의, 도 9의 A－A선으로 반도체층(2)을 절단한 모습을 나타낸다. 도 11의 영역 P에 나타내는 바와 같이, 앵커부(3), 프레임부(7)는, 잘라낸 단결정실리콘기판의 결정면에 대해서 소정의 각도의 면방위(面方位)가 되는 면이 나타나게 된다.
그렇지만, 도 6을 이용하여 설명한 전위추출부(8)에 있어서, 대좌부(8b)를 잘라낸 것처럼 형성된 평탄한 저면(底面)(8c)을 구비하는 오목부(26)도, 오목부(22)를 형성할시에 결정이방성에칭처리에 의해 형성하도록 한다. 이 오목부(26)는, 고정전극(6)의 전위를 추출하는 전위추출부(8)에 있어서, 단자부(9)와 접점부(12)를 확실하게 접촉하여 도통시키므로 높은 정밀도로 형성될 필요가 있다. 따라서, 결정이방성에칭에 의해 오목부(22)를 형성하는 것에 수반하여, 같은 결정이방성에칭에 의해 오목부(26)를 형성하면, 편차가 적고 매우 높은 정밀도의 오목부(26)를 형성할 수 있다.
상술한 센서(1)의 앵커부(3), 빔부(4), 가동전극(5) 등을, 도 12에 나타낸 바와 같은 실리콘지지기판(41)과 실리콘활성층(43)과의 사이에 중간산화막(42)으로서 SiO2를 삽입한 구조의 SOI(Silicon On Insulator)기판(40)으로 형성할 수도 있다. 도 12는, 도 9의 B－B단면에 상당하는 단면도이다.
이 SOI기판(40)을 이용하는 경우, 우선, 수직에칭가공에 의해 도 12(a)에 나타내는 바와 같이 간격(10)을 형성하고, 희생(犧牲)층 에칭에 의해 도 12(b)에 나타내는 바와 같이 중간산화막(42)을 제거하는 것으로 오목부(22)를 형성한다. 즉, 실리콘활성층(43)이, 상술한 반도체층(2)에 상당한다. 이와 같이, SOI기판(40)을 이용하는 경우, 반도체층(2)과 다른 기판을 접합하는 공정을 하나 생략할 수 있으 므로, 용이하게 형성할 수 있는 이점이 있다.
한편, 희생층 에칭에 의해 오목부(22)를 형성하므로, 상술한 바와 같이 반도체층(2)을 단결정실리콘기판으로 형성할시에, 유리기판 등의 절연층(20)과의 접합의 전단에서 오목부(22)를 에칭처리에 의해 미리 형성하는 경우와 비교해, 에칭찌꺼기의 양이 많아져 버릴 가능성이 높다. 또, 절연층(20)을 유리기판으로 할 수 없으므로, 상술한 바와 같은 효과를 얻을 수 없다.
빔부(4)는, 센서(1)의 두께 방향으로 긴 단면(빔부(4)의 연신축으로 수직인 단면)을 갖고 있으므로, 해당 두께 방향으로는 휘기 어려운 형상으로 되어 있다. 또 빔부(4)는, 도 4에 나타내는 바와 같은 일정한 직사각형(거의 정사각형) 단면을 갖는 들보로서 구성되어 있고, 반도체층(2)의 두께 방향을 따른 두께 h가 10μm이상이 된다. 이 두께 h의 하한치인 10μm는, 상술한 검지 갭의 일반적인 검지 갭 간의 거리인 3μm이상에 근거하여 산출된 값이다. 이와 같이, 검지 갭 간의 거리를 3μm이상으로 한 경우, 센서(1)에서 검출된 값을 신호처리하는 신호처리회로의 능력에 근거하는 감도를 확보하기 위해서는, 소정의 변위량만 가동전극(5)을 변위시킬 필요가 있다.
그래서, 가동전극(5)의 두께, 즉 빔부(4)의 두께를 검지 갭 간의 최저거리인 3μm의 약 3배인 10μm이상으로 하는 것으로, 필요한 감도를 얻기 위해서 충분한 정도, 가동전극(5)을 변위시키는 질량을 확보할 수 있다. 가동전극(5)의 두께, 빔부(4)의 두께의 상한치는, 반도체층(2)을 형성하는 단결정실리콘기판의 두께에 준하는, 예를 들면, 500μm 등으로 할 수 있다.
또 도 4에 나타내는 빔부(4)의 두께 h는, 빔부(4)의 폭 w에 대해서 3.16배 이상으로 한다. 예를 들면, 수직방향의 가속도에 따라서 빔부(4)가 비틀리는 것으로 가동전극(5)이 정상적으로 변위하는 경우, 가동전극(5)은, 반도체층(2)을 지지하는 절연층(20, 21)에 접촉했다고 해도 선접촉이나 점접촉이 된다. 그렇지만, 과대한 가속도가 가해진 경우에는, 도 13에 나타내는 바와 같이 가동전극(5)이 z축 방향으로, 표면을 수평으로 유지하면서 변위하여 절연층(20, 21)에 면접촉하고, 스티킹을 일으켜 버릴 가능성이 있다. 이와 같은 z축 방향, 즉 수직 방향으로의 가동전극(5)의 변위를 방지하려면, 비틀림 없이 그대로 상승해 버리는 모드를 줄여줄 필요가 있다.
구체적으로는, 빔부(4)의 수직방향의 휘는 정도를 빔부(4)의 수평방향의 휘는 정도의 10분의 1이하로 하면, 상술한 바와 같은 비틀림 없이 그대로 상승해 버리는 모드를 큰폭으로 줄일 수 있다. 이 점에서, 단면(斷面) 2차 모멘트(moment)에 근거하는 최대 휘는 정도를 산출하고, 빔부(4)의 수직방향의 휘는 정도가, 빔부(4)의 수평방향의 휘는 정도의 10분의 1이하가 되도록, 빔부(4)의 두께 h를 결정하면, 빔부(4)의 두께 h는, 빔부(4)의 폭 w에 대해서 3.16(≒101/2)배 이상으로 할 필요가 있다.
이것에 의해, 가동전극(5)이, 비틀림 없이 그대로 상승해 버리는 모드를 큰폭으로 줄일 수 있으므로, 가동전극(5)은, 절연층(20, 21)에 면접촉하고 스티킹을 일으키는 일 없이, 물리량에 따라서 빔부(4)를 중심으로 한 양호한 비틀림 동작을 할 수 있다.
고정전극(6A, 6B)은, 도 14에 나타내는 바와 같이, 가동전극(5)의 비틀림 동작의 중심이 되는 빔부(4)를 대칭축으로서 상하대칭이 되도록 설치하는 것은 아니고, 가동전극(5)의 소판부(5b) 측으로 조금 옮겨져 설치되어 있다.
도 15(a), (b)에, 도 14에 나타내는 화살표 L방향에서 센서(1)를 본 경우의 가속도 G를 수직아래쪽에서 덧붙이는 전후에 있어서 비틀림 동작의 중심이 어긋나는 모습을 나타낸다. 이 비틀림 동작의 중심이 어긋나는 현상은, 질량(質量, mass)으로서 기능하는 가동전극(5)을, 대판부(5a), 소판부(5b)라고 하는 질량이 다른 부재를 비틀림 동작의 중심이 되는 빔부(4)에 대해서 비대칭이 되도록 형성하고 있는 것에 기인하고 있다고 생각된다.
이 점에서, 고정전극(6A, 6B)을 빔부(4)를 대칭축으로 하고, 대칭으로 배치한 상태를 기준으로 하여, 이와 같은 비틀림 동작의 중심이 어긋나는 양을 고려하여, 도 15(a)에 나타내는 바와 같이, 고정전극(6A)은, 빔부(4)로 가까이하는 방향으로, 한편, 고정전극(6B)은, 빔부(4)로부터 멀리하는 방향으로, 각각 절연층(20)의 하면(下面)(20b)에 설치하도록 한다. 이 때, 고정전극(6A, 6B)의 편차량(어긋남 정도), 즉, 고정전극(6A, 6B)의 절연층(20)의 하면(20b)에 있어서의 설치위치는, 센서(1)에서 보증되고 있는 가속도의 검지(檢知)범위에 따라서 결정된다.
이와 같이, 물리량을 가한 경우에 변화하는 가동전극(5)의 비틀림 동작의 중심위치에 따라서, 고정전극(6A, 6B)의 위치를 결정하면, 가해지는 물리량에 따라 검출되는 정전용량의 직선(直線)성을 높일 수 있으므로 정밀도 좋게 물리량을 검출 할 수 있다.
또, 절연층(20)에 설치하는 고정전극(6)과 가동전극(5)과의 대향면적이 증가하면, 센서(1)에서 검출하는 물리량의 검출감도를 올릴 수 있으므로, 도 16(a)에 나타내는 바와 같이, 단순히 가동전극(5)의 대판부(5a), 소판부(5b)의 장변에 따른 직사각형 형상으로 하는 것이 아니라, 도 16(b)에 나타내는 바와 같이, 앵커부(3), 빔부(4)를 형성하는데 즈음하여 설치한 간격(10)을 피하면서, 이 간격(10)의 형상에 따르도록 고정전극(6A, 6B)을, 대판부(5a), 소판부(5b)에 대향하는 절연층(20)의 하면(20b)상에 형성하여 대향면적을 벌도록 한다. 이것에 의해, 고정전극(6A, 6B)에 의해 규정되는 가동전극(5)과의 대향면적을 최대한 확보할 수 있으므로, 센서(1)에 가해지는 물리량을 매우 감도좋게 검출할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시형태로서 나타내는 센서(1)는, 단결정실리콘기판인 반도체층(2)을 수직에칭가공하는 것으로 앵커부(3), 빔부(4), 가동전극(5)으로 이루어지는 해당 가동전극(5)의 가동기구를 형성하고 있다. 따라서, 충분한 두께가 있는 반도체층(2)을 이용하여 가동전극(5)을 형성할 수 있다.
이것에 의해, 가동전극(5)의 질량을 충분히 확보할 수 있는 것으로부터, 물리량에 따라 크게 가동전극(5)이 변위하므로, 정전용량의 검출감도를 향상시킬 수 있다. 또, 가동전극(5)의 변위량이 큰 것으로부터 검지 갭을 넓게 확보할 수 있으므로 가동전극(5)과, 고정전극(6)이 설치된 절연층(20)과의 스티킹(sticking:들러붙음)의 발생을 방지할 수 있다.
또, ICP를 탑재한 에칭장치에 의한 수직에칭가공인 것으로부터, 반도체층(2) 을 가공한 가공면에 테이퍼가 형성되는 일이 없으므로, 디바이스 사이즈를 소형화할 수 있다. 또, 가공면에 테이퍼(taper)가 형성되어 있지 않으므로, 과대한 물리량에 의해 빔부(4)와 가동전극(5)이 접촉했다 하더라도 반드시 면접촉이 되므로 구조가 결여되어 버리는 일 등을 방지할 수 있다. 또한, 수직에칭가공된 에칭면은, 경면(鏡面)은 아니므로, 면접촉했다 하더라도 스티킹이 발생해 버릴 일도 없다.
수직에칭가공을 한 경우에는, 에칭처리된 부위의 단면형상이 상하에 있어서 거의 대칭형상이 되기 때문에, 검출방향인 주축방향에 대한 타축방향으로 감도를 발생해 버리는 일을 회피할 수 있다. 또한, 본 실시형태로서 나타내는 센서(1)는, 반도체층(2)을 막응력이 적은 단결정실리콘기판으로 하고 있기 때문에 용이한 가공처리를 실현할 수 있다.
[제3의 실시형태]
계속해서, 도 17, 도 18을 이용하여, 본 발명의 제3의 실시형태로서 나타내는 센서(1)의 구성에 대해서 설명한다. 제3의 실시의 형태로서 나타내는 센서(1)는, 상술한 제2의 실시의 형태로서 나타내는 반도체층(2)의 두께방향인 수직방향의 물리량을 검출하는 센서(1)에, 또한 반도체층(2)의 면방향인 수평방향의 물리량을 검출할 수 있도록 구성한 것이다.
도 17은, 센서(1)의 반도체층(2)을 나타낸 평면도이다. 도 17에 나타내는 바와 같이, 반도체층(2)은, 반도체기판에 공지의 반도체프로세스에 의해 간격(10)을 형성하는 것으로, 수직방향의 물리량을 검출하는 수직방향검출부(50A)와, 수평방향의 물리량을 검출하는 수평방향검출부(50B)와, 이들을 둘러싸는 프레임부(7)가 형 성되어 있다. 또한, 수직방향검출부(50A)는, 센서(1)와 완전히 동일한 구성이므로, 필요에 따라 적절히 설명을 하는 것으로 하고 상세한 설명을 생략한다.
간격(10)은, 제2의 실시형태로서 나타내는 센서(1)에서의 간격(10)과 같이, 반응성이온에칭 등에 의해 수직에칭가공을 하는 것으로, 간격(10)의 측벽면을 반도체층(2)의 표면과 수직이 되도록 형성된다. 이와 같이 하여, 수직에칭가공에 의해 형성된 간격(10)의 측벽면끼리는, 서로 거의 평행으로 대향하게 된다. 반응성이온에칭으로서는, 예를 들면, 유도결합형 플라즈마를 구비한 에칭장치에 의한 ICP가공을 이용할 수 있다.
도 17에 나타내는 바와 같이, 수평방향검출부(50B)의 반도체층(2)은, 지지부(53), 빔부(54) , 가동전극(55), 고정전극(56)이 형성되어 있다.
도 18은, 도 17의 D－D선에서 반도체층(2)을 절단하는 것 같이 센서(1)를 절단한 모습을 나타낸 단면도이다. 도 18에 나타내는 바와 같이, 센서(1)는, 이 반도체층(2)의 표리 양면에 유리기판 등의 절연층(20, 21)을, 예를 들면, 양극접합 등을 하여 접합하는 것으로 형성된다. 이들 반도체층(2)과 절연층(20, 21)과의 접합면에는, 비교적 얕은 오목부(62)가 형성되어 있고, 반도체층(2) 각부의 절연성이나 가동전극(55)의 동작성의 확보가 도모되고 있다. 또한, 본 발명의 제2의 실시의 형태에서는, 수평방향검출부(50B)의 반도체층(2)과 절연층(20)과의 접합면에 대해서는, 반도체층(2) 측에 오목부(62)를 설치하는 한편, 수평방향검출부(50B)의 반도체층(2)과 절연층(21)과의 접합면에 대해서는, 절연층(21) 측에 오목부(62)를 설치하고 있다.
도 17에 나타내는 바와 같이, 지지부(53)는, 가동전극(55)을 통해서 가동전극(55)의 장변측에 각각 1개씩 설치되고, 가동전극(55)의 장변에 따라서 평행으로 거의 일정폭으로 연설(延設)되고 있다. 이와 같이 설치된 한 쌍의 지지부(53)는, 한 쪽이 다른 쪽에 비교해서 가늘고 길게 되어 있다.
각 지지부(53)에는, 가동전극(55)에 대향하는 측으로부터, 해당 지지부(53)의 장변과 평행으로, 그리고 중도에 사행(蛇行)하듯이 절곡하면서 중심을 향해서 연결되는 빔부(54)가, 각각 2개씩 설치되어 있다. 도 17에 나타내는 바와 같이, 빔부(4)의 타단은, 가동전극(55)의 코너부에 접속되어 있고, 지지부(53)에 대해서 가동전극(55)을 탄성적으로 가동지지하는 스프링요소로서 기능한다.
이것에 의해, 수평방향검출부(50B)에서는, 가동전극(55)에 대해, 스프링 요소로서의 빔부(54), 빔부(54)에 접속된 지지부(53)에 의해 지지되는 질량요소(매스)로서의 기능을 주고, 이들 스프링요소와 질량요소에 의해서 스프링-매스계를 구성하고 있다. 이와 같은 수평방향검출부(50B)는, 질량요소로서의 가동전극(55)의 위치변위에 의한 가동전극(55), 고정전극(56) 간의 정전용량의 변화를 검출한다. 그리고, 수평방향검출부(50B)는, 검출된 정전용량의 변화를 C－V변환하는 것으로 얻어지는 전압파형으로 센서(1)에 추가된 가속도를 검출할 수 있다.
구체적으로는, 이 정전용량의 변화는, 가동전극(55), 고정전극(56)에 각각 형성된 빗살형상의 복수의 검출가동전극(55a), 검출고정전극(56a)으로 이루어지는 검출부(58A, 58B)(이하, 총칭하는 경우는, 단순히 검출부(58)라 부른다.)에 의해서 검출된다.
예를 들면, 도 17에 나타내는 Y축 방향으로 가속도가 주어지면, 가동전극(5)이 Y축 방향으로 변위하고, 검출부(58A)의 검출가동전극(55a), 검출고정전극(56a)에서 검출되는 정전용량과, 검출부(58B)의 검출가동전극(55a), 검출고정전극(56a)에서 검출되는 정전용량에 차이가 생긴다. 이 정전용량의 차이로부터 Y축 방향의 가속도를 검출할 수 있다.
도 17에 나타내는 고정전극(56)의 코너부(56b) 상에는, 절연층(20)을 샌드블라스트가공 등에 의해서 관통시킨 관통공(24)을 형성한다. 그리고, 관통공(24)을 통해서 노출된 반도체층(2), 관통공(24)의 내주면(內周面), 절연층(20)의 표면(20a)에 걸쳐서 금속박막 등을 성막하는 것으로 고정전극(56)의 전위를 절연층(20) 상에서 추출할 수 있도록 하고 있다. 또한, 절연층(20)의 표면 위에는, 수지층(미도시)에 의해서 피복(몰드성형)하는 것이 최적이다.
한편, 가동전극(55)의 전위는, 해당 가동전극(55)을 빔부(54)를 통해서 지지하는 지지부(53)로부터 추출하도록 한다. 도 17에 나타내는 가동전극(55)에 대해서 상측에 배치된 지지부(53)에는, 절연층(20)을 샌드블라스트가공 등에 의해서 관통시킨 관통공을 형성한다. 그리고, 관통공(24)을 통해서 노출된 반도체층(2), 관통공(24)의 내주면, 절연층(20)의 표면(20a)에 걸쳐서 금속박막 등을 성막하는 것으로 가동전극(55)의 전위를 절연층(20) 상에서 추출할 수 있도록 하고 있다.
계속해서, 도 19에 나타내는 수평방향검출부(50B)의 검출부(58)를 중심으로 가동전극(55), 고정전극(56)을 확대한 평면도를 이용하고, 검출부(58)의 상세한 구성에 대해서 설명을 한다.
도 19에 나타내는 바와 같이, 가동전극(55)에는, 그 중앙부로부터 고정전극(56)의 전극지지부(56c)를 향해서 그 변(邊)과 거의 수직으로 가늘고 길게 연결되는 띠 형상의 검출가동전극(55a)이 형성되어 있다. 검출가동전극(55a)은, 소정의 피치에서, 서로 평행이 되도록 빗살형상으로 복수 형성된다. 또, 각 검출가동전극(55a)은, 선단부가 서로 평행으로, 동일한 길이가 되도록 갖추어져 있다.
한편, 고정전극(56)에는, 전극지지부(56c)로부터 가동전극(55)의 중앙부를 향해서, 검출가동전극(55a)과 평행으로 가늘고 길게 뻗는 띠형상의 검출고정전극(56a)이 형성되어 있다. 검출고정전극(56a)은, 상술한 빗살형상의 복수의 검출가동전극(55a)의 사이에, 검출가동전극(55a)과 1대1로 평행으로 대향하도록, 소정의 피치(예를 들면, 검출가동전극(55a)과 동일한 피치)에서 빗살형상으로 복수 형성된다. 또, 각 검출고정전극(56a)은, 검출가동전극(55a)에 대응시켜 동일한 길이가 되도록 갖추어지고, 검출가동전극(55a), 검출고정전극(56a) 끼리가 상호 대향하는 대향면의 대향면적을 가능한 한 넓게 확보할 수 있도록 되어 있다.
도 19에 나타내는 바와 같이, 검출가동전극(55a), 검출고정전극(56a)을 형성하는데 있어서 설치된 간격(10)은, 한쪽 측에서 좁은 간격(10a), 다른쪽 측에서 넓은 간격(10b)으로 되어 있다. 검출부(58)는, 좁은 측의 간격(10a)을 검지 갭(전극 갭)으로서 검출가동전극(55a), 검출고정전극(56a) 간의 정전용량을 검출한다.
또한, 도 17에 나타내는 바와 같이, 가동전극(55)의 표면상의 적합한 위치에는, 수직방향검출부(50A)의 가동전극(5)에 설치한 스토퍼(13)와 완전히 동일한 스토퍼(13)를 설치하고, 가동전극(55)이 절연층(20)에 직접적으로 접촉(충돌)하여 손 상하는 것을 억제하도록 되어 있지만, 이 스토퍼(13)를 전위추출부(8)의 하부층(27)과 동일재료로서 같은 공정에서 형성하도록 하면, 이들을 별도 형성하는 경우에 비해 제조의 수고가 줄고, 제조비용을 저감할 수 있다.
그러나 도 17을 이용하여 설명한 바와 같이, 수평방향검출부(50B)에서는, 반도체층(2)과 절연층(20)과의 접합면은, 반도체층(2)측에 오목부(42)를 설치하도록 하고 있다. 오목부(42)는, 반도체층(2)을 절연층(20)에 접합하고, 간격(10)을 형성하는 전단에 있어서, 웨트에칭이나 드라이에칭과 같은 다양한 에칭처리에 의해 형성해 둔다. 이와 같이 하여 반도체층(2)을 에칭처리에 의해 깎아내는 것에 의해 오목부(52)를 형성한 후, 유리기판인 절연층(20)을 접합시켜, 수직에칭가공을 하는 것으로, 간격(10)을 형성한다.
이 때 도 18에 나타내는 바와 같이, 수직방향검출부(50A)의 앵커부(3), 빔부(4), 가동전극(5)이 형성된 반도체층(2)의 두께 h1과, 수평방향검출부(50B)의 빔부(54), 가동전극(55), 고정전극(56)이 형성된 반도체층(2)의 두께 h2를 모두 동일하게 한다. 이와 같이, 두께 h1과, 두께 h2를 동일한 두께로 하면, 오목부(62)를 형성하는 공정과, 수직방향검출부(50A)에 있어서 검지 갭을 규정하는 오목부(22)를 형성하는 공정을 동일공정으로 형성할 수 있다. 또, 두께 h1과, 두께 h2를 동일한 두께로 하면, 간격(10)을 형성할시의 수직에칭가공에 있어서, 관통에칭량을 일정하게 유지할 수 있으므로 에칭시간이 같아지고 오버에칭을 방지할 수 있다.
또 도 17에 나타내는 수직방향검출부(50A)의 빔부(4)를 형성하기 위해서 관통시키는 간격(10)의 폭 w1과, 도 16에 나타내는 수평방향검출부(50B)의 검출 부(58)의 검지 갭인 간격(10a)의 폭 w2를 동일하게 한다. 이와 같이, 간격(10)의 폭 w1과, 간격(10a)의 폭 w2를 동일한 폭으로 하면, 수직에칭가공시의 에칭속도를 균일화할 수 있다. 따라서, 수직에칭가공에 의한 에칭처리 후에 형성되는 각 부위의 형상 편차(variation)를 대폭으로 저감시킬 수 있다.
특히, 수직방향검출부(50A)의 빔부(4)는, 비틀림동작을 수반하므로 해당 빔부(4)의 폭의 편차가 검출감도에 악영향을 주게 된다. 따라서, 간격(10)의 폭 w1과, 간격(10a)의 폭 w2를 동일한 폭으로 하고, 형상 편차를 저감시키는 것으로, 수직방향검출부(50A)의 검출감도를 향상시킬 수 있다.
더욱이 도 18에 나타내는 수직방향검출부(50A)의 빔부(4)의 폭 w3과, 수평방향검출부(50B)의 빔부(54)의 폭 w4를 동일하게 한다. 이와 같이, 빔부(4)의 폭 w3과, 빔부(54)의 폭 w4를 동일한 폭으로 하면, 수직에칭가공을 할 때의 오버에칭의 관리가 용이해진다. 또, 빔부(4)의 폭 w3과, 빔부(54)의 폭 w4를 동일한 폭으로 하면, 반도체프로세스가 종료한 후에 행해지는 디바이스의 화상인식 등에 의한 외관검사를 손쉽게 완성할 수 있다.
제3의 실시형태로서 나타내는 센서(1)는, 도 20에 나타내는 바와 같은 구성으로 할 수도 있다. 도 20에 나타내는 센서(1)는, 수직방향검출부(50A)의 가동전극(5)을, 수평방향검출부(50B)를 둘러싸는 듯한 틀형상을 하고 있다. 구체적으로는, 가동전극(5)의 대판부(5a)를 축소해 질량을 줄이고, 이 축소한 대판부(5a)로부터 수평방향검출부(50B)의 고정전극(56)의 전극지지부(56c)의 긴 쪽 방향을 따라서 평행으로 연장하는 2개의 암(arm)부(5d)와, 암부(5d)를 접속하는 접속부(5e)에 의 해서 수평방향검출부(50B)가 둘러싸이게 된다.
이와 같이, 수평방향검출부(50B)를 둘러싸도록 가동전극(5)를 형성하면, 비틀림동작의 중심이 되는 빔부(4)로부터 먼 질량성분인 암부(5d), 접속부(5e)에 의해 관성(慣性)모멘트를 벌 수 있으므로, 대판부(5a)를 축소하여 질량을 줄였다고 해도 충분한 검출감도를 확보, 또는 검출감도를 향상시킬 수 있다. 또, 수직방향검출부(50A), 수평방향검출부(50B)를 효율적으로 배치할 수 있으므로, 센서(1)를 소형화할 수 있는 이점도 있다.
이와 같이 본 발명의 제3의 실시의 형태로서 나타내는 센서(1)는, 동일한 반도체층(2)에, 반도체층(2)의 두께방향의 물리량을 검출하는 수직방향검출부(50A)와, 반도체층(2)의 면방향의 물리량을 검출하는 수평방향검출부(50B)가, 수직에칭가공에 의해 형성되어 있다. 예를 들면, 각각 1축 방향의 물리량을 검출하는 센서를 단순히 2개 배치하거나 해서 서로 수직인 타축방향의 물리량을 검출하도록 한 센서 등에서는, 실장시의 위치편차나, 실장 뜸(floatation:부양, 실장시 바닥에 붙지 않고 뜨는 현상) 등에 의해 2축 간의 직각성을 잃게 되지만, 본 발명의 제3의 실시의 형태로서 나타내는 센서(1)에서는, 서로의 검지축의 직각성을 높은 정밀도로 확보할 수 있으므로, 매우 높은 정밀도로 쌍방의 물리량을 검출할 수 있다.
또, 동일한 프로세스로 수직방향검출부(50A)와, 수평방향검출부(50B)를 형성 할 수 있으므로, 제조프로세스의 삭감으로 제조비용을 저감할 수 있는 것과 동시에, 형상을 소형화 할 수도 있다. 또, 수직방향검출부(50A)의 앵커부(3), 빔부(4), 가동전극(5)이 형성된 반도체층(2)의 두께 h1과, 수평방향검출부(50B)의 빔부(54), 가동전극(55), 고정전극(56)이 형성된 반도체층(2)의 두께 h2를 모두 동일하게 하고 있기 때문에, 제조된 센서(1)의 수직방향검출부(50A), 수평방향검출부(50B)의 감도 등의 특성에 편차가 있는 경우에는, 단결정실리콘기판을 잘라내기 전의 단결정실리콘웨이퍼 그 자체에 편차가 존재한다고 판단할 수 있다.
따라서, 제조된 센서(1)의 성능으로, 단결정실리콘웨이퍼의 제조편차 등의 특성을 파악하기 쉽고, 단결정실리콘웨이퍼의 제조프로세스에 이상이 발생한 경우에는 신속히 발견할 수 있어 품질향상을 실현할 수 있다.
또, 수직방향검출부(50A), 수평방향검출부(50B)를 일체로 형성하고, 두께를 일정하게 하는 것으로, 전체적인 중량밸런스를 확보할 수 있으므로, 수직방향, 수평방향의 물리량을 혼재하여 검출하는 센서이면서, 실장 뜸을 큰폭으로 저감할 수 있으므로, 타축 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 상술한 실시의 형태는 본 발명의 일례이다. 이 때문에, 본 발명은, 상술한 실시의 형태에 한정되는 것은 아니고, 이 실시의 형태 이외에 있어서도, 본 발명과 관련되는 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위라면, 설계 등에 따라 다양한 변경이 가능한 것은 물론이다.
본 발명은, 고정전극과 가동전극과의 사이의 정전용량을 검출하는 것에 의해 소정의 물리량을 검출하는 정전용량식 센서에 적용할 수 있다.

Claims (21)

  1. 고정전극과, 반도체층의 고정부분에 빔을 통해서 가동(可動) 지지(支持)된 가동전극을 구비함과 동시에, 해당 고정전극과 가동전극을 간격을 두고 상호 대향 배치시켜 검출부가 구성되고, 해당 간격의 크기에 따른 정전용량을 검출하는 정전용량식 센서로서, 상기 빔의 고정부분에 접속되는 측의 단부(端部) 및 가동전극에 접속되는 측의 단부 중 적어도 어느 한 쪽에, 국소적인 응력 집중을 완화하는 응력완화부(應力緩和部)를 설치하고, 상기 응력완화부는, 삼각 형상의 단위틀을 일평면 상에 복수 배치하고, 전체로서 삼각 형상의 트러스(truss) 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 정전용량식(靜電容量式) 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 응력완화부(應力緩和部)를, 상기 빔의 고정부분에 접속되는 측의 단부 및 가동전극에 접속되는 측의 단부의 쌍방으로 설치한 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 빔은, 가동전극의 동작에 수반하여 비틀어지는 직사각형 단면(斷面)을 갖는 토션(torsion:비틀림)빔인 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 가동전극은, 상기 토션빔을 통해서 요동(搖動)가능하게 지지되고, 상기 검출부는, 요동하는 가동전극의 표면과 상기 가동전극의 표면에 대향(對向)하는 고정전극의 표면과의 간격의 크기에 따른 정전용량을 검출하는 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
  7. 반도체층의 고정부분에 빔부를 통해서 비대칭한 질량밸런스가 유지되도록 가동지지되고, 상기 반도체층의 두께방향의 물리량의 변위에 따라서 동작하는 제1가동전극과, 상기 반도체층을 지지하는 지지기판상에 형성된 제1고정전극을 상호 간격을 통해서 대향 배치하고, 상기 제1가동전극과 상기 제1고정전극과의 간격의 크기에 따라 검출되는 정전용량에 근거하여 물리량을 검출하는 제1검출부를 구비하는 정전용량식 센서로서, 상기 반도체층을 단결정실리콘층으로 하고, 상기 단결정실리콘층을 수직에칭가공하는 것으로 형성된 상기 고정부분, 상기 빔부, 상기 제1가동전극으로 이루어지는 해당 제1가동전극의 가동기구를 구비하고,
    상기 제1고정전극은, 상기 빔부를 통해서 비대칭한 질량밸런스로 유지된 상기 제1가동전극의 질량이 작은 부재인 소판부(小板部)에 대향하는 소판부 대향 제1고정전극과, 상기 소판부의 질량보다 질량이 큰 부재인 대판부에 대향하는 대판부 대향 제1고정전극을 포함하며,
    상기 소판부 대향 제1고정전극은, 상기 빔부로부터 멀어지도록 상기 지지기판상에 배치되고,
    상기 대판부 대향 제1고정전극은, 상기 빔부에 가까이하도록 상기 지지기판상에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 지지기판상에 형성된 상기 제1고정전극과 대향하는 영역을 포함하는, 상기 반도체층의 상기 지지기판과의 대향면에 오목부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 오목부가 결정이방성(結晶異方性)에칭에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
  10. 제7항에 있어서,
    실리콘 지지기판과 실리콘활성층과의 사이에 중간산화막을 삽입한 구조의 SOI(Silicon On Insulator)기판을 이용하여, 상기 반도체층을 상기 SOI기판의 실리콘활성층으로 하는 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 빔부의 두께가, 해당 빔부의 폭보다도 큰 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1가동전극의 두께, 상기 빔부의 두께가 각각 10μm이상인 동시에 500μm이하인 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 빔부의 두께가, 해당 빔부의 폭의 3.16배인 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
  14. 삭제
  15. 제7항에 있어서,
    상기 제1고정전극은, 수직에칭가공에 의해서 상기 고정부, 상기 빔부를 형성하기 위해 설치된 간격과 대향하는 것을 피하면서, 일부가 상기 간격의 형상에 따르도록 상기 지지기판상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
  16. 제7항에 있어서,
    상기 반도체층의 고정부분에 빔부를 통해서 가동지지되고, 상기 반도체층의 면방향(面方向)의 물리량의 변위에 따라서 동작하는 제2가동전극과, 상기 반도체층에 의해서 형성된 제2고정전극을 상호 간격을 통해서 대향 배치하고, 상기 제2가동전극과 상기 제2고정전극과의 간격의 크기에 따라서 검출되는 정전용량에 근거하여 물리량을 검출하는 제2검출부를 구비하는 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1검출부의 반도체층의 두께와, 상기 제2검출부의 반도체층의 두께가 동일한 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 제1검출부의 빔부의 두께와, 상기 제2검출부의 빔부의 두께가 동일한 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 제1검출부의 빔부의 폭과, 상기 제2검출부의 빔부의 폭이 동일한 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 제1검출부의 상기 빔부를 형성하기 위해 수직에칭가공에 의해서 설치된 간격과, 상기 제2검출부의 제2가동전극과 제2고정전극을 상호 대향 배치시킬시에 설치한 간격이 동일한 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 제1검출부의 상기 제1가동전극은, 상기 제2검출부의 주위를 둘러싸는 형상인 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
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