WO2009099125A1 - 物理量センサ - Google Patents

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WO2009099125A1
WO2009099125A1 PCT/JP2009/051935 JP2009051935W WO2009099125A1 WO 2009099125 A1 WO2009099125 A1 WO 2009099125A1 JP 2009051935 W JP2009051935 W JP 2009051935W WO 2009099125 A1 WO2009099125 A1 WO 2009099125A1
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WO
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movable portion
movable
anchor
portions
physical quantity
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PCT/JP2009/051935
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Hisayuki Yazawa
Kiyoshi Sato
Katsuya Kikuiri
Toru Takahashi
Hisanobu Okawa
Original Assignee
Alps Electric Co., Ltd.
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Publication date
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Priority to EP09707536A priority patent/EP2246706B1/en
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    • 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
    • G01P2015/0825—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 for one single degree of freedom of movement of the mass
    • G01P2015/0831—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 for one single degree of freedom of movement of the mass the mass being of the paddle type having the pivot axis between the longitudinal ends of the mass, e.g. see-saw configuration

Definitions

  • the present invention relates to a physical quantity sensor such as an acceleration sensor formed using MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology.
  • MEMS Micro Electro Mechanical System
  • An acceleration sensor formed using an SOI substrate has an SOI layer (active layer) located above the support substrate, a movable portion that is displaced due to acceleration, a detection portion for measuring the displacement of the movable portion, and the like. Provided.
  • FIGS. 25 (a) and 25 (b) are views in which the movable portion performs a seesaw operation when acceleration acts in the height direction.
  • the movable portion is supported at a position shifted from the center of gravity of the movable portion.
  • FIGS. 25 (a) and 25 (b) are views in which the movable portion performs a seesaw operation when acceleration acts in the height direction.
  • FIGS. 25 (a) and 25 (b) Schematically shown in FIGS. 25 (a) is a perspective view
  • FIG. 25 (b) is a side view as viewed from the direction of arrow P.
  • the movable portion 201 is configured of a first movable portion 203 formed long in the X1 direction from the support position 202 and a second movable portion 204 formed short in the X2 direction from the support position 202.
  • the acceleration acts in the height direction (Z direction), and when the first movable portion 203 inclines downward, the second movable portion 204 inclines upward.
  • Z-axis differential output detection units 206 and 207 are provided on the support substrate 205 on the side facing the first movable portion 203 and the side facing the second movable portion 204, respectively.
  • the structure of the Z-axis compatible acceleration sensor shown in FIG. 25 has the following problems.
  • the first movable portion 203 and the second movable portion The area difference with the part 204 had to be increased, and miniaturization of the movable part 201 was difficult.
  • the Z-axis differential output detection units 206 and 207 are provided at positions where the displacement amounts of the first movable unit 203 and the second movable unit 204 separated from the support position in the inclination direction become large. Was necessary.
  • the present invention is intended to solve the above-described conventional problems, and in particular, it is an object of the present invention to provide a Z-axis compatible physical quantity sensor that is compact and has excellent sensor sensitivity.
  • the physical quantity sensor according to the present invention comprises a support substrate, an anchor portion fixed to the upper surface of the support substrate, and a support located above the support substrate and supported by the anchor portion so as to be pivotable in the height direction via the support portion.
  • the movable portion and the detection portion for detecting the displacement of the movable portion The supporting portion is provided with a beam portion which is higher in rigidity than the spring portion via a spring portion between the movable portion and the anchor portion, and the torsion of the spring portion and the movable portion of the beam portion
  • the movable portion is moved in parallel in the height direction by displacement of the tip end portion supporting the side in the height direction. As a result, it becomes a Z-axis compatible physical quantity sensor which is compact and excellent in sensor sensitivity.
  • the movable portion is supported by the support portion at a point-symmetrical position from the center of the movable portion. Thereby, the movable portion can be stably moved in parallel in the height direction.
  • the movable portion is supported by the support portions at two or more different sets of point-symmetrical positions.
  • the anchor portion is located inside the area surrounding the outermost peripheral surface of the movable portion, and the beam portion continuously provided from the anchor portion via the spring portion is the movable portion. It is possible to realize a physical quantity sensor that is more effectively miniaturized and has excellent sensor sensitivity, by being disposed outside the outermost peripheral surface of the sensor.
  • the anchor portion is provided in a pair at point-symmetrical positions from the center of the movable portion, and the two supporting portions provided in each anchor portion are outside the outermost peripheral surface of the movable portion. Extending in the opposite direction, and that the movable part is supported by the support part at two different sets of point-symmetrical positions, it is possible to move the movable part more stably in the height direction While being possible, the displacement amount of a movable part can be enlarged and it is more preferable.
  • the region surrounding the outermost peripheral surface of the movable portion is substantially rectangular, and the beam portion may be disposed along the outermost peripheral surface, so that miniaturization can be realized more effectively.
  • a plurality of the support portions extending from the anchor portion are provided, and the height between the beam portions of each support portion is on the rear end side opposite to the front end portion of the beam portion.
  • they are connected by a connecting spring with a high bending stiffness in the direction.
  • each beam part can be displaced in a normal vibration mode.
  • the distal end side of the beam portion is provided with an extension portion extended from a position supporting the movable portion via the spring portion, and when the movable portion is moved downward
  • the extension portion can come into contact with the upper surface of the support substrate before the movable portion. This can prevent sticking appropriately.
  • FIG. 1 (a) is a plan view of the acceleration sensor according to the present embodiment
  • FIG. 1 (b) is a side view of the beam section viewed from the direction of arrow A
  • FIG. 1 (c) is acceleration in the height direction
  • 2 is an enlarged perspective view showing a spring portion, a beam portion, and a part of an arm portion
  • FIG. 3 is taken along the line B--B shown in FIG. 1 (a). It is the fragmentary sectional view which looked at the cut surface cut in the height direction from the arrow direction.
  • the acceleration sensor 1 is formed using an SOI (Silicon on Insulator) substrate 2 as shown in FIG.
  • the SOI substrate 2 includes a support substrate 3 formed of a silicon substrate, an SOI layer (active layer) 5 formed of a silicon substrate, and an oxide formed of, for example, SiO 2 located between the support substrate 3 and the SOI layer 5. It is a laminated structure of the insulating layer 4.
  • the element portion 13 is formed in the SOI layer 5.
  • the element portion 13 is provided with a movable portion (weight) 6, detection portions 61 and 62 for detecting a displacement amount of the movable portion 6, and support portions 8 to 11.
  • the movable portion 6 is supported by the anchor portions 21 and 23 through the support portions 8 to 11.
  • the oxide insulating layer 4 shown in FIG. 3 is not formed and floats on the support substrate 3, but the anchor portions 21 to 24 are the oxide insulating layer on the support substrate 3. It is fixed and supported via four.
  • the movable portion 6 is formed in a rectangular shape in a region C (shown by a dotted line in FIG. 1A) surrounding the outermost peripheral surface.
  • a recess 7 is formed which is recessed in the direction of the center O of the movable portion 6 from the position of the width center of the outermost side surfaces 6a and 6b in the left-right direction (X1 direction, X2 direction) of the movable portion 6.
  • the first anchor portion 21 and the second anchor portion 23 are provided at a position near the center O of the movable portion 6 of the recess 7.
  • two arm portions 25 and 26 extending in the X2 direction are provided from the first anchor portion 21.
  • two arm portions 27 and 28 extending in the X1 direction from the second anchor portion 23 are provided.
  • slits 40 having a predetermined interval in the Y1-Y2 direction are formed between the arm portions 25 and 26 extending from the first anchor portion 21.
  • slits 41 having a predetermined interval in the Y1-Y2 direction are formed between the arm portions 27 and 28 extending from the second anchor portion 23.
  • the arms 25 to 28 may be supported by the support substrate 3 via the oxide insulating layer 4, or may be removed from the oxide insulating layer 4 and float on the support substrate 3. For example, it is preferable to float ⁇ 28 above the support substrate 3 because the influence of the distortion can be reduced, for example, when the support substrate 3 is distorted.
  • the width dimension W1 is smaller than the width dimension W2 of the arms 25 to 28.
  • the anchor side spring part 29 which has is linearly connected continuously.
  • the arms 25 to 28 are more rigid than the anchor side spring 29.
  • the anchor side spring portion 29 has a shape in which the height dimension (thickness dimension) H1 is longer than the width dimension W1.
  • the height dimension H1 of the anchor side spring portion 29 is the same as the height dimension H2 of the arm portions 25-28.
  • the length dimension L2 is larger than the width dimension W1.
  • the width dimension W1 of the anchor side spring portion 29 is 0.8 to 2.0 ⁇ m
  • the length dimension L2 is 50 to 100 ⁇ m
  • the height dimension H1 is about 10 to 30 ⁇ m.
  • the arm 25 provided in the first anchor 21 is parallel to the Y2 direction outside the outer peripheral surface 6b of the movable part 6 via the anchor side spring 29.
  • An extending first beam portion 30 is provided in a row.
  • the second beam portions 31 extending in parallel are provided in series.
  • the arm portion 27 provided in the second anchor portion 23 is parallel to the Y2 direction outside the outer peripheral surface 6a of the movable portion 6 via the anchor side spring portion 29.
  • the third beam portions 32 extending in the vertical direction are arranged in series. Further, as shown in FIG. 1A, in the arm portion 28 provided in the second anchor portion 23, in the Y1 direction on the outside of the outer peripheral surface 6a of the movable portion 6 via the anchor side spring portion 29. A fourth beam portion 33 extending in parallel is provided in a row. As shown in FIG. 1A, the rear end portions 30b to 33b of the beam portions 30 to 33 are connected to the anchor side spring portion 29.
  • each beam portion 30 to 33 is larger than the width dimension W1 of the anchor side spring portion 29. Therefore, each beam portion 30 to 33 is more rigid than the anchor side spring portion 29.
  • the height dimensions (thickness dimensions) of the beam portions 30 to 33 are substantially the same as the height dimension H1 of the anchor side spring portion 29 and the height dimension H2 of the arm portion, and each beam portion 30 to 33 is supported It floats on the substrate 3.
  • the length dimension L1 of each of the beam portions 30 to 33 is such that the tip portions 30a to 33a of each of the beam portions 30 to 33 It is formed in substantially opposing lengths in the -X2 direction.
  • tip portions 30a to 33a of the beam portions 30 to 33 and the vicinity of four corners of the movable portion 6 are connected via a movable portion side spring portion 34 linearly extending.
  • the width dimension and the height dimension (thickness dimension) of the movable portion side spring portion 34 are substantially the same as the width dimension W1 and the height dimension H1 of the anchor side spring portion 29.
  • the width dimension W3 of the beam portions 30 to 33 is 10 to 30 ⁇ m
  • the length dimension L1 is 300 to 600 ⁇ m
  • the height dimension is approximately 10 to 30 ⁇ m.
  • a supporting portion including the arm portions 25 to 28, the anchor side spring portion 29, the beam portions 30 to 33, and the movable portion side spring portion 34 8 to 11 are linked.
  • Both the anchor side spring part 29 and the movable part side spring part 34 are hard to bend in the height direction (thickness direction). Therefore, as shown in FIG. 1 (b), in the initial state where acceleration does not act in the height direction (Z direction), the beam portions 30 to 33 are parallel to the Y1-Y2 direction and displaced in the height direction. Not.
  • the movable portion side spring portion 34 and the anchor side spring portion 29 are twisted.
  • the front end portions 30a to 33b of the beam portions 30 to 33 turn downward by the same displacement amount. Dynamically displace. That is, the front end portions 30a to 33a of the beam portions 30 to 33 are displaced lower than the rear end portions 30b to 33b.
  • the movable portion 6 is the upper surface 3a of the support substrate 3 (see FIG. 3) by the torsion of the spring portions 29 and 34 and the displacement of the tip portions 30a to 33a of the beam portions 30 to 33 in the height direction. And move downward (translate in the height direction) while maintaining the parallel state.
  • slits 43 and 44 with a predetermined spacing are provided from the position of the width center of the outermost peripheral surfaces 6c and 6d facing the Y1-Y2 direction of the movable portion 6 toward the center O of the movable portion 6. It is done.
  • a space 19 having a size necessary for installing fixed electrodes 57 and 58 constituting the detection units 61 and 62 is provided in the movable portion inside the slits 43 and 44.
  • a recess 19a recessed in the direction of the center O of the movable portion 6 is formed in the space 19, and the third anchor portion 22 and the fourth anchor portion 24 are installed in the recess 19a.
  • Ru Two arms 50 and 51 (also fixed electrodes) extend from the third anchor 22 in the Y2 direction. Further, two arm portions 52 and 53 (also fixed electrodes) extend in the Y1 direction from the fourth anchor portion 24.
  • Slits 54 and 55 having a predetermined interval in the X1-X2 direction are formed between the arm portions 50 and 51 and between the arm portions 52 and 53, respectively.
  • the slits 54 and 55 formed between the arm portions 50 and 51 and between the arm portions 52 and 53 are open to the outside of the movable portion 6 spatially continuous with the slits 43 and 44 formed on the movable portion 6. ing.
  • the two arms 50 and 51 extending from the third anchor 22 extend in the X1 direction and the X2 direction in the space 19 formed in the movable portion 6, respectively.
  • a comb-like first fixed electrode 57 is formed in parallel at a predetermined interval in the X1-X2 direction.
  • the two arms 52 and 53 extending from the fourth anchor 24 extend in the X1 direction and the X2 direction in the space 19 formed in the movable portion 6, respectively.
  • a comb-like second fixed electrode 58 is formed in parallel at a predetermined interval in the X1-X2 direction.
  • first movable electrodes 59 juxtaposed alternately with the first fixed electrodes 57 at intervals are formed integrally with the movable portion 6.
  • a second movable electrode 60 which is alternately arranged at intervals with the second fixed electrode 58, is integrally formed with the movable portion 6.
  • a first detection unit 61 is constituted by the first fixed electrode 57 and the first movable electrode 59 shown in FIG. 1A, and the second fixed electrode 58 and the second movable electrode 60 shown in FIG. 2
  • the detection unit 62 is configured.
  • the movable electrodes 59 and 60 and the fixed electrodes 57 and 58 are shown in a cross-sectional shape cut in the thickness direction, but only the movable electrodes 59 and 60 are hatched in order to easily distinguish the movable electrode and the fixed electrode. ing.
  • the first movable electrode 59, the first fixed electrode 57, the second movable electrode 60, and the second fixed electrode 58 are all formed to have the same height dimension (thickness dimension).
  • the upper surface of the first movable electrode 59 and the upper surface of the second fixed electrode 58 are at the same position, and the upper surface of the second movable electrode 60 and the first fixed electrode
  • the upper surface of the second electrode 57 is disposed at the same position and at a lower position relative to the first movable electrode 59 and the second fixed electrode 58.
  • the potentials of the fixed electrodes 57 and 58 and the potentials of the movable electrodes 59 and 60 are the wiring layers 70, 71 and 72 drawn from the connection positions with the first anchor portion 21, the third anchor portion 22 and the fourth anchor portion 24.
  • the differential outputs of the electrostatic capacitances of the first detection unit 61 and the second detection unit 62 can be obtained, which are taken out respectively (see FIG. 1A). Based on this differential output, the moving distance and the moving direction of the movable portion 6 can be known.
  • the comb-like electrode structure shown in FIG. 12 is an example, and may be in another form.
  • the wiring layer 70 is drawn to the outside of the element unit 13 through the slit 40 between the two arm units 25 and 26 extending from the first anchor unit 21.
  • the wiring layer 70 is formed on the oxide insulating layer 4 from the connection position with the first anchor portion 21.
  • the wiring layer 71 passes through the slit 54 formed between the two arm portions 50 and 51 extending from the third anchor portion 22 and the slit 44 formed in the movable portion 6 to form the element portion. It is pulled out to the outside of 13. Similarly to the wiring layer 70, the wiring layer 71 is also drawn out, for example, on the oxide insulating layer 4 from the connection position with the anchor portion.
  • the wiring layer 72 passes through the slits 55 between the two arm portions 52 and 53 extending from the fourth anchor portion 24 and the slits 43 formed in the movable portion 6 to form the element portion. It is pulled out to the outside of 13. Similarly to the wiring layer 70, the wiring layer 72 is also drawn out, for example, on the oxide insulating layer 4 from the connection position with the anchor portion.
  • the movable portion 6 includes the first anchor portion 21 and the second anchor portion 23, the arm portions 25 to 28, the anchor side spring portion 29, the beam portions 30 to 33, and the movable portion side spring portion. It is connected through the supporting parts 8 to 11 made of 34.
  • the beam portions 30 to 33 are formed to have a wider width dimension W3 than the spring portions 29 and 34, and are formed to have higher rigidity than the spring portions 29 and 34.
  • the anchor side spring portion 29 and the movable portion side spring portion 34 when the movable portion 6 moves downward as shown in FIG. 1C by receiving acceleration in the height direction from the initial state of FIG. 1B, the anchor side spring portion 29 and the movable portion side spring portion 34.
  • the distal end portions 30a to 33a of the beam portions 30 to 33 are rotationally displaced downward, and the movable portion 6 is translated downward in parallel.
  • the distal end portions 30a to 33a of the beam portions 30 to 33 connected to the movable portion 6 are displaced in the height direction using the torsion spring and the beam portions 30 to 33 with high rigidity to move the movable portion
  • the amount of displacement of the movable portion 6 in the height direction can be increased.
  • the displacement amount of the movable portion 6 can be increased, which contributes to the miniaturization of the acceleration sensor 1 as a whole.
  • the movable portion 6 is supported near the four corners via the support portions 8-11.
  • the number of supporting portions 8 to 11 supporting the movable portion 6 and the position of the supporting portion are not limited, the movable portion 6 is supported by the supporting portions 8 to 11 at a point symmetrical position from at least the center O of the movable portion 6 With this configuration, the movable portion 6 can be stably moved in parallel in the height direction.
  • the movable portion 6 is supported by two sets of the supporting portions 8 to 11 in point-symmetrical relationship, that is, a total of four supporting portions 8 to 11 as shown in FIG. Be stable and preferred.
  • the first anchor portion 21 and the second anchor portion 23 are located inside the area C surrounding the outermost peripheral surface of the movable portion 6.
  • the anchor portions 21 and 23 fixedly supported on the support substrate 3 via the oxide insulating layer 4 in this manner on the inner side of the region C surrounding the outermost peripheral surface of the movable portion 6, for example, the influence of stress
  • the influence of the distortion transmitted from each anchor portion 21 to 24 to each element portion can be reduced.
  • the beam portions 30 to 33 continuously provided from the anchor portions 21 and 23 via the spring portion 29
  • the movable portion 6 can be easily supported via the support portions 8 to 11 in the vicinity of four corners.
  • the acceleration sensor 1 can be more effectively downsized and excellent in sensor sensitivity.
  • region C which enclosed the outermost peripheral surface of the movable part 6 is not limited to the substantially rectangular shape shown to Fig.1 (a). A circular shape etc. can be considered.
  • the region C surrounding the outermost peripheral surface of the movable portion 6 is substantially rectangular, and the beam portions 30 to 33 are disposed along the outermost peripheral surface of the movable portion 6.
  • two supporting portions are provided from each of the first anchor portion 21 and the second anchor portion 23, and a second supporting portion is connected to the first anchor portion 21 via the anchor side spring portion 29.
  • the one beam portion 30 extends in the Y1 direction outside the movable portion 6, while the second beam portion 31 extends in the Y2 direction outside the movable portion 6, and the rear end portions 30b and 31b of the beam portions 30 and 31 are It is in a state of facing each other at a predetermined interval (see also FIG. 1 (b)).
  • the natural frequencies in the abnormal displacement mode (rotational mode) rotating around the first beam portion 30 and the rear end portions 30b and 31b of the second beam portion 31 as central axes are close to each other.
  • the natural frequency in the normal displacement mode was, for example, 2.8 kHz
  • the natural frequency in the abnormal displacement mode was, for example, 3.0 kHz.
  • the natural frequency of the abnormal displacement mode can be increased (specifically, about 10 kHz to 20 kHz) and the natural frequency of the normal displacement mode can be separated from the natural frequency of the normal displacement mode.
  • the abnormal displacement mode shown in FIG. 7 can be suppressed, and the normal displacement mode shown in FIG. 1 (c) can be properly expressed, and the movable portion 6 is more appropriate in the height direction (Z direction) It is possible to translate in parallel.
  • the width dimension W5 is substantially the same as the width dimension of the anchor side spring portion 29 and the movable portion side spring portion 34
  • the height dimension H3 is the height dimension of the anchor side spring portion 29, the movable portion side spring portion 34 and the beam portion It is almost the same as
  • a connecting body 90 having a rigidity higher than that of the connecting spring 88 is provided between the first beam portion 30 and the connecting spring 88 and between the second beam portion 31 and the connecting spring 88. It is done.
  • the height dimension of the connector 90 is substantially the same as the height dimension of the connection spring 88 and the beam portion.
  • connection spring 91 shown in FIG. 6 has two wall portions 92 and 93 each having a width dimension W5, a height dimension H3 and a length dimension L3, and one end of each of the wall portions 92 and 93 Are connected by a connecting portion (width dimension W5, height dimension H3) 87. And as shown in FIG.4 (b), it is via the connection body 90 more rigid than the connection spring 91 similar to FIG. 4 (a) at the edge part side of the wall parts 92 and 93 on the opposite side to the connection part 87. It is connected to the rear end portions 30b and 31b of each beam portion.
  • the rear end portions 32b and 33b of the third beam portion 32 and the fourth beam portion 33 connected to the second anchor portion 23 are also connected spring 88 having high bending rigidity in the height direction (Z direction) as in FIG. It is linked by 91.
  • connection springs 88 and 91 are not interposed between the rear end portions 30b to 33b of the beam portions 30 to 33, but the connection spring is interposed between side surfaces on the rear end portions 30b to 33b side of the beam portions 30 to 33. It may be
  • Linking beams 98 and 99 may be used to connect between the extension parts 96 and 96, respectively.
  • the wiring layers 71 and 72 can not be formed on the surface of the element that are drawn outward from the connection position with the third anchor portion 22 and the fourth anchor portion 24 shown in FIG. Therefore, it is necessary to use a multi-layer wiring or a through wiring, since the connection beams 98 and 99 straddle the formation regions of the wiring layers 71 and 72.
  • FIG. 13 is a plan view of an acceleration sensor 100 according to another embodiment
  • FIG. 14 is a side view of the acceleration sensor 100 shown in FIG.
  • the two arm portions 101 and 102 extending from the first anchor portion 21 are formed in a substantially L shape along the outer periphery of the movable portion 6.
  • the outer beam portions 103 and 104 are connected to the respective arm portions 101 and 102 via the anchor side spring portions 29, and the outer beam portions 103 and 104 to the outer beam portions 103 and 104 via the intermediate spring portion 105.
  • the inner beam portions 106 and 107 located on the inner side are connected in series. Furthermore, the movable portion 6 is supported by the inner beam portions 106 and 107 via the movable portion side spring portion 34.
  • the supporting portions extending from the second anchor portion 23 are also substantially L-shaped arm portions 110 and 111, anchor side spring portions 29, outer beam portions 112 and 113, intermediate spring portions 114, inner beam portions 115 and 116, movable portion side It comprises a spring portion 34.
  • the structure of the detection portion is a comb electrode structure, but it may be a parallel plate type electrode structure shown in FIG. 15, FIG. 16 and FIG.
  • the first detection unit 120 includes the upper surface side of the movable portion 6.
  • the counter electrode 121 is formed on the upper and lower sides, and the fixed electrode 123 and the counter electrode 121 positioned in the space 122 formed in the movable portion 6 are opposed in the height direction (Z direction).
  • the second detection unit 130 includes the support substrate 3.
  • Opposite electrode 125 is formed on the upper surface side of fixed portion 124 fixed and supported via oxide insulating layer 4 thereon, and movable integrally formed with movable portion 6 located in space 126 formed in fixed portion 124
  • the electrode 127 and the counter electrode 125 are opposed in the height direction (Z direction). For example, when the movable portion 6 (and the movable electrode 127) moves in parallel downward, in the first detection portion 120 shown in FIG. 16, the distance between the counter electrode 121 and the fixed electrode 123 is reduced. In the second detection unit 130 shown, the distance between the movable electrode 127 and the counter electrode 125 is increased.
  • the moving distance and the moving direction of the movable unit 6 can be known from the differential output based on the capacitance change of the first detection unit 120 and the capacitance change of the second detection unit 130.
  • detection accuracy can be obtained by using the detection mechanism using parallel plate type electrodes shown in FIGS. Can be improved more appropriately.
  • FIGS. 16 and 17 The method of manufacturing the parallel plate type electrode shown in FIGS. 16 and 17 will be described with reference to FIGS. (A) of each figure shows the formation of the first detection unit 120, and (b) of each figure shows the formation of the second detection unit 130.
  • the SOI layer 5 of the SOI substrate 2 consisting of the support substrate 3, the oxide insulating layer 4 and the SOI layer (active layer) 5 is divided into movable parts 6, fixed electrodes 123 and 124, and movable electrodes 127 by etching. Form. At this time, spaces 122 and 126 for forming the opposite electrodes 121 and 125 shown in FIGS. 16 and 17 are formed.
  • the spaces 122 and 126 are filled with the second oxide insulating layer (SiO 2 layer) 131 using a sputtering method or the like, and the surfaces of the second oxide insulating layer 131 and the SOI layer 5 are further subjected to CMP or the like.
  • the flattening process is performed.
  • the counter electrodes 121 and 125 are formed.
  • a large number of fine holes 132 are formed in the counter electrodes 121 and 125.
  • the micropores 132 are formed on almost the entire surface of the counter electrode 121, but in FIG. 21B, the micropores 132 are formed in the portion of the counter electrode 121 facing the movable electrode 127. doing.
  • micropores 134 FIG. 22B communicating with the second oxide insulating layer 131 exposed from the micropores 132 in FIG. 21B are formed, and then in FIG.
  • the micropores 135 communicating with the micropores 132 formed in the counter electrode 121 are formed in the movable portion 6, and in FIG. 22B, the micropores 134 formed in the counter electrode 125 and the second oxide insulating layer 131.
  • Micro holes 136 communicating with the movable electrode 127 are formed. Then, in the process shown in FIG. 23, the oxide insulating layer 4 and the second oxide insulating layer 131 located under the movable portion 6, above the fixed electrode 123, and above and below the movable electrode 127 through the fine holes 135 are isotropic by wet etching or dry etching. Removal in a reactive etching process.
  • the first fixed electrode 81 faces the lower side of the movable portion 6, and the second fixed electrode 83 faces the upper side of the movable portion 6.
  • the first fixed electrode 81 is provided on the upper surface of the lower support substrate 80.
  • a predetermined interval is provided between the first fixed electrode 81 and the movable portion 6.
  • the second fixed electrode 83 is provided on the lower surface of the upper support substrate 82.
  • a predetermined interval is provided between the second fixed electrode 83 and the movable portion 6.
  • the movable portion 6 moves in parallel up and down in the Z-axis direction, and when the movable portion 6 moves in parallel in the vertical direction, the capacitance between the movable portion 6 and the first fixed electrode 81, The capacitance between the moving part 6 and the second fixed electrode 83 changes respectively. Then, the moving distance and the moving direction of the movable portion 6 can be known from the differential output based on these electrostatic capacitance changes.
  • the structure shown in FIG. 24 is, for example, from the bottom, a lower support substrate 80 provided with the first fixed electrode 81, a silicon substrate on which the movable portion 6 and the like are formed, and an upper support substrate provided with the second fixed electrode 83. It can be formed by laminating in the order of 82. A space between the first fixed electrode 81 and the movable portion 6 and a space between the second fixed electrode 83 and the movable portion 6 uses a sacrificial layer (insulation oxide layer) like the SOI substrate, and the sacrificial layer is finally removed. It can be formed by In addition, the support structure of the movable part 6 is the same as FIG. That is, the movable portion 6 is supported by the anchor portion formed thicker than the movable portion 6 on the support substrate so as to be swingable in the height direction via the support portion.
  • the fixed electrodes 81 and 83 can be provided above and below the movable portion 6, and the movement range of the movable portion 6 in the vertical direction can be designed relatively freely, thus improving detection accuracy. It is possible.
  • the entire fixed electrodes 81 and 82 are fixed so as to face the outermost peripheral surface of the movable portion 6 (that is, so that part of the fixed electrodes 81 and 82 does not protrude from the movable portion 6). It is preferable to set the width dimension of the electrodes 81 and 82 to be equal to or less than the width dimension of the movable portion 6. As a result, the change in electrostatic capacitance between the first fixed electrode 81 and the movable portion 6 and the change in electrostatic capacitance between the second fixed electrode 83 and the movable portion 6 can be detected with high accuracy.
  • the above-described acceleration sensor of this embodiment is a single-axis type of Z-axis detection, but a sensor section of X-axis detection or Y-axis detection can also be provided to be a biaxial or tri-axial acceleration sensor. .
  • the present embodiment is applicable not only to an acceleration sensor but also to an angular velocity sensor and the like.
  • FIG. 1 (a) is a plan view of the acceleration sensor according to the present embodiment
  • FIG. 1 (b) is a side view of the beam section viewed from the direction of arrow A
  • FIG. 1 (c) is acceleration in the height direction.
  • Side view of the displaced beam part and the movable part An enlarged perspective view showing a spring part, a beam part, and a part of an arm
  • Fig. 1 (a) is a partial cross-sectional view of a cut surface taken in the height direction along the line B-B as viewed in the direction of the arrow
  • Partial plan view of the preferred embodiment Example of connection spring (perspective view), A perspective view of a connecting spring different from that of FIG.
  • FIG. 5 A side view of the first beam unit 30 and the second beam unit 31 for explaining an abnormal displacement mode (rotational mode); An enlarged view of FIG. 7, Partial side view of the preferred embodiment;
  • FIG. 11 is a plan view of an acceleration sensor according to the embodiment different from FIG. It is sectional drawing which cut
  • FIG. 14 is a side view of the acceleration sensor shown in FIG.
  • FIG. 15 Plan view of an acceleration sensor using a parallel plate type electrode structure
  • FIG. 15 is a partially enlarged cross-sectional view of the film thickness direction cut along the line JJ in FIG. 17 is a process chart (sectional view) showing a method of manufacturing the acceleration sensor shown in FIGS. 16 and 17
  • FIG. 18 is a process drawing (cross-sectional view) performed next to FIG. 19 is a process drawing (cross-sectional view) performed next to FIG.
  • FIG. 21 is a process drawing (sectional view) to be performed next to FIG.
  • Cross section showing another detection electrode structure
  • (A) is a partial perspective view of the acceleration sensor of the conventional structure
  • (b) is a partial side view when the acceleration sensor is viewed from the direction of arrow P shown in (a)

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Abstract

【課題】　特に、小型で且つセンサ感度に優れたＺ軸対応型の物理量センサを提供することを目的としている。 【解決手段】　支持基板と、支持基板の上面に固定されるアンカ部２１，２２と、支持基板の上方に位置しアンカ部２１，２２に支持部８～１１を介して高さ方向に揺動可能に支持された可動部６と、可動部の変位を検知するための検知部と、を有している。支持部には可動部６とアンカ部２１，２２との間でばね部２９，３４を介してばね部より高剛性のビーム部３０～３３が設けられている。ばね部の捩れ及び、ビーム部の前記可動部側を支持する先端部の高さ方向への変位により、可動部６が高さ方向に平行移動する。

Description

物理量センサ
　本発明は、ＭＥＭＳ（微小電気機械システム：Micro Electro Mechanical System）技術を用いて形成された加速度センサ等の物理量センサに関する。
　ＳＯＩ基板を用いて形成された加速度センサは、支持基板の上方に位置するＳＯＩ層（活性層）に、加速度を受けて変位する可動部、及び可動部の変位を測定するための検出部等が設けられる。
　高さ方向（Ｚ方向）に作用する加速度の検知を可能とするために、高さ方向へ加速度が作用したときに例えば可動部をシーソー動作させる構造等が知られている。シーソー型では、可動部の重心からずらした位置で可動部を支持している。模式図的に図２５（ａ）（ｂ）に示した。図２５（ａ）は斜視図、図２５（ｂ）は、矢印Ｐ方向から見たときの側面図、である。
　可動部２０１は支持位置２０２からＸ１方向に長く形成された第１可動部２０３と、支持位置２０２からＸ２方向に短く形成された第２可動部２０４とで構成される。加速度が高さ方向（Ｚ方向）に作用し、第１可動部２０３が下方向に傾斜すると第２可動部２０４が上方に向けて傾斜する。例えば、支持基板２０５上には第１可動部２０３と対向する側、第２可動部２０４と対向する側の夫々にＺ軸差動出力検出部２０６，２０７が設けられている。
特開２００６－２６６８７３号公報
　しかしながら図２５に示すＺ軸対応型の加速度センサの構造では以下の問題点があった。
　すなわち、加速度が高さ方向に作用して適切に可動部２０１が高さ方向に傾斜し、しかも可動部２０１の高さ方向への変位を大きくするには、第１可動部２０３と第２可動部２０４との面積差を大きくしなければならず、可動部２０１の小型化が難しかった。また、センサ感度を向上させるには、支持位置から傾斜方向に離れた第１可動部２０３及び第２可動部２０４の変位量が大きくなる位置にＺ軸差動出力検出部２０６，２０７を設けることが必要であった。
　以上により小型化で且つセンサ感度に優れたＺ軸対応型の加速度センサを得ることができなかった。
　そこで本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、小型で且つセンサ感度に優れたＺ軸対応型の物理量センサを提供することを目的としている。
　本発明における物理量センサは、支持基板と、前記支持基板の上面に固定されるアンカ部と、前記支持基板の上方に位置し前記アンカ部に支持部を介して高さ方向に揺動可能に支持された可動部と、前記可動部の変位を検知するための検知部と、を有しており、
　前記支持部には前記可動部と前記アンカ部との間でばね部を介して前記ばね部より高剛性のビーム部が設けられており、前記ばね部の捩れ及び、前記ビーム部の前記可動部側を支持する先端部の高さ方向への変位により、前記可動部が高さ方向に平行移動することを特徴とするものである。これにより、小型で且つセンサ感度に優れたＺ軸対応型の物理量センサとなる。
　本発明では、前記可動部は、前記可動部の中心から点対称の位置で前記支持部により支持されていることが好ましい。これにより可動部を安定して高さ方向に平行移動させることが出来る。
　また、前記可動部は、異なる２組以上の点対称位置にある前記支持部により支持されていることがより好ましい。
　また本発明では、前記アンカ部は、前記可動部の最外周面を囲んだ領域よりも内側に位置し、前記アンカ部から前記ばね部を介して連設された前記ビーム部が、前記可動部の最外周面の外側に配置されていることが、より効果的に小型で且つセンサ感度に優れた物理量センサを実現できる。
　また本発明では、前記アンカ部は、前記可動部の中心から点対称の位置に１組設けられ、各アンカ部に設けられた２つの前記支持部が、前記可動部の最外周面の外側で反対方向に向けて延出しており、前記可動部が前記支持部により、異なる２組の点対称位置で支持されていることが、より可動部を安定して高さ方向に平行移動させることが出来るとともに、可動部の変位量を大きくできて、より好適である。
　また、前記可動部の最外周面を囲んだ領域は略矩形状であり、前記ビーム部は前記最外周面に沿って配置されていることが、より効果的に小型化を実現できる。
　また本発明では、前記アンカ部から延出する前記支持部が複数設けられ、各支持部の各ビーム部間が、前記ビーム部の前記先端部とは逆側の後端部側にて高さ方向に高い曲げ剛性を備える連結ばねにより連結されていることが好ましい。これにより、各ビーム部を正常な振動モードにて変位させることが出来る。
　また本発明では、前記ビーム部の先端部側には、前記ばね部を介して前記可動部を支持する位置から延出した延長部が設けられており、前記可動部が下方向に移動したときに、前記延長部が前記可動部よりも先に前記支持基板の上面に当接可能とされていることが好ましい。これにより適切にスティッキングを防止できる。
　本発明によれば、小型で且つセンサ感度に優れたＺ軸対応型の物理量センサを提供できる。
　図１（ａ）は本実施形態における加速度センサの平面図、図１（ｂ）は、矢印Ａ方向から見たビーム部の側面図、図１（ｃ）は、高さ方向に加速度が作用して変位したビーム部及び可動部の側面図、図２は、ばね部、ビーム部、及び腕部の一部を示す拡大斜視図、図３は図１（ａ）に示すＢ－Ｂ線に沿って高さ方向に切断した切断面を矢印方向から見た部分断面図、である。
　加速度センサ１は、図３に示すようにＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板２を用いて形成される。ＳＯＩ基板２は、シリコン基板で形成された支持基板３と、シリコン基板で形成されたＳＯＩ層（活性層）５と、支持基板３とＳＯＩ層５の間に位置する例えばＳｉＯ2で形成された酸化絶縁層４の積層構造である。
　図１（ａ）に示すようにＳＯＩ層５には素子部１３が形成される。素子部１３には、可動部（錘）６と、可動部６の変位量を検出するための検出部６１，６２、及び支持部８～１１が形成される。可動部６は支持部８～１１を介してアンカ部２１，２３に支持されている。可動部６や検出部６１，６２の下には図３に示す酸化絶縁層４が形成されておらず支持基板３上に浮いているがアンカ部２１～２４は支持基板３上に酸化絶縁層４を介して固定支持されている。
　図１（ａ）に示す形態では、可動部６は、その最外周面を囲んだ領域Ｃ（図１（ａ）では点線で示す）が矩形状で形成される。可動部６の左右方向（Ｘ１方向、Ｘ２方向）の最外側面６ａ，６ｂの幅中心の位置から可動部６の中心Ｏ方向に向けて窪む凹部７が形成されている。
　そして凹部７の可動部６の中心Ｏ寄りの位置に第１アンカ部２１と第２アンカ部２３が設けられる。
　第１アンカ部２１からはＸ２方向に延びる２本の腕部２５，２６が設けられる。一方、第２アンカ部２３からはＸ１方向に延びる２本の腕部２７，２８が設けられる。図１（ａ）に示すように、第１アンカ部２１から延びる腕部２５，２６の間にはＹ１－Ｙ２方向に所定間隔のスリット４０が形成されている。また同様に、第２アンカ部２３から延びる腕部２７，２８の間にはＹ１－Ｙ２方向に所定間隔のスリット４１が形成されている。
　これら腕部２５～２８は、支持基板３に酸化絶縁層４を介して支持されていてもよいし、酸化絶縁層４が除去されて支持基板３上に浮いていてもよいが、腕部２５～２８は支持基板３上から浮いているほうが、例えば支持基板３が歪んだときにその歪みの影響を小さくでき好適である。
　図１（ａ）、図２に示すように、各腕部２５～２８のアンカ部２１，２３側と反対側の端部には腕部２５～２８の幅寸法Ｗ２よりも細い幅寸法Ｗ１を有するアンカ側ばね部２９が直線的に連設されている。腕部２５～２８はアンカ側ばね部２９よりも高剛性である。
　図２に示すようにアンカ側ばね部２９は、その高さ寸法（厚さ寸法）Ｈ１が、幅寸法Ｗ１に比べて長い形状である。この実施形態では、アンカ側ばね部２９の高さ寸法Ｈ１は腕部２５～２８の高さ寸法Ｈ２と同じである。また、長さ寸法Ｌ２は幅寸法Ｗ１よりも大きい。アンカ側ばね部２９の幅寸法Ｗ１は０．８～２．０μｍ、長さ寸法Ｌ２は、５０～１００μｍ、高さ寸法Ｈ１は１０～３０μｍ程度である。
　図１（ａ）に示すように第１アンカ部２１に設けられた腕部２５には、アンカ側ばね部２９を介して、可動部６の外周面６ｂの外側にて、Ｙ２方向に平行に延びる第１ビーム部３０が連設されている。また図１（ａ）に示すように、第１アンカ部２１に設けられた腕部２６には、アンカ側ばね部２９を介して、可動部６の外周面６ｂの外側にて、Ｙ１方向に平行に延びる第２ビーム部３１が連設されている。また図１（ａ）に示すように第２アンカ部２３に設けられた腕部２７には、アンカ側ばね部２９を介して、可動部６の外周面６ａの外側にて、Ｙ２方向に平行に延びる第３ビーム部３２が連設されている。さらに図１（ａ）に示すように、第２アンカ部２３に設けられた腕部２８には、アンカ側ばね部２９を介して、可動部６の外周面６ａの外側にて、Ｙ１方向に平行に延びる第４ビーム部３３が連設されている。図１（ａ）に示すように、各ビーム部３０～３３の後端部３０ｂ～３３ｂ側がアンカ側ばね部２９に接続される。
　図１（ａ）、図２に示すように各ビーム部３０～３３の幅寸法Ｗ３は、アンカ側ばね部２９の幅寸法Ｗ１よりも大きい。よって各ビーム部３０～３３は、アンカ側ばね部２９よりも高剛性である。
　各ビーム部３０～３３の高さ寸法（厚さ寸法）は、アンカ側ばね部２９の高さ寸法Ｈ１、腕部の高さ寸法Ｈ２と略同一であり、各ビーム部３０～３３は、支持基板３上で浮いている。この実施形態では、図１（ａ）に示すように、各ビーム部３０～３３の長さ寸法Ｌ１は、各ビーム部３０～３３の先端部３０ａ～３３ａが、可動部６の各角とＸ１－Ｘ２方向にてほぼ対向する長さで形成されている。そして、各ビーム部３０～３３の先端部３０ａ～３３ａと可動部６の四つ角近傍間が直線的に延びる可動部側ばね部３４を介して連結されている。可動部側ばね部３４の幅寸法や高さ寸法（厚さ寸法）は、アンカ側ばね部２９の幅寸法Ｗ１及び高さ寸法Ｈ１とほぼ同じである。ビーム部３０～３３の幅寸法Ｗ３は１０～３０μｍ、長さ寸法Ｌ１は、３００～６００μｍ、高さ寸法は１０～３０μｍ程度である。
　このように可動部６と第１アンカ部２１及び第２アンカ部２３の間は、腕部２５～２８、アンカ側ばね部２９、ビーム部３０～３３及び可動部側ばね部３４よりなる支持部８～１１により連結されている。
　アンカ側ばね部２９及び可動部側ばね部３４は、いずれも高さ方向（厚み方向）に撓み難い。よって、図１（ｂ）のように、高さ方向（Ｚ方向）に加速度が作用していない初期状態では、各ビーム部３０～３３はＹ１－Ｙ２方向に平行であり高さ方向に変位していない。
　図１（ｂ）に示す初期状態から例えば加速度に伴う力（慣性力）が可動部６に対して下方向に作用すると、可動部側ばね部３４及びアンカ側ばね部２９は捩れ、図１（ｃ）に示すように、各ビーム部３０～３３の後端部３０ｂ～３３ｂ側を回転中心として、各ビーム部３０～３３の先端部３０ａ～３３ｂが同じ変位量にて下方向に向けて回動変位する。すなわちビーム部３０～３３の先端部３０ａ～３３ａのほうが、後端部３０ｂ～３３ｂよりも下方向に変位する。ビーム部３０～３３の剛性は高いため、ビーム部３０～３３自体が例えば曲がったり捩れたりはほとんどせず、ビーム部３０～３３は直方体形状を保ちながら、ばね部２９，３４の捩れにより高さ方向に変位する。このようにばね部２９，３４の捩れ、及び、各ビーム部３０～３３の先端部３０ａ～３３ａの高さ方向への変位により、可動部６が、支持基板３の上面３ａ（図３参照）と平行な状態を維持しつつ下方向に向けて移動する（高さ方向に平行移動する）。
　図１（ａ）に示すように、可動部６のＹ１－Ｙ２方向に向く最外周面６ｃ，６ｄの幅中心の位置から可動部６の中心Ｏに向けて所定間隔のスリット４３，４４が設けられている。スリット４３，４４よりも内側の可動部には検出部６１，６２を構成する固定電極５７，５８を設置するに必要な大きさの空間１９が設けられている。
　図１（ａ）に示すように、空間１９には、可動部６の中心Ｏ方向に凹む凹部１９ａが形成され、この凹部１９ａ内に、第３アンカ部２２及び第４アンカ部２４が設置される。第３アンカ部２２からは２本の腕部５０，５１（兼固定電極）がＹ２方向に延びている。また、第４アンカ部２４からは２本の腕部５２，５３（兼固定電極）がＹ１方向に延びている。腕部５０，５１間、及び腕部５２，５３間には夫々、Ｘ１－Ｘ２方向に所定間隔のスリット５４，５５が形成されている。腕部５０、５１間及び腕部５２，５３間に形成された各スリット５４，５５は、可動部６に形成されたスリット４３，４４と空間的に連続して可動部６の外側に開放されている。
　図１（ａ）に示すように、第３アンカ部２２から延びる２本の腕部５０，５１から、可動部６に形成された空間１９内にて、夫々Ｘ１方向、及びＸ２方向に延び、Ｘ１－Ｘ２方向に所定の間隔を空けて並設された櫛歯状の第１固定電極５７が形成されている。また図１（ａ）に示すように、第４アンカ部２４から延びる２本の腕部５２，５３から、可動部６に形成された空間１９内にて、夫々Ｘ１方向及びＸ２方向に延び、Ｘ１－Ｘ２方向に所定の間隔を空けて並設された櫛歯状の第２固定電極５８が形成されている。
　図１（ａ）に示すように、空間１９内には、第１固定電極５７と交互に且つ間隔を空けて並設された第１可動電極５９が、可動部６と一体的に形成されている。また図１（ａ）に示すように空間１９内には、第２固定電極５８と交互に且つ間隔を空けて並設された第２可動電極６０が、可動部６と一体的に形成されている。
　図１（ａ）に示す第１固定電極５７と第１可動電極５９とで第１検出部６１が構成され、図１（ａ）に示す第２固定電極５８と第２可動電極６０とで第２検出部６２が構成される。
　第１検出部６１と第２検出部６２の具体的構成及び検出原理を以下で説明する。
　図１２では、可動電極５９、６０及び固定電極５７、５８を厚み方向から切断した断面形状で示しているが、可動電極と固定電極を区別しやすいように可動電極５９，６０のみを斜線で示している。
　図１２に示すように、第１可動電極５９、第１固定電極５７、第２可動電極６０及び第２固定電極５８は全て同じ高さ寸法（厚さ寸法）で形成される。図１２（ａ）（ｂ）に示すように、初期状態では、第１可動電極５９の上面と第２固定電極５８の上面が同位置にあり、第２可動電極６０の上面と第１固定電極５７の上面とが同位置で且つ第１可動電極５９及び第２固定電極５８に対して低い位置にずれて配置されている。
　図１２（ａ）に示すように、可動電極５９、６０が下方向に移動すると、第１検出部６１では、第１可動電極５９と第１固定電極５７との対向面積は増大するため、静電容量は増大する。一方、第２検出部６２では、第２可動電極６０と第２固定電極５８との対向面積は減少するため、静電容量は減少する。
　次に、図１２（ｂ）に示すように、可動電極５９、６０が上方向に移動すると、第１検出部６１では、第１可動電極５９と第１固定電極５７との対向面積は減少するため、静電容量は減少する。一方、第２検出部６２では、第２可動電極６０と第２固定電極５８との対向面積が増大するため、静電容量は増大する。
　固定電極５７、５８の電位、及び可動電極５９、６０の電位は、第１アンカ部２１、第３アンカ部２２及び第４アンカ部２４との接続位置から引き出された配線層７０，７１，７２（図１（ａ）参照）を介して夫々取り出され、第１検出部６１及び第２検出部６２の静電容量の差動出力を得ることが出来る。この差動出力に基づき、可動部６の移動距離及び移動方向を知ることができる。
　なお、図１２に示す櫛歯状電極構造は一例であり、他の形態であってもよい。
　図１（ａ）に示すように、配線層７０は、第１アンカ部２１から延びる２本の腕部２５，２６間のスリット４０を通って素子部１３の外側に引き出されている。この実施形態では、図３に示すように配線層７０は、第１アンカ部２１との接続位置から酸化絶縁層４上に形成されている。
　また図１（ａ）に示すように、配線層７１は、第３アンカ部２２から延びる２本の腕部５０，５１間のスリット５４及び可動部６に形成されたスリット４４を通って素子部１３の外側に引き出されている。この配線層７１も配線層７０と同様にアンカ部との接続位置から例えば酸化絶縁層４上に引き出し形成される。
　また図１（ａ）に示すように、配線層７２は、第４アンカ部２４から延びる２本の腕部５２，５３間のスリット５５及び可動部６に形成されたスリット４３を通って素子部１３の外側に引き出されている。この配線層７２も配線層７０と同様にアンカ部との接続位置から例えば酸化絶縁層４上に引き出し形成される。
　本実施形態の特徴的構成について説明する。
　図１（ａ）に示すように可動部６は、第１アンカ部２１及び第２アンカ部２３に、腕部２５～２８、アンカ側ばね部２９、ビーム部３０～３３及び可動部側ばね部３４よりなる支持部８～１１を介して接続されている。
　ビーム部３０～３３は、図２にも示すように、ばね部２９，３４に比べて幅寸法Ｗ３が広く形成され、ばね部２９，３４より高剛性で形成されている。
　図１（ｂ）の初期状態から高さ方向に加速度を受けて例えば図１（ｃ）のように可動部６が下方向に移動するとき、アンカ側ばね部２９、及び可動部側ばね部３４がいずれも捩れ、これにより各ビーム部３０～３３の先端部３０ａ～３３ａが下方向に回動変位し、可動部６が下方向に平行移動する。
　本実施形態のように、捩ればねと高剛性のビーム部３０～３３を用いビーム部３０～３３の可動部６と接続される側の先端部３０ａ～３３ａを高さ方向に変位させて可動部６を高さ方向（Ｚ方向）に平行移動させることで可動部６の高さ方向への変位量を大きくできる。また可動部６を小型化しても可動部６の変位量を大きくできるため加速度センサ１全体の小型化に貢献できる。
　図１（ａ）に示す実施形態では可動部６が四つ角近傍で支持部８～１１を介して支持された構成である。可動部６を支持する支持部８～１１の数及び支持の箇所を限定するものでないが、可動部６は、少なくとも可動部６の中心Ｏから点対称の位置で支持部８～１１により支持される構成とすると、可動部６を安定して高さ方向に平行移動させることが出来る。また点対称関係にある支持部８～１１の組を２組、すなわち図１（ａ）のように計４つの支持部８～１１で可動部６を支持する構成がより可動部６の上下移動を安定したものにでき好適である。
　また図１（ａ）に示す実施形態では、第１アンカ部２１及び第２アンカ部２３は、可動部６の最外周面を囲んだ領域Ｃよりも内側に位置している。このように支持基板３に酸化絶縁層４を介して固定支持されるアンカ部２１，２３を、可動部６の最外周面を囲んだ領域Ｃよりも内側に位置させることで、例えば応力の影響を受けて支持基板３が変形しても、各アンカ部２１～２４から各素子部分に伝播される歪みの影響を小さくできる。特に、この結果、歪みによる可動電極と固定電極との相対位置の変化を小さくできる。また、アンカ部２１，２３を可動部６の領域Ｃよりも内側に位置させ、アンカ部２１，２３からばね部２９を介して連設された各ビーム部３０～３３を、可動部６の最外周面の外側に配置させることで、可動部６を四つ角近傍で支持部８～１１を介して支持しやすくなる。以上により、より効果的に、小型化且つセンサ感度に優れた加速度センサ１に出来る。
　また可動部６の最外周面を囲んだ領域Ｃは図１（ａ）に示す略矩形状に限定されない。円形状等が考えられる。ただし図１（ａ）に示すように、可動部６の最外周面を囲んだ領域Ｃが略矩形状で、ビーム部３０～３３が可動部６の最外周面に沿って配置されている構成とすることで、可動部６を大きくしても加速度センサ１全体としては小型化を実現でき、また可動部６に対してバランスよく支持部８～１１の配置が可能になり、安定して可動部６を高さ方向に平行移動させることが出来る。
　図１（ａ）に示すように、第１アンカ部２１及び第２アンカ部２３から夫々２本ずつ支持部が設けられ、第１アンカ部２１にアンカ側ばね部２９を介して接続された第１ビーム部３０は、可動部６の外側でＹ１方向に延び、一方、第２ビーム部３１は可動部６の外側でＹ２方向に延び、各ビーム部３０，３１の後端部３０ｂ，３１ｂが所定の間隔を空けて対向した状態となっている（図１（ｂ）も参照）。第２アンカ部２３に設けられた支持部１０，１１についても同様の構成である。
　ところで、図１（ｃ）のように各ビーム部３０～３３の先端部３０ａ～３３ａ側が、同じ高さ方向（Ｚ方向）に変位する正常な変位モードにおける固有振動数と、図７に示すように、第１ビーム部３０と第２ビーム部３１の後端部３０ｂ，３１ｂ付近を中心軸として回転する異常な変位モード（回転モード）における固有振動数とが近接していることがわかった。正常な変位モードにおける固有振動数は例えば２．８ｋＨｚであり、異常な変位モードにおける固有振動数は例えば３．０ｋＨｚであった。
　そして図７に示す異常な変位モードでは、図８に示すように第１ビーム部３０の後端部３０ｂと第２ビーム部３１の後端部３１ｂとが高さ方向（Ｚ方向）における逆方向に変位していることがわかった。
　そこで図４（ａ）に示すように、第１ビーム部３０の後端部３０ｂと第２ビーム部３１の後端部３１ｂ間を高さ方向（Ｚ方向）に高い曲げ剛性を備える連結ばね８８により連結させると、異常な変位モードの固有振動数を高くでき（具体的には１０ｋＨｚ～２０ｋＨｚ程度）、正常な変位モードの固有振動数から離すことができるとわかった。これにより、図７に示す異常な変位モードを抑制でき、図１（ｃ）に示す正常な変位モードを適切に発現させることができ、可動部６を高さ方向（Ｚ方向）に、より適切に平行移動させることが可能になる。図４（ａ）での連結ばね８８はその外観が直方体であり、図５に示すように中央に上下に貫通する空間８９を備え、幅寸法Ｗ５に比べて高さ寸法Ｈ３が大きくなっている。幅寸法Ｗ５は、アンカ側ばね部２９や可動部側ばね部３４の幅寸法とほぼ同じで高さ寸法Ｈ３は、アンカ側ばね部２９、可動部側ばね部３４やビーム部等の高さ寸法とほぼ同じである。
　図４（ａ）に示すように第１ビーム部３０と連結ばね８８との間、及び第２ビーム部３１と連結ばね８８との間には連結ばね８８よりも高剛性の連結体９０が設けられている。連結体９０の高さ寸法は、連結ばね８８やビーム部の高さ寸法とほぼ同じである。
　また、図４（ｂ）では、図６に示す連結ばね９１を用いて第１ビーム部３０と第２ビーム部３１の後端部３０ｂ，３１ｂ間が連結支持されている。図６に示す連結ばね９１は、幅寸法がＷ５で高さ寸法がＨ３で長さ寸法がＬ３で形成された２つの壁部９２，９３と、各壁部９２，９３の一方の端部側を接続する接続部（幅寸法Ｗ５、高さ寸法Ｈ３）８７にて形成された構成である。そして図４（ｂ）に示すように接続部８７とは逆側の壁部９２，９３の端部側で図４（ａ）と同様の連結ばね９１よりも高剛性の連結体９０を介して各ビーム部の後端部３０ｂ，３１ｂに連結されている。
　第２アンカ部２３に接続された第３ビーム部３２及び第４ビーム部３３の後端部３２ｂ，３３ｂも図４と同様に高さ方向（Ｚ方向）に高い曲げ剛性を備える連結ばね８８，９１により連結されている。
　また図１（ａ）、図４に示す形態では、アンカ部からアンカ側ばね部２９を介して連設された２つのアーム部３０，３１（３２，３３）が反対方向（Ｙ１方向とＹ２方向）に延びているが、それ以外の形態のものにも本実施形態を適用できる。またビーム部３０～３３の後端部３０ｂ～３３ｂ間に連結ばね８８，９１を介在させる形態でなく、ビーム部３０～３３の後端部３０ｂ～３３ｂ側の側面間に連結ばねを介在させる形態であってもよい。
　次に、図９，図１０に示すように、各ビーム部３０～３３の先端部３０ａ～３３ａ側には、可動部側ばね部３４を介して可動部６を支持する支持位置Ｄ～Ｇから延出した延長部９４～９７が設けられていることが好ましい。これにより、高さ方向に加速度が作用して可動部６が下方向に平行移動した際、図９のように、延長部９４～９７が可動部６よりも先に支持基板３上に接触するため、可動部６が支持基板３表面にくっつくスティッキング現象を適切に防止できる。
　図１１に示す構造のように、第１ビーム部３０の延長部９４と、第３ビーム部３２の延長部９７との間、及び第２ビーム部３１の延長部９５と、第４ビーム部３３の延長部９６との間を、夫々、連結ビーム９８，９９で繋いでもよい。ただし図１１のような構造とすることで、図１（ａ）に示す第３アンカ部２２及び第４アンカ部２４との接続位置から外方に引き出す配線層７１，７２を素子表面に形成できないため（配線層７１，７２の形成領域上を連結ビーム９８，９９が跨いでしまうため）、多層配線や貫通配線を利用することが必要である。
　図１３は、他の実施形態における加速度センサ１００の平面図、図１４は、図１３に示す加速度センサ１００を矢印Ｈ方向から見た側面図、である。
　図１３に示す構造では、第１アンカ部２１から延びる２本の腕部１０１，１０２が可動部６の外周に沿うように略Ｌ字型で形成されている。各腕部１０１，１０２にはアンカ側ばね部２９を介して外側ビーム部１０３，１０４が連設され、さらに外側ビーム部１０３，１０４に中間ばね部１０５を介して、外側ビーム部１０３，１０４よりも内側に位置する内側ビーム部１０６，１０７が連設される。さらに内側ビーム部１０６，１０７に可動部側ばね部３４を介して可動部６を支持している。第２アンカ部２３から延びる支持部も、略Ｌ字状の腕部１１０，１１１、アンカ側ばね部２９、外側ビーム部１１２，１１３、中間ばね部１１４、内側ビーム部１１５，１１６、可動部側ばね部３４にて構成される。
　高さ方向（Ｚ方向）に加速度が作用して例えば、可動部６が下方向に変位するとき、アンカ側ばね部２９、中間ばね部１０５、及び可動部側ばね部３４が捩れて、図１４のように、各外側ビーム部１０３，１０４，１１２，１１３及び内側ビーム部１０６，１０７，１１５，１１６が高さ方向（Ｚ方向）に変位し、可動部６が下方向に平行移動する。図１３，図１４に示す構造により、効果的に可動部６の高さ方向への変位量を大きくでき小型で且つ優れた検出精度を得ることが出来る。
　図１（ａ）に示す実施形態では検出部の構造が櫛歯電極構造であったが、図１５、図１６及び図１７に示す平行平板型電極構造であってもよい。
　図１５，図１６（図１５のＩ－Ｉ線に沿って膜厚方向に切断し矢印方向から見た部分拡大断面図）に示すように第１検出部１２０には、可動部６の上面側に対向電極１２１が形成され、可動部６に形成された空間１２２内に位置する固定電極１２３と対向電極１２１とが高さ方向（Ｚ方向）にて対向している。また、図１５、図１７（図１５のＪ－Ｊ線に沿って膜厚方向に切断し矢印方向から見た部分拡大断面図）に示すように、第２検出部１３０には、支持基板３上に酸化絶縁層４を介して固定支持された固定部１２４の上面側に対向電極１２５が形成され、固定部１２４に形成された空間１２６内に位置する可動部６と一体に形成された可動電極１２７と対向電極１２５とが高さ方向（Ｚ方向）にて対向している。例えば、可動部６（及び可動電極１２７）が下方向に平行移動すると、図１６に示す第１検出部１２０では、対向電極１２１と固定電極１２３との間の距離が縮まり、一方、図１７に示す第２検出部１３０では、可動電極１２７と対向電極１２５との距離が大きくなる。よって第１検出部１２０の静電容量変化及び第２検出部１３０の静電容量変化に基づく差動出力から可動部６の移動距離及び移動方向を知ることができる。本実施形態では、可動部６の高さ方向（Ｚ方向）への変位量を効果的に大きくできるので図１５～図１７に示す平行平板型電極を用いた検出機構を用いることで、検出精度をより適切に向上させることが可能である。
　図１６，図１７に示す平行平板型電極の製造方法を図１８ないし図２３を用いて説明する。各図の（ａ）は、第１検出部１２０の形成で、各図の（ｂ）は第２検出部１３０の形成を示している。
　図１８に示す工程では、支持基板３、酸化絶縁層４及びＳＯＩ層（活性層）５からなるＳＯＩ基板２のＳＯＩ層５をエッチングにより可動部６、固定電極１２３、１２４、可動電極１２７に区画形成する。このとき図１６，図１７に示した対向電極１２１，１２５を形成するための空間１２２，１２６を形成する。
　次に図１９に示す工程では、スパッタ法等を用いて第２酸化絶縁層（ＳｉＯ2層）１３１により空間１２２，１２６内を埋め、さらに第２酸化絶縁層１３１及びＳＯＩ層５の表面をＣＭＰ等により平坦化処理する。
　次に図２０に示す工程では対向電極１２１、１２５を形成する。次に図２１に示す工程では、対向電極１２１，１２５に多数の微細孔１３２を形成する。図２１（ａ）のほうは対向電極１２１のほぼ全面に微細孔１３２を形成するが、図２１（ｂ）では、可動電極１２７と対向する位置にある対向電極１２１の部分に微細孔１３２を形成している。次に、図２１（ｂ）での微細孔１３２から露出する第２酸化絶縁層１３１に対しても連通する微細孔１３４（図２２（ｂ））を形成し、次に図２２（ａ）では、可動部６に対向電極１２１に形成された微細孔１３２と連通する微細孔１３５を形成し、また図２２（ｂ）では、対向電極１２５及び第２酸化絶縁層１３１に形成された微細孔１３４と連通する微細孔１３６を可動電極１２７に形成する。そして図２３に示す工程では、微細孔１３５を通して可動部６下、固定電極１２３上や可動電極１２７の上下に位置する酸化絶縁層４及び第２酸化絶縁層１３１をウエットエッチングやドライエッチングによる等方性エッチング工程にて除去する。
　図２４に示す他の実施形態では、可動部６の下側に、第１固定電極８１が対向し、可動部６の上側に第２固定電極８３が対向している。第１固定電極８１は、下側支持基板８０の上面に設けられる。図２４に示すように、第１固定電極８１と可動部６との間には所定の間隔が空いている。また第２固定電極８３は上側支持基板８２の下面に設けられる。図２４に示すように、第２固定電極８３と可動部６との間には所定の間隔が空いている。
　本実施形態では可動部６はＺ軸方向の上下に平行移動するものであり、可動部６が上下方向に平行移動することで、可動部６と第１固定電極８１間の静電容量、及び稼動部６と第２固定電極８３間の静電容量が夫々、変化する。そして、これらの静電容量変化に基づく差動出力から、可動部６の移動距離及び移動方向を知ることができる。
　図２４に示す構造は、例えば、下から、第１固定電極８１を備えた下側支持基板８０、可動部６等が形成されたシリコン基板、及び、第２固定電極８３を備えた上側支持基板８２の順に積層して形成できる。第１固定電極８１と可動部６及び、第２固定電極８３と可動部６間の空間は、ＳＯＩ基板のように、犠牲層（絶縁酸化層）を用い、最終的に、犠牲層を除去することで形成できる。なお、可動部６の支持構造は図１等と同じである。すなわち可動部６は、支持基板上に可動部６より厚く形成されたアンカ部に支持部を介して、高さ方向に揺動可能に支持される。
　図２４に示す構造では、可動部６の上下に固定電極８１，８３を設けることができ、また、可動部６の上下方向への移動範囲も比較的自由に設計できるため、検出精度を向上させることが可能である。
　また図２４に示すように、固定電極８１，８２全体が、可動部６の最外周面と対向するように（すなわち固定電極８１，８２の一部が可動部６からはみ出さないように）固定電極８１，８２の幅寸法を、可動部６の幅寸法以下に設定することが好適である。これにより、第１固定電極８１と可動部６間の静電容量変化、及び第２固定電極８３と可動部６間の静電容量変化を高精度に検出することができる。
　上記した本実施形態の加速度センサはＺ軸検知の１軸型であったが、Ｘ軸検知あるいはＹ軸検知のセンサ部も設けて、２軸型あるいは３軸型の加速度センサとすることも出来る。
　本実施形態は加速度センサのみならず角速度センサ等にも適用可能である。
図１（ａ）は本実施形態における加速度センサの平面図、図１（ｂ）は、矢印Ａ方向から見たビーム部の側面図、図１（ｃ）は、高さ方向に加速度が作用して変位したビーム部及び可動部の側面図、 ばね部、ビーム部、及び腕部の一部を示す拡大斜視図、 図１（ａ）に示すＢ－Ｂ線に沿って高さ方向に切断した切断面を矢印方向から見た部分断面図、 好ましい本実施形態の部分平面図、 連結バネの一例（斜視図）、 図５とは異なる形態の連結バネの斜視図、 異常な変位モード（回転モード）を説明するための第１ビーム部３０と第２ビーム部３１との側面図、 図７の拡大図、 好ましい本実施形態の部分側面図、 スティッキング防止構成を施した本実施形態の加速度センサの平面図、 図１０とは異なる構成の本実施形態の加速度センサの平面図、 櫛歯状構造の可動電極と固定電極を高さ方向から切断した断面図であり、（ａ）は初期状態と、初期状態から可動部が下方向に移動したときの図、（ｂ）は初期状態と、初期状態から可動部が上方向に移動したときの図、 他の実施形態における加速度センサの平面図、 図１３に示す加速度センサを矢印Ｈ方向から見た側面図、 平行平板型電極構造を用いた加速度センサの平面図、 図１５のＩ－Ｉ線に沿って膜厚方向に切断し矢印方向から見た部分拡大断面図、 図１５のＪ－Ｊ線に沿って膜厚方向に切断し矢印方向から見た部分拡大断面図、 図１６及び図１７に示す加速度センサの製造方法を示す一工程図（断面図）、 図１８の次に行われる一工程図（断面図）、 図１９の次に行われる一工程図（断面図）、 図２０の次に行われる一工程図（断面図）、 図２１の次に行われる一工程図（断面図）、 図２２の次に行われる一工程図（断面図）、 別の検出電極構造を示す断面図、 （ａ）は、従来構造の加速度センサの部分斜視図、（ｂ）は、（ａ）に示す矢印Ｐ方向から加速度センサを見たときの部分側面図、
符号の説明
１、１００　加速度センサ
２　ＳＯＩ基板
３　支持基板
４　酸化絶縁層
５　ＳＯＩ層（活性層）
６　可動部
８～１１　支持部
１３　素子部
２１～２４　アンカ部
２９　アンカ側ばね部
３０～３３、１０３、１０４、１０６、１０７、１１２、１１３、１１５、１１６　ビーム部
３４　可動部側ばね部
４０、４３、４４、５４、５５　スリット
５７、５８、８１、８３、１２３　固定電極
５９、６０、１２７　可動電極
６１、１２０　第１検出部
６２、１３０　第２検出部
７０～７２　配線層
８０　下側支持基板
８２　上側支持基板
８８、９１　連結ばね
９４　延長部
１２１、１２５　対向電極

Claims (8)

  1. 　支持基板と、前記支持基板の上面に固定されるアンカ部と、前記支持基板の上方に位置し前記アンカ部に支持部を介して高さ方向に揺動可能に支持された可動部と、前記可動部の変位を検知するための検知部と、を有しており、
    　前記支持部には前記可動部と前記アンカ部との間でばね部を介して前記ばね部より高剛性のビーム部が設けられており、前記ばね部の捩れ及び、前記ビーム部の前記可動部側を支持する先端部の高さ方向への変位により、前記可動部が高さ方向に平行移動することを特徴とする物理量センサ。
  2. 　前記可動部は、前記可動部の中心から点対称の位置で前記支持部により支持されている請求項１記載の物理量センサ。
  3. 　前記可動部は、異なる２組以上の点対称位置にある前記支持部により支持されている請求項２記載の物理量センサ。
  4. 　前記アンカ部は、前記可動部の最外周面を囲んだ領域よりも内側に位置し、前記アンカ部から前記ばね部を介して連設された前記ビーム部が、前記可動部の最外周面の外側に配置されている請求項１ないし３のいずれかに記載の物理量センサ。
  5. 　前記アンカ部は、前記可動部の中心から点対称の位置に１組設けられ、各アンカ部に設けられた２つの前記支持部が、前記可動部の最外周面の外側で反対方向に向けて延出しており、前記可動部が前記支持部により、異なる２組の点対称位置で支持されている請求項４記載の物理量センサ。
  6. 　前記可動部の最外周面を囲んだ領域は略矩形状であり、前記ビーム部は前記最外周面に沿って配置されている請求項４又は５に記載の物理量センサ。
  7. 　前記アンカ部から延出する前記支持部が複数設けられ、各支持部の各ビーム部間が、前記ビーム部の前記先端部とは逆側の後端部側にて高さ方向に高い曲げ剛性を備える連結ばねにより連結されている請求項１ないし６のいずれかに記載の物理量センサ。
  8. 　前記ビーム部の先端部側には、前記ばね部を介して前記可動部を支持する位置から延出した延長部が設けられており、前記可動部が下方向に移動したときに、前記延長部が前記可動部よりも先に前記支持基板の上面に当接可能とされている請求項１ないし７のいずれかに記載の物理量センサ。
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