WO2015151946A1 - 加速度センサ - Google Patents

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WO2015151946A1
WO2015151946A1 PCT/JP2015/059015 JP2015059015W WO2015151946A1 WO 2015151946 A1 WO2015151946 A1 WO 2015151946A1 JP 2015059015 W JP2015059015 W JP 2015059015W WO 2015151946 A1 WO2015151946 A1 WO 2015151946A1
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WO
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cap layer
weight
acceleration sensor
acceleration
electrodes
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Application number
PCT/JP2015/059015
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English (en)
French (fr)
Inventor
雅秀 林
希元 鄭
Original Assignee
日立オートモティブシステムズ株式会社
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Publication date
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Priority to JP2016511572A priority patent/JP6209270B2/ja
Priority to EP15772477.4A priority patent/EP3128333B1/en
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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
    • G01P15/125—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 by capacitive pick-up
    • 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
    • G01P2015/0825—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
    • G01P2015/0834—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 constituting a pendulum having the pivot axis disposed symmetrically between the longitudinal ends, the center of mass being shifted away from the plane of the pendulum which includes the pivot axis

Definitions

  • the present invention relates to an acceleration sensor.
  • a weight is formed on a device layer disposed in a plane formed by a first direction and a second direction perpendicular to the first direction, and a first direction perpendicular to the first direction and the second direction is formed.
  • a support substrate and a cap layer are formed so as to sandwich the weight in three directions (up and down directions).
  • the weight is plate-shaped and is suspended on the support substrate via a torsion beam at a position away from the center of gravity of the weight.
  • the displacement of the weight in the third direction is detected by using two detection electrodes formed on the support substrate side.
  • the detection electrodes are symmetrically arranged at an equal distance when viewed from the rotation center of the weight. Accordingly, the weight rotates in accordance with the acceleration applied in the third direction (z direction) perpendicular to the plane of the support substrate, and the capacitance of the detection electrode arranged at a position where the weight approaches the support substrate side increases. To do.
  • the capacitance of the detection electrodes arranged symmetrically about the rotation axis of the weight, that is, in the opposite direction, that is, at a position where the weight is separated from the support substrate is reduced.
  • the acceleration sensor described in Patent Document 2 below is configured such that the weight rotates around the first direction or the second direction, and the detection electrode is disposed on the cap layer side, as in the acceleration sensor described in Patent Document 1.
  • a weight imbalance is formed by removing a part of the weight, thereby realizing the rotation of the weight and the displacement in the third direction. Therefore, the acceleration sensor described in Patent Document 2 can make the rotation center of the weight coincide with the center of the cavity formed so as to surround the weight by the support substrate and the cap layer. That is, the two detection electrodes are arranged symmetrically with respect to the shape center of the weight and the center of the cavity.
  • the two detection electrodes are uniformly placed on the weight. Displace. Therefore, since the change in the capacitance of the detection electrode due to strain is canceled by the differential detection, it can be separated from the signal due to the application of acceleration. As a result, it is possible to provide an acceleration sensor with little zero point drift due to mounting or environmental temperature change.
  • a cavity is configured by arranging a support substrate and a cap layer so that a weight is sandwiched between upper and lower sides.
  • a plurality of posts connecting the support substrate, the device layer, and the cap layer are provided for the purpose of preventing the cavity from being deformed by an external factor such as a change in environmental temperature.
  • a conductor penetrating the support substrate or the cap layer is formed as means for applying an electric signal to the weight.
  • a typical technique to reduce the cost of an acceleration sensor is to protect the weight from external physical force by forming a cavity so that the weight is surrounded by a support substrate and a cap layer.
  • a conductive electrode material (through electrode) penetrating the support substrate or the cap layer is used as a device. It is necessary to form through until reaching the layer and to connect the weight and the signal processing IC mechanically and electrically.
  • the present invention has been made in view of the problems as described above, and has little initial and temporal zero-point drift even when used in a poor installation environment while keeping the manufacturing cost low.
  • An object is to provide a highly reliable acceleration sensor.
  • the weight that rotates when acceleration is applied in the z direction is disposed in the cavity surrounded by the support substrate and the cap layer.
  • the cap layer is formed so that masses per unit area are different from each other on both sides of the rotation axis of the weight.
  • the acceleration sensor according to the present invention it is possible to suppress the zero point drift caused by environmental changes and changes with time.
  • FIG. 1 It is a schematic diagram which shows the whole structure of acceleration sensor S1 which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is a top view which shows the weight 2 with which acceleration detection element S1E is provided, and its periphery structure.
  • FIG. 3 is a sectional view taken along the line A-A ′ of FIG. 2. It is a figure explaining the principle of operation of acceleration sensor S1.
  • FIG. 1 It is a top view which shows the weight 2 with which acceleration detection element S1E is provided, and its periphery structure.
  • FIG. 3 is a sectional view taken along the line A-A ′
  • FIG. 8 is a cross-sectional view taken along line A-A ′ of FIG. 7. It is a figure explaining the structure of the acceleration sensor which concerns on Embodiment 3.
  • FIG. It is a figure which shows the structural example which replaced with the level
  • the constituent elements are not necessarily indispensable unless otherwise specified or apparently indispensable in principle.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an overall configuration of an acceleration sensor S1 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the acceleration sensor S1 includes an acceleration detection element S1E, a signal processing IC (Integrated Circuit) 50, a lead frame 150, and a conductive wire 152.
  • the conductive wire 152 electrically connects the acceleration detection element S1E, the signal processing IC 50, and the lead frame 150.
  • the signal processing IC 50 and the acceleration detection element S1E are fixed on the lead frame 150 and the signal processing IC 50 through an adhesive 151, respectively.
  • Acceleration sensor S1 is completed by press-molding thermosetting resin 153 and covering each part.
  • the acceleration sensor S1 is incorporated in a higher system, and provides the detected physical quantity information to the higher system.
  • FIG. 2 is a plan view showing the weight 2 provided in the acceleration detecting element S1E and its peripheral configuration.
  • a plan view of the device layer 1c in a state where the cap layer 100 described later with reference to FIG. 3 is peeled off is shown.
  • the acceleration detecting element S1E includes a weight 2 formed by processing by a method described later.
  • the weight 2 is suspended by the fixed part 6 via the torsion beam 5, and is thereby configured to rotate around the y direction (second direction).
  • the fixing portion 6 is fixed to the support substrate 1a via an intermediate insulating layer 1b described later. Accordingly, the weight 2 rotates around the second direction in proportion to the acceleration applied in the third direction (z direction), that is, is displaced in the third direction.
  • the pad E1 will be described later.
  • the acceleration detection element S1E includes, for example, an SOI (Silicon On Insulator) substrate 1 in order to form mechanical components such as the weight 2 and the fixed portion 6.
  • the SOI substrate 1 has a configuration in which an intermediate insulating layer 1b is formed on a support substrate 1a, and a device layer 1c is formed on the intermediate insulating layer 1b.
  • the support substrate 1a is made of, for example, silicon (Si).
  • the intermediate insulating layer 1b is made of, for example, silicon oxide (SiO 2 ).
  • the device layer 1c is made of, for example, conductive silicon.
  • the total thickness of the support substrate 1a and the intermediate insulating layer 1b is, for example, several hundred ⁇ m.
  • the thickness of the device layer 1c is, for example, several to several tens of ⁇ m.
  • a semiconductor substrate other than the SOI substrate can be used.
  • conductive polysilicon using surface MEMS technology or plated metal such as nickel (Ni) may be used as the device layer 1c.
  • the SOI substrate 1 can also be formed by processing the cavity CD on the support substrate 1a and then thermally oxidizing to form the intermediate insulating layer 1b and further bonding the device layer 1c.
  • Each component of the acceleration detection element S1E is formed by processing the device layer 1c and the cap layer 100.
  • a method of processing the device layer 1c and the cap layer 100 there are the following methods. First, a resist that reacts to light, an electron beam, or the like is applied onto the device layer 1c or the cap layer 100, and then the resist on the device layer 1c or the cap layer 100 is applied using photolithography or an electron beam drawing technique. Remove some. Next, the exposed device layer 1c or the cap layer 100 is removed by using dry etching using RIE (Reactive Ion Etching) or wet etching using an alkaline chemical such as TMAH or KOH. Thereafter, by removing the remaining resist, each component described later can be formed on the device layer 1c and the cap layer 100.
  • RIE Reactive Ion Etching
  • TMAH TMAH
  • KOH alkaline chemical
  • fixed side electrodes C1B and C2B are formed in order to measure the displacement of the weight 2.
  • the weight 2 plays a role as a drive side electrode.
  • the fixed electrodes C1B and C2B and the driving electrode form detection electrodes C1 and C2 described later with reference to FIG.
  • the capacitances of the detection electrodes C1 and C2 are arranged so that when one side increases in conjunction with the movement of the weight 2, the other side decreases. Therefore, an output proportional to the applied acceleration can be obtained by using the differential detection method described in FIG. Detailed description of each element constituting the circuit will be described later.
  • the cap layer 100 is provided with a step as shown around the rotation center B of the weight 2. Due to this step, the left side stiffness and the right side stiffness of the rotation center B are different from each other. The reason for this will be described later with reference to FIG.
  • the cap layer 100 is a layer for protecting the weight 2, the torsion beam 5, and the detection electrodes C1 and C2 from external impact, mechanical contact, dust, and the like.
  • the cap layer 100 has a trench formed by a dry etching technique or the like.
  • An insulating film 101 such as a thermal oxide film is buried in the trench, and thereby the airtightness of the cavity CD surrounded by the cap layer 100 and the support substrate 1 is maintained.
  • the through electrodes T3 and T4 shown in FIG. 3 are formed by dividing the cap layer 100 by the trench and the insulating film 101, and function as the fixed-side electrodes C1B and C2B.
  • the insulating film 101 can be formed, for example, by thermal oxidation after forming a trench, or by using CVD (Chemical Vapor Deposition).
  • the cap layer 100 in which the insulating film 101 and the through electrodes T3 and T4 are formed is bonded to the SOI substrate 1 on which the weight 2, the torsion beam 5 and the like are formed, so that the weight 2 is mechanically contacted from the outside. And can be protected from dust.
  • a bonding method (a) an eutectic bonding method in which an alloy such as gold or tin is applied between the cap layer 100 and the device layer 1c and then cured by heat treatment, and (b) the cap layer 100 and the device layer 1c.
  • silicon-silicon or silicon-silicon oxide films are directly bonded to each other by hydrogen bonding at room temperature and heating at a high temperature after fabrication.
  • Pads E1, E3, E4, and the like are formed in order to electrically connect the weight 2, the fixed side electrodes C1B and C2B, and the signal processing IC 50 described later.
  • the pads E3 and E4 are connected to the through electrodes T3 and T4, respectively.
  • the signal processing IC 50 can input and output electrical signals between the weight 2 and the fixed side electrodes C1B and C2B via the pads E1, E3, and E4.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the operating principle of the acceleration sensor S1.
  • the weight 2 is formed such that the weights on both sides of the central axis in the first direction (x direction) are different from each other with the torsion beam 5 as the central axis. That is, when acceleration is applied in the third direction (z direction), the force (F1) received by the left weight 2 (m1) of the torsion beam 5 and the force (F2) received by the right weight 2 (m2) are: The values are different from each other.
  • Equation 1 shows the moment M generated in the torsion beam 5 when the acceleration a is applied in the third direction.
  • a CV (Capacitance to Voltage) conversion circuit 52 which will be described later, performs differential detection using two detection electrodes C1 and C2 whose capacitance changes in accordance with displacement generated in the third direction.
  • the displacement in the direction (change in capacitance) is converted into an electric signal (voltage).
  • the through electrodes T3 and T4 formed on a part of the cap layer 100 as the fixed electrodes C1B and C2B of the detection electrodes C1 and C2 form a capacitance with the weight 2, and the CV conversion circuit 52 Detects changes in capacitance.
  • the torsion beam 5 (rotation center) at a position away from the center of gravity of the weight 2.
  • the detection electrodes C ⁇ b> 1 and C ⁇ b> 2 are formed so as to have the same capacitance at the same interval in the first direction when viewed from the torsion beam 5 in order to ensure the linearity of the sensor output with respect to the applied acceleration. Therefore, the detection electrodes C1 and C2 are necessarily arranged at positions away from the center of the cavity CA formed by the support substrate 1a and the cap layer 100.
  • the through electrodes T3 and T4 having the role as the fixed side electrodes C1B and C2B are equal in the first direction (x direction) when viewed from the torsion beam 5 (the rotation center of the weight 2). Arranged at a distance.
  • the capacitance formed by the left side portion of the weight 2 around the beam 5 and the fixed side electrode C1B is arranged to be the same as the capacitance formed by the right side portion of the weight 2 and the fixed side electrode C2B. Has been.
  • FIG. 5 is a circuit diagram of the signal processing IC 50.
  • the signal processing IC 50 applies the carrier wave 51 to the fixed side electrodes C1B and C2B via the pads E3 and E4.
  • the weight 2 is connected to the input terminal of the CV conversion circuit 52 via the torsion beam 5, the fixing portion 6, and the pad E1. Thereby, a change in electrostatic capacitance between the weight 2 and the fixed side electrodes C1B and C2B can be detected.
  • the synchronous detection circuit 53 restores the amplitude and frequency following the movement of the weight 2 by processing the output signal from the CV conversion circuit 52 using the frequency of the carrier wave 51.
  • the AD converter 54 converts the result into a digital signal. Thereby, a signal Vo proportional to the acceleration applied to the weight 2 is output.
  • the acceleration sensor S1 employs a package in which a thermosetting resin 153 is pressure-molded for cost reduction. Therefore, the acceleration detection element S1E receives a pressure generated when the thermosetting resin 153 is pressure-molded. Therefore, zero point drift may occur when the acceleration sensor S1 is shipped. Furthermore, the internal stress generated in the thermosetting resin 153 during the formation of the package fluctuates due to relaxation over time due to changes in environmental temperature and humidity. Therefore, even after the acceleration sensor S1 is shipped, zero point drift can occur.
  • a step is provided in the cap layer 100 so that the rigidity of the portion corresponding to the fixed side electrode C1B and the rigidity of the portion corresponding to the fixed side electrode C2B are different from each other. Yes.
  • the specific configuration will be described below.
  • FIG. 6 is a diagram showing a result of analyzing the deformation state of the cap layer 100 and the fixed side electrodes C1B and C2B by the finite element method when a pressure of several Mpa is applied to the cap layer 100.
  • FIG. FIG. 6A shows an analysis result when the cap layer 100 has no step t.
  • FIG. 6B shows an analysis result when a step t is provided in the cap layer 100.
  • the inflection point of deformation of the cap layer 100 is located at the center of the cavity CA.
  • the displacement amounts of the fixed side electrodes C1B and C2B arranged symmetrically about the rotation center B in the third direction (z direction) are different from each other.
  • the capacitance changes ⁇ C1 and ⁇ C2 of the detection electrodes C1 and C2 are also different from each other, and a non-zero value that is originally expected as the sensor output (initial zero point) is output.
  • the inflection point of the deformation of the cap layer 100 is located immediately above the rotation center B of the weight 2.
  • the fixed side electrode C1B , C2B has the same displacement amount in the third direction (z direction). Accordingly, the capacitance changes ⁇ C1 and ⁇ C2 of the detection electrodes C1 and C2 also have the same value, and these fluctuations are offset by the differential detection, so that the sensor output becomes a value as originally expected.
  • thermosetting resin 153 When the internal stress is relaxed over time and the capacitance changes ⁇ C1 and ⁇ C2 change, (b) the capacitance change ⁇ C is caused by the curable resin 153 expanding by sucking moisture from the environment.
  • C1 and ⁇ C2 fluctuate, (c) capacitance changes ⁇ C1 and ⁇ C2 due to mounting stress and strain generated when the lead frame 150 is constrained on a specific substrate by soldering or the like, and variations with time. Even when the value fluctuates, the output drift (fluctuation) of the acceleration sensor S1 can be suppressed.
  • the portion corresponding to the fixed side electrode C1B and the portion corresponding to the fixed side electrode C2B of the cap layer 100 have different thicknesses. Specifically, the portion corresponding to the fixed side electrode C1B arranged on the light side with the rotation center B of the weight 2 as the center is formed thinner than the portion corresponding to the fixed side electrode C2B arranged on the heavy side. Has been. Thereby, the displacement amount of each detection electrode C1 and C2 which generate
  • thermosetting resin 153 In the first embodiment, an example in which packaging is performed by press-molding the thermosetting resin 153 is shown.
  • the present invention is not limited to the packaging method in which the thermosetting resin 153 is pressure-molded, and even in a package in which the acceleration detection element S1E is put in a container that is shaped in advance, such as a ceramic package, and the lid is covered. Needless to say, similar effects can be obtained.
  • the acceleration detection element S1E is a composite of thin layers made of different materials such as the support substrate 1a, the intermediate insulating layer 1b, the device layer 1c, the cap layer 100, the lead frame 150, the signal processing IC 50, and the adhesive 151.
  • the material is configured as a body and the linear expansion coefficients of the respective constituent materials are different, so that distortion occurs due to a change in environmental temperature.
  • the inflection point is adjusted to be located at the rotation center B by reducing the thickness of the cap layer 100 on the left side of the rotation center B, that is, in the direction in which the cavity CA is small. Similarly, the same effect can be expected even if the cap layer 100 on the right side of the rotation center B is thickened. Further, although not shown, it is needless to say that the same effect can be obtained even if the step t is arranged not only in one but also in a slit shape. Further, the step can be configured in a multi-step manner.
  • the cavity CA is formed so as to surround the simplest plate-shaped weight 2 and the gaps at equal intervals (minimum), processing and manufacturing processes are simple, and the area is used. It can be said that the efficiency is high. That is, it can be said that it is advantageous for miniaturization.
  • FIG. 7 is a plan view showing main components of the acceleration sensor S2 according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 shows a state in which the cap layer 100 is peeled off as in FIG. Below, the part which overlaps with the content demonstrated about acceleration sensor S1 of Embodiment 1 is omitted, and the changed and added part is demonstrated intensively.
  • the manufacturing method of the acceleration sensor S2 is the same as that of the acceleration sensor S1 in the first embodiment.
  • the difference from the first embodiment is that the weight 2 is arranged so as to surround the fixed portion 6, that is, the fixed portion 6 is formed inside the weight 2, and the fixed portion 6 and the signal are connected via the through electrodes T 1 and T 2. That is, the processing IC 50 is electrically connected.
  • the through electrodes T1 and T2 are configured to mechanically connect the device layer 1c and the cap layer 100, they serve as posts that suppress deformation of the cap layer 100 due to external pressure application. Also have.
  • a fixed portion 6 is formed inside the weight 2
  • a torsion beam 5 is formed so as to extend from the fixed portion 6 in the second direction
  • a weight is formed at the tip of the torsion beam 5. 2 are connected.
  • the fixing portion 6 is fixed to the supporting substrate 1a via the intermediate insulating layer 1b in the vicinity of the center portion of the cavity CA formed by the supporting substrate 1a and the cap layer 100 so as to surround the weight 2.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ of FIG.
  • the acceleration sensor S2 detects the displacement of the weight 2 so that the through electrodes T3 and T4 functioning as the fixed-side electrodes C1B and C2B are formed in the cap layer 100. It has a capacitance. Pads E3 and E4 are formed on the through electrodes T3 and T4, and are electrically connected to the signal processing IC 50.
  • the through electrodes T1 and T2 penetrate the cap layer 100 from above the fixed portion 6 and reach the fixed portion 6.
  • the through electrodes T1 and T2 are disposed along the rotation axis B.
  • a pad E1 is connected to the through electrodes T1 and T2.
  • the signal processing IC 50 inputs and outputs electrical signals through the pad E1 and the through electrodes T1 and T2. As a result, the electric signal propagates to the weight 2 through the fixed portion 6.
  • only one through electrode is sufficient, but by providing a plurality of through electrodes, the connection between the cap layer 100 and the device layer 1c can be determined.
  • a closed loop can be formed for inspection.
  • the through electrodes T1 and T2 serve as electrodes that electrically connect the weight 2 and the signal processing IC 50 and also serve as posts that prevent the cap layer 100 from collapsing.
  • the cap layer 100 In order to measure the displacement of the weight 2 in the third direction (z direction), a part of the cap layer 100 is formed as the through electrodes T3 and T4, which are used as the fixed electrodes C1B and C2B. Therefore, when the thermosetting resin 153 is pressure-molded, the capacitances of the detection electrodes C1 and C2 also change according to the deformation of the cap layer 100.
  • the acceleration detecting element S2E uses a laminated structure of a plurality of different materials such as silicon as the support substrate 1a, silicon oxide as the intermediate insulating layer 1b, and metal materials such as aluminum as the pads E1, E3, and E4. It is made as. Therefore, it is easily conceivable that the capacitance of the detection electrodes C1 and C2 changes due to the deformation of the acceleration detection element S2E or the cap layer 100 due to a change in environmental temperature.
  • Capacitance changes of the detection electrodes C1 and C2 are caused by equal capacitances in the first direction (x direction) with the detection electrodes C1 and C2 having the torsion beam 5 (rotation center: B line) as an axis of symmetry.
  • a step t is formed in the cap layer 100, the inflection point of deformation of the cap layer 100 is aligned with the rotation center, and a positive carrier wave is applied to the detection electrode C1.
  • a negative carrier wave is applied to the detection electrode C2, and the sum is input to the CV conversion circuit 52 to perform differential detection, so that it can be canceled theoretically.
  • 0-point output of the sensor at the initial stage (0-point output that does not change at the product shipment stage: 0-point output is the sensor output when no acceleration is applied to the sensor and is expected to be 0)
  • thermosetting resin 153 In the case of a package employing the thermosetting resin 153, an internal stress is generated inside the resin during pressure molding, and this internal stress is relieved with time. The amount of deformation of 100 also changes over time. Furthermore, the volume of the thermosetting resin 153 increases or decreases according to the environmental humidity. That is, the deformation amount of the cap layer 100 changes depending on the environmental humidity. The zero point drift depending on these environmental and temporal factors cannot be electrically corrected.
  • the initial and temporal fluctuations of the detection electrodes C1 and C2 are suppressed, and even when there is a fluctuation, the fluctuation amount is made the same between C1 and C2, so that It needs to be able to offset.
  • a plurality of through electrodes T1 and T2 are provided along the rotation axis (twisted beam 5) to serve as posts, thereby minimizing the deformation of the cap layer 100 and reducing the cap layer.
  • a step t it is useful that the capacitance variations of the detection electrodes C1 and C2 are made the same and can be canceled by differential detection even if deformation occurs.
  • the fixed portion 6 is arranged near the center of the cavity CA, and (configuration b) a plurality of posts (through electrodes T1, T2) are arranged on the fixed portion 6 along the rotation axis.
  • the detection electrodes C1 and C2 are arranged at equal intervals and the same capacity in the first direction (x direction) with the torsion beam 5 (rotation axis: B line) as the axis of symmetry.
  • the cap layer 100 has a step t and is configured such that the capacitance changes of the detection electrodes C1 and C2 are the same even when the cap layer 100 is deformed.
  • a cap layer is formed by disposing the fixed portion 6 and the beam 5 near the center of the cavity CA (B line in FIG. 7) and disposing the through electrodes T1 and T2 along the rotation axis (B line) on the fixed portion 6. Even when a pressure is applied from the outside to 100, the amount of deformation is made as small as possible. Further, since the cap layer 100 has the step t, even if the cap layer 100 is deformed, the capacitance changes of the detection electrodes C1 and C2 are the same, so the influence of the deformation is offset by differential detection. can do.
  • the cap layer 100 It can easily be considered to reduce the deformation amount of the cap layer 100 by increasing the thickness of the cap layer 100.
  • a narrow trench is processed in the cap layer 100, and the insulating film 101 (the through electrodes T1, T2 in FIGS. , T3 and T4).
  • the ratio of the width of the trench to the thickness of the cap layer 100 is 20 or less, so that mass production is possible. Therefore, increasing the thickness of the cap layer 100 has a limit from the viewpoint of mass productivity.
  • the width of the trench is several ⁇ m, and the thickness of the cap layer 100 is 100 to 400 ⁇ m.
  • Detecting electrodes C1 and C2 are arranged at equal intervals and the same capacity in the first direction (x direction) with the torsion beam 5 (B line) as the axis of symmetry. Further, the thickness of the cap layer 100 on the cavity CA2 side, which is short in the first direction from the rotation center (B line), is formed thinner than the thickness of the cap layer 100 on the opposite side of the cavity CA1. That is, adjustment is made so that the rigidity in the third direction of the fixed side electrodes C1B and C2B of the detection electrodes C1 and C2 is approximately the same. Therefore, even when the cap layer 100 is deformed by the application of pressure from the outside or a change in the surrounding environment, the capacitance fluctuations of the detection electrodes C1 and C2 are the same, and the influence can be offset by differential detection.
  • the acceleration sensor S ⁇ b> 2 uses the through electrodes T ⁇ b> 1 and T ⁇ b> 2 installed to apply an electric signal to the weight 2 as a post supporting the cap layer 100, thereby 100 deformations can be reduced. Furthermore, by providing the step t in the cap layer 100, it is possible to cancel the fluctuations in the capacitance of the detection electrodes C1 and C2 due to external pressure and environmental fluctuations, and to improve the stability of the zero point output of the sensor.
  • the capacitance variation amounts of the detection electrodes C1 and C2 are made the same.
  • the essence of Embodiment 1 is that the inflection point of the cap layer 100 coincides with the rotation center (B line).
  • the essence of the second embodiment is to make the through electrodes T3 and T4 have the same rigidity. That is, by adjusting the rigidity of the through-electrodes T3 and T4 according to the sizes of the cavities CA1 and CA2, the amount of deformation caused by external pressure application or environmental fluctuation can be made the same.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating the configuration of the acceleration sensor according to the third embodiment.
  • FIG. 9C is a plan view of the acceleration sensor according to the third embodiment, and shows a state where the cap layer 100 is peeled off as in FIG.
  • FIG. 9D is a cross-sectional view taken along the line D-D ′ of FIG.
  • FIG. 9A is a plan view of the acceleration sensor S1 according to the first embodiment, and is shown together with FIG. 9C for comparison.
  • FIG. 9B is a cross-sectional view taken along the line C-C ′ of FIG.
  • a hole 10 is used instead of the step t.
  • the hole 10 is formed so as not to penetrate the cap layer 100 along the third direction (z direction) from the insulating film 101 side toward the weight 2.
  • Other configurations are the same as those in the first and second embodiments.
  • the inflection point of the cap layer 100 can be variously adjusted by adjusting the arrangement, size, pitch, and depth of the holes 10. Specifically, by forming more holes 10 on the left side of the rotation axis B than on the right side, the rigidity of the cap layer 100 on the left side of the rotation axis B can be made weaker than that on the right side. Further, by using the hole 10, unlike the case where the step t is provided, the thickness of the cap layer 100 can be kept constant. Therefore, the insulating layer 101 and the pads E3 and E4 arranged on the cap layer 100 can be formed by a simpler manufacturing method.
  • a cylindrical hole 10 that does not penetrate the cap layer 100 is provided in the cap layer 100.
  • a hole having a shape such as a square or a band (groove) is provided in the cap layer 100.
  • the hole is not limited to a circular hole.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration example in which the groove 11 is provided in the cap layer 100 in place of the step t in order to adjust the inflection point of the cap layer 100.
  • FIG. 10A is a plan view of the cap layer 100
  • FIG. 10B is a cross-sectional view taken along the line E-E 'of FIG.
  • the groove 11 is formed on the bottom surface of the cap layer 100, that is, on the cavity CA side.
  • the arrangement of the fixing portion 6 described in the second embodiment is assumed, but the groove 11 can be provided in the configuration described in the first embodiment.
  • FIG. 11 is a diagram showing a result of analyzing the deformation state of the cap layer 100 by a finite element method.
  • FIG. 11A shows an analysis result when there is no groove 11
  • FIG. 11B shows an analysis result when the groove 11 is present.
  • the displacement amounts of the through electrodes T3 and T4 in the third direction can be made substantially the same. Accordingly, since the capacitance changes ⁇ C1 and ⁇ C2 have the same value, the influence of deformation of the cap layer 100 can be offset by using differential detection.
  • ⁇ Embodiment 3 Supplement about hole 10 and groove 11> All the depressions such as the hole 10 and the groove 11 for adjusting the inflection point and rigidity of the cap layer 100 are arranged so as not to straddle the insulating film 101 and the trench that separates the fixed-side electrodes C1B and C2B from the surrounding silicon. Has been.
  • the first embodiment is performed in order to remove silicon of the cap layer 100 and silicon oxide constituting the insulating layer 101.
  • a manufacturing step different from ⁇ 2 is required.
  • SF6 is used as a reactive gas in order to remove silicon
  • CHF3 is used as a reactive gas in order to remove a silicon oxide film, so that the manufacturing process becomes somewhat complicated.
  • the depressions such as the holes 10 and the grooves 11 are formed so as not to cross the trench, only the silicon needs to be processed, so that the manufacturing process can be simplified.
  • the depressions such as the holes 10 and the grooves 11 are formed in the cap layer 100 along the third direction from the outer side of the cap layer 100 (that is, the surface not facing the weight 2) toward the weight 2.
  • the distance between the fixed side electrode C1B or C2B and the weight 2 is not affected by the presence of the depression. Therefore, in this case, as shown by the hole 10 in FIG. 9C, the position overlaps with the fixed side electrode C1B or C2B in the third direction (z direction) (FIG. 9C ) May be disposed in the inner part surrounded by a dotted line), or may be disposed in a position that does not overlap (an outer part not surrounded by the dotted line in FIG. 9C). Therefore, the inflection point and rigidity of the cap layer 100 can be adjusted extensively without affecting the capacitance of the detection electrodes C1 and C2.
  • the cap layer 100 is formed along the third direction with the depressions such as the holes 10 and the grooves 11 from the inner side of the cap layer 100 (ie, the surface facing the weight 2) toward the opposite surface.
  • the hole 10 or the groove 11 is located between the fixed side electrode C1B or C2B and the weight 2, so that the detection electrodes C1 and C2 and the weight depend on the positions of these depressions.
  • the capacitance formed by 2 is affected. Therefore, in this case, it is desirable to arrange the depression at a position that does not overlap with the fixed side electrode C1B or C2B in the third direction (z direction).
  • the degree of freedom for adjusting the inflection point and the rigidity of the cap layer 100 is reduced as compared with the case where the depression is formed from the outside to the inside of the cap layer 100.
  • the pads E1, E3, E4, etc. on the depressions since it is not necessary to form the pads E1, E3, E4, etc. on the depressions, the formation and arrangement of the pads E1, E3, E4 and the routing of the wiring are facilitated.
  • the present invention is not limited to the embodiments described above, and includes various modifications.
  • the above embodiment has been described in detail for easy understanding of the present invention, and is not necessarily limited to the one having all the configurations described.
  • the step t, the hole 10 and the groove 11 are exemplified as means for adjusting the rigidity of the cap layer 100.
  • the cap is formed on both sides of the rotation axis B. If the mass per unit area in the XY plane of the layer 100 can be configured to be different from each other, it is considered that the same effect can be exhibited.
  • the step t, the hole 10, and the groove 11 are used to change the inflection point and rigidity of the cap layer 100, and the third direction of the fixed side electrodes T3 (C1B) and T4 (C2B). It was shown that the amount of displacement in can be adjusted. However, it is needless to say that these methods are not limited to those independent from each other, and can be variously modified without departing from the gist thereof.
  • the recesses can be formed on the front or back of the cap layer 100 by combining the holes 10 and the grooves 11.
  • the step t may be combined as necessary.
  • the packaging technology using the thermosetting resin 153 has been described for convenience of explanation.
  • the acceleration detecting element is composed of a plurality of materials, the linear expansion coefficient is Deformation of the acceleration detection element due to the difference is easily assumed. Therefore, the concept of the present invention is also useful in various packaging technologies that involve deformation of the acceleration detecting element itself or distortion due to mounting, such as a ceramic package or a pre-molded package in which plastic is molded in advance and components are mounted therein. is there.
  • the present invention can be widely used in the fields of attitude detection of automobiles, robots, etc., camera shake correction, navigation attitude / direction detection, game machine attitude detection sensors, and the like. In particular, it can be expected to exert its effect when used in a moving body or when there are heat sources such as engines, motors, electromagnets, and microcomputers in the vicinity.
  • S1 to S2 Acceleration sensor 1a: Support substrate 1b: Intermediate insulating layer 1c: Device layer 2: Weight 5: Torsion beam 6: Fixing part C1 to C2: Detection electrode C1B: Detection electrode fixed side electrode C2B: Detection electrode fixing Side electrode CA: Cavity CA1: Cavity CA2: Cavity T1-T2: Through electrode (post) T3 to T4: Through electrode (detection electrode fixed side electrode) E1 to E4: Pad 101: Insulating film 50: Signal processing IC 51: Carrier 52: CV conversion circuit 53: Synchronous detection circuit 54: AD conversion unit 100: Cap layer 150: Lead frame 151: Adhesive 152: Wire 153: Thermosetting resin

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Abstract

製造コストを安価に保ちつつ、劣悪な設置環境下において使用した場合であっても、初期および経時的な０点ドリフトが少ない高信頼な加速度センサを提供する。 本発明に係る加速度センサにおいては、ｚ方向に加速度が印加されると回転する錘を、支持基板とキャップ層によって囲まれるキャビティ内に配置している。キャップ層は、錘の回転軸を挟んだ両側において単位面積当たりの質量が互いに異なるように形成されている。

Description

加速度センサ
　本発明は、加速度センサに関するものである。
　近年、横滑り防止や衝突防止、駐車支援システムなどのような自動車の安全走行システムの法規制化、ロボットの普及など、姿勢や運動を制御する多様なアプリケーションの開発および普及にともない、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）型加速度センサのニーズおよび市場が急速に拡大している。それにともなって、面外方向の加速度を計測することに対する要求が増している。また、自動車のエンジンルームのような周辺の温度・湿度および振動などの環境条件が劣悪な場所においても、センサ性能のドリフトや経時変動（例えば０点ドリフトや感度変動）が少ない、高信頼かつ低コストの加速度センサに対する要求が増している。
　静電容量検出型加速度センサは一般に、印加される加速度に応じて変位する錘と、その錘との間で静電容量を形成する検出電極を備える。これらの構成要素は、複数の層を持つシリコン基板に対して、フォトリソグラフィ技術、エッチング技術、基板貼りあわせ技術を適用することにより、形成することができる。
　下記特許文献１記載の加速度センサは、第１方向とそれに直交する第２方向によって形成される面内に配置されたデバイス層上に錘が形成され、第１方向および第２方向と直交する第３方向（上下方向）において錘を挟むようにして支持基板とキャップ層が形成されている。錘は板状になっており、錘の重心部から離れた位置においてねじれ梁を介して支持基板に懸架されている。これにより、第３方向における加速度が錘に対して印加されると、錘は第１方向または第２方向周りで回転する。すなわち、錘の回転中心が錘の重心部から離れているため、印加される第３方向の加速度に比例して回転中心においてモーメントが発生し、その結果錘は第３方向に変位する。
　錘の第３方向における変位は、支持基板側に形成される２つの検出電極を用いて検出される。検出電極は錘の回転中心から見て等しい距離に対称的に配置されている。したがって、支持基板の平面に垂直な第３方向（ｚ方向）において印加される加速度に応じて錘が回転し、錘が支持基板側に近づく位置に配置されている検出電極の静電容量は増加する。その反面、錘の回転軸を中心に対称的にその反対方向、すなわち、錘が支持基板から離れる位置に配置される検出電極の静電容量は減少する。この２つの検出電極の静電容量を差動検出することにより、第３方向に印加された加速度に比例した電気信号を得ることができる。
　下記特許文献２記載の加速度センサは、特許文献１記載の加速度センサ同様、錘が第１方向または第２方向周りを回転するように構成され、検出電極はキャップ層側に設置されている。特許文献２においては、錘の一部を取り除くことにより重さのアンバランスを形成し、錘の回転および第３方向における変位を実現している。したがって、特許文献２記載の加速度センサは、錘の回転中心と、支持基板およびキャップ層によって錘を囲むように形成されるキャビティの中心とを一致させることができる。すなわち、２つの検出電極は錘の形状的な中心およびキャビティの中心に対して対称的に配置されている。このような配置にすることにより、周辺温度の変化などによって支持基板、錘、キャップ層などにより構成される加速度検出素子に歪が発生した場合でも、２つの検出電極が錘に対して一様に変位する。したがって、歪による検出電極の静電容量の変化は差動検出によって相殺されるため、これを加速度の印加による信号から分離することができる。結果的に実装起因または環境温度の変化などによる０点ドリフトが少ない加速度センサを提供することができる。
　下記特許文献３においては、錘を上下で挟むように支持基板とキャップ層を配置することにより、キャビティを構成している。また、環境温度の変化など外的な要因によってキャビティの変形を防ぐ目的で、支持基板とデバイス層とキャップ層を繋ぐ複数のポストが設置されている。
　下記特許文献４記載の加速度センサにおいては、錘に対して電気信号を付与する手段として、支持基板またはキャップ層を貫通する導電体が形成されている。
特開平９－１８９７１６号公報 特開２００８－５４４２４３号公報 特開２０００－０１９１９８号公報 特許５１０５９６８号公報
　加速度センサのコストを下げる代表的な技術としては、支持基板とキャップ層によって錘を囲むようにキャビティを構成することにより錘を外部からの物理的な力から保護し、加速度検出素子を導電性ワイヤで信号処理ＩＣなどと連結した後、安価な熱硬化性樹脂を用いて加圧成形したパッケージによって加速度検出素子をパッケージングする方法が知られている。
　ところで、支持基板とキャップ層に囲まれている錘と信号処理ＩＣとの間で電気信号を入出力するためには、例えば支持基板またはキャップ層を貫通する導電性電極材（貫通電極）をデバイス層に到達するまで貫通形成し、錘と信号処理ＩＣを機械的および電気的に接続させる必要がある。
　特許文献１記載の加速度センサにおいては、検出電極が信号処理ＩＣ側に形成されているため、熱硬化性樹脂を加圧成形する安価なパッケージ技術を採用する場合であっても、実装時の圧力やパッケージの変形によるセンサ性能に対する影響は限定的であると考えられる。しかし、例えば錘が形成される部品に合わせて信号処理ＩＣの構成要素を配置する必要があるなど、錘が形成される部品と信号処理ＩＣとの間の機械的および電気的な接続を形成するためには、複雑な設計および製造技術が必要であることが容易に推測できる。
　特許文献２記載の加速度センサは、キャビティの中心と回転中心を一致させ、回転中心から見て等しい距離に検出電極を配置しているため、熱硬化性樹脂を加圧成形する安価なパッケージ技術を採用した場合でも、初期の０点オフセットや経時的な応力緩和に伴う０点の変動を抑制することが期待できる。しかし、キャビティの中心と回転中心を一致させるためには、錘の一部に貫通孔を形成することにより重さのアンバランスを作った後、さらに検出電極の対向面積を確保するため板を貼りあわせるなど、複雑な製造プロセスが必要となる。
　特許文献３記載の加速度センサにおいては、キャップ層や支持基板の変形を抑制するため、支持基板、錘が形成されるデバイス層、およびキャップ層を繋ぐ複数のポストを設置している。しかしポストを設置する分、検出電極の対向面積は減少するため、センサの小型化には不利と言える。
　本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、製造コストを安価に保ちつつ、劣悪な設置環境下において使用した場合であっても、初期および経時的な０点ドリフトが少ない高信頼な加速度センサを提供することを目的とする。
　本発明に係る加速度センサにおいては、ｚ方向に加速度が印加されると回転する錘を、支持基板とキャップ層によって囲まれるキャビティ内に配置している。キャップ層は、錘の回転軸を挟んだ両側において単位面積当たりの質量が互いに異なるように形成されている。
　本発明に係る加速度センサによれば、環境変化や経時変化に起因する０点ドリフトを抑制することができる。
実施形態１に係る加速度センサＳ１の全体構成を示す模式図である。 加速度検出素子Ｓ１Ｅが備える錘２およびその周辺構成を示す平面図である。 図２のＡ－Ａ’断面図である。 加速度センサＳ１の動作原理を説明する図である。 信号処理ＩＣ５０の回路図である。 キャップ層１００に数Ｍｐａの圧力が印加された場合のキャップ層１００および固定側電極Ｃ１Ｂ、Ｃ２Ｂの変形の様子を有限要素法で解析した結果を示す図である。 実施形態２に係る加速度センサＳ２の主要な構成要素を示す平面図である。 図７のＡ－Ａ’断面図である。 実施形態３に係る加速度センサの構成を説明する図である。 キャップ層１００の変曲点を調整するため、段差ｔに代えてキャップ層１００に溝１１を設けた構成例を示す図である。 キャップ層１００の変形の様子を有限要素法で解析した結果を示した図である。
　以下の実施形態において便宜上必要があるときは、複数のセクションまたは実施形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく
、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
　以下の実施形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
　以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではない。
　以下の実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
　実施形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し
、その繰り返しの説明は可能な限り省略するようにしている。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
＜実施の形態１＞
　図１は、本発明の実施形態１に係る加速度センサＳ１の全体構成を示す模式図である。加速度センサＳ１は、加速度検出素子Ｓ１Ｅ、信号処理ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）５０、リードフレーム１５０、導電性ワイヤ１５２を備える。導電性ワイヤ１５２は、加速度検出素子Ｓ１Ｅ、信号処理ＩＣ５０、リードフレーム１５０間を電気的に接続する。信号処理ＩＣ５０と加速度検出素子Ｓ１Ｅは、接着剤１５１を介してそれぞれリードフレーム１５０と信号処理ＩＣ５０上に固定される。
　熱硬化性樹脂１５３を加圧成形し、各部品を覆うことにより、加速度センサＳ１が完成する。加速度センサＳ１は、より上位なシステムに組み込まれ、検出した物理量情報を上位システムに提供する。
　図２は、加速度検出素子Ｓ１Ｅが備える錘２およびその周辺構成を示す平面図である。ここでは後述の図３で説明するキャップ層１００を剥がした状態におけるデバイス層１ｃの平面図を示している。
　加速度検出素子Ｓ１Ｅは、後述する方法により加工形成された錘２を備える。錘２は、ねじれ梁５を介して固定部６に懸架され、これによりｙ方向（第２方向）の周りを回転するように構成されている。固定部６は、後述する中間絶縁層１ｂを介して支持基板１ａに固定される。したがって錘２は、第３方向（ｚ方向）に印加される加速度に比例して第２方向の周りを回転、すなわち第３方向に変位する。パッドＥ１については後述する。
　図３は、図２のＡ－Ａ’断面図である。加速度検出素子Ｓ１Ｅは、錘２や固定部６など機械的な構成要素を形成するため、例えばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板１を備える。ＳＯＩ基板１は、支持基板１ａ上に中間絶縁層１ｂが形成された構成を備え、中間絶縁層１ｂ上にデバイス層１ｃが形成されている。支持基板１ａは、例えばシリコン（Ｓｉ）により形成されている。中間絶縁層１ｂは、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）により形成されている。デバイス層１ｃは、例えば導電性シリコンにより形成されている。
　支持基板１ａと中間絶縁層１ｂとの総厚は、例えば数百μｍである。デバイス層１ｃの厚さは、例えば数～数十μｍである。本実施形態１においてはＳＯＩ基板を使用しているが、半導体基板としてＳＯＩ基板以外のものを用いることもできる。例えば、表面ＭＥＭＳ技術を用いた導電性ポリシリコン、またはニッケル（Ｎｉ）などのめっき金属をデバイス層１ｃとして使用してもよい。
　ＳＯＩ基板１は、支持基板１ａ上にキャビティＣＤを加工した後、熱酸化することによって中間絶縁層１ｂを形成し、さらにデバイス層１ｃを貼りあわせることにより形成することもできる。
　加速度検出素子Ｓ１Ｅの各構成要素は、デバイス層１ｃとキャップ層１００を加工することにより形成される。デバイス層１ｃとキャップ層１００を加工する方法としては以下のようなものがある。まずデバイス層１ｃまたはキャップ層１００上に、光や電子ビームなどに対して反応するレジストを塗布した後、フォトリソグラフィや電子線描画技術を利用して、デバイス層１ｃまたはキャップ層１００上のレジストの一部を除去する。次に、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いたドライエチングや、ＴＭＡＨやＫＯＨなどのアルカリ性薬品を用いたウェットエチング技術を用いることにより、露出されたデバイス層１ｃまたはキャップ層１００を除去する。その後、残りのレジストを除去することにより、デバイス層１ｃおよびキャップ層１００上に後述する各構成要素を形成することができる。
　キャップ層１００内には、錘２の変位を測定するため、固定側電極Ｃ１ＢとＣ２Ｂが形成される。錘２は、駆動側電極としての役割を担う。固定側電極Ｃ１ＢおよびＣ２Ｂと駆動側電極により、後述の図４で説明する検出電極Ｃ１およびＣ２が形成される。検出電極Ｃ１とＣ２の静電容量は、錘２の動きに連動して、片側が増えた場合はもう片側は減るように配置されている。そのため、後述する図４において説明する差動検出方式を用いることにより、印加された加速度に比例した出力を得ることができる。回路を構成する各要素における詳細な説明は後述する。
　キャップ層１００は、錘２の回転中心Ｂ周辺に示すように、段差が設けられている。この段差により、回転中心Ｂの左側の剛性と右側の剛性は、互いに異なる。この理由については後述の図６で説明する。
　キャップ層１００は、錘２、ねじれ梁５、検出電極Ｃ１とＣ２を外部の衝撃、機械的な接触、埃などから守るための層である。キャップ層１００は、ドライエッチング技術などによって形成されたトレンチを有する。熱酸化膜などの絶縁膜１０１がトレンチに埋め込まれ、これによりキャップ層１００と支持基板１によって囲まれるキャビティＣＤの気密を維持する。キャップ層１００にトレンチを形成し、さらに絶縁膜１０１を埋め込むことにより、キャップ層１００を複数部分に分割してそれぞれ電気的に分離させることができる。
　図３に示す貫通電極Ｔ３とＴ４は、トレンチおよび絶縁膜１０１によってキャップ層１００を分割することにより形成され、固定側電極Ｃ１ＢとＣ２Ｂとして機能する。絶縁膜１０１は例えば、トレンチを形成した後に熱酸化するか、またはＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いることにより形成することができる。
　絶縁膜１０１、貫通電極Ｔ３とＴ４などが形成されたキャップ層１００を、錘２、ねじれ梁５などが形成されるＳＯＩ基板１に接合することにより、錘２などを外部からの機械的な接触および埃から保護することができる。接合方法としては、（ａ）金や錫などの合
金をキャップ層１００とデバイス層１ｃの間に塗布した後、熱処理することで硬化させる共晶接合法、（ｂ）キャプ層１００とデバイス層１ｃの表面をプラズマで活性化し、シリ
コン‐シリコンまたはシリコン‐シリコン酸化膜同士を直接接合する常温活性化接合法、（ｃ）２つの表面を酸と純水の混合液で洗浄し、表面に水酸基を作った後、常温で水素結合させ、高温で加熱することにより、シリコン‐シリコンまたはシリコン‐シリコン酸化膜同士を直接接合する方法、などがある。
　錘２、固定側電極Ｃ１ＢとＣ２Ｂなどと後述する信号処理ＩＣ５０との間を電気的に接続するため、パッドＥ１、Ｅ３、Ｅ４などを形成する。パッドＥ３、Ｅ４はそれぞれ貫通電極Ｔ３、Ｔ４と接続される。信号処理ＩＣ５０は、パッドＥ１、Ｅ３、Ｅ４を介して、錘２や固定側電極Ｃ１ＢとＣ２Ｂとの間で電気信号を入出力することができる。
　図４は、加速度センサＳ１の動作原理を説明する図である。錘２は、ねじれ梁５を中心軸として、第１方向（ｘ方向）における中心軸両側の重さが互いに異なるように形成されている。すなわち、第３方向（ｚ方向）に加速度が印加された場合、ねじれ梁５の左側の錘２（ｍ１）が受ける力（Ｆ１）と、右側の錘２（ｍ２）が受ける力（Ｆ２）は互いに異なる値となる。さらに、錘２の左側部分の重心から梁５までの距離（ｒ１）と、錘２の右側部分の重心から梁５までの距離（ｒ２）も異なるため、錘２の回転中心となるねじれ梁５に働くモーメントＭにはアンバランス（０にならない）が発生する。そのため錘２は、第３方向（ｚ方向）に印加された加速度（ａ）に比例して、第２方向（ｙ方向）周りをねじれ梁５を回転中心として回転する。下記式１は、第３方向に加速度ａが印加された場合のねじれ梁５に発生するモーメントＭを示す。ねじれ梁５の剛性をｋとした場合、発生する角度Θ（錘２の第３方向への変位）は下記式２として定義できる。
　Ｍ＝ｍ１・ａ・ｒ１－ｍ２・ａ・ｒ２＝Ｆ１・ｒ１－Ｆ２・ｒ２≠０　　式１）
　Θ＝Ｍ/ｋ　式２）
　後述するＣＶ（Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ　ｔｏ　Ｖｏｌｔａｇｅ）変換回路５２は、第３方向に発生する変位に応じて静電容量が変化する２つの検出電極Ｃ１とＣ２を用いて差動検出を実施することにより、第３方向の変位（静電容量の変化）を電気信号（電圧）に変換する。検出電極Ｃ１、Ｃ２の固定側電極Ｃ１Ｂ、Ｃ２Ｂとしてキャップ層１００の一部に形成された貫通電極Ｔ３、Ｔ４は、錘２との間で静電容量を形成し、ＣＶ変換回路５２はその静電容量の変化を検出する。
　錘２を第３方向に印加される加速度に応じて変位させるためには、錘２の重心から離れた位置にねじれ梁５（回転中心）を配置する必要がある。検出電極Ｃ１とＣ２は、印加される加速度に対するセンサ出力の線形性を確保するため、ねじれ梁５から見て第１方向において等間隔かつ同じ静電容量の大きさになるように形成される。したがって、検出電極Ｃ１、Ｃ２は、必然的に支持基板１ａおよびキャップ層１００によって形成されるキャビティＣＡの中心から離れた位置に配置されることになる。
　上記回路構成を実現するため、固定側電極Ｃ１Ｂ、Ｃ２Ｂとしての役割を有する貫通電極Ｔ３、Ｔ４は、それぞれねじれ梁５（錘２の回転中心）から見て、第１方向（ｘ方向）において等しい距離に配置されている。また、梁５を中心とする錘２の左側部分と固定側電極Ｃ１Ｂが形成する静電容量は、錘２の右側部分と固定側電極Ｃ２Ｂが形成する静電容量と同じ大きさとなるように配置されている。
　図５は、信号処理ＩＣ５０の回路図である。信号処理ＩＣ５０は、パッドＥ３、Ｅ４を介して、搬送波５１を固定側電極Ｃ１Ｂ、Ｃ２Ｂに対して印加する。錘２は、ねじれ梁５と固定部６、パッドＥ１を介して、ＣＶ変換回路５２の入力端子に接続されている。これによって、錘２と固定側電極Ｃ１Ｂ、Ｃ２Ｂとの間の静電容量の変化を検出することができる。
　同期検波回路５３は、ＣＶ変換回路５２からの出力信号を、搬送波５１の周波数を用いて処理することにより、錘２の動きに追従した振幅および周波数を復元する。ＡＤ変換部５４はその結果をデジタル信号に変換する。これにより、錘２に対して印加された加速度に比例した信号Ｖｏが出力される。
＜実施の形態１：キャップ層１００について＞
　加速度センサＳ１は、低コスト化のため、熱硬化性樹脂１５３を加圧成形したパッケージを採用している。そのため、加速度検出素子Ｓ１Ｅは、熱硬化性樹脂１５３を加圧成形する際に発生する圧力を受けることになる。そのため加速度センサＳ１の出荷時において０点ドリフトが生じ得る。さらに、パッケージの形成時に熱硬化性樹脂１５３の内部に発生する内部応力は、環境温度や湿度の変化によって経時的に緩和するなどして変動する。そのため加速度センサＳ１を出荷した後においても０点ドリフトが生じ得る。
　本実施形態１においては、上記課題を解決するため、キャップ層１００に段差を設け、固定側電極Ｃ１Ｂに対応する部分の剛性と固定側電極Ｃ２Ｂに対応する部分の剛性とが互いに異なるようにしている。以下その具体的構成について説明する。
　図６は、キャップ層１００に数Ｍｐａの圧力が印加された場合のキャップ層１００および固定側電極Ｃ１Ｂ、Ｃ２Ｂの変形の様子を有限要素法で解析した結果を示す図である。図６（ａ）は、キャップ層１００に段差ｔがない場合の解析結果を示す。図６（ｂ）は、キャップ層１００に段差ｔを設けた場合の解析結果を示す。段差ｔを設けることにより、固定側電極Ｃ１Ｂに対応する部分は固定側電極Ｃ２Ｂに対応する部分よりも薄くなり、したがって剛性が弱くなり変形し易くなっている。
　図６（ａ）に示すように、キャップ層１００に段差ｔがない場合は、キャップ層１００の変形の変曲点はキャビティＣＡの中心に位置する。そのため、回転中心Ｂを中心として対称配置されている固定側電極Ｃ１Ｂ、Ｃ２Ｂの第３方向（ｚ方向）に置ける変位量は、それぞれ異なる値となる。したがって、検出電極Ｃ１、Ｃ２の容量変化ΔＣ１、ΔＣ２も互いに異なる値となり、センサの出力（初期の０点）として本来期待される０ではない値を出力することになる。
　図６（ｂ）に示すように、キャップ層１００に段差ｔを設けた場合は、キャップ層１００の変形の変曲点は、錘２の回転中心Ｂの真上に位置する。その結果、固定側電極Ｃ１Ｂ
、Ｃ２Ｂの第３方向（ｚ方向）における変位量は、互いに同じ値となる。したがって、検出電極Ｃ１、Ｃ２の容量変化ΔＣ１、ΔＣ２も同じ値となり、これらの変動分は差動検出によって相殺されるため、センサ出力は本来の期待通りの値となる。
　キャップ層１００に段差ｔを設けることにより、熱硬化性樹脂１５３を加圧成形する際に発生する初期のセンサ出力（０点オフセット）を抑制するのみならず、（ａ）熱硬化性
樹脂１５３の内部の応力が経時的に緩和されて静電容量変化ΔＣ１、ΔＣ２が変動する場合、（ｂ）硬化性樹脂１５３が環境から水分を吸って膨張することにより静電容量変化Δ
Ｃ１、ΔＣ２が変動する場合、（ｃ）リードフレーム１５０を特定の基板上に半田付けな
どで拘束する際に発生する実装応力やひずみ、またこれらの経時的な変動によって静電容量変化ΔＣ１、ΔＣ２が変動する場合、などにおいても、加速度センサＳ１の出力ドリフト（変動）を抑制することができる。
＜実施の形態１：まとめ＞
　以上のように、本実施形態１に係る加速度センサＳ１において、キャップ層１００の固定側電極Ｃ１Ｂに対応する部分と固定側電極Ｃ２Ｂに対応する部分は互いに異なる厚さを有する。具体的には、錘２の回転中心Ｂを中心として軽い側に配置されている固定側電極Ｃ１Ｂに対応する部分は、重い側に配置されている固定側電極Ｃ２Ｂに対応する部分よりも薄く形成されている。これにより、熱硬化性樹脂１５３を加圧成形する際に発生する各検出電極Ｃ１、Ｃ２の変位量を同じくすることができる。この変位量は差動検出によって相殺できるため、加速度センサＳ１の初期０点および、環境温度、湿度、熱硬化性樹脂１５３の内部応力の緩和などに依存する経時的な０点の変動を抑制することができる。
　本実施形態１においては、熱硬化性樹脂１５３を加圧成形することでパッケージングを実施した例を示した。しかし本発明は、熱硬化性樹脂１５３を加圧成形するパッケージング方式に限定するものではなく、セラミックパッケージなどあらかじめ形を成す入れ物に加速度検出素子Ｓ１Ｅを入れて蓋をするようなパッケージにおいても、同様の効果が得られることは言うまでもない。なぜならば、加速度検出素子Ｓ１Ｅは、支持基板１ａ、中間絶縁層１ｂ、デバイス層１ｃ、キャップ層１００、リードフレーム１５０、信号処理ＩＣ５０、接着剤１５１など、それぞれ異なる材料によって構成される薄い層の複合体として構成され、それぞれの構成材料の線膨張係数が異なるので、環境温度の変化によって歪が発生するからである。
　本実施形態１においては、便宜上、回転中心Ｂの左側、すなわちキャビティＣＡが小さい方向のキャップ層１００の厚さを薄くすることにより、変曲点が回転中心Ｂに位置するように調整している。同様に、回転中心Ｂの右側のキャップ層１００を厚くしても同じ効果が期待できる。さらに、図示はしないが段差ｔを１つだけでなく、スリット状に複数個に分けて配置しても同じ効果が得られることは言うまでもない。また段差を多段的に構成することもできる。
　本実施形態１においては、最もシンプルな板状の錘２とそれを等間隔（最小限）の隙間で囲む形でキャビティＣＡを形成しているため、加工や製造工程が単純で、面積の使用効率も高いと言える。すなわち、小型化に有利と言える。
＜実施の形態２＞
　図７は、本発明の実施形態２に係る加速度センサＳ２の主要な構成要素を示す平面図である。図７は図２と同様に、キャップ層１００を剥がした状態を示している。以下では実施形態１の加速度センサＳ１について説明した内容と重複する部分は省いて、変更・追加された部分を重点的に説明する。
　加速度センサＳ２の製造方法は、実施形態１における加速度センサＳ１と同様である。実施形態１と異なる点は、錘２が固定部６を囲むように配置され、すなわち固定部６が錘２の内側に形成されており、貫通電極Ｔ１、Ｔ２を介して、固定部６と信号処理ＩＣ５０が電気的に接続されていることである。貫通電極Ｔ１、Ｔ２は、デバイス層１ｃとキャップ層１００を機械的に連結するように構成されているため、外部からの圧力印加などによってキャップ層１００が変形することを抑制するポストとしての役割をも持つ。
　加速度センサＳ２の加速度検出素子Ｓ２Ｅにおいては、錘２の内側に固定部６が形成され、固定部６から第２方向に延びるようにしてねじれ梁５が形成され、ねじれ梁５の先端部に錘２が連結されている。固定部６は、錘２を囲むように支持基板１ａとキャップ層１００によって形成されるキャビティＣＡの中央部付近において、中間絶縁層１ｂを介して支持基板１ａに固定される。
　図８は、図７のＡ－Ａ’断面図である。加速度センサＳ２は、実施形態１の加速度センサＳ１同様、錘２の変位を検出するため、固定側電極Ｃ１Ｂ、Ｃ２Ｂとして機能する貫通電極Ｔ３、Ｔ４がキャップ層１００において形成され、錘２との間で静電容量を成している。貫通電極Ｔ３、Ｔ４上にはパッドＥ３、Ｅ４が形成され、信号処理ＩＣ５０と電気的に接続される。
　貫通電極Ｔ１、Ｔ２は、固定部６の上方からキャップ層１００を貫通し、固定部６に到達している。貫通電極Ｔ１、Ｔ２は、回転軸Ｂに沿って配置されている。貫通電極Ｔ１、Ｔ２にはパッドＥ１が接続されている。信号処理ＩＣ５０は、パッドＥ１および貫通電極Ｔ１、Ｔ２を介して電気信号を入出力する。これにより固定部６を介してその電気信号が錘２へ伝搬する。錘２との間で電気信号を入出力するためには１つの貫通電極のみでも十分であるが、貫通電極を複数個設けることにより、キャップ層１００とデバイス層１ｃとの間の接続の良否を検査するための閉ループを形成することができる。
　貫通電極Ｔ１、Ｔ２を回転軸（Ｂラインまたはねじれ梁５）に沿って配置することにより、安価である熱硬化性樹脂１５３をパッケージング材料として使う場合であっても、キャップ層１００の変形と、それによる検出電極Ｃ１、Ｃ２の容量変化を抑制することができる。すなわち、貫通電極Ｔ１、Ｔ２は、錘２と信号処理ＩＣ５０を電気的に連結する電極としての役割とともに、キャップ層１００の崩れを防げるポストとしての役割もかねている。
　錘２の第３方向（ｚ方向）における変位を測定するため、キャップ層１００の一部は貫通電極Ｔ３、Ｔ４として形成され、これを固定側電極Ｃ１Ｂ、Ｃ２Ｂとして用いる。そのため、熱硬化性樹脂１５３が加圧成形される際、キャップ層１００の変形に応じて検出電極Ｃ１、Ｃ２の静電容量も変化することとなる。また、加速度検出素子Ｓ２Ｅは、支持基板１ａとしてシリコンを用い、中間絶縁層１ｂとして酸化ケイ素を用い、パッドＥ１、Ｅ３、Ｅ４としてアルミなどの金属材料を用いるなど、複数の異種材料の積層構造体として成されている。そのため、環境温度の変化などによっても加速度検出素子Ｓ２Ｅまたはキャップ層１００の変形による検出電極Ｃ１、Ｃ２の容量変化が発生することは容易に考えられる。
　検出電極Ｃ１、Ｃ２の容量変化は、検出電極Ｃ１、Ｃ２をねじれ梁５（回転中心：Ｂライン）を対称軸にして第１方向（ｘ方向）において等間隔かつ同じ大きさの静電容量になるように配置するとともに、実施形態１と同様にキャップ層１００に段差ｔを形成し、キャップ層１００の変形の変曲点を回転中心に合わせた上、検出電極Ｃ１にはプラスの搬送波を印加し、検出電極Ｃ２にはマイナスの搬送波を印加し、その合計をＣＶ変換回路５２に入力して差動検出を実施することにより、理論的には相殺することができる。
　しかし、加速度検出素子Ｓ２Ｅまたはキャップ層１００の変形量が大きい場合は、検出電極Ｃ１、Ｃ２の可動側電極である錘２と固定側電極である貫通電極Ｔ３、Ｔ４との間の距離が短くなるため、２つの電極が接触することはもちろん、接触までは至らない場合でも、センサ感度の異常な増加、センサ出力の線形性の悪化、および、環境振動への耐性が悪化するなどの問題が発生する。
　初期段階（製品出荷段階の変動しない０点出力：０点出力とは、センサに加速度が印加されていない場合のセンサ出力であり、０となることが期待されている）のセンサの０点出力は電気的に補正することができるが、熱硬化性樹脂１５３を採用したパッケージの場合、加圧成形時に樹脂内部には内部応力が発生し、この内部応力は時間とともに緩和されるため、キャップ層１００の変形量も経時的に変化する。さらに、熱硬化性樹脂１５３は環境湿度に応じてその体積が増減する。すなわち、環境湿度に依存してキャップ層１００の変形量が変化する。これら環境的および経時的要因に依存する０点ドリフトは、電気的な補正ができない。
　上記課題を解決するためには、検出電極Ｃ１、Ｃ２の初期および経時的な変動を抑制した上で、変動があった場合でも、その変動量をＣ１とＣ２との間で同じくすることで互いに相殺できるようにする必要がある。
　その具体的な方法としては、貫通電極Ｔ１、Ｔ２を回転軸（ねじれ梁５）に沿って複数個設置してポストとしての役割を持たせ、キャップ層１００の変形をできるだけ小さくするとともに、キャップ層１００に段差ｔを付けることにより、仮に変形が発生した場合でも検出電極Ｃ１、Ｃ２の容量変動を互いに同じくし、差動検出によって相殺できるように構成することが有用である。
　加速度センサＳ２においては、（構成ａ）キャビティＣＡの中心部付近に固定部６を配
置し、（構成ｂ）回転軸に沿って複数個のポスト（貫通電極Ｔ１、Ｔ２）を固定部６上に
配置し、（構成ｃ）検出電極Ｃ１、Ｃ２は、ねじれ梁５（回転軸：Ｂライン）を対称軸と
して第１方向（ｘ方向）に等間隔および同じ容量になるように配置し、（構成ｄ）キャッ
プ層１００は段差ｔを有し、キャップ層１００が変形した場合でも、検出電極Ｃ１、Ｃ２の容量変化が同じになるように構成している。これら（構成ａ）～（構成ｄ）の効果について以下に説明する。
　キャビティＣＡの中央付近（図７のＢライン）に固定部６や梁５を配置し、固定部６上に回転軸（Ｂライン）に沿って貫通電極Ｔ１、Ｔ２を配置することにより、キャップ層１００に対して外部から圧力が印加された場合でも崩れないように、すなわち、その変形量がなるべく小さくなるようにしている。さらに、キャップ層１００は段差ｔを有しているため、キャップ層１００に変形が発生した場合でも、検出電極Ｃ１、Ｃ２の容量変化が同じとなるため、その変形による影響は差動検出により相殺することができる。
　キャップ層１００を厚くすることによりキャップ層１００の変形量を低減させることも容易に考えられる。しかし、貫通電極Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４を形成するためには、キャップ層１００に狭いトレンチを加工し、さらに気密を確保するため絶縁膜１０１（図７、図８の前記貫通電極Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４の左右の絶縁膜）を埋め込む必要がある。一般的には、トレンチの幅とキャップ層１００の厚さの比は２０以下で量産性があるといわれている。そのため、キャップ層１００を厚くすることは量産性の観点から限界がある。本実施形態２においては、トレンチの幅を数μｍ、キャップ層１００の厚さを１００～４００μｍにしている。
　検出電極Ｃ１、Ｃ２を、ねじれ梁５（Ｂライン）を対称軸として第１方向（ｘ方向）に等間隔および同じ容量になるように配置している。また、回転中心（Ｂライン）から第１方向において長さが短いキャビティＣＡ２側のキャップ層１００の厚さは、その反対側のキャビティＣＡ１側のキャップ層１００の厚さより薄く形成されている。すなわち、検出電極Ｃ１、Ｃ２の固定側電極Ｃ１Ｂ、Ｃ２Ｂの第３方向における剛性が同程度になるように調整している。そのため、キャップ層１００が外部からの圧力の印加や周辺環境の変動によって変形した場合でも、検出電極Ｃ１、Ｃ２の容量変動は同じとなり、差動検出によってその影響を相殺することができる。
＜実施の形態２：まとめ＞
　以上のように、本実施形態２に係る加速度センサＳ２は、錘２に電気信号を印加するために設置した貫通電極Ｔ１、Ｔ２を、キャップ層１００を支えるポストとしても活用することにより、キャップ層１００の変形を低減することができる。さらに、キャップ層１００に段差ｔを設けることにより、外部からの圧力や環境変動による検出電極Ｃ１、Ｃ２の容量の変動を相殺し、センサの０点出力の安定性を向上させることができる。
　実施形態１～２において、キャップ層１００に段差ｔを設けることにより、検出電極Ｃ１、Ｃ２の容量変動量を同じにすることを説明した。実施形態１の本質は、キャップ層１００の変曲点が回転中心（Ｂライン）と一致することである。また実施形態２の本質は、貫通電極Ｔ３、Ｔ４の剛性を同じにすることである。すなわち、キャビティＣＡ１、ＣＡ２の大きさに応じて、貫通電極Ｔ３、Ｔ４の剛性を調整することにより、外部からの圧力印加または環境の変動によって発生する変形量を同じくすることができる。したがって、キャップ層１００に段差ｔを設ける以外の手段であっても、キャップ層１００の変曲点および固定側電極Ｃ１Ｂ（Ｔ３）、Ｃ２Ｂ（Ｔ４）の剛性を調整することができれば、実施
形態１～２と同様の効果を発揮することができる。具体例については以下の実施形態３で説明する。
＜実施の形態３＞
　本発明の実施形態３では、キャップ層１００の変曲点および固定側電極Ｃ１Ｂ、Ｃ２Ｂの剛性を調整する方法として、実施形態１～２で説明した構成とは異なる手法について説明する。
　図９は、本実施形態３に係る加速度センサの構成を説明する図である。図９（ｃ）は本実施形態３に係る加速度センサの平面図であり、図２と同様にキャップ層１００を剥がした状態を示している。図９（ｄ）は図９（ｃ）のＤ－Ｄ’断面図である。図９（ａ）は実施形態１に係る加速度センサＳ１の平面図であり、比較のため図９（ｃ）と併記した。図９（ｂ）は図９（ａ）のＣ－Ｃ’断面図である。
　図９においては、キャップ層１００の変曲点を調整するため、段差ｔに代えて孔１０を用いている。孔１０は、絶縁膜１０１の側から錘２に向かって、第３方向（ｚ方向）に沿ってキャップ層１００を貫通しないように形成されている。その他の構成は実施形態１～２と同様である。
　キャップ層１００の変曲点は、孔１０の配置、大きさ、ピッチ、深さを調整することにより、様々に調整することができる。具体的には、回転軸Ｂの左側において右側よりも多くの孔１０を形成することにより、回転軸Ｂ左側におけるキャップ層１００の剛性を右側よりも弱めることができる。また孔１０を用いることにより、段差ｔを設ける場合とは異なりキャップ層１００の厚さを一定に維持することができる。そのため、キャップ層１００上に配置される絶縁層１０１、パッドＥ３、Ｅ４をより簡単な製造方法で形成することができる。
　本実施形態３においては、キャップ層１００の剛性を調整する方法として、キャップ層１００にキャップ層１００を貫通しない円柱状の孔１０を設けている。しかし、四角や帯（溝）のような形を持つ孔であっても同じ効果が得られることは言うまでもなく、円形の孔に限定しているわけではない。
　図１０は、キャップ層１００の変曲点を調整するため、段差ｔに代えてキャップ層１００に溝１１を設けた構成例を示す図である。図１０（ａ）はキャップ層１００の平面図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＥ－Ｅ’断面図である。図１０においては、キャップ層１００の底面、すなわちキャビティＣＡ側に溝１１を形成している。ここでは実施形態２で説明した固定部６の配置を前提としているが、実施形態１で説明した構成においても溝１１を設けることができる。
　図１１は、キャップ層１００の変形の様子を有限要素法で解析した結果を示した図である。図１１（ａ）は溝１１がない場合の解析結果を示し、図１１（ｂ）は溝１１がある場合の解析結果を示す。
　図１１（ａ）に示すように、溝１１がない場合は、貫通電極Ｔ３、Ｔ４の第３方向（ｚ方向）における変位量はそれぞれ異なる。したがって、静電容量変化ΔＣ１、ΔＣ２も異なる値となり、キャップ層１００の変形の影響を差動検出により相殺することができない
。その結果は加速度センサの出力として現れ、加速度が印加されていない状態でも何らかの信号が出力されることになり、期待する０点の値を得ることができない。
　図１１（ｂ）に示すように、溝１１を設けることにより、貫通電極Ｔ３、Ｔ４の第３方向における変位量をほぼ同じくすることができる。したがって、静電容量変化ΔＣ１、ΔＣ２も同じ値となるため、差動検出を用いることによりキャップ層１００の変形の影響を相殺することができる。
＜実施の形態３：孔１０および溝１１についての補足＞
　キャップ層１００の変曲点および剛性を調整するための孔１０や溝１１などの窪みは全て、固定側電極Ｃ１Ｂ、Ｃ２Ｂを周辺のシリコンから分離するトレンチと絶縁膜１０１を跨らないように配置されている。
　孔１０、段差ｔ、溝１１を、トレンチに埋め込まれている絶縁層１０１を跨るように形成する場合は、キャップ層１００のシリコンおよび絶縁層１０１を構成する酸化ケイ素を除去するために実施形態１～２とは異なった製造ステップが必要となる。例えばシリコンを除去するためには、反応性ガスとしてＳＦ６が用いられ、酸化ケイ素膜を除去するためには反応性ガスとしてＣＨＦ３が使われるため、製造工程が多少複雑となる。孔１０や溝１１などの窪みを、トレンチを跨らないように形成する場合は、シリコンだけを加工すればよいので、製造工程を簡素化することができる。
　図９に示すように、孔１０や溝１１などの窪みを、キャップ層１００の外側（すなわち錘２と対向していない側の面）から錘２へ向けて第３方向に沿ってキャップ層１００を貫通しないように形成する場合は、固定側電極Ｃ１ＢまたはＣ２Ｂと錘２との間の距離は窪みの存在によって影響されない。したがってこの場合は、図９（ｃ）の孔１０が示すように、固定側電極Ｃ１ＢまたはＣ２Ｂと第３方向（ｚ方向）において重なる位置（図９（ｃ
）の点線によって囲まれた内側部分）に窪みを配置してもよいし、重ならない位置（図９（ｃ）の点線によって囲まれていない外側部分）に配置してもよい。そのため、検出電極Ｃ１、Ｃ２の容量に影響を与えることなく、キャップ層１００の変曲点および剛性を広範に調整することができる。
　図１０に示すように、孔１０や溝１１などの窪みを、キャップ層１００の内側（すなわち錘２と対向している側の面）から反対面へ向けて第３方向に沿ってキャップ層１００を貫通しないように加工する場合は、固定側電極Ｃ１ＢまたはＣ２Ｂと錘２との間に孔１０または溝１１が位置することになるので、これら窪みの位置によっては、検出電極Ｃ１、Ｃ２と錘２が形成する静電容量が影響を受ける。したがってこの場合は、固定側電極Ｃ１ＢまたはＣ２Ｂと第３方向（ｚ方向）において重ならない位置に窪みを配置することが望ましい。この場合は、キャップ層１００の外側から内側に向けて窪みを形成する場合に比べ、キャップ層１００の変曲点や剛性を調整する自由度は落ちる。反面、窪みの上にパッドＥ１、Ｅ３、Ｅ４などを形成する必要がないため、パッドＥ１、Ｅ３、Ｅ４の形成および配置、配線の引き回しが楽になる。
＜本発明の変形例について＞
　本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。例えば、上記実施形態においてはキャップ層１００の剛性を調整する手段として、段差ｔ、孔１０、溝１１を例示したが、これら以外の構造を用いる場合であっても、回転軸Ｂの両側においてキャップ層１００のＸＹ面内における単位面積当たりの質量を互いに異なるように構成することができれば、同様の効果を発揮することができると考えられる。
　以上の実施形態１～３においては、段差ｔ、孔１０、溝１１を用いて、キャップ層１００の変曲点および剛性、さらには固定側電極Ｔ３（Ｃ１Ｂ）、Ｔ４（Ｃ２Ｂ）の第３方向
における変位量を調整することができることを示した。しかし、これらの方法は互いに独立したものに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、孔１０と溝１１を組み合わせてキャップ層１００の表または裏にこれら窪みを形成することもできる。さらに、必要に応じて段差ｔを組み合わせてもよい。
　以上の実施形態１～３では、説明の便宜上、熱硬化樹脂１５３を用いたパッケージング技術を採用した場合を説明したが、加速度検出素子が複数の材料で構成されていることから、線膨張係数の違いによる加速度検出素子の変形も容易に想定される。そのため、セラミックパッケージや、あらかじめプラスチックを成形しその中に構成要素を実装するプレモールドパッケージなど、加速度検出素子自身の変形や実装による歪を伴う様々なパッケージ技術においても、本発明の概念は有用である。
　本発明は、自動車、ロボットなどの姿勢検知、カメラのぶれ補正、ナビゲーションの姿勢・方向検知、ゲーム機の姿勢検知用のセンサなどの分野において幅広く利用することができる。特に、移動体での使用や、周辺にエンジン、モーター、電磁石、マイコンなど発熱源がある場合において、その効果を発揮することが期待できる。
Ｓ１～Ｓ２：加速度センサ
１ａ：支持基板
１ｂ：中間絶縁層
１ｃ：デバイス層
２：錘
５：ねじれ梁
６：固定部
Ｃ１～Ｃ２：検出電極
Ｃ１Ｂ：検出電極の固定側電極
Ｃ２Ｂ：検出電極の固定側電極
ＣＡ：キャビティ
ＣＡ１：キャビティ
ＣＡ２：キャビティ
Ｔ１～Ｔ２：貫通電極（ポスト）
Ｔ３～Ｔ４：貫通電極（検出電極の固定側電極）
Ｅ１～Ｅ４：パッド
１０１：絶縁膜
５０：信号処理ＩＣ
５１：搬送波
５２：ＣＶ変換回路
５３：同期検波回路
５４：ＡＤ変換部
１００：キャップ層
１５０：リードフレーム
１５１：接着剤
１５２：ワイヤ
１５３：熱硬化性樹脂

Claims (12)

  1. 　加速度を検出する加速度センサであって、
    　互いに直交する第１および第２方向によって形成される面内に配置された支持基板、
    　空隙部分を有し前記支持基板上に配置された固定部、
    　前記空隙部分を覆うキャップ層、
    　前記支持基板と前記キャップ層が前記空隙部分を囲むことによって形成されたキャビティ内に配置された錘、
    　前記固定部と前記錘との間を架橋する梁部、
    　前記キャップ層の一部として形成されるとともに前記梁部を挟んで配置され、それぞれ前記錘との間で静電容量を形成する第１および第２検出電極、
    　を備え、
    　前記錘は、前記第１および第２方向と直交する第３方向における加速度が印加されると前記梁部を回転軸として回転するように構成されるとともに、前記回転軸の両側の重さが互いに異なるように構成されており、
    　前記キャップ層は、前記第１および第２方向によって形成される面内における単位面積当たりの質量が、前記梁部を挟んだ両側において互いに異なるように形成されており、
    　前記回転軸を中心として前記錘の重さが軽い側における前記キャップ層の前記単位面積当たりの質量は、前記錘の重さが重い側における前記キャップ層の前記単位面積当たりの質量よりも軽い
    　ことを特徴とする加速度センサ。
  2. 　前記キャップ層は、前記キャップ層を貫通することにより前記キャップ層を複数部分に分割して互いに電気的に分離するトレンチを有し、
    　前記キャップ層はさらに、前記キャップ層を貫通せず、かつ前記トレンチを跨らないように形成された窪みを有する
    　ことを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
  3. 　前記キャップ層は、前記梁部を挟んだ両側において前記窪みを互いに異なる個数形成することにより、前記単位面積当たりの質量が前記梁部を挟んだ両側において互いに異なるように形成されている
    　ことを特徴とする請求項２記載の加速度センサ。
  4. 　前記第１および第２検出電極は、前記キャップ層を前記トレンチによって分割することにより形成されており、
    　前記窪みは、前記キャップ層の前記錘と対向していない側の面から前記錘に向かって前記第３方向に沿って形成されている
    　ことを特徴とする請求項３記載の加速度センサ。
  5. 　前記第１および第２電極は、前記キャップ層を前記トレンチによって分割することにより形成されており、
    　前記窪みは、前記キャップ層の前記錘と対向している側の面から前記錘に向かって前記第３方向に沿って形成されるとともに、前記第３方向において前記第１および第２検出電極と重ならない位置に配置されている
    　ことを特徴とする請求項３記載の加速度センサ。
  6. 　前記加速度センサはさらに、前記第１および第２検出電極と前記錘との間で形成される静電容量を差動検出することにより前記加速度を検出する回路を備える
    　ことを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
  7. 　前記錘は前記第１および第２方向によって形成される面内において前記固定部を囲むように形成され、前記固定部は前記回転軸上に配置されており、
    　前記加速度センサはさらに、前記キャップ層を貫通して前記固定部と接触する貫通電極を備える
    　ことを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
  8. 　前記加速度センサはさらに、前記第１および第２検出電極と前記錘との間で形成される静電容量を検出するために必要な電気信号、または前記錘を駆動するために必要な電気信号を、前記貫通電極を介して前記錘との間で入出力する回路を備える
    　ことを特徴とする請求項７記載の加速度センサ。
  9. 　前記支持基板、前記錘、および前記キャップ層は、シリコンを用いて形成されている
    　ことを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
  10. 　前記支持基板、前記錘、および前記キャップ層は、加速度を検出する加速度検出素子として構成されており、
    　前記加速度センサはさらに、加圧成形された熱硬化性樹脂により形成されたパッケージを備え、
    　前記パッケージは、前記加速度検出素子をパッケージングする
    　ことを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
  11. 　前記加速度センサはさらに、前記加速度検出素子との間で電気信号を送受信する回路を備え、
    　前記回路はリードフレーム上に配置されており、
    　前記加速度検出素子は前記回路上に配置されており、
    　前記回路と前記加速度検出素子は、導電性ワイヤによって接続されている
    　ことを特徴とする請求項１０記載の加速度センサ。
  12. 　前記キャップ層は、前記第３方向における厚さが異なる部分を有することにより、前記単位面積当たりの質量が前記梁部を挟んだ両側において互いに異なるように形成されている
    　ことを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
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