JP2003240798A - 容量式力学量センサ - Google Patents
容量式力学量センサInfo
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- G01P2015/0808—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 in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate
- G01P2015/0811—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 in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass
- G01P2015/0814—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 in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass for translational movement of the mass, e.g. shuttle type
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 容量式加速度センサにおいて、感度を低下さ
せずに加工ばらつきのセンサ特性への影響を低減できる
ようにする。 【解決手段】 加速度の印加に応じてＹ方向に変位する
バネ機能を有する梁部２２と、この梁部２２に一体に形
成されて梁部２２の変位方向Ｙと直交する方向に延びる
梁形状を有し梁部２２とともに梁部の変位方向に変位可
能な可動電極２４と、可動電極２４に対向して配置され
た固定電極３２、４２とを備え、加速度の印加に伴う可
動電極２４と固定電極３２、４２との間の容量変化に基
づいて加速度を検出するようにした容量式加速度センサ
Ｓ１において、梁部２２の変位方向Ｙにおける可動電極
２４と固定電極３２、４２との間隔である電極間隔ｄ
と、梁部２２におけるその変位方向Ｙと直交する方向に
延びる部分の幅である梁幅ｂとが略同一である。
せずに加工ばらつきのセンサ特性への影響を低減できる
ようにする。 【解決手段】 加速度の印加に応じてＹ方向に変位する
バネ機能を有する梁部２２と、この梁部２２に一体に形
成されて梁部２２の変位方向Ｙと直交する方向に延びる
梁形状を有し梁部２２とともに梁部の変位方向に変位可
能な可動電極２４と、可動電極２４に対向して配置され
た固定電極３２、４２とを備え、加速度の印加に伴う可
動電極２４と固定電極３２、４２との間の容量変化に基
づいて加速度を検出するようにした容量式加速度センサ
Ｓ１において、梁部２２の変位方向Ｙにおける可動電極
２４と固定電極３２、４２との間隔である電極間隔ｄ
と、梁部２２におけるその変位方向Ｙと直交する方向に
延びる部分の幅である梁幅ｂとが略同一である。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、力学量の印加に応
じて所定方向に変位可能な可動電極とこれに対向する固
定電極とを備え、力学量の印加に応じた両電極間の容量
変化に基づき印加力学量を検出する容量式力学量センサ
に関する。
じて所定方向に変位可能な可動電極とこれに対向する固
定電極とを備え、力学量の印加に応じた両電極間の容量
変化に基づき印加力学量を検出する容量式力学量センサ
に関する。
【０００２】
【従来の技術】この種の容量式力学量センサの一般的な
平面構成を図７に示す。このセンサは、半導体基板等の
基板１０にトレンチエッチングを施すことで溝を形成す
ることにより、梁部２２およびこれに一体形成された可
動電極２４からなる可動部と、可動電極に対向した固定
電極３２、４２とが形成されたものである。
平面構成を図７に示す。このセンサは、半導体基板等の
基板１０にトレンチエッチングを施すことで溝を形成す
ることにより、梁部２２およびこれに一体形成された可
動電極２４からなる可動部と、可動電極に対向した固定
電極３２、４２とが形成されたものである。
【０００３】梁部２２は、力学量の印加に応じて図７中
の矢印Ｙ方向に変位するバネ機能を有するもので、この
変位方向Ｙと直交する方向に延びる梁形状を有する。可
動電極２４は、梁部２２に一体に形成されて梁部２２の
変位方向Ｙと直交する方向に延びる梁形状を有し、梁部
２２とともに変位方向Ｙに変位可能となっている。図示
例では可動電極２４は櫛歯形状となっている。
の矢印Ｙ方向に変位するバネ機能を有するもので、この
変位方向Ｙと直交する方向に延びる梁形状を有する。可
動電極２４は、梁部２２に一体に形成されて梁部２２の
変位方向Ｙと直交する方向に延びる梁形状を有し、梁部
２２とともに変位方向Ｙに変位可能となっている。図示
例では可動電極２４は櫛歯形状となっている。
【０００４】また、固定電極３２、４２は、基板１０に
固定支持され、可動電極２４に対向して配置された櫛歯
形状をなしている。ここで、図７中の左側の可動電極２
４と固定電極３２との間隔（電極間隔）ｄに形成される
容量をＣＳ１、右側の可動電極２４と固定電極４２との
間隔（電極間隔）ｄに形成される容量をＣＳ２とする。
固定支持され、可動電極２４に対向して配置された櫛歯
形状をなしている。ここで、図７中の左側の可動電極２
４と固定電極３２との間隔（電極間隔）ｄに形成される
容量をＣＳ１、右側の可動電極２４と固定電極４２との
間隔（電極間隔）ｄに形成される容量をＣＳ２とする。
【０００５】そして、この容量式力学量センサにおいて
は、力学量の印加に伴い、左右の可動電極２４と固定電
極３２、４２との間の容量ＣＳ１、ＣＳ２が変化する。
この変化した容量の差（ＣＳ１−ＣＳ２）に基づいて力
学量が検出されるようになっている。
は、力学量の印加に伴い、左右の可動電極２４と固定電
極３２、４２との間の容量ＣＳ１、ＣＳ２が変化する。
この変化した容量の差（ＣＳ１−ＣＳ２）に基づいて力
学量が検出されるようになっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したよ
うに、一般に容量式力学量センサは、半導体基板などの
基板１０にトレンチエッチングにより溝を形成して、梁
部２２や可動、固定の電極部２４、３２、４２を同時に
形成している。
うに、一般に容量式力学量センサは、半導体基板などの
基板１０にトレンチエッチングにより溝を形成して、梁
部２２や可動、固定の電極部２４、３２、４２を同時に
形成している。
【０００７】つまり、梁部２２と可動電極２４および固
定電極３２、４２との電極間隔ｄはトレンチエッチング
により同時に形成されるため、梁部２２の梁幅ｂと電極
間隔ｄとでは加工ばらつき量は略同じとなる。例えば、
梁幅ｂが設計値よりも太くばらつけば、電極間隔ｄもこ
れと同じばらつき量にて狭くなる。
定電極３２、４２との電極間隔ｄはトレンチエッチング
により同時に形成されるため、梁部２２の梁幅ｂと電極
間隔ｄとでは加工ばらつき量は略同じとなる。例えば、
梁幅ｂが設計値よりも太くばらつけば、電極間隔ｄもこ
れと同じばらつき量にて狭くなる。
【０００８】そのため、加工ばらつきが大きいと、電極
間隔ｄのばらつきも大きくなり、結果、センサ毎のセン
サ特性のばらつきも大きくなってしまう。ここで、梁幅
ｂ、電極間隔ｄを大とすれば、相対的に加工ばらつきの
センサ特性への影響が小さくなるが、電極間の容量ＣＳ
１、ＣＳ２が小さくなり、センサの感度が低下してしま
う。
間隔ｄのばらつきも大きくなり、結果、センサ毎のセン
サ特性のばらつきも大きくなってしまう。ここで、梁幅
ｂ、電極間隔ｄを大とすれば、相対的に加工ばらつきの
センサ特性への影響が小さくなるが、電極間の容量ＣＳ
１、ＣＳ２が小さくなり、センサの感度が低下してしま
う。
【０００９】そこで、本発明は上記問題に鑑み、容量式
力学量センサにおいて、感度を低下させずに加工ばらつ
きのセンサ特性への影響を低減できるようにすることを
目的とする。
力学量センサにおいて、感度を低下させずに加工ばらつ
きのセンサ特性への影響を低減できるようにすることを
目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明では、梁形状をなすとともに
力学量の印加に応じて所定方向に変位するバネ機能を有
する梁部（２２）と、この梁部に一体に形成されて梁部
の変位方向（Ｙ）と直交する方向に延びる梁形状を有
し、梁部とともに梁部の変位方向に変位可能な可動電極
（２４）と、可動電極に対向して配置された固定電極
（３２、４２）とを備え、力学量の印加に伴う可動電極
と固定電極との間の容量変化に基づいて力学量を検出す
るようにした容量式力学量センサにおいて、梁部の変位
方向における可動電極と固定電極との間隔である電極間
隔（ｄ）と、梁部におけるその変位方向と直交する方向
に延びる部分の幅である梁幅（ｂ）とが略同一であるこ
とを特徴とする。
め、請求項１に記載の発明では、梁形状をなすとともに
力学量の印加に応じて所定方向に変位するバネ機能を有
する梁部（２２）と、この梁部に一体に形成されて梁部
の変位方向（Ｙ）と直交する方向に延びる梁形状を有
し、梁部とともに梁部の変位方向に変位可能な可動電極
（２４）と、可動電極に対向して配置された固定電極
（３２、４２）とを備え、力学量の印加に伴う可動電極
と固定電極との間の容量変化に基づいて力学量を検出す
るようにした容量式力学量センサにおいて、梁部の変位
方向における可動電極と固定電極との間隔である電極間
隔（ｄ）と、梁部におけるその変位方向と直交する方向
に延びる部分の幅である梁幅（ｂ）とが略同一であるこ
とを特徴とする。
【００１１】本発明は、本発明者の行った解析結果に基
づくものであり、それによれば、電極間隔（ｄ）と梁幅
（ｂ）とを略同一とすることで、感度への加工ばらつき
の影響を最も受けにくくできる。
づくものであり、それによれば、電極間隔（ｄ）と梁幅
（ｂ）とを略同一とすることで、感度への加工ばらつき
の影響を最も受けにくくできる。
【００１２】そのため、本発明によれば、電極間隔を大
きくすることなく電極間隔と梁幅とを略同一とすること
により、感度を低下させずに加工ばらつきのセンサ特性
への影響を低減することができる。
きくすることなく電極間隔と梁幅とを略同一とすること
により、感度を低下させずに加工ばらつきのセンサ特性
への影響を低減することができる。
【００１３】ここで、請求項２に記載の発明のように、
梁部（２２）は、平行な２本の梁が両端で連結された矩
形枠状をなすものであってこれら２本の梁の長手方向と
直交する方向に変位するものであり、梁幅は個々の梁の
幅（ｂ）であるものにできる。
梁部（２２）は、平行な２本の梁が両端で連結された矩
形枠状をなすものであってこれら２本の梁の長手方向と
直交する方向に変位するものであり、梁幅は個々の梁の
幅（ｂ）であるものにできる。
【００１４】そして、請求項１または請求項２に記載の
容量式力学量センサは、上述したように、梁部（２
２）、可動電極（２４）および固定電極（３２、４２）
が、基板（１２）にトレンチエッチングを行い溝（１
４）を形成することで同時に形成されるものに効果を発
揮する。
容量式力学量センサは、上述したように、梁部（２
２）、可動電極（２４）および固定電極（３２、４２）
が、基板（１２）にトレンチエッチングを行い溝（１
４）を形成することで同時に形成されるものに効果を発
揮する。
【００１５】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一
例である。
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一
例である。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。本実施形態は、容量式力学量センサ
として、差動容量式の半導体加速度センサ（容量式加速
度センサ）について本発明を適用したものである。
について説明する。本実施形態は、容量式力学量センサ
として、差動容量式の半導体加速度センサ（容量式加速
度センサ）について本発明を適用したものである。
【００１７】図１は半導体加速度センサＳ１の平面構成
を示す図、図２は図１中のＡ−Ａ線に沿った模式的な断
面構造を示す図、図３は図１中のＢ−Ｂ線に沿った模式
的な断面構造を示す図である。この半導体加速度センサ
Ｓ１は、例えば、エアバッグ、ＡＢＳ、ＶＳＣ等の作動
制御を行うための自動車用加速度センサやジャイロセン
サ等に適用できる。
を示す図、図２は図１中のＡ−Ａ線に沿った模式的な断
面構造を示す図、図３は図１中のＢ−Ｂ線に沿った模式
的な断面構造を示す図である。この半導体加速度センサ
Ｓ１は、例えば、エアバッグ、ＡＢＳ、ＶＳＣ等の作動
制御を行うための自動車用加速度センサやジャイロセン
サ等に適用できる。
【００１８】半導体加速度センサ（以下、単にセンサと
いう）Ｓ１は、半導体基板に周知のマイクロマシン加工
を施すことにより形成される。センサＳ１を構成する半
導体基板は、図２および図３に示す様に、第１の半導体
層としての第１シリコン基板１１と第２の半導体層とし
ての第２シリコン基板１２との間に、絶縁層としての酸
化膜１３を有する矩形状のＳＯＩ基板１０である。
いう）Ｓ１は、半導体基板に周知のマイクロマシン加工
を施すことにより形成される。センサＳ１を構成する半
導体基板は、図２および図３に示す様に、第１の半導体
層としての第１シリコン基板１１と第２の半導体層とし
ての第２シリコン基板１２との間に、絶縁層としての酸
化膜１３を有する矩形状のＳＯＩ基板１０である。
【００１９】第２シリコン基板１２には、溝１４を形成
することにより、可動部２０及び固定部３０、４０より
なる櫛歯形状を有する梁構造体が形成されている。ま
た、酸化膜１３のうち上記梁構造体２０〜４０の形成領
域に対応した部位は、矩形状に除去されて開口部１５を
形成している。
することにより、可動部２０及び固定部３０、４０より
なる櫛歯形状を有する梁構造体が形成されている。ま
た、酸化膜１３のうち上記梁構造体２０〜４０の形成領
域に対応した部位は、矩形状に除去されて開口部１５を
形成している。
【００２０】このようなセンサＳ１は、次のように製造
される。ＳＯＩ基板１０の第２シリコン基板１２にフォ
トリソグラフ技術を用いて梁構造体に対応した形状のマ
スクを形成した後、ＣＦ４やＳＦ６等のガスを用いてド
ライエッチング等にてトレンチエッチングを行い溝１４
を形成することによって梁構造体２０〜４０を一括して
形成する。続いて、フッ酸等を用いた犠牲層エッチング
等により酸化膜１３の除去を行い、開口部１５を形成す
ることで製造することができる。
される。ＳＯＩ基板１０の第２シリコン基板１２にフォ
トリソグラフ技術を用いて梁構造体に対応した形状のマ
スクを形成した後、ＣＦ４やＳＦ６等のガスを用いてド
ライエッチング等にてトレンチエッチングを行い溝１４
を形成することによって梁構造体２０〜４０を一括して
形成する。続いて、フッ酸等を用いた犠牲層エッチング
等により酸化膜１３の除去を行い、開口部１５を形成す
ることで製造することができる。
【００２１】開口部１５上を横断するように配置された
可動部２０は、矩形状の錘部２１の両端を、梁部２２を
介してアンカー部２３ａ及び２３ｂに一体に連結した構
成となっている。これらアンカー部２３ａ及び２３ｂ
は、図３に示すように、酸化膜１３における開口部１５
の開口縁部に固定され、支持基板としての第１シリコン
基板１１上に支持されている。これにより、錘部２１及
び梁部２２は、開口部１５に臨んだ状態となっている。
可動部２０は、矩形状の錘部２１の両端を、梁部２２を
介してアンカー部２３ａ及び２３ｂに一体に連結した構
成となっている。これらアンカー部２３ａ及び２３ｂ
は、図３に示すように、酸化膜１３における開口部１５
の開口縁部に固定され、支持基板としての第１シリコン
基板１１上に支持されている。これにより、錘部２１及
び梁部２２は、開口部１５に臨んだ状態となっている。
【００２２】また、梁部２２は、平行な２本の梁がその
両端で連結された矩形枠状をなしており、２本の梁の長
手方向と直交する方向に変位するバネ機能を有する。具
体的には、梁部２２は、図１中の矢印Ｙ方向の成分を含
む加速度を受けたときに錘部２１を矢印Ｙ方向へ変位さ
せるとともに、加速度の消失に応じて元の状態に復元さ
せるようになっている。
両端で連結された矩形枠状をなしており、２本の梁の長
手方向と直交する方向に変位するバネ機能を有する。具
体的には、梁部２２は、図１中の矢印Ｙ方向の成分を含
む加速度を受けたときに錘部２１を矢印Ｙ方向へ変位さ
せるとともに、加速度の消失に応じて元の状態に復元さ
せるようになっている。
【００２３】よって、可動部２０は、加速度の印加に応
じて、開口部１５上にて梁部２２の変位方向すなわち上
記矢印Ｙ方向へ変位可能となっている。以下、矢印Ｙ方
向を梁部２２の変位方向Ｙと言うこととする。
じて、開口部１５上にて梁部２２の変位方向すなわち上
記矢印Ｙ方向へ変位可能となっている。以下、矢印Ｙ方
向を梁部２２の変位方向Ｙと言うこととする。
【００２４】また、可動部２０は、梁部２２の変位方向
Ｙと直交した方向にて、錘部２１の両側面から互いに反
対方向へ延びる梁形状をなす複数個の可動電極２４を備
えている。図１では、可動電極２４は、錘部２１の左側
及び右側に各々４個ずつ突出して形成され、各可動電極
２４は断面矩形の梁状に形成されて、開口部１５に臨ん
だ状態となっている。
Ｙと直交した方向にて、錘部２１の両側面から互いに反
対方向へ延びる梁形状をなす複数個の可動電極２４を備
えている。図１では、可動電極２４は、錘部２１の左側
及び右側に各々４個ずつ突出して形成され、各可動電極
２４は断面矩形の梁状に形成されて、開口部１５に臨ん
だ状態となっている。
【００２５】このように、各可動電極２４は、梁部２２
及び錘部２１と一体的に形成されることにより、梁部２
２及び錘部２１とともに梁部２２の変位方向Ｙに変位可
能となっている。
及び錘部２１と一体的に形成されることにより、梁部２
２及び錘部２１とともに梁部２２の変位方向Ｙに変位可
能となっている。
【００２６】固定部３０、４０は、酸化膜１３における
開口部１５の開口縁部における対向辺部のうち、アンカ
ー部２３ａ、２３ｂが支持されていないもう１組の対向
辺部に支持されている。ここで、固定部３０、４０は、
錘部２１を挟んで２個設けられており、図１中の左側に
位置する第１の固定部３０と、図１中の右側に位置する
第２の固定部４０とより成り、両固定部３０、４０は互
いに電気的に独立している。
開口部１５の開口縁部における対向辺部のうち、アンカ
ー部２３ａ、２３ｂが支持されていないもう１組の対向
辺部に支持されている。ここで、固定部３０、４０は、
錘部２１を挟んで２個設けられており、図１中の左側に
位置する第１の固定部３０と、図１中の右側に位置する
第２の固定部４０とより成り、両固定部３０、４０は互
いに電気的に独立している。
【００２７】各固定部３０、４０は、酸化膜１３におけ
る開口部１５の開口縁部に固定されて第１シリコン基板
１１に支持された配線部３１及び４１と、可動電極２４
の側面と所定の検出間隔を存して平行した状態で対向配
置された複数個（図示例では４個ずつ）の固定電極３２
及び４２とを有した構成となっている。
る開口部１５の開口縁部に固定されて第１シリコン基板
１１に支持された配線部３１及び４１と、可動電極２４
の側面と所定の検出間隔を存して平行した状態で対向配
置された複数個（図示例では４個ずつ）の固定電極３２
及び４２とを有した構成となっている。
【００２８】ここで、第１の固定部３０側の固定電極３
２を第１の固定電極３２、第２の固定部４０側の固定電
極４２を第２の固定電極４２とする。各固定電極３２及
び４２は、可動電極２４に対して略平行に延びる断面矩
形の梁状に形成されて、各配線部３１、４１に片持ち状
に支持された状態となっている。
２を第１の固定電極３２、第２の固定部４０側の固定電
極４２を第２の固定電極４２とする。各固定電極３２及
び４２は、可動電極２４に対して略平行に延びる断面矩
形の梁状に形成されて、各配線部３１、４１に片持ち状
に支持された状態となっている。
【００２９】また、各固定部３０、４０の各配線部３
１、４１上の所定位置には、それぞれワイヤボンディン
グ用の固定電極パッド３１ａ、４１ａが形成されてい
る。また、一方のアンカー部２３ｂと一体に連結された
状態で、可動電極用配線部２５が形成されており、この
配線部２５上の所定位置には、ワイヤボンディング用の
可動電極パッド２５ａが形成されている。上記の各電極
パッド２５ａ、３１ａ、４１ａは、例えばアルミニウム
により形成されている。
１、４１上の所定位置には、それぞれワイヤボンディン
グ用の固定電極パッド３１ａ、４１ａが形成されてい
る。また、一方のアンカー部２３ｂと一体に連結された
状態で、可動電極用配線部２５が形成されており、この
配線部２５上の所定位置には、ワイヤボンディング用の
可動電極パッド２５ａが形成されている。上記の各電極
パッド２５ａ、３１ａ、４１ａは、例えばアルミニウム
により形成されている。
【００３０】また、本センサＳ１は、第１シリコン基板
１１の裏面すなわち酸化膜１３とは反対側の面側におい
て接着剤等を介して図示しないパッケージに固定され
る。このパッケージには、後述する回路手段１００が収
納されている。そして、この回路手段１００と上記の各
電極パッド２５ａ、３１ａ、４１ａとは、金もしくはア
ルミニウムのワイヤボンディング等により形成されたワ
イヤにより電気的に接続される。
１１の裏面すなわち酸化膜１３とは反対側の面側におい
て接着剤等を介して図示しないパッケージに固定され
る。このパッケージには、後述する回路手段１００が収
納されている。そして、この回路手段１００と上記の各
電極パッド２５ａ、３１ａ、４１ａとは、金もしくはア
ルミニウムのワイヤボンディング等により形成されたワ
イヤにより電気的に接続される。
【００３１】このような構成においては、第１の固定電
極３２と可動電極２４との電極間隔ｄに第１の容量ＣＳ
１、第２の固定電極４２と可動電極２４との電極間隔ｄ
に第２の容量ＣＳ２が形成されている。
極３２と可動電極２４との電極間隔ｄに第１の容量ＣＳ
１、第２の固定電極４２と可動電極２４との電極間隔ｄ
に第２の容量ＣＳ２が形成されている。
【００３２】そして、加速度を受けると、梁部２２のバ
ネ機能により、アンカー部を除く可動部２０全体が一体
的に梁部２２の変位方向Ｙへ変位し、可動電極２４の変
位に応じて上記各容量ＣＳ１、ＣＳ２が変化する。そし
て、上記検出回路１００は、可動電極２４と固定電極３
２、４２による差動容量（ＣＳ１−ＣＳ２）の変化に基
づいて加速度を検出する。
ネ機能により、アンカー部を除く可動部２０全体が一体
的に梁部２２の変位方向Ｙへ変位し、可動電極２４の変
位に応じて上記各容量ＣＳ１、ＣＳ２が変化する。そし
て、上記検出回路１００は、可動電極２４と固定電極３
２、４２による差動容量（ＣＳ１−ＣＳ２）の変化に基
づいて加速度を検出する。
【００３３】図４に、本センサＳ１の検出回路図を示
す。検出回路１００において、１１０はスイッチドキャ
パシタ回路（ＳＣ回路）であり、このＳＣ回路１１０
は、容量がＣｆであるコンデンサ１１１、スイッチ１１
２及び差動増幅回路１１３を備え、入力された容量差
（ＣＳ１−ＣＳ２）を電圧に変換するものである。
す。検出回路１００において、１１０はスイッチドキャ
パシタ回路（ＳＣ回路）であり、このＳＣ回路１１０
は、容量がＣｆであるコンデンサ１１１、スイッチ１１
２及び差動増幅回路１１３を備え、入力された容量差
（ＣＳ１−ＣＳ２）を電圧に変換するものである。
【００３４】そして、本センサＳ１においては、例え
ば、固定電極パッド３１ａから振幅Ｖｃｃの搬送波１、
固定電極パッド４１ａから搬送波１と位相が１８０°ず
れた搬送波２を入力し、ＳＣ回路１１０のスイッチ１１
２を所定のタイミングで開閉する。そして、印加加速度
は、下記の数式１に示す様に、電圧値Ｖ０として出力さ
れる。
ば、固定電極パッド３１ａから振幅Ｖｃｃの搬送波１、
固定電極パッド４１ａから搬送波１と位相が１８０°ず
れた搬送波２を入力し、ＳＣ回路１１０のスイッチ１１
２を所定のタイミングで開閉する。そして、印加加速度
は、下記の数式１に示す様に、電圧値Ｖ０として出力さ
れる。
【００３５】
【数１】Ｖ０＝（ＣＳ１ −ＣＳ２）・Ｖｃｃ／Ｃｆ
ところで、本実施形態では、上記のセンサＳ１におい
て、梁部２２の変位方向Ｙにおける可動電極２４と固定
電極３２、４２との間隔である電極間隔ｄと、梁部２２
におけるその変位方向Ｙと直交する方向に延びる部分の
幅である梁幅ｂとを略同一とした独自の構成を採用して
いる。なお、これら両寸法ｄ、ｂは図１参照のこと。
て、梁部２２の変位方向Ｙにおける可動電極２４と固定
電極３２、４２との間隔である電極間隔ｄと、梁部２２
におけるその変位方向Ｙと直交する方向に延びる部分の
幅である梁幅ｂとを略同一とした独自の構成を採用して
いる。なお、これら両寸法ｄ、ｂは図１参照のこと。
【００３６】図１に示すセンサＳ１では、梁幅ｂは、平
行な２本の梁が両端で連結された矩形枠状をなす梁部２
２における個々の梁の幅である。そして、このような構
成を採用することにより、電極間隔ｄを大きくすること
なく、すなわちセンサの感度を低下させることなく、加
工ばらつきのセンサ特性への影響を低減することができ
る。
行な２本の梁が両端で連結された矩形枠状をなす梁部２
２における個々の梁の幅である。そして、このような構
成を採用することにより、電極間隔ｄを大きくすること
なく、すなわちセンサの感度を低下させることなく、加
工ばらつきのセンサ特性への影響を低減することができ
る。
【００３７】この独自の構成を採用した根拠は、次に述
べる本発明者の行った解析結果に基づくものである。上
述した検出方法からわかるように、一般に、この種の容
量式力学量センサにおいては、感度は容量変化に比例す
る。
べる本発明者の行った解析結果に基づくものである。上
述した検出方法からわかるように、一般に、この種の容
量式力学量センサにおいては、感度は容量変化に比例す
る。
【００３８】ここで、容量変化をΔＣ、加速度が０のと
きの電極間容量値（可動電極と固定電極との間の容量
値）をＣ0、可動部２０の質量をｍ、梁部２２のバネ定
数をｋ、電極間隔を上記のｄとすると、容量変化ΔＣ
は、次の数式２にて表される。
きの電極間容量値（可動電極と固定電極との間の容量
値）をＣ0、可動部２０の質量をｍ、梁部２２のバネ定
数をｋ、電極間隔を上記のｄとすると、容量変化ΔＣ
は、次の数式２にて表される。
【００３９】
【数２】ΔＣ＝（２・Ｃ0・ｍ）／（ｋ・ｄ）
また、感度すなわち容量変化ΔＣは、上記梁部２２や電
極２４、３２、４２等の梁構造体をトレンチエッチング
や犠牲層エッチングによって形成する際の加工ばらつ
き、すなわちエッチングばらつきによって、ばらつく。
極２４、３２、４２等の梁構造体をトレンチエッチング
や犠牲層エッチングによって形成する際の加工ばらつ
き、すなわちエッチングばらつきによって、ばらつく。
【００４０】この加工ばらつきは、上記エッチングを行
って残された梁部２２および電極２４、３２、４２部分
における基板平面方向の寸法ばらつきと、基板厚み方向
の寸法ばらつきとがある。前者を残し幅ばらつきΔｄ、
後者を厚さばらつきΔｈとする。
って残された梁部２２および電極２４、３２、４２部分
における基板平面方向の寸法ばらつきと、基板厚み方向
の寸法ばらつきとがある。前者を残し幅ばらつきΔｄ、
後者を厚さばらつきΔｈとする。
【００４１】そして、電極２４、３２、４２厚さおよび
梁部２２における梁の厚さをｈ、電極幅をＷとし、さら
に上記梁幅ｂ、上記電極間隔ｄを用いると、上記数式２
より、感度ΔＣは次の数式３にて表される。なお、これ
ら寸法ｈ、Ｗ、ｂ、ｄは図１参照のこと。
梁部２２における梁の厚さをｈ、電極幅をＷとし、さら
に上記梁幅ｂ、上記電極間隔ｄを用いると、上記数式２
より、感度ΔＣは次の数式３にて表される。なお、これ
ら寸法ｈ、Ｗ、ｂ、ｄは図１参照のこと。
【００４２】
【数３】
【００４３】ここで、上記数式３は、次に示す数式４、
数式５に順次変形され、最終的に数式６に示すように変
形される。
数式５に順次変形され、最終的に数式６に示すように変
形される。
【００４４】
【数４】
【００４５】
【数５】
【００４６】
【数６】
【００４７】この数式６から、梁幅ｂと電極間隔ｄが同
一すなわちｂ＝ｄとなるときが、数式６の右辺中の分母
が最小となる。
一すなわちｂ＝ｄとなるときが、数式６の右辺中の分母
が最小となる。
【００４８】図５は、この数式６による加工ばらつきと
しての残し幅ばらつきΔｄと感度としての容量変化ΔＣ
との関係を示す図である。図５では、数式６におけるｂ
＝ｄの場合を実線のグラフ線にて示し、ｂ＞ｄの場合を
破線のグラフ線にて示している。図５に示すように、２
次関数の変曲点が、ｂ＝ｄのときは残し幅ばらつきΔｄ
＝０の点に位置し、ｂ≠ｄのときはΔｄ＝０の点からず
れる。
しての残し幅ばらつきΔｄと感度としての容量変化ΔＣ
との関係を示す図である。図５では、数式６におけるｂ
＝ｄの場合を実線のグラフ線にて示し、ｂ＞ｄの場合を
破線のグラフ線にて示している。図５に示すように、２
次関数の変曲点が、ｂ＝ｄのときは残し幅ばらつきΔｄ
＝０の点に位置し、ｂ≠ｄのときはΔｄ＝０の点からず
れる。
【００４９】実際の加工において、残し幅ばらつきΔｄ
は、０μｍを中心として範囲を持つ。例えば、Δｄが−
１μｍ〜＋１μｍばらついたとすると、図５から明らか
なように、ｂ＝ｄのときの感度ΔＣのばらつきΔΔＣ１
の方が、ｂ＞ｄのときの感度ΔＣのばらつきΔΔＣ２よ
りも小さい。
は、０μｍを中心として範囲を持つ。例えば、Δｄが−
１μｍ〜＋１μｍばらついたとすると、図５から明らか
なように、ｂ＝ｄのときの感度ΔＣのばらつきΔΔＣ１
の方が、ｂ＞ｄのときの感度ΔＣのばらつきΔΔＣ２よ
りも小さい。
【００５０】このことは、ｂ＝ｄのときの感度ΔＣのば
らつきと、ｂ＜ｄのときの感度ΔＣのばらつきとの比較
においても同様であり、結局、２次関数の変曲点がΔｄ
＝０の点に位置するｂ＝ｄのときの感度ばらつきが最小
となる。つまり、電極間隔ｄと梁幅ｂとを略同一とすれ
ば、感度への加工ばらつきの影響を最も受けにくくでき
る。
らつきと、ｂ＜ｄのときの感度ΔＣのばらつきとの比較
においても同様であり、結局、２次関数の変曲点がΔｄ
＝０の点に位置するｂ＝ｄのときの感度ばらつきが最小
となる。つまり、電極間隔ｄと梁幅ｂとを略同一とすれ
ば、感度への加工ばらつきの影響を最も受けにくくでき
る。
【００５１】このような解析検討の結果から、本実施形
態では、電極間隔ｄと梁幅ｂとを略同一とした独自の構
成を採用するものである。そして、この構成による効果
は、本実施形態のように、梁部２２、可動電極２４およ
び固定電極３２、４２が、基板すなわち第２シリコン基
板１２にトレンチエッチングを行い溝１４を形成するこ
とで同時に形成されるものに適切に発揮される。
態では、電極間隔ｄと梁幅ｂとを略同一とした独自の構
成を採用するものである。そして、この構成による効果
は、本実施形態のように、梁部２２、可動電極２４およ
び固定電極３２、４２が、基板すなわち第２シリコン基
板１２にトレンチエッチングを行い溝１４を形成するこ
とで同時に形成されるものに適切に発揮される。
【００５２】ここで、電極間隔ｄと梁幅ｂとが略同一で
あるとは、これらｂおよびｄのどちらか一方が他方に対
して±２．５％以内の相違を持っていても良いことであ
る。これは、上記梁構造体のパターンに対応したマスク
を形成する際に、マスクの寸法ばらつきが最大±２．５
％存在することによる。
あるとは、これらｂおよびｄのどちらか一方が他方に対
して±２．５％以内の相違を持っていても良いことであ
る。これは、上記梁構造体のパターンに対応したマスク
を形成する際に、マスクの寸法ばらつきが最大±２．５
％存在することによる。
【００５３】（他の実施形態）なお、上記実施形態で
は、梁部２２は図１に示したような矩形枠状でなくても
良い。例えば、図６（ａ）に示すような折り返し形状
や、図６（ｂ）に示すようなＬ字状であっても良い。こ
れらの場合も、梁幅ｂは、図中に示すように、梁部２２
におけるその変位方向Ｙと直交する方向に延びる部分の
幅である。
は、梁部２２は図１に示したような矩形枠状でなくても
良い。例えば、図６（ａ）に示すような折り返し形状
や、図６（ｂ）に示すようなＬ字状であっても良い。こ
れらの場合も、梁幅ｂは、図中に示すように、梁部２２
におけるその変位方向Ｙと直交する方向に延びる部分の
幅である。
【００５４】また、開口部１５は、酸化膜１３だけでな
く第１シリコン基板１１までも除去することで形成され
たものであっても良い。この場合、上記実施形態と同
様、第２シリコン基板１２に梁構造体２０、３０、４０
をトレンチエッチングで形成した後、第１シリコン基板
１１を異方性エッチング、続いて酸化膜１３をフッ酸等
でエッチングするようにすれば良い。
く第１シリコン基板１１までも除去することで形成され
たものであっても良い。この場合、上記実施形態と同
様、第２シリコン基板１２に梁構造体２０、３０、４０
をトレンチエッチングで形成した後、第１シリコン基板
１１を異方性エッチング、続いて酸化膜１３をフッ酸等
でエッチングするようにすれば良い。
【００５５】また、本発明は加速度センサ以外にも、角
速度センサ等の力学量センサに適用可能である。
速度センサ等の力学量センサに適用可能である。
【図１】本発明の実施形態に係る半導体加速度センサの
概略平面図である。
概略平面図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ線に沿った模式的な断面構造を
示す図である。
示す図である。
【図３】図１中のＢ−Ｂ線に沿った模式的な断面構造を
示す図である。
示す図である。
【図４】上記実施形態に係る半導体加速度センサの検出
回路図である。
回路図である。
【図５】加工ばらつきとしての残し幅ばらつきΔｄと感
度ΔＣとの関係を示す図である。
度ΔＣとの関係を示す図である。
【図６】梁部の変形例を示す図である。
【図７】容量式力学量センサの一般的な平面構成を示す
図である。
図である。
１２…第２シリコン基板、１４…溝、２２…梁部、２４
…可動電極、３２、４２…固定電極、ｂ…梁幅、ｄ…電
極間隔。
…可動電極、３２、４２…固定電極、ｂ…梁幅、ｄ…電
極間隔。
Claims (3)
- 【請求項１】 梁形状をなすとともに力学量の印加に応
じて所定方向に変位するバネ機能を有する梁部（２２）
と、 この梁部に一体に形成されて前記梁部の変位方向（Ｙ）
と直交する方向に延びる梁形状を有し、前記梁部ととも
に前記梁部の変位方向に変位可能な可動電極（２４）
と、 前記可動電極に対向して配置された固定電極（３２、４
２）とを備え、 前記力学量の印加に伴う前記可動電極と前記固定電極と
の間の容量変化に基づいて前記力学量を検出するように
した容量式力学量センサにおいて、 前記梁部の変位方向における前記可動電極と前記固定電
極との間隔である電極間隔（ｄ）と、前記梁部における
その変位方向と直交する方向に延びる部分の幅である梁
幅（ｂ）とが略同一であることを特徴とする容量式力学
量センサ。 - 【請求項２】 前記梁部（２２）は、平行な２本の梁が
両端で連結された矩形枠状をなすものであってこれら２
本の梁の長手方向と直交する方向に変位するものであ
り、 前記梁幅は個々の前記梁の幅（ｂ）であることを特徴と
する請求項１に記載の容量式力学量センサ。 - 【請求項３】 前記梁部（２２）、前記可動電極（２
４）および前記固定電極（３２、４２）は、基板（１
２）にトレンチエッチングを行い溝（１４）を形成する
ことで同時に形成されるものであることを特徴とする請
求項１または２に記載の容量式力学量センサ。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002041503A JP2003240798A (ja) | 2002-02-19 | 2002-02-19 | 容量式力学量センサ |
| US10/291,420 US6848309B2 (en) | 2002-02-19 | 2002-11-12 | Capacitive type dynamic quantity sensor |
| DE10303751A DE10303751B4 (de) | 2002-02-19 | 2003-01-30 | Kapazitiver Sensor für eine dynamische Größe |
| CNB031037402A CN1249404C (zh) | 2002-02-19 | 2003-02-18 | 电容式动态量传感器 |
| US10/994,283 US6984541B2 (en) | 2002-02-19 | 2004-11-23 | Method of manufacturing capacitive type dynamic quantity sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002041503A JP2003240798A (ja) | 2002-02-19 | 2002-02-19 | 容量式力学量センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003240798A true JP2003240798A (ja) | 2003-08-27 |
Family
ID=27655206
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002041503A Pending JP2003240798A (ja) | 2002-02-19 | 2002-02-19 | 容量式力学量センサ |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
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| JP (1) | JP2003240798A (ja) |
| CN (1) | CN1249404C (ja) |
| DE (1) | DE10303751B4 (ja) |
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| JP2007187608A (ja) * | 2006-01-16 | 2007-07-26 | Denso Corp | 半導体力学量センサの製造方法 |
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| JP2006084327A (ja) * | 2004-09-16 | 2006-03-30 | Denso Corp | 容量式力学量センサ装置 |
| JP2006153482A (ja) * | 2004-11-25 | 2006-06-15 | Denso Corp | 半導体力学量センサ |
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| JP5165294B2 (ja) * | 2007-07-06 | 2013-03-21 | 三菱電機株式会社 | 静電容量式加速度センサ |
| US9923105B2 (en) | 2013-10-09 | 2018-03-20 | Skorpios Technologies, Inc. | Processing of a direct-bandgap chip after bonding to a silicon photonic device |
| US11181688B2 (en) | 2009-10-13 | 2021-11-23 | Skorpios Technologies, Inc. | Integration of an unprocessed, direct-bandgap chip into a silicon photonic device |
| CN101840781B (zh) * | 2010-04-16 | 2011-09-14 | 清华大学 | 一种框架式可变电容器及其制备方法 |
| CN102269598B (zh) * | 2010-06-04 | 2014-04-02 | 美新半导体（无锡）有限公司 | 一种高灵敏度的电容传感器及其制造方法 |
| US8866498B2 (en) * | 2011-08-29 | 2014-10-21 | Robert Bosch Gmbh | Surface charge reduction technique for capacitive sensors |
| US9255852B2 (en) | 2013-08-26 | 2016-02-09 | Texas Instruments Incorporated | Vibration and dynamic acceleration sensing using capacitors |
| CN104677390B (zh) * | 2013-11-26 | 2017-09-29 | 林立 | 电容式传感器及组合电容式位移测量传感*** |
| JP2016042074A (ja) * | 2014-08-13 | 2016-03-31 | セイコーエプソン株式会社 | 物理量センサー、電子機器および移動体 |
| JP2018179575A (ja) * | 2017-04-05 | 2018-11-15 | セイコーエプソン株式会社 | 物理量センサー、電子機器、および移動体 |
| DE102018205339A1 (de) * | 2018-04-10 | 2019-10-10 | Brose Fahrzeugteile Gmbh & Co. Kommanditgesellschaft, Bamberg | Kapazitive Sensoreinheit |
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|---|---|---|---|---|
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| US5880369A (en) * | 1996-03-15 | 1999-03-09 | Analog Devices, Inc. | Micromachined device with enhanced dimensional control |
| DE19819458A1 (de) * | 1998-04-30 | 1999-11-04 | Bosch Gmbh Robert | Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements und mikromechanisches Bauelement |
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| US6430999B2 (en) * | 2000-03-30 | 2002-08-13 | Denso Corporation | Semiconductor physical quantity sensor including frame-shaped beam surrounded by groove |
-
2002
- 2002-02-19 JP JP2002041503A patent/JP2003240798A/ja active Pending
- 2002-11-12 US US10/291,420 patent/US6848309B2/en not_active Expired - Lifetime
-
2003
- 2003-01-30 DE DE10303751A patent/DE10303751B4/de not_active Expired - Fee Related
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-
2004
- 2004-11-23 US US10/994,283 patent/US6984541B2/en not_active Expired - Lifetime
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