JP2005249454A - 容量型加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 小型で検出感度の高い容量型加速度センサを提供すること。
【解決手段】 本発明の容量型加速度センサは、少なくとも１対の固定電極を有する基板と、その基板との間に検出空隙を設けて接合された導電性梁構造体を有している。その導電性梁構造体を構成する慣性質量体の一部を固定電極と対向せしめて少なくとも１対の可動電極とし、その可動電極と固定電極とにより差動容量を構成する。その慣性質量体の下部に、慣性質量体と同一もしくは慣性質量体より高密度の１種以上の材料からなる錘部を設けることにより、慣性質量を増大させて慣性質量体の変位量を増加させ、検出感度を向上させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、振動制御、車両制御、そして運動制御に使用される容量型加速度センサに関する。

従来の容量型加速度センサは、例えば、単結晶シリコンから成る基板と、その基板上に形成された厚さ数μmのポリシリコン薄膜から成る導電性梁構造体（以下、梁構造体という）とから構成されている。梁構造体は、基板上に堆積させたポリシリコン薄膜をエッチング加工して形成された慣性質量体と梁とを有しており、その梁により慣性質量体が空隙を介して基板上に宙支されている。また、慣性質量体は一対の可動電極を有しており、基板上に設けた１対の固定電極と空隙を介して対向し、二組のコンデンサを形成する。加速度による慣性力が慣性質量体に作用すると、二組のコンデンサの検出電気容量（以下、検出容量という）は、可動電極の変位により一方の電気容量（以下、容量という）が増大し、他方の容量が減少して差動容量変化を起こす。すなわち、加速度が加わると、可動電極は梁のバネ復元力と加速度×質量で表される慣性力とが釣り合う位置に変位する。この時の可動電極の変位量を、二組のコンデンサの差動容量変化として外部検出回路で換算して加速度を検出する（例えば、特許文献１参照）。
特公平６−４４００８号公報

上記の加速度センサにおいて、検出感度を高めるための方法として、例えば、慣性力による変位量を増大させる方法が考えられる。変位量を増大させるには、梁の剛性を低下させる若しくは慣性質量を増大させるという方法が考えられる。しかし、梁の剛性を低下させると、他軸感度が悪化するというセンサ特性上の問題、そしてエッチング加工精度が低下するというプロセス上の問題がある。

これに対し、慣性質量を増大させる場合、上述のセンサ特性上の問題は少ない。慣性質量を増大させる方法としては、例えば、慣性質量体の膜厚を増加させる又は慣性質量体の面積を大きくするという方法がある。しかし、慣性質量体を構成するポリシリコンの膜厚を増加させると、膜応力の制御か困難である、エッチング加工精度の低下を招く、さらにプロセスコストが増加するというプロセス上の問題がある。そのため、現実的にはポリシリコンの膜厚は１０μm程度が限界であるが、その膜厚では変位量を増大に対して十分な効果を得ることができないという問題がある。これに対し、慣性質量体の面積を大きくする方法は、上述のプロセス上の問題は少ないが、センサが大型化するという問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記の問題点を解決し、小型で、検出感度の高い容量型加速度センサを提供することにある。

上記の問題点を解決すべく、本発明の容量型加速度センサは、少なくとも１対の固定電極を有する基板と、該基板上にアンカーで支持された弾性梁により宙支され、該固定電極と対向する可動電極を備える慣性質量体とを有し、該慣性質量体の下部には慣性質量体と同一もしくは慣性質量体より高密度の１種以上の材料から成る錘部を有することを特徴とする。

本発明によれば、慣性質量体の下部に、慣性質量体と同一もしくは慣性質量体より高密度の１種以上の材料からなる錘部を設けるようにしたので、慣性質量体の面積の増加を抑制しながら慣性質量を増加させることができる。そのため、慣性質量体の変位量を増加させることができる。慣性質量体の検出方向における変位は、梁により可動電極の捩れ変位に変換され差動容量変化として出力されるが、慣性質量体の変位量の増加に伴い、その差動容量変化も増加するため、検出感度を高めることが可能となる。ここで、錘部は慣性質量体の重心位置を低くくして可動電極の捩れ変位量を大きくする効果も有する。これにより、小型で高感度の加速度センサを提供することが可能となる。

また、本発明の容量型加速度センサは、慣性質量体に、各可動電極を支持し、かつ錘部を有する基部を設け、その基部を弾性梁に支持せしめることにより、面内加速度を検出することができる。ここで、面内加速度とは基板に平行な平面（ｘｙ平面）に作用する加速度をいう。

また、本発明の容量型加速度センサは、慣性質量体に、可動電極を包囲し、かつ上記錘部を有する枠部を設け、その可動電極の中央部を一対の捩れ梁により支持して検出空隙の上に宙支する一方、可動電極と枠部とを捩れ梁から離間して配設された一対のリンク梁により連結することにより、面外加速度を検出することができる。ここで、面外加速度とは、基板に垂直な平面（ｚ平面）に作用する加速度をいう。

また、上記の面内加速度検出用及び面外加速度検出用の容量型加速度センサを組合わせることにより、直交する３軸方向の加速度成分を検出する容量型加速度センサを提供することもできる。
すなわち、本発明の別の容量型加速度センサは、少なくとも３対の固定電極を有する基板上に検出空隙を設けて接合された３種の導電性梁構造体を有しており、該３種の導電性梁構造体は、ｘ方向、ｙ方向、そしてｚ方向の加速度成分を検出するそれぞれ第１、第２、そして第３の導電性梁構造体であって、各導電性梁構造体は、加速度により変位可能な慣性質量体と、該慣性質量体に連接され慣性質量体を上記検出空隙の上に宙支する少なくとも一対の弾性梁と、該弾性梁を支持し上記基板に接合された少なくとも一対のアンカーと、を有しており、慣性質量体の一部を上記固定電極と対向せしめて少なくとも１対の可動電極となし、該可動電極と上記固定電極とにより差動容量を構成する一方、上記慣性質量体の下部に、慣性質量体と同一もしくは慣性質量体より高密度の１種以上の材料からなる錘部を有しており、さらに、第１及び第２の導電性梁構造体の慣性質量体には、上記の各可動電極を支持し、かつ上記錘部を有する基部を設け、該基部を上記弾性梁に支持せしめる一方、第３の導電性梁構造体の慣性質量体には、上記可動電極を包囲し、かつ上記錘部を有する枠部を設け、上記可動電極の中央部を一対の捩れ梁により支持して上記検出空隙の上に宙支する一方、上記可動電極と上記枠部とを上記捩れ梁から離間して配設された一対のリンク梁により連結し、さらに、第１と第２の導電性梁構造体を互いに直交するように配置してなることを特徴とする。

また、本発明の容量型加速度センサは、例えば、以下の方法で製造することができる。すなわち、本発明の容量型加速度センサの製造方法は、固定電極を有し対向する一対の主面を有する基板と、該基板上に梁により宙支され該固定電極と対向する可動電極を備える慣性質量体とを有し、該慣性質量体の下部には慣性質量体と同一もしくは慣性質量体より高密度の１種類以上の材料からなる錘部を有してなる容量型加速度センサの製造方法であって、上記基板の一方の主面上に第１の絶縁層を積層し、上記錘部と上記慣性質量体との接続領域に開口部を設け、上記開口部と第１の絶縁層の所定領域に第１の導電層を積層し、上記開口部には上記錘部と上記慣性質量体との接続部を形成する一方、第１の絶縁層の所定領域には固定電極を形成し、上記固定電極と上記接続部とを分離し、かつ上記固定電極を覆うように犠牲層を積層し、上記接続部と上記犠牲層を覆うように第２の導電層を積層して可動電極を有する慣性質量体を形成し、上記基板の他方の主面から貫通エッチングして上記錘部を基板から分離し、次いで、上記犠牲層をエッチングにより除去し、空隙を介して上記固定電極と上記可動電極を対向せしめるとともに上記慣性質量体を可動にすることを特徴とする。

また、本発明の別の製造方法は、固定電極を有し対向する一対の主面を有する基板と、該基板上に梁により宙支され該固定電極と対向する可動電極を備える慣性質量体とを有し、該慣性質量体の下部には慣性質量体と同一もしくは慣性質量体より高密度の１種類以上の材料からなる錘部を有してなる容量型加速度センサの製造方法であって、単結晶シリコン基板の一方の主面にシリコン酸化物層を介して単結晶シリコン層が形成されてなるＳＯＩ基板をエッチングして、単結晶シリコンから成る可動電極と、上記錘部と上記慣性質量体との接続領域に開口部を設け、上記可動電極上に犠牲層を設け、上記開口部と上記犠牲層を覆うようにポリシリコン層を積層して固定電極を有する上記慣性質量体を形成し、上記単結晶シリコン基板の他方の主面から貫通エッチングして上記錘部を単結晶シリコン基板から分離し、次いで、上記犠牲層をエッチングにより除去し、空隙を介して上記固定電極と上記可動電極を対向せしめるとともに上記慣性質量体を可動にすることを特徴とする。

加速度センサの精度向上には、検出容量以外に存在する寄生容量の影響を小さくするため、初期検出容量を増大させることが必要である。しかし、上述のようにプロセス上の問題により電極の膜厚を増加させることはできず、またエッチング加工精度の低下により可動電極と固定電極の間の空隙を小さくすることができないという問題がある。そのため、初期検出容量を増大させるには、可動電極及び固定電極の対向面積を増大させる必要があるが、対向面積を増大させると、素子が大型化する。これに対し、本発明によれば、犠牲層エッチングにより、固定電極と可動電極との間の空隙を形成するようにしたので、犠牲増の膜厚を調整することにより空隙間隔を微小かつ均一に調整することが可能となる。これにより、可動電極及び固定電極の対向面積を増加させることなく、初期検出容量を増加させることができるので、小型で高精度の加速度センサを提供することが可能となる。

また、単結晶シリコン基板上にシリコン酸化物層を介して単結晶シリコン層が形成されたＳＯＩ基板を用いると、シリコン酸化物層の膜厚を所望の大きさに設定することができるので、固定電極と可動電極との間の空隙をより微小かつ均一に調整することが可能となる。さらに、慣性質量体を単結晶シリコンで構成することができるので、膜応力を減らして信頼性を向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による容量型加速度センサ（以下、センサという）を示す模式平面図、図２は図１のＡ−Ａ線模式断面図、図３は図１のＢ−Ｂ線模式断面図である。センサは、基板１と、その基板１との間に検出空隙１９を介して接合された導電性梁構造体５０（以下、梁構造体という）を有している。梁構造体５０は、慣性質量体１０Ａと、その慣性質量体１０Ａに連接され慣性質量体１０Ａを検出空隙１９の上に宙支する一対の弾性梁１２と、その弾性梁を支持し基板１に接合された一対のアンカー１３と、を有している。慣性質量体１０Ａは、両側に延びる一対の可動電極１１を支持する基部１０ａを有している。基部１０ａの下部には基部と同一材料の質量体６を介して、慣性質量体１０Ａと同一もしくは慣性質量体１０Ａより高密度の材料から成る錘部１８が形成されている。ここで、基部１０ａの概ね直下の基板には錘部１８を変位可能に収容する凹部１ａが形成されており、その貫通孔１ａに錘部１８を収容することにより慣性質量体１０Ａの重心２２を、梁を支持するアンカー部１３の位置よりも低くしている。

また、可動電極１１は、検出空隙１９を介して基板上に形成された固定電極４ａ，４ｂと対向し、二組のコンデンサを形成している。固定電極４ａ，４ｂ及び可動電極１１と導通するアンカー１３は配線５により電極パッド１５と導通している。配線５及び固定電極４ａ，４ｂは絶縁膜２により基板１と絶縁されている。接合枠１４の下に配設された配線５は、絶縁膜３及び絶縁膜７の存在により凹凸無く平坦に形成されている。接合枠１４は配線５及び絶縁膜３、絶縁膜７、絶縁膜８上に配設されており、基板１の上面は上面保護基板１６と気密接合している。一方、基板１の下面は下面保護基板２０と気密接合している。これにより、梁構造体５０及び固定電極４ａ，４ｂは所定圧力で気密封止されている。なお、錘部１８と下面保護基板２０との間には下部空隙１７が形成されており、錘部１８が下面保護基板２０から浮いた構造となっている。

図２に示すように、弾性梁１２により支持された慣性質量体１０Ａは、その重心２２が梁支持位置より下側にあるため加速度検出方向２１に加速度が加わると、慣性質量体１０Ａは捩れ方向２３の回転モーメントが作用する。ここで、弾性梁の寸法（長さ、幅、厚さ）を調整して、弾性梁が慣性質量体１０Ａを加速度検出方向２１のみに変位させるようにしている。この時、慣性質量体１０Ａと一体である可動電極１１もその回転モーメントが作用し、可動電極は面外方向に変位する。これにより、例えば慣性質量体１０Ａが左側に傾くと可動電極１１と固定電極４ａとの空隙は広がり、可動電極１１と固定電極４ｂとの検出空隙１９は狭くなる。可動電極と固定電極との間の差動容量変化は、例えば特許第３１２５６７５号公報の図１に示された容量型センサ検出回路で加速度に変換すれば、加速度を検出できる。

ここで、梁構造体の材料には、ドープポリシリコン（以下、ポリシリコンという）、単結晶シリコン、そして金属等を用いることができるが、半導体のマイクロマシニングプロセスの利用が可能なポリシリコン又は単結晶シリコンを用いることが好ましい。

また、錘部の材料は、慣性質量体と同一材料もしくは慣性質量体よりも高密度な材料であれば特に限定されない。例えば、慣性質量体にポリシリコンを用いた場合には、錘部には単結晶シリコンを用いることが好ましい。また、慣性質量体に単結晶シリコンを用いた場合には、錘部には単結晶シリコンもしくは金属材料を用いることが好ましい。

また、上面保護基板及び下面保護基板には、ガラス基板又は単結晶シリコン基板を用いることができる。これらの保護基板は、陽極接合、金属共晶接合又は有機接着剤などを用いて接合枠又は基板と気密接合することができる。

次に、本実施の形態に係るセンサの製造方法の一例を図４の模式断面図を用いて説明する。ここで、図４の左側は図１のＡ−Ａ線模式断面図、右側は図１のＢ−Ｂ線模式断面図を示す。なお、図４では、基板に単結晶シリコン基板、梁構造体にポリシリコンを用いた例について説明する。
工程（ａ）において単結晶シリコン基板１上にシリコン窒化膜などの絶縁膜２を堆積し、慣性質量体の基部を形成する領域を開口する。工程（ｂ）でシリコン酸化膜などの絶縁膜３を堆積してパターニングする。絶縁膜３を接合枠１４の下部及び弾性梁１２の下部に形成し、次工程で堆積させるポリシリコン膜により段差が発生しないようにしている。工程（ｃ）でポリシリコン膜を堆積させ、パターニングし、固定電極４ａ，４ｂ、配線５、質量体６を形成する。工程（ｄ）でシリコン酸化膜などの絶縁膜７を堆積させ、パターニングする。絶縁膜７は接合枠１４の下部であって配線５が無い領域に形成する。これにより、配線５による段差を無くして接合枠１４の下部を平坦化することができる。工程（ｅ）でシリコン窒化膜などの絶縁膜８を堆積させ、パターニングする。絶縁膜８は配線５の電気絶縁及びフッ酸などによる犠牲層除去時の絶縁膜３、絶縁膜７の保護層として用いる。工程（ｆ）でリン珪酸ガラスなどから成る犠牲層９を堆積させ、パターニングする。犠牲層９は可動電極１１及び弾性梁１２の下部に形成する。固定電極と可動電極との間の空隙の距離は犠牲層９の膜厚により決まる。工程（ｇ）でポリシリコン膜を堆積させ、パターニングし、慣性質量体１０Ａ、弾性梁１２、アンカー１３、接合枠１４を形成する。引き続き金属パッド１５を形成する。金属パッド１５は外部検出回路とワイヤボンディング等で電気的に接続するための電極である。工程（ｈ）で接合枠１４と上面保護基板１６とを接合する。次に単結晶シリコン基板１をメカニカル研磨、化学研磨などで所望の厚み、たとえば数十μm〜百μm程度に研磨加工する。工程（ｉ）で単結晶シリコン基板１の裏面に下部空隙１７をドライエッチング、ウェットエッチングなどで形成し、引き続き単結晶シリコン基板１をドライエッチングなどで貫通エッチングして単結晶シリコンから成る錘部１８を単結晶シリコン基板１から分離する。ここで、絶縁膜３、犠牲層９はエッチングストップ層として機能する。錘部１８は、貫通エッチングの際には絶縁膜３、犠牲層９に保持されている。工程（ｊ）で犠牲層９をフッ酸などで選択除去し、検出空隙１９及び弾性梁１２，１２の下の空隙を形成する。これにより、単結晶シリコン基板１には、錘部１８を変位可能に収容する貫通孔が形成される。次いで、下面保護基板２０を単結晶シリコン基板１に気密接合する。ここで、貫通孔は凹部１ａとなる。最後に、金属パッド１５上のガラスをダイシングなどで取り除き加速度センサのウエハプロセスは完了する。

以上説明したように、本実施の形態に係る加速度センサは、ポリシリコンから成る慣性質量体の下部に単結晶シリコンから成る錘部を付加するようにしたので、慣性質量体の面積の増加を抑制しながら慣性質量の増大を図ることができる。これにより、小型で高感度の面内加速度検出センサを提供することが可能となる。また、可動電極と固定電極との間の空隙を薄膜の犠牲層エッチングにより形成するようにしたので、空隙間隔を均一に狭くすることができる。これにより、初期検出容量を増加させることができるので、精度を向上させることが可能となる。また、センサを上面及び下面保護基板により密封封止するようにしたので、外乱の影響に強く信頼性の高い加速度センサを提供することが可能となる。また、密封構造のため、高価な金属パッケージ、セラミックパッケージが不要であり、一般のICで使用されている安価なプラスチックパッケージによりパッケージングすることができ、より安価な加速度センサを提供することが可能となる。また、慣性質量体の周囲は一定の空隙を隔てて固定した大面積の単結晶シリコンで包囲された構造であるため、ダンピング効果が高く、過度の加速度が加わっても衝撃が慣性質量体に加わることがないため、信頼性をさらに高めることが可能となる。

実施の形態２．
図５は本発明の本実施の形態に係るセンサの構造を示す模式平面図、図６は図５のＡ−Ａ線模式断面図、図７は図５のＢ−Ｂ線模式断面図、図８は図５のＣ−Ｃ線模式断面図である。本センサは面外方向に加わった加速度を検出するものである。実施の形態１と同様、慣性質量体や配線、電極を形成する材料にポリシリコンを用いた例について説明する。
本センサは、基板１と、その基板１との間に検出空隙１９を介して接合された梁構造体６０を有している。梁構造体６０は、慣性質量体１０Ｂと、その慣性質量体１０Ｂの４隅に連接され慣性質量体１０Ｂを検出空隙１９の上に宙支する二対の弾性梁１２と、その弾性梁を支持し基板１に接合された二対のアンカー１３と、を有している。慣性質量体１０Ｂは、一体形成された一対の可動電極１１と、その一対の可動電極を包囲する枠部１０ｂを有している。さらに、枠部１０ｂの下部には枠部と同一材料の質量体６を介して、慣性質量体１０Ｂと同一もしくは慣性質量体１０Ｂより高密度の材料から成る錘部１８Ｂが形成されている。ここで、枠部１０ｂの概ね直下の基板には錘部１８Ｂを変位可能に収容する貫通孔１ｂが形成されており、その凹部１ｂに錘部１８Ｂを収容することにより慣性質量体１０Ｂの重心を、梁を支持するアンカー部１３の位置よりも低くしている。枠体１０ｂは、その４隅が弾性梁により支持されているため、面外方向のみに変位可能となっている。

可動電極１１は、中心軸となる一対の捩れ梁２５により対称に支持されて検出空隙１９の上に宙支される一方、枠部１０ｂと捩れ梁２５から離間して配設された一対のリンク梁２４により連結されている。ここで、リンク梁２４は、枠体１０ｂの変位により曲げが生じない剛性を有するように梁の寸法が調整されている。一方、捩れ梁２５は可動電極１１を可動電極移動方向２６のみに変位する剛性を有するように調整されている。可動電極１１は検出空隙１９を介して固定電極４ａ，４ｂと対向している。加速度検出方向２１に加速度が加わると、弾性梁により支持された枠部１０ｂは面外方向２３に移動する。枠部１０ｂは、可動電極１１の中心軸から離間した位置でリンク梁２４と連結しているので、枠部１０ｂの変位により可動電極１１はネジレ梁２５を中心軸とする回転モーメントが作用して捩れ方向２６に変位する。例えば、図６に示すように、枠部１０ｂが上方に変位すると可動電極１１と固定電極４ａとの間の空隙は広がり、可動電極１１と固定電極４ｂとの間の空隙は狭くなる。可動電極と固定電極で形成される二組のコンデンサの差動容量変化を検出回路で加速度に変換することにより加速度を検出できる。
なお、本センサは、梁構造体Ａの形状を梁構造体Ｂの形状とする以外は、実施の形態１における製造方法と同様の工程と製造することができる。

本実施の形態によれば、実施の形態１で説明したと同様な効果を有する、面外方向加速度を検出可能な加速度センサを提供することが可能である。

実施の形態３．
図９は本実施の形態に係る加速度センサの構造を示す模式平面図、図１０は図９のＡ−Ａ線模式断面図、図１１は図９のＢ−Ｂ線模式断面図である。
本実施の形態に係るセンサは、可動電極と固定電極とを異なる材料で構成する一方、基板から張り出した固定電極を可動電極と対向させるようにした以外は、実施の形態１に係るセンサと同様の構造を有する。

本センサの梁構造体５０Ｃは、慣性質量体１０Ｃと、その慣性質量体１０Ｃに連接され慣性質量体１０Ｃを検出空隙１９の上に宙支する一対の弾性梁１２と、その弾性梁を支持し基板１に接合された一対のアンカー１３と、を有している。慣性質量体１０Ｃは、両側に延びる一対の可動電極１１を支持する基部１０ｃを有しており、その基部１０ｃの下部には錘部１８が設けられている。一方、可動電極とは異なる材料から成る固定電極４ｃ，４ｄは、基板１から上面保護基板１６と可動電極との間の空隙に張り出して可動電極１１と対向している。これにより、固定電極４ｃ，４ｄと可動電極１１とは二組のコンデンサを形成している。

本センサの製造方法について、固定電極にポリシリコン、そして可動電極に単結晶シリコンを用いた場合について、図１２の模式断面図を用いて説明する。図１２の左側は図９のＡ−Ａ線断面図、右側は図９のＢ−Ｂ線断面図を示す。工程（ａ）において用いる基板は単結晶シリコン基板１上に酸化膜２６が形成され、その上に単結晶シリコン膜２６が形成されているＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板である。単結晶シリコン膜２６の厚みは自由に設定でき、例えば数μm〜数十μmとすることができる。工程（ｂ）で単結晶シリコン膜２６及び酸化膜２７をエッチングする。単結晶シリコン膜２６が最終的には可動電極１１及び弾性梁１２となる。工程（ｃ）で単結晶シリコン基板１にシリコン窒化膜などの絶縁膜２を堆積させ、パターニングする。絶縁膜２は単結晶シリコン基板１との電気絶縁に用いる。工程（ｄ）でシリコン酸化膜などの絶縁膜３を堆積させ、パターニングする。絶縁膜３は配線５のポリシリコン膜による段差をなくして接合枠１４の下部を平坦化する役割を有する。工程（ｅ）でポリシリコン膜を堆積させ、パターニングし、配線５を形成する。工程（ｆ）でシリコン酸化膜などの絶縁膜７を堆積させ、パターニングする。絶縁膜７を接合枠１４の下部の配線５が無い領域に形成し、配線５による段差を無くして接合枠１４の下部を平坦化する。工程（ｇ）でシリコン窒化膜などの絶縁膜８を堆積させ、パターニングする。絶縁膜８は配線５の電気絶縁及びフッ酸などによる犠牲層除去時の絶縁膜３、絶縁膜７の保護膜として用いる。工程（ｈ）でリン珪酸ガラス等から成る犠牲層９を堆積させ、パターニングする。固定電極と可動電極との間の検出空隙１９は犠牲層９の膜厚で決まる。工程（ｉ）でポリシリコン膜を堆積させ、パターニングし、固定電極４ａ、固定電極４ｂ、基部１０ｃ，アンカー１３、接合枠１４を形成する。引き続き金属パッド１５を形成する。工程（ｊ）で接合枠１４と上面保護基板１６を接合する。上面保護基板１６を陽極接合等により接合枠１４と気密接合する。次に単結晶シリコン基板１をメカニカル研磨、化学研磨などで、例えば数十μm〜百μm程度に、所望の厚みに研磨加工する。工程（ｋ）で単結晶シリコン基板１の裏面に下部空隙１７をドライエッチング、ウェットエッチングなどで形成し、引き続き単結晶シリコン基板１をドライエッチングなどで貫通エッチングして錘部１８ｃを単結晶シリコン基板１から分離する。絶縁膜３、犠牲層９はエッチングストップ層として機能する。次いで、工程（ｌ）で犠牲層９をフッ酸などで選択除去し、検出空隙１９及び弾性梁１２の下の空隙を形成する。下面保護基板２０を単結晶シリコン基板１に気密接合する。最後に、金属パッド１５上のガラスをダイシングなどで取り除き加速度センサのウエハ作製工程は完了する。

以上説明したように、本実施の形態に係るセンサは、基板にＳＯＩ基板を用い、そのＳＯＩ基板の単結晶シリコン膜で可動電極と弾性梁を形成する一方、固定電極をポリシリコン膜で形成したものである。ＳＯＩ基板を用いることにより任意の厚みの可動電極と弾性梁を形成することができるので、他軸感度が高く、高精度の加速度センサを提供することが可能となる。また、単結晶シリコンは結晶粒界などによる材料的な疲労が無いため、可動電極や弾性梁を単結晶シリコンで形成すると信頼性の高い加速度センサを提供することができる。

なお、本実施の形態のセンサは、実施の形態２の梁構造体を用いることにより、面外検出加速度センサとすることもできる。この場合にも高精度で信頼性の高い加速度センサを提供することができる。

実施の形態４．
図１３は本実施の形態に係る加速度センサの構造を示す模式平面図、図１４は図１３のＡ−Ａ線模式断面図である。図１４は、上面保護基板は除いた状態を示している。
本実施の形態に係るセンサは、固定電極を、溝を挟んで配列された複数の突条電極で構成する一方、可動電極に複数の突片から成るダンパーを上記溝内に張り出すように配設した以外は、実施の形態１のセンサと同様の構造を有する。

図１３に示すように、本センサの梁構造体５０Ｄは、慣性質量体１０Ｄと、その慣性質量体１０Ｄに連接され慣性質量体１０Ｄを検出空隙１９の上に宙支する一対の弾性梁１２と、その弾性梁を支持し基板１に接合された一対のアンカー１３と、を有している。慣性質量体１０Ｄは、両側に延びる一対の可動電極１１を支持する基部１０ｄを有しており、その基部１０ｄの下部には質量体６を介して錘部１８が設けられている。可動電極１１は検出方向２１に沿って配設された複数の突片からダンパー４０を有している。一方、固定電極４ａは、溝を挟んで配列された複数の突条電極で構成されており、ダンパーの各突片はその溝内に張り出すように位置合わせされている。

ダンパーは一定の間隔で検出方向に沿って溝内に配置されており、溝の側壁との対向面積が大きく、高いダンピング効果を持つ。ダンパーにより過度の加速度が検出方向に加わっても、ダンピング効果により可動電極の過度の変位を抑制して、可動電極と接合枠あるいは上面保護基板との衝突を防ぐことができるので、センサの信頼性を高めることができる。

実施の形態５．
図１５は本実施の形態に係る加速度センサの模式断面図である。
本実施の形態に係るセンサは、慣性質量体の対向する一対の主面を可動電極となし、基板上に配設され慣性質量体一方の主面と対向する第１の固定電極と、上面保護基板の内面に配設され慣性質量体の他方の主面と対向する第２の固定電極とを設けた以外は、実施の形態１のセンサと同様の構造を有する。

図１５に示すように、慣性質量体１０Ａの対向する一対の主面を１対の可動電極とする。これに対し、一方の主面の可動電極１１と対向する第１の固定電極４ａ，４ｂを基板１上に設け、他方の主面の可動電極１１と対向する第２の固定電極４ｅ，４ｆを上面保護基板１６の内面に設けている。

本センサによれば、可動電極の上下に空隙を介して固定電極を配設することにより差動容量変化を検出するが、電極の対向面積を大きくすることができるので、検出容量を増大させることができる。これにより、センサの小型化及び検出容量増大による高精度化が可能となる。
なお、本実施の形態では面内検出加速度センサの例を示したが、実施の形態２の梁構造体を用いることにより面外検出加速度センサにも適用することができる。

実施の形態６，
図１６は本実施の形態に係る加速度センサの構造を示す模式断面図である。
本実施の形態に係るセンサは、慣性質量体の対向する一対の主面を可動電極となし、基板上に配設され慣性質量体の一方の主面と対向する第１の固定電極と、慣性質量体と上面保護基板との空隙に基板から突設され慣性質量体の他方の主面と対向する第２の固定電極とを設けた以外は、実施の形態１のセンサと同様の構造を有する。

図１６に示すように、慣性質量体１０Ａの対向する一対の主面を１対の可動電極とする。これに対し、一方の主面の可動電極１１と対向する第１の固定電極４ａ，４ｂを基板１上に設け、他方の主面側の可動電極１１と対向する第２の固定電極４ｅ，４ｆを、基板１から慣性質量体１０Ａと上面保護基板１６との間の空隙に突設され慣性質量体１０Ａの他方の主面と対向する第２の固定電極４ｃ，４ｄとを設けている。ここで、第２の固定電極４ｃ，４ｄは、可動電極１１と同一材料で形成されたスペーサー２８及び絶縁膜２９上に配設する。また、第１の固定電極４ａ，４ｂと可動電極１１との間の検出空隙１９は犠牲層エッチングにより形成する。

本センサによれば、実施の形態５の場合と同様、可動電極の上下に空隙を介して固定電極を配設することにより差動容量変化を検出するが、電極の対向面積を大きくすることができるので、検出容量を増大させることができる。これにより、センサの小型化及び検出容量増大による高精度化が可能となる。
なお、本実施の形態では面内検出加速度センサの例を示したが、実施の形態２の梁構造体を用いることにより面外検出加速度センサにも適用することができる。

実施の形態７．
図１７は本実施の形態に係る加速度センサの構造を示す模式断面図である。
本実施の形態に係るセンサは、錘部１８ｅの一部又は全部に金属錘３０を用いた以外は、実施の形態１のセンサと同様の構造を有する。金属錘３０には、銅、ニッケル、金等をメッキにより形成したものを用いても良く、Sn0.75Cu0.25などのハンダ材を溶融して錘部に埋め込んでも良い。単結晶シリコンの密度2.33g/cm3に対し、銅8.96、ニッケル8.90、金19.32、Sn0.75Cu0.25 7.32と密度が高いため、面積の増加を抑制して十分な慣性質量を持つ慣性質量体を形成することができる。これにより、センサの小型化と高感度化が可能となる。
なお、本実施の形態では面内検出加速度センサの例を示したが、実施の形態２の梁構造体を用いることにより面外検出加速度センサにも適用することができる。

実施の形態８．
本実施の形態に係る加速度センサは、基板に貫通導線を設け固定電極と下面保護基板とを電気的に接続するようにした以外は、実施の形態１のセンサと同様の構造を有する。
図１８は本実施の形態に係る加速度センサの構造を示す模式断面図である。単結晶シリコン基板１に貫通孔を形成し、貫通孔内部に絶縁膜３１と貫通配線３２を埋め込む。貫通孔の形成は、錘部形成時の貫通エッチングと同時に行い、スパッタ、ＣＶＤ等で絶縁膜３１を貫通孔内壁に堆積した後、メッキ、ハンダ溶融などにより貫通配線３２を形成する。貫通配線３２上には金属バンプ３３を設ける。単結晶シリコン基板１は検出回路基板３４と封止材３６により気密接合する。封止材３６による基板間の接合は、有機接着剤、シリコン−金属共晶接合、フリットガラス接合、ガラス薄膜を用いた陽極接合などを用いる。金属バンプ３３は検出回路基板３４上の検出回路電極パッド３５と電気的に接続する。

本実施の形態によれば、実施の形態１における配線５及び電極パッド１５が不要となりので、センサを小型化することが可能となる。また可動電極、固定電極から検出回路への配線長が短く、ワイヤボンディング部を含まないために、寄生容量が少なくなり、高精度のセンサを提供することが可能となる。さらに検出回路基板が保護基板を兼ねているので、部材数を削減することができ、より安価な加速度センサを提供することが可能となる。さらに検出回路基板とセンサとを一体化することで、パッケージをより小型化することができ、センサをより安価、かつ小型化することが可能となる。

実施の形態９．
本実施の形態に係る加速度センサは、直交する３軸の加速度成分を検出する加速度センサであり、基板に平行な面内方向の２軸方向の加速度を検出する２個の検出部と基板に垂直な面外方向の１軸の加速度を検出する１個の検出部を同一の基板上に形成したものである。

図１９は本実施の形態に係る加速度センサの構造の一例を示す模式平面図である。３７、３８は実施の形態１に係る面内検出加速度センサからなる検出部であり、検出方向を直交して配置している。一方、３９は実施の形態２に係る面外検出加速度センサからなる検出部である。これら３個の検出部を同一基板上に形成し、接合枠１４及び上下保護基板を共通化している。

本センサによれば、個々のパッケージされたセンサを組み合わせた３軸加速度センサと比較して、遙かに簡単で安価な３軸加速度センサを提供することが可能となる。３７〜３９の各検出部は検出軸の加速度のみ感知し、検出軸以外の加速度には反応しないので、他軸感度が極めて良い精度の高い３軸加速度センサを実現できる。
なお、本実施の形態では、３軸方向の加速度を検出する場合について説明したが、面内方向の２軸、あるいは面内方向の１軸と面外方向の１軸の加速度を検出する２軸加速度センサについても、３７及び３８の検出部、あるいは３７又は３８の検出部と３９の検出部を組み合わせることにより実現することができる。

本発明の実施の形態１に係る加速度センサの構造を示す模式平面図である。 図１のＡ−Ａ線模式断面図である。 図１のＢ−Ｂ線模式断面図である。 本発明の実施の形態１に係る加速度センサの製造工程を示す模式断面図である。 本発明の実施の形態１に係る加速度センサの製造工程を示す模式断面図である。 本発明の実施の形態１に係る加速度センサの製造工程を示す模式断面図である。 本発明の実施の形態２に係る加速度センサの構造を示す模式平面図である。 図５のＡ−Ａ線模式断面図である。 図５のＢ−Ｂ線模式断面図である。 図５のＣ−Ｃ線模式断面図である。 本発明の実施の形態３に係る加速度センサの構造を示す模式平面図である。 図９のＡ−Ａ線模式断面図である。 図９のＢ−Ｂ線模式断面図である。 本発明の実施の形態３に係る加速度センサの製造工程を示す模式断面図である。 本発明の実施の形態３に係る加速度センサの製造工程を示す模式断面図である。 本発明の実施の形態３に係る加速度センサの製造工程を示す模式断面図である。 本発明の実施の形態３に係る加速度センサの製造工程を示す模式断面図である。 本発明の実施の形態４に係る加速度センサの構造を示す模式平面図である。 図１３のＡ−Ａ線模式断面図である。 本発明の実施の形態５に係る加速度センサの構造を示す模式断面図である。 本発明の実施の形態６に係る加速度センサの構造を示す模式断面図である。 本発明の実施の形態７に係る加速度センサの構造を示す模式断面図である。 本発明の実施の形態８に係る加速度センサの構造を示す模式断面図である。 本発明の実施の形態９に係る加速度センサの構造を示す模式平面図である。

符号の説明

１ 基板、 １ａ，１ｂ，１ｃ 凹部、 ２，３，７，８ 絶縁膜、 ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆ 固定電極、 ５ 配線、 ６ 質量体、 ９ 犠牲層、 １０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ 慣性質量体、 １０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ 基部、 １１ 可動電極、 １２ 弾性梁、 １３ アンカー、 １４ 接合枠、 １５ 金属パッド、 １６ 上面保護基板、 １７ 下部空隙、 １８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｅ 錘部、 １９ 検出空隙、 ２０ 下面保護基板、 ２１ 加速度検出方向、 ２２ 慣性質量体重心、 ２３ 慣性質量体変位方向、 ２４ リンク梁、 ２５ 捩れ梁、 ２６ 可動電極変位方向、 ２７ 酸化膜、 ２８ スペーサー、 ２９，３１ 絶縁膜、 ３０ 金属錘、 ３２ 貫通配線、 ３３ 金属バンプ、 ３４ 検出回路基板、 ３５ 検出回路電極パッド、 ３６ 封止材、 ３７，３８ 面内加速度検出部、 ３９ 面外加速度検出部、 ４０ ダンパー、 ５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄ 導電性梁構造体。

Claims (16)

1. 少なくとも１対の固定電極を有する基板と、該基板上にアンカーで支持された弾性梁により宙支され、該固定電極と対向する可動電極を備える慣性質量体とを有し、該慣性質量体の下部には慣性質量体と同一もしくは慣性質量体より高密度の１種以上の材料から成る錘部を有する容量型加速度センサ。
2. 上記基板の表面に上記錘部を変位可能に収容する凹部を設け、上記慣性質量体の重心を上記アンカーよりも下方に位置するようにした請求項１記載の容量型加速度センサ。
3. 上記慣性質量体は、上記可動電極を支持し、かつ上記錘部を有する基部を有しており、該基部を上記弾性梁に支持せしめてなる請求項１又は２に記載の容量型加速度センサ。
4. 上記慣性質量体は、上記可動電極を包囲し、かつ上記錘部を有する枠部を有しており、
   上記可動電極の中央部を一対の捩れ梁により支持して上記検出空隙の上に宙支する一方、上記可動電極と上記枠部とを上記捩れ梁から離間して配設された一対のリンク梁により連結してなる請求項１又は２に記載の容量型加速度センサ。
5. 上記の各固定電極を、溝を挟んで配設された複数の突状電極で構成する一方、上記可動電極に複数の突片から成るダンパー部を上記溝内に張り出すように配設してなる請求項１から４のいずれか一つに記載の容量型加速度センサ。
6. 上記慣性質量体の対向する一対の主面を可動電極となし、上記基板に、基板上に配設され一方の主面の可動電極と対向する第１の固定電極と、基板から突設され他方の主面の可動電極と対向する第２の固定電極とを設けてなる請求項１から５のいずれか一つに記載の容量型加速度センサ。
7. 上記基板の上面に、空隙を介して上記構造体を保護する上面保護基板を接合する一方、
   上記第２の固定電極に代えて、上記上面保護基板の内面に設けた少なくとも１対の固定電極を用いてなる請求項６記載の容量型加速度センサ。
8. 上記慣性質量体がポリシリコンから成り、かつ上記錘部が単結晶シリコンから成る請求項１から７のいずれか一つに記載の容量型加速度センサ。
9. 上記錘部は、金属材料を含む請求項１から８のいずれか一つに記載の容量型加速度センサ。
10. 直交する３軸方向の加速度成分を検出する容量型加速度センサであって、
    少なくとも３対の固定電極を有する基板上に検出空隙を設けて接合された３種の導電性梁構造体を有しており、
    該３種の導電性梁構造体は、ｘ方向、ｙ方向、そしてｚ方向の加速度成分を検出するそれぞれ第１、第２、そして第３の導電性梁構造体であって、
    各導電性梁構造体は、加速度により変位可能な慣性質量体と、該慣性質量体に連接され慣性質量体を上記検出空隙の上に宙支する少なくとも一対の弾性梁と、該弾性梁を支持し上記基板に接合された少なくとも一対のアンカーと、を有しており、慣性質量体の一部を上記固定電極と対向せしめて可動電極となし、該可動電極と上記固定電極とにより差動容量を構成する一方、上記慣性質量体の下部に、慣性質量体と同一もしくは慣性質量体より高密度の１種以上の材料からなる錘部を有しており、
    さらに、第１及び第２の導電性梁構造体の慣性質量体には、上記の各可動電極を支持し、かつ上記錘部を有する基部を設け、該基部を上記弾性梁に支持せしめる一方、
    第３の導電性梁構造体の慣性質量体には、上記可動電極を包囲し、かつ上記錘部を有する枠部を設け、上記可動電極の中央部を一対の捩れ梁により支持して上記検出空隙の上に宙支する一方、上記可動電極と上記枠部とを上記捩れ梁から離間して配設された一対のリンク梁により連結し、
    さらに、第１と第２の導電性梁構造体を互いに直交するように配置してなる容量型加速度センサ。
11. 上記基板の上面には、空隙を設けて上記構造体を保護する上面保護基板を接合する一方、上記基板の下面には下面保護基板を全面に接合してなる請求項１から１０のいずれか一つに記載の容量型加速度センサ。
12. 上記基板の上面に、上記可動電極及び上記固定電極と電極パッドを接続する配線を設ける一方、該配線を絶縁層で被覆し埋込配線として取り出すようにした請求項１１記載の容量型加速度センサ。
13. 上記基板に設けた貫通孔に導体を充填して貫通配線とし、該貫通配線を上記下面保護基板と導通するようにした請求項１１記載の容量型加速度センサ。
14. 上記上面保護基板及び／又は上記下面保護基板に、差動容量検出回路を設けてなる請求項１２又は１３に記載の容量型加速度センサ。
15. 固定電極を有し対向する一対の主面を有する基板と、該基板上に梁により宙支され
    該固定電極と対向する可動電極を備える慣性質量体とを有し、該慣性質量体の下部には慣性質量体と同一もしくは慣性質量体より高密度の１種以上の材料からなる錘部を有してなる容量型加速度センサの製造方法であって、
    上記基板の一方の主面上に第１の絶縁層を積層し、上記錘部と上記慣性質量体との接続領域に開口部を設け、
    上記開口部と第１の絶縁層の所定領域に第１の導電層を積層し、上記開口部には上記錘部と上記慣性質量体との接続部を形成する一方、第１の絶縁層の所定領域には固定電極を形成し、
    上記固定電極と上記接続部とを分離し、かつ上記固定電極を覆うように犠牲層を積層し、
    上記接続部と上記犠牲層を覆うように第２の導電層を積層して可動電極を有する慣性質量体を形成し、
    上記基板の他方の主面から貫通エッチングして上記錘部を基板から分離し、
    次いで、上記犠牲層をエッチングにより除去し、空隙を介して上記固定電極と上記可動電極を対向せしめるとともに上記慣性質量体を可動にする容量型加速度センサの製造方法。
16. 固定電極を有し対向する一対の主面を有する基板と、該基板上に梁により宙支され
    該固定電極と対向する可動電極を備える慣性質量体とを有し、該慣性質量体の下部には慣性質量体と同一もしくは慣性質量体より高密度の１種類以上の材料からなる錘部を有してなる容量型加速度センサの製造方法であって、
    単結晶シリコン基板の一方の主面にシリコン酸化物層を介して単結晶シリコン層が形成されてなるＳＯＩ基板をエッチングして、単結晶シリコンから成る可動電極と、上記錘部と上記慣性質量体との接続領域に開口部を設け、
    上記可動電極上に犠牲層を設け、
    上記開口部と上記犠牲層を覆うようにポリシリコン層を積層して固定電極を有する上記慣性質量体を形成し、
    上記単結晶シリコン基板の他方の主面から貫通エッチングして上記錘部を単結晶シリコン基板から分離し、
    次いで、上記犠牲層をエッチングにより除去し、空隙を介して上記固定電極と上記可動電極を対向せしめるとともに上記慣性質量体を可動にする容量型加速度センサの製造方法。
    
    

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