JP2006184014A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】塵や微小な異物等の侵入による不具合の発生を防止する。
【解決手段】枠体２８は縦横の外形寸法が支持基板１，２とほぼ同一である矩形枠状に形成される。枠体２８の裏面には支持基板２を接合するためのアルミからなる接合部２９が形成されている。したがって、接合部２９において枠体２８の裏面に支持基板１を接合するとともに支持基板２を枠体２８の表面に陽極接合すれば、２枚の支持基板１，２と枠体２８によって重り部２１、ばね部２２、支持部２３₁，２３₂、固定電極部２４、ストッパ２５、可動電極２１ａなどが全て密封されるため、微小な塵や異物等が内部に侵入することがなく、かかる異物等によって重り部２１の変位が阻害されるなどの不具合を防ぐことができて信頼性が向上する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、加速度センサ、特に半導体基板の微細加工によって構成される半導体加速度センサに関するものである。

従来、重りと梁とアンカーとが一体形成されたものからなる振動体と、２つの固定電極とを備えた構造体を同一の半導体基板から作成し、２つの固定電極で重りと梁とを挟み、且つ重りと梁とを支持基板に対して空隙を設けて配置し、さらにアンカーと２つの固定電極とを基板に接合することで加速度による重りの変位を電気的に検出可能とした静電容量型の加速度センサが提供されている（特許文献１参照）。

また本出願人は、図７に示す構造を有した静電容量型の加速度センサを既に提案している（特許文献２参照）。この加速度センサは、ガラス基板よりなる支持基板１の一表面（図７（ｂ）の上面）側に支持基板１から離間して配置された重り部２１と、支持基板１の前記一表面側に固着され前記一表面に沿って重り部２１を規定方向（図７（ａ）における左右方向）に変位可能とするばね部２２を介して重り部２１を支持する一組の支持部２３，２３と、重り部２１の両側において支持基板１の前記一表面側に固着され前記規定方向が厚さ方向となるように列設された複数の薄板状の固定電極２４ｂを有する櫛形状の固定電極部２４と、隣り合う固定電極２４ｂ，２４ｂ間の櫛溝２４ｃに１つずつ入り込み前記規定方向へ変位可能となるように重り部２１に設けられた複数の薄板状の可動電極２１ａとを備えている。すなわち、重り部２１の両側では、前記規定方向に沿って固定電極２４ｂと可動電極２１ａとが交互に並んでおり、前記規定方向において隣り合う固定電極２４ｂ，２４ｂ間の櫛溝２４ｃに１つの可動電極２１ａが入り込み且つ前記規定方向において隣り合う可動電極２１ａ，２１ａ間の櫛溝２１ｂに１つの固定電極２４ｂが入り込んでいる。なお、支持基板１の前記一表面側に設けられた重り部２１、ばね部２２、支持部２３、固定電極２４ｂ、固定電極部２４、可動電極２１ａは、単結晶のシリコン基板をエッチング加工することによりシリコン基板の一部により形成されている。

重り部２１は、図７（ａ）の左右方向を前記規定方向として同図における重り部２１の中心Ｏから矢印の向きに変位可能であり、一組の支持部２３，２３は図７（ａ）における重り部２１の左右両側に形成されている。また、各支持部２３，２３の表面側にはパッド２６₁，２６₂が形成されている。なお、図７（ａ）における重り部２１の左側の支持部２３に形成されたパッド２６₁は図示しない拡散層配線を介して図７（ａ）における重り部２１の上側の各可動電極２１ａに電気的に接続され、図７（ａ）における重り部２１の右側の支持部２３に形成されたパッド２６₂は図示しない拡散層配線を介して図７（ａ）における重り部２１の下側の各可動電極２１ａに電気的に接続されている。

各ばね部２２は、平面形状がつづら折れ状に形成されており、図７（ａ）における右側のばね部２２は一端部が重り部２１の右上の角部に連続一体に連結され、他端部が重り部２１の右側の支持部２３に連続一体に連結されている。同様に、図７（ａ）における左側のばね部２２は一端部が重り部２１の左下の角部に連続一体に連結され、他端部が重り部２１の左側の支持部２３に連続一体に連結されている。

また、固定電極部２４は、前記規定方向に列設された複数の固定電極２４ｂと、前記規定方向に延長され複数の固定電極２４ｂを連結する連結部２４ａとで櫛形状の平面形状に形成されており、連結部２４ａ並びに連結部２４ａの延長方向の一端部から側方へ延設された固定極部２４ｄの表面側にアルミによるパッド２６₃，２６₄が形成されている。ここに、図７（ａ）における右側の固定極部２４ｄに形成されたパッド２６₃は図示しない拡散層配線を介して図７（ａ）における重り部２１の下側の各固定電極２４ｂと電気的に接続され、図７（ａ）における左側の固定極部２４ｄに形成されたパッド２６₄は図示しない拡散層配線を介して図７（ａ）における重り部２１の上側の各固定電極２４ｂと電気的に接続されている。なお、固定極部２４ｄは支持部２３の近傍まで延設されている。

さらに、重り部２１やばね部２２の表面（図７（ｂ）における上面）側には、ガラス基板よりなる支持基板２が支持基板１と対向して配設されている。この支持基板２は固定極部２４ｄに設けられたパッド２６₁〜２６₄に接合され、各パッド２６₁〜２６₄をワイヤボンディングによって外部の回路と接続するため、パッド２６₁〜２６₄の一部を外部に臨ませる挿通孔３が長手方向の両端部にそれぞれ２つずつ貫設されている。そして、これらのパッド２６₁〜２６₄に電気的に接続された外部の回路において、既定方向への重り部２１の変位に応じた固定電極２４ｂと可動電極２１ａとの間の静電容量値の変化として加速度を検出することができる。尚、図７（ａ）における２５は重り部２１の変位量を規制するストッパである。

ここで、図７（ａ）において重り部２１の上側に設けられた可動電極２１ａと下側に設けられた可動電極２１ａとが、それぞれ図８（ａ）に示すように固定電極２４ｂ，２４ｂ間に形成された櫛溝２４ｃの中心線Ｍから互いに異なる向きにずれて配置されているので、前記規定方向に加速度が作用したときに重り部２１の両側で可動電極２１ａと固定電極２４ｂとの間の静電容量値の変化が異なることとなるから、加速度の向きを検出することが可能である。すなわち、図８（ａ）における上側の固定電極２４ｂと可動電極２１ａとの間の静電容量をＣ１、下側の固定電極２４ｂと可動電極２１ａとの間の静電容量をＣ２とすれば、図８（ｂ）に示す等価回路で表され、加速度が作用していない状態では２つの静電容量Ｃ１，Ｃ２の容量値がほぼ等しいことからその代数和が略ゼロとなるが、例えば、図８（ａ）の矢印で示すように図中左向きの加速度が作用すると上側の固定電極２４ｂと可動電極２１ａとの距離が狭まるために静電容量値Ｃ１が増加し、且つ下側の固定電極２４ｂと可動電極２１ａとの距離が拡がるために静電容量値Ｃ２が減少し、しかも、２つの静電容量値Ｃ１，Ｃ２の増加分ΔＣｇ１と減少分ΔＣｇ２が等しくなるから（ΔＣｇ１＝ΔＣｇ２）、結局、図中左向きの加速度が作用したときの２つの静電容量値Ｃ１，Ｃ２の代数和が２×ΔＣｇとなり、静電容量値の変化分の絶対値ΔＣｇと符号（この場合はプラス）とから加速度の大きさと向きを同時に検出することができるのである（図８（ｃ）参照）。
特開平８−３２０９０号公報 特開２００４−２８９１２号公報

ところで、上記従来例においては、２つの支持基板１，２に挟まれて重り部２１やばね部２２等が構成されている部分が側方（図７（ａ）における上下方向および左右方向）に開放されているため、微小な塵や異物等が前記部分内に侵入して重り部２１の変位が阻害されるなどの不具合が生じる虞があった。

本発明は上記事情に鑑みて為されたものであり、その目的は、塵や微小な異物等の侵入による不具合の発生が防止できる加速度センサを提供することにある。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、支持基板と、支持基板の一表面側において支持基板から離間して配置された重り部と、支持基板の前記一表面側に固着され前記一表面に沿って重り部を規定方向に変位可能とするばね部を介して重り部を支持する少なくとも一組の支持部と、重り部の側方において支持基板の前記一表面側に固着され前記規定方向が厚さ方向となるように列設された複数の薄板状の固定電極を有する櫛形状の固定電極部と、隣り合う固定電極間の櫛溝に１つずつ入り込み前記規定方向へ変位可能となるように重り部に設けられた複数の薄板状の可動電極と、重り部、支持部、固定電極部、可動電極を支持基板の前記一表面に沿った方向から囲う枠状に形成されて支持基板の当該一表面側に固定される枠体と、枠体を挟んで支持基板と対向するように枠体を覆う第２の支持基板とを備えたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記枠体が固定電極部と一体に形成されたことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記枠体が支持部と一体に形成されたことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記枠体が、支持部並びに固定電極部と別体に形成されたことを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１〜４の何れかの発明において、固定電極に電気的に接続されるとともに外部への配線が接続される固定電極用パッドが固定電極部の表面に設けられ、可動電極に電気的に接続されるとともに外部への配線が接続される可動電極用パッドが支持部に設けられるとともに、前記外部への配線を挿通するための挿通孔が支持基板に貫設され、前記固定電極用パッド並びに可動電極用パッドが前記挿通孔の内径よりも内側に設けられることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記固定電極用パッド並びに可動電極用パッドの外形が略円形であることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項４〜６の何れかの発明において、枠体の一表面に支持基板が接合される接合部が全周に渡って形成され、前記接合部が外部のグランドに電気的に接続されることを特徴とする。

本発明によれば、枠体と２つの支持基板によって重り部やばね部等が密閉されるため、塵や微小な異物等の侵入による不具合の発生が防止できるという効果がある。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。但し、以下の各実施形態は、図７に示した従来例と基本的な構成が共通するから、共通の構成要素には同一の符号を付して適宜説明を省略する。

（実施形態１）
本実施形態は、図１に示すように重り部２１、ばね部２２、支持部２３₁，２３₂、固定電極部２４、ストッパ２５、可動電極２１ａなどを支持基板１の表面に沿った方向（図１（ａ）における上下方向および左右方向）から囲う矩形枠状に形成されて支持基板１の当該一表面側に固定される枠体２８を備え、この枠体２８の支持基板１との接合面（図１（ｂ）における下面）にアルミからなる接合部２９が全周に渡って形成される点に特徴がある。

一組の支持部２３₁，２３₂のうちで図１（ａ）における右側の支持部２３₁が図中上下方向の中央に設けられ、この支持部２３₁を前記上下方向から挟むようにして一対の固定極部２４ｄが設けられており、矩形平板状の支持基板１における一辺（図１（ａ）における右辺）側において固定極部２４ｄの裏面（図１（ｂ）における下面）側に形成された固定電極用パッド２６ａ，２６ｂの端部と、支持部２３₁の裏面側に形成された可動電極用パッド２６ｃとが前記上下方向に沿って一列に並置されている。尚、図１（ａ）における支持基板１の右側の端部には、固定電極用パッド２６ａ，２６ｂ並びに可動電極用パッド２６ｃの一部を外部に臨ませる挿通孔３が貫設されている（図１（ｂ）参照）。そして、加速度が作用したときの静電容量の変化に基づいて加速度の大きさや向きを検出するための信号処理回路と固定電極用パッド２６ａ，２６ｂ並びに可動電極用パッド２６ｃとが挿通孔３を通してワイヤボンディングにより電気的に接続される。

また、枠体２８は縦横の外形寸法が支持基板１，２とほぼ同一である矩形枠状であって、単結晶のシリコン基板をエッチング加工することにより重り部２１やばね部２２などと同時に当該シリコン基板の一部によって形成される。また、枠体２８には図１（ａ）における下側の固定極部２４ｄが連続一体に形成され、さらに枠体２８の裏面（図１（ｂ）における下面）には支持基板２を接合するためのアルミからなる接合部２９が固定極部２４ｄの固定電極用パッド２６ｂと連続一体に形成されている。

したがって、接合部２９において枠体２８の裏面に支持基板１を接合するとともに支持基板２を枠体２８の表面に陽極接合すれば、２枚の支持基板１，２と枠体２８によって重り部２１、ばね部２２、支持部２３₁，２３₂、固定電極部２４、ストッパ２５、可動電極２１ａなどが全て密封されるため、微小な塵や異物等が内部に侵入することがなく、かかる異物等によって重り部２１の変位が阻害されるなどの不具合を防ぐことができて信頼性が向上するとともに、枠体２８の内側を気密封止できるから耐湿性等の信頼性も向上するものである。

（実施形態２）
本実施形態の基本構成は実施形態１と共通であるから、共通の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態が実施形態１と異なる点は、図２に示すように一組の支持部２３が枠体２８と一体に形成されるとともに、枠体２８裏面の接合部２９が支持部２３裏面の可動電極用パッド２６ｃと一体に形成された点にある。

而して、支持部２３と枠体２８が一体に形成され、さらにそれらの裏面に形成される可動電極用パッド２６ｃ並びに接合部２９もまた一体に形成されているため、図２（ａ）における上下方向の中心線（Ａ−Ａ線）に対して固定電極用パッド２６ａ，２６ｂ並びに可動電極用パッド２６ｃが線対称となり、固定電極用パッド２６ａ，２６ｂ並びに可動電極用パッド２６ｃを含めた固定電極２４ｂと可動電極２１ａの間の静電容量値Ｃ１，Ｃ２が略同一（Ｃ１≒Ｃ２）となるから、配線の寄生容量による影響を低減することができる。

（実施形態３）
本実施形態の基本構成は実施形態１と共通であるから、共通の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態が実施形態１と異なる点は、図３に示すように枠体２８が固定極部２４ｄ並びに一組の支持部２３₁，２３₂と別体に形成された点にある。すなわち、枠体２８は固定極部２４ｄ並びに支持部２３₁，２３₂の何れとも繋がっておらず、よって枠体２３裏面の接合部２９も固定電極用パッド２６ａ，２６ｂおよび可動電極用パッド２６ｃの何れとも電気的に絶縁されている。但し、枠体２８の四隅のうちの一つ（図３（ａ）における右上の隅）には内側に突出する台部２８ａが設けられ、この台部２８ａの裏面には接合部２９と一体に形成されたグランド用パッド３０が形成され、支持基板２に設けられた挿通孔３を通してグランド用パッド３０が外部のグランドとワイヤボンディングにより電気的に接続されるようになっている。

而して、固定極部２４ｄや支持部２３₁，２３₂と枠体２８が別体に形成されているため、固定電極２４ｂや可動電極２１ａ並びに固定電極用パッド２６ａ，２６ｂや可動電極用パッド２６ｃが枠体２８の内側に密閉されて外部に露出しないため、水分や湿気などの外乱に対するセンサの特性を安定させることができる。しかも、支持基板２を接合する接合部２９を外部のグランドに接続すれば接合部２９によって固定電極２４ｂや可動電極２１ａなどがシールドされることになり、耐ノイズ性が向上するという利点もある。

ところで、枠体２８と支持基板１をアルミからなる接合部２９で接合する場合、アルミの熱膨張率が枠体２８を構成するシリコン基板や支持基板１を構成するガラスの熱膨張率よりもかなり大きな値であるため、温度変化によるオフセットが生じてセンサの温度特性が劣化する虞がある。

そこで、図４に示すように枠体２８の裏面にアルミからなる接合部２９を形成せずに枠体２８と支持基板１とを陽極接合で接合すれば、アルミからなる接合部２９が不要となって温度特性の向上が図れる。このとき、固定電極用パッド２６ａ，２６ｂ並びに可動電極用パッド２６ｃを支持基板１の挿通孔３の内径よりも内側に設け、アルミからなる固定電極用パッド２６ａ，２６ｂ並びに可動電極用パッド２６ｃが支持基板１との間に介在しないようにすれば、温度特性のさらなる向上が図れる。尚、図４（ａ）に示すように固定電極用パッド２６ａ，２６ｂ並びに可動電極用パッド２６ｃの外形が挿通孔３の内径よりも小さい矩形に形成されているため、ワイヤボンディングを行う際にパッド２６ａ〜２６ｃの認識が容易になるという利点もある。但し、図５に示すようにこれらのパッド２６ａ〜２６ｃの外形を円形とすれば、矩形の場合に比べて貫通孔３との距離関係に余裕が生じるから、支持基板１に貫設する挿通孔３の内径を小さく且つ挿通孔３同士の間隔も狭くできて全体の小型化が図れるという利点がある。

以下、図４又は図５の構造を有する加速度センサの製造方法について図６を参照しながら簡単に説明する。

まず、ｎ形のシリコン基板２０の主表面および裏面にシリコン酸化膜を熱酸化などにより形成し、シリコン基板２０の裏面に凹部２０ａを形成するためにシリコン基板２０の裏面のシリコン酸化膜をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングした後、このパターニングされたシリコン酸化膜をマスクとしてシリコン基板２０を裏面から所定深さまでエッチングし、シリコン基板２０の主表面および裏面のシリコン酸化膜をエッチング除去することによって図６（ａ）に示すような構造が得られる。なお、所定深さは支持基板１と重り部２１との間の距離に設定してある。

次に、シリコン基板２０の裏面上にパッド２６ａ〜２６ｃを形成するためにアルミニウム膜を例えば蒸着法によって形成し、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用してアルミニウム膜を矩形又は円形にパターニングすることによってパッド２６ａ〜２６ｃを形成することにより、図６（ｂ）に示す構造が得られる。

その後、予め挿通孔３が貫設されたガラス基板よりなる支持基板１とシリコン基板２０とを陽極接合することによって図６（ｃ）に示す構造が得られる。

次に、シリコン基板２０の主表面に、この後の垂直エッチング工程時のマスクとなる酸化膜等を形成し、シリコン基板２０に重り部２１、ばね部２２、支持部２３、固定電極２４ｂ、固定電極部２４、可動電極２１ａ、枠体２８などを形成するために、前記酸化膜をパターニングした後（図６（ｄ）参照）、シリコン基板２０に対して主表面に直交する方向に貫通させる垂直エッチングを行うことによって図６（ｅ）に示す構造が得られる。ここに誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を利用したエッチング装置を用いてエッチングを行うことによってシリコン基板２０の厚み方向に垂直エッチングを行うことができる。

さらに、ガラス基板よりなる支持基板２をシリコン基板２０の主表面側に陽極接合することで図６（ｆ）に示す構造が得られる。そして、ここまでの工程はウェハの状態で行われるので、以後、ダイシングを行えばよい。

実施形態１を示し、（ａ）は上側の支持基板を省略した平面図、（ｂ）は側面図である。 実施形態２を示し、（ａ）は上側の支持基板を省略した平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面矢視図である。 実施形態３を示し、（ａ）は上側の支持基板を省略した平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面矢視図である。 同上の他の構造を示し、（ａ）は上側の支持基板を省略した平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面矢視図である。 同上のさらに他の構造を示し、（ａ）は上側の支持基板を省略した平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面矢視図である。 同上の製造方法の説明図である。 従来例を示し、（ａ）は上側の支持基板を省略した平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面矢視図である。 （ａ）〜（ｃ）は従来例の動作説明図である。

符号の説明

１ 支持基板
３ 挿通孔
２１ 重り部
２１ａ 可動電極
２２ ばね部
２３₁，２３₂ 支持部
２４ 固定電極部
２４ｂ 固定電極
２４ｄ 固定極部
２６ａ，２６ｂ 固定電極用パッド
２６ｃ 可動電極用パッド
２８ 枠体
２９ 接合部

Claims (7)

1. 支持基板と、支持基板の一表面側において支持基板から離間して配置された重り部と、支持基板の前記一表面側に固着され前記一表面に沿って重り部を規定方向に変位可能とするばね部を介して重り部を支持する少なくとも一組の支持部と、重り部の側方において支持基板の前記一表面側に固着され前記規定方向が厚さ方向となるように列設された複数の薄板状の固定電極を有する櫛形状の固定電極部と、隣り合う固定電極間の櫛溝に１つずつ入り込み前記規定方向へ変位可能となるように重り部に設けられた複数の薄板状の可動電極と、重り部、支持部、固定電極部、可動電極を支持基板の前記一表面に沿った方向から囲う枠状に形成されて支持基板の当該一表面側に固定される枠体と、枠体を挟んで支持基板と対向するように枠体を覆う第２の支持基板とを備えたことを特徴とする加速度センサ。
2. 前記枠体が固定電極部と一体に形成されたことを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
3. 前記枠体が支持部と一体に形成されたことを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
4. 前記枠体が、支持部並びに固定電極部と別体に形成されたことを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
5. 固定電極に電気的に接続されるとともに外部への配線が接続される固定電極用パッドが固定電極部の表面に設けられ、可動電極に電気的に接続されるとともに外部への配線が接続される可動電極用パッドが支持部に設けられるとともに、前記外部への配線を挿通するための挿通孔が支持基板に貫設され、前記固定電極用パッド並びに可動電極用パッドが前記挿通孔の内径よりも内側に設けられることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の加速度センサ。
6. 前記固定電極用パッド並びに可動電極用パッドの外形が略円形であることを特徴とする請求項５記載の加速度センサ。
7. 枠体の一表面に支持基板が接合される接合部が全周に渡って形成され、前記接合部が外部のグランドに電気的に接続されることを特徴とする請求項４〜６の何れかに記載の加速度センサ。

Images