JP2007298410A - 静電容量式センサ - Google Patents

Abstract

【課題】検出感度を向上させるとともに、デバイスサイズの大型化、可動電極の可動により生ずる部材の欠損、スティッキングなどを回避する。
【解決手段】半導体層２のアンカ部３にビーム部４を介して非対称な質量バランスとなるように可動支持され、半導体層２の厚み方向の物理量の変位に応じて動作する可動電極５と、半導体層２を支持する絶縁層２０上に形成された固定電極６とを相互に間隙を介して対向配置し、可動電極５と固定電極６との間隙の大きさに応じて検出される静電容量に基づき物理量を検出する静電容量式センサにおいて、半導体層２を単結晶シリコン層とし、単結晶シリコン層を垂直エッチング加工することで形成されたアンカ部３、ビーム部４、可動電極５からなる当該可動電極５の可動機構を備えることで実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固定電極と可動電極との間の静電容量を検出することにより所定の物理量を検出する静電容量式センサに関する。

従来より、固定部に弾性要素を介して可動電極が支持された構造を形成し、作用した外力等に応じて可動電極が固定電極に対して接離可能となるようにして、これら電極間の静電容量の変化を検出することで加速度や角速度等の種々の物理量を検出できるようにした静電容量式センサが知られている。

このような静電容量式センサとして、加速度などの物理量により変位する１個のマス部により、垂直軸方向の物理量を検出することができるように構成された静電容量式センサが開示されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。
米国特許第４７３６６２９号明細書 米国特許第６０００２８７号明細書

特許文献１、特許文献２は、非対称に形成されたマス部をアンカ部と呼ばれる固定部から水平方向へと対称に伸びたトーションビームにより質量バランスを崩すように支持し、垂直方向へと加わる物理量に応じたトーションビームのねじれによるマス部の位置変位により物理量を検出することができる。

このような静電容量式センサを、特許文献１では、金属材料を加工することにより形成し、特許文献２では、公知の半導体プロセスを用いてシリコンなどの半導体基板を加工することにより形成している。特許文献２のように半導体プロセスによりシリコンを加工してデバイスを形成した場合、微細な加工が可能となるため、特許文献１のように金属材料を加工した場合より小型で精度の高い静電容量式センサとすることができる。

しかしながら、特許文献２で開示されている静電容量式センサは、単結晶シリコン基板を結晶異方性エッチングにより加工することで形成しているため、アンカ部をはじめ各部がテーパーを有する形状となり、デバイスサイズの大型化や可動電極の可動により生ずる部材の欠損、スティッキングなどを招来してしまうといった問題がある。

また、結晶異方性エッチングにより加工した場合、ある程度の質量を有することで検出感度を向上させるようなマス部を形成することが困難であるといった問題もある。

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、検出感度を向上させるとともに、デバイスサイズの大型化や可動電極の可動により生ずる部材の欠損、スティッキングなどを回避することができる構造を有する静電容量式センサを提供することを目的とする。

本発明の静電容量式センサは、半導体層の固定部分にビーム部を介して非対称な質量バランスとなるように可動支持され、前記半導体層の厚み方向の物理量の変位に応じて動作する第１可動電極と、前記半導体層を支持する支持基板上に形成された第１固定電極とを相互に間隙を介して対向配置し、前記第１可動電極と前記第１固定電極との間隙の大きさに応じて検出される静電容量に基づき物理量を検出する第１検出部を備える静電容量式センサにおいて、前記半導体層を単結晶シリコン層とし、前記単結晶シリコン層を垂直エッチング加工することで形成された前記固定部分、前記ビーム部、前記第１可動電極からなる当該第１可動電極の可動機構を備えることにより上述の課題を解決する。

本発明によれば、検出感度を向上させるとともに、デバイスサイズの大型化や可動電極の可動により生ずる部材の欠損、スティッキングなどを回避することを可能とする。

また、垂直エッチング加工により可動機構を形成することで、一様な断面形状とすることができるため、他軸感度を大幅に低減することを可能とする。さらに、半導体層を単結晶シリコンとするため膜応力がなく容易な加工を可能とする。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

［第１の実施の形態］
［静電容量式センサ１の構成］
図１、図２、図３を用いて、本発明の第１の実施の形態として示す静電容量式センサ１の構成について説明する。この静電容量式センサ１は、図１の紙面に向かって垂直な方向の加速度や角速度など、種々の物理量を検出することができる。

図１は、静電容量式センサの半導体層２を示した平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線で、図３は、図１のＢ−Ｂ線で半導体層２を切断するように静電容量式センサ１を切断した様子を示した断面図である。半導体層２は、単結晶シリコンであり、図１乃至図３に示すように、半導体プロセスにより単結晶シリコン基板に間隙１０を形成することで、アンカ部３、ビーム部４、可動電極５、フレーム部７、電位取出部８が形成されている。

図２、図３に示すように、静電容量式センサ１は、この半導体層２の表裏両面にガラス基板などの絶縁層２０，２１を、例えば、陽極接合などをして接合することで形成される。これら半導体層２と絶縁層２０，２１との接合面には、比較的浅い凹部２２が形成されており、半導体層２各部の絶縁性や可動電極５の動作性の確保が図られている。なお、本発明の第１の実施の形態では、半導体層２と絶縁層２０との接合面については、半導体層２側に凹部２２を設ける一方、半導体層２と絶縁層２１との接合面については、絶縁層２１側に凹部２２を設けている。

また、絶縁層２０の表面２０ａ上には導体層２３が成膜されており、半導体層２の各部の電位を取得するための電極として用いられる。本発明の第１の実施の形態では、絶縁層２０にサンドブラスト加工等によって貫通孔２４を形成して半導体層２の表面（絶縁層２０側の表面）の一部を露出させておき、絶縁層２０の表面上から貫通孔２４の内周面上および半導体層２の表面（図２ではアンカ部３の表面）上にかけて電気的に接続された一連の導体層２３を成膜するようにして、当該導体層２３から半導体層２内の各部の電位を検出できるようにしてある。なお、絶縁層２０の表面上は、樹脂層（図示せず）によって被覆（モールド成形）するのが好適である。

半導体層２は、図１に示すように、全体として平面視で略長方形状に形成されており、フレーム部７が、その半導体層２の四つの周縁（四辺）に沿って略一定幅で枠状に設けられている。

間隙１０は、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）などにより垂直エッチング加工をすることで、間隙１０の側壁面を半導体層２の表面と垂直となるように形成される。このようにして、垂直エッチング加工により形成された間隙１０の側壁面同士は、互いに略平行に対向することになる。反応性イオンエッチングとしては、例えば、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plasma）を備えたエッチング装置によるＩＣＰ加工を利用することができる。

フレーム部７の内側には、半導体層２の平面視略中央位置よりフレーム部７の一長辺側（図１の上側）に僅かにずれた位置に、矩形断面（本発明の第１の実施の形態では略正方形断面）を有する柱状のアンカ部３が設けられており、このアンカ部３のフレーム部７の短辺に対向する一対の側壁からビーム部４，４が、それぞれフレーム部７の長辺と略平行に延伸している。なお、本発明の第１の実施の形態では、図２および図３に示すように、アンカ部３を絶縁層２０のみに当接（接合）させているが、さらにもう一方の絶縁層２１に当接（接合）させるようにしてもよい。

ビーム部４は、図４に示すような一定の矩形（略長方形）断面を有する梁として構成されている。一例として、半導体層２の厚み方向に沿うビーム部４の厚みｈを１０μｍ以上（５００μｍ以下）とし、半導体層２の表面に沿う方向であるビーム部４の幅ｗを３〜１０μｍ程度とすることができる。

そして、このビーム部４は、一定の断面でフレーム部７の長辺に沿う方向に延伸し、アンカ部３側の端部４ａに対して反対側となる端部４ｂが可動電極５に接続されている。

可動電極５は、フレーム部７の内周面７ａに間隙１０をもって対向する平面視で略矩形状の外周面５ｄを備えるとともに、アンカ部３およびビーム部４，４の外側を間隙１０をもって囲むように形成されている。すなわち、可動電極５は、図１に示すように、アンカ部３およびビーム部４，４に対して、フレーム部７の一長辺側（図１の下側）には、間隙１０を空けて略矩形状の大板部５ａを備える一方、フレーム部７の他の長辺側（図１の上側）には、間隙１０を空けて略矩形状の小板部５ｂを備えており、これら大板部５ａと小板部５ｂとが、フレーム部７の短辺に沿う一対の接続部５ｃ，５ｃを介して相互に接続された形状となっている。そして、ビーム部４，４はそれぞれ対応する接続部５ｃ，５ｃの略中央部に接続されている。大板部５ａ、小板部５ｂは、それぞれ１枚の単結晶シリコン基板から形成されているため、小板部５ｂよりサイズの大きい大板部５ａの質量が大きくなっている。

このように可動電極５が、静電容量式センサ１の固定部としてのアンカ部３にビーム部４，４を介して非対称な質量バランスで可動支持された構造は、半導体層２に間隙１０を形成するとともに半導体層２および絶縁層２０，２１のうち少なくともいずれか一方に凹部２２を形成することで得ることができる。よって、アンカ部３、ビーム部４，４、および可動電極５は、半導体層２の一部として一体に構成されており、それらアンカ部３、ビーム部４，４、および可動電極５の電位は、ほぼ等電位とみなすことができる。

ビーム部４，４は、フレーム部７に対して可動電極５を弾性的に可動支持するバネ要素として機能する。本発明の第１の実施の形態では、図４に示すように、ビーム部４，４は、静電容量式センサ１の厚み方向に長い断面（ビーム部４の延伸軸に垂直な断面）を有しているため、当該厚み方向には撓みにくい。また、可動電極５は、ビーム部４，４を挟んで相互に対向する質量の異なる大板部５ａと小板部５ｂとを備えているため、静電容量式センサ１に厚み方向の加速度が生じると、大板部５ａおよび小板部５ｂに作用する慣性力の差によるビーム部４，４のねじりにより、ビーム部４，４を中心として揺動することになる。すなわち、本発明の第１の実施の形態では、ビーム部４，４はねじりビーム（トーションビーム）として機能することになる。

そして、本実施の形態では、可動電極５の大板部５ａおよび小板部５ｂのそれぞれに対向するように絶縁層２０の下面２０ｂに固定電極６Ａ，６Ｂを設け、大板部５ａと固定電極６Ａとの間の静電容量、および小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間の静電容量を検出することで、これら間隙１０の変化、ひいては静電容量式センサ１の固定部に対する可動電極５の揺動姿勢の変化を得ることができるようになっている。

［静電容量検出の原理］
図５（ａ）は、可動電極５が揺動することなく絶縁層２０の下面２０ｂに対して平行な姿勢にある状態を示している。この状態では、大板部５ａと固定電極６Ａとの間の間隙２５ａの大きさと、小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間の間隙２５ｂの大きさとが等しくなるため、大板部５ａおよび固定電極６Ａの相互対向面積と、小板部５ｂおよび固定電極６Ｂの相互対向面積とを等しくしてある場合には、大板部５ａと固定電極６Ａとの間の静電容量と、小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間の静電容量とは等しくなる。

図５（ｂ）は、可動電極５が揺動して絶縁層２０の下面２０ｂに対して傾き、大板部５ａが固定電極６Ａから離れるとともに、小板部５ｂが固定電極６Ｂに近接した状態を示している。この状態では、図５（ａ）の状態に比べて、間隙２５ａは大きくなり、間隙２５ｂは小さくなるから、大板部５ａと固定電極６Ａとの間の静電容量は小さくなり、小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間の静電容量は大きくなる。

図５（ｃ）は、可動電極５が揺動して絶縁層２０の下面２０ｂに対して傾き、大板部５ａが固定電極６Ａに近接するとともに、小板部５ｂが固定電極６Ｂから離間した状態を示している。この状態では、図５（ａ）の状態に比べて、間隙２５ａは小さくなり、間隙２５ｂは大きくなるから、大板部５ａと固定電極６Ａとの間の静電容量は大きくなり、小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間の静電容量は小さくなる。

したがって、大板部５ａと固定電極６Ａとの間の間隙２５ａを検知ギャップとする静電容量と、小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間の間隙２５ｂを検知ギャップとする静電容量との差動出力から、Ｃ−Ｖ変換することで得られる電圧波形を求め当該静電容量式センサ１に加えられた種々の物理量を検出することができる。

このような静電容量は、可動電極５および固定電極６Ａ，６Ｂの電位から取得することができる。本発明の第１の実施の形態では、図１および図２に示すように、アンカ部３上の絶縁層２０には貫通孔２４が形成されており、可動電極５の電位は、この貫通孔２４の内面に形成した導体層２３を介して取り出される。

一方、固定電極６は、絶縁層２０の下面２０ｂ上に導体層（例えばアルミニウム合金の層）として形成してある。固定電極６を成膜する工程では、固定電極６と一続きの導体層として、配線パターン１１および端子部９も同時に成膜される。したがって、固定電極６の電位は、配線パターン１１および端子部９、半導体層２に形成された電位取出部８、ならびに電位取出部８上の絶縁層２０に形成された導体層２３を介して取り出されるようになっている。

［電位取出部８の構成］
ここで、図６を参照して、電位取出部８の構成について説明する。図６（ａ）は、電位取出部８を拡大して示した図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示すＣ−Ｃ線で切断した様子を示す断面図であり、図６（ｃ）は、絶縁層２０と半導体層２とを接合する前段における様子を示した断面図である。

図６に示すように、電位取出部８は、半導体層２に形成した間隙１０や半導体層２または絶縁層２１に形成した凹部２２によって、可動電極５やフレーム部７等の半導体層２の他の部分と絶縁され、略円柱状に形成されるパッド部８ａと、パッド部８ａからフレーム部７の短辺に沿って細長く伸びる台座部８ｂとを備えている。そして、この台座部８ｂの端子部９に対応する部分を切り欠くように平坦な底面８ｃを備える凹部２６が形成されている。そして、この底面８ｃ上には下敷層２７（例えば、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）の層）が形成され、さらに、この下敷層２７と隣接した位置にほぼ同じ高さの導体層２８が形成されるとともに、下敷層２７の上面から導体層２８の上面にかけて、フレーム状の山部１２ａを連設してなる平面視で略梯子状の接点部１２が形成される。このとき、導体層２８および接点部１２は、同一の導体材料（例えばアルミニウム合金等）による層として形成することができる。

ここで、本発明の第１の実施の形態では、図６（ｃ）に示すように、接点部１２の山部１２ａを、半導体層２の上面２ａより上に高さδｈだけ突出するように高く形成し、これにより、半導体層２と絶縁層２０とを接合するときに、端子部９によって山部１２ａが押圧されて塑性変形し、山部１２ａ（接点部１２）と端子部９との間での接触および導通がより確実なものとなるようにしている。

なお、図１に示すように、大板部５ａおよび小板部５ｂの表面上の適宜位置にはストッパ１３を設け、可動電極５と固定電極６Ａ，６Ｂとが直接的に接触（衝突）して損傷するのを抑制するようになっているが、このストッパ１３を下敷層２７と同一材料として同じ工程で形成するようにすれば、これらを別途形成する場合に比べて製造の手間が減り、製造コストを低減することができる。

［半導体層２側の凹部２２の形成］
ところで、上述したように本発明の第１の実施の形態では、半導体層２と絶縁層２０との接合面は、半導体層２側に凹部２２を設けるようにしている。図７は、図１のＢ−Ｂ断面に相当する断面図である。

凹部２２は、図７（ａ）に示すように、半導体層２を絶縁層２０に接合し、間隙１０を形成する前段において、ウェットエッチングやドライエッチングといった種々のエッチング処理により形成しておく。このようにして半導体層２をエッチング処理により削り取ることにより凹部２２を形成した後、図７（ｂ）に示すようにガラス基板である絶縁層２０を接合させ、垂直エッチング加工をすることで、図７（ｃ）に示すような間隙１０を形成する。なお、ストッパ１３は、エッチング処理により凹部２２を形成した後に、酸化膜やアルミニウム合金などで形成する。

このように、単結晶シリコン基板である半導体層２をエッチング処理することで、あらかじめ凹部２２を形成し、凹部２２が形成された面を支持基板となる絶縁層２０に対向させて接合させると、エッチング処理に伴い生成されるエッチング残渣を良好に除去することができるため、可動電極５の揺動により絶縁層２０とスティッキングしてしまうことを防止することができ、静電容量式センサ１の品質を向上させることができる。

また、あらかじめ半導体層２に凹部２２を形成してしまうことから、支持基板となる絶縁層２０としてガラス基板などの絶縁基板を利用できるため、絶縁基板以外、例えば、可動電極５と同様のシリコン材料からなる基板などを利用した場合に発生する寄生容量を低減することができる。

さらに、エッチング処理により形成する凹部２２は、凹部２２の形状に応じたレジスト膜パターンを形成し、凹部２２の深さに応じたエッチング時間のみを設定するだけで、容易に形成することができるという利点がある。

また、絶縁層２０としてガラス基板を利用できるため、鏡面となる単結晶シリコンで形成された可動電極５の揺動によるビーム部４のねじれ動作を光の反射として視認できるため外観検査を容易に行うことができる。

この凹部２２は、図５を用いて説明した検知ギャップである大板部５ａと固定電極６Ａとの間の間隙２５ａ、小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間の間隙２５ｂの検知ギャップ間の距離を規定することになる。静電容量をＣ、対向面積をＳ、検知ギャップ間の距離をｄ、誘電率をεとした場合の静電容量Ｃの基本式である“Ｃ＝εＳ／ｄ ”からも分かるように、検知ギャップ間の距離は、高い精度で形成する必要がある。一般的には、このような半導体プロセスにより形成する静電容量式センサにおいては、製造プロセス中のスティッキングや、実使用時のスティッキングを防止するために検知ギャップ間の距離として３μｍ以上が必要となる。

そこで、結晶方向にエッチング速度が依存する性質を利用した結晶異方性エッチングにて、凹部２２を形成するとエッチング処理の管理が容易となるため、ばらつきが少なく非常に高い精度の検知ギャップとなる間隙２５ａ、間隙２５ｂを形成することができる。

図８に、結晶異方性エッチングにより凹部２２を形成した場合の、図１のＡ−Ａ線で半導体層２を切断した様子を示す。図８の領域Ｐに示すように、アンカ部３、フレーム部７は、切り出した単結晶シリコン基板の結晶面に対して所定の角度の面方位となる面が現れることになる。

ところで、図６を用いて説明した電位取出部８において、台座部８ｂを切り欠くように形成された平坦な底面８ｃを備える凹部２６も、凹部２２を形成する際に結晶異方性エッチング処理により形成するようにする。この凹部２６は、固定電極６の電位を取り出す電位取出部８において、端子部９と接点部１２とを確実に接触して導通させるために高い精度で形成される必要がある。したがって、結晶異方性エッチングにより凹部２２を形成するのに伴い、同じく結晶異方性エッチングにより凹部２６を形成すると、ばらつきが少なく非常に高い精度の凹部２６を形成することができる。

［ＳＯＩ基板を利用する場合］
上述した静電容量式センサ１のアンカ部３、ビーム部４、可動電極５などを、図９に示すようなシリコン支持基板４１とシリコン活性層４３との間に中間酸化膜４２としてＳｉＯ_２を挿入した構造のＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板４０から形成することもできる。図９は、図１のＢ−Ｂ断面に相当する断面図である。

このＳＯＩ基板４０を用いる場合、まず、垂直エッチング加工により図９（ａ）に示すように間隙１０を形成し、犠牲層エッチングにより図９（ｂ）に示すように中間酸化膜４２を除去することで凹部２２を形成する。つまり、シリコン活性層４３が、上述した半導体層２に相当する。このように、ＳＯＩ基板４０を用いる場合、半導体層２と他の基板とを接合するという工程を一つ省略できるため、容易に形成することができるという利点がある。

一方、犠牲層エッチングにより凹部２２を形成するため、上述したように半導体層２を単結晶シリコン基板にて形成する際に、ガラス基板などの絶縁層２０との接合の前段で凹部２２をエッチング処理によりあらかじめ形成する場合と比較して、エッチング残渣の量が多くなってしまう可能性が高い。また、絶縁層２０をガラス基板とすることができないため、上述したような効果を得ることができない。

［ビーム部４のサイズ］
ビーム部４は、静電容量式センサ１の厚み方向に長い断面（ビーム部４の延伸軸に垂直な断面）を有しているため、当該厚み方向には撓みにくい形状となっている。また、ビーム部４は、図４に示すような一定の矩形（略長方形）断面を有する梁として構成されており、半導体層２の厚み方向に沿った厚みｈが１０μｍ以上とされる。この厚みｈの下限値である１０μｍは、上述した検知ギャップの一般的な検知ギャップ間の距離である３μｍ以上に基づき算出された値である。このように、検知ギャップ間の距離を３μｍ以上とした場合、静電容量式センサ１で検出された値を信号処理する信号処理回路の能力に基づく感度を確保するためには、所定の変位量だけ可動電極５を変位させる必要がある。

そこで、可動電極５の厚み、つまりビーム部４の厚みを検知ギャップ間の最低距離である３μｍの約３倍である１０μｍ以上とすることで、必要な感度を得るために充分な程度、可動電極５を変位させる質量を確保することができる。可動電極５の厚み、ビーム部４の厚みの上限値は、半導体層２を形成する単結晶シリコン基板の厚みに準じた、例えば、５００μｍなどとすることができる。

また、図４に示すビーム部４の厚みｈは、ビーム部４の幅ｗに対して３．１６倍以上とする。例えば、垂直方向の加速度に応じてビーム部４がねじれることで可動電極５が正常に変位する場合、可動電極５は、半導体層２を支持する絶縁層２０，２１に接触したとしても線接触や点接触となる。しかしながら、過大な加速度が加わった場合には、図１０に示すように可動電極５がｚ軸方向に、表面を水平に保ちながら変位して絶縁層２０，２１に面接触し、スティッキングを起こしてしまう可能性がある。このようなｚ軸方向、つまり垂直方向への可動電極５の変位を防止するには、ねじれずにそのまま持ち上がってしまうモードを減らしてやる必要がある。

具体的には、ビーム部４の垂直方向のたわみをビーム部４の水平方向のたわみの１０分の１以下にすると、上述したようなねじれずにそのまま持ち上がってしまうモードを大幅に減らすことができる。そこで、断面２次モーメントに基づく最大たわみを算出し、ビーム部４の垂直方向のたわみが、ビーム部４の水平方向のたわみの１０分の１以下となるように、ビーム部４の厚みｈを決定すると、ビーム部４の厚みｈは、ビーム部４の幅ｗに対して３．１６（≒１０^１／２）倍以上とする必要がある。

これにより、可動電極５が、ねじれずにそのまま持ち上がってしまうモードを大幅に減らすことができるため、可動電極５は、絶縁層２０，２１に面接触してスティッキングを起こすことなく、物理量に応じてビーム部４を中心とした良好なねじれ動作をすることができる。

［固定電極６Ａ，６Ｂの位置と形状］
固定電極６Ａ，６Ｂは、図１１に示すように、可動電極５のねじれ動作の中心となるビーム部４を対称軸として上下対称となるように設けるのではなく、可動電極５の小板部５ｂ側へとずらすように設けられている。

図１２（ａ），（ｂ）に、図１１に示す矢印Ｌ方向から静電容量式センサ１を見た場合の加速度Ｇを垂直下方より加える前後においてねじれ動作の中心がずれる様子を示す。このねじれ動作の中心がずれる現象は、マスとして機能する可動電極５を、大板部５ａ、小板部５ｂという質量の異なる部材をねじれ動作の中心となるビーム部４に対して非対称となるように形成していることに起因していると考えられる。

そこで、固定電極６Ａ，６Ｂをビーム部４を対称軸とし対称に配置した状態を基準として、このようなねじれ動作の中心がずれる量を考慮し、図１２（ａ）に示すように、固定電極６Ａは、ビーム部４へと近付ける方向に、一方、固定電極６Ｂは、ビーム部４から遠ざける方向に、それぞれ絶縁層２０の下面２０ｂに設けるようにする。

このとき、固定電極６Ａ，６Ｂのずれ量、つまり、固定電極６Ａ，６Ｂの絶縁層２０の下面２０ｂにおける設置位置は、静電容量式センサ１で保証されている加速度の検知範囲に応じて決定される。

このように、物理量を加えた場合に変化する可動電極５のねじれ動作の中心位置に応じて、固定電極６Ａ，６Ｂの位置を決定すると、加えられる物理量に応じて検出される静電容量の直線性を高めることができるため精度よく物理量を検出することができる。

また、絶縁層２０に設ける固定電極６と可動電極５との対向面積が増えれば、静電容量式センサ１で検出する物理量の検出感度を上げることができるため、図１３（ａ）に示すように、単純に可動電極５の大板部５ａ、小板部５ｂの長辺に沿った短冊形状とするのではなく、図１３（ｂ）に示すように、アンカ部３、ビーム部４を形成するにあたり設けた間隙１０を避けながら、この間隙１０の形状に沿うように固定電極６Ａ，６Ｂを、大板部５ａ、小板部５ｂに対向する絶縁層２０の下面２０ｂ上に形成して対向面積を稼ぐようにする。

これにより、固定電極６Ａ，６Ｂにより規定される可動電極５との対向面積を最大限確保することができるため、当該静電容量式センサ１に加えられる物理量を非常に感度よく検出することができる。

［第１の実施の形態の効果］
上述したように、本発明の第１の実施の形態として示す静電容量式センサ１は、単結晶シリコン基板である半導体層２を垂直エッチング加工することでアンカ部３、ビーム部４、可動電極５からなる当該可動電極５の可動機構を形成している。したがって、充分な厚みがある半導体層２を用いて可動電極５を形成することができる。

これにより、可動電極５の質量を十分確保できることから、物理量に応じて大きく可動電極５が変位するため、静電容量の検出感度を向上させることができる。また、可動電極５の変位量が大きいことから検知ギャップを広く確保できるため可動電極５と、固定電極６が設けられた絶縁層２０とのスティッキングの発生を防止することができる。

また、ＩＣＰを搭載したエッチング装置による垂直エッチング加工であることから、半導体層２を加工した加工面にテーパーが形成されるといったことがないため、デバイスサイズを小型化することができる。また、加工面にテーパーが形成されていないため、過大な物理量によりビーム部４と可動電極５とが接触したとしても必ず面接触となるため構造が欠けてしまうことなどを防止することができる。さらに、垂直エッチング加工されたエッチング面は、鏡面ではないため、面接触したとしてもスティッキングを発生してしまうこともない。

垂直エッチング加工をした場合には、エッチング処理された部位の断面形状が上下においてほぼ対称形状となるため、検出方向である主軸方向に対する他軸方向に感度を発生してしまうことを回避することができる。

さらに、本発明の第１の実施形態として示す静電容量式センサ１は、半導体層２を膜応力の少ない単結晶シリコン基板としているため容易な加工処理を実現することができる。

［第２の実施の形態］
続いて、図１４，図１５を用いて、本発明の第２の実施の形態として示す静電容量式センサ３０の構成について説明する。第２の実施の形態として示す静電容量式センサ３０は、上述した第１の実施の形態として示す半導体層２の厚み方向である垂直方向の物理量を検出する静電容量式センサ１に、さらに半導体層２の面方向である水平方向の物理量を検出することができるように構成したものである。

図１４は、静電容量式センサ３０の半導体層２を示した平面図である。図１４に示すように、半導体層２は、半導体基板に公知の半導体プロセスにより間隙１０を形成することで、垂直方向の物理量を検出する垂直方向検出部３０Ａと、水平方向の物理量を検出する水平方向検出部３０Ｂと、これらを囲むフレーム部７とが形成されている。なお、垂直方向検出部３０Ａは、静電容量式センサ１と全く同一の構成であるため、必要に応じて適宜説明をするものとし詳細な説明を省略する。

間隙１０は、第１の実施の形態として示す静電容量式センサ１における間隙１０と同様に、反応性イオンエッチングなどにより垂直エッチング加工をすることで、間隙１０の側壁面を半導体層２の表面と垂直となるように形成される。このようにして、垂直エッチング加工により形成された間隙１０の側壁面同士は、互いに略平行に対向することになる。反応性イオンエッチングとしては、例えば、誘導結合型プラズマを備えたエッチング装置によるＩＣＰ加工を利用することができる。

図１４に示すように、水平方向検出部３０Ｂの半導体層２は、支持部３３、ビーム部３４、可動電極３５、固定電極３６とが形成されている。

図１５は、図１４のＤ−Ｄ線で半導体層２を切断するように静電容量式センサ３０を切断した様子を示した断面図である。図１５に示すように、静電容量式センサ３０は、この半導体層２の表裏両面にガラス基板などの絶縁層２０，２１を、例えば、陽極接合などをして接合することで形成される。これら半導体層２と絶縁層２０，２１との接合面には、比較的浅い凹部４２が形成されており、半導体層２各部の絶縁性や可動電極３５の動作性の確保が図られている。なお、本発明の第２の実施の形態では、水平方向検出部３０Ｂの半導体層２と絶縁層２０との接合面については、半導体層２側に凹部４２を設ける一方、水平方向検出部３０Ｂの半導体層２と絶縁層２１との接合面については、絶縁層２１側に凹部４２を設けている。

図１４に示すように、支持部３３は、可動電極３５を介して可動電極３５の長辺側にそれぞれ１つずつ設けられ、可動電極３５の長辺に沿って平行に略一定幅で延設されている。このように設けられた１対の支持部３３は、一方が他方に較べ細く長くなっている。

各支持部３３には、可動電極３５に対向する側から、当該支持部３３の長辺と平行に、かつ中途で蛇行するように折れ曲がりながら中心に向けて伸びるビーム部３４が、それぞれ２本ずつ設けられている。図１４に示すように、ビーム部４の他端は、可動電極３５の隅部に接続されており、支持部３３に対して可動電極３５を弾性的に可動支持するバネ要素として機能する。

これにより、水平方向検出部３０Ｂでは、可動電極３５に対し、バネ要素としてのビーム部３４、ビーム部３４に接続された支持部３３により支持される質量要素（マス）としての機能を与え、これらバネ要素と質量要素とによってバネ−マス系を構成している。このような水平方向検出部３０Ｂは、質量要素としての可動電極３５の位置変位による可動電極３５、固定電極３６間の静電容量の変化を検出する。そして、水平方向検出部３０Ｂは、検出された静電容量の変化をＣ−Ｖ変換することで得られる電圧波形から当該静電容量式センサ１に加えられた加速度を検出することができる。

具体的には、この静電容量の変化は、可動電極３５、固定電極３６にそれぞれ形成された櫛歯状の複数の検出可動電極３５ａ、検出固定電極３６ａからなる検出部３８Ａ，３８Ｂ（以下、総称する場合は、単に検出部３８と呼ぶ。）によって検出される。

例えば、図１４に示すＹ軸方向に加速度が与えられると、可動電極５がＹ軸方向に変位し、検出部３８Ａの検出可動電極３５ａ、検出固定電極３６ａで検出される静電容量と、検出部３８Ｂの検出可動電極３５ａ、検出固定電極３６ａで検出される静電容量に差が生じる。この静電容量の差からＹ軸方向の加速度を検出することができる。

図１４に示す固定電極３６の隅部３６ｂ上には、絶縁層２０をサンドブラスト加工等によって貫通させた貫通孔２４を形成する。そして、貫通孔２４を介して露出された半導体層２、貫通孔２４の内周面、絶縁層２０の表面２０ａにかけて金属薄膜などを成膜することで固定電極３６の電位を絶縁層２０上で取り出せるようにしている。

なお、絶縁層２０の表面上は、樹脂層（図示せず）によって被覆（モールド成形）するのが好適である。

一方、可動電極３５の電位は、当該可動電極３５をビーム部３４を介して支持する支持部３３から取り出すようにする。図１４に示す可動電極３５に対して上側に配置された支持部３３には、絶縁層２０をサンドブラスト加工等によって貫通させた貫通孔を形成する。そして、貫通孔２４を介して露出された半導体層２、貫通孔２４の内周面、絶縁層２０の表面２０ａにかけて金属薄膜などを成膜することで可動電極３５の電位を絶縁層２０上で取り出せるようにしている。

［検出部３８の構成］
続いて、図１６に示す水平方向検出部３０Ｂの検出部３８を中心に可動電極３５、固定電極３６を拡大した平面図を用いて、検出部３８の詳細な構成について説明をする。

図１６に示すように、可動電極３５には、その中央部から固定電極３６の電極支持部３６ｃに向けてその辺と略垂直に細長く伸びる帯状の検出可動電極３５ａが形成されている。検出可動電極３５ａは、所定のピッチで、互いに平行となるように櫛歯状に複数形成される。また、各検出可動電極３５ａは、先端部が互いに平行に、同一の長さとなるように揃えられている。

一方、固定電極３６には、電極支持部３６ｃから可動電極３５の中央部に向けて、検出可動電極３５ａと平行に細長く伸びる帯状の検出固定電極３６ａが形成されている。検出固定電極３６ａは、上述した櫛歯状の複数の検出可動電極３５ａの間に、検出可動電極３５ａと１対１で平行に対向するように、所定のピッチ（例えば、検出可動電極３５ａと同一のピッチ）で櫛歯状に複数形成される。また、各検出固定電極３６ａは、検出可動電極３５ａに対応させて同一の長さとなるように揃えられ、検出可動電極３５ａ、検出固定電極３６ａ同士が相互に対向する対向面の対向面積をできるだけ広く確保できるようにしてある。

図１６に示すように、検出可動電極３５ａ、検出固定電極３６ａを形成する上で設けられた間隙１０は、一方側で狭い間隙１０ａ、他方側で広い間隙１０ｂとなっている。検出部３８は、狭い側の間隙１０ａを検知ギャップ（電極ギャップ）として検出可動電極３５ａ、検出固定電極３６ａ間の静電容量を検出する。

なお、図１４に示すように、可動電極３５の表面上の適宜位置には、垂直方向検出部３０Ａの可動電極５に設けたストッパ１３と全く同一のストッパ１３を設け、可動電極３５が絶縁層２０に直接的に接触（衝突）して損傷するのを抑制するようになっているが、このストッパ１３を電位取出部８の下敷層２７と同一材料として同じ工程で形成するようにすれば、これらを別途形成する場合に比べて製造の手間が減り、製造コストを低減することができる。

［半導体層２側の凹部４２の形成］
ところで、図１４を用いて説明したように、水平方向検出部３０Ｂでは、半導体層２と絶縁層２０との接合面は、半導体層２側に凹部４２を設けるようにしている。

凹部４２は、半導体層２を絶縁層２０に接合し、間隙１０を形成する前段において、ウェットエッチングやドライエッチングといった種々のエッチング処理により形成しておく。このようにして半導体層２をエッチング処理により削り取ることにより凹部４２を形成した後、ガラス基板である絶縁層２０を接合させ、垂直エッチング加工をすることで、間隙１０を形成する。

このとき、図１５に示すように、垂直方向検出部３０Ａのアンカ部３、ビーム部４、可動電極５が形成された半導体層２の厚みｈ１と、水平方向検出部３０Ｂのビーム部３４、可動電極３５、固定電極３６が形成された半導体層２の厚みｈ２とを全て同一にする。

このように、厚みｈ１と、厚みｈ２とを同一の厚さとすると、凹部４２を形成する工程と、垂直方向検出部３０Ａにおいて検知ギャップを規定する凹部２２を形成する工程とを同一工程にて形成することができる。また、厚みｈ１と、厚みｈ２とを同一の厚さとすると、間隙１０を形成する際の垂直エッチング加工において、貫通エッチング量を一定に保つことができるためエッチング時間が同じになりオーバーエッチングを防止することができる。

［間隙１０の幅］
また、図１４に示す垂直方向検出部３０Ａのビーム部４を形成するために貫通させる間隙１０の幅ｗ１と、図１６に示す水平方向検出部３０Ｂの検出部３８の検知ギャップである間隙１０ａの幅ｗ２とを同一にする。

このように、間隙１０の幅ｗ１と、間隙１０ａの幅ｗ２とを同一の幅とすると、垂直エッチング加工時のエッチング速度を均一化することができる。したがって、垂直エッチング加工によるエッチング処理後に形成される各部位の形状ばらつきを大幅に低減させることができる。

特に、垂直方向検出部３０Ａのビーム部４は、ねじれ動作を伴うため当該ビーム部４の幅のばらつきが検出感度に悪影響を与えてしまう。したがって、間隙１０の幅ｗ１と、間隙１０ａの幅ｗ２とを同一の幅とし、形状ばらつきを低減させることで、垂直方向検出部３０Ａの検出感度を向上させることができる。

［ビーム部４、ビーム部３４の幅］
さらに、図１５に示す垂直方向検出部３０Ａのビーム部４の幅ｗ３と、水平方向検出部３０Ｂのビーム部３４の幅ｗ４とを同一にする。

このように、ビーム部４の幅ｗ３と、ビーム部３４の幅ｗ４とを同一の幅とすると、垂直エッチング加工をする際のオーバーエッチングの管理が容易になる。また、ビーム部４の幅ｗ３と、ビーム部３４の幅ｗ４とを同一の幅とすると、半導体プロセスが終了した後に行われるデバイスの画像認識などによる外観検査を容易なものとすることができる。

［第２の実施の形態の別な構成］
第２の実施の形態として示す静電容量式センサ３０は、図１７に示すような構成とすることもできる。図１７に示す静電容量式センサ３０は、垂直方向検出部３０Ａの可動電極５を、水平方向検出部３０Ｂを囲むような枠形状としている。

具体的には、可動電極５の大板部５ａを縮小し質量を減らし、この縮小した大板部５ａから水平方向検出部３０Ｂの固定電極３６の電極支持部３６ｃの長手方向に沿って平行に伸びる２本の腕部５ｄと、腕部５ｄとを接続する接続部５ｅによって水平方向検出部３０Ｂが囲まれることになる。

このように、水平方向検出部３０Ｂを囲むように可動電極５を形成すると、ねじれ動作の中心となるビーム部４から遠い質量成分である腕部５ｄ、接続部５ｅにより慣性モーメントを稼ぐことができるため、大板部５ａを縮小して質量を減らしたとしても充分な検出感度を確保、さらには検出感度を向上させることができる。また、垂直方向検出部３０Ａ、水平方向検出部３０Ｂとを効率的に配置することができるため、静電容量式センサ３０を小型化することができるという利点もある。

［第２の実施の形態の効果］
このように、本発明の第２の実施の形態として示す静電容量式センサ３０は、同一の半導体層２に、半導体層２の厚み方向の物理量を検出する垂直方向検出部３０Ａと、半導体層２の面方向の物理量を検出する水平方向検出部３０Ｂとが、垂直エッチング加工により形成されている。

例えば、それぞれ１軸方向の物理量を検出するセンサを単純に２つ配置するなどして互いに垂直な他軸方向の物理量を検出するようにしたセンサなどでは、実装時の位置ずれや、実装浮きなどにより２軸間の直角性を損なってしまうが、本発明の第２の実施の形態として示す静電容量式センサ３０では、互いの検知軸の直角性を高い精度で確保できるため、非常に高い精度で双方の物理量を検出することができる。

また、同一のプロセスで垂直方向検出部３０Ａと、水平方向検出部３０Ｂとを形成できるため、製造プロセスの削減から製造コストを低減することができるとともに、形状を小型化することもできる。

また、垂直方向検出部３０Ａのアンカ部３、ビーム部４、可動電極５が形成された半導体層２の厚みｈ１と、水平方向検出部３０Ｂのビーム部３４、可動電極３５、固定電極３６が形成された半導体層２の厚みｈ２とを全て同一にしているため、製造された静電容量式センサ３０の垂直方向検出部３０Ａ、水平方向検出部３０Ｂの感度などの特性にばらつきがあった場合には、単結晶シリコン基板を切り出す前の単結晶シリコンウェハそのものにばらつきが存在すると判断することができる。

したがって、製造された静電容量式センサ３０の性能から、単結晶シリコンウェハの製造ばらつきなどの特性をつかみやすく、単結晶シリコンウェハの製造プロセスに異常が発生した場合には迅速に発見することができ品質向上を実現できる。

また、垂直方向検出部３０Ａ、水平方向検出部３０Ｂを一体で形成し、厚みを一定とすることで、全体的な重量バランスを確保できるため、垂直方向、水平方向の物理量を混在して検出するセンサでありながら、実装浮きを大幅に低減することができるため、他軸感度を向上させることができる。

なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施の形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

本発明の第１の実施の形態として示す静電容量式センサの半導体層の構成について説明するための図である。 前記静電容量式センサを図１に示すＡ−Ａ線で切断した様子について説明するための断面図である。 前記静電容量式センサを図１に示すＢ−Ｂ線で切断した様子について説明するための断面図である。 前記静電容量式センサのビーム部の断面形状について説明するための断面図である。 前記静電容量式センサにおける静電容量の検出原理について説明するための図である。 前記静電容量式センサが備える固定電極の電位取出部の構成について説明するための図である。 前記静電容量式センサの半導体層に形成する凹部について説明するための断面図である。 前記静電容量式センサの半導体層の凹部を結晶異方性エッチングにより形成した様子を示した断面図である。 前記静電容量式センサをＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて形成することについて説明するための図である。 前記静電容量式センサの可動電極がねじれ動作をせずに垂直方向へと位置変位した様子を示した図である。 前記静電容量式センサの固定電極の設置位置について説明するための図である。 前記静電容量式センサの可動電極を動作させるねじれ動作の中心がずれることについて示した図である。 前記静電容量式センサの固定電極の形状について説明するための図である。 本発明の第２の実施の形態として示す静電容量式センサの半導体層の構成について説明するための図である。 前記静電容量式センサを図１４に示すＤ−Ｄ線で切断した様子について説明するための断面図である。 前記静電容量式センサの水平方向検出部が備える検出部の詳細な構成について説明するための図である。 前記静電容量式センサの可動電極の別な形状について説明するための図である。

符号の説明

１ 静電容量式センサ
２ 半導体層
３ アンカ部
４ ビーム部
５ 可動電極
５ａ 大板部
５ｂ 小板部
６ 固定電極
６Ａ 固定電極
６Ｂ 固定電極
１０ 間隙
１０ａ 間隙
１０ｂ 間隙
２０ 絶縁層
２１ 絶縁層
２２ 凹部
３０ 静電容量式センサ
３０Ａ 垂直方向検出部
３０Ｂ 水平方向検出部
３５ 可動電極
３５ａ 検出可動電極
３６ 固定電極
３６ａ 検出固定電極
４０ 基板
４０ ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板
４２ 凹部

Claims (15)

1. 半導体層の固定部分にビーム部を介して非対称な質量バランスとなるように可動支持され、前記半導体層の厚み方向の物理量の変位に応じて動作する第１可動電極と、前記半導体層を支持する支持基板上に形成された第１固定電極とを相互に間隙を介して対向配置し、前記第１可動電極と前記第１固定電極との間隙の大きさに応じて検出される静電容量に基づき物理量を検出する第１検出部を備える静電容量式センサにおいて、
   前記半導体層を単結晶シリコン層とし、
   前記単結晶シリコン層を垂直エッチング加工することで形成された前記固定部分、前記ビーム部、前記第１可動電極からなる当該第１可動電極の可動機構を備えること
   を特徴とする静電容量式センサ。
2. 前記支持基板上に形成された前記第１固定電極と対向する領域を含む、前記半導体層の前記支持基板との対向面に凹部が形成されていること
   を特徴とする請求項１記載の静電容量式センサ。
3. 前記凹部が結晶異方性エッチングにより形成されていること
   を特徴とする請求項２記載の静電容量式センサ。
4. シリコン支持基板とシリコン活性層との間に中間酸化膜を挿入した構造のＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用い、
   前記半導体層を前記ＳＯＩ基板のシリコン活性層とすること
   を特徴とする請求項１記載の静電容量式センサ。
5. 前記ビーム部の厚みが、当該ビーム部の幅よりも大きいこと
   を特徴とする請求項１記載の静電容量式センサ。
6. 前記第１可動電極の厚み、前記ビーム部の厚みがそれぞれ１０μｍ以上であること
   を特徴とする請求項５記載の静電容量式センサ。
7. 前記ビーム部の厚みが、当該ビーム部の幅の３．１６倍以上であること
   を特徴とする請求項５記載の静電容量式センサ。
8. 前記第１固定電極は、前記ビーム部を介して非対称な質量バランスとされた前記第１可動電極の質量の小さい部材である小板部と、質量の大きい部材である大板部にそれぞれ独立して対向配置され、
   さらに、前記小板部と対向する前記第１固定電極は、前記ビーム部から遠ざけるように配置され、前記大板部と対向する前記第１固定電極は、前記ビーム部に近付けるように前記支持基板上に配置されていること
   を特徴とする請求項１記載の静電容量式センサ。
9. 前記第１固定電極は、前記ビーム部を介して非対称な質量バランスとされた前記第１可動電極の質量の小さい部材である小板部と、質量の大きい部材である大板部にそれぞれ独立して対向配置され、
   さらに、前記第１固定電極は、垂直エッチング加工によって前記固定部、前記ビーム部を形成するにあたり設けられた間隙と対向することを避けながら、一部が前記間隙の形状に沿うように前記支持基板上に形成されていること
   を特徴とする請求項１記載の静電容量式センサ。
10. 前記半導体層の固定部分にビーム部を介して可動支持され、前記半導体層の面方向の物理量の変位に応じて動作する第２可動電極と、前記半導体層によって形成された第２固定電極とを相互に間隙を介して対向配置し、前記第２可動電極と前記第２可動電極との間隙の大きさに応じて検出される静電容量に基づき物理量を検出する第２検出部を備えること
    を特徴とする請求項１記載の静電容量式センサ。
11. 前記第１検出部の半導体層の厚みと、前記第２検出部の半導体層の厚みとが略同一であること
    を特徴とする請求項１０記載の静電容量式センサ。
12. 前記第１検出部のビーム部の厚みと、前記第２検出部のビーム部の厚みが略同一であること
    を特徴とする請求項１０記載の静電容量式センサ。
13. 前記第１検出部のビーム部の幅と、前記第２検出部のビーム部の幅とが略同一であること
    を特徴とする請求項１０記載の静電容量式センサ。
14. 前記第１検出部の前記ビーム部を形成するにあたり垂直エッチング加工によって設けられた間隙と、
    前記第２検出部の第２可動電極と第２固定電極とを相互に対向配置させる際に設けた間隙とが略同一であること
    を特徴とする請求項１０記載の静電容量式センサ。
15. 前記第１検出部の前記第１可動電極は、前記第２検出部の周囲を囲む形状であること
    を特徴とする請求項１０記載の静電容量式センサ。

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