JP2010210422A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】密閉性を高めつつ浮遊容量の影響を低減する。
【解決手段】シリコン基板からなる電極部８１ａ，８１ｂ，９１ａ，９１ｂで貫通孔配線部８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂの貫通孔８０ａ，８０ｂ，９０ａ，９０ｂを閉塞する。これにより、センサチップ１の密閉性を高めることができる。しかも、電極部８１ａ，８１ｂ，９１ａ，９１ｂの寸法（縦横寸法）を、貫通孔８０ａ，８０ｂ，９０ａ，９０ｂの一面側（下面側）の開口径φ１よりも小さく且つ他面側（上面側）の開口径φ２よりも大きい寸法とすることで電極部８１ａ，８１ｂ，９１ａ，９１ｂとセンサチップ１との間に生じる浮遊容量の影響を低減することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、静電容量型の加速度センサに関するものである。

従来、図３に示すように可動電極を有する直方体形状の重り部１００と、重り部１００の長手方向における略中央において重り部１００を回動自在に支持する一対のビーム部１０１と、一対のビーム部１０１を結ぶ直線（ビーム軸）を境界線とした重り部１００の表面のそれぞれ一方側及び他方側に対し所定距離をあけて対向配置された第１及び第２の固定電極１０２，１０３とを備える加速度センサが知られている。この加速度センサは、ビーム軸を回動軸とした重り部１００の回動に伴う可動電極（重り部１００の固定電極１０２，１０３との対向部位）と第１および第２の固定電極１０２，１０３間の静電容量の変化を差動検出することにより、重り部１００に印加された加速度を検出する。このような加速度センサでは、加速度が印加された際にビーム軸を回動軸としたモーメントが重り部１００に発生するように、重り部１００の裏面のビーム軸を境界線とした一方側（図３における右側）に凹部１０４を形成することにより、ビーム軸を境界線とした重り部１００の一方側（右側）と他方側（左側）とで重量が異なるようにしている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、上述のような加速度センサにおいては、使用に際して雰囲気の影響を受け難くし、かつ静電容量ギャップ部（固定電極１０２，１０３と可動電極の間のギャップ）に異物が混入しないようにするために、重り部が形成された半導体基板製のセンサチップを絶縁材料製の板材（例えば、ガラス板）で厚み方向に挟み込むとともに、固定電極や可動電極への配線のためにガラス板に貫設されている貫通孔を半導体基板で閉塞し、半導体基板から貫通孔配線（スルーホールめっき）を通じて固定電極や可動電極へ配線を接続した状態で静電容量ギャップ部を密閉する構成としている（例えば、特許文献２〜４参照）。

特表２００８−５４４２４３号公報 特開２０００−２７５２７２号公報 特開平１０−１７７０３４号公報 特開平６−２７３４４２号公報

しかしながら、引用文献２〜４に記載されている従来例においては、ガラス板の貫通孔を塞ぐ半導体基板の大きさが貫通孔の直径よりも大きくなっており、ガラス板を挟んで対向する半導体基板とセンサチップとの間に浮遊容量が発生し、当該浮遊容量によって固定電極と可動電極との間の静電容量が変化してしまう虞があった。

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、密閉性を高めつつ浮遊容量の影響を低減することが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、一面に可動電極が設けられた重り部並びに重り部を回動軸の回りに回動自在に支持するビーム部が半導体基板を加工して形成されたセンサチップと、固定電極が一面に形成され当該固定電極を可動電極に対向させる向きでセンサチップの一面側に接合される絶縁性のカバーと、カバーを貫通する貫通孔と、固定電極と電気的に接続されるとともに貫通孔を通してカバーの他面に引き出される貫通孔配線部と、半導体基板からなりカバーの他面側において貫通孔を閉塞するとともに貫通孔配線部と導通する電極部とを備え、貫通孔は一面側の開口径よりも他面側の開口径の方が小さく、電極部は貫通孔の一面側の開口径よりも小さく且つ他面側の開口径よりも大きい寸法を有することを特徴とする。

請求項１の発明によれば、半導体基板からなる電極部で貫通孔配線部を閉塞することにより密閉性を高めることができ、しかも、電極部の寸法を、貫通孔の一面側の開口径よりも小さく且つ他面側の開口径よりも大きい寸法とすることで電極部とセンサチップとの間に生じる浮遊容量の影響を低減することができる。

請求項１の発明によれば、密閉性を高めつつ浮遊容量の影響を低減することができる。

本発明の実施形態を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は同上の製造方法を説明するための断面図である。 従来例を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。但し、以下の説明では図１におけるｘ軸方向を縦方向、ｙ軸方向を横方向、ｚ軸方向を上下方向と定める。

本実施形態は、図１に示すように外形が矩形平板状であるセンサチップ１と、センサチップ１の上面側に固定される上カバー２ａと、センサチップ１の下面側に固定される下カバー２ｂとを備えている。センサチップ１は、上下方向から見て矩形の２つの枠部３ａ，３ｂが長手方向（横方向）に並設されたフレーム部３と、枠部３ａ，３ｂの内周面に対して隙間を空けた状態で枠部３ａ，３ｂ内に配置された直方体形状の重り部４，５と、枠部３ａ，３ｂの内周面と重り部４，５の側面を連結してフレーム部３に対して重り部４，５を回動軸の回りに回動自在に支持する各一対のビーム部６ａ，６ｂ及び７ａ，７ｂと、重り部４，５の上面に形成される可動電極４ａ，５ａとを備えている。

一対のビーム部６ａ，６ｂは、横方向に対向する枠部３ａの内周面における縦方向の中央部に一端が連結され、重り部４の側面における凹部１１と充実部１２の境界付近に他端が連結されている。同じく一対のビーム部７ａ，７ｂは、横方向に対向する枠部３ｂの内周面における縦方向の中央部に一端が連結され、重り部５の側面における凹部１３と充実部１４の境界付近に他端が連結されている。つまり、一対のビーム部６ａと６ｂ、７ａと７ｂをそれぞれ結ぶ直線が回動軸となり、回動軸の回りに各重り部４，５が回動することになる。

重り部４，５は、図１（ｂ）に示すように回動軸を境界とする一方側（重り部４では図１における右側、重り部５では図１における左側）に、一面（下面）に開口した凹部１１，１３が設けられ、他方側（重り部４では図１における左側、重り部５では図１における右側）に、充実部１２，１４が形成されている。尚、凹部１１，１３は開口面の法線方向（上下方向）から見て平面視四角形に形成されている。また、センサチップ１は、後述するように半導体の微細加工技術によりシリコン基板（シリコンＳＯＩ基板）を加工して形成されるものであり、重り部４，５の上面を含む部分が可動電極４ａ，５ａとなる。さらに、重り部４，５の上面及び下面における四隅には、重り部４，５が上カバー２ａ及び下カバー２ｂに直接衝突することを防止するために複数の突起部１５が突設されている。

下カバー２ｂは、石英ガラスなどの絶縁材料により縦横の寸法がフレーム部３の縦横の寸法と略同一である矩形平板状に形成され、フレーム部３の下面に接合される。

上カバー２ａは、石英ガラスなどの絶縁材料製であって、その下面には、上下方向に沿ってセンサチップ１の重り部４（可動電極４ａ）と対向する位置に第１の固定電極２０ａと第２の固定電極２０ｂが縦方向に並設されるとともに、上下方向に沿ってセンサチップ１の重り部５（可動電極５ａ）と対向する位置に第１の固定電極２１ａと第２の固定電極２１ｂが縦方向に並設されている。また、上カバー２ａには、枠部３ａ，３ｂと重り部４，５の間の隙間（ギャップ）と上下方向で対向する位置に各々貫通孔８０ａ，８０ｂ、９０ａ，９０ｂが貫設されるとともに、各貫通孔８０ａ，８０ｂ、９０ａ，９０ｂがスルーホールめっきされてそれぞれの固定電極２０ａ，２０ｂ、２１ａ，２１ｂと電気的に接続されることで合計４つの貫通孔配線部８ａ，８ｂ、９ａ，９ｂが形成されている。さらに、上カバー２ａの上面に開口する貫通孔８０ａ，８０ｂ、９０ａ，９０ｂが、半導体基板（シリコン基板）によって矩形平板状に形成された電極部８１ａ，８１ｂ、９１ａ，９１ｂによって閉塞される。このとき、電極部８１ａ，８１ｂ、９１ａ，９１ｂがそれぞれ対応する貫通孔配線部８ａ，８ｂ、９ａ，９ｂと電気的に接続される。

ここで、上カバー２ａに貫設される貫通孔８０ａ，８０ｂ、９０ａ，９０ｂは下面側の開口径φ１に対して上面側の開口径φ２が小さくなっており、電極部８１ａ，８１ｂ、９１ａ，９１ｂは、貫通孔８０ａ，８０ｂ、９０ａ，９０ｂの下面側の開口径φ１よりも小さく且つ上面側の開口径φ２よりも大きい寸法（縦横寸法）に形成されている（図１参照）。尚、上カバー２ａは横方向の寸法はセンサチップ１と略同一であるが、縦方向の寸法はセンサチップ１よりも若干短くなっており、横方向に沿った一方の側面（図１における左側の側面）に揃えてフレーム部３の上面に接合される。そして、センサチップ１上面の上カバー２ａで覆われない端部（図１における右端部）が可動電極４ａ，５ａと導通した接地用の電極部１０となる。

ここで、本実施形態では、枠部３ａ、重り部４、ビーム部６ａ，６ｂ、可動電極４ａ、第１及び第２の固定電極２０ａ，２０ｂ、貫通孔配線部８ａ，８ｂ、電極部８１ａ，８１ｂと、枠部３ｂ、重り部５、ビーム部７ａ，７ｂ、可動電極５ａ、第１及び第２の固定電極２１ａ，２１ｂ、貫通孔配線部９ａ，９ｂ、電極部９１ａ，９１ｂとで各々加速度センサが構成され、重り部４，５の向き（凹部１１，１３と充実部１２，１４の配置）を１８０度反転させた状態で２つの加速度センサが一体に形成されている（図１（ａ）参照）。

次に、本実施形態の検出動作について説明する。

まず、一方の重り部４にｘ軸方向の加速度が印加された場合を考える。ｘ軸方向に加速度が印加されると重り部４が回動軸の回りに回動して可動電極４ａと第１の固定電極２０ａ並びに第２の固定電極２０ｂとの間の距離が変化し、その結果、可動電極４ａと各固定電極２０ａ，２０ｂとの間の静電容量Ｃ１，Ｃ２も変化する。ここで、ｘ軸方向の加速度が印加されていないときの可動電極４ａと各固定電極２０ａ，２０ｂとの間の静電容量をＣ０とし、加速度の印加によって生じる静電容量の変化分をΔＣとすれば、ｘ軸方向の加速度が印加されたときの静電容量Ｃ１，Ｃ２は、
Ｃ１＝Ｃ０−ΔＣ …（１）
Ｃ２＝Ｃ０＋ΔＣ …（２）
と表すことができる。

同様に、他方の重り部５にｘ軸方向の加速度が印加された場合、可動電極５ａと各固定電極２１ａ，２１ｂとの間の静電容量Ｃ３，Ｃ４は、
Ｃ３＝Ｃ０−ΔＣ …（３）
Ｃ４＝Ｃ０＋ΔＣ …（４）
と表すことができる。

ここで、静電容量Ｃ１〜Ｃ４の値は、電極部８０ａ，８０ｂ及び８１ａ，８１ｂから取り出す電圧信号を演算処理することで検出することができる。そして、一方の加速度センサから得られる静電容量Ｃ１，Ｃ２の差分値ＣＡ（＝Ｃ１−Ｃ２）と、他方の加速度センサから得られる静電容量Ｃ３，Ｃ４の差分値ＣＢ（＝Ｃ３−Ｃ４）との和（±４ΔＣ）を算出すれば、この差分値ＣＡ，ＣＢの和に基づいてｘ軸方向に印加された加速度の向きと大きさを演算することができる。

次に、一方の重り部４にｚ軸方向の加速度が印加された場合を考える。ｚ軸方向に加速度が印加されると重り部４が回動軸の回りに回動して可動電極４ａと第１の固定電極２０ａ並びに第２の固定電極２０ｂとの間の距離が変化し、その結果、可動電極４ａと各固定電極２０ａ，２０ｂとの間の静電容量Ｃ１，Ｃ２も変化する。ここで、ｚ軸方向の加速度が印加されていないときの可動電極４ａと各固定電極２０ａ，２０ｂとの間の静電容量をＣ０とし、加速度の印加によって生じる静電容量の変化分をΔＣとすれば、ｚ軸方向の加速度が印加されたときの静電容量Ｃ１，Ｃ２は、
Ｃ１＝Ｃ０＋ΔＣ …（５）
Ｃ２＝Ｃ０−ΔＣ …（６）
と表すことができる。

同様に、他方の重り部５にｚ軸方向の加速度が印加された場合、可動電極５ａと各固定電極２１ａ，２１ｂとの間の静電容量Ｃ３，Ｃ４は、
Ｃ３＝Ｃ０−ΔＣ …（７）
Ｃ４＝Ｃ０＋ΔＣ …（８）
と表すことができる。

そして、一方の加速度センサから得られる静電容量Ｃ１，Ｃ２の差分値ＣＡ（＝Ｃ１−Ｃ２）と、他方の加速度センサから得られる静電容量Ｃ３，Ｃ４の差分値ＣＢ（＝Ｃ３−Ｃ４）との差（±４ΔＣ）を算出すれば、この差分値ＣＡ，ＣＢの差に基づいてｚ軸方向に印加された加速度の向きと大きさを演算することができる。尚、差分値ＣＡ，ＣＢの和と差に基づいてｘ軸方向及びｚ軸方向の加速度の向き及び大きさを求める演算処理については従来周知であるから詳細な説明を省略する。

次に、図２を参照して本実施形態の製造方法を説明する。

本実施形態では、支持基板及び中間酸化膜、活性層からなるシリコンＳＯＩ基板を半導体の微細加工技術を利用して加工することによりセンサチップ１が形成される。まず、シリコンＳＯＩ基板の両面にシリコン酸化膜やフォトレジスト膜などのマスク材料を形成し、重り部４，５に対応する位置のマスク材料を除去した後、ＴＭＡＨ（テトラメチル水酸化アンモニウム溶液）やＫＯＨ（水酸化カリウム溶液）などを利用した湿式エッチング、あるいは反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などの乾式エッチングを行うことにより、シリコンＳＯＩ基板の上面及び下面に重り部４，５が変位するための空間（凹所）を形成する。そして、凹所底面の所定位置にシリコン酸化膜又はカーボンナノチューブからなる突起部１５を形成する。続いて、支持基板及び中間酸化膜の順にシリコンＳＯＩ基板の下面をエッチングすることで重り部４，５（凹部１１，１３並びに充実部１２，１４）を形成する。

一方、ガラス基板からなる上カバー２ａにサンドブラストなどの加工方法で貫通孔８０ａ，８０ｂ、９０ａ，９０ｂを貫設し（図２（ａ）参照）、上カバー２ａの上面にシリコン基板１００を接合する（図２（ｂ）参照）。次に、エッチングによって電極部８１ａ，８１ｂ、９１ａ，９１ｂ以外のシリコン基板１００を除去し（図２（ｃ）参照）、スパッタリングによって上カバー２ａの下面に固定電極２０ａ，２０ｂ、２１ａ，２１ｂと貫通孔配線部８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂを同時に形成する（図２（ｄ）参照）。

そして、センサチップ１の下面及び上面にそれぞれ下カバー２ｂと上カバー２ａを陽極接合することにより、本実施形態の製造工程は完了する（図２（ｅ）参照）。

而して本実施形態では、半導体基板（シリコン基板）からなる電極部８１ａ，８１ｂ，９１ａ，９１ｂで貫通孔配線部８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂ（貫通孔８０ａ，８０ｂ，９０ａ，９０ｂ）を閉塞することにより密閉性を高めることができ、しかも、電極部８１ａ，８１ｂ，９１ａ，９１ｂの寸法（縦横寸法）を、貫通孔８０ａ，８０ｂ，９０ａ，９０ｂの一面側（下面側）の開口径φ１よりも小さく且つ他面側（上面側）の開口径φ２よりも大きい寸法とすることで電極部８１ａ，８１ｂ，９１ａ，９１ｂとセンサチップ１との間に生じる浮遊容量の影響を低減することができる。

１ センサチップ
２ａ 上カバー（カバー）
４，５ 重り部
４ａ，５ａ 可動電極
６ａ，６ｂ ビーム部
７ａ，７ｂ ビーム部
８ａ，８ｂ 貫通孔配線部
９ａ，９ｂ 貫通孔配線部
２０ａ，２１ａ 第１の固定電極
２０ｂ，２１ｂ 第２の固定電極
８０ａ，８０ｂ 貫通孔
９０ａ，９０ｂ 貫通孔
８１ａ，８１ｂ 電極部
９１ａ，９１ｂ 電極部

Claims (1)

1. 一面に可動電極が設けられた重り部並びに重り部を回動軸の回りに回動自在に支持するビーム部が半導体基板を加工して形成されたセンサチップと、固定電極が一面に形成され当該固定電極を可動電極に対向させる向きでセンサチップの一面側に接合される絶縁性のカバーと、カバーを貫通する貫通孔と、固定電極と電気的に接続されるとともに貫通孔を通してカバーの他面に引き出される貫通孔配線部と、半導体基板からなりカバーの他面側において貫通孔を閉塞するとともに貫通孔配線部と導通する電極部とを備え、
   貫通孔は一面側の開口径よりも他面側の開口径の方が小さく、電極部は貫通孔の一面側の開口径よりも小さく且つ他面側の開口径よりも大きい寸法を有することを特徴とする加速度センサ。

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