JP2010210426A - 加速度センサ並びにその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ビーム部における応力集中を緩和して耐衝撃性を向上する。
【解決手段】重り部4,5を支持するビーム部6aと6b,7aと7bは、それぞれ回動軸の軸方向と交差する断面形状が円又は楕円形状となる柱状に形成されている。故に、ビーム部6a,6b及び7a,7bにおける応力集中を緩和してビーム部6a,6b及び7a,7bの耐衝撃性が向上できる。また、フレーム部3や重り部4,5の角の部分を面取りしているため、重り部4,5が固定電極20a,20bや21a,21bに衝突したときに角の部分が破損することを防止できる。しかも、熱酸化によってフレーム部3や重り部4,5、ビーム部6a,6b及び7a,7bの表面にシリコン酸化膜を形成した後、当該シリコン酸化膜を除去するため、フレーム部3、重り部4,5、ビーム部6aと6b,7aと7bの面取りを同じ工程で同時に行うことができる。
【選択図】図1
【解決手段】重り部4,5を支持するビーム部6aと6b,7aと7bは、それぞれ回動軸の軸方向と交差する断面形状が円又は楕円形状となる柱状に形成されている。故に、ビーム部6a,6b及び7a,7bにおける応力集中を緩和してビーム部6a,6b及び7a,7bの耐衝撃性が向上できる。また、フレーム部3や重り部4,5の角の部分を面取りしているため、重り部4,5が固定電極20a,20bや21a,21bに衝突したときに角の部分が破損することを防止できる。しかも、熱酸化によってフレーム部3や重り部4,5、ビーム部6a,6b及び7a,7bの表面にシリコン酸化膜を形成した後、当該シリコン酸化膜を除去するため、フレーム部3、重り部4,5、ビーム部6aと6b,7aと7bの面取りを同じ工程で同時に行うことができる。
【選択図】図1
Description
本発明は、静電容量型の加速度センサ並びにその製造方法に関するものである。
従来、図6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6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、特許文献1に記載されている従来例では、ビーム部101が角柱状に形成されているため、ねじれによる応力がそれぞれの辺や頂点の部分に集中し、当該部分が破損しやすくなっていた。
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、ビーム部における応力集中を緩和して耐衝撃性が向上できる加速度センサ並びにその製造方法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と、重り部を回動軸の回りに回動自在に支持するビーム部と、可動電極に対向して配置される固定電極とを備え、ビーム部は、回動軸の軸方向と交差する断面形状が円又は楕円形状となる柱状に形成されていることを特徴とする。
請求項1の発明によれば、従来例のようにビーム部が角柱状に形成されている場合と比較して、ビーム部における応力集中を緩和することができ、その結果、ビーム部の耐衝撃性が向上できる。
請求項2の発明は、請求項1の発明において、重り部の周囲を囲み、内周面にビーム部の一端が結合されるフレーム部を備え、フレーム部並びに重り部の角の部分が面取りされていることを特徴とする。
請求項2の発明によれば、重り部が固定電極に衝突したときに角の部分が破損することを防止できる。
請求項3の発明は、半導体の微細加工技術により半導体基板を加工することで請求項1又は2の加速度センサを製造する製造方法であって、半導体基板をエッチングしてフレーム部、重り部、ビーム部を形成する工程と、フレーム部、重り部、ビーム部の表面を熱酸化する工程と、熱酸化によってフレーム部、重り部、ビーム部の表面に形成された酸化膜を除去する工程とを有することを特徴とする。
請求項3の発明によれば、フレーム部、重り部、ビーム部の面取りを同じ工程で同時に行うことができる。
本発明によれば、ビーム部における応力集中を緩和して耐衝撃性が向上できる。
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2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2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部固定板2aと、センサチップ1の下面側に固定される下部固定板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。
重り部4,5は、図1に示すように一面(下面)に開口する凹部11,13と凹部11,13を除く充実部12,14が一体に形成されている。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るとともに、凹部11,13の内壁面及び底壁面と結合され且つ上下方向から見てそれぞれ対角線上に配置されて互いに交差する2つの補強壁16,16が内部に設けられている。
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。ここで、一対のビーム部6aと6b、7aと7bは、何れも回動軸の軸方向と交差する断面形状が円形状(あるいは楕円形状であってもよい)となる柱状に形成されている。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。尚、図2では図示を省略しているが、重り部4,5の上面及び下面には、重り部4,5が上部固定板2a及び下部固定板2bに直接衝突することを防止するための突起部15a〜15gが突設されている。
上部固定板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、上部固定板2aは、縦方向の一端側に5つの貫通孔22a〜22eが横方向に並べて貫設されている。さらに、上部固定板2aの下面には各固定電極20a,20b及び21a,21bと電気的に接続された複数の導電パターン(図示せず)が形成されている。
一方、センサチップ1の縦方向一端側にはフレーム部3から離間された合計4つの電極部8a,8b,9a,9bが並設されている。これら4つの電極部8a,8b,9a,9bは、上面における略中央に金属膜からなる検出電極80a,80b,90a,90bがそれぞれ形成されるとともに、枠部3a,3bに臨む端部の上面に金属膜からなる圧接電極81a,81b,91a,91bがそれぞれ形成されている。尚、フレーム部3上面の電極部8b,9aの間には接地電極10が形成されている。そして、センサチップ1の上面に上部固定板2aが接合されると、上部固定板2aの下面に形成されている導電パターンと圧接電極81a,81b,91a,91bが圧接接続されることで各検出電極80a,80b,90a,90bが各固定電極20a,20b,21a,21bと電気的に接続されるとともに、上部固定板2aの貫通孔22a〜22dを通して各検出電極80a,80b,90a,90bが外部に露出する(図1(b)参照)。尚、接地電極10も貫通孔22eを通して外部に露出する。
下部固定板2bは、上部固定板2aと同じく石英ガラスなどの絶縁材料製であって、その上面には上下方向に沿ってセンサチップ1の重り部4,5と対向する位置にそれぞれ付着防止膜23a,23bが形成されている。この付着防止膜23a,23bは、アルミニウム系合金等の固定電極20a,…と同じ材料で形成されており、回動した重り部4,5の下面が下部固定板2bに付着することを防止している。
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、検出電極80a,80b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、検出電極81a,81b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。
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。
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。
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、検出電極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。
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。
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3を参照して本実施形態の製造方法を説明する。
本実施形態は、図3(a)に示すように支持基板30a及び中間酸化膜30b、活性層30c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31を形成し、重り部4,5に対応する位置のマスク材料31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)32a,32bを形成する(図3(b)参照)。
そして、凹所32a,32bの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15a〜15gを形成する。このとき、スパッタリングや蒸着成膜を利用して金属膜からなる検出電極80a,80b,90a,90b並びに圧接電極81a,81b,91a,91bを形成する(図3(c)参照)。
続いて、支持基板30a及び中間酸化膜30b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、補助壁16)を形成する。続いて、シリコンSOI基板を熱酸化することによってフレーム部3や重り部4,5、ビーム部6a,6b及び7a,7bの表面にシリコン酸化膜を形成した後、当該シリコン酸化膜を除去する。ここで、シリコン酸化膜を除去した後のフレーム部3や重り部4,5、ビーム部6a,6b及び7a,7bは角の部分か面取りされている。つまり、本実施形態の製造方法によれば、フレーム部3、重り部4,5、ビーム部6aと6b,7aと7bの面取りを同じ工程で同時に行うことができる。そして、付着防止膜23a,23bが上面に形成された下部固定板2bをシリコンSOI基板の下面に陽極接合する(図3(d)参照)。
最後に、貫通孔22a〜22e及び第1及び第2の固定電極20a,20b,21a,21bが形成された上部固定板2aをシリコンSOI基板の上面に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3(e)参照)。
而して本実施形態によれば、ビーム部6aと6b,7aと7bがそれぞれ回動軸の軸方向と交差する断面形状が円又は楕円形状となる柱状に形成されているので、従来例のようにビーム部101が角柱状に形成されている場合と比較して、ビーム部6a,6b及び7a,7bにおける応力集中を緩和することができ、その結果、ビーム部6a,6b及び7a,7bの耐衝撃性が向上できるという利点がある。また、フレーム部3や重り部4,5の角の部分を面取りしているため、重り部4,5が固定電極20a,20bや21a,21bに衝突したときに角の部分が破損することを防止できるものである。
尚、本実施形態はx軸とz軸の2軸方向の加速度を検出する加速度センサを例示したが、図4に示すように上述した加速度センサ1をxy平面内で90度回転対称に配置すれば、x軸、z軸にy軸を加えた3軸方向の加速度を検出する加速度センサが実現できる。あるいは、図5に示すように3つの加速度センサを同一チップ面内に配置し、第1の加速度センサS1に対して、第2及び第3の加速度センサS2,S3がチップ面内で90度及び180度回転対称に配置しても、同様にx軸、z軸にy軸を加えた3軸方向の加速度を検出する加速度センサが実現できる。
1 センサチップ
4,5 重り部
4a,5a 可動電極
6a,6b ビーム部
7a,7b ビーム部
20a,21a 第1の固定電極
20b,21b 第2の固定電極
4,5 重り部
4a,5a 可動電極
6a,6b ビーム部
7a,7b ビーム部
20a,21a 第1の固定電極
20b,21b 第2の固定電極
Claims (3)
- 一面に可動電極が設けられた重り部と、重り部を回動軸の回りに回動自在に支持するビーム部と、可動電極に対向して配置される固定電極とを備え、
ビーム部は、回動軸の軸方向と交差する断面形状が円又は楕円形状となる柱状に形成されていることを特徴とする加速度センサ。 - 重り部の周囲を囲み、内周面にビーム部の一端が結合されるフレーム部を備え、フレーム部並びに重り部の角の部分が面取りされていることを特徴とする請求項1記載の加速度センサ。
- 半導体の微細加工技術により半導体基板を加工することで請求項1又は2の加速度センサを製造する製造方法であって、
半導体基板をエッチングしてフレーム部、重り部、ビーム部を形成する工程と、フレーム部、重り部、ビーム部の表面を熱酸化する工程と、熱酸化によってフレーム部、重り部、ビーム部の表面に形成された酸化膜を除去する工程とを有することを特徴とする加速度センサの製造方法。
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JP2009056951A JP2010210426A (ja) | 2009-03-10 | 2009-03-10 | 加速度センサ並びにその製造方法 |
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