JP2012181050A - Sensor structure, capacitive sensor, piezoelectric sensor, capacitive actuator, and piezoelectric actuator - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sensor structure having an electrode layer on a surface of an insulator layer which is on the same side of a surface of a substrate, capable of further reducing parasitic capacitance generated between the substrate and the electrode layer (in an insulator layer) compared to conventional ones; and a sensor and an actuator using the sensor structure.SOLUTION: A substrate 1 formed of a semiconductor such as silicon is provided with a rectangular recess 1a formed on one surface, and an opening 1b formed on another surface, such that a surface of an insulator layer 2 on the opposite side of the one surface of the substrate 1 is exposed. The insulator layer 2 is formed of an insulator such as silicon dioxide and arranged inside the recess 1a of the substrate 1. The insulator layer 2 has a thickness larger than 2 μm. A sensor structure having such configuration can be used for a sensor or an actuator.

Description

本発明は、センサ用構造体、該センサ用構造体を用いた容量式センサ及び圧電式センサ、並びに、該容量式センサ及び該圧電式センサをそれぞれ用いた容量式アクチュエータ及び圧電式アクチュエータに関するものである。   The present invention relates to a sensor structure, a capacitive sensor and a piezoelectric sensor using the sensor structure, and a capacitive actuator and a piezoelectric actuator using the capacitive sensor and the piezoelectric sensor, respectively. is there.

従来から、シリコンは半導体装置、とりわけ半導体集積回路の基幹材料として用いられており、その機械的特性および加工性の良さから半導体プロセス技術の発展とともに微小電気機械システムに応用されている。また、一般的に用いられるシリコンは不純物を含む導電性材料であるため、通常、微小電気機械システム用途では、シリコン層の表面に絶縁体層（パッシベーションレイヤー）を形成するとともに、絶縁体層上に電極層（電極）を形成することにより、シリコン層と電極層との間で電気的な隔離が図られている。   Conventionally, silicon has been used as a basic material for semiconductor devices, particularly semiconductor integrated circuits, and has been applied to microelectromechanical systems with the development of semiconductor process technology because of its good mechanical properties and processability. In addition, since silicon that is generally used is a conductive material containing impurities, an insulator layer (passivation layer) is usually formed on the surface of the silicon layer in microelectromechanical system applications, and on the insulator layer. By forming the electrode layer (electrode), electrical isolation is achieved between the silicon layer and the electrode layer.

導電体であるシリコンと電極層間の絶縁体層は、センサ機能に対して意図しない寄生容量（浮遊容量）として働き、センサの感度低下を引き起こす。この寄生容量は、電極面積に比例し、絶縁体層厚さに反比例するため、薄い絶縁体層では顕著となる。この絶縁体層の形成方法としては、微小電気機械システム用途では酸素雰囲気において９５０℃以上の温度で熱酸化する方法が一般的であり、成膜厚さは時間の自乗根に比例するため、厚い酸化膜を成膜するためには膨大な時間を要する。例えば、摂氏１０００度の温度条件下におけるウエット酸化では、１６時間程度の時間を要する。この他にも例えば、化学気相蒸着法（ＣＶＤ)、又は、物理気相蒸着法（ＰＶＤ）などの方法が用いられるが、成長膜厚の増加に伴い膜質が多孔質になるため、１μｍ 以下の膜厚で用いられることが多い。一方、絶縁体材料そのものを基板材料とすれば寄生容量は無くなるが、十分な設計自由度を有するほどの加工性の良い絶縁体材料は無いのが現状である。 The insulator layer between the silicon, which is a conductor, and the electrode layer acts as an unintended parasitic capacitance (floating capacitance) for the sensor function, causing a decrease in sensitivity of the sensor. Since this parasitic capacitance is proportional to the electrode area and inversely proportional to the thickness of the insulator layer, the parasitic capacitance becomes remarkable in a thin insulator layer. As a method for forming this insulator layer, a method of thermal oxidation at a temperature of 950 ° C. or higher in an oxygen atmosphere is generally used for a microelectromechanical system, and the film thickness is proportional to the square root of time, so that it is thick. An enormous amount of time is required to form the oxide film. For example, wet oxidation under a temperature condition of 1000 degrees Celsius requires about 16 hours. In addition, for example, a chemical vapor deposition method (CVD) or a physical vapor deposition method (PVD) is used, but the film quality becomes porous as the growth film thickness increases. In many cases, the film thickness is used. On the other hand, if the insulator material itself is used as the substrate material, the parasitic capacitance is eliminated, but there is no insulator material that is sufficiently workable enough to have a sufficient degree of design freedom.

シリコン自体は導電体電極そのものとして用いられる場合もあるが、一般には、加工性の良さを活かして、可動部、プルーフマス、メンブレン、及び、カンチレバーなどの構造体として用いられる。厚さの異なる構造体を用いて半導体プロセスを実現する場合、構造体の厚さを規定するためにＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いるのが一般的であるが、ＳＯＩ基板などの多層式基板は高価なものとなっている。 Although silicon itself may be used as a conductor electrode itself, generally, it is used as a structure such as a movable part, a proof mass, a membrane, and a cantilever by taking advantage of good workability. When a semiconductor process is realized using structures having different thicknesses, an SOI (Silicon On Insulator) substrate is generally used to define the thickness of the structure, but a multilayer substrate such as an SOI substrate is used. Has become expensive.

また、近年のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）分野では、通常厚いもので２μｍの絶縁体層が使用されている。より具体的には、上記ＭＥＭＳ技術を用いたセンサとして、低消費電力化に対応でき、且つ、出力特性の変動を抑えることを目的とした物理量センサが開示されている（特許文献１参照）。 In the recent MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) field, a 2 μm thick insulator layer is usually used. More specifically, as a sensor using the MEMS technology, a physical quantity sensor that can cope with a reduction in power consumption and suppresses fluctuations in output characteristics is disclosed (see Patent Document 1).

特開２００１−３２３８９号公報JP 2001-32389 A

上記特許文献１の物理量センサでは、最も厚いもので２μｍの厚さを有する酸化シリコン膜１３０が使用されている（明細書段落００２０，００４１参照）。更に、上記特許文献１の物理量センサでは、図９（Ａ）に示すように、シリコン膜１２０、酸化シリコン膜１３０、及び、シリコン基板１４０を順に積層してなる高価なＳＯＩ基板１１０を用いて酸化シリコン膜１３０の厚さが規定されている。   In the physical quantity sensor disclosed in Patent Document 1, the thickest silicon oxide film 130 having a thickness of 2 μm is used (see paragraphs 0020 and 0041 of the specification). Furthermore, in the physical quantity sensor disclosed in Patent Document 1, as shown in FIG. 9A, oxidation is performed using an expensive SOI substrate 110 in which a silicon film 120, a silicon oxide film 130, and a silicon substrate 140 are sequentially stacked. The thickness of the silicon film 130 is defined.

そこで、本発明の目的は、絶縁体層において基板の一方の面と同じ側の面に電極層を形成した際に基板と電極層との間（絶縁体層）で発生する寄生容量を従来よりも低減できるとともに、ＳＯＩ基板などの高価な多層式基板を用いることなく絶縁体層の厚さを規定することのできるセンサ用構造体を提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to increase the parasitic capacitance generated between the substrate and the electrode layer (insulator layer) when the electrode layer is formed on the same surface as the one surface of the substrate in the insulator layer. It is also possible to provide a sensor structure that can regulate the thickness of an insulator layer without using an expensive multilayer substrate such as an SOI substrate.

（１） 本発明のセンサ用構造体は、一方の面に凹部が形成された基板と、前記凹部の内部に形成された絶縁体層と、を備え、前記絶縁体層の厚さは、２μｍより大きいことを特徴とするものである。 (1) The sensor structure of the present invention includes a substrate having a recess formed on one surface thereof, and an insulator layer formed inside the recess, and the insulator layer has a thickness of 2 μm. It is characterized by being larger.

上記（１）の構成によれば、基板の凹部内に形成された絶縁体層の厚さを、２μｍよりも大きくすることで、絶縁体層において基板の一方の面と同じ側の面に電極層を形成した際に、基板と電極層との間（絶縁体層）で発生する寄生容量を従来よりも低減することができる。   According to the configuration of (1) above, the thickness of the insulator layer formed in the concave portion of the substrate is set to be larger than 2 μm, so that the electrode is formed on the same surface as the one surface of the substrate in the insulator layer. When the layer is formed, the parasitic capacitance generated between the substrate and the electrode layer (insulator layer) can be reduced as compared with the conventional case.

更に、上記（１）の構成によれば、基板の一方の面に形成された凹部の深さによって、絶縁体層の厚さを規定できるので、ＳＯＩ基板などの高価な多層式基板を用いて絶縁体層の厚さを規定する場合よりもセンサ用構造体の製造コストを低減することができる。   Furthermore, according to the configuration of (1) above, since the thickness of the insulator layer can be defined by the depth of the recess formed on one surface of the substrate, an expensive multilayer substrate such as an SOI substrate is used. The manufacturing cost of the sensor structure can be reduced as compared with the case where the thickness of the insulator layer is defined.

なお、本発明中の「絶縁体層の厚さ」は、２μｍよりも大きい範囲であれば、センサ用構造体の用途に応じた寄生容量の許容量に基づいて適宜変更することができる。   In the present invention, the “thickness of the insulator layer” can be appropriately changed based on the allowable amount of the parasitic capacitance according to the application of the sensor structure as long as it is in a range larger than 2 μm.

（２） 上記（１）のセンサ用構造体においては、前記絶縁体層の厚さは、５μｍ以上であることが好ましい。 (2) In the sensor structure of the above (1), the thickness of the insulator layer is preferably 5 μm or more.

上記（２）の構成によれば、絶縁体層の厚さを５μｍ以上とすることで、絶縁体層において基板の一方の面と同じ側の面に電極層を形成した際に基板と電極層との間（絶縁体層）で発生する寄生容量を実用上無視できる程度まで抑制することができる。   According to the configuration of (2) above, when the thickness of the insulator layer is 5 μm or more, when the electrode layer is formed on the same surface as the one surface of the substrate in the insulator layer, the substrate and the electrode layer Can be suppressed to a practically negligible level.

（３） 上記（１）又は（２）のセンサ用構造体においては、前記基板の他方の面において、前記絶縁体層における前記基板の一方の面と同じ側の面と反対側の面が露出するように形成された開口部を有することが好ましい。 (3) In the sensor structure of the above (1) or (2), on the other surface of the substrate, a surface of the insulator layer opposite to the surface on the same side as the one surface of the substrate is exposed. It is preferable to have an opening formed to do so.

上記（３）の構成によれば、基板の他方の面に開口部を形成することにより、絶縁体層における基板の一方の面と同じ側の面と反対側の面を露出させることで、絶縁体層において基板の一方の面と同じ側の面に電極層を形成した際に基板と電極層との間（絶縁体層）に寄生容量が発生しないスペースを形成することができる。これにより、基板と電極層との間（絶縁体層）に発生する寄生容量を部分的に排除することができる。   According to the configuration of the above (3), the opening is formed on the other surface of the substrate, thereby exposing the surface on the opposite side to the surface on the same side as the one surface of the substrate in the insulator layer. In the body layer, when the electrode layer is formed on the same surface as the one surface of the substrate, a space where no parasitic capacitance is generated can be formed between the substrate and the electrode layer (insulator layer). As a result, parasitic capacitance generated between the substrate and the electrode layer (insulator layer) can be partially eliminated.

（４） 本発明の容量式センサは、上記（１）〜（３）のいずれかのセンサ用構造体と、前記絶縁体層において前記基板の一方の面と同じ側の面に設けられた固定電極層と、前記固定電極層と対向する位置に前記固定電極層と所定間隔をおいて設けられ、外力に応じて移動可能に支持された可動電極層と、を備えることを特徴とするものである。なお、例えば、前記容量式センサに検知部を設け、加速度の検知対象となるプルーフマス部が移動した場合に、前記可動電極層と前記固定電極層との間に発生する静電容量の変化に基づいて、プルーフマス部に作用した加速度の大きさを検知するようにしてもよい。 (4) The capacitive sensor of the present invention is a sensor structure according to any one of the above (1) to (3), and a fixing provided on the same surface as one surface of the substrate in the insulator layer. An electrode layer, and a movable electrode layer provided at a predetermined distance from the fixed electrode layer at a position facing the fixed electrode layer and supported so as to be movable in response to an external force. is there. Note that, for example, when a detection unit is provided in the capacitive sensor and the proof mass part to be detected for acceleration moves, a change in capacitance generated between the movable electrode layer and the fixed electrode layer occurs. Based on this, the magnitude of the acceleration acting on the proof mass portion may be detected.

上記（４）の構成によれば、基板と固定電極層との間（絶縁体層）に発生する寄生容量を従来よりも低減できるので、固定電極層と可動電極層との間に発生する静電容量が寄生容量に分配されてしまうことによる容量式センサの感度への影響を従来よりも抑制することができる。これにより、容量式センサとしての検知精度を従来よりも向上させることができる。   According to the configuration of (4) above, since the parasitic capacitance generated between the substrate and the fixed electrode layer (insulator layer) can be reduced as compared with the conventional case, the static capacitance generated between the fixed electrode layer and the movable electrode layer is reduced. The influence on the sensitivity of the capacitive sensor due to the distribution of the capacitance to the parasitic capacitance can be suppressed as compared with the conventional case. Thereby, the detection accuracy as a capacity | capacitance type sensor can be improved rather than before.

（５） 本発明の容量式アクチュエータは、上記（４）の容量式センサと、前記固定電極層と前記可動電極層との間に、前記可動電極層を移動させるための電圧を印加する電圧印加部と、を備えることを特徴とするものである。 (5) The capacitive actuator of the present invention is a voltage application that applies a voltage for moving the movable electrode layer between the capacitive sensor of (4) and the fixed electrode layer and the movable electrode layer. And a section.

上記（５）の構成によれば、容量式アクチュエータの消費電力及び駆動電圧を増加させる要因となる基板と固定電極層との間（絶縁体層）に発生する寄生容量を従来よりも抑制できるので、容量式アクチュエータの消費電力及び駆動電圧を従来よりも低減させることができる。   According to the configuration of (5) above, the parasitic capacitance generated between the substrate and the fixed electrode layer (insulator layer), which causes the power consumption and drive voltage of the capacitive actuator to increase, can be suppressed as compared with the conventional case. The power consumption and driving voltage of the capacitive actuator can be reduced as compared with the conventional case.

（６） 本発明の容量式センサは、上記（１）〜（３）のいずれかのセンサ用構造体と、内部に形成された凹状のキャビティを有する密閉用構造体と、固定電極層と、可動電極層と、を備えた容量式センサであって、前記密閉用構造体が、外部からの圧力に応じて移動可能な状態で、前記キャビティを覆う位置に設けられた膜状部材を備え、前記可動電極層が、前記膜状部材において前記キャビティが形成されている側の面と反対側の面に設けられ、前記固定電極層が、前記絶縁体層における前記基板の一方の面と同じ側の面において、前記可動電極層と対向する位置に前記可動電極層と所定間隔をおいて設けられ、前記センサ用構造体が、前記膜状部材に外部からの圧力を印加するために、外部と連通するように形成された通風孔を備えることを特徴とするものである。なお、例えば、前記容量式センサに検知部を設け、前記膜状部材に外部からの圧力が作用した場合に、前記可動電極層と前記固定電極層との間に発生する静電容量の変化に基づいて、前記膜状部材に加わった圧力値を検知するようにしてもよい。 (6) The capacitive sensor of the present invention includes a sensor structure according to any one of (1) to (3) above, a sealing structure having a concave cavity formed therein, a fixed electrode layer, A capacitive sensor comprising a movable electrode layer, wherein the sealing structure includes a film-like member provided at a position covering the cavity in a state where the sealing structure is movable in response to pressure from the outside, The movable electrode layer is provided on a surface of the film-like member opposite to the surface on which the cavity is formed, and the fixed electrode layer is on the same side as one surface of the substrate in the insulator layer. The sensor structure is provided at a position opposed to the movable electrode layer at a predetermined interval, and the sensor structure applies an external pressure to the film-like member. Provided with vents formed to communicate And it is characterized in and. In addition, for example, when a detection unit is provided in the capacitive sensor and an external pressure acts on the film-like member, a change in electrostatic capacitance generated between the movable electrode layer and the fixed electrode layer Based on this, the pressure value applied to the film-like member may be detected.

上記（６）の構成によれば、基板と固定電極層との間（絶縁体層）に発生する寄生容量を従来よりも低減できるので、固定電極層と可動電極層との間に発生する静電容量が寄生容量に分配されてしまうことによる容量式センサの感度への影響を従来よりも抑制することができる。これにより、容量式センサとしての検知精度を従来よりも向上させることができる。   According to the configuration of (6) above, since the parasitic capacitance generated between the substrate and the fixed electrode layer (insulator layer) can be reduced as compared with the conventional case, the static capacitance generated between the fixed electrode layer and the movable electrode layer is reduced. The influence on the sensitivity of the capacitive sensor due to the distribution of the capacitance to the parasitic capacitance can be suppressed as compared with the conventional case. Thereby, the detection accuracy as a capacity | capacitance type sensor can be improved rather than before.

（７） 本発明の容量式アクチュエータは、上記（６）の容量式センサと、前記固定電極層と前記可動電極層との間に、前記膜状部材を移動させるための電圧を印加する電圧印加部と、を備えることを特徴とするものである。 (7) The capacitive actuator of the present invention is a voltage application that applies a voltage for moving the film-like member between the capacitive sensor of (6) and the fixed electrode layer and the movable electrode layer. And a section.

上記（７）の構成によれば、容量式アクチュエータの消費電力及び駆動電圧を増加させる要因となる基板と固定電極層との間（絶縁体層）に発生する寄生容量を従来よりも抑制できるので、容量式アクチュエータの消費電力及び駆動電圧を従来よりも低減させることができる。   According to the configuration of (7) above, the parasitic capacitance generated between the substrate and the fixed electrode layer (insulator layer), which causes the power consumption and driving voltage of the capacitive actuator to increase, can be suppressed more than in the past. The power consumption and driving voltage of the capacitive actuator can be reduced as compared with the conventional case.

（８） 本発明の圧電式センサは、上記（１）〜（３）のいずれかのセンサ用構造体と、前記絶縁体層において前記基板の一方の面と同じ側の面に設けられた第１可動電極層と、前記第１可動電極層において前記絶縁体層が形成されている側の面と反対側の面に形成され、外力に応じて弾性変形するとともに電荷を発生させる圧電基板と、前記圧電基板において前記第１可動電極層が形成されている側の面と反対側の面に設けられた第２可動電極層と、を備えることを特徴とするものである。なお、例えば、前記圧電式センサに検知部を設け、加速度の検知対象となるプルーフマス部に外力が作用した場合に、前記第１及び第２可動電極層の間において前記圧電基板に発生する電荷の変化に基づいて、プルーフマス部に作用した加速度の大きさを検知するようにしてもよい。 (8) The piezoelectric sensor according to the present invention includes a sensor structure according to any one of the above (1) to (3), and a first electrode provided on the same surface as the one surface of the substrate in the insulator layer. 1 movable electrode layer, and a piezoelectric substrate formed on a surface opposite to the surface on which the insulator layer is formed in the first movable electrode layer, elastically deforming according to an external force and generating electric charges, And a second movable electrode layer provided on a surface opposite to the surface on which the first movable electrode layer is formed in the piezoelectric substrate. In addition, for example, when a detection unit is provided in the piezoelectric sensor and an external force is applied to a proof mass unit to be detected for acceleration, the electric charge generated in the piezoelectric substrate between the first and second movable electrode layers Based on this change, the magnitude of the acceleration acting on the proof mass portion may be detected.

上記（８）の構成によれば、基板と第１可動電極層との間（絶縁体層）に発生する寄生容量を従来よりも低減できるので、第１可動電極層と第２可動電極層との間において圧電基板に発生する電荷に対して寄生容量が与える影響を従来よりも抑制することができる。従って、寄生容量が圧電式センサの感度に及ぼす影響を従来よりも抑制することができる。その結果、圧電式センサとしての検知精度を従来よりも向上させることができる。   According to the configuration of (8) above, since the parasitic capacitance generated between the substrate and the first movable electrode layer (insulator layer) can be reduced as compared with the prior art, the first movable electrode layer, the second movable electrode layer, In the meantime, the influence of the parasitic capacitance on the electric charge generated in the piezoelectric substrate can be suppressed more than in the past. Therefore, the influence of the parasitic capacitance on the sensitivity of the piezoelectric sensor can be suppressed more than before. As a result, the detection accuracy as a piezoelectric sensor can be improved as compared with the prior art.

（９） 本発明の圧電式アクチュエータは、上記（８）の圧電式センサと、前記第１可動電極層と前記第２可動電極層との間に、前記圧電基板を弾性変形させるための電圧を印加する電圧印加部と、を備えることを特徴とするものである。 (9) The piezoelectric actuator of the present invention provides a voltage for elastically deforming the piezoelectric substrate between the piezoelectric sensor of (8) and the first movable electrode layer and the second movable electrode layer. And a voltage applying unit to be applied.

上記（９）の構成によれば、圧電式アクチュエータの消費電力及び駆動電圧を増加させる要因となる基板と第１可動電極層との間（絶縁体層）に発生する寄生容量を従来よりも抑制できるので、圧電式アクチュエータの消費電力及び駆動電圧を従来よりも低減させることができる。   According to the configuration of (9) above, the parasitic capacitance generated between the substrate and the first movable electrode layer (insulator layer), which is a factor that increases the power consumption and driving voltage of the piezoelectric actuator, is suppressed as compared with the conventional case. Therefore, the power consumption and driving voltage of the piezoelectric actuator can be reduced as compared with the conventional case.

本発明の第１実施形態に係るセンサ構造体の概略図であって、（ａ）が上視図、（ｂ）が（ａ）のＡ−Ａ線の矢視断面図である。It is the schematic of the sensor structure which concerns on 1st Embodiment of this invention, Comprising: (a) is a top view, (b) is the arrow sectional drawing of the AA line of (a). 図１に示したセンサ構造体の各製造工程を示す図である。It is a figure which shows each manufacturing process of the sensor structure shown in FIG. 本発明の第２実施形態に係る容量式センサの概略図であって、（ａ）が上視図、（ｂ）が（ａ）のＢ−Ｂ線の矢視断面図である。It is the schematic of the capacitive sensor which concerns on 2nd Embodiment of this invention, Comprising: (a) is a top view, (b) is arrow sectional drawing of the BB line of (a). 本発明の第３実施形態に係る容量式アクチュエータの概略図であって、（ａ）が上視図、（ｂ）が（ａ）のＣ−Ｃ線の矢視断面図である。It is the schematic of the capacitive actuator which concerns on 3rd Embodiment of this invention, Comprising: (a) is a top view, (b) is arrow sectional drawing of the CC line of (a). 本発明の第４実施形態に係る容量式センサの概略図であって、（ａ）が上視図、（ｂ）が（ａ）のＤ−Ｄ線の矢視断面図である。It is the schematic of the capacitive sensor which concerns on 4th Embodiment of this invention, Comprising: (a) is a top view, (b) is arrow sectional drawing of the DD line | wire of (a). 本発明の第５実施形態に係る容量式アクチュエータの概略図であって、（ａ）が上視図、（ｂ）が（ａ）のＥ−Ｅ線の矢視断面図である。It is the schematic of the capacitive actuator which concerns on 5th Embodiment of this invention, Comprising: (a) is a top view, (b) is arrow sectional drawing of the EE line | wire of (a). 本発明の第６実施形態に係る圧電式センサの概略図であって、（ａ）が上視図、（ｂ）が（ａ）のＦ−Ｆ線の矢視断面図である。It is the schematic of the piezoelectric sensor which concerns on 6th Embodiment of this invention, Comprising: (a) is a top view, (b) is arrow sectional drawing of the FF line | wire of (a). 本発明の第７実施形態に係る圧電式アクチュエータの概略図であって、（ａ）が上視図、（ｂ）が（ａ）のＧ−Ｇ線の矢視断面図である。It is the schematic of the piezoelectric actuator which concerns on 7th Embodiment of this invention, Comprising: (a) is a top view, (b) is the arrow GG sectional drawing of (a). 本発明の第６実施形態の変形例に係る圧電式センサを示す概略図であって、（ａ）が上視図、（ｂ）が（ａ）のＨ−Ｈ線の矢視断面図である。It is the schematic which shows the piezoelectric sensor which concerns on the modification of 6th Embodiment of this invention, Comprising: (a) is a top view, (b) is arrow sectional drawing of the HH line | wire of (a). .

＜第１実施形態＞
以下、図１及び図２を参照しながら、本発明の第１実施形態に係るセンサ用構造体について説明する。なお、下記の「前」及び「後」なる各用語は、図１（ａ）に示すセンサ用構造体１００の各位置を示している。 <First Embodiment>
Hereinafter, the sensor structure according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. The terms “front” and “rear” below indicate the positions of the sensor structure 100 shown in FIG.

図１（ａ），（ｂ）に示すように、センサ用構造体１００は、基板１と、絶縁体層２と、を備えているものである。   As shown in FIGS. 1A and 1B, the sensor structure 100 includes a substrate 1 and an insulator layer 2.

基板１は、ケイ素などの半導体からなるものであり、一方の面に形成された矩形状の凹部１ａと、他方の面において、絶縁体層２における基板１の一方の面と同じ側の面と反対側の面が露出するように形成された開口部１ｂと、を有したものである。   The substrate 1 is made of a semiconductor such as silicon, and has a rectangular recess 1a formed on one surface and a surface on the same side as one surface of the substrate 1 in the insulator layer 2 on the other surface. And an opening 1b formed so that the opposite surface is exposed.

絶縁体層２は、二酸化ケイ素などの絶縁体からなる層であり、図１（ｂ）に示すように、基板１の凹部１ａの内部に形成されているものである。また、図１（ａ）に示すように、絶縁体層２は、上記凹部１ａと同じ矩形状に形成されているものである。更に、絶縁体層２の厚さは、２μｍより大きい寸法を有したものである。ここで、絶縁体層２の厚さは、５μｍ以上であることが好ましく、１０μｍ〜２０μｍ以上であることが更に好ましい。   The insulator layer 2 is a layer made of an insulator such as silicon dioxide, and is formed inside the recess 1a of the substrate 1 as shown in FIG. Moreover, as shown to Fig.1 (a), the insulator layer 2 is formed in the same rectangular shape as the said recessed part 1a. Furthermore, the thickness of the insulator layer 2 has a dimension larger than 2 μm. Here, the thickness of the insulator layer 2 is preferably 5 μm or more, and more preferably 10 μm to 20 μm.

なお、本実施形態では、図１（ａ）に示すように、絶縁体層２の前側端部２ａと後側端部２ｂは、それぞれ、基板１の前側端部１ｃと後側端部１ｄよりも内側に配置されているが、ここで、一変形例として、絶縁体層２の前側端部２ａが基板１の前側端部１ｃまで延在していてもよく、同様に、絶縁体層２の後側端部２ｂが基板１の後側端部１ｄまで延在していてもよい。これにより、基板１の一方の面と同じ側の面において絶縁体層２が占める面積を増加させることができる。その結果、絶縁体層２において基板１の一方の面と同じ側の面に電極を配置する際の設計自由度を向上させることができる。 In the present embodiment, as shown in FIG. 1A, the front end 2a and the rear end 2b of the insulator layer 2 are respectively formed from the front end 1c and the rear end 1d of the substrate 1. However, as a modification, the front end 2a of the insulator layer 2 may extend to the front end 1c of the substrate 1, and similarly, the insulator layer 2 The rear end 2b may extend to the rear end 1d of the substrate 1. Thereby, the area which the insulator layer 2 occupies in the surface on the same side as one surface of the board | substrate 1 can be increased. As a result, it is possible to improve the degree of freedom in design when the electrodes are arranged on the same surface as the one surface of the substrate 1 in the insulator layer 2.

次に、図２を参照しながら、センサ用構造体１００の製造方法の一例について説明する。以下、センサ用構造体１００の製造方法の一例について説明していく。   Next, an example of a method for manufacturing the sensor structure 100 will be described with reference to FIG. Hereinafter, an example of a method for manufacturing the sensor structure 100 will be described.

まず、ケイ素からなる板状材料（例えば、シリコンウェハー）の一方の面を熱酸化し、基板１及び絶縁体層２の前駆体層３の一方の面に、二酸化ケイ素からなる絶縁体層４を形成する（図２（ａ）参照）。次に、絶縁体層４の一方の面にフォトレジスト５を塗布し、フォトレジスト５において凹部１ａ（図１（ａ）参照）に対応する部分（以下、特定部分という）にトレンチパターンを形成する。つまり、フォトレジスト５の特定部分に一定の幅のトレンチ部分５ａを一定の間隔をおいて複数形成する（図２（ｂ）参照）。   First, one surface of a plate-like material made of silicon (for example, a silicon wafer) is thermally oxidized, and an insulator layer 4 made of silicon dioxide is formed on one surface of the substrate 1 and the precursor layer 3 of the insulator layer 2. It forms (refer Fig.2 (a)). Next, a photoresist 5 is applied to one surface of the insulator layer 4, and a trench pattern is formed in a portion (hereinafter referred to as a specific portion) corresponding to the recess 1a (see FIG. 1A) in the photoresist 5. . That is, a plurality of trench portions 5a having a constant width are formed in a specific portion of the photoresist 5 with a constant interval (see FIG. 2B).

続いて、各トレンチ部分５ａを利用したエッチングによって、絶縁体層４の特定部分に、フォトレジスト５の上記トレンチパターンを転写する。これにより、絶縁体層４の特定部分に上記トレンチ部分５ａと同様のトレンチ部分４ａが複数形成される（図２（ｃ）参照）。その後、各トレンチ部分４ａ，５ａを利用したＤｅｅｐＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）によって、前駆体層３の特定部分にトレンチパターンを形成する。これにより、前駆体層３の特定部分に対して、シリコンとして残る凸部分３ａと、シリコンが掘られるトレンチ部分３ｂとが予め定められた比率で左右方向に連続的に並んだ凹凸形状が形成される（図２（ｄ）参照）。本実施形態では、熱酸化工程（図２（ｆ）参照）が可能なように、凸部分３ａの幅（＝トレンチライン）と、トレンチ部分３ｂの幅（＝スペース）との比は、１：１．１に予め設定されている。   Subsequently, the trench pattern of the photoresist 5 is transferred to a specific portion of the insulator layer 4 by etching using each trench portion 5a. Thereby, a plurality of trench portions 4a similar to the trench portion 5a are formed in a specific portion of the insulator layer 4 (see FIG. 2C). Thereafter, a trench pattern is formed in a specific portion of the precursor layer 3 by Deep RIE (Deep Reactive Ion Etching) using the trench portions 4a and 5a. Thereby, with respect to the specific part of the precursor layer 3, a concavo-convex shape is formed in which the convex part 3 a remaining as silicon and the trench part 3 b in which silicon is dug are continuously arranged in the left-right direction at a predetermined ratio. (See FIG. 2 (d)). In the present embodiment, the ratio between the width of the convex portion 3a (= trench line) and the width of the trench portion 3b (= space) is 1: so that the thermal oxidation process (see FIG. 2F) is possible. It is preset to 1.1.

続いて、熱酸化工程（図２（ｆ）参照）前の洗浄を行い、フォトレジスト５と絶縁体層４とを除去する（図２（ｅ）参照）。この洗浄工程は、例えば、市販のレジスト剥離液又はピラニア液（硫酸：過酸化水素＝３：１の混合液）を用いて行う。   Subsequently, cleaning is performed before the thermal oxidation step (see FIG. 2F) to remove the photoresist 5 and the insulator layer 4 (see FIG. 2E). This cleaning step is performed using, for example, a commercially available resist stripping solution or piranha solution (mixed solution of sulfuric acid: hydrogen peroxide = 3: 1).

続いて、前駆体層３において凹凸形状が形成されている側の面に熱酸化処理を施す（図２（ｆ）参照）。この熱酸化により、凸部分３ａとして残されたシリコンの体積が膨張し、互いに隣接する凸部分３ａ同士が融着することによって、各トレンチ部分３ｂが二酸化ケイ素からなる絶縁体で埋められる。これにより、前駆体層３において凹凸形状が形成されている側の面に絶縁体層６が形成される（図２（ｇ）参照）。ここで、この熱酸化工程は、各トレンチ部分３ｂに、シリコンが残ったり、空隙が生じたりすることを防止するために、凸部分３ａとして残されたシリコンを完全に酸化させて、凸部分３ａ同士の融着が完了するまで行う必要がある。 Subsequently, a thermal oxidation treatment is performed on the surface of the precursor layer 3 on which the uneven shape is formed (see FIG. 2F). By this thermal oxidation, the volume of silicon left as the convex portions 3a expands, and the adjacent convex portions 3a are fused together, so that each trench portion 3b is filled with an insulator made of silicon dioxide. Thereby, the insulator layer 6 is formed in the surface in which the uneven | corrugated shape is formed in the precursor layer 3 (refer FIG.2 (g)). Here, in this thermal oxidation process, in order to prevent silicon from remaining in each trench portion 3b and the generation of voids, the silicon remaining as the protruding portion 3a is completely oxidized to form the protruding portion 3a. It is necessary to carry out until the fusion between the two is completed.

続いて、前駆体層３において絶縁体層６が形成されている側の面に研磨処理を施し、絶縁体層６の不要な部分を取り除くことで、絶縁体層２を形成する（図２（ｈ）参照）。そして、前駆体層３において絶縁体層２が形成されている側の面と反対側の面にエッチングを行い、開口部１ｂを形成することにより基板１を形成し、センサ用構造体１００を得る（図２（ｉ）参照）。 Subsequently, the surface of the precursor layer 3 on which the insulator layer 6 is formed is subjected to polishing treatment, and unnecessary portions of the insulator layer 6 are removed to form the insulator layer 2 (FIG. 2 ( h)). Then, etching is performed on the surface of the precursor layer 3 opposite to the surface on which the insulator layer 2 is formed, and the substrate 1 is formed by forming the opening 1b, whereby the sensor structure 100 is obtained. (See FIG. 2 (i)).

上記構成によれば、基板１の凹部１ａ内に形成された絶縁体層２の厚さを、２μｍよりも大きくすることができるので、絶縁体層２において基板１の一方の面と同じ側の面に電極層を形成した際に、基板１と電極層との間（絶縁体層２）で発生する寄生容量を従来よりも低減することができる。   According to the above configuration, since the thickness of the insulator layer 2 formed in the recess 1a of the substrate 1 can be larger than 2 μm, the insulator layer 2 is on the same side as one surface of the substrate 1. When the electrode layer is formed on the surface, the parasitic capacitance generated between the substrate 1 and the electrode layer (insulator layer 2) can be reduced as compared with the conventional case.

また、上記構成によれば、凹部１ａの深さによって、絶縁体層２の厚さを規定できるので、ＳＯＩ基板などの高価な多層式基板を用いて絶縁体層２の厚さを規定する場合よりもセンサ用構造体１００の製造コストを低減することができる。   Further, according to the above configuration, since the thickness of the insulator layer 2 can be defined by the depth of the recess 1a, the thickness of the insulator layer 2 is defined using an expensive multilayer substrate such as an SOI substrate. Thus, the manufacturing cost of the sensor structure 100 can be reduced.

更に、上記構成によれば、絶縁体層２の厚さを５μｍ以上とすることで、絶縁体層２において基板１の一方の面と同じ側の面に電極層を形成した際に、基板１と電極層との間（絶縁体層２）で発生する寄生容量を実用上無視できる程度まで抑制することができる。   Furthermore, according to the said structure, when the thickness of the insulator layer 2 shall be 5 micrometers or more, when the electrode layer is formed in the surface on the same side as the one surface of the board | substrate 1 in the insulator layer 2, the board | substrate 1 The parasitic capacitance generated between the electrode layer and the electrode layer (insulator layer 2) can be suppressed to a practically negligible level.

加えて、上記構成によれば、基板１に開口部１ｂを形成することにより、絶縁体層２において基板１の一方の面と同じ側の面と反対側の面を露出させることで、絶縁体層２において基板１の一方の面と同じ側の面に電極層を形成した際に、基板１と電極層との間（絶縁体層２）に寄生容量が発生しないスペースを形成することができる。これにより、基板１と電極層との間（絶縁体層２）に発生する寄生容量を部分的に排除することができる。   In addition, according to the above configuration, by forming the opening 1b in the substrate 1, the surface of the insulator layer 2 opposite to the surface on the same side as the one surface of the substrate 1 is exposed, whereby the insulator When the electrode layer is formed on the same surface as the one surface of the substrate 1 in the layer 2, a space where no parasitic capacitance is generated can be formed between the substrate 1 and the electrode layer (insulator layer 2). . As a result, parasitic capacitance generated between the substrate 1 and the electrode layer (insulator layer 2) can be partially eliminated.

＜第２実施形態＞
次に、図３を用いて、本発明の第２実施形態に係る容量式センサについて説明する。なお、第１実施形態の部位１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，２，２ａ，２ｂと、本実施形態の部位２０１，２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃ，２０１ｄ，２０２，２０２ａ，２０２ｂとは、順に同様のものであるので、説明を省略することがある。また、下記の「前」及び「後」なる各用語は、図３（ａ）に示す静電容量型加速度センサ（容量式センサ）１０００の各位置を示している。 Second Embodiment
Next, a capacitive sensor according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The parts 1, 1a, 1b, 1c, 1d, 2, 2a, 2b of the first embodiment and the parts 201, 201a, 201b, 201c, 201d, 202, 202a, 202b of the present embodiment are the same in order. Therefore, the description may be omitted. The terms “front” and “rear” below indicate the positions of the capacitive acceleration sensor (capacitive sensor) 1000 shown in FIG.

図３（ａ），（ｂ）に示すように、静電容量型加速度センサ１０００は、センサ用構造体２００と、該センサ用構造体２００の設置用構造体２１０と、固定電極層２２０と、可動電極層２３０と、検知部２４０と、ショート評価部２５０と、を備えているものである。 As shown in FIGS. 3A and 3B, the capacitive acceleration sensor 1000 includes a sensor structure 200, an installation structure 210 of the sensor structure 200, a fixed electrode layer 220, The movable electrode layer 230, the detection unit 240, and the short evaluation unit 250 are provided.

図３（ｂ）に示すように、静電容量型加速度センサ１０００は、開口部を有する枠体状に形成されたセンサ用構造体２００及び設置用構造体２１０の各外周部の位置を相互に合わせるとともに接合することにより形成されているものである。 As shown in FIG. 3 (b), the capacitive acceleration sensor 1000 is configured such that the positions of the outer peripheral portions of the sensor structure 200 and the installation structure 210 formed in a frame shape having openings are mutually connected. It is formed by joining and joining.

図３（ｂ）に示すように、基板２０１は、一方の面からセンサ用構造体２００の積層方向に沿って設置用構造体２１０に向けて延びる角柱形状の２本の外枠部材２０１ｅ，２０１ｆを有しているものである。 As shown in FIG. 3B, the substrate 201 includes two prismatic outer frame members 201e and 201f extending from one surface toward the installation structure 210 along the stacking direction of the sensor structure 200. It is what has.

図３（ｂ）に示すように、絶縁体層２０２は、外枠部材２０１ｅ，２０１ｆの間に配置されているものである。図３（ａ）に示すように、絶縁体層２０２の前側端部２０２ａ及び後側端部２０２ｂは、それぞれ、基板２０１の前側端部２０１ｃ及び後側端部２０１ｄと同じ位置まで延在しているものである。 As shown in FIG. 3B, the insulator layer 202 is disposed between the outer frame members 201e and 201f. As shown in FIG. 3A, the front end 202a and the rear end 202b of the insulator layer 202 extend to the same positions as the front end 201c and the rear end 201d of the substrate 201, respectively. It is what.

図３（ｂ）に示すように、設置用構造体２１０は、設置基礎部２１１とプルーフマス部２１２とを備えているものである。 As shown in FIG. 3B, the installation structure 210 includes an installation base portion 211 and a proof mass portion 212.

設置基礎部２１１は、ケイ素などの半導体からなるものであり、矩形フレーム形状としたベース架台２１１ａと、該ベース架台２１１ａの一方の面からセンサ用構造体２００の積層方向に沿ってセンサ用構造体２００に向けて延びる角柱形状の２本の外枠部材２１１ｂ，２１１ｃと、を備えているものである。 The installation base 211 is made of a semiconductor such as silicon, and has a base frame 211a having a rectangular frame shape, and a sensor structure along the stacking direction of the sensor structure 200 from one surface of the base frame 211a. Two outer frame members 211b and 211c having a prismatic shape extending toward 200.

プルーフマス部２１２は、二酸化ケイ素などの絶縁体からなり、外枠部材２１１ｃの内壁面に埋め込まれた一端部から外枠部材２１１ｂに向けて細長い矩形枠状に延びるとともに、外力に応じてセンサ用構造体２００の積層方向に沿って弾性変形可能な梁部材２１２ａと、ケイ素などの半導体からなり、該梁部材２１２ａを介して外枠部材２１１ｃに支持された角柱形状の錘部材２１２ｂと、を備えているものである。図３（ｂ）に示すように、プルーフマス部２１２においては、錘部材２１２ｂが梁部材２１２ａによって外枠部材２１１ｃに支持された所謂片持ち状に浮いた状態となっている。 The proof mass portion 212 is made of an insulator such as silicon dioxide, and extends in an elongated rectangular frame shape from one end portion embedded in the inner wall surface of the outer frame member 211c toward the outer frame member 211b. A beam member 212a that can be elastically deformed along the stacking direction of the structure 200, and a prismatic weight member 212b made of a semiconductor such as silicon and supported by the outer frame member 211c via the beam member 212a. It is what. As shown in FIG. 3B, in the proof mass portion 212, the weight member 212b is in a so-called cantilever state supported by the outer frame member 211c by the beam member 212a.

なお、図３（ｂ）に示すように、ベース架台２１１ａの一方の面と、錘部材２１２ｂにおいて梁部材２１２ａが形成されている側の面と反対側の面との間に形成された空隙ｇ１は、錘部材２１２ｂの可動領域となる空隙を示しているものである。 As shown in FIG. 3B, a gap g1 formed between one surface of the base gantry 211a and the surface of the weight member 212b on the side opposite to the surface on which the beam member 212a is formed. These show the space | gap used as the movable area | region of the weight member 212b.

固定電極層２２０は、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、ポリシリコン、その他導電性高分子（ポリアセンやポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリンなど）などの導電体材料からなるものであり、図３（ｂ）に示すように、絶縁体層２０２において基板２０１の一方の面と同じ側の面に設けられているものである。 The fixed electrode layer 220 is made of a conductive material such as Cu, Au, Al, Pt, Pd, Ag, polysilicon, and other conductive polymers (polyacene, polypyrrole, polythiophene, polyaniline, etc.), and FIG. As shown in b), the insulating layer 202 is provided on the same surface as one surface of the substrate 201.

可動電極層２３０は、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、ポリシリコン、その他導電性高分子（ポリアセンやポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリンなど）などの導電体材料からなるものである。可動電極層２３０は、図３（ｂ）に示すように、梁部材２１２ａにおける錘部材２１２ｂが形成されている側の面と反対側の面において、固定電極層２２０と対向する位置に設けられているものである。 The movable electrode layer 230 is made of a conductive material such as Cu, Au, Al, Pt, Pd, Ag, polysilicon, and other conductive polymers (polyacene, polypyrrole, polythiophene, polyaniline, etc.). As shown in FIG. 3B, the movable electrode layer 230 is provided at a position facing the fixed electrode layer 220 on the surface of the beam member 212a opposite to the surface on which the weight member 212b is formed. It is what.

なお、図３（ｂ）に示すように、固定電極層２２０において絶縁体層２０２が形成されている側の面と反対側の面と、可動電極層２３０において錘部材２１２ｂが形成されている側の面と反対側の面との間に形成された空隙ｇ２は、可動電極層２３０の可動領域となる空隙を示しているものである。   As shown in FIG. 3B, the surface of the fixed electrode layer 220 opposite to the surface on which the insulator layer 202 is formed, and the side of the movable electrode layer 230 on which the weight member 212b is formed. A gap g <b> 2 formed between this surface and the opposite surface indicates a gap that becomes a movable region of the movable electrode layer 230.

検知部２４０は、固定電極層２２０と可動電極層２３０とに配線接続されており、錘部材２１２ｂにセンサ用構造体２００の積層方向に沿う方向の外力が作用した場合に、固定電極層２２０と可動電極層２３０との間に発生する静電容量の変化に基づいて、錘部材２１２ｂに作用した加速度の大きさを検知するものである。検知部２４０は、静電容量の変化を電圧変化に変換して所定の出力に増幅するための容量−電圧変換部、フィルタ、及び、信号増幅部等が接続された構造を有しており、静電容量の変化を加速度の大きさとして取得することができる。 The detection unit 240 is connected to the fixed electrode layer 220 and the movable electrode layer 230 by wiring, and when an external force in the direction along the stacking direction of the sensor structure 200 acts on the weight member 212b, Based on a change in capacitance generated between the movable electrode layer 230 and the movable electrode layer 230, the magnitude of acceleration acting on the weight member 212b is detected. The detection unit 240 has a structure in which a capacitance-voltage conversion unit, a filter, a signal amplification unit, and the like for converting a change in capacitance into a voltage change and amplifying the change to a predetermined output are connected. The change in capacitance can be acquired as the magnitude of acceleration.

ショート評価部２５０は、固定電極層２２０と可動電極層２３０との間において検知部２４０と並列に接続されており、固定電極層２２０及び可動電極層２３０同士の固着（スティッキング）に起因したショートを防止するものである。 The short evaluation unit 250 is connected in parallel with the detection unit 240 between the fixed electrode layer 220 and the movable electrode layer 230, and performs a short circuit caused by sticking (sticking) between the fixed electrode layer 220 and the movable electrode layer 230. It is to prevent.

次に、静電容量型加速度センサ１０００の動作について説明する。静電容量型加速度センサ１０００では、固定電極層２２０と可動電極層２３０との間にコンデンサが形成され、このコンデンサの静電容量が、錘部材２１２ｂにセンサ用構造体２００の積層方向に沿う方向の外力が作用することによる可動電極層２３０の変位に応じて差動的に変化することになり、静電容量の変化を、錘部材２１２ｂに作用した加速度の大きさとして取得することができるものである。 Next, the operation of the capacitive acceleration sensor 1000 will be described. In the capacitance type acceleration sensor 1000, a capacitor is formed between the fixed electrode layer 220 and the movable electrode layer 230, and the capacitance of the capacitor is a direction along the stacking direction of the sensor structure 200 on the weight member 212b. Change in accordance with the displacement of the movable electrode layer 230 due to the action of the external force, and the change in capacitance can be acquired as the magnitude of the acceleration acting on the weight member 212b. It is.

上記構成によれば、基板２０１と固定電極層２２０との間（絶縁体層２０２）に発生する寄生容量を従来よりも低減できるので、固定電極層２２０と可動電極層２３０との間に発生する静電容量が寄生容量に分配されてしまうことによる静電容量型加速度センサ１０００の感度への影響を従来よりも抑制することができる。これにより、静電容量型加速度センサ１０００としての検知精度を従来よりも向上させることができる。   According to the above configuration, since the parasitic capacitance generated between the substrate 201 and the fixed electrode layer 220 (insulator layer 202) can be reduced as compared with the conventional case, the parasitic capacitance is generated between the fixed electrode layer 220 and the movable electrode layer 230. The influence on the sensitivity of the capacitive acceleration sensor 1000 due to the electrostatic capacitance being distributed to the parasitic capacitance can be suppressed more than in the past. Thereby, the detection accuracy as the capacitive acceleration sensor 1000 can be improved as compared with the conventional case.

また、上記構成によれば、基板２０１に開口部２０１ｂを形成することにより、絶縁体層２０２において基板２０１の一方の面と同じ側の面と反対側の面を露出させることで、絶縁体層２０２において基板２０１の一方の面と同じ側の面に固定電極層２２０を形成した際に、基板２０１と固定電極層２２０との間（絶縁体層２０２）に寄生容量が発生しないスペースを形成することができる。これにより、基板２０１と固定電極層２２０との間（絶縁体層２０２）に発生する寄生容量を部分的に排除することができる。   Further, according to the above configuration, by forming the opening 201b in the substrate 201, the surface of the insulator layer 202 opposite to the surface on the same side as the one surface of the substrate 201 is exposed, whereby the insulator layer In 202, when the fixed electrode layer 220 is formed on the same side as the one surface of the substrate 201, a space where no parasitic capacitance is generated is formed between the substrate 201 and the fixed electrode layer 220 (insulator layer 202). be able to. Thus, parasitic capacitance generated between the substrate 201 and the fixed electrode layer 220 (insulator layer 202) can be partially eliminated.

更に、上記構成によれば、絶縁体層２０２の前側端部２０２ａ及び後側端部２０２ｂが、それぞれ、基板２０１の前側端部２０１ｃ及び後側端部２０１ｄと同じ位置まで延在しているため、基板２０１の一方の面と同じ側の面において絶縁体層２０２が占める面積を増加させることができる。その結果、絶縁体層２０２において基板２０１の一方の面と同じ側の面に固定電極層２２０を配置する際の設計自由度を向上させることができる。   Furthermore, according to the above configuration, the front end 202a and the rear end 202b of the insulator layer 202 extend to the same positions as the front end 201c and the rear end 201d of the substrate 201, respectively. The area occupied by the insulator layer 202 on the same surface as the one surface of the substrate 201 can be increased. As a result, the degree of freedom in design when the fixed electrode layer 220 is disposed on the same surface as the one surface of the substrate 201 in the insulator layer 202 can be improved.

＜第３実施形態＞
次に、図４を用いて、本発明の第３実施形態に係る容量式アクチュエータについて説明する。なお、第２実施形態の部位２００，２１０，２２０，２３０，２５０と、本実施形態の部位３００，３１０，３２０，３３０，３５０（図示していない部位がある）とは、順に同様のものであるので、説明を省略することがある。 <Third Embodiment>
Next, a capacitive actuator according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The parts 200, 210, 220, 230, 250 of the second embodiment and the parts 300, 310, 320, 330, 350 (there are parts not shown) of this embodiment are the same in order. Since there is, explanation may be omitted.

本実施形態に係る静電容量型アクチュエータ（容量式アクチュエータ）２０００は、第２実施形態の静電容量型加速度センサ１０００において加速度の大きさを検知するための検知部２４０に代えて、電圧を印加するための電圧印加部３４０を有しているものである。 A capacitive actuator (capacitive actuator) 2000 according to the present embodiment applies a voltage in place of the detection unit 240 for detecting the magnitude of acceleration in the capacitive acceleration sensor 1000 of the second embodiment. It has a voltage application unit 340 for this purpose.

電圧印加部３４０は、固定電極層３２０と可動電極層３３０とに配線接続されており、固定電極層３２０と可動電極層３３０との間に、可動電極層３３０をセンサ用構造体３００の積層方向に沿って移動させるための電圧を印加するものである。 The voltage application unit 340 is connected to the fixed electrode layer 320 and the movable electrode layer 330 by wiring, and the movable electrode layer 330 is disposed between the fixed electrode layer 320 and the movable electrode layer 330 in the stacking direction of the sensor structure 300. The voltage for moving along is applied.

次に、静電容量型アクチュエータ２０００の動作について説明する。電圧印加部３４０により、固定電極層３２０と可動電極層３３０との間に電圧が加えられた場合、静電力により、固定電極層３２０と可動電極３３０との電極間距離ｇ２が狭まる結果、錘部材３１２ｂは、センサ用構造体３００の積層方向に沿って固定電極層３２０に近づくように動作する。 Next, the operation of the capacitive actuator 2000 will be described. When a voltage is applied between the fixed electrode layer 320 and the movable electrode layer 330 by the voltage application unit 340, the inter-electrode distance g2 between the fixed electrode layer 320 and the movable electrode 330 is reduced by the electrostatic force. 312 b operates so as to approach the fixed electrode layer 320 along the stacking direction of the sensor structure 300.

上記構成によれば、静電容量型アクチュエータ２０００の消費電力及び駆動電圧を増加させる要因となる、基板３０１と固定電極層３２０との間（絶縁体層３０２）に発生する寄生容量を従来よりも抑制できるので、静電容量型アクチュエータ２０００の消費電力及び駆動電圧を従来よりも低減させることができる。   According to the above configuration, the parasitic capacitance generated between the substrate 301 and the fixed electrode layer 320 (insulator layer 302), which causes the power consumption and driving voltage of the capacitive actuator 2000 to increase, is larger than in the conventional case. Since it can suppress, the power consumption and drive voltage of the capacitive actuator 2000 can be reduced more than before.

＜第４実施形態＞
次に、図５を用いて、本発明の第４実施形態に係る容量式センサについて説明する。なお、第１実施形態の部位１，１ａ，１ｃ，１ｄ，２と、本実施形態の部位４０１，４０１ａ，４０１ｃ，４０１ｄ，４０２とは、順に同様のものであるので、説明を省略することがある。 <Fourth embodiment>
Next, a capacitive sensor according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The parts 1, 1a, 1c, 1d, and 2 of the first embodiment and the parts 401, 401a, 401c, 401d, and 402 of the present embodiment are the same in order, and thus the description thereof is omitted. is there.

図５（ａ），（ｂ）に示すように、静電容量型圧力センサ３０００は、センサ用構造体４００と、密閉用構造体４１０と、一対の固定電極層４２０ａ，４２０ｂと、可動電極層４３０と、検知部４４０と、ショート評価部４５０と、を備えているものである。なお、図５（ａ）においては、説明の都合上、可動電極層４３０の外形を基板４０１の他方の面から見た仮想線（一点鎖線）及び実線によって表している。同様に、膜状部材４１１ａの外形を基板４０１の他方の面から見た仮想線（二点鎖線）及び実線によって表している。 As shown in FIGS. 5A and 5B, the capacitive pressure sensor 3000 includes a sensor structure 400, a sealing structure 410, a pair of fixed electrode layers 420a and 420b, and a movable electrode layer. 430, the detection part 440, and the short evaluation part 450 are provided. In FIG. 5A, for convenience of explanation, the outer shape of the movable electrode layer 430 is represented by an imaginary line (dashed line) and a solid line viewed from the other surface of the substrate 401. Similarly, the outer shape of the film-like member 411a is represented by a virtual line (two-dot chain line) and a solid line viewed from the other surface of the substrate 401.

図５（ｂ）に示すように、静電容量型圧力センサ３０００は、センサ用構造体４００及び密閉用構造体４１０の各外周部の位置を相互に合わせるとともに接合することにより形成されているものである。 As shown in FIG. 5B, the capacitive pressure sensor 3000 is formed by aligning and joining the positions of the outer peripheral portions of the sensor structure 400 and the sealing structure 410 to each other. It is.

図５（ａ），（ｂ）に示すように、センサ用構造体４００は、密閉用構造体４１０の後述する膜状部材４１１ａに外部からの圧力を印加するために、センサ用構造体４００の積層方向に沿って延びるとともに、外部と連通するように形成された矩形状の通風孔４００ａを備えているものである。 As shown in FIGS. 5A and 5B, the sensor structure 400 includes a sensor structure 400 in order to apply a pressure from the outside to a film-like member 411 a of the sealing structure 410 to be described later. The rectangular ventilation hole 400a is formed so as to extend along the stacking direction and communicate with the outside.

図５（ｂ）に示すように、密閉用構造体４１０は、開口部を有する枠状体４１１と箱状体４１２とを備えるものである。 As shown in FIG. 5B, the sealing structure 410 includes a frame-like body 411 having an opening and a box-like body 412.

枠状体４１１は、二酸化ケイ素などの絶縁体からなる膜状部材４１１ａと、ケイ素などの半導体からなり、該膜状部材４１１ａの両端部からセンサ用構造体４００の積層方向に沿ってセンサ用構造体４００に向けて延びる角柱形状の２本の外枠部材４１１ｂ，４１１ｃと、を備えているものである。これにより、膜状部材４１１ａに通風孔４００ａを介して外部からの圧力が印加された場合、膜状部材４１１ａはセンサ用構造体４００の積層方向に沿って弾性変形可能となっているものである。 The frame-like body 411 is made of a film-like member 411a made of an insulator such as silicon dioxide, and a semiconductor such as silicon. The sensor-like structure is formed along the stacking direction of the sensor-like structure 400 from both ends of the film-like member 411a. And two outer frame members 411b and 411c having a prismatic shape extending toward the body 400. Thus, when external pressure is applied to the membrane member 411a via the ventilation hole 400a, the membrane member 411a is elastically deformable along the stacking direction of the sensor structure 400. .

箱状体４１２は、ケイ素などの半導体からなるものであり、その内部に凹状のキャビティ４１２ａが形成されているものである。該キャビティ４１２ａの開口端は、膜状部材４１１ａによって覆われることにより、外部から封止されている。これにより、キャビティ４１２ａの内部空間は、その内部圧力が真空圧または常圧で維持されることにより、膜状部材４１１ａに印加された圧力の検知に適した雰囲気環境で維持されている。 The box-like body 412 is made of a semiconductor such as silicon, and has a concave cavity 412a formed therein. The open end of the cavity 412a is sealed from the outside by being covered with the film member 411a. Thereby, the internal space of the cavity 412a is maintained in an atmospheric environment suitable for detecting the pressure applied to the film member 411a by maintaining the internal pressure at a vacuum pressure or a normal pressure.

固定電極層４２０ａ，４２０ｂは、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、ポリシリコン、その他導電性高分子（ポリアセンやポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリンなど）などの導電体材料からなるものであり、図５（ｂ）に示すように、通風孔４００ａを挟むようにして、絶縁体層４０２において基板４０１の一方の面と同じ側の面に形成されているものである。図５（ｂ）に示すように、固定電極層４２０ａと外枠部材４１１ｂとの間には、固定電極層４２０ａと外枠部材４１１ｂ同士の電気的結合を回避するための空隙が形成されているものである。同様に、固定電極層４２０ｂと外枠部材４１１ｃとの間には、固定電極層４２０ｂと外枠部材４１１ｃ同士の電気的結合を回避するための空隙が形成されているものである。 The fixed electrode layers 420a and 420b are made of a conductive material such as Cu, Au, Al, Pt, Pd, Ag, polysilicon, and other conductive polymers (polyacene, polypyrrole, polythiophene, polyaniline, etc.). As shown in FIG. 5B, the insulator layer 402 is formed on the same surface as one surface of the substrate 401 so as to sandwich the ventilation hole 400a. As shown in FIG. 5B, a gap is formed between the fixed electrode layer 420a and the outer frame member 411b to avoid electrical coupling between the fixed electrode layer 420a and the outer frame member 411b. Is. Similarly, a gap is formed between the fixed electrode layer 420b and the outer frame member 411c to avoid electrical coupling between the fixed electrode layer 420b and the outer frame member 411c.

可動電極層４３０は、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、ポリシリコン、その他導電性高分子（ポリアセンやポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリンなど）などの導電体材料からなるものであり、図５（ｂ）に示すように、膜状部材４１１ａにおいてキャビティ４１２ａが形成されている側の面と反対側の面に設けられ、固定電極層４２０ａ，４２０ｂと対向する位置に形成されているものである。また、図５（ａ）中の仮想線（一点鎖線）及び実線と、仮想線（二点鎖線）及び実線とに示すように、可動電極層４３０は、膜状部材４１１ａの内側に配置されているものである。また、図５（ｂ）に示すように、可動電極層４３０の両端部と外枠部材４１１ｂ，４１１ｃとの間には、可動電極層４３０と外枠部材４１１ｂ，４１１ｃ同士の電気的結合を回避するための空隙が形成されているものである。   The movable electrode layer 430 is made of a conductive material such as Cu, Au, Al, Pt, Pd, Ag, polysilicon, and other conductive polymers (polyacene, polypyrrole, polythiophene, polyaniline, etc.), and is shown in FIG. As shown to b), it is provided in the surface on the opposite side to the surface in which the cavity 412a is formed in the film-shaped member 411a, and is formed in the position facing the fixed electrode layers 420a and 420b. 5A, the movable electrode layer 430 is disposed inside the film-like member 411a, as indicated by a virtual line (dashed line) and a solid line, and a virtual line (two-dot chain line) and a solid line. It is what. Further, as shown in FIG. 5B, electrical coupling between the movable electrode layer 430 and the outer frame members 411b and 411c is avoided between both ends of the movable electrode layer 430 and the outer frame members 411b and 411c. A gap for this purpose is formed.

検知部４４０は、固定電極層４２０ａ，４２０ｂと可動電極層４３０とに配線接続されており、膜状部材４１１ａに対してセンサ用構造体４００の積層方向に沿う方向の圧力が加えられた場合に、固定電極層４２０ａ，４２０ｂと可動電極層４３０との間に発生する静電容量の変化に基づいて、膜状部材４１１ａに加わった圧力値を検知するものである。   The detection unit 440 is connected to the fixed electrode layers 420a and 420b and the movable electrode layer 430, and when pressure in a direction along the stacking direction of the sensor structure 400 is applied to the film member 411a. The pressure value applied to the film-like member 411a is detected based on the change in capacitance generated between the fixed electrode layers 420a and 420b and the movable electrode layer 430.

ショート評価部４５０は、固定電極層４２０ａ，４２０ｂと可動電極層４３０との間において検知部４４０と並列に接続されており、固定電極層４２０ａ，４２０ｂ及び可動電極層４３０同士の固着（スティッキング）に起因したショートを防止するものである。 The short evaluation unit 450 is connected in parallel with the detection unit 440 between the fixed electrode layers 420a and 420b and the movable electrode layer 430, and is fixed (sticking) between the fixed electrode layers 420a and 420b and the movable electrode layer 430. This is to prevent the short circuit.

次に、静電容量型圧力センサ３０００の動作について説明する。膜状部材４１１ａに対してセンサ用構造体４００の積層方向に沿う方向の圧力が加えられた場合、膜状部材４１１ａは、該圧力に応じて弾性変形する。検知部４４０は、該変形によって生じた、固定電極層４２０ａ，４２０ｂと可動電極層４３０との間に発生する静電容量変化を検知する。そして、検知部４４０は、該変化に基づいて、膜状部材４１１ａに加わった圧力値を検知する。   Next, the operation of the capacitive pressure sensor 3000 will be described. When a pressure in a direction along the stacking direction of the sensor structure 400 is applied to the film member 411a, the film member 411a is elastically deformed according to the pressure. The detection unit 440 detects a change in capacitance generated between the fixed electrode layers 420a and 420b and the movable electrode layer 430, which is generated by the deformation. And the detection part 440 detects the pressure value applied to the film-form member 411a based on this change.

上記構成によれば、基板４０１と固定電極層４２０ａ，４２０ｂとの間（絶縁体層４０２）に発生する寄生容量を従来よりも低減できるので、固定電極層４２０ａ，４２０ｂと可動電極層４３０との間に発生する静電容量が寄生容量に分配されてしまうことによる静電容量型圧力センサ３０００のセンサ感度への影響を従来よりも抑制することができる。これにより、静電容量型圧力センサ３０００としての検知精度を従来よりも向上させることができる。   According to the above configuration, since the parasitic capacitance generated between the substrate 401 and the fixed electrode layers 420a and 420b (insulator layer 402) can be reduced as compared with the prior art, the fixed electrode layers 420a and 420b and the movable electrode layer 430 can be reduced. The influence on the sensor sensitivity of the capacitance-type pressure sensor 3000 due to the capacitance generated in the middle being distributed to the parasitic capacitance can be suppressed as compared with the conventional case. Thereby, the detection accuracy as the capacitive pressure sensor 3000 can be improved as compared with the conventional case.

＜第５実施形態＞
次に、図６を用いて、本発明の第５実施形態に係る容量式アクチュエータについて説明する。なお、第４実施形態の部位４００，４１０，４２０ａ，４２０ｂ，４３０，４５０と、本実施形態の部位５００，５１０，５２０ａ，５２０ｂ，５３０，５５０（図示していない部位がある）とは、順に同様のものであるので、説明を省略することがある。 <Fifth Embodiment>
Next, a capacitive actuator according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The parts 400, 410, 420a, 420b, 430, 450 of the fourth embodiment and the parts 500, 510, 520a, 520b, 530, 550 (there are parts not shown) of the present embodiment are in order. Since it is the same thing, description may be abbreviate | omitted.

本実施形態に係る静電容量型アクチュエータ（容量式アクチュエータ）４０００は、第４実施形態の静電容量型圧力センサ３０００において圧力値を検知するための検知部４４０に代えて、電圧を印加するための電圧印加部５４０を有しているものである。 The capacitive actuator (capacitive actuator) 4000 according to the present embodiment applies a voltage in place of the detection unit 440 for detecting the pressure value in the capacitive pressure sensor 3000 of the fourth embodiment. The voltage application unit 540 is provided.

電圧印加部５４０は、固定電極層５２０ａ，５２０ｂと可動電極層５３０とに配線接続されており、固定電極層５２０ａ，５２０ｂと可動電極層５３０との間に、可動電極層５３０をセンサ用構造体５００の積層方向に沿って移動させるための電圧を印加するものである。   The voltage application unit 540 is connected to the fixed electrode layers 520a and 520b and the movable electrode layer 530 by wiring, and the movable electrode layer 530 is disposed between the fixed electrode layers 520a and 520b and the movable electrode layer 530. A voltage for moving along the stacking direction of 500 is applied.

次に、静電容量型アクチュエータ４０００の動作について説明する。電圧印加部５４０により、固定電極層５２０ａ，５２０ｂと可動電極層５３０との間に電圧が加えられた場合、静電力により、固定電極層５２０ａ，５２０ｂと可動電極層５３０との電極間距離が狭まる結果、膜状部材５１１ａは、センサ用構造体５００の積層方向に沿って固定電極層５２０ａ，５２０ｂに近づくように動作する。 Next, the operation of the capacitive actuator 4000 will be described. When a voltage is applied between the fixed electrode layers 520a and 520b and the movable electrode layer 530 by the voltage application unit 540, the distance between the electrodes of the fixed electrode layers 520a and 520b and the movable electrode layer 530 is reduced by electrostatic force. As a result, the film-like member 511a operates so as to approach the fixed electrode layers 520a and 520b along the stacking direction of the sensor structure 500.

上記構成によれば、静電容量型アクチュエータ４０００の消費電力及び駆動電圧を増加させる要因となる、基板５０１と固定電極層５２０ａ，５２０ｂとの間（絶縁体層５０２）に発生する寄生容量を従来よりも抑制できるので、静電容量型アクチュエータ４０００の消費電力及び駆動電圧を従来よりも低減させることができる。 According to the above configuration, the parasitic capacitance generated between the substrate 501 and the fixed electrode layers 520a and 520b (insulator layer 502), which is a factor for increasing the power consumption and drive voltage of the capacitive actuator 4000, is conventionally known. Therefore, the power consumption and driving voltage of the capacitive actuator 4000 can be reduced as compared with the conventional case.

＜第６実施形態＞
次に、図７を用いて、本発明の第６実施形態に係る圧電式センサについて説明する。なお、第１実施形態の部位１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，２，２ａ，２ｂと、本実施形態の部位６０１，６０１ａ，６０１ｂ，６０１ｃ，６０１ｄ，６０２，６０２ａ，６０２ｂとは、順に同様のものであるので、説明を省略することがある。また、下記の「前」及び「後」なる各用語は、図７（ａ）に示す圧電型加速度センサ（圧電式センサ）５０００の各位置を示している。 <Sixth Embodiment>
Next, a piezoelectric sensor according to a sixth embodiment of the present invention will be described using FIG. The parts 1, 1a, 1b, 1c, 1d, 2, 2a, 2b of the first embodiment and the parts 601, 601a, 601b, 601c, 601d, 602, 602a, 602b of the present embodiment are the same in order. Therefore, the description may be omitted. The terms “front” and “rear” below indicate the positions of the piezoelectric acceleration sensor (piezoelectric sensor) 5000 shown in FIG.

図７（ａ），（ｂ）に示すように、圧電型加速度センサ５０００は、センサ用構造体６００と、第１可動電極層６１０と、圧電基板６２０と、第２可動電極層６３０と、検知部６４０と、を備えているものである。 As shown in FIGS. 7A and 7B, the piezoelectric acceleration sensor 5000 includes a sensor structure 600, a first movable electrode layer 610, a piezoelectric substrate 620, a second movable electrode layer 630, and a detection. Part 640.

図７（ｂ）に示すように、センサ用構造体６００において、基板６０１は、開口部６０１ｂを介して対向する固定端部６０１ｅ及びプルーフマス部６０１ｆを有しているものである。該プルーフマス部６０１ｆは、外力に応じてセンサ用構造体６００の積層方向に沿って弾性変形可能な梁状の絶縁体層６０２を介して固定端部６０１ｅに支持されているものである。つまり、プルーフマス部６０１ｆは、絶縁体層６０２によって固定端部６０１ｅに支持された所謂片持ち状に浮いた状態となっている。これにより、プルーフマス部６０１ｆは、センサ用構造体６００の積層方向に沿う方向に外力が加わる錘部として機能し、絶縁体層６０２が固定端部６０１ｅを支点として弾性変形することに伴い、第１可動電極層６１０と圧電基板６２０と第２可動電極層６３０とからなる積層体が一体的に弾性変形可能となっている。 As shown in FIG. 7B, in the sensor structure 600, the substrate 601 has a fixed end 601e and a proof mass 601f that face each other through the opening 601b. The proof mass portion 601f is supported by the fixed end portion 601e via a beam-like insulator layer 602 that can be elastically deformed along the stacking direction of the sensor structure 600 according to an external force. In other words, the proof mass portion 601f is in a so-called cantilever state supported by the fixed end portion 601e by the insulator layer 602. Thus, the proof mass portion 601f functions as a weight portion to which an external force is applied in the direction along the stacking direction of the sensor structure 600, and the insulating layer 602 is elastically deformed with the fixed end portion 601e as a fulcrum. A laminate composed of the first movable electrode layer 610, the piezoelectric substrate 620, and the second movable electrode layer 630 can be elastically deformed integrally.

図７（ａ）に示すように、絶縁体層６０２の前側端部６０２ａ及び後側端部６０２ｂは、それぞれ、基板６０１の前側端部６０１ｃ及び後側端部６０１ｄと同じ位置まで延在しているものである。 As shown in FIG. 7A, the front end portion 602a and the rear end portion 602b of the insulator layer 602 extend to the same positions as the front end portion 601c and the rear end portion 601d of the substrate 601, respectively. It is what.

第１可動電極層６１０は、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、ポリシリコン、その他導電性高分子（ポリアセンやポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリンなど）などの導電体材料からなるものであり、図７（ａ），（ｂ）に示すように、絶縁体層６０２において基板６０１の一方の面と同じ側の面に設けられているものである。 The first movable electrode layer 610 is made of a conductive material such as Cu, Au, Al, Pt, Pd, Ag, polysilicon, and other conductive polymers (such as polyacene, polypyrrole, polythiophene, and polyaniline). 7 (a) and 7 (b), the insulator layer 602 is provided on the same surface as the one surface of the substrate 601.

圧電基板６２０は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの圧電材料からなるものであり、図７（ｂ）に示すように、第１可動電極層６１０において絶縁体層６０２が形成されている側の面と反対側の面に形成され、外部からの応力に応じて弾性変形するとともに電荷を発生させるものである。 The piezoelectric substrate 620 is made of a piezoelectric material such as PZT (lead zirconate titanate), and as shown in FIG. 7B, the side on which the insulator layer 602 is formed in the first movable electrode layer 610. It is formed on the surface opposite to this surface, and elastically deforms in response to external stress and generates electric charges.

第２可動電極層６３０は、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、ポリシリコン、その他導電性高分子（ポリアセンやポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリンなど）などの導電体材料からなるものであり、図７（ａ），（ｂ）に示すように、圧電基板６２０において第１可動電極層６１０が形成されている側の面と反対側の面に設けられているものである。 The second movable electrode layer 630 is made of a conductive material such as Cu, Au, Al, Pt, Pd, Ag, polysilicon, and other conductive polymers (such as polyacene, polypyrrole, polythiophene, and polyaniline). 7 (a) and 7 (b), the piezoelectric substrate 620 is provided on the surface opposite to the surface on which the first movable electrode layer 610 is formed.

検知部６４０は、第１可動電極層６１０と第２可動電極層６３０とに配線接続されており、プルーフマス部６０１ｆに外力が加えられた場合に、第１可動電極層６１０及び第２可動電極層６３０の間において圧電基板６２０に発生する電荷の変化に基づいて、プルーフマス部６０１ｆに作用した加速度の大きさを検知するものである。 The detection unit 640 is connected to the first movable electrode layer 610 and the second movable electrode layer 630 by wiring, and when an external force is applied to the proof mass unit 601f, the first movable electrode layer 610 and the second movable electrode layer Based on the change in electric charge generated in the piezoelectric substrate 620 between the layers 630, the magnitude of the acceleration acting on the proof mass portion 601f is detected.

次に、圧電型加速度センサ５０００の動作について説明する。プルーフマス部６０１ｆにセンサ用構造体６００の積層方向に沿う方向の外力が加えられると、固定端部６０１ｅを支点、プルーフマス部６０１ｆを力点として、絶縁体層６０２が弾性変形することに伴い、第１可動電極層６１０と圧電基板６２０と第２可動電極層６３０とからなる積層体が一体的に弾性変形する。そして、該変形に伴い、第１可動電極層６１０及び第２可動電極層６３０の間において圧電基板６２０に発生する電荷の変化に基づいて、プルーフマス部６０１ｆに作用した加速度の大きさが検知される。 Next, the operation of the piezoelectric acceleration sensor 5000 will be described. When an external force in a direction along the stacking direction of the sensor structure 600 is applied to the proof mass portion 601f, the insulator layer 602 is elastically deformed with the fixed end portion 601e as a fulcrum and the proof mass portion 601f as a force point. The laminate composed of the first movable electrode layer 610, the piezoelectric substrate 620, and the second movable electrode layer 630 is elastically deformed integrally. In accordance with the deformation, the magnitude of the acceleration acting on the proof mass portion 601f is detected based on the change in the charge generated in the piezoelectric substrate 620 between the first movable electrode layer 610 and the second movable electrode layer 630. The

上記構成によれば、基板６０１と第１可動電極層６１０との間（絶縁体層６０２）に発生する寄生容量を従来よりも低減できるので、第１可動電極層６１０と第２可動電極層６３０との間において圧電基板６２０に発生する電荷に対して寄生容量が与える影響を従来よりも抑制することができる。従って、寄生容量が圧電型加速度センサ５０００のセンサ感度に及ぼす影響を従来よりも抑制することができる。その結果、圧電型加速度センサ５０００としての検知精度を従来よりも向上させることができる。 According to the above configuration, since the parasitic capacitance generated between the substrate 601 and the first movable electrode layer 610 (insulator layer 602) can be reduced as compared with the prior art, the first movable electrode layer 610 and the second movable electrode layer 630 are reduced. The influence of the parasitic capacitance on the charge generated on the piezoelectric substrate 620 can be suppressed more than before. Therefore, the influence of the parasitic capacitance on the sensor sensitivity of the piezoelectric acceleration sensor 5000 can be suppressed more than in the past. As a result, the detection accuracy as the piezoelectric acceleration sensor 5000 can be improved as compared with the conventional case.

また、上記構成によれば、基板６０１に開口部６０１ｂを形成することにより、絶縁体層６０２において基板６０１の一方の面と同じ側の面と反対側の面を露出させることで、絶縁体層６０２において基板６０１の一方の面と同じ側の面に第１可動電極層６１０を形成した際に、基板６０１と第１可動電極層６１０との間（絶縁体層６０２）に寄生容量が発生しないスペースを形成することができる。これにより、基板６０１と第１可動電極層６１０との間（絶縁体層６０２）に発生する寄生容量を部分的に排除することができる。 Further, according to the above configuration, by forming the opening 601b in the substrate 601, the surface of the insulator layer 602 opposite to the surface on the same side as the one surface of the substrate 601 is exposed, whereby the insulator layer When the first movable electrode layer 610 is formed on the same side as one surface of the substrate 601 in 602, no parasitic capacitance is generated between the substrate 601 and the first movable electrode layer 610 (insulator layer 602). A space can be formed. As a result, parasitic capacitance generated between the substrate 601 and the first movable electrode layer 610 (insulator layer 602) can be partially eliminated.

更に、上記構成によれば、絶縁体層６０２の前側端部６０２ａ及び後側端部６０２ｂは、それぞれ、基板６０１の前側端部６０１ｃ及び後側端部６０１ｄと同じ位置まで延在しているため、基板６０１の一方の面と同じ側の面において絶縁体層６０２が占める面積を増加させることができる。その結果、絶縁体層６０２において基板６０１の一方の面と同じ側の面に第１可動電極層６１０を配置する際の設計自由度を向上させることができる。 Furthermore, according to the above configuration, the front end portion 602a and the rear end portion 602b of the insulator layer 602 extend to the same positions as the front end portion 601c and the rear end portion 601d of the substrate 601, respectively. The area occupied by the insulating layer 602 on the same side as the one surface of the substrate 601 can be increased. As a result, in the insulator layer 602, the degree of freedom in design when the first movable electrode layer 610 is disposed on the same surface as the one surface of the substrate 601 can be improved.

＜第７実施形態＞
次に、図８を用いて、本発明の第７実施形態に係る圧電式アクチュエータについて説明する。なお、第６実施形態の部位６００，６１０，６２０，６３０と、本実施形態の部位７００，７１０，７２０，７３０（図示していない部位がある）とは、順に同様のものであるので、説明を省略することがある。 <Seventh embodiment>
Next, a piezoelectric actuator according to a seventh embodiment of the present invention will be described using FIG. The parts 600, 610, 620, and 630 of the sixth embodiment and the parts 700, 710, 720, and 730 (there are parts not shown) of the present embodiment are the same in order, and thus will be described. May be omitted.

本実施形態に係る圧電型アクチュエータ（圧電式アクチュエータ）６０００は、第６実施形態の圧電型加速度センサ５０００において加速度の大きさを検知するための検知部６４０に代えて、電圧を印加するための電圧印加部７４０を有しているものである。 A piezoelectric actuator (piezoelectric actuator) 6000 according to the present embodiment is a voltage for applying a voltage instead of the detection unit 640 for detecting the magnitude of acceleration in the piezoelectric acceleration sensor 5000 of the sixth embodiment. An application unit 740 is provided.

電圧印加部７４０は、第１可動電極層７１０と第２可動電極層７３０とに配線接続されており、第１可動電極層７１０と第２可動電極層７３０との間において、圧電基板７２０に歪みを生じさせて弾性変形させるための電圧を印加するものである。   The voltage application unit 740 is connected to the first movable electrode layer 710 and the second movable electrode layer 730 by wiring, and the piezoelectric substrate 720 is strained between the first movable electrode layer 710 and the second movable electrode layer 730. A voltage for applying elastic force to cause deformation is applied.

次に、圧電型アクチュエータ６０００の動作について説明する。電圧印加部７４０により、第１可動電極層７１０と第２可動電極層７３０との間に電圧が加えられた場合、第１可動電極層７１０と圧電基板７２０と第２可動電極層７３０とからなる積層体が一体的に弾性変形することに伴い、絶縁体層７０２が固定端部７０１ｅを支点として弾性変形し、プルーフマス部７０１ｆがセンサ用構造体７００の積層方向に沿う方向に移動する。 Next, the operation of the piezoelectric actuator 6000 will be described. When a voltage is applied between the first movable electrode layer 710 and the second movable electrode layer 730 by the voltage application unit 740, the first movable electrode layer 710, the piezoelectric substrate 720, and the second movable electrode layer 730 are formed. As the stacked body is elastically deformed integrally, the insulator layer 702 is elastically deformed with the fixed end portion 701e as a fulcrum, and the proof mass portion 701f moves in a direction along the stacking direction of the sensor structure 700.

上記構成によれば、圧電型アクチュエータ６０００の消費電力及び駆動電圧を増加させる要因となる、基板７０１と第１可動電極層７１０との間（絶縁体層７０２）に発生する寄生容量を従来よりも抑制できるので、圧電型アクチュエータ６０００の消費電力及び駆動電圧を従来よりも低減させることができる。 According to the above configuration, the parasitic capacitance generated between the substrate 701 and the first movable electrode layer 710 (insulator layer 702), which is a factor that increases the power consumption and driving voltage of the piezoelectric actuator 6000, is larger than that in the conventional case. Since it can suppress, the power consumption and drive voltage of the piezoelectric actuator 6000 can be reduced as compared with the conventional case.

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。上記第６実施形態では、第１可動電極層６１０、圧電基板６２０、及び、第２可動電極層６３０の３つ部位からなる構造体を用いて、プルーフマス部６０１ｆに作用した加速度の大きさを検知する例について述べたが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではない。例えば、４つ以上の部位からなる構造体を用いて上記加速度の大きさを検知してもよい。より具体的には、図９に示すように、基板８０１及び絶縁体層８０２を有するセンサ用構造体８００を適用した圧電型加速度センサ７０００において、交互に配置された、可動電極層８１０ａ〜８１０ｅ、及び、圧電基板８２０ａ〜８２０ｄからなる９つの部位からなる構造体を用いて、プルーフマス部８０１ｆに作用した加速度の大きさを検知してもよい。なお、この検知は、固定端部８０１ｅに最も近い位置にある可動電極層８１０ａと、プルーフマス部８０１ｆに最も近い位置にある可動電極層８１０ｅとに配線接続された検知部８４０が、可動電極層８１０ａ，８１０ｅの各出力を検知することによって行われる。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation is possible based on the meaning of this invention, and these are not excluded from the scope of the present invention. In the sixth embodiment, the magnitude of acceleration acting on the proof mass portion 601f is determined using a structure composed of three parts, the first movable electrode layer 610, the piezoelectric substrate 620, and the second movable electrode layer 630. Although the example to detect is described, this invention is not limited to this embodiment. For example, the acceleration magnitude may be detected using a structure including four or more parts. More specifically, as shown in FIG. 9, in a piezoelectric acceleration sensor 7000 to which a sensor structure 800 having a substrate 801 and an insulator layer 802 is applied, movable electrode layers 810a to 810e arranged alternately, In addition, the magnitude of acceleration acting on the proof mass portion 801f may be detected using a structure including nine parts including the piezoelectric substrates 820a to 820d. In this detection, the detection unit 840 wired to the movable electrode layer 810a located closest to the fixed end 801e and the movable electrode layer 810e located closest to the proof mass 801f This is performed by detecting each output of 810a and 810e.

また、上記第２実施形態の静電容量型加速度センサ１０００、又は、上記第４実施形態の静電容量型圧力センサ３０００は、可動電極層に電磁石を設けるとともに、この電磁石と対向する位置にコイルを配置するなどによって電流発生可能な発電機構に適用することができる。同様に、上記第６実施形態の圧電型加速度センサ５０００は、例えば、第１可動電極層６１０と第２可動電極層６３０との間に電流を流すことで、第１可動電極層６１０と圧電基板６２０と第２可動電極層６３０とからなる積層体が一体的に弾性変形することに伴い、絶縁体層６０２が固定端部６０１ｅを支点として弾性変形する特性を利用して、絶縁体層６０２の弾性変形に応じて移動するプルーフマス部６０１ｆに電磁石を設けるとともに、この電磁石と対向する位置にコイルを配置するなどによって電流発生可能な発電機構に適用することができる。   The capacitive acceleration sensor 1000 according to the second embodiment or the capacitive pressure sensor 3000 according to the fourth embodiment is provided with an electromagnet on the movable electrode layer and a coil at a position facing the electromagnet. Can be applied to a power generation mechanism capable of generating a current, for example. Similarly, in the piezoelectric acceleration sensor 5000 of the sixth embodiment, for example, a current is passed between the first movable electrode layer 610 and the second movable electrode layer 630, so that the first movable electrode layer 610 and the piezoelectric substrate are used. The insulating layer 602 is elastically deformed by using the fixed end portion 601e as a fulcrum as the laminated body including the 620 and the second movable electrode layer 630 integrally elastically deforms. The present invention can be applied to a power generation mechanism that can generate an electric current by providing an electromagnet in a proof mass portion 601f that moves according to elastic deformation and arranging a coil at a position facing the electromagnet.

また、上記第６実施形態では、本発明のセンサ用構造体を圧電型加速度センサに適用する例について述べたが、加速度センサでなくとも、プルーフマス部が外部から印加される物理量により動作する場合には、その物理量を検出するセンサ全般（例えば、力センサ等）にも本発明のセンサ用構造体を適用することができる。 In the sixth embodiment, an example in which the sensor structure of the present invention is applied to a piezoelectric acceleration sensor has been described. However, the proof mass portion is operated by a physical quantity applied from outside even if it is not an acceleration sensor. The sensor structure of the present invention can also be applied to all sensors (for example, force sensors) that detect the physical quantity.

また、上記第２実施形態では、本発明のセンサ用構造体を静電容量型加速度センサに適用する例について述べたが、櫛歯電極を用いる加速度センサに本発明のセンサ用構造体を適用した場合には、櫛歯形のガラス構造体を作製し、電極金属を成膜することで高感度な加速度センサを実現することができる。 In the second embodiment, an example in which the sensor structure of the present invention is applied to a capacitive acceleration sensor has been described. However, the sensor structure of the present invention is applied to an acceleration sensor that uses comb electrodes. In this case, a highly sensitive acceleration sensor can be realized by forming a comb-shaped glass structure and depositing an electrode metal.

また、上記第２、３、６、７実施形態では、基板の他方の面において開口部が形成されたセンサ用構造体（図２（ｉ）参照）を、静電容量型加速度センサ、静電容量型アクチュエータ、圧電型加速度センサ及び圧電型アクチュエータに適用する例について述べたが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではない。基板の他方の面において開口部が形成されていないセンサ用構造体（（図２（ｈ）参照））を、これらのセンサ及びアクチュエータに適用してもよい。ただし、この場合において、センサ用構造体の絶縁体層の厚さは、従来のＭＥＭＳ分野における絶縁層の厚さ（２μｍ） よりも大きい値に決定されることが好ましい。これにより、絶縁体層において基板の一方の面と同じ側の面に電極層を形成した際に、基板と電極層との間（絶縁体層）で発生する寄生容量を従来よりも低減することができる。   In the second, third, sixth, and seventh embodiments, the sensor structure (see FIG. 2I) in which the opening is formed on the other surface of the substrate is replaced with a capacitive acceleration sensor, an electrostatic sensor. Although an example applied to a capacitive actuator, a piezoelectric acceleration sensor, and a piezoelectric actuator has been described, the present invention is not limited to such an embodiment. A sensor structure (see FIG. 2H) in which no opening is formed on the other surface of the substrate may be applied to these sensors and actuators. However, in this case, the thickness of the insulating layer of the sensor structure is preferably determined to be larger than the thickness of the insulating layer (2 μm) in the conventional MEMS field. This reduces the parasitic capacitance generated between the substrate and the electrode layer (insulator layer) when an electrode layer is formed on the same side of the substrate as the one side of the substrate. Can do.

１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１、７０１、８０１ 基板
１ａ、２０１ａ、４０１ａ、６０１ａ 凹部
１ｂ、２０１ｂ、６０１ｂ 開口部
１ｃ、２ａ、２０１ｃ、２０２ａ、６０１ｃ、６０２ａ 前側端部
１ｄ、２ｂ、２０１ｄ、２０２ｂ、６０１ｄ、６０２ｂ 後側端部
２、４、６、２０２、３０２、４０２、５０２、６０２、７０２、８０２ 絶縁体層
３ 前駆体層
３ａ 凸部分
３ｂ、４ａ、５ａ トレンチ部分
５ フォトレジスト
１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００ センサ用構造体
２０１ｅ、２０１ｆ、２１１ｂ、２１１ｃ、４１１ｂ、４１１ｃ 外枠部材
２１０ 設置用構造体
２１１ 設置基礎部
２１１ａ ベース架台
２１２、６０１ｆ、７０１ｆ、８０１ｆ プルーフマス部
２１２ａ 梁部材
２１２ｂ、３１２ｂ 錘部材
２２０、３２０、４２０ａ、４２０ｂ、５２０ａ、５２０ｂ 固定電極層
２３０、３３０、４３０、５３０、８１０ａ〜８１０ｅ 可動電極層
２４０、４４０、６４０、８４０ 検知部
２５０、４５０ ショート評価部
３４０、５４０、７４０ 電圧印加部
４００ａ 通風孔
４１０ 密閉用構造体
４１１ 枠状体
４１１ａ、５１１ａ 膜状部材
４１２ 箱状体
４１２ａ キャビティ
６０１ｅ、７０１ｅ、８０１ｅ 固定端部
６１０、７１０ 第１可動電極層
６２０、７２０、８２０ａ〜８２０ｄ 圧電基板
６３０、７３０ 第２可動電極層
１０００ 静電容量型加速度センサ（容量式センサ）
２０００、４０００ 静電容量型アクチュエータ（容量式アクチュエータ）
３０００ 静電容量型圧力センサ（容量式センサ）
５０００、７０００ 圧電型加速度センサ（圧電式センサ）
６０００ 圧電型アクチュエータ（圧電式アクチュエータ） 1, 201, 301, 401, 501, 601, 701, 801 Substrate 1a, 201a, 401a, 601a Recess 1b, 201b, 601b Opening 1c, 2a, 201c, 202a, 601c, 602a Front end 1d, 2b, 201d 202b, 601d, 602b Rear end portion 2, 4, 6, 202, 302, 402, 502, 602, 702, 802 Insulator layer 3 Precursor layer 3a Convex portion 3b, 4a, 5a Trench portion 5 Photoresist 100 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800 Sensor structures 201e, 201f, 211b, 211c, 411b, 411c Outer frame member 210 Installation structure 211 Installation base 211a Base mount 212, 601f, 701f, 801f Proof mass portion 212a Beam member 212b, 3 2b Weight member 220, 320, 420a, 420b, 520a, 520b Fixed electrode layer 230, 330, 430, 530, 810a to 810e Movable electrode layer 240, 440, 640, 840 Detection unit 250, 450 Short evaluation unit 340, 540, 740 Voltage application part 400a Ventilation hole 410 Sealing structure 411 Frame-like body 411a, 511a Film-like member 412 Box-like body 412a Cavities 601e, 701e, 801e Fixed end parts 610, 710 First movable electrode layers 620, 720, 820a- 820d Piezoelectric substrates 630 and 730 Second movable electrode layer 1000 Capacitive acceleration sensor (capacitive sensor)
2000, 4000 Capacitive actuator (capacitive actuator)
3000 Capacitive pressure sensor (capacitive sensor)
5000, 7000 Piezoelectric acceleration sensor (piezoelectric sensor)
6000 Piezoelectric actuator (piezoelectric actuator)

Claims (9)

一方の面に凹部が形成された基板と、
前記凹部の内部に形成された絶縁体層と、を備え、
前記絶縁体層の厚さは、２μｍより大きいことを特徴とするセンサ用構造体。 A substrate having a recess formed on one surface;
An insulator layer formed inside the recess,
A structure for a sensor, wherein the insulator layer has a thickness greater than 2 μm. 前記絶縁体層の厚さは、５μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のセンサ用構造体。 The sensor structure according to claim 1, wherein a thickness of the insulator layer is 5 μm or more. 前記基板の他方の面において、前記絶縁体層における前記基板の一方の面と同じ側の面と反対側の面が露出するように形成された開口部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ用構造体。 The other surface of the substrate has an opening formed so that a surface of the insulator layer opposite to the surface on the same side as the one surface of the substrate is exposed. 3. The sensor structure according to 2. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のセンサ用構造体と、
前記絶縁体層において前記基板の一方の面と同じ側の面に設けられた固定電極層と、
前記固定電極層と対向する位置に前記固定電極層と所定間隔をおいて設けられ、外力に応じて移動可能に支持された可動電極層と、を備えることを特徴とする容量式センサ。 The sensor structure according to any one of claims 1 to 3,
A fixed electrode layer provided on the same surface as the one surface of the substrate in the insulator layer;
A capacitive sensor, comprising: a movable electrode layer provided at a predetermined distance from the fixed electrode layer at a predetermined interval and supported so as to be movable in accordance with an external force. 請求項４に記載の容量式センサと、
前記固定電極層と前記可動電極層との間に、前記可動電極層を移動させるための電圧を印加する電圧印加部と、を備えることを特徴とする容量式アクチュエータ。 A capacitive sensor according to claim 4;
A capacitive actuator, comprising: a voltage applying unit that applies a voltage for moving the movable electrode layer between the fixed electrode layer and the movable electrode layer. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のセンサ用構造体と、内部に形成された凹状のキャビティを有する密閉用構造体と、固定電極層と、可動電極層と、を備えた容量式センサであって、
前記密閉用構造体が、
外部からの圧力に応じて移動可能な状態で、前記キャビティを覆う位置に設けられた膜状部材を備え、
前記可動電極層が、
前記膜状部材において前記キャビティが形成されている側の面と反対側の面に設けられ、
前記固定電極層が、
前記絶縁体層における前記基板の一方の面と同じ側の面において、前記可動電極層と対向する位置に前記可動電極層と所定間隔をおいて設けられ、
前記センサ用構造体が、
前記膜状部材に外部からの圧力を印加するために、外部と連通するように形成された通風孔を備えることを特徴とする容量式センサ。 A capacitive structure comprising the sensor structure according to any one of claims 1 to 3, a sealing structure having a concave cavity formed therein, a fixed electrode layer, and a movable electrode layer. A sensor,
The sealing structure is
In a movable state according to the pressure from the outside, comprising a film-like member provided at a position covering the cavity,
The movable electrode layer is
In the membrane member, provided on the surface opposite to the surface on which the cavity is formed,
The fixed electrode layer is
In the surface on the same side as the one surface of the substrate in the insulator layer, provided at a position facing the movable electrode layer at a predetermined interval,
The sensor structure is
A capacitive sensor comprising a vent hole formed to communicate with the outside in order to apply external pressure to the membrane member. 請求項６に記載の容量式センサと、
前記固定電極層と前記可動電極層との間に、前記膜状部材を移動させるための電圧を印加する電圧印加部と、を備えることを特徴とする容量式アクチュエータ。 A capacitive sensor according to claim 6;
A capacitive actuator, comprising: a voltage applying unit that applies a voltage for moving the film-like member between the fixed electrode layer and the movable electrode layer. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のセンサ用構造体と、
前記絶縁体層において前記基板の一方の面と同じ側の面に設けられた第１可動電極層と、
前記第１可動電極層において前記絶縁体層が形成されている側の面と反対側の面に形成され、外力に応じて弾性変形するとともに電荷を発生させる圧電基板と、
前記圧電基板において前記第１可動電極層が形成されている側の面と反対側の面に設けられた第２可動電極層と、を備えることを特徴とする圧電式センサ。 The sensor structure according to any one of claims 1 to 3,
A first movable electrode layer provided on a surface on the same side as one surface of the substrate in the insulator layer;
A piezoelectric substrate formed on a surface opposite to the surface on which the insulator layer is formed in the first movable electrode layer, elastically deforming according to an external force and generating electric charge;
A piezoelectric sensor comprising: a second movable electrode layer provided on a surface opposite to a surface on which the first movable electrode layer is formed in the piezoelectric substrate. 請求項８に記載の圧電式センサと、
前記第１可動電極層と前記第２可動電極層との間に、前記圧電基板を弾性変形させるための電圧を印加する電圧印加部と、を備えることを特徴とする圧電式アクチュエータ。 A piezoelectric sensor according to claim 8,
A piezoelectric actuator comprising: a voltage applying unit that applies a voltage for elastically deforming the piezoelectric substrate between the first movable electrode layer and the second movable electrode layer.

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