JP2013003125A - Capacitive sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、静電容量式センサに関する。 The present invention relates to a capacitive sensor.
例えば加速度センサなどの静電容量式センサは、錘部と当該錘部を揺動自在に支持するばね部とが形成されたシリコン基板と、このシリコン基板に接合されるとともに錘部と対向して配置される固定電極を有した支持基板とを備えている。静電容量式センサでは、シリコン基板と支持基板とを陽極接合により接合する際に、シリコン基板の錘部やばね部が大きく動作して支持基板側に固着してしまう所謂スティッキングが問題視されている。 For example, an electrostatic capacitance sensor such as an acceleration sensor has a silicon substrate on which a weight portion and a spring portion that swingably supports the weight portion are formed, and is bonded to the silicon substrate and faces the weight portion. And a support substrate having a fixed electrode to be disposed. In the capacitance type sensor, when the silicon substrate and the support substrate are joined by anodic bonding, so-called sticking, in which the weight portion or the spring portion of the silicon substrate operates greatly and is fixed to the support substrate side, is regarded as a problem. Yes.
そこで、特許文献1には支持基板のばね部と対向する部位に逃げ溝を設けることで、ばね部が支持基板と接触するのを抑制できるようにした構造が開示されている。
In view of this,
ところで、上記従来の静電容量式センサにあっては、逃げ溝によってばね部の支持基板への接触を抑制することができるのであるが、よりスティッキングを抑制できるようにすることが好ましい。 By the way, in the above-mentioned conventional capacitance type sensor, it is possible to suppress the contact of the spring part to the support substrate by the escape groove, but it is preferable that the sticking can be further suppressed.
そこで、本発明は、スティッキングをより抑制することのできる静電容量式センサを得ることを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to obtain a capacitive sensor that can further suppress sticking.
上記目的を達成するために、本発明の静電容量式センサにあっては、錘部と当該錘部を揺動自在に支持する一対のばね部とが形成されたシリコン基板と、前記シリコン基板に接合されるとともに前記錘部と対向して配置される固定電極を有した支持基板と、を備え、前記固定電極は、前記一対のばね部を結ぶ直線を境界線として当該境界線の一方側および他方側にそれぞれ配置される第1の固定電極と第2の固定電極を備えており、前記第1の固定電極と前記第2の固定電極との間の前記支持基板に、前記一対のばね部間に亘る対向領域を凹設させた凹部を設けたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, in the capacitive sensor of the present invention, a silicon substrate on which a weight part and a pair of spring parts that swingably support the weight part are formed, and the silicon substrate And a support substrate having a fixed electrode disposed opposite to the weight portion, and the fixed electrode has a straight line connecting the pair of spring portions as a boundary line on one side of the boundary line And a pair of springs on the support substrate between the first fixed electrode and the second fixed electrode. A concave portion is provided in which a facing region extending between the portions is recessed.
本発明の静電容量式センサによれば、第1の固定電極と第2の固定電極との間の支持基板に、一対のばね部間に亘る対向領域を凹設させた凹部を設けたので、スティッキングをより抑制することができるようになる。 According to the capacitance type sensor of the present invention, since the support substrate between the first fixed electrode and the second fixed electrode is provided with the recessed portion in which the opposing region extending between the pair of spring portions is recessed. , Sticking can be further suppressed.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。以下では、静電容量式センサとして加速度センサを例示する。また、本実施形態を説明するにあたって、シリコン基板1の短手方向をX方向、シリコン基板1の長手方向をY方向、シリコン基板1の厚さ方向をZ方向として説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Below, an acceleration sensor is illustrated as an electrostatic capacitance type sensor. In the description of the present embodiment, the short direction of the
本実施形態の加速度センサSは、可動電極(錘部)4、5を有するシリコン基板1の上下面が、固定電極20a、20b、21a、21bを有する上部支持基板2aと、閉塞板となる下部支持基板2bとにより挟持されたセンサチップとして構成されている。
In the acceleration sensor S of the present embodiment, the upper and lower surfaces of the
シリコン基板1は、シリコンSOI基板により形成されており、2つの矩形枠3a、3bを有するフレーム3と、矩形枠3a、3bの側壁に対して隙間をあけた状態で矩形枠3a、3bに配置された矩形形状の2つの可動電極4、5とを備えている。
The
可動電極4、5は、それぞれの側面の対向する二辺の略中央が、一対のビーム(ばね部)6a、6bおよび7a、7bによって矩形枠3a、3bの側壁に連結されている。そして、一方の可動電極4がビーム6a、6bによってフレーム3に対して揺動自在に支持されるとともに、他方の可動電極5がビーム7a、7bによってフレーム3に対して揺動自在に支持されている。
The
また、シリコン基板1は、フレーム3および一方の可動電極4に対して所定の間隔をおいて配置された検出電極8a、8bと、フレーム3および他方の可動電極5に対して所定の間隔をおいて配置された検出電極9a、9bとを備えている。そして、検出電極8bと検出電極9aとの間には接地電極10が形成されている。
Further, the
検出電極8a、8bは、互いに所定間隔をおいて配置されており、検出電極9a、9bも互いに所定間隔をおいて配置されている。なお、検出電極8a、8bおよび検出電極9a、9bは、それぞれ、後述する固定電極20a、20bおよび固定電極21a、21bと電気的に接続されている。
The
そして、本実施形態では、図2に示すように、検出電極8aと検出電極8bとの間、検出電極9aと検出電極9bとの間に隙間が形成されている。また、検出電極8a、8bとフレーム3との間、検出電極9a、9bとフレーム3との間、検出電極8a、8bと一方の可動電極4との間、および検出電極9a、9bと他方の可動電極5との間にそれぞれ隙間が形成されている。すなわち、検出電極8a、8bおよび検出電極9a、9bは、図4に示すように、フレーム3から独立した電極島として形成されている。そして、それぞれの検出電極8a、8bおよび検出電極9a、9bを電極島となるように形成することで、各検出電極を電気的に絶縁することが可能となり、それぞれの検出電極の寄生容量や検出電極間のクロストークを低減できるようにしている。
And in this embodiment, as shown in FIG. 2, the clearance gap is formed between the
可動電極4、5は、肉厚に形成されており、重りとしての機能も有している。本実施形態では、図4に示すように、一対のビーム6a、6bを結ぶ直線を境界線とした場合、可動電極4の裏側における境界線の一方側に凹部11が形成されており、可動電極4の重心が他方側に片寄るようにしている。同様に、一対のビーム7a、7bを結ぶ直線を境界線とした場合、可動電極5の裏側における一方の可動電極4に凹部11を設けた一方側とは反対となる他方側に凹部が形成されており、可動電極5の重心が一方側に片寄るようにしている。そして、X方向もしくはZ方向に加速度が印加されると、当該X方向もしくはZ方向に印加された加速度を検出できるようにしている。
The
このとき、双方の可動電極4、5は、例えば図4によって一方の可動電極4を例にとって述べると、凹部11が形成されない側の重心Gから表面4aに下ろした垂線と、その重心Gと境界線とを結ぶ直線とでなす角度θが略45度となるように設定されている。なお、他方の可動電極5にあっても同様であるが、この場合は上述したように重心位置が境界線を挟んで可動電極4の重心Gとは反対側に存在することになる。このように重心Gを配置すれば、X方向とZ方向の検出感度が等価になるため、それぞれの方向の検出感度を略同一とすることができる。
At this time, for example, if one movable electrode 4 is described with reference to FIG. 4, for example, both the
上部支持基板2aは、本実施形態ではガラス基板により形成されており、図4に示すように、可動電極4、5の表面4aに対して所定間隔をあけて対向配置されている。そして、上部支持基板2aの一方の可動電極4と対向する面側には、平面視でビーム6aとビーム6bの中心を結ぶ直線を境界線とした場合に、境界線の一方側および他方側にそれぞれ第1および第2の固定電極としての固定電極20a、20bが設けられている。この固定電極20a、20bは、一方の可動電極4の表面4aに対して所定の間隔をあけて対向配置されている。
In the present embodiment, the
また、上部支持基板2aの他方の可動電極5と対向する面の位置にも、平面視でビーム7aとビーム7bの中心を結ぶ直線を境界線とした場合に、境界線の一方側および他方側にそれぞれ第1および第2の固定電極としての固定電極21a、21bが設けられている。この場合にあっても固定電極21a、21bは、他方の可動電極5の表面に対して所定間隔をあけて対向配置されている。本実施形態では、固定電極20a、20b、21a、21bは、アルミニウムで形成されている。
In addition, when the straight line connecting the centers of the
さらに、図1に示すように、上部支持基板2aの検出電極8a、8b、検出電極9a、9bおよび接地電極10に対向する位置には、スルーホール22a〜22eが形成されている。そして、このスルーホール22a〜22eを介して、固定電極20a、20bおよび固定電極21a、21bにそれぞれ電気的に接続された検出電極8a、8bおよび検出電極9a、9bと接地電極10が外部に露出、配線される。こうして、検出電極8a、8bおよび検出電極9a、9bと接地電極10の電位を外部に取り出せるようにしている。
Furthermore, as shown in FIG. 1, through
下部支持基板2bは、本実施形態ではガラス基板により形成されており、図4に示すように、双方の可動電極4、5の裏面に所定間隔をあけて対向するように配置されている。
In the present embodiment, the
上述した加速度センサSを製造する際には、図4に示したように、シリコン基板1の表面側および裏面側に、湿式エッチングやドライエッチング等により可動電極4、5が変位するためのギャップ32a、32bを形成する。また、シリコン基板1の裏面側を更にエッチングすることで、双方の可動電極4、5および凹部11を形成する。
When the acceleration sensor S described above is manufactured, as shown in FIG. 4, the
その後、下部支持基板2bをシリコン基板1の裏面側に陽極接合するとともに、上部支持基板2aに、固定電極20a、20b、21a、21bおよびスルーホール22a〜22eを形成しておき、この上部支持基板2aをシリコン基板1の表面側に陽極接合する。
Thereafter, the
このように構成された加速度センサSは、可動電極4にX方向の加速度が印加された場合、可動電極4と固定電極20a、20b間の静電容量C1、C2はそれぞれ以下に示す数式(1)、(2)のようになる。なお数式(1)、(2)中、パラメータC0は、可動電極4にX方向の加速度が印加されていない状態での可動電極4と固定電極20a、20b間の静電容量を示す。
In the acceleration sensor S configured as described above, when the X-direction acceleration is applied to the movable electrode 4, the capacitances C1 and C2 between the movable electrode 4 and the
C1=C0−ΔC …(1)
C2=C0+ΔC …(2)
また同様に、可動電極5にX方向の加速度が印加された場合、可動電極5と固定電極21a、21b間の静電容量C3、C4はそれぞれ以下に示す数式(3)、(4)のようになる。なお数式(3)、(4)中、パラメータC0は、可動電極5にX方向の加速度が印加されていない状態での可動電極5と固定電極21a、21b間の静電容量を示す。
C1 = C0−ΔC (1)
C2 = C0 + ΔC (2)
Similarly, when acceleration in the X direction is applied to the
C3=C0−ΔC …(3)
C4=C0+ΔC …(4)
したがって、貫通電極22a〜22eを介して上記容量C1〜C4を検出し、ASIC等を利用して容量C1と容量C2の差分値CA(=C1−C2)と容量C3と容量C4の差分値CB(=C3−C4)を算出する。そして、算出された差分値CAと差分値CBの和(±4ΔC)をX出力として出力することにより、静電容量の変化から可動電極4、5に加えられたX方向の加速度を検出できる。
C3 = C0−ΔC (3)
C4 = C0 + ΔC (4)
Therefore, the capacitances C1 to C4 are detected via the through
一方、可動電極4にZ方向の加速度が印加された場合、可動電極4と固定電極20a、20b間の静電容量C1、C2はそれぞれ以下に示す数式(5)、(6)のようになる。なお数式(5)、(6)中、パラメータC0は、可動電極4にZ方向の加速度が印加されていない状態での可動電極4と固定電極20a、20b間の静電容量を示す。
On the other hand, when acceleration in the Z direction is applied to the movable electrode 4, the capacitances C1 and C2 between the movable electrode 4 and the fixed
C1=C0+ΔC …(5)
C2=C0−ΔC …(6)
また同様に、可動電極5にZ方向の加速度が印加された場合、可動電極5と固定電極21a、21b間の静電容量C3、C4はそれぞれ以下に示す数式(7)、(8)のようになる。なお数式(7)、(8)中、パラメータC0は、可動電極5にZ方向の加速度が印加されていない状態での可動電極5と固定電極21a、21b間の静電容量を示す。
C1 = C0 + ΔC (5)
C2 = C0−ΔC (6)
Similarly, when acceleration in the Z direction is applied to the
C3=C0−ΔC …(7)
C4=C0+ΔC …(8)
したがって、貫通電極22a〜22eを介して上記容量C1〜C4を検出し、ASIC等を利用して容量C1と容量C2の差分値CA(=C1−C2)と容量C3と容量C4の差分値CB(=C3−C4)を算出する。そして、算出された差分値CAと差分値CBの和(±4ΔC)をZ出力として出力することにより、静電容量値の変化から可動電極4、5に加えられたZ方向の加速度を検出できる。
C3 = C0−ΔC (7)
C4 = C0 + ΔC (8)
Therefore, the capacitances C1 to C4 are detected via the through
ところで、本実施形態の加速度センサSは、図1に示すように、一方の可動電極4を備えた第1の加速度センサ単体Saと、他方の可動電極5を備えた第2の加速度センサ単体Sbとが同一チップ面内に配置されている。そして、それぞれの加速度センサ単体Sa、Sbが相対的に180度回転した状態で配置されている。このように、第1の加速度センサ単体Saにおける一方の可動電極4と、第2の加速度センサ単体Sbにおける他方の可動電極5との重心位置が、境界線に対して互いに反対側に位置するように配置することで、XおよびZ方向の加速度を検出できるようにしている。
By the way, as shown in FIG. 1, the acceleration sensor S of the present embodiment includes a first acceleration sensor single body Sa provided with one movable electrode 4 and a second acceleration sensor single body Sb provided with the other
ここで、本実施形態では、図3および図4に示すように、一方の可動電極4と対向する第1の固定電極20aと第2の固定電極20bとの間の上部支持基板2aに、一対のビーム6a、6b間に亘る対向領域を凹設させた凹部40を設けている。また、同様にして他方の可動電極5と対向する第1の固定電極21aと第2の固定電極21bとの間の上部支持基板2aにも、一対のビーム7a、7b間に亘る対向領域を凹設させた凹部40を設けている。
Here, in the present embodiment, as shown in FIGS. 3 and 4, a pair of the
本実施形態では、一方の可動電極4の一対のビーム6a、6bと、他方の可動電極5の一対のビーム7a、7bとを、境界線を一致させて配置させている。また、一方の可動電極4と対向する第1および第2の固定電極20a、20bと、他方の可動電極5と対向する第1および第2の固定電極21a、21bとを、X方向およびY方向に揃わせて配置させている。これにより、本実施形態では、一方の可動電極4のビーム6aと、他方の可動電極5のビーム部7bとの間に亘って上部支持基板2aを一体に凹設させて凹部40を形成できるようにしている。
In the present embodiment, the pair of
このような凹部40を設けることで、シリコン基板1と上部支持基板2aとを陽極接合する際に、ビーム6a、6b、7a、7bが上部支持基板2aに接触してしまうのを抑制することができる。なお、この凹部40は、湿式エッチングやドライエッチング等によって形成することができが、陽極接合時に発生する静電吸引力は、上部支持基板2aとシリコン基板1との対向面間の距離に反比例するようになっている。よって、より深く凹部40をエッチングすることによって、静電吸引力をより減少させることができるようになるという利点がある。
By providing such a
また、本実施形態では、検出電極8a、8bと一方の可動電極4との間、および検出電極9a、9bと他方の可動電極5との間にそれぞれ形成された隙間部分に、これら検出電極8a、8b、9a、9bと可動電極4、5とを画成するフレーム壁30を設けている。そして、このフレーム壁30によって寄生容量のバランスをとるようにしている。なお、フレーム壁30は、図2では、破線で矩形状に囲った部分に設けられている。
In the present embodiment, the
このフレーム壁30は、図1および図2に示すように、フレーム3の加速度センサ単体Sa、Sbが並設された方向(Y方向)の内側全幅に亘って存在している。そして、図4に示すように、上部支持基板2aと下部支持基板2bとに亘って加速度センサ単体Sa、Sbと検出電極8a、8b、9a、9bとを仕切るように形成されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
以上の構成により、本実施形態の加速度センサSによれば、第1の固定電極20a(21a)と第2の固定電極20b(21b)との間の上部支持基板2aに、一対のビーム6a、6b(7a、7b)間に亘る対向領域を凹設させた凹部40を設けている。そのため、シリコン基板1と上部支持基板2aとを陽極接合する際に、ビーム部6a、6b(7a、7b)が上部支持基板2aに接触して貼り付いてしまうのを抑制できるのは勿論のこと、陽極接合時に発生する静電吸引力を従来と比べて大幅に低減できるようになる。したがって、陽極接合時に可動電極4(5)が上部支持基板2a側に持ち上がってしまうのを抑制することができるようになり、スティッキングをより抑制できることに繋がる。
With the above-described configuration, according to the acceleration sensor S of the present embodiment, the pair of
また、凹部40を設けたことで静電吸引力を低減することができるにも関わらず、可動電極4(5)と固定電極20a、20b(21a、21b)との間の距離を広げる必要がないので好適である。すなわち、加速度センサSの検出感度を低下させることなく静電吸引力を減少させてスティッキングを抑制することができる。
Moreover, although the electrostatic attraction force can be reduced by providing the
また、本実施形態の加速度センサSによれば、検出電極8a、8b、9a、9bと可動電極4、5との間をフレーム壁30によって仕切っている。そのため、図4に示すように、固定電極20aとフレーム3との距離および固定電極20bとフレーム壁30との距離の差が小さくなり、各固定電極とフレーム3との間に生じる寄生容量の差を小さくすることができる。すなわち、第1および第2の固定電極20a、20b、21a、21bの外側端部とフレーム3との対向方向(X方向)の寄生容量Cpのバランスを取ることができる。したがって、寄生容量Cpのアンバランスを解消し、寄生容量Cpのオフセット(物理量がゼロの状態における第1および第2の固定電極の寄生容量の差)を効率良く低減することができる。その結果、加速度センサSの温度特性が向上し、ひいては、加速度センサSの検出精度を向上させることができる。
Further, according to the acceleration sensor S of the present embodiment, the
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず、種々の変形が可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made.
例えば、上記実施形態では、X方向とY方向の2方向の加速度を検出する加速度センサを例示したが、錘部の一つをXY平面内で90度回転させて配置し、Y方向を加えた3方向の加速度を検出する加速度センサとしてもよい。 For example, in the above-described embodiment, an acceleration sensor that detects acceleration in two directions of the X direction and the Y direction has been illustrated. However, one of the weight portions is arranged by being rotated 90 degrees in the XY plane, and the Y direction is added. An acceleration sensor that detects acceleration in three directions may be used.
また、上記実施形態では、静電容量式センサとして加速度センサを例示したが、これに限ることなく、その他の静電容量式センサにあっても本発明を適用することができる。 Moreover, although the acceleration sensor was illustrated as an electrostatic capacitance type sensor in the said embodiment, this invention is applicable also in another electrostatic capacitance type sensor, without being restricted to this.
また、錘部、その他細部のスペック(形状、大きさ、レイアウト等)も適宜に変更可能である。 Further, the weight part and other detailed specifications (shape, size, layout, etc.) can be changed as appropriate.
1 シリコン基板
2a 上部支持基板(支持基板)
4、5 可動電極(錘部)
6a、6b、7a、7b ビーム(ばね部)
20a、21a 第1の固定電極
20b、21b 第2の固定電極
40 凹部
S1 加速度センサ(静電容量式センサ)
1
4, 5 Movable electrode (weight)
6a, 6b, 7a, 7b Beam (spring part)
20a, 21a First fixed
Claims (1)
前記固定電極は、前記一対のばね部を結ぶ直線を境界線として当該境界線の一方側および他方側にそれぞれ配置される第1の固定電極と第2の固定電極を備えており、
前記第1の固定電極と前記第2の固定電極との間の前記支持基板に、前記一対のばね部間に亘る対向領域を凹設させた凹部を設けたことを特徴とする静電容量式センサ。 A support having a silicon substrate on which a weight portion and a pair of spring portions that swingably support the weight portion are formed, and a fixed electrode that is bonded to the silicon substrate and disposed opposite to the weight portion A substrate, and
The fixed electrode includes a first fixed electrode and a second fixed electrode that are respectively arranged on one side and the other side of the boundary line with a straight line connecting the pair of spring portions as a boundary line,
A capacitance type characterized in that a recess is provided in the support substrate between the first fixed electrode and the second fixed electrode. Sensor.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20140902 |