JP2019049434A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】検出可能な加速度の範囲をより広くすることができる加速度センサを提供する。【解決手段】Ｘ軸センサ２１（加速度センサ）において、空洞１２を有する基板の支持部１１と、空洞１２に配置され、支持部１１に固定された一対の固定電極５１，５１と、一対の固定電極５１，５１の間に配置され、一対の固定電極５１，５１が並ぶＸ軸方向に移動可能である第１可動電極６１および第２可動電極６２と、第１可動電極６１および第２可動電極６２の間に配置され、支持部１１に固定された固定板８１とを備えた。【選択図】図２

Description

本発明は、静電容量型の加速度センサに関する。

物体に作用する加速度を計測するための加速度センサは、たとえば物体の姿勢や動き、振動状態などを把握するために広く用いられている。また、加速度センサには、小型化の要請が強い。このような要請に応えるべく、いわゆるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）の技術を用いて加速度センサの小型化が図られている。たとえば、特許文献１には、ＭＥＭＳ技術を用いた静電容量型の加速度センサが開示されている。

また、加速度センサには、高い加速度を検出できるように、検出可能な加速度の範囲を広くすること、また、加速度変化が高い周波数で生じても検出できるように、広帯域化することも要請されている。この２つの特性向上には、加速度センサの可動部分の振動の共振周波数を高くする必要がある。

図１３は、静電容量型の加速度センサの機械的な部分の要素を簡略に示した要素簡略図である。当該加速度センサは、おもり６３０をばね６４０，６５０によって移動可能に支持し、おもり６３０に固定された２つの可動電極６１０，６２０が、固定された２つの固定電極５１０，５２０の間で移動するようになっている。当該加速度センサは、おもり６３０の移動により、可動電極６１０と隣接する固定電極５１０（図における左側の固定電極５１０）とからなるコンデンサの静電容量Ｃ１、および、可動電極６２０と隣接する固定電極５１０（図における右側の固定電極５１０）とからなるコンデンサの静電容量Ｃ２が変化する。静電容量Ｃ１，Ｃ２の変化を電気的に検出することで、作用する加速度を検出することができる。加速度センサを広帯域化するためには、ばね６４０，６５０のばね定数を大きくして、おもり６３０の振動の共振周波数を高くすればよい。

図１４は、ばね定数を変更したときの、おもり６３０の振動の周波数と振幅の変化との関係を示している。加速度を正しく検出するためには、振幅の変化を±３ｄＢ程度に抑える必要がある。図１４に示すように、ばね定数を大きくするほど（ｋ１＜ｋ２＜ｋ３＜ｋ４）、共振周波数を示すピークの位置が高周波数側に移動している。これにより、振幅の変化が３ｄＢ以下となる周波数帯域が、ばね定数を大きくするほど広くなっている。

しかしながら、一方で、ばね定数を大きくするほど、共振周波数でのピークの高さが高くなっている。これにより、振幅の変化が３ｄＢ以下となる周波数帯域が広がることを妨げている。

特開２０１２−８８０８３号公報

本発明は先述した事情に鑑み、検出可能な加速度の範囲をより広くすることができる加速度センサを提供することをその課題とする。

本発明の第１の側面によって提供される加速度センサは、空洞を有する基板と、前記空洞に配置され、前記基板に固定された一対の固定電極と、前記一対の固定電極の間に配置され、前記一対の固定電極が並ぶ検出方向に移動可能である一対の可動電極と、前記一対の可動電極の間に配置され、前記基板に固定された固定板とを備えていることを特徴とする。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記固定板は、前記固定電極および前記可動電極に対して、電気的に絶縁されている。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記固定板は、絶縁体からなる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記加速度センサは、前記一対の可動電極が固定される可動ベース部と、前記可動ベース部を前記検出方向に移動可能な状態で前記基板に固定するバネ部とをさらに備えている。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記一対の固定電極および前記一対の可動電極は、導電性シリコンからなる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記基板は、導電性シリコンからなる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記空洞を密封するように、前記基板に固定される蓋をさらに備えている。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記一対の固定電極は電気的に接続されており、前記一対の可動電極には、それぞれ異なる電圧信号が入力され、前記一対の固定電極の電気信号が出力される。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記一対の可動電極は電気的に接続されており、前記一対の固定電極には、それぞれ異なる電圧信号が入力され、前記一対の可動電極の電気信号が出力される。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記各可動電極と前記固定板との間隔、および、前記各可動電極と当該可動電極に隣接する固定電極との間隔は、前記検出方向の加速度が作用していない状態において、いずれも同一である。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記各可動電極、前記各固定電極および前記固定板は、前記検出方向に直交する矩形の板形状である。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記各可動電極、前記各固定電極および前記固定板の、前記空洞の深さ方向における寸法はいずれも等しい。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記加速度センサは、互いに間隔を空けて噛み合う櫛歯状の第１電極および第２電極を備えており、前記第１電極は前記一対の固定電極を含んでおり、前記第２電極は前記一対の可動電極を含んでいる。

本発明によれば、固定板によって、一対の可動電極の検出方向での振動が減衰される。これにより、振動の共振周波数での振幅の変化が小さくなり、検出可能な加速度の範囲をより広くすることができる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面に基づき以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

本発明の第１実施形態にかかる加速度センサを示す概略平面図である。 Ｘ軸センサを示す概略平面図である。 図２の要部拡大平面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。 図２のＸ軸センサの機械的な部分の要素を簡略に示した要素簡略図である。 図２のＸ軸センサの電気的な等価回路図である。 ばね定数およびおもりの質量を一定とし、減衰係数を大きくすることでＱ値を変更したときの、振動の周波数と振幅の変化との関係を示す図である。 本発明の第２実施形態にかかる加速度センサのＸ軸センサを示す概略平面図である。 本発明の第３実施形態にかかる加速度センサのＸ軸センサを示す概略平面図である。 本発明の第４実施形態にかかる加速度センサのＸ軸センサを示す概略平面図である。 図１０の要部拡大平面図である。 図１０のＸ軸センサの電気的な等価回路図である。 静電容量型の加速度センサの機械的な部分の要素を簡略に示した要素簡略図である。 減衰係数およびおもりの質量を一定とし、ばね定数を変更したときの、おもりの振動の周波数と振幅の変化との関係を示す図である。

本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という。）について、添付図面に基づいて説明する。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態にかかる加速度センサＡ１を示す概略平面図である。加速度センサＡ１は、いわゆる３軸加速度センサであり、互いに直交する３つの軸方向に作用する加速度をそれぞれ検出するための信号を出力する。加速度センサＡ１は、平面視四角形状の基板１、基板１の中央部に配置されたセンサ部２、基板１におけるセンサ部２の側方に配置される電極パッド３、および蓋４を備えている。本発明にかかる加速度センサの大きさは限定されないが、本実施形態においては、いわゆるＭＥＭＳの技術を用いた比較的小型の加速度センサＡ１について説明する。

センサ部２は、Ｘ軸センサ２１、Ｙ軸センサ２２、およびＺ軸センサ２３を備えている。Ｚ軸センサ２３は、基板１の厚さ方向であるＺ軸方向に作用する加速度を検出するためのものである。Ｘ軸センサ２１は、Ｚ軸方向に直交する、基板１の一方の辺に沿う方向であるＸ軸方向（図に示すｘ１−ｘ２方向）に作用する加速度を検出するためのものである。Ｙ軸センサ２２は、Ｚ軸方向およびＸ軸方向に直交するＹ軸方向（図に示すｙ１−ｙ２方向）の加速度を検出するためのものである。基板１およびセンサ部２は、導電性シリコンからなる半導体基板（たとえば、５Ω・ｍ〜５００Ω・ｍの抵抗率を有する低抵抗基板）を、半導体集積回路の製造に用いられる微細加工技術を利用して加工することで形成されている。基板１には空洞部分が形成されており、Ｘ軸センサ２１、Ｙ軸センサ２２、およびＺ軸センサ２３は、当該空洞部分の底面から浮いた状態で支持されている。Ｘ軸センサ２１およびＹ軸センサ２２は、間隔を空けてＸ軸方向に並ぶようにして配置されている。Ｚ軸センサ２３は、Ｘ軸センサ２１およびＹ軸センサ２２のそれぞれを取り囲むように配置されている。

電極パッド３は、外部の電子部品（たとえばＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）素子）に接続されて、各センサ２１〜２３に信号を入力したり、各センサ２１〜２３から信号を出力したりするものであり、必要数（図１では、５つ）設けられている。蓋４は、例えばシリコン基板からなり、基板１の表面に接合されることで、各センサ２１〜２３を基板１に形成された空洞部分に密閉する。

次に、図２〜６を参照して、Ｘ軸センサ２１の詳細について説明する。

図２は、Ｘ軸センサ２１を示す概略平面図である。図３は、図２の要部拡大平面図である。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。図５は、Ｘ軸センサ２１の機械的な部分の要素を簡略に示した要素簡略図である。図６は、Ｘ軸センサ２１の電気的な等価回路図である。

基板１に形成された空洞部分には、各センサ２１〜２３を浮いた状態で支持するための支持部１１が形成されている。Ｘ軸センサ２１は、平面視四角形状で環状に形成された支持部１１の内側に配置されている。Ｘ軸センサ２１は、支持部１１の内側の空洞１２の底面から浮いた状態で支持されている（図４参照）。Ｘ軸センサ２１は、支持部１１に固定された固定部５、および、固定部５に対してＸ軸方向に移動可能に支持された可動部６を備えている。固定部５および可動部６のＺ軸方向の寸法は同じである（図４参照）。

固定部５は、支持部１１に固定され、空洞１２のｙ２側の内壁に沿ってＸ軸方向に延びる固定ベース部５２と、固定ベース部５２に沿って等しい間隔を空けて櫛歯状に配列され、Ｙ軸方向（ｙ１方向）に延びる複数の固定電極５１とを備えている。固定ベース部５２は、強度を増すために、平面視ではしご形状に形成され、バネ部６４，６５に固定されている（図３参照）。固定ベース部５２は、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）からなる絶縁部５２１を介して、バネ部６４，６５に固定されているので、バネ部６４，６５とは電気的に絶縁されている。なお、固定ベース部５２の形状はこれに限定されない。固定電極５１は、Ｘ軸方向に直交する矩形の板形状になっている。

可動部６は、空洞１２のｙ１側の内壁に沿って延びる可動ベース部６３と、一端が可動ベース部６３に他端が支持部１１に固定されＹ軸方向に延びる２つのバネ部６４，６５と、隣接する２つの固定電極５１の間にそれぞれ１つずつ配置されるように、可動ベース部６３からＹ軸方向（ｙ２方向）に延びる複数の第１可動電極６１および第２可動電極６２とを備えている。第１可動電極６１および第２可動電極６２は、Ｘ軸方向に直交する矩形の板形状になっている。本実施形態では、２つの固定電極５１の間で、ｘ２側に第１可動電極６１が配置され、ｘ１側に第２可動電極６２が配置されている。加速度が作用していない状態では、第１可動電極６１とこれに隣接する固定電極５１との間隔は、第２可動電極６２とこれに隣接する固定電極５１との間隔に等しくなるようになっている。

可動ベース部６３は平面視で格子状に形成されており、可動ベース部６３において、複数の第１可動電極６１はそれぞれ互いに電気的に接続されており、複数の第２可動電極６２はそれぞれ互いに電気的に接続されている。一方、第１可動電極６１と第２可動電極６２とは電気的に絶縁されている。なお、可動ベース部６３の構造は限定されず、上述した電気的な接続が行われており、ある程度の重さを有する構造であればよい。ｘ１側に配置されるバネ部６４は、可動ベース部６３において、第１可動電極６１に電気的に接続している。つまり、当該バネ部６４は、各第１可動電極６１に電圧信号を入力するための電流経路として機能する。また、ｘ２側に配置されるバネ部６５は、可動ベース部６３において、第２可動電極６２に電気的に接続している。つまり、当該バネ部６５は、各第２可動電極６２に電圧信号を入力するための電流経路として機能する。また、２つのバネ部６４，６５は、可動ベース部６３をＸ軸方向に移動可能に支持するバネとしても機能する。可動ベース部６３、第１可動電極６１および第２可動電極６２は、２つのバネ部６４，６５によってＸ軸方向に移動可能に支持された重りとしての機能も果たす。

また、Ｘ軸センサ２１は、隣接する２つの固定電極５１の中間位置にそれぞれ配置され、固定ベース部５２からＹ軸方向（ｙ１方向）に延びる固定板８１を備えている。固定板８１は、Ｘ軸方向に直交する矩形の板形状になっている。各固定板８１は、第１可動電極６１と第２可動電極６２との間に配置される。加速度が作用していない状態では、第１可動電極６１と固定板８１との間隔は、第２可動電極６２と固定板８１との間隔に等しい。また、本実施形態では、第１可動電極６１と固定板８１との間隔（第２可動電極６２と固定板８１との間隔）は、第１可動電極６１とこれに隣接する固定電極５１との間隔（第２可動電極６２とこれに隣接する固定電極５１との間隔）に等しい。つまり、固定電極５１、第１可動電極６１、固定板８１、第２可動電極６２、および固定電極５１は、この順番で等間隔に配置されている。固定板８１は、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）からなる絶縁部８２を介して固定ベース部５２に固定されている（図３参照）ので、固定ベース部５２とは電気的に絶縁されている。したがって、固定板８１は、電気的にはどこにも接続されていない状態で、電流が流れないハイインピーダンスな状態になっている。なお、固定板８１全体を、絶縁体（酸化シリコン）で形成してもよい。

固定部５、可動部６および固定板８１を含む基板１の表面には、たとえば酸化シリコンからなる図示しない絶縁膜が形成されている。当該絶縁膜上の所定の位置には、例えばＡｌからなる図示しない配線が形成されている。また、固定部５、可動部６および固定板８１の側面は、たとえば酸化シリコンからなる図示しない保護膜で被覆されている。

本実施形態においては、Ｘ軸センサ２１は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の寸法がたとえば３００μｍ程度、Ｚ軸方向の寸法がたとえば５０μｍ程度とされ、固定電極５１、第１可動電極６１および第２可動電極６２のＺ軸方向の寸法は、たとえば１５〜３０μｍ程度とされている。なお、各寸法は限定されない。

Ｘ軸センサ２１では、Ｘ軸方向の加速度が作用した場合、２つのバネ部６４，６５に支持された可動ベース部６３がＸ軸方向に振動する。これにより、可動ベース部６３から延びる第１可動電極６１および第２可動電極６２も、互いに隣接する２つの固定電極５１の間で、Ｘ軸方向に振動する。可動ベース部６３がｘ１方向に移動した場合、第１可動電極６１は隣接する固定電極５１から離れた位置に移動し、第２可動電極６２は隣接する固定電極５１に近づく位置に移動する。逆に、可動ベース部６３がｘ２方向に移動した場合、第１可動電極６１は隣接する固定電極５１に近づく位置に移動し、第２可動電極６２は隣接する固定電極５１から離れた位置に移動する。

図５は、Ｘ軸センサ２１の機械的な部分の要素を簡略に示した要素簡略図である。可動部６の質量をｍ、バネ部６４，６５のばね定数をｋとすると、Ｘ軸方向の加速度ａがｘ２方向に作用した場合、可動部６はｘ１方向にｘ＝ｍ・ａ／ｋだけ移動する。この場合、第１可動電極６１と隣接する固定電極５１（図における左側の固定電極５１）との間隔は、Ｘ軸方向の加速度が作用していないときの間隔をｄとすると、ｄ＋ｘに変化する。一方、第２可動電極６２と隣接する固定電極５１（図における右側の固定電極５１）との間隔は、ｄ−ｘに変化する。コンデンサの静電容量は電極間の距離に反比例するので、第１可動電極６１と隣接する固定電極５１とからなるコンデンサの静電容量Ｃ１は減少し、第２可動電極６２と隣接する固定電極５１とからなるコンデンサの静電容量Ｃ２は増加する。したがって、各静電容量Ｃ１，Ｃ２の変化を電気的に検出することで、作用する加速度ａを検出することができる。

図６は、Ｘ軸センサ２１の電気的な等価回路図である。図６に示すように、第１可動電極６１と固定電極５１とからなる静電容量Ｃ１の可変コンデンサと、第２可動電極６２と固定電極５１とからなる静電容量Ｃ２の可変コンデンサとが、入力端子Ｐ１に接続するバネ部６４と、入力端子Ｐ２に接続するバネ部６５との間に直列接続されている。そして、当該２つの可変コンデンサの接続点が、固定ベース部５２を介して、出力端子Ｐ３に接続されている。また、入力端子Ｐ１と入力端子Ｐ２との間には、第１可動電極６１と固定板８１とからなる可変コンデンサと、第２可動電極６２と固定板８１とからなる可変コンデンサとが直列接続されている（破線で囲まれたＡ部分）。固定板８１がハイインピーダンスで電気接続的には無視できるので、Ａ部分は、静電容量Ｃｐの１つの固定コンデンサ（破線で囲まれたＢ参照）と、電気接続的には等価である。つまり、Ｘ軸センサ２１は、電気接続的には、固定板８１を備えていない従来の加速度センサ（図１３参照）と同等である。したがって、Ｘ軸センサ２１においても、従来の加速度センサと同じ検出方法を用いて、加速度を検出することができる。

具体的には、入力端子Ｐ１から交流の方形波信号を入力し、入力端子Ｐ２からこの方形波信号を反転させた信号を入力する。加速度が作用していない場合は第１可動電極６１および第２可動電極６２が移動しておらず、静電容量Ｃ１と静電容量Ｃ２とが同じになる。この場合、出力端子Ｐ３から出力される信号は、入力端子Ｐ１からの信号と入力端子Ｐ２からの信号とが打ち消し合って、ゼロ信号になる。一方、加速度が作用している場合は第１可動電極６１および第２可動電極６２が移動して、静電容量Ｃ１と静電容量Ｃ２とに違いが生じる。この場合、出力端子Ｐ３から出力される信号は、加速度の向きおよび大きさによって異なる方形波信号になる。この出力信号に基づいて、加速度を検出することができる。

一方、本実施形態では、第１可動電極６１と第２可動電極６２との間に固定板８１が配置されていることにより、スクイーズフィルムダンピングモデルに準じた減衰要素が追加される。すなわち、固定板８１によって、第１可動電極６１および第２可動電極６２のＸ軸方向の振動に対する希薄気体の流動および圧縮による抵抗力が発生し、振動の減衰が大きくなる。このことは、減衰振動における減衰係数を大きくすることに相当する。

図７は、ばね定数およびおもりの質量を一定とし、減衰係数を大きくすることでＱ値を変更したときの、振動の周波数と振幅の変化との関係を示している。可動部６の質量をｍ、バネ部６４，６５のばね定数をｋ、減衰係数をｃとすると、共振周波数ｆはｆ＝√（ｋ／ｍ)／（２＊π）であり、Ｑ値はＱ＝√（ｍ・ｋ）／ｃとなり、Ｑ値は減衰係数ｃに反比例する。減衰係数ｃを大きくするとＱ値が小さくなり、共振周波数でのピークの高さが低くなる。これにより、振幅の変化が±３ｄＢ以内に入る周波数帯域をより広げることができる。減衰係数ｃ（およびＱ値）は、固定板８１のＹ軸方向の寸法またはＸ軸方向の寸法を変更することで調整することができる。固定板８１のＹ軸方向の寸法を大きくすることで、固定板８１のＸ軸方向に直交する面の面積を大きくすると、スクイーズフィルムダンピングによる減衰要素が大きくなるので、減衰係数ｃは大きくなる（Ｑ値は小さくなる）。また、固定板８１のＸ軸方向の寸法を大きくすると、固定板８１と第１可動電極６１（第２可動電極６２）との間隔が狭くなる。したがって、固定板８１と第１可動電極６１（第２可動電極６２）との間のスクイーズフィルムダンピングによる減衰要素が大きくなるので、減衰係数ｃは大きくなる（Ｑ値は小さくなる）。固定板８１のＸ軸方向の寸法により調整する場合、可動部６の質量ｍに影響しないので、共振周波数等の他の特性にほとんど影響を与えることなく、減衰係数ｃを調整することができる。

本実施形態では、バネ部６４，６５のＸ軸方向の寸法を従来のものより大きくすることで、バネ部６４，６５のばね定数ｋを大きくしている。これにより、振幅の変化が３ｄＢ以下となる周波数帯域を広げている（図１４参照）。ばね定数ｋを大きくしたことでＱ値が大きくなるが、固定板８１を追加して減衰係数ｃを大きくすることで、Ｑ値を小さくしている。これにより、振幅の変化が３ｄＢ以下となる周波数帯域をより広げている（図７参照）。

Ｙ軸センサ２２は、Ｘ軸センサ２１を平面視で９０°回転させたものとほぼ同様の構成なので、詳細な説明を省略する。Ｙ軸センサ２２においては、固定電極５１、第１可動電極６１、第２可動電極６２、および固定板８１が、それぞれＸ軸方向に延びており、Ｙ軸方向の加速度が作用した場合に可動ベース部６３がＹ軸方向に振動する。これにより、第１可動電極６１および第２可動電極６２も、互いに隣接する２つの固定電極５１の間で、Ｙ軸方向に振動する。したがって、第１可動電極６１と隣接する固定電極５１とからなるコンデンサの静電容量と、第２可動電極６２と隣接する固定電極５１とからなるコンデンサの静電容量の変化を電気的に検出することで、Ｙ軸方向に作用する加速度を検出することができる。Ｙ軸センサ２２においても、第１可動電極６１と第２可動電極６２との間に固定板８１が配置されていることにより、減衰係数を大きくすることができ、検出可能な加速度の範囲を広げている。

Ｚ軸センサ２３も、可動電極と固定電極とからなるコンデンサの静電容量の変化に基づいて加速度を検出するものであるが、コンデンサの電極間の距離の変化ではなく、コンデンサの電極の対向する部分の面積の変化による静電容量の変化に基づいて、加速度を検出する。Ｚ軸センサ２３は、たとえばＸ軸方向に直交する矩形の板形状である固定電極および可動電極を備えている。Ｚ軸方向の加速度が作用した場合、可動電極がＺ軸方向に振動する。これにより、Ｚ軸方向視したときの、可動電極と固定電極の重なる領域の面積が変化する。当該面積の変化による静電容量の変化を電気的に検出することで、Ｚ軸方向に作用する加速度を検出することができる。Ｚ軸センサ２３の構成の詳細な説明は省略する。

Ｘ軸センサ２１およびＹ軸センサ２２が、本発明の「加速度センサ」に相当する。また、加速度センサＡ１も、本発明の「加速度センサ」に相当するといえる。

次に、加速度センサＡ１の製造方法について説明する。

まず、導電性シリコンからなる半導体基板の表面が熱酸化（たとえば、温度１１００〜１２００℃、膜厚５０００Å）される。これにより、半導体基板の表面に絶縁膜が形成される。次いで、公知のパターニング技術により絶縁膜がパターニングされ、絶縁部を埋め込むべき領域に開口が形成される。絶縁部は、固定板８１を固定ベース部５２から絶縁するための絶縁部８２や、固定ベース部５２とバネ部６４，６５とを絶縁する絶縁部５２１、可動ベース部６３において第１可動電極６１と第２可動電極６２とを絶縁するための部分などになる。次いで、絶縁膜をハードマスクとする異方性のディープＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）により、具体的にはボッシュプロセスにより、半導体基板が掘り下げられる。これにより、半導体基板にトレンチが形成される。続いて、半導体基板に形成されたトレンチ内部および半導体基板の表面が熱酸化され（たとえば、温度１１００〜１２００℃）、その後、酸化膜の表面がエッチバックされる（たとえば、エッチバック後の膜厚が２１８００Å）。これにより、トレンチを埋め尽くす絶縁層が同時に形成される。

次いで、ＣＶＤ法により、半導体基板上に、酸化シリコンからなる絶縁膜が積層される。次いで、絶縁膜がエッチングされてコンタクトホールが形成され、当該コンタクトホールを埋め尽くすコンタクトプラグが形成された後、スパッタ法により、絶縁膜上にアルミニウムが堆積（たとえば、７０００Å）されてパターニングされる。これにより、絶縁膜上に、配線が形成される。

次いで、半導体基板に空洞部分を形成すべき領域上の絶縁膜が、エッチングにより除去される。次いで、固定部５、可動部６および固定板８１を形成すべき領域以外の領域に開口を有するレジストが、絶縁膜上に形成される。続いて、当該レジストをマスクとする異方性のディープＲＩＥにより、具体的にはボッシュプロセスにより、半導体基板が掘り下げられる。これにより、半導体基板の表面部が、固定部５、可動部６および固定板８１の形状に成形されるとともに、それらの間にトレンチが形成される。ディープＲＩＥ後、レジストが剥離される。

次いで、熱酸化法またはＰＥＣＶＤ法により、固定部５、可動部６および固定板８１の表面全域およびトレンチの内面全域（つまり、トレンチを区画する側面および底面）に、酸化シリコンからなる保護膜が形成される。次いで、エッチバックにより、保護膜におけるトレンチの底面上の部分が除去される。これにより、トレンチの底面が露出した状態となる。

次いで、異方性のディープＲＩＥにより、トレンチの底面がさらに掘り下げられる。これにより、トレンチの底部に、半導体基板の結晶面が露出した露出空間が形成される。この異方性のディープＲＩＥに引き続いて、等方性のＲＩＥにより、トレンチの露出空間に反応性イオンおよびエッチングガスが供給される。そして、その反応性イオンなどの作用により、半導体基板が、各露出空間を起点に半導体基板の厚さ方向にエッチングされつつ、半導体基板の表面に平行な方向にエッチングされる。これにより、互いに隣接する全ての露出空間が一体化して、半導体基板の内部に空洞１２が形成されるとともに、空洞１２内において、固定部５、可動部６および固定板８１が浮いた状態となる。

以上の工程を経て、図１に示す加速度センサＡ１が得られる。なお、半導体基板に犠牲層を形成して、犠牲層上に導電性シリコンの層を積層し、犠牲層を選択的にエッチングして除去することで、空洞１２を形成するようにしてもよい。

次に、加速度センサＡ１の作用効果について説明する。

本実施形態によると、Ｘ軸センサ２１は、隣接する２つの固定電極５１の中間位置で固定され、第１可動電極６１と第２可動電極６２との間に配置される固定板８１を備えている。第１可動電極６１と第２可動電極６２との間に固定板８１が配置されていることにより、可動部６の減衰振動に、スクイーズフィルムダンピングモデルに準じた減衰要素が追加されて、減衰係数が大きくなる。減衰係数が大きくなることでＱ値が小さくなり、共振周波数でのピークの高さが低くなる。よって、振幅の変化が±３ｄＢ以内に入る周波数帯域をより広げることができる（図７参照）。これにより、Ｘ軸センサ２１での検出可能な加速度の範囲をより広くすることができる。同様に、Ｙ軸センサ２２も固定板８１を備えているので、可動部６の減衰係数が大きくなる。これにより、Ｙ軸センサ２２での検出可能な加速度の範囲をより広くすることができる。よって、加速度センサＡ１における、Ｘ軸方向に作用する加速度、および、Ｙ軸方向に作用する加速度の検出可能範囲をより広くすることができる。

また、本実施形態によると、固定板８１は、電気的にはどこにも接続されていない状態で、電流が流れないハイインピーダンスな状態になっている。したがって、電気接続的には固定板８１を無視できるので、固定板８１を備えていない従来の加速度センサと同じ検出方法を用いて、加速度を検出することができる。

本実施形態によると、加速度が作用していない状態において、第１可動電極６１と固定板８１との間隔（第２可動電極６２と固定板８１との間隔）は、第１可動電極６１とこれに隣接する固定電極５１との間隔（第２可動電極６２とこれに隣接する固定電極５１との間隔）に等しい。すなわち、固定板８１と第１可動電極６１（第２可動電極６２）との間の減衰係数、および、固定電極５１と第１可動電極６１（第２可動電極６２）との間の減衰係数は、固定板８１および固定電極５１のＹ軸方向の寸法に比例する。したがって、所望の減衰係数を得るには、固定板８１および固定電極５１のＹ軸方向の寸法の比を調整するだけでよい。これにより、減衰係数の調整を容易にすることができる。また、単純な比例関係ではないが、平板間隔でもって減衰係数を調整することも出来る。その際、固定板８１と第１可動電極６１との間隔、および、固定板８１と第２可動電極６２との間隔のみを調整すれば、他の特性に影響を与えず減衰係数のみを調整できる。平板間隔と減衰係数の関係については、スクイーズフィルムダンピングモデルに準じる。

図８〜図１２は、本発明の他の実施形態を示している。なお、これらの図において、上記第１実施形態と同一または類似の要素には、上記第１実施形態と同一の符号を付している。

〔第２実施形態〕
図８は、本発明の第２実施形態にかかる加速度センサＡ２のＸ軸センサ２１を示す概略平面図である。本実施形態のＸ軸センサ２１は、可動ベース部６３がｙ２側に配置されている点で、第１実施形態のＸ軸センサ２１（図２参照）と異なる。

第２実施形態のＸ軸センサ２１においては、２つのバネ部６４，６５が平面視Ｕ字形状をなし、ｙ２側に配置された可動ベース部６３をＸ軸方向に移動可能に支持している。第１可動電極６１および第２可動電極６２は、可動ベース部６３からｙ１方向に延びている。また、固定ベース部５２はｙ１側に配置され、固定電極５１は固定ベース部５２からｙ２方向に延びている。固定板８１も、固定ベース部５２からｙ２方向に延びている。

本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。なお、バネ部６４，６５の形状は限定されない。

〔第３実施形態〕
図９は、本発明の第３実施形態にかかる加速度センサＡ３のＸ軸センサ２１を示す概略平面図である。本実施形態のＸ軸センサ２１は、可動ベース部６３がＹ軸方向の中央に配置されている点で、第１実施形態のＸ軸センサ２１（図２参照）と異なる。

第３実施形態のＸ軸センサ２１においては、２つのバネ部６４，６５が平面視Ｊ字形状をなし、Ｙ軸方向の中央に配置された可動ベース部６３をＸ軸方向に移動可能に支持している。第１可動電極６１および第２可動電極６２は、可動ベース部６３からｙ１方向およびｙ２方向の両方向に延びている。また、固定部５は、２つ設けられている。一方の固定部５は、固定ベース部５２が空洞１２のｙ２側の内壁に沿って配置されており、固定電極５１および固定板８１が当該固定ベース部５２から可動ベース部６３の手前までｙ１方向に延びている。他方の固定部５は、固定ベース部５２が空洞１２のｙ１側の内壁に沿って配置されており、固定電極５１および固定板８１が当該固定ベース部５２から可動ベース部６３の手前までｙ２方向に延びている。可動ベース部６３からｙ１方向に延びる第１可動電極６１および第２可動電極６２は、ｙ１側の固定部５の固定電極５１および固定板８１の間に配置され、可動ベース部６３からｙ２方向に延びる第１可動電極６１および第２可動電極６２は、ｙ２側の固定部５の固定電極５１および固定板８１の間に配置される。ｙ１側の固定部５とｙ２側の固定部５とは電気的に接続されており、両者の固定電極５１はすべて同電位になる。また、ｙ１側の固定部５に固定された固定板８１は、可動ベース部６３からｙ１方向に延びる第１可動電極６１および第２可動電極６２の間に配置され、ｙ２側の固定部５に固定された固定板８１は、可動ベース部６３からｙ２方向に延びる第１可動電極６１および第２可動電極６２の間に配置されている。

本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。なお、バネ部６４，６５の形状は限定されない。

〔第４実施形態〕
図１０〜１２は、本発明の第４実施形態にかかる加速度センサＡ４のＸ軸センサ２１を示している。図１０は概略平面図（第１実施形態における図２に相当）であり、図１１は図１０の要部拡大平面図（第１実施形態における図３に相当）であり、図１２は電気的な等価回路図（第１実施形態における図６に相当）である。本実施形態のＸ軸センサ２１は、固定部５が互いに電気的に分離された２種類の電極を備え、可動部６の電極がすべて電気的に接続されている点で、第１実施形態のＸ軸センサ２１と異なる。

可動部６は、空洞１２のｙ１側の内壁に沿って延びる可動ベース部６３と、一端が可動ベース部６３に他端が支持部１１に固定されＹ軸方向に延びる２つのバネ部６４，６５と、可動ベース部６３に沿って櫛歯状に配列され、Ｙ軸方向（ｙ２方向）に延びる複数の可動電極６６とを備えている。本実施形態では、可動ベース部６３は平面視で格子状に形成されており、可動ベース部６３において、複数の可動電極６６はそれぞれ互いに電気的に接続されている。なお、可動ベース部６３の形状は限定されない。たとえば、隙間のない直方体形状（平面視で矩形状）であってもよい。

固定部５は、支持部１１に固定され、空洞１２のｙ２側の内壁に沿ってＸ軸方向に延びる第１固定ベース部５４と、支持部１１に固定され、第１固定ベース部５４に電気的に接続しないようにしてＸ軸方向に延びる第２固定ベース部５６と、第１固定ベース部５４に沿って等しい間隔を空けて櫛歯状に配列され、Ｙ軸方向（ｙ１方向）に延びる複数の第１固定電極５３と、第２固定ベース部５６に沿って等しい間隔を空けて櫛歯状に配列され、Ｙ軸方向（ｙ１方向）に延びる複数の第２固定電極５５とを備えている。第２固定電極５５と当該第２固定電極５５に最も近い第１固定電極５３との間には可動電極６６が配置されず、当該第２固定電極５５に２番目に近い第１固定電極５３との間には２つの可動電極６６が配置されている。

また、第１固定電極５３と第２固定電極５５との間に配置された２つの可動電極６６の間には、第１固定ベース部５４または第２固定ベース部５６からＹ軸方向（ｙ１方向）に延びる固定板８１が配置されている。固定板８１は、絶縁部８２を介して第１固定ベース部５４または第２固定ベース部５６に固定されている。本実施形態においては、加速度が作用していない状態では、第１固定電極５３、可動電極６６、固定板８１、可動電極６６、および第２固定電極５５が、この順番で等間隔に配置されている。

Ｘ軸センサ２１では、Ｘ軸方向の加速度が作用した場合、２つのバネ部６４，６５に支持された可動ベース部６３がＸ軸方向に振動する。これにより、可動ベース部６３から延びる可動電極６６も、隣接する第１固定電極５３および第２固定電極５５の間で、Ｘ軸方向に振動する。可動ベース部６３がｘ１方向に移動した場合、第１固定電極５３に隣接する可動電極６６は、当該第１固定電極５３から離れた位置に移動し、第２固定電極５５に隣接する可動電極６６は、当該第２固定電極５５に近づく位置に移動する。したがって、第１固定電極５３と隣接する可動電極６６とからなるコンデンサの静電容量Ｃ１は減少し、第２固定電極５５と隣接する可動電極６６とからなるコンデンサの静電容量Ｃ２は増加する。逆に、可動ベース部６３がｘ２方向に移動した場合、第１固定電極５３に隣接する可動電極６６は、当該第１固定電極５３に近づく位置に移動し、第２固定電極５５に隣接する可動電極６６は、当該第２固定電極５５から離れた位置に移動する。したがって、第１固定電極５３と隣接する可動電極６６とからなるコンデンサの静電容量Ｃ１は増加し、第２固定電極５５と隣接する可動電極６６とからなるコンデンサの静電容量Ｃ２は減少する。よって、各静電容量Ｃ１，Ｃ２の変化を電気的に検出することで、作用する加速度を検出することができる。

図１２は、第４実施形態のＸ軸センサ２１の電気的な等価回路図である。図１２に示すように、第１固定電極５３と可動電極６６とからなる静電容量Ｃ１の可変コンデンサと、第２固定電極５５と可動電極６６とからなる静電容量Ｃ２の可変コンデンサとが、入力端子Ｐ１に接続する第１固定ベース部５４と、入力端子Ｐ２に接続する第２固定ベース部５６との間に直列接続されている。そして、当該２つの可変コンデンサの接続点が、可動ベース部６３（およびバネ部６４，６５）を介して、出力端子Ｐ３に接続されている。また、可動電極６６と固定板８１とからなる可変コンデンサが２つ直列接続されて、その両端がともに出力端子Ｐ３に接続されている（破線で囲まれたＡ部分）。固定板８１がハイインピーダンスで電気接続的には無視できるので、Ａ部分は、１つの固定コンデンサの両端子を同電位にしたものであり、電気的にはないものとほぼ同様である。したがって、第４実施形態のＸ軸センサ２１においても、従来の加速度センサと同じ検出方法を用いて、加速度を検出することができる。

本実施形態によると、Ｘ軸センサ２１は、隣接する２つの可動電極６６の間に配置される固定板８１を備えている。したがって、可動部６の減衰振動に、スクイーズフィルムダンピングモデルに準じた減衰要素が追加されて、減衰係数が大きくなる。これにより、Ｘ軸センサ２１での検出可能な加速度の範囲をより広くすることができる。同様に、Ｙ軸センサ２２も固定板８１を備えているので、可動部６の減衰係数が大きくなる。これにより、Ｙ軸センサ２２での検出可能な加速度の範囲をより広くすることができる。よって、加速度センサＡ１における、Ｘ軸方向に作用する加速度、および、Ｙ軸方向に作用する加速度の検出可能範囲をより広くすることができる。

また、本実施形態によると、固定板８１は、電気的にはどこにも接続されていない状態で、電流が流れないハイインピーダンスな状態になっている。したがって、電気接続的には固定板８１を無視できるので、固定板８１を備えていない従来の加速度センサと同じ検出方法を用いて、加速度を検出することができる。

本実施形態によると、加速度が作用していない状態において、可動電極６６と固定板８１との間隔は、第１固定電極５３とこれに隣接する可動電極６６との間隔（第２固定電極５５とこれに隣接する可動電極６６との間隔）に等しい。これにより、減衰係数の調整を容易にすることができる。

本実施形態によると、可動部６の可動電極６６がすべて同電位なので、互いに電気的に分離された２種類の電極を備える場合と比べて、可動ベース部６３の構造を簡易なものとすることができる。したがって、製造工程を簡略化することができる。

なお、上記第１ないし第４実施形態においては、加速度センサＡ１〜Ａ４が、ＭＥＭＳの技術を用いた比較的小型の加速度センサである場合について説明したが、これに限られない。加速度センサＡ１〜Ａ４は、ＭＥＭＳの技術を用いない比較的大型の加速度センサであってもよい。この場合でも、第１可動電極６１と第２可動電極６２との間（２つの可動電極６６の間）に固定板８１が配置されていることにより、空洞１２に充填されている気体の粘性抵抗が増加する。したがって、減衰係数が大きくなるので、検出可能な加速度の範囲をより広くすることができる。この場合、固定部５、可動部６、固定板８１および基板１の材質は限定されない。また、各部の構造も限定されない。少なくとも一対の固定電極と、当該一対の固定電極の間で移動可能な一対の可動電極と、当該一対の可動電極の間に配置され固定電極に固定された固定板とを備えていればよい。

本発明にかかる加速度センサは、先述した実施形態に限定されるものではない。本発明にかかる加速度センサの各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

Ａ１〜Ａ４：加速度センサ
１ ：基板
１１ ：支持部
１２ ：空洞
２ ：センサ部
２１ ：Ｘ軸センサ
２２ ：Ｙ軸センサ
２３ ：Ｚ軸センサ
３ ：電極パッド
４ ：蓋
５ ：固定部
５１ ：固定電極
５２ ：固定ベース部
５２１ ：絶縁部
５３ ：第１固定電極
５４ ：第１固定ベース部
５５ ：第２固定電極
５６ ：第２固定ベース部
６ ：可動部
６１ ：第１可動電極
６２ ：第２可動電極
６３ ：可動ベース部
６４，６５：バネ部
６６ ：可動電極
８１ ：固定板
８２ ：絶縁部

Claims (13)

1. 空洞を有する基板と、
   前記空洞に配置され、前記基板に固定された一対の固定電極と、
   前記一対の固定電極の間に配置され、前記一対の固定電極が並ぶ検出方向に移動可能である一対の可動電極と、
   前記一対の可動電極の間に配置され、前記基板に固定された固定板と、
   を備えていることを特徴とする加速度センサ。
2. 前記固定板は、前記固定電極および前記可動電極に対して、電気的に絶縁されている、
   請求項１に記載の加速度センサ。
3. 前記固定板は、絶縁体からなる、
   請求項１または２に記載の加速度センサ。
4. 前記一対の可動電極が固定される可動ベース部と、
   前記可動ベース部を前記検出方向に移動可能な状態で前記基板に固定するバネ部と、
   をさらに備えている、
   請求項１ないし３のいずれかに記載の加速度センサ。
5. 前記一対の固定電極および前記一対の可動電極は、導電性シリコンからなる、
   請求項１ないし４のいずれかに記載の加速度センサ。
6. 前記基板は、導電性シリコンからなる、
   請求項１ないし５のいずれかに記載の加速度センサ。
7. 前記空洞を密封するように、前記基板に固定される蓋をさらに備えている、
   請求項１ないし６のいずれかに記載の加速度センサ。
8. 前記一対の固定電極は電気的に接続されており、
   前記一対の可動電極には、それぞれ異なる電圧信号が入力され、
   前記一対の固定電極の電気信号が出力される、
   請求項１ないし７のいずれかに記載の加速度センサ。
9. 前記一対の可動電極は電気的に接続されており、
   前記一対の固定電極には、それぞれ異なる電圧信号が入力され、
   前記一対の可動電極の電気信号が出力される、
   請求項１ないし７のいずれかに記載の加速度センサ。
10. 前記各可動電極と前記固定板との間隔、および、前記各可動電極と当該可動電極に隣接する固定電極との間隔は、前記検出方向の加速度が作用していない状態において、いずれも同一である、
    請求項１ないし９のいずれかに記載の加速度センサ。
11. 前記各可動電極、前記各固定電極および前記固定板は、前記検出方向に直交する矩形の板形状である、
    請求項１ないし１０のいずれかに記載の加速度センサ。
12. 前記各可動電極、前記各固定電極および前記固定板の、前記空洞の深さ方向における寸法はいずれも等しい、
    請求項１ないし１１のいずれかに記載の加速度センサ。
13. 互いに間隔を空けて噛み合う櫛歯状の第１電極および第２電極を備えており、
    前記第１電極は前記一対の固定電極を含んでおり、
    前記第２電極は前記一対の可動電極を含んでいる、
    請求項１ないし１２のいずれかに記載の加速度センサ。