JP4600344B2

JP4600344B2 - 静電容量式センサ

Info

Publication number: JP4600344B2
Application number: JP2006126437A
Authority: JP
Inventors: 英一古久保
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2026-04-28
Also published as: JP2007298383A

Description

本発明は、固定電極と可動電極との間の静電容量を検出することにより所定の物理量を検出する静電容量式センサに関する。

従来より、公知の半導体プロセスを用いて半導体基板を加工することで可動電極が弾性要素を介して固定部に可動支持される構造を形成し、作用した外力等に応じて可動電極が固定電極に対して接離可能となるようにして、これら電極間の静電容量の変化を検出することで加速度や角速度等の種々の物理量を検出できるようにした静電容量式センサが知られている（例えば特許文献１）。

特許文献１の静電容量式センサでは、弾性要素は、固定部から渦巻き状に伸びるビーム（梁）として形成されており、この弾性要素を介して固定部に可動支持された可動電極は、主として、センサ（半導体層）の表面に沿う方向に変位するように構成されている。
特開２０００−２８６３４号公報

しかしながら、上記特許文献１のように、可動電極がビームを介して固定部に可動支持される構造では、可動電極の最大変位量や重さ、弾性要素としてのビームの形状、センサに作用する最大加速度等によって、ビームに生じる応力が変化することになるが、特にセンサの小型化やバネ定数の設定に伴って細長いビームを設ける場合等においては、ビームに生じる応力が大きくなりやすく、可動電極の変位量や重さ等のスペックを所望の値に設定しにくくなる場合があった。

そこで、本発明は、可動電極がビームを介して固定部に可動支持される静電容量式センサにおいて、ビームの応力を低減することを目的とする。

請求項１の発明にあっては、固定電極と、半導体層の固定部分にビームを介して可動支持された可動電極と、を備えるとともに、当該固定電極と可動電極とを間隙をもって相互に対向配置させて検出部が構成され、当該間隙の大きさに応じた静電容量を検出することで所定の物理量を検出する静電容量式センサにおいて、前記ビームの固定部分に接続される側の端部および可動電極に接続される側の端部のうち少なくともいずれか一方に、局所的な応力集中を緩和する応力緩和部を設け、前記応力緩和部は、平面視で三角形状の単位枠をトラス状に多重に重ねて前記単位枠よりも大きな三角形状の構造にしたことを特徴とする。

請求項２の発明にあっては、前記応力緩和部を、前記ビームの固定部分に接続される側の端部および可動電極に接続される側の端部の双方に設けたことを特徴とする。

請求項３の発明にあっては、前記ビームは、可動電極の動作に伴ってねじられる矩形断面を有するねじりビームであることを特徴とする。

請求項４の発明にあっては、前記可動電極は、前記ねじりビームを介して揺動可能に支持され、前記検出部は、揺動する可動電極の表面とそれに対向する固定電極の表面との間隙の大きさに応じた静電容量を検出することを特徴とする。

本発明によれば、ビームにおいて応力が大きくなりやすい部分、すなわち、ビームの固定部分に接続される側の端部および可動電極に接続される側の端部のうち少なくともいずれか一方に、応力を緩和する応力緩和部を設けたため、ビームに生じる応力を低減することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施形態にかかる静電容量式センサの半導体層の平面図、図２は、図１のＡ−Ａ線における静電容量式センサの断面図、図３は、図１のＢ−Ｂ線における静電容量式センサの断面図、図４は、ビーム部の断面図（図２のＣ−Ｃ断面図）、図５は、可動電極が揺動する様子を示す模式図であって、（ａ）は揺動していない状態、（ｂ）は一方側が固定電極に近付いた状態、（ｃ）は他方側が固定電極に近付いた状態を示す図、図６は、静電容量式センサの半導体層の一部としての電位取出部を示す拡大図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図、（ｃ）は組立前の状態を示す図、図７は、応力緩和部の各例を示す平面図である。

本実施形態にかかる静電容量式センサ１（以下、単にセンサ１と記す）は、図２に示すように、半導体基板を処理してなる半導体層２の表裏両側に、ガラス基板等の絶縁層２０，２１を陽極接合等によって接合して構成されている。これら半導体層２と絶縁層２０，２１との接合面には、比較的浅い凹部２２が形成されており、半導体層２各部の絶縁性や可動電極５の動作性の確保が図られている。なお、本実施形態では、半導体層２と絶縁層２０との接合面については、半導体層２側に凹部２２を設ける一方、半導体層２と絶縁層２１との接合面については、絶縁層２１側に凹部２２を設けている。

また、絶縁層２０の表面２０ａ上には導体層２３が成膜されており、半導体層２の各部の電位を取得するための電極として用いられる。本実施形態では、絶縁層２０にサンドブラスト加工等によって貫通孔２４を形成して半導体層２の表面（絶縁層２０側の表面）の一部を露出させておき、絶縁層２０の表面上から貫通孔２４の内周面上および半導体層２の表面（図２ではアンカ部３の表面）上にかけて電気的に接続された一連の導体層２３を成膜するようにして、当該導体層２３から半導体層２内の各部の電位を検出できるようにしてある。なお、絶縁層２０の表面上は、樹脂層（図示せず）によって被覆（モールド成形）するのが好適である。

そして、図１〜図３等に示すように、半導体基板に公知の半導体プロセスによって間隙１０を形成することにより、半導体層２に、アンカ部３や、ビーム部４、可動電極５、フレーム部７、電位取出部８等が形成される。

半導体層２は、図１に示すように、全体として平面視で略長方形状に形成されており、フレーム部７が、その半導体層２の四つの周縁（四辺）に沿って略一定幅で枠状に設けられている。

間隙１０は、例えば、垂直エッチング加工（例えば、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma；誘導結合プラズマ）加工等の反応性イオンエッチング）によって形成し、間隙１０両側の壁面を半導体層２の表面と垂直にして、それら壁面同士を相互に略平行に対向させるのが好適である。

フレーム部７の内側には、半導体層２の平面視略中央位置よりフレーム部７の一長辺側（図１の上側）に僅かにずれた位置に、矩形断面（本実施形態では略正方形断面）を有する柱状のアンカ部３が設けられており、このアンカ部３のフレーム部７の短辺に対向する一対の側壁からビーム部４，４がフレーム部７の長辺と略平行に延伸している。なお、本実施形態では、図２および図３に示すように、アンカ部３を絶縁層２０のみに当接（接合）させているが、さらにもう一方の絶縁層２１に当接（接合）させるようにしてもよい。

ビーム部４は、図４に示すような一定の矩形（略長方形）断面を有する梁として構成されている。全体的な大きさにもよるが、一例としては、半導体層２の厚み方向の高さｈは１０マイクロメートル以上（５００マイクロメートル以下）、半導体層２の表面に沿う方向の幅ｗは数マイクロメートル（３〜１０マイクロメートル程度）とすることができる。

そして、このビーム部４は、一定の断面でフレーム部７の長辺に沿う方向に延伸し、アンカ部３側の端部４ａに対して反対側となる端部４ｂが可動電極５に接続されている。

可動電極５は、フレーム部７の内周面７ａに間隙１０をもって対向する平面視略矩形状の外周面５ｄを備えるとともに、アンカ部３およびビーム部４，４の外側を間隙１０をもって囲むように形成されている。すなわち、可動電極５は、図１に示すように、アンカ部３およびビーム部４，４に対して、フレーム部７の一長辺側（図１の下側）には、間隙１０を空けて略矩形状の大板部５ａを備える一方、フレーム部７の他の長辺側（図１の上側）には、間隙１０を空けて略矩形状の小板部５ｂを備えており、これら大板部５ａと小板部５ｂとが、フレーム部７の短辺に沿う一対の接続部５ｃ，５ｃを介して相互に接続された形状となっている。そして、ビーム部４，４はそれぞれ対応する接続部５ｃ，５ｃの略中央部に接続されている。なお、上記構成では、大板部５ａの質量は小板部５ｂの質量よりも大きくなる。

このように可動電極５がセンサ１の固定部としてのアンカ部３にビーム部４，４を介して可動支持された構造は、半導体層２に適宜に間隙１０を形成するとともに半導体層２および絶縁層２０，２１のうち少なくともいずれか一方に適宜に凹部２２を形成することで得ることができる。よって、アンカ部３、ビーム部４，４、および可動電極５は、半導体層２の一部として一体に構成されており、それらアンカ部３、ビーム部４，４、および可動電極５の電位はほぼ等電位とみなすことができる。

ビーム部４，４は、フレーム部７に対して可動電極５を弾性的に可動支持するバネ要素として機能する。本実施形態では、図４に示すように、ビーム部４，４は、センサ１の厚み方向に長い断面（ビーム部４の延伸軸に垂直な断面）を有しているため、当該厚み方向には撓みにくく、また、可動電極５はビーム部４，４を挟んで相互に対向する大板部５ａと小板部５ｂとを備えており、ビーム部４，４の両側での質量が異なっているため、センサ１に厚み方向の加速度が生じると、大板部５ａおよび小板部５ｂに作用する慣性力の差によってビーム部４，４がねじられ、可動電極５はビーム部４，４を中心として揺動することになる。すなわち、本実施形態では、ビーム部４，４はねじりビーム（トーションビーム）として機能することになる。

そして、本実施形態では、可動電極５の大板部５ａおよび小板部５ｂのそれぞれに対向するように絶縁層２０の下面２０ｂに固定電極６Ａ，６Ｂを設け、大板部５ａと固定電極６Ａとの間の静電容量、および小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間の静電容量を検出することで、これら間隙の変化、ひいてはセンサ１の固定部に対する可動電極５の揺動姿勢の変化を検出することができるようになっている。

図５の（ａ）は、可動電極５が揺動することなく絶縁層２０の下面２０ｂに対して平行な姿勢にある状態を示している。この状態では、大板部５ａと固定電極６Ａとの間の間隙２５ａの大きさと、小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間の間隙２５ｂの大きさとが等しくなるため、大板部５ａおよび固定電極６Ａの相互対向面積と、小板部５ｂおよび固定電極６Ｂの相互対向面積とを等しくしてある場合には、大板部５ａと固定電極６Ａとの間の静電容量と、小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間の静電容量とは等しくなる。

図５の（ｂ）は、可動電極５が揺動して絶縁層２０の下面２０ｂに対して傾き、大板部５ａが固定電極６Ａから離間するとともに、小板部５ｂが固定電極６Ｂに近接した状態を示している。この状態では、図５の（ａ）の状態に比べて、間隙２５ａは大きくなり、間隙２５ｂは小さくなるから、大板部５ａと固定電極６Ａとの間の静電容量は小さくなり、小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間の静電容量は大きくなる。

図５の（ｃ）は、可動電極５が揺動して絶縁層２０の下面２０ｂに対して傾き、大板部５ａが固定電極６Ａに近接するとともに、小板部５ｂが固定電極６Ｂから離間した状態を示している。この状態では、図５の（ａ）の状態に比べて、間隙２５ａは小さくなり、間隙２５ｂは大きくなるから、大板部５ａと固定電極６Ａとの間の静電容量は小さくなり、小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間の静電容量は大きくなる。

したがって、一例としては、大板部５ａと固定電極６Ａとの間の静電容量と、小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間の静電容量との差動出力から、可動電極５の姿勢を把握することが可能となる。すなわち、これら静電容量の値から、加速度や角加速度など、種々の物理量を把握することができる。

静電容量は、可動電極５および固定電極６Ａ，６Ｂの電位から取得することができる。本実施形態では、図１および図２に示すように、アンカ部３上の絶縁層２０には貫通孔２４が形成されており、可動電極５の電位は、この貫通孔２４の内面に形成した導体層２３を介して取り出される。

一方、固定電極６は、絶縁層２０の下面２０ｂ上に略矩形状の導体層（例えばアルミニウム合金の層）として形成してある。固定電極６を成膜する工程では、固定電極６と一続きの導体層として、配線パターン１１および端子部９も同時に成膜される。したがって、固定電極６の電位は、配線パターン１１および端子部９、半導体層２に形成された電位取出部８、ならびに電位取出部８上の絶縁層２０に形成された導体層２３を介して取り出されるようになっている。

ここで、図６を参照して、電位取出部８の構成について説明する。電位取出部８は、半導体層２に形成した間隙１０や半導体層２または絶縁層２１に形成した凹部２２によって、可動電極５やフレーム部７等の半導体層２の他の部分と絶縁され、略円柱状に形成されるパッド部８ａと、パッド部８ａからフレーム部７の短辺に沿って細長く伸びる台座部８ｂとを備えている。そして、この台座部８ｂの端子部９に対応する部分を切り欠くように平坦な底面８ｃを備える凹部２６が形成されている。そして、この底面８ｃ上には下敷層２７（例えば、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）の層）が形成され、さらに、この下敷層２７と隣接した位置にほぼ同じ高さの導体層２８が形成されるとともに、下敷層２７の上面から導体層２８の上面にかけて、フレーム状の山部１２ａを連設してなる平面視で略梯子状の接点部１２が形成される。このとき、導体層２８および接点部１２は、同一の導体材料（例えばアルミニウム合金等）による層として形成することができる。

ここで、本実施形態では、図６の（ｃ）に示すように、接点部１２の山部１２ａを、半導体層２の上面２ａより上に高さδｈだけ突出するように高く形成し、これにより、半導体層２と絶縁層２０との接合により、端子部９によって山部１２ａを押圧して塑性変形させて密着度を高め、山部１２ａ（接点部１２）と端子部９との間での接触および導通がより確実なものとなるようにしている。

なお、図１に示すように、大板部５ａおよび小板部５ｂの表面上の適宜位置にはストッパ１３を設け、可動電極５と固定電極６Ａ，６Ｂとが直接的に接触（衝突）して損傷するのを抑制するようになっているが、このストッパ１３を下敷層２７と同一材料として同じ工程で形成するようにすれば、これらを別途形成する場合に比べて製造の手間が減り、製造コストを低減することができる。

次に、図７を参照して、ビーム部４，４の長手方向端部に設けられる応力緩和部３０，３０Ａ，３０Ｂについて説明する。

図７の（ａ）は、本実施形態にかかる応力緩和部３０の平面図である。この例では、ビーム部４が可動電極５の接続部５ｃに接続される側の端部に、平面視で矩形の枠状構造３１を設けてある。具体的には、平面視でビーム部４の延伸方向に沿う短辺部３２と当該延伸方向と直交する方向に伸びる長辺部３３とを含む細長い枠状構造３１を接続部５ｃに連設し、この枠状構造３１の長手方向中央部にビーム部４の端部を接続してある。なお、接続部５ｃの端部と長辺部３３とは一体化する一方、枠状構造３１の高さは、ビーム部４と同じにしてある。かかる構造により、ビーム部４が接続部５ｃに直接に接続される場合に比べて、可動電極５の動作に伴って撓む領域を増大させることができるため、隅部（根元部分）４ｂ，５ｄにおける局所的な応力集中を緩和することができる。

かかる枠状構造３１は、ビーム部４の延伸方向と垂直な方向に細長く形成してあるため、本実施形態のように、ビーム部４がその延伸軸を中心にねじられるねじりビームである場合には、長辺部３３で撓み代を大きくとることができる分、特に有効となる。

図７の（ｂ）は、本実施形態の変形例にかかる応力緩和部３０Ａの平面図である。この例では、図７の（ａ）と同様の枠状構造３１を、ビーム部４の延伸方向に複数段（この例では２段）並べて配置し、それら枠状構造３１，３１間を、ビーム部４の延長線上に設けた接続片部３４によって接続してある。この例では、枠状構造３１を多重に設けた分、図７の（ａ）の例に比べてより一層応力を緩和することができる。

図７の（ｃ）は、本実施形態の別の変形例にかかる応力緩和部３０Ｂの平面図である。この例では、ビーム部４と接続部５ｃとの間に、応力緩和部３０Ｂとして、ビーム部４をその延伸方向と直交する方向に所定幅で反復的に複数回折り返した蛇行構造３５を設けてある。このような蛇行構造３５を設けることによっても、ビーム部４が接続部５ｃに直接に接続される場合に比べて、可動電極５の動作に伴って撓む領域が増大するため、隅部（根元部分）４ｂ，５ｄにおける局所的な応力集中を緩和することができる。

なお、上記例では、いずれも、ビーム部４の可動電極５（の接続部５ｃ）に接続される側の端部４ｂに応力緩和部３０，３０Ａ，３０Ｂを設けた例を示したが、これら応力緩和部３０，３０Ａ，３０Ｂは、ビーム部４の他方側の端部、すなわち、ビーム部４のアンカ部３に接続される側の端部４ａにも同様に設けることができ、当該端部４ａにおいて同様の効果を得ることができる。そして、ビーム部４の長手方向両端部に応力緩和部３０，３０Ａ，３０Ｂを設けるようにすれば、さらにビーム部４に生じる応力を低減することができる。なお、両端部で相異なる応力緩和部３０，３０Ａ，３０Ｂを設けてもよいし、これらを適宜に組み合わせて構成してもよい。

以上の本実施形態によれば、ビーム部４のアンカ部３に接続される側の端部４ａおよび可動電極５に接続される側の端部４ｂのうち少なくともいずれか一方に、応力を緩和する応力緩和部３０，３０Ａ，３０Ｂを設けたため、ビーム部４に生じる応力を低減して耐久性を向上することができる上、可動電極５の変位量や重さ等のスペックの設定自由度を増大することができる。かかる応力緩和部３０，３０Ａ，３０Ｂは、ビーム部４のアンカ部３に接続される側の端部４ａおよび可動電極５に接続される側の端部４ｂの双方に設けると、応力をより一層低減することができる。

このとき、応力緩和部３０，３０Ａ，３０Ｂは、一つの枠状構造３１、枠状構造３１を多段に含む構造、あるいは蛇行構造３５として、容易に形成することができる。

特に、ビーム部４をねじりビームとして用いる場合、応力緩和部３０，３０Ａ，３０Ｂを、本実施形態で例示したような、一つの枠状構造３１、枠状構造３１を多段に含む構造、あるいは蛇行構造３５として構成すると、軸方向と直交する部分を比較的長く設けることができる分、ビーム部４（および応力緩和部３０，３０Ａ，３０Ｂ）の単位長さあたりの撓み量を小さくすることができて、より一層効果的な応力低減が可能となる。

また、本実施形態では、ビーム部４の断面を略矩形断面とすることで、ビーム部４の曲がりやすい方向および曲がりにくい方向を規定して、可動電極５を所望のモードで動作させ、不本意なモードでの動作による不具合を抑制することができる。

特に、本実施形態のように、可動電極５を揺動させビーム部４をねじりビームとして構成する場合、図４に示すように、ビーム部４の延伸軸に垂直な断面形状について、センサ１の厚み方向の長さ（高さｈ）を、センサ１の表面に沿う方向の長さ（幅ｗ）より長くすることで、可動電極５が全体的にセンサ１の厚み方向（図２の上下方向）に撓んで大板部５ａおよび小板部５ｂともに固定電極６Ａ，６Ｂ側に近接するように動作して検出精度が低下するのを抑制することができる。

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。例えば、上記実施形態では、ビームをねじりビームとして用いる場合を例示したが、曲げビームとして用いる場合にも本発明は同様に実施することが可能であるし、渦巻き形状や折り返し形状など種々の形状のビームに対しても同様に実施可能である。

また、枠状構造や蛇行構造のスペック（例えば枠状構造の段数や、蛇行構造の折り返し数、各部の大きさ、形状等）も種々に変形可能である。例えば、枠状構造を、図８のように、平面視で三角形状（例えば、正三角形状や二等辺三角形状）としてもよいし、（ｂ）のように、当該三角形状の単位枠をトラス状に多重に重ねてもよい。かかる構成によれば、平面視矩形状の枠状構造に比べて、応力集中をより一層低減することができる。

本発明の実施形態にかかる静電容量式センサの半導体層の平面図。図１のＡ−Ａ線における静電容量式センサの断面図。図１のＢ−Ｂ線における静電容量式センサの断面図。本発明の実施形態にかかる静電容量式センサのビーム部の断面図（図２のＣ−Ｃ断面図）。本発明の実施形態にかかる静電容量式センサの可動電極が揺動する様子を示す模式図であって、（ａ）は揺動していない状態、（ｂ）は一方側が固定電極に近付いた状態、（ｃ）は他方側が固定電極に近付いた状態を示す図。本発明の実施形態にかかる静電容量式センサの半導体層の一部としての電位取出部を示す拡大図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図、（ｃ）は組立前の状態を示す図。本発明の実施形態にかかる静電容量式センサの応力緩和部の各実施例を示す平面図（（ａ）〜（ｃ））。本発明の実施形態にかかる静電容量式センサの応力緩和部の別の実施例を示す平面図（（ａ）および（ｂ））。

符号の説明

１静電容量式センサ
２半導体層
４ビーム部（ビーム）
５可動電極
６Ａ，６Ｂ固定電極
２５ａ，２５ｂ間隙
３０，３０Ａ，３０Ｂ応力緩和部
３１枠状構造
３５蛇行構造

Claims

固定電極と、半導体層の固定部分にビームを介して可動支持された可動電極と、を備えるとともに、当該固定電極と可動電極とを間隙をもって相互に対向配置させて検出部が構成され、当該間隙の大きさに応じた静電容量を検出することで所定の物理量を検出する静電容量式センサにおいて、
前記ビームの固定部分に接続される側の端部および可動電極に接続される側の端部のうち少なくともいずれか一方に、局所的な応力集中を緩和する応力緩和部を設け、前記応力緩和部は、平面視で三角形状の単位枠をトラス状に多重に重ねて前記単位枠よりも大きな三角形状の構造にしたことを特徴とする静電容量式センサ。
前記応力緩和部を、前記ビームの固定部分に接続される側の端部および可動電極に接続される側の端部の双方に設けたことを特徴とする請求項１に記載の静電容量式センサ。
前記ビームは、可動電極の動作に伴ってねじられる矩形断面を有するねじりビームであることを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量式センサ。
前記可動電極は、前記ねじりビームを介して揺動可能に支持され、
前記検出部は、揺動する可動電極の表面とそれに対向する固定電極の表面との間隙の大きさに応じた静電容量を検出することを特徴とする請求項３に記載の静電容量式センサ。