JP6921010B2 - 物理量センサ - Google Patents

Description

本発明は、物理量センサに関し、特にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いた物理量センサに関する。

ＭＥＭＳ技術が用いられた静電容量型の物理量センサとして、加速度センサや角速度センサなどが知られている。例えば、加速度センサは、物理量の入力に対し変位する可動部および変位しない固定部を有し、その可動部は梁に支持されている。特許文献１には、半導体装置として加速度センサが開示されており、その加速度センサは、可動部として可動検出質量体および固定部として固定電極を有し、その可動検出質量体を支持する梁として支持ばねをさらに有する。静電容量型の物理量センサは、可動部と固定部との距離と、それら可動部と固定部とが対面する面積とに依存する静電容量の変化を検出し、入力された物理量に換算する。

特開２００９−１６７１７号公報

加速度センサが高感度に加速度を検出するには、可動部を支持する梁が変位しやすいことが求められる。また、静電容量の増大も必要であるため、固定部と可動部とは、できるだけ狭い範囲に近接して設けられることが好ましい。しかし、加速度センサを構成する可動部や梁等の構成要素が互いに近接した範囲に形成された場合、加工中や運搬中に生じる振動により、可動部を支持する梁は他の梁に接触し固着することがある。梁が固着した物理量センサは、入力される物理量に対し可動部が正常に変位しないため、所望の特性を発揮することができない、もしくは、物理量を検出することができない。

この発明は上記のような問題を解決するためになされたものであり、可動部を支持する梁の固着を抑制することが可能な物理量センサの提供を目的とする。

本発明に係る物理量センサは、第１側面を有し、半導体基板の面内に形成された空隙部に設けられ、入力される物理量に応じて、半導体基板の面に対して平行な方向に変位可能な質量体と、一端が質量体に接続され、他端が半導体基板に固定され、空隙部において半導体基板の面に対して平行な方向に延在し、質量体の変位に応じて弾性変形する弾性支持部と、質量体の第１側面に対向する第２側面を有し、半導体基板に設けられ、質量体の変位に応じて第２側面と質量体の第１側面との間に生成される静電容量を検出する固定電極と、を備える。弾性支持部は、一端から他端にかけて複数の折り返し位置にて多重に折り返されてなる梁を含む。梁は、複数の折り返し位置の間にそれぞれ延在する複数の梁要素を含む。複数の梁要素のうち一の梁要素の断面形状は、一の梁要素に隣接する他の梁要素と対面する面である対向面に斜面を含む。梁要素の対向面の垂直方向に対する傾きは、質量体の第１側面の垂直方向に対する傾きおよび固定電極の第２側面の垂直方向に対する傾きよりも大きい。

本発明によれば、可動部を支持する梁の固着を抑制する物理量センサの提供が可能である。

本発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白になる。

実施の形態における物理量センサの構成を模式的に示す平面図である。 実施の形態における梁要素の構成を示す断面図である。 実施の形態における質量体の第１くし歯および固定電極の第２くし歯の構成を示す断面図である。 実施の形態における弾性支持部の構成を示す平面図である。 前提技術における互いに隣接する２つの梁要素が固着した状態を示す平面図である。 前提技術における互いに隣接する２つの梁要素が固着した状態を示す断面図である。 実施の形態における互いに隣接する２つの梁要素が接触した状態を示す断面図である。 実施の形態の変形例１における梁要素の構成を示す断面図である。 実施の形態の変形例２における梁要素の構成を示す断面図である。

（物理量センサの構成）
物理量センサは、例えば、静電容量型の物理量センサである。本実施の形態においては、物理量センサは、静電容量型の物理量センサとして、加速度センサを一例に説明する。図１は、本実施の形態における物理量センサの構成を模式的に示す平面図である。

物理量センサは、質量体１、弾性支持部２および固定電極３で構成され、それらは半導体基板の面内に形成された空隙部４に設けられる。また、図示は省略するが、質量体１、弾性支持部２および固定電極３の表面側は保護部材により覆われている。図１において、表面側とは＋ｚ方向のことである。質量体１および弾性支持部２と保護部材との間には間隙が設けられている。保護部材は、例えばガラス基板またはシリコン基板である。また、質量体１および弾性支持部２の裏面側には、空隙部４を介して半導体基板が設けられ、固定電極３等の固定部は半導体基板に固定されている。図１において、裏面側とは−ｚ方向のことである。また、物理量センサには、保護部材との接合部および外部との電気信号を授受する電極部が設けられている。

質量体１は、半導体基板の面内に形成された空隙部４に設けられる。質量体１は、後述する固定電極３に対向する第１くし歯１１を有する。質量体１は、物理量センサに入力される物理量に応じて、半導体基板の面に対して平行な方向に変位可能である。半導体基板の面に対して平行な方向とは、図１においてｘ−ｙ平面に対して平行な方向のことである。また、物理量とは、ここでは、加速度である。

弾性支持部２は、一端２ａが質量体１に接続され、他端２ｂが半導体基板に固定されており、質量体１を支持している。本実施の形態においては、他端２ｂは、半導体基板の面内に設けられたアンカー５に保持され、そのアンカー５を介して裏面側の半導体基板に固定されている。弾性支持部２は、空隙部４において半導体基板の面に対して平行な方向に延在する。弾性支持部２は、質量体１の変位に応じて弾性変形する。

弾性支持部２は、一端２ａから他端２ｂにかけて複数の折り返し位置２１にて多重に折り返されてなる梁を含む。梁は、複数の折り返し位置２１の各々の間に延在する複数の梁要素２２を含む。つまり、弾性支持部２は、一端２ａから他端２ｂにかけて多重に配置される複数の梁要素２２を含む。図２は、梁要素２２の構成を示す断面図であり、図１に示されるＡ−Ａ’における断面を示す。複数の梁要素２２のうち一の梁要素２２ａの断面形状は、一の梁要素２２ａに隣接する他の梁要素２２ｂに対面する面である対向面２３に斜面を含む。本実施の形態において、梁要素２２の断面形状は、対向面２３に斜面を含む台形を有する。

固定電極３は、半導体基板に設けられ固定されている。つまり、固定電極３は、物理量によって変位しない。固定電極３は、質量体１の第１くし歯１１に対向する第２くし歯３１を有する。図３は、質量体１の第１くし歯１１および固定電極３の第２くし歯３１の構成を示す断面図であり、図１に示されるＢ−Ｂ’における断面を示す。第１くし歯１１と第２くし歯３１とは、所定の距離を隔てて、対向する位置に配置されており、両者の間には静電容量が形成される。物理量センサは、入力される加速度に応じて質量体１が変位し、第１くし歯１１と第２くし歯３１との距離が変化する。そして、第１くし歯１１と第２くし歯３１との間に生じる静電容量が変化し、固定電極３はその静電容量の変化を検出する。検出される静電容量の変化は、加速度の算出に用いられる。静電容量は、第１くし歯１１と第２くし歯３１との間の距離および対向面積で決定される。外来の影響を相対的に小さくするため、第１くし歯１１と第２くし歯３１との間の距離は短く、互いの対向面積は大きいことが好ましい。そのため、本実施の形態における物理量センサにおいては、第１くし歯１１の側面および第２くし歯３１の側面のそれぞれは垂直に加工される。

以上のように、本実施の形態における物理量センサは、可動部である質量体１の変位から加速度を検出するセンサである。

（物理量センサの動作）
物理量センサの弾性支持部２の剛性は、検出対象の加速度に応じて決定される。その弾性支持部２の剛性は、梁の長さ、幅によって調整される。例えば、加速度センサが低加速度を検出する場合または高感度に加速度を検出する場合、質量体１には入力される加速度に対し変位しやすいことが求められる。そのため、長さは長くかつ幅は細い弾性支持部２が用いられる。図４は、本実施の形態における弾性支持部２の構成を示す平面図である。本実施の形態における弾性支持部２は、一端２ａから他端２ｂにかけて複数の折り返し位置２１にて多重に折り返されてなる梁を含み、梁は複数の折り返し位置２１の各々の間に延在する複数の梁要素２２を有する。梁が折り返されずに質量体１とアンカー５とを接続する弾性支持部と比較して、本実施の形態における物理量センサの弾性支持部２は長い。質量体１が動きやすいため、高感度に加速度が検出される。一方で、弾性支持部２が長い場合、物理量センサの加工中または搬送中に生じる様々な力、例えば衝撃力や静電気力によって、弾性支持部２が変位し、互いに隣接する２つの梁要素２２が折り返し位置２１付近にて接触することがある。

図５は、互いに隣接する２つの梁要素２２が接触した状態を示す平面図である。以下、互いに隣接する２つの梁要素２２が接触した箇所を接触部２４という。図６は、梁要素２２の断面形状が長方形である場合に互いに隣接する２つの梁要素２２が固着した状態を示す断面図であり、図５に示されるＣ−Ｃ’における断面を示す。梁要素２２の断面形状が長方形である場合、対向面２３は垂直面を有し、斜面を含まない。複数の梁要素２２のうち一の梁要素２２ａの対向面２３は、一の梁要素２２ａの長方形をなす一面の全面である。その全面が接触部２４にて、一の梁要素２２ａに隣接する他の梁要素２２ｂに固着し、その状態が保持される。

図７は、本実施の形態における互いに隣接する２つの梁要素２２が接触した状態を示す断面図であり、図５に示されるＣ−Ｃ’における断面を示す。梁要素２２の断面形状が台形である場合、一の梁要素２２ａは、対向面２３の一部にて、一の梁要素２２ａに隣接する他の梁要素２２ｂに接触する。接触部２４の接触面積は、断面形状が長方形である梁要素２２における接触部２４の面積よりも小さい。その結果、梁要素２２の固着が生じにくくなる。

（物理量センサの製造方法）
質量体１、弾性支持部２および固定電極３等が形成される半導体基板は、例えばシリコン基板である。質量体１、弾性支持部２および固定電極３等の物理量センサを構成する構造物は、ＭＥＭＳ技術により、つまり、エッチング等の半導体プロセスにより形成される。断面形状が台形である梁要素２２は、断面形状が矩形である第１くし歯１１と第２くし歯３１とは、別工程で形成される。それにより、固着が生じにくい梁要素２２を有し、かつ、加速度の検出感度を高める第１くし歯１１と第２くし歯３１とを有する物理量センサの製造が可能である。

（効果）
以上をまとめると、実施の形態における物理量センサは、半導体基板の面内に形成された空隙部４に設けられ、入力される物理量に応じて、半導体基板の面に対して平行な方向に変位可能な質量体１と、一端２ａが質量体１に接続され、他端２ｂが半導体基板に固定され、空隙部４において半導体基板の面に対して平行な方向に延在し、質量体１の変位に応じて弾性変形する弾性支持部２と、半導体基板の面内に設けられ、質量体１の変位に応じて質量体１との間に生成される静電容量を検出する固定電極３と、を備える。弾性支持部２は、一端２ａから他端２ｂにかけて複数の折り返し位置２１にて多重に折り返されてなる梁を含む。梁は、複数の折り返し位置２１の各々の間に延在する複数の梁要素２２を含む。複数の梁要素２２のうち一の梁要素２２ａの断面形状は、一の梁要素２２ａに隣接する他の梁要素２２ｂに対面する面である対向面２３に斜面を含む。

以上の構成により、可動部である質量体１を支持する梁の固着、つまり梁要素２２の固着を抑制する物理量センサの提供が可能である。変位しやすいものの固着しにくい弾性支持部２を有する物理量センサが得られる。例えば、外部から過大な衝撃力や静電気力等の物理量が入力された場合であっても、一の梁要素２２ａおよびそれに隣接する梁要素２２ｂの固着が抑制される。よって、物理量センサの製造工程における歩留りが向上し、かつ、物理量センサの信頼性が向上する。本実施の形態における物理量センサは、互いに垂直な側面を有する第１くし歯１１および第２くし歯３１が近接して設けられ、かつ、固着しにくく変位しやすい弾性支持部２を有する。よって、物理量センサは、高感度にかつ高精度に加速度を検出することができる。

また、実施の形態における物理量センサは、一の梁要素２２ａの断面形状は、対向面２３に斜面を含む台形を有する。

以上の構成により、一の梁要素２２ａおよびそれに隣接する梁要素２２ｂは、それぞれの側面に互いが平行でない斜面を有するため、それらの接触をより効果的に抑制する。

（実施の形態の変形例１）
図８は、実施の形態の変形例１における梁要素２２の構成を示す断面図である。梁要素２２の断面形状は、図２に示される台形とは異なり、長さが長い上辺と長さが短い下辺とを有する逆台形である。一の梁要素２２ａとそれに隣接する他の梁要素２２ｂとが接触したとしても、接触面積が小さいため、梁要素２２の固着が抑制される。

（実施の形態の変形例２）
図９は、実施の形態の変形例２における梁要素２２の構成を示す断面図である。一の梁要素２２ａの断面形状は、対向面２３に凸型の形状をなす頂点２５を含む。つまり、一の梁要素２２ａの断面において、深さ方向の途中に、一の梁要素２２ａに隣接する他の梁要素２２ｂとの距離が最小になる部分が設けられている。一の梁要素２２ａとそれに隣接する他の梁要素２２ｂとが接触したとしても、接触面積が小さいため、梁要素２２の固着が抑制される。また、本変形例２においては、凸型の形状の頂点２５は鈍角であることから、接触による梁要素２２の破損が抑えられる。よって、物理量センサの信頼性が向上する。

また、実施の形態および各変形例において、物理量センサの一例として加速度センサが示されたが、物理量センサが角速度センサ、振動センサ等、梁要素２２を有する物理量センサであれば同様の効果を奏する。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

本発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての態様において、例示であって、本発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、本発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。

１ 質量体、２ 弾性支持部、２ａ 一端、２ｂ 他端、２１ 折り返し位置、２２ 梁要素、２３ 対向面、２５ 頂点、３ 固定電極、４ 空隙部。

Claims (3)

1. 第１側面を有し、半導体基板の面内に形成された空隙部に設けられ、入力される物理量に応じて、前記半導体基板の前記面に対して平行な方向に変位可能な質量体と、
   一端が前記質量体に接続され、他端が前記半導体基板に固定され、前記空隙部において前記半導体基板の前記面に対して平行な方向に延在し、前記質量体の変位に応じて弾性変形する弾性支持部と
   前記質量体の前記第１側面に対向する第２側面を有し、前記半導体基板に設けられ、前記質量体の前記変位に応じて前記第２側面と前記質量体の前記第１側面との間に生成される静電容量を検出する固定電極と、を備え、
   前記弾性支持部は、前記一端から前記他端にかけて複数の折り返し位置にて多重に折り返されてなる梁を含み、
   前記梁は、前記複数の折り返し位置の間にそれぞれ延在する複数の梁要素を含み、
   前記複数の梁要素のうち一の梁要素の断面形状は、前記一の梁要素に隣接する他の梁要素と対面する面である対向面に斜面を含み、
   前記梁要素の前記対向面の垂直方向に対する傾きは、前記質量体の前記第１側面の前記垂直方向に対する傾きおよび前記固定電極の前記第２側面の前記垂直方向に対する傾きよりも大きい、物理量センサ。
2. 前記一の梁要素の前記断面形状は、前記対向面に前記斜面を含む台形を有する、請求項１に記載の物理量センサ。
3. 前記一の梁要素の前記断面形状は、前記対向面に凸型の形状をなす頂点を含み、
   前記頂点は、前記梁要素の上面よりも下面の近くに位置する、請求項１に記載の物理量センサ。

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