JP2005070018A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 小型で感度が高い半導体容量型センサを提供すること。
【解決手段】 検出電極に対面する錘の表面積を大きくしてセンサを小型化しても検出感度を高めるようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車などの角速度や加速度を検出する半導体容量式加速度センサ、および角速度センサに関する。

従来の半導体容量式加速度センサを図７に示す。図７（Ａ）は、斜視図であり、図７（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれＡ-Ａ、Ｂ-Ｂ断面図である。

半導体容量式加速度センサ５０７は、加速度を受けて変位する錘５２１を有したシリコン板５０２と、加速度による錘５２１の変位を容量変化として検出する電極５３１を有した上部ガラス板５０３、同じく加速度による錘５２１の変位を容量変化として検出する電極５１１を有した下部ガラス５０１が積層されている。シリコン板５０２に形成された錘５２１はウェットエッチング加工等により作成され、通常錘の表面と裏面では枠５２２（梁）の部分を除きほぼおなじ表面積となっている（たとえば、特許文献１参照）。
特開平５−２６４５７７号公報（図１）

しかしながら、センサ全体を小型化するときには錘の形状も縮小する必要があるが、同時に検出電極も縮小されてセンサの感度が弱くなってしまうという課題が発生する。また、ウェットエッチング等により加工を行うと加工断面は斜めに形成されてしまうため上側の表面積は下側の表面積に比べやや大きくなるが、設計値と実際の固有振動数に差が生じやすく、結果として感度が弱くなってしまう。
本発明はこのような事情に鑑み、半導体容量式加速度センサの感度を極力小さくせずにセンサ全体を小型化する手段を以下に述べる。

本発明は、上述した課題を解決するために、以下のようなセンサの構成とした。

シリコン基板に作成された錘の形状を上部分と下部分で異なる形状にした。そして、シリコン基板に作成された検出電極と対面する錘の上部分と錘の下部分の境界を階段状にした。更に、シリコン基板に作成された検出電極と対面する錘の上部分を錘の下部分よりも大きくした。

本発明により半導体容量型加速度センサは、錘の上側の表面積が大きくなっており、錘を小型化、軽量化しても感度の低下を少なくすることができる。また、錘の上側の厚みは下の部分に比べ十分に薄いことから錘全体の質量の変化にほとんど影響がなく、設計した固有振動数とほぼ同じ値となり、その結果、感度の低下を防ぐことができる。

本発明の実施の形態の基本的な構造を説明する。半導体容量式加速度センサはその基板ともなる下部ガラス板と加速度により変位する錘を有したシリコン板と上部ガラス板の組合せからなる。また、シリコン板に形成された錘は上部分の検出電極に対面する面の面積を大きくとっている。
基本的な製法としてはまず、シリコン板を用意し、下側からドライエッチングにより垂直加工を行い錘の形成を行う。その後上側から同じくドライエッチングにより垂直加工を行う。その後下部ガラス板を用意し、シリコン板を下部ガラス板に接合する。その後に上側ガラス板をシリコン板に接合する。

以下に例えば本発明による半導体容量式加速度センサの実施例を図１〜図６を用いて説明する。なお、図１は本実施形態に係る半導体容量式加速度センサ７を示す側面断面図である。
半導体容量式加速度センサ７は、容量検出電極１１を有す下部ガラス板１、加速度を受けて変位する錘２１をもつシリコン板２、容量検出電極３１を有す上部ガラス板３が積層された構造となっている。
図２は下部ガラス板１の透過側面図を示している。下部ガラス板１は主にＳｉＯ２から構成されているが、シリコン板２との熱膨張係数をあわせたものを使用している。また、下部ガラス板１の厚みは約１００μｍ以上となっている。
シリコン板２との接合面側には、厚さ約１μｍ以下のＡｌなどからなる容量検出用の電極１１がスパッタなどにより設けられている。これらの電極１１はスルーホール１２ａにより外側の電極１１に接続され、その後再度スルーホール１２ｂにより、裏面から上面に持ち出され電極ｐａｄ１５に接続されている。この部分をワイヤ等で外部の端子に接続すれば、検出した容量を外部に伝えることができる。
図３上部ガラス板３の側面断面図を示している。上部ガラス板３も下部ガラス板１と同様に主成分はＳｉＯ２から構成され、シリコン板２との熱膨張係数をあわせたものを使用している。また、上部ガラス板３の厚みは約１００μｍ以上となっている。
シリコン板２との接合面から数μｍ凹んだ位置には、厚さ約１μｍ以下のＡｌなどからなる容量検出用の電極３１が配置されている。この容量検出用の電極３１は同じくＡｌをスパッタにて成膜されたスルーホール３２ａにより上部ガラス板３外面に接合されたＮ型のシリコン３４に接続される。また、シリコン板２との接合面にはシリコン板２の錘２１の電位を取るための電極３３ａ（図示しない）がスパッタなどにより設けられている。同じくＡｌをスパッタにて成膜されたスルーホール３２ｂ（図示しない）により上部ガラス板３外面に接合されたＮ型のシリコン３４に接続される。このＮ型のシリコン３４の外面にはＡｌをスパッタにより成膜してあり、このＡｌによる電極パッド３５により外部の基板にワイヤボンディング等により実装する。
図４（Ａ）はシリコン板２の平面図を、図４（Ｂ）はシリコン板２のＣ−Ｃ‘における側面断面図を示している。シリコン板２は錘２１形成の加工を簡易にするためにシリコン板の中に絶縁層２８を持つＳＯＩ基板を使用している。中心部付近には外部から与えられる加速度により変位する錘２１をエッチングにより形成している。このとき錘の下部分２１ｂのエッチングではある程度の深さが必要になるため、垂直に加工するためには、シリコン板外周部との隙間を空ける事が必要になる。この場合、錘の下部分２１ｂはシリコン板外周部よりも約３００ｕｍほど内側に作るよう制限される。しかし錘の上部分２１ａの厚みは下部分に比べ十分に薄くなっているためシリコン板外周部から５０ｕｍほど内側までに作ることができる。これにより錘の形状は上部分の表面積が下部分の表面積に比べ意図的に大きくすることができる。このため検出電極と対向する表面積を大きくすることで容量値を大きくすることができることから、センサ全体を小型化しても感度を大きく落とさないですむことになる。また、錘の上側２１ａの厚みは下側２１ｂに比べ十分に薄く形成されているため、表面積を大きくしても錘全体の質量での割合いが小さいため設計した固有振動数とほぼ同じ値となる。
錘２１の電位は電極２６ａによって上部ガラス板３の電極３３ａを経由して外部端子３５まで接続されているため、外部からの制御が可能となる。
また先にも述べたとおりこのシリコン基板２はＳＯＩ基板を使用しており、錘２１の中間部分には絶縁層２８があり、上下のシリコン２１ａ、および２１ｂは絶縁されている。そのため錘２１の上下のシリコンを同電位とするため、絶縁層２８を通過して下部のシリコン２１ｂまで達するように階段状の凹み２７を形成し、その上にスパッタによるＡｌの電極２６が形成しシリコン２２ａ、２２ｂを電気結合させている。
その他のシリコン板２の構成要素としては、錘２１を支える役目として梁２３部分、下部のガラス板１，上部ガラス板３と陽極接合する部分がある。
半導体容量式加速度センサ７の基本的な製法としては、下部ガラス板１とシリコン板３の位置を任意の位置に合わせたあとに接合させる。接合には雰囲気温度約３００℃において電圧約４００Ｖを印加する陽極接合を用いて行った。
そのあと、上部ガラス板３と下部ガラス１と接合されたシリコン板２の任意の位置にあわせたあとに陽極接合を行い作製する。
以上本発明の実施形態１を説明したが、本発明の半導体容量式センサは上述に限定されたものではない。
上述した実施形態１では、錘２１に加わる加速度を検出する加速度検出装置に本発明を適用した例を示したが、シリコン板２に形成された錘２１が角速度により変位するような構造をとることで角速度を検出する装置にも適用可能である。
図５は図１に示す半導体容量式加速度センサ７とほぼ同じ構造をもつ半導体容量式角速度センサ２０７の側面断面図である。図６（Ａ）、図６（Ｂ）は半導体容量式角速度センサに外部から角速度が印加されたときに錘に発生するコリオリ力を概念的に示したものである。上下のガラス板中央部に配置された電極２１１、電極２３１は、シリコン板２中央にある錘２１をＺ方向に励振させるための電極である。この電極に位相が１８０度ずれた正弦波を印加すると錘２１はＺ方向に振動する。このときに外部から図中のＸ軸周りに角速度を受けるとＺ方向の振動に比例したコリオリ力が図中のＹ軸方向に発生する。このコリオリ力により錘２１は変位する。その結果、各電極の静電容量も変動する。この変動値は角速度が加わっていないＺ方向の振動のみの静電容量変動とはことなる。この静電容量変動差を電極から検出することで半導体容量式角速度センサを実現することができる。

本発明の実施形態に係る半導体容量型加速度センサを示す側面断面図である。 図１に示す装置における下部ガラス板の側面断面図である。 図１に示す装置における上部ガラス板の側面断面図である。 図４（A）は、図１に示す装置におけるシリコン板の平面図であり、図４（B）は、図１に示す装置におけるシリコン板の側面断面図である。 本発明のその他の実施形態に係る半導体容量型角速度センサを示す側面断面図である。 図６（A）は、図５に示す装置における角速度が印加された時の錘の動きの概念図であり、図６（B）は、図５に示す装置における角速度が印加された時の錘の動きの概念図である。 従来例における半導体容量型加速度センサを示す斜視図および側面断面図である。

符号の説明

１、５０１ 下部ガラス板
１１、３１、５１１、５３１ 容量検出電極
１２ａ、１２ｂ、３２ａ スルーホール
１４、３４ Ｎ型シリコン基板
１５、３５ 外部基板接続用電極
２、５０２ シリコン板
２１、２１ａ、２１ｂ、５２１ 錘
２１１、２３１ 錘加振用電極
２３ 梁
２６、２６ａ、３３ａ Ａｌ電極
２７ シリコン凹み部
２８ 絶縁体
３、５０３ 上部ガラス板
７、２０７、５０７ 半導体容量型加速度センサ

Claims (4)

1. 電極パターンが設けられた第一のガラス板および第二のガラス板と、加速度をうけて変位する錘を有したシリコン板を備え、前記錘の上部の形状と下部の形状が異なることを特徴とする半導体容量式加速度センサ。
2. 前記錘の上部と錘の下部の境界は階段状に作製されている請求項1記載の半導体容量式加速度センサ。
3. 前記錘の上部の表面積は下部の表面積よりも大きい請求項1記載のる半導体容量式加速度センサ。
4. 角速度をうけて発生する変位量を検出することにより角速度の検出を行い得るようにした請求項1記載の半導体容量式角速度センサ。

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