JP4605087B2

JP4605087B2 - Capacitive sensor

Info

Publication number: JP4605087B2
Application number: JP2006126873A
Authority: JP
Inventors: 英一古久保; 大介若林; 久和宮島; 正夫大渕; 亮青木
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: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2026-04-28
Also published as: JP2007298410A; CN101432627B; CN101432627A

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。 The present invention relates to a capacitance sensor that detects a predetermined physical quantity by detecting a capacitance between a fixed electrode and a movable electrode.

従来より、固定部に弾性要素を介して可動電極が支持された構造を形成し、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。 Conventionally, a structure in which the movable electrode is supported on the fixed portion via an elastic element is formed, and the movable electrode can be brought into and out of contact with the fixed electrode in accordance with an applied external force or the like. 2. Description of the Related Art Capacitance sensors are known in which various physical quantities such as acceleration and angular velocity can be detected by detecting changes in capacitance.

このような静電容量式センサとして、加速度などの物理量により変位する１個のマス部により、垂直軸方向の物理量を検出することができるように構成された静電容量式センサが開示されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。
米国特許第４７３６６２９号明細書米国特許第６０００２８７号明細書 As such a capacitive sensor, a capacitive sensor configured to be able to detect a physical quantity in the vertical axis direction by a single mass portion that is displaced by a physical quantity such as acceleration is disclosed. (For example, refer to Patent Document 1 and Patent Document 2.)
U.S. Pat. No. 4,736,629 US Pat. No. 6,200,287

特許文献１、特許文献２は、非対称に形成されたマス部をアンカ部と呼ばれる固定部から水平方向へと対称に伸びたトーションビームにより質量バランスを崩すように支持し、垂直方向へと加わる物理量に応じたトーションビームのねじれによるマス部の位置変位により物理量を検出することができる。 Patent Document 1 and Patent Document 2 support a mass portion formed asymmetrically by a torsion beam extending symmetrically from a fixed portion called an anchor portion in a horizontal direction so as to break the mass balance, and add to the physical quantity applied in the vertical direction. The physical quantity can be detected by the displacement of the mass portion due to the twist of the corresponding torsion beam.

このような静電容量式センサを、特許文献１では、金属材料を加工することにより形成し、特許文献２では、公知の半導体プロセスを用いてシリコンなどの半導体基板を加工することにより形成している。特許文献２のように半導体プロセスによりシリコンを加工してデバイスを形成した場合、微細な加工が可能となるため、特許文献１のように金属材料を加工した場合より小型で精度の高い静電容量式センサとすることができる。 In Patent Document 1, such a capacitive sensor is formed by processing a metal material, and in Patent Document 2, it is formed by processing a semiconductor substrate such as silicon using a known semiconductor process. Yes. When silicon is processed by a semiconductor process as in Patent Document 2 to form a device, fine processing is possible. Therefore, the capacitance is smaller and more accurate than when a metal material is processed as in Patent Document 1. Type sensor.

しかしながら、特許文献２で開示されている静電容量式センサは、単結晶シリコン基板を結晶異方性エッチングにより加工することで形成しているため、アンカ部をはじめ各部がテーパーを有する形状となり、デバイスサイズの大型化や可動電極の可動により生ずる部材の欠損、スティッキングなどを招来してしまうといった問題がある。 However, since the capacitive sensor disclosed in Patent Document 2 is formed by processing a single crystal silicon substrate by crystal anisotropic etching, each part including the anchor part has a tapered shape, There are problems such as an increase in device size, loss of members caused by movement of the movable electrode, and sticking.

また、結晶異方性エッチングにより加工した場合、ある程度の質量を有することで検出感度を向上させるようなマス部を形成することが困難であるといった問題もある。 Further, when processed by crystal anisotropic etching, there is a problem that it is difficult to form a mass portion that has a certain mass and improves detection sensitivity.

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、検出感度を向上させるとともに、デバイスサイズの大型化や可動電極の可動により生ずる部材の欠損、スティッキングなどを回避することができる構造を有する静電容量式センサを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been proposed in view of the above-described circumstances, and it is possible to improve detection sensitivity and avoid the loss of members, sticking, and the like caused by the increase in device size and the movement of the movable electrode. An object of the present invention is to provide a capacitive sensor having a structure.

本発明の静電容量式センサは、半導体層の固定部にビーム部を介して非対称な質量バランスとなるように可動支持され、前記半導体層の厚み方向の物理量の変位に応じて動作する第１可動電極と、前記半導体層を支持する支持基板上に形成された第１固定電極とを相互に間隙を介して対向配置し、前記第１可動電極と前記第１固定電極との間隙の大きさに応じて検出される静電容量に基づき物理量を検出する第１検出部を備える静電容量式センサにおいて、前記半導体層を単結晶シリコン層とし、前記単結晶シリコン層を垂直エッチング加工して、平面視で長方形状に形成され且つ前記半導体層の四つの周縁に沿って一定幅で枠状に設けられたフレーム部の内側に形成された前記固定部、前記ビーム部、前記第１可動電極からなる当該第１可動電極の可動機構を備え、前記固定部を矩形断面を有する柱状とし、前記ビーム部を前記固定部の両端部から前記フレーム部の長辺に沿う方向に延伸し且つ静電容量式センサの厚み方向に長い長方形断面を有する梁とし、前記第１可動電極は前記固定部及び前記ビーム部の外側を間隙をもって囲むように形成された矩形状の大板部と同じく矩形状の小板部とからなり、大板部と小板部は固定部及びビーム部を挟んで両側に設けられると共に前記フレーム部の短辺に沿う一対の接続部を介して相互に接続され、その接続部の中央部に前記ビーム部を接続させて構成されており、前記第１固定電極は、前記ビーム部を介して非対称な質量バランスとされた前記第１可動電極の質量の小さい部材である小板部と、質量の大きい部材である大板部にそれぞれ独立して対向配置される小板部対向第１固定電極及び大板部対向第１固定電極とからなり、これら小板部対向第１固定電極及び大板部対向第１固定電極は、何れも前記固定部及びビーム部を前記半導体層に形成するにあたり設けた前記固定部及び前記ビーム部の外側に形成された間隙を避けながらこの間隙の形状に沿うような凹凸を有した平面視で矩形状とされており、さらに、前記ビーム部を対称軸とし対称に配置した状態を基準として、前記小板部対向第１固定電極は、前記ビーム部から遠ざけるように配置され、前記大板部対向第１固定電極は、前記ビーム部に近付けるように前記支持基板上に配置されていることを特徴とすることにより上述の課題を解決する。 The capacitance type sensor of the present invention is first supported by a fixed portion of a semiconductor layer so as to be asymmetrically balanced through a beam portion and operating in accordance with a displacement of a physical quantity in the thickness direction of the semiconductor layer. A movable electrode and a first fixed electrode formed on a support substrate that supports the semiconductor layer are arranged to face each other with a gap therebetween, and the size of the gap between the first movable electrode and the first fixed electrode is arranged. In the capacitive sensor including a first detection unit that detects a physical quantity based on the capacitance detected according to the above, the semiconductor layer is a single crystal silicon layer, the single crystal silicon layer is vertically etched , From the fixed portion, the beam portion, and the first movable electrode formed inside a frame portion that is formed in a rectangular shape in plan view and provided in a frame shape with a constant width along the four peripheral edges of the semiconductor layer. The first possible A movable mechanism of electrodes, the fixed portion and the columnar having a rectangular cross-section, said beam portion in the thickness direction of and capacitive sensor extending in a direction along the long side of the frame portion from both ends of the fixing unit long rectangular section and the beam having the first movable electrode is made the fixed portion and the beam portion also small rectangular plate portion and the large plate portion rectangular to the outer formed to surround with clearance the The large plate portion and the small plate portion are provided on both sides of the fixed portion and the beam portion, and are connected to each other via a pair of connection portions along the short side of the frame portion, and the central portion of the connection portion The first fixed electrode includes a small plate portion, which is a member having a small mass of the first movable electrode that is asymmetrically balanced through the beam portion, and a mass plate. Large plate that is a large member Consists of a platelet unit opposite the first fixed electrode and the large plate portion facing the first fixed electrode disposed opposite respectively independently, these platelet unit opposite the first fixed electrode and the large plate portion facing the first fixed electrode, In any plan view having irregularities along the shape of the gap while avoiding the gap formed outside the fixed portion and the beam portion provided when forming the fixed portion and the beam portion in the semiconductor layer. Further, the small plate portion-facing first fixed electrode is disposed so as to be away from the beam portion on the basis of a state in which the beam portion is symmetrically disposed with respect to the axis of symmetry, and the large plate portion The opposed first fixed electrode is disposed on the support substrate so as to be close to the beam portion, thereby solving the above-described problem.

本発明によれば、検出感度を向上させるとともに、デバイスサイズの大型化や可動電極の可動により生ずる部材の欠損、スティッキングなどを回避することを可能とする。 According to the present invention, it is possible to improve detection sensitivity and avoid the loss of members, sticking, and the like caused by the increase in device size and the movement of the movable electrode.

また、垂直エッチング加工により可動機構を形成することで、一様な断面形状とすることができるため、他軸感度を大幅に低減することを可能とする。さらに、半導体層を単結晶シリコンとするため膜応力がなく容易な加工を可能とする。 In addition, since the movable mechanism is formed by vertical etching, a uniform cross-sectional shape can be obtained, which makes it possible to significantly reduce the other-axis sensitivity. Further, since the semiconductor layer is made of single crystal silicon, it can be easily processed without film stress.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

［第１の実施の形態］
［静電容量式センサ１の構成］
図１、図２、図３を用いて、本発明の第１の実施の形態として示す静電容量式センサ１の構成について説明する。この静電容量式センサ１は、図１の紙面に向かって垂直な方向の加速度や角速度など、種々の物理量を検出することができる。 [First Embodiment]
[Configuration of Capacitance Sensor 1]
The configuration of the capacitive sensor 1 shown as the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 2, and 3. The capacitance type sensor 1 can detect various physical quantities such as acceleration and angular velocity in a direction perpendicular to the paper surface of FIG.

図１は、静電容量式センサの半導体層２を示した平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線で、図３は、図１のＢ−Ｂ線で半導体層２を切断するように静電容量式センサ１を切断した様子を示した断面図である。半導体層２は、単結晶シリコンであり、図１乃至図３に示すように、半導体プロセスにより単結晶シリコン基板に間隙１０を形成することで、アンカ部３、ビーム部４、可動電極５、フレーム部７、電位取出部８が形成されている。 FIG. 1 is a plan view showing a semiconductor layer 2 of a capacitive sensor. 2 is a cross-sectional view illustrating a state in which the capacitive sensor 1 is cut so that the semiconductor layer 2 is cut along the line A-A in FIG. 1 and along the line BB in FIG. . The semiconductor layer 2 is made of single crystal silicon, and as shown in FIGS. 1 to 3, by forming a gap 10 in the single crystal silicon substrate by a semiconductor process, the anchor portion 3, the beam portion 4, the movable electrode 5, the frame A portion 7 and a potential extraction portion 8 are formed.

図２、図３に示すように、静電容量式センサ１は、この半導体層２の表裏両面にガラス基板などの絶縁層２０，２１を、例えば、陽極接合などをして接合することで形成される。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、本発明の第１の実施の形態では、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。 As shown in FIGS. 2 and 3, the capacitive sensor 1 is formed by bonding insulating layers 20 and 21 such as a glass substrate to the front and back surfaces of the semiconductor layer 2 by, for example, anodic bonding. Is done. A relatively shallow recess 22 is formed on the bonding surface between the semiconductor layer 2 and the insulating layers 20 and 21, so that insulation of each part of the semiconductor layer 2 and operability of the movable electrode 5 are ensured. In the first embodiment of the present invention, the bonding surface between the semiconductor layer 2 and the insulating layer 20 is provided with the recess 22 on the semiconductor layer 2 side, while the bonding surface between the semiconductor layer 2 and the insulating layer 21 is provided. Is provided with a recess 22 on the insulating layer 21 side.

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。本発明の第１の実施の形態では、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。 A conductor layer 23 is formed on the surface 20 a of the insulating layer 20 and is used as an electrode for acquiring the potential of each part of the semiconductor layer 2. In the first embodiment of the present invention, a through-hole 24 is formed in the insulating layer 20 by sandblasting or the like to expose a part of the surface of the semiconductor layer 2 (surface on the insulating layer 20 side), and the insulating layer A series of conductive layers 23 electrically connected from the surface of 20 to the inner peripheral surface of the through-hole 24 and the surface of the semiconductor layer 2 (the surface of the anchor portion 3 in FIG. 2) are formed, The potential of each part in the semiconductor layer 2 can be detected from the conductor layer 23. The surface of the insulating layer 20 is preferably covered (molded) with a resin layer (not shown).

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。 As shown in FIG. 1, the semiconductor layer 2 is formed in a substantially rectangular shape as a whole in plan view, and the frame portion 7 has a frame with a substantially constant width along the four peripheral edges (four sides) of the semiconductor layer 2. It is provided in the shape.

間隙１０は、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）などにより垂直エッチング加工をすることで、間隙１０の側壁面を半導体層２の表面と垂直となるように形成される。このようにして、垂直エッチング加工により形成された間隙１０の側壁面同士は、互いに略平行に対向することになる。反応性イオンエッチングとしては、例えば、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plasma）を備えたエッチング装置によるＩＣＰ加工を利用することができる。 The gap 10 is formed so that the side wall surface of the gap 10 is perpendicular to the surface of the semiconductor layer 2 by performing vertical etching processing such as reactive ion etching (RIE). Thus, the side wall surfaces of the gap 10 formed by the vertical etching process face each other substantially in parallel. As reactive ion etching, for example, ICP processing by an etching apparatus provided with inductively coupled plasma (ICP) can be used.

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（本発明の第１の実施の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、それぞれフレーム部７の長辺と略平行に延伸している。なお、本発明の第１の実施の形態では、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。 On the inner side of the frame portion 7, a rectangular cross section (first embodiment of the present invention) is located at a position slightly shifted from the substantially central position in plan view of the semiconductor layer 2 to one long side of the frame portion 7 (upper side in FIG. 1). In this embodiment, a columnar anchor portion 3 having a substantially square cross section) is provided, and the beam portions 4 and 4 are respectively connected to the frame portion 7 from a pair of side walls facing the short side of the frame portion 7 of the anchor portion 3. It extends substantially parallel to the long side. In the first embodiment of the present invention, as shown in FIGS. 2 and 3, the anchor portion 3 is brought into contact (joined) only with the insulating layer 20. You may make it contact | abut (join).

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。一例として、半導体層２の厚み方向に沿うビーム部４の厚みｈを１０μｍ以上（５００μｍ以下）とし、半導体層２の表面に沿う方向であるビーム部４の幅ｗを３〜１０μｍ程度とすることができる。 The beam portion 4 is configured as a beam having a certain rectangular (substantially rectangular) cross section as shown in FIG. As an example, the thickness h of the beam part 4 along the thickness direction of the semiconductor layer 2 is 10 μm or more (500 μm or less), and the width w of the beam part 4 along the surface of the semiconductor layer 2 is about 3 to 10 μm. Can do.

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。 And this beam part 4 is extended in the direction in alignment with the long side of the frame part 7 with a fixed cross section, and the edge part 4b on the opposite side with respect to the edge part 4a by the side of the anchor part 3 is connected to the movable electrode 5. ing.

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で略矩形状の外周面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。大板部５ａ、小板部５ｂは、それぞれ１枚の単結晶シリコン基板から形成されているため、小板部５ｂよりサイズの大きい大板部５ａの質量が大きくなっている。 The movable electrode 5 includes a substantially rectangular outer peripheral surface 5d in a plan view facing the inner peripheral surface 7a of the frame portion 7 with a gap 10 and surrounds the outside of the anchor portion 3 and the beam portions 4 and 4 with a gap 10. Is formed. That is, as shown in FIG. 1, the movable electrode 5 has a gap 10 on one long side (lower side in FIG. 1) with respect to the anchor portion 3 and the beam portions 4 and 4. On the other long side (upper side in FIG. 1) of the frame portion 7 is provided with a substantially rectangular small plate portion 5b with a gap 10 between these large rectangular plate portions 5a. The plate portion 5 a and the small plate portion 5 b are connected to each other via a pair of connection portions 5 c and 5 c along the short side of the frame portion 7. And the beam parts 4 and 4 are respectively connected to the approximate center part of the corresponding connection parts 5c and 5c. Since the large plate portion 5a and the small plate portion 5b are each formed from one single crystal silicon substrate, the mass of the large plate portion 5a which is larger than the small plate portion 5b is larger.

このように可動電極５が、静電容量式センサ１の固定部としてのアンカ部３にビーム部４，４を介して非対称な質量バランスで可動支持された構造は、半導体層２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。 In this way, the structure in which the movable electrode 5 is movably supported by the anchor portion 3 as the fixed portion of the capacitive sensor 1 with the asymmetric mass balance via the beam portions 4 and 4 has the gap 10 in the semiconductor layer 2. It can be obtained by forming the recess 22 in at least one of the semiconductor layer 2 and the insulating layers 20 and 21 as well as forming it. Therefore, the anchor portion 3, the beam portions 4, 4 and the movable electrode 5 are integrally configured as a part of the semiconductor layer 2, and the potentials of the anchor portion 3, the beam portions 4, 4 and the movable electrode 5 are Can be regarded as almost equipotential.

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。本発明の第１の実施の形態では、図４に示すように、ビーム部４，４は、静電容量式センサ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い。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質量の異なる大板部５ａと小板部５ｂとを備えているため、静電容量式センサ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るビーム部４，４のねじりにより、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、本発明の第１の実施の形態では、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。 The beam portions 4 and 4 function as spring elements that elastically moveably support the movable electrode 5 with respect to the frame portion 7. In the first embodiment of the present invention, as shown in FIG. 4, the beam portions 4 and 4 have a cross section that is long in the thickness direction of the capacitive sensor 1 (a cross section perpendicular to the extending axis of the beam portion 4). Therefore, it is difficult to bend in the thickness direction. Moreover, since the movable electrode 5 includes a large plate portion 5a and a small plate portion 5b having different masses opposed to each other with the beam portions 4 and 4 interposed therebetween, the capacitive sensor 1 is accelerated in the thickness direction. When this occurs, the beam portions 4 and 4 swing about the beam portions 4 and 4 due to the torsion of the beam portions 4 and 4 due to the difference in inertial force acting on the large plate portion 5a and the small plate portion 5b. That is, in the first embodiment of the present invention, the beam portions 4 and 4 function as torsion beams (torsion beams).

そして、本実施の形態では、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１０の変化、ひいては静電容量式センサ１の固定部に対する可動電極５の揺動姿勢の変化を得ることができるようになっている。 In this embodiment, the fixed electrodes 6A and 6B are provided on the lower surface 20b of the insulating layer 20 so as to face the large plate portion 5a and the small plate portion 5b of the movable electrode 5, respectively. By detecting the capacitance between 6A and the capacitance between the small plate portion 5b and the fixed electrode 6B, the change of the gap 10 and the movable electrode with respect to the fixed portion of the capacitance sensor 1 are detected. Thus, it is possible to obtain a change in the swing posture of 5.

［静電容量検出の原理］
図５（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。 [Principle of capacitance detection]
FIG. 5A shows a state in which the movable electrode 5 is in a posture parallel to the lower surface 20b of the insulating layer 20 without swinging. In this state, the size of the gap 25a between the large plate portion 5a and the fixed electrode 6A is equal to the size of the gap 25b between the small plate portion 5b and the fixed electrode 6B. When the mutual facing area of the electrode 6A is equal to the mutual facing area of the small plate portion 5b and the fixed electrode 6B, the capacitance between the large plate portion 5a and the fixed electrode 6A, and the small plate portion The electrostatic capacitance between 5b and the fixed electrode 6B becomes equal.

図５（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から離れるとともに、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（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。 5B shows a state in which the movable electrode 5 swings and tilts with respect to the lower surface 20b of the insulating layer 20, the large plate portion 5a is separated from the fixed electrode 6A, and the small plate portion 5b is close to the fixed electrode 6B. Is shown. In this state, the gap 25a becomes larger and the gap 25b becomes smaller than in the state of FIG. 5A, so that the capacitance between the large plate portion 5a and the fixed electrode 6A becomes small, and the small plate portion. The capacitance between 5b and the fixed electrode 6B increases.

図５（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（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大きくなり、小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間の静電容量は小さくなる。 In FIG. 5C, the movable electrode 5 swings and tilts with respect to the lower surface 20b of the insulating layer 20, the large plate portion 5a approaches the fixed electrode 6A, and the small plate portion 5b separates from the fixed electrode 6B. Indicates the state. In this state, the gap 25a becomes smaller and the gap 25b becomes larger than in the state of FIG. 5A, so that the capacitance between the large plate portion 5a and the fixed electrode 6A becomes large, and the small plate portion. The electrostatic capacitance between 5b and the fixed electrode 6B becomes small.

したがって、大板部５ａと固定電極６Ａとの間の間隙２５ａを検知ギャップとする静電容量と、小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間の間隙２５ｂを検知ギャップとする静電容量との差動出力から、Ｃ−Ｖ変換することで得られる電圧波形を求め当該静電容量式センサ１に加えられた種々の物理量を検出することができる。 Therefore, there is a capacitance between the large plate portion 5a and the fixed electrode 6A as a detection gap and a capacitance between the small plate portion 5b and the fixed electrode 6B as a detection gap. A voltage waveform obtained by CV conversion is obtained from the differential output, and various physical quantities applied to the capacitance type sensor 1 can be detected.

このような静電容量は、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。本発明の第１の実施の形態では、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。 Such a capacitance can be obtained from the potentials of the movable electrode 5 and the fixed electrodes 6A and 6B. In the first embodiment of the present invention, as shown in FIGS. 1 and 2, a through hole 24 is formed in the insulating layer 20 on the anchor portion 3, and the potential of the movable electrode 5 is set to the through hole. It is taken out through a conductor layer 23 formed on the inner surface of 24.

一方、固定電極６は、絶縁層２０の下面２０ｂ上に導体層（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。 On the other hand, the fixed electrode 6 is formed on the lower surface 20b of the insulating layer 20 as a conductor layer (for example, an aluminum alloy layer). In the step of forming the fixed electrode 6, the wiring pattern 11 and the terminal portion 9 are simultaneously formed as a continuous conductor layer with the fixed electrode 6. Therefore, the potential of the fixed electrode 6 is taken out through the wiring pattern 11 and the terminal portion 9, the potential extraction portion 8 formed in the semiconductor layer 2, and the conductor layer 23 formed in the insulating layer 20 on the potential extraction portion 8. It is supposed to be.

［電位取出部８の構成］
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。図６（ａ）は、電位取出部８を拡大して示した図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示すＣ−Ｃ線で切断した様子を示す断面図であり、図６（ｃ）は、絶縁層２０と半導体層２とを接合する前段における様子を示した断面図である。 [Configuration of Potential Extraction Unit 8]
Here, with reference to FIG. 6, the structure of the electric potential extraction part 8 is demonstrated. 6 (a) is an enlarged view of the potential extraction portion 8, and FIG. 6 (b) is a cross-sectional view showing a state cut along line CC shown in FIG. 6 (a). FIG. 6C is a cross-sectional view showing a state in the previous stage in which the insulating layer 20 and the semiconductor layer 2 are joined.

図６に示すように、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。 As shown in FIG. 6, the potential extraction portion 8 is formed in addition to the semiconductor layer 2 such as the movable electrode 5 and the frame portion 7 by the gap 10 formed in the semiconductor layer 2 and the recess 22 formed in the semiconductor layer 2 or the insulating layer 21. And a pad portion 8a formed in a substantially cylindrical shape, and a pedestal portion 8b extending from the pad portion 8a along the short side of the frame portion 7. And the recessed part 26 provided with the flat bottom face 8c is formed so that the part corresponding to the terminal part 9 of this base part 8b may be notched. An underlayer 27 (for example, a layer of silicon dioxide (SiO ₂ )) is formed on the bottom surface 8c, and a conductor layer 28 having substantially the same height is formed at a position adjacent to the underlayer 27. At the same time, a substantially ladder-shaped contact portion 12 is formed from the upper surface of the underlying layer 27 to the upper surface of the conductor layer 28 in a plan view in which frame-shaped peaks 12a are continuously provided. At this time, the conductor layer 28 and the contact portion 12 can be formed as layers made of the same conductor material (for example, an aluminum alloy).

ここで、本発明の第１の実施の形態では、図６（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とを接合するときに、端子部９によって山部１２ａが押圧されて塑性変形し、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。 Here, in the first embodiment of the present invention, as shown in FIG. 6C, the peak portion 12a of the contact portion 12 protrudes from the upper surface 2a of the semiconductor layer 2 by a height δh. As a result, when the semiconductor layer 2 and the insulating layer 20 are joined together, the peak portion 12a is pressed and plastically deformed by the terminal portion 9, and the peak portion 12a (contact portion 12) and the terminal portion 9 are The contact and conduction between them are made more reliable.

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。 As shown in FIG. 1, a stopper 13 is provided at an appropriate position on the surface of the large plate portion 5a and the small plate portion 5b so that the movable electrode 5 and the fixed electrodes 6A and 6B are in direct contact (collision). However, if the stopper 13 is formed of the same material as the underlying layer 27 in the same process, the manufacturing labor is reduced as compared with the case where these are formed separately. Manufacturing cost can be reduced.

［半導体層２側の凹部２２の形成］
ところで、上述したように本発明の第１の実施の形態では、半導体層２と絶縁層２０との接合面は、半導体層２側に凹部２２を設けるようにしている。図７は、図１のＢ−Ｂ断面に相当する断面図である。 [Formation of the recess 22 on the semiconductor layer 2 side]
Incidentally, as described above, in the first embodiment of the present invention, the bonding surface between the semiconductor layer 2 and the insulating layer 20 is provided with the recess 22 on the semiconductor layer 2 side. 7 is a cross-sectional view corresponding to the BB cross section of FIG.

凹部２２は、図７（ａ）に示すように、半導体層２を絶縁層２０に接合し、間隙１０を形成する前段において、ウェットエッチングやドライエッチングといった種々のエッチング処理により形成しておく。このようにして半導体層２をエッチング処理により削り取ることにより凹部２２を形成した後、図７（ｂ）に示すようにガラス基板である絶縁層２０を接合させ、垂直エッチング加工をすることで、図７（ｃ）に示すような間隙１０を形成する。なお、ストッパ１３は、エッチング処理により凹部２２を形成した後に、酸化膜やアルミニウム合金などで形成する。 As shown in FIG. 7A, the recess 22 is formed by various etching processes such as wet etching and dry etching before the semiconductor layer 2 is bonded to the insulating layer 20 and the gap 10 is formed. After the semiconductor layer 2 is scraped off by the etching process in this way to form the recesses 22, the insulating layer 20, which is a glass substrate, is bonded as shown in FIG. A gap 10 as shown in FIG. 7 (c) is formed. The stopper 13 is formed of an oxide film or an aluminum alloy after the recess 22 is formed by etching.

このように、単結晶シリコン基板である半導体層２をエッチング処理することで、あらかじめ凹部２２を形成し、凹部２２が形成された面を支持基板となる絶縁層２０に対向させて接合させると、エッチング処理に伴い生成されるエッチング残渣を良好に除去することができるため、可動電極５の揺動により絶縁層２０とスティッキングしてしまうことを防止することができ、静電容量式センサ１の品質を向上させることができる。 In this way, by etching the semiconductor layer 2 that is a single crystal silicon substrate, the concave portion 22 is formed in advance, and the surface on which the concave portion 22 is formed is bonded to the insulating layer 20 that becomes the support substrate. Since the etching residue generated by the etching process can be removed satisfactorily, sticking with the insulating layer 20 due to the swinging of the movable electrode 5 can be prevented, and the quality of the capacitive sensor 1 can be prevented. Can be improved.

また、あらかじめ半導体層２に凹部２２を形成してしまうことから、支持基板となる絶縁層２０としてガラス基板などの絶縁基板を利用できるため、絶縁基板以外、例えば、可動電極５と同様のシリコン材料からなる基板などを利用した場合に発生する寄生容量を低減することができる。 In addition, since the recess 22 is formed in the semiconductor layer 2 in advance, an insulating substrate such as a glass substrate can be used as the insulating layer 20 serving as a support substrate. Therefore, other than the insulating substrate, for example, a silicon material similar to the movable electrode 5 It is possible to reduce the parasitic capacitance generated when a substrate made of the above is used.

さらに、エッチング処理により形成する凹部２２は、凹部２２の形状に応じたレジスト膜パターンを形成し、凹部２２の深さに応じたエッチング時間のみを設定するだけで、容易に形成することができるという利点がある。 Furthermore, the recess 22 formed by the etching process can be easily formed only by forming a resist film pattern according to the shape of the recess 22 and setting only the etching time according to the depth of the recess 22. There are advantages.

また、絶縁層２０としてガラス基板を利用できるため、鏡面となる単結晶シリコンで形成された可動電極５の揺動によるビーム部４のねじれ動作を光の反射として視認できるため外観検査を容易に行うことができる。 Further, since a glass substrate can be used as the insulating layer 20, the torsional motion of the beam portion 4 due to the swinging of the movable electrode 5 formed of single crystal silicon serving as a mirror surface can be visually recognized as light reflection, so that an appearance inspection is easily performed. be able to.

この凹部２２は、図５を用いて説明した検知ギャップである大板部５ａと固定電極６Ａとの間の間隙２５ａ、小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間の間隙２５ｂの検知ギャップ間の距離を規定することになる。静電容量をＣ、対向面積をＳ、検知ギャップ間の距離をｄ、誘電率をεとした場合の静電容量Ｃの基本式である“Ｃ＝εＳ／ｄ ”からも分かるように、検知ギャップ間の距離は、高い精度で形成する必要がある。一般的には、このような半導体プロセスにより形成する静電容量式センサにおいては、製造プロセス中のスティッキングや、実使用時のスティッキングを防止するために検知ギャップ間の距離として３μｍ以上が必要となる。 The recess 22 is formed between the detection gap of the gap 25a between the large plate portion 5a and the fixed electrode 6A and the gap 25b between the small plate portion 5b and the fixed electrode 6B, which are the detection gaps described with reference to FIG. The distance will be specified. As can be seen from “C = εS / d”, which is the basic expression of the capacitance C, where C is the capacitance, S is the opposing area, d is the distance between the detection gaps, and ε is the dielectric constant. The distance between the gaps must be formed with high accuracy. In general, in a capacitive sensor formed by such a semiconductor process, a distance of 3 μm or more is required as a distance between detection gaps in order to prevent sticking during a manufacturing process or sticking during actual use. .

そこで、結晶方向にエッチング速度が依存する性質を利用した結晶異方性エッチングにて、凹部２２を形成するとエッチング処理の管理が容易となるため、ばらつきが少なく非常に高い精度の検知ギャップとなる間隙２５ａ、間隙２５ｂを形成することができる。 Therefore, when the recess 22 is formed by crystal anisotropic etching using the property that the etching rate depends on the crystal direction, the management of the etching process is facilitated, so that there is little variation and the gap becomes a very high accuracy detection gap. 25a and gap 25b can be formed.

図８に、結晶異方性エッチングにより凹部２２を形成した場合の、図１のＡ−Ａ線で半導体層２を切断した様子を示す。図８の領域Ｐに示すように、アンカ部３、フレーム部７は、切り出した単結晶シリコン基板の結晶面に対して所定の角度の面方位となる面が現れることになる。 FIG. 8 shows a state in which the semiconductor layer 2 is cut along the line AA in FIG. 1 when the recess 22 is formed by crystal anisotropic etching. As shown in a region P in FIG. 8, the anchor portion 3 and the frame portion 7 have a plane that has a plane orientation of a predetermined angle with respect to the crystal plane of the cut single crystal silicon substrate.

ところで、図６を用いて説明した電位取出部８において、台座部８ｂを切り欠くように形成された平坦な底面８ｃを備える凹部２６も、凹部２２を形成する際に結晶異方性エッチング処理により形成するようにする。この凹部２６は、固定電極６の電位を取り出す電位取出部８において、端子部９と接点部１２とを確実に接触して導通させるために高い精度で形成される必要がある。したがって、結晶異方性エッチングにより凹部２２を形成するのに伴い、同じく結晶異方性エッチングにより凹部２６を形成すると、ばらつきが少なく非常に高い精度の凹部２６を形成することができる。 By the way, in the potential extraction portion 8 described with reference to FIG. 6, the concave portion 26 having the flat bottom surface 8 c formed so as to cut out the pedestal portion 8 b is also formed by the crystal anisotropic etching process when the concave portion 22 is formed. To form. The concave portion 26 needs to be formed with high accuracy so that the terminal portion 9 and the contact portion 12 are brought into contact with each other and conducted in the potential extraction portion 8 for extracting the potential of the fixed electrode 6. Accordingly, when the recesses 22 are formed by the crystal anisotropic etching as the recesses 22 are formed by the crystal anisotropic etching, the recesses 26 can be formed with very high accuracy with little variation.

［ＳＯＩ基板を利用する場合］
上述した静電容量式センサ１のアンカ部３、ビーム部４、可動電極５などを、図９に示すようなシリコン支持基板４１とシリコン活性層４３との間に中間酸化膜４２としてＳｉＯ_２を挿入した構造のＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板４０から形成することもできる。図９は、図１のＢ−Ｂ断面に相当する断面図である。 [When using SOI substrate]
The above-described anchor portion 3, beam portion 4, movable electrode 5 and the like of the capacitive sensor 1 are made of SiO ₂ as an intermediate oxide film 42 between the silicon support substrate 41 and the silicon active layer 43 as shown in FIG. It can also be formed from an SOI (Silicon On Insulator) substrate 40 having an inserted structure. 9 is a cross-sectional view corresponding to the BB cross section of FIG.

このＳＯＩ基板４０を用いる場合、まず、垂直エッチング加工により図９（ａ）に示すように間隙１０を形成し、犠牲層エッチングにより図９（ｂ）に示すように中間酸化膜４２を除去することで凹部２２を形成する。つまり、シリコン活性層４３が、上述した半導体層２に相当する。このように、ＳＯＩ基板４０を用いる場合、半導体層２と他の基板とを接合するという工程を一つ省略できるため、容易に形成することができるという利点がある。 When this SOI substrate 40 is used, first, the gap 10 is formed by vertical etching as shown in FIG. 9A, and the intermediate oxide film 42 is removed by sacrificial layer etching as shown in FIG. 9B. Then, the recess 22 is formed. That is, the silicon active layer 43 corresponds to the semiconductor layer 2 described above. As described above, when the SOI substrate 40 is used, one step of bonding the semiconductor layer 2 and another substrate can be omitted, so that there is an advantage that it can be easily formed.

一方、犠牲層エッチングにより凹部２２を形成するため、上述したように半導体層２を単結晶シリコン基板にて形成する際に、ガラス基板などの絶縁層２０との接合の前段で凹部２２をエッチング処理によりあらかじめ形成する場合と比較して、エッチング残渣の量が多くなってしまう可能性が高い。また、絶縁層２０をガラス基板とすることができないため、上述したような効果を得ることができない。 On the other hand, since the recess 22 is formed by sacrificial layer etching, as described above, when the semiconductor layer 2 is formed on the single crystal silicon substrate, the recess 22 is etched before the bonding with the insulating layer 20 such as a glass substrate. Therefore, there is a high possibility that the amount of etching residue is increased as compared with the case where the etching residue is formed in advance. Moreover, since the insulating layer 20 cannot be a glass substrate, the above-described effects cannot be obtained.

［ビーム部４のサイズ］
ビーム部４は、静電容量式センサ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い形状となっている。また、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おり、半導体層２の厚み方向に沿った厚みｈが１０μｍ以上とされる。この厚みｈの下限値である１０μｍは、上述した検知ギャップの一般的な検知ギャップ間の距離である３μｍ以上に基づき算出された値である。このように、検知ギャップ間の距離を３μｍ以上とした場合、静電容量式センサ１で検出された値を信号処理する信号処理回路の能力に基づく感度を確保するためには、所定の変位量だけ可動電極５を変位させる必要がある。 [Size of beam section 4]
Since the beam part 4 has a long cross section in the thickness direction of the capacitive sensor 1 (cross section perpendicular to the extending axis of the beam part 4), the beam part 4 has a shape that is difficult to bend in the thickness direction. Moreover, the beam part 4 is comprised as a beam which has a fixed rectangular (substantially rectangular) cross section as shown in FIG. 4, and thickness h along the thickness direction of the semiconductor layer 2 shall be 10 micrometers or more. The lower limit value of 10 μm of the thickness h is a value calculated based on 3 μm or more which is a distance between general detection gaps of the detection gap described above. As described above, when the distance between the detection gaps is set to 3 μm or more, in order to ensure the sensitivity based on the ability of the signal processing circuit that performs signal processing on the value detected by the capacitive sensor 1, a predetermined displacement amount is used. It is necessary to displace the movable electrode 5 only.

そこで、可動電極５の厚み、つまりビーム部４の厚みを検知ギャップ間の最低距離である３μｍの約３倍である１０μｍ以上とすることで、必要な感度を得るために充分な程度、可動電極５を変位させる質量を確保することができる。可動電極５の厚み、ビーム部４の厚みの上限値は、半導体層２を形成する単結晶シリコン基板の厚みに準じた、例えば、５００μｍなどとすることができる。 Accordingly, the thickness of the movable electrode 5, that is, the thickness of the beam portion 4 is set to 10 μm or more, which is about three times the minimum distance between the detection gaps of 3 μm. The mass for displacing 5 can be secured. The upper limit value of the thickness of the movable electrode 5 and the thickness of the beam portion 4 can be set to, for example, 500 μm according to the thickness of the single crystal silicon substrate on which the semiconductor layer 2 is formed.

また、図４に示すビーム部４の厚みｈは、ビーム部４の幅ｗに対して３．１６倍以上とする。例えば、垂直方向の加速度に応じてビーム部４がねじれることで可動電極５が正常に変位する場合、可動電極５は、半導体層２を支持する絶縁層２０，２１に接触したとしても線接触や点接触となる。しかしながら、過大な加速度が加わった場合には、図１０に示すように可動電極５がｚ軸方向に、表面を水平に保ちながら変位して絶縁層２０，２１に面接触し、スティッキングを起こしてしまう可能性がある。このようなｚ軸方向、つまり垂直方向への可動電極５の変位を防止するには、ねじれずにそのまま持ち上がってしまうモードを減らしてやる必要がある。 Further, the thickness h of the beam part 4 shown in FIG. 4 is 3.16 times or more than the width w of the beam part 4. For example, when the movable electrode 5 is normally displaced by twisting the beam portion 4 in accordance with the acceleration in the vertical direction, the movable electrode 5 may be in line contact or contact even if it contacts the insulating layers 20 and 21 that support the semiconductor layer 2. Point contact. However, when excessive acceleration is applied, as shown in FIG. 10, the movable electrode 5 is displaced in the z-axis direction while keeping the surface horizontal, and comes into surface contact with the insulating layers 20 and 21, causing sticking. There is a possibility. In order to prevent the displacement of the movable electrode 5 in the z-axis direction, that is, the vertical direction, it is necessary to reduce the mode in which the movable electrode 5 is lifted without being twisted.

具体的には、ビーム部４の垂直方向のたわみをビーム部４の水平方向のたわみの１０分の１以下にすると、上述したようなねじれずにそのまま持ち上がってしまうモードを大幅に減らすことができる。そこで、断面２次モーメントに基づく最大たわみを算出し、ビーム部４の垂直方向のたわみが、ビーム部４の水平方向のたわみの１０分の１以下となるように、ビーム部４の厚みｈを決定すると、ビーム部４の厚みｈは、ビーム部４の幅ｗに対して３．１６（≒１０^１／２）倍以上とする必要がある。 Specifically, when the deflection in the vertical direction of the beam unit 4 is set to 1/10 or less of the deflection in the horizontal direction of the beam unit 4, the mode in which the beam unit 4 is lifted without being twisted as described above can be greatly reduced. . Therefore, the maximum deflection based on the secondary moment of the cross section is calculated, and the thickness h of the beam portion 4 is set so that the vertical deflection of the beam portion 4 is 1/10 or less of the horizontal deflection of the beam portion 4. When determined, the thickness h of the beam portion 4 needs to be 3.16 (≈10 ^1/2 ) times or more the width w of the beam portion 4.

これにより、可動電極５が、ねじれずにそのまま持ち上がってしまうモードを大幅に減らすことができるため、可動電極５は、絶縁層２０，２１に面接触してスティッキングを起こすことなく、物理量に応じてビーム部４を中心とした良好なねじれ動作をすることができる。 As a result, the mode in which the movable electrode 5 is lifted up without being twisted can be greatly reduced. Therefore, the movable electrode 5 can be brought into contact with the insulating layers 20 and 21 to cause sticking without depending on the physical quantity. A good twisting operation can be performed around the beam portion 4.

［固定電極６Ａ，６Ｂの位置と形状］
固定電極６Ａ，６Ｂは、図１１に示すように、可動電極５のねじれ動作の中心となるビーム部４を対称軸として上下対称となるように設けるのではなく、可動電極５の小板部５ｂ側へとずらすように設けられている。 [Position and shape of fixed electrodes 6A and 6B]
As shown in FIG. 11, the fixed electrodes 6 A and 6 B are not provided so as to be vertically symmetric with respect to the beam portion 4 serving as the center of the torsional operation of the movable electrode 5. It is provided to shift to the side.

図１２（ａ），（ｂ）に、図１１に示す矢印Ｌ方向から静電容量式センサ１を見た場合の加速度Ｇを垂直下方より加える前後においてねじれ動作の中心がずれる様子を示す。このねじれ動作の中心がずれる現象は、マスとして機能する可動電極５を、大板部５ａ、小板部５ｂという質量の異なる部材をねじれ動作の中心となるビーム部４に対して非対称となるように形成していることに起因していると考えられる。 FIGS. 12A and 12B show how the center of the twisting operation is shifted before and after the acceleration G is applied from vertically below when the capacitive sensor 1 is viewed from the direction of the arrow L shown in FIG. The phenomenon that the center of the twisting operation is deviated causes the movable electrode 5 functioning as a mass to be asymmetric with respect to the beam unit 4 serving as the center of the twisting operation of the large plate portion 5a and the small plate portion 5b. This is thought to be caused by the formation of

そこで、固定電極６Ａ，６Ｂをビーム部４を対称軸とし対称に配置した状態を基準として、このようなねじれ動作の中心がずれる量を考慮し、図１２（ａ）に示すように、固定電極６Ａは、ビーム部４へと近付ける方向に、一方、固定電極６Ｂは、ビーム部４から遠ざける方向に、それぞれ絶縁層２０の下面２０ｂに設けるようにする。 Accordingly, the fixed electrodes 6A and 6B are taken into consideration with the amount of deviation of the center of the torsional operation on the basis of the state where the fixed portions 6A and 6B are arranged symmetrically with the beam portion 4 as the axis of symmetry, as shown in FIG. The fixed electrode 6B is provided on the lower surface 20b of the insulating layer 20 in a direction in which 6A is closer to the beam portion 4, while the fixed electrode 6B is in a direction away from the beam portion 4.

このとき、固定電極６Ａ，６Ｂのずれ量、つまり、固定電極６Ａ，６Ｂの絶縁層２０の下面２０ｂにおける設置位置は、静電容量式センサ１で保証されている加速度の検知範囲に応じて決定される。 At this time, the displacement amount of the fixed electrodes 6A and 6B, that is, the installation position of the fixed electrodes 6A and 6B on the lower surface 20b of the insulating layer 20 is determined according to the acceleration detection range guaranteed by the capacitive sensor 1. Is done.

このように、物理量を加えた場合に変化する可動電極５のねじれ動作の中心位置に応じて、固定電極６Ａ，６Ｂの位置を決定すると、加えられる物理量に応じて検出される静電容量の直線性を高めることができるため精度よく物理量を検出することができる。 As described above, when the positions of the fixed electrodes 6A and 6B are determined according to the center position of the torsional operation of the movable electrode 5 that changes when a physical quantity is added, a straight line of capacitance detected according to the applied physical quantity. Therefore, the physical quantity can be detected with high accuracy.

また、絶縁層２０に設ける固定電極６と可動電極５との対向面積が増えれば、静電容量式センサ１で検出する物理量の検出感度を上げることができるため、図１３（ａ）に示すように、単純に可動電極５の大板部５ａ、小板部５ｂの長辺に沿った短冊形状とするのではなく、図１３（ｂ）に示すように、アンカ部３、ビーム部４を形成するにあたり設けた間隙１０を避けながら、この間隙１０の形状に沿うように固定電極６Ａ，６Ｂを、大板部５ａ、小板部５ｂに対向する絶縁層２０の下面２０ｂ上に形成して対向面積を稼ぐようにする。 Further, if the facing area between the fixed electrode 6 and the movable electrode 5 provided in the insulating layer 20 is increased, the detection sensitivity of the physical quantity detected by the capacitance sensor 1 can be increased, and as shown in FIG. In addition, the anchor portion 3 and the beam portion 4 are formed as shown in FIG. 13B, instead of simply forming a strip shape along the long sides of the large plate portion 5a and the small plate portion 5b of the movable electrode 5. The fixed electrodes 6A and 6B are formed on the lower surface 20b of the insulating layer 20 facing the large plate portion 5a and the small plate portion 5b so as to follow the shape of the gap 10 while avoiding the gap 10 provided for this purpose. Try to earn an area.

これにより、固定電極６Ａ，６Ｂにより規定される可動電極５との対向面積を最大限確保することができるため、当該静電容量式センサ１に加えられる物理量を非常に感度よく検出することができる。 As a result, the area facing the movable electrode 5 defined by the fixed electrodes 6A and 6B can be ensured to the maximum, so that the physical quantity applied to the capacitance sensor 1 can be detected with very high sensitivity. .

［第１の実施の形態の効果］
上述したように、本発明の第１の実施の形態として示す静電容量式センサ１は、単結晶シリコン基板である半導体層２を垂直エッチング加工することでアンカ部３、ビーム部４、可動電極５からなる当該可動電極５の可動機構を形成している。したがって、充分な厚みがある半導体層２を用いて可動電極５を形成することができる。 [Effect of the first embodiment]
As described above, the capacitive sensor 1 shown as the first embodiment of the present invention includes the anchor portion 3, the beam portion 4, and the movable electrode by vertically etching the semiconductor layer 2 that is a single crystal silicon substrate. A movable mechanism for the movable electrode 5 is formed. Therefore, the movable electrode 5 can be formed using the semiconductor layer 2 having a sufficient thickness.

これにより、可動電極５の質量を十分確保できることから、物理量に応じて大きく可動電極５が変位するため、静電容量の検出感度を向上させることができる。また、可動電極５の変位量が大きいことから検知ギャップを広く確保できるため可動電極５と、固定電極６が設けられた絶縁層２０とのスティッキングの発生を防止することができる。 Thereby, since the mass of the movable electrode 5 can be secured sufficiently, the movable electrode 5 is largely displaced according to the physical quantity, so that the capacitance detection sensitivity can be improved. In addition, since the displacement amount of the movable electrode 5 is large, a wide detection gap can be secured, so that sticking between the movable electrode 5 and the insulating layer 20 provided with the fixed electrode 6 can be prevented.

また、ＩＣＰを搭載したエッチング装置による垂直エッチング加工であることから、半導体層２を加工した加工面にテーパーが形成されるといったことがないため、デバイスサイズを小型化することができる。また、加工面にテーパーが形成されていないため、過大な物理量によりビーム部４と可動電極５とが接触したとしても必ず面接触となるため構造が欠けてしまうことなどを防止することができる。さらに、垂直エッチング加工されたエッチング面は、鏡面ではないため、面接触したとしてもスティッキングを発生してしまうこともない。 Further, since the vertical etching process is performed by an etching apparatus equipped with an ICP, a taper is not formed on the processed surface where the semiconductor layer 2 is processed, so that the device size can be reduced. Moreover, since the taper is not formed on the processed surface, even if the beam portion 4 and the movable electrode 5 are brought into contact with each other due to an excessive physical quantity, it is always in surface contact, so that it is possible to prevent the structure from being lost. Furthermore, since the etched surface that has been subjected to the vertical etching process is not a mirror surface, even if it comes into surface contact, sticking does not occur.

垂直エッチング加工をした場合には、エッチング処理された部位の断面形状が上下においてほぼ対称形状となるため、検出方向である主軸方向に対する他軸方向に感度を発生してしまうことを回避することができる。 When the vertical etching process is performed, the cross-sectional shape of the etched portion is substantially symmetrical in the vertical direction, so that it is possible to avoid the occurrence of sensitivity in the other axis direction with respect to the main axis direction which is the detection direction. it can.

さらに、本発明の第１の実施形態として示す静電容量式センサ１は、半導体層２を膜応力の少ない単結晶シリコン基板としているため容易な加工処理を実現することができる。 Furthermore, since the capacitive sensor 1 shown as the first embodiment of the present invention uses the semiconductor layer 2 as a single crystal silicon substrate with a small film stress, it is possible to realize easy processing.

［第２の実施の形態］
続いて、図１４，図１５を用いて、本発明の第２の実施の形態として示す静電容量式センサ３０の構成について説明する。第２の実施の形態として示す静電容量式センサ３０は、上述した第１の実施の形態として示す半導体層２の厚み方向である垂直方向の物理量を検出する静電容量式センサ１に、さらに半導体層２の面方向である水平方向の物理量を検出することができるように構成したものである。 [Second Embodiment]
Next, the configuration of the capacitive sensor 30 shown as the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The capacitive sensor 30 shown as the second embodiment is further replaced with the capacitive sensor 1 that detects the physical quantity in the vertical direction that is the thickness direction of the semiconductor layer 2 shown as the first embodiment. The configuration is such that a physical quantity in the horizontal direction that is the surface direction of the semiconductor layer 2 can be detected.

図１４は、静電容量式センサ３０の半導体層２を示した平面図である。図１４に示すように、半導体層２は、半導体基板に公知の半導体プロセスにより間隙１０を形成することで、垂直方向の物理量を検出する垂直方向検出部３０Ａと、水平方向の物理量を検出する水平方向検出部３０Ｂと、これらを囲むフレーム部７とが形成されている。なお、垂直方向検出部３０Ａは、静電容量式センサ１と全く同一の構成であるため、必要に応じて適宜説明をするものとし詳細な説明を省略する。 FIG. 14 is a plan view showing the semiconductor layer 2 of the capacitive sensor 30. As shown in FIG. 14, the semiconductor layer 2 includes a vertical direction detection unit 30 A that detects a physical quantity in the vertical direction and a horizontal direction that detects a physical quantity in the horizontal direction by forming a gap 10 in the semiconductor substrate by a known semiconductor process. A direction detection unit 30B and a frame unit 7 surrounding these are formed. Since the vertical direction detection unit 30A has the same configuration as that of the capacitive sensor 1, it will be described as appropriate as necessary, and detailed description thereof will be omitted.

間隙１０は、第１の実施の形態として示す静電容量式センサ１における間隙１０と同様に、反応性イオンエッチングなどにより垂直エッチング加工をすることで、間隙１０の側壁面を半導体層２の表面と垂直となるように形成される。このようにして、垂直エッチング加工により形成された間隙１０の側壁面同士は、互いに略平行に対向することになる。反応性イオンエッチングとしては、例えば、誘導結合型プラズマを備えたエッチング装置によるＩＣＰ加工を利用することができる。 Like the gap 10 in the capacitive sensor 1 shown as the first embodiment, the gap 10 is subjected to vertical etching by reactive ion etching or the like so that the side wall surface of the gap 10 becomes the surface of the semiconductor layer 2. And so as to be perpendicular to each other. Thus, the side wall surfaces of the gap 10 formed by the vertical etching process face each other substantially in parallel. As the reactive ion etching, for example, ICP processing using an etching apparatus equipped with inductively coupled plasma can be used.

図１４に示すように、水平方向検出部３０Ｂの半導体層２は、支持部３３、ビーム部３４、可動電極３５、固定電極３６とが形成されている。 As shown in FIG. 14, the semiconductor layer 2 of the horizontal direction detection unit 30 B includes a support unit 33, a beam unit 34, a movable electrode 35, and a fixed electrode 36.

図１５は、図１４のＤ−Ｄ線で半導体層２を切断するように静電容量式センサ３０を切断した様子を示した断面図である。図１５に示すように、静電容量式センサ３０は、この半導体層２の表裏両面にガラス基板などの絶縁層２０，２１を、例えば、陽極接合などをして接合することで形成される。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４２が形成されており、半導体層２各部の絶縁性や可動電極３５の動作性の確保が図られている。なお、本発明の第２の実施の形態では、水平方向検出部３０Ｂの半導体層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４２を設ける一方、水平方向検出部３０Ｂの半導体層２と絶縁層２１との接合面については、絶縁層２１側に凹部４２を設けている。 FIG. 15 is a cross-sectional view showing a state in which the capacitive sensor 30 is cut so as to cut the semiconductor layer 2 along the line DD in FIG. As shown in FIG. 15, the capacitive sensor 30 is formed by bonding insulating layers 20 and 21 such as a glass substrate to the front and back surfaces of the semiconductor layer 2 by, for example, anodic bonding. A relatively shallow recess 42 is formed on the bonding surface between the semiconductor layer 2 and the insulating layers 20 and 21, so that insulation of each part of the semiconductor layer 2 and operability of the movable electrode 35 are ensured. In the second embodiment of the present invention, the recess 42 is provided on the semiconductor layer 2 side of the joint surface between the semiconductor layer 2 and the insulating layer 20 of the horizontal direction detection unit 30B, while the horizontal direction detection unit 30B has About the joint surface of the semiconductor layer 2 and the insulating layer 21, the recessed part 42 is provided in the insulating layer 21 side.

図１４に示すように、支持部３３は、可動電極３５を介して可動電極３５の長辺側にそれぞれ１つずつ設けられ、可動電極３５の長辺に沿って平行に略一定幅で延設されている。このように設けられた１対の支持部３３は、一方が他方に較べ細く長くなっている。 As shown in FIG. 14, one support portion 33 is provided on each of the long sides of the movable electrode 35 via the movable electrode 35, and extends in a substantially constant width in parallel along the long side of the movable electrode 35. Has been. One of the pair of support portions 33 provided in this way is thinner and longer than the other.

各支持部３３には、可動電極３５に対向する側から、当該支持部３３の長辺と平行に、かつ中途で蛇行するように折れ曲がりながら中心に向けて伸びるビーム部３４が、それぞれ２本ずつ設けられている。図１４に示すように、ビーム部４の他端は、可動電極３５の隅部に接続されており、支持部３３に対して可動電極３５を弾性的に可動支持するバネ要素として機能する。 Each support portion 33 has two beam portions 34 extending from the side facing the movable electrode 35 toward the center while being bent so as to meander in the middle in parallel with the long side of the support portion 33. Is provided. As shown in FIG. 14, the other end of the beam portion 4 is connected to a corner portion of the movable electrode 35, and functions as a spring element that elastically moves and supports the movable electrode 35 with respect to the support portion 33.

これにより、水平方向検出部３０Ｂでは、可動電極３５に対し、バネ要素としてのビーム部３４、ビーム部３４に接続された支持部３３により支持される質量要素（マス）としての機能を与え、これらバネ要素と質量要素とによってバネ−マス系を構成している。このような水平方向検出部３０Ｂは、質量要素としての可動電極３５の位置変位による可動電極３５、固定電極３６間の静電容量の変化を検出する。そして、水平方向検出部３０Ｂは、検出された静電容量の変化をＣ−Ｖ変換することで得られる電圧波形から当該静電容量式センサ１に加えられた加速度を検出することができる。 Thereby, in the horizontal direction detection part 30B, the function as a mass element (mass) supported by the support part 33 connected to the beam part 34 as a spring element and the support part 33 with respect to the movable electrode 35 is given. A spring-mass system is constituted by the spring element and the mass element. Such a horizontal direction detection unit 30 B detects a change in capacitance between the movable electrode 35 and the fixed electrode 36 due to the displacement of the movable electrode 35 as a mass element. And the horizontal direction detection part 30B can detect the acceleration added to the said capacitive sensor 1 from the voltage waveform obtained by carrying out CV conversion of the change of the detected electrostatic capacitance.

具体的には、この静電容量の変化は、可動電極３５、固定電極３６にそれぞれ形成された櫛歯状の複数の検出可動電極３５ａ、検出固定電極３６ａからなる検出部３８Ａ，３８Ｂ（以下、総称する場合は、単に検出部３８と呼ぶ。）によって検出される。 Specifically, this change in capacitance is caused by detection units 38A and 38B (hereinafter, referred to as a plurality of comb-like detection movable electrodes 35a and detection fixed electrodes 36a formed on the movable electrode 35 and the fixed electrode 36, respectively). When collectively referred to, they are simply detected by the detection unit 38).

例えば、図１４に示すＹ軸方向に加速度が与えられると、可動電極５がＹ軸方向に変位し、検出部３８Ａの検出可動電極３５ａ、検出固定電極３６ａで検出される静電容量と、検出部３８Ｂの検出可動電極３５ａ、検出固定電極３６ａで検出される静電容量に差が生じる。この静電容量の差からＹ軸方向の加速度を検出することができる。 For example, when acceleration is applied in the Y-axis direction shown in FIG. 14, the movable electrode 5 is displaced in the Y-axis direction, and the capacitance detected by the detection movable electrode 35a and the detection fixed electrode 36a of the detection unit 38A is detected. There is a difference in the capacitance detected by the detection movable electrode 35a and the detection fixed electrode 36a of the part 38B. The acceleration in the Y-axis direction can be detected from the difference in capacitance.

図１４に示す固定電極３６の隅部３６ｂ上には、絶縁層２０をサンドブラスト加工等によって貫通させた貫通孔２４を形成する。そして、貫通孔２４を介して露出された半導体層２、貫通孔２４の内周面、絶縁層２０の表面２０ａにかけて金属薄膜などを成膜することで固定電極３６の電位を絶縁層２０上で取り出せるようにしている。 On the corner 36b of the fixed electrode 36 shown in FIG. 14, a through hole 24 is formed through the insulating layer 20 by sandblasting or the like. Then, a metal thin film or the like is formed on the semiconductor layer 2 exposed through the through hole 24, the inner peripheral surface of the through hole 24, and the surface 20 a of the insulating layer 20, so that the potential of the fixed electrode 36 is set on the insulating layer 20. It can be taken out.

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。 The surface of the insulating layer 20 is preferably covered (molded) with a resin layer (not shown).

一方、可動電極３５の電位は、当該可動電極３５をビーム部３４を介して支持する支持部３３から取り出すようにする。図１４に示す可動電極３５に対して上側に配置された支持部３３には、絶縁層２０をサンドブラスト加工等によって貫通させた貫通孔を形成する。そして、貫通孔２４を介して露出された半導体層２、貫通孔２４の内周面、絶縁層２０の表面２０ａにかけて金属薄膜などを成膜することで可動電極３５の電位を絶縁層２０上で取り出せるようにしている。 On the other hand, the potential of the movable electrode 35 is taken out from the support portion 33 that supports the movable electrode 35 via the beam portion 34. In the support portion 33 arranged on the upper side with respect to the movable electrode 35 shown in FIG. 14, a through hole is formed through the insulating layer 20 by sandblasting or the like. Then, a metal thin film or the like is formed on the semiconductor layer 2 exposed through the through hole 24, the inner peripheral surface of the through hole 24, and the surface 20 a of the insulating layer 20, so that the potential of the movable electrode 35 is set on the insulating layer 20. It can be taken out.

［検出部３８の構成］
続いて、図１６に示す水平方向検出部３０Ｂの検出部３８を中心に可動電極３５、固定電極３６を拡大した平面図を用いて、検出部３８の詳細な構成について説明をする。 [Configuration of Detection Unit 38]
Next, a detailed configuration of the detection unit 38 will be described using a plan view in which the movable electrode 35 and the fixed electrode 36 are enlarged with the detection unit 38 of the horizontal direction detection unit 30B shown in FIG. 16 as the center.

図１６に示すように、可動電極３５には、その中央部から固定電極３６の電極支持部３６ｃに向けてその辺と略垂直に細長く伸びる帯状の検出可動電極３５ａが形成されている。検出可動電極３５ａは、所定のピッチで、互いに平行となるように櫛歯状に複数形成される。また、各検出可動電極３５ａは、先端部が互いに平行に、同一の長さとなるように揃えられている。 As shown in FIG. 16, the movable electrode 35 is formed with a strip-shaped detection movable electrode 35 a that extends from the center portion toward the electrode support portion 36 c of the fixed electrode 36 in an elongated manner substantially perpendicular to the side. A plurality of detection movable electrodes 35a are formed in a comb shape so as to be parallel to each other at a predetermined pitch. In addition, the detection movable electrodes 35a are aligned so that the tip portions are parallel to each other and have the same length.

一方、固定電極３６には、電極支持部３６ｃから可動電極３５の中央部に向けて、検出可動電極３５ａと平行に細長く伸びる帯状の検出固定電極３６ａが形成されている。検出固定電極３６ａは、上述した櫛歯状の複数の検出可動電極３５ａの間に、検出可動電極３５ａと１対１で平行に対向するように、所定のピッチ（例えば、検出可動電極３５ａと同一のピッチ）で櫛歯状に複数形成される。また、各検出固定電極３６ａは、検出可動電極３５ａに対応させて同一の長さとなるように揃えられ、検出可動電極３５ａ、検出固定電極３６ａ同士が相互に対向する対向面の対向面積をできるだけ広く確保できるようにしてある。 On the other hand, the fixed electrode 36 is formed with a band-shaped detection fixed electrode 36a extending from the electrode support portion 36c toward the center of the movable electrode 35 in an elongated manner in parallel with the detection movable electrode 35a. The detection fixed electrode 36a has a predetermined pitch (for example, the same as the detection movable electrode 35a) so as to face the detection movable electrode 35a in a one-to-one parallel relationship between the plurality of comb-shaped detection movable electrodes 35a. Are formed in a comb-teeth shape. In addition, each detection fixed electrode 36a is aligned so as to have the same length corresponding to the detection movable electrode 35a, and the opposing area of the opposing surface where the detection movable electrode 35a and the detection fixed electrode 36a face each other is made as wide as possible. It can be secured.

図１６に示すように、検出可動電極３５ａ、検出固定電極３６ａを形成する上で設けられた間隙１０は、一方側で狭い間隙１０ａ、他方側で広い間隙１０ｂとなっている。検出部３８は、狭い側の間隙１０ａを検知ギャップ（電極ギャップ）として検出可動電極３５ａ、検出固定電極３６ａ間の静電容量を検出する。 As shown in FIG. 16, the gap 10 provided for forming the detection movable electrode 35a and the detection fixed electrode 36a is a narrow gap 10a on one side and a wide gap 10b on the other side. The detection unit 38 detects the electrostatic capacitance between the detection movable electrode 35a and the detection fixed electrode 36a using the narrow gap 10a as a detection gap (electrode gap).

なお、図１４に示すように、可動電極３５の表面上の適宜位置には、垂直方向検出部３０Ａの可動電極５に設けたストッパ１３と全く同一のストッパ１３を設け、可動電極３５が絶縁層２０に直接的に接触（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を電位取出部８の下敷層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。 As shown in FIG. 14, at the appropriate position on the surface of the movable electrode 35, the stopper 13 exactly the same as the stopper 13 provided on the movable electrode 5 of the vertical direction detection unit 30A is provided, and the movable electrode 35 is an insulating layer. However, if the stopper 13 is formed of the same material as the underlying layer 27 of the potential extraction portion 8 in the same process, Compared with the case where these are separately formed, the manufacturing labor is reduced, and the manufacturing cost can be reduced.

［半導体層２側の凹部４２の形成］
ところで、図１４を用いて説明したように、水平方向検出部３０Ｂでは、半導体層２と絶縁層２０との接合面は、半導体層２側に凹部４２を設けるようにしている。 [Formation of the recess 42 on the semiconductor layer 2 side]
Incidentally, as described with reference to FIG. 14, in the horizontal direction detection unit 30 B, the bonding surface between the semiconductor layer 2 and the insulating layer 20 is provided with a recess 42 on the semiconductor layer 2 side.

凹部４２は、半導体層２を絶縁層２０に接合し、間隙１０を形成する前段において、ウェットエッチングやドライエッチングといった種々のエッチング処理により形成しておく。このようにして半導体層２をエッチング処理により削り取ることにより凹部４２を形成した後、ガラス基板である絶縁層２０を接合させ、垂直エッチング加工をすることで、間隙１０を形成する。 The recess 42 is formed by various etching processes such as wet etching and dry etching before the gap between the semiconductor layer 2 and the insulating layer 20 is formed. In this way, after the semiconductor layer 2 is etched away to form the recess 42, the insulating layer 20 which is a glass substrate is joined, and the gap 10 is formed by vertical etching.

このとき、図１５に示すように、垂直方向検出部３０Ａのアンカ部３、ビーム部４、可動電極５が形成された半導体層２の厚みｈ１と、水平方向検出部３０Ｂのビーム部３４、可動電極３５、固定電極３６が形成された半導体層２の厚みｈ２とを全て同一にする。 At this time, as shown in FIG. 15, the thickness h1 of the semiconductor layer 2 on which the anchor portion 3, the beam portion 4, and the movable electrode 5 of the vertical direction detection portion 30A are formed, and the beam portion 34 of the horizontal direction detection portion 30B are movable. The semiconductor layer 2 on which the electrode 35 and the fixed electrode 36 are formed has the same thickness h2.

このように、厚みｈ１と、厚みｈ２とを同一の厚さとすると、凹部４２を形成する工程と、垂直方向検出部３０Ａにおいて検知ギャップを規定する凹部２２を形成する工程とを同一工程にて形成することができる。また、厚みｈ１と、厚みｈ２とを同一の厚さとすると、間隙１０を形成する際の垂直エッチング加工において、貫通エッチング量を一定に保つことができるためエッチング時間が同じになりオーバーエッチングを防止することができる。 As described above, when the thickness h1 and the thickness h2 are the same, the step of forming the recess 42 and the step of forming the recess 22 defining the detection gap in the vertical direction detection unit 30A are formed in the same step. can do. Further, if the thickness h1 and the thickness h2 are the same, in the vertical etching process when the gap 10 is formed, the amount of through etching can be kept constant, so that the etching time is the same and overetching is prevented. be able to.

［間隙１０の幅］
また、図１４に示す垂直方向検出部３０Ａのビーム部４を形成するために貫通させる間隙１０の幅ｗ１と、図１６に示す水平方向検出部３０Ｂの検出部３８の検知ギャップである間隙１０ａの幅ｗ２とを同一にする。 [Width of gap 10]
Further, the width w1 of the gap 10 that is penetrated to form the beam portion 4 of the vertical direction detection unit 30A shown in FIG. 14 and the gap 10a that is the detection gap of the detection unit 38 of the horizontal direction detection unit 30B shown in FIG. The width w2 is the same.

このように、間隙１０の幅ｗ１と、間隙１０ａの幅ｗ２とを同一の幅とすると、垂直エッチング加工時のエッチング速度を均一化することができる。したがって、垂直エッチング加工によるエッチング処理後に形成される各部位の形状ばらつきを大幅に低減させることができる。 As described above, when the width w1 of the gap 10 and the width w2 of the gap 10a are the same, the etching rate during the vertical etching process can be made uniform. Accordingly, it is possible to significantly reduce the shape variation of each part formed after the etching process by the vertical etching process.

特に、垂直方向検出部３０Ａのビーム部４は、ねじれ動作を伴うため当該ビーム部４の幅のばらつきが検出感度に悪影響を与えてしまう。したがって、間隙１０の幅ｗ１と、間隙１０ａの幅ｗ２とを同一の幅とし、形状ばらつきを低減させることで、垂直方向検出部３０Ａの検出感度を向上させることができる。 In particular, since the beam portion 4 of the vertical direction detection unit 30A is accompanied by a twisting operation, variations in the width of the beam unit 4 adversely affect the detection sensitivity. Therefore, the detection sensitivity of the vertical direction detection unit 30A can be improved by setting the width w1 of the gap 10 and the width w2 of the gap 10a to the same width and reducing the variation in shape.

［ビーム部４、ビーム部３４の幅］
さらに、図１５に示す垂直方向検出部３０Ａのビーム部４の幅ｗ３と、水平方向検出部３０Ｂのビーム部３４の幅ｗ４とを同一にする。 [Width of beam part 4 and beam part 34]
Further, the width w3 of the beam unit 4 of the vertical direction detection unit 30A shown in FIG.

このように、ビーム部４の幅ｗ３と、ビーム部３４の幅ｗ４とを同一の幅とすると、垂直エッチング加工をする際のオーバーエッチングの管理が容易になる。また、ビーム部４の幅ｗ３と、ビーム部３４の幅ｗ４とを同一の幅とすると、半導体プロセスが終了した後に行われるデバイスの画像認識などによる外観検査を容易なものとすることができる。 As described above, when the width w3 of the beam portion 4 and the width w4 of the beam portion 34 are set to the same width, it becomes easy to manage over-etching when performing vertical etching. Further, when the width w3 of the beam portion 4 and the width w4 of the beam portion 34 are set to the same width, it is possible to facilitate an appearance inspection such as device image recognition performed after the semiconductor process is completed.

［第２の実施の形態の別な構成］
第２の実施の形態として示す静電容量式センサ３０は、図１７に示すような構成とすることもできる。図１７に示す静電容量式センサ３０は、垂直方向検出部３０Ａの可動電極５を、水平方向検出部３０Ｂを囲むような枠形状としている。 [Another configuration of the second embodiment]
The capacitive sensor 30 shown as the second embodiment can be configured as shown in FIG. In the capacitive sensor 30 shown in FIG. 17, the movable electrode 5 of the vertical direction detection unit 30A has a frame shape surrounding the horizontal direction detection unit 30B.

具体的には、可動電極５の大板部５ａを縮小し質量を減らし、この縮小した大板部５ａから水平方向検出部３０Ｂの固定電極３６の電極支持部３６ｃの長手方向に沿って平行に伸びる２本の腕部５ｄと、腕部５ｄとを接続する接続部５ｅによって水平方向検出部３０Ｂが囲まれることになる。 Specifically, the large plate portion 5a of the movable electrode 5 is reduced to reduce the mass, and the reduced large plate portion 5a is parallel to the longitudinal direction of the electrode support portion 36c of the fixed electrode 36 of the horizontal direction detection unit 30B. The horizontal direction detection unit 30B is surrounded by the two extending arm portions 5d and the connection portion 5e that connects the arm portions 5d.

このように、水平方向検出部３０Ｂを囲むように可動電極５を形成すると、ねじれ動作の中心となるビーム部４から遠い質量成分である腕部５ｄ、接続部５ｅにより慣性モーメントを稼ぐことができるため、大板部５ａを縮小して質量を減らしたとしても充分な検出感度を確保、さらには検出感度を向上させることができる。また、垂直方向検出部３０Ａ、水平方向検出部３０Ｂとを効率的に配置することができるため、静電容量式センサ３０を小型化することができるという利点もある。 In this way, when the movable electrode 5 is formed so as to surround the horizontal direction detection unit 30B, the moment of inertia can be gained by the arm portion 5d and the connection portion 5e which are mass components far from the beam portion 4 serving as the center of the twisting operation. Therefore, even if the large plate portion 5a is reduced to reduce the mass, sufficient detection sensitivity can be ensured, and further the detection sensitivity can be improved. In addition, since the vertical direction detection unit 30A and the horizontal direction detection unit 30B can be efficiently arranged, there is an advantage that the capacitive sensor 30 can be reduced in size.

［第２の実施の形態の効果］
このように、本発明の第２の実施の形態として示す静電容量式センサ３０は、同一の半導体層２に、半導体層２の厚み方向の物理量を検出する垂直方向検出部３０Ａと、半導体層２の面方向の物理量を検出する水平方向検出部３０Ｂとが、垂直エッチング加工により形成されている。 [Effect of the second embodiment]
As described above, the capacitive sensor 30 shown as the second embodiment of the present invention includes a vertical direction detection unit 30A that detects a physical quantity in the thickness direction of the semiconductor layer 2 on the same semiconductor layer 2, and a semiconductor layer. A horizontal direction detection unit 30B that detects a physical quantity in the surface direction of 2 is formed by vertical etching.

例えば、それぞれ１軸方向の物理量を検出するセンサを単純に２つ配置するなどして互いに垂直な他軸方向の物理量を検出するようにしたセンサなどでは、実装時の位置ずれや、実装浮きなどにより２軸間の直角性を損なってしまうが、本発明の第２の実施の形態として示す静電容量式センサ３０では、互いの検知軸の直角性を高い精度で確保できるため、非常に高い精度で双方の物理量を検出することができる。 For example, in sensors that detect physical quantities in the other axis direction that are perpendicular to each other by simply disposing two sensors that detect physical quantities in one axis direction, for example, misalignment during mounting, mounting float, etc. However, in the capacitive sensor 30 shown as the second embodiment of the present invention, the perpendicularity of the detection axes can be ensured with high accuracy, so it is very high. Both physical quantities can be detected with accuracy.

また、同一のプロセスで垂直方向検出部３０Ａと、水平方向検出部３０Ｂとを形成できるため、製造プロセスの削減から製造コストを低減することができるとともに、形状を小型化することもできる。 In addition, since the vertical direction detection unit 30A and the horizontal direction detection unit 30B can be formed by the same process, the manufacturing cost can be reduced from the reduction of the manufacturing process, and the shape can be reduced in size.

また、垂直方向検出部３０Ａのアンカ部３、ビーム部４、可動電極５が形成された半導体層２の厚みｈ１と、水平方向検出部３０Ｂのビーム部３４、可動電極３５、固定電極３６が形成された半導体層２の厚みｈ２とを全て同一にしているため、製造された静電容量式センサ３０の垂直方向検出部３０Ａ、水平方向検出部３０Ｂの感度などの特性にばらつきがあった場合には、単結晶シリコン基板を切り出す前の単結晶シリコンウェハそのものにばらつきが存在すると判断することができる。 Further, the thickness h1 of the semiconductor layer 2 on which the anchor portion 3, the beam portion 4, and the movable electrode 5 of the vertical direction detection portion 30A are formed, and the beam portion 34, the movable electrode 35, and the fixed electrode 36 of the horizontal direction detection portion 30B are formed. Since the thickness h2 of the formed semiconductor layer 2 is all the same, when the characteristics such as the sensitivity of the vertical direction detection unit 30A and the horizontal direction detection unit 30B of the manufactured capacitive sensor 30 vary. It can be determined that there is variation in the single crystal silicon wafer itself before cutting out the single crystal silicon substrate.

したがって、製造された静電容量式センサ３０の性能から、単結晶シリコンウェハの製造ばらつきなどの特性をつかみやすく、単結晶シリコンウェハの製造プロセスに異常が発生した場合には迅速に発見することができ品質向上を実現できる。 Therefore, characteristics such as manufacturing variations of single crystal silicon wafers can be easily grasped from the performance of the manufactured capacitive sensor 30, and if an abnormality occurs in the manufacturing process of the single crystal silicon wafer, it can be quickly detected. Quality improvement.

また、垂直方向検出部３０Ａ、水平方向検出部３０Ｂを一体で形成し、厚みを一定とすることで、全体的な重量バランスを確保できるため、垂直方向、水平方向の物理量を混在して検出するセンサでありながら、実装浮きを大幅に低減することができるため、他軸感度を向上させることができる。 Further, since the overall weight balance can be ensured by forming the vertical direction detection unit 30A and the horizontal direction detection unit 30B integrally and keeping the thickness constant, the physical quantity in the vertical direction and the horizontal direction are mixedly detected. Although it is a sensor, the mounting float can be significantly reduced, so that the other-axis sensitivity can be improved.

なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施の形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。 The above-described embodiment is an example of the present invention. For this reason, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and according to the design or the like, as long as the technical idea according to the present invention is not deviated from other embodiments. Of course, various modifications are possible.

本発明の第１の実施の形態として示す静電容量式センサの半導体層の構成について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of the semiconductor layer of the electrostatic capacitance type sensor shown as the 1st Embodiment of this invention. 前記静電容量式センサを図１に示すＡ−Ａ線で切断した様子について説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating a mode that the said capacitive type sensor was cut | disconnected by the AA line shown in FIG. 前記静電容量式センサを図１に示すＢ−Ｂ線で切断した様子について説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating a mode that the said capacitive type sensor was cut | disconnected by the BB line | wire shown in FIG. 前記静電容量式センサのビーム部の断面形状について説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the cross-sectional shape of the beam part of the said electrostatic capacitance type sensor. 前記静電容量式センサにおける静電容量の検出原理について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the detection principle of the electrostatic capacitance in the said electrostatic capacitance type sensor. 前記静電容量式センサが備える固定電極の電位取出部の構成について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of the electric potential extraction part of the fixed electrode with which the said electrostatic capacitance type sensor is provided. 前記静電容量式センサの半導体層に形成する凹部について説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the recessed part formed in the semiconductor layer of the said capacitive sensor. 前記静電容量式センサの半導体層の凹部を結晶異方性エッチングにより形成した様子を示した断面図である。It is sectional drawing which showed a mode that the recessed part of the semiconductor layer of the said electrostatic capacitance type sensor was formed by crystal anisotropic etching. 前記静電容量式センサをＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて形成することについて説明するための図である。It is a figure for demonstrating forming the said capacitive type sensor using a SOI (Silicon On Insulator) board | substrate. 前記静電容量式センサの可動電極がねじれ動作をせずに垂直方向へと位置変位した様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the movable electrode of the said electrostatic capacitance type sensor displaced the position to the orthogonal | vertical direction, without performing twisting operation | movement. 前記静電容量式センサの固定電極の設置位置について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the installation position of the fixed electrode of the said electrostatic capacitance type sensor. 前記静電容量式センサの可動電極を動作させるねじれ動作の中心がずれることについて示した図である。It is the figure shown about the center of the twist operation | movement which operates the movable electrode of the said electrostatic capacitance type sensor shifting | deviating. 前記静電容量式センサの固定電極の形状について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the shape of the fixed electrode of the said electrostatic capacitance type sensor. 本発明の第２の実施の形態として示す静電容量式センサの半導体層の構成について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of the semiconductor layer of the electrostatic capacitance type sensor shown as the 2nd Embodiment of this invention. 前記静電容量式センサを図１４に示すＤ−Ｄ線で切断した様子について説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating a mode that the said capacitive type sensor was cut | disconnected by the DD line | wire shown in FIG. 前記静電容量式センサの水平方向検出部が備える検出部の詳細な構成について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the detailed structure of the detection part with which the horizontal direction detection part of the said electrostatic capacitance type sensor is provided. 前記静電容量式センサの可動電極の別な形状について説明するための図である。It is a figure for demonstrating another shape of the movable electrode of the said electrostatic capacitance type sensor.

Explanation of symbols

１静電容量式センサ
２半導体層
３アンカ部
４ビーム部
５可動電極
５ａ大板部
５ｂ小板部
６固定電極
６Ａ固定電極
６Ｂ固定電極
１０間隙
１０ａ間隙
１０ｂ間隙
２０絶縁層
２１絶縁層
２２凹部
３０静電容量式センサ
３０Ａ垂直方向検出部
３０Ｂ水平方向検出部
３５可動電極
３５ａ検出可動電極
３６固定電極
３６ａ検出固定電極
４０基板
４０ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板
４２凹部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Capacitance type sensor 2 Semiconductor layer 3 Anchor part 4 Beam part 5 Movable electrode 5a Large plate part 5b Small plate part 6 Fixed electrode 6A Fixed electrode 6B Fixed electrode 10 Gap 10a Gap 10b Gap 20 Insulating layer 21 Insulating layer 22 Recessed part 30 Capacitance sensor 30A Vertical direction detection unit 30B Horizontal direction detection unit 35 Movable electrode 35a Detection movable electrode 36 Fixed electrode 36a Detection fixed electrode 40 Substrate 40 SOI (Silicon On Insulator) substrate 42 Recess

Claims

A first movable electrode that is movably supported by the fixed portion of the semiconductor layer through the beam portion so as to have an asymmetric mass balance and that operates in accordance with a displacement of a physical quantity in the thickness direction of the semiconductor layer, and supports the semiconductor layer The first fixed electrodes formed on the support substrate are arranged to face each other with a gap between them, and the capacitance detected according to the size of the gap between the first movable electrode and the first fixed electrode. In a capacitive sensor comprising a first detector that detects a physical quantity based on
The semiconductor layer is a single crystal silicon layer,
The single crystal silicon layer is vertically etched and formed into a rectangular shape in plan view, and the fixed portion formed inside a frame portion provided in a frame shape with a constant width along the four peripheral edges of the semiconductor layer. A movable mechanism of the first movable electrode comprising a first portion, a beam portion, and the first movable electrode, the fixed portion having a columnar shape having a rectangular cross section, and the beam portion extending from both ends of the fixed portion to the frame portion. The beam extends in a direction along the long side and has a rectangular cross section that is long in the thickness direction of the capacitive sensor, and the first movable electrode is formed so as to surround the fixed portion and the beam portion with a gap therebetween. It consists of a rectangular small plate portion as well as a rectangular large plate portion, and the large plate portion and the small plate portion are provided on both sides of the fixed portion and the beam portion and a pair of connections along the short side of the frame portion Through each other Are continued, is constituted by connecting the beam portion in a central portion of the connecting portion,
The first fixed electrode is independent of a small plate portion, which is a member with a small mass of the first movable electrode, and a large plate portion, which is a member with a large mass. The small plate portion-facing first fixed electrode and the large plate portion-facing first fixed electrode are arranged opposite to each other, and both of the small plate portion-facing first fixed electrode and the large plate portion-facing first fixed electrode are fixed as described above. A rectangular shape in plan view having irregularities along the shape of the gap while avoiding the gap formed on the outside of the fixed portion and the beam portion provided when forming the portion and the beam portion in the semiconductor layer. And
Further, on the basis of a state in which the beam portion is symmetrically disposed with respect to the axis of symmetry, the small plate portion facing first fixed electrode is disposed away from the beam portion, and the large plate portion facing first fixed electrode is The capacitive sensor is disposed on the support substrate so as to be close to the beam portion.

2. The electrostatic according to claim 1, wherein a recess is formed on a surface of the semiconductor layer facing the support substrate, including a region facing the first fixed electrode formed on the support substrate. Capacitive sensor.

The capacitive sensor according to claim 2, wherein the recess is formed by crystal anisotropic etching.

Using an SOI (Silicon On Insulator) substrate having a structure in which an intermediate oxide film is inserted between a silicon support substrate and a silicon active layer,
The capacitive sensor according to claim 1, wherein the semiconductor layer is a silicon active layer of the SOI substrate.

The capacitance type sensor according to claim 1, wherein a thickness of the beam portion is larger than a width of the beam portion.

The capacitance type sensor according to claim 5, wherein a thickness of the first movable electrode and a thickness of the beam portion are each 10 μm or more.

The capacitance type sensor according to claim 5, wherein the thickness of the beam portion is 3.16 times or more the width of the beam portion.

In addition to the first detection unit that detects a physical quantity in the vertical direction that is the thickness direction of the semiconductor layer, a first physical unit that detects a physical quantity in the horizontal direction that is the surface direction of the semiconductor layer is detected on the same semiconductor layer as the first detection unit. 2 detectors are provided,
Wherein the second detection portion, said support portion provided on the semiconductor layer to the movable support through a beam portion, and a second movable electrode that operates according to the displacement in the planar direction of the physical quantity of said semiconductor layer, said semiconductor through mutually the gap a and the second movable electrode is formed by a layer composed of the second fixed electrode to face each, depending on the size of the gap between the second fixed electrode and the second movable electrode The capacitance type sensor according to claim 1, wherein a physical quantity in a surface direction of the semiconductor layer is detected based on a detected capacitance.

The capacitance type sensor according to claim 8, wherein the thickness of the semiconductor layer of the first detection unit is the same as the thickness of the semiconductor layer of the second detection unit.

The capacitive sensor according to claim 8, wherein the thickness of the beam portion of the first detection unit is the same as the thickness of the beam unit of the second detection unit.

The capacitance type sensor according to claim 8, wherein the width of the beam section of the first detection unit is the same as the width of the beam section of the second detection unit.

A gap provided by vertical etching in forming the beam portion of the first detection unit;
The capacitive sensor according to claim 8, wherein a gap provided when the second movable electrode and the second fixed electrode of the second detection unit are arranged to face each other is the same.

The capacitance type sensor according to claim 8, wherein the first movable electrode of the first detection unit has a shape surrounding the periphery of the second detection unit.