(57)【要約】【課題】検出精度を向上させることが可能な力学量検出素子、及びその製造方法を提供すること。【解決手段】支持基板に対して振動可能な可動構造体と、前記可動構造体を駆動方向に振動させる駆動用電極と、前記可動構造体の変位を検出する検出用電極と、を有し、前記検出用電極により検出された変位に基づき力学量を検出する力学量検出素子であって、前記可動構造体は、少なくとも前記駆動用電極に対向する部位と、前記検出用電極に対向する部位とが電気的に絶縁されており、且つ該絶縁箇所において物理的には分離していないことを特徴とする、力学量検出素子。【選択図】図１
2010181207.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板に対して振動可能な可動構造体と、
前記可動構造体を駆動方向に振動させる駆動用電極と、
前記可動構造体の変位を検出する検出用電極と、を有し、
前記検出用電極により検出された変位に基づき力学量を検出する力学量検出素子であって、
前記可動構造体は、少なくとも前記駆動用電極に対向する部位と、前記検出用電極に対向する部位とが電気的に絶縁されており、且つ該絶縁箇所において物理的には分離していないことを特徴とする、
力学量検出素子。
【請求項２】
支持基板に対して振動可能な可動構造体と、
前記可動構造体を駆動方向に振動させる駆動用電極と、
前記可動構造体の変位を検出する検出用電極と、を有し、
前記検出用電極により検出された変位に基づき力学量を検出する力学量検出素子であって、
前記可動構造体は、
前記可動構造体の駆動方向と検出方向の双方を含む平面について、略左右対称形状で形成されており、
左側の部位と右側の部位が電気的に絶縁されており、且つ該絶縁箇所において物理的には分離していないことを特徴とする、
力学量検出素子。
【請求項３】
支持基板に対して振動可能な可動構造体と、前記可動構造体を駆動方向に振動させる駆動用電極と、前記可動構造体の変位を検出する検出用電極と、を有する力学量検出素子の製造方法であって、
活性層、犠牲層、支持基板が順に積層されたＳＯＩウエハにおいて、前記活性層を前記可動構造体のパターンに加工する第１の工程と、
前記犠牲層をエッチングし、前記可動構造体を、前記支持基板から分離する第２の工程と、
熱酸化により前記可動構造体の表面に酸化膜を形成する第３の工程と、を有し、
前記第１の工程において、前記可動構造体に形成されるべき絶縁箇所を、前記第３の工程で完全に酸化膜となる程度の厚みを有するメッシュ構造とすることを特徴とする、
力学量検出素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、励振振動と異なる方向における可動構造体の振動を検出して力学量を検出する力学量検出素子、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＳＯＩ基板等を加工することにより、支持基板に対して振動可能な可動構造体が形成された力学量検出素子が知られている。このような力学量検出素子は、ＭＥＭＳセンサと称されることもある。典型的な力学量検出素子として、与えられた励振振動と異なる方向における可動構造体の振動を容量変化により検出して、角速度を検出するものが挙げられる。
【０００３】
これに関連した加速度角速度センサについての発明が開示されている（例えば、特許文献１参照）。このセンサでは、駆動方向及び検出方向に変位可能な構成とされると共に、互いに対称となるよう対向配置された第１及び第２の振動子を有し、これらの振動子を駆動方向に駆動させ、振動子内に配設されて振動子の検出方向における変位に基づいて加速度や角速度を検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１４７２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記加速度角速度センサを含めた従来の力学量検出素子においては、可動構造体が物理的に一繋がりである必要があるため、駆動用電極によって印加された電圧が検出用電極においてノイズとして検出されてしまい、Ｓ／Ｎ比が悪化するという不都合が生じうる。図２（Ａ）は係る不都合が生じる様子を模式的に示す図である。
【０００６】
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、検出精度を向上させることが可能な力学量検出素子、及びその製造方法を提供することを、主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明の第１の態様は、
支持基板に対して振動可能な可動構造体と、
前記可動構造体を駆動方向に振動させる駆動用電極と、
前記可動構造体の変位を検出する検出用電極と、を有し、
前記検出用電極により検出された変位に基づき力学量を検出する力学量検出素子であって、
前記可動構造体は、少なくとも前記駆動用電極に対向する部位と、前記検出用電極に対向する部位とが電気的に絶縁されており、且つ該絶縁箇所において物理的には分離していないことを特徴とする、
力学量検出素子である。
【０００８】
この本発明の第１の態様によれば、少なくとも駆動用電極に対向する部位と、検出用電極に対向する部位とが電気的に絶縁されており、且つ絶縁箇所において物理的には分離していないため、検出精度を向上させることができ、また駆動用電極によって与えられた変位を可動構造体全体に伝達することができる。
【０００９】
本発明の第２の態様は、
支持基板に対して振動可能な可動構造体と、
前記可動構造体を駆動方向に振動させる駆動用電極と、
前記可動構造体の変位を検出する検出用電極と、を有し、
前記検出用電極により検出された変位に基づき力学量を検出する力学量検出素子であって、
前記可動構造体は、
前記可動構造体の駆動方向と検出方向の双方を含む平面について、略左右対称形状で形成されており、
左側の部位と右側の部位が電気的に絶縁されており、且つ該絶縁箇所において物理的には分離していないことを特徴とする、
力学量検出素子である。
【００１０】
本発明の第２の態様によれば、可動構造体が略左右対称形状で形成されており、左側の部位と右側の部位が電気的に絶縁されており、且つ絶縁箇所において物理的には分離していないため、可動構造体の左右のそれぞれの電気的特性を測定でき、可動構造体の左右のバランス（質量バランス、サイズのバランス等をいう）を定量的に測定することができる。なお、「左右対称」を「上下対称」と換言しても同じであることは勿論である。
【００１１】
本発明の第３の態様は、
支持基板に対して振動可能な可動構造体と、前記可動構造体を駆動方向に振動させる駆動用電極と、前記可動構造体の変位を検出する検出用電極と、を有する力学量検出素子の製造方法であって、
活性層、犠牲層、支持基板が順に積層されたＳＯＩウエハにおいて、前記活性層を前記可動構造体のパターンに加工する第１の工程と、
前記犠牲層をエッチングし、前記可動構造体を、前記支持基板から分離する第２の工程と、
熱酸化により前記可動構造体の表面に酸化膜を形成する第３の工程と、を有し、
前記第１の工程において、前記可動構造体に形成されるべき絶縁箇所を、前記第３の工程で完全に酸化膜となる程度の厚みを有するメッシュ構造とすることを特徴とする、
力学量検出素子の製造方法である。
【００１２】
本発明の第３の態様によれば、可動構造体に絶縁箇所が形成された力学量検出素子を製造することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、検出精度を向上させることが可能な力学量検出素子、及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施例に係る力学量検出素子１の上面視を示す図である。
【図２】本発明の第１実施例に係る力学量検出素子１を、従来構造の素子と比較した模式図である。
【図３】低抵抗シリコンで形成された活性層、ＳｉＯ２で形成された犠牲層（犠牲酸化膜）、シリコンで形成された支持基板が順に積層されたＳＯＩ基板を示す断面図である。
【図４】活性層を可動構造体１０のパターンに加工する様子を示す図である。
【図５】活性層を可動構造体１０のパターンに加工する工程を行なった後のＳＯＩウエハの断面図である。
【図６】犠牲層をエッチングして可動構造体１０を支持基板から分離した後のＳＯＩウエハの断面図である。
【図７】熱酸化によりシリコン表面にＳｉＯ２層を形成する様子を示す図である。
【図８】配線パターンを熱酸化した場合について示す図である。
【図９】本発明の第２実施例に係る力学量検出素子２の上面視を示す図である。
【図１０】本発明の第２実施例に係る力学量検出素子２を模式的に示す図である。
【図１１】素子の変形をシミュレートし、応力のかかりにくい箇所に可動構造体絶縁部を形成する様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しながら実施例を挙げて説明する。
【実施例】
【００１６】
＜第１実施例＞
［構成］
以下、図面を参照し、本発明の第１実施例に係る力学量検出素子１について説明する。力学量検出素子１は、例えば角速度や加速度を検出するために用いられる素子である。
【００１７】
図１は、本発明の第１実施例に係る力学量検出素子１の上面視を示す図である。力学量検出素子１は、可動構造体１０と、駆動用電極２０〜２７と、駆動モニタ電極３０〜３３と、検出用電極４０〜４７と、可動構造体絶縁部５０〜６１と、を有する。可動構造体１０は、紙面の裏側方向に存在する図示しない支持基板上に浮かぶように形成されており、固定部（符号省略）によって梁構造（図中、直線状の部分で示している）を介して支持されている。
【００１８】
可動構造体１０と固定部を接続する梁構造は、支持基板方向（紙面の表側から裏側に向かう方向）にある程度の幅を有する平板構造であり、可動構造体１０が固定部に対して、駆動方向（紙面左右方向）には変位可能であるが支持基板方向には変位できないように支持している。なお、以下で説明する梁構造も同様の形状を有している。
【００１９】
可動構造体１０は、主要な構造体が、右側上部、右側中央部、右側下部、左側上部、左側中央部、左側下部に分類される。
【００２０】
可動構造体１０の右側上部と右側中央部、右側中央部と右側下部、左側上部と左側中央部、左側中央部と左側下部は、それぞれ梁構造を介して接続されている。この梁構造は、それぞれの部位が互いに検出方向に変位可能に支持している。
【００２１】
また、可動構造体１０の右側上部、右側下部、左側上部、左側下部は、それぞれ可動構造体１０の中央部で梁構造を介して接続されている。この梁構造は、それぞれの部位が互いに駆動方向に変位可能に支持している。
【００２２】
係る構造によって、可動構造体１０の右側上部、右側下部、左側上部、左側下部は、固定部及び支持基板に対して駆動方向に変位可能であり、右側中央部、及び左側中央部は、右側上部、右側下部、左側上部、左側下部に対して検出方向に変位可能となっている。従って、可動構造体１０の右側上部、右側下部、左側上部、左側下部がそれぞれ駆動用電極２０〜２７によって駆動方向に変位すると、これが右側中央部、及び左側中央部に伝達される。
【００２３】
駆動用電極２０〜２７は、図示しないＩＣ等の制御装置によって電圧が印加され、静電駆動によって可動構造体１０の各部位を駆動する。駆動用電極２０及び２１は可動構造体１０の右側上部を駆動し、駆動用電極２２及び２３は可動構造体１０の右側下部を駆動し、駆動用電極２４及び２５は可動構造体１０の左側下部を駆動し、駆動用電極２６及び２７は可動構造体１０の左側上部を駆動する。
【００２４】
駆動モニタ電極３０〜３３は、可動構造体１０の各部位の駆動方向における静電容量を検出し、制御装置にフィードバック出力する。制御装置は、静電容量を電圧に変換する（Ｑ／Ｖ変換）回路やＰＬＬ（Phase-Locked  Loop）回路等を内蔵しており、可動構造体１０の各部位が一定の振れ幅及び周期で振動するように、駆動用電極２０〜２７に電圧信号を出力する。
【００２５】
検出用電極４０〜４７は、可動構造体１０の各部位の検出方向における静電容量を検出し、制御装置に出力する。検出用電極４０〜４３は可動構造体１０の右側中央部の変位を検出し、検出用電極４４〜４７は可動構造体１０の左側中央部の変位を検出する。これらの変位は、可動構造体１０の駆動方向の変位、及び駆動方向と検出方向の双方に直交する方向周りの回転に起因して、コリオリ力によって生じるものである。また、これらの変位は、力学量検出素子１に与えられた加速度によっても生じる。
【００２６】
制御装置においては、例えば、入力された静電容量を電圧に変換した後に周期的な反転処理を行なって検波信号を生成し、検波信号を平均化して角速度信号を生成する。角速度信号は、検出方向と駆動方向の双方に直交する方向周りの角速度を示すものとなる。
【００２７】
また、反転処理を行なわず、慣性力によって生じた検出用電極４０〜４７の出力のＤＣ成分を測定することにより、加速度を検出することもできる。
【００２８】
ところで、前述の如く、この種の力学量検出素子においては、可動構造体が物理的に一繋がりである必要があるため、駆動用電極によって印加された電圧が検出用電極においてノイズとして検出されてしまい、Ｓ／Ｎ比が悪化するという不都合が生じうる。
【００２９】
そこで、本実施例の力学量検出素子１では、図１に示す如く、可動構造体絶縁部５０〜６１によって、駆動用電極２０〜２７に対向する部位と、検出用電極４０〜４７に対向する部位とを電気的に絶縁している。なお、この絶縁箇所は、後述する如く、例えば酸化膜ＳｉＯ２で形成されており、物理的には結合している。
【００３０】
より具体的には、駆動用電極２０及び２１に対向する部位は可動構造体絶縁部５０〜５２によって他の部位と絶縁されており、駆動用電極２２及び２３に対向する部位は可動構造体絶縁部５３〜５５によって他の部位と絶縁されており、駆動用電極２４及び２５に対向する部位は可動構造体絶縁部５６〜５８によって他の部位と絶縁されており、駆動用電極２６及び２７に対向する部位は可動構造体絶縁部５９〜６１によって他の部位と絶縁されている。
【００３１】
図２は、このような構造を有する力学量検出素子１を、従来構造の素子と比較した模式図である。
【００３２】
図２（Ａ）は、従来構造の素子を模式的に示す図である。従来構造の素子では、可動構造体が物理的に一繋がりである必要があるため、駆動用電極によって印加された電圧が検出用電極においてノイズとして検出されてしまい、Ｓ／Ｎ比が悪化するという不都合が生じうる。
【００３３】
図２（Ｂ）は、本実施例に係る力学量検出素子１を模式的に示す図である。本実施例に係る力学量検出素子１では、駆動用電極２０〜２７に対向する部位と検出用電極４０〜４７に対向する部位とが電気的に絶縁されているため、係るノイズの影響を低減することができる。従って、検出精度を向上させることができる。また、絶縁箇所において物理的には分離していないため、駆動用電極２０〜２７によって与えられた変位を可動構造体１０全体に伝達することができる。
【００３４】
以上説明した本実施例の力学量検出素子１によれば、検出精度を向上させることができる。
【００３５】
［製造方法］
以下、本発明の第１実施例に係る力学量検出素子１の製造方法について説明する。まず、図３に示すようなＳＯＩウエハを用意する。ＳＯＩウエハは、低抵抗シリコンで形成された活性層、ＳｉＯ２で形成された犠牲層（犠牲酸化膜）、シリコンで形成された支持基板が順に積層されている。
【００３６】
次に、図４に示すように、活性層を可動構造体１０のパターンに加工する。係る工程は、例えば、フォトリソグラフィを用いたマスクを行なった後に、フッ素系のガス等を用いたドライエッチングを行なうことで実現される。なお、活性層の加工手法についてはこれに限定されず、種々の手法を採用することができる。
【００３７】
ここで、可動構造体１０となる活性層の部位（梁構造を除く）は、後述する工程において犠牲層が十分に取り除かれるようにメッシュ構造となっている。また、可動構造体絶縁部５０〜６１となる部位は、その他の部位のメッシュ構造に比して細かいメッシュ構造とする。一方、固定部となる部位はメッシュ構造としない。図５は、活性層を可動構造体１０のパターンに加工する工程を行なった後のＳＯＩウエハの断面図である。
【００３８】
次に、図６の断面図に示す如く、犠牲層をエッチングして可動構造体１０を支持基板から分離する。ここで、可動構造体１０となる活性層の部位はメッシュ構造となっているため、犠牲層が完全にエッチングされて支持基板から分離される。一方、固定部となる部位はメッシュ構造としないため、犠牲層が完全にエッチングされず、支持基板に固定されたままとなる。
【００３９】
そして、図７に示す如く、熱酸化によりシリコン表面にＳｉＯ２層を形成する。係る工程により異物によるショートが生じる可能性を低減することができる。
【００４０】
ここで、可動構造体絶縁部５０〜６１となる部位は、細かいメッシュ構造とされているため、完全にＳｉＯ２に変化して絶縁性を有することとなる。従って、可動構造体絶縁部５０〜６１となる部位は、この工程で完全に酸化膜となる程度の厚みを有するメッシュ構造とするのが適切である。
【００４１】
なお、力学量検出素子１は、各電極と、前述した制御装置のパッドを接続する配線が必要であるが、配線パターンも同様に熱酸化することが好ましい。こうすれば、図８に示すように、配線上の異物によるショートが生じる可能性も低減することができる。
【００４２】
＜第２実施例＞
以下、本発明の第２実施例に係る力学量検出素子２について説明する。力学量検出素子２は、例えば角速度や加速度を検出するために用いられる素子である。
【００４３】
図９は、本発明の第２実施例に係る力学量検出素子２の上面視を示す図である。力学量検出素子１は、可動構造体１０と、駆動用電極２０〜２７と、駆動モニタ電極３０〜３３と、検出用電極４０〜４７と、可動構造体絶縁部７０〜７３と、を有する。可動構造体１０は、紙面の裏側方向に存在する図示しない支持基板上に浮かぶように形成されており、固定部（符号省略）によって梁構造（図中、直線状の部分で示している）を介して支持されている。
【００４４】
可動構造体１０は、基本的には第１実施例と同様の構造であるが、本実施例においては、可動構造体１０の駆動方向と検出方向の双方を含む平面について、略左右対称形状であることを前提とする。
【００４５】
駆動用電極２０〜２７、駆動モニタ電極３０〜３３、検出用電極４０〜４７の構成及び機能については第１実施例と同様であるため、説明を省略する。
【００４６】
可動構造体絶縁部７０〜７３は、可動構造体１０の左側の部位と右側の部位（図中、左可動構造体、及び右可動構造体と表記した）を電気的に絶縁する。図９に示すように、可動構造体絶縁部７０及び７１は右可動構造体に、可動構造体絶縁部７２及び７３は左可動構造体に、それぞれ形成されており、中央の梁構造と左右の可動構造体を電気的に絶縁している。
【００４７】
また、第１実施例と同様に、これらの絶縁箇所は、例えば酸化膜ＳｉＯ２で形成されており、物理的には結合している。図１０は、係る構造を有する力学量検出素子２を模式的に示す図である。
【００４８】
係る構造によって、略左右対称形状に形成された可動構造体１０の左右のバランス（質量バランス、サイズのバランス等をいう）を容易に測定することができる。この種の力学量検出素子においては可動構造体１０の左右のバランスが品質維持の点で重要であるが、可動構造体１０の左側の部位と右側の部位を電気的に絶縁することによって、左右のそれぞれの電気的特性を測定でき、もって可動構造体１０の左右のバランスを定量的に測定することができる。
【００４９】
以上説明した本実施例の力学量検出素子２によれば、可動構造体１０の左右のバランスを容易に測定することができる。
【００５０】
なお、本実施例の力学量検出素子２が有する特徴は、第１実施例の力学量検出素子１が有する特徴と排他的な関係にない。従って、駆動用電極に対向する部位と検出用電極に対向する部位とが電気的に絶縁されており、略左右対称形状で形成された可動構造体の左側の部位と右側の部位が電気的に絶縁されており、且つ絶縁箇所において物理的には分離していない力学量検出装置として構成されてもよい。こうすれば、第１実施例が奏する効果と第２実施例が奏する効果を併せて実現することができる。
【００５１】
また、製造方法についても、第１実施例で説明した製造方法を援用することができる。
【００５２】
以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。
【００５３】
例えば、第１実施例及び第２実施例において、素子の変形をシミュレートし、応力のかかりにくい箇所に可動構造体絶縁部を形成することが望ましい。可動構造体絶縁部は熱酸化膜に変化しているため物理的に脆くなりやすいからである。図１１は、このような考慮を第２実施例に適用した場合を示す図である。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、自動車製造業や自動車部品製造業等に利用可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１、２  力学量検出素子
１０  可動構造体
２０〜２７  駆動用電極
３０〜３３  駆動モニタ電極
４０〜４７  検出用電極
５０〜６１、７０〜７４可動構造体絶縁部
【図１】
2010181207.tif 000003
【図２】
2010181207.tif 000004
【図３】
2010181207.tif 000005
【図４】
2010181207.tif 000006
【図５】
2010181207.tif 000007
【図６】
2010181207.tif 000008
【図７】
2010181207.tif 000009
【図８】
2010181207.tif 000010
【図９】
2010181207.tif 000011
【図１０】
2010181207.tif 000012
【図１１】
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