(57)【要約】【課題】小型化が容易な加速度センサを提供する。【解決手段】上カバー２ａの下面にシリコン基板からなる電極ブロック８が接合される。電極ブロック８は、センサチップ１のフレーム部３と接合される枠部８０と、第１及び第２の固定電極８１ａ，８１ｂ、８２ａ，８２ｂとを有している。そして、貫通孔２０を通して上カバー２ａの上面側に露出する第１及び第２の固定電極８１ａ，８１ｂ、８２ａ，８２ｂが検出電圧を取り出すための電極部８３ａ，８３ｂ、８４ａ，８４ｂとなる。その結果、従来例のように電極部を設けるための専用のスペースが不要となって容易に小型化が図れる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一面に可動電極が設けられた重り部並びに重り部を回動軸の回りに回動自在に支持するビーム部が半導体基板を加工して形成されたセンサチップと、半導体基板からなる固定電極が一面に設けられ当該固定電極を可動電極に対向させる向きでセンサチップの一面側に接合される絶縁性のカバーと、カバーを貫通する貫通孔と、貫通孔を通してカバーの外に露出する固定電極からなる電極部とを備えたことを特徴とする加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量型の加速度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、図３に示すように可動電極を有する直方体形状の重り部１００と、重り部１００の長手方向における略中央において重り部１００を回動自在に支持する一対のビーム部１０１と、一対のビーム部１０１を結ぶ直線（ビーム軸）を境界線とした重り部１００の表面のそれぞれ一方側及び他方側に対し所定距離をあけて対向配置された第１及び第２の固定電極１０２，１０３とを備える加速度センサが知られている。この加速度センサは、ビーム軸を回動軸とした重り部１００の回動に伴う可動電極（重り部１００の固定電極１０２，１０３との対向部位）と第１および第２の固定電極１０２，１０３間の静電容量の変化を差動検出することにより、重り部１００に印加された加速度を検出する。このような加速度センサでは、加速度が印加された際にビーム軸を回動軸としたモーメントが重り部１００に発生するように、重り部１００の裏面のビーム軸を境界線とした一方側（図３における右側）に凹部１０４を形成することにより、ビーム軸を境界線とした重り部１００の一方側（右側）と他方側（左側）とで重量が異なるようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
尚、この種の静電容量型の加速度センサでは、固定電極から検出電圧を取り出すために、固定電極と電気的に接続された検出電極がビーム部を支持する枠部に設けられている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００８−５４４２４３号公報
【特許文献２】特開２００４−２８９１２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、上述した従来例においては検出電極を設けるためのスペースが枠部に必要であるから、小型化が困難になるという問題があった。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みて為されたものであり、その目的は、小型化が容易な加速度センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明は、上記目的を達成するために、一面に可動電極が設けられた重り部並びに重り部を回動軸の回りに回動自在に支持するビーム部が半導体基板を加工して形成されたセンサチップと、半導体基板からなる固定電極が一面に設けられ当該固定電極を可動電極に対向させる向きでセンサチップの一面側に接合される絶縁性のカバーと、カバーを貫通する貫通孔と、貫通孔を通してカバーの外に露出する固定電極からなる電極部とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
請求項１の発明によれば、検出電圧を取り出すための電極部を固定電極で兼用しているので、従来例のように電極部を設けるための専用のスペースが不要となって容易に小型化が図れる。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１の発明によれば、小型化が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は同上の製造方法を説明するための断面図である。
【図３】従来例を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。但し、以下の説明では図１におけるｘ軸方向を縦方向、ｙ軸方向を横方向、ｚ軸方向を上下方向と定める。
【００１２】
本実施形態は、図１に示すように外形が矩形平板状であるセンサチップ１と、センサチップ１の上面側に固定される上カバー２ａと、センサチップ１の下面側に固定される下カバー２ｂとを備えている。センサチップ１は、上下方向から見て矩形の２つの枠部３ａ，３ｂが長手方向（横方向）に並設されたフレーム部３と、枠部３ａ，３ｂの内周面に対して隙間を空けた状態で枠部３ａ，３ｂ内に配置された直方体形状の重り部４，５と、枠部３ａ，３ｂの内周面と重り部４，５の側面を連結してフレーム部３に対して重り部４，５を回動軸の回りに回動自在に支持する各一対のビーム部６ａ，６ｂ及び７ａ，７ｂと、重り部４，５の上面に形成される可動電極４ａ，５ａとを備えている。
【００１３】
一対のビーム部６ａ，６ｂは、横方向に対向する枠部３ａの内周面における縦方向の中央部に一端が連結され、重り部４の側面における凹部１１と充実部１２の境界付近に他端が連結されている。同じく一対のビーム部７ａ，７ｂは、横方向に対向する枠部３ｂの内周面における縦方向の中央部に一端が連結され、重り部５の側面における凹部１３と充実部１４の境界付近に他端が連結されている。つまり、一対のビーム部６ａと６ｂ、７ａと７ｂをそれぞれ結ぶ直線が回動軸となり、回動軸の回りに各重り部４，５が回動することになる。
【００１４】
重り部４，５は、図１（ｂ）に示すように回動軸を境界とする一方側（重り部４では図１における右側、重り部５では図１における左側）に、一面（下面）に開口した凹部１１，１３が設けられ、他方側（重り部４では図１における左側、重り部５では図１における右側）に、充実部１２，１４が形成されている。尚、凹部１１，１３は開口面の法線方向（上下方向）から見て平面視四角形に形成されている。また、センサチップ１は、後述するように半導体の微細加工技術によりシリコン基板（シリコンＳＯＩ基板）を加工して形成されるものであり、重り部４，５の上面を含む部分が可動電極４ａ，５ａとなる。さらに、重り部４，５の上面及び下面における四隅には、重り部４，５が上カバー２ａ及び下カバー２ｂに直接衝突することを防止するために複数の突起部１５が突設されている。
【００１５】
下カバー２ｂは、石英ガラスなどの絶縁材料により縦横の寸法がフレーム部３の縦横の寸法と略同一である矩形平板状に形成され、フレーム部３の下面に接合される。
【００１６】
上カバー２ａは、石英ガラスなどの絶縁材料製であって、上下方向に沿って重り部４，５の凹部１１，１３並びに充実部１２，１４と対向する位置に各々貫通孔２０が貫設されている。また、上カバー２ａの下面には、半導体基板（シリコン基板）からなる電極ブロック８が接合されている。
【００１７】
電極ブロック８は、センサチップ１のフレーム部３と同寸法及び同形状に形成された枠部８０と、一方の可動電極４ａ（重り部４）の凹部１１側と対向する第１の固定電極８１ａ及び充実部１２側と対向する第２の固定電極８１ｂと、他方の可動電極５ａ（重り部５）の凹部１１側と対向する第２の固定電極８２ａ及び充実部１２側と対向する第２の固定電極８２ｂとを有している。尚、電極ブロック８の第１及び第２の固定電極８１ａ，８１ｂ、８２ａ，８２ｂによって上カバー２ａの４つの貫通孔２０がそれぞれ閉塞されている。つまり、貫通孔２０を通して上カバー２ａの上面側に露出する第１及び第２の固定電極８１ａ，８１ｂ、８２ａ，８２ｂが検出電圧を取り出すための電極部８３ａ，８３ｂ、８４ａ，８４ｂとなる。尚、上カバー２ａの横方向の寸法はセンサチップ１並びに電極ブロック８と略同一であるが、縦方向の寸法はセンサチップ１並びに電極ブロック８よりも若干短くなっており、横方向に沿った一方の側面（図１における左側の側面）に揃えてフレーム部３の上面に接合される。そして、電極ブロック８上面の上カバー２ａで覆われない端部（図１における右端部）が可動電極４ａ，５ａと導通した接地用の電極部８５となる。
【００１８】
ここで、本実施形態では、枠部３ａ、重り部４、ビーム部６ａ，６ｂ、可動電極４ａ、電極ブロック８と、枠部３ｂ、重り部５、ビーム部７ａ，７ｂ、可動電極５ａ、電極ブロック８とで各々加速度センサが構成され、重り部４，５の向き（凹部１１，１３と充実部１２，１４の配置）を１８０度反転させた状態で２つの加速度センサが一体に形成されている（図１（ａ）参照）。
【００１９】
次に、本実施形態の検出動作について説明する。
【００２０】
まず、一方の重り部４にｘ軸方向の加速度が印加された場合を考える。ｘ軸方向に加速度が印加されると重り部４が回動軸の回りに回動して可動電極４ａと第１の固定電極８１ａ並びに第２の固定電極８１ｂとの間の距離が変化し、その結果、可動電極４ａと各固定電極８１ａ，８１ｂとの間の静電容量Ｃ１，Ｃ２も変化する。ここで、ｘ軸方向の加速度が印加されていないときの可動電極４ａと各固定電極８１ａ，８１ｂとの間の静電容量をＣ０とし、加速度の印加によって生じる静電容量の変化分をΔＣとすれば、ｘ軸方向の加速度が印加されたときの静電容量Ｃ１，Ｃ２は、
Ｃ１＝Ｃ０−ΔＣ  …（１）
Ｃ２＝Ｃ０＋ΔＣ  …（２）
と表すことができる。
【００２１】
同様に、他方の重り部５にｘ軸方向の加速度が印加された場合、可動電極５ａと各固定電極８２ａ，８２ｂとの間の静電容量Ｃ３，Ｃ４は、
Ｃ３＝Ｃ０−ΔＣ  …（３）
Ｃ４＝Ｃ０＋ΔＣ  …（４）
と表すことができる。
【００２２】
ここで、静電容量Ｃ１〜Ｃ４の値は、電極部８０ａ，８０ｂ及び８１ａ，８１ｂから取り出す電圧信号を演算処理することで検出することができる。そして、一方の加速度センサから得られる静電容量Ｃ１，Ｃ２の差分値ＣＡ（＝Ｃ１−Ｃ２）と、他方の加速度センサから得られる静電容量Ｃ３，Ｃ４の差分値ＣＢ（＝Ｃ３−Ｃ４）との和（±４ΔＣ）を算出すれば、この差分値ＣＡ，ＣＢの和に基づいてｘ軸方向に印加された加速度の向きと大きさを演算することができる。
【００２３】
次に、一方の重り部４にｚ軸方向の加速度が印加された場合を考える。ｚ軸方向に加速度が印加されると重り部４が回動軸の回りに回動して可動電極４ａと第１の固定電極８１ａ並びに第２の固定電極８１ｂとの間の距離が変化し、その結果、可動電極４ａと各固定電極８１ａ，８１ｂとの間の静電容量Ｃ１，Ｃ２も変化する。ここで、ｚ軸方向の加速度が印加されていないときの可動電極４ａと各固定電極８１ａ，８１ｂとの間の静電容量をＣ０とし、加速度の印加によって生じる静電容量の変化分をΔＣとすれば、ｚ軸方向の加速度が印加されたときの静電容量Ｃ１，Ｃ２は、
Ｃ１＝Ｃ０＋ΔＣ  …（５）
Ｃ２＝Ｃ０−ΔＣ  …（６）
と表すことができる。
【００２４】
同様に、他方の重り部５にｚ軸方向の加速度が印加された場合、可動電極５ａと各固定電極８２ａ，８２ｂとの間の静電容量Ｃ３，Ｃ４は、
Ｃ３＝Ｃ０−ΔＣ  …（７）
Ｃ４＝Ｃ０＋ΔＣ  …（８）
と表すことができる。
【００２５】
そして、一方の加速度センサから得られる静電容量Ｃ１，Ｃ２の差分値ＣＡ（＝Ｃ１−Ｃ２）と、他方の加速度センサから得られる静電容量Ｃ３，Ｃ４の差分値ＣＢ（＝Ｃ３−Ｃ４）との差（±４ΔＣ）を算出すれば、この差分値ＣＡ，ＣＢの差に基づいてｚ軸方向に印加された加速度の向きと大きさを演算することができる。尚、差分値ＣＡ，ＣＢの和と差に基づいてｘ軸方向及びｚ軸方向の加速度の向き及び大きさを求める演算処理については従来周知であるから詳細な説明を省略する。
【００２６】
次に、図２を参照して本実施形態の製造方法を説明する。
【００２７】
本実施形態では、支持基板及び中間酸化膜、活性層からなるシリコンＳＯＩ基板を半導体の微細加工技術を利用して加工することによりセンサチップ１が形成される。まず、シリコンＳＯＩ基板の両面にシリコン酸化膜やフォトレジスト膜などのマスク材料を形成し、重り部４，５に対応する位置のマスク材料を除去した後、ＴＭＡＨ（テトラメチル水酸化アンモニウム溶液）やＫＯＨ（水酸化カリウム溶液）などを利用した湿式エッチング、あるいは反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などの乾式エッチングを行うことにより、シリコンＳＯＩ基板の上面及び下面に重り部４，５が変位するための空間（凹所）を形成する。そして、凹所底面の所定位置にシリコン酸化膜又はカーボンナノチューブからなる突起部１５を形成する。続いて、支持基板及び中間酸化膜の順にシリコンＳＯＩ基板の下面をエッチングすることで重り部４，５（凹部１１，１３並びに充実部１２，１４）を形成する。
【００２８】
一方、ガラス基板からなる上カバー２ａにサンドブラストなどの加工方法で貫通孔２０を貫設し（図２（ａ）参照）、上カバー２ａの下面にシリコン基板１００を接合する（図２（ｂ）参照）。次に、エッチングあるいはダイシングによって枠部８０と、第１及び第２の固定電極８１ａ，８１ｂと８２ａ，８２ｂとを形成する（図２（ｃ）参照）。
【００２９】
そして、センサチップ１の下面及び上面にそれぞれ下カバー２ｂと上カバー２ａ（電極ブロック８）を陽極接合することにより、本実施形態の製造工程は完了する（図２（ｄ）参照）。
【００３０】
而して本実施形態では、検出電圧を取り出すための電極部８３ａ，８３ｂ、８４ａ，８４ｂを固定電極８１ａ，８１ｂ、８２ａ，８２ｂで兼用しているので、従来例のように電極部を設けるための専用のスペースが不要となって容易に小型化が図れる。また、固定電極８１ａ，８１ｂ、８２ａ，８２ｂをバルクシリコン（単結晶シリコンウェハ）で形成しているため、成膜などで形成した固定電極と比較して表面の平滑度が高くなり、可動電極４ａ，５ａとの間の電極間距離のばらつきが少ないために静電容量のばらつきも少なくなるという利点がある。しかも、電極ブロック８における枠部８０と固定電極８１ａ，８１ｂ、８２ａ，８２ｂとは、同一のシリコン基板から形成されているので、固定電極８１ａ，８１ｂ、８２ａ，８２ｂと可動電極４ａ，５ａとの間の電極間距離の精度が高く、その結果、静電容量のばらつきも少なくなるという利点がある。
【符号の説明】
【００３１】
１  センサチップ
２ａ  上カバー（カバー）
４，５  重り部
４ａ，５ａ  可動電極
６ａ，６ｂ  ビーム部
７ａ，７ｂ  ビーム部
８  電極ブロック
２０  貫通孔
８１ａ，８２ａ  第１の固定電極
８１ｂ，８２ｂ  第２の固定電極
８３ａ，８３ｂ  電極部
８４ａ，８４ｂ  電極部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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