(57)【要約】【課題】衝接した際の接触面の欠損をより効果的に抑制して、スティックを安定的に防止することができる静電容量式センサを得る。【解決手段】錘部６および当該錘部６を揺動自在に支持するばね部７が形成された半導体基板４と、前記半導体基板４に接合される絶縁基板２と、前記錘部６と前記絶縁基板２との間に形成されるギャップＧ１とを備えた静電容量式センサ１であって、前記錘部６が前記絶縁基板２に対向する表面６ａに、円形状の複数の凹部２０を形成する。【選択図】図３
2011047677.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
錘部および当該錘部を揺動自在に支持するばね部が形成された半導体基板と、前記半導体基板に接合される絶縁基板と、前記錘部と前記絶縁基板との間に形成されるギャップとを備えた静電容量式センサであって、
前記錘部が前記絶縁基板に対向する表面に、円形状の複数の凹部を形成したことを特徴とする静電容量式センサ。
【請求項２】
錘部および当該錘部を揺動自在に支持するばね部が形成された半導体基板と、前記半導体基板に接合される絶縁基板と、前記錘部と前記絶縁基板との間に形成されるギャップとを備えた静電容量式センサであって、
前記錘部が前記絶縁基板に対向する表面に、細長矩形状の複数の凹部を形成したことを特徴とする静電容量式センサ。
【請求項３】
錘部および当該錘部を揺動自在に支持するばね部が形成された半導体基板と、前記半導体基板に接合される絶縁基板と、前記錘部と前記絶縁基板との間に形成されるギャップとを備えた静電容量式センサであって、
前記錘部が前記絶縁基板に対向する表面に、格子状の複数の凹部を形成したことを特徴とする静電容量式センサ。
【請求項４】
前記凹部は、前記錘部の表面の全体に亘って等間隔に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の静電容量式センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量式センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、静電容量式センサには、質量体である錘部（重り）およびその錘部を弾性支持するばね部（梁部）をエッチングなどにより切り出した半導体基板を、２枚の絶縁基板の間に挟み込んで接合し、それら２枚の絶縁基板と錘部との間に錘部の揺動を許容するためのギャップをそれぞれ設けて構成したものがある（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
そして、互いに対向する錘部の表面または絶縁基板の裏面のいずれか一方を粗面化処理、つまり、微細な凹凸面を形成することで、過大な加速度が入力したときに、錘部が絶縁基板に衝接する接触面積を減少して、スティック（錘部が絶縁基板に貼り付くこと）を起こすのを防止できるように図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−５８６８９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、上記従来の静電容量式センサにあっては、錘部の表面または絶縁基板の裏面のいずれか一方を粗面化処理して、錘部のスティックを防止するようになっているが、粗面化した表面は微細な突起が無数に突出した状態となっている。このため、錘部が上記絶縁基板に衝接した際には、衝接した時の衝撃で突起の先端が欠けてしまう虞がある。
【０００６】
そこで、本発明は、衝接した際の接触面の欠損をより効果的に抑制することができる静電容量式センサを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明にあっては、錘部および当該錘部を揺動自在に支持するばね部が形成された半導体基板と、前記半導体基板に接合される絶縁基板と、前記錘部と前記絶縁基板との間に形成されるギャップとを備えた静電容量式センサであって、前記錘部が前記絶縁基板に対向する表面に、円形状の複数の凹部を形成したことを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明にあっては、錘部および当該錘部を揺動自在に支持するばね部が形成された半導体基板と、前記半導体基板に接合される絶縁基板と、前記錘部と前記絶縁基板との間に形成されるギャップとを備えた静電容量式センサであって、前記錘部が前記絶縁基板に対向する表面に、細長矩形状の複数の凹部を形成したことを特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明にあっては、錘部および当該錘部を揺動自在に支持するばね部が形成された半導体基板と、前記半導体基板に接合される絶縁基板と、前記錘部と前記絶縁基板との間に形成されるギャップとを備えた静電容量式センサであって、前記錘部が前記絶縁基板に対向する表面に、格子状の複数の凹部を形成したことを特徴とする。
【００１０】
請求項４の発明にあっては、前記凹部は、前記錘部の表面の全体に亘って等間隔に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１の発明によれば、過大な加速度の入力により、ばね部で弾性支持された錘部が大きく変位した場合に、その錘部の表面が絶縁基板に衝接することになる。このとき、錘部の表面が接触面となるのであるが、その接触面には円形状の複数の凹部を形成してあるので、錘部と絶縁基板との接触面積を減少して錘部がスティックするのを抑制できる。そして、接触面の凹部を除いた一般面で衝接時の衝撃を受け止めることができるため、衝接した際の錘部の表面の欠損をより効果的に抑制して、例えば欠損した異物が間隙に挟まったりして錘部の動作不良を引き起こすのを防止することができる。
【００１２】
請求項２の発明によれば、請求項１と同様の作用効果を得ることができるとともに、凹部を細長矩形状としたので、錘部と絶縁基板との接触面積を効率良く減少しつつ、当該凹部を湿式エッチングにより形成した場合は、凹部にエッチング液を残留しにくくすることができる。
【００１３】
請求項３の発明によれば、請求項１と同様の作用効果を得ることができるとともに、凹部を格子状としたので、錘部と絶縁基板との接触面積の減少効率をさらに高めることができるとともに、表面を直角方向に等方性を有する接触面とすることができる。
【００１４】
請求項４の発明によれば、凹部を錘部の表面の全体に亘って等間隔に配置したので、それぞれの凹部間の一般面の形状および面積が全体に亘って一様となるため、錘部が衝接した際に部分的に応力が集中するのを抑制できるため、錘部の表面が欠損されるのを抑制する効果をさらに高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態にかかる加速度センサの平面図である。
【図２】図１中Ａ−Ａ線に沿った断面図である。
【図３】図１中Ｂ−Ｂ線に沿った断面図である。
【図４】（ａ）が図１中Ｃ−Ｃ線、（ｂ）が図１中Ｄ−Ｄ線にそれぞれ沿った要部拡大断面図である。
【図５】図１中のばね部を示す図である。
【図６】図１に示す加速度センサの錘部の要部を拡大した断面図である。
【図７】図１に示す加速度センサの錘部表面に形成される凹部を示す平面図である。
【図８】図１に示す加速度センサの錘部表面に形成される凹部の第１の変形例を示す平面図である。
【図９】図１に示す加速度センサの錘部表面に形成される凹部の第２の変形例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。以下では、静電容量式センサとして、加速度センサを例示する。図１〜図７は、本発明にかかる加速度センサの一実施形態を示した図である。
【００１７】
本実施形態の加速度センサ１は、半導体素子ディバイスを形成したシリコン基板（半導体基板）４と、このシリコン基板４の上下両面にそれぞれ接合されたガラス基板２、３（絶縁基板）と、を備えており、このシリコン基板４とガラス基板２、３とを陽極接合によって接合している。
【００１８】
シリコン基板４は、シリコン基板４に公知の半導体プロセスにより間隙１００を形成することで、周縁部に形成される略矩形状の枠部４１、固定電極体５、可動電極体となる錘部６、ばね部７および当該ばね部７を介して錘部６を支持する支持部４３が形成されている。
【００１９】
間隙１００は、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１００の側壁面をシリコン基板４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１００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。
【００２０】
固定電極体５は、シリコン基板４のセンターラインＹを中心として左右２箇所に設けられており、複数の櫛歯状固定電極５２の外側部が幹部５１によって連結されている。すなわち、複数の櫛歯状固定電極５２は、幹部５１から所定間隔をもって平行に突設されている。
【００２１】
錘部６は、左右に配置された固定電極体５間に配置されており、センターラインＹに沿って配置される幹部６１と、幹部６１のセンターラインＹ方向の両端部から櫛歯状固定電極５２の延在方向と平行に各固定電極体５の幹部５１に向けて延設され、幹部６１と略Ｈ字状を成す延設部６２と、幹部６１から左右方向に延設された複数の櫛歯状可動電極６３と、を備えている。
【００２２】
そして、複数の櫛歯状可動電極６３は、幹部６１から、隣り合う２つの櫛歯状固定電極５２間に挿入されるように所定間隔をもって平行に突設されている。すなわち、櫛歯状固定電極５２と櫛歯状可動電極６３とは、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、それぞれが交互に配置されることになる。
【００２３】
このとき、それぞれの櫛歯状固定電極５２と櫛歯状可動電極６３との間には所定の隙間δ１、δ２（δ１＜δ２）が設けられる。本実施形態では、両電極５２、６３の隙間δ１、δ２は、図１に示す左右の固定電極体５で異なっており、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、左側の固定電極体５では、一方側が隙間δ１、他方側が隙間δ２であるのに対して、右側の固定電極体５では、一方側が隙間δ２、他方側が隙間δ１となっている。
【００２４】
両端部の延設部６２には、上述したばね部７がそれぞれ連結されており、このばね部７を介して錘部６を支持する支持部４３が延設部６２よりもセンターラインＹ方向の外方に設けられている。本実施形態では、支持部４３は、図１中上方に１箇所、下方に２箇所設けられており、それぞれ略矩形状に形成されて上側のガラス基板２に陽極接合などにより固定されている。
【００２５】
各ばね部７は、図５に示すように、左右対称に配置される２つのばね単体７１で形成されている。そして、それぞれのばね単体７１は、連続する１本の細長い線状ばね７２を複数段のつづら折り状に折曲させた形状をしている。線状ばね７２の一端部７２ａは、幅方向に延びるばね単体７１のほぼ中央部に設けられており、支持部４３の内方側隅部にそれぞれ連結されている。また、線状ばね７２の他端部７２ｂは、ばね単体７１のほぼ中央部に設けられ、延設部６２にそれぞれ連結されている。
【００２６】
このように、ばね部７を錘部６と支持部４３に連結することで、ばね部７が支持部４３に対して錘部６を弾性的に可動支持するバネ要素として機能する。
【００２７】
これにより、本実施形態にかかる加速度センサ１では、錘部６に対し、バネ要素としてのばね部７、ばね部７に接続された支持部４３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。そして、質量要素としての錘部６の位置変位による錘部６、固定電極体５間の静電容量値の変化を検出し、検出された静電容量値の変化に基づき加速度センサ１に加えられた加速度や角加速度（物理量）を検知するようになっている。
【００２８】
具体的には、この静電容量値の変化は、錘部６、固定電極体５にそれぞれ形成された複数の櫛歯状可動電極６３、櫛歯状固定電極５２からなる検出部４９０，４９１によって検出される。
【００２９】
例えば、図１に示すセンターラインＹ方向に加速度が与えられると、櫛歯状可動電極６３がセンターラインＹ方向に変位し、検出部４９０の櫛歯状可動電極６３、櫛歯状固定電極５２で検出される静電容量値と、検出部４９１の櫛歯状可動電極６３、櫛歯状固定電極５２で検出される静電容量値に差が生じる。この静電容量値の差からセンターラインＹ方向の加速度を検出することができる。
【００３０】
図１中、８は、ばね部７を介して錘部６の櫛歯状可動電極６３に電気的に接続される第１の導電層であり、９は、左側の固定電極体５の櫛歯状固定電極５２に電気的に接続される第２の導電層であり、１０は、右側の固定電極体５の櫛歯状固定電極５２に電気的に接続される第３の導電層である。そして、１１は、枠部４１に電気的に接続される第４の導電層である。
【００３１】
このように構成された加速度センサ１では、図３に示すように、錘部６が一方のガラス基板２に対向する表面６ａをエッチングなどによって凹設加工し、その表面６ａとガラス基板２との間に第１のギャップＧ１が形成されるようになっている。また、他方のガラス基板３が錘部６に対向する表面３ａにも、第２のギャップＧ２を形成する凹設部３１がエッチングされ、第１・第２のギャップＧ１、Ｇ２によって、錘部６はばね部７を介して上下方向に浮遊状態で支持される。なお、本実施形態ではＧ１＜Ｇ２となっている。
【００３２】
したがって、櫛歯状固定電極５２と櫛歯状可動電極６３とが対向する水平方向に対して傾きを持った過大な加速度が入力されると、その加速度の垂直成分によって錘部６は大きくガラス基板２方向に変位して、それの表面６ａがガラス基板２の下面２ａに衝接してスティックを起こすことが考えられる。
【００３３】
ここで、本実施形態では、図６に示すように、錘部６の表面６ａの全面に亘って複数の凹部２０を形成してある。凹部２０は、湿式または乾式のエッチングを施すことにより、錘部６の表面６ａに小径の凹部２０を高密度に形成することができる。たとえば、湿式のエッチングを行う場合は、錘部６の表面６ａに、形成しようとする凹部２０の形状に沿った開口を設けたマスキングを行い、その上にエッチング液（ＴＭＨ）を塗布することで凹部２０を形成することができる。
【００３４】
このときの、凹部２０は、図７に示すように、錘部６の表面６ａの面積に対して十分に小さい径ｄとなる円形穴２１として形成され、それら円形穴２１は表面６ａの全体に亘って所定間隔をもって碁盤の目状に整然と配置されている。
【００３５】
以上、説明してきたように、本実施形態の加速度センサ１によれば、水平方向に対して傾斜した過大な加速度が入力されて、ばね部７で弾性支持された錘部６が大きく変位した場合に、錘部６の表面６ａが接触面となってガラス基板２の下面２ａに衝接する。このとき、接触面となる錘部６の表面６ａには円形状の複数の凹部（円形穴）２１を形成してあるので、その表面６ａはガラス基板２との接触面積が少なくなり、錘部６がスティックするのを抑制できる。
【００３６】
そして、このように複数の円形穴２１を形成して錘部６の接触面の面積を減少させることで、錘部６の表面６ａがガラス基板２に衝接した際にも、接触面となる表面６ａの円形穴２１を除いた一般面で衝接時の衝撃を受け止めることができる。これにより、衝接した際の錘部６の表面６ａの欠損をより効果的に抑制して、例えば欠損した異物が間隙１００に挟まったりして錘部６の動作不良を引き起こすのを防止することができる。
【００３７】
さらに、本実施形態では、凹部２０を、錘部６の表面６の面積に対して十分に小さい径となる円形穴２１としたので、エッチング液を用いた湿式エッチングによって錘部６の表面６ａに小径の円形穴２１を容易に、かつ、高密度に形成することができる。
【００３８】
このとき、円形穴２１を碁盤の目状に整然と配置しておくことにより、それぞれの円形穴２１間の一般面の形状および面積が全体に亘って一様となるため、錘部６が衝接した際に部分的に応力が集中するのを抑制でき、錘部６の表面６ａが欠損されるのを抑制する効果がさらに高まる。
【００３９】
ところで、本実施形態では、シリコン基板４に形成された錘部６に凹部２０を形成するようにしたので、シリコン基板４よりも硬度の高いガラス基板２に形成する場合に比較して、凹部２０を精度良く、かつ、容易に形成することができる。
【００４０】
図８は、前記実施形態で示した凹部２０の第１の変形例を示し、凹部２０を、横幅ｗが錘部６の表面６ａの面積に対して十分に小さい寸法となる細長い矩形状穴２２として形成したものである。
【００４１】
従って、本変形例によれば、矩形状穴２２は湿式または乾式のエッチングで形成することができるが、特に、エッチング液を用いた湿式エッチングによって上記矩形状穴２２を容易に形成することができる。また、矩形状穴２２が細長く形成されるので、前記実施形態の円形穴２１と比較して矩形状穴２２内にエッチング液が残留しにくくなり、後処理が容易になる。
【００４２】
もちろん、本変形例にあっても、矩形状穴２２を錘部６の表面６ａの全体に亘ってほぼ等間隔に配置しておくことにより、それぞれの矩形状穴２２間の一般面の形状および面積が全体に亘って一様となるため、錘部６が衝接した際に部分的に応力が集中するのを抑制して、錘部６の表面６ａが欠損されるのを抑制する効果を高めることができる。
【００４３】
図９は、前記実施形態で示した凹部２０の第２の変形例を示し、凹部２０を、それぞれの横幅ｗ１、ｗ２が錘部６の表面６ａの面積に対して十分に小さい寸法となり、相互にほぼ直角に交差される細長い第１の矩形状穴２３ａおよび第２の矩形状穴２３ｂからなる格子状穴２３として形成したものである。
【００４４】
従って、本変形例によれば、凹部２０が、第１の矩形状穴２３ａおよび第２の矩形状穴２３ｂからなる格子状穴２３としたので、錘部６とガラス基板２との接触面積の減少効率をさらに高めることができるとともに、表面６ａを直角方向に等方性を有する接触面とすることができる。
【００４５】
もちろん、本変形例にあっても、格子状穴２３を構成する第１および第２の矩形状穴２３ａ、２３ｂを錘部６の表面６ａの全体に亘ってほぼ等間隔に配置しておくことにより、それぞれの矩形状穴２３ａ、２３ｂで形成される一般面の形状および面積が全体に亘って一様となるため、錘部６が衝接した際に部分的に応力が集中するのを抑制して、錘部６の表面６ａが欠損されるのを抑制する効果を高めることができる。
【００４６】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態および第１、第２の変形例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種変更が可能である。例えば、加速度センサは、本実施形態以外の加速度センサ、たとえば、錘部がガラス基板と対向する方向に変位して静電容量値を変化させるタイプの加速度センサにあっても本発明を適用することができる。また、上記第２の変形例では、錘部６の表面６ａに格子状穴２３ａを設ける構成としたため、錘部６の表面６ａには略四角柱状の突起が基板の目状に配置されていることになるが、略円柱状の突起が基板の目状に配置されるように凹部２０を形成してもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１    加速度センサ（静電容量式センサ）
２、３  ガラス基板（絶縁基板）
４    シリコン基板（半導体基板）
６    錘部
６ａ  錘部の表面
７    ばね部
２０  凹部
２１  円形穴
２２  矩形状穴
２３  格子状穴
Ｇ１、Ｇ２  ギャップ
【図１】
2011047677.tif 000003
【図２】
2011047677.tif 000004
【図３】
2011047677.tif 000005
【図４】
2011047677.tif 000006
【図５】
2011047677.tif 000007
【図６】
2011047677.tif 000008
【図７】
2011047677.tif 000009
【図８】
2011047677.tif 000010
【図９】
2011047677.tif 000011