(57)【要約】【課題】静電容量式加速度センサにおいて、小型化を図る。【解決手段】静電容量式加速度センサ１は、固定電極２１を有した固定部材２と、この固定電極２１に対向配置され、可動電極として機能する錘部３３を有した可動部材３とを備える。固定部材２はシリコン基板で形成される。このシリコン基板には、検出信号を処理するための信号処理ＩＣ２２と、信号処理ＩＣ２２と可動電極及び固定電極２１のそれぞれとを導通する貫通穴２ａ、２ｂとが形成されている。このため、信号処理ＩＣ２２を形成するためのチップを備える必要がなく、また、このチップと可動電極及び固定電極２１のそれぞれとをワイヤボンディングにより接合する必要もない。従って、チップの枚数を減らし、プリント基板においてワイヤによる配線スペースをなくすことができる。その結果、プリント基板における実装面積を小さくでき、小型化を図ることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定電極を下面に有した固定部材と、前記固定電極に対向配置される可動電極を有した可動部材とを備え、前記可動部材は、前記固定部材の下面に絶縁膜を介して接合されるアンカ部と、前記アンカ部に一体に形成されたビーム部と、前記ビーム部に一体に形成された前記可動電極として機能する錘部とを有し、前記錘部が加速度に応じて変位することによる前記固定電極と前記可動電極との間の静電容量の変化に基づいて加速度が検出される静電容量式加速度センサにおいて、
前記可動部材は、シリコン基板で形成され、
前記固定部材は、シリコン基板で形成されると共に、該シリコン基板の上面側に形成された、検出信号を処理するための信号処理回路と、前記信号処理回路と前記可動電極及び固定電極のそれぞれとを導通し、該シリコン基板の上面側から下面側まで貫くように形成された第１及び第２の貫通穴と、を備えたことを特徴とする静電容量式加速度センサ。
【請求項２】
前記信号処理回路による信号処理には、信号増幅及び／又は温度補正処理が含まれることを特徴とする請求項１に記載の静電容量式加速度センサ。
【請求項３】
前記固定部材が複数形成された第１のシリコンウエハと、前記可動部材が複数形成された第２のシリコンウエハとが、第１及び／又は第２のシリコンウエハの表面に形成された前記絶縁膜を介し、且つ、該固定部材と可動部材とが上下に対向するようにして接合され、この接合された第１及び第２のシリコンウエハが１個のセンサ単位にダイシングされることにより各センサが分断形成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の静電容量式加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可動電極が加速度に応じて変位することによる固定電極と可動電極との間の静電容量の変化に基づいて加速度が検出される静電容量式加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の静電容量式加速度センサ（以下、加速度センサという）として、可動電極として機能する錘部が形成されたシリコン基板と、このシリコン基板を上下から挟んでシリコン基板に陽極接合された２枚のパイレックス（登録商標）ガラスとを備えたものが知られている。図４は、この加速度センサ１００の構成を示す。シリコン基板１１０上面に陽極接合されたパイレックス（登録商標）ガラス１２０の下面には、導電性の薄膜から成る固定電極１２１が成膜されている。シリコン基板１１０には、上記の錘部１１１と、この錘部１１１を支持するビーム部１１２と、このビーム部１１２を支持し、パイレックス（登録商標）ガラス１２０に接合されるアンカ部１１３とが一体に形成されている。シリコン基板１１０の下面には、パイレックス（登録商標）ガラス１３０が陽極接合されている。２枚のパイレックス（登録商標）ガラス１２０、１３０は、シリコン基板１１０を保護するための部材である。以下、シリコン基板１１０及びパイレックス（登録商標）ガラス１２０、１３０を総称してセンシング部という。このセンシング部は１個のチップを構成する。
【０００３】
パイレックス（登録商標）ガラス１２０には、貫通穴が２個形成されている。これらのうちの１個は、貫通穴１２２であり、もう１個は不図示である。これらの貫通穴のそれぞれには金属膜１２３が成膜されている。それぞれの金属膜１２３は固定電極１２１及びアンカ部１１３のそれぞれと当接している。貫通穴内に形成された金属膜１２３の表面には導電部材１２４が形成されている。導電部材１２４は信号処理回路１４０とワイヤボンディングされている。この信号処理回路１４０は、センシング部を備えたチップとは別のチップに形成されており、金属膜１２３及び導電部材１２４を介して、固定電極１２１と錘部１１１との間の静電容量の変化に応じた電圧変化を検出する。さらに、信号処理回路１４０は、センサにより得られた検出信号に対して種々の処理を行ない、この検出信号を外部に出力する。
【０００４】
また、可動電極が形成されたシリコン基板を、上記のパイレックス（登録商標）ガラスの代わりに、２枚のシリコン基板で上下から挟んで直接接合することにより形成され、その結果、積層された３層のシリコン基板で形成される加速度センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、３層のシリコン基板で形成された上記の加速度センサにおいて、シリコン基板が接合される部位に絶縁膜が形成されている加速度センサが知られている（例えば、特許文献２参照）。この絶縁膜は、中層のシリコン基板において上層及び下層のシリコン基板が接合される部位に、若しくは上層及び下層のシリコン基板において中層のシリコン基板が接合される部位に形成されている。中層のシリコン基板は、可動電極として機能する錘部と、この錘部を片持ち支持する片持ち梁とを一体に有する。上層のシリコン基板において可動電極と対向する部分は、固定電極として機能する。可動電極及び固定電極はサーボ回路と電気的に接続される。可動電極すなわち錘部とサーボ回路とは片持ち梁を介して電気的に接続される。
【特許文献１】特開平５−２０３６６９号公報
【特許文献２】特開平５−８００７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、加速度センサにおいては、該加速度センサを搭載した機器全体の小型化や軽量化を図るため、小型化が望まれている。しかしながら、上記の加速度センサ１００では、センシング部と信号処理回路１４０とが別々のチップに形成されるため、チップ枚数を減らすことが難しく、プリント基板におけるチップの実装面積が大きくなる。このため、加速度センサ１００の小型化が難しいものとなっていた。一方、特許文献１には、検出信号を処理する信号処理回路についての記載がない。また、特許文献２には、サーボ回路についての記載があるものの、このサーボ回路の具体的な動作内容や構成についての開示がない。従って、特許文献１及び特許文献２に記載の技術では、加速度センサの小型化は困難であった。
【０００７】
本発明は、上記の従来の問題を解決するためになされたものであり、小型化を図ることができる静電容量式加速度センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、固定電極を下面に有した固定部材と、前記固定電極に対向配置される可動電極を有した可動部材とを備え、前記可動部材は、前記固定部材の下面に絶縁膜を介して接合されるアンカ部と、前記アンカ部に一体に形成されたビーム部と、前記ビーム部に一体に形成された前記可動電極として機能する錘部とを有し、前記錘部が加速度に応じて変位することによる前記固定電極と前記可動電極との間の静電容量の変化に基づいて加速度が検出される静電容量式加速度センサにおいて、前記可動部材は、シリコン基板で形成され、前記固定部材は、シリコン基板で形成されると共に、該シリコン基板の上面側に形成された、センサ検出信号を処理するための信号処理回路と、前記信号処理回路と前記可動電極及び固定電極のそれぞれとを導通し、該シリコン基板の上面側から下面側まで貫くように形成された第１及び第２の貫通穴と、を備えたものである。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１に記載の静電容量式加速度センサにおいて、前記信号処理回路による信号処理には、信号増幅及び／又は温度補正処理が含まれるものである。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の静電容量式加速度センサにおいて、前記固定部材が複数形成された第１のシリコンウエハと、前記可動部材が複数形成された第２のシリコンウエハとが、第１及び／又は第２のシリコンウエハの表面に形成された前記絶縁膜を介し、且つ、該固定部材と可動部材とが上下に対向するようにして接合され、この接合された第１及び第２のシリコンウエハが１個のセンサ単位にダイシングされることにより各センサが分断形成されるものである。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１の発明によれば、固定部材に信号処理回路が形成されており、貫通穴がこの信号処理回路と可動電極及び固定電極のそれぞれとを導通するので、信号処理回路を形成するためのチップを備える必要がなく、また、このチップと可動電極及び固定電極のそれぞれとをワイヤボンディングにより電気的に接合する必要もない。従って、チップの枚数を減らし、プリント基板においてワイヤによる配線スペースをなくすことができる。このため、プリント基板における実装面積を小さくでき、小型化を図ることができる。
【００１２】
請求項２の発明によれば、加速度センサに接続された外部回路が、増幅された検出信号に基づいて、高精度に加速度を検出することができる。さらに／又は、該外部回路に出力される検出信号の値が温度変化に応じて変動することを防止できる。その結果、温度変化に影響されない高精度な加速度検出が可能になる。
【００１３】
請求項３の発明によれば、固定部材及び可動部材を１個ずつ接合することにより加速度センサが作製されるのではなく、固定部材及び可動部材のそれぞれが複数形成された第１及び第２のシリコンウエハを接合することにより、複数個の固定部材及び可動部材が一括して接合される。従って、接合された第１及び第２のシリコンウエハをダイシングすることにより、複数個の加速度センサを一括して作製できる。このため、生産性の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の一実施形態に係る静電容量式加速度センサについて図面を参照して説明する。図１（ａ）（ｂ）及び図２（ａ）（ｂ）は、本実施形態に係る静電容量式加速度センサ（以下、加速度センサという）１の構成を示す。加速度センサ１は、下面に固定電極２１を有する固定部材２と、固定電極２１に対向配置される可動電極を有する可動部材３と、可動部材３の下部を保護する保護部材４と、を備える。固定部材２、可動部材３及び保護部材４は、それぞれ、１枚のシリコン基板で形成されており、加速度センサ１は、３枚のシリコン基板から成る３層構造を有する。固定部材２の上面側には、検出信号を処理するための信号処理ＩＣ２２が形成されている。可動部材３は、固定部材２の下面に接合されるアンカ部３１と、アンカ部３１に一体に形成されたビーム部３２と、ビーム部３２に一体に形成された錘部３３とを有する。この錘部３３は可動電極として機能する。加速度センサ１全体の形状は、平面視で略矩形である。以下、加速度センサ１の各部の構成について詳細に説明する。
【００１５】
固定部材２の下面には、導電性の薄膜により形成された固定電極２１が成膜されている。さらに、固定部材２の下面には、ＳｉＯ２から成る絶縁膜２３が形成されている。この絶縁膜２３は、アンカ部３１との接合部位に形成されており、それ以外の領域ではエッチング除去されている。可動部材３のアンカ部３１は、この絶縁膜２３に直接接合され、絶縁膜２３を介して固定部材２のシリコン基板に固定される。また、固定部材２の上面側には、信号処理ＩＣ２２が形成されている。この信号処理ＩＣ２２は、固定部材２のシリコン基板に対して不純物ドープ及びエッチング加工等を施すことにより形成されたトランジスタ、ダイオード、抵抗、コンデンサ等を含む信号処理回路により構成される。
【００１６】
さらに、固定部材２には、貫通穴２ａ、２ｂ（第１及び第２の貫通穴）が形成されている。貫通穴２ａ、２ｂは、固定部材２のシリコン基板の上面から下面すなわち絶縁膜２３の表面まで貫くように形成されている。これらの貫通穴２ａ、２ｂの形成位置は、それぞれ、固定電極２１の成膜部位と、アンカ部３１との接合部位とに対応した位置である。貫通穴２ａ、２ｂは、信号処理ＩＣ２２と、可動部材３のアンカ部３１及び固定電極２１のそれぞれとを導通する。貫通穴２ａ、２ｂ内には、例えばアルミニウムから成る導電部材５ａ、５ｂが形成されている。導電部材５ａは、固定電極２１及び信号処理ＩＣ２２に接し、これらを電気的に接続する。また、導電部材５ｂは、アンカ部３１及び信号処理ＩＣ２２に接する。アンカ部３１は、ビーム部３２及び錘部３３と一体に形成されているので、可動電極として機能する錘部３３は、ビーム部３２、アンカ部３１及び導電部材５ｂを介して、信号処理ＩＣ２２と電気的に接続される。
【００１７】
可動部材３は、上面が固定部材２の下面に直接接合され、上部が固定部材２により保護される。可動部材３の錘部３３は、平面視で略正方形である。ビーム部３２は、この錘部３３を取り巻くように細長いＬ字状の形状を有し、２本形成されている。２本のビーム部３２のそれぞれは、一端が錘部３３の対向する２辺に連結し、他端がアンカ部３１に連結している。アンカ部３１は、ビーム部３２及び錘部３３を取り囲むように形成されている。可動部材３は、上面に凹部３ａを有しており、アンカ部３１の一部、ビーム部３２及び錘部３３がこの凹部３ａの下方に形成されている。アンカ部３１において凹部３ａを囲う部分の上面が固定部材２に接合される。また、アンカ部３１において凹部３ａの底面を形成する部分と、固定電極２１の基部２１ａとの間には、絶縁性を高めるため、ＳｉＯ２から成る絶縁膜３４が形成されている。
【００１８】
保護部材４は、上面が可動部材３の下面に直接接合される。この保護部材４の上面には、ＳｉＯ２から成る絶縁膜４１が形成されている。この絶縁膜４１は、可動部材３との接合部位に形成されており、それ以外の領域ではエッチング除去されている。可動部材３の下面は、絶縁膜４１に直接接合され、絶縁膜４１を介して保護部材４のシリコン基板に固定される。さらに、保護部材４の上面には、凹部４ａが形成されている。この凹部４ａと可動部材の凹部３ａとにより、錘部３３の上下移動空間が形成されている。
【００１９】
上記構成においては、固定部材２に信号処理ＩＣ２２が形成されており、貫通穴２ａ、２ｂがこの信号処理ＩＣ２２と可動電極及び固定電極２１のそれぞれとを導通する。従って、信号処理ＩＣ２２を形成するためのチップを備える必要がなく、また、このチップと可動電極及び固定電極２１のそれぞれとをワイヤボンディングにより電気的に接合する必要もない。すなわち、加速度センサ１は１個のチップで構成され、プリント基板（不図示）にはこのチップを１個実装すればよい。このため、チップの枚数を減らし、プリント基板においてワイヤによる配線スペースをなくすことができる。従って、プリント基板における実装面積を小さくでき、また、実装効率の向上させることができる。その結果、加速度センサ１の小型化を図ることができる。
【００２０】
次に、加速度センサ１による加速度検出時の各部の動作を説明する。まず、加速度検出に際して、信号処理ＩＣ２２が、導電部材５ａ、５ｂを介して、固定電極２１と可動電極（錘部３３）との間に電圧を印加する。電圧が印加された状態において、錘部３３が加速度に応じて変位した場合、錘部３３と固定電極２１との間の距離が変化する。このため、錘部３３すなわち可動電極と固定電極２１との間の静電容量が変化する。この静電容量の変化に応じて、可動電極と固定電極２１との間の電圧が変化する。
【００２１】
信号処理ＩＣ２２は、上記の電圧変化を検出し、検出信号として認識する。さらに、信号処理ＩＣ２２は、この信号処理ＩＣに接続された外部回路（不図示）に検出信号を出力する前に、検出信号に対して信号処理を行なう。この外部回路には、検出信号に基づいて加速度を算出する演算回路等が含まれる。信号処理ＩＣ２２による信号処理には、検出信号の増幅及び／又は温度補正処理が含まれる。この温度補正処理において、温度変化による静電容量の変化に応じて、検出信号の電圧値が増幅又は減衰される。温度に応じた増幅率及び減衰率の情報は、例えば信号処理ＩＣ２２内のメモリに記録されている。
【００２２】
上記の増幅処理により、外部回路が、増幅された検出信号に基づいて、高精度に加速度を検出することができる。さらに、温度補正処理により、外部回路に出力される検出信号の電圧値が温度変化に応じて変動することを防止できる。その結果、温度変化に影響されない高精度な加速度検出が可能になる。なお、信号処理ＩＣによる信号処理は上記に限定されない。
【００２３】
図３は、加速度センサ１が製造される工程を示す。この加速度センサ１は、３枚のシリコン基板から成る３層構造を有している。そこで、まず３枚のシリコンウエハ６２、６３、６４が用意される。そのうちの２枚のシリコンウエハ６２、６４の片面には、ＳｉＯ２から成る絶縁膜が形成されている。シリコンウエハ６２（第１のシリコンウエハ）には、固定部材２が複数並べて形成されている。また、シリコンウエハ６４には、保護部材４が複数並べて形成されている。シリコンウエハ６２、６４における絶縁膜は、シリコンウエハ６３と接合される部位に形成されており、それぞれ、上記の絶縁膜２３、４１に対応する。一方、残りの１枚のシリコンウエハ６３（第２のシリコンウエハ）には、可動部材３が複数並べて形成されている。
【００２４】
上記の３枚のシリコンウエハ６２、６３、６４が用意された後、これらは、ＷＬＰ（Ｗｅｆｅｒ  Ｌｅｖｅｌ  Ｐａｃｋａｇｅ）技術により、固定部材２と、可動部材３と、保護部材４とが上下方向に対向する位置で直接接合される。このとき、固定部材２において絶縁膜２３が形成されている面と、可動部材３の上面とが接合される。また、保護部材４において絶縁膜４１が形成されている面と、可動部材３の下面とが接合される。このようにして、固定部材２と可動部材３とは絶縁膜２３を介して接合され、可動部材３と保護部材４とは絶縁膜４１を介して接合される。
【００２５】
３枚のシリコンウエハ６２、６３、６４が接合されることにより、１枚のウエハ６が作製される。このウエハ６には、固定部材２、可動部材３及び保護部材４により構成される加速度センサ１が並んで形成されている。このウエハ６は１個の加速度センサ１単位にダイシングされる。従って、ウエハ６から加速度センサ１が１個ずつ切り分けられる。このように、ウエハレベルでの接合及びダイシングにより、加速度センサ１が分断形成され、複数個製造される。
【００２６】
上記の通り、加速度センサ１の製造工程においては、固定部材２、可動部材３及び保護部材４を１個ずつ接合することにより加速度センサ１が作製されるのではない。固定部材２、可動部材３及び保護部材４のそれぞれが複数形成されたシリコンウエハ６２、６３、６４を接合することにより、複数個の固定部材２、可動部材３及び保護部材４が一括して接合される。従って、この接合されたシリコンウエハ６２、６３、６４をダイシングすることにより、複数個の加速度センサ１を一括して作製できる。このため、生産性の向上を図ることができる。
【００２７】
本発明は、上記の実施形態の構成に限定されるものでなく、使用目的に応じ、様々な変形が可能である。例えば、絶縁膜２３又は絶縁膜４１は、可動部材３の上面又は下面に形成されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】（ａ）は本発明の一実施形態に係る静電容量式加速度センサの構成を平面図、（ｂ）は加速度センサの可動部材部分の構成を示す平面図。
【図２】（ａ）は図１のＡ−Ａ’線断面図、（ｂ）は同図のＢ−Ｂ’線断面図。
【図３】上記加速度センサが並んで形成されているウエハを示す斜視図。
【図４】従来の静電容量式加速度センサの構成を示す断面図。
【符号の説明】
【００２９】
１  静電容量式加速度センサ
２  固定部材
２１  固定電極
２２  信号処理ＩＣ（信号処理回路）
２３、４１  絶縁膜
２ａ  貫通穴（第１の貫通穴）
２ｂ  貫通穴（第２の貫通穴）
３  可動部材
４  保護部材
６２  シリコンウエハ（第１のシリコンウエハ）
６３  シリコンウエハ（第２のシリコンウエハ）
６４  シリコンウエハ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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