(57)【要約】【課題】精度の高い出力を得るためのセンサ実装の困難性を解決し、１つのセンサで複数方向のセンサ出力が得られるセンサ構造とすることにより、高速の加速度変化に対しても応答可能な高速応答センサを提供する。【解決手段】加速度センサは、第１の導電性基板１と、第１の導電性基板１に絶縁層２を介して積層された第２の導電性基板１５とからなる。そして、加速度センサは、第１の導電性基板１と第２の導電性基板１５の少なくとも一方によって形成され、外力の印加により移動する検知子３と、検知子３を第２の導電性基板１５に保持する複数の梁８〜１１と、検知子３の移動により静電容量を変化させる静電容量発生部４〜７と、静電容量の変化を出力する複数の電極部１６〜２０とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導電性基板と、前記第１の導電性基板に絶縁層を介して積層された第２の導電性基板とからなり、前記第１の導電性基板と前記第２の導電性基板の少なくとも一方によって形成され、外力の印加により移動する検知子と、前記検知子を前記第２の導電性基板に保持する複数の梁と、前記検知子の移動により静電容量を変化させる静電容量発生部と、前記静電容量の変化を出力する複数の電極部とを有することを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】
前記第１の導電性基板及び前記第２の導電性基板は、単結晶シリコン基板であり、前記絶縁層は、酸化シリコン層であることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項３】
前記検知子の断面形状は、略矩形であり、
前記静電容量発生部は、前記検知子の矩形の４辺に略垂直な平面により形成され、
前記検知子を保持する複数の梁は、前記略矩形の検知子の４頂辺に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の加速度センサ。
【請求項４】
前記検知子の断面形状は略矩形であり、
前記静電容量発生部及び前記検知子を保持する複数の前記梁は、前記検知子の前記略矩形の頂点に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の加速度センサ。
【請求項５】
前記静電容量発生部は、前記検知子の少なくとも表面の一部に形成されていることを特徴とする請求項３又は４に記載の加速度センサ。
【請求項６】
前記検知子は、第３の基板と第４の基板との間に配置され、前記第３の基板又は前記第４の基板に対向する前記検知子の面にさらに前記静電容量発生部が形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに１項に記載の加速度センサ。
【請求項７】
前記検知子は、空間を介して前記第３の基板と前記第４の基板との間に配置され、前記第３の基板又は前記第４の基板の少なくとも一方に電極部に到達する貫通穴が前記空間と連通せずに形成されていることを特徴とする請求項６に記載の加速度センサ。
【請求項８】
前記空間は減圧雰囲気にあることを特徴とする請求項７に記載の加速度センサ。
【請求項９】
前記第３の基板又は前記第４の基板の少なくとも一方の基板は、前記絶縁層を介した単結晶シリコン基板又は透明ガラス基板であることを特徴とする請求項６から８のいずれか１項に記載の加速度センサ。
【請求項１０】
前記第３の基板又は前記第４の基板の少なくとも一方の基板に形成された貫通穴は、前記絶縁層を介して導電性材料で充填されていることを特徴とする請求項９に記載の加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、衝撃検出装置、振動検出装置等に使用する加速度センサに関し、特に、高速の加速度変化等に応答可能な加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、基準平面に対して所定の傾斜角を有する複数の傾斜面により形成された凹部を備えた基板と、この基板の各傾斜面に対向するように設けられた各傾斜面と、基準平面と平行な平行面とを有し、上記基板と所定の間隔を隔てて配置された可動多面構造体と、この多面構造体を可動可能に弾性支持する支持手段と、上記基板と上記多面構造体の各傾斜面の間の変位、及び、上記基板の基準平面と上記多面構造体の平行面の間の上記基準面に対して垂直方向の変位を検出する変位検出手段とを有して構成された半導体センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。当該半導体センサでは、変位は、静電容量の変化を検出し、前記多面構造体は、水平または垂直方向に移動可能である。
【０００３】
特許文献１で提案されている半導体センサは、上記のとおり、検出しようとする加速度を、多面構造体が移動する垂直または水平（＝各軸方向）としている。しかしながら、各軸方向の加速度によって多面構造体に生じる慣性力は小さいので、検出感度やＳ／Ｎ比を非常に大きくする必要があった。
【０００４】
また、本願発明者により、任意方向を高出力で高精度に計測することが容易で、汎用性もあり小型で低コストの静電容量検出型センサが開示されている（例えば、特許文献２参照）。当該静電容量検出型センサは、被感知体側に形成された感知子基板と、該感知子基板に回動可能に形成された感知子と、該感知子の凸形状部に形成された感知子電極と、感知子基板と一体的に形成された電極基板と、該電極基板上に形成された凹形状の検知部と、該検知部に形成された基板電極と、感知子電極と基板電極の組み合わせで形成する静電容量形成部から構成される。
【特許文献１】特開平７−９８３２８号公報
【特許文献２】特開２００２−２５０７４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の容量検出型センサは、容量形成部がダイヤフラム形状になっているので、センサ出力を大きくするためには、ダイヤフラムの面積を大きくする必要があった。そのため、高出力センサは形状が大きくなり、センサの小型化には限界があった。
【０００６】
また、従来の容量検出型センサの容量形成部は１つであるのが一般的で、被検知物の変位方向を任意の方向に分解するには複数のセンサが必要であり、その場合、その取り付け角度の精度がセンサの角度分解能を決定することとなる。
【０００７】
そこで、本発明は、上述した実情を考慮してなされたもので、精度の高い出力を得るためのセンサ実装の困難性を解決し、１つのセンサで複数方向のセンサ出力が得られるセンサ構造とすることにより、高速の加速度変化に対しても応答可能な高速応答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】
上記の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、加速度センサにおいて、第１の導電性基板と、前記第１の導電性基板に絶縁層を介して積層された第２の導電性基板とからなり、前記第１の導電性基板と前記第２の導電性基板の少なくとも一方によって形成され、外力の印加により移動する検知子と、前記検知子を前記第２の導電性基板に保持する複数の梁と、前記検知子の移動により静電容量を変化させる静電容量発生部と、前記静電容量の変化を出力する複数の電極部とを有することを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２記載の発明は、請求項１に記載の加速度センサにおいて、前記第１の導電性基板及び前記第２の導電性基板は、単結晶シリコン基板であり、前記絶縁層は、酸化シリコン層であることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載の加速度センサにおいて、前記検知子の断面形状は、略矩形であり、前記静電容量発生部は、前記検知子の矩形の４辺に略垂直な平面により形成され、前記検知子を保持する複数の梁は、前記略矩形の検知子の４頂辺に形成されていることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項４記載の発明は、請求項１又は２に記載の加速度センサにおいて、前記検知子の断面形状は略矩形であり、前記静電容量発生部及び前記検知子を保持する複数の前記梁は、前記検知子の前記略矩形の頂点に形成されていることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項５記載の発明は、請求項３又は４に記載の加速度センサにおいて、前記静電容量発生部は、前記検知子の少なくとも表面の一部に形成されていることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項６記載の発明は、請求項１から５のいずれか１項に記載の加速度センサにおいて、前記検知子は、第３の基板と第４の基板との間に配置され、前記第３の基板又は前記第４の基板に対向する前記検知子の面にさらに前記静電容量発生部が形成されていることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項７記載の発明は、請求項６に記載の加速度センサにおいて、前記検知子は、空間を介して前記第３の基板と前記第４の基板との間に配置され、前記第３の基板又は前記第４の基板の少なくとも一方に電極部に到達する貫通穴が前記空間と連通せずに形成されていることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項８記載の発明は、請求項７に記載の加速度センサにおいて、前記空間は減圧雰囲気にあることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項９記載の発明は、請求項６から８のいずれか１項に記載の加速度センサにおいて、前記第３の基板又は前記第４の基板の少なくとも一方の基板は、前記絶縁層を介した単結晶シリコン基板又は透明ガラス基板であることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項１０記載の発明は、請求項９に記載の加速度センサにおいて、前記第３の基板又は前記第４の基板の少なくとも一方の基板に形成された貫通穴は、前記絶縁層を介して導電性材料で充填されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、精度の高い出力を得るためのセンサ実装の困難性を解決し、１つのセンサで複数方向のセンサ出力が得られるセンサ構造とすることにより、高速の加速度変化に対しても応答可能な高速応答センサが提供され、加速度の検知の精度を高くすることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
【００２０】
［実施形態１］
まず、本発明の第１の実施形態としての加速度センサについて説明する。図１は、本実施形態の加速度センサの構成を示した図で、（ａ）は加速度センサの平面図、（ｂ）は平面図（ａ）中のａ−ａ'線での断面図、（ｃ）はｂ−ｂ'線での断面図をそれぞれ表している。
【００２１】
図中１は第１の導電性基板であり、２は絶縁性材料であり、１５は第２の導電性基板であり、３は移動可能な矩形の検知子である。また、４〜７は、静電容量発生部であり、矩形の検知子３の４つの辺と第２の絶縁性材料を介してそれぞれ対向する電極とで構成するキャパシタ構造になっている。８〜１１は、検知子を保持するための複数の梁であり、それぞれの一端は略矩形形状の検知子３の４つの頂部と接続され、他端は第２の導電性基板１５と接続されている。
【００２２】
検知子３は、外部から印加される加速度に対応して梁を撓ませた結果、その位置を変える。検知子３の位置が変わると静電容量部を形成しているキャパシタ構造の静電容量が変化し、この変化信号を電極部１６〜２０を介して検出し、検知子３に作用している加速動が測定される。
【００２３】
図２は、本実施形態の加速度センサの製造方法を示した図である。
【００２４】
図２（a）は、第１の導電基板、絶縁層、及び第２の導電性基板を形成する工程である。図中５０は加速度センサを形成する基板でシリコンウエハのＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板である。ＳＯＩ基板のベース基板１は、第１の導電基板に相当し、例えば厚さ１５０μｍ程度である。２は絶縁層で、例えばシリコン酸化膜からなり、厚さは２μｍ程度である。１５は第２の導電性基板であり、例えば厚さ２０μｍの単結晶シリコンで形成されている。
【００２５】
図２（ｂ）は、検知子３、検知子３を保持する複数の梁８〜１１、及び静電容量発生部４〜７を形成する工程である。フォトリソグラフィーとシリコンのディープドライエッチングとを用いて、第２の導電性材料１５中に図中１１で示される幅５μｍ程度のシリコンから下地のシリコン酸化膜まで到達し、これによって第２の導電性材料１５中に各領域を形成する。このドライエッチングにより、第２の導電性材料中に、検知子３領域と、検知子３を保持する複数の梁８〜１１、及び電極部との絶縁領域が形成される。この工程により、検知子３が一辺の長さ１ｍｍの略矩形に形成され、梁の幅が１００μｍに、長さは５００μｍ程度であるように形成される。また、この工程で電極部１６〜２０が形成される。
【００２６】
図２（ｃ）の工程では、フォトリソグラフィーとシリコンのディープドライエッチングの手法により、第１の導電性基板１内に、検知子３と静電容量発生部４及び５と電極部１６及び１８の絶縁領域が形成される。これによって、紙面横方向の導電性部材同士、及び電極とこれら導電性部材との導通を遮断し、絶縁性を保持する。
【００２７】
図２（ｄ）の工程では、電極部１６及び１８の酸化膜２をドライエッチングの手法により除去し、本実施形態の加速度センサが完成する。なお、上記寸法は、一例にすぎず、本発明がこの大きさに限定されないことは言うまでもない。
【００２８】
［実施形態２］
次に、本発明の第２の実施形態として、他の実施形態の加速度センサについて説明する。図３は、本実施形態の加速度センサの構成を示す図である。ただし、図中、左の図は、第３の導電性基板及び第３の導電性基板と第２の導電性基板との間に設けられた絶縁層を除いた状態での加速度センサの平面図を表し、右図はこれら第３の導電性基板等が設けられた状態での同左図中のａ−ａ’線における加速度センサの断面図を表す。
【００２９】
検知子等センサ部は図１、図２に示す実施形態と同様であるが、本実施形態では、センサ部は、第３の導電性基板であるシリコン基板３１と、第４の導電性基板であるシリコン基板３２とによって絶縁層を介して積層され、検知子３は、基板３１及び３２で形成される空間内（図３の左図の点線部分。同右図の検知子３の周囲の空間）にあって、例えば減圧雰囲気に保持されている。
【００３０】
そして、基板３１中にはセンサ部の電極部にあたる位置に貫通穴３３及び３４が形成されている。センサ信号は、この連通穴を介して、例えばワイヤボンディング等により外部に出力される。この貫通穴は、検知子３が囲まれている空間と連通していないので、この貫通穴により検知子３の減圧雰囲気（真空度）が影響を受けることはない。なお、減圧雰囲気以外に、窒素雰囲気等にしてもよい。
【００３１】
［実施形態３］
次に、本発明の第３の実施形態として、他の実施形態の加速度センサについて説明する。図４は、本実施形態の加速度センサの構成を示す図である。ただし、図中、左の図は、第３の導電性基板及び第３の導電性基板と第２の導電性基板との間に設けられた絶縁層を除いた状態での加速度センサの平面図を表し、右図はこれら第３の導電性基板等が設けられた状態での同左図中のａ−ａ’線における加速度センサの断面図を表す。
【００３２】
検知子３等のセンサ部は、実施形態２と同様である。ただし、本実施形態では、センサ部に積層される基板４１中に形成される連通穴が表面に絶縁層を形成して導電性材料で充填されている。この充填はＮｉメッキ等（電解メッキ又は無電解メッキ）によって行われる。
【００３３】
また、この導電性材料は、センサ部の電極部と電気コンタクトが形成され、センサ信号はこの導電性充填材料を介して外部に出力される。そして、この導電性材料で充填した領域は図３に示す貫通穴と同様であり、よってこの導電性材料で充填した領域も検知子の減圧雰囲気（真空度）に影響を与えることはない。
【００３４】
［実施形態４］
次に、本発明の第４の実施形態として、他の実施形態の加速度センサについて説明する。図５は、本実施形態の加速度センサの構成を示す図である。ただし、図中、左の図は、第３の導電性基板及び第３の導電性基板と第２の導電性基板との間に設けられた絶縁層を除いた状態での加速度センサの平面図を表し、右図はこれら第３の導電性基板等が設けられた状態における同左図中のａ−ａ’線での加速度センサの断面図を表す。
【００３５】
本実施形態でも検知子等のセンサ部は実施形態２と同様である。ただし、本実施形態では、センサ部は、第３のガラス基板５１と第４のガラス基板５２とによって絶縁層を介して積層され、検知子３は、基板５１及び５２で形成される空間中にあって減圧雰囲気に保持されている。その他は図４に示す実施形態３と同様である。なお、ガラス基板に使用するガラス基板の材質は無機材料であってもよく、有機材料などの絶縁性材料であってよい。
【００３６】
また、図３〜図５に示す実施形態において、検知子３を固定する機能を有する梁は、図１（ｃ）に示す例と同様である。また、本実施形態の加速度センサは、その静電容量が第１導電性基板から形成される部位である３の部分の表面積（図１〜５において略矩形に記載された図番３の縦の部分と隙間空間４〜７と前記縦と対向した図番１の略矩形の縦の辺（ただしこれらの辺で表示された箇所は断面形状であるので、実際上は矩形形状の面が隙間空間４〜７を介して対峙している）、及び図３〜４では、さらに３の底辺と第４導電性基板３２、さらに第３導電性基板３１と対峙する面）が静電容量Ｃに寄与している。また、図３〜図５の点線で表示した部分は、第３の導電性基板表面の凹部を示す。
【００３７】
なお、上述する実施形態は、本発明の好適な実施形態であり、上記実施形態のみに本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更を施した形態での実施が可能である。
【００３８】
上記の実施形態によれば、第１の導電性基板及び第２の導電性基板を単結晶シリコンにすることで、半導体微細加工技術により小型な加速度センサとすることが可能となる。
【００３９】
また、上記の実施形態によれば、検知子の形状を矩形にすることで、加速度の作用する方向を検知することが可能となる。
【００４０】
また、上記の実施形態によれば、検知子の相対する他の面にも導電性基板を対向させ、静電容量発生部を形成させることで、より精度の高い加速度センサとすることが可能となる。
【００４１】
また、上記の実施形態によれば、検知子に対向する導電性基板に、検知子を囲む空間と連通せずに、電極部に到達する貫通穴を形成することで、検知子の雰囲気に影響せずにセンサ信号を外部に取り出すことが可能となる。
【００４２】
また、上記の実施形態によれば、検知子を減圧雰囲気に設置することで、気体の流体抵抗を受けないので、より感度が高く、応答速度も速い加速度センサとすることが可能となる。
【００４３】
また、上記の実施形態によれば、基板の少なくとも一方を透明ガラスにすることで、センサ組立後の検査が容易であり、安価な加速度センサとすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施形態に係る加速度センサの構成を示した図である。
【図２】本発明の実施形態に係る加速度センサの製造方法を説明するための図である。
【図３】本発明の実施形態に係る加速度センサの構成を示した図である。
【図４】本発明の実施形態に係る加速度センサの構成を示した図である。
【図５】本発明の実施形態に係る加速度センサの構成を示した図である。
【符号の説明】
【００４５】
１    第１の導電性基板（シリコン）
２，２’    絶縁性材料（シリコン酸化膜）
３    検知子
４〜７    静電容量発生部
８〜１１    梁
１５    第２の導電性基板
１６〜２０    電極部
３１    第３の導電性基板（シリコン基板）
３２    第４の導電性基板（シリコン基板）
３３，３４    貫通穴
４１    基板
４３，４４，５３，５４    導電性材料
５１    第３の導電性基板（ガラス基板）
５２    第４の導電性基板（ガラス基板）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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