(57)【要約】【課題】温度特性の良好な容量式３軸加速度センサを提供する。【解決手段】中央部に電極キャビティ２９を形成すると共に周縁部に固定電極枠２３が形成された固定電極台座３０を具備し、この電極キャビティ２９にはその中央部にＺ電極３９を成膜形成すると共に、Ｚ電極３９に関して対称に−Ｙ電極３６および＋Ｙ電極３５を成膜形成し、更に、Ｚ電極３９に関して対称に−Ｘ電極３８および＋Ｘ電極３７を成膜形成し、半導体原材料基板に薄肉膜２２を形成してその周縁部に可動電極枠２３０を形成すると共に中央部に重錘台２５を形成した可動電極２０を具備し、固定電極枠２３の上面と可動電極枠２３０の下面を接合部２００として一体化した容量式３軸加速度センサにおいて、接合部２００をＸ軸方向或いはＹ軸方向の内の少なくとも一方について非対称とした容量式３軸加速度計。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中央部に電極キャビティを形成すると共に周縁部に固定電極枠が形成された固定電極台座を具備し、この電極キャビティにはその中央部にＺ電極を成膜形成すると共に、Ｚ電極に関して対称に−Ｙ電極および＋Ｙ電極を成膜形成し、更に、Ｚ電極に関して対称に−Ｘ電極および＋Ｘ電極を成膜形成し、半導体原材料基板に薄肉膜を形成してその周縁部に可動電極枠を形成すると共に中央部に重錘台を形成した可動電極を具備し、固定電極枠の上面と可動電極枠の下面を接合部として一体化した容量式３軸加速度センサにおいて、
接合部をＸ軸方向或いはＹ軸方向の内の少なくとも一方について非対称としたことを特徴とする容量式３軸加速度計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、容量式３軸加速度センサに関し、特に、半導体基板を原材料基板としてこの表面にフォトリソグラフィ技術を施して形成した温度特性の良好な容量式３軸加速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
容量式３軸加速度センサの従来例を図１１ないし図１５を参照して説明する。図１１を参照するに、加速度センサの第１層を構成する固定電極台座３０は、ガラス基板２１’を原材料基板とし、その上表面にエッチング技術を含むフォトリソグラフィ技術を施して形成する。ガラス基板２１’の表面にエッチング処理を施して極く僅かに掘り下げ、中央部に電極キャビティ２９を形成すると共に、電極キャビティ２９に関してＹ軸方向に対称に電極キャビティ２９に連通する引き出し線通過孔３４を形成する。結局、固定電極台座３０の表面には電極キャビティ２９および引き出し線通過孔３４が凹の形状に形成される。ここで、電極キャビティ２９および引き出し線通過孔３４は、固定電極台座３０の固定電極枠２３の上面に、後で説明される可動電極２０の可動電極枠２３０の下面を接合一体化したところで完成する。電極キャビティ２９および引き出し線通過孔３４を形成した結果、ガラス基板２１’の周縁部に固定電極枠２３が形成された固定電極台座３０が構成される。そして、電極キャビティ２９の中央部に、フォトリソグラフィ技術によりＺ電極３９を成膜形成すると共に、Ｚ電極３９に接近して図の左右方向であるＹ方向にＺ電極３９に関して対称に−Ｙ電極３６および＋Ｙ電極３５を成膜形成し、更に、Ｚ電極３９に接近して図の上下方向であるＸ方向にＺ電極３９に関して対称に−Ｘ電極３８および＋Ｘ電極３７を成膜形成する。引出し線通過孔３４にＺ電極３９から引き出し線３２−Ｚおよび３２＋Ｚを成膜形成し、−Ｙ電極３６および＋Ｙ電極３５から対応する引き出し線３２−Ｙおよび３２＋Ｙを成膜形成し、−Ｘ電極３８および＋Ｘ電極３７から対応する引き出し線３２−Ｘおよび３２＋Ｘを成膜形成する。引き出し線３２それぞれの端部はそれぞれの電極パッド２７とされている。ここで、以上の電極および引き出し線の成膜形成は、フォトリソグラフィ技術により同時に一挙に行われる。
【０００３】
図１２を参照するに、第２層の可動電極２０は、シリコン基板２１を原材料基板とし、その上表面にエッチング技術を含むフォトリソグラフィ技術を施して形成する。即ち、シリコン基板２１の表面からその一部をエッチング除去して極薄の薄肉膜２２を形成することにより、突出する可動電極枠２３０を周縁部に残存形成すると共に、突出する重錘台２５を中央部に残存形成する。２６は可動電極枠２３０の表面に形成されるコンタクト電極であり、薄肉膜２２をこれと一体に形成される可動電極枠２３０を介して外部に対して電気的に導通接続する電極を構成するものである。
【０００４】
図１３に示される第３層を構成する重錘体２４は、通常はガラスに加工を施して形成する。
図１４および図１５を参照するに、図１４は容量式３軸加速度センサの従来例の平面図、図１５は図１４における線Ａ−Ａ’に沿った厚さ方向断面を示す図である。
図１１の固定電極台座３０、図１２の可動電極２０、図１３の重錘体２４をこの順に積み重ねて接合一体化することにより、図１４および図１５に示される容量式３軸加速度センサを構成することができる。以下、これについて説明する。
【０００５】
図１５を参照するに、可動電極２０の重錘体２４を接着固定する側と反対の側を固定電極台座３０の周縁に形成される固定電極枠２３に接合固定することにより電極キャビティ２９および引き出し線通過孔３４が形成される。可動電極２０の固定電極台座３０と反対側の面に形成される重錘台座２５の上面に接着剤３３により重錘体２４を接合固定する。加速度検知に必要な質量が重錘台座２５のみで充分である場合は、重錘体２４を省略することができる。
以上の通りに３者を積み重ねて一体化することにより、半導体３軸加速度センサの半製のそ製造は終了し、可動電極２０の薄肉膜２２と、固定電極台座３０の表面に形成されるＺ電極３９、−Ｙ電極３６および＋Ｙ電極３５、−Ｘ電極３８および＋Ｘ電極３７それぞれとの間にコンデンサを形成する。
【０００６】
図７を参照して以上の半導体３軸加速度センサの動作を説明するに、２軸分の感度軸、即ち、Ｙ軸およびＸ軸について、Ｙ軸方向の入力加速度に対して重錘体４は振り子運動をして薄肉膜２２は変位し、薄肉膜２２と−Ｙ電極３６および＋Ｙ電極３５それぞれとが形成する２つのコンデンサ対の間に８により示される容量差が発生し、この容量差８に基づいて入力加速度を検知することができる。薄肉膜２２の変位により−Ｙ電極３６の形成するコンデンサの容量は減少する一方、＋Ｙ電極３５の形成するコンデンサの容量は増加し、この容量差８で入力加速度を検知する訳である。以上の説明はＹ軸方向の入力加速度に対する説明であるが、Ｘ軸方向の入力加速度についても同様の説明をすることができる。
【０００７】
図８を参照してＺ軸方向の入力加速度に対する半導体３軸加速度センサの動作を説明するに、Ｚ軸方向の入力加速度については、重錘体４は振り子運動はせずにＺ軸方向の上下方向運動をする。重錘体４の上下方向運動により、薄肉膜２２とＺ電極３９とが形成するコンデンサの容量は増加し、或いは減少する。Ｚ電極３９が形成するコンデンサの容量の減少或いは増加に基づいてＺ軸方向の入力加速度を検知することはできる。しかし、Ｚ軸方向の入力加速度による重錘体４のＺ軸方向の上下方向運動については、薄肉膜２２に対向する電極を２枚形成してコンデンサ対を構成する訳には行かない。コンデンサ対の容量差により入力加速度を検出することにより、検出信号の直線性が改善され、或いは温度変化に起因する薄肉膜２２の変形をキャンセルすることができるという特性改善効果が発揮されるが、単一のコンデンサの容量変化による入力加速度の検出にはこの特性改善効果を期待することはできない。従って、Ｚ軸方向の１軸分の性能は他のＸＹ軸方向の２軸分の性能と比較して劣るものとなる。特に、薄肉膜２２は、これを構成するシリコンとは異なる材質の固定電極台座３０の固定電極枠２３に接合固定されているので、熱膨張係数の差による温度変形の差が原因となり変形する。以下、これについて、図１６ないし図１８を参照して説明する。
【０００８】
可動電極２０と固定電極台座３０との間の接合部２００を構成する固定電極枠２３の形状が薄肉膜２２の中心点に関して対称である場合、接合部２００の薄肉膜２２対する応力は一例として矢印により示される如く均等に発生し、温度変化による薄肉膜２２の変形も図１８に示される如く薄肉膜２２の中心に対して対称となり、Ｙ軸およびＸ軸の容量差検出方式により効率良くキャンセルすることができる。即ち、均等な変形は容量差となって現れない。逆に、Ｚ軸については、温度変化による薄肉膜２２の変形がＺ軸方向に生じ、Ｚ電極３９の形成するコンデンサの容量に大きな影響を受け、Ｚ軸方向の検出は容量差によるものではないところから、この影響をキャンセルすることができず、温度変化に極めて不安定な感度軸となる。このＺ軸は以上の半導体３軸加速度センサにおけるボトルネックとなり、他の２軸が高い温度安定性を発揮してもこの１軸分の温度安定性能が低いためにグレードの低い半導体３軸加速度センサとなる。
【０００９】
半導体３軸加速度センサの温度特性を改善する従来例として、薄肉膜を卍型にして応力による薄肉膜の変形を回転方向に発生させ、温度特性の改善を図るものがある（特許文献１  参照）。これによると、キャビティがセンサ外部に露出する穴が大きくなり、製造工程および完成後に内部に塵埃が進入してセンサを誤動作させる恐れが生ずる。また、衝撃時に応力が卍型のコーナーに集中して破損しやすくなる。
【００１０】
【特許文献  １】
特開２０００−０６５８５４号  公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述した通り、半導体３軸加速度センサの従来例は、単一電極によるＺ軸方向の１軸分の性能は他のＸＹ軸方向の２軸より劣るものとなる。この感度軸Ｚは半導体３軸加速度センサにおけるボトルネックとなり、他のＸＹ軸方向の２軸が高い温度安定性を発揮しても、この１軸分の温度安定性能が低いところからこの半導体３軸加速度センサはグレードの低い加速度センサにランク付けされることになる。
この発明では、以上の問題を解消した温度特性の良好な容量式３軸加速度センサを提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
中央部に電極キャビティ２９を形成すると共に周縁部に固定電極枠２３が形成された固定電極台座３０を具備し、この電極キャビティ２９にはその中央部にＺ電極３９を成膜形成すると共に、Ｚ電極３９に関して対称に−Ｙ電極３６および＋Ｙ電極３５を成膜形成し、更に、Ｚ電極３９に関して対称に−Ｘ電極３８および＋Ｘ電極３７を成膜形成し、半導体原材料基板に薄肉膜２２を形成してその周縁部に可動電極枠２３０を形成すると共に中央部に重錘台２５を形成した可動電極２０を具備し、固定電極枠２３の上面と可動電極枠２３０の下面を接合部２００として一体化した容量式３軸加速度センサにおいて、接合部２００をＸ軸方向或いはＹ軸方向の内の少なくとも一方について非対称とした容量式３軸加速度計を構成した。
【００１３】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を図の実施例を参照して説明する。実施例において、従来例における部材と共通する部材には共通する参照符号を付与している。
図１を参照するに、固定電極台座３０はガラス基板２１’を原材料基板とし、その上表面にエッチング技術を含むフォトリソグラフィ技術を施して形成する。ガラス基板２１’の表面にエッチング処理を施して極く僅かに掘り下げ、中央部を含み＋Ｙ軸方向に基板右側部近傍に到る電極キャビティ２９を形成すると共に−Ｙ軸方向に電極キャビティ２９に連通する引き出し線通過孔３４を形成し、固定電極台座３０が形成される。結局、固定電極台座３０の表面に、電極キャビティ２９および引き出し線通過孔３４が断面凹の形状に形成される。電極キャビティ２９および引き出し線通過孔３４を断面凹の形状に形成した結果、ガラス基板２１’の周縁部に固定電極枠２３が形成された固定電極台座３０が構成されたことになる。この実施例の場合、固定電極枠２３のＹ軸方向に延伸する上下側枠部の寸法をＸ軸方向に延伸する左右側枠部の寸法と比較して大きく設定している。そして、電極キャビティ２９の中央部に、フォトリソグラフィ技術によりＺ電極３９を成膜形成すると共にＺ電極３９に接近して図の左右方向であるＹ方向にＺ電極３９に関して対称に−Ｙ電極３６および＋Ｙ電極３５を成膜形成し、更に、Ｚ電極３９に接近して図の上下方向であるＸ方向にＺ電極３９に関して対称に−Ｘ電極３８および＋Ｘ電極３７を成膜形成する。引き出し線通過孔３４に、Ｚ電極３９から引き出し線３２−Ｚを成膜形成し、−Ｙ電極３６から引き出し線３２−Ｙを成膜形成し、−Ｘ電極３８から引き出し線３２−Ｘを成膜形成する。この実施例の場合、Ｚ電極３９の他方の引き出し線３２＋Ｚ、＋Ｙ電極３５の引き出し線３２＋Ｙ、＋Ｘ電極３７の引き出し線３２＋Ｘは、電極キャビティ２９に成膜形成している。引き出し線３２それぞれの端部はそれぞれの電極パッド２７とされている。ここで、以上の電極および引き出し線の成膜形成はフォトリソグラフィ技術により同時に一挙に行われる。
【００１４】
図２を参照するに、可動電極２０は、シリコン基板２１を原材料基板とし、その上表面からその一部をエッチング除去して極薄の薄肉膜２２を形成することにより、突出する可動電極枠２３０を周縁部に残存形成すると共に、突出する重錘台２５を中央部に残存形成する。２６は可動電極枠２３０の表面に形成されるコンタクト電極であり、薄肉膜２２をこれと一体に形成される可動電極枠２３０を介して外部に対して電気的に導通接続する電極を構成するものである。
図３に示される重錘体２４は、通常はガラスに加工を施して形成する。
図４および図５を参照するに、図４は容量式３軸加速度センサの実施例の平面図、図５は図４における線Ａ−Ａ’に沿った厚さ方向断面を示す図である。
【００１５】
固定電極台座３０、可動電極２０、重錘体２４をこの順に積み重ねて接合一体化することにより、図４および図５に示される容量式３軸加速度センサの実施例を構成することができる。以下、これについて説明する。
図５を参照するに、可動電極２０の重錘体２４を接着固定する側とは反対の側を固定電極台座３０の周縁に形成される固定電極枠２３に接合固定することにより、電極キャビティ２９および引き出し線通過孔３４が形成される。
ここで、図６を参照するに、これは図４において重錘体２４を取り外したところを示す図であるが、この実施例は、固定電極台座３０と固定電極枠２３との間の接合部２００は、可動電極２０の可動電極枠２３０の下面である斜線により示される如く左右不均等に形成している。即ち、可動電極２０は、その可動電極枠２３０の内の上下左側枠部を固定電極枠２３の対応する上下左側枠部に対して接合固定されているが、可動電極枠２３０の内の右側枠部の下にはこれを接合固定すべき固定電極枠２３の右側枠部は存在せずに宙に浮いており、可動電極２０の固定電極枠２３に対する接合固定は薄肉膜２２の中心点に関して非対称である。
【００１６】
図５に示される如く、可動電極２０の固定電極台座３０と反対側の面に形成される重錘台座２５の上面に接着剤３３により重錘体２４を接合固定する。加速度検知に必要な質量が重錘台座２５のみで充分である場合は、重錘体２４を省略することができる。
以上の通りに３者を積み重ねて一体化することにより、半導体３軸加速度センサの製造は終了し、可動電極２０の薄肉膜２２と、固定電極台座３０の表面に形成されるＺ電極３９、−Ｙ電極３６および＋Ｙ電極３５、−Ｘ電極３８および＋Ｘ電極３７それぞれとの間にコンデンサを形成する。
【００１７】
ここで、実施例の動作を図９および図１０を参照して説明するに、先に図６を参照して説明した通り、可動電極２０はその可動電極枠２３０の内の上下左側枠部を固定電極枠２３の対応する上下左側枠部に対して斜線で示される接合部２００で接合固定されているが、可動電極枠２３０の内の右側枠部の下には接合固定すべき固定電極枠２３の右側枠部は存在せずに宙に浮いており、可動電極２０の固定電極枠２３に対する接合固定は、薄肉膜２２の中心点に関して非対称である。即ち、応力は温度変化により矢印に示される如く不均等な接合部２００のみにより発生し、接合部２００を構成しない可動電極枠２３０の内の右側枠部においては応力は発生せず、薄肉膜２２の中心点に関して非対称な応力が薄肉膜２２に加えられる。その結果、薄肉膜２２は図１０に示される如く変形する。この変形により、−Ｙ電極３６の形成するコンデンサと＋Ｙ電極３５の形成するコンデンサの間には、容量差ΔＣ１１の誤差が生じて温度変化による影響を蒙るが、Ｙ軸方向の加速度検出は容量差検出方式であるので、温度変化に起因するΔＣ１１の容量誤差による加速度検出に対する影響は小さなものとなる。Ｘ軸方向についても、同様に、温度変化に起因するΔＣ１１の容量誤差による加速度検出に対する影響は小さい。Ｚ軸方向の加速度検出について見ると、薄肉膜２２の変形はＺ軸方向に対して傾き変形する。以上の通り、薄肉膜２２がこれとコンデンサを形成する対向電極であるＺ電極３９に対して傾き変形した場合、Ｚ軸方向に変位する変形と比較して薄肉膜２２とＺ電極３９との間の距離の変形量は緩和されて温度変化による容量変動は小さくなり、温度変化に起因する容量誤差による加速度検出に対する影響は小さなものとなる。
【００１８】
以上の実施例は、接合部２００をＸ軸方向或いはＹ軸方向の内の一方であるＹ軸方向について非対称に形成して薄肉膜２２に対してその中心点に関して非対称の応力を発生する例であった。薄肉膜２２に対する中心点に関して非対称の応力の発生は、接合部２００をＸ軸方向について非対称に形成することにより同様に発生することができる。そして、接合部２００をＸ軸方向およびＹ軸方向の双方について非対称に形成することに依っても、薄肉膜２２の中心点に関して非対称の応力を発生することができる。
【００１９】
【発明の効果】
上述した通りであって、この発明は、固定電極枠２３の上面と可動電極枠２３０の下面を接合部２００として一体化して形成した容量式３軸加速度センサにおいて、接合部２００をＸ軸方向或いはＹ軸方向の内の何れか一方について非対称とした構成を採用することにより、３軸共に温度変化に起因して発生する容量誤差による加速度検出に対する影響の小さい容量式３軸加速度センサを構成することができる。即ち、３軸の感度軸の内の温度特性のボトルネックとなる単一電極による感度軸であるＺ軸の温度特性を向上させ、３軸の温度安定性能の均等化を計り、容量式３軸加速度センサ全体としての温度特性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
実施例の固定電極台座の平面図。
【図２】
可動電極の平面図。
【図３】
重錘体の平面図。
【図４】
実施例の平面図。
【図５】
図４における線Ａ−Ａ’に沿った断面図。
【図６】
実施例の接合部を説明する図。
【図７】
Ｘ軸およびＹ軸方向の加速度入力による動作を説明する図。
【図８】
Ｚ軸方向の加速度入力による動作を説明する図。
【図９】実施例の応力発生を説明する図。
【図１０】実施例の非対称応力による変形を説明する図。
【図１１】従来例の固定電極台座の平面図。
【図１２】可動電極の平面図。
【図１３】重錘体の平面図。
【図１４】従来例の平面図。
【図１５】図１４における線Ａ−Ａ’に沿った断面図。
【図１６】従来例の接合部を説明する図。
【図１７】従来例の応力発生を説明する図。
【図１８】従来例の対称応力による変形を説明する図。
【符号の説明】
２０  可動電極              ２２  薄肉膜
２３  固定電極枠            ２５  重錘台
２９  電極キャビティ        ３０  固定電極台座
３５  ＋Ｙ電極              ３６  −Ｙ電極
３７  ＋Ｘ電極              ３８  −Ｘ電極
３９  Ｚ電極              ２３０  可動電極枠
【図１】
2004150993.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004150993.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2004150993.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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