(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁層に形成された固定電極と、半導体層の固定部分にビームを介して可動支持された可動電極と、を備えるとともに、当該固定電極と可動電極とを間隙をもって相互に対向配置させて検出部が構成され、当該間隙の大きさに応じた静電容量を検出することで所定の物理量を検出する静電容量式センサにおいて、
前記半導体層に、前記固定電極または当該固定電極に繋がる導体層と接触して導通する電位取出部を形成して、当該電位取出部を介して固定電極の電位を取り出すように構成し、
前記電位取出部には、前記半導体層を凹設した凹部を形成するとともに、当該凹部内に、導体からなる突起状の接点部を電位取出部の半導体層と導通する状態で形成して、
前記接点部を、先端部が前記半導体層の前記絶縁層との接合面よりも突出するように高く形成し、当該接点部の先端部が前記固定電極に繋がる平坦状の導体層表面の幅方向全域に亘って当接するように、接点部の先端部を前記導体層に押圧接触させるようにしたことを特徴とする静電容量式センサ。
【請求項２】
前記凹部上に平坦な上面を有する下敷層を形成し、当該下敷層上に前記接点部を形成したことを特徴とする請求項１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、固定電極と可動電極との間の静電容量を検出することにより所定の物理量を検出する静電容量式センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、公知の半導体プロセスを用いて半導体基板を加工することで可動電極が弾性要素を介して固定部に可動支持される構造を形成し、作用した外力等に応じて可動電極が固定電極に対して接離可能となるようにして、これら電極間の静電容量の変化を検出することで加速度や角速度等の種々の物理量を検出できるようにした静電容量式センサが知られている（例えば特許文献１）。
【０００３】
そして、この種の静電容量式センサとして、半導体層内の一部分と絶縁層上に形成した固定電極としての導体層の所定位置とを相互に接触させてこれらの間で導通を確保し、当該固定電極の電位を当該半導体層内の一部分を介して取り出すように構成したものが知られている（例えば特許文献２）。
【０００４】
上記特許文献２の構造では、導体層を絶縁層と半導体層とによって挟持することで、上記半導体層内の一部分と導体層とを相互に接触・導通させるようにしている。
【特許文献１】特開２０００−２８６３４号公報
【特許文献２】特開平８−２５４４３８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、上記特許文献２の構成では、導体層が薄く平坦に設けられているため、接触圧を高くしにくく、十分な導通状態を得るのが難しい場合があった。
【０００６】
そこで、本発明は、静電容量式センサにおいて絶縁層に設けた固定電極の電位を半導体層に設けた電位取出部を介して取り出す場合に、固定電極と電位取出部との間でより確実に導通を確保することができる構造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、絶縁層に形成された固定電極と、半導体層の固定部分にビームを介して可動支持された可動電極と、を備えるとともに、当該固定電極と可動電極とを間隙をもって相互に対向配置させて検出部が構成され、当該間隙の大きさに応じた静電容量を検出することで所定の物理量を検出する静電容量式センサにおいて、上記半導体層に、上記固定電極または当該固定電極に繋がる導体層と接触して導通する電位取出部を形成して、当該電位取出部を介して固定電極の電位を取り出すように構成し、上記電位取出部には、上記半導体層を凹設した凹部を形成するとともに、当該凹部内に、導体からなる突起状の接点部を電位取出部の半導体層と導通する状態で形成して、上記接点部を、先端部が上記半導体層の上記絶縁層との接合面よりも突出するように高く形成し、当該接点部の先端部が上記固定電極に繋がる平坦状の導体層表面の幅方向全域に亘って当接するように、接点部の先端部を上記導体層に押圧接触させるようにしたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明にあっては、上記凹部上に平坦な上面を有する下敷層を形成し、当該下敷層上に上記接点部を形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、電位取出部に形成した導体からなる突起状の接点部の先端部によって固定電極または当該固定電極に繋がる導体層を押圧接触させて接触圧力を高めるようにしたので、固定電極と電位取出部との間でより確実に導通を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施形態にかかる静電容量式センサの半導体層の平面図、図２は、図１のＡ−Ａ線における静電容量式センサの断面図、図３は、図１のＢ−Ｂ線における静電容量式センサの断面図、図４は、ビーム部の断面図（図２のＣ−Ｃ断面図）、図５は、可動電極が揺動する様子を示す模式図であって、（ａ）は揺動していない状態、（ｂ）は一方側が固定電極に近付いた状態、（ｃ）は他方側が固定電極に近付いた状態を示す図、図６は、静電容量式センサの半導体層の一部としての電位取出部を示す拡大図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図、（ｃ）は組立前の状態を示す図である。
【００１１】
本実施形態にかかる静電容量式センサ１（以下、単にセンサ１と記す）は、図２に示すように、半導体基板を処理してなる半導体層２の表裏両側に、ガラス基板等の絶縁層２０，２１を陽極接合等によって接合して構成されている。これら半導体層２と絶縁層２０，２１との接合面には、比較的浅い凹部２２が形成されており、半導体層２各部の絶縁性や可動電極５の動作性の確保が図られている。なお、本実施形態では、半導体層２と絶縁層２０との接合面については、半導体層２側に凹部２２を設ける一方、半導体層２と絶縁層２１との接合面については、絶縁層２１側に凹部２２を設けている。
【００１２】
また、絶縁層２０の表面２０ａ上には導体層２３が成膜されており、半導体層２の各部の電位を取得するための電極として用いられる。本実施形態では、絶縁層２０にサンドブラスト加工等によって貫通孔２４を形成して半導体層２の表面（絶縁層２０側の表面）の一部を露出させておき、絶縁層２０の表面上から貫通孔２４の内周面上および半導体層２の表面（図２ではアンカ部３の表面）上にかけて電気的に接続された一連の導体層２３を成膜するようにして、当該導体層２３から半導体層２内の各部の電位を検出できるようにしてある。なお、絶縁層２０の表面上は、樹脂層（図示せず）によって被覆（モールド成形）するのが好適である。
【００１３】
そして、図１〜図３等に示すように、半導体基板に公知の半導体プロセスによって間隙１０を形成することにより、半導体層２に、アンカ部３や、ビーム部４、可動電極５、フレーム部７、電位取出部８等が形成される。
【００１４】
半導体層２は、図１に示すように、全体として平面視で略長方形状に形成されており、フレーム部７が、その半導体層２の四つの周縁（四辺）に沿って略一定幅で枠状に設けられている。
【００１５】
間隙１０は、例えば、垂直エッチング加工（例えば、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma；誘導結合プラズマ）加工等の反応性イオンエッチング）によって形成し、間隙１０両側の壁面を半導体層２の表面と垂直にして、それら壁面同士を相互に略平行に対向させるのが好適である。
【００１６】
フレーム部７の内側には、半導体層２の平面視略中央位置よりフレーム部７の一長辺側（図１の上側）に僅かにずれた位置に、矩形断面（本実施形態では略正方形断面）を有する柱状のアンカ部３が設けられており、このアンカ部３のフレーム部７の短辺に対向する一対の側壁からビーム部４，４がフレーム部７の長辺と略平行に延伸している。なお、本実施形態では、図２および図３に示すように、アンカ部３を絶縁層２０のみに当接（接合）させているが、さらにもう一方の絶縁層２１に当接（接合）させるようにしてもよい。
【００１７】
ビーム部４は、図４に示すような一定の矩形（略長方形）断面を有する梁として構成されている。全体的な大きさにもよるが、一例としては、半導体層２の厚み方向の高さｈは１０マイクロメートル以上（５００マイクロメートル以下）、半導体層２の表面に沿う方向の幅ｗは数マイクロメートル（３〜１０マイクロメートル程度）とすることができる。
【００１８】
そして、このビーム部４は、一定の断面でフレーム部７の長辺に沿う方向に延伸し、アンカ部３側の端部４ａに対して反対側となる端部４ｂが可動電極５に接続されている。
【００１９】
可動電極５は、フレーム部７の内周面７ａに間隙１０をもって対向する平面視略矩形状の外周面５ｄを備えるとともに、アンカ部３およびビーム部４，４の外側を間隙１０をもって囲むように形成されている。すなわち、可動電極５は、図１に示すように、アンカ部３およびビーム部４，４に対して、フレーム部７の一長辺側（図１の下側）には、間隙１０を空けて略矩形状の大板部５ａを備える一方、フレーム部７の他の長辺側（図１の上側）には、間隙１０を空けて略矩形状の小板部５ｂを備えており、これら大板部５ａと小板部５ｂとが、フレーム部７の短辺に沿う一対の接続部５ｃ，５ｃを介して相互に接続された形状となっている。そして、ビーム部４，４はそれぞれ対応する接続部５ｃ，５ｃの略中央部に接続されている。なお、上記構成では、大板部５ａの質量は小板部５ｂの質量よりも大きくなる。
【００２０】
このように可動電極５がセンサ１の固定部としてのアンカ部３にビーム部４，４を介して可動支持された構造は、半導体層２に適宜に間隙１０を形成するとともに半導体層２および絶縁層２０，２１のうち少なくともいずれか一方に適宜に凹部２２を形成することで得ることができる。よって、アンカ部３、ビーム部４，４、および可動電極５は、半導体層２の一部として一体に構成されており、それらアンカ部３、ビーム部４，４、および可動電極５の電位はほぼ等電位とみなすことができる。
【００２１】
ビーム部４，４は、フレーム部７に対して可動電極５を弾性的に可動支持するバネ要素として機能する。本実施形態では、図４に示すように、ビーム部４，４は、センサ１の厚み方向に長い断面（ビーム部４の延伸軸に垂直な断面）を有しているため、当該厚み方向には撓みにくく、また、可動電極５はビーム部４，４を挟んで相互に対向する大板部５ａと小板部５ｂとを備えており、ビーム部４，４の両側での質量が異なっているため、センサ１に厚み方向の加速度が生じると、大板部５ａおよび小板部５ｂに作用する慣性力の差によってビーム部４，４がねじられ、可動電極５はビーム部４，４を中心として揺動することになる。すなわち、本実施形態では、ビーム部４，４はねじりビーム（トーションビーム）として機能することになる。
【００２２】
そして、本実施形態では、可動電極５の大板部５ａおよび小板部５ｂのそれぞれに対向するように絶縁層２０の下面２０ｂに固定電極６Ａ，６Ｂを設け、大板部５ａと固定電極６Ａとの間の静電容量、および小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間の静電容量を検出することで、これら間隙の変化、ひいてはセンサ１の固定部に対する可動電極５の揺動姿勢の変化を検出することができるようになっている。
【００２３】
図５の（ａ）は、可動電極５が揺動することなく絶縁層２０の下面２０ｂに対して平行な姿勢にある状態を示している。この状態では、大板部５ａと固定電極６Ａとの間の間隙２５ａの大きさと、小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間の間隙２５ｂの大きさとが等しくなるため、大板部５ａおよび固定電極６Ａの相互対向面積と、小板部５ｂおよび固定電極６Ｂの相互対向面積とを等しくしてある場合には、大板部５ａと固定電極６Ａとの間の静電容量と、小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間の静電容量とは等しくなる。
【００２４】
図５の（ｂ）は、可動電極５が揺動して絶縁層２０の下面２０ｂに対して傾き、大板部５ａが固定電極６Ａから離間するとともに、小板部５ｂが固定電極６Ｂに近接した状態を示している。この状態では、図５の（ａ）の状態に比べて、間隙２５ａは大きくなり、間隙２５ｂは小さくなるから、大板部５ａと固定電極６Ａとの間の静電容量は小さくなり、小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間の静電容量は大きくなる。
【００２５】
図５の（ｃ）は、可動電極５が揺動して絶縁層２０の下面２０ｂに対して傾き、大板部５ａが固定電極６Ａに近接するとともに、小板部５ｂが固定電極６Ｂから離間した状態を示している。この状態では、図５の（ａ）の状態に比べて、間隙２５ａは小さくなり、間隙２５ｂは大きくなるから、大板部５ａと固定電極６Ａとの間の静電容量は小さくなり、小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間の静電容量は大きくなる。
【００２６】
したがって、一例としては、大板部５ａと固定電極６Ａとの間の静電容量と、小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間の静電容量との差動出力から、可動電極５の姿勢を把握することが可能となる。すなわち、これら静電容量の値から、加速度や角加速度など、種々の物理量を把握することができる。
【００２７】
静電容量は、可動電極５および固定電極６Ａ，６Ｂの電位から取得することができる。本実施形態では、図１および図２に示すように、アンカ部３上の絶縁層２０には貫通孔２４が形成されており、可動電極５の電位は、この貫通孔２４の内面に形成した導体層２３を介して取り出される。
【００２８】
一方、固定電極６は、絶縁層２０の下面２０ｂ上に略矩形状の導体層（例えばアルミニウム合金の層）として形成してある。固定電極６を成膜する工程では、固定電極６と一続きの導体層として、配線パターン１１および端子部９も同時に成膜される。したがって、固定電極６の電位は、配線パターン１１および端子部９、半導体層２に形成された電位取出部８、ならびに電位取出部８上の絶縁層２０に形成された導体層２３を介して取り出されるようになっている。
【００２９】
ここで、図６を参照して、電位取出部８の構成について説明する。電位取出部８は、半導体層２に形成した間隙１０や半導体層２または絶縁層２１に形成した凹部２２によって、可動電極５やフレーム部７等の半導体層２の他の部分と絶縁され、略円柱状に形成されるパッド部８ａと、パッド部８ａからフレーム部７の短辺に沿って細長く伸びる台座部８ｂとを備えている。そして、この台座部８ｂの端子部９に対応する部分を切り欠くように平坦な底面８ｃを備える凹部２６が形成されている。この凹部２６は、異方性エッチング（ウエットエッチング）によって形成し、深さの精度を確保するとともに、より平坦な底面８ｃを得るようにするのが好適である。
【００３０】
そして、この底面８ｃ上には下敷層２７（例えば、二酸化珪素（ＳｉＯ２）の層）が形成され、さらに、この下敷層２７と隣接した位置にほぼ同じ高さの導体層２８が形成されるとともに、下敷層２７の上面から導体層２８の上面にかけて、フレーム状の山部１２ａを連設してなる平面視で略梯子状の接点部１２が形成される。このとき、導体層２８および接点部１２は、同一の導体材料（例えばアルミニウム合金等）による層として形成することができる。
【００３１】
この場合、下敷層２７を二酸化珪素（ＳｉＯ２）の層とすれば、下敷層２７の上面が平坦に形成され（鏡面化され）、下敷層２７を設けることなく山部１２ａ（接点部１２）を形成した場合に比べて、各山部１２ａの高さを精度良く揃えることができる。したがって、山部１２ａと端子部９との接触圧力をより精度良く設定することが可能となる。
【００３２】
さらに、本実施形態では、図６の（ｃ）に示すように、接点部１２の山部１２ａを、半導体層２の表面２ａより上に高さδｈだけ突出するように高く形成し、これにより、半導体層２と絶縁層２０との接合により、端子部９によって山部１２ａを押圧して塑性変形させ、山部１２ａ（接点部１２）と端子部９との密着度を高めて、それらの間での接触および導通がより確実なものとなるようにしている。なお、端子部９の導体層の厚みを精度良く管理できる場合には、当該導体層の厚みを考慮して山部１２ａの高さを設定する（厚み分だけ低く設定する）ことも可能である。
【００３３】
また、図１に示すように、大板部５ａおよび小板部５ｂの表面上の適宜位置にはストッパ１３を設け、可動電極５と固定電極６Ａ，６Ｂとが直接的に接触（衝突）して損傷するのを抑制するようになっているが、このストッパ１３を下敷層２７と同一材料として同じ工程で形成するようにすれば、これらを別途形成する場合に比べて製造の手間が減り、製造コストを低減することができる。さらに、この場合、凹部２２の半導体層２の表面２ａからの深さと、凹部２６の半導体層２の表面２ａからの深さとを同じ値に設定すれば、これら凹部２２，２６を同じ工程で形成することができるようになる分、製造コストのより一層の低減が可能となる。
【００３４】
以上の本実施形態によれば、電位取出部８に形成した導体からなる突起状の山部１２ａ（接点部１２）の先端部を固定電極６Ａ，６Ｂに繋がる導体層としての端子部９に押圧接触させて接触圧力を高めるようにしたので、固定電極６と電位取出部８との間でより確実に導通を確保することができる。
【００３５】
また、本実施形態では、電位取出部８に平坦な底面８ｃを有する凹部２６を形成して、山部１２ａ（接点部１２）としての厚み（高さ）を確保できる分、当該山部１２ａを所期の形状（高さ、先端形状等）に調整しやすくなり、ひいては所望の接触圧力を確保しやすくなる。
【００３６】
また、導体層が厚くなりすぎた場合には、その上面で微小な凹凸が生じる場合があるが、本実施形態では、下敷層２７を設けた分、山部１２ａ（接点部１２）の高さを適宜に低く設定できるため、山部１２ａの先端部に凹凸が生じるのが抑制されて、ひいては固定電極６と電位取出部８との間でより確実に導通を確保することができる。
【００３７】
特に、本実施形態のように、下敷層２７を二酸化珪素（ＳｉＯ２）の層とすれば、下敷層２７の上面が平坦に形成され（鏡面化され）、下敷層２７を設けることなく山部１２ａ（接点部１２）を形成した場合に比べて、各山部１２ａの高さを精度良く揃えることができ、以て、接触圧力を精度良く設定できる上、位置による接触圧力のばらつきや、接触圧力の個体差を抑制することができる。
【００３８】
また、本実施形態のように、接点部１２の山部１２ａを、半導体層２の表面２ａより上に突出させるようにすれば、半導体層２と絶縁層２０との接合により、端子部９によって山部１２ａを押圧して塑性変形させることができ、山部１２ａ（接点部１２）と端子部９との密着度を高めて、これらの間、ひいては固定電極６と電位取出部８との間でより確実に導通を確保することができる。
【００３９】
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には限定されず、種々の変形が可能である。例えば、接点部によって固定電極そのものを押圧するように構成してもよいし、揺動方式に限らず、進退動方式等の他形式のセンサとしても本発明を実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施形態にかかる静電容量式センサの半導体層の平面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線における静電容量式センサの断面図。
【図３】図１のＢ−Ｂ線における静電容量式センサの断面図。
【図４】本発明の実施形態にかかる静電容量式センサのビーム部の断面図（図２のＣ−Ｃ断面図）。
【図５】本発明の実施形態にかかる静電容量式センサの可動電極が揺動する様子を示す模式図であって、（ａ）は揺動していない状態、（ｂ）は一方側が固定電極に近付いた状態、（ｃ）は他方側が固定電極に近付いた状態を示す図。
【図６】本発明の実施形態にかかる静電容量式センサの半導体層の一部としての電位取出部を示す拡大図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図、（ｃ）は組立前の状態を示す図。
【符号の説明】
【００４１】
１  静電容量式センサ
２  半導体層
４  ビーム部（ビーム）
５  可動電極
６Ａ，６Ｂ  固定電極
８  電位取出部
９  端子部（導体層）
１２  接点部
２０  絶縁層
２６  凹部
２７  下敷層
【図１】
0004692373.tif 000002
【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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