(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物理量の変位に応じて動作する可動電極と、固定電極とを相互に間隙を介して対向配置し、前記固定電極と前記可動電極との間隙の大きさに応じて検出される静電容量に基づき前記物理量を検出する静電容量式センサにおいて、
前記可動電極は、前記固定電極との前記間隙を介した対向配置関係を保ちながら前記固定電極の周囲を囲むとともに、当該可動電極の動作を受け止めるストッパ部を囲む構造を有しており、
前記可動電極の中心から最大限離れた前記可動電極の端部と平行に、前記固定電極を前記間隙を介して対向配置させるとともに、前記可動電極を正方形状とし、正方形状とした前記可動電極の１辺に対して、前記固定電極を内側から平行に対向配置させており、
前記可動電極は、正方形状とした可動電極中央部と、当該可動電極中央部の外側を囲う正方形状の検出可動電極と、前記可動電極中央部の４隅から対角線上にそれぞれ伸びて前記検出可動電極の４隅を結合する４つの結合部と、を有し、
前記固定電極は、前記検出可動電極の内側に沿って延びる検出固定電極と、当該検出固定電極の中央部から前記可動電極の中心に向けて突出する突出部を有したＴ字状に形成されており、
前記ストッパ部を、前記突出部の両脇に配置するとともに、当該ストッパ部の前記可動電極中央部の対向面に凸状の突起を設け、前記物理量が入力された際に前記突起で前記可動電極中央部を受け止め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】
前記固定電極を櫛歯状の複数の検出固定電極とし、
前記可動電極に、前記複数の検出固定電極とそれぞれ相互に間隙を介して対向配置する櫛歯状の複数の検出可動電極を設けること
を特徴とする請求項１に記載の静電容量式センサ。
【請求項３】
前記固定電極と前記可動電極とが形成された半導体層の表面に接合された絶縁層に貫通孔を設け、
前記貫通孔を介して前記固定電極の電位を前記絶縁層上で取り出すようにしたこと
を特徴とする請求項１または２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固定部に弾性要素を介して可動電極が支持された構造を形成し、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、特許文献２。）。
【０００３】
特許文献１では、静電容量式センサとして、加速度などの物理量によって変位する１個の質量層から、加速度を検出する検出方向に対して垂直に伸び、互いに対向するように配置された複数の固定電極指と可動電極指とを備えることで、互いに垂直な２軸方向の加速度を検出する半導体装置が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２では、静電容量式センサとして、加速度などの物理量によって変位する正方環状の質量部材（可動電極）の対向する２組の辺に平行となるように固定的な電極対を設けることで、互いに垂直な２軸方向の加速度を検出するソリッドステート加速度計が開示されている。
【特許文献１】特表２０００−５１２０２３号公報
【特許文献２】特開平４−２６９６５９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、特許文献１、特許文献２で開示されている発明は、その構成から、検出方向とは垂直な他軸方向への加速度に対して、可動電極と固定電極の対向面積を変化させ容量差を発生させてしまう可能性が高いといった問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、他軸方向の検出感度を抑制し、目的する検出方向の物理量を確実に検出することができる静電容量式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】
【０００７】
本発明の静電容量式センサは、物理量の変位に応じて動作する可動電極と、固定電極とを相互に間隙を介して対向配置し、前記固定電極と前記可動電極との間隙の大きさに応じて検出される静電容量に基づき前記物理量を検出する静電容量式センサにおいて、前記可動電極は、前記固定電極との前記間隙を介した対向配置関係を保ちながら前記固定電極の周囲を囲むとともに、当該可動電極の動作を受け止めるストッパ部を囲む構造を有しており、前記可動電極の中心から最大限離れた前記可動電極の端部と平行に、前記固定電極を前記間隙を介して対向配置させるとともに、前記可動電極を正方形状とし、正方形状とした前記可動電極の１辺に対して、前記固定電極を内側から平行に対向配置させており、前記可動電極は、正方形状とした可動電極中央部と、当該可動電極中央部の外側を囲う正方形状の検出可動電極と、前記可動電極中央部の４隅から対角線上にそれぞれ伸びて前記検出可動電極の４隅を結合する４つの結合部と、を有し、前記固定電極は、前記検出可動電極の内側に沿って延びる検出固定電極と、当該検出固定電極の中央部から前記可動電極の中心に向けて突出する突出部を有したＴ字状に形成されており、前記ストッパ部を、前記突出部の両脇に配置するとともに、当該ストッパ部の前記可動電極中央部の対向面に凸状の突起を設け、前記物理量が入力された際に前記突起で前記可動電極中央部を受け止めるようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば他軸方向の検出感度を抑制し、目的する検出方向の物理量を確実に検出することを可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１０】
［静電容量式センサの構成］
図１、図２を用いて、本発明の実施の形態として示す静電容量式センサの構成について説明する。
【００１１】
図１は、静電容量式センサの半導体層２を示した平面図である。図１に示すように、半導体層２は、半導体基板に公知の半導体プロセスにより間隙１０を形成することで、フレーム部３、ビーム部４、可動電極５、固定電極６、ストッパ部７が形成されている。
【００１２】
図２は、図１のＥ−Ｅ線で半導体層２を切断するように静電容量式センサ１を切断した様子を示した断面図である。図２に示すように、静電容量式センサ１は、この半導体層２の表裏両面にガラス基板などの絶縁層２０，２１を、例えば、陽極接合などをして接合することで形成される。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。図１に示すように、半導体層２が略正方形状となるように静電容量式センサ１は、切り出されることになる。
【００１３】
図１に示すように、フレーム部３には、内側の４隅から、それぞれ当該フレーム部３の各辺と平行に、かつ中途で直角に折れ曲がりながら中心に向けて渦巻き状に伸びる４本のビーム部４が設けられている。図１に示すようにビーム部４は、それぞれフレーム部３の二辺分に亘って相互干渉することなく延設されるとともに、内側端部では可動電極５の隅部に接続されており、フレーム部３に対して可動電極５を弾性的に可動支持するバネ要素（渦巻きバネ）として機能する。
【００１４】
これにより、静電容量式センサ１では、可動電極５に対し、バネ要素としてのビーム部４によって可動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。このような静電容量式センサ１は、質量要素としての可動電極５の位置変位による可動電極５、固定電極６間の静電容量の変化を検出する。そして、静電容量式センサ１は、検出された静電容量の変化をＣ−Ｖ変換することで得られる電圧波形から当該静電容量式センサ１に加えられた加速度を検出することができる。
【００１５】
具体的には、この静電容量の変化は、略正方形状とされた可動電極５の４辺を検出可動電極５ａとし、この検出可動電極５ａに可動電極５の中心方向、つまり可動電極５の内側に固定電極６の検出固定電極６ａを対向配置させてなる検出部８Ａ乃至８Ｄ（以下、総称する場合は、単に検出部８と呼ぶ。）によって検出される。可動電極５の形状を略正方形状とすると、質量要素としてバランスがよく正確な加速度検知を実現することができる。
【００１６】
図１に示すＹ軸方向に加速度が与えられると、可動電極５がＹ軸方向に変位し、検出部８Ａの検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａで検出される静電容量と、検出部８Ｂの検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａで検出される静電容量に差が生じる。この静電容量の差からＹ軸方向の加速度を検出することができる。
【００１７】
一方、図１に示すＸ軸方向に加速度が与えられると、可動電極５がＸ軸方向に変位し、検出部８Ｃの検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａで検出される静電容量と、検出部８Ｄの検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａで検出される静電容量に差が生じる。この静電容量の差からＸ軸方向の加速度を検出することができる。
【００１８】
図１に示すように可動電極５は、質量要素として可動電極５を機能させるための略正方形状の中心部５ｂ（可動電極中央部）を中心に配し、この中心部５ｂの４隅から検出可動電極５ａを１辺とする正方形の対角線上に伸びる４本の結合部５ｃにより、検出可動電極５ａと中心部５ｂとを結合させた構成となっている。このような可動電極５に対し、４つの固定電極６は、それぞれ検出可動電極５ａ、中心部５ｂ、２本の結合部５ｃによって周囲を囲まれる領域内に形成されている。つまり、可動電極５は、検出可動電極５ａと検出固定電極６ａの対向配置関係を保ちながら固定電極６の周囲を囲む構造を有している。
【００１９】
本発明の静電容量式センサ１は、上述したように固定電極６が、可動電極５の内側に設けられているため、固定電極６から電位を取り出すことことが非常に困難となっている。そこで、図１に示す固定電極６の中央部６ｂの位置Ａ乃至位置Ｄ上に、図２に示すような絶縁層２０をサンドブラスト加工等によって貫通させた貫通孔２４を介し、中央部６ｂの表面６ｃ、貫通孔２４の内周面２４ａ、絶縁層２０の表面２０ａに固定電極６の電位を取り出すための電極部２３を金属薄膜にて形成することで固定電極６の電位を取り出すようにしている。なお、絶縁層２０の表面２０ａは、図示しない絶縁性の樹脂層によって被覆（モールド成形）される。
【００２０】
これにより、わざわざ半導体層２から可動電極５、ビーム部４を避けるように配線して固定電極６の電位を取り出す必要がなく、最短距離で絶縁層２０上に配線を引き出せるため、絶縁層２０上に薄膜配線によりパターンニングした場合にパターン間に発生する寄生容量を大幅に低減することができる。したがって、静電容量式センサ１の信頼性を向上させることができる。
【００２１】
また、可動電極５が形成された領域と対向する絶縁層２０上に配線を引き出すことができるため、可動電極５が形成された領域外へと配線を引き回す場合などと比較して静電容量式センサ１を小型化することができる。
【００２２】
さらに、図１に示すように、絶縁層２０に設ける貫通孔２４を、静電容量式センサ１に形成された固定電極６の対称性より、当該固定電極６の中心である位置Ａ乃至位置Ｄに設けることでデバイス全体としての応力バランスを最適化するとともに、温度特性も向上させることができる。
【００２３】
また、この貫通孔２４を絶縁層２１に設け、同じように電極部２３を形成して、半導体層２の裏面より固定電極６の電位を取り出すようにしてもよい。
【００２４】
図１に示すように、ストッパ部７は、可動電極５の動作により、可動電極５と固定電極６とが衝突して損傷することを防止するために設けられている。ストッパ部７は、可動電極５と対向する面に突起７ａを設けることで衝突による影響を最小限に抑制している。なお、ストッパ部７は、可動電極５、固定電極６と電気的に絶縁されている。
【００２５】
［可動電極５の構成］
続いて、図３に示す静電容量式センサ１の検出部８を中心に可動電極５、固定電極６を拡大した平面図を用いて、可動電極５の詳細な構成について説明をする。
【００２６】
図３に示すように、検出部８は、可動電極５の検出可動電極５ａと、固定電極６の検出固定電極６ａとの間の間隙１０を検知ギャップ（電極ギャップ）として検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａ間の静電容量を検出する。検出可動電極５ａと検出固定電極６ａとは、加速度の検出方向である主軸方向と垂直に、互いに平行となるように対向配置されている。
【００２７】
また、可動電極５は、検出可動電極５ａと検出固定電極６ａとの検知ギャップを介した対向配置関係を保ちながら固定電極６の周囲を囲む構造を有している。
【００２８】
このように、可動電極５で固定電極６の周囲を囲むようにすると、図３に示すように、可動電極５の検出可動電極５ａを固定電極６の検出固定電極６ａよりも長手方向に常に長くすることができる。
【００２９】
これにより、加速度の検出方向である主軸方向と垂直な他軸方向である検出固定電極６ａの長手方向へと可動電極５が変位したとしても、検出固定電極６ａの対向面６ｓが、検出可動電極５ａの対向面５ｓと、対向面積を変えることなく対向関係を保つため、他軸方向の静電容量の変化を検出することがない。つまり、本発明の実施の形態として示す静電容量式センサ１は、可動電極５に変位の自由度を与えながら、他軸方向の検出感度を抑制することができる構成となっている。
【００３０】
したがって、検出部８は、他軸方向の検出感度を大幅に低減することができ、常に主軸方向の加速度を良好に検出することができる。これにより、静電容量式センサ１は、誤動作することなく目的とする検出方向に発生する加速度を確実に検出することができる。
【００３１】
また、固定電極６の周囲を可動電極５で囲むことで、可動電極５の近傍に、当該可動電極５と同電位とするビーム部４を形成できるため、ビーム部４間に発生する寄生容量を抑制できる。これにより、静電容量式センサ１の信頼性を向上させることができる。
【００３２】
なお、可動電極５が有する固定電極６の周囲を囲む構造は、必ずしも閉じていなくてもよく、可動電極５の動作によるたわみなどを考慮して、可動電極５の動作によって対向面積に変化を与えないような、例えば、結合部５ｃの一部を開放するように形成してもよい。但し、このように、固定電極６の周囲を略囲む構造とした場合よりも、図１、図３に示すように固定電極６の周囲を完全に囲む構造とした場合の方が、可動電極５の強度を高くできるという利点がある。
【００３３】
［検知ギャップの位置］
また、検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａ間の間隙１０である検知ギャップの位置は、可動電極５の中心よりできるだけ離れた位置（最大限離れた位置）に設けるようにする。
【００３４】
上述したように、静電容量式センサ１は、他軸方向の加速度をほとんど検出することがなく、主軸方向の加速度を良好に検出できることが保証されているため、静電容量式センサ１のサイズで規定される範囲内で検知ギャップの位置を可動電極５の中心よりできるだけ離れた位置に設けることで、検出固定電極６ａの長手方向の距離Ｌ１を最大とし、検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａの対向する対向面５ｓ、対向面６ｓの面積を最大限確保することができる。
【００３５】
本発明の実施の形態として示す静電容量式センサ１のように可動電極５を正方形状とし、検出可動電極５ａを正方形の各辺とすると、静電容量式センサ１のサイズで規定される範囲内で正方形を拡大すれば、必然的に検知ギャップの位置を可動電極５の中心より最大限離れた位置とすることができる。
【００３６】
このように、対向面積を広げると主軸方向の静電容量を検出する際の感度を向上させることができるため、可動電極５の変位量が小さい場合であっても対応する加速度を確実に検出することができる。
【００３７】
また、静電容量をＣ、対向面積をＳ、検知ギャップ間の距離をｄ、誘電率をεとした場合の静電容量Ｃの基本式である“Ｃ＝εＳ／ｄ  ”からも分かるように、反比例の関係にあることから非直線性を示す静電容量Ｃと検知ギャップ間の距離ｄとの関係を、可動電極５の変位量が小さくても十分な感度がある場合には直線的に捉えて処理することができるため、極めて単純なアルゴリズムで加速度の検出処理を実行することができる。
【００３８】
［検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａの別な形状］
また、検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａを、図５に示すように、それぞれ櫛歯状とし、櫛歯状とした各検出可動電極５ａと、櫛歯状とした各検出固定電極６ａとをそれぞれ１対１で相互に間隙１０を介して対向配置させるようにしてもよい。
【００３９】
図５に示すように、固定電極６には、その中央部６ｂから左右に、検出可動電極５ａと平行になるように細長く伸びる帯状の検出固定電極６ａを形成する。検出固定電極６ａは、所定のピッチで、互いに平行となるように櫛歯状に複数形成される。
【００４０】
一方、可動電極５には、正方形をなす可動電極５の１辺を形成する検出可動電極５ａ以外に、固定電極６の中央部６ｂに向けて、検出固定電極６ａと平行に細長く伸びる帯状の検出可動電極５ａを形成する。検出可動電極５ａは、上述した櫛歯状の複数の検出固定電極６ａの間に、検出固定電極６ａと１対１で平行に対向するように、所定のピッチ（例えば、検出固定電極６ａと同一のピッチ）で櫛歯状に複数形成される。
【００４１】
このように、櫛歯状の検出固定電極６ａは、固定電極６の中央部６ｂの左右方向に対称に形成されているため、他軸方向の加速度に対して対向面積の増減がキャンセルされることになる。したがって、静電容量式センサ１は、上述したように他軸方向の加速度をほとんど検出することなく、主軸方向の加速度を良好に検出できることを保証しながら、検出可動電極５ａと検出固定電極６ａとの対向面積を増加するため主軸方向の静電容量を検出する際の感度を向上させることができる。
【００４２】
また、上述したように、可動電極５の変位量が小さくても十分な感度がある場合には、非直線性を示す静電容量と検知ギャップ間の距離との関係を、直線的に捉えて処理することができるため、極めて単純なアルゴリズムで加速度の検出処理を実行することができる。
【００４３】
［結合部５ｃの構成］
可動電極５において、検出可動電極５ａと中心部５ｂとを結合する部材である結合部５ｃには、例えば、図３に示すように角部５ｄが形成されている。このように、角部５ｄがあると、応力集中により結合部５ｃの強度が低下してしまう虞がある。
【００４４】
また、静電容量式センサ１を、半導体層２の厚み３０μｍ以上にした、いわゆるバルクマイクロマシニング技術により形成すると、質量要素（マス）である可動電極５が重くなり、加速度に対する可動電極５の変位量が大きくなるため、固定電極６に衝突してしまった際の衝撃が大きくなってしまう。したがって、このような角部５ｄが存在すると、角部５ｄにおいて、可動電極５が破損してしまう可能性が非常に高くなってしまう。可動電極５が破損した場合、質量要素のバランスが崩れてしまうため加速度を良好に検出することができなくなってしまう。
【００４５】
そこで、図６に示すような、角部５ｄといった、結合部５ｃに存在する凹凸を平坦化してストレートにする。これにより、応力集中による強度の低下を回避するとともに、可動電極５の破損の可能性も大幅に低減させることができる。
【００４６】
また、静電容量式センサ１を上述したようなバルクマイクロマシニング技術ではなく、半導体層２の厚みを３０μｍよりも薄くした表面マイクロマシニング技術により形成した場合には、半導体層２の上下の層である絶縁層２０，２１に可動電極５が衝突してしまう可能性が高い。このような場合、角部５ｄが結合部５ｃに存在すると、可動電極５の厚みの薄さから角部５ｄに応力が集中し可動電極５が破損してしまう可能性が高い。
【００４７】
したがって、バルクマイクロマシニング技術により静電容量式センサ１を形成した場合ばかりではなく、表面マイクロマシング技術により静電容量式センサ１を形成した場合においても、角部５ｄといった結合部５ｃに存在する凹凸を、平坦化してストレートにすることで、可動電極５の破損を回避することができる。
【００４８】
なお、本発明の実施の形態として示す静電容量式センサ１は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向といった互いに垂直な２軸方向の加速度を検出するように構成しているが、本発明は、これに限定されるものではなく、１軸方向の加速度を検出するセンサ、２軸以上の加速度を検出するセンサにも適用することができる。
【００４９】
また、本発明の実施の形態として示す静電容量式センサ１は、加速度を検出するが、本発明は、これに限定されるものではなく、静電容量方式のセンサであればどのような物理量を検出するものにも適用することができる。
【００５０】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施の形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施の形態として示す静電容量式センサの半導体層の構成について示す図である。
【図２】前記静電容量式センサを図１に示すＥ−Ｅ線で切断した様子について説明するための図である。
【図３】前記静電容量式センサの可動電極、固定電極の構成について説明するための図である。
【図４】前記静電容量式センサの検知ギャップの位置について説明するための図である。
【図５】前記静電容量式センサの検出可動電極と検出固定電極の別な構成について説明するための図である。
【図６】前記静電容量式センサの可動電極が備える結合部を平坦化した様子を示した図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  静電容量式センサ
２  半導体層
３  フレーム部
４  ビーム部
５  可動電極
５ａ  検出可動電極
５ｃ  結合部
５ｄ  角部
５ｓ  対向面
６  固定電極
６ａ  検出固定電極
６ｂ  中央部
６ｓ  対向面
８  検出部
１０  間隙
２０  絶縁層
２３  電極部
２４  貫通孔
【図１】
0004595864.tif 000002
【図２】
0004595864.tif 000003
【図３】
0004595864.tif 000004
【図４】
0004595864.tif 000005
【図５】
0004595864.tif 000006
【図６】
0004595864.tif 000007