(57)【要約】【課題】測定精度の高い物理量センサーを提供する。【解決手段】本発明の物理量センサーは、支持基板２０と、前記支持基板に固定された固定電極指３８、３９と、前記固定電極指と対向し、印加される物理量に応じて変位する可動電極指３６、３７とを含む静電容量検出型の物理量センサーであって、固定電極指３８、３９の一面が支持基板２０に固定されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板と、
前記支持基板に固定された固定電極指と、
前記支持基板上に配置された可動部と、
前記可動部に設けられ、且つ、前記固定電極指と対向し印加される物理量に応じて変位する可動電極指と、を含み、
前記固定電極指の一面が前記基板支持上に固定されていることを特徴とする物理量センサー。
【請求項２】
前記支持基板には、前記可動部および前記可動電極指と平面視で重複する位置に凹部が設けられたことを特徴とする請求項１記載の物理量センサー。
【請求項３】
前記支持基板には、前記固定電極指に接続される配線が設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の物理量センサー。
【請求項４】
前記配線の少なくとも一部は、前記凹部の形成領域を通ることを特徴とする請求項３に記載の物理量センサー。
【請求項５】
前記支持基板は絶縁材料を用い、前記可動部および前記可動電極指は半導体材料を用いたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の物理量センサー。
【請求項６】
前記可動電極指と平面視で重複する前記支持基板上に電極が形成され、該電極と前記可動電極指との間の静電容量の変化に基づき、前記可動電極指の前記支持基板の表面に対して垂直方向の変位を検出することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の物理量センサー。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の物理量センサーを備えた電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度、角速度等の物理量を測定するための物理量センサー、及びそれを用いた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
物理量センサーとしては、固定配置された固定電極指と、固定電極指に対して間隔を隔てて対向するとともに変位可能に設けられた可動電極指とを有し、固定電極指と可動電極指との間の静電容量に基づいて、加速度、角速度等の物理量を検出するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
例えば、特許文献１に記載の超小型機械式加速度計（物理量センサーの一例）は、固定電極指および可動電極指が、それぞれ櫛歯状をなすように並ぶ複数の電極指を有し、互いに噛み合うように支持基板上に配置されている。
また、特許文献１に記載の物理量センサーでは、可動電極指の隣り合う２つの電極指間に、固定電極指の２つの電極指が臨むように設けられているとともに、当該固定電極指の２つの電極指が互いに電気的に絶縁されている。これにより、固定電極指の当該２つの電極指の一方の電極指とそれに対向する可動電極指の電極指との間の静電容量と、固定電極指の当該２つの電極指の他方の電極指とそれに対向する可動電極指の電極指との間の静電容量とを別々に測定し、それらの測定結果に基づいて（いわゆる差動検出方式を用いて）、物理量を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３６５７６０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の物理量センサーでは、固定電極指が支持基板に対して、片持ちで支持されており、加速度が物理量センサーに印加された際に、可動電極指は、加速度に応じて変位するように設計されているが、固定電極指は片持ちのため、固定電極指の支持基板から離間した部分が設計意図に反して変位し、その結果、固定電極指と可動電極指との相対位置は、本来意図された相対位置からのずれを生じ、測定される静電容量変化が本来の値からずれることになり、結果、センサーの測定精度の劣化を招くという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００６】
［適用例１］本適用例に係る物理量センサーは、支持基板と、前記支持基板に固定された固定電極指と、前記支持基板上に配置された可動部と、前記可動部に設けられ、且つ、前記固定電極指と対向し印加される物理量に応じて変位する可動電極指と、を含み、前記固定電極指の一面が前記基板支持上に固定されていることを特徴とする。
【０００７】
本適用例によれば、本適用例の物理量センサーが加速度等の物理量を印加された際に、固定電極指は、その一面全体が支持基板に固定されているために全く変位せず、固定電極指と対向する可動電極指との間は所定の変位および設計値どおりの静電容量変化を生じ、その結果、正確な物理量の計測が可能となる。従って、測定精度の高い物理量センサーを提供することができる。
【０００８】
［適用例２］本適用例に係る物理量センサーは、前記支持基板には、前記可動部および前記可動電極指と平面視で重複する位置に凹部が設けられたことを特徴とする。
【０００９】
本適用例によれば、固定電極指間に位置する可動電極指が、過大な物理量の印加の結果、支持基板の表面に対して垂直方向（Z方向）に変位する場合、可動電極指が支持基板と接触することを防止することができ、従って、可動電極指が意図せず支持基板と固着することや可動電極指が接触の結果、破損することを防止することができ、信頼性の高い物理量センサーを提供することができる。
【００１０】
［適用例３］本適用例に係る物理量センサーは、前記支持基板には、前記固定電極指に接続される配線が設けられたことを特徴とする。
【００１１】
本適用例によれば、支持基板の面上に配線を設けることにより、配線の形成領域の面積を大きく確保することができ、配線間の短絡等を防止したり、省スペース化を図ったりすることができる。
【００１２】
［適用例４］本適用例に係る物理量センサーは、前記配線の少なくとも一部は、前記凹部の形成領域を通ることを特徴とする。
【００１３】
本適用例によれば、配線を凹部内に配置することにより、物理量センサーのチップサイズを小さくでき、物理量センサーの製造コストの削減および前記物理量センサーが搭載される電子機器の小型化をもたらすことができるという効果を得ることができる。
【００１４】
［適用例５］本適用例に係る物理量センサーは、前記支持基板は絶縁材料を用い、前記可動部および前記可動電極指は半導体材料を用いたことを特徴とする。
【００１５】
本適用例によれば、絶縁基板と半導体基板とを陽極接合により接合してからエッチング処理を施せば、一括して可動部、可動電極指および固定電極指を形成することができるので製造効率の優れた機能素子を実現できる。また、電極指間の絶縁分離を容易にすることができる。
【００１６】
［適用例６］本適用例に係る物理量センサーは、前記可動電極指と平面視で重複する前記支持基板上に電極が形成され、該電極と前記可動電極指との間の静電容量の変化に基づき、前記可動電極指の前記支持基板の表面に対して垂直方向の変位を検出することを特徴とする。
【００１７】
本適用例によれば、可動電極指と平面視で重複する支持基板上に電極を形成することで、物理量が印加された結果生じる支持基板の表面に対して垂直な方向（Z方向）の変位による、可動電極指と配線との間の静電容量変化からＺ方向の加速度や角速度等の物理量を検出することができる。
【００１８】
［適用例７］本適用例では、適用例１乃至６のいずれか一項に記載の物理量センサーを備えた電子機器であることを特徴とする。
【００１９】
本適用例によれば、検出感度の高い電子機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施形態１に係る物理量センサーを示す平面図。
【図２】実施形態１に係る物理量センサーのＡ−Ａ’断面図。
【図３】実施形態２に係る物理量センサーを示す斜視図。
【図４】実施形態３に係る物理量センサーを示す斜視図。
【図５】実施形態３に係る物理量センサーを示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度を実際とは異ならせしめている。
【００２２】
（実施形態１）
図１は、本実施形態に係る物理量センサーを示す平面図、図２は、図１中のＡ−Ａ’線断面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図１中の紙面手前側を「上」、紙面奥側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言う。また、図１および図２では、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸が図示されている。また、以下では、Ｘ軸に平行な方向（左右方向）を「Ｘ軸方向」、Ｙ軸に平行な方向を「Ｙ軸方向」、Ｚ軸に平行な方向（上下方向）を「Ｚ軸方向」と言う。また、「平面視」とは、Ｚ方向から見たＸＹ平面のことを言う。
【００２３】
（支持基板）
まず、実施形態１に係る物理量センサー１０の概略構成について説明する。図１に示す物理量センサー１０は、支持基板２０と、この支持基板２０に接合・支持された素子片（基体）３０と、素子片３０に電気的に接続された配線４１〜４３と、図２に示すように素子片３０を覆うように設けられた蓋部材５０とを有する。
以下、物理量センサー１０を構成する各部を順次詳細に説明する。
【００２４】
支持基板２０は、素子片３０を支持する機能を有する。
この支持基板２０は、板状をなし、その上面（一方の面）には、凹部２１が設けられている。この凹部２１は、支持基板２０を平面視したときに、素子片３０の可動部３３、可動電極指３６、３７および連結部３４、３５を包含するように形成されている。このような凹部２１は、素子片３０の可動部３３、可動電極指３６、３７および連結部３４、３５が支持基板２０に接触するのを防止する逃げ部を構成する。これにより、素子片３０の可動部３３の変位を許容することができる。また、支持基板２０に固定される素子片３０の固定電極指３８および３９の底面は全て支持基板２０上にあり、凹部２１上にはない。すわなち、凹部２１は、固定電極指３８および３９が配置される領域には形成されない。
なお、この逃げ部は、凹部２１に代えて、支持基板２０をその厚さ方向に貫通する開口部であってもよい。また、支持基板２０の上面には、前述した凹部２１の外側に、凹部２２、２３および２４が設けられている。この凹部２２、２３および２４は、配線４１、４２および４３に対応した平面視形状をなしている。具体的には、凹部２２は、配線４１および電極４４に対応した形状をなし、凹部２３は、配線４２および電極４５に対応した形状をなし、凹部２４は配線４３および電極４６に対応した形状をなす。
【００２５】
このような支持基板２０の構成材料としては、特に限定されず、例えば、シリコン材料、ガラス材料、金属材料、樹脂材料等を用いることができるが、絶縁性を有するとともに比較的硬質な材料を用いるのが好ましく、具体的には、高抵抗なシリコン材料、ガラス材料を用いるのが好ましく、特に、固定電極指がシリコン材料を主材料として構成されている場合、アルカリ金属イオン（可動イオン）を含むガラス材料（例えば、パイレックス（登録商標）ガラスのような硼珪酸ガラス）を用いるのが好ましい。これにより、固定電極指がシリコンを主材料として構成されている場合、固定電極指３８および３９の底面（支持基板に対向している面）の全て陽極接合により接合されるため、従って、測定精度の高い物理量センサーを提供することができ、また、支持基板が絶縁性を有していれば、電極指間の絶縁分離を容易にすることができる。
【００２６】
また、支持基板をシリコン材料とする場合は、固定電極指３８および３９を形成する、例えばシリコン基板、の両方の基板をプラズマ処理により、表面を活性化させた後、両基板を張り合わせることで、強固に接合することが出来、しかも、同一の材料からなるため、温度変化に起因する残留応力が発生しないため、信頼性の高い物理量センサーを提供することができる。なお、この場合は、固定電極指と支持基板との間にＳｉＯ2膜等の絶縁膜を介在させれば、固定電極指間の絶縁分離をすることができる。
【００２７】
（素子片）
素子片３０は、固定部３１、３２と、可動部３３と、連結部３４、３５と、可動電極指３６、３７と、固定電極指３８、３９とで構成されている。
このような素子片３０は、加速度、角速度等の物理量の変化に応じて、可動部３３および可動電極指３６、３７が、連結部３４、３５を弾性変形させながら、Ｘ軸方向（＋Ｘ方向または−Ｘ方向）に変位する。このような変位に伴って、可動電極指３６と固定電極指３８との間の隙間、および、可動電極指３７と固定電極指３９との間の隙間の大きさがそれぞれ変化する。すなわち、このような変位に伴って、可動電極指３６と固定電極指３８との間の静電容量、および、可動電極指３７と固定電極指３９との間の静電容量の大きさがそれぞれ変化する。したがって、これらの静電容量に基づいて、加速度、角速度等の物理量を検出することできる。
【００２８】
この固定部３１、３２、可動部３３、連結部３４、３５および可動電極指３６、３７は、一体的に形成されている。
固定部３１、３２は、それぞれ、前述した支持基板２０の上面に接合されている。具体的には、固定部３１は、支持基板２０の上面の凹部２１に対して−Ｘ方向側（左側）の部分に接合され、また、固定部３２は、支持基板２０の上面の凹部２１に対して＋Ｘ方向側（右側）の部分に接合されている。また、固定部３１、３２は、平面視したときに、それぞれ、凹部２１の外周縁を跨ぐように設けられている。
なお、固定部３１、３２の位置および形状等は、連結部３４、３５や配線４０等の位置および形状等に応じて決められるものであり、上述したものに限定されない。
【００２９】
このような２つの固定部３１、３２の間には、可動部３３が設けられている。本実施形態では、可動部３３は、Ｘ軸方向に延びる長手形状をなしている。なお、可動部３３の形状は、素子片３０を構成する各部の形状、大きさ等に応じて決められるものであり、上述したものに限定されない。
【００３０】
このような可動部３３は、固定部３１に対して連結部３４を介して連結されるとともに、固定部３２に対して連結部３５を介して連結されている。より具体的には、可動部３３の左側の端部が連結部３４を介して固定部３１に連結されるとともに、可動部３３の右側の端部が連結部３５を介して固定部３２に連結されている。
【００３１】
この連結部３４、３５は、可動部３３を固定部３１、３２に対して変位可能に連結している。本実施形態では、連結部３４、３５は、図２にて矢印ａで示すように、Ｘ軸方向（＋Ｘ方向または−Ｘ方向）に可動部３３を変位し得るように構成されている。
このように支持基板２０に対してＸ軸方向に変位可能に支持された可動部３３の幅方向での一方側（＋Ｙ方向側）には、可動電極指３６が設けられ、他方側（−Ｙ方向側）には、可動電極指３７が設けられている。
【００３２】
可動電極指３６は、可動部３３から＋Ｙ方向に突出し、櫛歯状をなすように並ぶ複数の可動電極指３６１〜３６５を備えている。この可動電極指３６１〜３６５は、―Ｘ方向側から＋Ｘ方向側へ、この順に並んでいる。同様に、可動電極指３７は、可動部３３から−Ｙ方向に突出し、櫛歯状をなすように並ぶ複数の可動電極指３７１〜３７５を備える。この可動電極指３７１〜３７５は、―Ｘ方向側から＋Ｘ方向側へ、この順に並んでいる。
また、可動電極指が隣り合う２つの固定電極指の間に配置される箇所において例えば、図２に示した可動電極指３６２は隣り合う固定電極指３８２および３８３の間に配置されているが、固定電極指３８２および３８３の間に対応する支持基板２０の表面の部分にも凹部２１は形成されている。
【００３３】
上述したように、本実施形態の物理量センサーに加速度等の物理量が印加された際に、固定電極指は、支持基板に対して強固に固着されているため、全く変位せず、固定電極指と対向する可動電極指との間は所定の変位を生じ、そのため、設計値どおりの静電容量変化を生じ、その結果、正確な物理量の計測が可能となる。
また、凹部２１は、固定電極指間の可動電極指が配置される箇所に対応する支持基板表面にも形成されているため、本実施形態の物理量センサーに加速度等の物理量が過度に印加された際に、可動電極指が、支持基板と接触または、衝突するようなことがなく、したがって、可動電極指が損傷を受ける可能性が低くなり、信頼性の高い物理量センサーを提供することができる。
【００３４】
図２は、図１のＡ−Ａ’間の断面図を示す。配線４２には、導電性を有する複数の突起４７１，４７２が設けられている。突起４７１は、固定電極指３９１、３９３、３９５、３９７に対応して設けられ、突起４７２は、固定電極指３８１、３８３、３８５、３８７に対応して設けられている。なお、図示していないが、配線４１上にも導電性を有する複数の突起が設けられ、固定電極指３８２，３８４，３８６，３８８および固定電極指３９２，３９４，３９６，３９８に対応する位置に突起が設けられる。同様に、配線４３条にも導電性を有する突起が設けられ、可動部３３の固定部３１に対応する位置に突起が設けられる。
【００３５】
そして、複数の突起４７１を介して固定電極指３９１、３９３、３９５、３９７と配線４２とが電気的に接続されるとともに、複数の突起４７２を介して固定電極指３８１、３８３、３８５、３８７と配線４１とが電気的に接続されている。
これにより、配線４１と他の部位との不本意な電気的接続（短絡）を防止しつつ、各固定電極指と配線との電気的接続を行うことができる。
【００３６】
このような突起４７１、４７２の構成材料としては、それぞれ、導電性を有するものであれば、特に限定されず、各種電極材料を用いることができるが、例えば、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ等の金属単体またはこれらを含む合金等の金属が好適に用いられる。このような金属を用いて突起４７１、４７２を構成することにより、配線と固定電極指との間の接点抵抗を小さくすることができる。
【００３７】
また、配線４１〜４３の厚さをそれぞれｔとし、前述した凹部２２〜２４の配線が設けられた部分の深さをそれぞれｄとし、突起４７１、４７２の高さをそれぞれｈとしたとき、d≒ｔ＋ｈの関係を満たす。また、配線４１〜４３上に絶縁膜を設けられている。そして、前述した各突起４７１、４７２上の絶縁膜は形成せずに突起の表面が露出している。この絶縁膜は、配線と素子片との不本意な電気的接続（短絡）を防止する機能を有する。これにより、配線４１、４２と他の部位との不本意な電気的接続（短絡）をより確実に防止しつつ、各固定電極指と配線との電気的接続を行うことができる。
【００３８】
本実施形態では、絶縁膜は、突起４７１、４７２および電極４４〜４６の形成領域を除いて、支持基板２０の上面の略全域に亘って形成されている。なお、絶縁膜６の形成領域は、配線４１〜４３を覆うことができれば、これに限定されず、例えば、絶縁基板２の上面の素子片３０との接合部位や蓋部材５との接合部位を除くような形状をなしていてもよい。
【００３９】
また、配線４１〜４３の厚さをそれぞれｔとし、凹部２２〜２４の配線が設けられた部分の深さをそれぞれｄとしたとき、ｄ＞ｔなる関係を満たす。これにより、例えば、固定電極指と配線上の絶縁膜との間には、隙間が形成されている。このような隙間は、物理量センサーの製造において、支持基板２０と蓋部材５０とを接合する時に生じるガスを隙間から排出することができる。
【００４０】
以上ではＸ軸方向の加速度を検出する物理量センサーについて説明したが、支持基板をシリコンを主とする材料としたり、可動電極指の直下の支持基板に電極を形成したりすることにより、可動電極指とそれと対向する支持基板または支持基板に形成した電極の部分の間の静電容量変化により、可動電極指の支持基板の表面に対して垂直な方向（Ｚ方向）の物理量の計測が可能な、物理量センサーを提供することができる。
【００４１】
以上述べたように、本実施形態に係る物理量センサー１０によれば、以下の効果を得ることができる。
各固定電極指の底面がすべて支持基板に接合されているために、物理量センサーに加速度等の物理量が印加された際に、固定電極指は不要な変位を生じることなく、他方で、可動電極指は意図した変位を生じ、その結果、固定電極指と可動電極指で形成される静電容量の変化により、印加された物理量に対して、正確な測定を行う物理量センサーを提供することができるという効果を有する。
また、可動電極指の下側（−Ｚ方向）の支持基板表面に凹部が形成されているため、過度の物理量が印加された際に、可動電極指が損傷を受ける可能性が低くなり、信頼性の高い物理量センサーを提供することができるという効果を有する。
また、支持基板がシリコンを主とする材料からなる場合は、可動電極指がシリコンなどの導電性材料からなる場合においては、可動電極指とそれと対向する支持基板の部分の間の静電容量変化により、可動電極指の支持基板の表面に対して垂直な方向（Ｚ方向）の物理量の計測が可能な物理量センサーを提供できるという効果を有する。
【００４２】
（実施形態２）
図３は、実施形態２に係る物理量センサーの部分拡大図である。本実施形態に係る物理量センサーについて、図３を参照して説明する。なお、実施形態１と同一の構成部位については、同一の番号を使用し、重複する説明は省略する。
図３は、隣り合う固定電極指とその間に配置される可動電極指を含む物理量センサーの部分拡大図であり、可動電極指３７１および３７２の下部の支持基板２０の表面には、電極４７が形成されており、電極４７同士は電気的に接続されている（図示せず）。可動電極指と配線との間でキャパシターが形成されており、本実施形態の物理量センサーに物理量が印加され、その結果として、可動電極指がＺ方向に変位する場合、前記キャパシターの静電容量の変化により、前記Ｚ方向の変位が計測できる。物理量の印加の結果、可動電極指がＸ方向に変位する場合は、前記固定電極指との間の静電容量により、同様にＸ方向の変位が計測できるため、本実施形態の物理量センサーは、２軸の物理量の計測が可能な物理量センサーを提供することができる。
【００４３】
以上述べたように、本実施形態に係る物理量センサーによれば、実施形態１での効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
可動電極指の下に配線を形成することで、可動電極指のＺ方向の変位が計測可能な物理量センサーを提供することができる。
【００４４】
（実施形態３）
図４は、実施形態３に係る物理量センサーの部分拡大した斜視図、図５は平面図である。本実施形態に係る物理量センサーについて、図４および５を参照して説明する。なお、実施形態１と同一の構成部位については、同一の番号を使用し、重複する説明は省略する。
【００４５】
図４は、固定電極指３９１、３９２、３９３、３９４のうち、固定電極指３９１および３９３と、また、固定電極指３９２および３９４とを、電気的に接続する配線４８および４９            を示しており、配線４８および４９は、それぞれが電気的に接続されるべき固定電極指の底面から支持基板２０の内部まで−Ｚ方向へ延びる部分と、そこからＸ方向に配置され凹部２１の形成領域内を通る部分とを有する。同様に、固定電極指３９１〜３９４以外の固定電極指についても配線４８または配線４９で各々接続されている。このような配線構造とすることで、図５に示すように、固定電極指間を接続する配線を凹部２１の形成領域内に収めることができるため、実施形態１に示した物理量センサーの構造に対して、小型（小面積）なセンサー素子を提供することができる。
【００４６】
支持基板中に配線を形成する方法としては、フェムト秒レーザーを所望の配線形状に従って順次照射して基板材質を変質させ、ついで、変質部分の選択的エッチングにより、溝を形成し、ついで、溝中に、湿式めっきや溶融金属を吸引・充填する等の方法より形成をすることが可能である。なお、図４では支持基板２０の内部に配線４８および４９を形成する例について説明したが、凹部の形成領域内の支持基板２０の表面に配線４８および４９を形成しても良い。
【００４７】
以上述べたように、本実施形態に係る物理量センサーによれば、実施形態１での効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
固定電極指の下に配線を形成することで、小型の物理量センサーを提供することができる。
【００４８】
またいずれの実施形態に係る物理量センサーを、デジタルカメラ、パーソナルコンピューター、携帯電話機、医療機器、各種測定機器等に搭載した電子機器を構築することができる。これにより、高精度なセンシング機能を有した電子機器を実現できる。
【符号の説明】
【００４９】
１０…物理量センサー、２０…支持基板、２１…凹部、３０…素子片、３１、３２…固定部、３３…可動部、３４、３５…連結部、３６、３７…可動電極指、３８、３９…固定電極指、４０、４１、４２、４３、４８、４９…配線、４４、４５、４６…電極、４７…電極、５０…蓋部材、３６１、３６２、３６３、３６４、３６５、３７１、３７２、３７３、３７４、３７５…可動電極指、３８１、３８２、３８３、３８４、３８５、３８６，３８７，３８８、３９１、３９２、３９３、３９４、３９５、３９６、３９７、３９８…固定電極指。
【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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