(57)【要約】【課題】スティッキングをより抑制することのできる静電容量式センサを得る。【解決手段】錘部４（５）と当該錘部４（５）を揺動自在に支持する一対のばね部６ａ、６ｂ（７ａ、７ｂ）とが形成されたシリコン基板１と、シリコン基板１に接合されるとともに錘部４（５）と対向して配置される固定電極を有した支持基板２ａと、を備える。前記固定電極は、前記一対のばね部６ａ、６ｂ（７ａ、７ｂ）を結ぶ直線を境界線として当該境界線の一方側および他方側にそれぞれ配置される第１の固定電極２０ａ（２１ａ）と第２の固定電極２０ｂ（２１ｂ）を備えており、この第１の固定電極２０ａ（２１ａ）と第２の固定電極２０ｂ（２１ｂ）との間の支持基板２ａに、一対のばね部６ａ、６ｂ（７ａ、７ｂ）間に亘る対向領域を凹設させた凹部４０を設ける。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
錘部と当該錘部を揺動自在に支持する一対のばね部とが形成されたシリコン基板と、前記シリコン基板に接合されるとともに前記錘部と対向して配置される固定電極を有した支持基板と、を備え、
前記固定電極は、前記一対のばね部を結ぶ直線を境界線として当該境界線の一方側および他方側にそれぞれ配置される第１の固定電極と第２の固定電極を備えており、
前記第１の固定電極と前記第２の固定電極との間の前記支持基板に、前記一対のばね部間に亘る対向領域を凹設させた凹部を設けたことを特徴とする静電容量式センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量式センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば加速度センサなどの静電容量式センサは、錘部と当該錘部を揺動自在に支持するばね部とが形成されたシリコン基板と、このシリコン基板に接合されるとともに錘部と対向して配置される固定電極を有した支持基板とを備えている。静電容量式センサでは、シリコン基板と支持基板とを陽極接合により接合する際に、シリコン基板の錘部やばね部が大きく動作して支持基板側に固着してしまう所謂スティッキングが問題視されている。
【０００３】
そこで、特許文献１には支持基板のばね部と対向する部位に逃げ溝を設けることで、ばね部が支持基板と接触するのを抑制できるようにした構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−３００２２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記従来の静電容量式センサにあっては、逃げ溝によってばね部の支持基板への接触を抑制することができるのであるが、よりスティッキングを抑制できるようにすることが好ましい。
【０００６】
そこで、本発明は、スティッキングをより抑制することのできる静電容量式センサを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の静電容量式センサにあっては、錘部と当該錘部を揺動自在に支持する一対のばね部とが形成されたシリコン基板と、前記シリコン基板に接合されるとともに前記錘部と対向して配置される固定電極を有した支持基板と、を備え、前記固定電極は、前記一対のばね部を結ぶ直線を境界線として当該境界線の一方側および他方側にそれぞれ配置される第１の固定電極と第２の固定電極を備えており、前記第１の固定電極と前記第２の固定電極との間の前記支持基板に、前記一対のばね部間に亘る対向領域を凹設させた凹部を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の静電容量式センサによれば、第１の固定電極と第２の固定電極との間の支持基板に、一対のばね部間に亘る対向領域を凹設させた凹部を設けたので、スティッキングをより抑制することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の一実施形態にかかる加速度センサを示す分解斜視図である。
【図２】図２は、図１のシリコン基板の平面図である。
【図３】図３は、図１の上部支持基板の裏側を示した斜視図である。
【図４】図４は、図１の加速度センサの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。以下では、静電容量式センサとして加速度センサを例示する。また、本実施形態を説明するにあたって、シリコン基板１の短手方向をＸ方向、シリコン基板１の長手方向をＹ方向、シリコン基板１の厚さ方向をＺ方向として説明する。
【００１１】
本実施形態の加速度センサＳは、可動電極（錘部）４、５を有するシリコン基板１の上下面が、固定電極２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂを有する上部支持基板２ａと、閉塞板となる下部支持基板２ｂとにより挟持されたセンサチップとして構成されている。
【００１２】
シリコン基板１は、シリコンＳＯＩ基板により形成されており、２つの矩形枠３ａ、３ｂを有するフレーム３と、矩形枠３ａ、３ｂの側壁に対して隙間をあけた状態で矩形枠３ａ、３ｂに配置された矩形形状の２つの可動電極４、５とを備えている。
【００１３】
可動電極４、５は、それぞれの側面の対向する二辺の略中央が、一対のビーム（ばね部）６ａ、６ｂおよび７ａ、７ｂによって矩形枠３ａ、３ｂの側壁に連結されている。そして、一方の可動電極４がビーム６ａ、６ｂによってフレーム３に対して揺動自在に支持されるとともに、他方の可動電極５がビーム７ａ、７ｂによってフレーム３に対して揺動自在に支持されている。
【００１４】
また、シリコン基板１は、フレーム３および一方の可動電極４に対して所定の間隔をおいて配置された検出電極８ａ、８ｂと、フレーム３および他方の可動電極５に対して所定の間隔をおいて配置された検出電極９ａ、９ｂとを備えている。そして、検出電極８ｂと検出電極９ａとの間には接地電極１０が形成されている。
【００１５】
検出電極８ａ、８ｂは、互いに所定間隔をおいて配置されており、検出電極９ａ、９ｂも互いに所定間隔をおいて配置されている。なお、検出電極８ａ、８ｂおよび検出電極９ａ、９ｂは、それぞれ、後述する固定電極２０ａ、２０ｂおよび固定電極２１ａ、２１ｂと電気的に接続されている。
【００１６】
そして、本実施形態では、図２に示すように、検出電極８ａと検出電極８ｂとの間、検出電極９ａと検出電極９ｂとの間に隙間が形成されている。また、検出電極８ａ、８ｂとフレーム３との間、検出電極９ａ、９ｂとフレーム３との間、検出電極８ａ、８ｂと一方の可動電極４との間、および検出電極９ａ、９ｂと他方の可動電極５との間にそれぞれ隙間が形成されている。すなわち、検出電極８ａ、８ｂおよび検出電極９ａ、９ｂは、図４に示すように、フレーム３から独立した電極島として形成されている。そして、それぞれの検出電極８ａ、８ｂおよび検出電極９ａ、９ｂを電極島となるように形成することで、各検出電極を電気的に絶縁することが可能となり、それぞれの検出電極の寄生容量や検出電極間のクロストークを低減できるようにしている。
【００１７】
可動電極４、５は、肉厚に形成されており、重りとしての機能も有している。本実施形態では、図４に示すように、一対のビーム６ａ、６ｂを結ぶ直線を境界線とした場合、可動電極４の裏側における境界線の一方側に凹部１１が形成されており、可動電極４の重心が他方側に片寄るようにしている。同様に、一対のビーム７ａ、７ｂを結ぶ直線を境界線とした場合、可動電極５の裏側における一方の可動電極４に凹部１１を設けた一方側とは反対となる他方側に凹部が形成されており、可動電極５の重心が一方側に片寄るようにしている。そして、Ｘ方向もしくはＺ方向に加速度が印加されると、当該Ｘ方向もしくはＺ方向に印加された加速度を検出できるようにしている。
【００１８】
このとき、双方の可動電極４、５は、例えば図４によって一方の可動電極４を例にとって述べると、凹部１１が形成されない側の重心Ｇから表面４ａに下ろした垂線と、その重心Ｇと境界線とを結ぶ直線とでなす角度θが略４５度となるように設定されている。なお、他方の可動電極５にあっても同様であるが、この場合は上述したように重心位置が境界線を挟んで可動電極４の重心Ｇとは反対側に存在することになる。このように重心Ｇを配置すれば、Ｘ方向とＺ方向の検出感度が等価になるため、それぞれの方向の検出感度を略同一とすることができる。
【００１９】
上部支持基板２ａは、本実施形態ではガラス基板により形成されており、図４に示すように、可動電極４、５の表面４ａに対して所定間隔をあけて対向配置されている。そして、上部支持基板２ａの一方の可動電極４と対向する面側には、平面視でビーム６ａとビーム６ｂの中心を結ぶ直線を境界線とした場合に、境界線の一方側および他方側にそれぞれ第１および第２の固定電極としての固定電極２０ａ、２０ｂが設けられている。この固定電極２０ａ、２０ｂは、一方の可動電極４の表面４ａに対して所定の間隔をあけて対向配置されている。
【００２０】
また、上部支持基板２ａの他方の可動電極５と対向する面の位置にも、平面視でビーム７ａとビーム７ｂの中心を結ぶ直線を境界線とした場合に、境界線の一方側および他方側にそれぞれ第１および第２の固定電極としての固定電極２１ａ、２１ｂが設けられている。この場合にあっても固定電極２１ａ、２１ｂは、他方の可動電極５の表面に対して所定間隔をあけて対向配置されている。本実施形態では、固定電極２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂは、アルミニウムで形成されている。
【００２１】
さらに、図１に示すように、上部支持基板２ａの検出電極８ａ、８ｂ、検出電極９ａ、９ｂおよび接地電極１０に対向する位置には、スルーホール２２ａ〜２２ｅが形成されている。そして、このスルーホール２２ａ〜２２ｅを介して、固定電極２０ａ、２０ｂおよび固定電極２１ａ、２１ｂにそれぞれ電気的に接続された検出電極８ａ、８ｂおよび検出電極９ａ、９ｂと接地電極１０が外部に露出、配線される。こうして、検出電極８ａ、８ｂおよび検出電極９ａ、９ｂと接地電極１０の電位を外部に取り出せるようにしている。
【００２２】
下部支持基板２ｂは、本実施形態ではガラス基板により形成されており、図４に示すように、双方の可動電極４、５の裏面に所定間隔をあけて対向するように配置されている。
【００２３】
上述した加速度センサＳを製造する際には、図４に示したように、シリコン基板１の表面側および裏面側に、湿式エッチングやドライエッチング等により可動電極４、５が変位するためのギャップ３２ａ、３２ｂを形成する。また、シリコン基板１の裏面側を更にエッチングすることで、双方の可動電極４、５および凹部１１を形成する。
【００２４】
その後、下部支持基板２ｂをシリコン基板１の裏面側に陽極接合するとともに、上部支持基板２ａに、固定電極２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂおよびスルーホール２２ａ〜２２ｅを形成しておき、この上部支持基板２ａをシリコン基板１の表面側に陽極接合する。
【００２５】
このように構成された加速度センサＳは、可動電極４にＸ方向の加速度が印加された場合、可動電極４と固定電極２０ａ、２０ｂ間の静電容量Ｃ１、Ｃ２はそれぞれ以下に示す数式（１）、（２）のようになる。なお数式（１）、（２）中、パラメータＣ０は、可動電極４にＸ方向の加速度が印加されていない状態での可動電極４と固定電極２０ａ、２０ｂ間の静電容量を示す。
【００２６】
Ｃ１＝Ｃ０−ΔＣ  …（１）
Ｃ２＝Ｃ０＋ΔＣ  …（２）
また同様に、可動電極５にＸ方向の加速度が印加された場合、可動電極５と固定電極２１ａ、２１ｂ間の静電容量Ｃ３、Ｃ４はそれぞれ以下に示す数式（３）、（４）のようになる。なお数式（３）、（４）中、パラメータＣ０は、可動電極５にＸ方向の加速度が印加されていない状態での可動電極５と固定電極２１ａ、２１ｂ間の静電容量を示す。
【００２７】
Ｃ３＝Ｃ０−ΔＣ  …（３）
Ｃ４＝Ｃ０＋ΔＣ  …（４）
したがって、貫通電極２２ａ〜２２ｅを介して上記容量Ｃ１〜Ｃ４を検出し、ＡＳＩＣ等を利用して容量Ｃ１と容量Ｃ２の差分値ＣＡ（＝Ｃ１−Ｃ２）と容量Ｃ３と容量Ｃ４の差分値ＣＢ（＝Ｃ３−Ｃ４）を算出する。そして、算出された差分値ＣＡと差分値ＣＢの和（±４ΔＣ）をＸ出力として出力することにより、静電容量の変化から可動電極４、５に加えられたＸ方向の加速度を検出できる。
【００２８】
一方、可動電極４にＺ方向の加速度が印加された場合、可動電極４と固定電極２０ａ、２０ｂ間の静電容量Ｃ１、Ｃ２はそれぞれ以下に示す数式（５）、（６）のようになる。なお数式（５）、（６）中、パラメータＣ０は、可動電極４にＺ方向の加速度が印加されていない状態での可動電極４と固定電極２０ａ、２０ｂ間の静電容量を示す。
【００２９】
Ｃ１＝Ｃ０＋ΔＣ  …（５）
Ｃ２＝Ｃ０−ΔＣ  …（６）
また同様に、可動電極５にＺ方向の加速度が印加された場合、可動電極５と固定電極２１ａ、２１ｂ間の静電容量Ｃ３、Ｃ４はそれぞれ以下に示す数式（７）、（８）のようになる。なお数式（７）、（８）中、パラメータＣ０は、可動電極５にＺ方向の加速度が印加されていない状態での可動電極５と固定電極２１ａ、２１ｂ間の静電容量を示す。
【００３０】
Ｃ３＝Ｃ０−ΔＣ  …（７）
Ｃ４＝Ｃ０＋ΔＣ  …（８）
したがって、貫通電極２２ａ〜２２ｅを介して上記容量Ｃ１〜Ｃ４を検出し、ＡＳＩＣ等を利用して容量Ｃ１と容量Ｃ２の差分値ＣＡ（＝Ｃ１−Ｃ２）と容量Ｃ３と容量Ｃ４の差分値ＣＢ（＝Ｃ３−Ｃ４）を算出する。そして、算出された差分値ＣＡと差分値ＣＢの和（±４ΔＣ）をＺ出力として出力することにより、静電容量値の変化から可動電極４、５に加えられたＺ方向の加速度を検出できる。
【００３１】
ところで、本実施形態の加速度センサＳは、図１に示すように、一方の可動電極４を備えた第１の加速度センサ単体Ｓａと、他方の可動電極５を備えた第２の加速度センサ単体Ｓｂとが同一チップ面内に配置されている。そして、それぞれの加速度センサ単体Ｓａ、Ｓｂが相対的に１８０度回転した状態で配置されている。このように、第１の加速度センサ単体Ｓａにおける一方の可動電極４と、第２の加速度センサ単体Ｓｂにおける他方の可動電極５との重心位置が、境界線に対して互いに反対側に位置するように配置することで、ＸおよびＺ方向の加速度を検出できるようにしている。
【００３２】
ここで、本実施形態では、図３および図４に示すように、一方の可動電極４と対向する第１の固定電極２０ａと第２の固定電極２０ｂとの間の上部支持基板２ａに、一対のビーム６ａ、６ｂ間に亘る対向領域を凹設させた凹部４０を設けている。また、同様にして他方の可動電極５と対向する第１の固定電極２１ａと第２の固定電極２１ｂとの間の上部支持基板２ａにも、一対のビーム７ａ、７ｂ間に亘る対向領域を凹設させた凹部４０を設けている。
【００３３】
本実施形態では、一方の可動電極４の一対のビーム６ａ、６ｂと、他方の可動電極５の一対のビーム７ａ、７ｂとを、境界線を一致させて配置させている。また、一方の可動電極４と対向する第１および第２の固定電極２０ａ、２０ｂと、他方の可動電極５と対向する第１および第２の固定電極２１ａ、２１ｂとを、Ｘ方向およびＹ方向に揃わせて配置させている。これにより、本実施形態では、一方の可動電極４のビーム６ａと、他方の可動電極５のビーム部７ｂとの間に亘って上部支持基板２ａを一体に凹設させて凹部４０を形成できるようにしている。
【００３４】
このような凹部４０を設けることで、シリコン基板１と上部支持基板２ａとを陽極接合する際に、ビーム６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂが上部支持基板２ａに接触してしまうのを抑制することができる。なお、この凹部４０は、湿式エッチングやドライエッチング等によって形成することができが、陽極接合時に発生する静電吸引力は、上部支持基板２ａとシリコン基板１との対向面間の距離に反比例するようになっている。よって、より深く凹部４０をエッチングすることによって、静電吸引力をより減少させることができるようになるという利点がある。
【００３５】
また、本実施形態では、検出電極８ａ、８ｂと一方の可動電極４との間、および検出電極９ａ、９ｂと他方の可動電極５との間にそれぞれ形成された隙間部分に、これら検出電極８ａ、８ｂ、９ａ、９ｂと可動電極４、５とを画成するフレーム壁３０を設けている。そして、このフレーム壁３０によって寄生容量のバランスをとるようにしている。なお、フレーム壁３０は、図２では、破線で矩形状に囲った部分に設けられている。
【００３６】
このフレーム壁３０は、図１および図２に示すように、フレーム３の加速度センサ単体Ｓａ、Ｓｂが並設された方向（Ｙ方向）の内側全幅に亘って存在している。そして、図４に示すように、上部支持基板２ａと下部支持基板２ｂとに亘って加速度センサ単体Ｓａ、Ｓｂと検出電極８ａ、８ｂ、９ａ、９ｂとを仕切るように形成されている。
【００３７】
以上の構成により、本実施形態の加速度センサＳによれば、第１の固定電極２０ａ（２１ａ）と第２の固定電極２０ｂ（２１ｂ）との間の上部支持基板２ａに、一対のビーム６ａ、６ｂ（７ａ、７ｂ）間に亘る対向領域を凹設させた凹部４０を設けている。そのため、シリコン基板１と上部支持基板２ａとを陽極接合する際に、ビーム部６ａ、６ｂ（７ａ、７ｂ）が上部支持基板２ａに接触して貼り付いてしまうのを抑制できるのは勿論のこと、陽極接合時に発生する静電吸引力を従来と比べて大幅に低減できるようになる。したがって、陽極接合時に可動電極４（５）が上部支持基板２ａ側に持ち上がってしまうのを抑制することができるようになり、スティッキングをより抑制できることに繋がる。
【００３８】
また、凹部４０を設けたことで静電吸引力を低減することができるにも関わらず、可動電極４（５）と固定電極２０ａ、２０ｂ（２１ａ、２１ｂ）との間の距離を広げる必要がないので好適である。すなわち、加速度センサＳの検出感度を低下させることなく静電吸引力を減少させてスティッキングを抑制することができる。
【００３９】
また、本実施形態の加速度センサＳによれば、検出電極８ａ、８ｂ、９ａ、９ｂと可動電極４、５との間をフレーム壁３０によって仕切っている。そのため、図４に示すように、固定電極２０ａとフレーム３との距離および固定電極２０ｂとフレーム壁３０との距離の差が小さくなり、各固定電極とフレーム３との間に生じる寄生容量の差を小さくすることができる。すなわち、第１および第２の固定電極２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂの外側端部とフレーム３との対向方向（Ｘ方向）の寄生容量Ｃｐのバランスを取ることができる。したがって、寄生容量Ｃｐのアンバランスを解消し、寄生容量Ｃｐのオフセット（物理量がゼロの状態における第１および第２の固定電極の寄生容量の差）を効率良く低減することができる。その結果、加速度センサＳの温度特性が向上し、ひいては、加速度センサＳの検出精度を向上させることができる。
【００４０】
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。
【００４１】
例えば、上記実施形態では、Ｘ方向とＹ方向の２方向の加速度を検出する加速度センサを例示したが、錘部の一つをＸＹ平面内で９０度回転させて配置し、Ｙ方向を加えた３方向の加速度を検出する加速度センサとしてもよい。
【００４２】
また、上記実施形態では、静電容量式センサとして加速度センサを例示したが、これに限ることなく、その他の静電容量式センサにあっても本発明を適用することができる。
【００４３】
また、錘部、その他細部のスペック（形状、大きさ、レイアウト等）も適宜に変更可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１      シリコン基板
２ａ    上部支持基板（支持基板）
４、５  可動電極（錘部）
６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ  ビーム（ばね部）
２０ａ、２１ａ  第１の固定電極
２０ｂ、２１ｂ  第２の固定電極
４０    凹部
Ｓ１    加速度センサ（静電容量式センサ）
【図１】
2013003125.tif 000003
【図２】
2013003125.tif 000004
【図３】
2013003125.tif 000005
【図４】
2013003125.tif 000006