JP3861813B2 - 静電振動型デバイス - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電気力により振動子を駆動振動させる静電振動型デバイスに関し、例えば、静電振動型の角速度センサやアクチュエータ等に適用可能である。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、静電振動型デバイスとして、半導体基板をエッチングして基部、振動子および振動子を駆動させるための駆動電極を形成してなる静電振動型角速度センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このものは、駆動電極によって振動子を所定方向に駆動振動させ、この駆動振動のもと、角速度印加の際にコリオリ力によって振動子が駆動振動方向と直交する方向へ検出振動することで、印加角速度を検出するものである。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−９１２６５号公報（第４−５頁、第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、上記した静電振動型角速度センサについて、試作検討を行った。図７は、上記従来技術に基づいて作製した試作品としての角速度センサの概略平面構成を示す図である。
【０００６】
この試作品は、２枚のシリコン基板が酸化膜を介して貼り合わされたＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）基板１０を用い、周知の半導体製造技術を用いて作ることができる。
【０００７】
図７には、一方のシリコン基板（半導体基板）１２の平面形状が示されており、この一方のシリコン基板１２には、エッチングにて溝を形成することにより、各部が形成されている。
【０００８】
振動子３０は、一方のシリコン基板１２を支持する酸化膜及び他方のシリコン基板を部分的に除去することにより形成された開口部１４上に、配置されている。振動子３０は、図中のｘ方向へバネ変形可能な駆動梁３３を介して開口部１４の外周に位置する基部２０に固定されている。この基部２０は上記酸化膜及び他方のシリコン基板である。
【０００９】
また、基部２０には、振動子３０をｘ方向へ駆動振動させるべく振動子３０に静電気力を印加するための櫛歯状の駆動電極４０、４１が固定されており、この駆動電極４０、４１は、振動子３０の外周部に対向して配置されている。一方、振動子３０における駆動電極４０、４１との対向部は、駆動電極４０、４１とかみ合うように櫛歯部３０ａが形成されている。
【００１０】
また、図７において、振動子３０の中央部には、ｙ方向へバネ変形可能な検出梁３４によって連結された検出用錘部３２が形成されている。そして、検出用錘部３２に対向する基部２０には、検出用電極５０が形成され固定されている。
【００１１】
そして、この図７に示す静電振動型角速度センサにおいては、振動子３０を一定電圧にして、左右の駆動電極４０、４１に互いに逆相の交流電圧（駆動信号）を印加することにより、駆動梁３３によって振動子３０全体がｘ方向へ駆動振動する。
【００１２】
この振動子３０の駆動振動のもと、角速度Ωが印加されると、振動子３０にはｙ方向にコリオリ力が発生し、振動子３０のうち検出梁３４によって支持された検出用錘部３２がそのコリオリ力によってｙ方向へ振動（検出振動）する。すると、この検出振動によって、検出電極５０と検出用錘部３２との間の静電容量が変化する。この容量変化を検出することにより、角速度Ωの大きさを求めることができる。
【００１３】
ところで、コリオリ力は、振動子３０の駆動振動の振動速度に比例するため、角速度の感度を高め、精度良く検出するためには、その振動速度を大きくする必要がある。そのためには、駆動電極の個数を多くして駆動力つまり静電気力を大きくすることが必要である。例えば、図７に示すセンサにおいて、駆動電極４０、４１の櫛歯の本数を増やすことが必要となってくる。
【００１４】
しかし、単純に駆動電極の個数を多くすると、センサを構成する基板の体格が増大してしまい、好ましくない。そこで、本発明者は、第２の試作品として図８に示すような静電振動型角速度センサを試作した。
【００１５】
図８に示すものは、上記図７に示す第１の試作品において、振動子３０の左右部分を、平面形状が枠形状をなす枠部３１としたものである。そして、基部２０に固定されている駆動電極４０、４１の一部を枠部３１の内周に位置させて枠内固定部６０とし、この枠部３１に取り囲まれた枠内固定部６０にも櫛歯状の駆動電極４０ｂ、４１ｂを設けている。
【００１６】
つまり、この第２の試作品における駆動電極４０、４１は、振動子３０の外周部に対向して配置された第１の駆動電極４０ａ、４１ａと、枠内固定部６０に設けられ枠部３１の内周部に対向して配置された第２の駆動電極４０ｂ、４１ｂとから構成されたものとなる。
【００１７】
このように、振動子３０を枠形状とし、その枠部３１内にも駆動電極を設けた構成を採用することにより、面積効率の良い駆動電極の増加を図ることができる。そして、第２の駆動電極４０ｂ、４１ｂによって櫛歯の本数が増えた分、振動子３０に印加される静電気力も大きくなるはずである。
【００１８】
しかし、この図８に示すような構成では、枠内固定部６０における第２の駆動電極４０ｂ、４１ｂの配置部とは反対側の背面部６０ａとこの背面部６０ａに対向する枠部３１の内周部との隙間（以下、対向背面間隔という）７０において、駆動振動のための静電気力とは反対方向の静電気力が作用することになる。
【００１９】
そのため、せっかく駆動電極を増やしても、それに見合った駆動力の増加、駆動振動速度の増加が得られない。なお、この問題は静電振動型角速度センサに限らず、振動子を枠形状とし該枠部内にも駆動電極を設けた構成を有する静電振動型デバイスにおいて駆動力の増加を図ろうとした場合に、共通して生じる問題である。
【００２０】
そこで、本発明は上記問題に鑑み、基板をエッチングすることにより、基部、振動子および駆動電極を形成してなる静電振動型デバイスにおいて、体格を極力増大させることなく、駆動力を適切に増加させることを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
ところで、振動子の駆動振動の駆動力を増加させるには、上記対向背面間隔に作用する静電気力（つまり静電引力）を小さくすることが必要であるが、そのためには、単純には、対向背面間隔を広くすればよい。
【００２２】
これは、静電気力（静電引力）は物体間の距離の２乗に反比例するためである。しかし、基板をエッチングして振動子や駆動電極等の構成部分を形成するタイプにおいては、対向背面間隔を広くする、すなわちエッチング幅を広くすると、種々の弊害が生じる。
【００２３】
例えば、基板の或る部分においてエッチング幅が広くなりすぎると、エッチング速度が遅くなって生産性が低下したり、エッチング残りが生じやすくなったり、他のエッチング幅の狭い部分がオーバーエッチングされたりする等の不具合が生じる。そのため、基板全体において、エッチング幅は、ある一定の大きさにとどめる方が良い。
【００２４】
そこで、本発明者は鋭意検討した結果、あるエッチング幅制限を考慮した場合、上記対向背面間隔における静電気力を低減するためには、この対向背面間隔にて対向する面を凹凸形状とすればよいことを見出すに至った。
【００２５】
つまり、凹凸形状部をエッチングで形成する際に、凹部の幅（隣り合う凸部の間隔）を決められたエッチング幅の上限以内とすれば、適切に凹部がエッチングにて形成され、この凹部にて対向する部分では、該凹部の深さの分、相手側の対向部との距離を大きくすることができる。
【００２６】
本発明は、このような検討結果に基づいてなされたものである。
【００２７】
すなわち、請求項１に記載の発明では、基板をエッチングすることにより形成されるものであって、基部（２０）と、基部に対して可動状態に設けられ所定方向（ｘ）へ振動可能な振動子（３０）と、基部に固定され振動子を所定方向へ駆動振動させるために振動子に静電気力を印加するための駆動電極（４０、４１）とを有する静電振動型デバイスにおいて、振動子は、平面形状が枠形状をなす枠部（３１）を有しており、基部に固定されるとともに枠部の内周に位置して枠部に取り囲まれた枠内固定部（６０）が形成されており、駆動電極は、振動子の外周部に対向して配置された第１の駆動電極（４０ａ、４１ａ）と、枠内固定部に設けられ枠部の内周部に対向して配置された第２の駆動電極（４０ｂ、４１ｂ）が一体となって構成されており、枠内固定部における第２の駆動電極の配置部とは反対側の背面部（６０ａ）、およびこの背面部に対向する枠部の内周部の少なくとも一方の部位は、背面部と枠部の内周部との対向間隔を広げて対向間隔に作用する静電気力を小さくする凹凸形状となっていることを特徴とする。
【００２８】
それによれば、振動子を枠形状とし、その枠部内にも駆動電極を設けた構成を有するため、基板の体格の増大を極力抑え、面積効率の良い駆動電極の増加が図れる。
【００２９】
そして、凹部の部分にて、枠内固定部における背面部とこれに対向する枠部の内周部との対向間隔が広くなるので、当該対向間隔に作用する静電気力を小さくすることができる。よって、本発明によれば、体格を極力増大させることなく、駆動力を適切に増加させることができる。
【００３０】
また、請求項２に記載の発明では、枠内固定部（６０）における背面部（６０ａ）およびこの背面部に対向する枠部（３１）の内周部の両方の部位が、凹凸形状となっていることを特徴とする。
【００３１】
このように枠内固定部における背面部およびこの背面部に対向する枠部の内周部の両方を凹凸形状とすれば、片方だけの場合よりも凹部の数を増やすことができるため、好ましい。
【００３２】
また、請求項３に記載の発明のように、枠部（３１）の一部が切り欠かれた切欠き部（３１ａ）となっており、枠内固定部（６０）は、基部（２０）との固定部から切欠き部を介して枠部の内周に入り込んだ形状となっているものにできる。
【００３３】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る静電振動型デバイスとしての角速度センサＳ１を示す概略平面図であり、図２は、図１中のＡ−Ａ断面図である。
【００３５】
この角速度センサＳ１を構成する基板は、図２に示す様に、第１シリコン基板１１上に酸化膜１３を介して第２シリコン基板１２を積層してなる矩形状のＳＯＩ基板１０である。
【００３６】
ここで、第２シリコン基板１２には、エッチング加工を施すことにより溝１２ａを形成し、当該第２シリコン基板１２を振動子３０、駆動電極４０、４１、検出電極５０、各梁３３、３４等に区画している。
【００３７】
また、ＳＯＩ基板１０のうち振動子３０に対応した部分においては、第１シリコン基板１１および酸化膜１３はエッチングにより除去されており、開口部１４が形成されている。そして、開口部１４の周囲の第１シリコン基板１１および酸化膜１３が、支持基板すなわち基部２０として構成されている。
【００３８】
振動子３０は、第２シリコン基板１２の左右両側に位置する平面形状が枠形状をなす２つの枠部３１と、各枠部３１の間に設けられた平面長方形状の検出用錘部３２とよりなる。そして、振動子３０全体は、本例では４つの駆動梁３３を介して基部２０に連結されている。また、検出用錘部３２は、本例では４つの検出梁３４を介して枠部３１に連結されている。
【００３９】
ここで、駆動梁３３は、実質的にｘ方向にのみ自由度を持つものであり、この駆動梁３３によって振動子３０全体がｘ方向へ振動可能となっている。一方、検出梁３４は、実質的にｙ方向にのみ自由度を持つものであり、この検出梁３４によって振動子３０のうち検出用錘部３２がｙ方向へ振動可能となっている。
【００４０】
また、基部２０に固定された第２シリコン基板１２のうち枠部３１におけるｘ方向の両外側には、駆動電極４０、４１が形成されている。この駆動電極４０、４１は、振動子３０全体をｘ方向へ駆動振動させるために振動子３０に静電気力を印加するためのものである。図１中の左側の駆動電極４０を左側駆動電極４０、右側の駆動電極４１を右側駆動電極４１ということにする。
【００４１】
ここで、左側駆動電極４０および右側駆動電極４１はそれぞれ、振動子３０の外周部に対向して配置された第１の駆動電極４０ａ、４１ａと、振動子３０の枠部３１の内周部に対向して配置された第２の駆動電極４０ｂ、４１ｂとから構成されている。
【００４２】
第２の駆動電極４０ｂ、４１ｂは、基部２０に固定されている第２のシリコン基板１２の一部を枠部３１の内周に位置させて、これを枠内固定部６０とし、この枠部３１に取り囲まれた枠内固定部６０に設けたものである。
【００４３】
ここでは、枠部３１は、その一部が切り欠かれた切欠き部３１ａとなっており、枠内固定部６０は、基部２０との固定部から切欠き部３１ａを介して枠部３１の内周に入り込んだ略Ｔ字形状となっている。
【００４４】
そして、本例では、第１および第２の駆動電極４０、４１は櫛歯状をなしており、各駆動電極４０、４１に対向する振動子３０の部分から突出する櫛歯部３０ａ、３０ｂに対し、互いの櫛歯が噛み合うように対向して配置されている。
【００４５】
また、第２シリコン基板１２のうち検出用錘部３２におけるｙ方向の両外側には、検出電極５０が形成されている。この検出電極５０は、振動子３０の駆動振動のもとｘおよびｙ方向と直交するｚ軸回りに角速度Ωが印加されたときに発生する検出用錘部３２のｙ方向への振動（検出振動）を検出信号として検出するためのものである。
【００４６】
ここで、駆動電極４０、検出電極５０にはそれぞれ、図示しない回路部とワイヤボンディング等により電気的に接続すためのパッド（駆動電極用パッド）４５、パッド（検出電極用パッド）５５がアルミ等により形成されている。
【００４７】
また、駆動梁３３の基部２０との固定部分には、振動子３０を上記回路部とワイヤボンディング等により電気的に接続するためのパッド（振動子用パッド）３５がアルミ等により形成されている。
【００４８】
さらに、本実施形態では、枠内固定部６０における第２の駆動電極４０ｂ、４１ｂの配置部とは反対側の背面部６０ａ、およびこの背面部６０ａに対向する枠部３１の内周部の両方の部位を、凹凸形状としている。この凹凸形状部分の拡大平面図を図３に示す。
【００４９】
本例では、図３に示すように、矩形状の凹凸部であり、対向背面間隔７０において、枠内固定部６０における背面部６０ａの凹凸形状と枠部３１の内周部の凹凸形状とでは、凹凸の周期が互い違いになっている。つまり、一方の凹凸部における凸部と他方の凹凸部における凹部とが対向するようになっている。
【００５０】
この凹凸部における凹部の深さ（凸部の高さ）ｈは、例えば３μｍ程度であり、凹部の幅（隣り合う凸部の間隔）ｗは、例えば９μｍ程度である。この凹部の部分にて該凹部の深さｈの分、従来よりも対向背面間隔７０の距離が大きくなっている。
【００５１】
また、凹部の幅ｗは、第２のシリコン基板１２をエッチングして溝を形成するときのエッチングルールによって決められたエッチング幅の上限以内となるように、設計されている。
【００５２】
次に、角速度センサＳ１の製造方法について、ＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）基板を用いた例として述べる。図４および図５は、角速度センサＳ１を製造するための製造方法を示すもので、上記図２に沿った断面に対応して、各工程中のワークを示したものである。
【００５３】
まず、図４（ａ）に示す様に、単結晶シリコンからなる第１および第２シリコン基板１１、１２の間に酸化膜（例えば厚さ１μｍ）１３を挟んでなるＳＯＩ基板１０を用意する。
【００５４】
そして、第２シリコン基板１２の全面に表面抵抗値を下げ、次工程にて形成されるアルミニウムからなる上記各パッド３５、４５、５５（図中では、パッド４５が図示されている）との接触抵抗を下げるために、例えばリンを高濃度に拡散（Ｎ+ 拡散）する。
【００５５】
続いて、ＳＯＩ基板１０の表面（第２シリコン基板１２）にアルミニウムを例えば１μｍ蒸着し、ホト、エッチングを行い、上記各パッド３５、４５、５５を形成する。
【００５６】
続いて、図４（ｂ）に示す様に、ＳＯＩ基板１０の裏面（第１シリコン基板１１）を切削研磨（バックポリッシュ）することにより所定の厚さ（例えば３００μｍ）とし、且つ鏡面仕上げする。
【００５７】
続いて、図４（ｃ）に示す様に、ＳＯＩ基板１０の裏面（第１シリコン基板１１）にプラズマＳｉＮ膜３００を堆積（例えば０．５μｍ）し、ホトパターンを形成し、プラズマＳｉＮ膜３００をエッチングすることにより所定の領域を開口する。
【００５８】
続いて、図５（ａ）に示す様に、第２シリコン基板１２の表面に、上記振動子３０、駆動電極４０、４１、検出電極５０、各梁３３、３４、さらには対向背面間隔７０における凹凸形状部等を画定するパターンをレジストで形成し、ドライエッチングにより垂直に酸化膜１３までトレンチすなわち溝１２ａを形成する。
【００５９】
続いて、図５（ｂ）に示す様に、第１シリコン基板１１を、プラズマＳｉＮ膜３００に形成したパターンをマスクとして、例えばＫＯＨ水溶液で深くエッチングする。
【００６０】
このとき、酸化膜１３までエッチングを進めると、エッチング液の圧力により酸化膜１３が破れてＳＯＩ基板１０を破損するため、酸化膜１３が破れないように、例えば第１シリコン基板１１のシリコンを１０μｍ残してエッチングを終了できるようエッチング時間を管理する。
【００６１】
続いて、図５（ｃ）に示す様に、プラズマドライエッチングにより、図５（ｂ）の工程で残したＳｉをエッチング除去する。このとき、ＳＯＩ基板１０の裏面のプラズマＳｉＮ膜３００は同時に除去される。
【００６２】
最後に、図５（ｄ）に示す様に、酸化膜１３をドライエッチングによって除去して、上記振動子３０等を形成する。こうして、角速度センサＳ１が完成する。この後、上記各パッド３５、４５、５５は、ワイヤボンディング等により、上記回路部と電気的に接続される。
【００６３】
本実施形態では、図３に示した凹部の幅ｗを、第２のシリコン基板１２をエッチングして溝を形成するときのエッチングルールによって決められたエッチング幅の上限以内となるように、設計している。
【００６４】
そのため、上記図５（ａ）に示した第２シリコン基板１２のトレンチエッチングを行うことによって、振動子３０等の各部が形成されるとともに、対向背面間隔７０において凹凸形状を適切に形成することができる。
【００６５】
かかる角速度センサＳ１の作動について述べる。上記した回路部から振動子用パッド３５を介して振動子３０に一定電圧を印加するとともに、駆動電極用パッド４５を介して図１中の左右の駆動電極４０、４１に互いに逆相の交流電圧（駆動信号）を印加する。
【００６６】
それによって、左右それぞれにおいて振動子３０の櫛歯部３０ａ、３０ｂと駆動電極４０、４１との間に静電気力（つまり、静電引力）が発生し、駆動梁３３によって振動子３０全体がｘ方向へ駆動振動する。
【００６７】
この振動子３０の駆動振動のもと、ｚ軸回りに角速度Ωが印加されると、振動子３０にはｙ方向にコリオリ力が印加され、振動子３０のうちの検出用錘部３２が検出梁３４によってｙ方向へ振動（検出振動）する。すると、この検出振動によって、検出電極５０と検出用錘部３２との間の静電容量が変化し、この容量変化を検出することにより角速度Ωの大きさを求めることができる。
【００６８】
ところで、本実施形態では、振動子３０を枠形状とし、その枠部３１内にも駆動電極（つまり、第２の駆動電極４０ｂ、４１ｂ）を設けた構成としているため、基板１０の体格の増大を極力抑え、面積効率の良い駆動電極の増加が図られている。
【００６９】
そして、第２のシリコン基板１２のエッチングによって対向背面間隔７０に適切に凹凸形状を形成できており、この凹部の部分にて、対向背面間隔７０が広くなるので、当該対向背面間隔７０に作用する静電気力を小さくすることができる。
【００７０】
そのため、本実施形態では、第２の駆動電極４０ｂ、４１ｂによって櫛歯の本数が増えた分、それに見合った駆動力の増加、駆動振動速度の増加が得られる。そして、エッチングルールを守りつつ、体格を極力増大させずに駆動力を適切に増加させることのできる静電振動型角速度センサＳ１を提供することができる。
【００７１】
（他の実施形態）
なお、上記図３に示した例では、対向背面間隔７０において、枠内固定部６０における背面部６０ａの凹凸形状と枠部３１の内周部の凹凸形状とでは、凹凸の周期が互い違いになっていたが、図６に示すように、凸部同士、凹部同士が対向するものであって良い。
【００７２】
また、凹凸部は、上記実施形態では平面矩形状であったが、それ以外にも三角形、台形、半円形、のこぎり形状等、凹凸部の平面形状は種々の幾何学的形状とすることができる。の凹凸形状でも良い。
【００７３】
また、凹凸部は対向背面間隔７０において、枠内固定部６０における背面部６０ａのみに形成したものでも良いし、当該背面部６０ａに対向する枠部３１の内周部のみに形成したものでも良い。
【００７４】
また、本発明は、上記した角速度センサ以外にも、静電振動型のアクチュエータ等にも適用して良い。要するに、本発明は、基板をエッチングすることにより、基部、振動子および駆動電極を形成してなり、さらに振動子を枠形状とし該枠部内にも駆動電極を設けた構成を有する静電振動型デバイスに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る角速度センサの概略平面図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図１中の凹凸形状部の拡大平面図である。
【図４】上記実施形態に係る角速度センサの製造方法を示す工程図である。
【図５】図４に続く製造方法を示す工程図である。
【図６】凹凸形状部分の他の例を示す平面図である。
【図７】本発明者が試作した第１の試作品としての角速度センサの概略平面図である。
【図８】本発明者が試作した第２の試作品としての角速度センサの概略平面図である。
【符号の説明】
２０…基部、３０…振動子、３１…枠部、３１ａ…切欠き部、
４０、４１…駆動電極、４０ａ、４１ａ…第１の駆動電極、
４０ｂ、４１ｂ…第２の駆動電極、６０…枠内固定部、
６０ａ…枠内固定部における背面部。

Claims (3)

1. 基板をエッチングすることにより形成されるものであって、 基部（２０）と、
   前記基部に対して可動状態に設けられ所定方向（ｘ）へ振動可能な振動子（３０）と、
   前記基部に固定され、前記振動子を前記所定方向へ駆動振動させるために前記振動子に静電気力を印加するための駆動電極（４０、４１）とを有する静電振動型デバイスにおいて、
   前記振動子は、平面形状が枠形状をなす枠部（３１）を有しており、
   前記基部に固定されるとともに、前記枠部の内周に位置して前記枠部に取り囲まれた枠内固定部（６０）が形成されており、
   前記駆動電極は、前記振動子の外周部に対向して配置された第１の駆動電極（４０ａ、４１ａ）と、前記枠内固定部に設けられ前記枠部の内周部に対向して配置された第２の駆動電極（４０ｂ、４１ｂ）とが一体となって構成されており、
   前記枠内固定部における第２の駆動電極の配置部とは反対側の背面部（６０ａ）、およびこの背面部に対向する前記枠部の内周部の少なくとも一方の部位は、前記背面部と前記枠部の内周部との対向間隔を広げて前記対向間隔に作用する静電気力を小さくする凹凸形状となっていることを特徴とする静電振動型デバイス。
2. 前記枠内固定部（６０）における前記背面部（６０ａ）およびこの背面部に対向する前記枠部（３１）の内周部の両方の部位が、前記背面部と前記枠部の内周部との対向間隔を広げて前記対向間隔に作用する静電気力を小さくする凹凸形状となっていることを特徴とする請求項１に記載の静電振動型デバイス。
3. 前記枠部（３１）は、その一部が切り欠かれた切欠き部（３１ａ）となっており、
   前記枠内固定部（６０）は、前記基部（２０）との固定部から前記切欠き部を介して前記枠部の内周に入り込んだ形状となっていることを特徴とする請求項１または２に記載の静電振動型デバイス。

Images