JP5700652B2

JP5700652B2 - 静電容量型加速度センサ

Info

Publication number: JP5700652B2
Application number: JP2011042328A
Authority: JP
Inventors: 加藤　静一; 静一加藤; 祐司合田
Original assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Current assignee: Asahi Kasei Microdevices Corp
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2031-02-28
Also published as: JP2012181030A

Description

本発明は、加速度センサにかかり、特に静電容量の変化を使って加速度を検出する静電容量型加速度センサに関する。

現在、加速度センサには、加速度の印加によって変位する可動電極と、基板に固定される固定電極とを対向させて配置し、両者の間の静電容量の変化を使って加速度を検出する静電容量型加速度センサがある。
図１０は、従来の加速度センサを説明するための上面図である。図１１は、図１０中に示した一点鎖線Ｄ−Ｄに沿う断面図である。図示した加速度センサは、図中に示したＺ方向に印加される加速度を検出するためのセンサである。そして、シリコン基板１上に固定された第１の固定電極２と、第２の固定電極３と、を備えている。

また、図１０、１１に示した静電容量型加速度センサでは、可動電極５がアンカ部７によって揺動自在に支持されている。アンカ部７は、ねじれ梁６によって可動電極５と接続されており、ねじれ梁と接続しているアンカ上層部７ａと、アンカ上層部７ａと基板１とを接続するアンカ下層部７ｂからなる。可動電極５は、第１の固定電極２に対向する可動電極部５ａと、第２の固定電極３に対向する可動電極部５ｂと、を備えている。

図１０、１１に示した静電容量型加速度センサにＺ方向の加速度が印加されると、質量体８が下側に変位する。可動電極５が図１０に示した一点鎖線Ｃ−Ｃよりも左側でリンク梁１１によって質量体８と接続しているため、質量体８の下方への変位に伴って可動電極部５ａも下方に変位する。
可動電極部５ａの変位により、図１１中に示した可動電極部５ａ下に生じる静電容量Ｃ１と可動電極部５ｂ下に生じる静電容量Ｃ２との間に差異が生じる。図１０、１１に示した静電容量型加速度センサは、静電容量Ｃ１と静電容量Ｃ２との相違によって静電容量型加速度センサに印加された加速度を検出している。
なお、このような静電容量型加速度センサは、例えば、特許文献１に記載されている。

ＷＯ０３／０４４５３９パンフレット

しかしながら、上記した従来の静電容量型加速度センサでは、静電容量型加速度センサが落下する等して通常よりも大きな加速度が印加されたとき、ねじれ梁６とアンカ上層部７ａとの結合部分のアンカ上層部７ａとアンカ下層部７ｂとの境界に過大な応力が加わる。過大な応力により、アンカ上層部７ａアンカ下層部７ｂとの境界に剥離、亀裂等の損傷が加わると、静電容量型加速度センサの感度やオフセット値が変動し、静電容量型加速度センサの信頼性を損なうことになる。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、通常使用時に印加される加速度よりも大きな加速度が加わった場合にも、可動電極の支持部と梁部との間が損傷を受けることがなく、信頼性の高い静電容量型加速度センサを提供することを目的とする。

以上の課題を解決するため、本発明の静電容量型加速度センサは、基板（例えば図３に示した基板１０１）と、前記基板上に固定された固定電極（例えば図３に示した固定電極１２３、１２４）と、前記固定電極の上面に対向するように配置された可動電極（例えば図３に示した可動電極１０５）と、前記可動電極を前記基板上面に直交する方向に変位可能に前記基板上に弾性支持する弾性支持部（例えば図３に示した弾性支持部１８０）と、を備え、前記弾性支持部は、前記基板上に固定された絶縁体からなる下層支持部（例えば図３に示した下層支持部１２１、１２２）と、前記下層支持部上に固定された上層支持部（例えば図３に示した上層支持部１１７）と、前記基板上面に沿って長い形状を有し、且つ一端部が前記上層支持部に結合され他端部が前記可動電極に結合された梁部（例えば図３に示した梁部１０６）と、を有し、前記下層支持部は、前記梁部と前記上層支持部との結合部分の直下に位置する部分に空隙部（例えば図３に示した空隙部１３０）を有し、前記上層支持部が、前記梁部の長手方向に沿って長い形状を有する２つの長部（例えば図３に示した長部１５５ａ、１５５ｂ）と、２つの前記長部の間を接続する短部（例えば図３に示した短部１０７）とを含む平面形状を有し、前記下層支持部は、前記短部の直下に位置する部分の全てに空隙部を有することを特徴とする。

また、本発明の静電容量型加速度センサは、上記した発明において、前記下層支持部は、さらに、前記長部の直下に位置する部分の一部に空隙部（例えば図７に示した空隙部１４０）を有することが望ましい。

上記した発明によれば、上層支持部のうちの梁部との結合部分が下層支持部を介して基板に固定されていない。このため、大きな加速度が印加されたときに過大な応力が生じる上層支持部と梁部との結合部分において、上層支持部と下層支持部との境界が存在しない。このため、本発明は、上層支持部と下層支持部との境界部分が損傷を受けることがなく、信頼性の高い静電容量型加速度センサを提供することができる。

本発明の実施形態１の静電容量型加速度センサの全体を説明するための上面図である。本発明の実施形態１の静電容量型加速度センサを、図１中に破線で示した範囲Ｐで切り出した部分の斜視図である。本発明の実施形態１の静電容量型加速度センサを説明するための図である。本発明と比較される参考例の静電容量型加速度センサを説明するための図である。図４に示した静電容量型加速度センサの上層支持部と下層支持部との境界部分にかかる応力をシミュレーションして得た結果を示す図である。図３に示した実施形態１の静電容量型加速度センサの上層支持部と下層支持部との境界部分にかかる応力をシミュレーションして得た結果を示す図である。本発明の実施形態２の静電容量型加速度センサを説明するための図である。図７に示した実施形態２の静電容量型加速度センサの上層支持部と下層支持部との境界部分にかかる応力をシミュレーションして得た結果を示す図である。本発明の実施形態１、実施形態２の変形例について説明するための図である。従来の加速度センサを説明するための上面図である。図１０中に示した一点鎖線Ｄ−Ｄに沿う断面図である。

以下、本発明の実施形態１、実施形態２について説明する。
（実施形態１）
［全体の構成］
図１は、実施形態１の静電容量型加速度センサの全体を説明するための上面図である。実施形態１の静電容量型加速度センサは、可動電極１０５と、可動電極１０５に上層支持部１１７を接続する梁部１０６と、を有している。上層支持部１１７は、梁部１０６の長手方向（図中に示したＹ方向）に沿って長い形状を有する２つの長部１５５ａ、１５５ｂと、２つの長部１５５ａ、１５５ｂの間を接続する短部１０７とを含む「Ｈ」型の平面形状を有している。また、可動電極１０５の周囲には、枠１１０が設けられている。
図２は、実施形態１の静電容量型加速度センサを、図１中に破線で示した範囲Ｐで切り出した部分の斜視図である。

［弾性支持部に関する構成］
以下、実施形態１の静電容量型加速度センサについて説明する。
図３は、実施形態１の静電容量型加速度センサ１００を説明するための図である。図３（ａ）は静電容量型加速度センサ１００の上面図、図３（ｂ）は図３（ａ）中に示した破線Ａ−Ａに沿う断面図、図３（ｃ）は図３（ａ）中に示した線Ｂ−Ｂに沿う断面図である。図３中には図３における方向を示すＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を示し、以降の説明を、図示したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が示す方向を使って行うものとする。実施形態１の静電容量型加速度センサ１００は、Ｚ方向に印加される加速度を検出するセンサである。

図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、静電容量型加速度センサ１００は、基板１０１と、基板１０１上に固定された固定電極１２３、１２４と、固定電極１２３、１２４の上面に対向するように配置された可動電極１０５と、可動電極１０５を基板１０１の上面１０１ａに直交する方向（図中に示したＺ方向）に変位可能に基板１０１上に弾性支持する弾性支持部１８０と、を備えている。

弾性支持部１８０は、基板１０１上に固定された絶縁体からなる下層支持部と、下層支持部上に固定された上層支持部１１７と、基板上面１０１ａに沿って（図中に示したＹ方向）長い形状を有し、且つ一端部が上層支持部１１７に結合され、他端部が可動電極１０５に結合された梁部１０６と、を有している。なお、実施形態１では、下層支持部が２つの下層支持部１２１、１２２によって構成されている。
そして、下層支持部１２１、１２２は、梁部１０６と上層支持部１１７との結合部分の直下に位置する部分に空隙部１３０を有している。

また、実施形態１では、図３（ｃ）に示したように、下層支持部１２１、１２２が、短部１０７の直下に位置する部分の全てに空隙部１３０を有するように設けられている。
図１に示したように、上層支持部１１７は可動電極部１０５ａを可動電極１０５の中央よりも−Ｘ方向に偏った位置で可動電極１０５を支持している。このため、可動電極１０５にＺ方向の加速度が印加されると、可動電極部１０５ｂが下側に変位するとともに、可動電極部１０５ａが上側に変位する。このとき、可動電極部１０５ａと基板１０１との間の静電容量と可動電極部１０５ｂと基板１０１との間の静電容量とに差が生じる。実施形態１の静電容量型加速度センサは、差分を検出することによってＺ方向に印加された加速度を検出している。

実施形態１では、上層支持部のうちの梁部との結合部分が下層支持部を介して基板に固定されていない。このため、大きな加速度が印加されたときに過大な応力が生じる上層支持部と梁部との結合部分において、上層支持部と下層支持部との境界が存在しない。
このことにより、図３に示した静電容量型加速度センサ１００は、上層支持部と下層支持部との境界部分において損傷を受けることがない。

［効果］
次に、実施形態１によって得られる応力緩和の効果を説明する。
実施形態１によって得られる効果に先立って、先ず、実施形態１の構成と比較される静電容量型加速度センサの構成（参考例）と、参考例の静電容量型加速度センサにかかる応力について説明する。
図４は、参考例の静電容量型加速度センサ４００を説明するための図である。図４（ａ）は静電容量型加速度センサ４００の上面図、図４（ｂ）は図４（ａ）中の線Ａ−Ａに沿う断面図、図４（ｃ）は図４（ａ）中の線Ｂ−Ｂに沿う断面図である。図４において、図３に示した構成と同様の構成については同様の符号を付し、その説明を一部略すものとする。

図５は、図４に示した静電容量型加速度センサ４００の上層支持部１１７と下層支持部４２０との間にかかる応力をシミュレーションして得た結果を示す図である。図５（ａ）は、シミュレーションに使った解析モデルを示している。図５（ａ）は、図４に示した下層支持部４２０の底面を模式的に示していて、符号１０６、１１７、１５５ａ、１５５ｂは、図示した底面の上にあるそれぞれが示す構成の位置を仮想的に示している。図５（ａ）中に網かけで示した範囲Ｑは、下層支持部４２０が上層支持部１１７と接する範囲を示している。

図５（ｂ）は上層支持部１１７と下層支持部４２０との間にかかる応力を等高線で示した応力分布図である。シミュレーションでは、静電容量型加速度センサ４００に対し、Ｘ方向に１００００Ｇの加速度を０．１ｍｓ加えたときに発生する応力を求めている。
図４に示したように、静電容量型加速度センサ４００は、図３に示した静電容量型加速度センサ１００と比較して、上層支持部１１７の底面のうち、短部１０７直下にある面が全て下層支持部４２０によって支持されている点が静電容量型加速度センサ１００と相違する。

このような静電容量型加速度センサ４００では、図中に示すＸ方向に過大な加速度を受けたとき、上層支持部１１７と下層支持部４２０との境界部のうち、上層支持部１１７と梁部１０６との結合部分において、比較的強い応力が印加される。図５に示したシミュレーションでは、最大３９．９ＭＰａの応力が観測された。
上層支持部１１７と下層支持部１０６との境界部は、他の部分に比較して剥離等による損傷を受けやすい。このため、図５のように、境界部にかかった応力が境界部に損傷を与えることがある。

次に、実施形態１の静電容量型加速度センサ１００によって得られる効果を、上記した参考例の静電容量型加速度センサ４００と比較して説明する。
図６は、図３に示した実施形態１の静電容量型加速度センサ１００の上層支持部１１７と下層支持部１２１及び１２２との間にかかる応力をシミュレーションして得た結果を示す図である。図６（ａ）は、シミュレーションに使った解析モデルを示している。図６（ａ）は、弾性支持部の底面を模式的に示していて、符号１０６、１１７、１５５ａ、１５５ｂは、図示した底面の上にあるそれぞれが示す構成の位置を仮想的に示している。図６（ａ）中に網かけで示した範囲Ｑは、図３に示した下層支持部１２１、１２２が上層指示部１１７と接する範囲を示している。

図６（ｂ）は上層支持部１１７と下層支持部１２１及び１２２との間にかかる応力を等高線で示した応力分布図である。シミュレーションでは、静電容量型加速度センサ１００に対し、Ｘ方向に１００００Ｇの加速度を０．１ｍｓ加えたときに発生する応力を求めている。
図６に示したように、実施形態１の静電容量型加速度センサ１００では、Ｘ方向に過大な加速度が加わった場合にも、上層支持部１１７と下層支持部１２１及び１２２との境界部に加わる応力が図５に示した例よりも小さくなっている。具体的には、図６に示したシミュレーションにおいて、最大応力が８．８９Ｍｐａであることが観測された。したがって、実施形態１は、参考例に比べて上層支持部１１７と下層支持部１２１及び１２２との境界部に加わる応力を低減できることが明らかである。このような実施形態１によれば、静電容量型加速度センサを内蔵する機器が床面に落ちる等した場合であっても加速度の測定に関する精度の低下を抑え、信頼性の高い静電容量型加速度センサを提供することができる。

（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２について説明する。なお、実施形態２の静電容量型加速度センサの上面図や斜視図は実施形態１と同様のものであるので、図示及び説明を省くものとする。
［弾性支持部に関する構成］
図７は、実施形態２の静電容量型加速度センサ２００を説明するための図である。図７（ａ）は静電容量型加速度センサ２００の上面図、図７（ｂ）は図７（ａ）中の線Ａ−Ａに沿う断面図、図７（ｃ）は図７（ａ）中の線Ｂ−Ｂに沿う断面図である。図７において、図３に示した構成と同様の構成については同様の符号を付し、その説明を一部略すものとする。

静電容量型加速度センサ２００は、図３に示した静電容量型加速度センサ１００と下層支持部１４１、１４２の位置が異なっている。つまり、実施形態２では、弾性支持部１９０を構成する上層支持部１１７の底面のうち、短部１０７直下にある全面と、長部１５５ａ、１５５ｂの底面の一部とが支持部１４１、１４２によって支持されておらず、上面１０１ａとの間に空隙部１４０が設けられる点が静電容量型加速度センサ１００と相違する。静電容量型加速度センサ２００の空隙部１４０は、短部１０７直下の全面のみならず、長部１５５ａ、１５５ｂ直下の領域にも広がっている。このため、静電容量型加速度センサ２００の空隙部１４０は、静電容量型加速度センサ１００の空隙部１３０よりも大きいものとなる。

［効果］
図８は、図７に示した静電容量型加速度センサ２００の上層支持部１１７と下層支持部１４１及び１４２との間にかかる応力をシミュレーションして得た結果を示す図である。図８（ａ）は、シミュレーションに使った解析モデルを示し、図８（ｂ）は上層支持部１１７と下層支持部１４１及び１４２との間にかかる応力を等高線で示した応力分布図である。シミュレーションでは、静電容量型加速度センサ２００に対し、Ｘ方向に１００００Ｇの加速度を０．１ｍｓ加えたときに発生する応力を求めている。

図８に示したように、実施形態２の静電容量型加速度センサ２００では、Ｘ方向に過大な加速度が加わった場合にも、上層支持部１１７と下層支持部１４１及び１４２との境界部に加わる応力が図５、図６に示した例よりも小さくなっている。具体的には、図８に示したシミュレーションにおいて、最大応力が５．４４Ｍｐａであることが観測された。したがって、実施形態２は、参考例及び実施形態１に比べて上層支持部１１７と下層支持部１４１及び１４２との境界部に加わる応力を低減できることが明らかである。このような実施形態２によれば、静電容量型加速度センサを内蔵する機器が床面に落ちる等した場合であっても加速度の測定に関する精度の低下をいっそう抑え、より信頼性の高い静電容量型加速度センサを提供することができる。

（変形例）
さらに、本発明の静電容量型加速度センサは、以上説明した実施形態１、実施形態２に限定されるものではない。すなわち、実施形態１、実施形態２は、いずれも上層支持部１１７の底面のうち短部１０７直下の全面に接する空隙部１３０、１４０が設けられていて、２つの長部１５５ａ、１５５ｂの底面は互いに接続されていなかった。
しかし、本発明の静電容量型加速度センサは、梁部１０６と上層支持部１１７との結合部分の直下に位置する部分に空隙部を有すればよく、長部１５５ａ、１５５ｂの底面が互いに接続されていてもよい。

図９は、以上説明した実施形態１、実施形態２の変形例について説明するための図である。図９は、弾性支持部の底面のうちの、長部１５５ａ、１５５ｂの底面が互いに接続されて、かつ基板１０１の上面１０１ａに固定された静電容量型加速度センサ３００を模式的に示している。網かけで示した範囲Ｑは下層支持部が上層支持部と接する範囲を示す。図中に示した符号１０５、１０６、１１７、１５５ａ、１５５ｂは、図示した底面の上にあるそれぞれが示す構成の位置を仮想的に示している。

図示したように、静電容量型加速度センサ３００では、上層支持部の底面のうち短部１０７直下の一部と長部１５５ａ、１５５ｂの一部とが基板に固定されていない。上層支持部底面のうち基板に固定されていない部分９０１ａ、９０１ｂと基板との間には空隙部が設けられることになる。
このような静電容量型加速度センサ３００によっても、実施形態１、実施形態２の静電容量型加速度センサ１００、２００と同様の理由により、上層支持部と下層支持部との境界部で発生する応力を静電容量型加速度センサ４００よりも小さくすることができる。

［その他］
以上説明した静電容量型加速度センサは、いずれも基板１０１にシリコン基板が用いられる。また、下層支持部はＳｉＯ2等の絶縁物で、上層支持部（長部及び短部）、梁部、可動電極はＳｉであり、固定電極はＡｌ等の導体である。可動電極には不純物が注入されていて、この注入濃度は静電容量型加速度センサに要求される特性や性能に応じて決定される。また、上層支持部と基板との間に設けられる空隙部の大きさも静電容量型加速度センサのサイズや強度、精度に応じて決定される。ただし、空隙部の大きさは小さいよりも大きい方が応力緩和の効果が高く、小さいよりも大きい方が弾性支持部の基板に対する固定の強度が高まる。このため、空隙部の大きさは、固定の強度の許容範囲内であって、なるべく大きいことが望ましい。

さらに、以上説明した実施形態１、実施形態２、変形例の静電容量型加速度センサは、犠牲酸化膜エッチングの工程によっても、貼り合わせの工程によっても実現することができる。このため、実施形態１、実施形態２、変形例は、製造プロセスの精度等に応じて犠牲酸化膜エッチング、貼り合わせのいずれか、または両者を組み合わせて製造することができる。

本発明は、Ｚ軸方向にかかる加速度を検出する静電容量型加速度センサであれば、どのようなものにも適用することができる。

１０１基板
１０５可動電極
１０５ａ、１０５ｂ可動電極部
１０６梁部
１０７短部
１１７上層支持部
１２１、１２２、１４１、１４２、４２０下層支持部
１２３、１２４固定電極
１３０、１４０空隙部
１５５ａ、１５５ｂ長部
１００、２００、３００、４００静電容量型加速度センサ

Claims

基板と、
前記基板上に固定された固定電極と、
前記固定電極の上面に対向するように配置された可動電極と、
前記可動電極を前記基板上面に直交する方向に変位可能に前記基板上に弾性支持する弾性支持部と、
を備え、
前記弾性支持部は、
前記基板上に固定された絶縁体からなる下層支持部と、
前記下層支持部上に固定された上層支持部と、
前記基板上面に沿って長い形状を有し、且つ一端部が前記上層支持部に結合され他端部が前記可動電極に結合された梁部と、
を有し、
前記下層支持部は、前記梁部と前記上層支持部との結合部分の直下に位置する部分に空隙部を有し、
前記上層支持部が、前記梁部の長手方向に沿って長い形状を有する２つの長部と、２つの前記長部の間を接続する短部とを含む平面形状を有し、
前記下層支持部は、前記短部の直下に位置する部分の全てに空隙部を有することを特徴とする静電容量型加速度センサ。
前記下層支持部は、さらに、前記長部の直下に位置する部分の一部に空隙部を有することを特徴とする請求項１に記載の静電容量型加速度センサ。