JP2010210422A - Acceleration sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、静電容量型の加速度センサに関するものである。 The present invention relates to a capacitance type acceleration sensor.
従来、図3に示すように可動電極を有する直方体形状の重り部100と、重り部100の長手方向における略中央において重り部100を回動自在に支持する一対のビーム部101と、一対のビーム部101を結ぶ直線(ビーム軸)を境界線とした重り部100の表面のそれぞれ一方側及び他方側に対し所定距離をあけて対向配置された第1及び第2の固定電極102,103とを備える加速度センサが知られている。この加速度センサは、ビーム軸を回動軸とした重り部100の回動に伴う可動電極(重り部100の固定電極102,103との対向部位)と第1および第2の固定電極102,103間の静電容量の変化を差動検出することにより、重り部100に印加された加速度を検出する。このような加速度センサでは、加速度が印加された際にビーム軸を回動軸としたモーメントが重り部100に発生するように、重り部100の裏面のビーム軸を境界線とした一方側(図3における右側)に凹部104を形成することにより、ビーム軸を境界線とした重り部100の一方側(右側)と他方側(左側)とで重量が異なるようにしている(例えば、特許文献1参照)。
Conventionally, as shown in FIG. 3, a rectangular
ところで、上述のような加速度センサにおいては、使用に際して雰囲気の影響を受け難くし、かつ静電容量ギャップ部(固定電極102,103と可動電極の間のギャップ)に異物が混入しないようにするために、重り部が形成された半導体基板製のセンサチップを絶縁材料製の板材(例えば、ガラス板)で厚み方向に挟み込むとともに、固定電極や可動電極への配線のためにガラス板に貫設されている貫通孔を半導体基板で閉塞し、半導体基板から貫通孔配線(スルーホールめっき)を通じて固定電極や可動電極へ配線を接続した状態で静電容量ギャップ部を密閉する構成としている(例えば、特許文献2〜4参照)。
By the way, in the acceleration sensor as described above, it is difficult to be affected by the atmosphere during use, and foreign matter is prevented from entering the capacitance gap portion (the gap between the
しかしながら、引用文献2〜4に記載されている従来例においては、ガラス板の貫通孔を塞ぐ半導体基板の大きさが貫通孔の直径よりも大きくなっており、ガラス板を挟んで対向する半導体基板とセンサチップとの間に浮遊容量が発生し、当該浮遊容量によって固定電極と可動電極との間の静電容量が変化してしまう虞があった。 However, in the conventional examples described in the cited documents 2 to 4, the size of the semiconductor substrate that closes the through hole of the glass plate is larger than the diameter of the through hole, and the semiconductor substrate is opposed to the glass plate. There is a possibility that a stray capacitance is generated between the sensor chip and the sensor chip, and the capacitance between the fixed electrode and the movable electrode is changed by the stray capacitance.
本発明は上記事情に鑑みて為されたものであり、その目的は、密閉性を高めつつ浮遊容量の影響を低減することができる加速度センサを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an acceleration sensor capable of reducing the influence of stray capacitance while improving hermeticity.
請求項1の発明は、上記目的を達成するために、一面に可動電極が設けられた重り部並びに重り部を回動軸の回りに回動自在に支持するビーム部が半導体基板を加工して形成されたセンサチップと、固定電極が一面に形成され当該固定電極を可動電極に対向させる向きでセンサチップの一面側に接合される絶縁性のカバーと、カバーを貫通する貫通孔と、固定電極と電気的に接続されるとともに貫通孔を通してカバーの他面に引き出される貫通孔配線部と、半導体基板からなりカバーの他面側において貫通孔を閉塞するとともに貫通孔配線部と導通する電極部とを備え、貫通孔は一面側の開口径よりも他面側の開口径の方が小さく、電極部は貫通孔の一面側の開口径よりも小さく且つ他面側の開口径よりも大きい寸法を有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is characterized in that a weight part provided with a movable electrode on one surface and a beam part for rotatably supporting the weight part around a rotation axis are formed on a semiconductor substrate. The formed sensor chip, an insulating cover that is formed on one surface and is bonded to one surface side of the sensor chip in a direction facing the fixed electrode to the movable electrode, a through-hole that penetrates the cover, and the fixed electrode A through-hole wiring portion that is electrically connected to the through-hole and drawn to the other surface of the cover, and an electrode portion that is made of a semiconductor substrate and closes the through-hole on the other surface side of the cover and is electrically connected to the through-hole wiring portion. The through hole has a smaller opening diameter on the other surface side than the opening diameter on the one surface side, and the electrode portion has a size smaller than the opening diameter on the one surface side of the through hole and larger than the opening diameter on the other surface side. It is characterized by having .
請求項1の発明によれば、半導体基板からなる電極部で貫通孔配線部を閉塞することにより密閉性を高めることができ、しかも、電極部の寸法を、貫通孔の一面側の開口径よりも小さく且つ他面側の開口径よりも大きい寸法とすることで電極部とセンサチップとの間に生じる浮遊容量の影響を低減することができる。 According to the first aspect of the present invention, sealing can be improved by closing the through hole wiring portion with the electrode portion made of a semiconductor substrate, and the size of the electrode portion can be made larger than the opening diameter on the one surface side of the through hole. In addition, the influence of stray capacitance generated between the electrode portion and the sensor chip can be reduced by setting the size to be smaller and larger than the opening diameter on the other surface side.
請求項1の発明によれば、密閉性を高めつつ浮遊容量の影響を低減することができる。 According to the first aspect of the present invention, the effect of stray capacitance can be reduced while improving the sealing performance.
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。但し、以下の説明では図1におけるx軸方向を縦方向、y軸方向を横方向、z軸方向を上下方向と定める。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, in the following description, the x-axis direction in FIG. 1 is defined as the vertical direction, the y-axis direction is defined as the horizontal direction, and the z-axis direction is defined as the vertical direction.
本実施形態は、図1に示すように外形が矩形平板状であるセンサチップ1と、センサチップ1の上面側に固定される上カバー2aと、センサチップ1の下面側に固定される下カバー2bとを備えている。センサチップ1は、上下方向から見て矩形の2つの枠部3a,3bが長手方向(横方向)に並設されたフレーム部3と、枠部3a,3bの内周面に対して隙間を空けた状態で枠部3a,3b内に配置された直方体形状の重り部4,5と、枠部3a,3bの内周面と重り部4,5の側面を連結してフレーム部3に対して重り部4,5を回動軸の回りに回動自在に支持する各一対のビーム部6a,6b及び7a,7bと、重り部4,5の上面に形成される可動電極4a,5aとを備えている。
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the sensor chip 1 whose outer shape is a rectangular flat plate, the
一対のビーム部6a,6bは、横方向に対向する枠部3aの内周面における縦方向の中央部に一端が連結され、重り部4の側面における凹部11と充実部12の境界付近に他端が連結されている。同じく一対のビーム部7a,7bは、横方向に対向する枠部3bの内周面における縦方向の中央部に一端が連結され、重り部5の側面における凹部13と充実部14の境界付近に他端が連結されている。つまり、一対のビーム部6aと6b、7aと7bをそれぞれ結ぶ直線が回動軸となり、回動軸の回りに各重り部4,5が回動することになる。
One end of the pair of
重り部4,5は、図1(b)に示すように回動軸を境界とする一方側(重り部4では図1における右側、重り部5では図1における左側)に、一面(下面)に開口した凹部11,13が設けられ、他方側(重り部4では図1における左側、重り部5では図1における右側)に、充実部12,14が形成されている。尚、凹部11,13は開口面の法線方向(上下方向)から見て平面視四角形に形成されている。また、センサチップ1は、後述するように半導体の微細加工技術によりシリコン基板(シリコンSOI基板)を加工して形成されるものであり、重り部4,5の上面を含む部分が可動電極4a,5aとなる。さらに、重り部4,5の上面及び下面における四隅には、重り部4,5が上カバー2a及び下カバー2bに直接衝突することを防止するために複数の突起部15が突設されている。
As shown in FIG. 1B, the
下カバー2bは、石英ガラスなどの絶縁材料により縦横の寸法がフレーム部3の縦横の寸法と略同一である矩形平板状に形成され、フレーム部3の下面に接合される。
The
上カバー2aは、石英ガラスなどの絶縁材料製であって、その下面には、上下方向に沿ってセンサチップ1の重り部4(可動電極4a)と対向する位置に第1の固定電極20aと第2の固定電極20bが縦方向に並設されるとともに、上下方向に沿ってセンサチップ1の重り部5(可動電極5a)と対向する位置に第1の固定電極21aと第2の固定電極21bが縦方向に並設されている。また、上カバー2aには、枠部3a,3bと重り部4,5の間の隙間(ギャップ)と上下方向で対向する位置に各々貫通孔80a,80b、90a,90bが貫設されるとともに、各貫通孔80a,80b、90a,90bがスルーホールめっきされてそれぞれの固定電極20a,20b、21a,21bと電気的に接続されることで合計4つの貫通孔配線部8a,8b、9a,9bが形成されている。さらに、上カバー2aの上面に開口する貫通孔80a,80b、90a,90bが、半導体基板(シリコン基板)によって矩形平板状に形成された電極部81a,81b、91a,91bによって閉塞される。このとき、電極部81a,81b、91a,91bがそれぞれ対応する貫通孔配線部8a,8b、9a,9bと電気的に接続される。
The
ここで、上カバー2aに貫設される貫通孔80a,80b、90a,90bは下面側の開口径φ1に対して上面側の開口径φ2が小さくなっており、電極部81a,81b、91a,91bは、貫通孔80a,80b、90a,90bの下面側の開口径φ1よりも小さく且つ上面側の開口径φ2よりも大きい寸法(縦横寸法)に形成されている(図1参照)。尚、上カバー2aは横方向の寸法はセンサチップ1と略同一であるが、縦方向の寸法はセンサチップ1よりも若干短くなっており、横方向に沿った一方の側面(図1における左側の側面)に揃えてフレーム部3の上面に接合される。そして、センサチップ1上面の上カバー2aで覆われない端部(図1における右端部)が可動電極4a,5aと導通した接地用の電極部10となる。
Here, in the
ここで、本実施形態では、枠部3a、重り部4、ビーム部6a,6b、可動電極4a、第1及び第2の固定電極20a,20b、貫通孔配線部8a,8b、電極部81a,81bと、枠部3b、重り部5、ビーム部7a,7b、可動電極5a、第1及び第2の固定電極21a,21b、貫通孔配線部9a,9b、電極部91a,91bとで各々加速度センサが構成され、重り部4,5の向き(凹部11,13と充実部12,14の配置)を180度反転させた状態で2つの加速度センサが一体に形成されている(図1(a)参照)。
Here, in this embodiment, the
次に、本実施形態の検出動作について説明する。 Next, the detection operation of this embodiment will be described.
まず、一方の重り部4にx軸方向の加速度が印加された場合を考える。x軸方向に加速度が印加されると重り部4が回動軸の回りに回動して可動電極4aと第1の固定電極20a並びに第2の固定電極20bとの間の距離が変化し、その結果、可動電極4aと各固定電極20a,20bとの間の静電容量C1,C2も変化する。ここで、x軸方向の加速度が印加されていないときの可動電極4aと各固定電極20a,20bとの間の静電容量をC0とし、加速度の印加によって生じる静電容量の変化分をΔCとすれば、x軸方向の加速度が印加されたときの静電容量C1,C2は、
C1=C0−ΔC …(1)
C2=C0+ΔC …(2)
と表すことができる。
First, consider a case where an acceleration in the x-axis direction is applied to one
C1 = C0−ΔC (1)
C2 = C0 + ΔC (2)
It can be expressed as.
同様に、他方の重り部5にx軸方向の加速度が印加された場合、可動電極5aと各固定電極21a,21bとの間の静電容量C3,C4は、
C3=C0−ΔC …(3)
C4=C0+ΔC …(4)
と表すことができる。
Similarly, when acceleration in the x-axis direction is applied to the
C3 = C0−ΔC (3)
C4 = C0 + ΔC (4)
It can be expressed as.
ここで、静電容量C1〜C4の値は、電極部80a,80b及び81a,81bから取り出す電圧信号を演算処理することで検出することができる。そして、一方の加速度センサから得られる静電容量C1,C2の差分値CA(=C1−C2)と、他方の加速度センサから得られる静電容量C3,C4の差分値CB(=C3−C4)との和(±4ΔC)を算出すれば、この差分値CA,CBの和に基づいてx軸方向に印加された加速度の向きと大きさを演算することができる。
Here, the values of the electrostatic capacitances C1 to C4 can be detected by calculating voltage signals taken out from the
次に、一方の重り部4にz軸方向の加速度が印加された場合を考える。z軸方向に加速度が印加されると重り部4が回動軸の回りに回動して可動電極4aと第1の固定電極20a並びに第2の固定電極20bとの間の距離が変化し、その結果、可動電極4aと各固定電極20a,20bとの間の静電容量C1,C2も変化する。ここで、z軸方向の加速度が印加されていないときの可動電極4aと各固定電極20a,20bとの間の静電容量をC0とし、加速度の印加によって生じる静電容量の変化分をΔCとすれば、z軸方向の加速度が印加されたときの静電容量C1,C2は、
C1=C0+ΔC …(5)
C2=C0−ΔC …(6)
と表すことができる。
Next, consider a case where acceleration in the z-axis direction is applied to one
C1 = C0 + ΔC (5)
C2 = C0−ΔC (6)
It can be expressed as.
同様に、他方の重り部5にz軸方向の加速度が印加された場合、可動電極5aと各固定電極21a,21bとの間の静電容量C3,C4は、
C3=C0−ΔC …(7)
C4=C0+ΔC …(8)
と表すことができる。
Similarly, when acceleration in the z-axis direction is applied to the
C3 = C0−ΔC (7)
C4 = C0 + ΔC (8)
It can be expressed as.
そして、一方の加速度センサから得られる静電容量C1,C2の差分値CA(=C1−C2)と、他方の加速度センサから得られる静電容量C3,C4の差分値CB(=C3−C4)との差(±4ΔC)を算出すれば、この差分値CA,CBの差に基づいてz軸方向に印加された加速度の向きと大きさを演算することができる。尚、差分値CA,CBの和と差に基づいてx軸方向及びz軸方向の加速度の向き及び大きさを求める演算処理については従来周知であるから詳細な説明を省略する。 Then, the difference value CA (= C1-C2) between the capacitances C1, C2 obtained from one acceleration sensor and the difference value CB (= C3-C4) between the capacitances C3, C4 obtained from the other acceleration sensor. Is calculated (± 4ΔC), the direction and magnitude of the acceleration applied in the z-axis direction can be calculated based on the difference between the difference values CA and CB. Since the calculation processing for obtaining the direction and magnitude of acceleration in the x-axis direction and the z-axis direction based on the sum and difference of the difference values CA and CB is well known in the art, detailed description thereof will be omitted.
次に、図2を参照して本実施形態の製造方法を説明する。 Next, the manufacturing method of this embodiment will be described with reference to FIG.
本実施形態では、支持基板及び中間酸化膜、活性層からなるシリコンSOI基板を半導体の微細加工技術を利用して加工することによりセンサチップ1が形成される。まず、シリコンSOI基板の両面にシリコン酸化膜やフォトレジスト膜などのマスク材料を形成し、重り部4,5に対応する位置のマスク材料を除去した後、TMAH(テトラメチル水酸化アンモニウム溶液)やKOH(水酸化カリウム溶液)などを利用した湿式エッチング、あるいは反応性イオンエッチング(RIE)などの乾式エッチングを行うことにより、シリコンSOI基板の上面及び下面に重り部4,5が変位するための空間(凹所)を形成する。そして、凹所底面の所定位置にシリコン酸化膜又はカーボンナノチューブからなる突起部15を形成する。続いて、支持基板及び中間酸化膜の順にシリコンSOI基板の下面をエッチングすることで重り部4,5(凹部11,13並びに充実部12,14)を形成する。
In this embodiment, the sensor chip 1 is formed by processing a silicon SOI substrate composed of a support substrate, an intermediate oxide film, and an active layer using a semiconductor microfabrication technique. First, a mask material such as a silicon oxide film or a photoresist film is formed on both surfaces of a silicon SOI substrate, and after removing the mask material at a position corresponding to the
一方、ガラス基板からなる上カバー2aにサンドブラストなどの加工方法で貫通孔80a,80b、90a,90bを貫設し(図2(a)参照)、上カバー2aの上面にシリコン基板100を接合する(図2(b)参照)。次に、エッチングによって電極部81a,81b、91a,91b以外のシリコン基板100を除去し(図2(c)参照)、スパッタリングによって上カバー2aの下面に固定電極20a,20b、21a,21bと貫通孔配線部8a,8b,9a,9bを同時に形成する(図2(d)参照)。
On the other hand, through
そして、センサチップ1の下面及び上面にそれぞれ下カバー2bと上カバー2aを陽極接合することにより、本実施形態の製造工程は完了する(図2(e)参照)。
And the manufacturing process of this embodiment is completed by anodically bonding the
而して本実施形態では、半導体基板(シリコン基板)からなる電極部81a,81b,91a,91bで貫通孔配線部8a,8b,9a,9b(貫通孔80a,80b,90a,90b)を閉塞することにより密閉性を高めることができ、しかも、電極部81a,81b,91a,91bの寸法(縦横寸法)を、貫通孔80a,80b,90a,90bの一面側(下面側)の開口径φ1よりも小さく且つ他面側(上面側)の開口径φ2よりも大きい寸法とすることで電極部81a,81b,91a,91bとセンサチップ1との間に生じる浮遊容量の影響を低減することができる。
Thus, in this embodiment, the through-
1 センサチップ
2a 上カバー(カバー)
4,5 重り部
4a,5a 可動電極
6a,6b ビーム部
7a,7b ビーム部
8a,8b 貫通孔配線部
9a,9b 貫通孔配線部
20a,21a 第1の固定電極
20b,21b 第2の固定電極
80a,80b 貫通孔
90a,90b 貫通孔
81a,81b 電極部
91a,91b 電極部
1
4,5
Claims (1)
貫通孔は一面側の開口径よりも他面側の開口径の方が小さく、電極部は貫通孔の一面側の開口径よりも小さく且つ他面側の開口径よりも大きい寸法を有することを特徴とする加速度センサ。 A sensor chip formed by processing a semiconductor substrate with a weight portion provided with a movable electrode on one surface and a beam portion that supports the weight portion so as to be rotatable about a rotation axis, and a fixed electrode is formed on one surface. An insulating cover joined to one surface side of the sensor chip with the fixed electrode facing the movable electrode, a through hole penetrating the cover, and the other surface of the cover electrically connected to the fixed electrode and through the through hole A through-hole wiring portion that is drawn out to an electrode, and an electrode portion that is made of a semiconductor substrate and closes the through-hole on the other surface side of the cover and is electrically connected to the through-hole wiring portion,
The through hole has a smaller opening diameter on the other surface side than the opening diameter on the one surface side, and the electrode portion has a size smaller than the opening diameter on the one surface side of the through hole and larger than the opening diameter on the other surface side. Acceleration sensor featuring.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2017061635A1 (en) * | 2015-10-06 | 2017-04-13 | 주식회사 스탠딩에그 | Mems device and method for preparing same |
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2009
- 2009-03-10 JP JP2009056947A patent/JP2010210422A/en not_active Withdrawn
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WO2017061635A1 (en) * | 2015-10-06 | 2017-04-13 | 주식회사 스탠딩에그 | Mems device and method for preparing same |
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