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JP2018185188A - 物理量センサー、物理量センサーの製造方法、物理量センサーデバイス、電子機器および移動体 - Google Patents

物理量センサー、物理量センサーの製造方法、物理量センサーデバイス、電子機器および移動体 Download PDF

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誠 古畑
金本 啓
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啓 金本
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Abstract

【課題】効率よく、不要振動を低減することのできる物理量センサー、物理量センサーの製造方法、物理量センサーデバイス、電子機器および移動体を提供する。
【解決手段】本発明の物理量センサーは、駆動部と、前記駆動部を第1方向に変位可能に支持する駆動ばね部と、を有し、前記駆動ばね部は、蛇行形状をなし、前記第1方向に交差する第2方向に延在する複数の梁部を有し、前記複数の梁部のうちの少なくとも1つの梁部は、前記駆動ばね部の他の部分に対して前記第1方向および前記第2方向に交差する第3方向の厚さが薄い薄肉部を有している。
【選択図】図5

Description

本発明は、物理量センサー、物理量センサーの製造方法、物理量センサーデバイス、電子機器および移動体に関するものである。
従来から、ジャイロセンサー(角速度センサー)として、特許文献1に記載の構成が知られている。この特許文献1に記載のジャイロセンサーは、X軸方向に振動可能なフレームと、フレームの内側に配置されたプルーフ質量と、プルーフ質量がフレームに対してY軸方向に変位可能となるように、プルーフ質量およびフレームを連結するビームと、プルーフ質量に対向配置されたセンス電極と、を有している。このようなジャイロセンサーでは、フレームをプルーフ質量と共にX軸方向に振動させた状態(この状態を以下「駆動振動モード」と言う。)でZ軸(X軸およびY軸の両軸に直交する軸)まわりの角速度が加わると、コリオリ力によってプルーフ質量がY軸方向に変位し、プルーフ質量とセンス電極との間の静電容量が変化する。そのため、静電容量の変化に基づいて、角速度を検出することができる。
特表2002−540406号公報
また、特許文献1のジャイロセンサーでは、ビームの断面形状が平行四辺形のように矩形からずれてしまうと、駆動振動モードにおいて、フレームおよびプルーフ質量がX軸方向のみならずY軸方向にも振動してしまい(すなわち、Y軸方向の不要振動(クアドラチャ)が生じてしまい)、角速度の検出特性が低下する問題を指摘している。そして、特許文献1では、レーザー照射によってビームの一部を加工(除去)することで、前述のようなY軸方向への振動を低減している。
しかしながら、レーザーをビームに照射するためには、高い位置合わせ精度が必要である。また、レーザー照射では、ビームの複数個所を同時に加工することが困難である。このように、レーザー照射によってビームを加工する方法では、生産性(効率)が悪いという問題がある。
本発明の目的は、効率よく、不要振動を低減することのできる物理量センサー、物理量センサーの製造方法、物理量センサーデバイス、電子機器および移動体を提供することにある。
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の物理量センサーは、駆動部と、
前記駆動部を第1方向に変位可能に支持する駆動ばね部と、を有し、
前記駆動ばね部は、蛇行形状をなし、前記第1方向に交差する第2方向に延在する複数の梁部を有し、
前記複数の梁部のうちの少なくとも1つの梁部は、前記駆動ばね部の他の部分に対して前記第1方向および前記第2方向に交差する第3方向の厚さが薄い薄肉部を有していることを特徴とする。
このように、駆動ばね部に薄肉部を設けることで、駆動ばね部の第3方向の振動成分が減少し、駆動部の第1軸方向以外への変位を抑制することができる。すなわち、駆動部の不要振動(クアドラチャ)を抑制することができる。
本発明の物理量センサーでは、前記駆動ばね部は、前記第3方向の一方側の主面に開放する凹部を有し、
前記凹部と重なる部分が前記薄肉部となっていることが好ましい。
これにより、薄肉部の形成が容易となる。
本発明の物理量センサーでは、前記複数の梁部は、それぞれ、前記第2方向から見た断面形状が長手形状をなし、かつ、前記長手形状の長軸が前記第3方向に対して傾斜している部分を有することが好ましい。
このような断面形状は、加工誤差や加工装置の特性等に起因して形成され易い形状である。また、このような断面形状では、駆動ばね部が第3方向の振動成分を含み易くなるため、本発明の効果がより顕著なものとなる。
本発明の物理量センサーでは、前記薄肉部は、前記複数の梁部のうち、少なくとも、前記長軸が傾斜する方向の最も先端側に位置する梁部に設けられていることが好ましい。
これにより、効果的に、駆動ばね部の第3方向の振動成分を減少させることができ、駆動部の不要振動(クアドラチャ)を抑制することができる。
本発明の物理量センサーでは、前記駆動ばね部は、複数の前記薄肉部を有し、
複数の前記薄肉部は、少なくとも2つ以上の前記梁部に別れて設けられていることが好ましい。
これにより、駆動ばね部の第3方向の振動成分をより効果的に減少させることができる。また、薄肉部の単位長さ当たりに対する駆動ばね部の第3方向の振動成分の減少量が複数の梁部で異なるため、複数の梁部に別れて薄肉部を設けることで、駆動ばね部の第3方向の振動成分の粗調、微調を行うことができる。そのため、駆動ばね部の第3方向の振動成分をより高精度に減少させることができる。
本発明の物理量センサーでは、複数の前記薄肉部は、前記厚さが互いに等しいことが好ましい。
これにより、複数の薄肉部を同じ工程で形成することができる。そのため、物理量センサーの製造工程の削減を図ることができる。したがって、物理量センサーをより短時間かつ低コストで効率よく製造することができる。
本発明の物理量センサーでは、前記梁部の前記第1方向の幅は、隣り合う一対の前記梁部の離間距離よりも小さいことが好ましい。
これにより、隣り合う梁部同士が十分に離間し、例えば、ある梁部に薄肉部を形成する際に、隣の梁部がダメージを受けてしまう可能性を効果的に低減することができる。
本発明の物理量センサーの製造方法は、基板をパターニングし、駆動部と、前記駆動部を第1方向に変位可能に支持する駆動ばね部と、を有し、前記駆動ばね部が蛇行形状をなし、前記第1方向に交差する第2方向に延在する複数の梁部を備える素子部を形成する素子部形成工程と、
前記複数の梁部のうちの少なくとも1つに、前記第1方向および前記第2方向に交差する第3方向の厚さが他の部分よりも薄い薄肉部を形成する薄肉部形成工程と、を有することを特徴とする。
このように、駆動ばね部に薄肉部を形成することで、駆動ばね部の第3方向の振動成分が減少し、駆動部の不要振動(クアドラチャ)を抑制することができる。そのため、優れた物理量検出特性を有する物理量センサーが得られる。
本発明の物理量センサーの製造方法では、前記薄肉部形成工程では、マスクを介して前記駆動ばね部を加工することで前記薄肉部を形成することが好ましい。
これにより、より精度よく、薄肉部を形成することができる。
本発明の物理量センサーデバイスは、本発明の物理量センサーを有することを特徴とする。
これにより、上述した物理量センサーの効果を享受でき、信頼性の高い物理量センサーデバイスが得られる。
本発明の電子機器は、本発明の物理量センサーを有することを特徴とする。
これにより、上述した物理量センサーの効果を享受でき、信頼性の高い電子機器が得られる。
本発明の移動体は、本発明の物理量センサーを有することを特徴とする。
これにより、上述した物理量センサーの効果を享受でき、信頼性の高い移動体が得られる。
本発明の第1実施形態に係る物理量センサーを示す平面図である。 図1のA−A線断面図である。 駆動ばね部の断面斜視図である。 駆動ばね部の断面斜視図である。 図1に示す物理量センサーが有する駆動ばね部の斜視図である。 図5中のB−B線断面図である。 駆動ばね部が有する複数の梁部を一体で1つの梁部とした断面図である。 図5に示す駆動ばね部の変形例を示す平面図である。 図5に示す駆動ばね部の変形例を示す平面図である。 図1に示す物理量センサーの製造工程を示すフローチャートである。 図1に示す物理量センサーの製造方法を説明するための断面図である。 図1に示す物理量センサーの製造方法を説明するための断面図である。 図1に示す物理量センサーの製造方法を説明するための断面図である。 エッチング装置の概略構成図である。 図1に示す物理量センサーの製造方法を説明するための断面図である。 図1に示す物理量センサーの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第2実施形態に係る物理量センサーが有する駆動ばね部の断面図である。 本発明の第3実施形態に係る物理量センサーを示す平面図である。 本発明の第4実施形態に係る物理量センサーが有する駆動ばね部の断面図である。 本発明の第5実施形態に係る物理量センサーが有する駆動ばね部の断面図である。 本発明の第6実施形態に係る物理量センサーが有する駆動ばね部の断面図である。 本発明の第7実施形態に係る物理量センサーデバイスを示す断面図である。 本発明の第8実施形態に係る電子機器を示す斜視図である。 本発明の第9実施形態に係る電子機器を示す斜視図である。 本発明の第10実施形態に係る電子機器を示す斜視図である。 本発明の第11実施形態に係る移動体を示す斜視図である。
以下、本発明の物理量センサー、物理量センサーの製造方法、物理量センサーデバイス、電子機器および移動体を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
<第1実施形態>
まず、本発明の第1実施形態に係る物理量センサーについて説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る物理量センサーを示す平面図である。図2は、図1のA−A線断面図である。図3および図4は、それぞれ、駆動ばね部の断面斜視図である。図5は、図1に示す物理量センサーが有する駆動ばね部の斜視図である。図6は、図5中のB−B線断面図である。図7は、駆動ばね部が有する複数の梁部を一体で1つの梁部とした断面図である。図8および図9は、それぞれ、図5に示す駆動ばね部の変形例を示す平面図である。図10は、図1に示す物理量センサーの製造工程を示すフローチャートである。図11ないし図13は、それぞれ、図1に示す物理量センサーの製造方法を説明するための断面図である。図14は、エッチング装置の概略構成図である。図15および図16は、それぞれ、図1に示す物理量センサーの製造方法を説明するための断面図である。
なお、以下では、説明の便宜上、図1中の紙面手前側および図2中の上側を「上」、図1中の紙面奥側および図2中の下側を「下」とも言う。また、各図には、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軸に平行な方向を「Z軸方向」とも言う。また、各軸の矢印先端側を「プラス側」とも言い、反対側を「マイナス側」とも言う。
図1および図2に示す物理量センサー1は、Y軸まわりの角速度ωyを検出することのできるジャイロセンサーである。この物理量センサー1は、基板2と、蓋体3と、素子部4と、を有している。
図1に示すように、基板2は、矩形の平面視形状を有する板状をなしている。また、基板2は、上面側に開放する凹部21を有している。また、Z軸方向からの平面視で、凹部21は、素子部4を内側に内包するように、素子部4よりも大きく形成されている。このような凹部21は、素子部4と基板2との接触を防止(抑制)するための逃げ部として機能する。そして、このような基板2の上面に素子部4が接合されている。
また、基板2は、上面側に開放する溝部22、23、24、25、26、27、28を有している。
このような基板2としては、例えば、アルカリ金属イオン(Na等の可動イオン)を含むガラス材料(例えば、パイレックスガラス(登録商標)のような硼珪酸ガラス)で構成されたガラス基板を用いることができる。これにより、例えば、後述するように、基板2と素子部4とを陽極接合することができ、これらを強固に接合することができる。また、光透過性を有する基板2が得られるため、物理量センサー1の外側から、基板2を介して素子部4の状態を視認することができる。
ただし、基板2としては、特に限定されず、例えば、シリコン基板やセラミックス基板を用いてもよい。なお、基板2としてシリコン基板を用いる場合は、短絡を防止する観点から、高抵抗のシリコン基板を用いるか、表面に熱酸化等によってシリコン酸化膜(絶縁性酸化物)を形成したシリコン基板を用いることが好ましい。
また、図1に示すように、溝部22、23、24、25、26、27、28には、それぞれ、配線72、73、74、75、76、77、78が設けられている。また、配線72、73、74、75、76、77、78の一端部は、それぞれ、蓋体3の外側に露出しており、外部装置との電気的な接続を行う電極パッドPとして機能する。
また、凹部21の底面には、素子部4との間に静電容量Cを形成する4つの固定検出電極5が設けられている。
配線72、73、74、75、76、77、78および固定検出電極5の構成材料としては、それぞれ、特に限定されず、例えば、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、Ti(チタン)、タングステン(W)等の金属材料、これら金属材料を含む合金、ITO(Indium Tin Oxide)、IZO(Indium Zinc Oxide)、ZnO、IGZO等の酸化物系の透明導電性材料が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて(例えば2層以上の積層体として)用いることができる。
図1に示すように、蓋体3は、矩形の平面視形状を有する板状をなしている。また、図2に示すように、蓋体3は、下面側(基板2側)に開放する凹部31を有している。このような蓋体3は、凹部31内に素子部4を収納するようにして、基板2の上面に接合されている。そして、蓋体3および基板2によって、その内側に、素子部4を収納する収納空間Sが形成されている。
また、図2に示すように、蓋体3は、収納空間Sの内外を連通する連通孔32を有している。この連通孔32を介して、収納空間Sを所望の雰囲気に置換することができる。また、連通孔32内には封止部材33が配置され、封止部材33によって連通孔32が気密封止されている。なお、収納空間Sは、減圧状態(好ましくは、10Pa以下程度)であることが好ましい。これにより、粘性抵抗が減り、素子部4を効率的に振動(駆動)させることができる。
封止部材33としては、連通孔32を封止できれば、特に限定されず、例えば、金(Au)/錫(Sn)系合金、金(Au)/ゲルマニウム(Ge)系合金、金(Au)/アルミニウム(Al)系合金等の各種合金、低融点ガラス等のガラス材料等を用いることができる。
このような蓋体3としては、例えば、シリコン基板を用いることができる。ただし、蓋体3としては、特に限定されず、例えば、ガラス基板やセラミックス基板を用いてもよい。また、基板2と蓋体3との接合方法としては、特に限定されず、基板2や蓋体3の材料によって適宜選択すればよいが、例えば、陽極接合、プラズマ照射によって活性化させた接合面同士を接合させる活性化接合、ガラスフリット等の接合材による接合、基板2の上面および蓋体3の下面に成膜した金属膜同士を接合する拡散接合等が挙げられる。
本実施形態では、図2に示すように、接合材の一例であるガラスフリット39(低融点ガラス)を介して基板2と蓋体3とが接合されている。基板2と蓋体3とを重ね合わせた状態では、溝部22、23、24、25、26、27、28を介して収納空間Sの内外が連通してしまうが、ガラスフリット39を用いることで、基板2と蓋体3とを接合すると共に、溝部22、23、24、25、26、27、28を封止することができる。そのため、より容易に、収納空間Sを気密封止することができる。なお、基板2と蓋体3とを陽極接合等(溝部22、23、24、25、26、27、28を封止できない接合方法)で接合した場合には、例えば、TEOS(テトラエトキシシラン)を用いたCVD法等で形成されたSiO膜によって溝部22、23、24、25、26、27、28を塞ぐことができる。
図1に示すように、素子部4は、収納空間Sに配置され、基板2の上面に接合されている。また、素子部4は、2つの構造体40(40a、40b)と構造体40a、40bを連結する連結ばね部401と、を有している。このような素子部4は、例えば、リン、ボロン等の不純物がドープされた導電性のシリコン基板をドライエッチング法(特に、ボッシュ法)によってパターニングすることで一体的に形成することができる。
2つの構造体40a、40bは、X軸方向に並んで設けられており、Y軸に沿う仮想直線αに対して対称となっている。また、構造体40a、40bの間に連結ばね部401が設けられており、構造体40a、40bの後述する駆動部41同士を連結している。
構造体40は、駆動部41と、駆動ばね部42と、固定部43と、可動駆動電極44と、固定駆動電極45、46と、検出用フラップ板47と、梁部48と、駆動モニター電極49と、を有している。また、検出用フラップ板47は、第1フラップ板471と、第2フラップ板472と、を有し、梁部48は、第1梁部481と、第2梁部482と、を有している。
駆動部41は、矩形の枠体である。そして、駆動部41の4隅にそれぞれ駆動ばね部42の一端部が接続されている。駆動ばね部42は、X軸方向に弾性を有し、駆動部41をX軸方向に変位可能に支持している。このような駆動ばね部42は、蛇行形状をなしており、Y軸方向に往復しながらX軸方向に延びている。駆動ばね部42の他端部は、固定部43に接続されており、固定部43は、基板2の上面に接合されている。
これにより、駆動部41および駆動ばね部42が基板2から浮いた状態で支持された状態となる。なお、固定部43と基板2の接合方法としては、特に限定されないが、例えば、陽極接合を用いることができる。また、複数の固定部43の少なくとも1つは、図示しない導電性のバンプを介して、配線78と電気的に接続されている。
可動駆動電極44は、駆動部41に設けられており、本実施形態では、駆動部41のY軸方向プラス側に2つ、Y軸方向マイナス側に2つ、計4つ設けられている。これら可動駆動電極44は、それぞれ、駆動部41からY軸方向に延出する支持部と、支持部からX軸方向両側に延出する複数の電極指とを備えた櫛歯形状となっている。なお、可動駆動電極44の配置や数は、特に限定されない。
固定駆動電極45、46は、基板2に接合(固定)されている。そして、1組の固定駆動電極45、46の間に1つの可動駆動電極44が位置している。これら固定駆動電極45、46は、それぞれ、Y軸方向に延在する支持部と、支持部からX軸方向一方側(可動駆動電極44側)に延出する複数の電極指と、を備えた櫛歯形状となっている。
また、各固定駆動電極45は、導電性バンプBを介して配線75と電気的に接続されており(図2参照)、各固定駆動電極46は、導電性バンプ(図示せず)を介して配線74と電気的に接続されている。
このような構成では、可動駆動電極44と固定駆動電極45、46との間に駆動電圧を印加し、可動駆動電極44と固定駆動電極45との間に静電引力が生じる状態と、可動駆動電極44と固定駆動電極46との間に静電引力が生じる状態とを繰り返すことで、駆動ばね部42をX軸方向に伸縮(弾性変形)させつつ、駆動部41をX軸方向に振動させることができる。以下では、この振動モードを「駆動振動モード」とも言う。ここで、構造体40aと構造体40bとでは、固定駆動電極45と固定駆動電極46の配置が対称である。そのため、2つの駆動部41は、互いに接近、離間するようにX軸方向に逆位相で振動する。これにより、2つの駆動部41の振動をキャンセルすることができ、振動漏れを低減することができる。
前述したように、本実施形態では、静電引力によって駆動部41をX軸方向に振動させる方式(静電駆動方式)となっているが、駆動部41をX軸方向に振動させる方法は、特に限定されず、圧電駆動方式や、磁場のローレンツ力を利用した電磁駆動方式等を適用することもできる。
駆動モニター電極49は、対をなし、間に静電容量を形成する可動モニター電極491および固定モニター電極492を有している。可動モニター電極491は、駆動部41に設けられており、本実施形態では、駆動部41のX軸方向プラス側に2つ、X軸方向マイナス側に2つ、計4つ設けられている。これら可動モニター電極491は、それぞれ、駆動部41からY軸方向に延出する支持部と、支持部からX軸方向一方側(固定モニター電極492側)に延出する複数の電極指とを備えた櫛歯形状となっている。一方、固定モニター電極492は、基板2に固定(接合)されており、可動モニター電極491と対向して複数設けられている。これら固定モニター電極492は、それぞれ、Y軸方向に延在する支持部と、支持部からX軸方向一方側(可動モニター電極491側)に延出する複数の電極指とを備えた櫛歯形状となっている。
また、構造体40aが有する4つの可動モニター電極491のうち、X軸方向プラス側に位置する2つの可動モニター電極491は、導電性バンプ(図示せず)を介して配線73と電気的に接続されおり、X軸方向マイナス側に位置する2つの可動モニター電極491は、導電性バンプ(図示せず)を介して配線72と電気的に接続されている。また、構造体40bが有する4つの可動モニター電極491のうち、X軸方向マイナス側に位置する2つの可動モニター電極491は、導電性バンプ(図示せず)を介して配線73と電気的に接続されおり、X軸方向プラス側に位置する2つの可動モニター電極491は、導電性バンプ(図示せず)を介して配線72と電気的に接続されている。
前述したように、構造体40を駆動振動モードで振動させると、駆動部41のX軸方向の変位によって可動モニター電極491と固定モニター電極492とのギャップが変化し、それに伴って、可動モニター電極491と固定モニター電極492との間の静電容量が変化する。そのため、この静電容量の変化に基づいて、駆動部41の振動状態をモニターすることができる。
第1、第2フラップ板471、472は、駆動部41の内側に位置し、Y軸方向に並んで配置されている。また、第1、第2フラップ板471、472は、それぞれ、矩形の板状をなしている。また、第1フラップ板471は、第1梁部481を介して駆動部41に連結されており、第2フラップ板472は、第2梁部482を介して駆動部41に連結されている。駆動振動モードで駆動部41を駆動させた状態で、物理量センサー1にY軸まわりの角速度ωyが加わると、第1、第2フラップ板471、472は、コリオリの力によって、第1、第2梁部481、482を捩り変形(弾性変形)させつつ、第1、第2梁部481、482で形成される回動軸J1、J2まわりに回動(変位)する。なお、以下では、この振動モードを「検出振動モード」とも言う。
なお、第1、第2フラップ板471、472の向きは、特に限定されず、例えば、互いの自由端同士を対向させて配置してもよいし、互いの自由端を同じ方向に向けて配置してもよい。また、第1、第2フラップ板471、472の一方を省略してもよい。
図2に示すように、基板2の第1、第2フラップ板471、472と対向する領域(Z軸方向から見た平面視で重なる領域)にはそれぞれ固定検出電極5が設けられており、第1フラップ板471と固定検出電極5との間および第2フラップ板472と固定検出電極5との間に、それぞれ、静電容量Cが形成されている。
なお、図1に示すように、構造体40aと対向する2つの固定検出電極5は、配線77と電気的に接続されており、構造体40bと対向する2つの固定検出電極5は、配線76と電気的に接続されている。
次に、物理量センサー1の動作について説明する。まず、可動駆動電極44と固定駆動電極45、46との間に駆動電圧を印加し、駆動部41を駆動振動モードで振動させる。この状態において、物理量センサー1に角速度ωyが加わると、コリオリ力が働き、検出振動モードが励振され、第1、第2フラップ板471、472が回動軸J1、J2まわりに回動する。これにより、第1、第2フラップ板471、472と固定検出電極5とのギャップが変化し、それに伴って静電容量Cが変化する。そのため、この静電容量Cの変化量(差動信号)を検出することで、角速度ωyを求めることができる。
ここで、駆動振動モードの際、理想的には、駆動部41は、X軸方向に平行移動することが好ましい。すなわち、駆動振動モードの際、駆動部41は、Z軸方向に変位しないことが好ましい。これは、駆動部41がZ軸方向に変位すると、第1、第2フラップ板471、472と固定検出電極5とのギャップが変化すると共に、駆動部41のZ軸方向の変位につられて第1、第2フラップ板471、472が回動軸J1、J2まわりに回動してしまうため、角速度ωyが加わっていないにも関わらず静電容量Cが変化してしまう。これにより、クアドラチャ信号(ノイズ)が生じ、角速度ωyの検出精度が悪化してしまうためである。なお、以下では、駆動振動モードにおける駆動部41のX軸方向以外の振動(特に、Z軸方向の振動)をクアドラチャとも言う。
クアドラチャを抑制するためには、駆動ばね部42がZ軸方向の振動成分を有さないように設計することが好ましい。具体的には、例えば、図3に示すように、駆動ばね部42の横断面形状を矩形(特に、Z軸方向に長い長方形)に設計することが好ましい。これにより、駆動ばね部42が実質的にZ軸方向の振動成分を含まず、振動方向FがX軸と平行となり、クアドラチャを抑制することができる。しかしながら、加工誤差や加工装置の特性等に起因して素子部4の形状にずれが生じ、例えば、図4に示すように、駆動ばね部42の横断面形状が矩形から傾いた平行四辺形となってしまう場合がある。このように、駆動ばね部42の横断面形状が矩形からずれてしまうと(Z軸に対して非対称形状となってしまうと)、駆動ばね部42がX軸方向の振動成分と共にZ軸方向の振動成分を含んでしまい、振動方向F’がX軸に対して傾斜し、クアドラチャが生じ易くなる。
このような問題に対して、本実施形態の物理量センサー1では、駆動ばね部42の形状を工夫しており、これにより、駆動振動モードにおけるクアドラチャを抑制している。以下、駆動ばね部42について詳細に説明する。なお、本実施形態では、複数の駆動ばね部42の構成が同様であるため、以下では、1つの駆動ばね部42(図1中の駆動ばね部42’)について代表して説明し、その他の駆動ばね部42については、その説明を省略する。
図5に示すように、駆動ばね部42は、蛇行形状をなし、Y軸方向(検出軸方向)に往復しながら、X軸方向(検出軸に直交する方向)に並設されている。そのため、各駆動ばね部42は、Y軸方向に延在し、X軸方向に沿って間欠的に並設された4つ(複数)の梁部421と、梁部421と梁部421とを接続している接続部422と、を有している。特に、接続部422は、隣り合う梁部421の一方の端部同士を接続している。
また、図6に示すように、Y軸方向から見た各梁部421の横断面形状は、長手形状でかつ略平行四辺形となっており、その長軸LがZ軸に対して傾斜している。また、各梁部421は、X軸方向の同じ側に傾斜している。なお、梁部421の数としては、2つ以上であればよく、4つに限定されない。また、設計段階から各梁部421の横断面形状が例えば略平行四辺形となっていてもよいし、設計では矩形であったが、前述したような加工誤差や加工装置の特性等により各梁部421の横断面形状が例えば略平行四辺形、台形、側面の幅が上面や下面よりも広い樽状の形状、側面の幅が上面や下面よりも薄いくびれた形状となってしまってもよい。
また、4つの梁部421のうちの少なくとも1つ、本実施形態では、梁部421A、421Bに、他の部分よりも厚さT(Z軸方向の長さ)が薄い薄肉部429が設けられている。薄肉部429は、梁部421の上面(基板2と反対側の主面)に凹部428(欠損部)を設けることで形成されている。このように、4つの梁部421の一部に薄肉部429を設けることで、駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分を減少させることができる。そのため、薄肉部429がない構成と比較して、クアドラチャを低減することができる。
具体的には、長軸Lの傾き方向(X軸方向プラス側)の先端側(中央よりも先端側)に位置する梁部421A、421Bの少なくとも1つに薄肉部429を設けることで、駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分を減少させることができ、反対に、基端側(中央よりも基端側)に位置する梁部421C、421Dの少なくとも1つに薄肉部429を設けることで、駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分を増大させることができる。なお、「長軸Lの傾き方向」とは、本実施形態では、図5および図6中の長軸Lの下端部に対する上端部のずれ方向、すなわち、X軸方向を意味している。また、「長軸Lの傾き方向の先端側」とは、本実施形態では、図5および図6中の左側(X軸方向プラス側)を意味し、「長軸Lの傾き方向の基端側」とは、図5および図6中の右側(X軸方向マイナス側)を意味している(以下同じ)。
これは、図7に示すように、4つの梁部421を一体の梁部として捉えた場合、平行四辺形の角部のうちの鋭角部分を除去することで、駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分を減少させることができ、鈍角部分を除去することで、駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分を増大させることができるのと同じ理由であると考えられる。
そこで、本実施形態では、長軸Lの傾き方向(X軸方向プラス側)の先端側に位置する梁部421A、421Bに薄肉部429を設けることで、駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分を減少させ、クアドラチャを低減させている。なお、駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分を減少させることができれば、薄肉部429の配置は、特に限定されず、例えば、梁部421Aだけに設けられていてもよいし、梁部421Bにだけ設けられていてもよい。
このように、薄肉部429の配置は、駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分を減少させることができれば、特に限定されないが、少なくとも、長軸Lの傾き方向(X軸方向プラス側)の最も先端側に位置する梁部421Aに設けることが好ましい。これは、薄肉部429を設けることによる駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分の減少量は、長軸Lの傾き方向の先端側に位置する梁部421ほど大きいためである。すなわち、梁部421Aに薄肉部429を設けた方が、梁部421Bに薄肉部429を設けるよりも、Z軸方向の振動成分を大きく減少させることができる。そのため、最も先端側に位置する梁部421Aに薄肉部429を設けることで、駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分をより効果的に減少させることができる。
なお、本実施形態では、梁部421Aに設けられた薄肉部429は、梁部421Aの延在方向のほぼ全域にわたって設けられているが、薄肉部429の形成領域は、特に限定されない。例えば、図8に示すように、薄肉部429は、梁部421Aの延在方向の一部に設けられていてもよいし、図9に示すように、梁部421Aに、間欠的に複数設けられていてもよい。図示しないが、梁部421Bに薄肉部429を設ける場合も同様である。薄肉部429の形成領域(Y軸方向の長さ)が長くなる程、駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分が減少するため、駆動ばね部42が有するZ軸方向の振動成分の大きさに応じて、薄肉部429の形成領域を調整すればよい。
本実施形態では、前述したように、梁部421Aの隣り(X軸方向マイナス側の隣り)に位置する梁部421Bにも薄肉部429が設けられている。これにより、次の効果を発揮することができる。第1の効果として、駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分をさらに減少させることができる。例えば、梁部421Aの全域に薄肉部429を形成しただけでは、駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分を十分に減少させることができない場合には、その隣の梁部421Bにも薄肉部429を設けることで、駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分をさらに減少させることができる(好ましくは0とすることができる)。
また、第2の効果として、駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分の微調を行うことができる。前述したように、薄肉部429を設けることによる駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分の減少量は、長軸Lの傾き方向の先端側に位置する梁部421ほど大きい。そこで、梁部421Aに薄肉部429を設けることで、Z軸方向の振動成分を粗調し、梁部421Bに薄肉部429を設けることで、Z軸方向の振動成分を微調することができる。これにより、より精度よく、駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分を減少させることができる。
ここで、本実施形態のように、駆動ばね部42に複数の薄肉部429が設けられている場合には、各薄肉部429の厚さT(または凹部428の深さ)は、互いに等しいことが好ましい。これにより、後述する物理量センサー1の製造方法でも説明するように、複数の薄肉部429を同じ工程で形成することができるため、物理量センサー1の製造工程の削減を図ることができる。そのため、物理量センサー1をより短時間かつ低コストで製造することができる。なお、前述した「厚さTが互いに等しい」とは、完全に一致する場合に限らず、例えば、製造上の不可避的な誤差を有する場合を含む意味である。
なお、薄肉部429の厚さTとしては、特に限定されないが、駆動ばね部42の他の部分の厚さの5/10以上、9/10以下であることが好ましい。薄肉部429の厚さTを薄くするほど駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分を大きく減少させることができる。そのため、駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分を効果的に減少させることができると共に、薄肉部429の機械的強度の過度な低下を防止することができる。
また、薄肉部429は、駆動ばね部42の中心軸L1に対して対称的に設けられていることが好ましい。これにより、中心軸L1に対する駆動ばね部42の対称性が維持される。そのため、例えば、Y軸方向の振動成分の発生やその増加を抑制することができ、駆動ばね部42をよりスムーズにX軸方向に弾性変形させることができる。
また、図5に示すように、梁部421のX軸方向の幅W(梁部421の延在方向に直交する方向の長さ)は、隣り合う一対の梁部421の離間距離Dよりも小さい。これにより、隣り合う梁部421同士が十分に離間し、例えば、ある梁部421に凹部428(薄肉部429)を形成する際に、隣の梁部421がダメージを受けてしまう可能性を低減することができる。
以上、1つの駆動ばね部42(42’)について代表して説明した。本実施形態の物理量センサーでは、駆動ばね部42が8つ(構造体40a、40bにそれぞれ4つずつ)設けられている。これら各駆動ばね部42に対して、それぞれ、Z軸方向の振動成分が十分に小さくなるように(好ましくは0となるように)、薄肉部429を形成すればよい。すなわち、薄肉部429の形状は、複数の駆動ばね部42毎に異なる場合もあるし、互いに同じである場合もある。また、Z軸方向の振動成分を実質的に有していない駆動ばね部42については、薄肉部429を形成しなくてもよい。また、例えば、図5に示すような梁部42の場合には、互いに薄肉部429を有する梁部421Aおよび梁部421Bを接続している接続部422の厚さが、梁部421Aおよび梁部421Bと同じ薄さになってもよい。すなわち、梁部421Aおよび梁部421Bを接続している接続部422にも薄肉部429が形成されていてもよい。また、他の接続部422にも薄肉部429が形成されていてもよい。
なお、複数の駆動ばね部42に形成される全ての薄肉部429の厚さTは、互いに同じであることが好ましい。これにより、後述する物理量センサー1の製造方法でも説明するように、複数の薄肉部429を同じ工程で形成することができるため、物理量センサー1の製造工程の削減を図ることができる。
以上、物理量センサー1について説明した。このような物理量センサー1は、駆動部41と、駆動部41をX軸方向(第1方向)に変位可能に支持する駆動ばね部42と、を有し、駆動ばね部42は、蛇行形状をなし、X軸方向に交差するY軸方向(第2方向)に延在する複数の梁部421を有している。そして、複数の梁部421のうちの少なくとも1つの梁部421(本実施形態では、梁部421A、421B)は、駆動ばね部42の他の部分に対してZ軸方向(X軸方向およびY軸方向に交差する第3方向)の厚さが薄い薄肉部429を有している。このように、薄肉部429を設けることで、Z軸方向の振動成分が減少し、駆動部41のX軸方向以外への変位を抑制することができる。すなわち、駆動部41のクアドラチャを抑制することができる。そのため、優れた物理量検出特性を有する物理量センサー1となる。
また、前述したように、駆動ばね部42は、Z軸方向の一方側(基板2と反対側)の主面に開放する凹部428を有し、凹部428と重なる部分(下方に位置する部分)が薄肉部429となっている。これにより、後述する物理量センサー1の製造方法でも説明するように、薄肉部429の形成が容易となる。
また、前述したように、複数の梁部421は、それぞれ、Y軸方向(第2方向)から見た断面形状が長手形状をなし、かつ、長手形状の長軸LがZ軸方向に対して傾斜している部分を有する。このような断面形状は、加工誤差や加工装置の特性等に起因して形成され易い形状である。また、このような断面形状では、駆動ばね部42がZ軸方向の振動成分を含み易くなるため、上述した効果がより顕著なものとなる。
また、前述したように、薄肉部429は、複数の梁部421のうち、少なくとも、長軸がZ軸方向に対して傾斜する方向の最も先端側に位置する梁部421Aに設けられている。これにより、効果的に、駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分を減少させることができ、クアドラチャを抑制することができる。
また、前述したように、駆動ばね部42は、複数の薄肉部429を有し、複数の薄肉部429は、少なくとも2つ以上の梁部421(本実施形態では、梁部421A、およびその隣りの梁部421B)に別れて設けられている。これにより、前述したように、梁部421Aに薄肉部429を形成しただけでは、駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分を十分に減少させることができない場合に、より効果的に、駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分を減少させることができる。また、薄肉部429の単位長さ当たりに対する駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分の減少量が、複数の梁部421で異なるため、複数の梁部421に別れて薄肉部429を設けることで、駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分の粗調、微調を行うことができる。そのため、駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分をより高精度に減少させることができる。
また、前述したように、複数の薄肉部429は、厚さTが互いに等しい。これにより、後述する物理量センサー1の製造方法でも説明するように、複数の薄肉部429を同じ工程で形成することができる。そのため、物理量センサー1の製造工程の削減を図ることができる。したがって、物理量センサー1をより短時間かつ低コストで効率よく製造することができる。
また、前述したように、梁部421のX軸方向の幅W(梁部421の延在方向に直交する方向の長さ)は、隣り合う一対の梁部421の離間距離Dよりも小さい。これにより、隣り合う梁部421同士が十分に離間し、例えば、ある梁部421に薄肉部429を形成する際に、隣の梁部421がダメージを受けてしまう可能性を効果的に低減することができる。
次に、物理量センサー1の製造方法を説明する。物理量センサー1の製造方法は、図10に示すように、基板2を準備する基板準備工程と、基板2上に素子部4を形成する素子部形成工程と、駆動ばね部42に薄肉部429を形成する薄肉部形成工程と、基板2に蓋体3を接合する蓋体接合工程と、個片化工程と、を有している。
[基板準備工程]
まず、図11に示すように、後に基板2となる領域S2を複数有するガラス基板20を準備し、各領域S2に、凹部21および溝部22、23、24、25、26、27、28を形成する。なお、凹部21および溝部22、23、24、25、26、27、28は、例えば、フォトリソグラフィー技法およびウェットエッチング技法を用いて形成することができる。次に、凹部21の底面に固定検出電極5を形成すると共に、溝部22、23、24、25、26、27、28に配線72、73、74、75、76、78および電極パッドPを形成する。
[素子部形成工程]
次に、図12に示すように、シリコン基板からなる基板400を準備し、基板400を基板2上に陽極接合法により接合する。次に、例えば、CMP(化学機械研磨)等によって基板400を薄肉化し、基板400の厚さを素子部4の厚さに合わせ込む。次に、基板400にリン、ボロン等の不純物をドープして導電性を付与した後、基板400をパターニングし、図13に示すように、素子部4を得る。なお、パターニング方法としては、特に限定されないが、反応性プラズマガスを用いたエッチングプロセスとデポジション(堆積)プロセスとを組み合わせたドライボッシュ(Bosch)法を用いることが好ましい。これにより、アスペクト比の高い貫通孔を形成することができ、素子部4をより高精度にかつ細密にパターニングすることができる。
ここで、基板400のパターニングに用いられるドライエッチング装置について簡単に説明すると、図14に示すように、エッチング装置900は、ステージ電極910と、ステージ電極910と対向して設けられた対向電極920と、を有し、これらがチャンバー930内に配置されている。このようなエッチング装置900では、ステージ電極910上にウエハQ(ガラス基板20と基板400との積層体)を載置し、チャンバー930を真空にした状態でエッチングガスを流し、プラズマ状態として、ステージ電極910と対向電極920との間で反応ガスGを加速させてウエハQにぶつけることでウエハQの基板400を加工することができる。この際、プラズマ分布等の影響によって、反応ガスGが中央部から放射状に移動(加速)するため、ウエハQの外縁部に向かう程、基板400が斜めに加工されてしまう傾向となる。そのため、ウエハQの外縁部に位置する素子部4ほど、駆動ばね部42が斜めに加工され、内在するZ軸方向の振動成分が大きくなる傾向にある。
[薄肉部形成工程]
次に、素子部4毎に、各駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分を検出する。Z軸方向の振動成分を検出する方法としては、特に限定されず、例えば、電極パッドPに検査用のプローブピンを押し当てて、基板400上で各素子部4を駆動振動モードで駆動させ、この際に検出される信号(静電容量Cの変化)に基づいて、各駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分を検出することができる。
次に、上記の検出結果から、各素子部4について、どの駆動ばね部42のどの位置に薄肉部429(凹部428)を形成するかを決定し、この決定結果に従って、駆動ばね部42に薄肉部429(凹部428)を形成する。なお、薄肉部429(凹部428)の形成方法としては、特に限定されないが、例えば、ドライエッチングにより形成することが好ましい。ドライエッチングでは、マスクを用いるため、より精度よくかつ微細に、薄肉部429を形成することができる。ここで、前述したように、素子部4においては、隣り合う一対の梁部421の離間距離Dが、梁部421の幅Wよりも大きくなっている。そのため、X軸方向へのマスクのずれを十分に許容でき、マスクが多少ずれたとしても、薄肉部429を定められた位置に精度よく形成することができる。
ここで、前述したように、物理量センサー1では、凹部428を駆動ばね部42の上面(基板2と反対側の面)に形成しているため、上述のドライエッチングによれば、より容易に、薄肉部429を形成することができる。
特に、物理量センサー1では、全ての薄肉部429の厚さ(凹部428の深さ)が等しい。そのため、同じエッチング時間で全ての薄肉部429を形成することができる。よって、全ての薄肉部429を同一工程で形成することができ、製造工程の削減を図ることができる。言い換えると、物理量センサー1では、薄肉部429の厚さを一定にし、長さを調整することで駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分を減少させているため、上述のように、少ない工程でより確実に、駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分を減少させることができる。
なお、前述の薄肉部形成工程は、駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分を検出する工程と、その検出結果に基づいて薄肉部429を形成する工程と、を複数回繰り返し行ってもよい。これにより、より精度よく、駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分を減少させることができる。
また、薄肉部429の形成方法としては、上述したドライエッチングに限定されず、例えば、マスクを介して、IB(イオンビーム)等のエネルギー線を照射して加工する方法を用いてもよい。
[蓋体接合工程]
次に、複数の蓋体3を有する基板30を準備し、図15に示すように、基板30を基板2の上面にガラスフリット39を介して接合する。次に、収納空間S内を所望の雰囲気に置換した後、連通孔32を封止部材33で封止する。これにより、収納空間Sが封止される。
[個片化工程]
次に、図16に示すように、例えば、ダイシングブレード等を用いて物理量センサー1を個片化する。以上によって、物理量センサー1が得られる。
前述したように、以上のような物理量センサー1の製造方法は、基板400をパターニングし、駆動部41と、駆動部41をX軸方向(第1方向)に変位可能に支持する駆動ばね部42と、を有し、駆動ばね部42が蛇行形状をなし、X軸方向に交差するY軸方向(第2方向)に延在する複数の梁部421を備える素子部4を形成する素子部形成工程と、複数の梁部421のうちの少なくとも1つに、Z軸方向(X軸方向およびY軸方向に交差する第3方向)の厚さが他の部分よりも薄い薄肉部429を形成する薄肉部形成工程と、を有している。このように、駆動ばね部42に薄肉部429を形成することで、駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分が減少し、クアドラチャを抑制することができる。そのため、優れた物理量検出特性を有する物理量センサー1が得られる。
また、前述したように、薄肉部形成工程では、マスクを介して駆動ばね部42を加工することで薄肉部429を形成している。そのため、より精度よく、薄肉部429を形成することができる。
<第2実施形態>
次に、本発明の第2実施形態に係る物理量センサーについて説明する。
図17は、本発明の第2実施形態に係る物理量センサーが有する駆動ばね部の断面図である。
本実施形態に係る物理量センサーでは、主に、駆動ばね部42の構成が異なること以外は、前述した第1実施形態にかかる物理量センサーと同様である。
なお、以下の説明では、第2実施形態の物理量センサーに関し、前述した第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図17では、前述した第1実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。
本実施形態では、図17に示すように、複数の梁部421のうち、長軸Lが傾斜する方向の基端側に位置する梁部421C、421Dの少なくとも一方(本実施形態では梁部421D)にも薄肉部429が設けられている。これにより、駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分を増大することができる。そのため、例えば、梁部421A、421Bに薄肉部429を形成し過ぎた場合には、梁部421C、梁部421Dに薄肉部429を形成することで、梁部421A、421Bに薄肉部429を形成し過ぎた分をキャンセルすることができ、駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分をより効果的に減少させることができる。なお、本実施形態では、梁部421Dにキャンセル用の薄肉部429を形成しているが、Z軸方向の振動成分を増大させることができれば、特に限定されず、例えば、その隣の梁部421Cに形成してもよい。
このような第2実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。
<第3実施形態>
次に、本発明の第3実施形態に係る物理量センサーについて説明する。
図18は、本発明の第3実施形態に係る物理量センサーを示す平面図である。
本実施形態に係る物理量センサーでは、素子部の構成および検出軸が異なること以外は、前述した第1実施形態にかかる物理量センサーと同様である。
なお、以下の説明では、第3実施形態の物理量センサーに関し、前述した第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図18では、前述した第1実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。
本実施形態の物理量センサー1は、Z軸まわりの角速度ωzを検出することのできるジャイロセンサーである。図18に示すように、各構造体40(40a、40b)は、駆動部41と、駆動ばね部42と、固定部43と、可動駆動電極44と、固定駆動電極45、46と、駆動モニター電極49と、可動部61と、検出ばね部62と、可動検出電極63と、固定検出電極64と、を有している。駆動部41、駆動ばね部42、固定部43、可動駆動電極44、固定駆動電極45、46および駆動モニター電極49は、前述した第1実施形態と同様の構成であるため、以下では、可動部61、検出ばね部62、可動検出電極63および固定検出電極64について説明する。
可動部61は、枠状をなしており、枠状の駆動部41の内側に位置している。また、検出ばね部62は、可動部61が駆動部41に対してY軸方向に変位可能なように、駆動部41と可動部61とを連結している。検出ばね部62は、駆動部41内に4つ設けられており、可動部61の四隅に接続されている。これにより、可動部61をより安定した姿勢で支持することができる。また、検出ばね部62は、Y軸方向に弾性を有し、可動部61をY軸方向に変位可能に支持している。このような検出ばね部62は、蛇行形状をなしており、X軸方向に往復しながらY軸方向に延びている。ただし、検出ばね部62の配置や数としては、特に限定されない。
また、可動検出電極63は、可動部61の内側に設けられている。また、可動検出電極63は、X軸方向に延在し、その両端部が可動部61に接続されている。
固定検出電極64は、第1固定検出電極641および第2固定検出電極642を有している。また、第1固定検出電極641および第2固定検出電極642は、それぞれ、基板2に固定されている。また、図示しないが、第1固定検出電極641は、配線76と電気的に接続されており、第2固定検出電極642は、配線77と電気的に接続されている。
第1固定検出電極641は、構造体40aでは、可動検出電極63に対してY軸方向プラス側に対向配置されており、構造体40bでは、可動検出電極63に対してY軸方向マイナス側に対向配置されている。一方、第2固定検出電極642は、構造体40aでは、可動検出電極63に対してY軸方向マイナス側に対向配置されており、構造体40bでは、可動検出電極63に対してY軸方向プラス側に対向配置されている。そして、可動検出電極63と第1固定検出電極641との間および可動検出電極63と第2固定検出電極642との間にそれぞれ静電容量が形成されている。
このような構成の物理量センサー1は、Z軸まわりの角速度ωzを検出することのできる角速度センサーである。具体的には、駆動振動モードで駆動部41を振動させている際に、角速度ωzが加わると、コリオリ力が働き、可動部61が駆動部41に対してY軸方向に振動する(検出振動モード)。これにより、可動検出電極63と第1固定検出電極641とのギャップが変化して、可動検出電極63と第1固定検出電極641との間の静電容量が変化すると共に、可動検出電極63と第2固定検出電極642とのギャップが変化して、可動検出電極63と第2固定検出電極642との間の静電容量が変化する。そのため、この静電容量の変化量を検出することで、角速度ωzを求めることができる。
なお、本実施形態では、検出振動モードにおいて、理想的には、可動部61は、Y軸方向に平行移動することが好ましい。すなわち、検出振動モードの際、可動部61は、Z軸方向に変位しないことが好ましい。これは、可動部61がZ軸方向に変位すると、可動検出電極63と第1、第2固定検出電極641、642との対向面積が変化してしまい、それに起因して、可動検出電極63と第1、第2固定検出電極641、642との間の静電容量が変化してしまう。そのため、第1、第2固定検出電極641、642とのギャップの変化に基づく静電容量の変化(角速度ωzに対応した静電容量の変化)のみを検出することができなくなり、角速度ωzの検出精度が低下するおそれがある。そこで、検出ばね部62についても、前述した駆動ばね部42と同様に、Z軸方向の振動成分を減少させるために薄肉部が形成されていてもよい。これにより、より精度よく、角速度ωzを検出することができる。
以上のような第3実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。
<第4実施形態>
次に、本発明の第4実施形態に係る物理量センサーについて説明する。
図19は、本発明の第4実施形態に係る物理量センサーが有する駆動ばね部の断面図である。
本実施形態に係る物理量センサーでは、素子部(特に駆動ばね部)の構成が異なること以外は、前述した第1実施形態にかかる物理量センサーと同様である。
なお、以下の説明では、第4実施形態の物理量センサーに関し、前述した第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図19では、前述した第1実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。
図19に示すように、本実施形態の駆動ばね部42では、4つの梁部421のうちの梁部421C、421Dに、他の部分よりも厚さT(Z軸方向の長さ)が薄い薄肉部429が設けられている。薄肉部429は、梁部421の下面(基板2側の主面)に凹部428(欠損部)を設けることで形成されている。このように、4つの梁部421の一部に薄肉部429を設けることで、駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分を減少させることができる。そのため、薄肉部429がない構成と比較して、クアドラチャを低減することができる。なお、駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分を減少させることができれば、薄肉部429の配置は、特に限定されず、例えば、梁部421Dだけに設けられていてもよいし、梁部421Cにだけ設けられていてもよい。
このように、薄肉部429の配置は、駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分を減少させることができれば、特に限定されないが、少なくとも、長軸Lの傾き方向の最も先端側に位置する梁部421Dに設けることが好ましい。これは、薄肉部429を設けることによる駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分の減少量は、長軸Lの傾き方向の先端側に位置する梁部421ほど大きいためである。なお、「長軸Lの傾き方向」とは、本実施形態では、図19中の長軸Lの上端部に対する下端部のずれ方向、すなわち、X軸方向マイナス側を意味している。また、「長軸Lの傾き方向の先端側」とは、本実施形態では、図19中の右側(X軸方向マイナス側)を意味する。
以上のような第4実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。
<第5実施形態>
次に、本発明の第5実施形態に係る物理量センサーについて説明する。
図20は、本発明の第5実施形態に係る物理量センサーが有する駆動ばね部の断面図である。
本実施形態に係る物理量センサーでは、素子部(特に駆動ばね部)の構成が異なること以外は、前述した第1実施形態にかかる物理量センサーと同様である。
なお、以下の説明では、第5実施形態の物理量センサーに関し、前述した第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図20では、前述した第1実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。
図20に示すように、本実施形態の駆動ばね部42では、4つの梁部421の上端部が下端部に対してX軸方向マイナス側に位置するように傾斜している。すなわち、各梁部421の傾斜方向が前述した第1実施形態と反対となっている。なお、本実施形態では、長軸Lの下端部に対する上端部のずれ方向、すなわち、X軸方向を「長軸Lの傾き方向」とも言い、さらに、X軸方向マイナス側を「長軸Lの傾き方向の先端側」とも言う。
そして、これら4つの梁部421のうちの、長軸Lの傾き方向の先端側に位置する梁部421C、421Dに、他の部分よりも厚さT(Z軸方向の長さ)が薄い薄肉部429が設けられている。薄肉部429は、梁部421C、421Dの上面(基板2と反対側の主面)に凹部428(欠損部)を設けることで形成されている。このように、4つの梁部421の一部に薄肉部429を設けることで、駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分を減少させることができる。そのため、薄肉部429がない構成と比較して、クアドラチャを低減することができる。なお、駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分を減少させることができれば、薄肉部429の配置は、特に限定されず、例えば、梁部421Dだけに設けられていてもよいし、梁部421Cにだけ設けられていてもよい。
以上のような第5実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。
<第6実施形態>
次に、本発明の第6実施形態に係る物理量センサーについて説明する。
図21は、本発明の第6実施形態に係る物理量センサーが有する駆動ばね部の断面図である。
本実施形態に係る物理量センサーでは、素子部(特に駆動ばね部)の構成が異なること以外は、前述した第1実施形態にかかる物理量センサーと同様である。
なお、以下の説明では、第6実施形態の物理量センサーに関し、前述した第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図20では、前述した第1実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。
図21に示すように、本実施形態の駆動ばね部42では、4つの梁部421の上端部が下端部に対してX軸方向マイナス側に位置するように傾斜している。すなわち、各梁部421の傾斜方向が前述した第1実施形態と反対となっている。なお、本実施形態では、長軸Lの上端部に対する下端部のずれ方向、すなわち、X軸方向を「長軸Lの傾き方向」とも言い、さらに、X軸方向プラス側を「長軸Lの傾き方向の先端側」とも言う。
そして、これら4つの梁部421のうちの、長軸Lの傾き方向の先端側に位置する梁部421A、421Bに、他の部分よりも厚さT(Z軸方向の長さ)が薄い薄肉部429が設けられている。薄肉部429は、梁部421A、421Bの下面(基板2側の主面)に凹部428(欠損部)を設けることで形成されている。このように、4つの梁部421の一部に薄肉部429を設けることで、駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分を減少させることができる。そのため、薄肉部429がない構成と比較して、クアドラチャを低減することができる。なお、駆動ばね部42のZ軸方向の振動成分を減少させることができれば、薄肉部429の配置は、特に限定されず、例えば、梁部421Aだけに設けられていてもよいし、梁部421Bにだけ設けられていてもよい。
以上のような第6実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。
<第7実施形態>
次に、本発明の第7実施形態に係る物理量センサーデバイスについて説明する。
図22は、本発明の第7実施形態に係る物理量センサーデバイスを示す断面図である。
図22に示すように、物理量センサーデバイス1000は、ベース基板1010と、ベース基板1010上に設けられた物理量センサー1と、物理量センサー1上に設けられた回路素子1020(IC)と、物理量センサー1と回路素子1020とを電気的に接続するボンディングワイヤーBW1と、ベース基板1010と回路素子1020とを電気的に接続するボンディングワイヤーBW2と、物理量センサー1および回路素子1020をモールドするモールド部1030と、を有している。ここで、物理量センサー1としては、例えば、前述した第1〜第3実施形態のいずれかを用いることができる。
ベース基板1010は、物理量センサー1を支持する基板であり、例えば、インターポーザー基板である。このようなベース基板1010の上面には複数の接続端子1011が配置されており、下面には複数の実装端子1012が配置されている。また、ベース基板1010内には、図示しない内部配線が配置されており、この内部配線を介して、各接続端子1011が、対応する実装端子1012と電気的に接続されている。このようなベース基板1010としては、特に限定されず、例えば、シリコン基板、セラミック基板、樹脂基板、ガラス基板、ガラスエポキシ基板等を用いることができる。
また、物理量センサー1は、基板2を下側(ベース基板1010側)に向けてベース基板1010上に配置されている。そして、物理量センサー1は、接合部材を介してベース基板1010に接合されている。
また、回路素子1020は、物理量センサー1上に配置されている。そして、回路素子1020は、接合部材を介して物理量センサー1の蓋体3に接合されている。また、回路素子1020は、ボンディングワイヤーBW1を介して物理量センサー1の各電極パッドPと電気的に接続され、ボンディングワイヤーBW2を介してベース基板1010の接続端子1011と電気的に接続されている。このような回路素子1020には、物理量センサー1を駆動する駆動回路や、物理量センサー1からの出力信号に基づいて角速度を検出する検出回路や、検出回路からの信号を所定の信号に変換して出力する出力回路等が、必要に応じて含まれている。
また、モールド部1030は、物理量センサー1および回路素子1020をモールドしている。これにより、物理量センサー1や回路素子1020を水分、埃、衝撃等から保護することができる。モールド部1030としては、特に限定されないが、例えば、熱硬化型のエポキシ樹脂を用いることができ、例えば、トランスファーモールド法によってモールドすることができる。
以上のような物理量センサーデバイス1000は、物理量センサー1を有している。そのため、物理量センサー1の効果を享受でき、信頼性の高い物理量センサーデバイス1000が得られる。
なお、物理量センサーデバイス1000の構成としては、上記の構成に限定されず、例えば、物理量センサー1がセラミックパッケージに収納された構成となっていてもよい。
<第8実施形態>
次に、本発明の第8実施形態に係る電子機器について説明する。
図23は、本発明の第8実施形態に係る電子機器を示す斜視図である。
図23に示すモバイル型(またはノート型)のパーソナルコンピューター1100は、本発明の物理量センサーを備える電子機器を適用したものである。この図において、パーソナルコンピューター1100は、キーボード1102を備えた本体部1104と、表示部1108を備えた表示ユニット1106とにより構成され、表示ユニット1106は、本体部1104に対しヒンジ構造部を介して回動可能に支持されている。このようなパーソナルコンピューター1100には、角速度センサーとして機能する物理量センサー1が内蔵されている。ここで、物理量センサー1としては、例えば、前述した実施形態のいずれかを用いることができる。
このようなパーソナルコンピューター1100(電子機器)は、物理量センサー1を有している。そのため、前述した物理量センサー1の効果を享受でき、高い信頼性を発揮することができる。
<第9実施形態>
次に、本発明の第9実施形態に係る電子機器について説明する。
図24は、本発明の第9実施形態に係る電子機器を示す斜視図である。
図24に示す携帯電話機1200(PHSも含む)は、本発明の物理量センサーを備える電子機器を適用したものである。この図において、携帯電話機1200は、アンテナ(図示せず)、複数の操作ボタン1202、受話口1204および送話口1206を備え、操作ボタン1202と受話口1204との間には、表示部1208が配置されている。このような携帯電話機1200には、角速度センサーとして機能する物理量センサー1が内蔵されている。ここで、物理量センサー1としては、例えば、前述した実施形態のいずれかを用いることができる。
このような携帯電話機1200(電子機器)は、物理量センサー1を有している。そのため、前述した物理量センサー1の効果を享受でき、高い信頼性を発揮することができる。
<第10実施形態>
次に、本発明の第10実施形態に係る電子機器について説明する。
図25は、本発明の第10実施形態に係る電子機器を示す斜視図である。
図25に示すデジタルスチールカメラ1300は、本発明の物理量センサーを備える電子機器を適用したものである。この図において、ケース(ボディー)1302の背面には表示部1310が設けられ、CCDによる撮像信号に基づいて表示を行う構成になっており、表示部1310は、被写体を電子画像として表示するファインダーとして機能する。また、ケース1302の正面側(図中裏面側)には、光学レンズ(撮像光学系)やCCDなどを含む受光ユニット1304が設けられている。そして、撮影者が表示部1310に表示された被写体像を確認し、シャッターボタン1306を押すと、その時点におけるCCDの撮像信号が、メモリー1308に転送・格納される。このようなデジタルスチールカメラ1300には、角速度センサーとして機能する物理量センサー1が内蔵されている。ここで、物理量センサー1としては、例えば、前述した実施形態のいずれかを用いることができる。
このようなデジタルスチールカメラ1300(電子機器)は、物理量センサー1を有している。そのため、前述した物理量センサー1の効果を享受でき、高い信頼性を発揮することができる。
なお、本発明の電子機器は、前述した実施形態のパーソナルコンピューターおよび携帯電話機、本実施形態のデジタルスチールカメラの他にも、例えば、スマートフォン、タブレット端末、時計(スマートウォッチを含む)、インクジェット式吐出装置(例えばインクジェットプリンタ)、ラップトップ型パーソナルコンピューター、テレビ、HMD(ヘッドマウントディスプレイ)等のウェアラブル端末、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャ、電子手帳(通信機能付も含む)、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、POS端末、医療機器(例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡)、魚群探知機、各種測定機器、移動体端末基地局用機器、計器類(例えば、車両、航空機、船舶の計器類)、フライトシミュレーター、ネットワークサーバー等に適用することができる。
<第11実施形態>
次に、本発明の第11実施形態に係る移動体について説明する。
図26は、本発明の第11実施形態に係る移動体を示す斜視図である。
図26に示す自動車1500は、本発明の物理量センサーを備える移動体を適用した自動車である。この図において、自動車1500には、角速度センサーとして機能する物理量センサー1が内蔵されており、物理量センサー1によって車体1501の姿勢を検出することができる。物理量センサー1の検出信号は、車体姿勢制御装置1502に供給され、車体姿勢制御装置1502は、その信号に基づいて車体1501の姿勢を検出し、検出結果に応じてサスペンションの硬軟を制御したり、個々の車輪1503のブレーキを制御したりすることができる。ここで、物理量センサー1としては、例えば、前述した第1〜第3実施形態のいずれかを用いることができる。
このような自動車1500(移動体)は、物理量センサー1を有している。そのため、前述した物理量センサー1の効果を享受でき、高い信頼性を発揮することができる。
なお、物理量センサー1は、他にも、カーナビゲーションシステム、カーエアコン、アンチロックブレーキシステム(ABS)、エアバック、タイヤ・プレッシャー・モニタリング・システム(TPMS:Tire Pressure Monitoring System)、エンジンコントロール、ハイブリッド自動車や電気自動車の電池モニター等の電子制御ユニット(ECU:electronic control unit)に広く適用できる。
また、移動体としては、自動車1500に限定されず、例えば、飛行機、ロケット、人工衛星、船舶、AGV(無人搬送車)、二足歩行ロボット、ドローン等の無人飛行機等にも適用することができる。
以上、本発明の物理量センサー、物理量センサーの製造方法、物理量センサーデバイス、電子機器および移動体を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、前述した実施形態では、X軸方向(第1方向)とY軸方向(第2方向)とが直交しているが、これに限定されず、交差していればよい。
また、本発明は、前述した実施形態を適宜組み合わせてもよい。例えば、構造体40a、40bのうち、構造体40aが有する4つの駆動ばね部42が前述した第5、第6実施形態のように各梁部421の上端部が下端部に対してX軸方向マイナス側に位置するように傾斜しており、構造体40bが有する4つの駆動ばね部42が前述した第1、第4実施形態のように各梁部421の上端部が下端部に対してX軸方向プラス側に位置するように傾斜していてもよい。反対に、構造体40aが有する4つの駆動ばね部42が前述した第1、第4実施形態のように各梁部421の上端部が下端部に対してX軸方向プラス側に位置するように傾斜しており、構造体40bが有する4つの駆動ばね部42が前述した第5、第6実施形態のように各梁部421の上端部が下端部に対してX軸方向マイナス側に位置するように傾斜していてもよい。すなわち、複数の駆動ばね部42のうちの少なくとも1つが、他に対して梁部421の傾斜方向が異なっていてもよい。
また、前述した実施形態では、素子部が1つの構成について説明したが、素子部が複数設けられていてもよい。この際に、複数の素子部を検出軸が互いに異なるように配置することで、複数の軸方向の加速度を検出することができる。
また、前述した第1実施形態では、検出用フラップ板が回動軸まわりに回動する構成について説明したが、検出用フラップ板としては、Z軸方向に変位することができれば、どのように変位してもよい。例えば、検出用フラップ板は、回動軸まわりにシーソー揺動してもよいし、姿勢を保ったままZ軸方向に変位していてもよい。すなわち、シーソー揺動型の物理量センサーであってもよいし、平行平板型の物理量センサーであってもよい。
また、前述した実施形態では、物理量センサーとして角速度を検出する角速度センサーについて説明したが、物理量センサーが検出する物理量としては、角速度に限定されず、例えば、加速度、圧力等であってもよい。
1…物理量センサー、2…基板、20…ガラス基板、21…凹部、22、23、24、
25、26、27、28…溝部、3…蓋体、30…基板、31…凹部、32…連通孔、33…封止部材、39…ガラスフリット、4…素子部、40、40a、40b…構造体、400…基板、401…連結ばね部、41…駆動部、42、42’…駆動ばね部、421、421A、421B、421C、421D…梁部、422…接続部、428…凹部、429…薄肉部、43…固定部、44…可動駆動電極、45…固定駆動電極、46…固定駆動電極、47…検出用フラップ板、471…第1フラップ板、472…第2フラップ板、48…梁部、481…第1梁部、482…第2梁部、49…駆動モニター電極、491…可動モニター電極、492…固定モニター電極、5…固定検出電極、61…可動部、62…検出ばね部、63…可動検出電極、64…固定検出電極、641…第1固定検出電極、642…第2固定検出電極、72、73、74、75、76、77、78…配線、900…エッチング装置、910…ステージ電極、920…対向電極、930…チャンバー、1000…物理量センサーデバイス、1010…ベース基板、1011…接続端子、1012…実装端子、1020…回路素子、1030…モールド部、1100…パーソナルコンピューター、1102…キーボード、1104…本体部、1106…表示ユニット、1108…表示部、1200…携帯電話機、1202…操作ボタン、1204…受話口、1206…送話口、1208…表示部、1300…デジタルスチールカメラ、1302…ケース、1304…受光ユニット、1306…シャッターボタン、1308…メモリー、1310…表示部、1500…自動車、1501…車体、1502…車体姿勢制御装置、1503…車輪、B…導電性バンプ、BW1、BW2…ボンディングワイヤー、C…静電容量、D…離間距離、G…反応ガス、J1、J2…回動軸、L…長軸、L1…中心軸、P…電極パッド、Q…ウエハ、S…収納空間、S2…領域、α…仮想直線、ωy、ωz…角速度

Claims (12)

  1. 駆動部と、
    前記駆動部を第1方向に変位可能に支持する駆動ばね部と、を有し、
    前記駆動ばね部は、蛇行形状をなし、前記第1方向に交差する第2方向に延在する複数の梁部を有し、
    前記複数の梁部のうちの少なくとも1つの梁部は、前記駆動ばね部の他の部分に対して前記第1方向および前記第2方向に交差する第3方向の厚さが薄い薄肉部を有していることを特徴とする物理量センサー。
  2. 前記駆動ばね部は、前記第3方向の一方側の主面に開放する凹部を有し、
    前記凹部と重なる部分が前記薄肉部となっている請求項1に記載の物理量センサー。
  3. 前記複数の梁部は、それぞれ、前記第2方向から見た断面形状が長手形状をなし、かつ、前記長手形状の長軸が前記第3方向に対して傾斜している部分を有する請求項1または2に記載の物理量センサー。
  4. 前記薄肉部は、前記複数の梁部のうち、少なくとも、前記長軸が傾斜する方向の最も先端側に位置する梁部に設けられている請求項3に記載の物理量センサー。
  5. 前記駆動ばね部は、複数の前記薄肉部を有し、
    複数の前記薄肉部は、少なくとも2つ以上の前記梁部に別れて設けられている請求項1ないし4のいずれか1項に記載の物理量センサー。
  6. 複数の前記薄肉部は、前記厚さが互いに等しい請求項1ないし5のいずれか1項に記載の物理量センサー。
  7. 前記梁部の前記第1方向の幅は、隣り合う一対の前記梁部の離間距離よりも小さい請求項1ないし6のいずれか1項に記載の物理量センサー。
  8. 基板をパターニングし、駆動部と、前記駆動部を第1方向に変位可能に支持する駆動ばね部と、を有し、前記駆動ばね部が蛇行形状をなし、前記第1方向に交差する第2方向に延在する複数の梁部を備える素子部を形成する素子部形成工程と、
    前記複数の梁部のうちの少なくとも1つに、前記第1方向および前記第2方向に交差する第3方向の厚さが他の部分よりも薄い薄肉部を形成する薄肉部形成工程と、を有することを特徴とする物理量センサーの製造方法。
  9. 前記薄肉部形成工程では、マスクを介して前記駆動ばね部を加工することで前記薄肉部を形成する請求項8に記載の物理量センサーの製造方法。
  10. 請求項1ないし7のいずれか1項に記載の物理量センサーを有することを特徴とする物理量センサーデバイス。
  11. 請求項1ないし7のいずれか1項に記載の物理量センサーを有することを特徴とする電子機器。
  12. 請求項1ないし7のいずれか1項に記載の物理量センサーを有することを特徴とする移動体。
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