特開 2024-126465 加速度センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024126465

(43)【公開日】2024-09-20

(54)【発明の名称】加速度センサ

(51)【国際特許分類】

   G01P 15/125 20060101AFI20240912BHJP

   G01P 15/08 20060101ALI20240912BHJP

【ＦＩ】

G01P15/125 Z

G01P15/08 101B

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023034849

(22)【出願日】2023-03-07

(71)【出願人】

【識別番号】000116024

【氏名又は名称】ローム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100145403

【弁理士】

【氏名又は名称】山尾 憲人

(74)【代理人】

【識別番号】100184343

【弁理士】

【氏名又は名称】川崎 茂雄

(74)【代理人】

【識別番号】100197561

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 三喜男

(72)【発明者】

【氏名】西ノ原 大介

(57)【要約】

【課題】センサの感度を向上させることができる加速度センサを提供する。
【解決手段】加速度センサ１は、基板１０、基板１０に厚さ方向に移動可能に支持された第１質量部２０と、第１質量部２０を基板１０に支持する梁部３０とを備える。梁部３０は、第１質量部２０より質量が小さい第２質量部４０と、第１質量部２０と第２質量部４０とを連結する第１バネ部３１と、第１バネ部３１よりばね定数が小さく第２質量部４０と基板１０とを連結する第２バネ部３２とを有する。第２質量部４０に、基板１０の厚さ方向の加速度を検出するセンサ素子２の可動電極５１が設けられ、基板１０に、センサ素子２の固定電極５２が設けられる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板に前記基板の厚さ方向に移動可能に支持された第１質量部と、
前記第１質量部を前記基板に支持する梁部と、
を備え、
前記梁部は、
前記第１質量部より質量が小さい第２質量部と、
前記第１質量部と前記第２質量部とを連結する第１バネ部と、
前記第１バネ部よりばね定数が小さく前記第２質量部と前記基板とを連結する第２バネ部とを有し、
前記第２質量部に、前記基板の厚さ方向の加速度を検出するセンサ素子の可動電極が設けられ、
前記基板に、前記センサ素子の固定電極が設けられている、
加速度センサ。

【請求項2】

前記可動電極は、櫛歯状に形成された可動電極部を有し、
前記固定電極は、櫛歯状に形成された固定電極部を有している、
請求項１に記載の加速度センサ。

【請求項3】

前記可動電極部及び前記固定電極部は、前記基板の厚さ方向に直交する方向に対向して配置されている、
請求項２に記載の加速度センサ。

【請求項4】

前記基板は、表面に一部が露出する空洞を有し、
前記第１質量部及び前記梁部は、前記空洞内に配置されるように前記基板に設けられている、
請求項１に記載の加速度センサ。

【請求項5】

前記加速度センサは、前記梁部を複数備え、
複数の前記梁部は、平面視で前記第１質量部の周囲に均等に配置されている、
請求項１に記載の加速度センサ。

【請求項6】

前記加速度センサは、前記梁部を２つ備え、
２つの前記梁部は、前記第１質量部を挟んで対称に形成されている、
請求項５に記載の加速度センサ。

【請求項7】

前記加速度センサは、前記梁部を４つ備えている、
請求項５に記載の加速度センサ。

【請求項8】

前記基板の厚さ方向における加速度の向きを検出する向き検出機構を備えている、
請求項１に記載の加速度センサ。

【請求項9】

前記可動電極は、加速度検出用可動電極であり、
前記固定電極は、加速度検出用固定電極であり、
前記向き検出用機構は、前記基板の厚さ方向における加速度の向きを検出する向き検出用可動電極及び向き検出用固定電極を備え、
前記第１質量部に、前記向き検出用可動電極が設けられ、
前記基板に、前記向き検出用固定電極が設けられている、
請求項８に記載の加速度センサ。

【請求項10】

前記向き検出用可動電極及び前記向き検出用固定電極は、前記基板の厚さ方向位置が重複する重複領域と、前記基板の厚さ方向位置が重複しない非重複領域とを有している、
請求項９に記載の加速度センサ。

【請求項11】

前記基板の厚さ方向である第１方向の加速度を検出する第１センサ素子と、
前記第１方向に直交する第２方向の加速度を検出する第２センサ素子と、
を備え、
前記第２センサ素子は、前記第１質量部に設けられた加速度検出用可動電極と、前記基板に設けられた加速度検出用固定電極とを有し、
前記向き検出用可動電極及び前記向き検出用固定電極は、前記第２センサ素子の前記加速度検出用可動電極及び前記加速度検出用固定電極によって構成されている、
請求項９に記載の加速度センサ。

【請求項12】

前記基板の厚さ方向である第１方向の加速度を検出する第１センサ素子と、
前記第１方向に直交する第２方向の加速度を検出する第２センサ素子と、
前記第１方向及び前記第２方向に直交する第３方向の加速度を検出する第３センサ素子と、
を備え、
前記第２センサ素子及び前記第３センサ素子はそれぞれ、前記第１質量部に設けられた加速度検出用可動電極と、前記基板に設けられた加速度検出用固定電極とを有し、
前記向き検出用可動電極及び前記向き検出用固定電極は、前記第２センサ素子及び前記第３センサ素子の少なくとも一方の前記加速度検出用可動電極及び前記加速度検出用固定電極によって構成されている、
請求項９に記載の加速度センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、加速度センサに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、静電容量型ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）加速度センサが開示されている。前記加速度センサは、表面上に電極が形成された第１半導体基板と、電極に対向して配置されるウェート部を有して第１半導体基板に接合された第２半導体基板とを備え、第１及び第２半導体基板の厚さ方向に対向する電極とウェート部との間の静電容量を検出して前記厚さ方向の加速度を検出するように構成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平８－２８５８８４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

前記特許文献１に記載の加速度センサでは、第１半導体基板上に電極が形成されることから、モールドパーケージされる場合にパーケージに応力が生じると、電極とウェート部との間の静電容量に悪影響を及ぼし、センサの信頼性を低下させるおそれがある。前記加速度センサではまた、第１半導体基板と第２半導体基板とが接合層としてのガラス層を用いて接合されることから、接合層の高さ精度によっては電極とウェート部との間の静電容量に悪影響を及ぼし、センサの信頼性を低下させるおそれがある。

【0005】

これに対し、静電容量型ＭＥＭＳ加速度センサとして、基板に移動可能に支持された慣性質量部と、慣性質量部に形成された櫛歯状の可動電極と、可動電極に噛み合うように基板に支持された櫛歯状の固定電極とを備え、慣性質量部の変位に応じて基板の厚さ方向に変位する可動電極と固定電極との間の静電容量を検出して基板の厚さ方向の加速度を検出するものが考えられている。

【0006】

このような加速度センサでは、１つの基板に固定電極及び可動電極が支持されることから、接合層による悪影響を抑制することができ、またパッケージに応力が生じる場合においても固定電極及び可動電極の間の静電容量に悪影響を及ぼすことを抑制することができる。このように、基板に移動可能に支持された質量部と互いに噛み合う櫛歯状の可動電極及び固定電極とを備え、基板の厚さ方向の加速度を検出する加速度センサでは、センサの感度を向上させることが望まれている。

【0007】

本開示は、センサの感度を向上させることができる加速度センサを提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示は、基板と、前記基板に前記基板の厚さ方向に移動可能に支持された第１質量部と、前記第１質量部を前記基板に支持する梁部と、を備え、前記梁部は、前記第１質量部より質量が小さい第２質量部と、前記第１質量部と前記第２質量部とを連結する第１バネ部と、前記第１バネ部よりばね定数が小さく前記第２質量部と前記基板とを連結する第２バネ部とを有し、前記第２質量部に、前記基板の厚さ方向の加速度を検出するセンサ素子の可動電極が設けられ、前記基板に、前記センサ素子の固定電極が設けられている、加速度センサを提供する。

【0009】

本開示によれば、加速度センサに基板の厚さ方向の加速度が作用するとき、基板に対して第１質量部が基板の厚さ方向に変位される。第１質量部の変位に伴って、第２質量部が第１質量部より質量が小さく第２バネ部が第１バネ部よりばね定数が小さいので、第２質量部が、基板の厚さ方向に直交する方向において第１質量部に近づく方向に変位される。第２質量部及び基板にそれぞれ形成された可動電極及び固定電極を基板の厚さ方向に直交する方向に対向して配置することで、基板の厚さ方向に直交する方向に変位する可動電極と固定電極との間の静電容量を検出して基板の厚さ方向の加速度を検出することができ、基板の厚さ方向に変位する可動電極と固定電極との間の静電容量を検出する場合に比して、センサの感度を向上させることができる。

【0010】

基板の厚さ方向に変位する可動電極と固定電極との間の静電容量の変化を検出して基板の厚さ方向の加速度を検出する加速度センサは、加速度に応じて電極間の重なる面積が可変する電極間面積可変型の加速度センサである。この場合、変位量に対する容量変化量の割合に比例する容量感度はε・Ｓ／ｄ（ε：誘電率、Ｓ：電極間面積、ｄ：電極間距離）として表すことができ、電極間面積を大きくしたり電極間距離を小さくしたりすることで大きくすることが可能であるが、容量感度の増加に比例して容量自体も増加するため、容量変化量に対する容量感度の割合に比例するＳ／Ｎ比（信号対雑音比）を向上させることができない。

【0011】

本開示による、基板の厚さ方向に直交する方向に変位する可動電極と固定電極との間の静電容量の変化を検出して基板の厚さ方向の加速度を検出する加速度センサは、加速度に応じて電極間の距離が可変する電極間距離可変型の加速度センサである。この場合、変位量に対する容量変化量の割合に比例する容量感度はε・Ｓ／ｄ^２（ε：誘電率、Ｓ：電極間面積、ｄ：電極間距離）として表すことができ、電極間距離を小さくすることで電極間距離の二乗に反比例して大きくすることが可能であり、容量自体の増加よりも容量感度を増加させることができ、容量変化量に対する容量感度の割合に比例するＳ／Ｎ比を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、本開示の第１実施形態に係る加速度センサの平面図である。

【図2】図２は、図１のII－II線に沿う加速度センサの断面図である。

【図3】図３は、図１のIII－III線に沿う加速度センサの断面図である。

【図4】図４は、図１に示す加速度センサの要部拡大図である。

【図5】図５は、静止時の第１質量部及び梁部を示す図である。

【図6】図６は、加速度作用時の第１質量部及び梁部を示す図である。

【図7】図７は、図４のVII－VII線に沿う加速度センサの断面図である。

【図8】図８は、本開示の第２実施形態に係る加速度センサの平面図である。

【図9】図９は、図８のIX－IX線に沿う加速度センサの断面図である。

【図10】図１０は、図８に示す加速度センサの要部拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本開示の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。

【0014】

図１は、本開示の第１実施形態に係る加速度センサの平面図である。図１に示すように、第１実施形態に係る加速度センサ１は、静電容量型ＭＥＭＳ加速度センサであり、センサ素子２を有する基板１０を備えている。基板１０として、不純物をドーピングして導電性を付与した単結晶シリコン基板などの半導体基板が用いられる。加速度センサ１は、半導体微細加工技術を用いて基板１０を加工して製造される。

【0015】

基板１０には、図示されていないが、複数のパッド部が設けられている。パッド部は、外部の電子部品などに接続され、センサ素子に電気信号を入力したりセンサ素子の電気信号を出力したりするようになっている。基板１０には、図示されていないが、パッド部とセンサ素子とを電気的に接続する配線が設けられている。

【0016】

以下では、基板１０の表面に沿う所定方向をＸ方向とし、基板１０の表面に沿うとともにＸ方向と直交する方向をＹ方向とし、基板１０の表面に直交する基板１０の厚さ方向をＺ方向とする。図１では、Ｚ方向一方側から見た基板１０を示している。

【0017】

図２は、図１のII－II線に沿う加速度センサの断面図である。図３は、図１のIII－III線に沿う加速度センサの断面図である。加速度センサ１は、基板１０に、Ｚ方向に作用する加速度を検出するセンサ素子２を有している。

【0018】

基板１０は、図２及び図３に示すように、表面である第１主面１０ａと第１主面１０ａの反対側の裏面である第２主面１０ｂとを有し、Ｚ方向に所定厚さを有している。基板１０は、平面視で、Ｘ方向に延びる２辺とＹ方向に延びる２辺とを有して矩形状に形成されている。

【0019】

基板１０は、図１に示すように、中央側にセンサ素子２に対応して第１主面１０ａに一部が露出する空洞１２を有している。空洞１２は、第１主面１０ａからＺ方向に略直方体状に窪んで形成され、底壁部１２ａと底壁部１２ａからＺ方向に延在する側壁部１２ｂとを有している。

【0020】

加速度センサ１は、基板１０にＺ方向に移動可能に支持された第１質量部２０と、第１質量部２０を基板１０に支持する梁部３０とを備えている。第１質量部２０及び梁部３０は、基板１０の一部によって形成されている。基板１０には、第１質量部２０及び梁部３０を支持する支持部１３が設けられている。

【0021】

支持部１３は、センサ素子２の周囲を囲むように平面視で略四角形状に環状に形成されている。支持部１３の内周面は、空洞１２の側壁部１２ｂによって構成されている。第１質量部２０及び梁部３０は、空洞１２内に配置され、空洞１２内に浮いた状態で支持部１３に支持されている。

【0022】

第１質量部２０は、質量ｍ１を有し、平面視でＸ方向に延びる２辺とＹ方向に延びる２辺とを有して略矩形状に形成されている。第１質量部２０は、Ｚ方向に略同一断面形状を有し、Ｚ方向に所定厚さを有している。第１質量部２０は、４つの梁部３０によって支持部１３に支持されている。４つの梁部３０は、平面視で第１質量部２０の周囲に均等に配置され、第１質量部２０の周囲に９０度ごとに分散して配置されている。

【0023】

第１質量部２０のＸ方向他方側に梁部３０ａが配置され、第１質量部２０のＹ方向他方側に梁部３０ｂが配置され、第１質量部２０のＸ方向一方側に梁部３０ｃが配置され、第１質量部２０のＹ方向一方側に梁部３０ｄが配置されている。２つの梁部３０ａ、３０ｃは、第１質量部２０を挟んで対称に形成され、２つの梁部３０ｂ、３０ｄは、第１質量部２０を挟んで対称に形成されている。４つの梁部３０は、平面視で９０度回転して略同様に構成されている。

【0024】

図４は、図１に示す加速度センサの要部拡大図である。図４に示すように、梁部３０は、第２質量部４０と、第１質量部２０と第２質量部４０とを連結する第１バネ部３１と、第２質量部４０と基板１０とを連結する第２バネ部３２とを有している。第１バネ部３１、第２質量部４０及び第２バネ部３２は、第１質量部２０から直線状に延びるように配置されている。

【0025】

第２質量部４０は、質量ｍ２を有し、平面視でＸ方向に延びる２辺とＹ方向に延びる２辺とを有して略矩形状に形成されている。第２質量部４０は、Ｚ方向に略同一断面形状を有し、Ｚ方向に第１質量部２０と同様の所定厚さを有している。第２質量部４０は、第１質量部２０より質量が小さく、具体的には第１質量部２０より質量が十分に小さく形成されている。第２質量部４０は、平面視における面積が第１質量部２０より小さく形成され、第１質量部２０より質量が小さく形成されている。第１質量部２０の質量ｍ１に対する第２質量部４０の質量ｍ２の割合（ｍ２／ｍ１）は、例えば１／１０に設定される。

【0026】

第１バネ部３１は、ばね定数ｋ１を有し、梁部３０が第１質量部２０から直線状に延びる方向に伸縮可能に構成されている。第１バネ部３１は、平面視で所定幅Ｗ１を有する線状に形成され、梁部３０が直線状に延びる方向に直交する方向に複数回（図４では１２回）折り返されて形成されている。第１バネ部３１は、Ｚ方向に略同一断面形状を有し、Ｚ方向に第２質量部４０と同様の所定厚さを有している。

【0027】

第２バネ部３２は、ばね定数ｋ２を有し、梁部３０が第１質量部２０から直線状に延びる方向に伸縮可能に構成されている。第２バネ部３２は、平面視で所定幅Ｗ２を有する線状に形成され、梁部３０が直線状に延びる方向に直交する方向に複数回（図４では１２回）折り返されて形成されている。第２バネ部３２は、Ｚ方向に略同一断面形状を有し、Ｚ方向に第２質量部４０と同様の所定厚さを有している。

【0028】

第２バネ部３２は、第１バネ部３１よりばね定数が小さく、具体的には第１バネ部３１よりばね定数が十分に小さく形成されている。第２バネ部３２は、平面視における所定幅Ｗ２が第１バネ部３１の所定幅Ｗ１より小さく形成され、第１バネ部３１よりばね定数が小さく形成されている。第１バネ部３１のばね定数ｋ１に対する第２バネ部３２のばね定数ｋ２の割合（ｋ２／ｋ１）は、例えば１／１０に設定される。

【0029】

梁部３０は、第１バネ部３１、第２質量部４０及び第２バネ部３２を介して第１質量部２０を基板１０の支持部１３に支持するようになっている。梁部３０では、第２質量部４０は、第１質量部２０より質量が小さく形成され、第２バネ部３２は、第１バネ部３１よりばね定数が小さく形成されている。

【0030】

図５は、静止時の第１質量部及び梁部を示す図である。図６は、加速度作用時の第１質量部及び梁部を示す図である。図５及び図６では、図４のV－V線に沿う加速度センサ１の断面を示している。図５に示すように、加速度センサ１に加速度が作用していない静止時には、第１質量部２０及び第２質量部４０は、Ｚ方向一方側の表面が基板１０の第１主面１０ａとＺ方向位置が同じになるように配置されている。

【0031】

図６に示すように、加速度センサ１にＺ方向の加速度が作用する加速度作用時には、加速度に応じて、梁部３０によってＺ方向に移動可能に支持された第１質量部２０が基板１０に対してＺ方向に相対的に変位される。図６では、二点鎖線で示す静止時の第１質量部２０から実線で示す加速度作用時の第１質量部２０にＺ方向に変位される。

【0032】

梁部３０では、第２質量部４０が第１質量部２０より質量が小さく第２バネ部３２が第１バネ部３１よりばね定数が小さいので、第１質量部２０の変位に伴って、第２質量部４０が、Ｚ方向に直交する方向において第１質量部２０に近づく方向に変位される。梁部３０ａでは、第２質量部４０がＸ方向一方側に変位され、梁部３０ｂでは、第２質量部４０がＹ方向一方側に変位され、梁部３０ｃでは、第２質量部４０がＸ方向他方側に変位され、梁部３０ｄでは、第２質量部４０がＹ方向他方側に変位される。

【0033】

図６では、加速度センサ１にＺ方向一方側への加速度が作用した場合を示しているが、加速度センサ１にＺ方向他方側への加速度が作用する場合についても、加速度に応じて、第１質量部２０が基板１０に対してＺ方向に相対的に変位され、第２質量部４０が、Ｚ方向に直交する方向において第１質量部２０に近づく方向に変位される。

【0034】

図４に示すように、加速度センサ１は、Ｚ方向の加速度を検出するセンサ素子２の加速度検出用可動電極５１と、基板１０の厚さ方向の加速度を検出するセンサ素子２の加速度検出用固定電極５２とを備えている。可動電極５１は、第２質量部４０に固定して設けられ、固定電極５２は、基板１０の支持部１３に固定して設けられている。可動電極５１は、固定電極５２に対してＺ方向に直交する方向に変位可能とされる。

【0035】

可動電極５１は、可動電極部５１ａを有している。可動電極部５１ａは、平面視において、梁部３０が第１質量部２０から直線状に延びる方向に直交する方向に直線状に延びている。可動電極部５１ａは、梁部３０が直線状に延びる方向に等間隔に離間して櫛歯状に形成されている。可動電極部５１ａは、Ｚ方向に同一断面形状を有し、Ｚ方向に所定厚さを有している。

【0036】

固定電極５２は、固定電極部５２ａと、固定電極部５２ａに接続されるとともに基板１０の支持部１３に接続されるベース部５２ｂとを有している。固定電極部５２ａは、平面視において、梁部３０が第１質量部２０から直線状に延びる方向に直交する方向に直線状に延び、可動電極部５１ａと互いに接触しない状態で互いに噛み合うように対向して配置されている。固定電極部５２ａは、Ｚ方向に同一断面形状を有し、Ｚ方向に所定厚さを有している。

【0037】

図１に示すように、センサ素子２の可動電極５１及び固定電極５２は、４つの梁部３０にそれぞれ対応して設けられている。４つの梁部３０に設けられる可動電極５１及び固定電極５２は、略同様に構成されている。固定電極５２のベース部５２ｂには、固定電極５２と基板１０の支持部１３とを電気的に分離するとともに機械的に連結する分離部１４が設けられている。分離部１４は、酸化シリコンなどによって形成されている。

【0038】

前述したように、加速度センサ１にＺ方向の加速度が作用する場合、加速度に応じて、第１質量部２０が基板１０に対してＺ方向に相対的に変位され、第２質量部４０が、Ｚ方向に直交する方向において第１質量部２０に近づく方向に変位される。これによって、可動電極５１と固定電極５２との間の静電容量が変化する。センサ素子２は、可動電極５１と固定電極５２との間の静電容量の変化を検出して電気信号として取り出すことでＺ方向の加速度、具体的にはＺ方向の加速度の大きさを検出するようになっている。

【0039】

加速度センサ１は、Ｚ方向における加速度の向きを検出する向き検出機構６０を備えている。向き検出機構６０は、Ｚ方向の加速度の向きを検出する向き検出用可動電極６１及び向き検出用固定電極６２を備えている。

【0040】

可動電極６１は、第１質量部２０に固定して設けられ、固定電極６２は、基板１０の支持部１３に固定して設けられている。可動電極６１は、固定電極６２に対してＺ方向に変位可能とされている。加速度センサ１では、第１質量部２０のＹ方向他方側において、可動電極６１は、第１質量部２０のＸ方向両側に形成され、固定電極６２は、可動電極６１にそれぞれ対応して形成されている。

【0041】

可動電極６１は、図４に示すように、可動電極部６１ａを有している。可動電極部６１ａは、平面視において、第１質量部２０からＹ方向に直線状に延びている。可動電極６１は、Ｚ方向に同一断面を有し、Ｚ方向に所定厚さを有している。

【0042】

固定電極６２は、固定電極部６２ａと、固定電極部６２ａに接続されるとともに基板１０の支持部１３に接続されるベース部６２ｂとを有している。固定電極部６２ａは、平面視において、Ｙ方向に直線状に延びている。固定電極部６２ａは、可動電極部６１ａと互いに接触しない状態で噛み合うように対向して配置されている。固定電極６２は、Ｚ方向に同一断面を有し、Ｚ方向に所定厚さを有している。

【0043】

図７は、図４のVII－VII線に沿う加速度センサの断面図である。図７に示すように、固定電極６２は、可動電極６１よりＺ方向に厚く形成され、可動電極６１よりもＺ方向他方側に長く形成されている。可動電極６１及び固定電極６２は、Ｚ方向位置が重複する重複領域Ｓ１と、Ｚ方向位置が重複しない非重複領域Ｓ２とを有している。なお、可動電極６１を、固定電極６２よりもＺ方向他方側に長く形成し、可動電極６１及び固定電極６２を重複領域Ｓ１と非重複領域Ｓ２とを有するようにしてもよい。

【0044】

加速度センサ１にＺ方向一方側への加速度が作用する場合、第１質量部２０が基板１０に対してＺ方向他方側に変位され、可動電極６１は、図７の一点鎖線で示すように固定電極６２に対してＺ方向他方側に変位される。これにより、可動電極６１及び固定電極６２の重複領域Ｓ１が維持され、可動電極６１と固定電極６２との間の静電容量が維持される。

【0045】

一方、加速度センサ１にＺ方向他方側への加速度が作用する場合、第１質量部２０が基板１０に対してＺ方向一方側に変位され、可動電極６１は、図７の破線で示すように固定電極６２に対してＺ方向一方側に変位される。これにより、可動電極６１及び固定電極６２の重複領域Ｓ１が小さくされ、可動電極６１と固定電極６２との間の静電容量が小さくされる。向き検出機構６０は、可動電極６１と固定電極６２との間の静電容量の変化を検出して電気信号として取り出すことでＺ方向の加速度の向きを検出するようになっている。

【0046】

次に、加速度センサ１の製造方法について説明する。
加速度センサ１の製造では、基板１０が準備される。基板１０には、分離部１４に対応する部分が除去されてトレンチが形成される。トレンチ形成後に、熱酸化膜によってトレンチが熱酸化され、分離部１４が形成される。

【0047】

次に、ＣＶＤ法によって、分離部１４及び基板１０の第１主面１０ａ上に絶縁膜として酸化シリコン膜が形成され、フォトリソグラフィ及びエッチングによって、配線に対応する部分を残すように、またコンタクト孔が形成されるように酸化シリコン膜がパターニングされる。そして、コンタクト孔が、タングステンなどの金属で埋め尽くされてコンタクトが形成され、コンタクト形成後には、配線及びパッド部が形成される。

【0048】

次に、ＣＶＤ法によって、基板１０上に酸化シリコン膜が形成され、フォトリソグラフィ及び異方性エッチングによって基板１０がパターニングされ、図４に示すように、第１質量部２０及び梁部３０、並びに可動電極５１、６１及び固定電極５２、６２を残すようにトレンチが形成される。その後に、等方性エッチングによって前記トレンチが深く形成されるとともに、基板１０の第１主面１０ａに平行な方向にエッチングされ、第１主面１０ａに一部が露出する空洞１２が形成されるとともに空洞１２内に第１質量部２０及び梁部３０、並びに可動電極５１，６１及び固定電極５２、６２が浮いた状態で配置される。

【0049】

このようにして、基板１０に、基板１０の厚さ方向に移動可能に支持された第１質量部２０と、第１質量部２０を基板１０に支持する梁部３０とが設けられ、梁部３０は、第２質量部４０と第１バネ部３１と第２バネ部３２とを有している。第１質量部２０には、向き検出機構６０の可動電極６１が設けられ、基板１０に、向き検出機構６０の固定電極６２が設けられ、第２質量部４０に、センサ素子２の可動電極５１が設けられ、基板１０に、センサ素子２の固定電極５２が設けられる。

【0050】

加速度センサ１は、１つの梁部３０を備えるようにしてもよいが、複数の梁部３０を備えることが好ましい。複数の梁部３０は、平面視で第１質量部２０の周囲に均等に配置されることが好ましい。加速度センサ１は、２つの梁部３０ａ、３０ｂのみを備えるようにしてもよく、２つの梁部３０ｂ、３０ｄのみを備えるようにしてもよい。

【0051】

第２質量部４０は、平面視における表面積が第１質量部２０より小さくされて第１質量部２０より質量が小さくされているが、他の方法によって第１質量部２０より質量を小さくしてもよい。第２バネ部３２は、平面視における幅が第１バネ部３１の幅より小さくされて第１バネ部３１よりばね定数が小さくされているが、他の方法によって第１バネ部３１よりばね定数を小さくしてもよい。

【0052】

このように、本実施形態に係る加速度センサ１は、基板１０に厚さ方向に移動可能に支持された第１質量部２０と、第１質量部２０を基板１０に支持する梁部３０とを備え、梁部３０は、第１質量部２０より質量が小さい第２質量部４０と、第１質量部２０と第２質量部４０とを連結する第１バネ部３１と、第１バネ部３１よりばね定数が小さく第２質量部４０と基板１０とを連結する第２バネ部３２とを有する。そして、第２質量部４０に、基板１０の厚さ方向の加速度を検出するセンサ素子２の可動電極５１が設けられ、基板１０に、センサ素子２の固定電極５２が設けられる。

【0053】

これにより、加速度センサ１に基板１０の厚さ方向の加速度が作用するとき、基板１０に対して第１質量部２０が基板１０の厚さ方向に変位される。第１質量部２０の変位に伴って、第２質量部４０が第１質量部２０より質量が小さく第２バネ部３２が第１バネ部３１よりばね定数が小さいので、第２質量部４０が、基板１０の厚さ方向に直交する方向において第１質量部２０に近づく方向に変位される。第２質量部４０及び基板１０にそれぞれ形成された可動電極５１及び固定電極５２を基板１０の厚さ方向に直交する方向に対向して配置することで、基板１０の厚さ方向に直交する方向に変位する可動電極５１と固定電極５２との間の静電容量を検出して基板１０の厚さ方向の加速度を検出することができ、基板の厚さ方向に変位する可動電極と固定電極との間の静電容量を検出する場合に比して、センサの感度を向上させることができる。

【0054】

基板の厚さ方向に変位する可動電極と固定電極との間の静電容量の変化を検出して基板の厚さ方向の加速度を検出する加速度センサは、加速度に応じて電極間の重なる面積が可変する電極間面積可変型の加速度センサである。この場合、変位量に対する容量変化量の割合に比例する容量感度はε・Ｓ／ｄ（ε：誘電率、Ｓ：電極間面積、ｄ：電極間距離）として表すことができ、電極間面積を大きくしたり電極間距離を小さくしたりすることで大きくすることが可能であるが、容量感度の増加に比例して容量自体も増加するため、容量変化量に対する容量感度の割合に比例するＳ／Ｎ比（信号対雑音比）を向上させることができない。

【0055】

基板１０の厚さ方向に直交する方向に変位する可動電極５１と固定電極５２との間の静電容量の変化を検出して基板１０の厚さ方向の加速度を検出する加速度センサ１は、加速度に応じて電極５１、５２間の距離が可変する電極間距離可変型の加速度センサ１である。この場合、変位量に対する容量変化量の割合に比例する容量感度はε・Ｓ／ｄ^２（ε：誘電率、Ｓ：電極間面積、ｄ：電極間距離）として表すことができ、電極間距離を小さくすることで電極間距離の二乗に反比例して大きくすることが可能であり、容量自体の増加よりも容量感度を増加させることができ、容量変化量に対する容量感度の割合に比例するＳ／Ｎ比を向上させることができる。

【0056】

また、可動電極５１は、櫛歯状に形成される可動電極部５１ａを有し、固定電極５２は、櫛歯状に形成される固定電極部５２ａを有している。これにより、櫛歯状に形成された可動電極部５１ａ及び固定電極部５２ａ間の静電容量を検出することで、基板１０の厚さ方向の加速度を検出することができる。

【0057】

また、可動電極部５１ａ及び固定電極部５２ａは、基板１０の厚さ方向に直交する方向に対向して配置されている。これにより、基板１０の厚さ方向に直交する方向に対向して配置された櫛歯状の可動電極部５１ａ及び固定電極部５２ａ間の静電容量を検出することで、基板１０の厚さ方向の加速度を検出することができる。

【0058】

また、基板１０は、表面１０ａに一部が露出する空洞１２を有し、第１質量部２０及び梁部３０は、空洞１２内に配置されるように基板１０に設けられている。これにより、第１質量部２０及び梁部３０を基板１０の空洞１２内に浮いた状態で配置することができ、加速度センサ１をコンパクトに構成することができる。

【0059】

また、加速度センサ１は、梁部３０を複数備え、複数の梁部３０は、平面視で第１質量部２０の周囲に均等に配置されている。これにより、第１質量部２０を１つの梁部によって支持する場合に比して、第１質量部２０を安定して支持させることができ、加速度を精度良く検出することができる。

【0060】

また、加速度センサ１は、梁部３０を２つ備え、２つの梁部３０は、第１質量部２０を挟んで対称に形成するようにしてもよい。これにより、第１質量部２０を挟んで対称に形成される２つの梁部３０を用いて第１質量部２０を安定して支持させることができ、加速度を精度良く検出することができる。

【0061】

また、加速度センサ１は、梁部３０を４つ備えている。これにより、第１質量部２０の周囲に均等に配置される４つの梁部３０を用いて第１質量部２０を安定して支持させることができ、加速度を精度良く検出することができる。

【0062】

また、基板１０の厚さ方向における加速度の向きを検出する向き検出機構６０を備えている。これにより、加速度センサ１に基板１０の厚さ方向に加速度が作用するときに、向き検出機構６０によって、基板１０の厚さ方向一方側への加速度であるか基板１０の厚さ方向他方側への加速度であるかを検出することができる。

【0063】

また、可動電極５１は、加速度検出用可動電極５１であり、固定電極５２は、加速度検出用固定電極５２であり、向き検出機構６０は、基板１０の厚さ方向における加速度の向きを検出する向き検出用可動電極６１及び向き検出用固定電極６２を備え、第１質量部２０に、向き検出用可動電極６１が設けられ、基板１０に、向き検出用固定電極６２が設けられている。これにより、第１質量部２０に形成された向き検出用可動電極６１と基板１０に形成された向き検出用固定電極６２との間の静電容量の変化を検出することで、基板１０の厚さ方向における加速度の向きを検出することができる。

【0064】

また、向き検出用可動電極６１及び向き検出用固定電極６２は、基板１０の厚さ方向位置が重複する重複領域Ｓ１と、基板１０の厚さ方向位置が重複しない非重複領域Ｓ２とを有している。これにより、基板１０の厚さ方向一方側への加速度が作用する場合と基板１０の厚さ方向他方側への加速度が作用する場合において、向き検出用可動電極６１及び向き検出用固定電極６２間の静電容量を変化させることができ、基板１０の厚さ方向における加速度の向きを検出することができる。

【0065】

図８は、本開示の第２実施形態に係る加速度センサの平面図である。図９は、図８のIX－IX線に沿う加速度センサの断面図である。図１０は、図８に示す加速度センサの要部拡大図である。第２実施形態に係る加速度センサ１０１は、第１実施形態に係る加速度センサ１に、Ｘ方向の加速度を検出するセンサ素子と、Ｙ方向の加速度を検出するセンサ素子とが備えられたものであり、同様の構成については説明を省略する。

【0066】

第２実施形態に係る加速度センサ１０１は、図８に示すように、加速度センサ１と同様に、Ｚ方向に移動可能に支持された第１質量部２０と、第１質量部２０を基板１０に支持する梁部３０とを備えている。梁部３０は、第１質量部２０より質量が小さい第２質量部４０と、第１質量部２０と第２質量部４０とを連結する第１バネ部３１と、第１バネ部３１よりばね定数が小さく第２質量部４０と基板１０とを連結する第２バネ部３２とを有している。そして、第２質量部４０に、Ｚ方向の加速度を検出するセンサ素子２の可動電極５１が設けられ、基板１０に、センサ素子２の固定電極５２が設けられている。

【0067】

加速度センサ１０１は、Ｚ方向における加速度の向きを検出する向き検出機構６０を備えている。向き検出機構６０は、第１質量部２０に設けられた向き検出用可動電極６１と基板１０の支持部１３に設けられた向き検出用固定電極６２とを備え、可動電極６１及び固定電極６２が重複領域Ｓ１と非重複領域Ｓ２とを有し、可動電極６１と固定電極６２との間の静電容量の変化を検出することでＺ方向の加速度の向きを検出できるようになっている。

【0068】

向き検出用可動電極６１は、第１質量部２０のＸ方向両側に設けられ、向き検出用固定電極６２は、向き検出用可動電極６１にそれぞれ対応して基板１０に固定して設けられている。可動電極６１はそれぞれ、櫛歯状に形成される可動電極部６１ａを有し、固定電極６２はそれぞれ、固定電極部６２ａとベース部６２ｂとを有している。

【0069】

加速度センサ１０１は、Ｚ方向の加速度を検出するセンサ素子２を有するとともに、Ｚ方向に直交するＸ方向の加速度を検出するセンサ素子３と、Ｚ方向に直交するとともにＸ方向に直交するＹ方向の加速度を検出するセンサ素子４を有している。

【0070】

加速度センサ１０１は、Ｘ方向の加速度を検出するセンサ素子３の加速度検出用可動電極６１と、Ｘ方向の加速度を検出するセンサ素子３の加速度検出用固定電極６２とを備えている。本実施形態では、センサ素子３の加速度検出用可動電極６１は、向き検出用可動電極６１によって構成され、センサ素子３の加速度検出用固定電極６２は、向き検出用固定電極６２によって構成されている。

【0071】

加速度検出用可動電極６１は、第１質量部２０のＹ方向他方側において、第１質量部２０のＸ方向両側に設けられている。加速度検出用固定電極６２は、第１質量部２０のＹ方向他方側において、第１質量部２０のＸ方向両側に設けられた加速度検出用可動電極６１にそれぞれ対応して基板１０に固定して設けられている。

【0072】

可動電極６１は、図１０に示すように、複数の可動電極部６１ａを有し、複数の可動電極部６１ａは、平面視において、Ｙ方向に直線状に延び、Ｘ方向に離間して櫛歯状に形成されている。可動電極６１は、Ｚ方向に同一断面を有し、Ｚ方向に所定厚さを有している。

【0073】

固定電極６２は、固定電極部６２ａと、固定電極部６２ａに接続されるとともに基板１０の支持部１３に接続されるベース部６２ｂとを有している。固定電極部６２ａは、平面視において、Ｙ方向に直線状に延びている。固定電極部６２ａは、可動電極部６１ａと互いに接触しない状態で噛み合うように配置されている。可動電極部６１ａと固定電極部６２ａとは、Ｘ方向に間隔を空けて対向して配置されている。固定電極６２は、Ｚ方向に同一断面を有し、Ｚ方向に所定厚さを有している。

【0074】

加速度センサ１０１に、Ｘ方向の加速度が作用する場合、加速度に応じて固定電極６２の固定電極部６２ａに対して可動電極６１の可動電極部６１ａがＸ方向に相対的に移動して、固定電極６２と可動電極６１との間の静電容量が変化する。センサ素子３は、固定電極６２と固定電極６２との間の静電容量の変化を検出して電気信号として取り出すことでＸ方向の加速度を検出できるようになっている。

【0075】

加速度センサ１０１は、Ｙ方向の加速度を検出するセンサ素子４の加速度検出用可動電極７１と、Ｙ方向の加速度を検出するセンサ素子４の加速度検出用固定電極７２とを備えている。

【0076】

加速度検出用可動電極７１は、第１質量部２０のＹ方向一方側において、第１質量部２０のＸ方向両側に設けられている。加速度検出用固定電極７２は、第１質量部２０のＹ方向一方側において、第１質量部２０のＸ方向両側に設けられた加速度検出用可動電極７１にそれぞれ対応して基板１０に固定して設けられている。

【0077】

可動電極７１は、図１０に示すように、複数の可動電極部７１ａと、複数の可動電極部７１ａに接続されるとともに第１質量部２０に接続されるベース部７１ｂとを有している。可動電極部７１ａは、平面視において、Ｘ方向に直線状に延び、Ｙ方向に離間して櫛歯状に形成されている。可動電極７１は、Ｚ方向に同一断面を有し、Ｚ方向に所定厚さを有している。

【0078】

固定電極７２は、固定電極部７２ａと、固定電極部７２ａに接続されるとともに基板１０の支持部１３に接続されるベース部７２ｂとを有している。固定電極部７２ａは、平面視において、Ｘ方向に直線状に延びている。固定電極部７２ａは、可動電極部７１ａと互いに接触しない状態で噛み合うように配置されている。可動電極部７１ａと固定電極部７２ａとは、Ｙ方向に間隔を空けて対向して配置されている。固定電極７２は、Ｚ方向に同一断面を有し、Ｚ方向に所定厚さを有している。固定電極７２及び可動電極７１は、Ｚ方向に同一の厚さを有し、Ｚ方向位置が重複する重複領域Ｓ１のみを有している。

【0079】

加速度センサ１０１に、Ｙ方向の加速度が作用する場合、加速度に応じて固定電極７２の固定電極部７２ａに対して可動電極７１の可動電極部７１ａがＹ方向に相対的に移動して、固定電極７２と可動電極７１との間の静電容量が変化する。センサ素子４は、固定電極７２と可動電極７１との間の静電容量の変化を検出して電気信号として取り出すことでＹ方向の加速度を検出できるようになっている。

【0080】

加速度センサ１０１において、センサ素子４の加速度検出用可動電極７１及び加速度検出用固定電極７２を、Ｚ方向位置が重複する重複領域Ｓ１とＺ方向位置が重複しない非重複領域Ｓ２とを有するように形成し、向き検出用可動電極及び向き検出用固定電極を、センサ素子４の加速度検出用可動電極及び加速度検出用固定電極によって構成するようにしてもよい。また、向き検出用可動電極及び向き検出用固定電極を、センサ素子３及びセンサ素子４の加速度検出用可動電極及び加速度検出用固定電極によって構成するようにしてもよい。

【0081】

本実施形態に係る加速度センサ１０１についても、加速度センサ１に基板１０の厚さ方向の加速度が作用するとき、基板１０に対して第１質量部２０が基板１０の厚さ方向に変位され、第２質量部４０が、基板１０の厚さ方向に直交する方向において第１質量部２０に近づく方向に変位される。第２質量部４０及び基板１０に形成された可動電極５１及び固定電極５２を基板１０の厚さ方向に直交する方向に対向して配置することで、基板１０の厚さ方向に直交する方向に変位する可動電極５１と固定電極５２との間の静電容量を検出して基板１０の厚さ方向の加速度を検出することができ、基板の厚さ方向に変位する可動電極と固定電極との間の静電容量を検出する場合に比して、センサの感度を向上させることができる。

【0082】

加速度センサ１０１は、基板１０の厚さ方向である第１方向の加速度を検出する第１センサ素子２と、第１方向に直交する第２方向の加速度を検出する第２センサ素子３とを備え、第２センサ素子３は、第１質量部２０に設けられた加速度検出用可動電極６１と、基板１０に設けられた加速度検出用固定電極６２とを有し、向き検出用可動電極６１及び向き検出用固定電極６２は、第２センサ素子３の加速度検出用可動電極６１及び加速度検出用固定電極６２によって構成されている。

【0083】

これにより、基板１０の厚さ方向に直交する第２方向の加速度を検出する第２センサ素子３の加速度検出用可動電極６１及び加速度検出用固定電極６２を、基板１０の厚さ方向である第１方向の加速度の向きを検出する向き検出用可動電極６１及び向き検出用固定電極６２として兼用させることができ、向き検出用可動電極６１及び向き検出用固定電極６２を用いて基板１０の厚さ方向に直交する方向の加速度も検出することができる。

【0084】

加速度センサ１０１は、基板１０の厚さ方向である第１方向の加速度を検出する第１センサ素子２と、第１方向に直交する第２方向の加速度を検出する第２センサ素子３と、第１方向及び第２方向に直交する第３方向の加速度を検出する第３センサ素子４とを備え、第２センサ素子３及び第３センサ素子４はそれぞれ、第１質量部２０に設けられた加速度検出用可動電極５１と、基板１０に設けられた加速度検出用固定電極５２とを有する。向き検出用可動電極６１及び向き検出用固定電極６２は、第２センサ素子３及び第３センサ素子４の少なくとも一方の加速度検出用可動電極６１，７１及び加速度検出用固定電極６２，７２によって構成される。

【0085】

これにより、基板１０の厚さ方向に直交する第２方向の加速度を検出する第２センサ素子３、及び基板１０の厚さ方向に直交するとともに第２方向に直交する第３方向の加速度を検出する第３センサ素子４の少なくとも一方の加速度検出用可動電極６１，７１及び加速度検出用固定電極６２、７２を、基板１０の厚さ方向である第１方向の加速度の向きを検出する向き検出用可動電極及び向き検出用固定電極として兼用させて、基板１０の厚さ方向である第１方向、第１方向に直交する第２方向、第１方向及び第２方向に直交する第３方向の加速度を検出することができる。

【0086】

本開示は、例示された実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計上の変更が可能である。

【0087】

［付記１］
基板と、
前記基板に前記基板の厚さ方向に移動可能に支持された第１質量部と、
前記第１質量部を前記基板に支持する梁部と、
を備え、
前記梁部は、
前記第１質量部より質量が小さい第２質量部と、
前記第１質量部と前記第２質量部とを連結する第１バネ部と、
前記第１バネ部よりばね定数が小さく前記第２質量部と前記基板とを連結する第２バネ部とを有し、
前記第２質量部に、前記基板の厚さ方向の加速度を検出するセンサ素子の可動電極が設けられ、
前記基板に、前記センサ素子の固定電極が設けられている、
加速度センサ。
［付記２］
前記可動電極は、櫛歯状に形成された可動電極部を有し、
前記固定電極は、櫛歯状に形成された固定電極部を有している、
付記１に記載の加速度センサ。
［付記３］
前記可動電極部及び前記固定電極部は、前記基板の厚さ方向に直交する方向に対向して配置されている、
付記２に記載の加速度センサ。
［付記４］
前記基板は、表面に一部が露出する空洞を有し、
前記第１質量部及び前記梁部は、前記空洞内に配置されるように前記基板に設けられている、
付記１から付記３の何れか１項に記載の加速度センサ。
［付記５］
前記加速度センサは、前記梁部を複数備え、
複数の前記梁部は、平面視で前記第１質量部の周囲に均等に配置されている、
付記１から付記４の何れか１項に記載の加速度センサ。
［付記６］
前記加速度センサは、前記梁部を２つ備え、
２つの前記梁部は、前記第１質量部を挟んで対称に形成されている、
付記５に記載の加速度センサ。
［付記７］
前記加速度センサは、前記梁部を４つ備えている、
付記５に記載の加速度センサ。
［付記８］
前記基板の厚さ方向における加速度の向きを検出する向き検出機構を備えている、
付記１から付記７の何れか１項に記載の加速度センサ。
［付記９］
前記可動電極は、加速度検出用可動電極であり、
前記固定電極は、加速度検出用固定電極であり、
前記向き検出用機構は、前記基板の厚さ方向における加速度の向きを検出する向き検出用可動電極及び向き検出用固定電極を備え、
前記第１質量部に、前記向き検出用可動電極が設けられ、
前記基板に、前記向き検出用固定電極が設けられている、
付記８に記載の加速度センサ。
［付記１０］
前記向き検出用可動電極及び前記向き検出用固定電極は、前記基板の厚さ方向位置が重複する重複領域と、前記基板の厚さ方向位置が重複しない非重複領域とを有している、
付記９に記載の加速度センサ。
［付記１１］
前記基板の厚さ方向である第１方向の加速度を検出する第１センサ素子と、
前記第１方向に直交する第２方向の加速度を検出する第２センサ素子と、
を備え、
前記第２センサ素子は、前記第１質量部に設けられた加速度検出用可動電極と、前記基板に設けられた加速度検出用固定電極とを有し、
前記向き検出用可動電極及び前記向き検出用固定電極は、前記第２センサ素子の前記加速度検出用可動電極及び前記加速度検出用固定電極によって構成されている、
付記９又は付記１０に記載の加速度センサ。
［付記１２］
前記基板の厚さ方向である第１方向の加速度を検出する第１センサ素子と、
前記第１方向に直交する第２方向の加速度を検出する第２センサ素子と、
前記第１方向及び前記第２方向に直交する第３方向の加速度を検出する第３センサ素子と、
を備え、
前記第２センサ素子及び前記第３センサ素子はそれぞれ、前記第１質量部に設けられた加速度検出用可動電極と、前記基板に設けられた加速度検出用固定電極とを有し、
前記向き検出用可動電極及び前記向き検出用固定電極は、前記第２センサ素子及び前記第３センサ素子の少なくとも一方の前記加速度検出用可動電極及び前記加速度検出用固定電極によって構成されている、
付記９又は付記１０に記載の加速度センサ。

【符号の説明】

【0088】

１、１０１ 加速度センサ
２、３、４ センサ素子
１０ 基板
１２ 空洞
２０ 第１質量部
３０ 梁部
３１ 第１バネ部
３２ 第２バネ部
４０ 第２質量部
５１、６１、７１ 可動電極
５１ａ、６１ａ、７１ａ 可動電極部
５２、６２、７２ 固定電極
５２ａ、６２ａ、７２ａ 固定電極部
６０ 向き検出機構

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】