JP2011112455A - Ｍｅｍｓセンサー及びその製造方法並びに電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 占有面積の縮小、容量の増大、ブラウンノイズの低減及び可動部の質量の増大等の二律背反の要請をバランスよく満足して検出精度を向上することができるＭＥＭＳセンサー及びその製造方法並びに電子機器を提供すること。
【解決手段】 ＭＥＭＳセンサー１０は、固定部２０と、弾性変形部３０と、弾性変形部を介して固定部に連結され、周囲に空洞部が形成された可動錘部４０と、固定部に第１の方向Ａに沿って配列固定され、第１の方向と直交する第２の方向Ｂに沿って突出する複数の固定電極部５０と、可動錘部より第２の方向に沿って突出形成されて、複数の固定電極部５０にそれぞれ対向して配置され、第１の方向に沿って配列された複数の可動電極部６０とを有する。可動錘部４０は、複数の可動電極部と同一の層に形成され、複数の可動電極部を連結する連結部４２と、複数の可動電極部及び連結部とは異なる層に形成され、連結部に接続された付加錘部４６とを含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Sensor:マイクロエレクトロメカニカルセンサー）センサー及びその製造方法並びに電子機器等に関する。

一般的な静電容量型のＭＥＭＳ加速度センサーでは、櫛歯電極（櫛の歯状に配列された電極のことであり、具体的には、例えば、互いに対向する一組の電極が複数組、所定方向に配置された電極である）で構成される容量の変化を検出することによって、物理量としての加速度の変化を求める。

ＭＥＭＳ加速度センサーにおいて、ノイズの低減は特に重要な課題である。静電容量型のＭＥＭＳ加速度センサーのノイズ低減（すなわち、検出感度の向上）のためには、可動錘部の質量を大きくすることが有効である。

センサーの感度Ｓは、複数の可動／固定電極にて形成される電極コンデンサーの全容量をＣ０、弾性変形部０のばね定数をＫ、電極間ギャップをｄ０、可動部の質量をＭとすると、Ｓ＝Ｃ０／ｄ０・（Ｍ／Ｋ）［Ｆ／（ｍ／ｓｅｃ^２）］となる。つまり、可動部の質量Ｍが大きければ感度は向上するからである。

また、可動電極部と固定電極部は対向して配置されており、その高さをｈ、各電極が対向する長さをｒ、電極間ギャップをｄ０とする。可動電極部が動くことによって、コンデンサーのギャップｄ０が変化するとき、電極間の気体が上下に動き、その際に、気体（空気）の粘性によって可動電極部の移動に関してダンピング（可動電極部の振動（移動）を止めようとする働き）が生じる。ダンピングの大きさを示すダンピング係数（Ｄ）は、電極ペア数（固定電極部と可動電極部とによって構成される一対の電極ペアの数）をｎ、気体の粘性係数をμとすると、Ｄ＝ｎ・μ・ｒ（ｈ／ｄ０）^３［Ｎ・ｓｅｃ／ｍ］と表すことができる。つまり、ダンピング係数（Ｄ）は、電極部の高さ（ｈ）の３乗に比例し、また、ギャップｄ０の３乗の逆数に比例する。

なお、気体のブラウン運動によって可動電極部に力が働き、それが加速度等価のブラウンノイズとなる。このブラウンノイズ（ＢＮＥＡ）は、ボルツマン係数をｋ_Ｂ、絶対温度をＴとしたとき、ＢＮＥＡ＝（√（４ｋ_ＢＴＤ））／Ｍ［（ｍ／ｓｅｃ２）／√Ｈｚ］となり、この式の分子は可動電極部の高さ（ｈ）の三乗に比例するダンピング係数（Ｄ）の平方根に比例する。

特許文献１は、可動電極とは異なる層に重量部を配置して可動部の質量を大きくしているが、固定電極部と可動電極部とは積層構造体の積層方向にて面対向しており、固定電極部と可動電極部とが同一層に位置する本発明の構造とは根本的に異なる。

特開平１１−２４８７３９号公報

航空機、ロケット、車輌、ロボット、各種電子機器または人体等の姿勢制御等の用途として用いられるＭＥＭＳセンサーは、小型化が求められ、占有面積に制約が求められている。その一方で、可動電極部及び固定電極部の電極ペアで形成される容量の増大と、可動電極部及び可動錘部とを含む可動部の質量の増大とにより、検出精度の向上が求められている。

限られた占有面積の中で可動部の質量を増大させるには、可動電極部及び可動錘部の高さを大きくするしかないが、そうするとブラウンノイズが増大する。一方、限られた占有面積の中で容量を増大させるには、可動錘部より突出する可動電極部の長さを大きくするしかないが、そうすると可動部の質量が小さくなって感度が低下してしまう。

本発明の幾つかの態様によれば、検出精度を向上することができるＭＥＭＳセンサー及びその製造方法並びに電子機器を提供することができる。

本発明の一態様に係るＭＥＭＳセンサーは、
固定部と、
弾性変形部と、
前記弾性変形部を介して前記固定部に連結され、周囲に空洞部が形成された可動錘部と、
前記固定部に第１の方向に沿って配列固定され、前記第１の方向と直交する第２の方向に沿って突出する複数の固定電極部と、
前記可動錘部より前記第２の方向に沿って突出形成されて、前記複数の固定電極部にそれぞれ対向して配置され、前記第１の方向に沿って配列された複数の可動電極部と、
を有し、
前記可動錘部は、
前記複数の可動電極部と同一の層に形成され、前記複数の可動電極部を連結する連結部と、
前記複数の可動電極部及び前記連結部とは異なる層に形成され、前記連結部に接続された付加錘部と、
を有することを特徴とする。

本態様によれば、占有面積の縮小、容量の増大、ブラウンノイズの低減及び可動部の質量の増大等のうちの少なくとも一つの二律背反の要請をバランスよく満足して検出精度を向上することができる。

先ず、本発明の背景として、連結部と複数の可動電極部とを含む領域の占有面積の制約の中で、容量を大きく確保する必要がある。ブラウンノイズ対策から電極高さを大きくできないので、可動電極部が連結部より突出する突出長さ（第２の方向に沿った長さ）を大きくする必要がある。それにより、制約のある占有面積の中で櫛歯状の可動電極が占める面積が増え、連結部の面積は減る。

本発明の一態様では、以上の制約の中で、可動錘部の質量を増大させるために、複数の可動電極部及び連結部とは異なる層に形成された付加錘部を設け、この付加錘部を連結部に接続している。これにより、ブラウンノイズの対策上から可動電極部の高さを大きくしなくても、あるいは、容量確保の要請から可動電極部の突出長さを大きくしても、付加錘部により可動錘部の質量が増大され、検出精度を向上できる。

本発明の一態様では、前記付加錘部と前記連結部とを接続する第１の接続部をさらに有することができる。この場合、前記空洞部は、前記第１の方向及び前記第２の方向に直交する第３の方向にて前記複数の可動電極部と前記付加錘部との間の領域であって、前記第１の接続部を除く領域まで延在することができる。これにより、可動電極部の高さ方向（第３の方向）の両端が開放され、電極間の気体を第３の方向に逃してブラウンノイズを低減できる。これにより、検出精度はさらに向上する。

本発明の一態様では、前記複数の可動電極部の少なくとも一つと前記付加錘部とを接続する第２の接続部をさらに有することができる。この場合、前記空洞部は、前記第３の方向にて前記複数の可動電極部と前記付加錘部との間の領域であって、前記第１の接続部及び前記第２の接続部を除く領域まで延在されるので、同様にブラウンノイズを低減でき、検出精度が向上する。

本発明の一態様では、前記複数の可動電極部は、前記連結部の両側にてそれぞれ突出形成され、前記第１の方向と直交する縦断面での前記付加錘部の幅は、前記第１の方向と直交する縦断面での前記連結部の幅よりも大きくすることができる。こうすると、図１のように連結部と複数の可動電極部とがフィッシュボーン（魚の骨）形状となり、その部分の質量は大幅に低下するが、付加錘部により可動錘部の質量が増大され、検出精度を向上できる。

本発明の一態様では、前記第１の方向と直交する縦断面での前記付加錘部の幅は、前記第１の方向と直交する縦断面での前記連結部及び該連結部の両側の２つの可動電極部の全幅よりも短くすることができる。こうして、付加錘部は、連結部及び複数の可動電極部の占有面積内におさまる範囲で、可動錘部の増大に寄与させることができるので、感度が向上する。

本発明の一態様では、前記第１の方向と直交する縦断面での前記付加錘部の高さは、前記第１の方向と直交する縦断面での前記連結部の高さよりも大きくすることができる。付加錘部の高さは占有面積を増大させず、しかもダンピングとも無関係であるので、連結部及び複数の可動電極部の占有面積内におさまる範囲で、可動錘部の増大に寄与させることができ、感度が向上する。

本発明の一態様では、前記弾性変形部は、前記固定部と前記付加錘部とを連結することができる。弾性変形部は、固定部と連結部とを連結しても良いが、固定部と付加錘部とを連結することで、可動錘部の重心が位置する付加錘部を弾性変形部によって支持することで、可動錘部に検出方向（第１の方向）以外の力が作用しても、ローリング等の第１の方向以外の変位を低減できる。これにより、検出精度はさらに向上する。

本発明の一態様では、前記第１の方向及び前記第２の方向に直交する第３の方向を重力方向とした時、前記複数の固定電極部及び前記複数の可動電極部のいずれか一方は、前記複数の固定電極部及び前記複数の可動電極部のいずれか他方よりも上方及び下側にそれぞれ突出した上側マージン部及び下側マージン部を有することができる。こうすると、可動錘部に検出方向（第１の方向）以外の力が作用して、ローリング等の第１の方向以外の変位が可動錘部に作用したとしても、可動電極部と固定電極部の電極ペアでの対向面積は変化しない。これにより、ローリング等に起因したノイズを低減でき、検出精度が向上する。

本発明の一態様によれば、前記複数の固定電極部及び前記複数の可動電極部のいずれか一方は、前記下側マージン部の突出量が前記上側マージン部の突出量よりも大きい領域を部分的に有することができる。

このことは、可動錘部及び／又は可動電極部の自重による撓みを考慮している。設計値として、下側マージン部のマージン量を上側マージン部のマージン量よりも大きく設定する。こうすると、可動錘部及び／又は可動電極部の自重による最大撓み位置では、結果として上側マージン量＝下側マージン量に近づけることができる。可動錘部の自重による最大撓み位置とは、弾性変形部から最も遠い位置であると想定される。可動電極部の自重による最大撓み位置とは、可動電極部が連結部に連結される基端部から最も離れた自由端部であると想定される。自重による撓みが小さい部分では、設計値通りに、下側マージン部のマージン量が上側マージン部のマージン量よりも大きいままとなる。撓みの少ない位置でも、ローリング等によって仮に可動電極部が上下方向に変位しても、固定電極部の上側マージン部及び下側マージン部の一方と可動電極部とが対向するように、各マージン量を設定すれば良い。

本発明の他の態様に係る電子機器は、上記いずれかのＭＥＭＳセンサーを含むことができきる。本態様のＭＥＭＳセンサーは上述した通り検出精度を向上できるので、このＭＥＭＳセンサーを搭載する電子機器も同様の効果を享受では、航空機、ロケット、車輌、ロボットなどＭＥＭＳセンサーを搭載した電子機器自身の姿勢制御や、または電子機器を装着した人体等の姿勢制御などを精度よく実現できる。

本発明の他の態様に係るＭＥＭＳセンサーの製造方法は、
固定部と、弾性変形部と、前記弾性変形部を介して前記固定部に連結され、周囲に空洞部が形成された可動錘部と、前記固定部に第１の方向に沿って配列固定され、前記第１の方向と直交する第２の方向に沿って突出する複数の固定電極部と、前記可動錘部より前記第２の方向に沿って突出形成されて、前記複数の固定電極部にそれぞれ対向して配置され、前記第１の方向に沿って配列された複数の可動電極部と、を有するＭＥＭＳセンサーの製造方法であって、
中間層及び機能層が順次積層された支持基板の前記機能層をエッチングして、前記機能層で形成される前記固定部、前記弾性変形部、前記複数の固定電極部、前記複数の可動電極部及び前記複数の可動電極部を連結する連結部のそれぞれについて、平面視での輪郭をそれぞれ形状出しする第１工程と、
前記支持基板をエッチングして、前記支持基板で形成される前記固定部及び前記連結部に接続される付加錘部のそれぞれについて、裏面視での輪郭を形状出しする第２工程と、
前記第１工程及び前記第２工程後に、前記連結部及び前記付加錘部を接続する接続部と前記固定部の領域にて前記中間層を残して、それ以外の前記中間層を等方性エッチングする第３工程と、
を有することを特徴とする。

このような第１〜第３工程により、本発明の一態様に係るＭＥＭＳセンサーを好適に製造することができる。なお、第１工程と第２工程の順番は問わない。

本発明の第１実施形態に係るＭＥＭＳセンサー（一軸加速度センサー）の平面図である。 図１中の可動電極部を含むＭＥＭＳセンサーの縦断面図である。 第２の接続部を増設したＭＥＭＳセンサーの縦断面図である。 図１中の弾性変形部を含むＭＥＭＳセンサーの縦断面図である。 図１に示す可動電極部と固定電極部の各高さの関係を示す図である。 静電容量型加速度センサーの回路部の構成例を示す図である 図７（Ａ）〜図７（Ｃ）は、Ｑ／Ｖ変換回路の構成と動作の一例を説明するための図である。 図８（Ａ）〜図８（Ｈ）は、図１に示すＭＥＭＳセンサー１０の製造工程を示す図である。 上蓋及び下蓋を含むセンサーの概略断面図である。 本発明の第２実施形態に係る二軸加速度センサーの平面図である。 本発明の第３実施形態に係るジャイロセンサーの平面図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。

１．第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態に係るＭＥＭＳセンサー（ここでは静電容量型ＭＥＭＳ加速度センサーとする）の構造の一例を示す平面図である。図２は、図１中の可動電極部を含むＭＥＭＳセンサーの縦断面図である。

（全体構成）
以下の説明において、図２に示すＭＥＭＳセンサー１０の基本積層構造である支持基板１１、中間層１２及び機能層１３は、例えばＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板１４を用いることができるが、これに限定されない。本実施形態ではＳＯＩ基板１４を用い、支持基板１１はシリコン、中間層１２はＳｉＯ２、機能層１３はＳＯＩ基板１４の活性層であるシリコンである。なお、本実施形態では、機能層１３は不純物がドーピングされて、固定電極または可動電極としての導電機能が確保されているものとする。ＳＯＩ基板１４を用いる場合も用いない場合も、機能層１３の材質自体を電極として用いるものに限らず、機能層１３の最外層に導電層を設けるものでも良い。その際、導電層の下地層として絶縁層を設け、機能層１３と導電層とを絶縁分離しても良い。また、中間層１２は等方性エッチングに適した材料であればよく、必ずしも絶縁材料に限定されない。支持基板１１は支持機能があればよく材質は不問である。

ＭＥＭＳセンサー１０は、図１に示すように、固定部２０と、弾性変形部３０と、可動錘部４０と、複数の固定電極部５０と、複数の可動電極部６０とを有することができる。固定部２０は、弾性変形部３０と、可動錘部４０と、複数の固定電極部５０と、複数の可動電極部６０の四方を囲むように枠状に形成することができる。可動錘部４０は、弾性変形部３０を介して固定部２０に連結され、周囲に空洞部７０が形成されている。複数の固定電極部５０は、固定部２０に第１の方向Ａに沿って配列固定され、第１の方向Ａと直交する第２の方向Ｂに沿って突出している。複数の可動電極部６０は、可動錘部４０より第２の方向Ｂに沿って突出形成されて、複数の固定電極部５０にそれぞれ対向して配置され、第１の方向Ａに沿って配列されている。

ここで、本実施形態では、図１に示すように一つの可動電極部６１に対して、例えば第１の方向Ａでの両側に２つの固定電極部５１，５２を有する。そして、可動錘部４０が慣性力によって第１の方向Ａに移動すると、一つの可動電極部６０の両側の電極間ギャップが変動するので、この電極間ギャップの変動を容量変化として検出することで、慣性力の方向と大きさを検出することができる。この意味で、ＭＥＭＳセンサー１０は慣性センサーとも称することができる。

具体的には、可動錘部４０が図１中の矢印Ａ１方向に移動すると、可動電極部６１と固定電極部５１との電極間ギャップは狭まり、可動電極部６１と固定電極部５２との電極間ギャップは広がる。逆に、可動錘部４０が図１中の矢印Ａ２方向に移動すると、可動電極部６１と固定電極部５１との電極間ギャップは広がり、可動電極部６１と固定電極部５２との電極間ギャップは狭まる。この電極間ギッャプの変化を容量変化として検出することができる。つまり、可動電極部６１は一方の容量素子であり、固定電極部５１，５２は他方の容量素子である。これに限らず、可動電極部６１の片側に一つの固定電極部を設けても良いが、本実施形態よりも検出感度は劣る。

（可動錘部）
可動錘部４０は、複数の可動電極部６０と同一の層である機能層１３にて形成され、複数の可動電極部６０を連結する連結部４２を有する。一軸方向（つまり第１の方向Ａ）の慣性力を検出する本実施形態では、連結部４２の両側にて複数の可動電極部６０が突出形成されている。この連結部４２と複数の可動電極部６０とは、平面視でフィッシュボーン（魚の骨）の形状を呈し、連結部４２が背骨部分に相当している。

フィッシュボーン形状は、以下の制約から要請されている。第１に、ＭＥＭＳセンサー１０の小型化の要請であり、連結部４２と複数の可動電極部６０とを含む占有面積を小さくしなければならない。第２に、Ｓ／Ｎ比を向上させることから容量を大きく確保する必要がある。ブラウンノイズ対策から電極高さを大きくできないので、可動電極部６０の突出長さ（第２の方向に沿った長さ）を大きくする必要がある。この第１，第２の要請から、連結部４２の幅Ｌ１が小さくなり、可動電極部６０の突出長さ（第２の方向に沿った長さ）が大きくなり、全体としてフィッシュボーン形状となる。

ここで、連結部４２のみで可動錘部４０を形成するとすれば、質量不足となることは明らかである。フィッシュボーン形状のうち大きな占有面積を占める複数の可動電極部６０は櫛歯状に形成されるので、連結部４２に複数の可動電極部６０の質量を加味したとしても、全体の質量は大きくできない。この種のＭＥＭＳセンサー（慣性センサー）１０では、検出精度は可動錘部４０の質量の大きさに依存するため、可動錘部４０の質量を増大しなければならない。

（付加錘部）
そこで、本実施形態では、可動錘部４０は、複数の可動電極部６０及び連結部４２とは異なる層（本実施形態では支持基板１１）に形成され、連結部４２に接続された付加錘部４６をさらに設けている。

付加錘部４６は、限られた占有面積の中で連結部４２だけでは足りない質量を増大させるために設けられたものであり、連結部４２と比較して次のような寸法とすることが好ましい。第１に、第１の方向Ａと直交する縦断面（図２）での付加錘部４６の幅Ｌ２は、第１の方向Ａと直交する縦断面（図２）での連結部４２の幅Ｌ１よりも大きい。これにより、付加錘部４６の質量を増大させることができるからである。第２に、第１の方向Ａと直交する縦断面（図２）での付加錘部の幅Ｌ２は、第１の方向と直交する縦断面（図２）での連結部４２及び該連結部４２の両側の２つの可動電極部６１の全幅Ｌ３よりも短い。これにより、占有面積は増大しないからである。第３に、第１の方向Ａと直交する縦断面（図２）での付加錘部４６の高さＨ２は、第１の方向Ａと直交する縦断面（図２）での連結部４２の高さＨ１よりも大きい。これによっても付加錘部４６の質量を増大させることができ、しかも、連結部４２と同一層で形成される複数の可動電極部６０の高さＨ１はブラウンノイズ対策上小さくすることが有利である。

（接続部）
本実施形態では、付加錘部４６と連結部４２とを接続する第１の接続部４４をさらに有することができる。この場合、空洞部７０は、複数の可動電極部６０と付加錘部４６との間の領域であって、第１の接続部４４を除く領域まで延在している。このように、第１の接続部４４を介して付加錘部４６と連結部４２とを接続すると、複数の可動電極部６０と付加錘部４６との間の領域を空洞部７０として確保できるので、固定電極部５０・可動電極部６０間の空気は図２にて可動電極部６０の下方の空洞部７０にも逃がすことができ、ブラウンノイズを低減できる。

第１の接続部４４に付加して、図３に示すように、複数の可動電極部６０の少なくとも一つ（図３では２つ）の可動電極部６１と付加錘部４６とを接続する第２の接続部４８をさらに有することができる。こうすると、図１に示す第１の方向Ａ以外の慣性力がＭＥＭＳセンサーに作用しても、付加錘部４６が図３に示す縦断面内で第１の接続部４４を支点としてローリングすることを防止できる。これにより、図１に示す第１の方向Ａ以外の慣性力がＭＥＭＳセンサー１０に作用しても、固定電極部５０と可動電極部６０の対向面積が変動せず、第１の方向Ａ以外の慣性力がノイズとして重畳することを防止できる。

図３の例では、空洞部７０は、複数の可動電極部６０と付加錘部４６との間の領域であって、第１の接続部４４及び第２の接続部４８を除く領域まで延在しているので、同様にブラウンノイズを低減できる。

（弾性変形部）
弾性変形部３０は、可動錘部４０を第１の方向Ａに沿って変位可能に固定部２０と連結するものである。この弾性変形部３０は、可動錘部４０を構成する連結部４２または付加錘部４６のいずれか一方に接続することができる。図４は図１中の弾性変形部３０を含むＭＥＭＳセンサー１０の縦断面図である。図４に示すように、弾性変形部３０は付加錘部４６と接続されることが好ましい。可動錘部４０の重心が付加錘部４６に位置しているからである。重心が位置する付加錘部４６を弾性変形部３０で支持することで、図１に示す第１の方向Ａ以外の慣性力がＭＥＭＳセンサー１０に作用しても、可動錘部４０が第１の方向Ａ以外の方向に変位することを低減できる。

ここで、上述したように、付加錘部４６は高さＨ２であり、弾性変形部３０を付加錘部４６と同一の製法で形成すると、弾性変形部３０も高さＨ２となり、比較的高くなる。その際、弾性変形部３０のバネ定数を小さくして弾性変形しやすくするために、弾性変形部３０を例えば蛇腹状などに屈曲または湾曲させて、その全長を長くしている。

ここで、弾性変形部３０のバネ定数Ｋは、以下の通りである。

Ｋ＝Ｅｈ（Ｗ／Ｌ）^３×１／Ｎ
Ｅ：検出方向のヤング率
ｈ：バネの厚み（＝Ｈ２）
ｗ：バネ幅
Ｌ：バネ長さ
Ｎ：折り返し本数
（可動電極部と固定電極部との高さの関係）
第１の方向Ａ及び第２の方向Ｂに直交する第３の方向Ｃ（図２参照）を重力方向とした時、複数の固定電極部５０及び複数の可動電極部６０のいずれか一方は、複数の固定電極部５０及び複数の可動電極部６０のいずれか他方よりも上方及び下側にそれぞれ突出した上側マージン部及び下側マージン部を有することができる。

図５は、一例として、複数の固定電極部５０は、複数の可動電極部６０よりも上方及び下側にそれぞれ突出した上側マージン部５３及び下側マージン部５４を有する例を示している。このように、固定電極部５０に上側マージン部５３及び下側マージン部５４を有すると、第１の方向Ａ以外の慣性力がＭＥＭＳセンサー１０に作用して、第１の方向Ａ以外の慣性力がノイズとして重畳されない。つまり、ローリング等によって仮に可動電極部６０が上下方向に変位しても、固定電極部５０の上側マージン部５３及び下側マージン部５４の一方と可動電極部６０とが対向するので、固定電極部５０と可動電極部６０の対向面積が変動しないからである。固定電極部５０と可動電極部６０の対向面積が変動すると容量変化として検出されるが、この容量変化を防止できる。

この際、ＭＥＭＳセンサー１０が所定の場所に設置された時点で、固定電極部５０の上側マージン部５３が可動電極部６０よりも突出するマージン量ΔＨ３と、固定電極部５０の下側マージン部５４が可動電極部６０よりも突出するマージン量ΔＨ４とは、実質的に等しいことが望ましい。ただし、図５のように、第３の方向Ｃが重力方向とすると、可動錘部４０及び／又は可動電極部６０の自重による撓みを考慮することが好ましい。このために、設計値として、下側マージン部５４のマージン量ΔＨ４を上側マージン部のマージン量ΔＨ３よりも大きく設定することができる（ΔＨ３＜ΔＨ４）。こうすると、可動錘部４０及び／又は可動電極部６０の自重による最大撓み位置では、結果としてΔＨ３＝ΔＨ４に近づけることができる。可動錘部４０の自重による最大撓み位置とは、図１にて２つの弾性変形部３０，３０の中間位置（つまり弾性変形部３０から最も遠い位置）に相当する可動電極部６０であると想定される。可動電極部６０の自重による最大撓み位置とは、可動電極部６０が連結部４２に連結される基端部から最も離れた自由端部であると想定される。自重による撓みが小さい部分では、設計値通りに、下側マージン部５４のマージン量ΔＨ４が上側マージン部のマージン量ΔＨ３よりも大きいままとなる。撓みの少ない位置でも、ローリング等によって仮に可動電極部６０が上下方向に変位しても、固定電極部５０の上側マージン部５３及び下側マージン部５４の一方と可動電極部６０とが対向するように、マージン量ΔＨ３及びΔＨ４を設定すれば良い。

なお、この可動電極部６０と固定電極部５０との高さの関係は、図１〜図４に示す実施形態のセンサー構造に限定されず、対向配置される可動電極部と固定電極部とを有するＭＥＭＳセンサーに広く適用できる。つまり、固定部と、弾性変形部と、前記弾性変形部を介して前記固定部に連結され、周囲に空洞部が形成された可動錘部と、前記固定部に第１の方向に沿って配列固定され、前記第１の方向と直交する第２の方向に沿って突出する複数の固定電極部と、前記可動錘部より前記第２の方向に沿って突出形成されて、前記複数の固定電極部にそれぞれ対向して配置され、前記第１の方向に沿って配列された複数の可動電極部と、を有するＭＥＭＳセンサーに広く適用できる。

（加速度センサーに接続される回路部の構成例について）
図６は、ＭＥＭＳセンサー１０を静電容量型加速度センサー１００とし、そのセンサーに接続される回路部の構成例を示す図である。加速度センサー１００は、少なくとも２対の可動・固定電極ペアを有する。図６では、図１とは設置位置は異なるが機能が同一である一つの可動電極部６１と２つの固定電極部５１，５２が示されている。可動電極部６１と固定電極部５１によってコンデンサーＣ１が構成される。可動電極部６１と固定電極部５２によってコンデンサーＣ２が構成される。コンデンサーＣ１，Ｃ２の各々における一極（ここでは、可動電極）の電位は、基準電位（例えば接地電位）に固定されている。なお、固定電極部の電位を基準電位（例えば接地電位）に接続してもよい。

検出回路部１１０は、増幅回路ＳＡと、アナログ校正およびＡ／Ｄ変換回路ユニット１２０と、中央演算ユニット（ＣＰＵ）１３０およびインターフェース（Ｉ／Ｆ）回路１４０と、を含むことができる。但し、この構成は一例であり、この構成に限定されるものではない。例えば、ＣＰＵ１３０は制御ロジックに置き換えることができ、また、Ａ／Ｄ変換回路は、検出回路部１１０に設けられる増幅回路の出力段に設けることも可能である。なお、アナログ／デジタル変換回路、中央演算ユニット、は場合によっては、別の集積回路に設けることもできる。

可動錘部４０が止まっている状態から可動錘部４０に加速度が作用すると、可動錘部４０には加速度による力が作用して、可動・固定電極ペアの各ギャップが変化する。図６の第１の方向Ａに可動錘部４０が移動したとすると、可動電極部６１と固定電極部５１との間のギャップが大きくなり、可動電極部６１と固定電極部５２との間のギャップが小さくなる。ギャップと静電容量とは反比例の関係にあるので、可動電極部６１と固定電極部５１とで形成されるコンデンサーＣ１の静電容量値Ｃ１は小さくなり、可動電極部６１と固定電極部５２とで形成されるコンデンサーＣ２の静電容量値Ｃ２は大きくなる。

コンデンサーＣ１，Ｃ２の容量値の変化に伴って電荷の移動が生じる。検出回路部１１０は、例えばスイッチトキャパシタを用いたチャージアンプ（Ｑ／Ｖ変換回路）を有しており、このチャージアンプは、サンプリング動作および積分（増幅）動作によって、電荷の移動によって生じる微小な電流信号（電荷信号）を電圧信号に変換する。チャージアンプから出力される電圧信号（すなわち、加速度センサーによって検出された加速度検出信号）は、アナログ校正およびＡ／Ｄ変換回路ユニット１２０によって、キャリブレーション処理（例えば位相や信号振幅の調整等，さらにローパスフィルタ処理が行われてもよい）を受けた後、アナログ信号からデジタル信号に変換される。

ここで、図７（Ａ）〜図７（Ｃ）を用いて、Ｑ／Ｖ変換回路の構成と動作の一例について説明する。図７（Ａ）は、スイッチトキャパシタを用いたＱ／Ｖ変換アンプ（チャージアンプ）の基本構成を示す図であり、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）に示されるＱ／Ｖ変換アンプの各部の電圧波形を示す図である。

図７（Ａ）に示すように、基本的なＣ／Ｖ変換回路は、第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２（可変容量Ｃ１（またはＣ２）と共に入力部のスイッチトキャパシタを構成する）と、オペアンプ（ＯＰＡ）１と、帰還容量（積分容量）Ｃｃと、帰還容量Ｃｃをリセットするための第３スイッチＳＷ３と、オペアンプ（ＯＰＡ）１の出力電圧Ｖｃをサンプリングするための第４スイッチＳＷ４と、ホールディング容量Ｃｈと、を有する。

図７（Ｂ）に示すように、第１スイッチＳＷ１および第３スイッチＳＷ３は同相の第１クロックでオン／オフが制御され、第２スイッチＳＷ２は、第１クロックとは逆相の第２クロックでオン／オフが制御される。第４スイッチＳＷ４は、第２スイッチＳＷ２がオンしている期間の最後において短くオンする。第１スイッチＳＷ１がオンすると、可変容量Ｃ１（Ｃ２）の両端には、所定の電圧Ｖｄが印加されて、可変容量Ｃ１（Ｃ２）に電荷が蓄積される。このとき、帰還容量Ｃｃは、第３スイッチがオン状態であることから、リセット状態（両端がショートされた状態）である。次に、第１スイッチＳＷ１および第３スイッチＳＷ３がオフし、第２スイッチＳＷ２がオンすると、可変容量Ｃ１（Ｃ２）の両端は共に接地電位となるため、可変容量Ｃ１（Ｃ２）に蓄積されていた電荷が、オペアンプ（ＯＰＡ）１に向けて移動する。このとき、電荷量が保存されるため、Ｖｄ・Ｃ１（Ｃ２）＝Ｖｃ・Ｃｃが成立し、よって、オペアンプ（ＯＰＡ）１の出力電圧Ｖｃは、（Ｃ１／Ｃｃ）・Ｖｄとなる。すなわち、チャージアンプのゲインは、可変容量Ｃ１（あるいはＣ２)の容量値と帰還容量Ｃｃの容量値との比によって決定される。次に、第４スイッチ（サンプリングスイッチ）ＳＷ４がオンすると、オペアンプ（ＯＰＡ）１の出力電圧Ｖｃが、ホールディング容量Ｃｈによって保持される。保持された電圧がＶｏであり、このＶｏがチャージアンプの出力電圧となる。

図６に示されるとおり、実際の検出回路部１１０には、２つのコンデンサーＣ１，Ｃ２の各々からの差動信号が入力される。この場合には、チャージアンプとして、例えば、図７（Ｃ）に示されるような、差動構成のチャージアンプを使用することができる。図７（Ｃ）に示されるチャージアンプでは、入力段において、可変容量Ｃ１からの信号を増幅するための第１のスイッチトキャパシタアンプ（ＳＷ１ａ，ＳＷ２ａ，ＯＰＡ１ａ，Ｃｃａ，ＳＷ３ａ）と、可変容量Ｃ２からの信号を増幅するための第２のスイッチトキャパシタアンプ（ＳＷ１ｂ，ＳＷ２ｂ，ＯＰＡ１ｂ，Ｃｃｂ，ＳＷ３ｂ）と、が設けられる。そして、オペアンプ（ＯＰＡ）１ａおよび１ｂの各出力信号（差動信号）は、出力段に設けられた差動アンプ（ＯＰＡ２，抵抗Ｒ１〜Ｒ４）に入力される。この結果、増幅された出力信号Ｖｏが、オペアンプ（ＯＰＡ）２から出力される。差動アンプを用いることによりベースノイズ（同相ノイズ）を除去できるという効果が得られる。

なお、以上説明したチャージアンプの構成例は一例であり、この構成に限定されるものではない。また、図６，図７においては、説明の便宜上、２対の可動・固定電極ペアのみ図示しているが、この形態に限ったものではなく、必要とされる容量値に応じて電極ペアの数は増やすことができる。実際には、例えば、数十から数百の電極ペアが設けられる。

（製造方法）
図８（Ａ）〜図８（Ｈ）は、図１に示すＭＥＭＳセンサー１０の製造工程を示している。図８（Ａ）は、ＭＥＭＳセンサー１０の製造に用いる積層構造体を示し、本実施形態では支持基板（シリコン）１１、中間層（Ｓｉ０２）１２及び機能層（ドープトシリコン）１３を有するＳＯＩ基板１４を用いているが、支持基板１１上に中間層１２及び機能層１３を積層して構成しても良い。

図８（Ｂ）〜図８（Ｄ）は、機能層１３のパターニング工程（第１工程）を示している。まず、図８（Ｂ）に示すように、第１工程にてエッチングさせない領域にて機能層１３上に第１マスク２００を形成する。この第１マスク２００は、フォトリソグラフィ工程により形成されるレジスト材とすることができる。次に、図８（Ｃ）に示すように、第１マスク２００にて覆われていない領域の機能層１３を異方性エッチングする。機能層１３がシリコンである場合には、シリコンの異方性エッチングに適した公知のエッチャントが選択される。この際に形成される第１の空洞部７１により、機能層１３で形成される固定部２０、弾性変形部３０、複数の固定電極部５０、複数の可動電極部６０及び前記複数の可動電極部を連結する連結部のそれぞれについて、平面視での輪郭をそれぞれ形状出しすることができる。図８（Ｄ）では、第１マスク２００が除去される。

図８（Ｅ）〜図８（Ｇ）は、支持基板１１（シリコン）のパターニング工程を示している（第２工程）。この第２工程では、支持基板１１を２段階に分けてエッチングしている。このために、図８（Ｅ）に示すように、第２工程にてエッチングさせない領域にて支持基板１１上に第２マスク２１０及び第３マスク２２０を形成する。固定部２０に対応する領域には、第２マスク２１０及び第３マスク２２０が重ねて形成される。付加錘部４６と対応する領域には第３マスク２２０のみが形成される。これら第２マスク２１０及び第３マスク２２０は、フォトリソグラフィ工程により形成されるレジスト材やＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、金属等とすることができる。次に、図８（Ｆ）に示すように、第２マスク２１０及び第３マスク２２０にて覆われていない領域の支持基板１１を途中まで異方性エッチングする。その後、第３マスク２２０のみを除去した状態で、第２マスク２１０にて覆われていない領域の支持基板１１を異方性エッチングする。この際、中間層１２がエッチングストップ層となる。支持基板１１がシリコンである場合には、シリコンの異方性エッチングに適した公知のエッチャントが選択される。この際に形成される第２の空洞部７２により、支持基板１１で形成される固定部２０及び付加錘部４６のそれぞれについて、裏面視での輪郭が形状出しされる。

なお、上述した２段階のエッチングにより、付加錘部４６の底面は固定部２０の底面よりも内方に向けて凹となる。これにより、図９に示すように、上蓋８０及び下蓋９０でＭＥＭＳセンサー１０を覆っても、付加錘部４６が下蓋９０に接触せずに変位し易い構造を確保できる。ただし、１段階のみのエッチングによって、付加錘部４６の底面と固定部２０の底面とを面一にしてもよい。この場合には、図９に示す上蓋８０に設けた段差部８２を下蓋９０にも取り付けて、付加錘部４６の下方に空洞部を確保しても良い。また、第２工程を第１工程よりも先に実施することもできる。

第１工程及び第２工程後の第３工程では、図８（Ｈ）に示すように、連結部４２及び付加錘部４６を接続する第１の接続部４４（さらには第２の接続部４８）と固定部２０との領域にて中間層１２を残して、それ以外の中間層１２層を等方性エッチングする。中間層１２がＳｉＯ２の場合、ＳｉＯ２の等方性エッチングに適した公知のエッチャントが採用される。なお、連結部４２の下方には、連結部４２の両側の第１空洞部７１から供給されるエッチャントが導入されて中間層１２が等方性エッチングされる。ただし、連結部４２の幅Ｌ１が、固定電極部５０及び可動電極部６０の短手幅よりも広いので、固定電極部５０及び可動電極部６０の下方には第３空洞部７３が形成されるが、連結部４２の下方では第１の接続部４４が残存する。また、図４に示す第２の接続部４８を形成する場合には、同様にして、第２の接続部４８と接続される部分の可動電極部６０の幅を広げておけば良い。

２．第２実施形態
図１０は、本発明の第２実施形態に係る二軸加速度センサー（ＭＥＭＳセンサー）３００の平面図である。ＭＥＭＳセンサー３００は、図１０に示すように、固定部３２０と、弾性変形部３３０と、可動錘部３４０と、固定電極部３５０と、可動電極部３６０とを有することができる。固定部３２０は、弾性変形部３３０と、可動錘部３４０と、固定電極部３５０と、可動電極部３６０の四方を囲むように枠状に形成することができる。可動錘部３４０は、弾性変形部３３０を介して固定部３２０に連結され、周囲に空洞部３７０が形成されている。

固定電極部３５０は、固定部３２０に第１の方向Ａに沿って配列固定され、第１の方向Ａと直交する第２の方向Ｂに沿って突出する第１の固定電極部３５０Ａを有する。固定電極部３５０はさらに、固定部３２０に第２の方向Ｂに沿って配列固定され、第１の方向Ａに沿って突出する第２の固定電極部３５０Ｂを有する。可動電極部３６０は、可動錘部３４０より第２の方向Ｂに沿って突出形成されて、固定電極部３５０に対向して配置され、第１の方向Ａに沿って配列される第１の可動電極部３６０Ａを有する。可動電極部３６０はさらに、可動錘部３４０より第１の方向Ａに沿って突出形成されて、固定電極部３５０に対向して配置され、第２の方向Ｂに沿って配列される第２の可動電極部３６０Ｂを有する。

このように、二軸加速度センサー３００は、可動錘部３４０の一部である連結部３４２の四辺に設けられるため、図１の一軸加速度センサー１０のようにフィッシュボーン形状とはならず、ほぼ正方形形状に形成される。ただし、ブラウンノイズを低減するために、固定電極部３５０及び可動電極部３６０の高さ（図２の高さＨ１に相当）は大きくできない。このために、図２または図３に示すように、連結部３４２には第１の接続部（さらには第２の接続部）を介して付加錘部が連結され、可動錘部３４０の質量不足を補償している（縦次段面図は図２または図３と同様であるので省略する）。この際、図２に示す寸法Ｌ１〜Ｌ３及びＨ１〜Ｈ２の関係も、図１０の二軸加速度センサー３００に同様に適用できる。また、図４または図５に示す変形例も、図１０の二軸加速度センサー３００に同様に適用可能である。

弾性変形部３３０は、可動錘部３４０を第１の方向Ａ及び第２の方向Ｂの二軸に変位可能に可動錘部３４０を固定部３２０に連結しており、例えば図１０に示すように正方形の可動錘部３４０（連結部３４２）の四隅に連結されている。この場合も、弾性変形部３３０は、そのバネ定数を小さくするために例えば蛇腹状に形成されている。

この二軸加速度センサー３００に、図６に示す回路部として、第１の方向Ａの加速度を検出する第１の回路部と、第２の方向Ｂの加速度を検出する第２の回路部を接続すれば、二軸の加速度を検出することができる。

３．第３実施形態
図１１は、本発明の第３実施形態に係るジャイロセンサー４００の平面図である。このジャイロセンサー４００の構造は、図１０に示す二軸加速度センサー３００の構造と同一であるので、図９と同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。ただし、このジャイロセンサー４００は、図１０に示す二軸加速度センサー３００とは検出原理が異なる。

ジャイロセンサー４００は、第２の固定電極部３５０Ｂと第２の可動電極部３６０Ｂとの間にクーロン力を作用させて可動錘部３４０を一定速度で第２の方向Ｂに振動させている。この意味で、第２の固定電極部３５０Ｂと第２の可動電極部３６０Ｂとは駆動電極を構成する。

可動錘部３４０を一定速度で第２の方向Ｂに振動させた状態で、可動錘部３４０にＺ軸（図１１の紙面に垂直な軸）周りに角速度Ωが加わると、第１の方向Ａに沿ってコリオリ力Ｆが発生する。このコリオリ力Ｆにより、可動錘部３４０が第１の方向Ａに沿って移動すると、第１の固定電極部３５０Ａと第１の可動電極部３６０Ａとのギャップが変化し、その容量変化が図６の回路部にて検出される。これにより、角速度Ωの方向と大きさを検出できる（特許文献３参照）。

このように、ジャイロセンサー４００は、図９に示す二軸加速度センサー３００の一方の電極ペア３５０Ｂ，３６０Ｂを駆動電極として用い、他方の電極ペア３５０Ａ，３６０Ａを検出電極として用いる点が異なるだけで、構造は実質的に同じである。よって、本発明は二軸加速度センサー３００と同様にジャイロセンサー４００にも適用可能である。

以上、いくつかの実施形態について説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるものである。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。

例えば、本発明に係るＭＥＭＳセンサーは、必ずしも静電容量型加速度センサーやジャイロセンサーに適用されるものに限らず、可動錘部の移動により静電容量の変化を検出する慣性センサーであれば適用が可能である。例えば、キャビティ（中空室）の空気圧によってシリコンダイヤフラムを変形させ、その変形による静電容量の変化（あるいはピエゾ抵抗の抵抗値の変化等）を検出する圧力センサーにも適用が可能である。

１０ ＭＥＭＳセンサー、１１ 支持基板、１２ 中間層、１３ 機能層、１４ ＳＯＩ基板、２０ 固定部、３０ 弾性変形部、４０ 可動錘部、４２ 連結部、４４ 第１の接続部、４６ 付加錘部、５０ 固定電極部、５１，５２ 可動電極の両側の固定電極部、５３ 上側マージン部、５４ 下側マージン部、６０ 可動電極部、６１ ２つの固定電極に挟まれた可動電極部、７０ 空洞部、７１ 第１空洞部、７２ 第２空洞部、７３ 第３空洞部、８０ 上蓋、８２ 段差部、９０ 下蓋、１００ 加速度センサー、２００ 第１マスク、２１０ 第２マスク、２２０ 第３マスク、３００ 二軸加速度センサー、３２０ 固定部、３３０ 弾性変形部、３４０ 可動錘部、３５０Ａ 第１の固定電極部、３５０Ｂ 第２の固定電極部、３６０Ａ 第１の可動電極部、３６０Ｂ 第２の可動電極部、４００ ジャイロセンサー

Claims (11)

1. 固定部と、
   弾性変形部と、
   前記弾性変形部を介して前記固定部に連結され、周囲に空洞部が形成された可動錘部と、
   前記固定部に第１の方向に沿って配列固定され、前記第１の方向と直交する第２の方向に沿って突出する複数の固定電極部と、
   前記可動錘部より前記第２の方向に沿って突出形成されて、前記複数の固定電極部にそれぞれ対向して配置され、前記第１の方向に沿って配列された複数の可動電極部と、
   を有し、
   前記可動錘部は、
   前記複数の可動電極部と同一の層に形成され、前記複数の可動電極部を連結する連結部と、
   前記複数の可動電極部及び前記連結部とは異なる層に形成され、前記連結部に接続された付加錘部と、
   を有することを特徴とするＭＥＭＳセンサー。
2. 請求項１において、
   前記付加錘部と前記連結部とを接続する第１の接続部をさらに有し、
   前記空洞部は、前記第１の方向及び前記第２の方向に直交する第３の方向にて前記複数の可動電極部と前記付加錘部との間の領域であって、前記第１の接続部を除く領域まで延在していることを特徴とするＭＥＭＳセンサー。
3. 請求項２において、
   前記複数の可動電極部の少なくとも一つと前記付加錘部とを接続する第２の接続部をさらに有し、
   前記空洞部は、前記第３の方向にて前記複数の可動電極部と前記付加錘部との間の領域であって、前記第１の接続部及び前記第２の接続部を除く領域まで延在していることを特徴とするＭＥＭＳセンサー。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
   前記複数の可動電極部は、前記連結部の両側にてそれぞれ突出形成され、
   前記第１の方向と直交する縦断面での前記付加錘部の幅は、前記第１の方向と直交する縦断面での前記連結部の幅よりも大きいことを特徴とするＭＥＭＳセンサー。
5. 請求項４において、
   前記第１の方向と直交する縦断面での前記付加錘部の幅は、前記第１の方向と直交する縦断面での前記連結部及び該連結部の両側の２つの可動電極部の全幅よりも短いことを特徴とするＭＥＭＳセンサー。
6. 請求項４または５において、
   前記第１の方向と直交する縦断面での前記付加錘部の高さは、前記第１の方向と直交する縦断面での前記連結部の高さよりも大きいことを特徴とするＭＥＭＳセンサー。
7. 請求項１乃至６のいずれかにおいて、
   前記弾性変形部は、前記固定部と前記付加錘部とを連結することを特徴とするＭＥＭＳセンサー。
8. 請求項１乃至７のいずれかにおいて、
   前記第１の方向及び前記第２の方向に直交する第３の方向を重力方向とした時、前記複数の固定電極部及び前記複数の可動電極部のいずれか一方は、前記複数の固定電極部及び前記複数の可動電極部のいずれか他方よりも上方及び下側にそれぞれ突出した上側マージン部及び下側マージン部を有することを特徴とするＭＥＭＳセンサー。
9. 請求項８において、
   前記複数の固定電極部及び前記複数の可動電極部のいずれか一方は、前記下側マージン部の突出量が前記上側マージン部の突出量よりも大きい領域を部分的に有することを特徴とするＭＥＭＳセンサー。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載のＭＥＭＳセンサーを含むことを特徴とする電子機器。
11. 固定部と、弾性変形部と、前記弾性変形部を介して前記固定部に連結され、周囲に空洞部が形成された可動錘部と、前記固定部に第１の方向に沿って配列固定され、前記第１の方向と直交する第２の方向に沿って突出する複数の固定電極部と、前記可動錘部より前記第２の方向に沿って突出形成されて、前記複数の固定電極部にそれぞれ対向して配置され、前記第１の方向に沿って配列された複数の可動電極部と、を有するＭＥＭＳセンサーの製造方法であって、
    中間層及び機能層が順次積層された支持基板の前記機能層をエッチングして、前記機能層で形成される前記固定部、前記弾性変形部、前記複数の固定電極部、前記複数の可動電極部及び前記複数の可動電極部を連結する連結部のそれぞれについて、平面視での輪郭をそれぞれ形状出しする第１工程と、
    前記支持基板をエッチングして、前記支持基板で形成される前記固定部及び前記連結部に接続される付加錘部のそれぞれについて、裏面視での輪郭を形状出しする第２工程と、
    前記第１工程及び前記第２工程後に、前記連結部及び前記付加錘部を接続する接続部と前記固定部の領域にて前記中間層を残して、それ以外の前記中間層を等方性エッチングする第３工程と、
    を有することを特徴とするＭＥＭＳセンサーの製造方法。

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