力学量センサー
【課題】信頼性のより高い力学量センサーを提供する。
【解決手段】基板に固定されたアンカーおよび固定電極と、前記アンカーと前記固定電極の間において前記基板から離れて形成され、前記固定電極と接触すると前記固定電極と導通する可動電極と、前記アンカーに一端が接続され、前記可動電極に他端が接続され、前記基板から離れて形成されたビームとを有し、前記ビームは、複数の直線ビームと前記複数の直線ビームのうち隣接する２つの直線ビームの長手方向を異ならせて前記２つの直線ビームを接続するビーム接続部とを有する力学量センサーを提供する。
【解決手段】基板に固定されたアンカーおよび固定電極と、前記アンカーと前記固定電極の間において前記基板から離れて形成され、前記固定電極と接触すると前記固定電極と導通する可動電極と、前記アンカーに一端が接続され、前記可動電極に他端が接続され、前記基板から離れて形成されたビームとを有し、前記ビームは、複数の直線ビームと前記複数の直線ビームのうち隣接する２つの直線ビームの長手方向を異ならせて前記２つの直線ビームを接続するビーム接続部とを有する力学量センサーを提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力学量センサーに関する。特に、半導体により形成された力学量センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
基板に形成されたアンカー（固定部）と、アンカーに接続され、曲線のみからなる渦巻き形状を有する可動ビーム（可動梁）と、可動ビームの先端に接続された可動電極と、可動電極の周囲に形成され基板に固定された固定電極とを有する加速度センサーが知られている（例えば、特許文献１参照。）。図１（ａ）は、このような従来技術に係る加速度センサーの上面図を示し、図１（ｂ）は、加速度センサーのＩ−Ｉ断面線における垂直断面図を示している。符号１１はアンカーであり、符号１２は可動ビームであり、符号１３は可動電極である。また、符号２１−２８は、固定電極である。また、符号３１は基板である。
【０００３】
このような加速度センサーに加速度が加わると、可動電極１３に力が加わることにより可動ビーム１２が変形し、可動電極１３と固定電極２１−２８のいずれかとが接触可能となる。可動電極１３と固定電極２１−２８のいずれかとが接触すると、可動電極１３は固定電極２１−２８のいずれかと導通し、アンカー１１から、可動ビーム１２および可動電極１３を介して、固定電極２１−２８のいずれかまでの電流経路が形成される。したがって、アンカー１１と固定電極２１−２８とに電圧を印加し、アンカー１１と固定電極２１−２８との間の電流を検出することにより、加速度が加わったことを検出することができる。
【０００４】
このような加速度センサーは、例えば、ガスの流量メータに内蔵され、地震の発生時にガスを止めたり、自動車に搭載され、衝突の際にエアクッションを動作させたりするために使用することができる。また、加速度センサーの可動電極１３が水平な状態から傾いた状態に変化したことを検出することもできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２４２０５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来技術に係る加速度センサーにおいては、大きな加速度が上下方向に加わると、可動１２ビームと可動電極１３とが上下方向に移動することとなる。これにより、図２（ａ）に示すように可動ビーム１２と可動電極１３とが基板３１と接触する場合がある。このため、可動ビーム１２と可動電極１３とのいずれかまたは両方が損傷する場合がある。また逆に、図２（ｂ）に示すように可動ビーム１２と可動電極１３とが上方に移動し、可動電極１３が固定電極２３に乗り上げてしまう場合がある。これにより、加速度センサーが正常に動作しなくなる場合がある。
【０００７】
従来技術に係る加速度センサーの上部に、基板などの構造物を設けて、可動ビーム１２および可動電極１３の変位を抑制することも行なわれているが、上方に設けた構造物と可動ビーム１２と可動電極１３とのいずれかまたは両方が損傷するおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施形態として、基板に固定されたアンカーおよび固定電極と、前記アンカーと前記固定電極の間において前記基板から離れて形成され、前記固定電極と接触すると前記固定電極と導通する可動電極と、前記アンカーに一端が接続され、前記可動電極に他端が接続され、前記基板から離れて形成されたビームとを有し、前記ビームは、複数の直線ビームと前記複数の直線ビームのうち隣接する２つの直線ビームの長手方向を異ならせて前記２つの直線ビームを接続するビーム接続部とを有する力学量センサーを提供する。
【０００９】
本発明の一実施形態として、基板に固定されたアンカーおよび固定電極と、前記アンカーと前記固定電極の間において前記基板から離れて形成され、前記固定電極と接触すると前記固定電極と導通する可動電極と、前記アンカーに一端が接続され、前記可動電極に他端が接続され、前記基板から離れて形成されたビームとを有し、前記ビームは、複数の平行な直線ビームと前記複数の直線ビームのうち隣接する２つの直線ビームを接続するビーム接続部とを有する力学量センサーを提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、可動ビームが直線ビームを用いて構成されるので、可動ビームの上下方向の動きを抑制することが可能となる。したがって、信頼性のより高い力学量センサーを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】従来の加速度センサーの上面図と断面図
【図２】従来の加速度センサーの不具合を説明する図
【図３】本発明の一実施形態に係る力学量センサーの上面図
【図４】本発明の一実施形態に係る力学量センサーの断面図
【図５】本発明の一実施形態に係る力学量センサーの断面図
【図６】本発明の一実施形態に係る力学量センサーの上面図
【図７】本発明の一実施形態に係る力学量センサーの上面図
【図８】本発明の一実施形態に係る力学量センサーの上面図
【図９】本発明の一実施形態に係る力学量センサーの上面図
【図１０】本発明の一実施形態に係る力学量センサーの上面図
【図１１】本発明の一実施形態に係る力学量センサーの上面図
【図１２】本発明の一実施形態に係る力学量センサーの上面図
【図１３】本発明の一実施形態に係る力学量センサーの上面図
【図１４】本発明の一実施形態に係る力学量センサーの上面図
【図１５】本発明の一実施形態に係る力学量センサーの上面図
【図１６】本発明の一実施形態に係る力学量センサーのシミュレーションモデルの上面図
【図１７】本発明の一実施形態に係る力学量センサーのシミュレーションモデルの上面図
【図１８】従来の加速度センサーのシミュレーションモデルの上面図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための形態を説明する。なお、本発明は以下に説明する形態に限定されることはなく、種々変形を行なって実施することが可能である。また図面においては、上下、左右の縮尺を誇張して図示することにより、実際のものとは縮尺が異なる場合がある。
【００１３】
図３（ａ）は、本発明の一実施形態に係る力学量センサーのアンカー１１１、ビーム、可動電極１１３および固定電極１２１−１２８の上面図を示す。また、図４は、図３（ａ）のＩＩ−ＩＩ断面線における断面図である。
【００１４】
図３（ａ）および図４を参照すると、本発明の一実施形態に係る力学量センサーは、アンカー１１１と、直線ビーム１４１、１４２と直線ビーム１４１、１４２との間に配置されるビーム接続部１４３とを有するビームと、可動電極１１３と、固定電極１２１−１２８と、絶縁基板１３１とを備える。また、直線ビームの断面は、縦長の矩形となっており、これにより、横方向には撓み易くなり、縦方向には横方向と比較して撓みにくくなる。また、アンカー１１１と、直線ビーム１４１と直線ビーム１４２との間に配置されるビーム接続部１４３と、可動電極１１３とは導電性の材料により形成され、絶縁基板１３１は絶縁性の材料により形成される。例えば、ビーム、アンカー１１１、可動電極１１３は、シリコン単結晶に不純物を拡散した材料により形成される。可動電極１１３は、固定電極１２１−１２８とのコンタクト性を高めるために金属材料などを成膜しておいてもよい。なお、アンカー１１１と、直線ビーム１４１、１４２と、ビーム接続部１４３と、可動電極１１３と、固定電極１２１−１２８の上面の一部または全てが絶縁材料で覆われていてもよい。ただし、可動電極１１３と固定電極１２１−１２８の側面は、導電性の材料が露出し、可動電極１１３と固定電極１２１−１２８とのいずれか１以上とが接触すると、可動電極１３は、固定電極１２１−１２８とのいずれか１以上と導通するようになっている。
【００１５】
アンカー１１１は、絶縁基板１３１に固定されている。図３（ａ）において、上面から見た場合、アンカー１１１の形状は略円形であるが、アンカー１１１の形状は略円形に限定されることはなく、任意の形状とすることができる。例えば、楕円、あるいは、三角形、四角形などの多角形状とすることが可能である。
【００１６】
直線ビーム１４１、１４２は、長手方向に延び直線の形状をしたビームである。また、ビーム接続部１４３は、直線ビーム１４１と直線ビーム１４２との間に配置され、直線ビーム１４１と直線ビーム１４２とを接続する。また、図３（ａ）においては、直線ビーム１４１の長手方向と直線ビーム１４２長手方向とは異なる。すなわち、図３（ａ）においては、隣接する直線ビーム１４１と直線ビーム１４２とについて、直線ビーム１４１の長手方向と直線ビーム１４２長手方向とは略９０度の角度を成している。ただし、本発明は、隣接する直線ビームは略９０度を成してビーム接続部により接続されることに限定はされない。隣接する直線ビームは任意の角度を成してビーム接続部により接続されていてもよい。例えば、直線ビーム１４１と直線ビーム１４２とが４５度、１２０度をなすように接続することができる。また、後述するように隣接する直線ビームは、平行となっていてもよく、ビーム接続部が隣接する隣接する直線ビームを離す構成となっていてもよい。
【００１７】
なお、隣接する２つの直線ビームの側面が滑らかに接続されるようにビーム接続部の側面が曲面となっていてもよい。例えば、ビーム接続部の側面が、丸み面取りされた形状になっていてもよい。より具体的な例を用いて説明すると、ビーム接続部の側面が、円柱の側面の一部となっていてもよい。このようにすることにより、ビーム接続部に応力が集中するのを防止することができる。
【００１８】
図３（ｂ）は、隣接する２つの直線ビーム１４１’と直線ビーム１４２’の側面が滑らかに接続されるようにビーム接続部１４３’の側面が曲面となっている例を示す。図３（ｂ）においては、ビーム接続部１４３’の両側面が曲面となっているが、いずれか一方の側面のみが曲面となっていてもよい。
【００１９】
直線ビーム１４１、１４２およびビーム接続部１４３は、絶縁基板１３１から離れて形成されている。また、可動電極１１３も絶縁基板１３１から離れて形成されている。したがって、可動電極１１３に水平方向に力が加わると、直線ビーム１４１、１４２は撓むなどして変形し、可動電極１１３が水平方向に移動する。
【００２０】
また、図３（ａ）において、ビーム接続部４３は、直線ビーム１４１、１４２の幅の長さを有する４辺からなる略正方形となっているが、ビーム接続部１４３は任意の形状とすることができる。例えば、長方形または円盤状の形状としたり、直線状または曲線状の形状としたりすることができる。
【００２１】
なお、図３（ａ）においては２本の直線ビーム１４１、１４２と一つのビーム接続部１４３とが示されているが、任意の本数の直線ビームを用いることができ、したがって、任意の数のビーム接続部を用いることができる。
【００２２】
可動電極１１３は、直線ビーム１４２に接続された電極である。また、可動電極１１３は、絶縁基板１３１から離れて形成されている。図３（ａ）においては、可動電極１１３は、円板が開口部を有する円環形状を上面から見た略円形となっているが、任意の形状とすることができる。例えば、開口部を有する正方形、矩形、台形、菱形、楕円形、あるいは、弧状などとすることができる。また、可動電極１１３は一様な幅の形状である必要もなく、アンカー１１１、直線ビーム１４１、１４２およびビーム接続部１４３が配置するための部分が開口し、開口部が凹形状となっていてもよい。これにより、可動電極１１３の質量を増加させることができる。したがって、可動電極１１３に水平方向の加速度が加えられた場合に可動電極１１３の質量に応じたより大きな慣性力が起こり、ビームの変形量を大きくなり、力学量センサーの感度を上げることができる。
【００２３】
固定電極１２１−１２８は、絶縁基板１３１に形成され、可動電極１１３を取り囲むように配置されている電極である。通常は、固定電極１２１−１２８は、可動電極１１３と離れているが、可動電極１１３に、水平方向に所定の大きさ以上の加速度が加えられると、可動電極１１３が固定電極１２１−１２８のいずれか１以上と接触する。なお、図３（ａ）においては、固定電極１２１−１２８は、８個形成されているが、任意の個数とすることができ、所望の方向分解能によって適宜個数を決めればよい。
【００２４】
また、可動電極１１３と固定電極１２１−１２８とのいずれか１以上とが接触すると、可動電極１３は、固定電極１２１−１２８とのいずれか１以上と導通するようになっているため、少なくとも、可動電極１３と固定電極１２１−１２８との側面は導電材料により形成されている。また、可動電極１１３とアンカー１１１とが、直線ビームとビーム接続部とで形成されるビームにより電気的に接続されている。
【００２５】
以上のように力学量センサーを形成することにより、可動電極１１３に水平方向に加速度が加わると、可動電極１１３の質量により外力が可動電極１３に加わる。これにより、直線ビーム１４１、１４２とビーム接続部１４３とが変形する。したがって、可動電極１１３に所定の大きさ以上の加速度が加わると、可動電極１３が固定電極１２１−１２８の少なくとも一つと接触し、アンカー１１１から固定電極１２１−１２８のいずれか１以上へ至る電流経路が形成され、水平方向の加速度が発生したことを検出することができる。また、固定電極１２１−１２８のように複数の固定電極を設けることにより、発生した加速度の方向を検出することもできる。
【００２６】
なお、上述したように直線ビームの本数およびビーム接続部の数は任意とすることができる。例えば、図３（ｃ）は、本発明の別の実施形態に係る力学量センサーのアンカー、ビーム、可動電極および固定電極の上面図である。図３（ｃ）において、４本の直線ビーム１４１、１４２、１４４、１４５を用いて２本のビームを構成する。直線ビーム１４１、１４４がアンカー１１１に接続される。直線ビーム１４２、１４５が可動電極１１３に接続される。ビーム接続部１４３は直線ビーム１４１と直線ビーム１４２とを接続し、ビーム接続部１４６が直線ビーム１４４と直線ビーム１４５とを接続している。また、直線ビーム１４１、ビーム接続部１４３および直線ビーム１４２と、直線ビーム１４４、ビーム接続部１４６および直線ビーム１４５とがアンカー１１１を中心に点対称となるように配置されている。これにより、可動電極１１３が直線ビーム１４２と接続されている箇所とは反対側において上下方向に移動することを防止することができる。
【００２７】
本発明の一実施形態においては、ビームの構成要素として直線ビームを用いることにより、従来のように曲線形状のビームよりも、直線ビームが上下方向に移動するのを抑制することができる。この点は、後述のようにシミュレーションにより確認された。これによりに、図２を参照して説明した不具合の発生を抑止することができ、課題が解決されることとなる。
【００２８】
図５は、本発明の一実施形態に係る力学量センサーの別の断面図の一例を示す。図５においては、本発明の一実施形態に係る力学量センサーからの信号の取り出しについて説明をする。図４の固定電極１４１、１４４およびアンカー１１１の上に基板１５１が配置されている。可動電極１１３およびビームは、基板１３１と基板１５１との間の空隙に配置されている。また、基板１５１には、基板５０２を貫通する貫通電極１５２−１５４が設けられ、それぞれアンカー１１１、固定電極１２８および固定電極１２４に接触して導通し、基板１５１上に設けられる配線と接続される。このように基板１５１を配置することにより、図２（ｂ）に示すように、可動電極１３が固定電極の上に乗り上げてしまうことを防止することができる。また、アンカー１１１および固定電極１２１−１２８への配線を容易に形成できる。本発明の一実施形態に係る力学量センサーからの信号の取り出しは図５に限らず、アンカー１１１、固定電極１２１−１２８で絶縁基板１３１上にレイアウトされた配線を踏みつけるような構造としてもよい。
【００２９】
本実施形態に係る力学量センサーの製造方法は次の通りである。少なくとも上面が絶縁性である基板上に、シリコンの膜を配置する。例えば、シリコンウェハをシリコンの膜として基板上に貼り合わせたり、シリコン単結晶を形成したりする。また、基板は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板であってもよく、ＳＯＩ基板の活性層を、ここでいうシリコンの膜とすることができる。
【００３０】
このシリコンの膜を上方からエッチングを行なうことにより、シリコンの膜を固定電極１２１−１２８、アンカー１１１、ビームおよび可動電極１１３の形状とする。その後、シリコンの膜の横方向からサイドエッチングを行ない、ビームおよび可動電極１１３を基板より切り離し、図３および図４に示す構造を得ることができる。
【００３１】
基板上に配置されるシリコンの膜の上面の結晶面方位を制御し、シリコンの膜の上面においてヤング率が小さく、かつせん断弾性率が大きい結晶方位に沿うように直線ビームを形成する事が好ましい。これにより可動電極３０２の上下方向の変形量を小さくすることができる。
【００３２】
以下、上述した本発明の一実施形態に係る加速度センサーの変形例を説明する。
【００３３】
図６は、第１の変形例に係る力学量センサーの上面図である。本変形例に係る力学量センサーのアンカー６０１、可動電極６０２、アンカー６０１と可動電極６０２とを接続するビーム、および固定電極６２１−６２８を有する。アンカー６０１と可動電極６０２との間に、直線ビームとビーム接続部とにより構成されるビームが４本形成されている。４本のビームそれぞれは、同じ向きに巻いている渦巻き形状に形成されている。それぞれのビームの一端はアンカー６０１に接続され、他端は可動電極６０２に接続されている。アンカー６０１は略正方形であり、可動電極６０２は環状の形状となっている。図３および図４に示したように、固定電極６２１−６２８は、可動電極６０２を取り囲んで配置されている。アンカー６０１および固定電極６２１−６２８が基板に固定され、ビームおよび可動電極６０２が基板から離れている。また、可動電極６０２が固定電極６２１−６２８と向き合い、対向している。
【００３４】
４本のビームは形状が略同一なので、そのうちの一本のビームについて説明する。ビームは、アンカー接続部６０３と、直線ビーム６０４−６０７と、接続部６０８、ビーム接続部６０９―６１１とを有する。
【００３５】
直線ビーム６０４−６０７は隣接する直線ビームが互いにビーム接続部６０９−６１１のいずれかを介して略垂直に配置されている。直線ビーム６０４、６０５、６０６、６０７の順にアンカー６０１との距離が大きくなり、可動電極６０２との距離が小さくなっている。別の見方をすれば、直線ビーム６０４、６０５、６０６、６０７のそれぞれは中心を同じとし、半径が異なる複数の同心円のいずれかに接している。同心円の中心と、直線ビーム６０４、６０５、６０６、６０７のそれぞれと同心円との接点と、を結ぶ線分は、直線ビームの同心円との接点を結ぶ隣接する線分が略垂直となっている。
【００３６】
アンカー接続部６０３の一端は、ビームの一端となる（直線ビームの１つとみなすこともできる）。アンカー接続部６０３の他端は、接続部６０８を介して、直線ビーム６０４の一端に接続されている。直線ビーム６０４の他端は、ビーム接続部６０９を介して、直線ビーム６０５の一端に接続されている。直線ビーム６０５の他端は、ビーム接続部６１０を介して、直線ビーム６０６の一端に接続されている。直線ビーム６０６の他端は、ビーム接続部６１１を介して、直線ビーム６０７の一端に接続されている。直線ビーム６０７の他端は、ビームの他端となる。直線ビーム６０７の他端は、可動電極６０２に接続されている。
【００３７】
接続部６０８において、アンカー接続部６０３の他端と直線ビーム６０４の一端とが略垂直に接続されている。ビーム接続部６０９−６１１のそれぞれにおいて、隣接する直線ビームの一方の他端と他方の一端とが略垂直に接続されている。接続部６０８、ビーム接続部６０９、６１０、６１１を順にたどる場合、アンカー接続部６０３の他端から直線ビーム６０４の一端への方向、隣接する直線ビームの一方の他端から他方の一端への方向は、右方のみである。このため、本変形例においては、ビームは渦巻き形状となっている。なお、接続部６０８、ビーム接続部６０９、６１０、６１１を順にたどる場合、アンカー接続部６０３の他端から直線ビーム６０４の一端への方向、隣接する直線ビームの一方の他端から他方の一端への方向が左方のみであってもよい。
【００３８】
第１の変形例に係る加速度センサーにおいては、ビームが直線ビームを有するので、可動電極の上下方向への移動を抑制することができる。また、第１の変形例に係る加速度センサーにおいては、図３（ｃ）に示すよりも、多くの直線ビームが可動電極に接続され、アンカーと固定電極とを含む平面に対して可動電極が傾くことが制限される。なお、アンカー６０１が略正方形であること、可動電極６０２が環状の形状となっていること、ビームが４本であること、可動電極が８個であること、ビーム接続部における直線ビームのなす角度が略垂直であること、アンカー接続部６０３がアンカー６０１の一辺に対して略垂直の角度であることは必要に応じて変更することが可能である。
【００３９】
図７は、本発明の第２の変形例に係る力学量センサーの上面図である。図７には、力学量センサーのアンカー７０１、可動電極７０２、アンカー７０１と可動電極７０２とを接続する４本のビーム、および固定電極７４１−７４８が示されている。
【００４０】
アンカー７０１と可動電極７０２との間に、直線ビームとビーム接続部とにより構成されるビームが４本形成されている。４本のビームそれぞれは、ジグザグ形状に形成され、互いに略９０度の角をなして回転対称の形状に形成されている。それぞれのビーム形状は九十九折り形状ということもできる。それぞれのビームの一端はアンカー７０１に接続され、他端は可動電極７０２に接続されている。アンカー７０１は略正方形であり、可動電極７０２は環状の形状である。固定電極７４１−７４８は、可動電極７０２を取り囲んで配置されている。
【００４１】
４本のビームはそれぞれの形状が略同一であるので、そのうちの１本のビームについて説明する。ビームは、アンカー接続部７０３と、直線ビーム７０４−７１６と、可動電極接続部７１７と、第１接続部７２１と、ビーム接続部７２２−７３３と、第２接続部７３４とを有する。
【００４２】
直線ビーム７０４、７０６、７０８、７１０、７１２、７１４、７１６は略平行に配置されている。直線ビーム７０４、７０６、７０８、７１０、７１２、７１４、７１６の順にアンカー７０１との距離が大きくなり、可動電極７０２との距離が小さくなっている。別の見方をすれば、直線ビーム７０４、７０６、７０８、７１０、７１２、７１４、７１６のそれぞれは、中心を同じとし、半径が異なる複数の同心円のいずれかに接している。直線ビーム７０４、７０６、７０８、７１０、７１２、７１４、７１６のそれぞれと同心円との接点は略同一の直線上にある。また、この直線上にアンカー接続部７０３と可動電極接続部７１７とが配置されている。
【００４３】
さらに別の見方をすれば、アンカー７０１に含まれる位置の一点（例えば、アンカー７０１の重心点）と直線ビーム７０４、７０６、７０８、７１０、７１２、７１４それぞれの両端とを結ぶことにより、複数の鋭角三角形あるいは直角三角形を得ることができる。一方、アンカー７０１に含まれる位置の一点と直線ビーム７０５、７０７、７０９、７１１、７１３、７１５のぞれぞれの両端とを結ぶことにより、複数の鈍角三角形を得ることができる。以下、直線ビーム７０４、７０６、７０８、７１０、７１２、７１４のそれぞれを長直線ビームといい、直線ビーム７０５、７０７、７０９、７１１、７１３、７１５を短直線ビームという場合がある。
【００４４】
アンカー接続部７０３の一端は、ビームの一端となる（直線ビームの１つとみなすこともできる）。アンカー接続部７０３の一端は、アンカー７０１に接続されている。アンカー接続部７０３の他端は、第１接続部７２１を介して、直線ビーム７０４の一端に接続されている。直線ビーム７０４の他端は、ビーム接続部７２２を介して、直線ビーム７０５の一端に接続されている。直線ビーム７０５の他端は、ビーム接続部７２３を介して直線ビーム７０６の一端に接続されている。直線ビーム７０６の他端は、ビーム接続部７２４を介して、直線ビーム７０７の一端に接続されている。直線ビーム７０７の他端は、ビーム接続部７２５を介して、直線ビーム７０８の一端に接続されている。直線ビーム７０８の他端は、ビーム接続部７２６を介して、直線ビーム７０９の一端に接続されている。直線ビーム７０９の他端は、ビーム接続部７２７を介して、直線ビーム７１０の一端に接続されている。直線ビーム７１０の他端は、ビーム接続部７２８を介して、直線ビーム７１１の一端に接続されている。直線ビーム７１１の他端は、ビーム接続部７２９を介して、直線ビーム７１２の一端に接続されている。直線ビーム７１２の他端は、ビーム接続部７３０を介して、直線ビーム７１３の一端に接続されている。直線ビーム７１３の他端は、ビーム接続部７３１を介して、直線ビーム７１４の一端に接続されている。直線ビーム７１４の他端は、ビーム接続部７３２を介して、直線ビーム７１５の一端に接続されている。直線ビーム７１５の他端は、ビーム接続部７３３を介して、直線ビーム７１６の一端に接続されている。直線ビーム７１６の他端は、第２接続部７３４を介して、可動電極接続部７１７の一端に接続されている。可動電極接続部７１７の他端は、可動電極７０２に接続されている。
【００４５】
第１接続部７２１において、アンカー接続部７０３の他端と直線ビーム７０４の一端とが略垂直に接続されている。第２接続部７３４において、直線ビーム７１６の他端と可動電極接続部７１７の一端とが略垂直に接続されている。また、ビーム接続部７２２−７３３のそれぞれにおいて、隣接する直線ビームの一方の他端と他方の一端とが略垂直に接続されている。第１接続部７２１、ビーム接続部７２２−７３３および第２接続部７３４を順に見た場合、アンカー接続部７０３の他端から直線ビーム７０４の一端への方向、隣接する直線ビームの一方である長直線ビームの他端から他方である短直線ビームの一端への方向、および直線ビーム７１６の他端から可動電極接続部７１７の一端への方向は、右方および左方を交互に繰り返す。このため、本変形例においては、ビームはジグザグ形状となっている。あるいはビームは九十九折り形状となっている。
【００４６】
なお、図７においては、アンカー７０１の形状は正方形であるが、アンカー７０１の形状は正方形に限定されることはなく、任意の形状とすることができる。例えば、楕円、あるいは、三角形、四角形などの多角形状とすることが可能である。また、図７においては１本のビームあたり１３本の直線ビームが示されているが、任意の本数の直線ビームを用いることができ、したがって、任意の数のビーム接続部を用いることができる。また、図３において、アンカー接続部３０３および可動電極接続部３１７は直線形状のビームとなっているが、曲線形状のビームであってもよい。
【００４７】
第２の変形例に係る加速度センサーにおいては、ビームはジグザグ形状あるいは九十九折り形状に形成されているので、図６に示す加速度センサーよりも直線ビームの長さの総和を大きくすることができ、小さな加速度でも可動電極の変位量を大きくすることができ、加速度センサーの感度を上げることができる。また、図６に示す加速度センサーにおいては、平行な直線ビームである直線ビーム６０４と直線ビーム６０６との長さの和と別の平行な直線ビームである直線ビーム６０５と直線ビーム６０７との長さの和とは略同じであるが、本変形例においては、平行な直線ビーム７０４、７０６、７０８、７１０、７１２、７１４、７１６の長さの和を、別の平行な直線ビーム７０５、７０７、７０９、７１１、７１３、７１５、７１７の長さの和よりも大きくすることができ、平行な直線ビーム７０４、７０６、７０８、７１０、７１２、７１４、７１６と垂直な方向に対する変形量と別の平行な直線ビーム７０５、７０７、７０９、７１１、７１３、７１５、７１７と垂直な方向に対する変形量とを制御することができる。
【００４８】
図８は、第３の変形例に係る力学量センサーのアンカー８０１、ビーム、可動電極８０２および固定電極８４１−８４８の上面図である。図８に示すように、アンカー８０１と可動電極８０２との間に、第２の変形例と同様に、直線ビームとビーム接続部とにより構成されるジグザグ形状あるいは九十九折り形状のビームが形成されている。ただし、図８では、ビームが３本形成されている。
【００４９】
図８には、３本のビームのうち、１本のビームの各部分について符号８０３−８１７、８２１−８３４を付したが、これらの部分の接続関係は、第２の変形例のアンカー接続部７０３と、直線ビーム７０４−７１６と、接続部７２１と、ビーム接続部７２２−７３４と同様なので説明を省略する。
【００５０】
一般に３点が決まることにより、これらの３点を含む平面が決まるので、このように３本のビームが可動電極に接続されることにより、より少ない本数のビームにより、可動電極の位置をより安定にさせることができる。
【００５１】
図９は、第４の変形例に係る力学量センサーのアンカー９０１、ビーム、可動電極９０２および固定電極９４１−９４８の上面図である。図９に示すように、アンカー９０１と可動電極９０２との間に、第２の変形例と同様に、アンカー接続部と直線ビームと接続部とビーム接続部とにより構成されるジグザグ形状あるいは九十九折り形状のビームが形成されている。ただし、本変形例においては６本形成され、互いに略６０度の角度を成すように形成されている点が異なる。
【００５２】
図９には、６本のビームのうち、１本のビームの各部分についてアンカー接続部として符号９０３、直線ビームとして符号９０５−９１５、接続部として符号９２１、ビーム接続部として符号９２２−９３２を付した。これらの接続関係は、第２の変形例と同様なので説明を省略する。
【００５３】
このようにビームの本数を増やすことにより、可動電極の位置を安定化させることができる。
【００５４】
図１０は、第５の変形例に係る力学量センサーのアンカー１００１、ビーム、可動電極１００２および固定電極１０４１−１０４８の上面図である。図１０には、第２の変形例のように、アンカーと可動電極との間に、直線ビームとビーム接続部とにより構成されるジグザグ形状あるいは九十九折り形状のビームが４本示されている。
【００５５】
図１０には、４本のビームのうち、１本のビームの各部分についてアンカー接続部として符号１００３を付し、接続部として符号１０２１を付し、直線ビームとして符号１００４−１０１７を付し、ビーム接続部として１０２２−１０３４を付した。これらの接続関係は、第２の変形例と同様なので説明を省略する。
【００５６】
本変形例では、可動電極１００２の形状が第２の変形例と異なり、ビームが配置される部分において可動電極１００２が一部切り欠かれた凹形状とし、凸部分１０３５、１０３６の間にビームが配置されていることが特徴の一つとなっている。これにより、可動電極の質量を大きくすることができ、小さな加速度でも可動電極に大きな変位を生じさせることができ、力学量センサーの感度を上げることができる。
【００５７】
特に、本変形例では、直線ビーム１００６、１００８、１０１０、１０１２、１０１４の長さは略同一となり、直線ビーム１００５、１００９、１０１３が略同一直線の上に配置され、直線ビーム１００７、１０１１、１０１５も別の略同一直線の上に配置されている。これにより、ビーム接続部１００３から直線ビーム１０１６までのビームを挟む可動電極の内側の凸部分１０３６、１０３５の大きさを大きくすることができ、可動電極の質量を大きくすることができる。これにより小さな加速度でも可動電極に大きな変位を生じさせることができ、力学量センサーの感度を上げることができる。
【００５８】
図１１は、第６の変形例に係る力学量センサーのアンカー１１０１、ビーム、可動電極１１０２および固定電極１１４１−１１４８の上面図である。図１１には、第２の変形例に示したように、アンカー１１０１と可動電極１１０２との間に、直線ビームとビーム接続部とにより構成されるジグザグ形状あるいは九十九折り形状のビームが４本示されている。本変形例では、可動電極１１０２は、略正方形に略円形の開口が設けられ、開口の部分にビームが配置されている。開口は略円形である必要はなく、略正方形などの矩形であってもよいし、任意の形状とすることもできる。
【００５９】
図１１には、４本のビームのうち、１本のビームの各部分についてアンカー接続部として符号１１０３を付し、接続部として符号１１２１を付し、直線ビームとして符号１１０４−１１１５を付し、ビーム接続部として１１２２−１１３２を付した。これらの接続関係は、第２の変形例と同様なので説明を省略する。
【００６０】
本変形例では、可動電極は円環形状ではなく、矩形状、特に正方形の形状となっている。これにより、可動電極が固定電極に接触した場合の接触面積を大きくすることができ、物理量の検出をより確実に行なうことができる。ビームは、ジグザグ形状あるいは九十九折り形状の代わりに、図６に示すように、渦巻き形状とすることもできる。
【００６１】
また、本変形例では、可動電極は円環形状ではなく、矩形状となっているので、図１０のように、可動電極の内部に凸形状の部分を設けなくても、可動電極の質量を大きくすることが可能となる。
【００６２】
図１２は、第７の変形例に係る力学量センサーのアンカー１２０１、ビーム、可動電極１２０２および固定電極１２３１−１２３８の上面図である。図１２には、アンカー１２０１と可動電極１２０２との間に、直線ビームとビーム接続部とにより構成されるジグザグ形状あるいは九十九折り形状のビームが４本示されている。
【００６３】
４本のビームは形状が略同一であるので、そのうちの１本のビームについて説明する。ビームは、直線ビーム１２０３−１２１１とビーム接続部１２２１−１２２８とを有する。直線ビーム１２０３の一端はアンカー１２０１に接続され、他端はビーム接続部１２０３により、鋭角をなして直線ビーム１２０４の一端に接続されている。直線ビーム１２０４の他端はビーム接続部１２２２により、鋭角をなして直線ビーム１２０５の一端に接続されている。直線ビーム１２０５の他端はビーム接続部１２２３により鋭角をなして直線ビーム１２０６の一端に接続されている。直線ビーム１２０６の他端は、ビーム接続部１２２４により鋭角をなして直線ビーム１２０７の一端に接続されている。直線ビーム１２０７の他端は、ビーム接続部１２２５により鋭角をなして直線ビーム１２０８の一端に接続されている。直線ビーム１２０８の他端は、ビーム接続部１２２６により鋭角をなして直線ビーム１２０９の一端に接続されている。直線ビーム１２０９の他端は、ビーム接続部１２２７により鋭角をなして直線ビーム１２１０の一端に接続されている。直線ビーム１２１０の他端はビーム接続部１２２８により直線ビーム１２１１の一端に接続されている。直線ビーム１２１１の他端は可動電極１２０２に接続されている。
【００６４】
ビーム接続部１２２１、１２２２、１２２３、１２２４、１２２５、１２２６、１２２７、１２２８を順に見た場合、隣接する直線ビームの一方の他端から他方の一端への方向は、右方および左方を交互に繰り返す。このため、本変形例においては、ビームはジグザグ形状あるいは九十九折り形状となっている。
【００６５】
別の見方をすれば、アンカー１２０１との距離が大きくなるにしたがって、直線ビーム１２０３−１２１１の長さが大きくなっている。アンカー１２０１から離れるにしたがってより長い直線ビームを配置するスペースが得られるので、水平方向への変位が大きいビームが得られる。
【００６６】
図１３は、第８の変形例に係る力学量センサーのアンカー１３０１、ビーム、可動電極１３０２および固定電極１３２１−１３２８の上面図である。図１３には、アンカー１３０１と可動電極１３０２との間に、直線ビームとビーム接続部とにより構成されるジグザグ形状あるいは九十九折り状の形状のビームが４本示されている。
【００６７】
４本のビームは形状が略同一であるので、そのうちの１本のビームについて説明する。ビームは、アンカー接続部１３０３と、第１接続部１３１１と、直線ビーム１３０４−１３０８と、第２接続部１３１６と、可動電極接続部１３０９と、ビーム接続部１３１２−１３１５とを有する。アンカー接続部１３０３の一端はアンカー１３０１に接続され、他端は、第１接続部１３１１を介して直線ビーム１３０４の一端に接続されている。直線ビーム１３０４の他端はビーム接続部１３１２を介して直線ビーム１３０５の一端に接続されている。直線ビーム１３０５の他端は、ビーム接続部１３１３を介して直線ビーム１３０６の一端に接続されている。直線ビーム１３０６の他端は、ビーム接続部１３１４を介して直線ビーム１３０７の一端に接続されている。直線ビーム１３０７の他端は、ビーム接続部１３１５を介して直線ビーム１３０８の一端に接続されている。直線ビーム１３０８の他端は、第２接続部１３１６を介して可動電極接続部１３０９の一端に接続されている。可動電極接続部１３０９の他端は可動電極１３０２に接続されている。
【００６８】
本変形例では、直線ビーム１３０４、１３０５、１３０６、１３０７、１３０８の順にアンカー１３０１との距離が大きくなり、可動電極１３０２との距離が小さくなる。別の見方をすれば、直線ビーム１３０４、１３０５、１３０６、１３０７、１３０８は、中心が同じであり半径が異なる複数の同心円のいずれかに接する。また、直線ビーム１３０４、１３０５、１３０６、１３０７、１３０８と同心円のいずれかとの接点は同一の直線上にある。
【００６９】
第２の変形例と本変形例との違いは、ビーム接続部１３１２−１３１５が、中心角が略１８０度の円弧の形状となっている点である。これにより、ビーム接続部が接続する直線ビームは略平行となっている。ただし、本変形例において、ビーム接続部の形状は、中心角が略１８０度の円弧の形状に限られることはなく、例えば中心角は１８０度より小さくてもよい。また、円弧である必要はなく、放物線などの任意の曲線とすることができる。
【００７０】
また、第１接続部１３１１、第２接続部１３１６は円弧や曲線の形状となっていてもよい。
【００７１】
本変形例では、曲線形状のビーム接続部が用いられていることにより、ビームが変形した際にビーム接続部に加わる応力を分散させることができ、ビームの破損を防止することができる。
【００７２】
図１４は、第９の変形例に係る力学量センサーのアンカー１４０１、ビーム、可動電極１４０２および固定電極１４２１−１４２８の上面図である。図１４には、第２の変形例と同様に、アンカー１４０１と可動電極１４０２との間に、直線ビームとビーム接続部とにより構成されるジグザグ形状あるいは九十九折り形状のビームが４本示されている。
【００７３】
図１４においては、４本のビームのうち、１本のビームの各部分についてアンカー接続部として符号１４０３、直線ビームとして符号１４０５−１４１３、接続部として符号１４２１、ビーム接続部として符号１４２２−１４３０を付した。これらの接続関係は、第２の変形例と同様なので説明を省略する。
【００７４】
本変形例では、第２の変形例として説明した内容と異なり、直線ビーム１４０５−１４１３の幅が異なり、アンカー１４０１に近い直線ビームほど幅が大きくなっている。これにより、ビームが変形した際に、アンカーとビームとが接続されている部分に加わる応力による破損を防止することができる。同様に、可動電極に近い部分の幅をアンカーに近い部分よりも大きくすることにより、可動電極とビームとが接続されている部分に加わる応力による破損を防止することができる。また、アンカーと可動電極との中間の位置の幅を、アンカーまたは可動電極に近い位置の幅よりも小さくすることもできる。これにより、力学量センサーの感度を調整することができる。
【００７５】
図１５は、第１０の変形例に係る物理量センサーのアンカー１５０１、ビーム、可動電極１５１１−１５１８の上面図である。図１５においては、第１の変形例と同様に、アンカーと可動電極との間に、直線ビームとビーム接続部とにより構成される渦巻き形状のビームが４本示されている。
【００７６】
本変形例では、隣接する平行な直線ビーム間の距離が一様ではない。すなわち、間隔１５０２、間隔１５０３、間隔１５０４の順序で大きさが小さくなっている。このようにビーム間の距離を変化させることにより、ビームの変形量を制御し、力学量センサーの感度を調整することができる。
【００７７】
以上、本発明の一実施形態の変形例をいくつか説明したが、本発明は、以上の説明に限定されることはなく、さらに変形して実施することもできる。また、複数の変形例の特徴を組み合わせて実施することもできる。例えば、アンカーの形状は正三角形、正方形、正六角形である必要はない。また、可動電極が環状の形状となっていること、ビームが３〜６本であること、可動電極が８個である必要はなく、種々に変形することができる。
【００７８】
（直線ビームが有る場合と直線ビームが無い場合との比較結果）
以下、本発明の一実施形態に係る、直線ビームが有る力学量センサーと従来技術に係る、直線ビームが無い加速度センサーとの別のシミュレーションによる比較について説明する。
【００７９】
図１６は、本発明の一実施形態に係る第１のモデルのアンカー、ビームおよび可動電極の上面図であり、図１７は、本発明の一実施形態に係る第２のモデルのアンカー、ビームおよび可動電極の上面図であり、図１８は、従来技術に係る第３のモデルのアンカー、ビームおよび可動電極の上面図である。
【００８０】
第１〜３のモデルに共通なパラメータは次の通りである。アンカー、ビームおよび可動電極は、厚さが５０μｍのシリコンであり、ビームの幅は１５μｍである。また、可動電極は、外周の形状が、半径Ｒが１６８５μｍとなる円である。これをまとめると表１のようになる。なお、シリコンの結晶面方位が（１００）面となるものとした。
【表１】
【００８１】
第１のモデルにおいて、可動電極は、一辺の長さＬが２２００μｍの正方形の開口を有し、アンカーは、一辺の長さＳが４００μｍの正方形の形状をしている。また、ビームを４本形成し、それぞれのビームは直線形状のアンカー接続部と４本の直線ビームを有し、アンカー接続部および４本の直線ビームの隣接するものは略９０度の角をなし、ビーム全体は渦巻き形状となっている。また、隣接する平行な直線ビーム間の距離Ｄは２００μｍである。また、直線ビームは、劈開面から４５度傾いている。
【００８２】
第２のモデルにおいて、可動電極は、半径Ｌ／２が１３８５μｍの開口を有し、アンカーは、一辺の長さＳが４００μｍの正方形の形状をしている。また、ビームを４本形成し、直線ビームのうち、長直線ビーム間の距離Ｄは１００μｍである。また、直線ビームは、劈開面から４５度傾いている。
【００８３】
第３のモデルにおいて、可動電極は、半径Ｌ／２が１３８５μｍの開口を有し、アンカーは、半径が７００μｍの円形状を有している。また、ビームは１本の渦巻き形状であり、ビーム間の距離Ｄが１４０μｍとなる渦巻き形状である。
【００８４】
以上説明した第１のモデル、第２のモデル、第３のモデルのパラメータを示すと表２のようになる（表１３に示したものを除く）。
【表２】
【００８５】
以上のモデルに対して、一辺の長さの平均が１０μｍの三角錐を用いた有限要素法により、水平方向と垂直方向とのそれぞれに１Ｇの加速度を加えた場合の、可動電極の変位量を計算した。その結果は、以下に示す表３となった。
【表３】
ここに、「変位量の比」とは、水平方向変位量に対する垂直方向変位量の比である（以下においても同じ。）。変位量の比が小さいほど、水平方向変位量に対する垂直方向変位量が小さくなることとなる。したがって、ビームの水平方向の変位量に比較して垂直方向の変位量が小さいことを示す。したがって、変位量の比が小さいほど、本発明の課題の解決にとっては、好ましいこととなる。
【００８６】
表３に示されるように、直線ビームを有する第１のモデルおよび第２のモデルのいずれにおいても、従来の曲線のビームのみを有する第３のモデルよりも、変動量の比は小さくなっている。すなわち、本発明の一実施形態に係る力学量センサーにおいては、水平方向に対する垂直方向の変位量は、従来技術に係る加速度センサーよりも相対的に小さくなり、課題が解決されることがわかる。
【００８７】
本発明の力学量センサーは、傾き等を検知することができ、種々の力学量を検出することが可能である。
【符号の説明】
【００８８】
１１１ アンカー
１２１−１２８ 固定電極
１１３ 可動電極
１４１、１４２、１４４、１４５ 直線ビーム
１４３、１４６ ビーム接続部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力学量センサーに関する。特に、半導体により形成された力学量センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
基板に形成されたアンカー（固定部）と、アンカーに接続され、曲線のみからなる渦巻き形状を有する可動ビーム（可動梁）と、可動ビームの先端に接続された可動電極と、可動電極の周囲に形成され基板に固定された固定電極とを有する加速度センサーが知られている（例えば、特許文献１参照。）。図１（ａ）は、このような従来技術に係る加速度センサーの上面図を示し、図１（ｂ）は、加速度センサーのＩ−Ｉ断面線における垂直断面図を示している。符号１１はアンカーであり、符号１２は可動ビームであり、符号１３は可動電極である。また、符号２１−２８は、固定電極である。また、符号３１は基板である。
【０００３】
このような加速度センサーに加速度が加わると、可動電極１３に力が加わることにより可動ビーム１２が変形し、可動電極１３と固定電極２１−２８のいずれかとが接触可能となる。可動電極１３と固定電極２１−２８のいずれかとが接触すると、可動電極１３は固定電極２１−２８のいずれかと導通し、アンカー１１から、可動ビーム１２および可動電極１３を介して、固定電極２１−２８のいずれかまでの電流経路が形成される。したがって、アンカー１１と固定電極２１−２８とに電圧を印加し、アンカー１１と固定電極２１−２８との間の電流を検出することにより、加速度が加わったことを検出することができる。
【０００４】
このような加速度センサーは、例えば、ガスの流量メータに内蔵され、地震の発生時にガスを止めたり、自動車に搭載され、衝突の際にエアクッションを動作させたりするために使用することができる。また、加速度センサーの可動電極１３が水平な状態から傾いた状態に変化したことを検出することもできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２４２０５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来技術に係る加速度センサーにおいては、大きな加速度が上下方向に加わると、可動１２ビームと可動電極１３とが上下方向に移動することとなる。これにより、図２（ａ）に示すように可動ビーム１２と可動電極１３とが基板３１と接触する場合がある。このため、可動ビーム１２と可動電極１３とのいずれかまたは両方が損傷する場合がある。また逆に、図２（ｂ）に示すように可動ビーム１２と可動電極１３とが上方に移動し、可動電極１３が固定電極２３に乗り上げてしまう場合がある。これにより、加速度センサーが正常に動作しなくなる場合がある。
【０００７】
従来技術に係る加速度センサーの上部に、基板などの構造物を設けて、可動ビーム１２および可動電極１３の変位を抑制することも行なわれているが、上方に設けた構造物と可動ビーム１２と可動電極１３とのいずれかまたは両方が損傷するおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施形態として、基板に固定されたアンカーおよび固定電極と、前記アンカーと前記固定電極の間において前記基板から離れて形成され、前記固定電極と接触すると前記固定電極と導通する可動電極と、前記アンカーに一端が接続され、前記可動電極に他端が接続され、前記基板から離れて形成されたビームとを有し、前記ビームは、複数の直線ビームと前記複数の直線ビームのうち隣接する２つの直線ビームの長手方向を異ならせて前記２つの直線ビームを接続するビーム接続部とを有する力学量センサーを提供する。
【０００９】
本発明の一実施形態として、基板に固定されたアンカーおよび固定電極と、前記アンカーと前記固定電極の間において前記基板から離れて形成され、前記固定電極と接触すると前記固定電極と導通する可動電極と、前記アンカーに一端が接続され、前記可動電極に他端が接続され、前記基板から離れて形成されたビームとを有し、前記ビームは、複数の平行な直線ビームと前記複数の直線ビームのうち隣接する２つの直線ビームを接続するビーム接続部とを有する力学量センサーを提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、可動ビームが直線ビームを用いて構成されるので、可動ビームの上下方向の動きを抑制することが可能となる。したがって、信頼性のより高い力学量センサーを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】従来の加速度センサーの上面図と断面図
【図２】従来の加速度センサーの不具合を説明する図
【図３】本発明の一実施形態に係る力学量センサーの上面図
【図４】本発明の一実施形態に係る力学量センサーの断面図
【図５】本発明の一実施形態に係る力学量センサーの断面図
【図６】本発明の一実施形態に係る力学量センサーの上面図
【図７】本発明の一実施形態に係る力学量センサーの上面図
【図８】本発明の一実施形態に係る力学量センサーの上面図
【図９】本発明の一実施形態に係る力学量センサーの上面図
【図１０】本発明の一実施形態に係る力学量センサーの上面図
【図１１】本発明の一実施形態に係る力学量センサーの上面図
【図１２】本発明の一実施形態に係る力学量センサーの上面図
【図１３】本発明の一実施形態に係る力学量センサーの上面図
【図１４】本発明の一実施形態に係る力学量センサーの上面図
【図１５】本発明の一実施形態に係る力学量センサーの上面図
【図１６】本発明の一実施形態に係る力学量センサーのシミュレーションモデルの上面図
【図１７】本発明の一実施形態に係る力学量センサーのシミュレーションモデルの上面図
【図１８】従来の加速度センサーのシミュレーションモデルの上面図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための形態を説明する。なお、本発明は以下に説明する形態に限定されることはなく、種々変形を行なって実施することが可能である。また図面においては、上下、左右の縮尺を誇張して図示することにより、実際のものとは縮尺が異なる場合がある。
【００１３】
図３（ａ）は、本発明の一実施形態に係る力学量センサーのアンカー１１１、ビーム、可動電極１１３および固定電極１２１−１２８の上面図を示す。また、図４は、図３（ａ）のＩＩ−ＩＩ断面線における断面図である。
【００１４】
図３（ａ）および図４を参照すると、本発明の一実施形態に係る力学量センサーは、アンカー１１１と、直線ビーム１４１、１４２と直線ビーム１４１、１４２との間に配置されるビーム接続部１４３とを有するビームと、可動電極１１３と、固定電極１２１−１２８と、絶縁基板１３１とを備える。また、直線ビームの断面は、縦長の矩形となっており、これにより、横方向には撓み易くなり、縦方向には横方向と比較して撓みにくくなる。また、アンカー１１１と、直線ビーム１４１と直線ビーム１４２との間に配置されるビーム接続部１４３と、可動電極１１３とは導電性の材料により形成され、絶縁基板１３１は絶縁性の材料により形成される。例えば、ビーム、アンカー１１１、可動電極１１３は、シリコン単結晶に不純物を拡散した材料により形成される。可動電極１１３は、固定電極１２１−１２８とのコンタクト性を高めるために金属材料などを成膜しておいてもよい。なお、アンカー１１１と、直線ビーム１４１、１４２と、ビーム接続部１４３と、可動電極１１３と、固定電極１２１−１２８の上面の一部または全てが絶縁材料で覆われていてもよい。ただし、可動電極１１３と固定電極１２１−１２８の側面は、導電性の材料が露出し、可動電極１１３と固定電極１２１−１２８とのいずれか１以上とが接触すると、可動電極１３は、固定電極１２１−１２８とのいずれか１以上と導通するようになっている。
【００１５】
アンカー１１１は、絶縁基板１３１に固定されている。図３（ａ）において、上面から見た場合、アンカー１１１の形状は略円形であるが、アンカー１１１の形状は略円形に限定されることはなく、任意の形状とすることができる。例えば、楕円、あるいは、三角形、四角形などの多角形状とすることが可能である。
【００１６】
直線ビーム１４１、１４２は、長手方向に延び直線の形状をしたビームである。また、ビーム接続部１４３は、直線ビーム１４１と直線ビーム１４２との間に配置され、直線ビーム１４１と直線ビーム１４２とを接続する。また、図３（ａ）においては、直線ビーム１４１の長手方向と直線ビーム１４２長手方向とは異なる。すなわち、図３（ａ）においては、隣接する直線ビーム１４１と直線ビーム１４２とについて、直線ビーム１４１の長手方向と直線ビーム１４２長手方向とは略９０度の角度を成している。ただし、本発明は、隣接する直線ビームは略９０度を成してビーム接続部により接続されることに限定はされない。隣接する直線ビームは任意の角度を成してビーム接続部により接続されていてもよい。例えば、直線ビーム１４１と直線ビーム１４２とが４５度、１２０度をなすように接続することができる。また、後述するように隣接する直線ビームは、平行となっていてもよく、ビーム接続部が隣接する隣接する直線ビームを離す構成となっていてもよい。
【００１７】
なお、隣接する２つの直線ビームの側面が滑らかに接続されるようにビーム接続部の側面が曲面となっていてもよい。例えば、ビーム接続部の側面が、丸み面取りされた形状になっていてもよい。より具体的な例を用いて説明すると、ビーム接続部の側面が、円柱の側面の一部となっていてもよい。このようにすることにより、ビーム接続部に応力が集中するのを防止することができる。
【００１８】
図３（ｂ）は、隣接する２つの直線ビーム１４１’と直線ビーム１４２’の側面が滑らかに接続されるようにビーム接続部１４３’の側面が曲面となっている例を示す。図３（ｂ）においては、ビーム接続部１４３’の両側面が曲面となっているが、いずれか一方の側面のみが曲面となっていてもよい。
【００１９】
直線ビーム１４１、１４２およびビーム接続部１４３は、絶縁基板１３１から離れて形成されている。また、可動電極１１３も絶縁基板１３１から離れて形成されている。したがって、可動電極１１３に水平方向に力が加わると、直線ビーム１４１、１４２は撓むなどして変形し、可動電極１１３が水平方向に移動する。
【００２０】
また、図３（ａ）において、ビーム接続部４３は、直線ビーム１４１、１４２の幅の長さを有する４辺からなる略正方形となっているが、ビーム接続部１４３は任意の形状とすることができる。例えば、長方形または円盤状の形状としたり、直線状または曲線状の形状としたりすることができる。
【００２１】
なお、図３（ａ）においては２本の直線ビーム１４１、１４２と一つのビーム接続部１４３とが示されているが、任意の本数の直線ビームを用いることができ、したがって、任意の数のビーム接続部を用いることができる。
【００２２】
可動電極１１３は、直線ビーム１４２に接続された電極である。また、可動電極１１３は、絶縁基板１３１から離れて形成されている。図３（ａ）においては、可動電極１１３は、円板が開口部を有する円環形状を上面から見た略円形となっているが、任意の形状とすることができる。例えば、開口部を有する正方形、矩形、台形、菱形、楕円形、あるいは、弧状などとすることができる。また、可動電極１１３は一様な幅の形状である必要もなく、アンカー１１１、直線ビーム１４１、１４２およびビーム接続部１４３が配置するための部分が開口し、開口部が凹形状となっていてもよい。これにより、可動電極１１３の質量を増加させることができる。したがって、可動電極１１３に水平方向の加速度が加えられた場合に可動電極１１３の質量に応じたより大きな慣性力が起こり、ビームの変形量を大きくなり、力学量センサーの感度を上げることができる。
【００２３】
固定電極１２１−１２８は、絶縁基板１３１に形成され、可動電極１１３を取り囲むように配置されている電極である。通常は、固定電極１２１−１２８は、可動電極１１３と離れているが、可動電極１１３に、水平方向に所定の大きさ以上の加速度が加えられると、可動電極１１３が固定電極１２１−１２８のいずれか１以上と接触する。なお、図３（ａ）においては、固定電極１２１−１２８は、８個形成されているが、任意の個数とすることができ、所望の方向分解能によって適宜個数を決めればよい。
【００２４】
また、可動電極１１３と固定電極１２１−１２８とのいずれか１以上とが接触すると、可動電極１３は、固定電極１２１−１２８とのいずれか１以上と導通するようになっているため、少なくとも、可動電極１３と固定電極１２１−１２８との側面は導電材料により形成されている。また、可動電極１１３とアンカー１１１とが、直線ビームとビーム接続部とで形成されるビームにより電気的に接続されている。
【００２５】
以上のように力学量センサーを形成することにより、可動電極１１３に水平方向に加速度が加わると、可動電極１１３の質量により外力が可動電極１３に加わる。これにより、直線ビーム１４１、１４２とビーム接続部１４３とが変形する。したがって、可動電極１１３に所定の大きさ以上の加速度が加わると、可動電極１３が固定電極１２１−１２８の少なくとも一つと接触し、アンカー１１１から固定電極１２１−１２８のいずれか１以上へ至る電流経路が形成され、水平方向の加速度が発生したことを検出することができる。また、固定電極１２１−１２８のように複数の固定電極を設けることにより、発生した加速度の方向を検出することもできる。
【００２６】
なお、上述したように直線ビームの本数およびビーム接続部の数は任意とすることができる。例えば、図３（ｃ）は、本発明の別の実施形態に係る力学量センサーのアンカー、ビーム、可動電極および固定電極の上面図である。図３（ｃ）において、４本の直線ビーム１４１、１４２、１４４、１４５を用いて２本のビームを構成する。直線ビーム１４１、１４４がアンカー１１１に接続される。直線ビーム１４２、１４５が可動電極１１３に接続される。ビーム接続部１４３は直線ビーム１４１と直線ビーム１４２とを接続し、ビーム接続部１４６が直線ビーム１４４と直線ビーム１４５とを接続している。また、直線ビーム１４１、ビーム接続部１４３および直線ビーム１４２と、直線ビーム１４４、ビーム接続部１４６および直線ビーム１４５とがアンカー１１１を中心に点対称となるように配置されている。これにより、可動電極１１３が直線ビーム１４２と接続されている箇所とは反対側において上下方向に移動することを防止することができる。
【００２７】
本発明の一実施形態においては、ビームの構成要素として直線ビームを用いることにより、従来のように曲線形状のビームよりも、直線ビームが上下方向に移動するのを抑制することができる。この点は、後述のようにシミュレーションにより確認された。これによりに、図２を参照して説明した不具合の発生を抑止することができ、課題が解決されることとなる。
【００２８】
図５は、本発明の一実施形態に係る力学量センサーの別の断面図の一例を示す。図５においては、本発明の一実施形態に係る力学量センサーからの信号の取り出しについて説明をする。図４の固定電極１４１、１４４およびアンカー１１１の上に基板１５１が配置されている。可動電極１１３およびビームは、基板１３１と基板１５１との間の空隙に配置されている。また、基板１５１には、基板５０２を貫通する貫通電極１５２−１５４が設けられ、それぞれアンカー１１１、固定電極１２８および固定電極１２４に接触して導通し、基板１５１上に設けられる配線と接続される。このように基板１５１を配置することにより、図２（ｂ）に示すように、可動電極１３が固定電極の上に乗り上げてしまうことを防止することができる。また、アンカー１１１および固定電極１２１−１２８への配線を容易に形成できる。本発明の一実施形態に係る力学量センサーからの信号の取り出しは図５に限らず、アンカー１１１、固定電極１２１−１２８で絶縁基板１３１上にレイアウトされた配線を踏みつけるような構造としてもよい。
【００２９】
本実施形態に係る力学量センサーの製造方法は次の通りである。少なくとも上面が絶縁性である基板上に、シリコンの膜を配置する。例えば、シリコンウェハをシリコンの膜として基板上に貼り合わせたり、シリコン単結晶を形成したりする。また、基板は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板であってもよく、ＳＯＩ基板の活性層を、ここでいうシリコンの膜とすることができる。
【００３０】
このシリコンの膜を上方からエッチングを行なうことにより、シリコンの膜を固定電極１２１−１２８、アンカー１１１、ビームおよび可動電極１１３の形状とする。その後、シリコンの膜の横方向からサイドエッチングを行ない、ビームおよび可動電極１１３を基板より切り離し、図３および図４に示す構造を得ることができる。
【００３１】
基板上に配置されるシリコンの膜の上面の結晶面方位を制御し、シリコンの膜の上面においてヤング率が小さく、かつせん断弾性率が大きい結晶方位に沿うように直線ビームを形成する事が好ましい。これにより可動電極３０２の上下方向の変形量を小さくすることができる。
【００３２】
以下、上述した本発明の一実施形態に係る加速度センサーの変形例を説明する。
【００３３】
図６は、第１の変形例に係る力学量センサーの上面図である。本変形例に係る力学量センサーのアンカー６０１、可動電極６０２、アンカー６０１と可動電極６０２とを接続するビーム、および固定電極６２１−６２８を有する。アンカー６０１と可動電極６０２との間に、直線ビームとビーム接続部とにより構成されるビームが４本形成されている。４本のビームそれぞれは、同じ向きに巻いている渦巻き形状に形成されている。それぞれのビームの一端はアンカー６０１に接続され、他端は可動電極６０２に接続されている。アンカー６０１は略正方形であり、可動電極６０２は環状の形状となっている。図３および図４に示したように、固定電極６２１−６２８は、可動電極６０２を取り囲んで配置されている。アンカー６０１および固定電極６２１−６２８が基板に固定され、ビームおよび可動電極６０２が基板から離れている。また、可動電極６０２が固定電極６２１−６２８と向き合い、対向している。
【００３４】
４本のビームは形状が略同一なので、そのうちの一本のビームについて説明する。ビームは、アンカー接続部６０３と、直線ビーム６０４−６０７と、接続部６０８、ビーム接続部６０９―６１１とを有する。
【００３５】
直線ビーム６０４−６０７は隣接する直線ビームが互いにビーム接続部６０９−６１１のいずれかを介して略垂直に配置されている。直線ビーム６０４、６０５、６０６、６０７の順にアンカー６０１との距離が大きくなり、可動電極６０２との距離が小さくなっている。別の見方をすれば、直線ビーム６０４、６０５、６０６、６０７のそれぞれは中心を同じとし、半径が異なる複数の同心円のいずれかに接している。同心円の中心と、直線ビーム６０４、６０５、６０６、６０７のそれぞれと同心円との接点と、を結ぶ線分は、直線ビームの同心円との接点を結ぶ隣接する線分が略垂直となっている。
【００３６】
アンカー接続部６０３の一端は、ビームの一端となる（直線ビームの１つとみなすこともできる）。アンカー接続部６０３の他端は、接続部６０８を介して、直線ビーム６０４の一端に接続されている。直線ビーム６０４の他端は、ビーム接続部６０９を介して、直線ビーム６０５の一端に接続されている。直線ビーム６０５の他端は、ビーム接続部６１０を介して、直線ビーム６０６の一端に接続されている。直線ビーム６０６の他端は、ビーム接続部６１１を介して、直線ビーム６０７の一端に接続されている。直線ビーム６０７の他端は、ビームの他端となる。直線ビーム６０７の他端は、可動電極６０２に接続されている。
【００３７】
接続部６０８において、アンカー接続部６０３の他端と直線ビーム６０４の一端とが略垂直に接続されている。ビーム接続部６０９−６１１のそれぞれにおいて、隣接する直線ビームの一方の他端と他方の一端とが略垂直に接続されている。接続部６０８、ビーム接続部６０９、６１０、６１１を順にたどる場合、アンカー接続部６０３の他端から直線ビーム６０４の一端への方向、隣接する直線ビームの一方の他端から他方の一端への方向は、右方のみである。このため、本変形例においては、ビームは渦巻き形状となっている。なお、接続部６０８、ビーム接続部６０９、６１０、６１１を順にたどる場合、アンカー接続部６０３の他端から直線ビーム６０４の一端への方向、隣接する直線ビームの一方の他端から他方の一端への方向が左方のみであってもよい。
【００３８】
第１の変形例に係る加速度センサーにおいては、ビームが直線ビームを有するので、可動電極の上下方向への移動を抑制することができる。また、第１の変形例に係る加速度センサーにおいては、図３（ｃ）に示すよりも、多くの直線ビームが可動電極に接続され、アンカーと固定電極とを含む平面に対して可動電極が傾くことが制限される。なお、アンカー６０１が略正方形であること、可動電極６０２が環状の形状となっていること、ビームが４本であること、可動電極が８個であること、ビーム接続部における直線ビームのなす角度が略垂直であること、アンカー接続部６０３がアンカー６０１の一辺に対して略垂直の角度であることは必要に応じて変更することが可能である。
【００３９】
図７は、本発明の第２の変形例に係る力学量センサーの上面図である。図７には、力学量センサーのアンカー７０１、可動電極７０２、アンカー７０１と可動電極７０２とを接続する４本のビーム、および固定電極７４１−７４８が示されている。
【００４０】
アンカー７０１と可動電極７０２との間に、直線ビームとビーム接続部とにより構成されるビームが４本形成されている。４本のビームそれぞれは、ジグザグ形状に形成され、互いに略９０度の角をなして回転対称の形状に形成されている。それぞれのビーム形状は九十九折り形状ということもできる。それぞれのビームの一端はアンカー７０１に接続され、他端は可動電極７０２に接続されている。アンカー７０１は略正方形であり、可動電極７０２は環状の形状である。固定電極７４１−７４８は、可動電極７０２を取り囲んで配置されている。
【００４１】
４本のビームはそれぞれの形状が略同一であるので、そのうちの１本のビームについて説明する。ビームは、アンカー接続部７０３と、直線ビーム７０４−７１６と、可動電極接続部７１７と、第１接続部７２１と、ビーム接続部７２２−７３３と、第２接続部７３４とを有する。
【００４２】
直線ビーム７０４、７０６、７０８、７１０、７１２、７１４、７１６は略平行に配置されている。直線ビーム７０４、７０６、７０８、７１０、７１２、７１４、７１６の順にアンカー７０１との距離が大きくなり、可動電極７０２との距離が小さくなっている。別の見方をすれば、直線ビーム７０４、７０６、７０８、７１０、７１２、７１４、７１６のそれぞれは、中心を同じとし、半径が異なる複数の同心円のいずれかに接している。直線ビーム７０４、７０６、７０８、７１０、７１２、７１４、７１６のそれぞれと同心円との接点は略同一の直線上にある。また、この直線上にアンカー接続部７０３と可動電極接続部７１７とが配置されている。
【００４３】
さらに別の見方をすれば、アンカー７０１に含まれる位置の一点（例えば、アンカー７０１の重心点）と直線ビーム７０４、７０６、７０８、７１０、７１２、７１４それぞれの両端とを結ぶことにより、複数の鋭角三角形あるいは直角三角形を得ることができる。一方、アンカー７０１に含まれる位置の一点と直線ビーム７０５、７０７、７０９、７１１、７１３、７１５のぞれぞれの両端とを結ぶことにより、複数の鈍角三角形を得ることができる。以下、直線ビーム７０４、７０６、７０８、７１０、７１２、７１４のそれぞれを長直線ビームといい、直線ビーム７０５、７０７、７０９、７１１、７１３、７１５を短直線ビームという場合がある。
【００４４】
アンカー接続部７０３の一端は、ビームの一端となる（直線ビームの１つとみなすこともできる）。アンカー接続部７０３の一端は、アンカー７０１に接続されている。アンカー接続部７０３の他端は、第１接続部７２１を介して、直線ビーム７０４の一端に接続されている。直線ビーム７０４の他端は、ビーム接続部７２２を介して、直線ビーム７０５の一端に接続されている。直線ビーム７０５の他端は、ビーム接続部７２３を介して直線ビーム７０６の一端に接続されている。直線ビーム７０６の他端は、ビーム接続部７２４を介して、直線ビーム７０７の一端に接続されている。直線ビーム７０７の他端は、ビーム接続部７２５を介して、直線ビーム７０８の一端に接続されている。直線ビーム７０８の他端は、ビーム接続部７２６を介して、直線ビーム７０９の一端に接続されている。直線ビーム７０９の他端は、ビーム接続部７２７を介して、直線ビーム７１０の一端に接続されている。直線ビーム７１０の他端は、ビーム接続部７２８を介して、直線ビーム７１１の一端に接続されている。直線ビーム７１１の他端は、ビーム接続部７２９を介して、直線ビーム７１２の一端に接続されている。直線ビーム７１２の他端は、ビーム接続部７３０を介して、直線ビーム７１３の一端に接続されている。直線ビーム７１３の他端は、ビーム接続部７３１を介して、直線ビーム７１４の一端に接続されている。直線ビーム７１４の他端は、ビーム接続部７３２を介して、直線ビーム７１５の一端に接続されている。直線ビーム７１５の他端は、ビーム接続部７３３を介して、直線ビーム７１６の一端に接続されている。直線ビーム７１６の他端は、第２接続部７３４を介して、可動電極接続部７１７の一端に接続されている。可動電極接続部７１７の他端は、可動電極７０２に接続されている。
【００４５】
第１接続部７２１において、アンカー接続部７０３の他端と直線ビーム７０４の一端とが略垂直に接続されている。第２接続部７３４において、直線ビーム７１６の他端と可動電極接続部７１７の一端とが略垂直に接続されている。また、ビーム接続部７２２−７３３のそれぞれにおいて、隣接する直線ビームの一方の他端と他方の一端とが略垂直に接続されている。第１接続部７２１、ビーム接続部７２２−７３３および第２接続部７３４を順に見た場合、アンカー接続部７０３の他端から直線ビーム７０４の一端への方向、隣接する直線ビームの一方である長直線ビームの他端から他方である短直線ビームの一端への方向、および直線ビーム７１６の他端から可動電極接続部７１７の一端への方向は、右方および左方を交互に繰り返す。このため、本変形例においては、ビームはジグザグ形状となっている。あるいはビームは九十九折り形状となっている。
【００４６】
なお、図７においては、アンカー７０１の形状は正方形であるが、アンカー７０１の形状は正方形に限定されることはなく、任意の形状とすることができる。例えば、楕円、あるいは、三角形、四角形などの多角形状とすることが可能である。また、図７においては１本のビームあたり１３本の直線ビームが示されているが、任意の本数の直線ビームを用いることができ、したがって、任意の数のビーム接続部を用いることができる。また、図３において、アンカー接続部３０３および可動電極接続部３１７は直線形状のビームとなっているが、曲線形状のビームであってもよい。
【００４７】
第２の変形例に係る加速度センサーにおいては、ビームはジグザグ形状あるいは九十九折り形状に形成されているので、図６に示す加速度センサーよりも直線ビームの長さの総和を大きくすることができ、小さな加速度でも可動電極の変位量を大きくすることができ、加速度センサーの感度を上げることができる。また、図６に示す加速度センサーにおいては、平行な直線ビームである直線ビーム６０４と直線ビーム６０６との長さの和と別の平行な直線ビームである直線ビーム６０５と直線ビーム６０７との長さの和とは略同じであるが、本変形例においては、平行な直線ビーム７０４、７０６、７０８、７１０、７１２、７１４、７１６の長さの和を、別の平行な直線ビーム７０５、７０７、７０９、７１１、７１３、７１５、７１７の長さの和よりも大きくすることができ、平行な直線ビーム７０４、７０６、７０８、７１０、７１２、７１４、７１６と垂直な方向に対する変形量と別の平行な直線ビーム７０５、７０７、７０９、７１１、７１３、７１５、７１７と垂直な方向に対する変形量とを制御することができる。
【００４８】
図８は、第３の変形例に係る力学量センサーのアンカー８０１、ビーム、可動電極８０２および固定電極８４１−８４８の上面図である。図８に示すように、アンカー８０１と可動電極８０２との間に、第２の変形例と同様に、直線ビームとビーム接続部とにより構成されるジグザグ形状あるいは九十九折り形状のビームが形成されている。ただし、図８では、ビームが３本形成されている。
【００４９】
図８には、３本のビームのうち、１本のビームの各部分について符号８０３−８１７、８２１−８３４を付したが、これらの部分の接続関係は、第２の変形例のアンカー接続部７０３と、直線ビーム７０４−７１６と、接続部７２１と、ビーム接続部７２２−７３４と同様なので説明を省略する。
【００５０】
一般に３点が決まることにより、これらの３点を含む平面が決まるので、このように３本のビームが可動電極に接続されることにより、より少ない本数のビームにより、可動電極の位置をより安定にさせることができる。
【００５１】
図９は、第４の変形例に係る力学量センサーのアンカー９０１、ビーム、可動電極９０２および固定電極９４１−９４８の上面図である。図９に示すように、アンカー９０１と可動電極９０２との間に、第２の変形例と同様に、アンカー接続部と直線ビームと接続部とビーム接続部とにより構成されるジグザグ形状あるいは九十九折り形状のビームが形成されている。ただし、本変形例においては６本形成され、互いに略６０度の角度を成すように形成されている点が異なる。
【００５２】
図９には、６本のビームのうち、１本のビームの各部分についてアンカー接続部として符号９０３、直線ビームとして符号９０５−９１５、接続部として符号９２１、ビーム接続部として符号９２２−９３２を付した。これらの接続関係は、第２の変形例と同様なので説明を省略する。
【００５３】
このようにビームの本数を増やすことにより、可動電極の位置を安定化させることができる。
【００５４】
図１０は、第５の変形例に係る力学量センサーのアンカー１００１、ビーム、可動電極１００２および固定電極１０４１−１０４８の上面図である。図１０には、第２の変形例のように、アンカーと可動電極との間に、直線ビームとビーム接続部とにより構成されるジグザグ形状あるいは九十九折り形状のビームが４本示されている。
【００５５】
図１０には、４本のビームのうち、１本のビームの各部分についてアンカー接続部として符号１００３を付し、接続部として符号１０２１を付し、直線ビームとして符号１００４−１０１７を付し、ビーム接続部として１０２２−１０３４を付した。これらの接続関係は、第２の変形例と同様なので説明を省略する。
【００５６】
本変形例では、可動電極１００２の形状が第２の変形例と異なり、ビームが配置される部分において可動電極１００２が一部切り欠かれた凹形状とし、凸部分１０３５、１０３６の間にビームが配置されていることが特徴の一つとなっている。これにより、可動電極の質量を大きくすることができ、小さな加速度でも可動電極に大きな変位を生じさせることができ、力学量センサーの感度を上げることができる。
【００５７】
特に、本変形例では、直線ビーム１００６、１００８、１０１０、１０１２、１０１４の長さは略同一となり、直線ビーム１００５、１００９、１０１３が略同一直線の上に配置され、直線ビーム１００７、１０１１、１０１５も別の略同一直線の上に配置されている。これにより、ビーム接続部１００３から直線ビーム１０１６までのビームを挟む可動電極の内側の凸部分１０３６、１０３５の大きさを大きくすることができ、可動電極の質量を大きくすることができる。これにより小さな加速度でも可動電極に大きな変位を生じさせることができ、力学量センサーの感度を上げることができる。
【００５８】
図１１は、第６の変形例に係る力学量センサーのアンカー１１０１、ビーム、可動電極１１０２および固定電極１１４１−１１４８の上面図である。図１１には、第２の変形例に示したように、アンカー１１０１と可動電極１１０２との間に、直線ビームとビーム接続部とにより構成されるジグザグ形状あるいは九十九折り形状のビームが４本示されている。本変形例では、可動電極１１０２は、略正方形に略円形の開口が設けられ、開口の部分にビームが配置されている。開口は略円形である必要はなく、略正方形などの矩形であってもよいし、任意の形状とすることもできる。
【００５９】
図１１には、４本のビームのうち、１本のビームの各部分についてアンカー接続部として符号１１０３を付し、接続部として符号１１２１を付し、直線ビームとして符号１１０４−１１１５を付し、ビーム接続部として１１２２−１１３２を付した。これらの接続関係は、第２の変形例と同様なので説明を省略する。
【００６０】
本変形例では、可動電極は円環形状ではなく、矩形状、特に正方形の形状となっている。これにより、可動電極が固定電極に接触した場合の接触面積を大きくすることができ、物理量の検出をより確実に行なうことができる。ビームは、ジグザグ形状あるいは九十九折り形状の代わりに、図６に示すように、渦巻き形状とすることもできる。
【００６１】
また、本変形例では、可動電極は円環形状ではなく、矩形状となっているので、図１０のように、可動電極の内部に凸形状の部分を設けなくても、可動電極の質量を大きくすることが可能となる。
【００６２】
図１２は、第７の変形例に係る力学量センサーのアンカー１２０１、ビーム、可動電極１２０２および固定電極１２３１−１２３８の上面図である。図１２には、アンカー１２０１と可動電極１２０２との間に、直線ビームとビーム接続部とにより構成されるジグザグ形状あるいは九十九折り形状のビームが４本示されている。
【００６３】
４本のビームは形状が略同一であるので、そのうちの１本のビームについて説明する。ビームは、直線ビーム１２０３−１２１１とビーム接続部１２２１−１２２８とを有する。直線ビーム１２０３の一端はアンカー１２０１に接続され、他端はビーム接続部１２０３により、鋭角をなして直線ビーム１２０４の一端に接続されている。直線ビーム１２０４の他端はビーム接続部１２２２により、鋭角をなして直線ビーム１２０５の一端に接続されている。直線ビーム１２０５の他端はビーム接続部１２２３により鋭角をなして直線ビーム１２０６の一端に接続されている。直線ビーム１２０６の他端は、ビーム接続部１２２４により鋭角をなして直線ビーム１２０７の一端に接続されている。直線ビーム１２０７の他端は、ビーム接続部１２２５により鋭角をなして直線ビーム１２０８の一端に接続されている。直線ビーム１２０８の他端は、ビーム接続部１２２６により鋭角をなして直線ビーム１２０９の一端に接続されている。直線ビーム１２０９の他端は、ビーム接続部１２２７により鋭角をなして直線ビーム１２１０の一端に接続されている。直線ビーム１２１０の他端はビーム接続部１２２８により直線ビーム１２１１の一端に接続されている。直線ビーム１２１１の他端は可動電極１２０２に接続されている。
【００６４】
ビーム接続部１２２１、１２２２、１２２３、１２２４、１２２５、１２２６、１２２７、１２２８を順に見た場合、隣接する直線ビームの一方の他端から他方の一端への方向は、右方および左方を交互に繰り返す。このため、本変形例においては、ビームはジグザグ形状あるいは九十九折り形状となっている。
【００６５】
別の見方をすれば、アンカー１２０１との距離が大きくなるにしたがって、直線ビーム１２０３−１２１１の長さが大きくなっている。アンカー１２０１から離れるにしたがってより長い直線ビームを配置するスペースが得られるので、水平方向への変位が大きいビームが得られる。
【００６６】
図１３は、第８の変形例に係る力学量センサーのアンカー１３０１、ビーム、可動電極１３０２および固定電極１３２１−１３２８の上面図である。図１３には、アンカー１３０１と可動電極１３０２との間に、直線ビームとビーム接続部とにより構成されるジグザグ形状あるいは九十九折り状の形状のビームが４本示されている。
【００６７】
４本のビームは形状が略同一であるので、そのうちの１本のビームについて説明する。ビームは、アンカー接続部１３０３と、第１接続部１３１１と、直線ビーム１３０４−１３０８と、第２接続部１３１６と、可動電極接続部１３０９と、ビーム接続部１３１２−１３１５とを有する。アンカー接続部１３０３の一端はアンカー１３０１に接続され、他端は、第１接続部１３１１を介して直線ビーム１３０４の一端に接続されている。直線ビーム１３０４の他端はビーム接続部１３１２を介して直線ビーム１３０５の一端に接続されている。直線ビーム１３０５の他端は、ビーム接続部１３１３を介して直線ビーム１３０６の一端に接続されている。直線ビーム１３０６の他端は、ビーム接続部１３１４を介して直線ビーム１３０７の一端に接続されている。直線ビーム１３０７の他端は、ビーム接続部１３１５を介して直線ビーム１３０８の一端に接続されている。直線ビーム１３０８の他端は、第２接続部１３１６を介して可動電極接続部１３０９の一端に接続されている。可動電極接続部１３０９の他端は可動電極１３０２に接続されている。
【００６８】
本変形例では、直線ビーム１３０４、１３０５、１３０６、１３０７、１３０８の順にアンカー１３０１との距離が大きくなり、可動電極１３０２との距離が小さくなる。別の見方をすれば、直線ビーム１３０４、１３０５、１３０６、１３０７、１３０８は、中心が同じであり半径が異なる複数の同心円のいずれかに接する。また、直線ビーム１３０４、１３０５、１３０６、１３０７、１３０８と同心円のいずれかとの接点は同一の直線上にある。
【００６９】
第２の変形例と本変形例との違いは、ビーム接続部１３１２−１３１５が、中心角が略１８０度の円弧の形状となっている点である。これにより、ビーム接続部が接続する直線ビームは略平行となっている。ただし、本変形例において、ビーム接続部の形状は、中心角が略１８０度の円弧の形状に限られることはなく、例えば中心角は１８０度より小さくてもよい。また、円弧である必要はなく、放物線などの任意の曲線とすることができる。
【００７０】
また、第１接続部１３１１、第２接続部１３１６は円弧や曲線の形状となっていてもよい。
【００７１】
本変形例では、曲線形状のビーム接続部が用いられていることにより、ビームが変形した際にビーム接続部に加わる応力を分散させることができ、ビームの破損を防止することができる。
【００７２】
図１４は、第９の変形例に係る力学量センサーのアンカー１４０１、ビーム、可動電極１４０２および固定電極１４２１−１４２８の上面図である。図１４には、第２の変形例と同様に、アンカー１４０１と可動電極１４０２との間に、直線ビームとビーム接続部とにより構成されるジグザグ形状あるいは九十九折り形状のビームが４本示されている。
【００７３】
図１４においては、４本のビームのうち、１本のビームの各部分についてアンカー接続部として符号１４０３、直線ビームとして符号１４０５−１４１３、接続部として符号１４２１、ビーム接続部として符号１４２２−１４３０を付した。これらの接続関係は、第２の変形例と同様なので説明を省略する。
【００７４】
本変形例では、第２の変形例として説明した内容と異なり、直線ビーム１４０５−１４１３の幅が異なり、アンカー１４０１に近い直線ビームほど幅が大きくなっている。これにより、ビームが変形した際に、アンカーとビームとが接続されている部分に加わる応力による破損を防止することができる。同様に、可動電極に近い部分の幅をアンカーに近い部分よりも大きくすることにより、可動電極とビームとが接続されている部分に加わる応力による破損を防止することができる。また、アンカーと可動電極との中間の位置の幅を、アンカーまたは可動電極に近い位置の幅よりも小さくすることもできる。これにより、力学量センサーの感度を調整することができる。
【００７５】
図１５は、第１０の変形例に係る物理量センサーのアンカー１５０１、ビーム、可動電極１５１１−１５１８の上面図である。図１５においては、第１の変形例と同様に、アンカーと可動電極との間に、直線ビームとビーム接続部とにより構成される渦巻き形状のビームが４本示されている。
【００７６】
本変形例では、隣接する平行な直線ビーム間の距離が一様ではない。すなわち、間隔１５０２、間隔１５０３、間隔１５０４の順序で大きさが小さくなっている。このようにビーム間の距離を変化させることにより、ビームの変形量を制御し、力学量センサーの感度を調整することができる。
【００７７】
以上、本発明の一実施形態の変形例をいくつか説明したが、本発明は、以上の説明に限定されることはなく、さらに変形して実施することもできる。また、複数の変形例の特徴を組み合わせて実施することもできる。例えば、アンカーの形状は正三角形、正方形、正六角形である必要はない。また、可動電極が環状の形状となっていること、ビームが３〜６本であること、可動電極が８個である必要はなく、種々に変形することができる。
【００７８】
（直線ビームが有る場合と直線ビームが無い場合との比較結果）
以下、本発明の一実施形態に係る、直線ビームが有る力学量センサーと従来技術に係る、直線ビームが無い加速度センサーとの別のシミュレーションによる比較について説明する。
【００７９】
図１６は、本発明の一実施形態に係る第１のモデルのアンカー、ビームおよび可動電極の上面図であり、図１７は、本発明の一実施形態に係る第２のモデルのアンカー、ビームおよび可動電極の上面図であり、図１８は、従来技術に係る第３のモデルのアンカー、ビームおよび可動電極の上面図である。
【００８０】
第１〜３のモデルに共通なパラメータは次の通りである。アンカー、ビームおよび可動電極は、厚さが５０μｍのシリコンであり、ビームの幅は１５μｍである。また、可動電極は、外周の形状が、半径Ｒが１６８５μｍとなる円である。これをまとめると表１のようになる。なお、シリコンの結晶面方位が（１００）面となるものとした。
【表１】
【００８１】
第１のモデルにおいて、可動電極は、一辺の長さＬが２２００μｍの正方形の開口を有し、アンカーは、一辺の長さＳが４００μｍの正方形の形状をしている。また、ビームを４本形成し、それぞれのビームは直線形状のアンカー接続部と４本の直線ビームを有し、アンカー接続部および４本の直線ビームの隣接するものは略９０度の角をなし、ビーム全体は渦巻き形状となっている。また、隣接する平行な直線ビーム間の距離Ｄは２００μｍである。また、直線ビームは、劈開面から４５度傾いている。
【００８２】
第２のモデルにおいて、可動電極は、半径Ｌ／２が１３８５μｍの開口を有し、アンカーは、一辺の長さＳが４００μｍの正方形の形状をしている。また、ビームを４本形成し、直線ビームのうち、長直線ビーム間の距離Ｄは１００μｍである。また、直線ビームは、劈開面から４５度傾いている。
【００８３】
第３のモデルにおいて、可動電極は、半径Ｌ／２が１３８５μｍの開口を有し、アンカーは、半径が７００μｍの円形状を有している。また、ビームは１本の渦巻き形状であり、ビーム間の距離Ｄが１４０μｍとなる渦巻き形状である。
【００８４】
以上説明した第１のモデル、第２のモデル、第３のモデルのパラメータを示すと表２のようになる（表１３に示したものを除く）。
【表２】
【００８５】
以上のモデルに対して、一辺の長さの平均が１０μｍの三角錐を用いた有限要素法により、水平方向と垂直方向とのそれぞれに１Ｇの加速度を加えた場合の、可動電極の変位量を計算した。その結果は、以下に示す表３となった。
【表３】
ここに、「変位量の比」とは、水平方向変位量に対する垂直方向変位量の比である（以下においても同じ。）。変位量の比が小さいほど、水平方向変位量に対する垂直方向変位量が小さくなることとなる。したがって、ビームの水平方向の変位量に比較して垂直方向の変位量が小さいことを示す。したがって、変位量の比が小さいほど、本発明の課題の解決にとっては、好ましいこととなる。
【００８６】
表３に示されるように、直線ビームを有する第１のモデルおよび第２のモデルのいずれにおいても、従来の曲線のビームのみを有する第３のモデルよりも、変動量の比は小さくなっている。すなわち、本発明の一実施形態に係る力学量センサーにおいては、水平方向に対する垂直方向の変位量は、従来技術に係る加速度センサーよりも相対的に小さくなり、課題が解決されることがわかる。
【００８７】
本発明の力学量センサーは、傾き等を検知することができ、種々の力学量を検出することが可能である。
【符号の説明】
【００８８】
１１１ アンカー
１２１−１２８ 固定電極
１１３ 可動電極
１４１、１４２、１４４、１４５ 直線ビーム
１４３、１４６ ビーム接続部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に固定されたアンカーおよび固定電極と、
前記アンカーと前記固定電極の間において前記基板から離れて形成され、前記固定電極と接触すると前記固定電極と導通する可動電極と、
前記アンカーに一端が接続され、前記可動電極に他端が接続され、前記基板から離れて形成されたビームとを有し、
前記ビームは、
複数の直線ビームと
前記複数の直線ビームのうち隣接する２つの直線ビームの長手方向を異ならせて前記２つの直線ビームを接続するビーム接続部とを有する力学量センサー。
【請求項２】
基板に固定されたアンカーおよび固定電極と、
前記アンカーと前記固定電極の間において前記基板から離れて形成され、前記固定電極と接触すると前記固定電極と導通する可動電極と、
前記アンカーに一端が接続され、前記可動電極に他端が接続され、前記基板から離れて形成されたビームとを有し、
前記ビームは、
複数の平行な直線ビームと
前記複数の直線ビームのうち隣接する２つの直線ビームを接続するビーム接続部とを有する力学量センサー。
【請求項３】
前記ビームを複数本有し、点対称に前記ビームが配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の力学量センサー。
【請求項４】
前記ビームは渦巻き形状である請求項１から３のいずれかに記載の力学量センサー。
【請求項５】
前記ビームはジグザグ形状である請求項１から３のいずれかに記載の力学量センサー。
【請求項６】
前記ビーム接続部は円弧状であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の力学量センサー。
【請求項７】
前記可動電極は、凹形状の開口部を有し、前記開口部に前記固定電極と前記ビームとが配置されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の力学量センサー。
【請求項８】
前記アンカーに近い前記直線ビームほど、その幅が大きいことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の力学量センサー。
【請求項１】
基板に固定されたアンカーおよび固定電極と、
前記アンカーと前記固定電極の間において前記基板から離れて形成され、前記固定電極と接触すると前記固定電極と導通する可動電極と、
前記アンカーに一端が接続され、前記可動電極に他端が接続され、前記基板から離れて形成されたビームとを有し、
前記ビームは、
複数の直線ビームと
前記複数の直線ビームのうち隣接する２つの直線ビームの長手方向を異ならせて前記２つの直線ビームを接続するビーム接続部とを有する力学量センサー。
【請求項２】
基板に固定されたアンカーおよび固定電極と、
前記アンカーと前記固定電極の間において前記基板から離れて形成され、前記固定電極と接触すると前記固定電極と導通する可動電極と、
前記アンカーに一端が接続され、前記可動電極に他端が接続され、前記基板から離れて形成されたビームとを有し、
前記ビームは、
複数の平行な直線ビームと
前記複数の直線ビームのうち隣接する２つの直線ビームを接続するビーム接続部とを有する力学量センサー。
【請求項３】
前記ビームを複数本有し、点対称に前記ビームが配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の力学量センサー。
【請求項４】
前記ビームは渦巻き形状である請求項１から３のいずれかに記載の力学量センサー。
【請求項５】
前記ビームはジグザグ形状である請求項１から３のいずれかに記載の力学量センサー。
【請求項６】
前記ビーム接続部は円弧状であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の力学量センサー。
【請求項７】
前記可動電極は、凹形状の開口部を有し、前記開口部に前記固定電極と前記ビームとが配置されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の力学量センサー。
【請求項８】
前記アンカーに近い前記直線ビームほど、その幅が大きいことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の力学量センサー。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１２−２１５５０５（Ｐ２０１２−２１５５０５Ａ）
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８１８６６（Ｐ２０１１−８１８６６）
【出願日】平成２３年４月１日（２０１１．４．１）
【出願人】（０００００２８９７）大日本印刷株式会社 (14,506)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１日（２０１１．４．１）
【出願人】（０００００２８９７）大日本印刷株式会社 (14,506)
【Ｆターム（参考）】
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