図1(a)は本実施形態における加速度センサ の平面図、図1(b)は、矢印A方向から見たビー� ��部の側面図、図1(c)は、高さ方向に加速度が 作用して変位したビーム部及び可動部の側面 図、図2は、ばね部、ビーム部、及び腕部の� �部を示す拡大斜視図、図3は図1(a)に示すB-B線 に沿って高さ方向に切断した切断面を矢印方 向から見た部分断面図、である。

 加速度センサ1は、図3に示すようにSOI(Silicon  on Insulator)基板2を用いて形成される。SOI基� ��2は、シリコン基板で形成された支持基板3� �、シリコン基板で形成されたSOI層(活性層)5� �、支持基板3とSOI層5の間に位置する例えばSiO ₂ で形成された酸化絶縁層4の積層構造である� �

 図1(a)に示すようにSOI層5には素子部13が形 成される。素子部13には、可動部(錘)6と、可� ��部6の変位量を検出するための検出部61,62、� ��び支持部8~11が形成される。可動部6は支持� �8~11を介してアンカ部21,23に支持されている� �可動部6や検出部61,62の下には図3に示す酸化� ��縁層4が形成されておらず支持基板3上に浮� �ているがアンカ部21~24は支持基板3上に酸化� �縁層4を介して固定支持されている。

 図1(a)に示す形態では、可動部6は、その� �外周面を囲んだ領域C(図1(a)では点線で示す)� ��矩形状で形成される。可動部6の左右方向(X1 方向、X2方向)の最外側面6a,6bの幅中心の位置� ��ら可動部6の中心O方向に向けて窪む凹部7が� ��成されている。

 そして凹部7の可動部6の中心O寄りの位置� ��第1アンカ部21と第2アンカ部23が設けられる� ��

 第1アンカ部21からはX2方向に延びる2本の� ��部25,26が設けられる。一方、第2アンカ部23� �らはX1方向に延びる2本の腕部27,28が設けられ る。図1(a)に示すように、第1アンカ部21から� �びる腕部25,26の間にはY1-Y2方向に所定間隔の� ��リット40が形成されている。また同様に、� �2アンカ部23から延びる腕部27,28の間にはY1-Y2� ��向に所定間隔のスリット41が形成されてい� �。

 これら腕部25~28は、支持基板3に酸化絶縁� ��4を介して支持されていてもよいし、酸化絶 縁層4が除去されて支持基板3上に浮いていて� ��よいが、腕部25~28は支持基板3上から浮いて� ��るほうが、例えば支持基板3が歪んだときに その歪みの影響を小さくでき好適である。

 図1(a)、図2に示すように、各腕部25~28のア ンカ部21,23側と反対側の端部には腕部25~28の� �寸法W2よりも細い幅寸法W1を有するアンカ側� ��ね部29が直線的に連設されている。腕部25~28 はアンカ側ばね部29よりも高剛性である。

 図2に示すようにアンカ側ばね部29は、そ� ��高さ寸法(厚さ寸法)H1が、幅寸法W1に比べて� ��い形状である。この実施形態では、アンカ� ��ばね部29の高さ寸法H1は腕部25~28の高さ寸法H 2と同じである。また、長さ寸法L2は幅寸法W1� ��りも大きい。アンカ側ばね部29の幅寸法W1は 0.8~2.0μm、長さ寸法L2は、50~100μm、高さ寸法H1� ��10~30μm程度である。

 図1(a)に示すように第1アンカ部21に設けら れた腕部25には、アンカ側ばね部29を介して� �可動部6の外周面6bの外側にて、Y2方向に平行 に延びる第1ビーム部30が連設されている。ま た図1(a)に示すように、第1アンカ部21に設け� �れた腕部26には、アンカ側ばね部29を介して� ��可動部6の外周面6bの外側にて、Y1方向に平� �に延びる第2ビーム部31が連設されている。� �た図1(a)に示すように第2アンカ部23に設けら� ��た腕部27には、アンカ側ばね部29を介して、 可動部6の外周面6aの外側にて、Y2方向に平行� ��延びる第3ビーム部32が連設されている。さ� ��に図1(a)に示すように、第2アンカ部23に設け られた腕部28には、アンカ側ばね部29を介し� �、可動部6の外周面6aの外側にて、Y1方向に平 行に延びる第4ビーム部33が連設されている。 図1(a)に示すように、各ビーム部30~33の後端部 30b~33b側がアンカ側ばね部29に接続される。

 図1(a)、図2に示すように各ビーム部30~33の 幅寸法W3は、アンカ側ばね部29の幅寸法W1より も大きい。よって各ビーム部30~33は、アンカ� ��ばね部29よりも高剛性である。

 各ビーム部30~33の高さ寸法(厚さ寸法)は、 アンカ側ばね部29の高さ寸法H1、腕部の高さ� �法H2と略同一であり、各ビーム部30~33は、支� ��基板3上で浮いている。この実施形態では、 図1(a)に示すように、各ビーム部30~33の長さ寸 法L1は、各ビーム部30~33の先端部30a~33aが、可� ��部6の各角とX1-X2方向にてほぼ対向する長さ� ��形成されている。そして、各ビーム部30~33� �先端部30a~33aと可動部6の四つ角近傍間が直線 的に延びる可動部側ばね部34を介して連結さ� ��ている。可動部側ばね部34の幅寸法や高さ� �法(厚さ寸法)は、アンカ側ばね部29の幅寸法W 1及び高さ寸法H1とほぼ同じである。ビーム部 30~33の幅寸法W3は10~30μm、長さ寸法L1は、300~600 μm、高さ寸法は10~30μm程度である。

 このように可動部6と第1アンカ部21及び第 2アンカ部23の間は、腕部25~28、アンカ側ばね� ��29、ビーム部30~33及び可動部側ばね部34より� ��る支持部8~11により連結されている。

 アンカ側ばね部29及び可動部側ばね部34は 、いずれも高さ方向(厚み方向)に撓み難い。� ��って、図1(b)のように、高さ方向(Z方向)に加 速度が作用していない初期状態では、各ビー ム部30~33はY1-Y2方向に平行であり高さ方向に� �位していない。

 図1(b)に示す初期状態から例えば加速度に 伴う力(慣性力)が可動部6に対して下方向に作 用すると、可動部側ばね部34及びアンカ側ば� ��部29は捩れ、図1(c)に示すように、各ビーム� ��30~33の後端部30b~33b側を回転中心として、各� ��ーム部30~33の先端部30a~33bが同じ変位量にて� ��方向に向けて回動変位する。すなわちビー� ��部30~33の先端部30a~33aのほうが、後端部30b~33b よりも下方向に変位する。ビーム部30~33の剛� ��は高いため、ビーム部30~33自体が例えば曲� �ったり捩れたりはほとんどせず、ビーム部30 ~33は直方体形状を保ちながら、ばね部29,34の� ��れにより高さ方向に変位する。このように� ��ね部29,34の捩れ、及び、各ビーム部30~33の先 端部30a~33aの高さ方向への変位により、可動� �6が、支持基板3の上面3a(図3参照)と平行な状� ��を維持しつつ下方向に向けて移動する(高さ 方向に平行移動する)。

 図1(a)に示すように、可動部6のY1-Y2方向に 向く最外周面6c,6dの幅中心の位置から可動部6 の中心Oに向けて所定間隔のスリット43,44が設 けられている。スリット43,44よりも内側の可� ��部には検出部61,62を構成する固定電極57,58を 設置するに必要な大きさの空間19が設けられ� ��いる。

 図1(a)に示すように、空間19には、可動部6 の中心O方向に凹む凹部19aが形成され、この� �部19a内に、第3アンカ部22及び第4アンカ部24� �設置される。第3アンカ部22からは2本の腕部5 0,51(兼固定電極)がY2方向に延びている。また� ��第4アンカ部24からは2本の腕部52,53(兼固定電 極)がY1方向に延びている。腕部50,51間、及び� ��部52,53間には夫々、X1-X2方向に所定間隔のス リット54,55が形成されている。腕部50、51間及 び腕部52,53間に形成された各スリット54,55は� �可動部6に形成されたスリット43,44と空間的� �連続して可動部6の外側に開放されている。

 図1(a)に示すように、第3アンカ部22から延 びる2本の腕部50,51から、可動部6に形成され� �空間19内にて、夫々X1方向、及びX2方向に延� �、X1-X2方向に所定の間隔を空けて並設された 櫛歯状の第1固定電極57が形成されている。ま た図1(a)に示すように、第4アンカ部24から延� �る2本の腕部52,53から、可動部6に形成された� ��間19内にて、夫々X1方向及びX2方向に延び、X 1-X2方向に所定の間隔を空けて並設された櫛� �状の第2固定電極58が形成されている。なお� �歯電極の並びは一例であり、Y1-Y2方向に並設 される構造でもよい。

 図1(a)に示すように、空間19内には、第1固 定電極57と交互に且つ間隔を空けて並設され� ��第1可動電極59が、可動部6と一体的に形成さ れている。また図1(a)に示すように空間19内に は、第2固定電極58と交互に且つ間隔を空けて 並設された第2可動電極60が、可動部6と一体� �に形成されている。

 図1(a)に示す第1固定電極57と第1可動電極59 とで第1検出部61が構成され、図1(a)に示す第2� ��定電極58と第2可動電極60とで第2検出部62が� �成される。

 第1検出部61と第2検出部62の具体的構成及び� ��出原理を以下で説明する。
 図4、図5、及び図6では、いずれも可動電極5 9、60及び固定電極57、8を高さ方向(膜厚方向)� ��ら切断した断面形状で示しているが、可動� ��極と固定電極を区別しやすいように可動電� ��59,60のみを斜線で示している。

 図4に示す実施形態では、初期状態(加速� �が作用していない状態)では、第1可動電極59� ��第1固定電極57、第2可動電極60、第2固定電極 58の下面は同位置(点線で示す基準位置)であ� �。また第1可動電極59と第2固定電極58は同じ� �さで形成され、第1可動電極59の上面と第2固� ��電極58の上面とは同位置である。一方、第1� ��定電極57と第2可動電極60は共に同じ高さで� �成されるが、上面が第1可動電極59及び第2固� ��電極58よりも低い位置にある。

 図4(a)に示すように、可動電極59、60が下� �向に移動すると、第1検出部61では、第1可動� ��極59と第1固定電極57との対向面積は変化し� �いため、静電容量は変化しない。一方、第2� ��出部62では、第2可動電極60と第2固定電極58� �の対向面積が減少するため、静電容量が減� �する。

 次に、図4(b)に示すように、可動電極59、6 0が上方向に移動すると、第1検出部61では、� �1可動電極59と第1固定電極57との対向面積は� �少するため、静電容量は減少する。一方、� �2検出部62では、第2可動電極60と第2固定電極5 8との対向面積が変化しないため、静電容量� �変化しない。

 図5に示す他の実施形態では、初期状態(� �速度が作用していない状態)では、第1可動電 極59、第1固定電極57、第2可動電極60、第2固定 電極58の上面は同位置(点線で示す基準位置)� �ある。また第1可動電極59と第2固定電極58は� �じ高さで形成され、第1可動電極59の下面と� �2固定電極58の下面とは同位置である。一方� �第1固定電極57と第2可動電極60は共に同じ高� �で形成されるが、下面が第1可動電極59及び� �2固定電極58よりも高い位置にある。

 図5(a)に示すように、可動電極59、60が下� �向に移動すると、第1検出部61では、第1可動� ��極59と第1固定電極57との対向面積は減少す� �ため、静電容量は減少する。一方、第2検出� ��62では、第2可動電極60と第2固定電極58との� �向面積は変化しないため、静電容量は変化� �ない。

 次に、図5(b)に示すように、可動電極59、6 0が上方向に移動すると、第1検出部61では、� �1可動電極59と第1固定電極57との対向面積は� �化しないため、静電容量は変化しない。一� �、第2検出部62では、第2可動電極60と第2固定� ��極58との対向面積が減少するため、静電容� �は減少する。

 次に図6に示す実施形態では、第1可動電� �59、第1固定電極57、第2可動電極60及び第2固� �電極58は全て同じ高さ寸法(厚さ寸法)で形成� ��れる。図6(a)(b)に示すように、初期状態では 、第1可動電極59の上面と第2固定電極58の上面 が同位置にあり、第2可動電極60の上面と第1� �定電極57の上面とが同位置で且つ第1可動電� �59及び第2固定電極58に対して低い位置にずれ て配置されている。

 図6(a)に示すように、可動電極59、60が下� �向に移動すると、第1検出部61では、第1可動� ��極59と第1固定電極57との対向面積は増大す� �ため、静電容量は増大する。一方、第2検出� ��62では、第2可動電極60と第2固定電極58との� �向面積は減少するため、静電容量は減少す� �。

 次に、図6(b)に示すように、可動電極59、6 0が上方向に移動すると、第1検出部61では、� �1可動電極59と第1固定電極57との対向面積は� �少するため、静電容量は減少する。一方、� �2検出部62では、第2可動電極60と第2固定電極5 8との対向面積が増大するため、静電容量は� �大する。

 固定電極57、58の電位、及び可動電極59、6 0の電位は、第1アンカ部21、第3アンカ部22及� �第4アンカ部24との接続位置から引き出され� �配線層70,71,72(図1(a)参照)を介して夫々取り出 され、第1検出部61及び第2検出部62の静電容量 の差動出力を得ることが出来る。この差動出 力に基づき、可動部6の移動距離及び移動方� �を知ることができる。

 図1(a)に示すように、配線層70は、第1アン カ部21から延びる2本の腕部25,26間のスリット4 0を通って素子部13の外側に引き出されている 。この実施形態では、図3に示すように配線� �70は、第1アンカ部21との接続位置から酸化絶 縁層4上に形成されている。

 また図1(a)に示すように、配線層71は、第3 アンカ部22から延びる2本の腕部50,51間のスリ� ��ト54及び可動部6に形成されたスリット44を� �って素子部13の外側に引き出されている。こ の配線層71も配線層70と同様にアンカ部との� �続位置から例えば酸化絶縁層4上に引き出し� ��成される。

 また図1(a)に示すように、配線層72は、第4 アンカ部24から延びる2本の腕部52,53間のスリ� ��ト55及び可動部6に形成されたスリット43を� �って素子部13の外側に引き出されている。こ の配線層72も配線層70と同様にアンカ部との� �続位置から例えば酸化絶縁層4上に引き出し� ��成される。

 また各配線層70~72の下にはスリット内にSO I層が残されたリブ部が形成され、このリブ� �上に配線層70~72が形成される構成でもよい。 このようにリブ部を設けることで電気的に安 定して配線層70~72を形成できる。

 次に、図7を用いて、可動電極及び固定電 極の製造方法を説明する。図7は、図6のうち� ��1検出部61の製造方法を示している。

 図7(a)に示す工程では、SOI層(シリコン基� �)5の裏面の第1検出部形成領域に凹凸部80を形 成する。凹凸部80はエッチングにて形成でき� ��。また、SOI層5の裏面には、凹凸状のアライ メントキー81も形成する。

 次に、SOI層5の裏面に熱酸化により酸化絶縁 層(SiO ₂ 層)4を形成する。なお、酸化絶縁層4をスパッ タ法やCVD等で形成してもよいが、SOI層5の裏� �を凹部の部分を除いてきれいな平坦面とす� �には、熱酸化により酸化絶縁層4を形成する� ��が好適である。

 次に、図7(b)に示す工程では、SOI層5を酸� �絶縁層4を介して支持基板3上に接合する。接 合の方法として熱圧着や常温接合等を用いる ことが出来る。

 図7(b)に示す工程では、必要に応じて、SOI 層5の表面をCMG、あるいはCMP、又は、CMG及びCM Pを施してSOI層5を所定膜厚に調整する。

 次に、図7(c)に示す工程では、アライメン トキー81上に位置するSOI層5をエッチング等で 除去して酸化絶縁層4からなる凹凸状のアラ� �メントキー81を露出させる。

 続いて、図7(d)に示す工程では、SOI層5の� �面に凹凸部82を形成する。凹凸部82をエッチ� ��グにて形成する。図7(d)に示すように、SOI層 の下面に形成された凸部83と厚さ方向にて対� ��するSOI層5の上面位置に凹部85を形成し、SOI� ��の下面に形成された凹部84と厚さ方向にて� �向するSOI層5の上面位置に凸部86を形成する� �SOI層5の上面に形成された凹凸部82の形成位� �は、SOI層5から露出しているアライメントキ� ��81に基づき高精度に調整できる。

 次に、図7(e)に示す工程では、凹凸間の不 要なSOI層5をディープRIE(Deep RIE)を用いて除去 し、凹凸部82,80に対応する位置のSOI層4の一部 を残して、第1可動電極59及び第1固定電極57を 形成する。またこの工程では、SOI層5から図1( a)に示す可動部6、アンカ部21~24、支持部8~11を 残し、それ以外の不要なSOI層5を除去する。

 そして図7(f)の工程では、第1検出部61と支 持基板3との間にある酸化絶縁層4を、ウエッ� ��エッチングやドライエッチングによる等方� ��エッチング工程にて除去する。なおこの工� ��では、可動部6の下にある酸化絶縁層4も除� �される必要があるので、可動部6には酸化絶� ��層4にまで通じる多数の微細孔を形成してお き、微細孔を介して可動部6下の酸化絶縁層4� ��等方性エッチングで除去されるようにして� ��くことが好ましい。またこの工程では、ア� ��カ部21~24の下にある酸化絶縁層4は残され、� ��ンカ部21~24は支持基板3上に固定支持された� ��態を保っている。

 上記では、図6に示す第1検出部61の製造方 法について説明したが、図6に示す第2検出部6 2は、図7(e)の工程で、第2検出部62の第2可動電 極60が符号57に相当する層、第2固定電極58が� �号59に相当する層となるように形成すればよ い。

 また、図4及び図5に示す第1検出部61及び� �2検出部62の形成も図7に示す製造工程に準じ� ��行うが、図4に示す第1検出部61及び第2検出� �62の製造工程では、図7(a)に示す凹凸部80の形 成を必要としない。また図 5に示す第1検出� �61及び第2検出部62の製造工程では、図7(d)に� �す凹凸部82の形成を必要としない。

 本実施形態の特徴的部分について説明す� ��。本実施形態では、初期状態(加速度が作用 していない状態)では、第1検出部61を構成す� �第1可動電極59と第1固定電極57の上面あるい� �下面の少なくとも一方が高さ方向にずれて� �置され、第2検出部62を構成する第2可動電極6 0と第2固定電極58の上面あるいは下面の少な� �とも一方が高さ方向にずれて配置されてい� �。また、第1検出部61を構成する第1固定電極5 7に対する第1可動電極59のずれ方向と、第2検� ��部62を構成する第2固定電極58に対する第2可� ��電極60のずれ方向とが反対方向となってい� �。

 これにより可動部6が高さ方向(Z方向)に平 行移動する構造において、第1検出部61と第2� �出部62とで差動出力を適切に得ることができ 、検出精度を高めることが出来る。

 ところで、第1検出部61を構成する第1可動 電極59、第1固定電極57及び第2検出部62を構成� ��る第2可動電極60、第2固定電極58は同じSOI層5 から形成されたものである。すなわち限られ た膜厚のSOI層5に第1検出部61と第2検出部62を� �成して差動出力を得るようにするには、各� �出部61,62を構成する可動電極及び固定電極の 高さ寸法(膜厚)及び配置が極めて重要である� ��また可動電極及び固定電極をできる限り簡� ��な製造方法で且つ高精度に形成できるよう� ��しなければならない。

 図4、図5、図6は、いずれも第1可動電極59� ��第2固定電極58とが同じ高さ寸法(膜厚)及び� �置関係にあり、第2可動電極60と第1固定電極5 7とが同じ高さ寸法(膜厚)及び配置関係にある 。そして第1可動電極59及び第2固定電極58に対 して、第2可動電極60及び第1固定電極57は高さ 方向にずれた配置となっている。例えば第1� �動電極、固定電極、第2可動電極の順に上面� ��び下面が段々とずれる配置では、限られたS OI層5の中で複数段を高精度に形成することが 困難であり、また工程プロセスが複雑になる 。しかも可動部6の変位を差動出力で検知す� �ために固定電極に対する第1可動電極のずれ� ��と、固定電極に対する第2可動電極のずれ量 の双方を、可動部の変位中、可動電極と固定 電極との間で対向面積が確保され且つ変動す るように考慮しなければならない。一方、本 実施形態では、基本的に可動電極及び固定電 極における上面及び下面の段差は一段しかな く、このような電極配置とすることで、可動 電極59,60の可動可能範囲を大きくでき、すな� ��ち可動部6の変位量を大きくしても適切に変 位検知を行うことができ、検出精度を向上さ せることができる。

 また図6に示す実施形態では、第1検出部61 の静電容量が増大(あるいは減少)したとき、� ��2検出部62の静電容量は減少(あるいは増大)� �るので、差動出力を図4、図5に示す構成に比 べて大きくできる。

 また図7に示す製造方法を用いることで、 少なくとも下面の位置が異なる可動電極及び 固定電極を高精度に簡単なプロセスで形成で き、検出精度の高いZ軸検知型センサを適切� �製造できる。

 また図1(a)に示すようにアンカ部21~24の全� ��は可動部6の最外周を囲んだ領域Cよりも内� �に位置している。これにより、例えば応力� �影響を受けて支持基板3が変形しても、各ア� ��カ部21~24から可動部6や検出部等の各素子部� ��に伝播される歪みの影響を小さくできる。� ��って歪みによる可動電極59,60と固定電極57,58 との相対位置の変化を小さくでき検出精度を 向上させることができる。

 特に、素子部13を構成する可動部6下や可� ��電極下のみならず固定電極や支持部8~11を構 成する腕部25~28、50~53の下にも絶縁層がなく� �持基板3上から浮いていることがより効果的� ��検出精度を向上させる上で好適である。

 図7に示す製造方法は、可動部6が高さ方� �に平行移動する構造以外のものにも適用で� �る。ただし、可動部6が高さ方向に平行移動� ��る構造であって、図7の製造方法を使用する ことで、第1検出部61を構成する第1固定電極57 に対する第1可動電極59のずれ方向と、第2検� �部62を構成する第2固定電極58に対する第2可� �電極60のずれ方向とを反対方向とした構造を 適切且つ容易に製造することができる。

 上記した本実施形態の加速度センサはZ軸検 知の1軸型であったが、X軸検知あるいはY軸検 知のセンサ部も設けて、2軸型あるいは3軸型� ��加速度センサとすることも出来る。
 本実施形態は加速度センサのみならず角速� ��センサ等にも適用可能である。