加速度傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明提供一種加速度傳感器，其有助于裝置的小型化、提高形狀的自由度，并且實現加速度的檢測精度的提高。第一傳感器（21）構成為兩軸加速度傳感器，該兩軸加速度傳感器是，彈簧（43）根據Y、Z方向的加速度進行伸縮，通過使彈簧（43）具有相對于X方向的加速度的剛性并且限制其進行伸縮，從而通過根據加速度變動的錘部（24）與第一至第三固定電極（28、29）之間的電容的變化來檢測Y、Z方向的加速度。加速度傳感器構成為第二傳感器與第一傳感器（21）具有相同的結構、通過第二傳感器來檢測X、Z方向的加速度的三軸加速度傳感器。
【專利說明】加速度傳感器
【技術領域】
[0001]本申請所公開的技術涉及一種加速度傳感器，特別是涉及構成為微機電系統(Micro Electro Mechanical Systems:MEMS)的加速度傳感器。
【背景技術】
[0002]以往，采用MEMS技術制造的加速度傳感器中存在一種利用電容的加速度傳感器。例如，存在一種在相對于基板固定的固定電極與設于能夠相對于基板相對變動的錘部的可動電極之間構成電容器，利用該電容器的電容的變化來檢測加速度的加速度傳感器(例如，專利文獻I等)。專利文獻I所公開的加速度傳感器構成為單軸加速度傳感器，經由固定在基板上的支承部和彈性部件(例如彈簧)連接錘部的X方向的兩端部，錘部在X方向變動。適用于這樣的單軸加速度傳感器的彈簧形成為例如互成直角的短邊和長邊交錯相連、長邊沿與伸縮方向成直角的方向(上述文獻中的Y方向)延伸。
[0003]另外，相對于上述的檢測作用在一個方向上的加速度的單軸加速度傳感器，存在一種檢測作用在XYZ各方向上的加速度的三軸加速度傳感器(例如，專利文獻2?7等)。例如，在專利文獻2所公開的加速度傳感器中，經由固定在基板上的四條臂部的每一個和彈簧連接有錘部，錘部隨著加速度在XYZ各方向變動。而且，電容變化是與錘部的可動電極與對應于各方向設置的固定電極的距離的變動相對應的，基于電容的變化能夠檢測出作用在各方向上的加速度。適用于這樣的三軸加速度傳感器的彈簧具有例如長邊與短邊的長度大致相等的結構。
[0004]專利文獻1:日本特開平11-344507號公報
[0005]專利文獻2:日本特表2005-534016號公報
[0006]專利文獻3:日本特開平06-258340號公報
[0007]專利文獻4:日本特開平05-340960號公報
[0008]專利文獻5:日本特許第2773495號公報
[0009]專利文獻6:日本特開平07-245413號公報
[0010]專利文獻7:日本特許第3327595號公報
【發明內容】
[0011]用于上述三軸加速度傳感器的彈簧保持錘部，使其能夠根據作用在XYZ各方向的加速度變動，并且該彈簧需要具有無論錘部變動方向如何都能夠隨著與作用的加速度的大小進行同樣的變動的特性。例如，用于三軸加速度傳感器的彈簧，具有相對于三個方向的彈簧常數大致相同的特性。但是，在這種結構的加速度傳感器中，例如彈簧、錘部的制造工藝的缺陷和例如由于在形成彈簧、錘部的蝕刻中產生的彈簧的粗細、錘部的膜厚的偏差引起錘部重心的偏移，有可能導致錘部產生扭轉、旋轉。因此，會產生加速度傳感器對于除作用在設定的檢測方向上的加速度之外的其他方向上的加速度也產生輸出的所謂的他軸靈敏度，從而導致檢測精度降低或成品率低下等問題。[0012]另外，如上所述，在三軸加速度傳感器中，由于根據加速度的大小需要同樣地檢測作用在各方向的加速度，而希望采用對稱的結構。例如，在上述專利文獻2所示的三軸加速度傳感器中，俯視觀察錘部時，其形狀為大致正方形。也就是說，在這樣的三軸加速度傳感器中，為了得到良好的檢測精度，錘部形狀的自由度受到極大制約。
[0013]另一方面，考慮使用多個上述的單軸加速度傳感器來構成三軸加速度傳感器。例如，考慮采用使單軸加速度與XYZ各方向相對應地設置而構成的將多個加速度傳感器排列在同一平面上。但是，采用這樣的結構會導致裝置的大型化。
[0014]本申請所公開的技術是鑒于上述課題而提出的，目的在于提供一種有助于裝置的小型化、提高形狀的自由度，并且能夠實現加速度的檢測精度的提高的加速度傳感器。
[0015]采用本申請所公開的技術的加速度傳感器具有:基板；第一彈性部件，其一端固定在基板上，并且相對于沿基板的第一方向和與基板正交的第三方向的這兩個方向的加速度進行撓動；第二彈性部件，其一端固定在基板上，并且相對于與沿基板的第一方向正交的第二方向和第三方向的這兩個方向的加速度進行撓動；多個錘部，其分別與第一和第二彈性部件的另一端連接，并且從基板游離且能夠擺動地被第一和第二彈性部件支撐；第一至第三傳感器部，其根據錘部的擺動檢測第一至第三方向的各加速度。
[0016]該加速度傳感器具有在第一和第三方向具有可撓性的第一彈性部件和在第二和第三方向具有可撓性的第二彈性部件。多個錘部從基板游離，并且能夠擺動地被這樣的在兩個方向上具有可撓性的第一和第二彈性部件的任一個支撐。而且，第一至第三傳感器部根據錘部的擺動來檢測出第一至第三方向上的加速度。
[0017]這樣的第一和第二彈性部件不具有能夠用于三軸加速度傳感器那樣的對三個方向進行伸縮撓動的特性，但是相對于沿基板的兩個方向(第一方向和第二方向)中的其中一個方向具有剛性。因此，無須擔心由于制造工藝的缺陷引起錘部的重心偏移、錘部產生扭轉、旋轉，能夠構成實現檢測精度的提高的加速度傳感器。并且，由于能夠抑制制造工藝中的加速度傳感器的特性的偏差，從而實現成品率的提高。
[0018]并且，在該加速度傳感器中，錘部被第一和第二彈性部件中的一個彈性部件支撐，并且能夠在兩個方向上擺動。在這種結構中，能夠消除對用于三軸加速度傳感器的錘部所要求的在結構上的限制，例如能夠消除為了同樣地檢測出作用在三個方向上的加速度而要求的俯視觀察時為正方形的形狀的限制，從而提高形狀的自由度。
[0019]并且，與利用三個單軸加速度傳感器構成三軸加速度傳感器的情況相比，根據本發明的加速度傳感器，利用兩個具有第一彈性部件或第二彈性部件的兩軸加速度傳感器，能夠實現與三軸加速度傳感器相同的功能，并且能夠減少設備的數量，實現裝置的小型化。
[0020]并且，在采用本申請所公開的技術的加速度傳感器中，第一至第三傳感器部分別具有電容部，電容部具有設在基板上的固定電極和設在錘部上的可動電極，第一傳感器部的電容部具有的固定電極和可動電極可以形成為沿第二方向的平板狀，第二傳感器部的電容部具有的固定電極和可動電極可以形成為沿第一方向的平板狀，第三傳感器部的電容部具有的固定電極和可動電極可以形成為沿基板的平板狀。根據這樣的結構，能夠構成檢測出各方向的加速度的第一至第三傳感器部分別具有與各方向相對應的平板狀的固定電極和可動電極的電容型加速度傳感器。
[0021]并且，在采用本申請所公開的技術的加速度傳感器中，可以具有多個第三傳感器部，其基于電容的變化來檢測作用在第三方向上的加速度，電容的變化是與電容部的固定電極與可動電極之間的距離的變動相對應的，基于將多個第三傳感器部的輸出合成的值來檢測第三方向的加速度。
[0022]在這樣的結構中，由于加速度傳感器具有的第三傳感器部均有助于第三方向的加速度的檢測，與通過三個單軸加速度傳感器構成三軸加速度傳感器的情況相比，能夠得到更加小型化的結構。
[0023]并且，在采用本申請所公開的技術的加速度傳感器中，第一彈性部件在第二方向上的彈簧常數可以比在第一和第三方向上的彈簧常數大，第二彈性部件在第一方向上的彈簧常數可以比在第二和第三方向上的彈簧常數大。在該加速度傳感器中，能夠容易地構成相對于任意兩個方向的加速度進行撓動的第一和第二彈性部件。
[0024]并且，在采用本申請所公開的技術的加速度傳感器中，第三傳感器部具有的電容部的容量值可以比第一、第二傳感器部具有的電容部的容量值大。基于這樣的條件，能夠容易地構成本發明的加速度傳感器。
[0025]并且，在采用本申請所公開的技術的加速度傳感器中，對于第一至第三方向的各加速度的靈敏度大致相同，所以能夠構成通用性較高的加速度傳感器。
[0026]并且，在采用本申請所公開的技術的加速度傳感器中，第一彈性部件和第二彈性部件具有相同的結構，而且，第一傳感器部和第二傳感器部也可以具有相同的結構。在這樣的結構中，有助于裝置的小型化、提高形狀的自由度，并且能夠實現加速度檢測精度的提高、加速度傳感器制造工藝的簡化。
[0027]并且，在采用本申請所公開的技術的加速度傳感器中，第一彈性部件是沿第一方向的第一邊與沿第二方向的第二邊交錯相連、沿第二方向蛇行延伸的彈簧，并且連接第一彈性部件的兩端的距離可以比第一邊的長度長。
[0028]第二彈性部件是沿第一方向的第一邊與沿第二方向的第二邊交錯相連、沿第一方向蛇行延伸的彈簧，并且連接第二彈性部件的兩端的距離可以比第二邊的長度長。在這樣的結構中，能夠容易地構成相對于兩個方向的加速度進行撓動的第一和第二彈性部件。
[0029]發明效果
[0030]根據本申請所公開的技術，能夠提供有助于裝置的小型化、提高形狀的自由度，并且能夠實現加速度的檢測精度的提高的加速度傳感器。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]圖1是表示本發明的實施方式的加速度傳感器的簡要結構的立體圖。
[0032]圖2 (a)是傳感器的俯視圖，圖2 (b)是圖2 (a)中的A-A線端視圖，圖2 (C)是圖2 Ca)中的B-B線端視圖。
[0033]圖3是表示傳感器的電連接的圖。
[0034]圖4 Ca)是用于說明本實施方式的彈簧的示意圖，圖4 (b)和圖4 (C)是用于說明比較例的彈簧的示意圖。
[0035]圖5是表示折疊次數與彈簧常數之間的關系的曲線圖。
[0036]圖6 Ca)?圖6 (c)是用于說明傳感器的制造工藝的端視圖。
[0037]圖7 Ca)?圖7 (c)是用于說明傳感器的制造工藝的端視圖。[0038]圖8是用于說明其他的加速度傳感器的俯視圖。
[0039]附圖標記說明
[0040]10加速度傳感器，
[0041]12 基板，
[0042]21第一傳感器，
[0043]24 錘部，
[0044]26彈簧部，
[0045]28第一固定電極，
[0046]29第二固定電極，
[0047]31第二傳感器，
[0048]43 彈簧，
[0049]55第三固定電極，
[0050]112 長邊，
[0051]111 短邊，
[0052]Kx, Ky, Kz 彈簧常數
【具體實施方式】
[0053]下面，參照附圖，對將本發明具體化的一個實施方式進行說明。另外，為了便于說明，附圖中存在與實際的尺寸、比例尺不同的部分。
[0054]圖1是表不米用MEMS (Micro Electro Mechanical Systems)技術制造的本實施方式的電容型加速度傳感器的芯片的簡要結構。如圖1所示，俯視觀察時，加速度傳感器10具有形成為大致長方形板狀的基板12。加速度傳感器10在沿基板12的長邊的方向排列設置的兩個芯片區域上分別形成有第一傳感器21和第二傳感器31。另外，在以下的說明中，如圖1所示，以沿加速度傳感器10的長邊的方向(第一和第二傳感器21、31排列設置的方向)為X方向，以相對于X方向成直角且沿加速度傳感器10的短邊的方向為Y方向，以與X方向和Y方向這兩個方向成直角的方向(相對于基板12的基板平面垂直的方向)為Z方向。
[0055]第一傳感器21包括邊框部23、錘部24、一對彈簧部26、第一和第二固定電極28、29。如圖2 (a)所示，俯視觀察時，邊框部23形成為四邊框狀，其包圍的內側部分設有錘部24。俯視觀察時，錘部24形成為大致正方形狀的板狀。錘部24形成有多個貫通Z方向的貫通孔24A，并且該貫通孔24A相對于錘部24形成為矩陣狀。另外，該貫通孔24A具有作為通氣孔來降低錘部24向Z方向移動時的阻力的功能和后文所述的蝕刻犧牲層時作為蝕刻液的導入口的功能。
[0056]另外，第一傳感器21在Y方向的兩側部分分別設有彈簧部26。彈簧部26包括設在X方向的大致中央部分的梁部41和設在梁部41上的X方向的兩側的一對彈簧43。俯視觀察時，梁部41形成為大致長方形的板狀，并且其長邊沿Y方向設置。經由各彈簧43連接錘部24和梁部41。俯視觀察時，彈簧43形成為蛇行狀，一端側的固定端43A固定在梁部41的側面上，另一端側的可動端43B與錘部24連接。另外，彈簧43的蛇行形狀是互成直角的短邊和長邊相互連接、短邊沿X方向設置、長邊沿Y方向設置的彎彎曲曲狀。并且，彈簧43的固定在梁部41上的固定端43A與連接有錘部24的可動端43B之間的距離比長邊長，能夠相對于X方向提高彈簧43的剛性、限制彈簧43相對于X方向的伸縮。
[0057]圖2 (b)是圖2 (a)的A-A線端視圖，圖2 (C)是圖2 (a)的B-B線端視圖。如圖2 (b)所示，梁部41與基板12上直立設置的錨定部45 —體形成并且被固定。因此，如圖2 (c)所示，固定的梁部41經由彈簧43支撐錘部24，由此能夠使錘部24以浮在基板12的上方的狀態被保持。并且，錘部24與包圍錘部24的邊框部23相互分離。
[0058]如圖2 (a)所示，第一和第二固定電極28、29設在第一傳感器21的大致中央部。第一傳感器21具有多組一對第一和第二固定電極28、29 (本實施方式中為6組)。第一和第二固定電極28、29的主面形成為沿Z方向的大致長方形板狀，并且第一和第二固定電極28,29的長邊沿X方向設置。第一和第二固定電極28、29各自的主面以相互對置的方式沿Y方向交錯設置。第一固定電極28在X方向的一端側(圖中上側的三個為左側，下側的三個為右側)與設有通孔28A且在基板12上形成的配線(省略圖示)電連接。并且，第二固定電極29在與第一固定電極28相反的X方向的一端側(圖中上側三個為右側,下側三個為左側)與設有通孔29A且在基板12上形成的配線(省略圖示)電連接。并且，如圖2 (b)所示，第一和第二固定電極28、29的除設有通孔28A，29A的端部之外的部分與基板12分離。另外，在包括端部在內的第一和第二固定電極28、29的整體也可以與基板12連接。
[0059]如圖2 (b)所示，基板12包括:核心板51、以覆蓋核心板51的上表面的方式而形成的絕緣層53、在絕緣層53上形成的第三固定電極55。與梁部41 一體形成的錨定部45與襯墊58連接，并且錘部24經由配線(省略圖示)與外部端子電連接。如圖3所示，在第一傳感器21中，以錘部24為可動電極，通過錘部24與第一和第二固定電極28、29構成平行平板電容器Cl、C2。平行平板電容器Cl、C2的電容根據作用在第一傳感器21的Y方向的加速度而變化。例如，隨著錘部24向Y方向的一個方向(圖中的上方)變動，平行平板電容器Cl的電容減小，而平行平板電容器C2的電容增大。通過測量隨著這樣的錘部24與第一和第二固定電極28、29之間的距離的變動而變化的平行平板電容器的電容，能夠檢測出Y方向的加速度。
[0060]例如，將與錘部24連接的測量點61上的電壓從上述外部端子輸出到處理回路，檢測出電容器Cl、C2的電位差(電容的差)并計算出加速度。另外，如圖3所示，為了擴大電容的差的輸出從而提高靈敏度，第一傳感器21構成為含有各個電容器Cl、C2的橋式電路。并且，通過構成該橋式電路，各電容器Cl、C2在非檢測方向的X方向上的電容的變化相互抵消，能夠實現所謂的他軸靈敏度的降低。并且，第一傳感器21中可以設有用于在未作用有加速度的無負荷時解除測量點61上的偏置電壓的校正電路。
[0061]并且，圖2 (b)所示的第三固定電極55，以在Z方向與錘部24對置的方式形成在絕緣層53的上表面的整個區域。第一傳感器21構成為錘部24和第三固定電極55在Z方向對置的平行平板電容器。該平行平板電容器的電容根據作用在第一傳感器21的Z方向上的加速度而變化。在第一傳感器21中，通過測量隨著錘部24與第三固定電極55之間的距離的變動而變化的平行平板電容器的電容，能夠檢測出Z方向的加速度。
[0062]如上所述，第一傳感器21在檢測作用在Y方向和Z方向的加速度的另一方面，還具有限制彈簧43 (參照圖2 (a))在X方向伸縮的結構，使錘部24在X方向不進行撓動。因此，第一傳感器21構成為能夠檢測Y方向和Z方向的加速度的兩軸加速度傳感器。如圖1所示，具有加速度傳感器10的第二傳感器31與第一傳感器21具有相同的結構，包括:邊框部23、錘部24、一對彈簧部26、第一和第二固定電極28、29以及第三固定電極(省略圖不)。第二傳感器31形成為以Z方向為旋轉軸將第一傳感器21旋轉90度的結構。也就是說，第二傳感器31在檢測作用在X方向和Z方向的加速度的另一方面，能夠限制彈簧部26的彈簧43在Y方向的伸縮，使錘部24在Y方向不進行撓動。因此，第二傳感器31構成為能夠檢測出X方向和Z方向的加速度的兩軸加速度傳感器。
[0063]在這樣構成的加速度傳感器10中，基于第一和第二傳感器21、31的輸出來檢測三個方向的加速度。并且，在加速度傳感器10中，通過測量與第一和第二傳感器21、31各自的錘部24與第三固定電極55之間的距離的變動相對應的電容的變化來檢測相對于Z方向的加速度。即，加速度傳感器10利用將第一和第二傳感器21、31兩者的輸出合成的值來檢測相對于Z方向的加速度。
[0064]接下來，對彈簧43的構造進行說明。
[0065]圖4 (a)所示的彈簧100是彈簧43的一個例子。如上所述，彈簧100構成為互成直角的短邊111和長邊112交錯相連的形狀。另外，如圖4 (a)?圖4 (c)所示，在以下的說明中，將短邊111的長度稱為LI，長邊112的長度稱為L2進行說明。并且，圖4 (a)?圖4 (c)所示的方向表示彈簧100、100A、100B伸縮的方向。
[0066]彈簧100的長度L2比長度LI長，連接錘部24 (參照圖2 (a))與各梁部41 (參照圖2 (a))之間的距離L3比長度L2長。在此，在彈簧100中，以在Y方向的往復次數，換句話說在Y方向的一端側折返的次數(以下稱為“折疊次數”)為η。在圖4 (a)所示的彈簧100中，折疊次數η為15次。彈簧100的折疊次數η與對應于X、Y、Z各方向的彈簧常數Kx、Ky、Kz相關。于是，本發明的
【發明者】通過關于彈簧常數Kx、Ky、Kz相對于彈簧100的折疊次數η的變化進行反復的研究、模擬等，而得到本發明。具體地說，如圖4 (a)所示，例如，在與Z方向正交的平面上，使彈簧100占有的區域S (圖中以陰影覆蓋的部分)的面積為定值，改變折疊次數η并且進行彈簧常數Kx、Ky, Kz的研究。
[0067]圖5是表示彈簧常數Kx、Ky、Kz的值相對于折疊次數η的曲線圖。如圖5所示，X方向的彈簧常數Kx隨著折疊次數η的增加而增大。圖中以實線所示的曲線表示試算彈簧常數Kx的結果，并且從中可知隨著折疊次數η的增加相對于X方向的剛性增強、從而彈簧伸縮被限制。
[0068]另一方面，Y方向的彈簧常數Ky隨著折疊次數η的增加而減小。圖中以虛線表示的曲線表示試算彈簧常數Ky的結果，可知隨著折疊次數η的增加，相對于Y方向的剛性降低，變得容易撓動。同樣，Z方向的彈簧常數Kz隨著折疊次數η的增加而減小。圖中以點劃線表示的曲線表示彈簧常數Kz的試算結果，可知隨著折疊次數η的增加，Z方向變得容易撓動。
[0069]根據以上內容，利用圖5所示的曲線圖，基于彈簧常數Kx、Ky、Kz將彈簧100分為三種類別。例如，以各彈簧常數Kx、Ky、Kz為近似的值的折疊次數η為基準值nl (例如nl=10)，以折疊次數η比基準值nl小的彈簧100為第一種類。被分類為該第一種類的彈簧100是例如圖4 (b)所示的折疊次數η為5次的彈簧100Α。該彈簧100Α的兩端的距離L3比長度L2短。彈簧100Α具有相對于X方向容易位移，而相對于Υ、Ζ方向的伸縮被限制的特性。也就是說，這樣的彈簧100Α具有在一個方向上伸縮的特性，例如日本特開平11-344507號公報(專利文獻I)所示的單軸加速度傳感器所采用的彈簧。[0070]接下來，以折疊次數η為基準值nl，各彈簧常數Kx、Ky、Kz大致相同的彈簧100為第二種類。被分類為該第二種類的彈簧100是例如圖4(c)所示的折疊次數η為10次的彈簧100Β。該彈簧100Β的兩端的距離L3與長度L2大致相等，能夠相對于Χ、Υ、Ζ各方向位移。也就是說，這種彈簧100Β具有在三個方向伸縮或撓動的特性，例如日本特表2005-534016號公報(專利文獻2)中所示的用于三軸加速度傳感器的彈簧。
[0071]而且，本實施方式的圖4 Ca)所示的彈簧100是折疊次數η比基準值nl大的、被分類為第三種類的彈簧，其具有相對于兩個方向的撓動性。詳細地說，彈簧100的短邊111與長邊112相連、相對于蛇行延伸的X方向的剛性高且難以伸縮。并且，彈簧100相對于與蛇行延伸的X方向正交的Y方向具有撓動性。并且，彈簧100相對于Z方向具有撓動性，其Z方向與設定彈簧100占有的區域S的平面垂直。因此，在具有這樣的特性的彈簧100 (彈簧43)的第一傳感器21中，能夠檢測出作用在Y方向和Z方向上的加速度，并且由于錘部24在X方向上不變動，能夠抑制X方向上的他軸靈敏度、實現檢測精度的提高。
[0072]接下來，對這樣構成的加速度傳感器10的靈敏度進行說明。
[0073]加速度傳感器10利用第一和第二傳感器21、31兩者的輸出來檢測相對于Z方向的加速度。在此，以相對的電極的面積為S、電極的距離為d、介電常數為ε，電容C可以通過下式表示。
[0074]C= ε S/d.........(I)
[0075]錘部24在平面方向形成為與Z方向正交的平板狀，并且能夠使檢測相對于Z方向的加速度的可動電極的面積S比其他方向(X方向，Y方向)大。
[0076]因此，在本實施方式的第一和第二傳感器21、31中，能夠使用于檢測作用在Z方向上的加速度而設置的電容的大小比其他兩個方向大。
[0077]另外，利用上述式(1)，電容的變化量AC相對于距離的變化量Ad的大小如下式所示。
[0078]Δ C/ Δ d = ε S/d2....(2)
[0079]另外，根據運動方程式、彈性法則，作用在錘部24上的力如下式所示。
[0080]F = ma = kA d (m:錘部24的質量，a:加速度，k:彈簧常數)..(3)
[0081]根據上述式(2)、(3)，電容的變化量Λ C如下式所示。
[0082]Δ C = ( ε S/d2*m/k) a = (C/k*m/d) a......(4)
[0083]因此，根據上述式(4)，提高本實施方式的電容型加速度傳感器10的對于加速度a的靈敏度(電容的變化量)需要增大作為重物的錘部24的質量m、增大由錘部24與第一至第三固定電極28、29、55分別構成的電容器的電容C或減少彈簧常數Kx、Ky、Kz。質量m與錘部24的大小相關。在Z方向，電容C與錘部24的與Z方向正交的方向的面積S相關。如圖2 (a)所示，俯視觀察時，加速度傳感器10中的錘部24占據了平面的大部分區域。與之相對，考慮采用例如將單軸加速度傳感器(上述日本特開平11-344507號公報(專利文獻I)所公開的加速度傳感器等)與XYZ各方向對應設置，將多個加速度傳感器排列在同一平面上的結構。但是，在這樣的結構中，俯視觀察時，有助于Z軸方向的加速度檢測的錘部僅占據平面的一部分區域。也就是說，本實施方式的加速度傳感器10有助于所有傳感器(第一和第二傳感器21、31)對Z方向的加速度的檢測，與構成對于Z方向具有相同的靈敏度的三軸加速度傳感器的情況相比，具有更加小型化的結構。[0084]并且，優選電容型的加速度傳感器對于XYZ各方向的靈敏度大致相同。如上述式
(4)所示，為了使對于各方向的靈敏度大致相同，考慮使各方向的電容C與彈簧常數k的比相等。例如，在上述加速度傳感器10中，以檢測X方向的加速度的第二傳感器31的錘部24與第一和第二固定電極28、29的電極之間的電容為Cx,以彈簧43的相對于X方向的彈簧常數為kx。并且，以檢測Y方向的加速度的第一傳感器21的錘部24與第一和第二固定電極28,29的電極之間的電容為Cy，彈簧43的相對于Y方向的彈簧常數為ky。另外，在本實施方式中，由于第一和第二傳感器21、31具有相同結構，電容Cx和Cy、彈簧常數kx和ky分別具有相同的值。并且，以檢測第一和第二傳感器21、31的Z方向的加速度的錘部24與第三固定電極55的電極之間的電容分別為電容Czl，Cz2，以各傳感器21、31的彈簧43的相對于Z方向的彈簧常數分別為kzI，kz2。另外，在本實施方式中，第一和第二傳感器21、31具有相同的結構，所以電容Cz 1、Cz2的值是相同的。同樣，彈簧常數kz 1、kz2的值是相同的。
[0085]而且，為了使這種情況下的各方向的電容C與彈簧常數k的比相等，優選滿足下式。
[0086]2*Cx/kz = 2*Cy/ky = (Czl/kzl+Cz2/kz2)....(5)
[0087]因此，通過將上述式(5)的值設計為指標，能夠使相互正交的三軸的各個方向的加速度的靈敏度相等，能夠容易地構成本實施方式的加速度傳感器10。另外，如圖3所示，本實施方式的第一和第二傳感器21、31分別構成含有電容器Cl、C2的橋式電路,利用各電容器C1、C2的電容的差來計算加速度。因此，各傳感器21、31的對于各方向的靈敏度，與例如將電容器C1、C2中的其中一個電容器的容量擴大2倍的值相關。上述式(5)采用了這樣的電容型加速度傳感器中所用到的橋式電路。
[0088]接下來，對第一傳感器21的制造方法的一個例子進行說明。另外，由于第二傳感器31的制造方法與第一傳感器21是相同的，所以省略了說明。
[0089]首先，準備如圖6 (a)的核心板200。核心板200是例如由單晶硅構成的晶片。在核心板200上形成多個傳感器元件，然后進行切片，并且通過對多個第一傳感器21進行單片化而進行制造。
[0090]在核心板200的表面形成絕緣層210。絕緣層210是利用例如熱氧化法、沉積法在氮化硅(SiNx)、二氧化硅膜之上層疊氮化硅的膜而形成的。然后，例如利用光刻技術在絕緣層210的表面形成任意圖形的第三固定電極212、襯墊214和未圖不的配線。第三固定電極212和配線(省略圖示)等采用了多晶硅等對后文所述的犧牲層215的蝕刻有耐性的材料。另外，在利用LSI技術一般將鋁用于第三固定電極212和未圖示的配線的情況下，優選在該鋁之上層疊氮化硅膜或利用多層層疊膜構成上述絕緣層210并在其中，提高對犧牲層215的蝕刻的耐性。如上所述，可以由多層層疊膜來構成絕緣層210、第三固定電極212和配線(省略圖示)。并且，第三固定電極212和配線(省略圖示)可以由具有導電性的多層來構成。
[0091]然后，如圖6 (b)所示，形成覆蓋絕緣層210和第三固定電極212的犧牲層215。犧牲層215是將二氧化娃通過例如化學氣相沉積(CVD:Chemical Vapor Deposition)法成膜而形成的。犧牲層215的厚度為例如2μπι (微米)。然后，如圖6 (c)所示，使襯墊214的表面的一部分露出犧牲層215地形成接觸孔216。接觸孔216是利用例如光刻技術而形成的。
[0092]然后，如圖7 (a)所示，在犧牲層215之上形成電極層217。接觸孔216內充填有電極層217的一部分。電極層217是例如將多晶硅通過CVD法成膜而形成的。電極層217的厚度為例如5?10 μ m。然后，如圖7 (b)所示，對電極層217進行蝕刻，形成貫通孔219及第一和第二固定電極220、221。對電極層217的蝕刻是例如利用光刻技術在電極層217上形成任意圖形的抗蝕刻層(省略圖示)，通過Deep-RIE (Reactive 1n Etching)法對從該抗蝕刻層的開口部露出的區域進行異向性蝕刻。另外，未圖示的彈簧43是例如與上述第一和第二固定電極220、221在同一工序中形成的。
[0093]然后，如圖7 (C)所示，蝕刻犧牲層215。犧牲層215的蝕刻是例如從形成在電極層217上的貫通孔219等導入蝕刻液(例如緩沖氫氟酸酸(BHF))而進行的。通過這種方式形成圖1所示的第一傳感器21。
[0094]根據上述實施方式，能夠得到以下效果。
[0095](I)通過使具有加速度傳感器10的第一傳感器21的彈簧43根據Y、Z方向的加速度伸縮，而限制相對于X方向的加速度的伸縮，從而能夠從根據加速度進行變動的錘部24與第一至第三固定電極28、29，55之間的電容的變化檢測出Y、Z方向的加速度。也就是說，第一傳感器21構成為彈簧43相對于X方向具有剛性而作為兩軸加速度傳感器。加速度傳感器10構成為第二傳感器31與第一傳感器21具有同樣的結構、通過利用第二傳感器31檢測出X、Z方向的加速度而作為三軸加速度傳感器。在這樣的結構中，各傳感器21、31的彈簧43相對于一個方向具有剛性，無須擔心由于制造工藝的缺陷導致錘部24的旋轉、重心偏移，能夠構成實現檢測精度的提高的加速度傳感器10。
[0096](2)加速度傳感器10利用第一和第二傳感器21、31兩者的輸出來檢測相對于Z方向的加速度。由此，在加速度傳感器10中，由于所有的傳感器(第一和第二傳感器21、31)有助于對Z方向的加速度的檢測，與通過三個單軸加速度傳感器來構成三軸加速度傳感器的情況相比，能夠得到更加小型化的結構。
[0097](3)在俯視觀察第一傳感器21時，彈簧43的可動端43Β相對于固定端43Α位于外偵U。在這樣的結構中，能夠減輕作用在錘部24上的旋轉力矩的影響，并且能夠實現第一傳感器21的檢測精度的提高。
[0098]另外，本發明不是限于上述實施方式的發明，在不脫離本發明的主旨的范圍內能夠進行各種改良、變更。
[0099]例如，在上述實施方式中，俯視觀察時，第一傳感器21形成為大致正方形，但并不限于此。例如，如圖8所示的第一和第二傳感器301、302在俯視觀察時形成為大致長方形。第一和第二傳感器301、302在俯視觀察時形成為長邊沿X方向延伸的大致長方形狀。第一傳感器301的彈簧311與上述實施方式的第一傳感器21的彈簧43相比,其X方向的長度較長、Y方向的長度較短。并且，第二傳感器302的彈簧312與上述實施方式的第二傳感器31的彈簧43相比，其X方向的長度較長、Y方向的長度較短。在這樣的結構中，彈簧311，312相對于一個方向具有剛性,第一和第二傳感器301、302構成為兩軸加速度傳感器。也就是說，根據本實施方式的第一和第二傳感器21、31的結構，能夠減少結構上的限制、提高形狀的自由度。
[0100]并且，在上述實施方式中雖未提及，在如圖8所示的第一和第二傳感器301、302中，設有用于防止錘部24與各部件之間的粘滯的限位器320。限位器320形成為直立設置在基板12 (參照圖1)上并且在Z方向貫通錘部24的柱狀。通過使限位器320與錘部24卡合，能夠防止錘部24與其他部件，例如第一固定電極28粘在一起。并且，雖然未做圖示，限位器320的與錘部24相對的面設有凸部，能夠減小限位器320與錘部24之間的接觸面積，有效地防止粘滯。并且，將這樣的凸部設置在其他部件上，例如在錨定部45的與錘部24對置的面上進行設置，也能夠實現限位器320的功能。并且，防止粘滯的機構不限于限位器320，例如也可以對任意部件的端面進行表面加工，使其具有疏水性。
[0101]并且，在上述實施方式中，采用了錘部24作為可動電極，但是也可以設置與錘部24 一體或分體的可動電極。
[0102]并且，利用上述彈簧43那樣的具有對兩個方向進行伸縮或撓動的特性的彈性部件，只要能夠檢測出作用在傳感器10上的加速度，也可以采用除電容之外的機構。
[0103]并且，各部件的形狀.結構等僅為一個例子，可以進行適當的變更。例如，第一傳感器21和第二傳感器31可以具有不同的結構。
[0104]附帶說明的是，加速度傳感器10作為加速度傳感器的一個例子，錘部24作為錘部和可動電極的一個例子，第一至第三固定電極28、29、55作為固定電極的一個例子,彈簧43作為第一和第二彈性部件的一個例子，長邊Π2和短邊111作為第一邊和第二邊的一個例子，彈簧常數Kx、Ky> Kz作為彈簧常數的一個例子而被舉出。
[0105]接下來，對根據上述實施方式的內容引出的技術思想進行說明。
[0106]在本發明的第二方面的加速度傳感器的基礎上，所述第三傳感器部具有:第一電容部，其與具有所述第一傳感器部的第一傳感器相對應；第二電容部，其與具有所述第二傳感器部的第二傳感器相對應。
[0107]將2* {(所述第一傳感器部具有的所述電容部的容量值)/ (所述第一彈性部件的所述第一方向的彈簧常數)}、
[0108]2* {(所述第二傳感器部具有的所述電容部的容量值)/ (所述第二彈性部件的所述第二方向的彈簧常數)}、以及{(所述第三傳感器部具有的所述第一電容部的容量值)/ (所述第一彈性部件的所述第三方向的彈簧常數)+ (所述第三傳感器部具有的所述第二電容部的容量值)/ (所述第二彈性部件的所述第三方向的彈簧常數)}設為相等的值。
[0109]根據這樣的結構，與利用上述實施方式中的式(5)說明的內容相對應，第三傳感器部具有與第一傳感器相對應的第一電容部和與第二傳感器相對應的第二電容部，
[0110]將2* {(第一傳感器部具有的電容部的容量值)/ (第一彈性部件的第一方向的彈簧常數)}、2* {(第二傳感器部具有的電容部的容量值)/ (第二彈性部件的第二方向的彈簧常數)}、以及{(第三傳感器部具有的第一電容部的容量值)/ (第一彈性部件的第三方向的彈簧常數)+ (第三傳感器部具有的第二電容部的容量值)/ (第二彈性部件的第三方向的彈簧常數)}設為相等的值。基于這樣的條件，能夠容易地構成對于相互正交的三軸的各方向的加速度的靈敏度相等的加速度傳感器。
【權利要求】
1.一種加速度傳感器，其特征在于，具有: 基板； 第一彈性部件，其一端固定在所述基板上，并且相對于沿所述基板的第一方向和與所述基板正交的第三方向的這兩個方向的加速度進行撓動； 第二彈性部件，其一端固定在所述基板上，并且相對于與沿所述基板的所述第一方向正交的第二方向和所述第三方向的這兩個方向的加速度進行撓動； 多個錘部，其分別與所述第一和第二彈性部件的另一端連接，并且從所述基板游離且能夠擺動地被所述第一和第二彈性部件支撐； 第一至第三傳感器部，其根據所述錘部的擺動檢測所述第一至第三方向的各加速度。
2.根據權利要求1所述的加速度傳感器，其特征在于， 所述第一至第三傳感器部分別具有電容部，所述電容部具有設在所述基板上的固定電極和設在所述錘部上的可動電極， 所述第一傳感器部的所述電容部具有的所述固定電極和所述可動電極形成為沿所述第二方向的平板狀， 所述第二傳感器部的所述電容部具有的所述固定電極和所述可動電極形成為沿所述第一方向的平板狀， 所述第三傳感器部的所述電容部具有的所述固定電極和所述可動電極形成為沿所述基板的平板狀。·
3.根據權利要求2所述的加速度傳感器，其特征在于， 具有多個所述第三傳感器部，其基于電容的變化來檢測作用在所述第三方向上的加速度，所述電容的變化是與所述電容部的所述固定電極與所述可動電極之間的距離的變動相對應的， 基于將多個所述第三傳感器部的輸出合成的值來檢測所述第三方向的加速度。
4.根據權利要求2所述的加速度傳感器，其特征在于， 所述第三傳感器部具有的所述電容部的容量值比所述第一、第二傳感器部具有的所述電容部的容量值大。
5.根據權利要求1至3中任一項所述的加速度傳感器，其特征在于， 所述第一彈性部件在所述第二方向上的彈簧常數比在所述第一和第三方向上的彈簧常數大， 所述第二彈性部件在所述第一方向上的彈簧常數比在所述第二和第三方向上的彈簧常數大。
6.根據權利要求1至4中任一項所述的加速度傳感器，其特征在于， 對于所述第一至第三方向的各加速度的靈敏度大致相同。
7.根據權利要求1至4中任一項所述的加速度傳感器，其特征在于， 所述第一彈性部件與所述第二彈性部件具有相同的結構，而且，所述第一傳感器部與所述第二傳感器部具有相同的結構。
8.根據權利要求1至4中任一項所述的加速度傳感器，其特征在于， 所述第一彈性部件是沿所述第一方向的第一邊與沿所述第二方向的第二邊交錯相連、沿所述第二方向蛇行延伸的彈簧，并且連接所述第一彈性部件的兩端的距離比所述第一邊的長度長， 所述第二彈性部件是沿所述第一方向的第一邊與沿所述第二方向的第二邊交錯相連、沿所述第一方向蛇行延伸的彈簧，并且連接所述第二彈性部件的兩端的距離比所述第二邊的長 度長。
【文檔編號】G01P15/18GK103713158SQ201310454580
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年9月29日 優先權日:2012年10月2日
【發明者】鈴木利尚 申請人:雅馬哈株式會社