JP5321150B2 - 複合センサー - Google Patents

Description

本発明は、加速度センサー素子、振動型角速度センサー素子等の複数のセンサー素子を同一パッケージに収めた複合センサーに関する。

複合センサーに用いられるセンサー素子は、種類によってその大きさや、最適な使用環境が異なる。例えば、可動部の動きを検知する加速度センサー素子では、過渡応答や耐衝撃性の観点から、低いＱ値が要求される。一方、振動型角速度センサー素子では、加速度センサー素子と比較して高いＱ値が要求される。いずれのセンサー素子も可動部を備えており、Ｑ値の設計は、センサー素子の可動部を取り巻く気体の粘性を利用して行うので、センサー素子ごとに取り巻く気体の圧力を変える必要がある。
具体的には、加速度センサー素子は、気体によるダンピング効果を利用するため、大気圧付近で封止する必要があり、振動型角速度センサー素子は、気体による影響を少なくするため、減圧封止が必要である。
センサー収容空間部を加速度センサー用空間部と角速度センサー用空間部とに区分し、加速度センサーと角速度センサーとをそれぞれ別個独立に収容配置されたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、加速度センサーチップ（素子）と角速度センサーチップ（素子）とを同一基板に設けたものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００２−５９５０号公報（６頁、図２） 特開平１０−１０１４８号公報（３頁、図１）

しかしながら、複合センサーの小型化および低コスト化を実現するために、同一基板に加速度センサー素子および角速度センサー素子を設け、加速度センサー素子または角速度センサー素子それぞれに適した圧力の空間を別々に形成するには、空間を区分する壁を基板を介して設ける必要がある。基板と壁との間から各空間間のリークが発生して、長期的に特性の変動を抑えることが困難である。また、空間を区分する壁の存在により、小型化、低コスト化が困難になる。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
基板に形成され、ダンピング用構造体を有する加速度センサー素子と、前記基板に形成された振動型角速度センサー素子と前記基板が減圧封止されたパッケージとを備えたことを特徴とする複合センサー。

この適用例によれば、振動型角速度センサー素子が減圧封止されているため、振動型角速度センサー素子のＱ値が大きくなり、バイアスドリフト特性の優れた角速度が検出される。また、加速度センサー素子は、ダンピング用構造体によるダンピング効果により、低いＱ値となり、過渡応答性に優れた加速度が検出される。また、パッケージ内を複数の空間に区分する必要がない。したがって、各センサーの特性を発揮でき、長期的に特性の変動を抑え、小型化および低コスト化を実現する複合センサーが得られる。

［適用例２］
上記複合センサーであって、前記加速度センサー素子は、支持体と、前記支持体に形成されている固定電極と、可動部と、前記可動部に設けられ、前記固定電極に対向配置されて容量を形成する可動電極と、前記固定電極および前記可動電極のうち少なくとも一方の対向面に、面内の一方向に向かって延びるように形成された凸部とを備えたことを特徴とする複合センサー。また、他の態様では、加速度センサー素子と、振動型角速度センサー素子と、前記加速度センサー素子および前記振動型角速度センサー素子を収納して減圧封止されたパッケージと、を備え、前記加速度センサー素子は、支持体と、前記支持体から突出して設けられている固定電極と、可動部と、前記可動部から突出して設けられ、且つ、前記固定電極に対向している可動電極と、前記固定電極および前記可動電極の少なくとも一方に、前記突出する方向に沿って設けられている凸部と、を備えていることを特徴とする複合センサー。
この適用例では、固定電極と可動電極との間の距離が変化する方向の加速度印加時において、固定電極と可動電極との間隙に存在する気体の流れは、対向面に形成された一方向に向かって延びる凸部によって一方向への流れが発生する。この気体の流れによるスクイーズフィルムダンピングにより、大きな減衰定数ｃが得られる。したがって、可動部と支持体との間隔を狭くすることなく、固定電極と可動電極との間隙の構造によって減衰定数ｃの調節が可能であり、可動部と支持体との衝突破壊が低減した耐衝撃性の優れた加速度センサー素子が得られる。

［適用例３］
上記複合センサーであって、前記凸部は、前記対向面のいずれかの縁に平行な線に沿って延びていることを特徴とする複合センサー。また、他の態様では、上記複合センサーであって、前記凸部は、電極断面の上端および下端の少なくとも一方に設けられていることを特徴とする複合センサー。
この適用例では、縁に平行に凸部が設けられているので、固定電極と可動電極との間隙に存在する気体の流れがより一定方向に揃い、スクイーズフィルムダンピングにより、より大きな減衰定数ｃが得られる。したがって、可動部と支持体との衝突破壊がより低減した耐衝撃性の優れた加速度センサー素子が得られる。

［適用例４］
上記複合センサーであって、前記凸部は、前記対向面の対向する領域の縁部に設けられていることを特徴とする複合センサー。また、他の態様では、上記複合センサーであって、前記凸部は、前記固定電極および前記可動電極の一方の電極断面の上端に設けられ、かつ、前記固定電極および前記可動電極の他方の電極断面の下端に設けられていることを特徴とする複合センサー。
この適用例では、凸部が縁部にあることにより、固定電極と可動電極との間隙に存在する気体の多くが、スクイーズフィルムダンピングに寄与し、より大きな減衰定数ｃが得られる。したがって、可動部と支持体との衝突破壊がより低減した耐衝撃性の優れた加速度センサー素子が得られる。

［適用例５］
上記複合センサーであって、前記凸部は、平行に複数形成されていることを特徴とする複合センサー。
この適用例では、凸部が平行に複数存在するので、気体の流れがより一定方向に揃い、より大きな減衰定数ｃが得られる。したがって、可動部と支持体との衝突破壊がより低減した耐衝撃性の優れた加速度センサー素子が得られる。

［適用例６］
上記複合センサーであって、前記加速度センサー素子は、支持体と、前記支持体に形成されている固定電極と、前記支持体に形成されている第１ダンピング用構造体と、可動部と、前記可動部に設けられた可動電極と、前記可動部に設けられた第２ダンピング用構造体とを備え、前記固定電極と前記可動電極とは、第１間隙を隔てて対向配置されて容量を形成し、前記第１ダンピング用構造体と前記第２ダンピング用構造体とは、第２間隙を隔てて対向配置されていることを特徴とする複合センサー。また、他の態様では、加速度センサー素子と、振動型角速度センサー素子と、前記加速度センサー素子および前記振動型角速度センサー素子を収納して減圧封止されたパッケージと、を備え、前記加速度センサー素子は、支持体と、前記支持体に設けられた固定電極および第１ダンピング用構造体と、可動部と、前記可動部に設けられた可動電極および第２ダンピング用構造体と、を備え、前記固定電極と前記可動電極とは、第１間隙を隔てて対向配置され、前記第１ダンピング用構造体と前記第２ダンピング用構造体とは、第２間隙を隔てて対向配置され、且つ、前記固定電極と前記可動電極の並びに沿って配置されていることを特徴とする複合センサー。
この適用例では、固定電極および可動電極以外にダンピング用構造体を設けるので、固定電極と可動電極との電極間間隙を狭くすることなく、ダンピング用構造体によってダンピングの調整ができる。したがって、可動部と支持体との衝突破壊が低減して耐衝撃性に優れ、固定電極と可動電極との衝突を避けながら加速度の検出が可能な、加速度の検出特性の低下の少ない加速度センサー素子が得られる。

［適用例７］
上記複合センサーであって、前記第２間隙は、前記第１間隙より狭いことを特徴とする複合センサー。
この適用例では、第２間隙を、第１間隙より狭くして、ダンピングをより大きくできる。

［適用例８］
上記複合センサーであって、前記可動電極の変動方向と前記第２ダンピング用構造体の変動方向とが略一致していることを特徴とする複合センサー。
この適用例では、可動電極の変動方向と第２ダンピング用構造体の変動方向が略一致しているので、減衰力が固定電極と可動電極との間の第２間隙の変動に効率よく働く。

［適用例９］
上記複合センサーであって、前記第１ダンピング用構造体および前記第２ダンピング用構造体は、それぞれ複数設けられて、前記可動電極の変動方向または前記可動部の重心に対して対称な位置に配置されていることを特徴とする複合センサー。
この適用例では、第１ダンピング用構造体および第２ダンピング用構造体が、可動電極の変動方向または可動部の重心に対して対称に配置されているので、可動電極の変動方向に対して均等に減衰力が働き、他方向への感度が押さえられる。

［適用例１０］
上記複合センサーであって、前記固定電極、前記可動電極、前記可動部および前記第１ダンピング用構造体および前記第２ダンピング用構造体が、集積回路で用いられる積層構造を有していることを特徴とする複合センサー。
この適用例では、固定電極、可動電極、可動部、第１ダンピング用構造体および第２ダンピング用構造体が積層構造であるので、集積回路が形成された基板上に加速度センサー素子が形成できる。

［適用例１１］
上記複合センサーであって、前記固定電極、前記可動電極、前記可動部および前記第１ダンピング用構造体および前記第２ダンピング用構造体が、単結晶シリコンから形成されていることを特徴とする複合センサー。また、他の態様では、上記複合センサーが形成されている前記基板が単結晶シリコンであることを特徴とする複合センサー。
この適用例では、固定電極、可動電極、可動部、第１ダンピング用構造体および第２ダンピング用構造体が、単結晶シリコンから形成されているので、熱応力による変形が少なく、厚い構造体の形成も容易になる。

第１実施形態における複合センサーの概略図。 （ａ）は加速度センサー素子の概略平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ概略断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ概略断面図。 ＣＭＯＳ集積回路および加速度センサー素子を基板に形成する場合の製造工程の簡略断面図。 第２実施形態における（ａ）は加速度センサー素子の概略平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ概略断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ概略断面図。 ＣＭＯＳ集積回路および加速度センサー素子を基板に形成する場合の製造工程の簡略断面図。 第３実施形態における（ａ）は加速度センサー素子の概略平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ概略断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ概略断面図。 第４実施形態における（ａ）は加速度センサー素子の概略平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ概略断面図。 第５実施形態における（ａ）は加速度センサー素子の概略平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ概略断面図。 変形例における加速度センサー素子の概略平面図。

以下、実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１に、本実施形態における複合センサー１０００の概略図を示した。（ａ）は概略平面図で、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ概略断面図である。

図１において、複合センサー１０００は、収容器１１００と蓋体１２００とからなる直方体のパッケージ１３００を備えている。パッケージ１３００には、１つの加速度センサー素子１００とＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）集積回路４００と３つの振動型角速度センサー素子７００，８００，９００が形成された基板３０が収められている。

基板３０も直方体の板であり、収容器１１００の底面１１１０に、配置されている。基板３０は、底面１１１０との間に、スペーサー等を介して配置されていてもよい。
図中には、直方体のパッケージ１３００および基板３０の各辺に平行な方向をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向で示した。
ＣＭＯＳ集積回路４００は、Ｙ軸方向の略中心に配置されている。ＣＭＯＳ集積回路４００を挟むようにして、振動型角速度センサー素子７００，８００と加速度センサー素子１００および振動型角速度センサー素子９００とがそれぞれ配置されている。
例えば、振動型角速度センサー素子７００はＸ軸検出用であり、振動型角速度センサー素子８００はＹ軸検出用であり、振動型角速度センサー素子９００はＺ軸検出用である。
加速度センサー素子１００および振動型角速度センサー素子７００，８００，９００の配置は、図に示した配置に限らず、互いに入れ替わった配置であってもよい。
また、振動型角速度センサー素子７００，８００，９００は３個に限らず、１個または２個で、１軸または２軸を検出するものであってもよい。

収容器１１００は、凹部１１２０を有し、凹部１１２０の開口部の周囲には段差１１２１が形成されている。蓋体１２００は、収容器１１００の段差１１２１に組み合わされて接合されている。

収容器１１００および蓋体１２００は、セラミック、ガラス等の絶縁体または金属で形成することができる。また、樹脂を成形して形成してもよい。樹脂を用いる場合、透湿率の低い液晶ポリマーを用いるとよい。

また、蓋体１２００の材質は、収容器１１００の材質と同じにすると、熱膨張係数の違いによる応力による蓋体１２００と収容器１１００との剥がれ等が発生せず好ましい。加えて、素子への熱応力の影響を小さくし、温度特性に優れたセンサーを実現できる収容器１１００と蓋体１２００とを接合するには、はんだ、低融点ガラス、接着剤等を用いることができる。

収容器１１００の底面１１１０には、孔１１２２が設けられている。孔１１２２からパッケージ１３００内を減圧した後、孔１１２２は封止部材１１３０によって封止され、パッケージ１３００は減圧封止されている。

図２に、本実施形態における加速度センサー素子１００の部分を基板３０から矩形状に抜き出した概略図を示した。（ａ）は加速度センサー素子１００の概略平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ概略断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ概略断面図である。図中には、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向を示している。また、図中の両矢印は、加速度検出方向を示し、本実施形態では、Ｘ軸方向が加速度検出方向である。Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向は、図１に示したＸ，Ｙ，Ｚ軸方向と一致している。

図２において、加速度センサー素子１００は、支持体１０と可動部２０とを備えている。
支持体１０は、基板３０と基板３０上に形成された支持部４０とを備えている。また、可動部２０も基板３０上に形成されている。
基板３０は、シリコン基板からなり、可動部２０との間に間隔を持たせるために、基板３０の可動部２０に対向する面には、凹部３１が形成されている。凹部３１の深さは、可動部２０のＺ軸方向に衝撃が加わって、可動部２０が基板３０側に撓んでも衝突しない深さになっている。

可動部２０および支持部４０は、例えば、基板３０上の他の領域に形成されたＣＭＯＳ集積回路４００を構成する配線層５０、層間絶縁膜６０等からなる積層構造を利用して形成されている。
配線層５０としては、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｌ合金、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｗ、Ｐｔ等を用いることができる。配線層５０には、ＣＭＯＳ集積回路４００を形成する際に用いられるＴｉＮ、Ｔｉ、ＴｉＷ、ＴａＮ、ＷＮ、ＶＮ、ＺｒＮ、ＮｂＮ等からなるバリア膜、ＴｉＮ、Ｔｉ等からなる反射防止膜も含まれる。また、配線層５０には、ＣＭＯＳのゲート電極も含む。ゲート電極は、不純物を含んだ多結晶シリコン、シリサイド、Ｗ等からなる。
層間絶縁膜６０としては、ＳｉＯ₂、ＴＥＯＳ（Tetraethoxysilane）、ＢＰＳＧ（Borophosphosilicate Glass）、ＮＳＧ（Non-doped silicon glass）、ＳＯＧ（Spin on glass）等を用いることができる。また、積層構造には、ＣＭＯＳ集積回路４００の最表面に形成されるＳｉＮ、ＳｉＯ₂等からなる保護膜を含んでいてもよい。
Ａｌ等の配線層５０は、スパッタ、真空蒸着、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等で形成でき、ＳｉＯ₂等の層間絶縁膜６０は、ＣＶＤ、熱酸化、スピンコートおよび焼成等で形成することができる。
なお、可動部２０および支持部４０は、ＣＭＯＳ集積回路４００の積層構造を利用して形成されるものに限らず、独自に積層構造を形成したものであってもよい。

支持部４０は、基板３０上に略矩形の枠体として形成されている。支持部４０は、固定電極４１を備えている。固定電極４１は、支持部４０の対向する一対の内面の略中央に、枠体の内側に向かって形成されている。固定電極４１の形状は、板状の直方体である。
可動部２０は、可動電極２１と錘部２２とばね部２３，２４とを備えている。錘部２２の形状は、略直方体に形成されている。可動部２０は、固定電極４１が形成されていない残りの一対の支持部４０の内面と２つのばね部２３，２４を介して、略矩形の枠体である支持部４０で囲まれた略中心に２ヵ所で保持されている。
ばね部２３，２４は、対向する２つの板ばねを向かい合わせて、両端で固定した構造となっている。２つの板ばねのうち、一方の板ばねは支持部４０と接続され、他方の板ばねは錘部２２に接続されている。

可動電極２１は、錘部２２の固定電極４１に対向する位置に形成されている。可動電極２１も固定電極４１と同様に板状の直方体である。
可動電極２１と固定電極４１との対は、錘部２２を挟んで対向する２ヵ所に設けられており、片方の間隔が広がれば、他方の間隔が狭まる差動検出タイプとなっている。
可動電極２１と固定電極４１とは、電極間で容量が得られるように、電極間間隙７０を介して対向している。電極間間隙７０の縁部７１には、狭窄部７２が設けられている。狭窄部７２は、固定電極４１の基板３０とは反対側の１辺にあたる縁部４２に、可動電極２１に向かって凸部４３を形成することによって設けられている。
図２では、凸部４３は、配線層５０を利用して形成されているが、層間絶縁膜６０が縁部４２にある場合には層間絶縁膜６０を利用して、凸部４３を形成してもよい。

図２（ｃ）において、凸部４３は、固定電極４１のＹ軸方向に延びる縁部４２に設けられている。この場合、図２（ｂ）に示すように、固定電極４１の断面形状は、Ｌ字型になる。
狭窄部７２は、縁部４２の基板３０側の縁部４４に設けられていてもよい。また、両側の縁部４２，４４に設けられていてもよい。この場合、固定電極４１の断面形状は、凹型の溝になる。さらに、凸部４３を、可動電極２１に形成して狭窄部７２を設けてもよい。
本実施形態では、可動電極２１と固定電極４１とでダンピング用構造体７６を構成している。

ＣＭＯＳ集積回路４００とともに、基板３０上に加速度センサー素子１００を形成する場合の各構成要素の大きさは特に限定されないが、例えば、以下の通りである。
可動部２０および支持部４０の積層構造の厚さは、数μｍ程度で、支持部４０は、数ｍｍ角程度の枠体である。積層構造の各層は、１μｍ程度である。可動電極２１と固定電極４１との電極間距離である電極間間隙７０の間隔は数μｍ程度である。また、錘部２２の質量は、数×１０^-6ｇ程度である。

可動部２０と支持部４０は、配線層５０および層間絶縁膜６０からなる積層構造の表面側からの異方性エッチングと等方性エッチングを組み合わせることで形成できる。
図３（ａ）〜（ｃ）に、例として、ＣＭＯＳ集積回路４００と加速度センサー素子１００とを基板３０に形成する場合の製造工程の簡略断面図を示した。図では、加速度センサー素子１００の可動部２０付近の断面図を簡略化して示している。
図３（ａ）は、ＣＭＯＳ集積回路４００とエッチング前の加速度センサー部１１０を形成する工程を、（ｂ）は層間絶縁膜６０等の異方性エッチング工程を、（ｃ）は基板３０の等方性エッチング工程を示している。

図３（ａ）において、基板３０にトランジスター４１０を構成する不純物拡散層４１１、ソース４１２、ドレイン４１３、ＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）４１４、ゲート酸化膜４１５、ゲート４１６等を形成後、トランジスター４１０上にプラグ４２０、配線層５０、層間絶縁膜６０、保護膜４３０等を積層、エッチングを繰り返しＣＭＯＳ集積回路４００をよく知られた方法で形成する。
このとき、加速度センサー部１１０には、加速度センサー素子１００の形状に応じて、ゲート４１６、配線層５０をフォトリソ工程によって残し、これらの間に層間絶縁膜６０および絶縁膜である保護膜４３０を形成する。

図３（ｂ）において、保護膜４３０側から層間絶縁膜６０等の異方性エッチングを行う。異方性エッチングは、例えば、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）エッチングによって行う。エッチングガスとしては、ＣＦ₄、ＣＨ₃、Ｈｅ等の混合ガスを用い、圧力を１０〜２０Ｐａ、ＲＦパワーを６００〜８００Ｗで行う。エッチング時間は、保護膜４３０と層間絶縁膜６０の合計膜厚が４〜６μｍの場合、１０〜２０分である。

図３（ｃ）において、保護膜４３０側からシリコンの基板３０の等方性エッチングを行い、凹部３１を形成する。等方性エッチングは、例えば、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）エッチングによって行う。エッチングガスとしては、ＳＦ₆、Ｏ₂の混合ガスを用い、圧力を１〜１００Ｐａ、ＲＦパワーを１００Ｗ程度で行う。エッチング時間は、凹部３１の深さが２〜３μｍの場合、数分である。このエッチングにより、可動部２０等が基板３０から切り離される。

振動型角速度センサー素子７００，８００，９００では、振動体を一定の周波数で振動させる。振動体に角速度が加わるとコリオリ力が発生し、コリオリ力によって振動体が異なる方向に振動する。このコリオリ力による変位を検知することで角速度を検出する。振動型角速度センサーとしては、周知のものを用いることができる。
また、振動型角速度センサー素子７００，８００，９００も加速度センサー素子１００と同様の方法で製造することができる。

このような本実施形態によれば、以下の効果がある。
（１）振動型角速度センサー素子７００，８００，９００が減圧封止されているため、振動型角速度センサー素子７００，８００，９００のＱ値を大きくでき、バイアスドリフト特性の優れた角速度を検出できる。また、加速度センサー素子１００は、ダンピング用構造体７６によるダンピング効果により、低いＱ値にでき、過渡応答性に優れた加速度を検出できる。また、パッケージ１３００内を複数の空間に区分する必要がない。したがって、各センサーの特性を発揮でき、長期的に特性の変動が抑えられた、小型化および低コスト化を実現する複合センサー１０００を得ることができる。

（２）固定電極４１と可動電極２１との間の距離が変化するＸ軸方向の加速度印加時において、固定電極４１と可動電極２１との電極間間隙７０に存在する気体の流れは、対向面に形成された一方向に向かって延びる凸部４３によって一方向への流れが発生する。この気体の流れによるスクイーズフィルムダンピングにより、大きな減衰定数ｃを得ることができる。したがって、可動部２０と支持体１０との間隔を狭くすることなく、固定電極４１と可動電極２１との電極間間隙７０の構造によって減衰定数ｃの調節が可能でき、可動部２０と支持体１０との衝突破壊が低減した耐衝撃性の優れた加速度センサー素子１００を得ることができる。

（３）縁に平行に凸部４３が設けられているので、固定電極４１と可動電極２１との電極間間隙７０に存在する気体の流れがより一定方向に揃い、スクイーズフィルムダンピングにより、より大きな減衰定数ｃを得ることができる。したがって、可動部２０と支持体１０との衝突破壊がより低減した耐衝撃性の優れた加速度センサー素子１００を得ることができる。

（４）凸部４３が縁部４２にあることにより、固定電極４１と可動電極２１との電極間間隙７０に存在する気体の多くが、スクイーズフィルムダンピングに寄与でき、より大きな減衰定数ｃを得ることができる。したがって、可動部２０と支持体１０との衝突破壊がより低減した耐衝撃性の優れた加速度センサー素子１００を得ることができる。

（５）基板３０に形成された凹部３１によって、可動部２０と支持体１０との間に十分な間隔が得られ、可動部２０と支持体１０との衝突破壊が低減した耐衝撃性の優れた加速度センサー素子１００を得ることができる。

（６）固定電極４１および可動電極２１が積層構造であるので、層ごとの加工が可能であり、層に応じて固定電極４１と可動電極２１との間に狭窄部７２を形成することを容易にできる。また、ＣＭＯＳ集積回路４００が形成された基板３０上に加速度センサー素子１００を形成可能にできる。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態における加速度センサー素子１００を加速度センサー素子２００に置き換えた。
図４に本実施形態における加速度センサー素子２００の部分を基板３０から矩形状に抜き出した概略図を示した。（ａ）は加速度センサー素子２００の概略平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ概略断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ概略断面図である。図中には、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向を示している。図中の両矢印は、加速度検出方向を示し、本実施形態においても、Ｘ軸方向が加速度検出方向である。
第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付した。以下には、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。

図４において、加速度センサー素子２００の構造は、第１実施形態で示した加速度センサー素子１００と略同様である。
構造で異なる点は、可動電極２１の縁部２５にも凸部２６を設け、可動電極２１の断面形状をＬ字型として、電極間間隙７０のＺ軸方向の両縁部７１および７３に狭窄部７２および７４を設けている点である。その他に、基板３０に貫通部３２が形成されている点が異なる。
図４（ｃ）において、凸部４３，２６は、固定電極４１のＹ軸方向に延びる縁部４２と可動電極２１のＹ軸方向に延びる縁部２５に設けられている。

第１実施形態と第２実施形態とでは、以下の点で大きく異なる。
第１実施形態では、基板３０は、シリコン基板からなり、支持部４０と可動部２０とは、基板３０上の他の領域に形成されたＣＭＯＳ集積回路４００を構成する配線層５０および層間絶縁膜６０を利用した積層構造となっている。一方、第２実施形態では、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）構造の半導体基板３５を利用する。ＳＯＩ構造は、酸化シリコンからなる埋め込み酸化膜８０を挟んで、埋め込み酸化膜上に形成された単結晶シリコン層９０を備えている。

可動部２０および支持部４０は、単結晶シリコン層９０をエッチングすることによって得られる。また、基板３０の貫通部３２は、単結晶シリコン層９０が形成された面に対向する面からエッチングすることによって形成できる。
図５（ａ）〜（ｃ）に、例として、ＣＭＯＳ集積回路４００と加速度センサー素子２００とをＳＯＩ構造の半導体基板３５に形成する場合の製造工程を簡略化して示した。また、ＣＭＯＳ集積回路４００の符号は、図３と同様なので省略した。
図５（ａ）は、ＣＭＯＳ集積回路４００を形成する工程を、（ｂ）は単結晶シリコン層９０のＣＭＯＳ集積回路４００形成面側からの異方性エッチング工程を、（ｃ）は基板３０の基板３０側からの異方性エッチング工程を示している。

図５（ａ）において、第１実施形態と同様に、単結晶シリコン層９０にＣＭＯＳ集積回路４００をよく知られた方法で形成する。このとき、加速度センサー部１１０には、何も形成しない。

図５（ｂ）において、単結晶シリコン層９０のＣＭＯＳ集積回路４００形成面側から異方性エッチングを行う。異方性エッチングは、ＳｉＯ₂等で加速度センサー素子２００の形状に応じてマスクを施し、ＫＯＨによるウェットエッチングで行うことができる。

図５（ｃ）において、基板３０側から基板３０および埋め込み酸化膜８０を異方性エッチングし、貫通部３２を形成し、可動部２０を分離する。異方性エッチングは、単結晶シリコン層９０のＣＭＯＳ集積回路４００形成面側から行った方法と同様の方法で行うことができる。

このような本実施形態によれば、以下の効果がある。
（７）凸部４３，２６が平行に複数存在するので、気体の流れがより一定方向に揃い、より大きな減衰定数ｃを得ることができる。したがって、可動部２０と支持体１０との衝突破壊がより低減した耐衝撃性の優れた加速度センサー素子２００を得ることができる。

（８）固定電極４１、可動電極２１および可動部２０が単結晶シリコンから形成されているので、熱応力による変形を少なくでき、厚い構造体の形成を容易にできる。

（第３実施形態）
本実施形態では、第１実施形態における加速度センサー素子１００を加速度センサー素子３００に置き換えた。
図６に本実施形態における加速度センサー素子３００の部分を矩形状に抜き出した概略図を示した。（ａ）は加速度センサー素子３００の概略平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ概略断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ概略断面図である。図中には、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向を示している。図中の両矢印は、加速度検出方向を示し、本実施形態では、Ｘ軸方向が加速度検出方向である。
第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付した。以下には、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。

本実施形態では、可動電極２１は凹型の断面形状を有し、固定電極４１は、凸型の断面形状を有している。
可動電極２１には、縁部２５，２７に凸部２６，２８が形成され、狭窄部７２，７４が電極間間隙７０に設けられている。また、固定電極４１には、縁部４２と縁部４４との間に凸部４５が形成され、狭窄部７５が設けられている。
したがって、可動電極２１の凸部２６，２８によって形成された凹型の溝に固定電極４１の凸部４５が位置する配置となっている。
図６（ｃ）において、凸部４５は、固定電極４１のＹ軸方向に延びるように設けられている。

このような本実施形態によれば、以下の効果がある。
（９）凸部２６，２８，４５が平行に多く存在するので、気体の流れがより一定方向に揃い、より大きな減衰定数ｃを得ることができる。したがって、可動部２０と支持体１０との衝突破壊がより低減した耐衝撃性の優れた加速度センサー素子３００を得ることができる。

（第４実施形態）
本実施形態では、第１実施形態における加速度センサー素子１００を加速度センサー素子５００に置き換えた。
図７に、本実施形態における加速度センサー素子５００の部分を基板３０から矩形状に抜き出した概略図を示した。（ａ）は加速度センサー素子５００の概略平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ概略断面図である。図中には、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向を示している。また、図中の両矢印は、加速度検出方向を示し、本実施形態では、Ｘ軸方向が加速度検出方向である。
第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付した。以下には、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。可動電極２１と固定電極４１とは、間隔ａの第１間隙としての電極間間隙７０を介して対向している。

加速度センサー素子５００は、ダンピング用構造体５１０を備えている。本実施形態では、対向する可動電極２１と固定電極４１とを挟むように、両側にダンピング用構造体５１０が設けられ、計４ヵ所にダンピング用構造体５１０が設けられている。ダンピング用構造体５１０は、電極間間隙７０の変動方向に対して対称な位置に配置されている。

ダンピング用構造体５１０は、第１ダンピング用構造体としての固定体５１２と第２ダンピング用構造体としての可動体５１１とを備えている。
可動体５１１は、錘部２２の可動電極２１の両側で、支持部４０に向かって形成されている。一方、固定体５１２は、支持部４０の固定電極４１の両側で、可動体５１１に対向する位置に、間隔ｂの第２間隙としての間隙５２０を隔てて形成されている。ここで、間隔ａは間隔ｂより大きく設定されている。

加速度センサー素子５００は、第１実施形態と同様の製造方法で得ることができる。

このような本実施形態によれば、以下の効果がある。
（１０）固定電極４１および可動電極２１以外にダンピング用構造体５１０を設けるので、固定電極４１と可動電極２１との電極間間隙７０を狭くすることなく、ダンピング用構造体５１０によってダンピングの調整ができる。したがって、可動部２０と支持体１０との衝突破壊が低減して耐衝撃性に優れ、固定電極４１と可動電極２１との衝突を避けながら加速度の検出が可能な、加速度の検出特性の低下の少ない加速度センサー素子５００を得ることができる。

（１１）ダンピング用構造体５１０の可動体５１１と固定体５１２との間の間隙５２０の間隔ｂを、固定電極４１と可動電極２１との電極間間隙７０の間隔ａより狭くして、ダンピングをより大きくできる。

（１２）間隙５２０の変動方向と電極間間隙７０の変動方向が略一致しているので、減衰力が固定電極４１と可動電極２１との間の電極間間隙７０の変動に効率よく働くようにできる。

（１３）ダンピング用構造体５１０が、電極間間隙７０の変動方向または可動部２０の重心に対して対称に配置されているので、電極間間隙７０の変動方向に対して均等に減衰力が働き、他方向への感度を押さえることができる。

（１４）固定電極４１、可動電極２１、可動部２０およびダンピング用構造体５１０が積層構造であるので、ＣＭＯＳ集積回路４００が形成された基板３０上に加速度センサー素子５００を形成できる。

（第５実施形態）
本実施形態では、第１実施形態における加速度センサー素子１００を加速度センサー素子６００に置き換えた。
図８に本実施形態における加速度センサー素子６００の部分を基板３０から矩形状に抜き出した概略図を示した。（ａ）は加速度センサー素子６００の概略平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ概略断面図である。図中には、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向を示している。図中の両矢印は、加速度検出方向を示し、本実施形態では、Ｘ軸方向が加速度検出方向である。
第４実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付した。以下には、第４実施形態と異なる点を中心に説明する。

図８において、加速度センサー素子６００の構造は、第４実施形態で示した加速度センサー素子５００と略同様である。構造で異なる点は、ダンピング用構造体６１０を対向する可動電極２１と固定電極４１との両側でなく片側にだけ設けた点である。
ダンピング用構造体６１０は、可動部２０の重心２２１に対して点対称の位置に２ヶ所配置されている。
ダンピング用構造体６１０は、可動体６１１と固定体６１２とを備えている。
固定体６１２は、可動体６１１に対向する位置に、間隔ｂの間隙６２０を隔てて形成されている。

本実施形態と第４実施形態とでは、以下の点で大きく異なる。
第４実施形態では、基板３０は、シリコン基板からなり、支持部４０と可動部２０とは、基板３０上の他の領域に形成されたＣＭＯＳ集積回路４００を構成する配線層５０および層間絶縁膜６０を利用した積層構造となっている。一方、第５実施形態では、第２実施形態と同様に、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）構造の半導体基板３５を利用する。
加速度センサー素子６００は、第２実施形態と同様の製造方法によって得ることができる。

このような本実施形態によれば、以下の効果がある。
（１５）固定電極４１、可動電極２１、可動部２０およびダンピング用構造体６１０が、単結晶シリコンから形成されているので、熱応力による変形を少なくでき、厚い構造体の形成を容易にできる。

（変形例）
変形例では、第１実施形態における加速度センサー素子１００を加速度センサー素子５５０に置き換えた。
図９に変形例における加速度センサー素子５５０の部分を基板３０から矩形状に抜き出した概略平面図を示した。
図９において、第４実施形態および第５実施形態と異なる点は、Ｘ軸方向への加速度を検出する可動電極２１および固定電極４１の他に、Ｙ軸方向への加速度を検出する可動電極２９および固定電極４６を設け、これらの電極の両側にもダンピング用構造体５１０を設けた点が異なる。また、可動電極２１および固定電極４１と、可動電極２９および固定電極４６とは、差動検出タイプとはなっていない。
上記以外の構造および製造方法については、第１実施形態と同様の積層構造、第２実施形態と同様の構造および第１，第２実施形態と同様の製造方法を用いることができる。
変形例では、２方向の加速度の測定が可能になる。

上述した実施形態以外にも、種々の変更を行うことが可能である。
ばね部２３，２４の構造は、どのようなものであってもよい。例えば、一つの板ばねの両端が支持部４０に接続され、中央部が錘部２２に接続された構造であってもよい。

実施形態では、固定電極４１と可動電極２１とは２対しか示されていないが、３対以上でくし歯が入り込んだ状態の構成としてもよい。また、固定電極４１および可動電極２１は、矩形状の電極が向かい合う構造になっていたが、矩形状以外の形状であってもよい。
また、加速度の印加によって電極同士が衝突しなければ、平行平板でなくてもよい。

加速度センサー素子は、±Ｙ軸方向も検出できるように、Ｘ軸方向に延びる電極を形成してもよく、２次元方向の加速度センサー素子であってもよい。

さらに、気体は空気以外のＨｅ、Ｎｅ等の希ガス、窒素ガス等であってもよい。空気よりも粘性係数の大きな媒体を用いることで、より大きな減衰係数ｃが得られる。

１０…支持体、２０…可動部、２１…可動電極、３０…基板、４１…固定電極、７０…電極間間隙、７１，７３…縁部、７２，７４，７５…狭窄部、７６，５１０，６１０…ダンピング用構造体、９０…単結晶シリコンとしての単結晶シリコン層、１００，２００，３００，５００，５５０，６００…加速度センサー素子、２２１…重心、４００…ＣＭＯＳ集積回路、５２０，６２０…間隙、７００，８００，９００…振動型角速度センサー素子、１０００…複合センサー、１３００…パッケージ。

Claims (9)

1. 加速度センサー素子と、
   振動型角速度センサー素子と、
   前記加速度センサー素子および前記振動型角速度センサー素子を収納して減圧封止されたパッケージと、を備え、
   前記加速度センサー素子は、
   支持体と、
   前記支持体から突出して設けられている固定電極と、
   可動部と、
   前記可動部から突出して設けられ、且つ、前記固定電極に対向している可動電極と、
   前記固定電極および前記可動電極の少なくとも一方に、前記突出する方向に沿って設けられている凸部と、を備えていることを特徴とする複合センサー。
2. 請求項１に記載の複合センサーにおいて、
   前記凸部は、電極断面の上端および下端の少なくとも一方に設けられていることを特徴とする複合センサー。
3. 請求項２に記載の複合センサーにおいて、
   前記凸部は、前記固定電極および前記可動電極の一方の電極断面の上端に設けられ、かつ、前記固定電極および前記可動電極の他方の電極断面の下端に設けられていることを特徴とする複合センサー。
4. 加速度センサー素子と、
   振動型角速度センサー素子と、
   前記加速度センサー素子および前記振動型角速度センサー素子を収納して減圧封止されたパッケージと、を備え、
   前記加速度センサー素子は、
   支持体と、
   前記支持体に設けられた固定電極および第１ダンピング用構造体と、
   可動部と、
   前記可動部に設けられた可動電極および第２ダンピング用構造体と、を備え、
   前記固定電極と前記可動電極とは、第１間隙を隔てて対向配置され、
   前記第１ダンピング用構造体と前記第２ダンピング用構造体とは、第２間隙を隔てて対向配置され、且つ、前記固定電極と前記可動電極の並びに沿って配置されていることを特徴とする複合センサー。
5. 請求項４に記載の複合センサーにおいて、
   前記第２間隙は、前記第１間隙より狭いことを特徴とする複合センサー。
6. 請求項４または５に記載の複合センサーにおいて、
   前記可動電極の変動方向と前記第２ダンピング用構造体の変動方向とが略一致していることを特徴とする複合センサー。
7. 請求項４〜請求項６のいずれか一項に記載の複合センサーにおいて、
   前記第１ダンピング用構造体および前記第２ダンピング用構造体は、それぞれ複数設けられて、前記可動電極の変動方向または平面視で前記可動部の重心に対して対称な位置に配置されていることを特徴とする複合センサー。
8. 請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の複合センサーにおいて、
   前記加速度センサー素子および前記振動型角速度センサー素子は、同一基板上に設けられていることを特徴とする複合センサー。
9. 請求項８に記載の複合センサーにおいて、
   前記基板が単結晶シリコンであることを特徴とする複合センサー。

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