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発明の名称 静電容量検出型ダイアフラム構造体
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−174481(P2001−174481A)
公開日 平成13年6月29日(2001.6.29)
出願番号 特願平11−355931
出願日 平成11年12月15日(1999.12.15)
代理人 【識別番号】100066153
【弁理士】
【氏名又は名称】草野 卓 (外1名)
【テーマコード(参考)】
2F105
4M112
【Fターム(参考)】
2F105 BB15 CC04 CD03 CD07 
4M112 AA02 BA07 CA24 CA25 DA02 EA03
発明者 白鳥 雅之
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 中央に肉厚とされた方形状台座部を有する方形状ダイアフラムと、そのダイアフラムの周囲を支持するフレームとがシリコン基板より一体形成され、上記台座部に質量体が取り付けられ、上記フレームの、上記質量体の位置する側と反対側の面にベースが取り付けられて、そのベースに上記ダイアフラムと対向する電極が形成されてなる静電容量検出型ダイアフラム構造体において、上記台座部とダイアフラムの方形の対応する頂点を結ぶ線により上記ダイアフラムの薄肉部を4つの台形状領域に分けた時、各領域において台座部のなす辺と直交する方向における断面形状が波形とされ、その波形形状は異方性エッチングにより上記シリコン基板の表裏にV溝をそれぞれ配列形成することによって形成されていることを特徴とする静電容量検出型ダイアフラム構造体。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は加速度センサや角速度センサとして用いられる静電容量検出型ダイアフラム構造体に関する。
【0002】
【従来の技術】図4はこの種のダイアフラム構造体の従来構成を示したものであり、肉厚とされた方形状台座部11aを中央に有する方形状のダイアフラム11は、その周囲がフレーム12によって支持されている。台座部11aには質量体13が取り付けられており、フレーム12の、この質量体13の位置する側と反対側の面にはベース14が取り付けられている。
【0003】ベース14のダイアフラム11と対向する面には凹部14aが形成され、この凹部14aの底面にダイアフラム11と対向する複数の電極15(15−1〜15−5)が形成されている。各電極15はダイアフラム11との間に静電容量を形成する。ダイアフラム11とフレーム12とはシリコン基板(シリコンウエハ)を異方性エッチングすることによって一体に形成され、即ち異方性エッチングによりダイアフラム11のロ字形状をなす薄肉部11bが形成されている。
【0004】これらダイアフラム11,質量体13及びベース14を一体にしたものを静電容量検出型ダイアフラム構造体と称する。 なお、台座部11aへの質量体13の固定及びフレーム12へのベース14の固定は共に接着あるいは陽極接合により行われる。上記のような構成を有する静電容量検出型ダイアフラム構造体においては、ダイアフラム11の変位を、ダイアフラム11と電極15との間の静電容量の変化として検出することにより、入力加速度や入力角加速度を検出することができる。以下、加速度を検出する方法について説明する。
【0005】ダイアフラム構造体に図4B中、+X方向(図の右方向)に加速度が入力された場合、質量体13の重心Gに反対方向の慣性力が作用する。この慣性力によりダイアフラム11の薄肉部11bが変形し、台座部11aが図中、左下がりとなるように傾斜する。この時、ダイアフラム11と電極15との間隔が変化し、即ち電極15−1の静電容量は増加し、電極15−2の静電容量は減少する。この2つの静電容量の変化の差を検出することにより、入力されたX方向の加速度の向きと大きさを検出することができる。
【0006】また、図4B中、+Z方向に加速度が入力された場合、質量体13の重心Gに作用する慣性力によりダイアフラム11は沈み込むように変位するため、電極15−3の静電容量は増加する。この静電容量の変化を検出することにより、Z方向においても入力加速度の方向と大きさを検出することができる。なお、Y方向に入力された加速度についても、電極15−4と15−5とによってX方向と同様に検出することができる。
【0007】次に、角加速度を検出する方法について説明する。電極15−3に電圧を加えると、ダイアフラム11に静電力が作用し、ダイアフラム11は電極15−3の方向に引き付けられる。そして、この電圧を0にするとダイアフラム11は薄肉部11bの弾性力により元の位置に戻る。これを一定の周波数で繰り返すと、ダイアフラム11及び質量体13は電極15−3に印加された電圧の周波数で図4B中、Z方向に振動する。
【0008】この時、X方向に角加速度が入力されると、ダイアフラム11及び質量体13にコリオリ力が発生する。これにより、Z方向の振動の他にY方向の振動が発生する。このY方向の振動によるダイアフラム11と電極15−4及び15−5の静電容量の変化を検出することにより、X方向に入力された角加速度を検出することができる。同様に、電極15−1と15−2とにより、Y方向に入力された角加速度を検出することができる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、静電容量検出型ダイアフラム構造体はダイアフラム11の変位によって機能するものであり、加速度センサや角速度センサといった慣性センサとしての性能に薄肉部11bの形状(厚さや幅)が大きく影響する。このため、薄肉部11bを高精度に形成すべく、シリコンウエハを異方性エッチングして薄肉部11bを形成する際にはエピタキシャルウエハを用いた電解エッチングによるエッチストップを利用したり、エッチングレートと必要とするエッチング深さからエッチング時間を計算するなどといったことが行われ、従来においてはダイアフラム11の加工は煩雑で工数がかかるものとなっていた。
【0010】この発明の目的は従来の欠点を除去し、ダイアフラムの加工が容易な静電容量検出型ダイアフラム構造体を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】この発明によれば、中央に肉厚とされた方形状台座部を有する方形状ダイアフラムと、そのダイアフラムの周囲を支持するフレームとがシリコン基板より一体形成され、台座部に質量体が取り付けられ、フレームの、質量体の位置する側と反対側の面にベースが取り付けられて、そのベースにダイアフラムと対向する電極が形成されてなる静電容量検出型ダイアフラム構造体において、台座部とダイアフラムの方形の対応する頂点を結ぶ線によりダイアフラムの薄肉部を4つの台形状領域に分けた時、各領域において台座部のなす辺と直交する方向における断面形状が波形とされ、その波形形状は異方性エッチングによりシリコン基板の表裏にV溝をそれぞれ配列形成することによって形成されたものとされる。
【0012】
【発明の実施の形態】この発明の実施の形態を図面を参照して実施例により説明する。図1Bはこの発明の一実施例を断面図で示したものであり、図1Aはその一体形成されているダイアフラム21とフレーム22の平面形状を示したものである。また、図2は図1Aにおける二点鎖線で囲んだC部の詳細を斜視図で示したものである。
【0013】この例では肉厚の方形状台座部21aを中央に有し、周囲がフレーム22によって支持された方形状のダイアフラム21は、そのロ字形状をなす薄肉部21bが図1B及び図2に示すように波形の断面形状を有するものとされる。ダイアフラム21とフレーム22とはシリコン基板より一体に形成され、この際、異方性エッチングによりシリコン基板の表裏両面に所定のピッチPで並んだ複数のV溝23をそれぞれ形成することによって波形断面を有する薄肉部21bが形成される。
【0014】薄肉部21bにおけるV溝23は図1Aに示したように配列されており、即ち方形状をなすダイアフラム21の各辺に沿って4本のV溝23がロ字をなすように配列され、そのロ字の内側に同様に4本のV溝23がロ字をなすように配列され、このように順次内側にV溝23が配列されて、ダイアフラム21の各辺とそれぞれ平行に並んだ複数のV溝23が形成されたものとなっている。シリコン基板の裏面側におけるV溝23も表面側と同一ピッチPで同様に配列されて形成されており、この際、裏面側の各V溝23は表面側のV溝23の位置に対し、1/2ピッチ(=P/2)だけ、ダイアフラム21の中心方向へ、もしくはその反対方向へずらされて形成される。
【0015】上記のようにV溝23を形成することにより、台座部21aとダイアフラム21の方形の対応する頂点を結ぶ線により、ロ字形状をなす薄肉部21bを4つの台形状領域に分けた時、各領域において台座部21aのなす辺と直交する方向における断面がそれぞれ波形形状を有するものとなる。シリコン基板の異方性エッチングによるV溝加工においては、シリコン基板として(1,0,0)ウエハを使用した場合、(1,1,1)面で囲まれたV溝が形成された後、この面のエッチングレートは非常に小さくなる。従って、V溝23のピッチPと幅を適正な値に選定することにより、断面が所望の波形形状を有する薄肉部21bを形成することができ、かつその後はエッチングがほとんど進行しないため、所定の厚さを有する薄肉部21bを極めて容易に形成することができる。
【0016】図3Aは図1AにおけるC部を拡大して示したものであり、図中、破線は裏面側に形成されているV溝23を示す。この図に示すように、ダイアフラム21の表裏に上述のようにV溝23を形成した場合、図中、ハッチングで示した四面体状の肉厚部24が薄肉部21b中に複数残ることがわかる。しかしながら、この肉厚部24はロ字形状をなす薄肉部21b全体に対して小さく、また各々が独立しており、隣接した肉厚部24同士は互いに四面体状の角部でしか繋がっていないため、肉厚ではあるものの、薄肉部21bの変形を阻害するほどのものではなく、つまりダイアフラム21の性能に影響を及ぼすほどのものではない。
【0017】上記のようにしてシリコン基板より一体形成されたダイアフラム21及びフレーム22に対し、図4に示した従来の静電容量検出型ダイアフラム構造体と同様に、質量体13及び電極15(15−1〜15−5)が形成されたベース14が接着または陽極接合により固定されてダイアフラム構造体が完成する。なお、加速度センサや角速度センサとしての動作原理は前述した従来の静電容量検出型ダイアフラム構造体と同じである。
【0018】
【発明の効果】以上説明したように、この発明はシリコン基板(シリコンウエハ)の表裏両面に複数のV溝を異方性エッチングにより形成して断面が波形の薄肉部を形成するようにしたものであり、このようなエッチング加工を採用したことにより、ダイアフラムの加工が容易となり、その分工数削減を図ることができ、よってローコスト化を図ることができる。




 

 


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