JP2006177675A - Capacitance acceleration sensor - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は静電容量検出型の加速度センサに関する。 The present invention relates to a capacitance detection type acceleration sensor.
図6はこの種の加速度センサの従来構成例として特許文献1に記載されている構成を示したものであり、単結晶シリコンよりなる基板11にフレーム部12、質量部13及びダイアフラム14が一体形成されている。
質量部13は方形枠状をなすフレーム部12の枠内中央に位置し、ダイアフラム14によってフレーム部12と連結されており、質量部13はその全周が弾性を有するダイアフラム14に支持されて変位可能とされている。
基板11の上下面にはそれぞれガラス等の絶縁性材料よりなる上部固定基板15及び下部固定基板16が配されており、フレーム部12の上下面がこれら上部固定基板15及び下部固定基板16とそれぞれ接合され、これにより加速度センサ内部に閉鎖空間が形成されている。
FIG. 6 shows a configuration described in Patent Document 1 as a conventional configuration example of this type of acceleration sensor. A
The
An upper fixed
質量部13はこの例ではフレーム部12よりもやや薄く形成されており、これにより質量部13と上部固定基板15及び下部固定基板16との間には所要の間隙がそれぞれ形成されている。質量部13は可動電極として機能し、この例では上部固定基板15の内面にこの質量部13と対向する固定電極17が形成されている。
上記のような構成とされた加速度センサでは入力軸方向(基板11板面と垂直方向)に加速度が入力すると、質量部13はその入力加速度に応じて慣性力により変位し、これにより質量部13と固定電極17との間の距離が変化するため、質量部13と固定電極17間の静電容量が変化し、この静電容量の変化を検出することによって入力加速度を検出することができる。
In this example, the
In the acceleration sensor configured as described above, when acceleration is input in the input axis direction (perpendicular to the plate surface of the substrate 11), the
なお、質量部13は質量部13と上部固定基板15及び下部固定基板16との間隙に存在する流体(例えば空気)によってその変位が妨げられ(エアダンピングされ)、それにより応答性が悪化することになるため、この例ではこのようなエアダンピングを低減すべく、質量部13の上下面にそれぞれ複数本の溝18が形成されたものとなっている。
静電容量は電極面積に比例し、電極間の距離に反比例することから、この種の静電容量型加速度センサの感度はこれらの項目を含め、下記(1)〜(4)の条件により決まる。
(1)質量部の質量
(2)電極の面積
(3)ダイアフラムのバネ定数
(4)電極間の距離
一方、静電容量型加速度センサの小型化、もしくは大きさを維持しつつ高感度化を検討する時、(1)の質量部の質量や(2)の電極の面積を増大することには大きさの点から限界が生じる。また、(3)のダイアフラムのバネ定数を低減することについても、耐衝撃性の点からダイアフラムを極端に薄くすることはできず、限界が生じる。そこで、(4)の電極間の距離を狭くする必要が生じるが、これによりエアダンピングが大きくなるといった問題が発生する。
Since the capacitance is proportional to the electrode area and inversely proportional to the distance between the electrodes, the sensitivity of this type of capacitive acceleration sensor is determined by the following conditions (1) to (4) including these items. .
(1) Mass of mass part (2) Electrode area (3) Diaphragm spring constant (4) Distance between electrodes On the other hand, a capacitive acceleration sensor can be downsized or increased in sensitivity while maintaining its size. When considering, there is a limit in terms of size in increasing the mass of the mass part (1) and the area of the electrode (2). In addition, reducing the spring constant of the diaphragm in (3) also has a limit because the diaphragm cannot be made extremely thin from the viewpoint of impact resistance. Therefore, it is necessary to reduce the distance between the electrodes in (4), but this causes a problem that air damping becomes large.
例えば静電容量型加速度センサにおいて、小型化及び高感度化のためには電極間の距離、つまり質量部と固定電極との距離は少なくとも数ミクロン程度に設定する必要があり、これによりエアダンピングが極めて大きくなって周波数応答性の悪化を招くため、従来においては前述した例のように質量部13の表面に溝18を設けるといったことが行われている。
しかるに、このように質量部の表面に溝を設けると、その分静電容量を検出する電極としての面積も減少することになり、よってその面積減少分だけ感度が低下することになる。
For example, in a capacitance type acceleration sensor, in order to reduce the size and increase the sensitivity, the distance between the electrodes, that is, the distance between the mass portion and the fixed electrode needs to be set to at least several microns. Since it becomes extremely large and causes the frequency response to deteriorate, conventionally, a
However, when the groove is provided on the surface of the mass part in this way, the area as an electrode for detecting the capacitance is reduced accordingly, and thus the sensitivity is lowered by the amount of the area reduction.
この発明の目的はこの問題に鑑み、静電容量を検出する面積を減少させることなく、エアダンピングを低減できるようにし、よって周波数応答性に優れ、かつ感度も優れた静電容量型加速度センサを提供することにある。 In view of this problem, an object of the present invention is to provide a capacitive acceleration sensor that can reduce air damping without reducing the capacitance detection area, and thus has excellent frequency response and excellent sensitivity. It is to provide.
この発明によれば、フレーム部と、そのフレーム部内に位置する質量部と、その質量部をフレーム部に支持するダイアフラムとが一体形成された基板がベース上に搭載され、ダイアフラムは基板のベースと対向する面に位置して質量部及びダイアフラムとベースとの間に所定の空隙が構成され、質量部の変位を静電容量の変化として検出する固定電極がベース上に形成されている静電容量型加速度センサにおいて、フレーム部の内周側部分に上記空隙が延長形成され、その空隙に臨む溝が上記内周側部分に形成されているものとされる。 According to the present invention, a substrate in which a frame portion, a mass portion located in the frame portion, and a diaphragm that supports the mass portion on the frame portion are integrally formed is mounted on the base, and the diaphragm is mounted on the base of the substrate. Capacitance in which a predetermined gap is formed between the mass part and the diaphragm and the base located on the opposing surfaces, and a fixed electrode is formed on the base to detect displacement of the mass part as a change in the capacitance. In the type acceleration sensor, the gap is formed to extend in the inner peripheral portion of the frame portion, and the groove facing the gap is formed in the inner peripheral portion.
この発明によれば、静電容量を検出する面積を犠牲にすることなく、エアダンピングを低減することができ、よって感度の低下を招くことなく、周波数応答性を向上させることができる。 According to the present invention, the air damping can be reduced without sacrificing the area for detecting the capacitance, and thus the frequency response can be improved without causing a decrease in sensitivity.
この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。
図1はこの発明による静電容量型加速度センサの一実施例を示したものであり、図1Aは外観を示し、図1Bは断面構造を示す。また、図2A,Bはそれぞれ図1AにおけるCC断面及びDD断面を示す。
この例では静電容量型加速度センサはフレーム部、質量部及びダイアフラム等が形成されてなる基板20と、この基板20が搭載されるベース30とによって構成されている。図3及び4はこれら基板20及びベース30の構成を示したものであり、さらに図5は基板20を底面側から見た状態を示したものである。まず、基板20及びベース30の構造を説明する。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows an embodiment of a capacitive acceleration sensor according to the present invention. FIG. 1A shows an external appearance, and FIG. 1B shows a cross-sectional structure. 2A and 2B show a CC section and a DD section in FIG. 1A, respectively.
In this example, the capacitive acceleration sensor includes a substrate 20 on which a frame portion, a mass portion, a diaphragm, and the like are formed, and a base 30 on which the substrate 20 is mounted. 3 and 4 show the configurations of the substrate 20 and the base 30, and FIG. 5 shows the substrate 20 viewed from the bottom side. First, the structure of the substrate 20 and the base 30 will be described.
基板20は図3に示したように方形枠状をなすフレーム部21と、そのフレーム部21内の中央に位置する質量部22と、フレーム部21と質量部22との間に位置して質量部22を変位可能にフレーム部21に支持するダイアフラム23とが一体形成されてなるもので、基板20は例えば単結晶シリコンよりなるものとされ、その異方性エッチングによりこれらフレーム部21、質量部22及びダイアフラム23が形成されている。ダイアフラム23は基板20の底面20a側に位置されている。
基板20の底面20aには図5に示したように方形の4辺を構成するように4つの細長い溝24が形成され、さらにそのうちの1つの溝24の長手方向中央部と連通してその溝24の外側に、つまり基板20の側面側に幅広の溝25が形成されている。4つの溝24は図2に示したようにフレーム部21の内周側部分に位置されている。なお、溝25は基板20の側面に開放されず、側面の手前で止められている。これら溝24,25は単結晶シリコンの異方性エッチングによって形成される。
As shown in FIG. 3, the substrate 20 has a
As shown in FIG. 5, four
一方、ベース30は例えばガラス等の絶縁性材料よりなり、図4に示したように基板20より横長の矩形板状をなすものとされる。ベース30の上面は一辺の中央が切り欠かれた方形枠形状を残してわずかにへこんだ形状とされており、つまりベース30の上面には凹面30aがエッチング加工等により形成されており、この凹面30aによって方形枠状の段部31に囲まれた凹部32と、段部31の外側に位置し、ベース30の一方の短辺側に位置する端子形成部33と、凹部32と端子形成部33とをつなぐ配線引き出し部34とが形成されている。段部31は基板20のフレーム部21に対応する形状とされ、凹部32は図2に示したようにフレーム部21の内周側部分に対向する位置まで、つまり溝24と対向する位置まで至る大きさとされている。
On the other hand, the base 30 is made of, for example, an insulating material such as glass and has a rectangular plate shape that is longer than the substrate 20 as shown in FIG. The upper surface of the base 30 has a shape that is slightly recessed, leaving a rectangular frame shape with the center of one side cut out. That is, a
上記のような構造とされたベース30の凹部32の中央には固定電極41が形成され、端子形成部33に形成された端子42と固定電極41とは配線引き出し部34を通る引き出し線43を介して接続されている。これら固定電極41、端子42及び引き出し線43は例えばスパッタにより成膜形成される。なお、方形をなす固定電極41は質量部22と対向する形状とされる。
ベース30と基板20との組み立てはベース30の段部31上に基板20を搭載固定することによって行われ、これにより図1に示した静電容量型加速度センサが完成する。ベース30と基板20との固定は例えば陽極接合によって行われる。なお、接着固定とすることもできる。ベース30の端子42が形成されている端子形成部33は図1に示したように基板20の側方にはみ出した形態となる。
A
The base 30 and the substrate 20 are assembled by mounting and fixing the substrate 20 on the
基板20の底面20a側に位置するダイアフラム23はベース30と対向され、図1B及び図2に示したようにベース30に形成されている凹部32によってダイアフラム23及び質量部22とベース30との間に所定の空隙51が構成される。空隙51はフレーム部21の内周側部分にまで延長して存在しており、フレーム部21に形成されている溝24はこの空隙51に臨むものとなる。なお、基板20の底面20aに形成されている幅広の溝25はベース30の配線引き出し部34上に位置される。
上記のような構造において、図2A中に示したように空隙51の寸法(空隙量)をaとし、溝24,25の深さをbとした時、
b>a
とされ、好ましくは溝深さbは空隙寸法aの10倍以上とされる。なお、図1,2等においては空隙51は分かり易くするため、誇張して示してある。また、ダイアフラム23の厚さをcとし、溝24とフレーム部21の内壁面(傾斜面)との間の厚みをdとした時、
d>c
とされる。
The
In the structure as described above, when the dimension (amount of gap) of the
b> a
Preferably, the groove depth b is at least 10 times the gap dimension a. In FIGS. 1 and 2 and the like, the
d> c
It is said.
上記のような構成を有する加速度センサは入力軸方向(基板20板面と垂直方向)に加速度が入力すると、図6に示した従来の加速度センサと同様、質量部22が変位して固定電極41との間の距離が変化する。よって、質量部22と固定電極41間の静電容量の変化を検出することによって入力加速度を検出することができる。
また、この例では空隙51と連通した溝24,25の存在によって質量部22のエアダンピングを低減できるものとなっている。例えば、溝深さbを前述したように空隙寸法aの10倍以上とすると、ダイアフラム23の周囲及び配線引き出し部34の空隙51における流速は、溝24,25を設ける前の1/10以下となる。流体の粘性による損失は流速に比例することから、ダイアフラム23の周囲及び配線引き出し部34における損失は溝24,25を設ける前の1/10以下となり、この部分の損失を低減することで、この例ではセンサ全体のエアダンピングを低減できるものとなっている。なお、図6に示した従来例と異なり、この例では質量部22の固定電極41と対向する面に溝を設けるものではないため、静電容量検出面積は減少せず、よって感度の低下は発生しない。
In the acceleration sensor having the above-described configuration, when acceleration is input in the input axis direction (perpendicular to the plate surface of the substrate 20), the
In this example, air damping of the
次に、各種形態の試作を行って評価した結果について説明する。
外形寸法(ベース30の大きさ)を4mm×5mmとし、空隙寸法aを1.4μmとした加速度センサにおいて、下記3種類の試作を行った。質量部22の質量、固定電極41の面積及びダイアフラム23は同一条件とした。
試作1(比較例):溝24,25を設けない場合
試作2(比較例):質量部22の固定電極41との対向面に前記特許文献1の図6に 記載されているような格子状の溝を設けた場合
試作3(実施例):溝24,25を設けた場合(溝深さb:25μm)
Next, the results of evaluating various types of prototypes will be described.
The following three types of prototypes were made in an acceleration sensor having an outer dimension (the size of the base 30) of 4 mm × 5 mm and a gap dimension a of 1.4 μm. The mass of the
Prototype 1 (comparative example): When
これら試作1〜3の遮断周波数を測定した結果を以下に示す。
試作1(比較例):10.6Hz
試作2(比較例):11.8Hz
試作3(実施例):26.5Hz
上記結果から明らかなように、この発明の実施例である試作3では遮断周波数が大幅に向上しており、エアダンピングの低減に対し、極めて優れた効果があることが確認された。なお、試作3の感度は試作1の感度と同じであったが、試作2の感度は試作1の感度に対し、約15%低下していた。質量部の固定電極との対向面に溝を設ける構造ではこのように感度が低下してしまい、また上記結果から明らかなようにエアダンピングの大きな低減効果を望めないことがわかった。
The results of measuring the cut-off frequencies of these prototypes 1 to 3 are shown below.
Prototype 1 (comparative example): 10.6 Hz
Prototype 2 (comparative example): 11.8 Hz
Prototype 3 (Example): 26.5 Hz
As is clear from the above results, in the prototype 3 which is an embodiment of the present invention, the cut-off frequency was greatly improved, and it was confirmed that there was an extremely excellent effect for reducing air damping. The sensitivity of prototype 3 was the same as that of prototype 1, but the sensitivity of
上述した実施例では溝24に加え、溝25を設けているが、必ずしも溝25を設ける必要はなく、溝24を設けるだけとしてもよい。この場合でも上記と同様の効果を得ることができる。
In the embodiment described above, the
Claims (1)
上記フレーム部の内周側部分に上記空隙が延長形成され、その空隙に臨む溝が上記内周側部分に形成されていることを特徴とする静電容量型加速度センサ。 A substrate on which a frame part, a mass part located in the frame part, and a diaphragm that supports the mass part on the frame part are integrally formed is mounted on a base, and the diaphragm faces the base of the substrate A predetermined gap is formed between the mass part and the diaphragm and the base, and a fixed electrode for detecting a displacement of the mass part as a change in capacitance is formed on the base. In capacitive acceleration sensors,
A capacitive acceleration sensor, wherein the gap is formed to extend in an inner peripheral side portion of the frame portion, and a groove facing the gap is formed in the inner peripheral side portion.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2004368102A JP2006177675A (en) | 2004-12-20 | 2004-12-20 | Capacitance acceleration sensor |
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JP2006177675A true JP2006177675A (en) | 2006-07-06 |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012083164A (en) * | 2010-10-08 | 2012-04-26 | Rohm Co Ltd | Mems sensor and manufacturing method of the same |
-
2004
- 2004-12-20 JP JP2004368102A patent/JP2006177675A/en not_active Withdrawn
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