CN101999081A - 加速度传感器 - Google Patents

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Abstract

一种加速度传感器，具有：基板(1)、第一和第二扭转梁(11、12)、第一和第二检测框(21、22)、第一和第二检测电极(41、42)、第一和第二连接梁(31、32)以及惯性质量体(2)。第一和第二扭转梁(11、12)绕第一和第二扭转轴(T1、T2)扭转。第一和第二检测框(21、22)以第一和第二扭转轴(T1、T2)为中心转动。第一和第二检测电极(41、42)检测第一和第二检测框(21、22)相对基板(1)的角度。第一连接梁(31)在沿着与第一扭转轴(T1)交叉的方向、向第一检测框(21)的一端部侧移动了第一扭转轴(T1)的第一轴(L1)上。第二连接梁(32)在向与第一扭转轴(T1)的移动方向相同的方向移动了第二扭转轴(T2)的第二轴(L2)上。

Description

加速度传感器
技术领域
本发明涉及加速度传感器，例如涉及静电容量式的加速度传感器。
背景技术
作为以往的检测基板厚度方向的加速度的加速度传感器的原理之一，存在检测静电容量随着加速度的变化的方法。作为利用该方法的加速度传感器，例如已知有扭转梁(弯曲部)、惯性质量体(重物)、检测框(元件)和检测电极(检验电极)作为主要构成部分的加速度传感器(加速度感知运动变换器)(例如日本特开平5-133976号公报)(参考专利文献1)。
该专利文献1的加速度传感器具有一个检测框，该检测框具有与基板相对置的面。在该检测框的其中一端部上设有惯性质量体。并且，该检测框以能够以扭转梁为转动轴进行转动的方式支撑在基板上。并且，用于检测该转动位移的检测电极设于检测框的下方。
另外还已知有惯性质量体不是配置在检测框上而是配置在与检测框相同的平面上的加速度传感器(例如参考国际公开WO2003/044539号公报(专利文献2))。该专利文献2的加速度传感器具有扭转梁、惯性质量体(质量体)、检测框(可动电极)和检测电极(第一和第二固定电极)。扭转梁与支撑在基板上的锚点部连接。一个检测框(可动电极)与该扭转梁连接，以使扭转梁能作为转动轴转动的方式支撑在基板上。在该检测框的其中一端部和另一端部，在从检测框的中心线起离开规定距离的位置设置连接梁。惯性质量体(质量体)与该连接梁连接。使惯性质量体可根据硅基板的厚度方向的加速度移动。
如果向这样形成的加速度传感器施加基板厚度方向的加速度，则在惯性质量体上作用基板厚度方向的惯性力。惯性质量体设置在其中一端部之上，即设置在基板面内方向离上述转动轴具有偏移的位置上。因此，该惯性力作为绕扭转梁的转矩作用于检测框。结果，检测框发生转动位移。
检测框与检测电极的距离因该转动位移而发生变化，因此由检测框和检测电极形成的电容器的静电容量发生变化。根据该静电容量变化测定加速度。
专利文献1：日本特开平5-133976号公报
专利文献2：国际公开WO2003/044539号公报
发明内容
上述专利文献1和2的加速度传感器一般利用树脂材料通过模塑成型进行包装密封。如果形成加速度传感器的材料与树脂材料的热特性不同，则一旦进行模塑成型，由于各材料的热收缩等，包装的形状变形，发生包装翘曲。一旦发生包装翘曲，则支撑配置于内部的加速度传感器的基板有可能翘曲。一旦基板发生翘曲，加速度传感器的输出在包装化的前后发生变化。如果包装的形状经过一段时间地变形，加速度传感器的输出也将随着时间发生变化。
因此，本发明的目的是提供一种降低基板的翘曲所造成的影响、提高了精度的加速度传感器。
本发明的加速度传感器具有：基板、第一扭转梁、第一检测框、第二扭转梁、第二检测框、第一和第二检测电极、第一连接梁、第二连接梁以及惯性质量体。第一扭转梁能够绕第一扭转轴扭转，并被支撑在基板上。第一检测框以能够以第一扭转轴为中心转动的方式经由第一扭转梁被支撑在基板上。第二扭转梁能够绕第二扭转轴扭转，并被支撑在基板上。第二检测框以能够以第二扭转轴为中心转动的方式经由第二扭转梁被支撑在基板上。第一和第二检测电极以与第一和第二检测框分别相对置的方式形成在基板上，且通过静电容量检测第一和第二检测框相对基板的角度。第一连接梁在沿着与第一扭转轴交叉的方向、向第一检测框的一端部侧移动了第一扭转轴的第一轴上与第一检测框连接。第二连接梁在向与第一扭转轴的移动方向相同的方向移动了第二扭转轴的第二轴上与第二检测框连接。惯性质量体分别通过第一和第二连接梁与第一和第二检测框的每一个连接，从而可在基板的厚度方向发生位移地被支撑在基板上。
根据本发明的加速度传感器，第一连接梁在沿着与第一扭转轴交叉的方向、向第一检测框的其中一端部侧移动了第一扭转轴的第一轴上与第一检测框连接。而第二连接梁在向与上述移动方向相同的方向移动了第二扭转轴的第二轴上与第二检测框连接。
因此，如果基板翘曲，则第一和第二检测框彼此反向地转动位移。其结果，由第一检测框和第一检测电极形成的电容器的静电容量的增减与由第二检测框和第二检测电极形成的电容器的静电容量的增减彼此相反地位移。因此如果基板翘曲，则由第一检测框和第一检测电极形成的电容器的静电容量与由第二检测框和第二检测电极形成的电容器的静电容量可彼此抵消。
如上所述，在基板发生翘曲的情况下可抑制误差输出的发生。并且，即使基板的翘曲发生变化，也不容易受到输出误差的影响。因此，可降低基板的翘曲所产生的影响，提高精度。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的加速度传感器结构的概略俯视图。
图2是沿着图1的II-II线的概略剖面图。
图3是向本发明的第一实施方式的加速度传感器沿着基板的膜厚方向向上方施加加速度时的状态的概略剖面图。
图4是说明本发明的第一实施方式的加速度传感器的由第一、第二检测框和检测电极形成的电容器的电连接的电路图。
图5是在本发明的第一实施方式的加速度传感器、基板凸状翘曲状态的概略剖面图。
图6是比较例中的加速度传感器的结构的概略俯视图。
图7是在比较例中的加速度传感器、基板凸状翘曲状态的概略剖面图。
图8是本发明的第一实施方式的加速度传感器的制造方法的第一工序概略剖面图，该剖面位置与图2的剖面位置相对应。
图9是本发明的第一实施方式的加速度传感器的制造方法的第二工序概略剖面图，该剖面位置与图2的剖面位置相对应。
图10是本发明的第一实施方式的加速度传感器的制造方法的第三工序概略剖面图，该剖面位置与图2的剖面位置相对应。
图11是本发明的第一实施方式的加速度传感器的制造方法的第四工序概略剖面图，该剖面位置与图2的剖面位置相对应。
图12是本发明的第一实施方式的加速度传感器的制造方法的第五工序概略剖面图，该剖面位置与图2的剖面位置相对应。
图13是本发明的第二实施方式的加速度传感器的结构的概略俯视图。
图14是向本发明的第二实施方式的加速度传感器沿着基板的膜厚方向向上方施加加速度时的状态的概略剖面图。
图15是向本发明的第二实施方式的加速度传感器绕X轴施加角加速度时的状态的概略剖面图。
图16是说明本发明的第二实施方式的加速度传感器的由第一、第二、第三以及第四检测框与第一、第二、第三以及第四检测电极形成的电容器的电连接的电路图。
图17是向本发明的第二实施方式的加速度传感器、向相对于Y轴稍微倾斜的轴施加角速度时的状态的概略剖面图。
图18是向本发明的第二实施方式的加速度传感器施加Y轴方向的加速度时的状态的概略剖面图。
图19是本发明的第三实施方式的加速度传感器的结构的概略俯视图。
图20是本发明的第四实施方式的加速度传感器的结构的概略俯视图。
图21是本发明的第五实施方式的加速度传感器的结构的概略俯视图。
符号说明
1基板、2惯性质量体、3绝缘膜、5促动电极、10第一组件、11第一扭转梁、12第二扭转梁、13第三扭转梁、14第四扭转梁、15第五扭转梁、16第六扭转梁、17第七扭转梁、18第八扭转梁、20第二组件、21第一检测框、22第二检测框、23第三检测框、24第四检测框、25第五检测框、26第六检测框、27第七检测框、28第八检测框、30第三组件、31第一连接梁、32第二连接梁、33第三连接梁、34第四连接梁、35第五连接梁、36第六连接梁、37第七连接梁、38第八连接梁、40第四组件、41、41a、41b第一检测电极、42、42a、42b第二检测电极、43、43a、43b第三检测电极、44、44a、44b第四检测电极、45、45a、45b第五检测电极、46、46a、46b第六检测电极、47、47a、47b第七检测电极、48、48a、48b第八检测电极、50第五组件、60第六组件、70第七组件、80第八组件、91～98锚点、101PSG膜、102多晶硅膜。
具体实施方式
以下基于附图就本发明的实施方式进行说明。
(第一实施方式)
首先就本实施方式的加速度传感器的主要结构进行说明。
图1是本发明的第一实施方式的加速度传感器的结构的概略俯视图。图2是沿着图1的II-II线的概略剖面图。为了便于说明，引入了坐标轴X轴、Y轴、Z轴。图1中，X轴为以沿着横向的右方向为正向的轴，Y轴为以沿着纵向的上方向为正向的轴，Z轴为以垂直于纸面、纸面的上方为正向的轴。另外，Z轴的方向与作为本实施方式的加速度传感器测定对象的加速度方向一致。
参考图1和图2、本实施方式的加速度传感器主要包括基板1、第一和第二扭转梁11、12、第一和第二检测框21、22、多个检测电极、第一和第二连接梁31、32、惯性质量体2以及促动电极5。
基板1例如可采用硅基板。另外，第一和第二扭转梁11、12、第一和第二检测框21、22、第一和第二连接梁31、32、惯性质量体2、检测电极以及促动电极5的材质可采用多晶硅膜。优选该多晶硅膜为低应力且厚度方向无应力分布。
第一扭转梁11以能够绕沿着X轴的第一扭转轴T1扭转的方式被设置在基板1上的锚点91支撑。
第一检测框21以能够以第一扭转轴T1为中心转动的方式通过第一扭转轴11支撑在基板1上。并且，第一检测框21至少一部分具有导电性。
第二扭转梁12以能够绕沿着X轴的第二扭转轴T2扭转的方式被设置在基板1上的锚点92支撑。
第二检测框22以能够以第二扭转轴T2为中心转动的方式通过第二扭转轴12支撑在基板1上。并且，第二检测框22至少一部分具有导电性。
多个检测电极具有第一检测电极41和第二检测电极42。该第一和第二检测电极41、42以能够通过静电容量检测出第一和第二检测框21、22相对于基板1的角度的方式并以分别与第一和第二检测框21、22相对置的方式，经由绝缘膜3形成在基板1上，。另外，绝缘膜3最好使用低应力的氮化硅膜或氧化硅膜。
促动电极5以能够通过静电力使惯性质量体2位移的方式并以与惯性质量体2相对置的方式、经由绝缘膜3形成在基板1上。
第一连接梁31在第一扭转轴T1沿着与第一扭转轴T1交叉的方向向第一检测框21的其中一端部侧移动了偏置量e1的第一轴L1上与第一检测框21连接。另外上述“偏置量”的意思是用与基准点的差(距离)表示该位置的值。即，偏置量e1的绝对值是第一扭转轴T1和第一连接梁31之间的尺寸，偏置量e1的方向是与第一扭转轴T1交叉、并从第一扭转轴T1向着第一轴L1的方向。
第二连接梁32在第二扭转轴T2平行偏移了与上述移动方向相同的方向即与偏置量e1相同的方向的偏置量e2的第二轴L2上，与第二检测框22连接。即，偏置量e2的绝对值是第二扭转轴T2和第二连接梁32之间的尺寸，偏置量e2的方向与偏置量e1的方向相同。
第一和第二扭转梁11、12和第一和第二连接梁31、32优选以偏置量e1和e2为等量的方式配置。
并且，第一和第二扭转轴T1、T2优选彼此平行。即，第一和第二扭转梁11、12彼此平行地配置，且第一和第二连接梁31、32彼此平行地配置。
惯性质量体2通过第一和第二连接梁31、32分别与第一和第二检测框21、22连接，这样可在基板1的厚度方向位移地被支撑在基板1上。
以下就上述检测电极的具体结构以及通过该检测电极可检测出第一和第二检测框21、22分别相对于基板1的角度的原理进行说明。
多个检测电极具有与第一检测框21相对置的第一检测电极41。该第一检测电极41以夹着第一扭转轴T1的方式具有第一检测电极41a和41b。第一检测电极41a位于加速度传感器的外周侧(图1上侧)，第一检测电极41b位于加速度传感器的内周侧(图1中间侧)。第一检测电极41a和41b设成夹着第一扭转轴T1。
在第一检测框21绕第一扭转梁11转动时，第一检测框21的里面(与检测电极41相对置的面)与检测电极41a、41b的其中一个接近，同时远离另一个。因此，通过检测出由第一检测框21与检测电极41a相对置而产生的静电容量与由第一检测框21与检测电极41b相对置而产生的静电容量的差值，能够检测出第一检测框21相对于基板1的角度。
多个检测电极还具有与第二检测框22相对置的第二检测电极42。该第二检测电极42以夹着第二扭转轴T2的方式具有第二检测电极42a和42b。第二检测电极42a位于加速度传感器的内周侧(图1中间侧)，第二检测电极42b位于加速度传感器的外周侧(图1下侧)。第二检测电极42a和42b设成夹着第二扭转轴T2。
在第二检测框22绕第二扭转梁12转动时，第二检测框22的里面(与检测电极42相对置的面)与检测电极42a、42b的其中一个接近，同时远离另一个。因此，通过检测出由第二检测框22与第二检测电极42a相对置而产生的静电容量与由第二检测框22与第二检测电极42b相对置而产生的静电容量的差值，能够检测出第二检测框22相对于基板1的角度。
优选的是，加速度传感器的平面布局除了第一和第二连接梁31、32，具有相对向与第一和第二扭转轴T1、T2平行的方向延伸的轴B线对称的结构，惯性质量体2的重心G位于轴B上。
并且，加速度传感器的平面布局优选具有相对向与第一和第二扭转轴T1、T2交叉的方向延伸的轴A线对称的结构，惯性质量体2的重心G位于轴A上。
以下就本实施方式的加速度传感器的加速度测定原理进行说明。
图3是相对本发明的第一实施方式的加速度传感器沿着基板的膜厚方向施加向上方的加速度时的状态的概略剖面图。另外，图3的剖面位置与图2相同。并且，为了容易看图，在图3中未图示锚点91、92。
参考图3，如果向加速度传感器上施加沿着基板的膜厚方向、上方向即Z轴的正方向(图中向上)的加速度az，则惯性质量体2由于惯性力从初始位置(图中虚线所示位置)向Z轴的负方向(图中向下)发生位移下沉。与惯性质量体2连接的第一和第二连接梁31、32也与惯性质量体一体地向Z轴的负方向(图中向下)发生位移。
第一检测框21因第一连接梁31的位移而在第一轴L1的部分受到向Z轴负方向(图中向下)的力。该第一轴L1由于位于从第一扭转轴T1平行移动了偏置量e1的位置，因此以第一轴L1为中心的转矩对第一检测框21产生作用。结果使第一检测框21产生转动位移。
并且，第二检测框22因第二连接梁32的位移而在第二轴L2的部分受到向Z轴负方向(图中向下)的力。该第二轴L2由于位于从第二扭转轴T2平行移动了偏置量e2的位置，因此以第二轴L2为中心的转矩对第二检测框22产生作用。结果使第二检测框22产生转动位移。
由于偏置量e1与e2方向相同，因此第一检测框21和第二检测框22同向转动。即，以第一检测框21的上面向着加速度传感器的其中一端部侧(图3的右侧)，第二检测框22的上面也向着加速度传感器的其中一端部侧(图3的右侧)的方式，第一和第二检测框21、22产生转动位移。
随着该转动位移，由第一检测框21和检测电极41a形成的电容器C1a的静电容量C1a增大，由第一检测框21和检测电极41b形成的电容器C1b的静电容量C1b减少。并且，由第二检测框22和检测电极42a形成的电容器C2a的静电容量C2a增大，由第二检测框22和检测电极42b形成的电容器C2b的静电容量C2b减少。
图4是说明本发明的第一实施方式的加速度传感器的由第一、第二检测框和检测电极形成的电容器的电连接的电路图。参考图4，电容器C1a和C2a并联连接，电容器C1b和C2b并联连接。并且，该两个并联的部分进一步串联连接。在这样形成的电路的电容器C1a和C2a侧的端部施加恒定电位Vd，而电容器C1b和C2b侧的端部接地。并且，在上述串联连接部设置端子，能够测定该端子的输出电位Vout。该输出电位Vout为下述值。
[数1]
V out = C 1 a + C 2 a ( C 1 a + C 2 a ) + ( C 1 b + C 2 b ) V d ...式(1)
由于恒定电位Vd为恒定值，因此，通过测定输出电位Vout，能够检测出Z轴方向的加速度az。如果加速度为0，即无位移，则C1a＝C2a＝C1b＝C2b，用Vout＝Vd/2表示。
并且，通过向促动电极5和惯性质量体2之间施加电压，可产生将惯性质量体2向基板1的方向拉伸的静电力。即，可向基板1的膜厚方向静电驱动惯性质量体2。通过该静电驱动，可产生与向加速度传感器上施加基板1的膜厚方向的加速度az时的惯性质量体2的位移相同的位移。因此，可使加速度传感器具有实际上不向加速度传感器施加加速度ae而自我检测传感器是否发生了故障的功能。
以下就在本实施方式的加速度传感器上基板1发生翘曲时的示例进行说明。
图5是相对本发明的第一实施方式的加速度传感器、基板1凸状翘曲状态的概略剖面图。另外，图5的剖面位置与图2相同。并且为了便于看图，在图5中省略了锚点91、92。
参考图5，在不形成第一和第二连接梁31、32而只配置第一和第二检测框21、22的情况下，一旦基板1翘曲成凸状，则第一和第二检测框21、22位于与锚点91、92垂直的位置(图5中的虚线位置)。在本实施方式中，惯性质量体2与第一和第二检测框21、22经由位于从第一和第二扭转轴T1、T2向同方向偏移后的第一和第二轴L1、L2上的第一和第二连接梁31、32进行连接。在该配置中，一旦基板1翘曲成凸状，则第一和第二检测框21、22向缩短在第一和第二连接梁31、32上相对置的端部距离的方向(图5中的箭头方向)移动。结果如图5所示，以第一检测框21的上面在图5中从虚线的位置向着加速度传感器的其中一端部侧(图5的右侧)的方式，且第二检测框22的上面在图5中从虚线的位置向着加速度传感器的另一端部侧(图5的左侧)的方式，第一和第二检测框21、22发生转动位移。
随着该基板1的翘曲和第一及第二检测框21、22的转动，由第一检测框21和第一检测电极41a形成的电容器C1a的静电容量C1a减少，由第一检测框21和第一检测电极41b形成的电容器C1b的静电容量C1b增大。并且，由第二检测框22和第一检测电极42a形成的电容器C2a的静电容量C2a增大，由第二检测框22和第一检测电极42b形成的电容器C2b的静电容量C2b减少。
参考上述式(1)，即使上述静电容量发生了变化，由于增大的位移和减少的位移相互抵消，因此满足C1a+C2a＝C1b+C2b。因此，在加速度为0的情况下，用Vout＝Vd/2表示。基板1翘曲的影响被抑制。
这里就具有第一和第二连接梁31、32的比较例的加速度传感器进行说明，第一和第二连接梁31、32位于从第一和第二扭转轴T1、T2向彼此相反方向偏移后的第一和第二轴L1、L2上。图6是比较例中的加速度传感器的结构的概略俯视图。图7是相对比较例中的加速度传感器、基板1凸状翘曲状态的概略剖面图。图7的剖面位置与图2相同。并且，为了便于看图，在图7中省略了锚点91、92。
参考图7，基板1一旦凸状翘曲，则比较例的加速度传感器的第一和第二检测框21、22几乎进行相同的动作。但是，由于第一和第二轴L1、L2相对于第一和第二扭转轴T1、T2分别位于各自不同的方向，因此如图7所示，第二检测电极42a和42b的配置相反。
随着该基板1的翘曲和第一及第二检测框21、22的转动，由第一检测框21和检测电极41a形成的电容器C1a的静电容量C1a减少，由第一检测框21和第一检测电极41b形成的电容器C1b的静电容量C1b增大。但是，由第二检测框22和检测电极42a形成的电容器C2a的静电容量C2a减少，由第二检测框22和检测电极42b形成的电容器C2b的静电容量C2b增大。
参考上述式(1)，如果上述静电容量发生了变化，将不满足C1a+C2a＝C1b+C2b。因此，在加速度为0的情况下，不能抑制基板1翘曲的影响。
另外，具有一个检测框的加速度传感器只能够测定单独的静电容量，因此不能抑制基板1翘曲的影响。
在此，虽然对基板1凸状翘曲的情况进行了说明，但在基板1凹状翘曲的情况下，只是转动位移相反，因此具有相同的效果。
以下就本实施方式的加速度传感器的制造方法进行说明。图8至图12是依次表示本发明的第一实施方式的加速度传感器的制造方法的第一至第五工序的概略剖面图，其剖面位置对应于图2的剖面位置。
参考图8，在由硅形成的基板1上，通过LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition低压化学气相沉积)方法堆积绝缘膜3。绝缘膜3适于使用低应力的氮化硅膜或硅膜等。在该绝缘膜3上通过LPCVD方法堆积例如由多晶硅构成的导电性膜。然后，对该导电性膜进行构图，形成多个检测电极、促动电极5。然后在整个基板1上堆积PSG(Phosphosilicate Glass磷硅玻璃)膜101。
主要参考图9，有选择地去除形成了锚点91、92(参考图2)的部分的PSG膜101。
参考图10，在整个基板1上堆积多晶硅膜102。然后在其表面进行CMP(Chemical Mechanical Polishing化学机械抛光)处理。
参考图11，采用上述CMP处理，多晶硅膜102的表面被平坦化。
参考图12，对多晶硅膜102的PSG膜101的上面的上方的部分有选择地进行蚀刻。通过这样统一形成惯性质量体2、第一和第二连接梁31、32、第一和第二检测框21、22、第一和第二扭转梁11、12以及锚点91、92。然后通过蚀刻处理去除PSG膜101，得到图1和图2所示的本实施方式的加速度传感器。
如上所述，根据本实施方式，如图1所示，加速度传感器具有偏置量e1和e2为相同方向的平面布局。因此，如图5所示，在基板1翘曲的情况下，在图4所示的电路中，电容器C1a和C2b以及电容器C1b和C2a的静电容量变化几乎相同。因此，可抑制式(1)所示的值的变化。即，可抑制基板1翘曲对输出电位Vout的影响。因此，在利用输出电位Vout检测加速度az时可抑制因基板翘曲而产生检测误差的问题。
并且，如图11和图12所示，作为可动部的惯性质量体2、第一和第二连接梁31、32、第一和第一检测框21、22、第一和第二扭转梁11、12由相同材料形成的膜统一形成。因此，由于在可动部上不存在不同材料的接合部分，因此不会发生因不同材料的热膨胀系数的差异而产生的变形。由此可实现能够抑制温度依赖性的加速度传感器。
在本实施方式中优选图1所示的偏置量e1和e2的绝对值相等。并且，图1所示的第一和第二扭转轴T1、T2彼此平行。因此，第一和第二检测框21、22的各转动位移量相等。因此图4所示的电容器C1a、C1b、C2a以及C2b的静电容量可更高精度地变化。因此可进一步控制加速度传感器的误差。
(第二实施方式)
图13是本发明的第二实施方式的加速度传感器的结构的概略俯视图。
本实施方式的加速度传感器基本上具有与图1所示的第一实施方式的加速度传感器相同的结构，参考图13，除了第一实施方式的加速度传感器的结构以外，还具有第三和第四扭转梁13、14、第三和第四检测框23、24、第三和第四连接梁33、34。即，本实施方式的加速度传感器具有第一组件10、第二组件20、第三组件30和第四组件40。第一至第四组件10、20、30、40分别具有第一～第四扭转梁11至14、第一至第四检测框21～24、第一至第四连接梁31～34、第一至第四检测电极41～44以及锚点91～94。
第三扭转梁13以能够绕第一扭转轴T1扭转的方式被设置于基板1上的锚点93支撑。即，作为第三扭转梁13的扭转中心的第三扭转轴是第一扭转轴T1。
第三检测框23以能够以第一扭转轴T1为中心转动的方式经由第三扭转梁13支撑在基板1上。并且，第三检测框23的至少一部分具有导电性。
第四扭转梁14以能够绕第二扭转轴T2扭转的方式被设置于基板1上的锚点94支撑。即，作为第四扭转梁13的扭转中心的第四扭转轴是第二扭转轴T2。
第四检测框24以能够以第二扭转轴T2为中心转动的方式经由第四扭转梁14支撑在基板1上。并且，第四检测框24的至少一部分具有导电性。
多个检测电极还具有第三检测电极43和第四检测电极44。该第三检测电极43具有与第三检测框23相对置的第三检测电极43a和43b，可通过静电容量检测第三检测框23相对基板1的角度。该第三检测电极43a和43b以分别与第三检测框23相对置的方式经由绝缘膜3形成在基板1上。并且，多个第四检测电极44具有与第四检测框24相对置的第四检测电极44a和44b，可检测第四检测框24相对基板1的角度。该第四检测电极44a和44b以分别与第四检测框24相对置的方式经由绝缘膜3形成在基板1上。
第三连接梁33在第三轴L3上与第三检测框23连接。该第三轴L3是相对第一扭转轴T1向Y轴的负方向平行偏移了偏置量e3的位置。即，偏置量e3的方向是从第一扭转轴T1向着第一轴L1的方向(偏置量e1的方向)的反方向。该偏置量e3的绝对值与偏置量e1相同。
第四连接梁34在第四轴L4上与第四检测框23连接。该第四轴L4是相对第二扭转轴T2向Y轴的负方向平行偏移了偏置量e4的位置。即，偏置量e4的方向是从第二扭转轴T2向着第二轴L2的方向(偏置量e2的方向)的反方向。该偏置量e4的绝对值与偏置量e2相同。
惯性质量体2分别经由第一至第四连接梁31～34与第一至第四检测框21～24连接，这样可在基板1的厚度方向位移地被支撑在基板1上。
即，第三检测框23在第三扭转梁13与锚点93连接，且第三连接梁33在第三轴L3与惯性质量体2连接。并且，第四检测框24在第四扭转梁14与锚点94连接，且第四连接梁34在第四轴L4与惯性质量体2连接。
另外，除了上述结构，本实施方式与第一实施方式的结构相同，因此相同的要素使用相同的符号，省略其说明。
以下就本实施方式的加速度传感器的加速度测定原理进行说明。
图14是相对本发明的第二实施方式的加速度传感器沿着基板的膜厚方向向上方施加加速度时的状态的概略剖面图。图14的剖面位置是沿着图13的XIV-XIV线的概略剖面图。为了便于看图，在图14中省略了锚点91、92的图示。
参考图14，若沿着基板1的膜厚方向在加速度传感器上施加上方向即Z轴的正方向(图中向上)的加速度az，则惯性质量体2因惯性力从初始位置(图中虚线所示的位置)向Z轴的负方向(图中向下)发生下沉位移。与惯性质量体2连接的第一和第二连接梁31、32也与惯性质量体一体地向Z轴的负方向(图中向下)发生位移。
第一检测框21因第一连接梁31的位移在第一轴L1的部分受到向Z轴的负方向(图中向下)的力。该第一轴L1由于位于从第一扭转轴T1平行偏移了偏置量e1的位置，因此在第一检测框21作用转矩。结果，第一检测框21发生转动位移。
并且，第四检测框24因第四连接梁34的位移在第四轴L4的部分受到向Z轴的负方向(图中向下)的力。该第四轴L4由于位于从第二扭转轴T2平行偏移了偏置量e4的位置，因此在第二检测框22作用转矩。结果，第二检测框22发生转动位移。
由于偏置量e1与e4是反向，因此第一检测框21和第四检测框24向反方转动。即，第一和第四检测框21、24以第一检测框21的上面向着加速度传感器的其中一端部侧(图14的右侧)、第四检测框24的上面向着加速度传感器的另一端部(中间)侧(图14的左侧)的方式发生转动位移。
随着该转动位移，由第一检测框21和检测电极41a形成的电容器C1a的静电容量C1a增大，由第四检测框24和第四检测电极44b形成的电容器C4b的静电容量C4b减少。并且，由第四检测框24和第四检测电极44a形成的电容器C4a的静电容量C4a增大，由第四检测框24和第四检测电极44b形成的电容器C2b的静电容量C2b减少。
通过上述式(1)，由于电位Vd为恒定值，因此通过测定输出电位Vout，能够检测出惯性质量体2的基板1厚度方向的位移，通过该检测结果可检测出Z轴方向的加速度az。
另外，与第一实施方式相同，第一检测框21和第二检测框22都可检测加速度az。并且，第三检测框和第四检测框都可检测加速度az。
以下就向本实施方式的加速度传感器施加角加速度时的检测误差进行说明。
图15是向本发明的第二实施方式的加速度传感器绕X轴施加角加速度时的状态的概略剖面图。图15的剖面位置与图14相同。为了便于看图，在图15中省略了锚点91、92、中间的惯性质量体2的图示。
参考图15，若惯性质量体2受到X轴方向的负的角加速度aω，则由于惯性力矩，从初始位置(图中虚线的位置)向角加速度aω的反向转动位移，发生倾斜。随着该惯性质量体2的倾斜，第一检测框21在第一连接梁31的轴L1的部分被抬起，以第一扭转轴T1为中心转动。并且，第四检测框24在第四连接梁34的第四轴L4的部分被下压，以第二扭转轴T2为中心转动。
随着第一和第四检测框21、24的转动，由第一检测框21和检测电极41a形成的电容器C1a的静电容量C1a减少，由第一检测框21和检测电极41b形成的电容器C1b的静电容量C1b增大。并且，由第四检测框24和检测电极44a形成的电容器C4a的静电容量C4a增大，由第四检测框24和检测电极44b形成的电容器C4b的静电容量C4b减少。
图16是说明本发明的第二实施方式的加速度传感器的由第一、第二、第三以及第四检测框和第一、第二、第三以及第四检测电极形成的电容器的电连接的电路图。
参考图16，电容器C1a、C2a、C3a和C4a并联连接，电容器C1b、C2b、C3b和C4b并联连接。并且，这两个并联连接的部分进一步串联连接。向这样形成的电路的电容器C1a、C2a、C3a和C4a侧的端部施加恒定电位Vd，电容器C1b、C2b、C3b和C4b侧的端部接地。并且，在上述串联连接部设置端子，可测定该端子的输出电位Vout。该输出电位Vout形成以下值。
[数2]
V out = C 1 a + C 2 a + C 3 a + C 4 a ( C 1 a + C 2 a + C 3 a + C 4 a ) + ( C 1 b + C 2 b + C 3 b + C 4 b ) V d ...式(2)
由于电位Vd为恒定值，因此，通过测定输出电位Vout，可检测出Z轴方向的加速度az。如果加速度为0，即无位移，则C1a＝C2a＝C3a＝C4a＝C1b＝C2b＝C3b＝C4b，因此用Vout＝Vd/2表示。
参考式(2)，在上述静电容量发生了变化的情况下，静电容量C1a的减少和C4a的增大相互抵消，且C1b的增大和C4b的减少相互抵消。因此抑制了该角加速度aω对输出电位Vout的影响。
以下就向本实施方式的加速度传感器施加角速度时的检测误差进行说明。
图17是向本发明的第二实施方式的加速度传感器、向相对于Y轴稍微倾斜的轴施加角速度时的状态的概略剖面图。另外，图17的剖面位置与图14的相同。为了便于看图，在图17中省略了锚点91、92、中间的惯性质量体2的图示。
参考图17，随着角速度ω的转动，离心力作用于惯性质量体2。因此惯性质量体2从初始位置(图中的虚线位置)向惯性质量体2的端部远离角速度ω的转动轴的方向转动位移地倾斜。
该惯性质量体2的倾斜与施加了上述角加速度aω时相同。因此，根据相同的原理，也抑制了角速度ω对输出电位Vout的影响。
以下就向本实施方式的加速度传感器施加其他轴加速度时的检测误差、包括重力的影响进行说明。
图18是向本发明的第二实施方式的加速度传感器、向Y轴方向施加加速度时的状态的概略剖面图。另外，图18的剖面位置与图14的相同。为了便于看图，在图18中省略了锚点91、92、中间的惯性质量体2的图示。
参考图18，在惯性质量体2上作为重力作用Z轴方向的负的力，惯性质量体2成为从初始位置(图中的虚线位置)向下方(图中Z轴的负方向)下沉的状态。
在这种情况下，若相对加速度传感器向Y轴的负方向施加加速度ay，则Y轴的正方向的惯性力施加在惯性质量体2上。该惯性力在第一和第四连接梁31、34的第一和第四轴L1、L4上的各部分分别向第一和第二检测框21、24传递。
由于重力的影响，第一轴L1距基板1的高度低于第一扭转轴T1。因此，向上述第一轴L1的部分传递的力(图17中的箭头)作为绕第一扭转轴T1的转矩向第一检测框21作用。
由于重力的影响，轴L4距基板1的高度低于第二扭转轴T2。因此，向上述轴L4的部分传递的力作为绕第二扭转轴T2的转矩向第四检测框24作用。
在此，绕上述的第一和第二扭转轴T1、T2的转矩在第一和第二扭转轴T1、T2的下方都具有作用点。并且，在该作用点起作用的力在Y轴方向都是正方向。结果是第一检测框21的转动位移与第四检测框24的转动位移成为同方向。
作为转动位移的影响，由第一检测框21和检测电极41a形成的电容器C1a的静电容量C1a减少，由第一检测框21和检测电极41b形成的电容器C1b的静电容量C1b增大。并且，由第四检测框24和检测电极44a形成的电容器C4a的静电容量C4a增大，由第四检测框24和检测电极44b形成的电容器C4b的静电容量C4b减少。
参考式(2)，在上述静电容量发生了变化的情况下，静电容量C1a的减少和C4a的增大相互抵消，且C1b的增大和C4b的减少相互抵消。因此抑制了Y轴方向的加速度ay对为了检测Z轴方向的加速度而测定的输出电位Vout的影响。
如上所述，根据本实施方式，从第一和第二扭转轴T1、T2向第一和第二轴L1、L2的移动方向与从第一和第二扭转轴T1、T2向第三轴L3、L4的移动方向是反方向。由此可抑制角加速度、角速度以及其他轴加速度的检测误差。因此，即使在基板1翘曲的情况下，也可通过第一检测框21和第二检测框22或者通过第三检测框23和第四检测框提高输出精度，即使在施加了角加速度、角速度以及多轴加速度的情况下，也可通过第一检测框21和第四检测框24或通过第二检测框22和第三检测框23提高输出精度。
(第三实施方式)
图19是本发明的第三实施方式的加速度传感器的结构的概略俯视图。
参考图19，本实施方式的加速度传感器基本上具有与图13所示的第二实施方式相同的结构，是互换了第二检测框22、第二连接梁32、第二扭转梁12以及锚点92(第二组件20)与第四检测框24、第四连接梁34、第四扭转梁14以及锚点94(第四组件40)的配置的结构。
因此，本实施方式的加速度传感器相对X轴形成轴对称的结构。换言之，以第一和第二检测框21、22、第一和第二扭转梁11、12以及第一和第二连接梁31、32相对与第一和第二扭转轴T1、T2平行的轴对称的方式配置该加速度传感器。
另外，本实施方式除了以上结构与上述的第一或第二实施方式的结构相同，因此相同的要素使用相同的符号，省略其说明。
根据本实施方式，轴对称地设置第一和第二连接梁31、32的位置。因此，即使在第一和第二检测框21、22因翘曲等而倾斜的情况下，也可抑制惯性质量体2的倾斜。即，惯性质量体2只有面外方向的平行位移容易移动，因此可高精度地检测输出并提高促动电极5的自我诊断功能的精度。
(第四实施方式)
图20是本发明的第四实施方式的加速度传感器的结构的概略俯视图。
参考图20，本实施方式的加速度传感器基本上具有与图19所示的第三实施方式相同的结构，也以相对Y轴形成轴对称结构的方式配置。
具体是，加速度传感器具有一个第一组件10、两个第二组件、两个第三组件30以及一个第四组件40。第四组件40相对于穿过重心G、与X轴平行的轴B以与第一组件10相对置的方式配置。两个第二组件20隔着第四组件40相对于穿过重心G、与X轴平行的轴B以与第三组件30相对置的方式配置。两个第三组件30隔着第一组件10相对于穿过重心G、与X轴平行的轴B以与第二组件20相对置的方式设置。
并且，第一至第四组件10、20、30、40相对于穿过重心G、与Y轴平行的轴A以左右对称的方式配置。
另外，本实施方式除了以上结构与上述第三实施方式的结构相同，因此相同的要素使用相同的符号，省略其说明。
根据本实施方式，第一和第二检测框21、22、第一和第二扭转梁11、12以及第一和第二连接梁31、32相对与第一和第二扭转轴T1、T2交叉的轴(本实施方式中为轴A)以对称的方式配置。这样，第一和第二扭转梁31、32的位置轴对称地交替设置。因此，即使因基板1发生翘曲等而使第一和第二检测框21、22倾斜的情况下，也可进一步抑制惯性质量体2的倾斜。即，惯性质量体2几乎只发生面外方向的平行位移，可进一步高精度地检测输出并进一步提高促动电极5进行的自我诊断功能的精度。
(第五实施方式)
图21是本发明的第五实施方式的加速度传感器的结构的概略俯视图。
参考图21，本实施方式的加速度传感器基本上具有与图20所示的第四实施方式相同的结构，还具有使第一组件10和第二组件20相对重心G转动了90度的第五至第八组件50、60、70、80。即，以相对重心G转动90度的结构成为完全轴对称结构的方式配置本实施方式的加速度传感器。
第五至第八组件50、60、70、80分别具有第五至第八扭转梁15～18、第五至第八检测框25～28、第五至第八连接梁35～38、第五至第八检测电极45～48以及锚点95～98。
第五和第七检测框25、27可以第三扭转轴T3为中心转动。第六和第八检测框26、28可以第四扭转轴T4为中心转动。第三和第四扭转轴T3、T4是相对第一和第二扭转轴T1、T2转动了90度的位置。
第五和第六连接梁35、36与第五和第六检测框25、26连接的第五和第六轴L5、L6是相对于第三和第四扭转轴T3、T4向相同的方向移动后的位置。即，偏置量e5和e6相等。
第七和第八连接梁37、38与第七和第八检测框27、28连接的第七和第八轴L7、L8是相对于第三和第四扭转轴T3、T4向相同的方向移动后的位置，且向与第五和第六轴L5、L6的反向移动后的位置。即，偏置量e7和e8相等，且偏置量e7和e8与偏置量e5和e6是方向相反，绝对值相等。
另外，本实施方式除了以上结构、与上述第二实施方式的结构相同，因此相同的要素使用相同的符号，省略其说明。
如上所述，根据本实施方式，还具有使第一和第二检测框21、22、第一和第二扭转梁11、21以及第一和第二连接梁31、32转动了90度的第五至第八检测框25～28、第五至第八扭转梁15～18、第五至第八连接梁35～至38。这样，基板1在X轴、Y轴的任何一个方向发生翘曲都可进行对应。因此可进一步高精度地检测出输出。
上述公开的实施方式和实施例在所有方面是示例性的，不应理解为是限制性的。本发明的范围不是由上述的实施方式而是由权利要求书所示出的，与权利要求书相等的意思以及在权利要求书范围内的所有更改均包括在本发明的范围内。
本发明尤其适合用于静电容量式的加速度传感器。

Claims (7)

1.一种加速度传感器，具有：基板(1)；
第一扭转梁(11)，支撑于所述基板(1)，绕第一扭转轴(T1)扭转；
第一检测框(21)，以能够以所述第一扭转轴(T1)为中心转动的方式经由所述第一扭转梁(11)支撑于所述基板(1)；
第二扭转梁(12)，支撑于所述基板(1)，绕第二扭转轴(T2)扭转；
第二检测框(22)，以能够以所述第二扭转轴(T2)为中心转动的方式经由所述第二扭转梁(12)支撑于所述基板(1)；
第一和第二检测电极(41、41a、41b、42、42a、42b)，以与所述第一和第二检测框(21、22)分别相对置的方式形成在所述基板(1)上，且用于通过静电容量检测所述第一和第二检测框(21、22)相对于所述基板(1)的角度；
第一连接梁(31)，在沿着与所述第一扭转轴(T1)交叉的方向、向所述第一检测框(21)的一端部侧移动了所述第一扭转轴(T1)的第一轴(L1)上，与所述第一检测框(21)连接；
第二连接梁(32)，在向与所述第一扭转轴(T1)的移动方向相同的方向移动了所述第二扭转轴(T2)的第二轴(L2)上，与所述第二检测框(22)连接；以及
惯性质量体(2)，通过所述第一和第二连接梁(31、32)分别与所述第一和第二检测框(21、22)连接，从而能在所述基板(1)的厚度方向发生位移地被支撑在所述基板(1)上。
2.如权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，所述第一扭转轴(T1)与所述第一连接梁(31)之间的偏置量(e1)和所述第二扭转轴(T2)与所述第二连接梁(32)之间的偏置量(e2)相等。
3.如权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，所述第一扭转轴(T1)与所述第二扭转轴(T2)彼此平行。
4.如权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，所述第一和第二检测框(21、22)、所述第一和第二扭转梁(11、12)以及所述第一和第二连接梁(31、32)以相对于与所述第一和第二扭转轴(T1、T2)平行的轴对称的方式配置。
5.如权利要求4所述的加速度传感器，其特征在于，所述第一和第二检测框(21、22)、所述第一和第二扭转梁(11、12)以及所述第一和第二连接梁(31、32)以相对于与所述第一和第二扭转轴(T1、T2)交叉的轴对称的方式配置。
6.如权利要求5所述的加速度传感器，其特征在于，该加速度传感器还具有使所述第一和第二检测框(21、22)、所述第一和第二扭转梁(11、12)以及所述第一和第二连接梁(31、32)转动了90度的检测框(25～28)、扭转梁(15～18)、连接梁(35～38)。
7.如权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，该加速度传感器还具有：
第三扭转梁(13)，支撑于所述基板(1)，绕第三扭转轴(T3)扭转；
第三检测框(23)，以能够以所述第三扭转轴(T3)为中心转动的方式经由所述第三扭转梁(13)支撑于所述基板(1)；
第四扭转梁(14)，支撑于所述基板(1)，绕第四扭转轴(T4)扭转；
第四检测框(24)，以能够以所述第四扭转轴(T4)为中心转动的方式经由所述第四扭转梁(14)支撑于所述基板(1)；
第三和第四检测电极(43、43a、43b、44、44a、44b)，以与所述第三和第四检测框(23、24)分别相对置的方式形成在所述基板(1)上，且用于通过静电容量检测所述第三和第四检测框(23、24)相对于所述基板(1)的角度；
第三连接梁(33)，在沿着与所述第三扭转轴(T3)交叉的方向、向所述第三检测框(23)的一端部侧移动了所述第三扭转轴(T3)的第三轴(L3)上，与所述第三检测框(23)连接；以及
第四连接梁(34)，在向与所述第四扭转轴(T4)的移动方向相同的方向移动了所述第四扭转轴(T4)的第四轴(L4)上，与所述第四检测框(24)连接；
从所述第三和第四扭转轴(T3、T4)向所述第三和第四轴(L3、L4)的移动方向是从所述第一和第二扭转轴(T1、T2)向所述第一和第二轴(L1、L2)的移动方向的反方向。
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