JP2002299640A

JP2002299640A - 力学量センサ

Info

Publication number: JP2002299640A
Application number: JP2001105161A
Authority: JP
Inventors: Mineichi Sakai; 峰一酒井; Masanori Aoyama; 正紀青山; Suketsugu Funato; 祐嗣舩戸
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-04-03
Filing date: 2001-04-03
Publication date: 2002-10-11
Anticipated expiration: 2021-04-03
Also published as: JP4329275B2

Abstract

(57)【要約】【課題】櫛歯状の可動及び固定電極を有し、これら可
動及び固定電極の間の容量変化に基づいて力学量を検出
するようにした力学量センサにおいて、電極のたわみに
よるスティッキングを防止する。【解決手段】可動電極２４及び固定電極３１、３２に
おける個々の櫛歯の平面形状が、根元部側から突出先端
部側に向かってテーパ状に細くなった形状となってい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、櫛歯状の可動電極
と櫛歯状の固定電極とを有し、これら可動及び固定電極
の間の容量変化に基づいて、加速度等の力学量を検出す
るようにした力学量センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の一般的な力学量センサの構成を
図６、図７に示す。ここで、図６は平面構成図、図７は
図６中のＢ−Ｂ線に沿った模式的な断面図である。この
ものは、ＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）基板等
の、第１の半導体層１１と第２の半導体層１２とが絶縁
膜１３を介して積層された積層基板１０に対して、周知
の半導体製造技術を施すことにより製造されたものであ
る。

【０００３】第２の半導体層１２には溝１４を形成し、
第１の半導体層１１及び絶縁膜１３には開口部１３ａを
形成することにより、第１の半導体層１１は矩形枠状の
基部として構成され、第２の半導体層１２には図に示す
ような梁構造体が形成されている。

【０００４】第２の半導体層１２に形成された梁構造体
は、基部１１に対して力学量（加速度等）の印加に応じ
て所定方向（図６中の矢印で示すＹ軸方向）に変位可能
なように梁部２２を介して支持された錘部２１０と、こ
の錘部２１０から突出する櫛歯状の可動電極２４０と、
この可動電極２４０における個々の櫛歯の側面と離間し
て対向するように基部１１から突出する櫛歯状の固定電
極３１０、３２０とを備えている。

【０００５】そして、力学量が印加されたとき、梁部２
２の弾性力によって錘部２１０が、Ｙ軸方向へ変位し、
この変位に伴う可動電極２４０と固定電極３１０、３２
０との間の検出間隔４０の容量変化に基づいて、印加力
学量を検出するようにしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の力学量センサにおいては、可動電極２４０及び
固定電極３１０、３２０が櫛歯形状であるため、過大な
力学量の印加によって両電極がＹ軸方向へたわみ、可動
電極２４０と固定電極３１０、３２０との両電極が必要
以上に接近すると、これら両電極の間の静電気力により
両電極が付着する、つまり、スティッキングが発生する
という問題が生じる。

【０００７】そこで、本発明は上記問題に鑑み、櫛歯状
の可動及び固定電極を有し、これら可動及び固定電極の
間の容量変化に基づいて力学量を検出するようにした力
学量センサにおいて、電極のたわみによるスティッキン
グを防止することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、従来の平面形
状が長方形である櫛歯状の可動及び固定電極では、上記
Ｙ軸方向（錘部の変位方向）への剛性が不十分であるた
め、電極の平面形状に工夫を施し当該電極の剛性を向上
させることにより、電極のたわみを抑制し、スティッキ
ングを防止することに着目して、なされたものである。

【０００９】すなわち、請求項１に記載の発明では、基
部（１１）と、この基部に対して力学量の印加に応じて
所定方向に変位可能なように支持された錘部（２０）
と、この錘部から突出する櫛歯状の可動電極（２４）
と、この可動電極における個々の櫛歯の側面と離間して
対向するように基部から突出する櫛歯状の固定電極（３
１、３２）とを備え、力学量が印加されたときの錘部の
変位に伴う可動電極と固定電極との間の容量変化に基づ
いて印加力学量を検出するようにした力学量センサにお
いて、可動電極及び固定電極の少なくとも一方における
個々の櫛歯の平面形状が、根元部側から突出先端部側に
向かってテーパ状に細くなった形状となっていることを
特徴としている。

【００１０】それによれば、可動電極及び固定電極の少
なくとも一方における個々の櫛歯の平面形状が、根元部
側から突出先端部側に向かってテーパ状に細くなった形
状（以下、テーパ先細形状という）となっているため、
従来の平面長方形状に比べて、可動及び固定電極の少な
くとも一方の剛性を向上させることができる。

【００１１】そのため、過大な力学量が印加されても、
可動電極及び固定電極の少なくとも一方の電極のたわみ
が抑制される。よって、本発明によれば、電極のたわみ
によるスティッキングを防止することができる。

【００１２】また、請求項２に記載の発明では、可動電
極及び固定電極のうち少なくとも可動電極（２４）にお
ける個々の櫛歯の平面形状を、上記テーパ先細形状とし
たことを特徴としている。

【００１３】それにより、請求項１の発明の効果に加
え、従来の平面長方形状の可動電極に比べて可動電極の
剛性向上及び軽量化が図れ、結果的に、錘部と可動電極
とを含めた可動部の軽量化を図ることができる。このこ
とにより、次のような利点がある。

【００１４】可動部に対して強制的に信号（自己診断信
号）を印加し、可動部を初期位置から擬似的に所定量変
位させた後、可動部を初期位置へ戻すことにより、その
間の容量変化をモニタし、検出性能を自己診断すること
が行われる。

【００１５】このとき、可動電極がたわみやすいと、可
動電極自身の振動によって、駆動力が、錘部を変位させ
る梁部にまで十分に伝達されず減衰してしまう。また、
可動部が重いと、上記自己診断信号によって可動部が変
位しにくい。そのため、錘部の変位量が正規の変位量よ
りも少なくなり、可動部の初期位置への戻りによる容量
変化も小さくなるので、結果、自己診断における出力が
低下してしまう。

【００１６】その点、請求項２の発明によれば、可動電
極の剛性向上が図れるとともに、可動部の軽量化を図る
ことができるため、上記自己診断の際に、錘部の変位量
を容易に正規の変位量に確保することができ、自己診断
における出力低下を防止することができる。

【００１７】また、請求項３に記載の発明では、可動電
極（２４）及び固定電極（３１、３２）の両方における
個々の櫛歯の平面形状を、上記テーパ先細形状としたこ
とを特徴としている。

【００１８】本発明によれば、上記請求項１および請求
項２の発明と同様の効果を発揮できることに加え、入力
ダイナミックレンジを拡大することができるという利点
がある。これは、可動及び固定電極の両方をテーパ先細
形状とすることで、これら両電極のたわみを抑制するこ
とができるためである。

【００１９】もし、可動及び固定電極のどちらか一方で
も、従来の平面長方形状の様な、たわみやすい形状であ
るとすると、例えば、印加力学量が大きいときに、たわ
みやすい形状の電極がたわむことにより、可動及び固定
電極の間の距離が必要以上に変化する。すると、見かけ
上、実際の印加力学量よりも大きな力学量が印加された
かの様に、両電極間の容量が変化する。このことは、セ
ンサ出力特性の非直線性につながり、好ましくない。

【００２０】その点、可動及び固定電極の両方のたわみ
を抑制するようにすれば、より大きな力学量が印加され
ても、その印加力学量に応じた容量変化を実現すること
ができる。そのため、センサ出力特性の非直線性を改善
することができ、入力ダイナミックレンジの拡大につな
がる。

【００２１】また、請求項４に記載の発明では、根元部
側から突出先端部側に向かってテーパ状に細くなった形
状（テーパ先細形状）は、櫛歯の根元部側から突出先端
部側に向かってテーパ状に細くなった台形形状であるこ
とを特徴としている。

【００２２】テーパ先細形状を考えた場合、電極の突出
先端部が尖った形状も含まれるが、突出先端部を尖らす
ことは、加工精度の点から困難であるため、突出先端部
を、ある程度幅を持たせた台形形状とすれば、加工しや
すいという利点がある。

【００２３】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一
例である。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。本実施形態は、本発明の力学量セン
サを、例えば、エアバッグ、ＡＢＳ、ＶＳＣ等の作動制
御を行うための自動車用加速度センサやジャイロセンサ
等に適用可能な差動容量式の半導体加速度センサについ
て適用したものとして説明する。

【００２５】図１に半導体加速度センサ（以下、単にセ
ンサという）Ｓ１の概略平面構成を示し、図２に図１中
のＡ−Ａ線に沿った模式的な断面構造を示す。なお、図
１及び図２中、「従来技術」の欄にて述べた上記図６及
び図７と同一部分には同一符号を付してある。

【００２６】センサＳ１は、半導体基板に周知の半導体
製造技術を用いたマイクロマシン加工を施すことにより
形成される。センサＳ１を構成する半導体基板は、図２
に示す様に、第１の半導体層としての第１シリコン基板
（本発明でいう基部）１１と第２の半導体層としての第
２シリコン基板１２との間に、絶縁膜としての酸化膜１
３を有する矩形状のＳＯＩ基板１０である。

【００２７】第２シリコン基板１２には、トレンチエッ
チング等によって溝１４を形成することにより、可動部
２０、及び、この可動部２０と溝１４を介して区画され
た固定部３０よりなる梁構造体が形成されている。

【００２８】また、酸化膜１３及び第１シリコン基板１
１のうち上記梁構造体２０、３０の形成領域に対応した
部位は、犠牲層エッチング等により除去されて矩形状の
開口部１３ａを形成している。そして、固定部３０は、
開口部１３ａの開口縁部にて、酸化膜１３を介して第１
シリコン基板１１に支持されている。

【００２９】開口部１３ａ上を横断するように配置され
た可動部２０は、長方形状の錘部２１の両端を、梁部２
２を介してアンカー部２３ａ及び２３ｂに一体に連結し
た構成となっている。これらアンカー部２３ａ及び２３
ｂは、酸化膜１３における開口部１３ａの開口縁部に固
定され、第１シリコン基板１１上に支持されている。こ
れにより、錘部２１及び梁部２２は開口部１３ａに臨ん
だ状態となっている。

【００３０】また、梁部２２は、２本の梁がその両端で
連結された矩形枠状をなしており、梁の長手方向と直交
する方向に変位するバネ機能を有する。具体的には、梁
部２２は、図１中の矢印Ｙで示すＹ軸方向の成分を含む
加速度を受けたときに、錘部２１をＹ軸方向へ変位させ
るとともに、加速度の消失に応じて元の状態に復元させ
るようになっている。

【００３１】このように、錘部２１は、第１シリコン基
板１１に対してＹ軸方向（所定方向Ｙ）へ変位可能に支
持されており、加速度の印加に応じて、開口部１３ａ上
にてＹ軸方向へ変位するようになっている。

【００３２】また、錘部２１におけるＹ軸方向に沿った
軸を中心として、錘部２１の両側の側面（図１中の左右
両側面）には、それぞれ、複数個（図示例では６個ず
つ）の棒状の可動電極２４が、Ｙ軸と略直交する方向へ
突出して延びており、櫛歯状に形成されている。

【００３３】個々の可動電極２４は断面矩形の梁状に形
成されて、開口部１３ａに臨んだ状態となっている。こ
のように、錘部２１と一体形成された可動電極２４は、
錘部２１とともにＹ軸方向へ変位可能となっている。

【００３４】また、固定部３０は、個々の可動電極２４
と対向するように第１シリコン基板（基部）１１から突
出して延びる複数個の棒状の固定電極３１、３２を備え
ている。各固定電極３１、３２は、第１シリコン基板１
１に片持ち支持されて、錘部２１の左右一対の櫛歯状の
可動電極２４における櫛歯の隙間に噛み合うように対向
して配置されている。

【００３５】この左右一対の固定電極３１、３２は、図
１中の左側に位置する第１の固定電極３１と、右側に位
置する第２の固定電極３２とより成り、第１の固定電極
３１と第２の固定電極３２とは、互いに電気的に独立し
ている。個々の固定電極（図示例では左右６個ずつ）３
１、３２は、断面矩形の梁状に形成されており、各配線
部３１ａ、３２ａに片持ち状に支持された状態で、開口
部１３ａに臨んだ状態となっている。

【００３６】そして、固定電極３１、３２における個々
の電極の側面は、個々の可動電極２４の側面と所定の間
隔を存して対向配置されている。ここで、可動及び固定
電極２４、３１、３２の対向する間隔のうち狭い方の間
隔が、加速度検出時において静電容量変化の検出に用い
られる検出間隔４０であり、検出間隔４０とは反対側の
広い方の間隔は、加速度検出時において静電容量変化の
検出に用いない非検出間隔である。

【００３７】ここにおいて、本実施形態では、図１に示
す様に、可動電極２４及び固定電極３１、３２の両方に
おける個々の櫛歯の平面形状が、根元部側から突出先端
部側に向かってテーパ状に細くなった形状（以下、テー
パ先細形状という）となっている。

【００３８】本例では、このテーパ先細形状は、両電極
２４、３１、３２ともに同じ台形形状としており、例え
ば、突出長さが２００μｍ、根元部の幅が４μｍ、根元
部よりも細くなっている突出先端部の幅が２μｍ程度の
ものにすることができる。

【００３９】また、上記検出間隔４０において互いに対
向する可動及び固定の両電極２４、３１、３２の側面
は、Ｙ軸方向に対して直角に配置されている。ここで、
両電極２４、３１、３２の側面は、従来同様に長方形で
あり（図２参照）、検出間隔４０における対向面積は確
保されている。そして、この検出間隔４０の距離は、電
極の根元側から先端部側の全体で均一となっており、例
えば３μｍ程度にすることができる。

【００４０】また、上記非検出間隔において互いに対向
する可動及び固定の両電極２４、３１、３２の側面は、
Ｙ軸方向に対してテーパの分だけ斜めに配置されてい
る。そして、この非検出間隔の距離も、電極の根元側か
ら先端部側の全体で均一となっており、例えば９μｍ程
度にすることができる。

【００４１】また、各固定電極３１、３２の各配線部３
１ａ、３２ａ上の所定位置には、それぞれワイヤボンデ
ィング用の固定電極パッド３１ｂ、３２ｂが形成されて
いる。また、一方のアンカー部２３ｂと一体に連結され
た状態で、可動電極用配線部２５が形成されており、こ
の配線部２５上の所定位置には、ワイヤボンディング用
の可動電極パッド２５ａが形成されている。上記の各電
極パッド２５ａ、３１ｂ、３２ｂは、例えばアルミニウ
ムにより形成されている。

【００４２】更に、錘部２１には、開口部１３ａ側から
反対側に貫通する矩形状の貫通孔５０が複数形成されて
おり、これら貫通孔５０により、矩形枠状部を複数組み
合わせた所謂ラーメン構造形状が形成されている。これ
により、可動部２０の軽量化、捩じり強度の向上がなさ
れている。

【００４３】また、図２に示す様に、本センサＳ１は、
第１シリコン基板１１の裏面（酸化膜１３とは反対側の
面）側において接着剤６０を介してパッケージ７０に接
着固定されている。このパッケージ７０には、後述する
回路手段８０が収納されている。そして、この回路手段
８０と上記の各電極パッド２５ａ、３１ｂ、３２ｂと
は、金もしくはアルミニウムのワイヤボンディング等に
より形成されたワイヤ（図示せず）等により電気的に接
続されている。

【００４４】このような構成においては、第１の固定電
極３１と可動電極２４との検出間隔４０に第１の容量
（ＣＳ１とする）、第２の固定電極３２と可動電極２４
との検出間隔４０に第２の容量（ＣＳ２とする）が、そ
れぞれ形成されている。

【００４５】そして、加速度を受けると、梁部２２のバ
ネ機能により、可動部２０全体が一体的にＹ軸方向へ変
位し、可動電極２４の変位に応じて上記各容量ＣＳ１、
ＣＳ２が変化する。そして、上記回路手段８０は、可動
電極２４と固定電極３１、３２による差動容量（ＣＳ１
−ＣＳ２）の変化に基づいて加速度を検出する。

【００４６】また、本センサＳ１においては、可動部２
０に対して強制的に信号を印加し、可動部２０を初期位
置から擬似的に所定量変位させた後、可動部２０を初期
位置へ戻すことにより、その間の容量変化をモニタし、
検出性能を自己診断するようにしている。

【００４７】このような本センサＳ１における加速度検
出方法および自己診断方法について、具体的に述べる。
図３に、本センサＳ１に設けられた回路手段８０の具体
的な構成を示す。

【００４８】回路手段８０は、Ｃ−Ｖ変換回路（スイッ
チドキャパシタ回路）９０及びスイッチ回路１００を有
する。Ｃ−Ｖ変換回路９０は、可動電極２４と固定電極
３１、３２とからなる容量ＣＳ１、ＣＳ２の変化を電圧
に変換して出力するもので、演算増幅器９１、コンデン
サ９２、及びスイッチ９３から構成されている。

【００４９】演算増幅器９１の反転入力端子は、可動電
極パッド２５ａを介して可動電極２４に接続されてお
り、反転入力端子と出力端子との間には、コンデンサ９
２およびスイッチ９３が並列に接続されている。また、
演算増幅器９１の非反転入力端子には、スイッチ回路１
００を介してＶ／２の電圧とＶ１の電圧のいずれかが入
力される。

【００５０】スイッチ回路１００は、Ｃ−Ｖ変換回路９
０における演算増幅器９１の非反転入力端子に、図示し
ないそれぞれの電圧源からのＶ／２の電圧とＶ１（Ｖ／
２とは異なる）の電圧のいずれかを入力するもので、ス
イッチ１０１とスイッチ１０２から構成されている。ス
イッチ１０１とスイッチ１０２は、一方が閉じていると
きに他方が開くようになっている。

【００５１】また、回路手段８０は図示しない制御回路
を有しており、この制御回路は、固定電極パッド３１ｂ
から、一定振幅Ｖで周期的に変化する搬送波Ｐ１を第１
の固定電極３１へ入力し、固定電極パッド３２ｂから、
搬送波Ｐ１と位相が１８０°ずれ且つ同一振幅Ｖである
搬送波Ｐ２を第２の固定電極３２へ入力する。また、こ
の制御回路は、上記の各スイッチ９３、１０１、１０２
の開閉を所定のタイミングにて制御できるようになって
いる。

【００５２】まず、加速度検出方法すなわち加速度を検
出する検出信号を印加する状態（通常動作時）につい
て、図４に示す信号波形図を参照して説明する。上記制
御回路から出力される搬送波Ｐ１（例えば、周波数１０
０ｋＨｚ、振幅０〜５Ｖ）は、図４に示すように、期間
φ１を１周期（例えば１０μｓ）としてハイレベルとロ
ーレベルが変化する一定振幅の矩形波信号となってお
り、搬送波Ｐ２は、搬送波Ｐ１に対して電圧レベルが反
転した矩形波信号となっている。

【００５３】また、通常動作時では、上記の各搬送波Ｐ
１及びＰ２が各固定電極３１、３２へ印加されていると
き、スイッチ回路１００においてスイッチ１０１は閉、
スイッチ１０２は開になっている。それによって、演算
増幅器９１の非反転入力端子にＶ／２の電圧が印加さ
れ、可動電極２４にはＶ／２（例えば２．５Ｖ）の一定
電圧（可動電極信号）が印加されている。

【００５４】この状態において加速度が印加されていな
い場合には、第１の固定電極３１と可動電極２４との電
位差、及び、第２の固定電極３２と可動電極２４との電
位差は、共にＶ／２となり、第１の固定電極３１と可動
電極２４との間の静電気力、及び、第２の固定電極３２
と可動電極２４との間の静電気力は、略等しく釣り合っ
ている。

【００５５】また、通常動作時では、Ｃ−Ｖ変換回路９
０において、スイッチ９３は、図４に示すタイミングで
開閉される。このスイッチ９３が閉のとき（期間φ
２）、コンデンサ９２がリセットされる。一方、スイッ
チ９３が開のときに、加速度検出が行われる。つまり、
期間φ１のうち期間φ２以外の期間が加速度を検出する
期間である。この検出期間において、Ｃ−Ｖ変換回路９
０からの出力電圧Ｖ０は、次の数式１で示される。

【００５６】

【数１】Ｖ０＝（ＣＳ１−ＣＳ２）・Ｖ’／Ｃｆここで、Ｖ’は両パッド３１ａ及び３２ａ間、即ち、両
固定電極３１及び３２の間の電圧であり、Ｃｆはコンデ
ンサ９２の容量である。

【００５７】加速度が印加されると、第１の容量ＣＳ１
と第２の容量ＣＳ２とのバランスが変化する。すると、
上記数式１に基づき容量差（ＣＳ１−ＣＳ２）に応じた
電圧が、加速度が印加されていないときの出力Ｖ０にバ
イアスとして加わった形で出力Ｖ０（例えば０〜５Ｖ）
として出力される。この出力Ｖ０は、この後、増幅回路
やローパスフィルタ等を備えた信号処理回路（図示せ
ず）にて信号処理され、加速度検出信号として検出され
る。

【００５８】次に、自己診断時の作動について、図５に
示す信号波形図を参照して説明する。上記制御回路によ
り、図５に示す様に、一定振幅Ｖ（図示例では振幅０〜
５Ｖ）の矩形波信号である搬送波Ｐ１及びＰ２が入力さ
れる。ここで、期間φ３（例えば１００μｓ）におい
て、搬送波Ｐ１と搬送波Ｐ２とは、互いに電圧レベルが
反転した一定電圧信号（例えば搬送波Ｐ１が０Ｖ、搬送
波Ｐ２が５Ｖ）となっている。

【００５９】また、この期間φ３では、上記の各搬送波
Ｐ１及びＰ２が各固定電極３１、３２へ印加されている
とき、スイッチ回路１００においてスイッチ１０１は
開、スイッチ１０２は閉になっている。そのため、演算
増幅器９１の非反転入力端子へ、Ｖ／２とは異なるＶ１
（例えば３Ｖ）の電圧が印加され、可動電極２４には、
この電圧Ｖ１が可動電極信号として印加されている。

【００６０】可動電極２４に電圧Ｖ１を加えた場合、上
記通常動作時における静電気力の釣り合いが崩れ、可動
電極２４は、両固定電極３１、３２のうち可動電極２４
との間の電位差が大きい方の固定電極へ引き寄せられ
る。図５に示す例では、第１の固定電極３１の方へ引き
寄せられるように、梁部２２がたわみ、それと一体的に
錘部２１及び可動電極２４が擬似的に変位する。

【００６１】このように、期間φ３は、可動部２０を擬
似的に所望量変位させ、可動電極２４に擬似的な加速度
を発生させる期間である。なお、期間φ３においては、
Ｃ−Ｖ変換回路９０のスイッチ９３は閉であるため、コ
ンデンサ９２がリセット状態にある。

【００６２】次に、期間φ４（例えば１０μｓ）は、上
記図４に示した期間φ１と同様の信号波形を、可動電極
２４と固定電極３１、３２との間に印加することによ
り、直前の期間φ３にて発生した擬似的な加速度（力学
量）を検出する期間である。

【００６３】つまり、Ｃ−Ｖ変換回路９０のスイッチ９
３を開とし、コンデンサ９２を加速度検出可能な状態と
同じにし、上記通常動作時と同様の搬送波Ｐ１及びＰ２
を印加する。また、スイッチ回路１００においてスイッ
チ１０１を閉、スイッチ１０２を開として可動電極２４
にＶ／２（例えば２．５Ｖ）の一定電圧を駆動電極信号
として印加する。

【００６４】すると、この期間φ４にて、例えば第１の
固定電極３１の方へ引き寄せられていた可動電極２４
が、元の位置に戻ろうとするため、この容量変化に応じ
てＣ−Ｖ変換回路９０のコンデンサ９２に電荷が発生
し、期間φ３にて発生した擬似的な加速度を検出するこ
とができる。

【００６５】このように、期間（φ３＋φ４）を１周期
とした自己診断信号（上記搬送波及び可動電極信号）
を、可動電極２４と固定電極３１、３２との間に印加す
ることにより、自己診断が可能となっている。

【００６６】ところで、本実施形態によれば、可動電極
２４及び固定電極３１、３２における個々の櫛歯の平面
形状を、根元部側から突出先端部側に向かってテーパ先
細形状としたことを主たる特徴としている。それによれ
ば、従来の平面長方形状である可動及び固定電極（上記
図６参照）に比べて、可動及び固定電極２４、３１、３
２のＹ軸方向への剛性を向上させることができる。

【００６７】そのため、過大な加速度が印加されても、
可動電極２４及び固定電極３１、３２のたわみが抑制さ
れる。よって、本実施形態によれば、電極のたわみによ
るスティッキングを防止することができる。

【００６８】なお、電極の平面形状が、根元部側から突
出先端部側に向かって連続的に細くなっているテーパ先
細形状ではなく、根元部側の方が段部を有して非連続的
に突出先端部側よりも幅広になっている形状（非連続的
先細形状）であると、当該段部にてたわみやすく、剛性
向上の効果は得にくい。本実施形態でいうテーパ先細形
状とは、そのような非連続的先細形状を排除するもので
ある。

【００６９】また、本実施形態によれば、従来の平面形
状が長方形である櫛歯状の可動及び固定電極に比べて、
電極を軽量化して剛性を向上させることができるため、
軽量化された電極の共振周波数を、可動部２０全体の共
振周波数よりも大きくすることができ、ノイズの低減を
図ることができる。

【００７０】また、本実施形態によれば、従来の平面長
方形状の可動電極に比べて可動電極２４の剛性向上及び
軽量化が図れ、結果的に、錘部２０と可動電極２４とを
含めた可動部２０全体の軽量化を図ることができる。こ
のことにより、自己診断時において、次のような利点が
ある。

【００７１】自己診断時において、可動電極２４がたわ
みやすいと、可動電極２４自身の振動によって、駆動力
が、錘部２１を変位させる梁部２２にまで十分に伝達さ
れず減衰してしまう。また、可動部２０全体が重いと、
上記自己診断信号によって可動部２０が変位しにくい。

【００７２】そのため、錘部２１の擬似的な変位量が、
望みうる正規の変位量よりも少なくなり、可動部の初期
位置への戻りによる容量変化も小さくなるので、結果、
自己診断における出力が低下してしまう。

【００７３】その点、本実施形態によれば、可動電極２
４の剛性向上が図れるとともに、可動部２０の軽量化を
図ることができるため、上記自己診断の際に、錘部２１
の変位量を、容易に正規の変位量に確保することがで
き、自己診断における出力低下を防止することができ
る。

【００７４】また、本実施形態では、可動電極２４及び
固定電極３１、３２の両方における個々の櫛歯の平面形
状を、テーパ先細形状としているため、加速度センサと
しての入力ダイナミックレンジを拡大することができる
という利点がある。これは、可動及び固定電極２４、３
１、３２の両電極のたわみが、抑制されるためである。

【００７５】もし、可動及び固定電極のどちらか一方
が、従来の平面長方形状の様な、たわみやすい形状であ
るとすると、例えば、印加加速度が大きいときに、たわ
みやすい形状の電極がたわむことにより、検出間隔４０
が必要以上に変化する。すると、見かけ上、実際の印加
加速度よりも大きな加速度が印加されたかの様に、両電
極間の容量ＣＳ１、ＣＳ２が変化する。このことは、セ
ンサ出力特性の非直線性につながり、好ましくない。

【００７６】その点、可動及び固定電極２４、３１、３
２の両方のたわみが抑制されれば、より大きな加速度が
印加されても、その印加加速度に応じた容量変化を実現
することができる。そのため、センサ出力特性の非直線
性を改善することができ、入力ダイナミックレンジの拡
大につながる。

【００７７】また、上記のテーパ先細形状を考えた場
合、電極の突出先端部が尖った形状を採用しても良い。
しかし、本センサＳ１の様に、半導体製造技術を用いて
製造するセンサの場合、各電極２４、３１、３２の平面
形状は、第２シリコン基板１２にトレンチエッチングを
施すことにより画定される。

【００７８】そのため、エッチングマスクを形成する際
の露光精度やパターニング精度、更にはエッチング精度
等を考慮すると、突出先端部を尖らすことは、加工精度
の点から困難である。そのため、本実施形態では、電極
の突出先端部を、ある程度の幅を持たせた台形形状とす
ることにより、適切に電極の平面形状を加工できるよう
にしている。

【００７９】また、本実施形態では、構成上、従来の平
面長方形である櫛歯状電極に対し、電極の平面形状をテ
ーパ先細形状とするだけであるので、その製造方法は、
従来のセンサと変わることなく、周知の半導体製造技術
を適用することができる。

【００８０】また、本実施形態におけるテーパ先細形状
である櫛歯状電極２４、３１、３２の剛性が、従来の平
面長方形である櫛歯状電極と同等で良いならば、テーパ
先細形状の効果によって、本実施形態の電極を、従来に
比べて長くして検出間隔４０における容量値を大きくす
ることができる。その場合、感度の向上及び可動部２０
の振動のＱ値低減が可能となり、センサ特性の向上が図
れる。

【００８１】（他の実施形態）なお、上記実施形態で
は、可動電極２４及び固定電極３１、３２の両方におけ
る個々の櫛歯の平面形状を、テーパ先細形状としている
が、個々の櫛歯の平面形状をテーパ先細形状とするの
は、可動電極２４のみか、固定電極３１、３２のみでも
良い。これらの場合でも、電極のたわみによるスティッ
キングを防止することができる。

【００８２】また、本発明は上記半導体加速度センサＳ
１に適用するものに限らず、圧力センサ、ヨーレートセ
ンサなどの容量式の力学量センサにも同様に適用するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る半導体加速度センサの
概略平面図である。

【図２】図１中のＡ−Ａ線に沿った模式的断面図であ
る。

【図３】図１に示すセンサにおける回路手段の具体的な
構成図である。

【図４】図３に示す回路手段の通常動作時での作動説明
に供する信号波形図である。

【図５】図３に示す回路手段の自己診断時での作動説明
に供する信号波形図である。

【図６】従来の一般的な力学量センサの概略平面図であ
る。

【図７】図６中のＢ−Ｂ線に沿った模式的断面図であ
る。

【符号の説明】

１１…第１シリコン基板（基部）、２４…可動電極、３
１…第１の固定電極、３２…第２の固定電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者舩戸祐嗣愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内Ｆターム(参考） 4M112 AA02 BA07 CA42 CA46 CA51 CA53 DA02 EA03 EA06 EA11 FA07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基部（１１）と、この基部に対して力学量の印加に応じて所定方向に変位
可能なように支持された錘部（２０）と、この錘部から突出する櫛歯状の可動電極（２４）と、この可動電極における個々の櫛歯の側面と離間して対向
するように前記基部から突出する櫛歯状の固定電極（３
１、３２）とを備え、力学量が印加されたときの前記錘部の変位に伴う前記可
動電極と前記固定電極との間の容量変化に基づいて、印
加力学量を検出するようにした力学量センサにおいて、前記可動電極及び前記固定電極の少なくとも一方におけ
る個々の櫛歯の平面形状が、根元部側から突出先端部側
に向かってテーパ状に細くなった形状となっていること
を特徴とする力学量センサ。
【請求項２】少なくとも前記可動電極（２４）におけ
る個々の櫛歯の平面形状が、根元部側から突出先端部側
に向かってテーパ状に細くなった形状となっていること
を特徴とする請求項１に記載の力学量センサ。
【請求項３】前記可動電極（２４）及び前記固定電極
（３１、３２）の両方における個々の櫛歯の平面形状
が、根元部側から突出先端部側に向かってテーパ状に細
くなった形状となっていることを特徴とする請求項１ま
たは２に記載の力学量センサ。
【請求項４】前記根元部側から突出先端部側に向かっ
てテーパ状に細くなった形状は、櫛歯の根元部側から突
出先端部側に向かってテーパ状に細くなった台形形状で
あることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つ
に記載の力学量センサ。