JP2004012327A

JP2004012327A - 物理量検出器及び物理量検出器の製造方法

Info

Publication number: JP2004012327A
Application number: JP2002167050A
Authority: JP
Inventors: Yusaku Yoshida; 吉田　勇作
Original assignee: Akashi Corp
Current assignee: Akashi Corp
Priority date: 2002-06-07
Filing date: 2002-06-07
Publication date: 2004-01-15

Abstract

【課題】より測定精度の高い物理量検出器、およびその製造方法を提供する。
【解決手段】物理量検出器（例えば、静電容量型加速度センサ１）を、弾性部２２によって変位自在に支持された可動極板２１と、前記可動極板と対面する位置に配置された固定極板１１、３１とで形成されるキャパシタの静電容量に基づいて被測定体の変位、速度、加速度の何れかの物理量を検出する物理量検出手段（例えば、検出部１００）と、前記物理量検出手段の物理量検出を制御する制御手段（例えば、検出制御部２００）と、前記物理量検出手段の振動数特性及び感度を調整する調整手段（例えば、振動数特性調整部３００）と、を有する実装体と、前記実装体が実装される基盤２と、で構成した。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、加速度、変位、圧力その他の物理量を検出する物理量検出器に関し、特に静電容量差に基づいて物理量を検出する静電容量型の物理量検出器およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、静電容量型の物理量検出器には様々なものが提供されており、例えば、特開平９−２４３６５４号公報に記載された加速度センサが知られている。
かかる加速度センサ１０００は、例えば、図４に示すように、シリコン基盤１００１の下面に、第１のガラス基盤１００２が接合され、シリコン基盤１００１の上面に第２のガラス基盤１００３が接合されている。シリコン基盤１００１はエッチング加工により平面がロ字状に形成された支持枠１００１ａに重り部１００１ｂが梁部１００１ｃを介して片持ち支持されて連結されている。更に、重り部１００１ｂの上下両面と、対向する両ガラス基盤１００２、１００３の対向面との間には、所定の隙間を形成している。これにより、加速度を受けると梁部１００１ｃが撓み、重り部１００１ｂが変位し、前記隙間の距離が変化するようになっている。
【０００３】
そして、重り部１００１ｂの両表面に可動電極１００４が形成され、この可動電極１００４と対向するように、第１のガラス基盤１００２と第２のガラス基盤１００３の内側面にそれぞれ第１の固定電極１００５と第２の固定電極１００６が形成される。従って、重り部１００１ｂが変位して隙間の距離が変化すると、可動電極１００４と第１の固定電極１００５間に第１のキャパシタが形成され、可動電極１００４と第２の固定電極１００６間に第２のキャパシタが形成され、可動電極１００４の移動に伴って第１のキャパシタ及び第２のキャパシタの静電容量も変化する。この静電容量の変化を検出することにより、重り部１００１ｂの変位に基づく加速度を検出することができるようになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の物理量検出器では、製造過程におけるバラツキに起因して測定精度のバラツキが生じていたため、地震測定といった高精度のものが要求される用途に使用することは難しいという問題があった。
【０００５】
上記を鑑み、本発明の課題は、より測定精度の高い物理量検出器、およびその製造方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。なお、括弧の数字は、実施の形態において対応する構成の符号を示す。
請求項１記載の発明は、基板２と、前記基板に実装されるを備え、
前記実装体は、
弾性部２２によって変位自在に支持された可動極板２１と、前記可動極板と対面する位置に配置された固定極板１１、３１とで形成されるキャパシタの静電容量に基づいて被測定体の変位、速度、加速度の何れかの物理量を検出する物理量検出手段（例えば、検出部１００）と、　前記物理量検出手段の物理量検出を制御する制御手段（例えば、検出制御部２００）と、
前記物理量検出手段の振動数特性及び感度を調整する調整手段（例えば、振動数特性調整部３００）と、
を含むことを特徴としている。
【０００７】
請求項１記載の発明によれば、基盤に実装された調整手段によって物理量検出手段の振動数特性及び感度が調整されるので、高精度の振動測定を行うことができる。また、一つの基盤上に物理量検出手段と制御手段と調整手段が実装されるので、高精度で使い勝手のよい物理量検出器を提供することができる。
【０００８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の物理量検出器において、
前記実装体は、前記物理量検出手段の温度を測定する温度測定手段（例えば、温度測定部１６）を含むことを特徴とする。
【０００９】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明と同様の効果が得られることは無論のこと、特に、温度測定手段により温度測定が可能なので、物理量検出器が適正な温度範囲で使用されているかが分かる。
また、例えば、かかる温度結果を温度補正データとして利用することもできる。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の物理量検出器において、
前記実装体は、前記可動極板及び前記固定極板が封止された状態でモールド剤によってパッケージングされていることを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の発明によれば、請求項１又は２に記載の発明と同様の効果が得られることは無論のこと、特に、可動極板及び固定極板が封止された状態でモールド剤によってパッケージングされているので、より安価なパッケージングにより、安定した物理量の検出が可能となる。
即ち、例えば、金属パッケージなどによりパッケージングするよりも、より安価なモールド剤によってパッケージングされるので、コストダウンが図れる。
また、モールド剤により実装体の各面を固定しているので、振動の伝達も良好になり、より高精度な測定が可能となる。
【００１２】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の物理量検出器を製造するための製造方法であって、
前記実装体を基盤上に実装する工程と、
次いで、前記実装体を前記基盤とともにモールド剤によりパッケージングする工程と、
を備えることを特徴とする。
【００１３】
請求項４記載の発明によれば、実装体はモールド剤によってパッケージングされているので、より安価なパッケージングにより、安定した物理量の検出が可能となる。
即ち、例えば、金属パッケージなどによりパッケージング後に真空処理を行う場合に比べて、安価なモールド剤によるパッケージングが可能となって、コストダウンが図れる。
また、モールド剤により実装体の各面を固定しているので、振動の伝達も良好になり、より高精度な測定が可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態にかかる静電容量型加速度センサについて図１〜図３を参照しながら説明する。
静電容量型加速度センサ（物理量検出器）１は、図１に示すように、基盤２と、実装体としての検出部１００と、実装体としての検出制御部２００と、実装体としての振動数特性調整部３００などにより構成されている。
【００１５】
基盤２には、検出部１００と、検出部制御部２００と、振動数特性調整部３００と、を電気的に接続するための配線がプリントされている。また、基盤２には、検出部制御部２００と、振動数特性調整部３００を取り付けるためのパッドやスティック２ａなどが設けられている。
検出部１００は、図２に示す様に、中央に配置されたシリコン基盤１０２と、このシリコン基盤１０２を上下両側から挟む２つのガラス基盤１０１及びガラス基盤１０３と、をそれぞれ陽極接合する事により構成されている。シリコン基盤１０２の大部分は、シリコン製の本体部２０によって構成されており、当該本体部２０には、弾性部２２と、この弾性部２２によって厚さ方向に変位自在に支持された平面視円形の可動極板２１とがエッチングによって一体的に設けられている。
【００１６】
上側のガラス基盤１０１に於いて、可動極板２１と対面する位置には、これと数ミクロンのギャップ（隙間）を確保して、第１の固定極板１１が蒸着やスパッタリング等の方法によって成膜されている。
この第１の固定極板１１は、投影視において可動極板２１及び弾性部２２が占める領域に一致している。この第１の固定極板１１と可動極板２１とにより、第１のキャパシタが形成される。
第１の固定極板１１からは、チタンと白金の合金から成る平面Ｌ字状の第１の検出用電極１２が、シリコン基盤１０２の島４の投影領域に向かって延設されている。
【００１７】
更に、上側のガラス基盤１０１に於いて、第１の固定極板１１の周囲には、貫通孔である穴部１３，１４、１５が所定位置に設けられている。当該各穴部１３，１４は、夫々島４，島５に向かって連通する様配置されている。
また、上側のガラス基盤１０１には、温度測定部１６（図１参照）が形成されている。温度測定部１６は、ガラス基盤１０１の表面に白金、バイメタル、銅−コンスタンタンなどの金属薄膜がスパッタ法や蒸着法によりパタンニングされることにより成膜されている。温度測定部１６では、金属薄膜間の抵抗或いは電圧等を測定することにより温度測定が可能となっている。そして、測定された温度は検出制御部２００に出力され、検出制御部２００により測定データの補正用のデータとして利用されたり、或いはセンサそのものの使用可能な温度であるかの監視データとして利用される。
【００１８】
一方、下側のガラス基盤１０３に於いて、可動極板２１と対面する位置には、これと数ミクロンのギャップを確保して、第２の固定極板３１が蒸着やスパッタリング等の方法によって成膜されている。
この第２の固定極板３１は、投影視において可動極板２１及び弾性部２２が占める領域に一致している。この第２の固定極板３１と可動極板２１とにより、第２のキャパシタが形成される。
第２の固定極板３１からは、チタンと白金の合金から成る平面Ｌ字状の第２の検出用電極３２が、島５の投影領域に向かって延設されている。
【００１９】
また、シリコン基盤１０２に於いて可動極板２１の周囲には、所定位置に電極取出用のシリコン製の島４、５が設けられている。当該各島４、５は、他の島及び本体部２０と接触せぬ様に隔離されて配置されており、従って他の島及び本体部２０とは電気的に絶縁されている。
これ等の内、島４は平面方向からの投影視に於いて穴部１３と重なる位置に配置されており、島５は同じく投影視に於いて穴部１４と重なる位置に配置されている。
【００２０】
ガラス基盤１０１に設けた穴部１３，１４、１５は、金属膜メッキされ、穴部１３，１４、１５の周囲には同金属膜のパッド１３ａ、１４ａ、１５ａが形成される。
パッド１３ａは、第１の固定極板１１と電気的に接続され、パッド１４ａは、第２の固定極板３１と電気的に接続され、パッド１５ａは、本体部２０を介して可動極板２１と電気的に接続される。
また、パッド１３ａ、１４ａ、１５ａは、基盤２のパッド（図示省略）に金線により電気的に接続され、これにより、静電容量型加速度センサ１は、検出制御部２００、振動数特性調整部３００等に電気的に接続される。
また、シリコン基盤１０２の所定位置にはガス吸着剤としてのゲッタＧを受け入れる収容部２３が設けて有る。
この検出部１００を製造する過程に於いては、先ず収容部２３にゲッタＧを収容し、次いで、ガラス基盤１０１、シリコン基盤１０２、及びガラス基盤１０３を陽極接合する。これにより、可動極板２１、各固定極板１１，３１と、ゲッタＧとが密封される。陽極接合時には、板バネを可動極板２１の表面より下側にくぼみを設けて配置したり、可動極板２１にストッパ（図示省略）を設けたり、或いは極板間を等電位にするためショート配線にして、可動極板２１の張り付きを防止する。
【００２１】
次いで、ガラス基盤１０１或いはガラス基盤１０３を介してゲッタＧにＹＡＧレーザを照射する。これにより、ゲッタＧが加熱され活性化されて、当該ゲッタＧは、可動極板２１、各固定極板１１，３１等を取り巻くガス（大気）を吸収する。かくして、可動極板２１、固定極板１１，３１等が真空中に配置されることとなる。ここで、ＹＡＧレーザを用いてゲッタＧを活性化することは、単にゲッタＧを加熱して活性化する場合に比べて、ゲッタＧを局部的に高温にすることができるので、より高い真空度を得ることができる。
尚、このゲッタＧは、一旦ガスを吸収した後に於いては、常温に戻されても当該吸収したガスを放出する事は無い。
【００２２】
検出制御部２００は、センサ駆動用アナログ回路を集積したＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）などにより構成される。検出制御部２００は、検出部１００と接続され、検出部１００から検出された静電容量の値に基づいて、加速度を計算する。また、検出制御部２００は、温度測定部１６からの温度測定結果に基づいて、加速度データの温度補正を行う。
【００２３】
振動数特性調整部３００は、抵抗或いはコンデンサなどにより構成され、検出部１００から検出された検出信号は、この検出制御部２００を介して振動特性調整部３００に出力される。従って、抵抗値或いはコンデンサ容量を調整することによって、検出部１００の振動数特性及び感度の調整ができる。
【００２４】
次いで、上記静電容量型加速度センサ１の製造方法について以下に説明する。
まず、予め、所定位置にワイヤボンディングされた基盤２上に、検出部１００、検出制御部２００、振動数特性調整部３００を含む実装体を各々所定位置に実装し、実装体の各部配線と基盤２上の配線を電気的に接続する。
【００２５】
次いで、図３に示すように、基盤２および実装体の全てを覆うようにモールド剤によって成形して成形体４００を形成する。この際、電源供給および各種信号取り出し用のプリント配線板４０１…の一端を基盤２の各配線部と接続し、他端が成形体４００の外部に突出するようにする。
ここで、モールド剤としては、例えば熱硬化性のエポキシ樹脂を使用する。
【００２６】
以上の如くして構成された静電容量型加速度センサ１による加速度測定の動作は次の通りである。
静電容量型加速度センサ１を被測定物に取り付けた状態に於いて、当該検出部１００に対して外部から加速度が印加されると、当該加速度に起因して、弾性部２２によって平衡位置に支持された可動極板２１が当該弾性部２２に拘束されながら板厚方向に変位する。これにより、第１のキャパシタの静電容量と、第２のキャパシタの静電容量とが相互に増減し、これに伴って両者の容量差が変動する。この容量差により、検出制御部２００は、被測定物の加速度を算出する。このとき、振動数特性調整部３００が検出部１００と検出制御部２００の間に介在することにより、検出部１００の振動数特性及び感度が調整される。
【００２７】
以上の如くして構成され作用する静電容量加速度センサ１によれば、基盤２に実装された振動数特性調整部３００によって検出部１００の振動数特性及び感度が調整されるので、高精度の振動測定を行うことができる。また、一つの基盤２上に検出部１００と検出制御部２００と振動数特性調整部３００が実装されるので、高精度で使い勝手のよい静電容量加速度センサ１を提供することができる。
【００２８】
また、温度測定部１６により温度測定が可能なので、静電容量加速度センサ１が適正な温度範囲で使用されているかが分かる。また、かかる温度結果を温度補正データとして利用されるので、更に高精度の測定を行うことができる。
【００２９】
更に、各実装体はモールド剤によってパッケージングされているので、より安価なパッケージングにより、安定した物理量の検出が可能となる。即ち、例えば、金属パッケージなどによりパッケージング後に真空処理を行う場合に比べて、安価なモールド剤によるパッケージングが可能となって、コストダウンが図れる。
また、モールド剤により実装体の各面を固定しているので、振動の伝達も良好になり、より高精度な測定が可能となる。この場合、静電容量加速度センサ１を基板上に設置する際には底面を接着剤などで固定すると、更に高精度な測定が可能となる。
【００３０】
以上、本発明が適用された静電容量型加速度センサについて説明したが、本発明の技術思想はこれに限られるものではない。例えば、次の事等は本発明と均等であると云うことができる。
【００３１】
例えば、検出制御部２００によって算出された加速度その他の物理量を、赤外線その他の無線にて外部出力する様に構成してもよい。この場合は、検出制御部２００を駆動する為のエネルギ及び検出結果を外部出力するのに必要なエネルギを、外部よりマイクロ波にて供給する様に構成するとよい。この様に構成すれば、リード線Ｌが不要となるのはもとより、狭い箇所や劣悪な環境の箇所等にも当該静電容量型物理量センサ１を設置する事が可能となる。
【００３２】
加速度以外にも、圧力その他の物理量を検出する様に設計変更する事が可能である。この事は、外部からの圧力その他の物理量に起因して可動極板２１が変位する様に構成することで容易に実現できる。
て封止される構成としたが、常圧で封止される構成であってもよい
【００３３】
また、本発明にかかる静電容量型物理量センサ１は、傾斜計にも適用可能である。
【００３４】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、基盤に実装された調整手段によって物理量検出手段の振動数特性及び感度が調整されるので、高精度の振動測定を行うことができる。また、一つの基盤上に物理量検出手段と制御手段と調整手段を実装することで、高精度で使い勝手のよい物理量検出器を提供することができる。
【００３５】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明と同様の効果が得られることは無論のこと、特に、温度測定手段により温度測定が可能なので、物理量検出器が適正な温度範囲で使用されているかが分かる。また、例えば、かかる温度結果を温度補正データとして利用することもできる。
【００３６】
請求項３記載の発明によれば、請求項１又は２に記載の発明と同様の効果が得られることは無論のこと、特に、実装体はモールド剤によってパッケージングされているので、より安価なパッケージングにより、安定した物理量の検出が可能となる。
【００３７】
請求項４記載の発明によれば、実装体はモールド剤によってパッケージングされているので、より安価なパッケージングにより、安定した物理量の検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】静電容量型加速度センサの概略構成を模式的に示す斜視図である。
【図２】静電容量型加速度センサの検出部の構成を模式的に示す分解斜視概略図である。
【図３】図１の静電容量型加速度センサのシールド後の斜視図である。
【図４】従来技術に於ける静電容量型加速度センサを示す断面図である。
【符号の説明】
１　　静電容量型加速度センサ（物理量検出器）
２　　基盤
１１　　第１の固定極板（固定極板）
２０　　本体部
２１　　可動極板（可動極板）
３１　　第２の固定極板（固定極板）
１００　　検出部（物理量検出手段、実装体）
１０１　　ガラス基盤
１０２　　シリコン基盤
１０３　　ガラス基盤
２００　　検出制御部（制御手段、実装体）
３００　　振動数特性調整部（調整手段、実装体）

Claims

基板と、前記基板に実装される実装体と、を備え、
前記実装体は、
弾性部によって変位自在に支持された可動極板と、前記可動極板と対面する位置に配置された固定極板とで形成されるキャパシタの静電容量に基づいて被測定体の変位、速度、加速度の何れかの物理量を検出する物理量検出手段と、　前記物理量検出手段の物理量検出を制御する制御手段と、　前記物理量検出手段の振動数特性及び感度を調整する調整手段と、
を含むことを特徴とする物理量検出器。
請求項１記載の物理量検出器において、
前記実装体は、前記物理量検出手段の温度を測定する温度測定手段を含むことを特徴とする物理量検出器。
請求項１又は２記載の物理量検出器において、
前記実装体は、前記可動極板及び前記固定極板が封止された状態でモールド剤によってパッケージングされていることを特徴とする物理量検出器。
請求項３記載の物理量検出器を製造するための製造方法であって、
前記実装体を基盤上に実装する工程と、
次いで、前記実装体を前記基盤とともにモールド剤によりパッケージングする工程と、
を備えることを特徴とする物理量検出器の製造方法。