JP2004226362A - 容量式加速度センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】センサ感度を向上した容量式加速度センサを提供すること。
【解決手段】錘部１１側面から延伸しつつ一体に形成された可動電極１０ａ，１０ｂと、当該可動電極１０ａ，１０ｂの検出面に対向する検出面を有する固定電極２０ａ，２０ｂとを備え、当該検出面間の容量変化から加速度を検出する容量式加速度センサ１であって、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂとの間に第一の電圧を印加することにより生じる第一の静電引力Ｆ１により、加速度が印加されない状態の検出面間の距離を狭めた。
これにより、加速度印加時の容量変化が大きくなり、センサ感度が向上される。
【選択図】 図２
【解決手段】錘部１１側面から延伸しつつ一体に形成された可動電極１０ａ，１０ｂと、当該可動電極１０ａ，１０ｂの検出面に対向する検出面を有する固定電極２０ａ，２０ｂとを備え、当該検出面間の容量変化から加速度を検出する容量式加速度センサ１であって、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂとの間に第一の電圧を印加することにより生じる第一の静電引力Ｆ１により、加速度が印加されない状態の検出面間の距離を狭めた。
これにより、加速度印加時の容量変化が大きくなり、センサ感度が向上される。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は容量式加速度センサに関し、特にセンサ感度の向上を図るものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、容量式の加速度センサとして特許文献１に開示されたものがある。
【０００３】
この容量式加速度センサは、図７に示すように、例えば矩形枠からなるばね部１２を介して半導体基板に支持され、検出対象となる加速度の印加に応じて変位する錘部１１と、当該錘部１１の対向する両側面から突出する可動電極１０ａ，１０ｂと、可動電極１０ａ，１０ｂの検出面と対向し半導体基板に片持ち支持された固定電極２０ａ，２０ｂとにより構成される。
【０００４】
ここで、加速度の印加を受けて可動部６の質量部である錘部１１が図７の破線矢印方向に変位したとすると、可動電極１０ａと固定電極２０ａからなる第１検出部３０の検出面間の距離は増加し、可動電極１０ｂと固定電極２０ｂからなる第２検出部３１の検出面間の距離は減少するように、可動電極１０ａ，１０ｂ及び固定電極２０ａ，２０ｂが形成されている。
【０００５】
このとき、互いに対向する可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂとの検出面間には、容量が形成されており、加速度の印加により、検出部３０，３１の容量が夫々変化するので、差動検出回路により印加された加速度を検出することができる。この容量変化は、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂとの検出面間の距離の自乗に反比例する。従って、加速度が印加されない状態において、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂとの検出面間の距離が狭いほど、可動部６の変位に伴う容量変化は大きくなり、センサ感度が向上されることとなる。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−３２６３６５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１で示した容量式加速度センサ１は、加速度が印加されない状態における可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂとの検出面間の距離を、加工精度上の限界（２μｍ程度）までしか狭めることができない。
【０００８】
すなわち、加速度が印加されない状態における可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂの検出面間の距離を、加工精度の限界以上に狭めることにより、センサ感度を向上させることが困難である。
【０００９】
本発明は上記問題点に鑑み、センサ感度を向上した容量式加速度センサを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する為に、請求項１に記載の容量式加速度センサは、ばね部を介して半導体基板に支持され、検出対象となる加速度の印加に応じて変位する錘部と、当該錘部の側面から延伸しつつ一体に形成された可動電極とからなる可動部と、半導体基板に支持される固定部アンカと、当該固定部アンカから延伸しつつ可動電極の検出面に対向する検出面を有する固定電極とからなる固定部とを備えている。そして、加速度の印加により、可動部が可動電極と固定電極との検出面に対して垂直方向に変位したときの、可動電極と固定電極との検出面間の静電容量の変化から加速度を検出する。このとき、加速度が印加されない状態において、可動電極と固定電極との間に第一の電圧を印加することによって生じる第一の静電引力により、可動電極と固定電極との検出面間の距離を狭めたことを特徴とする。
【００１１】
通常、容量式加速度センサは、可動電極と固定電極の対向する検出面の長さに対して両電極の検出面間の距離が短いので、所定の変位量でより大きな容量変化の効果が得られるように、可動電極が可動電極と固定電極との検出面に対して垂直方向に変位する構造を有している。このとき、可動部と固定部との間には、常に所定の電圧が印加されており、可動電極と固定電極の検出面間には静電気力が生じている。しかしながら、加速度が印加されない状態において、この静電引力により、可動部、すなわち可動電極が一方向に偏らないように可動電極と固定電極が形成されている。このような容量式加速度センサにおいては、加速度が印加されない状態において、可動電極と固定電極の検出面間の距離を加工精度の限界よりも狭めることができない。
【００１２】
しかしながら、本発明における容量式加速度センサは、この可動電極と固定電極との間に生じる第一の静電引力を利用することにより、可動電極を固定電極に近づけるものである。これにより、加速度が印加されない状態における可動電極と固定電極との検出面間の距離を狭めることができるので、可動部の変位に伴う容量変化を大きくすることができ、センサ感度を向上できる。
【００１３】
請求項２に記載のように、可動電極は、錘部の対向する２つの側面から延伸しており、可動部が変位した際に、可動電極と固定電極との検出面間の距離の増減方向が、全ての検出面間において等しくなるように、可動電極と固定電極とが設けられると良い。
【００１４】
可動電極と固定電極がこのように設けられると、可動電極と固定電極との間に生じる第一の静電引力によって可動部は変位することができるので、可動電極と固定電極との検出面間の距離を狭めることができる。
【００１５】
請求項３に記載のように、錘部側面から変位方向に沿って延伸する引き込み可動電極と、当該引き込み可動電極の検出面に対向する検出面を有しつつ固定電極と絶縁された引き込み固定電極とを備え、第一の静電引力が作用した状態で、引き込み可動電極と引き込み固定電極との間に第二の電圧を印加することによって第二の静電引力を生じさせ、この第二の静電引力によって可動電極と固定電極との検出面間の距離をさらに狭めることが好ましい。
【００１６】
可動部は可動電極と別に、変位方向に沿って延伸する引き込み可動電極を有しており、固定部は固定電極と別に、引き込み可動電極の検出面に対向する検出面を有しつつ固定電極と絶縁された引き込み固定電極を有している。従って、可動部の引き込み可動電極と、固定部の引き込み固定電極との間に第二の電圧を印加することにより、引き込み可動電極及び引き込み固定電極の検出面間に、第二の静電引力を生じさせることができる。すなわち、静電引力として第一の静電引力が作用した状態で、第二の静電引力を用いることにより、可動電極と固定電極との検出面間の距離をさらに狭めることができる。
【００１７】
請求項４に記載のように、引き込み可動電極は、錘部の対向する２つの側面に設けられても良い。これにより、錘部を挟んだ対向する方向に夫々第二の静電引力を生じさせることができるので、第二の可動部を両方向に移動させることができる。
【００１８】
請求項５に記載のように、第一及び第二の静電引力により、可動電極と固定電極との検出面間の距離を、第一及び第二の静電引力の作用する前の２／３未満とすると良い。
【００１９】
静電引力として可動電極と固定電極との検出面間に生じる第一の静電引力のみを用いた場合、ばね部のばね復元力との釣り合いより、可動電極と固定電極との検出面間の距離は、第一の静電引力が作用する前の２／３未満とすることができない。第一の静電引力は、可動電極と固定電極との検出面間の距離の自乗に反比例するので、可動部の変位に伴って検出面間の距離が狭くなると、第一の静電引力は大きくなる。そして、検出面間の距離を２／３未満とすると、静電引力がばね復元力に勝って、可動電極が固定電極に引き込まれ接触してしまうからである。
【００２０】
しかしながら、第二の静電引力を生じる引き込み可動電極及び引き込み固定電極は、可動部の変位方向に沿って形成されており、引き込み可動電極及び引き込み固定電極の検出面間の距離は、可動部の変位によらず常に一定である。すなわち、引き込み可動電極及び引き込み固定電極の検出面間に生じる第二の静電引力は、可動部の変位に伴って変化せず、引き込み可動電極及び引き込み固定電極の検出面間に印加される第二の電圧の自乗に比例する。
【００２１】
従って、第一の静電引力を小さくし、第二の静電引力を作用させることにより、第一の静電引力のみの場合で限界であった可動電極と固定電極との検出面間の距離よりも更に狭めることができ、第一及び第二の静電引力が作用する前の２／３未満とすることができる。
【００２２】
請求項６に記載のように、加速度の印加に伴って可動部が変位しないように、第二の電圧を調整することによって第二の静電引力を制御し、第二の電圧の変化から、印加された加速度を検出しても良い。
【００２３】
このように、第二の電圧を調整し、第二の静電引力を制御することにより、加速度の印加に伴う可動部の変位を最小限に抑えることができるので、加速度の検出範囲を拡大することができる。
【００２４】
また、加速度の印加に伴う可動部の変位を最小限に抑えることができるので、センサの耐久性を向上できる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態における容量式加速度センサの模式図である。尚、図１（ａ）は、平面図であり、図１（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面における断面図である。尚、図１は、加速度が印加されておらず、可動電極と固定電極との間に電圧印加前の状態を示すものである。
【００２６】
容量式加速度センサ１は、図１（ｂ）に示すように、例えば単結晶シリコンからなる第１半導体層２と第２半導体層３との間に、犠牲層としての例えば酸化シリコンからなる絶縁層４が形成されてなるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板に対して、半導体製造技術を利用した周知のマイクロマシニング技術を用いて、センサ部を形成することにより構成される。
【００２７】
センサ部５は、図１（ａ）に示すように、第２半導体層３から形成された可動部６と一対の固定部７，８から構成されており、可動部６、及び固定部７，８の間には所定の間隙が設けられ、相互に絶縁されている。
【００２８】
可動部６は、可動電極１０ａ，１０ｂ、錘部１１、及びばね部１２から構成されている。
【００２９】
可動電極１０ａ，１０ｂは、加速度が作用する質量部としての錘部１１の両側面から錘部１１の長手方向と直交するように延伸して一体形成され、例えば図１（ａ）で示すように夫々の側面に２本ずつ設けられる。
【００３０】
ばね部１２は、錘部１１の両端に形成されており、錘部１１と第１半導体層２と絶縁層４を介して接続する支持部である可動部アンカ１３とを連結している。また、ばね部１２は、例えば、加速度の印加方向（図１（ａ）の破線矢印方向）に対して垂直方向に貫通孔を有する矩形枠形状を有している。従って、ばね部１２は、加速度の印加方向に沿って変位するばね機能を有しているため、可動部６が図１（ａ）中の破線矢印方向の成分を含む加速度を受けると、錘部１１及び可動電極１０ａ，１０ｂを加速度の印加方向と逆方向に変位させると共に、加速度の消失により元の位置に戻すことができる。
【００３１】
尚、可動電極１０ａ，１０ｂ、錘部１１、及びばね部１２が形成される領域は、第１半導体層２及び絶縁層４が選択的エッチングにより除去され、第２半導体層３の裏面が露出した状態となっている。また、可動部アンカ１３の所定の位置には、後述するＣ−Ｖ変換回路に接続される図示されない可動電極用パッドが連結形成されている。
【００３２】
固定部７，８は、固定電極２０ａ，２０ｂ、及び固定部アンカ２１ａ，２１ｂから構成される。
【００３３】
固定電極２０ａ，２０ｂは、固定部アンカ２１ａ，２１ｂから延伸し、錘部１１の両側面から突出する可動電極１０ａ，１０ｂに対して、夫々所定の検出間隔（間隙）を有し平行した状態で対向配置される。また、固定電極２０ａ，２０ｂは例えば可動電極１０ａ，１０ｂ同様、選択的エッチングにより第２半導体層の裏面が露出し、固定部アンカ２１ａ，２１ｂに片持ち支持されている。
【００３４】
固定部アンカ２１ａ，２１ｂは錘部１１と平行に配置され、絶縁層４を介して第１半導体層２上に固定されており、所定の位置にＣ−Ｖ変換回路に接続される図示されない固定電極用パッドを有している。
【００３５】
ここで、図１（ａ）に示すように、固定電極２０ａ，２０ｂは可動電極１０ａ，１０ｂと同数の片側２本ずつ設けられており、可動電極１０ａと固定電極２０ａとの間で第１検出部３０を、可動電極１０ｂと固定電極２０ｂとの間で第２検出部３１を構成している。尚、本実施の形態において、可動電極１０ａ，１０ｂ、及び固定電極２０ａ，２０ｂの本数が第１検出部３０、及び第２検出部３１において各２本の例を示したが、２本に限定されるものではない。また、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂとの配置、及び検出面間の距離の詳細については後述する。
【００３６】
次に、本実施の形態における容量式加速度センサ１の製造方法の概略を図１（ａ），（ｂ）を用いて説明する。
【００３７】
先ず、第２半導体層３の表面に図示されないシリコン酸化膜を形成し、可動電極用パッド及び固定電極用パッドを形成するためのコンタクトホールを形成する。
【００３８】
コンタクトホール形成後、コンタクトホールに対してＡｌを成膜し、図示されない可動電極用パッド及び固定電極用パッドを形成する。
【００３９】
次いで、可動電極用パッド及び固定電極用パッドを含む第２半導体層３表面に、所定パターンを有するシリコン酸化膜を形成し、当該シリコン酸化膜をマスクとして第２半導体層３表面から絶縁層４表面（第２半導体層３側）までエッチングを行う。また、第１半導体層２の裏面側に、所定パターンのシリコン酸化膜を形成する。
【００４０】
そして、裏面のシリコン酸化膜をマスクにして、アルカリ性の例えばＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）溶液により、ＳＯＩ基板の絶縁層４表面（第１半導体層２側）まで異方性エッチングを行う。続いて、ＨＦ（フッ酸）水溶液により、絶縁層４の除去と、第１及び第２半導体層２，３表面のシリコン酸化膜の除去を行い、図１（ａ），（ｂ）に示す構造を有する容量式加速度センサ１が形成される。
【００４１】
上記のように構成された容量式加速度センサにおいて、可動電極１０ａ，固定電極２０ａからなる第１検出部３０の静電容量の総和をＣＳ１とし、可動電極１０ｂ，固定電極２０ｂからなる第２検出部３１の静電容量の総和をＣＳ２とすると、加速度が印加されていない状態で静電容量の差ΔＣ（＝ＣＳ１−ＣＳ２）が略０となるように、各電極１０ａ，２０ａ、及び１０ｂ，２０ｂが配置されている。質量部である錘部１１が検出方向である矢印方向の加速度を受けると、可動部６が加速度の印加方向とは逆方向に変位する。
【００４２】
従って、第１検出部３０おける静電容量の変化ΔＣＳ１と、第２検出部３１における静電容量の変化ΔＣＳ２との両値の絶対値の和をＣ−Ｖ変換回路にて電圧の変化として検出することで、印加された加速度を検出することができる。尚、第１検出部３０と第２検出部３１の内、一方の容量変化から加速度を検出しても良い。
【００４３】
ここで、本実施の形態における容量式加速度センサ１の特徴である可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂとの検出面間の距離について、図１（ａ）、図２、及び図７を用いて説明する。尚、図２は図１（ａ）に第一の静電引力が作用した状態を示す図であり、図７は従来の容量式加速度センサの一例を示す図である。
【００４４】
通常、容量式加速度センサは、可動電極と固定電極の対向する検出面の長さに対して両電極の検出面間の距離が短いので、所定の変位量でより大きな容量変化の効果が得られるように、可動電極が可動電極と固定電極との検出面に対して垂直方向に変位する構造を有している。
【００４５】
例えば図７に示すように、可動電極１０ａ，１０ｂは、夫々錘部１１の長手方向に対して直交するように錘部１１の対向する側面から延伸している。そして、固定電極２０ａ，２０ｂは、可動電極１０ａ，１０ｂに対して第１検出部３０と第２検出部３１とで逆になるように形成されている。すなわち、加速度の印加により可動部６が変位すると、第１，２検出部３０，３１の内、一方の検出面間は増加し、他方の検出面間は減少するように、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂが形成されている。
【００４６】
このとき、可動電極１０ａ及び固定電極２０ａからなる第１検出部３０の静電容量の総和をＣＳ１とし、可動電極１０ｂ及び固定電極２０ｂからなる第２検出部３０の静電容量の総和をＣＳ２とすると、加速度が印加されていない状態で静電容量の差ΔＣ（＝ＣＳ１−ＣＳ２）は略等しい。
【００４７】
また、可動電極１０ａと固定電極２０ａ間には電圧Ｖ０が、可動電極１０ｂと固定電極２０ｂ間には電圧Ｖ１が印加されている。この印加電圧Ｖ０，Ｖ１は、加速度が印加されていない状態で等しく、可動電極１０ａ，１０ｂは固定電極２０ａ，２０ｂから略等しい静電引力により引かれている。従って、可動電極１０ａ，１０ｂは逆方向に同じ力の静電引力で引かれることとなるので、加速度が印加されない状態において、可動部６は一定の位置に保持される。
【００４８】
ここで、図７に示す容量式加速度センサ１における容量変化は、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂとの検出面間の距離の自乗に反比例する。
従って、加速度が印加されない状態において、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂ検出面間の距離が狭いほど容量変化が大きくなり、センサ感度を向上できる。
【００４９】
しかしながら、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂとの検出面間の距離は、加工精度に限界（通常２μｍ程度）があるため、加工精度の限界よりも狭くすることはできない。すなわち、図７に示されるような従来の容量式加速度センサ１においては、加速度が印加されない状態において、センサ感度の向上に対して効果の大きい検出面間の距離を、加工精度より狭くすることができなかった。
【００５０】
そこで、本実施の形態における容量式加速度センサ１は、図１（ａ）に示すように、第１検出部３０と第２検出部３１において、可動電極１０ａ，１０ｂに対する固定電極２０ａ，２０ｂの配置側を同一とした。すなわち、可動部が変位した際に、第１検出部３０と第２検出部３１の検出面間の距離の増減方向が同じとなるようにした。
【００５１】
加速度が印加されない状態において、可動電極１０ａと固定電極２０ａ間、及び可動電極１０ｂと固定電極２０ｂ間に第一の電圧として所定の電圧Ｖ０，Ｖ１を印加すると、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂの検出面間に夫々静電引力が生じる。この静電引力の総和を第一の静電引力とすると、第一の静電引力によって、可動電極１０ａ，１０ｂは固定電極２０ａ，２０ｂに引き寄せられるので、可動部６が変位し、図２に示すように、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂの検出面間の距離が狭められることとなる。尚、通常はＶ０＝Ｖ１であり、可動電極１０ａと固定電極２０ａ、可動電極１０ｂと固定電極２０ｂとに生じる静電引力は略等しい。
【００５２】
このように、本実施の形態における容量式加速度センサ１は、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂの検出面間に生じる第一の静電引力を利用することにより、加速度が印加されない状態の検出面間の距離を、加工精度の限界よりも狭めることができる。従って、加速度が印加された際の容量変化を大きくすることができるので、センサ感度を向上できる。
【００５３】
しかしながら、本実施の形態のように、第一の静電引力のみを静電引力として可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂの検出面間の距離を狭める場合、次の点に注意する必要がある。
【００５４】
第一の静電引力により可動電極１０ａ，１０ｂを変位させた際、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂの検出面間の距離を狭めた状態で維持するためには、ばね部１２よるばね復元力との力の釣り合いを考える必要がある。
【００５５】
ここで、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂの検出面間に生じる第一の静電引力Ｆ１、ばね部１２に生じるばね復元力Ｆｋは、次式で示すことができる。
【００５６】
【数１】
【００５７】
【数２】
【００５８】
尚、ｎ：可動電極本数、ε０：真空の誘電率、Ｓ：検出面の面積、Ｖ１：第一の電極間電圧（Ｖ０＝Ｖ１）、ｄ：加速度０、電圧０の状態における検出面間の距離、Δｄ：可動電極の変位量、ｋ：全てのばね部１２の合成ばね定数である。
【００５９】
数式１及び数式２より、第一の静電引力Ｆ１とばね復元力Ｆｋの関係を図３に示す。図３は、Δｄ／ｄを横軸にとり、数式１，２をプロットしたものである。
尚、図３における縦軸は、静電引力Ｆ１及びばね復元力Ｆｋを検出面間の距離ｄだけ可動部６を変位するのに必要な力（すなわちｋｄ）で除したものである。従って、縦軸と横軸が１：１の直線がばね復元力を示し、曲線が第一の静電引力Ｆ１を示す。尚、第一の静電引力Ｆ１は、第一の電圧Ｖ１が異なる３例ａ，ｂ，ｃを示し、ａからｃに向かって第一の電圧Ｖ１が大きくなっている。
【００６０】
図３において、第一の電圧Ｖ１が小さい曲線ａで示される第一の静電引力Ｆ１とばね復元力Ｆｋとの釣り合い点は、図３に示す交点ａ１，ａ２の２点が存在する。このとき、交点ａ２は傾きが大きく、可動電極１０ａ，１０ｂの僅かな変位（ずれ）Δｄによって、固定電極２０ａ，２０ｂに引き込まれて接触するか、或いは交点ａ１の釣り合い点まで変位することとなる。従って、実際に加速度の検出使用領域として使用可能なのは、ａ１における釣り合い点である。
【００６１】
このように考えると、曲線の傾きがばね復元力の傾きと等しい点、すなわち、第一の静電引力Ｆ１を示す曲線ｂとばね復元力を示す直線との接点が、実際に加速度の検出使用領域として使用可能な電極変位Δｄ、すなわち可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂの検出面間の距離（ｄ−Δｄ）の限界点となる。ここで、接点については、Ｆ１とＦｋが等しく、且つ、Ｆ１とＦｋを夫々微分したものが等しいという２つの関係式が成り立つ。従って、これらの関係式から、次式で示す値を導き出すことができる。
【００６２】
【数３】
【００６３】
【数４】
【００６４】
数式３で示される第一の電圧Ｖ１をｐｕｌｌ−ｉｎ電圧といい、曲線ｂで示される第一の静電引力Ｆ１はｐｕｌｌ−ｉｎ電圧を印加された状態である。このｐｕｌｌ−ｉｎ電圧を上回る第一の電圧Ｖ１を印加すると、第一の静電引力Ｆ１がばねの復元力Ｆｋを常に上回ることとなり、可動電極１０ａ，１０ｂが固定電極２０ａ，２０ｂに引き込まれ接触することとなる。
【００６５】
そして、このｐｕｌｌ−ｉｎ電圧の印加により生じる第一の静電引力Ｆ１（曲線ｂ）とばね復元力Ｆｋとの力の釣り合い点は、数式４で示される点である。すなわち、第一の静電引力Ｆ１のみでばね復元力Ｆｋに対抗する場合、元の検出面間距離ｄの２／３未満に狭めると、第一の静電引力Ｆ１がばね復元力Ｆｋに勝り、可動電極１０ａ，１０ｂが固定電極２０ａ，２０ｂに引き込まれて接触することとなるので注意が必要である。
【００６６】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態を図４に基づいて説明する。尚、図４は本実施の形態における容量式加速度センサ１の模式的な平面図である。
【００６７】
第２の実施の形態における容量式加速度センサ１は、第１の実施の形態によるものと共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。
【００６８】
第２の実施の形態において、第１の実施の形態と異なる点は、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂの検出面間に生じる第一の静電引力Ｆ１以外に静電引力を生じる部分を設けた点である。
【００６９】
第１の実施形態で示したように、静電引力として可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂとの検出面間に生じる第一の静電引力Ｆ１のみを用いた場合、検出面間の距離は可動部６の変位によって変化する（数式１で示されるように、可動電極１０ａ，１０ｂの変位量Δｄの影響を受ける）ため、加速度０、電圧０の状態における検出面間の距離ｄの２／３以下に狭めることができない。
【００７０】
そこで、本実施の形態における容量式加速度センサ１は、図４（ａ）に示すように、可動部６の一部として、錘部１１の側面から可動部６の変位方向に沿う方向に延伸する引き込み可動電極４０ａを設け、当該引き込み可動電極４０ａの検出面に対向する検出面を有する引き込み固定電極４１ａを有する固定部９ａを設けた。
【００７１】
この引き込み可動電極４０ａと引き込み固定電極４１ａとの間に第二の電圧を印加すると、両電極の検出面間には第二の静電引力Ｆ２が生じることとなる。従って、第一の静電引力Ｆ１が作用した状態で、第二の静電引力Ｆ２を作用させることにより、図４（ｂ）に示すように、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂの検出面間の距離をさらに狭めることができる。
【００７２】
このとき、引き込み可動電極４０ａと引き込み固定電極４１ａの検出面間の距離は、可動部６の変位に寄らず常に一定である。従って、第二の静電引力Ｆ２を用いることにより、第一の静電引力Ｆ１と第二の静電引力Ｆ２の和とばね部１２のばね復元力Ｆｋとの釣り合いとなるので、第一の静電引力Ｆ１を小さくすることができる。すなわち、静電引力における可動部６の変位に伴って変化する可動電極１０ａ，１０ｂの変位量Δｄの影響を小さくすることができる。
【００７３】
従って、本実施の形態における容量式加速度センサ１は、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂの検出面間の距離を、加速度０、電圧０の状態における検出面間の距離ｄの２／３以下に狭めることが可能である。
【００７４】
以上のことを以下に示す式を用いて説明する。引き込み可動電極４０ａと引き込み固定電極４１ａの検出面間に第二の電圧Ｖ２が印加された際に生じる第二の静電引力Ｆ２は、次式で示される。
【００７５】
【数５】
【００７６】
尚、ｎ２：引き込み可動電極４０ａの本数、ｈ２：両電極の検出面の高さ、ｄ２：両電極の検出面間の距離である。
【００７７】
ここで、力の釣り合いを考える。静電引力＝ばね復元力であるので、次式の関係となる。
【００７８】
【数６】Ｆｋ＝Ｆ１＋Ｆ２
上述したように第二の静電引力Ｆ２は、Δｄ／ｄに依存しない（可動部６の変位に伴って検出面間の距離ｄ２が変化しない）ので、ばね復元力Ｆｋから第二の静電引力Ｆ２を減じたものをばね復元力Ｆｋ’として、このばね復元力Ｆｋ’と第一の静電引力Ｆ１との力の釣り合いを考える。
【００７９】
このばね復元力Ｆｋ’と第一の静電引力Ｆ１との関係を図５に示す。尚、第１の実施形態同様、Δｄ／ｄを横軸にとり、縦軸として静電引力Ｆ１及びばね復元力Ｆｋ’を可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂの検出面間の距離ｄだけ可動部６を変位するのに必要な力（すなわちｋｄ）で除したものである。
【００８０】
図５に示されるように、第一の静電引力Ｆ１のみとばね復元力Ｆｋとの釣り合いの限界はΔｄ／ｄが１／３の点である。しかしながら、第二の静電引力Ｆ２を用いることにより、ばね復元力Ｆｋ’が小さくなり、第一の静電引力Ｆ１を小さくできるので、Δｄ／ｄを大きくすることができる。具体的には、第１の実施の形態同様、Ｆｋ’とＦ１との接点を求めることとなるので、Ｆｋ’及びＦ１が等しく、且つ、Ｆｋ’及びＦ１を夫々微分したものが等しいという関係式が成り立つ。この２つの関係式より、接点における可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂ間のｐｕｌｌ−ｉｎ電圧Ｖ２と、可動電極１０ａ，１０ｂの電極変位Δｄ／ｄは、次式で示される。
【００８１】
【数７】
【００８２】
【数８】
【００８３】
数式８を変形すると、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂの検出面間の距離（ｄ−Δｄ）は、次式で示される。
【００８４】
【数９】
【００８５】
従って、本実施の形態における容量式加速度センサ１は、第二の静電引力Ｆ２を生じる引き込み可動電極４０ａと引き込み固定電極４１ａを有することにより、第一の静電引力Ｆ１のみを使用した場合よりも、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂの検出面間の距離（ｄ−Δｄ）を狭くすることができる。
【００８６】
尚、第一の静電引力Ｆ１は、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂの検出面間の容量変化の検出のために０とすることはできない。従って、第二の静電引力Ｆ２は、ばね定数ｋと可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂの検出面間の距離ｄとの積よりも小さい範囲で用いられる。
【００８７】
また、本実施の形態においては、引き込み可動電極４０ａを錘部１１の１つの側面にのみ設ける例を示した。しかしながら、図６に示すように、引き込み可動電極４０ａの形成される側面と対向する側面にも引き込み可動電極４０ｂを形成し、当該引き込み可動電極４０ｂの検出面に対向する検出面を有する引き込み固定電極４１ｂとの間で第二の静電引力Ｆ２を生じさせても良い。これにより、錘部１１を挟んで両方向（図６における錘部１１の上下方向）に第二の静電引力Ｆ２を生じさせることができるので、第二の静電引力Ｆ２によって可動部６を両方向に変位させることができる。
【００８８】
また、図４及び図６に示した容量式加速度センサ１をサーボ制御することにより、印加される加速度を検出しても良い。図４（ｂ）において、例えば加速度が印加され、当該加速度を質量部である錘部１１が受けて、慣性力により可動部６が加速度の印加方向と逆方向に変位したとすると、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂの検出面間の距離が変化する。そして、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂの検出面間の容量が、検出面間の距離に応じて変化する。
【００８９】
この容量変化をＣ−Ｖ変換回路にて電圧の変化として検出し、この電圧変化に応じて引き込み可動電極４０ａと引き込み固定電極４１ａの第二の電圧Ｖ２を調整する。そして、第二の静電引力Ｆ２を変化させて、可動部６を元の釣り合いの位置まで戻す。このときの第二の電圧Ｖ２の変化量から加速度の大きさを求めることができる。
【００９０】
このように、加速度の作用により可動部６が変位しないように、第二の電圧Ｖ２を調整することにより第二の静電引力Ｆ２を制御し、その第二の電圧Ｖ２の変化から加速度を検出することができる。これにより、可動部６の変位を最低限に抑えることができるので、検出できる加速度の範囲を広くすることができる。
【００９１】
また、可動部６の変位を最低限に抑えることができるので、センサの耐久性も向上される。
【００９２】
尚、図４に示すように、錘部１１の１面にのみ引き込み可動電極４０ａを有する場合、錘部１１に対して引き込み可動電極４０ａの非形成側に向かって加速度が印加された場合は、可動部６が引き込み固定電極４１ａの形成側に変位するので、第二の静電引力Ｆ２を弱めることによって可動部６を元の位置に戻すこととなる。しかしながら、図６に示すように、錘部１１の対向する両側面に引き込み可動電極４０ａ，４０ｂを有す場合は、錘部１１が加速度を受けてどちらの引き込み固定電極４１ａ，４１ｂ方向に触れても、少なくとも可動部６の変位方向とは逆の第二の静電引力Ｆ２を利用することにより、可動部６を元の位置に戻すことができる。この場合、常に第二の静電引力Ｆ２によって可動部６を変位させることができるので、より幅広い加速度を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における容量式加速度センサを示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面における断面図である。
【図２】図１（ａ）において、第一の静電引力が作用した状態を示す図である。
【図３】第一の静電引力とばね復元力との関係を示す図である。
【図４】第２の実施の形態における容量式加速度センサを示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）において第一及び第二の静電引力が作用した状態を示す図である。
【図５】第一及び第二の静電引力とばね復元力との関係を示す図である。
【図６】第２の実施の形態における容量式加速度センサの変形例を示す平面図である。
【図７】従来の容量式加速度センサの一例を示す平面図である。
【符号の説明】
１・・・容量式加速度センサ
１０ａ，１０ｂ・・・可動電極
１１・・・錘部
１２・・・ばね部
２０ａ，２０ｂ・・・固定電極
４０ａ，４０ｂ・・・引き込み可動電極
４１ａ，４１ｂ・・・引き込み固定電極
【発明の属する技術分野】
本発明は容量式加速度センサに関し、特にセンサ感度の向上を図るものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、容量式の加速度センサとして特許文献１に開示されたものがある。
【０００３】
この容量式加速度センサは、図７に示すように、例えば矩形枠からなるばね部１２を介して半導体基板に支持され、検出対象となる加速度の印加に応じて変位する錘部１１と、当該錘部１１の対向する両側面から突出する可動電極１０ａ，１０ｂと、可動電極１０ａ，１０ｂの検出面と対向し半導体基板に片持ち支持された固定電極２０ａ，２０ｂとにより構成される。
【０００４】
ここで、加速度の印加を受けて可動部６の質量部である錘部１１が図７の破線矢印方向に変位したとすると、可動電極１０ａと固定電極２０ａからなる第１検出部３０の検出面間の距離は増加し、可動電極１０ｂと固定電極２０ｂからなる第２検出部３１の検出面間の距離は減少するように、可動電極１０ａ，１０ｂ及び固定電極２０ａ，２０ｂが形成されている。
【０００５】
このとき、互いに対向する可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂとの検出面間には、容量が形成されており、加速度の印加により、検出部３０，３１の容量が夫々変化するので、差動検出回路により印加された加速度を検出することができる。この容量変化は、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂとの検出面間の距離の自乗に反比例する。従って、加速度が印加されない状態において、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂとの検出面間の距離が狭いほど、可動部６の変位に伴う容量変化は大きくなり、センサ感度が向上されることとなる。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−３２６３６５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１で示した容量式加速度センサ１は、加速度が印加されない状態における可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂとの検出面間の距離を、加工精度上の限界（２μｍ程度）までしか狭めることができない。
【０００８】
すなわち、加速度が印加されない状態における可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂの検出面間の距離を、加工精度の限界以上に狭めることにより、センサ感度を向上させることが困難である。
【０００９】
本発明は上記問題点に鑑み、センサ感度を向上した容量式加速度センサを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する為に、請求項１に記載の容量式加速度センサは、ばね部を介して半導体基板に支持され、検出対象となる加速度の印加に応じて変位する錘部と、当該錘部の側面から延伸しつつ一体に形成された可動電極とからなる可動部と、半導体基板に支持される固定部アンカと、当該固定部アンカから延伸しつつ可動電極の検出面に対向する検出面を有する固定電極とからなる固定部とを備えている。そして、加速度の印加により、可動部が可動電極と固定電極との検出面に対して垂直方向に変位したときの、可動電極と固定電極との検出面間の静電容量の変化から加速度を検出する。このとき、加速度が印加されない状態において、可動電極と固定電極との間に第一の電圧を印加することによって生じる第一の静電引力により、可動電極と固定電極との検出面間の距離を狭めたことを特徴とする。
【００１１】
通常、容量式加速度センサは、可動電極と固定電極の対向する検出面の長さに対して両電極の検出面間の距離が短いので、所定の変位量でより大きな容量変化の効果が得られるように、可動電極が可動電極と固定電極との検出面に対して垂直方向に変位する構造を有している。このとき、可動部と固定部との間には、常に所定の電圧が印加されており、可動電極と固定電極の検出面間には静電気力が生じている。しかしながら、加速度が印加されない状態において、この静電引力により、可動部、すなわち可動電極が一方向に偏らないように可動電極と固定電極が形成されている。このような容量式加速度センサにおいては、加速度が印加されない状態において、可動電極と固定電極の検出面間の距離を加工精度の限界よりも狭めることができない。
【００１２】
しかしながら、本発明における容量式加速度センサは、この可動電極と固定電極との間に生じる第一の静電引力を利用することにより、可動電極を固定電極に近づけるものである。これにより、加速度が印加されない状態における可動電極と固定電極との検出面間の距離を狭めることができるので、可動部の変位に伴う容量変化を大きくすることができ、センサ感度を向上できる。
【００１３】
請求項２に記載のように、可動電極は、錘部の対向する２つの側面から延伸しており、可動部が変位した際に、可動電極と固定電極との検出面間の距離の増減方向が、全ての検出面間において等しくなるように、可動電極と固定電極とが設けられると良い。
【００１４】
可動電極と固定電極がこのように設けられると、可動電極と固定電極との間に生じる第一の静電引力によって可動部は変位することができるので、可動電極と固定電極との検出面間の距離を狭めることができる。
【００１５】
請求項３に記載のように、錘部側面から変位方向に沿って延伸する引き込み可動電極と、当該引き込み可動電極の検出面に対向する検出面を有しつつ固定電極と絶縁された引き込み固定電極とを備え、第一の静電引力が作用した状態で、引き込み可動電極と引き込み固定電極との間に第二の電圧を印加することによって第二の静電引力を生じさせ、この第二の静電引力によって可動電極と固定電極との検出面間の距離をさらに狭めることが好ましい。
【００１６】
可動部は可動電極と別に、変位方向に沿って延伸する引き込み可動電極を有しており、固定部は固定電極と別に、引き込み可動電極の検出面に対向する検出面を有しつつ固定電極と絶縁された引き込み固定電極を有している。従って、可動部の引き込み可動電極と、固定部の引き込み固定電極との間に第二の電圧を印加することにより、引き込み可動電極及び引き込み固定電極の検出面間に、第二の静電引力を生じさせることができる。すなわち、静電引力として第一の静電引力が作用した状態で、第二の静電引力を用いることにより、可動電極と固定電極との検出面間の距離をさらに狭めることができる。
【００１７】
請求項４に記載のように、引き込み可動電極は、錘部の対向する２つの側面に設けられても良い。これにより、錘部を挟んだ対向する方向に夫々第二の静電引力を生じさせることができるので、第二の可動部を両方向に移動させることができる。
【００１８】
請求項５に記載のように、第一及び第二の静電引力により、可動電極と固定電極との検出面間の距離を、第一及び第二の静電引力の作用する前の２／３未満とすると良い。
【００１９】
静電引力として可動電極と固定電極との検出面間に生じる第一の静電引力のみを用いた場合、ばね部のばね復元力との釣り合いより、可動電極と固定電極との検出面間の距離は、第一の静電引力が作用する前の２／３未満とすることができない。第一の静電引力は、可動電極と固定電極との検出面間の距離の自乗に反比例するので、可動部の変位に伴って検出面間の距離が狭くなると、第一の静電引力は大きくなる。そして、検出面間の距離を２／３未満とすると、静電引力がばね復元力に勝って、可動電極が固定電極に引き込まれ接触してしまうからである。
【００２０】
しかしながら、第二の静電引力を生じる引き込み可動電極及び引き込み固定電極は、可動部の変位方向に沿って形成されており、引き込み可動電極及び引き込み固定電極の検出面間の距離は、可動部の変位によらず常に一定である。すなわち、引き込み可動電極及び引き込み固定電極の検出面間に生じる第二の静電引力は、可動部の変位に伴って変化せず、引き込み可動電極及び引き込み固定電極の検出面間に印加される第二の電圧の自乗に比例する。
【００２１】
従って、第一の静電引力を小さくし、第二の静電引力を作用させることにより、第一の静電引力のみの場合で限界であった可動電極と固定電極との検出面間の距離よりも更に狭めることができ、第一及び第二の静電引力が作用する前の２／３未満とすることができる。
【００２２】
請求項６に記載のように、加速度の印加に伴って可動部が変位しないように、第二の電圧を調整することによって第二の静電引力を制御し、第二の電圧の変化から、印加された加速度を検出しても良い。
【００２３】
このように、第二の電圧を調整し、第二の静電引力を制御することにより、加速度の印加に伴う可動部の変位を最小限に抑えることができるので、加速度の検出範囲を拡大することができる。
【００２４】
また、加速度の印加に伴う可動部の変位を最小限に抑えることができるので、センサの耐久性を向上できる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態における容量式加速度センサの模式図である。尚、図１（ａ）は、平面図であり、図１（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面における断面図である。尚、図１は、加速度が印加されておらず、可動電極と固定電極との間に電圧印加前の状態を示すものである。
【００２６】
容量式加速度センサ１は、図１（ｂ）に示すように、例えば単結晶シリコンからなる第１半導体層２と第２半導体層３との間に、犠牲層としての例えば酸化シリコンからなる絶縁層４が形成されてなるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板に対して、半導体製造技術を利用した周知のマイクロマシニング技術を用いて、センサ部を形成することにより構成される。
【００２７】
センサ部５は、図１（ａ）に示すように、第２半導体層３から形成された可動部６と一対の固定部７，８から構成されており、可動部６、及び固定部７，８の間には所定の間隙が設けられ、相互に絶縁されている。
【００２８】
可動部６は、可動電極１０ａ，１０ｂ、錘部１１、及びばね部１２から構成されている。
【００２９】
可動電極１０ａ，１０ｂは、加速度が作用する質量部としての錘部１１の両側面から錘部１１の長手方向と直交するように延伸して一体形成され、例えば図１（ａ）で示すように夫々の側面に２本ずつ設けられる。
【００３０】
ばね部１２は、錘部１１の両端に形成されており、錘部１１と第１半導体層２と絶縁層４を介して接続する支持部である可動部アンカ１３とを連結している。また、ばね部１２は、例えば、加速度の印加方向（図１（ａ）の破線矢印方向）に対して垂直方向に貫通孔を有する矩形枠形状を有している。従って、ばね部１２は、加速度の印加方向に沿って変位するばね機能を有しているため、可動部６が図１（ａ）中の破線矢印方向の成分を含む加速度を受けると、錘部１１及び可動電極１０ａ，１０ｂを加速度の印加方向と逆方向に変位させると共に、加速度の消失により元の位置に戻すことができる。
【００３１】
尚、可動電極１０ａ，１０ｂ、錘部１１、及びばね部１２が形成される領域は、第１半導体層２及び絶縁層４が選択的エッチングにより除去され、第２半導体層３の裏面が露出した状態となっている。また、可動部アンカ１３の所定の位置には、後述するＣ−Ｖ変換回路に接続される図示されない可動電極用パッドが連結形成されている。
【００３２】
固定部７，８は、固定電極２０ａ，２０ｂ、及び固定部アンカ２１ａ，２１ｂから構成される。
【００３３】
固定電極２０ａ，２０ｂは、固定部アンカ２１ａ，２１ｂから延伸し、錘部１１の両側面から突出する可動電極１０ａ，１０ｂに対して、夫々所定の検出間隔（間隙）を有し平行した状態で対向配置される。また、固定電極２０ａ，２０ｂは例えば可動電極１０ａ，１０ｂ同様、選択的エッチングにより第２半導体層の裏面が露出し、固定部アンカ２１ａ，２１ｂに片持ち支持されている。
【００３４】
固定部アンカ２１ａ，２１ｂは錘部１１と平行に配置され、絶縁層４を介して第１半導体層２上に固定されており、所定の位置にＣ−Ｖ変換回路に接続される図示されない固定電極用パッドを有している。
【００３５】
ここで、図１（ａ）に示すように、固定電極２０ａ，２０ｂは可動電極１０ａ，１０ｂと同数の片側２本ずつ設けられており、可動電極１０ａと固定電極２０ａとの間で第１検出部３０を、可動電極１０ｂと固定電極２０ｂとの間で第２検出部３１を構成している。尚、本実施の形態において、可動電極１０ａ，１０ｂ、及び固定電極２０ａ，２０ｂの本数が第１検出部３０、及び第２検出部３１において各２本の例を示したが、２本に限定されるものではない。また、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂとの配置、及び検出面間の距離の詳細については後述する。
【００３６】
次に、本実施の形態における容量式加速度センサ１の製造方法の概略を図１（ａ），（ｂ）を用いて説明する。
【００３７】
先ず、第２半導体層３の表面に図示されないシリコン酸化膜を形成し、可動電極用パッド及び固定電極用パッドを形成するためのコンタクトホールを形成する。
【００３８】
コンタクトホール形成後、コンタクトホールに対してＡｌを成膜し、図示されない可動電極用パッド及び固定電極用パッドを形成する。
【００３９】
次いで、可動電極用パッド及び固定電極用パッドを含む第２半導体層３表面に、所定パターンを有するシリコン酸化膜を形成し、当該シリコン酸化膜をマスクとして第２半導体層３表面から絶縁層４表面（第２半導体層３側）までエッチングを行う。また、第１半導体層２の裏面側に、所定パターンのシリコン酸化膜を形成する。
【００４０】
そして、裏面のシリコン酸化膜をマスクにして、アルカリ性の例えばＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）溶液により、ＳＯＩ基板の絶縁層４表面（第１半導体層２側）まで異方性エッチングを行う。続いて、ＨＦ（フッ酸）水溶液により、絶縁層４の除去と、第１及び第２半導体層２，３表面のシリコン酸化膜の除去を行い、図１（ａ），（ｂ）に示す構造を有する容量式加速度センサ１が形成される。
【００４１】
上記のように構成された容量式加速度センサにおいて、可動電極１０ａ，固定電極２０ａからなる第１検出部３０の静電容量の総和をＣＳ１とし、可動電極１０ｂ，固定電極２０ｂからなる第２検出部３１の静電容量の総和をＣＳ２とすると、加速度が印加されていない状態で静電容量の差ΔＣ（＝ＣＳ１−ＣＳ２）が略０となるように、各電極１０ａ，２０ａ、及び１０ｂ，２０ｂが配置されている。質量部である錘部１１が検出方向である矢印方向の加速度を受けると、可動部６が加速度の印加方向とは逆方向に変位する。
【００４２】
従って、第１検出部３０おける静電容量の変化ΔＣＳ１と、第２検出部３１における静電容量の変化ΔＣＳ２との両値の絶対値の和をＣ−Ｖ変換回路にて電圧の変化として検出することで、印加された加速度を検出することができる。尚、第１検出部３０と第２検出部３１の内、一方の容量変化から加速度を検出しても良い。
【００４３】
ここで、本実施の形態における容量式加速度センサ１の特徴である可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂとの検出面間の距離について、図１（ａ）、図２、及び図７を用いて説明する。尚、図２は図１（ａ）に第一の静電引力が作用した状態を示す図であり、図７は従来の容量式加速度センサの一例を示す図である。
【００４４】
通常、容量式加速度センサは、可動電極と固定電極の対向する検出面の長さに対して両電極の検出面間の距離が短いので、所定の変位量でより大きな容量変化の効果が得られるように、可動電極が可動電極と固定電極との検出面に対して垂直方向に変位する構造を有している。
【００４５】
例えば図７に示すように、可動電極１０ａ，１０ｂは、夫々錘部１１の長手方向に対して直交するように錘部１１の対向する側面から延伸している。そして、固定電極２０ａ，２０ｂは、可動電極１０ａ，１０ｂに対して第１検出部３０と第２検出部３１とで逆になるように形成されている。すなわち、加速度の印加により可動部６が変位すると、第１，２検出部３０，３１の内、一方の検出面間は増加し、他方の検出面間は減少するように、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂが形成されている。
【００４６】
このとき、可動電極１０ａ及び固定電極２０ａからなる第１検出部３０の静電容量の総和をＣＳ１とし、可動電極１０ｂ及び固定電極２０ｂからなる第２検出部３０の静電容量の総和をＣＳ２とすると、加速度が印加されていない状態で静電容量の差ΔＣ（＝ＣＳ１−ＣＳ２）は略等しい。
【００４７】
また、可動電極１０ａと固定電極２０ａ間には電圧Ｖ０が、可動電極１０ｂと固定電極２０ｂ間には電圧Ｖ１が印加されている。この印加電圧Ｖ０，Ｖ１は、加速度が印加されていない状態で等しく、可動電極１０ａ，１０ｂは固定電極２０ａ，２０ｂから略等しい静電引力により引かれている。従って、可動電極１０ａ，１０ｂは逆方向に同じ力の静電引力で引かれることとなるので、加速度が印加されない状態において、可動部６は一定の位置に保持される。
【００４８】
ここで、図７に示す容量式加速度センサ１における容量変化は、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂとの検出面間の距離の自乗に反比例する。
従って、加速度が印加されない状態において、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂ検出面間の距離が狭いほど容量変化が大きくなり、センサ感度を向上できる。
【００４９】
しかしながら、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂとの検出面間の距離は、加工精度に限界（通常２μｍ程度）があるため、加工精度の限界よりも狭くすることはできない。すなわち、図７に示されるような従来の容量式加速度センサ１においては、加速度が印加されない状態において、センサ感度の向上に対して効果の大きい検出面間の距離を、加工精度より狭くすることができなかった。
【００５０】
そこで、本実施の形態における容量式加速度センサ１は、図１（ａ）に示すように、第１検出部３０と第２検出部３１において、可動電極１０ａ，１０ｂに対する固定電極２０ａ，２０ｂの配置側を同一とした。すなわち、可動部が変位した際に、第１検出部３０と第２検出部３１の検出面間の距離の増減方向が同じとなるようにした。
【００５１】
加速度が印加されない状態において、可動電極１０ａと固定電極２０ａ間、及び可動電極１０ｂと固定電極２０ｂ間に第一の電圧として所定の電圧Ｖ０，Ｖ１を印加すると、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂの検出面間に夫々静電引力が生じる。この静電引力の総和を第一の静電引力とすると、第一の静電引力によって、可動電極１０ａ，１０ｂは固定電極２０ａ，２０ｂに引き寄せられるので、可動部６が変位し、図２に示すように、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂの検出面間の距離が狭められることとなる。尚、通常はＶ０＝Ｖ１であり、可動電極１０ａと固定電極２０ａ、可動電極１０ｂと固定電極２０ｂとに生じる静電引力は略等しい。
【００５２】
このように、本実施の形態における容量式加速度センサ１は、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂの検出面間に生じる第一の静電引力を利用することにより、加速度が印加されない状態の検出面間の距離を、加工精度の限界よりも狭めることができる。従って、加速度が印加された際の容量変化を大きくすることができるので、センサ感度を向上できる。
【００５３】
しかしながら、本実施の形態のように、第一の静電引力のみを静電引力として可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂの検出面間の距離を狭める場合、次の点に注意する必要がある。
【００５４】
第一の静電引力により可動電極１０ａ，１０ｂを変位させた際、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂの検出面間の距離を狭めた状態で維持するためには、ばね部１２よるばね復元力との力の釣り合いを考える必要がある。
【００５５】
ここで、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂの検出面間に生じる第一の静電引力Ｆ１、ばね部１２に生じるばね復元力Ｆｋは、次式で示すことができる。
【００５６】
【数１】
【数２】
尚、ｎ：可動電極本数、ε０：真空の誘電率、Ｓ：検出面の面積、Ｖ１：第一の電極間電圧（Ｖ０＝Ｖ１）、ｄ：加速度０、電圧０の状態における検出面間の距離、Δｄ：可動電極の変位量、ｋ：全てのばね部１２の合成ばね定数である。
【００５９】
数式１及び数式２より、第一の静電引力Ｆ１とばね復元力Ｆｋの関係を図３に示す。図３は、Δｄ／ｄを横軸にとり、数式１，２をプロットしたものである。
尚、図３における縦軸は、静電引力Ｆ１及びばね復元力Ｆｋを検出面間の距離ｄだけ可動部６を変位するのに必要な力（すなわちｋｄ）で除したものである。従って、縦軸と横軸が１：１の直線がばね復元力を示し、曲線が第一の静電引力Ｆ１を示す。尚、第一の静電引力Ｆ１は、第一の電圧Ｖ１が異なる３例ａ，ｂ，ｃを示し、ａからｃに向かって第一の電圧Ｖ１が大きくなっている。
【００６０】
図３において、第一の電圧Ｖ１が小さい曲線ａで示される第一の静電引力Ｆ１とばね復元力Ｆｋとの釣り合い点は、図３に示す交点ａ１，ａ２の２点が存在する。このとき、交点ａ２は傾きが大きく、可動電極１０ａ，１０ｂの僅かな変位（ずれ）Δｄによって、固定電極２０ａ，２０ｂに引き込まれて接触するか、或いは交点ａ１の釣り合い点まで変位することとなる。従って、実際に加速度の検出使用領域として使用可能なのは、ａ１における釣り合い点である。
【００６１】
このように考えると、曲線の傾きがばね復元力の傾きと等しい点、すなわち、第一の静電引力Ｆ１を示す曲線ｂとばね復元力を示す直線との接点が、実際に加速度の検出使用領域として使用可能な電極変位Δｄ、すなわち可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂの検出面間の距離（ｄ−Δｄ）の限界点となる。ここで、接点については、Ｆ１とＦｋが等しく、且つ、Ｆ１とＦｋを夫々微分したものが等しいという２つの関係式が成り立つ。従って、これらの関係式から、次式で示す値を導き出すことができる。
【００６２】
【数３】
【数４】
数式３で示される第一の電圧Ｖ１をｐｕｌｌ−ｉｎ電圧といい、曲線ｂで示される第一の静電引力Ｆ１はｐｕｌｌ−ｉｎ電圧を印加された状態である。このｐｕｌｌ−ｉｎ電圧を上回る第一の電圧Ｖ１を印加すると、第一の静電引力Ｆ１がばねの復元力Ｆｋを常に上回ることとなり、可動電極１０ａ，１０ｂが固定電極２０ａ，２０ｂに引き込まれ接触することとなる。
【００６５】
そして、このｐｕｌｌ−ｉｎ電圧の印加により生じる第一の静電引力Ｆ１（曲線ｂ）とばね復元力Ｆｋとの力の釣り合い点は、数式４で示される点である。すなわち、第一の静電引力Ｆ１のみでばね復元力Ｆｋに対抗する場合、元の検出面間距離ｄの２／３未満に狭めると、第一の静電引力Ｆ１がばね復元力Ｆｋに勝り、可動電極１０ａ，１０ｂが固定電極２０ａ，２０ｂに引き込まれて接触することとなるので注意が必要である。
【００６６】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態を図４に基づいて説明する。尚、図４は本実施の形態における容量式加速度センサ１の模式的な平面図である。
【００６７】
第２の実施の形態における容量式加速度センサ１は、第１の実施の形態によるものと共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。
【００６８】
第２の実施の形態において、第１の実施の形態と異なる点は、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂの検出面間に生じる第一の静電引力Ｆ１以外に静電引力を生じる部分を設けた点である。
【００６９】
第１の実施形態で示したように、静電引力として可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂとの検出面間に生じる第一の静電引力Ｆ１のみを用いた場合、検出面間の距離は可動部６の変位によって変化する（数式１で示されるように、可動電極１０ａ，１０ｂの変位量Δｄの影響を受ける）ため、加速度０、電圧０の状態における検出面間の距離ｄの２／３以下に狭めることができない。
【００７０】
そこで、本実施の形態における容量式加速度センサ１は、図４（ａ）に示すように、可動部６の一部として、錘部１１の側面から可動部６の変位方向に沿う方向に延伸する引き込み可動電極４０ａを設け、当該引き込み可動電極４０ａの検出面に対向する検出面を有する引き込み固定電極４１ａを有する固定部９ａを設けた。
【００７１】
この引き込み可動電極４０ａと引き込み固定電極４１ａとの間に第二の電圧を印加すると、両電極の検出面間には第二の静電引力Ｆ２が生じることとなる。従って、第一の静電引力Ｆ１が作用した状態で、第二の静電引力Ｆ２を作用させることにより、図４（ｂ）に示すように、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂの検出面間の距離をさらに狭めることができる。
【００７２】
このとき、引き込み可動電極４０ａと引き込み固定電極４１ａの検出面間の距離は、可動部６の変位に寄らず常に一定である。従って、第二の静電引力Ｆ２を用いることにより、第一の静電引力Ｆ１と第二の静電引力Ｆ２の和とばね部１２のばね復元力Ｆｋとの釣り合いとなるので、第一の静電引力Ｆ１を小さくすることができる。すなわち、静電引力における可動部６の変位に伴って変化する可動電極１０ａ，１０ｂの変位量Δｄの影響を小さくすることができる。
【００７３】
従って、本実施の形態における容量式加速度センサ１は、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂの検出面間の距離を、加速度０、電圧０の状態における検出面間の距離ｄの２／３以下に狭めることが可能である。
【００７４】
以上のことを以下に示す式を用いて説明する。引き込み可動電極４０ａと引き込み固定電極４１ａの検出面間に第二の電圧Ｖ２が印加された際に生じる第二の静電引力Ｆ２は、次式で示される。
【００７５】
【数５】
尚、ｎ２：引き込み可動電極４０ａの本数、ｈ２：両電極の検出面の高さ、ｄ２：両電極の検出面間の距離である。
【００７７】
ここで、力の釣り合いを考える。静電引力＝ばね復元力であるので、次式の関係となる。
【００７８】
【数６】Ｆｋ＝Ｆ１＋Ｆ２
上述したように第二の静電引力Ｆ２は、Δｄ／ｄに依存しない（可動部６の変位に伴って検出面間の距離ｄ２が変化しない）ので、ばね復元力Ｆｋから第二の静電引力Ｆ２を減じたものをばね復元力Ｆｋ’として、このばね復元力Ｆｋ’と第一の静電引力Ｆ１との力の釣り合いを考える。
【００７９】
このばね復元力Ｆｋ’と第一の静電引力Ｆ１との関係を図５に示す。尚、第１の実施形態同様、Δｄ／ｄを横軸にとり、縦軸として静電引力Ｆ１及びばね復元力Ｆｋ’を可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂの検出面間の距離ｄだけ可動部６を変位するのに必要な力（すなわちｋｄ）で除したものである。
【００８０】
図５に示されるように、第一の静電引力Ｆ１のみとばね復元力Ｆｋとの釣り合いの限界はΔｄ／ｄが１／３の点である。しかしながら、第二の静電引力Ｆ２を用いることにより、ばね復元力Ｆｋ’が小さくなり、第一の静電引力Ｆ１を小さくできるので、Δｄ／ｄを大きくすることができる。具体的には、第１の実施の形態同様、Ｆｋ’とＦ１との接点を求めることとなるので、Ｆｋ’及びＦ１が等しく、且つ、Ｆｋ’及びＦ１を夫々微分したものが等しいという関係式が成り立つ。この２つの関係式より、接点における可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂ間のｐｕｌｌ−ｉｎ電圧Ｖ２と、可動電極１０ａ，１０ｂの電極変位Δｄ／ｄは、次式で示される。
【００８１】
【数７】
【数８】
数式８を変形すると、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂの検出面間の距離（ｄ−Δｄ）は、次式で示される。
【００８４】
【数９】
従って、本実施の形態における容量式加速度センサ１は、第二の静電引力Ｆ２を生じる引き込み可動電極４０ａと引き込み固定電極４１ａを有することにより、第一の静電引力Ｆ１のみを使用した場合よりも、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂの検出面間の距離（ｄ−Δｄ）を狭くすることができる。
【００８６】
尚、第一の静電引力Ｆ１は、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂの検出面間の容量変化の検出のために０とすることはできない。従って、第二の静電引力Ｆ２は、ばね定数ｋと可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂの検出面間の距離ｄとの積よりも小さい範囲で用いられる。
【００８７】
また、本実施の形態においては、引き込み可動電極４０ａを錘部１１の１つの側面にのみ設ける例を示した。しかしながら、図６に示すように、引き込み可動電極４０ａの形成される側面と対向する側面にも引き込み可動電極４０ｂを形成し、当該引き込み可動電極４０ｂの検出面に対向する検出面を有する引き込み固定電極４１ｂとの間で第二の静電引力Ｆ２を生じさせても良い。これにより、錘部１１を挟んで両方向（図６における錘部１１の上下方向）に第二の静電引力Ｆ２を生じさせることができるので、第二の静電引力Ｆ２によって可動部６を両方向に変位させることができる。
【００８８】
また、図４及び図６に示した容量式加速度センサ１をサーボ制御することにより、印加される加速度を検出しても良い。図４（ｂ）において、例えば加速度が印加され、当該加速度を質量部である錘部１１が受けて、慣性力により可動部６が加速度の印加方向と逆方向に変位したとすると、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂの検出面間の距離が変化する。そして、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０ａ，２０ｂの検出面間の容量が、検出面間の距離に応じて変化する。
【００８９】
この容量変化をＣ−Ｖ変換回路にて電圧の変化として検出し、この電圧変化に応じて引き込み可動電極４０ａと引き込み固定電極４１ａの第二の電圧Ｖ２を調整する。そして、第二の静電引力Ｆ２を変化させて、可動部６を元の釣り合いの位置まで戻す。このときの第二の電圧Ｖ２の変化量から加速度の大きさを求めることができる。
【００９０】
このように、加速度の作用により可動部６が変位しないように、第二の電圧Ｖ２を調整することにより第二の静電引力Ｆ２を制御し、その第二の電圧Ｖ２の変化から加速度を検出することができる。これにより、可動部６の変位を最低限に抑えることができるので、検出できる加速度の範囲を広くすることができる。
【００９１】
また、可動部６の変位を最低限に抑えることができるので、センサの耐久性も向上される。
【００９２】
尚、図４に示すように、錘部１１の１面にのみ引き込み可動電極４０ａを有する場合、錘部１１に対して引き込み可動電極４０ａの非形成側に向かって加速度が印加された場合は、可動部６が引き込み固定電極４１ａの形成側に変位するので、第二の静電引力Ｆ２を弱めることによって可動部６を元の位置に戻すこととなる。しかしながら、図６に示すように、錘部１１の対向する両側面に引き込み可動電極４０ａ，４０ｂを有す場合は、錘部１１が加速度を受けてどちらの引き込み固定電極４１ａ，４１ｂ方向に触れても、少なくとも可動部６の変位方向とは逆の第二の静電引力Ｆ２を利用することにより、可動部６を元の位置に戻すことができる。この場合、常に第二の静電引力Ｆ２によって可動部６を変位させることができるので、より幅広い加速度を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における容量式加速度センサを示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面における断面図である。
【図２】図１（ａ）において、第一の静電引力が作用した状態を示す図である。
【図３】第一の静電引力とばね復元力との関係を示す図である。
【図４】第２の実施の形態における容量式加速度センサを示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）において第一及び第二の静電引力が作用した状態を示す図である。
【図５】第一及び第二の静電引力とばね復元力との関係を示す図である。
【図６】第２の実施の形態における容量式加速度センサの変形例を示す平面図である。
【図７】従来の容量式加速度センサの一例を示す平面図である。
【符号の説明】
１・・・容量式加速度センサ
１０ａ，１０ｂ・・・可動電極
１１・・・錘部
１２・・・ばね部
２０ａ，２０ｂ・・・固定電極
４０ａ，４０ｂ・・・引き込み可動電極
４１ａ，４１ｂ・・・引き込み固定電極
Claims (6)
- ばね部を介して半導体基板に支持され、検出対象となる加速度の印加に応じて変位する錘部と、当該錘部の側面から延伸しつつ一体に形成された可動電極とからなる可動部と、
前記半導体基板に支持される固定部アンカと、当該固定部アンカから延伸しつつ前記可動電極の検出面と対向する検出面を有する固定電極とからなる固定部とを備え、
前記加速度の印加により、前記可動部が前記可動電極と前記固定電極との検出面に対して垂直方向に変位したときの、前記可動電極と前記固定電極との間の静電容量の変化から前記加速度を検出する容量式加速度センサであって、
前記加速度が印加されない状態で、前記可動電極と前記固定電極との間に第一の電圧を印加することによって生じる第一の静電引力により、前記可動電極と前記固定電極との検出面間の距離を狭めたことを特徴とする容量式加速度センサ。 - 前記可動電極は、前記錘部の対向する２つの側面から延伸しており、前記可動部が変位した際に、前記可動電極と前記固定電極との検出面間の距離の増減方向が全ての検出面間において等しくなるように、前記可動電極と前記固定電極とが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の容量式加速度センサ。
- 前記錘部側面から前記可動部の変位方向に沿って延伸する引き込み可動電極と、当該引き込み可動電極の検出面に対向する検出面を有しつつ前記固定電極と絶縁された引き込み固定電極とを備え、
前記第一の静電引力が作用した状態で、前記引き込み可動電極と前記引き込み固定電極との間に第二の電圧を印加することによって第二の静電引力を生じさせ、この第二の静電引力によって、前記可動電極と前記固定電極との検出面間の距離をさらに狭めたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の容量式加速度センサ。 - 前記引き込み可動電極は、前記錘部の対向する２つの側面に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の容量式加速度センサ。
- 前記第一及び第二の静電引力により、前記可動電極と前記固定電極との検出面間の距離が、前記第一及び第二の静電引力の作用する前の２／３未満となることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の容量式加速度センサ。
- 加速度の印加に伴って前記可動部が変位しないように、前記第二の電圧を調整することによって前記第二の静電引力を制御し、前記第二の電圧の変化から、印加された加速度を検出することを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の容量式加速度センサ。
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|---|---|---|---|---|
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2003
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Effective date: 20071211 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 |