JP2004226362A - 容量式加速度センサ - Google Patents

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Takao Iwaki
隆雄 岩城
Tetsuo Yoshioka
テツヲ 吉岡
Toshiyuki Morishita
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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

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Vが、可動電極10bと固定電極20b間には電圧Vが印加されている。この印加電圧V,V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V,V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V=V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】
Figure 2004226362
【0057】
【数2】
Figure 2004226362
【0058】
尚、n:可動電極本数、ε:真空の誘電率、S:検出面の面積、V:第一の電極間電圧(V=V)、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V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Vが大きくなっている。
【0060】
図3において、第一の電圧V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a,aの2点が存在する。このとき、交点a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a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、a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】
Figure 2004226362
【0063】
【数4】
Figure 2004226362
【0064】
数式3で示される第一の電圧V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V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V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】
Figure 2004226362
【0076】
尚、n:引き込み可動電極40aの本数、h:両電極の検出面の高さ、d: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d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V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】
Figure 2004226362
【0082】
【数8】
Figure 2004226362
【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】
Figure 2004226362
【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V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V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V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V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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102010031581A1 (de) 2009-07-21 2011-01-27 Denso Corporation, Kariya-City Fabry-Perot-Interferometer und Verfahren zu dessen Herstellung
JP2011196966A (ja) * 2010-03-24 2011-10-06 Hitachi Ltd 慣性センサ
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