JP2005345206A - 半導体力学量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 基板の表面に直交する方向に加わる力学量を検出する容量式の半導体力学量センサにおいて自己診断を行うことができるようにする。
【解決手段】 コンデンサ構成部Ｅ１，Ｅ２において、梁構造体の可動電極部１３，２３に搬送波電圧が印加されながら加速度の作用により支持基板の表面に直交する方向に変位する際、容量Ｃ１と容量Ｃ２の差が支持基板から第３のコンデンサ構成部Ｅ３を介して取り出される。自己診断時において自己診断用固定コンデンサ構成部Ｅ４の電圧印加用対向電極部４０を第１の電位Ｖ１とするとともに第３のコンデンサ構成部Ｅ３の信号取出用対向電極部３０を第１の電位Ｖ１とは異なる第２の電位（Ｖｃｃ／２）とすることにより第１および第２のコンデンサ構成部Ｅ１，Ｅ２における固定電極である支持基板の電位を強制的に変更させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体力学量センサに関するものである。

特許文献１において自己診断を行うことができる容量式加速度センサが開示されている。このセンサを、図９，１０，１１を用いて説明する。
図９の平面図において基板１００の上に梁構造体１０１が形成され、梁構造体１０１は可動電極１０１ａを有し、基板１００の表面に平行なＹ方向を加速度検出方向として変位可能である。基板１００の上には梁構造体１０１の可動電極１０１ａをＹ方向において挟むように固定電極１０２，１０３が対向して配置されている。そして、加速度の印加により梁構造体１０１の可動電極１０１ａが変位すると、可動電極１０１ａと固定電極１０２との間の容量と、可動電極１０１ａと固定電極１０３との間の容量が差動的に変化する。

このセンサにおいて、図１１に示すように、自己診断時においては容量変化を検出するための期間（フェーズφ１，φ２）と、可動電極１０１ａを変位させるための期間（フェーズφ３）とを有する。そして、周期的に変化する信号を、可動電極１０１ａと固定電極１０２，１０３の間に印加し、容量変化を検出する期間（フェーズφ１，φ２）においては、図１０のＣ−Ｖ変換回路２００により可動電極１０１ａと固定電極１０２，１０３からなる差動容量の変化に応じた電圧を出力する。また、可動電極１０１ａを変位させる期間（図１１のフェーズφ３）においては、図１０のＣ−Ｖ変換回路２００における演算増幅器２０１の非反転入力端子に印加する電圧をＶｃｃ／２から自己診断電圧Ｖ１に切り換えて、可動電極１０１ａに擬似的な加速度を与える。

この自己診断時の作動について図１０を参照して詳しく説明する。
自己診断時においては、制御回路３００に自己診断信号ＴＥＳＴが入力される。そして、制御回路３００は、図１１に示す信号を出力し、第３の期間φ３において、スイッチ信号Ｓ３をハイレベルにし、スイッチ信号Ｓ３（バー）をローレベルにする。その結果、第３の期間φ３において、スイッチ４００ｂが閉じ、スイッチ４００ａが開くため、演算増幅器２０１の非反転入力端子には自己診断電圧Ｖ１が印加される。このとき、スイッチ２０２が閉じているため、演算増幅器２０１はボルテージフォロワとなり、可動電極１０１ａと固定電極１０２の間にはＶ１という電位差が生じ、可動電極１０１ａと固定電極１０３の間にはＶｃｃ−Ｖ１という電位差が生じるため、可動電極１０１ａと固定電極１０２，１０３とのそれぞれの間に、相反する静電気力が生じることとなり、各々の静電気力の差の力により可動電極１０１ａを変位させようとする力が生じることとなる。

この静電気力は、図１１の搬送波信号Ｐ１，Ｐ２の周波数を可動電極１０１ａの検出方向の共振周波数より十分高い周波数（例えば、２倍以上の周波数）に設定しておけば、可動電極１０１ａの共振周波数より十分高い周波数で発生することになるため、あたかもＤＣ的な加速度が可動電極１０１ａに生じた状態となる。このときの可動電極１０１ａのＤＣ的な変位を容量の変化として検出することにより、自己診断を行うことができる。
特開２０００−８１４４９号公報

しかし、図９のように基板表面に水平なＹ方向を検出方向とするのではなく基板の表面に直交するＺ方向を検出方向としたセンサにおいては以下のような不具合がある。図１２に示すようにＳＯＩ基板５００（シリコン基板５０１の上にシリコン酸化膜５０２を介して薄膜シリコン層５０３を配した基板）を用いて、シリコン基板５０１を共通の電極として、第１のコンデンサ構成部Ｅ１１と第２のコンデンサ構成部Ｅ１２と第３のコンデンサ構成部Ｅ１３とが構成されている。第１のコンデンサ構成部Ｅ１１において薄膜シリコン層５０３よりなる第１の梁構造体５１０が、第２のコンデンサ構成部Ｅ１２において薄膜シリコン層５０３よりなる第２の梁構造体５１１が、第３のコンデンサ構成部Ｅ１３において薄膜シリコン層５０３よりなる信号取出用対向電極部５１２が、それぞれ区画形成されている。第１の梁構造体５１０の可動電極５１０ａと第２の梁構造体５１１の可動電極５１１ａはＺ軸方向に変位可能であり、かつ、第１の梁構造体５１０の梁の長さＬ１と第２の梁構造体５１１の梁の長さＬ２とは異なっている。そして、支持基板５０１をフローティング状態で用いて、第１のコンデンサ構成部Ｅ１１における可動電極５１０ａと支持基板５０１との間の容量Ｃ１と、第２のコンデンサ構成部Ｅ１２における可動電極５１１ａと支持基板５０１との間の容量Ｃ２の差を、固定コンデンサである第３のコンデンサ構成部Ｅ１３を通して電極部５１２から取り出す。このように支持基板５０１をフローティング状態で用いるＺ軸検出加速度センサの場合、電極５１０ａ，５１１ａには電圧を印加することはできるが、自己診断時に静電気力により可動電極５１０ａ，５１１ａを変位させために支持基板５０１を所望の電位にすることができない（支持基板５０１には直接、自己診断用の電圧を印加することができず、そのために自己診断ができない）。つまり、図１０に代わる図１３に示すように直接、支持基板５０１に自己診断用の電圧を印加することができない。

本発明は、上記問題点に着目してなされたものであり、その目的は、基板の表面に直交する方向に加わる力学量を検出する容量式の半導体力学量センサにおいて自己診断を行うことができるようにすることにある。

請求項１に記載の半導体力学量センサによれば、第１のコンデンサ構成部において、可動電極部に搬送波電圧が印加されながら可動電極部が力学量の作用により支持基板の表面に直交する方向に変位して可動電極部と支持基板との間の容量が変化する。また、第２のコンデンサ構成部において、可動電極部に搬送波電圧が印加されながら可動電極部が力学量の作用により支持基板の表面に直交する方向に変位して可動電極部と支持基板との間の容量が、第１の梁構造体の可動電極部の変位による容量とは異なる状態で変化し、その容量差が支持基板から取り出される。さらに、容量差は支持基板から第３のコンデンサ構成部の信号取出用対向電極に取り出され、Ｃ−Ｖ変換回路において容量差が電圧信号に変換される。

自己診断時において自己診断用固定コンデンサ構成部の電圧印加用対向電極部を第１の電位とするとともに第３のコンデンサ構成部の信号取出用対向電極部を第１の電位とは異なる第２の電位とすることにより第１および第２のコンデンサ構成部における固定電極である支持基板の電位を強制的に変更して静電気力により第１および第２のコンデンサ構成部の可動電極部を変位させることにより、基板の表面に直交する方向に加わる力学量を検出する容量式の半導体力学量センサにおいて自己診断を行うことができる。

このとき、請求項１に記載の半導体力学量センサにおいて、請求項２に記載のように、自己診断時において自己診断用固定コンデンサ構成部の電圧印加用対向電極部と第３のコンデンサ構成部の信号取出用対向電極部のうちの自己診断用固定コンデンサ構成部の電圧印加用対向電極部の電位を力学量検出時とは変更するようにしても、請求項３に記載のように、自己診断時において自己診断用固定コンデンサ構成部の電圧印加用対向電極部と第３のコンデンサ構成部の信号取出用対向電極部のうちの第３のコンデンサ構成部の信号取出用対向電極部の電位を力学量検出時とは変更するようにしてもよい。

（第１の実施の形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図面に従って説明する。
本実施形態では、差動容量式の半導体加速度センサに具体化している。図１には半導体加速度センサの平面図を示す。また、図２に図１におけるＡ−Ａ線での縦断面を示す。図３に図１におけるＢ−Ｂ線での縦断面を示す。このセンサは、基板の表面に垂直な方向（直交する方向）に加わる加速度を検出するセンサである。

図２に示すように、センサチップとしてＳＯＩ基板１を用いており、単結晶シリコン基板よりなる支持基板２の上に、シリコン酸化膜よりなる絶縁膜３を介して薄膜シリコン層（単結晶シリコン層）４が配置された構造となっている。広義には、ＳＯＩ基板１は積層基板であり、支持基板２は半導体材料よりなり、薄膜シリコン層４は薄膜半導体層よりなる。薄膜シリコン層４は、支持基板２の上に絶縁膜３を介して単結晶シリコン基板を配置した後に薄膜化したものである。支持基板２と絶縁膜３の積層体は四角板状をなしている。

このＳＯＩ基板１により、第１のコンデンサ構成部Ｅ１と第２のコンデンサ構成部Ｅ２と第３のコンデンサ構成部Ｅ３と自己診断用固定コンデンサ構成部Ｅ４が構成されている（ワンチップ化されている）。以下、このコンデンサ構成部Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４について説明していく。

薄膜シリコン層４には貫通孔５が形成され、この貫通孔５により薄膜シリコン層４が所定の形状に区画形成されている。つまり、貫通孔５により、図１のごとく、左右に配した第１および第２の梁構造体１０，２０と、その間に配した信号取出用対向電極部３０と、これら部材（１０，２０，３０）の周囲の枠部４０が区画形成されている。支持基板２を共通の電極として、第１の梁構造体１０を用いて第１のコンデンサ構成部Ｅ１が、第２の梁構造体２０を用いて第２のコンデンサ構成部Ｅ２が、信号取出用対向電極部３０を用いて第３のコンデンサ構成部Ｅ３が、枠部４０を用いて自己診断用固定コンデンサ構成部Ｅ４が、それぞれ構成されている。

第１の梁構造体１０は、アンカー部１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄと梁部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄと可動電極部（重り部）１３からなる。アンカー部１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄは絶縁膜３の上に固定されている。梁部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄと可動電極部（重り部）１３は、図２，３に示すように、絶縁膜３の上において空隙１４を介して配置されている。つまり、アンカー部１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄから梁部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄが延び、梁部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの先端部において可動電極部（重り部）１３が連結支持されている。このようにして４本の卍字梁（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ）を備え、この梁部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄにより可動電極部（重り部）１３が支えられ、可動電極部（重り部）１３は支持基板２に対し空隙１４を介して対向配置されている。

また、図１に示すように、重り部１３には透孔１５が形成され、軽量化が図られている。そして、可動電極部（重り部）１３は支持基板２の表面に直交する方向（上下方向）に可動となっている。図４に示すように、この可動電極部（重り部）１３と支持基板２との間の容量（コンデンサ容量）をＣ１とする。つまり、可動電極部（重り部）１３と支持基板２とが対向電極をなし、両対向電極の間の容量をＣ１とする。

同様に、図１の第２の梁構造体２０は、アンカー部２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄと梁部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄと可動電極部（重り部）２３からなる。アンカー部２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄは絶縁膜３の上に固定されている。梁部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄと可動電極部（重り部）２３は、図２に示すように、絶縁膜３の上において空隙２４を介して配置されている。つまり、アンカー部２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄから梁部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄが延び、梁部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄの先端部において可動電極部（重り部）２３が連結支持されている。このようにして４本の卍字梁（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ）を備え、この梁部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄにより可動電極部（重り部）２３が支えられ、可動電極部（重り部）２３は支持基板２に対し空隙２４を介して対向配置されている。

また、図１に示すように、重り部２３には透孔２５が形成され、軽量化が図られている。そして、可動電極部（重り部）２３は支持基板２の表面に直交する方向（上下方向）に可動となっている。図４に示すように、この可動電極部（重り部）２３と支持基板２との間の容量（コンデンサ容量）をＣ２とする。つまり、可動電極部（重り部）２３と支持基板２とが対向電極をなし、両対向電極の間の容量をＣ２とする。

ここで、梁部１２ａ〜１２ｄ，２２ａ〜２２ｄは、支持基板２の表面に直交する方向（上下方向）に加速度を受けたときに可動電極部（重り部）１３，２３を当該方向へ変位させると共に、加速度の消失に応じて元の状態に復元させるというバネ機能を備えたものである。

また、図１の第１の梁構造体１０における梁部の長さＬ１と第２の梁構造体２０における梁部の長さＬ２との比較において、長さＬ１に比べ長さＬ２が大きくなっている。これにより、加速度が加わったときに第１の梁構造体１０の電極部１３よりも第２の梁構造体２０の電極部２３の方が大きく変位する。このようにして、第１の梁構造体１０と第２の梁構造体２０とは、加速度（力学量）が作用したときの容量変化が異なっている。

図１において、薄膜シリコン層よりなるアンカー部１１ｃの上面にはワイヤボンディング用の電極パッド（アルミパッド）１６が形成されている。同様に、薄膜シリコン層よりなるアンカー部２１ｄの上面にはワイヤボンディング用の電極パッド（アルミパッド）２６が形成されている。

図１の信号取出用対向電極部３０は、方形部３１と帯状部３２からなり、方形部３１からパッド形成用の帯状部３２が延びている。図２に示すように、信号取出用対向電極部３０はその下面に絶縁膜３が接する状態で区画形成されている（信号取出用対向電極部３０がその下に絶縁膜３が存在する状態で区画形成されている）。図４に示すように、信号取出用対向電極部３０と支持基板２との間の容量（コンデンサ容量）をＣ３とする。図１の薄膜シリコン層よりなる帯状部３２の上面にはワイヤボンディング用の電極パッド（アルミパッド）３３が形成されている。そして、図４に示すように、第１のコンデンサ構成部Ｅ１での容量Ｃ１と第２のコンデンサ構成部Ｅ２での容量Ｃ２の差（Ｃ１−Ｃ２）が支持基板２から信号取出用対向電極部３０に取り出されることになる。

また、図１の梁構造体１０，２０および信号取出用対向電極部３０の周囲の枠部４０に関して、この枠部４０を電圧印加用対向電極部として自己診断用固定コンデンサ構成部Ｅ４が構成されている。つまり、自己診断用固定コンデンサ構成部Ｅ４は、薄膜シリコン層４において電圧印加用対向電極部４０がその下面に絶縁膜３が接する状態で区画形成されている（電圧印加用対向電極部４０がその下に絶縁膜３が存在する状態で区画形成されている）。この電圧印加用対向電極部４０（薄膜シリコン層４）の上面にはワイヤボンディング用の電極パッド（アルミパッド）４１が形成されている。自己診断用固定コンデンサ構成部Ｅ４は支持基板２の電位を強制的に変更するためのものである。図４に示すように、電圧印加用対向電極部４０と支持基板２との間の容量をＣ４とする。

半導体加速度センサ（センサチップ）は、次のようにして製造したものである。図５を用いて製造工程を説明する。図５は図１のＢ−Ｂ線での断面をとっている。
まず、図５（ａ）に示すように、ウエハ状のＳＯＩ基板１を用意する。そして、薄膜シリコン層４の上にフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して電極パッド１６，２６，３３，４１（図１参照）を形成する。

続いて、図５（ｂ）に示すように、マスク材７をパターニングし、ドライエッチング装置により異方性ドライエッチングを実行することにより、薄膜シリコン層４に対し絶縁膜（埋込み酸化膜）３に達する貫通孔５および透孔１５，２５を形成する（パターニングする）。さらに、マスク材７を残した状態で、絶縁膜（埋込み酸化膜）３が露出するＳＯＩ基板（ウエハ）１の表面側から、等方性ドライエッチングを施すことにより、図５（ｃ）に示すように、薄膜シリコン層４での絶縁膜（埋込み酸化膜）３と接する部分を除去する。これによって、梁構造体１０の可動電極部（重り部）１３、梁部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄおよび梁構造体２０の可動電極部（重り部）２３、梁部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄが可動になる。そして、マスク材７を除去するとともにダイシングすることにより図１等に示すセンサチップが完成する。

上記のように構成された半導体加速度センサにあっては、基板２の表面に直交する方向（上下方向）の成分を含む加速度が印加されると、可動電極部（重り部）１３，２３が当該方向へ変位するようになる。そして、その加速度に応じた変位量は、可動電極部（重り部）１３，２３の質量と梁部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄの復元力に比例したものとなる。この場合、可動電極部１３と支持基板２の間の第１の容量Ｃ１と、可動電極部２３と支持基板２の間の第２の容量Ｃ２について、図４のごとく支持基板２の電位はフローティング状態であり、同基板２において容量の変化（容量差）が現れる。

なお、上記第１及び第２の容量Ｃ１，Ｃ２は、本例の場合、加速度が印加されていない状態で互いに等しくなるように設定されている。つまり、図１において左右に配置された梁構造体１０，２０において、Ｃ１＝Ｃ２となっている。

図６には回路構成図を示す。図６において、パッド３３にはＣ−Ｖ変換回路（容量変化検出回路）５０が接続されており、Ｃ−Ｖ変換回路５０により静電容量の変化を検出することができる。Ｃ−Ｖ変換回路５０の出力端子には信号処理回路６０が接続されている。また、制御回路７０を具備している。さらに、パッド４１にはスイッチ回路８０が接続されている。

図６においてパッド１６，２６（可動電極部１３，２３）に搬送波信号Ｐ１，Ｐ２が印加される。搬送波信号Ｐ１，Ｐ２はパルス波であり、電圧レベルとして０ボルトとＶｃｃ（例えば５ボルト）をとる。そして、第１のコンデンサ構成部Ｅ１において、可動電極部１３に搬送波電圧（Ｐ１）が印加されながら可動電極部１３が加速度の作用により支持基板２の表面に直交する方向に変位して可動電極部１３と支持基板２との間の容量Ｃ１が変化する。また、第２のコンデンサ構成部Ｅ２において、可動電極部２３に搬送波電圧（Ｐ２）が印加されながら可動電極部２３が加速度の作用により支持基板２の表面に直交する方向に変位して可動電極部２３と支持基板２との間の容量Ｃ２が、第１の梁構造体１０の可動電極部１３の変位による容量とは異なる状態で変化し、その容量差が支持基板２から取り出される。さらに、容量差は支持基板２から第３のコンデンサ構成部Ｅ３の信号取出用対向電極部３０に取り出される。そして、Ｃ−Ｖ変換回路５０および信号処理回路６０を通してセンサ出力信号を得る。この時の出力は、
Ｃ３・（Ｃ１−Ｃ２）・Ｖｃｃ／（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４）／Ｃｆ
となり、加速度により変化する容量（Ｃ１−Ｃ２）に比例した出力を得ることができる。ただし、ＣｆはＣ−Ｖ変換回路５０における帰還容量である。

図６の具体的回路構成を説明していく。Ｃ−Ｖ変換回路５０は、第３のコンデンサ構成部Ｅ３の信号取出用対向電極部３０に取り出された容量差（Ｃ１−Ｃ２）を電圧信号に変換するもので、演算増幅器５１とスイッチ５２と帰還容量（コンデンサ）５３から構成されている。演算増幅器５１の反転入力端子は、パッド３３に接続されており、反転入力端子と出力端子との間には、スイッチ５２および帰還容量（コンデンサ）５３が並列に接続されている。また、演算増幅器５１の非反転入力端子には、Ｖｃｃ／２の電圧が入力される。ここで、Ｖｃｃ／２とは例えば２．５ボルトである。

信号処理回路６０は、サンプルホールド回路６１を具備し、サンプルホールド回路６１は、ボルテージフォロワを構成する演算増幅器６２と、スイッチ６３と、コンデンサ６４により構成されている。サンプルホールド回路６１は、Ｃ−Ｖ変換回路５０の出力電圧をサンプリングして一定期間保持する。サンプルホールド回路６１には増幅回路（ＡＭＰ）６５を介してローパスフィルタ（ＬＰＦ）６６が接続されている。増幅回路６５は、サンプルホールド回路６１の出力電圧を所定の感度まで増幅し、ローパスフィルタ６６は、増幅回路６５の出力電圧から所定の周波数帯域の成分のみを取り出して、加速度検出信号を出力する。

スイッチ回路８０は、パッド４１に、図示しないそれぞれの電圧源からＶｃｃ／２の電圧とＶ１の電圧のいずれかを印加するためのもので、スイッチ８１とスイッチ８２から構成されている。ここで、Ｖｃｃ／２とは例えば２．５ボルトである。また、Ｖ１は、Ｖｃｃ／２より大きな値であり、例えば２．５〜１０ボルトである。スイッチ８１とスイッチ８２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。

制御回路７０は、基準クロックＣＬＫ、自己診断信号ＴＥＳＴに基づいて、パッド１６，２６に印加する振幅Ｖｃｃの搬送波信号Ｐ１，Ｐ２およびスイッチ５２、スイッチ６３、スイッチ８１、スイッチ８２を開閉させるスイッチ信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３（バー），Ｓ３をそれぞれ生成して出力する。それぞれのスイッチは、半導体スイッチ等のスイッチ手段で構成されており、制御回路７０からのスイッチ信号がハイレベルのとき閉成する。なお、スイッチ信号Ｓ３（バー）は、スイッチ信号Ｓ３を反転した信号である。

上記構成においてその作動を、図７の信号波形図を参照して説明する。
制御回路７０から出力される搬送波信号Ｐ１，Ｐ２は、３つの期間φ１〜φ３でハイレベル（Ｈｉ）とローレベル（Ｌｏ）が変化する一定振幅の矩形波信号となっており、搬送波信号Ｐ２は、搬送波信号Ｐ１に対して電圧レベルが反転した信号となっている。

この実施形態においては、第１，第２の期間φ１，φ２が容量変化を検出するための期間で、φ３が可動電極を変位させるための期間となっている。
図７のｔ１のタイミングまではＴＥＳＴ信号がＬレベルであり、通常動作を行う。この通常動作時の作動について説明する。

第１の期間φ１では、搬送波信号Ｐ１はＨｉ、搬送波信号Ｐ２はＬｏになっている。また、制御回路７０からのスイッチ信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３（バー），Ｓ３により、スイッチ５２は閉、スイッチ６３は開、スイッチ８１は閉、スイッチ８２は開になっている。このことにより、パッド４１にはＶｃｃ／２が印加され、演算増幅器５１の非反転入力端子がＶｃｃ／２の電圧なので、パッド３３にＶｃｃ／２の電圧が印加されるとともに、帰還容量（コンデンサ）５３の電荷が放電される。

この状態において、第１のコンデンサ構成部Ｅ１には、Ｃ１・（Ｖｃｃ−Ｖｘ）の電荷が、第２のコンデンサ構成部Ｅ２には、Ｃ２・Ｖｘの電荷が、第３のコンデンサ構成部Ｅ３には、Ｃ３・Ｖｘの電荷が、それぞれ溜まる。

ここで、Ｖｘは、支持基板２の電位であり、
Ｖｘ＝｛Ｖｃｃ・Ｃ１＋（Ｖｃｃ／２）・Ｃ３｝／（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４）
である。

第２の期間φ２においては、搬送波信号Ｐ１，Ｐ２の電圧レベルが反転（Ｐ１がＬｏ、Ｐ２がＨｉ）し、スイッチ５２が開くとともにスイッチ６３が閉じる。このとき、第３のコンデンサ構成部Ｅ３の電荷の差は、
ΔＱ＝Ｃ３・（Ｃ１−Ｃ２）・Ｖｃｃ／（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４）
となる。

その結果、この電荷が帰還容量（コンデンサ）５３に溜まり、演算増幅器５１の出力端子にΔＱ／Ｃｆ＋Ｖｃｃ／２という電圧が生じ、容量の差（Ｃ１−Ｃ２）に応じた電圧が出力される。この電圧はサンプルホールド回路６１にてサンプルホールドされ、増幅回路６５、ローパスフィルタ６６を介して加速度検出信号として出力される。すなわち、サンプルホールド回路６１は、φ２の期間において演算増幅器５１の出力電圧をサンプリングし、それ以外の期間ではサンプリングした電圧を保持する。そして、このサンプルホールド回路６１からの出力電圧により、増幅回路６５、ローパスフィルタ６６を介して加速度検出信号が出力される。

また、電極を変位させるための期間である第３の期間φ３においては、通常動作時では、スイッチ８１が閉じており、パッド４１にＶｃｃ／２という電圧が印加される。また、スイッチ５２も閉じるため、演算増幅器５１はボルテージフォロワとなり、パッド３３，４１にはＶｃｃ／２という電圧が印加される。この状態では、パッド３３，４１とパッド１６，２６のそれぞれの間には、Ｖｃｃ／２という電位差により、弱い静電気力しか生じ無いため、可動電極部１３，２３を変位させるような静電気力は発生しない。すなわち、後述するような擬似的な加速度を生じさせるような静電気力は発生しない。従って、通常の動作時においては、上記したφ１〜φ３の期間の作動を繰り返し、可動電極部１３，２３が加速度を受けて変位すると、それに応じて加速度検出信号が信号処理回路６０から出力される。

図７のｔ１のタイミングになると、ＴＥＳＴ信号が立ち上がり、自己診断が行われる。この自己診断時の作動について説明する。
この自己診断時においては、制御回路７０は自己診断信号ＴＥＳＴに応答する形で以下の指令信号を出力する。第３の期間φ３において、スイッチ信号Ｓ３をハイレベルにし、スイッチ信号Ｓ３（バー）をローレベルにする。その結果、第３の期間φ３において、スイッチ８２が閉じ、スイッチ８１が開くため、パッド４１（電圧印加用対向電極部４０）にはＶ１の電圧が印加される。

このとき、スイッチ５２が閉じているため、演算増幅器５１はボルテージフォロワとなり、パッド３３（信号取出用対向電極部３０）にはＶｃｃ／２の電圧が印加される。その結果、支持基板電位Ｖｋは、次の式１のように、
Ｖｋ＝
｛Ｖｃｃ・Ｃ２＋（Ｖｃｃ／２）・Ｃ３＋Ｖ１・Ｃ４｝／（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４）
・・・式１
となる。これにより、第１のコンデンサ構成部Ｅ１においてはＶｋが、第２のコンデンサ構成部Ｅ２においてはＶｋ−Ｖｃｃという電位差が生じる。この電位差により可動電極部１３，２３を変位させようとする力が生じることとなる。この静電気力は、搬送波信号Ｐ１，Ｐ２の周波数を可動電極部１３，２３の加速度検出方向の共振周波数より十分高い周波数（例えば、２倍以上の周波数）に設定しておけば、可動電極部１３，２３の共振周波数より十分高い周波数で発生することになるため、あたかもＤＣ的な加速度が可動電極部１３，２３に生じた状態となる。このときの可動電極部１３，２３のＤＣ的な変位を容量の変化として検出することにより、自己診断を行うことができる。具体的には、可動電極部１３，２３が何らかの理由により自由に変位することができない状況に陥った等の不具合を見つけ出すことができる。

このようにして支持基板２（可動しない電極）に対し自己診断電圧を印加して自己診断することができる。つまり、基板の表面に垂直な方向に加わる加速度を検出する半導体加速度センサにおいて、支持基板２の電位をフローティングで可動電極部１３，２３と支持基板２間の容量変化を検出するとともに加速度により容量変化しないキャパシタ（自己診断用固定コンデンサ構成部Ｅ４）に周期的な電圧を印加して自己診断を行うことができる。

以上のように本実施形態は下記の特徴を有している。
自己診断用固定コンデンサ構成部Ｅ４を設けた。この自己診断用固定コンデンサ構成部Ｅ４は、第１、第２、第３のコンデンサ構成部Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３と共にＳＯＩ基板１にワンチップ化され、薄膜シリコン層４において電圧印加用対向電極部４０がその下に絶縁膜３が存在する状態で区画形成されている。そして、自己診断時において自己診断用固定コンデンサ構成部Ｅ４の電圧印加用対向電極部４０を第１の電位Ｖ１とするとともに第３のコンデンサ構成部Ｅ３の信号取出用対向電極部３０を第１の電位Ｖ１とは異なる第２の電位（Ｖｃｃ／２）とすることにより第１および第２のコンデンサ構成部Ｅ１，Ｅ２における固定電極である支持基板２の電位を強制的に変更して静電気力により第１および第２のコンデンサ構成部Ｅ１，Ｅ２の可動電極部１３，２３を変位させるようにした。詳しくは、自己診断時において自己診断用固定コンデンサ構成部Ｅ４の電圧印加用対向電極部４０と第３のコンデンサ構成部Ｅ３の信号取出用対向電極部３０のうちの自己診断用固定コンデンサ構成部Ｅ４の電圧印加用対向電極部４０の電位を加速度検出時とは変更した。これにより、基板の表面に直交する方向に加わる加速度を検出する容量式の半導体加速度センサにおいて自己診断を行うことができる。
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。

図６に代わり本実施形態では図８に示す構成としている。
図８においてパッド４１を接地している。また、Ｃ−Ｖ変換回路５０の演算増幅器５１の非反転入力端子にスイッチ回路８０を接続している。スイッチ回路８０は、演算増幅器５１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Ｖｃｃ／２の電圧とＶ１の電圧のいずれかを入力するもので、スイッチ８１とスイッチ８２から構成されている。スイッチ８１とスイッチ８２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。

そして、自己診断時の第３の期間φ３において、スイッチ信号Ｓ３をハイレベルにし、スイッチ信号Ｓ３（バー）をローレベルにすることにより、スイッチ８２が閉じ、スイッチ８１が開くため、演算増幅器５１の非反転入力端子にはＶ１の電圧が印加される。このとき、スイッチ５２が閉じているため、演算増幅器５１はボルテージフォロワとなり、パッド３３（信号取出用対向電極部３０）には自己診断のためのＶ１の電圧が印加される。

この場合、自己診断における支持基板電位Ｖｋは、次の式２のように、
Ｖｋ＝（Ｖ１・Ｃ３＋Ｖｃｃ・Ｃ２）／（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４）
・・・式２
となる。このとき、図１に示すごとく第３のコンデンサ構成部Ｅ３における電極面積と自己診断用固定コンデンサ構成部Ｅ４における電極面積との比較において第３のコンデンサ構成部Ｅ３の電極面積よりも自己診断用固定コンデンサ構成部Ｅ４の電極面積の方がかなり大きい。この場合には、容量Ｃ４が容量Ｃ３よりもかなり大きくなり、上記式１と式２から、本実施形態の支持基板電位は第１の実施形態の支持基板電位より低い電位となる。

このようにして、自己診断時において自己診断用固定コンデンサ構成部Ｅ４の電圧印加用対向電極部４０と第３のコンデンサ構成部Ｅ３の信号取出用対向電極部３０のうちの第３のコンデンサ構成部Ｅ３の信号取出用対向電極部３０の電位を加速度検出時のＶｃｃ／２とは変更してＶ１（＞Ｖｃｃ／２）にする。これにより、自己診断時において自己診断用固定コンデンサ構成部Ｅ４の電圧印加用対向電極部４０を第１の電位（グランド電位：０ボルト）とするとともに第３のコンデンサ構成部Ｅ３の信号取出用対向電極部３０を第１の電位（グランド電位：０ボルト）とは異なる第２の電位Ｖ１とすることができ、第１および第２のコンデンサ構成部Ｅ１，Ｅ２における固定電極である支持基板２の電位を強制的に変更して静電気力により第１および第２のコンデンサ構成部Ｅ１，Ｅ２の可動電極部１３，２３を変位させることができる。

なお、上記各実施形態においては、第１の梁構造体１０と第２の梁構造体２０とは、梁部の長さＬ１，Ｌ２を変えることにより加速度（力学量）が作用したときの容量変化を異ならせたが、これに代わり以下のようにしてもよい。

・第１の梁構造体１０と第２の梁構造体２０とは、梁部１２ａ〜１２ｄの幅と梁部２２ａ〜２２ｄの幅とを変えることにより加速度（力学量）が作用したときの容量変化を異ならせる。

・第１の梁構造体１０と第２の梁構造体２０とは、可動電極部１３，２３の質量または電極面積を変えることにより加速度（力学量）が作用したときの容量変化を異ならせる。
・第１の梁構造体１０と第２の梁構造体２０とは、支持基板２と薄膜シリコン層４の間の絶縁膜３の材質または厚さを変えることにより加速度（力学量）が作用したときの容量変化を異ならせる。

また、半導体加速度センサの他にも半導体ヨーレイトセンサ等の他の力学量を検出するためのセンサに適用してもよい。
次に、上記実施形態および他の実施形態から把握できる技術的思想を以下に記載する。

（イ）請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体力学量センサにおいて、第１の梁構造体（１０）と第２の梁構造体（２０）とは、梁部（１２ａ〜１２ｄ，２２ａ〜２２ｄ）の長さ（Ｌ１，Ｌ２）を変えることにより力学量が作用したときの容量変化を異ならせたことを特徴とする半導体力学量センサ。

（ロ）請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体力学量センサにおいて、第１の梁構造体（１０）と第２の梁構造体（２０）とは、梁部（１２ａ〜１２ｄ，２２ａ〜２２ｄ）の幅を変えることにより力学量が作用したときの容量変化を異ならせたことを特徴とする半導体力学量センサ。

（ハ）請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体力学量センサにおいて、第１の梁構造体（１０）と第２の梁構造体（２０）とは、可動電極部（１３，２３）の質量または電極面積を変えることにより力学量が作用したときの容量変化を異ならせたことを特徴とする半導体力学量センサ。

（ニ）請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体力学量センサにおいて、第１の梁構造体（１０）と第２の梁構造体（２０）とは、支持基板（２）と薄膜半導体層（４）の間の絶縁膜（３）の材質または厚さを変えることにより力学量が作用したときの容量変化を異ならせたことを特徴とする半導体力学量センサ。

実施の形態における半導体加速度センサの平面図。 図１におけるＡ−Ａ線での縦断面図。 図１におけるＢ−Ｂ線での縦断面図。 電気的構造を説明するための概念図。 （ａ）〜（ｃ）は半導体加速度センサの製造工程を説明するための断面図。 半導体加速度センサの回路構成図。 信号波形図。 第２の実施の形態における半導体加速度センサの回路構成図。 背景技術を説明するための加速度センサの平面図。 背景技術を説明するための加速度センサの回路構成図。 背景技術を説明するための信号波形図。 課題を説明するための加速度センサを示す図。 課題を説明するための加速度センサの回路構成図。

符号の説明

１…ＳＯＩ基板、２…支持基板、３…絶縁膜、４…薄膜シリコン層、１０…第１の梁構造体、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ…アンカー部、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ…梁部、１３…可動電極部、１４…空隙、２０…第２の梁構造体、２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ…アンカー部、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ…梁部、２３…可動電極部、２４…空隙、３０…信号取出用対向電極部、４０…電圧印加用対向電極部、５０…Ｃ−Ｖ変換回路、６０…信号処理回路、７０…制御回路、８０…スイッチ回路、Ｅ１…第１のコンデンサ構成部、Ｅ２…第２のコンデンサ構成部、Ｅ３…第３のコンデンサ構成部、Ｅ４…自己診断用固定コンデンサ構成部。

Claims (3)

1. 半導体材料よりなる支持基板（２）の上に絶縁膜（３）を介して薄膜半導体層（４）を配した積層基板（１）にて構成され、前記薄膜半導体層（４）において第１の梁構造体（１０）が区画形成され、第１の梁構造体（１０）の可動電極部（１３）が前記支持基板（２）に対し空隙（１４）を介して対向配置され、当該可動電極部（１３）に搬送波電圧が印加されながら当該可動電極部（１３）が力学量の作用により支持基板（２）の表面に直交する方向に変位して当該可動電極部（１３）と前記支持基板（２）との間の容量が変化する第１のコンデンサ構成部（Ｅ１）と、
   前記第１のコンデンサ構成部（Ｅ１）と共に前記積層基板（１）にワンチップ化され、前記薄膜半導体層（４）において第２の梁構造体（２０）が区画形成され、第２の梁構造体（２０）の可動電極部（２３）が前記支持基板（２）に対し空隙（２４）を介して対向配置され、当該可動電極部（２３）に搬送波電圧が印加されながら当該可動電極部（２３）が力学量の作用により支持基板（２）の表面に直交する方向に変位して当該可動電極部（２３）と前記支持基板（２）との間の容量が、前記第１の梁構造体（１０）の可動電極部（１３）の変位による容量とは異なる状態で変化し、その容量差が支持基板（２）から取り出される第２のコンデンサ構成部（Ｅ２）と、
   前記第１および第２のコンデンサ構成部（Ｅ１，Ｅ２）と共に前記積層基板（１）にワンチップ化され、前記薄膜半導体層（４）において信号取出用対向電極部（３０）がその下に前記絶縁膜（３）が存在する状態で区画形成され、前記容量差が支持基板（２）から信号取出用対向電極部（３０）に取り出される第３のコンデンサ構成部（Ｅ３）と、
   前記第３のコンデンサ構成部（Ｅ３）の信号取出用対向電極部（３０）に取り出された前記容量差を電圧信号に変換するＣ−Ｖ変換回路（５０）と、
   前記第１、第２、第３のコンデンサ構成部（Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３）と共に前記積層基板（１）にワンチップ化され、前記薄膜半導体層（４）において電圧印加用対向電極部（４０）がその下に前記絶縁膜（３）が存在する状態で区画形成され、前記支持基板（２）の電位を強制的に変更するための自己診断用固定コンデンサ構成部（Ｅ４）と、
   を備え、
   自己診断時において前記自己診断用固定コンデンサ構成部（Ｅ４）の電圧印加用対向電極部（４０）を第１の電位（Ｖ１）とするとともに第３のコンデンサ構成部（Ｅ３）の信号取出用対向電極部（３０）を前記第１の電位（Ｖ１）とは異なる第２の電位（Ｖｃｃ／２）とすることにより前記第１および第２のコンデンサ構成部（Ｅ１，Ｅ２）における固定電極である前記支持基板（２）の電位を強制的に変更して静電気力により第１および第２のコンデンサ構成部（Ｅ１，Ｅ２）の可動電極部（１３，２３）を変位させるようにしたことを特徴とする半導体力学量センサ。
2. 自己診断時において前記自己診断用固定コンデンサ構成部（Ｅ４）の電圧印加用対向電極部（４０）と第３のコンデンサ構成部（Ｅ３）の信号取出用対向電極部（３０）のうちの前記自己診断用固定コンデンサ構成部（Ｅ４）の電圧印加用対向電極部（４０）の電位を力学量検出時とは変更するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の半導体力学量センサ。
3. 自己診断時において前記自己診断用固定コンデンサ構成部（Ｅ４）の電圧印加用対向電極部（４０）と第３のコンデンサ構成部（Ｅ３）の信号取出用対向電極部（３０）のうちの前記第３のコンデンサ構成部（Ｅ３）の信号取出用対向電極部（３０）の電位を力学量検出時とは変更するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の半導体力学量センサ。

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