JP2006184013A - Acceleration sensor - Google Patents
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Description
本発明は、加速度センサ、特にいわゆる静電容量型の加速度センサに関するものである。 The present invention relates to an acceleration sensor, and more particularly to a so-called capacitance type acceleration sensor.
従来、重りと梁とアンカーとが一体形成されたものからなる振動体と、2つの固定電極とを備えた構造体を同一の半導体基板から作成し、2つの固定電極で重りと梁とを挟み、且つ重りと梁とを支持基板に対して空隙を設けて配置し、さらにアンカーと2つの固定電極とを基板に接合することで加速度による重りの変位を電気的に検出可能とした静電容量型の加速度センサが提供されている(特許文献1参照)。 Conventionally, a structure including a vibrating body formed by integrally forming a weight, a beam, and an anchor and two fixed electrodes is made from the same semiconductor substrate, and the weight and the beam are sandwiched between the two fixed electrodes. In addition, the weight and the beam are arranged with a gap with respect to the support substrate, and the anchor and the two fixed electrodes are joined to the substrate, so that the displacement of the weight due to acceleration can be detected electrically. A type of acceleration sensor is provided (see Patent Document 1).
また本出願人は、図7に示す構造を有した静電容量型の加速度センサを既に提案している(特許文献2参照)。この加速度センサは、ガラス基板よりなる支持基板1の一表面(図7(b)の上面)側に支持基板1から離間して配置された重り部21と、支持基板1の前記一表面側に固着され前記一表面に沿って重り部21を規定方向(図7(a)における左右方向)に変位可能とするばね部22を介して重り部21を支持する一組の支持部23,23と、重り部21の両側において支持基板1の前記一表面側に固着され前記規定方向が厚さ方向となるように列設された複数の薄板状の固定電極24bを有する櫛形状の固定電極部24と、隣り合う固定電極24b,24b間の櫛溝24cに1つずつ入り込み前記規定方向へ変位可能となるように重り部21に設けられた複数の薄板状の可動電極21aとを備えている。すなわち、重り部21の両側では、前記規定方向に沿って固定電極24bと可動電極21aとが交互に並んでおり、前記規定方向において隣り合う固定電極24b,24b間の櫛溝24cに1つの可動電極21aが入り込み且つ前記規定方向において隣り合う可動電極21a,21a間の櫛溝21bに1つの固定電極24bが入り込んでいる。なお、支持基板1の前記一表面側に設けられた重り部21、ばね部22、支持部23、固定電極24b、固定電極部24、可動電極21aは、単結晶のシリコン基板をエッチング加工することによりシリコン基板の一部により形成されている。
The applicant has already proposed a capacitance type acceleration sensor having the structure shown in FIG. 7 (see Patent Document 2). The acceleration sensor includes a
重り部21は、図7(a)の左右方向を前記規定方向として同図における重り部21の中心Oから矢印の向きに変位可能であり、一組の支持部23,23は図7(a)における重り部21の左右両側に形成されている。また、各支持部23,23の表面側にはパッド261,262が形成されている。なお、図7(a)における重り部21の左側の支持部23に形成されたパッド261は図示しない拡散層配線を介して図7(a)における重り部21の上側の各可動電極21aに電気的に接続され、図7(a)における重り部21の右側の支持部23に形成されたパッド262は図示しない拡散層配線を介して図7(a)における重り部21の下側の各可動電極21aに電気的に接続されている。
The
各ばね部22は、平面形状がつづら折れ状に形成されており、図7(a)における右側のばね部22は一端部が重り部21の右上の角部に連続一体に連結され、他端部が重り部21の右側の支持部23に連続一体に連結されている。同様に、図7(a)における左側のばね部22は一端部が重り部21の左下の角部に連続一体に連結され、他端部が重り部21の左側の支持部23に連続一体に連結されている。
Each
また、固定電極部24は、前記規定方向に列設された複数の固定電極24bと、前記規定方向に延長され複数の固定電極24bを連結する連結部24aとで櫛形状の平面形状に形成されており、連結部24a並びに連結部24aの延長方向の一端部から側方へ延設された固定極部24dの表面側にアルミによるパッド263,264が形成されている。ここに、図7(a)における右側の固定極部24dに形成されたパッド263は図示しない拡散層配線を介して図7(a)における重り部21の下側の各固定電極24bと電気的に接続され、図7(a)における左側の固定極部24dに形成されたパッド264は図示しない拡散層配線を介して図7(a)における重り部21の上側の各固定電極24bと電気的に接続されている。なお、固定極部24dは支持部23の近傍まで延設されている。
The
さらに、重り部21やばね部22の表面(図7(b)における上面)側には、ガラス基板よりなる支持基板2が支持基板1と対向して配設されている。この支持基板2は固定極部24dに設けられたパッド261〜264に接合され、各パッド261〜264をワイヤボンディングによって外部の回路と接続するため、パッド261〜264の一部を外部に臨ませる挿通孔3が長手方向の両端部にそれぞれ2つずつ貫設されている。そして、これらのパッド261〜264に電気的に接続された外部の回路において、既定方向への重り部21の変位に応じた固定電極24bと可動電極21aとの間の静電容量値の変化として加速度を検出することができる。尚、図7(a)における25は重り部21の変位量を規制するストッパである。
Further, a
ここで、図7(a)において重り部21の上側に設けられた可動電極21aと下側に設けられた可動電極21aとが、それぞれ図8(a)に示すように固定電極24b,24b間に形成された櫛溝24cの中心線Mから互いに異なる向きにずれて配置されているので、前記規定方向に加速度が作用したときに重り部21の両側で可動電極21aと固定電極24bとの間の静電容量値の変化が異なることとなるから、加速度の向きを検出することが可能である。すなわち、図8(a)における上側の固定電極24bと可動電極21aとの間の静電容量をC1、下側の固定電極24bと可動電極21aとの間の静電容量をC2とすれば、図8(b)に示す等価回路で表され、加速度が作用していない状態では2つの静電容量C1,C2の容量値がほぼ等しいことからその代数和が略ゼロとなるが、例えば、図8(a)の矢印で示すように図中左向きの加速度が作用すると上側の固定電極24bと可動電極21aとの距離が狭まるために静電容量値C1が増加し、且つ下側の固定電極24bと可動電極21aとの距離が拡がるために静電容量値C2が減少し、しかも、2つの静電容量値C1,C2の増加分ΔCg1と減少分ΔCg2が等しくなるから(ΔCg1=ΔCg2)、結局、図中左向きの加速度が作用したときの2つの静電容量値C1,C2の代数和が2×ΔCgとなり、静電容量値の変化分の絶対値ΔCgと符号(この場合はプラス)とから加速度の大きさと向きを同時に検出することができるのである(図8(c)参照)。
ところで、上述のように加速度が作用したときの静電容量の変化に基づいて加速度の大きさや向きを検出する処理は、加速度センサの外部において信号処理回路により行われる。この種の信号処理回路は通常集積回路(IC)で構成され、加速度センサの近傍に配置されてワイヤを介して加速度センサの各パッド261〜264と電気的に接続される。このとき、信号処理回路とパッド261〜264を接続する配線(ワイヤ)の長さは、配線の寄生容量による検出誤差を抑制するためにできるだけ短く且つ各パッド261〜264間で等距離にすることが望ましい。しかしながら、上記従来例においては4つのパッド261〜264が長手方向の両端部に2つずつ配置されているため、それぞれの配線長(ワイヤ長)を短く且つ等しくすることが困難であった。 By the way, the processing for detecting the magnitude and direction of acceleration based on the change in capacitance when acceleration acts as described above is performed by a signal processing circuit outside the acceleration sensor. This type of signal processing circuit is usually composed of an integrated circuit (IC), and is disposed in the vicinity of the acceleration sensor and is electrically connected to the pads 26 1 to 26 4 of the acceleration sensor via wires. At this time, the length of wiring for connecting the signal processing circuit and the pad 26 1-26 4 (wire) is equal as short as possible and between the pads 26 1-26 4 in order to suppress the detection error due to the parasitic capacitance of the wiring It is desirable to use a distance. However, in the above-described conventional example, two pads 26 1 to 26 4 are disposed at both ends in the longitudinal direction, so it is difficult to make each wiring length (wire length) short and equal. .
本発明は上記事情に鑑みて為されたものであり、その目的は、外部への信号を取り出すための配線の長さを短く且つ略等しくすることで配線の寄生容量による検出誤差の影響を抑制できる加速度センサを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to suppress the influence of detection errors due to parasitic capacitance of wiring by shortening and substantially equalizing the length of wiring for extracting signals to the outside. An object of the present invention is to provide an acceleration sensor that can be used.
請求項1の発明は、前記目的を達成するために、支持基板と、支持基板の一表面側において支持基板から離間して配置された重り部と、支持基板の前記一表面側に固着され前記一表面に沿って重り部を規定方向に変位可能とするばね部を介して重り部を支持する少なくとも一組の支持部と、重り部の側方において支持基板の前記一表面側に固着され前記規定方向が厚さ方向となるように列設された複数の薄板状の固定電極を有する櫛形状の固定電極部と、隣り合う固定電極間の櫛溝に1つずつ入り込み前記規定方向へ変位可能となるように重り部に設けられた複数の薄板状の可動電極とを備え、加速度を前記規定方向への重り部の変位に応じた固定電極と可動電極との間の静電容量値の変化として検出する加速度センサであって、固定電極に電気的に接続されるとともに外部への配線が接続される固定電極用パッドが固定電極部の表面に設けられ、可動電極に電気的に接続されるとともに外部への配線が接続される可動電極用パッドが支持部に設けられるとともに、固定電極用パッドと可動電極用パッドの少なくとも一部が、支持基板の前記一表面と並行する面において支持基板の一辺側に並置されてなることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is fixed to the one surface side of the support substrate, the weight portion disposed away from the support substrate on one surface side of the support substrate, and the one surface side of the support substrate. At least one set of support portions that support the weight portion via a spring portion that allows the weight portion to be displaced in a specified direction along one surface, and is fixed to the one surface side of the support substrate on the side of the weight portion. A comb-shaped fixed electrode portion having a plurality of thin plate-like fixed electrodes arranged in a line so that the specified direction is the thickness direction, and can be displaced in the specified direction one by one in a comb groove between adjacent fixed electrodes A plurality of thin plate-like movable electrodes provided in the weight portion so that the acceleration changes in the capacitance value between the fixed electrode and the movable electrode according to the displacement of the weight portion in the specified direction. Acceleration sensor that detects as a fixed electrode Fixed electrode pads are provided on the surface of the fixed electrode portion to be electrically connected and connected to the external wiring, and are connected to the movable electrode and connected to the external wiring. The pad is provided on the support portion, and at least a part of the fixed electrode pad and the movable electrode pad is juxtaposed on one side of the support substrate in a plane parallel to the one surface of the support substrate. .
請求項2の発明は、請求項1の発明において、重り部、支持部、固定電極部、可動電極を支持基板の前記一表面に沿った方向から囲う枠状に形成されて支持基板の当該一表面側に固定される枠体と、枠体を挟んで支持基板と対向するように枠体を覆う第2の支持基板とを備え、枠体の一表面には第2の支持基板が接合される接合部が全周に渡って形成されることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the weight portion, the support portion, the fixed electrode portion, and the movable electrode are formed in a frame shape surrounding the support substrate from the direction along the one surface. A frame body fixed to the front surface side and a second support substrate that covers the frame body so as to face the support substrate across the frame body, and the second support substrate is bonded to one surface of the frame body The connecting portion is formed over the entire circumference.
請求項3の発明は、請求項2の発明において、前記接合部が固定電極用パッドと一体に形成されることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the joining portion is formed integrally with the fixed electrode pad.
請求項4の発明は、請求項2の発明において、前記接合部が可動電極用パッドと一体に形成されることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the joining portion is formed integrally with the movable electrode pad.
請求項5の発明は、請求項2の発明において、前記枠体が、支持部並びに固定電極部と別体に形成されたことを特徴とする。
The invention of claim 5 is characterized in that, in the invention of
請求項6の発明は、請求項1の発明において、重り部、支持部、固定電極部、可動電極を支持基板の前記一表面に沿った方向から囲う枠状に形成されて支持基板の当該一表面側に固定される枠体と、枠体を挟んで支持基板と対向するように枠体を覆う第2の支持基板とを備え、前記外部への配線を挿通するための挿通孔が第2の支持基板に貫設され、前記固定電極用パッド並びに可動電極用パッドが前記挿通孔の内径よりも内側に設けられることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the weight portion, the support portion, the fixed electrode portion, and the movable electrode are formed in a frame shape surrounding the support substrate from the direction along the one surface, and the one of the support substrates. A frame body fixed to the front surface side and a second support substrate that covers the frame body so as to face the support substrate across the frame body, and the insertion hole for inserting the wiring to the outside is a second The fixed electrode pad and the movable electrode pad are provided on the inner side of the inner diameter of the insertion hole.
請求項7の発明は、請求項6の発明において、前記固定電極用パッド並びに可動電極用パッドの外形が略円形であることを特徴とする。 A seventh aspect of the invention is characterized in that, in the sixth aspect of the invention, the outer shapes of the fixed electrode pad and the movable electrode pad are substantially circular.
請求項8の発明は、請求項5の発明において、前記接合部が外部のグランドに電気的に接続されることを特徴とする。 The invention of claim 8 is characterized in that, in the invention of claim 5, the joint is electrically connected to an external ground.
本発明によれば、外部への配線が接続される固定電極用パッド並びに可動電極用パッドの少なくとも一部が、支持基板の前記一表面と並行する面において支持基板の一辺側に並置されているため、外部への信号を取り出すための配線の長さを短く且つ略等しくすることができ、その結果、配線の寄生容量による検出誤差の影響が抑制できるという効果がある。 According to the present invention, at least a part of the fixed electrode pad and the movable electrode pad to which the wiring to the outside is connected is juxtaposed on one side of the support substrate in a plane parallel to the one surface of the support substrate. Therefore, the length of the wiring for extracting the signal to the outside can be made short and substantially equal, and as a result, the effect of the detection error due to the parasitic capacitance of the wiring can be suppressed.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。但し、以下の各実施形態は、図7に示した従来例と基本的な構成が共通するから、共通の構成要素には同一の符号を付して適宜説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, since each of the following embodiments has the same basic configuration as the conventional example shown in FIG. 7, the same reference numerals are given to common components, and description thereof will be omitted as appropriate.
(実施形態1)
本実施形態は、図1に示すように固定電極用パッド26a,26bと可動電極用パッド26cの少なくとも一部が、支持基板1の一表面と並行する面において支持基板1の一辺側に並置されている点に特徴がある。
(Embodiment 1)
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, at least a part of the fixed
すなわち、一組の支持部231,232のうちで図1(a)における右側の支持部231が図中上下方向の中央に設けられ、この支持部231を前記上下方向から挟むようにして一対の固定極部24dが設けられており、矩形平板状の支持基板1における一辺(図1(a)における右辺)側において固定極部24dの表面側に形成された固定電極用パッド26a,26bの端部と、支持部231の表面側に形成された可動電極用パッド26cとが前記上下方向に沿って一列に並置されている。
That is, of the pair of
また、図1(a)における左側の支持部232の表面側には、固定電極用パッド26a,26bや可動電極用パッド26cと同様にアルミからなる接合部27が形成され、固定電極用パッド26a,26bと接合部27にガラス基板よりなる支持基板2が接合される。尚、図1(a)における支持基板2の右側の端部には、固定電極用パッド26a,26b並びに可動電極用パッド26cの一部を外部に臨ませる挿通孔3が貫設されている(図1(b)参照)。そして、加速度が作用したときの静電容量の変化に基づいて加速度の大きさや向きを検出するための信号処理回路と固定電極用パッド26a,26b並びに可動電極用パッド26cとが挿通孔3を通してワイヤボンディングにより電気的に接続される。
Further, on the surface side of the
而して、本実施形態では、支持基板1における一辺側において固定極部24dの表面側に形成された固定電極用パッド26a,26bの端部と、支持部231の表面側に形成された可動電極用パッド26cとが図1(a)における上下方向に沿って一列に並置されているから、4つのパッド261〜264が支持基板1における2つの辺に各2つずつ分けて並置されていた従来例と比較して、信号処理回路との間の配線(ワイヤ)の長さを短くし且つ3本の配線をほぼ同じ長さにできるから、配線の寄生容量を減少させるとともに各配線間で寄生容量を相殺させることが可能となり、配線の寄生容量による検出誤差の影響が抑制できるものである。
Thus, in the present embodiment, the fixed
(実施形態2)
本実施形態は、図2に示すように重り部21、ばね部22、支持部231,232、固定電極部24、ストッパ25、可動電極21aなどを支持基板1の表面に沿った方向(図2(a)における上下方向および左右方向)から囲う矩形枠状に形成されて支持基板1の当該一表面側に固定される枠体28を備え、この枠体28の表面(図2(b)における上面)に支持基板2が接合される点に特徴がある。但し、基本的な構成は実施形態1と共通であるから、共通の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
(Embodiment 2)
In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the
枠体28は縦横の外形寸法が支持基板1,2とほぼ同一である矩形枠状であって、単結晶のシリコン基板をエッチング加工することにより重り部21やばね部22などと同時に当該シリコン基板の一部によって形成される。また、枠体28には図2(a)における下側の固定極部24dが連続一体に形成され、さらに枠体28の表面には支持基板2を接合するためのアルミからなる接合部29が固定極部24dの固定電極用パッド26bと連続一体に形成されている。
The
したがって、接合部29において枠体28の表面に支持基板2を接合すれば、2枚の支持基板1,2と枠体28によって重り部21、ばね部22、支持部231,232、固定電極部24、ストッパ25、可動電極21aなどが全て覆われるため、微小な塵や異物等が内部に侵入することがなく、かかる異物等によって重り部21の変位が阻害されるなどの不具合を防ぐことができて信頼性が向上するものである。
Therefore, if the
(実施形態3)
本実施形態の基本構成は実施形態2と共通であるから、共通の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
(Embodiment 3)
Since the basic configuration of the present embodiment is the same as that of the second embodiment, the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
本実施形態が実施形態2と異なる点は、図3に示すように一組の支持部23が枠体28と一体に形成されるとともに、枠体28表面の接合部29が支持部23表面の可動電極用パッド26cと一体に形成された点にある。
As shown in FIG. 3, the present embodiment is different from the second embodiment in that a pair of
而して、支持部23と枠体28が一体に形成され、さらにそれらの表面に形成される可動電極用パッド26c並びに接合部29もまた一体に形成されているため、図3(a)における上下方向の中心線(A−A線)に対して固定電極用パッド26a,26b並びに可動電極用パッド26cが線対称となり、固定電極用パッド26a,26b並びに可動電極用パッド26cを含めた固定電極24bと可動電極21aの間の静電容量値C1,C2が略同一(C1≒C2)となるから、配線の寄生容量による影響をさらに低減することができる。
Thus, since the
(実施形態4)
本実施形態の基本構成は実施形態2と共通であるから、共通の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
(Embodiment 4)
Since the basic configuration of the present embodiment is the same as that of the second embodiment, the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
本実施形態が実施形態2と異なる点は、図4に示すように枠体28が固定極部24d並びに一組の支持部231,232と別体に形成された点にある。すなわち、枠体28は固定極部24d並びに支持部231,232の何れとも繋がっておらず、よって枠体23表面の接合部29も固定電極用パッド26a,26bおよび可動電極用パッド26cの何れとも電気的に絶縁されている。但し、枠体28の四隅のうちの一つ(図4(a)における右上の隅)には内側に突出する台部28aが設けられ、この台部28aの表面には接合部29と一体に形成されたグランド用パッド30が形成され、支持基板2に設けられた挿通孔3を通してグランド用パッド30が外部のグランドとワイヤボンディングにより電気的に接続されるようになっている。
This embodiment is different from the second embodiment in that the
而して、固定極部24dや支持部231,232と枠体28が別体に形成されているため、固定電極24bや可動電極21a並びに固定電極用パッド26a,26bや可動電極用パッド26cが枠体28の内側に密閉されて外部に露出しないため、水分や湿気などの外乱に対するセンサの特性を安定させることができる。しかも、支持基板2を接合する接合部29を外部のグランドに接続すれば接合部29によって固定電極24bや可動電極21aなどがシールドされることになり、耐ノイズ性が向上するという利点もある。
Thus, since the fixed
ところで、枠体28と支持基板2をアルミからなる接合部29で接合する場合、アルミの熱膨張率が枠体28を構成するシリコン基板や支持基板2を構成するガラスの熱膨張率よりもかなり大きな値であるため、温度変化によるオフセットが生じてセンサの温度特性が劣化する虞がある。
By the way, when the
そこで、図5に示すように枠体28の表面にアルミからなる接合部29を形成せずに枠体28と支持基板2とを陽極接合で接合すれば、アルミからなる接合部29が不要となって温度特性の向上が図れる。このとき、固定電極用パッド26a,26b並びに可動電極用パッド26cを支持基板2の挿通孔3の内径よりも内側に設け、アルミからなる固定電極用パッド26a,26b並びに可動電極用パッド26cが支持基板2との間に介在しないようにすれば、温度特性のさらなる向上が図れる。尚、図5(a)に示すように固定電極用パッド26a,26b並びに可動電極用パッド26cの外形が挿通孔3の内径よりも小さい矩形に形成されているため、ワイヤボンディングを行う際にパッド26a〜26cの認識が容易になるという利点もある。但し、図6に示すようにこれらのパッド26a〜26cの外形を円形とすれば、矩形の場合に比べて貫通孔3との距離関係に余裕が生じるから、支持基板2に貫設する挿通孔3の内径を小さく且つ挿通孔3同士の間隔も狭くできて全体の小型化が図れるという利点がある。
Therefore, if the
1 支持基板
2 支持基板
21 重り部
21a 可動電極
22 ばね部
231,232 支持部
24 固定電極部
24b 固定電極
24d 固定極部
26a,26b 固定電極用パッド
26c 可動電極用パッド
1 supporting
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