JP2007046927A - Acceleration/angular velocity sensor, and manufacturing method therefor - Google Patents

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JP2007046927A JP2005229120A JP2005229120A JP2007046927A JP 2007046927 A JP2007046927 A JP 2007046927A JP 2005229120 A JP2005229120 A JP 2005229120A JP 2005229120 A JP2005229120 A JP 2005229120A JP 2007046927 A JP2007046927 A JP 2007046927A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To secure wiring necessary for detection while maintaining a sealed condition for a weight body. <P>SOLUTION: The weight body 210, a flexible part 220 and a pedestal 230 are formed of a silicon substrate 250, a glass substrate 150 is joined onto an upper face thereof, and a glass substrate 300 is joined onto an under face thereof. A displacement electrode E0 is displaced together with the weight body 210 when the weight body 210 is displaced in response to an acceleration in a sealed space. Fixed electrodes E1-E5 are formed on an under face of the upper substrate 150 to be opposed to the displacement electrode E0, and external electrodes EE1-EE5 are formed on an upper face of the upper substrate 150 to be opposed to the respective fixed electrodes E1-E5. A capacity element is formed of the displacement electrode E0 and the fixed electrodes E1-E5, and another capacity element is formed of the fixed electrodes E1-E5 and the external electrodes EE1-EE5. An electrostatic capacitance value between a terminal T0 and terminals T1-T5 is measured to detect a displacement condition of the weight body 210, and the acting acceleration is detected based thereon. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、加速度・角速度センサおよびその製造方法に関し、特に、加速度や角速度を容量素子を用いて検出するタイプのセンサにおける配線を簡略化する技術に関する。   The present invention relates to an acceleration / angular velocity sensor and a method for manufacturing the same, and more particularly to a technique for simplifying wiring in a sensor of a type that detects acceleration and angular velocity using a capacitive element.

小型で単純な構造を有する加速度センサあるいは角速度センサ(いわゆる慣性センサ)として、静電容量素子を利用したタイプのセンサが実用化されている。これらのタイプのセンサでは、通常、所定の自由度をもって変位可能となるように支持された重錘体を用意し、この重錘体に対して作用する加速度や角速度を、重錘体の変位として検出する機能を有している。変位の検出は、容量素子の静電容量値に基づいて行われる。   As a small acceleration sensor or an angular velocity sensor (so-called inertial sensor) having a simple structure, a sensor using a capacitive element has been put into practical use. In these types of sensors, normally, a weight body supported so as to be displaceable with a predetermined degree of freedom is prepared, and acceleration and angular velocity acting on the weight body are defined as displacement of the weight body. It has a function to detect. The displacement is detected based on the capacitance value of the capacitive element.

たとえば、下記の特許文献1〜3には、重錘体側に形成された変位電極と、この重錘体を収容する収容体側に形成された固定電極とによって容量素子を構成し、この容量素子の静電容量値の変化に基づいて、重錘体の変位を検出し、作用した加速度を電気的に検出することができる加速度センサが開示されている。複数の容量素子を工夫して配置することにより、XYZ三次元座標系における各座標軸方向の変位が独立して検出可能になるため、比較的単純な構成にもかかわらず、多次元加速度センサを実現することが可能になる。   For example, in Patent Documents 1 to 3 below, a capacitive element is configured by a displacement electrode formed on the weight body side and a fixed electrode formed on the housing body side that accommodates the weight body. An acceleration sensor that can detect the displacement of the weight body based on the change in the capacitance value and electrically detect the applied acceleration is disclosed. By disposing a plurality of capacitive elements, displacement in each coordinate axis direction in the XYZ three-dimensional coordinate system can be detected independently, thus realizing a multidimensional acceleration sensor despite a relatively simple configuration. It becomes possible to do.

また、下記の特許文献4には、ほぼ同様の構造体を用いて角速度を検出するセンサが開示されている。角速度の検出は、所定の容量素子に交流信号を供給して、クーロン力により重錘体を運動させ、この運動中の重錘体に対して角速度が作用することにより生じるコリオリ力を、所定の容量素子の静電容量の変化として検出することにより行われる。やはり複数の容量素子を工夫して配置することにより、重錘体に、単振動、円運動、歳差運動など、所定の軌道に沿ったくり返し運動を行わせることができ、かつ、XYZ三次元座標系における所望の座標軸方向の変位が独立して検出可能になるため、比較的単純な構成にもかかわらず、複数の座標軸まわりの角速度を検出可能な多次元角速度センサを実現することが可能になる。更に、下記の特許文献5には、量産効果の高いセンサとして、2枚の絶縁性基板の間に導電性基板を挟んだ三層構造の加速度・角速度センサが開示されている。
特開平4−299227号公報 特開平5−26754号公報 特開平5−215627号公報 特開平10−227644号公報 特開2004−144598号公報
Patent Document 4 below discloses a sensor that detects an angular velocity using a substantially similar structure. The angular velocity is detected by supplying an AC signal to a predetermined capacitive element, moving the weight body by the Coulomb force, and generating a Coriolis force generated by the angular velocity acting on the moving weight body. This is performed by detecting the change in the capacitance of the capacitive element. Also by devising and arranging a plurality of capacitive elements, it is possible to cause the weight body to perform repeated movements along a predetermined trajectory such as simple vibration, circular movement, precession movement, etc., and XYZ three-dimensional Since the displacement in the desired coordinate axis direction in the coordinate system can be detected independently, it is possible to realize a multidimensional angular velocity sensor capable of detecting angular velocities around a plurality of coordinate axes in spite of a relatively simple configuration. Become. Further, Patent Document 5 below discloses a three-layer acceleration / angular velocity sensor in which a conductive substrate is sandwiched between two insulating substrates as a sensor having a high mass production effect.
JP-A-4-299227 Japanese Patent Laid-Open No. 5-26754 JP-A-5-215627 JP-A-10-227644 JP 2004-144598 A

上述したように、静電容量素子を利用した加速度センサや角速度センサは、比較的単純な構成にもかかわらず、多次元成分の加速度や角速度を検出することができる特徴を有しており、半導体基板などを材料に用いることにより、量産化が行われている。しかしながら、容量素子を利用して力の検出や重錘体の駆動が行われるため、容量素子の静電容量値を外部へ電気信号として取り出したり、容量素子に駆動信号を供給するための配線が不可欠になる。このような容量素子に対して配線を行うためには、重錘体を収容している室内の壁部に配線挿通用の貫通孔もしくは隙間を形成しなければならない。   As described above, an acceleration sensor and an angular velocity sensor using a capacitive element have a feature that can detect acceleration and angular velocity of a multidimensional component in spite of a relatively simple configuration. Mass production is performed by using a substrate or the like as a material. However, since the detection of force and the driving of the weight body are performed using the capacitive element, there is no wiring for taking out the capacitance value of the capacitive element to the outside as an electric signal or supplying the driving signal to the capacitive element. Become indispensable. In order to perform wiring with respect to such a capacitive element, it is necessary to form a through hole or a gap for wiring insertion in the wall portion of the room accommodating the weight body.

一方、重錘体を収容した室内は、できるだけ真空に維持しておくのが好ましい。これは、内部に空気が存在すると、重錘体の動きに影響を及ぼす可能性があるためである。特に、角速度センサの場合は、測定時に重錘体を振動させる必要があるが、大気中では、空気の粘性によるダンピング効果の影響を受け、重錘体を安定して振動させることが困難になるので、実用上、重錘体を真空の雰囲気中に収容せざるを得ない。ところが、収容体の壁部に、容量素子に対する配線用の貫通孔もしくは隙間を形成すると、内部を真空に維持することが困難になってくる。これは、配線用の貫通孔もしくは隙間に対する封止が不完全になりやすく、空気漏れが生じやすくなるためである。   On the other hand, it is preferable to keep the chamber containing the weight body as vacuum as possible. This is because the presence of air inside may affect the movement of the weight body. In particular, in the case of an angular velocity sensor, it is necessary to vibrate the weight body at the time of measurement. However, in the atmosphere, it is difficult to stably vibrate the weight body due to the influence of the damping effect due to the viscosity of the air. Therefore, practically, the weight body must be accommodated in a vacuum atmosphere. However, if a wiring through-hole or gap for the capacitive element is formed in the wall portion of the container, it becomes difficult to maintain the inside in a vacuum. This is because sealing with respect to the wiring through-holes or gaps tends to be incomplete and air leakage is likely to occur.

たとえば、前掲の特許文献5に開示されているように、2枚の絶縁性基板の間に導電性基板を挟んだ三層構造のセンサは、半導体製造プロセスを利用した量産が可能になり、コストダウンを図ることができるメリットがあるが、外部への物理的な配線を行うためには、ガラス基板に貫通孔を開けて配線を通す必要がある。このような配線のための貫通孔を設けると、そこから空気漏れが生じやすくなる。   For example, as disclosed in the above-mentioned Patent Document 5, a sensor having a three-layer structure in which a conductive substrate is sandwiched between two insulating substrates can be mass-produced using a semiconductor manufacturing process. Although there is a merit that it can be reduced, in order to perform physical wiring to the outside, it is necessary to open a through hole in the glass substrate and let the wiring pass. Providing a through hole for such wiring tends to cause air leakage.

そこで本発明は、重錘体を収容した室内の封止状態を維持しつつ、この重錘体の変位検出や駆動に必要な容量素子に対する配線を確保することが可能な加速度・角速度センサを提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention provides an acceleration / angular velocity sensor capable of securing wiring for a capacitive element necessary for detecting or driving the weight body while maintaining the sealed state of the room containing the weight body. The purpose is to do.

(1) 本発明の第1の態様は、重錘体と、この重錘体を収容する収容体と、変位可能な態様で重錘体を収容体内に支持する支持手段と、外力に起因して重錘体が収容体に対して生じる変位を検出する変位検出手段と、を備え、変位検出手段の検出結果に基づいて、作用した加速度もしくは角速度を検出する機能をもった加速度・角速度センサにおいて、
変位検出手段を、重錘体に設けた変位電極と、収容体の内面の変位電極に対向する位置に設けた固定電極と、収容体の外面の固定電極に対向する位置に設けた外部電極と、変位電極と外部電極との間の静電容量に基づいて加速度もしくは角速度を検出する検出回路と、によって構成するようにしたものである。
(1) The first aspect of the present invention is due to an external force, a weight body, a container body that accommodates the weight body, a supporting means that supports the weight body in a displaceable form, and an external force. An acceleration / angular velocity sensor having a function of detecting an applied acceleration or angular velocity based on a detection result of the displacement detection unit. ,
The displacement detection means includes a displacement electrode provided on the weight body, a fixed electrode provided at a position facing the displacement electrode on the inner surface of the container, and an external electrode provided at a position facing the fixed electrode on the outer surface of the container. And a detection circuit for detecting acceleration or angular velocity based on the capacitance between the displacement electrode and the external electrode.

(2) 本発明の第2の態様は、上述の第1の態様に係る加速度・角速度センサにおいて、
複数n枚の変位電極と、これら変位電極のそれぞれに対向するn枚の固定電極と、これら固定電極のそれぞれに対向するn枚の外部電極と、各変位電極とこれに対応する各外部電極との間の静電容量に基づいて加速度もしくは角速度を検出する検出回路と、を設けるようにしたものである。
(2) According to a second aspect of the present invention, in the acceleration / angular velocity sensor according to the first aspect described above,
A plurality of n displacement electrodes, n fixed electrodes facing each of these displacement electrodes, n external electrodes facing each of these fixed electrodes, each displacement electrode and each corresponding external electrode, And a detection circuit for detecting acceleration or angular velocity based on the capacitance between the two.

(3) 本発明の第3の態様は、重錘体と、この重錘体を収容する収容体と、変位可能な態様で重錘体を収容体内に支持する支持手段と、外力に起因して重錘体が収容体に対して生じる変位を検出する変位検出手段と、を備え、変位検出手段の検出結果に基づいて、作用した加速度もしくは角速度を検出する機能をもった加速度・角速度センサにおいて、
変位検出手段を、重錘体に設けた変位電極と、収容体の外面の変位電極に対向する位置に設けた外部電極と、変位電極と外部電極との間の静電容量に基づいて加速度もしくは角速度を検出する検出回路と、によって構成するようにしたものである。
(3) A third aspect of the present invention is caused by an external force, a weight body, a container body that accommodates the weight body, a support means that supports the weight body in a displaceable form, and an external force. An acceleration / angular velocity sensor having a function of detecting an applied acceleration or angular velocity based on a detection result of the displacement detection unit. ,
Based on the capacitance between the displacement electrode and the external electrode, the displacement electrode provided on the weight body, the external electrode provided at a position facing the displacement electrode on the outer surface of the container, And a detection circuit for detecting the angular velocity.

(4) 本発明の第4の態様は、上述の第3の態様に係る加速度・角速度センサにおいて、
複数n枚の変位電極と、これら変位電極のそれぞれに対向するn枚の外部電極と、各変位電極とこれに対応する各外部電極との間の静電容量に基づいて加速度もしくは角速度を検出する検出回路と、を設けるようにしたものである。
(4) According to a fourth aspect of the present invention, in the acceleration / angular velocity sensor according to the third aspect described above,
Acceleration or angular velocity is detected based on the capacitance between a plurality of n displacement electrodes, n external electrodes facing each of these displacement electrodes, and each displacement electrode and each corresponding external electrode. And a detection circuit.

(5) 本発明の第5の態様は、重錘体と、この重錘体を収容する収容体と、変位可能な態様で重錘体を収容体内に支持する支持手段と、外力に起因して重錘体が収容体に対して生じる変位を検出する変位検出手段と、を備え、変位検出手段の検出結果に基づいて、作用した加速度もしくは角速度を検出する機能をもった加速度・角速度センサにおいて、
変位検出手段を、重錘体に設けた変位電極と、収容体の内面の変位電極に対向する位置に設けた固定電極と、収容体の内面の固定電極とは異なる位置に設けた補助電極と、固定電極と補助電極とを電気的に接続する配線部と、収容体の外面の補助電極に対向する位置に設けた外部電極と、変位電極と外部電極との間の静電容量に基づいて加速度もしくは角速度を検出する検出回路と、によって構成するようにしたものである。
(5) The fifth aspect of the present invention is due to an external force, a weight body, a container body that accommodates the weight body, a support means that supports the weight body in the displaceable form, and an external force. An acceleration / angular velocity sensor having a function of detecting an applied acceleration or angular velocity based on a detection result of the displacement detection unit. ,
Displacement detecting means includes a displacement electrode provided on the weight body, a fixed electrode provided at a position facing the displacement electrode on the inner surface of the container, and an auxiliary electrode provided at a position different from the fixed electrode on the inner surface of the container. Based on the capacitance between the displacement electrode and the external electrode, the wiring part for electrically connecting the fixed electrode and the auxiliary electrode, the external electrode provided at the position facing the auxiliary electrode on the outer surface of the container, and And a detection circuit for detecting acceleration or angular velocity.

(6) 本発明の第6の態様は、上述の第5の態様に係る加速度・角速度センサにおいて、
複数n枚の変位電極と、これら変位電極のそれぞれに対向するn枚の固定電極と、これら固定電極のそれぞれに接続されたn枚の補助電極と、これら補助電極のそれぞれに対向するn枚の外部電極と、各変位電極とこれに対応する各外部電極との間の静電容量に基づいて加速度もしくは角速度を検出する検出回路と、を設けるようにしたものである。
(6) According to a sixth aspect of the present invention, in the acceleration / angular velocity sensor according to the fifth aspect described above,
A plurality of n displacement electrodes, n fixed electrodes facing each of these displacement electrodes, n auxiliary electrodes connected to each of these fixed electrodes, and n sheets facing each of these auxiliary electrodes An external electrode and a detection circuit for detecting acceleration or angular velocity based on the electrostatic capacitance between each displacement electrode and each corresponding external electrode are provided.

(7) 本発明の第7の態様は、上述の第2、第4、第6の態様に係る加速度・角速度センサにおいて、
n枚の変位電極を、物理的に単一の共通変位電極によって構成したものである。
(7) According to a seventh aspect of the present invention, in the acceleration / angular velocity sensor according to the second, fourth, and sixth aspects described above,
The n displacement electrodes are physically constituted by a single common displacement electrode.

(8) 本発明の第8の態様は、上述の第7の態様に係る加速度・角速度センサにおいて、
重錘体を導電性材料によって構成し、この重錘体の表面の一部によって共通変位電極を構成したものである。
(8) According to an eighth aspect of the present invention, in the acceleration / angular velocity sensor according to the seventh aspect described above,
The weight body is made of a conductive material, and a common displacement electrode is formed by a part of the surface of the weight body.

(9) 本発明の第7の態様は、上述の第7または第8の態様に係る加速度・角速度センサにおいて、
重錘体、支持手段、収容体からなる構造体の少なくとも一部分を物理的に連続した導電性材料により構成し、共通変位電極と収容体の少なくとも一部分との間に導電路が形成されるようにしたものである。
(9) According to a seventh aspect of the present invention, in the acceleration / angular velocity sensor according to the seventh or eighth aspect described above,
At least a part of the structure composed of the weight body, the support means, and the container is made of a physically continuous conductive material so that a conductive path is formed between the common displacement electrode and at least a part of the container. It is a thing.

(10) 本発明の第10の態様は、上述の第9の態様に係る加速度・角速度センサにおいて、
収容体の外面の所定位置であって、共通変位電極の等電位面に対して絶縁層を介して対向する位置に共通外部電極を設け、
検出回路が、共通外部電極と各外部電極との間の静電容量に基づいて加速度もしくは角速度を検出するようにしたものである。
(10) According to a tenth aspect of the present invention, in the acceleration / angular velocity sensor according to the ninth aspect described above,
A common external electrode is provided at a predetermined position on the outer surface of the container and facing the equipotential surface of the common displacement electrode via the insulating layer,
The detection circuit detects acceleration or angular velocity based on the capacitance between the common external electrode and each external electrode.

(11) 本発明の第11の態様は、上述の第2、第4、第6の態様に係る加速度・角速度センサにおいて、
特定の外部電極とこれに対応する変位電極との間に、重錘体の物理的な共振周波数に合致する周波数をもった励振用交流信号を供給する励振手段を有し、
変位検出手段が、重錘体が励振用交流信号の供給によって振動している状態において、重錘体に外力として作用するコリオリ力に起因して生じる変位を検出することにより、角速度の検出を行うようにしたものである。
(11) According to an eleventh aspect of the present invention, in the acceleration / angular velocity sensor according to the second, fourth, and sixth aspects described above,
Between the specific external electrode and the corresponding displacement electrode, there is an excitation means for supplying an alternating current signal for excitation having a frequency that matches the physical resonance frequency of the weight body,
The displacement detecting means detects the angular velocity by detecting the displacement caused by the Coriolis force acting as an external force on the weight body in a state where the weight body vibrates due to the supply of the excitation AC signal. It is what I did.

(12) 本発明の第12の態様は、上述の第1〜第11の態様に係る加速度・角速度センサにおいて、
収容体が密閉構造をもち、内部が真空に維持されているようにしたものである。
(12) According to a twelfth aspect of the present invention, in the acceleration / angular velocity sensor according to the first to eleventh aspects described above,
The container has a sealed structure, and the inside is maintained in a vacuum.

(13) 本発明の第13の態様は、上述の第1〜第12の態様に係る加速度・角速度センサにおいて、
上方基板、中間基板、下方基板を積層した三層構造体を有し、
中間基板によって、重錘体と、この重錘体の周囲に接合され可撓性を有する可撓部と、この可撓部の周囲に接合された台座部と、が形成されており、重錘体の側面と台座部の内面との間には空隙部が形成されており、
上方基板の下面は、台座部の上面に接合されており、重錘体の上面と上方基板の下面との間には空隙部が形成されており、
重錘体の上面に変位電極が形成されており、上方基板の上面に外部電極が形成されており、
下方基板の上面は、台座部の下面に接合されており、重錘体の下面と下方基板の上面との間には空隙部が形成されており、
上方基板、台座部、下方基板によって、収容体が構成されており、可撓部によって支持手段が構成されているようにしたものである。
(13) According to a thirteenth aspect of the present invention, in the acceleration / angular velocity sensor according to the first to twelfth aspects described above,
It has a three-layer structure in which an upper substrate, an intermediate substrate, and a lower substrate are stacked,
A weight body, a flexible portion bonded around the weight body, and a pedestal portion bonded around the flexible portion are formed by the intermediate substrate. A gap is formed between the side of the body and the inner surface of the pedestal,
The lower surface of the upper substrate is bonded to the upper surface of the pedestal portion, and a gap is formed between the upper surface of the weight body and the lower surface of the upper substrate,
A displacement electrode is formed on the upper surface of the weight body, and an external electrode is formed on the upper surface of the upper substrate.
The upper surface of the lower substrate is joined to the lower surface of the pedestal, and a gap is formed between the lower surface of the weight body and the upper surface of the lower substrate.
The upper substrate, the pedestal portion, and the lower substrate constitute a container, and the flexible means constitutes the support means.

(14) 本発明の第14の態様は、上述の第13の態様に係る加速度・角速度センサにおいて、
中間基板を導電性材料によって構成し、変位電極に対する検出回路の配線を、台座部を介して行うようにしたものである。
(14) According to a fourteenth aspect of the present invention, in the acceleration / angular velocity sensor according to the thirteenth aspect described above,
The intermediate substrate is made of a conductive material, and the detection circuit is wired to the displacement electrode via the pedestal.

(15) 本発明の第15の態様は、上述の第13または第14の態様に係る加速度・角速度センサにおいて、
上方基板の上面に、肉厚の小さな肉薄部を形成するための溝を掘り、外部電極を、この溝の底面に形成するようにしたものである。
(15) According to a fifteenth aspect of the present invention, in the acceleration / angular velocity sensor according to the thirteenth or fourteenth aspect described above,
A groove for forming a thin portion having a small thickness is dug in the upper surface of the upper substrate, and an external electrode is formed on the bottom surface of the groove.

(16) 本発明の第16の態様は、上述の第15の態様に係る加速度・角速度センサにおいて、
外部電極が形成されている溝内に、補強材を充填するようにしたものである。
(16) According to a sixteenth aspect of the present invention, in the acceleration / angular velocity sensor according to the fifteenth aspect described above,
The groove in which the external electrode is formed is filled with a reinforcing material.

(17) 本発明の第17の態様は、上述の第1〜第16の態様に係る加速度・角速度センサにおいて、
変位電極と外部電極との間の静電容量を検出するために、
一方の電極に対して、重錘体の物理的な共振周波数に合致しない周波数をもった検出用交流信号を供給する交流電源と、
他方の電極に発生する交流信号の振幅成分を検出する検波回路と、
を検出回路に設けるようにしたものである。
(17) According to a seventeenth aspect of the present invention, in the acceleration / angular velocity sensor according to the first to sixteenth aspects described above,
In order to detect the capacitance between the displacement electrode and the external electrode,
An AC power supply that supplies an AC signal for detection having a frequency that does not match the physical resonance frequency of the weight body to one electrode;
A detection circuit for detecting an amplitude component of an AC signal generated at the other electrode;
Is provided in the detection circuit.

(18) 本発明の第18の態様は、上述の第1〜第16の態様に係る加速度・角速度センサにおいて、
変位電極と外部電極との間の静電容量を検出するために、
一方の電極の電位を固定する電位固定手段と、
他方の電極に、抵抗素子を介して、重錘体の物理的な共振周波数に合致しない周波数をもった検出用交流信号を供給する交流電源と、
他方の電極に発生する交流信号の位相を検出する位相検出手段と、
を検出回路に設けるようにしたものである。
(18) According to an eighteenth aspect of the present invention, in the acceleration / angular velocity sensor according to the first to sixteenth aspects described above,
In order to detect the capacitance between the displacement electrode and the external electrode,
A potential fixing means for fixing the potential of one of the electrodes;
An AC power supply for supplying an AC signal for detection having a frequency not matching the physical resonance frequency of the weight body to the other electrode via a resistance element;
Phase detection means for detecting the phase of the AC signal generated on the other electrode;
Is provided in the detection circuit.

(19) 本発明の第19の態様は、上述の第13の態様に係る加速度・角速度センサを製造する製造方法において、
シリコン基板の所定箇所に表裏貫通した貫通孔を形成する段階と、
シリコン基板の下面に絶縁性基板を接合する段階と、
所定の厚みが得られるまで、絶縁性基板の下面を研磨する段階と、
シリコン基板の上面に絶縁膜を形成する段階と、
絶縁膜の上面および貫通孔により形成された溝部に導電層を形成する段階と、
導電層をパターニングして、溝部の底部に位置する外部電極と、この外部電極に対する配線を形成する段階と、
を行うことより、シリコン基板と絶縁性基板との二層構造をもち、外部電極が形成された上方基板を製造するようにしたものである。
(19) According to a nineteenth aspect of the present invention, in the manufacturing method for manufacturing the acceleration / angular velocity sensor according to the thirteenth aspect,
Forming a through-hole penetrating front and back at a predetermined location of the silicon substrate;
Bonding an insulating substrate to the lower surface of the silicon substrate;
Polishing the lower surface of the insulating substrate until a predetermined thickness is obtained;
Forming an insulating film on the upper surface of the silicon substrate;
Forming a conductive layer in the groove formed by the upper surface of the insulating film and the through hole; and
Patterning the conductive layer to form an external electrode located at the bottom of the groove and a wiring for the external electrode;
Thus, an upper substrate having a two-layer structure of a silicon substrate and an insulating substrate and having external electrodes formed thereon is manufactured.

(20) 本発明の第20の態様は、上述の第19の態様に係る加速度・角速度センサの製造方法において、
導電層に対するパターニングを行った後に、溝部に補強材を充填する段階を更に行うようにしたものである。
(20) According to a twentieth aspect of the present invention, in the method for manufacturing an acceleration / angular velocity sensor according to the nineteenth aspect described above,
After patterning the conductive layer, a step of filling the groove with a reinforcing material is further performed.

(21) 本発明の第21の態様は、上述の第19または第20の態様に係る加速度・角速度センサの製造方法において、
シリコン基板に貫通孔を形成する段階を異方性エッチングにより行い、上方が広がるようなテーパ状の貫通孔が形成されるようにし、
絶縁性基板としてガラス基板を用意し、シリコン基板とガラス基板との接合を陽極接合により行い、
シリコン基板の上面に絶縁膜を形成する段階を、シリコン表面を酸化することにより酸化シリコンからなる絶縁膜を形成することにより行うようにしたものである。
(21) According to a twenty-first aspect of the present invention, in the method for manufacturing an acceleration / angular velocity sensor according to the nineteenth or twentieth aspect described above,
The step of forming a through-hole in the silicon substrate is performed by anisotropic etching so that a tapered through-hole that extends upward is formed,
Prepare a glass substrate as an insulating substrate, and perform anodic bonding between the silicon substrate and the glass substrate,
The step of forming the insulating film on the upper surface of the silicon substrate is performed by forming an insulating film made of silicon oxide by oxidizing the silicon surface.

本発明に係る加速度・角速度センサでは、収容体の外部に形成した外部電極の容量結合を利用して、重錘体の変位検出や重錘体の駆動を行うための信号をやりとりするようにしたため、重錘体の封止状態を維持したまま、検出に必要な配線を確保することが可能になる。   In the acceleration / angular velocity sensor according to the present invention, signals for detecting the displacement of the weight body and driving the weight body are exchanged using the capacitive coupling of the external electrode formed outside the container. It becomes possible to secure the wiring necessary for detection while maintaining the sealed state of the weight body.

以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。   Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiments.

<<< §1.従来型加速度センサ >>>
本発明は、容量素子を用いた従来型の加速度センサもしくは角速度センサについて、信号の入出力を行うための工夫に関するものである。そこで、ここでは、容量素子を用いた一般的な従来型加速度センサの構造および動作を簡単に説明する。
<<< §1. Conventional acceleration sensor >>>
The present invention relates to a device for inputting and outputting signals with respect to a conventional acceleration sensor or angular velocity sensor using a capacitive element. Therefore, here, the structure and operation of a general conventional acceleration sensor using a capacitive element will be briefly described.

図1は、従来型加速度センサの構造の一例を示す側断面図である。図示の加速度センサは、上方基板100、中間基板200、下方基板300なる3枚の基板を積層した構造を有する。各基板はいずれも絶縁性材料からなる。上方基板100および下方基板300は、いずれも単なる平板状の基板であるが、中間基板200は、図示のとおり、重錘体210、可撓部220、台座部230の3つの部分から構成されている。可撓部220は、図示のとおり肉厚が薄いために可撓性を有している部分であり、重錘体210の周囲に接合されている。この可撓部220の周囲は、台座部230に接合されている。台座部230は、可撓部220の周囲を取り囲む外壁をなす構造体であり、台座部230の上面に上方基板100が接合され、台座部230の下面に下方基板300が接合されている。   FIG. 1 is a side sectional view showing an example of the structure of a conventional acceleration sensor. The illustrated acceleration sensor has a structure in which three substrates, an upper substrate 100, an intermediate substrate 200, and a lower substrate 300 are laminated. Each substrate is made of an insulating material. Each of the upper substrate 100 and the lower substrate 300 is a simple flat substrate, but the intermediate substrate 200 is composed of three parts, a weight body 210, a flexible portion 220, and a pedestal portion 230, as shown in the figure. Yes. The flexible portion 220 is a portion having flexibility because it is thin as shown in the figure, and is joined around the weight body 210. The periphery of the flexible portion 220 is joined to the pedestal portion 230. The pedestal portion 230 is a structure that forms an outer wall that surrounds the periphery of the flexible portion 220. The upper substrate 100 is bonded to the upper surface of the pedestal portion 230, and the lower substrate 300 is bonded to the lower surface of the pedestal portion 230.

重錘体210の上面と上方基板100の下面との間には、空隙部S1が形成されており、重錘体210の側面と台座部230の内面との間には、空隙部S2が形成されており、重錘体210の底面と下方基板300の上面との間には、空隙部S3が形成されている。また、台座部230、上方基板100、下方基板300は、内部に重錘体210を収容する収容体を構成している。結局、重錘体210は、この収容体の内部において、所定の自由度をもって変位可能な態様で支持された状態となっている。可撓部220は、重錘体210を変位可能な態様で支持するための支持手段として機能する。すなわち、重錘体210は、可撓部220が撓みを生じることにより、収容体の内部で変位する。   A space S1 is formed between the upper surface of the weight body 210 and the lower surface of the upper substrate 100, and a space S2 is formed between the side surface of the weight body 210 and the inner surface of the pedestal portion 230. A gap S <b> 3 is formed between the bottom surface of the weight body 210 and the upper surface of the lower substrate 300. In addition, the pedestal 230, the upper substrate 100, and the lower substrate 300 constitute a housing that houses the weight body 210 therein. Eventually, the weight body 210 is supported in such a manner that it can be displaced with a predetermined degree of freedom inside the container. The flexible part 220 functions as a support means for supporting the weight body 210 in a displaceable manner. That is, the weight body 210 is displaced inside the housing body when the flexible portion 220 is bent.

ここでは、説明の便宜上、図示のとおり、重錘体210の重心Gの位置にXYZ三次元座標系の原点をとり、図の右方向にX軸、図の上方向にZ軸、紙面に対して垂直な方向にY軸を定義する。図1の側断面図は、このセンサをXZ平面に沿って切った断面に相当し、上方基板100および下方基板300は、その上面および下面が、XY平面に平行な基板ということになる。   Here, for convenience of explanation, as shown in the figure, the origin of the XYZ three-dimensional coordinate system is taken at the position of the center of gravity G of the weight body 210, the X axis is in the right direction of the figure, the Z axis is in the upward direction of the figure, The Y axis is defined in the vertical direction. The side sectional view of FIG. 1 corresponds to a section obtained by cutting the sensor along the XZ plane, and the upper substrate 100 and the lower substrate 300 are substrates whose upper and lower surfaces are parallel to the XY plane.

この加速度センサの基本原理は、加速度に起因する外力の作用により、重錘体210が収容体内部で変位した場合に、この変位を容量素子の静電容量値の変化として検出する、というものである。そのために、図1に示すとおり、上方基板100の下面に形成された固定電極E1〜E5と、重錘体210の上面に形成された変位電極E6〜E10と、によって合計5組の容量素子が形成されている(図1には、XZ平面上に位置する電極のみしか現れていない)。   The basic principle of this acceleration sensor is that when the weight body 210 is displaced inside the container due to the action of an external force caused by acceleration, this displacement is detected as a change in the capacitance value of the capacitive element. is there. Therefore, as shown in FIG. 1, a total of five sets of capacitive elements are formed by the fixed electrodes E1 to E5 formed on the lower surface of the upper substrate 100 and the displacement electrodes E6 to E10 formed on the upper surface of the weight body 210. (Only the electrodes located on the XZ plane appear in FIG. 1).

図2は、図1に示すセンサの上方基板100の下面図である。図示のとおり、この上方基板100の下面には、5枚の固定電極E1〜E5が形成されている。これら固定電極E1〜E5は、重錘体210の変位による影響を受けず、収容体の内面に固定された状態となっている。一方、図3は、図1に示すセンサの中間基板200の上面図である。図示のとおり、破線で示した重錘体210の上面には、5枚の変位電極E6〜E10が形成されている。これら変位電極E6〜E10は、重錘体210とともに変位することになる。ここで、各固定電極E1〜E5と各変位電極E6〜E10とは、それぞれ対向する位置に配置されており、各対向電極は互いに形状および大きさが等しくなっている。また、電極E1,E2,E6,E7はXZ平面に関して対称であり、電極E3,E4,E8,E9はYZ平面に関して対称であり、電極E5,E10は、XZ平面およびYZ平面の双方に関して対称となっている。   FIG. 2 is a bottom view of the upper substrate 100 of the sensor shown in FIG. As illustrated, five fixed electrodes E1 to E5 are formed on the lower surface of the upper substrate 100. These fixed electrodes E1 to E5 are not affected by the displacement of the weight body 210 and are fixed to the inner surface of the container. On the other hand, FIG. 3 is a top view of the intermediate substrate 200 of the sensor shown in FIG. As shown in the figure, five displacement electrodes E6 to E10 are formed on the upper surface of the weight body 210 indicated by a broken line. These displacement electrodes E6 to E10 are displaced together with the weight body 210. Here, each fixed electrode E1-E5 and each displacement electrode E6-E10 are arrange | positioned in the position which opposes, respectively, and each counter electrode is mutually equal in shape and magnitude | size. The electrodes E1, E2, E6, E7 are symmetric with respect to the XZ plane, the electrodes E3, E4, E8, E9 are symmetric with respect to the YZ plane, and the electrodes E5, E10 are symmetric with respect to both the XZ plane and the YZ plane. It has become.

ここでは、対向電極E1,E6により形成される容量素子をC1と呼び、対向電極E2,E7により形成される容量素子をC2と呼び、対向電極E3,E8により形成される容量素子をC3と呼び、対向電極E4,E9により形成される容量素子をC4と呼び、対向電極E5,E10により形成される容量素子をC5と呼ぶことにする。容量素子C1はX軸正の領域上に配置され、容量素子C2はX軸負の領域上に配置され、容量素子C3はY軸正の領域上に配置され、容量素子C4はY軸負の領域上に配置され、容量素子C5はZ軸上に配置されている。   Here, the capacitive element formed by the counter electrodes E1 and E6 is called C1, the capacitive element formed by the counter electrodes E2 and E7 is called C2, and the capacitive element formed by the counter electrodes E3 and E8 is called C3. The capacitive element formed by the counter electrodes E4 and E9 is referred to as C4, and the capacitive element formed by the counter electrodes E5 and E10 is referred to as C5. The capacitive element C1 is disposed on the X axis positive area, the capacitive element C2 is disposed on the X axis negative area, the capacitive element C3 is disposed on the Y axis positive area, and the capacitive element C4 is disposed on the Y axis negative area. Arranged on the region, the capacitive element C5 is arranged on the Z-axis.

このような容量素子を用いた加速度センサの動作は、前掲の各特許文献などに詳述されているので、ここでは、簡単な動作原理のみを説明しておく。図1において、加速度に起因して重心GにX軸正方向の力が作用すると、可撓部220の撓みにより、重錘体210は図の右方向へと変位する。その結果、容量素子C1の電極間距離は狭くなり、容量素子C2の電極間距離は広くなるので、両容量素子の静電容量値の差を検出することにより、作用した加速度のX軸方向成分を求めることができる。加速度の方向が逆転すると、静電容量値の差の符号が逆転することになる。同様に、作用した加速度のY軸方向成分は、容量素子C3の静電容量値と容量素子C4の静電容量値との差として検出することができる。   Since the operation of the acceleration sensor using such a capacitive element is described in detail in the above-mentioned patent documents and the like, only a simple operation principle will be described here. In FIG. 1, when a force in the positive direction of the X axis acts on the center of gravity G due to acceleration, the weight body 210 is displaced in the right direction in the drawing by the bending of the flexible portion 220. As a result, the distance between the electrodes of the capacitive element C1 is narrowed and the distance between the electrodes of the capacitive element C2 is widened. Therefore, by detecting the difference between the capacitance values of both capacitive elements, the X-axis direction component of the applied acceleration Can be requested. When the direction of acceleration is reversed, the sign of the difference in capacitance value is reversed. Similarly, the Y-axis direction component of the applied acceleration can be detected as a difference between the capacitance value of the capacitive element C3 and the capacitance value of the capacitive element C4.

また、Z軸方向の加速度が作用した場合、重錘体210には、図の上下方向への力が加わることになり、重錘体210は、図の上下方向に変位する。このため、容量素子C5の電極間隔が変動することになる。したがって、作用した加速度のZ軸方向成分は、容量素子C5の静電容量値の増減により検出することができる。   When acceleration in the Z-axis direction is applied, a force in the vertical direction in the figure is applied to the weight body 210, and the weight body 210 is displaced in the vertical direction in the figure. For this reason, the electrode interval of the capacitive element C5 varies. Therefore, the Z-axis direction component of the applied acceleration can be detected by increasing or decreasing the capacitance value of the capacitive element C5.

以上、この従来型の加速度センサによる加速度の検出原理を簡単に説明したが、このようなセンサでは、容量素子を利用して重錘体210の変位検出を行うため、各容量素子の静電容量値を外部へ電気信号として取り出すための配線が不可欠になる。図4は、この配線を施した従来型の加速度センサの側断面図である。この図4に示すセンサは、配線の便宜を考慮して、図1に示すセンサとは、若干、構造が異なっている。   Although the principle of acceleration detection by this conventional acceleration sensor has been briefly described above, since such a sensor detects the displacement of the weight body 210 using a capacitive element, the electrostatic capacitance of each capacitive element. Wiring for extracting the value to the outside as an electrical signal is indispensable. FIG. 4 is a sectional side view of a conventional acceleration sensor provided with this wiring. The sensor shown in FIG. 4 is slightly different in structure from the sensor shown in FIG. 1 in consideration of the convenience of wiring.

すなわち、この図4に示すセンサでは、重錘体210の上面に、図1に示すセンサにおける変位電極E6〜E10の代わりに、物理的に単一の共通変位電極E0が形成されている。また、重錘体210、可撓部220、台座部230は、導電性材料によって構成されている。そこで、図1に示すセンサにおける絶縁材料からなる中間基板200と区別する上で、図4に示すセンサの中間基板は、中間基板250と呼ぶことにする。図5は、この中間基板250の上面図であり、重錘体210の上面に形成された共通変位電極E0の形状が明瞭に示されている。   That is, in the sensor shown in FIG. 4, a single physical common displacement electrode E0 is formed on the upper surface of the weight body 210 instead of the displacement electrodes E6 to E10 in the sensor shown in FIG. Further, the weight body 210, the flexible portion 220, and the pedestal portion 230 are made of a conductive material. Therefore, to distinguish from the intermediate substrate 200 made of an insulating material in the sensor shown in FIG. 1, the intermediate substrate of the sensor shown in FIG. FIG. 5 is a top view of the intermediate substrate 250, and the shape of the common displacement electrode E0 formed on the top surface of the weight body 210 is clearly shown.

図5に示す共通変位電極E0は、図3に示す5枚の変位電極E6〜E10の代用として機能する。上方基板100の下面に形成された固定電極E1〜E5はそれぞれ物理的に独立した個別の電極となっているので、これらに対向する変位電極側は、図5に示すように、物理的に単一の共通変位電極E0としても、センサの動作上、何ら問題は生じない。   The common displacement electrode E0 shown in FIG. 5 functions as a substitute for the five displacement electrodes E6 to E10 shown in FIG. Since the fixed electrodes E1 to E5 formed on the lower surface of the upper substrate 100 are individual electrodes that are physically independent of each other, the displacement electrode side facing these is physically single as shown in FIG. Even if one common displacement electrode E0 is used, no problem occurs in the operation of the sensor.

このように、変位電極側を共通変位電極E0によって構成すれば、重錘体210の上面を絶縁性材料にする必然性はなくなるので、中間基板を導電性材料からなる中間基板250によって構成することができる。しかも、中間基板250が導電性材料であれば、中間基板250全体が共通変位電極E0と等電位となるため、共通変位電極E0に対する外部への配線は極めて簡単になる。すなわち、中間基板250のいずれかの箇所に対して外部配線を行えば、共通変位電極E0に対する配線が完了する。図4には、接続端子T0を台座部230の外面に接続した状態が示されている。一般的には、この接続端子T0を接地して用いるようにすればよい。   Thus, if the displacement electrode side is constituted by the common displacement electrode E0, the upper surface of the weight body 210 is not necessarily made of an insulating material. Therefore, the intermediate substrate can be constituted by the intermediate substrate 250 made of a conductive material. it can. In addition, if the intermediate substrate 250 is a conductive material, the entire intermediate substrate 250 has the same potential as the common displacement electrode E0, and therefore wiring to the outside with respect to the common displacement electrode E0 is extremely simple. That is, when external wiring is performed on any part of the intermediate substrate 250, wiring to the common displacement electrode E0 is completed. FIG. 4 shows a state where the connection terminal T0 is connected to the outer surface of the pedestal 230. In general, the connection terminal T0 may be used while being grounded.

これに対して、上方基板100の下面に形成された5枚の固定電極E1〜E5に対しては、それぞれ個別の配線を行う必要がある。図4には、3枚の固定電極E1,E2,E5に対する配線を行うために、上方基板100に貫通孔を形成し、この貫通孔内に配線部L1,L2,L5を挿通して、固定電極E1,E2,E5を外部の接続端子T1,T2,T5へと電気的に接続した例が示されている。   On the other hand, it is necessary to individually wire the five fixed electrodes E1 to E5 formed on the lower surface of the upper substrate 100. In FIG. 4, in order to perform wiring for the three fixed electrodes E1, E2, and E5, a through hole is formed in the upper substrate 100, and the wiring portions L1, L2, and L5 are inserted into the through hole and fixed. An example is shown in which the electrodes E1, E2, E5 are electrically connected to external connection terminals T1, T2, T5.

しかしながら、このような方法で各容量素子への配線を行うと、収容体内部の密封状態が不完全になりやすいという問題があることは、既に述べたとおりである。たとえば、図示の例の場合、配線部L1,L2,L5を挿通するための貫通孔を通して、空気漏れが生じやすくなる。このように、収容体内部の電極について、外部への配線を行う以上、配線部分の封止が不完全になる問題は避けられない。   However, as described above, when wiring to each capacitor element is performed by such a method, there is a problem that the sealed state inside the container tends to be incomplete. For example, in the case of the illustrated example, air leakage is likely to occur through the through holes for inserting the wiring portions L1, L2, and L5. As described above, the problem of incomplete sealing of the wiring portion is inevitable as long as the wiring inside the container is wired to the outside.

その一方で、重錘体210を収容した室内は、できるだけ真空に維持しておくのが好ましい点は、既に述べたとおりである。図4に示す例の場合、空隙部S1,S2,S3に空気が存在すると、重錘体の動きが、空気の粘性によるダンピング効果の影響を受けることになり好ましくない。ここに示す例は、加速度センサの例であるが、角速度センサの場合は、測定時に重錘体を振動させる必要があるので、重錘体を真空の雰囲気中に収容することは、実用上、不可欠である。ところが、外部への配線構造により、収容体の密閉状態が不十分であると、内部を真空に維持することは困難である。   On the other hand, as described above, it is preferable to keep the chamber containing the weight body 210 as vacuum as possible. In the case of the example shown in FIG. 4, if air exists in the gaps S1, S2, and S3, the movement of the weight body is unfavorably affected by the damping effect due to the viscosity of the air. The example shown here is an example of an acceleration sensor, but in the case of an angular velocity sensor, it is necessary to vibrate the weight body at the time of measurement, so it is practically necessary to house the weight body in a vacuum atmosphere. It is essential. However, if the sealed state of the container is insufficient due to the wiring structure to the outside, it is difficult to maintain the inside in a vacuum.

本発明は、従来型センサのこのような問題を解決するための新規な工夫を提案するものであり、重錘体を収容した室内の封止状態を維持しつつ、この重錘体の変位検出に必要な信号用の配線を確保することを可能にするものである。   The present invention proposes a novel device for solving such a problem of the conventional sensor, and detects the displacement of the weight body while maintaining the sealed state of the room containing the weight body. Therefore, it is possible to secure signal wiring necessary for the operation.

<<< §2.本発明の基本的実施形態 >>>
図6に本発明の基本的実施形態に係る加速度センサの側断面図を示す。この図6に示す加速度センサは、図4に示す従来型センサの上方基板100を、上方基板150に取り替えたものであり、中間基板250および下方基板300の部分については、図4に示すセンサと全く同一である。また、上方基板150の下面図は、図2に示す上方基板100の下面図と全く同一であり、5枚の固定電極E1〜E5が形成されている。
<<< §2. Basic embodiment of the present invention >>
FIG. 6 shows a side sectional view of the acceleration sensor according to the basic embodiment of the present invention. The acceleration sensor shown in FIG. 6 is obtained by replacing the upper substrate 100 of the conventional sensor shown in FIG. 4 with an upper substrate 150. The intermediate substrate 250 and the lower substrate 300 are the same as those shown in FIG. Is exactly the same. Further, the bottom view of the upper substrate 150 is completely the same as the bottom view of the upper substrate 100 shown in FIG. 2, and five fixed electrodes E1 to E5 are formed.

図4に示す上方基板100と比較すると、図6に示す上方基板150は、次の2つの特徴を有している。第1の特徴は、この上方基板150は、周囲部分の肉厚部151と、この肉厚部151に囲まれた肉薄部152とによって構成されており、この厚みの相違により段差が生じ、肉薄部152の上方に溝部H1が形成されている点である。そして、第2の特徴は、この溝部H1の底面(すなわち、肉薄部152の上面)に、5枚の外部電極EE1〜EE5が形成されている点である。   Compared with the upper substrate 100 shown in FIG. 4, the upper substrate 150 shown in FIG. 6 has the following two features. The first feature is that the upper substrate 150 is composed of a thick portion 151 at the peripheral portion and a thin portion 152 surrounded by the thick portion 151, and a difference in thickness results in a difference in level. A groove H1 is formed above the portion 152. The second feature is that five external electrodes EE1 to EE5 are formed on the bottom surface of the groove portion H1 (that is, the upper surface of the thin portion 152).

これらの特徴は、図7に示す上方基板150の上面図に明瞭に示されている。この図7に示されている外部電極EE1〜EE5の平面図を、図2に示されている固定電極E1〜E5と比べてみれば、同一形状、同一サイズの電極が、肉薄部152を挟んで対向していることがわかる。すなわち、固定電極E1の上方には、形状およびサイズが同一の外部電極EE1が対向しており、固定電極E2の上方には、形状およびサイズが同一の外部電極EE2が対向しており、…、以下同様である。ここでは、対向電極E1,EE1により形成される容量素子をCC1と呼び、対向電極E2,EE2により形成される容量素子をCC2と呼び、対向電極E3,EE3により形成される容量素子をCC3と呼び、対向電極E4,EE4により形成される容量素子をCC4と呼び、対向電極E5,EE5により形成される容量素子をCC5と呼ぶことにする。   These features are clearly shown in the top view of the upper substrate 150 shown in FIG. When the plan view of the external electrodes EE1 to EE5 shown in FIG. 7 is compared with the fixed electrodes E1 to E5 shown in FIG. 2, electrodes having the same shape and the same size sandwich the thin portion 152. You can see that they are facing each other. That is, the external electrode EE1 having the same shape and size is opposed above the fixed electrode E1, and the external electrode EE2 having the same shape and size is opposed above the fixed electrode E2. The same applies hereinafter. Here, the capacitive element formed by the counter electrodes E1 and EE1 is called CC1, the capacitive element formed by the counter electrodes E2 and EE2 is called CC2, and the capacitive element formed by the counter electrodes E3 and EE3 is called CC3. The capacitive element formed by the counter electrodes E4 and EE4 is called CC4, and the capacitive element formed by the counter electrodes E5 and EE5 is called CC5.

図6に示すように、上方基板150の上面に形成された5枚の外部電極EE1〜EE5は、接続端子T1〜T5に接続される。5枚の外部電極EE1〜EE5は、このセンサの収容体(上方基板150、台座部230、下方基板300によって構成され、重錘体210を収容する室内を形成する構造体)の外面に形成されているので、外部電極EE1〜EE5と接続端子T1〜T5とを接続する配線を設けても、収容体の密封状態に何ら支障が生じることはない。前述したとおり、中間基板250は導電性材料から構成されているので、接続端子T0からの配線を、図示のとおり台座部230の外面に接続すれば、共通変位電極E0と接続端子T0との間の配線も支障なく確保することができる。   As shown in FIG. 6, the five external electrodes EE1 to EE5 formed on the upper surface of the upper substrate 150 are connected to the connection terminals T1 to T5. The five external electrodes EE1 to EE5 are formed on the outer surface of the sensor housing (the upper body 150, the pedestal 230, the lower board 300, and the structure that forms the chamber for housing the weight body 210). Therefore, even if the wiring for connecting the external electrodes EE1 to EE5 and the connection terminals T1 to T5 is provided, there is no problem in the sealed state of the container. As described above, since the intermediate substrate 250 is made of a conductive material, if the wiring from the connection terminal T0 is connected to the outer surface of the pedestal portion 230 as shown, the gap between the common displacement electrode E0 and the connection terminal T0. Wiring can be secured without any problem.

このように、この図6に示すセンサでは、収容体の内部に存在する共通変位電極E0および固定電極E1〜E5に対しては、外部へ向けての物理的な配線が一切行われていない。このように、収容体の内部と外部とを繋ぐ配線を一切排除した構成は、収容体の密閉性を高める上で効果的である。実際、中間基板250をシリコン基板によって構成し、上方基板150および下方基板300をガラス基板によって構成し、台座部230の上面と上方基板150の下面との接合および台座部230の下面と下方基板300の上面との接合を、陽極接合(Anodic Bonding)の方法を用いて行えば、収容体の内部を完全な密閉空間とすることが可能である。この陽極接合を真空チャンバ内で行えば、収容体の内部を真空に維持することが可能になり、重錘体210を真空雰囲気中に閉じこめることができる。   As described above, in the sensor shown in FIG. 6, no physical wiring is performed to the outside with respect to the common displacement electrode E0 and the fixed electrodes E1 to E5 existing inside the container. Thus, the structure which eliminated all the wiring which connects the inside and the exterior of a container is effective in improving the sealing property of a container. Actually, the intermediate substrate 250 is formed of a silicon substrate, the upper substrate 150 and the lower substrate 300 are formed of a glass substrate, and the upper surface of the pedestal portion 230 is bonded to the lower surface of the upper substrate 150 and the lower surface of the pedestal portion 230 and the lower substrate 300 If the upper surface of the container is bonded using an anodic bonding method, the inside of the container can be made into a completely sealed space. If this anodic bonding is performed in a vacuum chamber, the inside of the container can be maintained in a vacuum, and the weight body 210 can be confined in a vacuum atmosphere.

もちろん、この図6に示すセンサにおける加速度検出の基本原理は、図4に示すセンサの原理と同じであり、共通変位電極E0と固定電極E1〜E5とによって構成される5組の容量素子C1〜C5の静電容量の変化を電気信号として検出する、というものである。ただ、この図6に示すセンサの場合、容量素子C1〜C5の静電容量値それ自体を直接測定する代わりに、外部電極EE1〜EE5を形成することにより新たに生じた容量素子CC1〜CC5の静電容量を加味した値を測定することになる。容量素子C1〜C5の静電容量は、重錘体210の変位によって変動するので、ここでは、これらを可変容量素子と呼ぶことにする。これに対して、容量素子CC1〜CC5の静電容量は重錘体210の変位にかかわらず一定である。ここでは、これらを補助容量素子と呼ぶことにする。   Of course, the basic principle of the acceleration detection in the sensor shown in FIG. 6 is the same as the principle of the sensor shown in FIG. 4, and five sets of capacitive elements C1 to C5 constituted by the common displacement electrode E0 and the fixed electrodes E1 to E5. The change in the capacitance of C5 is detected as an electric signal. However, in the case of the sensor shown in FIG. 6, instead of directly measuring the capacitance values of the capacitance elements C1 to C5, the capacitance elements CC1 to CC5 newly generated by forming the external electrodes EE1 to EE5. The value taking into account the capacitance will be measured. Since the capacitances of the capacitive elements C1 to C5 vary depending on the displacement of the weight body 210, they are referred to as variable capacitive elements here. On the other hand, the capacitances of the capacitive elements CC1 to CC5 are constant regardless of the displacement of the weight body 210. Here, these are called auxiliary capacitance elements.

図8(a) は、図6に示す加速度センサの動作を説明するために、各電極の部分を抽出して示した部分側断面図である。なお、この図は、センサをXZ平面で切断した断面を示しているため、固定電極E3,E4および外部電極EE3,EE4は、図に現れていない。図示のとおり、共通変位電極E0の上方に対向するように、5枚の固定電極E1〜E5が配置されており、これらの上方にそれぞれ対向するように、5枚の外部電極EE1〜EE5が配置されている。収容体内部を真空にした場合、共通変位電極E0と固定電極E1〜E5との間の空間は真空に維持されているが、固定電極E1〜E5と外部電極EE1〜EE5との間には、肉薄部152が介在している。   FIG. 8A is a partial cross-sectional side view showing extracted portions of each electrode in order to explain the operation of the acceleration sensor shown in FIG. In addition, since this figure has shown the cross section which cut | disconnected the sensor by XZ plane, fixed electrode E3, E4 and external electrode EE3, EE4 do not appear in a figure. As shown in the figure, five fixed electrodes E1 to E5 are arranged so as to face above the common displacement electrode E0, and five external electrodes EE1 to EE5 are arranged so as to face each other above them. Has been. When the inside of the container is evacuated, the space between the common displacement electrode E0 and the fixed electrodes E1 to E5 is maintained in a vacuum, but between the fixed electrodes E1 to E5 and the external electrodes EE1 to EE5, A thin portion 152 is interposed.

図8(b) は、図8(a) の等価回路図である。固定電極E1〜E5が、可変容量素子C1〜C5についての上方電極としての機能と、補助容量素子CC1〜CC5についての下方電極としての機能と、を有していると考えれば、図示のとおり、接続端子T0と接続端子T1〜T5との間には、それぞれ可変容量素子C1〜C5と補助容量素子CC1〜CC5とが直列接続された形になっている。したがって、接続端子T0と各接続端子T1〜T5との間の静電容量値は、2つの容量素子を直列接続したときの静電容量値ということになる。たとえば、容量素子C1の静電容量値を同じ記号C1で表し、容量素子CC1の静電容量値を同じ記号CC1で表したとすれば、接続端子T0/T1間の静電容量値は、1/(1/C1+1/CC1)で与えられる。ここで、補助容量素子CC1の静電容量値は常に一定であるから、接続端子T0/T1間の静電容量値の変動は、可変容量素子C1の静電容量値の変動を示すことになる。   FIG. 8 (b) is an equivalent circuit diagram of FIG. 8 (a). Assuming that the fixed electrodes E1 to E5 have a function as an upper electrode for the variable capacitance elements C1 to C5 and a function as a lower electrode for the auxiliary capacitance elements CC1 to CC5, as illustrated, Between the connection terminal T0 and the connection terminals T1 to T5, variable capacitance elements C1 to C5 and auxiliary capacitance elements CC1 to CC5 are connected in series, respectively. Therefore, the capacitance value between the connection terminal T0 and each of the connection terminals T1 to T5 is a capacitance value when two capacitance elements are connected in series. For example, if the capacitance value of the capacitive element C1 is represented by the same symbol C1, and the capacitance value of the capacitive element CC1 is represented by the same symbol CC1, the capacitance value between the connection terminals T0 / T1 is 1 / (1 / C1 + 1 / CC1). Here, since the capacitance value of the auxiliary capacitance element CC1 is always constant, the variation in the capacitance value between the connection terminals T0 / T1 indicates the variation in the capacitance value of the variable capacitance element C1. .

結局、図6に示す加速度センサにおいても、§1で述べた従来型センサと同様の手法で、作用した加速度のXYZ三次元座標系における各座標軸方向成分を検出することが可能である。たとえば、X軸方向成分は、接続端子T0/T1間の静電容量値と、接続端子T0/T2間の静電容量値と、の差として求めることができる。図8(b) において、可変容量素子C1とC2の矢印を逆向きにしたのは、このような差動検出が行われることを示すためである。同様に、Y軸方向成分は、図8には示されていないが、接続端子T0/T3間の静電容量値と、接続端子T0/T4間の静電容量値と、の差として求めることができる。また、Z軸方向成分は、接続端子T0/T5間の静電容量値の増減により(基準の値より増えたか、減ったかにより)求めることができる。   As a result, also in the acceleration sensor shown in FIG. 6, it is possible to detect each coordinate axis direction component of the applied acceleration in the XYZ three-dimensional coordinate system by the same method as the conventional sensor described in Section 1. For example, the X-axis direction component can be obtained as a difference between the capacitance value between the connection terminals T0 / T1 and the capacitance value between the connection terminals T0 / T2. In FIG. 8B, the arrows of the variable capacitance elements C1 and C2 are reversed in order to show that such differential detection is performed. Similarly, the Y-axis direction component is not shown in FIG. 8, but is obtained as a difference between the capacitance value between the connection terminals T0 / T3 and the capacitance value between the connection terminals T0 / T4. Can do. The Z-axis direction component can be obtained by increasing or decreasing the capacitance value between the connection terminals T0 / T5 (by increasing or decreasing from the reference value).

もちろん、図6に示す加速度センサは、本発明の一実施形態を示すものであり、本発明に係るセンサは、このような構造に限定されるものではない。また、§7で詳述するとおり、本発明は加速度センサに限定されるものではなく、角速度センサにも適用することが可能である。要するに本発明は、重錘体210と、この重錘体210を収容する収容体(図6の例の場合、上方基板150、台座部230、下方基板300)と、重錘体を収容体内に変位可能な態様で支持する支持手段(図6の例の場合、可撓部220)と、外力に起因して重錘体が収容体に対して生じる変位を検出する変位検出手段(図6の例の場合、各電極および後述する検出回路)と、を備え、この変位検出手段の検出結果に基づいて、作用した加速度もしくは角速度を検出する機能をもったセンサに広く適用可能である。   Of course, the acceleration sensor shown in FIG. 6 shows one embodiment of the present invention, and the sensor according to the present invention is not limited to such a structure. Further, as described in detail in Section 7, the present invention is not limited to the acceleration sensor, but can be applied to an angular velocity sensor. In short, the present invention includes a weight body 210, a housing body that accommodates the weight body 210 (in the case of FIG. 6, the upper substrate 150, the pedestal portion 230, the lower substrate 300), and the weight body in the housing body. Support means for supporting in a displaceable manner (in the case of the example of FIG. 6, the flexible portion 220) and displacement detection means for detecting the displacement of the weight body with respect to the container due to external force (of FIG. 6) In the case of an example, each electrode and a detection circuit to be described later are provided, and can be widely applied to sensors having a function of detecting an applied acceleration or angular velocity based on a detection result of the displacement detection means.

ここで述べる基本的実施形態の要点は、変位検出手段を構成する電極として、重錘体210に設けた共通変位電極E0(図3に示す例のように、個別の変位電極E6〜E10を設けてもよい)、収容体の内面の共通変位電極E0に対向する位置に設けた固定電極E1〜E5、収容体の外面の各固定電極E1〜E5に対向する位置に設けた外部電極EE1〜EE5を用い、共通変位電極E0と各外部電極EE1〜EE5との間の静電容量に基づいて加速度もしくは角速度を検出する、という点にある。   The essential point of the basic embodiment described here is that a common displacement electrode E0 (an individual displacement electrode E6 to E10 is provided as in the example shown in FIG. 3) provided on the weight body 210 as an electrode constituting the displacement detection means. The fixed electrodes E1 to E5 provided at positions facing the common displacement electrode E0 on the inner surface of the container, and the external electrodes EE1 to EE5 provided at positions facing the fixed electrodes E1 to E5 on the outer surface of the container. And the acceleration or angular velocity is detected based on the capacitance between the common displacement electrode E0 and the external electrodes EE1 to EE5.

このような構成をとることにより、本発明に係るセンサでは、収容体の内部と外部とを繋ぐ配線を一切排除することができるようになり、収容体の密閉性を高めることが可能になる。別言すれば、重錘体の封止状態を維持したまま、検出に必要な配線を確保することが可能になる。   By adopting such a configuration, in the sensor according to the present invention, it is possible to eliminate any wiring connecting the inside and the outside of the container, and it is possible to improve the sealing property of the container. In other words, it is possible to secure wiring necessary for detection while maintaining the sealed state of the weight body.

<<< §3.本発明に用いる検出回路 >>>
前述した§2では、図6に示す加速度センサの構造および動作原理を説明した。この図6に示す加速度センサは、実は、センサ本体部というべき構造体であり、実際に加速度を検出するには、この構造体に、更に専用の検出回路を接続して用いる必要がある。すなわち、本来の加速度センサは、図6に示すセンサ本体部に、後述するような検出回路を付加して構成されるべきものである。ただ、本明細書では、特に区別をする必要がない限り、図6に示すセンサ本体部のことも、加速度センサと呼ぶことにする。
<<< §3. Detection circuit used in the present invention >>
In §2 described above, the structure and operating principle of the acceleration sensor shown in FIG. 6 have been described. The acceleration sensor shown in FIG. 6 is actually a structure that should be referred to as a sensor body, and in order to actually detect acceleration, it is necessary to connect a dedicated detection circuit to this structure. That is, the original acceleration sensor should be configured by adding a detection circuit as described later to the sensor body shown in FIG. However, in this specification, the sensor main body shown in FIG. 6 is also referred to as an acceleration sensor unless it is particularly necessary to make a distinction.

さて、この図6に示す加速度センサとともに用いる検出回路は、所定箇所の静電容量値もしくはその差を検出する機能をもった回路であれば、どのような回路を用いてもかまわないが、ここでは、具体的な検出回路を例示しておく。   The detection circuit used together with the acceleration sensor shown in FIG. 6 may be any circuit as long as it has a function of detecting a capacitance value at a predetermined location or a difference between them. Now, a specific detection circuit will be exemplified.

図9は、このような検出回路の一例を示す回路図である。この回路図におけるE0は、図6に示す共通変位電極E0であり、E1〜E5は、図6に示す固定電極E1〜E5であり、EE1〜EE5は、図6に示す外部電極EE1〜EE5である。前述したとおり、これら各電極によって、図示のとおり可変容量素子C1〜C5および補助容量素子CC1〜CC5が形成されることになる。この例では、補助容量素子CC1とCC2の静電容量値は互いに等しく、補助容量素子CC3とCC4の静電容量値も互いに等しく設定されている。更に、重錘体が変位を生じていない状態では、容量素子C1とC2の静電容量値は互いに等しく、容量素子C3とC4の静電容量値も互いに等しくなるように設定されている。このように静電容量値を等しく設定するのは、後の信号処理を容易にするための配慮であり、必ずしも等しい設定を行う必要はない。一方、この回路図のT0〜T5は、図6に示す接続端子T0〜T5に対応する。結局、図9に示す回路図における各容量素子C1〜C5,CC1〜CC5は、図6に示す加速度センサの構造体を示すものであり、実際の検出回路は、図9に示すそれ以外の構成要素、すなわち、交流電源400、差分回路410,420、検波回路430,440,450によって構成されることになる。この検出回路は、接続端子T0〜T5を介して、図6に示す加速度センサの構造体に電気的に接続される。   FIG. 9 is a circuit diagram showing an example of such a detection circuit. In this circuit diagram, E0 is the common displacement electrode E0 shown in FIG. 6, E1 to E5 are the fixed electrodes E1 to E5 shown in FIG. 6, and EE1 to EE5 are the external electrodes EE1 to EE5 shown in FIG. is there. As described above, the variable capacitors C1 to C5 and the auxiliary capacitors CC1 to CC5 are formed by these electrodes as shown in the drawing. In this example, the capacitance values of the auxiliary capacitance elements CC1 and CC2 are equal to each other, and the capacitance values of the auxiliary capacitance elements CC3 and CC4 are also set to be equal to each other. Further, in a state where the weight body is not displaced, the capacitance values of the capacitive elements C1 and C2 are set to be equal to each other, and the capacitance values of the capacitive elements C3 and C4 are also set to be equal to each other. Setting the capacitance values to be equal in this way is a consideration for facilitating later signal processing, and it is not always necessary to set the capacitance values equally. On the other hand, T0 to T5 in this circuit diagram correspond to the connection terminals T0 to T5 shown in FIG. In the end, the capacitive elements C1 to C5 and CC1 to CC5 in the circuit diagram shown in FIG. 9 show the structure of the acceleration sensor shown in FIG. 6, and the actual detection circuit has the other configuration shown in FIG. That is, it is constituted by an AC power source 400, difference circuits 410 and 420, and detection circuits 430, 440, and 450. This detection circuit is electrically connected to the structure of the acceleration sensor shown in FIG. 6 via connection terminals T0 to T5.

交流電源400は、所定の検出用交流信号を接続端子T0に供給する機能を有する。図6の加速度センサを見れば明らかなように、交流電源400から供給された検出用交流信号は、接続端子T0から台座部230、可撓部220、重錘体210を経て、共通変位電極E0へと加えられる。交流電源400の一端は接地されているので、共通変位電極E0の電位は、接地電位に対して、正および負の電位を交互にとることになる。   The AC power supply 400 has a function of supplying a predetermined AC signal for detection to the connection terminal T0. As is apparent from the acceleration sensor of FIG. 6, the AC signal for detection supplied from the AC power source 400 passes through the pedestal portion 230, the flexible portion 220, and the weight body 210 from the connection terminal T0, and the common displacement electrode E0. Added to. Since one end of the AC power supply 400 is grounded, the potential of the common displacement electrode E0 alternately takes positive and negative potentials with respect to the ground potential.

図10は、この図9に示す検出回路の動作を説明するための信号波形図である。接続端子T0の電位を電圧V0とすれば、この電圧V0は、図10に示すように、接地電位0を基準として、上下に振れる交流信号になる。このような交流信号が共通変位電極E0に加えられると、この共通変位電極E0に対して交流的に結合されている固定電極E1〜E5には、この電圧V0に応じた電位変動が生じ、更に、各固定電極E1〜E5に対してそれぞれ交流的に結合されている外部電極EE1〜EE5にも、電圧V0に応じた電位変動が生じることになる。   FIG. 10 is a signal waveform diagram for explaining the operation of the detection circuit shown in FIG. Assuming that the potential of the connection terminal T0 is the voltage V0, the voltage V0 becomes an AC signal that swings up and down with reference to the ground potential 0 as shown in FIG. When such an AC signal is applied to the common displacement electrode E0, potential fluctuations according to the voltage V0 occur in the fixed electrodes E1 to E5 that are AC-coupled to the common displacement electrode E0. The potential fluctuations corresponding to the voltage V0 also occur in the external electrodes EE1 to EE5 that are AC-coupled to the fixed electrodes E1 to E5, respectively.

ここでは、図9の回路図に示すように、接続端子T1〜T5の電位(すなわち、外部電極EE1〜EE5の電位)を、それぞれ電圧V1〜V5と呼ぶことにする。接続端子T0に供給された交流信号(電圧V0)は、各容量素子による交流的な結合を経て、各接続端子T1〜T5に交流信号(電圧V1〜V5)として伝達されることになる。したがって、電圧V1〜V5は、電圧V0と同じ周期の交流信号になる。図10に示す電圧V1,V2が、電圧V0に同期した信号となっているのはこのためである。なお、実際には、電圧V1,V2の波形は、電圧V0の波形に比べて、若干の位相差や波形のなまりが生じることになるが、ここでは、これらの位相差や波形なまりを無視した説明を行う。   Here, as shown in the circuit diagram of FIG. 9, the potentials of the connection terminals T1 to T5 (that is, the potentials of the external electrodes EE1 to EE5) are referred to as voltages V1 to V5, respectively. The AC signal (voltage V0) supplied to the connection terminal T0 is transmitted as an AC signal (voltages V1 to V5) to the connection terminals T1 to T5 through AC coupling by the capacitive elements. Therefore, the voltages V1 to V5 are AC signals having the same cycle as the voltage V0. This is why the voltages V1 and V2 shown in FIG. 10 are signals synchronized with the voltage V0. Actually, the waveforms of the voltages V1 and V2 cause a slight phase difference and a rounded waveform as compared with the waveform of the voltage V0. Here, the phase difference and the rounded waveform are ignored. Give an explanation.

さて、図10に示す電圧V1,V2の信号を、電圧V0の信号と比較すると、周波数および位相は揃っているものの、振幅がそれぞれ異なることがわかる。これは、共通変位電極E0に供給された交流信号が、各容量素子を介して外部電極EE1〜EE5まで伝達される場合に、各容量素子の交流的な結合の度合いによって、信号の振幅が定まるからである。   Now, comparing the signals of the voltages V1 and V2 shown in FIG. 10 with the signal of the voltage V0, it can be seen that the frequencies are the same but the amplitudes are different. This is because, when an AC signal supplied to the common displacement electrode E0 is transmitted to the external electrodes EE1 to EE5 through each capacitive element, the amplitude of the signal is determined depending on the degree of AC coupling of each capacitive element. Because.

図10は、図6に示す加速度センサにおいて、重錘体210に対して、図の右方向(X軸正方向)への力が作用し、重錘体210が右方向へ変位したときに得られる信号波形を示すものである。この場合、電極E0/E1間の距離は狭くなり、可変容量素子C1の静電容量値は増加し(交流的な結合の度合いが高まり)、逆に、電極E0/E2間の距離は広くなり、可変容量素子C2の静電容量値は減少する(交流的な結合の度合いが低まる)。その結果、電圧V1の振幅と電圧V2の振幅とを比較すると、前者の方が後者よりも大きくなる。したがって、両電圧の差V1−V2は、重錘体210のX軸方向への変位量に関係した量ということになる。   FIG. 10 is obtained when the force in the right direction (X-axis positive direction) acts on the weight body 210 in the acceleration sensor shown in FIG. 6 and the weight body 210 is displaced in the right direction. It shows a signal waveform to be generated. In this case, the distance between the electrodes E0 / E1 is reduced, the capacitance value of the variable capacitance element C1 is increased (the degree of AC coupling is increased), and conversely, the distance between the electrodes E0 / E2 is increased. The capacitance value of the variable capacitance element C2 decreases (the degree of AC coupling decreases). As a result, when the amplitude of the voltage V1 is compared with the amplitude of the voltage V2, the former is larger than the latter. Therefore, the difference V1−V2 between the two voltages is an amount related to the amount of displacement of the weight body 210 in the X-axis direction.

図9に示す回路図における差分回路410は、この電圧差V1−V2を出力する回路である。図10に示されている電圧差V1−V2を示す信号波形は、この差分回路410から出力される信号ということになる。差分回路410の後段に接続されている検波回路430は、電圧V0を検波信号として利用して、差分回路410の出力信号(電圧V1−V2)を検波し、図10に示されているような電圧Vxを出力する回路である。この電圧Vxは、出力端子Txへ出力されることになる。検波回路430は、結局、電圧V0の交流信号を搬送波としたときに、電圧V1−V2なる信号波に含まれている信号成分を電圧Vxとして出力する働きをすることになる。別言すれば、検波回路430は、「検波信号として与えられた電圧V0」に対する「入力信号として与えられた電圧V1−V2」の比を電圧の絶対値として出力し、後述するように、位相を電圧の極性として出力する働きをしていることになる。このような検波回路430は角速度センサの分野などで広く利用されている回路であるため、ここでは回路の詳細な説明は省略する。   The difference circuit 410 in the circuit diagram shown in FIG. 9 is a circuit that outputs this voltage difference V1-V2. The signal waveform indicating the voltage difference V 1 −V 2 shown in FIG. 10 is a signal output from the difference circuit 410. The detection circuit 430 connected to the subsequent stage of the difference circuit 410 detects the output signal (voltage V1-V2) of the difference circuit 410 by using the voltage V0 as a detection signal, as shown in FIG. It is a circuit that outputs a voltage Vx. This voltage Vx is output to the output terminal Tx. After all, the detection circuit 430 functions to output the signal component included in the signal wave of the voltage V1-V2 as the voltage Vx when the AC signal of the voltage V0 is a carrier wave. In other words, the detection circuit 430 outputs the ratio of “the voltage V1−V2 given as the input signal” to the “voltage V0 given as the detection signal” as an absolute value of the voltage, and as described later, Is output as the polarity of the voltage. Such a detection circuit 430 is a circuit widely used in the field of angular velocity sensors and the like, and detailed description of the circuit is omitted here.

上述したとおり、図6に示す加速度センサにおいて、重錘体210がX軸正方向に変位すればするほど、電圧V1と電圧V2との差は大きくなり、電圧V1−V2の振幅は大きくなるので、電圧Vxも大きくなる。逆に、重錘体210がX軸負方向に変位した場合も、変位すればするほど、電圧V1と電圧V2との差は大きくなる。ただし、電圧V1−V2の符号は逆転することになる。   As described above, in the acceleration sensor shown in FIG. 6, the more the weight body 210 is displaced in the X-axis positive direction, the larger the difference between the voltage V1 and the voltage V2, and the larger the amplitude of the voltage V1-V2. The voltage Vx also increases. Conversely, when the weight body 210 is displaced in the negative direction of the X axis, the difference between the voltage V1 and the voltage V2 increases as the displacement is increased. However, the sign of the voltage V1-V2 is reversed.

図11は、図6に示す加速度センサにおいて、重錘体210に対して、図の左方向(X軸負方向)への力が作用し、重錘体210が左方向へ変位したときに得られる信号波形を示すものである。この場合、電極E0/E1間の距離は広くなり、可変容量素子C1の静電容量値は減少し(交流的な結合の度合いが低まり)、逆に、電極E0/E2間の距離は狭くなり、可変容量素子C2の静電容量値は増加する(交流的な結合の度合いが高まる)。その結果、電圧V1の振幅と電圧V2の振幅とを比較すると、後者の方が前者よりも大きくなる。そのため、図11に示す電圧V1−V2は、図10に示す電圧V1−V2とは符号が逆転したものとなり、図11に示す電圧Vxの符号は負になる。このように、検波回路430は、「検波信号として与えられた電圧V0」と「入力信号として与えられた電圧V1−V2」とが同位相であれば正の電圧を出力し、逆位相であれば負の電圧を出力する機能を有する。   FIG. 11 is obtained when the force in the left direction (X-axis negative direction) acts on the weight body 210 and the weight body 210 is displaced in the left direction in the acceleration sensor shown in FIG. It shows a signal waveform to be generated. In this case, the distance between the electrodes E0 / E1 is increased, the capacitance value of the variable capacitance element C1 is decreased (the degree of AC coupling is reduced), and conversely, the distance between the electrodes E0 / E2 is narrow. Thus, the capacitance value of the variable capacitance element C2 increases (the degree of AC coupling increases). As a result, when comparing the amplitude of the voltage V1 and the amplitude of the voltage V2, the latter is larger than the former. Therefore, the voltage V1-V2 shown in FIG. 11 has the sign reversed from that of the voltage V1-V2 shown in FIG. 10, and the sign of the voltage Vx shown in FIG. 11 is negative. As described above, the detection circuit 430 outputs a positive voltage if the “voltage V0 given as the detection signal” and the “voltage V1-V2 given as the input signal” have the same phase, and may have an opposite phase. A function of outputting a negative voltage.

結局、図9に示す回路において、出力端子Txに出力される電圧Vxは、加速度のX軸方向成分の向きおよび大きさを示すものになる。すなわち、電圧Vxが正であれば、加速度に起因して作用した力はX軸正方向を向いており、電圧Vxが負であれば、X軸負方向を向いていることになり、電圧Vxの絶対値は、加速度の大きさを示している。全く同様にして、出力端子Tyには、加速度のY軸方向成分の向きおよび大きさを示す電圧Vyが出力される。また、出力端子Tzには、加速度のZ軸方向成分の向きおよび大きさを示す電圧Vzが出力される。この電圧Vzは、2つの電圧の差に基づいて得られたものではないので、その符号によって、作用した加速度のZ軸方向成分の向きを示すことはできないが、所定の基準値(加速度のZ軸方向成分が0の場合に得られる電圧Vzの値)よりも大きいか小さいかによって、Z軸方向成分の向きを示すことができ、当該基準値との隔たりによって、Z軸方向成分の大きさを示すことができる。   As a result, in the circuit shown in FIG. 9, the voltage Vx output to the output terminal Tx indicates the direction and magnitude of the X-axis direction component of acceleration. That is, if the voltage Vx is positive, the force applied due to the acceleration is in the positive direction of the X axis, and if the voltage Vx is negative, it is in the negative direction of the X axis. The absolute value of indicates the magnitude of acceleration. In exactly the same manner, a voltage Vy indicating the direction and magnitude of the Y-axis direction component of acceleration is output to the output terminal Ty. Further, a voltage Vz indicating the direction and magnitude of the Z-axis direction component of acceleration is output to the output terminal Tz. Since the voltage Vz is not obtained based on the difference between the two voltages, the sign cannot indicate the direction of the Z-axis direction component of the applied acceleration, but the predetermined reference value (acceleration Z The direction of the Z-axis direction component can be indicated by whether it is larger or smaller than the value of the voltage Vz obtained when the axial direction component is 0), and the magnitude of the Z-axis direction component is determined by the distance from the reference value. Can be shown.

なお、交流電源400から供給する検出用交流信号は、できるだけ重錘体210の物理的な共振周波数に合致しない周波数をもった信号にするのが好ましい。これは、重錘体210の物理的な共振周波数に合致した周波数をもった信号を供給すると、電極間に働くクーロン力の影響により、重錘体210に振動を誘発するおそれがあるためである(§7で述べるとおり、角速度センサとして利用する場合には、このような振動を積極的に誘発させることになる)。図6に示すような構造をもった一般的なセンサ構造体の場合、重錘体210の物理的な共振周波数は4〜20kHz程度になる。そこで、交流電源400から供給する検出用交流信号として、たとえば、200〜500kHz程度の信号を用いれば、重錘体210への振動誘発を避けることができる。   Note that the detection AC signal supplied from the AC power supply 400 is preferably a signal having a frequency that does not match the physical resonance frequency of the weight body 210 as much as possible. This is because if a signal having a frequency that matches the physical resonance frequency of the weight body 210 is supplied, vibration may be induced in the weight body 210 due to the Coulomb force acting between the electrodes. (As described in §7, when used as an angular velocity sensor, such vibration is positively induced). In the case of a general sensor structure having a structure as shown in FIG. 6, the physical resonance frequency of the weight body 210 is about 4 to 20 kHz. Thus, for example, if a signal of about 200 to 500 kHz is used as the detection AC signal supplied from the AC power supply 400, vibration induction on the weight body 210 can be avoided.

結局、図9に示す検出回路の原理は、共通変位電極E0と各外部電極EE1〜EE5との間の静電容量を検出するために、一方の電極(この例の場合は、共通変位電極E0)に対して、重錘体210の物理的な共振周波数に合致しない周波数をもった検出用交流信号を供給し、このとき他方の電極(この例の場合は、各外部電極EE1〜EE5)に発生する交流信号の振幅成分を検出していることになる。これは、各可変容量素子C1〜C5の電極間隔が変化すると、交流的な結合の度合いが変化し、伝達される交流信号の振幅成分が変化する現象を利用したものである。   After all, the principle of the detection circuit shown in FIG. 9 is that one electrode (in this case, the common displacement electrode E0) is used to detect the capacitance between the common displacement electrode E0 and each of the external electrodes EE1 to EE5. ) Is supplied with a detection AC signal having a frequency that does not match the physical resonance frequency of the weight body 210, and at this time, the other electrode (in this example, each external electrode EE1 to EE5) is supplied. This means that the amplitude component of the generated AC signal is detected. This utilizes the phenomenon that when the electrode spacing of each of the variable capacitance elements C1 to C5 changes, the degree of AC coupling changes and the amplitude component of the transmitted AC signal changes.

これに対して、図12に示す検出回路は、検出用交流信号の位相の変化に基づいて、各可変容量素子C1〜C5の電極間隔の変化を認識し、作用した加速度を検出する原理に基づく回路である。ここでは、作用した加速度のX軸方向成分を検出するための構成要素のみが示されている。図12に示す可変容量素子C1,C2および補助容量素子CC1,CC2は、図6に示す加速度センサ内の電極によって構成された容量素子であり、前述したとおり、容量素子C1とCC1とは直列接続され、容量素子C2とCC2とは直列接続されている。ここで、容量素子CC1とCC2の静電容量値は互いに等しく、また、重錘体が変位していない状態では、容量素子C1とC2の静電容量値も互いに等しくなるような設定を行うと、その後の信号処理が容易になるが、このような設定は必須のものではない。   On the other hand, the detection circuit shown in FIG. 12 is based on the principle of recognizing the change in the electrode spacing of each of the variable capacitance elements C1 to C5 based on the change in the phase of the detection AC signal and detecting the applied acceleration. Circuit. Here, only components for detecting the X-axis direction component of the applied acceleration are shown. The variable capacitive elements C1 and C2 and the auxiliary capacitive elements CC1 and CC2 shown in FIG. 12 are capacitive elements configured by the electrodes in the acceleration sensor shown in FIG. 6, and as described above, the capacitive elements C1 and CC1 are connected in series. The capacitive elements C2 and CC2 are connected in series. Here, the capacitance values of the capacitive elements CC1 and CC2 are equal to each other, and when the weight body is not displaced, the capacitance values of the capacitive elements C1 and C2 are set to be equal to each other. Subsequent signal processing becomes easy, but such setting is not essential.

ここで、可変容量素子C1,C2の下方の電極(共通変位電極E0)は接地されており、補助容量素子CC1,CC2の上方の電極(外部電極EE1,EE2)には、それぞれ互いに抵抗値の等しい抵抗素子R1,R2を介して、互いに同周期で位相の異なる矩形波信号φ1,φ2が加えられている。このとき、補助容量素子CC1,CC2の上方の電極(外部電極EE1,EE2)に現れる矩形波信号が、EX−OR回路460に入力され、両矩形波信号の排他的論理和に相当する信号が出力端子TTxに出力されることになる。   Here, the lower electrodes (common displacement electrode E0) of the variable capacitance elements C1 and C2 are grounded, and the upper electrodes (external electrodes EE1 and EE2) of the auxiliary capacitance elements CC1 and CC2 have resistance values. The rectangular wave signals φ1 and φ2 having the same period and different phases are applied through the equal resistance elements R1 and R2. At this time, the rectangular wave signal appearing at the upper electrodes (external electrodes EE1, EE2) of the auxiliary capacitance elements CC1, CC2 is input to the EX-OR circuit 460, and a signal corresponding to the exclusive OR of the two rectangular wave signals is obtained. It is output to the output terminal TTx.

この回路におけるEX−OR回路460の出力信号は、補助容量素子CC1,CC2の上方の電極(外部電極EE1,EE2)に現れる矩形波信号の位相差を示す信号になる。すなわち、両信号の位相差に応じたデューティー比をもった矩形波が得られることになる。両信号の位相差は、可変容量素子C1の静電容量値と可変容量素子C2の静電容量値との差に応じた量になるので、出力端子TTxに得られる矩形波のデューティー比が、作用した加速度のX軸方向成分を示すことになる。Y軸方向成分の検出回路も、同様の構成により実現することができる。   The output signal of the EX-OR circuit 460 in this circuit is a signal indicating the phase difference between the rectangular wave signals appearing on the electrodes (external electrodes EE1, EE2) above the auxiliary capacitance elements CC1, CC2. That is, a rectangular wave having a duty ratio corresponding to the phase difference between both signals is obtained. Since the phase difference between both signals is an amount corresponding to the difference between the capacitance value of the variable capacitance element C1 and the capacitance value of the variable capacitance element C2, the duty ratio of the rectangular wave obtained at the output terminal TTx is: The X-axis direction component of the applied acceleration is shown. The detection circuit for the Y-axis direction component can also be realized by a similar configuration.

一方、図13に示す検出回路は、Z軸方向成分を検出するための回路である。ここで、可変容量素子C5および補助容量素子CC5は、図6に示す加速度センサ内の電極によって構成された容量素子であり、前述したとおり、両容量素子は直列接続されている。一方、固定容量素子C0は、図6に示す加速度センサとは別個に用意した容量素子であり、その静電容量値は基準値として機能することになる。   On the other hand, the detection circuit shown in FIG. 13 is a circuit for detecting the Z-axis direction component. Here, the variable capacitive element C5 and the auxiliary capacitive element CC5 are capacitive elements constituted by electrodes in the acceleration sensor shown in FIG. 6, and as described above, both capacitive elements are connected in series. On the other hand, the fixed capacitance element C0 is a capacitance element prepared separately from the acceleration sensor shown in FIG. 6, and the capacitance value functions as a reference value.

図示のとおり、可変容量素子C5の下方の電極(共通変位電極E0)と、固定容量素子C0の下方の電極は接地されており、補助容量素子CC5の上方の電極(外部電極EE5)および固定容量素子C0の上方の電極には、それぞれ抵抗素子R3,R4を介して、矩形波信号φ1,φ2が加えられている。このとき、補助容量素子CC5の上方の電極(外部電極EE5)および固定容量素子C0の上方の電極に現れる矩形波信号が、EX−OR回路470に入力され、両矩形波信号の排他的論理和に相当する信号が出力端子TTzに出力されることになる。   As shown in the drawing, the lower electrode (common displacement electrode E0) of the variable capacitor C5 and the lower electrode of the fixed capacitor C0 are grounded, and the upper electrode (external electrode EE5) and the fixed capacitor of the auxiliary capacitor CC5. Rectangular wave signals φ1 and φ2 are applied to the electrodes above the element C0 via resistance elements R3 and R4, respectively. At this time, the rectangular wave signal appearing at the upper electrode (external electrode EE5) of the auxiliary capacitive element CC5 and the upper electrode of the fixed capacitive element C0 is input to the EX-OR circuit 470, and the exclusive OR of both rectangular wave signals is input. Is output to the output terminal TTz.

この回路におけるEX−OR回路470の出力信号は、補助容量素子CC5の上方の電極(外部電極EE5)に現れる矩形波信号と固定容量素子C0の上方の電極に現れる矩形波信号との位相差を示す信号になる。固定容量素子C0の静電容量値は固定であるので、固定容量素子C0の上方の電極に現れる矩形波信号の位相は一定であり、位相差を検出するための基準信号として利用することができる。これに対して、可変容量素子C5の静電容量値は重錘体210のZ軸方向に関する変位に応じて変動するので、補助容量素子CC5の上方の電極(外部電極EE5)に現れる矩形波信号の位相は変動する。結局、EX−OR回路470の出力信号は、この位相変動を示す信号となり、出力端子TTzに得られる矩形波のデューティー比が、作用した加速度のZ軸方向成分を示すことになる。   The output signal of the EX-OR circuit 470 in this circuit indicates the phase difference between the rectangular wave signal appearing at the upper electrode (external electrode EE5) of the auxiliary capacitive element CC5 and the rectangular wave signal appearing at the upper electrode of the fixed capacitive element C0. Signal. Since the capacitance value of the fixed capacitance element C0 is fixed, the phase of the rectangular wave signal appearing on the electrode above the fixed capacitance element C0 is constant, and can be used as a reference signal for detecting the phase difference. . On the other hand, since the capacitance value of the variable capacitance element C5 varies according to the displacement of the weight body 210 in the Z-axis direction, a rectangular wave signal appearing on the electrode (external electrode EE5) above the auxiliary capacitance element CC5. The phase of fluctuates. Eventually, the output signal of the EX-OR circuit 470 becomes a signal indicating this phase fluctuation, and the duty ratio of the rectangular wave obtained at the output terminal TTz indicates the Z-axis direction component of the applied acceleration.

ここで、矩形波信号φ1,φ2の周波数は、やはり重錘体210の物理的な共振周波数に合致しない周波数にするのが好ましい。結局、図12および図13に示す検出回路の原理は、共通変位電極E0と各外部電極EE1〜EE5との間の静電容量を検出するために、一方の電極の電位を固定して(この例の場合は、共通変位電極E0の電位を接地電位に固定して)、他方の電極(この例の場合は、各外部電極EE1〜EE5)に、抵抗素子を介して、重錘体210の物理的な共振周波数に合致しない周波数をもった検出用交流信号を供給し、このとき当該他方の電極に発生する交流信号の位相を検出していることになる。これは、各可変容量素子C1〜C5の電極間隔が変化すると、CR回路の時定数が変化し、得られる交流信号の位相が変化する現象を利用したものである。   Here, the frequencies of the rectangular wave signals φ 1 and φ 2 are preferably set to frequencies that do not match the physical resonance frequency of the weight body 210. After all, the principle of the detection circuit shown in FIG. 12 and FIG. 13 is to fix the potential of one electrode in order to detect the capacitance between the common displacement electrode E0 and each of the external electrodes EE1 to EE5 (this In the case of the example, the potential of the common displacement electrode E0 is fixed to the ground potential), and the weight 210 is connected to the other electrode (in this case, each of the external electrodes EE1 to EE5) via a resistance element. A detection AC signal having a frequency that does not match the physical resonance frequency is supplied, and at this time, the phase of the AC signal generated at the other electrode is detected. This utilizes the phenomenon that the time constant of the CR circuit changes and the phase of the obtained AC signal changes when the electrode spacing of each of the variable capacitance elements C1 to C5 changes.

なお、この位相変化を利用した加速度検出回路は、たとえば、特開平5−346357号公報などに開示されている技術であり、ここではこれ以上の詳細な説明は省略する。   The acceleration detection circuit using this phase change is a technique disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 5-346357, and a detailed description thereof is omitted here.

<<< §4.より実用的な実施形態 >>>
続いて、本発明のより実用的な実施形態のいくつかを述べる。これらの実施形態に係る加速度センサは、いずれもその基本原理は、図6に示す加速度センサと同じであるが、より実用的な工夫が施されている。
<<< §4. More practical embodiment >>
Subsequently, some of the more practical embodiments of the present invention will be described. The basic principles of the acceleration sensors according to these embodiments are the same as those of the acceleration sensor shown in FIG. 6, but more practical devices are provided.

(1) まず、図14に側断面図を示す加速度センサは、図6に示す加速度センサから、共通変位電極E0を取り去ったものであり、両者の相違は、この点だけである。前述したとおり、中間基板250は導電性材料から構成されている。したがって、敢えて中間基板250の上面に共通変位電極E0を形成しなくても、導電性の中間基板250の表面の一部が、共通変位電極E0として機能することになる。別言すれば、図14に示す加速度センサでは、導電性の重錘体210の表面の一部によって共通変位電極E0が構成されていることになる。   (1) First, the acceleration sensor shown in the side sectional view in FIG. 14 is obtained by removing the common displacement electrode E0 from the acceleration sensor shown in FIG. 6, and this is the only difference between the two. As described above, the intermediate substrate 250 is made of a conductive material. Therefore, even if the common displacement electrode E0 is not formed on the upper surface of the intermediate substrate 250, a part of the surface of the conductive intermediate substrate 250 functions as the common displacement electrode E0. In other words, in the acceleration sensor shown in FIG. 14, the common displacement electrode E <b> 0 is configured by a part of the surface of the conductive weight body 210.

このように、中間基板250全体を導電性材料によって構成しておけば、重錘体210と、可撓部220(重錘体210に対する支持手段)と、台座部230(収容体の一部分)とが、物理的に連続した導電性材料により構成されることになり、共通変位電極E0(この例の場合、上述したとおり、重錘体210の表面の一部)と収容体の少なくとも一部分(この例の場合、台座部230)との間に導電路が形成されることになる。このため、共通変位電極E0に対する検出回路の配線を、収容体の外面(台座部230の側面)に対して行うことが可能になる。これは、配線を単純化する上で大きなメリットである。   Thus, if the entire intermediate substrate 250 is made of a conductive material, the weight body 210, the flexible portion 220 (supporting means for the weight body 210), and the pedestal portion 230 (a part of the container) Is composed of a physically continuous conductive material, and the common displacement electrode E0 (in this example, as described above, a part of the surface of the weight body 210) and at least a part of the container (this In the case of the example, a conductive path is formed between the pedestal portion 230). For this reason, it becomes possible to wire the detection circuit for the common displacement electrode E0 to the outer surface of the container (the side surface of the pedestal 230). This is a great advantage in simplifying the wiring.

なお、図6や図14に示す加速度センサは、いずれも上方基板150、中間基板250、下方基板300を積層した三層構造体を有しているが、このような三層構造体を用いた構成は、量産化に適した優れた構成である。たとえば、上方基板150および下方基板300をガラス基板によって構成し、中間基板250をシリコン基板によって構成すれば、この三層構造体を半導体製造プロセスと同様の工程で量産することが可能になる。   Each of the acceleration sensors shown in FIGS. 6 and 14 has a three-layer structure in which an upper substrate 150, an intermediate substrate 250, and a lower substrate 300 are stacked. Such a three-layer structure is used. The configuration is an excellent configuration suitable for mass production. For example, if the upper substrate 150 and the lower substrate 300 are constituted by glass substrates and the intermediate substrate 250 is constituted by a silicon substrate, this three-layer structure can be mass-produced in the same process as the semiconductor manufacturing process.

中間基板250は、重錘体210と、この重錘体210の周囲に接合され可撓性を有する可撓部220(重錘体210に対する支持手段)と、この可撓部220の周囲に接合された台座部230と、を有し、重錘体210の上面には空隙部S1が形成され、重錘体210の側面と台座部230の内面との間には空隙部S2が形成され、重錘体210の下面には空隙部S3が形成されている。このように、中間基板250は、やや複雑な形状をもった構造体になるが、このような構造体は、シリコン基板に対して、上方および下方から所定のマスクを用いたエッチングを行うことにより、比較的容易に製造することが可能である。   The intermediate substrate 250 is bonded to the weight body 210, the flexible portion 220 (support means for the weight body 210) that is bonded around the weight body 210 and has flexibility, and the flexible substrate 220. A vacant part S1 is formed on the upper surface of the weight body 210, and a vacant part S2 is formed between the side surface of the weight body 210 and the inner surface of the pedestal part 230. A gap S3 is formed on the lower surface of the weight body 210. As described above, the intermediate substrate 250 becomes a structure having a slightly complicated shape. Such a structure can be obtained by etching a silicon substrate from above and below using a predetermined mask. It can be manufactured relatively easily.

また、上方基板150に対しては、上面に溝部H1を形成する加工を行い、肉厚部151と肉薄部152とを形成すればよい。この上方基板150の下面および上面には、固定電極E1〜E5および外部電極EE1〜EE5を形成する必要があるが、これは、上方基板150の上面および下面に金属膜を形成した後に、所定のマスクを用いたパターニングを行えばよい。一方、下方基板300に対しては、特別な加工は不要である。最後に、上方基板150、中間基板250、下方基板300を、真空チャンバ内で陽極接合すれば、内部が真空状態に維持された収容体をもった加速度センサが出来上がる。   Further, the upper substrate 150 may be processed to form the groove portion H1 on the upper surface to form the thick portion 151 and the thin portion 152. It is necessary to form fixed electrodes E1 to E5 and external electrodes EE1 to EE5 on the lower surface and the upper surface of the upper substrate 150. This is performed after a metal film is formed on the upper surface and the lower surface of the upper substrate 150. Patterning using a mask may be performed. On the other hand, no special processing is required for the lower substrate 300. Finally, if the upper substrate 150, the intermediate substrate 250, and the lower substrate 300 are anodically bonded in a vacuum chamber, an acceleration sensor having a container whose inside is maintained in a vacuum state is completed.

(2) これまでの説明では、加速度センサの構造部の寸法については何ら言及していなかったが、十分な検出感度をもった加速度センサを実現するためには、実用上、各部の寸法設計は重要な課題になる。特に、各容量素子を構成する対向電極の電極間隔は、当該容量素子の静電容量値を左右し、検出感度に直接影響を与えるパラメータとなる。本願の各図は、図示の便宜上、各部の寸法比を無視して描いてあるが、実際には、たとえば、図14に示す寸法d1(可変容量素子C1〜C5の電極間隔)や寸法d2(補助容量素子CC1〜CC5の電極間隔)は、かなり小さな値に設定する必要がある。   (2) In the above description, the dimensions of the structure of the acceleration sensor have not been mentioned at all, but in order to realize an acceleration sensor with sufficient detection sensitivity, the dimensional design of each part is practical. It will be an important issue. In particular, the electrode spacing of the counter electrodes constituting each capacitive element affects the capacitance value of the capacitive element and is a parameter that directly affects the detection sensitivity. Each drawing of the present application is drawn ignoring the dimensional ratio of each part for convenience of illustration, but actually, for example, the dimension d1 (electrode interval of the variable capacitance elements C1 to C5) and the dimension d2 (shown in FIG. 14) are shown. It is necessary to set the electrode interval of the auxiliary capacitance elements CC1 to CC5 to a considerably small value.

本願発明者が行った実験によると、面積が1mm程度の一対の電極を対向させて、可変容量素子C1〜C5を形成する場合、加速度が作用していない状態において、電極間隔が3〜10μm程度になるように設定すれば、実用上、十分な検出感度をもったセンサが実現できた。すなわち、図14に示す例の場合、d1=3〜10μm程度に設定すればよい。 According to an experiment conducted by the present inventor, when the variable capacitance elements C1 to C5 are formed by facing a pair of electrodes having an area of about 1 mm 2 , the electrode interval is 3 to 10 μm in a state where no acceleration is applied. If it was set so as to be about, a sensor with sufficient detection sensitivity in practical use could be realized. That is, in the case of the example shown in FIG. 14, d1 may be set to about 3 to 10 μm.

それでは、図14に示す寸法d2(肉薄部152の厚み)はどの程度に設定すればよいであろうか。ここでは、まず、可変容量素子C1〜C5の静電容量値に対して、補助容量素子CC1〜CC5の静電容量値をどの程度に設定すればよいかを考えてみる。たとえば、図8(b) に示す等価回路において、可変容量素子C1の静電容量値の変化分を接続端子T0/T1間の電気信号として取り出す場合を考えよう。   Then, how much should the dimension d2 (thickness of the thin portion 152) shown in FIG. 14 be set? Here, first, let us consider how much the capacitance values of the auxiliary capacitance elements CC1 to CC5 should be set with respect to the capacitance values of the variable capacitance elements C1 to C5. For example, let us consider a case where, in the equivalent circuit shown in FIG. 8B, the change in the capacitance value of the variable capacitance element C1 is taken out as an electrical signal between the connection terminals T0 / T1.

この場合、補助容量素子CC1の静電容量値が大きければ大きいほど、可変容量素子C1の静電容量値の変化分を大きな信号成分として取り出せることがわかる。これは、接続端子T0/T1間の静電容量値を示す式「1/(1/C1+1/CC1)」において、CC1=無限大に設定すれば、接続端子T0/T1間の静電容量値=C1となり、可変容量素子C1の静電容量値の変化分のみを取り出すことができるようになることを考えれば、容易に理解できよう。そうすると、補助容量素子CC1の静電容量値を、可変容量素子C1の静電容量値に比べて、大きく設定すればするほど、検出感度が高まることになる。   In this case, it can be seen that the larger the capacitance value of the auxiliary capacitive element CC1, the larger the change in the capacitance value of the variable capacitive element C1 can be extracted as a signal component. This is because the capacitance value between the connection terminals T0 / T1 is set when CC1 = infinity is set in the expression “1 / (1 / C1 + 1 / CC1)” indicating the capacitance value between the connection terminals T0 / T1. = C1, and it can be easily understood considering that only the change in the capacitance value of the variable capacitance element C1 can be taken out. Then, the detection sensitivity increases as the capacitance value of the auxiliary capacitance element CC1 is set larger than the capacitance value of the variable capacitance device C1.

さて、ここで、図14に構造体において、寸法d1と寸法d2とが等しくなるように設定した場合を考えてみる。このような設定において、上方基板150をガラス基板で構成し、ガラスの比誘電率を5とすれば、補助容量素子CC1の静電容量値は、可変容量素子C1の静電容量値の5倍ということになる。つまり、寸法d2を寸法d1と等しく設定すれば、補助容量素子CC1の静電容量値は、可変容量素子C1の静電容量値の5倍になる。この倍率を更に大きくして検出感度を更に高めるためには、寸法d2を更に小さく設定する必要がある。上方基板150に、肉厚の小さな肉薄部152を形成するための溝部H1を掘り、外部電極EE1〜EE5を、この溝部H1の底面に形成する構成をとっているのは、補助容量素子CC1〜CC5の電極間隔d2をできるだけ小さく設定するための配慮である。   Now, consider the case where the dimension d1 and the dimension d2 are set to be equal in the structure shown in FIG. In such a setting, if the upper substrate 150 is made of a glass substrate and the relative dielectric constant of the glass is 5, the capacitance value of the auxiliary capacitance element CC1 is five times the capacitance value of the variable capacitance device C1. It turns out that. That is, if the dimension d2 is set equal to the dimension d1, the capacitance value of the auxiliary capacitance element CC1 is five times the capacitance value of the variable capacitance element C1. In order to further increase the detection sensitivity by further increasing the magnification, it is necessary to set the dimension d2 smaller. The auxiliary capacitor elements CC1 to CC1 have a configuration in which the groove H1 for forming the thin part 152 having a small thickness is formed in the upper substrate 150 and the external electrodes EE1 to EE5 are formed on the bottom surface of the groove H1. This is a consideration for setting the electrode interval d2 of CC5 as small as possible.

結局、実用上、十分な検出感度を確保するためには、d1=3〜10μm程度に設定するとともに、d2も同程度もしくはそれ以下の寸法に設定する必要がある。ところが、寸法d2を3〜10μm程度に設定すると、肉薄部152に十分な剛性を確保することが困難になるため、肉薄部152の撓みという別な問題が生じることになる。d2を小さく設定すると、たとえば、図15に示す例のように、内部を真空に維持した構造体を用いた場合、外部から加わる大気圧Pの影響で、肉薄部152は内側に撓みを生じることになる。しかもその撓み量は、その時点の気圧によって変動することになるので、使用環境(天候など)に依存した測定誤差を生じる要因となってしまう。   Eventually, in order to ensure sufficient detection sensitivity in practical use, it is necessary to set d1 = about 3 to 10 μm and d2 to the same size or less. However, when the dimension d2 is set to about 3 to 10 μm, it is difficult to ensure sufficient rigidity for the thin portion 152, and another problem of bending of the thin portion 152 occurs. If d2 is set to be small, for example, when using a structure whose interior is kept in a vacuum as in the example shown in FIG. 15, the thin portion 152 may bend inward due to the atmospheric pressure P applied from the outside. become. Moreover, since the amount of deflection varies depending on the atmospheric pressure at that time, it causes a measurement error depending on the use environment (such as weather).

図16に示す実施形態は、この問題に対処するための第1のアプローチを示すものである。この図16に示す加速度センサは、図14に示す加速度センサにおける上方基板150の上面に形成されていた溝部H1の内部(すなわち、外部電極EE1〜EE5が形成されている溝内)に、補強材を充填することにより、補強材充填部160を形成したものである。補強材としては、酸化シリコン、窒化シリコン、高分子膜など、任意の材料を用いることができるが、熱膨張の影響による測定誤差を排除するためには、できるだけ上方基板150の材料に対して熱膨張率が近い材料を用いるのが好ましい。なお、外部電極EE1〜EE5と接続端子T1〜T5との間の配線は、補強材を充填する前に行っておけばよい。   The embodiment shown in FIG. 16 illustrates a first approach to address this problem. The acceleration sensor shown in FIG. 16 includes a reinforcing material inside the groove H1 formed on the upper surface of the upper substrate 150 in the acceleration sensor shown in FIG. 14 (that is, in the groove where the external electrodes EE1 to EE5 are formed). In this way, the reinforcing material filling portion 160 is formed. As the reinforcing material, any material such as silicon oxide, silicon nitride, or a polymer film can be used. However, in order to eliminate a measurement error due to the influence of thermal expansion, the material of the upper substrate 150 is heated as much as possible. It is preferable to use a material having a close expansion coefficient. Note that the wiring between the external electrodes EE1 to EE5 and the connection terminals T1 to T5 may be performed before the reinforcing material is filled.

(3) 上述の問題に対処するための第2のアプローチは、センサ本来の機能を果たす機能部とは別の場所に、信号を取り出すための信号取出部を設ける、という方法である。図17に示す実施形態は、この第2のアプローチに基づく解決法を示すものである。この図17に示す加速度センサは、右側の機能部Aと左側の信号取出部Bとによって構成されている。   (3) A second approach for dealing with the above problem is a method of providing a signal extraction unit for extracting a signal at a location different from the functional unit that performs the original function of the sensor. The embodiment shown in FIG. 17 shows a solution based on this second approach. The acceleration sensor shown in FIG. 17 includes a right-side function unit A and a left-side signal extraction unit B.

このセンサも、ガラス基板からなる上方基板180、シリコン基板からなる中間基板280、ガラス基板からなる下方基板380、という3層を積層した構造を有している。図18は、中間基板280の上面図、図19は、この中間基板280を切断線19−19に沿って切断した状態を示す横断面図である。   This sensor also has a structure in which three layers of an upper substrate 180 made of a glass substrate, an intermediate substrate 280 made of a silicon substrate, and a lower substrate 380 made of a glass substrate are laminated. FIG. 18 is a top view of the intermediate substrate 280, and FIG. 19 is a cross-sectional view showing a state in which the intermediate substrate 280 is cut along a cutting line 19-19.

図19に示されているとおり、中間基板280の周囲部分は、台座部235によって構成されており、仕切部236の右側が機能部A、左側が信号取出部Bとなる。機能部Aの内部には、重錘体210が配置されており、この重錘体210と台座部235の内面との間には、空隙部S2が形成されている。一方、信号取出部Bの内部には、空隙部S4が形成されている。重錘体210が可撓部220によって支持されている点は、これまでの実施形態と全く同様である。   As shown in FIG. 19, the peripheral portion of the intermediate substrate 280 is configured by a pedestal portion 235, and the right side of the partition portion 236 is the functional portion A and the left side is the signal extraction portion B. A weight body 210 is disposed inside the functional part A, and a gap S <b> 2 is formed between the weight body 210 and the inner surface of the pedestal part 235. On the other hand, a gap portion S4 is formed inside the signal extraction portion B. The point that the weight body 210 is supported by the flexible portion 220 is exactly the same as the previous embodiments.

図20および図21は、上方基板180の上面図および下面図である。これらの図には、重錘体210および台座部235の位置を破線で示してある。図20に示されているとおり、この上方基板180の上面には、溝部H2,H3が掘られており、溝部H2の底部には、外部電極FF1〜FF5が形成され、溝部H3の底部には、共通外部電極FF0が形成されている。また、溝部H2の脇には、接続端子T1〜T5が配置されており、溝部H2の段差部分を跨ぐようにして、接続端子T1〜T5から外部電極FF1〜FF5に対して配線がなされている。同様に、溝部H3の脇には、接続端子T0が配置されており、溝部H3の段差部分を跨ぐようにして、接続端子T0から共通外部電極FF0に対して配線がなされている。   20 and 21 are a top view and a bottom view of the upper substrate 180, respectively. In these drawings, the positions of the weight body 210 and the pedestal portion 235 are indicated by broken lines. As shown in FIG. 20, grooves H2 and H3 are dug on the upper surface of the upper substrate 180, external electrodes FF1 to FF5 are formed at the bottom of the groove H2, and at the bottom of the groove H3. A common external electrode FF0 is formed. Further, the connection terminals T1 to T5 are arranged beside the groove H2, and wiring is made from the connection terminals T1 to T5 to the external electrodes FF1 to FF5 so as to straddle the stepped portion of the groove H2. . Similarly, a connection terminal T0 is disposed beside the groove H3, and wiring is made from the connection terminal T0 to the common external electrode FF0 so as to straddle the step portion of the groove H3.

図17は、このセンサをXZ平面に沿って切断した側断面図に相当し、溝部H2,H3の断面形状が示されている。すなわち、上方基板180は、肉厚部181と、溝部H2の下方に位置する肉薄部182と、溝部H3の下方に位置する肉薄部183と、によって構成されている。この図17では、溝部H2の底面に、X軸上に配置された外部電極FF2のみが現れている。また、図20に示されている接続端子T0〜T5およびこれらから伸びる配線は、図17では図示が省略されている。   FIG. 17 corresponds to a side sectional view of the sensor cut along the XZ plane, and shows the sectional shapes of the grooves H2 and H3. That is, the upper substrate 180 includes a thick part 181, a thin part 182 located below the groove part H <b> 2, and a thin part 183 located below the groove part H <b> 3. In FIG. 17, only the external electrode FF2 arranged on the X axis appears on the bottom surface of the groove H2. Further, the connection terminals T0 to T5 shown in FIG. 20 and the wiring extending therefrom are not shown in FIG.

図21には、上方基板180の下面に形成された各電極および配線部の平面形状が示されている。この図21に示された固定電極E1〜E5は、図2に示す固定電極E1〜E5と同等の機能を果たすものである。すなわち、図21に示された固定電極E1〜E5は、重錘体210の表面の一部によって構成されている共通変位電極E0(図示されていない)に対向する電極であり、各対向電極により、可変容量素子C1〜C5が形成されている。   FIG. 21 shows a planar shape of each electrode and wiring portion formed on the lower surface of the upper substrate 180. The fixed electrodes E1 to E5 shown in FIG. 21 perform the same functions as the fixed electrodes E1 to E5 shown in FIG. That is, the fixed electrodes E1 to E5 shown in FIG. 21 are electrodes facing a common displacement electrode E0 (not shown) formed by a part of the surface of the weight body 210, and The variable capacitance elements C1 to C5 are formed.

一方、図21の左側に示すように、この上方基板180の下面には、補助電極F1〜F5が形成されている。ここで、図21に示す補助電極F1〜F5は、それぞれ図20に示す外部電極FF1〜FF5に対向しており、各対向電極により、補助容量素子CC1〜CC5が形成されている。たとえば、図17には、補助電極F2と外部電極FF2とが、肉薄部182を挟んで対向した状態が示されているが、これら一対の対向電極により、補助容量素子CC2が形成されることになる。   On the other hand, as shown on the left side of FIG. 21, auxiliary electrodes F <b> 1 to F <b> 5 are formed on the lower surface of the upper substrate 180. Here, the auxiliary electrodes F1 to F5 shown in FIG. 21 are opposed to the external electrodes FF1 to FF5 shown in FIG. 20, respectively, and auxiliary capacitance elements CC1 to CC5 are formed by the opposing electrodes. For example, FIG. 17 shows a state in which the auxiliary electrode F2 and the external electrode FF2 are opposed to each other with the thin portion 182 interposed therebetween, and the auxiliary capacitor element CC2 is formed by the pair of counter electrodes. Become.

また、図21に示すとおり、補助電極F1〜F5と固定電極E1〜E5とは、それぞれ配線部L1〜L5によって電気的に接続されている。図17に示すとおり、仕切部236の上端が上方基板180の下面まで到達していないのは、これら配線部L1〜L5を通すための空隙を確保するためである。   Further, as shown in FIG. 21, the auxiliary electrodes F1 to F5 and the fixed electrodes E1 to E5 are electrically connected by wiring portions L1 to L5, respectively. As shown in FIG. 17, the upper end of the partition part 236 does not reach the lower surface of the upper substrate 180 in order to ensure a gap for passing these wiring parts L1 to L5.

結局、この加速度センサにおいても、可変容量素子C1〜C5と補助容量素子CC1〜CC5とがそれぞれ直列接続された形になっており、たとえば、図9に示す検出回路を利用した検出が可能になる。ただ、図14に示す加速度センサの場合、可変容量素子C1〜C5と補助容量素子CC1〜CC5とが同じ領域に形成されているため、補助容量素子CC1〜CC5の電極間隔(寸法d2)を小さく設定すると、図15に示すように、大気圧Pによって肉薄部152が撓みを生じ、可変容量素子C1〜C5の電極間隔(寸法d1)にも影響が及ぶという問題が生じていたが、図17に示す加速度センサの場合、このような問題が生じることはない。   After all, in this acceleration sensor, the variable capacitance elements C1 to C5 and the auxiliary capacitance elements CC1 to CC5 are respectively connected in series, and for example, detection using the detection circuit shown in FIG. 9 becomes possible. . However, in the case of the acceleration sensor shown in FIG. 14, since the variable capacitance elements C1 to C5 and the auxiliary capacitance elements CC1 to CC5 are formed in the same region, the electrode interval (dimension d2) of the auxiliary capacitance elements CC1 to CC5 is reduced. When set, as shown in FIG. 15, the thin portion 152 is bent by the atmospheric pressure P, and there is a problem that the electrode spacing (dimension d1) of the variable capacitance elements C1 to C5 is also affected. Such a problem does not occur in the acceleration sensor shown in FIG.

図17に示す加速度センサの場合、センサ本来の検出機能に必要な可変容量素子C1〜C5は、重錘体210に設けた共通変位電極E0と、これに対向する収容体の内面の位置に設けた固定電極E1〜E5とによって構成されており、機能部Aに配置されている。一方、信号を外部に取り出すために必要な補助容量素子CC1〜CC5は、収容体の内面の固定電極E1〜E5とは異なる位置に設けた補助電極F1〜F5と、これに対向する収容体の外面の位置に設けた外部電極FF1〜FF5とによって構成されており、信号取出部Bに配置されている。しかも、各固定電極E1〜E5と各補助電極F1〜F5とは、それぞれ配線部L1〜L5によって電気的に接続されている。このような構成の加速度センサは、これまで述べてきた実施形態と同様に、共通変位電極E0と各外部電極FF1〜FF5との間の静電容量に基づいて加速度の検出が可能である。   In the case of the acceleration sensor shown in FIG. 17, the variable capacitance elements C1 to C5 necessary for the original detection function of the sensor are provided at the positions of the common displacement electrode E0 provided on the weight body 210 and the inner surface of the container opposite to the common displacement electrode E0. The fixed electrodes E1 to E5 are arranged in the functional part A. On the other hand, the auxiliary capacitance elements CC1 to CC5 necessary for taking out signals to the outside are auxiliary electrodes F1 to F5 provided at positions different from the fixed electrodes E1 to E5 on the inner surface of the container, and the container facing the auxiliary electrodes F1 to F5. It is composed of external electrodes FF1 to FF5 provided at positions on the outer surface, and is arranged in the signal extraction part B. Moreover, the fixed electrodes E1 to E5 and the auxiliary electrodes F1 to F5 are electrically connected by the wiring portions L1 to L5, respectively. The acceleration sensor having such a configuration can detect acceleration based on the capacitance between the common displacement electrode E0 and each of the external electrodes FF1 to FF5, as in the embodiments described above.

このような構成をもった加速度センサでは、補助容量素子CC1〜CC5の電極間隔(肉薄部182の厚み)を小さく設定して、大気圧Pによって肉薄部182に撓みが生じたとしても、測定値に重大な影響が及ぶことはない。これは、肉薄部182に撓みが生じたとしても、補助容量素子CC1〜CC5の電極間隔(肉薄部182の厚み)に大きな変動は生じないし、可変容量素子C1〜C5の電極間隔にも大きな変動は生じないからである。   In the acceleration sensor having such a configuration, even if the electrode spacing (thickness of the thin portion 182) of the auxiliary capacitance elements CC1 to CC5 is set small and the thin portion 182 is bent by the atmospheric pressure P, the measured value is obtained. Will not have a significant impact. This is because even if the thin portion 182 is bent, the electrode spacing of the auxiliary capacitive elements CC1 to CC5 (thickness of the thin portion 182) does not vary greatly, and the electrode spacing of the variable capacitive elements C1 to C5 also varies greatly. This is because no problem occurs.

なお、この図17に示す加速度センサの場合、共通変位電極E0(重錘体210の上面)に対する配線も、上方基板180の上面から行うことができる。図示のとおり、溝部H3の底面には、共通外部電極FF0が形成されており、この共通外部電極FF0は、台座部235の上面に絶縁層(肉薄部183)を介して対向している。したがって、この台座部235の上面と、共通外部電極FF0とによって、補助容量素子CC0が形成されることになる。しかも、中間基板280全体が導電性材料から構成されているため、台座部235の上面は、共通変位電極E0の等電位面となる。結局、共通外部電極FF0は、共通変位電極E0に対して、補助容量素子CC0を介して交流的に接続されていることになるので、この共通外部電極FF0と各外部電極FF1〜FF5との間の静電容量に基づいて加速度を検出する検出回路を設けておけば、必要な検出動作が可能になる。   In the case of the acceleration sensor shown in FIG. 17, wiring to the common displacement electrode E0 (the upper surface of the weight body 210) can also be performed from the upper surface of the upper substrate 180. As illustrated, a common external electrode FF0 is formed on the bottom surface of the groove H3, and the common external electrode FF0 is opposed to the top surface of the pedestal portion 235 with an insulating layer (thin portion 183) interposed therebetween. Therefore, the auxiliary capacitive element CC0 is formed by the upper surface of the base portion 235 and the common external electrode FF0. Moreover, since the entire intermediate substrate 280 is made of a conductive material, the upper surface of the pedestal portion 235 becomes the equipotential surface of the common displacement electrode E0. Eventually, the common external electrode FF0 is connected to the common displacement electrode E0 in an alternating current manner via the auxiliary capacitance element CC0. Therefore, the common external electrode FF0 is connected between the common external electrode FF0 and the external electrodes FF1 to FF5. If a detection circuit for detecting acceleration based on the electrostatic capacity of is provided, a necessary detection operation can be performed.

具体的には、図9に示す回路において、接続端子T0が共通外部電極FF0に接続されていることになるので、この図9の回路図における接続端子T0と共通変位電極E0との間に、補助容量素子CC0を追加した回路が、図17に示す加速度センサに用いる検出回路ということになる。この図17に示す加速度センサでは、すべての配線を、上方基板180の上面に対して行うことができる、というメリットが得られる。   Specifically, in the circuit shown in FIG. 9, since the connection terminal T0 is connected to the common external electrode FF0, between the connection terminal T0 and the common displacement electrode E0 in the circuit diagram of FIG. A circuit to which the auxiliary capacitance element CC0 is added is a detection circuit used in the acceleration sensor shown in FIG. The acceleration sensor shown in FIG. 17 has an advantage that all wiring can be performed on the upper surface of the upper substrate 180.

<<< §5.上方基板の製造プロセス >>>
ここでは、本発明に係るセンサを、上方基板、中間基板、下方基板という3つの基板の積層体によって構成する場合に、上方基板を製造するために適したプロセスの一例を述べる。
<<< §5. Upper substrate manufacturing process >>
Here, an example of a process suitable for manufacturing an upper substrate will be described in the case where the sensor according to the present invention is constituted by a laminate of three substrates, an upper substrate, an intermediate substrate, and a lower substrate.

図14に示す実施形態における上方基板150では、実用上、肉薄部152の厚みd2を3〜10μm程度に設定するのが好ましいことは、既に述べたとおりである。同様に、図17に示す実施形態における上方基板180においても、肉薄部182および肉薄部183の厚みを3〜10μm程度に設定するのが好ましい。ここでは、このように非常に厚みの小さな肉薄部をもった上方基板を製造するのに適したプロセスを述べる。   As described above, in the upper substrate 150 in the embodiment shown in FIG. 14, it is practically preferable to set the thickness d2 of the thin portion 152 to about 3 to 10 μm. Similarly, in the upper substrate 180 in the embodiment shown in FIG. 17, it is preferable to set the thickness of the thin portion 182 and the thin portion 183 to about 3 to 10 μm. Here, a process suitable for manufacturing an upper substrate having such a thin portion having a very small thickness will be described.

このプロセスの特徴は、上方基板をシリコン基板とガラス基板との2層構造で構成する点にある。図22は、図17に示す加速度センサの上方基板180の代わりに、2層構造を有する上方基板190を用いた変形例を示す側断面図である。この図22に示す変形例のその他の構成部分は、図17に示す加速度センサと全く同じであり、もちろん、動作原理も全く同じである。   The feature of this process is that the upper substrate is constituted by a two-layer structure of a silicon substrate and a glass substrate. FIG. 22 is a side sectional view showing a modification in which an upper substrate 190 having a two-layer structure is used instead of the upper substrate 180 of the acceleration sensor shown in FIG. The other components of the modification shown in FIG. 22 are exactly the same as those of the acceleration sensor shown in FIG. 17, and of course, the operation principle is exactly the same.

図示のとおり、図22に示す上方基板190は、ガラス基板からなる下層部191と、シリコン基板からなる上層部192とによって構成されている。なお、ここでは便宜上、下層部191と上層部192の厚みの比率を無視した図が示されているが、実際には、下層部191の厚みが3〜10μm程度であるのに対して、上層部192の厚みは300μm程度である。   As shown in the figure, the upper substrate 190 shown in FIG. 22 includes a lower layer portion 191 made of a glass substrate and an upper layer portion 192 made of a silicon substrate. Here, for the sake of convenience, a diagram ignoring the ratio of the thickness of the lower layer portion 191 and the upper layer portion 192 is shown, but the thickness of the lower layer portion 191 is actually about 3 to 10 μm, whereas the upper layer The thickness of the part 192 is about 300 μm.

この上方基板190では、溝部H4,H5は、上層部192の表裏を貫通する貫通孔によって形成されている。また、共通外部電極FF0および外部電極FF1〜FF5は、下層部191の上面に形成されている。上方基板190をこのような2層構造にすれば、補助容量素子CC1〜CC5の電極間隔を、下層部191の厚みによって決定できるようになるので、補助容量素子CC1〜CC5の静電容量値を大きく設定したいのであれば、それだけ厚みの小さな下層部191を作成すればよい。もっとも、3〜10μm程度の厚みをもった下層部191を、単体のガラス基板として用意することは困難である。そこで、本願発明者は、次のようなプロセスにより、上方基板190を製造する方法を着想した。   In the upper substrate 190, the groove portions H4 and H5 are formed by through holes penetrating the front and back of the upper layer portion 192. The common external electrode FF0 and the external electrodes FF1 to FF5 are formed on the upper surface of the lower layer portion 191. If the upper substrate 190 has such a two-layer structure, the electrode spacing of the auxiliary capacitance elements CC1 to CC5 can be determined by the thickness of the lower layer portion 191. Therefore, the capacitance values of the auxiliary capacitance elements CC1 to CC5 can be determined. If it is desired to set a larger value, the lower layer portion 191 having a smaller thickness may be created. However, it is difficult to prepare the lower layer portion 191 having a thickness of about 3 to 10 μm as a single glass substrate. Therefore, the present inventor has conceived a method of manufacturing the upper substrate 190 by the following process.

図23および図24は、この上方基板190の製造方法を示す側断面図である。まず、図23(a) に示すように、厚み300μm程度のシリコン基板10を用意し、その所定箇所(外部電極を形成する必要がある領域)に、表裏貫通する貫通孔H(後に溝部となる)を形成する。ここでは、シリコン基板10に対して、KOHなどの異方性エッチング液を用いたエッチングを行い、上方が広がるようなテーパ状の貫通孔Hを形成している。このように、貫通孔Hの側面をテーパ状にしておくと、後に、外部電極に対する配線を形成する上で好都合である。   23 and 24 are side sectional views showing a method of manufacturing the upper substrate 190. First, as shown in FIG. 23 (a), a silicon substrate 10 having a thickness of about 300 μm is prepared, and a through hole H (which will later become a groove portion) is formed in a predetermined portion (region where an external electrode needs to be formed). ). Here, the silicon substrate 10 is etched using an anisotropic etching solution such as KOH to form tapered through holes H that expand upward. Thus, if the side surface of the through hole H is tapered, it is convenient to form a wiring for the external electrode later.

続いて、厚み300μm程度のガラス基板20を用意し、図23(b) に示すように、シリコン基板10の下面に、このガラス基板20を接合する。両者の接合は、陽極接合(Anodic Bonding)によって行うのが好ましい。陽極接合は、シリコン基板とガラス基板との接合に非常に適した接合方法であり、非常に堅固な接合が可能になる。こうして、シリコン基板10とガラス基板20との2層からなる構造体が形成されると、貫通孔Hは溝部Hとして機能することになる。   Subsequently, a glass substrate 20 having a thickness of about 300 μm is prepared, and the glass substrate 20 is bonded to the lower surface of the silicon substrate 10 as shown in FIG. Both are preferably joined by anodic bonding. The anodic bonding is a bonding method that is very suitable for bonding a silicon substrate and a glass substrate, and enables a very firm bonding. Thus, when a structure composed of two layers of the silicon substrate 10 and the glass substrate 20 is formed, the through hole H functions as the groove portion H.

次に、この2層からなる構造体におけるガラス基板20の下面を研磨して、図23(c) に示すように、厚み3〜10μm程度のガラス基板25を形成する。このように、シリコン基板10に接合された状態でガラス基板20を研磨することにより、厚みが3〜10μm程度のガラス基板25を問題なく形成することができる。以上で、上方基板190の基本構造は完成である。   Next, the lower surface of the glass substrate 20 in the two-layer structure is polished to form a glass substrate 25 having a thickness of about 3 to 10 μm, as shown in FIG. Thus, by polishing the glass substrate 20 in a state of being bonded to the silicon substrate 10, the glass substrate 25 having a thickness of about 3 to 10 μm can be formed without any problem. With the above, the basic structure of the upper substrate 190 is completed.

続いて、溝部Hの底部に、外部電極を形成するプロセスを行うことになるが、以降のプロセスは、上方基板190を台座部230の上面に接合(中間基板280をシリコン基板で形成しておけば、この接合も陽極接合によって行うことができる)した後に行うこともできるし、接合する前に行うこともできる。   Subsequently, a process of forming an external electrode at the bottom of the groove H is performed. In the subsequent processes, the upper substrate 190 is bonded to the upper surface of the pedestal 230 (the intermediate substrate 280 may be formed of a silicon substrate). (This bonding can also be performed by anodic bonding), or can be performed before bonding.

まず、図24(a) に示すように、シリコン基板10の上面にシリコンの酸化膜15を形成する。この酸化膜15は、後に形成される配線層に対する絶縁膜として機能する。この膜は、絶縁膜として機能することができれば、必ずしもシリコンの酸化膜にする必要はないが、シリコンの酸化膜15は、シリコン基板10の表面に対して酸化処理を施すことにより容易に形成することができるため、実用上は、絶縁膜として酸化膜15を利用するのが好ましい。もちろん、シリコン基板10の表面酸化という方法をとらずに、酸化膜あるいは別な絶縁膜をシリコン基板10の表面に堆積させる方法をとってもかまわない。   First, as shown in FIG. 24A, a silicon oxide film 15 is formed on the upper surface of the silicon substrate 10. This oxide film 15 functions as an insulating film for a wiring layer to be formed later. This film is not necessarily a silicon oxide film as long as it can function as an insulating film, but the silicon oxide film 15 is easily formed by subjecting the surface of the silicon substrate 10 to oxidation. Therefore, in practice, it is preferable to use the oxide film 15 as the insulating film. Of course, instead of using the method of surface oxidation of the silicon substrate 10, a method of depositing an oxide film or another insulating film on the surface of the silicon substrate 10 may be used.

次に、図24(b) に示すように、酸化膜15の上面および溝部Hにアルミニウムなどからなる金属膜30を形成する。金属膜30の代わりに、任意の導電材料からなる層を形成してもかまわない。そして、図24(c) に示すように、この金属膜30をパターニングして、溝部Hの底部に位置する外部電極35と、この外部電極35に対する配線36(溝部Hの側面から溝外へ伸びる部分)を形成する。   Next, as shown in FIG. 24B, a metal film 30 made of aluminum or the like is formed on the upper surface of the oxide film 15 and the groove H. Instead of the metal film 30, a layer made of an arbitrary conductive material may be formed. Then, as shown in FIG. 24 (c), the metal film 30 is patterned, and the external electrode 35 located at the bottom of the groove H and the wiring 36 for the external electrode 35 (extends from the side surface of the groove H to the outside of the groove). Part).

最後に、図24(d) に示すように、この基板の上面全体に、補強材層40を形成する。補強材層40は、たとえば、酸化シリコン、窒化シリコン、あるいは高分子膜などの材料で構成すればよい。補強材層40は、溝部Hの内部を補強する機能を果たすものであり、少なくとも溝部Hの内部に充填できるようにすればよい。ガラス基板25の厚みは、前述したとおり、3〜10μm程度であるので、溝部Hに補強材を充填することにより、ガラス基板25の一部分が大気圧によって撓むのを防ぐことができる。もちろん、図17や図22に示す例のように、機能部Aと信号取出部Bとを別個に設ける構造をとる場合は、補強材層40は必ずしも必要なものではないので、この補強材の充填プロセスは省略してもかまわない。   Finally, as shown in FIG. 24 (d), a reinforcing material layer 40 is formed on the entire top surface of the substrate. The reinforcing material layer 40 may be made of a material such as silicon oxide, silicon nitride, or a polymer film. The reinforcing material layer 40 functions to reinforce the inside of the groove H, and it is sufficient that at least the inside of the groove H can be filled. Since the thickness of the glass substrate 25 is about 3 to 10 μm as described above, it is possible to prevent a part of the glass substrate 25 from being bent by atmospheric pressure by filling the groove H with a reinforcing material. Of course, as in the example shown in FIG. 17 and FIG. 22, the reinforcing material layer 40 is not necessarily required when the functional portion A and the signal extraction portion B are separately provided. The filling process may be omitted.

以上、図22に示す加速度センサにおける上方基板190の製造プロセスを説明したが、上記手順に基づく上方基板の製造プロセスは、図16に示す上方基板150を製造する場合にも適用可能である。   The manufacturing process of the upper substrate 190 in the acceleration sensor shown in FIG. 22 has been described above. However, the manufacturing process of the upper substrate based on the above procedure can also be applied to the case of manufacturing the upper substrate 150 shown in FIG.

<<< §6.固定電極を省略した実施形態 >>>
次に、図25を参照しながら、もうひとつ別な実施形態を述べる。この図25に示す加速度センサは、図14に示す加速度センサの構造を更に単純化したものであり、図14に示す加速度センサにおいて、上方基板150の下面に形成していた固定電極E1〜E5を削除したものである。したがって、このセンサにおける電極は、重錘体210の上面によって構成される共通変位電極E0と、上方基板150の上面に形成された外部電極EE1〜EE5(平面図は、図7参照)だけである。
<<< §6. Embodiment in which fixed electrode is omitted >>>
Next, another embodiment will be described with reference to FIG. The acceleration sensor shown in FIG. 25 is a further simplification of the structure of the acceleration sensor shown in FIG. 14. In the acceleration sensor shown in FIG. 14, fixed electrodes E1 to E5 formed on the lower surface of the upper substrate 150 are provided. It has been deleted. Therefore, the electrodes in this sensor are only the common displacement electrode E0 constituted by the upper surface of the weight body 210 and the external electrodes EE1 to EE5 (see FIG. 7 for a plan view) formed on the upper surface of the upper substrate 150. .

これらの電極によって、可変容量素子C1〜C5が形成されることになる。たとえば、外部電極EE1と、これに対向する共通変位電極E0の一部分とによって、可変容量素子C1が形成されている。この可変容量素子C1の電極間隔は、図示の寸法(d1+d2)ということになる。寸法d1に相当する部分の誘電率は、収容体内を真空に維持している場合には真空の誘電率になり、寸法d2に相当する部分の誘電率は、肉薄部152を構成する材料(たとえば、ガラス)の誘電率になる。   These electrodes form variable capacitance elements C1 to C5. For example, the variable capacitor C1 is formed by the external electrode EE1 and a part of the common displacement electrode E0 facing the external electrode EE1. The electrode interval of the variable capacitance element C1 is the illustrated dimension (d1 + d2). The dielectric constant of the portion corresponding to the dimension d1 is a vacuum dielectric constant when the inside of the container is maintained in a vacuum, and the dielectric constant of the portion corresponding to the dimension d2 is the material (for example, the thin portion 152) , Glass).

このように、図25に示す加速度センサにおける可変容量素子C1〜C5は、誘電率の異なる2通りの媒体を挟んだ対向電極によって構成される容量素子ということになるが、これらの静電容量値に基づいて加速度を検出する原理は、これまで述べてきた各加速度センサの検出原理と全く同様である。すなわち、共通変位電極E0と、各外部電極EE1〜EE5との間の静電容量値を測定可能な何らかの検出回路を用いれば、作用した加速度の各座標軸方向成分の検出が可能になる。   As described above, the variable capacitance elements C1 to C5 in the acceleration sensor shown in FIG. 25 are capacitance elements constituted by the counter electrodes sandwiching two types of media having different dielectric constants. The principle of detecting the acceleration based on the above is exactly the same as the detection principle of each acceleration sensor described so far. That is, if any detection circuit capable of measuring the capacitance value between the common displacement electrode E0 and each of the external electrodes EE1 to EE5 is used, it is possible to detect each coordinate axis direction component of the applied acceleration.

要するに、この図25に示す実施形態では、重錘体210に設けた共通変位電極E0と、収容体の外面の共通変位電極E0に対向する位置に設けた各外部電極EE1〜EE5との間の静電容量に基づいて加速度の検出を行うことになる。中間基板250全体を導電性材料で構成しておけば、共通変位電極E0に対する配線は、台座部230の外面に対して行えばよいので、収容体内部への配線を行う必要はない。   In short, in the embodiment shown in FIG. 25, between the common displacement electrode E0 provided on the weight body 210 and the external electrodes EE1 to EE5 provided at positions facing the common displacement electrode E0 on the outer surface of the container. The acceleration is detected based on the capacitance. If the entire intermediate substrate 250 is made of a conductive material, wiring to the common displacement electrode E0 may be performed on the outer surface of the pedestal portion 230, so that there is no need to perform wiring inside the container.

もっとも、この図25に示す加速度センサを用いて実用的な検出感度を確保するためには、可変容量素子C1〜C5の電極間隔(d1+d2)をかなり小さく設定する必要があり、肉薄部152の厚みd2を、できるだけ小さく設定するのが好ましい。したがって、実用上は、上方基板150の上面に形成されている溝部H1に、何らかの補強材(酸化シリコン、窒化シリコン、高分子膜などでよい)を充填し、図26に示す変形例のように、補強材充填部160による補強を行うのが好ましい。この場合、補強材の充填作業の前に、各外部電極EE1〜EE5と接続端子T1〜T5との間の配線を行っておくようにする。   However, in order to ensure practical detection sensitivity using the acceleration sensor shown in FIG. 25, it is necessary to set the electrode interval (d1 + d2) of the variable capacitance elements C1 to C5 to be considerably small, and the thickness of the thin portion 152. It is preferable to set d2 as small as possible. Therefore, practically, the groove H1 formed on the upper surface of the upper substrate 150 is filled with some reinforcing material (which may be silicon oxide, silicon nitride, polymer film, or the like), as in the modification shown in FIG. It is preferable to reinforce by the reinforcing material filling portion 160. In this case, wiring between the external electrodes EE1 to EE5 and the connection terminals T1 to T5 is performed before the reinforcing material filling operation.

<<< §7.種々の変形例 >>>
以上、本発明を図示するいくつかの実施形態を参照しながら説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、この他にも種々の形態で実施可能である。
<<< §7. Various modifications >>
Although the present invention has been described above with reference to some embodiments illustrated in the drawings, the present invention is not limited to these embodiments and can be implemented in various other forms.

たとえば、これまでの実施形態では、複数5枚の変位電極E6〜E10(あるいは、これらと同等の機能を果たす物理的に単一の共通変位電極E0)と、これら変位電極のそれぞれに対向する5枚の固定電極E1〜E5と、これら固定電極のそれぞれに対向する5枚の外部電極EE1〜EE5とを形成し(あるいは、5枚の補助電極F1〜F5と、これら補助電極のそれぞれに対向する5枚の外部電極FF1〜FF5とを形成し)、5組の可変容量素子C1〜C5および5組の補助容量素子CC1〜CC5を用いた検出を行っていたが、各電極の枚数や各容量素子の数は、必ずしも5に設定する必要はなく、検出に必要な座標軸成分に応じて、必要な数だけ用意すればよい。   For example, in the embodiments described so far, a plurality of five displacement electrodes E6 to E10 (or a physically single common displacement electrode E0 that performs the same function as these) and each of these displacement electrodes 5 are opposed to each other. A pair of fixed electrodes E1 to E5 and five external electrodes EE1 to EE5 that face each of these fixed electrodes are formed (or five auxiliary electrodes F1 to F5 that face each of these auxiliary electrodes). 5 external electrodes FF1 to FF5 are formed) and detection is performed using 5 sets of variable capacitance elements C1 to C5 and 5 sets of auxiliary capacitance elements CC1 to CC5. The number of elements does not necessarily need to be set to 5, but only a necessary number may be prepared according to the coordinate axis components necessary for detection.

また、重錘体210を支持するための可撓部220の構造も、これまで述べた実施形態に示す構造に限定されるものではない。可撓部220は、重錘体210を収容体内に変位可能な態様で支持する機能をもっていれば、どのような構造のものであってもかまわない。   Further, the structure of the flexible portion 220 for supporting the weight body 210 is not limited to the structure shown in the above-described embodiments. The flexible portion 220 may have any structure as long as it has a function of supporting the weight body 210 in a manner that can be displaced in the housing body.

図27は、図18に示す中間基板280の変形例である中間基板290の上面図である。両者の相違は、図18における重錘体210および可撓部220が、図27では、重錘体215および可撓部225に置き換えられている点のみであり、その他の部分の構造は全く同じである。図27に示す変形例では、図示のとおり、重錘体215は、上方から見ると4枚の羽状部分をもった構造を有する。可撓部225は、この重錘体215の周囲を取り囲む板状枠体と、スリットSLによって隔てられた4本のビーム部BMと、によって構成されている。スリットSLは、重錘体215と可撓部225とを隔てる貫通溝をなしている。図28は、この重錘体215の横断面図であり、スリットSLの位置が破線で示されている。   FIG. 27 is a top view of an intermediate substrate 290 which is a modification of the intermediate substrate 280 shown in FIG. The only difference is that the weight body 210 and the flexible part 220 in FIG. 18 are replaced with the weight body 215 and the flexible part 225 in FIG. 27, and the structure of the other parts is exactly the same. It is. In the modification shown in FIG. 27, as shown, the weight body 215 has a structure having four wing-like portions when viewed from above. The flexible portion 225 includes a plate-like frame body that surrounds the weight body 215 and four beam portions BM separated by the slit SL. The slit SL forms a through groove that separates the weight body 215 and the flexible portion 225. FIG. 28 is a transverse sectional view of the weight body 215, and the position of the slit SL is indicated by a broken line.

このように、スリットSLで重錘体215を物理的に隔絶するようにすると、重錘体215は、4本のビーム部BMによってのみ支持された状態となるので、これまで述べてきた実施形態の構造に比べて、重錘体215がより変位しやすい構造が実現できる。もちろん、このようにスリットによって重錘体を隔絶し、ビーム部によって重錘体を支持する構造は、図6に示す実施形態にも適用可能である。   As described above, when the weight body 215 is physically separated by the slit SL, the weight body 215 is supported only by the four beam portions BM. Compared with this structure, a structure in which the weight body 215 is more easily displaced can be realized. Of course, such a structure in which the weight body is isolated by the slit and the weight body is supported by the beam portion is also applicable to the embodiment shown in FIG.

また、図17や図22に示すように、機能部Aと信号取出部Bとを別個に設ける構造をとれば、「大気圧による肉薄部の撓み」という現象に対処することができる点は、既に§4で述べたとおりであるが、逆に、この現象を利用すれば、センサの試験を行うことが可能になる。たとえば、図17に示す構造をもち、収容体の内部が真空状態となっているセンサを製品化した場合を考える。このようなセンサでは、収容体の内部が真空であるのが正常な状態であり、もし、何らかの原因で、収容体壁面に亀裂が生じ、内部が大気圧になってしまうと、本来の正しい動作を行うことができない。   In addition, as shown in FIG. 17 and FIG. 22, if a structure in which the functional part A and the signal extraction part B are provided separately, the phenomenon of “the bending of the thin part due to the atmospheric pressure” can be dealt with. As already described in §4, on the contrary, if this phenomenon is used, it becomes possible to test the sensor. For example, consider a case in which a sensor having the structure shown in FIG. 17 and having a vacuum inside the container is commercialized. In such a sensor, it is normal for the inside of the container to be in a vacuum, and if for some reason, the wall surface of the container is cracked and the inside is at atmospheric pressure, the proper operation is correct. Can not do.

そこで、肉薄部182の撓み状態を検出する何らかの機構を設けておけば、収容体内部が真空状態に維持されているか否かを試験することができ、万一、空気漏れが生じて、内部が大気圧になっている場合には、これを検知することができるようになる。すなわち、図17に示す状態が正常状態(空隙部S4が真空状態)であったとすると、万一、空気漏れが生じた場合には、内部に侵入した大気の圧力により肉薄部182が外部へと撓んで膨らんだ状態になる。これを何らかの検出機構で検出できるようにしておけば、センサの内部が真空に維持されている正常な状態であるか否かを試験することができる。   Therefore, if a mechanism for detecting the bending state of the thin part 182 is provided, it is possible to test whether or not the inside of the container is maintained in a vacuum state. This can be detected when the atmospheric pressure is reached. That is, assuming that the state shown in FIG. 17 is a normal state (the gap S4 is in a vacuum state), if an air leak occurs, the thin portion 182 is moved to the outside by the pressure of the air that has entered the inside. It bends and swells. If this can be detected by some kind of detection mechanism, it can be tested whether the inside of the sensor is in a normal state maintained in a vacuum.

肉薄部182の撓み状態を検出するには、たとえば、この肉薄部182を挟むように設けた一対の試験用電極によって構成される容量素子の静電容量値をモニタするようにしてもよいし、肉薄部182にピエゾ抵抗素子などを形成しておき、この素子の電気抵抗の変化をモニタするようにしてもよい。もちろん、この肉薄部182の撓み状態を検出する機構は、センサ内部が真空状態に維持されているか否かの試験に利用できるだけでなく、一般的な気圧計として機能させることも可能である。   In order to detect the bending state of the thin portion 182, for example, the capacitance value of a capacitive element constituted by a pair of test electrodes provided so as to sandwich the thin portion 182 may be monitored, A piezoresistive element or the like may be formed in the thin portion 182 and the change in electrical resistance of this element may be monitored. Of course, the mechanism for detecting the bending state of the thin portion 182 can be used not only for testing whether or not the inside of the sensor is maintained in a vacuum state, but can also function as a general barometer.

続いて、角速度センサへの適用について述べる。これまでの実施形態では、本発明を加速度センサに適用した例を述べたが、センサ本体部というべき一般的な構造体は、加速度センサにも利用できるし、角速度センサにも利用可能であり、本発明は、加速度センサのみならず、角速度センサにも同様に適用可能である。   Next, application to an angular velocity sensor will be described. In the above embodiments, an example in which the present invention is applied to an acceleration sensor has been described. However, a general structure that should be referred to as a sensor main body can be used for an acceleration sensor or an angular velocity sensor. The present invention is applicable not only to acceleration sensors but also to angular velocity sensors.

角速度センサでは、重錘体を所定方向に振動させた状態において、重錘体に作用するコリオリ力を検出することにより、角速度の検出を行うことになる。そのため、重錘体を振動させるための励振手段を用意する必要があるが、これまで加速度センサとして述べてきた構造体における可変容量素子C1〜C5は、いずれも励振手段として機能させることが可能である。   In the angular velocity sensor, the angular velocity is detected by detecting the Coriolis force acting on the weight body in a state where the weight body is vibrated in a predetermined direction. Therefore, it is necessary to prepare excitation means for vibrating the weight body, but any of the variable capacitance elements C1 to C5 in the structure described so far as the acceleration sensor can function as the excitation means. is there.

したがって、特定の外部電極とこれに対応する変位電極との間に、重錘体の物理的な共振周波数に合致する周波数をもった励振用交流信号を供給する励振手段を用意し、励振用交流信号を供給すれば、重錘体を当該共振周波数で振動させることが可能になる。こうして、重錘体が励振用交流信号の供給によって振動している状態において、外力として作用するコリオリ力に起因して重錘体に生じる変位を検出すれば、角速度の検出が可能になる。   Therefore, an excitation means for supplying an excitation AC signal having a frequency matching the physical resonance frequency of the weight body between a specific external electrode and a corresponding displacement electrode is prepared, and the excitation AC If a signal is supplied, the weight body can be vibrated at the resonance frequency. In this way, when the weight body vibrates due to the supply of the excitation AC signal, the angular velocity can be detected by detecting the displacement generated in the weight body due to the Coriolis force acting as an external force.

たとえば、図6に示すような構造をもったセンサ本体部に、図9に示す検出回路を適用すれば、作用した加速度のX軸方向成分、Y軸方向成分、Z軸方向成分を検出することができる加速度センサが実現できることは、既に述べたとおりである。ところが、この図6に示すセンサ本体部に、図29に示す検出回路を適用すれば、X軸まわりの角速度ωxおよびY軸まわりの角速度ωyを検出可能な角速度センサを実現することができる。   For example, if the detection circuit shown in FIG. 9 is applied to the sensor body having the structure shown in FIG. 6, the X-axis direction component, the Y-axis direction component, and the Z-axis direction component of the applied acceleration can be detected. As described above, an acceleration sensor capable of achieving the above can be realized. However, if the detection circuit shown in FIG. 29 is applied to the sensor body shown in FIG. 6, an angular velocity sensor capable of detecting the angular velocity ωx around the X axis and the angular velocity ωy around the Y axis can be realized.

図29に示す回路において、容量素子C1,CC1および容量素子C2,CC2に係る部分は、図12に示した回路と同様に、接続端子T1の電位と接続端子T2の電位との位相差により、重錘体のX軸方向の変位を検出する機能を果たす部分である。すなわち、接続端子T1には、抵抗素子R1を介して交流電源400からの矩形波信号φ1が加えられ、接続端子T2には、抵抗素子R2を介して交流電源405からの矩形波信号φ2が加えられる。   In the circuit shown in FIG. 29, the portions related to the capacitive elements C1 and CC1 and the capacitive elements C2 and CC2 are caused by the phase difference between the potential of the connection terminal T1 and the potential of the connection terminal T2, as in the circuit shown in FIG. This is the part that functions to detect the displacement of the weight body in the X-axis direction. That is, a rectangular wave signal φ1 from the AC power supply 400 is applied to the connection terminal T1 via the resistance element R1, and a rectangular wave signal φ2 from the AC power supply 405 is applied to the connection terminal T2 via the resistance element R2. It is done.

この実施例では、容量素子CC1とCC2の静電容量値は等しく、抵抗素子R1,R2の抵抗値は等しく、重錘体が変位を生じていないときの容量素子C1とC2の静電容量値も等しくなるように設定されており、交流電源400,405からは、同周波数で位相の異なる矩形波信号が供給されるので、容量素子C1の静電容量値と容量素子C2の静電容量値とが等しければ、接続端子T1に現れる電圧信号と接続端子T2に現れる電圧信号との位相差は、交流電源400,405の位相差に等しい。ところが、重錘体がX軸方向に変位すると、容量素子C1,C2の静電容量値に差が生じるため、CR回路の時定数が変化し、接続端子T1に現れる電圧信号と接続端子T2に現れる電圧信号との位相差に変化が生じることになる。EX−OR回路460は、この位相差を検出する回路であり、EX−OR回路460からは、この位相差に相当するデューティー比をもった矩形波信号が出力される。   In this embodiment, the capacitance values of the capacitive elements CC1 and CC2 are equal, the resistance values of the resistance elements R1 and R2 are equal, and the capacitance values of the capacitive elements C1 and C2 when the weight body is not displaced. Are set to be equal, and the AC power supplies 400 and 405 are supplied with rectangular wave signals having the same frequency and different phases, so that the capacitance value of the capacitive element C1 and the capacitance value of the capacitive element C2 Are equal, the phase difference between the voltage signal appearing at the connection terminal T1 and the voltage signal appearing at the connection terminal T2 is equal to the phase difference between the AC power supplies 400 and 405. However, when the weight body is displaced in the X-axis direction, a difference occurs in the capacitance values of the capacitive elements C1 and C2, so that the time constant of the CR circuit changes, and the voltage signal appearing at the connection terminal T1 and the connection terminal T2 change. A change occurs in the phase difference from the voltage signal that appears. The EX-OR circuit 460 is a circuit that detects this phase difference, and the EX-OR circuit 460 outputs a rectangular wave signal having a duty ratio corresponding to this phase difference.

同様に、容量素子C3,CC3および容量素子C4,CC4に係る部分は、接続端子T3の電位と接続端子T4の電位との位相差により、重錘体のY軸方向の変位を検出する機能を果たす部分である。すなわち、接続端子T3には、抵抗素子R3を介して交流電源400からの矩形波信号φ1が加えられ、接続端子T4には、抵抗素子R4を介して交流電源405からの矩形波信号φ2が加えられる。   Similarly, the portions related to the capacitive elements C3 and CC3 and the capacitive elements C4 and CC4 have a function of detecting the displacement of the weight body in the Y-axis direction based on the phase difference between the potential of the connection terminal T3 and the potential of the connection terminal T4. It is the part that plays. That is, a rectangular wave signal φ1 from the AC power supply 400 is applied to the connection terminal T3 via the resistance element R3, and a rectangular wave signal φ2 from the AC power supply 405 is applied to the connection terminal T4 via the resistance element R4. It is done.

ここで、容量素子CC3とCC4の静電容量値は等しく、抵抗素子R3,R4の抵抗値は等しく、重錘体が変位を生じていないときの容量素子C3とC4の静電容量値も等しくなるように設定されており、交流電源400,405からは、同周波数で位相の異なる矩形波信号が供給されるので、容量素子C3の静電容量値と容量素子C4の静電容量値とが等しければ、接続端子T3に現れる電圧信号と接続端子T4に現れる電圧信号との位相差は、交流電源400,405の位相差に等しい。ところが、重錘体がY軸方向に変位すると、容量素子C3,C4の静電容量値に差が生じるため、CR回路の時定数が変化し、接続端子T3に現れる電圧信号と接続端子T4に現れる電圧信号との位相差に変化が生じることになる。EX−OR回路470は、この位相差を検出する回路であり、EX−OR回路470からは、この位相差に相当するデューティー比をもった矩形波信号が出力される。   Here, the capacitance values of the capacitance elements CC3 and CC4 are equal, the resistance values of the resistance elements R3 and R4 are equal, and the capacitance values of the capacitance elements C3 and C4 when the weight body is not displaced are also equal. Since the rectangular wave signals having the same frequency and different phases are supplied from the AC power supplies 400 and 405, the capacitance value of the capacitive element C3 and the capacitance value of the capacitive element C4 are set. If they are equal, the phase difference between the voltage signal appearing at the connection terminal T3 and the voltage signal appearing at the connection terminal T4 is equal to the phase difference between the AC power supplies 400 and 405. However, when the weight body is displaced in the Y-axis direction, a difference occurs in the capacitance values of the capacitive elements C3 and C4, so that the time constant of the CR circuit changes and the voltage signal appearing at the connection terminal T3 and the connection terminal T4 are changed. A change occurs in the phase difference from the voltage signal that appears. The EX-OR circuit 470 is a circuit that detects this phase difference, and the EX-OR circuit 470 outputs a rectangular wave signal having a duty ratio corresponding to this phase difference.

一方、容量素子C5,CC5に係る部分は、重錘体をZ軸方向に励振させる機能を果たす部分である。すなわち、接続端子T0(接地)とT5との間には、交流電源500が接続されている。この交流電源500は、励振用交流信号(この例の場合は正弦波信号)を供給するための励振手段として機能する。このように、接続端子T0/T5間に、交流電源500からの励振用交流信号を供給すると、電極E0/E5間に生じるクーロン力によって、重錘体が励振用交流信号の周波数でZ軸方向に振動する。角速度の検出は、このように、重錘体をZ軸方向に振動させた状態において、重錘体に作用したコリオリ力を検出することによって行われる。   On the other hand, the portions related to the capacitive elements C5 and CC5 are portions that perform the function of exciting the weight body in the Z-axis direction. That is, the AC power source 500 is connected between the connection terminals T0 (ground) and T5. This AC power supply 500 functions as an excitation means for supplying an excitation AC signal (in this example, a sine wave signal). In this way, when the excitation AC signal from the AC power supply 500 is supplied between the connection terminals T0 / T5, the weight body is driven in the Z-axis direction at the frequency of the excitation AC signal by the Coulomb force generated between the electrodes E0 / E5. Vibrate. The angular velocity is thus detected by detecting the Coriolis force acting on the weight body in a state where the weight body is vibrated in the Z-axis direction.

すなわち、重錘体をZ軸方向に振動させた状態において、重錘体にY軸まわりの角速度ωyが作用すると、重錘体にはX軸方向にコリオリ力が加わることになり、重錘体がX軸方向に変位する。その結果、上述したように、この重錘体のX軸方向の変位に相当する信号が、EX−OR回路460から出力される。同期検波回路480は、交流電源500からの励振用交流信号に同期した検波処理を実行し、EX−OR回路460から出力されるX軸方向の変位を示す信号をY軸まわりの角速度ωyを示す信号に変換して出力端子Tωyに出力する機能を果たす。   That is, when the weight body is vibrated in the Z-axis direction, when the angular velocity ωy around the Y-axis acts on the weight body, Coriolis force is applied to the weight body in the X-axis direction. Is displaced in the X-axis direction. As a result, as described above, a signal corresponding to the displacement of the weight body in the X-axis direction is output from the EX-OR circuit 460. The synchronous detection circuit 480 executes detection processing synchronized with the excitation AC signal from the AC power supply 500, and shows a signal indicating displacement in the X-axis direction output from the EX-OR circuit 460 as an angular velocity ωy around the Y-axis. The signal is converted into a signal and output to the output terminal Tωy.

一方、重錘体をZ軸方向に振動させた状態において、重錘体にX軸まわりの角速度ωxが作用すると、重錘体にはY軸方向にコリオリ力が加わることになり、重錘体がY軸方向に変位する。その結果、上述したように、この重錘体のY軸方向の変位に相当する信号が、EX−OR回路470から出力される。同期検波回路490は、交流電源500からの励振用交流信号に同期した検波処理を実行し、EX−OR回路470から出力されるY軸方向の変位を示す信号をX軸まわりの角速度ωxを示す信号に変換して出力端子Tωxに出力する機能を果たす。   On the other hand, when an angular velocity ωx around the X axis acts on the weight body in a state where the weight body is vibrated in the Z-axis direction, Coriolis force is applied to the weight body in the Y-axis direction. Is displaced in the Y-axis direction. As a result, as described above, a signal corresponding to the displacement of the weight body in the Y-axis direction is output from the EX-OR circuit 470. The synchronous detection circuit 490 executes a detection process synchronized with the excitation AC signal from the AC power supply 500, and a signal indicating the displacement in the Y-axis direction output from the EX-OR circuit 470 indicates the angular velocity ωx around the X axis. The signal is converted into a signal and output to the output terminal Tωx.

なお、既に述べたとおり、交流電源500から供給される励振用交流信号は、重錘体の物理的な共振周波数に合致する周波数(一般的には、4〜20kHz程度)をもった交流信号とし、交流電源400,405から供給される検出用交流信号は、重錘体の物理的な共振周波数に合致しない周波数(一般的には、200〜500kHz程度に設定すればよい)をもった交流信号にするのが好ましい。   As described above, the excitation AC signal supplied from the AC power supply 500 is an AC signal having a frequency (generally about 4 to 20 kHz) that matches the physical resonance frequency of the weight body. The AC signal for detection supplied from the AC power sources 400 and 405 has an AC signal having a frequency that does not match the physical resonance frequency of the weight body (generally, it may be set to about 200 to 500 kHz). Is preferable.

従来型加速度センサの一例を示す側断面図である。It is a sectional side view which shows an example of the conventional acceleration sensor. 図1に示す従来型加速度センサにおける上方基板100の下面図である。FIG. 2 is a bottom view of an upper substrate 100 in the conventional acceleration sensor shown in FIG. 1. 図1に示す従来型加速度センサにおける中間基板200の上面図である。FIG. 2 is a top view of an intermediate substrate 200 in the conventional acceleration sensor shown in FIG. 中間基板側に共通電極を用いた従来型加速度センサの側断面図である(各端子への接続部分は配線図で示す)。It is a sectional side view of the conventional acceleration sensor which used the common electrode for the intermediate substrate side (the connection part to each terminal is shown with a wiring diagram). 図4に示す従来型加速度センサにおける中間基板200の上面図である。FIG. 5 is a top view of an intermediate substrate 200 in the conventional acceleration sensor shown in FIG. 4. 本発明の基本的実施形態に係る加速度センサの側断面図である。It is a sectional side view of the acceleration sensor which concerns on fundamental embodiment of this invention. 図6に示す加速度センサにおける上方基板150の上面図である。It is a top view of the upper board | substrate 150 in the acceleration sensor shown in FIG. 図(a) は、図6に示す加速度センサの動作を説明するための部分側断面図であり(各端子への接続部分は配線図で示す)、図(b) はその等価回路図である。Fig. (A) is a partial sectional side view for explaining the operation of the acceleration sensor shown in Fig. 6 (connections to each terminal are shown by wiring diagrams), and Fig. (B) is an equivalent circuit diagram thereof. . 図6に示す加速度センサに用いる検出回路の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the detection circuit used for the acceleration sensor shown in FIG. 図9に示す検出回路の動作を説明するための信号波形図である。FIG. 10 is a signal waveform diagram for explaining the operation of the detection circuit shown in FIG. 9. 図9に示す検出回路の動作を説明するための別な信号波形図である。FIG. 10 is another signal waveform diagram for explaining the operation of the detection circuit shown in FIG. 9. 図6に示す加速度センサに用いる別な検出回路を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows another detection circuit used for the acceleration sensor shown in FIG. 図6に示す加速度センサに用いる更に別な検出回路を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows another detection circuit used for the acceleration sensor shown in FIG. 図6に示す加速度センサにおいて、重錘体210の上面を共通変位電極E0とする変形例を示す側断面図である。FIG. 7 is a side sectional view showing a modification in which the upper surface of the weight body 210 is a common displacement electrode E0 in the acceleration sensor shown in FIG. 図14に示す加速度センサによる検出動作が大気圧の影響を受けることを示す側断面図である。FIG. 15 is a side sectional view showing that the detection operation by the acceleration sensor shown in FIG. 14 is affected by atmospheric pressure. 図14示す加速度センサに対して、大気圧の影響を排除するための第1の工夫を施した例を示す側断面図である。It is a sectional side view which shows the example which gave the 1st device for removing the influence of atmospheric pressure with respect to the acceleration sensor shown in FIG. 図14示す加速度センサに対して、大気圧の影響を排除するための第2の工夫を施した例を示す側断面図である。It is a sectional side view which shows the example which gave the 2nd device for eliminating the influence of atmospheric pressure with respect to the acceleration sensor shown in FIG. 図17に示す加速度センサにおける中間基板280の上面図である。FIG. 18 is a top view of an intermediate substrate 280 in the acceleration sensor shown in FIG. 17. 図17に示す加速度センサを切断線19−19に沿って切断した状態を示す横断面図である。FIG. 19 is a cross-sectional view showing a state where the acceleration sensor shown in FIG. 17 is cut along a cutting line 19-19. 図17に示す加速度センサにおける上方基板180の上面図である。FIG. 18 is a top view of an upper substrate 180 in the acceleration sensor shown in FIG. 17. 図17に示す加速度センサにおける上方基板180の下面図である。FIG. 18 is a bottom view of an upper substrate 180 in the acceleration sensor shown in FIG. 17. 図17に示す加速度センサの変形例を示す側断面図である。It is a sectional side view which shows the modification of the acceleration sensor shown in FIG. 図22に示す加速度センサにおける上方基板190の製造プロセスの前半段階を示す側断面図である。FIG. 23 is a side sectional view showing a first half of a manufacturing process of the upper substrate 190 in the acceleration sensor shown in FIG. 22. 図22に示す加速度センサにおける上方基板190の製造プロセスの後半段階を示す側断面図である。FIG. 23 is a side sectional view showing a latter half of the manufacturing process of the upper substrate 190 in the acceleration sensor shown in FIG. 22. 本発明の更に別な実施形態に係る加速度センサを示す側断面図である。It is a sectional side view which shows the acceleration sensor which concerns on another embodiment of this invention. 図25に示す加速度センサの変形例を示す側断面図である。FIG. 26 is a side sectional view showing a modification of the acceleration sensor shown in FIG. 25. 図18に示す中間基板280の変形例を示す上面図である。FIG. 20 is a top view showing a modification of the intermediate substrate 280 shown in FIG. 図27に示す中間基板290における重錘体215の横断面図である。FIG. 28 is a transverse sectional view of a weight body 215 in the intermediate substrate 290 shown in FIG. 27. 図6に示す加速度センサを角速度センサとして利用する場合に用いる検出回路の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the detection circuit used when using the acceleration sensor shown in FIG. 6 as an angular velocity sensor.

符号の説明Explanation of symbols

10…シリコン基板
15…酸化膜
20…ガラス基板
25…ガラス基板(研磨済み)
30…金属膜
35…金属膜のうちの外部電極部分
36…金属膜のうちの配線部分
40…補強材層
100…上方基板
150…上方基板
151…肉厚部
152…肉薄部
160…補強材充填部
180…上方基板
181…肉厚部
182,183…肉薄部
190…上方基板
191…下層部
192…上層部
200…中間基板
210,215…重錘体
220,225…可撓部
230,235…台座部
236…仕切部
250…中間基板
280,290…中間基板
300…下方基板
380…下方基板
400,405…交流電源
410,420…差分回路
430,440,450…検波回路
460,470…EX−OR回路
480,490…同期検波回路
B…信号取出部
BM…ビーム部
C0…固定容量素子
C1〜C5…可変容量素子
CC1〜CC5…補助容量素子
d1,d2…寸法
E0…共通変位電極
E1〜E5…固定電極
E6〜E10…変位電極
EE1〜EE5…外部電極
F1〜F5…補助電極
FF0…共通外部電極
FF1〜FF5…外部電極
G…重錘体の重心
H…溝部/貫通孔
H1〜H5…溝部
L1〜L5…配線部
P…大気圧
R1〜R4…抵抗素子
S1〜S4…空隙部
SL…スリット
T0,T1〜T5…接続端子
Tx,Ty,Tz,TTx,TTz,Tωx,Tωy…出力端子
V0,V1〜V5,Vx,Vy,Yz…信号電圧
φ1,φ2…矩形波信号
φ3…正弦波信号
10 ... Silicon substrate 15 ... Oxide film 20 ... Glass substrate 25 ... Glass substrate (polished)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 30 ... Metal film 35 ... External electrode part 36 of metal film ... Wiring part 40 of metal film ... Reinforcement material layer 100 ... Upper substrate 150 ... Upper substrate 151 ... Thick part 152 ... Thin part 160 ... Reinforcement material filling Part 180 ... Upper substrate 181 ... Thick parts 182 and 183 ... Thin part 190 ... Upper substrate 191 ... Lower layer part 192 ... Upper layer part 200 ... Intermediate substrates 210 and 215 ... Weight bodies 220 and 225 ... Flexible parts 230 and 235 ... Pedestal portion 236 ... Partition portion 250 ... Intermediate substrate 280, 290 ... Intermediate substrate 300 ... Lower substrate 380 ... Lower substrate 400, 405 ... AC power supply 410, 420 ... Differential circuit 430, 440, 450 ... Detection circuit 460, 470 ... EX- OR circuit 480, 490 ... synchronous detection circuit B ... signal extraction part BM ... beam part C0 ... fixed capacitance element C1-C5 ... variable capacitance element CC1-CC5 ... auxiliary capacitance element DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, d2 ... Size E0 ... Common displacement electrode E1-E5 ... Fixed electrode E6-E10 ... Displacement electrode EE1-EE5 ... External electrode F1-F5 ... Auxiliary electrode FF0 ... Common external electrode FF1-FF5 ... External electrode G ... Weight body Center of gravity H ... groove / through holes H1-H5 ... groove L1-L5 ... wiring P ... atmospheric pressure R1-R4 ... resistive elements S1-S4 ... gap SL ... slits T0, T1-T5 ... connecting terminals Tx, Ty, Tz, TTx, TTz, Tωx, Tωy ... output terminals V0, V1 to V5, Vx, Vy, Yz ... signal voltages φ1, φ2 ... rectangular wave signal φ3 ... sine wave signal

Claims (21)

重錘体と、この重錘体を収容する収容体と、変位可能な態様で前記重錘体を前記収容体内に支持する支持手段と、外力に起因して前記重錘体が前記収容体に対して生じる変位を検出する変位検出手段と、を備え、前記変位検出手段の検出結果に基づいて、作用した加速度もしくは角速度を検出する機能をもったセンサにおいて、
前記変位検出手段が、前記重錘体に設けた変位電極と、前記収容体の内面の前記変位電極に対向する位置に設けた固定電極と、前記収容体の外面の前記固定電極に対向する位置に設けた外部電極と、前記変位電極と前記外部電極との間の静電容量に基づいて加速度もしくは角速度を検出する検出回路と、を有することを特徴とする加速度・角速度センサ。
A weight body, a housing body for housing the weight body, support means for supporting the weight body in the housing body in a displaceable manner, and the weight body due to an external force to the housing body A sensor having a function of detecting an applied acceleration or an angular velocity based on a detection result of the displacement detection means.
The displacement detecting means is a displacement electrode provided on the weight body, a fixed electrode provided at a position facing the displacement electrode on the inner surface of the container, and a position facing the fixed electrode on the outer surface of the container. An acceleration / angular velocity sensor, comprising: an external electrode provided on the sensor; and a detection circuit that detects acceleration or angular velocity based on a capacitance between the displacement electrode and the external electrode.
請求項1に記載のセンサにおいて、
複数n枚の変位電極と、これら変位電極のそれぞれに対向するn枚の固定電極と、これら固定電極のそれぞれに対向するn枚の外部電極と、各変位電極とこれに対応する各外部電極との間の静電容量に基づいて加速度もしくは角速度を検出する検出回路と、を有することを特徴とする加速度・角速度センサ。
The sensor according to claim 1, wherein
A plurality of n displacement electrodes, n fixed electrodes facing each of these displacement electrodes, n external electrodes facing each of these fixed electrodes, each displacement electrode and each corresponding external electrode, An acceleration / angular velocity sensor, comprising: a detection circuit that detects acceleration or angular velocity based on a capacitance between the two.
重錘体と、この重錘体を収容する収容体と、変位可能な態様で前記重錘体を前記収容体内に支持する支持手段と、外力に起因して前記重錘体が前記収容体に対して生じる変位を検出する変位検出手段と、を備え、前記変位検出手段の検出結果に基づいて、作用した加速度もしくは角速度を検出する機能をもったセンサにおいて、
前記変位検出手段が、前記重錘体に設けた変位電極と、前記収容体の外面の前記変位電極に対向する位置に設けた外部電極と、前記変位電極と前記外部電極との間の静電容量に基づいて加速度もしくは角速度を検出する検出回路と、を有することを特徴とする加速度・角速度センサ。
A weight body, a housing body for housing the weight body, support means for supporting the weight body in the housing body in a displaceable manner, and the weight body due to an external force to the housing body A sensor having a function of detecting an applied acceleration or an angular velocity based on a detection result of the displacement detection means.
The displacement detection means includes a displacement electrode provided on the weight body, an external electrode provided at a position facing the displacement electrode on the outer surface of the container, and an electrostatic capacitance between the displacement electrode and the external electrode. An acceleration / angular velocity sensor, comprising: a detection circuit that detects acceleration or angular velocity based on capacitance.
請求項3に記載のセンサにおいて、
複数n枚の変位電極と、これら変位電極のそれぞれに対向するn枚の外部電極と、各変位電極とこれに対応する各外部電極との間の静電容量に基づいて加速度もしくは角速度を検出する検出回路と、を有することを特徴とする加速度・角速度センサ。
The sensor according to claim 3, wherein
Acceleration or angular velocity is detected based on the capacitance between a plurality of n displacement electrodes, n external electrodes facing each of these displacement electrodes, and each displacement electrode and each corresponding external electrode. And an acceleration / angular velocity sensor.
重錘体と、この重錘体を収容する収容体と、変位可能な態様で前記重錘体を前記収容体内に支持する支持手段と、外力に起因して前記重錘体が前記収容体に対して生じる変位を検出する変位検出手段と、を備え、前記変位検出手段の検出結果に基づいて、作用した加速度もしくは角速度を検出する機能をもったセンサにおいて、
前記変位検出手段が、前記重錘体に設けた変位電極と、前記収容体の内面の前記変位電極に対向する位置に設けた固定電極と、前記収容体の内面の前記固定電極とは異なる位置に設けた補助電極と、前記固定電極と前記補助電極とを電気的に接続する配線部と、前記収容体の外面の前記補助電極に対向する位置に設けた外部電極と、前記変位電極と前記外部電極との間の静電容量に基づいて加速度もしくは角速度を検出する検出回路と、を有することを特徴とする加速度・角速度センサ。
A weight body, a housing body for housing the weight body, support means for supporting the weight body in the housing body in a displaceable manner, and the weight body due to an external force to the housing body A sensor having a function of detecting an applied acceleration or an angular velocity based on a detection result of the displacement detection means.
The displacement detection means is located at a position different from the displacement electrode provided on the weight body, the fixed electrode provided on the inner surface of the container opposite to the displacement electrode, and the fixed electrode on the inner surface of the container. An auxiliary electrode provided on the outer surface, a wiring portion that electrically connects the fixed electrode and the auxiliary electrode, an external electrode provided at a position facing the auxiliary electrode on the outer surface of the container, the displacement electrode, and the An acceleration / angular velocity sensor, comprising: a detection circuit that detects acceleration or angular velocity based on capacitance between the external electrode and the external electrode.
請求項5に記載のセンサにおいて、
複数n枚の変位電極と、これら変位電極のそれぞれに対向するn枚の固定電極と、これら固定電極のそれぞれに接続されたn枚の補助電極と、これら補助電極のそれぞれに対向するn枚の外部電極と、各変位電極とこれに対応する各外部電極との間の静電容量に基づいて加速度もしくは角速度を検出する検出回路と、を有することを特徴とする加速度・角速度センサ。
The sensor according to claim 5, wherein
A plurality of n displacement electrodes, n fixed electrodes facing each of these displacement electrodes, n auxiliary electrodes connected to each of these fixed electrodes, and n sheets facing each of these auxiliary electrodes An acceleration / angular velocity sensor, comprising: an external electrode; and a detection circuit that detects acceleration or angular velocity based on capacitance between each displacement electrode and each corresponding external electrode.
請求項2,4,6のいずれかに記載のセンサにおいて、
n枚の変位電極が、物理的に単一の共通変位電極によって構成されていることを特徴とする加速度・角速度センサ。
The sensor according to any one of claims 2, 4 and 6,
An acceleration / angular velocity sensor, wherein n displacement electrodes are physically constituted by a single common displacement electrode.
請求項7に記載のセンサにおいて、
重錘体を導電性材料によって構成し、この重錘体の表面の一部によって共通変位電極を構成したことを特徴とする加速度・角速度センサ。
The sensor according to claim 7, wherein
An acceleration / angular velocity sensor, wherein the weight body is made of a conductive material, and a common displacement electrode is formed by a part of the surface of the weight body.
請求項7または8に記載のセンサにおいて、
重錘体、支持手段、収容体からなる構造体の少なくとも一部分を物理的に連続した導電性材料により構成し、共通変位電極と収容体の少なくとも一部分との間に導電路が形成されるようにしたことを特徴とする加速度・角速度センサ。
The sensor according to claim 7 or 8,
At least a part of the structure composed of the weight body, the support means, and the container is made of a physically continuous conductive material so that a conductive path is formed between the common displacement electrode and at least a part of the container. Acceleration / Angular velocity sensor.
請求項9に記載のセンサにおいて、
収容体の外面の所定位置であって、共通変位電極の等電位面に対して絶縁層を介して対向する位置に共通外部電極を設け、
検出回路が、前記共通外部電極と各外部電極との間の静電容量に基づいて加速度もしくは角速度を検出することを特徴とする加速度・角速度センサ。
The sensor according to claim 9, wherein
A common external electrode is provided at a predetermined position on the outer surface of the container and facing the equipotential surface of the common displacement electrode via the insulating layer,
An acceleration / angular velocity sensor, wherein a detection circuit detects acceleration or angular velocity based on a capacitance between the common external electrode and each external electrode.
請求項2,4,6のいずれかに記載のセンサにおいて、
特定の外部電極とこれに対応する変位電極との間に、重錘体の物理的な共振周波数に合致する周波数をもった励振用交流信号を供給する励振手段を有し、
変位検出手段が、前記重錘体が前記励振用交流信号の供給によって振動している状態において、前記重錘体に外力として作用するコリオリ力に起因して生じる変位を検出することにより、角速度の検出を行うことを特徴とする角速度センサ。
The sensor according to any one of claims 2, 4 and 6,
Between the specific external electrode and the corresponding displacement electrode, there is an excitation means for supplying an alternating current signal for excitation having a frequency that matches the physical resonance frequency of the weight body,
The displacement detection means detects the displacement caused by the Coriolis force acting as an external force on the weight body in a state where the weight body vibrates due to the supply of the excitation AC signal. An angular velocity sensor that performs detection.
請求項1〜11のいずれかに記載のセンサにおいて、
収容体が密閉構造をもち、内部が真空に維持されていることを特徴とする角速度センサ。
The sensor according to any one of claims 1 to 11,
An angular velocity sensor characterized in that the container has a sealed structure and the inside is maintained in a vacuum.
請求項1〜12のいずれかに記載のセンサにおいて、
上方基板、中間基板、下方基板を積層した三層構造体を有し、
前記中間基板によって、重錘体と、この重錘体の周囲に接合され可撓性を有する可撓部と、この可撓部の周囲に接合された台座部と、が形成されており、前記重錘体の側面と前記台座部の内面との間には空隙部が形成されており、
前記上方基板の下面は、前記台座部の上面に接合されており、前記重錘体の上面と前記上方基板の下面との間には空隙部が形成されており、
前記重錘体の上面に変位電極が形成されており、前記上方基板の上面に外部電極が形成されており、
前記下方基板の上面は、前記台座部の下面に接合されており、前記重錘体の下面と前記下方基板の上面との間には空隙部が形成されており、
前記上方基板、前記台座部、前記下方基板によって、収容体が構成されており、前記可撓部によって支持手段が構成されていることを特徴とする加速度・角速度センサ。
The sensor according to any one of claims 1 to 12,
It has a three-layer structure in which an upper substrate, an intermediate substrate, and a lower substrate are stacked,
A weight body, a flexible portion bonded around the weight body, and a pedestal portion bonded around the flexible portion are formed by the intermediate substrate, A gap is formed between the side surface of the weight body and the inner surface of the pedestal portion,
The lower surface of the upper substrate is bonded to the upper surface of the pedestal portion, and a gap is formed between the upper surface of the weight body and the lower surface of the upper substrate,
A displacement electrode is formed on the upper surface of the weight body, and an external electrode is formed on the upper surface of the upper substrate,
The upper surface of the lower substrate is joined to the lower surface of the pedestal portion, and a gap is formed between the lower surface of the weight body and the upper surface of the lower substrate,
An acceleration / angular velocity sensor, wherein a container is constituted by the upper substrate, the pedestal portion, and the lower substrate, and a supporting means is constituted by the flexible portion.
請求項13に記載のセンサにおいて、
中間基板が導電性材料によって構成され、変位電極に対する検出回路の配線が、台座部を介して行われていることを特徴とする加速度・角速度センサ。
The sensor according to claim 13,
An acceleration / angular velocity sensor, wherein the intermediate substrate is made of a conductive material, and wiring of a detection circuit for the displacement electrode is performed via a pedestal portion.
請求項13または14に記載のセンサにおいて、
上方基板の上面に、肉厚の小さな肉薄部を形成するための溝が掘られており、外部電極が、前記溝の底面に形成されていることを特徴とする加速度・角速度センサ。
The sensor according to claim 13 or 14,
An acceleration / angular velocity sensor, wherein a groove for forming a thin portion having a small thickness is formed on an upper surface of an upper substrate, and an external electrode is formed on a bottom surface of the groove.
請求項15に記載のセンサにおいて、
外部電極が形成されている溝内に、補強材を充填したことを特徴とする加速度・角速度センサ。
The sensor according to claim 15,
An acceleration / angular velocity sensor characterized in that a reinforcing material is filled in a groove in which an external electrode is formed.
請求項1〜16のいずれかに記載のセンサにおいて、
検出回路が、変位電極と外部電極との間の静電容量を検出するために、
一方の電極に対して、重錘体の物理的な共振周波数に合致しない周波数をもった検出用交流信号を供給する交流電源と、
他方の電極に発生する交流信号の振幅成分を検出する検波回路と、
を有することを特徴とする加速度・角速度センサ。
The sensor according to any one of claims 1 to 16,
In order for the detection circuit to detect the capacitance between the displacement electrode and the external electrode,
An AC power supply that supplies an AC signal for detection having a frequency that does not match the physical resonance frequency of the weight body to one electrode;
A detection circuit for detecting an amplitude component of an AC signal generated at the other electrode;
An acceleration / angular velocity sensor characterized by comprising:
請求項1〜16のいずれかに記載のセンサにおいて、
検出回路が、変位電極と外部電極との間の静電容量を検出するために、
一方の電極の電位を固定する電位固定手段と、
他方の電極に、抵抗素子を介して、重錘体の物理的な共振周波数に合致しない周波数をもった検出用交流信号を供給する交流電源と、
前記他方の電極に発生する交流信号の位相を検出する位相検出手段と、
を有することを特徴とする加速度・角速度センサ。
The sensor according to any one of claims 1 to 16,
In order for the detection circuit to detect the capacitance between the displacement electrode and the external electrode,
A potential fixing means for fixing the potential of one of the electrodes;
An AC power supply for supplying an AC signal for detection having a frequency not matching the physical resonance frequency of the weight body to the other electrode via a resistance element;
Phase detection means for detecting the phase of an AC signal generated at the other electrode;
An acceleration / angular velocity sensor characterized by comprising:
請求項13に記載のセンサを製造する方法であって、
シリコン基板の所定箇所に表裏貫通した貫通孔を形成する段階と、
前記シリコン基板の下面に絶縁性基板を接合する段階と、
所定の厚みが得られるまで、前記絶縁性基板の下面を研磨する段階と、
前記シリコン基板の上面に絶縁膜を形成する段階と、
前記絶縁膜の上面および前記貫通孔により形成された溝部に導電層を形成する段階と、
前記導電層をパターニングして、前記溝部の底部に位置する外部電極と、この外部電極に対する配線を形成する段階と、
を行うことより、前記シリコン基板と前記絶縁性基板との二層構造をもち、外部電極が形成された上方基板を製造することを特徴とする加速度・角速度センサの製造方法。
A method for manufacturing the sensor according to claim 13, comprising:
Forming a through-hole penetrating front and back at a predetermined location of the silicon substrate;
Bonding an insulating substrate to the lower surface of the silicon substrate;
Polishing the lower surface of the insulating substrate until a predetermined thickness is obtained;
Forming an insulating film on the upper surface of the silicon substrate;
Forming a conductive layer on the upper surface of the insulating film and the groove formed by the through hole;
Patterning the conductive layer to form an external electrode located at the bottom of the groove and a wiring for the external electrode;
To manufacture an upper substrate having a two-layer structure of the silicon substrate and the insulating substrate and having an external electrode formed thereon.
請求項19に記載のセンサの製造方法において、
導電層に対するパターニングを行った後に、溝部に補強材を充填する段階を更に有することを特徴とする加速度・角速度センサの製造方法。
In the manufacturing method of the sensor according to claim 19,
A method of manufacturing an acceleration / angular velocity sensor, further comprising a step of filling a groove with a reinforcing material after patterning the conductive layer.
請求項19または20に記載のセンサの製造方法において、
シリコン基板に貫通孔を形成する段階を異方性エッチングにより行い、上方が広がるようなテーパ状の貫通孔が形成されるようにし、
絶縁性基板としてガラス基板を用意し、シリコン基板とガラス基板との接合を陽極接合により行い、
シリコン基板の上面に絶縁膜を形成する段階を、シリコン表面を酸化することにより酸化シリコンからなる絶縁膜を形成することにより行うことを特徴とする加速度・角速度センサの製造方法。
In the manufacturing method of the sensor according to claim 19 or 20,
The step of forming a through-hole in the silicon substrate is performed by anisotropic etching so that a tapered through-hole that extends upward is formed,
Prepare a glass substrate as an insulating substrate, and perform anodic bonding between the silicon substrate and the glass substrate,
A method of manufacturing an acceleration / angular velocity sensor, comprising: forming an insulating film on an upper surface of a silicon substrate by forming an insulating film made of silicon oxide by oxidizing a silicon surface.
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