JP2008170402A - 静電容量検出型の物理量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】検出電極に発生する不要振動などによる検出精度の低下を抑制すること。
【解決手段】ギャップを有して対向する第１の電極１１と第２の電極１２とのうちのいずれかの電極を外力によって１つの軸方向に移動させることによって第１の電極と第２の電極との対向距離または対向面積を変化させ、これを電極間の静電容量の変化として検出する静電容量検出型の物理量センサ３であって、第１の電極１１と第２の電極１２のうちのいずれか１方の電極についての１つの軸方向とは垂直な方向に沿った長さが、他方の電極よりも大きく形成されることにより、１方の電極が他方の電極の両側にそれぞれギャップの３倍以上はみ出すように構成される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ギャップを有して対向する第１の電極と第２の電極とのうちのいずれかの電極を外力によって移動させ、それら電極間の静電容量を変化させて物理量を検出する静電容量検出型の物理量センサに関し、特にマイクロマシニング技術を適用した物理量センサに関する。

近年、様々な技術分野において、マイクロマシニング技術〔ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)またはＭＳＴ(Micro System Technology) ともいう〕により形成される微小構造を有する素子の応用化が図られている。

例えば、センサデバイスの分野では、静電容量の変化によって物理量を検出する加速度センサやジャイロセンサなどの研究開発が進んでいる。このような物理量センサでは、加速度や角速度が印加されたときに、可動の検出電極が変位しまたは振動する。検出電極と固定電極との間の静電容量の変化に基づいて、物理量が検出される。つまり、ある１つの方向または１つの軸周りの回転方向に可動する質量体に検出電極が形成され、または可動する質量体自体が検出電極となっている。この質量体に加速度または角速度が印加されたときに、質量体の変位を検出電極と固定電極との間の容量変化として検出し、これによって加速度または角速度を測定する（特許文献１）。
特開２００６−１９６５８８

このような物理量センサにおいて、検出精度を向上させるためには、質量体または検出電極が１つの方向にのみ可動することが好ましい。そのために、板ばねを用いて検出電極を平行振動させるもの、トーションバーを用いて回転振動させるものなどがある。

しかし、どのような構造を採用した場合であっても、完全に１つの方向のみにしか変位しないようにするのは極めて困難であり、通常は異なる方向についても微小な変位を持ち得る。

そのため、検出方向と異なる加速度が加わったときにも、僅かではあるが電極間の静電容量が変化する。また、参照振動部をもつジャイロセンサなどにおいては、参照振動が機械的に漏れることによって検出電極が不要な方向に振動し、これによって電極間の静電容量が変化する。

例えば、可動電極が検出方向とは異なる方向に変位することによって、電極間の静電容量の減少として検出されてしまう。その場合に、本来検出すべき方向以外の加速度やコリオリ力によって出力が変化し、正しい測定ができなくなることがある。

このように、従来においては、検出電極に不要な振動が発生したり検出方向とは異なる方向に力や加速度が加わることによって、検出方向による静電容量の変化とは別の静電容量変化が生じてしまい、これが検出精度の低下を招いているという問題がある。

これに対して、従来においては、検出方向のみに変位するように板ばね形状の構造体を形成する。このとき、構造体の厚みが厚いほど、板バネとしては直角方向に対して固くなり、不要振動を抑えることができるようになる。しかし、厚みが増すことによって加工時間が長くなるので、厚みを十分に厚くすることはできない。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、２つの電極の対向距離または対向面積を変化させてその電極間の静電容量の変化として検出する静電容量検出型の物理量センサにおいて、検出電極に発生する不要振動などによる検出精度の低下を抑制することを目的とする。

本発明に係る物理量センサは、ギャップを有して対向する第１の電極と第２の電極とのうちのいずれかの電極を外力によって１つの軸方向に移動させることによって前記第１の電極と第２の電極との対向距離または対向面積を変化させ、これを電極間の静電容量の変化として検出する静電容量検出型の物理量センサであって、前記第１の電極と第２の電極のうちのいずれか１方の電極についての前記１つの軸方向とは垂直な方向に沿った長さが、他方の電極よりも大きく形成されることにより、前記１方の電極が前記他方の電極の両側にそれぞれ前記ギャップの３倍程度以上はみ出すように構成される。

１方の電極が他方の電極よりもはみ出しているので、電極または電極部材に不要振動などが発生した場合であっても、それによる静電容量の変化が最小限に抑えられ、本来の移動方向または振動方向の変位を高い精度で検出することができる。

物理量センサとして、角速度センサ、加速度センサ、変位センサ、その他の種々のセンサに適用可能である。

本発明によると、検出電極に発生する不要振動などによる検出精度の低下を抑制することができる。

〔第１の実施形態〕
図１は本発明に係る第１の実施形態の物理量センサ３の平面図、図２は図１の物理量センサ３のＡ−Ａ線矢視断面図、図３は図２の電極部材１１ａ，１２ａを拡大して示す図、図４は電極部材１２ａの拡大幅ＫＨによる容量変化の低減の効果を示す図である。

図１および図２において、物理量センサ３は、ギャップを有して対向する第１の電極１１と第２の電極１２とを有する。第１の電極１１と第２の電極１２とは、複数の電極部材（櫛歯電極）１１ａ，１１ａ…および電極部材（櫛歯電極）１２ａ，１２ａ…が、それぞれ櫛歯状に配置され、かつ櫛歯状の電極部材１１ａ，１２ａが互いに相手の櫛歯間に入り込むことによって、櫛歯型電極を形成している。

第１の電極１１は固定されており、第２の電極１２は図１の矢印Ｍ１方向およびＭ２方向に可動である。第２の電極１２を矢印Ｍ１方向またはＭ２方向に移動させることによって、電極部材１１ａと電極部材１２ａとの間の対向距離が変化する。

第１の実施形態においては、可動である第２の電極１２を、外力によって１つの軸方向つまり矢印Ｍ１方向またはＭ２方向に移動させることによって、第１の電極１１と第２の電極１２との対向距離を変化させ、これを電極間の静電容量Ｃの変化として検出する。

つまり、第２の電極１２が矢印Ｍ１方向に移動すると、電極部材１１ａと電極部材１２ａとの間の対向距離が小さくなり、静電容量Ｃは増大する。これとは逆に、第２の電極１２が矢印Ｍ２方向に移動すると、電極部材１１ａと電極部材１２ａとの間の対向距離が大きくなり、静電容量Ｃは減少する。

なお、第２の電極１２が矢印Ｍ１方向に移動したときに、図１において電極部材１２ａの上方位置にある電極部材１１ａに対しては対向距離が小さくなるが、下方位置にある電極部材１２ａに対しては対向距離が大きくなる。しかし、電極部材１２ａに対して距離の近い電極部材１１ａが静電容量Ｃに大きく依存するので、全体で見た場合に結果として静電容量Ｃは増大する。矢印Ｍ２方向に移動した場合も、同様の理由で静電容量Ｃは減少する。

このように、第１の実施形態の物理量センサ３においては、一方の電極部材１１ａが他方の２つの電極部材１２ａの間の中央位置にあるのではなく、いずれか片方の電極部材１２ａの側に偏った位置にある。

このように、物理量センサ３は、静電容量検出型の物理量センサである。また、第１の実施形態の物理量センサ３は、上に述べたように、電極部材１１ａ，１２ａの対向距離を変化させる方向が軸方向（Ｍ１，Ｍ２方向）と一致するように設定されている。

さて、図２によく示されるように、第１の電極１１と第２の電極１２とでは、それらの電極部材１１ａ，１２ａの幅寸法（高さ寸法）が互いに異なる。つまり、第２の電極１２の電極部材１２ａについて、軸方向（Ｍ１，Ｍ２方向）とは垂直な方向（Ｍ３方向）に沿った長さが、第１の電極１１の電極部材１１ａよりも大きく形成されている。

また、図２において、第１の電極１１および第２の電極１２は、それぞれシリコンなどからなる。第１の電極１１および第２の電極１２は、シリコンなどからなるベース半導体層２１の上部に、酸化シリコン膜などからなる絶縁層２２を介して設けられている。

図３（Ａ）を参照して、外力が加わらない自由状態での電極部材１１ａ，１２ａ間のギャップをＧＰとし、電極部材１１ａに対する電極部材１２ａのはみ出し量である拡大幅をＫＨとすると、拡大幅ＫＨは、次の式を満足する。

ＫＨ ≧ ３・ＧＰ
つまり、電極部材１２ａは、電極部材１１ａの両側にそれぞれギャップＧＰの３倍程度以上はみ出すように、つまりギャップＧＰの３倍程度以上の拡大幅ＫＨを持つように、構成されている。

したがって、第２の電極１２の矢印Ｍ１方向またはＭ２方向への移動の有無に係わらず、図３（Ｂ）に示すように、何らかの要因で電極部材１２ａが矢印Ｍ３方向に移動した場合であっても、電極部材１１ａと電極部材１２ａとの対向面積は変わらないので、電極部材１２ａが矢印Ｍ３方向に移動したことによる静電容量Ｃへの影響が最小限に抑えられ、静電容量Ｃまたはその変化を正確に測定することができる。

したがって、第２の電極１２または電極部材１１ａ，１２ａに不要振動などが発生した場合であっても、それによる静電容量Ｃの変化が最小限に抑えられ、本来の矢印Ｍ１方向またはＭ２方向の変位を高い精度で検出することができる。その結果、物理量センサ３によって、速度、加速度、角速度などを検出する場合に、不要振動などによる検出精度の低下を抑制することができる。

なお、図４において、拡大幅ＫＨのギャップＧＰに対する比つまり（拡大幅ＫＨ／ギャップＧＰ）を横軸とし、静電容量Ｃの変化率（％）を縦軸として、電極部材１２ａがギャップＧＰと同じ長さだけ矢印Ｍ３方向にずれた場合、つまり図３（Ｂ）に示すずれ量ＺがギャップＧＰに等しいとした場合についての計算値が、プロットされている。

図４によると、（拡大幅ＫＨ／ギャップＧＰ）が「３」程度以上になると、静電容量Ｃの変化率は０．２％以下となり、電極部材１２ａの矢印Ｍ３方向へのずれによる影響が急激に減少することが分かる。

つまり、拡大幅ＫＨがギャップＧＰの３倍程度以内である場合は、矢印Ｍ３方向へのずれのような不要な変位に対する静電容量Ｃの変化が大きいが、拡大幅ＫＨをギャップＧＰの３倍程度以上とすることによって、ギャップＧＰと同じ寸法だけ矢印Ｍ３方向に変位した場合であっても、静電容量Ｃの変化が少なくなり、実質的には静電容量Ｃの変化がなくなって安定することが分かる。このように、拡大幅ＫＨをギャップＧＰの３倍程度以上とすることにより、容量変化ノイズの低減に大きな効果がある。

なお、物理量センサ３は、マイクロマシニング技術を用いて製作されるものであり、図４においては、ギャップＧＰを１μｍ、電極部材１１ａの幅寸法（高さ寸法）を３０μｍ、電極部材１１ａ，１２ａのそれぞれの厚さを５μｍとして計算した。なお、第１の電極１１の図１における横方向の寸法は、例えば３００μｍ程度である。また、ギャップＧＰとして、例えば１〜３μｍ程度としてもよい。

また、電極部材１２ａの幅寸法を電極部材１１ａよりも大きくするためには、例えば、図２において、ベース半導体層２１の上方に電極部材１１ａ，１２ａを形成する際に、電極部材１２ａの方が電極部材１１ａよりも厚く（高く）なるように形成しておけばよい。その場合に、電極部材１１ａと１２ａとを別々の工程で形成してもよい。または、ベース半導体層２１の上部に犠牲層を設けておき、その犠牲層に凹凸を付けておき、犠牲層の上部に電極部材１１ａ，１２ａを形成するようにしてもよい。
〔第２の実施形態〕
図５は本発明に係る第２の実施形態の物理量センサ３Ｂの平面図、図６は図５の物理量センサ３ＢのＢ−Ｂ線矢視断面図である。

図５および図６において、物理量センサ３Ｂは、ギャップを有して対向する第１の電極１３と第２の電極１４とを有する。これら第１の電極１３および第２の電極１４は、第１の実施形態の物理量センサ３と同様に、櫛歯型電極である。

第１の電極１３は固定されており、第２の電極１４は図５の矢印Ｍ１方向およびＭ２方向に可動である。第２の電極１４を矢印Ｍ１方向またはＭ２方向に移動させることによって、電極部材１３ａと電極部材１４ａとの間の対向面積が変化する。対向面積の変化によって静電容量Ｃが変化する。つまり、電極部材１１ａ，１２ａの対向面積を変化させる方向が軸方向（Ｍ１，Ｍ２方向）と一致するように設定されている。

第２の実施形態の物理量センサ３Ｂにおいては、電極部材１３ａと電極部材１４ａとが交互に等間隔で配置されており、したがって一方の電極部材は他方の２つの電極部材の間の中央位置にある。一方の電極部材が他方の電極部材間の中央位置にあることによって、電極部材１３ａまたは電極部材１４ａが図５の上下方向に振動した場合であっても、それによる静電容量Ｃの変化が各電極部材１３ａ，１４ａの両側で打ち消され、影響はほとんどない。

なお、電極部材１３ａおよび電極部材１４ａは、シリコンなどからなるベース半導体層２３の上部に設けられている。

図６に示されるように、第２の実施形態の物理量センサ３Ｂにおいても、電極部材１４ａは、電極部材１３ａの両側にそれぞれギャップＧＰの３倍程度以上はみ出すように、つまりギャップＧＰの３倍程度以上の拡大幅ＫＨを持つように、構成されている。

したがって、何らかの要因で電極部材１４ａが矢印Ｍ３方向に移動した場合であっても、電極部材１３ａと電極部材１４ａとの対向面積には影響がないので、静電容量Ｃまたはその変化を正確に測定することができる。
〔第３の実施形態〕
第３の実施形態の物理量センサ３Ｃは、コリオリ力を利用した振動型で２重ジンバル構造の角速度センサである。

図７は本発明に係る第３の実施形態の物理量センサ３Ｃの平面図、図８は図７の物理量センサ３Ｃの斜視図である。なお、図８には図７の一部のみを示す。

物理量センサ３Ｃは、平面視が矩形の第１のジンバル部３０、および、平面視が矩形枠型の第２のジンバル部４０を有する。第１のジンバル部３０は、第２のジンバル部４０の内側に配置され、第２のジンバル部４０の内側面と第１のジンバル部３０の外側面との間においてｘ方向に沿って配置されて連結されたトーシヨンバー３２，３２によって支持されており、トーシヨンバー３２，３２が捩じれることによってｘ方向の軸を中心に回動可能である。

第２のジンバル部４０は、その外側面とフレーム部５０，５１の側面との間においてｙ方向に沿って配置されて連結されたトーシヨンバー４２，４２によって、ｙ方向の軸を中心に回動可能に支持されている。

第１のジンバル部３０の下方には、ギャップをおいて１対の平板電極４４，４５が設けられている。平板電極４４，４５は、それぞれ、トーシヨンバー４６，４７によって、接続用の電極５２，５３にそれぞれ接続されている。

外力が加わらない自由状態においては、第１のジンバル部３０と平板電極４４，４５とは互いに平行であり、これらは平行平板電極を形成している。しかし、第１のジンバル部３０がトーシヨンバー３２を軸にして回転した場合には、第１のジンバル部３０の半分は平板電極４４，４５のいずれか一方に近づき、第１のジンバル部３０の他の半分は平板電極４４，４５のいずれか他方に近づく。これによって、第１のジンバル部３０と平板電極４４，４５との間の静電容量Ｃが変化する。

また、第２のジンバル部４０の下方には、ギャップをおいて１対の平板電極４８，４９が設けられている。平板電極４８，４９に電圧を印加することにより、第２のジンバル部４０との間に静電力が作用し、第２のジンバル部４０が回動する。

図８に示すように、ｘ方向およびｙ方向に対して垂直な方向、つまり第１のジンバル部３０および第２のジンバル部４０の表面に対して垂直な方向をｚ方向とする。平板電極４８，４９に交互に電圧を印加することにより（図７参照）、第２のジンバル部４０を、ｙ軸を中心に揺動（振動）させる。このとき、第２のジンバル部４０を「駆動ジンバル部」という。このときの駆動変位角度はθｙである。この状態で、ｚ軸を中心に角速度（回転角速度）Ωｚが加わると、ｙ軸に直交方向にコリオリ力が発生し、ｙ軸と直交するｘ軸を中心に揺動しようとする。しかし、第２のジンバル部４０は揺動できないため、第１のジンバル部３０のみが、ｘ軸を中心に揺動する。このとき、第１のジンバル部３０を「検出ジンバル部」という。そして、検出変位角度θｘを、平板電極４４，４５の電位変化により検出する。このようにして角速度の検出が行われる。

さて、図７によく示されるように、第１のジンバル部３０と平板電極４４，４５とでは、ｘ方向の長さが互いに異なる。つまり、平板電極４４，４５の方が、第１のジンバル部３０よりも、ｘ方向の長さが長く形成されている。

すなわち、第３の実施形態の物理量センサ３Ｃにおいても、平板電極４４，４５は、ｘ方向において、第１のジンバル部３０の両側にそれぞれギャップＧＰの３倍程度以上はみ出すように、つまりギャップＧＰの３倍程度以上の拡大幅ＫＨを持つように、構成されている。

したがって、外力その他の要因で第１のジンバル部３０がｘ方向に移動しまたは振動した場合であっても、第１のジンバル部３０と平板電極４４，４５との対向面積には影響がないので、静電容量Ｃまたはその変化を正確に測定することができる。

なお、物理量センサ３Ｃにおいて、第１のジンバル部３０または平板電極４４，４５の一方が本発明の第１の電極に対応し、他方第２の電極に対応する。

上に述べたように、いずれの実施形態の物理量センサ３，３Ｂ，３Ｃにおいても、対向する２つの電極のうちの一方が他方からはみ出すように構成しておくことによって、不要な方向の変位または振動などに対して静電容量Ｃの変化が抑制される。そのはみ出し量である拡大幅ＫＨをギャップＧＰの３倍程度以上としておくことによって、不要な方向の変位または振動などによる静電容量Ｃへの影響はほとんどなくなる。

その結果、物理量センサ３，３Ｂ，３Ｃなどのデバイスの製作時のプロセスマージンの向上が期待でき、これによって歩留まりの向上やトリミング工程の削減といった低コスト化が可能となる。

上に述べた実施形態において、第１の電極、第２の電極の形状、個数、支持方法、移動方向、構造などは、種々変更することができる。その他、物理量センサ３，３Ｂ，３Ｃの全体または各部の構造、形状、寸法、個数、材質などは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。

本発明に係る第１の実施形態の物理量センサの平面図である。 図１の物理量センサのＡ−Ａ線矢視断面図である。 図２の電極部材を拡大して示す図である。 電極部材の拡大幅による容量変化の低減の効果を示す図である。 本発明に係る第２の実施形態の物理量センサの平面図である。 図５の物理量センサのＢ−Ｂ線矢視断面図である。 本発明に係る第３の実施形態の物理量センサの平面図である。 図７の物理量センサの斜視図である。

符号の説明

３，３Ｂ，３Ｃ 物理量センサ
１１，１３ 第１の電極
１２，１４ 第２の電極
１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａ 電極部材
３０ 第１のジンバル部（第１の電極，第２の電極）
４０ 第２のジンバル部（第２の電極，第１の電極）
４４，４５ 平板電極（電極部材）
ＧＰ ギャップ
ＫＨ 拡大幅

Claims (8)

1. ギャップを有して対向する第１の電極と第２の電極とのうちのいずれかの電極を外力によって１つの軸方向に移動させることによって前記第１の電極と第２の電極との対向距離または対向面積を変化させ、これを電極間の静電容量の変化として検出する静電容量検出型の物理量センサであって、
   前記第１の電極と第２の電極のうちのいずれか１方の電極についての前記１つの軸方向とは垂直な方向に沿った長さが、他方の電極よりも大きく形成されることにより、前記１方の電極が前記他方の電極の両側にそれぞれ前記ギャップの３倍程度以上はみ出すように構成されている、
   ことを特徴とする静電容量検出型の物理量センサ。
2. 前記第１の電極と第２の電極とは、互いに平行に配置されることによって平行平板電極を形成している、
   請求項１記載の静電容量検出型の物理量センサ。
3. 前記第１の電極と第２の電極とは、複数の電極部材がそれぞれ櫛歯状に配置され、かつ櫛歯状の電極部材が互いに相手の櫛歯状の電極部材間に入り込むことによって、櫛歯型電極を形成している、
   請求項１記載の静電容量検出型の物理量センサ。
4. 前記２つの電極の対向距離を変化させる方向が前記軸方向と一致するように設定されている、
   請求項３記載の静電容量検出型の物理量センサ。
5. 前記２つの電極の対向面積を変化させる方向が前記軸方向と一致するように設定されている、
   請求項３記載の静電容量検出型の物理量センサ。
6. ギャップを有して対向する第１の電極と第２の電極とのうちのいずれかの電極を外力によって１つの軸方向の廻りに回動させることによって前記第１の電極と第２の電極との対向距離または対向面積を変化させ、これを電極間の静電容量の変化として検出する静電容量検出型の物理量センサであって、
   前記第１の電極と第２の電極のうちのいずれか１方の電極についての前記１つの軸方向に沿った長さが、他方の電極よりも大きく形成されることにより、前記１方の電極が前記他方の電極の両側にそれぞれ前記ギャップの３倍程度以上はみ出すように構成されている、
   ことを特徴とする静電容量検出型の物理量センサ。
7. 前記第１の電極と第２の電極の電極間の静電容量の変化によって角速度を検知するように構成されている、
   請求項６記載の静電容量検出型の物理量センサ。
8. 前記第１の電極と第２の電極の電極間の静電容量の変化によって加速度を検知するように構成されている、
   請求項６記載の静電容量検出型の物理量センサ。

Images