JP2008261637A - 加速度センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】静電容量変化にバラツキが生じにくく、検出精度の向上を図った加速度センサを提供することを目的としている。
【解決手段】加速度検出部を有する検出素子１を備え、この検出素子１は、可撓部を介して錘部２を連結した固定部４と、ギャップ規定手段により形成したギャップを介して錘部２と対向させた対向基板６と、錘部２と対向基板６の各々の対向面に配置した第１〜第４対向電極１４、１６、１８、２０とを有し、第１〜第４対向電極１４、１６、１８、２０の静電容量変化を検出して加速度を検出しており、ギャップ規定手段は、固定部４に感光性樹脂からなる突起部１３を形成するとともに、突起部１３に対向基板６を載置して形成した構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等、各種電子機器に用いる加速度センサおよびその製造方法に関するものである。

以下、従来の加速度センサについて説明する。

従来の加速度センサは、図１０に示すように、検出素子５０と、この検出素子５０から出力される検出信号を処理する処理回路（図示せず）とを備えている。この検出素子５０は、ベース基板５１と、このベース基板５１と対向させて配置したダイアフラム５２と、このダイアフラム５２の下方に連結した錘部５３とを有する。互いに対向するベース基板５１とダイアフラム５２の対向面には対向電極５４を配置している。

また、ベース基板５１とダイアフラム５２との間には、球状粒子を混ぜた接着剤５６を塗布している。この接着剤５６により、ベース基板５１とダイアフラム５２とを接着固定するとともに、球状粒子５５により、ベース基板５１とダイアフラム５２とのギャップ（対向距離）を規定している。

次に、加速度の検出について説明する。

加速度が生じると、錘部５３が加速度の生じた軸方向に移動しようとするために、錘部５３を配置したダイアフラム５２に撓みが発生する。そうすると、ベース基板５１とダイアフラム５２とのギャップが変化するので、このギャップの変化に起因した対向電極５４間の静電容量の変化に基づいて、加速度を検出するものである。

このような加速度センサを検出したい検出軸に対応させて、車両等の移動体の姿勢制御装置やナビゲーション装置等に用いている。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開平１１−３４４５０６号公報

上記構成では、対向電極５４間の静電容量の変化に基づいて加速度を検出するが、静電容量変化を効率よく検出するために、ベース基板５１とダイアフラム５２とのギャップを狭くする必要がある。

特に、小型化、低背化のためには、対向電極５４間のギャップを数μｍ程度にする必要があり、上記構成では球状粒子の大きさに規定されてしまうが、球状粒子５５の直径バラツキ等によって、ベース基板５１とダイアフラム５２の対向面の全体に渡って、均一なギャップを形成することが難しく、静電容量変化にバラツキが生じて、検出精度を劣化させるという問題点を有していた。

本発明は上記問題点を解決し、対向面の全体に渡って、均一なギャップを形成して、静電容量変化にバラツキが生じにくく、検出精度を向上させた加速度センサを提供することを目的としている。

上記問題点を解決するために本発明は、加速度検出部を有する検出素子を備え、前記検出素子は、可撓部を介して錘部を連結した固定部と、ギャップ規定手段により形成したギャップを介して前記錘部と対向させた対向基板と、前記錘部と前記対向基板の各々の対向面に配置した対向電極とを有し、前記加速度検出部では、前記錘部と前記対向基板の各々の対向面に配置した対向電極間の静電容量を検出して加速度を検出しており、前記ギャップ規定手段は、前記対向基板または前記固定部に感光性樹脂からなる突起部を形成するとともに、前記突起部に前記対向基板または前記固定部を載置して形成した構成である。

上記構成により、錘部と対向基板のギャップは、感光性樹脂からなる突起部を固定部に形成するとともに、この突起部に対向基板を載置して、錘部と対向基板のギャップを形成するので、非常に狭いギャップを形成することができる。

感光性樹脂は１μｍ程度まで非常に精度よく形成できるので、所望の形状の突起部を対向基板または固定部の少なくとも一方に形成すれば、錘部と対向基板とのギャップを数μｍ程度に精度よく形成できる。また、この突起部の間に接着剤を塗布して対向基板または固定部を載置すれば、対向基板と固定部との接着も容易である。

図１は本発明の一実施の形態における複合センサの検出素子の分解斜視図、図２は図１における対向基板配置前のＡ−Ａ断面図、図３は図１における対向基板配置前のＢ−Ｂ断面図、図４は図１における対向基板配置時のＢ−Ｂ断面図、図５は図１における対向基板配置時のＣ−Ｃ断面図である。

図１において、本発明の一実施の形態における複合センサは、加速度検出部と角速度検出部を有する検出素子１を備え、この検出素子１は、可撓部を介して錘部２を連結した固定部４と、錘部２と対向させた対向基板６と、錘部２と対向基板６の各々の対向面に配置した第１電極と、可撓部に配置した第２電極とを有する。

具体的には、この検出素子１は、第１アーム８を第２アーム１０に略直交方向に連結して形成した２つの直交アームと、２つの第１アーム８の一端を支持する支持部１２と、２つの第１アーム８の他端を接続した枠体形状の固定部４とを有する。第１アーム８の厚みは第２アーム１０の厚みよりも非常に薄く形成しており、第２アーム１０は第２アーム１０自身と対向するまで折曲し、折曲した第２アーム１０の先端部に錘部２を連結している。第１アーム８と支持部１２とは略同一直線上に配置し、第１アーム８および第２アーム１０は検出素子１の中心に対して対称配置している。ここで、可撓部は固定部４と錘部２とを連結する部分を指しており、第１アーム８、第２アーム１０が少なくとも可撓部に相当する。

また、錘部２に対向させて対向基板６を配置している。この対向基板６はギャップ規定手段により、一定のギャップを介して錘部２と対向させている。ギャップ規定手段としては、固定部４に感光性樹脂からなる突起部１３を形成するとともに、この突起部１３に対向基板６を載置して形成している。この際、例えば、図５に示すように、所望の位置に接着剤１５を塗布しておけば、固定部４と対向基板６とを容易に固定できる。

錘部２と対向基板６の各々の対向面には、第１電極として第１対向電極〜第４対向電極１４、１６、１８、２０を配置し、互いに対向する一方の２つの第２アーム１０には錘部２を駆動振動させる駆動電極２２および検知電極２４を配置し、互いに対向する他方の２つの第２アーム１０には、第２電極として第２アーム１０の歪を感知する第１感知電極２６、第２感知電極２８を配置している。さらに、錘部２に配置した第１対向電極〜第４対向電極１４、１６、１８、２０を延長して引き出した信号線（図示せず）を、第２アーム１０および第１アーム８を介して固定部４に設けた電極パッド（図示せず）まで配置している。

上記の錘部２に配置した第１対向電極〜第４対向電極１４、１６、１８、２０、駆動電極２２、検知電極２４、第１感知電極２６、第２感知電極２８は、図２、図３に示すように、圧電層３０を介在させた上部電極３２と下部電極３４とを有し、信号線も同様の構成である。

そして、対向基板６と固定部４と第１アーム８と第２アーム１０と錘部２とは、下部電極３４よりも高抵抗のシリコン等からなる非金属材料からなり、固定部４と第１アーム８と第２アーム１０と錘部２とを一体成形してなる。

次に、上記複合センサに用いる検出素子の製造方法について説明する。

検出素子の製造方法では、加速度検出部と角速度検出部を形成する素子形成工程を備えており、この素子形成工程は、可撓部を介して錘部２を連結した固定部４を形成する工程と、ギャップ規定手段によりギャップを介して錘部２と対向基板６を対向させる工程と、錘部２と対向基板６の各々の対向面に第１対向電極〜第４対向電極１４、１６、１８、２０を配置する工程とを有する。

また、ギャップ規定手段は、固定部４に感光性樹脂からなる突起部１３を形成するとともに、この突起部１３に対向基板６を載置して形成している。特に、感光性樹脂は、スピンコート方式で固定部４に塗布して形成している。

具体的には、固定部４上に感光性樹脂をスピンコート方式で塗布しておき、マスクを用いて露光、現像し、所望の場所で所望の形状に選択的に形成する。これによって、スピンコート方式で塗布された感光性樹脂からなる突起部１３が固定部４に形成される。また、各電極等は、ウエハ上に導体層や圧電層３０を塗布しておき、エッチング等によって、所望の形状に形成すればよい。

なお、この突起部１３の形成場所は、固定部４上に限定するものではなく、対向基板６上に形成しても良い。

対向基板６上に突起部１３を形成する利点は、対向基板６上には第１対向電極〜第４対向電極１４、１６、１８、２０のみしか形成していないので、これら電極の形成後に、突起部１３を配置すればよく、工程ならびに材料選択が簡便となることである。検出素子１の固定部４に突起部１３を形成する場合には、工程ならびに材料選択が複雑になるが、突起部１３を検出素子１側のシリコンウエハーに形成するので位置精度を向上させられるものである。

さらに、固定部４と対向基板６の両方に突起部１３を形成すれば、ギャップの精度をより向上できる。一般に、感光性樹脂をスピンコートで厚い膜にするには、スピンコートの回転速度を遅くするか、感光性樹脂の粘度を大きくする必要があり、厚い膜を塗布する際には、材料の選択肢を狭めるとともに厚み精度を低下させてしまう。すなわち、両方に突起部１３を形成することにより、厚い膜を塗布する必要もなく、材料の選択肢も狭めることなく、精度よく、塗布できるものである。

感光樹脂の材料の選択肢としては比較的高温まで加熱してよい対向基板６には、高温まで加熱する感光樹脂を用い、逆に、低温までの加熱しかできない機能膜等を有する素子側の固定部４には、低温での加熱で乾燥する感光樹脂を用いればよい。感光樹脂自体が接着機能を有するものを用いれば接着とギャップ規制の機能を実現することもできる。

次に、角速度検出部および加速度検出部について説明する。

まず、角速度検出部について説明する。

図６に示すように、互いに直交したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、検出素子１の第１アーム８をＸ軸方向に配置して、第２アーム１０をＹ軸方向に配置した場合、駆動電極２２に共振周波数の交流電圧を印加すると、駆動電極２２が配置された第２アーム１０を起点に第２アーム１０が駆動振動し、それに伴って錘部２も第２アーム１０の対向方向（実線の矢印と点線の矢印で記した駆動振動方向）に駆動振動する。また、４つの第２アーム１０および４つの錘部２の全てが同調して第２アーム１０の対向方向に駆動振動する。この検出素子１における駆動振動方向はＸ軸方向となる。

このとき、例えば、Ｚ軸の左周りに角速度が生じた場合は、錘部２の駆動振動と同調して、錘部２に対して駆動振動方向と直交した方向（実線の矢印と点線の矢印で記したコリオリ方向（Ｙ軸方向））にコリオリ力が発生するので、第２アーム１０にＺ軸の左周りの角速度に起因した歪を発生させることができる。すなわち、コリオリ力に起因して撓むこの第２アーム１０の状態変化（第２アーム１０に発生した歪）によって、第１、第２感知電極２６、２８から電圧が出力され、この出力電圧に基づき角速度が検出される。

次に、加速度検出部について説明する。

図７に示すように、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、対向基板６をＸＹ平面に配置した場合、加速度が発生していなければ、対向基板６と錘部２の対向面の第１対向電極１４のギャップ（Ｈ１）と、対向基板６と錘部２との対向面の第２対向電極１６のギャップ（Ｈ２）は等しい。図示していないが、第３対向電極１８の対向距離と第４対向電極２０のギャップも等しくなる。

このとき、例えば、Ｘ軸方向に加速度が生じた場合、図８に示すように、錘部２は支持部１２を中心にしてＹ軸周りに回転しようとする。この結果、対向基板６と錘部２の対向面の第１対向電極１４のギャップ（Ｈ１）が小さくなり、対向基板６と錘部２との対向面の第２対向電極１６のギャップ（Ｈ２）が大きくなる。第３対向電極１８の対向距離と第４対向電極２０のギャップも同様である。

一方、Ｙ軸方向に加速度が生じた場合も同様に、錘部２は支持部１２を中心にしてＸ軸周りに回転しようとするため、例えば、第３、第４対向電極１８、２０のギャップが大きくなり、第１、第２対向電極１４、１６のギャップが小さくなる。すなわち、各々の電極間の静電容量が変化するので、この静電容量の変化に基づいてＸ軸方向またはＹ軸方向の加速度を検出するものである。

上記構成により、加速度検出部によって、錘部２と対向基板６の各々の対向面に配置した第１対向電極〜第４対向電極１４、１６、１８、２０の静電容量を検出して加速度を検出し、角速度検出部によって、コリオリ力に起因して撓む可撓部の状態変化を第１感知電極２６、第２感知電極２８で検出し、一つの検出素子１で加速度と角速度を検出できるので、実装面積を低減して小型化が図れる。

また、錘部２と対向基板６のギャップは、感光性樹脂からなる突起部１３を固定部４に形成するとともに、この突起部１３に対向基板６を載置して、錘部２と対向基板６のギャップを形成するので、非常に狭いギャップを形成することができる。

感光性樹脂は１μｍ程度まで非常に精度よく形成できるので、所望の形状の突起部１３を固定部４に形成すれば、錘部２と対向基板６とのギャップを数μｍ程度に精度よく形成できる。また、この突起部１３の間に接着剤１５を塗布して対向基板６を載置すれば、対向基板６と固定部４との接着も容易である。

また、突起部１３は複数設け、第１対向電極〜第４対向電極１４、１６、１８、２０を延長して引き出した信号線を隣接する突起部１３の間から引き出せば、容易に固定部４の端部まで配置することができ、実装基板に配置された配線パターンとの電気的接続（ワイヤボンディング等による電気的接続）も容易となる。

また，突起部１３は、スピンコート方式で固定部４に塗布されて形成されているので、非常に精度よく、薄く形成することができる。

また、図９に示すように、電極等を形成していない保護基板３６を用いて、この保護基板３６に感光性樹脂による突起部１３を形成し、ギャップ規定手段を形成してもよい。

本発明に係る加速度センサは、静電容量変化にバラツキが生じにくく、検出精度を向上させることができ、各種電子機器に適用できるものである。

本発明の一実施の形態における複合センサの検出素子の分解斜視図 図１における対向基板配置前のＡ−Ａ断面図 図１における対向基板配置前のＢ−Ｂ断面図 図１における対向基板配置時のＢ−Ｂ断面図 図１における対向基板配置時のＣ−Ｃ断面図 角速度発生時における同検出素子の動作状態を示す説明図 同検出素子の断面図 加速度発生時における同検出素子の動作状態を示す説明図 他の実施の形態における検出素子の断面図 従来の加速度センサの断面図

符号の説明

１ 検出素子
２ 錘部
４ 固定部
６ 対向基板
８ 第１アーム
１０ 第２アーム
１２ 支持部
１３ 突起部
１４ 第１対向電極
１５ 接着剤
１６ 第２対向電極
１８ 第３対向電極
２０ 第４対向電極
２２ 駆動電極
２４ 検知電極
２６ 第１感知電極
２８ 第２感知電極
３０ 圧電層
３２ 上部電極
３４ 下部電極

Claims (6)

1. 加速度検出部を有する検出素子を備え、
   前記検出素子は、可撓部を介して錘部を連結した固定部と、ギャップ規定手段により形成したギャップを介して前記錘部と対向させた対向基板と、前記錘部と前記対向基板の各々の対向面に配置した対向電極とを有し、前記加速度検出部では、前記錘部と前記対向基板の各々の対向面に配置した対向電極間の静電容量を検出して加速度を検出しており、
   前記ギャップ規定手段は、前記固定部または前記対向基板の少なくとも一方に感光性樹脂からなる突起部を形成するとともに、前記突起部に前記対向基板または前記固定部を載置して形成した加速度センサ。
2. 前記突起部は複数設け、前記対向電極を延長して引き出した信号線を隣接する前記突起部の間から引き出した請求項１記載の加速度センサ。
3. 前記固定部は枠体形状とし、前記固定部の内方に前記錘部を配置するとともに前記固定部の内周面に前記可撓部を介して前記錘部を連結し、前記固定部の上面に前記突起部を形成した請求項１記載の加速度センサ。
4. 前記検出素子は対称形状とした請求項３記載の加速度センサ。
5. 加速度検出部を形成する素子形成工程を備え、
   前記素子形成工程は、
   可撓部を介して錘部を連結した固定部を形成する工程と、
   ギャップ規定手段によりギャップを介して前記錘部と対向基板を対向させる工程と、
   前記錘部と前記対向基板の各々の対向面に対向電極を配置する工程とを有し、
   前記ギャップ規定手段は、前記固定部または前記対向基板に感光性樹脂からなる突起部を形成するとともに、
   前記突起部に前記対向基板または前記固定部を載置して形成する加速度センサの製造方法。
6. 前記感光性樹脂は、スピンコート方式で前記固定部に塗布された請求項５記載の加速度センサの製造方法。

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