JP2009294019A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】パッケージ変形の経時変化によるセンサ出力の変動を低減した高精度で信頼性の高い加速度センサを得る。
【解決手段】第１及び第２の固定電極と、質量体と連結され基板に弾性支持された可動電極とによりそれぞれ形成される静電容量の差により加速度の測定を行なう差動容量型の加速度センサにおいて、第１と第２の固定電極の中間点より第１の固定電極側の基板上に配置された第１の補正電極と、中間点より第２の固定電極側に配置された第２の補正電極と、この第１及び第２の補正電極上に対向して設けられ基板に間隔を有してその両端部が固定された基板と弾性の異なる固定梁とを備え、第１及び第２の補正電極と固定梁とによりそれぞれ形成される静電容量の差動容量の初期値からの変動値により基板の反りを検出し、基板の反りに応じて加速度の出力値の補正をするセンサ出力補正回路を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、加速度センサに関するものであり、特に差動容量型の加速度センサに関する。

一般に、自動車のエアバッグシステムなどに使用される加速度センサには、基板上に形成された複数の固定電極と基板に弾性支持された可動電極とから形成される静電容量が加速度に応答して相補的に変化し、その差に基づき加速度の測定を行なう差動容量型の加速度センサが広く利用されている。従来の差動容量型の加速度センサは、基板上に形成された第１及び第２の固定電極と、この第１及び第２の固定電極上に対向して設けられ第１の弾性支持体によって基板に弾性支持され揺動可能な可動電極と、第２の弾性支持体によって基板に弾性支持され基板に対して垂直方向の加速度に応答して移動可能な質量体と、可動電極と質量体とを可動電極の揺動軸と所定距離離れた位置で連結する連結部と、を備え、第１の固定電極と可動電極とにより形成される第１の静電容量と、第２の固定電極と可動電極とにより形成される第２の静電容量の変化に基づき加速度の測定を行なうように構成されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照。）。

再公表特許ＷＯ２００３／０４４５３９号公報 特開２００４−３４０７１６号公報 特開２００４−２５７８４１号公報

従来の加速度センサは、半導体製造技術を用いて製造することができ、シリコンなどの半導体基板上にポリシリコンなどを構成材料として、弾性支持体、可動電極、質量体などの部分が一体形成されている。このような加速度センサは、容量電圧変換器などを構成する半導体チップとともに樹脂材料によりモールド成形してパッケージ封止されることが多い。樹脂モールド成形では、熱収縮によりパッケージが変形し、内部の加速度センサを支持するシリコン基板が反り変形する。シリコン基板が変形すると、固定電極と可動電極との間隔が変化するため静電容量が変わり、センサ出力が変動する。このパッケージ変形およびこれによる基板変形には経時変化があるため、センサ出力が時間と共に変動するという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、パッケージ変形の経時変化によるセンサ出力の変動を低減した高精度で信頼性の高い加速度センサを提供することを目的とする。

本発明に係る加速度センサにおいては、基板上に配置された第１及び第２の固定電極と、被検出体の加速度に応答して移動可能な質量体と連結され基板に弾性支持された可動電極とによりそれぞれ形成される第１及び第２の静電容量の差により加速度の測定を行なう差動容量型の加速度センサであって、第１の固定電極と第２の固定電極との中間点より第１の固定電極側の基板上に配置された第１の補正電極と、中間点より第２の固定電極側の基板上に配置された第２の補正電極と、この第１及び第２の補正電極上に対向して設けられ基板に間隔を有してその両端部が固定された基板と弾性の異なる固定梁とを備え、第１の補正電極と固定梁とにより形成される第３の静電容量と、第２の補正電極と固定梁とにより形成される第４の静電容量との差動容量の初期値からの変動値により基板の反りを検出し、検出された基板の反りに応じて加速度の出力値の補正をするセンサ出力補正回路を備えるようにしたものである。

本発明によれば、補正電極と固定梁とにより形成される静電容量の変化から基板の反りを検出することが可能となり、加速度の出力値を基板の反りに応じて補正することができる。これにより長期にわたり精度の高い加速度検出が可能な加速度センサを実現することができる。

実施の形態１．
実施の形態１について図面を参照して説明する。図１は実施の形態１における加速度センサの構成を示す平面構成図であり、図２は図１の線Ａ−Ａにおける断面構成図である。

図１または図２において、基板１上にアンカー７１、７２、７３が設けられている。アンカー７１に支持されて延在するねじれ梁６と、アンカー７２、７３に支持されて延在する支持梁４によって加速度センサの可動構造部が弾性支持されている。可動構造部では、可動電極５がねじれ梁６で支持され、質量体２が支持梁４で支持されている。また、可動電極５はリンク梁３を介して質量体２と接続されている。可動電極５の下の基板１上に可動電極５と対向して固定電極８ａ、８ｂが配置されている。質量体２の下の基板１上にはアクチュエーション電極９ａ、９ｂが配置されている。可動構造部の外周には、その両端部をアンカー７４、７５、７６、７７に支持された固定梁１０が設けられている。固定梁１０の下の基板１上に固定梁１０と間隔を有するように対向して補正電極１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが配置されている。

実施の形態１の加速度センサは半導体製造技術を用いて製造することができ、半導体材料で構成されている。基板１の材質は単結晶シリコンであり、可動構造部の可動電極５、質量体２、ねじれ梁６、支持梁４、リンク梁３およびアンカー７１、７２、７３の材質は導電性のポリシリコン膜である。また、基板１上の固定電極８ａ、８ｂおよびアクチュエーション電極９ａ、９ｂもポリシリコン膜であり、アンカー７１、７２、７３と共に基板１とは絶縁膜１３で電気的に分離されている。絶縁膜１３はシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜で構成されている。可動構造部の外周に設けられた固定梁１０、アンカー７４、７５、７６、７７、および基板１上の補正電極１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄもポリシリコン膜であり、いずれも基板１とは絶縁膜１３で電気的に分離されている。

実施の形態１の加速度センサにおける加速度の検出動作について図面を参照して説明する。図３は実施の形態１における加速度センサに加速度が印加された場合の図１の線Ａ−Ａにおける断面構成図である。図中、図１または図２と同一符号は同一または相当の構成を示す。また、図４は検出された加速度を電圧に変換して出力する検出回路の一例を示す回路構成図である。

図３において、Ｚ軸方向に加速度Ａｚが印加されると、質量体２は慣性力により、破線で示す初期位置より加速度Ａｚの方向と逆の方向、すなわち、図面上では紙面の下方向に変位する。これにより質量体２と連結されているリンク梁３も同じく下方向に変位する。リンク梁３と連結された可動電極５はリンク梁３によりトルクが発生し、ねじれ梁６を中心にして破線で示す初期位置から回転変位する。可動電極５と固定電極８ａとにより形成される静電容量Ｃ１と、可動電極５と固定電極８ｂとにより形成される静電容量Ｃ２は、可動電極５の回転変位により、静電容量Ｃ１が増大し、静電容量Ｃ２が減少する。図４に示すように、直列に接続された静電容量Ｃ１と静電容量Ｃ２の一端、すなわち固定電極８ａには定電圧Ｖｓが印加され、他端、すなわち固定電極８ｂは接地されている。静電容量Ｃ１と静電容量Ｃ２の中間の電位Ｖｍを検出するように、可動電極５が容量電圧変換器１４（以下、Ｃ−Ｖ変換回路１４と記す。）に接続され、差動容量測定回路を構成している。

ここで、中間の電位Ｖｍは次式のように表される。

Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ２）は可動電極５の回転変位量に比例し、回転変位量は加速度Ａｚに比例するので、中間の電位Ｖｍからこの加速度センサに印加された加速度を検出することができる。図４に示すように、Ｃ−Ｖ変換回路１４に接続されたセンサ出力調整回路１５において、加速度センサに加速度が印加されない静止状態での出力であるゼロ点出力、及び印加された加速度に対する出力の感度を規定値に調整した後に、加速度に応じた電圧がこのセンサ出力調整回路１５から出力される。センサ出力調整回路１５は、加速度センサが組み立てられた後の最終調整において、ゼロ点出力と出力感度を製品の規定値になるように調整される。

また、実施の形態１の加速度センサは自己診断機能を有している。図３に示す加速度が印加された場合と同様に、アクチュエーション電極９ａ、９ｂと質量体２の間に電圧を印加すると、アクチュエーション電極９ａ、９ｂと質量体２との静電引力により質量体２がアクチュエーション電極９ａ、９ｂ側に変位する。この質量体２の変位による静電容量の変化を加速度検出の動作と同様にして検出することにより、この加速度センサの正常動作を確認して自己診断することができる。

以上のように構成された加速度センサにおいて、経時変化する基板の反りを検出し、基板の反りに応じて加速度の出力値を補正する動作について図面を参照して説明する。図５は基板が反った場合の図１の線Ａ−Ａにおける断面構成図であり、図６は図１の線Ｂ−Ｂにおける断面構成図である。図中、図１または図２と同一符号は同一または相当の構成を示す。図７はセンサ出力補正回路を含む回路構成の一例を示す加速度センサの回路構成図である。

図５に示すように、基板１がパッケージ樹脂応力などにより例えば凸状に反った場合、この加速度センサに加速度が印加されない静止状態での可動電極５と固定電極８ａ、８ｂとの距離、及びアクチュエーション電極９ａ、９ｂと質量体２との距離がそれぞれ変動してしまう。この結果、センサ出力調整回路１５のゼロ点出力、出力感度、及び自己診断機能動作時の出力が変化することになる。

ここで、実施の形態１の加速度センサには、その可動構造部の外周に固定梁１０が設けられていて、その下に対向して補正電極１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが配置されている。図６に示すように、例えば補正電極１１ｄと対向する固定梁１０はその両端部がアンカー７５、７６で支持されて固定しているが、両端部以外の部分は基板１と間隔を有するように構成されている。基板１が反った場合、固定梁１０も変形するが、基板１とは構成材料が異なることによりその弾性も異なるため、基板１と固定梁１０の変形量は異なる。その結果、固定梁１０と各補正電極１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄとでそれぞれ形成される静電容量Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄが基板１の反り量に応じて変化することになる。

予めこの静電容量Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄとセンサ出力との相関関係を測定しておき、静電容量Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄの変化に応じて加速度の出力値を補正すれば、基板反りの影響を無くすことができる。図７に示すように、基板１上の面内で対向する補正電極１１ａ及び１１ｂ、または、１１ｃ及び１１ｄと固定梁１０とでそれぞれ形成される静電容量Ｃａ及びＣｂ、または、Ｃｃ及びＣｄが差動容量構成として配線されている。電源投入時などの適当な時期に、連動するスイッチ１７ａ、１７ｂを切り替えて、静電容量Ｃａ及びＣｂ、または、Ｃｃ及びＣｄの差動容量を測定できるようにそれぞれに定電圧Ｖｓが印加され、Ｃ−Ｖ変換回路１４に接続されるようにする。これにより基板反り情報を検出し、同じく連動するスイッチ１７ｃによりセンサ出力調整回路１５からセンサ出力補正回路１６にＣ−Ｖ変換回路１４の接続先を切り替えて、その基板反り情報をセンサ出力補正回路１６に入力する。

加速度の検出時には、静電容量Ｃ１及びＣ２の差動容量を測定できるようにスイッチ１７ａ、１７ｂを切り替えて、定電圧Ｖｓが固定電極８ａに印加され、可動電極５がＣ−Ｖ変換回路１４に接続されるようにする。同じく連動するスイッチ１７ｃによりＣ−Ｖ変換回路１４の接続先をセンサ出力調整回路１５に切り替える。センサ出力補正回路１６は入力された基板反り情報に応じて、センサ出力調整回路１５からの出力値を補正する。

センサ出力調整回路１５により製品の規定値になるように調整されていたセンサ出力は、経時変化により徐々にゼロ点出力または出力感度が変動する。この変動は経時変化による基板の反り変形に依存するので、この基板反り情報に応じた出力値の補正、すなわちゼロ点出力のシフト補正、または、出力感度の傾き補正をすることにより、初期のセンサ出力特性と同等の性能を得ることができる。したがって、基板反り量とこの補正量の相関は予めセンサ出力補正回路１６に設定しておく。

また、この基板反り量を検出するための固定梁１０と各補正電極１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは、加速度の検出時の可動電極５と固定電極８ａ、８ｂの場合と同様に差動容量を測定することによって静電容量の変化を検出している。したがって、固定梁１０と各補正電極１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは、可動電極５と固定電極８ａ、８ｂの周囲に配置することにより、基板の反りを検出することが可能となる。特に、実施の形態１では固定梁１０と各補正電極１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを可動構造部の外周に配置するようにしたので、基板の反りを容易に検出することができる。

なお、実施の形態１では可動構造部の外周の４箇所に固定梁１０と補正電極１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを配置するようにしたが、このうちの少なくとも補正電極１１ａ、１１ｂの２箇所に配置することにより、基板反り量を検出することが可能であり、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。この場合、補正電極１１ａは、固定電極８ａと固定電極８ｂとの中間点より固定電極８ａ側に配置され、補正電極１１ｂは固定電極８ａと固定電極８ｂとの中間点より固定電極８ｂ側に配置されている。

以上のように構成することにより、基板の反りによる出力値の補正が可能となるため、長期にわたり高精度の加速度検出が可能な加速度センサを実現することができる。
また、Ｃ−Ｖ変換回路１４を加速度の検出時と基板の反り検出時で共用することができるので、加速度検出回路を大幅に変更する必要はない。

さらに、この基板の反りを検出するための固定梁１０には、図１に示すように、質量体２の面内変位を制限するように凸部１２が備えられている。このようにすることにより、この加速度センサが検出するＺ軸方向の加速度と異なる方向である面内方向の過大加速度、特に図のＸ方向の過大加速度が印加され、質量体２及び可動電極５が大きく変位した場合にこの凸部１２がストッパとして機能する。これにより、リンク梁３、支持梁４、または、ねじれ梁６が破壊限界値を超えた応力を受けて破壊することを回避することができ、センサの信頼性をより高めることが可能となる。

実施の形態２．
実施の形態２について図面を参照して説明する。図８は実施の形態２における加速度センサの構成を示す平面構成図である。図中、図１と同一符号は同一または相当の構成を示す。なお、補正電極の配置以外の構成および動作については、実施の形態１と同一であるため、以下では説明を省略する。

図８において、固定梁１０の下に対向する補正電極をそれぞれ２分割して、８箇所の補正電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ、２１ｆ、２１ｇ、２１ｈが配置されている。これにより、４箇所の固定梁１０と８箇所の補正電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ、２１ｆ、２１ｇ、２１ｈとにより形成される８箇所の静電容量から基板の反りを検出することが可能となるため、より正確に基板の反り情報を反映して加速度の出力値の補正をすることができ、さらに高精度化された加速度センサを実現することができる。

なお、実施の形態２では補正電極をそれぞれ２分割して配置するように構成したが、さらに複数に分割することも可能であり、より精密に基板の反りを検出することができるようになる。また、面内で対向する補正電極を配置することにより差動容量を測定できるような構成であれば異なる分割数とすることも可能であり、実施の形態１または２と同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
実施の形態３について図面を参照して説明する。図９は実施の形態３における加速度センサの構成を示す平面構成図であり、図１０は図９の線Ｃ−Ｃにおける断面構成図である。図中、図１または図２と同一符号は同一または相当の構成を示す。なお、固定梁と補正電極の配置以外の構成および動作については、実施の形態１と同一であるため、以下では説明を省略する。

図９において、質量体２と可動電極５との間に固定梁３０が配置され、固定梁３０と静電容量を形成する補正電極３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄが固定梁３０の下に対向して配置されている。固定梁３０はその両端部がアンカー７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆ、７ｇ、７ｈでそれぞれ支持されて固定しているが、両端部以外の部分は基板１と間隔を有するように構成されているので、外周の固定梁１０と同様に基板１の反りを検出することができる。固定梁３０と補正電極３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄとの静電容量の変動を差動容量の測定により検出し、基板反り情報としてセンサ出力補正回路１６に入力する。

以上の構成により、センサ素子中央部の基板反り情報を反映した加速度の出力値の補正が可能となり、より出力変動の小さい加速度センサを提供できる。なお、実施の形態３では、この固定梁３０と外周の固定梁１０の両方を備える構成としたが、外周の固定梁１０は無くして、この固定梁３０のみでセンサ出力を補正する構成とすることも可能であり、実施の形態１と同様の効果を得ることができるとともに、センサ素子のサイズを縮小化することが可能となる。

さらに、固定梁３０の一部と外周の固定梁１０の一部を組み合わせて配置することも可能であり、センサ素子のサイズに応じて適宜選択可能である。この場合も実施の形態１と同様の効果を得ることができることはいうまでもない。

また、この固定梁３０にも外周の固定梁１０と同様に、質量体２、または、可動電極５の面内変位を制限するように凸部３２が備えられている。これにより、面内方向の過大加速度に対して、質量体２だけでなく、特に可動電極５が大きく変位した場合にストッパとして機能し、実施の形態１と同様の効果を得ることができ、センサの信頼性をより高めることが可能となる。

なお、上記各実施の形態はお互いに組み合わせて利用することも可能であり、各実施の形態におけるそれぞれの効果と同様の効果を得ることができる。

実施の形態１における加速度センサを示す平面構成図である。 図１の線Ａ−Ａにおける断面構成図である。 加速度が印加された場合の図１の線Ａ−Ａにおける断面構成図である。 実施の形態１における加速度検出回路を示す回路構成図である。 基板が反った場合の図１の線Ａ−Ａにおける断面構成図である。 基板が反った場合の図１の線Ｂ−Ｂにおける断面構成図である。 実施の形態１における加速度センサの回路構成図である。 実施の形態２における加速度センサを示す平面構成図である。 実施の形態３における加速度センサを示す平面構成図である。 図９の線Ｃ−Ｃにおける断面構成図である。

符号の説明

１ 基板、
２ 質量体、
５ 可動電極、
８ａ、８ｂ 固定電極、
１０、３０ 固定梁、
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ、２１ｆ、２１ｇ、２１ｈ、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ 補正電極、
１２、３２ 凸部、
１４ 容量電圧変換器（Ｃ−Ｖ変換回路）、
１６ センサ出力補正回路、
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ スイッチ

Claims (6)

1. 基板上に配置された第１の固定電極及び第２の固定電極と、
   この第１の固定電極及び第２の固定電極の上に対向して設けられ前記基板に弾性支持された揺動可能な可動電極と、
   この可動電極と連結されて前記基板に弾性支持された、被検出体の加速度に応答して移動可能な質量体とを備え、
   前記第１の固定電極と前記可動電極とにより形成される第１の静電容量と、
   前記第２の固定電極と前記可動電極とにより形成される第２の静電容量との差により前記加速度の測定を行なう差動容量型の加速度センサにおいて、
   前記第１の固定電極と前記第２の固定電極との中間点より第１の固定電極側の基板上に配置された第１の補正電極と、
   前記中間点より第２の固定電極側の基板上に配置された第２の補正電極と、
   前記第１の補正電極及び前記第２の補正電極の上に対向して設けられ前記基板に間隔を有してその両端部が固定された前記基板と弾性の異なる固定梁とを備え、
   前記第１の補正電極と前記固定梁とにより形成される第３の静電容量と、
   前記第２の補正電極と前記固定梁とにより形成される第４の静電容量との差動容量の初期値を予め測定しておき、
   前記差動容量の初期値からの変動値を前記加速度の測定時に検出し、
   前記変動値により前記加速度の出力値の補正をするセンサ出力補正回路を備えたことを特徴とする加速度センサ。
2. 前記第１の補正電極及び前記第２の補正電極と前記固定梁の組が、前記第１の固定電極及び前記第２の固定電極の周囲に複数組配置されていることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
3. 前記第１の補正電極及び前記第２の補正電極は、それぞれが複数の電極に分割されて配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の加速度センサ。
4. 前記第１の補正電極及び前記第２の補正電極は、前記第１の固定電極及び前記第２の固定電極の位置よりも前記基板の外周側に配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の加速度センサ。
5. 前記各静電容量を電圧に変換する容量電圧変換器と、
   前記固定電極及び前記可動電極、または、前記補正電極及び前記固定梁と前記容量電圧変換器との接続を切り替えるスイッチと、
   を備えたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の加速度センサ。
6. 前記可動電極、または、前記質量体の面内変位を制限する凸部を前記固定梁に備えたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の加速度センサ。

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