JP2010210425A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】過大な衝撃が印加された場合にビーム部を確実に保護することができる。
【解決手段】重り部４，５は凹部１１，１３が形成されている側の方が凹部１１，１３の形成されていない側（充実部１２，１４）よりも重くなるため、重力加速度のみが印加されている状態において凹部１１，１３の形成されていない側が相対的に鉛直下方に位置するように重り部４，５が傾いている。そのため、外部から加速度（重力加速度以外の加速度）が印加されたときに重り部４，５が容易に回動する。このとき、重り部４，５が略糸巻き状に形成されているため、重り部４，５とフレーム部３との間に存在する空気の粘性によるエアダンピングの影響が増し、過大な衝撃が印加された場合に重り部４，５の回動に伴ってビーム部６ａ，６ｂ及び７ａ，７ｂに過度の応力がかかることを防いでビーム部６ａ，６ｂ及び７ａ，７ｂを確実に保護することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電容量型の加速度センサに関するものである。

従来、図６に示すように可動電極を有する角柱（直方体）形状の重り部１００と、重り部１００の長手方向における略中央において重り部１００を回動自在に支持する一対のビーム部１０１と、一対のビーム部１０１を結ぶ直線（ビーム軸）を境界線とした重り部１００の表面のそれぞれ一方側及び他方側に対し所定距離をあけて対向配置された第１及び第２の固定電極１０２，１０３とを備える加速度センサが知られている。この加速度センサは、ビーム軸を回動軸とした重り部１００の回動に伴う可動電極（重り部１００の固定電極１０２，１０３との対向部位）と第１および第２の固定電極１０２，１０３間の静電容量の変化を差動検出することにより、重り部１００に印加された加速度を検出する。このような加速度センサでは、加速度が印加された際にビーム軸を回動軸としたモーメントが重り部１００に発生するように、重り部１００の裏面のビーム軸を境界線とした一方側（図６における右側）に凹部１０４を形成することにより、ビーム軸を境界線とした重り部１００の一方側（右側）と他方側（左側）とで重量が異なるようにしている（例えば、特許文献１参照）。

ここで、過大な加速度が印加された場合、重り部１００が過度に回動してビーム部１０１が破損してしまう虞があるため、通常、重り部１００と対向する位置に突起状のストッパを設けることで重り部１００の回動範囲を規制するようにしている（例えば、特許文献２参照）。

特表２００８−５４４２４３号公報 特開２００８−２９２４５１号公報

しかしながら、重り部１００の回動範囲を規制するだけでは、過大な衝撃が印加された際に重り部１００が急激に変位することでビーム部１０１が急激にねじれて破損してしまうことまでは防止できない。

本発明は上記事情に鑑みて為されたものであり、その目的は、過大な衝撃が印加された場合にビーム部を確実に保護することができる加速度センサを提供することにある。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、一面に可動電極が設けられた重り部と、重り部の周囲を囲むフレーム部と、フレーム部に対して重り部を回動軸の回りに回動自在に支持する一対のビーム部と、可動電極に対向して配置される固定電極とを備え、重り部は、ビーム部によって支持される部位の幅が相対的に狭くなる略糸巻き状に形成されるとともに回動軸を挟んで対向する一方側に凹部が形成されていることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、重り部は凹部が形成されている側の方が凹部の形成されていない側よりも重くなるため、重力加速度のみが印加されている状態において凹部の形成されていない側が相対的に鉛直下方に位置するように重り部が傾いており、外部から加速度（重力加速度以外の加速度）が印加されたときに重り部が容易に回動するが、このとき、重り部が略糸巻き状に形成されているため、重り部とフレーム部との間に存在する空気の粘性によるエアダンピングの影響が増し、過大な衝撃が印加された場合にビーム部に過度の応力がかかることを防いでビーム部を確実に保護することができる。

本発明によれば、過大な衝撃が印加された場合にビーム部を確実に保護することができる。

本発明の実施形態を示し、（ａ）はセンサチップの下面図、（ｂ）は断面図である。 同上の分解斜視図である。 （ａ）〜（ｅ）は同上の製造方法を説明するための断面図である。 同上の変形例を示す上面図である。 同上の変形例を示す上面図である。 従来例を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。但し、以下の説明では図２におけるｘ軸方向を縦方向、ｙ軸方向を横方向、ｚ軸方向を上下方向と定める。

本実施形態は、図２に示すように外形が矩形平板状であるセンサチップ１と、センサチップ１の上面側に固定される上部固定板２ａと、センサチップ１の下面側に固定される下部固定板２ｂとを備えている。センサチップ１は、上下方向から見て矩形の２つの枠部３ａ，３ｂが長手方向（横方向）に並設されたフレーム部３と、枠部３ａ，３ｂの内周面に対して隙間を空けた状態で枠部３ａ，３ｂ内に配置された柱状の重り部４，５と、枠部３ａ，３ｂの内周面と重り部４，５の側面を連結してフレーム部３に対して重り部４，５を回動軸の回りに回動自在に支持する各一対のビーム部６ａ，６ｂ及び７ａ，７ｂと、重り部４，５の上面に形成される可動電極４ａ，５ａとを備えている。

一対のビーム部６ａ，６ｂは、横方向に対向する枠部３ａの内周面における縦方向の中央部から突設された突片３ｃに一端が連結され、重り部４の側面における長手方向（縦方向））の中央に他端が連結されている。同じく一対のビーム部７ａ，７ｂは、横方向に対向する枠部３ｂの内周面における縦方向の中央部から突設された突片３ｃに一端が連結され、重り部５の側面における長手方向（縦方向））の中央に他端が連結されている。つまり、一対のビーム部６ａと６ｂ、７ａと７ｂをそれぞれ結ぶ直線が回動軸となり、回動軸の回りに各重り部４，５が回動することになる。

重り部４，５は、一対のビーム部６ａ，６ｂ又は７ａ，７ｂとの連結部位がくびれた柱状（糸巻き状）に形成され、回動軸を挟んで一方側には一面（下面）に開口する凹部１１，１３が形成されている。また凹部１１，１３は、開口面の法線方向（上下方向）から見て平面視四角形に形成されるとともに、凹部１１，１３の内壁面及び底壁面と結合され且つ上下方向から見てそれぞれ対角線上に配置されて互いに交差する２つの補強壁１６，１６が内部に設けられている。尚、センサチップ１は、後述するように半導体の微細加工技術によりシリコン基板（シリコンＳＯＩ基板）を加工して形成されるものであり、重り部４，５の上面を含む部分が可動電極４ａ，５ａとなる。尚、図２では図示を省略しているが、重り部４，５の上面及び下面には、重り部４，５が上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂに直接衝突することを防止するための突起部１５ａ〜１５ｇが突設されている。

上部固定板２ａは、石英ガラスなどの絶縁材料製であって、その下面には、上下方向に沿ってセンサチップ１の重り部４（可動電極４ａ）と対向する位置に第１の固定電極２０ａと第２の固定電極２０ｂが縦方向に並設されるとともに、上下方向に沿ってセンサチップ１の重り部５（可動電極５ａ）と対向する位置に第１の固定電極２１ａと第２の固定電極２１ｂが縦方向に並設されている。また、上部固定板２ａは、縦方向の一端側に５つの貫通孔２２ａ〜２２ｅが横方向に並べて貫設されている。さらに、上部固定板２ａの下面には各固定電極２０ａ，２０ｂ及び２１ａ，２１ｂと電気的に接続された複数の導電パターン（図示せず）が形成されている。

一方、センサチップ１の縦方向一端側にはフレーム部３から離間された合計４つの電極部８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂが並設されている。これら４つの電極部８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂは、上面における略中央に金属膜からなる検出電極８０ａ，８０ｂ，９０ａ，９０ｂがそれぞれ形成されるとともに、枠部３ａ，３ｂに臨む端部の上面に金属膜からなる圧接電極８１ａ，８１ｂ，９１ａ，９１ｂがそれぞれ形成されている。尚、フレーム部３上面の電極部８ｂ，９ａの間には接地電極１０が形成されている。そして、センサチップ１の上面に上部固定板２ａが接合されると、上部固定板２ａの下面に形成されている導電パターンと圧接電極８１ａ，８１ｂ，９１ａ，９１ｂが圧接接続されることで各検出電極８０ａ，８０ｂ，９０ａ，９０ｂが各固定電極２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂと電気的に接続されるとともに、上部固定板２ａの貫通孔２２ａ〜２２ｄを通して各検出電極８０ａ，８０ｂ，９０ａ，９０ｂが外部に露出する。尚、接地電極１０も貫通孔２２ｅを通して外部に露出する。

下部固定板２ｂは、上部固定板２ａと同じく石英ガラスなどの絶縁材料製であって、その上面には上下方向に沿ってセンサチップ１の重り部４，５と対向する位置にそれぞれ付着防止膜２３ａ，２３ｂが形成されている。この付着防止膜２３ａ，２３ｂは、アルミニウム系合金等の固定電極２０ａ，…と同じ材料で形成されており、回動した重り部４，５の下面が下部固定板２ｂに付着することを防止している。

ここで、本実施形態では、枠部３ａ、重り部４、ビーム部６ａ，６ｂ、可動電極４ａ、第１及び第２の固定電極２０ａ，２０ｂ、検出電極８０ａ，８０ｂと、枠部３ｂ、重り部５、ビーム部７ａ，７ｂ、可動電極５ａ、第１及び第２の固定電極２１ａ，２１ｂ、検出電極８１ａ，８１ｂとで各々加速度センサが構成され、重り部４，５の向き（凹部１１，１３と充実部１２，１４の配置）を１８０度反転させた状態で２つの加速度センサが一体に形成されている。

次に、本実施形態の検出動作について説明する。

まず、一方の重り部４にｘ軸方向の加速度が印加された場合を考える。ｘ軸方向に加速度が印加されると重り部４が回動軸の回りに回動して可動電極４ａと第１の固定電極２０ａ並びに第２の固定電極２０ｂとの間の距離が変化し、その結果、可動電極４ａと各固定電極２０ａ，２０ｂとの間の静電容量Ｃ１，Ｃ２も変化する。ここで、ｘ軸方向の加速度が印加されていないときの可動電極４ａと各固定電極２０ａ，２０ｂとの間の静電容量をＣ０とし、加速度の印加によって生じる静電容量の変化分をΔＣとすれば、ｘ軸方向の加速度が印加されたときの静電容量Ｃ１，Ｃ２は、
Ｃ１＝Ｃ０−ΔＣ …（１）
Ｃ２＝Ｃ０＋ΔＣ …（２）
と表すことができる。

同様に、他方の重り部５にｘ軸方向の加速度が印加された場合、可動電極５ａと各固定電極２１ａ，２１ｂとの間の静電容量Ｃ３，Ｃ４は、
Ｃ３＝Ｃ０−ΔＣ …（３）
Ｃ４＝Ｃ０＋ΔＣ …（４）
と表すことができる。

ここで、静電容量Ｃ１〜Ｃ４の値は、検出電極８０ａ，８０ｂ及び８１ａ，８１ｂから取り出す電圧信号を演算処理することで検出することができる。そして、一方の加速度センサから得られる静電容量Ｃ１，Ｃ２の差分値ＣＡ（＝Ｃ１−Ｃ２）と、他方の加速度センサから得られる静電容量Ｃ３，Ｃ４の差分値ＣＢ（＝Ｃ３−Ｃ４）との和（±４ΔＣ）を算出すれば、この差分値ＣＡ，ＣＢの和に基づいてｘ軸方向に印加された加速度の向きと大きさを演算することができる。

次に、一方の重り部４にｚ軸方向の加速度が印加された場合を考える。ｚ軸方向に加速度が印加されると重り部４が回動軸の回りに回動して可動電極４ａと第１の固定電極２０ａ並びに第２の固定電極２０ｂとの間の距離が変化し、その結果、可動電極４ａと各固定電極２０ａ，２０ｂとの間の静電容量Ｃ１，Ｃ２も変化する。ここで、ｚ軸方向の加速度が印加されていないときの可動電極４ａと各固定電極２０ａ，２０ｂとの間の静電容量をＣ０とし、加速度の印加によって生じる静電容量の変化分をΔＣとすれば、ｚ軸方向の加速度が印加されたときの静電容量Ｃ１，Ｃ２は、
Ｃ１＝Ｃ０＋ΔＣ …（５）
Ｃ２＝Ｃ０−ΔＣ …（６）
と表すことができる。

同様に、他方の重り部５にｚ軸方向の加速度が印加された場合、可動電極５ａと各固定電極２１ａ，２１ｂとの間の静電容量Ｃ３，Ｃ４は、
Ｃ３＝Ｃ０−ΔＣ …（７）
Ｃ４＝Ｃ０＋ΔＣ …（８）
と表すことができる。

そして、一方の加速度センサから得られる静電容量Ｃ１，Ｃ２の差分値ＣＡ（＝Ｃ１−Ｃ２）と、他方の加速度センサから得られる静電容量Ｃ３，Ｃ４の差分値ＣＢ（＝Ｃ３−Ｃ４）との差（±４ΔＣ）を算出すれば、この差分値ＣＡ，ＣＢの差に基づいてｚ軸方向に印加された加速度の向きと大きさを演算することができる。尚、差分値ＣＡ，ＣＢの和と差に基づいてｘ軸方向及びｚ軸方向の加速度の向き及び大きさを求める演算処理については従来周知であるから詳細な説明を省略する。

次に、図３を参照して本実施形態の製造方法を説明する。

本実施形態は、図３（ａ）に示すように支持基板３０ａ及び中間酸化膜３０ｂ、活性層３０ｃからなるシリコンＳＯＩ基板を半導体の微細加工技術を利用して加工することにより形成される。まず、シリコンＳＯＩ基板の両面にシリコン酸化膜やフォトレジスト膜などのマスク材料３１を形成し、重り部４，５に対応する位置のマスク材料３１を除去した後、ＴＭＡＨ（テトラメチル水酸化アンモニウム溶液）やＫＯＨ（水酸化カリウム溶液）などを利用した湿式エッチング、あるいは反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などの乾式エッチングを行うことにより、シリコンＳＯＩ基板の上面及び下面に重り部４，５が変位するための空間（凹所）３２ａ，３２ｂを形成する（図３（ｂ）参照）。

そして、凹所３２ａ，３２ｂの底面の所定位置にシリコン酸化膜又はカーボンナノチューブからなる突起部１５ａ〜１５ｇを形成する。このとき、スパッタリングや蒸着成膜を利用して金属膜からなる検出電極８０ａ，８０ｂ，９０ａ，９０ｂ並びに圧接電極８１ａ，８１ｂ，９１ａ，９１ｂを形成する（図３（ｃ）参照）。

続いて、支持基板３０ａ及び中間酸化膜３０ｂの順にシリコンＳＯＩ基板の下面をエッチングすることで重り部４，５（凹部１１，１３並びに充実部１２，１４、補助壁１６）を形成した後、付着防止膜２３ａ，２３ｂ並びに凹所２４ｂが上面に形成された下部固定板２ｂをシリコンＳＯＩ基板の下面に陽極接合する（図３（ｄ）参照）。

最後に、貫通孔２２ａ〜２２ｅ及び第１及び第２の固定電極２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂが形成された上部固定板２ａをシリコンＳＯＩ基板の上面に陽極接合することにより、本実施形態の製造工程は完了する（図３（ｅ）参照）。

ところで、枠部３ａ，３ｂの上下両面が各々上部固定板２ａと下部固定板２ｂとで閉塞されているため、加速度が印加されて重り部４，５が変位する際、枠部３ａ，３ｂ内に密閉された空気の粘性によるエアダンピングの影響で重り部４，５の回動が抑制されることになる。ここで、重り部４，５は凹部１１，１３が形成されている側の方が凹部１１，１３の形成されていない側（充実部１２，１４）よりも重くなるため、重力加速度のみが印加されている状態において凹部１１，１３の形成されていない側が相対的に鉛直下方に位置するように重り部４，５が傾いている。そのため、外部から加速度（重力加速度以外の加速度）が印加されたときに重り部４，５が容易に回動するが、このとき、重り部４，５が略糸巻き状に形成されているため、重り部４，５とフレーム部３との間に存在する空気の粘性によるエアダンピングの影響が増し、過大な衝撃が印加された場合に重り部４，５の回動に伴ってビーム部６ａ，６ｂ及び７ａ，７ｂに過度の応力がかかることを防いでビーム部６ａ，６ｂ及び７ａ，７ｂを確実に保護することができる。

尚、本実施形態はｘ軸とｚ軸の２軸方向の加速度を検出する加速度センサを例示したが、図４に示すように上述した加速度センサ１をｘｙ平面内で９０度回転対称に配置すれば、ｘ軸、ｚ軸にｙ軸を加えた３軸方向の加速度を検出する加速度センサが実現できる。あるいは、図５に示すように３つの加速度センサを同一チップ面内に配置し、第１の加速度センサＳ１に対して、第２及び第３の加速度センサＳ２，Ｓ３がチップ面内で９０度及び１８０度回転対称に配置しても、同様にｘ軸、ｚ軸にｙ軸を加えた３軸方向の加速度を検出する加速度センサが実現できる。

１ センサチップ
３ フレーム部
３ａ，３ｂ 枠部
４，５ 重り部
４ａ，５ａ 可動電極
６ａ，６ｂ ビーム部
７ａ，７ｂ ビーム部
２０ａ，２１ａ 第１の固定電極
２０ｂ，２１ｂ 第２の固定電極

Claims (1)

1. 一面に可動電極が設けられた重り部と、重り部の周囲を囲むフレーム部と、フレーム部に対して重り部を回動軸の回りに回動自在に支持する一対のビーム部と、可動電極に対向して配置される固定電極とを備え、
   重り部は、ビーム部によって支持される部位の幅が相対的に狭くなる略糸巻き状に形成されるとともに回動軸を挟んで対向する一方側に凹部が形成されていることを特徴とする加速度センサ。

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