JP2011043411A - 静電容量型加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】広範囲の加速度に対して検出精度を向上した静電容量型加速度センサを提供することを課題とする。
【解決手段】第１の静電容量ＣＡの固定電極を構成する第１の固定電極基板１１と、第２の静電容量ＣＢの固定電極を構成する第２の固定電極基板１２と、第１の静電容量ＣＡならびに第２の静電容量ＣＢの可動電極を構成する可動電極基板１３とを有し、第１の固定電極基板１１ならびに第２の固定電極基板１２は、段差を有して可動電極基板１３との電極間距離が異なる可動電極基板１３との対向面を備え、可動電極基板１３には、外部から与えられた加速度に応じて第１の固定電極基板１１ならびに第２の固定電極基板１２の方向に対して垂直方向に揺動自在に移動する重り部１５が形成され、加速度の印加により変化する第１の静電容量ＣＡならびに第２の静電容量ＣＢの容量値に基づいて加速度を検出することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電容量の変化として加速度を検出する静電容量型加速度センサに関する。

従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１参照）。この文献１に記載されたような静電容量型の加速度センサでは、静電容量の一方の電極を構成する固定電極に対して、静電容量の他方の電極を構成する可動電極に重り部を形成し、この重り部が外部から与えられる加速度により変位することで固定電極と可動電極との間の電極間距離が変化し、これにより固定電極と可動電極とで構成される静電容量が変化し、この静電容量の変化を電気的に検出して加速度を検知している。

特開２００１−０９１５３４号公報

このような従来の静電容量型加速度センサにおいて、固定電極と可動電極との間の電極間距離の変化を静電容量の変化として検出し、この静電容量の変化により加速度を検出
していた。このような検出方法では、静電容量（Ｃ）と電極間距離（ｄ）と加速度（Ｇ）との関係において、Ｃは１／ｄに比例し、Ｇはｄに比例するので、Ｃは１／Ｇに比例することになる。このように、Ｃが１／Ｇに比例する関係においては、加速度は大きくなればなるほど非直線的な静電容量の変化は大きくなっていた。このため、センサ出力のリニアリティが悪化して、検出精度の低下を招くおそれがあった。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、広範囲な加速度に対して検出精度を向上した静電容量型加速度センサを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る静電容量型加速度センサは、静電容量の固定電極を構成する固定電極基板と、静電容量の可動電極を構成する可動電極基板とを有し、固定電極基板は、段差を有して可動電極基板との電極間距離が異なる可動電極基板との対向面を備え、可動電極基板は、外部から与えられた加速度に応じて固定電極基板の方向に対して垂直方向に揺動自在に移動する重り部が形成され、加速度の印加により固定電極基板と可動電極基板との対向面積の変化に応じて変化する静電容量の容量値に基づいて加速度を検出することを第１の特徴とする。

また、本発明に係る静電容量型加速度センサは、第１の静電容量の固定電極を構成する第１の固定電極基板と、第２の静電容量の固定電極を構成する第２の固定電極基板と、第１の固定電極基板と第２の固定電極基板との間に挟まれ、第１の静電容量ならびに第２の静電容量の可動電極を構成する可動電極基板とを有し、第１の固定電極基板ならびに第２の固定電極基板は、段差を有して可動電極基板との電極間距離が異なる可動電極基板との対向面を備え、可動電極基板には、外部から与えられた加速度に応じて第１の固定電極基板ならびに第２の固定電極基板の方向に対して垂直方向に揺動自在に移動する重り部が形成され、加速度の印加により第１の固定電極基板と可動電極基板との対向面積の変化に応じて変化する第１の静電容量の容量値、ならびに加速度の印加により第２の固定電極基板と可動電極基板との対向面積の変化に応じて変化する第２の静電容量の容量値に基づいて加速度を検出することを第２の特徴とする。

本発明に係る静電容量型加速度センサは、上記第２の特徴の静電容量型加速度センサにおいて、第１の固定電極基板を一方の固定電極とし、第２の固定電極基板を他方の固定電極とし、可動電極基板を誘電体とする第３の静電容量を構成し、第３の静電容量の容量値に基づいて静電容量型加速度センサの異常診断を行うことを第３の特徴とする。

本発明に係る静電容量型加速度センサは、上記第１〜３のいずれか１つの特徴の静電容量型加速度センサにおいて、固定電極基板と可動電極基板とは、電気的に並列接続された複数の静電容量を形成することを第４の特徴とする。

本発明に係る静電容量型加速度センサは、上記第１〜４のいずれか１つの特徴の静電容量型加速度センサにおいて、固定電極基板ならびに可動電極基板は、半導体基板で形成され、固定電極基板と可動電極基板とは、絶縁層を介して接合されていることを第５の特徴とする。

本発明に係る静電容量型加速度センサは、上記第１〜４のいずれか１つの特徴の静電容量型加速度センサにおいて、固定電極基板は、ガラス基板に半導体が埋め込まれた埋め込み基板で形成され、可動電極基板は、半導体基板で形成され、固定電極基板と可動電極基板とは、固定電極基板を構成するガラス基板と可動電極基板を構成する半導体基板との陽極接合により接合されていることを第６の特徴とする。

本発明に係る静電容量型加速度センサは、上記第１〜６のいずれか１つの特徴の静電容量型加速度センサにおいて、重り部が移動する移動面に対して露出した垂直面もしくは平行面の固定電極基板ならびに可動電極基板に電極配線が接合されていることを第７の特徴とする。

本発明に係る静電容量型加速度センサは、上記第６の特徴の静電容量型加速度センサにおいて、ガラス基板には、可動電極基板に至る貫通孔が形成され、貫通孔を介して電極配線が可動電極基板に接合されていることを第８の特徴とする。

本発明に係る静電容量型加速度センサは、上記第６または第８の特徴の静電容量型加速度センサにおいて、重り部が移動する移動面に対して露出したは平行面の固定電極基板には、導電性の接合剤を介して支持基板が接合され、支持基板には、固定電極基板の電極配線が接合されていることを第９の特徴とする。

本発明に係る静電容量型加速度センサは、上記第１〜６のいずれか１つの特徴の静電容量型加速度センサにおいて、重り部が移動する移動面に対して露出した垂直面の固定電極基板ならびに可動電極基板に電極端子となるバンプが形成され、バンプを介して静電容量型加速度センサは支持基板に接合されて実装されていることを第１０の特徴とする。

本発明に係る第１の特徴の静電容量型加速度センサでは、広範囲な加速度に対して検出精度を向上することが可能となる。

本発明に係る第２の特徴の静電容量型加速度センサでは、広範囲の加速度に対して検出精度をより一層向上することが可能となる。

本発明に係る第３の特徴の静電容量型加速度センサでは、センサの異常、故障等を自己診断することが可能となり、信頼性を向上することができる。

本発明に係る第４の特徴の静電容量型加速度センサでは、単一の静電容量に基づいて加速度を検出する場合に比べて加速度の検出感度を向上させることができる。

本発明に係る第５の特徴の静電容量型加速度センサでは、各電極基板を構成する半導体基板を酸化処理することで形成される絶縁層を用いることが可能となり、簡便に製造することが可能となる。

本発明に係る第６の特徴の静電容量型加速度センサでは、第１の固定電極基板ならびに第２の固定電極基板と可動電極基板とを陽極接合により容易に接合することが可能となる。

本発明に係る第７の特徴の静電容量型加速度センサでは、各電極基板に接合されるそれぞれの電極配線を同方向に引き出すことが可能となる。

本発明に係る第８の特徴の静電容量型加速度センサでは、可動電極基板に電極配線を容易に形成することが可能となる。

本発明に係る第９の特徴の静電容量型加速度センサでは、各電極基板に接合されるそれぞれの電極配線を同方向に引き出すことが可能となる。

本発明に係る第１０の特徴の静電容量型加速度センサでは、少ない実装面積でセンサを実装することが可能となる。

本発明の実施例１に係る静電容量型加速度センサの構成を示す図である。 本発明の実施例２〜４に係る静電容量型加速度センサの静電容量の構成を示す図である。 本発明の実施例５に係る静電容量型加速度センサの構成を示す図である。 本発明の実施例６に係る静電容量型加速度センサの構成を示す図である。 本発明の実施例７に係る静電容量型加速度センサにおける電極配線の接続構成を示す図である。 本発明の実施例８に係る静電容量型加速度センサにおける電極配線の接続構成を示す図である。 本発明の実施例９に係る静電容量型加速度センサにおける実装構成を示す図である。

以下、図面を用いて本発明を実施するための実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１〜実施例４に係る静電容量型加速度センサの構成を示す図であり、同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は側面図、同図（ｃ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線に沿った縦断面図、同図（ｄ）は同図（ｂ）のＢ−Ｂ線に沿った横断面図である。

図１に示す実施例１の静電容量型加速度センサ（以下、センサと呼ぶ）は、外部から与えられた加速度を静電容量の変化として検出するセンサとして機能し、第１の静電容量ＣＡの固定電極を構成する第１の固定電極基板１１と、第２の静電容量ＣＢの固定電極を構成する第２の固定電極基板１２と、第１の固定電極基板１１と第２の固定電極基板１２とに挟み込まれて第１の静電容量ＣＡならびに第２の静電容量ＣＢの可動電極を構成し、もしくは第１の固定電極基板と第２の固定電極基板とで構成される第３の静電容量ＣＣの誘電体を構成する可動電極基板１３とを備えて構成されている。

第１の固定電極基板１１は、シリコン等の導電性の半導体基板で形成され、一方の主面側に段差が形成されている。第２の固定電極基板１２は、シリコン等の導電性の半導体基板で形成され、第１の固定電極基板１１に対向して配置され、第１の固定電極基板１１の段差が形成された一方の主面側と対向する主面側に、第１の固定電極基板１１と同様に段差が形成されている。すなわち、第１の固定電極基板１１の段差における高低の境界部１１ａと第２の固定電極基板１２の段差における高低の境界部１２ａとを結ぶ直線が可動電極基板１３の重り部１５が変位する方向に対して垂直となり、第１の固定電極基板１１の段差により形成される凹部１１ｂと第２の固定電極基板１２の段差により形成される凹部１２ｂとは非対向し、第１の固定電極基板１１ならびに第２の固定電極基板１２のそれぞれに段差が形成されている。第１の固定電極基板１１と第２の固定電極基板１２との各段差における高低差は等しく形成されている。

なお、第１の固定電極基板１１の段差により形成される凹部１１ｂと第２の固定電極基板１２の段差により形成される凹部１２ｂとはその一部が対向していてもかまわない。

可動電極基板１３は、シリコン等の導電性の半導体基板で形成され、基板の略中央部には、外部から与えられた加速度により可動する可動部１４が形成されている。この可動部１４は、重り部１５とバネ部１６とで構成されている。バネ部１６は、基板周縁部となるフレーム部（接合部）１７と重り部１５との両端をつづら折れ状に接合し、フレーム部１７に対して重り部１５を弾性的に揺動自在に可動支持するバネ要素とし機能する。重り部１５は、外部から与えられた加速度を受けて、この加速度に応じてバネ部１６の弾性作用によりフレーム部１７の方向、すなわち固定電極間の方向に対して垂直方向（図１（ｄ）では左右方向）に移動変位する。

このように、基板の略中央部に可動部１４が形成された可動電極基板１３は、各電極基板を構成する半導体基板を酸化することで形成される半導体酸化膜、例えばシリコン酸化膜等の絶縁層１８を介して基板周縁部のフレーム部１７が第１の固定電極基板１１ならびに第２の固定電極基板１２と接合される。このときに、可動電極基板１３の重り部１５の略中央が、第１の固定電極基板１１の段差における高低の境界部１１ａと第２の固定電極基板１２の段差における高低の境界部１２ａに位置するように、可動電極基板１３は第１の固定電極基板１１と第２の固定電極基板１２との間に挟み込まれて配置形成される。

なお、可動電極基板１３の重り部１５の略中央は、第１の固定電極基板１１の段差における高低の境界部１１ａと第２の固定電極基板１２の段差における高低の境界部１２ａに対して左右のいずれかの方向に変位していてもかまわない。

第１の固定電極基板１１、第２の固定電極基板１２ならびに可動電極基板１３には、電極配線１９ａ、１９ｂ、１９ｃが接合（ボンディング）されて、これらの電極配線１９ａ、１９ｂ、１９ｃを介して各電極と静電容量を検出する外部の検出回路（図示せず）とが電気的に接続されている。この電極配線１９ａ、１９ｂ、１９ｃは、図１（ａ）に示すように、重り部１５が移動する方向に対して垂直な各電極基板の終端面、すなわちウェハ上に形成された多数のセンサを個々のチップに分割する際のダイシング時に切断されて露出されたダイシング面に、それぞれ対応する配線接合用のパッド部２０ａ、２０ｂ、２０ｃを介して接合される。これにより、電極配線１９ａ、１９ｂ、１９ｃを接合して引き出す箇所の制約が少なくなり、配線を形成する際の自由度を高めることができる。

このような各電極基板の配置構成においては、図２に示すように第１の静電容量ＣＡ、第２の静電容量ＣＢ、第３の静電容量ＣＣの３つの静電容量が構成されることになる。すなわち、図２（ａ）に示すように第１の固定電極基板１１と可動電極基板１３とで第１の静電容量ＣＡが構成され、同図（ｂ）に示すように第２の固定電極基板１２と可動電極基板１３とで第２の静電容量ＣＢが構成され、同図（ｃ）に示すように第１の固定電極基板１１と第２の固定電極基板１２とで第３の静電容量ＣＣが構成される。

この実施例１では、図２（ａ）に示す構成の第１の静電容量ＣＡを用いて加速度を検出し、以下順を追って説明する実施例２では、同図（ｂ）に示す構成の第２の静電容量ＣＢを用いて加速度を検出し、実施例３では、同図（ａ）、（ｂ）に示す構成の２つの静電容量ＣＡ、ＣＢを用いて加速度を検出し、実施例４では同図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す３つの静電容量ＣＡ、ＣＢ、ＣＣを用いてセンサを構成している。

図２（ａ）に示す第１の静電容量ＣＡにおいて、可動電極基板１３の重り部１５が加速度を受けて、受けた加速度に応じて電極間方向に対して垂直方向、図２（ａ）では矢印で示すように左右方向に移動すると、可動電極基板１３の重り部１５と第１の固定電極基板１１とが対向する面積が変動する。すなわち、第１の固定電極基板１１と可動電極基板１３との電極間距離がｄａ１となる、第１の固定電極基板１１と可動電極基板１３の重り部１５とが対向する対向面積（Ｓａ１）が変動し、かつ第１の固定電極基板１１と可動電極基板１３との電極間距離がｄａ２（＜ｄａ１）となる、第１の固定電極基板１１と可動電極基板１３の重り部１５とが対向する対向面積（Ｓａ２）が変動する。なお、電極間距離ｄａ１、ｄａ２が異なる第１の固定電極基板１１の境界は、第１の固定電極基板１１の段差における高低差の境界部１１ａとなる。

例えば、加速度が印加されていない状態で第１の固定電極基板１１の段差における高低差の境界部１１ａに可動電極基板１３の重り部１５の略中心が位置している初期状態において、重り部１５が加速度を受けて図２（ａ）の右側、すなわち電極間距離ｄａ２側に移動すると、第１の固定電極基板１１と可動電極基板１３とにおける上記対向面積Ｓａ１は減少する一方、上記対向面積Ｓａ２は増加する。

加速度による対向面積の変動分を△Ｓとし、第１の静電容量ＣＡの誘電率をεとすると、電極間距離ｄａ１、対向面積Ｓａ１における静電容量値Ｃａ１と、電極間ｄａ２、対向面積Ｓａ２における静電容量値Ｃａ２とは、次式（１）で表される。

（数１）
Ｃａ１＝ε×（Ｓａ１−△Ｓ）／ｄａ１
Ｃａ２＝ε×（Ｓａ２＋△Ｓ）／ｄａ２ …（１）
また、第１の静電容量ＣＡの静電容量値Ｃａは、次式（２）で表される。

（数２）
Ｃａ＝Ｃａ１＋Ｃａ２ …（２）
ここで、加速度による対向面積の変動による第１の静電容量ＣＡの静電容量値Ｃａの変化（増減）を説明するにあたって、説明を簡単にして理解を容易にするために、初期状態においては、第１の固定電極基板１１の段差における高低差の境界部１１ａに可動電極基板１３の重り部１５の略中心が位置しているので、対向面積Ｓａ１とＳａ２とは概ね等しい（＝Ｓ）とし、電極間距離ｄａ１は電極間距離ｄａ２の例えば２倍（ｄａ１＝２ｄａ２（＝２ｄ））とすると、上式（１）は次式（３）となり、上式（２）は次式（４）となる。

（数３）
Ｃａ１＝ε×（Ｓ−△Ｓ）／２ｄ
Ｃａ２＝ε×（Ｓ＋△Ｓ）／ｄ …（３）
Ｃａ＝（ε×３Ｓ／２ｄ）＋（ε×△Ｓ／２ｄ） …（４）
一方、初期状態における第１の静電容量ＣＡの静電容量値Ｃａａは、次式（５）で表される。

（数４）
Ｃａａ＝Ｃａ１＋Ｃａ２
＝（ε×Ｓ／２ｄ）＋（ε×Ｓ／ｄ）
＝（ε×３Ｓ／２ｄ） …（５）
上式（４）と（５）を対比すると、加速度により重り部１５が電極間距離ｄａ２側に移動して対向面積が変動することで、静電容量値Ｃａは（ε×△Ｓ／２ｄ）だけ増加することになる。

次に、重り部１５が加速度を受けて図２（ａ）の左側、すなわち電極間距離ｄａ１側に移動すると、第１の固定電極基板１１と可動電極基板１３とにおける上記対向面積Ｓａ１は増加する一方、上記対向面積Ｓａ２は減少する。このような場合も上述したと同様に各パラメータを設定すると、Ｃａ１、Ｃａ２ならびにＣａは次式（６）で表される。

（数５）
Ｃａ１＝ε×（Ｓ＋ΔＳ）／２ｄ
Ｃａ２＝ε×（Ｓ−ΔＳ）／ｄ
Ｃａ＝（ε×３Ｓ／２ｄ）−（ε×ΔＳ／２ｄ） …（６）
上式（５）と（６）を対比すると、加速度により重り部１５が電極間距離ｄａ１側に移動して対向面積が変動することで、静電容量値Ｃａは（ε×ΔＳ／２ｄ）だけ減少することになる。

このように、可動電極基板１３に加速度が与えられて可動部１４が変動することで、第１の固定電極基板１１と可動電極基板１３とで構成される第１の静電容量ＣＡの静電容量値Ｃａが変化（増減）するので、この静電容量値Ｃａの変化を検出することで、加速度を検出することが可能となる。すなわち、本発明にかかるこの実施例１では、加速度により静電容量を構成する電極間距離の変化を検出して加速度を検出する従来の手法に代えて、加速度により静電容量を構成する電極間の対向面積の変化を検出して加速度を検出するようにしたことを特徴としている。

一方、従来の静電容量型の加速度センサのように、静電容量の一方の電極を可動電極とし、加速度による電極間距離の変化に基づいて静電容量の変化を検出する構成では、既述したように加速度は電極間距離に比例し、かつ静電容量は電極間距離の逆数に比例する関係を用いているので、静電容量は加速度の逆数に比例する関係となる。このため、高加速度になる程多大な非直線性が生じて、センサ出力のリニアリティが悪化し、検出精度の低下を招くおそれがあった。

これに対して、この実施例１では、加速度により第１の固定電極基板１１と可動電極基板１３との対向面積が変化することに基づいて静電容量の変化を検出する構成を採用しているので、電極間距離に依存することなく加速度を検出することが可能となる。これにより、低加速度から高加速度に至る広範囲で入出力間の高いリニアリティを実現することが可能となり、加速度を精度良く検出することができる。

さらに、センサ個々の特性は、初期の静電容量の電極間距離の影響を受けやすいので、電極間距離の変化に基づいて静電容量の変化を検出する従来構成では、その影響が拡大されやすくなり、結果として製品毎の特性のバラツキが大きくなりやすかった。

これに対して、この実施例１では、電極間距離の変化に基づいて静電容量の変化を検出する構成は採用していないので、初期の静電容量の電極間距離の影響を受けることは回避され、製品毎の特性のバラツキを小さくすることが可能となる。

また、センサの感度を向上させるためには、静電容量の容量値を大きくする必要があるが、コストの低減、構成の小型化を図るためには静電容量の電極間距離の縮小が必要となる。しかし、従来のように加速度により電極間距離が初期値（加速度が印加されていない状態）に比べて減少する構成では、電極間距離の初期値を小さくし過ぎると、ダストやスティッキング等により動作不良を招くおそれがあった。したがって、構成の小型化の障害となっていた。

これに対して、この実施例１では、第１の固定電極基板１１と可動電極基板１３との間の距離が最小となる部分は、予め設定された一定の間隔を保つように形成することで、第１の固定電極基板１１と可動電極基板１３との間の距離が最小となる部分ではその距離は変化しない。これにより、電極間におけるダストやスティキング等が回避しやすくなり、動作不良を招くおそれを少なくすることが可能となり、かつ電極間距離を短くして構成の小型化を図ることが可能となる。

さらに、従来構成では、一般的に可動電極と固定電極間に一定の電位差を設け、それによって静電容量に電荷をチャージし、その電荷のチャージにかかる時間に基づいて静電容量の容量値を測定していた。このような手法では、可動電極と固定電極間に設けられた電位差により静電引力が生じるので、電極間距離を変化させる要因に加速度以外の要因が加わってしまい、検出精度が低下するおそれがあった。

これに対して、この実施例１では、上記静電引力が加速度の検出に影響を与えることはないので、静電引力による検出精度の低下を回避することが可能となる。

また、半導体製造プロセスで一般的に用いられている半導体の酸化処理により各電極基板を接合することが可能となり、簡便に製造することが可能となる。

次に、本発明の実施例２について説明する。この実施例２の特徴とするところは、図２（ｂ）に示すように、第２の固定電極基板１２と可動電極基板１３とで構成される第２の静電容量ＣＢの静電容量値Ｃｂの変化に基づいて加速度を検出するようにしたことにある。

図２（ｂ）に示す第２の静電容量ＣＢにおいては、可動電極基板１３の重り部１５が加速度を受けて、受けた加速度に応じて電極間方向に対して垂直方向、図２（ｂ）では矢印で示すように左右方向に移動すると、可動電極基板１３の重り部１５と第２の固定電極基板１２とが対向する面積が変動する。すなわち、第２の固定電極基板１２と可動電極基板１３との電極間距離がｄａ２となる、第２の固定電極基板１２と可動電極基板１３の重り部１５とが対向する対向面積（Ｓａ２）が変動し、かつ第２の固定電極基板１２と可動電極基板１３との電極間距離がｄａ１（＞ｄａ２）となる、第１の固定電極基板１１と可動電極基板１３の重り部１５とが対向する対向面積（Ｓａ１）が変動する。なお、電極間距離ｄａ１、ｄａ２が異なる第２の固定電極基板１２の境界は、第２の固定電極基板１２の段差における高低差の境界部１２ａとなる。

例えば、加速度が印加されていない状態で第２の固定電極基板１２の段差における高低差の境界部１２ａに可動電極基板１３の重り部１５の略中心が位置している初期状態において、重り部１５が加速度を受けて図２（ｂ）の左側、すなわち電極間距離ｄａ２側に移動すると、第２の固定電極基板１２と可動電極基板１３とにおける上記対向面積Ｓａ２は増加する一方、上記対向面積Ｓａ１は減少する。これにより、先の実施例１で説明した、可動電極基板１３が電極間距離ｄａ２側（図２（ａ）の右側）に移動した場合と同様にして第２の静電容量ＣＢの静電容量値Ｃｂは増加する。

一方、上記初期状態において、重り部１５が加速度を受けて図２（ｂ）の右側、すなわち電極間距離ｄａ１側に移動すると、第２の固定電極基板１２と可動電極基板１３とにおける上記対向面積Ｓａ２は減少する一方、上記対向面積Ｓａ１は増加する。これにより、先の実施例１で説明した、可動電極基板１３が電極間距離ｄａ１側（図２（ａ）の左側）に移動した場合と同様にして第２の静電容量ＣＢの静電容量値Ｃｂは減少する。

このように、可動電極基板１３に加速度が与えられて可動部１４が変動することで、第２の固定電極基板１２と可動電極基板１３とで構成される第２の静電容量ＣＢの静電容量値Ｃｂが変化（増減）するので、この静電容量値Ｃｂの変化を検出することで、加速度を検出することが可能となる。すなわち、本発明にかかるこの実施例２では、加速度により静電容量を構成する電極間距離の変化を検出して加速度を検出する従来の手法に代えて、加速度により静電容量を構成する電極間の対向面積の変化を検出して加速度を検出するようにしたことを特徴としている。

したがって、この実施例２においても、先の実施例１と同様の効果を得ることができる。

次に、本発明の実施例３について説明する。この実施例３の特徴とするところは、図２（ａ）に示す第１の固定電極基板１１と可動電極基板１３とで構成される第１の静電容量ＣＡの静電容量値Ｃａと、図２（ｂ）に示す第２の固定電極基板１２と可動電極基板１３とで構成される第２の静電容量ＣＢの静電容量値Ｃｂとの双方の静電容量値の変化に基づいて加速度を検出するようにしたことにある。

第１の固定電極基板１１と第２の固定電極基板１２との間に配置された可動電極基板１３が、加速度の印加により図２（ａ）、（ｂ）の右側に移動すると、先の実施例１ならびに実施例２で説明したように、第１の静電容量ＣＡの静電容量値Ｃａは増加する一方、第２の静電容量ＣＢの静電容量値Ｃｂは減少する。また、可動電極基板１３が、加速度の印加により図２（ａ）、（ｂ）の左側に移動すると、先の実施例１ならびに実施例２で説明したように、第１の静電容量ＣＡの静電容量値Ｃａは減少する一方、第２の静電容量ＣＢの静電容量値Ｃｂは増加する。このように、構成の対称性により、静電容量値ＣａとＣｂの増減関係が逆となり、増加量と減少量は同じとなる。この実施例３では、この関係に着目して加速度を検出している。

ここで、加速度が印加されていない状態で第１の固定電極基板１１の段差における高低差の境界部１１ａならびに第２の固定電極基板１２の段差における高低差の境界部１１ａに可動電極基板１３の重り部１５の略中心が位置している初期状態における、第１の静電容量ＣＡの静電容量値をＣａ１、第２の静電容量ＣＢの静電容量値をＣｂ１、加速度印加時における第１の静電容量ＣＡの容量値の変化量を△Ｃａ１、第２の静電容量ＣＢの容量値の変化量を△Ｃｂ１、第１の静電容量ＣＡにおける接合や配線層による寄生容量値をＣａ１２、第２の静電容量ＣＢにおける接合や配線層による寄生容量値をＣｂ１２とすると、加速度が印加された際の第１の静電容量ＣＡ、ＣＢの静電容量値Ｃａ、Ｃｂは次式（７）で表される。

（数６）
Ｃａ＝Ｃａ１＋△Ｃａ１＋Ｃａ１２
Ｃｂ＝Ｃｂ１＋△Ｃｂ１＋Ｃｂ１２ …（７）
上式（７）において、先の実施例１ならびに実施例２で説明したように、センサにおける構成の対称性から、Ｃａ１＝Ｃｂ１、△Ｃａ１＝−△Ｃｂ１ならびにＣａ１２＝Ｃｂ１２となる。したがって、静電容量値Ｃａ、Ｃｂの差分（Ｃａ−Ｃｂ）は２△Ｃａ１となる。

このように、静電容量値Ｃａ、Ｃｂの差分を算出することで、印加された（検出しようとする）加速度に対して、先の実施例１、２に比べて容量値において２倍の変化量を得ることができる。したがって、この容量値の差分に基づいて加速度を検出することで、先の実施例１、２に比べて２倍の感度で加速度を検出することが可能となる。これにより、先の実施例１、２で得られる効果に加えて、検出感度が向上して、さらに一層検出精度を高めることができる。

また、両者の差分に基づいて加速度を検出することで、静電容量ＣＡ、ＣＢにおける寄生容量の影響を回避することができ、検出精度をより一層向上させることができる。

次に、本発明の実施例４について説明する。この実施例４の特徴とするところは、図２（ｃ）に示す第１の固定電極基板１１と第２の固定電極基板１２とで構成される第３の静電容量ＣＣにおける静電容量値Ｃｃの変化を加味したことにある。

図２（ｃ）に示すように、第３の静電容量ＣＣにおいては、可動電極基板１３は誘電体として機能し、加速度により可動電極基板１３の可動部１４が移動しても第３の静電容量ＣＣの静電容量値Ｃｃは変化せず常に不変となる。この実施例４は、加速度による静電容量値Ｃｃの不変性に着目したことを特徴とする。

上述したように、静電容量値Ｃｃは加速度の印加により変化しないが、例えば温度、湿度、外的応力等の環境負荷や、例えば固定電極基板の損傷等のセンサの構造上の異常によって変化する場合がある。したがって、静電容量値Ｃｃを診断容量値として継続してモニタリングし、その値が予め設定された許容範囲を逸脱した場合には、センサに異常、故障等が発生したものと推定する。これにより、センサの異常、故障を自己診断することが可能となる。

上記特徴的な技術思想を採用していない、従来の技術において、同様の効果を実現しようとすると、温度等の環境負荷のファクターに応じた補正機能を備えたり、加速度を検知する静電容量の構造体とは異なる静電容量、すなわち環境変化の影響のみを受け加速度の影響を受けない容量を別途センサの内部、特に可動部の近傍に設ける必要がある。このような手段においては、構成の大型化や複雑化、ならびに感度の低下やコストの上昇といった不具合を招くおそれがあった。しかしながら、この実施例４で採用した特徴的な技術思想では、このような不具合を回避することが可能となる。

図３は本発明の実施例５に係る静電容量型加速度センサの構成を示す図であり、同図（ａ）は先の図１（ｃ）の縦断面図と同様の縦断面図であり、同図（ｂ）は図１（ｄ）の横断面図と同様の横断面図である。

図３に示す実施例５に係るセンサの特徴とするところは、先の実施例１に比べて可動電極基板１３の重り部１５に複数本のスリット３１を設け、この重り部１５に対向する第１の固定電極基板１１ならびに第２の固定電極基板１２に櫛歯状の凹凸部３２を複数設け、１つのセンサにおいて先の実施例１〜４で採用した静電容量ＣＡ、ＣＢ、ＣＣを複数セット備えたことにある。

このような構成により、スリット３１により隔てられた１つの重り部１５と１組の凹凸部３２とで、先の実施例１〜４で説明した静電容量ＣＡ、ＣＢ、ＣＣからなる静電容量が１セット形成され、この１セット分の静電容量を複数セット設け、先の実施例１〜４の各静電容量ＣＡ、ＣＢ、ＣＣを複数並列接続している。

このような実施例５においては、先の実施例１〜４と同様の静電容量ＣＡ、ＣＢ、ＣＣを複数設けることで、上記実施例１〜４に比べて加速度の検出感度、もしくはセンサの異常、故障検知感度を格段に向上させることができる。

図４は本発明の実施例６に係る静電容量型加速度センサの構成を示す図であり、同図（ａ）は先の図１（ｃ）の縦断面図と同様の縦断面図であり、同図（ｂ）は図１（ｄ）の横断面図と同様の横断面図である。

図４に示す実施例４に係るセンサの特徴とするところは、先の実施例１に比べて実施例１の第１の固定電極基板１１と第２の固定電極基板１２を、シリコン等の単一の半導体基板に代えて、ガラス基板に半導体例えばシリコンが埋め込まれた埋め込み基板４１で構成し、かつ先の実施例１の絶縁層１８に代えて、埋め込み基板４１の周縁を形成するガラス部４２を介して第１の固定電極基板１１と実施例１と同様の可動電極基板１３とを陽極接合により接合し、埋め込み基板４１の周縁を形成するガラス部４２を介して第２の固定電極基板１２と可動電極基板１３とを陽極接合により接合したことにある。

このような構成においては、図４（ｂ）に示すように、第１の固定電極基板１１ならびに第２の固定電極基板１２のいずれか一方の基板（図４では第１の固定電極基板１１）のガラス部４２に可動電極基板１３に至る配線引き出し用の貫通孔４３を形成して、可動電極基板１３のフレーム部１７の一部表面を露出させ、この露出した可動電極基板１３のフレーム部１７の表面に配線接続用のパッド部２０ｂを形成し、このパッド部２０ｂに電極配線１９ｂをワイヤボンディングして可動電極基板１３に電極配線１９ｂを接合する。なお、電極配線１９ｂを構成する金属と可動電極基板１３を構成する半導体との直接接合の相性に応じて両者が良好に直接接合できる場合には、パッド部２０ｂを省略してもかまわない。

このような実施例４においては、先の実施例１の絶縁層１８を用いることなく第１の固定電極基板１１ならびに第２の固定電極基板１２と可動電極基板１３とを接合することが可能となる。これにより、各電極基板を接合する接合部材が不要となり、構成を簡略化することができる。また、陽極接合により第１の固定電極基板１１ならびに第２の固定電極基板１２と可動電極基板１３とを接合することが可能となり、接合の容易化を図ることができる。

図５は本発明の実施例７に係る静電容量型加速度センサの構成を示す図であり、先の図１（ａ）と同様の正面図である。

図５に示す実施例７に係るセンサの特徴とするところは、先の実施例１に比べて電極配線１９ａ、１９ｂ、１９ｃを、それぞれ対応したパッド部２０ａ、２０ｂ、２０ｃを介して、図５に示すように重り部１５が移動する方向に対して平行な側面、すなわち多数のセンサが形成されるウェハの主に表面側に接合したことにある。電極配線１９ａ、１９ｂ、１９ｃがワイヤボンディングされる箇所は、各電極基板の側面の面積を変えて各電極基板を接合した際に他の電極基板と接合されない部分を設けることで、ウェハの一部表面を露出させて形成する。これにより、電極配線１９ａ、１９ｂ、１９ｃをすべて同じ方向に引き出すことが可能になることに加えて、電極配線１９ａ、１９ｂ、１９ｃを接合して引き出せる箇所の制約が少なくなり、配線を形成する際の自由度を高めることができる。

図６は本発明の実施例８に係る静電容量型加速度センサの構成を示す図であり、先の図１（ｄ）と同様の横断面図である。

図６に示す実施例８に係るセンサの特徴とするところは、先の実施例６に対して、可動電極基板１３に接続された電極配線１９ｂの引き出し方向と同方向に第１の固定電極基板１１ならびに第２の固定電極基板１２に電極配線１９ａ、１９ｃを接続形成したことにある。

第１の固定電極基板１１には、その露出した側面を構成する埋め込み基板に埋め込まれたシリコン等の半導体に電極配線１９ａがパッド部２０ａを介して接合され、この電極配線１９ａは、可動電極基板１３に接続された電極配線１９ｂの引き出し方向と同方向に引き出されている。

第２の固定電極基板１２は、その側面に低抵抗で導電性のダイボンディング用の接着剤６１を介してセンサを支持する支持基板として機能し各電極基板よりも大きな面積の金属フレーム６２にダイボンディングされて接合され、第２の固定電極基板１２に接合された側の金属フレーム６２の露出した表面に電極配線１９ｃがパッド部２０ｃを介して接合され、この電極配線１９ｃは、可動電極基板１３に接合された電極配線１９ｂの引き出し方向と同方向に引き出すことが可能となる。

これにより、電極配線１９ａ、１９ｂ、１９ｃをすべて同じ方向に引き出すことが可能になることに加えて、電極配線１９ａ、１９ｂ、１９ｃを接続して引き出す箇所の制約が少なくなり、配線を形成する際の自由度を高めることができる。

なお、上記各実施例における電極配線１９ａ、１９ｂ、１９ｃは、同方向に引き出されるように対応する各電極基板に接合しているが、電極配線１９ａ、１９ｂ、１９ｃをすべて同方向に引き出さなくてもよく、例えば少なくとも１つの電極配線を他の電極配線の引き出し方向に対して逆方向に引き出すようにしてもかまわない。

図７は本発明の実施例８に係る静電容量型加速度センサの構成を示す図であり、同図（ａ）は先の図１（ａ）と同様の正面図であり、同図（ｂ）は同図（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った縦断面図である。

図７に示す実施例９に係るセンサの特徴とするところは、先の実施例１に比べて電極配線１９ａ、１９ｂ、１９ｃに代えて、バンプ７１を形成してフリップチップ実装できるようにしたことにある。

第１の固定電極基板１１、第２の固定電極基板１２ならびに可動電極基板１３には、図７（ａ）に示すように、重り部１５が移動する方向に対して垂直な各電極基板の終端面、すなわちウェハ上に形成された多数のセンサを個々のチップに分割する際のダイシング時に切断されて露出されたダイシング面にウェットエッチング等により溝７２をそれぞれ形成し、それぞれの溝７２の内面にスパッタリング法等により金属膜の配線接続用のパッド部７３を蒸着形成し、その後各溝７２内に突起状の電極端子となるバンプ７１を例えばはんだボールで形成する。

このようにして形成されたバンプ７１を介してセンサの支持基板となる金属フレーム７４にセンサが載置されてフリップチップ実装され、各電極基板とセンサ外部との電気的接続が形成される。

このにより、フリップチップ実装が可能となり、ワイヤボンディングに比べて実装面積を小さくすることができ、小型、薄型実装を実現することができる。

なお、上記各実施例１〜９で採用した特徴的な技術思想は、可能な範囲で適宜組み合わせて実施してもよい。

１１…第１の固定電極基板
１１ａ…境界部
１１ｂ…凹部
１２…第２の固定電極基板
１２ａ…境界部
１２ｂ…凹部
１３…可動電極基板
１４…可動部
１５…重り部
１６…バネ部
１７…フレーム部
１８…絶縁層
１９ａ，１９ｂ，１９ｃ…電極配線
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，７３…パッド部
３１…スリット
３２…凹凸部
４１…埋め込み基板
４２…ガラス部
４３…貫通孔
６１…接着剤
６２，７４…金属フレーム
７１…バンプ
７２…溝

Claims (10)

1. 静電容量の固定電極を構成する固定電極基板と、
   前記静電容量の可動電極を構成する可動電極基板とを有し、
   前記固定電極基板は、段差を有して前記可動電極基板との電極間距離が異なる前記可動電極基板との対向面を備え、
   前記可動電極基板は、外部から与えられた加速度に応じて前記固定電極基板の方向に対して垂直方向に揺動自在に移動する重り部が形成され、
   加速度の印加により前記固定電極基板と前記可動電極基板の重り部との対向面積の変化に応じて変化する前記静電容量の容量値に基づいて加速度を検出する
   ことを特徴とする静電容量型加速度センサ。
2. 第１の静電容量の固定電極を構成する第１の固定電極基板と、
   第２の静電容量の固定電極を構成する第２の固定電極基板と、
   前記第１の固定電極基板と前記第２の固定電極基板との間に挟まれ、前記第１の静電容量ならびに前記第２の静電容量の可動電極を構成する可動電極基板とを有し、
   前記第１の固定電極基板ならびに前記第２の固定電極基板は、段差を有して前記可動電極基板との電極間距離が異なる前記可動電極基板との対向面を備え、
   前記可動電極基板には、外部から与えられた加速度に応じて前記第１の固定電極基板ならびに前記第２の固定電極基板の方向に対して垂直方向に揺動自在に移動する重り部が形成され、
   加速度の印加により前記第１の固定電極基板と前記可動電極基板の重り部との対向面積の変化に応じて変化する前記第１の静電容量の容量値、ならびに加速度の印加により前記第２の固定電極基板と前記可動電極基板の重り部との対向面積の変化に応じて変化する前記第２の静電容量の容量値に基づいて加速度を検出する
   ことを特徴とする静電容量型加速度センサ。
3. 前記第１の固定電極基板を一方の固定電極とし、前記第２の固定電極基板を他方の固定電極とし、前記可動電極基板を誘電体とする第３の静電容量を構成し、前記第３の静電容量の容量値に基づいて前記静電容量型加速度センサの異常診断を行う
   ことを特徴とする請求項２に記載の静電容量型加速度センサ。
4. 前記固定電極基板と前記可動電極基板とは、電気的に並列接続された複数の静電容量を形成する
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の静電容量型加速度センサ。
5. 前記固定電極基板ならびに前記可動電極基板は、半導体基板で形成され、
   前記固定電極基板と前記可動電極基板とは、絶縁層を介して接合されている
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の静電容量型加速度センサ。
6. 前記固定電極基板は、ガラス基板に半導体が埋め込まれた埋め込み基板で形成され、
   前記可動電極基板は、半導体基板で形成され、
   前記固定電極基板と前記可動電極基板とは、前記固定電極基板を構成するガラス基板と前記可動電極基板を構成する半導体基板との陽極接合により接合されている
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の静電容量型加速度センサ。
7. 前記重り部が移動する移動面に対して露出した垂直面もしくは平行面の前記固定電極基板ならびに前記可動電極基板に電極配線が接合されている
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の静電容量型加速度センサ。
8. 前記ガラス基板には、前記可動電極基板に至る貫通孔が形成され、前記貫通孔を介して電極配線が前記可動電極基板に接合されている
   ことを特徴とする請求項６に記載の静電容量型加速度センサ。
9. 前記重り部が移動する移動面に対して露出したは平行面の前記固定電極基板には、導電性の接合剤を介して支持基板が接合され、前記支持基板には、前記固定電極基板の電極配線が接合されている
   ことを特徴とする請求項６または８に記載の静電容量型加速度センサ。
10. 前記重り部が移動する移動面に対して露出した垂直面の前記固定電極基板ならびに前記可動電極基板に電極端子となるバンプが形成され、前記バンプを介して前記静電容量型加速度センサは支持基板に接合されて実装されている
    ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の静電容量型加速度センサ。

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