JP2011095104A - 静電容量式センサ - Google Patents
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- G01P2015/0811—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass
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Abstract
【解決手段】容量検出部を構成する容量素子C1や容量素子C2と、強制振動生成部を構成する容量素子C3や容量素子C4とが電気的に分離されている。つまり、容量素子C3や容量素子C4を構成する診断用可動電極8aが可動部5と一体的に形成されている一方、診断用固定電極8bや診断用固定電極8cが検出用固定電極6bや検出用固定電極6cと電気的に分離されている。
【選択図】図4
Description
本実施の形態1におけるMEMSセンサ(静電容量式センサ)について図面を参照しながら説明する。本実施の形態1では、MEMSセンサの一例として、加速度センサを例に挙げて説明する。図1は、半導体チップCHP1に形成された加速度センサを構成する構造体を示す平面図である。図1に示すように、半導体チップCHP1には、枠部1が形成されており、この枠部1に囲まれるように空洞部2が形成されている。空洞部2の内部には、固定部3が設けられており、この固定部3には、梁(弾性変形部)4が接続されている。そして、梁4は、加速度センサの錘となる可動部5と接続されている。つまり、固定部3と可動部5は弾性変形可能な梁4で接続されており、可動部5は、図1のX方向に変位できるようになっている。
本実施の形態2における加速度センサについて図面を参照しながら説明する。図6は、本実施の形態2における加速度センサの構成を示す図である。以下に、本実施の形態2における加速度センサの特徴について説明し、前記実施の形態1と重複するところの説明は省略する。
本実施の形態3における加速度センサについて図面を参照しながら説明する。図7は、本実施の形態3における加速度センサの構成を示す図である。以下に、本実施の形態3における加速度センサの特徴について説明し、前記実施の形態1と重複するところの説明は省略する。
本実施の形態4における加速度センサについて図面を参照しながら説明する。図8は、本実施の形態4における加速度センサの構成を示す図である。以下に、本実施の形態4における加速度センサの特徴について説明し、前記実施の形態1と重複するところの説明は省略する。
本実施の形態5における複合センサ(複合型静電容量式センサ)について図面を参照しながら説明する。図9は、本実施の形態5における複合センサの構成を示す図である。以下に、本実施の形態5における複合センサの特徴について説明し、前記実施の形態1と重複するところの説明は省略する。
本実施の形態6における加速度センサについて図面を参照しながら説明する。図10は、本実施の形態6における加速度センサの構成を示す図である。以下に、本実施の形態6における加速度センサの特徴について説明し、前記実施の形態1と重複するところの説明は省略する。
GpとGnは1.5よりも大きな値となっている。したがって、加速度センサに故障がなく、かつ、零点オフセットも0の状態(理想的に平坦な状態に置かれている状態)でのGspanは3.05となる。そして、図12および図13に示すように、零点オフセットが存在する場合、GpとGnが非線形的に変化し、Gspanの値がすべて3.05以上であることがわかる。本実施の形態6では、平行平板型の容量素子C3および容量素子C4の非線形的な性質を使用して診断を行なっている。つまり、図12および図13に示すように、零点オフセットが発生している場合、Gspanは零点オフセットが0の場合よりも必ず大きくなる。一方、可動部5が固着して動かない場合や電極間に異物が挟まって可動部5の変位が制限される場合、変位範囲が制限されることから、Gspanは3.05より小さくなる。したがって、加速度センサの異常による変位異常と、零点オフセットによる変位とは、零点オフセットが0の場合のGspanの値(3.05)を境に分離することができることがわかる。本実施の形態6では、この特徴を利用して、加速度センサの異常と零点オフセットとを区別しているのである。また、加速度センサの梁4が破損して可動部5が正常状態より動きやすくなる場合は、Gspanが異常に大きくなることから、Gspanに上限値(例えば、3.15(図11参照))を設けることにより、この異常を検出することができる。以上のことから、本実施の形態6では、Gspanに対して既定範囲を設定し、この既定範囲から外れている場合だけを異常と診断することにより、加速度センサが正常状態で、かつ、零点オフセットが発生している状態を異常であると誤診断することを抑制できる。
Fpi=1/2×εA/(3d+y)2×Vdiag2 ・・・(2)
Fp=Fpo−Fpi ・・・(3)
Fno=1/2×εA/(d+y)2×Vdiag2 ・・・(4)
Fni=1/2×εA/(3d−y)2×Vdiag2 ・・・(5)
Fn=Fno−Fni ・・・(6)
ここで、εは空気の誘電率、Aは電極の対向面積、dは電極間ギャップ、yは可動部5の零点オフセットによる変位量、Vdiagは診断信号の電圧を示している。
上述したGpとGnの結果を使用して加速度センサの故障の有無を判断する1つの指標をつくるため、GpとGnの差分をとることにより。式(8)で示されるGspanが得られる。
=Fp/k−Fn/k ・・・(8)
上述した図12のグラフは、式(1)〜式(8)を使用して、0から±0.8Gまでの零点オフセットを想定した場合におけるGp、Gn、Gspanの値である。つまり、加速度センサに異常(故障)がない場合、いかなる零点オフセットGoffに対しても、Gspanの値は、零点オフセットGoffが0である場合のGspanの値(3.05)よりも大きくなる。これを判断基準とすれば、加速度センサの異常の有無を判断することができるのである。
1S 基板層
2 空洞部
3 固定部
3a パッド
4 梁
5 可動部
6a 検出用可動電極
6b 検出用固定電極
6c 検出用固定電極
7a パッド
7b パッド
8a 診断用可動電極
8b 診断用固定電極
8c 診断用固定電極
9a パッド
9b パッド
10 外枠体
11 接着材
12a パッド
12b パッド
13 接着材
14a ワイヤ
14b ワイヤ
15 リッド
20 振動体
21 角速度信号処理部
22 分周器
23 駆動部
24 搬送波生成部
100 診断信号
101 バイアス電圧
102 変調信号
103 バイアス電圧
104 バイアス電圧
105 駆動信号
106 搬送波
107 診断信号生成部
ADT A/D変換部
BOX 埋め込み絶縁層
Cf1 参照容量
Cf2 参照容量
CHP1 半導体チップ
CHP2 半導体チップ
CHP3 半導体チップ
CP 比較部
CU 算出部
CVT 電圧変換部
C1 容量素子
C2 容量素子
C3 容量素子
C4 容量素子
DSG 診断信号生成部
DU 判断部
FDU 第1同期検波部
Fni 静電力
Fno 静電力
Fpi 静電力
Fpo 静電力
HPF1 ハイパスフィルタ
HPF2 ハイパスフィルタ
LPF1 ローパスフィルタ
LPF2 ローパスフィルタ
MSG 変調信号生成部
MU 記憶部
OP1 オペアンプ
OP2 オペアンプ
OP3 オペアンプ
OU 演算部
PCU 物理量算出部
SDU 第2同期検波部
SW1 スイッチ
TE1 物理量算出端子
TE2 物理量算出端子
TE3 診断信号印加用端子
TE4 診断信号印加用端子
TE5 変調信号印加用端子
WDU 異常判断部
Claims (21)
- (a)基板と、
(b)前記基板に形成された空洞部と、
(c)前記空洞部内に形成された固定部と、
(d)前記空洞部内に形成され、前記固定部と接続された弾性変形部と、
(e)前記空洞部内に形成され、前記弾性変形部と接続された可動部と、
(f)前記空洞部内に形成された第1固定電極と、前記可動部に形成された第1可動電極とを互いに対向させた第1容量素子を含み、前記可動部が変位することで生じる前記第1容量素子の容量変化を出力する容量検出部と、
(g)前記容量検出部から出力された容量変化に基づいて外力の物理量を求める物理量算出部と接続される物理量算出端子と、
(h)前記空洞部内に形成された第2固定電極と、前記可動部に形成された第2可動電極とを互いに対向させた第2容量素子を含み、かつ、前記第2固定電極と前記第2可動電極の間に診断信号を印加するための診断信号印加用端子とを含み、前記診断信号印加用端子に診断信号を印加することにより、前記第2固定電極と前記第2可動電極の間に静電気力を発生させて強制振動させる強制振動生成部と、
(i)前記強制振動生成部で発生した強制振動に基づいて、静電容量式センサの異常の有無を判断する異常判断部と間接的に接続される前記物理量算出端子とを備え、
前記容量検出部に含まれる前記第1容量素子と、前記強制振動生成部に含まれる前記第2容量素子とは分離されていることを特徴とする静電容量式センサ。 - 請求項1記載の静電容量式センサであって、さらに、
(j)前記物理量算出端子と接続される前記物理量算出部と、
(k)前記診断信号を生成し、前記診断信号印加用端子と接続される診断信号生成部と、
(l)前記物理量算出端子と間接的に接続される前記異常判断部とを有することを特徴とする静電容量式センサ。 - 請求項2記載の静電容量式センサであって、さらに、
(m)前記可動部に変調信号を印加するための変調信号印加用端子と、
(n)前記変調信号を生成し、前記変調信号印加用端子と接続された変調信号生成部とを有することを特徴とする静電容量式センサ。 - 請求項3記載の静電容量式センサであって、
前記第1容量素子の容量変化は、前記外力による前記可動部の変位に起因する第1容量変化と、前記強制振動生成部による前記可動部の強制振動に起因する第2容量変化が含まれていることを特徴とする静電容量式センサ。 - 請求項4記載の静電容量式センサであって、
前記可動部の強制振動による加振周波数は、前記外力による前記可動部の変位に基づく外力応答周波数よりも高く、前記変調信号の搬送波周波数よりも低いことを特徴とする静電容量式センサ。 - 請求項5記載の静電容量式センサであって、
前記物理量算出部は、
(j1)前記容量検出部から出力された容量変化を電圧信号に変換する電圧変換部と、
(j2)前記電圧変換部から出力された電圧信号から前記加振周波数と前記外力応答周波数を含む第1特定帯域の信号を抽出する第1同期検波部と、
(j3)前記第1同期検波部で抽出された前記第1特定帯域の信号から前記外力応答周波数の信号を抽出する第1低帯域通過フィルタと、
(j4)前記第1低帯域通過フィルタを通過した前記外力応答周波数の信号から前記外力の前記物理量を算出する算出部とを有することを特徴とする静電容量式センサ。 - 請求項6記載の静電容量式センサであって、
前記異常判断部は、
(l1)前記第1同期検波部で抽出された前記第1特定帯域の信号を入力し、入力した前記第1特定帯域の信号から前記加振周波数の信号に対応した第1検波周波数の信号と、前記第1検波周波数よりも高く、前記加振周波数の信号に対応した第2検波周波数の信号とを抽出する第2同期検波部と、
(l2)前記第2同期検波部で抽出された前記第1検波周波数の信号と前記第2検波周波数の信号のうち、前記第1検波周波数の信号を通過させる第2低帯域通過フィルタと、
(l3)前記第2低帯域通過フィルタを通過した前記第1検波周波数の信号と、予め定められている既定値とを比較する比較部と、
(l4)前記比較部の結果に基づいて、静電容量式センサの異常の有無を判断する判断部とを有することを特徴とする静電容量式センサ。 - 請求項7記載の静電容量式センサであって、
前記異常判断部は、さらに、前記第2同期検波部の前に、前記第1特定帯域の信号を入力し、入力した前記第1特定帯域の信号のうち、前記外力応答周波数よりも高い帯域の信号を通過させる第1高帯域通過フィルタを有することを特徴とする静電容量式センサ。 - 請求項6記載の静電容量式センサであって、
前記異常判断部は、
(l1)前記第1同期検波部で抽出された前記第1特定帯域の信号を入力し、入力した前記第1特定帯域の信号から前記加振周波数の信号に対応した第1検波周波数の信号と、前記第1検波周波数よりも高く、前記加振周波数の信号に対応した第2検波周波数の信号とを抽出する第2同期検波部と、
(l2)前記第2同期検波部で抽出された前記第1検波周波数の信号と前記第2検波周波数の信号のうち、前記第2検波周波数の信号を通過させる第2高帯域通過フィルタと、
(l3)前記第2高帯域通過フィルタを通過した前記第2検波周波数の信号と、予め定められている既定値とを比較する比較部と、
(l4)前記比較部の結果に基づいて、静電容量式センサの異常の有無を判断する判断部とを有することを特徴とする静電容量式センサ。 - 請求項9記載の静電容量式センサであって、
前記異常判断部は、さらに、前記第2同期検波部の前に、前記第1特定帯域の信号を入力し、入力した前記第1特定帯域の信号のうち、前記外力応答周波数よりも高い帯域の信号を通過させる第1高帯域通過フィルタを有することを特徴とする静電容量式センサ。 - 請求項7記載の静電容量式センサであって、
前記診断信号生成部と前記診断信号印加用端子との間にスイッチを有し、
前記異常判断部は、前記スイッチを周期的にオン/オフし、
前記比較部は、さらに、オン時の前記第1検波周波数の信号とオフ時の前記第1検波周波数の信号との差分値を算出し、
前記判断部は、さらに、前記差分値に基づいて、静電容量式センサの異常の有無を判断することを特徴とする静電容量式センサ。 - 請求項9記載の静電容量式センサであって、
前記診断信号生成部と前記診断信号印加用端子との間にスイッチを有し、
前記異常判断部は、前記スイッチを周期的にオン/オフし、
前記比較部は、さらに、オン時の前記第2検波周波数の信号とオフ時の前記第2検波周波数の信号との差分値を算出し、
前記判断部は、さらに、前記差分値に基づいて、静電容量式センサの異常の有無を判断することを特徴とする静電容量式センサ。 - 請求項5記載の静電容量式センサであって、
前記外力の物理量は加速度であることを特徴とする静電容量式センサ。 - 請求項13記載の静電容量式センサであって、
さらに、角速度センサを構成する構造体が形成されており、
前記構造体は、動作時に振動させている振動体と、前記振動体を特定周波数で振動させる駆動部とを含むことを特徴とする静電容量式センサ。 - 請求項14記載の静電容量式センサであって、
加速度センサの前記可動部を強制振動させている前記加振周波数は、前記特定周波数の2のべき乗分の1の周波数であることを特徴とする静電容量式センサ。 - 請求項14記載の静電容量式センサであって、
前記診断信号生成部と前記診断信号印加用端子との間にスイッチを有し、
前記異常判断部は、前記スイッチのオン/オフを、前記特定周波数の2のべき乗分の1の周波数で制御していることを特徴とする静電容量式センサ。 - (a)基板と、
(b)前記基板に形成された空洞部と、
(c)前記空洞部内に形成された固定部と、
(d)前記空洞部内に形成され、前記固定部と接続された弾性変形部と、
(e)前記空洞部内に形成され、前記弾性変形部と接続された可動部と、
(f)前記空洞部内に形成された第1固定電極と、前記可動部に形成された第1可動電極とを互いに対向させた第1容量素子を含み、前記可動部が変位することで生じる前記第1容量素子の容量変化を出力する容量検出部と、
(g)前記容量検出部から出力された容量変化に基づいて外力の物理量を求める物理量算出部と接続される物理量算出端子と、
(h)前記空洞部内に形成された第2固定電極と、前記可動部に形成された第2可動電極とを互いに対向させた第2容量素子とを含み、かつ、前記第2固定電極と前記第2可動電極の間に第1診断信号を印加するための第1診断信号印加用端子と、前記第2固定電極と前記第2可動電極の間に第2診断信号を印加するための第2診断信号印加用端子とを含み、動作開始時、前記第1診断信号印加用端子に前記第1診断信号を印加することにより、前記可動部を第1方向へ変位させ、前記第2診断信号印加用端子に前記第2診断信号を印加することにより、前記可動部を前記第1方向とは反対側の第2方向へ変位させる強制変位生成部と、
(i)前記強制変位生成部で発生した強制変位に基づいて、静電容量式センサの異常の有無を判断する異常判断部と間接的に接続される前記物理量算出端子とを備え、
前記容量検出部に含まれる前記第1容量素子と、前記強制変位生成部に含まれる前記第2容量素子とは分離されていることを特徴とする静電容量式センサ。 - 請求項17記載の静電容量式センサであって、さらに、
(j)前記物理量算出端子と接続される前記物理量算出部と、
(k)前記第1診断信号あるいは前記第2診断信号を生成し、前記第1診断信号印加用端子あるいは前記第2診断信号印加用端子と接続される診断信号生成部と、
(l)前記物理量算出端子と間接的に接続される前記異常判断部とを有することを特徴とする静電容量式センサ。 - 請求項18記載の静電容量式センサであって、
前記異常判断部は、
(l1)動作開始時、前記物理量算出部から入力した初期オフセット値と、前記第1診断信号印加用端子に前記第1診断信号を印加することにより、前記可動部を前記第1方向へ変位させたとき、前記物理量算出部から入力した第1入力値と、前記第2診断信号印加用端子に前記第2診断信号を印加することにより、前記可動部を前記第2方向へ変位させたとき、前記物理量算出部から入力した第2入力値とを記憶する記憶部と、
(l2)前記記憶部に記憶されている前記第1入力値と前記第2入力値の差分値を算出する演算部と、
(l3)前記演算部で算出された前記差分値と予め設定されている既定範囲値とを比較する比較部と、
(l4)前記比較部の結果に基づいて、静電容量式センサの異常の有無を判断する判断部とを有することを特徴とする静電容量式センサ。 - (a)基板と、
(b)前記基板に形成された空洞部と、
(c)前記空洞部内に形成された固定部と、
(d)前記空洞部内に形成され、前記固定部と接続された弾性変形部と、
(e)前記空洞部内に形成され、前記弾性変形部と接続された可動部と、
(f)前記空洞部内に形成された第1固定電極と、前記可動部に形成された第1可動電極とを互いに対向させた第1容量素子を含み、前記可動部が変位することで生じる前記第1容量素子の容量変化を出力する容量検出部と、
(g)前記容量検出部から出力された容量変化に基づいて外力の物理量を求める物理量算出部と、
(h)前記空洞部内に形成された第2固定電極と、前記可動部に形成された第2可動電極とを互いに対向させた第2容量素子を含み、かつ、前記第2固定電極と前記第2可動電極の間に診断信号を印加するための診断信号印加用端子とを含み、前記診断信号印加用端子に前記診断信号を印加することにより、前記第2固定電極と前記第2可動電極の間に静電気力を発生させて強制振動させる強制振動生成部と、
(i)前記強制振動生成部で発生した強制振動に基づいて、静電容量式センサの異常の有無を判断する異常判断部とを備え、
前記容量検出部に含まれる前記第1容量素子と、前記強制振動生成部に含まれる前記第2容量素子とは分離されていることを特徴とする静電容量式センサ。 - (a)基板と、
(b)前記基板に形成された空洞部と、
(c)前記空洞部内に形成された固定部と、
(d)前記空洞部内に形成され、前記固定部と接続された弾性変形部と、
(e)前記空洞部内に形成され、前記弾性変形部と接続された可動部と、
(f)前記空洞部内に形成された第1固定電極と、前記可動部に形成された第1可動電極とを互いに対向させた第1容量素子を含み、前記可動部が変位することで生じる前記第1容量素子の容量変化を出力する容量検出部と、
(g)前記容量検出部から出力された容量変化に基づいて外力の物理量を求める物理量算出部と、
(h)前記空洞部内に形成された第2固定電極と、前記可動部に形成された第2可動電極とを互いに対向させた第2容量素子とを含み、かつ、前記第2固定電極と前記第2可動電極の間に第1診断信号を印加するための第1診断信号印加用端子と、前記第2固定電極と前記第2可動電極の間に第2診断信号を印加するための第2診断信号印加用端子とを含み、動作開始時、前記第1診断信号印加用端子に前記第1診断信号を印加することにより、前記可動部を第1方向へ変位させ、前記第2診断信号印加用端子に前記第2診断信号を印加することにより、前記可動部を前記第1方向とは反対側の第2方向へ変位させる強制変位生成部と、
(i)前記強制変位生成部で発生した強制変位に基づいて、静電容量式センサの異常の有無を判断する異常判断部とを備え、
前記容量検出部に含まれる前記第1容量素子と、前記強制変位生成部に含まれる前記第2容量素子とは分離されていることを特徴とする静電容量式センサ。
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