JP2011185828A - Acceleration sensor - Google Patents

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Takeshi Suzuki
健 鈴木
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an acceleration sensor capable of measuring acceleration of various frequencies by one structure with high sensitivity. <P>SOLUTION: Based on the capacitance change between a movable electrode 22 and a fixed electrode 23 when the movable electrode 22 displaces by application of acceleration, the acceleration sensor CS detects the acceleration concerned. At this time, by supplying the bias voltage impressed between the movable electrode 22 and the fixed electrode 23 from a bias power supply 11 with sweeping, the resonance frequency of the movable electrode 22 is changed to detect the acceleration under the condition that the resonance frequency concerned consists with oscillation frequency of acceleration impressed. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、静電容量変化を用いて加速度を測定する加速度センサに関するものである。   The present invention relates to an acceleration sensor that measures acceleration using capacitance change.

加速度センサとして、静電容量変化を用いて加速度を測定する静電容量型加速度センサがある。この静電容量型加速度センサは、固定電極と、加速度が加わることにより揺動する錘に一体形成された可動電極とを備え、加速度の印加によって可動電極が変位したときの固定電極と可動電極との間の静電容量の変化を検出することで、加速度を求めるものである。   As an acceleration sensor, there is a capacitance type acceleration sensor that measures acceleration using a change in capacitance. This capacitance type acceleration sensor includes a fixed electrode and a movable electrode integrally formed on a weight that swings when acceleration is applied, and the fixed electrode and the movable electrode when the movable electrode is displaced by application of acceleration. The acceleration is obtained by detecting the change in capacitance between the two.

図６は、錘の変位量の加速度周波数依存性を示す図である。ここでは、共振周波数ｆ0＝１、共振のクオリティファクタＱ＝１０００の場合について示している。なお、加速度の振幅は一定値としている。この図６に示すように、共振周波数ｆ0で最大の変位量を示し、その値は低周波領域での変位量のＱ倍になる。
一般的な加速度センサでは、さまざまな周波数の加速度が印加されるので、周波数依存性を少なくするために、変位量が一定の値となっている共振周波数ｆ0以下の低周波領域を用いる。しかしながら、この低周波領域では、上記変位量が小さいためセンサ感度が低い。 FIG. 6 is a diagram showing the acceleration frequency dependency of the displacement amount of the weight. Here, the case where the resonance frequency f 0 = 1 and the resonance quality factor Q = 1000 is shown. The acceleration amplitude is a constant value. As shown in FIG. 6, the maximum displacement amount is shown at the resonance frequency f 0 , and the value is Q times the displacement amount in the low frequency region.
In general acceleration sensors, accelerations of various frequencies are applied. Therefore, in order to reduce frequency dependence, a low frequency region having a constant displacement and a resonance frequency f 0 or less is used. However, in this low frequency region, the sensor sensitivity is low because the displacement is small.

高感度な加速度センサを実現するには、共振周波数近傍の大きな変位量を用いて加速度を測定するのが有利であるが、最大の欠点は測定可能な周波数帯域δｆが共振周波数ｆ0を中心に、δｆ＝ｆ0／Ｑに制限されてしまう点である。すなわち、高感度を求めると高いＱ値が必要になるが、それに伴い測定可能な周波数帯域が小さくなってしまう。
そこで、特許文献１に記載の技術が提案されている。この技術は、櫛歯構造の静電容量変化から変位量（加速度）を測定する容量型加速度センサにおいて、櫛歯１つ1つに異なる共振周波数を与えることで、高感度に加速度測定を行うことができる周波数帯域を広げるようにしたものである。 In order to realize a highly sensitive acceleration sensor, it is advantageous to measure acceleration using a large displacement near the resonance frequency, but the biggest drawback is that the measurable frequency band δf is centered on the resonance frequency f 0. , Δf = f 0 / Q. That is, when high sensitivity is required, a high Q value is required, but the measurable frequency band is reduced accordingly.
Therefore, a technique described in Patent Document 1 has been proposed. This technology is a capacitive acceleration sensor that measures the displacement (acceleration) from the capacitance change of the comb-tooth structure, and gives a different resonance frequency to each comb-tooth to measure acceleration with high sensitivity. The frequency band that can be used is expanded.

特開２００４−１７０２６０号公報JP 2004-170260 A

しかしながら、上記特許文献１に記載の加速度センサにあっては、１構造あたりでカバーできる周波数帯域が１Ｈｚであるため、測定周波数の幅を１００Ｈｚ程度確保しようとすると、およそ１００個の構造体が必要となる。その結果、センサの面積が大きくなってしまう。
また、Ｓｉ構造体の場合、Ｑは１万〜１０万が容易に得られるので、非常に高感度なセンサが実現可能だが、１万〜１０万もの構造体を構成するのは現実的に不可能である。
そこで、本発明は、１つの構造体でさまざまな周波数の加速度を高感度に測定可能な加速度センサを提供することを課題としている。 However, in the acceleration sensor described in Patent Document 1, since the frequency band that can be covered per structure is 1 Hz, approximately 100 structures are required to secure a measurement frequency width of about 100 Hz. It becomes. As a result, the area of the sensor increases.
In the case of a Si structure, Q can easily be obtained in the range of 10,000 to 100,000, so that a very sensitive sensor can be realized. However, it is practically impossible to construct 10,000 to 100,000 structures. Is possible.
Therefore, an object of the present invention is to provide an acceleration sensor that can measure accelerations of various frequencies with high sensitivity with one structure.

上記課題を解決するために、請求項１に係る加速度センサは、基板に支持され、加速度の変化に応じて変位する錘部および当該錘部に一体形成された可動電極からなる可動部と、前記可動電極に対向配置するように前記基板に支持された固定電極と、を備え、前記可動部の変位に応じた前記可動電極と前記固定電極との間の静電容量の変化に基づいて、加速度を測定する加速度センサであって、前記可動電極と前記固定電極との間に印加するバイアス電圧を変化させるバイアス電圧印加手段を備え、前記バイアス電圧印加手段で、前記可動部の共振周波数が、印加された加速度の振動周波数に一致するような前記バイアス電圧を印加した状態で、前記加速度を測定することを特徴としている。   In order to solve the above-described problem, an acceleration sensor according to claim 1 is provided with a movable portion that is supported by a substrate and includes a weight portion that is displaced according to a change in acceleration, and a movable electrode that is integrally formed with the weight portion. A fixed electrode supported by the substrate so as to be opposed to the movable electrode, and an acceleration based on a change in capacitance between the movable electrode and the fixed electrode according to a displacement of the movable part. A bias voltage applying means for changing a bias voltage applied between the movable electrode and the fixed electrode, wherein the resonance frequency of the movable portion is applied by the bias voltage applying means. The acceleration is measured in a state where the bias voltage that matches the vibration frequency of the acceleration is applied.

対向する電極にバイアス電圧を加え、距離を変化させると電極間に加わる引力が変化する。これは見かけ上バネと同様な効果であり、バイアス電圧に依存した可変バネが可能となる。この可変バネを利用すれば共振周波数をシフトさせることが可能となる。
可動電極と固定電極との間に、可動部の共振周波数が印加された加速度の振動周波数と一致するようなバイアス電圧を印加した状態で当該加速度を測定することで、常に加速度の印加に応じた両電極間の静電容量変化（可動部の変位量）が最も大きくなる共振周波数での加速度測定が可能となるため、高感度に加速度を測定することができる。このように、１つの構造体で、さまざまな周波数の加速度を高感度に測定することができる。 When a bias voltage is applied to the opposing electrodes and the distance is changed, the attractive force applied between the electrodes changes. This is apparently the same effect as a spring, and a variable spring depending on the bias voltage is possible. If this variable spring is used, the resonance frequency can be shifted.
By measuring the acceleration in a state where a bias voltage is applied between the movable electrode and the fixed electrode so that the resonance frequency of the movable part matches the vibration frequency of the applied acceleration, the acceleration is always applied. Acceleration can be measured at a resonance frequency at which the capacitance change between the two electrodes (the displacement amount of the movable part) is the largest, so that the acceleration can be measured with high sensitivity. As described above, acceleration of various frequencies can be measured with high sensitivity by one structure.

また、請求項２に係る加速度センサは、請求項１に係る発明において、前記バイアス電圧印加手段は、前記共振周波数が所定の周波数幅を有する周波数帯域内を変化するように、前記バイアス電圧をスイープさせるものであって、前記共振周波数をｆ0、前記周波数幅をΔｆ、共振のクオリティファクタをＱ、１０≦ｎ≦Ｑなる任意の定数をｎとしたとき、ｔ＝（Δｆ／ｆ0）ｎＱで表されるスイープ時間ｔで前記バイアス電圧をスイープさせることを特徴としている。 The acceleration sensor according to claim 2 is the acceleration sensor according to claim 1, wherein the bias voltage applying means sweeps the bias voltage so that the resonance frequency changes in a frequency band having a predetermined frequency width. It is one which, the resonance frequency f 0, the frequency width Delta] f, when the arbitrary constant a quality factor of resonance Q, becomes 10 ≦ n ≦ Q was n, t = (Δf / f 0) nQ The bias voltage is swept at a sweep time t expressed by:

これにより、測定していないデッドタイムを少なくすることができ、効率的に加速度測定を行うことができる。また、スイープ時間が短すぎることに起因してセンサの感度が非常に低くなってしまうのを防止することができる。
また、請求項３に係る加速度センサは、請求項１又は２に係る発明において、前記バイアス電圧印加手段による前記バイアス電圧の変化に対応して変化する前記共振周波数の可動範囲がそれぞれ異なる複数の前記可動部を、同一基板上に備えることを特徴としている。
これにより、高感度に加速度を測定することができる周波数帯域を、より広げることができる。 Thereby, the dead time which is not measured can be reduced, and acceleration measurement can be performed efficiently. In addition, it is possible to prevent the sensitivity of the sensor from becoming very low due to the sweep time being too short.
According to a third aspect of the present invention, there is provided the acceleration sensor according to the first or second aspect, wherein a plurality of the movable ranges of the resonance frequency that change corresponding to the change of the bias voltage by the bias voltage applying unit are different. The movable part is provided on the same substrate.
As a result, the frequency band in which acceleration can be measured with high sensitivity can be further expanded.

本発明によれば、可動電極と固定電極との間に印加するバイアス電圧を可変とすることで、可動部の共振周波数を変化可能に構成することができる。したがって、１つの構造体でさまざまな周波数の加速度を高感度に測定することができ、センサの大型化を伴うことなく、所定の周波数全域にわたって高感度な加速度測定が可能となる。   According to the present invention, it is possible to change the resonance frequency of the movable part by changing the bias voltage applied between the movable electrode and the fixed electrode. Therefore, acceleration of various frequencies can be measured with high sensitivity with one structure, and high-sensitivity acceleration measurement can be performed over the entire predetermined frequency range without increasing the size of the sensor.

本発明に係る加速度センサの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the acceleration sensor which concerns on this invention. 検出素子部の概略構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows schematic structure of a detection element part. 周波数１４９３Ｈｚ、０．１ｍ／ｓｅｃ2の加速度を加えたときの測定結果を示す図である。It is a figure which shows a measurement result when the acceleration of a frequency 1493Hz and 0.1 m / sec < 2 > is added. 周波数１４５０Ｈｚ、０．１ｍ／ｓｅｃ2の加速度を加えたときの測定結果を示す図である。It is a figure which shows a measurement result when the acceleration of frequency 1450Hz and 0.1 m / sec < 2 > is added. 共振周波数のバイアス電圧依存性を示す図である。It is a figure which shows the bias voltage dependence of the resonant frequency. 錘（可動電極）の変位量の加速度周波数依存性を示す図である。It is a figure which shows the acceleration frequency dependence of the displacement amount of a weight (movable electrode).

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（第１の実施形態）
（構成）
図１は、本発明に係る加速度センサの構成を示すブロック図である。
この図１に示すように、本実施形態の加速度センサＣＳは、検出素子部１０と、バイアス電源１１と、Ｑ値制限抵抗１２と、チャージアンプ１３と、フィルタ部１４と、ＦＦＴ部１５とを備えている。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
(Constitution)
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an acceleration sensor according to the present invention.
As shown in FIG. 1, the acceleration sensor CS of this embodiment includes a detection element unit 10, a bias power source 11, a Q value limiting resistor 12, a charge amplifier 13, a filter unit 14, and an FFT unit 15. I have.

図２は、検出素子部１０の概略構成を示す斜視図である。
検出素子部１０は、基板（不図示）に支持され加速度の印加に応じて変位する錘２１と、錘２１に一体形成された可動電極２２と、可動電極２２に対向配置された固定電極２３と、を備える。
可動電極２２は、端部の支持体２４により基板上に固定された可撓性の梁２５を介して、固定電極２３と所定のギャップＧ（例えば、１０μｍ）をおいて支持されている。この可動電極２２と固定電極２３とで、可変容量を構成している。 FIG. 2 is a perspective view illustrating a schematic configuration of the detection element unit 10.
The detection element unit 10 is supported by a substrate (not shown) and is displaced according to the application of acceleration. A movable electrode 22 formed integrally with the weight 21, and a fixed electrode 23 disposed to face the movable electrode 22. .
The movable electrode 22 is supported with a predetermined gap G (for example, 10 μm) through a flexible beam 25 fixed on the substrate by a support 24 at the end. The movable electrode 22 and the fixed electrode 23 constitute a variable capacitor.

この構造体は、厚さ２０μｍのＳＯＩウェハをボッシュプロセスで切り出すことで作製する。錘２１の形状は、例えば、厚さ２０μｍで一辺８００μｍの正方形とし、梁２５の形状（長さ，厚さ，幅）は、例えば、（１０００μｍ，２０μｍ，２０μｍ）とする。
また、固定電極２３は、基板上に固定されている。この固定電極２３は、ガラス基板に金にて電極（例えば、一辺１ｍｍの正方形の電極）を作製することで形成する。
そして、固定電極２３はチャージアンプ１３に接続されており、支持体２４はバイアス電源１１に接続されている。 This structure is manufactured by cutting an SOI wafer having a thickness of 20 μm by a Bosch process. The shape of the weight 21 is, for example, a square having a thickness of 20 μm and a side of 800 μm, and the shape (length, thickness, width) of the beam 25 is, for example, (1000 μm, 20 μm, 20 μm).
The fixed electrode 23 is fixed on the substrate. The fixed electrode 23 is formed by producing an electrode (for example, a square electrode having a side of 1 mm) with gold on a glass substrate.
The fixed electrode 23 is connected to the charge amplifier 13, and the support 24 is connected to the bias power source 11.

図１に戻って、バイアス電源１１は、可動電極２２と固定電極２３との間にバイアス電圧を印加するものである。本実施形態では、バイアス電源１１を可変直流電圧源とし、可動電極２２と固定電極２３との間に印加するバイアス電圧を可変とする。
検出素子部１０とチャージアンプ１３との間に介挿されるＱ値制限抵抗１２は、共振のクオリティファクタＱを制限するための抵抗である。ここでは、Ｑ＝１０００に制限するものとする。
また、チャージアンプ１３は、上記可変容量の変化を電圧に変換する。
フィルタ部１４は、４００Ｈｚ（１．３ｋＨｚ〜１．７ｋＨｚ）の帯域幅をもつバンドパスフィルタで構成する。
ＦＦＴ部１５は、チャージアンプ１３の出力をフィルタ部１４のバンドパスフィルタに通した結果を周波数分析する。 Returning to FIG. 1, the bias power supply 11 applies a bias voltage between the movable electrode 22 and the fixed electrode 23. In the present embodiment, the bias power supply 11 is a variable DC voltage source, and the bias voltage applied between the movable electrode 22 and the fixed electrode 23 is variable.
A Q-value limiting resistor 12 interposed between the detection element unit 10 and the charge amplifier 13 is a resistor for limiting the quality factor Q of resonance. Here, Q is limited to 1000.
The charge amplifier 13 converts the change in the variable capacitance into a voltage.
The filter unit 14 is configured by a band pass filter having a bandwidth of 400 Hz (1.3 kHz to 1.7 kHz).
The FFT unit 15 performs frequency analysis on the result of passing the output of the charge amplifier 13 through the bandpass filter of the filter unit 14.

以上の構成により、加速度の印加によって可動電極２２が変位すると、可動電極２２と固定電極２３との間の距離が変化し、それに伴って両電極間の静電容量が変化する。この静電容量変化は、印加される加速度の振幅を一定とした場合、可動電極２２の共振周波数以下の低周波数帯域において一定量（静的振幅）となり、共振周波数においてピーク値となる。また、当該静電容量変化は、印加される加速度が大きいほど大きくなる。したがって、当該静電容量の変化を検出することで加速度を測定することができる。   With the above configuration, when the movable electrode 22 is displaced by the application of acceleration, the distance between the movable electrode 22 and the fixed electrode 23 changes, and the capacitance between the electrodes changes accordingly. This capacitance change has a constant amount (static amplitude) in a low frequency band equal to or lower than the resonance frequency of the movable electrode 22 when the amplitude of applied acceleration is constant, and has a peak value at the resonance frequency. In addition, the capacitance change increases as the applied acceleration increases. Therefore, the acceleration can be measured by detecting the change in the capacitance.

本実施形態では、可動電極２２と固定電極２３との間に印加するバイアス電圧を可変とすることで、可動電極２２の共振周波数をシフト可能に構成する。そして、印加された加速度の振動周波数と可動電極２２の共振周波数とを一致させた状態で加速度測定を行う。すなわち、共振現象による可動電極２２の変位増幅を利用し、高感度な加速度測定を実現すると共に、１つの構造体で高感度に加速度測定が可能な周波数帯域を広げる。   In the present embodiment, the bias voltage applied between the movable electrode 22 and the fixed electrode 23 is made variable so that the resonance frequency of the movable electrode 22 can be shifted. Then, the acceleration measurement is performed in a state where the vibration frequency of the applied acceleration and the resonance frequency of the movable electrode 22 are matched. That is, by using displacement amplification of the movable electrode 22 due to the resonance phenomenon, high-sensitivity acceleration measurement is realized, and a frequency band in which acceleration measurement can be performed with high sensitivity with a single structure is expanded.

図３は、周波数１４９３Ｈｚ、０．１ｍ／ｓｅｃ2の加速度を加えたときの測定結果を示す図である。この場合、直流バイアス電圧が５Ｖのときに、共振周波数と印加した加速度の振動周波数とが一致し、０．３Ｖの出力が得られた。
図４は、周波数１４５０Ｈｚ、０．１ｍ／ｓｅｃ2の加速度を加えたときの測定結果を示す図である。この場合、直流バイアス電圧が１０．３Ｖのときに、共振周波数と印加した加速度の振動周波数とが一致し、０．７Ｖの出力が得られた。 FIG. 3 is a diagram showing a measurement result when an acceleration of a frequency of 1493 Hz and an acceleration of 0.1 m / sec 2 is applied. In this case, when the DC bias voltage was 5V, the resonance frequency and the vibration frequency of the applied acceleration coincided, and an output of 0.3V was obtained.
FIG. 4 is a diagram showing a measurement result when an acceleration of a frequency of 1450 Hz and an acceleration of 0.1 m / sec 2 is applied. In this case, when the DC bias voltage was 10.3 V, the resonance frequency coincided with the vibration frequency of the applied acceleration, and an output of 0.7 V was obtained.

このように、可動電極２２と固定電極２３との間に印加するバイアス電圧を変えることで、さまざまな周波数にて高感度な加速度測定が可能となる。
なお、この加速度センサＣＳにおいては、フィルタ部１４に４００Ｈｚの帯域幅をもつバンドパスフィルタを適用したとき、トータルのノイズは１２μＶであったため、１０-6ｍ／ｓｅｃ2程度の微小な加速度も測定可能である。また、ＦＦＴ部１５は、バンド幅が０．１Ｈｚなので１０-8ｍ／ｓｅｃ2の測定が可能である。 As described above, by changing the bias voltage applied between the movable electrode 22 and the fixed electrode 23, highly sensitive acceleration measurement can be performed at various frequencies.
In this acceleration sensor CS, when a band-pass filter having a bandwidth of 400 Hz is applied to the filter unit 14, the total noise was 12 μV, so a very small acceleration of about 10 −6 m / sec 2 was measured. Is possible. Further, since the FFT unit 15 has a bandwidth of 0.1 Hz, it can measure 10 −8 m / sec 2 .

図５は、共振周波数のバイアス電圧依存性を示す図である。
この図５からも明らかなように、バイアス電圧をスイープさせることで、約１００Ｈｚ幅の加速度測定が１つの構造体で可能であることがわかる。
ただし、スイープ時間が長いと、時間的に測定していないデットタイムが増えてしまう。また、共振器は一種の積分器として働いているので、測定したい加速度の周波数と共振周波数が一致して、ある程度の時間が経過したとき低周波領域のＱ倍の出力が得られる。逆に言うと、スイープした場合には、周波数の一致する時間が限られるので、Ｑ倍より小さな値が検出される。したがって、スイープ時間が短いと、センサ感度が低下してしまう。 FIG. 5 is a diagram illustrating the dependency of the resonance frequency on the bias voltage.
As is apparent from FIG. 5, it is understood that an acceleration measurement with a width of about 100 Hz can be performed with one structure by sweeping the bias voltage.
However, if the sweep time is long, the dead time that is not measured in time increases. Further, since the resonator functions as a kind of integrator, the acceleration frequency to be measured and the resonance frequency coincide with each other, and when a certain amount of time has elapsed, an output Q times that in the low frequency region can be obtained. In other words, when sweeping, the frequency matching time is limited, so a value smaller than Q times is detected. Therefore, if the sweep time is short, the sensor sensitivity is lowered.

そこで、本実施形態では、バイアス電圧のスイープ時間ｔ［ｓｅｃ］を、次式のように設定する。
ｔ＝（Δｆ／ｆ0）・ｎＱ ………（１）
ここで、 ｆ0は共振周波数、Δｆは共振周波数を変化させる周波数幅、Ｑは共振のクオリティファクタ、ｎは１０≦ｎ≦Ｑとなる定数である。上記（１）式で表されるスイープ時間ｔは、低周波領域のｎ倍の感度が得られるスイープ時間である。すなわち、
ｔ＝（Δｆ／ｆ0）・Ｑ2 ………（２）
の時間でスイープさせたときが最も高感度になる。換言すると、それ以上の時間をかけても感度は上がらない。
ただし、Ｑが大きな値（１０万など）になると、Δｆの値によっては、上記（２）式は非常に長い時間になる。したがって、実用的にはｎ＝１００とした時間でスイープし、感度があった場合に、その周波数近傍で時間をかけた測定を行い、正確な加速度を得る方法が好ましい。
なお、図１において、バイアス電源１１がバイアス電圧印加手段に対応している。 Therefore, in the present embodiment, the bias voltage sweep time t [sec] is set as shown in the following equation.
t = (Δf / f 0 ) · nQ (1)
Here, f 0 is a resonance frequency, Δf is a frequency width for changing the resonance frequency, Q is a quality factor of resonance, and n is a constant satisfying 10 ≦ n ≦ Q. The sweep time t expressed by the above equation (1) is a sweep time at which a sensitivity that is n times that in the low frequency region is obtained. That is,
t = (Δf / f 0 ) · Q 2 (2)
Highest sensitivity is obtained when sweep is performed in In other words, the sensitivity does not increase even if it takes more time.
However, when Q becomes a large value (such as 100,000), the above equation (2) takes a very long time depending on the value of Δf. Therefore, practically, it is preferable to sweep over the time of n = 100 and, when there is sensitivity, measure over time near the frequency to obtain accurate acceleration.
In FIG. 1, a bias power source 11 corresponds to a bias voltage applying unit.

（動作）
次に、本実施形態の動作について説明する。
今、周波数ｆα（＝１４９３Ｈｚ）の加速度が印加されているものとする。このとき、図１のバイアス電源１１にて、上記（１）式で表されるスイープ時間ｔで、可動電極２２と固定電極２３との間に印加するバイアス電圧を変化させながら、可動電極２２の変位（両電極間の静電容量変化）を監視する。
可動電極２２の共振周波数は、バネ（梁２５）のバネ定数と錘２１の質量とで決まるが、両電極間に印加するバイアス電圧を変化させると電極間に加わる引力が変化し、可動電極２２の共振周波数も変化することになる。 (Operation)
Next, the operation of this embodiment will be described.
Assume that an acceleration with a frequency fα (= 1493 Hz) is applied. At this time, the bias power supply 11 shown in FIG. 1 changes the bias voltage applied between the movable electrode 22 and the fixed electrode 23 during the sweep time t expressed by the above equation (1), while the movable electrode 22 Displacement (capacitance change between both electrodes) is monitored.
The resonance frequency of the movable electrode 22 is determined by the spring constant of the spring (beam 25) and the mass of the weight 21, but when the bias voltage applied between the two electrodes is changed, the attractive force applied between the electrodes changes, and the movable electrode 22 is changed. This also changes the resonance frequency.

そして、バイアス電圧Ｖα（＝５Ｖ）において、可動電極２２の共振周波数と印加された加速度の周波数とが一致すると、共振現象により可動電極２２が大きく変位し、図３に示すように、可動電極２２の変位に応じた大きな静電容量変化が検出される。
したがって、このときの静電容量変化から加速度を測定することで、印加された加速度が周波数１４９３Ｈｚ、０．１ｍ／ｓｅｃ2の加速度であることを高感度に測定することができる。 When the resonance frequency of the movable electrode 22 coincides with the applied acceleration frequency at the bias voltage Vα (= 5 V), the movable electrode 22 is greatly displaced due to the resonance phenomenon, and as shown in FIG. A large change in capacitance according to the displacement of is detected.
Therefore, by measuring the acceleration from the capacitance change at this time, it is possible to measure with high sensitivity that the applied acceleration is an acceleration having a frequency of 1493 Hz and an acceleration of 0.1 m / sec 2 .

一方、所定の周波数ｆβ（＝１４５０Ｈｚ）の加速度が印加された場合、バイアス電圧Ｖαとは異なるバイアス電圧Ｖβ（＝１０．３Ｖ）を両電極間に印加した場合に、可動電極２２の共振周波数と印加された加速度の周波数とが一致することになる。したがって、バイアス電圧Ｖβを印加したときに可動電極２２が大きく変位し、図４に示すように、可動電極２２の変位に応じた静電容量変化が検出される。
この場合にも、このときの静電容量変化から、印加された加速度が周波数１４５０Ｈｚ、０．１ｍ／ｓｅｃ2の加速度であることを高感度に測定することができる。
以上のように、バイアス電圧を可変とすることで可動電極２２の共振周波数を変化させることができ、１つの構造体でさまざまな周波数の加速度を高感度に測定することができる。 On the other hand, when an acceleration of a predetermined frequency fβ (= 1450 Hz) is applied, when a bias voltage Vβ (= 10.3 V) different from the bias voltage Vα is applied between both electrodes, the resonance frequency of the movable electrode 22 The frequency of the applied acceleration matches. Therefore, when the bias voltage Vβ is applied, the movable electrode 22 is greatly displaced, and as shown in FIG. 4, a change in capacitance according to the displacement of the movable electrode 22 is detected.
Also in this case, it is possible to measure with high sensitivity that the applied acceleration is an acceleration with a frequency of 1450 Hz and an acceleration of 0.1 m / sec 2 from the capacitance change at this time.
As described above, by making the bias voltage variable, the resonance frequency of the movable electrode 22 can be changed, and accelerations at various frequencies can be measured with high sensitivity with one structure.

（効果）
このように、本実施形態では、加速度の印加に応じて可動電極が変位したときの、可動電極と固定電極との間の距離変化に伴う静電容量の変化に応じて、上記加速度を測定する際に、可動電極と固定電極との間に印加するバイアス電圧を可変とする。これにより、可動電極の共振周波数を可変とし、可動電極の共振周波数と印加された加速度の振動周波数とを一致させた状態で加速度測定を行う。そのため、１つの構造体でさまざまな周波数の加速度を高感度に測定することができる。したがって、多数の構造体を設けることなく高感度な加速度測定が可能な周波数帯域を広げることができ、加速度センサの面積増大を抑制することができる。
また、バイアス電圧のスイープ時間を、上記（１）式で示す時間に設定するので、測定していないデッドタイムを少なくすることができ、効率的に加速度測定を行うことができる。また、上記（１）式における定数ｎを１０以上に設定するので、少なくとも低周波領域の１０倍の感度を確保することができる。 (effect)
As described above, in this embodiment, when the movable electrode is displaced according to the application of the acceleration, the acceleration is measured according to the change in the capacitance accompanying the change in the distance between the movable electrode and the fixed electrode. At this time, the bias voltage applied between the movable electrode and the fixed electrode is variable. Thereby, the resonance frequency of the movable electrode is made variable, and the acceleration measurement is performed in a state where the resonance frequency of the movable electrode and the vibration frequency of the applied acceleration are matched. Therefore, acceleration of various frequencies can be measured with high sensitivity with one structure. Therefore, the frequency band in which highly sensitive acceleration measurement can be performed without providing a large number of structures can be widened, and an increase in the area of the acceleration sensor can be suppressed.
Further, since the sweep time of the bias voltage is set to the time indicated by the above equation (1), dead time not measured can be reduced, and acceleration measurement can be performed efficiently. In addition, since the constant n in the above equation (1) is set to 10 or more, it is possible to ensure at least 10 times the sensitivity in the low frequency region.

（変形例）
なお、上記実施形態においては、基板上に１つの振動体のみを有する加速度センサＣＳについて説明したが、複数個の振動体を有するようにしてもよい。このとき、各構造体で、錘２１の質量や梁２５のバネ定数を異ならせることで、バイアス電圧をスイープさせたときに共振周波数が変化する周波数帯域（可動範囲）を異ならせることができるため、加速度センサＣＳ全体で高感度に加速度測定を行うことができる周波数帯域をより広げることができる。また、同一基板上に複数個の振動体を作製した場合には、それぞれのスイープ幅を制限したり、スイープさせる位相をずらすなどの工夫をしたりしてもよい。これにより、測定していないデットタイムを少なくすることが可能である。 (Modification)
In the above-described embodiment, the acceleration sensor CS having only one vibrating body on the substrate has been described. However, a plurality of vibrating bodies may be provided. At this time, by changing the mass of the weight 21 and the spring constant of the beam 25 in each structure, the frequency band (movable range) in which the resonance frequency changes when the bias voltage is swept can be made different. The frequency band in which acceleration measurement can be performed with high sensitivity in the entire acceleration sensor CS can be further expanded. Further, when a plurality of vibrators are manufactured on the same substrate, the sweep width may be limited or the sweeping phase may be shifted. Thereby, it is possible to reduce the dead time which is not measured.

さらに、上記実施形態においては、Ｑ値制限抵抗１２を挿入することでＱ値を１０００に制限する場合について説明したが、これは測定対象の加速度を０．１ｍ／ｓｅｃ2程度と想定した場合の値であり、Ｑ値の制限値は測定対象の加速度に応じて適宜設定可能である。
また、上記実施形態においては、Ｑ値制限抵抗１２を設けなくてもよい。この場合、例えばＱ値＝１０万の場合には、１０-10ｍ／ｓｅｃ2程度の極めて微小な加速度も測定可能となる。 Furthermore, in the above embodiment, the case where the Q value is limited to 1000 by inserting the Q value limiting resistor 12 has been described, but this is a case where the acceleration of the measurement target is assumed to be about 0.1 m / sec 2 . The limit value of the Q value can be appropriately set according to the acceleration to be measured.
In the above embodiment, the Q value limiting resistor 12 may not be provided. In this case, for example, when the Q value = 100,000, an extremely small acceleration of about 10 −10 m / sec 2 can be measured.

１０…検出素子部、１１…バイアス電源、１２…Ｑ値制限抵抗、１３…チャージアンプ、１４…フィルタ部、１５…ＦＦＴ部、２１…錘、２２…可動電極、２３…固定電極、２４…支持体、２５…梁、ＣＳ…加速度センサ   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Detection element part, 11 ... Bias power supply, 12 ... Q value limiting resistance, 13 ... Charge amplifier, 14 ... Filter part, 15 ... FFT part, 21 ... Weight, 22 ... Movable electrode, 23 ... Fixed electrode, 24 ... Support Body, 25 ... Beam, CS ... Accelerometer

Claims (3)

基板に支持され、加速度の変化に応じて変位する錘部および当該錘部に一体形成された可動電極からなる可動部と、前記可動電極に対向配置するように前記基板に支持された固定電極と、を備え、前記可動部の変位に応じた前記可動電極と前記固定電極との間の静電容量の変化に基づいて、加速度を測定する加速度センサであって、
前記可動電極と前記固定電極との間に印加するバイアス電圧を変化させるバイアス電圧印加手段を備え、
前記バイアス電圧印加手段で、前記可動部の共振周波数が、印加された加速度の振動周波数に一致するような前記バイアス電圧を印加した状態で、前記加速度を測定することを特徴とする加速度センサ。 A movable portion that is supported by the substrate and that is displaced in accordance with a change in acceleration; a movable portion that is formed integrally with the weight portion; and a fixed electrode that is supported by the substrate so as to face the movable electrode. An acceleration sensor that measures acceleration based on a change in capacitance between the movable electrode and the fixed electrode in accordance with displacement of the movable part,
A bias voltage applying means for changing a bias voltage applied between the movable electrode and the fixed electrode;
An acceleration sensor, characterized in that the acceleration is measured by the bias voltage application means in a state where the bias voltage is applied such that the resonance frequency of the movable part matches the vibration frequency of the applied acceleration. 前記バイアス電圧印加手段は、前記共振周波数が所定の周波数幅を有する周波数帯域内を変化するように、前記バイアス電圧をスイープさせるものであって、
前記共振周波数をｆ0、前記周波数幅をΔｆ、共振のクオリティファクタをＱ、１０≦ｎ≦Ｑなる任意の定数をｎとしたとき、
ｔ＝（Δｆ／ｆ0）ｎＱ
で表されるスイープ時間ｔで前記バイアス電圧をスイープさせることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。 The bias voltage applying means sweeps the bias voltage so that the resonance frequency changes within a frequency band having a predetermined frequency width,
When the resonance frequency is f 0 , the frequency width is Δf, the quality factor of resonance is Q, and an arbitrary constant of 10 ≦ n ≦ Q is n,
t = (Δf / f 0 ) nQ
The acceleration sensor according to claim 1, wherein the bias voltage is swept at a sweep time t expressed by: 前記バイアス電圧印加手段による前記バイアス電圧の変化に対応して変化する前記共振周波数の可動範囲がそれぞれ異なる複数の前記可動部を、同一基板上に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の加速度センサ。   The plurality of movable parts having different movable ranges of the resonance frequency that change corresponding to the change of the bias voltage by the bias voltage application unit are provided on the same substrate. Acceleration sensor.
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