JP2012002560A - 力学量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】力学量センサを小型化すること。
【解決手段】ＳＯＩ基板２０と、ＳＯＩ基板に支持されており、加速度の印加に応じてＳＯＩ基板の基板面と平行に変位する可動部２と、可動部のうち変位方向に沿った両側面から櫛歯状に突出形成された複数の可動片４ａ〜４ｉと、隣接する可動片との間に空間が形成されるように各可動片間に固定して配置されており、相互に絶縁された複数の固定片６ａ〜６ｉと、相互に隣接する可動片および固定片の各組により、電源Ｅに並列接続された複数のスイッチＳ１〜Ｓ７が構成されており、加速度の印加に応じて可動部が変位したときに相互に接触する可動片および固定片の組数が加速度の大きさに応じて異なり、かつ、上記組数に応じて異なる電圧を発生するように構成されている。
【選択図】 図３

Description

この発明は、加速度などの力学量を検出する力学量センサに関する。

従来、この種の力学量センサとして、静電容量型加速度センサが知られている（特許文献１参照）。図９は、従来の静電容量型加速度センサ（以下、加速度センサという）を長手方向に切断した縦断面図である。加速度センサ３０は、ＳＯＩ（silicon on insulator）基板３１をエッチングすることにより形成されている。ＳＯＩ基板３１は、シリコンからなる支持基板３１ａと、その表面に形成された埋込酸化膜３１ｂと、その表面に形成されたシリコン層３１ｃとから成る。

加速度センサ３０は、可動部３２と、この可動部３２の両側面から突出形成された櫛歯状の可動電極３７と、この可動電極３７の突出方向に配置された固定部３６と、この固定部３６から可動部３２に向けて突出形成された櫛歯状の固定電極３８と、可動部３２の両端に形成された梁構造体３５，３５と、これら梁構造体をＳＯＩ基板３１に固定するアンカー部３３，３４とを備える。埋込酸化膜３１ｂを部分的に除去することにより、梁構造体３５，３５、可動部３２および可動電極３７は、支持基板３１ａから浮いた構造になっている。アンカー部３４の表面には、可動部３２の電位を取出すための出力端子３９が形成されており、固定部３６の表面には、固定部３６の電位を取出すための出力端子４０が形成されている。

図１０は、上記の加速度センサ３０の主な電気的構成を示す回路図である。加速度センサ３０は、ＣＭＯＳにより構成された信号処理ＩＣ５０を備える。信号処理ＩＣ５０は、周知のＣＶ変換回路５１と、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）５３と、ＥＰＲＯＭ５４と、Ｄ／Ａ変換回路５５と、増幅回路５２とを備える。

加速度センサ３０に加速度が印加されると、可動部３２が長手方向に変位し、それに伴って可動電極３７および固定電極３８間の間隔が変化し、可動電極３７および固定電極３８間の静電容量が変化する。その静電容量Ｃ１，Ｃ２の差動容量は、ＣＶ変換回路５１により、差動容量に応じた電圧に変換され、ローパスフィルタ５３によって高周波成分が除去される。ローパスフィルタ５３から出力された信号は、増幅回路５２によって増幅される。増幅回路５２はゲイン調整およびオフセット調整が可能になっている。Ｄ／Ａ変換回路５５は、ＥＰＲＯＭ５４から出力されるオフセット調整用データをＤ／Ａ変換し、オペアンプ５２ａに与える。

また、従来、直列接続された複数の加速度スイッチと、各加速度スイッチに並列接続された抵抗とを備えた加速度センサが知られている（特許文献２参照）。この加速度センサを構成する各加速度スイッチは、一端が固定され、他端が質量部を有する自由端になった片持ち梁部と、この片持ち梁部に隣接して固定された導電部とをそれぞれ備える。また、加速度スイッチは、導電部の長手方向と加速度方向とが直交するように配列されている。そして、各加速度スイッチの片持ち梁部は、加速度スイッチ毎に異なる長さに形成されており、加速度の大きさによって導電部と接触する質量部の数が変化し、出力電圧が変化する構成になっている。

特開２００３−２４０７９７号公報（第９〜１０段落、図２，図５） 特開平１０−６８７４２号公報（第３５〜３７段落、図１３）

前述した従来の前者の加速度センサは、信号処理ＩＣ５０にＣＶ変換回路５１およびローパスフィルタ５３を備えるため、信号処理ＩＣが大きくなるので、加速度センサ３０の小型化が難しいという問題がある。また、信号処理ＩＣ５０の回路構成が複雑になるため、製造コストが高くなるという問題もある。

一方、後者の加速度センサは、各加速度スイッチが導電部の長手方向と加速度方向とが直交するように配列されているため、加速度センサの寸法が加速度方向に大きくなるという問題がある。
また、加速度スイッチの構造が、特許文献２の図１に示されているように、３枚の基板を積層した構造であり、中央の基板に片持ち梁部が形成され、その片持ち梁部の上下面と、上下の基板とには、アルミニウムや銅の蒸着によって接点が形成されている。また、各基板間は、ガラス層によって絶縁されている。また、各基板は、それぞれ異なるシリコンウェハにて製造され、各シリコンウェハを個々に分断して得たものを貼り合わせて上記の加速度スイッチを得る。そしてさらに、そのように得た加速度スイッチを複数接続することにより、加速度センサを製造している。
つまり、加速度センサの製造工程が複雑なため、製造効率が悪いという問題がある。

そこでこの発明は、上述の諸問題を解決するためになされたものであり、力学量センサの小型化を目的とする。また、力学量センサの製造効率を高めることを目的とする。

上記の目的を達成するため、この発明の第１の特徴は、基板（２０）と、前記基板に支持されており、検出対象の力学量の印加に応じて前記基板の基板面と平行に変位する可動部（２）と、前記可動部のうち変位方向に沿った両側面から櫛歯状に突出形成された複数の可動片（４ａ〜４ｉ）と、隣接する可動片との間に空間が形成されるように各可動片間に固定して配置されており、相互に絶縁された複数の固定片（６ａ〜６ｉ）とを備えており、相互に隣接する可動片および固定片の各組により、電源（Ｅ）に並列接続された複数のスイッチ（Ｓ１〜Ｓ７）が構成されており、前記力学量の印加に応じて前記可動部が変位したときに相互に接触する可動片および固定片の組数が前記力学量の大きさに応じて異なり、かつ、前記組数に応じて異なる電圧を発生するように構成されたことにある。

上述した第１の特徴によれば、力学量の印加に応じて可動部が変位したときに相互に接触する可動片および固定片の組数に応じて異なる電圧を発生するため、従来のように静電容量を電圧に変換するＣＶ変換回路およびローパスフィルタが不要である。
したがって、力学量センサを小型化することができる。

この発明の第２の特徴は、前述した第１の特徴において、前記複数の固定片（６ａ〜６ｉ）には、それぞれ抵抗（Ｒ１〜Ｒ７）が直列接続されていることにある。

上述した第２の特徴によれば、複数の固定片には、それぞれ抵抗が直列接続されているため、接触した可動片および固定片は、その固定片に直列接続された抵抗を介して電圧を発生することができる。
したがって、力学量の印加に応じて異なる電圧を発生することができるため、複数の大きさの加速度を検出することができる。

この発明の第３の特徴は、前述した第１または第２の特徴において、前記複数の可動片（４ａ〜４ｉ）および固定片（６ａ〜６ｉ）は、それぞれ半導体であることにある。

上述した第３の特徴によれば、複数の可動片および固定片は、それぞれ半導体であるため、相互に接触した可動片および固定片を電気的に接続することができる。
したがって、相互に隣接する可動片および固定片をスイッチとして機能させることができる。

この発明の第４の特徴は、前述した第３の特徴において、前記半導体は、不純物を含むシリコンであることにある。

上述した第４の特徴によれば、半導体は、不純物を含むシリコンであるため、不純物を注入または拡散したシリコン層を加工することにより、各可動片および固定片を形成することができる。

この発明の第５の特徴は、前述した第４の特徴において、前記基板（２０）はＳＯＩ基板であり、そのＳＯＩ基板表面の不純物を含むシリコン層を加工することにより前記可動部（２）、複数の可動片（４ａ〜４ｉ）および固定片（６ａ〜６ｉ）が形成されていることにある。

上述した第５の特徴によれば、ＳＯＩ基板表面の不純物を含むシリコン層を加工することにより可動部、複数の可動片および固定片を形成することができる。
したがって、１枚のＳＯＩ基板から力学量センサを製造することができ、従来のように３枚の異なるシリコンウェハから製造する必要がないので、力学量センサの製造効率を高めることができる。

この発明の第６の特徴は、前述した第２の特徴において、前記基板（２０）はＳＯＩ基板であり、そのＳＯＩ基板表面の不純物を含むシリコン層を加工することにより前記可動部（２）、複数の可動片（４ａ〜４ｉ）、複数の固定片（６ａ〜６ｉ）および各抵抗（Ｒ１〜Ｒ７）が形成されていることにある。

上述した第６の特徴によれば、ＳＯＩ基板表面の不純物を含むシリコン層を加工することにより可動部、複数の可動片、複数の固定片および各抵抗を形成することができる。
したがって、１枚のＳＯＩ基板から力学量センサを製造することができ、従来のように３枚の異なるシリコンウェハから製造する必要がないので、力学量センサの製造効率を高めることができる。また、各固定片に直列接続する抵抗もＳＯＩ基板のシリコン層に形成することができるため、信号処理回路の面積を小さくすることができるので、力学量センサをより一層小型化することができる。

この発明の第７の特徴は、前述した第１の特徴において、前記複数の固定片（６ａ〜６ｉ）は、それぞれ不純物を含むシリコンによって形成されており、かつ、各固定片のうち接触した可動片によって応力が発生する部位にピエゾ抵抗（８ｈ）がそれぞれ形成されていることにある。

上述した第７の特徴によれば、各固定片のうち接触した可動片によって応力が発生する部位にピエゾ抵抗がそれぞれ形成されているため、各ピエゾ抵抗がスイッチの役割をすることができ、かつ、各ピエゾ抵抗を介して異なる電圧を発生することができる。また、各固定片に抵抗を接続する必要がないため、信号処理回路の面積を小さくすることができるので、力学量センサをより一層小型化することができる。また、各可動片は各固定片に応力を発生させるだけの役割にし、各固定片からピエゾ抵抗の抵抗値を検出するように構成すれば、各可動片に電流を流す必要がない。

この発明の第８の特徴は、前述した第７の特徴において、前記基板（２０）はＳＯＩ基板であり、そのＳＯＩ基板表面の不純物を含むシリコン層を加工することにより前記可動部（２）、前記複数の可動片（４ａ〜４ｉ）、複数の固定片（６ａ〜６ｉ）および各ピエゾ抵抗（８ｈ）が形成されていることにある。

上述した第８の特徴によれば、ＳＯＩ基板表面の不純物を含むシリコン層を加工することにより可動部、前記複数の可動片、複数の固定片および各ピエゾ抵抗を形成することができる。
したがって、１枚のＳＯＩ基板から力学量センサを製造することができ、従来のように３枚の異なるシリコンウェハから製造する必要がないので、力学量センサの製造効率を高めることができる。

この発明の第９の特徴は、前述した第１の特徴において、前記複数の固定片（６ａ〜６ｉ）は、それぞれ不純物を含むシリコンにより形成されており、かつ、各固定片のうち接触した可動片によって応力が発生する部位に圧電素子がそれぞれ形成されていることにある。

上述した第９の特徴によれば、各固定片のうち接触した可動片によって応力が発生する部位に圧電素子がそれぞれ形成されているため、各圧電素子がスイッチの役割をすることができ、かつ、各圧電素子から異なる電圧を発生することができる。また、各可動片は各圧電素子に圧電効果を発生させるだけの役割にし、各圧電素子の電圧を検出するように構成すれば、各可動片に電流を流す必要がない。

この発明の第１０の特徴は、前述した第９の特徴において、前記基板（２０）はＳＯＩ基板であり、そのＳＯＩ基板表面の不純物を含むシリコン層を加工することにより前記可動部（２）、複数の可動片（４ａ〜４ｉ）、複数の固定片（６ａ〜６ｉ）および各圧電素子が形成されていることにある。

上述した第１０の特徴によれば、ＳＯＩ基板表面の不純物を含むシリコン層を加工することにより可動部、複数の可動片、複数の固定片および各圧電素子を形成することができる。
したがって、１枚のＳＯＩ基板から力学量センサを製造することができ、従来のように３枚の異なるシリコンウェハから製造する必要がないので、力学量センサの製造効率を高めることができる。

この発明の第１１の特徴は、前述した第１ないし第１０の特徴のいずれか１つにおいて、前記力学量の印加に応じて前記可動部（２）が変位したときに相互に接触する可動片（４ａ〜４ｉ）および固定片（６ａ〜６ｉ）の組数が前記力学量の大きさに応じて異なるように、各組の可動片および固定片間の間隔が設定されていることにある。

上述した第１１の特徴によれば、各組の可動片および固定片間の間隔を調整することにより、印加される力学量に応じて相互に接触する可動片および固定片の組数を変えることができるため、力学量を検出することができる。

この発明の第１２の特徴は、前述した第１ないし第１１の特徴のいずれか１つにおいて、前記力学量の印加に応じて前記可動部（２）が変位したときに相互に接触する可動片（４ａ〜４ｉ）および固定片（６ａ〜６ｉ）の組数が前記力学量の大きさに応じて異なるように、前記可動部はそれぞれバネ定数が異なる複数のバネ性部材（３ｂ〜３ｉ）を介して変位方向に複数に分割されており、各可動片は、それぞれ分割された可動部（２ａ〜２ｇ）に配置されていることにある。

上述した第１２の特徴によれば、各バネ性部材のバネ定数を調整することにより、印加される力学量に応じて相互に接触する可動片および固定片の組数を変えることができるため、力学量を検出することができる。また、前述した第１１の特徴と組合せ、各組の可動片および固定片間の間隔と、各バネ性部材のバネ定数とを調整することにより、印加される力学量に応じて相互に接触する可動片および固定片の組数を変えることもできる。

この発明の第１３の特徴は、前述した第１２の特徴において、前記複数のバネ性部材（３ｂ〜３ｉ）は、前記可動部（２）の両側面から前記可動片（４ａ〜４ｉ）と同じ方向に突出形成された梁構造体であることにある。

上述した第１３の特徴によれば、各梁構造体のバネ定数を調整することにより、印加される力学量に応じて相互に接触する可動片および固定片の組数を変えることができるため、力学量を検出することができる。

この発明の第１４の特徴は、前述した第１ないし第１３の特徴のいずれか１つにおいて、特定の範囲の力学量を検出するための可動片（４ａ〜４ｉ）および固定片（６ａ〜６ｉ）の組数は、前記特定の範囲外の力学量を検出するための可動片および固定片の組数よりも多いことにある。

上述した第１４の特徴によれば、特定の範囲における力学量の相違による出力電圧差を細かくすることができるため、特定の範囲における力学量の検出精度を高めることができる。

この発明の第１５の特徴は、前述した第１ないし第１４の特徴のいずれか１つにおいて、前記相互に隣接する可動片（４ａ〜４ｉ）および固定片（６ａ〜６ｉ）は、一方に設けられた突起部（４ｊ）を介して相互に接触可能であることにある。

上述した第１５の特徴によれば、相互に隣接する可動片および固定片の一方に突起部が設けられているため、相互に接触したときに可動片および固定片が密着して離れなくなるおそれがない。

なお、上記各括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

この発明の第１実施形態に係る加速度センサの主要構造を示す平面図である。 図１に示す加速度センサの主な電気的構成を示す回路図である。 （ａ）は、図１に示す加速度センサ１の構造を簡略化したモデルを加速度方向Ｆ１を下向きにして示す平面図、（ｂ）は（ａ）の模式図である。 図３（ａ）に示すモデルの主な電気的構成を示す回路図である。 図３（ａ）に示すモデルの出力電圧および加速度の関係を示すグラフである。 出力電圧および加速度の関係を示すグラフである。 第２実施形態に係る加速度センサの一部を示す平面図である。 第３実施形態に係る加速度センサの一部を示す平面図である。 従来のセンサを長手方向に切断した縦断面図である。 従来のセンサの主な電気的構成を示す回路図である。

〈第１実施形態〉
この発明に係る第１実施形態について図を参照して説明する。以下の各実施形態では、この発明に係る力学量センサとして加速度センサを例に挙げて説明する。図１は、この第１実施形態に係る加速度センサの主要構造を示す平面図である。図２は、図１に示す加速度センサの主な電気的構成を示す回路図である。

［主要構造］
この実施形態に係る加速度センサの主要構造を説明する。
加速度センサ１は、ＳＯＩ基板２０のシリコン層を周知のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）加工技術、たとえば、トレンチエッチングによって加工されている。加速度センサ１は、図９に示した従来の静電容量型加速度センサの製造工程と略同じ工程により製造することができる。ＳＯＩ基板２０は、支持基板の基板面に埋込絶縁膜を介してシリコン層を形成してなる基板であり、この実施形態では、支持基板は単結晶シリコンにより形成されており、シリコン層は不純物が注入または拡散されたＰ型またはＮ型である。また、埋込絶縁膜はシリコン酸化膜である。

加速度センサ１は、ＳＯＩ基板２０と、可動部２と、梁構造体３と、可動片４，５と、固定片６，７と、固定部８，９とを備える。可動部２、梁構造体３、可動片４，５、固定片６，７および固定部８，９は、ＳＯＩ基板２０のシリコン層をトレンチエッチングすることにより形成されている。可動部２、梁構造体３および可動片４，５の下部は、シリコン酸化膜をエッチングで除去することにより、支持基板から浮いた構造になっており、検出対象の加速度の印加に応じてＳＯＩ基板２０の基板面と平行に変位する。

図中の矢印Ｆ１は、検出対象の加速度の方向を示す。可動部２は、加速度方向Ｆ１に沿って長手形状に形成されている。可動部２は、加速度方向Ｆ１に沿って複数の可動部２ａ〜２ｇに分割されている。分割された各可動部２ａ〜２ｇは梁構造体３ｂ〜３ｉを介して相互に連結されている。前端の可動部２ａは、梁構造体３ａを介して前端部１０に連結されており、後端の可動部２ｇは、梁構造体３ｊを介してアンカー部１１によってＳＯＩ基板２０に支持されている。つまり、可動部２は、後端が固定端になっており、前端が自由端になっている。

各可動部２ａ〜２ｇの変位方向に沿った一側面からは可動片４ａ〜４ｉが、加速度方向Ｆ１と直交する方向に突出形成されている。各可動部２ａ〜２ｇの変位方向に沿った他側面からは可動片５ａ〜５ｉが、加速度方向Ｆ１と直交する方向に突出形成されている。つまり、可動部２の変位方向に沿った両側面から、加速度方向Ｆ１と直交する複数の可動片が櫛歯状に突出形成されている。
この実施形態では、各可動片４，５は、それぞれ板状部材を立設した形状（板壁状）に形成されており、同じ突出長さおよび突出高さに形成されている。

梁構造体３ａ〜３ｊは、可動部２の変位方向に沿った両側面から加速度方向Ｆ１と直交する方向に突出形成されている。この実施形態では、梁構造体３ａ〜３ｊは、立設された板状部材を相対向させ、それら板状部材の突出側端部同士を連結し、各板状部材の基端が、相互に隣接する可動部に跨って連結された構造に形成されている。換言すると、相互に隣接する可動部は、横に長いコ字状の部材の開口端によって連結されている。このような構造を有するため、各梁構造体３ａ〜３ｊは、加速度方向Ｆ１およびその逆方向に対して伸縮可能なバネ性を有する。
各可動部２ａ〜２ｇ、梁構造体３ａ〜３ｊおよびアンカー部１０，１１は、ＳＯＩ基板２０のシリコン層を加工して一体形成されている。

可動部２の一側面の側方には固定部８が設けられており、他側面の側方には固定部９が設けられている。固定部８からは固定片６が可動片４と対向して突出形成されており、固定部９からは固定片７が可動片５と対向して突出形成されている。固定部８は固定部８ａ〜８ｇから成り、各固定部８ａ〜８ｇからは固定片６ａ〜６ｉが可動片４ａ〜４ｉと隣接するように突出形成されている。固定部９は固定部９ａ〜９ｇから成り、各固定部９ａ〜９ｇからは固定片７ａ〜７ｉが可動片５ａ〜５ｉと隣接するように突出形成されている。

各可動片４ａ〜４ｉおよび各固定片６ａ〜６ｉは、相互に隣接する可動片および固定片間に空間が形成されるように配置されている。各可動片５ａ〜５ｉおよび各固定片７ａ〜７ｉは、相互に隣接する可動片および固定片間に空間が形成されるように配置されている。各固定部８ａ〜８ｇおよび各固定部９ａ〜９ｇは相互に絶縁されており、これにより、各固定片も相互に絶縁されている。

この実施形態では、各固定片は、それぞれ板状部材を立設した形状に形成されており、その板面が隣接する可動片の板面と対向している。
各可動片は、加速度が印加されると、各梁構造体のバネ力に抗して加速度方向Ｆ１に変位し、加速度の印加がなくなると、各梁構造体の復元力によって変位前の位置に復帰する。可動片４ａ〜４ｉおよび固定片６ａ〜６ｉのうち、相互に隣接する可動片および固定片がスイッチを構成している。つまり、相互に隣接する可動片および固定片を１組とした場合に、計７組により、電源Ｅに並列接続されたスイッチＳ１〜Ｓ７が構成されている（図２）。

一側の固定部８の外方には電極パッド１４が設けられており、他側の固定部９の外方には電極パッド１５が設けられている。電極パッド１４は、電極パッド１４ａ〜１４ｇから成り、各電極パッドは固定部８ａ〜８ｇと電気的に接続されている。電極パッド１５は、電極パッド１５ａ〜１５ｇから成り、各電極パッドは固定部９ａ〜９ｇと電気的に接続されている。電極パッド１４ａ〜１４ｇは、ワイヤボンディングなどによって抵抗Ｒ１〜Ｒ７（図２）と電気的に直列接続されている。

つまり、固定片６ａ〜６ｉには、抵抗Ｒ１〜Ｒ７が電気的に直列接続されている。アンカー部１０の近傍には電極パッド１２が設けられており、アンカー部１１の近傍には電極パッド１３が設けられている。電極パッド１２には電源Ｅ（図２）が電気的に接続されており、電極パッド１３には出力端子Ｇｏが電気的に接続されている。

図２に示すように、加速度センサ１は、電源Ｅと、スイッチ回路２１と、信号処理回路２２とを備える。スイッチ回路２１は、電源Ｅおよび出力端子Ｇｏ間に並列接続された７つのスイッチＳ１〜Ｓ７を備えており、信号処理回路２２は、電源Ｅおよび出力端子Ｇｏ間に並列接続された抵抗Ｒ１〜Ｒ７を備える。信号処理回路２２および出力端子Ｇｏ間には、加速度が印加されないときの出力電圧を０Ｖに保つためのプルダウン抵抗Ｒ８が接続されている。可動片が隣接する固定片に接触すると、その可動片および固定片によるスイッチがＯＮし、その固定片に接続された抵抗に電流が流れ、加速度に対応する出力電圧Ｇｏが発生する。

各梁構造体３ａ〜３ｊのバネ定数は、印加される加速度の大きさに応じて、相互に接触する可動片４ａ〜４ｉおよび固定片６ａ〜６ｉの組数（ＯＮするスイッチの数）が異なるように設定される。そして、相互に接触した可動片および固定片は、その固定片に接続された抵抗を介して通電するため、加速度センサ１は、相互に接触した可動片および固定片の組数に応じて異なる電圧を発生する。また、抵抗Ｒ１〜Ｒ７の各抵抗値は、印加される加速度の大きさに応じて出力端子Ｇｏの出力電圧が異なるように設定する。

ここで、各梁構造体のバネ定数と、各可動部の質量と、相互に隣接する可動片および固定片間の間隔とを決定する手法について説明する。
なお、説明を分かり易くするため、図１に示す加速度センサ１の構造を簡略化したモデルを用いて説明する。図３（ａ）は、図１に示す加速度センサ１の構造を簡略化したモデルを加速度方向Ｆ１を下向きにして示す平面図、（ｂ）は（ａ）の模式図である。図４は、図３（ａ）に示すモデルの主な電気的構成を示す回路図である。図５は、図３（ａ）に示すモデルの出力電圧および加速度の関係を示すグラフである。

可動片４ａおよび固定片６ａからなる組をスイッチＳ１、可動片４ｂおよび固定片６ｂからなる組をスイッチＳ２、可動片４ｃおよび固定片６ｃからなる組をスイッチＳ３とする。また、各梁構造体３ｂ〜３ｄのバネ定数をｋ１〜ｋ３、各可動部２ａ〜２ｃの質量（両側面から突出した可動片を含む）をｍ１〜ｍ３、可動片４ａおよび固定片６ａ間の間隔をΔＸ１、可動片４ｂおよび固定片６ｂ間の間隔をΔＸ２、可動片４ｃおよび固定片６ｃ間の間隔をΔＸ３とする。また、加速度をＧ１〜Ｇ３（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３の順に大きくなる）の３段階で検出するものとする。

バネ定数ｋ１〜ｋ３、質量ｍ１〜ｍ３および間隔ΔＸ１〜ΔＸ３は、各加速度Ｇ１〜Ｇ３において異なるスイッチがＯＮするように決定する。たとえば、最小加速度Ｇ１が印加されたときはスイッチＳ３のみがＯＮし、加速度Ｇ２が印加されたときはスイッチＳ３，Ｓ２のみがＯＮし、最大加速度Ｇ３が印加されたときはスイッチＳ３，Ｓ３，Ｓ１がＯＮするように各値を決定する。

バネ定数、質量および間隔の総てが異なるようにする必要はなく、いずれか１つ以上が異なるように決定すれば良い。つまり、各加速度においてＯＮするスイッチの組合せが異なれば良い。
この実施形態では、図３（ａ）に示すモデルでは、梁構造体３ｂ〜３ｄの突出長さＬ１を異ならせることにより、各梁構造体のバネ定数ｋ１〜ｋ３を異ならせている。図示の例において梁構造体３ｂ〜３ｄの各突出長さＬ１は、可動部２ａ，２ｂを連結する梁構造体３ｂが最も短く、可動部２ｃとアンカー部１１とを連結する梁構造体３ｄが最も長い。

つまり、加速度方向Ｆ１の方向を前方とすると、バネ定数は、前方に設けられた梁構造体３ｂのバネ定数ｋ１が最も大きく、後方に設けられた梁構造体３ｄのバネ定数ｋ３が最も小さい。
梁構造体のバネ定数は、図１の梁構造体３ｄ，３ｇに示すように、梁構造体の突出長さに加えて梁構造体の構造を他の梁構造体と変えることにより、異ならせることもできる。

固定部８ａ〜８ｃに電気的に接続された抵抗Ｒ１〜Ｒ３の各抵抗値は、印加される加速度の大きさに応じて出力端子Ｇｏの出力電圧が異なるように設定する。たとえば、電源Ｅの電圧Ｖ１が６Ｖであり、０〜６Ｇの加速度を２Ｇ刻みで検出したいとする。この場合、加速度２Ｇを検出したときにスイッチＳ１が、加速度４Ｇを検出したときにスイッチＳ２が、加速度６Ｇを検出したときにスイッチＳ３がそれぞれＯＮするように抵抗Ｒ１〜Ｒ３の各抵抗値を設定する。本例の場合は、抵抗Ｒ１を２Ω、抵抗Ｒ２を（２／３）Ω、抵抗Ｒ３を０Ωにそれぞれ設定する。

このように抵抗Ｒ１〜Ｒ３の各抵抗値を設定することにより、図５に示すように、出力電圧Ｇｏは、２Ｇの加速度が印加されたときは２Ｖになり、４Ｇの加速度が印加されたときは４Ｖになり、６Ｇの加速度が印加されたときは６Ｖになる。つまり、３段階の加速度に対して３段階の電圧を出力することができるため、加速度を３段階に分けて検出することができる。

また、特定の範囲の加速度を検出するための可動片および固定片の組数を、特定の範囲外の加速度を検出するための可動片および固定片の組数よりも多くすることにより、特定の範囲の加速度の検出精度を高めることもできる。たとえば、梁構造体のバネ定数、可動部の質量および可動片・固定片間の間隔の１つ以上を調整することにより、特定の範囲の加速度に対しては、より多段階でスイッチがＯＮするようにする。

図６は、出力電圧および加速度の関係を示すグラフである。図示の例は、加速度Ｇ１〜Ｇ２の範囲よりも加速度Ｇ３〜Ｇ６の範囲を高精度で検出しようとするものである。このため、加速度Ｇ１〜Ｇ２の範囲における加速度の検出幅に対して加速度Ｇ３〜Ｇ６の範囲における加速度の検出幅が小さく設定されている。そして、出力電圧は、加速度の増加に対応して高くなるように設定されており、加速度Ｇ１〜Ｇ２に対しては電圧Ｖ１〜Ｖ２が出力され、加速度Ｇ３〜Ｇ６に対しては電圧Ｖ１〜Ｖ２よりも上昇幅の小さい電圧Ｖ３〜Ｖ６が出力される。

このように、加速度Ｇ１〜Ｇ２の範囲よりも加速度Ｇ３〜Ｇ６の範囲を高精度で検出する場合は、梁構造体のバネ定数、可動部の質量および可動片・固定片間の間隔の１つ以上を調整し、加速度Ｇ３〜Ｇ６の範囲でＶ３〜Ｖ６の電圧が出力されるように構成する。
たとえば、加速度センサ１を車両の衝突時の加速度検出用に用いれば、衝突したときにエアバッグを作動させるトリガーとなる加速度近傍の範囲を高精度で検出できるため、エアバッグの作動を高精度で制御することができる。

［第１実施形態の効果］
（１）上述した第１実施形態に係る加速度センサ１を実施すれば、加速度の印加に応じて可動部２が変位したときに相互に接触する可動片４ａ〜４ｉおよび固定片６ａ〜６ｉの組数に応じて異なる電圧を出力することができるため、従来のように静電容量を電圧に変換するＣＶ変換回路およびローパスフィルタが不要である。
したがって、加速度センサを小型化することができる。

（２）また、可動片４ａ〜４ｉおよび固定片６ａ〜６ｉは、それぞれＰ型またはＮ型のシリコン層を加工して形成された半導体であるため、相互に接触した可動片および固定片を電気的に接続することができる。
したがって、相互に隣接する可動片および固定片をスイッチＳ１〜Ｓ７として機能させることができる。

（３）さらに、ＳＯＩ基板２０の表面のシリコン層を加工することにより可動部２、アンカー部１０，１１、可動片４，５、固定片６，７および固定部８，９を形成することができる。
したがって、１枚のＳＯＩ基板２０から加速度センサ１を製造することができ、従来のように３枚の異なるシリコンウェハから製造する必要がないので、加速度センサの製造効率を高めることができる。

（４）さらに、梁構造体３ａ〜３ｊのバネ定数、可動部２ａ〜２ｇおよび可動片４，５の質量、相互に隣接する可動片および固定片間の間隔のいずれか１つ以上を調整することにより、印加される加速度に応じてＯＮするスイッチＳ１〜Ｓ７を異ならせ、出力電圧を異ならせることができるため、加速度を多段階で検出することができる。

〈第２実施形態〉
次に、この発明の第２実施形態について説明する。図７は、この実施形態に係る加速度センサの一部を示す平面図である。なお、この実施形態に係る加速度センサは、各可動片の一部の形状が異なる以外は、第１実施形態に係る加速度センサ１と同じ構成および機能であるため、同じ部分の説明を省略する。

この実施形態に係る加速度センサの各可動片には、相互に隣接する固定片と対向する部分に突起部が形成されており、その突起部を介して相互に接触可能に構成されている。図７に示す例では、可動片４ａには、隣接する固定片６ａと対向する部分に突起部４ｊが形成されている。このように各可動片に突起部を形成することにより、可動片および固定片が接触するときの接触面積を小さくすることができるため、加速度の印加が無くなったときに可動片および固定片が密着して離れなくなるという現象が起きないようにすることができる。

したがって、可動片および固定片が密着して離れなくなることにより、スイッチがＯＮした状態が維持されてしまい、出力電圧Ｇｏに誤差が発生するような事態を回避することができる。
なお、各可動片に突起部を形成するのではなく、固定片に突起部を形成しても良い。

〈第３実施形態〉
次に、この発明の第３実施形態について説明する。図８は、この実施形態に係る加速度センサの一部を示す平面図である。

この実施形態に係る加速度センサの各固定片には、固定片の変位を検出するピエゾ抵抗がそれぞれ形成されている。また、各ピエゾ抵抗素子の両端には、ピエゾ抵抗の抵抗値の変化を検出するための一対の電極（図示省略）が形成されている。図８に示す例では、固定片６ａの根元（基部）にピエゾ抵抗８ｈが形成されている。可動片４ａが固定片６ａに接触すると、その接触により固定片６ａの根元に発生した応力がピエゾ抵抗８ｈに伝達され、ピエゾ抵抗８ｈの抵抗値が変化する。この抵抗値の変化を検出することにより、可動片４ａおよび固定片６ａが相互に接触したことを検出し、加速度を検出することができる。

つまり、各固定片に形成されたピエゾ抵抗が第１実施形態のスイッチＳ１〜Ｓ７および抵抗Ｒ１〜Ｒ７の役割をすることができる。このように、この実施形態に係る加速度センサは、信号処理回路に抵抗Ｒ１〜Ｒ７を設ける必要がないため、より一層小型化することができる。また、各可動片は、各固定片に応力を発生させ、ピエゾ抵抗の抵抗値を変化させるだけの役割であるため、各可動片に電流を流す必要がない。

また、ＳＯＩ基板表面の不純物を含むシリコン層を加工することにより可動部２、各可動片４，５、各固定片６，７および各ピエゾ抵抗を形成することができる。
したがって、１枚のＳＯＩ基板２０から加速度センサを製造することができ、従来のように３枚の異なるシリコンウェハから製造する必要がないので、加速度センサの製造効率を高めることができる。

〈その他の実施形態〉
（１）第１実施形態に係る加速度センサ１の信号処理回路２２に設けられた抵抗Ｒ１〜Ｒ７をＳＯＩ基板２０のシリコン層に形成することもできる。たとえば、シリコン層に注入または拡散する不純物の量を制御することにより、各抵抗を形成することができる。また、各抵抗を各固定部８ａ〜８ｇに作り込むこともできる。
この構造を用いれば、信号処理回路２２の面積を小さくすることができるので、加速度センサ１をより一層小型化することができる。

（２）各固定片のうち接触した可動片によって応力が発生する部位に圧電素子を形成し、各圧電素子が発生する電圧の変化を検出することにより、可動片および固定片が相互に接触したことを検出し、加速度を検出することもできる。圧電素子は、シリコン層上に圧電膜および電極膜を積層して形成することができる。電極膜は、アルミニウムやニッケルなどにより形成することができる。また、圧電膜は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）やチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの材料を用い、スパッタリングや蒸着などにより成膜することができる。

つまり、各圧電素子が第１実施形態のスイッチＳ１〜Ｓ７の役割をすることができる。また、各可動片は、各圧電素子に圧電効果を発生させるだけの役割であるため、各可動片に電流を流す必要がない。

また、ＳＯＩ基板表面の不純物を含むシリコン層を加工することにより可動部２、各可動片４，５、各固定片６，７および各圧電素子を形成することができる。
したがって、１枚のＳＯＩ基板２０から加速度センサを製造することができ、従来のように３枚の異なるシリコンウェハから製造する必要がないので、加速度センサの製造効率を高めることができる。

（３）各可動片および固定片は、導電性を有すれば、半導体材料以外の材料により形成することもできる。また、各可動片および固定片を非導電性材料によって形成し、相互に接触した可動片および固定片が電気的に接続されるように、各可動片および固定片の表面および壁面に電極パターンを形成する構造でもよい。

（４）加速度方向Ｆ１と１８０°異なる加速度方向の加速度が印加されたときに相互に接触する可動片５ａ〜５ｉおよび固定片７ａ〜７ｉの組数に応じて異なる電圧を出力するように構成することもできる。この場合、固定部９ａ〜９ｇを各電極パッド１５ａ〜１５ｇと電気的に接続し、各電極パッド１５ａ〜１５ｇをワイヤボンディングなどによって抵抗Ｒ１〜Ｒ７と電気的に直列接続する。

この発明に係る力学量センサは、前述した加速度センサの他、ヨーレートセンサや角速度センサなどにも適用することができる。

１・・加速度センサ（力学量センサ）、２・・可動部、
３・・梁構造体（バネ性部材）、４，５・・可動片、６，７・・固定片、
８，９・・固定部、１０，１１・・アンカー部、１２〜１５・・電極パッド、
２０・・ＳＯＩ基板。

Claims (15)

1. 基板と、
   前記基板に支持されており、検出対象の力学量の印加に応じて前記基板の基板面と平行に変位する可動部と、
   前記可動部のうち変位方向に沿った両側面から櫛歯状に突出形成された複数の可動片と、
   隣接する可動片との間に空間が形成されるように各可動片間に固定して配置されており、相互に絶縁された複数の固定片とを備えており、
   相互に隣接する可動片および固定片の各組により、電源に並列接続された複数のスイッチが構成されており、
   前記力学量の印加に応じて前記可動部が変位したときに相互に接触する可動片および固定片の組数が前記力学量の大きさに応じて異なり、かつ、前記組数に応じて異なる電圧を発生するように構成されたことを特徴とする力学量センサ。
2. 前記複数の固定片には、それぞれ抵抗が直列接続されていることを特徴とする請求項１に記載の力学量センサ。
3. 前記複数の可動片および固定片は、それぞれ半導体であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の力学量センサ。
4. 前記半導体は、不純物を含むシリコンであることを特徴とする請求項３に記載の力学量センサ。
5. 前記基板はＳＯＩ基板であり、そのＳＯＩ基板表面の不純物を含むシリコン層を加工することにより前記可動部、複数の可動片および固定片が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の力学量センサ。
6. 前記基板はＳＯＩ基板であり、そのＳＯＩ基板表面の不純物を含むシリコン層を加工することにより前記可動部、複数の可動片、複数の固定片および各抵抗が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の力学量センサ。
7. 前記複数の固定片は、それぞれ不純物を含むシリコンによって形成されており、かつ、各固定片のうち接触した可動片によって応力が発生する部位にピエゾ抵抗がそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１に記載の力学量センサ。
8. 前記基板はＳＯＩ基板であり、そのＳＯＩ基板表面の不純物を含むシリコン層を加工することにより前記可動部、前記複数の可動片、複数の固定片および各ピエゾ抵抗が形成されていることを特徴とする請求項７に記載の力学量センサ。
9. 前記複数の固定片は、それぞれ不純物を含むシリコンにより形成されており、かつ、各固定片のうち接触した可動片によって応力が発生する部位に圧電素子がそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１に記載の力学量センサ。
10. 前記基板はＳＯＩ基板であり、そのＳＯＩ基板表面の不純物を含むシリコン層を加工することにより前記可動部、複数の可動片、複数の固定片および各圧電素子が形成されていることを特徴とする請求項９に記載の力学量センサ。
11. 前記力学量の印加に応じて前記可動部が変位したときに相互に接触する可動片および固定片の組数が前記力学量の大きさに応じて異なるように、各組の可動片および固定片間の間隔が設定されていることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１つに記載の力学量センサ。
12. 前記力学量の印加に応じて前記可動部が変位したときに相互に接触する可動片および固定片の組数が前記力学量の大きさに応じて異なるように、前記可動部はそれぞれバネ定数が異なる複数のバネ性部材を介して変位方向に複数に分割されており、各可動片は、それぞれ分割された可動部に配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか１つに記載の力学量センサ。
13. 前記複数のバネ性部材は、前記可動部の両側面から前記可動片と同じ方向に突出形成された梁構造体であることを特徴とする請求項１２に記載の力学量センサ。
14. 特定の範囲の力学量を検出するための可動片および固定片の組数は、前記特定の範囲外の力学量を検出するための可動片および固定片の組数よりも多いことを特徴とする請求項１ないし請求項１３のいずれか１つに記載の力学量センサ。
15. 前記相互に隣接する可動片および固定片は、一方に設けられた突起部を介して相互に接触可能であることを特徴とする請求項１ないし請求項１４のいずれか１つに記載の力学量センサ。

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