JP2012073049A

JP2012073049A - 加速度センサ及び加速度センサシステム

Info

Publication number: JP2012073049A
Application number: JP2010216495A
Authority: JP
Inventors: Nobuaki Konno; 伸顕紺野; Yoshiaki Hirata; 善明平田; Yasuhiko Ito; 恭彦伊藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-09-28
Filing date: 2010-09-28
Publication date: 2012-04-12

Abstract

【課題】従来に比べて出力精度の向上を図ることのできる加速度センサ、及び該加速度センサを備えた加速度センサシステムを提供する。
【解決手段】ＭＥＭＳ技術で形成される静電容量型の加速度センサであって、基板１と、基板に対向して配置された検出フレーム２１，２２と、基板に対向して配置された慣性質量体５と、検出フレームに対向し基板に配置される検出電極４１、４２とを備え、さらに、検出電極に隣接して基板上に設けられ検出電極の出力値を補正するための補正電極１０１，１０２を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、加速度センサに関し、特に静電容量型の加速度センサに関する。また、本発明は、そのような加速度センサを備えた加速度センサシステムに関する。

半導体基板に形成される加速度センサで基板厚み方向の加速度を検出する従来の加速度センサにおいて、その加速度検出の原理の一つとして、加速度にともなう静電容量の変化を検出する方法がある。この方法による加速度センサの主な構成部分として、例えば、撓み部と、重りと、エレメントと、検知電極とを有する加速度センサ（加速度感知運動変換機）が知られている（例えば、特開平５−１３３９７６号公報（特許文献１）参照）。

この特許文献１に記載される加速度感知運動変換機（加速度センサ）では、撓み部を回転軸として、半導体基板に回転可能に支持された一つのエレメントが備わり、このエレメントの一方端部上には、重りが設けられている。また、エレメントの回転変位を検出するための検知電極がエレメントの下方で半導体基板に設けられている。

このように構成された加速度感知運動変換機に対して基板厚み方向の加速度が作用すると、重りには基板厚み方向の慣性力が作用する。重りは、一方端部上、すなわち上記回転軸から基板面内方向にずれた位置に設けられているため、この慣性力は、撓み部周りのトルクとしてエレメントに作用する。この結果、エレメントは、撓み部を回転軸として回転変位する。

この回転変位により、エレメントと検知電極との距離が変化するので、エレメントと検知電極とにより形成されているコンデンサの静電容量が変化する。この静電容量変化から加速度が測定される。

また、上記重りに相当する慣性質量体、上記エレメントに相当する検出フレームを有し、慣性質量体を検出フレーム上ではなく、検出フレームと同一平面に配置するように、慣性質量体と検出フレームとをリンク梁で接続した、静電容量型の加速度センサも知られている（例えば、特開２００８−１３９２８２号公報（特許文献２）参照）。このような構成を採ることで、製造プロセスが簡略化される。また、この加速度センサでは、複数の検出フレームが互いに逆向きに回転変位する場合にのみ感受性が高くなるように、検出電極は設けられている。

このような構成により、特許文献２の加速度センサでは、検出対象ではない方向の加速度に対する感度は抑制され、かつ角速度及び角加速度の影響を受けにくくすることができる。すなわち、特許文献２の加速度センサでは、検出フレームを複数用いることにより、加速度の測定精度を向上させている。

特開平５−１３３９７６号公報特開２００８−１３９２８２号公報

上述したような従来の加速度センサにおいて、経時変化及び温度変化により、基板に反りが発生する場合がある。このような反りが生じることで、検出フレームと検出電極との間の距離に変化が生じ、これにより加速度センサの出力に誤差が発生することがある。

しかしながら従来の加速度センサでは、センサ特性の変化が加速度センサ自体の物理的変化に起因するにもかかわらず、これを補償するための手段が加速度センサそのものには設けていない。そして、加速度センサの外部に設けた抵抗等の電気的手段を用いて、加速度センサの出力を補正する方法が採られていた。したがって、加速度の検出精度は、必ずしも良好ではなかった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、従来に比べて検出精度の向上を図ることのできる加速度センサを提供すること、及びそのような加速度センサを備えた加速度センサシステムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様における加速度センサは、ＭＥＭＳ技術により形成される加速度センサであり、基板と、第１及び第２の検出フレームと、上記基板上に配置され上記第１及び第２の検出フレームと連結され上記基板の厚み方向に変位可能な慣性質量体と、上記第１及び第２の検出フレームのそれぞれと対向して上記基板上に形成され、上記基板に対する上記第１及び第２の検出フレームの角度を静電容量により検出するための複数の検出電極とを備え、上記第１検出フレームは、上記基板に支持された第１ねじれ軸の周りにねじれる第１ねじれ梁を介して上記基板に対して揺動可能に支持され、かつ第１リンク梁にて上記慣性質量体に連結され、上記第１リンク梁は、上記第１検出フレームの一方端部側に向かう第１方向へ上記第１ねじれ軸を平行移動した軸上に位置し、上記第２検出フレームは、上記基板に支持された第２ねじれ軸の周りにねじれる第２ねじれ梁を介して上記基板に対して揺動可能に支持され、かつ第２リンク梁にて上記慣性質量体に連結され、上記第２リンク梁は、上記第１方向とは反対の方向へ上記第２ねじれ軸を平行移動した軸上に位置する。このような加速度センサにおいて、上記検出電極に隣接して上記基板上に形成され、上記検出電極の出力値を補正するための複数の補正電極をさらに備えたことを特徴とする。

本発明の一態様における加速度センサによれば、第１及び第２の検出フレームと対向するように基板上に検出電極と補正電極とを隣接して配置している。よって、検出電極による加速度検出、及び補正電極による補正用の検出は、共に静電容量を利用するものであり、かつ、検出電極と補正電極とが近接して配置されていることから、例えば温度変化や経時変化による加速度センサにおける物理的な変形傾向は、両者で同一となる。したがって、従来のように、加速度検出と、検出値の補正とが別の方法で行われる場合と比較して、格段に高い補償精度を得ることが可能である。

また、補正電極に電圧を印加した場合の、検出電極からの検出容量を測定することで、加速度センサにおける温度補正が可能となる。よって、例えば外部抵抗などによる付加的な温度補正を行う必要はなく、また、補正用に温度測定を行う必要もない。

図１は、本発明の実施の形態１における加速度センサの構成を概略的に示す平面図である。図２は、図１に示すＩＩ−ＩＩ部に沿った概略的な断面図である。図１に示す加速度センサに対して基板の厚み方向に沿って上方向に加速度が加えられたときの状態を概略的に示す断面図である。図１に示す加速度センサの第１及び第２検出フレームと、検出電極とにより形成されるコンデンサの電気的接続を説明する回路図である。図１に示す加速度センサの慣性質量体の重心にＸ軸周りの負の角加速度が加えられた状態を概略的に示す断面図である。図１に示す加速度センサの慣性質量体の重心においてＸ軸周りの負の角加速度が加えられた状態を概略的に示す断面図である。図１に示す加速度センサの慣性質量体の重心にＺ軸方向の正の成分とＹ軸方向の負の成分とを有する角速度が加えられた状態を示す。図１に示す加速度センサの慣性質量体の重心においてＺ軸方向の正の成分とＹ軸方向の負の成分とを有する角速度が加えられた状態を概略的に示す断面図である。図１に示す加速度センサの製造方法の第１工程を示す概略的な断面図である。図１に示す加速度センサの製造方法の第２工程を示す概略的な断面図である。図１に示す加速度センサの製造方法の第３工程を示す概略的な断面図である。図１に示す加速度センサの製造方法の第４工程を示す概略的な断面図である。図１に示す加速度センサの製造方法の第５工程を示す概略的な断面図である。図１に示す加速度センサに対して温度変化が作用した場合の加速度センサの状態を概略的に示す断面図である。図１に示す加速度センサにおける感度出力を説明するための図であり、（ａ）は検出フレームと検出電極との間の距離が初期状態の場合を示し、（ｂ）は距離が変動した状態を示す。図１に示す加速度センサにおける感度出力を説明するためのグラフであり、（ａ）は検出フレームと検出電極との間の距離と感度Ｓ１との関係を示すグラフであり、（ｂ）は距離と、補正電極に電圧を印加した状態での感度Ｓ２との関係を示すグラフであり、（ｃ）は感度Ｓ１と感度Ｓ２との関係を示すグラフである。本発明の実施の形態２における加速度センサシステムにおける周波数特性を示すグラフであり、（ａ）は検出フレームにおける周波数と感度Ｓ１との関係を示すグラフであり、（ｂ）は検出フレームにおける周波数と感度Ｓ２との関係を示すグラフである。本発明の実施の形態３における加速度センサシステムにおける感度と補正感度との関係を示すグラフであり、（ａ）は感度Ｓ１と感度Ｓ２との関係を示すグラフであり、（ｂ）は変曲点のずれ量と出力オフセットとの関係を示すグラフである。本発明の実施の形態における加速度センサシステムの構成を示すブロック図である。

本発明の実施形態である加速度センサ、及び該加速度センサを備えた加速度センサシステムについて、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。

実施の形態１．
最初に、本実施の形態の加速度センサの主要構成について説明する。尚、説明の便宜上、互いに直交する座標軸Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を導入する。図１において、Ｘ軸は横方向に沿う右方向が正の向きの軸であり、Ｙ軸は縦方向に沿う上方向が正の向きの軸であり、Ｚ軸は紙面に垂直で紙面の上方が正の向きの軸である。ここでＺ軸の方向は、本実施の形態の加速度センサに備わる、以下に説明する、基板の厚み方向に相当し、当該加速度センサが測定対象とする加速度方向に一致する。よって、Ｘ軸及びＹ軸は、Ｚ軸に直交する基板平面に沿った軸となる。

図１及び図２を参照して、本実施の形態の加速度センサ３０１は、主に、基板１と、第１及び第２ねじれ梁１１、１２と、第１及び第２検出フレーム２１、２２と、複数の検出電極４０と、複数の補正電極１００と、第１及び第２リンク梁３１、３２と、慣性質量体２とを有している。また、後述の製造方法からも明らかなように、本実施形態において加速度センサ３０１は、いわゆるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により形成される。

基板１としては、本実施形態では半導体基板として例えばシリコン基板を用いるが、シリコン基板に限定するものではなく、例えばガラス基板や有機材料基板等を用いることもできる。また、第１及び第２ねじれ梁１１、１２、第１及び第２検出フレーム２１、２２、第１及び第２リンク梁３１、３２、慣性質量体２、検出電極４０及び補正電極１０、アクチュエーション電極５の材質としては、ポリシリコン膜を用いることができる。このポリシリコン膜は、低応力であり、かつ厚さ方向に応力分布がないことが望ましい。

第１ねじれ梁１１、１１は、Ｘ軸に沿った第１ねじれ軸Ｔ１の周りにねじれることができる、第１ねじれ軸Ｔ１に沿って延在する短冊状の梁であり、基板１に立設したアンカー９１に、第１ねじれ梁１１、１１の各一端が接続され支持されている。第１ねじれ梁１１、１１の各他端は、第１検出フレーム２１に接続される。

第１検出フレーム２１は、第１ねじれ軸Ｔ１を中心に回転可能なようにして、第１ねじれ梁１１、１１、及びアンカー９１を介して基板１に支持されている。また、第１検出フレーム２１は、少なくともその一部が導電性を有している。また、第１ねじれ梁１１、１１は、第１検出フレーム２１のＹ軸方向における中央部に位置する。

第２ねじれ梁１２、１２は、Ｘ軸に沿った第２ねじれ軸Ｔ２の周りにねじれることができる、第２ねじれ軸Ｔ２に沿って延在する短冊状の梁であり、基板１に立設したアンカー９２に、第２ねじれ梁１２、１２の各一端が接続され支持されている。第２ねじれ梁１２、１２の各他端は、第２検出フレーム２２に接続される。

第２検出フレーム２２は、第２ねじれ軸Ｔ２を中心に回転可能なようにして、第２ねじれ梁１２、１２、及びアンカー９２を介して基板１に支持されている。また、第２検出フレーム２２は、少なくともその一部が導電性を有している。また、第２ねじれ梁１２、１２は、第２検出フレーム２２のＹ軸方向における中央部に位置する。

複数の検出電極４０及び補正電極１００は、基板１に対する第１及び第２の検出フレーム２１及び２２の角度を静電容量により検出することができるように、第１及び第２検出フレーム２１、２２のそれぞれと対向するように基板１上に絶縁膜３を介して形成されている。なお、絶縁膜３としては、低応力の窒化シリコン膜やシリコン酸化膜が好適である。

第１リンク梁３１、３１は、短冊状であり、それぞれの一端を第１検出フレーム２１に他端を下記の慣性質量体２に接続した梁であり、第１ねじれ軸Ｔ１と交差しかつ第１検出フレーム２１の一方端部側に向かう第１方向にオフセットｅ１だけ第１ねじれ軸Ｔ１を平行移動した軸Ｌ１上においてＸ軸に沿って延在する。すなわち、オフセットｅ１の絶対値は、第１ねじれ軸Ｔ１と軸Ｌ１との間の寸法であり、その向きは、第１ねじれ軸Ｔ１と交差して第１ねじれ軸Ｔ１から軸Ｌ１へ向かう第１方向である。

第２リンク梁３２、３２は、短冊状であり、それぞれの一端を第２検出フレーム２２に他端を下記の慣性質量体２に接続した梁であり、上記第１方向と反対方向、すなわちオフセットｅ１の方向と反対方向のオフセットｅ２だけ第２ねじれ軸Ｔ２を平行にずらした軸Ｌ２上においてＸ軸に沿って延在する。すなわち、オフセットｅ２の絶対値は、第２ねじれ軸Ｔ２と軸Ｌ２との間の寸法であり、その向きは、オフセットｅ１と反対方向である。

慣性質量体２は、第１及び第２検出フレーム２１、２２の周囲に沿って延在する枠形状の部材であり、第１及び第２リンク梁３１、３２のそれぞれにより第１及び第２検出フレーム２１、２２の各々に連結されることにより、基板１上で基板１の厚み方向に変位可能に支持されている。

次に、上記の検出電極４０の構成の詳細と、この検出電極４０により第１及び第２検出フレーム２１、２２のそれぞれの基板１に対する角度を検出することができる原理について説明する。

検出電極４０は、第１検出フレーム２１と対向する第１検出電極４１を有している。この第１検出電極４１は、Ｙ軸方向において第１ねじれ軸Ｔ１を挟むように配置された第１検出電極４１ａと第１検出電極４１ｂとを有している。第１検出電極４１ａは、加速度センサの外周側（図１上側）に位置しており、第１検出電極４１ｂは、加速度センサの内周側（図２中央側）に位置している。

第１検出フレーム２１が第１ねじれ梁１１、１１により第１ねじれ軸Ｔ１の周りに回転された場合、第１検出フレーム２１の裏面（第１検出電極４１と対向する面）は、第１検出電極４１ａ、４１ｂの一方に接近するとともに、他方から遠ざかる。このため、第１検出フレーム２１が第１検出電極４１ａと対向することで生じている静電容量と、第１検出フレーム２１が第１検出電極４１ｂと対向することで形成している静電容量との差分を検出することにより、第１検出フレーム２１の基板１に対する角度を検出することができる。

また検出電極４０は、第２検出フレーム２２と対向する第２検出電極４２を有している。この第２検出電極４２は、Ｙ軸方向において第２ねじれ軸Ｔ２を挟むように第２検出電極４２ａと４２ｂとを有している。第２検出電極４２ａは、加速度センサの外周側（図１下側）に位置しており、第２検出電極４２ｂは、加速度センサの内周側（図１中央側）に位置している。

第２検出フレーム２２が第２ねじれ梁１２、１２により第２ねじれ軸Ｔ２の周りに回転された場合、第２検出フレーム２２の裏面（検出電極４２と対向する面）は、第２検出電極４２ａ、４２ｂの一方に接近するとともに、他方から遠ざかる。このため、第２検出フレーム２２が第２検出電極４２ａと対向することで生じている静電容量と、第２検出フレーム２２が第２検出電極４２ｂと対向することで形成している静電容量との差分を検出することにより、第２検出フレーム２２の基板１に対する角度を検出することができる。

好ましくは、第１及び第２ねじれ梁１１、１２と、第１及び第２リンク梁３１、３２とは、オフセットｅ１とｅ２とが逆向きに等量となるように配置されている。

さらに好ましくは、加速度センサ３０１の平面レイアウトは、第１及び第２ねじれ軸Ｔ１、Ｔ２と平行な方向に延びる中心線Ｂに対して線対称な構造を有しており、慣性質量体２の重心Ｇは中心線Ｂ上に位置する。

また、加速度センサ３０１の平面レイアウトは、第１及び第２ねじれ軸Ｔ１、Ｔ２と交差する方向に延びる中心線Ａに対して線対称な構造を有しており、慣性質量体２の重心Ｇは中心線Ａ上に位置する。

補正電極１００は、第１検出フレーム２１と対向する第１補正電極１０１と、第２検出フレーム２２と対向する第２補正電極１０２とを有し、それぞれ検出電極４０に近接して基板１に配置されている。具体的には、Ｘ軸方向において第１検出電極４１ａの両隣に第１補正電極１０１ａ，１０１ａを配置し、Ｘ軸方向において第１検出電極４１ｂの両隣に第１補正電極１０１ｂ，１０１ｂを配置する。同様に、Ｘ軸方向において第２検出電極４２ａの両隣に第２補正電極１０２ａ，１０２ａを配置し、Ｘ軸方向において第２検出電極４２ｂの両隣に第２補正電極１０２ｂ，１０２ｂをそれぞれ配置している。

補正電極１０１ａで形成される静電容量Ｃ１０１ａ、補正電極１０１ｂで形成される静電容量Ｃ１０１ｂ、補正電極１０２ａで形成される静電容量Ｃ１０２ａ、補正電極１０２ｂで形成される静電容量Ｃ１０２ｂに電圧を印加することで、慣性質量体２を変位させることができる。尚、検出電極４０と、補正電極１００との間に電気的接続関係はない。

アクチュエーション電極５は、慣性質量体２に対向して基板１に枠形状に設けられる電極であり、電圧が印加されることで、慣性質量体２を基板１側へ引っ張る静電気力を発生する。このように慣性質量体２を強制的に変位させることで、当該加速度センサ３０１に実際に加速度を作用させることなく、センサ故障の有無を自己診断することが可能となる。

以上のように構成される本実施の形態の加速度センサ３０１の加速度の測定原理について説明する。
図３は、本発明の実施の形態１における加速度センサ３０１に対して基板１の厚み方向、つまりＺ軸方向に沿った上方向に加速度が加えられた際の様子を概略的に示す断面図である。尚、図３の断面位置は、図２と同一である。また図３においては図を見易くするためにアンカー９１、９２は、図示していない。

図３を参照して、基板１の厚み方向に沿った上方向、すなわちＺ軸の正方向（図中上方向）の加速度ａｚが加速度センサ３０１に加わると、慣性質量体２は、慣性力により初期位置（図中破線で示す位置）からＺ軸の負方向（図中下方向）に沈み込むように変位する。慣性質量体２と連結されている第１及び第２リンク梁３１、３２も、慣性質量体２と一体となってＺ軸の負方向（図中下方向）に変位する。

第１リンク梁３１の変位により、第１検出フレーム２１は、軸Ｌ１の部分でＺ軸の負方向（図中下方向）への力を受ける。この軸Ｌ１は、第１ねじれ軸Ｔｌからオフセットｅ１だけ平行移動された位置にあるため、第１検出フレーム２１にはトルクが作用する。この結果、第１検出フレーム２１は、第１ねじれ梁１１、１１により第１ねじれ軸Ｔ１の周りに回転変位する。

またこれと同様に、第２リンク梁３２の変位により、第２検出フレーム２２は、軸Ｌ２の部分でＺ軸の負方向（図中下方向）への力を受ける。この軸Ｌ２は、第２ねじれ軸Ｔ２からオフセットｅ２だけ平行移動された位置にあるため、第２検出フレーム２２にはトルクが作用する。この結果、第２検出フレーム２２は、第２ねじれ梁１２、１２により第２ねじれ軸Ｔ２の周りに回転変位する。

オフセットｅ１とオフセットｅ２とは相互に反対向きであるため、第１検出フレーム２１と第２検出フレーム２２とは逆向きに回転する。すなわち、第１検出フレーム２１の上面は、加速度センサ３０１の一方端部側（図３の右側）を向き、第２検出フレーム２２の上面は、加速度センサ３０１の他方端部側（図３の左側）を向くように、第１及び第２検出フレーム２１、２２が回転変位する。

この回転変位にともない、第１検出フレーム２１と第１検出電極４１ａとにより構成されるコンデンサＣ１ａの静電容量Ｑ１ａが増大し、第１検出フレーム２１と第１検出電極４１ｂとにより構成されるコンデンサＣ１ｂの静電容量Ｑ１ｂは減少する。また、第２検出フレーム２２と検出電極４２ａとにより構成されるコンデンサＣ２ａの静電容量Ｑ２ａは増大し、第２検出フレーム２２と検出電極４２ｂとにより構成されるコンデンサＣ２ｂの静電容量Ｑ２ｂが減少する。

図４を参照して、コンデンサＣ１ａとＣ２ａとが並列接続され、コンデンサＣ１ｂとＣ２ｂとが並列接続されている。そして、これら２つの並列接続された部分がさらに直列に接続されている。このように形成された回路のコンデンサＣ１ａ、Ｃ２ａ側の端部には一定電位Ｖdが印加され、コンデンサＣ１ｂ、Ｃ２ｂ側の端部は接地されている。また、上記直列接続部には端子が設けられており、この端子の出力電位Ｖoutを測定することができる。この出力電位Ｖoutは、下記の値となる。

一定電位Ｖdは一定値であることから、出力電位Ｖoutを測定することにより、

の値を知ることができる。

この式（２）の値は、図３のように慣性質量体２が基板１側へ沈み込んだ場合は減少する。また加速度センサ３０１に対して、加速度ａｚ（図３）と逆方向の加速度が加わった場合には、慣性質量体２は、基板１の厚み方向の上方（基板１から離れる方向）に変位し、式（２）の値は増大する。よって、出力電位Ｖoutを測定することにより、基板１の厚み方向における慣性質量体２の変位方向を検出することができ、この検出結果によりＺ軸方向の加速度ａｚを検知することができる。

次に、本実施の形態の加速度センサ３０１に対してＺ方向の加速度以外の運動が加わった場合の例について説明する。
図５及び図６は、加速度センサ３０１対して慣性質量体２の重心Ｇの周りにＸ軸方向の負の角加速度が加えられた状態を概略的に示す断面図であり、断面位置は図２と同一である。尚、図５では、図を見易くするために、第１及び第２検出フレーム２１、２２と、アンカー９１、９２と、検出電極４０とは、図示を省略している。また、図６では、アンカー９１、９２の図示を省略している。

図５を参照して、慣性質量体２は、重心Ｇ周りにＸ軸方向の負の角加速度ａωを受けると、慣性モーメントのために初期位置（図中破線の位置）から角加速度ａωと逆向き（図中矢印Ｒの向き）に回転変位して傾斜する。

図６を参照して、この慣性質量体２の傾斜にともない、第１検出フレーム２１は、第１リンク梁３１の軸Ｌ１の部分で持ち上げられ、第１ねじれ軸Ｔ１を中心に回転される。また、第２検出フレーム２２は、第２リンク梁３２の軸Ｌ２の部分で押し下げられて、第２ねじれ軸Ｔ２を中心に回転される。

この第１及び第２検出フレーム２１、２２の回転にともない、第１検出フレーム２１と第１検出電極４１ａとにより構成されるコンデンサＣ１ａの静電容量Ｑ１ａが減少し、第１検出フレーム２１と第１検出電極４１ｂとにより構成されるコンデンサＣ１ｂの静電容量Ｑ１ｂが増大する。また、第２検出フレーム２２と第２検出電極４２ａとにより構成されるコンデンサＣ２ａの静電容量Ｑ２ａが増大し、第２検出フレーム２２と第２検出電極４２ｂとにより構成されるコンデンサＣ２ｂの静電容量Ｑ２ｂが減少する。

式（２）を参照して、上述の静電容量変化が生じた場合、左辺分母において静電容量Ｑ１ａの減少と静電容量Ｑ２ａの増大とが相殺され、かつ左辺分子において静電容量Ｑ１ｂの増大と静電容量Ｑ２ｂの減少とが相殺される。このため、この角加速度ａωが出力電位Ｖoutに対して及ぼす影響は抑制される。

図７は、加速度センサ３０１に対して慣性質量体２の重心Ｇの周りにＺ軸方向の正の成分とＹ軸方向の負の成分とを有する角速度が加えられた状態を示す。尚、図７では、図を見易くするために、第１及び第２検出フレーム２１、２２と、アンカー９１、９２と、検出電極４０との図示が省略されている。

図７を参照して、角速度ωの回転にともなう遠心力ｆｃが慣性質量体２に作用する。このため、慣性質量体２は、初期位置（図中破線の位置）から、慣性質量体２の端部が角速度ωの回転軸から遠ざかる向き（図中矢印Ｒの向き）に回転変位して傾斜する。

この慣性質量体２の傾斜は、前述した角加速度ａωが加えられた場合と同様である。このため、同様の原理により角速度ωが出力電位Ｖoutに対して及ぼす影響も抑制される。

次に、本実施の形態の加速度センサ３０１に対して他軸加速度が加えられた場合の検出誤差について、重力の影響を含めて説明する。

図８は、加速度センサ３０１に対してＹ軸方向の負の加速度が加えられた状態を概略的に示す断面図であり、断面位置は図２と同一である。尚、図８では、図を見易くするために、第１及び第２検出フレーム２１、２２と、アンカー９１、９２と、検出電極４０との図示を省略している。

図８を参照して、慣性質量体２には重力としてＺ軸方向の負の力が作用しており、慣性質量体２は、初期位置（図中破線の位置）から下方（図中Ｚ軸の負の方向）に沈み込んだ状態となっている。

この状態のもとで加速度センサ３０１に対してＹ軸の負の向きに加速度ａｙが加わると、慣性質量体２にはＹ軸の正の向きの慣性力が加わる。この慣性力は、第１及び第２リンク梁３１、３２のそれぞれの軸Ｌ１、Ｌ２上の部分で、第１及び第２検出フレーム２１、２２の各々に伝達される。

重力の影響により、軸Ｌ１の基板１からの高さは、第１ねじれ軸Ｔ１よりも低くなっている。このため、上述の軸Ｌ１の部分に伝達される力は、第１検出フレーム２１に対して第１ねじれ軸Ｔ１周りのトルクとして作用する。

また、重力の影響により、軸Ｌ２の基板１からの高さは、第２ねじれ軸Ｔ２よりも低くなっている。このため、上述の軸Ｌ２の部分に伝達される力は、第２検出フレーム２２に対して第２ねじれ軸Ｔ２周りのトルクとして作用する。

ここで、上述の第１及び第２ねじれ軸Ｔ１、Ｔ２周りのトルクは、両方とも第１及び第２ねじれ軸Ｔ１、Ｔ２の下方に作用点を有している。また、この作用点に働く力は、両方ともＹ軸方向に正の向きである。この結果、第１検出フレーム２１の回転変位Ｒ１と、第２検出フレーム２２の回転変位Ｒ２とは同一の向きとなる。

回転変位Ｒ１の影響として、第１検出フレーム２１と第１検出電極４１ａとにより構成されるコンデンサＣ１ａの静電容量Ｑ１ａが減少し、第１検出フレーム２１と第１検出電極４１ｂとにより構成されるコンデンサＣ１ｂの静電容量Ｑ１ｂが増大する。また、回転変位Ｒ２の影響として、第２検出フレーム２２と検出電極４２ａとにより構成されるコンデンサＣ２ａの静電容量Ｑ２ａが増大し、第２検出フレーム２２と検出電極４２ｂとにより構成されるコンデンサＣ２ｂの静電容量Ｑ２ｂが減少する。

式（２）を参照して、上述の静電容量変化が生じた場合、左辺分母において静電容量Ｑ１ａの減少と静電容量Ｑ２ａの増大とが相殺され、かつ左辺分子において静電容量Ｑ１ｂの増大と静電容量Ｑ２ｂの減少とが相殺される。このため、Ｙ軸方向の加速度ａｙがＺ軸方向の加速度検出のために測定される出力電位Ｖoutに対して及ぼす影響は抑制される。

次に、本実施の形態の加速度センサ３０１の製造方法について説明する。
図９〜図１３は、本発明の実施の形態１における加速度センサ３０１の製造方法の第１〜第５工程を順に示す概略的な断面図であり、その断面位置は図２の断面位置に対応する。

図９を参照して、シリコンからなる基板１上に、ＬＰＣＶＤ(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)法により、絶縁膜３が堆積される。絶縁膜３としては、低応力の窒化シリコン膜やシリコン膜などが適している。この絶縁膜３の上に、ＬＰＣＶＤ法により、例えばポリシリコンからなる導電性の膜が堆積される。続いて、この導電性の膜がパターニングされて、検出電極４０及び補正電極１００が形成される。その後、基板１上の全体にＰＳＧ(Phosphosilicate Glass)膜２０１が堆積される。

主に図１０を参照して、アンカー９１、９２（図２）が形成される部分９３のＰＳＧ膜２０１が選択的に除去される。
図１１を参照して、基板１上の全体に、ポリシリコン膜２０２が堆積される。続いてその表面にＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)処理が施される。
図１２を参照して、上記ＣＭＰ処理により、ポリシリコン膜２０２の表面が平坦化される。

図１３を参照して、ポリシリコン膜２０２のＰＳＧ膜２０１の上面よりも上方の部分に対して、選択的なエッチングが行なわれる。これにより、慣性質量体２と、第１及び第２リンク梁３１、３２と、第１及び第２検出フレーム２１、２２と、第１及び第２ねじれ梁１１、１２と、アンカー９１、９２とが一括形成される。その後、ＰＳＧ膜２０１がエッチングにより除去され、図２に示される本実施の形態の加速度センサ３０１が得られる。

次に、補正電極１００による出力電位Ｖoutの補正方法について説明する。
経時変化や温度変化等に起因して、図１４に示すように基板１には反り、つまり加速度センサ３０１の物理的変形が発生する場合がある。これにより、第１及び第２検出フレーム２１、２２と、第１及び第２検出電極４１、４２との間の距離が変化するため、加速度センサ３０１の感度が変化する。例えば図１５の（ａ）を参照して、第１検出フレーム２１と第１検出電極４１ｂとの間の初期の距離をｄｏとし、加速度が印加された場合の変位をｕとし、αを定数とすると、加速度センサ３０１の感度は、簡易的に、αｕ／ｄｏで表すことができる。次に、図１５の（ｂ）を参照して、反りなどの加速度センサ３０１の物理的変形により、第１検出フレーム２１と第１検出電極４１ｂとの間の距離がｄ１に変化した場合、このときの感度は同様に、αｕ／ｄ１で表すことができる。このように物理的変形の有無により、加速度センサの感度は変化する。

より一般的な関数で表すために、第１及び第２検出フレーム２１、２２と、第１及び第２検出電極４１、４２との間の距離をｄとすると、加速度センサの加速度に対する感度Ｓ１は、次式のようにｄに依存する関数で示される。

また、本実施形態のように、検出電極４０に隣接して補正電極１００を配置している場合、補正電極１００に電圧を印加して、第１及び第２検出フレーム２１、２２を強制的に変位させた状態で第１及び第２検出電極４１，４２から得られる感度（補正感度Ｓ２とする）も同様に、次式で近似することができる。

したがって、加速度センサ３０１の感度Ｓ１は、補正感度Ｓ２を用いて、次式で示すことができる。

（５）式は、第１及び第２検出フレーム２１、２２と、第１及び第２検出電極４１、４２との間の距離ｄを測定する必要がないことを示す。即ち、図１６を参照して、第１及び第２検出フレーム２１、２２と、第１及び第２検出電極４１、４２との間の距離がｄａの場合、加速度センサ３０１に作用する加速度に対する加速度センサ３０１の感度Ｓ１は、図１６の（ａ）に示すようにＳ１ａとなり、補正電極１００に電圧を印加して検出電極４０から得られる補正感度Ｓ２は、図１６の（ｂ）に示すようにＳ２ａとなる。したがって、補正感度Ｓ２の値がＳ２ａを示したときには、図１６の（ｃ）に示すように加速度に対する感度Ｓ１はＳ１ａと一意に決まることになり、距離ｄの値が分からなくとも、出力値である加速度を補正することが可能となる。

即ち本実施形態１では、例えば実験等から予め感度Ｓ１と補正感度Ｓ２の関係が判っており、その情報を記憶していれば、経時変化や温度変化等に起因して、反りなどが生じ感度Ｓ１が変化した場合も、補正感度Ｓ２を測定することで補正することができる。
また、本実施形態１では、例えば実験等から予め反り量等、つまり加速度センサ３０１の物理的変形量が想定可能であればより好ましいが、変形量が想定できないような場合であっても、変形量を相殺するように補正電極１００に電圧を印加することで、上記相殺する変位を第１及び第２検出フレーム２１，２２に強制的に与える。よって、この状態で加速度を検知することで、加速度センサ３０１の検出電極４０からの出力値は、変形量の補正がなされた値を示すことになり、直接に補正値を得ることが可能となる。尚、補正電極１００に電圧を印加した状態で検出電極４０から得られる出力値を補償用出力値とする。

本実施の形態によれば、検出電極４０と補正電極１００とは隣接して配置しているので、第１及び第２検出フレーム２１、２２と、第１及び第２検出電極４１，４２及び第１及び第２補正電極１０との間の距離変化は、検出電極４０及び補正電極１００に対して同様に変化する。そのため、補正感度Ｓ２を測定することで、加速度センサ３０１の感度Ｓ１は一意に決まることになり、精度良く加速度センサ３０１の感度Ｓ１を補正することが可能となる。

図１等に示すように、加速度センサ３０１は、検出電極４０、補正電極１００等が形成されたものであるので、上述の補正動作では説明を省略したが、検出電極４０による検出値から加速度を求めるためには、実際には図１９に示すような加速度センサシステム３５０によって、検出値から加速度を求める動作、及び上述した出力値の補正動作が行われる。

加速度センサシステム３５０は、上述した加速度センサ３０１と、制御装置３２０とを備える。制御装置３２０は、加速度センサ３０１と電気的に接続され加速度センサ３０１に作用した加速度を求める装置であり、機能的に、補償部３２１と記憶部３２２と出力端３２３とを備える。補償部３２１は、加速度センサ３０１に備わる検出電極４０及び補正電極１００と電気的に接続され、検出電極４０の出力から、加速度センサ３０１に作用した加速度を求める部分である。補償部３２１にて実行される加速度を求める方法は、上述したように、必要に応じて補正電極１００への電圧印加を行うとともに検出電極４０の出力（補償用出力値）から求める方法や、以下の実施の形態２、３にて説明する方法がある。実施の形態２、３にて説明する方法では、補償部３２１は、記憶部３２２との情報交換を行う。

このような制御装置３２０は、加速度センサ３０１が形成される基板１に、加速度センサ３０１とともに半導体プロセスにて形成しても良いし、加速度センサ３０１とは別に形成して別設し接続しても良い。

実施の形態２．
補正電極１００を用いた出力値の補正方法として、実施の形態１では上述のように予め補正電極１００に電圧を印加しておく方法を採る。他の補正方法として本実施の形態２では、第１及び第２検出フレーム２１、２２の周波数特性を利用する方法を採る。これについて以下に説明する。

図１７は、感度Ｓ１の場合、つまり補正電極１００に電圧を印加することなく、加速度センサ３０１に作用した加速度によって揺動する第１及び第２検出フレーム２１、２２における周波数特性と（図１７の（ａ））、補正感度Ｓ２の場合、つまり補正電極１００に電圧を印加して揺動させたときの第１及び第２検出フレーム２１、２２における周波数特性と（図１７の（ｂ））を示す図である。

空気による粘性ダンピングは、対向電極の面積と距離ｄに依存する。即ち、構造のみに依存するので、加速度により揺動する第１及び第２検出フレーム２１、２２の周波数特性と、補正電極１００への電圧印加により揺動する第１及び第２検出フレーム２１、２２の周波数特性とは、図１７の（ａ），（ｂ）に示すように、同様の特性を示す。したがって、周波数特性は、感度Ｓ１と補正感度Ｓ２とで同様の特性を示す。

したがって本実施形態では、例えば、予め、加速度センサ３０１にて反り等の物理的変形が発生していない正常（理想）時における第１及び第２検出フレーム２１、２２の周波数特性を得て、これを記憶部３２２に記憶しておく。そして、物理的変形が生じた時点では、補償部３２１は、補正電極１００に電圧を印加して第１及び第２検出フレーム２１、２２を強制的に揺動させ、そのときの検出電極４０の出力値（補償用出力値）から、変形時における第１及び第２検出フレーム２１、２２の周波数特性を得る。

この強制揺動による周波数特性が、記憶部３２２から読み出した正常時における周波数特性に同等となるように、電圧を変化させて補正電極１００に印加する。適切な電圧を補正電極１００に印加した状態では、加速度が作用して検出電極４０から得られる検出値は、物理的変形が補償された加速度値となる。

このように本実施の形態２によれば、補正電極１００に電圧を印加して補正感度Ｓ２の周波数特性を測定することで、感度Ｓ１の周波数特性を推定することが可能となる。即ち、反りなどの物理的変形によって距離ｄが変化して感度Ｓ１の周波数特性が変化した場合でも、補正感度Ｓ２の周波数特性を測定することで、感度Ｓ１の周波数特性を補正することができる。

実施の形態３．
実施の形態１では、構造体の物理的変形量を相殺するように補正電極１００に電圧を印加しておくことで加速度センサ３０１の感度Ｓ１を補正することを説明した。本実施の形態３は、補正電極１００を用いた出力値の補正方法について、実施の形態１における補正精度をさらに向上させるための工夫を有するものである。以下に詳しく説明する。

図１８は、図１６の（ｃ）に示すような、感度Ｓ１と補正感度Ｓ２との関係について、正の領域のみならず負の領域まで広げて示した図である。図１を参照して、第１検出フレーム２１と第１補正電極１０１ａとの間、及び、第２検出フレーム２２と第２補正電極１０２ａとの間に電圧を印加すると、感度Ｓ１は正方向になる。第１検出フレーム２１と第１補正電極１０１ｂとの間、及び、第２検出フレーム２２と第２補正電極１０２ｂとの間に電圧を印加すると、感度Ｓ１は負方向になる。構造体に反りなどの物理的変形がなく理想的な場合には、感度Ｓ１と補正感度Ｓ２との関係は、正方向及び負方向で対称となり、変曲点は座標原点（０点）になる。これに対して、構造体に物理的変形が有り距離ｄが変化した場合には、図１８の（ａ）に示すように、変曲点は０点からずれる。例えば図１８の（ａ）のように、補正感度Ｓ２がＳｏのときに対応して感度Ｓ１に変曲点が生じるような場合、予め、上記Ｓｏと、出力オフセットとの関係を求めておくことで、Ｓｏの値から出力オフセットを一意に推定することができる。

そこで本実施の形態３では、予め、補正電極１００に電圧を印加して第１及び第２検出フレーム２１、２２を強制的に変位させ、この状態において加速度を作用させ、検出電極４０からの出力値（補償用出力値）を得る。補正電極１００に印加する電圧を変更して強制的な変位量を変化させることで、上記Ｓｏと、上記出力オフセットとの関係を求め、この関係を記憶部３２２に記憶しておく。また、加速度センサ３０１に物理的変形がなく理想的な状態における感度Ｓ１と補正感度Ｓ２との関係も記憶部３２２に記憶しておく。

そして、補償部３２１は、加速度センサ３０１に加速度が作用していない状態において検出電極４０から得られる感度Ｓ１と、記憶部３２２に記憶している理想的な感度Ｓ１とを比較し、変曲点のずれ量、つまり上記Ｓｏを求める。そして、記憶しているＳｏと出力オフセットとの関係情報を元に、加速度センサ３０１の検出電極４０から得られる感度Ｓ１に対して上記出力オフセットの補正を加える。これにより、実施の形態１に比べてさらに高い精度にて加速度センサ３０１に作用した加速度を得ることができる。

また、Ｓｏと出力オフセットとの関係を求める際に用いた、補正電極１００に印加した電圧の内、求めたＳｏに対応する印加電圧値を、補正電極１００にさらに印加してもよい。こうすることで、感度Ｓ１に対して出力オフセットの補正を加えるという動作は必要なくなり、検出電極４０から求めた加速度は既に補償された値となる。

１基板、２慣性質量体、１１第１ねじれ梁、１２第２ねじれ梁、
２１第１検出フレーム、２２第２検出フレーム、３１第１リンク梁、
３２第２リンク梁、４０検出電極、４１，４１ａ，４１ｂ第１検出電極、
４２，４２ａ，４２ｂ第２検出電極、
１００補正電極、１０１，１０１ａ，１０１ｂ第１検出電極、
１０２，１０２ａ，１０２ｂ第２検出電極、
３０１加速度センサ、３２０制御装置、３５０加速度センサシステム。

Claims

ＭＥＭＳ技術により形成される加速度センサであり、
基板と、第１及び第２の検出フレームと、上記基板上に配置され上記第１及び第２の検出フレームと連結され上記基板の厚み方向に変位可能な慣性質量体と、上記第１及び第２の検出フレームのそれぞれと対向して上記基板上に形成され、上記基板に対する上記第１及び第２の検出フレームの角度を静電容量により検出するための複数の検出電極とを備え、
上記第１検出フレームは、上記基板に支持された第１ねじれ軸の周りにねじれる第１ねじれ梁を介して上記基板に対して揺動可能に支持され、かつ第１リンク梁にて上記慣性質量体に連結され、
上記第１リンク梁は、上記第１検出フレームの一方端部側に向かう第１方向へ上記第１ねじれ軸を平行移動した軸上に位置し、
上記第２検出フレームは、上記基板に支持された第２ねじれ軸の周りにねじれる第２ねじれ梁を介して上記基板に対して揺動可能に支持され、かつ第２リンク梁にて上記慣性質量体に連結され、
上記第２リンク梁は、上記第１方向とは反対の方向へ上記第２ねじれ軸を平行移動した軸上に位置する、
加速度センサにおいて、
上記検出電極に隣接して上記基板上に形成され、上記検出電極の出力値を補正するための複数の補正電極をさらに備えたことを特徴とする加速度センサ。
上記複数の検出電極は、
上記第１検出フレームと対向して上記基板上に形成され、上記基板に対する上記第１検出フレームの角度を静電容量により検出するための複数の第１検出電極と、
上記第２検出フレームと対向して上記基板上に形成され、上記基板に対する上記第２検出フレームの角度を静電容量により検出するための複数の第２検出電極とを有し、
上記複数の第１検出電極は、上記第１ねじれ軸に対して平面視において対称位置に配置され、上記複数の第２検出電極は、上記第２ねじれ軸に対して平面視において対称位置に配置され、
上記複数の補正電極は、
上記第１検出フレームと対向して上記基板上に形成され、上記対称位置に配置されるそれぞれの上記第１検出電極を上記第１ねじれ軸と平行な方向において挟んで配置され、上記検出電極の出力値を補正するための複数の第１補正電極と、
上記第２検出フレームと対向して上記基板上に形成され、上記対称位置に配置されるそれぞれの上記第２検出電極を上記第２ねじれ軸と平行な方向において挟んで配置され、上記検出電極の出力値を補正するための複数の第２補正電極とを有する、
請求項１に記載の加速度センサ。
請求項１又は２に記載の加速度センサと、
上記加速度センサに備わる検出電極及び補正電極と電気的に接続され、上記加速度センサに作用した加速度を求める制御装置とを備えた加速度センサシステムであって、
上記制御装置は、
上記補正電極へ電圧を印加して、上記加速度センサに備わる第１及び第２の検出フレームを強制的に変位させるとともに、この変位によって上記検出電極から得られる補償用出力値をもとに、上記加速度センサの物理的変形に起因して発生する上記加速度センサの出力誤差を補償する、
ことを特徴とする加速度センサシステム。
上記制御装置は、上記補償用出力値から上記第１及び第２の検出フレームにおける揺動の周波数特性を求め、該周波数特性から上記出力誤差の補償を行う、請求項３記載の加速度センサシステム。
上記制御装置は、正常時における上記検出電極からの出力値と、上記補償用出力値とのずれ量を求め、該ずれ量から上記出力誤差の補償を行う、請求項３記載の加速度センサシステム。