JP2013205162A - 静電容量式センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】固定電極と可動電極が、第1対向面と、第1対向面に直交する第2対向面を介して対向して配置されている静電容量式センサにおいて、他軸感度を抑制することが可能な技術を提供する。
【解決手段】本明細書は、固定電極と、可動電極を備える静電容量式センサを開示する。その静電容量式センサでは、固定電極と可動電極が、第1対向面と、第1対向面に直交する第2対向面を介して対向して配置されている。その静電容量式センサでは、第2対向面において、固定電極と可動電極の間に、定電位に保たれたガード電極が介在している。
【選択図】 図2
【解決手段】本明細書は、固定電極と、可動電極を備える静電容量式センサを開示する。その静電容量式センサでは、固定電極と可動電極が、第1対向面と、第1対向面に直交する第2対向面を介して対向して配置されている。その静電容量式センサでは、第2対向面において、固定電極と可動電極の間に、定電位に保たれたガード電極が介在している。
【選択図】 図2
Description
本明細書は、静電容量式センサに関する。
半導体基板上に形成されるMEMSデバイスとして、静電容量式センサが知られている。静電容量式センサでは、固定電極と可動電極の間の間隔の変化を、固定電極と可動電極の間の静電容量の変化として検出することで、加速度や角速度、圧力などの様々な物理量を検出することが可能である。例えば、支持梁を介して基板に支持された可動マスに可動電極を形成し、所定の対向面を介して可動電極に対向する固定電極を基板に形成する。可動マスに対向面に直交する方向の加速度が作用すると、対向面における可動電極と固定電極の間の間隔が変化し、可動電極と固定電極の間の静電容量が変化する。この静電容量の変化を静電容量検出回路により検出することで、対向面に直交する方向の加速度を検出することができる。このような静電容量式センサが例えば非特許文献1に開示されている。
Ming-Han Tsai et al.,"A 400×400μm2 3-axis CMOS-MEMS accelerometer with vertically integrated fully-differential sensing electrodes", Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference (TRANSDUCERS), 2011 16th International
非特許文献1の静電容量式センサのように、固定電極と可動電極が、第1対向面と、第1対向面に直交する第2対向面を介して対向して配置されている構成においては、センサが他軸感度を有するという問題がある。
例えば静電容量式センサが第1対向面に直交する方向の加速度を検出するセンサである場合、第1対向面に直交する方向における固定電極と可動電極の相対変位を、固定電極と可動電極の間の静電容量の変化として検出する。しかしながら、上記のような静電容量式センサでは、可動電極と固定電極の間の静電容量は、第1対向面における可動電極と固定電極の間の間隔だけではなく、第2対向面における可動電極と固定電極の間の間隔にも応じて変化する。従って、上記のような静電容量式センサにおいて、第2対向面に直交する方向に加速度が作用し、第2対向面に直交する方向に固定電極と可動電極が相対変位した場合についても、固定電極と可動電極の間の静電容量が変化してしまう。第1対向面に直交する方向の加速度を検出したいにも関わらず、センサでの検出値が第2対向面に直交する方向の加速度の影響を受けることになってしまう。
本明細書は上記課題を解決する技術を提供する。本明細書では、固定電極と可動電極が、第1対向面と、第1対向面に直交する第2対向面を介して対向して配置されている静電容量式センサにおいて、他軸感度を抑制することが可能な技術を提供する。
本明細書は、固定電極と、可動電極を備える静電容量式センサを開示する。その静電容量式センサでは、固定電極と可動電極が、第1対向面と、第1対向面に直交する第2対向面を介して対向して配置されている。その静電容量式センサでは、第2対向面において、固定電極と可動電極の間に、定電位に保たれたガード電極が介在している。
上記の静電容量式センサでは、第1対向面に直交する方向における固定電極と可動電極の相対変位を、固定電極と可動電極の間の静電容量の変化として検出する。上記の静電容量式センサでは、第2対向面に直交する方向に固定電極と可動電極が相対変位した場合でも、第2対向面において固定電極と可動電極の間にガード電極が介在しているので、固定電極と可動電極の間の静電容量が変化しない。上記の静電容量式センサによれば、他軸感度を抑制することができる。
上記の静電容量式センサは、固定電極および/または可動電極が、貫通電極を備えるSOI構造を有することが好ましい。
固定電極や可動電極において貫通電極を備えるSOI構造を採用する場合、固定電極と可動電極が、第1対向面と、第1対向面に直交する第2対向面を介して対向して配置されることが多い。上記の静電容量式センサによれば、このような構造とした場合について、適切に他軸感度を抑制することができる。
本明細書が開示する技術によれば、固定電極と可動電極が、第1対向面と、第1対向面に直交する第2対向面を介して対向して配置されている静電容量式センサにおいて、他軸感度を抑制することができる。
(実施例1)
図1および図2は、本実施例のセンサ10を示している。センサ10は、導電性の下側シリコン層12と、絶縁性の酸化シリコン層14と、導電性の上側シリコン層16が順に積層された、SOI基板上に形成されている。
図1および図2は、本実施例のセンサ10を示している。センサ10は、導電性の下側シリコン層12と、絶縁性の酸化シリコン層14と、導電性の上側シリコン層16が順に積層された、SOI基板上に形成されている。
下側シリコン層12には、下側基板18と、可動マス20が形成されている。下側基板18と可動マス20はエッチングによって互いに分離されている。可動マス20は、可動電極ということもできる。
上側シリコン層16には、上側基板22と、固定電極部24と、可動マス支持部26,28と、下側基板端子部30が形成されている。上側基板22、固定電極部24、可動マス支持部26,28および下側基板端子部30は、エッチングによって互いに分離されている。
上側基板22と下側基板18は、酸化シリコン層14により固定されている。上側基板22には、金属製の上側基板端子32が形成されている。
固定電極部24は、支持部34a,34bと、固定電極36を備えている。固定電極36は平板状に形成されており、可動マス20と間隔を隔てて対向するように配置されている。固定電極36には、複数のエッチングホール36aが形成されている。固定電極36の下方の酸化シリコン層14は、エッチングにより除去されている。支持部34a,34bは固定電極36の両端に一体的に形成されている。支持部34a,34bは、それぞれ下側基板18に対して酸化シリコン層14を介して固定されている。支持部34a,34bには、固定電極端子38a,38bがそれぞれ形成されている。
可動マス支持部26は、連結部40と、支持梁42a,42bと、支持部44a,44bを備えている。連結部40は、酸化シリコン層14を介して、可動マス20に固定されている。また、連結部40は貫通電極40aを介して可動マス20と電気的に接続している。支持梁42a,42bは、Y方向(図1の上下方向)に沿って伸びる細長い形状の部材である。支持梁42a,42bの下方の酸化シリコン層14は、エッチングにより除去されている。支持梁42a,42bは、実質的に、X方向(図1の左右方向)およびZ方向(図1の紙面垂直方向)の相対変位を許容し、Y方向の相対変位を禁止する。支持部44a,44bは、酸化シリコン層14を介して、下側基板18に対して固定されている。
可動マス支持部28は、連結部46と、支持梁48a,48bと、支持部50a,50bと、可動電極端子部52を備えている。連結部46は、酸化シリコン層14を介して、可動マス20に固定されている。また、連結部46は、貫通電極46aを介して可動マス20と電気的に接続している。支持梁48a,48bは、Y方向に沿って伸びる細長い形状の部材である。支持梁48a,48bは、実質的に、X方向およびZ方向の相対変位を許容し、Y方向の相対変位を禁止する。支持部50a,50bは、酸化シリコン層14を介して、下側基板18に対して固定されている。可動電極端子部52は支持部50aから一体的に形成されている。可動電極端子部52は、酸化シリコン層14を介して、下側基板18に対して固定されている。可動電極端子部52には金属製の可動電極端子52aが形成されている。
下側基板端子部30は、酸化シリコン層14を介して下側基板18に固定されている。また、下側基板端子部30は、貫通電極30bを介して下側基板18と電気的に接続している。下側基板端子部30には、金属製の下側基板端子30aが形成されている。
センサ10においては、可動マス20と、連結部40,46は、互いに電気的に接続されて同電位に維持されており、これらを総称して可動電極ということもできる。可動マス20と連結部40は断面がL字形状の可動電極を構成しており、可動マス20と連結部46は断面がL字形状の可動電極を構成しているということができる。
センサ10にZ方向の加速度が作用すると、可動マス20が下側基板18に対してZ方向に相対的に変位し、これに伴って固定電極36と可動マス20の間の間隔が変動する。これにより、固定電極端子38a,38bと可動電極端子52aの間の静電容量が変化する。この静電容量の変化をチャージアンプ等の静電容量検出回路により電圧の変動として検出することで、センサ10に作用する加速度を検出することができる。
センサ10にX方向の加速度が作用した場合も、可動マス20が下側基板18に対してX方向に相対変位し、これに伴って連結部40,46と固定電極36の間の間隔も変動する。連結部40,46と固定電極36の間の間隔が変動することで、固定電極端子38a,38bと可動電極端子52aの間の静電容量が変化してしまうと、X方向の加速度の影響がZ方向の加速度として検出されてしまう。そこで、本実施例のセンサ10では、連結部40,46と固定電極36の間にガード電極54,56を配置することで、このような誤検知を防止する。
ガード電極54は、連結部40と固定電極36の間を遮るように配置されている。ガード電極56は、連結部46と固定電極36の間を遮るように配置されている。ガード電極54,56は、上側基板22と一体的に形成されている。
例えば、上側基板端子32と下側基板端子30aをともに接地電位とし、可動電極端子52aに交流信号を印加して、チャージアンプを用いて固定電極端子38a,38bの出力を検出する。この場合、可動マス20が下側基板18に対してX方向に相対変位すると、これに伴って連結部40,46と固定電極36の間の間隔も変動する。しかしながら、連結部40,46と固定電極36の間にガード電極54,56が介在しているため、固定電極端子38a,38bへの出力に影響が及ぶことがない。本実施例のセンサ10によれば、X方向の加速度の影響がZ方向の加速度として検出されてしまう事態を防ぐことができる。
(実施例2)
図3および図4は、本実施例のセンサ60を示している。センサ60は、導電性の下側シリコン層12と、絶縁性の酸化シリコン層14と、導電性の上側シリコン層16が順に積層された、SOI基板上に形成されている。
図3および図4は、本実施例のセンサ60を示している。センサ60は、導電性の下側シリコン層12と、絶縁性の酸化シリコン層14と、導電性の上側シリコン層16が順に積層された、SOI基板上に形成されている。
下側シリコン層12には、下側基板62と、固定電極64が形成されている。下側基板62と固定電極64は互いに分離されている。
上側シリコン層16には、上側基板66と、固定電極支持部68,70と、可動電極部72と、下側基板端子部74が形成されている。上側基板66、固定電極支持部68,70、可動電極部72および下側基板端子部74は、互いに分離されている。
上側基板66と下側基板62は、酸化シリコン層14により固定されている。上側基板66には、金属製の上側基板端子76が形成されている。
固定電極支持部68と固定電極64は、酸化シリコン層14により固定されている。また、固定電極支持部68は貫通電極68aを介して固定電極64と電気的に接続している。さらに固定電極支持部68と下側基板62は、酸化シリコン層14により固定されている。
固定電極支持部70と固定電極64は、酸化シリコン層14により固定されている。また、固定電極支持部70は貫通電極70aを介して固定電極64と電気的に接続している。さらに固定電極支持部70と下側基板62は、酸化シリコン層14により固定されている。固定電極支持部70には、固定電極端子70bが形成されている。
可動電極部72は、可動マス76と、支持梁78a,78b,78c,78dと、支持部80a,80b,80c,80dと、可動電極端子部82を備えている。可動マス76は平板状に形成されており、固定電極64と間隔を隔てて対向するように配置されている。可動マス76は、可動電極ということもできる。可動マス76には、複数のエッチングホール76aが形成されている。可動マス76の下方の酸化シリコン層14は、エッチングにより除去されている。
支持梁78a,78b,78c,78dは、可動マス76の四隅から、それぞれY方向(図3の上下方向)に沿って伸びる細長い形状の部材である。支持梁78a,78b,78c,78dの下方の酸化シリコン層14は、エッチングにより除去されている。支持梁78a,78b,78c,78dは、実質的に、X方向(図3の左右方向)およびZ方向(図3の紙面垂直方向)の相対変位を許容し、Y方向の相対変位を禁止する。支持部80a,80b,80c,80dは、酸化シリコン層14を介して、下側基板62に対して固定されている。可動電極端子部82は支持部80cから一体的に形成されている。可動電極端子部82は、酸化シリコン層14を介して、下側基板62に対して固定されている。可動電極端子部82には金属製の可動電極端子82aが形成されている。
下側基板端子部74は、酸化シリコン層14を介して下側基板62に固定されている。また、下側基板端子部74は、貫通電極74bを介して下側基板62と電気的に接続している。下側基板端子部74には、金属製の下側基板端子74aが形成されている。
センサ60においては、固定電極64と、固定電極支持部68,70は、互いに電気的に接続されて同電位に維持されており、これらを総称して固定電極ということもできる。固定電極64と固定電極支持部68は断面がL字形状の固定電極を構成しており、固定電極64と固定電極支持部70は断面がL字形状の固定電極を構成しているということができる。
センサ60にZ方向の加速度が作用すると、可動マス76が下側基板62に対してZ方向に相対的に変位し、これに伴って固定電極64と可動マス76の間の間隔が変動する。これにより、固定電極端子70bと可動電極端子82aの間の静電容量が変化する。この静電容量の変化を静電容量検出回路により電圧の変動として検出することで、センサ60に作用する加速度を検出することができる。
センサ60にX方向の加速度が作用した場合も、可動マス76が下側基板62に対してX方向に相対変位し、これに伴って固定電極支持部68,70と可動マス76の間の間隔も変動する。固定電極支持部68,70と可動マス76の間の間隔が変動することで、固定電極端子70bと可動電極端子82aの間の静電容量が変化してしまうと、X方向の加速度の影響がZ方向の加速度として検出されてしまう。そこで、本実施例のセンサ60では、固定電極支持部68,70と可動マス76の間にガード電極84,86を配置することで、このような誤検知を防止する。
ガード電極84は、固定電極支持部68と可動マス76の間を遮るように配置されている。ガード電極86は、固定電極支持部70と可動マス76の間を遮るように配置されている。ガード電極84,86は、上側基板66と一体的に形成されている。
例えば、上側基板端子76と下側基板端子74aをともに接地電位とし、可動電極端子82aに交流信号を印加して、チャージアンプを用いて固定電極端子70bの出力を検出する。この場合、可動マス76が下側基板62に対してX方向に相対変位すると、これに伴って固定電極支持部68,70と可動マス76の間の間隔も変動する。しかしながら、固定電極支持部68,70と可動マス76の間にガード電極84,86が介在しているため、固定電極端子70bへの出力に影響が及ぶことがない。本実施例のセンサ60によれば、X方向の加速度の影響がZ方向の加速度として検出されてしまう事態を防ぐことができる。
(実施例3)
図5および図6は、本実施例のセンサ90を示している。センサ90は、導電性の下側シリコン層12と、絶縁性の酸化シリコン層14と、導電性の上側シリコン層16が順に積層された、SOI基板上に形成されている。
図5および図6は、本実施例のセンサ90を示している。センサ90は、導電性の下側シリコン層12と、絶縁性の酸化シリコン層14と、導電性の上側シリコン層16が順に積層された、SOI基板上に形成されている。
下側シリコン層12には、下側基板92と、下側可動部94と、固定電極96a,96bが形成されている。下側基板92と、下側可動部94と、固定電極96a,96bは、互いに分離されている。
上側シリコン層16には、上側基板98と、固定電極支持部100,102と、可動電極部104と、下側基板端子部106が形成されている。上側基板98、固定電極支持部100,102、可動電極部104および下側基板端子部106は、互いに分離されている。
上側基板98と下側基板92は、酸化シリコン層14により固定されている。上側基板98には、金属製の上側基板端子108が形成されている。
固定電極支持部100と固定電極96aは、酸化シリコン層14により固定されている。また、固定電極支持部100は貫通電極100aを介して固定電極96aと電気的に接続している。さらに固定電極支持部100と下側基板92は、酸化シリコン層14により固定されている。固定電極支持部100には、固定電極端子100bが形成されている。
固定電極支持部102と固定電極96bは、酸化シリコン層14により固定されている。また、固定電極支持部102は貫通電極102aを介して固定電極96bと電気的に接続している。さらに固定電極支持部102と下側基板92は、酸化シリコン層14により固定されている。固定電極支持部102には、固定電極端子102bが形成されている。
可動電極部104は、上側可動部110と、支持梁112a,112b,112c,112dと、支持部114a,114b,114c,114dを備えている。上側可動部110は平板状に形成されており、固定電極96a,96bと間隔を隔てて対向するように配置されている。上側可動部110は、可動電極ということもできる。上側可動部110には、複数のエッチングホール110aが形成されている。上側可動部110と固定電極96a,96bの間の酸化シリコン層14は、エッチングにより除去されている。上側可動部110と下側可動部94は、酸化シリコン層14により固定されている。上側可動部110と下側可動部94を可動マスということができる。また、上側可動部110は貫通電極110bを介して下側可動部94と電気的に接続している。
支持梁112a,112b,112c,112dは、上側可動部110の四隅から、それぞれY方向(図5の上下方向)に沿って伸びる細長い形状の部材である。支持梁112a,112b,112c,112dの下方の酸化シリコン層14は、エッチングにより除去されている。支持梁112a,112b,112c,112dは、実質的に、X方向(図5の左右方向)およびZ方向(図5の紙面垂直方向)の相対変位を許容し、Y方向の相対変位を禁止する。支持部114a,114b,114c,114dは、酸化シリコン層14を介して、下側基板92に対して固定されている。支持部114cには金属製の可動電極端子116が形成されている。
下側基板端子部106は、酸化シリコン層14を介して下側基板92に固定されている。また、下側基板端子部106は、貫通電極106bを介して下側基板92と電気的に接続している。下側基板端子部106には、金属製の下側基板端子106aが形成されている。
センサ90においては、下側可動部94と、上側可動部110は、互いに電気的に接続されて同電位に維持されており、これらを総称して可動電極ということもできる。下側可動部94と上側可動部110は断面がL字形状の可動電極を構成しているということもできる。また、固定電極96aと固定電極支持部100は、互いに電気的に接続されて同電位に維持されており、これらを総称して固定電極ということもできる。固定電極96aと固定電極支持部100は断面がL字形状の固定電極を構成しているということもできる。また、固定電極96bと固定電極支持部102は、互いに電気的に接続されて同電位に維持されており、これらを総称して固定電極ということもできる。固定電極96bと固定電極支持部102は断面がL字形状の固定電極を構成しているということもできる。
センサ90にZ方向の加速度が作用すると、可動マスである下側可動部94と上側可動部110が下側基板92に対してZ方向に相対的に変位し、これに伴って固定電極96aと上側可動部110の間の間隔、および固定電極96bと上側可動部110の間の間隔が変動する。これにより、固定電極端子100bと可動電極端子116の間の静電容量、および固定電極端子102bと可動電極端子116の間の静電容量が、それぞれ変化する。これらの静電容量の変化をチャージアンプにより電圧の変動として検出することで、センサ90に作用する加速度を検出することができる。
センサ90にX方向の加速度が作用した場合も、可動マスである下側可動部94と上側可動部110が下側基板92に対してX方向に相対変位し、これに伴って固定電極96a,96bと下側可動部94の間の間隔、および固定電極支持部100,102と上側可動部110の間の間隔も変動する。固定電極96a,96bと下側可動部94の間の間隔、および固定電極支持部100,102と上側可動部110の間の間隔が変動することで、固定電極端子100b,102bと可動電極端子116の間の静電容量が変化してしまうと、X方向の加速度の影響がZ方向の加速度として検出されてしまう。そこで、本実施例のセンサ90では、固定電極96a,96bと下側可動部94の間に下側ガード電極118,120を配置し、固定電極支持部100,102と上側可動部110の間に上側ガード電極122,124を配置することで、このような誤検知を防止する。
下側ガード電極118は、固定電極96aと下側可動部94の間を遮るように配置されている。下側ガード電極120は、固定電極96bと下側可動部94の間を遮るように配置されている。下側ガード電極118,120は、下側基板92と一体的に形成されている。
上側ガード電極122は、固定電極支持部100と上側可動部110の間を遮るように配置されている。上側ガード電極124は、固定電極支持部102と上側可動部110の間を遮るように配置されている。上側ガード電極122,124は、上側基板98と一体的に形成されている。
例えば、上側基板端子108と下側基板端子106aをともに接地電位とし、可動電極端子116に交流信号を印加して、チャージアンプを用いて固定電極端子100b,102bの出力を検出する。この場合、可動マスである下側可動部94と上側可動部110が下側基板92に対してX方向に相対変位すると、これに伴って固定電極96a,96bと下側可動部94の間の間隔、および固定電極支持部100,102と上側可動部110の間の間隔が変動する。しかしながら、固定電極96a,96bと下側可動部94の間に下側ガード電極118,120が介在し、固定電極支持部100,102と上側可動部110の間に上側ガード電極122,124が介在しているため、固定電極端子100b,102bの出力に影響が及ぶことがない。本実施例のセンサ90によれば、X方向の加速度の影響がZ方向の加速度として検出されてしまう事態を防ぐことができる。
(実施例4)
図7および図8は、本実施例のセンサ200を示している。センサ200は、X方向(図7の左右方向)およびZ方向(図7の紙面垂直方向)の加速度を検出する2軸加速度センサである。センサ200は、導電性の下側シリコン層12と、絶縁性の酸化シリコン層14と、導電性の上側シリコン層16が順に積層された、SOI基板上に形成されている。なお、図7および図8では、図示の明瞭化のために、下側シリコン層12に形成された下側基板と、上側シリコン層16に形成された上側基板については図示していない。下側基板と上側基板は、酸化シリコン層14により互いに固定されている。
図7および図8は、本実施例のセンサ200を示している。センサ200は、X方向(図7の左右方向)およびZ方向(図7の紙面垂直方向)の加速度を検出する2軸加速度センサである。センサ200は、導電性の下側シリコン層12と、絶縁性の酸化シリコン層14と、導電性の上側シリコン層16が順に積層された、SOI基板上に形成されている。なお、図7および図8では、図示の明瞭化のために、下側シリコン層12に形成された下側基板と、上側シリコン層16に形成された上側基板については図示していない。下側基板と上側基板は、酸化シリコン層14により互いに固定されている。
下側シリコン層12には、下側基板のほかに、下側可動電極202、下側ガード電極204,206、下側固定電極208,210、可動櫛歯部212,214、固定櫛歯部216,218が形成されている。下側基板、下側可動電極202、下側ガード電極204,206、下側固定電極208,210、可動櫛歯部212,214および固定櫛歯部216,218は、互いに分離されている。
上側シリコン層16には、上側基板のほかに、上側固定電極220、上側ガード電極222、固定電極端子部224,226、上側支持梁228,230,232,234、固定櫛歯端子部236,238、可動電極端子部240、上側可動電極242、244が形成されている。上側基板、上側固定電極220、上側ガード電極222、固定電極端子部224,226、上側支持梁228,230,232,234、固定櫛歯端子部236,238、可動電極端子部240および上側可動電極242、244は、互いに分離されている。
上側可動電極242は酸化シリコン層14を介して下側可動電極202に固定されている。また上側可動電極242は貫通電極242aを介して下側可動電極202と電気的に接続されている。上側可動電極244は酸化シリコン層14を介して下側可動電極202に固定されている。また上側可動電極244は貫通電極244aを介して下側可動電極202と電気的に接続されている。下側可動電極202および上側可動電極242,244は、センサ200に加速度が作用したときに一体的に動く。下側可動電極202および上側可動電極242,244は、可動マスということができる。
上側固定電極220は平板状に形成されている。上側固定電極220は下側可動電極202に対して間隔を隔てて対向するように配置されている。上側固定電極220には図示しないエッチングホールが形成されており、上側固定電極220と下側可動電極202の間の酸化シリコン層14はエッチングにより除去されている。上側固定電極220は上側固定電極支持部220aによって支持されている。上側固定電極支持部220aは酸化シリコン層14により下側基板に固定されている。上側固定電極支持部220aには金属製の第1固定電極端子220bが形成されている。
下側固定電極208は上側可動電極242と間隔を隔てて対向するように配置されている。上側可動電極242には図示しないエッチングホールが形成されており、上側可動電極242と下側固定電極208の間の酸化シリコン層14はエッチングにより除去されている。下側固定電極208は酸化シリコン層14を介して固定電極端子部224に固定されている。また下側固定電極208は貫通電極208aを介して固定電極端子部224と電気的に接続している。さらに、下側固定電極208は、上方に上側可動電極242、上側支持梁228,230、固定電極端子部224が形成されていない範囲で、酸化シリコン層14を介して上側基板に固定されている。固定電極端子部224は酸化シリコン層14を介して下側基板に固定されている。固定電極端子部224には、金属製の第2固定電極端子224aが形成されている。
下側固定電極210は上側可動電極244と間隔を隔てて対向するように配置されている。上側可動電極244には図示しないエッチングホールが形成されており、上側可動電極244と下側固定電極210の間の酸化シリコン層14はエッチングにより除去されている。下側固定電極210は酸化シリコン層14を介して固定電極端子部226に固定されている。また下側固定電極210は貫通電極210aを介して固定電極端子部226と電気的に接続している。さらに、下側固定電極208は、上方に上側可動電極244、上側支持梁232,234、固定電極端子部226が形成されていない範囲で、酸化シリコン層14を介して上側基板に固定されている。固定電極端子部226は酸化シリコン層14を介して下側基板に固定されている。固定電極端子部226には、金属製の第3固定電極端子226aが形成されている。
上側支持梁228,230,232,234は、X方向に沿って伸びる短冊形状の部材である。上側支持梁228,230,232,234の両端部を除いて、上側支持梁228,230,232,234の下方の酸化シリコン層14は、エッチングにより除去されている。上側支持梁228,230,232,234は、実質的に、Z方向の相対変位を許容し、X方向およびY方向(図7の上下方向)の相対変位を禁止する。
可動櫛歯部212は、連結部212aと、可動櫛歯電極212bと、下側支持梁212c,212dと、下側支持部212e,212fを備えている。上側支持梁228,230は、一端が酸化シリコン層14を介して下側可動電極202に固定されており、他端が酸化シリコン層14を介して連結部212aに固定されている。また、上側支持梁228は、貫通電極228aを介して下側可動電極202と電気的に接続されており、貫通電極228bを介して連結部212aと電気的に接続されている。上側支持梁230は、貫通電極230aを介して下側可動電極202と電気的に接続されており、貫通電極230bを介して連結部212aと電気的に接続されている。下側支持梁212cは、連結部212aと下側支持部212eを接続する。下側支持梁212dは、連結部212aと下側支持部212fを接続する。下側支持梁212c,212dは、実質的に、X方向の相対変位を許容し、Y方向およびZ方向の相対変位を禁止する。下側支持部212e,212fは酸化シリコン層14を介して上側基板に固定されている。
固定櫛歯部216は固定櫛歯電極216aを備えている。固定櫛歯電極216aは可動櫛歯電極212bと間隔を隔てて対向するように配置されている。固定櫛歯部216は酸化シリコン層14を介して固定櫛歯端子部236に固定されている。また固定櫛歯部216は貫通電極216bを介して固定櫛歯端子部236と電気的に接続している。さらに、固定櫛歯部216は、固定櫛歯端子部236が形成されていない範囲で、酸化シリコン層14を介して上側基板に固定されている。固定櫛歯端子部236は酸化シリコン層14を介して下側基板に固定されている。固定櫛歯端子部236には金属製の第4固定電極端子236aが形成されている。
可動櫛歯部214は、連結部214aと、可動櫛歯電極214bと、下側支持梁214c,214dと、下側支持部214e,214fを備えている。上側支持梁232,234は、一端が酸化シリコン層14を介して下側可動電極202に固定されており、他端が酸化シリコン層14を介して連結部214aに固定されている。また、上側支持梁232は、貫通電極232aを介して下側可動電極202と電気的に接続されており、貫通電極232bを介して連結部214aと電気的に接続されている。上側支持梁234は、貫通電極234aを介して下側可動電極202と電気的に接続されており、貫通電極234bを介して連結部214aと電気的に接続されている。下側支持梁214cは、連結部214aと下側支持部214eを接続する。下側支持梁214dは、連結部214aと下側支持部214fを接続する。下側支持梁214c,214dは、実質的に、X方向の相対変位を許容し、Y方向およびZ方向の相対変位を禁止する。下側支持部214eは酸化シリコン層14を介して可動電極端子部240に固定されている。また下側支持部214eは貫通電極240aを介して可動電極端子部240と電気的に接続している。下側支持部214eの上方に可動電極端子部240が形成されていない範囲と、下側支持部214fは、酸化シリコン層14を介して上側基板に固定されている。可動電極端子部240には金属製の可動電極端子240bが形成されている。
固定櫛歯部218は固定櫛歯電極218aを備えている。固定櫛歯電極218aは可動櫛歯電極214bと間隔を隔てて対向するように配置されている。固定櫛歯部218は酸化シリコン層14を介して固定櫛歯端子部238に固定されている。また固定櫛歯部218は貫通電極218bを介して固定櫛歯端子部238と電気的に接続している。さらに、固定櫛歯部218は、固定櫛歯端子部238が形成されていない範囲で、酸化シリコン層14を介して上側基板に固定されている。固定櫛歯端子部238は酸化シリコン層14を介して下側基板に固定されている。固定櫛歯端子部238には金属製の第5固定電極端子238aが形成されている。
センサ200にZ方向の加速度が作用すると、可動マスである下側可動電極202と上側可動電極242,244が下側基板に対してZ方向に相対的に変位し、これに伴って上側固定電極220と下側可動電極202の間の間隔、下側固定電極208と上側可動電極242の間の間隔、および下側固定電極210と上側可動電極244の間の間隔が変動する。これにより、第1固定電極端子220bと可動電極端子240bの間の静電容量、第2固定電極端子224aと可動電極端子240bの間の静電容量、および第3固定電極端子226aと可動電極端子240bの間の静電容量が、それぞれ変化する。これらの静電容量の変化を静電容量検出回路により電圧の変動として検出することで、センサ200に作用するZ方向の加速度を検出することができる。
センサ200にX方向の加速度が作用すると、可動マスである下側可動電極202および上側可動電極242,244と、上側支持梁228,230,232,234と、連結部212a,214aと、可動櫛歯電極212b,214bが、下側基板に対してX方向に相対変位し、これに伴って、可動櫛歯電極212bと固定櫛歯電極216aの間の間隔、および可動櫛歯電極214bと固定櫛歯電極218aの間の間隔が変動する。これにより、第4固定電極端子236aと可動電極端子240bの間の静電容量、および第5固定電極端子238aと可動電極端子240bの間の静電容量が、それぞれ変化する。これらの静電容量の変化をチャージアンプにより電圧の変動として検出することで、センサ200に作用するX方向の加速度を検出することができる。
センサ200にX方向の加速度が作用する場合には、下側可動電極202と下側固定電極208,210の間の間隔、および上側可動電極242,244と上側固定電極220の間の間隔も変動する。下側可動電極202と下側固定電極208,210の間の間隔、および上側可動電極242,244と上側固定電極220の間の間隔が変動することで、第1固定電極端子220bと可動電極端子240bの間の静電容量、第2固定電極端子224aと可動電極端子240bの間の静電容量、および第3固定電極端子226aと可動電極端子240bの間の静電容量が変化してしまうと、X方向の加速度の影響がZ方向の加速度として検出されてしまう。そこで、本実施例のセンサ200では、下側可動電極202と下側固定電極208,210の間に下側ガード電極204,206を配置し、上側可動電極242,244と上側固定電極220の間に上側ガード電極222を配置することで、このような誤検知を防止する。
下側ガード電極204は、下側可動電極202と下側固定電極208の間を遮るように配置されている。下側ガード電極206は、下側可動電極202と下側固定電極210の間を遮るように配置されている。下側ガード電極204,206は、両端部において、酸化シリコン層14により上側ガード電極222に固定されている。また、下側ガード電極204,206は、両端部において、貫通電極204a,204b,206a,206bにより上側ガード電極222と電気的に接続している。
上側ガード電極222は、上側可動電極242,244と上側固定電極220の間を遮るように配置されている。上側ガード電極222は、下方に下側可動電極202、下側ガード電極204,206が形成されていない範囲において、酸化シリコン層14を介して下側基板に固定されている。上側ガード電極222には、金属製のガード電極端子222aが形成されている。
例えば、ガード電極端子222aを接地電位とし、可動電極端子240bに交流信号を印加して、第1固定電極端子220b、第2固定電極端子224a、第3固定電極端子226a、第4固定電極端子236a、第5固定電極端子238aの出力をチャージアンプを用いてそれぞれ検出する。この場合、センサ200にX方向の加速度が作用して、可動マスである下側可動電極202および上側可動電極242,244と、上側支持梁228,230,232,234と、連結部212a,214aと、可動櫛歯電極212b,214bが、下側基板に対してX方向に相対変位すると、これに伴って、下側可動電極202と下側固定電極208,210の間の間隔、および上側可動電極242,244と上側固定電極220の間の間隔も変動する。しかしながら、下側可動電極202と下側固定電極208,210の間に下側ガード電極204,206が介在し、上側可動電極242,244と上側固定電極220の間に上側ガード電極222が介在しているため、第1固定電極端子220b、第2固定電極端子224aおよび第3固定電極端子226aの出力に影響が及ぶことがない。本実施例のセンサ200によれば、X方向の加速度の影響がZ方向の加速度として検出されてしまう事態を防ぐことができる。
(実施例5)
図9は、本実施例のセンサ300を示している。本実施例のセンサ300は、実施例4のセンサ200とほぼ同様の構成を備えている。以下では実施例4のセンサ200と相違する点のみ説明する。センサ300は、Y軸(図9の上下方向軸)周りの角速度を検出する1軸角速度センサである。
図9は、本実施例のセンサ300を示している。本実施例のセンサ300は、実施例4のセンサ200とほぼ同様の構成を備えている。以下では実施例4のセンサ200と相違する点のみ説明する。センサ300は、Y軸(図9の上下方向軸)周りの角速度を検出する1軸角速度センサである。
本実施例のセンサ300では、可動櫛歯電極212bと固定櫛歯電極216aが、Y方向に関して間隔を隔てて対向するように配置されている。可動櫛歯電極212bと固定櫛歯電極216aの間に電圧を印加すると、可動櫛歯電極212bと固定櫛歯電極216aの対向面積を増やす方向に力が働き、連結部212a、上側支持梁228,230を介して、下側可動電極202に図9の左側に向けた力が作用する。また、本実施例のセンサ300では、可動櫛歯電極214bと固定櫛歯電極218aが、Y方向に関して間隔を隔てて対向するように配置されている。可動櫛歯電極214bと固定櫛歯電極218aの間に電圧を印加すると、可動櫛歯電極214bと固定櫛歯電極218aの対向面積を増やす方向に力が働き、連結部214a、上側支持梁232,234を介して、下側可動電極202に図9の右側に向けた力が作用する。
本実施例のセンサ300では、例えば、可動電極端子240bを接地電位とし、第4固定電極端子236aと第5固定電極端子238aに交互に励振電圧を印加する。これにより、可動マスである下側可動電極202および上側可動電極242,244と、上側支持梁228,230,232,234と、連結部212a,214aと、可動櫛歯電極212b,214bが、下側基板に対してX方向(図9の左右方向)に振動する。この状態で、センサ300にY軸周りの角速度が作用すると、コリオリの力によって、可動マスである下側可動電極202および上側可動電極242,244にZ方向(図9の紙面垂直方向)の加速度が作用する。このZ方向の加速度を、第1固定電極端子220b、第2固定電極端子224aおよび第3固定電極端子226aの出力から取得することで、センサ300に作用するY軸周りの角速度を検出することができる。
センサ300において、可動マスである下側可動電極202および上側可動電極242,244と、上側支持梁228,230,232,234と、連結部212a,214aと、可動櫛歯電極212b,214bを、下側基板に対してX方向に励振すると、これに伴って、下側可動電極202と下側固定電極208,210の間の間隔、および上側可動電極242,244と上側固定電極220の間の間隔も変動する。下側可動電極202と下側固定電極208,210の間の間隔、および上側可動電極242,244と上側固定電極220の間の間隔の変動により、第1固定電極端子220bと可動電極端子240bの間の静電容量、第2固定電極端子224aと可動電極端子240bの間の静電容量、および第3固定電極端子226aと可動電極端子240bの間の静電容量が変化してしまうと、励振により生じたX方向の加速度がZ方向の加速度として検出されてしまい、センサ300に作用するY軸周りの角速度を正確に検知することができなくなってしまう。しかしながら、本実施例のセンサ300は、下側ガード電極204,206および上側ガード電極222を備えているため、励振により生じたX方向の加速度が、第1固定電極端子220b,第2固定電極端子224aおよび第3固定電極端子226aの出力に影響を及ぼすことがない。本実施例のセンサ300によれば、X方向の加速度の影響がZ方向の加速度として検出されて、Y軸周りの角速度を誤検知してしまう事態を防ぐことができる。
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
10 センサ;12 下側シリコン層;14 酸化シリコン層;16 上側シリコン層;18 下側基板;20 可動マス;22 上側基板;24 固定電極部;26,28 可動マス支持部;30 下側基板端子部;30a 下側基板端子;30b 貫通電極;32 上側基板端子;34a,34b 支持部;36 固定電極;36a エッチングホール;38a,38b 固定電極端子;40,46 連結部;40a,46a 貫通電極;42a,42b,48a,48b 支持梁;44a,44b,50a,50b 支持部;52 可動電極端子部;52a 可動電極端子;54,56 ガード電極;60 センサ;62 下側基板;64 固定電極;66 上側基板;68,70 固定電極支持部;68a,70a 貫通電極;70b 固定電極端子;72 可動電極部;74 下側基板端子部;74a 下側基板端子;74b 貫通電極;76 可動マス;76 上側基板端子;76a エッチングホール;78a,78b,78c,78d 支持梁;80a,80b,80c,80d 支持部;82 可動電極端子部;82a 可動電極端子;84,86 ガード電極;90 センサ;92 下側基板;94 下側可動部;96a,96b 固定電極;98 上側基板;100,102 固定電極支持部;100a,102a 貫通電極;100b,102b 固定電極端子;104 可動電極部;106 下側基板端子部;106a 下側基板端子;106b 貫通電極;108 上側基板端子;110 上側可動部;110a エッチングホール;110b 貫通電極;112a,112b,112c,112d 支持梁;114a,114b,114c,114d 支持部;116 可動電極端子;118,120 下側ガード電極;122,124 上側ガード電極;200 センサ;202 下側可動電極;204,206 下側ガード電極;204a,204b,206a,206b 貫通電極;208,210 下側固定電極;208a,210a 貫通電極;212,214 可動櫛歯部;212a,214a 連結部;212b,214b 可動櫛歯電極;212c,212d,214c,214d 下側支持梁;212e,212f,214e,214f 下側支持部;216,218 固定櫛歯部
216a,218a 固定櫛歯電極;216b,218b 貫通電極;220 上側固定電極;220a 上側固定電極支持部;220b 第1固定電極端子;222 上側ガード電極;222a ガード電極端子;224,226 固定電極端子部;224a 第2固定電極端子;226a 第3固定電極端子;228,230,232,234 上側支持梁;228a,228b,230a,230b,232a,232b,234a,234b 貫通電極;236,238 固定櫛歯端子部;236a 第4固定電極端子;238a 第5固定電極端子;240 可動電極端子部;240a 貫通電極;240b 可動電極端子;242,244 上側可動電極;242a,244a 貫通電極;300 センサ
216a,218a 固定櫛歯電極;216b,218b 貫通電極;220 上側固定電極;220a 上側固定電極支持部;220b 第1固定電極端子;222 上側ガード電極;222a ガード電極端子;224,226 固定電極端子部;224a 第2固定電極端子;226a 第3固定電極端子;228,230,232,234 上側支持梁;228a,228b,230a,230b,232a,232b,234a,234b 貫通電極;236,238 固定櫛歯端子部;236a 第4固定電極端子;238a 第5固定電極端子;240 可動電極端子部;240a 貫通電極;240b 可動電極端子;242,244 上側可動電極;242a,244a 貫通電極;300 センサ
Claims (2)
- 固定電極と、可動電極を備える静電容量式センサであって、
固定電極と可動電極が、第1対向面と、第1対向面に直交する第2対向面を介して対向して配置されており、
第2対向面において、固定電極と可動電極の間に、定電位に保たれたガード電極が介在している静電容量式センサ。 - 固定電極および/または可動電極が、貫通電極を備えるSOI構造を有する請求項1の静電容量式センサ。
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JP (1) | JP2013205162A (ja) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH075194A (ja) * | 1992-12-28 | 1995-01-10 | Commiss Energ Atom | 集積型加速度計 |
JP2010243479A (ja) * | 2009-03-18 | 2010-10-28 | Toyota Central R&D Labs Inc | 可動体を備えている装置 |
-
2012
- 2012-03-28 JP JP2012073280A patent/JP2013205162A/ja active Pending
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH075194A (ja) * | 1992-12-28 | 1995-01-10 | Commiss Energ Atom | 集積型加速度計 |
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