JP2014020955A - Acceleration sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は加速度センサに関し、たとえば、自動車のエアバックシステム等に搭載される加速度センサに関するものである。 The present invention relates to an acceleration sensor, for example, an acceleration sensor mounted on an airbag system of an automobile.
従来の加速度センサの一例(特許文献1)について説明する。基板の面外方向の加速度を検出する加速度センサにおいて、シリコン基板上に形成されたポリシリコンの慣性質量体は、リンク梁によって4枚の検出プレートに接続されている。その4枚の検出プレートは、ネジレ梁によって支持され、さらに、アンカーによって基板に接続されている。 An example of a conventional acceleration sensor (Patent Document 1) will be described. In an acceleration sensor that detects acceleration in the out-of-plane direction of a substrate, an inertial mass body of polysilicon formed on the silicon substrate is connected to four detection plates by link beams. The four detection plates are supported by a torsion beam and further connected to the substrate by an anchor.
検出プレートの下方の基板上には、検出プレートの変位を検出する検出電極が設けられている。基板面外方向に加速度が加わると、慣性質量体が面外方向に変位する。慣性質量体の面外変位は、ネジレ梁を中心とした検出プレートの回転変位にメカニカルに変換される。この回転変位によって、検出プレートと検出電極との距離が変化することで、検出プレートと検出電極間の静電容量が変化する。 A detection electrode for detecting the displacement of the detection plate is provided on the substrate below the detection plate. When acceleration is applied in the out-of-plane direction, the inertial mass body is displaced in the out-of-plane direction. The out-of-plane displacement of the inertial mass body is mechanically converted into a rotational displacement of the detection plate around the torsion beam. Due to this rotational displacement, the distance between the detection plate and the detection electrode changes, whereby the capacitance between the detection plate and the detection electrode changes.
検出電極は、ネジレ梁に対して対称になるように検出プレートの下方に配置されている。このため、ネジレ梁を挟んで一方の静電容量が増加すると、他方の静電容量は減少して、差動容量が形成される。静電容量は、容量−電圧変換回路によって加速度に比例する電圧に変換されて、加速度として検出される。慣性質量体の下方の基板上には、静電引力によって慣性質量体を変位させて、センサ故障を診断するアクチュエーション電極が設けられている。 The detection electrode is disposed below the detection plate so as to be symmetric with respect to the torsion beam. For this reason, when one electrostatic capacity increases across the torsion beam, the other electrostatic capacity decreases and a differential capacity is formed. The capacitance is converted into a voltage proportional to the acceleration by a capacitance-voltage conversion circuit and detected as an acceleration. On the substrate below the inertial mass body, an actuation electrode is provided for diagnosing a sensor failure by displacing the inertial mass body by electrostatic attraction.
従来の加速度センサでは、慣性質量体とアクチュエーション電極の距離は非常に狭い。このため、慣性質量体が基板側に変位する場合は、基板と慣性質量体間のダンピング(エアーダンピング)により抗力を受けることになる。一方、慣性質量体が基板と反対側に変位する場合は、エアーダンピングによる抗力が小さくなる。 In the conventional acceleration sensor, the distance between the inertial mass body and the actuation electrode is very narrow. For this reason, when the inertial mass body is displaced to the substrate side, a drag force is received by damping (air damping) between the substrate and the inertial mass body. On the other hand, when the inertial mass body is displaced to the side opposite to the substrate, the drag due to air damping is reduced.
このため、基板に作用する入力加速度と検出されるセンサ出力加速度との関係では、基板に対して上向きの加速度が作用する場合(プラス側)には、センサ出力加速度が入力加速度よりも小さくなる。一方、基板に対して下向きの加速度が作用する場合(マイナス側)には、センサ出力加速度は入力加速度と同じである。したがって、従来の加速度センサでは、特に、エアーダンピングによる抗力が大きくなる高周波、高加速度領域において、慣性質量体の変位がプラス側とマイナス側とで異なり、加速度を正確に測定することができないという問題点がある。 For this reason, in the relationship between the input acceleration acting on the substrate and the detected sensor output acceleration, when the upward acceleration acts on the substrate (plus side), the sensor output acceleration becomes smaller than the input acceleration. On the other hand, when downward acceleration acts on the substrate (minus side), the sensor output acceleration is the same as the input acceleration. Therefore, the conventional acceleration sensor has a problem that the displacement of the inertial mass body is different between the plus side and the minus side, and the acceleration cannot be measured accurately, particularly in a high frequency and high acceleration region where the drag due to air damping increases. There is a point.
これに対して、特許文献2では、狭ギャップを有するキャップ構造が提案されているが、このキャップ構造では、検出プレートに作用するエアーダンピングによる抗力が過剰となり、検出できる周波数範囲が狭くなるという問題点がある。
On the other hand,
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、プラス側への変位とマイナス側への変位に対して検出感度の差がなく、広い周波数範囲に対して測定が可能で、安価な加速度センサを提供することである。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and its purpose is to measure over a wide frequency range without any difference in detection sensitivity with respect to displacement toward the plus side and displacement toward the minus side. It is possible to provide an inexpensive acceleration sensor.
本発明に係る加速度センサは、基板と慣性質量体と検出プレートおよび検出電極と1対のダンピング調整部とを備えている。慣性質量体は基板の表面と交差する方向に変位する。検出プレートおよび検出電極は、慣性質量体の変位を差動容量の変化として検出するように配置されている。1対のダンピング調整部は、慣性質量体を上下方向から挟み込む態様で、慣性質量体から下方と上方とに、慣性質量体が静止した状態でそれぞれ第1間隔をもって隔てられるように配置され、慣性質量体のダンピングを調整する。 The acceleration sensor according to the present invention includes a substrate, an inertial mass body, a detection plate, a detection electrode, and a pair of damping adjustment units. The inertial mass is displaced in a direction intersecting the surface of the substrate. The detection plate and the detection electrode are arranged to detect the displacement of the inertial mass body as a change in the differential capacitance. The pair of damping adjusting portions are arranged in such a manner that the inertia mass body is sandwiched from above and below, and are arranged below and above the inertia mass body so as to be separated from each other by a first interval in a state where the inertia mass body is stationary. Adjust the mass damping.
本発明によれば、検出精度が高く、検出できる周波数範囲の広い加速度センサを得ることができる。 According to the present invention, an acceleration sensor with high detection accuracy and a wide frequency range that can be detected can be obtained.
実施の形態1
実施の形態1に係る加速度センサについて説明する。図1および図2に示すように、加速度センサASでは、シリコン基板1上にポリシリコンの慣性質量体2が形成されている。慣性質量体2は、リンク梁31、32、33、34によって、4枚の検出プレート21、22、23、24と接続されている。その4枚の検出プレート21〜24は、ネジレ梁11、12、13、14によって支持され、アンカー91、92、93、94によって基板に接続されている。
The acceleration sensor according to
検出プレート21〜24の下方のシリコン基板1上には、検出プレート22〜24の変位を検出する検出電極が設けられている。検出プレート21の下方には、検出電極41a、41bが設けられ、検出プレート22の下方には、検出電極42a、42bが設けられている。また、検出プレート23の下方には、検出電極43a、43bが設けられ、検出プレート24の下方には、検出電極44a、44bが設けられている。
On the
また、慣性質量体2の下方のシリコン基板1上には、静電引力によって慣性質量体2を変位させセンサ故障を診断するアクチュエーション電極5が設けられている。慣性質量体2を挟んで、そのアクチュエーション電極5と対向するように、固定電極6が配置されている。固定電極6は、慣性質量体2の外周部分に沿ってその外周部分を覆うように配置されている。
On the
上述した加速度センサASでは、シリコン基板1の面外方向に加速度が加わると、慣性質量体2が面外方向(XY面と交差する方向、たとえばZ軸方向)に変位する。慣性質量体2の面外変位はネジレ梁11、12、13、14を中心とした検出プレート21、22、23、24の回転変位にメカニカルに変換される。この回転変位により、検出プレート21、22、23、24と検出電極41a、41b、42a、42b、43a、43b、44a、44bとの距離が変化するので、検出プレート21、22、23、24と検出電極41a、41b、42a、42b、43a、43b、44a、44bと間の静電容量が変化する。
In the acceleration sensor AS described above, when acceleration is applied in the out-of-plane direction of the
なお、検出ユニット10と検出ユニット20とがY軸方向に対して対称に配置され、検出ユニット30と検出ユニット40とがY軸方向に対して対称に配置されていることで、検出対象でない方向の加速度に対する感度が抑えられて、角速度や角加速度などの慣性力の影響を受けにくくなる。
Note that the
また、ネジレ梁31は、アンカー91およびアンカー93を通る線分を挟んで一方の側に配置され、ネジレ梁33は、その線分を挟んで他方の側に配置されている。ネジレ梁32は、アンカー92およびアンカー94を通る線分を挟んで一方の側に配置され、ネジレ梁34は、その線分を挟んで他方の側に配置されている。これにより、シリコン基板1反りなどによって、検出プレートのゼロ点位置が平行位置より回転変位した場合に、検出容量の変化は打ち消し合って一定値となるため、ゼロ点出力変動を抑え、精度良く加速度を検出できる。
Further, the
静電容量の変化による加速度の検出について、もう少し詳しく説明する。検出電極41a、41bは、ネジレ梁11に対して対称に配置され、検出電極42a、42bは、ネジレ梁12に対して対称に配置されている。また、検出電極43a、43bは、ネジレ梁13に対して対称に配置され、検出電極44a、44bは、ネジレ梁14に対して対称に配置されている。
The detection of acceleration due to a change in capacitance will be described in a little more detail. The
これにより、たとえば、ネジレ梁11、12、13、14に対して、一方の側に位置する検出電極41a、42a、43a、44aのそれぞれと対応する検出プレート21、22、23、24との間の静電容量が増加すると、他方の側に位置する検出電極41b、42b、43b、44bのそれぞれと対応する検出プレート21、22、23、24との間の静電容量が減少して、差動容量が形成されることになる。
Thereby, for example, between the
図3に示すように、シリコン基板1に上向きの加速度(矢印Y1)が作用した場合には、たとえば、検出プレート23と検出電極43aとの間の静電容量C2および検出プレート24と検出電極44aとの間の静電容量C2が増加する一方、検出プレート23と検出電極43bとの間の静電容量C1および検出プレート24と検出電極44bとの間の静電容量C1が減少する。
As shown in FIG. 3, when an upward acceleration (arrow Y1) acts on the
図4に示すように、シリコン基板1に下向きの加速度(矢印Y2)が作用した場合には、たとえば、検出プレート23と検出電極43aとの間の静電容量C2および検出プレート24と検出電極44aとの間の静電容量C2が減少する一方、検出プレート23と検出電極43bとの間の静電容量C1および検出プレート24と検出電極44bとの間の静電容量C1が増加する。静電容量の変化は、容量−電圧変換回路によって加速度に比例する電圧に変換され加速度として検出される。
As shown in FIG. 4, when a downward acceleration (arrow Y2) acts on the
上述した加速度センサASでは、慣性質量体2を上下方向から挟み込む態様で、アクチュエーション電極5と固定電極6とが配置されている。これにより、慣性質量体2の上下方向の変位に対してエアーダンピング効果が得られる。このことについて、比較例を交えて説明する。
In the acceleration sensor AS described above, the
図5および図6に示すように、比較例に係る加速度センサでは、固定電極6が形成されていない点を除いて、図1および図2に示す加速度センサの構成と同様である。このため、同一部材については参照番号を100番台として付し、必要である場合を除いてその説明を繰り返さないこととする。
As shown in FIGS. 5 and 6, the acceleration sensor according to the comparative example is the same as the configuration of the acceleration sensor shown in FIGS. 1 and 2 except that the fixed
比較例に係る加速度センサの共振周波数を15KHzとし、検出周波数の上限が10KHzの検出周波数範囲を有しているとする。まず、理想的な感度周波数特性を図7に示す。図7に示すように、感度(検出感度)は、検出周波数範囲において一定であり、検出周波数範囲を超えると、高周波領域では速やかに減衰することが望ましい。 It is assumed that the resonance frequency of the acceleration sensor according to the comparative example is 15 KHz and the upper limit of the detection frequency has a detection frequency range of 10 KHz. First, an ideal sensitivity frequency characteristic is shown in FIG. As shown in FIG. 7, the sensitivity (detection sensitivity) is constant in the detection frequency range, and when it exceeds the detection frequency range, it is desirable to quickly attenuate in the high frequency region.
比較例に係る加速度センサでは、慣性質量体102とアクチュエーション電極105(シリコン基板101)との間の距離が狭い。このため、慣性質量体102がシリコン基板101側に変位する場合には、シリコン基板101と慣性質量体102との間のエアーダンピングによる抗力を受けることになる。一方、慣性質量体102がシリコン基板101側とは反対側に変位する場合には、エアーダンピングによる抗力は相対的に小さい。
In the acceleration sensor according to the comparative example, the distance between the inertial
この場合における、入力加速度(作用する加速度)とセンサ出力加速度との関係を図8に示す。図8において、縦軸のプラス側は、シリコン基板に上向きの加速度が作用する場合である。このとき、慣性質量体102はシリコン基板101側に変位する。一方、縦軸のマイナス側は、シリコン基板に下向きの加速度が作用する場合である。このとき、慣性質量体102はシリコン基板101側とは反対の側に変位する。
FIG. 8 shows the relationship between input acceleration (acting acceleration) and sensor output acceleration in this case. In FIG. 8, the positive side of the vertical axis represents a case where upward acceleration acts on the silicon substrate. At this time, the inertial
図8に示すように、シリコン基板に上向きの加速度が作用する場合には、センサ出力加速度が入力加速度よりも小さくなる。シリコン基板に下向きの加速度が作用する場合には、センサ出力加速度と入力加速度とは同じである。したがって、特に、エアーダンピングによる抗力が大きくなる、高周波領域または高加速度領域において、慣性質量体の変位がプラス側に変位する場合とマイナス側に変位する場合とで異なり、加速度を精度よく検出することができないことがある。 As shown in FIG. 8, when an upward acceleration is applied to the silicon substrate, the sensor output acceleration is smaller than the input acceleration. When downward acceleration acts on the silicon substrate, the sensor output acceleration and the input acceleration are the same. Therefore, especially in the high-frequency region or high-acceleration region where the drag due to air damping is high, the acceleration is detected accurately, depending on whether the displacement of the inertial mass body is displaced to the plus side or the minus side. May not be possible.
発明者らは、シリコン基板101と慣性質量体102との間のエアーダンピングによる抗力をなくそうとして、慣性質量体102に空気が通過する穴を設けた加速度センサを作製して、入力加速度周波数と感度との関係を評価した。その結果を図9に示す。図9に示すように、エアーダンピングによる抗力をなくすと、慣性質量体102自体の弾性変形共振周波数(慣性質量体の共振周波数)においてピークが認められ、感度が一定である検出周波数範囲が狭くなってしまうことが判明した。また、慣性質量体の共振周波数付近では、慣性質量体102の変位が大きくなって、慣性質量体102がシリコン基板101に衝突してしまうという不具合が発生することが判明した。
The inventors created an acceleration sensor in which a hole through which air passes is formed in the inertial
比較例に対して実施の形態に係る加速度センサでは、慣性質量体2の上方に固定電極6が配置される一方、慣性質量体2の下方にアクチュエーション電極5が配置されている。慣性質量体2の下方側では、慣性質量体2とシリコン基板1との間のエアーダンピングによる抗力を受け、慣性質量体2の上方側では、慣性質量体2とシリコン基板1との間のエアーダンピングによる抗力を受けることになる。これにより、図9に示されるような、慣性質量体の共振が発生することがなくなり、図7に示される、理想的な入力加速度周波数と感度との関係が得られる。
In the acceleration sensor according to the embodiment with respect to the comparative example, the fixed
固定電極が配置されている加速度センサと固定電極が配置されていない加速度センサとについて、入力加速度周波数と感度との関係を解析した結果を図10に示す。図10に示すように、固定電極が配置されていない加速度センサでは、慣性質量体の共振周波数付近においてピークが求められるのに対して、固定電極が配置されている、実施の形態に係る加速度センサでは、慣性質量体の共振によるピークは、ダンピング効果によって抑えられていることがわかる。 FIG. 10 shows the result of analyzing the relationship between the input acceleration frequency and the sensitivity for the acceleration sensor in which the fixed electrode is arranged and the acceleration sensor in which the fixed electrode is not arranged. As shown in FIG. 10, in the acceleration sensor in which no fixed electrode is arranged, a peak is obtained in the vicinity of the resonance frequency of the inertial mass body, whereas in the acceleration sensor according to the embodiment, the fixed electrode is arranged. Then, it can be seen that the peak due to the resonance of the inertial mass body is suppressed by the damping effect.
また、実施の形態に係る加速度センサでは、センサ出力に応じて検出プレートが、加速度センサに加速度が作用していない状態における検出プレートの静止位置(ゼロ点)になるように、サーボ制御が可能である。すなわち、慣性質量体2とアクチュエーション電極5との間および慣性質量体2と固定電極6との間にそれぞれ所定の電位を印加することによって、それぞれの間に静電引力を発生させて、検出プレートの位置がゼロ点になるように制御することができ、検出精度を上げることができる。このことについて、加速度センサの動作を交えて説明する。
Further, in the acceleration sensor according to the embodiment, servo control can be performed so that the detection plate becomes a stationary position (zero point) of the detection plate in a state where acceleration does not act on the acceleration sensor according to the sensor output. is there. That is, by applying a predetermined potential between the inertial
まず、サーボ制御のブロック図を図11に示す。加速度センサ(センサ素子SE)では、上述したように、加速度は検出プレートと検出電極との間の静電容量の変化(差動容量)に基づいて求められる。ここで、図12および図13に示すように、検出プレート21〜24(図1参照)を検出プレートDPで代表させ、検出電極41a、41b〜44a、44b(図1参照)を検出電極DE1、DE2で代表させる。
First, a block diagram of servo control is shown in FIG. In the acceleration sensor (sensor element SE), as described above, the acceleration is obtained based on a change in capacitance (differential capacitance) between the detection plate and the detection electrode. Here, as shown in FIGS. 12 and 13, the
検出プレートDPの位置がゼロ点の場合の検出プレートDPと検出電極DE1、DE2との間の間隔(ギャップ)をdとする。そして、シリコン基板1に上向きの加速度が作用した場合の慣性質量体の下方への変位をuとする。このときの検出プレートDPと検出電極DE1との間の容量を静電容量C1とし、検出プレートDPと検出電極DE2との間の容量を静電容量C2とすると、静電容量C1と静電容量C2とは、以下の式1および式2によって表わされる。
An interval (gap) between the detection plate DP and the detection electrodes DE1 and DE2 when the position of the detection plate DP is a zero point is defined as d. Then, u is the downward displacement of the inertial mass when upward acceleration acts on the
C1=ε・S/u・log{d/(d−u)} (式1)
C2=ε・S/u・log{(d+u)/d} (式2)
ここで、Sは検出電極DE1、DE2の面積であり、εは誘電率である。
C1 = ε · S / u · log {d / (d−u)} (Formula 1)
C2 = ε · S / u · log {(d + u) / d} (Formula 2)
Here, S is the area of the detection electrodes DE1, DE2, and ε is the dielectric constant.
図11に示される静電容量の変化は、静電容量C1および静電容量C2の容量変化であり、差動静電容量の変化は、回路基板CBにおける容量電圧変換回路により、以下の式3によって変位uに比例する電圧Voutに変換される。
The change in capacitance shown in FIG. 11 is a change in capacitance of the capacitance C1 and the capacitance C2. The change in the differential capacitance is expressed by the
Vout=C1/(C1+C2)・Vs
≒Vs/2+{Vs/(4・d)}・u (式3)
検出プレートDPの変位uは加速度に比例する。図14に示すように、慣性質量体2とアクチュエーション電極5との間と、慣性質量体2と固定電極6との間に、それぞれ所定のサーボ電圧8を印加して静電引力によって、変位uが変動しないように制御される。すなわち、Voutが変動しないように制御される。また、サーボ電圧は、加速度の関数となる。このため、印加したサーボ電圧は加速度に変換されて、検出された加速度の数値が出力される(図11参照)。
Vout = C1 / (C1 + C2) · Vs
≈ Vs / 2 + {Vs / (4 · d)} · u (Formula 3)
The displacement u of the detection plate DP is proportional to the acceleration. As shown in FIG. 14, a
次に、上述した加速度センサの製造方法の一例について説明する。まず、図15に示すように、シリコン基板1の表面を覆うように、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜等の絶縁膜50が形成される。次に、絶縁膜50を覆うように、ポリシリコン膜80が形成される。次に、そのポリシリコン膜80をパターニングすることによって、ポリシリコン膜80からなるアクチュエーション電極5、検出電極43a、43b、44a、44b等が形成される。
Next, an example of a method for manufacturing the acceleration sensor described above will be described. First, as shown in FIG. 15, an insulating
次に、アクチュエーション電極5、検出電極43a、43b、44a、44b等を覆うように、たとえば、リン酸ガラス等の第1の犠牲膜51(図16参照)が形成される。次に、固定電極が配置される領域に位置する第1の犠牲膜51の部分に、たとえばドライエッチング等の処理を施すことによって、図16に示すように、絶縁膜50の表面を露出する開口51aが形成される。
Next, a first sacrificial film 51 (see FIG. 16) such as phosphate glass is formed so as to cover the
次に、開口51aを埋め込む態様で第1の犠牲膜51を覆うように、導電性のポリシリコン膜81(図17参照)が形成される。次に、その導電性のポリシリコン膜81に、たとえばドライエッチング等の処理を施すことにより、図17に示すように、慣性質量体2、検出プレート23、24等が形成される。また、開口51aでは、固定電極の一部となるポリシリコン膜81がパターニングされる。
Next, a conductive polysilicon film 81 (see FIG. 17) is formed so as to cover the first
次に、慣性質量体2、検出プレート23、24等を覆うように、リン酸ガラス等の第2の犠牲膜52(図18参照)が形成される。次に、固定電極が配置される領域に位置する第2の犠牲膜52の部分に、たとえばドライエッチング等の処理を施すことによって、図18に示すように、ポリシリコン膜81の表面を露出させる。次に、図19に示すように、第2の犠牲膜52を覆うように導電性のポリシリコン膜82が形成される。
Next, a second sacrificial film 52 (see FIG. 18) such as phosphate glass is formed so as to cover the inertial
次に、その導電性のポリシリコン膜82をパターニングすることによって、図20に示すように、固定電極6が形成される。固定電極6は、導電性のポリシリコン膜81、82によって形成されている。次に、図21に示すように、所定のエッチング条件のもとで、第2の犠牲膜52および第1の犠牲膜51が選択的に除去される。こうして、加速度センサの主要部分が完成する。
Next, by patterning the
上述した加速度センサの製造方法では、慣性質量体2とアクチュエーション電極5との間隔(間隔A)は、第1の犠牲膜51の膜厚によって調整される。また、慣性質量体2と固定電極6との間隔(間隔B)は、第2の犠牲膜52の膜厚によって調整される。これにより、間隔Aおよび間隔Bを、精度よく合わせる(揃える)ことができる。また、加速度センサを製造するための製造装置としては、特殊な製造装置は不要であり、既存の製造装置を用いて製造することができ、精度が高く、検出周波数範囲の広い加速度センサを安価に製造することができる。
In the acceleration sensor manufacturing method described above, the interval (interval A) between the inertial
実施の形態2
実施の形態2に係る加速度センサについて説明する。図22に示すように、加速度センサASには、慣性質量体2および検出プレート23,24等を封止する態様で、上部キャップ7が設けられている。上部キャップ7は、ガラスまたは絶縁膜付きのシリコン基板から形成されている。慣性質量体2の上方の、慣性質量体2と対向する上部キャップ7の部分に固定電極6が配置されている。固定電極6は、慣性質量体2の外周部分に沿ってその外周部分を覆うように配置されている。
An acceleration sensor according to
慣性質量体2とアクチュエーション電極5との間隔(距離)と、慣性質量体2と固定電極6との間隔(距離)とは、同じ間隔に設定されている。また、検出プレート23、24と上部キャップ7との間隔(距離)は、慣性質量体2と上部キャップの部分(固定電極6が配置されている部分)との間隔(距離)よりも長い間隔が確保されている。これにより、検出プレート23、24と上部キャップ7とのエアーダンピング効果が抑えられることになる。なお、これ以外の構成については、図1および図2に示す加速度センサと同様なので、同一部材には同一符号を付しその説明を繰り返さないこととする。
The interval (distance) between the inertial
上述した加速度センサでは、慣性質量体2の上方に固定電極6が配置される一方、慣性質量体2の下方にアクチュエーション電極5が配置されている。これにより、実施の形態1において説明したように、慣性質量体の共振が発生することがなくなり、理想的な入力加速度周波数と感度(検出感度)との関係が得られる(図7参照)。
In the acceleration sensor described above, the fixed
また、実施の形態1において説明した加速度センサと同様に、慣性質量体2とアクチュエーション電極5との間と、慣性質量体2と固定電極6との間に、それぞれ所定のサーボ電圧8を印加してサーボ制御することで、検出精度と周波数範囲を拡大させることができる。
Similarly to the acceleration sensor described in the first embodiment, a
さらに、上述した加速度センサは、実施の形態1において説明した製造方法において、固定電極のためのポリシリコン膜を形成する工程を、上部キャップを加工する工程に替えて製造することができ、比較的安価に製造することができる。 Furthermore, the acceleration sensor described above can be manufactured by replacing the step of forming the polysilicon film for the fixed electrode with the step of processing the upper cap in the manufacturing method described in the first embodiment. It can be manufactured at low cost.
実施の形態3
実施の形態3に係る加速度センサについて説明する。図23に示すように、加速度センサASでは、慣性質量体2が静止した状態で、慣性質量体2とアクチュエーション電極5との間隔と、慣性質量体2と固定電極6との間隔が、同じ間隔Lに設定されている。また、慣性質量体2(検出プレート)が静止している状態で、検出プレート23,24等と検出電極43a、43b、44a、44b等との間隔が間隔Dに設定されている。この加速度センサでは、間隔Lは間隔Dよりも狭く設定されている。なお、これ以外の構成については、図1および図2に示す加速度センサと同様なので、同一部材には同一符号を付しその説明を繰り返さないこととする。
An acceleration sensor according to
上述した加速度センサでは、間隔Lが間隔Dよりも狭く設定されていることで、慣性質量体2とアクチュエーション電極5との間のダンピング効果および慣性質量体2と固定電極6との間のダンピング効果が、間隔Lと間隔Dとが同じ場合のダンピング効果に比べて高められて、検出周波数範囲のより広い加速度センサを得ることができる。
In the acceleration sensor described above, since the distance L is set to be narrower than the distance D, the damping effect between the inertial
また、慣性質量体2とアクチュエーション電極5との間と、慣性質量体2と固定電極6との間に、それぞれ所定のサーボ電圧を印加し静電引力によってサーボ制御させる場合には、間隔Lが狭い分、同じ静電引力をより低い電圧をもって発生させることができ、低電圧で動作せることができる。これにより、高電圧に耐える制御回路が不要になり、安価なサーボ制御可能な加速度センサを得ることができる。
In addition, when a predetermined servo voltage is applied between the inertial
次に、上述した加速度センサの製造方法の一例について説明する。まず、前述した図15に示す工程の後、アクチュエーション電極5、検出電極43a、43b、44a、44b等を覆うように、たとえば、リン酸ガラス等の第1の犠牲膜51(図24参照)が形成される。第1の犠牲膜51の膜厚は、検出プレート23、24等と対応する検出電極43a、43b、44a、44b等との間隔D(図23参照)に相当する。
Next, an example of a method for manufacturing the acceleration sensor described above will be described. First, after the process shown in FIG. 15, the first
次に、固定電極が配置される領域に位置する第1の犠牲膜51の部分と、慣性質量体が配置される領域に位置する第1の犠牲膜51の部分とに、たとえばドライエッチング等の処理を施すことによって、図24に示すように、絶縁膜50の表面を露出する開口51aが形成され、アクチュエーション電極5を露出する開口51bが形成される。
Next, the portion of the first
次に、第1の犠牲膜51を覆うように、第1の犠牲膜51よりも薄い犠牲膜53(図25参照)が形成される。犠牲膜53の膜厚は、アクチュエーション電極5と慣性質量体2との間隔L(図23参照)に相当する。次に、図25に示すように、開口51b内に位置する犠牲膜53を残して、他の領域に位置する犠牲膜の部分が除去される。
Next, a sacrificial film 53 (see FIG. 25) thinner than the first
次に、開口51a、51bを埋め込む態様で第1の犠牲膜51を覆うように、導電性のポリシリコン膜81(図26参照)が形成される。次に、その導電性のポリシリコン膜81に、たとえばドライエッチング等の処理を施すことにより、図26に示すように、慣性質量体2、検出プレート23、24等が形成される。また、開口51aでは、固定電極の一部となるポリシリコン膜81がパターニングされる。
Next, a conductive polysilicon film 81 (see FIG. 26) is formed so as to cover the first
次に、慣性質量体2、検出プレート23、24等を覆うように、リン酸ガラス等の第2の犠牲膜52(図27参照)が形成される。次に、固定電極が配置される領域に位置する第2の犠牲膜52の部分に、たとえばドライエッチング等の処理を施すことによって、図27に示すように、ポリシリコン膜81の表面を露出させる。次に、第2の犠牲膜52を覆うように導電性のポリシリコン膜82(図28参照)が形成される。
Next, a second
次に、その導電性のポリシリコン膜82をパターニングすることによって、図28に示すように、固定電極6が形成される。固定電極6は、導電性のポリシリコン膜81、82によって形成されている。次に、図29に示すように、所定のエッチング条件のもとで、第2の犠牲膜52、犠牲膜53および第1の犠牲膜51が選択的に除去される。こうして、加速度センサの主要部分が完成する。
Next, by patterning the
上述した加速度センサの製造方法では、慣性質量体2とアクチュエーション電極5との間隔Lは、犠牲膜53の膜厚によって決定される。また、検出プレート23、24等と対応する検出電極43a、43b、44a、44b等との間隔Dは、第1の犠牲膜51の膜厚によって決定される。これにより、間隔Lおよび間隔Dを、容易に精度よく形成することができる。さらに、実施の形態1において述べたように、検出周波数範囲が広く精度の高い加速度センサを、既存の製造装置を用いて安価に製造することができる。
In the acceleration sensor manufacturing method described above, the distance L between the inertial
実施の形態4
実施の形態4に係る加速度センサについて説明する。図30に示すように、加速度センサASでは、慣性質量体2が静止した状態で、慣性質量体2とアクチュエーション電極5との間隔と、慣性質量体2と固定電極6との間隔が、同じ間隔Lに設定されている。また、慣性質量体2(検出プレート)が静止している状態で、検出プレート23,24等と検出電極43a、43b、44a、44b等との間隔が間隔Dに設定されている。この加速度センサASでは、間隔Lは間隔Dよりも広く設定されている。なお、これ以外の構成については、図1および図2に示す加速度センサと同様なので、同一部材には同一符号を付しその説明を繰り返さないこととする。
An acceleration sensor according to
上述した加速度センサでは、間隔Lが間隔Dよりも広く設定されている。これにより、慣性質量体2とアクチュエーション電極5との間と、慣性質量体2と固定電極6との間に、それぞれ所定のサーボ電圧を印加し静電引力によってサーボ制御させる場合に、印加するサーボ電圧の範囲を、間隔Lと間隔Dとが同じ場合や間隔Lが間隔Dよりも狭く設定されている場合に比べて、より広く設定することができる。その結果、検出精度の高い加速度センサを得ることができる。
In the acceleration sensor described above, the interval L is set wider than the interval D. Thus, a predetermined servo voltage is applied between the inertial
次に、上述した加速度センサの製造方法の一例について説明する。まず、前述した図15に示す工程の後、アクチュエーション電極5、検出電極43a、43b、44a、44b等を覆うように、たとえば、リン酸ガラス等の第1の犠牲膜51(図31参照)が形成される。第1の犠牲膜51の膜厚は、検出プレート23、24等と対応する検出電極43a、43b、44a、44b等との間隔D(図30参照)に相当する。
Next, an example of a method for manufacturing the acceleration sensor described above will be described. First, after the process shown in FIG. 15, the first
次に、固定電極が配置される領域に位置する第1の犠牲膜51の部分と、慣性質量体が配置される領域に位置する第1の犠牲膜51の部分とに、たとえばドライエッチング等の処理を施すことによって、図31に示すように、絶縁膜50の表面を露出する開口51aが形成され、アクチュエーション電極5を露出する開口51bが形成される。
Next, the portion of the first
次に、第1の犠牲膜51を覆うように、第1の犠牲膜51よりも厚い犠牲膜53(図32参照)が形成される。犠牲膜53の膜厚は、アクチュエーション電極5と慣性質量体2との間隔L(図30参照)に相当する。次に、図32に示すように、開口51bから突出する犠牲膜53を残して、他の領域に位置する犠牲膜の部分が除去される。
Next, a sacrificial film 53 (see FIG. 32) thicker than the first
次に、開口51a、51bを埋め込む態様で第1の犠牲膜51を覆うように、導電性のポリシリコン膜81(図33参照)が形成される。次に、その導電性のポリシリコン膜81に、たとえばドライエッチング等の処理を施すことにより、図33に示すように、慣性質量体2、検出プレート23、24等が形成される。また、開口51aでは、固定電極の一部となるポリシリコン膜81がパターニングされる。
Next, a conductive polysilicon film 81 (see FIG. 33) is formed so as to cover the first
次に、慣性質量体2、検出プレート23、24等を覆うように、リン酸ガラス等の第2の犠牲膜52(図34参照)が形成される。次に、図34に示すように、固定電極が配置される領域に位置する第2の犠牲膜52の部分に、たとえばドライエッチング等の処理を施すことによって、ポリシリコン膜81の表面を露出させる。次に、第2の犠牲膜52を覆うように導電性のポリシリコン膜82(図35参照)が形成される。
Next, a second sacrificial film 52 (see FIG. 34) such as phosphate glass is formed so as to cover the inertial
次に、その導電性のポリシリコン膜82をパターニングすることによって、図35に示すように、固定電極6が形成される。固定電極6は、導電性のポリシリコン膜81、82によって形成されている。次に、図36に示すように、所定のエッチング条件のもとで、第2の犠牲膜52、犠牲膜53および第1の犠牲膜51が選択的に除去される。こうして、加速度センサの主要部分が完成する。
Next, by patterning the
上述した加速度センサの製造方法では、慣性質量体2とアクチュエーション電極5との間隔Lは、犠牲膜53の膜厚によって決定される。また、検出プレート23、24等と対応する検出電極43a、43b、44a、44b等との間隔Dは、第1の犠牲膜51の膜厚によって決定される。これにより、間隔Lおよび間隔Dを、容易に精度よく形成することができる。さらに、実施の形態1において述べたように、検出周波数範囲が広く精度の高い加速度センサを、既存の製造装置を用いて安価に製造することができる。
In the acceleration sensor manufacturing method described above, the distance L between the inertial
なお、上述した各実施の形態では、1対のダンピング調整部として、サーボ制御に使用するためのアクチュエーション電極5および固定電極6を例に挙げて説明した。1対のダンピング調整部としては、慣性質量体2の上下方向のダンピング効果を得ることができれば、アクチュエーション電極5および固定電極6のような導電性の部材に限られるものではない。
In each of the above-described embodiments, the
今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time is an example, and the present invention is not limited to this. The present invention is defined by the terms of the claims, rather than the scope described above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
本発明は、自動車のエアバックシステム等をはじめ、加速度を検出するのに有効に利用される。 The present invention is effectively used to detect acceleration, including an automobile airbag system.
1 基板、2 慣性質量体、5 アクチュエーション電極、6 固定電極、7 上部キャップ、8 サーボ電位、8a サーボ電位、8b サーボ電位、10 第1の検出ユニット、11 第1ネジレ梁、12 第2ネジレ梁、13 第3ネジレ梁、14 第4ネジレ梁、15 絶縁膜、20 第2の検出ユニット、21、22、23、24 検出プレート、30 第3の検出ユニット、31、32、33、34 リンク梁、40 第4の検出ユニット、41a、41b 検出電極、42a、42b 検出電極、43a、43b 検出電極、44a、44b 検出電極、50 絶縁膜、51 第1の犠牲層、51a 開口、51b 開口、52 第2の犠牲層、53 犠牲層、80 ポリシリコン配線、81 ポリシリコン膜、82 ポリシリコン膜、91〜94 アンカー、AS 加速度センサ、SE センサ素子、CB 制御回路部、DE1 検出電極、DE2 検出電極、DP 検出プレート、Y1、Y2 矢印。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記基板の表面と交差する方向に変位する慣性質量体と、
前記慣性質量体の変位を差動容量の変化として検出するように配置された検出プレートおよび検出電極と、
前記慣性質量体を上下方向から挟み込む態様で、前記慣性質量体から下方と上方とに、前記慣性質量体が静止した状態でそれぞれ第1間隔をもって隔てられるように配置され、前記慣性質量体のダンピングを調整する1対のダンピング調整部と
を備えた、加速度センサ。 A substrate,
An inertial mass that is displaced in a direction intersecting the surface of the substrate;
A detection plate and a detection electrode arranged to detect displacement of the inertial mass body as a change in differential capacitance;
In a mode in which the inertial mass body is sandwiched from above and below, the inertial mass body is disposed below and above the inertial mass so as to be spaced apart from each other with a first interval in a stationary state, and damping of the inertial mass body An acceleration sensor comprising a pair of damping adjustment units for adjusting
前記1対のダンピング調整部の一方のダンピング調整部としての、前記慣性質量体の下方に配置される第1電極と、
前記1対のダンピング調整部の他方のダンピング調整部としての、前記慣性質量体の上方に配置される第2電極と
を含む、請求項1記載の加速度センサ。 The pair of damping adjustment units are:
A first electrode disposed below the inertial mass body as one damping adjustment section of the pair of damping adjustment sections;
The acceleration sensor according to claim 1, further comprising: a second electrode disposed above the inertial mass body as the other damping adjustment unit of the pair of damping adjustment units.
前記慣性質量体と前記第1電極との間および前記慣性質量体と前記第2電極との間にそれぞれ所定の電位を印加することにより生じる静電引力によって、前記慣性質量体を、静止状態の前記慣性質量体の位置に制御するサーボ機能を備えた、請求項2記載の加速度センサ。 The inertial mass is electrically conductive;
The inertial mass body is brought into a stationary state by electrostatic attraction generated by applying a predetermined potential between the inertial mass body and the first electrode and between the inertial mass body and the second electrode. The acceleration sensor according to claim 2, further comprising a servo function that controls the position of the inertial mass body.
前記検出電極は、前記慣性質量体が静止した状態で前記検出プレートとは第2間隔をもって隔てられて、前記検出プレートと対向するように配置され、
前記第1間隔は前記第2間隔よりも狭く設定された、請求項1〜3のいずれかに記載の加速度センサ。 The detection plate is connected to the inertial mass;
The detection electrode is disposed so as to face the detection plate, separated from the detection plate by a second interval in a state where the inertial mass body is stationary.
The acceleration sensor according to claim 1, wherein the first interval is set narrower than the second interval.
前記検出電極は、前記慣性質量体が静止した状態で前記検出プレートとは第2間隔をもって隔てられて、前記検出プレートと対向するように配置され、
前記第1間隔は前記第2間隔よりも広く設定された、請求項1〜3のいずれかに記載の加速度センサ。 The detection plate is connected to the inertial mass;
The detection electrode is disposed so as to face the detection plate, separated from the detection plate by a second interval in a state where the inertial mass body is stationary.
The acceleration sensor according to claim 1, wherein the first interval is set wider than the second interval.
The acceleration sensor according to claim 1, wherein the first interval is secured by removing a sacrificial film having a thickness corresponding to the first interval.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2012160548A JP2014020955A (en) | 2012-07-19 | 2012-07-19 | Acceleration sensor |
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Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001074771A (en) * | 1999-09-06 | 2001-03-23 | Japan Aviation Electronics Industry Ltd | Electrostatic torquer type accelerometer |
JP2010066231A (en) * | 2008-09-12 | 2010-03-25 | Mitsubishi Electric Corp | Acceleration sensor |
-
2012
- 2012-07-19 JP JP2012160548A patent/JP2014020955A/en active Pending
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