JP2015017819A - Acceleration sensor - Google Patents

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英喜 上田
Hideki Ueda
英喜 上田
岳志 森
Takashi Mori
岳志 森
江田 和夫
Kazuo Eda
和夫 江田
巧 田浦
Takumi Taura
巧 田浦
慎一 岸本
Shinichi Kishimoto
慎一 岸本
伸行 茨
Nobuyuki Ibara
伸行 茨
吉田 仁
Hitoshi Yoshida
仁 吉田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an acceleration sensor capable of reducing output errors.SOLUTION: An acceleration sensor is a differential capacitance acceleration sensor that comprises: an X detection unit 10 detecting and outputting an X-direction acceleration using a first movable electrode 11; a Y detection unit 20 detecting and outputting a Y-direction acceleration using a second movable electrode 21; a Z detection unit 30 detecting and outputting a Z-direction acceleration using a third movable electrode 31; and an automatic correction circuit 220 subtracting a correction value represented by a polynominal expression (Aa^3+Ba^5+...) from an acceleration a, where a is the acceleration output from each of the X detection unit 10, the Y detection unit 20, and the Z detection unit 30 and A and B are correction coefficients.

Description

本発明は、加速度センサに関する。   The present invention relates to an acceleration sensor.

従来、差動容量型の加速度センサの出力を補正する技術が知られている。例えば、特許文献1の段落0040には、「複数の測定結果および較正サンプルは、DAC訂正表を形成するX−Y対の表に配列される。X−Y配列は、三次スプライン補間を使用して正確に設定された較正出力電圧レベルを供給する。」と記載されている。その他、補正機能を備えた加速度センサや角速度センサなどに関する先行技術文献として、特許文献2〜4などがある。   Conventionally, a technique for correcting the output of a differential capacitance type acceleration sensor is known. For example, in paragraph 0040 of Patent Document 1, “a plurality of measurement results and calibration samples are arranged in a table of XY pairs forming a DAC correction table. The XY array uses cubic spline interpolation. Provides a precisely set calibration output voltage level. " Other prior art documents related to acceleration sensors and angular velocity sensors having a correction function include Patent Documents 2 to 4.

特表2011−520128号公報Special table 2011-520128 gazette 特開2008−170294号公報JP 2008-170294 A 特開2005−308531号公報JP 2005-308531 A 特開平06−331647号公報Japanese Patent Laid-Open No. 06-331647

理想的な加速度センサによれば、印加する加速度に対して出力が比例するが、実際の出力には誤差が含まれるのが現状である。加速度センサの利用分野が増えるに伴い、加速度センサの高精度、高信頼性を実現することが望まれている。   According to an ideal acceleration sensor, the output is proportional to the applied acceleration, but the actual output currently includes an error. As the application field of acceleration sensors increases, it is desired to realize high accuracy and high reliability of acceleration sensors.

そこで、本発明は、出力誤差を低減することのできる加速度センサを得ることを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to obtain an acceleration sensor that can reduce an output error.

本発明は、差動容量型の加速度センサであって、外部から与えられた加速度に応じて可動する可動電極と、前記可動電極を用いて所定方向の加速度を検出して出力する検出部と、前記検出部から出力される加速度をa、補正係数をA、B、・・・とすると、3次以上の奇数次の項からなる多項式(Aa^3+Ba^5+・・・)によって表される補正値を加速度aから引き算する自動補正回路とを備えることを特徴とする。   The present invention is a differential capacitance type acceleration sensor, a movable electrode movable according to an acceleration given from the outside, a detection unit for detecting and outputting an acceleration in a predetermined direction using the movable electrode, If the acceleration output from the detection unit is a and the correction coefficients are A, B,..., The correction is expressed by a polynomial (Aa ^ 3 + Ba ^ 5 +. And an automatic correction circuit for subtracting the value from the acceleration a.

また、本発明において、前記自動補正回路は、平行平板型の静電ギャップdが変化することで加速度を検出する場合、誘電率をε、電極の対向面積をS、初期静電ギャップをd、ギャップ変化量をΔdとすると、前記加速度aを以下に示すYとし、前記補正係数を以下に示すA、B・・・Nとしてもよい。 In the present invention, the automatic correction circuit detects the acceleration by changing the parallel plate type electrostatic gap d, the dielectric constant is ε, the opposing area of the electrode is S, and the initial electrostatic gap is d 0. When the gap change amount is Δd, the acceleration a may be Y shown below, and the correction coefficients may be A, B... N shown below.

Y=εS×{−2Δd/(d −Δd)}
A=−2・ΔdεS/d
B=−2・ΔdεS/d

N=−2・Δd2n+1εS/d 2n+2
また、本発明において、前記自動補正回路は、トーション方式の静電ギャップdが変化することで加速度を検出する場合、誘電率をε、電極の対向面積をS、初期静電ギャップをd、ギャップ変化量をΔdとすると、前記加速度aを以下に示すYとし、前記補正係数を以下に示すA、B・・・Nとしてもよい。
Y = εS × {−2Δd / (d 0 2 −Δd 2 )}
A = −2 · Δd 3 εS / d 0 4
B = −2 · Δd 5 εS / d 0 6
:
N = −2 · Δd 2n + 1 εS / d 0 2n + 2
In the present invention, the automatic correction circuit detects the acceleration by changing the torsion type electrostatic gap d, the dielectric constant is ε, the opposing area of the electrode is S, the initial electrostatic gap is d 0 , When the gap change amount is Δd, the acceleration a may be Y shown below, and the correction coefficients may be A, B... N shown below.

Y=εS/Δd×ln{(d −Δd)/d }
A=−ΔdεS/2d
B=−ΔdεS/3d

N=−Δd2n+1εS/{(n×1)×d 2n+2}
Y = εS / Δd × ln {(d 0 2 −Δd 2 ) / d 0 2 }
A = −Δd 3 εS / 2d 0 4
B = −Δd 5 εS / 3d 0 6
:
N = −Δd 2n + 1 εS / {(n × 1) × d 0 2n + 2 }

本発明によれば、出力誤差を低減することのできる加速度センサを提供することが可能となる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the acceleration sensor which can reduce an output error.

図1は、実施形態にかかる加速度センサを内蔵したパッケージの内部構成例を示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view illustrating an internal configuration example of a package incorporating the acceleration sensor according to the embodiment. 図2は、実施形態にかかる加速度センサの分解斜視図である。FIG. 2 is an exploded perspective view of the acceleration sensor according to the embodiment. 図3は、実施形態にかかる加速度センサの断面図であって、(a)はX検出部の断面図、(b)はZ検出部の断面図である。3A and 3B are cross-sectional views of the acceleration sensor according to the embodiment, in which FIG. 3A is a cross-sectional view of the X detection unit, and FIG. 3B is a cross-sectional view of the Z detection unit. 図4は、実施形態にかかる加速度センサにおいて、X方向の加速度が印加されていない状態におけるX検出部の断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of the X detection unit in the state where no acceleration in the X direction is applied in the acceleration sensor according to the embodiment. 図5は、図4に示される状態においてX方向の加速度を検出する原理を説明するための図である。FIG. 5 is a diagram for explaining the principle of detecting the acceleration in the X direction in the state shown in FIG. 図6は、実施形態にかかる加速度センサにおいて、X方向に1Gの加速度が印加された状態におけるX検出部の断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of the X detection unit in a state where 1 G acceleration is applied in the X direction in the acceleration sensor according to the embodiment. 図7は、図6に示される状態においてX方向の加速度を検出する原理を説明するための図である。FIG. 7 is a diagram for explaining the principle of detecting the acceleration in the X direction in the state shown in FIG. 図8は、実施形態にかかる加速度センサにおいて、Z方向に1Gの加速度が印加された状態におけるZ検出部の断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view of the Z detection unit in a state where 1 G acceleration is applied in the Z direction in the acceleration sensor according to the embodiment. 図9は、図8に示される状態においてZ方向の加速度を検出する原理を説明するための図である。FIG. 9 is a diagram for explaining the principle of detecting the acceleration in the Z direction in the state shown in FIG. 図10は、理想的な加速度センサと実際の加速度センサ(比較例)の出力特性を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing output characteristics of an ideal acceleration sensor and an actual acceleration sensor (comparative example). 図11は、実施形態にかかる加速度センサの要部の機能ブロック図である。FIG. 11 is a functional block diagram of a main part of the acceleration sensor according to the embodiment.

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下では、同様の構成要素には共通の符号を付与するとともに、重複する説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, below, while attaching | subjecting a common code | symbol to the same component, the overlapping description is abbreviate | omitted.

〔パッケージの内部構成〕
図1は、実施形態にかかる加速度センサを搭載したパッケージ300の内部構成例を示す斜視図である。ここでは、基板500に実装されたパッケージ300の蓋を開けた状態を示している。この図に示すように、パッケージ300には、センサチップ100や、センサチップ100からの出力に基づいて各種の演算を行うASIC200等が搭載されている。パッケージ300から端子400が引き出され、基板500に接続されている。この加速度センサは静電容量型の加速度センサであり、MEMS技術で製造される。XYZの3軸方向の加速度を検出するため、各軸個別の重り(可動電極)を形成し、センサチップ100内に配置している。
[Internal structure of the package]
FIG. 1 is a perspective view illustrating an internal configuration example of a package 300 on which the acceleration sensor according to the embodiment is mounted. Here, a state in which the lid of the package 300 mounted on the substrate 500 is opened is shown. As shown in this figure, the package 300 is mounted with a sensor chip 100, an ASIC 200 that performs various calculations based on the output from the sensor chip 100, and the like. Terminals 400 are drawn from the package 300 and connected to the substrate 500. This acceleration sensor is a capacitance type acceleration sensor and is manufactured by MEMS technology. In order to detect the acceleration in the three axis directions of XYZ, a weight (movable electrode) for each axis is formed and arranged in the sensor chip 100.

〔加速度センサの構成〕
図2は、実施形態にかかる加速度センサ(センサチップ100)の分解斜視図である。この図に示すように、センサ部1の上下面が上部固定板2aと下部固定板2bにより挟持された構成となっている。センサ部1は、シリコンSOI基板等により形成され、上部固定板2aと下部固定板2bは、ガラス等の絶縁体により形成されている。
[Configuration of acceleration sensor]
FIG. 2 is an exploded perspective view of the acceleration sensor (sensor chip 100) according to the embodiment. As shown in the figure, the upper and lower surfaces of the sensor unit 1 are sandwiched between an upper fixing plate 2a and a lower fixing plate 2b. The sensor unit 1 is formed of a silicon SOI substrate or the like, and the upper fixing plate 2a and the lower fixing plate 2b are formed of an insulator such as glass.

以下、センサ部1のうち、X方向の加速度を検出する部分を「X検出部10」、Y方向の加速度を検出する部分を「Y検出部20」、Z方向の加速度を検出する部分を「Z検出部30」と呼ぶことにする。X方向は、平面方向のうちの一方向である。Y方向は、平面方向のうちの一方向であってX方向と直交する方向である。Z方向は、垂直方向である。   Hereinafter, in the sensor unit 1, the part that detects the acceleration in the X direction is “X detection part 10”, the part that detects the acceleration in the Y direction is “Y detection part 20”, and the part that detects the acceleration in the Z direction is “ This will be referred to as “Z detection unit 30”. The X direction is one of the planar directions. The Y direction is one of the planar directions and is a direction orthogonal to the X direction. The Z direction is the vertical direction.

X検出部10は、一対のビーム部12a,12bを軸にして第1の可動電極11を揺動させることによりX方向の加速度を検出する。すなわち、一対のビーム部12a,12bを結ぶ直線を境界線として第1の可動電極11の表面の一方側及び他方側に対向させて第1の固定電極13a,13bを配置している。これにより、第1の可動電極11と第1の固定電極13a,13bとの間の静電容量の変化に基づいてX方向の加速度を検出することができる。   The X detector 10 detects the acceleration in the X direction by swinging the first movable electrode 11 around the pair of beam portions 12a and 12b. That is, the first fixed electrodes 13a and 13b are arranged so as to face one side and the other side of the surface of the first movable electrode 11 with a straight line connecting the pair of beam portions 12a and 12b as a boundary line. Thereby, the acceleration in the X direction can be detected based on the change in capacitance between the first movable electrode 11 and the first fixed electrodes 13a and 13b.

Y検出部20は、一対のビーム部22a,22bを軸にして第2の可動電極21を揺動させることによりY方向の加速度を検出する。すなわち、一対のビーム部22a,22bを結ぶ直線を境界線として第2の可動電極21の表面の一方側及び他方側に対向させて第2の固定電極23a,23bを配置している。これにより、第2の可動電極21と第2の固定電極23a,23bとの間の静電容量の変化に基づいてY方向の加速度を検出することができる。   The Y detector 20 detects the acceleration in the Y direction by swinging the second movable electrode 21 around the pair of beam portions 22a and 22b. That is, the second fixed electrodes 23a and 23b are arranged to face one side and the other side of the surface of the second movable electrode 21 with a straight line connecting the pair of beam portions 22a and 22b as a boundary line. Thereby, the acceleration of a Y direction is detectable based on the change of the electrostatic capacitance between the 2nd movable electrode 21 and 2nd fixed electrode 23a, 23b.

Z検出部30は、二対のビーム部32a,32b,32c,32dにより保持された第3の可動電極31を垂直方向に平行移動させることによりZ方向の加速度を検出する。すなわち、第3の可動電極31の表面及び裏面に対向させて第3の固定電極33a,33bを配置している。これにより、第3の可動電極31と第3の固定電極33a,33bとの間の静電容量の変化に基づいてZ方向の加速度を検出することができる。   The Z detection unit 30 detects the acceleration in the Z direction by translating the third movable electrode 31 held by the two pairs of beam units 32a, 32b, 32c, and 32d in the vertical direction. That is, the third fixed electrodes 33a and 33b are arranged to face the front and back surfaces of the third movable electrode 31. Thereby, the acceleration of a Z direction is detectable based on the change of the electrostatic capacitance between the 3rd movable electrode 31 and the 3rd fixed electrodes 33a and 33b.

X検出部10とY検出部20は互いに90°回転させただけの同形状とし、これらを別形状のZ検出部30の両側に並べて1チップ内に配置している。すなわち、図2に示すように、フレーム部3には、3つの矩形枠10a,20a,30aが直線状に並んで形成されている。矩形枠10aには第1の可動電極11が配置され、矩形枠20aには第2の可動電極21が配置され、矩形枠30aには第3の可動電極31が配置されている。第1〜第3の可動電極11,21,31はいずれも略矩形形状である。第1〜第3の可動電極11,21,31と矩形枠10a,20a,30aの側壁部との間には所定サイズの隙間が空いた状態となっている。   The X detection unit 10 and the Y detection unit 20 have the same shape that is simply rotated by 90 °, and are arranged on one side of the Z detection unit 30 in a different shape. That is, as shown in FIG. 2, the frame portion 3 is formed with three rectangular frames 10a, 20a, 30a arranged in a straight line. The first movable electrode 11 is disposed in the rectangular frame 10a, the second movable electrode 21 is disposed in the rectangular frame 20a, and the third movable electrode 31 is disposed in the rectangular frame 30a. Each of the first to third movable electrodes 11, 21, 31 has a substantially rectangular shape. A gap of a predetermined size is left between the first to third movable electrodes 11, 21, 31 and the side walls of the rectangular frames 10a, 20a, 30a.

図3は、実施形態にかかる加速度センサの断面図であって、(a)はX検出部10の断面を示し、(b)はZ検出部30の断面を示している。Y検出部20の断面はX検出部10と同様であるため、ここでは図示を省略している。   3A and 3B are cross-sectional views of the acceleration sensor according to the embodiment, in which FIG. 3A shows a cross section of the X detector 10 and FIG. 3B shows a cross section of the Z detector 30. Since the cross section of the Y detection unit 20 is the same as that of the X detection unit 10, the illustration is omitted here.

まず、X検出部10の断面は、図3(a)に示す通りである。すなわち、第1の可動電極11の表面の対向する2辺の略中央部と矩形枠10aの側壁部とを一対のビーム部12a,12bで連結することにより、第1の可動電極11がフレーム部3に対して揺動自在に支持されている。上部固定板2aの第1の可動電極11と対向する側には、ビーム部12aとビーム部12bを結ぶ直線を境界線として第1の固定電極13a,13bが設けられている。第1の固定電極13a,13bは、第1の貫通電極14a,14bを用いて上部固定板2aの上面(一方側)に引き出されている。第1の貫通電極14a,14bの材質は、シリコンやタングステン、銅等の導体であり、第1の貫通電極14a,14bを保持する周囲の材質は、ガラス等の絶縁体である。   First, the cross section of the X detector 10 is as shown in FIG. That is, the first movable electrode 11 is connected to the frame portion by connecting the substantially central portion of the two opposing sides of the surface of the first movable electrode 11 and the side wall portion of the rectangular frame 10a with the pair of beam portions 12a and 12b. 3 is swingably supported. On the side of the upper fixed plate 2a facing the first movable electrode 11, first fixed electrodes 13a and 13b are provided with a straight line connecting the beam portion 12a and the beam portion 12b as a boundary line. The first fixed electrodes 13a and 13b are drawn out to the upper surface (one side) of the upper fixed plate 2a using the first through electrodes 14a and 14b. The material of the first through electrodes 14a and 14b is a conductor such as silicon, tungsten, or copper, and the surrounding material that holds the first through electrodes 14a and 14b is an insulator such as glass.

Y検出部20についても同様である。すなわち、第2の可動電極21の表面の対向する2辺の略中央部と矩形枠20aの側壁部とを一対のビーム部22a,22bで連結することにより、第2の可動電極21がフレーム部3に対して揺動自在に支持されている。上部固定板2aの第2の可動電極21と対向する側には、ビーム部22aとビーム部22bを結ぶ直線を境界線として第2の固定電極23a,23bが設けられている。第2の固定電極23a,23bは、第2の貫通電極24a,24bを用いて上部固定板2aの上面に引き出されている。第2の貫通電極24a,24bの材質は、シリコンやタングステン、銅等の導体であり、第2の貫通電極24a,24bを保持する周囲の材質は、ガラス等の絶縁体である。   The same applies to the Y detector 20. That is, the second movable electrode 21 is connected to the frame portion by connecting the substantially central portion of two opposing sides of the surface of the second movable electrode 21 and the side wall portion of the rectangular frame 20a with a pair of beam portions 22a and 22b. 3 is swingably supported. On the side of the upper fixed plate 2a facing the second movable electrode 21, second fixed electrodes 23a and 23b are provided with a straight line connecting the beam portion 22a and the beam portion 22b as a boundary line. The second fixed electrodes 23a and 23b are drawn to the upper surface of the upper fixed plate 2a using the second through electrodes 24a and 24b. The material of the second through electrodes 24a and 24b is a conductor such as silicon, tungsten, or copper, and the surrounding material that holds the second through electrodes 24a and 24b is an insulator such as glass.

更に、Z検出部30の断面は、図3(b)に示す通りである。すなわち、第3の可動電極31の四隅と矩形枠30aの側壁部とを二対のL字形のビーム部32a,32b,32c,32dで連結することにより、第3の可動電極31が垂直方向に平行移動可能になっている。ビーム部32a,32b,32c,32dの形状は特に限定されるものではないが、L字形にすれば、ビーム部32a,32b,32c,32dを長くすることができる。上部固定板2aの第3の可動電極31と対向する側には第3の固定電極33aが設けられ、下部固定板2bの第3の可動電極31と対向する側には第3の固定電極33bが設けられている。第3の固定電極33aは、第3の貫通電極34aを用いて上部固定板2aの上面に引き出されている。第3の固定電極33bは、矩形領域33b1から突き出した突出領域33b2を備えている(図2参照)。突出領域33b2は、第3の可動電極31とは分離された柱状の固定電極34cに接続され、柱状の固定電極34cは、上部固定板2aに設けられた第3の貫通電極34bに接続される構成となっている。これにより、柱状の固定電極34c及び第3の貫通電極34bを用いて第3の固定電極33bを上部固定板2aの上面に引き出すことができる。第3の貫通電極34a,34bの材質は、シリコンやタングステン、銅等の導体であり、第3の貫通電極34a,34bを保持する周囲の材質は、ガラス等の絶縁体である。   Furthermore, the cross section of the Z detection unit 30 is as shown in FIG. That is, by connecting the four corners of the third movable electrode 31 and the side wall portion of the rectangular frame 30a by two pairs of L-shaped beam portions 32a, 32b, 32c, and 32d, the third movable electrode 31 is moved vertically. It can be translated. The shapes of the beam portions 32a, 32b, 32c, and 32d are not particularly limited. However, if the beam portions 32a, 32b, 32c, and 32d are L-shaped, the beam portions 32a, 32b, 32c, and 32d can be lengthened. A third fixed electrode 33a is provided on the side of the upper fixed plate 2a facing the third movable electrode 31, and a third fixed electrode 33b is provided on the side of the lower fixed plate 2b facing the third movable electrode 31. Is provided. The third fixed electrode 33a is drawn to the upper surface of the upper fixed plate 2a using the third through electrode 34a. The third fixed electrode 33b includes a protruding area 33b2 protruding from the rectangular area 33b1 (see FIG. 2). The protruding region 33b2 is connected to a columnar fixed electrode 34c separated from the third movable electrode 31, and the columnar fixed electrode 34c is connected to a third through electrode 34b provided on the upper fixed plate 2a. It has a configuration. Thus, the third fixed electrode 33b can be drawn out to the upper surface of the upper fixed plate 2a using the columnar fixed electrode 34c and the third through electrode 34b. The material of the third through electrodes 34a and 34b is a conductor such as silicon, tungsten, or copper, and the surrounding material that holds the third through electrodes 34a and 34b is an insulator such as glass.

〔X方向の加速度検出原理〕
次に、X方向の加速度検出原理について説明する。まず、誘電率をε、電極の対向面積をS、電極の対向ギャップをdとした場合、静電容量Cは、C=εS/dにより算出することができる。加速度により可動電極が回転すると、対向ギャップdが変化するため、静電容量Cが変化する。そこで、ASIC200により差分容量(C1−C2)をCV変換する。出力誤差を低減する方法については後述する。
[X-direction acceleration detection principle]
Next, the principle of acceleration detection in the X direction will be described. First, when the dielectric constant is ε, the opposing area of the electrode is S, and the opposing gap of the electrode is d, the capacitance C can be calculated by C = εS / d. When the movable electrode rotates due to acceleration, the facing gap d changes, so that the capacitance C changes. Therefore, the differential capacity (C1-C2) is CV-converted by the ASIC 200. A method for reducing the output error will be described later.

図4は、X方向の加速度が印加されていない状態におけるX検出部10の断面を示している。この場合、図5に示すように、第1の可動電極11と第1の固定電極13a,13bとの間の静電容量C1,C2は等しくなる。ASIC200は、静電容量C1と静電容量C2の差分値(C1−C2=0)を算出し、X出力として出力する。   FIG. 4 shows a cross section of the X detection unit 10 in a state where no acceleration in the X direction is applied. In this case, as shown in FIG. 5, the capacitances C1 and C2 between the first movable electrode 11 and the first fixed electrodes 13a and 13b are equal. The ASIC 200 calculates a difference value (C1−C2 = 0) between the electrostatic capacitance C1 and the electrostatic capacitance C2 and outputs it as an X output.

図6は、X方向に1Gの加速度が印加された状態におけるX検出部10の断面を示している。この場合、図7に示すように、第1の可動電極11と第1の固定電極13aとの間の静電容量C1は寄生容量+ΔCとなり、第1の可動電極11と第1の固定電極13bとの間の静電容量C2は寄生容量−ΔCとなる。ASIC200は、静電容量C1と静電容量C2の差分値(C1−C2=2ΔC)を算出し、X出力として出力する。   FIG. 6 shows a cross section of the X detection unit 10 in a state where 1 G acceleration is applied in the X direction. In this case, as shown in FIG. 7, the electrostatic capacitance C1 between the first movable electrode 11 and the first fixed electrode 13a becomes a parasitic capacitance + ΔC, and the first movable electrode 11 and the first fixed electrode 13b. The capacitance C2 between and is a parasitic capacitance −ΔC. The ASIC 200 calculates a difference value (C1−C2 = 2ΔC) between the electrostatic capacitance C1 and the electrostatic capacitance C2 and outputs it as an X output.

このように、X検出部10は、静電容量の変化に基づいてX方向の加速度を検出するようになっている。Y検出部20がY方向の加速度を検出する原理も同様である。   As described above, the X detection unit 10 detects the acceleration in the X direction based on the change in capacitance. The principle by which the Y detection unit 20 detects acceleration in the Y direction is the same.

〔Z方向の加速度検出原理〕
図8は、Z方向に1Gの加速度が印加された状態におけるZ検出部30の断面を示している。この場合、図9に示すように、第3の可動電極31と第3の固定電極33aとの間の静電容量C5は寄生容量+ΔCとなり、第3の可動電極31と第3の固定電極33bとの間の静電容量C6は寄生容量−ΔCとなる。ASIC200は、静電容量C5と静電容量C6の差分値(C5−C6=2ΔC)を算出し、Z出力として出力する。このように、Z検出部30は、静電容量の変化に基づいてZ方向の加速度を検出するようになっている。
[Z-direction acceleration detection principle]
FIG. 8 shows a cross section of the Z detection unit 30 in a state where 1 G acceleration is applied in the Z direction. In this case, as shown in FIG. 9, the capacitance C5 between the third movable electrode 31 and the third fixed electrode 33a becomes a parasitic capacitance + ΔC, and the third movable electrode 31 and the third fixed electrode 33b. The capacitance C6 between and is a parasitic capacitance −ΔC. The ASIC 200 calculates a difference value (C5−C6 = 2ΔC) between the capacitance C5 and the capacitance C6, and outputs it as a Z output. Thus, the Z detection unit 30 detects the acceleration in the Z direction based on the change in capacitance.

〔出力誤差〕
図10は、理想的な加速度センサと実際の加速度センサ(比較例)の出力特性を示すグラフである。この図に示すように、理想的な加速度センサの出力(理想出力)O1は、印加する加速度に比例する。それに対して、実際の加速度センサの出力O2には、図中の矢印に示すような誤差が含まれるのが現状である。以下、平行平板型の静電ギャップdが変化することで加速度を検出する場合(図8参照)を例示して説明する。
[Output error]
FIG. 10 is a graph showing output characteristics of an ideal acceleration sensor and an actual acceleration sensor (comparative example). As shown in this figure, an ideal acceleration sensor output (ideal output) O1 is proportional to the applied acceleration. On the other hand, the actual acceleration sensor output O2 currently includes an error as indicated by an arrow in the figure. Hereinafter, a case where acceleration is detected by changing the parallel plate type electrostatic gap d (see FIG. 8) will be described as an example.

まず、加速度印加時の第3の可動電極31の変化量は次式により表すことができる(フックの法則)。aは印加加速度、mは第3の可動電極31の重さ、kはばね定数、Δdは第3の可動電極31の変化量(ギャップ変化量)である。   First, the amount of change of the third movable electrode 31 when acceleration is applied can be expressed by the following equation (Hooke's law). a is an applied acceleration, m is the weight of the third movable electrode 31, k is a spring constant, and Δd is a change amount (gap change amount) of the third movable electrode 31.

Δd=ma/k
また、加速度印加時の静電容量C5、C6は次式により表すことができる。εは誘電率、dは初期静電ギャップ、Sは電極の対向面積である。
Δd = ma / k
Further, the capacitances C5 and C6 at the time of acceleration application can be expressed by the following equations. ε is the dielectric constant, d 0 is the initial electrostatic gap, and S is the opposing area of the electrodes.

C5=ε×S/(d+Δd)
C6=ε×S/(d−Δd)
そのため、差動容量は次式のようになる。
C5 = ε × S / (d 0 + Δd)
C6 = ε × S / (d 0 −Δd)
Therefore, the differential capacitance is as follows:

C5−C6=εS×{−2Δd/(d −Δd)}
このような差動容量は、正確には直線の出力ではなく、誤差を含んでいる。そこで、本実施形態にかかる加速度センサは、出力誤差を低減するため、以下の構成を採用している。
C5-C6 = εS × {−2Δd / (d 0 2 −Δd 2 )}
Such a differential capacitor does not accurately output a straight line but includes an error. Therefore, the acceleration sensor according to the present embodiment employs the following configuration in order to reduce output errors.

〔機能ブロック図〕
図11は、実施形態にかかる加速度センサの要部の機能ブロック図である。この図に示すように、ASIC200は、入力加速度aから補正値を引き算することで理想出力O1からのずれ(誤差)を補正する自動補正回路220を備える。補正値は、入力加速度aを変数とする多項式(Aa^3+Ba^5+・・・)から算出するようになっている。
[Function block diagram]
FIG. 11 is a functional block diagram of a main part of the acceleration sensor according to the embodiment. As shown in this figure, the ASIC 200 includes an automatic correction circuit 220 that corrects a deviation (error) from the ideal output O1 by subtracting a correction value from the input acceleration a. The correction value is calculated from a polynomial (Aa ^ 3 + Ba ^ 5 +...) With the input acceleration a as a variable.

具体的には、演算回路221は、X検出部10から出力される加速度aから補正値(Aa^3+Ba^5+・・・)を引き算して出力する。また、演算回路222は、Y検出部20から出力される加速度aから補正値(Aa^3+Ba^5+・・・)を引き算して出力する。更に、演算回路223は、Z検出部30から出力される加速度aから補正値(Aa^3+Ba^5+・・・)を引き算して出力する。このように、3次以上の奇数次の項からなる多項式(奇関数)を補正値とすると、直線性の補正を実現することができる。すなわち、従来に比べて加速度センサの出力を理想出力O1に近づけることができる。   Specifically, the arithmetic circuit 221 subtracts the correction value (Aa ^ 3 + Ba ^ 5 +...) From the acceleration a output from the X detection unit 10 and outputs the result. The arithmetic circuit 222 subtracts the correction value (Aa ^ 3 + Ba ^ 5 +...) From the acceleration a output from the Y detector 20 and outputs the result. Further, the arithmetic circuit 223 subtracts the correction value (Aa ^ 3 + Ba ^ 5 +...) From the acceleration a output from the Z detector 30 and outputs the result. As described above, when a polynomial (odd function) composed of odd-order terms of the third order or higher is used as a correction value, linearity correction can be realized. That is, the output of the acceleration sensor can be made closer to the ideal output O1 as compared with the conventional case.

ここで、Z検出部30がZ方向の加速度を検出する場合など、平行平板型の静電ギャップdが変化することで加速度を検出する場合(図8参照)、加速度aは、以下に示すYで表すことができる。この場合、補正係数は、以下に示すA、B・・・Nとするのが好ましい。これにより、加速度センサの出力を理想出力O1により近づけることができる。   Here, when the acceleration is detected by changing the parallel plate electrostatic gap d (see FIG. 8), such as when the Z detection unit 30 detects acceleration in the Z direction, the acceleration a is represented by the following Y Can be expressed as In this case, the correction coefficients are preferably set to A, B. Thereby, the output of the acceleration sensor can be brought closer to the ideal output O1.

Y=εS×{−2Δd/(d −Δd)}
A=−2・ΔdεS/d
B=−2・ΔdεS/d

N=−2・Δd2n+1εS/d 2n+2
もちろん、補正値は、3次式(Aa^3)であってもよい。この場合も、加速度aは、上記のYで表すことができ、補正係数Aも、上記した通り、A=−2・ΔdεS/d とする。
Y = εS × {−2Δd / (d 0 2 −Δd 2 )}
A = −2 · Δd 3 εS / d 0 4
B = −2 · Δd 5 εS / d 0 6
:
N = −2 · Δd 2n + 1 εS / d 0 2n + 2
Of course, the correction value may be a cubic equation (Aa ^ 3). In this case as well, the acceleration a can be expressed by Y, and the correction coefficient A is also set to A = −2 · Δd 3 εS / d 0 4 as described above.

一方、X検出部10がX方向の加速度を検出する場合やY検出部20がY方向の加速度を検出する場合など、トーション方式の静電ギャップdが変化することで加速度を検出する場合(図6参照)、加速度aは、以下に示すYで表すことができる。この場合、補正係数は、以下に示すA、B・・・Nとするのが好ましい。これにより、加速度センサの出力を理想出力O1により近づけることができる。   On the other hand, when the X detection unit 10 detects acceleration in the X direction, or when the Y detection unit 20 detects acceleration in the Y direction, the acceleration is detected by changing the torsional electrostatic gap d (see FIG. 6), acceleration a can be represented by Y shown below. In this case, the correction coefficients are preferably set to A, B. Thereby, the output of the acceleration sensor can be brought closer to the ideal output O1.

Y=εS/Δd×ln{(d −Δd)/d }
A=−ΔdεS/2d
B=−ΔdεS/3d

N=−Δd2n+1εS/{(n×1)×d 2n+2}
もちろん、補正値は、3次式(Aa^3)であってもよい。この場合も、加速度aは、上記のYで表すことができ、補正係数Aも、上記した通り、A=−ΔdεS/2d とする。
Y = εS / Δd × ln {(d 0 2 −Δd 2 ) / d 0 2 }
A = −Δd 3 εS / 2d 0 4
B = −Δd 5 εS / 3d 0 6
:
N = −Δd 2n + 1 εS / {(n × 1) × d 0 2n + 2 }
Of course, the correction value may be a cubic equation (Aa ^ 3). Also in this case, the acceleration a can be expressed by the above Y, and the correction coefficient A is also set to A = −Δd 3 εS / 2d 0 4 as described above.

以上説明したように、実施形態にかかる加速度センサは、差動容量型の加速度センサであって、可動電極(第1の可動電極11、第2の可動電極21、又は第3の可動電極31)と、検出部(X検出部10、Y検出部20、又はZ検出部30)と、自動補正回路220とを備える。可動電極は、外部から与えられた加速度に応じて可動する。検出部は、可動電極を用いて所定方向の加速度を検出して出力する。自動補正回路220は、検出部から出力される加速度をa、補正係数をA、B、・・・とすると、3次以上の奇数次の項からなる多項式(Aa^3+Ba^5+・・・)によって表される補正値を加速度aから引き算する。これにより、従来に比べて加速度センサの出力を理想出力O1に近づけることができるため、従来に比べて出力誤差を低減することが可能である。   As described above, the acceleration sensor according to the embodiment is a differential capacitance type acceleration sensor, and is a movable electrode (first movable electrode 11, second movable electrode 21, or third movable electrode 31). A detection unit (X detection unit 10, Y detection unit 20, or Z detection unit 30) and an automatic correction circuit 220. The movable electrode moves in accordance with the acceleration given from the outside. The detection unit detects and outputs an acceleration in a predetermined direction using the movable electrode. The automatic correction circuit 220 is a polynomial (Aa ^ 3 + Ba ^ 5 +...) Composed of odd-order terms of the third order or higher, where a is the acceleration output from the detection unit and A, B,. Is subtracted from the acceleration a. As a result, the output of the acceleration sensor can be made closer to the ideal output O1 as compared with the conventional case, so that the output error can be reduced as compared with the conventional case.

また、自動補正回路220は、平行平板型の静電ギャップdが変化することで加速度を検出する場合、加速度aを以下に示すYとし、前記補正係数を以下に示すA、B・・・Nとするのが好ましい。ここでも、誘電率をε、電極の対向面積をS、初期静電ギャップをd、ギャップ変化量をΔdとしている。これにより、加速度センサの出力を理想出力O1により近づけることができるため、より出力誤差を低減することが可能である。 Further, when the automatic correction circuit 220 detects acceleration by changing the parallel plate type electrostatic gap d, the acceleration a is set to Y shown below, and the correction coefficients are set to A, B... N shown below. Is preferable. Here, the dielectric constant is ε, the opposing area of the electrodes is S, the initial electrostatic gap is d 0 , and the gap change amount is Δd. As a result, the output of the acceleration sensor can be brought closer to the ideal output O1, and the output error can be further reduced.

Y=εS×{−2Δd/(d −Δd)}
A=−2・ΔdεS/d
B=−2・ΔdεS/d

N=−2・Δd2n+1εS/d 2n+2
一方、自動補正回路220は、トーション方式の静電ギャップdが変化することで加速度を検出する場合、加速度aを以下に示すYとし、前記補正係数を以下に示すA、B・・・Nとするのが好ましい。ここでも、誘電率をε、電極の対向面積をS、初期静電ギャップをd、ギャップ変化量をΔdとしている。これにより、加速度センサの出力を理想出力O1により近づけることができるため、より出力誤差を低減することが可能である。
Y = εS × {−2Δd / (d 0 2 −Δd 2 )}
A = −2 · Δd 3 εS / d 0 4
B = −2 · Δd 5 εS / d 0 6
:
N = −2 · Δd 2n + 1 εS / d 0 2n + 2
On the other hand, when the automatic correction circuit 220 detects acceleration by changing the electrostatic gap d of the torsion method, the acceleration a is set to Y shown below, and the correction coefficients are set to A, B. It is preferable to do this. Here, the dielectric constant is ε, the opposing area of the electrodes is S, the initial electrostatic gap is d 0 , and the gap change amount is Δd. As a result, the output of the acceleration sensor can be brought closer to the ideal output O1, and the output error can be further reduced.

Y=εS/Δd×ln{(d −Δd)/d }
A=−ΔdεS/2d
B=−ΔdεS/3d

N=−Δd2n+1εS/{(n×1)×d 2n+2}
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、X検出部10とY検出部20とZ検出部30とが1チップ内に配置された加速度センサを例示しているが、本発明は、X検出部10・Y検出部20・Z検出部30のみが1チップ内に配置された加速度センサに適用することもできる。もちろん、センサチップ100の細部のスペック(形状、大きさ、レイアウト等)も適宜変更することが可能である。
Y = εS / Δd × ln {(d 0 2 −Δd 2 ) / d 0 2 }
A = −Δd 3 εS / 2d 0 4
B = −Δd 5 εS / 3d 0 6
:
N = −Δd 2n + 1 εS / {(n × 1) × d 0 2n + 2 }
The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made. For example, in the above embodiment, an acceleration sensor in which the X detection unit 10, the Y detection unit 20, and the Z detection unit 30 are arranged in one chip is illustrated, but the present invention is an X detection unit 10 / Y detection. Only the unit 20 and the Z detection unit 30 can be applied to an acceleration sensor arranged in one chip. Of course, the detailed specifications (shape, size, layout, etc.) of the sensor chip 100 can be changed as appropriate.

10 X検出部(検出部)
11 第1の可動電極(可動電極)
20 Y検出部(検出部)
21 第2の可動電極(可動電極)
30 Z検出部(検出部)
31 第3の可動電極(可動電極)
220 自動補正回路
ε 誘電率
S 電極の対向面積
初期静電ギャップ
Δd ギャップ変化量
a、Y 加速度
A、B・・・N 補正係数
10 X detector (detector)
11 First movable electrode (movable electrode)
20 Y detector (detector)
21 Second movable electrode (movable electrode)
30 Z detector (detector)
31 Third movable electrode (movable electrode)
220 Automatic correction circuit ε Dielectric constant S Electrode facing area d 0 Initial electrostatic gap Δd Gap variation a, Y Acceleration A, B... N Correction coefficient

Claims (3)

差動容量型の加速度センサであって、
外部から与えられた加速度に応じて可動する可動電極と、
前記可動電極を用いて所定方向の加速度を検出して出力する検出部と、
前記検出部から出力される加速度をa、補正係数をA、B、・・・とすると、3次以上の奇数次の項からなる多項式(Aa^3+Ba^5+・・・)によって表される補正値を加速度aから引き算する自動補正回路と
を備えることを特徴とする加速度センサ。
A differential capacitance type acceleration sensor,
A movable electrode that can move according to acceleration given from the outside;
A detection unit that detects and outputs acceleration in a predetermined direction using the movable electrode;
If the acceleration output from the detection unit is a and the correction coefficients are A, B,..., The correction is expressed by a polynomial (Aa ^ 3 + Ba ^ 5 +. An acceleration sensor comprising: an automatic correction circuit that subtracts a value from the acceleration a.
前記自動補正回路は、平行平板型の静電ギャップdが変化することで加速度を検出する場合、誘電率をε、電極の対向面積をS、初期静電ギャップをd、ギャップ変化量をΔdとすると、前記加速度aを以下に示すYとし、前記補正係数を以下に示すA、B・・・Nとすることを特徴とする請求項1に記載の加速度センサ。
Y=εS×{−2Δd/(d −Δd)}
A=−2・ΔdεS/d
B=−2・ΔdεS/d

N=−2・Δd2n+1εS/d 2n+2
The automatic correction circuit detects the acceleration by changing the parallel plate type electrostatic gap d, the dielectric constant is ε, the opposing area of the electrode is S, the initial electrostatic gap is d 0 , and the gap change amount is Δd. Then, the acceleration a is set to Y shown below, and the correction coefficient is set to A, B... N shown below.
Y = εS × {−2Δd / (d 0 2 −Δd 2 )}
A = −2 · Δd 3 εS / d 0 4
B = −2 · Δd 5 εS / d 0 6
:
N = −2 · Δd 2n + 1 εS / d 0 2n + 2
前記自動補正回路は、トーション方式の静電ギャップdが変化することで加速度を検出する場合、誘電率をε、電極の対向面積をS、初期静電ギャップをd、ギャップ変化量をΔdとすると、前記加速度aを以下に示すYとし、前記補正係数を以下に示すA、B・・・Nとすることを特徴とする請求項1に記載の加速度センサ。
Y=εS/Δd×ln{(d −Δd)/d }
A=−ΔdεS/2d
B=−ΔdεS/3d

N=−Δd2n+1εS/{(n×1)×d 2n+2}
When the acceleration is detected by changing the torsion type electrostatic gap d, the automatic correction circuit sets the dielectric constant to ε, the electrode facing area to S, the initial electrostatic gap to d 0 , and the gap change amount to Δd. The acceleration sensor according to claim 1, wherein the acceleration a is Y shown below, and the correction coefficients are A, B... N shown below.
Y = εS / Δd × ln {(d 0 2 −Δd 2 ) / d 0 2 }
A = −Δd 3 εS / 2d 0 4
B = −Δd 5 εS / 3d 0 6
:
N = −Δd 2n + 1 εS / {(n × 1) × d 0 2n + 2 }
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