JP2016070817A - 慣性センサ - Google Patents
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Abstract
Description
<改善の余地>
特許文献1に記載された技術では、加速度に対して、静電容量が増減する一対の可変容量素子を使用し、各可変容量素子に逆位相の正弦信号(入力信号)を印加している。これにより、特許文献1に記載された技術では、加速度が印加された際に生じる容量変化に基づいて、この容量変化をCV変換部で電圧信号に変換して最終的に加速度に対応する検出信号を得ている。ところが、この特許文献1に記載された技術では、入力信号に外部ノイズが含まれている場合、この外部ノイズが検出信号に悪影響を及ぼすおそれがある。
図2は、本実施の形態1における加速度センサの模式的な回路構成を示す図である。図2に示すように、本実施の形態1における加速度センサは、入力端子IN1と入力端子IN2とを有する。そして、入力端子IN1と入力端子IN2との間には、可変容量素子VCAP1と可変容量素子VCAP2とが直列接続されている。同様に、入力端子IN1と入力端子IN2との間には、可変容量素子VCAP4と可変容量素子VCAP3とが直列接続されている。
本実施の形態1における加速度センサは、上記のように構成されており、以下に、その動作について、図2を参照しながら説明する。
図3は、図2に示す回路構成の変形例を示す図である。図3では、CV変換部10の構成要素として、完全差動オペアンプFDAMPを使用している。つまり、図2に示す回路構成では、シングルエンドオペアンプから構成されるチャージアンプCAMP1およびチャージアンプCAMP2からCV変換部10を構成している。これに対し、図3に示す回路構成では、1つの完全差動オペアンプFDAMPからCV変換部10を構成している。このように本実施の形態1における加速度センサでは、図2に示す回路構成からCV変換部10を構成することもできるし、これに限らず、図3に示す回路構成からCV変換部10を構成することもできる。
続いて、本実施の形態1における特徴点について説明する。図2において、本実施の形態1における第1特徴点は、入力端子IN1と入力端子IN2との間に、可変容量素子VCAP1と可変容量素子VCAP2とからなるMEMS容量1を設けるとともに、可変容量素子VCAP3と可変容量素子VCAP4とからなるMEMS容量2を設ける点にある。つまり、本実施の形態1における加速度センサでは、加速度に起因して静電容量が変化するMEMS構造体から構成される2組のMEMS容量(MEMS容量1とMEMS容量2)を設けている点に特徴点がある。これにより、2組のMEMS容量が、ともにMEMS構造体から構成されるため、いずれのMEMS容量もMEMS構造体の加工精度で形成することができるため、2組のMEMS容量間の製造ばらつきを小さくすることができる。この結果、本実施の形態1における加速度センサによれば、外部ノイズによる悪影響を低減することができる効果が得られる。
図4は、本実施の形態1における加速度センサのセンサエレメントSEのデバイス構造を示す断面図である。図4において、本実施の形態1におけるセンサエレメントSEは、z方向の加速度に対して変位する質量体MSを備えている。この質量体MSは、可動部VU1と、可動部VU1と電気的に分離された可動部VU2と、可動部VU1と可動部VU2とを機械的に接続する機械的接合部MCUとを有している。
本実施の形態1におけるセンサエレメントSEの第1特徴点は、質量体MSを構成する可動部VU1と可動部VU2とをMEMS構造体の製造技術を使用して形成することを前提として、同一のSOI層を加工することにより形成されている点にある。これにより、まず、前提事項によって、可動部VU1と可動部VU2のいずれもMEMS構造体として形成されるため、可動部VU1と可動部VU2との間の製造ばらつき(加工精度)を小さくすることができる。さらに、本実施の形態1におけるセンサエレメントSEでは、同一のSOI層を加工することにより、可動部VU1と可動部VU2とが形成されている。したがって、可動部VU1と可動部VU2とを別々の層を加工して形成する場合よりも、さらに、可動部VU1と可動部VU2との製造ばらつきを小さくすることができる。この点が本実施の形態1におけるセンサエレメントSEの第1特徴点であり、本実施の形態1によれば、上述した前提事項と第1特徴点との相乗効果によって、可動部VU1と可動部VU2との間の製造ばらつきを小さくすることができる。この結果、本実施の形態1によれば、例えば、図2に示すMEMS容量1の静電容量とMEMS容量2の静電容量とのずれ(「不一致」)を抑制することができる。
図5は、本実施の形態1におけるセンサエレメントSEの変形例を示す断面図である。図5において、本変形例におけるセンサエレメントSEでは、固定部FUにサーボ電極SEL1〜SEL4が設けられている。
次に、本実施の形態2におけるセンサエレメントSE1のデバイス構造について説明する。図6は、本実施の形態2におけるセンサエレメントSE1のデバイス構造を示す図である。特に、図6(a)は、本実施の形態2におけるセンサエレメントSE1のデバイス構造を示す平面図であり、図6(b)は、図6(a)のA−A線での断面図であり、図6(c)は、図6(a)のB−B線での断面図である。
続いて、本実施の形態2の変形例について説明する。図7は、本変形例におけるセンサエレメントSE2のデバイス構造を示す図である。
次に、本実施の形態3におけるセンサエレメントSE3のデバイス構造について説明する。図8は、本実施の形態3におけるセンサエレメントSE3のデバイス構造を示す図である。特に、図8(a)は、本実施の形態3におけるセンサエレメントSE3のデバイス構造を示す平面図であり、図8(b)は、図8(a)のA−A線での断面図であり、図8(c)は、図8(a)のB−B線での断面図である。
続いて、本実施の形態4におけるセンサエレメントSE4のデバイス構造について説明する。図9は、本実施の形態4におけるセンサエレメントSE4のデバイス構造を示す図である。特に、図9(a)は、本実施の形態4におけるセンサエレメントSE4のデバイス構造を示す平面図であり、図9(b)は、図9(a)のA−A線での断面図であり、図9(c)は、図9(a)のB−B線での断面図である。
次に、本実施の形態4の変形例1について説明する。図10は、本変形例1におけるセンサエレメントSE5のデバイス構造を示す図である。特に、図10(a)は、本変形例1におけるセンサエレメントSE5のデバイス構造を示す平面図であり、図10(b)は、図10(a)のA−A線での断面図であり、図10(c)は、図10(a)のB−B線での断面図である。
続いて、本実施の形態4の変形例2について説明する。図11は、本変形例2におけるセンサエレメントSE6のデバイス構造を示す図である。特に、図11(a)は、本変形例2におけるセンサエレメントSE6のデバイス構造を示す平面図であり、図11(b)は、図11(a)のA−A線での断面図であり、図11(c)は、図11(a)のB−B線での断面図である。
次に、本変形例3について説明する。本変形例3は、変形例1と変形例2とを組み合わせた形態である。図12は、本変形例3におけるセンサエレメントSE7のデバイス構造を示す図である。特に、図12(a)は、本変形例3におけるセンサエレメントSE7のデバイス構造を示す平面図であり、図12(b)は、図12(a)のA−A線での断面図であり、図12(c)は、図12(a)のB−B線での断面図である。
FEL2 固定電極
FEL3 固定電極
FEL4 固定電極
MCU 機械的接合部
MS 質量体
SE センサエレメント
VCAP1 可変容量素子
VCAP2 可変容量素子
VCAP3 可変容量素子
VCAP4 可変容量素子
VU1 可動部
VU2 可動部
Claims (15)
- 第1方向に変位可能な質量体を備える慣性センサであって、
前記質量体は、
第1可動部、
前記第1可動部とは電気的に分離された第2可動部、
前記第1可動部と前記第2可動部とを機械的に接続する機械的接合部、
を有し、
前記慣性センサは、
前記第1可動部と対向配置された第1固定電極、
前記第1可動部と対向配置された第2固定電極、
前記第2可動部と対向配置された第3固定電極、
前記第2可動部と対向配置された第4固定電極、
を有し、
前記第1可動部と前記第1固定電極とによって第1容量が形成され、
前記第1可動部と前記第2固定電極とによって第2容量が形成され、
前記第2可動部と前記第3固定電極とによって第3容量が形成され、
前記第2可動部と前記第4固定電極とによって第4容量が形成され、
前記質量体が前記第1方向に変位した場合、
前記第1容量と前記第2容量のうち、一方の容量は増加するのに対し、他方の容量は減少し、
前記第3容量と前記第4容量のうち、一方の容量は増加するのに対し、他方の容量は減少する、慣性センサ。 - 請求項1に記載の慣性センサにおいて、
前記機械的接合部は、前記第1方向と直交する第2方向に分離された前記第1可動部と前記第2可動部とを機械的に接続する、慣性センサ。 - 請求項1に記載の慣性センサにおいて、
前記第1可動部および前記第2可動部は、同層のSOI層から形成され、
前記SOI層は、
絶縁層、
前記絶縁層の第1面に形成された第1導体層、
前記絶縁層の前記第1面とは反対の第2面に形成された第2導体層、
から形成される、慣性センサ。 - 請求項3に記載の慣性センサにおいて、
前記第1可動部を構成する前記第1導体層と、前記第2可動部を構成する前記第1導体層とは、第1分離部で分離され、
前記機械的接合部は、前記第2導体層から形成され、
前記第1可動部を構成する前記第2導体層と前記機械的接合部は、第2分離部で分離され、かつ、前記第2可動部を構成する前記第2導体層と前記機械的接合部は、第3分離部で分離され、
断面視において、前記機械的接合部上に前記第1分離部が形成され、前記機械的接合部は、前記第1分離部を内包する、慣性センサ。 - 請求項4に記載の慣性センサにおいて、
前記第1可動部を構成する前記第1導体層と前記第2導体層とは、前記絶縁層を貫通する第1プラグで電気的に接続され、
前記第2可動部を構成する前記第1導体層と前記第2導体層とは、前記絶縁層を貫通する第2プラグで電気的に接続される、慣性センサ。 - 請求項1に記載の慣性センサにおいて、
前記第1固定電極と前記第2固定電極には、互いに逆位相の電圧信号が入力され、
前記第3固定電極と前記第4固定電極には、互いに逆位相の電圧信号が入力され、
前記第1可動部は、第1出力部と電気的に接続され、
前記第2可動部は、第2出力部と電気的に接続される、慣性センサ。 - 請求項1に記載の慣性センサにおいて、
前記慣性センサは、さらに、前記第1可動部の変位を打ち消す静電気力を発生させるための第1サーボ電圧を印加する第1サーボ電極を有し、
前記第1サーボ電極は、前記第1可動部に対して対向配置される、慣性センサ。 - 請求項7に記載の慣性センサにおいて、
前記慣性センサは、さらに、前記第2可動部の変位を打ち消す静電気力を発生させるための第2サーボ電圧を印加する第2サーボ電極を有し、
前記第2サーボ電極は、前記第2可動部に対して対向配置される、慣性センサ。 - 請求項1に記載の慣性センサにおいて、
前記第1容量の容量変化は、前記第1可動部の前記第1方向への変位に起因する前記第1可動部と前記第1固定電極との間の電極間距離の変化によって生じ、
前記第2容量の容量変化は、前記第1可動部の前記第1方向への変位に起因する前記第1可動部と前記第2固定電極との間の電極間距離の変化によって生じ、
前記第3容量の容量変化は、前記第2可動部の前記第1方向への変位に起因する前記第2可動部と前記第3固定電極との間の電極間距離の変化によって生じ、
前記第4容量の容量変化は、前記第2可動部の前記第1方向への変位に起因する前記第2可動部と前記第4固定電極との間の電極間距離の変化によって生じる、慣性センサ。 - 請求項1に記載の慣性センサにおいて、
前記第1容量の容量変化は、前記第1可動部の前記第1方向への変位に起因する前記第1可動部と前記第1固定電極との間の電極間対向面積の変化によって生じ、
前記第2容量の容量変化は、前記第1可動部の前記第1方向への変位に起因する前記第1可動部と前記第2固定電極との間の電極間対向面積の変化によって生じ、
前記第3容量の容量変化は、前記第2可動部の前記第1方向への変位に起因する前記第2可動部と前記第3固定電極との間の電極間対向面積の変化によって生じ、
前記第4容量の容量変化は、前記第2可動部の前記第1方向への変位に起因する前記第2可動部と前記第4固定電極との間の電極間対向面積の変化によって生じる、慣性センサ。 - 請求項1に記載の慣性センサにおいて、
前記第1可動部は、第1出力部と第1梁を介して接続され、
前記第2可動部は、第2出力部と第2梁を介して接続される、慣性センサ。 - 請求項11に記載の慣性センサにおいて、
前記第1梁は、前記第1可動部の端部と接続される片持ち梁であり、
前記第2梁は、前記第2可動部の端部と接続される片持ち梁である、慣性センサ。 - 請求項11に記載の慣性センサにおいて、
平面視において、前記第1出力部は、前記第1可動部の中央部に配置され、
前記第1可動部の左側部の質量と前記第1可動部の右側部の質量とは相違し、
平面視において、前記第2出力部は、前記第2可動部の中央部に配置され、
前記第2可動部の左側部の質量と前記第2可動部の右側部の質量とは相違する、慣性センサ。 - 請求項11に記載の慣性センサにおいて、
平面視において、前記第1出力部を前記第1可動部の中央部からずれた位置に配置することにより、前記第1出力部に対して左側に存在する前記第1可動部の左側部の質量と前記第1出力部に対して右側に存在する前記第1可動部の右側部の質量とは相違し、
平面視において、前記第2出力部を前記第2可動部の中央部からずれた位置に配置することにより、前記第2出力部に対して左側に存在する前記第2可動部の左側部の質量と前記第2出力部に対して右側に存在する前記第2可動部の右側部の質量とは相違する、慣性センサ。 - 請求項1に記載の慣性センサにおいて、
前記第1可動部には、第1櫛歯電極部と第2櫛歯電極部とが形成され、
前記第2可動部には、第3櫛歯電極部と第4櫛歯電極部とが形成され、
前記第1固定電極乃至前記第4固定電極のそれぞれは、櫛歯形状をしており、
前記第1容量は、前記第1櫛歯電極部と前記第1固定電極との対向配置で構成され、
前記第2容量は、前記第2櫛歯電極部と前記第2固定電極との対向配置で構成され、
前記第3容量は、前記第3櫛歯電極部と前記第3固定電極との対向配置で構成され、
前記第4容量は、前記第4櫛歯電極部と前記第4固定電極との対向配置で構成される、慣性センサ。
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