JP2024025890A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】パッケージ応力、実装時の外力、又は熱の影響を受け難い加速度センサを提供する。【解決手段】加速度センサ１は、第１基板１１と、第２基板１２と、を備えている。第１基板１１は、第１基板キャビティ１３の底面の一部領域に設けられている第１アンカー領域１７ａから第１方向に沿って第２基板１２に向かって突出している、第１アンカー１７と、第１アンカー１７から第１方向に垂直な第２方向に延びている、ばね１８と、ばね１８に対して機械的に接続されて、電気的に絶縁されており、第１方向に変位する、可動電極２１と、を有している。第２基板１２は、第２基板キャビティ１４の底面の一部領域に設けられている第２アンカー領域２９ａから第１方向に沿って第１基板１１に向かって突出している、第２アンカー２９と、第２アンカー２９に機械的に固定されており、可動電極２１に対向している、固定電極３０と、を有している。【選択図】図１

Description

本発明は、加速度センサに関する。

特許文献１には、上下に対向する第１の半導体基板と第２の半導体基板とを備える加速度センサが開示されている。第２の半導体基板は、上下方向の加速度が生じるとき、上下方向に僅かに動くカンチレバーによって支持されているウエート部を有する。第１の半導体基板は、ウエート部に対向している電極を有する。加速度センサは、上下方向の加速度が生じるとき、ウエート部と電極との間の静電容量の変化を検出して、加速度を算出する、静電容量型加速度センサである。

特開平８－２８５８８４号公報

第１の半導体基板又は第２の半導体基板は、モールド樹脂によってパッケージングされた後、常温まで冷却されたときに生じるパッケージ応力、実装時の外力、又は熱の影響を受けて変形する場合がある。この場合、ウエート部と電極との間のクリアランスが変化するため、静電容量の初期値や変化量などの特性も変化してしまう。

そこで、本開示は、パッケージ応力、実装時の外力、又は熱の影響を受け難い加速度センサを提供することを目的とする。

まず、本開示は、
第１方向に向かい合う第１基板第１主面と第１基板第２主面とを有する、第１基板と、
前記第１方向に向かい合う第２基板第１主面と第２基板第２主面とを有しており、前記第２基板第１主面が前記第１基板第１主面に対して前記第１方向に向かい合う、第２基板と、を備えている、加速度センサであって、
前記第１基板は、
前記第１基板第１主面から前記第１基板第２主面に向かって窪んでいる、第１基板キャビティと、
前記第１基板キャビティの底面の一部領域に設けられている、第１アンカー領域と、
前記第１アンカー領域から前記第１方向に沿って前記第２基板第１主面に向かって突出している、第１アンカーと、
前記第１アンカーから前記第１方向に垂直な第２方向に延びている、ばねと、
前記ばねに対して機械的に接続されて、電気的に絶縁されており、前記第１方向に変位する、可動電極と、を有しており、
前記第２基板は、
前記第２基板第１主面から前記第２基板第２主面に向かって窪んでいる、第２基板キャビティと、
前記第２基板キャビティの底面の一部領域に設けられている、第２アンカー領域と、
前記第２アンカー領域から前記第１方向に沿って前記第１基板第１主面に向かって突出している、第２アンカーと、
前記第２アンカーに機械的に固定されており、前記可動電極に対向している、固定電極と、を有している、加速度センサを提供する。

本開示の加速度センサは、第１基板の第１アンカーにばねを介して動作可能に支持されている、可動電極と、第２基板の第２アンカーに機械的に固定されている、固定電極と、を備える。よって、可動電極と固定電極はそれぞれ、第１基板キャビティの底面の一部領域に設けられている第１アンカーと、第２基板キャビティの底面の一部領域に設けられている第２アンカーと、を介して第１基板と第２基板に配置されているため、第１基板と第２基板が、パッケージ応力、実装時の外力、又は熱の影響によって変形したとしても、変形の影響を受け難い。したがって、加速度センサは、第１方向の加速度が生じるとき、パッケージ応力、実装時の外力、又は熱の影響を抑えて、可動電極と固定電極との間の静電容量の変化を検出して、第１方向の加速度を算出できる。

また、実装時、第１基板と第２基板が変形したとしても、可動電極と固定電極が第１基板と第２基板の変形の影響を受け難いため、センサの校正を行う必要性が低い。

したがって、本開示の加速度センサは、パッケージ応力、実装時の外力、又は熱の影響を受け難い。

本開示の一実施形態に係る加速度センサの断面図。 図１の加速度センサの第１基板の平面図。 図１の加速度センサの第２基板の平面図。 図１の加速度センサの回路図。 他の実施形態に係る加速度センサの部分拡大図。

以下、本開示の一実施形態について添付図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本開示、その適用物、あるいは、その用途を制限することを意図するものではない。また、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは相違している。

図１は、本開示の一実施形態に係る加速度センサ１の断面図であって、後述する図２の２点鎖線Iに沿った断面図である。加速度センサ１は、第１方向に対向する第１基板１１と第２基板１２とを備える。本実施形態において、第１方向は、図１の上下方向、すなわち加速度センサ１の高さ方向であって、Ｚ軸方向と呼称される。また、加速度センサ１の上方は＋Ｚ方向、下方は－Ｚ方向と呼称される。

第１基板１１は、第２基板１２よりも－Ｚ方向に配置されている。第１基板１１は、Ｚ軸方向に対向する第１基板第１主面１１ａと第１基板第２主面１１ｂとを有する。第１基板第１主面１１ａは、第１基板第２主面１１ｂよりも＋Ｚ方向に位置している。第１基板１１は、第１基板第１主面１１ａから第１基板第２主面１１ｂに向かって、すなわち－Ｚ方向に窪んでいる第１基板キャビティ１３を有する。

第２基板１２は、Ｚ軸方向に対向する第２基板第１主面１２ａと第２基板第２主面１２ｂとを有する。第２基板第１主面１２ａは、第２基板第２主面１２ｂよりも－Ｚ方向に位置している。第２基板第１主面１２ａは、第１基板第１主面１１ａに対して＋Ｚ方向から対向している。第２基板１２は、第２基板第１主面１２ａから第２基板第２主面１２ｂに向かって、すなわち＋Ｚ方向に窪んでいる第２基板キャビティ１４を有する。

本実施形態において、第１基板１１は、シリコンからなるベース基板である一方、第２基板１２は、シリコンからなるリッド基板である。第１基板１１は、第１基板第１主面１１ａ上に設けられており、後述する第１基板１１と第２基板１２に設けられている電気回路に対して電気的に接続されて電気信号の入出力を行う、電極パッド１５を有する。

第１基板１１と第２基板１２はそれぞれ、第１基板キャビティ１３と第２基板キャビティ１４よりも外側において、固着層１６を介して固着されている。第１基板１１と第２基板１２が固着されることにより、第１基板キャビティ１３と第２基板キャビティ１４とが封止される。

［第１基板］
第１基板１１は、第１基板キャビティ１３の底面の一部領域に設けられている、第１アンカー領域１７ａと、第１アンカー領域１７ａから第２基板第１主面１２ａに向かって、すなわち＋Ｚ方向に突出している、第１アンカー１７と、を有する。

図２は、図１の第１基板１１を＋Ｚ方向から見た平面図である。第１アンカー領域１７ａは、＋Ｚ方向から見て、四角形状であり、Ｚ軸方向に垂直な第２方向と第３方向において、それぞれ、１０μｍ以上４０μｍ以下の長さを有する。本実施形態において、第２方向は、図２の上下方向、すなわち加速度センサ１の縦方向であって、Ｙ軸方向と呼称される。第３方向は、図２の左右方向、すなわち加速度センサ１の横方向であって、Ｘ軸方向と呼称される。また、図２の上方は＋Ｙ方向、下方は－Ｙ方向、右側は＋Ｘ方向、左側は－Ｘ方向と呼称される。

第１基板１１は、第１アンカー１７の＋Ｚ方向側の端部からＹ軸方向の両側に延びている、ばね１８を有する。本実施形態において、ばね１８は、第１アンカー１７から＋Ｙ方向に延びるビーム状の第１ばね１８ａと、第１アンカー１７から－Ｙ方向に延びるビーム状の第２ばね１８ｂと、を含む。第１ばね１８ａと第２ばね１８ｂは、第１基板キャビティ１３の底面に対して第１アンカー１７により支持されて＋Ｚ方向に浮いている。

本実施形態において、第１ばね１８ａの＋Ｙ方向側の端部には、Ｘ軸方向の両側に延びる、第１メインフレーム１９ａが接続されている。第２ばね１８ｂの－Ｙ方向側の端部には、Ｘ軸方向の両側に延びる、第２メインフレーム１９ｂが接続されている。第１メインフレーム１９ａと第２メインフレーム１９ｂは、第１基板キャビティ１３の底面に対して第１アンカー１７により支持されて＋Ｚ方向に浮いている。本実施形態では、第１メインフレーム１９ａと第２メインフレーム１９ｂをまとめて、メインフレーム１９と呼称する。

第１メインフレーム１９ａの－Ｘ方向側の端部と第２メインフレーム１９ｂの－Ｘ方向側の端部には、Ｙ軸方向に延びる、第１サブフレーム２０ａが接続されている。第１メインフレーム１９ａの＋Ｘ方向側の端部と第２メインフレーム１９ｂの＋Ｘ方向側の端部には、Ｙ軸方向に延びる、第２サブフレーム２０ｂが接続されている。第１サブフレーム２０ａと第２サブフレーム２０ｂは、第１基板キャビティ１３の底面に対して第１アンカー１７により支持されて＋Ｚ方向に浮いている。

第１基板１１は、第１メインフレーム１９ａ、第２メインフレーム１９ｂ、第１サブフレーム２０ａ、及び第２サブフレーム２０ｂに対して機械的に接続されて、電気的に絶縁されている、可動電極２１を有する。可動電極２１は、第１アンカー１７よりも－Ｘ方向側に配置されており、第１アンカー１７との間で、第１メインフレーム１９ａ、第２メインフレーム１９ｂ、及び第１サブフレーム２０ａを囲む、第１可動電極２２と、第１アンカー１７よりも＋Ｘ方向側に配置されており、第１アンカー１７との間で、第１メインフレーム１９ａ、第２メインフレーム１９ｂ、及び第２サブフレーム２０ｂを囲む、第２可動電極２３と、を含む。

本実施形態において、第１可動電極２２は、＋Ｙ方向側に配置されており、第１メインフレーム１９ａと第１サブフレーム２０ａに対して機械的に接続されて、電気的に絶縁されている、第１可動電極第１部２２ａと、第１可動電極第１部２２ａから－Ｙ方向側に離間しており、第２メインフレーム１９ｂと第１サブフレーム２０ａに対して機械的に接続されて、電気的に絶縁されている、第１可動電極第２部２２ｂと、を有する。第１可動電極第１部２２ａと第１可動電極第２部２２ｂは、第１基板キャビティ１３の底面に対して第１アンカー１７により支持されて＋Ｚ方向に浮いている。

第２可動電極２３は、＋Ｙ方向側に配置されており、第１メインフレーム１９ａと第２サブフレーム２０ｂに対して機械的に接続されて、電気的に絶縁されている、第２可動電極第１部２３ａと、第２可動電極第１部２３ａから－Ｙ方向側に離間しており、第２メインフレーム１９ｂと第２サブフレーム２０ｂに対して機械的に接続されて、電気的に絶縁されている、第２可動電極第２部２３ｂと、を有する。第２可動電極第１部２３ａと第２可動電極第２部２３ｂは、第１基板キャビティ１３の底面に対して第１アンカー１７により支持されて＋Ｚ方向に浮いている。

第１基板１１は、第１可動電極２２に対して機械的に接続されて、電気的に絶縁されている、第１マス２４ａと、第２可動電極２３に対して機械的に接続されて、電気的に絶縁されており、質量が第１マス２４ａよりも大きい、第２マス２４ｂと、を有する。第１マス２４ａと第２マス２４ｂは、第１基板キャビティ１３の底面に対して第１アンカー１７により支持されて＋Ｚ方向に浮いている。

本実施形態において、第１マス２４ａは、第１可動電極２２よりも－Ｘ方向側に配置されており、Ｘ－Ｙ方向に拡がる長方形状であり、第１可動電極第１部２２ａと第１可動電極第２部２２ｂの－Ｘ方向側の端部に対して機械的に接続されて、電気的に絶縁されている。

第２マス２４ｂは、第２可動電極２３よりも＋Ｘ方向側に配置されており、Ｘ－Ｙ方向に拡がる長方形状であり、第２可動電極第１部２３ａと第２可動電極第２部２３ｂの＋Ｘ方向側の端部に対して機械的に接続されて、電気的に絶縁されている。

＋Ｚ方向から見て、第１マス２４ａは、ＸＹ平面に関して、第１表面積Ｓ１を有する。一方、第２マス２４ｂは、ＸＹ平面に関して、第１表面積Ｓ１よりも大きい第２表面積Ｓ２を有する。

第１基板１１は、第１可動電極第１部２２ａと第１可動電極第２部２２ｂとの間において、第１サブフレーム２０ａから第１マス２４ａに向けて－Ｘ方向に延びている、第１補強フレーム２５ａと、第２可動電極第１部２３ａと第２可動電極第２部２３ｂとの間において、第２サブフレーム２０ｂから第２マス２４ｂに向けて＋Ｘ方向に延びている、第２補強フレーム２５ｂと、を有する。第１補強フレーム２５ａと第２補強フレーム２５ｂは、第１基板キャビティ１３の底面に対して第１アンカー１７により支持されて＋Ｚ方向に浮いている。

第１補強フレーム２５ａは、第１サブフレーム２０ａと第１マス２４ａに対して機械的に接続されていると共に、第１可動電極第１部２２ａの－Ｙ方向側の端部と第１可動電極第２部２２ｂの＋Ｙ方向側の端部とに対して機械的に接続されて、電気的に絶縁されている。

第２補強フレーム２５ｂは、第２サブフレーム２０ｂと第２マス２４ｂに対して機械的に接続されていると共に、第２可動電極第１部２３ａの－Ｙ方向側の端部と第２可動電極第２部２３ｂの＋Ｙ方向側の端部とに対して機械的に接続されて、電気的に絶縁されている。

第１可動電極第１部２２ａ、第１可動電極第２部２２ｂ、第２可動電極第１部２３ａ、及び第２可動電極第２部２３ｂはそれぞれ、第１メインフレーム１９ａ、第２メインフレーム１９ｂ、第１サブフレーム２０ａ、第２サブフレーム２０ｂ、第１マス２４ａ、第２マス２４ｂ、第１補強フレーム２５ａ、及び第２補強フレーム２５ｂに対して、アイソレーションジョイント２６を介して、機械的に接続されて、電気的に絶縁されている。

アイソレーションジョイント２６は、例えば第１基板第１主面１１ａにトレンチを形成して、トレンチの両壁の導電性シリコンを熱酸化することによって形成された酸化シリコンであって、アイソレーションジョイント２６の両側を機械的に接続して、電気的に絶縁する。アイソレーションジョイント２６は、第１基板キャビティ１３の底面に対して第１アンカー１７により支持されて＋Ｚ方向に浮いている。

第１可動電極第１部２２ａと第１メインフレーム１９ａとの間には、アイソレーションジョイント２６が設けられている。第１可動電極第１部２２ａと第１メインフレーム１９ａは、アイソレーションジョイント２６を介して、Ｙ軸方向に機械的に接続されて、電気的に絶縁されている。

第１可動電極第１部２２ａと第１サブフレーム２０ａとの間には、アイソレーションジョイント２６が設けられている。第１可動電極第１部２２ａと第１サブフレーム２０ａは、アイソレーションジョイント２６を介して、Ｘ軸方向に機械的に接続されて、電気的に絶縁されている。

第１可動電極第２部２２ｂと第２メインフレーム１９ｂとの間には、アイソレーションジョイント２６が設けられている。第１可動電極第２部２２ｂと第２メインフレーム１９ｂは、アイソレーションジョイント２６を介して、Ｙ軸方向に機械的に接続されて、電気的に絶縁されている。

第１可動電極第２部２２ｂと第１サブフレーム２０ａとの間には、アイソレーションジョイント２６が設けられている。第１可動電極第２部２２ｂと第１サブフレーム２０ａは、アイソレーションジョイント２６を介して、Ｘ軸方向に機械的に接続されて、電気的に絶縁されている。

第２可動電極第１部２３ａと第１メインフレーム１９ａとの間には、アイソレーションジョイント２６が設けられている。第２可動電極第１部２３ａと第１メインフレーム１９ａは、アイソレーションジョイント２６を介して、Ｙ軸方向に機械的に接続されて、電気的に絶縁されている。

第２可動電極第１部２３ａと第２サブフレーム２０ｂとの間には、アイソレーションジョイント２６が設けられている。第２可動電極第１部２３ａと第２サブフレーム２０ｂは、アイソレーションジョイント２６を介して、Ｘ軸方向に機械的に接続されて、電気的に絶縁されている。

第２可動電極第２部２３ｂと第２メインフレーム１９ｂとの間には、アイソレーションジョイント２６が設けられている。第２可動電極第２部２３ｂと第２メインフレーム１９ｂは、アイソレーションジョイント２６を介して、Ｙ軸方向に機械的に接続されて、電気的に絶縁されている。

第２可動電極第２部２３ｂと第２サブフレーム２０ｂとの間には、アイソレーションジョイント２６が設けられている。第２可動電極第２部２３ｂと第２サブフレーム２０ｂは、アイソレーションジョイント２６を介して、Ｘ軸方向に機械的に接続されて、電気的に絶縁されている。

第１可動電極第１部２２ａと第１マス２４ａとの間には、Ｙ軸方向に並んでいる２つのアイソレーションジョイント２６が設けられている。第１可動電極第１部２２ａと第１マス２４ａは、２つのアイソレーションジョイント２６を介して、Ｘ軸方向に機械的に接続されて、電気的に絶縁されている。

第１可動電極第２部２２ｂと第１マス２４ａとの間には、Ｙ軸方向に並んでいる２つのアイソレーションジョイント２６が設けられている。第１可動電極第２部２２ｂと第１マス２４ａは、２つのアイソレーションジョイント２６を介して、Ｘ軸方向に機械的に接続されて、電気的に絶縁されている。

第２可動電極第１部２３ａと第２マス２４ｂとの間には、Ｙ軸方向に並んでいる２つのアイソレーションジョイント２６が設けられている。第２可動電極第１部２３ａと第２マス２４ｂは、２つのアイソレーションジョイント２６を介して、Ｘ軸方向に機械的に接続されて、電気的に絶縁されている。

第２可動電極第２部２３ｂと第２マス２４ｂとの間には、Ｙ軸方向に並んでいる２つのアイソレーションジョイント２６が設けられている。第２可動電極第２部２３ｂと第２マス２４ｂは、２つのアイソレーションジョイント２６を介して、Ｘ軸方向に機械的に接続されて、電気的に絶縁されている。

第１可動電極第１部２２ａと第１補強フレーム２５ａとの間には、アイソレーションジョイント２６が設けられている。第１可動電極第１部２２ａと第１補強フレーム２５ａは、アイソレーションジョイント２６を介して、Ｙ軸方向に機械的に接続されて、電気的に絶縁されている。

第１可動電極第２部２２ｂと第１補強フレーム２５ａとの間には、アイソレーションジョイント２６が設けられている。第１可動電極第２部２２ｂと第１補強フレーム２５ａは、アイソレーションジョイント２６を介して、Ｙ軸方向に機械的に接続されて、電気的に絶縁されている。

第２可動電極第１部２３ａと第２補強フレーム２５ｂとの間には、アイソレーションジョイント２６が設けられている。第２可動電極第１部２３ａと第２補強フレーム２５ｂは、アイソレーションジョイント２６を介して、Ｙ軸方向に機械的に接続されて、電気的に絶縁されている。

第２可動電極第２部２３ｂと第２補強フレーム２５ｂとの間には、アイソレーションジョイント２６が設けられている。第２可動電極第２部２３ｂと第２補強フレーム２５ｂは、アイソレーションジョイント２６を介して、Ｙ軸方向に機械的に接続されて、電気的に絶縁されている。

本実施形態において、第１メインフレーム１９ａの＋Ｙ方向側の端部、第１可動電極第１部２２ａの＋Ｘ方向側の端部、及び第２可動電極第１部２３ａの－Ｘ方向側の端部にはそれぞれ、フレックスリード２７が取り付けられている。フレックスリード２７は、第１基板キャビティ１３の底面に対して第１アンカー１７により支持されて浮いている。フレックスリード２７は、不図示の配線層を介して、電極パッド１５に繋がっている。

第１可動電極第１部２２ａと第１可動電極第２部２２ｂは、不図示の配線層を介して、互いに電気的に接続されている。第２可動電極第１部２３ａと第２可動電極第２部２３ｂは、不図示の配線層を介して、互いに電気的に接続されている。

本実施形態において、第１メインフレーム１９ａ、第２メインフレーム１９ｂ、第１サブフレーム２０ａ、第２サブフレーム２０ｂ、第１可動電極第１部２２ａ、第１可動電極第２部２２ｂ、第２可動電極第１部２３ａ、第２可動電極第１部２３ａ、第１マス２４ａ、第２マス２４ｂ、第１補強フレーム２５ａ、及び第２補強フレーム２５ｂはそれぞれ、複数の孔２８を有している。

複数の孔２８の底部はそれぞれ、等方性エッチングにより、互いに繋がって、第１基板キャビティ１３が形成される。よって、第１メインフレーム１９ａ、第２メインフレーム１９ｂ、第１サブフレーム２０ａ、第２サブフレーム２０ｂ、第１可動電極第１部２２ａ、第１可動電極第２部２２ｂ、第２可動電極第１部２３ａ、第２可動電極第２部２３ｂ、第１マス２４ａ、及び第２マス２４ｂは、第１基板キャビティ１３の底面に対して第１アンカー１７により支持されて＋Ｚ方向に浮いている。

［第２基板］
図１に示されるように、第２基板１２は、第２基板キャビティ１４の底面の一部領域に設けられている、第２アンカー領域２９ａと、第２アンカー領域２９ａから第１基板第１主面１１ａに向かって、すなわち－Ｚ方向に突出している、第２アンカー２９と、を有する。第１アンカー領域１７ａと第２アンカー領域２９ａは、Ｚ軸方向に対向している。第１アンカー１７と第２アンカー２９は、Ｚ軸方向に対向している。

図３は、図１の第２基板１２を－Ｚ方向から見た平面図である。第２アンカー領域２９ａは、－Ｚ方向から見て、四角形状であり、Ｚ軸方向に垂直な第２方向と第３方向において、それぞれ、１０μｍ以上４０μｍ以下の長さを有する。本実施形態において、第１アンカー領域１７ａと第２アンカー領域２９ａは、同等の表面積を有する。

第２基板１２は、第２アンカー２９の－Ｚ方向側の端部からＸ－Ｙ方向に拡がっており、可動電極２１に対向する、固定電極３０を有する。本実施形態において、固定電極３０は、－Ｚ方向から見て、四角形状であり、第１可動電極第１部２２ａ、第１可動電極第２部２２ｂ、第２可動電極第１部２３ａ、及び第２可動電極第１部２３ａをオーバーラップする大きさを有する。

本実施形態において、固定電極３０は、複数の孔３１を有している。

複数の孔３１はそれぞれ、等方性エッチングにより、互いに繋がって、第２基板キャビティ１４が形成される。よって、固定電極３０は、第２基板キャビティ１４の底面に対して第２アンカー２９により支持されて－Ｚ方向に浮いている。

［加速度センサの動作］
Ｚ軸方向の加速度が生じるとき、第１マス２４ａよりも質量が大きい第２マス２４ｂは、慣性によって、留まろうとする一方で、第２マス２４ｂよりも質量が小さい第１マス２４ａは、Ｚ軸方向に振れやすい。その結果、第１マス２４ａに機械的に接続されている第１可動電極２２は、第２マス２４ｂに機械的に接続されている第２可動電極２３に対してＺ軸方向に大きく変位する。また、第１可動電極２２と第２可動電極２３が、メインフレーム１９を介して、ばね１８のＸ軸方向の両側に機械的に接続されているため、Ｚ軸方向の加速度が生じるとき、ばね１８はＹ軸方向周りにねじれる。よって、Ｚ軸方向の加速度が生じるとき、第１可動電極２２と第２可動電極２３はそれぞれ、シーソーのように、Ｚ軸方向の相対する方向に変位する。したがって、第１可動電極２２と第２可動電極２３との間には、Ｚ軸方向の変位差が生じ易い。

加速度センサ１は、第１可動電極２２と固定電極３０との間の第１静電容量Ｃ１の変化、及び第２可動電極２３と固定電極３０との間の第２静電容量Ｃ２の変化を検出して、加速度の向きと加速度の値を算出する。

図４は、図１の加速度センサ１の回路図であって、－Ｚ方向の加速度が生じたときの状況を示す。－Ｚ方向の加速度が生じたとき、第１可動電極２２は－Ｚ方向に振れて、ばね１８は図４の反時計回りにねじれる。よって、第２可動電極２３は、第１可動電極２２と反対の＋Ｚ方向に振れるため、第１可動電極２２と第２可動電極２３の変位に差が生じる。第１可動電極２２と固定電極３０との間の距離が大きくなる一方、第２可動電極２３と固定電極３０との間の距離が小さくなるため、第１静電容量Ｃ１は小さくなる一方、第２静電容量Ｃ２は大きくなる。

第１可動電極２２、第２可動電極２３、及び固定電極３０はそれぞれ、フレックスリード２７を介して、異なる複数の電極パッド１５に電気的に接続されている。

駆動電圧が電極パッド１５を介して第１可動電極２２と第２可動電極２３に接続されている場合、第１可動電極２２と固定電極３０との間の第１静電容量Ｃ１、及び第２可動電極２３と固定電極３０との間の第２静電容量Ｃ２が合成されて、合成された静電容量の変化が、固定電極３０に接続されている電極パッド１５から検出されて、加速度が算出されると共に、加速度の向きが判定される。

駆動電圧が電極パッド１５を介して引出電極３２に接続されている場合、第１可動電極２２と固定電極３０との間の第１静電容量Ｃ１、及び第２可動電極２３と固定電極３０との間の第２静電容量Ｃ２がそれぞれ、引出電極２７ａ，２７ｂに接続されている電極パッド１５から検出されて、２つの静電容量Ｃ１，Ｃ２に基づいて、加速度が算出されると共に、加速度の向きが判定される。

上述の実施形態に係る加速度センサ１によれば、次の効果が発揮される。

本開示の加速度センサ１は、第１基板１１の第１アンカー１７にばね１８を介して動作可能に支持されている、可動電極２１と、第２基板１２の第２アンカー２９に機械的に固定されている、固定電極３０と、を備える。よって、可動電極２１と固定電極３０はそれぞれ、第１アンカー１７と第２アンカー２９を介して第１基板１１と第２基板１２に配置されているため、第１基板１１と第２基板１２が、パッケージ応力、実装時の外力、又は熱の影響によって変形したとしても、変形の影響を受け難い。したがって、加速度センサ１は、Ｚ軸方向の加速度が生じるとき、パッケージ応力、実装時の外力、又は熱の影響を抑えて、可動電極２１と固定電極３０との間の静電容量の変化を検出して、Ｚ軸方向の加速度を算出できる。

また、実装時、第１基板１１と第２基板１２が変形したとしても、可動電極２１と固定電極３０が第１基板１１と第２基板１２の変形の影響を受け難いため、センサの校正を行う必要性が低い。

加速度センサ１は、ベース基板である第１基板１１と、第１基板１１と共に、第１基板キャビティ１３と第２基板キャビティ１４とを封止する、リッド基板である第２基板１２と、を備える。よって、可動電極２１と固定電極３０は、第１基板キャビティ１３と第２基板キャビティ１４によって形成される空間内に密閉される。

固定電極３０は可動電極２１をオーバーラップする大きさを有する。よって、可動電極２１の表面全体が電荷を帯びる。したがって、加速度センサ１は、第１基板１１と第２基板１２の組付位置がずれたとしても、Ｚ軸方向の加速度が生じるとき、可動電極２１の表面全体の静電容量の変化が検出されるため、Ｚ軸方向の加速度を正確に算出できる。

可動電極２１は、第１可動電極２２と第２可動電極２３とを有する。よって、加速度センサ１は、第１可動電極２２と固定電極３０との間の第１静電容量Ｃ１の変化と、第２可動電極２３と固定電極３０との間の第２静電容量Ｃ２の変化と、を検出して、Ｚ軸方向の加速度を算出できる。

第１可動電極２２には、第１マス２４ａが機械的に接続されており、第２可動電極２３には、第１マス２４ａよりも質量が大きい第２マス２４ｂが機械的に接続されている。よって、Ｚ軸方向の加速度が生じるとき、第１可動電極２２と第２可動電極２３は、慣性によって、Ｚ軸方向の変位に差が生じるため、可動電極２１はＺ軸方向のいずれかの側に傾斜する。したがって、加速度センサ１は、Ｚ軸方向の加速度が生じるとき、可動電極２１の傾きによって、加速度の向きを判定できる。

第２マス２４ｂは、第１マス２４ａよりも大きいため、第１マス２４ａよりも大きな質量を有する。

第１可動電極２２と第２可動電極２３はそれぞれ、メインフレーム１９を介してばね１８に対して機械的に接続されて、電気的に絶縁されている。よって、可動電極２１とばね１８との間の剛性が確保されて、可動電極２１はばね１８に確実に取り付けられる。

メインフレームは、Ｙ軸方向の一方側に延びる第１ばね１８ａに機械的に接続されている、第１メインフレーム１９ａと、Ｙ軸方向の他方側に延びる第２ばね１８ｂに機械的に接続されている、第２メインフレーム１９ｂと、を有する。よって、第１可動電極２２と第２可動電極２３はそれぞれ、第１メインフレーム１９ａと第２メインフレーム１９ｂに対して機械的に接続されて、Ｙ軸方向に延びる形状を有する。したがって、可動電極２１は、大きな領域を有するため、静電容量が大きくなる。

第１サブフレーム２０ａと第２サブフレーム２０ｂが第１メインフレーム１９ａと第２メインフレーム１９ｂに機械的に繋がっている。よって、第１メインフレーム１９ａと第２メインフレーム１９ｂの剛性が確保される。したがって、第１メインフレーム１９ａと第２メインフレーム１９ｂに機械的に接続されている第１可動電極２２と第２可動電極２３はそれぞれ、第１ばね１８ａと第２ばね１８ｂに確実に取り付けられる。

第１可動電極２２は、第１可動電極第１部２２ａと、第１可動電極第１部２２ａから離間している第１可動電極第２部２２ｂと、を有する。また、第２可動電極２３は、第２可動電極第１部２３ａと、第２可動電極第１部２３ａから離間している第２可動電極第２部２３ｂと、を有する。

第１マス２４ａと第２マス２４ｂはそれぞれ、第１補強フレーム２５ａと第２補強フレーム２５ｂを介して、第１メインフレーム１９ａと第２メインフレーム１９ｂに対して機械的に接続されている第１サブフレーム２０ａと第２サブフレーム２０ｂに支持されている。よって、第１マス２４ａと第２マス２４ｂはそれぞれ、第１メインフレーム１９ａと第２メインフレーム１９ｂに対して変形することなく、支持される。

可動電極２１は、アイソレーションジョイント２６によって、第１メインフレーム１９ａ、第２メインフレーム１９ｂ、第１サブフレーム２０ａ、第２サブフレーム２０ｂ、第１マス２４ａ、第２マス２４ｂ、第１補強フレーム２５ａ、及び第２補強フレーム２５ｂから電気的に絶縁されており、固定電極３０と異なる電位を有する。よって、加速度センサ１は、Ｚ軸方向の加速度が生じるとき、可動電極２１と固定電極３０との間の静電容量の変化を検出して、Ｚ軸方向の加速度を算出できる。

第１アンカー領域１７ａと第２アンカー領域２９ａは、Ｘ軸方向とＹ軸方向において、それぞれ、１０μｍ以上４０μｍ以下の長さを有する。よって、第１アンカー１７と第２アンカー２９は、小さいため、第１基板１１と第２基板１２が外力又は熱によって変形するとき、変形の影響を可動電極２１に伝え難い。したがって、加速度センサ１は、Ｚ軸方向の加速度が生じるとき、外力又は熱の影響を受けることなく、可動電極２１と固定電極３０との間の静電容量の変化を検出して、Ｚ軸方向の加速度を算出できる。

第１基板１１と第２基板１２は、シリコンからなる。よって、第１基板１１と第２基板１２がエッチングされることにより、特別な処理を施すことなく、第１基板キャビティ１３、第２基板キャビティ１４、第１アンカー１７、第２アンカー２９、ばね１８、可動電極２１、及び固定電極３０が形成される。

［他の実施形態］
なお、本発明は、上述の実施形態の構成に限定されず、種々の変更が可能である。

上述の実施形態では、第１基板１１は－Ｚ方向側に配置されており、第２基板１２は＋Ｚ方向側に配置されているが、第１基板１１と第２基板１２がそれぞれ、逆に配置されていてもよい。

また、上述の実施形態では、第１可動電極２２と第２可動電極２３はそれぞれ、第１可動電極第１部２２ａ、第１可動電極第２部２２ｂ、第２可動電極第１部２３ａ、及び第２可動電極第２部２３ｂに分離されており、アイソレーションジョイント２６によって、第１メインフレーム１９ａ、第２メインフレーム１９ｂ、第１サブフレーム２０ａ、第２サブフレーム２０ｂ、第１マス２４ａ、第２マス２４ｂ、第１補強フレーム２５ａ、及び第２補強フレーム２５ｂに対して機械的に接続されて、電気的に絶縁されているが、例えば、第１可動電極と第２可動電極の全周が、基板に対して機械的に接続されており、アイソレーションジョイントに囲まれていることによって、電気的に絶縁されていてもよい。

図５は、他の実施形態に係る加速度センサ１００の部分拡大図であって、特に、第２基板１１２の固定電極１３０に対向する第２マス１２４ｂを示す。＋Ｚ方向から見て、第２マス１２４ｂは、第１マス１２４ａと同じ大きさの表面積を有する。一方、第２マス１２４ｂは、第１マス１２４ａ、メインフレーム、サブフレーム、第１可動電極１２２、及び第２可動電極１２３のＺ軸方向の第１高さＨ１よりも大きいＺ軸方向の第２高さＨ２を有する。したがって、第２マス１２４ｂは、第１マス１２４ａよりも大きな質量を有する。よって、Ｚ軸方向の加速度が生じるとき、第１可動電極１２２と第２可動電極１２３は、慣性によって、Ｚ軸方向の変位に差が生じるため、可動電極１２１はＺ軸方向のいずれかの側に傾斜する。したがって、加速度センサ１００は、Ｚ軸方向の加速度が生じるとき、可動電極の傾きによって、加速度の向きを判定できる。

本発明の第１の態様は、
第１方向に向かい合う第１基板第１主面と第１基板第２主面とを有する、第１基板と、
前記第１方向に向かい合う第２基板第１主面と第２基板第２主面とを有しており、前記第２基板第１主面が前記第１基板第１主面に対して前記第１方向に向かい合う、第２基板と、を備えている、加速度センサであって、
前記第１基板は、
前記第１基板第１主面から前記第１基板第２主面に向かって窪んでいる、第１基板キャビティと、
前記第１基板キャビティの底面の一部領域に設けられている、第１アンカー領域と、
前記第１アンカー領域から前記第１方向に沿って前記第２基板第１主面に向かって突出している、第１アンカーと、
前記第１アンカーから前記第１方向に垂直な第２方向に延びている、ばねと、
前記ばねに対して機械的に接続されて、電気的に絶縁されており、前記第１方向に変位する、可動電極と、を有しており、
前記第２基板は、
前記第２基板第１主面から前記第２基板第２主面に向かって窪んでいる、第２基板キャビティと、
前記第２基板キャビティの底面の一部領域に設けられている、第２アンカー領域と、
前記第２アンカー領域から前記第１方向に沿って前記第１基板第１主面に向かって突出している、第２アンカーと、
前記第２アンカーに機械的に固定されており、前記可動電極に対向している、固定電極と、を有している、加速度センサを提供する。

本発明の第２の態様は、
前記第１基板は、ベース基板を有しており、
前記第２基板は、前記ベース基板と共に、前記第１基板キャビティと前記第２基板キャビティとを封止するリッド基板を有する、第１の態様に記載の加速度センサを提供する。

本発明の第３の態様は、
前記固定電極は、前記第１方向から見て、前記可動電極をオーバーラップする大きさを有する、第１の態様又は第２の態様に記載の加速度センサを提供する。

本発明の第４の態様は、
前記可動電極は、
前記第１方向と前記第２方向に垂直な第３方向の一方側に配置されている、第１可動電極と、
前記第３方向の他方側に配置されている、第２可動電極と、を有する、第１の態様から第３の態様のいずれかに記載の加速度センサを提供する。

本発明の第５の態様は、
前記加速度センサは、
前記第１可動電極に対して機械的に接続されて、電気的に絶縁されている、第１マスと、
前記第２可動電極に対して機械的に接続されて、電気的に絶縁されており、質量が前記第１マスよりも大きい、第２マスと、を有する、第４の態様に記載の加速度センサを提供する。

本発明の第６の態様は、
前記第１方向から見て、
前記第１マスは、第１表面積を有しており、
前記第２マスは、前記第１表面積よりも大きい第２表面積を有する、第５の態様に記載の加速度センサを提供する。

本発明の第７の態様は、
前記第１方向において、
前記第１マスは、第１高さを有しており、
前記第２マスは、前記第１高さよりも大きい第２高さを有する、第５の態様に記載の加速度センサを提供する。

本発明の第８の態様は、
前記加速度センサは、前記ばねから前記第３方向の両側に延びており、前記第１可動電極と前記第２可動電極に対して機械的に接続されて、電気的に絶縁されている、メインフレームを備える、第５の態様から第７の態様のいずれかに記載の加速度センサを提供する。

本発明の第９の態様は、
前記ばねは、
前記第２方向の一方側に延びる、第１ばねと、
前記第２方向の他方側に延びる、第２ばねと、を有しており、
前記メインフレームは、
前記第１ばねに対して機械的に接続されており、前記第１可動電極と前記第２可動電極に対して機械的に接続されて、電気的に絶縁されている、第１メインフレームと、
前記第２ばねに対して機械的に接続されており、前記第１可動電極と前記第２可動電極に対して機械的に接続されて、電気的に絶縁されている、第２メインフレームと、を有する、第８の態様に記載の加速度センサを提供する。

本発明の第１０の態様は、
前記加速度センサは、
前記第１メインフレームの第１端と前記第２メインフレームの第１端とを互いに機械的に接続するように、前記第２方向に延びる、第１サブフレームと、
前記第１メインフレームの第２端と前記第２メインフレームの第２端とを互いに機械的に接続するように、前記第２方向に延びる、第２サブフレームと、を備える、第９の態様に記載の加速度センサを提供する。

本発明の第１１の態様は、
前記第１可動電極は、
前記第２方向の一方側に配置されており、前記第１メインフレームと前記第１サブフレームに対して機械的に接続されて、電気的に絶縁されている、第１可動電極第１部と、
前記第１可動電極第１部から前記第２方向の他方側に離間しており、前記第２メインフレームと前記第１サブフレームに対して機械的に接続されて、電気的に絶縁されている、第１可動電極第２部と、を有しており、
前記第２可動電極は、
前記第２方向の一方側に配置されており、前記第１メインフレームと前記第２サブフレームに対して機械的に接続されて、電気的に絶縁されている、第２可動電極第１部と、
前記第２可動電極第１部から前記第２方向の他方側に離間しており、前記第２メインフレームと前記第２サブフレームに対して機械的に接続されて、電気的に絶縁されている、第２可動電極第２部と、を有する、第１０の態様に記載の加速度センサを提供する。

本発明の第１２の態様は、
前記加速度センサは、
前記第１可動電極第１部と前記第１可動電極第２部との間において、前記第１サブフレームから前記第３方向に沿って前記第１マスに向けて延びて、前記第１マスに対して機械的に接続されている、第１補強フレームと、
前記第２可動電極第１部と前記第２可動電極第２部との間において、前記第２サブフレームから前記第３方向に沿って前記第２マスに向けて延びて、前記第２マスに対して機械的に接続されている、第２補強フレームと、を備える、第１１の態様に記載の加速度センサを提供する。

本発明の第１３の態様は、
前記加速度センサは、
前記第１可動電極第１部と前記第１メインフレームとの間、
前記第１可動電極第１部と前記第１サブフレームとの間、
前記第１可動電極第１部と前記第１マスとの間、
前記第１可動電極第１部と前記第１補強フレームとの間、
前記第１可動電極第２部と前記第２メインフレームとの間、
前記第１可動電極第２部と前記第１サブフレームとの間、
前記第１可動電極第２部と前記第１マスとの間、
前記第１可動電極第２部と前記第１補強フレームとの間、
前記第２可動電極第１部と前記第１メインフレームとの間、
前記第２可動電極第１部と前記第２サブフレームとの間、
前記第２可動電極第１部と前記第２マスとの間、
前記第２可動電極第１部と前記第２補強フレームとの間、
前記第２可動電極第２部と前記第２メインフレームとの間、
前記第２可動電極第２部と前記第２サブフレームとの間、
前記第２可動電極第２部と前記第２マスとの間、
及び前記第２可動電極第２部と前記第２補強フレームとの間をそれぞれ、機械的に接続する一方、電気的に絶縁する、アイソレーションジョイントを備える、第１２の態様に記載の加速度センサを提供する。

本発明の第１４の態様は、
前記第１アンカー領域と前記第２アンカー領域は、前記第２方向と前記第３方向において、それぞれ、１０μｍ以上４０μｍ以下の長さを有する、第４の態様から第１３の態様のいずれかに記載の加速度センサを提供する。

本発明の第１５の態様は、
前記第１基板と前記第２基板は、シリコンからなる、第１の態様から第１４の態様のいずれかに記載の加速度センサを提供する。

１ 加速度センサ
１１ 第１基板
１１ａ 第１基板第１主面
１１ｂ 第１基板第２主面
１２ 第２基板
１２ａ 第２基板第１主面
１２ｂ 第２基板第２主面
１３ 第１基板キャビティ
１４ 第２基板キャビティ
１７ 第１アンカー
１７ａ 第１アンカー領域
１８ ばね
２１ 可動電極
２９ 第２アンカー
２９ａ 第２アンカー領域
３０ 固定電極

Claims (15)

1. 第１方向に向かい合う第１基板第１主面と第１基板第２主面とを有する、第１基板と、
   前記第１方向に向かい合う第２基板第１主面と第２基板第２主面とを有しており、前記第２基板第１主面が前記第１基板第１主面に対して前記第１方向に向かい合う、第２基板と、を備えている、加速度センサであって、
   前記第１基板は、
   前記第１基板第１主面から前記第１基板第２主面に向かって窪んでいる、第１基板キャビティと、
   前記第１基板キャビティの底面の一部領域に設けられている、第１アンカー領域と、
   前記第１アンカー領域から前記第１方向に沿って前記第２基板第１主面に向かって突出している、第１アンカーと、
   前記第１アンカーから前記第１方向に垂直な第２方向に延びている、ばねと、
   前記ばねに対して機械的に接続されて、電気的に絶縁されており、前記第１方向に変位する、可動電極と、を有しており、
   前記第２基板は、
   前記第２基板第１主面から前記第２基板第２主面に向かって窪んでいる、第２基板キャビティと、
   前記第２基板キャビティの底面の一部領域に設けられている、第２アンカー領域と、
   前記第２アンカー領域から前記第１方向に沿って前記第１基板第１主面に向かって突出している、第２アンカーと、
   前記第２アンカーに機械的に固定されており、前記可動電極に対向している、固定電極と、を有している、加速度センサ。
2. 前記第１基板は、ベース基板を有しており、
   前記第２基板は、前記ベース基板と共に、前記第１基板キャビティと前記第２基板キャビティとを封止するリッド基板を有する、請求項１に記載の加速度センサ。
3. 前記固定電極は、前記第１方向から見て、前記可動電極をオーバーラップする大きさを有する、請求項１に記載の加速度センサ。
4. 前記可動電極は、
   前記第１方向と前記第２方向に垂直な第３方向の一方側に配置されている、第１可動電極と、
   前記第３方向の他方側に配置されている、第２可動電極と、を有する、請求項１に記載の加速度センサ。
5. 前記加速度センサは、
   前記第１可動電極に対して機械的に接続されて、電気的に絶縁されている、第１マスと、
   前記第２可動電極に対して機械的に接続されて、電気的に絶縁されており、質量が前記第１マスよりも大きい、第２マスと、を有する、請求項４に記載の加速度センサ。
6. 前記第１方向から見て、
   前記第１マスは、第１表面積を有しており、
   前記第２マスは、前記第１表面積よりも大きい第２表面積を有する、請求項５に記載の加速度センサ。
7. 前記第１方向において、
   前記第１マスは、第１高さを有しており、
   前記第２マスは、前記第１高さよりも大きい第２高さを有する、請求項５に記載の加速度センサ。
8. 前記加速度センサは、前記ばねから前記第３方向の両側に延びており、前記第１可動電極と前記第２可動電極に対して機械的に接続されて、電気的に絶縁されている、メインフレームを備える、請求項５に記載の加速度センサ。
9. 前記ばねは、
   前記第２方向の一方側に延びる、第１ばねと、
   前記第２方向の他方側に延びる、第２ばねと、を有しており、
   前記メインフレームは、
   前記第１ばねに対して機械的に接続されており、前記第１可動電極と前記第２可動電極に対して機械的に接続されて、電気的に絶縁されている、第１メインフレームと、
   前記第２ばねに対して機械的に接続されており、前記第１可動電極と前記第２可動電極に対して機械的に接続されて、電気的に絶縁されている、第２メインフレームと、を有する、請求項８に記載の加速度センサ。
10. 前記加速度センサは、
    前記第１メインフレームの第１端と前記第２メインフレームの第１端とを互いに機械的に接続するように、前記第２方向に延びる、第１サブフレームと、
    前記第１メインフレームの第２端と前記第２メインフレームの第２端とを互いに機械的に接続するように、前記第２方向に延びる、第２サブフレームと、を備える、請求項９に記載の加速度センサ。
11. 前記第１可動電極は、
    前記第２方向の一方側に配置されており、前記第１メインフレームと前記第１サブフレームに対して機械的に接続されて、電気的に絶縁されている、第１可動電極第１部と、
    前記第１可動電極第１部から前記第２方向の他方側に離間しており、前記第２メインフレームと前記第１サブフレームに対して機械的に接続されて、電気的に絶縁されている、第１可動電極第２部と、を有しており、
    前記第２可動電極は、
    前記第２方向の一方側に配置されており、前記第１メインフレームと前記第２サブフレームに対して機械的に接続されて、電気的に絶縁されている、第２可動電極第１部と、
    前記第２可動電極第１部から前記第２方向の他方側に離間しており、前記第２メインフレームと前記第２サブフレームに対して機械的に接続されて、電気的に絶縁されている、第２可動電極第２部と、を有する、請求項１０に記載の加速度センサ。
12. 前記加速度センサは、
    前記第１可動電極第１部と前記第１可動電極第２部との間において、前記第１サブフレームから前記第３方向に沿って前記第１マスに向けて延びて、前記第１マスに対して機械的に接続されている、第１補強フレームと、
    前記第２可動電極第１部と前記第２可動電極第２部との間において、前記第２サブフレームから前記第３方向に沿って前記第２マスに向けて延びて、前記第２マスに対して機械的に接続されている、第２補強フレームと、を備える、請求項１１に記載の加速度センサ。
13. 前記加速度センサは、
    前記第１可動電極第１部と前記第１メインフレームとの間、
    前記第１可動電極第１部と前記第１サブフレームとの間、
    前記第１可動電極第１部と前記第１マスとの間、
    前記第１可動電極第１部と前記第１補強フレームとの間、
    前記第１可動電極第２部と前記第２メインフレームとの間、
    前記第１可動電極第２部と前記第１サブフレームとの間、
    前記第１可動電極第２部と前記第１マスとの間、
    前記第１可動電極第２部と前記第１補強フレームとの間、
    前記第２可動電極第１部と前記第１メインフレームとの間、
    前記第２可動電極第１部と前記第２サブフレームとの間、
    前記第２可動電極第１部と前記第２マスとの間、
    前記第２可動電極第１部と前記第２補強フレームとの間、
    前記第２可動電極第２部と前記第２メインフレームとの間、
    前記第２可動電極第２部と前記第２サブフレームとの間、
    前記第２可動電極第２部と前記第２マスとの間、
    及び前記第２可動電極第２部と前記第２補強フレームとの間をそれぞれ、機械的に接続する一方、電気的に絶縁する、アイソレーションジョイントを備える、請求項１２に記載の加速度センサ。
14. 前記第１アンカー領域と前記第２アンカー領域は、前記第２方向と前記第３方向において、それぞれ、１０μｍ以上４０μｍ以下の長さを有する、請求項４に記載の加速度センサ。
15. 前記第１基板と前記第２基板は、シリコンからなる、請求項１に記載の加速度センサ。

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