JP3813138B2

JP3813138B2 - 静電容量型加速度センサ

Info

Publication number: JP3813138B2
Application number: JP2003152348A
Authority: JP
Inventors: 昭浩富岡
Original assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Current assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Priority date: 2003-05-29
Filing date: 2003-05-29
Publication date: 2006-08-23
Anticipated expiration: 2023-05-29
Also published as: JP2004354202A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は互いに直行する３軸方向の加速度を検出することができる静電容量型加速度センサに関し、特に広い温度範囲に渡ってゼロ点変動を少なくした静電容量型加速度センサを提供しようとするものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４乃至図８を用いて従来の静電容量型加速度センサの構造及び動作について説明する。図４は平面構造、図５は図４に示したＡ−Ａ線上の断面を示す。図中１０は例えばシリコンのような半導体板を示す。半導体板１０はほぼ正四角形状の矩形とされ、四周に肉厚部が形成されて枠部１１が形成される。枠部１１で囲まれた中央部分に断面形状が台形の錘接合部１２を具備する。
【０００３】
錘接合部１２と枠部１１との間に図５に示すように溝１３を形成し、溝１３の形成によって肉薄部を形成し、この肉薄部によってダイヤフラム１４を構成する。
枠部１１の裏側の位置に絶縁基板２０を接合し合体する。絶縁基板２０は半導体板１０の熱膨張係数に可及的に近い熱膨張係数を持つガラスで構成される。絶縁基板２０も外周形状は半導体板１０と同等の矩形とされ、その四周に凸条２１が形成され、この凸条２１の頂面に半導体板１０を接合する。凸条２１の高さ寸法を所定値に設定することにより半導体板１０の裏面と絶縁基板２０の表面との間の空隙が均一に揃えられる。
【０００４】
絶縁基板２０の表面には錘接合部１２の底面と対向する位置にＺ軸方向（半導体板１０の板面に対して鉛直方向）の加速度検出用固定電極２２Ｚを被着形成する。また、錘接合部１２の四辺の外周と対向する絶縁基板２０の表面に半導体板１０の板面と平行する互いに直行する２軸方向（Ｘ軸及びＹ軸）の加速度を検出する２組の電極２２Ｘ_１、２２Ｘ_２と２２Ｙ_１、２２Ｙ_２を形成する。
錘接合部１２の頂面に錘３０を装着する。錘３０も半導体板１０の熱膨張係数に可及的に近い熱膨張係数を持つ、一般にはガラスが用いられる。
【０００５】
錘３０を錘接合部１２の頂面に装着したことにより、錘３０にかかる加速度により、ダイアフラム１４に変形を与え、その変形に応じて、どの方向の加速度かを測定することができる。つまり、半導体板１０は全体が可動電極として作用し、固定電極２２Ｚと可動電極との間の静電容量及び固定電極２２Ｘ_１及び２２Ｘ_２と可動電極との間の静電容量、固定電極２２Ｙ_１及び２２Ｙ_２と可動電極との間の静電容量のそれぞれを測定し、各静電容量の変化を検出してどの方向の加速度かを測定する。
【０００６】
図６と図７に加速度が印加された場合にダイヤフラム１４が変形する様子を示す。図６に示す例ではＸ軸方向に加速度Ｐ_Ｘが印加された場合を示す。加速度Ｐ_Ｘとは逆向に慣性力Ｄが発生する。この慣性力Ｄによって、加速度Ｐ_Ｘで移動する進行方向の後方に位置するダイヤフラム１４に下向の力が印加され、この位置のダイヤフラムは下向に移動する。進行方向の前側に位置するダイヤフラムには上向の力が与えられ、この位置のダイヤフラムは上向きに移動する。このダイヤフラムの変形によって可動電極と固定電極２２Ｘ_１の間の静電容量は小さくなり、可動電極と固定電極２２Ｘ_２との間の静電容量は大きくなる方向に差動的に変化し、この静電容量の差動変化の極性と変化量とから加速度の印加方向と、その大きさを測定することができる。尚、このとき、Ｙ軸方向の静電容量の変化も測定され、Ｙ軸方向の静電容量の変化とＸ軸方向の静電容量の変化を合成して加速度の向と、大きさが測定される。
【０００７】
図７は垂直方向（Ｚ軸）に加速度Ｐ_Ｚが印加された場合にダイヤフラム１４が変形する様子を示す。加速度Ｐ_Ｚが上向きである場合には錘接合部１２が慣性力Ｄによって均等に下向に移動し、固定電極２２Ｚとの間の間隙が小さくなる方向に変位する。この結果、可動電極とＺ軸方向の加速度検出用固定電極２２Ｚとの間の静電容量は増加方向に変化し、この増加方向の変化により、上向きの加速度であることが解り、その容量変化の量により加速度の大きさを測定することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで上述したダイヤフラム１４で錘接合部１２を支持した構造の静電容量型加速度センサでは温度変化に対してＺ軸方向の加速度検出用の固定電極と可動電極との間に形成される静電容量が変化し、温度係数を持つ現象が発生することが知られている（尚、Ｘ，Ｙ軸に関しては固定電極２２Ｘ_１，２２Ｘ_２及び２２Ｙ_１，２２Ｙ_２と可動電極との間の静電容量を差動で検出するので温度変化による変動は相殺される。）。この現象は半導体板１０と絶縁基板２０との熱膨張係数に差が存在することにより発生するものと考えられている。半導体基板１０と絶縁基板２０との膨張係数を完全に一致させることは困難であり、ある程度の温度係数の発生は容認せざるを得ない状況にある。このため、従来はセンサの温度係数が可及的に小さくなるように半導体板１０と絶縁基板２０の材質を選定しているが、製造過程のわずかな違い等によって必ずしも熱膨張係数の差を最小の状態に維持することは難しく歩溜が悪い欠点がある。
この発明の目的は、半導体板と絶縁基板との熱膨張係数に差が存在しても、センサとして組立てられた状態で温度係数を可及的に小さくすることができる静電容量型加速度センサを提供しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明では、所定の厚みを有し、矩形状の半導体板で構成され、外周縁に枠部を有し、枠部で囲まれた中央部に島状の錘接合部を有し、この錘接合部の外周と枠部との間に溝が形成され、この溝によって溝の底面に肉薄のダイヤフラムが形成され、枠部の位置で裏側に絶縁基板が所定の空隙を介して接合され、絶縁基板の錘接合部の裏面と対向して半導体板の板面に対して鉛直方向に印加される加速度を検出するための固定電極が形成され、錘接合部の四辺の外側の部分と対向する絶縁基板の面に半導体板の板面に平行する方向の互いに直交する２方向の加速度を検出するための２組の固定電極とを具備して構成される静電容量加速度センサにおいて、
【００１０】
錘接合部の四隅に切欠部を形成し、この切欠部の形成によって錘接合部の平面形状を略々正八角形状とし、切欠部と対向する絶縁基板の面に切欠部の面積を含む形状で鉛直方向の加速度検出用固定電極に電気的に接続した温度補正用固定電極を設けた構造とした静電容量型加速度センサを提案する。
【００１１】
作用
この発明によれば錘接合部の四隅に切欠部を形成し、この切欠部と対向する絶縁板の表面に温度補正用の固定電極を設け、切欠部の裏面と絶縁基板との間に静電容量を形成する。この静電容量の温度係数はセンサ自身が持つ温度係数と逆極性となる。
つまり本願発明者は図４に示した静電容量型加速度センサにおける温度変化に対するダイヤフラム１４の変位を測定した。図８にその測定結果を示す。図中ＡＡ（固定電極２２Ｚと対向する領域）で示す領域は温度上昇によりダイヤフラム１４が下向に変位する部分、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４は温度上昇によりダイヤフラム１４が上向に変位する部分を示す。部分Ｂ１〜Ｂ４は錘接合部１２の４隅に形成される切欠部１５と対向する領域である。この測定結果から領域Ｂ１〜Ｂ４の変位を利用することにより領域ＡＡで発生する温度係数を相殺可能であるものと推測することができる。従って、以下領域Ｂ１〜Ｂ４を補正領域と称することにする。
【００１２】
図８に示した測定結果から見ると、領域ＡＡの面積と領域Ｂ１〜Ｂ４の面積は明らかに領域ＡＡの方が大きい。従って、図８に示す状態のままでは領域Ｂ１〜Ｂ４の変位を利用して領域ＡＡの温度係数を完全に相殺することはできない。このため、本発明者は領域Ｂ１〜Ｂ４の面積を大きくする方法を考察した。
錘接合部１２に切欠１５が形成されることは本来望ましいものでなかった。つまり、錘接合部１２と溝１３及び枠１１等はエッチングにより形成しているが、エッチングによって平面形状が正四角形の錘接合部１２を形成することは難しく、必ず切欠部１５が形成されることになる。その理由は、四辺に露出するエッチング面と四隅に形成されるエッチング面のエッチング速度が異なることにある。
【００１３】
従来は、切欠部１５の切欠量が可及的に小さくなるように図９に示すように四角形のマスク１６の外に各四隅にツノ状マスク１７を付加し、このツノ状マスク１７の形状、特に長さＬを調節して切欠量が小さくなるように制限していた。
この発明ではこの制限を解消し、積極的に切欠部１５の切欠量を増大させ錘接合部１２の平面形状をほぼ正八角形に近い形状に形成し、切欠部１５と対向して形成される補正領域Ｂ１〜Ｂ４の面積を拡大して温度係数を相殺することを可能とした点を特徴するものである。
【００１４】
錘接合部１２の平面形状をほぼ正八角形に近い形状に形成することにより、本来四角形となるべき四辺の長さが短くなることから、温度上昇により下向に変位する領域ＡＡの面積を小さくすることができる。代わって切欠部１５の辺の長さが大きくなることにより補正領域Ｂ１〜Ｂ４の面積が拡張されるため、温度係数の相殺量を大きく採ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１にこの発明による静電容量型加速度センサの実施例を示す。この発明による静電容量型加速度センサの特徴とする構造は錘接合部１２の平面形状をほぼ正八角形に近い形状（八角形の各辺の長さが互いにほぼ等しい形状とし、切欠部１５の辺の長さを従来と比較して増大させる）とした点と、この錘接合部１２の形状と共に、切欠部１５と対向する補正領域Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４と対向する絶縁基板２０の表面に、補正領域Ｂ１〜Ｂ４の面積を含む形状の温度補正用固定電極２２Ｃ_１、２２Ｃ_２、２２Ｃ_３、２２Ｃ_４を形成し、更に、これら温度補正用固定電極２２Ｃ_１〜２２Ｃ_４をＺ軸方向の加速度検出用固定電極２２ｚに接続した構造とした点である。
【００１６】
図１に示す実施例では正四角形状のＺ軸方向の加速度検出用固定電極２２ｚの各角に四角形の温度補正用固定電極２２Ｃ_１〜２２Ｃ_４の各角を重ね合わせて電気的に接続した形状に形成した場合を示す。固定電極２２ｚの各四辺と対向してＸ軸方向の加速度検出用固定電極２２Ｘ_１、２２Ｘ_２と、Ｙ軸方向の加速度検出用固定電極２２Ｙ_１と２２Ｙ_２を絶縁基板２０の上面に形成する。
【００１７】
このように、補正用電極２２Ｃ_１〜２２Ｃ_４を設け、この補正用電極２２Ｃ_１〜Ｃ_４を固定電極２２Ｚに電気的に接続したことにより、温度上昇時に、切欠部１５と対向する補正領域Ｂ１〜Ｂ４の部分のダイヤフラム１４が上向きに変位するため、補正用電極２２Ｃ_１〜２２Ｃ_４とダイヤフラム１４との間に形成されている静電容量は容量値が減少する。この結果、本来センサの温度係数の発生要因である錘接合部１２の各辺Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄと対向する部分で発生する温度上昇に下向に変位する領域ＡＡ（図８参照）の容量値の増加を相殺することができ、センサの持つ温度係数を小さい値に補正することができる。
【００１８】
この点で、この発明では特に錘接合部１２の四隅に形成する切欠部１５の切欠量を、従来止む無く形成されていた切欠部の切欠量より積極的に大きく形成したから、温度上昇に伴って、ダイヤフラム１４が上向に変位する補正領域Ｂ１〜Ｂ４の面積を従来より大きくすることができる。
この結果、温度上昇によって下向に変位する領域ＡＡの総面積と補正領域Ｂ１〜Ｂ４の総面積を近づけることができ、これによりセンサが持つ温度係数を極めて小さい値にすることができる。
【００１９】
図２にこの発明による静電容量型加速度センサと従来の静電容量型加速度センサの温度係数の実施例を示す。図２に示す曲線Ａはこの発明による静電容量型加速度センサの温度係数、曲線Ｂは従来の静電容量型加速度センサの温度係数を示す。図から明らかなように、この発明によれば従来のものより、約１／３程度に温度係数を小さくすることができた。
図３は補正用固定電極２２Ｃ_１〜２２Ｃ_４の形状の変形実施例を示す。この実施例では固定電極２２Ｚの四隅から細状導体２３を延長して形成し、この細状導体２３の先端に補正用固定電極２２Ｃ_１〜２２Ｃ_４を接続した構造とした場合を示す。
【００２０】
この構造によれば補正領域Ｂ１〜Ｂ４の発生位置が固定電極２２Ｚの四隅から離れた位置に発生する場合、又は固定電極２２Ｚの形状を小さく取る場合に適用することができる。図３に示した実施例は電極２２Ｚを図１の場合より小さく形成した場合を示す。このように電極２２Ｚの形状を小さく採ることにより、Ｚ軸方向の検出感度が多少低下するが、水平面上のＸ及びＹ軸方向の加速度検出とＺ軸方向の加速度検出の分離度を向上させることができる。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば錘３０を錘接合部１２を介してダイヤフラム１４に搭載し、錘３０に発生する慣性力によりダイヤフラム１４を変位させ、その変位量を静電容量の変化量で検出してＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向の加速度を検出する静電容量型加速度センサにおいて、温度変化に伴って疑似的な加速度検出信号を発生し、ゼロ点を変動させる温度係数を充分小さくすることができる。この結果、例えば自動車の車内のように温度上昇が著しい環境下でも安定して実用することができる静電容量型加速度センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１にこの発明の要部の構造を説明するための平面図。
【図２】図１に示した静電容量型加速度センサの温度係数と従来のセンサの温度係数を比較するための特性曲線図。
【図３】この発明の変形実施例を説明するための平面図。
【図４】従来の技術を説明するための平面図。
【図５】図４に示したＡ−Ａ線上の断面図。
【図６】静電容量型加速度センサの動作を説明するための断面図。
【図７】図６と同様の断面図。
【図８】従来の静電容量型加速度センサが温度係数を持つ理由を説明するための平面図。
【図９】静電容量型加速度センサの要部となる錘接合部の製造方法を説明するための平面図。
【符号の説明】
１０半導体板
１１枠部
１２錘接合部
１３溝
１４ダイヤフラム
１５切欠部
２０絶縁基板
２１凸条
２２Ｘ_１、２２Ｘ_２Ｘ軸方向の加速度検出用固定電極
２２Ｙ_１、２２Ｙ_２Ｙ軸方向の加速度検出用固定電極
２２ＺＺ軸方向の加速度検出用固定電極
２２Ｃ_１〜２２Ｃ_４温度補正用固定電極
ＡＡ固定電極２２Ｚと対向する領域
Ｂ１〜Ｂ４補正領域

Claims

外周縁に枠部を有し、この枠部で囲まれた中央部に島状の錘接合部を有し、この錘接合部の外周と上記枠部との間に溝が形成され、この溝によって溝の底面に形成された肉薄のダイヤフラムを有する矩形状の半導体板と、
上記半導体板の上記溝形成面と反対の面と空隙を介して対向し、周縁部に形成された凸条により上記枠部の位置で上記半導体板と接合された絶縁基板と、
上記絶縁基板の上記半導体板の対向面に形成され、中央部に位置し、上記半導体板の板面に対して鉛直方向に印加される加速度を検出するための正方形状固定電極と、上記ダイヤフラムと対向し、上記正方形状固定電極を挟んで上記絶縁基板の面に形成され、上記半導体板の板面と平行し、互いに直交する２方向の加速度を検出するための２組の各一対の固定電極とを具備して構成される静電容量型加速度センサにおいて、
上記錘接合部は正八角錐台形状であり、その上記絶縁基板側の面は、この面と垂直な方向から見て、１つ置きの各辺が上記正方形状固定電極の４つの辺の対応する１つとそれぞれ平行であり、
上記正方形状固定電極の４隅とそれぞれ電気的に接続され、固定電極の対角線方向にそれぞれ延長され、正方形状の補正用固定電極が上記ダイヤフラムと対向して上記絶縁基板に形成され、
上記各補正用固定電極は、温度上昇時に上記ダイヤフラム中の上記絶縁基板から離れる方向に変位する領域と対向している
ことを特徴とする静電容量型加速度センサ。