JP3966223B2

JP3966223B2 - 加速度センサ

Info

Publication number: JP3966223B2
Application number: JP2003136998A
Authority: JP
Inventors: 英治吉川; 政広番; 善明平田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-05-15
Filing date: 2003-05-15
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2023-05-15
Also published as: JP2004340716A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、加速度センサの分野に属するものであり、特に可動部の剛性を高めて信頼性の向上を図ったものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の加速度センサは、半導体材料の枠内に可動電極が可動部によって弾性支持されており、可動電極の一方の端部に重りを有している。可動電極のうち可動部に近接する部分と対向するように検知電極が配置されており、可動電極と検知電極との間に静電容量を形成している。このように構成された加速度センサに加速度が印加されると、重りに作用する慣性力によって可動部がねじれる。その際に可動電極と検知電極との距離が変化し、それに伴なう静電容量の変化から加速度を測定している（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−１３３９７６号公報（段落００３７、図２３−２４）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術ではその構造上、静電容量を形成している可動電極と検知電極との距離の変位量は、重りが配置された可動電極の端部における変位量よりも小さい。そのため、加速度検出に必要な静電容量の変化を得るには、重り配置部分の変位量を十分に大きくする必要があり、必要以上に可動部の剛性を低下させてしまうおそれがある。これは、検出方向以外の加速度に対する感度増大によるノイズ発生や、可動電極と基板との接触といった不具合をもたらし、加速度センサの信頼性を低下させてしまうという問題があった。さらに、加速度検出に必要な静電容量の変化を得るために可動電極のねじれ角を大きくとると、ねじれ角と静電容量の変化との非線形性が増大し、加速度に対する出力信号の線形性を悪化させるという問題があった。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、可動部の剛性を高めてセンサとしての信頼性向上を図るとともに、加速度に対する出力信号の線形性向上を図った加速度センサを提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明における加速度センサは、基板上に形成された第１および第２の固定電極と、第１の固定電極とともに第１の静電容量を形成する第１の可動電極部、第２の固定電極とともに第２の静電容量を形成する第２の可動電極部、第１および第２の可動電極部を連結する可動電極部連結部からなり、第１および第２の固定電極に間隔を有して対向する可動電極と、可動電極部連結部と基板とを間隔を有するように接続して可動電極を支持するとともにねじれ変形可能な可動部材と、第１および第２の可動電極部の間に配置され加速度に応答して基板の板厚方向に変位する質量体と、質量体を基板と間隔を有するように弾性支持する質量体支持部材と、可動電極部連結部と質量体とを連結する質量体連結部材とを備えるものである。可動部材は第１および第２の可動電極部間の中間点を通る直線上に配置され、質量体連結部材は可動部材に対して平行かつ間隔を有して配置されたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、本発明が適用される加速度センサの実施の形態１を説明するための平面図である。また、図２は図１におけるＡ−Ａ’断面図、図３は同じくＢ−Ｂ’断面図、図４は同じくＣ−Ｃ’断面図である。
【０００８】
図１〜４において、シリコンからなる基板１上に、第１の固定電極２ａ、第２の固定電極２ｂおよび自己診断電極３が形成されている。基板１は、その表面に絶縁膜が形成されているのが好ましく、この絶縁膜としてはＬＰＣＶＤによって堆積された低応力の窒化シリコン膜などが適している。第１の固定電極２ａ、第２の固定電極２ｂおよび自己診断電極３は、例えば窒化シリコン膜上にＬＰＣＶＤによって堆積されたポリシリコン薄膜をエッチングすることによって一括に形成することができる。
【０００９】
可動電極４は、第１の固定電極２ａおよび第２の固定電極２ｂに間隔を有して配置されている。この可動電極４は、第１の可動電極部４ａ、第２の可動電極部４ｂ、および可動電極部連結部４ｃからなり、剛性の高い一部材で形成されることが好ましい。なお、第１の可動電極部４ａは第１の固定電極２ａとともに第１の静電容量Ｃ１を形成し、第２の可動電極部４ｂは第２の固定電極２ｂとともに第２の静電容量Ｃ２を形成する。ここで、第１の固定電極２ａおよび第２の固定電極２ｂ、第１の可動電極部４ａおよび第２の可動電極部４ｂは、Ａ−Ａ’線に対して線対称に配置されている。それぞれの静電容量空間の幅をＬ１、長さをＬ２とし、Ａ−Ａ’線からそれぞれの静電容量空間までの距離をＬ３とする。また、第１の可動電極部４ａと第２の可動電極部４ｂとの両端は、２つの可動電極部連結部４ｃによって連結されている。さらに、２つの可動電極部連結部４ｃは、図１のようにそれぞれ可動部材５によって基板１とを間隔を有するように接続されている。これにより、可動電極４は基板１に支持されている。ここで可動部材５は、ねじれ変形可能なねじれ梁部と、基板１と接続するためのアンカー部とからなる。これら２つの可動部材５は、そのねじれ軸が図１に示すように２つの可動電極部間の中間点を通るＡ−Ａ’線上にあるように配置されている。
【００１０】
質量体６は、自己診断電極３に間隙を有して対向するように、第１の可動電極部４ａと第２の可動電極部４ｂとの間に配置されている。質量体６は板状であって、質量体支持部材７を介して基板１に弾性支持されている。ここで質量体支持部材７は、質量体６を弾性変位させるための弾性梁部と、基板１と接続するためのアンカー部とからなり、基板１との間に間隔を有する。このように質量体６は弾性支持されていることから、基板１の板厚方向に印加される加速度に応答して、慣性力の作用で加速度とは反対向きに変位する。このとき、図１のように質量体支持部材７が質量体６の周囲に卍型に配置されており、質量体支持部材７の弾性梁部の長手部分が質量体６の辺に沿っているため、質量体６が面内方向に変位することを抑制している。
【００１１】
また、２つの可動電極部連結部４ｃと質量体６とは、２つの質量体連結部材８としてのリンク梁によって剛性的に連結されている。リンク梁８は図１のようにＢ−Ｂ’線上に配置されており、可動部材５に対して平行かつ間隔を有している。
【００１２】
なお、可動電極４、可動部材５、質量体６、質量体支持部材７、リンク梁８は、例えばＬＰＣＶＤやエピタキシャル成長などによって堆積されたポリシリコン薄膜をエッチングすることによって一括して形成することができる。このポリシリコン膜は低応力であり、かつ、厚さ方向に応力分布がないことが望ましく、その厚さは典型的には４〜１０μｍ程度である。また、第１の固定電極２ａや第２の固定電極２ｂと可動電極４との間などの間隙は、ＰＳＧ薄膜などの犠牲層を選択的にエッチング除去して形成でき、その距離は堆積するＰＳＧ薄膜の厚さを変更することで任意に設計することができる。
【００１３】
このように構成された加速度センサでは、加速度の印加によって質量体６が変位すると、可動電極部連結部４ｃのうちＢ−Ｂ’線上の部分は、リンク梁８を介して質量体６に連動して変位する。一方、可動電極部連結部４ｃのうちＡ−Ａ’線上の部分は、可動部材５によって基板１の板厚方向に変位することのないように支持されている。したがって、可動部材５のねじれ梁部がねじれ変形することで可動電極部連結部４ｃは傾斜し、これに伴なって第１の可動電極部４ａは質量体６と同方向に、第２の可動電極部４ｂは質量体６とは反対方向に変位する。そのため、第１の静電容量Ｃ１、第２の静電容量Ｃ２とが変化し、この容量変化から加速度を測定できる。
【００１４】
図５は、この実施の形態における加速度の検出原理を説明するための断面図である。図５において、加速度センサの基板１に垂直な加速度が、図示上方向に印加されている。質量体６には加速度と反対方向に慣性力が作用するため、図示下側の基板１に近づく方向に変位する。すなわち、破線で示した初期位置から変位量ｄ１だけ下側の実線で示した位置に変位する。このとき、可動部材５のねじれ変形によって可動電極４は傾斜し、第１の可動電極部４ａは下側に、第２の可動電極部４ｂは上側にそれぞれ変位する。すなわち、それぞれの可動電極部は、破線で示した初期位置から変位量ｄ２だけずれた実線で示した位置に変位する。このとき、質量体６の変位量ｄ１に比較して、第１および第２の可動電極部の変位量ｄ２が大きい。
【００１５】
また、第１の静電容量Ｃ１は、電極間距離が初期距離ｄ０より変位量ｄ２だけ狭くなるため、容量値が増加する。一方、第２の静電容量Ｃ２は、電極間距離が初期距離ｄ０より変位量ｄ２だけ広くなるため、容量値が減少する。これらの静電容量Ｃ１、Ｃ２の変化を差動検出することで、印加された加速度を測定することができる。
【００１６】
なお、加速度の印加方向が図示下方向の場合には、質量体６の変位方向、可動電極４のねじれ方向が逆となるだけであり、第１の静電容量Ｃ１の容量値が減少し、第２の静電容量Ｃ２が増加する。よって、同様に加速度を測定できることは言うまでもない。
【００１７】
次に、可動電極４と質量体６との位置関係について説明する。図１では、可動電極４は、質量体６を囲繞するように配置されている。これに対して図６は、比較例としての加速度センサを説明するための平面図であり、質量体１０６が可動電極１０４を囲繞するように配置されている。図６において、基板１０１上には第１の固定電極１０２ａ、第２の固定電極１０２ｂが配置されており、可動電極４とともに第１の静電容量Ｃ１、第２の静電容量Ｃ２を形成している。それぞれの静電容量空間の幅をＬ１、長さをＬ２とし、Ａ−Ａ’線からそれぞれの静電容量空間までの距離をＬ３とする。１０３は自己診断電極、１０５は可動部材、１０７は質量体支持部材、１０８は質量体連結部材である。
【００１８】
図７は、比較例における加速度の検出原理を説明するための断面図であり、図６におけるＣ−Ｃ’断面を示す。図７において、図５と同様に加速度が図示上方向に印加されている。質量体１０６は図示下側方向、すなわち破線で示した初期位置から変位量ｄ１だけ下側の実線で示した位置に変位する。このとき、可動部材１０５のねじれ変形によって、可動電極１０４は傾斜して破線で示した初期位置から変位量ｄ２だけずれた実線で示した位置に変位する。第１の静電容量Ｃ１は容量値が増加する一方、第２の静電容量Ｃ２は容量値が減少する。これらの静電容量Ｃ１、Ｃ２の変化を差動検出することで、印加された加速度を測定することができる。
【００１９】
続いて、この実施の形態と比較例の特性を比較する。例えば、静電容量空間の幅Ｌ１および長さＬ２、初期電極間距離ｄ０については両者共通でＬ１＝２００μｍ、Ｌ２＝５００μｍ、ｄ０＝２μｍとする。Ａ−Ａ’線から静電容量空間までの距離Ｌ３については、この実施の形態では４００μｍ、比較例では１００μｍとする。初期状態での静電容量については、Ｃ１＝Ｃ２＝約０．４０ｐＦを有するものとする。これらの加速度センサに図５、図７のように加速度が印加されて、可動電極が角度θだけねじれた場合の静電容量Ｃ１、Ｃ２は次の（１）式、（２）式で表される。
【００２０】
【数１】

【００２１】
第１の静電容量Ｃ１、第２の静電容量Ｃ２について、それぞれ電極面積が同じであれば、同じ容量変化を得るために必要な電極間距離の変化ｄ２も同じである。したがって、同じ電極間距離の変化ｄ２を得るためには、図１のように可動電極４が質量体６を囲繞するように配置されている方が、図６のように質量体１０６が可動電極１０４を囲繞するように配置されているよりも、可動電極のねじれ角θを小さく抑えることができる。すなわち、この実施の形態では、比較例に対して検出感度が同じでも、可動部材の剛性を高めることができ、加速度センサとしての信頼性を向上できるという効果が得られる。
【００２２】
図８は、この実施の形態と比較例における差動容量と可動電極のねじれ角θとの関係を示す特性図である。なお、差動容量δＣ＝Ｃ１−Ｃ２とする。例えば、差動容量δＣ＝０．１０ｐＦを得るために必要な可動電極のねじれ角θは、この実施の形態では約０．０２３°である。これは、比較例の約０．０６３°と比較して、約１／３程度であることがわかる。
【００２３】
また、差動容量を初期状態の第１および第２の静電容量Ｃ１、Ｃ２の和で規格化し、これを容量変動ΔＣ＝δＣ／（Ｃ１＋Ｃ２）として定義した。差動容量δＣが０．１０ｐＦの際のねじれ角、容量変動をそれぞれθ_０、ΔＣ_０とすると、出力信号の非線形性は次の（３）式で表される。
【００２４】
【数２】

【００２５】
図９は、差動容量と出力信号の非線形性との関係を示す特性図である。これより、非線形性はこの実施の形態の場合で最大約０．０１３％、比較例の場合で約０．０８０％と、この実施の形態の方が約１／６である。すなわち、この実施の形態では、印加される加速度に対する出力信号の線形性を向上できるという効果がある。
【００２６】
さらに、本発明による加速度センサは自己診断電極３を備えている。自己診断電極３は質量体６と対向しており、この自己診断電極３と質量体６との間に電圧を印加することによってこれらの間に静電引力を発生させ、質量体６を例えば図５のように図示下側へ変位させることができる。加速度が印加されていない場合でも、このように強制的に質量体６を変位させることによって、この質量体６とリンク梁８で結合された可動電極４を傾斜させ、加速度が印加された場合と同様に第１および第２の静電容量Ｃ１、Ｃ２の変化を発生させることができる。このようにして発生する容量変化を検出することで、加速度センサが破壊されていないか、特性に変動がないかなど、その機能を自己診断することができる。
【００２７】
実施の形態２．
図１０は、実施の形態２を説明するための加速度センサの平面図である。この実施の形態は、実施の形態１において可動電極４に対向する複数の補正電極９を備えたものである。補正電極９は、可動電極４の可動電極部連結部４ｃに対向するように基板１上に形成されており、可動部材５のねじれ軸が通るＡ−Ａ’線の図示左右両側に配置されている。
【００２８】
一般に、差動容量型の加速度センサにおいては、鉛直軸方向の加速度測定が必要とされたり、傾斜して加速度センサが設置されたりする場合、測定対象物が運動していない初期状態においても質量体６が変位する。そのため、第１および第２の静電容量Ｃ１、Ｃ２に不平衡が生じ、出力信号に一定のオフセットが生じる。
【００２９】
例えば、加速度センサを図５における図示下側を真下にして設置すると、測定対象物が運動しなくても、重力加速度の分だけ質量体６が下側に変位し、可動電極４が半時計方向にねじれて出力信号のオフセットがずれる。このようなオフセット変動が問題になる場合、複数の補正電極９のうちＡ−Ａ’線より第２の静電容量Ｃ２側の補正電極９を選択し可動電極４の可動電極部連結部４ｃとの間に電圧を印加すると、可動電極４に時計方向の回転モーメントが作用する。これによって、可動電極４の傾斜を修復して、第１および第２の静電容量Ｃ１、Ｃ２のバランスを平衡状態に戻すことができるので、出力信号のオフセットを補正できる。加速度センサの設置状態が前述と上下逆であっても、第１の静電容量Ｃ１側の補正電極９を選択して、同様に電圧を印加すれば出力信号のオフセットを補正できる。
【００３０】
実施の形態３．
図１１は、実施の形態３を説明するための加速度センサの平面図である。この実施の形態は、実施の形態１において可動部材５を可動電極４の外側に配置したものである。図１１において質量体６は矩形であって、図１のようなくぼみがある場合と比較して質量が大きくなる。さらに、質量体６の形状に関係なく可動部材５を設計配置することができる。例えば、可動部材５に応力緩衝部５ａを設けてもよい。この場合、可動電極４が可動部材５を介して両端支持されており可動電極４の形成材に残留応力が存在しても、応力緩衝部５ａがこの残留応力を緩和する。したがって、可動部材５のねじれ梁部に残留応力が影響を与えたり、可動電極４全体が座屈したりすることを防止できる。
【００３１】
実施の形態４．
図１２は、実施の形態４を説明するための加速度センサの断面図であり、可動部材５のねじれ梁部とリンク梁８とを通る断面を見たものである。この実施の形態は、実施の形態１において可動部材５を挟み込むように突起を備えたものである。この実施の形態における加速度センサは、第１の固定電極２ａ、第２の固定電極２ｂ、可動電極４、可動部材５、質量体６、質量体支持部材７およびリンク梁８を、基板１との間に封止するための封止部材１０としてのキャップを備えている。キャップ１０は、質量体６や可動電極４などを保護する。基板１には突起１１が形成されており、キャップ１０には突起１０ａが形成されている。突起１０ａと突起１１は、可動部材５を挟み込むように配置されている。
【００３２】
このようなキャップ１０や突起１０ａには、単結晶シリコンを用いることが好ましい。単結晶シリコンは、ＫＯＨなどのアルカリエッチング液に対するエッチング異方性を有する。このエッチング異方性を利用して、キャップ１０および突起１０ａを一括形成できる。また、基板１上に形成された突起１１には、例えばＬＰＣＶＤなどによって形成されたｐｏｌｙ−Ｓｉ薄膜を用いることができる。
【００３３】
以上のように、可動部材５のねじれ梁部は、その図示上下に形成された突起１０ａ、１１によって挟まれているので、基板１の厚さ方向への変位を抑制されている。すなわち、可動電極４自身に作用する慣性力など本来の加速度の検出には不要である振動モードを抑制したり、過大な加速度が印加された際の可動電極４の変位を抑制したりできる。そのため、加速度センサの信頼性を向上することができる。
【００３４】
【発明の効果】
この発明によれば、可動部の剛性を高めてセンサとしての信頼性向上を図るとともに、加速度に対する出力信号の線形性向上を図った加速度センサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１を説明するための平面図である。
【図２】実施の形態１を説明するためのＡ−Ａ’断面図である。
【図３】実施の形態１を説明するためのＢ−Ｂ’断面図である。
【図４】実施の形態１を説明するためのＣ−Ｃ’断面図である。
【図５】実施の形態１における加速度の検出原理を説明するための断面図である。
【図６】比較例を説明するための平面図である。
【図７】比較例における加速度の検出原理を説明するための断面図である。
【図８】実施の形態１と比較例における差動容量とねじれ角に関する特性図である。
【図９】実施の形態１と比較例における差動容量と出力信号の線形性に関する特性図である。
【図１０】実施の形態２を説明するための平面図である。
【図１１】実施の形態３を説明するための平面図である。
【図１２】実施の形態４を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１基板、２ａ第１の固定電極、２ｂ第２の固定電極、４可動電極、４ａ第１の可動電極部、４ｂ第２の可動電極部、４ｃ可動電極部連結部、５可動部材、６質量体、７質量体支持部材、８質量体連結部材、９補正電極、１０封止部材、１０ａ突起、１１突起。

Claims

基板上に形成された第１および第２の固定電極と、
第１の固定電極とともに第１の静電容量を形成する第１の可動電極部、第２の固定電極とともに第２の静電容量を形成する第２の可動電極部、第１および第２の可動電極部を連結する可動電極部連結部からなり、第１および第２の固定電極に間隔を有して対向する可動電極と、
可動電極部連結部と基板とを間隔を有するように接続して可動電極を支持するとともにねじれ変形可能な可動部材と、
第１および第２の可動電極部の間に配置され加速度に応答して基板の板厚方向に変位する質量体と、
質量体を基板と間隔を有するように弾性支持する質量体支持部材と、
可動電極部連結部と質量体とを連結する質量体連結部材とを備え、
可動部材は第１および第２の可動電極部間の中間点を通る直線上に配置され、質量体連結部材は可動部材に対して平行かつ間隔を有して配置されたことを特徴とする加速度センサ。
可動電極部連結部に対向する補正電極を基板上に形成し、可動電極部連結部と補正電極との間に電圧を印加することによって第１および第２の静電容量のバランスを補正するように構成されたことを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
第１および第２の固定電極、可動電極、可動部材、質量体、質量体支持部材および質量体連結部材を基板との間に封止するための封止部材を備え、基板および封止部材は可動部材を挟み込むように配置された突起をそれぞれ有することを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。