JP4595862B2 - 静電容量式センサ - Google Patents

Description

本発明は、固定電極と可動電極との間の静電容量を検出することにより所定の物理量を検出する静電容量式センサに関する。

従来より、公知の半導体プロセスを用いて半導体基板を加工することで固定部に弾性要素を介して可動電極が支持された構造を形成し、作用した外力等に応じて可動電極が固定電極に対して接離可能となるようにして、これら電極間の静電容量の変化を検出することで加速度や角速度等の種々の物理量を検出できるようにした静電容量式センサが知られている（例えば特許文献１）。

特許文献１の静電容量式センサでは、固定電極と可動電極との間隙の変化に応じた静電容量を検出する検出部が合計４箇所設けられており、各検出部は、固定電極および可動電極の櫛歯状部分同士が相互に噛み合う状態で所定の間隙を持って対向するように構成されている。
特開２００５−８３９７２号公報

しかしながら、上記特許文献１の静電容量式センサは、各検出部において、固定電極と可動電極との間の間隙の拡縮（すなわち特許文献１の場合、櫛歯間のスリットの幅の拡縮）に応じた静電容量の変化を検出するものであるが、固定電極と可動電極とが相互にずれる（すなわち特許文献１の場合、櫛歯の長手方向にずれる）と、そのずれによって固定電極と可動電極とが相互に対向する領域の面積が変化して静電容量が変化し、この静電容量の変化が検出誤差となって、センサの検出精度が低下してしまう場合があった。

そこで、本発明は、固定電極と可動電極とのずれによる検出誤差を低減することが可能な静電容量式センサを得ることを目的とする。

請求項１の発明にあっては、半導体層に形成された固定電極と可動電極とを備えるとともに、当該固定電極の一部と可動電極の一部とを間隙をもって相互に対向配置させて検出部が構成され、当該間隙の大きさに応じた静電容量を検出することで所定の物理量を検出する静電容量式センサにおいて、上記半導体層は、全体として正方形状に形成されており、フレーム部が、上記半導体層の四辺に沿って枠状に延設され、上記フレーム部の内側には、上記フレーム部に対して上記可動電極を弾性的に可動支持するビーム部が設けられ、上記可動電極は、その可動電極中央部から上記フレーム部の一辺の中央部に向けてその辺と垂直な方向に帯状に伸びる可動電極櫛歯部を備え、上記固定電極は、上記正方形状半導体層の隅部に対応する可動電極隅部に隣接して設けられる固定電極隅部と、この固定電極隅部から上記フレーム部の一辺に沿って帯状に伸びる固定電極縁部とを備えており、この固定電極縁部に、上記可動電極の中央部側に向けて伸びる固定電極櫛歯部が接続され、上記可動電極櫛歯部と上記固定電極櫛歯部とを間隙をもって噛み合うようにして上記検出部を構成し、上記可動電極隅部間に、上記フレーム部の辺に沿って平行に伸びる可動電極縁部を架設して、上記固定電極を取り囲み、上記可動電極縁部と上記固定電極縁部とを間隙をもって相互に対向配置させることにより、上記検出部における上記可動電極櫛歯部と上記固定電極櫛歯部との長手方向のずれによる静電容量の検出誤差を、当該ずれに伴う上記可動電極縁部と上記固定電極縁部との間隙の変化に応じた静電容量の変化によって減殺させる誤差補償部を構成し、ずれに伴う上記可動電極縁部と上記固定電極縁部との間隙の変化に応じた静電容量の変化が、検出部においてずれに伴って生じる静電容量の変化と同一となるように、上記可動電極縁部と上記固定電極縁部との間隙および相互対向面積を設定したことを特徴とする。

請求項２の発明にあっては、上記ずれに伴って上記検出部において前記固定電極櫛歯部と前記可動電極櫛歯部とが相互に対向する面積が小さくなるほど、前記可動電極縁部と前記固定電極縁部との間隙が小さくなるようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、上記検出部において固定電極と可動電極とが相互に対向する部分同士がずれて静電容量が変化した場合には、上記誤差補償部において、当該ずれに伴う他の間隙の変化によって静電容量が変化することになる。よって、検出部における静電容量の変化分を、誤差補償部における静電容量の変化分によって減殺し、以て、検出精度を向上することができるようになる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１実施形態）図１は、本実施形態にかかる静電容量式センサの半導体層の平面図、図２は、図１のＡ−Ａ線における静電容量式センサの断面図、図３は、図１の一部を拡大して示す図、図４は、誤差補償部の構成および作用を説明するために固定電極および可動電極を模式化して示した平面図である。

本実施形態にかかる静電容量式センサ１は、図２に示すように、半導体基板を処理してなる半導体層２の表裏両側に、ガラス基板等の絶縁層２０，２１を陽極接合等によって接合して構成されている。これら半導体層２と絶縁層２０，２１との接合面には、比較的浅い凹部２２が形成されており、半導体層２各部の絶縁性や可動電極５の動作性の確保が図られている。

また、絶縁層２０の表面上には導体層２３が成膜されており、半導体層２の各部の電位を取得するための電極として用いられる。本実施形態では、絶縁層２０にサンドブラスト加工等によって貫通孔２４を形成して半導体層２の表面（絶縁層２０側の表面）の一部を露出させておき、絶縁層２０の表面上から貫通孔２４の内周面上および半導体層２の表面（図２では固定電極６の表面）上にかけて電気的に接続された一連の導体層２３を成膜するようにして、当該導体層２３から半導体層２内の各部の電位を検出できるようにしてある。なお、絶縁層２０の表面上は、樹脂層（図示せず）によって被覆（モールド成形）するのが好適である。

そして、図２や図３等に示すように、半導体基板に公知の半導体プロセスによって間隙１０を形成することにより、半導体層２には、フレーム部３や、ビーム部４、可動電極５、固定電極６、ストッパ部７等が形成される。

半導体層２は、図１に示すように、全体として略正方形状に形成されており、フレーム部３が、その半導体層２の四つの周縁（四辺）に沿って略一定幅で枠状に延設されている。

このフレーム部３の内側には、フレーム部３の四隅から、フレーム部３の各辺と平行に、かつ中途で直角に折れ曲がりながらそれぞれ中心に向けて渦巻き状に伸びる四つのビーム部４が設けられている。ビーム部４は、それぞれフレーム部３の二辺分に亘って相互干渉することなく延設されるとともに、内側端部では可動電極５の隅部に接続されており、フレーム部３に対して可動電極５を弾性的に可動支持するバネ要素（渦巻きバネ）として機能する。

すなわち、本実施形態では、可動電極５に、バネ要素としてのビーム部４によって可動支持される質量要素（マス）としての機能を与え、これらバネ要素と質量要素とによってバネ−マス系を構成し、質量要素としての可動電極５の変位から、その加速度を得ることができるようになっている。

そして、この可動電極５の変位を検出するために、本実施形態では、可動電極５の一部と固定電極６の一部とを間隙をもって相互に対向配置させて検出部８を構成し、この検出部８における可動電極５と固定電極６との静電容量を検出することで、当該間隙の変化、すなわち固定電極６に対する可動電極５の変位を検出するようにしている。

具体的には、図３に示すように、可動電極５は、その中央部５ａからフレーム部３の一辺の中央部に向けてその辺と略垂直な方向に帯状に細長く伸びる櫛歯部５ｃを備えている。本実施形態では、複数の櫛歯部５ｃが、相互に平行に一定のピッチで設けられている。なお、各櫛歯部５ｃの先端部の位置は揃えられているが、櫛歯部５ｃの長さは束の内側ほど長く、束の外側ほど短くなるようにしてある。

一方、固定電極６は、可動電極５の隅部５ｂに隣接して設けられる隅部６ａと、この隅部６ａからフレーム部３の一辺に沿って帯状に細長く伸びる縁部６ｂとを備えており、この縁部６ｂに、可動電極５の中央部５ａ側に向けて伸びる櫛歯部６ｃが接続されている。本実施形態では、複数の櫛歯部６ｃが、相互に平行に一定のピッチ（可動電極５の櫛歯部５ｃと同一のピッチ）で設けられており、可動電極５の複数の櫛歯部５ｃと間隙１０をもって噛み合うようにしてある。また、櫛歯部６ｃの長さも、可動電極５の櫛歯部５ｃに対応させて、束の内側ほど長く、束の外側ほど短くなっており、櫛歯部５ｃ，６ｃ同士が相互に対向する面積をできるだけ広く確保できるようにしてある。

この検出部８では、櫛歯部５ｃ，６ｃ間の間隙１０は、櫛歯部５ｃに対して一方側で狭く（間隙１０ａ）、他方側で広く（間隙１０ｃ）設定してあり、狭い側の間隙１０ａを検知ギャップとして、この間隙１０ａを介して相互に対向する櫛歯部５ｃ，６ｃ間の静電容量、すなわち固定電極６と可動電極５との間の静電容量を検出するようになっている。

図１に示すように、検出部８は、フレーム部３の各辺の中央部に対応して設けられており、Ｘ方向検出用の検出部８（図２では上下の検出部８）とＹ方向検出用の検出部８（図２では左右の検出部８）とがそれぞれ二箇所ずつ設けられている。

また、図２および図３に示すように、固定電極６の隅部６ａ上の絶縁層２０に貫通孔２４を形成し、この貫通孔２４の内面に形成した導体層２３を介して固定電極６の電位を取り出すようになっている。一方、絶縁層２０には、フレーム部３の四隅のうち一対角線上に配置される二箇所に対応させて図２と同様の貫通孔および導体層（いずれも図示せず）を形成し、可動電極５の電位を、四つのビーム部４、フレーム部３、および当該貫通孔に形成した導体層を介して取り出すようになっている。なお、フレーム部３は、可動電極５と一体的に繋がる電極と見なすことができる。

さて、上記構成の検出部８では、櫛歯部５ｃ，６ｃ同士がその長手方向（すなわち検出方向と直交する方向；他軸方向）にずれた場合、そのずれに応じて相互に対向する面積が増減し、静電容量値が変化することになる。この静電容量値の変化は、検出の対象とする方向（検出方向）の変位によるものでは無く、検出誤差となる。

そこで、本実施形態では、固定電極６の一部（縁部６ｂ；他の一部）と可動電極５の一部（縁部５ｄ；他の一部）とを、検出部８における櫛歯部５ｃ，６ｃ同士のずれ方向に所定の間隙（１０ｂ；他の間隙）をもって相互に対向させて誤差補償部９を構成し、この誤差補償部９によって検出部８における静電容量の検出誤差を減殺するようにしている。

すなわち、固定電極６の縁部６ｂの外側に、この縁部６ｂと平行に、すなわち検出部８の検知ギャップ（間隙１０ａ）の幅方向（櫛歯部５ｃ，６ｃの延設方向；櫛歯部５ｃ，６ｃ同士のずれ方向；図３の検出部８についてはＸ方向）に帯状に細長く伸びる縁部５ｄを形成し、これら縁部５ｄ，６ｂ間で間隙１０ｂの大きさに応じて静電容量値が変化するようにしている。

ここで、本実施形態では、可動電極５の二つの隅部５ｂ，５ｂ間に、フレーム部３の辺に沿って平行に伸びる縁部５ｄを架設して、可動電極５によって固定電極６を取り囲む構成としているため、可動電極５の縁部５ｄの内側面と固定電極６の縁部６ｂの外側面とを間隙１０ｂをもって相互に対向させて誤差補償部９を成す構成を、極めて容易に得ている。

特に、誤差補償部９を成す縁部５ｄを二つの隅部５ｂ，５ｂ間に架設したことで、当該縁部５ｄが両端支持された状態を得ることができ、片持ち支持した場合に比べて縁部５ｄの剛性および強度を確保しやすくなり、その分、可動電極５をより小型にかつ軽量に得ることができるという利点がある。

なお、半導体層２には、可動電極５および固定電極６のいずれにも接続されないストッパ部７を設け、可動電極５と固定電極６とが衝突して損傷するのを抑制している。本実施形態では、ストッパ部７の可動電極５と対向する面に、適宜に突起７ａを設けてある。

さて、次に、図４を参照しながら、誤差補償部９の作用について説明する。検出部８において相互に対向する櫛歯部５ｃ，６ｃについて相互に対向する表面に沿う方向（すなわち間隙１０ｂの長手方向）のずれが無い図４の（ａ）の状態に対して、図４の（ｂ）に示すように可動電極５がＹ方向下向きにずれると、検出部８において電極として機能する櫛歯部５ｃ，６ｃ同士の相互対向面積はＡ１からＡ２（＜Ａ１）に減少する一方、誤差補償部９において電極として機能する縁部５ｄ，６ｂ同士の間隙１０ｂの間隔はδ２１からδ２２（＜δ２１）に減少する。

このとき、相互に対向する二つの電極間の静電容量Ｃは、Ｃ＝ε×Ｓ／ｄ、（ただし、ε：誘電率、Ｓ：相互対向面積、ｄ：間隙の大きさ）と表すことができるから、検出部８においては、電極同士の相互対向面積が減少する分、上記ずれに伴って、静電容量がΔＣ１＝ε×（Ａ１−Ａ２）／δ１だけ減少することになる。これに対し、誤差補償部９においては、電極同士の間隙が狭まる分、上記ずれに伴って、静電容量がΔＣ２＝ε×Ａ３／（δ２１−δ２２）、（ただし、Ａ３：誤差補償部９における縁部５ｄ，６ｂ同士の相互対向面積）だけ増大することになる。よって、所望のずれ量（δ２１−δ２２）に対して、ΔＣ１≒ΔＣ２となるように誤差補償部９（あるいは検出部８）のスペック（間隙、相互対向面積等）を設定しておけば、検出部８においてずれに伴って生じる静電容量の変化（検出誤差）を、誤差補償部９においてずれに伴って生じる静電容量の変化によって減殺することができる。

以上の本実施形態によれば、固定電極６の一部としての縁部６ｂと可動電極５の一部としての縁部５ｄとを、検出部８のずれ方向に、間隙１０ｂをもって相互に対向配置させることにより、検出部８における電極同士のずれによる静電容量の検出誤差を、当該ずれに伴う間隙１０ｂの変化に応じた静電容量の変化によって減殺させる誤差補償部９を構成したため、検出精度を向上することができるようになる。

この場合、検出部８において固定電極６と可動電極５とが相互に対向する面積が小さくなるほど、間隙１０ｂが小さくなるようにすればよい。

また、本実施形態では、可動電極５によって固定電極６を取り囲む構成としたため、誤差補償部９を、可動電極５の縁部５ｄの内側面と固定電極６の縁部６ｂの外側面とを間隙１０ｂをもって相互に対向させた部分として、極めて容易に得ることができる。

特に、誤差補償部９を成す縁部５ｄを可動電極５の二つの隅部５ｂ，５ｂ間に架設したことで、縁部５ｄが両端支持された構成を得ることができ、片持ち支持した場合に比べて縁部５ｄの剛性および強度を確保しやすくなり、その分、可動電極５をより小型にかつ軽量に得ることができるという利点がある。

（第２実施形態）図５は、本実施形態にかかる静電容量式センサの半導体層の一部を拡大して示す図である。なお、本実施形態にかかる静電容量式センサは、上記第１実施形態にかかる静電容量式センサと同様の構成要素を備えている。よって、共通する構成要素については同一の符号を付すとともに、重複する説明を省略する。

図５に示すように、本実施形態にかかる半導体層２Ａには、上記第１実施形態と同様の検出部８が形成されている。

ただし、本実施形態では、固定電極６および可動電極５の双方に棒状部５ｅ，６ｄを設け、これら棒状部５ｅ，６ｄ同士を所定の間隙１０ｂをもって対向させることで、誤差補償部９Ａを構成している。このとき、図５に示すように、これら棒状部５ｅ，６ｄは、いずれも、検出部８の検知ギャップ（間隙１０ａ）の幅方向（櫛歯部５ｃ，６ｃの延設方向；櫛歯部５ｃ，６ｃ同士のずれ方向；図５の検出部８についてはＸ方向）に帯状に細長く延設し、これら棒状部５ｅ，６ｄ間で間隙１０ｂの大きさに応じて静電容量値が変化するようにしている。

したがって、本実施形態によっても、上記第１実施形態と全く同様の原理により、誤差補償部９Ａの作用により、検出部８の電極のずれに伴う検出誤差を減殺することができる。

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。

本発明にかかる静電容量式センサは、変位のずれに伴う検出誤差を減殺することができるものであればよく、加速度に限らず種々の物理量を検出するセンサとして構成することが可能である。

また、検出部や誤差補償部の構造や配置は、ずれに伴って検出部において固定電極と可動電極とが相互に対向する面積が小さくなるほど誤差補償部における固定電極と可動電極との間隙が小さくなる構成であればよく、上記実施形態には限定されない。

また、上記第２実施形態では、固定電極と可動電極の双方に棒状部分を設けたが、棒状部をいずれか一方のみに設け、他方には棒状部分の側面に間隙をもって対向することができる領域を形成することができれば、棒状部分とすることは必須ではない。

本発明の第１実施形態にかかる静電容量式センサの半導体層の平面図。 図１のＡ−Ａ線における静電容量式センサの断面図。 図１の一部を拡大して示す図。 本発明の実施形態にかかる静電容量式センサにおける誤差補償部の構成および作用の説明図であって、固定電極および可動電極を模式化して示した図。 本発明の第２実施形態にかかる静電容量式センサの半導体層の一部を拡大して示す平面図。

符号の説明

１ 静電容量式センサ
２，２Ａ 半導体層
５ 可動電極
５ｄ 縁部（可動電極の他の一部；可動電極の内側面の一部）
５ｅ 棒状部（棒状部分）
６ 固定電極
６ｂ 縁部（固定電極の他の一部；固定電極の外側面の一部）
６ｄ 棒状部（棒状部分）
８ 検出部
９ 誤差補償部
１０ａ （検出部８の）間隙
１０ｂ （誤差補償部９の）間隙（他の間隙）

Claims (2)

1. 半導体層に形成された固定電極と可動電極とを備えるとともに、当該固定電極の一部と可動電極の一部とを間隙をもって相互に対向配置させて検出部が構成され、当該間隙の大きさに応じた静電容量を検出することで所定の物理量を検出する静電容量式センサにおいて、
   前記半導体層は、全体として正方形状に形成されており、フレーム部が、前記半導体層の四辺に沿って枠状に延設され、
   前記フレーム部の内側には、前記フレーム部に対して前記可動電極を弾性的に可動支持するビーム部が設けられ、
   前記可動電極は、その可動電極中央部から前記フレーム部の一辺の中央部に向けてその辺と垂直な方向に帯状に伸びる可動電極櫛歯部を備え、
   前記固定電極は、前記正方形状半導体層の隅部に対応する可動電極隅部に隣接して設けられる固定電極隅部と、この固定電極隅部から前記フレーム部の一辺に沿って帯状に伸びる固定電極縁部とを備えており、この固定電極縁部に、前記可動電極の中央部側に向けて伸びる固定電極櫛歯部が接続され、
   前記可動電極櫛歯部と前記固定電極櫛歯部とを間隙をもって噛み合うようにして前記検出部を構成し、
   前記可動電極隅部間に、前記フレーム部の辺に沿って平行に伸びる可動電極縁部を架設して、前記固定電極を取り囲み、前記可動電極縁部と前記固定電極縁部とを間隙をもって相互に対向配置させることにより、前記検出部における前記可動電極櫛歯部と前記固定電極櫛歯部との長手方向のずれによる静電容量の検出誤差を、当該ずれに伴う前記可動電極縁部と前記固定電極縁部との間隙の変化に応じた静電容量の変化によって減殺させる誤差補償部を構成し、
   ずれに伴う前記可動電極縁部と前記固定電極縁部との間隙の変化に応じた静電容量の変化が、検出部においてずれに伴って生じる静電容量の変化と同一となるように、前記可動電極縁部と前記固定電極縁部との間隙および相互対向面積を設定したことを特徴とする静電容量式センサ。
2. 前記ずれに伴って前記検出部において前記固定電極櫛歯部と前記可動電極櫛歯部とが相互に対向する面積が小さくなるほど、前記可動電極縁部と前記固定電極縁部との間隙が小さくなるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の静電容量式センサ。

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