JP4600345B2

JP4600345B2 - 静電容量式センサ

Info

Publication number: JP4600345B2
Application number: JP2006126450A
Authority: JP
Inventors: 英一古久保
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2026-04-28
Also published as: JP2007298385A

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、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可動電極が弾性要素を介して固定部に可動支持される構造を形成し、作用した外力等に応じて可動電極が固定電極に対して動作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は、可動電極が固定電極に対してセンサの厚み方向に移動可能となるように構成されており、可動電極の表面に形成した層と固定電極とのずれに応じた静電容量の変化を検出するようになっている。
米国特許第６７９２８０４号明細書

しかしながら、上記特許文献１の静電容量式センサは、可動電極の表面に形成した比較的薄い層と固定電極とを相互に対向させて検出部を構成しているため、検出部における相互対向面積が狭くなり、電気力線が膨らむ特性となって、検出精度が低くなってしまうという問題があった。

そこで、本発明は、固定電極と可動電極との厚み方向の相対的なずれに応じて検出部の静電容量が変化する静電容量式センサにおいて、検出精度を向上す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、半導体層に形成され当該半導体層の固定部分にビームを介して可動支持される可動電極と、を備えるとともに、当該固定電極と可動電極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、当該検出部での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であって、前記ビームが前記センサの厚み方向に厚く当該厚み方向と直交する方向に薄い一定の矩形断面を有する梁として構成されて前記固定部分間に支持され、前記可動電極は、前記ビームと平行に伸びるとともに前記ビームに張出部を介して接続された基端側フレーム部と、この基端側フレーム部の長手方向の両端部から当該基端側フレーム部と直交する方向に延設された一対のアーム部と、これらのアーム部の先端側同士を接続する先端側フレーム部とで中央に矩形状の開口部を有する矩形枠状に形成され、前記固定電極が、前記先端側フレーム部の内側と外側に沿うようにそれぞれ細長く設けられ、該固定電極に設けた櫛歯部と、前記可動電極に設けた櫛歯部とが相互に噛み合うように前記検出部が構成され、前記先端側フレーム部の外側の固定電極に設けた櫛歯部と先端側フレーム部に設けた可動電極の櫛歯部とからなる検出部と、先端側フレーム部の内側に設けた固定電極の櫛歯部に対向し前記アーム部間に設けた可動電極の櫛歯部とからなる検出部とで、一つの前記可動電極に対して相異なる二つの前記固定電極を対向させることにより前記検出部を二つ設け、それら二つの検出部の差動出力として静電容量を検出するようにし、それら二つの検出部について、前記固定電極の櫛歯部の突出方向ならびに前記可動電極の櫛歯部の突出方向を同一とし、前記検出部は、可動電極の動作による当該可動電極と固定電極との厚み方向へのずれに伴う相互対向面積の変化に応じた静電容量を、前記二つの検出部の差動出力として検出することを特徴とする。

請求項２の発明にあっては、上記可動電極が初期位置にある状態で、上記可動電極と固定電極とを厚み方向にずらして配置したことを特徴とする。

請求項３の発明にあっては、上記可動電極は、ビームを介して揺動可能に支持されることを特徴とする。

請求項４の発明にあっては、上記可動電極は、ビームを介して厚み方向に往復動可能に支持されることを特徴とする。

請求項５の発明にあっては、前記可動電極とは別に前記開口部に設けた第二可動電極に、前記固定電極とは別に前記開口部に設けた第二固定電極を間隙をもって対向させた第二の検出部を設け、当該第二検出部によって、前記第二可動電極と第二固定電極との間隙に応じた静電容量を検出することを特徴とする。

本発明によれば、固定電極と可動電極との厚み方向の相対的なずれに応じて検出部の静電容量が変化する静電容量式センサにおいて、半導体層に形成した固定電極と可動電極とを間隙をもって相互に対向させて検出部を構成したため、固定電極と可動電極とが相互に対向する部分の厚みを十分に確保することができ、検出精度を向上することができる。

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。

（参考例）図１は、本参考例の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、静電容量式センサの一部の断面図、図３は、静電容量式センサの検出部を示す図であって、（ａ）は検出部の一部を拡大して示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、図４は、静電容量式センサの第二の検出部を示す平面図である。

本実施形態にかかる静電容量式センサ１（以下、単にセンサ１と記す）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（図２では半導体層２と絶縁層２１との接合面のみ）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、図２に示すように、絶縁層２０の表面２０ａ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１〜図４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、アンカ部３，１３や、ビーム部４，１４、可動電極５，１５、固定電極６Ａ，６Ｂ，１６、フレーム部７等が形成される。

半導体層２は、図１に示すように、全体として平面視で略長方形状に形成されており、フレーム部７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設けられている。

間隙１０は、例えば、垂直エッチング加工（例えば、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma；誘導結合プラズマ）加工等の反応性イオンエッチング）によって形成し、間隙１０両側の壁面を半導体層２の表面と垂直にして、それら壁面同士を相互に略平行に対向させるのが好適である。

フレーム部７の内側には、フレーム部７の一辺（本実施形態では図１の左側の短辺）の両端となる隅部に寄せて、矩形断面（本実施形態では略長方形断面）を有する柱状のアンカ部３，３が一対設けられており、これらアンカ部３，３から相互に近接する方向、すなわちフレーム部７の一辺に略沿う方向に、一対のビーム部４，４が延設され、当該フレーム部７の一辺の略中央部で可動電極５（の張出部５ｅ）に接続されている。

ビーム部４は、センサ１の厚み方向に厚く、当該厚み方向と直交する方向（センサ１の表面に沿う方向）に薄い一定の矩形（略長方形）断面を有する梁として構成される。全体的な大きさにもよるが、一例としては、半導体層２の厚み方向の高さは１０マイクロメートル以上（５００マイクロメートル以下）、半導体層２の表面に沿う方向の幅は数マイクロメートル（３〜１０マイクロメートル程度）とすることができる。

可動電極５は、中央に比較的大きな矩形状の開口部５ａを有する矩形枠状に形成されており、間隙１０をあけてフレーム部７の内側に当該フレーム部７の内縁に沿って配置されている。なお、可動電極５の開口部５ａ内には、センサ１の表面に沿う一方向（図１では左右方向）の可動電極１５の動きを検出する第二の検出部９を構築するための構造（アンカ部１３、ビーム部１４、可動電極１５、および固定電極１６）が配置されているが、かかる構造については後述する。

可動電極５は、ビーム部４，４とほぼ平行に伸びる基端側フレーム部５ｂを有しており、その長手方向略中央部からフレーム部７側に張り出す張出部５ｅを有している。ビーム部４，４はこの張出部５ｅに接続されている。

基端側フレーム部５ｂの長手方向両端部からは、当該基端側フレーム部５ｂと略直交する方向に（すなわちフレーム部７に辺と略平行な方向に）アーム部５ｃ，５ｃが延設され、アーム部５ｃ，５ｃの先端側同士を接続するように先端側フレーム部５ｄが設けられている。この先端側フレーム部５ｄは、フレーム部７のビーム部４，４が配置される側と反対側の辺に沿って伸びており、またアーム部５ｃ，５ｃとは略直交している。

可動電極５は、その表裏に形成された凹部２２によって絶縁層２０，２１と分離されるとともに、半導体層２に形成された間隙１０によって半導体層２内の他の部分とも分離されている。すなわち、本実施形態にかかるセンサ１は、可動電極５が、半導体層２の固定部分としてのアンカ部３に、ビーム部４，４を介して可動支持された構造を備えている。かかる構造では、アンカ部３、ビーム部４，４、および可動電極５は、半導体層２の一部として一体に構成されており、それらアンカ部３、ビーム部４，４、および可動電極５の電位はほぼ等電位とみなすことができる。

ビーム部４，４は、フレーム部７に対して可動電極５を弾性的に可動支持するバネ要素として機能する。本実施形態では、ビーム部４，４は、センサ１の厚み方向に長い断面（ビーム部４の延伸軸に垂直な断面）を有しているため、当該厚み方向には撓みにくく、また、可動電極５がビーム部４，４の幅方向一方側に片寄って（本実施形態では一方側のみに）配置されているため、センサ１に厚み方向の加速度が作用すると、可動電極５に作用する慣性力によってビーム部４，４がねじられ、可動電極５はビーム部４，４を中心として揺動することになる。すなわち、本実施形態では、ビーム部４，４はねじりビーム（トーションビーム）として機能することになる。

かかる構成では、可動電極５の揺動によって、当該可動電極５と固定電極６Ａ，６Ｂとが厚み方向にずれることになるが、本実施形態では、検出部８Ａ，８Ｂにおいて、この厚み方向のずれに伴う可動電極５（先端側フレーム部５ｄ）と固定電極６Ａ，６Ｂとの相互対向面積の変化に応じた静電容量を検出するようになっている。この場合、検出部８Ａ，８Ｂの主検知方向はセンサ１の厚み方向（図１および図３の（ａ）において紙面と垂直な方向）となる。

具体的には、可動電極５の先端側フレーム部５ｄの内側および外側に沿うようにそれぞれ細長い固定電極６Ａ，６Ｂを設けるとともに、可動電極５の櫛歯部５ｆと、固定電極６Ａ，６Ｂの櫛歯部６ｂとを噛み合わせて検出部８Ａ，８Ｂが構成されている。

各検出部８Ａ，８Ｂでは、櫛歯部５ｆ，６ｂ間の間隙１０ａの大きさは一定の値に設定されており、図３の（ｂ）に示すように、先端側フレーム部５ｄのセンサ１の厚み方向に上下動に伴って変化する可動電極５と固定電極６Ａ，６Ｂとの相互対向面積Ａａ，Ａｂに応じた静電容量が検出されるようになっている。

具体的には、検出部８Ａについては、可動電極５が図３の（ｂ）で上方向に移動すると、可動電極５と固定電極６Ａとの相互対向面積Ａａが増大する分、静電容量は増大し、一方、可動電極５が下方向に移動すると、可動電極５と固定電極６Ａとの相互対向面積Ａａが減少する分、静電容量は減少することになる。

また、検出部８Ｂについては、可動電極５が上方向に移動すると、可動電極５と固定電極６Ｂとの相互対向面積Ａｂが減少する分、静電容量は減少し、一方、可動電極５が下方向に移動すると、可動電極５と固定電極６Ｂとの相互対向面積Ａｂが増大する分、静電容量は増大することになる。

そして、固定電極６Ａ，６Ｂの電位および可動電極５の電位は、各電極に対応して形成された導体層２３（図２参照）を介してそれぞれ別個に取り出され、それら各電極間の電位差から各検出部８Ａ，８Ｂの静電容量が取得され、それら検出部８Ａ，８Ｂの静電容量の差動出力が、センサ１による検出値として用いられるようになっている。すなわち、これら検出部８Ａ，８Ｂの静電容量の値から、可動電極５の姿勢を把握することが可能となり、加速度や角加速度など、種々の物理量を把握することができる。

ここで、本実施形態では、可動電極５の一移動方向（図３の（ｂ）の上方向および下方向のうちいずれか一方）について、各検出部８Ａ，８Ｂの静電容量が単調増加するかあるいは単調減少するようになっているが、かかる出力特性は、可動電極５（先端側フレーム部５ｄ）が初期位置にある状態で、可動電極５と固定電極６Ａ，６Ｂとを厚み方向にずらして配置することで実現されている。仮に、可動電極５が初期位置にあるときに、可動電極５と固定電極６Ａ，６Ｂとが、相互にずれることなく同じ厚みで正対するように構成されていると、可動電極５が上方向に移動する場合、および下方向に移動する場合のいずれについても、相互対向面積が減少することになってしまい、静電容量の値（の変化）からは可動電極５の移動方向を把握できないという問題が生じてしまう。

また、本実施形態では、櫛歯部５ｆ，６ｂを、検出部８Ａ，８Ｂによる主検知方向（すなわちセンサ１の厚み方向）と直交する方向のうち可動電極５に作用する慣性力が最大となる方向に略沿って突出させる（延伸させる）のが好適である。こうすることで、主検知方向と異なる方向に作用した慣性力によって間隙１０ａの大きさが変化し、検出部８Ａ，８Ｂの検出誤差が生じるのを抑制することができる。

そして、本実施形態では、上述したように、可動電極５の開口部５ａ内にアンカ部１３，１３、ビーム部１４，１４、可動電極１５、および固定電極１６，１６を設けるとともに、可動電極１５の一部と固定電極１６，１６の一部とを間隙１０ｂ（図４）をもって相互に対向させて第二の検出部９，９が形成され、当該第二の検出部９，９によって、検出部８Ａ，８Ｂとは別の方向について、可動電極１５の変位や加速度を検出することができるように構成されている。

具体的には、図４に示すように、可動電極１５は、その中央部１５ａからフレーム部７の一辺の中央部分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１５ｂを備えており、これら複数の櫛歯部１５ｂは、相互に平行に一定のピッチで設けられている。

一方、固定電極１６は、開口部５ａの隅部に近接して設けられる隅部１６ａと、この隅部１６ａからフレーム部７の一辺に沿って帯状に細長く伸びる縁部１６ｂとを備えており、この縁部１６ｂに、可動電極１５の中央部１５ａ側に向けて伸びる櫛歯部１６ｃが設けられている。本実施形態では、複数の櫛歯部１６ｃが、相互に平行に一定のピッチ（可動電極１５の櫛歯部１５ｂと同一のピッチ）で設けられており、可動電極１５の複数の櫛歯部１５ｂと間隙１０ｂをもって噛み合うようにしてある。

この第二の検出部９では、櫛歯部１５ｂ，１６ｃ間の間隙１０は、櫛歯部１５ｂに対して一方側で狭く（間隙１０ｂ）、他方側で広く（間隙１０ｃ）設定してあり、狭い側の間隙１０ｂを検知ギャップとして、この間隙１０ｂを介して相互に対向する櫛歯部１５ｂ，１６ｃ間の、当該間隙１０ｂの大きさに応じて変化する静電容量を検出するようになっている。

可動電極１５は、開口部５ａ内に設けられたアンカ部１３，１３に、ビーム部１４，１４を介して可動支持されており、ビーム部１４，１４を、センサ１の厚み方向に長く幅方向（センサ１の表面方向）に短い矩形断面形状とすることで、可動電極１５がセンサ１の厚み方向に撓みにくくし、また、適宜に蛇行させることで、可動電極１５をセンサ１の表面に沿う一方向（図１の左右方向）に可動させるように構成している。

以上の本実施形態によれば、検出部８Ａ，８Ｂにより、可動電極５の動作による当該可動電極５と固定電極６Ａ，６Ｂとの厚み方向へのずれに伴う相互対向面積Ａａ，Ａｂの変化に応じた静電容量を検出するようにしたので、静電容量が可動電極５と固定電極６Ａ，６Ｂとの相対的なずれ量、すなわち可動電極５の変位（揺動角度）についての１次関数となる。よって、間隙の大きさを変化させ当該間隙の大きさの２乗に反比例して静電容量が変化する場合に比べて、検出精度を向上させることができる。しかも、半導体層２に形成した可動電極５と固定電極６Ａ，６Ｂとを相互に対向させて検出部８Ａ，８Ｂを構築したため、相互対向面積をより広く確保することができ、かつ電気力線の曲がりを少なくできるため、検出精度を高めることができる。

また、本実施形態によれば、可動電極５が初期位置にある状態で、可動電極５と固定電極６Ａ，６Ｂとを厚み方向にずらして配置したため、可動電極５の一移動方向について、各検出部８Ａ，８Ｂの静電容量が単調増加するかあるいは単調減少するように設定することができ、以て、静電容量の変化（増減）から可動電極５の移動方向を把握することができる。

また、本実施形態では、検出部８Ａ，８Ｂにおいて、固定電極６Ａ，６Ｂに設けた櫛歯部６ｂと、可動電極５に設けた櫛歯部５ｆとが相互に噛み合うように構成したため、可動電極５と固定電極６Ａ，６Ｂとで相互に対向する部分の面積を効果的に増大させて、検出精度を高めることができる。

また、本実施形態では、櫛歯部５ｆ，６ｂを、検出部８Ａ，８Ｂによる主検知方向（すなわちセンサ１の厚み方向）と直交する方向のうち可動電極５に作用する慣性力が最大となる方向に略沿って突出させるように構成したため、可動電極５に作用した慣性力によって間隙１０ａの大きさが変化するのを抑制し、ひいては検出誤差が生じるのを抑制することができる。

また、本実施形態では、半導体層２の固定部分としてのアンカ部３によって、ビーム部４を介して可動電極５を揺動可能に支持することで、検出部８Ａ，８Ｂにおいて、可動電極５と固定電極６Ａ，６Ｂとがセンサ１の厚み方向にずれる構成を比較的簡素な構成として得ることができる。

また、本実施形態では、検出部８Ａ，８Ｂによる主検知方向とは別の方向における可動電極１５の変位や加速度を検出する第二の検出部９，９を設けたため、複数の方向について加速度等を検出すべく各方向に別個にセンサを設ける場合に比べて小型化を図ることができる。

特に、本実施形態では、可動電極５のうちねじり中心（ビーム部４の中心軸）から離間した部分に検出部８Ａ，８Ｂを形成し、当該検出部８Ａ，８Ｂとねじり中心との間に、上記第二の検出部９，９を設けたため、検出部８Ａ，８Ｂをねじり中心から遠い位置に配置して可動電極５の揺動による検出部８Ａ，８Ｂの揺動半径方向（図１では左右方向）の変位を小さくして検出精度（特に直線性）を向上することができる上、検出部８Ａ，８Ｂをねじり中心から離間配置したことによって当該検出部８Ａ，８Ｂとねじり中心との間に生じるデッドスペースを、第二の検出部９，９を設けるスペースとして有効に利用することができる分、センサ１をより小型に構成することができる。

（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平面図である。なお、本実施形態にかかるセンサ１Ａは、上記第１実施形態にかかるセンサ１と同じ構成要素を備えている。よって、以下では、同じ構成要素には共通の符号を付与し、重複する説明を省略する。

本実施形態にかかるセンサ１Ａも、検出部８Ａ１，８Ｂにより、可動電極５Ａの動作による当該可動電極５Ａと固定電極６Ａ１，６Ｂとの厚み方向へのずれに伴う相互対向面積の変化に応じた静電容量を検出するように構成されている。よって、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

ただし、本実施形態では、二つの検出部８Ａ１，８Ｂについて、各櫛歯部の突出方向（延伸方向）を同じ方向としている。具体的には、図５に示すように、固定電極６Ａ１，６Ｂの両方とも櫛歯部を図５の右側から左側に向けて突出させるとともに、可動電極５Ａの櫛歯部を図５の左側から右側に向けて突出させて、相互に噛み合わせている。かかる構成では、櫛歯部の突出方向（図５の左右方向）における可動電極５Ａの不本意な動作によって生じる当該方向における相互対向面積の増減が、二つの検出部８Ａ１，８Ｂについて同じになる。したがって、これら検出部８Ａ１，８Ｂの差動出力において、当該相互対向面積の増減に伴う誤差を相殺することができ、以て、検出精度を高めることができる。

（参考例）図６は、参考例の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である。なお、本実施形態にかかるセンサ１Ｂは、上記第１実施形態にかかるセンサ１と同じ構成要素を備えている。よって、以下では、同じ構成要素には共通の符号を付与し、重複する説明を省略する。

本実施形態にかかるセンサ１Ｂも、検出部８Ａ２，８Ｂ２により、可動電極５Ｂの動作による当該可動電極５Ｂと固定電極６Ａ２，６Ｂ２との厚み方向へずれに伴う相互対向面積の変化に応じた静電容量を検出するように構成している。よって、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

ただし、本実施形態にかかるセンサ１Ｂは、検出部８Ａ２において、一つの固定電極６Ａ２に、相反する方向（図６の上方向と下方向）に突出する（延伸する）櫛歯部６ｂ２を設けるとともに、可動電極５Ｂには、これら櫛歯部６ｂ２に噛み合う櫛歯部５ｆ２を設けている。また、検出部８Ｂ２においても、一つの固定電極６Ｂ２に、相反する方向（図６の上方向と下方向）に突出する（延伸する）櫛歯部６ｂ２を設けるとともに、これら櫛歯部６ｂ２に噛み合う櫛歯部５ｆ２を設けている。よって、かかる構成では、各検出部８Ａ２，８Ｂ２において、一つの可動電極５Ｂに、相反する方向に突出する櫛歯部５ｆ２，５ｆ２が設けられることになる。

かかる構成では、可動電極５Ｂが図６の上方向にずれた場合、図６上側の櫛歯部６ｂ２，５ｆ２が噛み合う部分では相互対向面積が増大するのに対し、図６下側の櫛歯部６ｂ２，５ｆ２が噛み合う部分では相互対向面積が減少することになる。一方、可動電極５Ｂが図６の下方向にずれた場合、図６上側の櫛歯部６ｂ２，５ｆ２が噛み合う部分では相互対向面積が減少するのに対し、図６下側の櫛歯部６ｂ２，５ｆ２が噛み合う部分では相互対向面積が増大することになる。よって、本実施形態によれば、可動電極５Ｂが図６の上側にずれた場合および図６の下側にずれた場合の双方について、検出部８Ａ２，８Ｂ２毎に相互対向面積の増減が相殺され、当該相互対向面積の増減に伴う誤差を相殺することができ、以て、検出精度を高めることができる。

さらに、本実施形態では、フレーム部７により、蛇行構造を有する４本のビーム部４Ｂを介して略矩形板状の可動電極５Ｂの四隅を支持して、可動電極５Ｂがセンサ１Ｂの厚み方向に往復動可能となるようにしている。かかる構成により、厚み方向と直交する方向の移動量が小さくなり、当該直交方向への移動による検出誤差を小さくできるため、より検出精度を高めることができる。

また、このように、可動電極５Ｂを厚み方向に往復動させる場合には、当該可動電極５Ｂが傾動しないように、複数のビーム部によって可動電極５Ｂの重心に対して対称となる両端側を支持し、さらに好ましくは、三点以上を支持するようにするのが好適である。この点、本実施形態のように、可動電極５Ｂを、図６の上下方向および左右方向について線対称形状とし、その四隅を支持するようにすれば、可動電極５Ｂの不本意な傾動をより確実に抑制することができる。また、本実施形態のようにビーム部４Ｂを蛇行させることで、撓み量を確保しやすくなるという利点がある。

（参考例）図７は、参考例の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である。なお、本実施形態にかかるセンサ１Ｃは、上記第１実施形態にかかるセンサ１と同じ構成要素を備えている。よって、以下では、同じ構成要素には共通の符号を付与し、重複する説明を省略する。

本実施形態にかかるセンサ１Ｃは、可動電極５Ｃを、センサ１Ｃの厚み方向の往復動作と表面に沿う少なくとも一方向の往復動作とが可能となるように構成し、厚み方向の動作を検出する検出部８Ａ３，８Ｂ３と表面方向の動作を検出する第二の検出部９Ｃ，９Ｃとの双方で、可動電極５Ｃの共用化を図ったものである。

具体的には、フレーム部７の相互に対向する二辺（図７では上下の二辺）の各々に近い位置に、略矩形柱状のアンカ部３Ｃ，３Ｃを設け、このアンカ部３Ｃ，３Ｃによって、蛇行する四本のビーム部４Ｃを介して可動電極５Ｃを相互に離間した四箇所で支持することで、可動電極５Ｃの傾動を抑制しながら当該可動電極５Ｃがセンサ１Ｃの厚み方向および図７の上下方向に往復動可能となるように構成している。

さらに、可動電極５Ｃには、その中央から見て図７で上下左右となる四箇所に開口部を設け、各開口部内に適宜な間隙をもって四つの固定電極６Ａ３，６Ｂ３，１６Ｃ，１６Ｃを配置している。

フレーム部７の四辺のうち相互に対向する二辺（図７では左右の二辺）に沿う一対の固定電極６Ａ３，６Ｂ３は、センサ１Ｃの厚み方向の可動電極５Ｃの動作を検出する検出部８Ａ３，８Ｂ３の構成要素となっている。すなわち、固定電極６Ａ３，６Ｂ３の棒状部分６ｂ３の外側端面６ｃと、可動電極５Ｃの外枠部分５ｆ３の内側端面５ｇとが間隙をもって相互に対向する部分が、センサ１Ｃの厚み方向の動作を検出する検出部８Ａ３，８Ｂ３となっている。なお、このように、各検出部８Ａ３，８Ｂ３において、平面視で固定電極６Ａ３，６Ｂ３を可動電極５Ｃで取り囲むように構成することで、固定電極６Ａ３，６Ｂ３と可動電極５Ｃとが図７の上下方向にずれた場合にも相互対向面積が変化せず、当該ずれによる検出誤差を抑制することができる。

そして、もう一対の固定電極１６Ｃ，１６Ｃは、センサ１Ｃの表面に沿う一方向（図７では上下方向）の可動電極５Ｃの動作を検出する第二の検出部９Ｃ，９Ｃの構成要素となっている。すなわち、固定電極１６Ｃの外側端面１６ｃと、可動電極５Ｃの外枠部分５ｈの内側端面５ｉとが間隙をもって相互に対向する部分が、図７の上下方向の動作を検出する検出部９Ｃとなっている。なお、これら第二の検出部９Ｃ，９Ｃについても、平面視で固定電極６Ａ３，６Ｂ３を可動電極５Ｃで取り囲むように構成することで、固定電極６Ａ３，６Ｂ３と可動電極５Ｃとが図７の左右方向にずれた場合にも相互対向面積が変化せず、当該ずれによる検出誤差を抑制することができる。

以上の本実施形態によれば、検出部８Ａ３，８Ｂ３と第二の検出部９Ｃ，９Ｃとで可動電極５Ｃの共用化を図ることができるため、これらを別個に設けた場合に比べてセンサ１Ｃをより小型に構成することができる。

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。

本発明の参考例の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。本発明の参考例の実施形態にかかる静電容量式センサの一部の断面図。本発明の参考例の実施形態にかかる静電容量式センサの検出部を示す図であって、（ａ）は検出部の一部を拡大して示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図。本発明の参考例の実施形態にかかる静電容量式センサの第二の検出部を示す平面図。本発明の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。本発明の参考例の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。本発明の参考例の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。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ静電容量式センサ
２半導体層
３，３Ｃアンカ部（固定部分）
４，４Ｂ，４Ｃビーム部（ビーム）
５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ可動電極
６Ａ，６Ｂ，６Ａ１，６Ａ２，６Ｂ２，６Ａ３，６Ｂ３固定電極
８Ａ，８Ｂ，８Ａ１，８Ａ２，８Ｂ２，８Ａ３，８Ｂ３検出部
９，９Ｃ第二の検出部
５ｆ，６ｂ，５ｆ２，６ｂ２櫛歯部

Claims

半導体層に形成された固定電極と、半導体層に形成され当該半導体層の固定部分にビームを介して可動支持される可動電極と、を備えるとともに、当該固定電極と可動電極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、当該検出部での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であって、
前記ビームが前記センサの厚み方向に厚く当該厚み方向と直交する方向に薄い一定の矩形断面を有する梁として構成されて前記固定部分間に支持され、
前記可動電極は、前記ビームと平行に伸びるとともに前記ビームに張出部を介して接続された基端側フレーム部と、この基端側フレーム部の長手方向の両端部から当該基端側フレーム部と直交する方向に延設された一対のアーム部と、これらのアーム部の先端側同士を接続する先端側フレーム部とで中央に矩形状の開口部を有する矩形枠状に形成され、
前記固定電極が、前記先端側フレーム部の内側と外側に沿うようにそれぞれ細長く設けられ、
該固定電極に設けた櫛歯部と、前記可動電極に設けた櫛歯部とが相互に噛み合うように前記検出部が構成され、
前記先端側フレーム部の外側の固定電極に設けた櫛歯部と先端側フレーム部に設けた可動電極の櫛歯部とからなる検出部と、
先端側フレーム部の内側に設けた固定電極の櫛歯部に対向し前記アーム部間に設けた可動電極の櫛歯部とからなる検出部とで、一つの前記可動電極に対して相異なる二つの前記固定電極を対向させることにより前記検出部を二つ設け、それら二つの検出部の差動出力として静電容量を検出するようにし、
それら二つの検出部について、前記固定電極の櫛歯部の突出方向ならびに前記可動電極の櫛歯部の突出方向を同一とし、
前記検出部は、可動電極の動作による当該可動電極と固定電極との厚み方向へのずれに伴う相互対向面積の変化に応じた静電容量を、前記二つの検出部の差動出力として検出することを特徴とする静電容量式センサ。
前記可動電極が初期位置にある状態で、前記可動電極と固定電極とを厚み方向にずらして配置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。
前記可動電極は、ビームを介して揺動可能に支持されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の静電容量式センサ。
前記可動電極は、ビームを介して厚み方向に往復動可能に支持されることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか一つに記載の静電容量式センサ。
前記可動電極とは別に前記開口部に設けた第二可動電極に、前記固定電極とは別に前記開口部に設けた第二固定電極を間隙をもって対向させた第二の検出部を設け、当該第二検出部によって、前記第二可動電極と第二固定電極との間隙に応じた静電容量を検出することを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか一つに記載に静電容量式センサ。