JP5369819B2 - Capacitive physical quantity detector - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To appropriately perform self-diagnosis even if a detecting spring has high rigidity in a capacitive acceleration sensor having a self-diagnostic function performing self-diagnosis by applying a self-diagnostic signal so as to displace the detecting spring and causing a movable electrode to generate pseudo acceleration. <P>SOLUTION: In a capacitive physical quantity detector, fixed electrodes 31, 41 are supported to a first silicon substrate 11 via springs 32, 42 for the fixed electrodes wherein the springs can be elastically displaced in a y-axial direction perpendicular to an x-axis while the springs can not be displaced elastically in an x-axial direction in which a movable electrode 23 is displaced. The physical quantity detector includes a fixed-electrode displacement means 60 for displacing the fixed electrodes 31, 41 in such a direction that facing areas between the movable electrode 23 and the fixed electrodes 31, 41 in the y-axial direction are increased by elastically displacing the springs 32, 42 for the fixed electrodes by means of an electrostatic attraction force. Self-diagnosis is performed by the fixed-electrode displacement means 60 while the facing areas between the movable electrode 23 and the fixed electrodes 31, 41 are increased as compared to a case when acceleration is detected. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、加速度や角速度、圧力などの物理量の印加時にバネ部の弾性的な変位によって可動電極を変位させ、可動電極とこれに対向する固定電極との間の容量変化に応じて物理量する容量式物理量検出装置に関し、特に、可動電極に擬似的な物理量を発生させて自己診断を行うようにしたものに関する。   The present invention is a capacitance that displaces a movable electrode by elastic displacement of a spring portion when applying a physical quantity such as acceleration, angular velocity, pressure, etc., and performs a physical quantity in accordance with a capacitance change between the movable electrode and a fixed electrode facing the movable electrode. More particularly, the present invention relates to a device that performs a self-diagnosis by generating a pseudo physical quantity in a movable electrode.

従来より、物理量を検出する容量式物理量検出装置において、自己診断を行うようにしたものとしては、例えば特許文献1や特許文献2に記載のものが提案されている。このものは、半導体基板に対して半導体プロセスにより、各電極やバネ部を形成してなるものである。   2. Description of the Related Art Conventionally, as a device that performs self-diagnosis in a capacitive physical quantity detection device that detects a physical quantity, for example, those described in Patent Document 1 and Patent Document 2 have been proposed. This is formed by forming each electrode and spring portion on a semiconductor substrate by a semiconductor process.

具体的には、このものは、支持基板と、支持基板に支持され物理量の印加に応じて所定方向へ変位するバネ機能を有する検出用バネ部と、検出用バネ部に一体に形成され検出用バネ部の弾性的な変位によって所定方向に変位可能な可動電極と、支持基板に支持され可動電極に対向して配置された固定電極と、を備えて構成されている。   Specifically, this is formed integrally with a support substrate, a detection spring portion supported by the support substrate and having a spring function that is displaced in a predetermined direction in response to application of a physical quantity, and a detection spring portion. The movable electrode is configured to include a movable electrode that can be displaced in a predetermined direction by the elastic displacement of the spring portion, and a fixed electrode that is supported by the support substrate and arranged to face the movable electrode.

さらに、この検出装置には、周期的に変化する信号であって物理量を検出するための検出信号と周期的に変化する信号であって自己診断を行うための自己診断信号とを切り替えて、可動電極と固定電極との間に印加する信号印加手段と、可動電極と固定電極とからなる容量の変化に応じた電圧を出力するC−V変換回路とが備えられている。   Furthermore, this detection device is movable by switching between a detection signal for detecting a physical quantity that is a periodically changing signal and a self-diagnostic signal that is a periodically changing signal for self-diagnosis. A signal applying means for applying between the electrode and the fixed electrode, and a CV conversion circuit for outputting a voltage corresponding to a change in capacitance composed of the movable electrode and the fixed electrode are provided.

そして、この検出装置においては、検出信号の印加中に発生する容量の変化に応じて物理量を検出し、自己診断信号の印加によって検出用バネ部を弾性的に変位させることにより、可動電極に擬似的な物理量を発生させ、この擬似的な物理量を検出することで自己診断を行うようにしている。   In this detection device, a physical quantity is detected in accordance with a change in capacitance that occurs during the application of a detection signal, and the detection spring is elastically displaced by the application of a self-diagnosis signal, thereby simulating the movable electrode. Self-diagnosis is performed by generating a physical quantity and detecting the pseudo physical quantity.

特開2001−91535号公報JP 2001-91535 A 特開2003−121457号公報JP 2003-121457 A

ところで、上記した従来の容量式物理量検出装置においては、目的等に応じて検出バネ部の剛性を高くする必要がある。たとえば、物理量として高いレンジの加速度を検出する場合には、検出バネ部のバネ剛性を高くすることが必要となる。   By the way, in the above-described conventional capacity type physical quantity detection device, it is necessary to increase the rigidity of the detection spring portion in accordance with the purpose or the like. For example, when detecting a high range of acceleration as a physical quantity, it is necessary to increase the spring rigidity of the detection spring portion.

ここで、自己診断については、可動電極と固定電極との間に静電気力を作用させ、これによって発生する可動電極の変位を電圧に変換することで、自己診断を行っていたが、検出バネ部のバネ剛性が高くなると、自己診断時における可動電極の変位量が小さくなり、自己診断に必要な出力を得ることができなくなってしまう。   Here, as for self-diagnosis, the self-diagnosis was performed by applying an electrostatic force between the movable electrode and the fixed electrode and converting the displacement of the movable electrode generated thereby into a voltage. If the spring stiffness of the coil becomes high, the displacement amount of the movable electrode at the time of self-diagnosis becomes small, and the output necessary for self-diagnosis cannot be obtained.

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、自己診断信号を印加して検出用バネ部を変位させ、可動電極に擬似的な物理量を発生させることにより自己診断を行う自己診断機能を有する容量式物理量検出装置において、検出用バネ部の剛性が高くなっても、自己診断を適切に行えるようにすることを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and has a self-diagnosis function for performing a self-diagnosis by applying a self-diagnosis signal to displace the detection spring portion and generating a pseudo physical quantity in the movable electrode. It is an object of the present invention to provide a self-diagnosis that can be appropriately performed even when the rigidity of the detection spring portion is increased.

上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、検出用バネ部(22)に一体に形成された可動電極(23)と固定電極(31、41)との間に周期的に変化する信号を印加して、これら両電極からなる容量の変化に応じた電圧を出力することにより物理量を検出するようにし、物理量を検出するための検出信号と自己診断を行うための自己診断信号とを切り替えて印加し、該自己診断信号の印加によって検出用バネ部(22)を変位させ可動電極(23)に疑似的な物理量を発生させるようにした容量式物理量検出装置において、さらに以下のような点を特徴としている。   In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, there is a periodic change between the movable electrode (23) and the fixed electrode (31, 41) formed integrally with the detection spring portion (22). A physical quantity is detected by applying a signal to output a voltage corresponding to a change in capacitance of both electrodes, and a detection signal for detecting the physical quantity and a self-diagnosis signal for performing a self-diagnosis In the capacitive physical quantity detection device in which the detection spring portion (22) is displaced by applying the self-diagnosis signal to generate a pseudo physical quantity in the movable electrode (23), the following is further applied. It features the following points.

・可動電極(23)の変位方向(x)には弾性的に変位しないが当該変位方向(x)とは直交する方向(y)には弾性的に変位可能な固定電極用バネ部(32、42)を介して、固定電極(31、41)を支持基板(11)に支持すること。   The fixed electrode spring portion (32, 32) that is not elastically displaced in the displacement direction (x) of the movable electrode (23) but is elastically displaceable in a direction (y) perpendicular to the displacement direction (x). 42) supporting the fixed electrodes (31, 41) on the support substrate (11) via 42).

・静電引力によって固定電極用バネ部(32、42)を弾性的に変位させることにより、上記直交する方向(y)にて可動電極(23)と固定電極(31、41)との対向面積が増加する方向に、固定電極(31、41)を変位させる固定電極変位手段(60)を備えること。   The opposing area of the movable electrode (23) and the fixed electrode (31, 41) in the orthogonal direction (y) by elastically displacing the fixed electrode spring (32, 42) by electrostatic attraction A fixed electrode displacing means (60) for displacing the fixed electrodes (31, 41) in the direction in which the angle increases.

・この固定電極変位手段(60)によって、物理量を検出するときよりも可動電極(23)と固定電極(31、41)との対向面積を増加させた状態で自己診断を行うようにしたこと。本発明は、これらの点を特徴としている。   The self-diagnosis is performed with the fixed electrode displacing means (60) in a state where the facing area between the movable electrode (23) and the fixed electrodes (31, 41) is increased as compared with the case where the physical quantity is detected. The present invention is characterized by these points.

それによれば、自己診断を行うときには、可動電極(23)と固定電極(31、41)との対向面積が大きくなり、当該両電極(23、31、41)間の容量も大きくなるので、検出感度が向上し、検出用バネ部(22)の剛性が高くなっても、自己診断を適切に行うことが可能となる。   According to this, when performing a self-diagnosis, the opposing area between the movable electrode (23) and the fixed electrode (31, 41) increases, and the capacitance between the electrodes (23, 31, 41) also increases. Even if the sensitivity is improved and the rigidity of the detection spring portion (22) is increased, the self-diagnosis can be appropriately performed.

ここで、請求項2および請求項3に記載の発明では、請求項1の容量式物理量検出装置において、さらに次のような点を特徴としている。   Here, the invention according to claim 2 and claim 3 is further characterized by the following points in the capacity type physical quantity detection device according to claim 1.

・可動電極(23)と一体に形成され、可動電極(23)とともに所定方向(x)に変位する錘部(21)を備え、この錘部(21)と離れて対向するように、固定電極用バネ部(32、42)を支持基板(11)に支持する固定電極支持部(30a、40a)を備えること。   A fixed electrode formed integrally with the movable electrode (23) and provided with a weight portion (21) that is displaced together with the movable electrode (23) in a predetermined direction (x), and is opposed to the weight portion (21). A fixed electrode support part (30a, 40a) for supporting the spring part (32, 42) for the support on the support substrate (11).

・可動電極(23)の変位方向である所定方向をx軸方向、上記所定方向とは直交する方向であって固定電極(31、41)が固定電極用バネ部(32、42)によって変位する方向をy軸方向とし、これらx軸方向およびy軸方向と直交する方向をz軸方向としたとき、可動電極(23)を、錘部(21)から固定電極支持部(30a、40a)側に突出しy軸方向に沿って延びる柱状をなすものとし、固定電極(31、41)を、固定電極用バネ部(32、42)から錘部(21)側に突出しy軸方向に沿って延びる柱状をなすものとし、可動電極(23)および固定電極(31、41)においてy軸方向に延びる側面同士を対向させ、当該対向する側面同士の間に容量を形成したこと。   The predetermined direction which is the displacement direction of the movable electrode (23) is the x-axis direction, the direction orthogonal to the predetermined direction, and the fixed electrodes (31, 41) are displaced by the fixed electrode spring portions (32, 42). When the direction is the y-axis direction and the x-axis direction and the direction orthogonal to the y-axis direction are the z-axis directions, the movable electrode (23) is moved from the weight part (21) to the fixed electrode support part (30a, 40a) side. The fixed electrodes (31, 41) protrude from the fixed electrode spring portions (32, 42) to the weight portion (21) side and extend along the y-axis direction. It has a columnar shape, and the side surfaces extending in the y-axis direction are opposed to each other in the movable electrode (23) and the fixed electrodes (31, 41), and a capacitor is formed between the facing side surfaces.

そして、上記柱状をなす可動および固定電極の場合、さらに請求項2では、x軸およびy軸を含む平面であるxy平面に沿った可動電極(23)の平面形状および固定電極(31、41)の平面形状を、ともに、根元部と突出先端部との間で幅が一定である細長矩形状としている。   In the case of the movable and fixed electrodes having the columnar shape, the planar shape of the movable electrode (23) and the fixed electrodes (31, 41) along the xy plane that is a plane including the x axis and the y axis are further defined in claim 2. These planar shapes are both elongated rectangular shapes having a constant width between the root portion and the protruding tip portion.

この構成は、たとえば加速度センサ等に用いられる櫛歯状の可動および固定電極の構成に適用して好ましいものであり、自己診断時には、互いに対向する両電極(23、31、41)の側面同士の対向面積が増加するものとなる。   This configuration is preferable when applied to a configuration of comb-like movable and fixed electrodes used for an acceleration sensor or the like, for example. During self-diagnosis, the side surfaces of both electrodes (23, 31, 41) facing each other are The facing area increases.

また、上記柱状をなす可動および固定電極の場合、請求項3のように、xy平面に沿った可動電極(23)の平面形状を、錘部(21)側から突出先端部側に行くにつれて細くなっている楔形状とし、xy平面に沿った固定電極(31、41)の平面形状を、固定電極用バネ部(32、42)側から突出先端部側に行くにつれて細くなっている楔形状としてもよい。   Further, in the case of the movable and fixed electrodes having the columnar shape, the planar shape of the movable electrode (23) along the xy plane is narrowed from the weight (21) side to the protruding tip side as in claim 3. The planar shape of the fixed electrode (31, 41) along the xy plane is a wedge shape that becomes narrower from the fixed electrode spring portion (32, 42) side to the protruding tip portion side. Also good.

この楔形状の構成の場合、自己診断時に可動電極(23)と固定電極(31、41)との対向面積を増加させたときに、物理量検出時よりも、可動電極(23)と固定電極(31、41)との電極間隔が縮まり、これら電極間の容量を大きくすることができ、自己診断の検出感度の向上が図れる。   In the case of this wedge-shaped configuration, when the facing area between the movable electrode (23) and the fixed electrode (31, 41) is increased during self-diagnosis, the movable electrode (23) and the fixed electrode ( The distance between the electrodes 31 and 41) is reduced, the capacitance between these electrodes can be increased, and the detection sensitivity of the self-diagnosis can be improved.

また、請求項4に記載の発明のように、請求項2または請求項3に記載の容量式物理量検出装置においては、固定電極用バネ部(32、42)は、x軸方向に沿って延び固定電極支持部(30a、40a)に連結された第1の梁(32a、42a)と、この第1の梁(32a、42a)とはy軸方向にて離れて配置されるとともにx軸方向に沿って延び固定電極(31、41)に連結された第2の梁(32b、42b)と、これら第1及び第2の梁のx軸方向における両端部を連結する連結部(32c、42c)とを備える細長の枠形状をなすものであって、第1の梁(32a、42a)と第2の梁(32b、42b)との間隔が変化するように、弾性的に変位するものであってもよい。   In the capacitive physical quantity detection device according to claim 2 or 3, as in the invention according to claim 4, the fixed electrode spring portions (32, 42) extend along the x-axis direction. The first beams (32a, 42a) connected to the fixed electrode support portions (30a, 40a) and the first beams (32a, 42a) are arranged apart from each other in the y-axis direction and in the x-axis direction. The second beam (32b, 42b) extending along the fixed electrode (31, 41) and connected to both ends of the first and second beams in the x-axis direction (32c, 42c) ) And is elastically displaced so that the distance between the first beam (32a, 42a) and the second beam (32b, 42b) changes. There may be.

それによれば、固定電極用バネ部(32、42)の占有スペースを極力小さくすることができ、装置の小型化の点で有利である。   According to this, the space occupied by the fixed electrode spring portions (32, 42) can be reduced as much as possible, which is advantageous in terms of downsizing of the apparatus.

また、請求項5に記載の発明のように、請求項4に記載の容量式物理量検出装置においては、固定電極変位手段(60)は、固定電極用バネ部(32、42)の第2の梁(32b、42b)に対してy軸方向にて離間して対向配置された静電引力発生用電極(61)を備えており、この静電引力発生用電極(61)に電圧を印加することにより、第2の梁(32b、42b)に静電引力を作用させて、固定電極用バネ部(32、42)を弾性的に変位させるものであるものにできる。   Further, in the capacitive physical quantity detection device according to claim 4, as in the invention according to claim 5, the fixed electrode displacement means (60) is the second of the fixed electrode spring portion (32, 42). An electrostatic attractive force generating electrode (61) is provided opposite to the beam (32b, 42b) in the y-axis direction, and a voltage is applied to the electrostatic attractive force generating electrode (61). Thus, an electrostatic attractive force is applied to the second beam (32b, 42b) to elastically displace the fixed electrode spring portion (32, 42).

それによれば、請求項4の固定電極用バネ部(32、42)の構成に好適な固定電極変位手段(60)が提供される。   According to this, the fixed electrode displacement means (60) suitable for the structure of the fixed electrode spring portion (32, 42) of claim 4 is provided.

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。   In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each means described in the claim and this column is an example which shows a corresponding relationship with the specific means as described in embodiment mentioned later.

本発明の第1実施形態に係る半導体加速度センサの概略平面図である。1 is a schematic plan view of a semiconductor acceleration sensor according to a first embodiment of the present invention. 図1中のA−A概略断面図である。It is an AA schematic sectional drawing in FIG. 図1中のB―B概略断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along line BB in FIG. 1. 図1中のC―C概略断面図である。It is CC schematic sectional drawing in FIG. 第1実施形態に係る固定電極変位手段の模式的な構成を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of a fixed electrode displacement unit according to the first embodiment. 図5に示す固定電極変位手段の作動を説明するための概略平面図である。It is a schematic plan view for demonstrating the action | operation of the fixed electrode displacement means shown in FIG. 図1に示すセンサにおける回路手段の具体的構成を示す図である。It is a figure which shows the specific structure of the circuit means in the sensor shown in FIG. 図7に示す回路手段の通常動作時の作動説明に供する信号波形図である。It is a signal waveform diagram with which it uses for operation | movement description at the time of normal operation | movement of the circuit means shown in FIG. 図7に示す回路手段の自己診断時の作動説明に供する信号波形図である。It is a signal waveform diagram with which it uses for operation | movement description at the time of the self-diagnosis of the circuit means shown in FIG. 本発明の第2実施形態に係る固定部および固定電極変位手段の模式的な構成を示す図である。It is a figure which shows the typical structure of the fixing | fixed part and fixed electrode displacement means which concern on 2nd Embodiment of this invention. 図10に示す固定電極変位手段の作動を説明するための概略平面図である。It is a schematic plan view for demonstrating the action | operation of the fixed electrode displacement means shown in FIG.

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, parts that are the same or equivalent to each other are given the same reference numerals in the drawings in order to simplify the description.

(第1実施形態)
本発明の第1実施形態は、容量式物理量検出装置として、差動容量式の半導体加速度センサに本発明を適用したものである。この半導体加速度センサは、例えば、エアバッグ、ABS、VSC等の作動制御を行うための自動車用加速度センサやジャイロセンサ等に適用できる。
(First embodiment)
In the first embodiment of the present invention, the present invention is applied to a differential capacitive semiconductor acceleration sensor as a capacitive physical quantity detection device. This semiconductor acceleration sensor can be applied to, for example, an automobile acceleration sensor or a gyro sensor for performing operation control of an airbag, an ABS, a VSC, or the like.

図1は、本実施形態に係る半導体加速度センサ100の概略平面構成を示す図、図2は、図1中の一点鎖線A−Aに沿った模式的な断面構造を示す図、図3は、図1中の一点鎖線B−Bに沿った模式的な断面構造を示す図、図4は、図1中の一点鎖線C−Cに沿った模式的な断面構造を示す図である。   FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic plan configuration of a semiconductor acceleration sensor 100 according to the present embodiment, FIG. 2 is a diagram illustrating a schematic cross-sectional structure taken along a dashed line AA in FIG. 1, and FIG. FIG. 4 is a diagram showing a schematic cross-sectional structure along the alternate long and short dash line BB in FIG. 1, and FIG. 4 is a diagram showing a schematic cross-sectional structure along the alternate long and short dash line CC in FIG.

半導体加速度センサ(以下、単にセンサという)100は、半導体基板10に周知のマイクロマシン加工を施すことにより形成される。ここでは、センサ100を構成する半導体基板10は、図2に示す様に、第1の半導体層としての第1シリコン基板11と第2の半導体層としての第2シリコン基板12との間に、絶縁層としての酸化膜13を有する矩形状のSOI基板10である。本実施形態では、第1シリコン基板11は支持基板として構成されている。   A semiconductor acceleration sensor (hereinafter simply referred to as a sensor) 100 is formed by subjecting a semiconductor substrate 10 to known micromachining. Here, the semiconductor substrate 10 constituting the sensor 100 is, as shown in FIG. 2, between a first silicon substrate 11 as a first semiconductor layer and a second silicon substrate 12 as a second semiconductor layer. A rectangular SOI substrate 10 having an oxide film 13 as an insulating layer. In the present embodiment, the first silicon substrate 11 is configured as a support substrate.

第2シリコン基板12には、当該第2シリコン基板12をエッチングしてパターニングすることにより、可動部20及び固定部30、40よりなる櫛歯形状を有する梁構造体が形成されている。   The second silicon substrate 12 is formed by etching and patterning the second silicon substrate 12 to form a beam structure having a comb tooth shape including the movable portion 20 and the fixed portions 30 and 40.

これら可動部20及び固定部30、40には、支持基板としての第1シリコン基板11に固定されて支持されるアンカー部20a、30a、40aが備えられている。ここでは、これら各アンカー部20a〜40aは、酸化膜13を介して第1シリコン基板11に支持されている(図2、図4参照)。   The movable portion 20 and the fixed portions 30 and 40 are provided with anchor portions 20a, 30a, and 40a that are fixed and supported by the first silicon substrate 11 as a support substrate. Here, each of these anchor portions 20a to 40a is supported by the first silicon substrate 11 via the oxide film 13 (see FIGS. 2 and 4).

また、可動部20及び固定部30、40のうち各アンカー部20a〜40a以外の部位については、その直下の酸化膜13が犠牲層エッチング等によりに除去されており、第1シリコン基板11から離れた状態とされている。このように可動部20及び固定部30、40は、それぞれのアンカー部20a〜40aにて、第1シリコン基板11に支持されている。   Further, in the movable portion 20 and the fixed portions 30 and 40 other than the anchor portions 20a to 40a, the oxide film 13 immediately below the portions is removed by sacrificial layer etching or the like, and is separated from the first silicon substrate 11. It is supposed to be in a state. Thus, the movable part 20 and the fixed parts 30 and 40 are supported by the first silicon substrate 11 at the respective anchor parts 20a to 40a.

可動部20は、細長矩形状の錘部21と、この錘部21の両端に連結された検出用バネ部22と、錘部21に一体に連結された可動電極23とを備え、検出用バネ部22が可動部20のアンカー部20aに一体に連結された構成となっている。これにより、錘部21、検出用バネ部22及び可動電極23は、支持基板である第1シリコン基板11に支持されるとともに第1シリコン基板11とは離れた状態となっている。   The movable portion 20 includes an elongated rectangular weight portion 21, a detection spring portion 22 connected to both ends of the weight portion 21, and a movable electrode 23 integrally connected to the weight portion 21, and includes a detection spring. The portion 22 is integrally connected to the anchor portion 20a of the movable portion 20. Thereby, the weight part 21, the detection spring part 22, and the movable electrode 23 are supported by the first silicon substrate 11 that is a support substrate and are separated from the first silicon substrate 11.

ここで、検出用バネ部22は、平行に配置された2本の梁がその両端で連結された細長の枠形状をなしており、これら梁の長手方向と直交する方向に弾性的に変位するバネ機能を有する。   Here, the detection spring portion 22 has an elongated frame shape in which two beams arranged in parallel are connected at both ends thereof, and is elastically displaced in a direction perpendicular to the longitudinal direction of these beams. Has a spring function.

具体的には、検出用バネ部22は、図1中のx軸方向の成分を含む加速度を受けたときに錘部21をx軸方向へ変位させるとともに、加速度の消失に応じて元の状態に復元させるようになっている。このように、錘部21および可動電極23は、加速度の印加に応じて、所定方向、すなわち検出用バネ部22の変位方向(x軸方向)へ変位可能となっている。   Specifically, the detection spring portion 22 displaces the weight portion 21 in the x-axis direction when receiving an acceleration including a component in the x-axis direction in FIG. 1, and the original state according to the disappearance of the acceleration. To restore. Thus, the weight portion 21 and the movable electrode 23 can be displaced in a predetermined direction, that is, in the displacement direction (x-axis direction) of the detection spring portion 22 in accordance with the application of acceleration.

ここで、図1に示されるx軸、y軸、z軸の各方向について述べておく。上述のように、x軸方向は検出用バネ部22の変位方向であるとともに、錘部21および可動電極23の変位方向でもある。   Here, the respective directions of the x-axis, y-axis, and z-axis shown in FIG. 1 will be described. As described above, the x-axis direction is the displacement direction of the detection spring portion 22 and also the displacement direction of the weight portion 21 and the movable electrode 23.

また、y軸方向は、支持基板である第1シリコン基板11の可動部20及び固定部40を支持する支持面(図2〜図4中の第1シリコン基板11の上面)に平行な面内において、x軸方向と直交する方向である。また、z軸方向は、第1シリコン基板11の上記支持面に直交する方向、すなわち、x軸およびy軸を含む平面としてのxy平面に直交する方向である。   The y-axis direction is in a plane parallel to the support surface (the upper surface of the first silicon substrate 11 in FIGS. 2 to 4) that supports the movable portion 20 and the fixed portion 40 of the first silicon substrate 11 that is the support substrate. , The direction perpendicular to the x-axis direction. The z-axis direction is a direction orthogonal to the support surface of the first silicon substrate 11, that is, a direction orthogonal to the xy plane as a plane including the x-axis and the y-axis.

本実施形態では、可動電極23は、検出用バネ部22の変位方向であるx軸方向と直交するy軸方向に沿って、錘部21の両側面から互いに反対方向へ突出し、当該y軸方向に延びる柱状をなしている。図1では、可動電極23は、錘部21の上側及び下側のそれぞれにおいてy軸方向に沿って突出して形成されている。   In the present embodiment, the movable electrode 23 protrudes in opposite directions from both side surfaces of the weight portion 21 along the y-axis direction orthogonal to the x-axis direction, which is the displacement direction of the detection spring portion 22, and the y-axis direction. It has a column shape extending to In FIG. 1, the movable electrode 23 is formed to protrude along the y-axis direction on each of the upper side and the lower side of the weight part 21.

本実施形態では、各可動電極23は、図2に示されるように、第1シリコン基板11上にて当該第1シリコン基板11とは離れて配置されているため、錘部21とともに検出用バネ部22の変位方向であるx軸方向へ変位可能となっている。   In the present embodiment, each movable electrode 23 is arranged on the first silicon substrate 11 apart from the first silicon substrate 11 as shown in FIG. It can be displaced in the x-axis direction, which is the displacement direction of the portion 22.

固定部30、40は、錘部21を挟んで錘部21のy軸方向における一方側と他方側とにそれぞれ設けられており、図1中の上側に位置する第1の固定部30と、図1中の下側に位置する第2の固定部40とよりなる。そして、これら両固定部30、40は互いに電気的に独立したものとされている。なお、図3、図4では、第2の固定部40を示しているが、第1の固定部30もこれと同様の構成である。   The fixing portions 30 and 40 are respectively provided on one side and the other side in the y-axis direction of the weight portion 21 with the weight portion 21 interposed therebetween, and the first fixing portion 30 located on the upper side in FIG. It consists of the 2nd fixing | fixed part 40 located in the lower side in FIG. The two fixing portions 30 and 40 are electrically independent from each other. 3 and 4 show the second fixing portion 40, the first fixing portion 30 has the same configuration as this.

各固定部30、40は、アンカー部30a、40aと、これに一体に連結された固定電極用バネ部32、42および固定電極31、41とを有した構成となっている。なお、第1の固定部30側の固定電極31を第1の固定電極31とし、第2の固定部40側の固定電極41を第2の固定電極41とする。   Each of the fixed portions 30 and 40 has an anchor portion 30a and 40a, and fixed electrode spring portions 32 and 42 and fixed electrodes 31 and 41 integrally connected thereto. The fixed electrode 31 on the first fixed portion 30 side is referred to as the first fixed electrode 31, and the fixed electrode 41 on the second fixed portion 40 side is referred to as the second fixed electrode 41.

各アンカー部30a、40aは、固定部30、40を第1シリコン基板11の上記支持面に固定・支持するものであり、図4に示されるように、第1シリコン基板11の支持面上に、酸化膜13を介して支持されている。   The anchor portions 30a and 40a fix and support the fixing portions 30 and 40 on the support surface of the first silicon substrate 11, and as shown in FIG. 4, on the support surface of the first silicon substrate 11. It is supported via the oxide film 13.

そして、固定電極用バネ部32、42は、固定電極支持部としてのアンカー部30a、40aに連結され当該アンカー部30a、40aを介して第1シリコン基板11に支持されている。また、固定電極31、41は、固定電極用バネ部32、42から錘部21側に突出する柱状をなしている。つまり、固定電極31、41は、固定電極用バネ部32、42を介してアンカー部30a、40aに片持ち状に支持された状態となっている。   The fixed electrode spring portions 32 and 42 are connected to anchor portions 30a and 40a as fixed electrode support portions, and are supported by the first silicon substrate 11 via the anchor portions 30a and 40a. The fixed electrodes 31 and 41 have a columnar shape protruding from the fixed electrode spring portions 32 and 42 toward the weight portion 21. That is, the fixed electrodes 31 and 41 are supported in a cantilever manner by the anchor portions 30a and 40a via the fixed electrode spring portions 32 and 42.

そして、図3、図4に示されるように、各固定電極31、41および固定電極用バネ部32、42の直下では、酸化膜13は除去されており、各固定電極31、41および固定電極用バネ部32、42は、第1シリコン基板11上にて当該第1シリコン基板11とは離れて配置されている。   As shown in FIGS. 3 and 4, the oxide film 13 is removed immediately below the fixed electrodes 31 and 41 and the fixed electrode spring portions 32 and 42, and the fixed electrodes 31 and 41 and the fixed electrodes are removed. The spring portions 32 and 42 are disposed on the first silicon substrate 11 so as to be separated from the first silicon substrate 11.

ここで、固定電極31、41と可動電極23とは、所定の検出間隔50を介して対向しており、この検出間隔50において加速度検出のための容量が形成されている。ここでは、図1に示されるように、可動電極23は、錘部21から固定部のアンカー部30a、40a側に突出し、y軸方向に沿って延びる柱状をなすものである。   Here, the fixed electrodes 31 and 41 and the movable electrode 23 face each other with a predetermined detection interval 50, and a capacitance for acceleration detection is formed in the detection interval 50. Here, as shown in FIG. 1, the movable electrode 23 has a columnar shape that protrudes from the weight portion 21 toward the anchor portions 30 a and 40 a of the fixed portion and extends along the y-axis direction.

一方、固定電極31、41は、固定電極用バネ部32、42から錘部21側に突出し、y軸方向に沿って延びる柱状をなすものである。そして、図1に示されるように、xy平面に沿った可動電極23の平面形状および固定電極31、41の平面形状は共に、根元部と突出先端部との間で幅が一定である細長矩形状とされている。   On the other hand, the fixed electrodes 31 and 41 have a columnar shape protruding from the fixed electrode spring portions 32 and 42 toward the weight portion 21 and extending along the y-axis direction. As shown in FIG. 1, the planar shape of the movable electrode 23 and the planar shapes of the fixed electrodes 31 and 41 along the xy plane are both elongated rectangles having a constant width between the root portion and the protruding tip portion. It is made into a shape.

つまり、本実施形態では、可動および固定の両電極23、31、41は、互いに幅が一定のストレートな柱状をなしている。そして、可動電極23および固定電極31、41においてy軸方向に延びる側面同士が上記検出間隔50を介して平行な状態で対向しており、当該対向する側面同士の間に上記加速度検出のための容量が形成されている。   That is, in the present embodiment, both the movable and fixed electrodes 23, 31, 41 have a straight column shape with a constant width. The side surfaces extending in the y-axis direction of the movable electrode 23 and the fixed electrodes 31 and 41 are opposed in parallel with each other with the detection interval 50 therebetween, and the acceleration detection is performed between the opposed side surfaces. A capacity is formed.

また、固定電極用バネ部32、42は、第1シリコン基板11上で弾性的に変位可能な状態で、アンカー部30a、40aを介して第1シリコン基板11に支持されている。この固定電極用バネ部32、42は、可動電極23の変位方向であるx軸方向には弾性的に変位しないがx軸方向とは直交するy軸方向には弾性的に変位可能なものである。   The fixed electrode spring portions 32 and 42 are supported on the first silicon substrate 11 via the anchor portions 30a and 40a in a state where the spring portions 32 and 42 can be elastically displaced on the first silicon substrate 11. The fixed electrode spring portions 32 and 42 are not elastically displaced in the x-axis direction, which is the displacement direction of the movable electrode 23, but are elastically displaceable in the y-axis direction orthogonal to the x-axis direction. is there.

具体的には、本実施形態の固定電極用バネ部32、42は、図1、図4に示されるように、上記検出用バネ部22と同様の2本の梁よりなるものであり、上記検出用バネ部22をxy平面内で90度回転させた構成に相当するものである。   Specifically, as shown in FIGS. 1 and 4, the fixed electrode spring portions 32 and 42 of the present embodiment are composed of two beams similar to the detection spring portion 22. This corresponds to a configuration in which the detection spring portion 22 is rotated 90 degrees in the xy plane.

すなわち、固定電極用バネ部32、42は、x軸方向に沿って延びる2本の第1の梁32a、42aおよび第2の梁32b、42bを、互いにy軸方向にて離れて配置するとともに、これら第1及び第2の梁32a、42a、32b、42bのx軸方向における両端部を連結部32c、42cによって連結してなる細長の枠形状をなしている。そして、第1の梁32a、42aの中間部にアンカー部30a、40aを一体に連結し、第2の梁32b、42bの中間部に固定電極31、41が一体に連結されている。   That is, the fixed electrode spring portions 32 and 42 are arranged such that two first beams 32a and 42a and second beams 32b and 42b extending along the x-axis direction are separated from each other in the y-axis direction. The first and second beams 32a, 42a, 32b, 42b have an elongated frame shape formed by connecting both end portions in the x-axis direction with connecting portions 32c, 42c. The anchor portions 30a and 40a are integrally connected to the intermediate portion of the first beams 32a and 42a, and the fixed electrodes 31 and 41 are integrally connected to the intermediate portion of the second beams 32b and 42b.

そして、この固定電極用バネ部32、42においては、第1の梁32a、42a、第2の梁32b、42bおよび連結部32c、42cの各部が弾性変形可能とされており、y軸方向に沿った第1の梁32a、42aと第2の梁32b、42bとの間隔が大きくなったり、小さくなったりするように弾性的な変位が行われるようになっている。そうすることで、固定電極31、41とこれを支持するアンカー部30a、40aとのy軸方向に沿った距離が変化するようになっている。   In the fixed electrode spring portions 32 and 42, the first beams 32a and 42a, the second beams 32b and 42b, and the connecting portions 32c and 42c are elastically deformable, and are arranged in the y-axis direction. Elastic displacement is performed so that the distance between the first beams 32a and 42a and the second beams 32b and 42b is increased or decreased. By doing so, the distances along the y-axis direction between the fixed electrodes 31 and 41 and the anchor portions 30a and 40a that support the fixed electrodes 31 and 41 change.

こうして、本実施形態の固定電極用バネ部32、42は、可動電極23の変位方向であるx軸方向への動きについては拘束されるが、固定電極31、41が固定電極用バネ部32、42によって変位する方向であるy軸方向への動きについては自由度を有するように、弾性力を発揮するものとされている。   Thus, the fixed electrode spring portions 32 and 42 of the present embodiment are restrained from moving in the x-axis direction, which is the displacement direction of the movable electrode 23, but the fixed electrodes 31 and 41 are fixed electrode spring portions 32 and 42. The movement in the y-axis direction, which is the direction displaced by 42, exhibits an elastic force so as to have a degree of freedom.

また、本実施形態のセンサ100には、各固定部30、40について、固定電極用バネ部32、42を弾性的に変位させて固定電極31、41を変位させる固定電極変位手段60が設けられている。図5は、この固定電極変位手段60および第2の固定部40の模式的な構成を示す図である。なお、第1の固定部30およびこれに設けられる固定電極変位手段60については、図5と同様である。   Further, the sensor 100 of the present embodiment is provided with a fixed electrode displacing means 60 for displacing the fixed electrodes 31 and 41 by elastically displacing the fixed electrode spring portions 32 and 42 for the respective fixed portions 30 and 40. ing. FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of the fixed electrode displacement means 60 and the second fixed portion 40. The first fixing portion 30 and the fixed electrode displacement means 60 provided on the first fixing portion 30 are the same as those in FIG.

固定電極変位手段60は、固定電極用バネ部32、42の近傍に設けられた静電引力発生用電極61と、この静電引力発生用電極61に電圧を印加する静電引力発生回路62とを備えて構成されている。   The fixed electrode displacing means 60 includes an electrostatic attractive force generating electrode 61 provided in the vicinity of the fixed electrode spring portions 32 and 42, and an electrostatic attractive force generating circuit 62 for applying a voltage to the electrostatic attractive force generating electrode 61. It is configured with.

この静電引力発生用電極61は、図1、図3、図5に示されるように、固定電極用バネ部32、42において固定電極31、41側に位置する第2の梁32b、42bに対して、y軸方向にて離間して対向配置されている。   As shown in FIGS. 1, 3, and 5, the electrostatic attractive force generating electrode 61 is formed on the second beams 32 b and 42 b positioned on the fixed electrodes 31 and 41 side in the fixed electrode spring portions 32 and 42. On the other hand, they are arranged opposite to each other in the y-axis direction.

この静電引力発生用電極61は、半導体基板10における梁構造体20〜40と同様に、第2シリコン基板12をマイクロマシン加工することにより形成されるものであり、各アンカー部20a、30a、40aと同様に、酸化膜13を介して第1シリコン基板11に固定され支持されている。   The electrostatic attractive force generating electrode 61 is formed by micromachining the second silicon substrate 12 in the same manner as the beam structures 20 to 40 in the semiconductor substrate 10, and each anchor portion 20a, 30a, 40a. Similarly, the first silicon substrate 11 is fixed and supported via the oxide film 13.

この静電引力発生用電極61は、第2の梁32b、42bとの対向面積を大きくするために、第2の梁32b、42bとの対向面積の方が固定電極31、41との対向面積よりも大きくなるような形状とされている。ここでは、上記xy平面に沿った静電引力発生用電極61の平面形状は、図1、図5に示されるように、第2の梁32b、42bに沿った長辺を持つ長方形をなしている。   The electrostatic attraction generating electrode 61 has a larger area facing the second beams 32b and 42b, so that the area facing the second beams 32b and 42b is larger than the area facing the fixed electrodes 31 and 41. The shape is larger than that. Here, the planar shape of the electrostatic attraction generating electrode 61 along the xy plane is a rectangle having long sides along the second beams 32b and 42b, as shown in FIGS. Yes.

また、静電引力発生回路62は、半導体基板10の外部に設けられた後述のパッケージに収納された回路基板などに備えられたものであり、静電引力発生用電極61に対して印加する電圧のオン・オフが切り替え可能なものである。この静電引力発生回路62と静電引力発生用電極61とは、半導体基板10に設けられた図示しない配線やパッドを介して、ワイヤボンディングやバンプ接合などにより電気的に接続されている。   The electrostatic attraction generation circuit 62 is provided on a circuit board or the like housed in a package described later provided outside the semiconductor substrate 10, and a voltage applied to the electrostatic attraction generation electrode 61. Can be switched on and off. The electrostatic attractive force generating circuit 62 and the electrostatic attractive force generating electrode 61 are electrically connected by wire bonding, bump bonding, or the like via wirings or pads (not shown) provided on the semiconductor substrate 10.

図6は、この固定電極変位手段60の作動を説明するための概略平面図であり、(a)はセンサ100の全体を概略的に示し、(b)は第2の固定部40を部分的に拡大して示している。   FIG. 6 is a schematic plan view for explaining the operation of the fixed electrode displacing means 60. FIG. 6 (a) schematically shows the entire sensor 100, and FIG. 6 (b) shows the second fixed portion 40 partially. It is enlarged to show.

なお、図6(a)では、検出用バネ部22がx軸方向に沿って図中の左方向に変位している状態とされている。また、図6では、固定電極31、41及び固定電極用バネ部32、42は、静電引力の印加前の状態を破線で示し、印加後の状態を実線で示している。また、図6(b)では、第2の固定部40について示してあるが、第1の固定部30についても、図6(b)と同様である。   In FIG. 6A, the detection spring 22 is displaced in the left direction in the drawing along the x-axis direction. In FIG. 6, the fixed electrodes 31 and 41 and the fixed electrode spring portions 32 and 42 indicate a state before the electrostatic attraction is applied by a broken line, and indicate a state after the application by a solid line. 6B shows the second fixing portion 40, the first fixing portion 30 is the same as that shown in FIG. 6B.

本実施形態では、静電引力発生回路62によって静電引力発生用電極61に電圧を印加することにより、静電引力発生用電極61と固定電極用バネ部32、42における第2の梁32b、42bとの間に、y軸方向の成分を含む静電引力が作用する。   In the present embodiment, by applying a voltage to the electrostatic attractive force generating electrode 61 by the electrostatic attractive force generating circuit 62, the second beam 32b in the electrostatic attractive force generating electrode 61 and the fixed electrode spring portions 32 and 42, An electrostatic attractive force including a component in the y-axis direction acts between the terminal 42b and the element 42b.

すると、図6に示されるように、第2の梁32b、42bが静電引力発生用電極61側に引きつけられ両梁32a、42aと32b、42bとの間隔が大きくなるように、固定電極用バネ部32、42がy軸方向に沿って弾性的に変位する。それとともに、固定電極31、41は、y軸方向に沿って錘部21に近づく方向に変位する。   Then, as shown in FIG. 6, the second beams 32b and 42b are attracted to the electrostatic attractive force generating electrode 61 side, and the distance between the beams 32a and 42a and 32b and 42b is increased. The spring portions 32 and 42 are elastically displaced along the y-axis direction. At the same time, the fixed electrodes 31 and 41 are displaced in the direction approaching the weight portion 21 along the y-axis direction.

そのため、検出間隔50においては、静電引力印加前よりも印加後の方が、可動電極23と固定電極31、41との対向面積が増加する。このときx軸方向の加速度が印加されると、当該対向面積が増加した状態のままで、検出用バネ部22の作用によって可動電極23はx軸方向に変位する。   Therefore, in the detection interval 50, the facing area between the movable electrode 23 and the fixed electrodes 31 and 41 increases after the application of the electrostatic attraction force than before the application of the electrostatic attraction. When acceleration in the x-axis direction is applied at this time, the movable electrode 23 is displaced in the x-axis direction by the action of the detection spring portion 22 while the facing area is increased.

そして、静電引力発生回路62からの電圧の供給を停止すれば、上記静電引力は消失し、この静電引力の消失に応じて、固定電極用バネ部32、42は元の状態に復元し、固定電極31、41も静電引力印加前の位置に戻るようになっている。こうして、固定電極31、41は、静電引力の印加に応じて、固定電極用バネ部32、42の変位方向であるy軸方向へ変位可能となっている。   When the supply of voltage from the electrostatic attractive force generating circuit 62 is stopped, the electrostatic attractive force disappears, and the fixed electrode spring portions 32 and 42 are restored to the original state in accordance with the disappearance of the electrostatic attractive force. The fixed electrodes 31 and 41 are also returned to the positions before the electrostatic attractive force is applied. Thus, the fixed electrodes 31 and 41 can be displaced in the y-axis direction, which is the displacement direction of the fixed electrode spring portions 32 and 42, in accordance with the application of electrostatic attraction.

このように、固定電極変位手段60は、固定電極用バネ部32、42を弾性的に変位させることにより、y軸方向にて可動電極23と固定電極31、41との対向面積が増加する方向に、固定電極31、41を変位させるものとして構成されている。   Thus, the fixed electrode displacing means 60 is a direction in which the facing area between the movable electrode 23 and the fixed electrodes 31 and 41 increases in the y-axis direction by elastically displacing the fixed electrode spring portions 32 and 42. In addition, the fixed electrodes 31 and 41 are configured to be displaced.

また、図示しないが、半導体基板10の適所には、可動電極23と電気的に接続された可動電極パッド23a(後述の図7参照)、および、固定電極31、41と電気的に接続された固定電極パッド31a、41a(後述の図7参照)が形成されている。そして、これら各パッドにより、可動電極23及び固定電極31、41は、後述する回路手段200(後述の図7参照)と接続されるようになっている。   Further, although not shown in the figure, a movable electrode pad 23a (see FIG. 7 described later) electrically connected to the movable electrode 23 and the fixed electrodes 31 and 41 are electrically connected to appropriate positions of the semiconductor substrate 10. Fixed electrode pads 31a and 41a (see FIG. 7 described later) are formed. The movable electrode 23 and the fixed electrodes 31 and 41 are connected to the circuit means 200 (see FIG. 7 described later) by these pads.

また、図示しないが、本センサ100を構成する半導体基板10は、パッケージに設置されており、このパッケージには、上記した固定電極変位手段としての静電引力発生回路62や回路手段200を構成する回路基板や回路チップなどが収納されている。そして、この回路手段200と上記の各電極パッド23a、31a、41aとは、ワイヤボンディングやバンプ接合等により電気的に接続されている。   Although not shown, the semiconductor substrate 10 constituting the sensor 100 is installed in a package, and the electrostatic attraction generating circuit 62 and the circuit means 200 as the fixed electrode displacement means described above are formed in the package. A circuit board, a circuit chip, etc. are accommodated. And this circuit means 200 and each said electrode pad 23a, 31a, 41a are electrically connected by wire bonding, bump bonding, etc. FIG.

次に、本実施形態のセンサ100における加速度検出および自己診断の作動について述べる。図7は、本センサ100に設けられた上記回路手段200の構成を示す図である。この回路手段200は、C−V変換回路(スイッチドキャパシタ回路)210及びスイッチ回路220を有する。   Next, the operation of acceleration detection and self-diagnosis in the sensor 100 of this embodiment will be described. FIG. 7 is a diagram showing a configuration of the circuit means 200 provided in the sensor 100. The circuit means 200 includes a CV conversion circuit (switched capacitor circuit) 210 and a switch circuit 220.

本センサ100においては、第1の固定電極31と可動電極23との検出間隔50に第1の容量CS1が形成され、第2の固定電極41と可動電極23との検出間隔50に第2の容量CS2が形成されている。   In the present sensor 100, the first capacitor CS <b> 1 is formed at the detection interval 50 between the first fixed electrode 31 and the movable electrode 23, and the second capacitance at the detection interval 50 between the second fixed electrode 41 and the movable electrode 23. A capacitor CS2 is formed.

そして、加速度を受けると、検出用バネ部22のバネ機能により、アンカー部20aを除く可動部20全体が一体的にx軸方向へ変位し、可動電極23の変位に応じて上記各容量CS1、CS2が変化する。そして、上記検出回路200は、可動電極23と固定電極31、41による差動容量(CS1−CS2)の変化に基づいて加速度を検出する。   When the acceleration is received, the entire movable portion 20 excluding the anchor portion 20a is integrally displaced in the x-axis direction by the spring function of the detection spring portion 22, and each of the capacitors CS1, CS2 changes. The detection circuit 200 detects acceleration based on a change in the differential capacitance (CS1-CS2) caused by the movable electrode 23 and the fixed electrodes 31, 41.

C−V変換回路210は、可動電極23と固定電極31、41とからなる容量CS1、CS2の変化を電圧に変換して出力するもので、演算増幅器211、コンデンサ212、及びスイッチ213から構成されている。   The CV conversion circuit 210 converts a change in the capacitances CS1 and CS2 composed of the movable electrode 23 and the fixed electrodes 31 and 41 into a voltage and outputs the voltage. The CV conversion circuit 210 includes an operational amplifier 211, a capacitor 212, and a switch 213. ing.

演算増幅器211の反転入力端子は、可動電極パッド23aを介して可動電極23に接続されており、反転入力端子と出力端子との間には、コンデンサ212およびスイッチ213が並列に接続されている。また、演算増幅器211の非反転入力端子には、スイッチ回路220を介してV/2の電圧とV1の電圧のいずれかが入力される。   The inverting input terminal of the operational amplifier 211 is connected to the movable electrode 23 via the movable electrode pad 23a, and a capacitor 212 and a switch 213 are connected in parallel between the inverting input terminal and the output terminal. In addition, either the voltage V / 2 or the voltage V1 is input to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 211 via the switch circuit 220.

スイッチ回路220は、C−V変換回路210における演算増幅器211の非反転入力端子に、図示しないそれぞれの電圧源からのV/2の電圧とV1(V/2とは異なる)の電圧のいずれかを入力するもので、スイッチ221とスイッチ222から構成されている。スイッチ221とスイッチ222は、一方が閉じているときに他方が開くようになっている。   The switch circuit 220 has either a V / 2 voltage or a V1 (different from V / 2) voltage from each voltage source (not shown) at the non-inverting input terminal of the operational amplifier 211 in the CV conversion circuit 210. , And is composed of a switch 221 and a switch 222. The switch 221 and the switch 222 are configured such that the other opens when one is closed.

また、回路手段200は図示しない制御回路を有しており、この制御回路は、固定電極パッド31aから、一定振幅Vで周期的に変化する搬送波P1を第1の固定電極31へ入力し、固定電極パッド41aから、搬送波P1と位相が180°ずれ且つ同一振幅Vである搬送波P2を第2の固定電極41へ入力する。   Further, the circuit means 200 has a control circuit (not shown). This control circuit inputs a carrier wave P1 that periodically changes with a fixed amplitude V from the fixed electrode pad 31a to the first fixed electrode 31 and fixes it. A carrier wave P2 that is 180 ° out of phase with the carrier wave P1 and has the same amplitude V is input to the second fixed electrode 41 from the electrode pad 41a.

また、この制御回路は、上記の各スイッチ213、221、222の開閉を所定のタイミングにて制御できるようになっている。本実施形態では、この制御回路と上記スイッチ回路220とにより、信号印加手段が構成される。   The control circuit can control the opening / closing of the switches 213, 221, and 222 at a predetermined timing. In the present embodiment, the control circuit and the switch circuit 220 constitute a signal applying unit.

上記構成においてその作動を説明する。まず、加速度を検出する検出信号を印加する状態(通常動作時)について図8に示す信号波形図を参照して説明する。   The operation of the above configuration will be described. First, a state in which a detection signal for detecting acceleration is applied (during normal operation) will be described with reference to a signal waveform diagram shown in FIG.

信号印加手段としての上記制御回路から出力される搬送波P1(例えば、周波数100kHz、振幅0〜5V)は、図8に示すように、期間φ1を1周期(例えば10μs)としてハイレベルとローレベルが変化する一定振幅の矩形波信号となっており、搬送波P2は、搬送波P1に対して電圧レベルが反転した矩形波信号となっている。   As shown in FIG. 8, the carrier wave P1 (for example, frequency 100 kHz, amplitude 0 to 5 V) output from the control circuit as the signal applying means has a high level and a low level with a period φ1 as one cycle (for example, 10 μs). The rectangular wave signal has a constant amplitude that changes, and the carrier wave P2 is a rectangular wave signal whose voltage level is inverted with respect to the carrier wave P1.

また、通常動作時では、上記の各搬送波P1及びP2が各固定電極31、41へ印加されているとき、スイッチ回路220においてスイッチ221は閉、スイッチ222は開になっている。それによって、演算増幅器211の非反転入力端子にV/2の電圧が印加され、可動電極23にはV/2(例えば2.5V)の一定電圧(可動電極信号)が印加されている。   In normal operation, when the carrier waves P1 and P2 are applied to the fixed electrodes 31, 41, the switch 221 is closed and the switch 222 is open in the switch circuit 220. Thereby, a voltage of V / 2 is applied to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 211, and a constant voltage (movable electrode signal) of V / 2 (for example, 2.5V) is applied to the movable electrode 23.

この状態において加速度が印加されていない場合には、第1の固定電極31と可動電極23との電位差、及び、第2の固定電極41と可動電極23との電位差は、共にV/2となり、第1の固定電極31と可動電極23との間の静電気力、及び、第2の固定電極41と可動電極23との間の静電気力は、略等しく釣り合っている。   When no acceleration is applied in this state, the potential difference between the first fixed electrode 31 and the movable electrode 23 and the potential difference between the second fixed electrode 41 and the movable electrode 23 are both V / 2, The electrostatic force between the first fixed electrode 31 and the movable electrode 23 and the electrostatic force between the second fixed electrode 41 and the movable electrode 23 are substantially equally balanced.

また、通常動作時では、C−V変換回路220において、スイッチ213は図8に示すタイミングで開閉される。このスイッチ213が閉のとき(期間φ2)、コンデンサ212がリセットされる。一方、スイッチ213が開のときに、加速度検出が行われる。つまり、期間φ1のうち期間φ2以外の期間が加速度を検出する期間である。この検出期間において、C−V変換回路220からの出力電圧V0は、次の数式1で示される。   Further, during normal operation, in the CV conversion circuit 220, the switch 213 is opened and closed at the timing shown in FIG. When the switch 213 is closed (period φ2), the capacitor 212 is reset. On the other hand, acceleration detection is performed when the switch 213 is opened. That is, the period other than the period φ2 in the period φ1 is a period for detecting acceleration. In this detection period, the output voltage V0 from the CV conversion circuit 220 is expressed by the following Equation 1.

(数1)
V0=(CS1−CS2)・V’/Cf
ここで、V’は両パッド31a及び41a間、即ち、両固定電極31及び41の間の電圧であり、Cfはコンデンサ212の容量である。
(Equation 1)
V0 = (CS1-CS2) .V '/ Cf
Here, V ′ is a voltage between both pads 31 a and 41 a, that is, between both fixed electrodes 31 and 41, and Cf is a capacitance of the capacitor 212.

加速度が印加されると、第1の容量CS1と第2の容量CS2とのバランスが変化する。すると、上記数式1に基づき容量差(CS1−CS2)に応じた電圧が、加速度が印加されていないときの出力V0にバイアスとして加わった形で出力V0(例えば0〜5V)として出力される。この出力V0は、この後、増幅回路やローパスフィルタ等を備えた信号処理回路(図示せず)にて信号処理され、加速度検出信号として検出される。   When acceleration is applied, the balance between the first capacitor CS1 and the second capacitor CS2 changes. Then, a voltage corresponding to the capacitance difference (CS1−CS2) based on the above formula 1 is output as an output V0 (for example, 0 to 5V) in a form added as a bias to the output V0 when no acceleration is applied. Thereafter, the output V0 is subjected to signal processing by a signal processing circuit (not shown) including an amplifier circuit, a low-pass filter, and the like, and is detected as an acceleration detection signal.

次に、自己診断時の作動について、図9に示す信号波形図を参照して説明する。信号印加手段としての上記制御回路により、図9に示す様に、一定振幅V(図示例では振幅0〜5V)の矩形波信号である搬送波P1及びP2が入力される。ここで、期間φ3(例えば100μs)において、搬送波P1と搬送波P2とは、互いに電圧レベルが反転した一定電圧信号(例えば搬送波P1が0V、搬送波P2が5V)となっている。   Next, the operation at the time of self-diagnosis will be described with reference to the signal waveform diagram shown in FIG. As shown in FIG. 9, carrier waves P <b> 1 and P <b> 2, which are rectangular wave signals having a constant amplitude V (amplitude 0 to 5 V in the illustrated example), are input by the control circuit as signal applying means. Here, in the period φ3 (for example, 100 μs), the carrier wave P1 and the carrier wave P2 are constant voltage signals (for example, the carrier wave P1 is 0V and the carrier wave P2 is 5V) whose voltage levels are inverted.

また、この期間φ3では、上記の各搬送波P1及びP2が各固定電極31、41へ印加されているとき、スイッチ回路220においてスイッチ221は開、スイッチ222は閉になっている。そのため、演算増幅器211の非反転入力端子へ、V/2とは異なるV1(例えば3V)の電圧が印加され、可動電極23には、この電圧V1が可動電極信号として印加されている。   In the period φ3, when the carrier waves P1 and P2 are applied to the fixed electrodes 31, 41, the switch 221 is open and the switch 222 is closed in the switch circuit 220. Therefore, a voltage V1 (for example, 3V) different from V / 2 is applied to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 211, and this voltage V1 is applied to the movable electrode 23 as a movable electrode signal.

可動電極23に電圧V1を加えた場合、上記通常動作時における静電気力の釣り合いが崩れ、可動電極23は、両固定電極31、41のうち可動電極23との間の電位差が大きい方の固定電極へ引き寄せられる。図9に示す例では、第1の固定電極31の方へ引き寄せられるように、検出用バネ部22がたわみ、それと一体的に可動電極23が擬似的に変位する。   When the voltage V1 is applied to the movable electrode 23, the balance of the electrostatic force in the normal operation is lost, and the movable electrode 23 is the fixed electrode with the larger potential difference between the fixed electrode 31 and 41 and the movable electrode 23. Be drawn to. In the example shown in FIG. 9, the detection spring portion 22 bends so that the first fixed electrode 31 is attracted, and the movable electrode 23 is pseudo-displaced integrally therewith.

このように、期間φ3は、可動電極23に擬似的な加速度を発生させる期間である。なお、期間φ3においては、C−V変換回路220のスイッチ213は閉であるため、コンデンサ212がリセット状態にある。   As described above, the period φ3 is a period during which pseudo acceleration is generated in the movable electrode 23. Note that in the period φ3, the switch 213 of the CV conversion circuit 220 is closed, and thus the capacitor 212 is in a reset state.

次に、期間φ4(例えば10μs)は、上記図8に示した期間φ1と同様の信号波形を、可動電極23と固定電極31、41との間に印加することにより、直前の期間φ3にて発生した擬似的な加速度(物理量)を検出する期間である。   Next, in the period φ4 (for example, 10 μs), a signal waveform similar to that in the period φ1 shown in FIG. 8 is applied between the movable electrode 23 and the fixed electrodes 31 and 41, so that the previous period φ3. This is a period for detecting the generated pseudo acceleration (physical quantity).

つまり、C−V変換回路220のスイッチ213を開とし、コンデンサ212を加速度検出可能な状態と同じにし、上記通常動作時と同様の搬送波P1及びP2を印加する。また、スイッチ回路220においてスイッチ221を閉、スイッチ222を開として可動電極23にV/2(例えば2.5V)の一定電圧を駆動電極信号として印加する。   That is, the switch 213 of the CV conversion circuit 220 is opened, the capacitor 212 is set in the same state as the acceleration can be detected, and the carrier waves P1 and P2 similar to those in the normal operation are applied. In the switch circuit 220, the switch 221 is closed and the switch 222 is opened, and a constant voltage of V / 2 (for example, 2.5 V) is applied to the movable electrode 23 as a drive electrode signal.

すると、この期間φ4にて、例えば第1の固定電極31の方へ引き寄せられていた可動電極23が元の位置に戻ろうとするため、この容量変化に応じてC−V変換回路220のコンデンサ212に電荷が発生し、期間φ3にて発生した擬似的な加速度を検出することができる。   Then, in this period φ4, for example, the movable electrode 23 that has been attracted toward the first fixed electrode 31 tends to return to the original position, so that the capacitor 212 of the CV conversion circuit 220 is changed according to this capacitance change. A pseudo acceleration generated during the period φ3 can be detected.

このように、期間(φ3+φ4)を1周期とした自己診断信号(上記搬送波及び可動電極信号)を可動電極23と固定電極31、41との間に印加することにより、自己診断が可能となっている。   As described above, the self-diagnosis signal (the carrier wave and the movable electrode signal) having the period (φ3 + φ4) as one cycle is applied between the movable electrode 23 and the fixed electrodes 31, 41, thereby enabling self-diagnosis. Yes.

ここで、本実施形態では、さらに自己診断時には、上記図6に示したように、固定電極変位手段60によって、加速度を検出するときよりも可動電極23と固定電極31、41との対向面積を増加させた状態とする。そして、この状態で上記した擬似的な加速度の検出を行うのである。   Here, in this embodiment, at the time of further self-diagnosis, as shown in FIG. 6, the opposed area between the movable electrode 23 and the fixed electrodes 31 and 41 is set larger than that when the acceleration is detected by the fixed electrode displacement means 60. Increased state. In this state, the above-described pseudo acceleration is detected.

具体的には、自己診断を行う期間である上記期間(φ3+φ4)において、静電引力発生回路62から静電引力発生用電極61に電圧を印加しつつ、上記同様に自己診断の制御を行うようにする。また、上記期間(φ3+φ4)以外の期間では、当該電圧の印加を停止するようにする。当該電圧のオン・オフの切り替えは、一般的なスイッチング回路などにより容易に行える。   Specifically, in the period (φ3 + φ4), which is a period for performing the self-diagnosis, the self-diagnosis is controlled in the same manner as described above while applying a voltage from the electrostatic attraction generation circuit 62 to the electrostatic attraction generation electrode 61. To. Further, the application of the voltage is stopped in a period other than the period (φ3 + φ4). The voltage can be easily switched on / off using a general switching circuit or the like.

このように本実施形態によれば、自己診断を行うときには、加速度検出時よりも可動電極23と固定電極31、41との対向面積を増加させるので、当該両電極23、31、41間の容量も大きくすることができる。その結果、加速度検出時よりも検出感度の向上が図れる。   As described above, according to the present embodiment, when the self-diagnosis is performed, the facing area between the movable electrode 23 and the fixed electrodes 31 and 41 is increased more than when the acceleration is detected, so that the capacitance between the electrodes 23, 31 and 41 is increased. Can also be increased. As a result, the detection sensitivity can be improved as compared with the acceleration detection.

そのため、検出用バネ部22の剛性が高くなって、擬似的な加速度を発生させるときに可動電極23の変位量が小さくなっても、自己診断の感度を確保することができ、適切な自己診断が可能となる。   Therefore, the sensitivity of the self-diagnosis can be ensured even if the rigidity of the detection spring portion 22 is increased and the displacement amount of the movable electrode 23 is reduced when generating pseudo acceleration, and appropriate self-diagnosis is possible. Is possible.

また、本実施形態では、可動電極23は直接的には錘部21に支持され、固定電極31、41は直接的には固定電極用バネ部32、42に支持されている。そして、これら可動及び固定の両電極23、31、41は、自身の支持部から相手側の支持部へ向かって突出する幅が一定のストレートな柱状をなし、互いの側面が対向して検出間隔50を構成している。   In the present embodiment, the movable electrode 23 is directly supported by the weight portion 21, and the fixed electrodes 31 and 41 are directly supported by the fixed electrode spring portions 32 and 42. These movable and fixed electrodes 23, 31, 41 are formed in a straight column shape with a constant width protruding from their own support part toward the other support part, and their side faces are opposed to each other to detect the interval. 50.

この場合、上記図1では、対向する可動及び固定電極23、31、41の組が、錘部21の上下両側にそれぞれ1組設けられたものであったが、錘部21の上側で複数組設けられていてもよい。そのような場合、このような柱状の電極が複数個かみ合った櫛歯状の電極構成とされ、そのときも、同様に固定電極変位手段を設ければ、上記同様の効果が得られる。   In this case, in FIG. 1, the pair of opposed movable and fixed electrodes 23, 31, 41 is provided on each of the upper and lower sides of the weight part 21. It may be provided. In such a case, such a comb-like electrode structure in which a plurality of columnar electrodes are engaged with each other is provided. Even in this case, the same effect as described above can be obtained by providing fixed electrode displacing means.

また、本実施形態では、上述したように、固定電極用バネ部32、42を、平行に配置された2本の梁32a、32b、42a、42bがその両端で連結された細長の枠形状をなし、当該各梁の長手方向と直交するy軸方向に弾性的に変位するバネ機能を有するものとしている。そのため、センサ100における固定電極用バネ部32、42の占有スペースを極力小さくすることができ、体格の小型化の点で有利である。   Further, in the present embodiment, as described above, the fixed electrode spring portions 32, 42 are formed in an elongated frame shape in which two beams 32a, 32b, 42a, 42b arranged in parallel are connected at both ends thereof. None, having a spring function of elastically displacing in the y-axis direction perpendicular to the longitudinal direction of each beam. Therefore, the space occupied by the fixed electrode spring portions 32 and 42 in the sensor 100 can be reduced as much as possible, which is advantageous in terms of size reduction.

また、このような2本の梁よりなる固定電極用バネ部32、42に対して、本実施形態の固定電極変位手段60は、第2の梁32b、42bに離間して対向配置された静電引力発生用電極61を備え、これに電圧を印加することにより第2の梁32b、42bに静電引力を作用させるという好適な構成を実現している。   Further, the fixed electrode displacing means 60 of the present embodiment is opposed to the static beams springs 32 and 42 composed of two beams, and is opposed to the second beams 32b and 42b. An electrode 61 for generating an attractive force is provided, and a suitable configuration is realized in which an electrostatic attractive force is applied to the second beams 32b and 42b by applying a voltage thereto.

上記2本の梁よりなる固定電極用バネ部32、42においては、長く延びる第2の梁32b、42bは静電引力を作用させる部位としては適所である。そこで、上記例では、静電引力発生用電極61を上記した平面長方形をなすものとし、その長辺部分を第2の梁32b、42bに対向させ、短辺部分を固定電極31、41に対向させることで、第2の梁32b、42bに作用する静電引力がより大きくなるようにしている。   In the fixed electrode spring portions 32 and 42 composed of the two beams, the second beams 32b and 42b extending long are suitable places for applying an electrostatic attractive force. Therefore, in the above example, the electrostatic attractive force generating electrode 61 has the above-described planar rectangle, the long side portion is opposed to the second beams 32b and 42b, and the short side portion is opposed to the fixed electrodes 31 and 41. By doing so, the electrostatic attractive force acting on the second beams 32b and 42b is made larger.

なお、本実施形態では、自己診断時に、電極に対して、その共振周波数における加振を複数回行うことで、検出間隔50に挟まっている異物の除去を行うことも可能である。   In the present embodiment, it is also possible to remove foreign matters sandwiched between the detection intervals 50 by performing excitation at the resonance frequency a plurality of times for the electrodes during self-diagnosis.

(第2実施形態)
図10は、本発明の第2実施形態に係る半導体加速度センサの要部の概略平面構成を示す図であり、本センサにおける第2の固定部40および固定電極変位手段60の模式的な構成を示している。なお、第1の固定部30についても図10と同様である。
(Second Embodiment)
FIG. 10 is a diagram showing a schematic plan configuration of the main part of the semiconductor acceleration sensor according to the second embodiment of the present invention. The schematic configuration of the second fixed portion 40 and the fixed electrode displacing means 60 in this sensor is shown. Show. The first fixing portion 30 is the same as that shown in FIG.

また、図11は、本センサにおける固定電極変位手段60の作動を説明するための概略平面図であり、(a)はセンサの全体を概略的に示し、(b)は第2の固定部40を拡大して示している。   FIG. 11 is a schematic plan view for explaining the operation of the fixed electrode displacing means 60 in the present sensor. FIG. 11A schematically shows the entire sensor, and FIG. 11B shows the second fixing portion 40. Is shown enlarged.

なお、図11(a)では、検出用バネ部22がx軸方向に沿って図中の左方向に変位している状態を示し、また、図11では、固定電極31、41及び固定電極用バネ部32、42は、静電引力の印加前の状態を破線で示し、印加後の状態を実線で示している。また、図11(b)では、第2の固定部40について示してあるが、第1の固定部30についても、図11(b)と同様である。   11A shows a state in which the detection spring portion 22 is displaced to the left in the drawing along the x-axis direction. In FIG. 11, the fixed electrodes 31 and 41 and the fixed electrode The spring parts 32 and 42 indicate a state before application of electrostatic attraction by a broken line, and indicate a state after application by a solid line. Moreover, in FIG.11 (b), although it has shown about the 2nd fixing | fixed part 40, it is the same as that of FIG.11 (b) also about the 1st fixing | fixed part 30. FIG.

本実施形態は、上記第1実施形態に比べて、可動電極23および固定電極31、41の形状が相違するものであり、この相違点を中心に述べることとする。   The present embodiment is different from the first embodiment in the shapes of the movable electrode 23 and the fixed electrodes 31 and 41, and this difference will be mainly described.

図10、図11に示されるように、本実施形態においても、錘部21は、可動電極23と一体に形成され、可動電極23とともにx軸方向に変位する。また、図11(a)では省略しているが、上記図1と同様に、本実施形態のセンサにおいても、錘部21と離れて対向するように、固定電極支持部としてのアンカー部30a、40aが備えられており、当該アンカー部30a、40aは、固定電極用バネ部32、42を上記第1シリコン基板11に支持している。   As shown in FIGS. 10 and 11, also in this embodiment, the weight portion 21 is formed integrally with the movable electrode 23 and is displaced in the x-axis direction together with the movable electrode 23. Although omitted in FIG. 11 (a), as in FIG. 1, in the sensor of this embodiment, the anchor portion 30a as the fixed electrode support portion is provided so as to face the weight portion 21 apart from the weight portion 21. The anchor portions 30 a and 40 a support the fixed electrode spring portions 32 and 42 on the first silicon substrate 11.

そして、図10、図11において、x軸方向は、可動電極23の変位方向として、y軸方向は、x軸と直交する方向であって固定電極31、41が固定電極用バネ部32、42によって変位する方向として、z軸方向は、x軸方向およびy軸方向と直交する方向として、それぞれ示されている。   10 and 11, the x-axis direction is the displacement direction of the movable electrode 23, the y-axis direction is the direction orthogonal to the x-axis, and the fixed electrodes 31, 41 are the fixed electrode spring portions 32, 42. The z-axis direction is indicated as a direction orthogonal to the x-axis direction and the y-axis direction, respectively.

ここで、本実施形態では、可動電極23は、錘部21から固定部のアンカー部30a、40a側に突出しy軸方向に沿って延びる柱状をなすものであるが、x軸およびy軸を含む上記xy平面に沿った可動電極23の平面形状は、錘部21側の根元部から突出先端部側に行くにつれて細くなっている楔形状とされている。   Here, in the present embodiment, the movable electrode 23 has a columnar shape protruding from the weight portion 21 toward the anchor portions 30a and 40a of the fixed portion and extending along the y-axis direction, and includes the x-axis and the y-axis. The planar shape of the movable electrode 23 along the xy plane is a wedge shape that becomes thinner from the root portion on the weight portion 21 side toward the protruding tip portion side.

また、固定電極31、41は、固定電極用バネ部32、42から錘部21側に突出しy軸方向に沿って延びる柱状をなすものであるが、上記xy平面に沿った固定電極31、41の平面形状は、固定電極用バネ部32、42側の根元部から突出先端部側に行くにつれて細くなっている楔形状とされている。   The fixed electrodes 31 and 41 have a columnar shape protruding from the fixed electrode spring portions 32 and 42 toward the weight portion 21 and extending along the y-axis direction. The fixed electrodes 31 and 41 along the xy plane are described above. The planar shape is a wedge shape that becomes narrower as it goes from the root portion on the fixed electrode spring portion 32, 42 side toward the protruding tip portion side.

そして、可動電極23および固定電極31、41においてy軸方向に延びる側面同士が検出間隔50を介して対向しており、これら側面同士の間に加速度検出のための容量が形成されているが、本実施形態では、これら側面同士はy軸に対して傾斜した配置とされつつ、互いに平行な関係にある。   In the movable electrode 23 and the fixed electrodes 31 and 41, the side surfaces extending in the y-axis direction face each other with a detection interval 50, and a capacitance for acceleration detection is formed between the side surfaces. In the present embodiment, these side surfaces are arranged in an inclined manner with respect to the y axis and are in a parallel relationship with each other.

そのため、本実施形態においても、自己診断を行うときには、固定電極変位手段60からの静電引力の印加によって、固定電極31、41をy軸方向に沿って錘部21に近づく方向に変位させ、加速度検出時よりも可動電極23と固定電極31、41との対向面積を増加させるので、当該両電極23、31、41間の容量を大きくすることができる。   Therefore, also in the present embodiment, when performing self-diagnosis, the fixed electrodes 31 and 41 are displaced in the direction approaching the weight portion 21 along the y-axis direction by application of electrostatic attraction from the fixed electrode displacement means 60. Since the facing area between the movable electrode 23 and the fixed electrodes 31 and 41 is increased as compared with the acceleration detection, the capacitance between the electrodes 23, 31 and 41 can be increased.

また、本実施形態では、可動電極23およびこれに対向する固定電極31、41を、幅が一定のストレートな柱状ではなく、ともに根元部側から突出先端部側に行くにつれて先窄まりとなる楔形状としている。   Further, in this embodiment, the movable electrode 23 and the fixed electrodes 31 and 41 facing the movable electrode 23 are not formed in a straight column shape having a constant width, and both are wedges that become tapered as they go from the root portion side to the protruding tip portion side. It has a shape.

そのため、静電引力印加前の状態よりも静電引力印加後の状態の方が、可動電極23と固定電極31、41とのx軸方向に沿った距離が小さくなる。つまり、検出間隔50が縮まる。その結果、当該両電極間の容量を大きくすることができ、自己診断の検出感度の向上が図れる。   Therefore, the distance along the x-axis direction between the movable electrode 23 and the fixed electrodes 31 and 41 is smaller in the state after the electrostatic attractive force is applied than in the state before the electrostatic attractive force is applied. That is, the detection interval 50 is shortened. As a result, the capacitance between the electrodes can be increased, and the detection sensitivity for self-diagnosis can be improved.

(他の実施形態)
なお、上記第1実施形態に示した例では、通常動作時と自己診断時とで、可動電極23に印加する電圧を変えて可動電極23を擬似的に変位させているが、固定電極31、41に印加する搬送波P1、P2において電圧を変えることにより、可動電極23を擬似的に変位させ、自己診断を行うようにしてもよい。
(Other embodiments)
In the example shown in the first embodiment, the movable electrode 23 is artificially displaced by changing the voltage applied to the movable electrode 23 during normal operation and during self-diagnosis. The movable electrode 23 may be pseudo-displaced by changing the voltage in the carrier waves P1 and P2 applied to 41 to perform self-diagnosis.

また、固定電極用バネ部32、42としては、上記同様、可動電極23の変位方向であるx軸方向には弾性的に変位しないがx軸方向とは直交するy軸方向には弾性的に変位可能なバネ機能を有するものであればよく、上記図に示されるような梁形状以外にも、どのような形状でもかまわない。   Further, as described above, the fixed electrode spring portions 32 and 42 are not elastically displaced in the x-axis direction which is the displacement direction of the movable electrode 23 but elastically in the y-axis direction orthogonal to the x-axis direction. Any shape may be used as long as it has a displaceable spring function, and any shape other than the beam shape as shown in the above-mentioned figure may be used.

また、本発明は上記半導体加速度センサに適用するものに限らず、圧力センサ、ヨーレートセンサなどの静電容量式の物理量検出装置にも同様に適用することができる。   Further, the present invention is not limited to the one applied to the semiconductor acceleration sensor, but can be similarly applied to a capacitance type physical quantity detection device such as a pressure sensor and a yaw rate sensor.

11 支持基板としての第1シリコン基板
21 錘部
22 検出用バネ部
23 可動電極
30a 固定電極支持部としての第1の固定部のアンカー部
31 第1の固定電極
32 第1の固定部の固定電極用バネ部
32a 第1の固定部の固定電極用バネ部における第1の梁
32b 第1の固定部の固定電極用バネ部における第2の梁
32c 第1の固定部の固定電極用バネ部における連結部
40a 固定電極支持部としての第2の固定部のアンカー部
41 第2の固定電極
42 第2の固定部の固定電極用バネ部
42a 第2の固定部の固定電極用バネ部における第1の梁
42b 第2の固定部の固定電極用バネ部における第2の梁
42c 第2の固定部の固定電極用バネ部における連結部
60 固定電極変位手段
61 静電引力発生用電極
210 C−V変換回路
220 信号印加手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 1st silicon substrate as a support substrate 21 Weight part 22 Detection spring part 23 Movable electrode 30a Anchor part of the 1st fixed part as a fixed electrode support part 31 1st fixed electrode 32 Fixed electrode of the 1st fixed part Spring portion 32a First beam 32b in the fixed electrode spring portion of the first fixed portion Second beam 32c in the fixed electrode spring portion of the first fixed portion In the fixed electrode spring portion of the first fixed portion Connecting portion 40a Anchor portion of the second fixed portion as the fixed electrode support portion 41 Second fixed electrode 42 Spring portion for fixed electrode of the second fixed portion 42a First portion of the fixed electrode spring portion of the second fixed portion Beam 42b Second beam 42c in the fixed electrode spring portion of the second fixed portion Connection portion in the fixed electrode spring portion of the second fixed portion 60 Fixed electrode displacement means 61 Electrostatic attractive force generating electrode 210 C-V conversion Circuit 220 signal applying means

Claims (5)

支持基板(11)と、
前記支持基板(11)に支持され、物理量の印加に応じて所定方向(x)へ変位するバネ機能を有する検出用バネ部(22)と、
前記検出用バネ部(22)に一体に形成され前記検出用バネ部(22)の弾性的な変位によって前記所定方向(x)に変位可能な可動電極(23)と、
前記支持基板(11)に支持され、前記可動電極(23)に対向して配置された固定電極(31、41)と、
周期的に変化する信号であって前記物理量を検出するための検出信号と周期的に変化する信号であって自己診断を行うための自己診断信号とを切り替えて、前記可動電極(23)と前記固定電極(31、41)との間に印加する信号印加手段(220)と、
前記可動電極(23)と前記固定電極(31、41)とからなる容量の変化に応じた電圧を出力するC−V変換回路(210)とを備え、
前記検出信号の印加中に発生する前記容量の変化に応じて前記物理量を検出し、
前記自己診断信号の印加によって前記検出用バネ部(22)を弾性的に変位させることにより前記可動電極(23)に疑似的な物理量を発生させるようになっている容量式物理量検出装置において、
前記固定電極(31、41)は、前記可動電極(23)の変位方向である前記所定方向(x)には弾性的に変位しないが前記所定方向(x)とは直交する方向(y)には弾性的に変位可能な固定電極用バネ部(32、42)を介して、前記支持基板(11)に支持されており、
静電引力によって前記固定電極用バネ部(32、42)を弾性的に変位させることにより、前記所定方向(x)とは直交する方向(y)にて前記可動電極(23)と前記固定電極(31、41)との対向面積が増加する方向に、前記固定電極(31、41)を変位させる固定電極変位手段(60)が備えられており、
前記固定電極変位手段(60)によって、前記物理量を検出するときよりも前記可動電極(23)と前記固定電極(31、41)との対向面積を増加させた状態で前記自己診断を行うようにしたことを特徴とする容量式物理量検出装置。
A support substrate (11);
A detection spring portion (22) supported by the support substrate (11) and having a spring function of displacing in a predetermined direction (x) in response to application of a physical quantity;
A movable electrode (23) formed integrally with the detection spring part (22) and displaceable in the predetermined direction (x) by elastic displacement of the detection spring part (22);
Fixed electrodes (31, 41) supported by the support substrate (11) and arranged to face the movable electrode (23);
Switching between a detection signal for detecting the physical quantity and a self-diagnosis signal for periodically performing a self-diagnosis signal, the detection signal for detecting the physical quantity, and the movable electrode (23) and the Signal applying means (220) applied between the fixed electrodes (31, 41);
A CV conversion circuit (210) that outputs a voltage corresponding to a change in capacitance composed of the movable electrode (23) and the fixed electrode (31, 41);
Detecting the physical quantity according to a change in the capacitance generated during application of the detection signal;
In the capacitive physical quantity detection device configured to generate a pseudo physical quantity in the movable electrode (23) by elastically displacing the detection spring part (22) by applying the self-diagnosis signal,
The fixed electrodes (31, 41) are not elastically displaced in the predetermined direction (x), which is the displacement direction of the movable electrode (23), but in a direction (y) orthogonal to the predetermined direction (x). Is supported on the support substrate (11) via elastically displaceable spring portions (32, 42) for fixed electrodes,
The movable electrode (23) and the fixed electrode are moved in a direction (y) perpendicular to the predetermined direction (x) by elastically displacing the fixed electrode spring (32, 42) by electrostatic attraction. Fixed electrode displacing means (60) for displacing the fixed electrode (31, 41) in a direction in which the facing area to (31, 41) increases,
The self-diagnosis is performed in a state where the opposed area between the movable electrode (23) and the fixed electrode (31, 41) is increased by the fixed electrode displacing means (60) than when the physical quantity is detected. Capacitive physical quantity detection device characterized by that.
前記可動電極(23)と一体に形成され、前記可動電極(23)とともに前記所定方向(x)に変位する錘部(21)が備えられており、
この錘部(21)と離れて対向するように、前記固定電極用バネ部(32、42)を前記支持基板(11)に支持する固定電極支持部(30a、40a)が備えられており、
前記可動電極(23)の変位方向である前記所定方向をx軸方向、前記所定方向とは直交する方向であって前記固定電極(31、41)が固定電極用バネ部(32、42)によって変位する方向をy軸方向とし、これらx軸方向およびy軸方向と直交する方向をz軸方向としたとき、
前記可動電極(23)は、前記錘部(21)から前記固定電極支持部(30a、40a)側に突出し前記y軸方向に沿って延びる柱状をなすものであり、
前記固定電極(31、41)は、前記固定電極用バネ部(32、42)から前記錘部(21)側に突出し前記y軸方向に沿って延びる柱状をなすものであり、
前記可動電極(23)および前記固定電極(31、41)において前記y軸方向に延びる側面同士が対向しており、当該対向する側面同士の間に前記容量が形成されるものであり、
前記x軸および前記y軸を含む平面であるxy平面に沿った前記可動電極(23)の平面形状および前記固定電極(31、41)の平面形状はともに、根元部と突出先端部との間で幅が一定である細長矩形状であることを特徴とする請求項1に記載の容量式物理量検出装置。
A weight portion (21) formed integrally with the movable electrode (23) and displaced in the predetermined direction (x) together with the movable electrode (23);
Fixed electrode support portions (30a, 40a) for supporting the fixed electrode spring portions (32, 42) on the support substrate (11) so as to face the weight portion (21) apart from each other,
The predetermined direction which is the displacement direction of the movable electrode (23) is the x-axis direction, the direction orthogonal to the predetermined direction, and the fixed electrodes (31, 41) are fixed by the fixed electrode spring portions (32, 42). When the direction of displacement is the y-axis direction, and the x-axis direction and the direction orthogonal to the y-axis direction are z-axis directions,
The movable electrode (23) has a columnar shape protruding from the weight (21) toward the fixed electrode support (30a, 40a) and extending along the y-axis direction,
The fixed electrodes (31, 41) project from the fixed electrode spring portions (32, 42) toward the weight portion (21) and have a column shape extending along the y-axis direction,
In the movable electrode (23) and the fixed electrode (31, 41), side surfaces extending in the y-axis direction are opposed to each other, and the capacitance is formed between the opposed side surfaces,
Both the planar shape of the movable electrode (23) and the planar shape of the fixed electrode (31, 41) along the xy plane that is a plane including the x-axis and the y-axis are between the root portion and the protruding tip portion. 2. The capacity type physical quantity detection device according to claim 1, wherein the device has a rectangular shape with a constant width.
前記可動電極(23)と一体に形成され、前記可動電極(23)とともに前記所定方向(x)に変位する錘部(21)が備えられており、
この錘部(21)と離れて対向するように、前記固定電極用バネ部(32、42)を前記支持基板(11)に支持する固定電極支持部(30a、40a)が備えられており、
前記可動電極(23)の変位方向である前記所定方向をx軸方向、前記所定方向とは直交する方向であって前記固定電極(31、41)が固定電極用バネ部(32、42)によって変位する方向をy軸方向とし、これらx軸方向およびy軸方向と直交する方向をz軸方向としたとき、
前記可動電極(23)は、前記錘部(21)から前記固定電極支持部(30a、40a)側に突出し前記y軸方向に沿って延びる柱状をなすものであり、
前記固定電極(31、41)は、前記固定電極用バネ部(32、42)から前記錘部(21)側に突出し前記y軸方向に沿って延びる柱状をなすものであり、
前記可動電極(23)および前記固定電極(31、41)において前記y軸方向に延びる側面同士が対向しており、当該対向する側面同士の間に前記容量が形成されるものであり、
前記x軸および前記y軸を含む平面であるxy平面に沿った前記可動電極(23)の平面形状は、前記錘部(21)側から突出先端部側に行くにつれて細くなっている楔形状であり、
前記xy平面に沿った前記固定電極(31、41)の平面形状は、前記固定電極用バネ部(32、42)側から突出先端部側に行くにつれて細くなっている楔形状であることを特徴とする請求項1に記載の容量式物理量検出装置。
A weight portion (21) formed integrally with the movable electrode (23) and displaced in the predetermined direction (x) together with the movable electrode (23);
Fixed electrode support portions (30a, 40a) for supporting the fixed electrode spring portions (32, 42) on the support substrate (11) so as to face the weight portion (21) apart from each other,
The predetermined direction which is the displacement direction of the movable electrode (23) is the x-axis direction, the direction orthogonal to the predetermined direction, and the fixed electrodes (31, 41) are fixed by the fixed electrode spring portions (32, 42). When the direction of displacement is the y-axis direction, and the x-axis direction and the direction orthogonal to the y-axis direction are z-axis directions,
The movable electrode (23) has a columnar shape protruding from the weight (21) toward the fixed electrode support (30a, 40a) and extending along the y-axis direction,
The fixed electrodes (31, 41) project from the fixed electrode spring portions (32, 42) toward the weight portion (21) and have a column shape extending along the y-axis direction,
In the movable electrode (23) and the fixed electrode (31, 41), side surfaces extending in the y-axis direction are opposed to each other, and the capacitance is formed between the opposed side surfaces,
The planar shape of the movable electrode (23) along the xy plane that is a plane including the x-axis and the y-axis is a wedge shape that becomes thinner from the weight (21) side to the protruding tip side. Yes,
The planar shape of the fixed electrode (31, 41) along the xy plane is a wedge shape that becomes narrower from the fixed electrode spring portion (32, 42) side toward the protruding tip end side. The capacitive physical quantity detection device according to claim 1.
前記固定電極用バネ部(32、42)は、前記x軸方向に沿って延び前記固定電極支持部(30a、40a)に連結された第1の梁(32a、42a)と、この第1の梁(32a、42a)とは前記y軸方向にて離れて配置されるとともに前記x軸方向に沿って延び、前記固定電極(31、41)に連結された第2の梁(32b、42b)と、これら第1及び第2の梁の前記x軸方向における両端部を連結する連結部(32c、42c)とを備える細長の枠形状をなすものであって、
前記第1の梁(32a、42a)と前記第2の梁(32b、42b)との間隔が変化するように、弾性的に変位するものであることを特徴とする請求項2または3に記載の容量式物理量検出装置。
The fixed electrode spring portions (32, 42) extend along the x-axis direction and are connected to the fixed electrode support portions (30a, 40a) and the first beams (32a, 42a). The beams (32a, 42a) are arranged apart from each other in the y-axis direction, extend along the x-axis direction, and are connected to the fixed electrodes (31, 41). And an elongated frame shape comprising the connecting portions (32c, 42c) for connecting both ends of the first and second beams in the x-axis direction,
4. The device according to claim 2, wherein the first beam (32 a, 42 a) and the second beam (32 b, 42 b) are elastically displaced so as to change a distance between them. 5. Capacitive physical quantity detection device.
前記固定電極変位手段(60)は、固定電極用バネ部(32、42)の前記第2の梁(32b、42b)に対して前記y軸方向にて離間して対向配置された静電引力発生用電極(61)を備えており、
この静電引力発生用電極(61)に電圧を印加することにより、前記第2の梁(32b、42b)に前記静電引力を作用させて、前記固定電極用バネ部(32、42)を弾性的に変位させるものであることを特徴とする請求項4に記載の容量式物理量検出装置。
The fixed electrode displacing means (60) is an electrostatic attractive force that is disposed to be opposed to the second beam (32b, 42b) of the fixed electrode spring portion (32, 42) in the y-axis direction. A generating electrode (61),
By applying a voltage to the electrostatic attractive force generating electrode (61), the electrostatic attractive force is applied to the second beam (32b, 42b), and the fixed electrode spring portion (32, 42) is moved. 5. The capacity type physical quantity detection device according to claim 4, wherein the physical quantity detection device is elastically displaced.
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