JP5654904B2 - 静電容量型加速度センサ - Google Patents

Description

本発明は、加速度センサにかかり、特に静電容量型の加速度センサに関する。

現在、可動電極と固定電極間の静電容量の変化を使って加速度を検出する加速度センサが実用化されている。このような加速度センサを、本明細書では、以降静電容量型加速度センサと記す。静電容量型加速度センサでは、可動電極と固定電極とを対向させて配置し、加速度が加わったときに可動電極が固定電極に向かって変位することによって両者の間の静電容量が変化することを利用して加速度を検出している。

静電容量型加速度センサの従来技術としては、例えば、特許文献１がある。図５は、特許文献１に記載されている静電容量型加速度センサを説明するための上面図である。図示した静電容量型加速度センサ４００は、後の図６、７に示す支持基板４０９と、支持基板４０９上に形成される固定アンカ４０７、４０８と、固定アンカ４０７上に形成される固定電極４０４、固定アンカ４０８上に形成される固定電極４０５、固定電極４０４、４０５に対向して形成される可動電極４０３を備えている。

また、図５に示した静電容量型加速度センサ４００は、変位可能な質量部４０１と、質量部４０１に接続されたばね性を有する梁部４０２と、梁部４０２を支持する固定アンカ４０６と、を備えている。可動電極４０３の両端は質量部４０１に接続されていて、可動電極４０３は質量部４０１から延設されている。
図５に示した静電容量型加速度センサは、質量部４０１が図中に示すＸ方向に変位してＸ方向に印加される加速度を検出する。

静電容量型加速度センサ４００に加速度が印加された際には、慣性力によって質量部４０１が支持基板４０９に対して相対的に変位することにより可動電極４０３と固定電極４０４の間の静電容量、及び可動電極４０３と固定電極４０５の間の静電容量が変化することで、静電容量型加速度センサ４００に印加された加速度を検出するように構成されている。

図６は、図５中の破線Ｄ‐Ｄ’に沿う断面図である。また、図７は、図５中の破線Ｃ‐Ｃ’に沿う断面図である。図６、図７に示すように、固定電極４０４、４０５の底面の全面と支持基板４０９とは、固定アンカ４０７、４０８によってそれぞれ接続されている。
加速度が印加されたときには可動電極４０３の可動可能な部位（以下、可動部と記す）が慣性力によって変位する。変位によって可動電極４０３、固定電極４０４、４０５間の静電容量が変化する。静電容量の変化によって印加された加速度が検出される。

ところで、特許文献１に記載された静電容量型加速度センサには、静電容量型加速度センサを含む器機が落下して床面に衝突する等した場合に過大な加速度が印加される。このとき、固定電極４０４、４０５に可動電極４０３が接触し、その後加速度が消失したときには可動電極が自身の復元力によって固定電極から離れていく。
しかしながら、固定電極と可動電極とが接触した後、可動電極４０３が固定電極４０４、４０５やその下の基板に付着する現象が発生し得る。この現象は、一般的にスティクション（stiction）と呼ばれ、毛管作用、静電気力、ファンデルワールス力等が原因であると考えられている。スティクションが発生すると、その静電容量型加速度センサは機能を失うことになる。なお、スティクションについては、特許文献２にも記載されている。

特許文献１に記載された発明では、固定電極４０４の下には固定アンカ４０７、固定電極４０５の下には固定アンカ４０８が形成されていて、固定アンカ４０７、４０８によって固定電極４０４、４０５の全面が支持基板４０９に固定されている。このような構成によれば、復元力が効果的に可動電極に働き、静電容量型加速度センサにおけるスティクションの発生を抑えることができる。

特開２００３−２９４７８３号公報 特開２００１−１２１４９９号公報

しかしながら、静電容量型加速度センサでは、製造の過程や使用時の周囲の温度変化によって支持基板に歪み等の変形が生じることがある。このような場合、上記した特許文献１の静電容量型加速度センサでは、固定電極４０４、４０５の底面の全面が支持基板４００に接続されているため、支持基板４０９の歪み等の変形が固定電極４０４、４０５に強力に伝わる。

このため、特許文献１に記載された静電容量型加速度センサは、可動電極と固定電極の相対的な位置関係や形状が変化しやすく、加速度センサの特性に悪影響を与えやすいものともいえる。
本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、スティクションの発生と共に基板の歪みによる特性変動をも抑止することができる静電容量型加速度センサを提供することを目的とする。

以上の課題を解決するため、本発明の静電容量型加速度センサは、基板（例えば図２、３に示した支持基板１０９）と、前記基板の上面に弾性支持され、当該上面に沿った一の方向に変位可能な質量部（例えば図１に示した質量部１０１）と、前記上面に沿った方向であって、かつ、前記一の方向（例えば図１に示したＸ方向）に直交する他の方向（例えば図１に示したＹ方向）に長く、その両端部が前記質量部に固定される可動電極（例えば図１に示した可動電極１０３）と、前記他の方向に長く、前記可動電極と前記一の方向で対向する固定電極（例えば図１に示した固定電極１０４、１０５）と、前記固定電極を、前記基板の前記上面に固定する固定アンカ（例えば図１に示した固定アンカ１０７、１０８）と、を含み、前記固定アンカは、前記固定電極の長手方向の中央部分のみを前記基板に固定することを特徴とする。

本発明は、固定アンカによって固定電極下面の基板に固定電極下面の一部の領域を接触させて固定するので、基板の歪みや反りが固定電極に及ぼす影響が小さくなって、基板の歪みによる特性変動を抑止することができる静電容量型加速度センサを提供することができる。また、固定アンカが固定電極の中央部分を基板に接触させて固定することにより、固定電極と可動電極との間でスティクションが発生することを抑えることができる。

本発明の一実施形態の静電容量型加速度センサを説明するための上面図である。 図１中に示した破線Ａ−Ａ’に沿う断面図である。 図１中に示した破線Ｂ−Ｂ’に沿う断面図である。 本発明の一実施形態の作用、効果を説明するための図である。 特許文献１に記載されている静電容量型加速度センサを説明するための上面図である。 図５中の破線Ｄ‐Ｄ’に沿う断面図である。 図５中の破線Ｃ‐Ｃ’に沿う断面図である。

以下、本発明の一実施形態の静電容量型加速度センサを説明する。
［構成］
図１は、本実施形態の静電容量型加速度センサを説明するための上面図である。図２は、図１中に示した破線Ａ−Ａ’に沿う断面図である。また、図３は、図１中に示した破線Ｂ−Ｂ’に沿う断面図である。

図１に示したように、本実施形態の静電容量型加速度センサ１００は、後に図２、３に示す支持基板１０９と、支持基板１０９の上面に弾性支持され、この上面に沿った一の方向に変位可能な質量部１０１と、支持基板１０９の上面に沿った方向であって、かつ、前記した一の方向に直交する他の方向に長く、その両端部が質量部１０１に固定される可動電極１０３と、前記した他の方向に長く、可動電極１０３と前記した一の方向で対向する固定電極１０４、１０５と、固定電極１０４、１０５を、支持基板１０９の上面に固定する固定アンカ１０７、１０８と、を含み、固定アンカ１０７、１０８が、固定電極１０４、１０５の長手方向の中央部分のみを支持基板１０９に固定している。

なお、固定電極１０４、１０５は、図１に示した可動電極１０３に対し、可動電極１０３の図１における右側に設けられたものを固定電極１０４、可動電極１０３の図１における左側に設けられたものを固定電極１０５としたものである。図１には、固定電極１０４、１０５と可動電極１０３のセットを５セットのみ示したが、実際の静電容量型加速度センサでは、固定電極１０４、１０５と可動電極１０３のセットを２０〜３０セット含んでいる。

また、図１中にはＸ、Ｙ、Ｚの３方向が示されている。上記した「一の方向」、「長手方向」は図中のＸ方向を示し、「他の方向」は図中のＹ方向を示す。また、本実施形態の静電容量型加速度センサ１００は、Ｘ方向に加わった加速度を検出するセンサであって、Ｙ方向に加わる加速度は、静電容量型加速度センサ１００と同様の構成を有する静電容量型加速度センサを静電容量型加速度センサ１００と直交する方向に向けて配置することによって検出することができる。質量部１０１は、静電容量型加速度センサ１００に加速度が加わったとき、加速度によって可動電極１０３に力が加わるように設けられた「錘」として機能する。

一般的に、固定電極には、図１に示した固定電極１０４のように両端が質量部１０１に接続されているもの（「両持ち」タイプ）と、一方の端部だけが質量部１０１に接続されているもの（「方持ち」タイプ）とがある。本実施形態の静電容量型加速度センサは、このうちの両持ちタイプの静電容量型加速度センサを前提にして構成されている。
図２に示すように、本実施形態の固定電極１０４は固定アンカ１０７によって支持されていて、固定電極１０５は固定アンカ１０８によって支持基板１０９に支持されている。また、梁部１０２は、固定アンカ１０６によって支持基板１０９に支持されている。

固定アンカ１０７は、固定電極１０４下面の中央部分でのみ固定電極１０４と接触する。固定アンカ１０８は、固定電極１０５下面の中央部分でのみ固定電極１０５と接触する。なお、本実施形態では、固定電極の「中央部分」の文言を、固定電極１０４、１０５の裏面における縦方向（Ｙ方向）に沿う中心線の中心点を含む領域を指す。この領域は、小さいほど望ましいが、固定部箇所の強度の確保も考慮して適宜決定される。

このような構成によれば、固定電極１０４、１０５は、固定アンカ１０７、１０８によって固定電極１０４、１０５下面の中央部分のみが支持基板１０９に固定されることになる。したがって、図３に示すように、固定電極１０４、１０５には、固定アンカ１０７、１０８及び支持基板１０９と接触していない領域が存在する。
実施形態１の静電容量型加速度センサ１００は、加速度が印加された際、慣性力によって質量部１０１が支持基板１０９に対して相対的に変位することにより可動電極１０３と固定電極１０４との間の静電容量、及び可動電極１０３と固定電極１０５の間の静電容量が変化することにより、静電容量型加速度センサ１００に印加された加速度を検出するように構成されている。

なお、以上の構成において、可動電極１０３、固定電極１０４、１０５は、例えば不純物が注入されたポリシリコンによって形成される。ポリシリコンの厚さや注入される不純物種、濃度等の条件は、静電容量型加速度センサの仕様や必要とされる精度に応じて適宜決定される。また、固定アンカとしては、シリコン、シリコンを含む絶縁物等を用いることが考えられる。

［作用、効果］
次に、本実施形態の作用、効果について説明する。
図４は、本実施形態の静電容量型加速度センサによって得られる作用、効果を説明するための図である。図４（ａ）は、図５に示した全面が固定アンカ４０７によって支持基板４０９に固定された固定電極４０４を示した図である。図４（ｂ）は、図１に示した中央部分のみが支持基板１０９に固定された固定電極１０４が、応力に関する問題を解決できることを説明するための図である。図４（ｃ）は、固定電極１０４を、その端部で基板に固定した場合のスティッキングに関する問題点を説明するための図である。図４（ｄ）は、図１に示した中央部分のみが支持基板１０９に固定された固定電極１０４が、スティクションに関する問題を解決できることを説明するための図である。

図４（ａ）に示したように、固定電極４０４の下面の全面を支持基板４０９に固定した場合、支持基板４０９に製造の過程や使用時の周囲の温度変化による応力が加わると、加わった応力が固定電極４０４にも伝わって固定電極４０４に歪み等が発生する。固定電極４０４の歪み等は、可動電極４０３との間の静電容量に影響し、静電容量型加速度センサの精度や信頼性を損なう原因になり得る。

一方、図４（ｂ）に示したように、固定電極１０４下面のうち一部の領域のみが固定アンカ１０７によって支持基板１０９に固定される場合、支持基板１０９に生じた歪みが固定電極１０４に伝わり難くなっている。このため、本実施形態は、支持基板１０９に製造の過程や使用時の周囲の温度変化による応力が加わって歪みが生じた場合にも静電容量型加速度センサの特性変動を抑えることができる。

また、本実施形態では、可動電極１０３が所謂両持ち型の電極であることから、その両端が質量部１０１に接続されている。このため、静電容量型加速度センサ１００に加速度が印加された際、可動電極１０３において発生する質量部１０１に対する相対的な変位（以下、相対変位と記す）の最大値は、可動電極１０３のＹ方向の中央の比較的小さな範囲で発生すると思われる。

可動電極１０３に対向する固定電極１０４の端部に固定アンカ１０７を設けて支持基板１０９に固定した場合、図４（ｃ）に示すように、可動電極１０３の相対変位が大きい部位に対向する固定電極１０４の部位が接触する。接触後、固定電極１０４と可動電極１０３との間に毛管作用、静電気力、ファンデルワールス力等が生じ、可動電極１０３が自身の復元力Ｆ’によって固定電極１０４から離れることを妨げる。

一方、図４（ｄ）に示したように、固定電極１０４の中央部分で固定電極１０４を支持基板１０９に固定すれば、可動電極の相対変位が最大になる部位（復元力Ｆが最大になる部位）において、固定電極１０４が固定される。このため、可動電極１０３に働く復元力Ｆが効率的に固定電極１０４から可動電極１０３を離すことに利用される。このような本実施形態によれば、加速度の消失後、固定電極１０４と可動電極１０３との間に毛管作用、静電気力、ファンデルワールス力等が生じたとしても、復元力Ｆによって可動電極１０３が固定電極１０４から離れて元の位置に戻るので、スティクションの発生を抑えることができる。

なお、図４では、固定電極１０４及び固定アンカ１０７と支持基板１０９、可動電極１０３の関係について説明した。しかし、このような関係が、図１に示した固定電極１０５及び固定アンカ１０８と支持基板１０９、可動電極１０３の関係にも同様に当てはまることは言うまでもない。
なお、以上説明した本実施形態の静電容量型加速度センサは、貼り合わせ、犠牲層エッチングのいずれの工程によっても実現することが可能である。

以上説明したように、本実施形態によれば、固定アンカ１０７、１０８によって固定電極１０４、１０５下の支持基板１０９に固定電極下面の一部の領域を接触させて固定するので、基板の歪みや反りが固定電極に及ぼす影響が小さくなって、支持基板１０９の歪みによる静電容量型加速度センサの特性変動を抑止することができる。また、固定アンカ１０７、１０８が固定電極１０４、１０５の中央部分のみを支持基板１０９に接触させて固定することにより、固定電極１０４、１０５と可動電極１０３との間に正電気力等が作用したとしても、可動電極１０３の復元力が固定電極１０４、１０５から可動電極１０３を離すことに効率よく作用してスティクションの発生を抑えることができる。

本発明は、Ｘ−Ｙ面にかかる加速度を検出する静電容量型加速度センサであって、可動電極が両持ち型のものであれば、どのような静電容量型加速度センサにも適用することができる。

１００ 静電容量型加速度センサ
１０１ 質量部
１０２ 梁部
１０３ 可動電極
１０４ 固定電極
１０５ 固定電極
１０６，１０７，１０８ 固定アンカ
１０９ 支持基板

Claims (1)

1. 基板と、
   前記基板の上面に弾性支持され、当該上面に沿った一の方向に変位可能な質量部と、
   前記上面に沿った方向であって、かつ、前記一の方向に直交する他の方向に長く、その両端部が前記質量部に固定される可動電極と、
   前記他の方向に長く、前記可動電極と前記一の方向で対向する固定電極と、
   前記固定電極を、前記基板の前記上面に固定する固定アンカと、
   を含み、
   前記固定アンカは、
   前記固定電極の長手方向の中央部分のみを前記基板に固定することを特徴とする静電容量型加速度センサ。

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