JP5729316B2 - 容量式物理量検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、可動電極および固定電極を有し、可動電極と固定電極との間の静電容量に基づいて物理量の検出を行う容量式物理量検出装置に関するものである。

従来より、例えば、特許文献１〜３には、基板平面方向に対して垂直方向に印加される加速度を検出する加速度センサが提案されている。

具体的には、特許文献１には、基板に対して浮遊している浮遊部を介して基板に支持されている複数の可動電極、および基板に支持されて可動電極と対向する複数の固定電極を有するセンサ部と、可動電極および固定電極を覆うようにセンサ部に貼り付けられるキャップ部とを備え、キャップ部に設けられた突起部が浮遊部を局所的に押さえつけることにより、可動電極と固定電極とがずれて配置される加速度センサが提案されている。

また、例えば、特許文献２には、固定電極が形成された第１基板と、可動電極が形成された第２基板とを備え、これら２つの基板を可動電極と固定電極とがずれて配置されるように貼り合わされてなる加速度センサが提案されている。

これら特許文献１および２の加速度センサでは、基板平面方向に対して垂直方向に加速度が印加されると、可動電極が基板平面方向に対して垂直方向に変位して可動電極と固定電極との対向面積が変化する。つまり、可動電極と固定電極との間の静電容量が変化する。このため、静電容量の変化に基づいて基板平面方向に対して垂直方向に印加される加速度が検出される。

また、可動電極と固定電極とが予めずれて配置されている。つまり、可動電極と固定電極とによって段差電極が構成されている。このため、基板平面方向に対する垂直方向のどちらの方向に加速度が印加されたかも検出することができる。すなわち、初期状態から静電容量（対向面積）が増えたか、または減ったかを検出することにより、加速度が基板平面方向に対する垂直方向のどちらの方向に印加されたかを検出することができる。

そして、例えば、特許文献３には、可動電極と固定電極とを備え、可動電極および固定電極のいずれか一方の検出面が平坦とされており、他方の検出面が一方の検出面との距離が長い第１平面部と一方の検出面との距離が短い第２平面部とを備える加速度センサが提案されている。

このような加速度センサにおいても、初期状態から静電容量が増えたか、または減ったかを検出することにより、加速度が基板平面方向に対する垂直方向のどちらの方向に印加されたかを検出することができる。

特開２０１０−１１２９３０号公報 特開２００８−２５６４９６号公報 特開２００３−３３７１３８号公報

しかしながら、上記特許文献１の加速度センサでは、キャップ部に設けられた突起部を浮遊部に局所的に押さえつけることによって可動電極と固定電極とがずれるようにしており、浮遊部から離れる可動電極ほど変位が小さくなる。すなわち、各可動電極の変位が不均一となり、各可動電極と各固定電極との対向面積がばらつくことになる。このため、検出精度が低下してしまうという問題がある。

また、上記特許文献２の加速度センサでは、２枚の基板を貼り合わせることによって可動電極と固定電極とをずらして配置するため、貼り合わせをする際に高精度のアライメントが必要となる。したがって、製造工程が複雑になるという問題がある。

さらに、上記特許文献３の加速度センサでは、可動電極および固定電極のいずれか一方の検出面に第１平面部および第２平面部を形成しなければならない。そして、第１平面部と第２平面部とを構成するためには高精度な２回のエッチング工程が必要となる。このため、製造工程が複雑になるという問題がある。

なお、上記では、容量式の加速度センサについて説明したが、例えば、容量式の角速度センサについても同様の問題が発生する。

本発明は上記点に鑑みて、基板平面方向に対する垂直方向の物理量を検出する容量式物理量検出装置において、製造工程を複雑にすることなく、検出精度が低下することを抑制することができる容量式物理量検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、支持基板（１０）と、支持基板（１０）上に配置される埋込絶縁膜（１１）と、埋込絶縁膜（１１）を挟んで支持基板（１０）と反対側に配置される半導体層（１２）とを有する半導体基板（１３）と、半導体層（１２）のうち支持基板（１０）の周辺部において当該支持基板（１０）に支持されている周辺固定部（５０、３００）と、半導体層（１２）のうち周辺固定部（５０、３００）の内側に形成され、物理量に応じて半導体基板（１３）の基板平面方向に対する垂直方向に変位可能とされた複数の可動電極（２４、１４１、２４１）と、半導体層（１２）のうち周辺固定部（５０、３００）の内側であって可動電極（２４、１４１、２４１）と対向する状態で備えられた複数の固定電極（３１、４１、１３０、２３０）と、を備え、以下の点を特徴としている。

すなわち、可動電極（２４、１４１、２４１）は、周辺固定部（５０、３００）に印加される電位と異なる電位が印加されることにより、支持基板（１０）との間に発生する静電引力によって垂直方向に変位させられることで一部が固定電極（３１、４１、１３０、２３０）と対向すると共に残部が固定電極（３１、４１、１３０、２３０）と対向しない状態とされており、可動電極（２４、１４１、２４１）が静電引力によって垂直方向に変位させられた状態で物理量の検出を行うことを特徴としている。

これによれば、可動電極（２４、１４１、２４１）は、静電引力によって基板平面方向に対する垂直方向に変位するため、可動電極（２４、１４１、２４１）と固定電極（３１、４１、１３０、２３０）とをずらすことができる。つまり、可動電極（２４、１４１、２４１）と固定電極（３１、４１、１３０、２３０）とによって段差電極を構成することができる。このため、基板平面方向に対する垂直方向に印加される物理量がどちらの方向に印加されたのかまで検出することができる。

また、各可動電極（２４、１４１、２４１）を静電引力によって基板平面方向に対する垂直方向に変位させるため、各可動電極（２４、１４１、２４１）の変位がばらつくことを抑制することができる。したがって、検出精度が低下することを抑制することができる。

さらに、このような容量式物理量検出装置では、高精度なアライメントや２段階のエッチング工程を行う必要もなく、従来の容量式物理量検出装置に対して、製造工程が複雑になることもない。

この場合、請求項２に記載の発明のように、可動電極（２４、１４１、２４１）は、基板平面方向における一方向の軸周りにねじれることが可能とされたトーションバネ（２２、１７２、２７２）を介して支持基板（１０）に支持され、当該トーションバネ（２２、１７２、２７２）が基板平面方向における一方向の軸周りにねじれることによって垂直方向に変位するものとすることができる。

これによれば、可動電極（２４、１４１、２４１）は、トーションバネ（２２、１７２、２７２）が基板平面方向に対する垂直方向にねじれることに伴って当該方向に変位することができる。

例えば、請求項３に記載の発明のように、トーションバネ（２２、１７２、２７２）は、平行に配置された２本のトーションバー（２２ａ、１７２ａ、２７２ａ）がその両端でそれぞれフレーム部（２２ｂ）を介して連結されているものとすることができる。

この場合、請求項４に記載の発明のように、トーションバネ（２２、１７２、２７２）は、トーションバー（２２ａ、１７２ａ、２７２ａ）と平行な方向に延びる中間部材（２２ｃ）によって対向するフレーム部（２２ｂ、１７２ｂ、２７２ｂ）が連結されているものとすることができる。

これによれば、中間部材（２２ｃ）によってトーションバー（２２ａ、１７２ａ、２７２ａ）とフレーム部（２２ｂ、１７２ｂ、２７２ｂ）との拘束を強化することができ、トーションバー（２２ａ、１７２ａ、２７２ａ）が共振等によって基板平面方向に変位することを抑制することができる。

また、請求項５に記載の発明のように、可動電極（２４、１４１、２４１）は錘部（２１、１４０、２４０）に備えられ、錘部（２１、１４０、２４０）には、当該錘部（２１、１４０、２４０）の重心を中心としてトーションバネ（２２、１７２、２７２）が対称に備えられているものとすることができる。

これによれば、錘部（２１、１４０、２４０）が基板平面方向と垂直方向に対して傾いて変位することを抑制することができる。つまり、可動電極（２４、１４１、２４１）が基板平面方向に対して傾いて変位することを抑制することができる。

また、請求項６に記載の発明のように、可動電極（２４）は加速度に応じて基板平面方向に対する垂直方向に変位するものとすることができる。そして、請求項７に記載の発明のように、可動電極（１４１、２４１）は、コリオリ力に応じて基板平面方向に対する垂直方向に変位するものとすることができる。

なお、この欄および特許請求の範囲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ものである。

本発明の第１実施形態における加速度センサの平面図である。 図１中のＡ−Ａ断面図である。 加速度センサの電位状態を示す模式図である。 可動部と支持基板との間に静電引力が発生しているときの可動部の状態を示す平面模式図である。 加速度を検出するときの可動電極および固定電極の状態を示す図であり、（ａ）は初期状態の図、（ｂ）は＋ｚ軸方向に加速度が印加されたときの図、（ｃ）は−ｚ軸方向に加速度が印加されたときの図である。 本発明の第２実施形態における角速度センサの平面図である。 本発明の他の実施形態におけるトーションバネの平面図である。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態は、容量式物理量検出装置として、差動容量式の加速度センサに本発明を適用したものである。この加速度センサは、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等に適用されると好適である。図１は本実施形態における加速度センサの平面図であり、図２は図１中のＡ−Ａ断面図である。

加速度センサは、図２に示されるように、支持基板１０と、支持基板１０上に配置された埋込絶縁膜１１と、埋込絶縁膜１１を挟んで支持基板１０と反対側に配置された半導体層１２とを有する本発明の半導体基板に相当するＳＯＩ基板１３を用いて構成されている。そして、このＳＯＩ基板１３に周知のマイクロマシン加工が施されている。

具体的には、図１および図２に示されるように、半導体層１２には、溝部１４を形成することにより、可動部２０および固定部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。また、埋込絶縁膜１１のうち梁構造体２０〜４０の形成領域に対応した部位には、犠牲層エッチング等によって矩形状に除去された開口部１５が形成されている。

可動部２０は、開口部１５上を横断するように配置されており、矩形状の錘部２１における長手方向の両端がトーションバネ２２を介してアンカー部２３ａ、２３ｂに一体に連結した構成とされている。つまり、錘部２１には、重心を中心として対称にトーションバネ２２が備えられている。アンカー部２３ａ、２３ｂは、埋込絶縁膜１１における開口部１５の開口縁部に固定されて支持基板１０に支持されている。これにより、錘部２１およびトーションバネ２２は、開口部１５に臨んだ状態となっている。

ここで、図１および図２中のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の各方向について説明する。図１および図２中では、ｘ軸方向は錘部２１の長手方向である。ｙ軸方向はＳＯＩ基板１３の面内においてｘ軸と直交する方向である。ｚ軸方向は、ＳＯＩ基板１３の平面方向と直交する方向であり、本発明の基板平面方向に対する垂直方向に相当する。

各アンカー部２３ａ、２３ｂに連結されるトーションバネ２２は、平行に配置された２本のトーションバー２２ａがその両端でフレーム部２２ｂを介して連結された細長の枠形状をなしている。トーションバー２２ａは、特に限定されるものではないが、ｘ軸方向の長さ（幅）がｚ軸方向の長さ（半導体層１２の厚さ）に対して１／４倍〜１／１２倍程度とされており、ｚ軸方向にねじられることが可能とされている。つまり、トーションバネ２２は、トーションバー２２ａがｚ軸方向へねじれることによってｚ軸方向へ変位するようになっている。また、フレーム部２２ｂは、ｙ軸方向の長さが共振によってトーションバー２２ａが基板平面方向に変位することを抑制できるのに十分な厚さとされた剛体とされている。

可動部２０は、錘部２１の長手方向と直交した方向（ｙ軸方向）に、錘部２１の両側面から互いに反対方向へ一体的に突出形成された複数個の可動電極２４を備えている。図１では、可動電極２４は、錘部２１の左側および右側に各々４個ずつ突出して形成されており、開口部１５に臨んだ状態となっている。また、各可動電極２４は、トーションバネ２２および錘部２１と一体的に形成されており、トーションバネ２２が変位することによって錘部２１と共にｚ軸方向に変位可能となっている。

固定部３０、４０は、埋込絶縁膜１１における開口部１５の開口縁部における対向辺部のうち、アンカー部２３ａ、２３ｂが支持されていないもう１組の対向辺部に支持されている。ここで、固定部３０、４０は、錘部２１を挟んで２個設けられており、図１中の左側に位置する固定部３０と、図１中の右側に位置する固定部４０とよりなり、両固定部３０、４０は互いに電気的に独立している。

各固定部３０、４０は、可動電極２４の側面と所定の検出間隔を有するように平行した状態で対向配置された複数個（図示例では４個ずつ）の固定電極３１、４１と、埋込絶縁膜１１における開口部１５の開口縁部に固定されて支持基板１０に支持された配線部３２、４２とを有した構成となっている。各固定電極３１、４１は、可動電極２４における櫛歯の隙間にかみ合うように櫛歯状に複数本配列され、各配線部３２、４２に片持ち状に支持された状態となっており、開口部１５に臨んだ状態となっている。

また、ＳＯＩ基板１３における半導体層１２のうち可動電極２４および固定電極３１、４１の溝部１４を介した外周部は、周辺固定部５０として構成されている。言い換えると、周辺固定部５０の内側に可動部２０および固定部３０、４０が形成されている。この周辺固定部５０は、埋込絶縁膜１１を介して支持基板１０に固定されて支持されており、支持基板１０との対向面積が、可動部２０と支持基板１０との対向面積、および固定部３０、４０と支持基板１０との対向面積に対して非常に大きくされている。

そして、各固定部３０、４０の各配線部３２、４２上の所定位置には、それぞれワイヤボンディング用の固定電極パッド３２ａ、４２ａが形成されている。また、一方のアンカー部２３ｂと一体に連結された状態で、可動電極用配線部２５が形成されており、この可動電極用配線部２５上の所定位置には、ワイヤボンディング用の可動電極パッド２５ａが形成されている。さらに、周辺固定部５０の所定位置には、周辺固定部パッド５０ａが形成されている。

上記各電極パッドは、図示しない回路チップ等と金またはアルミニウム等のワイヤボンディング等により形成されたワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４を介して電気的に接続されている。なお、上記各電極パッド２５ａ、３２ａ、４２ａ、５０ａは、例えば、アルミニウムをスパッタや蒸着すること等により形成される。

そして、上記加速度センサでは、加速度を検出する際、可動電極パッド２５ａと周辺固定部パッド５０ａとには異なる電位が印加されるようになっている。ここで、可動電極パッド２５ａと周辺固定部パッド５０ａとに異なる電位が印加されたときの支持基板１０の電位について説明する。図３は、加速度センサの電位状態を示す模式図である。

図３に示されるように、可動電極パッド２５ａ（可動部２０）に電位Ｖｋ１が印加されると共に周辺固定部パッド５０ａ（周辺固定部５０）に電位Ｖｓｕｂが印加されると、可動部２０と支持基板１０との間には寄生容量Ｃｋ１が形成され、周辺固定部５０と支持基板１０との間には寄生容量Ｃｓｕｂが形成される。この場合、支持基板１０の電位をＶｓとすると、電荷Ｑは静電容量Ｃとの関係より次式で示される。

（数１）Ｑ１＝Ｃｋ（Ｖｋ１−Ｖｓ）
（数２）Ｑ２＝Ｃｓｕｂ（Ｖｓｕｂ−Ｖｓ）
そして、支持基板１０の電位Ｖｓは一定となるため、−Ｑ１−Ｑ２＝０である。このため、支持基板１０の電位Ｖｓは次式で示される。

（数３）Ｖｓ＝（Ｖｓｕｂ＋αＶｋ１）／（１＋α）
なお、上記数式３中においてα＝Ｃｋ１／Ｃｓｕｂである。ここで、上記のように、支持基板１０と対向する周辺固定部５０の面積は、支持基板１０と対向する可動部２０の面積より非常に大きくされており、Ｃｓｕｂ＞＞Ｃｋとなる。したがって、α≒０となる。

同様に、特に図示しないが、加速度を検出する際には固定電極パッド３２ａ、４２ａにも電位Ｖｋ２が印加されるが、支持基板１０と対向する周辺固定部５０の面積は、支持基板１０と対向する固定部３０、４０の面積より非常に大きくされているため、支持基板１０の電位に固定電極パッド３２ａ、４２ａに印加される電位Ｖｋ２は影響しない。

以上より、支持基板１０の電位Ｖｓは、周辺固定部５０に印加される電位Ｖｓｕｂによって適宜制御可能であり、Ｖｓ≒Ｖｓｕｂとなる。そして、上記のように、可動電極パッド２５ａと周辺固定部パッド５０ａに印加される電位とが異なっているため、例えば、可動電極パッド２５ａ（可動電極２４）に印加される電位をＶｋ１とし、周辺固定部パッド５０ａ（周辺固定部５０）に印加される電位をＶｓｕｂとすると、可動電極２４（可動部２０）と支持基板１０との間にＶｋ−Ｖｓｕｂで示される静電引力が発生する。すなわち、可動電極パッド２５ａと周辺固定部パッド５０ａに異なる電位が印加されると、可動電極２４は静電引力によって支持基板１０側に引き寄せられた状態となる。つまり、可動電極２４と固定電極３１、４１とによって段差電極が構成されている状態となる。

なお、可動電極パッド２５ａと周辺固定部パッド５０ａに印加される電位は加速度の検出範囲に応じて適宜変更されるのがよく、加速度が印加された際に可動電極２４と固定電極３１、４１との対向面積がなくならないように可動電極２４を支持基板１０側に変位させることが好ましい。

図４は、可動部２０と支持基板１０との間に静電引力が発生しているときの可動部２０の状態を示す平面模式図である。

図４に示されるように、可動電極２４（可動部２０）は静電引力によって支持基板１０側に引き寄せられている。具体的には、可動電極２４（可動部２０）と連結されているトーションバー２２ａがｚ軸方向にねじれる（トーションバー２２ａに曲げモーメントが印加される）ことによって可動電極２４（可動部２０）が支持基板１０側に引き寄せられ、図２に示されるように、可動電極２４の側面と固定電極３１、４１の側面とがずれた状態となる。

なお、上記のように、錘部２１は、延設方向の両端がトーションバネ２２を介してアンカー部２３ａ、２３ｂに連結されており、各トーションバネ２２が同じように変位するため、錘部２１は支持基板１０との平行状態を保ったままｚ軸方向に変位する。すなわち、可動電極２４と固定電極３１、４１との間隔はｚ軸方向において一定である。また、各可動電極２４には同じ静電引力が印加されるため、各可動電極２４の変位は同じとなる。

そして、上記加速度センサは、可動電極２４が静電引力によって支持基板１０側に引き寄せられた状態で加速度を検出するのに用いられる。図５は、加速度を検出するときの可動電極２４と固定電極３１との状態を示す図であり、（ａ）は初期状態の図、（ｂ）は＋ｚ軸方向（図５中紙面上側方向）に加速度が印加されたときの図、（ｃ）は−ｚ軸方向（図５中紙面下側方向）に加速度が印加されたときの図である。

なお、初期状態とは、言い換えると、加速度が印加されていない状態のことである。また、以下では、可動電極２４と固定電極３１との関係について説明するが、可動電極２４と固定電極４１との関係についても同様である。

図５（ａ）および上記のように、加速度センサは、可動電極パッド２５ａと周辺固定部パッド５０ａに異なる電位が印加され、可動電極２４（可動部２０）が静電引力によって支持基板１０側に引き寄せられた状態を初期状態として加速度の検出が行われる。ここでは、初期状態における可動電極２４のうち固定電極３１と対向する面積を対向面積Ｓ０として説明する。

この状態で、図５（ｂ）に示されるように、＋ｚ軸方向に加速度が印加されると、トーションバー２２ａが＋ｚ軸方向にねじれることによって可動電極２４（可動部２０）がｚ軸方向に変位する。つまり、可動電極２４のうち固定電極３１と対向する面積は、対向面積Ｓ０より大きな対向面積Ｓ１となる。すなわち、初期状態に対して、可動電極２４と固定電極３１、４１との間に形成される静電容量が増加する。

これに対し、図５（ｃ）に示されるように、−ｚ軸方向に加速度が印加されると、トーションバー２２ａが−ｚ軸方向にねじれることによって可動電極２４（可動部２０）が−ｚ軸方向に変位する。つまり、可動電極２４のうち固定電極３１と対向する面積は、対向面積Ｓ０より小さな対向面積Ｓ２となる。すなわち、初期状態に対して、可動電極２４と固定電極３１、４１との間に形成される静電容量が減少する。

したがって、可動電極２４と固定電極３１、４１との間の静電容量によって印加された加速度の大きさを検出することができ、また、初期状態の静電容量に対する容量の増減により、加速度が＋ｚ軸方向に印加されたか、−ｚ軸方向に印加されたかを検出することができる。

以上説明したように、本実施形態の加速度センサでは、可動電極２４と支持基板１０とに異なる電位が印加されるようになっており、可動電極２４を静電引力によって支持基板１０側に引き寄せることができるようになっている。つまり、可動電極２４と固定電極３１、４１とをずらして配置することができ、可動電極２４と固定電極３１、４１とによって段差電極を構成することができる。このため、ｚ軸方向に印加される加速度がどちらの方向に印加されたのかまで検出することができる。

また、各可動電極２４は静電引力によってｚ軸方向に変位させるため、各可動電極２４の変位がばらつくことを抑制することができる。したがって、検出精度が低下することを抑制することができる。

さらに、上記加速度センサでは、高精度なアライメントや２段階のエッチング工程を行う必要もなく、製造工程が増加することもない。

そして、錘部２１は、延設方向の両端がトーションバネ２２を介してアンカー部２３ａ、２３ｂに連結されている。このため、可動電極２４と支持基板１０とに異なる電位が印加された際、または加速度が印加された際、トーションバー２２ａがｚ軸方向にねじれることによって可動電極２４（可動部２０）がｚ軸方向に変位する。したがって、錘部２１が直接アンカー部２３ａ、２３ｂと連結されている場合と比較して、可動電極２４のｚ軸方向への変位を大きくすることができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、容量式物理量検出装置として、角速度センサに本発明を適用したものであり、例えば、ロールレート検出やピッチレート検出を行うものに用いられると好適である。図６は、角速度センサの平面図である。なお、図６では、半導体層１２の面方向のうちの任意の方向（図６中では紙面左右方向）をｘ軸方向とし、このｘ軸方向と直交する方向（図６中では紙面上下側方向）をｙ軸方向とし、さらに半導体層１２の面方向に垂直方向（図６中では紙面垂直方方向）をｚ軸方向としている。

図６に示されるように、角速度センサは、加速度センサと同様にＳＯＩ基板１３を用いて構成されている。半導体層１２には、第１振動子１００と第２振動子２００との２つの振動子が形成されている。具体的には、半導体層１２には、検出部１１０、２１０、駆動部１２０、２２０、および周辺固定部３００がそれぞれ形成されている。このうち、検出部１１０と駆動部１２０とで第１振動子１００が構成され、検出部２１０と駆動部２２０とで第２振動子２００が構成されている。

以下、各振動子１００、２００の構造について説明する。各振動子１００、２００の構造はまったく同じ構造になっているので、まとめて説明する。

検出部１１０、２１０は、角速度に伴うコリオリ力を検出するためのものであり、検出固定電極１３０、２３０と、矩形枠状の検出錘１４０、２４０とを備えている。なお、本実施形態では、検出固定電極１３０、２３０が本発明の固定電極に相当し、検出錘１４０、２４０が本発明の錘部に相当する。

検出固定電極１３０、２３０は、静電容量を検出するための電極であり、埋込絶縁膜１１を介して支持基板１０に固定され、検出錘１４０、２４０の内側に配置されている。

検出固定電極１３０、２３０の上部には検出用パッド１３２、２３２が形成されている。そして、この検出用パッド１３２、２３２にワイヤ等が接続されることにより、検出固定電極１３０、２３０の電位を外部に取り出すことができるようになっている。

検出錘１４０、２４０は、角速度が印加されたときにコリオリ力を受けて変位する錘として機能するものである。この検出錘１４０、２４０は、検出固定電極１３０、２３０に対向配置されると共に検出固定電極１３０、２３０に対して変位可能とされた検出可動電極１４１、２４１を備えている。なお、本実施形態では、検出可動電極１４１、２４１が本発明の可動電極に相当する。

検出可動電極１４１、２４１は、検出錘１４０、２４０の内側において、検出固定電極１３０、２３０の櫛歯の隙間にかみ合うように櫛歯状に形成されている。

駆動部１２０、２２０は、ｘ軸方向に検出部１１０、２１０を振動させるものであり、検出部１１０、２１０の周囲に配置されている。そして、この駆動部１２０、２２０は、矩形枠状の駆動錘１５０、２５０と、駆動固定電極１６０、２６０と、固定部１７０、２７０と、駆動梁１７１、２７１と、トーションバネ１７２、２７２とを備えている。

駆動錘１５０、２５０は、トーションバネ１７２、２７２により支持基板１０に対して検出部１１０、２１０を浮かせて支持すると共に、検出部１１０、２１０を駆動方向（ｘ軸方向）に振動可能とするための錘として機能するものである。すなわち、駆動錘１５０、２５０は、ｘ軸方向に駆動振動することにより、検出錘１４０、２４０をｘ軸方向に振動させる。

また、駆動錘１５０、２５０は、検出錘１４０、２４０の周囲にそれぞれ位置している。言い換えると、矩形枠状の駆動錘１５０、２５０の内側に検出錘１４０、２４０が位置している。

この駆動錘１５０、２５０は、駆動可動電極１５１、２５１および第１モニタ電極１５２、２５２を備えており、これら駆動可動電極１５１、２５１および第１モニタ電極１５２、２５２は、駆動錘１５０、２５０の外周部に櫛歯状に複数設けられている。本実施形態では、検出部１１０、２１０をｘ軸方向に振動させるべく、各駆動可動電極１５１、２５１はｘ軸方向に平行にそれぞれ設けられている。

また、第１モニタ電極１５２、２５２は、駆動錘１５０、２５０の駆動状態（振動状態）を監視する電極であり、モニタ配線１５３、２５３に設けられた第２モニタ電極１５４、２５４と対向する状態で設けられている。モニタ配線１５３、２５３の上部にはモニタ用パッド１５５、２５５が形成されている。そして、このモニタ用パッド１５５、２５５にワイヤ等が接続されることにより、第２モニタ電極１５４、２５４の電位を外部に取り出すことができるようになっている。

駆動固定電極１６０、２６０は、埋込絶縁膜１１を介して支持基板１０に固定された電極である。この駆動固定電極１６０、２６０は、駆動錘１５０、２５０の周囲に位置すると共に、駆動可動電極１５１、２５１に対向配置されている。各駆動固定電極１６０、２６０はｘ軸方向に平行にそれぞれ設けられている。なお、駆動固定電極１６０、２６０は、各振動子１００、２００で共通化されているものもある。

固定部１７０、２７０は、埋込絶縁膜１１を介して支持基板１０に固定された部分である。本実施形態では、駆動錘１５０、２５０の周囲に４つの固定部１７０、２７０が設けられている。

駆動梁１７１、２７１は、駆動錘１５０、２５０と固定部１７０、２７０とを連結するものであり、バネ性を有するものである。

トーションバネ１７２、２７２は、駆動錘１５０、２５０と、当該駆動錘１５０、２５０の内側に配置された検出錘１４０、２４０とを連結するものであり、本実施形態では２つ備えられている。具体的には、トーションバネ１７２、２７２は、検出錘１４０、２４０および駆動錘１５０、２５０の間に当該検出錘１４０、２４０の重心を中心として対称に備えられている。

そして、固定部１７０、２７０、駆動梁１７１、２７１、およびトーションバネ１７２、２７２により検出錘１４０、２４０および駆動錘１５０、２５０が一体的に連結されて支持されている。したがって、検出錘１４０、２４０および駆動錘１５０、２５０は、支持基板１０の上に一定の間隔で浮遊した状態になっている。もちろん、検出錘１４０、２４０に形成された検出可動電極１４１、２４１や駆動錘１５０、２５０に形成された駆動可動電極１５１、２５１も支持基板１０に対して一定の間隔で浮遊している。

なお、このトーションバネ１７２、２７２は、上記第１実施形態のトーションバネ２２と同様に、平行に配置された２本のトーションバー１７２ａ、２７２ａがその両端でフレーム部１７２ｂ、２７２ｂを介して連結された細長の枠形状をなしている。そして、ｚ軸方向のコリオリ力を受けたときにトーションバー１７２ａ、２７２ａがｚ軸方向へねじれることによってｚ軸方向へ変位するようになっている。

各固定部１７０、２７０のうちの１つは、各振動子１００、２００の間に引き伸ばされると共に、上部に固定部用パッド１７３、２７３が形成されている。この固定部用パッド１７３、２７３にワイヤ等が接続されることにより、外部から固定部１７０、２７０、駆動梁１７１、２７１、および駆動錘１５０、２５０を介して駆動可動電極１５１、２５１に所定の電圧を印加できるようになっている。

同様に、駆動錘１５０、２５０の周囲に位置する駆動固定電極１６０、２６０も各振動子１００、２００の間に引き伸ばされると共に、上部に駆動用パッド１６１、２６１が形成されている。この駆動用パッド１６１、２６１にワイヤ等が接続されることにより、駆動固定電極１６０、２６０の電位を外部に取り出すことができるようになっている。なお、駆動固定電極１６０、２６０が各振動子１００、２００で共通化されたものについては、駆動用パッド１６１が設けられている。

周辺固定部３００は、各振動子１００、２００の周囲に配置されたものである。本実施形態では、第１振動子１００および第２振動子２００を２つまとめて一周して囲むように形成されている。また、周辺固定部３００には、周辺固定部用パッド３１０が形成されている。そして、この周辺固定部用パッド３１０にワイヤ等が接続されることにより、周辺固定部３００に所定の電圧を印加できるようになっている。

また、各振動子１００、２００を構成する駆動錘１５０、２５０は連結梁１８０を介して連結されている。以上が、各振動子１００、２００の構成である。次に、このような角速度センサの角速度の検出方法について説明する。

このような角速度センサでは、上記加速度センサと同様に、検出可動電極１４１、２４１と周辺固定部３００に異なる電位が印加された状態で角速度の検出が行われる。すなわち、検出可動電極１４１、２４１が静電引力によって支持基板１０側に引き寄せられた状態で角速度の検出が行われる。

具体的には、駆動固定電極１６０、２６０と駆動可動電極１５１、２５１との間に電位差を与えると駆動錘１５０、２５０はｘ軸方向に変位する。したがって、駆動固定電極１６０、２６０に駆動錘１５０、２５０を振動させたい周波数（通常は各振動子１００、２００の固有振動数）の交流電圧を加えるとその周波数で各駆動錘１５０、２５０は振動を始める。

このとき、駆動錘１５０、２５０は、第１振動子１００の検出錘１４０と第２振動子２００の検出錘２４０とが互いに逆位相（位相差１８０°）となるように駆動方向（ｘ軸方向）に検出錘１４０、２４０をそれぞれ駆動する。これにより、検出錘１４０、２４０が駆動錘１５０、２５０と同様にｘ軸方向に振動する。

このように、検出錘１４０、２４０がｘ軸方向に振動しているときに、ｙ軸方向を中心とする角速度が印加された場合、ｚ軸方向にコリオリ力が発生する。その力によってトーションバネ１７２、２７２がｚ軸方向にねじれることによって検出錘１４０、２４０がｚ軸方向に変位し、これに伴って検出可動電極１４１、２４１がｚ軸方向へ変位する。したがって、検出固定電極１３０、２３０と検出可動電極１４１、２４１との対向面積が変化するため、この電極間の静電容量に基づいて角速度が検出される。

なお、上記のように、検出可動電極１４１、２４１が静電引力によって支持基板１０側に引き寄せられた状態で角速度の検出が行われるため、初期状態の静電容量に対する静電容量の増減により、ｙ軸を中心としてどちらの方向の角速度が印加されたのかまで検出することができる。

以上説明したように、角速度の検出を行う角速度センサに本発明を適用しても上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態では、トーションバネ２２、１７２、２７２を備えたものを説明したが、トーションバネ２２、１７２、２７２は備えられていなくてもよい。この場合でも、可動電極２４、１４１、２４１のｚ軸方向に対する変位量は小さくなるが、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、上記各実施形態では、トーションバネ２２が細長の枠形状であるものを説明したが、トーションバネ２２は、ねじられることによってｚ軸方向へ変位するようになっていればどのような構成でも構わない。図７は、他の実施形態におけるトーションバネ２２の平面図であり、図１のトーションバネ２２の変形例である。

図７（ａ）に示されるように、対向するフレーム部２２ｂの略中央部を連結し、ｘ軸方向の長さがトーションバー２２ａより十分に長くされた中間部材２２ｃを備える構成としてもよい。これによれば、トーションバー２２ａとフレーム部２２ｂとの拘束をより強固にすることができ、さらに共振によってトーションバー２２ａが基板平面方向に変位することを抑制することができる。また、図７（ｂ）に示されるように、トーションバー２２ａは、波状に折り返された折れ線形状とされていてもよい。

なお、特に図示しないが、図６に示すトーションバネ１７２、２７２においても、中間部材を備える構成としてもよいし、折れ線形状としてもよい。

そして、上記第２実施形態では、駆動錘１５０、２５０内に検出部１１０、２１０が形成されたいわゆる外部駆動、内部検出構成の角速度センサを例に挙げて説明した。しかしながら、例えば、特に図示しないが、検出部１１０、２１０内に駆動錘１５０、２５０が形成されたいわゆる内部駆動、外部検出構成の角速度センサに本発明を適用することも可能である。

１０ 支持基板
１１ 埋込絶縁膜
１２ 半導体層
１３ ＳＯＩ基板（半導体基板）
２０ 可動部
２４ 可動電極
３０、４０ 固定部
３１、４１ 固定電極
５０ 周辺固定部

Claims (7)

1. 支持基板（１０）と、前記支持基板（１０）上に配置される埋込絶縁膜（１１）と、前記埋込絶縁膜（１１）を挟んで前記支持基板（１０）と反対側に配置される半導体層（１２）とを有する半導体基板（１３）と、
   前記半導体層（１２）のうち前記支持基板（１０）の周辺部において当該支持基板（１０）に支持されている周辺固定部（５０、３００）と、
   前記半導体層（１２）のうち前記周辺固定部（５０、３００）の内側に形成され、物理量に応じて前記半導体基板（１３）の基板平面方向に対する垂直方向に変位可能とされた複数の可動電極（２４、１４１、２４１）と、
   前記半導体層（１２）のうち前記周辺固定部（５０、３００）の内側であって前記可動電極（２４、１４１、２４１）と対向する状態で備えられた複数の固定電極（３１、４１、１３０、２３０）と、を備え、
   前記可動電極（２４、１４１、２４１）は、前記周辺固定部（５０、３００）に印加される電位と異なる電位が印加されることにより、前記支持基板（１０）との間に発生する静電引力によって前記垂直方向に変位させられることで一部が前記固定電極（３１、４１、１３０、２３０）と対向すると共に残部が前記固定電極（３１、４１、１３０、２３０）と対向しない状態とされており、
   前記可動電極（２４、１４１、２４１）が前記静電引力によって前記垂直方向に変位させられた状態で前記物理量の検出を行うことを特徴とする容量式物理量検出装置。
2. 前記可動電極（２４、１４１、２４１）は、前記基板平面方向における一方向の軸周りにねじれることが可能とされたトーションバネ（２２、１７２、２７２）を介して前記支持基板（１０）に支持され、当該トーションバネ（２２、１７２、２７２）が前記基板平面方向における一方向の軸周りにねじれることによって前記垂直方向に変位す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。
3. 前記トーションバネ（２２、１７２、２７２）は、平行に配置された２本のトーションバー（２２ａ、１７２ａ、２７２ａ）がその両端でそれぞれフレーム部（２２ｂ）を介して連結されていることを特徴とする請求項２に記載の容量式物理量検出装置。
4. 前記トーションバネ（２２、１７２、２７２）は、前記トーションバー（２２ａ、１７２ａ、２７２ａ）と平行な方向に延びる中間部材（２２ｃ）によって対向する前記フレーム部（２２ｂ）が連結されていることを特徴とする請求項３に記載の容量式物理量検出装置。
5. 前記可動電極（２４、１４１、２４１）は錘部（２１、１４０、２４０）に備えられ、
   前記錘部（２１、１４０、２４０）には、当該錘部（２１、１４０、２４０）の重心を中心として前記トーションバネ（２２、１７２、２７２）が対称に備えられていることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１つに記載の容量式物理量検出装置。
6. 前記可動電極（２４）は、加速度に応じて前記垂直方向に変位することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の容量式物理量検出装置。
7. 前記可動電極（１４１、２４１）は、コリオリ力に応じて前記垂直方向に変位することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の容量式物理量検出装置。
   

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