JP5799942B2 - Acceleration sensor - Google Patents
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Description
本願に開示の技術は、特にMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)として構成される加速度センサに関するものである。 The technology disclosed in the present application relates to an acceleration sensor configured as MEMS (Micro Electro Mechanical Systems).
従来、MEMS技術を用いて製造される加速度センサには静電容量を用いるものがある。例えば、基板に対して固定された固定電極と、基板に対して相対的に揺動可能な錘部に設けられた可動電極とでコンデンサが構成され、該コンデンサの静電容量の変化によって加速度を検出する加速度センサがある(例えば、特許文献1など)。特許文献1に開示される加速度センサは、錘部が検出方向(X方向)に変動するのにともなって生ずる固定電極と可動電極との距離の変動に応じた静電容量の変化量から加速度を検出する1軸加速度センサとして構成されている。また、上記した1軸加速度センサに対してXYZの3つの検出方向に作用する加速度が検出可能な3軸加速度センサがある(例えば、特許文献2〜7など)。
Conventionally, some acceleration sensors manufactured using MEMS technology use capacitance. For example, a capacitor is composed of a fixed electrode fixed to the substrate and a movable electrode provided on a weight portion that can swing relative to the substrate, and acceleration is caused by a change in capacitance of the capacitor. There is an acceleration sensor to detect (for example, Patent Document 1). In the acceleration sensor disclosed in Patent Document 1, the acceleration is calculated from the amount of change in capacitance according to the change in the distance between the fixed electrode and the movable electrode that occurs when the weight portion changes in the detection direction (X direction). It is configured as a uniaxial acceleration sensor for detection. Further, there are three-axis acceleration sensors capable of detecting acceleration acting in the three detection directions of XYZ with respect to the above-described one-axis acceleration sensor (for example,
ところで、上記したような固定電極と可動電極とを備える加速度センサでは、加速度が加わることにより位置が変動する可動電極が固定電極に衝突することによって短絡や損傷等が発生する虞がある。そのため、例えば、特許文献1に示すように、可動電極と固定電極との衝突を防止するために、錘部の移動を規制するストッパーが設けられたものがある。 By the way, in the acceleration sensor including the fixed electrode and the movable electrode as described above, there is a possibility that a short circuit, damage, or the like may occur when the movable electrode whose position is changed by acceleration is collided with the fixed electrode. Therefore, for example, as shown in Patent Document 1, in order to prevent a collision between the movable electrode and the fixed electrode, there is one provided with a stopper for restricting the movement of the weight portion.
しかしながら、上記したストッパーのような錘部の移動を規制する部材は、固定電極及び可動電極の形状、構成等に応じて適切な位置に配置する必要がある。特に、上記した3軸加速度センサでは、錘部がその平面方向に沿って自由に移動できるように設けられているため、加速度に応じてその時々に変化する錘部の位置や傾き等に対して適切に機能するようにストッパーを設ける必要があり、改善の余地があった。 However, a member that restricts the movement of the weight portion, such as the stopper described above, needs to be arranged at an appropriate position according to the shape and configuration of the fixed electrode and the movable electrode. In particular, in the above-described three-axis acceleration sensor, since the weight portion is provided so as to be freely movable along the plane direction, the position and inclination of the weight portion that changes from time to time according to the acceleration, etc. It was necessary to provide a stopper to function properly, and there was room for improvement.
本願に開示される技術は、上記の課題に鑑み提案されたものである。静電容量型の加速度センサに関し、錘部の移動を規制する規制部を適切な配置とし固定電極と可動電極との衝突をより確実に防止することができる加速度センサを提供することを目的とする。 The technology disclosed in the present application has been proposed in view of the above problems. It is an object of the present invention to provide an acceleration sensor that can prevent a collision between a fixed electrode and a movable electrode more reliably by appropriately arranging a restricting portion that restricts movement of a weight portion with respect to a capacitance type acceleration sensor. .
本願に開示される技術に係る加速度センサは、基板と、基板から遊離して揺動可能に設けられる錘部と、錘部に設けられる可動電極と、基板に固定されて設けられ、基板の平面方向に平行な検出方向の加速度に応じて可動電極との検出方向における距離が変動し、当該距離に応じて可動電極との静電容量が変動する固定電極と、加速度に応じて揺動する錘部の検出方向に対する移動を規制する規制部と、を備え、基板の平面視において固定電極の全体を囲み各辺が検出方向及び検出方向と直交する方向の各々に沿った矩形状の枠を設定した場合に、矩形状の枠の頂点のうち検出方向と直交する方向に沿って並ぶ2点を通る第1直線と、検出方向に沿って並ぶ2点を通る第2直線とで区画される9つの領域において、規制部は、固定電極が設けられる領域及び当該領域と隣り合う領域を除く他の4つの領域内の各々において錘部と係合し移動を規制する。 An acceleration sensor according to a technique disclosed in the present application includes a substrate, a weight portion that is provided so as to be swingable by being separated from the substrate, a movable electrode that is provided on the weight portion, a fixed surface of the substrate, and a plane of the substrate. The distance in the detection direction relative to the movable electrode varies according to the acceleration in the detection direction parallel to the direction, and the weight swings in accordance with the acceleration. And a restriction part that restricts the movement of the part in the detection direction, and sets a rectangular frame that surrounds the entire fixed electrode in the plan view of the substrate and that each side extends along the detection direction and the direction orthogonal to the detection direction. In this case, the first straight line passing through the two points arranged along the direction orthogonal to the detection direction among the vertices of the rectangular frame is divided by the second straight line passing through the two points arranged along the detection direction. In one area, the regulating part is provided with a fixed electrode Regulating the engaging movement and the weight portion in the other four each in the region except for the region and the region adjacent to the region.
当該加速度センサでは、錘部の検出方向に対する移動を規制する規制部が、固定電極に対して検出方向及び検出方向と直交する方向で対向しない領域内において錘部と係合し移動を規制する。より詳細には、平面視において固定電極の全体を囲む矩形状の枠を設定し、矩形状の枠の頂点のうち検出方向と直交する方向に沿って並ぶ2点を通る第1直線と、検出方向に沿って並ぶ2点を通る第2直線とで区画される9つの領域を設定する。そして、規制部は、固定電極が設けられる領域及び当該領域と隣り合う領域を除く他の4つの領域内の各々において錘部と係合し移動を規制する。 In the acceleration sensor, the restricting portion that restricts the movement of the weight portion in the detection direction engages with the weight portion and restricts the movement in a region that does not face the fixed electrode in the detection direction and the direction orthogonal to the detection direction. More specifically, a rectangular frame that surrounds the entire fixed electrode in a plan view is set, a first straight line passing through two points arranged along a direction orthogonal to the detection direction among the vertices of the rectangular frame, and detection Nine areas defined by a second straight line passing through two points arranged in the direction are set. The restricting portion engages with the weight portion and restricts movement in each of the other four regions excluding the region where the fixed electrode is provided and the region adjacent to the region.
このような構成では、規制部が錘部に係合する位置が、検出方向及び検出方向と直交する方向において固定電極が配置される位置よりも外側となる。例えば、錘部に対して検出方向及び検出方向と直交する方向の加速度が加わって回転が生じた場合には、錘部の検出方向に対する変位の大きさが回転中心からの距離に比例して増加する。そのため、例えば、錘部の回転中心を固定電極の中心とした場合に、固定電極の中心から固定電極の端部よりも離れた位置において規制部が錘部に係合することによって、検出方向に対する変位量がより大きい位置において規制部が錘部と係合し移動を規制する。その結果、固定電極と可動電極との衝突の防止をより確実に図ることができる。つまり、規制部を適切な配置とすることで固定電極と可動電極との衝突の防止を図ることができる。 In such a configuration, the position where the restricting portion engages with the weight portion is outside the position where the fixed electrode is disposed in the detection direction and the direction orthogonal to the detection direction. For example, when rotation occurs due to acceleration in the direction perpendicular to the detection direction and the direction perpendicular to the detection direction, the magnitude of displacement of the weight in the detection direction increases in proportion to the distance from the center of rotation. To do. Therefore, for example, when the rotation center of the weight portion is the center of the fixed electrode, the restriction portion engages with the weight portion at a position farther from the center of the fixed electrode than the end portion of the fixed electrode. The restricting portion engages with the weight portion at a position where the displacement amount is larger and restricts the movement. As a result, the collision between the fixed electrode and the movable electrode can be more reliably prevented. That is, it is possible to prevent the collision between the fixed electrode and the movable electrode by appropriately arranging the restricting portions.
また、本願に開示される技術に係る加速度センサにおいて、固定電極は、基板の平面に対して直交すると共に検出方向に対して直交する平板面であり、検出方向に沿って複数の固定電極が並設され、矩形状の枠は、固定電極の外周に沿って設定されてもよい。 In the acceleration sensor according to the technique disclosed in the present application, the fixed electrode is a flat plate surface that is orthogonal to the plane of the substrate and orthogonal to the detection direction, and a plurality of fixed electrodes are arranged in parallel along the detection direction. The rectangular frame may be set along the outer periphery of the fixed electrode.
当該加速度センサでは、固定電極は、平板面で構成される複数の電極が並設して構成され、基板の平面視における外周の形状が矩形状となる。そして、矩形状の枠を、この固定電極の外周に設定することによって、固定電極が設けられる領域及び当該領域と隣り合う領域を最適化して小さくできる。即ち、規制部の配置を決定するための領域を出来るだけ大きい領域として区画することができる。 In the acceleration sensor, the fixed electrode is configured by arranging a plurality of electrodes configured by flat plates in parallel, and the shape of the outer periphery in a plan view of the substrate is rectangular. By setting a rectangular frame on the outer periphery of the fixed electrode, the area where the fixed electrode is provided and the area adjacent to the area can be optimized and reduced. That is, the area for determining the arrangement of the restricting portion can be partitioned as large as possible.
また、本願に開示される技術に係る加速度センサにおいて、規制部は、基板に固定されて設けられ、4つの領域の各々において錘部の重心に対して対称となる位置に設けられてもよい。 Further, in the acceleration sensor according to the technique disclosed in the present application, the restricting portion may be provided fixed to the substrate, and may be provided at a position that is symmetric with respect to the center of gravity of the weight portion in each of the four regions.
当該加速度センサでは、基板に固定された規制部を錘部に対して対称な位置とすることで、固定電極と可動電極との衝突の防止をより確実に図ることができる。 In the acceleration sensor, it is possible to more reliably prevent the fixed electrode and the movable electrode from colliding by setting the restricting portion fixed to the substrate to a symmetrical position with respect to the weight portion.
本願に開示される技術によれば、静電容量型の加速度センサに関し、錘部の移動を規制する規制部を適切な配置とし固定電極と可動電極との衝突をより確実に防止することができる加速度センサを提供することができる。 According to the technology disclosed in the present application, it is possible to more reliably prevent a collision between the fixed electrode and the movable electrode by appropriately arranging the restriction portion that restricts the movement of the weight portion with respect to the capacitance type acceleration sensor. An acceleration sensor can be provided.
以下、本発明を具体化した一実施形態について添付図面を参照しながら説明する。なお、添付図面は、説明の便宜上、実際の寸法・縮尺とは異なって図示されている部分がある。
図1は、本実施形態に係る静電容量型の加速度センサをMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を用いて製造したチップの概略構成を示している。同図1に示すように、加速度センサ10は、平面視略長方形板状に形成された基板12を備える。加速度センサ10は、基板12の長辺に沿った方向に並設される2つのチップ領域の各々に第1のセンサ21と第2のセンサ31とが形成されている。なお、以下の説明では、同図1に示すように、加速度センサ10の長辺に沿った方向(第1及び第2のセンサ21,31が並設される方向)をX方向、X方向に対して直角で加速度センサ10の短辺に沿った方向をY方向、X方向とY方向との両方に直角となる方向(基板12の基板平面に対して垂直な方向)をZ方向と称し、説明する。
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment of the invention will be described with reference to the accompanying drawings. Note that, for convenience of explanation, the accompanying drawings include portions that are illustrated differently from actual dimensions and scales.
FIG. 1 shows a schematic configuration of a chip in which a capacitance type acceleration sensor according to the present embodiment is manufactured using a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology. As shown in FIG. 1, the
第1のセンサ21は、枠部23と、錘部24と、一対のバネ部26と、静電容量部27とを備える。図2(a)に示すように、枠部23は、平面視形状が四角枠状に形成され、その囲われた内側部分に錘部24が設けられている。枠部23は、図示しない外周部分において基板12と接続され固定されている。錘部24は、平面視略正方形状をなす板状に形成されている。錘部24は、Z方向に貫通する貫通孔24Aが複数形成され、該貫通孔24Aが錘部24に対してマトリックス状に形成されている。ちなみに、この貫通孔24Aは、錘部24がZ方向に移動する際の抵抗を減らす通気孔としての機能や後述する犠牲層をエッチングする際のエッチング液の導入口として機能するものである。
The
また、第1のセンサ21は、Y方向の両側部分にバネ部26が各々設けられている。バネ部26は、X方向の略中央部に設けられた梁部41と、梁部41におけるX方向の両側に設けられた一対のバネ43とを備える。梁部41は、平面視略長方形状の板状に形成され、長辺がY方向に沿って設けられている。錘部24と梁部41とは、各バネ43を介して連結されている。バネ43は、平面視形状が蛇行した形状をなしており、一端側の固定端43Aが梁部41の側面に固定され、他端側の可動端43Bが錘部24に接続されている。なお、詳細については後述するが、バネ43の蛇行した形状は、互いになす角度が直角となる短辺と長辺とが交互に繋がり、短辺がX方向に沿って設けられ長辺がY方向に沿って設けられるつづら折れ形状に形成されている。また、バネ43は、梁部41に固定される固定端43Aと、錘部24に接続される可動端43Bとの距離が長辺よりも長くなるように構成されており、X方向に対する剛性を高めて伸縮が規制される構造となっている。
Further, the
図2(b)は図2(a)のA−A線端面図、図2(c)は図2(a)のB−B線端面図である。図2(b)に示すように、梁部41は、基板12上に立設されたアンカー部45と一体形成され固定されている。このため、図2(c)に示すように、錘部24は、固定された梁部41に対しバネ43を介して支持されることによって、基板12の上に浮いたような状態で保持されている。また、錘部24と錘部24を囲む枠部23とは互いに離間している。
2B is an end view taken along line AA in FIG. 2A, and FIG. 2C is an end view taken along line BB in FIG. 2A. As shown in FIG. 2B, the
図2(a)に示すように、枠部23は、錘部24の外周部分と所定間隔を設けて離間する内周部分に第1及び第2ストッパー23A,23Bが設けられている。第1ストッパー23Aは、錘部24とY方向において対向する枠部23の内周部分に一体形成されている。また、第2ストッパー23Bは、錘部24とX方向において対向する枠部23の内周部分に一体形成されている。第1及び第2ストッパー23A,23Bは、枠部23の内周面から内側に向かって突出するように形成されており、錘部24がX方向及びY方向のいずれかの方向に対して所定の距離だけ移動した場合に錘部24の外周部分に係合するように構成されている。第1及び第2ストッパー23A,23Bの先端部分と錘部24との距離は、後述する第1及び第2固定電極28,29と電極部30とのY方向における幅74(図4参照)に比べて短い距離が設定されている。第1及び第2ストッパー23A,23Bは、突出する先端部が錘部24に係合する構成となっており、錘部24との接触面積を少なくしてスティクションの防止を図った形状となっている。なお、第1及び第2ストッパー23A,23Bが設けられる位置の詳細については後述する。
As shown in FIG. 2A, the
また、図2(a)に示すように、静電容量部27は、第1及び第2固定電極28,29と、電極部30とを備える。静電容量部27は、第1のセンサ21及び錘部24の中央に設けられている。第1のセンサ21は、一対の第1及び第2固定電極28,29を複数組(本実施形態では6組)備える。第1及び第2固定電極28,29は、主面がZ方向に沿った略長方形板状に形成され、長辺がX方向に沿って設けられている。第1及び第2固定電極28,29は、互いの主面が対向するようにY方向に沿って交互に設けられている。換言すれば、第1及び第2固定電極28,29は、Y方向に沿って並設されている。
In addition, as shown in FIG. 2A, the
第1固定電極28は、X方向の一端側(図における上側の3つは左側、下側の3つは右側)にスルーホール28Aが設けられ基板12の上に形成された配線(図示略)と電気的に接続されている。また、第2固定電極29は、第1固定電極28とは反対のX方向の一端側(図における上側3つは右側、下側3つは左側)にスルーホール29Aが設けられ基板12上に形成された配線(図示略)と電気的に接続されている。第1固定電極28の電極の厚さ(Y方向の幅)は、スルーホール28Aが形成される接続部28Bが、他の部分に比べて大きくなっている。同様に、第2固定電極29の電極の厚さ(Y方向の幅)は、スルーホール29Aが形成される接続部29Bが、他の部分に比べて大きくなっている。
The first
また、図2(b)に示すように、第1及び第2固定電極28,29は、スルーホール28A,29Aが設けられた端部を除く部分が基板12と離間するように形成されている。なお、第1及び第2固定電極28,29は、端部を含む全体が基板12に接続された構成としてもよい。
Further, as shown in FIG. 2B, the first and second
電極部30は、平面視において第1及び第2固定電極28,29の外周部分を囲むように形成された外周電極部30Aと、各第1及び第2固定電極28,29のY方向の間に設けられた可動電極部30Bとを備える。外周電極部30Aは、錘部24の中央部に一体形成される四角枠状をなし、第1及び第2固定電極28,29の各々と互いに離間している。可動電極部30Bは、第1及び第2固定電極28,29に対向するように錘部24から延設され、主面がZ方向に沿った略長方形板状に形成され、長辺がX方向に沿って設けられている。各可動電極部30Bは、X方向における両端部が錘部24に一体形成されている。
The
また、第1及び第2固定電極28,29は、Y方向で隣り合う可動電極部30Bに挟まれた領域に互いに隣接して配置されている。接続部28Bは、第1固定電極28と可動電極部30Bとが面一に対向するように、隣接する第2固定電極29側に拡幅されて形成されている。また、接続部29Bは、第2固定電極29と可動電極部30Bとが面一に対向するように、隣接する第1固定電極28側に拡幅されて形成されている。
The first and second
図2(b)に示すように、基板12は、コア基板51と、コア基板51の上面を覆うように形成された絶縁層53と、絶縁層53の上に形成された第3固定電極55とを備える。梁部41と一体形成されたアンカー部45はパッド58と接続されており、錘部24が配線(図示略)を介して外部端子と電気的に接続されている。第1のセンサ21は、図3に示すように、錘部24の可動電極部30Bと第1及び第2固定電極28,29とで平行平板コンデンサC1,C2が構成される。なお、本実施形態の電極部30は、第1及び第2固定電極28,29と対向する外周電極部30Aの一部が、可動電極部30Bと同様に第1及び第2固定電極28,29とコンデンサを構成する可動電極として機能する構成となっている。平行平板コンデンサC1,C2は、第1のセンサ21に対しY方向(検出方向)に作用する加速度に応じて、第1及び第2固定電極28,29の各々と可動電極部30Bとの間の距離が変動し静電容量が変化する。例えば、Y方向の一方(図中の上方)に錘部24が変動するのにともなって平行平板コンデンサC1の静電容量が減少する一方で、平行平板コンデンサC2の静電容量が増加する。このような電極部30(可動電極部30B)と第1及び第2固定電極28,29との間の距離の変動にともなって変化する平行平板コンデンサの静電容量を測定することによってY方向に対する加速度を検出することが可能となる。
As shown in FIG. 2B, the
例えば、錘部24に接続される測定点61における電圧を上記した外部端子から処理回路に出力しコンデンサC1,C2の電位差(静電容量の差)を検出して加速度を算出する。なお、図3に示すように、第1のセンサ21は、静電容量の差の出力を大きくし感度を向上させるためにコンデンサC1,C2の各々を含むブリッジ回路が構成されている。また、このブリッジ回路を構成することで、非検出方向となるX方向に対する各コンデンサC1,C2の静電容量の変化を相殺し、いわゆる他軸感度の低減を図ることができる。また、第1のセンサ21は、加速度が加わらない無負荷時の測定点61におけるオフセット電圧をキャンセルするための補正回路を備えてもよい。
For example, the voltage at the
また、図2(b)に示す第3固定電極55は、錘部24とZ方向で対向するように絶縁層53の上面の全域に広がって形成されている。第1のセンサ21は、錘部24と第3固定電極55とでZ方向で対向する平行平板コンデンサが構成される。この平行平板コンデンサは、第1のセンサ21に対しZ方向に作用する加速度に応じて静電容量が変化する。第1のセンサ21では、錘部24と第3固定電極55との間の距離の変動にともなって変化する平行平板コンデンサの静電容量を測定することによってZ方向に対する加速度が検出される。
Also, the third
第1のセンサ21は、上記したようにY方向及びZ方向に作用する加速度を検出する一方で、バネ43(図2(a)参照)がX方向に対する伸縮が規制される構造となっており、錘部24がX方向に撓動しないようになっている。従って、第1のセンサ21は、Y方向及びZ方向の加速度が検出可能な2軸加速度センサとして構成されている。図1に示すように、加速度センサ10が備える第2のセンサ31は、第1のセンサ21と同様の構成となっており、枠部23と、錘部24と、一対のバネ部26と、第1及び第2固定電極28,29と、第3固定電極(図示略)とを備える。第2のセンサ31は、Z方向を回転軸として第1のセンサ21を90度回転した構造となっている。つまり、第2のセンサ31は、X方向及びZ方向に作用する加速度を検出する一方で、バネ部26のバネ43がY方向に対する伸縮が規制され、錘部24がY方向に撓動しないようになっている。従って、第2のセンサ31は、X方向及びZ方向の加速度が検出可能な2軸加速度センサとして構成されている。
As described above, the
このように構成された加速度センサ10では、第1及び第2のセンサ21,31の出力に基づいて3方向に対する加速度が検出される。また、加速度センサ10では、Z方向に対する加速度を第1及び第2のセンサ21,31の各々の錘部24と第3固定電極55との距離の変動に応じた静電容量の変化を測定し検出する。即ち、加速度センサ10は、Z方向に対する加速度を第1及び第2のセンサ21,31の両方の出力を合成した値を用いて検出する構成となっている。
In the
次に、静電容量部27の配置について図4を用いて説明する。なお、図4は、静電容量部27の配置を示すための模式図であり、第1のセンサ21が備える各部材を適宜省略して示している。図4に示すように、静電容量部27は、錘部24の中央に設けられて一列に並んで配置されている。詳述すると、静電容量部27は、平面視正方形状の外周縁を有する錘部24における対角線の中点(重心70)が静電容量部27の中心となる位置になっている。ここでいう静電容量部27の中心とは、第1及び第2固定電極28,29と可動電極部30Bとの各部材を含む静電容量部27を立体的に見た場合の中心となる位置である。なお、静電容量部27の中心は、静電容量部27の構成等に応じて適宜設定する。また、本実施形態の第1のセンサ21は、この静電容量部27の中心が、錘部24の重心70と一致しており、平面的にだけでなく立体的に見た場合にも互いの中心となる位置が一致している。なお、本実施形態では、第2のセンサ31が第1のセンサ21と同様の構成となっており、各センサ21,31が静電容量部27の中心が錘部24の重心70に一致している。
Next, the arrangement of the
ここで、第1及び第2固定電極28,29は、スルーホール28A,29Aが形成される接続部28B,29Bの電極の厚さ71が他の部分に比べて増大している。図14は、比較例としての第1のセンサ21Aの静電容量部27の配置を示している。図14に示す第1のセンサ21Aは、静電容量部27が第1及び第2固定電極28,29の長手方向(X方向)において2つ(2列)に分断された静電容量部27A,27Bを備える。静電容量部27A、27Bは、平面視において錘部24の重心70の位置に対してX方向で対称となる位置に分散した配置となっている。このような構成では、1つの検出方向(Y方向)に対応する静電容量部27が2つの静電容量部27A,27Bに分散して配置された構成となっており、各静電容量部27A,27Bの第1及び第2固定電極28,29に接続部28B,29Bが設けられる。
Here, in the first and second
これに対し、図4に示す第1のセンサ21では、検出方向に対応する静電容量部27が錘部24の中央部に一列に集約して設けられ錘部24の中央部にY方向に沿って第1及び第2固定電極28,29及び電極部30が交互に並設されている。そのため、第1のセンサ21は、図14に示す第1のセンサ21Aと比較した場合に、接続部28B,29Bを省略した数分だけ小型化を図ることが可能となる。より具体的には、例えば、第1のセンサ21は、第1のセンサ21AとX方向で比較した場合に、接続部28B,29BのX方向の長さを幅72とすると、接続部28B,29Bの数分(幅72が2個分)の長さだけX方向の長さを短くすることが可能となる。従って、このような構成では、1つの検出方向に対応する静電容量部27が1箇所に集約されることによって、固定電極28,29に設けられる接続部28B,29Bの配置が最適化でき接続部28B,29Bの個数を削減して装置の小型化を図ることが可能となる。
On the other hand, in the
また、第1及び第2固定電極28,29は、錘部24と離間している。そのため、例えば、第1のセンサ21は、第1のセンサ21AとX方向で比較した場合に、接続部28B,29Bと錘部24とのX方向における隙間の幅を幅73とすると、隙間の数分(幅73が2個分)の長さだけX方向の長さを短くすることが可能となる。つまり、接続部28B,29Bの省略に合わせて接続部28B,29Bと錘部24とのギャップを省略できるため、特に微細な機械構造の製造に適用されるMEMS技術を用いた加速度センサにおいて装置の小型化を効果的に図ることが可能となる。
Further, the first and second
また、この接続部28B,29Bは、各電極部30(外周電極部30A及び可動電極部30B)とのY方向(検出方向)における幅74が同一の距離となっている。上記したように、一般的には、静電容量を用いて加速度を検出するセンサでは、加速度による静電容量の差の出力を大きくし感度を向上させるためにブリッジ回路(図3参照)が構成されている。しかしながら、接続部28B,29Bは、電極部30との距離が等しい位置に設けられており、固定電極28,29及び電極部30から出力される加速度に応じた静電容量の差(変化量)において、接続部28B,29Bからの出力に相当する変化量がブリッジ回路を通じて出力されることで相殺される。結果として、このような接続部28B,29Bは、電極部30と対向する場合であっても加速度の検出に有効な静電容量の変化量が出力されず加速度の検出に寄与する部分とならない。
Further, the connecting
その一方で、第1のセンサ21は、感度が錘部24の重さと相関し、錘部24の重さを増大させることで感度を向上させることができる。このため、第1のセンサ21は、接続部28B,29Bが省略された部分に応じて錘部24を形成する領域を増大、即ち錘部24の重さを増大させることが可能となり、同一の大きさの静電容量を備える他の加速度センサに比べて感度を向上させることが可能となる。
On the other hand, the sensitivity of the
ちなみに、例えば、図14に示す第1のセンサ21Aにおいて、静電容量部27Bを省略し、静電容量部27Aに集約、即ち、静電容量部27を錘部24の中央以外の位置に集約する構成が考えられる。しかしながら、このような構成は、例えば、錘部24に対してX方向の一方側のみに電極部30を形成することとなり、錘部24の重心が中央からずれることとなる。従って、加速度が加わった場合に、錘部24に対し回転方向の運動が生じて検出方向の加速度に対する所望の出力を得ることが困難となる。
Incidentally, for example, in the
次に、電極部30の可動電極部30Bの構造について詳細に説明する。
図5に示すように、第1のセンサ21の静電容量部27に設けられる可動電極部30Bは、長辺がX方向に沿った略長方形板状に形成され、長辺の両端部が錘部24に固定されている。この可動電極部30Bが錘部24に固定される部分(以下、「固定部」という)81,82は、錘部24と一体形成されている。
Next, the structure of the
As shown in FIG. 5, the
ここで、本実施形態との比較を行うために、可動電極部30Bが長手方向の一端側、例えば固定部81のみで錘部24に固定されるような構成について説明する。図5に示すように、例えば、可動電極部30Bの長手方向(X方向)の長さをL、短手方向(Z方向)の長さをh、厚さ(Y方向の長さ)をbとする。そして、固定部81のみが固定されるような可動電極部30Bに対して検出方向に加速度a(G)が加わった場合に、可動電極部30Bの他端側(固定部82側)の先端となる部分には、以下の式で表される撓み(変位)が生じる。
v=f0L4/8EI=14.7(σaL4/Eb2)
上記した式において、f0は加速度a(G)が加わったときに可動電極部30Bに加わる単位長さ当たりの荷重(分布荷重)、Eは可動電極部30Bの材料(例えばシリコン)のヤング率(例えば、169GPa(ギガパスカル))、Iは断面2次モーメント、σは材料の密度(例えば2330kg/m3)である。また、例えば、長さL=270μm(マイクロメートル)、長さh=10μm、厚さb=2μmとする。この場合に、a=10,000(G)の大きさの加速度がセンサ21に加わった場合には、v=2.7μmの変位が生じる。
Here, in order to compare with the present embodiment, a configuration in which the
v = f 0 L 4 /8EI=14.7 (σaL 4 / Eb 2 )
In the above equation, f 0 is a load per unit length (distributed load) applied to the
一方で、電極部30(可動電極部30B)と第1及び第2固定電極28,29との間の幅74は、感度を向上させるために電極間の距離を狭くすること、あるいはエッチング等の製造工程での加工限界を考慮すると、幅74は約2.0〜2.5μmとなる。従って、上記したような可動電極部30Bの一端側を固定する構成では、仮に10,000=1万(G)の大きさの加速度が加わった場合には、可動電極部30Bの先端部分と第1及び第2固定電極28,29とが衝突し短絡が生じる。ちなみ、加速度a=1万(G)とは、この種のセンサに対して加えられる加速度としては一般的に許容範囲内とされる値である。
On the other hand, the
これに対し、本実施形態の第1のセンサ21では、各可動電極部30Bの長手方向の両端が固定部81,82において錘部24と接続されている。このような構成では、可動電極部30Bには、加速度が加わった場合に、両端が錘部24に固定されていることで長手方向(X方向)の中央部が変位するような力が加わる。しかしながら、可動電極部30Bの中央部が変位するためには、撓む以外に可動電極部30B自身が伸びるように変形する必要がある。このような可動電極部30Bの中央部が伸びて固定電極28,29と接触するための加速度は、本発明者らがシミュレーションした結果では加速度a=約750万(G)という値となった。従って、本実施形態の可動電極部30Bでは、その両端が錘部24に固定されることで、衝撃等により大きな加速度が加わった場合であっても、可動電極部30Bと第1及び第2固定電極28,29との衝突を防止することが可能となる。
On the other hand, in the
また、第1のセンサ21は、静電容量部27が錘部24の中央に設けられ集約されていることから、1つの可動電極部30Bの長手方向の長さLを長くして静電容量を大きくすることで、感度の向上を図ることができる。その一方で、上記したように、可動電極部30Bを一方側のみで固定した場合には、長さLに応じた撓みが生じる。そのため、本実施形態では、可動電極部30Bの両端が錘部24に固定され撓みが生じにくい構造となっていることから、所望の静電容量とするために可動電極部30Bの長さLを長くした静電容量部27であっても好適に集約することが可能となる。
In the
次に、第1及び第2ストッパー23A,23Bの配置について図6を用いて詳細に説明する。本実施形態の第1及び第2ストッパー23A,23Bは、第1及び第2固定電極28,29が配置される位置や形状等に基づいてその配置が決定される。詳述すると、図6に示すように、まず、基板12(図1参照)の平面視における形状が略長方形(矩形)状となる第1及び第2固定電極28,29に対し、その長方形の頂点を端点T1〜T4として設定する。端点T1〜T4は、例えば、図6において左上となる点から時計回りに端点T1〜T4の順に設定する。これにより、端点T1〜T4を結ぶ長方形の枠は、平面視において第1及び第2固定電極28,29の全体を囲み各辺がX,Y方向の各々に沿った矩形状の枠として設定される。なお、端点T1〜T4は、例えば、当該端点T1〜T4を結ぶ矩形状の枠内に第1及び第2固定電極28,29の全体が収まるように設定されれば、その位置を適宜変更してもよい。
Next, the arrangement of the first and
端点T1,T2は、第1及び第2固定電極28,29におけるY方向の一端側(図中における最も上側)において、基板12の平面視におけるX方向の端部に相当する点とする。また、端点T3,T4は、第1及び第2固定電極28,29におけるY方向の一端側(図中における最も下側)において、基板12の平面視におけるX方向の端部に相当する点とする。また、端点T1,T4は、第1及び第2固定電極28,29のX方向の一端側(図中の左側)においてY方向の端部に相当する点とする。また、端点T2,T3は、第1及び第2固定電極28,29のX方向の一端側(図中の右側)においてY方向の端部に相当する点とする。
The end points T1 and T2 are points corresponding to ends in the X direction in plan view of the
次に、端点T1,T2の2点を通る直線を第1直線85A、端点T3,T4を通る直線を第1直線85Bとする。本実施形態の第1のセンサ21では、第1直線85A,85BがX方向に平行な直線となる。また、端点T1,T4を通る直線を第2直線86A、端点T2,T3を通る直線を第2直線86Bとする。本実施形態の第1のセンサ21では、第2直線86A,86BがY方向に平行な直線となる。そして、平面視における第1のセンサ21を、第1直線85A,85B及び第2直線86A,86Bを用いて9つの領域に区画し、各領域を順に(図中における左上から右下に向かって)領域R1〜R9とする。
Next, a straight line passing through the two end points T1 and T2 is defined as a first
この場合、領域R5は、第1及び第2固定電極28,29が設けられる第1のセンサ21の平面視における中央の領域となる。領域R2,R8の各々は、領域R5に対してY方向で隣り合う領域となる。また、領域R4,R6は、領域R5に対してX方向で隣り合う領域となる。そして、残りの4つの領域R1,R3,R7,R9は、固定電極28,29が設けられる中央となる領域R5及び領域R5と隣り合う領域R2,R4,R6,R8を除いた領域となる。本実施形態の第1のセンサ21は、このような4つの領域R1,R3,R7,R9内の枠部23の一部に第1及び第2ストッパー23A,23Bが設けられている。第1及び第2ストッパー23A,23Bは、錘部24の重心に対して対称となる位置に設けられている。なお、各ストッパー23A,23Bを錘部24の重心に対して非対称となる位置に設けた構成としてもよい。
In this case, the region R5 is a central region in plan view of the
次に、上記した領域R1,R3,R7,R9に第1及び第2ストッパー23A,23Bを設けた場合の作用について、図7〜図9を用いて説明する。図7〜図9は、比較例としてのセンサを模式的に示した図であり、説明を理解し易くするために、各部材を適宜省略し固定電極を1つだけ備えた構成となっている。図7に示す加速度センサ90は、錘部91の中央部にX方向に沿った固定電極93と固定電極93を囲む電極部94とが設けられている。加速度センサ90は、Y方向において錘部91と対向する位置に枠部96がそれぞれ設けられている。枠部96には、Y方向において固定電極93と対向する位置にストッパー96Aが設けられている。換言すれば、ストッパー96Aは、X方向に沿って伸びる固定電極93とY方向で対向する範囲内に設けられている。
Next, the operation when the first and
また、固定電極93と電極部94とのY方向における距離を幅97とする。この幅97は、例えば上記した幅74(図4参照)と同一の長さであり、感度を向上させために短く(狭く)することが好ましい。また、ストッパー96Aの先端部と錘部91との距離を幅98とする。幅98は、固定電極93と電極部94との衝突を防止するために幅97よりも短い距離とする。例えば、幅98を製造工程で加工限界となる最小の長さとし、幅97を幅98に対して若干長くする設定として形成することが好ましい。
A distance in the Y direction between the fixed
次に、図8に示すように、加速度センサ90に対してY方向の加速度が加わり錘部91の位置が変動(図中の下側に向かって変動)したとする。この場合、錘部91は、ストッパー96Aが外周部分に係合することによって、電極部94が固定電極93に衝突する前に移動が規制される。錘部91がY方向に沿って平行移動した場合には、錘部91(電極部94)は、固定電極93に対し幅97(図7参照)から幅98を除いた距離まで近づいて停止することとなる。
Next, as shown in FIG. 8, it is assumed that acceleration in the Y direction is applied to the
ここで、加速度センサ90を実際に使用する場合には、検出方向(この場合、Y方向)以外に、他の方向に対する加速度が加わることが想定される。例えば、図9に示すように、加速度センサ90に大きな衝撃等が加わった場合にはY方向の他にX方向の加速度が加わることとなり、錘部91がZ方向を回転軸として回転(図中においては反時計回りに回転)した状態となる。このような場合には、図8に示した状態と異なり、電極部94と固定電極93とのY方向における距離は、X方向の位置によって異なる。これは、錘部91の回転方向への移動に含まれるY方向に対する変位量が回転中心からの距離に比例して増加するためである。ここでいう回転中心とは、加速度センサ90の構成では錘部91の中心であり、固定電極93のX方向の中点となる。従って、電極部94と固定電極93とは、固定電極93のX方向の中点から離れるのに従って錘部91のY方向に対する変位量が増大することによって、互いの距離が狭くなる。
Here, when the
また、加速度センサ90は、X方向において、固定電極93の両端部分がストッパー96Aよりも外側の位置となっている。このため、固定電極93の両端部分に対して相対的に変位する錘部91のY方向に対する変位量が、ストッパー96Aに対する変位量に比べて大きくなることによって、固定電極93の両端部分が電極部94に衝突することとなる。
Further, in the
一方で、図6に示す本実施形態の第1ストッパー23Aは、第1及び第2固定電極28,29に対してY方向で対向しない領域R1,R3,R7,R9に設けられている。この第1ストッパー23Aの位置は、例えば図9に示す構成であれば図中の二点鎖線で示すストッパー99の位置となり、回転時における錘部91のY方向に対する変位量が固定電極93の両端部分に比べて大きい位置となる。このため、固定電極93の両端部分が電極部94に衝突する前にストッパー99が錘部91に係合して衝突を防止できる。つまり、本実施形態の第1のセンサ21では、第1ストッパー23Aの配置を最適化したことで第1及び第2固定電極28,29と電極部30との衝突をより確実に防止することができる。
On the other hand, the
また、衝突を防止する方法として、例えば、図7に示す加速度センサ90において、ストッパー96Aと錘部91との距離(幅98)を、固定電極93と電極部94との距離(幅97)に比べて極めて短くする構成が考えられる。しかしながら、このような構成では、例えば、幅98を製造工程での加工限界とした場合には、幅97を加工限界の距離に比べて十分に長い距離とする必要があり、感度を所望の値まで向上させることが難しくなる。
Further, as a method of preventing the collision, for example, in the
これに対し、本実施形態の第1のセンサ21では、例えば、第1ストッパー23Aと錘部24との距離(図7の幅98)を製造工程で加工限界となる最小の長さとし、その長さに対して第1及び第2固定電極28,29と電極部30との距離(図7の幅97)を若干長くした構成とすることができる。つまり、このような構成では、第1ストッパー23Aを適切な配置とすることによって、固定電極93と電極部94との距離を製造工程での加工限界まで近づけて狭くでき、感度を向上させることが可能となる。
On the other hand, in the
なお、上記した説明では、Y方向における第1ストッパー23Aの作用について説明したが、X方向における第2ストッパー23Bについても同様に機能する。電極部30は、Y方向と同様に、錘部24が回転した場合にはX方向においても第1及び第2固定電極28,29との距離が相対的に変位する。そのため、上記したように錘部24が回転したような場合には、Y方向において第1及び第2固定電極28,29よりも外側となる位置に第2ストッパー23Bを配置することによって、両ストッパー23A,23Bにより固定電極93と電極部94と衝突をより確実に防止することが可能となる。
In the above description, the operation of the
また、上記した図14に示す比較例としての第1のセンサ21Aにおいても、第1及び第2ストッパー23A,23Bの位置を同様に設定することができる。例えば、図15に示すように、第1のセンサ21Aにおいて長手方向においてに分断された第1及び第2固定電極28,29に対し、平面視における外周に沿った長方形の頂点を端点T1〜T4として設定する。そして、端点T1〜T4に基づいて第1及び第2直線85A,85B,86A,86B及び領域R1〜R9を設定する。このように設定された領域R1〜R9に基づいて第1及び第2ストッパー23A,23Bの配置を決定した場合であっても、上記した場合と同様に、第1及び第2固定電極28,29と電極部30との衝突をより確実に防止することができる。
Also in the
次に、バネ43の構造について説明する。
図10(a)に示すバネ100は、バネ43の一例である。バネ100は、上述したように、互いになす角度が直角となる短辺111と長辺112とが交互に繋がる形状に構成されている。なお、以下の説明では、図10(a)〜(c)に示すように、短辺111の長さをL1、長辺112の長さをL2と称し、説明する。また、図10(a)〜(c)に示す方向はバネ100,100A,100Bが伸縮する方向を示している。
Next, the structure of the
A
バネ100は、長さL2が長さL1に比べて長く、錘部24(図2(a)参照)と梁部41(図2(a)参照)の各々に接続される両端の距離L3が長さL2よりも長くなるように構成されている。ここで、バネ100において、Y方向で往復する回数、換言すればY方向の一端側で折り返す回数(以下、「折りたたみ回数」という)をnとする。図10(a)に示すバネ100では、折りたたみ回数nは15回となる。バネ100は、折りたたみ回数nと、X,Y,Zの各方向に対応するバネ定数Kx,Ky,Kzが相関する関係にある。そこで、本発明者らは、バネ100の折りたたみ回数nに対するバネ定数Kx,Ky,Kzの変化について検討・シミュレーション等を重ねた結果、本発明をなすに至った。具体的には、図10(a)に示すように、例えば、Z方向と直交する平面においてバネ100が占有する領域S(図中のハッチングで囲む部分)の面積を一定として、折りたたみ回数nを変更しながらバネ定数Kx,Ky,Kzの検討を行った。
The
図11は、折りたたみ回数nに対するバネ定数Kx,Ky,Kzの値を示すグラフである。図11に示すように、X方向のバネ定数Kxは、折りたたみ回数nの増加にともなって増加する。図中の実線で示すグラフは、バネ定数Kxを試算した結果を示しており、折りたたみ回数nの増加にともなってX方向に対する剛性が高まり伸縮が規制されていくことがわかる。 FIG. 11 is a graph showing the values of the spring constants Kx, Ky, Kz with respect to the folding number n. As shown in FIG. 11, the spring constant Kx in the X direction increases as the number of folding times n increases. The graph shown by the solid line in the figure shows the result of trial calculation of the spring constant Kx, and it can be seen that as the number of foldings n increases, the rigidity in the X direction increases and the expansion and contraction is restricted.
一方で、Y方向のバネ定数Kyは、折りたたみ回数nの増加にともなって減少する。図中の破線で示すグラフは、バネ定数Kyを試算した結果を示しており、折りたたみ回数nの増加にともなってY方向に対する剛性が低くなり撓動し易くなっていくことがわかる。同様に、Z方向のバネ定数Kzは、折りたたみ回数nの増加にともなって減少する。図中の一点鎖線で示すグラフは、バネ定数Kzの試算結果を示し折りたたみ回数nの増加にともなってZ方向に撓動し易くなっていくことがわかる。 On the other hand, the spring constant Ky in the Y direction decreases as the number of folding times n increases. The graph shown by the broken line in the figure shows the result of the trial calculation of the spring constant Ky, and it can be seen that the rigidity in the Y direction decreases and the bending becomes easier as the number of times of folding n increases. Similarly, the spring constant Kz in the Z direction decreases as the number of folding times n increases. The graph shown by the alternate long and short dash line in the figure shows the trial calculation result of the spring constant Kz, and it can be seen that it becomes easier to flex in the Z direction as the number of folding times n increases.
以上の内容を踏まえ、図11に示すグラフを用いて、バネ定数Kx,Ky,Kzによりバネ100を3種類に分類する。例えば、各バネ定数Kx,Ky,Kzが近似した値となる折りたたみ回数nを基準値n1(例えばn1=10)とし、折りたたみ回数nが基準値n1よりも小さくなるバネ100を第1種類とする。この第1種類に分類されるバネ100は、例えば、図10(b)に示されるように折りたたみ回数nを5回として構成されたバネ100Aである。このバネ100Aは、バネ100Aの両端の距離L3が長さL2よりも短い。バネ100Aは、X方向に対して変位し易く、Y,Z方向に対する伸縮が規制される特性を有する。つまり、このようなバネ100Aは、1方向に対して伸縮する特性を有するものであり、例えば特開平11−344507号公報(特許文献1)に示されるような1軸加速度センサに用いられるバネである。
Based on the above contents, the
次に、折りたたみ回数nを基準値n1として各バネ定数Kx,Ky,Kzがほぼ同一となるバネ100を第2種類とする。この第2種類に分類されるバネ100は、例えば、図10(c)に示されるように折りたたみ回数nを10回として構成されたバネ100Bである。このバネ100Bは、バネ100Bの両端の距離L3が長さL2とほぼ等しく、X,Y,Zの各方向に対して変位する。つまり、この種のバネ100Bは、3方向に対して伸縮あるいは撓動する特性を有するものであり、例えば特表2005−534016号公報(特許文献3)に示されるような3軸加速度センサに用いられるバネである。
Next, the
そして、本実施形態の図10(a)に示されるバネ100は、折りたたみ回数nが基準値n1に比べて大きい第3種類に分類されるバネであり、2方向に対する撓動性を備えるものである。詳述すると、バネ100は、短辺111と長辺112とが繋がり蛇行して延びるX方向に対する剛性が高く伸縮し難い。また、バネ100は、蛇行して延びるX方向に対して直交するY方向に対する撓動性を有している。また、バネ100は、バネ100が占有する領域Sを設定した平面に対して垂直なZ方向に対する撓動性を有している。従って、このような特性のバネ100(バネ43)を備える第1のセンサ21では、Y方向及びZ方向に作用する加速度が検出される一方で、錘部24がX方向に変動しないためX方向に対する他軸感度を抑制でき検出精度の向上を図ることが可能となる。
And the
次に、このように構成された加速度センサ10の感度について説明する。
加速度センサ10は、Z方向に対する加速度を第1及び第2のセンサ21,31の両方の出力を用いて検出する構成となっている。ここで、対向する電極の面積をS、電極の距離をd、誘電率をεとすると、静電容量Cは、次式で表される。
C=εS/d・・・・・・・・・(1)
錘部24は、平面方向がZ方向と直交する方向となる平板状に形成されており、Z方向に対する加速度を検出する可動電極の面積Sを他の方向(X方向、Y方向)に比べて大きくすることができる。そのため、本実施形態の第1及び第2のセンサ21,31は、Z方向に作用する加速度を検出するために設けられる静電容量の大きさが他の2方向に対して大きくすることができる。
Next, the sensitivity of the
The
C = εS / d (1)
The
また、上記式(1)を用いて距離の変化量Δdに対する静電容量の変化量ΔCの大きさは次式で表される。
ΔC/Δd=εS/d2・・・・(2)
また、錘部24に作用する力は、運動方程式、弾性の法則から次式で表される。
F=ma=kΔd(m:錘部24の質量、a:加速度、k:バネ定数)・・(3)
上記式(2)、(3)から静電容量の変化量ΔCは次式で表される。
ΔC=(εS/d2*m/k)a=(C/k*m/d)a・・・・・・(4)
Further, the magnitude of the change amount ΔC of the capacitance with respect to the change amount Δd of the distance is expressed by the following equation using the above formula (1).
ΔC / Δd = εS / d 2 (2)
Further, the force acting on the
F = ma = kΔd (m: mass of
From the above equations (2) and (3), the amount of change ΔC in capacitance is expressed by the following equation.
ΔC = (εS / d 2 * m / k) a = (C / k * m / d) a (4)
従って、上記式(4)より、本実施形態のような静電容量型の加速度センサ10の加速度aに対する感度(静電容量の変化量)を上げるには、重りとしての錘部24の質量mを増加させる、あるいは錘部24と第1〜第3固定電極28,29,55の各々とで構成されるコンデンサの静電容量Cを増加させる、あるいはバネ定数Kx,Ky,Kzを小さくすることが考えられる。質量mは錘部24の大きさと相関する関係にある。静電容量Cは、Z方向においては錘部24のZ方向と直交する方向の面積Sと相関する関係にある。加速度センサ10は、図2(a)に示すように、平面視で見た場合には錘部24が平面の大部分の領域を占めている。これに対し、例えば1軸加速度センサ(上記の特開平11−344507号公報(特許文献1)に開示される加速度センサ等)をXYZの各方向に対応して設ける構成として、複数の加速度センサを同一平面上に並べて配置した構成が考えられる。しかしながら、このような構成では、平面視で見た場合には、Z軸方向に寄与する錘部が平面の一部の領域のみを占めることとなる。つまり、本実施形態の加速度センサ10は、すべてのセンサ(第1及び第2のセンサ21,31)がZ方向の加速度の検出に寄与するため、Z方向に対して同一の感度となる3軸加速度センサを構成する場合を比較すると小型化に優れた構造となっている。
Therefore, from the above equation (4), in order to increase the sensitivity (capacitance change amount) to the acceleration a of the
また、静電容量型の加速度センサの感度は、一般的にXYZの各方向に対する感度が等しくなることが好ましい。上記式(4)に示すように、各方向に対する感度を同程度とするために各方向の静電容量Cとバネ定数kとの比を等しくすることが考えられる。例えば、上記した加速度センサ10において、X方向の加速度を検出する第2のセンサ31の錘部24と第1及び第2固定電極28,29との電極間の静電容量をCx、バネ43のX方向に対するバネ定数をkxとする。また、Y方向の加速度を検出する第1のセンサ21の錘部24と第1及び第2固定電極28,29との電極間の静電容量をCy、バネ43のY方向に対するバネ定数をkyとする。なお、本実施形態では第1及び第2のセンサ21,31が同一構造であるため、静電容量CxとCy、バネ定数kxとkyは各々で同値となる。また、第1及び第2のセンサ21,31のZ方向の加速度を検出する錘部24と第3固定電極55との電極間の静電容量の各々を静電容量Cz1,Cz2、各センサ21,31のバネ43のZ方向に対するバネ定数の各々をkz1,kz2とする。なお、本実施形態では第1及び第2のセンサ21,31が同一構造であるため、静電容量Cz1,Cz2が同値となる。同様に、バネ定数kz1,kz2は同値となる。
In general, it is preferable that the sensitivity of the capacitive acceleration sensor be equal to each other in the XYZ directions. As shown in the above equation (4), it is conceivable to make the ratio of the capacitance C and the spring constant k in each direction equal in order to make the sensitivity in each direction comparable. For example, in the
そして、この場合における各方向の静電容量Cとバネ定数kとの比を等しくするために
は、次式を満たすことが好ましい。
2*Cx/kx=2*Cy/ky=(Cz1/kz1+Cz2/kz2)・・・・(5)
従って、上記式(5)の値を指標として設計することで、互い直交する3軸の各々の方
向の加速度に対する感度を同等とすることができ、本実施形態の加速度センサ10を容易
に構成することが可能となる。なお、図3に示すように、本実施形態の第1及び第2のセ
ンサ21,31の各々は、コンデンサC1,C2を含むブリッジ回路が構成され、各コン
デンサC1,C2の静電容量の差を用いて加速度を算出する。従って、各センサ21,3
1の各方向に対する感度は、例えば、コンデンサC1,C2のうち一方のコンデンサの容
量を2倍した値と相関することとなる。上記した式(5)は、このような静電容量型の加
速度センサにおいて用いられるブリッジ回路を加味したものとなっている。
In this case, in order to make the ratio between the capacitance C in each direction and the spring constant k equal, it is preferable to satisfy the following equation.
2 * Cx / k x = 2 * Cy / ky = (Cz1 / kz1 + Cz2 / kz2) (5)
Therefore, by designing the value of the above formula (5) as an index, the sensitivity to acceleration in the directions of the three axes orthogonal to each other can be made equal, and the
The sensitivity in each direction of 1 correlates with, for example, a value obtained by doubling the capacity of one of the capacitors C1 and C2. The above equation (5) takes into account the bridge circuit used in such a capacitance type acceleration sensor.
次に、第1のセンサ21の製造方法の一例について説明する。なお、第2のセンサ31の製造方法については第1のセンサ21と同様であるため説明を省略する。
まず、図12(a)に示すコア基板200を準備する。コア基板200は、例えば単結晶シリコンからなるウェハである。第1のセンサ21は、コア基板200上に多数のセンサ素子を形成し、その後にダイシングを行って複数の第1のセンサ21に個片化することにより製造される。
Next, an example of a method for manufacturing the
First, the
コア基板200の表面に絶縁層210を形成する。絶縁層210は、例えば、窒化シリコン(SiNx)や、二酸化シリコンの膜の上に窒化シリコンを積層した膜を熱酸化法や堆積法を用いて形成する。次いで、絶縁層210の表面に、例えばフォトリソグラフィー技術を用いて任意にパターニングされた第3固定電極212、パッド214及び図示しない配線を形成する。第3固定電極212及び配線(図示略)等は、ポリシリコンなど、後述する犠牲層215のエッチングに対して耐性がある材料を用いる。なお、LSI技術で一般的に用いられるアルミニウムを第3固定電極212及び図示しない配線に用いる場合は、当該アルミニウムの上に窒化シリコン膜を積層したり、前述した絶縁層210を複数層の積層膜で構成してその中に形成するなどして、犠牲層215のエッチングに対して耐性を上げることが好ましい。以上のように、絶縁層210、第3固定電極212及び配線(図示略)を複数層で構成してもよい。また、第3固定電極212及び配線(図示略)は、導電性を有する複数層で構成してもよい。
An insulating
次いで、図12(b)に示すように、絶縁層210及び第3固定電極212を覆うように犠牲層215を形成する。犠牲層215は、例えば化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法により二酸化シリコンを成膜して形成する。犠牲層215の厚さは例えば2μm(マイクロメートル)である。次いで、図12(c)に示すように、犠牲層215に対しパッド214の表面の一部が露出するようにコンタクトホール216を形成する。コンタクトホール216は、例えばフォトリソグラフィー技術を用いて形成する。
Next, as illustrated in FIG. 12B, a
次いで、図13(a)に示すように、犠牲層215の上に電極層217を形成する。コンタクトホール216内には電極層217の一部が充填される。電極層217は、例えばCVD法によりポリシリコンを成膜して形成する。電極層217の厚さは例えば5〜10μmである。次いで、図13(b)に示すように、電極層217に対してエッチングを施し、貫通孔219及び第1及び第2固定電極220,221を形成する。電極層217に対するエッチングは、例えば、フォトリソグラフィー技術を用いて任意のパターニングで形成されたレジスト(図示略)を電極層217の上に形成し、そのレジストの開口部から露出する領域に対しDeep−RIE(Reactive Ion Etching)法を用いて異方性エッチングをする。なお、図示しないがバネ43は、例えば、上記した第1及び第2固定電極220,221と同一工程にて形成される。
Next, as illustrated in FIG. 13A, an
次いで、図13(c)に示すように、犠牲層215をエッチングする。犠牲層215のエッチングは、例えば、電極層217に形成された貫通孔219等からエッチング液(例えばバッファードフッ酸(BHF))を導入してエッチングする。このようにして、図1に示す第1のセンサ21が形成される。
Next, as shown in FIG. 13C, the
以上、上記した実施形態によれば、以下の効果を奏する。
(1)第1及び第2のセンサ21,31は、錘部24の移動を規制する第1及び第2ストッパー23A,23Bが、第1及び第2固定電極28,29に対してX,Y方向の各々の方向で対向しない領域R1,R3,R7,R9内に設けられている。このような構成では、第1及び第2ストッパー23A,23Bが錘部24に係合する位置が、X,Y方向において第1及び第2固定電極28,29が配置される位置よりも外側となっている。ここで、例えば、錘部24に対してX,Y方向の加速度が加わって回転が生じた場合には、錘部24の各方向に対する変位の大きさが回転中心からの距離に比例して増大する。そのため、各ストッパー23A,23Bが錘部24に係合する位置を、固定電極28,29が配置される位置よりも外側となるようにすることによって、錘部24の変位量がより大きい位置において各ストッパー23A,23Bが錘部24と係合し移動を規制する。その結果、第1及び第2固定電極28,29と電極部30との衝突の防止をより確実に図ることができる。
As mentioned above, according to above-mentioned embodiment, there exist the following effects.
(1) In the first and
(2)第1及び第2のセンサ21,31は、第1及び第2固定電極28,29と電極部30(可動電極部30B)とを備える静電容量部27が錘部24の中央部に一列に集約して設けられている。このような構成では、1つの検出方向に対応する静電容量部27が1箇所に集約されることによって、第1及び第2固定電極28,29を基板12に接続する接続部28B,29Bの配置が最適化でき接続部28B,29Bの個数を削減して装置の小型化を図ることが可能となる。また、このような構成では、接続部28B,29Bが省略された部分に応じて錘部24を形成する領域を増大、即ち錘部24の重さを増大させることが可能となり、同一の大きさの静電容量を備える他の加速度センサに比べて感度を向上させることが可能となる。
(2) In the first and
(3)第1及び第2のセンサ21,31は、各可動電極部30Bの長手方向の両端が固定部81,82において錘部24と接続されている。このような構成では、可動電極部30Bの両端が錘部24に固定されることで、衝撃等により大きな加速度が加わった場合であっても、可動電極部30Bと第1及び第2固定電極28,29との衝突を防止することが可能となる。
また、可動電極部30Bの両端が錘部24に固定され撓みが生じにくい構造となっていることから、所望の静電容量とするために可動電極部30Bの長さL(図5参照)を長くした静電容量部27であっても、第1及び第2固定電極28,29と可動電極部30Bとの短絡の防止を図りつつ、感度の向上を図った加速度センサが構成できる。
(3) As for the 1st and
Further, since both ends of the
(4)第1のセンサ21は、バネ43がY,Z方向の加速度に応じて伸縮しX方向の加速度に対する伸縮が規制されることで、加速度に応じて変動する錘部24と第1〜第3固定電極28,29,55との静電容量の変化からY,Z方向の加速度が検出される。つまり、第1のセンサ21は、バネ43がX方向に対する剛性を有しており、2軸加速度センサとして構成されている。加速度センサ10は、第2のセンサ31が第1のセンサ21と同様の構成となっており、第2のセンサ31によりX,Z方向の加速度が検出されることによって、3軸加速度センサとして構成されている。このような構成では、各センサ21,31のバネ43が1方向に対する剛性を有しており、製造工程の不具合により錘部24の重心がずれ回転が生じたような状態となる虞がなく、検出精度の向上を図った加速度センサ10が構成できる。
さらに、各センサ21,31のバネ43が加速度の検出方向と直交する方向に対する剛性を有していることから、センサに大きな衝撃等が加わった場合に錘部24が検出方向と異なる方向に移動し回転するのを抑制することができる。その結果、第1及び第2固定電極28,29と電極部30との衝突の防止をより確実に図ることができる。
(4) The
Furthermore, since the
(5)加速度センサ10は、Z方向に対する加速度を第1及び第2のセンサ21,31の両方の出力を用いて検出する構成となっている。これにより、加速度センサ10は、すべてのセンサ(第1及び第2のセンサ21,31)がZ方向の加速度の検出に寄与するため、3つの1軸加速度センサで3軸加速度センサを構成する場合と比較すると、小型化に優れた構造となっている。
(5) The
(6)バネ43は、可動端43Bが固定端43Aに対して第1のセンサ21を平面視した場合に外側に位置する構成となっている。このような構成では、錘部24に作用する回転モーメントの影響が低減され、第1及び第2固定電極28,29と電極部30との衝突の防止を図ることができる。
(6) The
尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内での種々の改良、変更が可能であることは言うまでもない。
例えば、上記実施形態では、第1及び第2ストッパー23A,23Bを、第1及び第2固定電極28,29に対してX,Y方向の各々の方向で対向しない領域R1,R3,R7,R9に設けたが、当該領域において係合し錘部24の移動を規制するような構成であれば適宜変更してもよい。つまり、各領域R1,R3,R7,R9内にストッパー23A,23B自体を設けなくとも、当該領域内で係合する構成であれば上記した効果と同様の効果を得ることができる。
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that various improvements and modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
For example, in the above embodiment, the first and
また、上記実施形態において、第1及び第2ストッパー23A,23Bのどちらか一方を省略した構成としてもよい。例えば、第1のセンサ21は、検出方向で錘部24と対向する第1ストッパー23A(4つ)のみを備えた構成としてもよい。
Moreover, in the said embodiment, it is good also as a structure which abbreviate | omitted any one of 1st and
また、上記実施形態の第1及び第2ストッパー23A,23Bの形状等は一例であり、適宜変更してもよい。例えば、図16に示す第1のセンサ21Bのように、第1及び第2ストッパー23A,23Bを錘部24の外周部分に設けた構成としてもよい。第1のセンサ21Bは、第1及び第2ストッパー23A,23Bが、錘部24の外周部分において外側に向かって突出し枠部23と係合するように設けられている。このような構成においても上記した効果と同様の効果を得ることができる。
Further, the shapes and the like of the first and
また、第1のセンサ21Bは、第1及び第2ストッパー23A,23Bが錘部24の重心に対して対称となる位置に設けられている。このような構成では、加速度の検出精度を維持するために特に対称性が要求される錘部24に対し、第1及び第2ストッパー23A,23Bを対称な位置とすることで、第1及び第2固定電極28,29と電極部30との衝突の防止を図りつつ、加速度の検出精度を好適に維持することができる。
The
また、例えば、図17に示す第1のセンサ21Cのように、ストッパーを錘部24に対してZ方向に貫通させ錘部24の内側部分と係合するように構成してもよい。第1のセンサ21Cのストッパー240は、領域R1,R3,R7,R9内となる位置で基板12(図1参照)に対して立設し錘部24をZ方向に貫通する柱状に形成されている。ストッパー240は、錘部24の貫通孔が形成された部分と係合することにより錘部24の移動を規制する。これにより、第1及び第2固定電極28,29と電極部30との衝突の防止を図ることができる。このような構成においても上記した効果と同様の効果を得ることができる。なお、ストッパー240は、錘部24と対向する面に凸部が設けられ錘部24との接触面積を少なくしてスティクションの防止を図った構成としてもよい。
Further, for example, as in the
また、上記実施形態では、第1及び第2のセンサ21,31を、錘部24の平面方向における1方向の加速度が検出可能なセンサとして構成したが、2以上の方向の加速度が検出可能な構成としてもよい。例えば、図18に示す第1のセンサ21Dは、Y方向の加速度に対応する静電容量部231に加えて、X方向の加速度に対応する静電容量部232が設けられている。この場合、第1のセンサ21Dのバネ43は、例えば、X,Y,Zの3方向に対して伸縮あるいは撓動する特性を有するもので、図10(c)に示す第2種類のバネ100Bとして構成してもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the 1st and
例えば、図18に示す第1のセンサ21Dにおいて、各静電容量部231,232に設けられる第1及び第2固定電極28,29の全体を含むように平面視における外周に沿った矩形(図18の構成では正方形)の頂点を端点T1〜T4として設定してもよい。そして、端点T1〜T4に基づいて第1及び第2直線85A,85B,86A,86B及び領域R1〜R9(図6参照)を設定する。このように設定された領域R1〜R9に基づいて第1及び第2ストッパー23A,23Bの配置を決定してもよい。このような構成では、第1及び第2ストッパー23A,23BがX方向及びY方向の2つの検出方向の各々に対応して設けられるため、両方に揺動する錘部24においても各静電容量部231,232に設けられる電極の衝突をより確実に防止することができる。
For example, in the
また、上記実施形態では、接続部28B,29Bが第1及び第2固定電極28,29の長手方向の一端側に設けられていたが、これに限定されない。例えば、図19に示す第1のセンサ21Eのように、接続部28B,29Bを第1及び第2固定電極28,29の長手方向(X方向)の略中央部に設けた構成としてもよい。このような構成では、幅73の長さだけX方向の長さを短くすることが可能となり、装置の小型化を図ることが可能となる。
Moreover, in the said embodiment, although
また、上記実施形態では、静電容量部27の中心が錘部24の重心70と一致して集約されていたが、静電容量部27を錘部24の略中央部となる位置に集約してもよい。
In the above embodiment, the center of the
また、上記実施形態では、第1のセンサ21を平面視略正方形状に形成したが、これに限定されない。例えば、図20に示す第1及び第2センサ301,302は、平面視略長方形状に形成されている。第1及び第2センサ301,302は、長辺がX方向に沿って延びる平面視略長方形状に形成されている。第1センサ301のバネ311は、上記実施形態の第1のセンサ21のバネ43に比べてX方向の長さが長くY方向の長さが短くなっている。また、第2センサ302のバネ312は、上記実施形態の第2のセンサ31のバネ43に比べてX方向の長さが長くY方向の長さが短くなっている。このような構成においてもバネ311,312が1方向に対する剛性を有しており、第1及び第2センサ301,302が2軸加速度センサとして構成される。つまり、本実施形態の第1及び第2のセンサ21,31の構成によれば、構造上の制限を少なくでき形状の自由度を高めることができる。
Moreover, in the said embodiment, although the
また、各部材の形状・構成等は一例であり、適宜変更してもよい。例えば、第1のセンサ21と第2のセンサ31は異なる構造でもよい。
Further, the shape and configuration of each member is an example, and may be changed as appropriate. For example, the
ちなみに、加速度センサ10、第1のセンサ21,21A〜21E、第2のセンサ31は、加速度センサの一例として、枠部23、第1及び第2ストッパー23A,23Bは、規制部の一例として、錘部24は、錘部の一例として、第1及び第2固定電極28,29は、固定電極の一例として、電極部30、外周電極部30A及び可動電極部30Bは、可動電極の一例として、領域R1〜R9は、領域の一例として、端点T1〜T4は、矩形状の枠の頂点の一例として挙げられる。
Incidentally, the
10 加速度センサ、12 基板、21,21A〜21E 第1のセンサ、23 枠部、23A,23B 第1及び第2ストッパー、24 錘部、28 第1固定電極、29 第2固定電極、30 電極部、30A 外周電極部、30B 可動電極部、31 第2のセンサ、R1〜R9 領域、T1〜T4 端点。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記基板から遊離して揺動可能に設けられる錘部と、
前記錘部に設けられる可動電極と、
前記基板に固定されて設けられ、前記基板の平面方向に平行な検出方向の加速度に応じて前記可動電極との前記検出方向における距離が変動し、当該距離に応じて前記可動電極との静電容量が変動する固定電極と、
前記加速度に応じて揺動する前記錘部の前記検出方向に対する移動を規制する規制部と、を備え、
前記基板の平面視において前記固定電極の全体を囲み各辺が前記検出方向及び前記検出方向と直交する方向の各々に沿った矩形状の枠を設定した場合に、前記矩形状の枠の頂点のうち前記検出方向と直交する方向に沿って並ぶ2点を通る第1直線と、前記検出方向に沿って並ぶ2点を通る第2直線とで区画される9つの領域において、
前記規制部は、前記固定電極が設けられる領域及び当該領域と隣り合う領域を除く他の4つの領域内の各々において前記錘部と係合し移動を規制することを特徴とする加速度センサ。 A substrate,
A weight portion provided so as to be able to swing freely from the substrate;
A movable electrode provided on the weight portion;
The distance between the movable electrode and the movable electrode varies depending on the acceleration in the detection direction parallel to the planar direction of the substrate, and is fixed to the substrate. A fixed electrode with variable capacitance;
A regulation part that regulates movement of the weight part that swings according to the acceleration in the detection direction;
When a rectangular frame that surrounds the entire fixed electrode in plan view of the substrate and each side is set along each of the detection direction and the direction orthogonal to the detection direction is set, the vertex of the rectangular frame Of the nine regions defined by the first straight line passing through the two points aligned along the direction orthogonal to the detection direction and the second straight line passing through the two points aligned along the detection direction,
The said restriction | limiting part engages with the said weight part in each of the other 4 area | regions except the area | region where the said fixed electrode is provided, and the area | region adjacent to the said area | region, The movement sensor characterized by the above-mentioned.
前記矩形状の枠は、前記固定電極の外周に沿って設定されることを特徴とする請求項1に記載の加速度センサ。 The fixed electrode is a flat plate surface that is orthogonal to the plane of the substrate and orthogonal to the detection direction, and a plurality of the fixed electrodes are juxtaposed along the detection direction,
The acceleration sensor according to claim 1, wherein the rectangular frame is set along an outer periphery of the fixed electrode.
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