JP6002481B2

JP6002481B2 - 慣性センサ

Info

Publication number: JP6002481B2
Application number: JP2012152012A
Authority: JP
Inventors: 裕華張; 希元鄭; 山中　聖子; 聖子山中; 雅秀林
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2012-07-06
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2032-07-06
Also published as: DE102013212915A1; JP2014016175A; US9970956B2; DE102013212915A8; DE102013212915B4; US20140007685A1

Description

本発明は慣性センサに関する。

微小電気機械システム（Micro electro mechanical Systems (MEMS)）の加工技術により形成された慣性センサでは、慣性力を測定するために、可動部の変位を検出する。この変位を電気信号に変換し、電子回路によって信号処理することで、加速度、角速度、または角加速度等の慣性力を測定することができる。特に、静電容量型の慣性センサにおいては、この変位を、固定された検出電極と可動電極との間の静電容量の変化として検出する。以下、弾性梁及び可動部が加工される基板層の主面と直交する方向を面外方向といい、例えば、面外方向に働く加速度を、面外加速度ということにする。

面外方向の加速度を検出するためには、可動部の重心を、回転軸からずらす必要がある。このような可動部を持つ慣性センサの例が特許文献１に開示されている。特許文献１の図１においては、回転軸から左右それぞれの可動部の端までの長さを異なる長さとして、結果として可動部の重心を回転軸からずらしている。これに対し例えば、特許文献１の図３においては、エッチングにより可動部を回転軸に対して非対称に除去することで（除去された穴のことを「アパーチャ」と称している）、回転軸から左右それぞれの可動部の端までの長さを同一としたままで、重心を回転軸からずらしている。なお、特許文献１の構成においては、電極いずれも可動部の下に設けられている。特許文献２も特許文献１と同様の文献である。例えば図３に、回転軸から左右それぞれの可動部の端までの長さを同一としたままで、エッチングにより可動部を回転軸に対して非対称に除去した構成が開示されている。

面外方向の加速度を検出する加速度センサの別の例が、特許文献３にも記載されている。特許文献３に記載の加速度センサにおいては、回転軸に対して対称に複数の副支持柱を設け、可動部の上下の基板が歪むことによる影響を抑圧する技術が記載されている。但し、特許文献３では、可動部は回転軸に対して対称に構成されており、どのように重心を回転軸からずらしているのかは明確でない。

また別の先行技術として、近年、慣性センサをパッケージする際のコスト低減のため、トランスファ・モールド工程を用いた製造プロセスが着目されている。トランスファ・モールド工程とは、以下のような製造プロセスである。まず、ＭＥＭＳエレメントとＬＳＩ電子回路とリードフレームを金型の中に設置し、次に、温めた樹脂を、５〜２０ＭＰａ程度の高圧で金型の中に充填する。そして、この樹脂が、冷却され固まることで、ＭＥＭＳエレメントとＬＳＩ電気回路と引出し回線を固定するモールド樹脂パッケージになる。このトランスファ・モールド工程は、従来のセラミックパッケージを用いた工程よりも量産性が高く、慣性センサの製造コストを低減する上で有効なプロセスになるものと期待されている。

特表２０１０―５３６０３６号特表２００８―５４４２４３号特開２０００―１９１９８号

慣性センサのＭＥＭＳエレメントにおいては、可動部は大気圧または真空でキャビティ内に封止されている。このようなＭＥＭＳエレメントに対し、トランスファ・モールド工程を適用すると、樹脂を高圧で金型の中に充填する際に、ＭＥＭＳエレメントにも高圧が印加される。すると、エレメントの内外圧力の差が大きいため、エレメントのキャビティが変形してしまう。また、ＭＥＭＳエレメントを構成する材料（シリコン等）の熱膨張率は樹脂とは異なるため、トランスファ・モールド工程において熱を吸収及び放出する際にエレメントが変形する。さらに、形成したモールド樹脂パッケージは、吸熱吸湿で膨脹し、放熱乾燥で収縮する性質をため、モールド樹脂パッケージが設置される環境の変動に依存して，ＭＥＭＳエレメントが変形する。

このようにトランスファ・モールド工程を用いた慣性センサにおいては、様々な変形の要因が考えられ、これに伴い以下の課題が発生する。

＜非対称な歪について＞
第１に、非対称な歪の課題について説明する。

回転軸から可動部の端までの長さを変える構成（特許文献１の図１）と、可動部の一部を非対称に除去する構成（特許文献１の図３）とを比較した場合、同一条件下では前者の慣性センサの方が高感度である。後者の構成においては、可動部において、アパーチャが形成された部分は慣性量の検出に貢献しない、無駄な領域になるのに対して、前者の構成では可動部に無駄な領域が存在しないためである。また、一般にアパーチャを形成して重心をずらすよりも、可動部の端までの長さを変えて重心をずらす方が、重心をずらす効果が大きいため、前者の構成の方が、同一質量の可動部をより大きく位置変化させることが可能であり、結果として慣性量をより高感度に検出できるためである。

また、可動部に対向する検出電極は、可動部に対して上部の基板に設けられることが望ましい。ＭＥＭＳエレメント内の静電容量の変化は、ワイヤボンティングにより引き出されてＬＳＩに伝わるため、検出電極を上部に設けることで、下部に設ける場合よりも引出し配線の引き回しが容易になるためである。

しかしながら、係る要請を満たす慣性センサに対し、トランスファ・モールド工程のような高圧が印加される工程に適用すると、検出電極に非対称な歪が発生する。この非対称な歪について、図７および８を用いて説明する。図７では、可動部を、回転軸から端までの長さが左右で異なる構成とし、これに伴い回転軸からキャビティ端部までの長さも左右で異なる構成としている。また、検出電極５０５ａ、ｂはそれぞれ、可動部５０４の上部に設けられている。

係る構成のＭＥＭＳエレメントに対し、トランスファ・モールド工程により高圧を印加すると、温度や圧力などの環境が変動する。すると図８に示したように、モールド樹脂パッケージに接する上部基板は、互いに異なる変形を示す。そして、キャビティ上部に設けられる検出電極５０５ａ、ｂがそれぞれ異なる変形を示し、その結果、検出電極と可動電極間の静電容量は、互いに異なる変化を示すこととなり、図６で示す差動検出で当該静電容量を検出する際に、オフセットが発生してしまう。これが、センサ感度を悪化させる原因となる。係る非対称な歪の課題や、これを解決するための手段については、どの特許文献にも記載も示唆もない。

＜高圧に伴う歪について＞
第２に、高圧に伴う歪について説明する。トランスファ・モールド工程においては、樹脂を充填する際に、ＭＥＭＳエレメントに５〜２０ＭＰａ程度の高圧が印加される。このような高圧の工程においては、ＭＥＭＳエレメントの歪による検出電極の変化も従来の工程と比較して大きい。そのため、仮に慣性センサが、上述した非対称な歪による、検出電極の相対的な変化の影響を低減しうる構成であったとしても、検出電極の絶対的な変化も低減しうることが望ましい。特許文献３のように支柱を設けることは、係る絶対的な変化を低減するための構成の一つではあるが、可動部の構成によっても、係る絶対的な変化を低減できれば、トランスファ・モールド工程により好適である。しかしながら、そのような可動部の構成については、特許文献３は元より、いずれの特許文献にも記載も示唆もない。

本願発明は、係る課題を鑑みて為されたものであり、ＭＥＭＳエレメントの非対称な歪の影響をより低減しうる慣性センサを提供することを、第１の目的とする。または、高圧に伴うＭＥＭＳエレメントの歪の影響をより低減しうる慣性センサを提供することを、第２の目的とする。

本願発明による課題を解決するための手段のうち代表的なものを例示すれば、第１基板、第１基板の上方に設けられる第２基板、および側壁で囲まれるキャビティ内に可動部を有する慣性センサであって、第１基板および第２基板に接して設けられ、可動部を支持する支柱を有し、可動部は、慣性センサに検出方向の慣性力が印加された際に支柱を通る回転軸を中心として回転する可動部であって、第１領域と、慣性力が印加された際に第１領域とは反対の向きに変位する第２領域と、を具備し、第２基板は、第１領域に対向する第１検出電極と、第２領域に対向する第２検出電極と、を具備し、第１検出電極と第２検出電極は、回転軸を中心に対称に設けられ、キャビティは、回転軸を中心に対称に設けられ、検出方向および回転軸に垂直な方向において、回転軸から第１領域の端までの長さと、回転軸から第２領域の端までの長さが異なることを特徴とする。

または、第１基板、第１基板の上方に設けられる第２基板、および側壁で囲まれるキャビティ内に、第１および第２可動部を有する慣性センサであって、第１基板および第２基板に接して設けられ、第１可動部を支持する支柱を有し、第１可動部は、慣性センサに検出方向の慣性力が印加された際に支柱を通る回転軸を中心として回転する可動部であって、弾性梁を介して第２可動部と接続される第１領域と、慣性力が印加された際に第１領域とは反対の向きに変位する第２領域と、を具備し、第２基板は、第１領域に対向する第１検出電極と、第２領域に対向する第２検出電極と、を具備し、第１検出電極と第２検出電極は、回転軸を中心に対称に設けられ、キャビティは、回転軸を中心に対称に設けられることを特徴とする。

または、第１基板、第１基板の上方に設けられる第２基板、および側壁で囲まれるキャビティ内に可動部を有する慣性センサであって、第１基板および第２基板に接して設けられ、可動部を支持する第１支柱と、第１基板および第２基板に接して設けられ、可動部と接しない第２支柱と、を有し、可動部は、慣性センサに検出方向の慣性力が印加された際に第１支柱を通る回転軸を中心として回転する可動部であって、第１領域と、慣性力が印加された際に第１領域とは反対の向きに変位する第２領域と、を具備し、第２基板は、第１領域に対向する第１検出電極と、第２領域に対向する第２検出電極と、を具備し、第１検出電極と第２検出電極は、回転軸を中心に対称に設けられ、検出方向および回転軸に垂直な方向において、回転軸から第１領域の端までの長さと、回転軸から第２領域の端までの長さが異なることを特徴とする。

本願発明の効果のうち代表的なものを例示すれば、慣性センサにおいて、ＭＥＭＳエレメントの非対称な歪の影響をより低減しうる。または、慣性センサにおいて、高圧に伴うＭＥＭＳエレメントの歪の影響をより低減しうる。

本発明を適用した慣性センサの平面図本発明を適用した慣性センサの断面図本発明を適用した慣性センサの断面図本発明を適用した慣性センサの断面図本発明を適用した慣性センサの平面図本発明を適用した慣性センサの断面図本発明を適用した慣性センサの断面図本発明を適用した慣性センサの平面図本発明を適用した慣性センサの断面図本発明を適用した慣性センサの平面図本発明を適用した慣性センサの断面図慣性センサの差動検出の原理図従来の慣性センサの断面図従来の慣性センサが圧力により変形した際の断面図

以下、説明の都合上、基板表面に平行な方向のうち横方向（紙面左右方向）にＸ軸を、基板表面に平行な方向のうち縦方向にＹ軸を、基板表面に垂直な方向にＺ軸を取る。このように各軸を取るとき、ＸＹ平面を「面内」とも称し、Ｚ軸方向を「面外」とも称する。また、Ｚ軸方向は本発明の慣性センサの検出方向であり、Ｙ軸方向は本発明の慣性センサの回転軸が延伸する方向である。

図１（ａ）は、本実施例におけるＭＥＭＳエレメント１の、可動部１０４を含むＸＹ平面における断面図である。但し、可動部１０４のうち検出電極１０５ａ、ｂに対向する部分と、診断電極１１１に対向する部分を点線で図示している。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＭＥＭＳエレメント１をＡＡ’線で切断した、ＸＺ平面における断面図である。

図１（ａ）および（ｂ）のＭＥＭＳエレメント１においては、第１のシリコンウェハ基板１０１と、その上部に設けられる第２のシリコンウェハ基板１０２と、側壁１１８で囲まれるキャビティ１１７内に、シリコンウェハ基板１０３に形成された可動部１０４、弾性梁１１２、支持部１０９、および枠体１１５が設けられる。このように、本実施例に係る慣性センサは、望ましくは３つのシリコンウェハ基板による３層構造からなる。

支持部１０９は枠体１１５の中心に設けられ、キャビティ１１７は、支持部１０９を中心としてＸ軸対称かつＹ軸対称である。特にＸ軸方向については、支持部１０９を通る回転軸１１６を中心として対称であると言い換えることもできる。

弾性梁１１２はねじりばねであり、可動部１０４のうち、支持部１０９とＹ軸方向に対向する一組の側面部分から延設されたものである。

可動部１０４は、シリコンウェハ基板１０３に形成された慣性質量部であり、弾性梁１１２を介して支持部１０９に固定されている。可動部１０４には、電極１０７を介して所定の電圧が印加される。その結果、可動部１０４は、可動電極として機能する。可動部１０４と対向する基板１０２には、検出電極１０５ａおよび１０５ｂが形成されている。検出電極１０５ａと１０５ｂとは、回転軸１１６を中心として対称に設けられている。ここで、可動部１０４のうち、検出電極１０５ａと対向する領域を第１領域１０４―１、検出電極１０５ｂと対向する領域を第２領域１０４―２とすると、慣性センサに検出方向の加速度が印加され、可動部１０４が回転する際には、第１領域１０４―１と第２領域１０４―２とは検出方向において互いに反対の向きに変位する。

可動部１０４は、Ｙ軸方向については、ＡＡ‘線を中心として対称に設けられるが、Ｘ軸方向については、回転軸１１６を中心に非対称に設けられる。具体的には、回転軸１１６から第１領域の端までの長さＬ１と、回転軸１１６から第２領域の端までの長さＬ２が異なる。このように形成することで、可動部の重心を、回転軸１１６からずらしている。一方、このような可動部１０４に対し、キャビティ１１７は、回転軸１１６を中心に対称に設けられる。

可動部１０４は、検出電極１０５ａとの間で静電容量Ｃ_Ｎを形成し、検出電極１０５ｂとの間で静電容量Ｃ_Ｐを形成する。ここで、可動部１０４の重心は、上述の通り、回転軸１１６からずれている。そのため、慣性センサに検出方向（Ｚ軸方向）の慣性力が印加されると、可動部１０４が回転軸１１６を中心に回転する。その結果、静電容量Ｃ_ＮとＣ_Ｐのうち、一方は大きく、他方は小さくなる。このようにして、慣性力により発生した可動部の変位ｄを、静電容量Ｃの形で出力する。両者の関係は式（１）の通りであり、Ａは静電容量の平面平板の面積、εは平板間の誘電率である。

Ｃ＝εＡ／ｄ …式（１）

ここで、図１（ｃ）は特に、図１（ｂ）において、Ｃ_Ｎの平板間距離が大きくなり、Ｃ_Ｐの平板間距離が小さくなるように変位した場合を図示している。この場合は、Ｃ_Ｎの容量が小さくなり、Ｃ_Ｐの容量が大きくなる。これに対し、反対の向きの慣性力が印加された場合は、Ｃ_Ｎの容量が大きくなり、Ｃ_Ｐの容量が小さくなる。そのため、Ｃ_ＮおよびＣ_Ｐを図６に示した差動検出回路で測定することによって、慣性センサに印加された慣性力の大きさおよび方向を検出できる。

さらに、シリコンウェハ基板１０２に診断電極１１１を形成することで、慣性センサに自己診断機能を持たせることもできる。診断電極１１１は、基板１０２に形成され、可動部１０４の非対称な部分と対向した位置に配置され、慣性センサの診断時に用いられる電極である。ここで、自己診断機能とは、慣性センサの初期診断機能として用いられる機能である。具体的には、実際に外部から慣性力が印加される前に、診断電極１１１に所定の電圧を印加し、静電力により、可動部１０４を回転させる。この回転による可動部の変位を、検出電極を介して静電容量の変化として検出することで、慣性センサの可動部が固着していないことを確認できる。このように、診断電極１１１を設けることで、より高信頼な慣性センサを提供できる。

本実施例における慣性センサの製造方法について説明する。本実施例における製造方法は、ＭＥＭＳエレメント１を、SOI（Silicon On Insulator）基板に対し、フォトリソグラフィ、DRIE（Deep Reactive Ion Etching）等の加工技術を用いて加工する場合を想定している。

可動部１０４は、基板１０１に接する支持部１０８、基板１０２に接する支持部１１０、および基板１０３に設けられた支持部１０９によって支持されている。支持部１０８および支持部１１０は、それぞれシリコン・シリコン接合により支持部１０９と接合される。支持部１０８、支持部１０９、および支持部１１０は、それぞれＺ軸方向に並んで設けられ、これらがシリコンウェハ基板１０１および１０２に接する支柱１１を形成する。ここで、支柱１１は、シリコンウェハ基板間のシリコン・シリコン接合のみで形成されるため、熱膨張係数が互いに一致する材料の接合のみからなり、接合の際の変形を抑制することが可能となる。

検出電極１０５ａ、ｂ、電極１０７、および自己診断電極１１１は、シリコンウェハ基板１０２および１０３にシリコンドーピングし、貫通電極技術を用いることで形成される。この貫通電極技術とは、ドライエッチングで電極の周辺に溝を掘り、その後、絶縁膜を高温で形成し、溝を絶縁材料で埋める技術である。ここで、通常シリコンウェハに形成できる酸化膜（ＳｉＯ_２）の膜厚は最大で２μｍ程度である。そのため、溝の幅の最大値は、両側から酸化膜を形成した際の４μｍ程度になる。これに対し、シリコンドライエッチングにおける溝の幅と深さの比は、例えば１：２５程度が限界である。従って、溝の深さ、すなわちシリコンウェハ基板の膜厚１０２、１０３の膜厚は、１００μｍが上限となる。以上の数値は例示であり、工程により変わってくるものではあるが、シリコンウェハ基板の膜厚は、酸化膜の膜厚およびシリコンドライエッチングにより律則される。従って、シリコンウェハ基板の膜厚は、任意に厚くすることはできないものであり、そのため、支柱等により強度を確保する構造が必要となる。また、貫通電極技術で形成した検出電極１０５ａ、ｂ、電極１０７、および自己診断電極１１１を上部のシリコンウェハ基板１０２に設けているため、他の金属電極等を設けることなく電極からの信号を引き出すことが可能である。

トランスファ・モールド工程を適用した後の慣性センサの構造を説明する。ＭＥＭＳエレメント１は、ＬＳＩ電子回路２の上部に、接着剤等で固定される。互いに固定されたＭＥＭＳエレメント１およびＬＳＩ電子回路２は、リードフレーム３に固定される。その後、ＭＥＭＳエレメント１、ＬＳＩ電子回路２、およびリードフレーム３をワイヤボンディングによって電気的に接続し、トランスファ・モールド工程の金型に搭載する。そして、樹脂を高圧で金型に充填し、冷却させた後に金型を外すと、モールド樹脂パッケージが形成され、図２に示す構造となる。

このように、本実施例に係る慣性センサは、第１基板１０１、前記第１基板の上方に設けられる第２基板１０２、および側壁１１８で囲まれるキャビティ１１７内に可動部１０４を有する慣性センサであって、第１基板１０１および第２基板１０２に接して設けられ、可動部１０４を支持する支柱１１（支持部１０８〜１１０）を有し、可動部１０４は、慣性センサに検出方向（Ｚ軸方向）の慣性力が印加された際に支持部を通る回転軸１１６を中心として回転する可動部であって、第１領域１０４―１と、慣性力が印加された際に第１領域とは反対の向きに変位する第２領域１０４―２と、を具備する。第２基板１０２は、第１領域１０４―１に対向する第１検出電極１０５ａと、第２領域１０４―２に対向する第２検出電極１０５ｂと、を具備し、第１検出電極１０５ａと第２検出電極１０５ｂは、回転軸１１６を中心に対称に設けられ、キャビティ１１７は、回転軸１１６を中心に対称に設けられ、検出方向および回転軸１１６の延伸する方向に垂直な方向（Ｘ軸方向）において、回転軸１１６から第１領域１０４―１の端までの長さＬ１と、回転軸１１６から第２領域の端１０４―２までの長さＬ２が異なることを特徴とする。

係る構成によって、本実施例に係る慣性センサは、回転軸から可動部の両端までの長さを変えており、かつ検出電極を可動部の上部の基板に設けているため、課題の欄において詳述した、慣性センサによってより好ましいＭＥＭＳエレメント構成を実現している。

その上で、本実施例に係る慣性センサは、キャビティが回転軸を中心に対称に設けられているため、環境の変化によりキャビティが変形する際には、支柱を中心として、左右対称に変位することとなり、これに伴い検出電極も同じだけ変位することとなる。その結果、キャビティが変形したとしても、静電容量Ｃ_ＮとＣ_Ｐの変位を等しくすることが可能であるため、差動検出回路でこれらの容量変化を信号処理することによって、キャビティの変形分の容量変化をキャンセルし、キャビティの変形による影響を低減することが可能となる。

また、本実施例に係る慣性センサは、第２領域の長さＬ２（回転軸１１６から第２領域の端までの長さ）が第１領域の長さＬ１（回転軸１１６から第１領域の端までの長さ）よりも長く、第２基板１０２が、第２領域１０４―２に対向し、慣性センサの診断時に用いられる診断電極１１１を有することをさらなる特徴とする。

係る構成によって、より高信頼な慣性センサを提供しうる。特に、診断電極１１１は、第２領域１０４―２のうち、検出電極１０５ｂと対向しない部分と対向することに留意されたい。すなわち、この領域は、可動部１０４の重心を回転軸１１６からずらす部分であるとともに、自己診断機能をするための対向電極として機能する部分でもある。従って、係る構成により、従来の面外慣性センサと比較して、自己診断機能を持たせるために必要なチップ面積を低減している。

また、本実施例に係る慣性センサは、第１および第２の基板（１０１、１０２）と、可動部１０４（すなわち、可動部１０４を構成した基板１０３）とを、全てシリコンによって形成することをさらなる特徴とする。係る構成によって、複数の材料からなる場合と比較して接合の際の変形を抑制することが可能であり、さらに、シリコンウェハ基板に電圧をかけることで、外部電磁波ノイズの干渉を低減できる。

次に、実施例２について説明する。以下、実施例１と同一の構成要素については、その詳細な説明を省略し、異なる点を中心に説明する。

図３（ａ）は、本実施例に係るＭＥＭＳエレメント１のＸＹ平面における断面図である。但し、第１可動部２０４のうち検出電極２０５ａ、ｂに対向する部分、および、第２可動部２０６のうち診断電極２１１ａ、ｂに対向する部分を点線で示している。図３（ｂ）は、図３（ａ）をＡＡ‘線で切断した、ＸＺ平面における断面図である。

本実施例に係るＭＥＭＳエレメント１は、第１のシリコンウェハ基板２０１と、その上部に設けられる第２のシリコンウェハ基板２０２と、側壁２１８で囲まれるキャビティ内に、シリコンウェハ２０３内に形成された第１可動部２０４および第２可動部２０６、弾性梁２１２および２１３、支持部２０９、および枠体２１５が設けられる。

支持部２０９は枠体２１５の中心に設けられ、キャビティ２１７は、中心支持点２０９を中心としてＸ軸対称かつＹ軸対称である。特にＸ軸方向については、回転軸２１６を中心に対称であると言い換えることもできる。

弾性梁２１２は実施例１と同様のねじりばねであり、弾性梁２１３は、第２可動部２０６を第１可動部２０４に対してＺ軸方向に変位させるための弾性梁である。

第１可動部２０４および第２可動部２０６はそれぞれ、シリコンウェハ基板２０３に形成された慣性質量部である。第１可動部２０４は、弾性梁２１２を介して支持部２０９に固定されている。ここで、第１可動部２０４のうち、弾性梁２１３を介して第２可動部２０６と接する側を第１領域２０４―１、第２可動部２０６と接しない側を第２領域２０４―２とすると、第２可動部２０６の質量の分だけ、可動部全体の重心を、回転軸２１６よりも第１領域２０４―１側にずらずことが可能となる。すなわち、第１可動部２０４および第２可動部２０６をＸ軸対称に形成しつつ、面外方向の慣性力を測定可能な慣性センサを実現しうる。別の表現をすれば、回転軸２１６から第１可動部２０４の両端までの距離を等しく設け、回転軸２１６から第２可動部２０６の両端までの距離を等しく設けつつ、面外方向の慣性力を測定可能な慣性センサを実現しうる。

第１可動部２０４と対向する検出電極２０５ａ、ｂは、シリコンウェハ基板２０２に設けられ、回転軸２１６を中心に対称に設けられる。

図３（ｂ）のＭＥＭＳエレメント１に検出方向の慣性力が印加された際の断面図を図３（ｃ）に示す。図３（ｃ）と図１（ｃ）とを比較すると、第２可動部２０６も併せて変位している点は異なるが、可動電極２０４ａ、ｂが第１可動部２０４に形成されている点や、静電容量Ｃ_ＮおよびＣ_Ｐを差動検出する点は図１（ｃ）と同様であるため、実施例１と同様の方法によって慣性力の大きさおよび方向を検出することが可能である。すなわち、第２可動部２０６は、第１可動部２０４の重心を回転軸２１６からずらすための慣性質量部であり、測定の原理は実施例１と同様である。

このように、本実施例に係る慣性センサは、第１基板２０１、第１基板２０１の上方に設けられる第２基板２０２、および側壁２１８で囲まれるキャビティ２１７内に、第１可動部２０４および第２可動部２０６を有する慣性センサであって、第１基板２０１および第２基板２０２に接して設けられ、第１可動部２０４を支持する支柱１１（支持部２０８、２０９、２１０）を有し、第１可動部２０４は、慣性センサに検出方向（Ｚ軸方向）の慣性力が印加された際に支持部を通る回転軸２１６を中心として回転する可動部であって、弾性梁２１３を介して第２可動部２０６と接する第１領域２０４―１と、前記慣性力が印加された際に第１領域２０４―１とは反対の向きに変位する第２領域２０４―２と、を具備し、第２基板２０２は、第１領域２０４―１に対向する第１検出電極２０５ａと、第２領域２０４―２に対向する第２検出電極２０５ｂと、を具備し、第１検出電極２０５ａと第２検出電極２０５ｂは、回転軸２１６を中心に対称に設けられ、キャビティ２１７は、回転軸２１６を中心に対称に設けられることを特徴とする。

係る特徴により、本実施例に係る慣性センサは、実施例１の慣性センサと同様の効果を奏しつつ、さらにキャビティを対称構造にして、エレメントを小面積化することを可能としている。すなわち、実施例１と同様、特許文献１の図３のような、アパーチャを設けるタイプの慣性センサと比較して、より無駄な領域を設けることなく、重心をずらす効果をより増加させている。その上で、実施例１と比較すると、可動部全体として対称的な構造を実現しているため、キャビティ２１７を対称構造にしてもキャビティ内を効率良く活用することが可能となり、エレメント全体としての小面積化が可能である。

さらに、基板２０２のうち第２可動部２０６に対向する領域に診断電極を設けることで、第２可動部２０６を、重心を回転軸２１６からずらす領域であるとともに、自己診断機能を用いる際の対向電極として機能する領域として利用することが可能となる。

次に、図３の変形例について、図４を参照しつつ説明する。なお、図３と同一の構成要素については、その詳細な説明を省略し、以下、異なる点を中心に説明することとする。

図４において、第１可動部３０４は、弾性梁３１２を中心として、第１領域３０４―１と第２領域３０４―２とがＸ軸対称に形成され、第１領域３０４―１に、弾性梁３１３を介して第２可動部３０６が接続されている。

第２可動部３０６は、診断電極３１１に対向する第１領域３０６―１と、診断電極３１４に対向する第２領域３０６―２とが、弾性梁３１２を中心とした場合はＸ軸対称に形成されているが、弾性梁３１３を中心とした場合はＸ軸非対称に形成されている。

ここで、第１可動部３０４は弾性梁３１２を回転軸として、第２可動部３０６は弾性梁３１３を回転軸として、回転可能である。ここで、第１可動部３０４の重心は、第１領域３０４―１にのみ第２可動部が接続されていることから、弾性梁３１２に対し―Ｘ側にずれている。これに対し、第２可動部３０６の重心は、第２領域３０６―２の方が第１領域３０６―１よりも回転軸である弾性梁３１３から離れているため、弾性梁３１３に対し＋Ｘ側にずれている。

そのため、図４の第１可動部３０４と第２可動部３０６とは、検出方向の慣性力が印加された際に、検出方向において互いに反対の向きに回転する。そして、検出方向のうち特に、＋Ｚ向きに慣性力が印加される場合と、―Ｚ向きに慣性力が印加される場合とを比較すると、第１可動部３０４も、第２可動部３０６も、それぞれ反対の向きに回転することとなる。

このようなＭＥＭＳエレメントに対し自己診断を行う場合を考える。例えば、診断電極３１１に所定の電圧を印加すると、第２可動部３０６の第１領域３０６―１が診断電極３１１に引き付けられることによって回転し、第１可動部３０４もこれに伴い回転する（その際の回転の向きは、第２可動部３０６と反対の向き）。これに対し、診断電極３１４に所定の電圧を印加すると、第２可動部３０６の回転する向きが反対になるため、第１可動部３０４の回転する向きも、これに伴い反対の向きとなる。すなわち、診断電極３１１に電圧を印加する場合と、診断電極３１４に電圧を印加する場合とで、第１可動部３０４が回転する向きを反対にすることが可能となる。そのため、一方で＋Ｚ向きに慣性力が印加された場合の診断が、他方で−Ｚ向きに慣性力が印加された場合の診断が、可能となる。

このように、図４に係る慣性センサは、第２可動部２０６に対向する電極であって、慣性センサの診断に用いられる第１および第２診断電極を有し、第１診断電極と第２診断電極は、回転軸２１６を中心に対称に設けられることを特徴とする。係る特徴によって、面外方向の慣性力のうち、特に＋Ｚ向きの慣性力が印加された場合と、―Ｚ向きの慣性力が印加された場合とを診断することが可能となり、より高信頼な慣性センサを実現しうる。

以下、実施例３における慣性センサの構成について、図５（ａ）および（ｂ）を用いて説明する。

図５（ａ）は、本実施例におけるＭＥＭＳエレメント１の、可動部４０４を含むＸＹ平面における断面図であり、可動部４０４のうち検出電極４０５ａ、４０５ｂおよび診断電極４１１に対向する部分を点線で示している。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＭＥＭＳエレメント１をＡＡ‘線で切断した、ＸＺ平面における断面図である。

図５（ａ）および（ｂ）のＭＥＭＳエレメント１において、３つのシリコンウェハ基板４０１、４０２、および４０３は、実施例１と同様の３層構造を為す。

一方、支柱１１および２２という２つの支柱を有する点は、実施例１と異なる。支柱１１は、実施例１と同様に、可動部４０４を支持する支持部４０８ａ、４０９ａおよび４１０ａからなる支柱である。これに対し支柱２２は、支持部４０８ｂ、４０９ｂ、および４１０ｂからなる支柱であり、可動部４０４を支持しない支柱である。この支柱２２は、シリコンウェハ基板４０１と４０２の間を支持し、キャビティの変形を抑制するための支柱である。支柱２２は、支柱１１から枠体４１５までの距離と、支柱１１から支柱２２までの距離が、等しくなる位置に設けられる。

可動部４０４は、シリコンウェハ基板４０３から形成されており、弾性梁４１２を介して回転可能であり、弾性梁４１２から第１領域４１２―１の端までの距離と、弾性梁４１２から第２領域４１２―２の端までの距離が異なるように形成されている。また、ＡＡ‘線を中心としてＹ軸対称に形成されている。ここで、可動部４０４が、接しない支柱２２を囲むように形成されている点は、実施例１と異なる。

検出電極４０５ａおよび４０５ｂは、回転軸４１６を中心にＸ軸対称に形成される。これに対し、キャビティ４１７は、回転軸４１６を中心としてＸ軸方向に非対称な構成である。これは一見すると、図８で説明した非対称な歪が発生する条件にも思える。しかしながら、本実施例に係るキャビティ４１７は、別途支柱２２によって支えられていることによって、回転軸４１６から支柱２２までの領域と、回転軸４１６から枠体４１５までの領域が、回転軸４１６を中心としてＸ軸対称なキャビティとして機能する。

このように、本実施例に係る慣性センサは、第１基板４０１、第１基板の上方に設けられる第２基板４０２、および側壁４１８で囲まれるキャビティ内に可動部４０４を有する慣性センサであって、第１基板４０１および第２基板４０２に接して設けられ、可動部４０４を支持する第１支柱１１と、第１基板４０１および第２基板４０２に接して設けられ、可動部４０４と接しない第２支柱２２と、を有し、可動部４０４は、慣性センサに検出方向（Ｚ軸方向）の慣性力が印加された際に第１支柱１１を通る回転軸４１６を中心として回転する可動部であって、第１領域４０４―１と、慣性力が印加された際に第１領域４０４―１とは反対の向きに変位する第２領域４０４―２と、を具備し、第２基板４０２は、第１領域４０４―１に対向する第１検出電極４０５ａと、第２領域に対向する第２検出電極４０５ｂと、を具備し、第１検出電極４０５ａと第２検出電極４０５ｂは、回転軸４１６を中心に対称に設けられ、検出方向および回転軸の延伸する方向に垂直な方向（Ｘ軸方向）において、回転軸４１６から第１領域４０４―１の端までの長さＬ１と、回転軸４１６から第２領域４０４―２の端までの長さＬ２が異なることを特徴とする。

係る特徴によって、本実施例に係る慣性センサは、キャビティの変形による影響を低減することが可能である。その上で、実施例１とは異なり、可動部４０４の支持部（支柱１１）をキャビティの中心に設置する必要がなくなるため、可動部の配置の自由度がより高く、より小型化への対応が容易となる。

１：ＭＥＭＳエレメント、２：ＬＳＩ基板、３：リードフレーム、４：モールド樹脂パッケージ、１１：支柱、２２：支柱、１０１：基板、１０２：基板、１０３：基板、１０４：可動部、１０４―１：第１領域、１０４―２：第２領域、１０５ａ：検出電極、１０５ｂ：検出電極、１０７：電極、１０８：支持部、１０９：支持部、１１０：支持部、１１１：診断電極、１１２：弾性梁、１１５：枠体、１１６：回転軸、１１７：キャビティ、１１８：側壁、２０１：基板、２０２：基板、２０３：基板、２０４：第１可動部、２０４―１：第１領域、２０４―２：第２領域、２０５ａ：検出電極、２０５ｂ：検出電極、２０６：第２可動部、２０７：電極、２０８：支持部、２０９：支持部、２１０：支持部、２１１ａ：診断電極、２１１ｂ：診断電極、２１２：弾性梁、２１３：弾性梁、２１５：枠体、２１６：回転軸、２１７：キャビティ、２１８：側壁、３０４：可動部、３０４―１：第１領域、３０４―２：第２領域、３０５ａ：検出電極、３０５ｂ：検出電極、３０６：可動部、３０６―１：第１領域、３０６―２：第２領域、３１１：診断電極、３１２：弾性梁、３１３：弾性梁、３１４：診断電極、４０１：基板、４０２：基板、４０３：基板、４０４：可動部、４０５ａ：検出電極、４０５ｂ：検出電極、４０８ａ：支持部、４０８ｂ：支持部、４０９ａ：支持部、４０９ｂ：支持部、４１０ａ：支持部、４１０ｂ：支持部、４１１：診断電極、４１２：弾性梁、４１５：枠体、４１６：回転軸、４１７：キャビティ、４１８：側壁、５０２：基板、５０４：可動部、５０５ａ：検出電極、５０５ｂ：検出電極、５０８：支持部、５０９：支持部、５１０：支持部。

Claims

第１基板、前記第１基板の上方に設けられる第２基板、および側壁で囲まれるキャビティ内に可動部を有する慣性センサであって、
前記第１基板および前記第２基板に接して設けられ、前記可動部を支持する支柱を有し、
前記可動部は、前記慣性センサに検出方向の慣性力が印加された際に前記支柱を通る回転軸を中心として回転する可動部であって、第１領域と、前記慣性力が印加された際に前記第１領域とは反対の向きに変位する第２領域と、を具備し、
前記第２基板は、前記第１領域に対向する第１検出電極と、前記第２領域に対向する第２検出電極と、を具備し、
前記第１検出電極と前記第２検出電極は、前記回転軸を中心に対称に設けられ、
前記キャビティは、前記回転軸を中心に対称に設けられ、
前記検出方向および前記回転軸の延伸する方向に垂直な方向において、前記回転軸から前記第１領域の端までの長さと、前記回転軸から前記第２領域の端までの長さが異なることを特徴とする慣性センサ。
請求項１において、
前記回転軸から前記第２領域の端までの長さは、前記回転軸から前記第１領域の端までの長さよりも長く、
前記第２基板は、前記第２領域に対向し、前記慣性センサの診断時に用いられる診断電極をさらに有することを特徴とする慣性センサ。
請求項１において、
前記第２基板に接するモールド樹脂パッケージをさらに有することを特徴とする慣性センサ。
請求項１において、
前記第１基板、前記第２基板、および前記可動部は、シリコンからなることを特徴とする慣性センサ。
請求項１において、
前記慣性力は、前記検出方向の加速度であることを特徴とする慣性センサ。
第１基板、前記第１基板の上方に設けられる第２基板、および側壁で囲まれるキャビティ内に、第１および第２可動部を有する慣性センサであって、
前記第１基板および前記第２基板に接して設けられ、前記第１可動部を支持する支柱を有し、
前記第１可動部は、前記慣性センサに検出方向の慣性力が印加された際に前記支柱を通る回転軸を中心として回転する可動部であって、弾性梁を介して前記第２可動部と接続される第１領域と、前記慣性力が印加された際に前記第１領域とは反対の向きに変位する第２領域と、を具備し、
前記第２基板は、前記第１領域に対向する第１検出電極と、前記第２領域に対向する第２検出電極と、を具備し、
前記第１検出電極と前記第２検出電極は、前記回転軸を中心に対称に設けられ、
前記キャビティは、前記回転軸を中心に対称に設けられることを特徴とする慣性センサ。
請求項６において、
前記第２基板は、前記第２可動部に対向する電極であって、前記慣性センサの診断時に用いられる第１診断電極をさらに有することを特徴とする慣性センサ。
請求項７において、
前記第２基板は、前記第２可動部に対向する電極であって、前記慣性センサの診断時に用いられる第２診断電極を更に有し、
前記第１診断電極と前記第２診断電極は、前記回転軸を中心に対称に設けられることを特徴とする慣性センサ。
請求項６において、
前記第１可動部および前記第２可動部は、前記回転軸を中心に対称に設けられることを特徴とする慣性センサ。
請求項６において、
前記第１可動部は、前記回転軸を中心に対称に設けられ、
前記第２可動部は、前記回転軸を中心に非対称に設けられることを特徴とする慣性センサ。
請求項６において、
前記第２基板に接するモールド樹脂パッケージをさらに有することを特徴とする慣性センサ。
請求項６において、
前記第１基板、前記第２基板、前記第１可動部、および前記第２可動部は、シリコンからなることを特徴とする慣性センサ。
第１基板、前記第１基板の上方に設けられる第２基板、および側壁で囲まれるキャビティ内に可動部を有する慣性センサであって、
前記第１基板および前記第２基板に接して設けられ、前記可動部を支持する第１支柱と、
前記第１基板および前記第２基板に接して設けられ、前記可動部と接しない第２支柱と、を有し、
前記可動部は、前記慣性センサに検出方向の慣性力が印加された際に前記第１支柱を通る回転軸を中心として回転する可動部であって、第１領域と、前記慣性力が印加された際に前記第１領域とは反対の向きに変位する第２領域と、を具備し、
前記第２基板は、前記第１領域に対向する第１検出電極と、前記第２領域に対向する第２検出電極と、を具備し、
前記第１検出電極と前記第２検出電極は、前記回転軸を中心に対称に設けられ、
前記検出方向および前記回転軸に垂直な方向において、前記回転軸から前記第１領域の端までの長さと、前記回転軸から前記第２領域の端までの長さが異なり、前記回転軸から前記第２領域の端までの長さと、前記回転軸から前記第２支柱までの長さが等しいことを特徴とする慣性センサ。
請求項１３において、
前記キャビティは、前記回転軸を中心に非対称に設けられることを特徴とする慣性センサ。
請求項１３において、
前記慣性力は、前記検出方向の加速度であることを特徴とする慣性センサ。