JP6343102B2 - 慣性力センサ - Google Patents

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Description

本発明は慣性力センサに関し、特に、車両、飛行機、ロボット、携帯電話、ビデオカメラ等の運動体の運動状態を測定する加速度センサ及び、角速度センサなどに関するものである。
近年、デジタルカメラの手ブレ防止、自動車やロボット等の姿勢制御などを目的にして、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems））素子を用いた慣性力センサが幅広く用いられつつある。
一般的に、この種の慣性力センサは、シリコン等の半導体基板やガラス基板等をエッチング等のＭＥＭＳ加工プロセスを用いて加工することにより形成され、一定の雰囲気、圧力環境下で別の基板を張り合わせることにより、気密封止された空隙を形成している。例えば、特許文献１には、加速度検知部と角速度検知部を備えた慣性力センサが記載されている。
加速度検知部は、可動機構部品が錘、梁等で構成された可動体であり、加速度が加わると、可動体が変位する。この可動体の変位量を検出することで加速度を検出する。一方、角速度検知部は、可動機構部品が振動体であり、この振動体がある一定の周波数で駆動しているときに、角速度が加わると、コリオリ力が発生する。このコリオリ力により、振動体が変位する。このコリオリ力による振動体の変位量を検出することで角速度を検出する。
特許第５２９８０４７号公報
ところで、上述した従来技術において、加速度検知部、角速度検知部は、同一基板上に設置されている。加速度検知部、角速度検知部夫々で、検出感度や周波数応答性等の要求性能が異なる為、検知部の構造を決める固有振動数や電極寸法等が異なる。例えば、固有振動数ｆは、式（１）のように錘の質量ｍと梁のばね定数ｋとの関係で示される
Figure 0006343102
この時、錘の質量ｍは式（２）で示され、ばね定数ｋは式（３）で示される
Figure 0006343102
式（２）中、Ｓ、ｈ、ρは、以下の数値である。
Ｓ：面積（基板表面から見た錘の面積）
ｈ：基板厚さ（基板表面から見た錘の厚さ）
ρ：密度（基板を構成する材料の密度）
Figure 0006343102
式（３）中、α、ｗ、ｌ、Ｅは、以下の数値である。
α：定数
ｗ：梁幅（基板表面から見た梁の幅）
ｌ：梁の長さ
Ｅ：ヤング率
そして、式（１）、式（２）、式（３）より、固有振動数ｆは式（４）で示される。
Figure 0006343102
しかしながら、前記複合センサにおいて、加速度検知部の固有振動数ｆ１は、１ｋＨｚ〜３ｋＨｚ程度とされているのに対し、角速度検知部の固有振動数ｆ２は、１５ｋＨｚ〜２５ｋＨｚ程度とされ、夫々で異なる場合がある。
例えば、角速度検知部と加速度検知部を同一の基板で作成する場合、前記基板厚さｈは共通となる。また、前述したＭＥＭＳ加工プロセスの観点から、前記梁幅ｗも共通としたほうが加工形状のバラつきを同じとすることができる。そのため、異なる固有振動数ｆ１とｆ２を実現するには、前記面積Ｓ、前記梁の長さｌを夫々で変えることになる。
しかしながら、角速度検知部において、角速度印加時に発生するコリオリ力Ｆｃは、角速度Ωに対して、式（５）及び式（６）に示す関係となる。そのため、コリオリ力を大きくするためには、錘ｍ２２の質量は大きくしたほうがよく、固有振動数ｆ２を固有振動数ｆ１よりも高くするために、錘ｍ２の質量を小さくすることは難しい。
Figure 0006343102
式（５）中、ｍ２１、ｍ２２は、以下の数値である。
ｍ２１：錘ｍ２において、角速度Ωに対して反応しない可動部の質量
ｍ２２：錘ｍ２において、角速度Ωに対して反応する可動部の質量
Figure 0006343102
式（６）中、ｖは、以下の数値である。
ｖ：錘ｍ２駆動時の速度
上述した課題を解決するために、本発明の慣性力センサは、検知部を形成した層を有し、前記層は２つ以上積層された積層構造体とすることが有効である。それにより、夫々の検知部において厚さｈは任意の厚さとすることができる。
上記の目的を達成するため、本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
請求項１記載の発明では、慣性力センサにおいて、検知部を形成した層を有し、前記層は２つ以上積層された積層構造体であることを特徴としている。本発明によれば、検知部は積層されているため、検知部を平面上に並べたものよりも小型とすることができる。
請求項４記載の発明では、慣性力センサにおいて、少なくとも１組の検知部は、可動体と電極が夫々別の層に形成されていることを特徴としている。本発明によれば、前記可動体が平面に対して垂直方向に可動し、この運動を検知する場合、前記電極は前記可動体の平面に対して対向した位置、つまり別の層に設置される。この時、請求項５記載の発明のように、可動体と電極が夫々別の層に形成した検知部において、前記電極は別の検知部の可動体を形成した層と同一の層に形成することにより、前記電極の層を別に設けなくてよい為に、センサチップの高さを低くすることができる。
請求項６記載の発明では、慣性力センサにおいて、少なくとも１組の検知部は２つ以上有り、アレイ状に配置されていることを特徴としている。本発明によれば、例えば、前記アレイにおいて、夫々の検知部は平面上に直交した方向に配置することで、２次元方向の慣性力を検知することができる。一方で、例えば、前記アレイにおいて、夫々の検知部が平面上に同じ方向に配置とすることで、夫々の検知部間の位置ずれを検知し、前記アレイを形成しているセンサチップで発生している反りや曲りを検出することができ、これを外部回路で補正することで、センサの検出精度を向上することができる
本発明の実施形態１におけるセンサチップ１０の全体図。 図１のI−I断面図。 図２のII−II断面を示す平面図。 図２のIII−III断面を示す平面図。 図３の変形例。 加速度信号検出の原理図。 角速度信号検出の原理図 図４の変形例。 本発明の実施形態１におけるチップパッケージ４の断面図。 図９の変形例。 本発明の実施形態２におけるセンサチップ１０ａの断面図。 図１１のIV−IV断面を示す平面図。 図１１のV−V断面を示す平面図。 図１１の変形例。 本発明の実施形態３におけるセンサチップ１０ｂの断面図。 図１５のVI−VI断面を示す平面図。 図１５のVII−VII断面を示す平面図。 図１５の変形例。 本発明の実施形態４におけるセンサチップ１０ｃの全体図。 図１９のVIII−VIII断面図。
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
また、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。
（実施形態１）
本実施形態では、加速度と角速度を検出するセンサチップを用いて、発明を説明する。図１は、本発明の実施形態１におけるセンサチップ１０の全体図である。図２は、図１のI―I断面図である。図３は、図２のII―II断面を示す平面図である。図４は、図２のIII―III断面を示す平面図である。図５は、図２の変形例である。図６は、加速度信号検出の原理図である。図７は、角速度検出信号の原理図である。
本実施形態において、センサチップ１０は、ｙ軸方向の加速度を検知する加速度検知部２０と、ｚ軸周りの角速度を検知する検知部３０で構成されている。センサチップ１０は、加速度検知部２０が第一の積層体１に形成され、角速度検知部３０が第二の積層体２に形成されている。、図２で示すように、第一の積層体１と第二の積層体２は積層され、後述の外部回路との接続のために、加速度検知部２０の信号と角速度検知部３０の信号は、同じ側で取り出されている。
まず、第一の積層体１と加速度検知部２０について説明する。
第一の積層体１は、単結晶シリコンから成る第一の基板１ａと、同じく単結晶シリコンからなる第二の基板１ｂと、酸化膜１ｃとを有し、第一の基板１ａと第二の基板１ｂとの間に酸化膜１ｃを挟みこむようにして積層された構成である。なお、前記積層体１においては、シリコンとガラスを貼り合わせた基板、若しくは、前記第二の基板１ｂの役割を成すシリコン基板上に、酸化膜１ｃの役割を成す絶縁膜を形成し、その上部に第一の基板１ａの役割を成すポリシリコン膜など導電性膜を成膜した基板を用いても構わない。
そして、前記積層体１をフォトリソグラフィとＤＲＩＥ(Deep Reactive Ion Etching)を用いて加工することで、加速度検知部２０を形成する。
加速度検知部２０は、図３で示すように、前記第一の基板１ａに形成されている。加速度検知部２０は、錘２１と、前記第二の基板１ｂに前記酸化膜１ｃを介して支持固定されている固定部２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄと、この固定部に連結され、後述する錘２１を可動（Y）方向に可動状態となるように支えている梁２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄを有する。
このとき、錘２１は、前記梁に懸架され、可動となるために、錘２１の周辺は空洞２９で囲まれた中空状態となっている。
そして、加速度印加により可動である錘２１と、錘２１の変位量を静電容量の変化として検出するために、錘２１と静電容量を形成する電極２４ａ、２４ｂと、外部回路との間で信号のやり取りを行う電極２５ａ、２５ｂ、２６ａが構成されている。電極２５ａ、２５ｂ、２６ａは、電極２４ａに対して電極２５a、電極２４ｂに対して電極２５ｂ、錘２１に対して電極２６ａというように構成されている。
前記電極２５ａ、２５ｂ、２６ａを、外部回路と接続するためには、これらを前記積層体外部に取り出す必要があり、図２で示すように、第二の基板１ｂと酸化膜１ｃと後述の電極５２を絶縁するための絶縁膜１ｄを貫通する、貫通電極５０を形成し、貫通電極５０は電極５２に接続される。
貫通電極５０において、貫通電極５０が貫通する基板とは電気的に絶縁するために、貫通電極５０の外周は絶縁膜５１で覆われている。一方、貫通電極５０の内部は、ポリシリコンや金属等の導電性材料が埋め込みなどにより形成されている。
更に、後述の角速度検知部３０を構成する電極を外部回路と同じ側で接続するために、第一の基板１ａと第二の基板１ｂと酸化膜１ｃと絶縁膜１ｄとを貫通する、貫通電極６０を形成し、これを介して、電極６２に接続される。なお、貫通電極６０は貫通電極５０と同様に、外周は絶縁膜６１で覆われ、内部はポリシリコンや金属等の導電性材料で形成されている。
続いて、本実施形態１における加速度検知部２０の動作について説明する。本実施の形態１では、主に図３に示す錘２１の質量ｍ１、梁２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの可動（ｙ）方向のバネ定数の合計をｋ１とする。このとき、錘２１の可動（ｙ）方向に、加速度ａ１が印加された場合に、錘２１に力Ｆ１が発生すると、錘２１は可動（ｙ）方向に変位し、変位量ｙ１が発生する。この関係は式（７）で示される。
Figure 0006343102
変位ｙ１が発生すると、錘２１と電極２４a、電極２４ｂの距離が変動し、錘２１と左側の電極２４ａの静電容量と、錘２１と右側の電極２４ｂの静電容量は、それぞれ減少方向と増加方向に変化する。例えば、錘２１が図３の右側方向に変位する場合、錘２１と左側の電極２４aとの間の距離は大きくなるので静電容量は減少し、錘２１と右側の電極２４ｂとの間の距離は小さくなるので静電容量は増加する。
この静電容量の変化は、外部の集積回路１００に出力されて処理される。
具体的には、図６に示すように、半導体チップ３に形成されている集積回路１００から静電容量を検出するための搬送波１０１を図３に示す電極２４ａと接続された電極２５ａ、若しくは電極２４ｂと接続された電極２５ｂに印加する。すると、図３に示す錘２１に梁２２ａを介して連結している固定部２３ａと接続された電極２６ａから静電容量変化の信号が出力される。即ち、加速度検知部２０からの静電容量変化の信号がＣＶ変換部１０２に入力される。この時、図６に示すように、搬送波１０１を電極２５aと電極２５ｂとで逆相の波形となるように印加しても良く、その場合、加速度検知部２０からの静電容量変化の信号はＣＶ変換部１０２に差動入力することができる。それにより、加速度検出感度を高くすることができる。
ＣＶ変換部１０２では、静電容量変化が電圧信号に変換された後、この電圧信号が同期検波部１０３に出力される。同期検波部１０３では必要な信号成分のみを取り出し、最終的に電圧の形態で加速度信号１０４を出力する。このとき、錘２４の変位量ｙ１は、可動体の質量ｍ１と、梁２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄのバネ定数の合計ｋ１が一定であれば印加された加速度に比例することから、変位量ｙ１に比例する出力電圧（加速度信号）をモニタすることで、印加された加速度を検出することができる。以上のようにして、本実施形態１における加速度センサが動作する。
以上が、本実施形態の第一の積層体１に形成した、加速度検知部２０についての説明であるが、例えば、加速度検知部２０をｚ軸周りで、９０度回転した配置とすることにより、ｘ軸方向の加速度を検知するようになる。
更に、第一の積層体１には、図５で示すように、加速度検知部２０に隣接して、加速度検知部２０とはｚ軸周りで９０度回転した加速度検知部２０ａを形成することで、第一の積層体１ではｘ軸方向とｙ軸方向の2軸の加速度を検出することができる。
次に、第二の積層体２と角速度検知部３０について説明する。
本実施形態の角速度検知部３０は、前記第一の積層体１と同様に、第二の積層体２により形成される。
角速度検知部３０は、図４で示すように、前記第二の積層体２を構成する、第一の基板２ａに形成されている。角速度検知部３０は、第二の基板２ｂに酸化膜２ｃを介して支持固定されている固定部３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄと、この固定部に連結され、後述する第一の錘３１を可動状態に支えている第一の梁３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄと、前記梁に懸架され、可動（X）方向に可動である第一の錘３１と、第一の錘３１を駆動するため、錘３１と静電容量を形成する電極３４ａ、３４ｂを有している。
更に、角速度検知部３０は、第二の錘３７を第一の錘３１に連結し、第二の錘３７を第一の錘３１とは直行する（Y）方向へ可動状態に支えている第二の梁３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄを有し、角速度印加により、第一の錘３１とは直行（ｙ）方向に可動する第二の錘３７と、第二の錘３７の角速度印加時の変位量を静電容量の変化として検出するため、第二の錘３７と静電容量を形成する電極３９ａ、３９ｂを有している。
そして、角速度検知部３０は、外部回路と信号のやり取りを行うための電極として、電極３４ａに対して電極３５ａ、電極３４ｂに対して電極３５ｂ、第二の錘３７に３６ａ、電極３９ａに対して４０ａ、電極３９ｂに対して４０ｂを有している。
前記電極３５ａ、３５ｂ、３６ａ、４０ａ、４０ｂを、外部回路と接続するためには、これらを前記積層体２外部に取り出す必要がある。ここでは、まず、加速度検知部２０と同様に、第二の基板２ｂと酸化膜２ｃと、後述の電極５２ａを絶縁するための絶縁膜２ｄを貫通する、貫通電極５０ａが形成され、貫通電極５０ａは電極５２ａに接続される。なお、貫通電極５０ａは、貫通電極５０と同様に、外周は絶縁膜５１ａで覆われ、内部はポリシリコンや金属等の導電性材料で形成されている。
更に、電極５２ａを前記第一の積層体１に形成した電極５２と同じ側に取り出すために、電極５２ａを平面方向に延長し、加速度検知部２０に形成した前記貫通電極６０と同様に、第一の基板２ａと第二の基板２ｂと酸化膜２ｃと絶縁膜２ｄとを貫通する、貫通電極６０ａが形成され、電極５２ａに接続される。このとき、貫通電極６０ａは、貫通電極６０と電気的に接続される位置とすることで、電極５２ａの信号は、電極５２と同じ側にある電極６２に接続される。なお、貫通電極６０ａは、貫通電極６０と同様に、外周は絶縁膜６１ａで覆われ、内部はポリシリコンや金属等の導電性材料で形成されている。
続いて、本実施形態１における角速度検知部３０の動作について説明する。
まず、第一の錘３１をｘ軸方向に一定の周波数fと一定の振幅Ｘｅで振動した状態とするために、第一の電極３４ａ、３４ｂに周波数ｆの交流電圧を印加し、第一の錘３１と第一の電極３４ａ及び３４ｂ間に静電気力を発生させ、ｘ軸方向に、第一の錘３１を振動させる。この交流電圧は、外部の集積回路２００に備わる発振器２０５で生成される。なお、発振器２０５において、所定の電圧とするために、増幅器２０６を介しても良い。
前記第一の錘３１がｘ軸方向に振動した状態で、第二の振動体である錘３７は、ｘ軸方向に第一の錘３１と連動して振動する。このとき、第一の錘３１のｘ軸方向の変位ｘとその速度ｖの関係は式（８）により示される。
Figure 0006343102
式（８）において、ｆ、Ｘｅ、ｔは、以下の数値である。
ｆ：周波数
Ｘｅ：振幅
ｔ：時間
このような、第一の錘３１と第二の錘３７がｘ軸方向に振動した状態で、図４の紙面に直交するｚ軸周りに角速度Ωが加わった場合に、第二の錘３７の質量をｍ２２とすると、先述の式（６）で示したように、ｙ軸方向にコリオリ力Ｆｃが発生する。そして、第二の錘３７はｙ軸方向にコリオリ力Ｆｃで変位する。
第二の錘３７は、式（６）で示すコリオリ力Ｆｃによってｙ軸方向に振動し、第二の錘３７と第二の電極３９ａ、３９ｂ間の静電容量が変化する。この静電容量変化を検出することで、ｚ軸周りの角速度Ωを検出することができる。
この静電容量の変化は、外部の集積回路２００に出力されて処理される。
具体的には、図７に示すように、半導体チップ３ａに形成されている集積回路２００から静電容量を検出するための搬送波２０１を図４に示す電極３９ａと接続された電極４０a若しくは、電極３９ｂと接続された電極４０ｂに印加する。
すると、図７に示す第二の錘３７の信号は、第二の梁３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄを介し第一の錘３１に接続され、更に第一の梁３２ａを介して、固定部３３ａと接続された電極３６ａから静電容量変化の信号が出力される。即ち、電極３６aからの静電容量変化の信号が、集積回路２００のＣＶ変換部２０２に入力される。
この時、図７で示すように、搬送波２０１を電極４０aと電極４０ｂとで逆相の波形と
なるように印加しても良く、その場合、角速度検知部３０からの静電容量変化の信号がＣＶ変換部２０２に差動入力することができる。それにより、角速度検出感度を高くすることができる。
ＣＶ変換部２０２では、静電容量変化が電圧信号に変換された後、この電圧信号が同期検波部２０３に出力される。同期検波部２０３では必要な信号成分のみを取り出して最終的に電圧の形態で角速度信号２０４を出力する。
なお、第二の振動体である錘３７の変位量の測定方法としては、錘３７と電極３９ａ、３９ｂ間の静電容量変化、すなわち、錘３７のｙ軸方向の変位量が０になるように、電極３９ａ、３９ｂ間に印加する電圧をサーボ制御し、その印加電圧より、コリオリ力Ｆｃを求めても良い。
また、図４の変形例として、図８で示すように、前記角速度検知部３０を２個並べ、左側の角速度検知部３０ｑ１、右側の角速度検知部３０ｑ２を備え、お互いを第一の基板２aに形成した第三の梁４１で接続した構造とすることができる。そして、左側の第一の錘３１ｑ１と右側の第一の錘３１ｑ２とを互いに逆相に振動させることによって、外部からの加速度をキャンセル又は相殺しつつ、角速度の検出信号を左側の第二の錘３７ｑ１と右側の第二の錘３７ｑ２との足し合わせとして感度良く検出することができ、振動子の振動を外部に漏れにくくすることもできるという利点がある。
以上が、本実施形態の第二の積層体２に形成した、角速度検知部３０についての説明であるが、例えば、第二の積層体２に、前記加速度検知部２０と同様に加速度検知部２０ｂを形成してもよい。
この時、加速度検知部２０ｂは、前記加速度検知部２０に対してｚ軸周りで９０度回転した配置とすることで、加速度検知部２０はｙ軸方向の加速度を検知する一方で、加速度検知部２０ｂはｘ軸周りの加速度を検知するため、センサチップ１０はｘ軸方向とｙ軸方向の加速度を検出する２軸の加速度センサとすることができる。
また、前記加速度検知部２０ｂは、前記加速度検知部２０と同じ向きに配置とし、一方で、梁や錘の寸法、第一の基板２ａの厚さを変え、式（７）に示す、ばね定数ｋ１や質量ｍ１を異なる値とすることで、加速度の検出範囲を変えることができる。これにより、センサチップ１０は、検出精度を損なうことなく、検出範囲を広くした１軸の加速度センサとすることができる。
更に、本実施形態の第―の積層体１において、前記角速度検知部３０と同様に、角速度検知部３０ａを形成しても良い。この時、梁や錘の寸法、第一の基板１ａの厚さを変え、式（８）や式（９）に示す、周波数ｆや錘の質量ｍ２を異なる値とすることで、角速度の検出範囲を変えることができ、センサチップ１０は、検出精度を損なうことなく、検出範囲を広くした１軸の角速度センサとすることができる。
また、前記集積回路１００と前記集積回路２００は、同じ半導体チップ３に形成することで、半導体チップを小型化することができる。
以上で構成されるセンサチップ１０は、図９に示すように、チップパッケージ４に組み立てられる。センサチップ１０は、前記第二の積層体２の絶縁膜２ｄ側の面を半導体チップ３上に、接着材７０を介して実装され、センサチップ１０の前記電極５２、６２が、第一のワイヤボンディング７１により、半導体チップ３と電気的に接続される。そして、半導体チップ３は、リードフレーム７２上に接着材７３を介して実装され、半導体チップ３とリードフレーム７２は第二のワイヤボンディング７４により電気的に接続される。そして、これらを樹脂７５にて封止することでチップパッケージ４となる。
更に、図９で示すチップパッケージ４の変形例として、図１０にチップパッケージ４ａを示す。図１０において、半導体チップ３ｂには、センサチップ１０の、電極５２、６２と向かい合う位置に、これらと接続される電極８１、８２を有しており、電極５２、８１間、電極６２、８２間は例えば半田バンプなどの導電性材料７６を介して電気的に接続されるとともに、センサチップ１０と半導体チップ３ｂは接着される。このとき、センサチップ１０と半導体チップ３ｂ間の接着信頼性を得るために、前記導電性材料７６の無い部分には、接着剤７３ａがあっても良い。以上の図１０に示す構造とすることで、第一のワイヤボンディング７１を無くすことができ、チップパッケージ４ａの高さを低くすることができる。また、センサチップ１０と半導体チップ３間の配線が短くなるため、センサの性能を向上することができる。
（実施形態２）
本発明の実施形態２として、前記センサチップ１０の変形例について述べる。
本実施形態において、センサチップ１０ａは、ｙ軸方向の加速度を検知する加速度検知部２０と、後述する図１３に紙面に直行する（ｚ軸）方向の加速度を検知する加速度検知部２０ｃで構成されていることを特徴とする。以下、図１１、図１２、図１３、図１４を説明するに当たり、図１乃至図１０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こととする。
図２の変形例を、図１１に示し、図３、図４の変形例として、図１２、図１３を示す。本センサチップ１０aにおいては、加速度検知部２０は、実施形態１と同様に、第一の積層体１で形成される。一方、加速度検知部２０ｃは、第二の積層体２で形成される他に、錘２１ｂと静電容量を形成する電極２４ａｂは、第一の積層体１に、錘２１ｂと対向する位置に形成されることを特徴としている。
加速度検知部２０ｃは、固定部２３ａｂ、２３ｂｂ、２３ｃｂ、２３ｄｂと、この固定部に連結され後述する錘２１ｂを可動（Z）方向に可動状態となるように支えている梁２２ａｂ、２２ｂｂ、２２ｃｂ、２２ｄｂを有している。また、加速度検知部２０ｃは、加速度印加によりｚ方向に可動である錘２１ｂと、錘２１ｂの変位量を静電容量の変化として検出するために、錘２１ｂと対向して静電容量を形成する電極２４ａｂを、図１３に示すように、第一の積層体の第一の基板１ａ上に有する。そして、加速度検知部２０ｃは、外部回路と信号のやり取りを行うための電極２５ａｂを有し、前述と同様に貫通電極５０が接続されるとともに、貫通電極５０の反対側に電極５２が接続される。
以上により、センサチップ１０ａは、ｙ軸方向の加速度とｚ軸方向の加速度を検出することができる。
なお、本実施形態において、図６に示すように、錘２１ｂと対向して形成する静電容量を、前記ＣＶ変換部１０２に差動入力するため、錘２１ｂと電極２４ａｂとは反対の方向に静電容量変化が生じるよう、例えば、図１４で示すように、錘２１ｂと電極２４ａｂの反対側の、第二の積層体２の第二の基板２ｂ上に、電極２４ｂｂを形成しても良い。このとき、電極２４ｂｂと第二の基板２ｂの他の部分と絶縁するために、電極２４ｂｂの側壁の周囲には絶縁部２７を設ける。また、外部回路と信号のやり取りを行うため、電極２５ｂｂを、第二の基板２ｂの電極２４ｂｂの錘２１ｂと対向しない、反対の面に設ける。以上により、前記ＣＶ変換部１０２に差動入力できるようになるため、加速度検出感度を高くすることができる
また、本実施形態において、加速度検知部２０を第二の積層体２に形成し、加速度検知部２０ｃにおいて、電極２４ａｂ、電極２５ａｂを第二の積層体２に形成し、他を第一の積層体１に形成しても良い。
更に、本実施形態の変形例として、加速度検知部２０に換わり、角速度検知部３０を形成しても良い。それにより、ｚ軸方向の加速度とｚ軸周りの角速度を検出するセンサチップとすることができる。
また、本実施形態の変形例として、加速度検知部２０ｃを複数備え、一方の加速度検知部２０ｃにおいては、電極２４ａｂ、電極２５ａｂを第二の積層体２に形成し、他を第一の積層体に形成し、もう一方の加速度検知部２０ｃにおいては、電極２４ａｂ、電極２５ａｂを第一の積層体１に形成し、他を第二の積層体２に形成しても良い。そして、夫々で、梁や錘の寸法、第一の基板１ａ、２ａの厚さを異なる値とし、式（７）に示す、ばね定数ｋ１や質量ｍ１を異なる値とすることで、夫々の加速度の検出範囲を変えることができ
、センサチップは、ｚ軸方向の加速度の検出精度を損なうことなく、検出範囲を広くすることができる。
（実施形態３）
本発明の実施形態３として、前記センサチップ１０の変形例について述べる。
本実施形態において、センサチップ１０ｂは、ｙ軸方向の加速度を検知する加速度検知部２０と、ｙ軸周りに発生する角速度を検知する加速度検知部３０ｂで構成されていることを特徴とする。以下、図１５、図１６、図１７、図１８を説明するに当たり、図１乃至図１４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こととする。
図２の変形例を、図１５に示し、図３、図４の変形例として、図１６、図１７を示す。図１５で示すように、本センサチップ１０ｂにおいては、加速度検知部２０は実施形態１と同様に、第一の積層体１で形成される。一方、角速度検知部３０ｂは、第二の積層体２で形成される他に、錘３７ｂと静電容量を形成する電極３９ａｂは第一の積層体１に、錘３７ｂと対向する位置に形成されることを特徴としている。
図１７で示すように、角速度検知部３０ｂは、第二の錘３７ｂを第一の錘３１に連結し、第二の錘３７ｂを第一の錘３１とは紙面に直行する（ｚ軸）方向へ可動状態に支えている第二の梁３８ａｂ、３８ｂｂ、３８ｃｂ、３８ｄｂを有している。また、角速度検知部３０ｂは、ｚ軸方向に可動する第二の錘３７ｂと、第二の錘３７ｂの角速度印加時のｚ軸方向変位量を静電容量の変化として検出するため、第二の錘３７ｂと対向して静電容量を形成する、電極３９ａｂを第一の積層体１の第一の基板１ａに備える。そして、角速度検知部３０ｂは、電極３９ａｂと外部回路とで信号のやり取りを行うために電極４０ａｂを有し、前述と同様に貫通電極５０が接続される。
次に、角速度検知部３０ｂの動作について、前述の角速度検知部３０の動作と、異なる点を中心に説明する。第一の錘３１と第二の錘３７ｂがｘ軸方向に振動した状態で、ｙ軸周りに角速度Ωが加わった場合に、第二の錘３７ｂの質量をｍ２２とすると、先述の式（６）で示したように、ｚ軸方向にコリオリ力Ｆｃが発生する。そして、第二の錘３７ｂはｚ軸方向にコリオリ力Ｆｃで変位する。
第二の錘３７ｂは、式（６）で示すコリオリ力Ｆｃによってｚ軸方向に振動し、第二の錘３７ｂと第二の電極３９ａｂ間の静電容量が変化する。この静電容量変化を検出することで、ｙ軸周りの角速度Ωを検出することができる。
以上により、センサチップ１０ｂは、ｙ軸方向の加速度とｙ軸周りの角速度を検出することができる。
なお、本実施形態の変形例として、例えば、角速度検知部３０をｚ軸周りで、９０度回転した配置とすることにより、ｘ軸周りの角速度を検知するようになる。
また、本実施形態において、図１８に示すように、錘３７ｂと対向して形成する静電容量を、前記ＣＶ変換部２０２に差動入力するため、錘３７ｂと電極３９ａｂとは反対の方向に静電容量変化が生じるようにしてもよい。この場合、例えば、図１８で示すように、錘３７ｂと電極３９ａｂの反対側の第二の基板２ｂ上に、電極３９ｂｂを形成しても良い。このとき電極３９ｂｂと第二の基板２ｂの他の部分と絶縁するために、電極３９ｂｂの側壁の周囲には絶縁部２７を設ける。また、外部回路と信号のやり取りを行うため、電極２５ｂｂを電極３９ｂｂの錘２１ｂと対向しない、反対の面に設ける。以上により、前記ＣＶ変換部２０２に差動入力できるようになるため、角速度検出感度を高くすることができる
更に、本実施形態の変形例として、加速度検知部２０を第二の積層体２に形成し、角速度検知部３０ｂにおいて、電極３９ａｂ、電極４０ａｂを第二の積層体２に形成し、他を第一の積層体１に形成しても良い。
また、本実施形態の変形例として、加速度検知部２０に換わり、角速度検知部３０を形成しても良い。それにより、ｚ軸周りとｙ軸周りの2軸の角速度を検出するセンサチップとすることができる。
他に、本実施形態の変形例として、角速度検知部３０ｂを複数備え、一方の角速度検知部３０ｂにおいては、電極３９ａｂ、電極４０ａｂを第二の積層体２に形成し、他を第一の積層体１に形成し、もう一方の角速度検知部３０ｂにおいては、電極３９ａｂ、電極３９ａｂを第一の積層体１に形成し、他を第二の積層体２に形成しても良い。
このとき、この時、梁や錘の寸法、第一の基板１ａの厚さを変え、式（８）や式（９）に示す、周波数ｆや錘の質量ｍ２を異なる値とすることで、角速度の検出範囲を変えることができ、センサチップ１０ｂは、検出精度を損なうことなく、検出範囲を広くした１軸の角速度センサとすることができる。
もしくは、片方の角速度検知部３０ｂを、もう一方の角速度検知部３０ｂに対して、ｚ軸周りで９０度回転した配置とすることにより、ｙ軸周りとｘ軸周りの2軸の角速度を検出するセンサチップとすることができる。
（実施形態４）
本発明の実施形態４として、前記センサチップ１０の変形例について述べる。本実施形態において、センサチップ１０ｃは、加速度を検知する加速度検知部２０と、角速度検知部３０と圧力を検出する圧力検知部３００で構成される。
以下、図１９、図２０を説明するに当たり、図１乃至図１８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こととする。
図１の変形例を、図１９に示し、図２の変形例を図２０示す。本センサチップ１０ｃにおいては、加速度検知部２０は、実施形態１と同様に、第一の積層体１で形成される。一方、角速度検知部３０は、第二の積層体２で形成される。そして、圧力検知部３００は第３の積層体３０１で形成される。
圧力検知部３００は、基板３０１ａには、圧力印加によって面内の垂直方向に変形する変形部３０２を備え、変形部３０２の直下に空洞３０３が酸化膜３０１ｃもしくは酸化膜３０１ｃと基板３０１ｂの一部に形成される。
なお、前記変形部３０２の変形を空洞の静電容量で検出する場合、変形部３０２と空洞３０３を介して対向した、基板３０１ｂ側に電極３０４を形成する。このとき電極３０４と第二の基板３０１ｂの他の部分と絶縁するために、電極３０４の側壁の周囲には絶縁部３０５を設ける。
一方で、前記変形部３０２の変形は、前記変形部３０２のピエゾ抵抗変化を検出するよう構成しても良い。
また、本センサチップ１０ｃのチップパッケージにおいては、前記変形部３０２の直上には樹脂７５が無いようにすることで、圧力検知の精度を向上することができる。
以上のセンサチップ１０ｃにおいて、例えば、圧力検知部３００が大気圧（０．１ＭＰａ）近傍を検知し、前記半導体チップ３などに温度測定機能を有する場合、このときの気圧Ｐは、例えば、式（９）に示すように、標高Ｈに換算することができる。つまり、センサチップ１０ｃの位置を高精度に検出することができる。
Figure 0006343102
式（９）において、Ｐ０、Ｔは、以下の数値である。
Ｐ０：海面気圧
Ｔ：温度
その他に、例えば、センサチップ１０ｃにおいて、圧力検知部３００が、タイヤ内に充填した気体の圧力（０．１ＭＰａ〜１ＭＰａ程度）を検知する場合、前記センサチップをタイヤもしくはタイヤホイール内部に設置することで、加速度検知部２０と角速度検知部３０で、タイヤもしくはタイヤホイールの回転を検知すると同時に、圧力検知部３００でタイヤ内部の圧力を検知することができる。これにより、タイヤの状態を高精度に監視でき、車両の走行安全性を向上できる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の慣性力センサは、これらに限定されているものでなく、種々の変更が可能である。例えば、第一の積層体１、第二の積層体２、第３の積層体はそれぞれ２つ上あっても良い。また、夫々の積層体において、検知部は２つ以上、もしくは２種類以上あっても良い。また、チップパッケージ４及び４ａはリードフレーム７２ではなく、樹脂基板もしくはセラミクスを採用し、基板の裏面に半田ボールにより電極を取り出した、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｕｄ Ａｒｒａｙ）パッケージとしてもよい。
１ 第一の積層体
１ａ 第一の基板（第一の積層体）
１ｂ 第二の基板（第一の積層体）
１ｃ 酸化膜（第一の積層体）
１ｄ 絶縁膜（第一の積層体）
２ 第二の積層体
２ａ 第一の基板（第二の積層体）
２ｂ 第二の基板（第二の積層体）
２ｃ 酸化膜（第二の積層体）
２ｄ 絶縁膜（第二の積層体）
３ 半導体チップ
３ａ 半導体チップ
３ｂ 半導体チップ
４ チップパッケージ
４ａ チップパッケージ（変形例）
１０ センサチップ
１０ａ センサチップ
１０ｂ センサチップ
１０ｃ センサチップ
２０ 加速度検知部（ｙ軸方向）
２０ａ 加速度検知部（ｘ軸方向）
２０ｂ 加速度検知部
２０ｃ 加速度検知部（ｚ軸方向）
２１ 錘
２１ｂ 錘
２２ａ 梁
２２ｂ 梁
２２ｃ 梁
２２ｄ 梁
２２ａｂ 梁
２２ｂｂ 梁
２２ｃｂ 梁
２２ｄｂ 梁
２３ａ 固定部
２３ｂ 固定部
２３ｃ 固定部
２３ｄ 固定部
２３ａｂ 固定部
２３ｂｂ 固定部
２３ｃｂ 固定部
２３ｄｂ 固定部
２４ａ 電極
２４ｂ 電極（差動用）
２４ａｂ 電極
２４ｂｂ 電極（差動用）
２５ａ 電極（外部回路接続用）
２５ｂ 電極（外部回路接続用）
２５ａｂ 電極（外部回路接続用）
２５ｂｂ 電極（外部回路接続用）
２６ａ 電極（外部回路接続用）
２９ 空洞
３０ 角速度検知部（ｚ軸周り）
３０ａ 角速度検知部（ｚ軸周り）
３０ｂ 角速度検知部（ｙ軸周り）
３０ｑ１ 角速度検知部（左側）
３０ｑ２ 角速度検知部（右側）
３１ 第一の錘
３１ｑ１ 第一の錘（左側）
３１ｑ２ 第一の錘（右側）
３２ａ 第一の梁
３２ｂ 第一の梁
３２ｃ 第一の梁
３２ｄ 第一の梁
３３ａ 固定部
３３ｂ 固定部
３３ｃ 固定部
３３ｄ 固定部
３４ａ 第一の電極
３４ｂ 第一の電極
３５ａ 電極（外部回路接続用）
３５ｂ 電極（外部回路接続用）
３６ａ 電極（外部回路接続用）
３７ 第二の錘
３７ｂ 第二の錘
３７ｑ１ 第二の錘（左側）
３７ｑ２ 第二の錘（右側）
３８ａ 第二の梁
３８ｂ 第二の梁
３８ｃ 第二の梁
３８ｄ 第二の梁
３８ａｂ 第二の梁
３８ｂｂ 第二の梁
３８ｃｂ 第二の梁
３８ｄｂ 第二の梁
３９ａ 第二の電極
３９ｂ 第二の電極（差動用）
３９ａｂ 第二の電極
３９ｂｂ 第二の電極（差動用）
４０ａ 電極（外部回路接続用）
４０ｂ 電極（外部回路接続用）
４０ａｂ 電極（外部回路接続用）
４１ 第三の梁
４９ 空洞
５０ 貫通電極
５０ａ 貫通電極
５１ 絶縁膜（貫通電極外周）
５１ａ 絶縁膜（貫通電極外周）
５２ 電極
５２ａ 電極
６０ 貫通電極
６０ａ 貫通電極
６１ 絶縁膜（貫通電極外周）
６１ａ 絶縁膜（貫通電極外周）
６２ 電極
７０ 接着剤
７０ａ 接着剤
７１ 第一のワイヤボンディング
７２ リードフレーム
７３ 接着剤
７４ 第二のワイヤボンディング
７５ 樹脂
７６ 導電性材料
８１ 電極
８２ 電極
１００ 集積回路（加速度用）
１０１ 搬送波（加速度用）
１０２ ＣＶ変換部（加速度用）
１０３ 同期検波部（加速度用）
１０４ 加速度信号（加速度用）
２００ 集積回路（角速度用）
２０１ 搬送波（角速度用）
２０２ ＣＶ変換部（角速度用）
２０３ 同期検波部（角速度用）
２０４ 角速度信号
２０５ 発振器
２０６ 増幅器
３００ 圧力検知部
３０１ 第三の積層体
３０１ａ 第一の基板（第三の積層体）
３０１ｂ 第二の基板（第三の積層体）
３０１ｃ 酸化膜（第三の積層体）
３０２ 変形部
３０３ 空洞
３０４ 電極
３０５ 絶縁部

Claims (13)

  1. 検知部を形成した層を有し、
    前記層は、２つ以上積層された積層構造体であり、
    前記検知部は、可動体と電極とを備え、
    少なくとも１つの検知部は、可動体と電極が同一の層に形成され、
    少なくとも１つの検知部は、可動体と電極が夫々別の層に形成され、
    可動体と電極が夫々別の層に形成された少なくとも１つの検知部において、
    前記電極は、別の検知部の可動体を形成した層と同一の層に形成されることを特徴とする慣性力センサ。
  2. 請求項１に記載の慣性力センサにおいて、
    少なくとも１つの検知部は、２つ以上有り、アレイ状に配置されることを特徴とする慣性力センサ。
  3. 請求項１または２に記載の慣性力センサにおいて、
    センサの信号は、前記積層構造体の片面のみに取り出されることを特徴とする慣性力センサ。
  4. 請求項３記載の慣性力センサにおいて、
    前記検知部の信号は、前記積層構造体を貫通することを特徴とする慣性力センサ。
  5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載の慣性力センサにおいて、
    少なくとも一つの層は、微小電気機械システムの構造を有することを特徴とする慣性力センサ。
  6. 請求項１乃至５の何れか一項に記載の慣性力センサにおいて、
    少なくとも一つの検知部は、圧力を検知する部分を有することを特徴とする慣性力センサ。
  7. 請求項１乃至６の何れか一項に記載の慣性力センサにおいて、
    少なくとも一つの層は、ＬＳＩ素子を形成した層であることを特徴とする慣性力センサ。
  8. 請求項１乃至６の何れか一項に記載の慣性力センサにおいて、
    少なくとも一つの層は、半導体メモリを形成した層であることを特徴とする慣性力センサ。
  9. 請求項１乃至６の何れか一項に記載の慣性力センサにおいて、
    少なくとも一つの層は、デジタル信号をアナログ信号に変換する回路を形成した層であることを特徴とする慣性力センサ。
  10. 請求項１乃至６の何れか一項に記載の慣性力センサにおいて、
    少なくとも一つの層は、アナログ信号をデジタル信号に変換する回路を形成した層である ことを特徴とする慣性力センサ。
  11. 請求項１乃至６の何れか一項に記載の慣性力センサにおいて、
    少なくとも一つの層は、ＬＳＩ素子を形成した層であり、
    少なくとも一つの層は、半導体メモリを形成した層であることを特徴とする慣性力センサ。
  12. 請求項１乃至１１の何れか一項に記載の慣性力センサにおいて、
    少なくとも一つの検知部は、前記積層構造体外部に対して気密であることを特徴とする慣性力センサ。
  13. 請求項１乃至１２の何れか一項に記載の慣性力センサにおいて、
    少なくとも一つの検知部は、加速度もしくは角速度を検知し、
    少なくとも一つの検知部は、加速度もしくは角速度を検知することを特徴とする慣性力センサ。
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