JPWO2003044539A1 - 加速度センサ - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、加速度センサに関し、特に耐衝撃性が優れ、信頼性が高い加速度センサに関するものである。
背景技術
第16図は、例えば特開平5−133976号公報に開示されている従来の加速度センサの平面図であり、第17図は第16図のG−G線断面図である。
第16図及び第17図において、101は基板であり、基板102上には第1の検知電極102、第2の検知電極103及び駆動電極104が形成される。
105は可動電極であり、半導体材料106の枠内に、第1の検知電極102、第2の検知電極103及び駆動電極104と対向して設けられ、撓み部107によって撓み支持されており、その一方の端部(ここでは、第2の検知電極103側の端部)に重り108を有している。
金属コンタクト109はドープされている領域110まで酸化膜111を貫通して設けられており、そのドープ領域110は下方に延在して第1の検出電極102、第2の検出電極103及び駆動電極104の各々と接触している。
第1の検出電極102、第2の検出電極103及び駆動電極104は、別のガラス基板上に形成されてもよく、または、接合分離技術もしくは酸化膜分離技術により、半導体材料106内に形成されてもよい。第17図における第1の検出電極102、第2の検出電極103及び駆動電極104は、pn接合分離埋込電極による場合を示している。
次に、このような従来の加速度センサにおける加速度の検出原理について説明する。第18図は、従来の加速度センサの測定原理を説明する図である。
第1の検出電極102、第2の検出電極103及び可動電極105はいずれも導電性であり、互いに対向するように配置されているので、第1の検知電極102と可動電極105間、第2の検知電極103と可動電極105間でそれぞれ静電容量C1、C2が形成される。撓み部107によって弾性支持された可動電極105の一方の端部には重り108が形成されているために、半導体材料106の厚さ方向の加速度に対して敏感で、撓み部107を結ぶ軸の周りにねじれやすくなっている。すなわち、矢印112で示すように半導体材料106の厚さ方向の加速度が印加された場合に、可動電極105が撓み部107を結ぶ軸の周りにねじれる。この可動電極105のねじれによって、上記静電容量C1、C2のうち、C1側の電極間距離が大きくなり、C2側の電極間距離が小さくなる。したがって、静電容量C1の容量値が減少し、静電容量C2の容量値が増加する。この静電容量変化を差動検出することによって印加された加速度を測定することができる。加速度が印加される方向が矢印112と逆方向の場合は、上記と逆方向に可動電極105がねじれ、静電容量C1の容量値が増加し、静電容量C2の容量値が減少する。
このような従来の加速度センサは、加速度が印加された際に重り108に作用する慣性力を用いて、加速度を可動電極105のねじれ、更には、第1及び第2の検知電極102、103と可動電極105との間で形成される静電容量C1、C2の変化に変換して、加速度を測定するように構成されている。したがって、第18図に示されるように、加速度が印加された際の静電容量C1、C2を形成する第1及び第2の検知電極102、103と可動電極105との間の電極間距離の変化量d1は、その構造上、重り108が設置された可動電極105の端部における変位量d2よりも小さい。すなわち、加速度が印加された場合に重り108に作用する慣性力による加速度の可動電極の変位量への変換効率という観点では、従来の加速度センサにおいては、重り108の変位量d2よりも大きな電極間距離の変位量d1を得ることができない。したがって、検出回路側で検出可能なレベルの静電容量変化を得るのに必要な電極間距離の変化量よりも、更に大きな重りの変位量を必要とする。これは、撓み部107の剛性が必要以上に低下してしまうことを意味し、センサとして望ましくない検出軸方向以外の加速度に対する感度が発生したり、可動電極105が半導体材料106や基板101に接触する確率が高まって、センサの耐衝撃性や信頼性を低下させてしまうという課題があった。
また、加速度が印加される際に可動電極105が撓み部107の周りにねじれるようにするために、可動電極105上に重り108を設ける必要があるが、重り108を可動電極105の一端側にのみ設けるため、可動電極105の重心が撓み部107を結ぶ軸上に存在しないので、加速度が印加されていない場合の可動電極105の平衡性を得るのが困難である。すなわち、初期状態においてさえ可動電極105がねじれるために、可動電極105の平衡状態を維持しにくく、静電容量C1、C2の初期値を同一にするのが難しく、検出精度を低下させたり、検出特性の較正工程を複雑にするという課題もあった。
また、過大な加速度が印加された際に可動電極105が大きくねじれ、その端部が基板101に接触してセンサ構造体を破壊してしまうおそれがあった。
また、使用環境の温度変化などによって特性が変動してもこれを補正する手段がないので、使用環境によって得られる加速度に誤差が生じるという課題もあった。
また、その構造上、第1の検知電極102、第2の検知電極103及び駆動電極104を半導体材料106内の埋込電極として形成し、ドープ領域110を介して第1の検知電極102、第2の検知電極103及び駆動電極104と金属コンタクト109とを電気的に接続するするので、埋込電極としての第1の検知電極102、第2の検知電極103及び駆動電極104や、ドープ領域110などの半導体材料106内における深さが、加工技術の面から事実上制限されるので、上述の検出原理と相まって、可動電極105の変位量の設計自由度が低くなるとともに、加工方法が複雑で製造コストが上昇するという課題もあった。
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、検出軸方向の加速度を高感度に検出するとともに、可動部分の剛性を高めることによって他軸感度を抑制し、更に、信頼性を高めた加速度センサを得ることを目的とする。
また、本発明の別の目的は、設計自由度が高い構造を有する加速度センサを得ることである。
更に、別の目的は、過大な衝撃などが加えられた場合などでも破損しにくい耐衝撃性の強い加速度センサを得ることである。
更に、別の目的は、小型で、大量生産が可能で、安価な加速度センサを得ることである。
更に、別の目的は、3軸方向の加速度が検出可能な加速度センサを得ることである。
発明の開示
本発明に係る加速度センサは、基板上に形成された第1及び第2の固定電極と、この第1及び第2の固定電極上に対向して設けられ第1の弾性支持体によって基板に弾性支持され揺動可能な可動電極と、第2の弾性支持体によって基板に弾性支持され基板に対して垂直方向の加速度に応答して移動可能な質量体と、可動電極と質量体とを可動電極の揺動軸と所定距離離れた位置で連結する連結部と、を備え、第1の固定電極と可動電極とにより形成される第1の静電容量と、第2の固定電極と可動電極とにより形成される第2の静電容量の変化に基づき加速度の測定を行なうので、加速度が印加された際の可動電極の端部の変位量を質量体の変位量より大きくすることができる。すなわち、質量体の小さな変位で大きな検出容量変化が得られるので、ねじれ梁の剛性を必要以上に下げることなく加速度を高感度に検出する加速度センサを得ることができる。可動部分の剛性を高めることによって他軸感度を抑制し、耐衝撃性に優れ、信頼性が高い加速度センサを得ることができる。
また、可動電極を質量体で囲繞して両者の重心を一致させることにより、初期状態においても可動電極の平衡が維持され、第1の固定電極と可動電極間の静電容量と第2の固定電極と可動電極間の静電容量の初期値を同じにすることができるので、測定精度が安定し、較正工程も容易になる。
また、基板上に質量体と対向して設けられ、質量体との間に電圧印加することにより加速度センサの動作チェックを行なう自己診断電極を備えるので、加速度が印加されていない場合でも、自己診断電極と質量体との間に電圧印加することにより、これらの間に静電引力を発生させて質量体を強制的に駆動し、可動電極をねじれ梁を軸として揺動させることができるので、センサ構造体が破壊されていないか、その機能を自己診断することができる。
また、基板上に可動電極と対向して設けられ、可動電極との間に電圧印加することにより可動電極を所定位置に駆動する駆動電極を備えるので、駆動電極に印加する電圧を調整することによって印加加速度に応じて生じる可動電極のねじれを元に戻すサーボ型加速度センサとしても使用できる。したがって、検出特性が安定する上、可動電極と基板とが接触する可能性が極めて低くなり、信頼性の高い加速度センサを得ることができる。
また、基板上に質量体と対向して補正電極を設けることにより、使用環境の温度変化などによって特性が変動してもこれを補正することができるので、使用環境によって得られる加速度に誤差が生じるのを防ぐことができる。
また、第1及び第2の固定電極と可動電極との間に形成される静電容量を電圧に変換する第1の容量電圧変換器と、質量体と補正電極との間に形成される静電容量を電圧に変換する第2の容量電圧変換器と、第1の容量電圧変換器からの出力値と第2の容量電圧変換器からの出力値を演算する演算器とを備えるので、補正電極を用いて特性変動の補正を確実に行なうことができる。
また、基板の面内方向の加速度を測定する第2および第3の加速度センサを備えて、第2の加速度センサと第3の加速度センサとは互いに直交する方向の加速度に応答するように構成することにより、3軸方向の加速度を検出する加速度センサを得ることができる。
また、少なくとも可動電極、質量体、第1の梁、第2の梁及び第3の梁がポリシリコンにより一体形成されるので、加速度センサの製造を簡便に行なうことができる。また、可動部の質量を大幅に小さくすることができ、過大な加速度が印加された場合でもセンサ構造体が破壊されにくくなり、耐衝撃性を向上させることができる。
さらにまた、少なくとも可動電極、質量体、第1の梁、第2の梁及び第3の梁が単結晶シリコンにより一体形成されるので、加速度センサの製造を簡便に行なうことができる。また、可動電極や質量体の厚さの調整が容易であり、質量体の質量や静電容量を任意に設定できるなど、加速度センサの設計自由度を高くすることができる。
発明を実施するための最良の形態
実施の形態1.
第1図は本発明の実施の形態1の加速度センサの平面図である。第2図及び第3図は、それぞれ第1図におけるA−A線、B−B線断面を示す図である。これらの図を用いて本発明の実施の形態1の加速度センサの構造を説明する。1はシリコン基板であって、説明の簡単化のために図示は省略するが、好ましくはその表面に絶縁膜が形成されている。この絶縁膜としてはLPCVD法によって堆積された低応力の窒化シリコン膜などが適している。このようなシリコン基板1の上に第1の固定電極2、第2の固定電極3及び自己診断電極4が形成される。これら第1の固定電極2、第2の固定電極3及び自己診断電極4は、例えばLPCVD法によって堆積されたポリシリコン膜をエッチングすることによって同時に形成することができる。
5は可動電極であり、第1の固定電極2及び第2の固定電極3の上には間隔を隔ててこれらと対向するように配置される。可動電極5はその中心線A−A線に対して線対称であり、その一方の側(左側領域5a)が第1の固定電極2に、その他方の側(右側領域5b)が第2の固定電極3に対向するように配置される。
6はねじれ梁であり、可動電極5の中心線A−A線上に設けられる。
ねじれ梁6となる部分の周りを開口することにより可動電極5とねじれ梁6とを一体形成できる。
可動電極5はねじれ梁6によりアンカー部7を介してシリコン基板1に弾性支持され、ねじれ梁6を軸として揺動するように構成される。このように構成することによって、第1の固定電極2と可動電極5とで形成される静電容量C1と、第2の固定電極3と可動電極5とで形成される静電容量C2とが差動容量を構成するようになる。
8は質量体であり、自己診断電極4の上に間隔を隔ててこれと対向するように配置され、可動電極5の周囲を間隔を隔ててとり囲んでいる
質量体8は支持梁9によりアンカー部10を介してシリコン基板1に弾性支持され、シリコン基板1の厚さ方向の加速度に応じて移動可能であるように構成される。
11は可動電極5と質量体8とを物理的に連結するリンク梁である。可動電極5と質量体8とは可動電極の中心線A−A線から所定距離離れた位置で可動電極の中心線を挟む両側のうち一方の側でのみリンク梁11により連結される。第1図の例では、可動電極5の左側領域5aのみがリンク梁11で連結される。可動電極5と質量体8とは可動電極の両側2ヶ所で連結され、可動電極5の中心線から各リンク梁までの距離は等距離である。リンク梁11は可動電極5の端部より中心線側に設けられる。
12aは可動電極5及び質量体8のシリコン基板1側に突出する微少な突起である。12bは突起12aを設けることにより、突起12aが形成される面と反対側の面に形成される窪みである。
このように構成される実施の形態1の加速度センサの製造方法の一例について説明する。
まず、シリコン基板1上に第1の固定電極2、第2の固定電極3及び自己診断電極4を形成する。これらの電極は、例えばLPCVD法によって堆積されたポリシリコン膜をエッチングすることによって同時に形成することができる。
次にPSG膜などを犠牲層として形成し、この犠牲層を所望の凹凸形状に加工する。この凹凸形状は、犠牲層上へのマスク形成と犠牲層のエッチングを繰り返して行なうことにより得ることができる。
その後、ポリシリコン膜を形成し、所望の形状にパターニングを行なう。その後、犠牲層を選択的にエッチング除去することにより、第1図に示される加速度センサが得られる。このとき、用いられるポリシリコン膜は低応力であり、かつ、厚さ方向に応力の分布がないことが望ましく、その厚さは典型的には2〜4μm程度である。
このような方法で加速度センサを製造することにより、形成する犠牲層の膜厚を変更することにより、第1の固定電極2及び第2の固定電極3と可動電極5との間の距離を任意に設計することができ、静電容量C1、C2を容易に変更することができる。また、質量体8に対応する位置における犠牲層の凹部の深さを変更することにより、質量体8の厚さ、すなわち重量、を任意に設計することができる。
また、可動電極5、ねじれ梁6、リンク梁11、質量体8、支持梁9及びアンカー部7、10の形成において、ポリシリコン膜の堆積及びエッチングを一括して行なうことができる。また、第1の固定電極2、第2の固定電極3、自己診断電極4の形成においても、ポリシリコンの堆積及びエッチングを一括して行なうことができる。また、シリコン基板1上に堆積したポリシリコン膜を加工するだけでよいので、複数の基板の張合わせが不要であり、製造工程が格段に少なく、大量生産も可能であり、製造コストを大幅に抑えることができる。また、小型化することもできる。
また、可動電極5、ねじれ梁6、リンク梁11、質量体8、支持梁9などの可動部をすべてポリシリコン膜によって形成することにより、可動部の質量を大幅に小さくすることができるため、過大な加速度が印加された場合でもセンサ構造体が破壊されにくくなり、耐衝撃性を向上させることができる。
以上説明したような本発明の実施の形態1の加速度センサの典型的なサイズは、第1の固定電極2及び第2の固定電極3を250μm×500μm、第1の固定電極2、第2の固定電極3と可動電極5との間隔は2μmである。このとき、静電容量C1、C2の初期値を約0.55pFとすることができる。
次に、加速度の検出原理を第4図〜第7図を用いて説明する。第4図及び第5図は、シリコン基板面に対し垂直な方向(矢印20の方向)の加速度が印加された際の動作状態を示す図であり、それぞれ、第1図におけるA−A線断面、B−B線断面を示す図である。また、第6図及び第7図は、シリコン基板面に対し垂直な方向(矢印21の方向)の加速度が印加された際の動作状態を示す図であり、それぞれ、第1図におけるA−A線断面、B−B線断面を示す図である。
第4図及び第5図に示されるように、シリコン基板1に垂直な方向(矢印20の方向)の加速度が印加された際に、質量体8には慣性力が作用する。質量体8は支持梁9によってシリコン基板1に垂直な方向に移動可能であるように弾性支持されているので、この慣性力によって印加された加速度と反対方向(矢印21の方向)に変位する。可動電極5はその中心線A−Aより左側でリンク梁11によって質量体8と物理的に連結されているので、質量体8の下側への変位によって可動電極5の左側領域5aも下に押し下げられる。可動電極5はねじれ梁6によって弾性支持されているので、このようにその左側領域5aが下に変位すると、シーソーのようにしてその右側領域5bが上に変位する。このような可動電極5のねじれ振動によって第1の固定電極5と可動電極5の左側領域5aとの間で形成される静電容量C1は、電極間距離が狭くなるために容量値が増加する。一方、第2の固定電極3と可動電極5の右側領域5bとの間で形成される静電容量C2は、電極間距離が広くなるために容量値が減少する。この静電容量C1、C2の変化を差動検出することで、印加された加速度を測定することができる。
実施の形態1の加速度センサにおいては、可動電極5と質量体8とを連結するリンク梁11が可動電極5の中間部に設けられているので、第4図及び第5図に示されるように、加速度が印加された際の可動電極5の端部における変位量d1を質量体8の変位量d2より大きくすることができる。すなわち、質量体8の小さな変位で大きな検出容量変化が得られるので、ねじれ梁6の剛性を必要以上に下げることなく加速度を高感度に検出する加速度センサを得ることができる。したがって、信頼性も向上させることができる。
印加された加速度の方向が上記と逆の方向の場合には、第6図及び第7図に示されるように質量体8の変位方向、可動電極5のねじれ方向、静電容量C1、C2の変化が上記説明と逆になるだけで、同様に加速度を測定できることは言うまでもない。
また、第1図のようにねじれ梁6と支持梁9とを直交するように配置することによって、シリコン基板1の面内方向の加速度に対して、質量体8及び可動電極5が移動しないように構成することができる。すなわち、センサとして望ましくない他軸加速度感度が発生しないようにすることができる。
また、可動電極5を質量体8で囲繞して両者の重心を一致させるようにしたので、初期状態においても可動電極5の平衡が維持され、検出容量C1、C2の初期容量値を同じにすることができるので、測定精度が安定し、較正工程も容易になる。
次に、自己診断機能について説明する。質量体8と対向するシリコン基板1上に自己診断電極4を設けているが、この自己診断電極4と質量体8との間に電圧を印加することによってこれらの間に静電引力を発生させ、質量体8を第4図、第5図のように下側へ変位させることができる。加速度が印加されていない場合でも、このように強制的に質量体8を変位させることによって、この質量体8とリンク梁11で連結された可動電極5の左側領域5aを下に、可動電極5の右側領域5bを上に変位させ、加速度が印加された場合と同様にして、静電容量C1及びC2に容量変化を発生させることができる。このようにして発生する容量変化を検出することで本発明による加速度センサが破壊されていないか、特性に変動がないかなど、その機能を自己診断することができる。
また、本実施の形態の加速度センサは、加速度センサの特性、信頼性を高めるために、さらに次のような工夫が施されている。
まず、第1点目は、第1図のようにねじれ梁6と支持梁9とが直交するように配置する点である。これによって、センサとして望ましくないシリコン基板平面内の加速度に対しての感度、すなわち、他軸加速度感度の抑制を図っている。
第2点目は、第1図〜第7図のように突起12aを適所に配置する点である。これによって、製造工程中の犠牲層除去工程で可動電極5や質量体8がシリコン基板1に付着して離れなくなってしまうことを防止する上、過大な加速度が印加されて可動電極5が大きくねじれた場合でも、可動電極5が第1の固定電極2あるいは第2の固定電極3に接触して短絡してしまうのを防いでいる。このような突起12aは可動電極5や質量体8を形成するポリシリコン膜を堆積する前に、その下面にある犠牲層にあらかじめ凹部を形成しておくことによって容易に形成することができる。
実施の形態2.
第8図は本発明による実施の形態2の加速度センサの平面図である。第9図及び第10図は、それぞれ第8図におけるC−C線、D−D線断面を示す図である。
実施の形態2の特徴は、質量体8と対向してシリコン基板1上に設けられる自己診断電極4の横に補正電極32を設けたこと、可動電極5と対向してシリコン基板1上に設けられる第1の固定電極2及び第2の固定電極3のそれぞれに近接して駆動電極35、36を設けたこと、及び、質量体8をシリコン基板1に弾性支持する支持梁として、折り曲げ部37を有する支持梁38を設け、アンカー部39を介してシリコン基板1に弾性支持したことである。
第8図から第10図において、第1図から第7図で示した符号と同じものは実施の形態1と同じまたは相当品を示す。
補正電極32は温度変化などによる特性変動を補償するために設けられる電極である。加速度センサが使用される環境の温度が変化すると、加速度センサを構成する部材間の熱膨張係数の違いなどにより反りが発生して、静電容量C1及び静電容量C2が変動する場合がある。この静電容量C1及び静電容量C2の変動と質量体8と可動電極5とで形成する静電容量C3の変動は、同様の傾向を有することが多い。したがって、静電容量C3の変動を検出して、この変動に基づき静電容量C1、C2の変動を補正することができる。
第11図は、本発明の実施の形態2の加速度センサにおける補正回路のブロック図である。
第11図に示すように、静電容量C1、C2の変動を第1の容量電圧変換器43によって電圧変換した出力値Vsと、静電容量C3の変動を第2の容量電圧変換器44によって電圧変換した出力値Vrとを、電圧演算器46を用いて、
Vout=Vs−K・Vr
となるような演算処理を行うことによって、変動分のみを除去した出力値Voutを得ることができる。ここでKは補正係数である。
このように、基板1上に質量体8と対向して補正電極32を設けることにより、使用環境の温度変化などによって特性が変動してもこれを補正することができるので、使用環境によって得られる加速度に誤差が生じるのを防ぐことができる。
また、駆動電極35、36は可動電極5のねじれを抑制し、本加速度センサをサーボ型として使用する場合に用いる電極である。すなわち、印加された加速度によって可動電極5がねじれ梁6の周りにねじれて静電容量C1、C2に不平衡が生じた場合に、この不平衡量をフィードバックし、不平衡量に応じた電圧を駆動電極35あるいは駆動電極36に印加することによって、可動電極5とこれら駆動電極35あるいは駆動電極36との間に生じる静電引力で可動電極5のねじれを元の平衡な位置に戻す。この平衡な位置に戻すために駆動電極35あるいは駆動電極36に印加した電圧に基づき加速度を求めることができる。
このようなサーボ型として使用することで、可動電極5がシリコン基板1に接触することによる動作不良あるいは破損を防止し、信頼性を向上することができる。
また、上記のように支持梁として、折り曲げ部37を有する折り曲げ梁38を用いることにより、ポリシリコン膜の残留応力が存在する場合であっても支持梁にかかる軸力を緩和し、座屈を防止することができる。
実施の形態3.
第12図は本発明の実施の形態3の加速度センサの平面図である。第13図及び第14図は、それぞれ第12図におけるE−E線、F−F線断面を示す図である。
実施の形態1、2においては、シリコン基板1上にポリシリコン膜で各種電極を形成したが、実施の形態3においてはガラス基板上に金属薄膜や単結晶シリコンで各種電極を形成している点が大きく異なる。
第12図から第14図において、51はガラス基板であって、その上には第1の固定電極52、第2の固定電極53、自己診断電極54、補正電極55及び駆動電極56、57が、アルミニウム、あるいは、金などの金属薄膜で形成されている。第1の固定電極52、第2の固定電極53及び駆動電極56、57の上には間隔を隔ててこれらと対向するように可動電極58が設けられている。可動電極58はねじれ梁59によりアンカー部60を介してガラス基板51に弾性支持されており、ねじれ梁59を軸として揺動するようになっている。また、自己診断電極54、補正電極55の上には間隔を隔ててこれと対向するように質量体61が配置されている。質量体61は支持梁62によりアンカー部63を介してガラス基板51に弾性支持されており、ガラス基板51の基板面に対して垂直な方向の加速度に応じて移動可能であるように構成される。更に、質量体61はリンク梁64によって可動電極58と物理的に連結されている。
可動電極58、ねじれ梁59、質量体61、支持梁62、リンク梁64及びアンカー部60、63は単結晶シリコンにより一体形成される。
このように構成される実施の形態3の加速度センサの製造方法の一例について説明する。
まず、ガラス基板51上に第1の固定電極52、第2の固定電極53、自己診断電極54、補正電極55、及び駆動電極56、57を形成する。これらの電極は、金属薄膜の堆積及びエッチングを一括して行ない同時形成することができる。
次に単結晶シリコン基板を加工して可動電極58、ねじれ梁59、質量体61、支持梁62、リンク梁64及びアンカー部60、63を形成する。
箪結晶シリコン基板のアンカー部60,63に対応する部分の裏面側にマスクを形成し、単結晶シリコン基板をエッチングする。このエッチングは、例えばDRIE法(ディープ反応性イオンエッチング法)などの方法によって、エッチング部の単結晶シリコン基板の厚さ、すなわち質量体の厚さが所望の厚さになるまで続ける。
次に、アンカー部60,63及び質量体61に対応する部分の裏面側にマスクを形成し、単結晶シリコン基板をエッチングする。このエッチングは、例えばDRIE法などの方法によって、エッチング部の単結晶基板の厚さ、すなわち可動電極58の厚さが所望の厚さになるまで続ける。
次に、このマスクを除去後、アンカー部60,63の裏面側をガラス基板に貼り付ける。可動電極58、ねじれ梁59、質量体61、支持梁62、リンク梁64及びアンカー部60、63に対応する部分の表面側にマスクを形成し、表面側から単結晶シリコン基板をエッチングすることにより単結晶シリコン基板を貫通させることにより、これらの各部位を形成することができ、上述した実施の形態3の加速度センサを得ることができる。
このように実施の形態3の加速度センサは、可動電極58、ねじれ梁59、質量体61、支持梁62、リンク梁64及びアンカー部60、63を単一の単結晶基板を加工することにより作製することができる。
このように、エッチングを2段階で行なうことにより、質量体61を厚く、可動電極58を薄くすることができる。これによって、質量体61の質量を大きくとれるので高感度化できるとともに、可動電極58とガラス基板51との間の距離を大きくとることができるので可動電極58がガラス基板51に接触しにくくし、耐衝撃性や信頼性を向上させることができる。
また、実施の形態3の加速度センサは、その製造を簡便に行なうことができるとともに、可動電極や質量体の厚さの調整が容易であり、質量体の質量や静電容量を任意に設定できるなど、加速度センサの設計自由度を高くすることができる。
尚、上記説明はエッチングを2段階で行なうものであるが、エッチングを1段階で行なってもよい。この場合には、質量体61と可動電極58の厚さは同じになるが、製造工程を簡略化できるという利点がある。
実施の形態4.
第15図は本発明の実施の形態4の加速度センサの平面図である。
実施の形態4の加速度センサは、実施の形態1で述べたシリコン基板1の基板面に対して垂直な方向の加速度を検出する加速度センサに加えて、シリコン基板1の面内方向の加速度を検出する第2及び第3の加速度センサを備えるものである。
第15図において、70はシリコン基板1に対して垂直な方向(Z軸方向)の加速度を検出する第1の加速度センサ、80はシリコン基板1に対して水平な方向(X軸方向)の加速度を検出する第2の加速度センサ、90はシリコン基板1に対して水平な方向であり、かつX軸方向に対して直交する方向(Y軸方向)の加速度を検出する第3の加速度センサである。第15図において、第1図から第7図と符号が同じものは、実施の形態1と同じまたは相当品を示す。
第1の加速度センサ70としては、実施の形態1の加速度センサと同様のものが用いられる。なお、第1の加速度センサ70として、実施の形態2乃至3の加速度センサを用いてもよい。
次に、第2の加速度センサ80について説明する。
81は質量体であり、その両端は、X軸に対して垂直方向に延びる4本の支持梁82に接続されており、これらの支持梁82は、シリコン基板1上に、間隔を隔てて設けられ、アンカー部83によりシリコン基板に固定されている。このように質量体81は支持梁82によりシリコン基板1に弾性支持されており、X軸方向(矢印88の方向)の加速度に応答して変位する。また、質量体81は、X軸に対して垂直方向に延びる櫛歯状の可動電極84を多数有している。ここでは、簡単のために極少数しか例示していない。
これらの櫛歯状の可動電極84と対向するように固定電極85、86が設けられる。固定電極85、86の各々は、アンカー部87を介してシリコン基板1に固定される。また質量体81がX軸方向に変位する際に、各固定電極85、86が対向する可動電極84との間隔のうち、一方の間隔が狭くなり、他方の間隔が広くなるように固定電極85、86が設けられる。
固定電極85と可動電極84とで静電容量C4を、固定電極86と可動電極84とで静電容量C5を形成しており、静電容量C4とC5は可動電極84を共通とする差動容量を構成している。
この静電容量C4、C5の変化を差動検出することで、印加されたX軸方向の加速度を測定することができる。
次に、第3の加速度センサ90について説明する。第3の加速度センサ90を構成する、質量体91、支持梁92、アンカー部93、可動電極94、固定電極95、96は、第2の加速度センサに対して直交する方向に配置する点を除けば、第2の加速度センサと同様に構成される。
固定電極95と可動電極94との間で静電容量C6が、固定電極96と可動電極94との間で静電容量C7が形成され、静電容量C6とC7は可動電極94を共通とする差動容量を構成している。
この静電容量C6、C7の変化を差動検出することで、印加されたY軸方向(矢印98の方向)の加速度を測定することができる。
以上のように、互いに直交するX、Y、Z軸方向の加速度に応答して変位可能な質量体を有する容量式加速度センサを併設することによって1個のセンサチップで3軸方向の加速度を検出する加速度センサを得ることができる。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明にかかる加速度センサは、耐衝撃性が優れ、信頼性が高い加速度センサとして用いるのに適している。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の実施の形態1の加速度センサの平面図である。
第2図は、本発明の実施の形態1の加速度センサの断面の構造を示す図であり、第1図のA−A線断面を示す図である。
第3図は、本発明の実施の形態1の加速度センサの断面の構造を示す図であり、第1図のB−B線断面を示す図である。
第4図は、本発明の実施の形態1の加速度センサにおいて、加速度が印加された際の動作状態を示す図であり、第1図のA−A線断面を示す図である。
第5図は、本発明の実施の形態1の加速度センサにおいて、加速度が印加された際の動作状態を示す図であり、第1図のB−B線断面を示す図である。
第6図は、本発明の実施の形態1の加速度センサにおいて、加速度が印加された際の動作状態を示す図であり、第1図のA−A線断面を示す図である。
第7図は、本発明の実施の形態1の加速度センサにおいて、加速度が印加された際の動作状態を示す図であり、第1図のB−B線断面を示す図である。
第8図は、本発明の実施の形態2の加速度センサの平面図である。
第9図は、本発明の実施の形態2の加速度センサの断面の構造を示す図であり、第8図のC−C線断面を示す図である。
第10図は、本発明の実施の形態2の加速度センサの断面の構造を示す図であり、第8図のD−D線断面を示す図である。
第11図は、本発明の実施の形態2の加速度センサにおける補正回路のブロック図である。
第12図は、本発明の実施の形態3の加速度センサの平面図である。
第13図は、本発明の実施の形態3の加速度センサの断面の構造を示す図であり、第12図のE−E線断面を示す図である。
第14図は、本発明の実施の形態3の加速度センサの断面の構造を示す図であり、第12図のF−F線断面を示す図である。
第15図は、本発明の実施の形態4の加速度センサの平面図である。
第16図は、従来の加速度センサの平面図である。
第17図は、従来の加速度センサの断面図であり、第16図のG−G線断面図である。
第18図は、従来の加速度センサの断面図で、第16図のG−G線断面に対応し、加速度が印加された際の動作状態を示す図である。
Claims (9)
- 基板上に形成された第1及び第2の固定電極と、この第1及び第2の固定電極上に対向して設けられ第1の弾性支持体によって上記基板に弾性支持され揺動可能な可動電極と、第2の弾性支持体によって上記基板に弾性支持され上記基板に対して垂直方向の加速度に応答して移動可能な質量体と、上記可動電極と上記質量体とを上記可動電極の揺動軸と所定距離離れた位置で連結する連結部と、を備え、
上記第1の固定電極と上記可動電極とにより形成される第1の静電容量と、上記第2の固定電極と上記可動電極とにより形成される第2の静電容量の変化に基づき加速度の測定を行なう加速度センサ。 - 可動電極が質量体で囲繞され、可動電極の重心と質量体の重心とが一致するように構成されてなる請求項1記載の加速度センサ。
- 基板上に質量体と対向して設けられ、質量体との間に電圧印加することにより加速度センサの動作チェックを行なう自己診断電極を備えてなる請求項1記載の加速度センサ。
- 基板上に可動電極と対向して設けられ、可動電極との間に電圧印加することにより可動電極を所定位置に駆動する駆動電極を備えてなる請求項1記載の加速度センサ。
- 基板上に質量体と対向して設けられ、質量体との間に形成される静電容量に基づき第1及び第2の固定電極と可動電極との間に形成される静電容量を補正する補正電極を備えてなる請求項1記載の加速度センサ。
- 第1及び第2の固定電極と可動電極との間に形成される静電容量を電圧に変換する第1の容量電圧変換器と、質量体と補正電極との間に形成される静電容量を電圧に変換する第2の容量電圧変換器と、上記第1の容量電圧変換器からの出力値と上記第2の容量電圧変換器からの出力値を演算する演算器と、を備えてなる請求項第5項記載の加速度センサ。
- 基板の面内方向の加速度を測定する第2及び第3の加速度センサをさらに備え、上記第2の加速度センサと上記第3の加速度センサとは互いに直交する方向の加速度に応答するように構成されてなる請求項1〜6のいずれか1項に記載の加速度センサ。
- 少なくとも可動電極、質量体、第1の弾性支持体、第2の弾性支持体及び連結部がポリシリコンにより一体形成されてなる請求項1記載の加速度センサ。
- 少なくとも可動電極、質量体、第1の弾性支持体、第2の弾性支持体及び連結部が単結晶シリコンにより一体形成されてなる請求項1記載の加速度センサ。
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