WO2009125510A1 - 加速度センサ - Google Patents

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WO2009125510A1
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伸顕 紺野
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三菱電機株式会社
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    • G01P2015/0825—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass
    • G01P2015/0831—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass the mass being of the paddle type having the pivot axis between the longitudinal ends of the mass, e.g. see-saw configuration
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    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/84—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of applied mechanical force, e.g. of pressure

Definitions

  • the present invention relates to an acceleration sensor, for example, a capacitance type acceleration sensor.
  • an acceleration sensor As one of the principles of an acceleration sensor that detects acceleration in the thickness direction of a conventional substrate, there is a method of detecting a change in electrostatic capacity accompanying acceleration.
  • an acceleration sensor according to this method for example, an acceleration provided with a torsion beam (flexible portion), an inertial mass body (weight), a detection frame (element), and a detection electrode (detection electrode) as main components.
  • a sensor acceleration sensing motion converter
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 5-133976
  • the acceleration sensor of Patent Document 1 has one detection frame having a surface facing the substrate.
  • An inertia mass body is provided on one end of the detection frame.
  • the detection frame is supported on the substrate so that the detection frame can be rotated about the torsion beam.
  • a detection electrode for detecting this rotational displacement is provided below the detection frame.
  • Patent Document 2 there is known an acceleration sensor in which an inertial mass body is arranged not on a detection frame but on the same plane as the detection frame (see, for example, International Publication No. WO2003 / 044539 (Patent Document 2)).
  • the acceleration sensor of Patent Document 2 includes a torsion beam, an inertial mass body (mass body), a detection frame (movable electrode), and a detection electrode (first and second fixed electrodes).
  • the torsion beam is connected to an anchor portion supported by the substrate.
  • One detection frame (movable electrode) is connected to the torsion beam, and is supported on the substrate so as to be rotatable about the torsion beam.
  • Link beams are provided at one end and the other end of the detection frame at positions separated from the center line of the detection frame by a predetermined distance.
  • An inertia mass body mass body
  • the inertial mass body is configured to be movable in accordance with the acceleration in the thickness direction of the silicon substrate.
  • an inertial force in the substrate thickness direction acts on the inertial mass body.
  • the inertia mass body is provided on one end, that is, at a position having a deviation from the rotation axis in the in-plane direction of the substrate. For this reason, this inertial force acts on the detection frame as a torque around the torsion beam. As a result, the detection frame is rotationally displaced.
  • the acceleration sensors of Patent Documents 1 and 2 are usually package-sealed by molding with a resin material.
  • the thermal characteristics of the material constituting the acceleration sensor and the resin material are different, when molding is performed, the shape of the package is deformed due to thermal contraction of each material, and the package warps.
  • the substrate that supports the acceleration sensor disposed inside may warp.
  • the output of the acceleration sensor fluctuates before and after packaging. Furthermore, when the shape of the package changes over time, the output of the acceleration sensor also varies with time.
  • an object of the present invention is to provide an acceleration sensor with improved accuracy by reducing the influence of substrate warpage.
  • the acceleration sensor of the present invention includes a substrate, a first torsion beam, a first detection frame, a second torsion beam, a second detection frame, first and second detection electrodes, a first link beam, A two-link beam and an inertial mass body are provided.
  • the first torsion beam can be twisted about the first torsion axis and is supported on the substrate.
  • the first detection frame is supported on the substrate via the first torsion beam so as to be rotatable about the first torsion axis.
  • the second torsion beam can be twisted about the second torsion axis and is supported by the substrate.
  • the second detection frame is supported on the substrate via the second torsion beam so as to be rotatable about the second torsion axis.
  • the first and second detection electrodes are formed on the substrate so as to face each of the first and second detection frames, and detect the angle of the first and second detection frames with respect to the substrate by capacitance.
  • the first link beam is connected to the first detection frame on the first axis obtained by moving the first torsion axis to the one end side of the first detection frame along the direction intersecting the first torsion axis.
  • the second link beam is connected to the second detection frame on the second axis that has moved the second torsion axis in the same direction as the movement direction of the first torsion axis.
  • the inertial mass body is supported on the substrate so as to be displaceable in the thickness direction of the substrate by being connected to each of the first and second detection frames by the first and second link beams.
  • the first link beam is located on the first axis obtained by moving the first torsion axis to the one end side of the first detection frame along the direction intersecting the first torsion axis.
  • One detection frame is connected.
  • the second link beam is connected to the second detection frame on the second axis obtained by moving the second torsion axis in the same direction as the movement direction.
  • the first and second detection frames are rotationally displaced in directions opposite to each other.
  • the increase / decrease in the capacitance of the capacitor constituted by the first detection frame and the first detection electrode and the increase / decrease in the capacitance of the capacitor constituted by the second detection frame and the second detection electrode are mutually. Displaces in the opposite direction. Therefore, when the substrate is warped, the capacitance of the capacitor constituted by the first detection frame and the first detection electrode and the capacitance of the capacitor constituted by the second detection frame and the second detection electrode Displacement can be offset each other.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along line II-II in FIG. 1. It is sectional drawing which shows roughly a mode when the acceleration is applied to the acceleration sensor in Embodiment 1 of this invention upward along the film thickness direction of a board
  • FIG. 1 It is a top view which shows roughly the structure of the acceleration sensor in a comparative example. It is sectional drawing which shows roughly a mode that the board
  • FIG. 1 is a top view schematically showing the configuration of the acceleration sensor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along the line II-II in FIG.
  • coordinate axes X-axis, Y-axis, and Z-axis are introduced.
  • the X axis is a positive axis in the right direction along the horizontal direction
  • the Y axis is a positive axis in the upward direction along the vertical direction
  • the Z axis is perpendicular to the paper surface and above the paper surface. Is the positive axis.
  • the direction of the Z axis coincides with the acceleration direction to be measured by the acceleration sensor of the present embodiment.
  • the acceleration sensor of the present embodiment mainly includes a substrate 1, first and second torsion beams 11 and 12, first and second detection frames 21 and 22, A plurality of detection electrodes, first and second link beams 31, 32, an inertial mass body 2, and an actuation electrode 5 are provided.
  • a silicon substrate can be used.
  • materials of the first and second torsion beams 11 and 12, the first and second detection frames 21 and 22, the first and second link beams 31 and 32, the inertia mass body 2, the detection electrode, and the actuation electrode 5 A polysilicon film can be used. This polysilicon film desirably has low stress and no stress distribution in the thickness direction.
  • the first torsion beam 11 is supported by an anchor 91 provided on the substrate 1 so that it can be twisted around the first torsion axis T1 along the X axis.
  • the first detection frame 21 is supported by the substrate 1 via the first torsion beam 11 so as to be rotatable about the first torsion axis T1. Further, at least a part of the first detection frame 21 has conductivity.
  • the second torsion beam 12 is supported by an anchor 92 provided on the substrate 1 so that it can be twisted around the second torsion axis T2 along the X axis.
  • the second detection frame 22 is supported by the substrate 1 via the second torsion beam 12 so as to be rotatable about the second torsion axis T2. Further, at least a part of the second detection frame 22 has conductivity.
  • the plurality of detection electrodes include a first detection electrode 41 and a second detection electrode 42.
  • the first and second detection frames 41 and 42 are arranged so that the angles of the first and second detection frames 21 and 22 with respect to the substrate 1 can be detected by capacitance.
  • An insulating film 3 is formed on the substrate 1 so as to face each of 22.
  • the insulating film 3 is preferably a low stress silicon nitride film or silicon oxide film.
  • the actuation electrode 5 is formed on the substrate 1 via the insulating film 3 so as to face the inertial mass 2 so that the inertial mass 2 can be displaced by electrostatic force.
  • the first link beam 31 has a first axis on a first axis L1 that is moved by an offset e1 toward one end of the first detection frame 21 along a direction in which the first torsion axis T1 intersects the first torsion axis T1.
  • a detection frame 21 is connected.
  • the “offset” means a value representing the position by a difference (distance) from the reference point. That is, the absolute value of the offset e1 is the dimension between the first torsion axis T1 and the first link beam 31, and the direction of the offset e1 intersects the first torsion axis T1 and is the first to the first torsion axis T1. The direction is toward the axis L1.
  • the second link beam 32 moves to the second detection frame 22 on the second axis L2 in which the second torsion axis T2 is shifted in the same direction as the movement direction, that is, the offset e2 in the same direction as the offset e1. It is connected. That is, the absolute value of the offset e2 is a dimension between the second torsion axis T2 and the second link beam 32, and the direction of the offset e2 is the same direction as the offset e1.
  • the first and second torsion beams 11 and 12 and the first and second link beams 31 and 32 are arranged so that the offsets e1 and e2 are equal.
  • first and second torsion axes T1, T2 are parallel to each other. That is, the first and second torsion beams 11 and 12 are arranged in parallel to each other, and the first and second link beams 31 and 32 are arranged in parallel to each other.
  • the inertial mass body 2 is supported on the substrate 1 so as to be displaceable in the thickness direction of the substrate 1 by being connected to the first and second detection frames 21 and 22 by the first and second link beams 31 and 32, respectively. Has been.
  • the plurality of detection electrodes have a first detection electrode 41 facing the first detection frame 21.
  • the first detection electrode 41 includes first detection electrodes 41a and 41b so as to sandwich the first twist axis T1.
  • the first detection electrode 41a is located on the outer circumference side (upper side in FIG. 1) of the acceleration sensor, and the first detection electrode 41b is located on the inner circumference side (center side in FIG. 1) of the acceleration sensor.
  • the first detection electrodes 41a and 41b are provided so as to sandwich the first torsion axis T1.
  • the back surface (the surface facing the detection electrode 41) of the first detection frame 21 approaches one of the detection electrodes 41a and 41b and from the other Move away. For this reason, the difference between the capacitance generated when the first detection frame 21 faces the detection electrode 41a and the capacitance formed when the first detection frame 21 faces the detection electrode 41b is calculated. By detecting, the angle of the first detection frame 21 with respect to the substrate 1 can be detected.
  • the plurality of detection electrodes have a second detection electrode 42 facing the second detection frame 22.
  • the second detection electrode 42 includes second detection electrodes 42a and 42b so as to sandwich the second torsion axis T2.
  • the second detection electrode 42a is located on the inner circumference side (center side in FIG. 1) of the acceleration sensor, and the second detection electrode 42b is located on the outer circumference side (lower side in FIG. 1).
  • the second detection electrodes 42a and 42b are provided so as to sandwich the second torsion axis T2.
  • the back surface of the second detection frame 22 (the surface facing the detection electrode 42) approaches one of the second detection electrodes 42a and 42b, Move away from the other. For this reason, the electrostatic capacitance generated when the second detection frame 22 faces the second detection electrode 42a and the electrostatic capacitance formed when the second detection frame 22 faces the second detection electrode 42b. Is detected, the angle of the second detection frame 22 with respect to the substrate 1 can be detected.
  • the planar layout of the acceleration sensor has a line-symmetric structure with respect to an axis B extending in a direction parallel to the first and second torsion axes T1 and T2, except for the first and second link beams 31 and 32.
  • the center of gravity G of the inertial mass body 2 is located on the axis B.
  • the plane layout of the acceleration sensor has a line-symmetric structure with respect to the axis A extending in the direction intersecting the first and second torsion axes T1, T2, and the center of gravity G of the inertial mass body 2 is the axis A. Located on the top.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a state in which acceleration is applied upward along the film thickness direction of the substrate with respect to the acceleration sensor according to the first embodiment of the present invention. 3 is the same as that in FIG. Further, in FIG. 3, the anchors 91 and 92 are not shown for easy understanding of the drawing.
  • the inertial mass body 2 when an acceleration az in the upward direction along the film thickness direction of the substrate, that is, in the positive direction of the Z axis (upward in the figure) is applied to the acceleration sensor, the inertial mass body 2 is moved to the initial position by the inertial force. It is displaced so as to sink in the negative direction of the Z-axis (downward in the figure) from the position indicated by the broken line in the figure.
  • the first and second link beams 31 and 32 connected to the inertial mass body 2 are also displaced integrally with the inertial mass body in the negative direction of the Z-axis (downward in the figure).
  • the first detection frame 21 Due to the displacement of the first link beam 31, the first detection frame 21 receives a force in the negative direction (downward in the figure) of the Z axis at the portion of the first axis L1. Since the first axis L1 is in a position translated from the first torsion axis T1 by an offset e1, torque about the first axis L1 acts on the first detection frame 21. As a result, the first detection frame 21 is rotationally displaced.
  • the second detection frame 22 receives a force in the negative direction of the Z axis (downward in the figure) at the portion of the second axis L2. Since the second axis L2 is in a position translated from the second torsion axis T2 by the offset e2, a torque about the second axis L2 acts on the second detection frame 22. As a result, the second detection frame 22 is rotationally displaced.
  • the first detection frame 21 and the second detection frame 22 rotate in the same direction. That is, the upper surface of the first detection frame 21 faces one end side (right side in FIG. 3) of the acceleration sensor, and the upper surface of the second detection frame 22 also faces one end side (right side in FIG. 3) of the acceleration sensor. Further, the first and second detection frames 21 and 22 are rotationally displaced.
  • the capacitance C 1a of the capacitor C1a constituted by the first detection frame 21 and the detection electrode 41a increases, and the static of the capacitor C1b constituted by the first detection frame 21 and the detection electrode 41b is increased.
  • the capacitance C 1b decreases.
  • the capacitance C 2a of the capacitor C2a formed by the second detection frame 22 and the detection electrode 42a increases, and the capacitance C 2b of the capacitor C2b formed by the second detection frame 22 and the detection electrode 42b increases. Decrease.
  • FIG. 4 is a circuit diagram illustrating electrical connection of capacitors formed by the first and second detection frames and the detection electrodes of the acceleration sensor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • capacitors C1a and C2a are connected in parallel, and capacitors C1b and C2b are connected in parallel. These two parts connected in parallel are further connected in series.
  • the thus formed circuit of a capacitor C1a, the end portion of C2a side constant potential V d is applied, the capacitor C1b, an end portion of C2b side is grounded.
  • the series connection portion is provided with a terminal, and the output potential Vout of this terminal can be measured.
  • This output potential V out has the following value.
  • the acceleration sensor can be provided with a function of self-diagnosis whether the sensor has failed without actually applying acceleration az to the acceleration sensor.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a state in which the substrate 1 warps convexly with respect to the acceleration sensor according to Embodiment 1 of the present invention. 5 is the same as that in FIG. Further, in FIG. 5, the anchors 91 and 92 are omitted for easy understanding of the drawing.
  • the first and second detection frames 21 and 22 are positioned perpendicular to the anchors 91 and 92 (positions indicated by dotted lines in FIG. 5).
  • the inertial mass body 2 and the first and second detection frames 21 and 22 are connected.
  • the first and second detection frames are arranged in a direction (in the direction of the arrow in FIG.
  • the capacitance C 1a of the capacitor C1a formed by the first detection frame 21 and the first detection electrode 41a decreases.
  • the capacitance C 1b of the capacitor C 1b formed by the first detection frame 21 and the first detection electrode 41b increases.
  • the capacitance C 2a of the capacitor C2a constituted by the second detection frame 22 and the first detection electrode 42a increases, and the capacitance of the capacitor C2b constituted by the second detection frame 22 and the first detection electrode 42b increases.
  • the capacity C 2b decreases.
  • FIG. 6 is a top view schematically showing the configuration of the acceleration sensor in the comparative example.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing a state in which the substrate 1 warps convexly with respect to the acceleration sensor in the comparative example. 7 is the same as that in FIG. Further, in FIG. 7, the anchors 91 and 92 are omitted for easy understanding of the drawing.
  • the first and second detection frames 21 and 22 of the acceleration sensor of the comparative example perform substantially the same operation.
  • the first and second axes L1 and L2 are located in different directions from the first and second torsion axes T1 and T2, respectively, as shown in FIG. 7, the second detection electrodes 42a and 42b are arranged. Is reversed.
  • the capacitance C 1a of the capacitor C1a formed by the first detection frame 21 and the detection electrode 41a decreases, and the first The capacitance C 1b of the capacitor C 1b constituted by the detection frame 21 and the detection electrode 41b increases.
  • the capacitance C 2a of the capacitor C2a formed by the second detection frame 22 and the detection electrode 42a decreases, and the capacitance C 2b of the capacitor C2b formed by the second detection frame 22 and the detection electrode 42b. Will increase.
  • 8 to 12 are schematic cross-sectional views sequentially showing first to fifth steps of the method of manufacturing the acceleration sensor according to the first embodiment of the present invention, and the cross-sectional positions thereof correspond to the cross-sectional positions of FIG. .
  • insulating film 3 is deposited on substrate 1 made of silicon by LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) method.
  • LPCVD Low Pressure Chemical Vapor Deposition
  • a low-stress silicon nitride film or silicon film is suitable.
  • a conductive film made of, for example, polysilicon is deposited on the insulating film 3 by LPCVD.
  • the conductive film is patterned to form a plurality of detection electrodes and actuation electrodes 5.
  • a PSG (Phosphosilicate Glass) film 101 is deposited on the entire substrate 1.
  • the PSG film 101 in the portion where the anchors 91 and 92 (see FIG. 2) are formed is selectively removed.
  • a polysilicon film 102 is deposited on the entire substrate 1. Subsequently, a CMP (Chemical Mechanical Polishing) process is performed on the surface.
  • CMP Chemical Mechanical Polishing
  • the surface of polysilicon film 102 is planarized by the CMP process.
  • the acceleration sensor has a planar layout in which the offsets e1 and e2 are in the same direction. Therefore, when the substrate 1 is warped as shown in FIG. 5, in the electric circuit shown in FIG. 4, the capacitance changes of the capacitors C1a and C2b and the capacitors C1b and C2a are substantially the same. Therefore, the fluctuation of the value shown in Expression (1) is suppressed. In other words, the influence of the warp of the substrate 1 on the output potential Vout can be suppressed. Therefore, when detecting the acceleration az from the output potential Vout, it is possible to suppress the occurrence of a detection error due to the warping of the substrate.
  • the inertial mass body 2 serving as a movable part, the first and second link beams 31, 32, the first and second detection frames 21, 22, and the first and first Two torsion beams 11 and 12 are collectively formed from films made of the same material. Therefore, since there is no joint part of different materials in the movable part, there is no occurrence of distortion caused by the difference in thermal expansion coefficient of different materials. For this reason, the acceleration sensor which can suppress temperature dependence is realizable.
  • the offsets e1 and e2 shown in FIG. 1 have the same absolute value.
  • the first and second torsion axes T1 and T2 shown in FIG. 1 are parallel to each other. For this reason, the rotational displacement amounts of the first and second detection frames 21 and 22 are equal. Therefore, the capacitance changes of the capacitors C1a, C1b, C2a and C2b shown in FIG. 4 are performed with higher accuracy. For this reason, the error of the acceleration sensor can be further suppressed.
  • FIG. 13 is a top view schematically showing a configuration of the acceleration sensor according to the second embodiment of the present invention.
  • the acceleration sensor in the present embodiment basically has the same configuration as the acceleration sensor in the first embodiment shown in FIG. 1, but the configuration of the acceleration sensor in the first embodiment with reference to FIG.
  • third and fourth torsion beams 13 and 14, third and fourth detection frames 23 and 24, and third and fourth link beams 33 and 34 are provided. That is, the acceleration sensor according to the present embodiment includes the first unit 10, the second unit 20, the third unit 30, and the fourth unit 40.
  • Each of the first to fourth units 10, 20, 30, 40 includes first to fourth torsion beams 11 to 14, first to fourth detection frames 21 to 24, and first to fourth link beams 31.
  • first to fourth detection electrodes 41 to 44, and anchors 91 to 94 To 34, first to fourth detection electrodes 41 to 44, and anchors 91 to 94.
  • the third torsion beam 13 is supported by an anchor 93 provided on the substrate 1 so that it can be twisted around the first torsion axis T1. That is, the third torsion axis that becomes the center at which the third torsion beam 13 is twisted is the first torsion axis T1.
  • the third detection frame 23 is supported on the substrate 1 via the third torsion beam 13 so as to be rotatable about the first torsion axis T1. Further, at least a part of the third detection frame 23 has conductivity.
  • the fourth torsion beam 14 is supported by an anchor 94 provided on the substrate 1 so that it can be twisted around the second torsion axis T2. That is, the fourth torsion axis serving as the center at which the fourth torsion beam 13 is twisted is the second torsion axis T2.
  • the fourth detection frame 24 is supported by the substrate 1 via the fourth torsion beam 14 so as to be rotatable about the second torsion axis T2. Further, at least a part of the fourth detection frame 24 has conductivity.
  • the plurality of detection electrodes further include a third detection electrode 43 and a fourth detection electrode 44.
  • the third detection electrode 43 includes third detection electrodes 43a and 43b facing the third detection frame 23 so that the angle of the third detection frame 23 with respect to the substrate 1 can be detected by capacitance.
  • the third detection electrodes 43 a and 43 b are formed on the substrate 1 via the insulating film 3 so as to face each of the third detection frames 23.
  • the plurality of fourth detection electrodes 44 include fourth detection electrodes 44a and 44b facing the fourth detection frame 24 so that the angle of the fourth detection frame 24 with respect to the substrate 1 can be detected.
  • the fourth detection electrodes 44 a and 44 b are formed on the substrate 1 via the insulating film 3 so as to face each of the fourth detection frames 24.
  • the third link beam 33 is connected to the third detection frame 23 on the third axis L3.
  • the third axis L3 is a position shifted in parallel to the first torsion axis T1 by an offset e3 in the negative direction of the Y axis. That is, the direction of the offset e3 is opposite to the direction from the first torsion axis T1 toward the first axis L1 (the direction of the offset e1).
  • the absolute value of the offset e3 is equal to the offset e1.
  • the fourth link beam 34 is connected to the fourth detection frame 23 on the fourth axis L4.
  • the fourth axis L4 is a position shifted in parallel to the second torsion axis T2 by an offset e4 in the negative direction of the Y axis. That is, the direction of the offset e4 is opposite to the direction from the second torsion axis T2 toward the second axis L2 (the direction of the offset e2).
  • the absolute value of the offset e4 is equal to the offset e2.
  • the inertial mass body 2 is connected to each of the first to fourth detection frames 21 to 24 via the first to fourth link beams 31 to 34, so that the thickness of the substrate 1 is increased on the substrate 1. It is supported so that it can be displaced.
  • the third detection frame 23 is connected to the anchor 93 by the third torsion beam 13, and the third link beam 33 is connected to the inertia mass body 2 by the third axis L3.
  • the fourth detection frame 24 is connected to the anchor 94 by the fourth torsion beam 14, and the fourth link beam 34 is connected to the inertia mass body 2 by the fourth axis L4.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view schematically showing a state in which acceleration is applied upward along the film thickness direction of the substrate with respect to the acceleration sensor according to the second embodiment of the present invention.
  • 14 is a schematic sectional view taken along line XIV-XIV in FIG. Further, in FIG. 14, the anchors 91 and 92 are not shown for easy understanding of the drawing.
  • inertial mass body 2 when acceleration az in the upward direction along the film thickness direction of substrate 1, that is, in the positive direction of the Z-axis (upward in the drawing) is applied to the acceleration sensor, inertial mass body 2 is initialized by inertial force. It is displaced from the position (the position indicated by the broken line in the figure) so as to sink in the negative direction of the Z axis (downward in the figure).
  • the first and second link beams 31 and 32 connected to the inertial mass body 2 are also displaced integrally with the inertial mass body in the negative direction of the Z-axis (downward in the figure).
  • the first detection frame 21 Due to the displacement of the first link beam 31, the first detection frame 21 receives a force in the negative direction (downward in the figure) of the Z axis at the portion of the first axis L1. Since the first axis L1 is in a position translated from the first torsion axis T1 by an offset e1, torque acts on the first detection frame 21. As a result, the first detection frame 21 is rotationally displaced.
  • the fourth detection frame 24 receives a force in the negative direction of the Z axis (downward in the figure) at the portion of the fourth axis L4. Since the fourth axis L4 is in a position translated from the second torsion axis T2 by the offset e4, torque acts on the second detection frame 22. As a result, the second detection frame 22 is rotationally displaced.
  • the first detection frame 21 and the fourth detection frame 24 rotate in opposite directions. That is, the upper surface of the first detection frame 21 faces one end side (the right side in FIG. 14) of the acceleration sensor, and the upper surface of the fourth detection frame 24 is the other end (center) side of the acceleration sensor (the left side in FIG. 14).
  • the first and fourth detection frames 21 and 24 are rotationally displaced so as to face.
  • the capacitance C 1a of the capacitor C1a constituted by the first detection frame 21 and the detection electrode 41a increases, and the capacitor C4b constituted by the fourth detection frame 24 and the fourth detection electrode 44b.
  • the electrostatic capacitance C 4b is reduced.
  • the capacitance C 4a of the capacitor C4a constituted by the fourth detection frame 24 and the fourth detection electrode 44a increases, and the capacitance of the capacitor C2b constituted by the fourth detection frame 24 and the fourth detection electrode 44b increases.
  • the capacity C 2b decreases.
  • the first detection frame 21 and the second detection frame 22 can also detect the acceleration az. Further, the acceleration az can be detected by the third detection frame and the fourth detection frame.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view schematically showing a state when angular acceleration is applied around the X axis to the acceleration sensor according to the second embodiment of the present invention.
  • the cross-sectional position in FIG. 15 is the same as that in FIG. Further, in FIG. 15, the anchors 91 and 92 and the center inertia mass body 2 are not shown in order to make the drawing easy to see.
  • inertial mass body 2 when inertial mass body 2 receives negative angular acceleration a ⁇ in the X-axis direction, rotational displacement is caused in the direction opposite to angular acceleration a ⁇ from the initial position (the position indicated by the broken line in the figure) due to the moment of inertia. Then tilt.
  • the first detection frame 21 is lifted by the portion of the axis L1 of the first link beam 31, and is rotated about the first torsion axis T1.
  • the fourth detection frame 24 is pushed down by the portion of the fourth axis L4 of the fourth link beam 34 and rotated about the second torsion axis T2.
  • the capacitance C 1a of the capacitor C1a formed by the first detection frame 21 and the detection electrode 41a decreases, and the first detection frame 21 and the detection electrode
  • the capacitance C 1b of the capacitor C1b constituted by 41b increases.
  • the capacitance C 4a of the capacitor C4a configured by the fourth detection frame 24 and the detection electrode 44a increases, and the capacitance C 4b of the capacitor C4b configured by the fourth detection frame 24 and the detection electrode 44b increases. Decrease.
  • FIG. 16 shows a capacitor formed by the first, second, third and fourth detection frames of the acceleration sensor according to the second embodiment of the present invention and the first, second, third and fourth detection electrodes. It is a circuit diagram explaining electrical connection.
  • capacitors C1a, C2a, C3a, and C4a are connected in parallel, and capacitors C1b, C2b, C3b, and C4b are connected in parallel. These two parts connected in parallel are further connected in series.
  • the thus formed circuit capacitors C1a, C2a, C3a, constant potential V d is applied to an end portion of C4a side capacitor C1b, C2b, C3b, the end of the C4b side is grounded.
  • the series connection portion is provided with a terminal, and the output potential Vout of this terminal can be measured.
  • This output potential V out has the following value.
  • the acceleration az in the Z-axis direction can be detected by measuring the output potential Vout .
  • FIG. 17 is a cross-sectional view schematically showing a state in which an angular velocity is applied to an axis slightly inclined from the Y axis with respect to the acceleration sensor according to the second embodiment of the present invention. 17 is the same as that in FIG. In FIG. 17, the anchors 91 and 92 and the center inertia mass body 2 are not shown for easy understanding of the drawing.
  • the centrifugal force accompanying the rotation of the angular velocity ⁇ acts on the inertial mass body 2. For this reason, the inertial mass body 2 is tilted from the initial position (the position indicated by the broken line in the drawing) in a direction in which the end of the inertial mass body 2 moves away from the rotation axis of the angular velocity ⁇ .
  • the inclination of the inertial mass body 2 is the same as that when the angular acceleration a ⁇ described above is applied. For this reason, the influence which angular velocity (omega) has on output potential Vout is also suppressed by the same principle.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view schematically showing a state when acceleration is applied in the Y-axis direction to the acceleration sensor according to the second embodiment of the present invention. 18 is the same as that in FIG. Further, in FIG. 18, the anchors 91 and 92 and the central inertia mass body 2 are not shown for easy understanding of the drawing.
  • a negative force in the Z-axis direction acts on the inertial mass body 2 as gravity, and the inertial mass body 2 moves downward (in the direction of the Z-axis in the drawing) from the initial position (the position of the broken line in the drawing). It is in a state of sinking in the negative direction.
  • the height of the first axis L1 from the substrate 1 is lower than the first torsion axis T1 due to the influence of gravity. For this reason, the force (arrow in FIG. 17) transmitted to the portion of the first axis L1 acts on the first detection frame 21 as a torque around the first torsion axis T1.
  • the height of the axis L4 from the substrate 1 is lower than the second torsion axis T2 due to the influence of gravity. For this reason, the force transmitted to the portion of the axis L4 acts on the fourth detection frame 24 as a torque around the second torsion axis T2.
  • the torques around the first and second torsion axes T1 and T2 both have an action point below the first and second torsion axes T1 and T2. Further, both forces acting on the action point are positive in the Y-axis direction. As a result, the rotational displacement of the first detection frame 21 and the rotational displacement of the fourth detection frame 24 are in the same direction.
  • the capacitance C 1a of the capacitor C1a formed by the first detection frame 21 and the detection electrode 41a decreases, and the static of the capacitor C1b formed by the first detection frame 21 and the detection electrode 41b decreases.
  • the capacitance C 1b increases.
  • the capacitance C 4a of the capacitor C4a constituted by the fourth detection frame 24 and the detection electrode 44a increases, and the capacitance C 4b of the capacitor C4b constituted by the fourth detection frame 24 and the detection electrode 44b. Decrease.
  • the direction of movement from the first and second torsion axes T1, T2 to the first and second axes L1, L2, and the first and second torsion axes T1, T2 The direction of movement to the third and fourth axes L3 and L4 is the opposite direction.
  • detection errors due to angular acceleration, angular velocity, and other-axis acceleration can be suppressed. Therefore, even when the substrate 1 is warped, the output accuracy can be improved by the first detection frame 21 and the second detection frame 22, or the third detection frame 23 and the fourth detection frame 24.
  • FIG. 19 is a top view schematically showing a configuration of the acceleration sensor according to the third embodiment of the present invention.
  • the acceleration sensor in the present embodiment basically has the same configuration as that of the second embodiment shown in FIG. 13, but the second detection frame 22, the second link beam 32, The arrangement of the second torsion beam 12 and the anchor 92 (second unit 20) and the fourth detection frame 24, the fourth link beam 34, the fourth torsion beam 14 and the anchor 94 (fourth unit 40) are switched. It is a configuration.
  • the acceleration sensor in the present embodiment has an axially symmetric structure with respect to the X axis.
  • the acceleration sensor includes the first and second detection frames 21 and 22, the first and second torsion beams 11 and 12, and the first and second link beams 31 and 32 having the first and second torsion shafts. It arrange
  • the positions of the first and second link beams 31 and 32 are arranged axisymmetrically. For this reason, even when the 1st and 2nd detection frames 21 and 22 incline by curvature etc., the inclination of the inertial mass body 2 can be suppressed. That is, since the inertial mass body 2 can easily move only in the out-of-plane direction parallel displacement, the output can be detected with high accuracy and the accuracy of the self-diagnosis function by the actuation electrode 5 can be improved.
  • FIG. 20 is a top view schematically showing a configuration of the acceleration sensor according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the acceleration sensor in the present embodiment basically has the same configuration as that of the third embodiment shown in FIG. 19, but has an axially symmetric structure with respect to the Y axis. Is arranged.
  • the acceleration sensor includes one first unit 10, two second units, two third units 30, and one fourth unit 40.
  • the fourth unit 40 is disposed so as to face the first unit 10 with respect to an axis B passing through the center of gravity G and parallel to the X axis.
  • the two second units 20 are arranged so as to face the third unit 30 with respect to an axis B passing through the center of gravity G and parallel to the X axis with the fourth unit 40 interposed therebetween.
  • the two third units 30 are arranged so as to face the second unit 20 with respect to an axis B passing through the center of gravity G and parallel to the X axis, with the first unit 10 interposed therebetween.
  • first to fourth units 10, 20, 30, and 40 are arranged symmetrically with respect to an axis A that passes through the center of gravity G and is parallel to the Y axis.
  • the first and second detection frames 21 and 22, the first and second torsion beams 11 and 12, and the first and second link beams 31 and 32 have the first and second torsion axes. It arrange
  • FIG. 21 is a top view schematically showing a configuration of the acceleration sensor according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the acceleration sensor in the present embodiment basically has the same configuration as that of the fourth embodiment shown in FIG. 20, but includes first unit 10 and second unit 20. Further, fifth to eighth units 50, 60, 70, 80 rotated by 90 degrees with respect to the center of gravity G are further provided. That is, the acceleration sensor of the present embodiment is arranged so that the structure rotated 90 degrees with respect to the center of gravity G becomes a completely axisymmetric structure.
  • Each of the fifth to eighth units 50, 60, 70, 80 includes fifth to eighth torsion beams 15 to 18, fifth to eighth detection frames 25 to 28, and fifth to eighth link beams 35.
  • the fifth and seventh detection frames 25 and 27 are rotatable about the third torsion axis T3.
  • the sixth and eighth detection frames 26, 28 are rotatable about the fourth torsion axis T4.
  • the third and fourth torsion axes T3 and T4 are positions rotated by 90 degrees with respect to the first and second torsion axes T1 and T2.
  • the fifth and sixth axes L5 and L6, in which the fifth and sixth link beams 35 and 36 are connected to the fifth and sixth detection frames 25 and 26, are in the same direction as the third and fourth torsion axes T3 and T4. It is the position moved to. That is, the offsets e5 and e6 are equal.
  • the seventh and eighth axes L7, L8 where the seventh and eighth link beams 37, 38 are connected to the seventh and eighth detection frames 27, 28 are in the same direction as the third and fourth torsion axes T3, T4 And a position moved in the direction opposite to the fifth and sixth axes L5 and L6. That is, offsets e7 and e8 are equal, and offsets e7 and e8 are opposite in direction to offsets e5 and e6, and have the same absolute value.
  • the first and second detection frames 21 and 22, the first and second torsion beams 11 and 21, and the first and second link beams 31 and 32 are rotated by 90 degrees.
  • Fifth to eighth detection frames 25 to 28, fifth to eighth torsion beams 15 to 18, and fifth to eighth link beams 35 to 38 are further provided.
  • the present invention can be applied particularly advantageously to a capacitance type acceleration sensor.

Abstract

　加速度センサは、基板（１）と第１および第２ねじれ梁（１１、１２）と第１および第２検出フレーム（２１、２２）と第１および第２検出電極（４１、４２）と第１および第２リンク梁（３１、３２）と慣性質量体（２）とを備える。第１および第２ねじれ梁（１１、１２）は、第１および第２ねじれ軸（Ｔ１、Ｔ２）の周りにねじれる。第１および第２検出フレーム（２１、２２）は、第１および第２ねじれ軸（Ｔ１、Ｔ２）を中心に回転する。第１および第２検出電極（４１、４２）は、基板（１）に対する第１および第２検出フレーム（２１、２２）の角度を検出する。第１リンク梁（３１）は、第１ねじれ軸（Ｔ１）と交差する方向に沿って第１検出フレーム（２１）の一方端部側に第１ねじれ軸（Ｔ１）を移動した第１の軸（Ｌ１）上にある。第２リンク梁（３２）は、第１ねじれ軸（Ｔ１）の移動と同方向に第２ねじれ軸（Ｔ２）を移動した第２の軸（Ｌ２）上にある。

Description

加速度センサ
　本発明は、加速度センサに関し、たとえば静電容量型の加速度センサに関する。
　従来の基板厚み方向の加速度を検出する加速度センサの原理の１つとして、加速度にともなう静電容量の変化を検出する方法がある。この方法による加速度センサとしては、たとえば、主な構成部分として、ねじれ梁（撓み部）と、慣性質量体（重り）と、検出フレーム（エレメント）と、検出電極（検知電極）とを備えた加速度センサ（加速度感知運動変換器）が知られている（たとえば、特開平５－１３３９７６号公報（特許文献１）参照）。
　この特許文献１の加速度センサは、基板と対向する面を有する１つの検出フレームを有している。この検出フレームの一方端部上に、慣性質量体が設けられている。また、この検出フレームは、ねじれ梁を回転軸として回転することができるように、基板上に支持されている。また、この回転変位を検出するための検出電極が、検出フレームの下方に設けられている。
　また、慣性質量体を検出フレーム上ではなく、検出フレームと同一平面に配置した加速度センサが知られている（たとえば、国際公開ＷＯ２００３／０４４５３９号公報（特許文献２）参照）。この特許文献２の加速度センサは、ねじれ梁と、慣性質量体（質量体）と、検出フレーム（可動電極）と、検出電極（第１および第２の固定電極）とを備えている。ねじれ梁は、基板に支持されたアンカー部と連結されている。１つの検出フレーム（可動電極）は、このねじれ梁と連結されており、ねじれ梁を回転軸として回転することができるように基板上に支持されている。この検出フレームの一方端部および他方端部に、検出フレームの中心線から所定距離離れた位置にリンク梁が設けられている。慣性質量体（質量体）は、このリンク梁と連結されている。慣性質量体は、シリコン基板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ている。
　このように構成された加速度センサに対して基板厚み方向の加速度が加えられると、慣性質量体には基板厚み方向の慣性力が作用する。慣性質量体は一方端部上、すなわち上記回転軸から基板面内方向にずれを有する位置に設けられている。このため、この慣性力はねじれ梁周りのトルクとして検出フレームに作用する。この結果、検出フレームが回転変位する。
　この回転変位により、検出フレームと検出電極との距離が変化するので、検出フレームと検出電極とにより形成されているコンデンサの静電容量が変化する。この静電容量変化から加速度が測定される。
特開平５－１３３９７６号公報 国際公開ＷＯ２００３／０４４５３９号公報
　上記特許文献１および２の加速度センサは、通常、樹脂材料によりモールド成形することでパッケージ封止される。加速度センサを構成する材料と樹脂材料との熱特性が異なる場合には、モールド成形をすると、それぞれの材料の熱収縮などによって、パッケージの形状が変形し、パッケージの反りが生じる。パッケージの反りが生じると、内部に配置されている加速度センサを支える基板が反る場合がある。基板に反りが生じると、パッケージ化の前後で加速度センサの出力が変動する。さらに、パッケージの形状が経時的に変形
する場合には、加速度センサの出力も時間とともに変動することとなる。
　そこで、本発明の目的は、基板の反りによる影響を低減して、精度を向上した加速度センサを提供することである。
　本発明の加速度センサは、基板と、第１ねじれ梁と、第１検出フレームと、第２ねじれ梁と、第２検出フレームと、第１および第２検出電極と、第１リンク梁と、第２リンク梁と、慣性質量体とを備えている。第１ねじれ梁は、第１ねじれ軸の周りにねじれることができ、基板に支持されている。第１検出フレームは、第１ねじれ軸を中心に回転可能なように、第１ねじれ梁を介して基板に支持されている。第２ねじれ梁は、第２ねじれ軸の周りにねじれることができ、基板に支持されている。第２検出フレームは、第２ねじれ軸を中心に回転可能なように、第２ねじれ梁を介して基板に支持されている。第１および第２検出電極は、第１および第２検出フレームのそれぞれと対向するように基板上に形成され、かつ基板に対する第１および第２検出フレームの角度を静電容量により検出する。第１リンク梁は、第１ねじれ軸と交差する方向に沿って第１検出フレームの一方端部側に第１ねじれ軸を移動した第１の軸上において第１検出フレームと接続されている。第２リンク梁は、第１ねじれ軸の移動の方向と同じ方向に第２ねじれ軸を移動した第２の軸上において第２検出フレームと接続されている。慣性質量体は、第１および第２リンク梁のそれぞれにより第１および第２検出フレームの各々に連結されることで、基板上で基板の厚み方向に変位可能に支持されている。
　本発明の加速度センサによれば、第１リンク梁は、第１ねじれ軸と交差する方向に沿って第１検出フレームの一方端部側に第１ねじれ軸を移動した第１の軸上において第１検出フレームと接続されている。一方、第２リンク梁は、第２ねじれ軸を上記移動の方向と同方向に移動した第２の軸上において第２検出フレームと接続されている。
　このため、基板が反った場合には第１および第２検出フレームが互いに逆向きに回転変位する。その結果、第１検出フレームと第１検出電極とにより構成されるコンデンサの静電容量の増減と、第２検出フレームと第２検出電極とにより構成されるコンデンサの静電容量の増減とが互いに反対に変位する。したがって、基板が反った場合、第１検出フレームと第１検出電極とにより構成されるコンデンサの静電容量と、第２検出フレームと第２検出電極とにより構成されるコンデンサの静電容量との変位を互いに相殺できる。
　以上より、基板に反りが生じた場合に、誤差出力が発生することを抑制することができる。また、基板に生じる反りに変化が生じても、出力の誤差の影響を受けにくくすることができる。よって、基板の反りによる影響を低減して、精度を向上することができる。
本発明の実施の形態１における加速度センサの構成を概略的に示す上面図である。 図１のＩＩ－ＩＩ線に沿う概略的な断面図である。 本発明の実施の形態１における加速度センサに対して基板の膜厚方向に沿って上方向に加速度が加えられた際の様子を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態１における加速度センサの第１および第２検出フレームと、検出電極とにより形成されるコンデンサの電気的接続を説明する回路図である。 本発明の実施の形態１における加速度センサに対して基板が凸に反った様子を概略的に示す断面図である。 比較例における加速度センサの構成を概略的に示す上面図である。 比較例における加速度センサに対して基板が凸に反った様子を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態１における加速度センサの製造方法の第１工程を示す概略的な断面図であり、その断面位置は図２の断面位置に対応する。 本発明の実施の形態１における加速度センサの製造方法の第２工程を示す概略的な断面図であり、その断面位置は図２の断面位置に対応する。 本発明の実施の形態１における加速度センサの製造方法の第３工程を示す概略的な断面図であり、その断面位置は図２の断面位置に対応する。 本発明の実施の形態１における加速度センサの製造方法の第４工程を示す概略的な断面図であり、その断面位置は図２の断面位置に対応する。 本発明の実施の形態１における加速度センサの製造方法の第５工程を示す概略的な断面図であり、その断面位置は図２の断面位置に対応する。 本発明の実施の形態２における加速度センサの構成を概略的に示す上面図である。 本発明の実施の形態２における加速度センサに対して基板の膜厚方向に沿って上方向に加速度が加えられた際の様子を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態２における加速度センサに対してＸ軸まわりに角加速度が加えられた際の様子を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態２における加速度センサの第１、第２、第３および第４検出フレームと、第１、第２、第３および第４検出電極とにより形成されるコンデンサの電気的接続を説明する回路図である。 本発明の実施の形態２における加速度センサに対してＹ軸から少し傾いた軸に角速度が加えられた際の様子を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態２における加速度センサに対してＹ軸方向に加速度が加えられた際の様子を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態３における加速度センサの構成を概略的に示す上面図である。 本発明の実施の形態４における加速度センサの構成を概略的に示す上面図である。 本発明の実施の形態５における加速度センサの構成を概略的に示す上面図である。
符号の説明
　１　基板、２　慣性質量体、３　絶縁膜、５　アクチュエーション電極、１０　第１のユニット、１１　第１ねじれ梁、１２　第２ねじれ梁、１３　第３ねじれ梁、１４　第４ねじれ梁、１５　第５ねじれ梁、１６　第６ねじれ梁、１７　第７ねじれ梁、１８　第８ねじれ梁、２０　第２のユニット、２１　第１検出フレーム、２２　第２検出フレーム、２３　第３検出フレーム、２４　第４検出フレーム、２５　第５検出フレーム、２６　第６検出フレーム、２７　第７検出フレーム、２８　第８検出フレーム、３０　第３のユニット、３１　第１リンク梁、３２　第２リンク梁、３３　第３リンク梁、３４　第４リンク梁、３５　第５リンク梁、３６　第６リンク梁、３７　第７リンク梁、３８　第８リンク梁、４０　第４のユニット、４１，４１ａ，４１ｂ　第１検出電極、４２，４２ａ，４２ｂ　第２検出電極、４３，４３ａ，４３ｂ　第３検出電極、４４，４４ａ，４４ｂ　第４検出電極、４５，４５ａ，４５ｂ　第５検出電極、４６，４６ａ，４６ｂ　第６検出電極、４７，４７ａ，４７ｂ　第７検出電極、４８，４８ａ，４８ｂ　第８検出電極、５０
　第５のユニット、６０　第６のユニット、７０　第７のユニット、８０　第８のユニット、９１～９８　アンカー、１０１　ＰＳＧ膜、１０２　ポリシリコン膜。
　以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
　（実施の形態１）
　最初に、本実施の形態の加速度センサの主要な構成について説明する。
　図１は、本発明の実施の形態１における加速度センサの構成を概略的に示す上面図である。また図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線に沿う概略的な断面図である。なお、説明の便宜のため、座標軸Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が導入されている。図１において、Ｘ軸は横方向に沿う右方向が正の向きの軸であり、Ｙ軸は縦方向に沿う上方向が正の向きの軸であり、Ｚ軸は紙面に垂直で紙面の上方が正の向きの軸である。なおＺ軸の方向は、本実施の形態の加速度センサが測定対象とする加速度方向に一致する。
　図１および図２を参照して、本実施の形態の加速度センサは、主に、基板１と、第１および第２ねじれ梁１１、１２と、第１および第２検出フレーム２１、２２と、複数の検出電極と、第１および第２リンク梁３１、３２と、慣性質量体２と、アクチュエーション電極５とを備えている。
　基板１としては、たとえばシリコン基板を用いることができる。また、第１および第２ねじれ梁１１、１２、第１および第２検出フレーム２１、２２、第１および第２リンク梁３１、３２、慣性質量体２、検出電極およびアクチュエーション電極５の材質としては、ポリシリコン膜を用いることができる。このポリシリコン膜は、低応力であり、かつ厚さ方向に応力分布がないことが望ましい。
　第１ねじれ梁１１は、Ｘ軸に沿った第１ねじれ軸Ｔ１の周りにねじれることができるように、基板１に設けられたアンカー９１により支持されている。
　第１検出フレーム２１は、第１ねじれ軸Ｔ１を中心に回転可能なように、第１ねじれ梁１１を介して基板１に支持されている。また、第１検出フレーム２１は、少なくともその一部が導電性を有している。
　第２ねじれ梁１２は、Ｘ軸に沿った第２ねじれ軸Ｔ２の周りにねじれることができるように、基板１に設けられたアンカー９２により支持されている。
　第２検出フレーム２２は、第２ねじれ軸Ｔ２を中心に回転可能なように、第２ねじれ梁１２を介して基板１に支持されている。また、第２検出フレーム２２は、少なくともその一部が導電性を有している。
　複数の検出電極は、第１検出電極４１と第２検出電極４２とを有している。この第１および第２検出電極４１、４２は、基板１に対する第１および第２検出フレーム２１および２２の角度を静電容量により検出することができるように、第１および第２検出フレーム２１、２２のそれぞれと対向するように基板１上に絶縁膜３を介して形成されている。なお、絶縁膜３としては、低応力の窒化シリコン膜やシリコン酸化膜が好適である。
　アクチュエーション電極５は、慣性質量体２を静電気力により変位させることができるように、慣性質量体２に対向するように基板１上に絶縁膜３を介して形成されている。
　第１リンク梁３１は、第１ねじれ軸Ｔ１が第１ねじれ軸Ｔ１と交差する方向に沿って第１検出フレーム２１の一方端部側にオフセットｅ１だけ移動した第１の軸Ｌ１上において第１検出フレーム２１と接続されている。なお、上記「オフセット」とは、その位置を、基準点からの差(距離)で表した値を意味する。すなわち、オフセットｅ１の絶対値は第１ねじれ軸Ｔ１と第１リンク梁３１との間の寸法であり、オフセットｅ１の向きは第１ねじれ軸Ｔ１と交差して第１ねじれ軸Ｔ１から第１の軸Ｌ１へ向かう方向である。
　第２リンク梁３２は、第２ねじれ軸Ｔ２が上記の移動の方向と同方向、すなわちオフセットｅ１と同方向のオフセットｅ２だけ平行にずらされた第２の軸Ｌ２上において第２検出フレーム２２に接続されている。すなわち、オフセットｅ２の絶対値は第２ねじれ軸Ｔ２と第２リンク梁３２との間の寸法であり、オフセットｅ２の向きはオフセットｅ１と同方向である。
　好ましくは、第１および第２ねじれ梁１１、１２と、第１および第２リンク梁３１、３２とは、オフセットｅ１とｅ２とが等量となるように配置されている。
　また、好ましくは、第１および第２ねじれ軸Ｔ１、Ｔ２が互いに平行である。すなわち、第１および第２ねじれ梁１１、１２は互いに平行に配置され、かつ第１および第２リンク梁３１、３２は互いに平行に配置されている。
　慣性質量体２は、第１および第２リンク梁３１、３２により第１および第２検出フレーム２１、２２の各々に連結されることにより、基板１上で基板１の厚み方向に変位可能に支持されている。
　続いて、上記の検出電極の構成の詳細と、この検出電極により第１および第２検出フレーム２１、２２のそれぞれの基板１に対する角度を検出することができる原理について説明する。
　複数の検出電極は、第１検出フレーム２１と対向する第１検出電極４１を有している。この第１検出電極４１は、第１ねじれ軸Ｔ１を挟むように第１検出電極４１ａと４１ｂとを有している。第１検出電極４１ａは加速度センサの外周側（図１上側）に位置しており、第１検出電極４１ｂは加速度センサの内周側（図１中央側）に位置している。第１検出電極４１ａと４１ｂとは、第１ねじれ軸Ｔ１を挟むように設けられている。
　第１検出フレーム２１が第１ねじれ梁１１の周りに回転された場合、第１検出フレーム２１の裏面（検出電極４１と対向する面）は検出電極４１ａ、４１ｂの一方に接近するとともに、他方から遠ざかる。このため、第１検出フレーム２１が検出電極４１ａと対向することで生じている静電容量と、第１検出フレーム２１が検出電極４１ｂと対向することで形成している静電容量との差分を検出することにより、第１検出フレーム２１の基板１に対する角度を検出することができる。
　また複数の検出電極は、第２検出フレーム２２と対向する第２検出電極４２を有している。この第２検出電極４２は、第２ねじれ軸Ｔ２を挟むように第２検出電極４２ａと４２ｂとを有している。第２検出電極４２ａは加速度センサの内周側（図１中央側）に位置しており、第２検出電極４２ｂは加速度センサの外周側（図１下側）に位置している。第２検出電極４２ａと４２ｂとは、第２ねじれ軸Ｔ２を挟むように設けられている。
　第２検出フレーム２２が第２ねじれ梁１２の周りに回転された場合、第２検出フレーム２２の裏面（検出電極４２と対向する面）は第２検出電極４２ａ、４２ｂの一方に接近するとともに、他方から遠ざかる。このため、第２検出フレーム２２が第２検出電極４２ａと対向することで生じている静電容量と、第２検出フレーム２２が第２検出電極４２ｂと対向することで形成している静電容量との差分を検出することにより、第２検出フレーム２２の基板１に対する角度を検出することができる。
　好ましくは、加速度センサの平面レイアウトは、第１および第２リンク梁３１、３２を除き、第１および第２ねじれ軸Ｔ１、Ｔ２と平行な方向に延びる軸Ｂに対して線対称な構造を有しており、慣性質量体２の重心Ｇは軸Ｂ上に位置する。
　また、加速度センサの平面レイアウトは、第１および第２ねじれ軸Ｔ１、Ｔ２と交差する方向に延びる軸Ａに対して線対称な構造を有しており、慣性質量体２の重心Ｇは軸Ａ上に位置する。
　続いて、本実施の形態の加速度センサの加速度の測定原理について説明する。
　図３は、本発明の実施の形態１における加速度センサに対して基板の膜厚方向に沿って上方向に加速度が加えられた際の様子を概略的に示す断面図である。なお、図３の断面位置は図２と同一である。また図３においては図を見易くするためにアンカー９１、９２は図示されていない。
　図３を参照して、基板の膜厚方向に沿って上方向、すなわちＺ軸の正方向（図中上方向）の加速度ａｚが加速度センサに加わると、慣性質量体２は慣性力により初期位置（図中破線で示す位置）からＺ軸の負方向（図中下方向）に沈み込むように変位する。慣性質量体２と連結されている第１および第２リンク梁３１、３２も、慣性質量体と一体となってＺ軸の負方向（図中下方向）に変位する。
　第１リンク梁３１の変位により、第１検出フレーム２１は、第１の軸Ｌ１の部分でＺ軸の負方向（図中下方向）への力を受ける。この第１の軸Ｌ１は、第１ねじれ軸Ｔ１からオフセットｅ１だけ平行移動された位置にあるため、第１検出フレーム２１には第１の軸Ｌ１を中心としたトルクが作用する。この結果、第１検出フレーム２１が回転変位する。
　また、第２リンク梁３２の変位により、第２検出フレーム２２は、第２の軸Ｌ２の部分でＺ軸の負方向（図中下方向）への力を受ける。この第２の軸Ｌ２は、第２ねじれ軸Ｔ２からオフセットｅ２だけ平行移動された位置にあるため、第２検出フレーム２２には第２の軸Ｌ２を中心としたトルクが作用する。この結果、第２検出フレーム２２が回転変位する。
　オフセットｅ１とｅ２とは同じ向きであるため、第１検出フレーム２１と第２検出フレーム２２とは同じ向きに回転する。すなわち、第１検出フレーム２１の上面は加速度センサの一方端部側（図３の右側）を向き、第２検出フレーム２２の上面も加速度センサの一方端部側（図３の右側）を向くように、第１および第２検出フレーム２１、２２が回転変位する。
　この回転変位にともない、第１検出フレーム２１と検出電極４１ａとにより構成されるコンデンサＣ１ａの静電容量Ｃ1aが増大し、第１検出フレーム２１と検出電極４１ｂとにより構成されるコンデンサＣ１ｂの静電容量Ｃ1bが減少する。また第２検出フレーム２２と検出電極４２ａとにより構成されるコンデンサＣ２ａの静電容量Ｃ2aが増大し、第２検出フレーム２２と検出電極４２ｂとにより構成されるコンデンサＣ２ｂの静電容量Ｃ2bが減少する。
　図４は、本発明の実施の形態１における加速度センサの第１および第２検出フレームと、検出電極とにより形成されるコンデンサの電気的接続を説明する回路図である。図４を参照して、コンデンサＣ１ａとＣ２ａとが並列接続され、コンデンサＣ１ｂとＣ２ｂとが並列接続されている。そして、これら２つの並列接続された部分がさらに直列に接続されている。このように形成された回路のコンデンサＣ１ａ、Ｃ２ａ側の端部には一定電位Ｖdが印加され、コンデンサＣ１ｂ、Ｃ２ｂ側の端部は接地されている。また、上記直列接続部には端子が設けられており、この端子の出力電位Ｖoutを測定することができる。この出力電位Ｖoutは、下記の値となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　電位Ｖdは一定値であることから、出力電位Ｖoutを測定することにより、Ｚ軸方向の加速度ａｚを検知することができる。加速度が０、すなわち、変位がない場合はＣ１ａ＝Ｃ２ａ＝Ｃ１ｂ＝Ｃ２ｂであるので、Ｖout＝Ｖd／２で表わされる。
　また、アクチュエーション電極５と慣性質量体２との間に電圧を印加することにより、慣性質量体２を基板１の方に引っ張る静電気力を発生することができる。すなわち、慣性質量体２を基板１の膜厚方向に静電駆動することができる。この静電駆動により、加速度センサに基板１の膜厚方向の加速度ａｚが加わった場合の慣性質量体２の変位と同様の変位を発生させることができる。よって、実際に加速度センサに加速度ａｚを加えずにセンサが故障しているかどうか自己診断する機能を、加速度センサに持たせることができる。
　次に、本実施の形態の加速度センサにおいて基板１が反った場合の例について説明する。
　図５は、本発明の実施の形態１における加速度センサに対して基板１が凸に反った様子を概略的に示す断面図である。なお、図５の断面位置は図２と同一である。また図５においては、図を見易くするために、アンカー９１、９２が省略されている。
　図５を参照して、第１および第２リンク梁３１、３２が形成されず第１および第２検出フレーム２１、２２のみ配置されている場合には、基板１が凸に反ると、第１および第２検出フレーム２１、２２はアンカー９１、９２に対して垂直に位置する（図５において点線の位置）。本実施の形態では、第１および第２ねじれ軸Ｔ１、Ｔ２から同じ方向にずらした第１および第２の軸Ｌ１、Ｌ２上に位置する第１および第２リンク梁３１、３２を介して、慣性質量体２と第１および第２検出フレーム２１、２２とが接続されている。この配置において、基板１が凸に反ると、第１および第２リンク梁３１、３２において対向する端部の距離を短くする方向（図５において矢印の方向）に第１および第２検出フレーム２１、２２が移動する。その結果、図５に示すように、第１検出フレーム２１の上面は図５において点線の位置から加速度センサの一方端部側（図５の右側）を向くように、かつ第２検出フレーム２２の上面は図５において点線の位置から加速度センサの他方端部側（図５の左側）を向くように、第１および第２検出フレーム２１、２２が回転変位する。
　この基板１の反りと第１および第２検出フレーム２１、２２の回転とにともない、第１検出フレーム２１と第１検出電極４１ａとにより構成されるコンデンサＣ１ａの静電容量Ｃ1aが減少し、第１検出フレーム２１と第１検出電極４１ｂとにより構成されるコンデンサＣ１ｂの静電容量Ｃ1bが増大する。また第２検出フレーム２２と第１検出電極４２ａとにより構成されるコンデンサＣ２ａの静電容量Ｃ2aが増大し、第２検出フレーム２２と第１検出電極４２ｂとにより構成されるコンデンサＣ２ｂの静電容量Ｃ2bが減少する。
　上記式（１）を参照して、上記の静電容量の変化が生じた場合も、増大する変位と減少する変位とが互いに相殺されるので、Ｃ1a+Ｃ2a＝Ｃ1b+Ｃ2bは満たされる。このため、加速度が０の場合はＶout＝Ｖd／２で表わされ、基板１の反りの影響は抑制される。
　ここで、第１および第２ねじれ軸Ｔ１、Ｔ２から互いに反対方向にずらした第１および第２の軸Ｌ１、Ｌ２上に位置する第１および第２リンク梁３１、３２を備えた比較例の加速度センサについて説明する。図６は、比較例における加速度センサの構成を概略的に示す上面図である。図７は、比較例における加速度センサに対して基板１が凸に反った様子を概略的に示す断面図である。なお、図７の断面位置は図２と同一である。また図７においては、図を見易くするために、アンカー９１、９２が省略されている。
　図７を参照して、基板１が凸に反ると、比較例の加速度センサの第１および第２検出フレーム２１、２２はほぼ同様の動作をする。しかし、第１および第２ねじれ軸Ｔ１、Ｔ２から第１および第２の軸Ｌ１、Ｌ２がそれぞれ異なる方向に位置しているので、図７に示すように、第２検出電極４２ａ、４２ｂの配置が逆になる。
　この基板１の反りと第１および第２検出フレーム２１、２２の回転とにともない、第１検出フレーム２１と検出電極４１ａとにより構成されるコンデンサＣ１ａの静電容量Ｃ1aが減少し、第１検出フレーム２１と検出電極４１ｂとにより構成されるコンデンサＣ１ｂの静電容量Ｃ1bが増大する。しかし、第２検出フレーム２２と検出電極４２ａとにより構成されるコンデンサＣ２ａの静電容量Ｃ2aが減少し、第２検出フレーム２２と検出電極４２ｂとにより構成されるコンデンサＣ２ｂの静電容量Ｃ2bが増大する。
　上記式（１）を参照して、上記の静電容量の変化が生じた場合には、Ｃ1a+Ｃ2a＝Ｃ1b+Ｃ2bは満たされなくなる。このため、加速度が０の場合に、基板１の反りの影響は抑制されない。
　なお、１つ検出フレームを備えた加速度センサについても、測定できるのは単一の静電容量のみであるので、基板１の反りの影響が抑制されない。
　ここで、上記では基板１が凸に反った場合について説明したが、基板１が凹に反った場合には回転変位が逆であるだけなので、同様の効果を有している。
　続いて、本実施の形態の加速度センサの製造方法について説明する。図８～図１２は、本発明の実施の形態１における加速度センサの製造方法の第１～第５工程を順に示す概略的な断面図であり、その断面位置は図２の断面位置に対応する。
　図８を参照して、シリコンからなる基板１上に、ＬＰＣＶＤ(Low　Pressure　Chemical　Vapor　Deposition)法により、絶縁膜３が堆積される。絶縁膜３としては、低応力の窒化シリコン膜やシリコン膜などが適している。この絶縁膜３の上に、ＬＰＣＶＤ法により、たとえばポリシリコンからなる導電性の膜が堆積される。続いて、この導電性の膜がパターニングされて、複数の検出電極、アクチュエーション電極５が形成される。その後、基板１上全体にＰＳＧ(Phosphosilicate　Glass)膜１０１が堆積される。
　主に図９を参照して、アンカー９１、９２（図２参照）が形成される部分のＰＳＧ膜１０１が選択的に除去される。
　図１０を参照して、基板１上全体に、ポリシリコン膜１０２が堆積される。続いて、その表面にＣＭＰ(Chemical　Mechanical　Polishing)処理が施される。
　図１１を参照して、上記ＣＭＰ処理により、ポリシリコン膜１０２の表面が平坦化される。
　図１２を参照して、ポリシリコン膜１０２のＰＳＧ膜１０１の上面よりも上方の部分に対して、選択的なエッチングが行なわれる。これにより、慣性質量体２と、第１および第２リンク梁３１、３２と、第１および第２検出フレーム２１、２２と、第１および第２ねじれ梁１１、１２と、アンカー９１、９２とが一括形成される。その後、ＰＳＧ膜１０１がエッチングにより除去され、図１および図２に示される本実施の形態の加速度センサが得られる。
　以上より、本実施の形態によれば、図１に示すように、加速度センサはオフセットｅ１とｅ２とが同じ向きとなる平面レイアウトを有する。このため、図５に示すように基板１が反った場合、図４に示す電気回路において、コンデンサＣ１ａとＣ２ｂおよびコンデンサＣ１ｂとＣ２ａの静電容量変化はほぼ同じになる。よって、式（１）に示す値の変動が抑制される。すなわち、基板１の反りが出力電位Ｖoutに及ぼす影響を抑制することができる。よって、出力電位Ｖoutにより加速度ａｚを検出する際に、基盤の反りが原因で検出誤差が生じることを抑制することができる。
　また、図１１および図１２に示すように、可動部となる慣性質量体２と、第１および第２リンク梁３１、３２と、第１および第２検出フレーム２１、２２と、第１および第２ねじれ梁１１、１２とが、同一材料からなる膜から一括形成される。よって、可動部において異材料の接合部分がないため、異材料の熱膨張係数の差異により生じる歪の発生がない。このため、温度依存性を抑制することができる加速度センサを実現できる。
　本実施の形態において好ましくは、図１に示すオフセットｅ１とｅ２とは絶対値が等しくされる。また、図１に示す第１および第２ねじれ軸Ｔ１、Ｔ２が互いに平行とされる。このため、第１および第２検出フレーム２１、２２のそれぞれの回転変位量が等しくなる。よって、図４に示すコンデンサＣ１ａ、Ｃ１ｂ、Ｃ２ａおよびＣ２ｂの静電容量変化がより精度よく行なわれる。このため、加速度センサの誤差をさらに抑制することができる。
　（実施の形態２）
　図１３は、本発明の実施の形態２における加速度センサの構成を概略的に示す上面図である。
　本実施の形態における加速度センサは、基本的には図１に示す実施の形態１の加速度センサと同様の構成を備えているが、図１３を参照して、実施の形態１の加速度センサの構成に追加してさらに、第３および第４ねじれ梁１３、１４と、第３および４検出フレーム２３、２４と、第３および第４リンク梁３３、３４とを備えている。つまり、本実施の形態における加速度センサは、第１のユニット１０と、第２のユニット２０と、第３のユニット３０と、第４のユニット４０とを備えている。第１～第４のユニット１０、２０、３０、４０の各々は、第１～第４ねじれ梁１１～１４と、第１～第４検出フレーム２１～２４と、第１～第４リンク梁３１～３４と、第１～第４検出電極４１～４４と、アンカー９１～９４とを有している。
　第３ねじれ梁１３は、第１ねじれ軸Ｔ１の周りにねじれることができるように、基板１に設けられたアンカー９３により支持されている。すなわち、第３ねじれ梁１３がねじれる中心となる第３ねじれ軸は、第１ねじれ軸Ｔ１である。
　第３検出フレーム２３は、第１ねじれ軸Ｔ１を中心に回転可能なように、第３ねじれ梁１３を介して基板１に支持されている。また、第３検出フレーム２３は、少なくともその一部が導電性を有している。
　第４ねじれ梁１４は、第２ねじれ軸Ｔ２の周りにねじれることができるように、基板１に設けられたアンカー９４により支持されている。すなわち、第４ねじれ梁１３がねじれる中心となる第４ねじれ軸は、第２ねじれ軸Ｔ２である。
　第４検出フレーム２４は、第２ねじれ軸Ｔ２を中心に回転可能なように、第４ねじれ梁１４を介して基板１に支持されている。また、第４検出フレーム２４は、少なくともその一部が導電性を有している。
　複数の検出電極は、第３検出電極４３と第４検出電極４４とをさらに有する。この第３検出電極４３は、第３検出フレーム２３の基板１に対する角度を静電容量により検出できるように、第３検出フレーム２３と対向する第３検出電極４３ａおよび４３ｂを有している。この第３検出電極４３ａ、４３ｂは、第３検出フレーム２３のそれぞれと対向するよ
うに基板１上に絶縁膜３を介して形成されている。また、複数の第４検出電極４４は、第４検出フレーム２４の基板１に対する角度を検出できるように、第４検出フレーム２４と対向する第４検出電極４４ａおよび４４ｂを有している。この第４検出電極４４ａ、４４ｂは、第４検出フレーム２４のそれぞれと対向するように基板１上に絶縁膜３を介して形成されている。
　第３リンク梁３３は、第３の軸Ｌ３上において第３検出フレーム２３に繋がっている。この第３の軸Ｌ３は、第１ねじれ軸Ｔ１に対してＹ軸の負方向にオフセットｅ３だけ平行にずらされた位置である。すなわち、オフセットｅ３の向きは、第１ねじれ軸Ｔ１から第１の軸Ｌ１へ向かう方向（オフセットｅ１の方向）と反対方向である。このオフセットｅ３の絶対値は、オフセットｅ１と等しい。
　第４リンク梁３４は、第４の軸Ｌ４上において第４検出フレーム２３に繋がっている。この第４の軸Ｌ４は、第２ねじれ軸Ｔ２に対してＹ軸の負方向にオフセットｅ４だけ平行にずらされた位置である。すなわち、オフセットｅ４の向きは、第２ねじれ軸Ｔ２から第２の軸Ｌ２へ向かう方向（オフセットｅ２の方向）と反対方向である。このオフセットｅ４の絶対値は、オフセットｅ２と等しい。
　慣性質量体２は、第１～第４リンク梁３１～３４のそれぞれを介して第１～第４検出フレーム２１～２４の各々に連結されることにより、基板１上で基板１の厚み方向に変位可能に支持されている。
　つまり、第３検出フレーム２３が第３ねじれ梁１３でアンカー９３に接続されており、かつ第３の軸Ｌ３で第３リンク梁３３が慣性質量体２に接続されている。また、第４検出フレーム２４が第４ねじれ梁１４でアンカー９４に接続されており、かつ第４の軸Ｌ４で第４リンク梁３４が慣性質量体２に接続されている。
　なお、本実施の形態のこれ以外の構成は上述した実施の形態１の構成と同様であるため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
　続いて、本実施の形態の加速度センサの加速度の測定原理について説明する。
　図１４は、本発明の実施の形態２における加速度センサに対して基板の膜厚方向に沿って上方向に加速度が加えられた際の様子を概略的に示す断面図である。なお、図１４の断面位置は図１３のＸＩＶ－ＸＩＶ線に沿う概略的な断面図である。また図１４においては図を見易くするためにアンカー９１、９２は図示されていない。
　図１４を参照して、基板１の膜厚方向に沿って上方向、すなわちＺ軸の正方向（図中上方向）の加速度ａｚが加速度センサに加わると、慣性質量体２は慣性力により初期位置（図中破線で示す位置）からＺ軸の負方向（図中下方向）に沈み込むように変位する。慣性質量体２と連結されている第１および第２リンク梁３１、３２も、慣性質量体と一体となってＺ軸の負方向（図中下方向）に変位する。
　第１リンク梁３１の変位により、第１検出フレーム２１は、第１の軸Ｌ１の部分でＺ軸の負方向（図中下方向）への力を受ける。この第１の軸Ｌ１は、第１ねじれ軸Ｔ１からオフセットｅ１だけ平行移動された位置にあるため、第１検出フレーム２１にはトルクが作用する。この結果、第１検出フレーム２１が回転変位する。
　また、第４リンク梁３４の変位により、第４検出フレーム２４は、第４の軸Ｌ４の部分でＺ軸の負方向（図中下方向）への力を受ける。この第４の軸Ｌ４は、第２ねじれ軸Ｔ２からオフセットｅ４だけ平行移動された位置にあるため、第２検出フレーム２２にはトルクが作用する。この結果、第２検出フレーム２２が回転変位する。
　オフセットｅ１とｅ４とは反対の向きであるため、第１検出フレーム２１と第４検出フレーム２４とは逆向きに回転する。すなわち、第１検出フレーム２１の上面は加速度センサの一方端部側（図１４の右側）を向き、第４検出フレーム２４の上面は加速度センサの他方端部（中央）側（図１４の左側）を向くように、第１および第４検出フレーム２１、２４が回転変位する。
　この回転変位にともない、第１検出フレーム２１と検出電極４１ａとにより構成されるコンデンサＣ１ａの静電容量Ｃ1aが増大し、第４検出フレーム２４と第４検出電極４４ｂとにより構成されるコンデンサＣ４ｂの静電容量Ｃ4bが減少する。また第４検出フレーム２４と第４検出電極４４ａとにより構成されるコンデンサＣ４ａの静電容量Ｃ4aが増大し、第４検出フレーム２４と第４検出電極４４ｂとにより構成されるコンデンサＣ２ｂの静電容量Ｃ2bが減少する。
　上記式（１）より、電位Ｖdは一定値であることから、出力電位Ｖoutを測定することにより、慣性質量体２の基板１の厚み方向の変位を検出し、この検出結果によりＺ軸方向の加速度ａｚを検知することができる。
　なお、実施の形態１と同様に、第１検出フレーム２１と第２検出フレーム２２とでも加速度ａｚを検知することができる。また、第３検出フレームと第４検出フレームとでも加速度ａｚを検知することができる。
　次に、本実施の形態の加速度センサに対して角加速度が加えられた場合の検出誤差について説明する。
　図１５は、本発明の実施の形態２における加速度センサに対してＸ軸まわりに角加速度が加えられた際の様子を概略的に示す断面図である。なお、図１５の断面位置は図１４と同一である。また、図１５においては図を見易くするためにアンカー９１、９２、中央の慣性質量体２は図示されていない。
　図１５を参照して、慣性質量体２は、Ｘ軸方向の負の角加速度ａωを受けると、慣性モーメントのために初期位置（図中破線の位置）から角加速度ａωと逆向きに回転変位して傾斜する。この慣性質量体２の傾斜にともない、第１検出フレーム２１は第１リンク梁３１の軸Ｌ１の部分で持ち上げられ、第１ねじれ軸Ｔ１を中心に回転される。また、第４検出フレーム２４は第４リンク梁３４の第４の軸Ｌ４の部分で押し下げられて、第２ねじれ軸Ｔ２を中心に回転される。
　この第１および第４検出フレーム２１、２４の回転にともない、第１検出フレーム２１と検出電極４１ａとにより構成されるコンデンサＣ１ａの静電容量Ｃ1aが減少し、第１検出フレーム２１と検出電極４１ｂとにより構成されるコンデンサＣ１ｂの静電容量Ｃ1bが増大する。また第４検出フレーム２４と検出電極４４ａとにより構成されるコンデンサＣ４ａの静電容量Ｃ4aが増大し、第４検出フレーム２４と検出電極４４ｂとにより構成されるコンデンサＣ４ｂの静電容量Ｃ4bが減少する。
　図１６は、本発明の実施の形態２における加速度センサの第１、第２、第３および第４検出フレームと、第１、第２、第３および第４検出電極とにより形成されるコンデンサの電気的接続を説明する回路図である。
　図１６を参照して、コンデンサＣ１ａとＣ２ａとＣ３ａとＣ４ａとが並列接続され、コンデンサＣ１ｂとＣ２ｂとＣ３ｂとＣ４ｂとが並列接続されている。そして、これら２つの並列接続された部分がさらに直列に接続されている。このように形成された回路のコンデンサＣ１ａ、Ｃ２ａ、Ｃ３ａ、Ｃ４ａ側の端部には一定電位Ｖdが印加され、コンデンサＣ１ｂ、Ｃ２ｂ、Ｃ３ｂ、Ｃ４ｂ側の端部は接地されている。また、上記直列接続部には端子が設けられており、この端子の出力電位Ｖoutを測定することができる。この出力電位Ｖoutは、下記の値となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　電位Ｖdは一定値であることから、出力電位Ｖoutを測定することにより、Ｚ軸方向の加速度ａｚを検知することができる。加速度が０、すなわち、変位がない場合はＣ１ａ＝Ｃ２ａ＝Ｃ３ａ＝Ｃ４ａ＝Ｃ１ｂ＝Ｃ２ｂ＝Ｃ３ｂ＝Ｃ４ｂであるので、Ｖout＝Ｖd／２で表わされる。
　式（２）を参照して、上記の静電容量の変化が生じた場合、静電容量Ｃ1aの減少とＣ4aの増大とが相殺され、かつＣ1bの増大とＣ4bの減少とが相殺される。このため、この角加速度ａωが出力電位Ｖoutに対して及ぼす影響は抑制される。
　次に、本実施の形態の加速度センサに対して角速度が加えられた場合の検出誤差について説明する。
　図１７は、本発明の実施の形態２における加速度センサに対してＹ軸から少し傾いた軸に角速度が加えられた際の様子を概略的に示す断面図である。なお、図１７の断面位置は図１４と同一である。また、図１７においては図を見易くするためにアンカー９１、９２、中央の慣性質量体２は図示されていない。
　図１７を参照して、角速度ωの回転にともなう遠心力が慣性質量体２に作用する。このため、慣性質量体２は、初期位置（図中破線の位置）から、慣性質量体２の端部が角速度ωの回転軸から遠ざかる向きに回転変位して傾斜する。
　この慣性質量体２の傾斜は、前述した角加速度ａωが加えられた場合と同様である。このため、同様の原理により角速度ωが出力電位Ｖoutに対して及ぼす影響も抑制される。
　次に、本実施の形態の加速度センサに対して他軸加速度が加えられた場合の検出誤差について、重力の影響を含めて説明する。
　図１８は、本発明の実施の形態２における加速度センサに対してＹ軸方向に加速度が加えられた際の様子を概略的に示す断面図である。なお、図１８の断面位置は図１４と同一である。また、図１８においては図を見易くするためにアンカー９１、９２、中央の慣性質量体２は図示されていない。
　図１８を参照して、慣性質量体２には重力としてＺ軸方向の負の力が作用しており、慣性質量体２は初期位置（図中破線の位置）から下方（図中Ｚ軸の負の方向）に沈み込んだ状態となっている。
　この状態のもとで加速度センサに対してＹ軸の負の向きに加速度ａｙが加わると、慣性質量体２にはＹ軸の正の向きの慣性力が加わる。この慣性力は、第１および第４リンク梁３１、３４の第１および第４の軸Ｌ１、Ｌ４上のそれぞれの部分で、第１および第２検出フレーム２１、２４の各々に伝達される。
　重力の影響により第１の軸Ｌ１の基板１からの高さは第１ねじれ軸Ｔ１よりも低くなっている。このため、上記の第１の軸Ｌ１の部分に伝達される力（図１７において矢印）は、第１検出フレーム２１に対して第１ねじれ軸Ｔ１周りのトルクとして作用する。
　また、重力の影響により軸Ｌ４の基板１からの高さは第２ねじれ軸Ｔ２よりも低くなっている。このため、上記の軸Ｌ４の部分に伝達される力は、第４検出フレーム２４に対して第２ねじれ軸Ｔ２周りのトルクとして作用する。
　ここで、上記の第１および第２ねじれ軸Ｔ１、Ｔ２周りのトルクは、両方とも第１および第２ねじれ軸Ｔ１、Ｔ２の下方に作用点を有している。また、この作用点に働く力は、両方ともＹ軸方向に正の向きである。この結果、第１検出フレーム２１の回転変位と、第４検出フレーム２４の回転変位とは同一の向きとなる。
　回転変位の影響として、第１検出フレーム２１と検出電極４１ａとにより構成されるコンデンサＣ１ａの静電容量Ｃ1aが減少し、第１検出フレーム２１と検出電極４１ｂとにより構成されるコンデンサＣ１ｂの静電容量Ｃ1bが増大する。また、第４検出フレーム２４と検出電極４４ａとにより構成されるコンデンサＣ４ａの静電容量Ｃ4aが増大し、第４検出フレーム２４と検出電極４４ｂとにより構成されるコンデンサＣ４ｂの静電容量Ｃ4bが減少する。
　上記式（２）を参照して、上記の静電容量の変化が生じた場合、静電容量Ｃ1aの減少とＣ4aの増大とが相殺され、かつＣ１ｂの増大とＣ４ｂの減少とが相殺される。このため、Ｙ軸方向の加速度ａｙがＺ軸方向の加速度検出のために測定される出力電位Ｖoutに対して及ぼす影響は抑制される。
　以上より、本実施の形態によれば、第１および第２ねじれ軸Ｔ１、Ｔ２から第１および第２の軸Ｌ１、Ｌ２への移動の方向と、第１および第２ねじれ軸Ｔ１、Ｔ２から第３および第４の軸Ｌ３、Ｌ４への移動の方向とが反対方向である。これにより、角加速度、角速度および他軸加速度による検出誤差を抑制することができる。よって、基板１が反った場合であっても、第１検出フレーム２１と第２検出フレーム２２とにより、または第３検出フレーム２３と第４検出フレーム２４とにより出力の精度を向上でき、第１検出フレーム２１と第４検出フレーム２４とにより、または第２検出フレーム２２と第３検出フレーム２３とにより、角加速度、角速度および多軸加速度が加えらた場合であっても出力の精度を向上することができる。
　（実施の形態３）
　図１９は、本発明の実施の形態３における加速度センサの構成を概略的に示す上面図である。
　図１９を参照して、本実施の形態における加速度センサは、基本的には図１３に示す実施の形態２と同様の構成を備えているが、第２検出フレーム２２、第２リンク梁３２、第２ねじれ梁１２およびアンカー９２（第２のユニット２０）と、第４検出フレーム２４、第４リンク梁３４、第４ねじれ梁１４およびアンカー９４（第４のユニット４０）との配置を入れ替えた構成である。
　このため、本実施の形態における加速度センサは、Ｘ軸に対して軸対称の構造となっている。言い換えると、この加速度センサは、第１および第２検出フレーム２１、２２、第１および第２ねじれ梁１１、１２、および第１および第２リンク梁３１、３２は、第１および第２ねじれ軸Ｔ１、Ｔ２に平行な軸に対して対称になるように配置されている。
　なお、本実施の形態のこれ以外の構成は上述した実施の形態１または２の構成と同様であるため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
　本実施の形態によれば、第１および第２リンク梁３１、３２の位置が軸対称に配置されている。このため、反りなどによって第１および第２検出フレーム２１、２２が傾いた場合でも、慣性質量体２の傾きを抑制することができる。すなわち、慣性質量体２は面外方向の平行変位のみ移動し易くなるので、出力を精度良く検出することができるとともに、アクチュエーション電極５による自己診断機能の精度を向上させることができる。
　（実施の形態４）
　図２０は、本発明の実施の形態４における加速度センサの構成を概略的に示す上面図である。
　図２０を参照して、本実施の形態における加速度センサは、基本的には図１９に示す実施の形態３と同様の構成を備えているが、Ｙ軸に対しても軸対称構造になるように配置している。
　詳細には、加速度センサは、１つの第１のユニット１０と、２つの第２のユニットと、２つの第３のユニット３０と、１つの第４のユニット４０とを備えている。第４のユニット４０は、重心Ｇを通りＸ軸に平行な軸Ｂに対して第１のユニット１０と対向するように配置されている。２つの第２のユニット２０は、第４のユニット４０を挟んで、重心Ｇを通りＸ軸に平行な軸Ｂに対して第３のユニット３０に対向するように配置されている。２つの第３のユニット３０は、第１のユニット１０を挟んで、重心Ｇを通りＸ軸に平行な軸Ｂに対して第２のユニット２０と対向するように配置されている。
　また、第１～第４のユニット１０、２０、３０、４０は、重心Ｇを通りＹ軸に平行な軸Ａに対して左右対称に配置されている。
　なお、本実施の形態のこれ以外の構成は上述した実施の形態３の構成と同様であるため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
　本実施の形態によれば、第１および第２検出フレーム２１、２２、第１および第２ねじれ梁１１、１２、および第１および第２リンク梁３１、３２は、第１および第２ねじれ軸Ｔ１、Ｔ２と交差する軸（本実施の形態では軸Ａ）に対して対称になるように配置されている。これにより、第１および第２リンク梁３１、３２の位置が、軸対称に交互に配置されている。このため、基板１に反りなどが生じて第１および第２検出フレーム２１、２２が傾いた場合でも、慣性質量体２の傾きをより抑制することができる。すなわち、慣性質量体２はほぼ面外方向の平行変位のみとなり、さらに精度良く出力を検出することができるとともに、アクチュエーション電極５による自己診断機能の精度をさらに向上させることができる。
　（実施の形態５）
　図２１は、本発明の実施の形態５における加速度センサの構成を概略的に示す上面図である。
　図２１を参照して、本実施の形態における加速度センサは、基本的には図２０に示す実施の形態４と同様の構成を備えているが、第１のユニット１０および第２のユニット２０を重心Ｇに対して９０度回転させた第５～第８のユニット５０、６０、７０、８０をさらに備えている。すなわち、本実施の形態の加速度センサは、重心Ｇに対して９０度回転させた構造が完全軸対称構造になるように配置されている。
　第５～第８のユニット５０、６０、７０、８０の各々は、第５～第８ねじれ梁１５～１８と、第５～第８検出フレーム２５～２８と、第５～第８リンク梁３５～３８と、第５～第８検出電極４５～４８と、アンカー９５～９８とを有している。
　第５および第７検出フレーム２５、２７は、第３ねじれ軸Ｔ３を中心に回転可能である。第６および第８検出フレーム２６、２８は、第４ねじれ軸Ｔ４を中心に回転可能である。第３および第４ねじれ軸Ｔ３、Ｔ４は、第１および第２ねじれ軸Ｔ１、Ｔ２に対して９０度回転された位置である。
　第５および第６リンク梁３５、３６が第５および第６検出フレーム２５、２６と接続される第５および第６の軸Ｌ５、Ｌ６は、第３および第４ねじれ軸Ｔ３、Ｔ４と同じ方向に移動した位置である。つまり、オフセットｅ５とｅ６とは等しい。
　第７および第８リンク梁３７、３８が第７および第８検出フレーム２７、２８と接続される第７および第８の軸Ｌ７、Ｌ８は、第３および第４ねじれ軸Ｔ３、Ｔ４と同じ方向に移動した位置であり、かつ第５および第６の軸Ｌ５、Ｌ６と反対方向に移動した位置である。つまり、オフセットｅ７とｅ８とは等しく、かつオフセットｅ７およびｅ８はオフセットｅ５およびｅ６と方向が反対であり、絶対値が等しい。
　なお、本実施の形態のこれ以外の構成は上述した実施の形態２の構成と同様であるため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
　以上より、本実施の形態によれば、第１および第２検出フレーム２１、２２、第１および第２ねじれ梁１１、２１、および第１および第２リンク梁３１、３２と９０度回転させた第５～８検出フレーム２５～２８と、第５～第８ねじれ梁１５～１８と、第５～第８リンク梁３５～３８とをさらに備えている。これにより、基板１がＸ軸、Ｙ軸のどちらの方向に反った場合であっても対応できる。このため、出力をより一層精度良く検出することができる。
　今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　本発明は、静電容量型の加速度センサに特に有利に適用され得る。

Claims (7)

  1. 　基板（１）と、
    　前記基板（１）に支持された第１ねじれ軸（Ｔ１）の周りにねじれる第１ねじれ梁（１１）と、
    　前記第１ねじれ軸（Ｔ１）を中心に回転可能なように、前記第１ねじれ梁（１１）を介して前記基板（１）に支持された第１検出フレーム（２１）と、
    　前記基板（１）に支持された第２ねじれ軸（Ｔ２）の周りにねじれる第２ねじれ梁（１２）と、
    　前記第２ねじれ軸（Ｔ２）を中心に回転可能なように、前記第２ねじれ梁（１２）を介して前記基板（１）に支持された第２検出フレーム（２２）と、
    　前記第１および第２検出フレーム（２１、２２）のそれぞれと対向するように前記基板（１）上に形成され、かつ前記基板（１）に対する前記第１および第２検出フレーム（２１、２２）の角度を静電容量により検出するための第１および第２検出電極（４１、４１ａ、４１ｂ、４２、４２ａ、４２ｂ）と、
    　前記第１ねじれ軸（Ｔ１）と交差する方向に沿って前記第１検出フレーム（２１）の一方端部側に前記第１ねじれ軸（Ｔ１）を移動した第１の軸（Ｌ１）上において前記第１検出フレーム（２１）と接続された第１リンク梁（３１）と、
    　前記第１ねじれ軸（Ｔ１）の移動の方向と同じ方向に前記第２ねじれ軸（Ｔ２）を移動した第２の軸（Ｌ２）上において前記第２検出フレーム（２２）と接続された第２リンク梁（３２）と、
    　前記第１および第２リンク梁（３１、３２）のそれぞれにより前記第１および第２検出フレーム（２１、２２）の各々に連結されることで、前記基板（１）上で前記基板（１）の厚み方向に変位可能に支持された慣性質量体（２）とを備えた、加速度センサ。
  2. 　前記第１ねじれ軸（Ｔ１）と前記第１リンク梁（３１）との間のオフセット（ｅ１）と、前記第２ねじれ軸（Ｔ２）と前記第２リンク梁（３２）との間のオフセット（ｅ２）とが等しい、請求の範囲第１項に記載の加速度センサ。
  3. 　前記第１ねじれ軸（Ｔ１）と前記第２ねじれ軸（Ｔ２）とが互いに平行である、請求の範囲第１項に記載の加速度センサ。
  4. 　前記第１および第２検出フレーム（２１、２２）と、前記第１および第２ねじれ梁（１１、１２）と、前記第１および第２リンク梁（３１、３２）とは、前記第１および第２ねじれ軸（Ｔ１、Ｔ２）に平行な軸に対して対称になるように配置された、請求の範囲第１項に記載の加速度センサ。
  5. 　前記第１および第２検出フレーム（２１、２２）と、前記第１および第２ねじれ梁（１１、１２）と、前記第１および第２リンク梁（３１、３２）とは、前記第１および第２ねじれ軸（Ｔ１、Ｔ２）と交差する軸に対して対称になるように配置された、請求の範囲第４項に記載の加速度センサ。
  6. 　前記第１および第２検出フレーム（２１、２２）と、前記第１および第２ねじれ梁（１１、１２）と、前記第１および第２リンク梁（３１、３２）を９０度回転させた検出フレーム（２５～２８）と、ねじれ梁（１５～１８）と、リンク梁（３５～３８）とをさらに備えた、請求の範囲第５項に記載の加速度センサ。
  7. 　前記基板（１）に支持された第３ねじれ軸（Ｔ３）の周りにねじれる第３ねじれ梁（１３）と、
    　前記第３ねじれ軸（Ｔ３）を中心に回転可能なように、前記第３ねじれ梁（１３）を介して前記基板（１）に支持された第３検出フレーム（２３）と、
    　前記基板（１）に支持された第４ねじれ軸（Ｔ４）の周りにねじれる第４ねじれ梁（１４）と、
    　前記第４ねじれ軸（Ｔ４）を中心に回転可能なように、前記第４ねじれ梁（１４）を介して前記基板（１）に支持された第４検出フレーム（２４）と、
    　前記第３および第４検出フレーム（２３、２４）のそれぞれと対向するように前記基板（１）上に形成され、かつ前記基板（１）に対する前記第３および第４検出フレーム（２３、２４）の角度を静電容量により検出するための第３および第４検出電極（４３、４３ａ、４３ｂ、４４、４４ａ、４４ｂ）と、
    　前記第３ねじれ軸（Ｔ３）と交差する方向に沿って前記第３検出フレーム（２３）の一方端部側に前記第３ねじれ軸（Ｔ３）を移動した第３の軸（Ｌ３）上において前記第３検出フレーム（２３）と接続された第３リンク梁（３３）と、
    　前記第４ねじれ軸（Ｔ４）の移動の方向と同じ方向に前記第４ねじれ軸（Ｔ４）を移動した第４の軸（Ｌ４）上において前記第４検出フレーム（２４）と接続された第４リンク梁（３４）とをさらに備え、
    　前記第３および第４ねじれ軸（Ｔ３、Ｔ４）から前記第３および第４の軸（Ｌ３、Ｌ４）への移動方向は、前記第１および第２ねじれ軸（Ｔ１、Ｔ２）から前記第１および第２の軸（Ｌ１、Ｌ２）への移動の方向と反対方向である、請求の範囲第１項に記載の加速度センサ。
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