WO2010016094A1

WO2010016094A1 - 静電容量検出型センサ

Info

Publication number: WO2010016094A1
Application number: PCT/JP2008/002128
Authority: WO
Inventors: 横内敏夫; 坂村基樹; 有田陽子; 埴原甲二
Original assignee: パイオニア株式会社; パイオニア・マイクロ・テクノロジー株式会社
Priority date: 2008-08-06
Filing date: 2008-08-06
Publication date: 2010-02-11

Abstract

　可動錘部の可動検出電極部とこれに対面する固定検出電極部との間隙寸法や平行度を精度良く形成することができる静電容量検出型センサを提供する。　受けた外力により物理的に変位する導電性の可動錘部１０と、可動錘部１０を支持する基板２と、可動錘部１０に一体に設けられ、変位に基づく静電容量の変化を検出する可動検出電極部３１と、可動検出電極部３１に対面すると共に、可動検出電極部３１を隔てて基板２と反対側に配設した固定検出電極部３２と、基板２上に突設され、固定検出電極部３２を支持する電極支持部１１と、を備えたものである。

Description

静電容量検出型センサ

　本発明は、ＭＥＭＳ（micro electro mechanical system）センサにおける加速度センサや角速度センサ等の静電容量検出型センサに関するものである。

　従来、この種の静電容量検出型センサとして、印加電圧により振動体が平面内で往復振動する角速度センサが知られている（特許文献１参照）。この角速度センサは、方形枠状に形成されたシリコン基板を、上下２枚のガラス基板でサンドイッチし、これらの基板により構成された空間に、導電性の振動体と、振動体の長手方向の両端に配設した駆動電極と、を収容して構成されている。振動体は、シリコン基板から内向きに延びる４本の梁により、長手方向に往復動自在に支持されている。また、振動体の表裏各面に面して各ガラス基板には、検出電極が設けられている。駆動電極に交流電圧を印加すると、発生する静電気力により振動体がその長手方向に往復振動する。この状態で、Ｘ軸回りの角速度が作用する（角速度運動）と、コリオリ力が励起されて振動体が、Ｚ軸方向に振動する。この振動により、振動体（可動検出電極）と検出電極（固定検出電極）との間で静電容量が変化し、この変化に基づいてＸ軸回りに作用した角速度を検出するようになっている。
特許２９９１０３３号公報

　このような従来の角速度センサでは、上下２枚のガラス基板とシリコン基板とを陽極接合すると、ガラス基板が熱変形して撓みや歪みを生ずるため、振動体（可動検出電極）と検出電極（固定検出電極）との間隙寸法や平行度を精度良くコントロールすることができない。このため、検出容量がばらついたり、可動検出電極が固定検出電極に接触したりする問題があった。

　本発明は、可動錘部の可動検出電極部に対し固定検出電極部を、その間隙寸法や平行度において精度良く配設することができる静電容量検出型センサを提供することをその課題としている。

　本発明の静電容量検出型センサは、受けた外力により物理的に変位する導電性の可動錘部と、可動錘部を支持する基板と、可動錘部に一体に設けられた可動検出電極部、および可動検出電極部に対峙すると共に基板を隔てて可動検出電極部と反対側に配設した固定検出電極部から成り、変位に基づく静電容量の変化を検出する検出電極部と、基板上に突設され、固定検出電極部を支持する電極支持部と、を備えたことを特徴とする。

　この構成によれば、固定検出電極部を、基板上に突設した電極支持部に支持するようにしているため、基板上に電極支持部を介して固定検出電極部を形成することができる。このため、可動検出電極部に対する固定検出電極部の間隙寸法や平行度を自在に調整して配設することができる。すなわち、静電容量の検出感度を高めるべく、固定検出電極部を可動検出電極部に可能な限り近づけて、且つ接触（貼り付く）することなく形成することができる。

　この場合、電極支持部は、分散配置した複数の支柱部で構成されていることが、好ましい。

　同様に、電極支持部は、固定検出電極部の周縁部に沿って配設した複数の支柱部で構成されていることが、好ましい。

　同様に、電極支持部は、固定検出電極部の周縁部に沿って配設した不連続な壁体部で構成されていることが、好ましい。

　これらの構成によれば、電極支持部により、固定検出電極部を撓み等生ずることなく安定に支持することができる。

　また、可動検出電極部に対し固定検出電極部は、対面すると共に略同一の平面形状に形成され、可動検出電極部は、電極支持部が間隙を存して貫通する貫通開口を有していることが、好ましい。

　同様に、可動検出電極部に対し固定検出電極部は、対面すると共に略同一の平面形状に形成され、可動検出電極部は、電極支持部が間隙を存して臨む切欠き部を有していることが、好ましい。

　これらの構成によれば、可動検出電極部の動きを阻害することなく、固定検出電極部を安定且つ強固に支持することができる。

　さらに、可動錘部、検出電極部および電極支持部を、基板上に封止する封止部材を、更に備え、固定検出電極部に対し封止部材は、間隙を存して配設されていることが好ましい。

　この場合、固定検出電極部と封止部材との間隙が、可動検出電極部と固定検出電極部との間の静電容量ギャップより、大きいことが好ましい。

　これらの構成によれば、封止部材と基板との接合形態に係らず、すなわち陽極接合やプラズマ活性接合或いはシール材による接着接合等において封止部材の変形（撓み）が生じても、封止部材に固定検出電極部が接触してしまうことがない。したがって、封止部材の固定検出電極部に対する物理的影響を排除することができる。

　一方、可動錘部は、印加した電圧により回転振動する平板環状の駆動錘と、駆動錘の内側に配設され、駆動錘と共にコリオリ力で振動する検出錘と、回転振動の吸収機能およびコリオリ力の伝達機能を有し、駆動錘と検出錘とを連結する連結支持ばねとから成り、可動検出電極部は、検出錘で構成されていることが好ましい。

　これらの構成によれば、検出感度の高い、いわゆる回転振動型ジャイロを簡単に製造することができる。

　以上のように、本発明によれば、固定検出電極部を、基板上に突設した電極支持部に支持するようにしているため、固定検出電極部を可動検出電極部に可能な限り近づけて配設することができる。したがって、簡単な構造で、検出感度を高めることができると共に検出感度を安定させることができる。

第１実施形態に係る回転振動型ジャイロの断面図（ａ）および平面図（ｂ）である。第１実施形態の変形例に係る回転振動型ジャイロの断面図（ａ）および平面図（ｂ）である。第２実施形態に係る回転振動型ジャイロの平面図である。第３実施形態に係る回転振動型ジャイロの平面図である。第４実施形態に係る回転振動型ジャイロの平面図である。

符号の説明

　１　回転振動型ジャイロ　　　　　　　　　　　２　基板
　３　駆動電極　　　　　　　　　　　　　　　　４　駆動錘
　５　検出錘　　　　　　　　　　　　　　　　　６　アンカー
　７　捻り支持ばね　　　　　　　　　　　　　　８　連結支持ばね
　９　検出電極　　　　　　　　　　　　　　　１０　可動部
１１　電極支持部　　　　　　　　　　　　　　１２　封止部材
２１　固定駆動電極　　　　　　　　　　　　　２２　可動駆動電極
２４　第１切欠き部　　　　　　　　　　　　　２５　第２切欠き部
３１　可動検出電極　　　　　　　　　　　　　３２　固定検出電極
３３　静電容量ギャップ　　　　　　　　　　　３４　貫通開口
４１　支柱部　　　　　　　　　　　　　　　　５１　取出し配線
５２　取出し配線　　　　　　　　　　　　　　５３　貫通電極
５４　間隙　　　　　　　　　　　　　　　　　５６　ボンディングパッド
５７　導電性シール層　　　　　　　　　　　　５８　貫通切欠き部
５９　ブリッジ付き支柱部　　　　　　　　　　６０　壁体部

　以下、添付図面を参照して、本発明の一実施形態に係る静電容量検出型センサを適用した回転振動型ジャイロについて説明する。この回転振動型ジャイロは、シリコン等を材料として微細加工技術により製造されるＭＥＭＳ（micro electro mechanical system）センサにおける１軸の角速度センサであり、平面内において正逆の往復回転振動により駆動する。そして、実施形態のものは、１ｍｍ角程度にパッケージングされ製品化されるようになっている。なお、ここでは、平面図において左右方向を「Ｘ軸方向」、前後方向を「Ｙ軸方向」、貫通方向を「Ｚ軸方向」として説明を進める。

　図１に示すように、回転振動型ジャイロ１は、基板２上において、最外周に位置する複数組（実施形態のものは８組）の駆動電極３と、複数組の駆動電極３の内側に配設した平板円環状の駆動錘４と、駆動錘４の内側に広く配設した略円板状の検出錘５と、検出錘５の外周縁の位置においてＸ軸上に対向配置した一対のアンカー６，６と、一対アンカー６，６と検出錘５との間に渡したＸ軸方向に延びる一対の捻り支持ばね７，７と、駆動錘４と検出錘５との間に渡した４本（複数）の連結支持ばね８と、検出錘５の変位を検出する一対の検出電極（検出電極部）９，９と、各検出電極（固定検出電極３２）９を支持する一対の電極支持部１１，１１と、を備えて構成されている。また、この回転振動型ジャイロ１は、基板２上に上記の構成素子を封止するガラス製の封止部材１２を備えている。

　この場合、駆動錘４、検出錘５、捻り支持ばね７および連結支持ばね８は、回転振動型ジャイロ１の可動部（可動錘部）１０を構成しており、一対アンカー６，６を介して基板２上に支持されている。同様に、後述する固定検出電極３２は、一対の電極支持部１１，１１を介して基板２上であって、検出錘５の上側に支持されている。そして、駆動錘４および検出錘５（捻り支持ばね７および連結支持ばね８も同じ）は、導電性の部材で構成され、後述する可動駆動電極２２は駆動錘４の一部で構成され、可動検出電極３１は検出錘５の一部で構成される。

　複数の駆動電極３は、駆動錘４の外側において周方向に均等間隔で配置されている。各駆動電極３は、基板２上に一体に形成した固定駆動電極２１と、駆動錘４の一部として駆動錘４の外周端から径方向外方に延在するように設けた可動駆動電極２２と、で構成されている。固定駆動電極２１と可動駆動電極２２とは、相互にくし歯の形態を有して対峙しており、これに交流電圧を印加することで、両電極２１，２２間に生ずる静電気力により駆動錘４がＺ軸回りに回転振動する。

　駆動錘４はＺ軸を中心とする平板円環状に形成され、また検出錘５は、駆動錘４との間に間隙を存しＺ軸を中心とする円板上に形成されている。駆動錘４と検出錘５とは、同一平面上に位置し同一の厚みを有している。言うまでもないが、検出錘５は、その振動の中心となるＸ軸に対し上下（Ｙ軸方向において）対称に形成されている。

　一方、駆動錘４と検出錘５とを連結する４本の連結支持ばね８は、Ｘ軸およびＹ軸方向に対し４５°の角度を持って配置され、検出錘５に形成したＸ字状の長い４つの第１切欠き部２４に内包されるように配設されている。各連結支持ばね８は、幅狭の断面矩形に形成され、駆動錘４の回転振動を吸収すると共に駆動錘４が受けるコリオリ力を検出錘５に伝達する。すなわち、４本の連結支持ばね８により、駆動錘４の回転振動は検出錘５に伝達されないが、コリオリ力による振動は検出錘５に伝達されるようになっている。これにより、検出錘５は、駆動錘４の回転振動の影響を受けることなくコリオリ力により振動する。

　各アンカー６は、Ｙ軸上において検出錘５の周縁部の位置に配設され、検出錘５より僅かに高くなるように基板２上に一体に立設されている。この場合、各アンカー６は柱状に形成されており、その内側面から上記の一対の捻り支持ばね７，７が延在している。各捻り支持ばね７はＸ軸上において直線状に配設され、検出錘５に深く切り込んだ第２切欠き部２５に内包されるように配設されている。各捻り支持ばね７は検出錘５との間に掛け渡され、検出錘５とこれに連結した駆動錘４とを基板２から浮き上がった状態に支持している。

　各捻り支持ばね７は、連結支持ばね８と同様に幅狭の断面矩形に形成され、検出錘５および駆動錘４を支持すると共に、コリオリ力により振動する検出錘５のヒンジ軸として機能する。すなわち、捻り支持ばね７は、いわゆるトーションばねとして機能する。これにより、コリオリ力を受けた検出錘５は、Ｙ軸方向の一方の半部と他方の半部とが、一対の捻り支持ばね（Ｘ軸）７，７を中心にシーソー様に振動する。

　一対の検出電極９は、導電性材料で形成された検出錘５のＸ軸方向の一方の半部と他方の半部とにより構成された一対の可動検出電極（可動検出電極部）３１，３１と、一対の可動検出電極３１，３１に対し微小間隙である静電容量ギャップ（但し、検出錘５の振幅より大きい）３３を存して上側に対面する一対の固定検出電極（固定検出電極部）３２，３２と、で構成されている。コリオリ力により検出錘５がシーソー様に振動すると、可動検出電極３１と固定検出電極３２との間の静電容量が変化し、この変化に基づいて角速度が検出される。実施形態のものでは、駆動錘４が回転振動している状態で、例えばＹ軸回りの角速度を受けると、発生するコリオリ力により駆動錘４と共に検出錘５がＸ軸を中心に微小振動する。これにより、一対の検出電極９，９の静電容量が変化し、受けた角速度が検出される。

　各固定検出電極３２は、検出錘５の半部で構成した可動検出電極３１と略同形の平面形状に形成され、対応する可動検出電極３１対しＸ軸方向およびＹ軸方向において略同位置に且つ平行に配設されている。また、詳細は後述するが、各可動検出電極３１（検出錘５の半部）には、上記の２つの第１切欠き部２４の近傍に位置して、２つの支柱部４１，４１が遊挿される２つの貫通開口３４，３４が形成されている。２つの貫通開口３４，３４は、いずれも支柱部４１の断面形状に合わせて方形に形成され、Ｙ軸を中心に対称に配設されている。そして、各固定検出電極３２は、犠牲層上に成膜したポリシリコン等で構成され、基板２上に離間して配置した２つの支柱部４１，４１から成る電極支持部１１に支持されている。すなわち、一対の固定検出電極３２，３２および一対の電極支持部１１，１１は、上記の犠牲層をエッチング等により除去することで作製される。

　上述のように、各電極支持部１１は、２つの支柱部４１，４１で構成されており、この２つの支柱部４１，４１は、Ｙ軸を中心に対称に配設されている。各支柱部４１は、アンカー６と同様に、角柱状に形成されると共に検出錘５（可動検出電極３１）より僅かに高くなるように基板２上に一体に立設されている。この場合、各支柱部４１は、検出錘５（可動検出電極３１）に形成された貫通開口３４に対し、所定の間隙を存して挿通しており、コリオリ力により振動する検出錘５と一切接触しないようになっている。上述のように、固定検出電極３２は、ポリシリコン等の薄膜で構成されており、２つの支柱部４１，４１により、固定検出電極３２を撓み等が生ずることなく適切に支持される。

　封止部材１２は、いわゆるガラス板で構成されており、基板２の縁部に陽極接合されている。封止部材１２の内側には、一方のアンカー６（可動検出電極３１）の上面に接続される取出し配線５１、および各固定検出電極３２に接続される取出し配線５２が形成され、且つこれら取出し配線５１，５２の端には、封止部材１２のスルーホールに埋め込んだ取出し用の貫通電極５３，５３が形成されている。本実施形態では、これら取出し配線５１，５２および貫通電極５３，５３を形成した封止部材１２を、基板２に陽極接合することにより、可動部１０をはじめとする構成素子を基板２上に封止すると共に、可動検出電極３１および固定検出電極３２と、貫通電極５３，５３とを導通するようにしている（駆動電極３側は、図示省略）。

　この場合、接合した封止部材１２と、これに対面する固定検出電極３２との間には、十分な間隙５４が構成されている。すなわち、封止部材１２の下面（内面）と固定検出電極３２の上面との間には、可動検出電極部３１と固定検出電極部３２との間の静電容量ギャップ３３より大きな間隙５４が構成されるようになっている。これにより、陽極接合時等において封止部材１２の変形（撓み）が生じても、封止部材１２に固定検出電極部３２が接触してしまうことがない。

　以上のように、本実施形態によれば、固定検出電極３２を、可動検出電極３１を貫通するようにして基板２上に立設した２つの支柱部４１，４１に支持しているため、固定検出電極３２をＺ軸方向において精度良く形成することができる。言い換えれば、可動検出電極３１に対する固定検出電極３２の間隙寸法や平行度を精度良く形成することができる。したがって、固定検出電極部３２を可動検出電極部３１に可能な限り近づけて形成することができ、検出感度の高い検出電極９を簡単に且つ安定に形成することができる。

　次に、図２を参照して、上記の第１実施形態の変形例について説明する。この変形例では、封止部材１２は、いわゆるシリコン板で構成されており、基板２の縁部に導電性のシール材を介して気密に界面接合されている。封止部材１２の内側には、取出し配線５１、取出し配線５２、ボンディングパッド５６および導電性シール層５７が形成されており、所定の温度で、封止部材１２を基板２に界面接合するようになっている。これにより、可動部１０をはじめとする構成素子を基板２上に封止すると共に、可動検出電極３１および固定検出電極３２と、ボンディングパッド５６とを導通するようにしている。　そして、この場合も、封止部材１２と固定検出電極３２との間には、可動検出電極部３１と固定検出電極部３２との間の静電容量ギャップ３３より大きな間隙５４が構成される。

　次に、図３を参照して、電極支持部１１周りの第２実施形態について説明する。この実施形態では、各電極支持部１１が、各固定検出電極３２の周縁部に沿って適宜の間隔で配設した複数（８つ）の支柱部４１で構成されている。これに対応して、各可動検出電極３１（検出錘５）には、中央部寄りに１つの貫通開口３４が形成され、周縁部に７つの貫通切欠き部（切欠き部）５８が形成されている。貫通切欠き部５８に臨む支柱部４１は、貫通開口３４に臨む支柱部４１と同様に、所定の間隙を存して挿通しており、コリオリ力により振動する検出錘５に接触しないようになっている。このように、固定検出電極３２を複数の支柱部４１で支持するようにしているため、固定検出電極３２を補強するようにしてこれを適切に支持することができる。

　次に、図４を参照して、電極支持部１１周りの第３実施形態について説明する。この実施形態では、各電極支持部１１が、各固定検出電極３２を、駆動錘４の外側から支持する複数（４つ）のブリッジ付き支柱部５９と、駆動錘４の内側において支持する複数（３つ）の支柱部４１と、で構成されている。ブリッジ付き支柱部５９は、基板２上に立設した支柱部位５９ａと、支柱部位５９ａの上端と固定検出電極３２の周端との間に渡したブリッジ部位５９ｂとから成り、固定検出電極３２の周縁部を外側から支持している。また、駆動錘４の内側において支持する３つの支柱部４１に対応して、可動検出電極３１（検出錘５）には、中央部寄りに１つの貫通開口３４が形成され、周縁部に２つの貫通切欠き部（切欠き部）５８が形成されている。このような固定検出電極３２の支持構造では、可動検出電極３１に形成する貫通開口３４等を極力少なくすることができるため、検出電極９において十分な検出面積を確保することができる。

　次に、図５を参照して、電極支持部１１周りの第４実施形態について説明する。この実施形態では、各電極支持部１１が、各固定検出電極３２の周縁部に沿って配設した不連続な壁体部６０で構成されている。壁体部６０は、可動検出電極３１の周縁部において、上記２つの第１切欠き部２４，２４間に位置する円弧形状の第１壁体部位６０ａと、上記の第２切欠き部２５から第１切欠き部２４に至る屈曲形状の一対の第２壁体部位６０ｂ，６０ｂと、で構成されている。すなわち、壁体部６０は、所定の間隙を存して可動検出電極３１の周囲を囲うように配設され、壁体部６０が、コリオリ力により振動する検出錘５に接触しないようになっている。この場合も、固定検出電極３２を壁体部６０で支持するようにしているため、固定検出電極３２を補強するようにしてこれを適切に支持することができる。

　なお、これら実施形態では、本発明を１軸の角速度センサ（ジャイロ）に適用した場合について説明したが、本発明は、２軸の角速度センサの他、往復振動の加速度センサにも適用可能である。また、本発明は、検出電極がくし歯状の各種のセンサにも適用可能である。

Claims

　受けた外力により物理的に変位する導電性の可動錘部と、
　前記可動錘部を支持する基板と、
　前記可動錘部に一体に設けられた可動検出電極部、および前記可動検出電極部に対峙すると共に前記基板を隔てて前記可動検出電極部と反対側に配設した固定検出電極部から成り、前記変位に基づく静電容量の変化を検出する検出電極部と、
前記基板上に突設され、前記固定検出電極部を支持する電極支持部と、を備えたことを特徴とする静電容量検出型センサ。
　前記電極支持部は、分散配置した複数の支柱部で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の静電容量検出型センサ。
　前記電極支持部は、前記固定検出電極部の周縁部に沿って配設した複数の支柱部で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の静電容量検出型センサ。
　前記電極支持部は、前記固定検出電極部の周縁部に沿って配設した不連続な壁体部で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の静電容量検出型センサ。
　前記可動検出電極部に対し前記固定検出電極部は、対面すると共に略同一の平面形状に形成され、
　前記可動検出電極部は、前記電極支持部が間隙を存して貫通する貫通開口を有していることを特徴とする請求項１に記載の静電容量検出型センサ。
　前記可動検出電極部に対し前記固定検出電極部は、対面すると共に略同一の平面形状に形成され、
　前記可動検出電極部は、前記電極支持部が間隙を存して臨む切欠き部を有していることを特徴とする請求項１に記載の静電容量検出型センサ。
　前記可動錘部、前記検出電極部および前記電極支持部を、前記基板上に封止する封止部材を、更に備え、
　前記固定検出電極部に対し前記封止部材は、間隙を存して配設されていることを特徴とする請求項１に記載の静電容量検出型センサ。
　前記固定検出電極部と前記封止部材との前記間隙が、前記可動検出電極部と前記固定検出電極部との間の静電容量ギャップより、大きいことを特徴とする請求項７に記載の静電容量検出型センサ。
　前記可動錘部は、
　印加した電圧により回転振動する平板環状の駆動錘と、
　前記駆動錘の内側に配設され、前記駆動錘と共にコリオリ力で振動する検出錘と、
　前記回転振動の吸収機能および前記コリオリ力の伝達機能を有し、前記駆動錘と前記検出錘とを連結する連結支持ばねとから成り、
　前記可動検出電極部は、前記検出錘で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の静電容量検出型センサ。