WO2012020739A1 - 慣性センサ - Google Patents

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WO2012020739A1
WO2012020739A1 PCT/JP2011/068090 JP2011068090W WO2012020739A1 WO 2012020739 A1 WO2012020739 A1 WO 2012020739A1 JP 2011068090 W JP2011068090 W JP 2011068090W WO 2012020739 A1 WO2012020739 A1 WO 2012020739A1
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signal
movable
acceleration
sensor
physical quantity
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PCT/JP2011/068090
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山中 聖子
希元 鄭
敏明 中村
雅秀 林
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日立オートモティブシステムズ株式会社
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    • GPHYSICS
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    • G01P2015/0808Measuring 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 in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate
    • G01P2015/0811Measuring 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 in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass
    • G01P2015/0814Measuring 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 in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass for translational movement of the mass, e.g. shuttle type

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor physical quantity sensor made by MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology, and more particularly, to an inertial sensor (hereinafter referred to as a MEMS inertial sensor or simply an inertial sensor) that uses a change in capacitance.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • inertial sensor hereinafter referred to as a MEMS inertial sensor or simply an inertial sensor
  • An acceleration sensor which is one of MEMS inertial sensors that are widely used in general, includes a weight (movable part) and a support beam (elastically deformable part), and converts acceleration acting on the weight into an electrical signal. .
  • the displacement of the weight operated by acceleration is detected as the capacitance change of the capacitor electrode (detection electrode) composed of the weight and the fixed part, and converted into an electrical signal by the LSI circuit. Then, there is a capacitance type acceleration sensor that outputs an MEMS inertial sensor.
  • the inertial sensor represented by the acceleration sensor is combined with multiple types of sensors to record the surrounding environment, the motion posture of humans / robots, the vehicle running state, etc. Opportunities to detect have increased.
  • sensors there are increasing opportunities for sensors to be used under inferior conditions such as temperature environments, vibration noise environments, and electromagnetic noise environments that could not be assumed in the past.
  • an MEMS velocity sensor that detects an angular velocity and an acceleration sensor that detects longitudinal and lateral accelerations are key. Used as a device.
  • side slip and spin of the car are suppressed by intervening control in the engine output and brake braking system based on the output from the angular velocity sensor and acceleration sensor.
  • the failure of the inertial sensor which is a key device in the attitude control system, is likely to lead to a fatal accident while the vehicle is running, and the possibility of sensor failure must be kept as low as possible.
  • the sensor failure must be detected immediately and notified to the host system such as the control system.
  • MEMS inertial sensors are used as internal sensors for recognizing self-states, and posture control and contact determination are performed.
  • the possibility of failure of the inertial sensor which is a key device, must be kept as low as possible.
  • the sensor failure must be detected immediately and notified to the host system such as the control system.
  • the possibility of failure of the inertial sensor that detects the recording of the surrounding environment, the motion posture of the person / robot, the running state of the vehicle, etc. should be kept as low as possible. It is desirable to have a failure diagnosis function to detect, and to have a highly reliable failure judgment result.
  • Patent Document 1 is an example of a MEMS inertial sensor having a failure diagnosis function.
  • the capacitance between the movable electrode and the fixed electrode is reduced by superimposing a low-frequency diagnostic signal on the AC signal applied to detect the capacitance of the detection electrode. It is changing. And it is described that by observing whether the output of the resulting acceleration sensor vibrates or not, it is possible to determine whether or not there is a failure of the acceleration sensor while detecting the acceleration as the detected signal. Yes.
  • the output of the low-frequency diagnostic signal vibrates with an amplitude that does not hinder the measurement of acceleration, it is described that it is possible to always diagnose whether there is a failure while detecting the acceleration.
  • the diagnostic signal diagnosis type switching signal
  • high-acceleration diagnosis is also possible in which the movable electrode is greatly forcedly vibrated.
  • a low-frequency diagnostic signal is superimposed on an AC signal applied to detect the capacitance of the detection electrode, thereby detecting the acceleration while detecting the acceleration. The presence or absence of a failure can be determined.
  • Vibration noise of a specific frequency, phase, and magnitude is, for example, vibration having the same frequency as the amount of movement of the sensor weight due to the low-frequency diagnostic signal applied to detect a failure of the MEMS inertial sensor. If such vibration noise exists, the diagnostic signal applied to the MEMS inertial sensor is canceled by the vibration noise, and the displacement of the weight may be different from the desired amount even though the diagnostic signal is applied. There is.
  • FIG. 17 is a diagram showing an example of a failure diagnosis signal.
  • the upper part shows a normal case, the interruption is over, and the lower part shows a case where sudden noise is included. If the sensor is normal, a normal signal is output. If the sensor is abnormal, an abnormal signal is output. However, for example, in the case of the lower stage, there is a risk of performing a false diagnosis of abnormality even though the sensor is normal.
  • An object of the present invention is to provide an inertial sensor capable of suppressing misdiagnosis even in a poor environment where sudden noise occurs.
  • the second sensor By providing the second sensor, it is possible to provide an inertial sensor capable of suppressing misdiagnosis even in a poor environment where sudden noise occurs.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line A-A ′ of the MEMS structure constituting the first acceleration sensor shown in FIG. 1. It is a top view of the MEMS structure which comprises the 2nd acceleration sensor in the inertial sensor which concerns on 1st Example of this invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line B-B ′ of the MEMS structure constituting the second acceleration sensor shown in FIG. 3. It is sectional drawing of the mounting structure of the 1st acceleration sensor in the inertial sensor which concerns on 1st Example of this invention.
  • FIG. 1 It is sectional drawing of the mounting structure of the 2nd acceleration sensor in the inertial sensor which concerns on 1st Example of this invention. It is a figure which shows the mechanical frequency response of the 1st acceleration sensor in the inertial sensor which concerns on 1st Example of this invention, and a 2nd acceleration sensor. It is a block diagram of the acceleration sensor which is an inertial sensor which concerns on 1st Example of this invention. It is a flowchart showing the diagnostic method of the acceleration sensor which is an inertial sensor which concerns on 1st Example of this invention. It is a top view of the MEMS structure which comprises the inertial sensor which concerns on the 2nd Example of this invention. FIG.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view taken along the line C-C ′ of the MEMS structure constituting the acceleration sensor that is the first inertial sensor constituting the inertial sensor shown in FIG. 10.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view taken along the line D-D ′ of the MEMS structure constituting the angular velocity sensor that is the second inertial sensor constituting the inertial sensor shown in FIG. 10.
  • It is sectional drawing of the mounting structure of the inertial sensor which concerns on the 2nd Example of this invention. It is a figure which shows the mechanical frequency response of the acceleration sensor which is a 1st inertial sensor in the inertial sensor which concerns on 2nd Example of this invention, and the angular velocity sensor which is a 2nd inertial sensor.
  • the inertial sensor according to the first embodiment will be described with reference to the drawings.
  • an MEMS inertial sensor having an acceleration sensor as the first inertial sensor and an acceleration sensor as the second inertial sensor will be described as an example.
  • FIG. 1 is a plan view showing a structure constituting the first acceleration sensor formed on the semiconductor chip 100.
  • a frame 101 is formed in the semiconductor chip 100, and a cavity 102 is formed so as to be surrounded by the frame 101.
  • Fixed portions 103 are provided at four corners inside the hollow portion 102, and beams (elastically deforming portions) 104 are connected to the fixed portions 103.
  • the beam 104 is connected to a movable part 105 that becomes a weight of the acceleration sensor. That is, the fixed portion 103 and the movable portion 105 are connected by the elastically deformable beam 104, and the movable portion 105 can be displaced in the x direction in FIG.
  • the movable portion 105 is formed with a detection movable electrode 106a formed integrally with the movable portion 105.
  • the detection fixed electrode 106b and the detection fixed electrode 106c are arranged so as to face the detection movable electrode 106a. Is formed.
  • Each of the detection movable electrode 106a and the detection fixed electrode 106b, or the detection movable electrode 106a and the detection fixed electrode 106c forms a capacitive element, and the movable portion 105 is moved in the x direction by an externally applied acceleration. When displaced, the capacitance of the capacitive element described above changes.
  • the capacitive element constituted by the detection movable electrode 106a and the detection fixed electrode 106b or the detection movable electrode 106a and the detection fixed electrode 106c has a capacitance that detects the displacement of the movable portion 105 in the x direction as a capacitance change. Functions as a detection unit.
  • the movable portion 105 is formed with a diagnostic movable electrode 108a formed integrally with the movable portion 105, and the diagnostic fixed electrode 108b and the diagnostic fixed electrode so as to face the movable movable electrode 108a. 108c is formed.
  • the diagnostic movable electrode 108a and the diagnostic fixed electrode 108b, or the diagnostic movable electrode 108a and the diagnostic fixed electrode 108c each form a capacitive element.
  • the diagnostic movable electrode 108a When a periodic diagnostic signal is applied between the diagnostic movable electrode 108a and the diagnostic fixed electrode 108b forming the capacitive element, and between the diagnostic movable electrode 108a and the diagnostic fixed electrode 108c, the diagnostic movable electrode 108a. Electrostatic force acts between the diagnostic fixed electrode 108b and between the diagnostic movable electrode 108a and the diagnostic fixed electrode 108c, so that the diagnostic movable electrode 108a vibrates. When the diagnostic movable electrode 108a vibrates in the x direction, the movable portion 105 formed integrally with the diagnostic movable electrode 108a also vibrates.
  • the capacitive element composed of the diagnostic movable electrode 108a and the diagnostic fixed electrode 108b, or the diagnostic movable electrode 108a and the diagnostic fixed electrode 108c serves as a forced vibration generation unit that forcibly vibrates the movable unit 105 in the x direction. Function.
  • the structure of the acceleration sensor configured in this way is made of a semiconductor material such as silicon. Therefore, the fixed portion 103 and the movable portion 105 connected to each other via the beam 104 are electrically connected, and the potential applied to the movable portion 105 is from a pad 107 formed on the fixed portion 103. It is configured to be supplied.
  • the detection fixed electrode 106b and the detection fixed electrode 106c are also formed with a pad 106d and a pad 106e, respectively, and the capacitance change caused by the displacement of the movable portion 105 in the x direction causes the detection fixed electrode 106b and the detection fixed electrode 106c. It is configured such that charges can flow in or out of the detection fixed electrode 106c.
  • the diagnostic fixed electrode 108b and the diagnostic fixed electrode 108c are also formed with a pad 108d and a pad 108e, respectively, and a diagnostic signal is sent from the pad 108d and the pad 108e to the diagnostic fixed electrode 108b and the diagnostic fixed electrode 108c. It can be applied.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line A-A ′ of FIG.
  • the semiconductor chip 100 includes an insulating oxide film layer 111 formed on a support substrate layer 110 and a silicon active layer 112 formed on the insulating oxide film layer 111. That is, in the first embodiment, the semiconductor chip 100 constituting the first acceleration sensor is constituted by an SOI (Silicon On On Insulator) substrate. 2, the detection movable electrode 106a, the detection fixed electrode 106b, and the detection fixed electrode 106c integrally formed with the frame 101, the fixed portion 103, and the movable portion 105 shown in FIG.
  • the beam 104, the diagnostic movable electrode 108a, the diagnostic fixed electrode 108b, and the diagnostic fixed electrode 108c, which are not shown, are formed by processing the silicon active layer of the SOI substrate.
  • the frame portion 101 and the fixing portion 103 are formed on the insulating oxide film layer 111 and are fixed.
  • the detection movable electrode 106a formed integrally with the movable portion 105 is also formed of a silicon active layer, but the insulating oxide film layer 111 formed under the movable portion 105 is removed. .
  • the insulating oxide film layer formed in the lower layer of the beam 104 not shown in FIG. 2 is also removed. Therefore, the movable part 105 is arranged in the hollow part and is supported by the beam 104. For this reason, the movable portion 105 is not completely fixed to the support substrate 110 and is formed to be displaceable.
  • FIG. 3 is a plan view showing a structure constituting the second acceleration sensor formed on the semiconductor chip 200.
  • a frame 201 is formed in the semiconductor chip 200, and a cavity 202 is formed so as to be surrounded by the frame 201.
  • fixing portions 203 are provided at four corners, and beams (elastically deforming portions) 204 are connected to the fixing portions 203.
  • the beam 204 is connected with the movable part 205 used as the weight of an acceleration sensor. That is, the fixed portion 203 and the movable portion 205 are connected by the elastically deformable beam 204, and the movable portion 205 can be displaced in the x direction in FIG.
  • the movable portion 205 is formed with a detection movable electrode 206a formed integrally with the movable portion 205.
  • the detection fixed electrode 206b and the detection fixed electrode 206c are arranged so as to face the detection movable electrode 206a. Is formed.
  • Each of the detection movable electrode 206a and the detection fixed electrode 206b, or the detection movable electrode 206a and the detection fixed electrode 206c forms a capacitive element, and the movable portion 205 is moved in the x direction by an externally applied acceleration. When displaced, the capacitance of the capacitive element described above changes.
  • the capacitive element composed of the detection movable electrode 206a and the detection fixed electrode 206b or the detection movable electrode 206a and the detection fixed electrode 206c has a capacitance that detects the displacement of the movable portion 205 in the x direction as a capacitance change. Functions as a detection unit.
  • the structure of the acceleration sensor configured in this way is made of a semiconductor material such as silicon. Therefore, the fixed portion 203 and the movable portion 205 connected to each other via the beam 204 are electrically connected, and the potential applied to the movable portion 205 is from a pad 207 formed on the fixed portion 203. It is configured to be supplied. On the other hand, a pad 206d and a pad 206e are also formed on the detection fixed electrode 206b and the detection fixed electrode 206c, respectively, and the detection fixed electrode 206b and the detection fixed electrode 206b are formed by a capacitance change caused by the displacement of the movable portion 205 in the x direction. It is configured so that charges can flow into or out of the fixed detection electrode 206c.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.
  • the semiconductor chip 200 includes an insulating oxide film layer 211 formed on a support substrate layer 210 and a silicon active layer 212 formed on the insulating oxide film layer 211. That is, in the first embodiment, the semiconductor chip 200 constituting the second acceleration sensor is constituted by an SOI (Silicon On On Insulator) substrate.
  • SOI Silicon On On Insulator
  • the detection movable electrode 206a and the detection fixed electrode 206b integrally formed with the frame portion 201, the fixed portion 203, and the movable portion 205 shown in FIG. 4 and a beam not shown in FIG. 204 is formed by processing the silicon active layer of the SOI substrate. Therefore, the movable part 205 is arranged in the hollow part and is supported by the beam 204. For this reason, the movable portion 205 is not completely fixed to the support substrate layer 210 and is formed to be displaceable.
  • the first and second acceleration sensors in the first embodiment are formed, for example, by processing an SOI substrate using photolithography technology and DRIE (Deep Reactive Ion Etching).
  • the first embodiment only describes an example of manufacturing an acceleration sensor using an SOI substrate.
  • the concept in the first embodiment uses a glass / silicon / glass bonding technique or the like.
  • the present invention can also be applied to the case where an acceleration sensor (MEMS structure) is formed by processing both the front surface and the back surface of the silicon substrate (bulk MEMS process).
  • an acceleration sensor (MEMS structure) is formed by repeatedly depositing a thin film on the surface of a silicon substrate on which a signal processing circuit such as a transistor is formed in advance, and patterning the deposited thin film (surface MEMS process). It can also be applied to cases.
  • the semiconductor chip 100 in which the first acceleration sensor (MEMS structure) in the first embodiment is formed and the semiconductor chip 200 in which the second acceleration sensor (MEMS structure) is formed are configured as described above.
  • a configuration example in which the semiconductor chip 100 and the semiconductor chip 200 are mounted will be described.
  • an acceleration sensor (MEMS structure) and an LSI that performs signal processing on an output signal from the acceleration sensor are formed on separate semiconductor chips.
  • the present invention can also be applied to the case where the MEMS structure to be configured and the transistors constituting the signal processing circuit are formed on the same semiconductor chip.
  • the first acceleration sensor and the second acceleration sensor may be formed on the same semiconductor chip, and further, the same semiconductor chip including elements constituting a signal processing circuit for processing output signals from these sensors. You may form in.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a mounting configuration example of the first acceleration sensor in the inertial sensor according to the first embodiment.
  • a semiconductor chip 302 is mounted on the bottom of the outer frame body 300 having a recess via an adhesive 301.
  • the outer frame body 300 is made of, for example, ceramic.
  • An integrated circuit made up of transistors and passive elements is formed on the semiconductor chip 302 by a normal semiconductor manufacturing technique.
  • the integrated circuit formed in the semiconductor chip 302 has a function of processing an output signal from the acceleration sensor (MEMS structure), and is a circuit that finally outputs an acceleration signal.
  • MEMS structure acceleration sensor
  • the semiconductor chip 100 is mounted on the semiconductor chip 302 via an adhesive 303.
  • the semiconductor chip 100 is a semiconductor chip on which a MEMS structure constituting the first acceleration sensor described with reference to FIGS. 1 and 2 is formed.
  • the pads formed on the semiconductor chip 100 and the pads 304a formed on the semiconductor chip 302 are connected by, for example, a wire 305a.
  • the pad 304b formed on the semiconductor chip 302 is connected to the terminal 304c formed on the outer frame 300 by a wire 305b and is electrically connected to the terminal 306 connected to the outside of the outer frame. .
  • the semiconductor chip 100 and the semiconductor chip 302 that are stacked in the outer frame 300 are sealed by sealing the upper portion of the outer frame 300 with a lid 307.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a mounting configuration example of the second acceleration sensor in the inertial sensor according to the first embodiment.
  • a semiconductor chip 402 is mounted on the bottom of the outer frame body 400 having a recess via an adhesive 401.
  • the outer frame body 400 is made of, for example, ceramic.
  • an integrated circuit composed of transistors and passive elements is formed by a normal semiconductor manufacturing technique.
  • the integrated circuit formed in the semiconductor chip 402 has a function of processing an output signal from the acceleration sensor (MEMS structure), and is a circuit that finally outputs an acceleration signal.
  • MEMS structure acceleration sensor
  • the semiconductor chip 200 is mounted on the semiconductor chip 402 via an adhesive 403.
  • the semiconductor chip 200 is a semiconductor chip on which a MEMS structure constituting the second acceleration sensor described with reference to FIGS. 3 and 4 is formed.
  • the pads formed on the semiconductor chip 200 and the pads 404a formed on the semiconductor chip 402 are connected by, for example, a wire 405a.
  • the pads 404b formed on the semiconductor chip 402 are connected to the terminals 404c formed on the outer frame body 400 by wires 405b and are electrically connected to the terminals 406 connected to the outside of the outer frame body. .
  • the semiconductor chip 200 and the semiconductor chip 402 that are stacked in the outer frame body 400 are sealed by sealing the upper portion of the outer frame body 400 with a lid 407.
  • the first and second acceleration sensors in the first embodiment are mounted and configured.
  • a signal detected by the semiconductor chip 100 can be input to the semiconductor chip 302.
  • the signal input to the semiconductor chip 302 is subjected to signal processing by an integrated circuit formed in the semiconductor chip 302, and finally an acceleration signal corresponding to the acceleration is output.
  • the acceleration signal output from the semiconductor chip 302 is output to the terminal 306 formed on the outer frame 300 via the wire 305b, and can be taken out to the outside.
  • a signal detected by the semiconductor chip 200 can be input to the semiconductor chip 402. Thereafter, the signal input to the semiconductor chip 402 is processed by an integrated circuit formed in the semiconductor chip 402, and finally an acceleration signal corresponding to the acceleration is output.
  • the acceleration signal output from the semiconductor chip 402 is output to the terminal 406 formed on the outer frame body 400 via the wire 405b and can be taken out to the outside.
  • the first acceleration sensor according to the first embodiment has a movable portion 105 that can be displaced in the x direction disposed in a hollow portion and is supported by a frame portion 101 by a beam 104. ing.
  • the mass of the movable portion 105 is m1 (kg) and the x-direction stiffness constant of the support beam 104 is k1 (N / m)
  • the first acceleration sensor in the first embodiment is a mechanical device represented by the equation (1).
  • the displacement x1 (m) of the movable body having the natural frequency fn1 (Hz) and the acceleration ⁇ (m / s 2 ) is applied is expressed by Expression (2).
  • the second acceleration sensor in the first embodiment in the second acceleration sensor in the first embodiment, the movable portion 205 that can be displaced in the x direction is disposed in the hollow portion, and the frame portion 201 is formed by the beam 204. It is supported.
  • the second acceleration sensor in the first embodiment is a mechanical device represented by the equation (3).
  • the displacement x2 (m) of the movable body when it has natural frequency fn2 (Hz) and acceleration ⁇ (m / s 2 ) is applied is expressed by equation (4).
  • the mass m1 of the movable portion 105 of the first acceleration sensor is equal to the mass m2 of the movable portion 205 of the second acceleration sensor, and the rigidity in the x direction of the support beam 104 of the first acceleration sensor.
  • the constant k1 is formed to be smaller than the x-direction stiffness constant k2 of the support beam 204 of the second acceleration sensor.
  • the displacement amount x1 of the first acceleration sensor when the same acceleration ⁇ (m / s 2 ) is applied is larger than the displacement amount x2 of the second acceleration sensor.
  • the movable part 105 of the first acceleration sensor is formed with a movable movable electrode 106a formed integrally with the movable part 105, and the fixed fixed electrode for detection so as to face the movable movable electrode 106a.
  • 106b and detection fixed electrode 106c are formed.
  • Each of the detection movable electrode 106a and the detection fixed electrode 106b, or the detection movable electrode 106a and the detection fixed electrode 106c forms a capacitive element, and the movable portion 105 is moved in the x direction by an externally applied acceleration. When displaced, the capacitance of the capacitive element described above changes.
  • the capacitive element constituted by the detection movable electrode 106a and the detection fixed electrode 106b or the detection movable electrode 106a and the detection fixed electrode 106c has a capacitance that detects the displacement of the movable portion 105 in the x direction as a capacitance change. Functions as a detection unit.
  • the second acceleration sensor has a detection movable electrode 206a formed integrally with the movable portion 205, and the detection fixed electrode 206b and detection detection electrode 206a are opposed to the detection movable electrode 206a.
  • a fixed electrode 206c is formed.
  • the opposing distance between the detection movable electrode 106a in the first acceleration sensor and the detection fixed electrode 106b and the detection fixed electrode 106c is the detection movable electrode 206a and the detection fixed electrode in the second acceleration sensor.
  • the displacement amount x1 of the first acceleration sensor when the same acceleration ⁇ (m / s 2 ) is applied from the equation (6) is the second acceleration. Since the displacement amount x2 of the sensor becomes larger, the capacitance change in the detection electrode of the first acceleration sensor becomes larger than the capacitance change in the detection electrode of the second acceleration sensor. That is, even when the same acceleration is applied, the amount of charge flowing into or out of the detection electrode differs if the mechanical rigidity or the mass of the movable body of the acceleration sensor is different.
  • the acceleration range that can be measured by the acceleration sensor is the range of capacitance change that can be handled by the signal processing circuit, or the mechanical natural vibration determined by the mass of the movable body of the acceleration sensor and the stiffness constant in the detection axis direction of the support beam. It is decided by the number.
  • the range of the magnitude of acceleration that can be handled without erroneous output as a sensor system is called the “sensitivity range”.
  • An acceleration sensor having a frequency is called an “acceleration sensor with a wide sensitivity range”.
  • the second acceleration sensor Since the capacitance change in the detection electrode of the first acceleration sensor when the same acceleration ⁇ (m / s 2 ) is applied is larger than the capacitance change in the detection electrode of the second acceleration sensor, It can be said that the second acceleration sensor has a wider sensitivity range than the acceleration sensor.
  • the damping constant ⁇ is a constant representing the ease of energy dissipation when the object moves mechanically.
  • the type of fluid in the surrounding environment where the object moves, the fluid pressure, the size and structure of the moving object, and the moving object It is a constant determined by the constituent substances.
  • is considered to be a close value. Therefore, in the first embodiment, when ⁇ 1 ⁇ 2 is approximated, equations (5), (7), (8) )Than,
  • the mechanical cutoff frequency fc2 of the second acceleration sensor is greater than the mechanical cutoff frequency fc1 of the first acceleration sensor.
  • the capacitance change in the detection electrode occurs up to fc2 (Hz) in the second acceleration sensor, but it is applied at a frequency of fc2 (Hz) or higher. This means that the capacitance does not change with respect to the acceleration because the sensor is not mechanically displaced. Therefore, for an acceleration applied at a frequency of fc2 (Hz) or higher, the acceleration signal finally output from the second acceleration sensor shows a value different from the applied acceleration, resulting in an erroneous output.
  • the range of acceleration frequencies that can be handled without erroneous output as a sensor system is called the “response band”.
  • An acceleration sensor with a response band that does not cause erroneous output even when a relatively high frequency acceleration is applied is It is called a “wide acceleration sensor”.
  • the semiconductor chip (signal processing circuit) 302 shown in FIG. 5 and the semiconductor chip (signal processing circuit) 402 shown in FIG. (8) Since the cut-off frequency fc2 (Hz) of the second acceleration sensor is larger than the cut-off frequency fc1 (Hz) of the first acceleration sensor, the second acceleration sensor is better than the first acceleration sensor. However, it can be said that the acceleration sensor has a wide response band.
  • the first acceleration sensor according to the first embodiment has a movable portion 105 that can be displaced in the x direction.
  • the movable portion 105 is displaced in the x direction when an acceleration is applied in the x direction.
  • a movable electrode for detection 106a is formed on the movable portion 105, and a fixed electrode for detection 106b and a fixed electrode for detection 106c are formed so as to face the movable electrode for detection 106a.
  • the movable electrode for detection 106a is displaced accordingly.
  • the detection fixed electrode 106b and the detection fixed electrode 106c remain fixed and are not displaced. Therefore, when the acceleration is applied in the x direction and the movable portion 105 is displaced, the distance between the electrodes of the capacitive element composed of the detection movable electrode 106a and the detection fixed electrode 106b or the detection movable electrode 106a and the detection fixed electrode 106c. Changes.
  • the change in the distance between the electrodes of the capacitive element means that the capacitance (capacitance) of the capacitive element changes.
  • the capacitance capacitance
  • the movable portion 105 is displaced in the x direction, and as a result, the capacitance of the capacitive element changes.
  • This capacitance change is converted into a voltage signal by the voltage converter, and an acceleration signal is output from the acceleration sensor based on the converted electric signal. From this, it can be seen that the acceleration applied to the acceleration sensor is detected as a capacitance change of the capacitive element, the detected capacitance change is converted into a voltage signal, and an acceleration signal is finally output from the acceleration sensor.
  • the second acceleration sensor of the first embodiment has a movable portion 205 that can be displaced in the x direction.
  • the movable unit 205 is displaced in the x direction when an acceleration is applied in the x direction.
  • a movable electrode for detection 206a is formed on the movable portion 205, and a fixed electrode for detection 206b and a fixed electrode for detection 206c are formed so as to face the movable electrode for detection 206a.
  • the detection movable electrode 206a is displaced accordingly.
  • the detection fixed electrode 206b and the detection fixed electrode 206c remain fixed and are not displaced.
  • the change in the distance between the electrodes of the capacitive element means that the capacitance (capacitance) of the capacitive element changes.
  • the capacitance capacitance
  • the movable portion 205 is displaced in the x direction, and as a result, the capacitance of the capacitive element changes.
  • This capacitance change is converted into a voltage signal by the voltage converter, and an acceleration signal is output from the acceleration sensor based on the converted electric signal. From this, it can be seen that the acceleration applied to the acceleration sensor is detected as a capacitance change of the capacitive element, the detected capacitance change is converted into a voltage signal, and an acceleration signal is finally output from the acceleration sensor.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating the configuration of the acceleration sensor that is the inertial sensor according to the first embodiment.
  • the first acceleration sensor 500 in the first embodiment includes a semiconductor chip 100 and a semiconductor chip 302, a MEMS structure is formed on the semiconductor chip 100, and a signal is transmitted to the semiconductor chip 302. A processing circuit is formed.
  • FIG. 8 shows a movable part 105 of the MEMS structure formed on the semiconductor chip 100, and a capacitive element C 1 that is a capacitive detection part between the movable part 105 and the modulation signal generating part 501. Is formed.
  • the capacitive element C1 is formed of a detection movable electrode 106a and a detection fixed electrode 106b.
  • a capacitive element C ⁇ b> 2 is formed between the movable unit 105 and the modulation signal generation unit 501.
  • the capacitive element C2 includes a detection movable electrode 106a and a detection fixed electrode 106c.
  • a modulation signal generation unit 501 that generates a modulation signal (carrier wave) is formed in the semiconductor chip 302.
  • the modulation signal generation unit 501 is configured to generate a modulation signal of several hundred kHz, for example.
  • a bias voltage is applied to the modulation signal generated by the modulation signal generation unit 501 and is applied to the detection fixed electrode 106b.
  • a bias voltage is applied to the signal obtained by converting the phase of the modulation signal generated by the modulation signal generation unit 501 by 180 degrees and applied to the detection fixed electrode 106c.
  • the movable part 105 vibrates with a modulation signal of several hundred kHz.
  • the physical quantity calculation unit 502 includes a capacitance voltage conversion unit 1 (CV conversion unit 1), an A / D conversion unit 1, a first synchronous detection unit 1a, and a low-pass filter LPF1.
  • the capacitive voltage converter 1 is composed of an operational amplifier that converts the capacitance change of the capacitive element C1 into a voltage signal.
  • the A / D converter 1 is configured to convert the analog signal output from the capacitance-voltage converter 1 into a digital signal.
  • the first synchronous detector 1a is converted into a high-frequency signal by a carrier wave.
  • the original low frequency signal is restored from the received signal.
  • the low-pass filter LPF1 is configured to attenuate a high-frequency signal and pass a low-frequency signal, and is configured to calculate the acceleration signal 520 from the signal that has passed through the low-pass filter LPF1.
  • the first acceleration sensor according to the first embodiment is configured as described above. Next, an operation for detecting acceleration will be described.
  • a modulation signal of several hundred kHz (carrier frequency) generated by the modulation signal generation unit 501 is applied to the detection fixed electrode 106b, and a signal obtained by converting the phase of the modulation signal generated by the modulation signal generation unit 501 by 180 degrees is used for detection.
  • the fixed electrode 106c Applied to the fixed electrode 106c.
  • the movable part 105 vibrates at a carrier wave frequency (several hundred kHz). Since this vibration is very fast, it can be considered that there is no capacitance change of the capacitive element C1 and the capacitive element C2 due to this vibration.
  • the movable portion 105 is displaced. For example, when the movable part 105 is displaced upward in FIG.
  • the capacitance change of the capacitive element C1 and the capacitance change of the capacitive element C2 are changes in the external force response frequency (DC to several tens of Hz) corresponding to the acceleration applied from the outside.
  • the modulation signal is applied to the movable portion 105, the capacitance change of the external force response frequency (DC to several tens Hz) is superimposed on the carrier frequency (several hundred kHz).
  • a voltage signal obtained by converting the capacitance change into a voltage is output by the capacitance-voltage converter 1.
  • the voltage signal (analog signal) output from the capacitive voltage converter 1 is obtained by superimposing a voltage signal having an external force response frequency (DC to several tens Hz) on a carrier frequency (several hundreds kHz).
  • a voltage signal (a voltage signal in which a voltage signal having an external force response frequency (DC to several tens Hz) is superimposed on a carrier wave frequency (several hundreds of kHz)) output from the capacitive voltage converter 1 is converted into an A / D converter. 1 is converted into a digital signal by the A / D converter 1. The voltage signal converted into a digital signal is input to the first synchronous detector 1a.
  • the first synchronous detection unit 1a performs synchronous detection using the frequency and phase of the modulation signal. That is, in the first synchronous detector 1a, an external force response frequency (DC to several tens) is obtained from a voltage signal (digital signal) in which a voltage signal having an external force response frequency (DC to several tens of Hz) is superimposed on a carrier frequency (several hundreds of kHz). 10 Hz) is restored. Thereafter, the restored voltage signal is input to the low-pass filter LPF1 to attenuate high frequency components other than the required signal. Based on the voltage signal (DC to several tens of Hz) output from the low-pass filter LPF1, the acceleration signal 520 is calculated and output.
  • the acceleration can be detected by the acceleration sensor according to the first embodiment.
  • the movable part 105 of the acceleration sensor is vibrated with a carrier wave of several hundred kHz, so that the capacitance change of DC to several tens Hz due to acceleration is superimposed on the high frequency signal, Since the signal processing is performed, the influence of 1 / f noise can be suppressed, the S / N ratio can be improved, and the detection accuracy of the acceleration signal can be improved.
  • the second acceleration sensor 510 includes a semiconductor chip 200 and a semiconductor chip 402, a MEMS structure is formed on the semiconductor chip 200, and a signal is transmitted to the semiconductor chip 402. A processing circuit is formed.
  • FIG. 8 shows a movable part 205 of the MEMS structure formed on the semiconductor chip 200, and a capacitive element C 5 that is a capacitive detection part is formed between the movable part 205 and the modulation signal generating part 511.
  • the capacitive element C5 is formed of a detection movable electrode 206a and a detection fixed electrode 206b.
  • a capacitive element C6 is formed between the movable unit 205 and the modulation signal generation unit 511.
  • the capacitive element C6 includes a detection movable electrode 206a and a detection fixed electrode 206c.
  • a modulation signal generation unit 511 that generates a modulation signal (carrier wave) is formed in the semiconductor chip 402.
  • the modulation signal generation unit 511 is configured to generate a modulation signal of several hundred kHz, for example.
  • a bias voltage is applied to the modulation signal generated by the modulation signal generation unit 511 and is applied to the detection fixed electrode 206b.
  • a bias voltage is applied to the signal obtained by converting the phase of the modulation signal generated by the modulation signal generation unit 511 by 180 degrees and applied to the detection fixed electrode 206c.
  • the movable part 205 vibrates with a modulation signal of several hundred kHz.
  • the physical quantity calculation unit 512 includes a capacitance voltage conversion unit 2 (CV conversion unit 2), an A / D conversion unit 2, a synchronous detection unit 2, and a low-pass filter LPF2.
  • the capacitive voltage converter 2 is composed of an operational amplifier that converts the capacitance change of the capacitive element C5 into a voltage signal.
  • the A / D converter 2 is configured to convert the analog signal output from the capacitance voltage converter 2 into a digital signal.
  • the first synchronous detector 2 is converted into a high-frequency signal by a carrier wave.
  • the original low frequency signal is restored from the received signal.
  • the low-pass filter LPF2 is configured to attenuate a high-frequency signal and pass a low-frequency signal, and is configured to calculate an acceleration signal from the signal that has passed through the low-pass filter LPF2.
  • the second acceleration sensor according to the first embodiment is configured as described above. Next, an operation for detecting acceleration will be described.
  • a modulation signal of several hundred kHz (carrier frequency) generated by the modulation signal generation unit 511 is applied to the detection fixed electrode 206b, and a signal obtained by converting the phase of the modulation signal generated by the modulation signal generation unit 511 by 180 degrees is used for detection.
  • the fixed electrode 206c Applied to the fixed electrode 206c.
  • the movable part 205 vibrates at a carrier frequency (several hundred kHz). Since this vibration is very fast, it can be considered that there is no capacitance change of the capacitive element C5 and the capacitive element C6 due to this vibration. In this state, when acceleration is applied from the outside, the movable portion 205 is displaced.
  • the capacitance change of the capacitive element C5 and the capacitance change of the capacitive element C6 are changes in the external force response frequency (DC to several kHz) corresponding to the acceleration applied from the outside.
  • the capacitance change of the external force response frequency DC to several kHz
  • a voltage signal obtained by converting the capacitance change into a voltage is output by the capacitance-voltage conversion unit 2.
  • the voltage signal (analog signal) output from the capacitance-voltage converter 2 is obtained by superimposing a voltage signal having an external force response frequency (DC to several kHz) on a carrier frequency (several hundred kHz).
  • a voltage signal (a voltage signal in which a voltage signal having an external force response frequency (DC to several kHz) is superimposed on a carrier wave frequency (several hundreds kHz)) output from the capacitive voltage conversion unit 2 is converted into an A / D conversion unit 2. And converted into a digital signal by the A / D converter 2. Then, the voltage signal converted into a digital signal is input to the synchronous detection unit 2.
  • Synchronous detection unit 2 performs synchronous detection using the frequency and phase of the modulation signal. That is, in the synchronous detection unit 2, an external force response frequency (DC to several kHz) is obtained from a voltage signal (digital signal) in which a voltage signal of an external force response frequency (DC to several kHz) is superimposed on a carrier frequency (several hundreds of kHz). The voltage signal is restored. Thereafter, the restored voltage signal is input to the low-pass filter LPF2 to attenuate high frequency components other than the required signal. Based on the voltage signal (DC to several kHz) output from the low pass filter LPF2, an acceleration signal is calculated and output. As described above, the acceleration can be detected by the acceleration sensor according to the first embodiment.
  • the first acceleration sensor described above is used as a key device in, for example, an attitude control system that supports safe driving by suppressing side slip and spin of a car.
  • this attitude control system the skid and spin of the car are suppressed by controlling the output of the engine and the braking force of the brake based on the output from the acceleration sensor. For this reason, failure of the acceleration sensor is likely to lead to an accident, and it is necessary to notify immediately when the acceleration sensor fails.
  • the acceleration sensor according to the first embodiment is an acceleration sensor capable of diagnosing the presence or absence of a failure while operating.
  • the first sensor having a constant diagnosis function for determining the presence or absence of a failure of the acceleration sensor while detecting the acceleration is described below. The configuration of the acceleration sensor will be described.
  • the movable part 105 of the MEMS structure formed in the semiconductor chip 100 is illustrated. Between the movable part 105 and the diagnostic signal generation part 503, the capacitive elements C3 and C3 which are forced vibration generation parts are shown. A capacitive element C4 is formed.
  • the capacitive element C3 is formed of a diagnostic movable electrode 108a and a diagnostic fixed electrode 108b.
  • the capacitive element C4 includes a diagnostic movable electrode 108a and a diagnostic fixed electrode 108c.
  • the diagnostic signal generator 503 itself is known.
  • a diagnostic signal generation unit 503 and an abnormality determination unit 504 that generate a diagnostic signal are formed in the semiconductor chip 302.
  • the diagnostic signal generator 503 is configured to generate a diagnostic signal of several hundred Hz, for example.
  • This diagnostic signal is composed of, for example, a rectangular wave, a sine wave, a triangular wave, or the like.
  • a bias voltage is applied to the diagnostic signal generated by the diagnostic signal generation unit 503 and is applied to the capacitive element C3 and the capacitive element C4.
  • the abnormality determination unit 504 is connected to the movable unit 105 via a physical quantity calculation unit 502 formed on the semiconductor chip 302.
  • the diagnostic signal generated by the diagnostic signal generation unit 503 is applied to the diagnostic fixed electrode 108b and the diagnostic fixed electrode 108c as two signals having opposite phases to each other. .
  • an electrostatic force acts between the diagnostic movable electrode 108a and the diagnostic fixed electrode 108b, and between the diagnostic movable electrode 108a and the diagnostic fixed electrode 108c, and the movable portion 105 can be forced to vibrate. If the movable part 105 vibrates forcibly, the movable part 105 is displaced, and a capacitance change occurs between the capacitive element C1 and the capacitive element C2 constituting the capacitive detection part.
  • the capacitance change generated in the capacitive element C1 and the capacitive element C2 is converted into a voltage signal by the capacitive voltage conversion unit 1, and the voltage signal converted by the voltage conversion unit is converted into the A / D conversion unit 1 and the first synchronous detection unit.
  • the original diagnostic signal is restored.
  • the restored diagnostic signal is input to the abnormality determination unit 504 and processed to determine whether there is an abnormality. In this way, according to the first acceleration sensor in the first embodiment, it is determined whether or not the acceleration sensor is abnormal.
  • acceleration DC to several tens of Hz
  • a diagnostic signal of several hundred Hz to the movable unit 105 and forcibly oscillating
  • it is applied to the capacitive elements C1 and C2 that are capacitive detection units.
  • the capacitance change due to forced vibration (several hundred Hz) and the capacitance change due to acceleration (DC to several tens Hz) are added.
  • the capacitance change of several hundred Hz and the capacitance change of DC to several tens Hz are superimposed on the modulation signal (several hundred kHz).
  • This voltage signal is a voltage signal in which a voltage signal of several hundred Hz and a voltage signal of DC to several tens Hz are superimposed on a modulation signal (several hundred kHz).
  • a modulation signal severe hundred kHz.
  • the physical quantity calculator 502 attenuates the diagnostic signal of several hundred Hz by the low-pass filter LPF1, extracts a voltage signal of DC to several tens of Hz, and calculates an acceleration signal based on this voltage signal.
  • the abnormality determination unit 504 performs processing based on a diagnostic signal of several hundreds of Hz to determine abnormality. As described above, according to the acceleration sensor of the first embodiment, it is possible to determine whether or not the acceleration sensor is abnormal while detecting the acceleration.
  • the feature of the acceleration sensor in the present embodiment is that the output signal (acceleration signal) 522 of the second acceleration sensor is connected to the abnormality determination unit 504 of the abnormality of the first acceleration sensor. The reason for this will be described.
  • the inertial sensor that is used to suppress the skidding and spin of the car is installed in the traveling vehicle.
  • vibrations generated by opening and closing of valves There are many vibrations caused by opening and closing of valves.
  • These vibrations and shocks are not always vibration sources with a constant magnitude and frequency, and also vary with time.
  • vibration generated by impact between objects has a short vibration duration in the time domain, but it includes acceleration vibration of all frequencies in the frequency domain, so it is difficult to specify the magnitude and frequency of the generated vibration. .
  • an inertial sensor used as an internal sensor for recognizing the self-state of a mobile robot used in fields such as nursing care is installed inside the mobile robot.
  • Mobile robots have many vibrations that occur due to repeated contact with humans, vibrations that occur when they move over a floor surface or an obstacle, and vibrations that occur when they hit a wall. Yes.
  • These vibrations and shocks are not always vibration sources with a constant magnitude and frequency, and also vary with time.
  • vibration generated by impact between objects has a short vibration duration in the time domain, but it includes acceleration vibration of all frequencies in the frequency domain, so it is difficult to specify the magnitude and frequency of the generated vibration. .
  • the abnormality determination unit 504 determines that the sensor is abnormal even though there is no abnormality in the sensor, and the sensor outputs an erroneous diagnosis result.
  • the noise vibration in the environment where the sensor is installed is not always a vibration source of constant magnitude and frequency, and also varies with time, so that misdiagnosis can be considered to occur probabilistically. . Therefore, there may be a method of statistically determining the presence or absence of sensor abnormality after performing diagnosis determination more than once. In this case, the determination result is output after performing diagnosis determination multiple times. For this reason, it takes time from the time when the sensor actually fails until the sensor abnormality determination result is output. Therefore, a method of statistically determining the presence or absence of a sensor abnormality after performing a plurality of diagnosis determinations is not desirable from the viewpoint of immediately detecting the presence or absence of a failure of the acceleration sensor.
  • the abnormality determination unit 504 of the sensor abnormality is supplied to the output signal (acceleration signal) 522 of the second acceleration sensor as an external control circuit of the sensor unit or an external conductor.
  • the presence / absence of noise vibration in the environment where the sensor is installed can be detected while detecting the acceleration signal by the first acceleration sensor.
  • the presence or absence of possibility can always be detected. If there is a possibility that the abnormality determination unit 504 may misdiagnose the sensor due to noise vibration in the environment where the sensor is installed, the acceleration can be detected in a vibration noise environment by changing the determination method in the abnormality determination unit 504.
  • a highly reliable acceleration sensor that suppresses misdiagnosis can be provided.
  • the second acceleration sensor has a wider response band than the first acceleration sensor, and the sensitivity range of the second acceleration sensor is greater than that of the first acceleration sensor. Since it is a wide acceleration sensor, vibration noise in a wider frequency band and wider acceleration range can be detected if noise vibration in the environment where the sensor is installed is detected by the second acceleration sensor. Therefore, even when diagnosis is performed while detecting acceleration in a noisy environment, erroneous diagnosis can be suppressed and a highly reliable acceleration sensor can be provided.
  • the abnormality determination unit 504 includes a bandpass filter BPF1a, a second synchronous detection unit 1b, a bandpass filter BPF1b, and a comparison determination unit.
  • the bandpass filter BPF1a is configured to remove a signal other than the voltage signal of several hundred Hz output from the first synchronous detection unit 1a as noise.
  • the second synchronous detector 1b extracts a diagnostic signal of several hundred Hz from a diagnostic signal of several hundred Hz output from the first synchronous detector 1a of the physical quantity calculator 502 and a voltage signal of DC to several tens of Hz. Is configured to do.
  • the second synchronous detection unit 1b is configured to detect a diagnostic signal of several hundred Hz and convert it into a signal having a double frequency and a DC signal.
  • Reference numeral 523 represents a diagnostic signal.
  • the bandpass filter BPF1b is configured to attenuate the DC signal (cos0) and the coswt signal and pass the cos2wt signal (a signal having a frequency twice that of the diagnostic signal).
  • a cos2wt signal (a signal having a frequency twice that of the diagnostic signal) obtained by converting a diagnostic signal of several hundred Hz can be extracted.
  • the comparison determination unit is configured to compare the amplitude of the cos2wt signal (a signal having a frequency twice the diagnostic signal) that has passed through the bandpass filter BPF1b with the amplitude reference value. Based on the comparison result of the comparison determination unit, the presence / absence of abnormality of the acceleration sensor is output as the determination signal 521.
  • the acceleration sensor in the first embodiment is configured as described above, and an operation for diagnosing the presence or absence of abnormality while detecting acceleration will be described.
  • the diagnostic signal generated by the diagnostic signal generator 503 is applied to the diagnostic fixed electrode 108b and the diagnostic fixed electrode 108c as two signals having opposite phases to each other.
  • an electrostatic force acts between the diagnostic movable electrode 108a and the diagnostic fixed electrode 108b, and between the diagnostic movable electrode 108a and the diagnostic fixed electrode 108c, and the movable portion 105 can be forced to vibrate. If the movable part 105 vibrates forcibly, the movable part 105 is displaced. When the movable unit 105 is displaced, a capacitance change occurs between the capacitive element C1 and the capacitive element C2 that constitute the capacitive detection unit.
  • the capacitance element C1 and the capacitance element C2 which are the capacitance detection units, change in capacitance due to forced vibration (several hundred Hz) and capacitance due to acceleration. Changes (DC to tens of Hz) are added. The capacitance change of several hundred Hz and the capacitance change of DC to several tens Hz are superimposed on the modulation signal (several hundred kHz). Thereafter, the capacitance change described above is converted into a voltage signal by the capacitance-voltage converter 1.
  • This voltage signal is a voltage signal in which a voltage signal of several hundred Hz and a voltage signal of DC to several tens Hz are superimposed on a modulation signal (several hundred kHz).
  • a modulation signal severe hundred kHz.
  • the physical quantity calculator 502 attenuates the diagnostic signal of several hundred Hz by the low-pass filter LPF1, extracts a voltage signal of DC to several tens of Hz, and calculates an acceleration signal based on this voltage signal.
  • a signal including a diagnostic signal of several hundred Hz output from the first synchronous detector 1a and a voltage signal of DC to several tens Hz is several hundred Hz output from the first synchronous detector 1a by the bandpass filter BPF1a.
  • the second synchronous detector 1b After the signal other than the voltage signal is removed, it is input to the second synchronous detector 1b.
  • the diagnostic signal of several hundred Hz is converted into a signal having a frequency (cos 2 wt) twice that of the diagnostic signal and a DC signal (cos 0).
  • a voltage signal of DC to several tens Hz is multiplied by coswt to become a signal of several hundred Hz band.
  • the signal output from the second synchronous detector 1b is input to the bandpass filter BPF1b, and the DC signal (cos0) and the voltage signal of DC to several tens of Hz are multiplied by coswt by a several hundred Hz band. Is attenuated, and a signal having a frequency (cos 2 wt) twice that of the diagnostic signal corresponding to the diagnostic signal passes.
  • the comparison / determination unit compares the amplitude of the signal having a frequency (cos 2 wt) twice that of the diagnostic signal that has passed through the band-pass filter BPF1b with the amplitude reference value to determine whether the acceleration sensor is abnormal.
  • the acceleration sensor in the first embodiment it is possible to determine whether or not the acceleration sensor is abnormal while detecting the acceleration. Therefore, according to the acceleration sensor in the first embodiment, a failure can be detected immediately.
  • the presence / absence of an abnormality in the comparison determination unit can be determined as follows, for example.
  • a predetermined amplitude reference value is set in the comparison determination unit, and is compared with the amplitude of a signal having a frequency (cos 2 wt) twice that of the diagnostic signal that has passed through the band-pass filter BPF1b.
  • the diagnostic signal generated by the diagnostic signal generation unit 503 is applied to the movable unit 105, the amplitude of the signal having a frequency (cos 2 wt) twice that of the diagnostic signal that has passed through the band-pass filter BPF1b is almost 0. In this case, it can be determined that the movable part 105 is stuck and that it is a failure.
  • the diagnostic signal generated by the diagnostic signal generation unit 503 can be turned on / off by the switch SW1.
  • the switch SW1 is not provided, there is a possibility of making a misdiagnosis without being able to determine whether the forced vibration of the movable part 105 is due to a diagnostic signal or due to vibration disturbance.
  • the switch SW1 is provided in the acceleration sensor according to the first embodiment.
  • the switch SW1 is periodically turned on / off, averaged by a method such as sample hold, and the output when the switch SW1 is turned on (the frequency (cos2wt) twice that of the diagnostic signal passed through the bandpass filter BPF1b). And the output when the switch SW1 is turned off (the amplitude of the signal having a frequency (cos2 wt) twice that of the diagnostic signal that has passed through the bandpass filter BPF1b)) is used to determine a failure, etc.
  • the influence of background vibration disturbance can be eliminated.
  • the output signal (acceleration signal) 522 of the second acceleration sensor is transmitted to the abnormality determination unit 504 of the abnormality of the first acceleration sensor. Or via an external conductor. Therefore, the presence of noise vibration in the environment where the sensor is installed can be detected while detecting the acceleration signal with the first acceleration sensor. Whether or not there is a possibility of erroneously diagnosing the sensor can be detected at all times by the abnormality determination unit 504 that occurs only when time exists.
  • the determination method of the comparison determination unit is determined as shown in FIG. If the output signal (acceleration signal) 522 of the second acceleration sensor is equal to or higher than a predetermined voltage value, it means that there is noise vibration in the environment where the sensor is installed. Since it is highly likely that the determination is made, the process returns to the step of performing the re-comparison determination without outputting the abnormality determination signal to the determination signal 521. When the output signal (acceleration signal) 522 of the second acceleration sensor is smaller than a predetermined voltage value, normal comparison determination processing is performed to determine whether there is a sensor abnormality.
  • the second acceleration sensor has a wider response band than the first acceleration sensor, and the second acceleration sensor has a higher sensitivity range than the first acceleration sensor. Therefore, if noise vibration in the environment where the sensor is installed is detected by the second acceleration sensor, vibration noise in a wider frequency band or wider acceleration range can be detected. Therefore, even when diagnosis is performed while detecting acceleration in a noisy environment, erroneous diagnosis can be suppressed and a highly reliable acceleration sensor can be provided.
  • an inertial sensor that can suppress misdiagnosis by including the second sensor. Also, by widening the sensitivity range of the second sensor, vibration noise in a wider frequency band and wider acceleration range can be detected.
  • the MEMS inertial sensor (capacitance sensor) in the second embodiment will be described with reference to the drawings.
  • a MEMS inertial sensor in which the first inertial sensor is an acceleration sensor and the second inertial sensor is an angular velocity sensor will be described as an example.
  • FIG. 10 is a plan view showing a structure constituting the acceleration sensor which is the first inertial sensor formed in the semiconductor chip 700.
  • a frame portion 701 is formed in the semiconductor chip 700, and a cavity portion 702 is formed so as to be surrounded by the frame portion 701.
  • a fixing portion 703 is provided inside the hollow portion 702, and a beam (elastic deformation portion) 704 is connected to the fixing portion 703.
  • the beam 704 is connected with the movable part 705 used as the weight of an acceleration sensor.
  • the fixed portion 703 and the movable portion 705 are connected by the elastically deformable beam 704, and the movable portion 705 can be displaced in the x direction of FIG.
  • the movable portion 705 is formed with a detection movable electrode 706a formed integrally with the movable portion 705.
  • the detection fixed electrode 706b and the detection fixed electrode 706c are arranged so as to face the detection movable electrode 706a. Is formed.
  • the detection movable electrode 706a and the detection fixed electrode 706b, or the detection movable electrode 706a and the detection fixed electrode 706c form a capacitive element, and the movable portion 705 is moved in the x direction by acceleration applied from the outside. When displaced, the capacitance of the capacitive element described above changes.
  • the capacitive element constituted by the detection movable electrode 706a and the detection fixed electrode 706b, or the detection movable electrode 706a and the detection fixed electrode 706c, has a capacitance that detects the displacement of the movable portion 705 in the x direction as a capacitance change. Functions as a detection unit.
  • the movable portion 705 is formed with a diagnostic movable electrode 708a formed integrally with the movable portion 705.
  • the diagnostic fixed electrode 708b and the diagnostic fixed electrode are disposed so as to face the movable movable electrode 708a. 708c is formed.
  • the diagnostic movable electrode 708a and the diagnostic fixed electrode 708b, or the diagnostic movable electrode 708a and the diagnostic fixed electrode 708c each form a capacitive element.
  • the diagnostic movable electrode 708a When a periodic diagnostic signal is applied between the diagnostic movable electrode 708a and the diagnostic fixed electrode 708b forming the capacitive element and between the diagnostic movable electrode 708a and the diagnostic fixed electrode 708c, the diagnostic movable electrode 708a. Electrostatic force acts between the diagnostic fixed electrode 708b and between the diagnostic movable electrode 708a and the diagnostic fixed electrode 708c, and the diagnostic movable electrode 708a vibrates. When the diagnostic movable electrode 708a vibrates in the x direction, the movable portion 705 formed integrally with the diagnostic movable electrode 708a also vibrates.
  • the capacitive element composed of the diagnostic movable electrode 708a and the diagnostic fixed electrode 708b, or the diagnostic movable electrode 708a and the diagnostic fixed electrode 708c serves as a forced vibration generation unit that forcibly vibrates the movable unit 705 in the x direction. Function.
  • the structure of the acceleration sensor configured in this way is made of a semiconductor material such as silicon. Therefore, the fixed portion 703 and the movable portion 705 connected to each other through the beam 704 are electrically connected, and the potential applied to the movable portion 705 is a through electrode 707 formed in the fixed portion 703. It is comprised so that it may be supplied from.
  • the detection fixed electrode 706b and the detection fixed electrode 706c are also formed with a penetration electrode 706d and a penetration electrode 706e, respectively, and the detection fixed electrode due to the capacitance change caused by the displacement of the movable portion 705 in the x direction. It is configured such that electric charges can flow into or out of 706b or the detection fixed electrode 706c.
  • a through electrode 708d and a through electrode 708e are formed in the diagnostic fixed electrode 708b and the diagnostic fixed electrode 708c, respectively, and the diagnostic fixed electrode 708b and the diagnostic fixed electrode 708c are formed from the through electrode 708d and the through electrode 708e, respectively.
  • a diagnostic signal can be applied to the.
  • the semiconductor chip 700 is also formed with an angular velocity sensor which is a second inertial sensor.
  • an angular velocity sensor which is a second inertial sensor.
  • a hollow portion 722 is formed so as to be surrounded by a frame portion common to the frame portion 701 of the acceleration sensor which is the first inertial sensor, and a fixing portion 723 is provided inside the hollow portion 722, and this fixing
  • a beam (elastically deforming portion) 724 is connected to the portion 723.
  • the beam 724 is connected to movable parts 725 and 726 which are two excitation elements that serve as the weight of the angular velocity sensor.
  • the movable portions 725 and 726 that are two excitation elements are connected to the fixed portion 723 by the elastically deformable beam 724, and the movable portions 725 and 726 that are excitation elements can be displaced in the x direction of FIG. It is like that. Further, the movable parts 725 and 726 which are excitation elements are connected by a link beam 727 in order to form a tuning fork vibration system sharing the mutual vibration energy.
  • a movable driving electrode 728a formed integrally with the movable portion 725 is formed on the movable portions 725 and 726, which are excitation elements, and the fixed driving electrode 728b and the driving movable electrode 728a are opposed to the movable movable electrode 728a.
  • a driving fixed electrode 728c is formed.
  • a periodic drive signal represented by Vcom + Vb + Vd is applied between the drive movable electrode 728a and the drive fixed electrode 728b forming a capacitive element by opposing each other, and the drive movable electrode 728a and the drive fixed electrode are applied.
  • a periodic drive signal represented by Vcom + Vb ⁇ Vd is applied during 728c, and Vcom is applied to the movable portions 725 and 726, which are excitation elements, via a common through electrode 731. Electrostatic force acts between the driving electrode 728a and the driving fixed electrode 728b, and the driving movable electrode 728a and the driving fixed electrode 728c, so that the driving movable electrode 728a vibrates.
  • the movable portions 725 and 726 which are excitation elements formed integrally with the drive movable electrode 728a, vibrate in reverse phase. That is, the capacitive element composed of the driving movable electrode 728a and the driving fixed electrode 728b or the driving movable electrode 728a and the driving fixed electrode 728c has the movable portions 725 and 726, which are excitation elements, in the x-phase in the reverse phase. It functions as a forced vibration generator for forced vibration.
  • the movable portions 725 and 726 which are excitation elements, are provided with a drive amplitude monitor movable electrode 729a formed integrally with the movable portions 725 and 726 so as to face the drive amplitude monitor movable electrode 729a. Further, a drive amplitude monitor fixed electrode 729b and a drive amplitude monitor fixed electrode 729c are formed.
  • the drive amplitude monitor movable electrode 729a and the drive amplitude monitor fixed electrode 729b, or the drive amplitude monitor movable electrode 729a and the drive amplitude monitor fixed electrode 729c form a capacitive element, and the drive movable electrode 728a.
  • the capacitive element composed of the drive amplitude monitor movable electrode 729a and the drive amplitude monitor fixed electrode 729b, or the drive amplitude monitor movable electrode 729a and the drive amplitude monitor fixed electrode 729c, is a movable portion 725 which is an excitation element.
  • 726 functions as a capacitance detection unit that detects displacement in the x direction as a capacitance change.
  • the link beam 727 connecting the movable portions 725 and 726, which are excitation elements, is formed with an acceleration monitor movable electrode 730a formed integrally with the link beam 727, and is opposed to the acceleration monitor movable electrode 730a.
  • the acceleration monitor fixed electrode 730b and the acceleration monitor fixed electrode 730c are formed.
  • the capacitive element composed of the acceleration monitor movable electrode 730a and the acceleration monitor fixed electrode 730b, or the acceleration monitor movable electrode 730a and the acceleration monitor fixed electrode 730c includes the x of the movable portions 725 and 726 and the link beam 727. It functions as a capacitance detection unit that detects a displacement in the direction as a capacitance change.
  • the structure of the acceleration sensor and the angular velocity sensor integrally formed on the semiconductor chip 700 is made of a semiconductor material such as silicon.
  • the fixed portion 703 and the movable portion 705 connected to each other via the beam 704 are electrically connected, and the potential applied to the movable portion 705 is formed in the fixed portion 703. It is configured to be supplied from a through electrode 707 connected to the back surface wiring of a semiconductor material such as silicon.
  • the detection fixed electrode 706b and the detection fixed electrode 706c are also formed with a penetration electrode 706d and a penetration electrode 706e, respectively, and the detection fixed electrode due to the capacitance change caused by the displacement of the movable portion 705 in the x direction. It is configured such that electric charges can flow into or out of 706b or the detection fixed electrode 706c.
  • the fixed portion 723 connected to each other via the beam 724 and the movable portions 725 and 726 as excitation elements are electrically connected to each other and applied to the movable portions 725 and 726.
  • the potential to be supplied is supplied from a through electrode 731 formed in the fixing portion 723 and connected to the back surface wiring of a semiconductor material such as silicon.
  • the driving fixed electrode 728b is also provided with a through electrode 728d connected to the back surface wiring of a semiconductor material such as silicon, and the driving movable electrode 728a and the driving fixed electrode 728b forming the capacitive element.
  • a periodic drive signal represented by Vcom + Vb + Vd can be applied during the period.
  • the driving fixed electrode 728c is also formed with a through electrode 728e connected to the backside wiring of a semiconductor material such as silicon, and the driving movable electrode 728a and the driving fixed electrode 728c forming the capacitive element.
  • a periodic drive signal represented by Vcom + Vb ⁇ Vd can be applied during the period.
  • the drive amplitude monitor fixed electrode 729b and the drive amplitude monitor fixed electrode 729c are also provided with a through electrode 729d and a through electrode 729e connected to the backside wiring of a semiconductor material such as silicon, respectively.
  • Electric charges can flow into or out of the drive amplitude monitor fixed electrode 729b and the drive amplitude monitor fixed electrode 729c due to a capacitance change caused by displacement of a certain movable portion 725, 726 in the x direction.
  • the acceleration monitor fixed electrode 730b is also provided with a through electrode 730d connected to the backside wiring of a semiconductor material such as silicon, and is displaced in the x direction of the movable portions 725 and 726 and the link beam 727. Electric charges can flow into or out of the acceleration monitor fixed electrode 730b due to the capacitance change that occurs.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view taken along line C-C ′ of FIG.
  • the semiconductor chip 700 has an insulating oxide film layer 711 formed on a support substrate layer 710 and has a silicon active layer 712 formed on the insulating oxide film layer 711. That is, in the second embodiment, the semiconductor chip 700 constituting the acceleration sensor which is the first inertial sensor is constituted by an SOI (Silicon On On Insulator) substrate.
  • the detection movable electrode 706a, the detection fixed electrode 706b, and the detection fixed electrode 706c integrally formed with the frame portion 701, the fixed portion 703, and the movable portion 705 shown in FIG.
  • the beam 704, the movable electrode for diagnosis 708a, the fixed electrode for diagnosis 708b, and the fixed electrode for diagnosis 708c not shown in FIG. 5 are formed by processing the silicon active layer of the SOI substrate.
  • the frame portion 701 and the fixing portion 703 are formed on the insulating oxide film layer 711 and are fixed.
  • the detection movable electrode 706a formed integrally with the movable portion 705 is also formed of the silicon active layer, but the insulating oxide film layer 711 formed under the movable portion 705 is removed. .
  • the insulating oxide film layer formed under the beam 704 not shown in FIG. 11 is also removed. Therefore, the movable part 705 is disposed in the cavity and is supported by the beam 704. For this reason, the movable portion 705 is not completely fixed to the support substrate layer 710 but is formed to be displaceable.
  • the through electrode 707 formed in the fixing portion 703 is configured to penetrate the support substrate layer 710, the insulating oxide film layer 711, and the silicon active layer 712, and a pad 715 formed on the back side of the support substrate layer 710. Connected with.
  • An insulating material 714 for electrically insulating each other is formed on the support substrate layer 710, the insulating oxide film layer 711, the silicon active layer 712, and the through electrode material 713, and the SOI substrate. Since the silicon active layer 712 constituting the conductive material is a conductive material, the potential of the movable body 705 connected to the fixed portion 703 is the same as that of the pad 715 connected via the through electrode 707.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view taken along line D-D ′ of FIG.
  • the semiconductor chip 700 constituting the angular velocity sensor which is the second inertial sensor is an SOI (Silicon On Insulator) substrate comprising the acceleration sensor which is the first inertial sensor shown in FIG. And an integrated SOI substrate.
  • SOI Silicon On Insulator
  • the frame portion 701, the fixed portion 723, the beam 724, the movable portions 725, 726, which are excitation elements, and the acceleration monitor movable electrode 730a and the acceleration monitor fixed electrode 730b formed integrally with the link beam are shown in FIG.
  • the through electrode 731 formed in the fixing portion 723 is configured to penetrate the support substrate layer 710, the insulating oxide film layer 711, and the silicon active layer 712, and a pad 716 formed on the back side of the support substrate layer 710. Connected with.
  • An insulating material 714 for electrically insulating each other is formed on the support substrate layer 710, the insulating oxide film layer 711, the silicon active layer 712, and the through electrode material 713, and the SOI substrate.
  • the silicon active layer 712 constituting the conductive material is a conductive material
  • the potentials of the movable parts 725 and 726 and the link beam 727 which are excitation elements connected to the fixed part 723 are connected via the through electrode 731. It becomes the same potential as the pad 716.
  • All through electrodes 728d, 728e, 729d, 729e, 730d, and 730e that are shown in FIG. 10 but not shown in FIG. 12 are formed on the support substrate layer 710 and the insulating oxide film in the same manner as the through electrodes 731. It is configured to penetrate the layer 711 and the silicon active layer 712, and is connected to mutually electrically insulated pads formed on the back side of the support substrate layer 710.
  • the acceleration sensor that is the first inertial sensor and the angular velocity sensor that is the second inertial sensor in the second embodiment are obtained by processing the SOI substrate using photolithography technology and DRIE (Deep Reactive Ion Etching). The case where it forms is assumed.
  • DRIE Deep Reactive Ion Etching
  • the concept in the second embodiment is based on a glass / silicon / glass bonding technique.
  • the acceleration sensor (MEMS structure) is formed by processing both the front surface and the back surface of the silicon substrate using the above (bulk MEMS process).
  • an acceleration sensor is formed by repeatedly depositing a thin film on the surface of a silicon substrate on which a signal processing circuit such as a transistor is formed in advance, and patterning the deposited thin film (surface MEMS process). It can also be applied to cases.
  • the semiconductor chip 700 in which the acceleration sensor (MEMS structure) that is the first inertia sensor and the angular velocity sensor (MEMS structure) that is the second inertia sensor in the second embodiment is configured as described above.
  • MEMS structure acceleration sensor
  • MEMS structure angular velocity sensor
  • LSI LSI that performs signal processing on output signals from the acceleration sensor and the angular velocity sensor
  • the present invention is not limited to this, and the present invention can be applied to the case where the MEMS structure constituting the acceleration sensor and the angular velocity sensor and the transistor constituting the signal processing circuit are formed on the same semiconductor chip.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view showing a mounting configuration example of the acceleration sensor that is the first inertia sensor and the angular velocity sensor that is the second inertia sensor in the second embodiment.
  • a semiconductor chip 802 is mounted on the bottom of the outer frame body 800 having a recess via an adhesive 801.
  • the outer frame body 800 is made of ceramic, for example.
  • an integrated circuit composed of transistors and passive elements is formed by a normal semiconductor manufacturing technique.
  • the integrated circuit formed in the semiconductor chip 802 has a function of processing the output signals from the acceleration sensor and the angular velocity sensor (MEMS structure), and finally outputs the acceleration signal and the angular velocity signal. It is.
  • MEMS structure angular velocity sensor
  • an MEMS chip 810 is mounted which covers the acceleration sensor and the angular velocity sensor formed on the semiconductor chip 700 with a cap 809 via an adhesive 803 and is hermetically protected from the external atmosphere.
  • the cap 809 is formed of, for example, a glass substrate, and is bonded to the semiconductor chip 700 formed of an SOI substrate by anodic bonding.
  • the cap 809 has a space so that the movable part of the MEMS structure constituting the acceleration sensor and the angular velocity sensor can operate.
  • a groove or protrusion formed in the cap 809 is used to install a space in which the MEMS structure constituting the acceleration sensor formed by the cap 809 and the semiconductor chip 700 is installed, and an angular velocity sensor formed by the cap 809 and the semiconductor chip 700.
  • the space in which the MEMS structure that constitutes is installed is separated. That is, the space in which the MEMS structure that constitutes the acceleration sensor is installed differs from the space in which the MEMS structure that constitutes the angular velocity sensor is installed.
  • a gas absorbent or a gas generating agent is placed in the space where the MEMS structure formed by the cap 809 and the semiconductor chip 700 is installed. May be installed.
  • This semiconductor chip 700 is a semiconductor chip on which a MEMS structure constituting the acceleration sensor, which is the first inertial sensor described in FIG. 10, and the angular velocity sensor, which is the second inertial sensor, is formed.
  • the pads formed on the semiconductor chip 700 and the pads 804 formed on the semiconductor chip 802 are connected by, for example, a wire 805a. Further, the pad 804 formed on the semiconductor chip 802 is connected to a terminal 806 formed on the outer frame body 800 by a wire 805b and is electrically connected to a terminal 807 connected to the outside of the outer frame body. . Then, the semiconductor chip 700 and the semiconductor chip 802 that are stacked in the outer frame body 800 are sealed by sealing the upper part of the outer frame body 800 with a lid 808.
  • the acceleration sensor that is the first inertia sensor and the angular velocity sensor that is the second inertia sensor in the second embodiment are mounted and configured.
  • the signal detected by the semiconductor chip 700 can be input to the semiconductor chip 802. Thereafter, the signal input to the semiconductor chip 802 is subjected to signal processing by an integrated circuit formed in the semiconductor chip 802, and finally an acceleration signal and an angular velocity signal corresponding to the acceleration are output.
  • the acceleration signal output from the semiconductor chip 802 is output to the terminal 807 formed on the outer frame body 800 via the wire 805a and the wire 805b, and can be taken out to the outside.
  • the acceleration sensor which is the first inertial sensor in the second embodiment, has a movable portion 705 that can be displaced in the x direction.
  • the movable portion 705 is displaced in the x direction when an acceleration is applied in the x direction.
  • the inter-electrode distance of the capacitive element composed of the movable electrode for detection 706a and the fixed electrode for detection 706b or the movable electrode for detection 706a and the fixed electrode for detection 706c is changed.
  • the capacitance changes. This capacitance change is converted into a voltage signal by the voltage converter, and an acceleration signal is output from the acceleration sensor based on the converted electric signal.
  • the angular velocity sensor which is the second inertial sensor in the second embodiment, includes movable portions 725 and 726, which are excitation elements that can be displaced in the x direction, and movable portions 725 and 726.
  • a link beam 727 to be connected is provided.
  • the movable portions 725 and 726 serving as excitation elements have drive electrode pairs 728a and 728b and drive electrode pairs 728a and 728c.
  • a periodic drive signal represented by Vcom + Vb + Vd is applied between the drive movable electrode 728a and the drive fixed electrode 728b forming a capacitive element by opposing each other, and the drive movable electrode 728a and the drive fixed electrode are applied.
  • a periodic drive signal represented by Vcom + Vb ⁇ Vd is applied during 728c, and Vcom is applied to the movable portions 725 and 726, which are excitation elements, via a common through electrode 731.
  • Electrostatic force acts between 728a and the driving fixed electrode 728b, and the driving movable electrode 728a and the driving fixed electrode 728c, and the driving movable electrode 728a vibrates periodically. That is, the movable portions 725 and 726 which are excitation elements integrally formed with the driving movable electrode 728a also periodically vibrate in mutually opposite phases.
  • the amplitude and angular frequency of the periodic vibrations of the movable portions 725 and 726, which are excitation elements can be detected.
  • the periodic vibrations of the movable parts 725 and 726 are controlled in the arithmetic circuit of the semiconductor chip 802 so as to always maintain a constant amplitude.
  • the periodic vibrations of the movable parts 725 and 726 are controlled in the arithmetic circuit of the semiconductor chip 802 so as to always maintain a constant amplitude.
  • the periodic vibrations of the movable parts 725 and 726 are controlled in the arithmetic circuit of the semiconductor chip 802 so as to always maintain a constant angular frequency.
  • the magnitude of the angular velocity with respect to the z axis applied to the semiconductor chip 700 is ⁇ (deg / s)
  • the mass of the movable parts 725 and 726 as excitation elements is m (kg)
  • the angular frequency of the periodic vibration is ⁇ x (rad / s)
  • the amplitude of the periodic vibration of the movable part is X (m)
  • the force Fc is expressed by the following formula (10).
  • the angular velocity sensor calculates the Coriolis force Fc generated according to the equation (10) by calculation, the angular frequency ⁇ x of the periodic vibration and the vibration amplitude X are large considering that the mass m of the excitation element does not change.
  • the Coriolis force Fc obtained when the same angular velocity ⁇ is applied becomes larger. Therefore, it is desirable that the angular frequency of the forced vibration of the excitation element is high and the amplitude of the forced vibration should be set large. Therefore, the angular frequency of this forced vibration uses the resonance phenomenon of the excitation element, and the Q value (mechanical quality factor) In many cases, the resonance amplitude using is used.
  • the frequency of forced vibration using the resonance phenomenon of the excitation element (angular frequency multiplied by 2 ⁇ ) is set from 3 kHz to 20 kHz.
  • the natural frequency of the excitation element of the angular velocity sensor is often set from 3 kHz to 20 kHz.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating a configuration of the acceleration sensor according to the first embodiment.
  • the acceleration sensor that is the first inertia sensor and the angular velocity sensor that is the second inertia sensor in the second embodiment include a semiconductor chip 700 and a semiconductor chip 802.
  • a MEMS structure is formed on the semiconductor chip 802, and a signal processing circuit is formed on the semiconductor chip 802.
  • FIG. 15 shows a movable portion 705 of the MEMS structure of the acceleration sensor formed on the semiconductor chip 700, and a capacitive element that is a capacitance detection unit between the movable portion 705 and the modulation signal generation unit 901. C1 is formed.
  • the capacitive element C1 is formed of a detection movable electrode 706a and a detection fixed electrode 706b.
  • a capacitive element C2 is formed between the movable part 705 and the modulation signal generation part.
  • the capacitive element C2 includes a detection movable electrode 706a and a detection fixed electrode 706c.
  • a semiconductor chip 802 is formed with a modulation signal generation unit 901 that generates a modulation signal (carrier wave).
  • the modulation signal generation unit 901 is configured to generate a modulation signal of several hundred kHz, for example.
  • a bias voltage is applied to the modulation signal generated by the modulation signal generation unit 901 and is applied to the detection fixed electrode 706b.
  • a bias voltage is applied to the signal obtained by converting the phase of the modulation signal generated by the modulation signal generation unit 901 by 180 degrees and applied to the detection fixed electrode 706c.
  • the movable part 705 is vibrated by a modulation signal of several hundred kHz.
  • the physical quantity calculation unit 902 includes a capacity voltage conversion unit 1 (CV conversion unit 1), an A / D conversion unit 1, a first synchronous detection unit 1a, and a low-pass filter LPF1.
  • the capacitive voltage converter 1 is composed of an operational amplifier that converts the capacitance change of the capacitive element C1 into a voltage signal.
  • the A / D converter 1 is configured to convert the analog signal output from the capacitance-voltage converter 1 into a digital signal.
  • the first synchronous detector 1a is converted into a high-frequency signal by a carrier wave.
  • the original low frequency signal is restored from the received signal.
  • the low-pass filter LPF1 is configured to attenuate a high-frequency signal and pass a low-frequency signal, and is configured to calculate an acceleration signal from the signal that has passed through the low-pass filter LPF1.
  • a modulation signal of several hundred kHz (carrier frequency) generated by the modulation signal generation unit 901 is applied to the detection fixed electrode 706b, and a signal obtained by converting the phase of the modulation signal generated by the modulation signal generation unit 901 by 180 degrees is used for detection.
  • the fixed electrode 706c Applied to the fixed electrode 706c.
  • the movable part 705 vibrates at a carrier wave frequency (several hundred kHz). Since this vibration is very fast, it can be considered that there is no capacitance change of the capacitive element C1 and the capacitive element C2 due to this vibration. In this state, when acceleration is applied from the outside, the movable portion 705 is displaced.
  • the capacitance change of the capacitive element C1 and the capacitance change of the capacitive element C2 are changes in the external force response frequency (DC to several tens of Hz) corresponding to the acceleration applied from the outside.
  • the modulation signal is applied to the movable portion 705
  • the change in the capacity of the external force response frequency is superimposed on the carrier frequency (several hundred kHz).
  • a voltage signal obtained by converting the capacitance change into a voltage is output by the capacitance-voltage converter 1.
  • the voltage signal (analog signal) output from the capacitive voltage converter 1 is obtained by superimposing a voltage signal having an external force response frequency (DC to several tens Hz) on a carrier frequency (several hundreds kHz).
  • a voltage signal (a voltage signal in which a voltage signal having an external force response frequency (DC to several tens Hz) is superimposed on a carrier wave frequency (several hundreds of kHz)) output from the capacitive voltage converter 1 is converted into an A / D converter. 1 is converted into a digital signal by the A / D converter 1. The voltage signal converted into a digital signal is input to the first synchronous detector 1a.
  • the first synchronous detection unit 1a performs synchronous detection using the frequency and phase of the modulation signal. That is, in the first synchronous detector 1a, an external force response frequency (DC to several tens) is obtained from a voltage signal (digital signal) in which a voltage signal having an external force response frequency (DC to several tens of Hz) is superimposed on a carrier frequency (several hundreds of kHz). 10 Hz) is restored. Thereafter, the restored voltage signal is input to the low-pass filter LPF1 to attenuate high frequency components other than the required signal. Based on the voltage signal (DC to several tens of Hz) output from the low-pass filter LPF1, the acceleration signal 906 is calculated and output. As described above, the acceleration can be detected by the acceleration sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 15 shows movable parts 725 and 726 of the MEMS structure of the angular velocity sensor formed on the semiconductor chip 700.
  • a capacitive element C6 that is a drive unit is formed between the movable unit 725 and the drive signal generation unit 910.
  • the capacitive element C6 is composed of a driving movable electrode 728a and a driving fixed electrode 728b.
  • a capacitive element C7 is formed between the movable part 725 and the drive signal generation part 910.
  • the capacitive element C7 includes a driving movable electrode 728a and a driving fixed electrode 728c.
  • a capacitive element C 6 ′ that is a drive unit is formed between the movable unit 726 and the drive signal generation unit 910.
  • the capacitive element C6 ′ is composed of a driving movable electrode 728a and a driving fixed electrode 728b.
  • a capacitive element C 7 ′ is formed between the movable part 726 and the drive signal generation part 910.
  • the capacitive element C7 ′ is composed of a driving movable electrode 728a and a driving fixed electrode 728c.
  • a capacitive element C8 that is a capacitance detection unit is formed between the movable unit 725 and the calculation unit 912.
  • the capacitive element C8 is composed of a drive amplitude monitor movable electrode 729a and a drive amplitude monitor fixed electrode 729b.
  • a capacitive element C9 is formed between the movable part 725 and the calculation part.
  • the capacitive element C9 includes a drive amplitude monitor movable electrode 729a and a drive amplitude monitor fixed electrode 729c.
  • a capacitive element C8 ′ serving as a capacitance detection unit is formed between the movable unit 726 and the calculation unit 912.
  • the capacitive element C8 ′ is formed of a drive amplitude monitor movable electrode 729a and a drive amplitude monitor fixed electrode 729b.
  • a capacitive element C9 ′ is formed between the movable part 726 and the calculation part.
  • the capacitive element C9 ′ is composed of a drive amplitude monitor movable electrode 729a and a drive amplitude monitor fixed electrode 729c.
  • a capacitive element C10 that is a capacitance detection unit is formed between the link beam 727 that connects the movable unit 725 and the movable unit 726 and the physical quantity calculation unit 913.
  • the capacitive element C10 includes an acceleration monitor movable electrode 730a and an acceleration monitor fixed electrode 730b.
  • a capacitive element C11 is formed between the link beam 727 and the physical quantity calculation unit 913.
  • the capacitive element C11 includes an acceleration monitor movable electrode 730a and an acceleration monitor fixed electrode 730c.
  • a semiconductor chip 802 is formed with a drive signal generation unit 910 that generates a drive signal.
  • the drive signal generation unit 910 is configured to generate a drive signal of several tens of kHz, for example.
  • a bias voltage is applied to the drive signal generated by the drive signal generation unit 910 and is applied to the fixed driving electrode 728c.
  • a bias voltage is applied to a signal obtained by converting the phase of the drive signal generated by the drive signal generation unit 910 by 180 degrees and applied to the drive fixed electrode 728b.
  • the movable portions 725 and 726 serving as excitation elements vibrate in opposite phases by a drive signal of several tens of kHz.
  • a modulation signal generation unit 911 that generates a modulation signal (carrier wave) is formed in the semiconductor chip 802.
  • the modulation signal generation unit 911 is configured to generate a modulation signal of several hundred kHz, for example.
  • a bias voltage is applied to the modulation signal generated by the modulation signal generation unit 911 so as to be applied to the movable units 725, 726 and the link beam 727 which are excitation elements.
  • the movable portions 725, 726, and the link beam 727 are vibrated by a modulation signal of several hundred kHz.
  • a calculation unit 912 is formed in the semiconductor chip 802.
  • the arithmetic unit 912 is connected to the drive amplitude monitoring fixed electrodes 729b and 729c, and is configured to detect a change in capacitance corresponding to the forced vibration amplitude of the movable units 725 and 726 serving as excitation elements.
  • the amplitude of the periodic vibrations of the movable parts 725 and 726 is always kept constant based on the capacitance change corresponding to the forced vibration amplitude of the movable part 726 obtained from the drive amplitude monitoring fixed electrodes 729b and 729c. Control to keep.
  • the angular frequency of the periodic vibrations of the movable parts 725 and 726 is based on the change in capacity corresponding to the forced vibration amplitude of the movable part 726 obtained from the drive amplitude monitoring fixed electrodes 729b and 729c. Is controlled to keep constant.
  • Reference numeral 914 is an angular velocity signal.
  • a physical quantity calculation unit 913 is formed in the semiconductor chip 802.
  • the physical quantity calculation unit 913 is connected to the acceleration monitor fixed electrodes 730b and 730c, and the capacitance change caused in response to the acceleration when the movable units 725 and 726, which are excitation elements, are displaced in the x direction by applying acceleration from the outside. Is configured to detect.
  • the physical quantity calculation unit 913 includes a capacity voltage conversion unit 2 (CV conversion unit 2), an A / D conversion unit 2, and a synchronous detection unit 2.
  • the capacitive voltage converter 2 is composed of an operational amplifier that converts capacitance changes of the capacitive elements C10 and C11 into voltage signals.
  • the A / D converter 2 is configured to convert the analog signal output from the capacitance voltage converter 2 into a digital signal, and the synchronous detector 2 is a signal converted into a high-frequency signal by a carrier wave. To restore the original low frequency signal.
  • a modulation signal of several hundred kHz (carrier frequency) generated by the modulation signal generation unit 911 is applied to the movable units 725, 726 and the link beam 727 which are excitation elements. Then, the movable parts 725, 726 and the link beam 727, which are excitation elements, vibrate at a carrier frequency (several hundred kHz). In this state, when acceleration is applied to the semiconductor chip 700 from the outside, the movable portions 725, 726, which are movable portion excitation elements, and the link beam 727 are displaced together.
  • the capacitive element C10 when the movable portions 725, 726 and the link beam 727 are displaced to the left in FIG. 15, in the capacitive element C10, the distance between the acceleration monitor movable electrode 730a and the acceleration monitor fixed electrode 730b becomes narrower. Therefore, the capacity of the capacitive element C10 increases. On the other hand, in the capacitive element C11, since the distance between the acceleration monitor movable electrode 730a and the acceleration monitor fixed electrode 730c is increased, the capacitance of the capacitive element C11 is decreased. The capacitance change of the capacitive element C10 and the capacitance change of the capacitive element C11 are changes corresponding to the acceleration applied from the outside, and are superimposed on the carrier frequency (several hundred kHz).
  • a voltage signal obtained by converting the capacitance change into a voltage by the capacitance voltage conversion unit 2 is output based on the capacitance change in the capacitance elements C10 and C11 and the amplitude of the modulation signal.
  • the voltage signal (analog signal) output from the capacitance-voltage converter 2 is obtained by superimposing a voltage signal having an external force response frequency (DC to several kHz) on a carrier frequency (several hundred kHz).
  • a voltage signal (a voltage signal in which a voltage signal having an external force response frequency (DC to several kHz) is superimposed on a carrier wave frequency (several hundreds kHz)) output from the capacitive voltage conversion unit 2 is converted into an A / D conversion unit 2. And converted into a digital signal by the A / D converter 2. Then, the voltage signal converted into a digital signal is input to the synchronous detection unit 2.
  • Synchronous detection unit 2 performs synchronous detection using the frequency and phase of the modulation signal. That is, in the synchronous detection unit 2, an external force response frequency (DC to several kHz) is obtained from a voltage signal (digital signal) in which a voltage signal of an external force response frequency (DC to several kHz) is superimposed on a carrier frequency (several hundreds of kHz). The voltage signal is restored. Thereafter, an acceleration signal 915 is calculated based on the restored voltage signal, and is connected to a comparison / determination unit of the acceleration sensor which is the first inertial sensor.
  • the acceleration sensor which is the first inertial sensor described above, is used as a key device in, for example, an attitude control system that supports safe driving by suppressing side slip and spin of a car.
  • this attitude control system the skid and spin of the car are suppressed by controlling the output of the engine and the braking force of the brake based on the output from the acceleration sensor. For this reason, failure of the acceleration sensor is likely to lead to an accident, and it is necessary to notify immediately when the acceleration sensor fails.
  • the acceleration sensor according to the second embodiment is an acceleration sensor capable of diagnosing the presence / absence of a failure while being operated.
  • a first diagnosis function having a continuous diagnosis function for determining the presence / absence of a failure of the acceleration sensor while detecting the acceleration is described below.
  • the configuration of an acceleration sensor that is an inertial sensor will be described.
  • a movable part 705 of the MEMS structure of the acceleration sensor which is the first inertial sensor formed in the semiconductor chip 700 is illustrated, and the forced part 705 is forced between the movable part 705 and the diagnostic signal generation part 903.
  • Capacitance elements C3 and C4, which are vibration generation units, are formed.
  • the capacitive element C3 is composed of a diagnostic movable electrode 708a and a diagnostic fixed electrode 708b.
  • the capacitive element C4 includes a diagnostic movable electrode 708a and a diagnostic fixed electrode 708c.
  • the diagnostic signal generation unit itself is known.
  • a diagnostic signal generation unit 903 and an abnormality determination unit 904 that generate a diagnostic signal are formed in the semiconductor chip 802.
  • the diagnostic signal generator 903 is configured to generate a diagnostic signal of several hundred Hz, for example.
  • This diagnostic signal is composed of, for example, a rectangular wave, a sine wave, a triangular wave, or the like.
  • a bias voltage is applied to the diagnostic signal generated by the diagnostic signal generation unit 903 and is applied to the capacitive element C3 and the capacitive element C4.
  • the abnormality determination unit 904 is connected to the movable body 705 via a physical quantity calculation unit 902 formed on the semiconductor chip 802.
  • the diagnostic signal generated by the diagnostic signal generation unit 903 is applied to the diagnostic fixed electrode 708b and the diagnostic fixed electrode 708c as two signals having opposite phases to each other. .
  • an electrostatic force acts between the diagnostic movable electrode 708a and the diagnostic fixed electrode 708b, and between the diagnostic movable electrode 708a and the diagnostic fixed electrode 708c, and the movable portion 705 can be forcibly vibrated.
  • the movable portion 705 is forcibly vibrated, the movable portion 705 is displaced, and a capacitance change occurs between the capacitive element C1 and the capacitive element C2 constituting the capacitance detection unit.
  • the capacitance change generated in the capacitive element C1 and the capacitive element C2 is converted into a voltage signal by the capacitive voltage conversion unit 1, and the voltage signal converted by the voltage conversion unit is converted into the A / D conversion unit 1 and the first synchronous detection unit.
  • the original diagnostic signal is restored.
  • the restored diagnostic signal is input to the abnormality determination unit 904 and processed to determine whether there is an abnormality.
  • the acceleration sensor which is the first inertial sensor in the second embodiment, it is determined whether the acceleration sensor is abnormal.
  • acceleration DC to several tens Hz
  • a diagnostic signal of several hundred Hz to the movable part 705 and forcibly oscillating
  • it is applied to the capacitive element C1 and the capacitive element C2 which are capacitive detection parts.
  • the capacitance change due to forced vibration (several hundred Hz) and the capacitance change due to acceleration (DC to several tens Hz) are added.
  • the capacitance change of several hundred Hz and the capacitance change of DC to several tens Hz are superimposed on the modulation signal (several hundred kHz). Thereafter, the capacitance change described above is converted into a voltage signal by the capacitance-voltage converter 1.
  • This voltage signal is a voltage signal in which a voltage signal of several hundred Hz and a voltage signal of DC to several tens Hz are superimposed on a modulation signal (several hundred kHz).
  • the physical quantity calculation unit 902 attenuates the diagnostic signal of several hundred Hz by the low-pass filter LPF1, extracts a voltage signal of DC to several tens of Hz, and calculates an acceleration signal based on the voltage signal.
  • the abnormality determination unit 904 performs processing based on a diagnostic signal of several hundreds of Hz to determine abnormality. As described above, according to the acceleration sensor of the second embodiment, it is possible to determine whether the acceleration sensor is abnormal while detecting the acceleration.
  • the feature of the acceleration sensor in the second embodiment is that the output signal (acceleration signal) 915 of the angular velocity sensor that is the second inertial sensor is connected to the abnormality determination unit 904 for abnormality of the acceleration sensor that is the first inertial sensor. It has been done.
  • the angular velocity that is the second inertial sensor is added to the abnormality determination unit 904 of the sensor abnormality.
  • the output signal (acceleration signal) 915 of the sensor is connected via a signal line inside the semiconductor chip 802, noise in the environment where the sensor is installed while detecting the acceleration signal with the acceleration sensor which is the first inertial sensor. Since the presence / absence of vibration can be detected, the abnormality determination unit 904 can always detect the possibility of erroneous diagnosis of the sensor.
  • the acceleration can be increased under the vibration noise environment by changing the determination method in the abnormality determination unit 904. Even when a diagnosis is performed while detecting, a highly reliable acceleration sensor that suppresses misdiagnosis can be provided.
  • the angular velocity sensor which is the second inertial sensor
  • the acceleration sensor which is the first inertial sensor. If noise vibration is detected in the environment where the is installed, vibration noise in a wider frequency band can be detected. Therefore, even when diagnosis is performed while detecting acceleration in a noisy environment, erroneous diagnosis can be suppressed and a highly reliable acceleration sensor can be provided.
  • the abnormality determination unit 904 includes a bandpass filter BPF1a, a second synchronous detection unit 1b, a bandpass filter BPF1b, and a comparison determination unit.
  • the bandpass filter BPF1a is configured to remove a signal other than the voltage signal of several hundred Hz output from the first synchronous detection unit 1a as noise.
  • the second synchronous detector 1b extracts a diagnostic signal of several hundred Hz from a signal including a diagnostic signal of several hundred Hz output from the first synchronous detector 1a of the physical quantity calculator 902 and a voltage signal of DC to several tens of Hz. Is configured to do.
  • the second synchronous detection unit 1b is configured to detect a diagnostic signal of several hundred Hz and convert it into a signal having a double frequency and a DC signal.
  • the bandpass filter BPF1b is configured to attenuate the DC signal (cos0) and the coswt signal and pass the cos2wt signal (a signal having a frequency twice that of the diagnostic signal).
  • a cos2wt signal (a signal having a frequency twice that of the diagnostic signal) obtained by converting a diagnostic signal of several hundred Hz can be extracted.
  • the comparison determination unit is configured to compare the amplitude of the cos2wt signal (a signal having a frequency twice the diagnostic signal) that has passed through the bandpass filter BPF1b with the amplitude reference value. Based on the comparison result of the comparison determination unit, the presence / absence of abnormality of the acceleration sensor is output as a determination signal.
  • the acceleration sensor having a diagnostic function in the second embodiment is configured as described above, and the operation for diagnosing the presence or absence of an abnormality while detecting acceleration will be described below.
  • the diagnostic signal generated by the diagnostic signal generator 903 is applied to the diagnostic fixed electrode 708b and the diagnostic fixed electrode 708c, respectively, as two signals having opposite phases.
  • an electrostatic force acts between the diagnostic movable electrode 708a and the diagnostic fixed electrode 708b, and between the diagnostic movable electrode 708a and the diagnostic fixed electrode 708c, and the movable portion 705 can be forcibly vibrated. If the movable part 705 is forcibly vibrated, the movable part 705 is displaced. When the movable portion 705 is displaced, a capacitance change occurs between the capacitive element C1 and the capacitive element C2 constituting the capacitance detection unit.
  • the capacitance element C1 and the capacitance element C2 which are the capacitance detection units, change in capacitance due to forced vibration (several hundred Hz) and capacitance due to acceleration. Changes (DC to tens of Hz) are added. The capacitance change of several hundred Hz and the capacitance change of DC to several tens Hz are superimposed on the modulation signal (several hundred kHz). Thereafter, the capacitance change described above is converted into a voltage signal by the capacitance-voltage converter 1.
  • This voltage signal is a voltage signal in which a voltage signal of several hundred Hz and a voltage signal of DC to several tens Hz are superimposed on a modulation signal (several hundred kHz).
  • a modulation signal severe hundred kHz.
  • the physical quantity calculation unit 902 attenuates the diagnostic signal of several hundred Hz by the low-pass filter LPF1, extracts a voltage signal of DC to several tens of Hz, and calculates an acceleration signal based on the voltage signal.
  • a signal including a diagnostic signal of several hundred Hz output from the first synchronous detector 1a and a voltage signal of DC to several tens Hz is several hundred Hz output from the first synchronous detector 1a by the bandpass filter BPF1a.
  • the second synchronous detector 1b After the signal other than the voltage signal is removed, it is input to the second synchronous detector 1b.
  • the diagnostic signal of several hundred Hz is converted into a signal having a frequency (cos 2 wt) twice that of the diagnostic signal and a DC signal (cos 0).
  • a voltage signal of DC to several tens Hz is multiplied by coswt to become a signal of several hundred Hz band.
  • the signal output from the second synchronous detector 1b is input to the bandpass filter BPF1b, and the DC signal (cos0) and the voltage signal of DC to several tens of Hz are multiplied by coswt by a several hundred Hz band. Is attenuated, and a signal having a frequency (cos 2 wt) twice that of the diagnostic signal corresponding to the diagnostic signal passes.
  • the comparison / determination unit compares the amplitude of the signal having a frequency (cos 2 wt) twice that of the diagnostic signal that has passed through the band-pass filter BPF1b with the amplitude reference value to determine whether the acceleration sensor is abnormal.
  • the acceleration sensor of the second embodiment it is possible to determine whether or not the acceleration sensor is abnormal while detecting the acceleration. Therefore, according to the acceleration sensor of the second embodiment, a failure can be detected immediately.
  • the presence / absence of an abnormality in the comparison determination unit can be determined as follows, for example.
  • a predetermined amplitude reference value is set in the comparison determination unit, and is compared with the amplitude of a signal having a frequency (cos 2 wt) twice that of the diagnostic signal 905 that has passed through the band-pass filter BPF1b.
  • the diagnostic signal generated by the diagnostic signal generation unit 903 is applied to the movable body 705
  • the amplitude of the signal having a frequency (cos 2 wt) twice that of the diagnostic signal that has passed through the bandpass filter BPF1b is substantially 0. In this case, it can be determined that the movable part 705 is stuck and that it is a failure.
  • the diagnosis that has passed through the bandpass filter BPF1b Since the amplitude of the signal having a frequency (cos 2 wt) twice that of the signal is larger than the amplitude reference value, it can be determined that there is an abnormality.
  • the diagnostic signal generated by the diagnostic signal generation unit 903 can be turned on / off by the switch SW1, as shown in FIG.
  • the switch SW1 is not provided, there is a possibility of making a misdiagnosis without being able to determine whether the forced vibration of the movable body 705 is due to a diagnostic signal or due to vibration disturbance.
  • the switch SW1 is provided in the acceleration sensor according to the second embodiment.
  • the switch SW1 is periodically turned on / off, averaged by a method such as sample hold, and the output when the switch SW1 is turned on (the frequency (cos2wt) twice that of the diagnostic signal passed through the bandpass filter BPF1b). And the output when the switch SW1 is turned off (the amplitude of the signal having a frequency (cos2 wt) twice that of the diagnostic signal that has passed through the bandpass filter BPF1b)) is used to determine a failure, etc.
  • the influence of background vibration disturbance can be eliminated.
  • the angular velocity that is the second inertial sensor is added to the abnormality determination unit 904 of the abnormality of the acceleration sensor that is the first inertial sensor.
  • a sensor output signal (acceleration signal) 915 is connected via a signal line inside the semiconductor chip 802. Therefore, it is possible to detect the presence or absence of noise vibration in the environment where the sensor is installed while detecting the acceleration signal with the acceleration sensor which is the first inertial sensor. Whether or not there is a possibility of erroneously diagnosing the sensor can be always detected by the abnormality determination unit 904 that occurs when there is a time of one cycle or less.
  • the acceleration can be detected in a vibration noise environment by changing the determination method in the abnormality determination unit 904.
  • a highly reliable acceleration sensor that suppresses misdiagnosis can be provided.
  • the determination method of the comparison determination unit is determined as shown in FIG. If the output signal (acceleration signal) 915 of the angular acceleration sensor, which is the second inertial sensor, is equal to or higher than a predetermined voltage value, it means that there is noise vibration in the environment where the sensor is installed. Since this means that there is a high possibility of performing a misdiagnosis, the fixing determination process described below is performed instead of the normal comparison determination process.
  • the process returns to the step of making a re-comparison judgment. If the output signal (acceleration signal) 915 of the angular acceleration sensor which is the second inertial sensor is equal to or lower than a predetermined voltage value, it means that there is no noise vibration in the environment where the sensor is installed.
  • a normal comparison determination process is performed on the amplitude of the signal having a frequency (cos 2 wt) that is twice the frequency of the diagnostic signal 905 that has passed through the filter BPF 1 b to determine whether there is a sensor abnormality.
  • the acceleration sensor of the second embodiment is the second inertial sensor because the angular velocity sensor, which is the second inertial sensor, has a wider response band than the acceleration sensor, which is the first inertial sensor. If noise vibration is detected in the environment where the sensor is installed by the angular velocity sensor, vibration noise in a wider frequency band can be detected. Therefore, even when diagnosis is performed while detecting acceleration in a noisy environment, erroneous diagnosis can be suppressed and a highly reliable acceleration sensor can be provided.
  • the acceleration sensor according to the second embodiment is the first inertia sensor because the acceleration sensor that is the first inertia sensor and the angular velocity sensor that is the second inertia sensor are formed on the same SOI substrate.
  • the accuracy of detecting the noise vibration in the installation environment of the acceleration sensor with the angular velocity sensor which is the second inertial sensor is high. Therefore, even when the diagnosis is performed while detecting the acceleration with the acceleration sensor, which is the first inertial sensor, in a noisy environment, it is possible to suppress erroneous diagnosis and provide a highly reliable sensor.
  • the semiconductor chip on which the signal processing circuit for calculating the physical quantity of the acceleration sensor that is the first inertia sensor and the angular velocity sensor that is the second inertia sensor is formed.
  • the same one is used for the acceleration sensor that is the inertial sensor and the angular velocity sensor that is the second inertial sensor. Therefore, the noise vibration in the sensor installation environment, which is referred to when the acceleration sensor, which is the first inertial sensor, detects whether there is an abnormality in the acceleration sensor while detecting the acceleration, passes through the control circuit outside the sensor unit.
  • the signal is input to the diagnostic comparison judgment unit of the acceleration sensor, which is the first inertial sensor, through the inside of the semiconductor chip on which the signal processing circuit is formed. That is, it is possible to provide a highly reliable acceleration sensor that performs diagnosis while detecting acceleration without applying a load to the control circuit outside the sensor unit, and suppresses misdiagnosis.
  • the self-diagnosis function is described using the acceleration sensor having the detection axis in the chip X direction of FIG. 10 as the first inertial sensor. Even if an acceleration sensor having the detection axis in the Y direction is installed, the self-diagnosis function can be realized.
  • an inertial sensor that can suppress misdiagnosis by including the second sensor. Also, by widening the sensitivity range of the second sensor, vibration noise in a wider frequency band and wider acceleration range can be detected. Further, since the two sensors are formed in the same semiconductor chip, the load on the external control circuit can be eliminated.
  • a first substrate A first cavity formed in the first substrate; A first fixing part formed in the first cavity part; A first elastic deformation portion formed in the first cavity portion and connected to the fixed portion; A first movable part formed in the first cavity and connected to the elastically deformable part; A first capacitive element in which the first fixed electrode formed in the first cavity and the first movable electrode formed in the movable part are opposed to each other, and the movable part is displaced by an external force; A first capacitance detector that outputs a capacitance change of the first capacitive element that occurs; A first physical quantity calculation terminal connected to a first physical quantity calculation unit for obtaining a physical quantity of the external force based on a change in capacity output from the first capacity detection unit; A second capacitive element in which the second fixed electrode formed in the first cavity and the second movable electrode formed in the movable part are opposed to each other; and the second fixed electrode and the first fixed electrode A diagnostic signal application
  • a first detection unit including a first movable unit, a fixed electrode that detects a displacement amount of the first movable unit using a capacitance between the first movable unit, and the diagnostic signal to apply the first detection unit.
  • forced vibration means for forcibly vibrating the first movable part, a first physical quantity calculation part for calculating a physical quantity from a detection signal from the first detection part, and the diagnostic signal obtained via the first detection part
  • an inertial sensor used in a vehicle comprising an abnormality determination unit that determines whether there is an abnormality in the physical quantity
  • An inertial sensor further comprising a second sensor mounted on the same vehicle as the vehicle and connected to the abnormality determination unit.
  • DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Semiconductor chip, 101 ... Frame part, 102 ... Hollow part, 103 ... Fixed part, 104 ... Beam, 105 ... Movable part, 106a ... Movable electrode for detection, 106b ... Fixed electrode for detection, 106c ... Fixed electrode for detection, 106d ... pad, 106e ... pad, 107 ... pad, 108a ... movable electrode for diagnosis, 108b ... fixed electrode for diagnosis, 108c ... fixed electrode for diagnosis, 108d ... pad, 108e ... pad, 110 ... support substrate layer, 111 ... insulation Oxide film layer, 112 ... silicon active layer, 200 ... semiconductor chip, 201 ...
  • insulating material 715 ... pad, 716 ... pad, 722 ... cavity, 723 ... fixed part, 724 ... beam, 725 ... movable part, 726 ... movable part, 727 ... link beam, 728a ... movable electrode for driving, 728b ... fixed electricity for driving Electrode, 728c ... fixed electrode for driving, 728d ... penetrating electrode, 728e ... penetrating electrode, 729a ... movable electrode for driving amplitude monitoring, 729b ... fixed electrode for driving amplitude monitoring, 729c ... fixed electrode for driving amplitude monitoring, 729d ... penetrating electrode , 729e ... through electrode, 730a ...
  • movable electrode for acceleration monitor 730b ... fixed electrode for acceleration monitor, 730c ... fixed electrode for acceleration monitor, 730d ... through electrode, 730e ... through electrode, 731 ... through electrode, 800 ... outer frame body 801 ... adhesive, 802 ... semiconductor chip (integrated circuit), 803 ... adhesive, 804 ... pad, 805a ... wire, 805b ... wire, 806 ... terminal, 807 ... terminal, 808 ... lid, 809 ... cap, 810 ... MEMS chip, 901 ... modulation signal generation unit, 902 ... physical quantity calculation unit, 903 ... diagnostic signal generation unit 904... Abnormality determination unit, 905... Diagnostic signal, 906... Acceleration signal, 907... Determination signal, 910... Drive signal generation unit, 911 ... modulation signal generation unit, 912 ... calculation unit, 913 ... physical quantity calculation unit, 914. 915 Acceleration signal.

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Abstract

 突発的なノイズが発生するような劣悪な環境においても,誤診断を抑制できる慣性センサを提供するために、可動部105と,可動部105の変位量を検出する第1検出部(C1,C2)と,診断信号を印加することにより可動部105を強制振動させる強制振動手段(503,C3,C4)と,第1検出部(C1,C2)からの検出信号から物理量を算出する物理量算出部502と,第1検出部(C1,C2)を介して得られる診断信号を用いて物理量の異常の有無を判定する異常判定部504とを備え,車両内で使用される慣性センサにおいて,同一車両に搭載され,異常判定部504へ接続される第2センサ510を更に有する。

Description

慣性センサ
 本発明はMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術で作られた半導体物理量センサに関し,特に,静電容量変化を検出に用いる慣性センサ(以下,MEMS慣性センサ,或いは単に慣性センサという)に関する。
 一般に広く利用されるMEMS慣性センサの1つである加速度センサは,錘(可動部)と支持梁(弾性変形部)とで構成されており,錘に働く加速度を電気信号に変換するものである。このようなMEMS慣性センサのうち,加速度が働き動作した錘の変位量を,錘と固定部とで構成するコンデンサ電極(検出電極)の容量変化として検出し,それをLSI回路で電気信号に変換してMEMS慣性センサの出力とする静電容量式加速度センサがある。
 近年のセンサ市場の普及と製品種類の多様化に伴い,加速度センサに代表される慣性センサを複数種類のセンサを組み合わせて,周辺環境の記録や人・ロボットの運動姿勢や車両の走行状態などを検知する機会が増えてきた。また,センサが利用される場面の多様化に伴い,従来では想定しえなかった温度環境,振動ノイズ環境,電磁ノイズ環境などの劣悪条件の下でセンサが利用される機会も増えている。
 例えば,車の横滑りやスピンを抑制して安全な走行を支援する姿勢制御システムには,角速度を検出する角速度センサや,前後方向および横方向の加速度を検出する加速度センサなどのMEMS慣性センサがキーデバイスとして用いられる。この姿勢制御システムでは,角速度センサや加速度センサからの出力を元にエンジンの出力やブレーキの制動システムに介入制御することで,車の横滑りやスピンを抑制している。
 姿勢制御システムのキーデバイスである慣性センサの故障は,自動車走行中の致命的な事故に繋がる可能性が高く,センサの故障可能性はできるだけ低く抑えなければならない。それと同時に,万が一に故障した場合にはセンサの故障を直ぐに検出し,制御系などの上位システムへと通知しなければならない。また,介護医療などの分野で用いられる移動型ロボットでは,自己状態を認識するための内界センサとしてMEMS慣性センサを利用し,姿勢制御や接触判断を行っている。人との接触を安全かつ的確に行うためには,キーデバイスである慣性センサの故障可能性はできるだけ低く抑えなければならない。それと同時に,万が一に故障した場合にはセンサの故障を直ぐに検出し,制御系などの上位システムへと通知しなければならない。
 よって,周辺環境の記録や人・ロボットの運動姿勢や車両の走行状態などを検知する慣性センサの故障可能性はできるだけ低く抑えなければならない,かつ,万が一に故障した場合にはセンサの故障を直ぐに検出する故障診断機能を備え,かつ,故障判定結果は信頼性の高いものが望ましい。
 故障診断機能を備えるMEMS慣性センサの例として,特許文献1がある。特許文献1に記載されるMEMS慣性センサでは,検出電極の静電容量を検出するために印加する交流信号に低周波数の診断信号を重畳させることで,可動電極と固定電極間の静電容量を変化させている。そして,その結果発生する加速度センサの出力が振動しているか否かを観測することで,被検出信号である加速度を検出しながらも加速度センサの故障の有無を判断することができると記載されている。このとき,低周波数の診断信号は加速度の測定に支障が出ない程度の振幅で出力を振動させるため,加速度を検出しながら故障の有無を診断する常時診断が可能であると記載されている。また,診断信号(診断種類の切換信号)がローレベルの場合は,可動電極を大きく強制的に振動させる高加速度診断も可能であると記載されている。
特開平05-281256号公報
 上述したように,加速度センサに代表される慣性センサが故障した際にはすぐに故障を検知できることが望ましい。したがって,静電容量式センサを動作させながら故障の有無を診断できることが,直ぐに故障を検知する観点から望ましいことになる。
 上述した特許文献1に記載された技術によれば,検出電極の静電容量を検出するために印加する交流信号に低周波数の診断信号を重畳させることにより,加速度を検出しながらも加速度センサの故障の有無を判断することができる。
 しかし,センサの設置環境に特定の周波数,位相,大きさの振動雑音がある場合,加速度センサが正常であるにも関わらず故障と誤診断する,もしくは,加速度センサは異常であるにも関わらず正常だと誤診断するおそれがある。特定の周波数,位相,大きさの振動雑音とは,たとえばMEMS慣性センサの故障を検出するために印加される低周波数の診断信号によってセンサの錘が動く量と同周波数で逆位相を持つ振動であり,このような振動雑音が存在する場合,MEMS慣性センサに印加される診断信号が振動雑音によって相殺され,診断信号を印加しているのに錘の変位が所望量とは異なるものになる恐れがある。つまり,故障診断の判定時にはセンサが正常であるのにも関わらず故障していると誤診断する,もしくは,センサが異常であるのにも関わらず正常であると誤診断するおそれがある。センサ設置時には,環境振動がセンサ出力に影響を及ぼさないように防振性を持つ実装構造をとるのが通常であるが,故障診断のためにセンサに印加される低周波信号はセンサ出力に対して相対的に小さいため,防振性を持つ実装構造で外部振動を十分に除去できないためである。
 図17は故障診断信号の例を示す図であり,上段は正常な場合,中断は以上な場合,下段は突発的なノイズを含む場合を示す。センサが正常な場合に正常な信号が出力され,異常な場合は異常な信号が出力されれば,誤診断とはならない。しかし,例えば,下段のような場合,センサは正常であるにもかかわらず,異常との誤診断を行う恐れがある。
 本発明の目的は,突発的なノイズが発生するような劣悪な環境においても誤診断を抑制できる慣性センサを提供することにある。
 低周波重畳の故障診断機能を有する第一のセンサにおいて,同じ車両内に搭載する第二のセンサの出力値を参照し,同じ車両内に搭載する第二のセンサの出力値に応じて故障診断の内容と方式を変更する。
 第二のセンサを備えることにより,突発的なノイズが発生するような劣悪な環境においても誤診断を抑制できる慣性センサを提供することができる。
本発明の第1の実施例に係る慣性センサにおける第一の加速度センサを構成するMEMS構造体の平面図である。 図1に示す第一の加速度センサを構成するMEMS構造体のA-A’の断面図である。 本発明の第1の実施例に係る慣性センサにおける第二の加速度センサを構成するMEMS構造体の平面図である。 図3に示す第二の加速度センサを構成するMEMS構造体のB-B’の断面図である。 本発明の第1の実施例に係る慣性センサにおける第一の加速度センサの実装構造の断面図である。 本発明の第1の実施例に係る慣性センサにおける第二の加速度センサの実装構造の断面図である。 本発明の第1の実施例に係る慣性センサにおける第一の加速度センサと第二の加速度センサの機械的な周波数応答を示す図である。 本発明の第1の実施例に係る慣性センサである加速度センサの構成図である。 本発明の第1の実施例に係る慣性センサである加速度センサの診断方法を表すフローチャートである。 本発明の第2の実施例に係る慣性センサを構成するMEMS構造体の平面図である。 図10に示す慣性センサを構成する第一の慣性センサである加速度センサを構成するMEMS構造体のC-C’の断面図である。 図10に示す慣性センサを構成する第二の慣性センサである角速度センサを構成するMEMS構造体のD-D’の断面図である。 本発明の第2の実施例に係る慣性センサの実装構造の断面図である。 本発明の第2の実施例に係る慣性センサにおける第一の慣性センサである加速度センサと第二の慣性センサである角速度センサの機械的な周波数応答を示す図である。 本発明の第2の実施例に係る慣性センサの構成図である。 本発明の第2の実施例に係る慣性センサである加速度センサの診断方法を表すフローチャートである。 故障診断信号の例を示す図であり,上段は正常な場合,中断は以上な場合,下段は突発的なノイズを含む場合を示す。
 以下,実施例により詳細に説明する。
 第1の実施例に係る慣性センサについて図面を参照しながら説明する。本実施例1では,第一の慣性センサとして加速度センサ,第二の慣性センサとして加速度センサを備えたMEMS慣性センサを例に挙げて説明する。
 図1は,半導体チップ100に形成された第一の加速度センサを構成する構造体を示す平面図である。図1に示すように,半導体チップ100には,枠部101が形成されており,この枠部101に囲まれるように空洞部102が形成されている。空洞部102の内部には,固定部103が4隅に設けられており,この固定部103には,梁(弾性変形部)104が接続されている。そして,梁104は,加速度センサの錘となる可動部105と接続されている。つまり,固定部103と可動部105は弾性変形可能な梁104で接続されており,可動部105は,図1のx方向に変位できるようになっている。
 可動部105には,可動部105と一体に形成された検出用可動電極106aが形成されており,この検出用可動電極106aと対向するように,検出用固定電極106bおよび検出用固定電極106cが形成されている。この検出用可動電極106aと検出用固定電極106b,あるいは,検出用可動電極106aと検出用固定電極106cは,それぞれ容量素子を形成しており,外部から印加された加速度によって可動部105がx方向に変位すると,上述した容量素子の容量が変化するようになっている。つまり,検出用可動電極106aと検出用固定電極106b,あるいは,検出用可動電極106aと検出用固定電極106cから構成される容量素子は,可動部105のx方向の変位を容量変化として検出する容量検出部として機能する。
 また,可動部105には,可動部105と一体に形成された診断用可動電極108aが形成されており,この診断用可動電極108aと対向するように,診断用固定電極108bおよび診断用固定電極108cが形成されている。診断用可動電極108aと診断用固定電極108b,あるいは,診断用可動電極108aと診断用固定電極108cは,それぞれ容量素子を形成している。
 この容量素子を形成している診断用可動電極108aと診断用固定電極108b,および,診断用可動電極108aと診断用固定電極108cの間に周期的な診断信号を印加すると,診断用可動電極108aと診断用固定電極108bの間,および,診断用可動電極108aと診断用固定電極108cの間に静電気力が働き,診断用可動電極108aが振動するようになっている。この診断用可動電極108aがx方向に振動すると,診断用可動電極108aと一体的に形成されている可動部105も振動することになる。つまり,診断用可動電極108aと診断用固定電極108b,あるいは,診断用可動電極108aと診断用固定電極108cから構成される容量素子は,可動部105をx方向に強制振動させる強制振動生成部として機能する。
 このように構成された加速度センサの構造体は,シリコンなどの半導体材料から構成されている。したがって,互いに梁104を介して接続されている固定部103と可動部105とは電気的に接続されており,可動部105に印加される電位は,固定部103に形成されているパッド107から供給されるように構成されている。
 一方,検出用固定電極106bおよび検出用固定電極106cにも,それぞれパッド106dおよびパッド106eが形成されており,可動部105がx方向に変位することで生じる容量変化により,検出用固定電極106bや検出用固定電極106cに電荷が流入あるいは流出できるように構成されている。
 また,診断用固定電極108bおよび診断用固定電極108cにも,それぞれパッド108dおよびパッド108eが形成されており,パッド108dやパッド108eから,診断用固定電極108bや診断用固定電極108cに診断信号を印加できるようになっている。
 図2は,図1のA-A’線で切断した断面図である。図2に示すように,半導体チップ100は,支持基板層110上に絶縁酸化膜層111が形成され,この絶縁酸化膜層111上に形成されたシリコン活性層112を有している。つまり,本実施例1で,第一の加速度センサを構成する半導体チップ100はSOI(Silicon On Insulator)基板から構成されている。そして,図2に示されている枠部101,固定部103,可動部105と一体的に形成された検出用可動電極106a,検出用固定電極106b,および,検出用固定電極106cと,図2に示されていない梁104,診断用可動電極108a,診断用固定電極108b,および,診断用固定電極108cは,SOI基板のシリコン活性層を加工して形成されている。
 例えば,図2において,枠部101と固定部103は絶縁酸化膜層111上に形成されており固定されていることがわかる。一方,例えば,可動部105と一体的に形成された検出用可動電極106aもシリコン活性層から形成されているが,可動部105の下層に形成されている絶縁酸化膜層111は除去されている。同様に,図2に示されていない梁104の下層に形成されている絶縁酸化膜層も除去されている。したがって,可動部105は,空洞部の中に配置され,かつ,梁104によって支持されていることになる。このことから,可動部105は支持基板110に対して完全に固定されてはおらず,変位可能に形成されている。
 図3は,半導体チップ200に形成された第二の加速度センサを構成する構造体を示す平面図である。図3に示すように,半導体チップ200には,枠部201が形成されており,この枠部201に囲まれるように空洞部202が形成されている。空洞部202の内部には,固定部203が4隅に設けられており,この固定部203には,梁(弾性変形部)204が接続されている。そして,梁204は,加速度センサの錘となる可動部205と接続されている。つまり,固定部203と可動部205は弾性変形可能な梁204で接続されており,可動部205は,図3のx方向に変位できるようになっている。
 可動部205には,可動部205と一体に形成された検出用可動電極206aが形成されており,この検出用可動電極206aと対向するように,検出用固定電極206bおよび検出用固定電極206cが形成されている。この検出用可動電極206aと検出用固定電極206b,あるいは,検出用可動電極206aと検出用固定電極206cは,それぞれ容量素子を形成しており,外部から印加された加速度によって可動部205がx方向に変位すると,上述した容量素子の容量が変化するようになっている。つまり,検出用可動電極206aと検出用固定電極206b,あるいは,検出用可動電極206aと検出用固定電極206cから構成される容量素子は,可動部205のx方向の変位を容量変化として検出する容量検出部として機能する。
 このように構成された加速度センサの構造体は,シリコンなどの半導体材料から構成されている。したがって,互いに梁204を介して接続されている固定部203と可動部205とは電気的に接続されており,可動部205に印加される電位は,固定部203に形成されているパッド207から供給されるように構成されている。一方,検出用固定電極206bおよび検出用固定電極206cにも,それぞれパッド206dおよびパッド206eが形成されており,可動部205がx方向に変位することで生じる容量変化により,検出用固定電極206bや検出用固定電極206cに電荷が流入あるいは流出できるように構成されている。
 図4は,図3のB-B線で切断した断面図である。図4に示すように,半導体チップ200は,支持基板層210上に絶縁酸化膜層211が形成され,この絶縁酸化膜層211上に形成されたシリコン活性層212を有している。つまり,本実施例1で,第二の加速度センサを構成する半導体チップ200はSOI(Silicon On Insulator)基板から構成されている。
 そして,図4に示されている枠部201,固定部203,可動部205と一体的に形成された検出用可動電極206a,および,検出用固定電極206bと,図4に示されていない梁204は,SOI基板のシリコン活性層を加工して形成されている。したがって,可動部205は,空洞部の中に配置され,かつ,梁204によって支持されていることになる。このことから,可動部205は支持基板層210に対して完全に固定されてはおらず,変位可能に形成されている。
 本実施例1における第一,および第二の加速度センサは,例えば,SOI基板をフォトリソグラフィ技術とDRIE(Deep Reactive Ion Etching)を用いて加工することで形成する。もちろん,本実施例1では,SOI基板を使用して加速度センサを製造する例を説明しているだけであって,本実施例1における概念は,ガラス・シリコン・ガラスの接合技術などを使用して,シリコン基板の表面と裏面の両方を加工することで加速度センサ(MEMS構造体)を形成する(バルクMEMSプロセス)場合にも適用することができる。さらに,予めトランジスタなどの信号処理回路が形成されているシリコン基板の表面に薄膜を堆積し,堆積した薄膜をパターニングすることを繰り返すことで加速度センサ(MEMS構造体)を形成する(表面MEMSプロセス)場合にも適用することができる。
 本実施例1における第一の加速度センサ(MEMS構造体)を形成した半導体チップ100,および第二の加速度センサ(MEMS構造体)を形成した半導体チップ200,は上記のように構成されており,以下に,この半導体チップ100,および半導体チップ200を実装する構成例について説明する。本実施例1では,加速度センサ(MEMS構造体)と,この加速度センサからの出力信号を信号処理するLSIとを別々の半導体チップに形成する例について説明するが,これに限らず,加速度センサを構成するMEMS構造体と,信号処理回路を構成するトランジスタとを同一の半導体チップに形成する場合にも適用することができる。また,第一の加速度センサと第二の加速度センサを同一の半導体チップに形成してもよく,更に,それらセンサからの出力信号を処理する信号処理回路を構成する素子を含めて同一の半導体チップに形成してもよい。
 図5は,本実施例1に係る慣性センサにおける第一の加速度センサの実装構成例を示す断面図である。図5に示すように,凹部を有する外枠体300の底部には,接着剤301を介して半導体チップ302が搭載されている。外枠体300は,例えば,セラミックから構成されている。半導体チップ302には,通常の半導体製造技術により,トランジスタや受動素子からなる集積回路が形成されている。この半導体チップ302に形成されている集積回路は,加速度センサ(MEMS構造体)からの出力信号を信号処理する機能を有しており,最終的に加速度信号を出力する回路である。
 この半導体チップ302上には,接着剤303を介して半導体チップ100が搭載されている。この半導体チップ100は,図1や図2で説明した第一の加速度センサを構成するMEMS構造体が形成されている半導体チップである。この半導体チップ100に形成されているパッドと,半導体チップ302に形成されているパッド304aは,例えば,ワイヤ305aで接続されている。さらに,半導体チップ302に形成されているパッド304bは,外枠体300に形成されている端子304cとワイヤ305bで接続され,外枠体の外部につながる端子306へと電気的に接続されている。そして,外枠体300内に積層して配置された半導体チップ100と半導体チップ302は,外枠体300の上部をリッド307で封止することにより密閉される。
 図6は,本実施例1に係る慣性センサにおける第二の加速度センサの実装構成例を示す断面図である。図6に示すように,凹部を有する外枠体400の底部には,接着剤401を介して半導体チップ402が搭載されている。外枠体400は,例えば,セラミックから構成されている。半導体チップ402には,通常の半導体製造技術により,トランジスタや受動素子からなる集積回路が形成されている。この半導体チップ402に形成されている集積回路は,加速度センサ(MEMS構造体)からの出力信号を信号処理する機能を有しており,最終的に加速度信号を出力する回路である。
 この半導体チップ402上には,接着剤403を介して半導体チップ200が搭載されている。この半導体チップ200は,図3や図4で説明した第二の加速度センサを構成するMEMS構造体が形成されている半導体チップである。この半導体チップ200に形成されているパッドと,半導体チップ402に形成されているパッド404aは,例えば,ワイヤ405aで接続されている。さらに,半導体チップ402に形成されているパッド404bは,外枠体400に形成されている端子404cとワイヤ405bで接続され,外枠体の外部につながる端子406へと電気的に接続されている。そして,外枠体400内に積層して配置された半導体チップ200と半導体チップ402は,外枠体400の上部をリッド407で封止することにより密閉される。
 このようにして,本実施例1における第一,および第二の加速度センサが実装構成されている。図5示す加速度センサによれば,半導体チップ100で検出した信号を半導体チップ302に入力することができる。その後,半導体チップ302に入力された信号は,半導体チップ302内に形成されている集積回路で信号処理され,最終的に加速度に対応した加速度信号が出力される。半導体チップ302から出力された加速度信号は,ワイヤ305bを介して外枠体300に形成された端子306に出力され,外部へと取り出すことが可能になっている。
 また,図6示す加速度センサによれば,半導体チップ200で検出した信号を半導体チップ402に入力することができる。その後,半導体チップ402に入力された信号は,半導体チップ402内に形成されている集積回路で信号処理され,最終的に加速度に対応した加速度信号が出力される。半導体チップ402から出力された加速度信号は,ワイヤ405bを介して外枠体400に形成された端子406に出力され,外部へと取り出すことが可能になっている。
 なお,本実施例1では,外枠体としてセラミックパッケージを使用した例について説明しているが,これに限らず,例えば,ガラス陽極接合を使用したウェハレベルパッケージによる実装形態にも適用することができる。
 以上のように形成した第一の加速度センサと第二の加速度センサの,加速度に対する機械的応答の違いについて説明する。
 図1に示すように,本実施例1における第一の加速度センサは,x方向に変位することができる可動部105を空洞部の中に配置し,かつ,梁104によって枠部101に支持されている。可動部105の質量をm1(kg),支持梁104のx方向剛性定数をk1(N/m)としたとき,本実施例1における第一の加速度センサは式(1)に示す機械的な固有振動数fn1(Hz)を持ち,加速度α(m/s)が印加した際の可動体の変位量x1(m)は,式(2)で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
一方,図3に示すように,本実施例1における第二の加速度センサは,x方向に変位することができる可動部205を空洞部の中に配置し,かつ,梁204によって枠部201に支持されている。可動部205の質量をm2(kg),支持梁204のx方向剛性定数をk2(N/m)としたとき,本実施例1における第二の加速度センサは式(3)に示す機械的な固有振動数fn2(Hz)を持ち,加速度α(m/s)が印加した際の可動体の変位量x2(m)は,式(4)で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
本実施例1においては,第一の加速度センサの可動部105の質量m1が第二の加速度センサの可動部205の質量m2と等しく,かつ,第一の加速度センサの支持梁104のx方向剛性定数k1が第二の加速度センサの支持梁204のx方向剛性定数k2よりも小さくなるように形成する。この場合,式(1)(3)より,
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
であるから,fn2>fn1となり,第一の加速度センサの機械的な固有振動数は第二の加速度センサの機械的な固有振動数よりも小さくなる。よって,第一の加速度センサと第二の加速度センサに同じ加速度α(m/s)が印加した際,式(2)(4)(5)よりの可動体の変位量x1(m)とx2(m)は,
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
と表せる。ここでfn2>fn1より,同じ加速度α(m/s)が印加した際の第一の加速度センサの変位量x1は第二の加速度センサの変位量x2よりも大きくなる。
 ところで,第一の加速度センサの可動部105には,可動部105と一体に形成された検出用可動電極106aが形成されており,この検出用可動電極106aと対向するように,検出用固定電極106bおよび検出用固定電極106cが形成されている。この検出用可動電極106aと検出用固定電極106b,あるいは,検出用可動電極106aと検出用固定電極106cは,それぞれ容量素子を形成しており,外部から印加された加速度によって可動部105がx方向に変位すると,上述した容量素子の容量が変化するようになっている。つまり,検出用可動電極106aと検出用固定電極106b,あるいは,検出用可動電極106aと検出用固定電極106cから構成される容量素子は,可動部105のx方向の変位を容量変化として検出する容量検出部として機能する。
 第二の加速度センサについても同様に,可動部205と一体に形成された検出用可動電極206aが形成されており,この検出用可動電極206aと対向するように,検出用固定電極206bおよび検出用固定電極206cが形成されている。検出用可動電極206aと検出用固定電極206b,あるいは,検出用可動電極206aと検出用固定電極206cから構成される容量素子は,可動部205のx方向の変位を容量変化として検出する容量検出部として機能する。
 よって,この第一の加速度センサにおける検出用可動電極106aと,検出用固定電極106bおよび検出用固定電極106cとの対向距離が,第二の加速度センサにおける検出用可動電極206aと,検出用固定電極206bおよび検出用固定電極206cとの対向距離と等しく形成した場合,式(6)より同じ加速度α(m/s)が印加した際の第一の加速度センサの変位量x1は第二の加速度センサの変位量x2よりも大きくなるため,第一の加速度センサの検出電極における容量変化は第二の加速度センサの検出電極における容量変化よりも大きくなる。つまり,同じ加速度を印加された場合でも,加速度センサの機械的な剛性や可動体質量が異なれば,検出電極に流入あるいは流出する電荷量が異なるということである。
 図5に示される半導体チップ(信号処理回路)302や,図6に示される半導体チップ(信号処理回路)402で取り扱える容量変化量の範囲は信号処理回路ごとに決まっているため,検出電極に流入あるいは流出する電荷量が信号処理回路で扱える容量変化量の範囲を超えてしまった場合,最終的に出力される加速度信号は,加速度センサに印加された加速度とは異なる値を示し,誤出力となる。このように,加速度センサで計測可能な加速度範囲は,信号処理回路で扱える容量変化量の範囲,もしくは,加速度センサの可動体質量や支持梁の検出軸方向の剛性定数で決まる機械的な固有振動数で決まっている。センサシステムとして誤出力せずに取り扱える加速度の大きさの範囲を「感度範囲」と呼び,相対的に大きな加速度を印加してもセンサが誤出力しない容量変化量の範囲,もしくは,機械的な固有振動数を持つ加速度センサを「感度範囲が広い加速度センサ」と呼ぶ。図5に示される半導体チップ(信号処理回路)302や,図6に示される半導体チップ(信号処理回路)402で取り扱える容量変化量の範囲を同じに設定する場合,本実施例1においては,式(6)より同じ加速度α(m/s)が印加した際の第一の加速度センサの検出電極における容量変化は第二の加速度センサの検出電極における容量変化よりも大きくなるため,第一の加速度センサより第二の加速度センサの方が,感度範囲が広い加速度センサであると言える。
 また,本実施例1における第一の加速度センサの機械的固有振動数をfn1(Hz),機械的減衰定数をζ1としたとき,機械的なカットオフ周波数fc1(Hz)との関係は式(7)で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
同様に,本実施例1における第二の加速度センサの機械的固有振動数をfn2(Hz),機械的減衰定数をζ2としたとき,機械的なカットオフ周波数fc2(Hz)との関係は式(8)で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
減衰定数ζは物体が機械的に運動するときのエネルギー散逸の起こりやすさを表す定数であり,物体が運動する周辺環境の流体種類,流体圧力,運動する物体の大きさや構造,運動する物体を構成する物質などによって決まる定数である。同じ大きさや構造をもつMEMS構造体を同じ圧力の中で動作させるときには,ζも近しい値になると考えられるため,本実施例1ではζ1≒ζ2と近似すると,式(5)(7)(8)より,
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
となり,第二の加速度センサの機械的カットオフ周波数fc2は第一の加速度センサの機械的カットオフ周波数fc1より大きいことがわかる。
 第一の加速度センサと第二の加速度センサの機械的な周波数応答をグラフに示すと,例えば図7のように表せる。これは,センサに印加される加速度の変動周波数を徐々に大きくしていく場合に,第一の加速度センサではfc1(Hz)までMEMSが機械的に動作して変位することを意味し,第二の加速度センサではfc2(Hz)までMEMSが機械的に動作し変位することを意味する。つまり,センサに印加される加速度の変動周波数を徐々に大きくしていく場合に,第一の加速度センサではfc1(Hz)まで検出電極における容量変化が起こるがfc1(Hz)以上の周波数で印加された加速度に対してはセンサが機械的に変位しないため容量変化が起こらないことを意味する。よってfc1(Hz)以上の周波数で印加された加速度に対して,第一の加速度センサから最終的に出力される加速度信号は印加された加速度とは異なる値を示し,誤出力となる。
 また,センサに印加される加速度の変動周波数を徐々に大きくしていく場合に,第二の加速度センサではfc2(Hz)まで検出電極における容量変化が起こるがfc2(Hz)以上の周波数で印加された加速度に対してはセンサが機械的に変位しないため容量変化が起こらないことを意味する。よってfc2(Hz)以上の周波数で印加された加速度に対して,第二の加速度センサから最終的に出力される加速度信号は印加された加速度とは異なる値を示し,誤出力となる。
 センサシステムとして誤出力せずに取り扱える加速度の周波数の範囲を「応答帯域」と呼び,相対的に大きな周波数の加速度を印加してもセンサが誤出力しない応答帯域を持つ加速度センサを「応答帯域が広い加速度センサ」と呼ぶ。図5に示される半導体チップ(信号処理回路)302や,図6に示される半導体チップ(信号処理回路)402で取り扱える容量変化の周波数範囲を同じに設定する場合,本実施例1においては,式(8)より第二の加速度センサのカットオフ周波数fc2(Hz)は第一の加速度センサのカットオフ周波数fc1(Hz)よりも大きくなるため,第一の加速度センサより第二の加速度センサの方が,応答帯域が広い加速度センサであると言える。
 続いて,本実施例1における加速度センサの基本的な動作原理について説明する。  
 図1に示すように,本実施例1における第一の加速度センサは,x方向に変位することができる可動部105を有している。例えば,この可動部105はx方向に加速度が印加されると,x方向に変位する。可動部105には検出用可動電極106aが形成されており,この検出用可動電極106aと相対するように検出用固定電極106bおよび検出用固定電極106cが形成されている。この場合,可動部105が変位すると,これに伴って検出用可動電極106aが変位する。一方,検出用固定電極106bおよび検出用固定電極106cは固定されたまま変位しない。したがって,x方向に加速度が印加されて可動部105が変位すると,検出用可動電極106aと検出用固定電極106b,あるいは,検出用可動電極106aと検出用固定電極106cからなる容量素子の電極間距離が変化する。
 容量素子の電極間距離が変化するということは,容量素子の電気容量(静電容量)が変化することを意味している。このように,x方向に加速度が印加されると,x方向に可動部105が変位し,その結果,容量素子の静電容量が変化する。この容量変化は,電圧変換部で電圧信号に変換され,変換された電気信号に基づいて加速度信号が加速度センサから出力される。このことから,加速度センサに印加された加速度は,容量素子の容量変化として検出され,検出された容量変化は電圧信号に変換されて最終的に加速度信号が加速度センサから出力されることがわかる。
 第二のセンサについても同様に,図3に示すように,本実施例1における第二の加速度センサは,x方向に変位することができる可動部205を有している。例えば,この可動部205はx方向に加速度が印加されると,x方向に変位する。可動部205には検出用可動電極206aが形成されており,この検出用可動電極206aと相対するように検出用固定電極206bおよび検出用固定電極206cが形成されている。この場合,可動部205が変位すると,これに伴って検出用可動電極206aが変位する。一方,検出用固定電極206bおよび検出用固定電極206cは固定されたまま変位しない。したがって,x方向に加速度が印加されて可動部205が変位すると,検出用可動電極206aと検出用固定電極206b,あるいは,検出用可動電極206aと検出用固定電極206cからなる容量素子の電極間距離が変化する。
 容量素子の電極間距離が変化するということは,容量素子の電気容量(静電容量)が変化することを意味している。このように,x方向に加速度が印加されると,x方向に可動部205が変位し,その結果,容量素子の静電容量が変化する。この容量変化は,電圧変換部で電圧信号に変換され,変換された電気信号に基づいて加速度信号が加速度センサから出力される。このことから,加速度センサに印加された加速度は,容量素子の容量変化として検出され,検出された容量変化は電圧信号に変換されて最終的に加速度信号が加速度センサから出力されることがわかる。
 図8は,本実施例1に係る慣性センサである加速度センサの構成を示す図である。  
 図8に示すように,本実施例1における第一の加速度センサ500は,半導体チップ100と半導体チップ302とを有しており,半導体チップ100にMEMS構造体が形成され,半導体チップ302に信号処理回路が形成されている。
 まず,図8には,半導体チップ100に形成されているMEMS構造体の可動部105が図示されており,この可動部105と変調信号生成部501との間に容量検出部である容量素子C1が形成されている。この容量素子C1は,検出用可動電極106aと検出用固定電極106bから形成されている。また,可動部105と変調信号生成部501の間に容量素子C2が形成されている。この容量素子C2は,検出用可動電極106aと検出用固定電極106cから構成されている。
 続いて,半導体チップ302に形成されている信号処理回路の構成について説明する。図8において,半導体チップ302には,変調信号(搬送波)を生成する変調信号生成部501が形成されている。この変調信号生成部501は,例えば,数百kHzの変調信号を生成できるように構成されている。変調信号生成部501で生成された変調信号にはバイアス電圧が印加されて検出用固定電極106bに印加されるように構成されている。また,変調信号生成部501で生成された変調信号の位相を180度変換した信号にバイアス電圧が印加されて検出用固定電極106cに印加されるように構成されている。これにより,可動部105は,数百kHzの変調信号によって振動することになる。
 次に,半導体チップ302には物理量算出部502が形成されている。この物理量算出部502には,容量電圧変換部1(C-V変換部1),A/D変換部1,第1同期検波部1a,ローパスフィルタLPF1を有している。容量電圧変換部1は,容量素子C1の容量変化を電圧信号に変換するオペアンプより構成されている。続いて,A/D変換部1は,容量電圧変換部1から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するように構成されており,第1同期検波部1aは,搬送波によって高周波信号に変換された信号から元の低い周波数の信号を復元するように構成されている。また,ローパスフィルタLPF1は,高い周波数の信号を減衰させ,低い周波数の信号を通過させるように構成されており,ローパスフィルタLPF1を通過した信号から加速度信号520を算出するように構成されている。
 本実施例1における第一の加速度センサは上記のように構成されており,次に,加速度を検出する動作について説明する。
 まず,変調信号生成部501で生成した数百kHz(搬送波周波数)の変調信号を検出用固定電極106bに,変調信号生成部501で生成された変調信号の位相を180度変換した信号を検出用固定電極106cに印加する。すると,可動部105は,搬送波周波数(数百kHz)で振動する。この振動はとても速いので,この振動による容量素子C1および容量素子C2の容量変化はないものとみなせる。この状態で,外部から加速度が印加されると,可動部105が変位する。例えば,可動部105が図8の上側に変位する場合,容量素子C1では,検出用可動電極106aと検出用固定電極106bの間の距離が狭くなるので,容量素子C1の容量が大きくなる。一方,容量素子C2では,検出用可動電極106aと検出用固定電極106cの間の距離が大きくなるので,容量素子C2の容量が小さくなる。この容量素子C1の容量変化と,容量素子C2の容量変化は,外部から印加された加速度に対応する外力応答周波数(DC~数十Hz)の変化となる。ただし,今の場合,可動部105には,変調信号が印加されているので,外力応答周波数(DC~数十Hz)の容量変化は,搬送波周波数(数百kHz)に重畳される。
 その後,この容量素子C1での容量変化と変調信号の振幅に基づき,容量電圧変換部1にて容量変化を電圧に変換した電圧信号が出力される。この容量電圧変換部1から出力される電圧信号(アナログ信号)は,搬送波周波数(数百kHz)に外力応答周波数(DC~数十Hz)の電圧信号が重畳されたものとなる。
 次に,容量電圧変換部1から出力された電圧信号(搬送波周波数(数百kHz)に外力応答周波数(DC~数十Hz)の電圧信号が重畳された電圧信号)は,A/D変換部1に入力され,A/D変換部1でデジタル信号に変換される。そして,デジタル信号に変換された電圧信号は,第1同期検波部1aに入力する。
 第1同期検波部1aでは,変調信号の周波数と位相を使用して同期検波を実施する。すなわち,第1同期検波部1aでは,搬送波周波数(数百kHz)に外力応答周波数(DC~数十Hz)の電圧信号が重畳された電圧信号(デジタル信号)から,外力応答周波数(DC~数十Hz)の電圧信号が復元される。その後,復元された電圧信号をローパスフィルタLPF1に入力して,必要とする信号以外の高周波成分を減衰させる。そして,ローパスフィルタLPF1から出力された電圧信号(DC~数十Hz)に基づいて,加速度信号520を算出して出力する。以上のようにして,本実施例1における加速度センサにより加速度を検出することができる。このとき,上述したように,加速度センサの可動部105を数百kHzの搬送波で振動させることにより,加速度によるDC~数十Hzの静電容量変化を高周波信号に重畳し,この高周波信号に対して信号処理を施しているので,1/fノイズの影響を抑制してS/N比を向上させることができ,加速度信号の検出精度を向上させることができる。
 図8に示すように,本実施例1における第二の加速度センサ510は,半導体チップ200と半導体チップ402とを有しており,半導体チップ200にMEMS構造体が形成され,半導体チップ402に信号処理回路が形成されている。
 図8には,半導体チップ200に形成されているMEMS構造体の可動部205が図示されており,この可動部205と変調信号生成部511との間に容量検出部である容量素子C5が形成されている。この容量素子C5は,検出用可動電極206aと検出用固定電極206bから形成されている。また,可動部205と変調信号生成部511の間に容量素子C6が形成されている。この容量素子C6は,検出用可動電極206aと検出用固定電極206cから構成されている。
 続いて,半導体チップ402に形成されている信号処理回路の構成について説明する。図8において,半導体チップ402には,変調信号(搬送波)を生成する変調信号生成部511が形成されている。この変調信号生成部511は,例えば,数百kHzの変調信号を生成できるように構成されている。変調信号生成部511で生成された変調信号にはバイアス電圧が印加されて検出用固定電極206bに印加されるように構成されている。また,変調信号生成部511で生成された変調信号の位相を180度変換した信号にバイアス電圧が印加されて検出用固定電極206cに印加されるように構成されている。これにより,可動部205は,数百kHzの変調信号によって振動することになる。
 次に,半導体チップ402には物理量算出部512が形成されている。この物理量算出部512には,容量電圧変換部2(C-V変換部2),A/D変換部2,同期検波部2,ローパスフィルタLPF2を有している。容量電圧変換部2は,容量素子C5の容量変化を電圧信号に変換するオペアンプより構成されている。続いて,A/D変換部2は,容量電圧変換部2から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するように構成されており,第1同期検波部2は,搬送波によって高周波信号に変換された信号から元の低い周波数の信号を復元するように構成されている。また,ローパスフィルタLPF2は,高い周波数の信号を減衰させ,低い周波数の信号を通過させるように構成されており,ローパスフィルタLPF2を通過した信号から加速度信号を算出するように構成されている。
 本実施例1における第二の加速度センサは上記のように構成されており,次に,加速度を検出する動作について説明する。
 まず,変調信号生成部511で生成した数百kHz(搬送波周波数)の変調信号を検出用固定電極206bに,変調信号生成部511で生成された変調信号の位相を180度変換した信号を検出用固定電極206cに印加する。すると,可動部205は,搬送波周波数(数百kHz)で振動する。この振動はとても速いので,この振動による容量素子C5および容量素子C6の容量変化はないものとみなせる。この状態で,外部から加速度が印加されると,可動部205が変位する。
 例えば,可動部205が図8の上側に変位する場合,容量素子C5では,検出用可動電極206aと検出用固定電極206bの間の距離が狭くなるので,容量素子C5の容量が大きくなる。一方,容量素子C6では,検出用可動電極206aと検出用固定電極206cの間の距離が大きくなるので,容量素子C6の容量が小さくなる。この容量素子C5の容量変化と,容量素子C6の容量変化は,外部から印加された加速度に対応する外力応答周波数(DC~数kHz)の変化となる。ただし,今の場合,可動部205には,変調信号が印加されているので,外力応答周波数(DC~数kHz)の容量変化は,搬送波周波数(数百kHz)に重畳される。
 その後,この容量素子C5での容量変化と変調信号の振幅に基づき,容量電圧変換部2にて容量変化を電圧に変換した電圧信号が出力される。この容量電圧変換部2から出力される電圧信号(アナログ信号)は,搬送波周波数(数百kHz)に外力応答周波数(DC~数kHz)の電圧信号が重畳されたものとなる。
 次に,容量電圧変換部2から出力された電圧信号(搬送波周波数(数百kHz)に外力応答周波数(DC~数kHz)の電圧信号が重畳された電圧信号)は,A/D変換部2に入力され,A/D変換部2でデジタル信号に変換される。そして,デジタル信号に変換された電圧信号は,同期検波部2に入力する。
 同期検波部2では,変調信号の周波数と位相を使用して同期検波を実施する。すなわち,同期検波部2では,搬送波周波数(数百kHz)に外力応答周波数(DC~数kHz)の電圧信号が重畳された電圧信号(デジタル信号)から,外力応答周波数(DC~数kHz)の電圧信号が復元される。その後,復元された電圧信号をローパスフィルタLPF2に入力して,必要とする信号以外の高周波成分を減衰させる。そして,ローパスフィルタLPF2から出力された電圧信号(DC~数kHz)に基づいて,加速度信号を算出して出力する。以上のようにして,本実施例1における加速度センサにより加速度を検出することができる。
 上述した第一の加速度センサは,例えば,車の横滑りやスピンを抑制して安全な走行を支援する姿勢制御システムにキーデバイスとして使用される。この姿勢制御システムでは,加速度センサからの出力を元にエンジンの出力やブレーキの制動力を制御することで車の横滑りやスピンを抑制している。このことから,加速度センサの故障は事故に繋がる可能性が高く,加速度センサの故障時にはすぐに知らせる必要がある。
 そこで,加速度センサを動作させながら故障の有無を診断できることが,直ぐに故障を検知する観点から望ましいことになる。したがって,加速度センサには,動作させながら故障の有無を診断する機能が備わっているものがある。本実施例1における加速度センサは,動作させながら故障の有無を診断することができる加速度センサであり,以下に,加速度を検出しながら加速度センサの故障の有無を判断する常時診断機能を有する第一の加速度センサの構成について説明する。
 図8において,半導体チップ100に形成されているMEMS構造体の可動部105が図示されており,この可動部105と診断信号生成部503との間に強制振動生成部である容量素子C3,および容量素子C4が形成されている。この容量素子C3は,診断用可動電極108aと診断用固定電極108bから形成されている。容量素子C4は,診断用可動電極108aと診断用固定電極108cから構成されている。なお,診断信号生成部503自体は公知である。
 続いて,半導体チップ302には,診断信号を生成する診断信号生成部503と異常判定部504が形成されている。この診断信号生成部503は,例えば,数百Hzの診断信号を生成できるように構成されている。この診断信号は,例えば,矩形波,正弦波,三角波などから構成されている。診断信号生成部503で生成された診断信号にはバイアス電圧が印加されて容量素子C3および容量素子C4に印加されるように構成されている。また,異常判定部504は,半導体チップ302に形成されている物理量算出部502を介して可動部105と接続されている。
 このように構成されている加速度センサにおいて,診断信号生成部503で生成した診断信号は,互いに逆相である2つの信号として,それぞれ,診断用固定電極108bと診断用固定電極108cに印加される。これにより,診断用可動電極108aと診断用固定電極108bの間と,診断用可動電極108aと診断用固定電極108cとの間に静電力が働き,可動部105を強制振動させることができる。可動部105が強制振動すれば,可動部105が変位し,容量検出部を構成する容量素子C1と容量素子C2とに容量変化が生じる。
 この容量素子C1と容量素子C2に生じた容量変化は,容量電圧変換部1で電圧信号に変換され,電圧変換部で変換された電圧信号は,A/D変換部1と第1同期検波部1aを経由することにより,元の診断信号に復元される。この復元された診断信号は,異常判定部504に入力して処理されて異常の有無が判断される。このようにして,本実施例1における第一の加速度センサによれば,加速度センサの異常の有無が判断される。
 さらに,数百Hzの診断信号を可動部105に印加して強制振動しながら,外部から加速度(DC~数十Hz)が印加された場合,容量検出部である容量素子C1と容量素子C2には,強制振動による容量変化(数百Hz)と,加速度による容量変化(DC~数十Hz)とが加わる。この数百Hzの容量変化とDC~数十Hzの容量変化が変調信号(数百kHz)に重畳されることになる。
 その後,容量電圧変換部1で上述した容量変化が電圧信号に変換される。この電圧信号には,数百Hzの電圧信号とDC~数十Hzの電圧信号が変調信号(数百kHz)に重畳された電圧信号となっている。その後,A/D変換部1と,第1同期検波部1aを経由すると,数百Hzの診断信号と,DC~数十Hzの電圧信号に復元される。そして,物理量算出部502では,ローパスフィルタLPF1によって,数百Hzの診断信号を減衰させて,DC~数十Hzの電圧信号を抽出し,この電圧信号に基づいて加速度信号を算出する。一方,異常判定部504では,数百Hzの診断信号に基づいて処理を実施し異常を判断する。以上のようにして,本実施例1における加速度センサによれば,加速度を検出しながら,加速度センサの異常の有無を判断することができる。
 ここで,本実施例における加速度センサの特徴は,第一の加速度センサの異常の異常判定部504に第二の加速度センサの出力信号(加速度信号)522が接続されていることである。この理由について説明する。
 車の横滑りやスピンを抑制するために利用される慣性センサは,走行車両に設置される。慣性センサの設置される車両内には,走行路面の凹凸や障害物を乗り越えた際に生じる振動や,車の動力源であるエンジンにより発生する振動,また,エンジンやブレーキを制御するための配管やバルブ開閉によって生じる振動が多数存在している。これらの振動や衝撃は,常に一定の大きさや周波数の振動源ではなく,また時間的にも変動するものである。特に,物体同士の衝撃により発生する振動は,時間領域での振動継続時間が短いが,周波数領域においては全ての周波数の加速度振動を含むため,発生する振動の大きさや周波数の特定が困難である。
 また,介護医療など分野で用いられる移動型ロボットの自己状態を認識するための内界センサとして利用される慣性センサは,移動型ロボット内部に設置される。移動型ロボットは人との接触を繰り返すことで生じる振動や,移動の際に床面の凹凸や障害物を乗り越えた際に生じる振動や,壁面にぶつかった際に生じる振動などが多数存在している。これらの振動や衝撃は,常に一定の大きさや周波数の振動源ではなく,また時間的にも変動するものである。特に,物体同士の衝撃により発生する振動は,時間領域での振動継続時間が短いが,周波数領域においては全ての周波数の加速度振動を含むため,発生する振動の大きさや周波数の特定が困難である。
 つまり,加速度を検出しながら,加速度センサの異常の有無を判断することができる本実施例1における加速度センサの設置される環境では,どのような大きさや周波数,どのような継続時間を持つか予測できない振動が生じているのである。これは本来,センサが計測したい加速度信号とは異なり,雑音振動である。
 もしも,センサが設置された環境での雑音振動が,診断信号生成部503で生成した診断信号によって可動部105を強制振動させている振動と同じ周波数で逆位相の場合,可動部105の強制振動はセンサが設置された環境での雑音振動によって相殺され,所望の強制振動振幅が得られないことになる。つまり,センサに異常はないのにセンサが異常を来たしていると異常判定部504が判断することになり,誤診断結果をセンサが出力することになる。
 センサが設置された環境での雑音振動は,常に一定の大きさや周波数の振動源ではなく,また時間的にも変動するものであるから,誤診断は確率的に発生するものと見なすことができる。そこで,複数回以上の診断判定を実施したうえで統計的にセンサ異常の有無を判断する方法もありうるが,この場合,診断の判定を複数回実施してから判定結果を出力することになるため,実際にセンサが故障した時間から,センサの異常判定結果を出力するまでに時間がかかることになる。したがって,複数回以上の診断判定を実施したうえで統計的にセンサの異常の有無を判断する方法は,加速度センサの故障の有無を直ぐに検知する観点からは,望ましくない。
 これに対し,本実施例1における第一の加速度センサのように,センサ異常の異常判定部504に第二の加速度センサの出力信号(加速度信号)522をセンサユニットの外部制御回路,もしくは外部導線を経由して接続すると,第一の加速度センサで加速度信号を検出しながら,センサが設置された環境での雑音振動の有無を検知することができるため,異常判定部504でセンサを誤診断する可能性の有無を常に検知することができる。センサが設置された環境での雑音振動によって異常判定部504でセンサを誤診断する可能性がある場合は,異常判定部504での判定方法を変更すれば,振動雑音環境下で加速度を検出しながら診断を行なう場合であっても,誤診断を抑制した高信頼の加速度センサを提供することができる。
 特に,本実施例では第一の加速度センサより第二の加速度センサの方が,応答帯域が広い加速度センサであり,また,第一の加速度センサより第二の加速度センサの方が,感度範囲が広い加速度センサであるため,第二の加速度センサによってセンサが設置された環境での雑音振動を検出すると,より広い周波数帯域やより広い加速度範囲の振動雑音を検出できる。よって,雑音環境下で加速度を検出しながら診断を行なう場合であっても,誤診断を抑制し,さらに高信頼の加速度センサを提供することができる。
 続いて,図8に示す異常判定部504の詳細な構成について説明する。  
 図8において,異常判定部504は,バンドパスフィルタBPF1a,第2同期検波部1b,バンドパスフィルタBPF1b,比較判断部を有している。バンドパスフィルタBPF1aは,第1同期検波部1aから出力される数百Hzの電圧信号以外の信号を雑音と見なして除去するように構成されている。第2同期検波部1bは,物理量算出部502の第1同期検波部1aから出力される数百Hzの診断信号とDC~数十Hzの電圧信号を含む信号から数百Hzの診断信号を抽出するように構成されている。具体的に,数百Hzの診断信号をcoswtとすると,第2同期検波部1bでは,数百Hzの診断信号(coswt)とDC~数十Hzの電圧信号を含む信号にcoswtを乗算するように構成されている。すると,数百Hzの診断信号は,coswt×coswt=1/2(cos2wt+cos0)となる。つまり,数百Hzの診断信号は,診断信号の2倍の周波数(cos2wt)(第2検波周波数の信号)の信号と,DC信号(cos0)(第1検波周波数の信号)に変換される。一方,DC~数十Hzの電圧信号には,coswtが乗算されて数百Hz帯の信号となる。このように第2同期検波部1bは,数百Hzの診断信号を検波して2倍の周波数の信号とDC信号に変換するように構成されている。なお,符号523は診断信号を示す。
 次に,バンドパスフィルタBPF1bは,DC信号(cos0)とcoswtの信号を減衰させて,cos2wtの信号(診断信号の2倍の周波数の信号)を通過させるように構成されている。このバンドパスフィルタBPF1bにより,数百Hzの診断信号を変換したcos2wtの信号(診断信号の2倍の周波数の信号)を抽出することができる。比較判断部は,バンドパスフィルタBPF1bを通過したcos2wtの信号(診断信号の2倍の周波数の信号)の振幅と,振幅基準値とを比較するように構成されている。比較判断部の比較結果に基づいて,加速度センサの異常の有無を判定信号521として出力するように構成されている。
 本実施例1における加速度センサは上記のように構成されており,加速度を検出しながら異常の有無を診断する動作について,説明する。
 図8において,診断信号生成部503で生成した診断信号は,互いに逆相である2つの信号として,それぞれ,診断用固定電極108bと診断用固定電極108cに印加される。これにより,診断用可動電極108aと診断用固定電極108bの間と,診断用可動電極108aと診断用固定電極108cとの間に静電力が働き,可動部105を強制振動させることができる。可動部105が強制振動すれば,可動部105が変位することになる。可動部105が変位すると,容量検出部を構成する容量素子C1と容量素子C2とに容量変化が生じる。
 この状態で,外部から加速度(DC~数十Hz)が印加された場合,容量検出部である容量素子C1と容量素子C2には,強制振動による容量変化(数百Hz)と,加速度による容量変化(DC~数十Hz)とが加わる。この数百Hzの容量変化とDC~数十Hzの容量変化が変調信号(数百kHz)に重畳されることになる。その後,容量電圧変換部1で上述した容量変化が電圧信号に変換される。この電圧信号には,数百Hzの電圧信号とDC~数十Hzの電圧信号が変調信号(数百kHz)に重畳された電圧信号となっている。その後,A/D変換部1と,第1同期検波部1aを経由すると,数百Hzの診断信号と,DC~数十Hzの電圧信号に復元される。そして,物理量算出部502では,ローパスフィルタLPF1によって,数百Hzの診断信号を減衰させて,DC~数十Hzの電圧信号を抽出し,この電圧信号に基づいて加速度信号を算出する。
 一方,第1同期検波部1aから出力された数百Hzの診断信号とDC~数十Hzの電圧信号を含む信号は,バンドパスフィルタBPF1aによって第1同期検波部1aから出力される数百Hzの電圧信号以外の信号を除去した後に,第2同期検波部1bに入力される。この第2同期検波部1bにおいて,数百Hzの診断信号は,診断信号の2倍の周波数(cos2wt)の信号と,DC信号(cos0)に変換される。一方,DC~数十Hzの電圧信号には,coswtが乗算されて数百Hz帯の信号となる。
 続いて,第2同期検波部1bから出力された信号は,バンドパスフィルタBPF1bに入力され,DC信号(cos0)の信号とDC~数十Hzの電圧信号にcoswtが乗算された数百Hz帯の信号が減衰され,診断信号に対応した診断信号の2倍の周波数(cos2wt)の信号が通過する。
 その後,比較判断部では,バンドパスフィルタBPF1bを通過した診断信号の2倍の周波数(cos2wt)の信号の振幅と,振幅基準値とを比較し,加速度センサの異常の有無を判断する。このようにして,本実施例1における加速度センサによれば,加速度を検出しながら,加速度センサの異常の有無を判断することができる。したがって,本実施例1における加速度センサによれば,直ぐに故障を検知することができる。
 具体的に,比較判断部の異常の有無は例えば,以下のように判断することができる。  
 比較判断部に,例えば,所定の振幅基準値を設定し,バンドパスフィルタBPF1bを通過した診断信号の2倍の周波数(cos2wt)の信号の振幅と比較する。例えば,診断信号生成部503で生成した診断信号が可動部105に印加されているにもかかわらず,バンドパスフィルタBPF1bを通過した診断信号の2倍の周波数(cos2wt)の信号の振幅がほぼ0である場合は,可動部105が固着しているとして故障と判断できる。一方,梁104が破損するなどで可動部105の固有振動数が低下し,印加された加速度に対して可動部105が過剰に変位する感度スケール異常の場合は,バンドパスフィルタBPF1bを通過した診断信号の2倍の周波数(cos2wt)の信号の振幅が振幅基準値よりも大きくなるため,異常と判断することができる。
 また,本実施例における加速度センサでは,図8に示すように,スイッチSW1によって診断信号生成部503で生成した診断信号をオン/オフすることができる。これにより,以下に示す効果が得られる。例えば,本実施例1における加速度センサを設置している環境が,診断信号生成部503で生成した診断信号と同じ周波数帯の振動外乱を有している場合が想定される。この場合,スイッチSW1を設けていない場合には,可動部105の強制振動が診断信号によるものであるのか,あるいは,振動外乱によるものであるのか判断がつかず誤診断する可能性がある。これに対し,本実施例1における加速度センサではスイッチSW1を設けている。このため,このスイッチSW1を周期的にオン/オフし,サンプルホールドなどの方法により平均化や,スイッチSW1のオン時の出力(バンドパスフィルタBPF1bを通過した診断信号の2倍の周波数(cos2wt)の信号の振幅)とスイッチSW1のオフ時の出力(バンドパスフィルタBPF1bを通過した診断信号の2倍の周波数(cos2wt)の信号の振幅))の差分値を使用して故障を判断するなどの統計的なデータ処理を実施することで,背景の振動外乱の影響を排除することができる。つまり,診断信号生成部503で生成した診断信号と同じ周波数帯の振動外乱によって可動部105が振動している場合は,スイッチSW1のオン/オフにかかわらず,バンドパスフィルタBPF1bから所定の出力信号が出力される。一方,診断信号生成部503で生成する診断信号を可動部105に印加する場合,スイッチSW1をオンにすると,バンドパスフィルタBPF1bから所定の出力信号が出力されるが,スイッチSW1をオフにすると,バンドパスフィルタBPF1bからの出力は0となる。したがって,例えば,スイッチSW1のオン時の出力とスイッチSW1のオフ時の出力の差分値をとれば,可動部105の強制振動が診断信号によるものであるのか,あるいは,振動外乱によるものであるのかを区別することができる。これにより,診断信号と同じ周波数帯の振動外乱が存在する場合でも,誤診断の可能性を抑制することができる。
 さらに,本実施例における加速度センサでは,図8に示すように,第一の加速度センサの異常の異常判定部504に第二の加速度センサの出力信号(加速度信号)522がセンサユニットの外部制御回路,もしくは外部導線を経由して接続されている。よって,第一の加速度センサで加速度信号を検出しながら,センサが設置された環境での雑音振動の有無を検知することができるため,診断信号と同じ周波数帯の振動外乱が診断一周期以下の時間だけ存在する場合に生じる異常判定部504でセンサを誤診断する可能性の有無を,常に検知することができる。
 センサが設置された環境での雑音振動によって異常判定部504でセンサを誤診断する可能性がある場合は,異常判定部504での判定方法を変更すれば,振動雑音環境下で加速度を検出しながら診断を行なう場合であっても,誤診断を抑制した高信頼の加速度センサを提供することができる。具体的には,図9に示すように比較判断部の判定方法を定める。第二の加速センサの出力信号(加速度信号)522があらかじめ定めた電圧値以上の場合は,センサが設置された環境での雑音振動が存在するということであり,つまり比較判断部は誤診断を行う可能性が高いということであるから,判定信号521に異常判定信号を出力せずに,再比較判断を行う工程へ戻る。第二の加速センサの出力信号(加速度信号)522があらかじめ定めた電圧値より小さい場合は,通常の比較判断処理を行い,センサ異常の有無を判定する。
 尚,本実施例1では第一の加速度センサより第二の加速度センサの方が,応答帯域が広い加速度センサであり,また,第一の加速度センサより第二の加速度センサの方が,感度範囲が広い加速度センサであるため,第二の加速度センサによってセンサが設置された環境での雑音振動を検出すると,より広い周波数帯域やより広い加速度範囲の振動雑音を検出できる。よって,雑音環境下で加速度を検出しながら診断を行なう場合であっても,誤診断を抑制し,さらに高信頼の加速度センサを提供することができる。
 以上述べたように,本実施例によれば,第二のセンサを備えることにより誤診断を抑制できる慣性センサを提供することができる。また,第二のセンサの感度範囲を広くすることにより,より広い周波数帯域やより広い加速度範囲の振動雑音を検出できる。
 第2の実施例におけるMEMS慣性センサ(静電容量式センサ)について図面を参照しながら説明する。本実施例では,第一の慣性センサが加速度センサ,第二の慣性センサが角速度センサであるようなMEMS慣性センサを例に挙げて説明する。
 図10は,半導体チップ700に形成された第一の慣性センサである加速度センサを構成する構造体を示す平面図である。図10に示すように,半導体チップ700には,枠部701が形成されており,この枠部701に囲まれるように空洞部702が形成されている。空洞部702の内部には,固定部703が設けられており,この固定部703には,梁(弾性変形部)704が接続されている。そして,梁704は,加速度センサの錘となる可動部705と接続されている。つまり,固定部703と可動部705は弾性変形可能な梁704で接続されており,可動部705は,図10のx方向に変位できるようになっている。
 可動部705には,可動部705と一体に形成された検出用可動電極706aが形成されており,この検出用可動電極706aと対向するように,検出用固定電極706bおよび検出用固定電極706cが形成されている。この検出用可動電極706aと検出用固定電極706b,あるいは,検出用可動電極706aと検出用固定電極706cは,それぞれ容量素子を形成しており,外部から印加された加速度によって可動部705がx方向に変位すると,上述した容量素子の容量が変化するようになっている。つまり,検出用可動電極706aと検出用固定電極706b,あるいは,検出用可動電極706aと検出用固定電極706cから構成される容量素子は,可動部705のx方向の変位を容量変化として検出する容量検出部として機能する。
 また,可動部705には,可動部705と一体に形成された診断用可動電極708aが形成されており,この診断用可動電極708aと対向するように,診断用固定電極708bおよび診断用固定電極708cが形成されている。診断用可動電極708aと診断用固定電極708b,あるいは,診断用可動電極708aと診断用固定電極708cは,それぞれ容量素子を形成している。
 この容量素子を形成している診断用可動電極708aと診断用固定電極708b,および,診断用可動電極708aと診断用固定電極708cの間に周期的な診断信号を印加すると,診断用可動電極708aと診断用固定電極708bの間,および,診断用可動電極708aと診断用固定電極708cの間に静電気力が働き,診断用可動電極708aが振動するようになっている。この診断用可動電極708aがx方向に振動すると,診断用可動電極708aと一体的に形成されている可動部705も振動することになる。つまり,診断用可動電極708aと診断用固定電極708b,あるいは,診断用可動電極708aと診断用固定電極708cから構成される容量素子は,可動部705をx方向に強制振動させる強制振動生成部として機能する。
 このように構成された加速度センサの構造体は,シリコンなどの半導体材料から構成されている。したがって,互いに梁704を介して接続されている固定部703と可動部705とは電気的に接続されており,可動部705に印加される電位は,固定部703に形成されている貫通電極707から供給されるように構成されている。一方,検出用固定電極706bおよび検出用固定電極706cにも,それぞれ貫通電極706dおよび貫通電極706eが形成されており,可動部705がx方向に変位することで生じる容量変化により,検出用固定電極706bや検出用固定電極706cに電荷が流入あるいは流出できるように構成されている。また,診断用固定電極708bおよび診断用固定電極708cにも,それぞれ貫通電極708dおよび貫通電極708eが形成されており,貫通電極708dや貫通電極708eから,診断用固定電極708bや診断用固定電極708cに診断信号を印加できるようになっている。
 同時に,図10に示すように,半導体チップ700には第二の慣性センサである角速度センサも形成されている。以下に,まず角速度センサの構成を説明する。  
 第一の慣性センサである加速度センサの枠部701と共通の枠部に囲まれるように空洞部722が形成され,その空洞部722の内部には,固定部723が設けられており,この固定部723には,梁(弾性変形部)724が接続されている。そして,梁724は,角速度センサの錘となる2つの励振素子である可動部725,726と接続されている。つまり,2つの励振素子である可動部725,726と固定部723は弾性変形可能な梁724で接続されており,励振素子である可動部725,726は,図10のx方向にそれぞれ変位できるようになっている。また,励振素子である可動部725,726は互いの振動エネルギーを共有する音叉振動系をなすため,リンク梁727で接続されている。
 励振素子である可動部725,726には,可動部725と一体に形成された駆動用可動電極728aが形成されており,この駆動用可動電極728aと対向するように,駆動用固定電極728bおよび駆動用固定電極728cが形成されている。互いに対抗することで容量素子を形成している駆動用可動電極728aと駆動用固定電極728bの間にVcom+Vb+Vdで表される周期的な駆動信号を印加し,駆動用可動電極728aと駆動用固定電極728cの間にVcom+Vb-Vdで表される周期的な駆動信号を印加し,励振素子である可動部725,726には共通の貫通電極731を介してVcomを印加することで,駆動用可動電極728aと駆動用固定電極728b,および,駆動用可動電極728aと駆動用固定電極728cの間に静電気力が働き,駆動用可動電極728aが振動するようになっている。
 この駆動用可動電極728aがx方向に振動すると,駆動用可動電極728aと一体的に形成されている励振素子である可動部725,726が逆相振動することになる。つまり,駆動用可動電極728aと駆動用固定電極728b,あるいは,駆動用可動電極728aと駆動用固定電極728cから構成される容量素子は,励振素子である可動部725,726をx方向に逆相に強制振動させる強制振動生成部として機能する。
 また,励振素子である可動部725,726には,可動部725,726と一体に形成された駆動振幅モニタ用可動電極729aが形成されており,この駆動振幅モニタ用可動電極729aと対向するように,駆動振幅モニタ用固定電極729bおよび駆動振幅モニタ用固定電極729cが形成されている。この駆動振幅モニタ用可動電極729aと駆動振幅モニタ用固定電極729b,あるいは,駆動振幅モニタ用可動電極729aと駆動振幅モニタ用固定電極729cは,それぞれ容量素子を形成しており,駆動用可動電極728aと駆動用固定電極728b,および,駆動用可動電極728aと駆動用固定電極728cの間に働く静電気力によって励振素子である可動部725,726がx方向に変位すると,上述した容量素子の容量が変化するようになっている。つまり,駆動振幅モニタ用可動電極729aと駆動振幅モニタ用固定電極729b,あるいは,駆動振幅モニタ用可動電極729aと駆動振幅モニタ用固定電極729cから構成される容量素子は,励振素子である可動部725,726のx方向の変位を容量変化として検出する容量検出部として機能する。
 また,励振素子である可動部725,726を接続するリンク梁727には,リンク梁727と一体に形成された加速度モニタ用可動電極730aが形成されており,この加速度モニタ用可動電極730aと対向するように,加速度モニタ用固定電極730bおよび加速度モニタ用固定電極730cが形成されている。この加速度モニタ用可動電極730aと加速度モニタ用固定電極730b,あるいは,加速度モニタ用可動電極730aと加速度モニタ用固定電極730cは,それぞれ容量素子を形成しており,外部から印加された加速度によって可動部725,726およびリンク梁727がx方向に変位すると,上述した容量素子の容量が変化するようになっている。つまり,加速度モニタ用可動電極730aと加速度モニタ用固定電極730b,あるいは,加速度モニタ用可動電極730aと加速度モニタ用固定電極730cから構成される容量素子は,可動部725,726およびリンク梁727のx方向の変位を容量変化として検出する容量検出部として機能する。
 このように半導体チップ700の上に一体化形成された加速度センサ,および,角速度センサの構造体は,シリコンなどの半導体材料から構成されている。
 したがって,加速度センサ構造については,互いに梁704を介して接続されている固定部703と可動部705とは電気的に接続されており,可動部705に印加される電位は,固定部703に形成されておりシリコンなどの半導体材料の裏面配線と接続されている貫通電極707から供給されるように構成されている。一方,検出用固定電極706bおよび検出用固定電極706cにも,それぞれ貫通電極706dおよび貫通電極706eが形成されており,可動部705がx方向に変位することで生じる容量変化により,検出用固定電極706bや検出用固定電極706cに電荷が流入あるいは流出できるように構成されている。
 同様に,角速度センサ構造についても,互いに梁724を介して接続されている固定部723と励振素子である可動部725,726とは電気的に接続されており,可動部725,726に印加される電位は,固定部723に形成されておりシリコンなどの半導体材料の裏面配線と接続されている貫通電極731から供給されるように構成されている。また,駆動用固定電極728bにも,シリコンなどの半導体材料の裏面配線と接続されている貫通電極728dが形成されており,容量素子を形成している駆動用可動電極728aと駆動用固定電極728bの間にVcom+Vb+Vdで表される周期的な駆動信号を印加できるように構成されている。また,駆動用固定電極728cにも,シリコンなどの半導体材料の裏面配線と接続されている貫通電極728eが形成されており,容量素子を形成している駆動用可動電極728aと駆動用固定電極728cの間にVcom+Vb-Vdで表される周期的な駆動信号を印加できるように構成されている。また,駆動振幅モニタ用固定電極729bおよび駆動振幅モニタ用固定電極729cにも,それぞれシリコンなどの半導体材料の裏面配線と接続されている貫通電極729dおよび貫通電極729eが形成されており,励振素子である可動部725,726がx方向に変位することで生じる容量変化により,駆動振幅モニタ用固定電極729bや駆動振幅モニタ用固定電極729cに電荷が流入あるいは流出できるように構成されている。また,加速度モニタ用固定電極730bにも,シリコンなどの半導体材料の裏面配線と接続されている貫通電極730dが形成されており,可動部725,726およびリンク梁727のx方向に変位することで生じる容量変化により,加速度モニタ用固定電極730bに電荷が流入あるいは流出できるように構成されている。
 図11は,図10のC-C’線で切断した断面図である。図11に示すように,半導体チップ700は,支持基板層710上に絶縁酸化膜層711が形成され,この絶縁酸化膜層711上に形成されたシリコン活性層712を有している。つまり,本実施例2で,第一の慣性センサである加速度センサを構成する半導体チップ700はSOI(Silicon On Insulator)基板から構成されている。そして,図11に示されている枠部701,固定部703,可動部705と一体的に形成された検出用可動電極706a,検出用固定電極706b,および,検出用固定電極706cと,図11に示されていない梁704,診断用可動電極708a,診断用固定電極708b,および,診断用固定電極708cは,SOI基板のシリコン活性層を加工して形成されている。
 例えば,図11において,枠部701と固定部703は絶縁酸化膜層711上に形成されており固定されていることがわかる。一方,例えば,可動部705と一体的に形成された検出用可動電極706aもシリコン活性層から形成されているが,可動部705の下層に形成されている絶縁酸化膜層711は除去されている。同様に,図11に示されていない梁704の下層に形成されている絶縁酸化膜層も除去されている。したがって,可動部705は,空洞部の中に配置され,かつ,梁704によって支持されていることになる。このことから,可動部705は支持基板層710に対して完全に固定されてはおらず,変位可能に形成されている。
 また,固定部703に形成された貫通電極707は,支持基板層710上と絶縁酸化膜層711とシリコン活性層712を貫通するように構成され,支持基板層710の裏側に形成されたパッド715と接続されている。支持基板層710上と絶縁酸化膜層711とシリコン活性層712と,貫通電極材料713との間には,互いを電気的に絶縁するための絶縁材料714が形成されており,かつ,SOI基板を構成するシリコン活性層712は導電性の材料であるため,固定部703に接続されている可動体705の電位は,貫通電極707を介して接続されているパッド715と同電位となる。尚,図10には示されているが図11に示されていない全ての貫通電極706d,706e,708d,708eは,貫通電極707と同様に支持基板層710上と絶縁酸化膜層711とシリコン活性層712を貫通するように構成され,支持基板層710の裏側に形成された互いに電気的に絶縁されたパッドに接続している。
 図12は,図10のD-D’線で切断した断面図である。尚,本実施例2で,第二の慣性センサである角速度センサを構成する半導体チップ700は,図11に示した第一の慣性センサである加速度センサの構成されるSOI(Silicon On Insulator)基板と一体化したSOI基板から構成されている。
 図12に示されている枠部701,固定部723,梁724,励振素子である可動部725,726,リンク梁と一体的に形成された加速度モニタ用可動電極730a,加速度モニタ用固定電極730b,および図12に示されていないリンク梁727,駆動用可動電極728a,駆動用固定電極728bおよび728c,駆動振幅モニタ用可動電極729a,駆動振幅モニタ用固定電極729bおよび729cは,SOI基板のシリコン活性層を加工して形成されている。したがって,励振素子である可動部725,726は,空洞部の中に配置され,かつ,梁724によって支持されていることになる。このことから,可動部725,726は支持基板層710に対して完全に固定されてはおらず,変位可能に形成されている。また,固定部723に形成された貫通電極731は,支持基板層710上と絶縁酸化膜層711とシリコン活性層712を貫通するように構成され,支持基板層710の裏側に形成されたパッド716と接続されている。支持基板層710上と絶縁酸化膜層711とシリコン活性層712と,貫通電極材料713との間には,互いを電気的に絶縁するための絶縁材料714が形成されており,かつ,SOI基板を構成するシリコン活性層712は導電性の材料であるため,固定部723に接続されている励振素子である可動部725,726やリンク梁727の電位は,貫通電極731を介して接続されているパッド716と同電位となる。
 尚,図10には示されているが図12に示されていない全ての貫通電極728d,728e,729d,729e,730d,730eは,貫通電極731と同様に支持基板層710上と絶縁酸化膜層711とシリコン活性層712を貫通するように構成され,支持基板層710の裏側に形成された互いに電気的に絶縁されたパッドに接続している。
 本実施例2における第一の慣性センサである加速度センサ,および第二の慣性センサである角速度センサは,例えば,SOI基板をフォトリソグラフィ技術とDRIE(Deep Reactive Ion Etching)を用いて加工することで形成する場合を想定している。もちろん,本実施例2では,SOI基板を使用して加速度センサ,および角速度センサを製造する例を説明しているだけであって,本実施例2における概念は,ガラス・シリコン・ガラスの接合技術などを使用して,シリコン基板の表面と裏面の両方を加工することで加速度センサ(MEMS構造体)を形成する(バルクMEMSプロセス)場合にも適用することができる。さらに,予めトランジスタなどの信号処理回路が形成されているシリコン基板の表面に薄膜を堆積し,堆積した薄膜をパターニングすることを繰り返すことで加速度センサ(MEMS構造体)を形成する(表面MEMSプロセス)場合にも適用することができる。
 本実施例2における第一の慣性センサである加速度センサ(MEMS構造体),および第二の慣性センサである角速度センサ(MEMS構造体)を形成した半導体チップ700は上記のように構成されており,以下に,この半導体チップ700を実装する構成例について説明する。本実施例2では,加速度センサ(MEMS構造体)および角速度センサ(MEMS構造体)と,この加速度センサおよび角速度センサからの出力信号を信号処理するLSIとを別々の半導体チップに形成する例について説明するが,これに限らず,加速度センサおよび角速度センサを構成するMEMS構造体と,信号処理回路を構成するトランジスタとを同一の半導体チップに形成する場合にも適用することができる。
 図13は,本実施例2における第一の慣性センサである加速度センサ,および第二の慣性センサである角速度センサの実装構成例を示す断面図である。図13に示すように,凹部を有する外枠体800の底部には,接着剤801を介して半導体チップ802が搭載されている。外枠体800は,例えば,セラミックから構成されている。半導体チップ802には,通常の半導体製造技術により,トランジスタや受動素子からなる集積回路が形成されている。この半導体チップ802に形成されている集積回路は,加速度センサおよび角速度センサ(MEMS構造体)からの出力信号を信号処理する機能を有しており,最終的に加速度信号および角速度信号を出力する回路である。
 この半導体チップ802上には,接着剤803を介し,キャップ809で半導体チップ700に形成された加速度センサ,および角速度センサを覆い,外部の雰囲気から密閉保護したMEMSチップ810が搭載されている。キャップ809は,たとえば,ガラス基板から形成されており,SOI基板から形成される半導体チップ700と陽極接合によって接合されている。キャップ809は,加速度センサ,および角速度センサを構成するMEMS構造体の可動部分が動作できるように空間を備えたものである。また,キャップ809に形成された溝もしくは突起によって,キャップ809と半導体チップ700によって形成される加速度センサを構成するMEMS構造体が設置される空間と,キャップ809と半導体チップ700によって形成される角速度センサを構成するMEMS構造体が設置される空間は,分離されている。つまり,加速度センサを構成するMEMS構造体が設置される空間と,角速度センサを構成するMEMS構造体が設置される空間とは,異なる圧力となる。また,MEMS構造体の動作する空間の経時的な圧力変化を抑制する目的で,キャップ809と半導体チップ700によって形成されるMEMS構造体が設置される空間内には,ガス吸収剤もしくはガス発生剤を設置しても良い。
 この半導体チップ700は,図10で説明した第一の慣性センサである加速度センサ,および第二の慣性センサである角速度センサを構成するMEMS構造体が形成されている半導体チップである。この半導体チップ700に形成されているパッドと,半導体チップ802に形成されているパッド804は,例えば,ワイヤ805aで接続されている。さらに,半導体チップ802に形成されているパッド804は,外枠体800に形成されている端子806とワイヤ805bで接続され,外枠体の外部につながる端子807へと電気的に接続されている。そして,外枠体800内に積層して配置された半導体チップ700と半導体チップ802は,外枠体800の上部をリッド808で封止することにより密閉される。
 このようにして,本実施例2における第一の慣性センサである加速度センサ,および第二の慣性センサである角速度センサが実装構成されている。
 図13示す加速度センサおよび角速度センサを備えた慣性センサによれば,半導体チップ700で検出した信号を半導体チップ802に入力することができる。その後,半導体チップ802に入力された信号は,半導体チップ802内に形成されている集積回路で信号処理され,最終的に加速度に対応した加速度信号および角速度信号が出力される。半導体チップ802から出力された加速度信号は,ワイヤ805a,およびワイヤ805bを介して外枠体800に形成された端子807に出力され,外部へと取り出すことが可能になっている。
 続いて,本実施例2における加速度センサと角速度センサの基本的な動作原理について説明する。
 図10に示すように,本実施例2における第一の慣性センサである加速度センサは,x方向に変位することができる可動部705を有している。例えば,この可動部705はx方向に加速度が印加されると,x方向に変位する。可動部705が変位すると,検出用可動電極706aと検出用固定電極706b,あるいは,検出用可動電極706aと検出用固定電極706cからなる容量素子の電極間距離が変化し,その結果,容量素子の静電容量が変化する。この容量変化は,電圧変換部で電圧信号に変換され,変換された電気信号に基づいて加速度信号が加速度センサから出力される。
 また,図10に示すように,本実施例2における第二の慣性センサである角速度センサは,x方向に変位することができる励振素子である可動部725,726と,可動部725,726を接続するリンク梁727を有している。励振素子である可動部725,726は,駆動用電極対728aと728b,および駆動用電極対728aと728cを有している。互いに対抗することで容量素子を形成している駆動用可動電極728aと駆動用固定電極728bの間にVcom+Vb+Vdで表される周期的な駆動信号を印加し,駆動用可動電極728aと駆動用固定電極728cの間にVcom+Vb-Vdで表される周期的な駆動信号を印加し,励振素子である可動部725,726には共通の貫通電極731を介してVcomを印加することで,駆動用可動電極728aと駆動用固定電極728b,および,駆動用可動電極728aと駆動用固定電極728cの間に静電気力が働き,駆動用可動電極728aが周期的に振動する。つまり,駆動用可動電極728aと一体的に形成された励振素子である可動部725,726も互いに逆相に周期的に振動する。尚,励振素子である可動部725,726と一体的に形成された駆動振幅モニタ用可動電極729aと,この駆動振幅モニタ用可動電極729aと対向するように形成された駆動振幅モニタ用固定電極729bおよび駆動振幅モニタ用固定電極729cとによって形成された容量素子の変化量を検出することで,励振素子である可動部725,726の周期的振動の振幅と角振動数を検出することができる。これによって,角速度センサの動作中は,可動部725,726の周期的な振動は常に一定の振幅を保つように半導体チップ802の演算回路内で制御されている。また,角速度センサの動作中は,可動部725,726の周期的な振動は常に一定の角振動数を保つように半導体チップ802の演算回路内で制御されている。
 尚,半導体チップ700に対して印加されるz軸を回転軸とした角速度の大きさをΩ(deg/s),励振素子である可動部725,726の質量をm(kg),可動部の周期的な振動の角周波数をωx(rad/s),可動部の周期的な振動の振幅をX(m)とすると,時刻t(s)における半導体チップ700に形成された角速度センサに働くコリオリ力Fcは,以下に示す式(10)で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
角速度センサでは式(10)に従って発生するコリオリ力Fcを演算によって算出しているため,励振素子の質量mは変化しないことを考慮すると,周期的な振動の角周波数ωxと,振動振幅Xが大きいほうが,同じ角速度Ωが印加された場合に得られるコリオリ力Fcが大きくなる。よって,励振素子の強制振動の角周波数は高く,なおかつ強制振動の振幅を大きく設定することが望ましいため,この強制振動の角周波数は励振素子の共振現象を利用し,Q値(機械品質係数)を利用した共振振幅を利用する場合が多い。但し,励振素子の固有振動数を高く設定すると変位x方向の剛性定数も高くなるため,所望の振幅を得るために駆動用電極対に印加する駆動電圧が高くなる。よって,エネルギー消費と,大きなコリオリ力Fcを得るという2つの観点を考慮し,励振素子の共振現象を利用した強制振動の周波数(角周波数に2πを乗算したもの)は3kHzから20kHzに設定する場合が多い。つまり,角速度センサの励振素子の固有振動数は3kHzから20kHzに設定される場合が多いということである。
 実施例2における第一の慣性センサである加速度センサと第二の慣性センサである角速度センサの機械的な周波数応答をグラフに示すと,例えば図14のように表せる。これは,センサに印加される加速度の変動周波数を徐々に大きくしていく場合に,第一のセンサではfc1(Hz)までMEMSが機械的に動作して変位することを意味し,第二のセンサではfc2(Hz)までMEMSが機械的に動作し変位することを意味する。つまり,本実施例2においては,第一の慣性センサである加速度センサより第二の慣性センサである角速度センサの方が,応答帯域が広い加速度センサであると言える。
 図15は,本実施例1における加速度センサの構成を示す図である。  
 図15に示すように,本実施例2における第一の慣性センサである加速度センサと第二の慣性センサである角速度センサは,半導体チップ700と半導体チップ802とを有しており,半導体チップ700にMEMS構造体が形成され,半導体チップ802に信号処理回路が形成されている。
 まず,第一の慣性センサである加速度センサの信号処理回路の構成と動作について説明する。図15には,半導体チップ700に形成されている加速度センサのMEMS構造体の可動部705が図示されており,この可動部705と変調信号生成部901との間に容量検出部である容量素子C1が形成されている。この容量素子C1は,検出用可動電極706aと検出用固定電極706bから形成されている。また,可動部705と変調信号生成部の間に容量素子C2が形成されている。この容量素子C2は,検出用可動電極706aと検出用固定電極706cから構成されている。
 続いて,半導体チップ802に形成されている信号処理回路の構成について説明する。図15において,半導体チップ802には,変調信号(搬送波)を生成する変調信号生成部901が形成されている。この変調信号生成部901は,例えば,数百kHzの変調信号を生成できるように構成されている。変調信号生成部901で生成された変調信号にはバイアス電圧が印加されて検出用固定電極706bに印加されるように構成されている。また,変調信号生成部901で生成された変調信号の位相を180度変換した信号にバイアス電圧が印加されて検出用固定電極706cに印加されるように構成されている。これにより,可動部705は,数百kHzの変調信号によって振動することになる。
 次に,半導体チップ802には物理量算出部902が形成されている。この物理量算出部902には,容量電圧変換部1(C-V変換部1),A/D変換部1,第1同期検波部1a,ローパスフィルタLPF1を有している。容量電圧変換部1は,容量素子C1の容量変化を電圧信号に変換するオペアンプより構成されている。続いて,A/D変換部1は,容量電圧変換部1から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するように構成されており,第1同期検波部1aは,搬送波によって高周波信号に変換された信号から元の低い周波数の信号を復元するように構成されている。また,ローパスフィルタLPF1は,高い周波数の信号を減衰させ,低い周波数の信号を通過させるように構成されており,ローパスフィルタLPF1を通過した信号から加速度信号を算出するように構成されている。
 次に,本実施例2における第一の慣性センサである加速度センサで,加速度を検出する動作について説明する。
 まず,変調信号生成部901で生成した数百kHz(搬送波周波数)の変調信号を検出用固定電極706bに,変調信号生成部901で生成された変調信号の位相を180度変換した信号を検出用固定電極706cに印加する。すると,可動部705は,搬送波周波数(数百kHz)で振動する。この振動はとても速いので,この振動による容量素子C1および容量素子C2の容量変化はないものとみなせる。この状態で,外部から加速度が印加されると,可動部705が変位する。例えば,可動部705が図15の上側に変位する場合,容量素子C1では,検出用可動電極706aと検出用固定電極706bの間の距離が狭くなるので,容量素子C1の容量が大きくなる。一方,容量素子C2では,検出用可動電極706aと検出用固定電極706cの間の距離が大きくなるので,容量素子C2の容量が小さくなる。この容量素子C1の容量変化と,容量素子C2の容量変化は,外部から印加された加速度に対応する外力応答周波数(DC~数十Hz)の変化となる。ただし,今の場合,可動部705には,変調信号が印加されているので,外力応答周波数(DC~数十Hz)の容量変化は,搬送波周波数(数百kHz)に重畳される。
 その後,この容量素子C1での容量変化と変調信号の振幅に基づき,容量電圧変換部1にて容量変化を電圧に変換した電圧信号が出力される。この容量電圧変換部1から出力される電圧信号(アナログ信号)は,搬送波周波数(数百kHz)に外力応答周波数(DC~数十Hz)の電圧信号が重畳されたものとなる。
 次に,容量電圧変換部1から出力された電圧信号(搬送波周波数(数百kHz)に外力応答周波数(DC~数十Hz)の電圧信号が重畳された電圧信号)は,A/D変換部1に入力され,A/D変換部1でデジタル信号に変換される。そして,デジタル信号に変換された電圧信号は,第1同期検波部1aに入力する。
 第1同期検波部1aでは,変調信号の周波数と位相を使用して同期検波を実施する。すなわち,第1同期検波部1aでは,搬送波周波数(数百kHz)に外力応答周波数(DC~数十Hz)の電圧信号が重畳された電圧信号(デジタル信号)から,外力応答周波数(DC~数十Hz)の電圧信号が復元される。その後,復元された電圧信号をローパスフィルタLPF1に入力して,必要とする信号以外の高周波成分を減衰させる。そして,ローパスフィルタLPF1から出力された電圧信号(DC~数十Hz)に基づいて,加速度信号906を算出して出力する。以上のようにして,本実施例1における加速度センサにより加速度を検出することができる。
 次に,実施例2において第二の慣性センサである角速度センサの信号処理回路の構成と動作について,本実施例に関連する箇所のみを抜粋して説明する。  
 図15には,半導体チップ700に形成されている角速度センサのMEMS構造体の可動部725と726が図示されている。  
 可動部725と駆動信号生成部910との間に駆動部である容量素子C6が形成されている。この容量素子C6は,駆動用可動電極728aと駆動用固定電極728bから形成されている。可動部725と駆動信号生成部910の間に容量素子C7が形成されている。この容量素子C7は,駆動用可動電極728aと駆動用固定電極728cから構成されている。また,可動部726と駆動信号生成部910との間に駆動部である容量素子C6’が形成されている。この容量素子C6’は,駆動用可動電極728aと駆動用固定電極728bから形成されている。可動部726と駆動信号生成部910の間に容量素子C7’が形成されている。この容量素子C7’は,駆動用可動電極728aと駆動用固定電極728cから構成されている。また,可動部725と演算部912との間に容量検出部である容量素子C8が形成されている。この容量素子C8は,駆動振幅モニタ用可動電極729aと駆動振幅モニタ用固定電極729bから形成されている。可動部725と演算部の間に容量素子C9が形成されている。この容量素子C9は,駆動振幅モニタ用可動電極729aと駆動振幅モニタ用固定電極729cから構成されている。また,可動部726と演算部912との間に容量検出部である容量素子C8’が形成されている。この容量素子C8’は,駆動振幅モニタ用可動電極729aと駆動振幅モニタ用固定電極729bから形成されている。可動部726と演算部の間に容量素子C9’が形成されている。この容量素子C9’は,駆動振幅モニタ用可動電極729aと駆動振幅モニタ用固定電極729cから構成されている。また,可動部725と可動部726を接続するリンク梁727と物理量算出部913との間に容量検出部である容量素子C10が形成されている。この容量素子C10は,加速度モニタ用可動電極730aと加速度モニタ用固定電極730bから構成されている。また,リンク梁727と物理量算出部913の間に容量素子C11が形成されている。この容量素子C11は,加速度モニタ用可動電極730aと加速度モニタ用固定電極730cから構成されている。
 続いて,半導体チップ802に形成されている信号処理回路の構成について説明する。
  図15において,半導体チップ802には,駆動信号を生成する駆動信号生成部910が形成されている。この駆動信号生成部910は,例えば,数十kHzの駆動信号を生成できるように構成されている。駆動信号生成部910で生成された駆動信号にはバイアス電圧が印加されて駆動用固定電極728cに印加されるように構成されている。また,駆動信号生成部910で生成された駆動信号の位相を180度変換した信号にバイアス電圧が印加されて駆動用固定電極728bに印加されるように構成されている。これにより,励振素子である可動部725,726は,数十kHzの駆動信号によって逆相に振動することになる。
 次に,半導体チップ802には,変調信号(搬送波)を生成する変調信号生成部911が形成されている。この変調信号生成部911は,例えば,数百kHzの変調信号を生成できるように構成されている。変調信号生成部911で生成された変調信号にはバイアス電圧が印加されて励振素子である可動部725,726,リンク梁727に印加されるように構成されている。これにより,可動部725,726,リンク梁727は,数百kHzの変調信号によって振動することになる。
 次に,半導体チップ802には演算部912が形成されている。この演算部912は駆動振幅モニタ用固定電極729bおよび729cに接続され,励振素子である可動部725,726の強制振動振幅に対応する容量変化を検出するように構成されている。この演算部912では,駆動振幅モニタ用固定電極729bおよび729cより得られる可動部726の強制振動振幅に対応する容量変化を元に,可動部725,726の周期的な振動の振幅を常に一定に保つよう制御している。また,この演算部912では,駆動振幅モニタ用固定電極729bおよび729cより得られる可動部726の強制振動振幅に対応する容量変化を元に,可動部725,726の周期的な振動の角振動数を常に一定に保つように制御している。符号914は角速度信号である。
 また,半導体チップ802には物理量算出部913が形成されている。この物理量算出部913は加速度モニタ用固定電極730bおよび730cに接続され,励振素子である可動部725,726が外部から加速度を印加されてx方向に変位したときの加速度に対応して生じる容量変化を検出するように構成されている。この物理量算出部913には,容量電圧変換部2(C-V変換部2),A/D変換部2,同期検波部2を有している。容量電圧変換部2は,容量素子C10とC11の容量変化を電圧信号に変換するオペアンプより構成されている。続いて,A/D変換部2は,容量電圧変換部2から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するように構成されており,同期検波部2は,搬送波によって高周波信号に変換された信号から元の低い周波数の信号を復元するように構成されている。
 次に,実施例2における第二の慣性センサである角速度センサによって,加速度を検出する動作について説明する。  
 まず,変調信号生成部911で生成した数百kHz(搬送波周波数)の変調信号を励振素子である可動部725,726,およびリンク梁727に印加する。すると,励振素子である可動部725,726,およびリンク梁727は,搬送波周波数(数百kHz)で振動する。この状態で,外部から半導体チップ700に加速度が印加されると,可動部励振素子である可動部725,726,およびリンク梁727が,一体となって変位する。このとき,例えば,可動部725,726,およびリンク梁727が図15の左側に変位する場合,容量素子C10では,加速度モニタ用可動電極730aと加速度モニタ用固定電極730bの間の距離が狭くなるので,容量素子C10の容量が大きくなる。一方,容量素子C11では,加速度モニタ用可動電極730aと加速度モニタ用固定電極730cの間の距離が大きくなるので,容量素子C11の容量が小さくなる。この容量素子C10の容量変化と,容量素子C11の容量変化は,外部から印加された加速度に対応する変化となり,搬送波周波数(数百kHz)に重畳される。
 その後,この容量素子C10と容量素子C11での容量変化と変調信号の振幅に基づき,容量電圧変換部2にて容量変化を電圧に変換した電圧信号が出力される。この容量電圧変換部2から出力される電圧信号(アナログ信号)は,搬送波周波数(数百kHz)に外力応答周波数(DC~数kHz)の電圧信号が重畳されたものとなる。
 次に,容量電圧変換部2から出力された電圧信号(搬送波周波数(数百kHz)に外力応答周波数(DC~数kHz)の電圧信号が重畳された電圧信号)は,A/D変換部2に入力され,A/D変換部2でデジタル信号に変換される。そして,デジタル信号に変換された電圧信号は,同期検波部2に入力する。
 同期検波部2では,変調信号の周波数と位相を使用して同期検波を実施する。すなわち,同期検波部2では,搬送波周波数(数百kHz)に外力応答周波数(DC~数kHz)の電圧信号が重畳された電圧信号(デジタル信号)から,外力応答周波数(DC~数kHz)の電圧信号が復元される。その後,復元された電圧信号に基づいて,加速度信号915を算出して,第一の慣性センサである加速度センサの比較判断部に接続する。
 上述した第一の慣性センサである加速度センサは,例えば,車の横滑りやスピンを抑制して安全な走行を支援する姿勢制御システムにキーデバイスとして使用される。この姿勢制御システムでは,加速度センサからの出力を元にエンジンの出力やブレーキの制動力を制御することで車の横滑りやスピンを抑制している。このことから,加速度センサの故障は事故に繋がる可能性が高く,加速度センサの故障時にはすぐに知らせる必要がある。
 そこで,加速度センサを動作させながら故障の有無を診断できることが,直ぐに故障を検知する観点から望ましいことになる。したがって,加速度センサには,動作させながら故障の有無を診断する機能が備わっているものがある。本実施例2における加速度センサは,動作させながら故障の有無を診断することができる加速度センサであり,以下に,加速度を検出しながら加速度センサの故障の有無を判断する常時診断機能を有する第一の慣性センサである加速度センサの構成について説明する。
 図15において,半導体チップ700に形成されている第一の慣性センサである加速度センサのMEMS構造体の可動部705が図示されており,この可動部705と診断信号生成部903との間に強制振動生成部である容量素子C3,および容量素子C4が形成されている。この容量素子C3は,診断用可動電極708aと診断用固定電極708bから形成されている。容量素子C4は,診断用可動電極708aと診断用固定電極708cから構成されている。なお,診断信号生成部自体は公知である。
 続いて,半導体チップ802には,診断信号を生成する診断信号生成部903と異常判定部904が形成されている。この診断信号生成部903は,例えば,数百Hzの診断信号を生成できるように構成されている。この診断信号は,例えば,矩形波,正弦波,三角波などから構成されている。診断信号生成部903で生成された診断信号にはバイアス電圧が印加されて容量素子C3および容量素子C4に印加されるように構成されている。また,異常判定部904は,半導体チップ802に形成されている物理量算出部902を介して可動体705と接続されている。
 このように構成されている加速度センサにおいて,診断信号生成部903で生成した診断信号は,互いに逆相である2つの信号として,それぞれ,診断用固定電極708bと診断用固定電極708cに印加される。これにより,診断用可動電極708aと診断用固定電極708bの間と,診断用可動電極708aと診断用固定電極708cとの間に静電力が働き,可動部705を強制振動させることができる。可動部705が強制振動すれば,可動部705が変位し,容量検出部を構成する容量素子C1と容量素子C2とに容量変化が生じる。この容量素子C1と容量素子C2に生じた容量変化は,容量電圧変換部1で電圧信号に変換され,電圧変換部で変換された電圧信号は,A/D変換部1と第1同期検波部1aを経由することにより,元の診断信号に復元される。この復元された診断信号は,異常判定部904に入力して処理されて異常の有無が判断される。このようにして,本実施例2における第一の慣性センサである加速度センサによれば,加速度センサの異常の有無が判断される。
 さらに,数百Hzの診断信号を可動部705に印加して強制振動しながら,外部から加速度(DC~数十Hz)が印加された場合,容量検出部である容量素子C1と容量素子C2には,強制振動による容量変化(数百Hz)と,加速度による容量変化(DC~数十Hz)とが加わる。この数百Hzの容量変化とDC~数十Hzの容量変化が変調信号(数百kHz)に重畳されることになる。その後,容量電圧変換部1で上述した容量変化が電圧信号に変換される。この電圧信号には,数百Hzの電圧信号とDC~数十Hzの電圧信号が変調信号(数百kHz)に重畳された電圧信号となっている。その後,A/D変換部1と,第1同期検波部1aを経由すると,数百Hzの診断信号と,DC~数十Hzの電圧信号に復元される。そして,物理量算出部902では,ローパスフィルタLPF1によって,数百Hzの診断信号を減衰させて,DC~数十Hzの電圧信号を抽出し,この電圧信号に基づいて加速度信号を算出する。一方,異常判定部904では,数百Hzの診断信号に基づいて処理を実施し異常を判断する。以上のようにして,本実施例2における加速度センサによれば,加速度を検出しながら,加速度センサの異常の有無を判断することができる。
 ここで,本実施例2における加速度センサの特徴は,第一の慣性センサである加速度センサの異常の異常判定部904に第二の慣性センサである角速度センサの出力信号(加速度信号)915が接続されていることである。
 詳細な説明は本実施例1に述べた通りであるが,本実施例2における第一の慣性センサである加速度センサのように,センサ異常の異常判定部904に第二の慣性センサである角速度センサの出力信号(加速度信号)915を半導体チップ802内部の信号線を経由して接続すると,第一の慣性センサである加速度センサで加速度信号を検出しながら,センサが設置された環境での雑音振動の有無を検知することができるため,異常判定部904でセンサを誤診断する可能性の有無を常に検知することができる。そして,センサが設置された環境での雑音振動によって異常判定部904でセンサを誤診断する可能性がある場合は,異常判定部904での判定方法を変更すれば,振動雑音環境下で加速度を検出しながら診断を行なう場合であっても,誤診断を抑制した高信頼の加速度センサを提供することができる。
 特に,本実施例2では第一の慣性センサである加速度センサより第二の慣性センサである角速度センサの方が応答帯域が広い加速度センサであるため,第二の慣性センサである角速度センサによってセンサが設置された環境での雑音振動を検出すると,より広い周波数帯域の振動雑音を検出できる。よって,雑音環境下で加速度を検出しながら診断を行なう場合であっても,誤診断を抑制し,さらに高信頼の加速度センサを提供することができる。
 続いて,図15に示す異常判定部904の詳細な構成について説明する。
 図15において,異常判定部904は,バンドパスフィルタBPF1a,第2同期検波部1b,バンドパスフィルタBPF1b,比較判断部を有している。バンドパスフィルタBPF1aは,第1同期検波部1aから出力される数百Hzの電圧信号以外の信号を雑音と見なして除去するように構成されている。第2同期検波部1bは,物理量算出部902の第1同期検波部1aから出力される数百Hzの診断信号とDC~数十Hzの電圧信号を含む信号から数百Hzの診断信号を抽出するように構成されている。具体的に,数百Hzの診断信号をcoswtとすると,第2同期検波部1bでは,数百Hzの診断信号(coswt)とDC~数十Hzの電圧信号を含む信号にcoswtを乗算するように構成されている。すると,数百Hzの診断信号は,coswt×coswt=1/2(cos2wt+cos0)となる。つまり,数百Hzの診断信号は,診断信号の2倍の周波数(cos2wt)(第2検波周波数の信号)の信号と,DC信号(cos0)(第1検波周波数の信号)に変換される。一方,DC~数十Hzの電圧信号には,coswtが乗算されて数百Hz帯の信号となる。このように第2同期検波部1bは,数百Hzの診断信号を検波して2倍の周波数の信号とDC信号に変換するように構成されている。
 次に,バンドパスフィルタBPF1bは,DC信号(cos0)とcoswtの信号を減衰させて,cos2wtの信号(診断信号の2倍の周波数の信号)を通過させるように構成されている。このバンドパスフィルタBPF1bにより,数百Hzの診断信号を変換したcos2wtの信号(診断信号の2倍の周波数の信号)を抽出することができる。比較判断部は,バンドパスフィルタBPF1bを通過したcos2wtの信号(診断信号の2倍の周波数の信号)の振幅と,振幅基準値とを比較するように構成されている。比較判断部の比較結果に基づいて,加速度センサの異常の有無を判定信号として出力するように構成されている。
 本実施例2における診断機能を有する加速度センサは上記のように構成されており,以下では加速度を検出しながら異常の有無を診断する動作について,説明する。
 図15において,診断信号生成部903で生成した診断信号は,互いに逆相である2つの信号として,それぞれ,診断用固定電極708bと診断用固定電極708cに印加される。これにより,診断用可動電極708aと診断用固定電極708bの間と,診断用可動電極708aと診断用固定電極708cとの間に静電力が働き,可動部705を強制振動させることができる。可動部705が強制振動すれば,可動部705が変位することになる。可動部705が変位すると,容量検出部を構成する容量素子C1と容量素子C2とに容量変化が生じる。
 この状態で,外部から加速度(DC~数十Hz)が印加された場合,容量検出部である容量素子C1と容量素子C2には,強制振動による容量変化(数百Hz)と,加速度による容量変化(DC~数十Hz)とが加わる。この数百Hzの容量変化とDC~数十Hzの容量変化が変調信号(数百kHz)に重畳されることになる。その後,容量電圧変換部1で上述した容量変化が電圧信号に変換される。この電圧信号には,数百Hzの電圧信号とDC~数十Hzの電圧信号が変調信号(数百kHz)に重畳された電圧信号となっている。その後,A/D変換部1と,第1同期検波部1aを経由すると,数百Hzの診断信号と,DC~数十Hzの電圧信号に復元される。そして,物理量算出部902では,ローパスフィルタLPF1によって,数百Hzの診断信号を減衰させて,DC~数十Hzの電圧信号を抽出し,この電圧信号に基づいて加速度信号を算出する。
 一方,第1同期検波部1aから出力された数百Hzの診断信号とDC~数十Hzの電圧信号を含む信号は,バンドパスフィルタBPF1aによって第1同期検波部1aから出力される数百Hzの電圧信号以外の信号を除去した後に,第2同期検波部1bに入力される。この第2同期検波部1bにおいて,数百Hzの診断信号は,診断信号の2倍の周波数(cos2wt)の信号と,DC信号(cos0)に変換される。一方,DC~数十Hzの電圧信号には,coswtが乗算されて数百Hz帯の信号となる。
 続いて,第2同期検波部1bから出力された信号は,バンドパスフィルタBPF1bに入力され,DC信号(cos0)の信号とDC~数十Hzの電圧信号にcoswtが乗算された数百Hz帯の信号が減衰され,診断信号に対応した診断信号の2倍の周波数(cos2wt)の信号が通過する。
 その後,比較判断部では,バンドパスフィルタBPF1bを通過した診断信号の2倍の周波数(cos2wt)の信号の振幅と,振幅基準値とを比較し,加速度センサの異常の有無を判断する。このようにして,本実施例2における加速度センサによれば,加速度を検出しながら,加速度センサの異常の有無を判断することができる。したがって,本実施例2における加速度センサによれば,直ぐに故障を検知することができる。
 具体的に,比較判断部の異常の有無は例えば,以下のように判断することができる。  
 比較判断部に,例えば,所定の振幅基準値を設定し,バンドパスフィルタBPF1bを通過した診断信号905の2倍の周波数(cos2wt)の信号の振幅と比較する。例えば,診断信号生成部903で生成した診断信号が可動体705に印加されているにもかかわらず,バンドパスフィルタBPF1bを通過した診断信号の2倍の周波数(cos2wt)の信号の振幅がほぼ0である場合は,可動部705が固着しているとして故障と判断できる。一方,梁704が破損するなどで可動体705の固有振動数が低下し,印加された加速度に対して可動部705が過剰に変位する感度スケール異常の場合は,バンドパスフィルタBPF1bを通過した診断信号の2倍の周波数(cos2wt)の信号の振幅が振幅基準値よりも大きくなるため,異常と判断することができる。
 また,本実施例2における第一の慣性センサである加速度センサでは,図15に示すように,スイッチSW1によって診断信号生成部903で生成した診断信号をオン/オフすることができる。これにより,以下に示す効果が得られる。例えば,本実施例2における加速度センサを設置している環境が,診断信号生成部903で生成した診断信号と同じ周波数帯の振動外乱を有している場合が想定される。この場合,スイッチSW1を設けていない場合には,可動体705の強制振動が診断信号によるものであるのか,あるいは,振動外乱によるものであるのか判断がつかず誤診断する可能性がある。これに対し,本実施例2における加速度センサではスイッチSW1を設けている。このため,このスイッチSW1を周期的にオン/オフし,サンプルホールドなどの方法により平均化や,スイッチSW1のオン時の出力(バンドパスフィルタBPF1bを通過した診断信号の2倍の周波数(cos2wt)の信号の振幅)とスイッチSW1のオフ時の出力(バンドパスフィルタBPF1bを通過した診断信号の2倍の周波数(cos2wt)の信号の振幅))の差分値を使用して故障を判断するなどの統計的なデータ処理を実施することで,背景の振動外乱の影響を排除することができる。つまり,診断信号生成部903で生成した診断信号と同じ周波数帯の振動外乱によって可動体705が振動している場合は,スイッチSW1のオン/オフにかかわらず,バンドパスフィルタBPF1bから所定の出力信号が出力される。一方,診断信号生成部903で生成する診断信号を可動体705に印加する場合,スイッチSW1をオンにすると,バンドパスフィルタBPF1bから所定の出力信号が出力されるが,スイッチSW1をオフにすると,バンドパスフィルタBPF1bからの出力は0となる。したがって,例えば,スイッチSW1のオン時の出力とスイッチSW1のオフ時の出力の差分値をとれば,可動体705の強制振動が診断信号によるものであるのか,あるいは,振動外乱によるものであるのかを区別することができる。これにより,診断信号と同じ周波数帯の振動外乱が存在する場合でも,誤診断の可能性を抑制することができる。
 さらに,本実施例2における第一の慣性センサである加速度センサでは,図15に示すように,第一の慣性センサである加速度センサの異常の異常判定部904に第二の慣性センサである角速度センサの出力信号(加速度信号)915が,半導体チップ802内部の信号線を経由して接続されている。よって,第一の慣性センサである加速度センサで加速度信号を検出しながら,センサが設置された環境での雑音振動の有無を検知することができるため,診断信号と同じ周波数帯の振動外乱が診断一周期以下の時間だけ存在する場合に生じる異常判定部904でセンサを誤診断する可能性の有無を,常に検知することができる。センサが設置された環境での雑音振動によって異常判定部904でセンサを誤診断する可能性がある場合は,異常判定部904での判定方法を変更すれば,振動雑音環境下で加速度を検出しながら診断を行なう場合であっても,誤診断を抑制した高信頼の加速度センサを提供することができる。
 具体的には,図16に示すように比較判断部の判定方法を定める。第二の慣性センサである角加速センサの出力信号(加速度信号)915があらかじめ定めた電圧値以上の場合は,センサが設置された環境での雑音振動が存在するということであり,つまり比較判断部は誤診断を行う可能性が高いということであるから,通常の比較判断処理ではなく,以下に説明する固着判断処理を行う。固着判断処理では,バンドパスフィルタBPF1bを通過した診断信号905の2倍の周波数(cos2wt)の信号の振幅があらかじめ設定した所定の振幅基準値以下である場合は,センサが設置された環境での雑音振動が存在するのにも関わらず可動体705の変位量が小さく固着不良を起こしていると判定し,判定信号907に異常判定信号を出力する。一方,バンドパスフィルタBPF1bを通過した診断信号905の2倍の周波数(cos2wt)の信号の振幅があらかじめ設定した所定の振幅基準値以上である場合は,判定信号907に異常判定信号を出力せずに,再比較判断を行う工程へ戻る。第二の慣性センサであ角加速センサの出力信号(加速度信号)915があらかじめ定めた電圧値以下の場合は,センサが設置された環境での雑音振動は存在しないということであるから,バンドパスフィルタBPF1bを通過した診断信号905の2倍の周波数(cos2wt)の信号の振幅に対して通常の比較判断処理を行い,センサ異常の有無を判定する。
 尚,本実施例2の加速度センサでは,第一の慣性センサである加速度センサより第二の慣性センサである角速度センサの方が応答帯域が広い加速度センサであるため,第二の慣性センサである角速度センサによってセンサが設置された環境での雑音振動を検出すると,より広い周波数帯域の振動雑音を検出できる。よって,雑音環境下で加速度を検出しながら診断を行なう場合であっても,誤診断を抑制し,さらに高信頼の加速度センサを提供することができる。
 また,本実施例2の加速度センサでは,第一の慣性センサである加速度センサと第二の慣性センサである角速度センサが同一のSOI基板上に形成されているため,第一の慣性センサである加速度センサの設置環境における雑音振動を,第二の慣性センサである角速度センサで検出する精度が高い。よって,雑音環境下で第一の慣性センサである加速度センサで加速度を検出しながら診断を行なう場合であっても,誤診断を抑制し,さらに高信頼のセンサを提供することができる。
 また,本実施例2の加速度センサでは,第一の慣性センサである加速度センサと第二の慣性センサである角速度センサの物理量を算出するための信号処理回路が形成された半導体チップが,第一の慣性センサである加速度センサと第二の慣性センサである角速度センサで同一のものを利用している。よって,第一の慣性センサである加速度センサが,加速度を検出しながら加速度センサの異常の有無を判断するときに参照するセンサ設置環境での雑音振動は,センサユニットの外側にある制御回路を経由せずに,信号処理回路が形成された半導体チップ内部を経由して,第一の慣性センサである加速度センサの診断用比較判断部に入力される。つまり,センサユニット外部の制御回路に負荷をかけることなく加速度を検出しながら診断を行ない,かつ,誤診断を抑制した高信頼の加速度センサを提供することができる。
 また,本実施例2の加速度センサでは,第一の慣性センサとして図10のチップX方向を検出軸とする加速度センサによって自己診断機能の説明をしたが,第一の慣性センサとして図10のチップY方向を検出軸とする加速度センサを設置しても,自己診断機能を実現することが可能である。
 以上述べたように,本実施例によれば,第二のセンサを備えることにより誤診断を抑制できる慣性センサを提供することができる。また,第二のセンサの感度範囲を広くすることにより,より広い周波数帯域やより広い加速度範囲の振動雑音を検出できる。また,2つのセンサが同一の半導体チップ内に形成されているため,外部制御回路への負荷をなくすことができる。
 以上,本願発明を詳細に説明したが,以下に主な発明の形態を列挙する。
(1) 第一の基板と,
  前記第一の基板に形成された第一の空洞部と,
  前記第一の空洞部内に形成された第一の固定部と,
  前記第一の空洞部内に形成され,前記固定部と接続された第一の弾性変形部と,
  前記第一の空洞部内に形成され,前記弾性変形部と接続された第一の可動部と,
  前記第一の空洞部内に形成された第1固定電極と,前記可動部に形成された第1可動電極とを互いに対向させた第1容量素子を含み,前記可動部が外力によって変位することで生じる前記第1容量素子の容量変化を出力する第一の容量検出部と,
  前記第一の容量検出部から出力された容量変化に基づいて前記外力の物理量を求める第一の物理量算出部と接続される第一の物理量算出端子と,
  前記第一の空洞部内に形成された第2固定電極と,前記可動部に形成された第2可動電極とを互いに対向させた第2容量素子を含み,かつ,前記第2固定電極と前記第2可動電極の間に診断信号を印加するための診断信号印加用端子とを含み,前記診断信号印加用端子に診断信号を印加することにより,前記第2固定電極と前記第2可動電極の間に静電気力を発生させて強制振動させる強制振動生成部と,
  前記第一の物理量算出端子と間接的に接続され,前記強制振動生成部で発生した強制振動に基づいて,前記第一の容量検出部の異常の有無を判断する異常判定部と,
  前記第一の基板と同じ車両内に設置された第二の基板と,
  前記第二の基板に形成された第二の空洞部と,
  前記第二の空洞部内に形成された第二の固定部と,
  前記第二の空洞部内に形成され,前記第二の固定部と接続された第二の弾性変形部と,
  前記第二の空洞部内に形成され,前記第二の弾性変形部と接続された第二の可動部と,
  前記第二の空洞部内に形成された第3固定電極と,前記第二の可動部に形成された第3可動電極とを互いに対向させた第3容量素子を含み,前記第二の可動部が外力によって変位することで生じる前記第3容量素子の容量変化を出力する第二の容量検出部と,
  前記第二の容量検出部から出力された容量変化に基づいて前記外力の物理量を求める第2の物理量算出部と接続される第二の物理量算出端子とを備え,
  前記異常判定部は,前記第二の物理量算出端子より得られる値によって異常判定の結果が変更されるものであることを特徴とする慣性センサ。  
(2) 第1可動部と,前記第1可動部の変位量を前記可動部との間の容量を用いて検出する固定電極を備えた第1検出部と,診断信号を印加することにより前記第1可動部を強制振動させる強制振動手段と,前記第1検出部からの検出信号から物理量を算出する第1物理量算出部と,前記第1検出部を介して得られる前記診断信号を用いて前記物理量の異常の有無を判定する異常判定部とを備え,車両内で使用される慣性センサにおいて,
  前記車両と同一車両に搭載され,前記異常判定部へ接続される第2センサを更に有することを特徴とする慣性センサ。
100…半導体チップ,101…枠部,102…空洞部,103…固定部,104…梁,105…可動部,106a…検出用可動電極,106b…検出用固定電極,106c…検出用固定電極,106d…パッド,106e…パッド,107…パッド,108a…診断用可動電極,108b…診断用固定電極,108c…診断用固定電極,108d…パッド,108e…パッド,110…支持基板層,111…絶縁酸化膜層,112…シリコン活性層,200…半導体チップ,201…枠部,202…空洞部,203…固定部,204…梁,205…可動部,206a…検出用可動電極,206b…検出用固定電極,206c…検出用固定電極,206d…パッド,206e…パッド,207…パッド,210…支持基板層,211…絶縁酸化膜層,212…シリコン活性層,300…外枠体,301…接着剤,302…半導体チップ(集積回路),303…接着剤,304a…パッド,304b…パッド,304c…端子,305a…ワイヤ,305b…ワイヤ,306…端子,307…リッド,400…外枠体,401…接着剤,402…半導体チップ(集積回路),403…接着剤,404a…パッド,404b…パッド,404c…端子,405a…ワイヤ,405b…ワイヤ,406…端子,407…リッド,500…第一の加速度センサ,501…変調信号生成部,502…物理量算出部,503…診断信号生成部,504…異常判定部,510…第二の加速度センサ,511…変調信号生成部,512…物理量算出部,520…加速度信号1,521…判定信号,522…加速度信号2,523…診断信号,700…半導体チップ,701…枠部,702…空洞部,703…固定部,704…梁,705…可動部,706a…検出用可動電極,706b…検出用固定電極,706c…検出用固定電極,706d…貫通電極,706e…貫通電極,707…貫通電極,708a…診断用可動電極,708b…診断用固定電極,708c…診断用固定電極,708d…貫通電極,708e…貫通電極,710…支持基板層,711…絶縁酸化膜層,712…シリコン活性層,713…貫通電極材料,714…絶縁材料,715…パッド,716…パッド,722…空洞部,723…固定部,724…梁,725…可動部,726…可動部,727…リンク梁,728a…駆動用可動電極,728b…駆動用固定電極,728c…駆動用固定電極,728d…貫通電極,728e…貫通電極,729a…駆動振幅モニタ用可動電極,729b…駆動振幅モニタ用固定電極,729c…駆動振幅モニタ用固定電極,729d…貫通電極,729e…貫通電極,730a…加速度モニタ用可動電極,730b…加速度モニタ用固定電極,730c…加速度モニタ用固定電極,730d…貫通電極,730e…貫通電極,731…貫通電極,800…外枠体,801…接着剤,802…半導体チップ(集積回路),803…接着剤,804…パッド,805a…ワイヤ,805b…ワイヤ,806…端子,807…端子,808…リッド,809…キャップ,810…MEMSチップ,901…変調信号生成部,902…物理量算出部,903…診断信号生成部,904…異常判定部,905…診断信号,906…加速度信号,907…判定信号,910…駆動信号生成部,911…変調信号生成部,912…演算部,913…物理量算出部,914…角速度信号,915…加速度信号。

Claims (14)

  1.  第一の基板と,
      前記第一の基板に形成された第一の空洞部と,
      前記第一の空洞部内に形成された第一の固定部と,
      前記第一の空洞部内に形成され,前記固定部と接続された第一の弾性変形部と,
      前記第一の空洞部内に形成され,前記弾性変形部と接続された第一の可動部と,
      前記第一の空洞部内に形成された第1固定電極と,前記可動部に形成された第1可動電極とを互いに対向させた第1容量素子を含み,前記可動部が外力によって変位することで生じる前記第1容量素子の容量変化を出力する第一の容量検出部と,
      前記第一の容量検出部から出力された容量変化に基づいて前記外力の物理量を求める第一の物理量算出部と接続される第一の物理量算出端子と,
      前記第一の空洞部内に形成された第2固定電極と,前記可動部に形成された第2可動電極とを互いに対向させた第2容量素子を含み,かつ,前記第2固定電極と前記第2可動電極の間に診断信号を印加するための診断信号印加用端子とを含み,前記診断信号印加用端子に診断信号を印加することにより,前記第2固定電極と前記第2可動電極の間に静電気力を発生させて強制振動させる強制振動生成部と,
      前記第一の物理量算出端子と間接的に接続され,前記強制振動生成部で発生した強制振動に基づいて,前記第一の容量検出部の異常の有無を判断する異常判定部と,
      前記第一の基板と同じ車両内に設置される第二の基板と,
      前記第二の基板に形成された第二の空洞部と,
      前記第二の空洞部内に形成された第二の固定部と,
      前記第二の空洞部内に形成され,前記第二の固定部と接続された第二の弾性変形部と,
      前記第二の空洞部内に形成され,前記第二の弾性変形部と接続された第二の可動部と,
      前記第二の空洞部内に形成された第3固定電極と,前記第二の可動部に形成された第3可動電極とを互いに対向させた第3容量素子を含み,前記第二の可動部が外力によって変位することで生じる前記第3容量素子の容量変化を出力する第二の容量検出部と,
      前記第二の容量検出部から出力された容量変化に基づいて前記外力の物理量を求める第2の物理量算出部と接続される第二の物理量算出端子とを備え,
      前記異常判定部は,前記第二の物理量算出端子より得られる値によって異常判定の結果が変更されるものであることを特徴とする慣性センサ。
  2.  請求項1記載の慣性センサにおいて,
      前記第二の物理量算出端子より出力される物理量の範囲が,前記第一の物理量算出端子より出力される物理量の範囲より広いことを特徴とする慣性センサ。
  3.  請求項1記載の慣性センサにおいて,
      前記第二の物理量算出端子より出力される物理量の周波数応答帯域が,前記第一の物理量算出端子より出力される物理量の周波数応答帯域より広いことを特徴とする慣性センサ。
  4.  請求項1記載の慣性センサにおいて,
      前記第一の容量検出部を含む第一の物理量算出機構が加速度センサで,
      前記第二の容量検出部を含む第二の物理量算出機構が加速度センサであることを特徴とする慣性センサ。
  5.  請求項1記載の慣性センサにおいて,
      前記第一の容量検出部を含む第一の物理量算出機構が加速度センサで,
      前記第二の容量検出部を含む第二の物理量算出機構が角速度センサであることを特徴とする静電容量式センサ。
  6. 請求項1において,
      前記第一の容量検出部を含む第一の物理量算出機構と,前記第二の容量検出部を含む第二の物理量算出機構が同一の基板上に形成されていることを特徴とする慣性センサ。
  7.  請求項1記載の慣性センサにおいて,
      前記異常判定部は,前記第二の物理量算出端子より得られる値と所定の電圧とを比較するものであることを特徴とする慣性センサ。
  8.  請求項7記載の慣性センサにおいて,
      前記異常判定部は,更に前記診断信号の振幅と所定の振幅基準値とを比較するものであることを特徴とする慣性センサ。
  9.  請求項8記載の慣性センサにおいて,
      前記異常判定部は,前記第二の物理量算出端子より得られる値が所定の電圧以下の場合,前記診断信号の振幅と所定の振幅基準値とを比較するものであることを特徴とする慣性センサ。
  10.  請求項1記載の慣性センサにおいて,
      前記第一の空洞部の圧力は前記第二の空洞部とは異なることを特徴とする慣性センサ。
  11.  第1可動部と,前記第1可動部の変位量を前記可動部との間の容量を用いて検出する固定電極を備えた第1検出部と,診断信号を印加することにより前記第1可動部を強制振動させる強制振動手段と,前記第1検出部からの検出信号から物理量を算出する第1物理量算出部と,前記第1検出部を介して得られる前記診断信号を用いて前記物理量の異常の有無を判定する異常判定部とを備え,車両内で使用される慣性センサにおいて,
      前記車両と同一車両に搭載され,前記異常判定部へ接続される第2センサを更に有することを特徴とする慣性センサ。
  12.  請求項11記載の慣性センサにおいて,
      前記第2センサの出力信号は,前記異常判定部へ入力されるものであることを特徴とする慣性センサ。
  13.  請求項12記載の慣性センサにおいて,
      前記物理量は加速度であり,前記第2センサからの出力信号も加速度信号であることを特徴とする慣性センサ。
  14.  請求項11記載の慣性センサにおいて,
      前記強制振動手段は,前記可動部への前記診断信号をオン・オフするスイッチを備えることを特徴とする慣性センサ。
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